JP4935220B2

JP4935220B2 - パワーモジュール装置

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Publication number: JP4935220B2
Application number: JP2006199269A
Authority: JP
Inventors: 浩和加藤
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2026-07-21
Also published as: JP2008028163A

Description

本発明は、各種インバータ等に使用されるパワーモジュール装置に関する。

一般に、パワーモジュール装置は、セラミックス基板の上面に導体パターン、下面に金属層をそれぞれ配置した絶縁回路基板と、導体パターン上に搭載された発熱体である半導体チップと、金属層の下面に配設された放熱体とを備えている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。そして、半導体チップで発生した熱を、金属層を介して放熱体へ放散させる構成となっている。

ここで、導体パターンは、セラミックス基板の上面に、純アルミニウムやアルミニウム合金などで形成された板状の母材をハンダ付けまたはロウ付けによって接合した後、この母材にエッチング処理を施すことで形成されている。また、放熱体は、金属層に対してハンダ付けやロウ付けなどによって接合されている。
特開２００１−２４４４０７号公報特開２００３−８６７４４号公報

しかしながら、このような従来のパワーモジュール装置であると、半導体チップと放熱体との間に介在しているセラミックス基板が熱抵抗体となっており、このセラミックス基板によって半導体チップからの熱放散が損なわれるという問題がある。

この場合、熱的絶縁体であるセラミックス基板をなくして、半導体チップを直接的に冷却できるようにすればよいと考えられるが、一般に熱伝導に優れる冷却体は導電性材料でもあるため、半導体チップに直接冷却体を接触させる場合は電気的な絶縁を確保する必要がある。

本発明は、半導体チップに対する電気的絶縁状態を確保しつつこれを直接冷却して熱放散効果を高めることを目的とする。

本発明のパワーモジュール装置は、導電性材料からなる放熱体は、一端部が蒸発部、他端部が凝縮部とされたヒートパイプからなり、前記蒸発部の表面に導電性接合材を介して半導体チップが搭載されるとともに、前記凝縮部の表裏両面に、それぞれ絶縁材を介して冷媒管が接続されており、該半導体チップの電流経路における一方の電極が前記導電性接合材を介して放熱体に電気的に接続状態とされていることを特徴する。

すなわち、このパワーモジュール装置においては、半導体チップと放熱体との間に絶縁物が介在していないので、半導体チップで発生した熱は、導電性接合材を介して放熱体に速やかに伝達される。また、半導体チップの電流経路における一方の電極を放熱体に接続しており、その配線による発熱も抑制することができる。しかも、その放熱体を絶縁材料からなるベースによって支持しているから、外部との絶縁が確保された状態となる。
なお、このベースは、絶縁材料からなるシート、ブロック等の他、放熱体表面に形成した被覆、放熱体を覆うカバー等も含むものとする。

前記放熱体として、内部に絶縁性流体が流通される冷媒管である構成とすることにより、この絶縁性流体の供給、排出に要する流体機器の電気絶縁の取り扱いを容易にすることができる。
また、前記放熱体として、導電性流体が流通される冷媒管であり、流路の内周面に絶縁被膜が形成されている構成とすることによっても、同様に、流体の取扱いを容易にすることができる。

さらに、本発明のパワーモジュール装置において、前記放熱体は熱を移送するヒートパイプであるとともに、前記ベースは前記放熱体の凝縮部に接合され、該ベースを介して冷媒管が接触状態に設けられている構成としてもよい。
このような構成とすることにより、半導体チップで発生する熱はヒートパイプによって吸収され、該ヒートパイプから冷媒管に伝達して移送される。この場合、ヒートパイプと冷媒管との間には絶縁材料からなるベースが介在しているが、半導体チップの熱は、絶縁材を介することなく、ヒートパイプによって吸収してしまうので、ヒートパイプの熱容量やベースの肉厚等を適宜に設定することにより、速やかな熱放散を可能にすることができる。また、冷媒管は半導体チップに対して電気的絶縁状態とされるので、その外部への固定等を容易にすることができる。

また、本発明のパワーモジュール装置において、前記放熱体に、その内部流路に連通する循環路が接続されるとともに、該循環路の途中に、この循環路を遮断するように介在する絶縁性管と、該絶縁性管によって前記放熱体との間を絶縁状態とされたポンプとが設けられている構成としてもよい。
このような構成とすることにより、放熱体との間の電気的な絶縁状態を確保してポンプが取り付けられることになる。

本発明のパワーモジュール装置は、半導体チップを導電性接合材によって放熱体に直接接合することにより、半導体チップの熱を速やかに放熱体に伝達して、熱放散効果を高めているとともに、電流経路を形成する電極の一つを放熱体に接続して、その配線による発熱も抑制することができ、しかも、その放熱体を絶縁材料からなるベースを介して他の構造体に支持させることができるから、外部との絶縁を確保して、その取扱い性を高めることができる。

以下、本発明のパワーモジュール装置の実施形態について、図面に基づいて説明する。
（第１参考形態）
図１から図３は、第１参考形態のパワーモジュール装置を示しており、このパワーモジュール装置１は、半導体チップ２が例えばアルミニウム合金製の放熱体３の上に導電性グリース等の導電性接合材４を介して直接搭載されるとともに、この放熱体３が、内部に絶縁性流体が流通される冷媒管とされている構成である。この放熱体３としての冷媒管は、アルミニウム合金等の押し出し成形等により、比較的薄肉で扁平なブロック状に形成されるとともに、その幅方向に並んで複数の流路５が相互に平行に形成された構成とされている。また、図２に示すように、放熱体３は絶縁性材料からなるベース６上に固定されており、該ベース６には、半導体チップ２を上方から押圧する板状ばね部材からなる押圧部材７が設けられ、半導体チップ２と放熱体３とを密着させている。

前記半導体チップ２は、本参考形態の例では電界効果型トランジスタであり、裏面にドレイン電極（図示略）が露出し、このドレイン電極が露出状態となっている裏面が導電性接合材４を介して放熱体３に接続されている。この導電性接合材４としては、例えば、グリースに銀、銅、ニッケル等からなる粉末状の金属フィラーを含有した導電性グリースが使用される。また、半導体チップ２の表面には、ソース電極８及びゲート電極９が露出しており、これらソース電極８、ゲート電極９及び放熱体３に外部接続用リード線１１〜１３が接続されている。前記絶縁性流体としては、シリコーンオイル等の冷媒が使用される。
そして、図３に示すように、この放熱体３の両端に、ゴム、合成樹脂等の絶縁材料からなる絶縁性管１５が循環路を形成するように接続され、この絶縁性管１５の途中にポンプ１６、熱交換器１７等が設けられる。

このように構成したパワーモジュール装置１において、半導体チップ２で発生した熱は、導電性接合材４を介して放熱体３に伝わり、該放熱体３内を流通している絶縁性流体に放熱することができ、半導体チップ２と放熱体３との間に絶縁物が介在していないので、速やかな熱伝達を可能にすることができる。
また、半導体チップ２の電流経路の一方の電極であるドレイン電極を導電性接合材４を介して放熱体３に接続しているから、半導体チップ２にリード線を直接接続する場合に比べて、そのリード線による発熱の影響も少なくすることができる。

ところで、半導体チップ２のシリコン基板と放熱体３のアルミニウム金属とでは熱膨張係数が異なるため、半導体チップ２の発熱に伴い両者の間に熱膨張差が生じるが、これら半導体チップ２と放熱体３とを接合している導電性接合材４は、本参考形態の場合、導電性グリースであり、該導電性グリース４を介して半導体チップ２と放熱体３とが重ね合わせられ、押圧部材７によって押圧されている構成であって、両者が固着しているのではない。したがって、これら半導体チップ２と放熱体３とは、両者の熱膨張差に伴う相対移動が可能であり、これらの間に熱応力が発生することはない。

次に、本発明の他の実施形態を順次説明するが、以下の参考形態及び実施形態において第１参考形態と同一構成部分には同一符号を付して説明を簡略化する。
（第２参考形態）
図４は第２参考形態のパワーモジュール装置を示しており、このパワーモジュール装置２１は、半導体チップ２が金属製放熱体３の上に導電性接合材４を介して直接搭載されるとともに、この放熱体３が、内部に絶縁性流体が流通される冷媒管とされている構成である点、及び半導体チップ２のドレイン電極が導電性接合材４を介して放熱体３に接続され、該放熱体３に外部接続用リード線１３が接続されている点等は、第１参考形態のものと同様であるが、放熱体３において半導体チップ２が搭載されている表面に、半導体チップ２と並んで二つの中継基板２２・２３が搭載され、これら中継基板２２・２３に、半導体チップ２のソース電極８及びゲート電極９がそれぞれ接続されている点が異なる構成である。

これら中継基板２２・２３は、いずれも同じ構成とされ、セラミックス基板等の絶縁基板２４の上に導体板２５が積層された構成である。そして、その絶縁基板２４が放熱体３に接合され、各中継基板２２・２３の導体板２５と、半導体チップ２のソース電極８及びゲート電極９との間が連絡用リード線２６・２７によってそれぞれ接続され、各導体板２５に外部接続用リード線１１・１２が接続されている。
この第２参考形態のパワーモジュール装置２１は、半導体チップ２から直接リード線を外部に引き回せない場合等に有効であり、中継基板２２・２３を放熱体３上の配線し易い適宜の位置に配置することにより、外部への接続を容易にすることができる。

（第３参考形態）
図５は第３参考形態のパワーモジュール装置を示しており、このパワーモジュール装置３１は、第１参考形態のパワーモジュール装置１が放熱体３に絶縁性流体を流通させていたのに対して、水等の非絶縁性の流体が流通され、放熱体３２の流路３３の内周面に絶縁被膜３４が形成されている点が異なるものであり、その他の構成は第１参考形態のものと同じである。

この場合、放熱体３２はアルミニウム合金から構成され、絶縁被膜３４としては、アルマイト処理された上に絶縁樹脂を含浸させて構成されており、数十μの厚さに形成される。
この第３参考形態のパワーモジュール装置３１においては、放熱体３２内を流通させられる冷媒として水を使用することができ、流体としての取扱いが容易になる。

（第４参考形態）
図６は第４参考形態のパワーモジュール装置を示しており、このパワーモジュール装置４１は、第１参考形態のパワーモジュール装置１におけるものに比べて、放熱体４２の厚さ、特に流路５と半導体チップ２との間の部分の厚さを大きくしたものであり、その部分を熱拡散部４３として機能させたものである。
したがって、この第４参考形態のパワーモジュール装置４１においては、半導体チップ２で発生した熱は、導電性接合材４を介して放熱体４２に伝わり、この放熱体４２の熱拡散部４３において厚さ方向のみならず面方向にも速やかに伝導し、該放熱体４２内の各流路５に分散して吸収されるので、放熱効果に優れるものである。

（第５参考形態）
図７は第５参考形態のパワーモジュール装置を示しており、このパワーモジュール装置４５は、第３参考形態のものと同様、放熱体４６の流路３３の内周面に絶縁被膜３４が形成されるとともに、この放熱体４６における流路３３と半導体チップ２との間の部分の厚さが第４参考形態のもののように大きく形成され、その部分が熱拡散部４３として機能させられたものである。
したがって、この第５参考形態のパワーモジュール装置４５においても、放熱体４６の熱拡散部４３において熱が面方向にも速やかに伝達して、各流路３３に分散させることができ、放熱効果に優れるものである。

（第６実施形態）
図８は本発明の第６実施形態のパワーモジュール装置を示しており、このパワーモジュール装置５１は、今までの第１参考形態から第５参考形態では放熱体が冷媒管であったのに対して、放熱体５２がヒートパイプとされたものである。この放熱体５２であるヒートパイプは、薄肉のブロック状に形成され、その一端部が蒸発部（熱吸収部）５３、他端部が凝縮部（放熱部）５４とされ、蒸発部５３の上面に前記各参考形態の冷媒管と同様に導電性接合材４を介して半導体チップ２が搭載されるとともに、凝縮部５４の表裏両面に、それぞれセラミックス板等の絶縁材５５を介して冷媒管５６が接合されている。そして、半導体チップ２のドレイン電極が導電性接合材４を介して放熱体としてのヒートパイプ５２に接続され、該ヒートパイプ５２に外部接続用リード線１３が接続されている。

このように構成したパワーモジュール装置５１は、半導体チップ２で発生した熱をヒートパイプ５２によって速やかに移送し、その移送先の凝縮部５４で冷媒管５６に放出することができる。そして、このヒートパイプ５２と冷媒管５６との間は絶縁材５５によって絶縁されているので、この冷媒管５６を他の構造物に支持することにより、半導体チップ２との絶縁状態は確保される。したがって、冷媒管５６内を流通する冷媒としては、特に絶縁を考慮する必要はなく、通常の水を使用することができる。

（第７実施形態）
図９は本発明の第７実施形態のパワーモジュール装置を示しており、このパワーモジュール装置６１は、図８の第６実施形態のパワーモジュール装置５１が多段に積層された構成とされている。すなわち、第１半導体チップ２の裏面が導電性接合材４を介して第１放熱体（ヒートポンプ）５２の蒸発部５３に接合されるとともに、該第１放熱体５２の凝縮部５４の表裏両面に絶縁材５５を介して冷媒管５６が接合され、一方、第１半導体チップ２の上面に第２放熱体（ヒートポンプ）６２の蒸発部６３が導電性接合材４を介して接合され、該第２放熱体６２の蒸発部６３に第２半導体チップ６４が導電性接合材４を介して接合され、第２放熱体６２の凝縮部６５の表裏両面に絶縁材５５を介して冷媒管５６が接合された構成とされている。

この場合、下段の第１半導体チップ２２のドレイン電極はその裏面側の第１放熱体５２に接続され、ソース電極８は、その上に接合されている第２放熱体６２に接続され、さらに該第２放熱体６２には上段の第２半導体チップ６４のドレイン電極が接続されている。そして、第２半導体チップ６４のソース電極８と第１放熱体５２とにそれぞれ外部接続用リード線１１・１３が接続され、二つの半導体チップ２・６４の電流経路が直列に接続された状態となっている。一方、各半導体チップ２・６４のゲート電極９（図示略）からは、放熱体５２・６２への接触によって短絡が生じないように外部接続用リード線１２が絶縁被覆６６を施されて放熱体５２・６２の側方に引き出されている。

（第８実施形態）
図１０は本発明の第８実施形態のパワーモジュール装置を示しており、このパワーモジュール装置７１は、二つの半導体チップ２・６４が導電性接合材４を介してヒートパイプからなる第１放熱体５２に並べて搭載されるとともに、これら半導体チップ２・６４の上面に同じく導電性接合材４を介してヒートパイプからなる第２放熱体６２が接合されている。この場合、両放熱体５２・６２は厚肉のブロック状に形成されており、その側面間に半導体チップ２・６４を挟むように保持している。また、各放熱体５２・６２の表裏両面に絶縁材５５を介して冷媒管３２がそれぞれ接合されている。

そして、両半導体チップ２・６４のドレイン電極が一方の放熱体５２に接続されるとともに、ソース電極８が他方の放熱体６２に接続されていることにより、二つの半導体チップ２・６４の電流経路が並列状態に配置され、ゲート電極９（図示略）からは、絶縁被覆６６を施された外部接続用リード線１２が両放熱体５４・６２の間を通って外部に引き出されている。
図１０の例では、冷媒管３２の内周部に絶縁被膜３４が形成されているため、絶縁材５５は必ずしも必要ないが、この絶縁材５５を介在させる場合には、冷媒管として絶縁被覆３４を有しないものを使用してもよい。

（第９参考形態）
図１１は第９参考形態のパワーモジュール装置を示しており、このパワーモジュール装置７５は、半導体チップ２の両面に導電性接合材４を介して放熱体３２・３２としての冷媒管が接合され、裏面側の放熱体３２にドレイン電極が接続され、表面側の放熱体３２にソース電極８が接続され、ゲート電極９は絶縁被覆６５がされた状態で両放熱体３２の間を通って外部に引き出されている。この図９の例では、図５の例と同様に、放熱体３２・３２の各流路３３の内周面に絶縁被覆３４がされ、非絶縁性流体が流通される構成である。

そして、上層の放熱体３２にソース電極８に接続状態の外部接続用リード線１１が設けられ、下層の放熱体３２にドレイン電極に接続状態の外部接続用リード線１３が設けられ、ゲート電極９に絶縁被覆６６がされた外部接続用リード線１２が両放熱体３２の間を通って引き出されている。

（第１０参考形態）
図１２は第１０参考形態のパワーモジュール装置を示しており、このパワーモジュール装置８１は、第９参考形態と同じように積層された放熱体３２、半導体チップ２、放熱体３２が絶縁性樹脂からなる樹脂封止体８２により一体に封止された構成されている。この場合、図３に示した例と同様に、両放熱体３２・３２の両端部には絶縁性材料からなる絶縁性管が循環路を形成するように接続されるが、樹脂封止体８２は、これら放熱体３２・３２の両端部を露出させた状態として、その露出端部に絶縁性管を接続する構成としてもよいし、絶縁性管の接続部も含めて樹脂封止する構成としてもよい。

この第１０参考形態のパワーモジュール装置８１は、半導体チップ２が二つの放熱体３２・３２間に挟持された状態に樹脂封止体８２で封止されるから、第９参考形態のものまでにおいては必要であった押圧部材は不要になる。

（第１１参考形態）
図１３は第１１参考形態のパワーモジュール装置を示しており、このパワーモジュール装置８５は、放熱体３２としての冷媒管と、半導体チップ２とを複数直列状態に積層してなるものであり、その最下層の放熱体３２にドレイン電極からの外部接続用リード線１３が引き出され、最上層の放熱体３２にソース電極８からの外部接続用リード線１１が引き出され、各放熱体３２の間から各半導体チップ２のゲート電極９に接続された外部接続用リード線１２が引き出されている。

（第１２参考形態）
図１４は第１２参考形態のパワーモジュール装置を示しており、このパワーモジュール装置９１は、四つの半導体チップ２が並列に並べられ、その両面に放熱体３２としての冷媒管がそれぞれ導電性接合材４を介して接合された構成である。下側の放熱体３２には、各半導体チップ２のドレイン電極に接続される外部接続用リード線１３が引き出され、上側の放熱体３２には、各半導体チップ２のソース電極８に接続される外部接続用リード線１１が引き出され、両放熱体３２の間からは、各半導体チップ２のゲート電極９に接続された外部接続用リード線１２が引き出されている。

以上の参考形態及び実施形態において、半導体チップのドレイン電極を放熱体に接続しているため、このパワーモジュール装置を各種機器に搭載する場合、絶縁材を介在させる必要があり、図１から図7までに示した第1参考形態から第５参考形態あるいは図１１の第９参考形態、図１３及び図１４の第１１及び第１２参考形態の各パワーモジュール装置においては、絶縁材からなるベース６を設けて、このベース６を介して各種機器に搭載するようにしている。また、図１２の第１０参考形態のパワーモジュール装置においては、全体を絶縁樹脂によって封止した構成であるから、この樹脂封止体８２を介して各種機器に搭載すればよい。

一方、図８から図１０の本発明の第６実施形態、第７及び第８実施形態の各パワーモジュール装置では、放熱体が絶縁材５５を介して冷媒管に接合されているため、この冷媒管は半導体チップとの絶縁がなされた状態とされており、したがって、この冷媒管を各種機器に搭載すればよい。
本発明において、絶縁材料からなるベースには、前記実施形態及び参考形態におけるベース６、樹脂封止体８２、絶縁材５５のいずれも含むものとする。

なお、前記各参考形態及び本発明の実施形態では、放熱体を例えばアルミニウム金属製のものとしたことから、半導体チップのシリコン基板との熱膨張係数差が大きく、このため、この放熱体と半導体チップとを接合する導電性接合材として、固化されていない導電性グリースを用いて、両者を押圧接触させる構成としたが、放熱体をグラファイト等の導電性セラミックスで作成することにより、半導体チップとの熱膨張差を小さくし、この放熱体の接合面をいわゆるメタライズ処理した後に半導体チップにハンダ付けやロウ付けする構成としてもよい。本発明において、導電性接合材はこのようなハンダやロウ材等も含むものとする。導電性グリースのように固化されていない接合材の場合は、半導体チップを放熱体に押さえて固定する必要があるが、前記各参考形態及び本発明の実施形態のように弾性部材によって押さえる構造の他、ねじ止め等で固定する構成でもよい。

また、本発明は、電界効果型トランジスタだけでなく、接合トランジスタにも適用可能であり、その場合はエミッタとコレクタの少なくともいずれか一方を放熱体に接続することができる。
さらに、冷媒流体としては液体以外にも気体も適用可能であり、また、放熱体を管の構造とせずにブロック状として、その外側に気体の冷媒を吹き付ける構成とするなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

第１参考形態のパワーモジュール装置の主要部を示す斜視図である。図１のパワーモジュール装置の正面図である。図１のパワーモジュール装置の全体構成を示すモデル図である。第２参考形態のパワーモジュール装置の主要部を示す斜視図である。第３参考形態のパワーモジュール装置の主要部を示す斜視図である。第４参考形態のパワーモジュール装置の主要部を示す斜視図である。第５参考形態のパワーモジュール装置の主要部を示す斜視図である。本発明の第６実施形態のパワーモジュール装置の主要部を示す斜視図である。本発明の第７実施形態のパワーモジュール装置の主要部を示す斜視図である。本発明の第８実施形態のパワーモジュール装置の主要部を示す斜視図である。第９参考形態のパワーモジュール装置の主要部を示す斜視図である。第１０参考形態のパワーモジュール装置の主要部を示す斜視図である。第１１参考形態のパワーモジュール装置の主要部を示す斜視図である。第１２参考形態のパワーモジュール装置の主要部を示す斜視図である。

符号の説明

１・２１・３１・４１・４５・５１・６１・７１・７５・８１・８５・９１…パワーモジュール装置２…半導体チップ３…放熱体４…導電性接合材５…流路６…ベース７…押圧部材８…ソース電極９…ゲート電極１１〜１３…リード線１５…絶縁性管１６…ポンプ１７…熱交換器２２・２３…中継基板３２…放熱体３３…流路３４…絶縁被膜４２…放熱体４３…熱拡散部４６…放熱体５２…放熱体５５…絶縁材（ベース）５６…冷媒管６２…第２放熱体６４…第２半導体チップ６６…絶縁被覆８２…絶縁封止体（ベース）

Claims

導電性材料からなる放熱体は、一端部が蒸発部、他端部が凝縮部とされたヒートパイプからなり、
前記蒸発部の表面に導電性接合材を介して半導体チップが搭載されるとともに、前記凝縮部の表裏両面に、それぞれ絶縁材を介して冷媒管が接続されており、
該半導体チップの電流経路における一方の電極が前記導電性接合材を介して放熱体に電気的に接続状態とされていることを特徴するパワーモジュール装置。