JP7844641B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

両面冷却型の電力変換装置において、半導体モジュールのリードフレームのはんだ付けの工程では、各部材の寸法ばらつきや接合時の部材同士の平行度のばらつきなどが生じた状態で、オーバーモールドされる。しかし、このオーバーモールドした樹脂の熱伝導率の低さを考慮する必要があるため、樹脂部分を研削して伝熱板の面を露出させる必要があり、これにより基板に複数並べる半導体モジュールの高さにばらつきが生じる。そのため、このような高さのばらつきを解消し、かつさらに信頼性を向上させた装置が求められている。

例えば、下記の特許文献１では、こうした高さのばらつきを吸収するため、熱伝導材としてＴＩＭ（Thermal Interface Material）を配置してばらつき吸収と放熱性の向上を両立させている半導体モジュールの構成について開示されている。

国際公開１９９９／１６１２８号公報

従来では、装置の高さばらつき吸収のためにＴＩＭを厚くすると、ＴＩＭのポンプアウトが発生するため、信頼性低下が懸念される。これを鑑みて本発明は、ポンプアウトを抑制し、かつ生産性の向上、信頼性の向上、コスト低減を実現した電力変換装置を提供することを目的とする。

電力変換装置は、半導体素子および前記半導体素子と接続する伝熱板を樹脂でモールド封止した半導体モジュールと、前記半導体モジュールと前記半導体モジュールを冷却する冷却部材との間に配置される半固体状の熱伝導材と、を備える電力変換装置であって、前記熱伝導材と前記伝熱板との間の前記樹脂の厚さは、前記熱伝導材の厚さよりも厚い。

ポンプアウトを抑制し、かつ生産性の向上、信頼性の向上、コスト低減を実現した電力変換装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る、電力変換装置の全体断面図 熱伝導材の厚さを示す図と複数の電力変換装置の実装断面図 第１変形例

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

（本発明の一実施形態と装置の全体構成）

（図１）
電力変換装置は、両面を冷却水路８（冷却部材８）で挟んだ半導体モジュール１を有している。半導体モジュール１は、半導体チップ３（半導体素子３）、半導体チップ３と接続する伝熱板４（リードフレーム４）を有しており、半導体チップ３と伝熱板４は、樹脂５によってモールド封止されている。

半導体モジュール１と上下面の冷却水路８との間には、それぞれ半固体状の熱伝導材６が配置されている。熱伝導材６は、例えばＴＩＭである。半導体モジュール１は熱伝導材６と図１上の上下面でそれぞれ接触している。熱伝導材６はそれぞれ、半導体モジュール１と接触する面とは反対の面で絶縁シート７と接触している。絶縁シート７は、熱伝導材６と接触している面とは反対側の面で冷却水路８と接触している。

半導体チップ３の両面は、はんだを介して伝熱板４に接続されている。なお、半導体チップ３の伝熱板４との接続は、はんだに限定されず、例えば、焼結材、金属と樹脂のハイブリッド材などを使用してもよい。半導体チップ３の上面側のゲートパッドとリード端子１１は、ワイヤ１０によって接続されている。

半導体モジュール１のリード端子１１は、プリント基板２(以下基板２)とはんだで接続される。基板２は半導体モジュール１が搭載され、この半導体モジュール１に熱伝導材６と絶縁シート７を張り付けた冷却水路８を上下両側から挟むようにして組み立てられる。なお、基板２に搭載される半導体モジュール１は、図１では単数の搭載で図示してあるが、実際には後述の図２（ｂ）に示すように複数の半導体モジュール１が基板２に並べて配置され、それぞれの半導体モジュール１は上下面に設置される冷却水路８との間に半固体状の熱伝導材６が配置される。

半導体モジュール１は、伝熱板４と熱伝導材６との間に所定の厚さを有するモールド樹脂５が配置されるように、樹脂５によるオーバーモールド封止が施されている。モールド樹脂５は、高い熱伝導性を有している。熱伝導材６と伝熱板４との間の樹脂５の厚さ５ｂは、熱伝導材６の厚さ６ａよりも厚い。

熱伝導材６の厚さ６ａは、熱伝導材６に一般的に用いられるアルミナフィラーを含んだＴＩＭを用いた場合、４０μｍから６０μｍ以下の範囲内に設定される。この厚さ６ａは、従来の熱伝導材６の厚さよりも薄いため、コスト削減に貢献する。また、熱伝導材６の厚さ６ａが従来よりも薄くなることにより、熱抵抗率が改善し冷却性が向上する。

このように、熱伝導材６として用いられるＴＩＭを限定的な範囲内に設定するのは、ＴＩＭがポンプアウトしにくい熱伝導材６の厚さであるためである。ＴＩＭは、一般的に一定以上荷重をかけても膜厚が大きく変化しないボンドライン厚（ＢＬＴ：:Bond Line Thickness）という領域があり、ボンドライン厚はＴＩＭに含まれるフィラーの大きさによって決定される。この性質を利用して、ポンプアウトしにくいボンドライン厚までＴＩＭを薄くしてポンプアウトを抑制するために、４０μｍから６０μｍ以下の範囲内にすれば、熱伝導材６がポンプアウトする可能性を抑制できる。また、熱伝導する樹脂５よりもＴＩＭは高価であるため、このような制限を行うことで、コスト削減と冷却性の向上とを両立できる。

モールド樹脂５は、エポキシ化合物を硬化剤とともに硬化反応させたエポキシ樹脂硬化物である。なお、樹脂５は、エポキシ樹脂硬化物の高熱伝導を達成するため、高い熱伝導性を有する変性エポキシ化合物を用いてもよいし、高い熱伝導性を有するフィラーを１種類以上含ませてフィラーの量を増やしてもよい。このようにすることで、半導体モジュール１の冷却性が向上する。

樹脂５に含有するフィラー素材は、例えば、溶融シリカ等のシリカ粉末、タルク、アルミニウム粉末、マイカ、クレー及び炭酸カルシウム、黒鉛等である。これらのフィラー素材は組み合わせて用いてもよく、また、粒径を変更することで樹脂５の熱伝導性を向上させてもよい。

モールド樹脂５は、伝熱板４を全面に覆っている必要はなく、例えば樹脂バリのように、伝熱板４を部分的にモールド樹脂５で覆うような配置がされていてもよい。一般的に、樹脂バリが存在している場合は熱抵抗が増大して冷却性が低下するため、研削などにより樹脂バリを除去する必要があるが、本発明ではモールド樹脂５自体の熱抵抗が低いため、研削しないで樹脂バリをそのまま適用できる。

（図２）
図２（ａ）は絶縁シート７と伝熱板４との間に形成される、熱伝導材６とモールド樹脂５の厚さの違いを示した図、図２（ｂ）は、複数の半導体モジュール１を基板２に搭載した様子を示す図である。

図２（ａ）に示すように、本発明の構成では、前述したように、熱伝導材６は、４０μｍから６０μｍ以下の範囲内に設定される。また、樹脂５は、熱伝導材６の熱伝導率に対して５５％より大きく２６０％以下に設定されている。このようにした理由は、従来適用されていた熱伝導材６の厚さと熱伝導率と比べて、本発明の熱伝導材６を同等以上の熱抵抗値に維持するためである。よって、本発明で熱伝導材６の厚さを従来よりも薄く、かつ樹脂５を熱伝導材６よりも厚く設定した。例えば、熱伝導材６が３Ｗ／ｍ・Ｋであるときは、高熱伝導のモールド樹脂５の熱伝導率は３・６Ｗ／ｍ・Ｋ以上に設定される。

図２（ｂ）に示すように、複数の半導体モジュール１が基板２に並んでいる場合、それぞれの伝熱板４の高さにばらつきがあっても、オーバーモールドして形成された樹脂５がそのばらつきを吸収できる。これにより、熱伝導材６の厚さを一定に、かつ従来よりも薄く形成できるため、ポンプアウトを抑制できる。

このように、本発明の電力変換装置は、伝熱板４をオーバーモールドした樹脂５が、伝熱板４の高さのばらつきを吸収するので、従来行われていたオーバーモールド分の樹脂５の研削工程を省略でき、かつモールド樹脂５は金型成形によって高精度にコントロールすることもできるため、生産性が向上し、かつコストを削減できる。また、オーバーモールドして熱伝導材６より厚い樹脂５を配置することにより、それぞれの伝熱板４の高さがばらつかず、高さばらつきを吸収する必要がなくなった熱伝導材６はポンプアウトしにくいボンドライン厚まで薄く一定にできるため、熱伝導材６のポンプアウトを抑制できる。また、これにより電力変換装置の信頼性が向上する。

（第１変形例）
（図３）
図３に示すように、伝熱板４と熱伝導材６は、それぞれの面が平行に配置されていなくてもよく、本発明を適用することにより、それぞれの面が平行ではないことの影響を受けずに、半導体モジュール１を製造できる。伝熱板４の傾き具合からモールド樹脂５の厚さが一定でない場合は、伝熱板４をオーバーモールドした樹脂５の上面（上側の熱伝導材６と接触する面）から伝熱板４において最大距離の端部４ｂまで垂直方向の長さを、モールド樹脂５の厚さ５ｂとする。このようにしたことで、伝熱板４と熱伝導材６は、それぞれの面が平行である場合と同様の効果を奏することができる。

以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）半導体素子３および半導体素子３と接続する伝熱板４を樹脂５でモールド封止した半導体モジュール１と、半導体モジュール１と半導体モジュール１を冷却する冷却部材８との間に配置される半固体状の熱伝導材６と、を備える半導体装置であって、熱伝導材６と伝熱板４との間の樹脂５の厚さは、熱伝導材６の厚さよりも厚い。このようにしたことで、ポンプアウトを抑制し、かつ生産性の向上、信頼性の向上、コスト低減を実現した電力変換装置を提供できる。

（２）半導体モジュール１は、基板２に複数搭載され、複数の半導体モジュール１には、それぞれ冷却部材８との間に半固体状の熱伝導材６が配置される。このようにしたことで、樹脂オーバーモールドによってそれぞれの高さばらつきが解消でき、かつ半導体モジュール１に対して配置する熱伝導材６（ＴＩＭ）の量を薄く一定にでき、ポンプアウトも抑制できる。

（３）熱伝導材６の厚さは、４０μｍから６０μｍの範囲内である。このようにしたことで、コスト削減に貢献し、冷却性が向上する。

（４）樹脂５の熱伝導率は、熱伝導材６の熱伝導率よりも高い。このようにしたことで、熱抵抗値を同等以上にしたまま、熱伝導材６よりも樹脂５を厚く形成して、ポンプアウトを抑制できる。

（５）熱伝導材６の熱伝導率に対して、５５％より大きく２６０％以下である。このようにしたことで、熱抵抗値を同等以上にしたまま、熱伝導材６よりも樹脂５を厚く形成して、ポンプアウトを抑制できる。

（６）樹脂５はエポキシ化合物であるか、少なくとも１種類のフィラー素材を含んでいる。このようにしたことで、高い熱伝導性を有する樹脂５が用いられて、冷却性が向上する。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。

１ 半導体モジュール
２ プリント基板（基板）
３ 半導体チップ
４ 伝熱版（リードフレーム）
４ａ 傾いた伝熱版
４ｂ 熱伝導材から一番離れている伝熱版の表面端部
５ モールド樹脂
５ｂ モールド樹脂の厚さ
６ 熱伝導材
６ａ 熱伝導材の厚さ
７ 絶縁シート
８ 冷却水路
９ 放熱シート
１０ ワイヤボンディング
１１ リード端子

Claims (5)

1. 半導体素子および前記半導体素子と接続する伝熱板を樹脂でモールド封止した半導体モジュールと、
   前記半導体モジュールと前記半導体モジュールを冷却する冷却部材との間に配置される半固体状の熱伝導材と、を備える電力変換装置であって、
   前記熱伝導材と前記伝熱板との間の前記樹脂の厚さは、前記熱伝導材の厚さよりも厚い
   電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記半導体モジュールは、基板に複数搭載され、
   複数の前記半導体モジュールには、それぞれ前記冷却部材との間に前記半固体状の熱伝導材が配置される
   電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記熱伝導材の厚さは、４０μｍから６０μｍの範囲内である
   電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記樹脂の熱伝導率は、前記熱伝導材の熱伝導率よりも高い
   電力変換装置。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
   前記樹脂はエポキシ化合物であるか、少なくとも１種類のフィラー素材を含んでいる
   電力変換装置。