JP4992302B2

JP4992302B2 - パワー半導体モジュール

Info

Publication number: JP4992302B2
Application number: JP2006157300A
Authority: JP
Inventors: 良成池田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-07-05
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2026-06-06
Also published as: JP2007043098A

Description

本発明は、パワー半導体モジュールに関し、特に高い熱伝導性が要求される縦型半導体素子を用いたパワー半導体モジュールに関する。

近年では、大電流・高電圧環境下でも動作可能なパワー半導体モジュールが様々な分野で用いられるようになってきている。このようなパワー半導体モジュールは、主に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：ＩＧＢＴ）などのパワー半導体を用いて構成される。

図７は、従来のパワー半導体モジュールの構造を表す断面図である。図７に示すパワー半導体モジュール１００は、セラミック基板１３１の両面に導体層１３２、１３３が形成されたセラミック絶縁基板１３０の上に、はんだ層１２０を介して半導体チップ１１０が接合されている。また、セラミック絶縁基板１３０の半導体チップ１１０との接合面とは反対の面には、はんだ層１２１を介して銅ベース１４０が接合されている。さらに、銅ベース１４０は、セラミック絶縁基板１３０との接合面とは反対の面に、サーマルコンパウンド１５０を介して冷却体１６０が接合されている。

セラミック基板１３１には、たとえばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）が用いられる。また、セラミック基板１３１に接合されている導体層１３２、１３３には、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などが用いられる。導体層１３２には、エッチングなどにより回路パターンが形成される。

セラミック絶縁基板１３０を用いたパワー半導体モジュール１００の場合、セラミック基板１３１と導体層１３２、１３３とが直接接合されており、１０００℃を超える熱処理が必要となる。このとき、セラミック基板１３１を形成するアルミナと、導体層１３２、１３３を形成する銅などは熱膨張率が大きく異なり、接合時の熱によって熱応力が発生する。つまり、導体層１３２、１３３の厚みに極端な差を付けるとセラミック絶縁基板１３０に反りや割れが生じてしまう。

そこで、絶縁樹脂シートを用いたインバータ装置が提案された（たとえば、特許文献１、２参照）。絶縁樹脂を用いて絶縁する場合、絶縁樹脂の両面に金属基板を比較的低温で接着することが可能である。したがって、金属の板厚が極端に異なる金属基板を絶縁樹脂の両面に接合することが可能となる。つまり、金属の板厚が極端に異なる樹脂絶縁基板の製造が可能となる。
特開２００３−１５３５５４号公報（段落番号〔００２１〕〜〔００３０〕、図１）特開２００１−１８５６６３号公報（段落番号〔００２８〕〜〔００４８〕、図１）

しかし、回路パターンである導体を加圧し、絶縁樹脂シートと冷却体との間にボイドなどを巻き込まずに接着することは困難である。つまり、上記特許文献１記載のインバータ装置では、冷却体と金属ベースとの間の接着が不十分になりやすく、デバイス動作時に保証温度より上昇してしまう危険性がある。また、冷却体とパワーデバイス・パッケージが短絡し、半導体装置を破壊してしまう可能性もある。つまり、半導体素子が搭載された金属板が絶縁樹脂シートを介して冷却体に取り付けられる場合、パワーデバイス・パッケージの低熱抵抗化は確保されたとしても、冷却体への放熱と電気的な絶縁を確保することは難しい。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、電気的な絶縁を確保し、かつ低熱抵抗化を図ったパワー半導体モジュールを提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、半導体素子を用いたパワー半導体モジュールにおいて、前記半導体素子が上面に接合され、かつ電気回路を兼ねる回路パターンと、前記回路パターンの下面に熱伝導率が６．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁樹脂層を介して接合され、前記回路パターンより板厚が薄い金属基板と、を有し、前記絶縁樹脂層として、前記回路パターンの上面に前記半導体素子が接合された部分に対応する部分であって、当該接合面積より広い面積で第１の絶縁樹脂層が配置され、その他の部分では熱伝導率が前記第１の絶縁樹脂層より低い第２の絶縁樹脂層が配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュールが提供される。

このようなパワー半導体モジュールによれば、デバイス動作時に回路パターンに熱が放散される。また、絶縁樹脂層によって絶縁が確保される。

絶縁樹脂を用いるので比較的低温で回路パターンと金属基板を接合できる。したがって、絶縁樹脂に対して両面に厚さの異なる金属板を接合することが可能となる。また、回路パターンを厚くすることによって熱抵抗が下がるので、絶縁を確保し、かつ低熱抵抗化を図ったパワー半導体モジュールを作製することが可能となる。さらに、セラミック絶縁基板構造を有するパワー半導体モジュールのように大面積を有するセラミック絶縁基板を銅ベースにはんだ接合する必要がない。したがって、はんだ接合層を１層削減することが可能となり、信頼性が向上する。

以下、本発明に係る２つの実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１のパワー半導体モジュールの構成を表す断面図である。図１に示すように、パワー半導体モジュール１は、半導体素子１１、はんだ層１２、サーマルコンパウンド１３、冷却体１４、および樹脂絶縁金属基板２０より構成されている。また、樹脂絶縁金属基板２０は、回路パターン２１、絶縁樹脂層２２、および金属基板２３より構成されている。回路パターン２１と金属基板２３は銅で構成されている。

金属基板２３の上面には、絶縁樹脂が塗布されて形成された絶縁樹脂層２２を介して金属基板２３より厚い回路パターン２１が接合されている。回路パターン２１上にはんだ層１２を介してパワー半導体などの半導体素子１１が接合されている。また、金属基板２３の下面にはサーマルコンパウンド１３を介して冷却体１４が接合されている。回路パターン２１は、たとえば金属板を所望のパターンに沿って型抜きすることによって形成される。なお、エッチングやリードフレームを用いて回路パターンを形成してもよい。

図２は、回路パターン厚と熱抵抗の関係を示す回路パターン厚グラフである。図２に示すように、回路パターン厚グラフ３０は、回路パターン２１の厚さを変化させたときの熱抵抗Ｒｊｃがどのような値をとるかを示している。また、絶縁樹脂層２２を形成する絶縁樹脂の熱伝導率λを５Ｗ／ｍ・Ｋから８Ｗ／ｍ・Ｋまで変化させて計測している。なお、熱抵抗Ｒｊｃは、ジャンクションとケース裏面の間の熱抵抗を示している。また、半導体素子１１のサイズは１０ｍｍ四方とし、半導体素子１１で発生した熱は構成部材内で拡散することを考慮した。また、絶縁樹脂層２２の厚さは０．２ｍｍであるとする。

また、パワー半導体モジュール１の比較対象とする図７に示した従来のパワー半導体モジュール１００には、セラミック基板１３１として熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋのアルミナ製の板を用いる。また、銅ベース１４０は厚さが３ｍｍのものを用いる。また、セラミック絶縁基板１３０を構成するセラミック基板１３１およびその両面に接合されている導体層１３２、１３３の厚さは、それぞれ、０．２５ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．２ｍｍであるとする。

図２には、セラミック絶縁基板１３０と銅ベース１４０を接合した従来のパワー半導体モジュール１００の熱抵抗Ｒｊｃを、米印のプロット（＊）で示す。この回路パターン厚グラフ３０に示すように、従来のパワー半導体モジュール１００の熱抵抗Ｒｊｃは約０．２２℃／Ｗであり、回路パターン厚グラフ３０では破線で示す。また、回路パターン厚グラフ３０では、回路パターン２１の厚さを２ｍｍから５ｍｍまで１ｍｍ間隔で変化させたときの熱抵抗Ｒｊｃの値をプロットしている。また、絶縁樹脂層２２を形成する絶縁樹脂の熱伝導率を変化させたときの熱抵抗Ｒｊｃの値（０．２２℃／Ｗ）もプロットしている。

熱伝導率λが５Ｗ／ｍ・Ｋの絶縁樹脂で絶縁樹脂層２２を形成し、回路パターン２１の厚さを変化させたときの熱抵抗Ｒｊｃの値は、菱形のプロット（◆）で示す。また、熱伝導率λが６．５Ｗ／ｍ・Ｋの絶縁樹脂で絶縁樹脂層２２を形成し、回路パターン２１の厚さを変化させたときの熱抵抗Ｒｊｃの値は、四角のプロット（■）で示す。

また、熱伝導率λが７Ｗ／ｍ・Ｋの絶縁樹脂で絶縁樹脂層２２を形成し、回路パターン２１の厚さを変化させたときの熱抵抗Ｒｊｃの値は、三角のプロット（▲）で示す。また、熱伝導率λが８Ｗ／ｍ・Ｋの絶縁樹脂で絶縁樹脂層２２を形成し、回路パターン２１の厚さを変化させたときの熱抵抗Ｒｊｃの値は、×印のプロットで示す。

以上、実施の形態１の発明では、回路パターン厚グラフ３０に示すように、回路パターン２１の厚さが３ｍｍ以上の場合、熱伝導率λが６．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁樹脂で絶縁樹脂層２２を形成しているときに、熱抵抗Ｒｊｃが従来のパワー半導体モジュールの熱抵抗の値（０．２２℃／Ｗ）を下回ることがわかる。したがって、回路パターン２１の厚さが３ｍｍ以上の場合には、熱伝導率が６．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁樹脂を用いて絶縁樹脂層２２を形成すれば、デバイス動作時に回路パターン２１に熱が効率よく放散されるだけでなく、絶縁を確保し、かつ低熱抵抗化を図ったパワー半導体モジュールを作製することができる。

なお、絶縁樹脂層２２を形成するときに、金属基板２３を絶縁樹脂にディッピングすることによって形成してもよい。
（実施の形態２）
図３は、本実施の形態２のパワー半導体モジュールの構成を表す断面図である。図３に示すように、パワー半導体モジュール２は、半導体素子１１、はんだ層１２、サーマルコンパウンド１３、冷却体１４、および樹脂絶縁金属基板２０より構成されている。回路パターン２１、絶縁樹脂層２４、および金属基板２３より構成された樹脂絶縁金属基板２０のうち、絶縁樹脂層２４の一部に熱伝導性が高い絶縁樹脂を配置することで、半導体素子１１の発熱を効率良く金属基板２３に逃がすようにしている。すなわち、この絶縁樹脂層２４は、少なくとも、回路パターン２１の上面に半導体素子１１が接合された部分に対応する箇所に熱伝導率が１２Ｗ／ｍ・Ｋの第１の絶縁樹脂層２４ａを用いており、その他の部分は実施の形態１の絶縁樹脂層２２と同じく、熱伝導率が６．５Ｗ／ｍ・Ｋの第２の絶縁樹脂層である。

図３の例では、特にこの第１の絶縁樹脂層２４ａを、回路パターン２１の厚さ（３ｍｍ）に応じて、その上面に半導体素子１１が接合された部分より広い面積となるように配置している。これは、半導体素子１１の発熱が銅で構成されている回路パターン２１の下方にだけでなく、横方向にも広がるためである。したがって、第１の絶縁樹脂層２４ａの大きさは、回路パターン２１上に接合されているパワー半導体などの半導体素子１１の縁から約４５度の角度で引いた斜線によって規定される。

なお、実施の形態２における樹脂絶縁金属基板２０としては、金属基板２３の上面に絶縁樹脂層２４を介して金属基板２３より厚い回路パターン２１が接合されたものである点、および金属基板２３の下面にサーマルコンパウンド１３を介して冷却体１４が接合されている点については、実施の形態１のものと同じである。そして回路パターン２１上には、はんだ層１２を介して複数の半導体素子１１が設けられるが、図３では半導体素子１１をひとつだけ示している。

ここで、２種類の異なる熱伝導率の絶縁樹脂が複合された絶縁樹脂層２４は、回路パターン２１上の半導体素子１１の配置に応じた印刷パターンを用いることで、容易に構成することができる。また、実施の形態２において、絶縁樹脂層２４の一部のみに熱伝導性が高い絶縁樹脂を配置する構成としたのは、熱伝導性が高い絶縁樹脂は価格が高くなることから、全体のコストを低減しつつ、低熱抵抗化を図ったパワー半導体モジュールを作製するためである。

つぎに、上述した実施の形態２に係るパワー半導体モジュール２の熱抵抗について、実施の形態１のパワー半導体モジュール１のように、全体を同一の熱伝導率の絶縁樹脂層で構成した場合と比較して説明する。

図４は、半導体素子の接合部温度の過渡時、および定常時におけるＦＥＭ解析結果を示す金属基板厚グラフである。
同図（Ａ）に示すように、半導体素子の接合部温度Ｔｊは、熱伝導率λが６．５Ｗ／ｍ・Ｋの絶縁樹脂だけで絶縁樹脂層２２を形成した場合、菱形のプロット（◆）で示すように時間の経過とともに最も早く温度が上昇する。これに対して、四角のプロット（■）で示した、２種類の異なる熱伝導率の絶縁樹脂が複合された絶縁樹脂層２４では、緩やかに温度が上昇している。これは、全体を１２Ｗ／ｍ・Ｋの絶縁樹脂層とした場合の、三角のプロット（▲）で示すものと殆ど変わらない。

さらに、図４（Ｂ）では、定常時の接合部温度Ｔｊを比較している。ここでも、実施の形態２のパワー半導体モジュール２では接合部温度Ｔｊが８３．２℃であって、全体を１２Ｗ／ｍ・Ｋの絶縁樹脂層とした場合との差は、０．６℃に過ぎない。したがって、実施の形態２の発明のように、絶縁樹脂層２４の一部に熱伝導性が高い絶縁樹脂を配置することで、デバイス動作時に回路パターンでの発熱をさらに効率よく放散させることが可能になる。

上述した実施の形態１および２に係るパワー半導体モジュール１、２では、いずれも金属基板２３の厚さを変化させたときには、その熱抵抗Ｒｊｃが変わってくる。
図５は、金属基板厚と熱抵抗の関係を示す金属基板厚グラフである。図５に示すように、金属基板厚グラフ３１は、金属基板２３の厚さを変化させたときの熱抵抗Ｒｊｃがどのような値をとるかを示している。ここでは、熱伝導率が６．５Ｗ／ｍ・Ｋの絶縁樹脂層２２を用いた実施の形態１において、その厚さのみを変化させて計測している。

比較のために、従来のセラミック絶縁基板１３０と銅ベース１４０を接合したパワー半導体モジュール１００の熱抵抗Ｒｊｃは、回路パターン厚グラフ３０と同様に米印のプロット（＊）で示す。この金属基板厚グラフ３１でも、従来のパワー半導体モジュール１００の熱抵抗Ｒｊｃである約０．２２℃／Ｗを、回路パターン厚グラフ３０と同様に破線で示す。また、金属基板厚グラフ３１では、絶縁樹脂層２２の厚さ（ｔ）が０．２ｍｍのものについては、金属基板２３の厚さを０．５ｍｍから３ｍｍまで４通りに変化させたときの熱抵抗Ｒｊｃの値をプロットしている。なお、金属基板２３の厚さが１ｍｍのものについては、絶縁樹脂層２２の厚さ（ｔ）が０．２ｍｍ以外にも３通りのものを用意し、それぞれの熱抵抗Ｒｊｃの値をプロットしている。

絶縁樹脂層２２の厚さが０．２ｍｍのとき、金属基板２３の厚さを変化させたときの熱抵抗Ｒｊｃの値は、菱形のプロット（◆）で示す。また、絶縁樹脂層２２の厚さが０．１ｍｍのとき、金属基板２３の厚さが１ｍｍのときの熱抵抗Ｒｊｃの値は、四角のプロット（■）で示す。また、絶縁樹脂層２２の厚さが０．１５ｍｍのとき、金属基板２３の厚さが１ｍｍのときの熱抵抗Ｒｊｃの値は、三角のプロット（▲）で示す。また、絶縁樹脂層２２の厚さが０．２５ｍｍのとき、金属基板２３の厚さが１ｍｍのときの熱抵抗Ｒｊｃの値は、×印のプロットで示す。

金属基板厚グラフ３１に示すように、熱伝導率が６．５Ｗ／ｍ・Ｋの絶縁樹脂層２２を用いて、金属基板２３の厚さが２ｍｍ以下の場合、絶縁樹脂層２２の厚さが０．２ｍｍ以下であれば、熱抵抗Ｒｊｃが従来のパワー半導体モジュール１００の熱抵抗の値を下回ることがわかる。したがって、金属基板２３の厚さが２ｍｍ以下の場合には、厚さが０．２ｍｍ以下になるように絶縁樹脂層２２を形成する。

つぎに、上述した実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１と、従来のパワー半導体モジュール１００との熱抵抗について、それぞれ比較して説明する。
図６は、回路パターン厚と金属基板厚を逆転させたときの熱抵抗を示す熱抵抗比較グラフである。熱抵抗比較グラフ３２に示した３本の棒グラフは、従来のセラミック絶縁基板１３０を銅ベース１４０に接合させた構造を有するパワー半導体モジュール１００の熱抵抗Ｒｊｃ、樹脂絶縁金属基板２０を有する本実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１の熱抵抗Ｒｊｃ、およびパワー半導体モジュール１における回路パターン２１と金属基板２３のそれぞれの厚さを逆転させた場合の熱抵抗Ｒｊｃであって、それらを比較できるようにしている。

この図６の熱抵抗比較グラフ３２で示した本実施の形態１のパワー半導体モジュール１においては、回路パターン２１の厚さは３ｍｍである。また、絶縁樹脂層２２の厚さは０．２ｍｍであり、絶縁樹脂層２２の熱伝導率は６．５Ｗ／ｍ・Ｋであり、金属基板２３の厚さは２ｍｍである。なお、金属基板２３の厚さが２ｍｍより薄くなると、パワー半導体モジュール１を冷却体１４に取り付ける際の剛性が不足する場合がある。そのような場合は、パワー半導体モジュール１を樹脂封止することや、パワー半導体モジュール１の冷却体１４への取り付け穴間を剛性の高い金属バーなどでつなぎ、その上からボルト締めすることで、パワー半導体モジュール１を冷却体１４に密着させることで剛性不足を回避できる。

従来のパワー半導体モジュール１００の熱抵抗は、上述の通り約０．２２℃／Ｗである。また、本実施の形態１および２のパワー半導体モジュール１の熱抵抗も約０．２２℃／Ｗである。また、回路パターン２１の厚さと金属基板２３の厚さを逆転させた縦構造逆転構造を有するパワー半導体モジュールを作製する。つまり、回路パターン２１の厚さを２ｍｍとし、金属基板２３の厚さを３ｍｍとしたパワー半導体モジュールを作製する。すると、熱抵抗Ｒｊｃは、熱抵抗比較グラフ３２に示すとおり、約０．２６℃／Ｗとなる。つまり、縦構造逆転構造を有するパワー半導体モジュールは、従来のパワー半導体モジュール１００の熱抵抗の値を上回ってしまうので、パワー半導体モジュールとして適切な構成とはいえないとわかる。

このように、絶縁樹脂の両面を厚い回路パターン２１と比較的薄い金属基板２３で挟み込むことで、従来のセラミック絶縁基板１３０と銅ベース１４０からなるパワー半導体モジュール１００より低熱抵抗で、電気絶縁も確実に確保できるパッケージを実現することが可能となる。さらに、従来のパワー半導体モジュール１００のように大面積を有するセラミック絶縁基板１３０を銅ベース１４０にはんだ接合をする必要がないことから、従来のパワー半導体モジュール１００と比べてはんだ接合層を１層少なくすることが可能となり、信頼性を向上させることができる。

なお、実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１の樹脂絶縁金属基板２０について説明したが、絶縁樹脂層２４の一部に熱伝導性が高い絶縁樹脂を配置したものであっても同様の効果を得ることができる。

また、実施の形態１、２において、厚い回路パターンを狭ピッチで構成しようとすると、回路パターンをエッチングで形成することが困難な場合がある。このような場合は、まず、エッチングが可能な薄箔の回路パターンを形成し、その上にはんだ接合などで金属ブロックを接合することにより、厚い回路パターンと同様の効果を得ることができる。

本実施の形態１のパワー半導体モジュールの構成を表す断面図である。回路パターン厚と熱抵抗の関係を示す回路パターン厚グラフである。本実施の形態２のパワー半導体モジュールの構成を表す断面図である。半導体素子の接合部温度の過渡時、および定常時におけるＦＥＭ解析結果を示す金属基板厚グラフである。金属基板厚と熱抵抗の関係を示す金属基板厚グラフである。回路パターン厚と金属基板厚を逆転させたときの熱抵抗を示す熱抵抗比較グラフである。従来のパワー半導体モジュールの構造を表す断面図である。

符号の説明

１パワー半導体モジュール
１１半導体素子
１２はんだ層
１３サーマルコンパウンド
１４冷却体
２０樹脂絶縁金属基板
２１回路パターン
２２，２４絶縁樹脂層
２３金属基板

Claims

半導体素子を用いたパワー半導体モジュールにおいて、
前記半導体素子が上面に接合され、かつ電気回路を兼ねる回路パターンと、
前記回路パターンの下面に熱伝導率が６．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁樹脂層を介して接合され、前記回路パターンより板厚が薄い金属基板と、
を有し、
前記絶縁樹脂層として、前記回路パターンの上面に前記半導体素子が接合された部分に対応する部分であって、当該接合面積より広い面積で第１の絶縁樹脂層が配置され、その他の部分では熱伝導率が前記第１の絶縁樹脂層より低い第２の絶縁樹脂層が配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
前記回路パターンの厚さが３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
前記第１の絶縁樹脂層は、熱伝導率が１２Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
前記第１の絶縁樹脂層は、前記回路パターンの厚さに応じて、その上面に前記半導体素子が接合された部分より広い面積で配置されていることを特徴とする請求項１または３記載のパワー半導体モジュール。
前記絶縁樹脂層の厚さが０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
前記金属基板の厚さが２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。