JP5946761B2 - 電極部材及び電極部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品に電力を供給するための電極部材及びその製造方法に関する。

従来、半導体モジュールにおけるパワー半導体チップ等の電子部品に電力を供給するための電極部材は、電子部品が発する熱をヒートシンクに送るための熱の通路としても機能する。例えば、特許文献１に記載のモールド樹脂封止型パワー半導体装置では、電極部材としての銅電極は、その主面に半田でパワー半導体チップが固定され、主面と反対側の面が、エポキシ樹脂等の絶縁体やサーマルコンパウンドを介し、ヒートシンクとしての放熱フィンに接合される。

特開２００４−１６５２８１号公報

しかしながら、上記のようなパワー半導体装置においては、絶縁体やサーマルコンパウンドは、熱伝導率が比較的低い半面、線膨張係数の違いによる構造の歪みを抑えて装置の構造を維持するために、ある程度の厚さを有することが必要である。この結果、パワー半導体チップが発した熱は、ヒートシンクに伝わり難くなるとともに、装置が大型化する。

そこで、電極部材の内部に冷媒通路を設け、この冷媒通路に冷却水等の冷媒を流通させることにより、パワー半導体チップが発した熱を除去することが考えられる。しかし、これによれば、電極部材から冷媒を介してショートするおそれがある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、冷媒を介してショートするおそれのない冷媒通路を有する電極部材とその製造方法を提供することにある。

本発明の電極部材は、電子部品に電力を供給するための電極部材であって、内部に冷媒が流通する冷媒通路を有し、該冷媒通路の内壁に冷媒と当該電極部材とを電気的に絶縁する絶縁層を備えたものにおいて、複数の第１平坦部と第１溝が交互に配置された第１波状面を有する第１構成部材と、前記複数の第１平坦部にそれぞれ対応する複数の第２平坦部と前記複数の第１溝にそれぞれ対応する複数の第２溝とが交互に配置された第２波状面を有する第２構成部材とを備え、前記第１溝及び第２溝の各溝面はそれぞれ第１絶縁膜及び第２絶縁膜により被覆され、対応する前記第１平坦部と前記第２平坦部とが接合され、対応する第１溝と第２溝とで前記冷媒通路が形成され、対応する第１絶縁膜と第２絶縁膜とで前記絶縁層が形成されることを特徴とする。

本発明によれば、電子部品が発する熱は、電極部材に伝わり、さらに冷媒通路内を流れる冷媒を介して排出される。この間、冷媒通路の内壁の絶縁層により、電極部材と冷媒との間の電気的な導通が確実に阻止される。したがって、電極部材から冷媒を介してショートが発生するおそれがなく、電子部品を効果的に冷却することができる。

また、第１構成部材の第１溝の溝面及び第２構成部材の第２溝の溝面をそれぞれ第１絶縁膜及び第２絶縁膜で被覆してから、対応する第１平坦部と第２平坦部とを接合させることにより、冷媒通路の絶縁層が確実に形成された電極部材を容易に製造することができる。

また、対応する前記第１溝と第２溝の絶縁膜の長さ方向に沿った端縁は、隙間を有して対峙し、該隙間に充填された接着剤を介して結合していてもよい。

これによれば、対応する第１溝及び第２溝の各絶縁膜の長さ方向に沿った端縁の間から冷媒が漏れ出すのを防止し、絶縁層の機能を確実に維持することができる。

また、各第１溝とその隣の各第１平坦部との間に第１切欠き溝が設けられ、各第２溝とその隣の各第２平坦部との間に第２切欠き溝が設けられ、対応する前記第１切欠き溝及び第２切欠き溝は、これらの間に充填された接着剤を介して結合し、該接着剤は、隣接する前記隙間に充填された接着剤と一体化していてもよい。

これによれば、上述の隙間に充填された接着剤が、冷媒の流れによって、該隙間から剥離するのを防止し、絶縁層の機能をより確実に維持することができる。

本発明の電極部材の製造方法は、電子部品に電力を供給するための電極部材の製造方法であって、複数の第１平坦部と第１溝が交互に配置された第１波状面を有する第１構成部材を作製する第１工程と、前記複数の第１平坦部にそれぞれ対応する複数の第２平坦部と前記複数の第１溝にそれぞれ対応する複数の第２溝とが交互に配置された第２波状面を有する第２構成部材を作製する第２工程と、前記第１構成部材の各第１溝の溝面に対し、各第１平坦部をマスキングした状態で第１絶縁膜を形成する第３工程と、前記第２構成部材の各第２溝の溝面に対し、各第２平坦部をマスキングした状態で第２絶縁膜を形成する第４工程と、前記第３工程及び第４工程の後、対応する第１平坦部と第２平坦部を接合させて前記第１構成部材と前記第２構成部材を結合する第５工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、電極部材の内部に冷媒を流通させるための冷媒通路が上記の第１溝及び第２溝により形成され、かつ該冷媒通路の内壁に冷媒と電極部材とを絶縁する絶縁層が上記の第１絶縁膜及び第２絶縁膜により形成された電極部材を容易に製造することができる。

本発明の製造方法において、前記第３工程及び前記第４工程におけるマスキングは、各第１溝と各第２溝の長さ方向に沿った端縁部分も覆うようにして行われ、前記第５工程では、前記第１平坦部と前記第２平坦部を接合する前に、各第１溝及び各第２溝の長さ方向に沿った端縁に接着剤が塗布されてもよい。

これによれば、第１平坦部及び第２平坦部を接合させたとき、対応する第１絶縁膜及び第２絶縁膜の長さ方向に沿った端縁を、該端縁に塗布された接着剤により容易に結合させることができる。これにより、対応する第１絶縁膜の長さ方向に沿った端縁と第２絶縁膜の長さ方向に沿った端縁との間から冷媒が漏れ出すのを防止し、絶縁層の機能を確実に維持することができる。

また、前記第１工程では、各第１平坦部とその隣の各第１溝との間に第１切欠き溝が設けられ、前記第２工程では、各第２平坦部とその隣の各第２溝との間に第２切欠き溝が設けられ、前記第５工程における前記接着剤の塗布は、各第１切欠き溝及び第２切欠き溝の上に対して行われてもよい。

これによれば、対応する各第１絶縁膜の長さ方向に沿った端縁と各第２絶縁膜の長さ方向に沿った端縁との間の隙間から、これに隣接する各第１切欠き溝及び第２切欠き溝の間の空間にわたり、接着剤が一体的に充填された電極部材を容易に製造することができる。これにより、第１絶縁膜及び第２絶縁膜の長さ方向に沿った端縁の隙間に充填された接着剤が、冷媒の流れによって該隙間から剥離するのを防止し、絶縁層の機能をより確実に維持することができる。

本発明の一実施形態に係る電極部材を備えるパワーモジュールの要部を示す図である。 図１のパワーモジュールにおける電極部材の一部の断面図である。 本発明の一実施形態に係る電極部材の製造工程を示すフローチャートである。 図３の製造工程を説明するための第１構成部材及び第２構成部材部分の斜視図である。 図４の第１構成部材の第１溝に第１絶縁膜を形成する様子を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る電極部材の一部の断面図である。 図６の電極部材の製造工程においてマスキングが行われた第１構成部材の一部の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る電極部材の一部の断面図である。 図８の電極部材の製造工程においてマスキングが行われた第１構成部材の一部の断面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る電極部材を備えるパワーモジュールの要部の概略平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図である。ただし、図１（ｃ）では、樹脂モールドの図示が省略されている。

図１に示すように、パワーモジュール１は、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子２と、Ｎ電極、出力電極及びＰ電極のそれぞれを構成する電極部材３と、パワー半導体素子２に制御信号を送るための信号ピン４と、パワー半導体素子２と電極部材３又は信号ピン４とを接合する銀ナノペーストの接合材５と、これらを封止する樹脂モールド６とを備える。パワーモジュール１は、例えば車載用の電力変換装置に用いられる。

電極部材３は、その内部に設けられ、冷媒が流通する冷媒通路７を備える。冷媒通路７には、その入口側及び出口側に接続された管路８を介して冷媒が供給及び排出される。冷媒としては、例えば、冷却水が用いられる。冷媒通路７の内壁には、冷媒と電極部材３とを絶縁する高熱伝導度の絶縁層９が設けられる。管路８の出入り口は、高熱伝導度の絶縁体１０により覆われている。

図２は、電極部材３の一部の断面図である。図２に示すように、電極部材３は、第１構成部材１１と、これに結合した第２構成部材１２とを備える。第１構成部材１１は、複数の第１平坦部１３及び第１溝１４が交互に配置された第１波状面１５を有する。第２構成部材１２は、各第１平坦部１３にそれぞれ対応する複数の第２平坦部１６と、各第１溝１４にそれぞれ対応する複数の第２溝１７とが交互に配置された第２波状面１８を有する。

第１溝１４及び第２溝１７の溝面は、いずれも横断面が半円形状を有しており、それぞれ第１絶縁膜１９及び第２絶縁膜２０により被覆される。対応する第１平坦部１３と第２平坦部１６とは接合されている。対応する第１溝１４及び第２溝１７により冷媒通路７が形成される。対応する第１絶縁膜１９及び第２絶縁膜２０により絶縁層９が形成される。

パワーモジュール１の駆動時には、電極部材３を介してパワー半導体素子２に電力が供給される。また、電極部材３内の冷媒通路７に冷媒が流通される。このとき、パワー半導体素子２が発する熱は、接合材５を経て電極部材３に伝達する。電極部材３に伝達した熱は、冷媒通路７内を流通する冷媒を介し、熱交換器などを経て大気中に放散される。

このようにして、パワー半導体素子２は、電極部材３内を流通する冷媒を介して効果的に冷却される。また、この間、冷媒通路７の内壁の絶縁層９により、電極部材３と冷媒との間の導通が阻止されるので、電極部材３から冷媒を通じてショートが生じるおそれはない。したがって、パワーモジュール１は、発熱による問題や冷媒を通じたショートが生じることなく、高い信頼性を維持しながら駆動することができる。

図３は、電極部材３の製造工程を示すフローチャートである。この製造工程は、第１工程〜第５工程を含む。すなわち、図３に示すように、第１工程では、電極部材３を構成する第１構成部材１１が作製される（ステップＳ１）。また、第２工程では、電極部材３を構成する第２構成部材１２が作製される（ステップＳ２）。

図４（ａ）は、第１工程及び第２工程で作製される第１構成部材１１及び第２構成部材１２の要部の斜視図である。図４（ａ）に示すように、第１構成部材１１は、複数の第１平坦部１３及び第１溝１４が交互に配置された第１波状面１５を有する。また、第２構成部材１２は、各第１平坦部１３にそれぞれ対応する複数の第２平坦部１６と、各第１溝１４にそれぞれ対応する複数の第２溝１７とが交互に配置された第２波状面１８を有する。

第１構成部材１１及び第２構成部材１２の作製は、プレス加工により行うことができる。この作製は切削加工で行ってもよいが、その場合には、プレス加工で作製する場合よりもコストがかかる。

図４（ｂ）に示すように、第３工程では、第１構成部材１１の各第１溝１４の溝面に第１絶縁膜１９が形成される（ステップＳ３）。また、第４工程では、第２構成部材１２の各第２溝１７の溝面に第２絶縁膜２０が形成される（ステップＳ４）。

図５は、第１構成部材１１の第１溝１４に第１絶縁膜１９を形成する様子を示す。第１絶縁膜１９の形成は、図５（ａ）に示すように、テープ等のマスキング材２１を用いて、第１絶縁膜１９を形成する領域以外の部分、すなわち第１平坦部１３をマスキングし、被膜形成装置のノズル２２からエアロゾル等の被膜剤を第１溝１４の溝面に付与することにより行われる。

マスキング材２１による被覆は、図５（ｂ）のように、形成される第１絶縁膜１９の厚さの分だけ第１溝１４上にマスキング材２１が張り出した状態となるようにして行われる。これにより、ラッピングによる研磨を施すことなく、図５（ｃ）のように、第１平坦部１３から第１絶縁膜１９の端縁にかけて平滑な面を形成することができる。

第１絶縁膜１９の形成は、例えば、ＡＤ（エアロゾルデポジション）法やゾルゲル法でアルミナ絶縁膜を成膜することにより行うことができる。第１絶縁膜１９の形成後、マスキング材２１は剥離される。第４工程（ステップＳ４）における第２構成部材１２への第２絶縁膜２０の形成も、同様に、第２平坦部１６をマスキングして行われる。

第５工程（ステップＳ５）では、図４（ｃ）に示すように、対応する第１平坦部１３及び第２平坦部１６を接合させて第１構成部材１１及び第２構成部材１２を結合する。第１平坦部１３と第２平坦部１６との接合は、ロウ付け、圧着、かしめ、レーザ接合等により行うことができる。これにより、電極部材３の製造工程が終了する。

本実施形態によれば、第１構成部材１１の第１溝１４の溝面及び第２構成部材１２の第２溝１７の溝面をそれぞれ第１絶縁膜１９及び第２絶縁膜２０で被覆してから、対応する第１平坦部１３と第２平坦部１６とを接合して第１構成部材１１と第２構成部材１２とを結合するようにしたので、冷媒通路７の絶縁層９を確実に機能するものとして容易に形成しながら電極部材３を製造することができる。

図６は、本発明の第２実施形態に係る電極部材の一部の断面図である。図６に示すように、この電極部材２３は、第１実施形態における第１絶縁膜１９及び第２絶縁膜２０で構成される絶縁層９の代わりに、第１絶縁膜２４及び第２絶縁膜２５で構成される絶縁層２６を備える。

対応する第１絶縁膜２４及び第２絶縁膜２５の周方向端縁（長さ方向に沿った端縁）は、隙間を有して対峙し、該隙間に充填された接着剤２７により結合している。電極部材２３についての他の構成及び作用は、第１実施形態の電極部材３の場合と同様である。

電極部材２３の製造は、次の点を除き、図２の製造工程と同様の工程を経て行われる。すなわち、第３工程（ステップＳ３）におけるマスキングは、図７のように、各第１平坦部１３に加えて各第１溝１４の周方向端縁部分もマスキング材２１で覆うようにして行われる。第４工程（ステップＳ４）におけるマスキングも同様に、各第２平坦部１６に加えて各第２溝１７の周方向端縁部分をも覆うようにして行われる。

また、第５工程（ステップＳ５）において、第１平坦部１３及び第２平坦部１６の接合が行われる前に、各第１溝１４の周方向端縁及び各第２溝１７の周方向端縁に接着剤２７が塗布される。

これにより、この後、第１平坦部１３及び第２平坦部１６の接合が行われたとき、図６のように、対峙する各第１絶縁膜２４の周方向端縁と各第２絶縁膜２５の周方向端縁との間の隙間に接着剤２７が充填された状態となる。

第２実施形態によれば、対応する各第１絶縁膜２４の周方向端縁と各第２絶縁膜２５の周方向端縁とを、該端縁間の隙間に充填された接着剤２７により容易に結合させることができる。これにより、対応する各第１絶縁膜２４の周方向端縁と各第２絶縁膜２５の周方向端縁との間から冷媒が漏れ出すのを防止し、絶縁層２６の機能を確実に維持することができる。

図８は、本発明の第３実施形態に係る電極部材の一部の断面図である。図８に示すように、この電極部材３０は、第１実施形態の電極部材３の第１構成部材１１及び第２構成部材１２とほぼ同様の第１構成部材３１及び第２構成部材３２を備える。

第１構成部材３１は、第１構成部材１１の第１平坦部１３及び第１溝１４とほぼ同様の第１平坦部３３及び第１溝３４を備える。第２構成部材３２は、第２構成部材１２の第２平坦部１６及び第２溝１７とほぼ同様の第２平坦部３６及び第２溝３７を備える。

各第１溝３４及び第２溝３７は、第２実施形態における第１溝１４及び第２溝１７の場合と同様に、それぞれ第１絶縁膜２４及び第２絶縁膜２５により被覆される。また、対応する各第１絶縁膜２４及び各第２絶縁膜２５の周方向端縁は、隙間を有して対峙し、該隙間に充填された接着剤２７により結合している。各第１絶縁膜２４及び各第２絶縁膜２５は、第１溝３４及び第２溝３７により構成される冷媒通路７の内壁において、図２の電極部材３における絶縁層９と同様の機能を有する絶縁層２６を構成する。

ただし、各第１溝３４とその隣の各第１平坦部３３との間に第１切欠き溝３８が設けられる。また、各第２溝３７とその隣の各第２平坦部３６との間に第２切欠き溝３９が設けられる。

対応する第１切欠き溝３８及び第２切欠き溝３９は、これらの間に充填された接着剤２７を介して結合している。この第１切欠き溝３８及び第２切欠き溝３９の間に充填された接着剤２７は、この第１切欠き溝３８及び第２切欠き溝３９にそれぞれ隣接する第１絶縁膜２４の周方向端縁と第２絶縁膜２５の周方向端縁との間の隙間に充填された接着剤２７と一体化している。

電極部材３０の製造は、次の点を除き、図２の製造工程と同様の工程を経て行われる。すなわち、第１工程（ステップＳ１）では、各第１平坦部３３とその隣の各第１溝３４との間に第１切欠き溝３８が設けられる。また、第２工程（ステップＳ２）では、各第２平坦部３６とその隣の各第２溝３７との間に第２切欠き溝３９が設けられる。

第３工程（ステップＳ３）におけるマスキングは、図９のように、各第１平坦部３３に加えて各第１溝３４の周方向端縁部分もマスキング材２１で覆うようにして行われる。第４工程（ステップＳ４）におけるマスキングも同様に、各第２平坦部３６に加えて各第２溝３７の周方向端縁部分をも覆うようにして行われる。

また、第５工程（ステップＳ５）において、第１平坦部３３及び第２平坦部３６の接合が行われる前に、各第１溝３４の周方向端縁及び各第２溝３７の周方向端縁から、これらに隣接する各第１切欠き溝３８及び各第２切欠き溝３９の上にかけて接着剤２７が塗布される。

この後、第１平坦部３３及び第２平坦部３６の接合が行われる。このとき、図８のように、対峙する各第１絶縁膜２４の周方向端縁と各第２絶縁膜２５の周方向端縁との間の隙間に接着剤２７が充填され、かつ対応する各第１切欠き溝３８及び各第２切欠き溝３９の間にも接着剤２７が充填された状態となる。

第３実施形態によれば、各第１絶縁膜２４の周方向端縁と各第２絶縁膜２５の周方向端縁との間の隙間から、これに隣接する各第１切欠き溝３８と第２切欠き溝３９との間の空間にわたり、接着剤２７が一体的に充填された電極部材３０を容易に製造することができる。これにより、電極部材３０において、第１絶縁膜２４の周方向端縁と各第２絶縁膜２５の周方向端縁との間の隙間に充填された接着剤２７が、冷媒の流れによって該隙間から剥離するのを防止し、絶縁層２６の機能をより確実に維持することができる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されない。例えば、上記の各実施形態では、本発明をパワー半導体素子２に電力を供給するための電極部材３、２３、３０に適用した例について説明したが、本発明はこれに限らず、発熱が問題となり得る各種電子部品に電力を供給するための電極部材に適用し、その効果を発揮させることができる。

また、上記の各実施形態では、半導体素子２を挟むように配置される電極部材３、２３、３０について説明したが、本発明は、上述の特許文献１に記載のパワー半導体装置におっける銅電極のように、半導体素子の一方の側にのみ配置される電極部材に適用してもよい。

２…パワー半導体素子（電子部品）、３，２３，３０…電極部材、６…絶縁層、７…冷媒通路、９，２１１，３１…第１構成部材、１２，３２…第２構成部材、１３，３３…第１平坦部、１４，３４…第１溝、１５…第１波状面、１６，３６…第２平坦部、１７，３７…第２溝、１８…第２波状面、１９，２４…第１絶縁膜、２０，２５…第２絶縁膜、２７…接着剤、３８…第１切欠き溝、３９…第２切欠き溝。

Claims (6)

1. 電子部品に電力を供給するための電極部材であって、
   内部に冷媒が流通する冷媒通路を有し、
   該冷媒通路の内壁に冷媒と当該電極部材とを電気的に絶縁する絶縁層を備えたものにおいて、
   複数の第１平坦部と第１溝が交互に配置された第１波状面を有する第１構成部材と、
   前記複数の第１平坦部にそれぞれ対応する複数の第２平坦部と前記複数の第１溝にそれぞれ対応する複数の第２溝とが交互に配置された第２波状面を有する第２構成部材とを備え、
   前記第１溝及び第２溝の各溝面はそれぞれ第１絶縁膜及び第２絶縁膜により被覆され、
   対応する前記第１平坦部と前記第２平坦部とが接合され、対応する第１溝と第２溝とで前記冷媒通路が形成され、対応する第１絶縁膜と第２絶縁膜とで前記絶縁層が形成されることを特徴とする電極部材。
2. 対応する前記第１絶縁膜と第２絶縁膜の長さ方向に沿った端縁は、隙間を有して対峙し、該隙間に充填された接着剤により結合していることを特徴とする請求項１に記載の電極部材。
3. 各第１溝とその隣の各第１平坦部との間に第１切欠き溝が設けられ、
   各第２溝とその隣の各第２平坦部との間に第２切欠き溝が設けられ、
   対応する前記第１切欠き溝及び第２切欠き溝は、これらの間に充填された接着剤を介して結合し、
   該接着剤は、隣接する前記隙間に充填された接着剤と一体化していることを特徴とする請求項２に記載の電極部材。
4. 電子部品に電力を供給するための電極部材の製造方法であって、
   複数の第１平坦部と第１溝が交互に配置された第１波状面を有する第１構成部材を作製する第１工程と、
   前記複数の第１平坦部にそれぞれ対応する複数の第２平坦部と前記複数の第１溝にそれぞれ対応する複数の第２溝とが交互に配置された第２波状面を有する第２構成部材を作製する第２工程と、
   前記第１構成部材の各第１溝の溝面に対し、各第１平坦部をマスキングした状態で第１絶縁膜を形成する第３工程と、
   前記第２構成部材の各第２溝の溝面に対し、各第２平坦部をマスキングした状態で第２絶縁膜を形成する第４工程と、
   前記第３工程及び第４工程の後、対応する第１平坦部と第２平坦部を接合させて前記第１構成部材と前記第２構成部材を結合する第５工程とを備えることを特徴とする電極部材の製造方法。
5. 前記第３工程及び前記第４工程におけるマスキングは、各第１溝と各第２溝の長さ方向に沿った端縁部分も覆うようにして行われ、
   前記第５工程では、前記第１平坦部と前記第２平坦部を接合する前に、各第１溝及び各第２溝の長さ方向に沿った端縁に接着剤が塗布されることを特徴とする請求項４に記載の電極部材の製造方法。
6. 前記第１工程では、各第１平坦部とその隣の各第１溝との間に第１切欠き溝が設けられ、
   前記第２工程では、各第２平坦部とその隣の各第２溝との間に第２切欠き溝が設けられ、
   前記第５工程における前記接着剤の塗布は、各第１切欠き溝及び第２切欠き溝の上に対しても行われることを特徴とする請求項５に記載の電極部材の製造方法。