JP4046623B2 - Power semiconductor module and fixing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、パワートランジスタモジュール、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)モジュール、インテリジェントパワーモジュール等のパワー半導体モジュールおよびその固定方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のパワー半導体モジュールは、導体層および金属層がセラミックス基材の表面に所定のパターンに形成され、金属膜がセラミックス基材の裏面に形成されている。ここで、導体層はセラミックス基材の外周縁部を除く領域に形成されて部品実装部を構成し、金属層はセラミックス基材の外周縁部に島状に形成されて固定部を構成している。そして、半導体素子およびダイオード等の回路部品が導体層に半田付けされ、回路部品間がボンディングワイヤにより電気的に接続されて、電流制御回路がセラミックス基材の表面上に構成されている。また、樹脂製ケースが電流制御回路を覆うようにセラミックス基材の表面に接着固定され、シリコーンゲル等のゲル材が密閉された樹脂製ケース内に充填されている。さらに、外部回路との接続用の電極が電流制御回路と電気的に接続されて設けられている。
このように構成されたパワー半導体モジュールは、セラミックス基材が放熱板上に載置され、金属層を介してボルトで直接固定され、あるいは金属層を介して固定治具で固定されて、放熱板に取り付けられる。そして、セラミックス基材の金属膜と放熱板との界面には、界面での接触熱抵抗を小さくするためのシリコンオイルコンパウンド層が形成されている。(例えば、特許文献1参照)
【0003】
【特許文献1】
特開2000−82774号公報(図1)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、シリコンオイルコンパウンドの熱伝導率は、1〜3W/mK程度であり、他の構成部材に比べると非常に小さいので、パワー半導体モジュールの性能を発揮するためには、セラミックス基材と放熱板との界面での接触熱抵抗をできるだけ小さくする必要がある。そこで、セラミックス基材と放熱板との界面の空隙を小さくして、低熱伝導性のシリコンオイルコンパウンド層を薄く形成する必要がある。
【0005】
セラミックス基材を放熱板に強く押し付けることで、セラミックス基材と放熱板との界面の空隙を小さくできる。しかし、従来のパワー半導体モジュールにおいては、セラミックス基材が固定治具やボルトにより放熱板に固定されているので、強い締め付け力が固定部に作用すると、セラミックス基材の固定部近傍が変形し、セラミックス基材と放熱板との界面の空隙は固定部近傍のみが小さくなり、その他の空隙は小さくならなくなるという不具合があった。また、セラミックス基材の固定部近傍の変形に起因して、セラミックス基材の中央付近が放熱板から浮き上がってしまうという不具合もあった。さらに、セラミックス基材の固定部を放熱板に強く締め付けることは、セラミックス基材の固定部に大きな応力を発生させ、割れやクラックを引き起こす要因となる。
【0006】
また、セラミックス基材は、導体層や金属膜を形成する過程、半導体素子等の回路部品を導体層に半田接合する過程、樹脂ケースをセラミックス基材に接着固定する過程等において、その平面度を失い、数μm〜数百μmの返りを生じる。そして、セラミックス基材の返りが大きく、半導体素子側に凸状になっている場合には、セラミックス基材を固定部で放熱板に強く締め付けても、元々セラミックス基材と放熱板との界面の空隙が大きな中央付近では、その空隙は小さくならない。
逆に、セラミックス基材の返りが放熱板側に凸状となっている場合には、セラミックス基材を固定部で放熱板に締め付けることにより、固定部のみならず中央付近におけるセラミックス基材と放熱板との界面の空隙を小さくすることができる。しかしながら、セラミックス基材の反り量が大きいと、セラミックス基材と放熱板との接触点を起点とする大きな曲げモーメントが固定部に作用し、セラミックス基材に割れやクラックを発生させてしまうという不具合が生じる。
【0007】
さらに、熱伝導率の大きな金属製の介在物やセラミックス製の介在物の充填率を高くして、シリコンオイルコンパウンドの高熱伝導率化を図ることも考えられる。しかし、介在物の充填率を高めることは、コンパウンドの粘性が低下して硬くなり、コンパウンドを薄く塗布することができなくなるとともに、製造コストが高くなってしまうという問題を発生させることから、セラミックス基材と放熱板との界面の接触抵抗を小さくするための有効な手段とはなりえない。
【0008】
この発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、放熱板に固定する際に、セラミックス基材の割れを発生させることなく、セラミックス基材の反りを吸収してセラミックス基材と放熱板との界面の空隙を小さくし、両者の接触熱抵抗を低減できるパワー半導体モジュールおよびその固定方法を得ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るパワー半導体モジュールは、複数の半導体素子が搭載された長方形形状のセラミックス基板と、上記セラミックス基板に電気的に接続された外部導出端子と、上記半導体素子の搭載領域を囲むように上記セラミックス基板に装着された1つの外囲樹脂ケースと、上記セラミックス基板を放熱板に固定するための固定部とを備えたパワー半導体モジュールにおいて、上記固定部は、上記セラミックス基板の各長辺に沿って該セラミックス基板の外周部に位置するように上記外囲樹脂ケースに設けられ、それぞれの上記固定部の上記セラミック基板の長辺の長さ方向と直交する断面積が、上記セラミック基板の長辺の長さ方向における上記固定部の両端部から中央部に向かって漸増するように形成されているものである。
【0010】
また、この発明に係るパワー半導体モジュールの固定方法は、上記パワー半導体モジュールが、上記セラミックス基板の上記半導体素子の非搭載面を熱軟化性熱伝導性シートを介在させて上記放熱板に載置され、少なくとも上記固定部の上記断面積の最大となる部位で上記放熱板に締着固定されているものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図であり、図1の(a)はセラミックス基板の長辺側から見た断面図、図1の(b)はケース蓋の未装着状態を示す上面図である。
【0012】
図1において、セラミックス基板1は、導体パターン3がセラミックス基材2の表面に形成され、金属膜4がセラミックス基材2の裏面に形成されて構成されている。セラミックス基材2は、例えば窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素等により概略長方形に作製されている。また、導体パターン3および金属層4には、例えば銅、アルミニウム、ニッケルのいずれかを主成分とする金属材料を用いている。そして、導体パターン3は、セラミックス基材2の表面の外周縁部を除く領域を4分割するように形成され、それぞれ後述する部品が実装されるように所定のパターンに形成されている。
【0013】
そして、パワートランジスタ等の複数の半導体素子5が導体パターン3に半田接合されている。これらの半導体素子5が導体パターン3により電気的に接続され、電流制御回路を構成している。また、複数の外部導出端子6が導体パターン3に半田接合され、電流制御回路と外部回路とを接続できるようになっている。
さらに、外囲樹脂ケース7が、導体パターン3(半導体素子搭載領域)を囲繞するようにセラミックス基板1に装着され、ケース蓋8が外囲樹脂ケース7の開口7aを塞口するように装着され、その後ゲル状樹脂9が外囲樹脂ケース7の開口7a内に充填されて、パワー半導体モジュール100が構成されている。
【0014】
この外囲樹脂ケース7は、例えばPPS(ポリフェニレンサルファイド)樹脂により1つの開口7aを有する長方形の枠状に形成されている。開口7aは、セラミックス基板1の外形形状より小さな矩形形状に形成され、セラミックス基材2の外周縁部を収納する凹部7bが開口7aの一端面の内周縁部に全周にわたって形成されている。また、外囲樹脂ケース7の各長辺で構成される固定部7cは一定の幅を有し、その他端面の高さ(厚み)が長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次高くなるように形成されている。さらに、穴方向を厚み方向とする貫通穴7dが各固定部7cを長さ方向に4等分する3箇所に穿設されている。そして、外囲樹脂ケース7が、セラミックス基板1の外周縁部を凹部7bに収納するようにセラミックス基板1に載置されて接着固定されている。この時、固定部7cはセラミックス基板1の長辺に沿ってセラミックス基板1の外周部に設けられている。また、外囲樹脂ケース7の一端面とセラミックス基板1の金属膜4の表面とがほぼ同一面位置となっている。
【0015】
このように構成されたパワー半導体モジュール100は、金属膜4をアルミ合金製の放熱板10の主面(モジュール取付面)に面するように放熱板10上に載置され、貫通穴7dに通された締結ねじ11を放熱板10に締着して取り付けられる。そして、金属膜4と放熱板10の主面との間には、例えばシリコーン系の放熱グリースからなる中間層12が介装され、金属膜4と放熱板10の主面との空隙が中間層12で埋められている。なお、放熱板10の裏面には、放熱フィン10aが立設されている。
【0016】
ついで、このように構成されたパワー半導体モジュール100の動作について説明する。
半導体素子5への通電に伴って、半導体素子5の電極面に多量の熱が発生する。この熱は、導体パターン3、セラミックス基材2、電極膜4および中間層12を介して放熱板10に熱伝導され、放熱フィン10aから外部に放熱される。これにより、半導体素子5の過度の温度上昇が抑えられ、半導体素子5が安定して動作する。
【0017】
ついで、この実施の形態1によるパワー半導体モジュール構造の効果について図2および図3を参照しつつ説明する。図2はセラミック板に樹脂ケースを取り付けて荷重を負荷した際に生じる応力分布を示す図であり、図3は樹脂ケースの長さ方向の厚み分布を示す図である。
ここで、セラミック板には、長さ80mm、幅60mm、厚さ0.5mm、ヤング率35000kgf/mm2のものを用いた。また、第1および第2樹脂ケースには、長さ80mm、幅5mmとするブロック体に形成され、ヤング率300kgf/mm2のものを用いた。そして、第1樹脂ケースは、図3にDで示されるように、長辺の厚みが両端から中央部に向かって放物線状に漸増し、両端の厚みを1.5mmとし、中央部の厚みを3mmとし、平均厚さを2mmとしている。一方、第2樹脂ケースは、図3にEで示されるように、厚み2mmとする一様断面を有している。
【0018】
図2の曲線Aは、セラミックス板の中央位置に第1樹脂ケースを取り付け、1.5kgfの荷重を第1樹脂ケースの長さ方向の中央部に負荷した際に生じる応力分布を測定した結果を示している。また、図2の曲線Bは、セラミックス板の中央位置に第2樹脂ケースを取り付け、1.5kgfの荷重を第2樹脂ケースの長さ方向の中央部に負荷した際に生じる応力分布を測定した結果を示している。さらに、図2の曲線Cは、セラミックス板の中央部に1.5kgfの荷重を負荷した際に生じる応力分布を測定した結果を示している。
【0019】
図2の曲線Cから、1.5kgfの荷重をセラミックス板の中央部に負荷すると、曲げ応力は端部から中央部に向かって漸次増加する応力勾配となり、最大25kgf/mm2の曲げ応力が中央部に集中発生していることがわかる。
また、図2の曲線Bから、1.5kgfの荷重を第2樹脂ケースの中央部に負荷すると、曲げ応力は端部から中央部に向かって漸次増加する応力勾配となり、最大17kgf/mm2の曲げ応力が中央部に集中発生していることがわかる。
さらに、図2の曲線Aから、1.5kgfの荷重を第1樹脂ケースの中央部に負荷すると、曲げ応力は端部から中央部に向かって漸次増加し、中央部の40mmの範囲でほぼ一様となる応力勾配となり、曲げ応力の最大値は、ほぼ10kgf/mm2となることがわかる。
【0020】
このように、厚みが長さ方向の両端から中央部に向かって放物線状に漸増する第1樹脂ケースを用いることにより、セラミックス板に生じる曲げ応力を低減できるとともに、長さ方向の応力勾配を低減できることが可能となる。
これは、第1樹脂ケースの長さ方向と直交する断面積が、長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次増加するようになっているので、第1樹脂ケースに作用する曲げモーメントが長さ方向の両端部から中央部に向かって漸増するが、断面二次モーメントも長さ方向の両端部から中央部に向かって漸増して曲げ剛性が大きくなる。その結果、第1樹脂ケースとセラミックス板とに生じる曲げの長さ方向の応力勾配が小さくなったものと推考される。
【0021】
この実施の形態1では、パワー半導体モジュール100を放熱板10に締結ねじ11を用いて固定する際に、ねじ締め付けによる曲げモーメントが放熱板10に対して(半導体素子5側に)凸状に反りが生じるようにセラミックス基板1に作用する。この時、外囲樹脂ケース7の長辺で構成される固定部7cがセラミックス基板1の長辺に沿った外周部に設けられているので、セラミックス基板1に作用する曲げモーメントは、セラミックス基板1の短辺方向の小さいものとなる。その結果、曲げモーメントに起因してセラミックス基板1に生じる放熱板10に対して凸状の返りが小さいものとなり、セラミックス基板1と放熱板10との間に生じる空隙は小さく、セラミックス基板1と放熱板10との間の中間層12を介しての接触熱抵抗が小さくなる。これにより、半導体素子5で発生した熱がセラミックス基板1から放熱板10に速やかに熱伝導され、半導体素子5の過度の温度上昇が抑えられ、パワー半導体モジュール100の性能が十分に発揮されるようになる。
【0022】
また、外囲樹脂ケース7のセラミックス基板1の長辺に沿った固定部7cの厚さが、長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次増加するようになっている。つまり、外囲樹脂ケース7のセラミックス基板1の長辺に沿った固定部7cの長さ方向と直交する断面積が、長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次増加するようになっている。そこで、パワー半導体モジュール100を放熱板10に締結ねじ11を用いて固定した際に、セラミックス基板1の長辺の長さ方向と外囲樹脂ケース7のセラミックス基板1の長辺に沿った固定部7cとに生じる曲げ応力の長さ方向における勾配が低減される。その結果、従来装置において固定部に発生していた応力集中を緩和することができ、セラミックス基板1の割れやクラックの発生を回避することができる。
【0023】
さらに、パワー半導体モジュール100を放熱板10に締結ねじ11を用いて固定した際に、セラミックス基板1に生じる曲げ応力の長さ方向における勾配が低減されるので、仮にセラミックス基板1が放熱板10に向かって凸状に反っていても、セラミックス基板1の割れやクラックの発生を抑えて、セラミックス基板1と放熱板10との界面の空隙を小さくできる。
【0024】
このように、この実施の形態1によれば、セラミックス基板1の反りが放熱板10に対して凸状あるいは凹状になっていても吸収できるので、使用可能なセラミックス基板1の反り公差が大きくなり、セラミックス基板1の製造歩留まりが上がり、製造コストを低減することができる。
また、従来装置で用いられていた固定治具やボルトを用いることなくパワー半導体モジュール100を放熱板10に固定できるので、パワー半導体モジュール100を放熱板10に取り付ける際や、パワー半導体モジュール100の動作時の機械的あるいは熱的な変形によって、セラミックス基板1が固定治具やボルトと接触してセラミックス基板1に割れやクラックが発生するという不具合も未然に防止される。
【0025】
また、外囲樹脂ケース7に凹部7bを設け、セラミックス基板1を凹部7b内に収納させているので、セラミックス基板1と外囲樹脂ケース7との位置決めが容易になる。
また、外囲樹脂ケース7の一端面とセラミックス基板1の金属膜4の表面とがほぼ同一面位置となるように構成されているので、中間層12を薄くすることができ、セラミックス基板1と放熱板10との間の接触熱抵抗を低減できる。
【0026】
なお、上記実施の形態1において、外囲樹脂ケース7の各長辺で構成される固定部7cの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次高くなるように形成されていればよく、特に、固定部7cの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって放物線状に漸増していることが望ましい。
また、上記実施の形態1では、外囲樹脂ケース7の一端面とセラミックス基板1の金属膜4の表面とがほぼ同一面位置となるように構成するものとして説明しているが、外囲樹脂ケース7の一端面とセラミックス基板1の金属膜4の表面とは必ずしも同一面位置にする必要はなく、中間層12の厚みの設計値に応じて適宜設定すればよい。
また、上記実施の形態1では、3本の締結ねじ11を用いて各固定部7cを放熱板10に締着固定するものとして説明しているが、締結ねじ11の本数は3本に限定されるものではなく、1本でもよい。この場合、締結ねじ11は、固定部7cの長さ方向の中央部、即ち断面積が最大となる部位を放熱板10に締結固定するようにすればよい。
【0027】
実施の形態2.
図4はこの発明の実施の形態2に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図であり、図4の(a)はセラミックス基板の長辺側から見た断面図、図4の(b)はケース蓋の未装着状態を示す上面図である。
【0028】
図4において、外囲樹脂ケース15は、例えばPPS樹脂により1つの開口15aを有する一定厚みの長方形の枠状に形成されている。開口15aは、セラミックス基板1の外形形状より小さな矩形形状に形成され、セラミックス基材2の外周縁部を収納する凹部15bが開口15aの一端面の内周縁部に全周にわたって形成されている。また、外囲樹脂ケース15の各長辺で構成される固定部15cは、その幅が長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されている。さらに、穴方向を厚み方向とする貫通穴15dが各固定部15cを長さ方向に4等分する3箇所に穿設されている。そして、外囲樹脂ケース15が、セラミックス基板1の外周縁部を凹部15bに収納するようにセラミックス基板1に載置されて接着固定されている。この時、固定部15cはセラミックス基板1の長辺に沿ってセラミックス基板1の外周部に設けられている。また、外囲樹脂ケース15の一端面とセラミックス基板1の金属膜4の表面とがほぼ同一面位置となっている。
なお、この実施の形態2は、外囲樹脂ケース7に代えて外囲樹脂ケース15を用いている点を除いて、上記実施の形態1と同様に構成されている。
【0029】
このように構成されたパワー半導体モジュール101は、金属膜4をアルミ合金製の放熱板10の主面(モジュール取付面)に面するように放熱板10上に載置され、貫通穴15dに通された締結ねじ11を放熱板10に締着して取り付けられる。そして、金属膜4と放熱板10の主面との間には、中間層12が介装され、金属膜4と放熱板10の主面との空隙が中間層12で埋められている。
【0030】
ついで、このように構成されたパワー半導体モジュール101の動作について説明する。
半導体素子5への通電に伴って、半導体素子5の電極面に多量の熱が発生する。この熱は、導体パターン3、セラミックス基材2、電極膜4および中間層12を介して放熱板10に熱伝導され、放熱フィン10aから外部に放熱される。これにより、半導体素子5の過度の温度上昇が抑えられ、半導体素子5が安定して動作する。
【0031】
ついで、この実施の形態2によるパワー半導体モジュール構造の効果について図5および図6を参照しつつ説明する。図5はセラミック板に樹脂ケースを取り付けて荷重を負荷した際に生じる応力分布を示す図であり、図6は樹脂ケースの長さ方向の厚み分布を示す図である。
ここで、セラミック板には、長さ80mm、幅60mm、厚さ0.5mm、ヤング率35000kgf/mm2のものを用いた。また、第1および第2樹脂ケースには、長さ80mm、厚み2mmとするブロック体に形成され、ヤング率300kgf/mm2のものを用いた。そして、第1樹脂ケースは、図6にDで示されるように、幅が長さ方向の両端から中央部に向かって放物線状に漸増し、両端の幅を3.5mmとし、中央部の幅を10mmとし、平均幅を5mmとしている。一方、第2樹脂ケースは、図6にEで示されるように、幅5mmとする一様断面を有している。
【0032】
図5の曲線Aは、セラミックス板の中央部に第1樹脂ケースを取り付け、1.5kgfの荷重を第1樹脂ケースの長さ方向の中央に負荷した際に生じる応力分布を測定した結果を示している。また、図5の曲線Bは、セラミックス板の中央部に第2樹脂ケースを取り付け、1.5kgfの荷重を第2樹脂ケースの長さ方向の中央に負荷した際に生じる応力分布を測定した結果を示している。さらに、図5の曲線Cは、セラミックス板の中央部に1.5kgfの荷重を負荷した際に生じる応力分布を測定した結果を示している。
【0033】
図5の曲線Cから、1.5kgfの荷重をセラミックス板の中央部に負荷すると、曲げ応力は端部から中央部に向かって漸次増加する応力勾配となり、最大25kgf/mm2の曲げ応力が中央部に集中発生していることがわかる。
また、図5の曲線Bから、1.5kgfの荷重を第2樹脂ケースの中央部に負荷すると、曲げ応力は端部から中央部に向かって漸次増加する応力勾配となり、最大17kgf/mm2の曲げ応力が中央部に集中発生していることがわかる。
さらに、図5の曲線Aから、1.5kgfの荷重を第1樹脂ケースの中央部に負荷すると、曲げ応力は端部から中央部に向かって漸次増加し、中央部の20mmの範囲でほぼ一様となる応力勾配となり、曲げ応力の最大値は、ほぼ12kgf/mm2となることがわかる。
【0034】
このように、幅が長さ方向の両端から中央部に向かって放物線状に漸増する第1樹脂ケースを用いることにより、セラミックス板に生じる曲げ応力を低減できるとともに、長さ方向の応力勾配を低減できることが可能となる。
これは、第1樹脂ケースの長さ方向と直交する断面積が、長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次増加するようになっているので、第1樹脂ケースに作用する曲げモーメントが長さ方向の両端部から中央部に向かって漸増するが、断面二次モーメントも長さ方向の両端部から中央部に向かって漸増して曲げ剛性が大きくなる。その結果、第1樹脂ケースとセラミックス板とに生じる曲げの長さ方向の応力勾配が小さくなったものと推考される。
【0035】
この実施の形態2では、パワー半導体モジュール101を放熱板10に締結ねじ11を用いて固定する際に、ねじ締め付けによる曲げモーメントが放熱板10に対して凸状に反りが生じるようにセラミックス基板1に作用する。この時、外囲樹脂ケース15の長辺で構成される固定部15cがセラミックス基板1の長辺に沿った外周部に設けられているので、セラミックス基板1に作用する曲げモーメントは、セラミックス基板1の短辺方向の小さいものとなる。その結果、曲げモーメントに起因してセラミックス基板1に生じる放熱板10に対して凸状の返りが小さいものとなり、セラミックス基板1と放熱板10との間に生じる空隙は小さく、セラミックス基板1と放熱板10との間の中間層12を介しての接触熱抵抗が小さくなる。これにより、半導体素子5で発生した熱がセラミックス基板1から放熱板10に速やかに熱伝導され、半導体素子5の過度の温度上昇が抑えられ、パワー半導体モジュール101の性能が十分に発揮されるようになる。
【0036】
また、外囲樹脂ケース15の固定部15cの幅が、長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次増加するようになっている。つまり、外囲樹脂ケース15のセラミックス基板1の長辺に沿った固定部15cの長さ方向と直交する断面積が、長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次増加するようになっている。そこで、パワー半導体モジュール101を放熱板10に締結ねじ11を用いて固定した際に、セラミックス基板1の長辺の長さ方向と外囲樹脂ケース15のセラミックス基板1の長辺に沿った固定部15cとに生じる曲げ応力の長さ方向における勾配が低減される。その結果、従来装置において固定部に発生していた応力集中を緩和することができ、セラミックス基板1の割れやクラックの発生を回避することができる。
【0037】
さらに、パワー半導体モジュール101を放熱板10に締結ねじ11を用いて固定した際に、セラミックス基板1に生じる曲げ応力の長さ方向における勾配が低減されるので、仮にセラミックス基板1が放熱板10に向かって凸状に反っていても、セラミックス基板1の割れやクラックの発生を抑えて、セラミックス基板1と放熱板10との界面の空隙を小さくできる。
【0038】
このように、この実施の形態2によれば、セラミックス基板1の反りが放熱板10に対して凸状あるいは凹状になっていても吸収できるので、使用可能なセラミックス基板1の反り公差が大きくなり、セラミックス基板1の製造歩留まりが上がり、製造コストを低減することができる。
また、従来装置で用いられていた固定治具やボルトを用いることなくパワー半導体モジュール101を放熱板10に固定できるので、パワー半導体モジュール101を放熱板10に取り付ける際や、パワー半導体モジュール101の動作時の機械的あるいは熱的な変形によって、セラミックス基板1が固定治具やボルトと接触してセラミックス基板1に割れやクラックが発生するという不具合も未然に防止される。
【0039】
また、外囲樹脂ケース15に凹部15bを設け、セラミックス基板1を凹部15b内に収納させているので、セラミックス基板1と外囲樹脂ケース15との位置決めが容易になる。
また、外囲樹脂ケース15の一端面とセラミックス基板1の金属膜4の表面とがほぼ同一面位置となるように構成されているので、中間層12を薄くすることができ、セラミックス基板1と放熱板10との間の接触熱抵抗を低減できる。
【0040】
なお、上記実施の形態2において、外囲樹脂ケース15の各長辺で構成される固定部15cの幅は長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されていればよく、特に、固定部15cの幅は長さ方向の両端部から中央部に向かって放物線状に漸増していることが望ましい。
また、上記実施の形態2では、外囲樹脂ケース15の一端面とセラミックス基板1の金属膜4の表面とがほぼ同一面位置となるように構成するものとして説明しているが、外囲樹脂ケース15の一端面とセラミックス基板1の金属膜4の表面とは必ずしも同一面位置にする必要はなく、中間層12の厚みの設計値に応じて適宜設定すればよい。
また、上記実施の形態2では、3本の締結ねじ11を用いて各固定部15cを放熱板10に締着固定するものとして説明しているが、締結ねじ11の本数は3本に限定されるものではなく、1本でもよい。この場合、締結ねじ11は、固定部15cの長さ方向の中央部、即ち断面積が最大となる部位を放熱板10に締結固定するようにすればよい。
【0041】
実施の形態3.
図7はこの発明の実施の形態3に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図であり、図7の(a)はケース蓋の未装着状態を示す上面図、図7の(b)はセラミックス基板の長辺側から見た断面図である。
【0042】
図7において、セラミックス基板16は、導体パターン18がセラミックス基材17の表面に形成され、金属膜19がセラミックス基材17の裏面に形成されて構成されている。セラミックス基材17は、例えば窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素等により概略長方形に作製されている。また、導体パターン18および金属層19には、例えば銅、アルミニウム、ニッケルのいずれかを主成分とする金属材料を用いている。そして、導体パターン18は、セラミックス基材17の表面の外周縁部を除く領域を2分割するように形成され、それぞれ半導体素子5等の部品が実装されるように所定のパターンに形成されている。
【0043】
そして、複数の半導体素子5が導体パターン18に半田接合されている。これらの半導体素子5が導体パターン18により電気的に接続され、電流制御回路を構成している。また、複数の外部導出端子6が導体パターン18に半田接合され、電流制御回路と外部回路とを接続できるようになっている。そして、半導体素子5および外部導出端子6が実装された3枚のセラミックス基板16が長辺を互いに隣接させて1列に配列されている。
さらに、外囲樹脂ケース20が、3枚のセラミックス基板16の導体パターン18(半導体素子搭載領域)を囲繞するように装着され、ケース蓋21が外囲樹脂ケース20の開口20aを塞口するように装着され、その後ゲル状樹脂9が外囲樹脂ケース20の開口20a内に充填されて、パワー半導体モジュール102が構成されている。
【0044】
この外囲樹脂ケース20は、例えばPPS樹脂により3つの開口20aが1列に並んで形成された長方形の枠状に形成されている。各開口20aは、セラミックス基板16の外形形状より小さい矩形形状に形成され、セラミックス基材17の外周縁部を収納する凹部20bが一端面の内周縁部に全周にわたって形成されている。また、外囲樹脂ケース20の各固定部20cは一定の幅を有し、その他端面の高さ(厚み)が長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次高くなるように形成されている。さらに、穴方向を厚み方向とする貫通穴20dが各固定部20cの長さ方向の中央部に穿設されている。そして、外囲樹脂ケース20が、各セラミックス基板16の外周縁部を凹部20bに収納するように3枚のセラミックス基板16上に載置されて接着固定されている。この時、固定部20cは、各セラミックス基板16の長辺に沿ってセラミックス基板16の外周部に配置されている。また、外囲樹脂ケース20の一端面とセラミックス基板1の金属膜4の表面とがほぼ同一面位置となっている。
【0045】
このように構成されたパワー半導体モジュール102は、金属膜4をアルミ合金製の放熱板10の主面(モジュール取付面)に面するように放熱板10上に載置され、貫通穴20dに通された締結ねじ11を放熱板10に締着して取り付けられる。そして、金属膜4と放熱板10の主面との間には、中間層12が介装され、金属膜4と放熱板10の主面との空隙が中間層12で埋められている。
【0046】
ついで、このように構成されたパワー半導体モジュール102の動作について説明する。
半導体素子5への通電に伴って、半導体素子5の電極面に多量の熱が発生する。この熱は、導体パターン3、セラミックス基材2、電極膜4および中間層12を介して放熱板10に熱伝導され、放熱フィン10aから外部に放熱される。これにより、半導体素子5の過度の温度上昇が抑えられ、半導体素子5が安定して動作する。
【0047】
この実施の形態3では、その厚みを長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されている固定部20cが各セラミックス基板16の長辺に沿ってセラミックス基板16の外周部に配置されている。また、外囲樹脂ケース20に凹部20bを設け、セラミックス基板16を凹部20b内に収納させている。さらに、外囲樹脂ケース20の一端面とセラミックス基板16の金属膜19の表面とがほぼ同一面位置となるように構成されている。従って、この実施の形態3においても、上記実施の形態1と同様の効果が得られる。
【0048】
この実施の形態3によれば、1つのパワー半導体モジュール102に3枚のセラミックス基板16を実装しているので、各セラミックス基板16に異なる回路構成を実装し、大型のパワー半導体モジュールや、多機能パワー半導体モジュール(インテリジェントパワーモジュール)を実現できる。
また、セラミックス基板16を1枚のセラミックス基板を分割した基板構成とすれば、各セラミックス基板16の面積が小さくなる。そこで、セラミックス基板16自体の製造歩留まりが向上し、相対的にコストを低減することができる。さらに、セラミックス基板16が小さくなるので、外囲樹脂ケース20を放熱板10に締着固定する際に、各セラミックス基板16に作用する曲げモーメントが小さくなる。これにより、締結ねじ11の締め付けに起因するセラミックス基板16と放熱板10との接触面間の空隙の増大が抑えられ、両者間の熱抵抗を小さく抑制することができる。
【0049】
なお、上記実施の形態3において、外囲樹脂ケース20の固定部20cの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されていればよく、特に、固定部20cの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって放物線状に漸増していることが望ましい。
また、上記実施の形態3では、3枚のセラミックス基板16を長辺を近接させて1列に配列するものとして説明しているが、セラミックス基板16の配列数は3枚に限定されるものではなく、2枚でも、4枚以上でもよい。
また、上記実施の形態3では、固定部20cは、幅を一定として厚みを変えて長さ方向と直交する断面積を長さ方向の両端から中央部に向かって漸次増加するように形成されているものとしているが、固定部は、厚みを一定として幅を変えて長さ方向と直交する断面積を長さ方向の両端から中央部に向かって漸次増加するように形成されてもよい。
【0050】
実施の形態4.
図8はこの発明の実施の形態4に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図であり、図8の(a)はセラミックス基板の短辺側から見た断面図、図8の(b)はケース蓋の未装着状態を示す上面図である。
【0051】
図8において、外囲樹脂ケース21は、例えばPPS樹脂により1つの開口21aを有する長方形の枠状に形成されている。開口21aは、セラミックス基板1の外形形状より小さな矩形形状に形成され、セラミックス基材2の外周縁部を収納する凹部21bが開口21aの一端面の内周縁部に全周にわたって形成されている。また、外囲樹脂ケース21の各長辺で構成される固定部21cは一定の幅を有し、その他端面の高さ(厚み)が長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次高くなるように形成されている。さらに、穴方向を厚み方向とする貫通穴21dが各固定部21cを長さ方向に4等分する3箇所に穿設されている。さらにまた、固定部21cと平行に延びるリブ21eが両短辺の中央部間を連結するように一体に形成されている。そして、外囲樹脂ケース21が、セラミックス基板1の外周縁部を凹部21bに収納するようにセラミックス基板1に載置されて接着固定されている。この時、固定部21cはセラミックス基板1の長辺に沿ってセラミックス基板1の外周部に設けられている。また、外囲樹脂ケース21の一端面とセラミックス基板1の金属膜4の表面とがほぼ同一面位置となっている。
なお、外囲樹脂ケース21は、リブ21eを有している点を除いて、上記外囲樹脂ケース7と同様に構成されている。また、この実施の形態4は、外囲樹脂ケース7に代えて外囲樹脂ケース21を用いている点を除いて、上記実施の形態1と同様に構成されている。
【0052】
このように構成されたパワー半導体モジュール103は、金属膜4をアルミ合金製の放熱板10の主面(モジュール取付面)に面するように放熱板10上に載置され、貫通穴21dに通された締結ねじ11を放熱板10に締着して取り付けられる。そして、金属膜4と放熱板10の主面との間には、中間層12が介装され、金属膜4と放熱板10の主面との空隙が中間層12で埋められている。
【0053】
ついで、このように構成されたパワー半導体モジュール103の動作について説明する。
半導体素子5への通電に伴って、半導体素子5の電極面に多量の熱が発生する。この熱は、導体パターン3、セラミックス基材2、電極膜4および中間層12を介して放熱板10に熱伝導され、放熱フィン10aから外部に放熱される。これにより、半導体素子5の過度の温度上昇が抑えられ、半導体素子5が安定して動作する。
【0054】
この実施の形態4では、その厚みを長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されている固定部21cがセラミックス基板1の長辺に沿ってセラミックス基板1の外周部に配置されている。また、外囲樹脂ケース21に凹部21bを設け、セラミックス基板1の外周縁部を凹部21b内に収納させている。さらに、外囲樹脂ケース21の一端面とセラミックス基板1の金属膜4の表面とがほぼ同一面位置となるように構成されている。従って、この実施の形態4においても、上記実施の形態1と同様の効果が得られる。
【0055】
この実施の形態4によれば、固定部21cと平行に延びるリブ21eが外囲樹脂ケース21の両短辺の中央部間を連結するように一体に形成されている。そこで、外囲樹脂ケース21を締結ねじ11により放熱板10に締め付ける際に外囲樹脂ケース21の短辺が外側に伸びようとする変形がリブ21eにより抑制され、セラミックス基板1の初期反りによる変形抵抗にも打ち負けることなく、セラミックス基板1と放熱板10との接触面間の空隙の増大が抑えられる。
【0056】
なお、上記実施の形態4において、外囲樹脂ケース21の固定部21cの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されていればよく、特に、固定部21cの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって放物線状に漸増していることが望ましい。
また、上記実施の形態4では、固定部21cと平行に延びる1つのリブ21eを両短辺の中央部間を連結するように設けるものとしているが、複数のリブ21eを平行に設けてもよいし、リブ21eに加えて、リブ21eと直交するリブを固定部21c間を連結するように設けてもよい。
また、上記実施の形態4では、上記実施の形態1における外囲樹脂ケース7にリブ21eを設けるものとしているが、上記実施の形態2、3における外囲樹脂ケース15、20にリブ21eを設けてもよい。
【0057】
実施の形態5.
図9はこの発明の実施の形態5に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図であり、図9の(a)はセラミックス基板の短辺側から見た断面図、図9の(b)はケース蓋の未装着状態を示す上面図である。
【0058】
図9において、外囲樹脂ケース22は、例えばPPS樹脂により1つの開口22aを有する長方形の枠状に形成されている。開口22aは、セラミックス基板1の外形形状より小さな矩形形状に形成され、セラミックス基材2の外周縁部を収納する凹部22bが開口22aの一端面の内周縁部に全周にわたって形成されている。また、外囲樹脂ケース22の各長辺で構成される固定部22cは一定の幅を有し、その他端面の高さ(厚み)が長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次高くなるように形成されている。さらに、穴方向を厚み方向とする貫通穴22dが各固定部22cを長さ方向に4等分する3箇所に穿設されている。さらにまた、固定部22cと平行に延びるリブ22eが両短辺の中央部間を連結するように一体に形成されている。また、金属導体23がリブ22eに一体に配設されている。
【0059】
そして、外囲樹脂ケース22が、セラミックス基板1の外周縁部を凹部22bに収納するようにセラミックス基板1に載置されて接着固定されている。また、セラミックス基板1の導体パターン3および半導体素子5と金属導体23とがボンディングワイヤ24により電気的に接続され、主回路を構成している。この時、固定部22cはセラミックス基板1の長辺に沿ってセラミックス基板1の外周部に設けられている。また、外囲樹脂ケース22の一端面とセラミックス基板1の金属膜4の表面とがほぼ同一面位置となっている。
なお、外囲樹脂ケース22は、金属導体23を有している点を除いて、上記外囲樹脂ケース21と同様に構成されている。また、この実施の形態5は、外囲樹脂ケース21に代えて外囲樹脂ケース22を用いている点を除いて、上記実施の形態4と同様に構成されている。
【0060】
このように構成されたパワー半導体モジュール104は、金属膜4をアルミ合金製の放熱板10の主面(モジュール取付面)に面するように放熱板10上に載置され、貫通穴22dに通された締結ねじ11を放熱板10に締着して取り付けられる。そして、金属膜4と放熱板10の主面との間には、中間層12が介装され、金属膜4と放熱板10の主面との空隙が中間層12で埋められている。
【0061】
ついで、このように構成されたパワー半導体モジュール104の動作について説明する。
半導体素子5への通電に伴って、半導体素子5の電極面に多量の熱が発生する。この熱は、導体パターン3、セラミックス基材2、電極膜4および中間層12を介して放熱板10に熱伝導され、放熱フィン10aから外部に放熱される。これにより、半導体素子5の過度の温度上昇が抑えられ、半導体素子5が安定して動作する。
【0062】
この実施の形態5では、その厚みを長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されている固定部22cがセラミックス基板1の長辺に沿ってセラミックス基板1の外周部に配置されている。また、外囲樹脂ケース22に凹部22bを設け、セラミックス基板1の外周縁部を凹部22b内に収納させている。また、外囲樹脂ケース22の一端面とセラミックス基板1の金属膜4の表面とがほぼ同一面位置となるように構成されている。さらに、リブ22eが外囲樹脂ケース21の両短辺の中央部間を連結するように配設されている。従って、この実施の形態5においても、上記実施の形態4と同様の効果が得られる。
【0063】
この実施の形態5によれば、金属導体23がリブ22eに一体に配設されているので、外囲樹脂ケース22を締結ねじ11により放熱板10に締め付ける際に外囲樹脂ケース22の短辺が外側に伸びようとする変形がより抑制され、セラミックス基板1の初期反りによる変形抵抗にも打ち負けることなく、セラミックス基板1と放熱板10との接触面間の空隙の増大が一層抑えられる。
また、リブ22eに一体に配設された金属導体23と導体パターン3および半導体素子5とがボンディングワイヤ24により電気的に接続されているので、金属導体23が主回路の一部を構成し、主回路を三次元的に構成できる。これにより、セラミックス基板1上の主回路パターン面積が縮小され、セラミックス基板1の面積を小さくでき、材料コストを引き下げることができる。
【0064】
なお、上記実施の形態5において、外囲樹脂ケース22の固定部22cの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されていればよく、特に、固定部22cの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって放物線状に漸増していることが望ましい。
また、上記実施の形態5では、固定部22cと平行に延びる1つのリブ22eを両短辺の中央部間を連結するように設けるものとしているが、複数のリブ22eを平行に設けてもよいし、リブ22eに加えて、リブ22eと直交するリブを固定部22c間を連結するように設けてもよい。
また、上記実施の形態5では、上記実施の形態1における外囲樹脂ケース7にリブ22eおよび金属導体23を設けるものとしているが、上記実施の形態2、3における外囲樹脂ケース15、20にリブ22eおよび金属導体23を設けてもよい。
【0065】
実施の形態6.
図10はこの発明の実施の形態6に係るパワー半導体モジュールをセラミックス基板の短辺側から見た断面図である。
【0066】
図10において、外囲樹脂ケース25は、例えばPPS樹脂により1つの開口25aを有する長方形の枠状に形成されている。開口25aは、セラミックス基板1の外形形状より小さな矩形形状に形成され、セラミックス基材2の外周縁部を収納する凹部25bが開口25aの一端面の内周縁部に全周にわたって形成されている。また、外囲樹脂ケース25の各長辺で構成される固定部25cは一定の幅を有し、その他端面の高さ(厚み)が長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次高くなるように形成されている。また、穴方向を厚み方向とする貫通穴25dが各固定部25cを長さ方向に4等分する3箇所に穿設されている。さらに、固定部25cと平行に延びるリブ25eが両短辺の中央部間を連結するように一体に形成されている。さらにまた、ボス25fがセラミックス基板1に接するようにリブ25eから一体に突設されている。
【0067】
そして、外囲樹脂ケース25が、セラミックス基板1の外周縁部を凹部25bに収納するようにセラミックス基板1に載置されて接着固定されている。この時、固定部25cはセラミックス基板1の長辺に沿ってセラミックス基板1の外周部に設けられている。また、外囲樹脂ケース21の一端面とセラミックス基板1の金属膜4の表面とがほぼ同一面位置となっている。
なお、外囲樹脂ケース25は、ボス25fを有している点を除いて、上記外囲樹脂ケース21と同様に構成されている。また、この実施の形態6は、外囲樹脂ケース21に代えて外囲樹脂ケース25を用いている点を除いて、上記実施の形態4と同様に構成されている。
【0068】
このように構成されたパワー半導体モジュール105は、金属膜4をアルミ合金製の放熱板10の主面(モジュール取付面)に面するように放熱板10上に載置され、貫通穴25dに通された締結ねじ11を放熱板10に締着して取り付けられる。そして、金属膜4と放熱板10の主面との間には、中間層12が介装され、金属膜4と放熱板10の主面との空隙が中間層12で埋められている。
【0069】
ついで、このように構成されたパワー半導体モジュール105の動作について説明する。
半導体素子5への通電に伴って、半導体素子5の電極面に多量の熱が発生する。この熱は、導体パターン3、セラミックス基材2、電極膜4および中間層12を介して放熱板10に熱伝導され、放熱フィン10aから外部に放熱される。これにより、半導体素子5の過度の温度上昇が抑えられ、半導体素子5が安定して動作する。
【0070】
この実施の形態6では、その厚みを長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されている固定部25cがセラミックス基板1の長辺に沿ってセラミックス基板1の外周部に配置されている。また、外囲樹脂ケース25に凹部25bを設け、セラミックス基板1の外周縁部を凹部25b内に収納させている。また、外囲樹脂ケース25の一端面とセラミックス基板1の金属膜4の表面とがほぼ同一面位置となるように構成されている。さらに、リブ25eが外囲樹脂ケース25の両短辺の中央部間を連結するように配設されている。従って、この実施の形態6においても、上記実施の形態4と同様の効果が得られる。
【0071】
この実施の形態6によれば、ボス25fがリブ25eに一体に配設されているので、外囲樹脂ケース25を締結ねじ11により放熱板10に締め付ける際に外囲樹脂ケース25の短辺が外側に伸びようとする変形がより抑制され、セラミックス基板1の初期反りによる変形抵抗にも打ち負けることなく、セラミックス基板1と放熱板10との接触面間の空隙の増大が一層抑えられる。
【0072】
なお、上記実施の形態6において、外囲樹脂ケース25の固定部25cの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されていればよく、特に、固定部25cの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって放物線状に漸増していることが望ましい。
また、上記実施の形態6では、固定部25cと平行に延びる1つのリブ25eを両短辺の中央部間を連結するように設けるものとしているが、複数のリブ25eを平行に設けてもよいし、リブ25eに加えて、リブ25eと直交するリブを固定部25c間を連結するように設けてもよい。
また、上記実施の形態6では、リブ25eに1つのボス25fを一体に突設するものとしているが、ボス25fが一体に設けられたリブ25eを複数設けてもよいし、複数のボス25fをリブ25eに設けてもよい。
また、上記実施の形態6では、上記実施の形態1における外囲樹脂ケース7にリブ25eおよびボス25fを設けるものとしているが、上記実施の形態2、3における外囲樹脂ケース15、20にリブ25eおよびボス25fを設けてもよい。
【0073】
実施の形態7.
図11はこの発明の実施の形態7に係るパワー半導体モジュールを放熱板に取り付けた状態を示す断面図である。
図11において、パワー半導体モジュール100は、中間層26を介在させて金属膜4(半導体素子5の非搭載面)をアルミ合金製の放熱板10の主面(モジュール取付面)に面するように放熱板10上に載置され、貫通穴7dに通された締結ねじ11を放熱板10に締着して取り付けられる。この中間層26は、例えばシリコーン系樹脂で作製された熱軟化性熱伝導性シートであり、例えば50℃を超えると軟化する性質を有している。
なお、この実施の形態7は、中間層12に代えて中間層26を用いている点を除いて、上記実施の形態1と同様に構成されている。
【0074】
この実施の形態7では、半導体素子5への通電に伴って、半導体素子5の電極面に発生した熱は、導体パターン3、セラミックス基材2、電極膜4および中間層26を介して放熱板10に熱伝導され、放熱フィン10aから外部に放熱される。これにより、半導体素子5の過度の温度上昇が抑えられ、半導体素子5が安定して動作する。
【0075】
この実施の形態7による固定方法は、熱軟化性熱伝導性シートからなる中間層26を介在させてセラミックス基板1を放熱板10に取り付けるものである。この熱軟化性熱伝導性シートからなる中間層26は、室温付近では固定形状を維持し、一定の温度、例えば50℃を超えると熱軟化し、流動性を発現する。そこで、モジュール動作時の半導体素子5の発熱に起因してセラミックス基板1が熱変形し、セラミックス基板1と放熱板10との接触面間の空隙が増大しても、流動性を発現した中間層26が流動してその空隙を埋める。従って、熱変形の大きな大型半導体モジュールにおいても、安定した動作を確保することができる。
【0076】
また、中間層26を構成する熱軟化性熱伝導性シートは、0.1mm〜1mm程度の厚みを有するように製造することができる。そこで、セラミックス基板1の初期の反り量が大きい場合には、放熱グリースではセラミックス基板1と放熱板10との接触面間の空隙を十分に埋めることはできないが、この熱軟化性熱伝導性シートを用いることで、そのような大きな空隙も十分に埋めることができるようになる。また、熱伝導率が10W/mKの熱軟化性熱伝導性シートであれば、厚みが0.5mmであっても、厚さが0.15mmの空隙を熱伝導率3W/mKの放熱グリースで埋めた場合の接触熱抵抗に匹敵する。即ち、放熱グリースに代えて熱軟化性熱伝導性シートを用いることで、セラミックス基板1と放熱板10との間の接触熱抵抗を小さくすることができる。
【0077】
また、初期の返り量が大きなセラミックス基板1を外囲樹脂ケース7を介して締結ねじ11により強制的にセラミックス基板1と放熱板10との熱接触面間の空隙をなくすように締め付けようとすると、セラミックス基板1の強度を超える曲げ変形を加える必要があり、セラミックス基板1に割れやクラックを発生させることにつながる。この熱軟化性熱伝導性シートを用いると、セラミックス基板1に過度の曲げ変形を加えることなく、熱軟化性熱伝導性シートでセラミックス基板1と放熱板10との熱接触面間の空隙を埋めることができる。そこで、セラミックス基板1の反り量の使用可能範囲、即ちセラミックス基板1の反り交差を大きくすることができ、セラミックス基板1の歩留まりを向上させ、材料コストを低減させることができる。
【0078】
なお、上記実施の形態7では、上記実施の形態1によるパワー半導体モジュール100を放熱板10に熱軟化性熱伝導性シートを介在させて取り付けるものとして説明しているが、上記実施の形態2〜6によるパワー半導体モジュール101〜105を放熱板10に熱軟化性熱伝導性シートを介在させて取り付けても同様の効果が得られる。
【0079】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、複数の半導体素子が搭載された長方形形状のセラミックス基板と、上記セラミックス基板に電気的に接続された外部導出端子と、上記半導体素子の搭載領域を囲むように上記セラミックス基板に装着された1つの外囲樹脂ケースと、上記セラミックス基板を放熱板に固定するための固定部とを備えたパワー半導体モジュールにおいて、上記固定部は、上記セラミックス基板の各長辺に沿って該セラミックス基板の外周部に位置するように上記外囲樹脂ケースに設けられ、それぞれの上記固定部の上記セラミック基板の長辺の長さ方向と直交する断面積が、上記セラミック基板の長辺の長さ方向における上記固定部の両端部から中央部に向かって漸増するように形成されている。そこで、セラミックス基板に割れやクラックを生じさせることなく、セラミックス基板の反りを吸収してセラミックス基板と放熱板との接触面間の空隙を小さくできるので、両者の接触熱抵抗が小さくなり、パワー半導体モジュールの性能を十分に発揮することができる。
【0080】
また、パワー半導体モジュールが、セラミックス基板の半導体素子の非搭載面を熱軟化性熱伝導性シートを介在させて放熱板に載置され、少なくとも固定部の断面積の最大となる部位で放熱板に締着固定されているので、熱軟化性熱伝導性シートが一定温度以上となると熱軟化し、実際に発熱が起こるモジュール動作時の熱変形に起因して生じるセラミックス基板と放熱板との接触面間の空隙の増大に追従し、該空隙を埋めることができる。そこで、熱変形の大きな大型パワー半導体モジュールにおいても、安定した動作を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図である。
【図2】 この発明の実施の形態1に係るパワー半導体モジュール構造におけるセラミック板に樹脂ケースを取り付けて荷重を負荷した際に生じる応力分布を示す図である。
【図3】 この発明の実施の形態1に係るパワー半導体モジュール構造における樹脂ケースの長さ方向の厚み分布を示す図である。
【図4】 この発明の実施の形態2に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図である。
【図5】 この発明の実施の形態2に係るパワー半導体モジュール構造におけるセラミック板に樹脂ケースを取り付けて荷重を負荷した際に生じる応力分布を示す図である。
【図6】 この発明の実施の形態2に係るパワー半導体モジュール構造における樹脂ケースの長さ方向の厚み分布を示す図である。
【図7】 この発明の実施の形態3に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図である。
【図8】 この発明の実施の形態4に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図である。
【図9】 この発明の実施の形態5に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図である。
【図10】 この発明の実施の形態6に係るパワー半導体モジュールをセラミックス基板の短辺側から見た断面図である。
【図11】 この発明の実施の形態7に係るパワー半導体モジュールを放熱板に取り付けた状態を示す断面図である。
【符号の説明】
1、16 セラミックス基板、5 半導体素子、6 外部導出端子、7、15、20、21、22、25 外囲樹脂ケース、7c、15c、20c、21c、22c、25c 固定部、10 放熱板、21e、22e、25e リブ、23金属導体、25f ボス、26 中間層(熱軟化性熱伝導性シート)、100、101、102、103、104、105 パワー半導体モジュール。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power semiconductor module such as a power transistor module, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) module, and an intelligent power module, and a fixing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In the conventional power semiconductor module, the conductor layer and the metal layer are formed in a predetermined pattern on the surface of the ceramic substrate, and the metal film is formed on the back surface of the ceramic substrate. Here, the conductor layer is formed in a region excluding the outer peripheral edge portion of the ceramic base material to constitute a component mounting portion, and the metal layer is formed in an island shape on the outer peripheral edge portion of the ceramic base material to constitute a fixing portion. Yes. Circuit components such as semiconductor elements and diodes are soldered to the conductor layer, and the circuit components are electrically connected by bonding wires, so that a current control circuit is formed on the surface of the ceramic substrate. The resin case is adhered and fixed to the surface of the ceramic substrate so as to cover the current control circuit, and a gel material such as silicone gel is filled in the sealed resin case. Furthermore, an electrode for connection with an external circuit is provided in electrical connection with the current control circuit.
In the power semiconductor module configured as described above, the ceramic base is placed on the heat sink and directly fixed with bolts through the metal layer, or fixed with a fixing jig through the metal layer. Attached to. A silicon oil compound layer for reducing the contact thermal resistance at the interface is formed at the interface between the metal film of the ceramic substrate and the heat radiating plate. (For example, see Patent Document 1)
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2000-82774 A (FIG. 1)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In general, the thermal conductivity of silicon oil compounds is about 1 to 3 W / mK, which is very small compared to other components, so ceramic substrates and heat sinks are necessary to demonstrate the performance of power semiconductor modules. It is necessary to make the contact thermal resistance at the interface with the smallest possible. Therefore, it is necessary to reduce the gap at the interface between the ceramic substrate and the heat sink and to form a thin silicon oil compound layer with low thermal conductivity.
[0005]
By strongly pressing the ceramic substrate against the heat sink, the gap at the interface between the ceramic substrate and the heat sink can be reduced. However, in the conventional power semiconductor module, since the ceramic substrate is fixed to the heat sink by a fixing jig or bolt, when a strong tightening force acts on the fixed portion, the vicinity of the fixed portion of the ceramic substrate is deformed, The gap at the interface between the ceramic substrate and the heat sink is small only in the vicinity of the fixed portion, and the other gaps are not reduced. Moreover, due to the deformation in the vicinity of the fixing portion of the ceramic base material, there is a problem that the vicinity of the center of the ceramic base material is lifted from the heat sink. Furthermore, tightening the fixing portion of the ceramic base material strongly to the heat radiating plate generates a large stress on the fixing portion of the ceramic base material and causes cracking or cracking.
[0006]
In addition, the flatness of the ceramic substrate is increased in the process of forming a conductor layer and a metal film, in the process of soldering circuit components such as semiconductor elements to the conductor layer, and in the process of bonding and fixing the resin case to the ceramic substrate. Lost, resulting in a return of several μm to several hundred μm. And if the return of the ceramic base material is large and convex toward the semiconductor element side, even if the ceramic base material is strongly clamped to the heat sink by the fixing part, the interface between the ceramic base material and the heat sink is originally In the vicinity of the center where the gap is large, the gap does not become small.
On the contrary, when the return of the ceramic base is convex toward the heat sink, the ceramic base and the heat dissipate not only in the fixed part but also in the center by fastening the ceramic base to the heat sink at the fixed part. The gap at the interface with the plate can be reduced. However, if the amount of warpage of the ceramic substrate is large, a large bending moment starting from the contact point between the ceramic substrate and the heat sink acts on the fixed part, causing cracks or cracks in the ceramic substrate. Occurs.
[0007]
Furthermore, it is conceivable to increase the filling rate of metal inclusions or ceramic inclusions having a high thermal conductivity to increase the thermal conductivity of the silicon oil compound. However, increasing the filling rate of inclusions causes problems that the viscosity of the compound decreases and becomes harder, the compound cannot be applied thinly, and the manufacturing cost increases. It cannot be an effective means for reducing the contact resistance at the interface between the material and the heat sink.
[0008]
The present invention has been made to solve the above-described problems. When fixing to a heat radiating plate, the present invention absorbs warpage of the ceramic base material without causing cracking of the ceramic base material and dissipates heat from the ceramic base material. It is an object of the present invention to obtain a power semiconductor module and a fixing method thereof that can reduce the gap at the interface with the plate and reduce the contact thermal resistance between them.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The power semiconductor module according to the present invention includes a plurality of semiconductor elements. Long A rectangular ceramic substrate, an external lead-out terminal electrically connected to the ceramic substrate, one surrounding resin case mounted on the ceramic substrate so as to surround a mounting region of the semiconductor element, and the ceramic substrate A power semiconductor module including a fixing part for fixing the heat sink to the heat sink, wherein the fixing part is positioned on an outer peripheral part of the ceramic substrate along each long side of the ceramic substrate. Of each of the above-mentioned fixing parts Long side of the ceramic substrate Orthogonal to the length direction Break Area Long side of the ceramic substrate Length direction Fixed part in It is formed so as to gradually increase from both end portions to the central portion.
[0010]
The power semiconductor module fixing method according to the present invention is such that the power semiconductor module is mounted on the heat sink with the non-mounting surface of the semiconductor element of the ceramic substrate interposed with a heat-softening heat conductive sheet. The fixing portion is fastened and fixed to the heat radiating plate at a portion having the maximum cross-sectional area.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
1A and 1B are diagrams for explaining the configuration of a power semiconductor module according to
[0012]
In FIG. 1, a
[0013]
A plurality of
Further, the surrounding
[0014]
The surrounding
[0015]
The
[0016]
Next, the operation of the
As the
[0017]
Next, the effect of the power semiconductor module structure according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram showing a stress distribution generated when a resin case is attached to the ceramic plate and a load is applied, and FIG. 3 is a diagram showing a thickness distribution in the length direction of the resin case.
Here, the ceramic plate has a length of 80 mm, a width of 60 mm, a thickness of 0.5 mm, and a Young's modulus of 35000 kgf / mm. 2 The thing of was used. The first and second resin cases are formed in a block body having a length of 80 mm and a width of 5 mm, and a Young's modulus of 300 kgf / mm. 2 The thing of was used. And as shown by D in FIG. 3, the first resin case has a long side thickness gradually increasing in a parabolic shape from both ends to the center, the thickness of both ends is 1.5 mm, and the thickness of the center is The average thickness is 3 mm. On the other hand, as shown by E in FIG. 3, the second resin case has a uniform cross section with a thickness of 2 mm.
[0018]
Curve A in FIG. 2 shows the result of measuring the stress distribution generated when the first resin case is attached to the center position of the ceramic plate and a load of 1.5 kgf is applied to the center portion in the length direction of the first resin case. Show. Curve B in FIG. 2 shows the stress distribution generated when the second resin case is attached to the center position of the ceramic plate and a load of 1.5 kgf is applied to the center in the length direction of the second resin case. Results are shown. Further, a curve C in FIG. 2 shows a result of measuring a stress distribution generated when a load of 1.5 kgf is applied to the central portion of the ceramic plate.
[0019]
From curve C in FIG. 2, when a load of 1.5 kgf is applied to the center of the ceramic plate, the bending stress becomes a stress gradient that gradually increases from the end toward the center, with a maximum of 25 kgf / mm. 2 It can be seen that the bending stress is concentrated in the center.
Further, from the curve B in FIG. 2, when a load of 1.5 kgf is applied to the center portion of the second resin case, the bending stress becomes a stress gradient that gradually increases from the end portion toward the center portion, and the maximum is 17 kgf / mm. 2 It can be seen that the bending stress is concentrated in the center.
Further, from the curve A in FIG. 2, when a load of 1.5 kgf is applied to the central portion of the first resin case, the bending stress gradually increases from the end portion toward the central portion, and is almost constant in the range of 40 mm at the central portion. The maximum value of bending stress is approximately 10 kgf / mm. 2 It turns out that it becomes.
[0020]
In this way, by using the first resin case in which the thickness gradually increases in a parabolic shape from both ends in the length direction toward the center, the bending stress generated in the ceramic plate can be reduced and the stress gradient in the length direction can be reduced. It becomes possible.
This is because the cross-sectional area perpendicular to the length direction of the first resin case gradually increases from both end portions in the length direction toward the center portion, so that the bending moment acting on the first resin case is increased. Although it gradually increases from both end portions in the length direction toward the center portion, the cross-sectional secondary moment also increases gradually from both end portions in the length direction toward the center portion, and the bending rigidity increases. As a result, it is presumed that the stress gradient in the bending length direction generated in the first resin case and the ceramic plate is reduced.
[0021]
In the first embodiment, when the
[0022]
Further, the thickness of the fixing
[0023]
Furthermore, when the
[0024]
Thus, according to the first embodiment, since the warp of the
Moreover, since the
[0025]
Moreover, since the recessed
In addition, since the one end surface of the surrounding
[0026]
In the first embodiment, the thickness of the fixing
Further, in the first embodiment, the description has been made assuming that the one end surface of the surrounding
In the first embodiment, the description has been given assuming that each fixing
[0027]
FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of a power semiconductor module according to
[0028]
In FIG. 4, the surrounding
The second embodiment is configured in the same manner as the first embodiment except that an
[0029]
The
[0030]
Next, the operation of the
As the
[0031]
Next, the effect of the power semiconductor module structure according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a diagram showing a stress distribution generated when a resin case is attached to the ceramic plate and a load is applied, and FIG. 6 is a diagram showing a thickness distribution in the length direction of the resin case.
Here, the ceramic plate has a length of 80 mm, a width of 60 mm, a thickness of 0.5 mm, and a Young's modulus of 35000 kgf / mm. 2 The thing of was used. The first and second resin cases are formed in a block body having a length of 80 mm and a thickness of 2 mm, and a Young's modulus of 300 kgf / mm. 2 The thing of was used. As shown by D in FIG. 6, the first resin case gradually increases in a parabolic shape from both ends in the length direction toward the center, the width of both ends is 3.5 mm, and the width of the center is Is 10 mm, and the average width is 5 mm. On the other hand, as shown by E in FIG. 6, the second resin case has a uniform cross section with a width of 5 mm.
[0032]
Curve A in FIG. 5 shows the result of measuring the stress distribution generated when the first resin case is attached to the center of the ceramic plate and a load of 1.5 kgf is applied to the center in the length direction of the first resin case. ing. Curve B in FIG. 5 shows the result of measuring the stress distribution generated when the second resin case is attached to the center of the ceramic plate and a 1.5 kgf load is applied to the center in the length direction of the second resin case. Is shown. Further, a curve C in FIG. 5 shows a result of measuring a stress distribution generated when a load of 1.5 kgf is applied to the central portion of the ceramic plate.
[0033]
From curve C in FIG. 5, when a load of 1.5 kgf is applied to the center of the ceramic plate, the bending stress becomes a stress gradient that gradually increases from the end toward the center, with a maximum of 25 kgf / mm. 2 It can be seen that the bending stress is concentrated in the center.
Further, from the curve B in FIG. 5, when a load of 1.5 kgf is applied to the central portion of the second resin case, the bending stress becomes a stress gradient that gradually increases from the end portion toward the central portion, and the maximum is 17 kgf / mm. 2 It can be seen that the bending stress is concentrated in the center.
Further, from the curve A in FIG. 5, when a load of 1.5 kgf is applied to the central portion of the first resin case, the bending stress gradually increases from the end portion toward the central portion, and is almost constant in the range of 20 mm at the central portion. The maximum value of bending stress is approximately 12 kgf / mm. 2 It turns out that it becomes.
[0034]
In this way, by using the first resin case whose width gradually increases in a parabolic shape from both ends in the length direction toward the center, the bending stress generated in the ceramic plate can be reduced and the stress gradient in the length direction can be reduced. It becomes possible.
This is because the cross-sectional area perpendicular to the length direction of the first resin case gradually increases from both end portions in the length direction toward the center portion, so that the bending moment acting on the first resin case is increased. Although it gradually increases from both end portions in the length direction toward the center portion, the cross-sectional secondary moment also increases gradually from both end portions in the length direction toward the center portion, and the bending rigidity increases. As a result, it is presumed that the stress gradient in the bending length direction generated in the first resin case and the ceramic plate is reduced.
[0035]
In the second embodiment, when the
[0036]
Further, the width of the fixing
[0037]
Furthermore, when the
[0038]
Thus, according to the second embodiment, since the warp of the
In addition, since the
[0039]
Further, since the recess 15b is provided in the surrounding
In addition, since the one end surface of the surrounding
[0040]
In the second embodiment, the width of the fixing
In the second embodiment, it is described that the one end surface of the surrounding
In the second embodiment, the description has been given assuming that each fixing
[0041]
7A and 7B are diagrams for explaining the configuration of a power semiconductor module according to
[0042]
In FIG. 7, the
[0043]
A plurality of
Further, the surrounding
[0044]
The surrounding
[0045]
The
[0046]
Next, the operation of the
As the
[0047]
In the third embodiment, the fixing
[0048]
According to the third embodiment, since three
Further, if the
[0049]
In the third embodiment, the thickness of the fixing
In the third embodiment, three
Further, in the third embodiment, the fixing
[0050]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 8 is a diagram for explaining the configuration of a power semiconductor module according to Embodiment 4 of the present invention. FIG. 8 (a) is a cross-sectional view seen from the short side of the ceramic substrate, and FIG. It is a top view which shows the unmounted state of a case lid.
[0051]
In FIG. 8, the surrounding
The
[0052]
The
[0053]
Next, the operation of the
As the
[0054]
In the fourth embodiment, the fixing
[0055]
According to the fourth embodiment, the
[0056]
In the fourth embodiment, the thickness of the fixing
In the fourth embodiment, one
In the fourth embodiment, the
[0057]
FIG. 9 is a diagram for explaining the configuration of a power semiconductor module according to
[0058]
In FIG. 9, the surrounding
[0059]
The surrounding
The
[0060]
The
[0061]
Next, the operation of the
As the
[0062]
In the fifth embodiment, the fixing
[0063]
According to the fifth embodiment, since the
Further, since the
[0064]
In the fifth embodiment, the thickness of the fixing
In the fifth embodiment, one
Moreover, in the said
[0065]
10 is a cross-sectional view of a power semiconductor module according to
[0066]
In FIG. 10, the surrounding
[0067]
The surrounding
The
[0068]
The
[0069]
Next, the operation of the
As the
[0070]
In the sixth embodiment, the fixing portion 25 c formed so that its thickness gradually increases from both end portions in the length direction toward the center portion is provided on the outer peripheral portion of the
[0071]
According to the sixth embodiment, since the boss 25f is disposed integrally with the
[0072]
In the sixth embodiment, the thickness of the fixing portion 25c of the surrounding
In the sixth embodiment, one
Further, in the sixth embodiment, one boss 25f is integrally provided on the
In the sixth embodiment, the
[0073]
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a state in which a power semiconductor module according to
In FIG. 11, the
The seventh embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except that the
[0074]
In the seventh embodiment, the heat generated on the electrode surface of the
[0075]
In the fixing method according to the seventh embodiment, the
[0076]
Moreover, the heat softening heat conductive sheet which comprises the intermediate |
[0077]
In addition, when the
[0078]
In the seventh embodiment, the
[0079]
【The invention's effect】
As described above, the present invention includes a plurality of semiconductor elements. Long A rectangular ceramic substrate, an external lead-out terminal electrically connected to the ceramic substrate, one surrounding resin case mounted on the ceramic substrate so as to surround a mounting region of the semiconductor element, and the ceramic substrate A power semiconductor module including a fixing part for fixing the heat sink to the heat sink, wherein the fixing part is positioned on an outer peripheral part of the ceramic substrate along each long side of the ceramic substrate. Of each of the above-mentioned fixing parts Long side of the ceramic substrate Orthogonal to the length direction Break Area Long side of the ceramic substrate Length direction Fixed part in It is formed so as to gradually increase from both end portions to the central portion. Therefore, since the gap between the contact surfaces of the ceramic substrate and the heat sink can be reduced by absorbing the warp of the ceramic substrate without causing cracks or cracks in the ceramic substrate, the contact thermal resistance between the two is reduced, and the power semiconductor Module performance can be fully demonstrated.
[0080]
In addition, the power semiconductor module is mounted on the heat sink with the non-mounting surface of the semiconductor element of the ceramic substrate interposed between the heat-softening heat conductive sheets, and at least at the portion where the cross-sectional area of the fixed portion is the maximum. Since it is fastened and fixed, the contact surface between the ceramic substrate and the heat sink generated due to thermal deformation during module operation where the heat softening heat conductive sheet exceeds a certain temperature and heat is actually generated. Following the increase in the gap between them, the gap can be filled. Therefore, stable operation can be ensured even in a large-sized power semiconductor module with large thermal deformation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a power semiconductor module according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a stress distribution generated when a resin case is attached to a ceramic plate in the power semiconductor module structure according to
FIG. 3 is a view showing a thickness distribution in a length direction of a resin case in the power semiconductor module structure according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a power semiconductor module according to
FIG. 5 is a diagram showing a stress distribution generated when a resin case is attached to a ceramic plate in a power semiconductor module structure according to
FIG. 6 is a view showing a thickness distribution in the length direction of a resin case in a power semiconductor module structure according to
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a power semiconductor module according to
FIG. 8 is a diagram illustrating the configuration of a power semiconductor module according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a power semiconductor module according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a power semiconductor module according to
FIG. 11 is a sectional view showing a state where a power semiconductor module according to
[Explanation of symbols]
1, 16 Ceramic substrate, 5 Semiconductor element, 6 External lead-out terminal, 7, 15, 20, 21, 22, 25 Outer resin case, 7c, 15c, 20c, 21c, 22c, 25c Fixing part, 10 Heat sink,
Claims (6)
上記固定部は、上記セラミックス基板の各長辺に沿って該セラミックス基板の外周部に位置するように上記外囲樹脂ケースに設けられ、それぞれの上記固定部の上記セラミック基板の長辺の長さ方向と直交する断面積が、上記セラミック基板の長辺の長さ方向における上記固定部の両端部から中央部に向かって漸増するように形成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。A ceramic substrate of rectangle shape in which a plurality of semiconductor elements are mounted, and an external lead terminal electrically connected to the ceramic substrate, the one mounted on the ceramic substrate so as to surround the mounting region of the semiconductor element In a power semiconductor module comprising an outer resin case and a fixing part for fixing the ceramic substrate to a heat sink,
The fixing portion is provided in the surrounding resin case so as to be positioned on the outer peripheral portion of the ceramic substrate along each long side of the ceramic substrate, and the length of the long side of the ceramic substrate of each of the fixing portions power semiconductor module cross-sectional area you perpendicular to the direction, characterized in that it is formed so as to gradually increase toward the center from both ends of the fixed part in the length direction of the long side of the ceramic substrate.
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