JP6707328B2 - パワーモジュール、パワーモジュールの放熱構造、およびパワーモジュールの接合方法 - Google Patents
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Description
比較例に係るパワーモジュール1の側面構造は、図1(a)に示すように表わされ、図1(a)のパワーモジュールが接合される冷却器5の側面構造は、図1(b)に示すように表わされる。また、パワーモジュールを冷却器に接合させた状態が、図1(c)または図1(d)に示すように表わされる。
(パワーモジュールの構成)
第1の実施の形態に係るパワーモジュール100の平面構造は、図2(a)に示すように表わされ、パワーモジュール100の側面構造は、図2(b)に示すように表わされ、パワーモジュール100の底面構造は、図2(c)に示すように表わされる。
第1の実施の形態に係るパワーモジュール100を冷却器110に接合した放熱構造は、図3(a)および図3(b)に示すように表わされる。
(第1変形例)
第1の実施の形態の第1変形例に係るパワーモジュール100Aの底面構造は、図4(a)に示すように表わされ、ヒートシンク106cの露出面側の四隅を除く、周囲の各辺の中央付近のほぼ同一の位置に4つの位置決め用突起部103および厚さ制御用突起部(ドーナツ状)104が配置されている。
第1の実施の形態の第2変形例に係るパワーモジュール100Bの底面構造は、図4(b)に示すように表わされ、ヒートシンク106cの露出面側の四隅に4つの厚さ制御用突起部(非ドーナツ状)104が配置され、四隅を除く、周囲の各辺の中央付近のほぼ同一の位置に4つの位置決め用突起部103が配置されている。
第1の実施の形態の第3変形例に係るパワーモジュール100Cの底面構造は、図4(c)に示すように表わされ、ヒートシンク106cの露出面側の周囲の、例えば長手方向の両辺に沿って、位置決め用突起部103および厚さ制御用突起部(非ドーナツ状)104が交互に3つずつ配置されている。
(パワーモジュールの構成)
第2の実施の形態に係るパワーモジュール200の平面構造は、図5(a)に示すように表わされ、パワーモジュール200の側面構造は、図5(b)に示すように表わされ、パワーモジュール200の底面構造は、図5(c)に示すように表わされる。
第2の実施の形態に係るパワーモジュール200を冷却器210に接合した放熱構造は、図6(a)および図6(b)に示すように表わされる。
(第1変形例)
第2の実施の形態の第1変形例に係るパワーモジュール200Aの底面構造は、図7(a)に示すように表わされる。すなわち、パワーモジュール200Aは、冷却器210と対峙する方向と直交する水平方向の、例えば矩形状のパッケージ201の長手方向の両辺のヒートシンク206cの端部付近における厚さ制御用突起部201aのほぼ同一の位置に、パッケージ201の短手方向(第1の方向)に沿って、ヒートシンク206c上の空間領域に達する2組の排出溝205が配置されている。
第2の実施の形態の第2変形例に係るパワーモジュール200Bの底面構造は、図7(b)に示すように表わされる。すなわち、パワーモジュール200Bは、冷却器210と対峙する方向と直交する水平方向の、例えば矩形状のパッケージ201の長手方向の両辺の中央付近およびヒートシンク206cの端部付近における厚さ制御用突起部201aのほぼ同一の位置に、パッケージ201の短手方向(第1の方向)に沿って、ヒートシンク206c上の空間領域に達する3組の排出溝205が配置されている。
第2の実施の形態の第3変形例に係るパワーモジュール200Cの底面構造は、図7(c)に示すように表わされる。すなわち、パワーモジュール200Cは、冷却器210と対峙する方向と直交する水平方向の、例えば矩形状のパッケージ201の短手方向の両辺の中央付近における厚さ制御用突起部201aのほぼ同一の位置に、パッケージ201の長手方向(第2の方向)に沿って、ヒートシンク206c上の空間領域に達する1組の排出溝205が配置されている。
第2の実施の形態の第4変形例に係るパワーモジュール200Dの底面構造は、図8(a)に示すように表わされる。すなわち、パワーモジュール200Dは、冷却器210と対峙する方向と直交する水平方向の、例えば矩形状のパッケージ201の短手方向の両辺のヒートシンク206cの端部付近における厚さ制御用突起部201aのほぼ同一の位置に、パッケージ201の長手方向(第2の方向)に沿って、ヒートシンク206c上の空間領域に達する2組の排出溝205が配置されている。
第2の実施の形態の第5変形例に係るパワーモジュール200Eの底面構造は、図8(b)に示すように表わされる。すなわち、パワーモジュール200Eは、冷却器210と対峙する方向と直交する水平方向の、例えば矩形状のパッケージ201の短手方向の両辺の中央付近およびヒートシンク206cの端部付近における厚さ制御用突起部201aのほぼ同一の位置に、パッケージ201の長手方向(第2の方向)に沿って、ヒートシンク206c上の空間領域に達する3組の排出溝205が配置されている。
第2の実施の形態の第6変形例に係るパワーモジュール200Fの底面構造は、図8(c)に示すように表わされる。すなわち、パワーモジュール200Fは、冷却器210と対峙する方向と直交する水平方向の、例えば矩形状のパッケージ201の長手方向の両辺の中央付近および短手方向の両辺の中央付近における厚さ制御用突起部201aのほぼ同一の位置に、パッケージ201の短手方向(第1の方向)および長手方向(第2の方向)に沿って、ヒートシンク206c上の空間領域に達する排出溝205が1組ずつの配置されている。
第2の実施の形態の第7変形例に係るパワーモジュール200Gの底面構造は、図9(a)に示すように表わされる。すなわち、パワーモジュール200Gは、冷却器210と対峙する方向と直交する水平方向の、例えば矩形状のパッケージ201の長手方向の両辺のヒートシンク206cの端部付近および短手方向の両辺のヒートシンク206cの端部付近における厚さ制御用突起部201aのほぼ同一の位置に、パッケージ201の短手方向(第1の方向)および長手方向(第2の方向)に沿って、ヒートシンク206c上の空間領域に達する排出溝205が2組ずつ配置されている。
第2の実施の形態の第8変形例に係るパワーモジュール200Hの底面構造は、図9(b)に示すように表わされる。すなわち、パワーモジュール200Hは、冷却器210と対峙する方向と直交する水平方向の、例えば矩形状のパッケージ201における厚さ制御用突起部201aの四隅のほぼ同一の位置に、ヒートシンク206c上の空間領域の四隅にそれぞれ達するように斜め方向に4つの排出溝205が配置されている。
第2の実施の形態の第9変形例に係るパワーモジュール200Iの底面構造は、図9(c)に示すように表わされる。すなわち、パワーモジュール200Iは、冷却器210と対峙する方向と直交する水平方向の、例えば矩形状のパッケージ201の長手方向の両辺の中央付近と短手方向の両辺の中央付近と四隅とにおける厚さ制御用突起部201aのほぼ同一の位置に、ヒートシンク206c上の空間領域にそれぞれ達するように、長手方向と短手方向と斜め方向の排出溝205が配置されている。
第3の実施の形態に係るパワーモジュール300であって、ツーインワンモジュール(2in1Module:ハーフブリッジ内蔵モジュール)において、樹脂層(封止体)115を形成前の平面パターン構成は図10に示すように表わされ、樹脂層115を形成後の鳥瞰構成は図12に示すように表わされる。また、第3の実施の形態に係るパワーモジュール300であって、半導体デバイスとして、SiC MOSFETを適用した図10に対応したツーインワンモジュール(ハーフブリッジ内蔵モジュール)の回路構成は、図11に示すように表わされる。
以下、実施の形態に係るパワーモジュールの具体例について説明する。
実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスの例であって、SiC MOSFETの模式的断面構造は、図16(a)に示すように表わされ、IGBTの模式的断面構造は、図16(b)に示すように表わされる。
実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイス310の例であって、SiC DI MOSFETの模式的断面構造は、図19に示すように表わされる。
実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイス310の例であって、SiC T MOSFETの模式的断面構造は、図20に示すように表わされる。
上記のように、本実施の形態を変形例と共に記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
201 (S1)・204 (S4)…ソース用分割リードフレーム
241 ・244 …ゲート用分割リードフレーム
261 ・264 …ソース信号用分割リードフレーム
32…ヒートシンク(電極パターン、放熱板)
321 ・324 …主配線導体(ドレイン電極パターン)
32n …主配線導体(ソース電極パターン)
100、100A、100B、100C、200、200A、200B、200C、200D、200E、200F、200G、200H、200I、300、300T、320…パワーモジュール
101、201…パッケージ(封止体)
102、202…リード端子
103…位置決め用突起部
104…厚さ制御用突起部(凸部、規制部)
106c、206c…ヒートシンク(放熱板)
110、210…冷却器(冷却体)
115…樹脂層(封止体)
120、121、220、221…熱伝導材
1241 ・1244 …信号基板
201a…厚さ制御用突起部(規制部)
205…排出溝
310、310A、Q、Q1、Q4…半導体デバイス(MOSFET、IGBT)
324…n+ ドレイン領域
324P…p+ コレクタ領域
326、326N…半導体基板(n- 高抵抗層)
328…pボディ領域
330…ソース領域
330E…エミッタ領域
332…ゲート絶縁膜
334…ソース電極
334E…エミッタ電極
336…ドレイン電極
336C…コレクタ電極
338…ゲート電極
338TG…トレンチゲート電極
344、344U、344B…層間絶縁膜
Claims (21)
- 半導体デバイスが接合された放熱板と、
前記放熱板の少なくとも一部を露出させるようにして、前記半導体デバイスの外囲を封止する封止体と、
前記封止体に設けられ、前記放熱板を、熱伝導材を用いて冷却体に接合する際の、前記熱伝導材の厚さを規制する規制部と
を備え、
前記封止体は、前記冷却体に接合する側の第1面と、前記第1面とは反対側を向く第2面とを備え、
前記放熱板の前記少なくとも一部は、前記封止体の前記第1面から露出されており、前記規制部は、前記封止体の前記第1面上に形成されており、
前記封止体の、前記放熱板の露出面側の周囲には、少なくとも3つの位置決め用突起部がさらに設けられ、
前記少なくとも3つの位置決め用突起部は、前記規制部を貫通するようにして設けられることを特徴とするパワーモジュール。 - 前記規制部は、前記冷却体と対峙する前記封止体の、前記放熱板の露出面側の周囲に設けられ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。
- 前記規制部は、前記冷却体と対峙する前記封止体の、前記放熱板の露出面側の4つの隅に配置されることを特徴とする請求項1または2に記載のパワーモジュール。
- 前記規制部は、少なくとも3つの凸部であることを特徴とする請求項1または2に記載のパワーモジュール。
- 前記規制部は、円柱状または角柱状を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 前記規制部は、前記放熱板の露出面上に所定の容量の前記熱伝導材を介在させるための空間領域を形成することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 半導体デバイスが接合された放熱板と、
前記放熱板の少なくとも一部を露出させるようにして、前記半導体デバイスの外囲を封止する封止体と、
前記封止体に設けられ、前記放熱板を、熱伝導材を用いて冷却体に接合する際の、前記熱伝導材の厚さを規制する規制部と
を備え、
前記封止体は、前記冷却体に接合する側の第1面と、前記第1面とは反対側を向く第2面とを備え、
前記放熱板の前記少なくとも一部は、前記封止体の前記第1面から露出されており、前記規制部は、前記封止体の前記第1面上に形成されており、
前記規制部は、前記放熱板の露出面よりも突出するように配置された凸部であり、
前記凸部は、前記放熱板の周囲を取り囲む平面視角形状または円形状を有し、
前記凸部は、前記放熱板の露出面上に所定の容量の前記熱伝導材を埋設するための空間領域を形成し、
前記凸部は、前記空間領域内で余剰となった前記熱伝導材を、前記空間領域外へと排出する排出溝を備えるパワーモジュール。 - 前記排出溝は、前記封止体の前記冷却体と対峙する方向とそれぞれ直交する第1の方向、前記第1の方向とは異なる第2の方向、もしくは前記第1の方向および前記第2の方向とは異なる第3の方向の、少なくともいずれか一方向に設けられることを特徴とする請求項7に記載のパワーモジュール。
- 前記半導体デバイスは、銅、銅合金、アルミニウム、もしくはアルミニウム合金のいずれかを配線の主成分とする回路基板に搭載されていることを特徴とする請求項1または請求項7に記載のパワーモジュール。
- 前記半導体デバイスは、金属とセラミックスと金属との接合体からなる回路基板に搭載されていることを特徴とする請求項1または請求項7に記載のパワーモジュール。
- 前記熱伝導材は、0.5W/mK〜300W/mKの熱伝導率を有することを特徴とする請求項1または請求項7に記載のパワーモジュール。
- 前記熱伝導材は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコ−ン樹脂、ウレタン樹脂、もしくはポリイミドのいずれかの有機物であることを特徴とする請求項11に記載のパワーモジュール。
- 前記熱伝導材は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコ−ン樹脂、ウレタン樹脂、もしくはポリイミドのいずれかの有機物に、金属粉またはセラミックス粉が混合された合成樹脂であることを特徴とする請求項11に記載のパワーモジュール。
- 前記熱伝導材は、加熱硬化型の半田または焼成銀であることを特徴とする請求項11に記載のパワーモジュール。
- 前記半導体デバイスは、IGBT、ダイオード、Si系MOSFET、SiC系MOSFET、GaN系FETのいずれか、または、複数の素子を備えることを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 半導体デバイスと、
前記半導体デバイスが接合された放熱板と、
前記放熱板の少なくとも一部を露出させるようにして、前記半導体デバイスの外囲を封止する封止体と、
前記封止体より露出する前記放熱板が、熱伝導材を介して接合される冷却体と、
前記封止体に設けられ、前記熱伝導材の厚さを規制する規制部と
を備え、
前記封止体は、前記冷却体に接合する側の第1面と、前記第1面とは反対側を向く第2面とを備え、
前記放熱板の前記少なくとも一部は、前記封止体の前記第1面から露出されており、前記規制部は、前記封止体の前記第1面上に形成されており、
前記規制部は、前記放熱板の周囲を取り囲むように配置された角形状または円形状を有する凸部であって、前記放熱板の露出面上に所定の容量の前記熱伝導材を埋設するための空間領域を形成し、
前記凸部は、前記空間領域内で余剰となった前記熱伝導材を、前記空間領域外へと排出する排出溝を備えることを特徴とするパワーモジュールの放熱構造。 - 前記規制部は、その厚みに応じて、前記熱伝導材の厚さが均一になるように制御することを特徴とする請求項16に記載のパワーモジュールの放熱構造。
- 前記規制部は、前記冷却体と対峙する前記封止体の、前記放熱板の露出面側の周囲に設けられることを特徴とする請求項16または17に記載のパワーモジュールの放熱構造。
- 半導体デバイスと、前記半導体デバイスが接合された放熱板と、前記放熱板の少なくとも一部を露出させるようにして、前記半導体デバイスの外囲を封止する封止体とを備えるパワーモジュールを、熱伝導材を介して冷却体に接合するパワーモジュールの接合方法であって、
前記封止体は、前記冷却体に接合する側の第1面と、前記第1面とは反対側を向く第2面とを備え、
前記封止体の前記第1面から露出された前記放熱板を、前記熱伝導材を介して前記冷却体に接合する時、前記熱伝導材の厚さを前記封止体の前記第1面上に形成、または前記封止体で前記第1面上に形成された規制部によって規制し、
前記規制部は、前記放熱板の周囲を取り囲むように配置された平面視角形状または円形状を有する凸部であって、前記放熱板の露出面上に所定の容量の前記熱伝導材を埋設するための空間領域を形成するものであり、
前記凸部は、前記空間領域内で余剰となった前記熱伝導材を、前記空間領域外へと排出する排出溝を備えていることを特徴とするパワーモジュールの接合方法。 - 前記規制部は、その厚みに応じて、前記熱伝導材の厚さが均一になるように制御することを特徴とする請求項19に記載のパワーモジュールの接合方法。
- 前記規制部は、前記冷却体と対峙する前記封止体の、前記放熱板の露出面側の周囲に設けられていることを特徴とする請求項19または20に記載のパワーモジュールの接合方法。
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