JP4150324B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、パワー半導体モジュールに関し、特に、応力集中を緩和したシール構造を備えたパワー半導体モジュールに関する。
従来のパワー半導体モジュールでは、熱拡散板の表面上に、ＩＧＢＴ等のパワーデバイスを搭載した絶縁基板が載置されるとともに、熱拡散板の裏面に冷却ブロックが取り付けられ、パワーデバイスから出た熱を放出している。冷却ブロック内には冷却水が流されるため、熱拡散板と冷却ブロックの間には、Ｏリングが設けられ、冷却水が漏れないようになっている（例えば、特許文献１）。
また、従来の他のパワー半導体モジュールでは、ＩＧＢＴ等のパワーデバイスが絶縁基板（又はリードフレーム）の表面に載置され、樹脂封止されるとともに、絶縁基板の裏面に水路カバーが取りつけられ、パワーデバイスを冷却している。絶縁基板の裏面にはモールド樹脂が設けられ、これにより絶縁基板と水冷カバーとの間から冷却水が漏れないようにしている（例えば、特許文献２）。
特開平０９−２０７５８３号公報
特開２００２−３１４０３８号公報
しかしながら、特許文献１のパワー半導体モジュールでは、厚さが数ｍｍ以上の熱拡散板を含むため、パワー半導体モジュールの軽量化が困難であった。また、絶縁基板と熱拡散板との間ははんだ等で金属接合されるが、絶縁基板と熱拡散板との熱膨張係数の違いにより、接合部が剥離するという信頼性上の問題もあった。
また、特許文献２のパワー半導体モジュールでは、絶縁基板と水冷カバーとの間をシールドするために、絶縁基板の裏面にモールド樹脂を設ける必要があり、パワー半導体モジュールの部品点数が増加して製造コストが高くなるという問題があった。
これに対して、モールド樹脂に代えてガスケットを使用することも考えられるが、絶縁基板は硬くて脆いため、ガスケットによる応力が絶縁基板にかかると、絶縁基板が破損して信頼性が低下するという問題があった。
これに対して、モールド樹脂に代えてガスケットを使用することも考えられるが、絶縁基板は硬くて脆いため、ガスケットによる応力が絶縁基板にかかると、絶縁基板が破損して信頼性が低下するという問題があった。
そこで、本発明は、信頼性が高く、かつ半導体モジュールの小型化が可能であるとともに、冷却効率も高くできるシール構造の提供を目的とする。
本発明は、互いに対向する第１面と第２面とを有する絶縁基板と、絶縁基板の第１面に搭載されたパワーデバイスと、絶縁基板の第２面の外縁に沿って当接された弾性シールと、弾性シールに、絶縁基板の第２面と対向して当接された冷却ジャケットと、絶縁基板を冷却ジャケットに向って加圧する加圧部材とを含み、絶縁基板は、第１面の外縁に沿って設けられた第１突起部を含み、加圧部材は、第１突起部を加圧することを特徴とするパワー半導体モジュールである。
本発明にかかるシール構造を用いることにより、絶縁基板に応力集中を緩和し、破損が無く信頼性の高いパワー半導体モジュールが提供できる。
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの断面図である。
パワー半導体モジュール１００は、絶縁基板１を含む。絶縁基板１は、一般には、アルミナ、窒化アルミニウム、又は窒化珪素からなり、硬い一方でひずみに対する耐量が低くて脆い。絶縁基板１の第１面（表面、図１では上方の面）には、金属パターン２が設けられている。金属パターン２は、配線層を形成し、その上にＩＧＢＴ等のパワーデバイス３が載置されている。金属パターン２とパワーデバイス３とは、アルミニウム等のボンディングワイヤ４で電気的に接続されている。また、絶縁基板１の第２面（裏面、図１では下方の面）には、同じく金属パターン５が設けられている。
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの断面図である。
パワー半導体モジュール１００は、絶縁基板１を含む。絶縁基板１は、一般には、アルミナ、窒化アルミニウム、又は窒化珪素からなり、硬い一方でひずみに対する耐量が低くて脆い。絶縁基板１の第１面（表面、図１では上方の面）には、金属パターン２が設けられている。金属パターン２は、配線層を形成し、その上にＩＧＢＴ等のパワーデバイス３が載置されている。金属パターン２とパワーデバイス３とは、アルミニウム等のボンディングワイヤ４で電気的に接続されている。また、絶縁基板１の第２面（裏面、図１では下方の面）には、同じく金属パターン５が設けられている。
絶縁基板１は、その周囲に全周に沿って設けられた弾性シール部材６と弾性押圧部材７とともに、加圧部材８と冷却ジャケット９との間に挟まれる。加圧部材８と冷却ジャケット９とは、ボルト１０により締め付けられて固定される。
弾性シール部材６は、絶縁基板１の周囲に沿って、絶縁基板１の第２面に設けられる。弾性シール部材６は、例えばウレタン、シリコン等から形成される。耐油性が求められる場合には、フッ化ポリマを主成分とする有機材料からなるＯリングや平型ワッシャを用いても良いし、かかる有機材料をあらかじめ絶縁基板１上に塗布し、キュアして硬化させても良い。
弾性シール部材６は、絶縁基板１の周囲に沿って、絶縁基板１の第２面に設けられる。弾性シール部材６は、例えばウレタン、シリコン等から形成される。耐油性が求められる場合には、フッ化ポリマを主成分とする有機材料からなるＯリングや平型ワッシャを用いても良いし、かかる有機材料をあらかじめ絶縁基板１上に塗布し、キュアして硬化させても良い。
図２は、パワー半導体モジュール１００を上面から見た場合の概略図であり、シリコンゲル１１やカバー１２は省略されている。図２中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。図２中に点線で示した部分に、弾性シール部材６及び弾性押圧部材７が設けられている。
絶縁基板１の第１面には、周囲に沿って弾性押圧部材７が設けられ、パワーデバイス３等は、シリコンゲル１１に封入される。弾性押圧部材７は、好適には、ウレタン、エポキシ、シリコンなどの有機材料からなる。更に、加圧部材８の上部は、カバー１２により封止される。
冷却ジャケット９と絶縁基板１に囲まれた領域は冷媒回路１３となり、冷却水等の冷媒の通路となる。冷媒回路１３中では、金属パターン５に放熱フィン１４が取り付けられている。冷却ジャケット９と絶縁基板１との間は、上述のように弾性シール部材６でシールされているため、冷媒回路１３から外部に冷媒は漏れない。上述のボルト１０を締めることにより、弾性シール部材６が変形し、シールが確保される。弾性シール部材６の加圧は、弾性押圧部材７を介して加圧部材８を冷却ジャケット９に押し付けて行なう。ボルト１０は、絶縁基板２の各コーナ近傍の４箇所に、それぞれ設けられている。
このように、本実施の形態１にかかるパワー半導体モジュール１００では、パワーデバイス３を第１面に搭載した絶縁基板１の第２面を直接冷却でき、冷却効率を高くすることができる。また、弾性押圧部材７が、ボルト１０近傍の分布荷重や締結時の加圧の偏りが、部分的な応力集中を絶縁基板２にもたらさないように働き、絶縁基板１の破損を防止できる。
実施の形態２．
図３は、本実施の形態２にかかるパワー半導体モジュール２００の、図１のＡの部分に対応する部分の断面図であり、図３中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
パワー半導体モジュール２００では、絶縁基板１の第２面に、周囲に沿って全周にわたって、無端状の突起部１５が設けられている。突起部１５の幅（図３の横方向の長さ）は、弾性シール部材６より小さくなっている。
図３は、本実施の形態２にかかるパワー半導体モジュール２００の、図１のＡの部分に対応する部分の断面図であり、図３中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
パワー半導体モジュール２００では、絶縁基板１の第２面に、周囲に沿って全周にわたって、無端状の突起部１５が設けられている。突起部１５の幅（図３の横方向の長さ）は、弾性シール部材６より小さくなっている。
加圧部材８は、弾性押圧部材７を介して絶縁基板１を加圧する。この際、突起部１５が弾性シール部材６を部分的に変形させるため、冷媒のシール性能が向上する。このため、シールに必要な加圧力が低減でき、絶縁基板１に対するダメージ耐量が向上し、信頼性が高くなる。
絶縁基板１の第１面や第２面の金属パターン２、５は、絶縁基板１の略全面に貼り付けられた金属板をエッチングして形成する。従って、絶縁基板１の第２面の突起部１５も、金属パターン５の形成工程で同時に形成できる。このため、部品点数や工程数を増やすことなく信頼性の高いパワー半導体モジュール２００を得ることができる。
実施の形態３．
図４は、本実施の形態３にかかるパワー半導体モジュール３００の、図１のＡの部分に相当する部分断面図であり、図４中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
パワー半導体モジュール３００では、絶縁基板１の第１面に、無端状の突起部１６が設けられている。突起部１６は、絶縁基板１の周囲に沿って全周にわたって設けられている。
かかる突起部１６は、上述の突起部１５と同様に、絶縁基板１の第１面に金属パターン２を形成する工程で、同時に作製できる。
図４は、本実施の形態３にかかるパワー半導体モジュール３００の、図１のＡの部分に相当する部分断面図であり、図４中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
パワー半導体モジュール３００では、絶縁基板１の第１面に、無端状の突起部１６が設けられている。突起部１６は、絶縁基板１の周囲に沿って全周にわたって設けられている。
かかる突起部１６は、上述の突起部１５と同様に、絶縁基板１の第１面に金属パターン２を形成する工程で、同時に作製できる。
加圧部材８は、突起部１６を介して絶縁基板１を加圧し、絶縁基板１と冷却ジャケット９との間をシールする。この場合、加圧部材８が、突起部１６の上面を片当たりの状態で部分的に加圧しても、突起部１６は絶縁基板１に対して全面で面接合されている。従って、加圧部材８のたわみや寸法誤差による接圧状態によらず、絶縁基板１の安定な加圧ができ、応力集中による絶縁基板１の破損を防止できる。
また、上述のように、突起部１６は金属パターン２の形成時に、エッチング加工で同時に形成できるため、部品点数や工程数を増やす必要もない。
また、上述のように、突起部１６は金属パターン２の形成時に、エッチング加工で同時に形成できるため、部品点数や工程数を増やす必要もない。
実施の形態４．
図５は、本実施の形態４にかかるパワー半導体モジュール４００の、図１のＡの部分に相当する部分断面図であり、図５中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
パワー半導体モジュール４００では、絶縁基板１の第１面と第２面に、絶縁基板１の周囲に沿い全周にわたって、無端状の突起部１５、１６が設けられている。突起部１５、１６は、上述の実施の形態２、３に示すものと同じ構造である。
更に、突起部１５と加圧部材８との間には弾性押圧部材７が設けられ、突起部１５と冷却ジャケット９との間には弾性シール部材６が設けられている。弾性シール部材６及び弾性押圧部材７は、実施の形態２、３と同じく、絶縁基板１の周囲に沿って全周にわたって設けられている。また、突起部１５、１６は、金属パターン２、５と同じ製造工程を用いて形成できる。
図５は、本実施の形態４にかかるパワー半導体モジュール４００の、図１のＡの部分に相当する部分断面図であり、図５中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
パワー半導体モジュール４００では、絶縁基板１の第１面と第２面に、絶縁基板１の周囲に沿い全周にわたって、無端状の突起部１５、１６が設けられている。突起部１５、１６は、上述の実施の形態２、３に示すものと同じ構造である。
更に、突起部１５と加圧部材８との間には弾性押圧部材７が設けられ、突起部１５と冷却ジャケット９との間には弾性シール部材６が設けられている。弾性シール部材６及び弾性押圧部材７は、実施の形態２、３と同じく、絶縁基板１の周囲に沿って全周にわたって設けられている。また、突起部１５、１６は、金属パターン２、５と同じ製造工程を用いて形成できる。
パワー半導体モジュール４００では、絶縁基板１と加圧部材８との間に、弾性押圧部材７と突起部１６の双方を設けることにより、シール時の加圧力がより一層緩和され、さらに安定にシールすることができる。
実施の形態５．
図６は、本実施の形態５にかかるパワー半導体モジュール５００の、図１のＡの部分に相当する部分断面図であり、図６中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
パワー半導体モジュール５００では、絶縁基板１の第２面に、絶縁基板１の周囲に沿って全周にわたって、無端状の突起部１５が設けられている。
一方、絶縁基板１の第１面には、絶縁基板１の周囲に沿って全周にわたって弾性押圧部材１７が設けられている。図５の断面図からわかるように、弾性押圧部材１７は、金属パターン２の端面と、絶縁基板１の第１面との交線を覆うように形成されている。パワー半導体モジュール５００では、主電流が流れるパワーデバイス搭載側の主回路の配線を形成する金属パターン２の端部で、最も電界が集中する。絶縁基板１の誘電率と絶縁基板１を封入するシリコンゲルの誘電率の間の誘電率を有する有機材料を用いて弾性押圧部材１７を形成することにより、かかる交線での電界集中を緩和できる。この結果、絶縁耐圧や部分放電耐量が大きくでき、絶縁信頼性の高いパワー半導体モジュールが得られる。
図６は、本実施の形態５にかかるパワー半導体モジュール５００の、図１のＡの部分に相当する部分断面図であり、図６中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
パワー半導体モジュール５００では、絶縁基板１の第２面に、絶縁基板１の周囲に沿って全周にわたって、無端状の突起部１５が設けられている。
一方、絶縁基板１の第１面には、絶縁基板１の周囲に沿って全周にわたって弾性押圧部材１７が設けられている。図５の断面図からわかるように、弾性押圧部材１７は、金属パターン２の端面と、絶縁基板１の第１面との交線を覆うように形成されている。パワー半導体モジュール５００では、主電流が流れるパワーデバイス搭載側の主回路の配線を形成する金属パターン２の端部で、最も電界が集中する。絶縁基板１の誘電率と絶縁基板１を封入するシリコンゲルの誘電率の間の誘電率を有する有機材料を用いて弾性押圧部材１７を形成することにより、かかる交線での電界集中を緩和できる。この結果、絶縁耐圧や部分放電耐量が大きくでき、絶縁信頼性の高いパワー半導体モジュールが得られる。
ここで、弾性押圧部材１７は、例えば、ウレタン、エポキシ、シリコンを主成分とした液状樹脂を絶縁基板１の第１面に塗布し、加熱硬化して形成する。特に、弾性押圧部材１７の材料に、弾性率の低いシリコン系樹脂を用いることにより、熱サイクルをかけた場合の絶縁基板１と弾性押圧部材１７との間の剥離を有効に防止できる。
１ 絶縁基板、２、５ 金属パターン、３ パワーデバイス、４ ボンディングワイヤ、６ 弾性シール部材、７、１７ 弾性押圧部材、８ 加圧部材、９ 冷却ジャケット、１０ ボルト、１１ シリコンゲル、１２ カバー、１３ 冷媒回路、１４ 放熱フィン、１５、１６ 突起部、１００ パワー半導体モジュール。
Claims (7)
- 互いに対向する第１面と第２面とを有する絶縁基板と、
該絶縁基板の第１面に搭載されたパワーデバイスと、
該絶縁基板の第２面の外縁に沿って当接された弾性シールと、
該弾性シールに、該絶縁基板の第２面と対向して当接された冷却ジャケットと、
該絶縁基板を該冷却ジャケットに向って加圧する加圧部材とを含み、
該絶縁基板は、第１面の外縁に沿って設けられた第１突起部を含み、該加圧部材は、該第１突起部を加圧することを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 上記絶縁基板の第１面の外縁に沿って弾性押圧部材が設けられ、
上記加圧部材が、該弾性押圧部材を介して該絶縁基板を加圧することを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。 - 上記絶縁基板が、第１面に設けられた第１金属パターンを含み、上記第１突起部が該第１金属パターンと同じ材料から形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール。
- 上記絶縁基板が、第１面に設けられた第１金属パターンを含み、上記弾性押圧部材が、該絶縁基板と該第１金属パターンとの交線を超えて該金属パターンの側面上にまで延在したことを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
- 更に、上記絶縁基板の第１面を覆い、かつ上記弾性押圧部材に接するシリコンゲルを含み、
該弾性押圧部材が、該絶縁基板と該シリコンゲルの間の誘電率を有する材料からなることを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体モジュール。 - 上記絶縁基板が、第２面の外縁に沿って設けられた第２突起部を含み、
上記弾性シールが、該第２突起部に当接されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール。 - 上記絶縁基板の第２面が第２金属パターンを含み、上記第２突起部が該第２金属パターンと同じ材料からなることを特徴とする請求項６に記載のパワー半導体モジュール。
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