JP5028947B2 - パワーモジュールの積層構造体 - Google Patents

Description

この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュールの積層構造体に関するものである。

この種のパワーモジュールの積層構造体として、例えば下記特許文献１に示されるような、半導体チップと、この半導体チップの表裏面にそれぞれはんだ接合された一対の放熱板と、各放熱板の表面に絶縁部材を介して接触した冷却器とが備えられた構成が知られている。そして、このパワーモジュールの積層構造体では、熱サイクル下で使用する際に、その全体を積層方向に加圧してパワーモジュールの各構成部材同士の接触圧を高めた状態で、半導体チップをその表裏面側からそれぞれ冷却することによって、冷却能の向上が図られている。
特開２００５−１５０４２０号公報

しかしながら、前記従来のパワーモジュールの積層構造体では、その全体を積層方向に加圧した状態で熱サイクル下で使用していたので、昇温時におけるパワーモジュールの各構成部材の膨張変形により半導体チップに大きな押圧力が作用して、この半導体チップの熱サイクル寿命を低下させるおそれがあった。
特に、近年では、半導体チップと一対の放熱板とを接合する各はんだ層の厚さを大きくすることによって、半導体チップと放熱板との熱膨張係数差に起因したはんだ層の内部応力を緩和させる要請があるが、このようにはんだ層の厚さを大きくすると、半導体チップが放熱板の表面に対して傾き易くなるので、前述のように積層方向に加圧した状態で熱サイクル下で使用すると、半導体チップの表裏面において局所的に大きな押圧力が作用する部分が生じ、この半導体チップの熱サイクル寿命をさらに低下させるおそれがあった。なお、はんだ層の厚さを厚くすると、パワーモジュールの熱抵抗値が上昇するおそれもあった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、半導体チップにかかる負荷を増大させることなく、冷却能を向上させることができるパワーモジュールの積層構造体を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュールの積層構造体は、セラミックス板と、このセラミックス板の表面にろう付けされた回路層と、前記セラミックス板の裏面にろう付けされた冷却器と、前記回路層の表面にはんだ接合された半導体チップとを備えるパワーモジュールが、これらの冷却器、セラミックス板、回路層および半導体チップが配置された積層方向に複数設けられたパワーモジュールの積層構造体であって、前記積層方向で互いに対向する一対のパワーモジュールは、それぞれの半導体チップの表面同士が前記積層方向で間隔をあけて対向するように、または、一方のパワーモジュールにおける半導体チップの表面と他方のパワーモジュールにおける冷却器の裏面とが前記積層方向で間隔をあけて対向するように、一方のパワーモジュールにおける回路層の表面に立設されたヒートシンク部を介して、互いが電気的に絶縁状態となるように、前記一方のパワーモジュールの回路層と前記他方のパワーモジュールのセラミックス板若しくは冷却器とが連結されていることを特徴とする。
この発明によれば、前記一対のパワーモジュールが前記ヒートシンク部を介して連結されているので、これらのパワーモジュールのうち、半導体チップで発生した熱により温度が高くなっている高温側パワーモジュールの熱を、ヒートシンク部を介して、温度が低い低温側パワーモジュールに伝導させることによって、高温側パワーモジュールを低温側パワーモジュールの冷却器で冷却することが可能になり、この積層構造体の冷却能を向上させることができる。
しかも、この一対のパワーモジュールが、それぞれの半導体チップの表面同士が前記積層方向で間隔をあけて対向するように、または、一方のパワーモジュールにおける半導体チップの表面と他方のパワーモジュールにおける冷却器の裏面とが前記積層方向で間隔をあけて対向するように設けられているので、熱サイクル使用時におけるパワーモジュールの各構成部材の膨張変形により、各半導体チップに押圧力が作用するのを防ぐことが可能になり、これらの半導体チップの熱サイクル寿命が低下するのを防ぐことができる。
さらに、半導体チップを有するパワーモジュールが前記積層方向に複数設けられているので、半導体チップの実装密度を向上させることが可能になり、このパワーモジュールの設置面積を低減することができる。

ここで、前記一対のパワーモジュールが、それぞれの半導体チップの表面同士が前記積層方向で間隔をあけて互いに対向するように設けられた場合、前記ヒートシンク部は、他方のパワーモジュールにおいてセラミックス板の表面に回路層と非接触状態で接合されてもよい。
この場合、ヒートシンク部と前記他方のパワーモジュールとの間に絶縁部材を設けなくても、ヒートシンク部により前記一対のパワーモジュールを互いが電気的に絶縁状態となるように連結することが可能になり、パワーモジュールの積層構造体の製造コストを抑えることができる。

また、前記一対のパワーモジュールが、一方のパワーモジュールにおける半導体チップの表面と、他方のパワーモジュールにおける冷却器の裏面とが前記積層方向で間隔をあけて互いに対向するように設けられた場合、前記ヒートシンク部は、前記他方のパワーモジュールにおける冷却器の裏面に設けられた絶縁部材に接合されてもよい。
この場合においても、ヒートシンク部により前記一対のパワーモジュールを互いが電気的に絶縁状態となるように連結することが可能になる。さらに、一方のパワーモジュールにおける半導体チップで発生した熱を、このパワーモジュールにおける冷却器のみならず、回路層およびヒートシンク部を介して、他方のパワーモジュールにおける冷却器にも伝導させることが可能になり、この積層構造体の冷却能を確実に向上させることができる。

さらにこの場合、パワーモジュールの積層構造体の熱サイクル使用時において、前記一方のパワーモジュールにおける半導体チップの総発熱量が、前記他方のパワーモジュールにおける半導体チップの総発熱量よりも大きいことが好ましい。この場合、パワーモジュールの積層構造体の冷却能を効率的に向上させることができる。
ここで、前述した半導体チップの総発熱量の大小とは、半導体チップ自体の仕様電力値の大小のみならず、この仕様電力値は同等であってもパワーモジュールの積層構造体の熱サイクル使用時における使用頻度の大小を含むものである。
なお、前記絶縁部材は、前記他方のパワーモジュールにおける冷却器の裏面に接合されたセラミックス製の板材、または、前記冷却器の裏面に形成されたアルミナ溶着膜としてもよい。

また、前記ヒートシンク部は、純Ｃｕ若しくはＣｕ合金で形成されたヒートシンク本体を有してもよい。
この場合、純Ｃｕ若しくはＣｕ合金は、純ＡｌやＡｌ合金よりも熱容量が大きいので前記の作用効果がより一層確実に奏効されることになる。

この発明によれば、半導体チップにかかる負荷を増大させることなく、冷却能を向上させることができる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の第１実施形態に係るパワーモジュールの積層構造体を示す全体図である。
この積層構造体１０は、セラミックス板１１と、このセラミックス板１１の表面にろう付けされた回路層１２と、セラミックス板１１の裏面にろう付けされた冷却器１３と、回路層１２の表面にはんだ接合された半導体チップ１４とを備えるパワーモジュール１５ａ、１５ｂが、これらの冷却器１３、セラミックス板１１、回路層１２および半導体チップ１４が配置された積層方向Ｓに複数設けられている。なお、図示の例では、冷却器１３は、内部に複数の冷媒供給路１３ａが形成された、いわゆる多穴管とされている。

そして、本実施形態では、前記積層方向Ｓで互いに対向する一対のパワーモジュール１５ａ、１５ｂは、それぞれの半導体チップ１４の表面同士が前記積層方向Ｓで間隔をあけて対向するように、一方のパワーモジュール１５ａにおける回路層１２の表面に立設されたヒートシンク部１６を介して、互い１５ａ、１５ｂが電気的に絶縁状態となるように連結されている。

ここで、パワーモジュール１５ａ、１５ｂを構成する各部材の材質としては、例えば、セラミックス板１１ではＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３若しくはＳｉ_３Ｎ_４等が挙げられ、回路層１２では純Ｃｕ、Ｃｕ合金、純Ａｌ若しくはＡｌ合金が挙げられ、冷却器１３では純Ａｌ若しくはＡｌ合金が挙げられる。

本実施形態では、セラミックス板１１をＡｌＮ若しくはＳｉ_３Ｎ_４で形成し、回路層１２を純Ａｌ若しくはＡｌ合金で形成した場合について説明する。
なお、この場合、半導体チップ１４と回路層１２とを接合するはんだ層１７は、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の無鉛系のはんだ材、若しくは例えばＰｂＳｎ系等のＰｂを含むはんだ材が用いられ、セラミックス板１１と回路層１２および冷却器１３とをろう付けするろう材では、例えばＡｌ−Ｓｉ系等のＡｌ系のろう材が用いられる。

図示の例では、ヒートシンク部１６は板状体とされて、その表裏面が、冷却器１３の冷媒供給路１３ａが延びる方向、および前記積層方向Ｓに沿って延在するように縦置き姿勢とされ、その積層方向Ｓの一端が、一方のパワーモジュール１５ａにおける回路層１２の表面にはんだ層１９を介して接合され、他端が、他方のパワーモジュール１５ｂにおけるセラミックス板１１の表面に回路層１２と非接触状態でろう付けされている。このように、ヒートシンク部１６の前記積層方向Ｓにおける両端をそれぞれ、回路層１２、および電気絶縁性を有するセラミックス板１１に接合することによって、このヒートシンク部１６により、一対のパワーモジュール１５ａ、１５ｂが、互い１５ａ、１５ｂが電気的に絶縁状態となるように連結される。

本実施形態では、ヒートシンク部１６は、純Ｃｕ若しくはＣｕ合金で形成されたヒートシンク本体１６ａと、純Ａｌ若しくはＡｌ合金で形成されたＡｌ部材１６ｂとを備え、ヒートシンク本体１６ａがヒートシンク部１６の前記一端を有し、Ａｌ部材１６ｂがヒートシンク部１６の前記他端を有するように、ヒートシンク本体１６ａとＡｌ部材１６ｂとがはんだ層１８を介して接合されている。ここで、ヒートシンク本体１６ａの方がＡｌ部材１６ｂよりも体積が大きくなっている。図示の例では、ヒートシンク本体１６ａの方がＡｌ部材１６ｂよりも前記積層方向Ｓの長さが長くなっている。
なお、はんだ層１８、１９は前記はんだ材で形成され、Ａｌ部材１６ｂとセラミックス板１１とは、前記ろう材箔でろう付けされている。

また、Ａｌ部材１６ｂの前記積層方向Ｓの長さは、他方のパワーモジュール１５ｂにおける回路層１２の前記積層方向Ｓの長さと同等とされ、ヒートシンク本体１６ａの前記積層方向Ｓにおける長さは、一方のパワーモジュール１５ａにおける回路層１２の表面と半導体チップ１４の表面との距離と、他方のパワーモジュール１５ｂにおける回路層１２の表面と半導体チップ１４の表面との距離と、の和以上となっている。これにより、一方のパワーモジュール１５ａの半導体チップ１４の表面と、他方のパワーモジュール１５ｂの半導体チップ１４の表面とが非接触となっている。

以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュール１５の積層構造体１０によれば、一対のパワーモジュール１５ａ、１５ｂが、それぞれの半導体チップ１４の表面同士が前記積層方向Ｓで間隔をあけて対向するように、ヒートシンク部１６を介して連結されているので、これらのパワーモジュール１５ａ、１５ｂのうち、半導体チップ１４で発生した熱により温度が高くなっている高温側パワーモジュールの熱を、ヒートシンク部１６を介して、温度が低い低温側パワーモジュールに伝導させることによって、高温側パワーモジュールを低温側パワーモジュールの冷却器１３で冷却することが可能になり、この積層構造体１０の冷却能を向上させることができる。

しかも、この一対のパワーモジュール１５ａ、１５ｂが、それぞれの半導体チップ１４の表面同士が前記積層方向Ｓで間隔をあけて対向するように設けられているので、熱サイクル使用時におけるパワーモジュール１５ａ、１５ｂの各構成部材の膨張変形により、各半導体チップ１４に押圧力が作用するのを防ぐことが可能になり、これらの半導体チップ１４の熱サイクル寿命が低下するのを防ぐことができる。
さらに、半導体チップ１４を有するパワーモジュール１５ａ、１５ｂが前記積層方向Ｓに複数設けられているので、半導体チップ１４の実装密度を向上させることが可能になり、このパワーモジュール１５ａ、１５ｂの設置面積を低減することができる。

また、本実施形態では、ヒートシンク部１６が、他方のパワーモジュール１５ｂにおいてセラミックス板１１の表面に回路層１２と非接触状態で接合されているので、ヒートシンク部１６と他方のパワーモジュール１５ｂとの間に絶縁部材を設けなくても、ヒートシンク部１６により一対のパワーモジュール１５ａ、１５ｂを互いが電気的に絶縁状態となるように連結することが可能になり、この積層構造体１０の製造コストを抑えることができる。

さらに、本実施形態では、ヒートシンク部１６が、純ＡｌやＡｌ合金よりも熱容量が大きい純Ｃｕ若しくはＣｕ合金で形成されたヒートシンク本体１６ａを有し、しかもヒートシンク本体１６ａの方がＡｌ部材１６ｂよりも体積が大きくなっているので、前記の作用効果がより一層確実に奏効されることになる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態に代えて、図２に示されるように、一対のパワーモジュール１５ａ、１５ｂを、一方のパワーモジュール１５ａにおける半導体チップ１４の表面と、他方のパワーモジュール１５ｂにおける冷却器１３の裏面とが前記積層方向Ｓで間隔をあけて互いに対向するように設け、ヒートシンク部１６のＡｌ部材１６ｂを、他方のパワーモジュール１５ｂにおける冷却器１３の裏面に設けられた絶縁部材２１にろう付けした積層構造体２０を採用してもよい。

なお、絶縁部材２１は、例えば、他方のパワーモジュール１５ｂにおける冷却器１３の裏面にろう付けされたセラミックス製の板材、または、この冷却器１３の裏面に形成されたアルミナ溶着膜等とされている。また、ヒートシンク部１６の前記積層方向Ｓにおける長さは、一方のパワーモジュール１５ａにおける回路層１２の表面と半導体チップ１４の表面との距離以上となっている。

この場合、ヒートシンク部１６により一対のパワーモジュール１５ａ、１５ｂを互いが電気的に絶縁状態となるように連結することが可能になるとともに、一方のパワーモジュール１５ａにおける半導体チップ１４で発生した熱を、このパワーモジュール１５ａにおける冷却器１３のみならず、回路層１２およびヒートシンク部１６を介して、他方のパワーモジュール１５ｂにおける冷却器１３にも伝導させることが可能になり、この積層構造体１０の冷却能を確実に向上させることができる。

さらにこの場合、パワーモジュールの積層構造体２０の熱サイクル使用時において、一方のパワーモジュール１５ａにおける半導体チップ１４の総発熱量が、他方のパワーモジュール１５ｂにおける半導体チップ１４の総発熱量よりも大きいことが好ましい。この場合、パワーモジュールの積層構造体２０の冷却能を効率的に向上させることができる。
ここで、前述した半導体チップ１４の総発熱量の大小とは、半導体チップ１４自体の仕様電力値の大小のみならず、この仕様電力値は同等であってもパワーモジュールの積層構造体２０の熱サイクル使用時における使用頻度の大小を含むものである。

また、冷却器１３、セラミックス板１１、回路層１２、ヒートシンク部１６、およびはんだ層１７、１８、１９を形成する各材質は前記実施形態のものに限定されるものではない。さらに、前記各実施形態では、パワーモジュールの積層構造体１０、２０として、パワーモジュール１５ａ、１５ｂが二層積層された構成を示したが、３層以上積層した構成にも適用可能である。さらにまた、図１および図２で示した実施形態に代えて、ヒートシンク部１６の前記一端と、一方のパワーモジュール１５ａにおける回路層１２の表面とを、例えば高熱伝導性を有する接着剤で接合してもよく、さらに、この接着剤でヒートシンク本体１６ａとＡｌ部材１６ｂとを接合してヒートシンク１６を形成してもよい。

また、前記各実施形態では、一方のパワーモジュール１５ａにおける回路層１２と、ヒートシンク本体１６ａとを別体としたが、これに代えて、例えば、これら１２、１６ａを同一の材料で一体に形成してもよい。

例えば、一方のパワーモジュール１５ａにおける回路層１２およびヒートシンク本体１６ａを純Ａｌ若しくはＡｌ合金で一体に形成した場合、このヒートシンク本体１６ａを、図１に示す実施形態では他方のパワーモジュール１５ｂにおけるセラミックス板１１の表面に、Ａｌ部材１６ｂを介在させずに直接、ろう付けし、図２に示す実施形態では絶縁部材２１の表面に、Ａｌ部材１６ｂを介在させずに直接、ろう付けしてもよい。なお、前者の構成を図３に示す。
また、これに代えて、一方のパワーモジュール１５ａにおける回路層１２およびヒートシンク本体１６ａを純Ｃｕ若しくはＣｕ合金で一体に形成した場合、前記各実施形態と同様にＡｌ部材１６ｂを介して、図１に示す実施形態では他方のパワーモジュール１５ｂにおけるセラミックス板１１の表面にろう付けし、図２に示す実施形態では他方のパワーモジュール１５ｂにおける絶縁部材２１の表面にろう付けしてもよい。

さらに、回路層１２として単層構造を示したが多層構造としてもよい。そして、この多層構造の回路層のうち、その最外層部とヒートシンク本体１６ａとを同一の材料で一体に形成して、下層部分をドレイン電極としてもよい。

半導体チップにかかる負荷を増大させることなく、冷却能を向上させることができる。

この発明の第１実施形態に係るパワーモジュールの積層構造体を示す全体図である。 この発明の第２実施形態に係るパワーモジュールの積層構造体を示す全体図である。 この発明の第３実施形態に係るパワーモジュールの積層構造体を示す全体図である。

符号の説明

１０、２０ 積層構造体
１１ セラミックス板
１２ 回路層
１３ 冷却器
１４ 半導体チップ
１５ａ、１５ｂ パワーモジュール
１６ ヒートシンク部
１６ａ ヒートシンク本体
２１ 絶縁部材
Ｓ 積層方向

Claims (4)

1. セラミックス板と、このセラミックス板の表面にろう付けされた回路層と、前記セラミックス板の裏面にろう付けされた冷却器と、前記回路層の表面にはんだ接合された半導体チップとを備えるパワーモジュールが、これらの冷却器、セラミックス板、回路層および半導体チップが配置された積層方向に複数設けられたパワーモジュールの積層構造体であって、
   前記積層方向で互いに対向する一対のパワーモジュールは、それぞれの半導体チップの表面同士が前記積層方向で間隔をあけて互いに対向するように、または、一方のパワーモジュールにおける半導体チップの表面と他方のパワーモジュールにおける冷却器の裏面とが前記積層方向で間隔をあけて互いに対向するように、一方のパワーモジュールにおける回路層の表面に立設されたヒートシンク部を介して、互いが電気的に絶縁状態となるように、前記一方のパワーモジュールの回路層と前記他方のパワーモジュールのセラミックス板若しくは冷却器とが連結されていることを特徴とするパワーモジュールの積層構造体。
   
2. 請求項１記載のパワーモジュールの積層構造体であって、
   前記一対のパワーモジュールは、それぞれの半導体チップの表面同士が前記積層方向で間隔をあけて互いに対向するように設けられ、
   前記ヒートシンク部は、他方のパワーモジュールにおいてセラミックス板の表面に回路層と非接触状態で接合されていることを特徴とするパワーモジュールの積層構造体。
3. 請求項１記載のパワーモジュールの積層構造体であって、
   前記一対のパワーモジュールは、一方のパワーモジュールにおける半導体チップの表面と、他方のパワーモジュールにおける冷却器の裏面とが前記積層方向で間隔をあけて互いに対向するように設けられ、
   前記ヒートシンク部は、前記他方のパワーモジュールにおける冷却器の裏面に設けられた絶縁部材に接合されていることを特徴とするパワーモジュールの積層構造体。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のパワーモジュールの積層構造体であって、
   前記ヒートシンク部は、純Ｃｕ若しくはＣｕ合金で形成されたヒートシンク本体を有していることを特徴とするパワーモジュールの積層構造体。

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