JP5365529B2 - パワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、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、従来のパワーモジュールの実装構造を図７に基づいて説明すると、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）板や純アルミニウム板の積層体等からなる絶縁基板ｂ（ＤＢＡ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｒａｚｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ）ともいう）の一側面に半導体素子ａがはんだ層ｃを介して固定されて回路ユニットｄを成し、絶縁基板ｂの他側面には半導体素子ａからの熱を絶縁基板ｂを介して放熱するための放熱板ｅ（ヒートシンク）、および冷却器ｆがはんだ付けもしくは接着剤にて接合されてパワーモジュールＰが形成されている。ここで、この冷却器ｆは、冷水等の冷媒を還流させる流路ｆ１を備え、流路ｆ１内を還流する冷媒によって放熱板ｅからの放熱とクーリングを図っている。

上記のごとく、従来のパワーモジュールは各種構成部材の多層積層構造となっているが、たとえば半導体素子の熱膨張率が３ｐｐｍ／Ｋ程度、絶縁基板の熱膨張率が４〜５ｐｐｍ／Ｋ程度、ヒートシンクアルミ板の熱膨張率が２５ｐｐｍ／Ｋ程度と構成部材ごとに熱膨張率が非常に異なっている。

ところで、上記する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。しかし、上記のごとく構成部材ごとに熱膨張率が大きく異なっていることから、それぞれの部材を直付けした場合には、温度変化に起因する熱膨張差によって熱応力が構成部材間の接合部に生じ、たとえば構造弱部であるはんだ層等の界面でクラックが生じ、これがパワーモジュールの耐久性を低下させる大きな要因となり得る。

特に、近時のパワーモジュールはその小型化が進んでおり、このパワーモジュールの小型化に伴って素子が発する熱もより大きなものとなり、かつ単位面積当りの熱量が増大していること、小型化に伴って構成部材の熱拡散面積が低下していること、冷却器による冷却性能には自ずと限界があること、などから、発熱を許容しながらも、回路ユニットに発熱に伴う変形や応力が作用し難い構造を有するパワーモジュールの開発が急務の課題となっている。

なお、上記するパワーモジュールの冷却器に関する従来技術として特許文献１に開示の技術を挙げることができるが、本発明者等は、パワーモジュール全体の構造を改良することにより、小型化とそれに伴う熱応力の増大に対して優れた放熱性能と応力緩和性能を発揮できるパワーモジュールの発案に至った。

特開２００７−２５８３５２号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、パワーモジュール全体の構造を改良することにより、該パワーモジュールの小型化とそれに伴う熱応力の増大に対して優れた放熱性能と応力緩和性能を発揮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、少なくとも基板と半導体素子とからなる回路ユニットが第１の冷却器の一側面に載置固定され、該一側面上に該回路ユニットを封止する封止樹脂体が形成されてなるパワーモジュールにおいて、前記回路ユニットの側方に第２の冷却器が配設され、第1の冷却器の前記一側面と熱連通しているものである。

本発明において、「基板」とは、回路基板、もしくは回路基板と絶縁基板の組み合わせ、もしくはそれらと放熱板の組み合わせなど、のすべてを総称するものである。また、この絶縁基板は、たとえば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（ＤＢＡ）であってもよいことは勿論のことである。

また、このパワーモジュールは、半導体素子、上記基板等の積層体が、絶縁素材（セラミックス、熱硬化性もしくは熱可塑性の樹脂素材、アルミニウムやその合金素材など）のケース内に収容されるものであっても、ケースレス構造のものであってもよい。

本発明のパワーモジュールは、熱源である半導体素子からの熱を放熱する従来構造の第１の冷却器に加えて、回路ユニットの側方に第２の冷却器を配設し、それを第１の冷却器と熱連通させることで、半導体素子を含む回路ユニットから側方へ放熱される熱が第２の冷却器を介して第１の冷却器へ伝熱され、第１の冷却器から冷媒を介して外部へ放熱される。すなわち、従来構造のパワーモジュールが、半導体素子に対して下方向へ向かう放熱のみに依存するのに対して、本発明のパワーモジュールは、下方向へ向かう放熱に加えて、左右方向へ向かう放熱をも期待できることで、その放熱性能が高まるというものである。

また、第１の冷却器のみを有する従来のパワーモジュールと比較して、本発明のパワーモジュールは、この第１の冷却器に加えてさらに第２の冷却器を有することから、その曲げ剛性は格段に向上する。

したがって、放熱性能および曲げ剛性が向上することで、温度変化に起因する熱膨張差が抑制され、構成部材間の接合部に生じる熱応力が減少し、たとえば構造弱部であるはんだ層等の界面でのクラックの発生を抑制することが可能となり、パワーモジュールの耐久性の向上に繋がる。

また、上記する第２の冷却器が回路ユニットと当接する形態とすることで、回路ユニットから側方へ放熱される熱が直接的に第２の冷却器へ伝熱されることとなり、放熱性能が一層向上する。

さらに、第２の冷却器と回路ユニットが離れて配設される形態においては、第２の冷却器と回路ユニットが、たとえば高放熱絶縁樹脂等の放熱性能に優れた部材を介して接合されることで、優れた放熱性能を保証することができる。

ここで、第２の冷却器は第１の冷却器の一部から形成されることが好ましい。すなわち、第２の冷却器と第１の冷却器が一体成形されることで、第２の冷却器を第１の冷却器に接合する工程が不要となり、冷却器の製造効率が向上する。

また、本発明のパワーモジュールは、第１の冷却器の前記一側面で前記回路ユニットを囲繞するハウジングを有することで、第１の冷却器上に封止樹脂体を形成する領域が画成され、その内部に半導体素子や基板等を一体として封止することができる。さらに、ハウジングを第１の冷却器に接合することで、パワーモジュール全体の曲げ剛性が向上し、第１の冷却器上の接合部でのクラックの発生が抑制され、さらなるパワーモジュールの高耐久性に繋がる。

また、本発明によるパワーモジュールの他の実施の形態は、前記回路ユニットのうち、前記第１の冷却器側と反対側に第３の冷却器が配され、該第３の冷却器は、該回路ユニットの側方に該第３の冷却器と熱連通している別途の第２の冷却器を具備しており、該第１の冷却器と該第３の冷却器とで挟まれた領域であって、該回路ユニットの側方に封止樹脂体が形成されてなるものである。

上記する形態によれば、半導体素子から放熱される熱が、第１の冷却器側のみならず、第１の冷却器と反対側の第３の冷却器側へも伝熱できることに加えて、第３の冷却器と別途の第２の冷却器が熱連通していることで、半導体素子を含む回路ユニットから側方へ放熱される熱が、別途の第２の冷却器を介して第３の冷却器へも伝熱され、冷媒を介して外部へ放熱できる。すなわち、半導体素子の上下方向および左右方向への放熱によって、さらに優れた放熱性能を有するものとなる。

また、前記第３の冷却器と前記第１の冷却器が同一の構造を呈していることで、半導体素子を含む回路ユニットから放熱される熱が、第１の冷却器側と第３の冷却器側へ略均一に伝熱される。したがって、半導体素子から放熱される熱であって、第１の冷却器と第３の冷却器で挟まれた領域に篭もり得る熱を、半導体素子の上下方向へ略均一に放熱させることができる。

本発明のパワーモジュールは、上記のごとく、優れた放熱性能を有しており、かつ高剛性であることより、熱膨張量自体を抑制できることに加えて、構成部材間の熱膨張差に起因する変形や反りを抑制することができ、特に構造弱部であるはんだ層や半導体素子にクラック等が生じることを効果的に抑止できる。これらのことから、本発明のパワーモジュールは、高耐久性や高放熱性が要求される、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に好適である。

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、高放熱性、かつ高剛性であり、熱膨張差による反りや変形等を効果的に抑止することができるため、該反りや変形等に起因するはんだ層や半導体素子に生じ得るクラック等の損傷を抑止でき、もって高耐久なパワーモジュールを提供することができる。

本発明のパワーモジュールを示した縦断面図である。 図１で示すパワーモジュールの基板を変更した図である。 本発明のパワーモジュールの他の実施の形態を示した縦断面図である。 図３で示すパワーモジュールの基板を変更した図である。 半導体素子の両面側に冷却器を有する本発明のパワーモジュールを示した縦断面図である。 実験で使用した比較例のパワーモジュールを示した縦断面図である。 従来構造のパワーモジュールを示した縦断面図である。

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縦断面図である。このパワーモジュール１００は、冷水もしくは冷風、冷油などの冷媒が流れる冷媒還流路１１ａを具備する第１の冷却器１１の上に、回路基板と放熱板を具備する基板２が放熱性に優れた絶縁樹脂５を介して接合され、この基板２の上にはんだ層３を介して半導体素子１が載置固定されている。ここで、半導体素子１と基板２との接合体を回路ユニット４という。そして、回路ユニット４を囲繞するハウジング８が載置固定され、半導体素子１とハウジング８は導線６（ボンディングワイヤ）によって電気的に接続される。また、回路ユニット４の側方には、第２の冷却器１２が第１の冷却器１１の上にろう付けされており、絶縁樹脂５を介して回路ユニット４が第２の冷却器１２と接合されている。そして、これらの構成部材が第１の冷却器１１とハウジング８とで画成された領域内に収容され、封止樹脂体７で封止されてその全体が構成されている。

ここで、上記する第２の冷却器１２は、第１の冷却器１１と一体に成形されるものでも、別体で成形されたものを接合するものでもよいが、前者のほうが製造工数が少ないことから好ましい。

次に、パワーモジュール１００の使用時における、熱源である半導体素子１からの伝熱の態様を説明する。

半導体素子１から放熱される熱は、はんだ層３を介して基板２へ伝熱され（矢印Ａ）、その熱の一部が絶縁樹脂５を介して第１の冷却器１１へ伝熱されて（矢印Ｂ）、その下方を流れる冷媒を介してパワーモジュール１００の外部へ放熱されることになる。また、回路ユニット４の側方へ放熱される熱は、絶縁樹脂５を介して第２の冷却器１２へ伝熱され、接合部を介して第１の冷却器１１へ伝熱されて（矢印Ｃ）、冷媒を介してその外部へ放熱されることになる。

また、図示するように、第１の冷却器１の上に第２の冷却器１２がろう付けされて配されることで、これが構成部材の熱膨張時に生じ得る曲げモーメントに対する補強フランジとして機能し、第１の冷却器のみを有するパワーモジュールと比較して、相対的に曲げ剛性が向上することから、熱膨張差に起因する反りや変形を抑制することができる。

また、基板２は、２枚の純アルミニウム板の間に窒化アルミニウム板が介在された、いわゆるＤＢＡからなるものであってもよい。図２は、図１で示すパワーモジュールの基板２をＤＢＡに変更したものである。なお、図１と同じ構成に関する詳細な説明は省略する。

図示するように、純アルミニウム板１４の間に窒化アルミニウム板１３が介在されたＤＢＡ２Ａは、第１の冷却器１１Ａの上にはんだ層９Ａを介して接合され、ＤＢＡ２Ａの反対側の面の上にはんだ層３Ａを介して半導体素子１Ａが載置固定されている。また、ＤＢＡ２Ａを含む回路ユニット４Ａの側方面が、絶縁樹脂５Ａを介して第２の冷却器１２Ａと接合されている。

したがって、図１で示す実施例と同様に、回路ユニット４Ａの側方へ放熱される熱は、絶縁樹脂５Ａを介して第２の冷却器１２Ａへ伝熱され、接合部を介して第１の冷却器１１Ａへ伝熱されて、その下方を流れる冷媒を介して外部へ放熱されることになる。

また、図３は本発明のパワーモジュールの他の実施の形態を示した縦断面図である。図示するように、第２の冷却器１２Ｂと回路ユニット４Ｂが離れて配設されているが、放熱性能に優れた封止樹脂体７Ｂでそれらを封止することで、第２の冷却器１２Ｂと回路ユニット４Ｂが封止樹脂体７Ｂを介して熱連通可能となり、優れた放熱性能を保証することができる。

ここで、高放熱性を有する封止樹脂体７Ｂとしては、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウム等のフィラーを混合した封止樹脂体を挙げることができる。

また、上記する他の実施の形態において、図２と同様に、基板２ＢをＤＢＡに変更できることは言うまでもない。つまり、図４で示すパワーモジュールは、図３と同様の伝熱効果を有するものである。

次に、図５は、第３の冷却器を有するパワーモジュールを示した縦断面図である。
このパワーモジュール２００は、冷媒が流れる冷媒還流路３１ａを具備する第１の冷却器３１の上に回路基板を具備する基板２２がグリス層２５を介して接合され、この基板２２の上にはんだ層２３を介して半導体素子２１が載置固定され、半導体素子２１の反対側にこれらの構成部材と同様の構成部材を有し、第１の冷却器３１に対応する位置に第３の冷却器３３が配されているものである。ここで、半導体素子２１と基板２２，２２’との接合体を回路ユニット２４という。そして、回路ユニット２４の側方には、第１の冷却器３１の上に第２の冷却器３２がろう付けされており、グリス層２５を介して回路ユニット２４が第２の冷却器３２と接合されている。また、第３の冷却器３３の上には、第２の冷却器３２に対応する別途の第２の冷却器（以下、「第４の冷却器」という）３４がろう付けされており、グリス層２６を介して回路ユニット２４が第４の冷却器３４と接合されている。そして、上記する構成部材が第１の冷却器３１、第２の冷却器３２、第３の冷却器３３、および第４の冷却器３４で挟まれた領域内に収容され、封止樹脂体２７で封止されてその全体が構成されている。

ここで、基板２２は、放熱ブロック２８，３０の間に高放熱性の絶縁樹脂２９が介在されたものである。また、グリス層２５，２６は、たとえば放熱性能に優れたシリコングリス、セラミックグリス、熱伝導接着剤等から形成されるものである。

上記する形態によれば、半導体素子２１から放熱される熱が、半導体素子２１に対して上下方向および左右方向で各々の冷却器へ伝熱されることが可能となり、第１の冷却器３１のみならず、第３の冷却器３３を介してパワーモジュール２００の外部へ放熱されることができる。すなわち、第１の冷却器３１と第３の冷却器３３で挟まれた領域に篭もり得る熱が、半導体素子２１の上下方向や左右方向へ伝熱され、効率的にその外部へ放熱されることで、パワーモジュール２００内部の温度上昇を抑制することが可能となる。

[パワーモジュールの放熱性能を評価するための実験とその結果]
本発明者等は、図１で示す実施の形態に関し、絶縁樹脂５の熱伝導率とその厚さを変更したテストピース（以下、「実施例１，２，３」という）を製作し、熱抵抗と絶縁樹脂５に働く応力を測定した。ここで、「厚さ」とは、基板２と第１の冷却器１１の距離Ｄ１、および基板２と第２の冷却器１２の距離Ｄ２を示称している。また、図６には、実施例と比較するためのパワーモジュール（以下、「比較例」という）を示している。図示する比較例において、絶縁樹脂５と第２の冷却器１２以外の構成部材は実施例と同様の構成部材を使用している。

ここで、上記するテストピースは、以下に述べる手順に基づいて作成された。つまり、第２の冷却器１２を一体に成形した第１の冷却器１１と、はんだ層３を介して半導体素子１と接合している基板２（それらの結合体を、「回路ユニット４」という）を予め準備し、第２の冷却器１２と第１の冷却器１１で形成された領域に絶縁樹脂５を注入し、回路ユニット４を絶縁樹脂５部分に挿入して、絶縁樹脂５を硬化する。そして、ハウジング８を組み付け、ハウジング８と半導体素子１をボンディングワイヤ６で接続し、ハウジング８と第１の冷却器１１とで画成された領域内に収容されたこれらの構成部材を、封止樹脂体７で封止するものである。
実験の測定結果を以下の表１に示す。

表１で示すように、実施例１，２，３は比較例に対して、定常状態における放熱性能がそれぞれ35％、18％、15％向上している。また、3000サイクル後の熱抵抗に関し、比較例の熱抵抗が定常状態に対して38％増加している一方で、実施例１の増加率はわずか9％のみに抑制され、実施例２，３は熱抵抗が増加しないという結果が得られている。このことは、すなわち、比較例に対して3000サイクル後における実施例１，２，３の放熱性能がそれぞれ49％、38％、36％向上したことを意味するものである。

また、歪みゲージを用いて絶縁樹脂５に働く応力を測定した結果、定常状態では、比較例に対して、実施例１，２，３はそれぞれ27％、34％、29％の応力が改善されることが実証された。

この実験結果より、各実施例のパワーモジュールにおいては、構成部材間の熱膨張差による反りや変形等が抑制され、これに起因して生じ得るクラック等の発生を効果的に抑止できると結論付けられる。

このように高品質で高性能、高耐久なパワーモジュールは、搭載機器に高放熱性と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。

１，２１…半導体素子、２，２２…基板、３，９，２３…はんだ層、４，２４…回路ユニット、５，２９…絶縁樹脂、６…導線、７，２７…封止樹脂体、８…パッケージ、２５，２６…グリス層、１１，３１…第１の冷却器、１２，３２…第２の冷却器、３３…第３の冷却器、３４…第４の冷却器、１００，２００…パワーモジュール

Claims (6)

1. 少なくとも基板と半導体素子とからなる回路ユニットが第１の冷却器の一側面に載置固定されてなるパワーモジュールにおいて、
   前記回路ユニットの側方に第２の冷却器が配設され、該第２の冷却器が第１の冷却器の前記一側面と熱連通しており、前記回路ユニットのうち前記第１の冷却器側と反対側に第３の冷却器が配され、該第３の冷却器は、該回路ユニットの側方に該第３の冷却器と熱連通している別途の第２の冷却器を具備しており、該第１の冷却器と該第３の冷却器とで挟まれた領域であって該回路ユニットの側方に該回路ユニットを封止する封止樹脂体が形成されている、パワーモジュール。
2. 前記第２の冷却器と前記回路ユニットが当接している、請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 前記第２の冷却器と前記回路ユニットが離れて配設されている、請求項１に記載のパワーモジュール。
4. 前記第２の冷却器が、前記第１の冷却器の一部からなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
5. 第１の冷却器の前記一側面で前記回路ユニットを囲繞するハウジングが載置固定され、該ハウジング内に封止樹脂体が形成されてなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
6. 前記第３の冷却器と前記第１の冷却器が同一の構造を呈している、請求項１〜５のいずれか一項に記載のパワーモジュール。

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