JP7359642B2

JP7359642B2 - パワー半導体装置

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Publication number: JP7359642B2
Application number: JP2019194206A
Authority: JP
Inventors: 拓司安藤; 真紀高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2023-10-11
Anticipated expiration: 2039-10-25
Also published as: JP2021068838A

Description

本発明は、半導体モジュールの技術に関し、特に大電力の制御を行うためのパワーモジュールおよび該パワーモジュールを用いたパワー半導体装置に関するものである。

近年、産業機械や車両（例えば、自動車、鉄道車両）において、省エネルギーや精密な運転制御の観点から動力源の電動化および電子制御化が急速に進展しており、それに伴って、動力源（例えば、回転電機）の電力制御を行うためのパワーモジュールや該パワーモジュールを用いたパワー半導体装置（例えば、電力変換装置）の重要性が非常に高まっている。

動力源に対する高出力化要求から、動力源の電力制御を担うパワーモジュールも大電力化が必要になってきている。ただし、パワーモジュールの大電力化は、運転時の発熱量の増大と直結することから、パワーモジュールを構成する半導体素子（パワー半導体素子とも言う）の熱暴走を防止するため、効率的な熱対策（例えば、放熱や冷却）が必要になる。

これまで、半導体素子の放熱・冷却方法としては、半導体素子の近傍に放熱部材（例えば、ヒートシンク）を配設し、該放熱部材を冷媒（例えば、空気、水）に接触させて放熱・冷却する方法が一般的である。半導体素子から放熱部材への熱抵抗の低減や、放熱部材から冷媒への熱伝達の向上がポイントとなる。

例えば、特許文献１（特開2016-72281）には、半導体素子と、前記半導体素子が実装されたセラミックス回路基板とを備え、前記セラミックス回路基板は、互いに対向する一方面と他方面とを有するセラミックス基板と、前記セラミックス基板の前記一方面に接合され、かつ前記半導体素子に電気的に接続された金属回路板と、前記セラミックス基板の前記他方面に接合された金属放熱板とを含み、前記金属回路板の厚さは、前記金属放熱板の厚さよりも大きく、前記金属放熱板の前記セラミックス基板と反対側の面の表面積は、前記金属回路板の前記セラミックス基板と反対側の面の表面積よりも大きく、前記金属放熱板に所定のグリースを介して取り付けられたヒートシンクを更に備える半導体装置、が開示されている。

また、特許文献２（特開2017-212286）には、放熱装置と、前記放熱装置上の装着面上に配置された取り付けフレームと、前記取り付けフレームに基づいて装着され、半導体デバイスを封止したパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュール上に断熱シートを介して搭載され、前記パワー半導体モジュールを駆動する駆動回路部とを備え、前記放熱装置が内部に水冷式の冷却器または外部に空冷式の冷却器を備えるインテリジェントパワーモジュール、が開示されている。

特開２０１６－７２２８１号公報特開２０１７－２１２２８６号公報

前述したように、産業機械や車両の動力源の電動化および電子制御化が近年ますます進展しており、動力源には高出力化に加えて小型化も要求されている。その結果、パワーモジュールやパワー半導体装置に対しても小型化要求が強まっており、半導体素子の高密度実装化が検討されている。さらに、動力源機構全体としての小型化の観点から、動力源とパワー半導体装置との近接配置（例えば、一体化）が求められている。

これらの要求は、すべて運転時における発熱の体積密度の増大につながるため、従来以上に効率的な熱対策が必要になる。また、高出力化（すなわち大電力化）および小型化は、電気絶縁性を確保するための対策も重要になる。

動力源本体においては、高出力化・小型化要求に伴う熱対策と電気絶縁性とを満たすため、電気絶縁油の流通による冷却および電気絶縁性確保の両立が検討されている。一方、パワー半導体装置に関しては、パワーモジュールの大電力化や高密度実装化による発熱量の増大に加えて、動力源に近接配置することによる動力源からの伝熱も考慮する必要があり、熱環境は従来よりも大変厳しいものになる。

ここで、パワー半導体装置の熱対策として熱伝達性が高い水冷機構の配設が考えられるが、動力源本体の油冷機構とパワー半導体装置の水冷機構との併設は、動力源機構全体の小型化に反することから好ましくない。そこで、パワー半導体装置の冷却を動力源本体の油冷機構と共通化するというアイデアが考えられる。

しかしながら、油への熱伝達性は、水への熱伝達性と比較して1/4～1/5レベルに低下するため、水冷機構の冷却能を想定して油冷機構を利用すると、熱対策として不十分になる可能性がある。言い換えると、油冷機構を使用しても十分な放熱性を可能にする放熱構造の開発が求められる。

したがって、本発明の目的は、厳しい熱環境に対応すべく、油冷媒を使用しても十分な放熱性を可能にする放熱構造を有するパワーモジュール、および該パワーモジュールを用いかつ油冷機構を具備するパワー半導体装置を提供することにある。

本発明の一態様は、冷媒に接触させて冷却するパワーモジュールであって、
半導体素子と、
前記半導体素子の一方の表面と電気的接続した第１入出力端子と、
前記半導体素子の他方の表面と電気的接続した第２入出力端子とを有し、
前記半導体素子、前記第１入出力端子および前記第２入出力端子が、電気絶縁材で封止されており、
前記冷媒と接触する前記パワーモジュールの表面に、所定のミクロ凹凸構造を有する熱放射金属層を有することを特徴とするパワーモジュール、を提供するものである。
なお、本発明において、ミクロ凹凸構造とは凹凸のギャップ（凹凸の高低差）が100μm未満（0.1 mm未満）の場合と定義する。

（II）本発明の他の一態様は、パワーモジュールを用いたパワー半導体装置であって、
前記パワーモジュールは、上記のパワーモジュールであり、
前記熱放射金属層と接触する前記冷媒を流通させる冷却チャネルを具備し、
前記冷却チャネルを構成する冷却チャネル壁が波長1μm以上8μm以下の赤外線を透過する誘電体からなることを特徴とするパワー半導体装置、を提供するものである。

本発明によれば、厳しい熱環境下にあって油冷媒を使用しても十分な放熱性を可能にする放熱構造を有するパワーモジュール、および該パワーモジュールを用いかつ油冷機構を具備するパワー半導体装置を提供することができる。

第１実施形態に係るパワーモジュールの一例を示す斜視模式図である。図１Ａのパワーモジュールを用いたパワー半導体装置の一例を示す断面模式図である。第２実施形態に係るパワーモジュールの一例を示す斜視分解模式図である。図２Ａのパワーモジュールを用いたパワー半導体装置の一例を示す断面模式図である。

本発明は、上述したパワーモジュール（I）において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（i）前記冷媒が電気絶縁油である。
（ii）絶縁基板を更に有し、前記絶縁基板の一方の表面上に前記半導体素子が配設され、前記絶縁基板の他方の表面上に放熱層が配設され、前記放熱層の表面領域に前記熱放射金属層が形成されている。
（iii）前記第１入出力端子および前記第２入出力端子が、前記半導体素子を両面から挟み込むように接合され、前記第１入出力端子における前記半導体素子と接合した面と反対側の面の一部、および前記第２入出力端子における前記半導体素子と接合した面と反対側の面の一部が、共に前記冷媒と接触する表面である。
（iv）前記所定のミクロ凹凸構造は、該凹凸のピッチが0.5μm以上10μm以下の範囲内にあり、該凹凸のギャップが0.25μm以上10μm以下の範囲内にある。
（v）前記熱放射金属層の表面上に保護層が形成され、前記保護層が波長1μm以上8μm以下の赤外線を透過する誘電体からなる。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながらより具体的に説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、公知技術と適宜組み合わせたり公知技術に基づいて改良したりすることが可能である。また、同義の部材に同じ符号を付して、重複する説明を省略することがある。

［第１実施形態］
図１Ａは、第１実施形態に係るパワーモジュールの一例を示す斜視模式図であり、図１Ｂは、図１Ａのパワーモジュールを用いたパワー半導体装置の一例を示す断面模式図である。

なお、図１Ａにおいては、パワーモジュールの内部構成が分かり易くなるように、電気絶縁材による封止の図示を省略している。また、図１Ａ、図１Ｂでは三端子のパワーモジュールを図示しているが、本発明はそれに限定されるものではなく、例えば二端子のパワーモジュールであってもよい。

図１Ａに示したように、パワーモジュール100は、一方の表面上に回路層112が形成され他方の表面上に放熱層113が形成された絶縁基板111と、回路層112の上に配設された半導体素子121と、回路層112を介して半導体素子121の一方の表面と電気的接続した第１入出力端子131と、導電ワイヤ134および回路層112を介して半導体素子121の他方の表面と電気的接続した第２入出力端子132と、導電ワイヤ134および回路層112を介して半導体素子121を制御するゲート信号を送信するゲート信号端子133を有する。

パワーモジュール100は、放熱層113を冷媒に接触させて冷却するパワーモジュールであり、放熱層113は、放熱層基材113aの表面領域に、所定のミクロ凹凸構造を有する熱放射金属層113bが形成された構造を有する。

図１Ａでは図示していないが、電気絶縁性の観点から、半導体素子121、導電ワイヤ134、回路層112、第１入出力端子131、第２入出力端子132およびゲート信号端子133は、電気絶縁材141（図１Ｂ参照）で封止されることが好ましい。

また、図１Ｂに示したように、パワー半導体装置150は、図１Ａのパワーモジュール100を用いたパワー半導体装置であり、放熱層113と接触する冷媒162を流通させる冷却チャネル161を具備する。冷却チャネル161は、その冷却チャネル壁163が波長1μm以上8μm以下の赤外線を透過する誘電体からなることが好ましい。なお、本発明において、赤外線を透過するとは、波長1μm以上8μm以下の帯域に透過率が50％以上となる帯域が含まれることを意味するものとする。

パワー半導体装置150において、封止ケース142は必須の構成ではなく、電気絶縁材141の材料に合わせて封止ケース142を配設してもよいし配設しなくてもよい。

つぎに、パワーモジュール100およびパワー半導体装置150の各構成部材について、より詳細に説明する。

半導体素子121は、電力制御用パワーモジュールで必要とされる機能を発揮するかぎり特段の限定はなく、従前の半導体素子、例えば、整流ダイオード、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーMOSFET（Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、MOSGTOサイリスタ（MOS Gate Turn-Off thyristor）などを適宜利用できる。

絶縁基板111は、電力制御用パワーモジュールで必要とされる性状（例えば、耐電圧性、比誘電率、機械的強度）を満たすかぎり特段の限定はなく、従前の絶縁基板（例えば、セラミックス基板、樹脂基板）を適宜利用できる。また、絶縁基板111の厚さは、例えば0.1 mm以上5 mm以下の範囲内で適宜選定できる。

セラミックス基板の例としては、アルミナ（Al₂O₃）基板、アルミナジルコニア（Al₂O₃/ZrO₂）基板、窒化アルミニウム（AlN）基板、窒化ケイ素（SiN）基板、ステアタイト（MgO-SiO₂）基板などが挙げられる。樹脂基板の例としては、紙やガラス布や複合材を基材とした上で、フェノール樹脂基板、エポキシ樹脂基板、ポリイミド樹脂基板、フッ素樹脂基板、ビスマレイミドトリアジン樹脂基板などが挙げられる。

回路層112も、電力制御用パワーモジュールで必要とされる性状（例えば、導電性、通電電流量、コスト）を満たすかぎり特段の限定はなく、従前の回路層（例えば、アルミニウム（Al）回路層、銅（Cu）回路層、Cu合金回路層）を適宜利用できる。回路層112の厚さは、例えば0.01 mm以上3 mm以下の範囲内で適宜選定できる。また、回路層112と導電部品（例えば、半導体素子、入出力端子、ゲート信号端子）との接合性の観点から、回路層11の表面の一部に接合金属層（例えば、金（Au）層、銀（Ag）層、ニッケル（Ni）層）をめっき形成してもよい。

導電ワイヤ134も、電力制御用パワーモジュールで必要とされる性状（例えば、導電性、通電電流量、コスト）を満たすかぎり特段の限定はなく、従前の導電ワイヤ（例えば、Alワイヤ、Cuワイヤ）を適宜利用できる。

放熱層113は、放熱層基材113aと、その表面領域に形成された熱放射金属層113bとからなる。放熱層基材113aは、良好な熱伝導性を有することが重要であり、回路層112と同様の材料（例えば、Al、Cu、Cu合金）を好適に利用できる。放熱層基材113aの厚さに特段の限定はなく、例えば0.01～3 mmの範囲内で適宜選定できる。放熱層基材113aの厚さと回路層112の厚さとの間に関連性はなく、異なっていてもよいし同じでもよい。

絶縁基板111上への回路層112および放熱層113の形成方法に特段の限定はなく、従前の方法を適宜利用できる。例えば、接合材（はんだ、金属ペーストなど）を介した貼付接合により一体化することができる。

本実施形態においては、放熱層基材113aの表面領域に、所定のミクロ凹凸構造を有する熱放射金属層113bが形成されている点に大きな特徴がある。当該ミクロ凹凸構造は、凹凸のピッチ（熱放射金属層113bの面内方向のピッチ）が0.5μm以上10μm以下の範囲内にあり、凹凸のギャップ（熱放射金属層113bの厚さ方向のギャップ）が0.25μm以上10μm以下の範囲内にあることが好ましい。

熱放射金属層113bのミクロ凹凸構造をそのような範囲内に制御することにより、熱放射金属層113bの表面から波長1μm以上8μm以下の赤外線が選択的に放射される。これは、金属体の表面に周期的なミクロ凹凸構造を形成すると、表面プラズモンが特定の周波数で共鳴して当該特定の周波数（すなわち、特定の波長）の電磁波を放射するようになるためである。具体的には、波長1μm以上8μm以下の赤外線の放射スペクトル積分量が、波長1μm以上20μm以下の赤外線の放射スペクトル積分量に対して0.4以上の比率を占めるようになる。

熱放射金属層113bの形成方法に特段の限定はなく、従前の方法を適宜利用できる。例えば、放熱層基材113aの表面に対して、フォトリソグラフィ法によってミクロ凹凸構造を形成してもよいし、蒸着などの気相成膜法によってミクロ凹凸構造を形成してもよいし、平均粒径1～4μmの金属粒子を付着させてミクロ凹凸構造を形成してもよい。

なお、物質の面における電磁波の放射率や吸収率は、電磁界解析手法によるシミュレーションやフーリエ変換赤外分光光度計等による測定で得ることができる。また、キルヒホッフの法則により、局所熱平衡状態では電磁波の放射率と吸収率とは等しいとされている。そこで、熱放射面に対して電磁波を入射したときの、各波長の透過率と反射率とを測定すると、
関係式「放射率＝吸収率＝1－透過率－反射率」
により放射率を算出することができる。

図１Ａ、図１Ｂには図示していないが、熱放射金属層113bのミクロ凹凸構造を物理的に保護するために、その表面上に保護層が形成されていてもよい。このとき、保護層は、波長1μm以上8μm以下の赤外線を透過する誘電体（例えば、樹脂材、セラミックス材）からなることが好ましい。そのような誘電体は、熱放射金属層113bから放射される赤外線にとって透明と見なせるためである。

保護層となる樹脂材の例としては、フェノール樹脂、アルキド樹脂、アミノアルキド樹脂、ユリア樹脂、シリコーン樹脂、メラミン尿素樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、酢酸ビニル樹脂、アクリル樹脂、塩化ゴム系樹脂、塩化ビニル樹脂、フッ素樹脂などが挙げられる。これらの樹脂材を二種以上組み合わせたものでもよい。また、耐熱性の観点からは、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂などが好ましい。

保護層となるセラミックス材の例としては、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化リチウム、二酸化ケイ素などが挙げられる。これらのセラミックス材を二種以上組み合わせたものでもよい。また、上記の樹脂材と複合したものでもよい。

電気絶縁材141は、電力制御用パワーモジュールで必要とされる性状（例えば、電気絶縁性、耐電圧性、耐アーク放電性、耐熱性）を満たすかぎり特段の限定はなく、従前の電気絶縁材（例えば、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーンゲル、電気絶縁ガス）を適宜利用できる。なお、電気絶縁材141の流動性が高い場合は、封止ケース142を配設した方がよい。

前述したように、本発明のパワーモジュールおよびパワー半導体装置は、油冷機構による冷却・放熱を前提としていることから、冷媒162として電気絶縁油を用いることが好ましい。電気機器・電子機器に対する使用で必要とされる性状（例えば、電気絶縁性、耐熱性、難燃性、耐酸化性）を満たすかぎり特段の限定はなく、従前の電気絶縁油（例えば、鉱物油、アルキベンゼン、ポリブデン、アルキルナフタレン、アルキルジフェニルアルカン、エステル油、シリコーン油、植物油脂）を適宜利用できる。

［第２実施形態］
図２Ａは、第２実施形態に係るパワーモジュールの一例を示す斜視分解模式図であり、図２Ｂは、図２Ａのパワーモジュールを用いたパワー半導体装置の一例を示す断面模式図である。

なお、図２Ａにおいては、パワーモジュールの内部構成が分かり易くなるように、電気絶縁材による封止の図示を省略している。また、図２Ａ、図２Ｂでは三端子のパワーモジュールを図示しているが、本発明はそれに限定されるものではなく、例えば二端子のパワーモジュールであってもよい。

図２Ａに示したように、パワーモジュール200は、第１入出力端子231が接合材（例えば、はんだ、金属ペースト）を介して半導体素子221の一方の表面と電気的接続し、第２入出力端子232が接合材を介して半導体素子221の他方の表面と電気的接続し、ゲート信号端子233が導電ワイヤ234を介して半導体素子221の一方の表面と電気的接続する。すなわち、第１入出力端子231および第２入出力端子232が、半導体素子221を両面から挟み込むように接合される。

パワーモジュール200も、冷媒に接触させて冷却するパワーモジュールであり、第１入出力端子231における半導体素子221と接合した面と反対側の表面の一部、および第２入出力端子232における半導体素子221と接合した面と反対側の表面の一部に、冷媒と接触する熱放射金属層213bが形成されている。前述したパワーモジュール100と比較すると、パワーモジュール200の第１入出力端子231および第２入出力端子232は、パワーモジュール100の放熱層基材113aを兼ねていると見なすことができる。

図２Ａでは図示していないが、電気絶縁性および機械的安定性の観点から、半導体素子221、導電ワイヤ234、第１入出力端子231、第２入出力端子232およびゲート信号端子233は、電気絶縁材241（図２Ｂ参照）で封止されることが好ましい。

また、図２Ｂに示したように、パワー半導体装置250は、図２Ａのパワーモジュール200を用いたパワー半導体装置であり、熱放射金属層213bと接触する冷媒262を流通させる冷却チャネル261を具備する。冷却チャネル261は、その冷却チャネル壁263が波長1μm以上8μm以下の赤外線を透過する誘電体からなることが好ましい。

第２実施形態のパワーモジュール200およびパワー半導体装置250の各構成部材は、第１実施形態のパワーモジュール100およびパワー半導体装置150と同様のものを利用できる。また、第１実施形態と同様に、熱放射金属層213bのミクロ凹凸構造を物理的に保護するために、その表面上に保護層が形成されていてもよい。

以下、種々の実験により本発明をさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実験に記載された構成・構造に限定されるものではない。

［実験１］
（実施例１－１～１－２および比較例１の模擬パワーモジュールの作製）
放熱層の構造による放熱特性の変化を試験評価するため、３種類の模擬パワーモジュールを作製した。まず、絶縁基板としてSiN基板（縦50 mm×横50 mm×厚さ0.635 mm）を用い、一方の表面上に回路層としてCu板（JIS C1020、縦48 mm×横48 mm×厚さ1.3 mm）を貼り付け、他方の表面上に放熱層としてCu板（JIS C1020、縦48 mm×横48 mm×厚さ1.0 mm）を貼り付けたものを用意した。

つぎに、第１実施形態（図１Ａ、図１Ｂ参照）を模する模擬パワーモジュール用として、放熱層のCu板の表面領域に、フォトリソグラフィ法を用いてミクロ凹凸構造（円柱状凹部：直径2μm×深さ2μm、円柱状凹部の面内方向ピッチ4.2μm）を有する熱放射金属層を形成した。また、第１実施形態を模する他の模擬パワーモジュール用として、放熱層のCu板の表面領域に、Cu粉末（平均粒径2μm）を付着接合して粒子状のミクロ凹凸構造を有する熱放射金属層を形成した。一方、比較例の模擬パワーモジュール用として、放熱層の表面領域にミクロ凹凸構造を形成しない（熱放射金属層を有しない）ものも用意した。

ミクロ凹凸構造を形成した放熱層の赤外線放射量とミクロ凹凸構造を形成していない放熱層の赤外線放射量とを、フーリエ変換赤外分光光度計により計測した。その結果、円柱状凹部のミクロ凹凸構造を形成した放熱層における、波長1～8μmの赤外線の放射スペクトル積分量は、波長1～20μmの赤外線の放射スペクトル積分量に対して0.6以上であった。粒子状のミクロ凹凸構造を形成した放熱層における、波長1～8μmの赤外線の放射スペクトル積分量は、波長1～20μmの赤外線の放射スペクトル積分量に対して0.5以上であった。一方、ミクロ凹凸構造を形成していない放熱層における、波長1～8μmの赤外線の放射スペクトル積分量は、波長1～20μmの赤外線の放射スペクトル積分量に対して0.2程度であった。

発熱源となる半導体素子の代用としては、市販のポリイミド製のフィルムヒータ（縦12 mm×横12 mm×厚さ0.2 mm）の両面にCu板（JIS C1020、縦12 mm×横12 mm×厚さ1 mm）を貼り付けた模擬半導体素子を用意した。

つぎに、用意した模擬半導体素子を回路層のCu板上にはんだ接合し、その後、模擬半導体素子と回路層とを市販のシリコーンゲルで被覆封止した（放熱層は露出している）。これにより、放熱層表面に円柱状凹部のミクロ凹凸構造を有する実施例１－１、放熱層表面に粒子状のミクロ凹凸構造を有する実施例１－２、および放熱層表面にミクロ凹凸構造を有しない比較例１の模擬パワーモジュールを作製した。

（実施例１－１～１－２および比較例１の模擬パワー半導体装置の作製および放熱特性試験）
樹脂製の容器（冷却チャネル壁に相当）内に市販のエステル系電気絶縁油（冷媒に相当）を満たして冷却チャネルを用意し、上記で用意した模擬パワーモジュールの放熱層を冷媒に浸すように配置して実施例１－１～１－２および比較例１の模擬パワー半導体装置を作製した。

なお、使用した樹脂製容器およびエステル系電気絶縁油の赤外線透過率を別途測定したところ、いずれも波長1～8μmの赤外線の透過率が90％以上であった。すなわち、使用した樹脂製容器およびエステル系電気絶縁油は、当該赤外線に対してほぼ透明であると見なせる。

つぎに、模擬パワー半導体装置の放熱特性試験を行った。冷媒の温度が60±1℃となるように温度調節しながら冷媒を循環させ、模擬半導体素子の温度が150±1℃となるように調整しながら投入電力P（単位：W）を計測した。なお、模擬パワー半導体装置は、模擬パワーモジュールの放熱層が室温環境の机の天板面と対面するように設置した。

模擬パワー半導体装置の放熱特性は、模擬パワーモジュールから設置環境への実効熱伝達性h_e（単位：W／(m²・K)）と考えることができる。すなわち、模擬半導体素子への投入電力P（単位：W）、模擬半導体素子の温度T_s（150℃＝423 K）、冷媒の温度T_c（60℃＝333 K）、模擬半導体素子の面積A（12 mm×12 mm＝1.44×10^-4 m²）から、
関係式「h_e＝P／A(T_s－T_c)」
により求めることができる。

比較例１（放熱層表面にミクロ凹凸構造なし）の模擬パワー半導体装置における放熱特性を基準として、実施例１－１（放熱層表面に円柱状凹部のミクロ凹凸構造あり）の模擬パワー半導体装置および実施例１－２（放熱層表面に粒子状のミクロ凹凸構造あり）の模擬パワー半導体装置における放熱特性の比率を求めた。結果を表１に示す。表１から明らかなように、実施例１－１および実施例１－２の模擬パワー半導体装置は、それぞれ比較例１のそれよりも約2.4倍および約2.1倍の放熱特性を示すことが確認された。

［実験２］
（実施例２および比較例２のパワー半導体装置の作製および通電試験）
第１実施形態に係るパワー半導体装置（図１Ｂ参照）を作製した。まず、絶縁基板としてAlN基板（縦50 mm×横50 mm×厚さ0.635 mm）を用い、一方の表面上に回路層としてCu板（JIS C1020、縦48 mm×横48 mm×厚さ0.3 mm）を貼り付け、他方の表面上に放熱層としてCu板（JIS C1020、縦48 mm×横48 mm×厚さ0.2 mm）を貼り付けたものを用意した。

つぎに、実施例２のパワーモジュール用として、放熱層のCu板の表面領域に、実験１と同様にミクロ凹凸構造（円柱状凹部：直径2μm×深さ2μm、円柱状凹部の面内方向ピッチ4.2μm）を有する熱放射金属層を形成した。一方、比較例２のパワーモジュール用として、放熱層の表面領域にミクロ凹凸構造を形成しない（熱放射金属層を有しない）ものも用意した。

半導体素子としてIGBTおよびダイオード素子を用意し、それらを焼結型Cu接合ペーストを用いて回路層の上に接合した。導電ワイヤとしてAlワイヤ（JIS A1050、直径0.3 mm）を用意し、半導体素子と導電ワイヤと回路層との接合は、超音波接合法により行った。その後、半導体素子と回路層と導電ワイヤとを市販のシリコーンゲルで被覆封止した（放熱層は露出している）。これにより、実施例２および比較例２のパワーモジュールを作製した。

つぎに、実験１と同様にして、冷却チャネルと組み合わせて実施例２および比較例２のパワー半導体装置を作製した。

作製した実施例２および比較例２のパワー半導体装置に対して、実験１と同様に冷媒の温度が60±1℃となるように温度調節しながら冷媒を循環させ、IGBTの温度が150±1℃となるように調整しながら投入電流量を計測した。その結果、実施例２のパワー半導体装置は、比較例２のそれに比して約1.5倍の電流量を投入できることが確認された。これは、実施例２のパワー半導体装置の放熱特性が比較例２よりも高いことに起因すると考えられる。

［実験３］
（実施例３のパワー半導体装置の作製および通電試験）
まず、実施例２と同じ回路層／絶縁基板／放熱層の積層基板を用意した。つぎに、実施例３のパワーモジュール用として、放熱層のCu板の表面領域に、ミクロ凹凸構造（円柱状凹部：直径1.5μm×深さ1.5μm、円柱状凹部の面内方向ピッチ3μm）を有する熱放射金属層を形成した。

上記のミクロ凹凸構造を形成した放熱層の赤外線放射量を、フーリエ変換赤外分光光度計により計測した。その結果、波長1～8μmの赤外線の放射スペクトル積分量は、波長1～20μmの赤外線の放射スペクトル積分量に対して0.4以上であった。

つぎに、実施例２と同様に、IGBTおよびダイオード素子を、焼結型Cu接合ペーストを用いて回路層の上に接合した。半導体素子と導電ワイヤと回路層との接合は、超音波接合法により行った。その後、半導体素子と回路層と導電ワイヤとを市販のシリコーンゲルで被覆封止し（放熱層は露出している）、熱放射金属層のミクロ凹凸構造を物理的に保護するために、その表面上にアクリル樹脂の保護層（厚さ50μm）を形成した。これにより、実施例３のパワーモジュールを作製した。

作製した実施例３のパワー半導体装置に対し、実験２と同じ通電試験を行った。その結果、実施例３のパワー半導体装置は、実施例２のそれと同等の電流量（すなわち、比較例２のそれに比して約1.5倍の電流量）を投入できることが確認された。これは、熱放射金属層のミクロ凹凸構造の上に形成した保護層は、放熱特性に悪影響を及ぼさないことを意味する。

［実験４］
（実施例４および比較例４のパワー半導体装置の作製および通電試験）
第２実施形態に係るパワーモジュールおよびパワー半導体装置（図２Ａ、図２Ｂ参照）を作製した。半導体素子としてIGBTおよびダイオード素子を用意し、第１入出力端子および第２入出力端子としてCu板（JIS C1020、縦80 mm×横40 mm（最長部）×厚さ1 mm（最薄部）～1.5 mm（最厚部））を用意し、ゲート信号端子としてCu板（JIS C1020、縦35 mm×横5 mm×厚さ0.5 mm）を用意し、導電ワイヤとしてAlワイヤ（JIS A1050、直径0.3 mm）を用意した。

実施例４のパワーモジュール用として、第１入出力端子および第２入出力端子のCu板の外側の表面領域に（第１入出力端子および第２入出力端子において半導体素子と接合する面と反対側の面の表面領域に）、実験３と同様にミクロ凹凸構造（円柱状凹部：直径1.5μm×深さ1.5μm、円柱状凹部の面内方向ピッチ3μm）を有する熱放射金属層を形成した。一方、比較例４のパワーモジュール用として、第１入出力端子および第２入出力端子の外側の表面領域にミクロ凹凸構造を形成しない（熱放射金属層を有しない）ものも用意した。

第１入出力端子および第２入出力端子で半導体素子を両面から挟み込むように接合する際に、第１入出力端子の熱放射金属層を形成していない面と半導体素子との接合、および第２入出力端子の熱放射金属層を形成していない面と半導体素子との接合は、焼結型Cu接合ペーストを用いて行った。半導体素子と導電ワイヤとゲート信号端子との接合は、超音波接合法により行った。

その後、第１入出力端子と半導体素子と導電ワイヤとゲート信号端子と第２入出力端子とをトランスファーモールド法によりエポキシ系樹脂で封止した。このとき、第１入出力端子および第２入出力端子における半導体素子と接合した面と反対側の面の表面は、樹脂封止せずにCu板が露出するようにした。これにより、実施例４および比較例４のパワーモジュールを作製した。

つぎに、樹脂製の容器（冷却チャネル壁に相当）内に市販のエステル系電気絶縁油を満たして冷却チャネルを用意し、上記で用意したパワーモジュールを電気絶縁油に浸すように配置して実施例４および比較例４の模擬パワー半導体装置を作製した。

作製した実施例２および比較例２のパワー半導体装置に対して、実験１と同様に電気絶縁油の温度が60±1℃となるように温度調節しながら冷媒を循環させ、IGBTの温度が150±1℃となるように調整しながら投入電流量を計測した。その結果、実施例４のパワー半導体装置は、比較例４のそれに比して約1.4倍の電流量を投入できることが確認された。これは、実施例４のパワー半導体装置の放熱特性が比較例４よりも高いことに起因すると考えられる。

上述した実施形態や実験例は、本発明の理解を助けるために説明したものであり、本発明は、記載した具体的な構成のみに限定されるものではない。例えば、実施形態の構成の一部を当業者の技術常識の構成に置き換えることが可能であり、また、実施形態の構成に当業者の技術常識の構成を加えることも可能である。すなわち、本発明は、本明細書の実施形態や実験例の構成の一部について、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。

100…パワーモジュール、
111…絶縁基板、112…回路層、
113…放熱層、113a…放熱層基材、113b…熱放射金属層、121…半導体素子、
131…第１入出力端子、132…第２入出力端子、133…ゲート信号端子、
134…導電ワイヤ、141…電気絶縁材、142…封止ケース、
150…パワー半導体装置、
161…冷却チャネル、162…冷媒、163…冷却チャネル壁、
200…パワーモジュール、
213b…熱放射金属層、221…半導体素子、
231…第１入出力端子、232…第２入出力端子、233…ゲート信号端子、
234…導電ワイヤ、241…電気絶縁材、
250…パワー半導体装置、
261…冷却チャネル、262…冷媒、263…冷却チャネル壁。

Claims

パワーモジュールを用いたパワー半導体装置であって、
前記パワーモジュールは、冷媒に接触させて冷却するパワーモジュールであり、
半導体素子と、
前記半導体素子の一方の表面と電気的接続した第１入出力端子と、
前記半導体素子の他方の表面と電気的接続した第２入出力端子とを有し、
前記半導体素子、前記第１入出力端子および前記第２入出力端子が、電気絶縁材で封止されており、
前記冷媒と接触する前記パワーモジュールの表面に、所定のミクロ凹凸構造を有する熱放射金属層を有し、ことを特徴とするパワーモジュール
前記パワー半導体装置は、前記熱放射金属層と接触する前記冷媒を流通させる冷却チャネルを更に具備し、
前記冷却チャネルを構成する冷却チャネル壁が波長1μm以上8μm以下の赤外線を透過する誘電体からなることを特徴とするパワー半導体装置。
請求項１に記載のパワー半導体装置において、
前記冷媒が電気絶縁油であることを特徴とするパワー半導体装置。
請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体装置において、
絶縁基板を更に有し、
前記絶縁基板の一方の表面上に前記半導体素子が配設され、
前記絶縁基板の他方の表面上に放熱層が配設され、
前記放熱層の表面領域に前記熱放射金属層が形成されていることを特徴とするパワー半導体装置。
請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体装置において、
前記第１入出力端子および前記第２入出力端子が、前記半導体素子を両面から挟み込むように接合され、
前記第１入出力端子における前記半導体素子と接合した面と反対側の面の一部、および前記第２入出力端子における前記半導体素子と接合した面と反対側の面の一部が、共に前記冷媒と接触する表面であることを特徴とするパワー半導体装置。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
前記所定のミクロ凹凸構造は、該凹凸のピッチが0.5μm以上10μm以下の範囲内にあり、該凹凸のギャップが0.25μm以上10μm以下の範囲内にあることを特徴とするパワー半導体装置。
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
前記熱放射金属層の表面上に保護層が形成され、
前記保護層が波長1μm以上8μm以下の赤外線を透過する誘電体からなることを特徴とするパワー半導体装置。