JP7369670B2 - パワーモジュール、およびパワーモジュールの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の第2の態様によるパワーモジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備える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の放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第1金属部材と、を備え、前記第1金属部材は、前記第1金属部材内に埋設される第2金属部材を有し、前記第2金属部材は、前記第1金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第1金属部材の厚さより薄い厚さであり、前記第1金属部材の厚さは、40-200μmである。
本発明の第3の態様によるパワーモジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備える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の放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第1金属部材と、を備え、前記第1金属部材は、前記第1金属部材内に埋設される第2金属部材を有し、前記第2金属部材は、前記第1金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第1金属部材の厚さより薄い厚さであり、前記第1金属部材と前記絶縁部材との間、又は前記第1金属部材と前記冷却部材との間に、金属間化合物層を形成する。
本発明の第4の態様によるパワーモジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備える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の放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第1金属部材と、を備え、前記第1金属部材は、前記第1金属部材内に埋設される第2金属部材を有し、前記第2金属部材は、前記第1金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第1金属部材の厚さより薄い厚さであり、前記パワー半導体素子と前記導体板とを接合する第2接合材の厚さをH1、前記導体板の厚さをH2、前記絶縁部材を構成する樹脂絶縁層の厚さをH3、前記絶縁部材を構成する金属箔の厚さをH4とし、前記第2接合材の線膨張係数をa1、前記導体板の線膨張係数をa2、前記樹脂絶縁層の線膨張係数をa3、前記金属箔の線膨張係数をa4とし、前記パワー半導体モジュールの温度と室温との温度差をΔTとし、前記パワー半導体モジュールの反り量ΔSを下記の式によって定義したときに、前記第1金属部材と前記第2金属部材の厚さの差は、前記ΔSの値より小さい。
ΔS=H1×a1×ΔT+H2×a2×ΔT+H3×a3×ΔT+H4×a4×ΔT
本発明の第5の態様によるパワーモジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備える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の放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第1金属部材と、を備え、前記第1金属部材は、前記第1金属部材内に埋設される第2金属部材を有し、前記第2金属部材は、前記第1金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第1金属部材の厚さより薄い厚さであり、前記絶縁部材と接触する前記第1金属部材の表面は凹凸形状を形成し、凸部の面積率は40%以上である。
本発明によるパワーモジュールの製造方法は、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備える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の放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第1金属部材と、を備えたパワーモジュールの製造方法であって、前記第1金属部材内に前記第1金属部材よりも硬い金属材料よりなる第2金属部材を埋設する第1工程と、前記第2金属部材を埋設した第1金属部材を冷却部材と接合する第2工程と、前記第1金属部材の厚さをプレス加工により薄くする第3工程と、前記第1金属部材に前記パワー半導体モジュールを密着する第4工程と、を備える。
パワーモジュール100は、一面に冷却部材45が配置されている。冷却部材45は、パワー半導体モジュール101に後述の第1金属部材20を介して当接している。パワー半導体モジュール101は、後述のパワー半導体素子32等の各構成要素を、封止樹脂6により封止されている。そして、冷却部材45の中に冷媒を流通することによりパワー半導体モジュール101を冷却する。冷媒には、水や水にエチレングリコールを混入した不凍液等を用いる。冷却部材45は、菅状の冷却部材45でもよいし、ピン状のフィンを用いてもよい。
絶縁部材44は、パワー半導体素子32から発生した熱を冷却部材45に伝達する部材であり、熱伝導率が高く、かつ、絶縁耐圧が大きい材料を用いて形成される。絶縁部材44は、金属箔43が接着された樹脂絶縁層42でもよく、Al2O3、AlN若しくはSi3N4等のセラミクス、又は、これらの微粉末を含有する絶縁シートでもよい。
ΔS=H1×a1×ΔT+H2×a2×ΔT+H3×a3×ΔT+H4×a4×ΔT
・・・・(1)
図5の例1および例2は、第2導体板34の厚さH2が4.0mmの場合を、例3および例4は、第2導体板34の厚さH2が2.0mmの場合を示す。さらに、図5の例1および例3は、温度差ΔT=100℃の場合を、例2および例4は、温度差ΔT=125℃の場合を示す。
R1=0.03P-2+0.012・・・(2)
ここで、R1はInの熱抵抗、Pは面圧を示す。
R2=t/(k×A)・・・(3)
ここで、R2は熱抵抗、tは伝熱方向の厚さ、kは熱伝達率、Aは伝熱の面積を表す。
面積A=100を基準として面積A=10から90の熱抵抗の増加割合を図6(B)の表に示す。
図6(C)では、面積A=100を基準にしたときの熱抵抗を基準値1とし、このときの規格化熱抵抗R1×R2を縦軸に、横軸に第1金属部材20の凸部20aの面積率(%)を表す。
図7(A)に示すように、第1工程では、第1金属部材20内に第2金属部材21を埋設する。第2金属部材21は、第1金属部材20よりも硬い金属材料であり、例えば複数の粒子など互いに分離した金属材料である。第1金属部材20は、圧延加工されたもので所定の長さでカットする。圧延加工の過程で第2金属部材21が第1金属部材20よりも突出することを防ぐために、第1金属部材20の厚さは第2金属部材21の厚さの1.5倍程度に加工する。
図8に示すように、パワーモジュール100’は、第1導体板30の上に樹脂絶縁層42’および金属箔43’よりなる絶縁部材44’が積層される。さらに、絶縁部材44’の上には、第1金属部材20’が積層される。
(1)パワーモジュール100、100’は、パワー半導体素子32と、パワー半導体素子32と電気的に接続される導体板30、34と、導体板30、34に積層される絶縁部材44、44’とを備えるパワー半導体モジュール101と、パワー半導体モジュール101の放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材45、45’と、絶縁部材44、44’と冷却部材45、45’との間に配置される第1金属部材20、20’と、を備え、第1金属部材20、20’は、第1金属部材20、20’内に埋設される第2金属部材21、21’を有し、第2金属部材21、21’は、第1金属部材20、20’よりも硬い金属材料であり、第1金属部材20、20’の厚さより薄い厚さである。これにより、冷却部材に熱を伝える金属の塑性変形を抑制し、放熱の信頼性を向上させることができる。
Claims (13)
- パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備える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の放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、
前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第1金属部材と、を備え、
前記第1金属部材は、前記第1金属部材内に埋設される第2金属部材を有し、前記第2金属部材は、前記第1金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第1金属部材の厚さより薄い厚さであり、Cu及びNi素材により構成されるパワーモジュール。 - パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備える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の放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、
前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第1金属部材と、を備え、
前記第1金属部材は、前記第1金属部材内に埋設される第2金属部材を有し、前記第2金属部材は、前記第1金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第1金属部材の厚さより薄い厚さであり、
前記第1金属部材の厚さは、40-200μmであるパワーモジュール。 - パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備える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の放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、
前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第1金属部材と、を備え、
前記第1金属部材は、前記第1金属部材内に埋設される第2金属部材を有し、前記第2金属部材は、前記第1金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第1金属部材の厚さより薄い厚さであり、
前記第1金属部材と前記絶縁部材との間、又は前記第1金属部材と前記冷却部材との間に、金属間化合物層を形成するパワーモジュール。 - 請求項3に記載のパワーモジュールにおいて、
前記第1金属部材は、前記絶縁部材または前記冷却部材の一方と面圧が印加された状態で接触するパワーモジュール。 - パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備える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の放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、
前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第1金属部材と、を備え、
前記第1金属部材は、前記第1金属部材内に埋設される第2金属部材を有し、前記第2金属部材は、前記第1金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第1金属部材の厚さより薄い厚さであり、
前記パワー半導体素子と前記導体板とを接合する第2接合材の厚さをH1、前記導体板の厚さをH2、前記絶縁部材を構成する樹脂絶縁層の厚さをH3、前記絶縁部材を構成する金属箔の厚さをH4とし、
前記第2接合材の線膨張係数をa1、前記導体板の線膨張係数をa2、前記樹脂絶縁層の線膨張係数をa3、前記金属箔の線膨張係数をa4とし、
前記パワー半導体モジュールの温度と室温との温度差をΔTとし、
前記パワー半導体モジュールの反り量ΔSを下記の式によって定義したときに、前記第1金属部材と前記第2金属部材の厚さの差は、前記ΔSの値より小さいパワーモジュール。
ΔS=H1×a1×ΔT+H2×a2×ΔT+H3×a3×ΔT+H4×a4×ΔT - パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備える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の放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、
前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第1金属部材と、を備え、
前記第1金属部材は、前記第1金属部材内に埋設される第2金属部材を有し、前記第2金属部材は、前記第1金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第1金属部材の厚さより薄い厚さであり、
前記絶縁部材と接触する前記第1金属部材の表面は凹凸形状を形成し、凸部の面積率は40%以上であるパワーモジュール。 - 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のパワーモジュールにおいて、
前記パワー半導体モジュールは、前記パワー半導体素子の両面に、前記導体板および前記絶縁部材を備え、
前記冷却部材、および前記第1金属部材は、前記パワー半導体モジュールの両面に設けられるパワーモジュール。 - 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のパワーモジュールにおいて、
前記第2金属部材は、互いに分離した金属材料であるパワーモジュール。 - 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のパワーモジュールにおいて、
前記第2金属部材は、少なくとも、平板状の前記パワー半導体素子に直交する方向から視て、前記パワー半導体素子の領域に対向する前記第1金属部材の領域内に設けられるパワーモジュール。 - パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備える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の放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第1金属部材と、を備えたパワーモジュールの製造方法であって、
前記第1金属部材内に前記第1金属部材よりも硬い金属材料よりなる第2金属部材を埋設する第1工程と、
前記第2金属部材を埋設した第1金属部材を冷却部材と接合する第2工程と、
前記第1金属部材の厚さをプレス加工により薄くする第3工程と、
前記第1金属部材に前記パワー半導体モジュールを密着する第4工程と、
を備えるパワーモジュールの製造方法。 - 請求項10に記載のパワーモジュールの製造方法において、
前記第2工程は、第1金属部材を加熱溶融させて、前記冷却部材と前記第1金属部材との間に金属間化合物を形成して接合する工程を含むパワーモジュールの製造方法。 - 請求項10に記載のパワーモジュールの製造方法において、
前記第2工程は、前記絶縁部材と当接する前記第1金属部材の面に、凸部の面積率が40%以上含むような凸部と凹部の加工を施す工程を含むパワーモジュールの製造方法。 - 請求項10に記載のパワーモジュールの製造方法において、
前記第3工程は、前記第1金属部材と前記第2金属部材の厚さの差が、前記パワー半導体モジュールの反り量ΔSより小さくなるように、第1金属部材の厚さを前記プレス加工により薄くするパワーモジュールの製造方法。
ここで、前記パワー半導体素子と前記導体板とを接合する第2接合材の厚さをH1、前記導体板の厚さをH2、前記絶縁部材を構成する樹脂絶縁層の厚さをH3、前記絶縁部材を構成する金属箔の厚さをH4とし、前記第2接合材の線膨張係数をa1、前記導体板の線膨張係数をa2、前記樹脂絶縁層の線膨張係数をa3、前記金属箔の線膨張係数をa4とし、前記パワー半導体モジュールの温度と室温との温度差をΔTとし、前記パワー半導体モジュールの反り量ΔSは下記の式によって定義する。
ΔS=H1×a1×ΔT+H2×a2×ΔT+H3×a3×ΔT+H4×a4×ΔT
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