JP2018182175A - パワー半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】パワー半導体モジュールの小型化を図るとともに、位置決め治具を用いることなく冷却器に対する絶縁基板の位置決めをすること。【解決手段】パワー半導体モジュール１０は、冷却器２０と、前記冷却器２０に実装される絶縁基板３０とを含む。前記絶縁基板３０は、電気絶縁性を有した絶縁層３１と、前記絶縁層３１の第１の面３１ａに設けられた第１の金属層３２と、前記絶縁層３１の第２の面３１ｂに設けられた第２の金属層３３とからなる。前記第２の金属層３３には、少なくとも１個の半導体素子４１が実装されている。前記冷却器２０は、前記絶縁基板３０が実装される側の実装表面２１に凹部２２を有する。前記凹部２２に前記第１の金属層３２が嵌め込まれて位置している。【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体モジュールの改良技術に関する。

近年、大電流、高電圧の環境下であっても動作可能なパワー半導体モジュールが、様々な分野で用いられるようになってきている。この種のパワー半導体モジュールの技術が種々提案されてきた（例えば、特許文献１）。

特許文献１で知られているパワー半導体モジュールは、平板状の金属製ベース板（冷却器に相当）と、この金属製ベース板に実装される絶縁基板及びケースとを備える。絶縁基板は、セラミック板と、このセラミック板の下面に設けられた金属製の放熱板と、セラミック板の上面に設けられた金属製の回路板とからなる。放熱板は、ハンダ層によって金属製ベース板に実装されている。回路板には、ハンダ層によって半導体チップ（半導体素子に相当）が実装されている。絶縁基板及び半導体チップは、ケースに収容されている。ケースの内部はゲルによって封止されている。このように、半導体チップ及びケースは、金属製ベース板に実装されている。

しかし、特許文献１で知られているパワー半導体モジュールは、単に平板状の金属製ベース板の上面に絶縁基板を実装し、この絶縁基板の上面に半導体チップを実装する構成である。このため、金属製ベース板から半導体チップまでの高さが比較的高い。パワー半導体モジュールの小型化を図るには、改良の余地がある。また、絶縁基板は、金属製ベース板に対して正確に位置決めできることが求められる。そのためには、何等かの位置決め治具を用いる必要がある。

特開２００７−１１００００号公報

本発明は、パワー半導体モジュールの小型化を図るとともに、位置決め治具を用いることなく冷却器に対する絶縁基板の位置決めをすることができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、冷却器と、前記冷却器に実装される絶縁基板とを含み、前記絶縁基板は、電気絶縁性を有した絶縁層と、前記絶縁層の第１の面に設けられた第１の金属層と、前記絶縁層の第２の面に設けられた第２の金属層とからなり、前記第２の金属層に少なくとも１個の半導体素子が実装されたパワー半導体モジュールにおいて、
前記冷却器は、前記絶縁基板が実装される側の実装表面に凹部を有し、前記凹部に前記第１の金属層が嵌め込まれて位置していることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、前記凹部の底面及び内周面と、前記第１の金属層の底面及び外周面との間には、ハンダ層が介在しており、前記第１の金属層の底面及び外周面は、前記凹部の底面及び内周面に位置する前記ハンダ層を介して実装されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、前記凹部は、前記凹部の底面から開口へ向かって突出した突起部を有し、前記突起部の先端面は、前記凹部の底面に対する前記第１の金属層の平行度を規定していることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、前記パワー半導体モジュールを、前記半導体素子側から前記冷却器側へ向かって見たときに、前記凹部の輪郭は、矩形であり、前記第１の金属層の輪郭は、矩形であるとともに、前記矩形の四隅に切欠き部を有していることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、凹部に第１の金属層を嵌め込んだ分、冷却器の実装表面から第２の金属層までの高さを低くすることができる。この結果、パワー半導体モジュールの小型化を図ることができる。また、凹部に第１の金属層を嵌め込むことによって、位置決め治具を用いることなく、冷却器に対する絶縁基板の位置決めを正確に且つ容易に行うことができる。

請求項２に係る発明では、絶縁基板から冷却器へ放熱する放熱経路は、第１の金属層の底面からハンダ層を介して凹部の底面へ放熱する第１放熱経路と、第１の金属層の外周面からハンダ層を介して凹部の内周面へ放熱する第２放熱経路の、２経路ある。絶縁基板から冷却器へ放熱する放熱面積は、第２放熱経路を有する分だけ増大する。この結果、パワー半導体モジュールの放熱性を高めることができる。

請求項３に係る発明では、突起部の先端面に第１の金属層を重ねるだけで、凹部の底面に対して第１の金属層を平行になるように容易に且つ確実に位置決めをすることができる。例えば、溶融ハンダを充填した凹部に第１の金属層を嵌め込んだ場合であっても、凹部の底面に対して第１の金属層を平行になるように、確実に位置決めをすることができる。

請求項４に係る発明では、溶融ハンダを充填した凹部に第１の金属層を嵌め込んだ、実装初期の時点では、第１の金属層は溶融ハンダの上に浮いた状態となる。この状態において、第１の金属層は、矩形の四隅にそれぞれ切欠き部を有しているので、単なる矩形である場合に比べて、溶融ハンダの表面張力が働きやすい。このため、第１の金属層の外周面と凹部の内周面との間に入り込んだ、溶融ハンダの表面張力によって、第１の金属層を凹部の中心に寄せやすくなる。この結果、冷却器に対する絶縁基板の位置決めを、より正確に行うことができる。

本発明の実施例及び変形例１によるパワー半導体モジュールの構成図である。 本発明の変形例２によるパワー半導体モジュールの構成図である。 本発明の変形例３によるパワー半導体モジュールの構成図である。

本発明を実施するための形態を添付図に基づいて以下に説明する。

実施例に係るパワー半導体モジュールについて図面に基づき説明する。

図１（ａ）は、パワー半導体モジュールの断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示されるパワー半導体モジュールの分解図である。

図１（ａ）、（ｂ）に示されるように、パワー半導体モジュール１０は、冷却器２０と、この冷却器２０に実装される絶縁基板３０と、この絶縁基板３０に実装される半導体素子４１とを有している、いわゆる電子回路ユニットである。

冷却器２０は、アルミニウム合金等の金属製の平面視矩形状の部材であって、例えばダイキャスト品からなる。この冷却器２０は、絶縁基板３０が実装される側の平坦な実装表面２１と、この実装表面２１に形成されてなる凹部２２とを有する。この実装表面２１は、凹部２２の開口２２ａ側の端面である。パワー半導体モジュール１０を、半導体素子４１側から冷却器２０側へ向かって（矢印Ｉａ方向へ）見たときに、つまり実装表面２１側から見て、凹部２２の輪郭は矩形である。凹部２２の底面２２ｂは、実装表面２１に対して平行な平坦面である。

絶縁基板３０は、平面視矩形状の部材であり、電気絶縁性を有した絶縁層３１と、この絶縁層３１の第１の面３１ａに設けられた第１の金属層３２と、絶縁層３１の第２の面３１ｂに設けられた第２の金属層３３とからなる。

絶縁層３１は、凹部２２の開口２２ａ全体を覆うことが可能な大きさの、平面視矩形状の平板であり、例えばセラミック板からなる。この絶縁層３１の第１の面３１ａは、冷却器２０の実装表面２１に向かい合っている。第１の金属層３２は、アルミニウム合金や銅合金等の金属製の平面視矩形状の平板であり、絶縁層３１の第１の面３１ａに接合されている。この第１の金属層３２の輪郭の大きさは、絶縁層３１の輪郭の大きさよりも小さい。この第１の金属層３２は、凹部２２に嵌め込まれて位置している。第２の金属層３３は、アルミニウム合金や銅合金等の金属製の平面視矩形状の平板であり、絶縁層３１の第２の面３１ｂに接合されている。

この第２の金属層３３には、少なくとも１個の半導体素子４１がハンダ層４２によって実装されている。この半導体素子４１は、ＩＧＢＴ等の発熱性が高いパワー半導体を含んでいる。

以上の説明から明らかなように、凹部２２に第１の金属層３２を嵌め込んだ分、冷却器２０の実装表面２１から第２の金属層３３までの高さを低くすることができる。この結果、パワー半導体モジュール１０の小型化を図ることができる。また、凹部２２に第１の金属層３２を嵌め込むことによって、位置決め治具を用いることなく、冷却器２０に対する絶縁基板３０の位置決めを正確に且つ容易に行うことができる。

図１（ａ）に示されるように、凹部２２の底面２２ｂ及び内周面２２ｃと、第１の金属層３２の底面３２ａ及び外周面３２ｂとの間には、ハンダ層４３が介在している。第１の金属層３２の底面３２ａ及び外周面３２ｂは、凹部２２の底面２２ｂ及び内周面２２ｃに位置するハンダ層４３を介して実装されている。

この結果、絶縁基板３０から冷却器２０へ放熱する放熱経路は、第１の金属層３２の底面３２ａからハンダ層４３を介して凹部２２の底面２２ｂへ放熱する第１放熱経路と、第１の金属層３２の外周面３２ｂからハンダ層４３を介して凹部２２の内周面２２ｃへ放熱する第２放熱経路の、２経路ある。絶縁基板３０から冷却器２０へ放熱する放熱面積は、第２放熱経路を有する分だけ増大する。この結果、パワー半導体モジュール１０の放熱性を高めることができる。

ハンダ層４３による実装方法については、例えば次のように実施する。先ず、図１（ｂ）に示されるように、凹部２２に溶融ハンダ４４を予め設定された所定量だけ充填する。次に、凹部２２に第１の金属層３２を嵌め込む。この結果、凹部２２内の溶融ハンダ４４は第１の金属層３２によって押し出され、凹部２２の開口２２ａまたは開口２２ａ付近まで上昇した後に固まり、図１（ａ）に示されるハンダ層４３となる。このため、第１の金属層３２の底面３２ａ及び外周面３２ｂは、凹部２２の底面２２ｂ及び内周面２２ｃに位置するハンダ層４３を介して実装される。

このように、溶融ハンダ４４を予め所定量だけ充填した凹部２２に、第１の金属層３２を嵌め込むだけで、溶融ハンダ４４を第１の金属層３２の外周面３２ｂと凹部２２の内周面２２ｃとの間に、且つ凹部２２の開口２２ａまで充填することができる。従来の冷却器のように平坦な実装面に第１の金属層を溶融ハンダによって実装する構造と違い、溶融ハンダが冷却器と第１の金属層との間から流れ出さないように、抑制することができる。しかも、この溶融ハンダ４４が固化することによって、冷却器２０に対する絶縁基板３０及び半導体素子４１の最終的な位置決め、固定をして、確実に実装することができる。

＜変形例１＞
変形例１のパワー半導体モジュール１０Ａを図１（ｃ）を参照しつつ説明する。図１（ｃ）は、変形例１のパワー半導体モジュール１０Ａの要部を拡大した断面構造を示し、上記図１（ａ）に対応している。

変形例１のパワー半導体モジュール１０Ａは、図１（ａ）、（ｂ）に示される冷却器２０を、図１（ｃ）に示される冷却器２０Ａに変更したことを特徴とし、その他の構成は、上記図１（ａ）、（ｂ）に示されるパワー半導体モジュール１０と同じである。

詳しく述べると、変形例１の冷却器２０Ａは、凹部２２の開口２２ａの縁にハンダ逃げ部５０を有している。このハンダ逃げ部５０は、実装表面２１に形成されてなる浅い環状の空間部であり、凹部２２の開口２２ａを全体にわたって囲っている。このハンダ逃げ部５０は、開口２２ａに対し、全周にわたって開放している。このハンダ逃げ部５０の外径は、絶縁層３１の外径よりも大きい。

上記図１（ｂ）に示されるように、溶融ハンダ４４が充填されている凹部２２に対して、第１の金属層３２を嵌め込んだ際に、溶融ハンダ４４は第１の金属層３２によって押し出され、凹部２２の開口２２ａまで上昇する。凹部２２に充填する溶融ハンダ４４の充填量が多い場合には、開口２２ａから周囲へ流出し得る。この流出した溶融ハンダ４４は、絶縁層３１の第２の面３１ｂへ裏回りすると、第２の金属層３３に接触する心配がある。

これに対して変形例１では、図１（ｃ）に示されるように、実装表面２１にハンダ逃げ部５０を有している。このため、開口２２ａから周囲へ流出した溶融ハンダ４４は、ハンダ逃げ部５０へ流れ込む。つまり、流出した溶融ハンダ４４をハンダ逃げ部５０へ逃がすことができる。従って、流出した溶融ハンダ４４が、絶縁層３１の第２の面３１ｂへ裏回りすることはない。凹部２２に充填する溶融ハンダ４４の充填量を、厳密に管理する必要がないので、管理工数を抑制することができる。

変形例１の、その他の作用、効果は、上記図１（ａ）、（ｂ）に示される実施例のパワー半導体モジュール１０の作用、効果と実質的に同じである。

＜変形例２＞
変形例２のパワー半導体モジュール１０Ｂを図２（ａ）、（ｂ）を参照しつつ説明する。図２（ａ）は、変形例２のパワー半導体モジュール１０Ｂの断面図であり、上記図１（ｃ）に対応している。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示されるパワー半導体モジュール１０Ｂの分解図である。

変形例２のパワー半導体モジュール１０Ｂは、変形例１の更なる変形例であり、図１（ｃ）に示される冷却器２０Ａを、図２（ａ）、（ｂ）に示される冷却器２０Ｂに変更したことを特徴とし、その他の構成は、上記図１（ｃ）に示されるパワー半導体モジュール１０Ａと同じである。

詳しく述べると、変形例２の冷却器２０Ｂは、凹部２２に少なくとも１つの突起部６０を有する。この突起部６０は、凹部２２の底面２２ｂから開口２２ａへ向かって突出している。突起部６０の先端面６０ａは、凹部２２の底面２２ｂに対して平行な平坦面であり、凹部２２の底面２２ｂに対する第１の金属層３２の平行度を規定している。

突起部６０の先端面６０ａに第１の金属層３２を重ねるだけで、凹部２２の底面２２ｂに対して第１の金属層３２を平行になるように容易に且つ確実に位置決めをすることができる。例えば、溶融ハンダ４４を充填した凹部２２に第１の金属層３２を嵌め込んだ場合であっても、凹部２２の底面２２ｂに対して第１の金属層３２を平行になるように、確実に位置決めをすることができる。この場合に、溶融ハンダ４４は、突起部６０の先端面６０ａと第１の金属層３２の底面３２ａとの間に、若干介在し得る。

変形例２の、その他の作用、効果は、上記図１（ａ）、（ｂ）に示される実施例のパワー半導体モジュール１０の作用、効果と実質的に同じである。なお、変形例２では、ハンダ逃げ部５０の有無は任意である。

＜変形例３＞
変形例３のパワー半導体モジュール１０Ｃを図３（ａ）〜（ｄ）を参照しつつ説明する。図３（ａ）は、冷却器２０と絶縁基板３０Ｃとを分解した図であり、図１（ｂ）に対応している。つまり、図３（ａ）は、溶融ハンダ４４を充填した凹部２２に対して第１の金属層３２Ｃを嵌め込む前の構成を示している。図３（ｂ）は、溶融ハンダ４４を充填した凹部２２に対して第１の金属層３２Ｃを嵌め込む過程を示す図である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）のｃ−ｃ線に沿った断面図である。図３（ｄ）は、パワー半導体モジュール１０Ｃの断面図であり、図１（ａ）に対応している。

変形例３のパワー半導体モジュール１０Ｃは、図１（ａ）、（ｂ）に示される絶縁基板３０の第１の金属層３２を、図３（ａ）〜（ｄ）に示される絶縁基板３０Ｃの第１の金属層３２Ｃに変更したことを特徴とし、その他の構成は、上記図１（ａ）、（ｂ）に示されるパワー半導体モジュール１０と同じである。

詳しく述べると、変形例３のパワー半導体モジュール１０Ｃを、半導体素子４１側から冷却器２０側へ向かって（矢印Ｉａ方向へ）見たときに、第１の金属層３２Ｃの輪郭は、矩形であるとともに、この矩形の四隅にそれぞれ切欠き部３２ｎを有している。これに対し、パワー半導体モジュール１０Ｃを矢印Ｉａ方向に見たときに、冷却器２０の凹部２２の輪郭は矩形である。

次に、冷却器２０に絶縁基板３０Ｃを実装する過程について説明する。図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、溶融ハンダ４４を充填した凹部２２に対して、第１の金属層３２Ｃを嵌め込む、つまり凹部２２に絶縁基板３０Ｃを実装する。この実装初期の時点では、第１の金属層３２Ｃは溶融ハンダ４４の上に浮いた状態となる（第１の金属層３２Ｃの一部が、溶融ハンダ４４に浸かっている状態を含む）。この状態において、第１の金属層３２Ｃは、矩形の四隅にそれぞれ切欠き部３２ｎを有しているので、単なる矩形である場合に比べて、溶融ハンダ４４の表面張力が働きやすい。このため、図３（ｂ）、（ｃ）に示されるように、第１の金属層３２Ｃの外周面３２ｂと凹部２２の内周面２２ｃとの間に入り込んだ、溶融ハンダ４４の表面張力によって、第１の金属層３２Ｃを凹部２２の中心に寄せやすくなる。この結果、冷却器２０に対する絶縁基板３０Ｃの位置決めを、より正確に行うことができる。

同時に、凹部２２内の溶融ハンダ４４は第１の金属層３２によって押し出され、凹部２２の開口２２ａまたは開口２２ａ付近まで上昇した後に固まり、図３（ｄ）に示されるハンダ層４３となる。このため、第１の金属層３２Ｃの底面３２ａ及び外周面３２ｂは、凹部２２の底面２２ｂ及び内周面２２ｃに、ハンダ層４３によって実装される。

変形例３の、その他の作用、効果は、上記図１（ａ）、（ｂ）に示される実施例のパワー半導体モジュール１０の作用、効果と実質的に同じである。なお、変形例３では、図１（ｃ）に示されるハンダ逃げ部５０の有無は任意である。

なお、上記図１（ａ）、（ｂ）に示される実施例のパワー半導体モジュール１０では、ハンダ層４３は、凹部２２に充填された溶融ハンダ４４の固化による構成に限定されるものではなく、例えば凹部２２に配置した板ハンダ（板ハンダ材）によって構成してもよい。その場合には、ハンダ層４３は、凹部２２の底面２２ｂ及び内周面２２ｃと、第１の金属層３２の底面３２ａ及び外周面３２ｂと、の間に設置された板ハンダによって構成される。

本発明は、車両に搭載されるパワー半導体モジュールに好適である。

１０，１０Ａ〜１０Ｃ…パワー半導体モジュール、２０，２０Ａ，２０Ｂ…冷却器、２１…冷却器の実装表面、２２…凹部、２２ａ…凹部の開口、２２ｂ…凹部の底面、２２ｃ…凹部の内周面、３０，３０Ｃ…絶縁基板、３１…絶縁層、３１ａ…絶縁層の第１の面、３１ｂ…絶縁層の第２の面、３２，３２Ｃ…第１の金属層、３２ａ…第１の金属層の底面、３２ｂ…第１の金属層の外周面、３２ｎ…切欠き部、３３…第２の金属層、４１…半導体素子、４３…ハンダ層、４４…溶融ハンダ、６０…突起部、６０ａ…突起部の先端面。

Claims (4)

1. 冷却器と、前記冷却器に実装される絶縁基板とを含み、
   前記絶縁基板は、電気絶縁性を有した絶縁層と、前記絶縁層の第１の面に設けられた第１の金属層と、前記絶縁層の第２の面に設けられた第２の金属層とからなり、
   前記第２の金属層に少なくとも１個の半導体素子が実装されたパワー半導体モジュールにおいて、
   前記冷却器は、前記絶縁基板が実装される側の実装表面に凹部を有し、
   前記凹部に前記第１の金属層が嵌め込まれて位置していることを特徴とするパワー半導体モジュール。
2. 前記凹部の底面及び内周面と、前記第１の金属層の底面及び外周面との間には、ハンダ層が介在しており、
   前記第１の金属層の底面及び外周面は、前記凹部の底面及び内周面に位置する前記ハンダ層を介して実装されていることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
3. 前記凹部は、前記凹部の底面から開口へ向かって突出した突起部を有し、
   前記突起部の先端面は、前記凹部の底面に対する前記第１の金属層の平行度を規定していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
4. 前記パワー半導体モジュールを、前記半導体素子側から前記冷却器側へ向かって見たときに、
   前記凹部の輪郭は、矩形であり
   前記第１の金属層の輪郭は、矩形であるとともに、前記矩形の四隅に切欠き部を有していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。

Images