JP3972519B2

JP3972519B2 - Power semiconductor module

Info

Publication number: JP3972519B2
Application number: JP17192999A
Authority: JP
Inventors: 大助川瀬; 明阪東; 強平井; 和弘鈴木; 陸男鴨志田; 直人斉藤; 康二佐々木; 芳郎飛山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-06-18
Filing date: 1999-06-18
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2019-06-18
Also published as: JP2001007281A

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce thermal distortions in operation with a low heat resistance, using an inexpensive resin insulation layer by setting the conductive layer of a power semiconductor module, where one portion or entire portion of the conductive layer in contact with a power semiconductor element is sealed by resin to the compound material of copper and copper oxide with specific layer thickness. SOLUTION: Conductive layers 103 (103a, 103b) are jointed onto a resin insulation layer 102 being provided on a heat sink 101, and a power semiconductor element 104 is jointed to a specific position with solder. The conductive layer 103 and the power semiconductor element 104 are connected by a metal small-gauge wire 105. Molding is made to a case 105 which is jointed onto the resin insulation layer 102 with a sealing resin 107. The conductive layer 103, whose plate thickness is 0.5 mm or longer, is connected to the outside by an external terminal 108a for power and an external terminal 108b for signal. An IBGT 104a and a diode 104b connected back to back is mounted at the same site as the circuit pattern of the conductive layer 103 as the power semiconductor element 104. A hole 109 for mounting on the cooling fin of a power semiconductor module is provided at the heat sink 101, made a metal having high thermal conductivity.

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパワー半導体モジュールに係り、特に、内部絶縁型に好適なパワー半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
パワー半導体モジュールおよびパワー半導体モジュールの制御用回路を内蔵したＩＰＭ(Inteligent Power Module) は、ＩＧＢＴ等パワー素子の大容量化及び家電品のインバータ化に伴い使用用途が広がっている。この使用用途の拡大に伴い、小容量から大容量の幅広い領域での製品対応および各容量域での低価格化が必要となっている。
【０００３】
パワー半導体モジュールにおいては、通常搭載されているパワー半導体素子の高発熱性を考慮し、金属等の高熱伝導の放熱板と、高熱伝導性絶縁材料の絶縁層と、回路パターンが形成された良導体の導電層とからなるのが一般的である。そして、搭載部品の発熱量に応じて、前記絶縁層の材料が選択されている。
【０００４】
大、中容量パワー半導体モジュールの構造を図５に示す。該図に示す如く、大、中容量パワー半導体モジュールは、銅の放熱板101と、銅の回路パターン502ａ及び 502 ｂを表裏面に設けたセラミック基板501と、前記回路パターン502a上に半田により接合されたダイオード104bやＩＧＢＴ104a等のパワー半導体素子104と、前記回路パターン502aとパワー半導体素子104を結線する金属細線105と、パワー用外部接続端子108a及び信号用外部接続端子108bと、ケース106と、セラミック基板501、回路パターン502ａ、 502 ｂ及びパワー半導体素子104とを封止する樹脂107とから概略構成されている。セラミック基板501の裏面の銅パターン502bは、放熱板101に半田接合されている。発熱量の大きな大、中容量品では、主として、高価であるが熱伝導率の大きいアルミナセラミックス、窒化アルミニウムセラミックス等のセラミックスが絶縁層として用いられている。
【０００５】
一方、小容量パワー半導体モジュールの構造を図６に示す。該図に示す如く、小容量パワー半導体モジュールは、アルミ製の放熱板101と、この放熱板101上に樹脂絶縁層102を介して接合された導電層103と、該導電層103上に半田により接合されたダイオード104bやＩＧＢＴ104a等のパワー半導体素子104と、前記導電層103とパワー半導体素子104を結線する金属細線105と、パワー用外部接続端子108a及び信号用外部接続端子108bと、ケース106と、導電層103とパワー半導体素子104を封止する樹脂107とから概略構成されている。発熱量が比較的小さい小容量パワー半導体モジュールでは、比較的熱伝導率が小さいが安価である樹脂絶縁層を用いている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
樹脂絶縁層を用いたパワー半導体モジュールを中、大容量域に適用できれば、高価なアルミナセラミックス、窒化アルミニウムセラミックス等のセラミックスを使用する必要が無く、コスト低減を図ることができる。しかし、絶縁樹脂は、熱伝導率が小さいためにパワー半導体モジュールの熱抵抗が大きくなり、発熱量の大きな中、大容量パワー半導体モジュールに適用すると、パワー半導体素子の温度が上昇して動作不良の原因となる。従って、中、大容量のパワー半導体に絶縁樹脂層を用いる際は、パワー半導体素子の発熱の放散が課題となる。
【０００７】
これらパワー半導体素子の発熱を有効に放散する手段として、図７に示すように、パワー半導体素子104と回路パターンを有する導電層103との間に、モリブデン等の低熱膨張率を有する金属で構成される熱拡散板701を介するものがある。パワー半導体素子104の発熱は、熱拡散板701内で横方向に広がり、結果として、パワー半導体モジュールの熱抵抗は低減する。また、モリブデンは熱膨張率が、放熱板101を構成するアルミおよび導電層103を構成する銅と、パワー半導体素子104の主たる構成材料のシリコンの間であり、運転時にパワー半導体素子104の下面の接合部に生じる熱歪みを緩和する効果がある。しかし、熱拡散板701を設置する方法は、モリブデン等の低熱膨張率の金属が高価で有ることと、熱拡散板の接合のプロセスが必要であることからコスト上の問題がある。
【０００８】
一方、導電層を厚膜化することにより、導電層に熱拡散の機能を持たせ、等価的に伝熱面積を広げる手段がある。導電層の厚膜化に効果的な手段として、特開平09-129822号公報に開示されている厚膜の導電層を回路パターンに用いるものがある。導電層に使用する材料は、抵抗率が小さいことが望まれる。しかし、導電層に銅やアルミニウム等の低抵抗率の金属を用いると、これらの低抵抗率の金属とパワー半導体素子の熱膨張率の差が大きいために、運転中に導電層とパワー半導体素子の接合部に熱歪みが発生する。例えば、銅の熱膨張率は１７×１０~⁶／Ｋ、アルミの熱膨張率は２４×１０~⁶／Ｋである。一方、パワー半導体素子の主たる構成材料は、主にシリコンである。シリコンの熱膨張率は、３×１０~⁶／Ｋである。接合部に発生する熱歪みは、導電層とパワー半導体素子の熱膨張率の差が大きいほど大きくなる。また、パワー半導体素子の寸法が大きいほど、つまり、中、大容量パワー半導体モジュール程、熱歪みが大きくなる。熱歪みが大きいほど接合部の信頼性は低下する。運転時に発生する熱歪みのために、銅、アルミといった、低抵抗の金属を導電層に用いると、パワー半導体モジュールの大容量化に限界がある。
【０００９】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、安価な樹脂絶縁層を用いて、低熱抵抗かつ、運転時の熱歪みが小さい高信頼性の中、大容量に好適なパワー半導体モジュールを提供するにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記目的を達成するために、放熱板と、該放熱板と樹脂絶縁層を介して接合された導電層と、該導電層と接するパワー半導体素子と、外部との接続用の端子とを備え、前記パワー半導体素子と導電層の一部または全部が樹脂で封止されたパワー半導体モジュールにおいて、前記導電層が板厚０．５ｍｍ以上の銅と銅の酸化物との複合材料であるパワー半導体モジュール、或いは、放熱板と、該放熱板と樹脂絶縁層を介して接合された導電層と、前記放熱板と樹脂絶縁層を介して接合された積層基板と、該積層基板上に構成された信号回路と、前記導電層と接するパワー半導体素子と、外部との接続用の端子とを備え、前記パワー半導体素子と信号回路及び前記導電層の一部または全部が樹脂で封止されたパワー半導体モジュールにおいて、前記放熱板に銅と銅の酸化物との複合材料を用いると共に、該放熱板の熱伝導率に異方性を持たせ、かつ、該放熱板の熱伝導率が、前記パワー半導体素子側よりも前記信号回路側の方が大きくなるように、前記パワー半導体素子と信号回路が配置されているパワー半導体モジュールとしたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施例を図１、図２、図３、図４に基づいて説明する。ただし、本発明は下記の実施例に限られるものではない。
【００１２】
（実施例１）
図１（ａ）、（ｂ）に、本発明の第一の実施形態である３相パワー回路を含むパワー半導体モジュールを示し、図１（ｂ）は本実施形態の平面構造を、図１（ａ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ断面を示す。
【００１３】
本実施形態のパワー半導体モジュールの構造は、放熱板101の上に樹脂絶縁層102を設け、この樹脂絶縁層102上に導電層103ａ、 103 ｂが接合され、該導電層103ａ上の所定の位置にパワー半導体素子104を半田により接合され、金属細線105で導電層103ｂとパワー半導体素子104を結線し、樹脂絶縁層102上に接合したケース106内に封止樹脂107によりモールドされて構成されている。更に、導電層103ｂはパワー用外部端子108aおよび信号用外部端子108bにより外部と接続される。また、パワー半導体素子104として、導電層103ａの回路パターンの同一部位に、逆並列接続されたＩＧＢＴ104aとダイオード104bを搭載している。
【００１４】
一方、放熱板101には、パワー半導体モジュールの冷却フィンへの取り付け用穴109を設けてある。放熱板101の材料として、高熱伝導の金属であるアルミ、銅等が用いられる。また、放熱板101内の熱広がりによるパワー半導体モジュールの熱抵抗低減の効果を考慮し、放熱板101厚は、２〜５ｍｍの範囲とする。
【００１５】
樹脂絶縁層102は、低熱抵抗および高絶縁が必要である。樹脂絶縁層102には、フィラーが分散されたエポキシ樹脂を用いている。フィラーには、高熱伝導率を有する無機化合物、例えば酸化珪素、酸化アルミ等が用いられる。フィラーの含有率を増すほど樹脂絶縁層102の熱抵抗は低減するが、エポキシ樹脂中に分散可能なフィラーの量には限界がある。フィラーの含有量を７５〜９５％とすることで、樹脂絶縁層102の熱伝導率は２〜５Ｗ／ｍｋ程度の範囲となる。また、低熱抵抗の樹脂絶縁層102を得るためには、樹脂絶縁層厚102を薄くすることが有効である。しかし、樹脂絶縁層102を薄くすると、樹脂絶縁層102の絶縁耐圧が小さくなるとともに、樹脂絶縁層102にピンホール等が発生しやすくなり、信頼性を低下させる。よって、樹脂絶縁層102の薄化には限界がある。本実施例での、樹脂絶縁層102の厚さは５０〜２５０μｍ程度である。樹脂絶縁層102は、絶縁を目的とするものであり、導電層103の直下部と、導電層103の周囲の放熱板101を、必要とされる絶縁耐圧に相当する縁面距離分以上は覆っている必要がある。本実施例では、放熱板101の導電層103側の主面の全面を樹脂絶縁層102で覆っている。
【００１６】
導電層103ａ、 103 ｂは、銅と銅の酸化物との複合材料により構成される。銅と銅の酸化物との複合材料の酸化銅の含有率は３０〜７０％の範囲であり、熱膨張率は５〜１４×１０-⁶／Ｋの範囲である。導電層103ａ、 103 ｂは、図１（ｂ）に示すような回路パターンを形成している。導電層103ａ、 103 ｂの板厚は０．５ｍｍ以上とする。銅と銅の酸化物との複合材料は加工性に優れるので、板厚０．５ｍｍ以上の任意の形状の回路パターンをプレス加工にて作製できる。導電層103ａ、 103 ｂの厚さを０．５ｍｍ以上とすると、後述する金属細線105の断面積に比べて大きく、ジュール発熱は問題とならない。
【００１７】
銅と銅の酸化物との複合材料を導電層103ａ、 103 ｂに用いるとにより、銅を用いた場合と比べて、パワー半導体素子104との接合部に発生する熱歪みを緩和することができ、図１（ａ）、（ｂ）に示すような、複数の部位からなる回路パターンの導電層103ａ、 103 ｂを備えるパワー半導体素子104においては、パワー半導体素子104を搭載した導電層103aのみに、抵抗率が銅と比べて大きい銅と銅の酸化物との複合材料を用いてもジュール発熱の問題はない。また、搭載されたパワー半導体素子104のサイズ、発熱により、回路パターンの部位毎に導電層103ａ、 103 ｂの酸化銅の含有率を最適化することができる。
【００１８】
また、導電層103ａ、 103 ｂの表面をNi、Ag、Pt、Sn、Sb、Cu、Zn、Pdの群から選択された少なくとも１種の金属、または、Ni、Ag、Pt、Sn、Sb、Cu、Zn、Pdの群から選択された少なくとも１種以上の金属を含む合金により被覆することにより良好な半田濡れ性を得ることができる。
【００１９】
パワー半導体素子104と導電層103ａ、 103 ｂを接合する半田は、Ｓｎ６３Ｐｂ３７等の錫と鉛の共晶組成に近い合金が、プロセス温度が低くてよい。また、鉛を含有していない半田として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系等がある。これらの半田は半田接合部に発生する熱歪みを低減するために、半田層の厚さを５０μｍ以上としている。
【００２０】
ケース106は、前記放熱板101に樹脂絶縁層102を介して接着されている。ケース106の材料に、耐熱性を有するＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を用いることにより、前記パワー半導体素子104の導電層103ａ、 103 ｂへの半田接合と同時に、樹脂絶縁層102に接着することが可能である。
【００２１】
パワー半導体素子104と導電層103ａ、 103 ｂは、金属細線105により接合されている。金属細線105には、φ３００〜５００μｍ程度のＡｌ合金のワイヤを用いる。
【００２２】
また、導電層103ａ、 103 ｂには、外部との接続用の端子108が配置されている。導電層103ａ、 103 ｂやパワー半導体素子104、金属細線105、外部接続端子108の一部は、熱伝導率の高い樹脂107によって封止されている。この封止樹脂107は、エポキシ樹脂等の比較的硬い熱硬化性樹脂を使用するのが一般的であるが、封止の際や使用時に封止樹脂が金属細線や素子に悪影響を与えることを防止するために、シリコンゲル等の比較的柔らかい材料を用いる。
【００２３】
本実施形態におけるパワー半導体モジュールは、低熱膨張率である銅と銅の酸化物との複合材料の導電層103ａ、 103 ｂを用いることにより、比較的大容量のパワー半導体素子104を実装した場合においても、運転時にパワー半導体素子104と導電層103ａ、 103 ｂの接合部に生じる熱歪みを抑制し高信頼性を得ている。また、導電層103ａ、 103 ｂの板厚を０．５ｍｍ以上とすることによって、高抵抗である銅と銅の複合材料の導電層103ａ、 103 ｂにおいても充分低い電気抵抗が得られ、導電層103ａ、 103 ｂ部のジュール発熱が抑制できるとともに、従来例のように、モリブデンのような高価な熱拡散板用いることなく、パワー半導体素子で発生した熱を導電層103ａ、 103 ｂ内部で効果的に拡散させパワー半導体モジュールの熱抵抗を低減している。
【００２４】
（実施例２）
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に本発明の第二の実施形態である単相パワー回路を含むパワー半導体モジュールに適用した例を示す。
【００２５】
本実施形態は、逆並列接続されたＩＧＢＴ104aとダイオード104bが、それぞれ２チップずつ並列接続され、同一の回路パターンの導電層103a上に搭載されている。また、銅と銅の酸化物とで構成された導電層103aに、図２（ａ）に示す方向の熱伝導率が大きくなるような熱伝導率の異方性を持たせている。また、パワー半導体素子104は、ＩＧＢＴ104aから逆並列されたダイオード104b方向の導電層103ａの熱伝導率が大きくなる様に配置されている。図２（ｂ）に図２（ａ）のＡ−Ａ断面図を示す。図２（ｂ）に図２（ａ）のＢ−Ｂ断面図を示す。図２（ａ）、図２（ｂ）には、インバータ動作時の熱流を矢印で模式的に示している。インバータ動作時は、ＩＧＢＴ104aの方が逆並列接続したダイオード104bよりも発熱が大きい。導電層103ａには図２（ａ）に示す方向の熱伝導率の異方性を持たせているので、ＩＧＢＴ104aの発熱の広がりは、図２（ａ）に示す逆並列接続されたダイオード104bへの方向の方が、図２（ｃ）に示す並列接続されたＩＧＢＴ104aへの方向よりも大きい。よって、インバータ動作時のＩＧＢＴ104aの発熱は、導電層103ａ内を熱伝導率の大きい方向、つまり、逆並列した発熱の小さいダイオード104b方向へ広がり効率的に冷却される。一方、コンバータ動作時は、ダイオード104bの方が逆並列接続したＩＧＢＴ104aよりも発熱が大きい。ダイオード104bの発熱は、導電層103ａ内を熱伝導率の大きい方向、つまり、逆並列した発熱の小さいＩＧＢＴ104a方向へ広がり、同様に効率的に冷却される。
【００２６】
（実施例３）
図３（ａ）、（ｂ）に、本発明の第三の実施形態である３相パワー回路とパワー回路を制御する制御用素子を含む信号回路からなるパワー半導体モジュールに適用した例を示す。図３（ｂ）は本実施例の平面構造を示す。図３（ａ）は図３（ｂ）のＡ−Ａ断面を示す。なお、図１を用いて説明した、第一の実施例であるパワー半導体モジュールと同一の構成については、同一の符号を付し重複する説明を省略する。
【００２７】
該図に示す如く、樹脂絶縁層102上に、ガラスエポキシ製の多層基板301が接着剤により接合されている。ガラスエポキシ製の多層基板301には、信号回路302が形成されている（図３（ｂ）には省略されている）。信号回路302は、パワー半導体素子104を制御する制御用半導体素子303を含む。ガラスエポキシ製の多層基板301は導電層103ａと同時に、放熱板101に樹脂絶縁層102を介して接着剤により接合される。ＩＧＢＴ104aおよびダイオード104bは、信号回路302および導電層103ａの所定の箇所に金属細線105により結線される。また、放熱板101の下主面が露出するように、エポキシ樹脂の封止樹脂107で、トランスファー形成により樹脂封止されている。
【００２８】
（実施例４）
図４（ａ）、（ｂ）に、本発明の第四の実施形態であるパワー半導体素子104から構成される３相パワー回路部401とパワー回路部401を制御する制御用素子303を含む信号回路部402からなるパワー半導体モジュールに適用した例を示す。図４（ｂ）は本実施例の平面構造を示す。図４（ａ）は図４（ｂ）のＡ−Ａ断面を示す。なお、図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明した、第三の実施例であるパワー半導体モジュールと同一の構成については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２９】
該図に示す如く、導電層103には、導電率の高い金属もしくは、熱膨張率の小さい銅と銅酸化物との複合材料を用いる。パワー半導体素子104の容量により、小容量域においては、銅などの導電率が高く、熱膨張率の大きい金属を導電層103に用いる。この際は、導電層103の厚さは０．５ｍｍ以下で問題はない。中、大容量域においては、熱膨張率の小さい銅と銅の酸化物との複合材料を用いる。この際、導電層103の厚さは、０．５ｍｍ以上とする。放熱板101には、銅と銅酸化物との複合材料を用い、図４（ｂ）に示す方向の熱伝導率が大きくなるような熱伝導率の異方性を持たせている。また、パワー回路部および信号回路部は、パワー回路部から信号回路部方向の放熱板101の熱伝導率が大きくなる様に配置されている。運転時の、熱流を図４（ａ）に矢印で模式的に示す。パワー回路部は信号回路部よりも発熱が大きい。パワー回路部の発熱は、熱伝導率が大きい信号回路部の方向に広がり、効率的に冷却される。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、安価な樹脂絶縁層を用いて、低熱抵抗かつ、運転時の熱歪みの小さい高信頼性の中、大容量パワー半導体モジュールを得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるパワー半導体モジュールの第一の実施例を示す説明図である。
【図２】本発明によるパワー半導体モジュールの第二の実施例を示す説明図である。
【図３】本発明によるパワー半導体モジュールの第三の実施例を示す説明図である。
【図４】本発明によるパワー半導体モジュールの第四の実施例を示す説明図である。
【図５】本発明によるパワー半導体モジュールの従来例を示す説明図である。
【図６】本発明によるパワー半導体モジュールの従来例を示す説明図である。
【図７】本発明によるパワー半導体モジュールの従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
101…放熱板、102…樹脂絶縁層、103ａ、 103 ｂ…導電層、104…パワー半導体素子、104 ａ… IGBT 、 104 ｂ…ダイオード、105…金属細線、106…ケース、107…封止樹脂、108a …パワー用外部端子、108 ｂ…信号用外部端子、109…取り付け穴、301…多層基板、302…信号回路、303…制御用半導体素子、401…パワー回路部、402…信号回路部、501…セラミック基板、502…回路パターン、701…熱拡散板。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power semiconductor module, in particular, about the suitable power semiconductor module inside insulated.
[0002]
[Prior art]
An IPM (Inteligent Power Module) incorporating a power semiconductor module and a control circuit for the power semiconductor module has been increasingly used as a power element such as an IGBT is increased in capacity and an inverter is used for household appliances. The use with the expansion of applications, cost reduction of a product corresponding and respective volume regions in a wide range of mass from the small-capacity has become necessary.
[0003]
In the power semiconductor module, normally considering highly exothermic the power semiconductor element mounted, a heat radiating plate having high thermal conductivity such as metal, an insulating layer of high thermal conductivity insulating material, a conductor circuit pattern is formed consist conductive layer is common. And the material of the said insulating layer is selected according to the emitted-heat amount of mounting components.
[0004]
The structure of a large and medium capacity power semiconductor module is shown in FIG. As shown in the drawing, the large, medium-capacity power semiconductor module, the heat sink 101 of copper, the ceramic substrate 501 to the circuit pattern 502 a and 502 b of copper provided on the front and rear surfaces, the solder on the front Symbol circuit patterns 502a a power semiconductor element 104 such as a junction diodes 104b and IGBT104a which makes a pre-Symbol circuit pattern 502a and the metal thin wires 105 for connecting the power semiconductor element 104, and the external connection terminals 108b for external connection terminals 108a and the signal power, the case and 106, the ceramic substrate 501, is schematically composed of the circuit pattern 502 a, 502 b and the power semiconductor element 104 and the sealing resin 107. The copper pattern 502b on the back surface of the ceramic substrate 501 is soldered to the heat sink 101. Ceramics such as alumina ceramics and aluminum nitride ceramics, which are expensive but have high thermal conductivity, are mainly used for large and medium-capacity products that generate a large amount of heat.
[0005]
On the other hand, the structure of a small capacity power semiconductor module is shown in FIG. As shown in the drawing, the small-capacity power semiconductor module, the heat sink 101 made of aluminum, a conductive layer 103 which is bonded via the resin insulating layer 102 on the heat radiating plate 101, the solder on the conductive layer 103 a power semiconductor element 104 such as a junction diodes 104b and IGBT104a, the previous SL conductive layer 103 and the metal thin wires 105 for connecting the power semiconductor element 104, and the external connection terminals 108b for external connection terminals 108a and the signal power case 106 When, it is schematically configured from the sealing to the resin 107 to the conductive layer 103 and the power semiconductor element 104. A small-capacity power semiconductor module that generates a relatively small amount of heat uses a resin insulation layer that has a relatively low thermal conductivity but is inexpensive.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
If a power semiconductor module using a resin insulating layer can be applied to a medium and large capacity region, it is not necessary to use expensive ceramics such as alumina ceramics and aluminum nitride ceramics, and the cost can be reduced. However, the insulating resin has a low thermal conductivity, which increases the thermal resistance of the power semiconductor module. Cause. Therefore, when an insulating resin layer is used for a medium-capacity power semiconductor, the heat dissipation of the power semiconductor element becomes a problem.
[0007]
As a means for effectively dissipating the heat generated by these power semiconductor elements, as shown in FIG. 7, the power semiconductor element 104 and the conductive layer 103 having the circuit pattern are made of a metal having a low thermal expansion coefficient such as molybdenum. Some of them are via a heat diffusion plate 701. The heat generated by the power semiconductor element 104 spreads laterally in the heat diffusion plate 701, and as a result, the thermal resistance of the power semiconductor module is reduced. Molybdenum has a coefficient of thermal expansion between aluminum constituting the heat sink 101 and copper constituting the conductive layer 103 and silicon as a main constituent material of the power semiconductor element 104. There is an effect of relieving thermal strain generated in the joint. However, the method of installing the heat diffusion plate 701 has a problem of cost because a metal having a low coefficient of thermal expansion such as molybdenum is expensive and a process for joining the heat diffusion plates is required.
[0008]
On the other hand, by increasing the thickness of the conductive layer, there is a means for providing the conductive layer with a function of thermal diffusion and equivalently expanding the heat transfer area. As an effective means to thickening of the conductive layer is to use a conductive layer thick film disclosed in JP-A-09-129822 to the circuit pattern. The material used for the conductive layer is desired to have a low resistivity. However, if a low resistivity metal such as copper or aluminum is used for the conductive layer, there is a large difference in thermal expansion coefficient between the low resistivity metal and the power semiconductor element. Thermal distortion occurs at the joints. For example, the thermal expansion coefficient of copper is 17 × 10 ~ ⁶ / K, the thermal expansion coefficient of aluminum is 24 × 10 ~ ⁶ / K. On the other hand, the main constituent material of the power semiconductor element is mainly silicon. The thermal expansion coefficient of silicon is 3 × 10 ⁶ / K. The thermal strain generated at the joint increases as the difference in the thermal expansion coefficient between the conductive layer and the power semiconductor element increases. In addition, the larger the size of the power semiconductor element, that is, the larger the medium-capacity power semiconductor module, the greater the thermal distortion. The greater the thermal strain, the lower the reliability of the joint. When a low resistance metal such as copper or aluminum is used for the conductive layer due to thermal distortion generated during operation, there is a limit to increasing the capacity of the power semiconductor module.
[0009]
The present invention has been made in view of the above, it is an object of using an inexpensive resin insulating layer, a low thermal resistance and, in the heat distortion is small reliability during operation, preferably in a mass Is to provide a simple power semiconductor module.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in order to achieve the above object, a heat sink, a conductive layer bonded to the heat sink via a resin insulating layer, a power semiconductor element in contact with the conductive layer, and a terminal for connection to the outside A power semiconductor module in which a part or all of the power semiconductor element and the conductive layer are sealed with a resin, wherein the conductive layer is a composite material of copper and copper oxide having a thickness of 0.5 mm or more. A power semiconductor module, or a heat sink, a conductive layer bonded to the heat sink via a resin insulating layer, a laminated substrate bonded to the heat sink and a resin insulating layer, and on the laminated substrate And a power semiconductor element in contact with the conductive layer, and a terminal for connection to the outside. The power semiconductor element, the signal circuit, and a part or all of the conductive layer are sealed with resin. Power semiconductor module In this case, a composite material of copper and copper oxide is used for the heat sink, the heat conductivity of the heat sink is made anisotropic, and the heat conductivity of the heat sink is the power semiconductor. The power semiconductor module is configured such that the power semiconductor element and the signal circuit are arranged so that the signal circuit side is larger than the element side.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1, 2, 3, and 4. FIG. However, the present invention is not limited to the following examples.
[0012]
Example 1
Figure 1 (a), (b) , shows a power semiconductor module including a first three-phase power circuit to an embodiment der of the present invention, FIG. 1 (b) planar structure of this embodiment, FIG. 1 (A) shows the AA cross section of FIG.1 (b).
[0013]
Structure of the power semiconductor module of this embodiment, the resin insulating layer 102 provided on the heat radiating plate 101, the resin insulating layer 102 conductive layer 103 on a, 103 b are joined, a predetermined on the conductive layer 103 a the bonding of the power semiconductor element 104 by the solder in position, the conductive layer 103 b and the power semiconductor element 104 by a metal thin wire 105 and connected, are molded by the sealing resin 107 into the case 106 which is bonded onto the resin insulating layer 102 Is configured . Further, the conductive layer 103 b is connected to the outside by the external terminal 108b outer terminal 108a and the signal power. Further, as the power semiconductor element 104, the same parts of the circuit pattern of the conductive layer 103 a, is equipped with a reverse-parallel connected IGBT104a and diode 104b.
[0014]
On the other hand, the heat radiating plate 101 is provided with holes 109 for attachment to the cooling fins of the power semiconductor module. As a material of the heat sink 101, aluminum, copper, or the like, which is a metal having high thermal conductivity, is used. Further, considering the effect of reducing the thermal resistance of the power semiconductor module due to the heat spread in the heat sink 101, the thickness of the heat sink 101 is in the range of 2 to 5 mm.
[0015]
The resin insulating layer 102 needs to have low thermal resistance and high insulation. For the resin insulating layer 102, an epoxy resin in which a filler is dispersed is used. As the filler, an inorganic compound having high thermal conductivity, for example, silicon oxide, aluminum oxide or the like is used. Although the thermal resistance of the resin insulating layer 102 decreases as the filler content increases, the amount of filler that can be dispersed in the epoxy resin is limited. By setting the filler content to 75 to 95%, the thermal conductivity of the resin insulating layer 102 is in the range of about 2 to 5 W / mk. In order to obtain the resin insulation layer 102 with low thermal resistance, it is effective to reduce the resin insulation layer thickness 102. However, when the resin insulating layer 102 is thinned, the withstand voltage of the resin insulating layer 102 is reduced, and pin holes and the like are easily generated in the resin insulating layer 102, thereby reducing reliability. Therefore, there is a limit to thinning the resin insulating layer 102. In this embodiment, the thickness of the resin insulating layer 102 is about 50 to 250 μm. The resin insulation layer 102 is intended for insulation, and covers the portion directly below the conductive layer 103 and the heat sink 101 around the conductive layer 103 for a distance equal to or more than the edge distance corresponding to the required withstand voltage. Need to be. In this embodiment, the entire main surface of the heat sink 101 on the conductive layer 103 side is covered with a resin insulating layer 102.
[0016]
Conductive layer 103 a, 103 b is composed of a composite material of an oxide of copper and copper. The content of copper oxide composite material of oxides of copper and copper is in the range of 30% to 70%, the thermal expansion coefficient in the range of 5~14 × 10- ⁶ / K. Conductive layer 103 a, 103 b form a circuit pattern as shown in FIG. 1 (b). Conductive layer 103 a, 103 b thickness of a least 0.5 mm. Since the composite material of an oxide of copper and copper excellent workability, can be produced, the circuit pattern of any shape or thickness 0.5mm by press working. When conductive layer 103 a, a 103 b a thickness of more than 0.5 mm, larger than the cross-sectional area of the metal thin wires 105 to be described later, Joule heat is not a problem.
[0017]
By the use of the composite material of an oxide of copper and copper conductive layers 103 a, 103 b, as compared with the case of using copper, possible to mitigate thermal strain occurring at the junction of the power semiconductor element 104 can, Figure 1 (a), (b) a as shown, in the power semiconductor device 104 having a conductive layer 103 a, 103 b of the circuit pattern composed of a plurality of parts, the conductive layer 103a mounted with the power semiconductor element 104 only, the resistivity is not Joule heat generation problem using the composite material of an oxide of a large copper and copper than copper. The size of the power semiconductor element 104 mounted, by heating, it is possible to optimize the content of copper oxide conductive layers 103 a, 103 b for each portion of the circuit pattern.
[0018]
The conductive layer 103 a, 103 b of the surface of Ni, Ag, Pt, Sn, Sb, Cu, Zn, at least one metal selected from the group of Pd or,, Ni, Ag, Pt, Sn, Sb Good solder wettability can be obtained by coating with an alloy containing at least one metal selected from the group consisting of Cu, Zn and Pd.
[0019]
Solder for bonding the power semiconductor element 104 and the conductive layer 103 a, 103 b, alloy near the eutectic composition of tin and lead such as Sn63Pb37 is, the process temperature may be lower. In addition, as a solder not containing lead, there is a Sn-Ag-Bi system or the like. In these solders, the thickness of the solder layer is set to 50 μm or more in order to reduce thermal distortion generated at the solder joint.
[0020]
Case 106 through the resin insulating layer 102 is adhered to the front Symbol radiating plate 101. The material of the case 106, by using a PPS (polyphenylene sulfide) having heat resistance, simultaneously with the solder joint to the previous SL power conductive layer 103 of the semiconductor element 104 a, 103 b, be adhered to the resin insulating layer 102 Is possible.
[0021]
The power semiconductor element 104 and the conductive layers 103 a and 103 b are joined by a thin metal wire 105. As the thin metal wire 105, an Al alloy wire having a diameter of about 300 to 500 μm is used.
[0022]
The conductive layer 103 a, the 103 b, the terminal 108 for connection to the outside is disposed. Conductive layer 103 a, 103 b and the power semiconductor element 104, the thin metal wires 105, a part of the external connection terminals 108 are sealed by the high thermal conductivity resin 107. The sealing resin 107 is generally made of a relatively hard thermosetting resin such as an epoxy resin. However, the sealing resin has an adverse effect on the fine metal wires and elements during sealing and use. In order to prevent this, a relatively soft material such as silicon gel is used.
[0023]
Power semiconductor module according to the present embodiment, by using the conductive layer 103 a, 103 b of the composite material of an oxide of copper and copper which is a low thermal expansion coefficient, when mounting the power semiconductor element 104 of a relatively large capacity in also suppresses thermal distortion occurring in the junction of the power semiconductor element 104 and the conductive layer 103 a, 103 b to obtain high reliability during operation. Also, by the conductive layer 103 a, 103 b of the plate thickness or more 0.5 mm, sufficiently low electrical resistance can be obtained even in the high-resistance and is copper and the conductive layer 103 a of the composite material of copper, 103 b, conductive layer 103 a, together with the 103 b of the Joule heat can be suppressed, as in the prior art, expensive heat diffusion plate without using such as molybdenum, a conductive layer 103 the heat generated by the power semiconductor element a, 103 b It effectively diffuses inside to reduce the thermal resistance of the power semiconductor module.
[0024]
(Example 2)
FIGS. 2A , 2B, and 2C show examples applied to a power semiconductor module including a single-phase power circuit according to the second embodiment of the present invention.
[0025]
In the present embodiment, the anti-parallel connected IGBT 104a and the diode 104b are respectively connected in parallel by two chips and mounted on the conductive layer 103a having the same circuit pattern. Further, the copper and copper oxide conductive layer 103a which consists of, and to have the anisotropy of the thermal conductivity, such as the direction of the thermal conductivity is increased as shown in FIG. 2 (a). Further, the power semiconductor element 104 is arranged so that the thermal conductivity of the conductive layer 103a in the direction of the diode 104b, which is antiparallel from the IGBT 104a, is increased. FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. FIG. 2B shows a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. In FIG. 2A and FIG. 2B, the heat flow during the inverter operation is schematically shown by arrows. During the inverter operation, the IGBT 104a generates more heat than the diode 104b connected in reverse parallel. Since the conductive layer 103a has anisotropy of thermal conductivity in the direction shown in FIG. 2A, the spread of heat generation of the IGBT 104a is directed to the anti-parallel connected diode 104b shown in FIG. 2A. This direction is larger than the direction toward the parallel-connected IGBT 104a shown in FIG. Therefore, the heat generation of the IGBT 104a during the inverter operation spreads in the conductive layer 103a in the direction of high thermal conductivity, that is, in the direction of the diode 104b having low heat generation in reverse parallel, and is efficiently cooled. On the other hand, during the converter operation, the diode 104b generates more heat than the IGBT 104a connected in reverse parallel. The heat generated by the diode 104b spreads in the conductive layer 103a in the direction having a large thermal conductivity, that is, in the direction of the IGBT 104a having a small amount of heat generated in reverse parallel, and is similarly efficiently cooled.
[0026]
(Example 3)
FIG. 3 (a), (b), the illustrating an example of application to the third power semiconductor module comprising a signal circuit including a control device for controlling a three-phase power circuit and the power circuit according to an embodiment of the present invention. FIG. 3B shows a planar structure of this embodiment. Fig.3 (a) shows the AA cross section of FIG.3 (b). In addition, about the structure same as the power semiconductor module which is 1st Example demonstrated using FIG. 1, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[0027]
As shown in the figure, a multilayer substrate 301 made of glass epoxy is bonded on a resin insulating layer 102 with an adhesive. A signal circuit 302 is formed on the glass epoxy multilayer substrate 301 (not shown in FIG. 3B). The signal circuit 302 includes a control semiconductor element 303 that controls the power semiconductor element 104. Glass epoxy-made multi-layer substrate 301 at the same time as the conductive layer 103 a, is adhesively bonded via the resin insulating layer 102 to the heat radiating plate 101. IGBT104a and diodes 104b are connected by a signal circuit 302 and the conductive layer 103 metal fine wires 105 at a predetermined point a. In addition, resin sealing is performed by transfer formation with an epoxy resin sealing resin 107 so that the lower main surface of the heat sink 101 is exposed.
[0028]
Example 4
4 (a) and 4 (b) , a signal including a three-phase power circuit unit 401 composed of the power semiconductor element 104 according to the fourth embodiment of the present invention and a control element 303 for controlling the power circuit unit 401. An example of application to a power semiconductor module including a circuit unit 402 will be described. FIG. 4B shows a planar structure of this embodiment. Fig.4 (a) shows the AA cross section of FIG.4 (b). In addition, about the structure same as the power semiconductor module which is 3rd Example demonstrated using FIG. 3 (a), (b) , the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[0029]
As shown in the drawing, the conductive layer 103, a high conductivity metal or a composite material of the small copper and copper oxide thermal expansion coefficient. Depending on the capacity of the power semiconductor element 104, a metal having a high conductivity such as copper and a large thermal expansion coefficient is used for the conductive layer 103 in a small capacity region. In this case, there is no problem with the thickness of the conductive layer 103 being 0.5 mm or less. In, in a large area, using a composite material of an oxide of a small copper and copper coefficients of thermal expansion. At this time, the thickness of the conductive layer 103 is 0.5 mm or more. The heat radiating plate 101, a composite material of copper and copper oxide, and to have the anisotropy of the thermal conductivity, such as direction of the heat conductivity increases shown in Figure 4 (b). Further, the power circuit portion and the signal circuit portion are arranged so that the thermal conductivity of the heat radiating plate 101 in the direction from the power circuit portion to the signal circuit portion is increased. The heat flow during operation is schematically shown by arrows in FIG. The power circuit unit generates more heat than the signal circuit unit. Heat generated in the power circuit section spreads in the direction of the signal circuit section having a high thermal conductivity, and is efficiently cooled.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a high-capacity power semiconductor module having low thermal resistance and low thermal distortion during operation and high reliability can be obtained by using an inexpensive resin insulating layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing a first embodiment of a power semiconductor module according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing a second embodiment of the power semiconductor module according to the present invention.
FIG. 3 is an explanatory view showing a third embodiment of the power semiconductor module according to the present invention.
FIG. 4 is an explanatory view showing a fourth embodiment of the power semiconductor module according to the present invention.
FIG. 5 is an explanatory view showing a conventional example of a power semiconductor module according to the present invention.
FIG. 6 is an explanatory view showing a conventional example of a power semiconductor module according to the present invention.
FIG. 7 is an explanatory view showing a conventional example of a power semiconductor module according to the present invention.
[Explanation of symbols]
101 ... heat sink 102 ... resin insulating layer, 103 a, 103 b ... conductive layer, 104 ... power semiconductor element, 104 a ... IGBT, 104 b ... diode, 105 ... metal thin wire, 106 ... Case, 107 ... sealing resin , 108a ... external terminals for power, external terminal 108 b ... signal, 109 ... attachment hole, 301 ... multi layer substrate, 302 ... signal circuit, 303 ... control semiconductor element, 401 ... power circuit section, 402 ... signal circuit 501 ... Ceramic substrate, 502 ... Circuit pattern, 701 ... Thermal diffusion plate.

Claims

Comprising a hot plate release, and the heat radiating plate and the resin insulating layer is bonded via a conductive layer, and Rupa word semiconductor device Sessu with the conductive layer, and a terminal for connection to the outside, the power semiconductor In the power semiconductor module in which part or all of the element and the conductive layer are sealed with resin,
The power semiconductor module, wherein said conductive layer is a composite material of an oxide of more copper and copper plate thickness 0.5 mm.

The power semiconductor module according to claim 1,
As the power semiconductor element, a diode connected in reverse parallel and a self-extinguishing switching element are connected in parallel by two chips each and are mounted on a conductive layer having the same circuit pattern , and the conductive layer to have anisotropy in the thermal conductivity of the composite material, the thermal conductivity of the conductive layer, so that towards the diode side is larger than the self extinguishing type switching element side, the power semiconductor element is disposed power semiconductor module characterized in that it is.

A hot plate release, and the heat radiating plate and is bonded via the resin insulating layer conductive layer, and the product layer substrate bonded via the heat radiating plate and tree butter insulating layer, which is configured on the laminated substrate a signal circuit, and Rupa word semiconductor device Sessu and the conductive layer, and a terminal for connection to the outside, sealing part or all of the power semiconductor element and the signal circuit and the conductive layer is a resin Power semiconductor module
Rutotomoni using a composite material of an oxide of copper and copper on the heat radiating plate, to have anisotropy in thermal conductivity of the heat radiating plate, and the thermal conductivity of the heat dissipating plate, the power semiconductor element side the power semiconductor module, wherein the like towards the signal circuit side is increased, the power semiconductor element and the signal circuit is arranged than.