JP5268660B2 - パワーモジュール及びパワー半導体装置 - Google Patents
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Description
このように従来の半導体モジュールでは、生産性が悪いという問題があった。
即ち、本発明の一態様におけるパワーモジュールは、動作により発熱する電力用半導体素子を封止樹脂にて封止して内蔵し対向する2つの側面にて規定される厚みを有するパワーモジュールであって、上記厚みと同じ高さを有し、かつ上記2つの側面にそれぞれ上記封止樹脂から露出し対向する放熱面、及び上記放熱面に垂直な素子保持面を有する金属ブロックを少なくとも一対備え、上記一対の金属ブロックは、互いに上記素子保持面を対向させて配置され、上記電力用半導体素子は、上記素子保持面間に挟まれて保持され、上記金属ブロックにおいて上記放熱面及び上記素子保持面以外のパワーモジュールの長さ方向に直交する側面である端子形成面に固定される外部端子をさらに備えることを特徴とする。
本実施の形態1におけるパワーモジュールの一例の断面図を図1に示し、また、その斜視図を図2A及び図2Bに示す。本実施形態におけるパワーモジュール101は、基本的構成部分として、パワー素子111と、それぞれ同形状にてなる一対の金属ブロック112−1,112−2とを備え、対向する2つの側面に相当する第1主面101a及び第2主面101bにて規定される厚みtを有する。厚みtは、一例として2mmから10mm程度が適当である。
尚、後述の実施形態にて説明するように、金属ブロック112−1,112−2対の数は、一対に限定するものではない。
もちろん金属ブロック112−1、112−2は、本実施形態のような直方体に限定されるものではなく、パワーモジュール101の第1主面101a及び第2主面101bに露出するおよそ平行な放熱面112aを有せばよく、直方体に限定されるものではない。例えば放熱面に投影したときの形状が平行四辺形や台形形状や凹凸形状でもよく、その場合には、封止樹脂114との接着面積が増大するので密着性が増すなどの効果が更に得られる。
一般的に、熱硬化型樹脂を封止に用いる工法は、トランスファモールドという名称で広く半導体装置の封止技術として用いられている。この工法の特徴は、上金型、下金型にキャビティとよばれる凹み部があり、該凹み部に封止する部材を入れた状態で、熱硬化型樹脂を加圧注入し、樹脂硬化後に成型物を取り出すものである。このプロセスでは、溶融した樹脂の粘度は、水に近い程度に低く、例えば0.1mm以下の隙間でさえ樹脂は、通過してしまう。よって、金型同士は、高い面精度で作製する必要があり、数十から数百tという高い加圧力で金型を押し付けあうことで隙間をなくし、初めて加工が可能となる。
これに対し本実施形態における構造では、上述のように金属ブロック112−1、112−2のそれぞれの厚みは、パワーモジュール101の厚みtを規定し、つまり厚みtに同じである。よって、樹脂封止を行いパワーモジュール101の厚さtを規定する上金型及び下金型に、金属ブロック112−1、112−2の放熱面112aを接触させ、かつ金属ブロック112−1、112−2を上金型及び下金型にて挟むことで、上金型と下金型とが型締めされたときの厚さtと、金属ブロック112−1、112−2の厚さtとは同一となる。よって、金属ブロック112−1,112−2は、金型押さえ圧力を受け止めることができる。
したがってパワー素子111の破壊は、発生せず、パワーモジュール101の安定した生産が可能であり、生産性の向上を図ることができる。
図3には、上述した実施の形態1のパワーモジュール101を備えた、本発明の実施の形態2におけるパワー半導体装置102が示されている。
パワー半導体装置102は、実施の形態1におけるパワーモジュール101を厚み方向101dから冷却器120、120で挟んだ構造である。即ち、パワーモジュール101における第1主面101aには、金属ブロック112−1,112−2に形成した電極(不図示)に電気的にそれぞれ接続される配線部材122が設けられる。配線部材122は、当該パワーモジュール101と外部との導通路を形成する。このような配線部材122、及びパワーモジュール101における第2主面101bには、それぞれ絶縁層121が形成される。さらにこれらの絶縁層121を介して厚み方向101dから冷却器120、120が設けられている。
図4及び図5には、本発明の実施の形態3におけるパワーモジュール103が示されている。
パワーモジュール103は、上述した実施の形態1のパワーモジュール101に外部端子に相当する主端子125を設けた構成である。よって、パワーモジュール101に関する構成部分については、ここでの説明を省略する。以下では、パワーモジュール101との相違部分である主端子125についてのみ説明を行う。
図7及び図8には、本発明の実施の形態4におけるパワーモジュール104が示されている。パワーモジュール104は、上述の実施の形態3におけるパワーモジュール103の放熱面112aを含む第1主面101a及び第2主面101bを覆って絶縁層130を設けた構成を有する。絶縁層130の表面は、当該パワーモジュール104における第1主面104a及び第2主面104bを形成する。
即ち、セラミックの線膨張係数は10ppm/℃以下であるのに対して、銅は18ppm/℃、アルミニウムは23ppm/℃であり、両者間には大きな隔たりがある。よって、バイメタル効果により、一般的には、パワー素子の発熱に応じてパワーモジュールには反りが発生する。
又、本実施形態においてもパワーモジュール103は、図5に示す構成と同様に、主端子125を金属ブロック112−1、112−2の側面112dに固着している。よって、金属ブロック112−1、112−2の放熱面112aには、絶縁層130のみを配することができ、簡便かつ最大限に放熱性を高めることができる。
図9及び図10には、本発明の実施の形態5におけるパワーモジュール105が示されている。
パワーモジュール105では、実施の形態3にて説明したように作製されたパワーモジュール103に対して、金属ブロック112−1、112−2の放熱面112a、112aに絶縁層135,135を設け、さらに絶縁層135を覆って保護層140,140を設けた構造を有する。保護層140の表面は、当該パワーモジュール105における第1主面105a及び第2主面105bを形成する。尚、本実施形態におけるパワーモジュール105は、上述の実施形態4におけるパワーモジュール104に保護層140をさらに設けた構成に類似するが、パワーモジュール104に備わる絶縁層130に代えて絶縁層135を有する。
図12から図14には、本発明の実施の形態6におけるパワーモジュール106が示されている。
上述した各実施形態のパワーモジュールでは、一つのパワーモジュールにパワー素子111が一つ備わる場合を示しているが、本実施形態では複数のパワー素子を有する構成を示している。図12は、本実施形態のパワーモジュール106の平面図を示しており、紙面に垂直な方向がパワーモジュール106の高さ(厚み)方向に相当する。パワーモジュール106においても、一対となる2つの金属ブロック150−1、150−2を有する。ここで、金属ブロック150−1、150−2は、上述の金属ブロック112−1,112−2に対応する部材であり、対向して位置する放熱面150aをそれぞれ有するとともに、放熱面150aに垂直で上記高さ方向に平行に位置する素子保持面150b−1、150b−2を有する。素子保持面150b−1、150b−2の間には、本実施形態では2つのパワー素子111−1、111−2が導電層113(図13)を介して保持されている。又、金属ブロック112−1,112−2の端子形成面112dに対応する、金属ブロック150−1、150−2の端子形成面150dには、主端子125が突設されている。
本実施形態では、パワーモジュールが複数のパワー素子を備える場合における金属ブロックの他の形状例を示している。即ち、図15は、本実施形態のパワーモジュール107の平面図を示しており、紙面に垂直な方向がパワーモジュール107の高さ(厚み)方向に相当する。パワーモジュール107においても、一対となる2つの金属ブロック160−1、160−2を有する。ここで、金属ブロック160−1、160−2は、上述の金属ブロック112−1,112−2に対応する部材であり、対向して位置する放熱面160aをそれぞれ有するとともに、放熱面160aに垂直で上記高さ方向に平行に位置する素子保持面160b、160bを有する。本実施形態において素子保持面160b、160bは、図示するような階段状の形状にてなる。このような素子保持面160b、160bの間には、本実施形態では2つのパワー素子111−1、111−2が導電層(不図示)を介して保持されている。
パワーモジュール107におけるその他の構成部分は、上述の各実施形態のいずれかにおける構成を用いることができ、ここでの説明及び図示を省略する。
又、本実施形態のように、パワー素子111−1,111−2をずらして配置することで、パワー素子間の熱干渉を抑制できる。よって熱抵抗が下がり、パワー半導体装置としての底面積を更に抑制可能である。
図16から図19には、本発明の実施の形態8におけるパワーモジュール108が示されている。本実施形態のパワーモジュール108は、図9及び図10を参照して説明した本発明の実施の形態5におけるパワーモジュール105に対して、さらに金属ブロック112−3を追加しパワー素子111−2を追加した構成を有する。又、図18A及び図18Bに示すように、2つのパワー素子111−1,111−2をそれぞれ制御するための制御端子151−1,151−2が主端子125とは反対側に引き出されている。尚、図18A及び図18Bでは、封止樹脂114の図示を省略している。図19には、本実施形態のパワーモジュール108の回路構成を示す。図示のようなハーフブリッジ回路が一つのパワーモジュール108中に内蔵されている。
各パワーモジュール109A〜109Cからは、P端子109b、出力端子109a、N端子109c、及び制御端子が外部に引き出されて配置されている。一対の冷却器120−1,120−2に挟まれた空間内に、3個のパワーモジュール109A〜109Cが配列され、P端子109b、出力端子109a、及びN端子109cは、電力用半導体装置110の側面に近接して引き出されている。そして出力バスバー110a及びPNバスバー110bから露出した電極と、パワーモジュール109A〜109CのP端子109b、N端子109c及び出力端子109aとを、例えば溶接やはんだ付などで接合する。PNバスバー110b及び出力バスバー110aは、図示しない外部接続電極と結合されており、モータや電源と結合される。また、制御端子には、図示しない制御基板と例えばコネクタやスルーホールはんだ付などで電気的に結合される。
このように本実施形態によればパワー半導体装置が小型軽量化できる。
103〜108 パワーモジュール、111 パワー素子、
112−1,112−2 金属ブロック、112a 放熱面、
112b 素子保持面、120 冷却器、125 主端子、
130,135 絶縁層、140 保護層、151 制御端子。
Claims (4)
- 動作により発熱する電力用半導体素子を封止樹脂にて封止して内蔵し対向する2つの側面にて規定される厚みを有するパワーモジュールであって、
上記厚みと同じ高さを有し、かつ上記2つの側面にそれぞれ上記封止樹脂から露出し対向する放熱面、及び上記放熱面に垂直な素子保持面を有する金属ブロックを少なくとも一対備え、
上記一対の金属ブロックは、互いに上記素子保持面を対向させて配置され、上記電力用半導体素子は、上記素子保持面間に挟まれて保持され、
上記金属ブロックにおいて上記放熱面及び上記素子保持面以外のパワーモジュールの長さ方向に直交する側面である端子形成面に固定される外部端子をさらに備える、
ことを特徴とするパワーモジュール。 - 上記放熱面が露出した2つの上記側面を覆う絶縁層を介して2つの冷却器をさらに備えた、請求項1記載のパワーモジュール。
- 上記絶縁層を覆う保護層をさらに備えた、請求項2記載のパワーモジュール。
- 請求項1から3のいずれか1項に記載のパワーモジュールを備えたことを特徴とするパワー半導体装置。
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