JP6300633B2 - パワーモジュール - Google Patents

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Description

この発明は、発電及び送電から効率的なエネルギーの利用及び再生まであらゆる場面で利用されるパワーモジュールに関する。
パワーモジュールは、高電圧・大電流での利用に好適であり、産業機器から家電や情報端末まであらゆる製品に普及しつつある。近年、パワーモジュールは、高密度実装化及び高性能化が要求されており、電気絶縁性を確保しつつ、半導体素子から発生した熱を効率よく放散させることが必要とされている。
特に、自動車用機器においては、小型軽量化とともに熱に対して高い信頼性が求められる。自動車用機器に使用されるパワーモジュールは、軽量化の要求からアルミニウム製等の冷却器への接続が必須となっており、また、動作温度が高く、効率に優れている点で、今後の主流となる可能性の高いSiC半導体に適用できるパッケージ形態であることも同時に求められている。
特許文献1には、アルミニウム製冷却フィンに対して、応力緩和層となる開口部を有する金属板を介してセラミック基板を接合する方法が開示されている。
特開2010−16254号公報(段落0023、図1)
アルミニウムは熱膨張係数が銅に比較して大きく、パワー半導体素子やセラミック基板との膨張係数差が大きいため、接合する界面で、熱応力に伴う剥離などが発生しやすく、長期信頼性面で懸念されている。
特許文献1のような構成は、応力緩和層に開口部を形成することで柔軟性をもたせ、伸縮差に追従させるのが目的であるが、開口部は接合後に空隙となり熱伝導を阻害するという課題があった。また、接合界面が増えるため、生産上のプロセス増加や不具合発生要因の増大を招くという課題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、小型軽量化とともに放熱性を確保し、熱応力に対する長期信頼性に優れたパワーモジュールを提供することを目的とする。
この発明のパワーモジュールは、半導体素子と、前記半導体素子が配設される絶縁基板と、一方の面に前記絶縁基板の裏面と接合する接合部が形成され、他方の面に冷却フィンが形成された放熱部材と前記放熱部材よりも小さい熱膨張係数を有し、前記接合部の外周に固設される枠材とを備え、前記接合部は、複数のブロックに分割されており、前記分割された各ブロックのそれぞれの外周に枠材が固設されていることを特徴とする。
この発明によれば、放熱部材の接合部に、この放熱部材よりも小さい熱膨張係数を有する枠材を嵌合して固設することで、基板面方向の放熱部材の熱膨張による伸びを拘束することができるので、放熱部材と絶縁基板との間の接合面にかかる熱応力を低減でき、剥離などを抑制できる。
この発明の実施の形態1によるパワーモジュールの構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態1によるパワーモジュールの構成を示す分解斜視図である。 この発明の実施の形態1によるパワーモジュールの製造工程を示す断面図である。 この発明の実施の形態2によるパワーモジュールの構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態3によるパワーモジュールの構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態3によるパワーモジュールの製造工程を示す断面図である。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1によるパワーモジュール100の断面図であり、図2は、この発明の実施の形態1によるパワーモジュール100の要部を説明するための分解斜視図である。
図1に示すように、パワーモジュール100は、放熱部材1と、放熱部材1の上部の外周を囲うように固設された枠材3と、放熱部材1の上面にろう材33を介して載設された絶縁基板としてのセラミック基板2と、セラミック基板2上に配設されたパワー半導体素子91、92と、パワー半導体素子91、92にボンディングワイヤ81、82を介して接続された外部端子6と、ケース5内にセラミック基板2、パワー半導体素子91、92、ボンディングワイヤ81、82を覆って充填された封止材としてのポッティング樹脂72と、ウォータージャケット4とを備える。
放熱部材1(例えば、外形寸法100mm×100mm×23mm)は、アルミニウム製で、下部に冷却フィン11(外形寸法2mm角で高さ15mm、400本)が形成され、上部には矩形の接合部としての接合ブロック12(外形寸法60mm×60mm、厚さ5mmを幅2mmのスリットで9分割、図2参照)が形成されている。
アルミニウムの素材としては、純アルミニウム(1050:国際アルミニウム合金名)のほかに、Al−Mg系アルミニウム合金(5052:国際アルミニウム合金名)やAl−Mg−Si系アルミニウム合金(6063:国際アルミニウム合金名)なども用いることができる。放熱部材1の冷却フィン11や接合ブロック12のスリットは、切削で形成されるが、鍛造や鋳造などの工法で形成してもよい。
枠材3(外形寸法100mm×100mm×5mmで、接合ブロック12に対応した開口部31を9個形成、図2参照)は、鉄製で、放熱部材1の上部の接合ブロック12のそれぞれに開口部31が嵌合するように形成されている。
放熱部材1と枠材3とは、嵌合して接合されるが、熱ばめ(冷やしばめ)やろう付け、一体鋳造や鍛造などによっても可能である。
セラミック基板2は、AlN製の基材23(外形寸法65mm×65mm、厚さ0.635mm)の両面に、銅製の導体層21、22(厚さ0.4mm)が積層されて構成される(図2参照)。導体層21には、パワー半導体素子91、92が接合され、放熱層としての導体層22は、放熱部材1の接合ブロック12及び枠材3に接合される。
ここでは、セラミック基板2として、基材23をAlN製としたが、アルミナやSiC、SiNなどの絶縁基板基材を用いてもよい。導体層21、22としては、銅製を用いたが、アルミニウムやニッケルでもよい。
パワー半導体素子91は、Si製のダイオード(外形寸法15mm×15mm×0.3mm)である。パワー半導体素子92は、Si製のIGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistors、外形寸法15mm×15mm×0.3mm)である。
次に、この発明の実施の形態1によるパワーモジュール100の製造方法について、図3に基づき説明する。まず、図3(a)に示すように、放熱部材1に対して枠材3を、放熱部材1の上部の接合ブロック12のそれぞれに枠材3の開口部31を嵌合させて組み付け、ベース部10を形成する。
続いて、図3(b)に示すように、セラミック基板2を、ろう材33を用いてベース部10の上面に位置決めして接合する。このとき、セラミック基板2は、枠材3の開口部31から露出する放熱部材1の接合ブロック12の上部に直接接合させることができる。
次いで、図3(c)に示すように、外部端子6(NiめっきCuフレーム)を形成したケース5(PPS製インサートモールド形成)を搭載し、ケース5とベース部10とは、接着剤を塗布しオーブンで加熱硬化させ、接着する。ケース5は、ベース部10の縁部、つまり、枠材3の上面部と接着することにより、開口部31から露出する放熱部材1の接合ブロック12の上部はすべての領域がセラミック基板2との接続に用いることができる。
セラミック基板2上に、パワー半導体素子91、92を、はんだ(千住金属工業株式会社製M705:Sn−Ag−Cu)を用いてセラミック基板2の導体層21にダイボンドし、ボンディングワイヤ81(アルミニウム製、φ0.4mm)およびボンディングワイヤ82(アルミニウム製、φ0.15)を用いて、主電極および信号電極をケース5の外部端子6と接続して、電気回路を形成する。
ここでは、ボンディングワイヤ81、82としてアルミニウム製を用いるが、銅ワイヤやアルミニウム被覆銅ワイヤを用いることでさらなる信頼性の向上を得ることが可能となる。また、ワイヤボンディング工法に替えてリボンボンディングによっても電気回路の形成が可能であり、バスバーを用いた主電極回路の形成も可能である。
最後に、図3(d)に示すように、ポッティング樹脂72を用いて、パワー半導体素子91、92およびボンディングワイヤ81、82を絶縁封止し、ウォータージャケット4(ABS樹脂製)を放熱部材1の下部の冷却フィン11を覆うように水密接着剤を用いて接着して、冷却器とすることでパワーモジュール100が完成する。
なお、実施の形態1および実施の形態2においては、封止材としてポッティング樹脂72により絶縁封止したが、液状ゲルや耐熱ゴムを用いてもよい。放熱部材1の冷却については、ウォータージャケット4を用いた水冷パワーモジュールとしたが、冷却フィン11を空冷フィンとして用いてもよい。
次に、この発明の実施の形態1によるパワーモジュール100の動作について説明する。この発明の実施の形態1によるパワーモジュール100では、まず、パワー半導体素子91およびパワー半導体素子92において発生した熱は、セラミック基板2を介して、放熱部材1の接合ブロック12に伝わり、放熱部材1の冷却フィン11から放散される。
放熱部材1は、セラミック基板2との接合面12aから冷却フィン11までを継ぎ目のないアルミニウム一体部材で構成されていることから、効率的な冷却が可能となっている。しかし、これと同時に、パワー半導体素子91およびパワー半導体素子92において発生した熱が、放熱部材1に伝わると、比較的熱膨張係数の大きいアルミニウム製で構成されている放熱部材1は、膨張しようとする。
これに対し、放熱部材1に固設される枠材3は、アルミニウムに比較して熱膨張係数が小さく、弾性係数の大きな鉄製であることから、基板面方向の放熱部材1の伸びを拘束する。したがって、放熱部材1とセラミック基板2との間の接合面にかかる熱応力を低減できることから、剥離などを抑制でき、長期信頼性が向上する。
また、枠材3は開口部31の形成により格子状に構成されているため、開口部31で接合ブロック12を嵌合することで、放熱部材を接合ブロックごとに拘束することにより、より強固に放熱部材の伸びを拘束でき、熱応力を低減できる。
さらに、ベース部10は、冷却水に接する面は全面アルミニウムとなっており、枠材3と放熱部材1との継ぎ目が冷却水側に露出しないため、水漏れの問題や腐食の問題が解消できる。
以上のように、この発明の実施の形態1におけるパワーモジュール100では、アルミニウム製の放熱部材1上部の接合ブロック12を鉄製の枠材3で嵌合して固設することで、基板面方向の放熱部材の熱膨張による伸びを拘束し、放熱部材1とセラミック基板2との間の接合面にかかる熱応力を低減できることから、剥離などを抑制でき、長期信頼性が向上する。
また、枠材3を開口部31で格子状に構成し、開口部31で接合ブロック12を嵌合することで、放熱部材を接合ブロックごとに拘束することにより、より強固に放熱部材の伸びを拘束でき、熱応力を低減できる。
また、冷却水に接する放熱部材の下部は全面アルミニウムで、枠材と放熱部材との継ぎ目が冷却水側に露出しないため、水漏れの問題や腐食の問題が解消できる。
さらに、枠材3の上面部にケース5を接着する構成とすることで、枠材の開口部から露出する放熱部材の接合ブロックの上部はすべての領域がセラミック基板との接続に用いることができ、効率的な冷却が可能となっている。
また、放熱部材1はセラミック基板2との接合面から冷却フィンまでを継ぎ目のないアルミニウム一体部材で構成されているため、効率的な冷却が可能となっている。
実施の形態2.
実施の形態1では、放熱部材1上部の接合ブロック12を矩形としたが、実施の形態2では、接合ブロックにテーパ型を用いた場合について説明する。
図4は、この発明の実施の形態2によるパワーモジュール200を示す断面図である。図4に示すように、放熱部材13の接合ブロック120にすそ広がりのテーパが形成されており、枠材30の開口部32にも、接合ブロック120に対応したテーパが形成されている。
パワーモジュール200のその他の構成および動作については、実施の形態1のパワーモジュール100と同様であり、その説明を省略する。
このように、接合ブロック120の側面を傾斜させ、冷却フィン110に向けてすそ広がりのテーパが形成されることで、パワー半導体素子91およびパワー半導体素子92において発生した熱を、セラミック基板2を介し、接合ブロック120で効率的に広げて冷却フィン110に伝え、放散させることが可能となる。
また、この接合ブロック120のテーパ形状に対応して、枠材30の開口部32の内壁面を傾斜させてテーパが形成されることで、接合ブロック120のセラミック基板2との接合面においては、熱膨張係数の小さな鉄からなる枠材30の面積が大きくなるため、熱応力の低減も可能となる。
以上のように、この発明の実施の形態2におけるパワーモジュール200では、実施の形態1と同様の効果が得られるだけでなく、放熱部材13の接合ブロック120に、冷却フィン110に向けてすそ広がりのテーパを形成することで、パワー半導体素子の熱をより効率的に放散させることが可能となる。
また、接合ブロック120に対応して、枠材30の開口部32にテーパを形成することで、接合ブロック120のセラミック基板2との接合面において、鉄からなる枠材の面積が大きくなるため、セラミック基板に対しベース部の熱膨張を抑制でき、熱応力の低減の効果が増大する。
実施の形態3.
実施の形態1および実施の形態2では、ポッティング樹脂72によりパワー半導体素子91、92を絶縁封止する場合について示したが、実施の形態3では、モールド樹脂により絶縁封止する場合について説明する。
図5は、この発明の実施の形態3によるパワーモジュール300を示す断面図である。図5に示すように、パワーモジュール300は、セラミック基板2上に配設されたパワー半導体素子91、92と、パワー半導体素子91、92にボンディングワイヤ81、82を介して接続されたリードフレーム61、62を備える。
リードフレーム61、62(厚さ0.6mm)は、Niめっきを施されたCuフレームで構成され、絶縁性接着材71を用いて枠材3または放熱部材1の上面に位置決め固定し、オーブンで加熱硬化させて、形成される。
また、パワーモジュール300は、枠材3、セラミック基板2、パワー半導体素子91、92、ボンディングワイヤ81、82、放熱部材1の一部、およびリードフレーム61、62の一部を覆うモールド樹脂65を備える。
次に、この発明の実施の形態3によるパワーモジュール300の製造方法について、図6に基づき説明する。まず、実施の形態1で作製したベース部10に接合させたセラミック基板2を用意する(図3(b)参照)。
図6(a)に示すように、リードフレーム61、62を、絶縁性接着材71を用いてベース部10の枠材3または放熱部材1の上面に位置決め固定し、オーブンで加熱硬化させて、接着する。
続いて、セラミック基板2上に、パワー半導体素子91、92を、はんだ(千住金属工業株式会社製M705:Sn−Ag−Cu)を用いてセラミック基板2の導体層21にダイボンドし、ボンディングワイヤ81(アルミニウム製、φ0.4mm)およびボンディングワイヤ82(アルミニウム製、φ0.15)を用いて、主電極および信号電極をリードフレーム61、62と接続して、電気回路を形成する。
次いで、図6(b)に示すように、トランスファモールド封止用金型63a、63bにより、リードフレーム61、62を挟持して、ベース部10に接合させたセラミック基板2を金型内部に保持する。
この際、リードフレーム61、62の外部リード部61a、62aと、放熱部材1の下部の冷却フィン11とが、トランスファモールド封止の後にモールド樹脂65の外部に露出するようにトランスファモールド封止用金型63a、63bで保持される。
トランスファモールド封止用金型63a、63bの内部には、封止樹脂が充填されるキャビティAと、封止樹脂が充填されないキャビティBとが形成されている。
続いて、トランスファモールド封止用金型63a、63bのキャビティA内に、封止樹脂が充填された後、加熱、加圧され、封止樹脂が硬化することにより、トランスファモールド封止が完了する。
図6(c)に示すように、セラミック基板2上のパワー半導体素子91、92は、ボンディングワイヤ81、リードフレーム61、62の一部、および枠材3が固設された放熱部材1のベース部10上部とともにモールド樹脂65で覆われた状態となっている。
最後に、ウォータージャケット4(ABS樹脂製)を放熱部材1の下部の冷却フィン11を覆うように水密接着剤を用いて接着して、冷却器とすることでパワーモジュール300が完成する。
実施の形態1および実施の形態2のパワーモジュール100、200においては、パワー半導体素子91、92およびボンディングワイヤ81、82を絶縁封止するために、ケース5を搭載してポッティング樹脂72を充填している。
実施の形態3では、上述のように、トランスファモールド封止用金型63a、63bを用いて絶縁封止を行うことから、ケース5の搭載が不要となり、特に、大量生産においては、工程数の簡略化によりコスト低減を図ることができる。
また、実施の形態1および実施の形態2においては、パワー半導体素子91、92を接合するベース部10は、アルミニウム製の放熱部材1上部の接合ブロック12の周囲を鉄製の枠材3で囲う構成となっていることから、鉄製の枠材3の外壁部3a、30aが外気に触れる状態で使用する。
これに対して、実施の形態3のパワーモジュール300においては、ベース部10の鉄製の外壁部3aは、放熱部材1のベース部10上部とともにモールド樹脂65で覆われた状態となっていることから、外気に触れることを防止し、腐食の問題が解消できる。
その他の構成及び動作は実施の形態1と同様であり、その説明を省略する。
以上のように、この発明の実施の形態3におけるパワーモジュール300では、実施の形態1と同様の効果が得られるだけでなく、パワー半導体素子91、92およびボンディングワイヤ81、82をモールド樹脂65で覆うことにより絶縁封止することで、大量生産においては、工程数の簡略化によりコスト低減を図ることができる。
また、ベース部10の枠材3をモールド樹脂65で覆う構成とすることで、枠材が外気に触れることを防止できることから、腐食の問題が解消でき、さらに長期信頼性が向上する。
なお、実施の形態3においては、実施の形態1と同様の枠材3および放熱部材1を用いたが、実施の形態3の枠材3および放熱部材1の代わりに、実施の形態2の枠材30および放熱部材13を用いた場合でも、同様の効果がえられることは、言うまでもない。
上述した実施の形態においては、枠材3、30として鉄(膨張係数12ppm/K)製のものを用いたが、これに限るものではない。枠材としては、アルミニウム(膨張係数21ppm/K)よりも膨張係数が小さい素材(銅、ステンレスなど)であれば同様の効果が得られる。
また、上述した実施の形態におけるパワーモジュールを構成するパワー半導体素子91、92としては、珪素(Si)によって形成されたものには限定されず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、ダイヤモンドなどが挙げられる。
このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたパワー半導体素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高い。また、耐熱性も高いため、放熱部材の冷却フィンの小型化や、空冷化が可能であるので、パワーモジュールの一層の小型化が可能になる。
パワーモジュールの小型化が進むと、放熱性を確保し、熱応力に対する長期信頼性への要求がさらに高度になる。このような要求に対しても、本発明のパワーモジュールは、優れた効果を発揮する。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
1 放熱部材、2 セラミック基板、3 枠材、11 冷却フィン、12 接合ブロック、13 放熱部材、30 枠材、65 トランスファモールド樹脂、72 ポッティング樹脂、91 パワー半導体素子、92 パワー半導体素子、100 パワーモジュール、120 接合ブロック、110 冷却フィン、200 パワーモジュール、300 パワーモジュール

Claims (7)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子が配設される絶縁基板と、
    一方の面に前記絶縁基板の裏面と接合する接合部が形成され、他方の面に冷却フィンが形成された放熱部材と
    前記放熱部材よりも小さい熱膨張係数を有し、前記接合部の外周に固設される枠材と
    を備え
    前記接合部は、複数のブロックに分割されており、前記分割された各ブロックのそれぞれの外周に枠材が固設されていることを特徴とするパワーモジュール。
  2. 前記各ブロックの外周は、前記冷却フィンの方向に広がるテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール。
  3. 前記放熱部材は、アルミニウムで形成され、前記枠材は、鉄で形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のパワーモジュール。
  4. 前記放熱部材は、前記冷却フィンのみが冷却水により冷却されることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
  5. 前記半導体素子は、ポッティング樹脂またはモールド樹脂により封止されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
  6. 前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
  7. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイアモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項6に記載のパワーモジュール。
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