JP5398269B2

JP5398269B2 - パワーモジュール及びパワー半導体装置

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Publication number: JP5398269B2
Application number: JP2009001381A
Authority: JP
Inventors: 泰中島; 信義木本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2009-01-07
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-01-07
Also published as: JP2010161131A

Description

本発明は、電力用半導体素子を有するパワーモジュール、及び該パワーモジュールを備えたパワー半導体装置に関する。

一般的なパワー半導体装置は、一個の冷却器に、一個もしくは複数のパワーモジュールを、熱伝導グリスを介してネジ固定する構成を有する。また、小型軽量化を追求したパワー半導体装置としては、日本国特許第４０１６９０７号等に開示されるものが一例として挙げられる。該特許では、水冷冷却器をパワーモジュールの両面に配置してスタックすることで冷却器の両面を利用し、小型軽量化を図るものである。

特許第４０１６９０７号

しかしながら、上記特許文献１に開示される半導体モジュールでは、特許文献１の図４に示されるように、一対の電極放熱板の間にＩＧＢＴ素子を挟んだ構造となっている。このような半導体モジュールは、トランスファモールド工法で製造されるが、封止に用いる樹脂は、１００気圧程度の圧力で金型内に送り込まれる。よって、例えば１０μｍ程度以上の隙間があれば樹脂の染み出しが発生する。このような染み出しが上記電極放熱板の露出部に発生し、いわゆる樹脂バリを形成した場合には、樹脂の熱伝導率が金属の数百分の一程度であることから、上記電極放熱板の放熱性は極端に低下する。

封止の際には、上型及び下型のそれぞれが上記一対の電極放熱板のそれぞれに接触して樹脂封止が行われるが、上記隙間の発生を防止するため、上型及び下型に対して数十から数百トンの加圧力が作用される。一方、上述のように上記半導体モジュールは、一対の電極放熱板の間にＩＧＢＴ素子を挟んだ構造となっていることから、上記加圧力は、直接に上記ＩＧＢＴ素子に作用する。その結果、ＩＧＢＴ素子が破損する可能性がある。一方、破損防止のため加圧力を低下させると、上記樹脂バリの発生の可能性が生じてしまう。
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。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、生産性が高く、小型軽量化が実現可能なパワーモジュール及びパワー半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
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内蔵し対向する２つの側面にて規定される厚みを有し、上金型及び下金型による型締めにて形成されるパワーモジュールであって、上記厚みと同じ高さを有する厚規定部と、上記側面を形成し上記厚規定部と一体的に成形される側面形成部とを一体的に成形して形成され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、それぞれの上記側面形成部を対向させて配置され、上記厚規定部は、上記上金型及び上記下金型に挟まれ上記型締めによる金型押さえ圧力を受け止め、それぞれの上記側面形成部を露出させることで上記対向する２つの上記側面を放熱面として形成し、上記電力用半導体素子は、対向する２つの上記側面形成部に挟まれて保持され、上記金属ブロックにおける上記側面に垂直な面に固定される外部端子と上記金属ブロックにおける上記側面を覆う絶縁層とをさらに備える、ことを特徴とする。

本発明の一態様におけるパワーモジュールによれば、少なくとも一対の金属ブロックを備え、該金属ブロックを構成する各側面形成部に電力用半導体素子を挟んで保持する。そしてそれぞれの側面形成部を露出させて放熱面とし、パワーモジュールの対向する側面を形成した。よって、電力用半導体素子は、２つの放熱面へ放熱が可能であり、電力用半導体素子の放熱性を向上させることができる。さらに、このように放熱性が向上することで、従来のような大型部品である冷却器は不要となる。よって、パワー半導体装置の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。

さらに、金属ブロックを構成する厚規定部は、パワーモジュールの厚みと同じ高さを有する。よって、パワーモジュールをトランスファモールド工法にて作製する場合、金型は各金属ブロックの側面形成部に接触するが、金型押さえ圧力は厚規定部に作用し電力用半導体素子に直接作用することは無い。したがって電力用半導体素子の破壊、及びいわゆる樹脂バリは、発生せず、安定してパワーモジュールの生産が可能である。よって、従来に比べて生産性の向上を図ることができる。

本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。図１に示すパワーモジュールの斜視図である。本発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。本発明の実施の形態３におけるパワー半導体装置の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態４におけるパワーモジュールの構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態５におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。図６に示すパワーモジュールの回路図である。本発明の実施の形態６におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。本発明の実施の形態７におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。

本発明の実施形態であるパワーモジュール、及び該パワーモジュールを備えたパワー半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。

実施の形態１．
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２に示す。本実施形態におけるパワーモジュール５１は、基本的構成部分として、パワー素子１と、一対の金属ブロック２−１，２−２とを備える。ここで、それぞれの金属ブロック２−１，２−２は、それぞれ同形状にてなり、厚規定部２ａ、及び該厚規定部２ａと一体的に成形される側面形成部２ｂを一体的に成形して形成されている。尚、後述の実施形態にて説明するように、金属ブロック２−１，２−２対の数は、一対に限定するものではない。このようなパワーモジュール５１は、対向する２つの側面に相当する第１主面５１ａ及び第２主面５１ｂにて規定される厚みｔを有する。

パワー素子１は、その材質として、ＳｉやＧａＡｓ、ＳｉＣなどが用いられて作製され、動作により発熱するＩＧＢＴのような電力用半導体素子であり、そのサイズは、例えば１０ｍｍ角から２０ｍｍ角程度、厚み０．１〜１ｍｍ程度である。このようなパワー素子１の、互いに対向する第１主面１ａ及び第２主面１ｂには、それぞれ電極が形成されている。これらの電極の内、一方もしくは両方は、第１主面１ａ及び第２主面１ｂの少なくとも一方の縁端部に、耐電圧性を確保するために、導電層３と接しない絶縁領域１ｃを設けている。本実施形態では、図示するように第２主面１ｂのみに絶縁領域１ｃを設けているが、第１主面１ａ及び第２主面１ｂにおける各縁端部に絶縁領域１ｃを設けてもよい。パワー素子１のその他の電極は、それぞれ導電層３を介して金属ブロック２−１及び金属ブロック２−２と電気的に接続される。

金属ブロック２−１，２−２は、アルミニウムや銅などの、熱伝導率及び導電性の高い材料が用いられ、本実施形態ではそれぞれＬ字形の同形状にてなる。即ち金属ブロック２−１、２−２は、それぞれ、当該パワーモジュール５１の厚み方向５１ｄの厚みｔを規定する厚規定部２ａと、導電層３を介してパワー素子１を保持する保持部２ｂとを有する。厚規定部２ａ及び保持部２ｂは、厚規定部２ａにおける厚み方向５１ｄに直交する側面２ｃ−１と、保持部２ｂにおける厚み方向５１ｄに直交する側面２ｃ−２とが同一面を形成するようにして、Ｌ字形にて一体的に成形される。尚、厚規定部２ａの側面２ｃ−１と、保持部２ｂの側面２ｃ−２とにより同一面として形成された側面を側面２ｃとする。又、金属ブロック２−１、２−２の各厚規定部２ａ、２ａの厚さは、上述のようにパワーモジュール５１の上記厚みｔを規定し、本実施形態では約２〜１０ｍｍ程度である。

上述の形状にてなる金属ブロック２−１，２−２は、金属ブロック２−１の保持部２ｂと金属ブロック２−２の保持部２ｂとが当該パワーモジュール５１の厚さ方向５１ｄにて上下に位置し対向するように、配置される。そして、図示するように、対向した保持部２ｂ、２ｂの間には、導電層３を介してパワー素子１が保持される。

導電層３として、半田、導電性接着剤などが用いられる。導電層３の厚みは、例えば１０μｍから１ｍｍ程度である。導電層３の厚みは、薄いほうが放熱性が高まり好ましい。しかしながら、パワー素子１の素材と金属ブロック２−１，２−２の素材との線膨張係数が倍以上異なる構成の場合、パワー素子１に熱応力が発生する。よってこのような構成では、弾性率がパワー素子１及び金属ブロック２−１，２−２よりも低い導電層３を用いることで、上記熱応力を低減することができる。このような場合、導電層３の厚みは大きいほど好ましい。

又、以下に説明する金属ブロック２−１、２―２の封止の際に、パワー素子１へ万一加圧力が作用したときでもその力を低減するために、導電層３は、その弾性率が金属ブロック２−１、２−２の弾性率よりも小さいものがよい。

上述のように配置、構成された、パワー素子１及び導電層３を含む金属ブロック２−１，２−２は、金属ブロック２−１、２−２に保持されたパワー素子１も含めて封止樹脂４にてモールドされる。該モールドにより、パワーモジュール５１の筐体が形成される。又モールドに際し、金属ブロック２−１、２−２において最も大きな側面２ｃ、２ｃは、パワーモジュール５１の第１主面５１ａ及び第２主面５１ｂとそれぞれ同一面を形成し、第１主面５１ａ及び第２主面５１ｂにそれぞれ露出する。尚、第１主面５１ａ及び第２主面５１ｂは、パワーモジュール５１の上記厚みｔを規定する側面である。

又、第１主面５１ａには、金属ブロック２−１の露出した側面２ｃの他に、金属ブロック２−２の厚規定部２ａの側面が露出し、第１主面５１ａにおいて、金属ブロック２−１の保持部２ｂと、金属ブロック２−２の厚規定部２ａとは隙間５１ｃを介して対向する。ここで隙間５１ｃは、金属ブロック２−１の保持部２ｂと、金属ブロック２−２の厚規定部２ａとの電気的絶縁を確保するための距離であり、必要な耐電圧特性に合わせて設定される。同様に、第２主面５１ｂには、金属ブロック２−２の露出した側面２ｃの他に、金属ブロック２−１の厚規定部２ａの側面が露出し、第１主面５１ｂにおいて、金属ブロック２−２の保持部２ｂと、金属ブロック２−１の厚規定部２ａとは隙間５１ｃを介して対向する。ここでも、隙間５１ｃは、金属ブロック２−２の保持部２ｂと、金属ブロック２−１の厚規定部２ａとの電気的絶縁を確保するための距離であり、必要な耐電圧特性に合わせて設定される。

封止樹脂４は、熱硬化型樹脂が一般的に用いられ、シリカフィラー入りのエポキシ樹脂が通常用いられる。絶縁性が高く、耐熱性がある樹脂であれば上述の樹脂に限らないのは言うまでもない。

以上のような構成を有するパワーモジュール５１における封止樹脂４による封止方法について説明する。
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。

このようなトランスファモールド工法の場合、金型押さえ圧力が直接パワー素子にかかる従来の構造では、パワー素子の破壊が問題となる。
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２−１、２−２のそれぞれは、パワーモジュール５１の厚みｔを規定する厚規定部２ａ、２ａを有し、さらに各厚規定部２ａにおける厚み方向５１ｄに直交する側面２ｃ−１と、各保持部２ｂにおける厚み方向５１ｄに直交する側面２ｃ−２とは、それぞれ同一面の側面２ｃを形成している。よって、樹脂封止を行いパワーモジュール５１の厚さｔを規定する上金型及び下金型にそれぞれの側面２ｃを接触させ、かつ厚さｔにてなる厚規定部２ａを上金型及び下金型にて挟んで配置することで、上金型と下金型とが型締めされたときの厚さｔと、各厚規定部２ａの厚さｔとが同一であることから、金属ブロック２−１，２−２の厚規定部２ａ、２ａは、金型押さえ圧力を受け止めることができる。

よって、厚み方向５１ｄにおいて、金属ブロック２−１と、金属ブロック２−２との間で高さズレさえ無いように金属ブロック２−１，２−２を配置することで、パワー素子１には金型押さえ圧力は作用しない。又、上述したように、導電層３の弾性率が金属ブロック２−１、２−２の弾性率よりも小さくなるような導電層３を選択することで、万が一、パワー素子１に加圧力が作用した場合でも、その作用力を低減することができる。
したがってパワー素子１の破壊は、発生せず、パワーモジュール５１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。

又、上述のように、金属ブロック２−１、２−２の側面２ｃ、２ｃは、パワーモジュール５１の第１主面５１ａ及び第２主面５１ｂにそれぞれ露出する。ここでパワー素子１は、導電層３を介して金属ブロック２−１及び金属ブロック２−２に接続されている。よって、パワー素子１から発生した熱は、金属ブロック２−１及び金属ブロック２−２の両方に伝導し、パワーモジュール５１の第１主面５１ａ及び第２主面５１ｂの両面から放熱を行うことができ、放熱性は向上している。又、パワー素子１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂに形成されている電極とそれぞれ電気的に接続された金属ブロック２−１、２−２の側面２ｃ、２ｃは、パワーモジュール５１の第１主面５１ａ及び第２主面５１ｂのいずれにも存在する。よって、パワーモジュール５１に対する配線を容易に行うことができるという効果がある

実施の形態２．
図３には、本発明の実施の形態２におけるパワーモジュール５２が示されている。
パワーモジュール５２は、上述した実施の形態１のパワーモジュール５１とほとんど同じ構成を有し、同一の構成部分についてはその説明を省略する。よって、以下では相違部分についてのみ説明を行う。

パワーモジュール５２とパワーモジュール５１との唯一の相違点は、金属ブロック２−１の保持部２ｂと、金属ブロック２−２の厚規定部２ａとの間に形成されている隙間５１ｃ部分には、パワーモジュール５１の第１主面５１ａ及び第２主面５１ｂにおいて溝状の凹部６を形成した点である。

このようなパワーモジュール５２は、実施の形態１におけるパワーモジュール５１が有する上述の効果を奏することができ、さらに、凹部６を設けることで、パワーモジュールとして必要な絶縁性能が高い場合であっても、金属ブロック２−１，２−２の露出面積を大幅に犠牲にすることなく、必要な沿面絶縁距離を確保することができるという効果を得ることができる。

すなわち、金属ブロック２−１，２−２の露出面積が大きいほど放熱性が高いのに対し、絶縁性を高めるためには金属ブロック２−１，２−２の間の領域の幅を大きくする必要があり、相反するという問題点がある。例えば１２００Ｖ程度の絶縁性能を、水分や汚損の可能性のある環境で使用する場合に、沿面絶縁距離として１２ｍｍ程度を確保する必要があるとされている。このような１２ｍｍ幅の樹脂の帯状の部分を放熱面に構成することで、金属ブロック２−１，２−２の放熱性は著しく損なわれてしまう。これに対して、例えば幅２ｍｍ深さ３ｍｍの溝を幅６ｍｍの領域に設けることで、１２ｍｍの沿面絶縁距離が確保され、すなわち、放熱面として６ｍｍの幅を増やすことができる。
尚、本実施形態では、凹部６の形態であるが、突起形状としてもかまわない。

実施の形態３．
図４には、上述した実施の形態２のパワーモジュール５２を備えた、本発明の実施の形態３におけるパワー半導体装置５３が示されている。
パワー半導体装置５３は、実施の形態２におけるパワーモジュール５２を厚み方向５１ｄから冷却器７、７で挟んだ構造である。即ち、パワーモジュール５２における第２主面５１ｂには、金属ブロック２−１，２−２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９が設けられる。配線部材９は、当該パワーモジュール５２と外部との導通路を形成する。このような配線部材９上、及びパワーモジュール５２における第１主面５１ａには、それぞれ絶縁層８が形成される。さらにこれらの絶縁層８を介して厚み方向５１ｄから冷却器７、７が設けられている。

このような構成を有するパワー半導体装置５３によれば、金属ブロック２−１，２−２の側面２ｃ、２ｃにそれぞれ対向して冷却器７を設けたことから、パワー素子１からの熱抵抗を低減でき、かつ装置の小型化が可能となる。

実施の形態４．
図５には、本発明の実施の形態４におけるパワーモジュール５４が示されている。
パワーモジュール５４は、上述した実施の形態１のパワーモジュール５１に外部端子に相当する主端子１０を設けた構成である。よって、パワーモジュール５１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５１との相違部分である主端子１０についてのみ説明を行う。

主端子１０は、ＣｕやＡｌ，Ｆｅなどの導電性のある金属からなる短冊形状であり、その厚みは、例えば０．３ｍｍから１ｍｍ程度が実用的である。このような主端子１０は、金属ブロック２−１，２−２における側面２ｃ、２ｃに直交する側面２ｄ、２ｄにそれぞれ立設される。主端子１０と側面２ｄとの固着方法としては、レーザ溶接などの高エネルギ密度の接合手段を用いることができる。又、主端子１０、１０における、側面２ｄとの固着端部近傍は封止樹脂４による封止工程にて封止されるが、先端部を含めてその他の部分は、パワーモジュール５４の筐体表面から外部へ突出する。

このように構成されるパワーモジュール５４では、上述したパワー半導体装置５３とは異なり、金属ブロック２−１，２−２の側面２ｃが露出したパワーモジュールの主面に、配線部材９を構成する必要はなくなる。よって、上述の実施の形態３のように、パワーモジュール５４の第１主面５１ａ及び第２主面５１ｂに対向して冷却器７、７を設ける場合、第１主面５１ａ及び第２主面５１ｂと、冷却器７、７との間の熱抵抗を最小限にすることができる。したがって、実施の形態３の構成に比べて放熱性をより高めることができ、かつパワー半導体装置の小型化が可能である。

実施の形態５．
図６には、本発明の実施の形態５におけるパワーモジュール５５が示されている。
上述の各実施形態におけるパワーモジュール５１、５２、５４では、一つのパワー素子１を有する構成であるが、本実施形態では、複数のパワー素子１を有するパワーモジュールの構成を有する。尚、図６では、２つのパワー素子１を有する場合を例示しているが、３以上のパワー素子１を有する場合についても本実施形態と同様に構成することができる。

複数のパワー素子１を設けるため、パワーモジュール５５の第１主面５５ａ及び第２主面５５ｂに沿う方向において、金属ブロック２−１と金属ブロック２−２との間に、さらに金属ブロック２−３を設ける。尚、金属ブロック２−１，２−２に関する構成は、上述の構成に同じであるので、ここでの説明は省略する。又、第１主面５５ａは、上述した第１主面５１ａに、第２主面５５ｂは、上述した第２主面５１ｂにそれぞれ対応するものであり、ここでの説明は省略する。したがって以下には、金属ブロック２−３について説明を行う。

金属ブロック２−３は、金属ブロック２−１，２−２と同様にアルミニウムや銅などの、熱伝導率及び導電性の高い材料が用いられ、厚規定部２ａと、導電層３を介してパワー素子１を保持する保持部２ｂ−１、２ｂ−２とを有する。厚規定部２ａは、金属ブロック２−１，２−２における厚規定部２ａと同じ機能を有するものであり、ここでの詳しい説明は省略する。

保持部２ｂ−１、２ｂ−２は、金属ブロック２−１，２−２における保持部２ｂに類似する部分であり、金属ブロック２−３の厚規定部２ａにおいて、パワーモジュール５５の厚み方向５１ｄでの両端部から、それぞれ、パワーモジュール５５の第１主面５５ａ及び第２主面５５ｂに沿う方向に、互いに逆方向へ突設される。つまり、図６に示すように、保持部２ｂ−１は、金属ブロック２−１，２−２と共に、パワーモジュール５５の第２主面５５ｂと同一面を形成するように、金属ブロック２−３の厚規定部２ａから、図示左側の金属ブロック２−１の方へ突設され、保持部２ｂ−２は、金属ブロック２−１，２−２と共に、パワーモジュール５５の第１主面５５ａと同一面を形成するように、金属ブロック２−３の厚規定部２ａから、図示右側の金属ブロック２−２の方へ突設されている。

このような構成により、金属ブロック２−３の保持部２ｂ−１と、金属ブロック２−１の保持部２ｂとの間には、導電層３、３を介して第１パワー素子１−１が配置され、金属ブロック２−３の保持部２ｂ−２と、金属ブロック２−２の保持部２ｂとの間には、導電層３、３を介して第２パワー素子１−２が配置される。

このように構成されたパワーモジュール５５の回路図を図７に示す。これはコンバータ回路の１相分であり、例えば３相の商用電力に対しては、この回路を３つ備えることで交流直流の順変換ができるコンバータ回路が構成できる。尚、主端子１０は、図６では図示していないが、図５に示す構成と同様に、厚み方向５１ｄに直交する方向に沿って各金属ブロック２−１〜２−３の側面から突出させている。

二つのパワー素子１−１，１−２は、異なる電圧で動作しており、お互いに絶縁性を確保し、かつ放熱性を確保した状態で用いることが必要である。

このようなパワーモジュール５５においても、実施の形態１におけるパワーモジュール５１が有する、パワー素子１の破壊が発生せず安定した生産が可能である、及び放熱性の向上、という上述の効果を奏することができる。さらに、上述のように２つのパワー素子１−１，１−２を異なる金属ブロック２−１〜２−３を用いて一体化したことで、回路をパワーモジュール５５の内部に構成でき、パワーモジュール５５を備えるパワー半導体装置の小型化が可能である。

尚、本実施形態では３つの金属ブロック２−１〜２−３にて２つのパワー素子１−１，１−２を用いた例を示しているが、例えば６個のパワー素子を内蔵してもよく、様々な回路構成に対応できることは言うまでもない。

またこの例ではコンバータ回路について示しているが、ＩＧＢＴとダイオードを備えたブリッジ回路で構成してもよい。この場合には、ゲート配線の追加が必要となる。ゲート配線は、パワー素子の表面電極および裏面電極と絶縁された状態で外部に引き出される。このとき、パワー素子表面のゲート電極と前記ゲート配線との配線には、はんだ付けやワイヤボンドが用いられる。ワイヤボンドの場合は金属ブロックに、前記ゲート電極がある方向から見て露出するような切り欠きを設け、その空間内で接合することができる。はんだ付けの場合はゲート配線を直接パワー素子の電極近傍に配置し、はんだ接合してもよい。ゲート電極の例について示したが、他の保護回路の電極への配線を更に備えてもよい。

実施の形態６．
図８には、本発明の実施の形態６におけるパワーモジュール５６が示されている。
パワーモジュール５６では、上述したように作製されるパワーモジュール５５に対して、金属ブロック２−１〜２−３の側面２ｃ、２ｃに絶縁層８、８を設けた構造を有する。本実施形態のパワーモジュール５６では、絶縁層１１、１１の表面がパワーモジュール５６の第１主面５６ａ及び第２主面５６ｂに相当する。

絶縁層１１としては、セラミック板や絶縁樹脂などが挙げられる。セラミックの場合には、例えばアルミナや窒化アルミ、炭化珪素といった素材が、放熱性と絶縁性を兼ね備えた材料として挙げられる。例えば厚み０．３ｍｍ程度から１ｍｍ程度の絶縁板１１が利用できる。

例えばＡｇＰｄ、ＡｇＰｔ、ＭｏＭｎなどの金属微粉末をガラスと一緒に練りこんだ印刷ペーストを所定箇所に印刷供給し、加熱炉で焼成することで、メタセラ基板と呼ばれる、半田付可能なセラミック板が得られる。このように作製された絶縁板１１を、半田等により金属ブロック２−１〜２−３の側面２ｃ、２ｃに固着することで、図８に示すようなパワーモジュール５６を構成可能である。

パワーモジュール５６に備わるパワーモジュール５５では、実施の形態１におけるパワーモジュール５１が有する、パワー素子１の破壊が発生せず、安定した生産が可能であるという上述の効果を奏することができる。さらに、絶縁層１１を設けたパワーモジュール５６によれば、パワーモジュール５６の反りを低減できるという効果が得られる。
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、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。

これに対し、本実施形態のパワーモジュール５６では、厚み方向５１ｄに直交する両側面に、およそ均等に絶縁層１１を備えたことで、反りを低減できる。一般的には、パワーモジュールの反りが大きくなると、冷却器とパワーモジュールとの固着界面に隙間が生じ、熱抵抗が増大するという不具合が生じるため、パワーモジュールの動作温度をあまり大きくできないという課題がある。しかしながら、本実施形態のパワーモジュール５６では、パワー素子１をおよそ中心部に配置し、かつパワー素子１から見て上下の厚みをほぼ均等にできる。このため、パワー素子１からの放熱経路の温度分布が上下でほぼ対称にでき、結果バランスが取れているので、パワーモジュール５６の反りを低減できる。例えばパワー素子１が片方の主面に偏っていると、温度分布がつき、パワー素子１が近い側の主面と反対側の主面との温度が異なってくるため、反りが発生しやすくなる。このようにパワー素子１をパワーモジュール５６の中心付近に配置することで、反りを低減できる。
よって、本実施形態のパワーモジュール５６では、動作温度を高くしても放熱性を維持できる。

又、本実施形態のパワーモジュール５６のように、絶縁層１１の内蔵化により、放熱面に溝などを形成せずとも所定の絶縁距離を確保できるという特徴がある。したがって、パワーモジュール５５における放熱面の利用率を向上させることができる。
又、本実施形態においてもパワーモジュール５５は図５に示す構成と同様に、主端子１０を金属ブロック２−１〜２−３の側面に固着している。よって、金属ブロック２−１〜２−３の放熱面である側面２ｃには、絶縁層１１のみを配すればよく、簡便かつ最大限に放熱性を高めることができる。

実施の形態７．
図９には、本発明の実施の形態７におけるパワーモジュール５７が示されている。
パワーモジュール５７では、実施の形態６にて説明したように作製されたパワーモジュール５６に対して、金属ブロック２−１〜２−３の側面２ｃ、２ｃに絶縁層１２、１２を設け、さらに絶縁層１２を覆って保護層１３、１３を設けた構造を有する。尚、本実施形態におけるパワーモジュール５７は、上述の実施形態６におけるパワーモジュール５６に保護層１３をさらに設けた構成に類似するが、パワーモジュール５６に備わる絶縁層１１に代えて絶縁層１２を有する。
保護層１３の表面は、当該パワーモジュール５７における第１主面５７ａ及び第２主面５７ｂを形成する。

絶縁層１２は、本実施形態では、エポキシ系の熱硬化樹脂に、ＢＮ，ＡｌＮ，アルミナ、シリカなどの絶縁性フィラーを含有した、熱伝導率が数〜数十Ｗ／ｍＫの絶縁材料が実用化可能である。このような絶縁材料は、ロールｔｏロールタイプの生産設備で製造できるため、生産性が高いという利点がある。即ち、原料を混ぜて、ＰＥＴフィルムのようなシート材料上に供給し、巻き取りながら、一定の間隙のローラーを通すことで、一定膜厚の絶縁層を形成し、所定の形状にカットし、接着することで絶縁層を構成可能である。

一方、上述のような絶縁材料は、湿気にさらされると絶縁性が低下するという問題を有する。これに対し本実施形態のパワーモジュール５７では、上記問題を解決するために、絶縁層１２がパワーモジュールの主面に露出しないように、絶縁層１２を覆い保護層１３を設けた。保護層１３として、本実施形態では、例えば銅箔やステンレス箔、アルミ箔などが使用可能である。

上述のような構成を有する本実施形態のパワーモジュール５７によれば、パワーモジュール５７に備わるパワーモジュール５５では、実施の形態１におけるパワーモジュール５１が有する、パワー素子１の破壊が発生せず、安定した生産が可能であるという上述の効果を奏することができる。さらに、保護層１３を設けたことで、絶縁層１２への水分の浸入を防止することができる。したがって、例えば屋外のような湿度が不安定な過酷な環境においても、本実施形態のパワーモジュール５７は、高い絶縁性を保証することができ、高い耐久性を実現可能である。

１パワー素子、２−１、２−２金属ブロック、２ａ厚規定部、
２ｂ側面形成部、６溝、７冷却器、８絶縁層、１０主端子、
１１、１２絶縁層、１３保護層、
５１、５２パワーモジュール、５１ａ第１主面、５１ｂ第２主面、
５３パワー半導体装置、５４〜５７パワーモジュール。

Claims

動作により発熱する電力用半導体素子を内蔵し対向する２つの側面にて規定される厚みを有し、上金型及び下金型による型締めにて形成されるパワーモジュールであって、
上記厚みと同じ高さを有する厚規定部と、上記側面を形成し上記厚規定部と一体的に成形される側面形成部とを一体的に成形して形成され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、それぞれの上記側面形成部を対向させて配置され、上記厚規定部は、上記上金型及び上記下金型に挟まれ上記型締めによる金型押さえ圧力を受け止め、それぞれの上記側面形成部を露出させることで上記対向する２つの上記側面を放熱面として形成し、上記電力用半導体素子は、対向する２つの上記側面形成部に挟まれて保持され、上記金属ブロックにおける上記側面に垂直な面に固定される外部端子と上記金属ブロックにおける上記側面を覆う絶縁層とをさらに備える、ことを特徴とするパワーモジュール。
上記金属ブロックにおける上記側面を覆う絶縁層と、該絶縁層を覆う保護層とをさらに備えた、請求項１記載のパワーモジュール。
請求項１または２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。