JP4380774B2 - パワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、熱応力緩和性能と放熱性能に優れたパワーモジュールに関するものである。

ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子を搭載したパワーモジュールにおいては、該素子からの発熱を効率よく放熱し、発熱時においても基準温度以下となるような調整が図られている。

ここで、パワーモジュールは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）板や純アルミニウム板の積層体からなる絶縁基板の一側面に半導体素子がはんだ付けされ、絶縁基板の他側面には半導体素子からの熱を絶縁基板を介して放熱するための冷却器がはんだ付けもしくは接着剤にて接合されている。なお、この冷却器は、板状のヒートシンクのほか、冷水等の冷媒を還流させる機能を備えたもの、さらにはそれらが組み合わされたものなど、多様な形態が存在する。

たとえば、パワーモジュールがハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される場合には、長期に亘り、しかも寒暖差が極めて激しい冷熱サイクルに対してその耐久性の確保が要求される。たとえば、特許文献１に開示の放熱装置（パワーモジュール）では、絶縁基板とヒートシンクとのはんだ層のクラックの発生やヒートシンクの反りによる放熱性能の低下を防止することを目的として、絶縁基板とヒートシンクの間に、高熱伝導性の材料からなり、応力吸収空間を備えた応力緩和部材が介在されている。具体的には、応力吸収空間となる複数の貫通孔が穿孔されたアルミニウム板から応力緩和部材を形成するものであり、これは一般にパンチングメタルと称される部材である。

特開２００６−２９４６９９号公報

上記する特許文献１に開示の放熱装置によれば、高熱伝導性の金属からなり、複数の貫通孔を備えた応力緩和部材を絶縁基板とヒートシンクの間に介在させることにより、放熱性能と応力緩和性能の双方に優れた放熱装置ができる、とされている。しかし、実際には、放熱性の金属板材に多数の貫通孔が穿孔されていることで、この金属板材とヒートシンクの接触面積は少なくなり、貫通孔の部分では内部の空気にて放熱性が阻害されることとなるために、放熱性に優れたパワーモジュールを形成するのは難しい。したがって、良好な放熱性を確保できるとは言い難いものと考えられる。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、半導体素子が発熱した際の放熱性能に優れ、かつ、パワーモジュールを形成する冷却器の熱変形による応力を効果的に緩和して、絶縁基板および半導体素子に生じ得る応力を最小限に抑えることのできるパワーモジュールを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるパワーモジュールは、絶縁基板の一側面に半導体素子が搭載され、該絶縁基板の他側面に冷却器を備えるパワーモジュールにおいて、前記絶縁基板の他側面と前記冷却器の間に圧粉成形体が介層されていることを特徴とするものである。

本発明のパワーモジュールは、回路ユニットを形成する絶縁基板と冷却器の間に、放熱性能と変形性能（可撓性）に優れた圧粉成形体を介在させることにより、回路ユニットにて生じる熱を効果的に冷却器に伝熱させるとともに、冷熱サイクルにて冷却器に反り等の変形が生じた場合でも、この変形を圧粉成形体にて吸収し、もしくは圧粉成形体が冷却器の変形に追随することにより、回路ユニットに生じる熱応力もしくは変形応力を可及的に低く抑えることのできるパワーモジュールである。

ここで、圧粉成形体は、たとえば、金属粉末または金属酸化物粉末が樹脂バインダーで被覆された粉末を加圧成形してなる圧粉磁心から形成されるものである。なお、この金属粉末としては、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金などを使用することができる。また、樹脂バインダーとしては、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、オレフィン樹脂のうちのいずれか一種を使用することができる。さらに、この圧粉成形体の熱伝導性を高めるべく、圧粉成形体が金属粉末とフィラーの混合材料から成形されてもよく、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムのいずれか一種のフィラーと金属粉末との混合材料から圧粉成形体を成形することができる。

絶縁基板と冷却器の間に圧粉成形体を介在させることにより、この圧粉成形体は、内部に貫通孔を具備するものではなく、さらには上記する熱伝導性に優れた金属粉末（またはこれとフィラーの混合材料）から成形されることにより、放熱性に優れている。さらに、圧粉成形体は、金属粉末間を樹脂バインダーが介在することにより、全体として変形性能に優れている。

また、本発明によるパワーモジュールの好ましい実施の形態として、前記絶縁基板と、前記圧粉成形体を形成する粉末とが、同素材の金属または金属合金からなることを特徴とするものである。

圧粉成形体と絶縁基板とを接着するに際し、双方が異種素材の材料から成形されている場合に比して、双方が同素材の材料から成形されていることで、たとえばろう付け等の接着性が良好となり、接着界面での剥離の発生を抑止することができる。

また、本発明によるパワーモジュールの他の実施の形態において、前記絶縁基板が、アルミニウムからなる基板と、窒化アルミニウムからなる基盤を積層してなる基板積層体からなり、前記粉末は、金属粉末が樹脂バインダーで被覆されたものであり、該金属粉末はアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなるものである。

本実施の形態は、回路ユニットを形成する絶縁基板が、純アルミニウムからなる基板と窒化アルミニウムからなる基盤とを積層してなる積層体（一般に、ＤＢＡ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｒａｚｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ）という）から形成されており、圧粉成形体がアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる金属粉末から成形されるものである。ここで、粉末はこの金属粉末がシリコーン樹脂等の樹脂バインダーにて皮膜されて形成されている。この樹脂バインダーにより、圧粉成形体の絶縁性は勿論のこと、既述するように圧粉成形体の可撓性と、金属粉末同士の接着作用による圧粉成形体自体の強度の向上を図ることができる。

金属粉末に関し、圧粉成形体の伝熱性の観点からはアルミニウムやその合金、銅やその合金から金属粉末が生成されているのが好ましい一方で、銅はアルミニウムに比してその比重が高い。パワーモジュールの軽量化をも考慮すれば、アルミニウムまたはその合金からなる金属粉末を使用するのが好ましい。ここで、たとえば、冷却器も軽量化を図るべく純アルミニウムから形成されている場合に、絶縁基板を形成する窒化アルミニウムからなる基盤とアルミニウムからなる冷却器との間の熱（線）膨張係数の相違により、冷却器が熱変形した際の絶縁基板に生じる熱応力は大きくなる傾向にある。しかし、本発明のパワーモジュールでは、可撓性に優れた圧粉成形体が絶縁基板と冷却器の間に介在していることで、冷却器の熱変形をこの圧粉成形体が吸収し、もしくは該熱変形に追随することで絶縁基板に過度の外力を作用させないために、この課題を効果的に解消することができる。

また、本発明によるパワーモジュールの好ましい実施の形態において、前記粉末は、金属粉末が樹脂バインダーで被覆されたものであり、該樹脂バインダーが該粉末に対して８重量％以下の範囲で含有されていることを特徴とするものである。

本発明者等の検証によれば、圧粉成形体が一定の熱伝導率を確保するための粉末内における樹脂バインダーの含有割合（樹脂コーティング割合）は、せいぜい８重量％以下であることが実証されている。たとえば、シリコーン樹脂を純アルミニウム表面に皮膜してなる粉末から圧粉成形体を成形した場合に、シリコーン樹脂の含有割合が１０重量％では、熱伝導率に関する一定の基準（もしくは目標値）を下回ることになる。

ここで、粉末内における樹脂バインダーの含有割合がゼロの場合は、既述のごとく、可撓性に優れた圧粉成形体を成形することが困難となることから、少量でも樹脂バインダーが含有されているのが好ましい。

また、本発明によるパワーモジュールの好ましい実施の形態において、前記粉末の平均粉末径が２００μｍ以下であることを特徴とするものである。

粉末径が細かくなることで成形される圧粉成形体の可撓性は高くなり、絶縁基板に生じる熱応力を小さくすることに繋がる。その一方で、粉末径を細かくすることによって該粉末の製造手間がかかり、製造効率の低下の原因となる。これらの観点から、本発明者等が検証した結果、平均粉末径を２００μｍ以下とすることにより、製造効率を低下させることなく、放熱性能と可撓性の双方に優れた圧粉成形体を成形できるという知見に至っている。

本発明のパワーモジュールは、上記のごとく放熱性能および可撓性の双方に優れていることから、高放熱性で高耐久性が要求される、近時のハイブリッド車や電気自動車に車載されるインバータ等への適用に最適である。

以上の説明から理解できるように、本発明のパワーモジュールによれば、回路ユニットに生じる熱を冷却器へ効果的に放熱でき、かつ、回路ユニットに生じ得る熱応力を効果的に緩和することのできるパワーモジュールを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明のパワーモジュールを模式的に示した図である。

このパワーモジュール１０は、アルミニウム製の冷却器６の上方に圧粉成形体７が接着され、この上方に絶縁基板４と半導体素子５とからなる回路ユニットが接着されたものである。

絶縁基板４は、純アルミニウム板１，３の間に窒化アルミニウム板２が介在されて、いわゆるＤＢＡを成している。

冷却器６は、板状のヒートシンクのほか、冷水もしくは冷風、冷油などの冷媒が流れる流路をその内部に形成してなる機器など、その形態は任意である。

圧粉成形体７は、その成形材料である粉末として、アルミニウムもしくはその合金からなる金属粉末の表面にシリコーン樹脂が皮膜してなる粉末を使用し、これを加圧成形して製造される。

金属粉末にアルミニウムもしくはその合金からなる金属粉末を使用することで、圧粉成形体の軽量化、圧粉成形体の高放熱性を図ることができる。なお、圧粉成形体を成形する材料として、この金属粉末とシリカ、アルミナなどのフィラーとの混合材料を使用することにより、放熱性をより高めることができる。

また、金属粉末がシリコーン樹脂バインダーにて皮膜されていることで、圧粉成形体の変形性能（可撓性）が高められ、さらには、金属粉末同士の接着効果により、圧粉成形体の強度も高められる。

[圧粉成形体用の粉末を形成する金属粉末表面にコーティングされるバインダー樹脂の含有割合と圧粉成形体の熱伝導率の関係、および、金属粉末表面にコーティングされるバインダー樹脂の含有割合と絶縁基板（ＤＢＡ）に生じる熱応力の関係に関する実験とその結果]
本発明者等は、圧粉成形体の材料である金属粉末に関し、その金属粉末表面にコーティングされるバインダー樹脂の混合割合により、圧粉成形体の熱伝導率はどのように変化するのか、さらには、圧粉成形体の可撓性の指標としてこれに接続される絶縁基板の熱応力、具体的には冷却器が熱変形した際にこれに起因する絶縁基板の熱応力がどのように変化するのか、に関して検証した。この実験は、バインダー樹脂としてシリコーン樹脂を使用し、このシリコーン樹脂の金属粉末に対する含有割合（重量％）を種々変化させて該含有割合に応じた図１で示すごときパワーモジュールのテストピースを試作し、圧粉成形体の熱伝導率を計測するとともに、絶縁基板の熱応力を計測した。なお、熱応力に関しては、温度条件ごとに絶縁基板の熱応力を計測した。なお、この実験における、金属粉末は平均粒径が１００μｍの純アルミニウムを使用している。

圧粉成形体の熱伝導率に関する計測結果を図２に、絶縁基板の熱応力に関する計測結果を図３にそれぞれ示している。

ここで、本発明者等は、圧粉成形体の熱伝導率に関する基準値（目標値）として１８０Ｗ／ｍＫを設定し、絶縁基板の熱応力に関する基準値（目標値）として３０ＭＰａを設定している。これらの基準値は、目標とする放熱性能および絶縁基板の耐久性等から本発明者等の知見等によって設定されたものである。

図２より、シリコーン樹脂のコーティング量が９重量％以下で目標値を満足する結果が得られた。ここで、本発明者等は、安全サイドでコーティング量の上限値を８重量％に規定することにより、所望の放熱性能を有する圧粉成形体が確実に得られると結論付けている。

一方、図３より、シリコーン樹脂のコーティング量に関係なく、絶縁基板の熱応力は目標値をクリアすることが分かった。しかし、この目標値は変動要素を含んでいること、既述するように、シリコーン樹脂にて金属粉末がコーティングされた粉末から圧粉成形体を成形することにより、可撓性に優れ、かつ圧粉成形体自体の強度が高まることから、微量であってもシリコーン樹脂でコーティングするのが好ましいと結論付けることができる。なお、図より、４重量％以上のシリコーン樹脂にてコーティングすることにより、目標値の５０％の熱応力程度に抑えることができることが分かる。

[圧粉成形体用の粉末を形成する金属粉末の平均粒径と圧粉成形体の熱伝導率の関係、および、金属粉末の平均粒径と絶縁基板（ＤＢＡ）に生じる熱応力の関係に関する実験とその結果]
本発明者等は、さらに、金属粉末の平均粒径を種々変化させて上記実験と同様にテストピースを試作し、テストピースごとに圧粉成形体の熱伝導率と絶縁基板に生じる熱応力を計測した。なお、本実験では、シリコーン樹脂のコーティング量を６重量％に設定しており、純アルミニウムからなる金属粉末を使用している。

圧粉成形体の熱伝導率に関する計測結果を図４に、絶縁基板の熱応力に関する計測結果を図５にそれぞれ示している。

図４より、金属粉末が５０〜２５０μｍの範囲では、いずれも、目標とする熱伝導率をクリアする結果となった。なお、同図より、粉末粒径が大きくなるにつれて熱伝導率は低下する傾向となることが分かる。

一方、図５より、金属粉末の平均粒径が２２０μｍを超えると、絶縁基板の熱応力はその目標値をクリアすることができない。

そこで、本発明者等は、安全サイドで金属粉末の平均粒径の上限値を２００μｍに規定することにより、所望の可撓性（変形性能）を有する圧粉成形体が確実に得られると結論付けている。

上記する本発明のパワーモジュールによれば、冷却器と絶縁基板の間に、放熱性と変形性（可撓性）の双方に優れた圧粉成形体を介在させるだけの極めて簡易な構造にて、放熱性に優れ、耐久性の高いパワーモジュールを得ることができる。この高品質で高性能なパワーモジュールは、搭載機器に高放熱性、高耐久性を要求する近時のハイブリッド車や電気自動車等に車載されるインバータ等への適用に最適である。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明のパワーモジュールを示した模式図である。 圧粉成形体用の粉末を形成する金属粉末表面にコーティングされるバインダー樹脂の含有割合と圧粉成形体の熱伝導率の関係に関する実験結果を示したグラフである。 圧粉成形体用の粉末を形成する金属粉末表面にコーティングされるバインダー樹脂の含有割合と絶縁基板（ＤＢＡ）に生じる熱応力の関係に関する実験結果を示したグラフである。 圧粉成形体用の粉末を形成する金属粉末の平均粒径と圧粉成形体の熱伝導率の関係に関する実験結果を示したグラフである。 圧粉成形体用の粉末を形成する金属粉末の平均粒径と絶縁基板（ＤＢＡ）に生じる熱応力の関係に関する実験結果を示したグラフである。

符号の説明

１，３…純アルミニウム板、２…窒化アルミニウム板、４…絶縁基板（ＤＢＡ）、５…半導体素子、６…冷却器、７…圧粉成形体、１０…パワーモジュール

Claims (5)

1. 絶縁基板の一側面に半導体素子が搭載され、該絶縁基板の他側面に冷却器を備えるパワーモジュールにおいて、
   前記絶縁基板の他側面と前記冷却器の間に、金属粉末が樹脂バインダーで被覆された粉末からなる圧粉成形体が介層されていることを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記絶縁基板と、前記圧粉成形体を形成する前記粉末とが、同素材の金属または金属合金からなることを特徴とする、請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 前記絶縁基板が、アルミニウムからなる基板と、窒化アルミニウムからなる基盤を積層してなる基板積層体からなり、
   前記粉末は、金属粉末が樹脂バインダーで被覆されたものであり、該金属粉末はアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる、請求項２に記載のパワーモジュール。
4. 前記粉末は、金属粉末が樹脂バインダーで被覆されたものであり、該樹脂バインダーが該粉末に対して８重量％以下の範囲で含有されていることを特徴とする、請求項２または３に記載のパワーモジュール。
5. 前記粉末の平均粉末径が２００μｍ以下であることを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載のパワーモジュール。

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