JP5720625B2 - 伝熱部材とその伝熱部材を備えるモジュール - Google Patents

伝熱部材とその伝熱部材を備えるモジュール Download PDF

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Description

本明細書で開示される技術は、半導体素子と電極板の間に設けられている伝熱部材に関する。本明細書で開示される技術はまた、その伝熱部材を備えるモジュールにも関する。
半導体素子で発生する熱を半導体素子の両面から放熱させるためのモジュールが開発されている。この種のモジュールでは、冷却器、絶縁基板、半導体素子、伝熱部材、及び電極板がこの順で積層されている。この種のモジュールでは、半導体素子で発生した熱が、半導体素子の裏面から絶縁基板及び冷却器を介して放熱されるとともに、半導体素子の表面からも伝熱部材及び電極板を介して放熱される。
伝熱部材の特性には、電気抵抗が低いこと、半導体素子で発生する熱を素早く放熱させること、の双方が望まれている。このため、伝熱部材の材料には、抵抗値が小さく、熱伝導率が大きい金属が用いられる。一般的に、金属の線膨張係数は半導体よりも大きい。このため、半導体素子と伝熱部材の間には大きな線膨張係数差が存在する。この結果、この種のモジュールでは、半導体素子と伝熱部材の熱膨張差に起因して発生する熱歪みにより、半導体素子と伝熱部材の接合不良等の信頼性低下が問題となっている。
特許文献１には、このような熱歪みを緩和する技術の一例が開示されている。特許文献１の伝熱部材は、金属部と、金属部を取り囲むセラミック部を備えている。この技術によると、セラミック部が金属部の熱膨張を抑えることにより、半導体素子と伝熱部材の熱膨張差が低減され、半導体素子と伝熱部材の間に発生する熱歪みが緩和される。
特開２０１０−２６８０１１号公報
特許文献１に開示される伝熱部材において、半導体素子と伝熱部材の間に発生する熱歪みをさらに小さくするためには、半導体素子と接合する面の金属部の面積を小さくするのが望ましい。しかしながら、特許文献１の伝熱部材は、金属部とセラミック部がそれぞれ垂直方向に平行に伸びた形態を有している。このため、半導体素子と接合する面の金属部の面積を小さくすると、金属部の体積も小さくなり、放熱効果が悪化してしまう。
本明細書で開示される技術は、半導体素子との熱膨張差を抑えながら、放熱効果も高い伝熱部材を提供することを目的としている。
本明細書で開示される伝熱部材は、半導体素子と電極板の間に設けられる。伝熱部材は、金属部、及びセラミック部を備えている。金属部は、半導体素子側の第１面と電極板側の第２面の間を伸びている。セラミック部は、金属部を取り囲む。金属部では、第１面の面積が第２面の面積よりも小さいことを特徴とする。第１面の金属部が半導体素子の素子領域上に位置しており、第１面のセラミック部が半導体素子の終端領域上に位置している。
上記態様の伝熱部材では、半導体素子側の第１面において金属部の面積が相対的に小さく、電極板側の第２面において金属部の面積が相対的に大きい。このため、金属部と半導体素子の対向する面積が小さいので、金属部と半導体素子との間の熱膨張差に起因する熱歪みが抑えられる。一方、金属部と電極板の対向する面積が大きいので、半導体素子で発生した熱を金属部を介して電極板に放熱させる効果が高い。
本明細書で開示されるモジュールは、冷却器、冷却器上に設けられている絶縁基板、絶縁基板上に設けられている半導体素子、半導体素子上に設けられている伝熱部材、及び伝熱部材上に設けられている電極板を備えている。伝熱部材は、半導体素子側の第１面と電極板側の第２面の間を伸びている金属部、及び金属部を取り囲むセラミック部を有している。金属部では、第１面の面積が第２面の面積よりも小さいことを特徴とする。第１面の金属部が半導体素子の素子領域上に位置しており、第１面のセラミック部が半導体素子の終端領域上に位置している。



パワーモジュールの構成の一例を示す。 半導体素子と伝熱部材の接合面近傍の拡大断面図を示す。 半導体素子側の伝熱部材の面を示す。 電極板側の伝熱部材の面を示す。 半導体素子側の伝熱部材の面の他の一例を示す。 半導体素子側の伝熱部材の面の他の一例を示す。 半導体素子側の伝熱部材の面の他の一例を示す。 パワーモジュールの構成の他の一例を示す。 パワーモジュールの構成の他の一例を示す。 図９のパワーモジュールにおいて、半導体素子側の伝熱部材の面の一例を示す。 図９のパワーモジュールにおいて、半導体素子側の伝熱部材の面の他の一例を示す。
本願明細書で開示される技術の特徴を整理しておく。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
（特徴１）本明細書で開示される伝熱部材は、半導体素子と電極板の間に設けられる。半導体素子の半導体材料は特に限定されるものではない。一例では、半導体素子の材料には、シリコン系、炭化シリコン系、又は窒化ガリウム系が用いられてもよい。半導体素子の種類も特に限定されるものではない。一例では、半導体素子の種類には、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ダイオード、サイリスタ、ＨＦＥＴ、又はＨＥＭＴが用いられてもよい。また、半導体素子は、縦型であってもよく、横型であってもよい。電極板は、半導体素子を流れる電流が入力又は出力するための導体部材である。一例では、電極板は、縦型の半導体素子の表面電極に電気的に接続される導体部材であってもよく、縦型の半導体素子の裏面電極に電気的に接続される導体部材であってもよい。
（特徴２）本明細書で開示される伝熱部材は、半導体素子側の第１面と電極板側の第２面の間を伸びている金属部、及び金属部を取り囲むセラミック部を備えていてもよい。金属部の材料は特に限定されるものではない。金属部の材料は、電気抵抗値が小さく、比熱が小さく、熱伝導率が大きい材料が望ましい。一例では、金属部の材料には、銅、アルミニウム、金、又は銀が用いられてもよい。セラミック部の材料も特に限定されるものではない。セラミック部の材料は、金属部の材料よりもヤング率が高い（１２０ＭＰａ以上）のが望ましく、また、金属部の材料よりも線膨張係数が小さい（１０ｐｐｍ／Ｋ以下）のが望ましい。一例では、セラミック部の材料には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、又はジルコニア（ＺｒＯ３)が用いられてもよい。
（特徴３）金属部では、第１面の面積が第２面の面積よりも小さくてもよい。
（特徴４）金属部には、第１面と第２面に平行な断面の面積が、第１値の第１部分と第２値の第２部分が存在してもよい。第１値が第２値よりも小さい。この場合、第１部分が第１面側に位置しており、第２部分が第２面側に位置していてもよい。
（特徴５）金属部では、第１面と第２面に平行な断面の面積が、第１面から第２面に向けて徐々に大きくなるように構成されていてもよい。
（特徴６）金属部が電極板と一体成形されていてもよい。この態様によると、伝熱部材と電極板の間に接合面が存在しないので、この間における熱歪みの集中が緩和される。なお、金属部と電極板が一体成形されている場合、本明細書の第２面とは、金属部と観念できる部分と電極板と観念できる部分の間で切断したときの切断面をいう。
（特徴７）第１面の金属部が半導体素子の素子領域上に位置していてもよい。ここで、半導体素子の素子領域とは、ゲート構造が形成されている領域である。この態様によると、半導体素子で発生した熱が効率的に金属部を介して放熱される。さらに、第１面のセラミック部が半導体素子の終端領域上に位置していてもよい。ここで、半導体素子の終端領域とは、素子領域の周囲に設けられており、ゲート構造が形成されていない領域である。例えば、半導体素子の終端領域には、耐圧向上用のガードリング、リサーフ層等が形成されている。この態様によると、金属部と半導体素子の終端領域の間の容量カップリングが抑えられ、半導体素子の終端領域の耐圧低下が抑えられる。
図１に、車載用のパワーモジュール１の構成を示す。パワーモジュール１は、直流電源と交流モータの間に接続されるインバータ装置に用いられる。パワーモジュール１は、冷却器１０、絶縁基板２０、半導体素子３０、伝熱部材４０、及び電極板５０がこの順で積層した構造を備えている。
冷却器１０は、水冷式であり、冷却水が流動する複数の貫通孔を備えている。一例では、冷却器１０の材料には、Ａｌ−Ｍｎ系のアルミニウム合金が用いられている。
絶縁基板２０は、冷却器１０上にろう材を介してろう付けされており、金属層２２と絶縁層２４と配線層２６が積層した構造を備えている。一例では、金属層２２及び配線層２６の材料には銅が用いられており、絶縁層２４の材料には窒化アルミニウムが用いられている。
半導体素子３０は、絶縁基板２０上にはんだ材６２を介して接合されている。半導体素子３０は、シリコン（Ｓｉ）又は炭化珪素（ＳｉＣ）を材料とするものであり、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴのパワーデバイスである。一例では、はんだ材６２の材料には、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系が用いられている。
伝熱部材４０は、半導体素子３０上にはんだ材６４を介して接合されている。伝熱部材４０は、金属部４２とセラミック部４４を備えている。金属部４２は、概ね直柱状の形態を有しており、半導体素子３０側の第１面４０Ａと電極板５０側の第２面４０Ｂの間を伸びている。一例では、金属部４２の材料には、銅が用いられている。セラミック部４４は、概ね筒状の形態を有しており、金属部４２の側面を一巡するように、金属部４２を取り囲んでいる。セラミック部４４も、半導体素子３０側の第１面４０Ａと電極板５０側の第２面４０Ｂの間を伸びている。一例では、セラミック部４４の材料には、窒化アルミニウムが用いられている。金属部４２とセラミック部４４は、ロウ付け又ははんだ付けにより接合されている。
電極板５０は、伝熱部材４０上に設けられているとともに、伝熱部材４０の上方から側方に向けて延出している。電極板５０は、板状の形態を有する金属板である。一例では、電極板５０の材料には、銅が用いられている。なお、電極板５０と伝熱部材４０の金属部４２の材料はいずれも銅であり、一体成形されている。
次に、伝熱部材４０を詳細に説明する。図２に示されるように、概ね直柱状の金属部４２は、第１面４０Ａと第２面４０Ｂに平行な断面（紙面上下方向に直交する断面に対応する）で観測したときに、断面積が小さい第１金属部４２ａと断面積が大きい第２金属部４２ｂで構成されている。第１金属部４２ａは、半導体素子３０側に位置しており、はんだ６４を介して半導体素子３０に接合している。第２金属部４２ｂは、電極板５０側に位置している。概ね筒状のセラミック部４４は、第１面４０Ａと第２面４０Ｂに平行な断面（紙面上下方向に直交する断面である）で観測したときに、断面積が大きい第１セラミック部４４ａと断面積が小さい第２セラミック部４４ｂで構成されている。第１セラミック部４４ａは、半導体素子３０側に位置しており、第１金属部４２ａを取り囲んでいる。第１セラミック部４４ａは、はんだ６４を介して半導体素子３０と接合している。第２セラミック部４４ｂは、電極板５０側に位置しており、第２金属部４２ｂを取り囲んでいる。
金属部４２の第１金属部４２ａは、半導体素子３０の素子領域（ゲート構造が設けられている領域である）上に位置している。セラミック部４４の第１セラミック部４４ａは、半導体素子３０の終端領域（素子領域の周囲に設けられており、ゲート構造が設けられていない領域である）上に位置している。
図３に伝熱部材４０の第１面４０Ａを示し、図４に伝熱部材４０の第２面４０Ｂを示す。伝熱部材４０は、第１面４０Ａの金属部４２（第１金属部４２ａに対応する）の面積が相対的に小さく、第２面４０Ｂの金属部４２（第２金属部４２ｂに対応する）の面積が相対的に大きく構成されている。一方、伝熱部材４０は、第１面４０Ａのセラミック部４４（第１セラミック部４４ａに対応する）の面積が相対的に大きく、第２面４０Ｂのセラミック部４４（第２セラミック部４４ｂに対応する）の面積が相対的に小さく構成されている。
次に、パワーモジュール１の特徴を説明する。半導体素子３０の材料にはシリコンが用いられており、その線膨張係数は約３である。伝熱部材４０の金属部４２の材料には銅が用いられており、その線膨張係数は約１７である。伝熱部材４０のセラミック部４４の材料には窒化アルミニウムが用いられており、その線膨張係数は４である。すなわち、伝熱部材４０の金属部４２と半導体素子３０の線膨張係数差は、伝熱部材４０のセラミック部４４と半導体素子３０の線膨張係数差よりも大きい。
パワーモジュール１の伝熱部材４０では、セラミック部４４が金属部４２を取り囲んでおり、金属部４２の熱膨張が抑えられる。このため、伝熱部材４０は、全体としてセラミック部４４に依存した線膨張係数を有することとなる。伝熱部材４０のセラミック部４４と半導体素子３０の線膨張係数差は小さいことから、半導体素子３０と伝熱部材４０の間に発生する熱歪みが抑えられる。
さらに、パワーモジュール１では、伝熱部材４０の第１面４０Ａにおける金属部４２の面積が小さい。このことによっても、半導体素子３０と伝熱部材４０の間に発生する熱歪みが抑えられる。一方で、伝熱部材４０の第２面４０Ｂにおける金属部４２の面積が大きい。このため、半導体素子３０で発生した熱を効率的に電極板５０に放熱することができる。さらに、伝熱部材４０に占める金属部４２の体積が大きくなるので、熱容量が増加することから、伝熱部材４０の急激な温度上昇が抑えられる。
以下、パワーモジュール１の他の特徴を記載する。
（１）パワーモジュール１では、伝熱部材４０の金属部４２と電極板５０が一体成形されている。このため、伝熱部材４０の金属部４２と電極板５０の間に接合面が存在しないので、この間における熱歪みの集中が抑制される。
（２）図２に示されるように、伝熱部材４０では、金属部４２が半導体素子３０の素子領域上に位置しており、セラミック部４４が半導体素子３０の終端領域上に位置している。一般的に、半導体素子３０内の温度分布は、素子領域の中心がピークとなる。金属部４２が半導体素子３０の素子領域上に位置しているので、半導体素子３０で発生した熱を効率的に放熱することができる。また、セラミック部４４が半導体素子３０の終端領域上に位置しているので、金属部４２と半導体素子３０の終端領域の間の容量カップリングが抑えられ、終端領域の耐圧も維持される。
（３）図５〜図７に、伝熱部材４０の第１面４０Ａの他の一例を示す。一般的に、熱歪みの最大値は、距離が最大値となる対角線上に現れる。このため、熱歪みを抑えるためには、この対角線上に配置される金属部４２の長さを短くするレイアウトを採用するのが望ましい。図５及び図６に示すように、伝熱部材４０の中心点Ｐを通る任意方向で観測したときに、（金属部４２の長さ）／（伝熱部材４０の長さ）の最小値が対角線上となるレイアウトが望ましい。また、図７に示すように、対角線上に金属部４２が配置されないレイアウトにするのが望ましい。
（４）パワーモジュール１は、図８に示す形態の伝熱部材４０を備えていてもよい。この例の伝熱部材４０は、第１面４０Ａと第２面４０Ｂに平行な断面で観測したときに、金属部４２の断面積が第１面４０Ａから第２面４０Ｂに向けて徐々に大きくなるように構成されている。この例の伝熱部材４０も、上述と同様の効果を有する。
（５）パワーモジュール１は、図９に示す形態の伝熱部材４０を備えていてもよい。この例の伝熱部材４０のセラミック部４４は、第１面４０Ａ側にセラミック網部４１を有する。このため、第１面４０Ａと第２面４０Ｂに平行な断面で観測したときに、第１面４０Ａ側の金属部４２が複数に分割されていることを特徴とする。例えば、図１０に示すように、セラミック網部４１がストライプ状に形成されていてもよい。あるいは、図１１に示すように、セラミック網部４１が格子状に形成されていてもよい。これらの例の伝熱部材４０も、上述と同様の効果を有する。さらに、これらの例の伝熱部材４０では、第１面４０Ａ側の金属部４２が複数に分割されているので、熱歪みが累積して大きくなることが抑えられており、熱歪みがより緩和されている。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
１：パワーモジュール
１０：冷却器
２０：絶縁基板
３０：半導体素子
４０：伝熱部材
４０Ａ：第１面
４０Ｂ：第２面
４２：金属部
４４：セラミック部
５０：電極板

Claims (3)

  1. 半導体素子と電極板の間に設けられる伝熱部材であって、
    前記半導体素子側の第１面と前記電極板側の第２面の間を伸びている金属部と、
    前記金属部を取り囲むセラミック部と、を備えており、
    前記金属部では、前記第１面の面積が前記第２面の面積よりも小さく、
    前記第１面の前記金属部が前記半導体素子の素子領域上に位置しており、
    前記第１面の前記セラミック部が前記半導体素子の終端領域上に位置している伝熱部材。
  2. 前記金属部が、前記電極板と一体成形されている請求項１に記載の伝熱部材。
  3. 冷却器と、
    前記冷却器上に設けられている絶縁基板と、
    前記絶縁基板上に設けられている半導体素子と、
    前記半導体素子上に設けられている伝熱部材と、
    前記伝熱部材上に設けられている電極板と、を備えており、
    前記伝熱部材は、
    前記半導体素子側の第１面と前記電極板側の第２面の間を伸びている金属部と、
    前記金属部を取り囲むセラミック部と、を有しており、
    前記金属部では、前記第１面の面積が前記第２面の面積よりも小さく、
    前記第１面の前記金属部が前記半導体素子の素子領域上に位置しており、
    前記第１面の前記セラミック部が前記半導体素子の終端領域上に位置しているモジュール。
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