JP2020009868A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】前記絶縁基板の片面は、線膨張係数が小さい銅材料から成る前記金属部材１を接合するのに対して、反対面は、銅と比較して線膨張係数の大きいアルミ材料から成る前記金属部材２を接合する場合、接合材料を付ける際の温度変化により、前記金属材料２の変形量が大きくなり、前記金属材料２と前記絶縁基板間の接合材料には大きな歪みが発生してしまう。【解決手段】前記第二金属部材と前記絶縁材料の間に、前記第二金属部材よりも線膨張係数の小さい第三金属部材を備え、前記絶縁材料と前記第三金属部材とが接合部材で接合されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体モジュールに関するものである。

自動車の電動化が急速に進み、ハイブリット自動車や電気自動車等の駆動モータに電流を供給する電力変換装置の需要が高まると同時に、小型化・高出力化の要求も高まっている。電力変換装置に内蔵する半導体モジュールは電流密度の増加に伴い、より大きな熱を発生する事から、例えば、特許文献１のようなパワー半導体素子の両面から冷却する両面冷却構造が必要となる。

特開２００５−０５７２１２号公報

半導体モジュールは、放熱フィンを備えるが、放熱フィンを構成するためには、加工性の優れているアルミ材料が一般的に用いられている。一方で、パワー半導体素子の電気信号を引き出すために接続端子が構成される金属材料として銅が一般的に用いられる。接続端子が構成される金属部材と放熱フィンが構成される金属部材との絶縁を図るため、その間には絶縁部材が設けられ、接着剤等により接合される。

放熱フィンも含めて樹脂封止して半導体モジュールを形成する場合、絶縁部材の両側に線膨張係数が異なる部材が接合されてリフロー工程がなされる。その場合、リフロー時の温度変化により、線膨張係数の違いにより絶縁部材の両側に変形量の差が発生し、その差に起因して一方側に大きなひずみが発生し、接合部材に割れや剥がれが生じてしまう虞があることを本筆者らの検討により見出した。一方で、接続端子と同じ銅でフィンを形成するのは加工性やコスト面で好ましくないという課題が存在する。

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体モジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と接合する第一金属部材と、一面側にフィンが形成される第二金属部材２と、前記第一金属部材と前記第に金属部材の間に存在する絶縁部材と、を備え、少なくとも前記フィンが露出するように、前記パワー半導体素子、前記第一金属部材、前記第二金属部材、前記絶縁部材を封止する封止部材と、を備えた半導体モジュールであって、前記第二金属部材と前記絶縁材料の間に、前記第二金属部材よりも線膨張係数の小さい第三金属部材を備え、前記絶縁材料と前記第三金属部材とが接合部材で接合されている。
請求項に記載の構成を採用する。

本発明によれば、フィンの加工性と接合信頼性を向上する事が可能になる。

本発明の第一の実施形態の半導体モジュールの断面図である。 本発明の第二の実施形態の半導体モジュールの断面図である。 本発明の第三の実施形態の半導体モジュールの断面図である。 本発明の第四の実施形態の半導体モジュールの断面図である。 本発明の第五の実施形態の半導体モジュールの断面図である。

以下、本発明に係る構造の各実施形態を図面に基づいて詳述する。

[第一の実施形態]
図１は、本発明の第一の実施形態の構造を示す断面図である。パワー半導体素子１は、パワー半導体素子２と、パワー半導体素子２の両側に設けられた第一金属部材３と、第一金属部材３の前記パワー半導体素子２との接続面の反対側の面で接続される絶縁部材６と、前記絶縁部材６の第一金属部材３との接続面の反対側の面で接続される第三金属部材５と、第三金属部材５と接続され、フィン４０が形成される第二金属部材４と、を備え、樹脂材料１により第二金属部材のフィン４０が少なくとも露出するように封止される構成を有する。半導体モジュールは、パワー半導体素子２を起点に積層方向（回路面鉛直方向）に略対称形状であり、両面冷却機能を有している。

パワー半導体素子２と第一金属部材３は、第一接合剤１０により接合されている。第一接合材１０は、例えば、はんだ材、ロウ材、焼結材等が考えられる。

第一金属部材３は、略記するが、外部端子機構をしており、外部機構と電気的に接続する。材質としては、銅、銅合金材料等が考えられる。

第一金属部材３と絶縁部材６は、第二接合材１１により接合されている。絶縁部材６は、例えば、絶縁基板、絶縁シート等が考えられ、絶縁部材６が絶縁基板の場合、第二接合材１１は、例えば、はんだ材、ロウ材、焼結材等が考えられる。絶縁部材６が絶縁シートの場合、絶縁機能を有する接着剤等が考えられる。

絶縁部材６は、第一金属部材３と第二金属部材４の間に設けられている。絶縁部材６は、第一金属部材３接合面と反対面において、第三接合材１２を以って、第三金属部材５と接合する。第三接合材１２の材質は、第二接合材１１と同様の材質が考えられる。

第二金属部材４は、フィン４０を備え、パワー半導体２の熱を半導体モジュール外部に放熱する放熱部材としての役割を担う。第二金属部材４は、アルミ、アルミ合金材料等が考えられる。フィン４０の形状はピンフィン、直フィン、波形フィン、コルゲートフィン等様々な形状が考えられる。

第三金属部材５は、第二金属部材４の一部として構成されており、第三金属部材は５は、第一金属部材３と第二金属部材４の間に設けられている。第三金属部材５は、第二金属部材４に対して、線膨張係数が低い金属材料である。言い換えると、第三金属部材５の線膨張係数は第二金属部材４と比較して、より第一金属部材３の線膨張係数に近しい。第三金属部材５は、銅、銅合金材料等が考えられ、第一金属部材３と同じ材料であっても良い。また第三金属部材５は圧入、FSW等の接合、接着剤による接着等、様々な方法で第二金属部材４の一部形状となる事ができる。

樹脂材料１は、パワー半導体素子２、第一金属部材３、第二金属部材４、第三金属部材５、絶縁部材６、第一接合材料１０、第二接合材料１１、及び第三接合材料１２、とを内含しており、パワー半導体素子２、前記各種金属部材、及び前記各種接合材料を保護する役割を果たす。第二金属部材４はフィン４０を含めて一部露出している。樹脂材料１は耐熱に優れた材料が望ましく、例えばエポキシ材料等が考えられる。放熱性能を高める目的で、フィラーを含有していても良い。また樹脂材料１の成形方法としては、射出成形、トランスファー成形、及びポッティング成形等が考えられるが、パワー半導体素子２及び前記各種接合材料が破損しない成形圧力を考慮して、成形する必要がある。

本実施例は、第二金属部材４の一部を、第二金属部材４よりも線膨張係数の小さい、第三金属部材５とし、第三金属部材５と絶縁部材６を、第三接合材１２を以って接合している。第三の金属部材５は、第二金属部材４よりも第一金属部材３に近い線膨張係数を備えることで、温度変化による絶縁部材６の両側における変形量の差を低減でき、金属部材４側の反りが低減される。その結果、これまで第三接合材１２側に集中していた歪み量を低減するという特有の効果を本実施例により奏することが可能となる。

より好ましくは、第一金属部材３と、第三金属部材５を同じ材料で構成するとよい。

なお、本構造は複数の接合材を用いている事から、接合プロセスが複数になる。接合信頼性の観点より、例えば、接合材にはんだ材料を用いた場合、第一接合材１０のはんだ融点が最も高く、第三接合材１２のはんだ融点を最も低くする事で、第三接合材１２の接合時に、第一接合材１０及び第二接合材１１のはんだ再溶融を防止し、接続信頼性の確保が可能になる。

[第二の実施形態]
図２は、本発明の第二の実施形態の構造を示す断面図である。第一の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

第一の実施形態では、第二金属部材４の一部として１つの第三金属部材が第二金属部材に設けられた凹内に圧入等で設けられていたが、本実施形態では、複数の第三金属部材５が、第二金属部材４の一部を形成するようにしている。そして、複数の第三金属部材５に対応する複数の第三接合部材１２により、複数の第三金属部材５は絶縁部材６に接合される。ここで、第二金属部材４は絶縁部材６と第三接合剤１２により接合されておらず、第二金属部材４の第三金属部材５が設けられていない箇所と、絶縁部材６との間にできる隙間は樹脂材料１で充填されている。

第三接合材１２の大きさは第三金属部材５の大きさに依存する。第三金属部材５を複数にする事で、第三接合材１２の大きさを小さくすることで、はんだ付け時のボイド発生の抑制に繋がり、接続信頼性の向上と歩留り向上が可能となる。

[第三の実施形態]
図３は、本発明の第三の実施形態の構造を示す断面図である。なお、第一の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

第一実施形態では、第二金属部材が第三金属部材５を内含するように形成しているのに対して、本実施形態では、第三金属部材５が第二金属部材４を内含するように形成している。フィン４０は複雑な形状であり、成形するには、例えばアルミ材料等の柔らかい金属材料を用いる事が望ましい。本構造は、成形の難しいフィン４０及びその近傍のみ柔らかい金属材料として、周辺を熱伝導性に優れ、且つ線膨張係数の小さい金属材料にする事で、フィン４０の成形性を確保しつつ、フィン４０と絶縁部材６との接合信頼性を確保できるため、放熱性能と接合信頼性の両立が可能となる。また熱伝導性に優れた第三金属部材５の面積は、絶縁部材６の面積以上としている。即ち、絶縁部材６及び第三接合材１２を介して伝わる熱は、第三金属部材５にて広く拡散する事が可能となり、更なる放熱性能向上が期待できる。

[第四の実施形態]
図４は、本発明の第四の実施形態の構造を示す断面図である。なお、第一の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

第一の実施形態では、一つのパワー半導体素子２を備えていたのに対して、本実施形態では、複数のパワー半導体素子２を備える構造を示す。複数のパワー半導体素子２を備えている事で、発生する熱はより大きくなるので、チップの温度上昇が課題になる。温度上昇が大きいほど、接合部材の接合信頼性が低下する傾向にあるので、本構造を採用する事で、放熱性能を低下する事なく、接合信頼性を確保する事が可能になる。

[第五の実施形態]
図５は、本発明の第五の実施形態の構造を示す断面図である。なお、第一の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

本実施形態は、第一の実施形態の構成に加えて、第二金属部材４と第三金属部材５の間に、薄膜の熱伝導材５０を備えている。第三金属部材５を第二金属部材４と一体成形する際に、界面に微小な空隙が生じる可能性があり、前記空隙は放熱性能の低下をもたらす。第三金属部材５と第二金属部材４を一体成形する前に、少なくともどちらか一方に熱伝導材５０を配置し、一体化する際に、第三金属部材５と第二金属部材４の界面に熱伝導材５０が充填される事で、前記空隙を抑制する事が可能になる。熱伝導材５０は様々な材料が考えられ、熱伝導性の高いグリス、接着剤、はんだ材、焼結材等が挙げられる。

尚、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれている。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明する為に詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることは可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を付け加えることも可能である。また、他実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることは可能である。例えば、樹脂材料１、第一金属部材３、第二金属部材４、第三金属部材５、フィン４０等は様々な形を採用することができる。

１：樹脂材料
２：パワー半導体素子
３：第一金属部材
４：第二金属部材
５：第三金属部材
６：絶縁部材
１０：第一接合材料
１１：第二接合材料
１２：第三接合材料
４０：フィン
５０：熱伝導材

Claims (12)

1. パワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子と接合する第一金属部材と、
   一面側にフィンが形成される第二金属部材２と、
   前記第一金属部材と前記第に金属部材の間に存在する絶縁部材と、を備え、
   少なくとも前記フィンが露出するように、前記パワー半導体素子、前記第一金属部材、前記第二金属部材、前記絶縁部材を封止する封止部材と、を備えた半導体モジュールであって、
   前記第二金属部材と前記絶縁材料の間に、前記第二金属部材よりも線膨張係数の小さい第三金属部材を備え、
   前記絶縁材料と前記第三金属部材とが接合部材で接合されている半導体モジュール
2. 前記第二金属部材に設けられた凹部に前記第三金属部材が設けられている請求項１に記載の半導体モジュール
3. 前記第三金属部材と前記凹部を複数有し、複数の前記金属部材が前記絶縁部材に接合されている請求項２に記載の半導体モジュール
4. 前記第三金属部材に設けられた凹部に、前記第二金属部材が設けられている請求項１に記載の半導体モジュール
5. 前記第三金属部材の面積が、前記絶縁部材の面積よりも大きい請求項４に記載の半導体モジュール
6. 前記第一金属部材と前記第三金属部材が同じ線膨張係数である請求項１乃至５の何れかに記載の半導体モジュール
7. 前記第二金属部材と前記第三金属部材の間に熱伝導材が設けられている請求項１乃至５の何れかに記載の半導体モジュール
8. 前記第二金属部材と前記第三金属部材は圧入により固定されている請求項１乃至５の何れかに記載の半導体モジュール
9. 前記接合部材は焼結材料である請求項１乃至５の何れかに半導体モジュール
10. 前記パワー半導体素子と前記第一金属部材を接続する接合部材は、前記第三金属部材と前記絶縁部材を接合する接合部材よりも、融点が高い材料で構成される請求項１乃至５の何れかに記載の半導体モジュール
11. 前記第二の金属部材の前記第三金属部材が設けられていない部分と、前記絶縁部材の間は、前記封止部材で充填されている請求項３に記載の半導体モジュール
12. 前記パワー半導体素子を起点に積層方向に略対称形状を備え、両面冷却機能を備える請求項１乃至１１の何れかに記載の半導体モジュール

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