JP2023112990A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性、耐振性、接続信頼性、絶縁信頼性を向上させた電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、半導体素子と２つのヒートスプレッダと外部端子とを有した半導体装置と、第１の絶縁層を有する回路基板と、冷却器と、を備え、前記回路基板は、前記半導体装置が設置される凹部と、前記凹部の底面を形成する第１の導体層と、前記第１の導体層とは異なる層に配設されるとともに前記凹部において少なくとも一部が露出している第２の導体層と、を有し、一方の前記ヒートスプレッダは、前記凹部の底面に接し、第１の金属接合材を介して前記第１の導体層と接合され、前記外部端子は、第２の金属接合材を介して前記第２の導体層と接合され、他方の前記ヒートスプレッダは、前記第１の絶縁層とは異なる第２の絶縁層を介して前記冷却器が圧接されている。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、半導体装置に関する。

パワー半導体素子を用いた電力変換装置は、民生用、自動車用、鉄道用、産業用、インフラ用などの分野に幅広く利用されている。例えば自動車用のパワー半導体素子は、モータで駆動する電気自動車（ＥＶ）や、モータ駆動とエンジン駆動を組み合わせたハイブリッドカー（ＨＥＶ）などで適用されている。これらＥＶやＨＥＶでは、バッテリーの直流電圧を、パワー半導体素子のスイッチングにより、擬似的な交流電圧を作りだし、高効率にモータを駆動させている。このパワー半導体素子を備えた電力変換装置では、高電圧となる回路部品をプリント基板に信頼性を損なわないように実装することが求められている。

特許文献１では、プリント基板の厚さ方向に凹部を形成し、その凹部に高電圧となる回路部品を配置し、かつ凹部に絶縁材料が充填し、高電圧部品の絶縁性の確保と絶縁材料の塗布における部品点数及び製造工数の増大を抑制している電気装置の構成が開示されている。

特開２０２０－７７７４４号公報

電子部品を備えたパワーモジュールの発熱量が増大した場合に、冷却器に放熱する必要があるが、従来の構成において、基板に備えるパワーモジュールの設置状況によっては放熱性が下がり、装置全体の信頼性が低下する可能性がある。これを鑑みて、本発明は放熱性、耐振性、接続信頼性、絶縁信頼性を向上させた電力変換装置を提供することが目的である。

本発明の電力変換装置は、半導体素子と、前記半導体素子の両面に対してそれぞれ一方の面側で接合される２つのヒートスプレッダと、外部端子と、を有し、２つの前記ヒートスプレッダの他方の面と前記外部端子の一部が露出されるように、絶縁樹脂で封止された半導体装置と、前記半導体装置が実装され、第１の絶縁層を有する回路基板と、前記半導体装置を冷却するための冷却器と、を備え、前記回路基板は、前記半導体装置が設置される凹部と、前記凹部の底面を形成する第１の導体層と、前記第１の導体層とは異なる層に配設されるとともに前記凹部において少なくとも一部が露出している第２の導体層と、を有し、２つの前記ヒートスプレッダのうち一方の前記ヒートスプレッダは、前記他方の面で前記凹部の底面に接し、第１の金属接合材を介して前記第１の導体層と接合され、前記外部端子は、第２の金属接合材を介して前記第２の導体層と接合され、２つの前記ヒートスプレッダのうち他方の前記ヒートスプレッダは、前記他方の面で前記第１の絶縁層とは異なる第２の絶縁層を介して前記冷却器が圧接されている。

本発明によれば、放熱性能、耐振性、接続信頼性、絶縁信頼性を向上させた電力変換装置を提供できる。

従来の電力変換装置の断面図である。 本発明の電力変換装置の一実施の形態の断面構造を示す図である。 半導体装置の断面構造を示す図である。 本発明の電力変換装置の一実施の形態の断面構造を示す図である。 本発明の電力変換装置の一実施の形態の断面構造を示す図である。 第一導体層を形成する工程を示す回路基板の断面図である。 本発明の電力変換装置の一実施の形態に係る、第一導体層を形成する工程を示す回路基板の断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

（従来の構成）
（図１）
電力変換装置に備える電子部品１０は、回路基板２０の回路導体２２と接続するための外部端子１５を有している。回路基板２０は、回路導体２２を含む回路パターンを保護するために、絶縁膜であるソルダーレジスト２３が表面全体に設けられている。

電子部品１０は例えばパワー半導体素子（以下、半導体素子）を備えたパワーモジュール（半導体装置）などの精密機器であった場合に、回路基板２０においては絶縁性の樹脂で保護する必要がある。そのため、回路基板２０に凹部２４を形成し、その凹部２４の内部に電子部品１０を配置し、凹部２４と電子部品１０との間に絶縁性の樹脂充填材３３を充填させる。また、凹部２４の底面（回路基板２０の絶縁層２１）を間にして反対側に水路４２を有する冷却器４１を配置する。このようにすることで、電子部品１０の安定性と放熱性とを両立させた電力変換装置が実現し、信頼性が向上する。

しかしながら、例えば、パワーモジュールは凹部２４への配置の際に、接合に用いるはんだペーストが一定ではない場合、回路基板２０に対してずれて設置されたり、傾いて設置されたりすることで、電気的接続や安定性に対して信頼性が維持できなくなる可能性がある。

（本発明の一実施形態に係る電力変換装置）
（図２Ａ，図２Ｂ）
電力変換装置の基本構造について説明する。電力変換装置１００は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子１１を含んで構成されたパワーモジュール（半導体装置１０）、プリント回路基板２０、冷却器４１、バスバ、キャパシタ等（図示なし）で構成されている。なお図２Ａでは、電力変換装置１００が２つの半導体装置１０を有し、これらが回路基板２０上に搭載されている例を示しているが、半導体装置１０の個数は２つに限定されず、任意の個数とすることができる。電力変換装置１００において、半導体素子１１での大電流のスイッチングで半導体装置１０は発熱し、また、回路基板２０、バスバ、キャパシタ等も、各材料の電気的な抵抗成分による損失で、それぞれに流れる電流の二乗の積に比例して発熱する。冷却器４１は、これらの発熱部品を冷却している。

このような構造を搭載した電力変換装置１００は、ＨＥＶやＥＶに搭載される。エンジンの駆動力にモータの駆動力を補助して走行するＨＥＶに対し、ＥＶでは純粋に電気の力であるモータの駆動力のみで走行するため、電力変換装置１００にはより大きな電力が扱えることが求められている。電流を大きくする場合には、電流の二乗に比例して損失が増加し発熱量が増大するため、発熱を低減するためには、電力変換装置１００に使用される導体量を増やし、導体抵抗を下げる必要がある。結果として、電力変換装置１００の体積と重量が大きくなり、大型化の原因になる。また、ＥＶでは航続距離の拡大が課題になっている理由で、搭載するバッテリーの容量を大きくする必要があり、これに伴い、電力変換装置１００の小型軽量化が求められている。

半導体装置１０について説明する。半導体素子１１の両面にヒートスプレッダ１２，１３をはんだ（図示なし）を介して接合し、半導体素子１１（の制御端子）と外部端子１５との間を、ワイヤ１４を用いて電気的に接合する。ヒートスプレッダ１２，１３は半導体素子１１と接合されている面とは反対側の面が露出されている状態で、かつ外部端子１５はその一部が露出されている状態で、半導体装置１０を絶縁樹脂１６によるトランスファーモールドで封止する。

半導体装置１０は、半導体素子１１の両面にヒートスプレッダ１２，１３が接合されることで電気的に接続され、また、半導体素子１１を回路基板２０と電気的に接続するための外部端子１５を備えている。また、ヒートスプレッダ１２は、半導体素子１１と接合されていない他方の面で回路基板２０に設けられた凹部２４の底面と接続され、ヒートスプレッダ１３は半導体素子１１と接合されていない他方の面で冷却器４１と接続されている。なお、半導体素子１１は例えばＩＧＢＴであり、コレクタ電極側に接続されるヒートスプレッダ１２が凹部２４の底面に接合される。

半導体装置１０が配置される回路基板２０は、凹部２４の底面に設けられている第１の導体層２５に、第１の金属接合材３１が配置されている。第１の金属接合材３１は、例えばはんだシートである。また、第１の導体層２５から紙面上方側に一段高い基板配線層であり、かつ凹部２４に設けられた段差において一部が露出している第２の導体層２６には、第２の金属接合材３２が塗布配置されている。第２の金属接合材は、例えばはんだペーストである。これにより、半導体装置１０の外部端子１５を屈曲させることなく、短い距離で回路基板２０の第２の導体層２６に接合できるため、主回路インダクタンスを低減できる。

また、第１の導体層２５の外形は、第１の金属接合材３１を介して接合される半導体装置１００のヒートスプレッダ１２の外形よりも大きくすることで、第１の導体層２５でより効率的に半導体素子１１からの熱を広げられ、放熱性能が向上できる。

なお、第１の金属接合材３１と第２の金属接合材３２は、同じはんだ材料により塗布配置されているが、電気的接続および半導体装置１００の安定性に問題がなければ、それぞれ別の材料を用いてもよい。

半導体装置１０は、外部端子１５が第２の導体層２６に接続されるように凹部２４に搭載される。リフロー装置（図示なし）により、第１の金属接合材３１と第２の金属接合材３２それぞれを溶融、固化することで、第１の導体層２５がヒートスプレッダ１２と接合し、第２の導体層２６が外部端子１５と接合する。これにより、凹部２４に半導体装置１０が固定される。リフロー装置で固定された半導体装置１０と凹部２４との隙間を、樹脂充填材３３で充填させ、所定の温度で硬化させる。このようにすることで、高電圧が印加された場合においても高い絶縁信頼性が得られる。

冷却器４１は、半導体装置１０を上下両方向から圧接するが、その圧接面には、無機フィラーとエポキシ樹脂の混合物でできた、熱伝導率の高い高熱伝導絶縁シートである絶縁層４３が貼付けられる。さらに、この絶縁層４３上には、電気絶縁性放熱材４４が塗布される。なお、絶縁層４３には、高熱伝導樹脂シートではなく、窒化アルミニウムや窒化ケイ素などのセラミック板を用いてもよい。

冷却器４１は、回路基板２０の凹部２４に設置された半導体装置１０に対して、凹部２４の開口側から絶縁層４３と電気絶縁性放熱材４４とを介して圧接される。一方で、冷却器４１は、凹部２４の底面の外部側の面からも圧接され、両面冷却の冷却器４１により、半導体装置１０の放熱を向上させている。

このような構成にすることで、半導体素子１１で発生した熱は、半導体素子１１に接合されるヒートスプレッダ１２，１３を介し、絶縁樹脂１６や回路基板２０の絶縁層２１よりも熱抵抗の低い金属接合材３１，３２を介して、回路基板２０の凹部２４の底面を形成する第１導体層２５に伝達される。第１導体層２５に達した熱は、回路基板２０の凹部２４が形成されている面の外部側の面から、回路基板２０の絶縁層２１とは異なる絶縁層４３を介して圧接されている冷却器４１に放熱されるため、半導体装置１０の放熱性能が向上する。また、図３で後述するが半導体装置１０の設置時に傾いた場合、金属接合材３１が設けられていることで、傾きを吸収し、放熱性能を低下させずに装置１０の信頼性を維持させている。また、不必要な大型化を防ぎ、装置の小型化にも貢献している。

また、ヒートスプレッダ１２は、第１の導体層２５と第１の金属接合材３１を介して接合されているため、半導体装置１０の外部端子１５と回路基板２０の第２の導体層２６のみで金属接合されている場合よりも、半導体装置１０と回路基板２０との接合面積を拡大でき、耐振性、接続信頼性を向上させている。

（図３）
電力変換装置１００において、半導体装置１０が回路基板２０に対して傾いて実装されてしまった場合であっても、半導体装置１０の傾きを第１の金属接合材３１が吸収するため、半導体装置１０の信頼性を維持することができる。

（図４）
電力変換装置１００において、半導体装置１０を備える回路基板２０は凹部２４を設けることで、基板全体の反りが発生し不良を起こす可能性が生じる。そのため、回路基板２０が有する第１の導体層２５を厚銅にし、それに伴い、回路基板２０の反対側の導体層も厚銅回路導体２７にした。このようにすることで、回路基板２０と半導体装置１０全体の反りを低減し、装置の信頼性を損なわず放熱性も向上させることができる。なお、本構成では、第１の導体層２５と厚銅回路導体２７とはともに１ｍｍの厚さとした。

（基板の製造方法）
（図５）
まず、図５(ａ)のように、回路基板２０には導体層２２が４層設けられている多層プリント基板を準備する。なお、電力変換装置で取り扱う電流は数１００Ａ（アンペア）であるため、回路基板２０の導体層２２には銅箔５００μｍと、一般的で電子機器で使用されている銅箔より厚い材質とした。また、回路基板２０の絶縁層２１にはガラス繊維強化エポキシ樹脂基材を使用している。回路基板２０の各導体層２２は、電力変換装置の回路となるように、予め銅箔をエッチングで形成してある。

次に図５（ｂ）において、回路基板２０において半導体装置が配置される箇所をザグリ加工によって、上から３層目の導体層表面（前述の第２の導体層２６）が見える位置まで凹部２４ａを形成した。

図５（ｃ）では、図５（ｂ）で形成した凹部２４ａに対し、第２の導体層２６の一部の露出箇所を残して、さらに上から４層目の導体層表面（第１の導体層２５）が見える位置まで、同様にザグリ加工で凹部２４ｂを形成する。これにより、回路基板２０に凹部２４が形成される。

（図６）
図４で説明した厚銅である第１の導体層２５を設ける回路基板２０の製造方法について説明する。回路基板２０は図５で説明した方法とは異なる方法で製造される。まず、図６（ａ）のように回路基板２０として、導体層２２を４層有する多層プリント基板を準備する。なお、取り扱う電流、導体層の材質、絶縁層の材質、回路基板２０の導体層の形成については、図５と同様である。

次に図６（ｂ）では、回路基板２０の半導体装置１０が配置される箇所をザグリ加工で上から３層目の導体層表面（第２の導体層２６）が見える位置まで凹部２４ａを形成した。図６（ｃ）では、第２の導体層２６の一部露出箇所を残し、かつ回路基板２０が貫通するように開口させた凹部２４ｂを形成した。図６（ｄ）では、図６（ｃ）で貫通させた凹部２４ｂに、回路基板２０の導体層２２の銅箔とは異なる１ｍｍ厚の銅板を、接着剤２８を用いて回路基板２０の凹部２４ｂの底面側に接合することで、第１の導体層２５を形成し回路基板２０の凹部２４を完成させた。なお、第１の導体層２５は、半導体装置１０の放熱性と、第２の導体層２６と外部端子１５とが近い位置で接合されることによるインダクタンス低減と、を両立させる観点から、その一部が第２の導体層２６と回路基板２０の厚さ方向において重なるように形成されている。

このようにすることで、第１の導体層２５の厚さについて回路基板２０の製造上の制約に左右されないので、要求に応じてより厚い導体層２５を形成することができ、放熱性能を向上させることができる。

以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）電力変換装置１００は、半導体素子１１と、半導体素子１１の両面に対してそれぞれ一方の面側で接合される２つのヒートスプレッダ１２，１３と、外部端子１５と、を有し、２つのヒートスプレッダ１２，１３の他方の面と外部端子１５の一部が露出されるように、絶縁樹脂１６で封止された半導体装置１０と、半導体装置１０が実装され、第１の絶縁層２１を有する回路基板２０と、半導体装置１０を冷却するための冷却器と、を備えた。回路基板２０は、半導体装置１０が設置される凹部２４と、凹部２４の底面を形成する第１の導体層２５と、第１の導体層２５とは異なる層に配設されるとともに凹部２４において少なくとも一部が露出している第２の導体層２６と、を有している。２つのヒートスプレッダ１２，１３のうち一方のヒートスプレッダ１２は、他方の面で凹部２４の底面に接し、第１の金属接合材３１を介して第１の導体層２５と接合され、外部端子１５は、第２の金属接合材３２を介して第２の導体層２６と接合され、２つのヒートスプレッダ１２，１３のうち他方のヒートスプレッダ１３は、他方の面で第１の絶縁層２１とは異なる第２の絶縁層４３を介して冷却器４１が圧接されている。このようにしたことで、放熱性能、耐振性、接続信頼性、絶縁信頼性を向上させた電力変換装置１００を提供できる。

（２）第１の導体層２５は、その一部が第２の導体層２６と回路基板２０の厚さ方向において重なるように形成されている。このようにしたことで、電力変換装置１００の放熱性とインダクタンス低減とを両立できる。

（３）第１の導体層２５は、絶縁樹脂１６から露出するヒートスプレッダ１２の他方の面の外形よりも大きい外形である。このようにしたことで、電力変換装置１００の放熱性能を向上させることができる。

（４）凹部２４と半導体装置１０との間には、絶縁性の樹脂充填材３３が充填されている。このようにしたことで、電力変換装置１００は、高電圧が印加された場合においても高い絶縁信頼性が得られる。

（５）第１の金属接合材３１および第２の金属接合材３２は、同一の組成である。このようにしたことで、電力変換装置１００の生産性を向上させることができる。

（６）半導体素子１１はＩＧＢＴであり、ＩＧＢＴのコレクタ電極側のヒートスプレッダ１２が凹部２４の底面に接合される。このようにしたことで、ＩＧＢＴを利用した電力変換装置１００の放熱性を向上させることができる。

（７）回路基板２０は、導体層２２を複数有する回路基板２０を準備し、回路基板２０を一定の導体層２２の表面まで開口させ、一定の導体層２２の表面の内周側から回路基板２０の反対側まで貫通するようにザグリ加工することで、回路基板２０に開口部を形成し、開口部に銅板を接合することで、回路基板２０に凹部２４を形成する製造方法を採用する。このようにしたことで、回路基板２０の製造上の制約に左右されないので、要求に応じてより厚い導体層２５を形成することができ、放熱性能を向上させることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。

１０：電子部品（半導体装置）
１１：パワー半導体素子
１２：ヒートスプレッダ（ＩＧＢＴのコレクタ側）
１３：ヒートスプレッダ（ＩＧＢＴのエミッタ側）
１４：ワイヤ
１５：外部端子
１６：絶縁樹脂
２０：回路基板
２１：回路基板の絶縁層
２２：回路基板の回路導体
２３：ソルダーレジスト
２４：回路基板の凹部
２４ａ：第１の凹部
２４ｂ：第２の凹部
２５：第１の導体層
２６：第２の導体層
２７：厚銅回路導体
２８：接着剤
３１：第１の金属接合材
３２：第２の金属接合材
３３：樹脂充填材
４１：冷却器
４２：冷却器の水路
４３：冷却器の絶縁層
４４：電気絶縁性放熱材
１００：電力変換装置

Claims (7)

1. 半導体素子と、前記半導体素子の両面に対してそれぞれ一方の面側で接合される２つのヒートスプレッダと、外部端子と、を有し、２つの前記ヒートスプレッダの他方の面と前記外部端子の一部が露出されるように、絶縁樹脂で封止された半導体装置と、
   前記半導体装置が実装され、第１の絶縁層を有する回路基板と、
   前記半導体装置を冷却するための冷却器と、を備え、
   前記回路基板は、前記半導体装置が設置される凹部と、前記凹部の底面を形成する第１の導体層と、前記第１の導体層とは異なる層に配設されるとともに前記凹部において少なくとも一部が露出している第２の導体層と、を有し、
   ２つの前記ヒートスプレッダのうち一方の前記ヒートスプレッダは、前記他方の面で前記凹部の底面に接し、第１の金属接合材を介して前記第１の導体層と接合され、
   前記外部端子は、第２の金属接合材を介して前記第２の導体層と接合され、
   ２つの前記ヒートスプレッダのうち他方の前記ヒートスプレッダは、前記他方の面で前記第１の絶縁層とは異なる第２の絶縁層を介して前記冷却器が圧接されている
   電力変換装置。
2. 請求項１に記載された電力変換装置であって、
   前記第１の導体層は、その一部が前記第２の導体層と前記回路基板の厚さ方向において重なるように形成されている
   電力変換装置。
3. 請求項１に記載された電力変換装置であって、
   前記第１の導体層は、前記絶縁樹脂から露出する前記ヒートスプレッダの前記他方の面の外形よりも大きい外形である
   電力変換装置。
4. 請求項１に記載された電力変換装置であって、
   前記凹部と前記半導体装置との間には、絶縁性の樹脂充填材が充填されている
   電力変換装置。
5. 請求項１に記載された電力変換装置であって、
   前記第１の金属接合材および前記第２の金属接合材は、同一の組成である
   電力変換装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載された電力変換装置であって、
   前記半導体素子はＩＧＢＴであり、前記ＩＧＢＴのコレクタ電極側の前記ヒートスプレッダが前記凹部の底面に接合される
   電力変換装置。
7. 導体層を複数有する回路基板を準備し、
   前記回路基板を一定の導体層表面まで開口させ、前記一定の導体層表面の内周側から前記回路基板の反対側まで貫通するようにザグリ加工することで、前記回路基板に開口部を形成し、前記開口部に銅板を接合することで、前記回路基板に凹部を形成する
   回路基板の製造方法。

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