JP2001036001A - 電力半導体モジュール - Google Patents

電力半導体モジュール

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JP2001036001A
JP2001036001A JP11206667A JP20666799A JP2001036001A JP 2001036001 A JP2001036001 A JP 2001036001A JP 11206667 A JP11206667 A JP 11206667A JP 20666799 A JP20666799 A JP 20666799A JP 2001036001 A JP2001036001 A JP 2001036001A
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power semiconductor
semiconductor chip
semiconductor module
insulating substrate
conductor layer
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Masayasu Ishiko
雅康 石子
Yuji Yagi
雄二 八木
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気自動車などの駆動用インバータに使用す
る電力半導体モジュールにおいて、大電流が金属細線に
流れると、半導体チップ内で発生した熱や金属細線自身
の抵抗による発熱を有効に冷却できないという問題点が
あった。 【解決手段】 電力半導体モジュール１００において
は、エミッタ電極１４とエミッタ用電極端子２２との接
続線路は、従来用いられていた金属細線ではなく、網状
金属細線２４が使用されている。網状金属細線２４は金
属細線と比較して、表面積が非常に大きい。そのため、
放熱効率が向上し、効果的に電力半導体チップ２を冷却
することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気自動車に使用
される電力半導体パワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】電気自動車等（ハイブリッド自動車を含
む）の電動機のコイルに所定の交流電力を供給するイン
バータは、電力用スイッチング素子等で構成されてい
る。電力用半導体としては、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦ
ＥＴ等の半導体チップに形成されたパワー素子が用いら
れている。パワー素子が形成された半導体チップは、制
御回路等と共に一つのパワーモジュールに封止されてい
る。
【０００３】このようなパワーモジュールにおいては、
封止されているパワー素子自体に大電流が流れるため、
このパワー素子が発熱し熱破壊が起こる場合がある。こ
のような熱破壊を防止するために、従来、封止されてい
る半導体チップを絶縁板を介して放熱板に取り付け、こ
の放熱板を冷却することで、半導体チップの冷却が行わ
れていた。
【０００４】図１７には、従来の電力半導体モジュール
が示されている。電力半導体モジュール６００内には、
パワー素子としてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａ
ｔｅＢｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が形成さ
れた電力半導体チップ２と、ダイオードが形成された半
導体チップ４０が封入されている。電力半導体チップ２
及び半導体チップ４０は、ＡｌＮ等絶縁基板４上の導電
体層６に半田（図示せず）等で固定されている。導電体
層６は、電力半導体チップ２及び半導体チップ４０のエ
ミッタ電流等が適切に取り出せるように、パターンが形
成されている。
【０００５】電力半導体チップ２上のエミッタ電極（図
示せず）は、ＡｌやＡｕ等の金属細線でできている金属
細線８０によって導電体層６と電気的に接続されてい
る。一方、導電体層６には、電力半導体チップ２と外部
装置とを電気的に接続するためのエミッタ用電極端子２
２が接続されており、エミッタ電流を外部装置へ供給す
る。半導体チップ４０上のダイオードのアノード電極
（図示せず）は、金属細線８４を介して、エミッタ用電
極端子２２に電気的に接続されている。一方、電力半導
体チップ２上のゲート電極（図示せず）は、エミッタ電
極と同様に、金属細線８０によって、導電体層６の所定
の位置に、電気的に接続される。
【０００６】このように、従来は、電力半導体チップ２
上のエミッタ電極とエミッタ用電極端子２２とは金属細
線８２で接続されていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】電気自動車などの駆動
用インバータに使用する電力半導体モジュールは、数百
Ａ程度の電流が必要である。このような大電流が流れる
と、金属細線自身の抵抗による発熱や半導体チップ内部
で発生した熱を有効に冷却できなくなる。そして、半導
体チップの温度が上昇し、半導体チップの安全動作領域
が低下するという問題点があった。
【０００８】また、金属細線の熱膨張で、半導体チップ
と金属細線との接続部に過大な熱ストレスが発生し、接
合面の剥離が生じやすくなる。
【０００９】上記のような不具合を是正するために、エ
ミッタ電極に金属細線を数１０本接続される方法が取ら
れる場合がある。この場合、ワイヤーボンディング工程
に費やす時間が長くなり、製造コストが高くなるという
問題点があった。
【００１０】また、金属細線は寄生インダクタンスを有
するため、流れる電流の変化によるサージ電圧やそれに
伴う電気的な雑音が、インバータや周辺機器の動作に好
ましくない影響を与えていた。
【００１１】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、封止されたパワー素子を、効果的に冷
却することができる電力半導体モジュールを提供するこ
とを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、電力半導体チ
ップを内蔵する電力半導体モジュールであって、外部と
の電気的接続を行う電極端子と、この電極端子と前記電
力半導体チップとを電気的に接続する接続線路と、を含
み、前記接続線路の少なくとも一部が網状金属細線から
なることを特徴とする。
【００１３】電力半導体チップは、その動作に応じて発
熱する。接続線路は、電気的接続を行う導電体であり、
電力半導体チップの熱は接続線路を通じて伝達されやす
い。そして、この接続線路の少なくとも一部は、細い金
属線が多数編まれた網状金属細線からなっている。この
網状金属細線は表面積が非常に大きいため、この網状金
属細線は電力半導体チップで発生した熱を効果的に放熱
することが可能である。
【００１４】また、本発明は、電力半導体チップを内蔵
する電力半導体モジュールであって、外部との電気的接
続を行う電極端子と、この電極端子と前記電力半導体チ
ップとを電気的に接続する接続線路と、を含み、前記電
極端子の少なくとも一部が金属板からなり、前記接続線
路の少なくとも一部が、貫通穴を有する絶縁基板の両面
及び前記貫通穴の内壁部に形成された導電体層からなる
ことを特徴する。
【００１５】電力半導体チップは、絶縁基板の両面及び
前記貫通穴の内壁部に形成された導電体層を介して電極
端子と接続される。また、導電体層と接続される電極端
子もその一部は金属板であり、面積が比較的大きい。従
って、電力半導体チップで発生する熱を、効率よく放熱
することが可能である。
【００１６】また、電力半導体チップと電極端子との接
続線路が絶縁基板の両面に形成された導電体層であるた
め、電力半導体チップと電極端子との距離を小さくする
ことが可能となる。従って、金属細線と比較して、導電
体層の長さは短くて良い。そのため、導電体層の抵抗値
が小さくなり、電流による導電体層自体の発熱量も小さ
くなる。また、寄生インダクタンスが小さくなり、サー
ジ電圧及び電気的雑音を低下させることが可能である。
【００１７】また、電力半導体チップと電極端子との距
離を小さくすることができるので、電力半導体モジュー
ル全体の大きさを小さくすることが可能であり、製造コ
ストが安価な電力半導体モジュールを提供することが可
能となる。
【００１８】電力半導体モジュールは、前記電力半導体
チップの一主面に密着されている放熱板を更に有するこ
とが好適である。電力半導体チップは電極端子と接続さ
れた側と、放熱板が密着させられた側の両側から効率的
に冷却されることが可能である。
【００１９】また、前記絶縁基板は、その一主面上に、
前記電力半導体チップと電気的に接続される制御用半導
体チップを有することが好適である。
【００２０】制御用半導体チップは絶縁基板上に有るた
め、電力半導体チップと制御用半導体チップとの接続線
路の長さを小さくすることができ、接続線路上に混入す
る電気的な雑音を減らすことが可能である。従って、制
御用半導体チップと電力半導体チップとの間の接続線路
に混入する電気的雑音による電力半導体チップの誤動作
を防止することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）を、図面に従って説明する。尚、各図
面を通して、同一の部材には同一の符号が付されてい
る。
【００２２】図１及び図２には、本実施形態の電力半導
体モジュールの概略図が示されている。図１は電力半導
体モジュール１００の断面概略図であり、図２のＢＢ線
の断面概略図である。そして、図２は図１のＡＡ線での
平面概略図である。
【００２３】電力半導体モジュール１００内には、表面
にパワー素子としてＩＧＢＴが形成された電力半導体チ
ップ２が、絶縁基板４上の導電体層６に半田等で固定さ
れている。絶縁基板４は導電体層１０を介して、金属基
板３４に取り付けられている。絶縁基板４によって、導
電体層１０と電力半導体チップ２は電気的に絶縁され
る。
【００２４】なお、ここでは、パワー素子としてＩＧＢ
Ｔを使用しているが、パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ
Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｅｉｌ
ｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の他のパ
ワー素子を用いてもよい。
【００２５】図３には、電力半導体チップ２の平面図が
示されている。電力半導体チップ２にはパワー素子とし
てＩＧＢＴが形成されており、その表面にゲート電極１
２と複数のエミッタ電極１４とを有し、その裏の面のほ
ぼ全面にコレクタ電極（図示せず）を有している。
【００２６】電力半導体チップ２上のゲート電極１２、
エミッタ電極１４及びコレクタ電極（即ち、電力半導体
チップ２の半導体基板）に電圧を供給するために、これ
らの電極とチップ外部へ電気的に接続される電極端子と
を電気的に接続する必要がある。ゲート電極１２は、金
属細線１６と導電体層１７とを介して、ゲート用電極端
子１８に電気的に接続される。このゲート用電極端子１
８から電力半導体チップ２上のゲート電極１２へ電圧が
供給される。
【００２７】電力半導体チップ２上のコレクタ電極、即
ち、電力半導体チップ２の半導体基板への電圧供給は、
コレクタ用電極端子２０から、電力半導体チップ２の裏
の面の導電体層６を介して行われる。
【００２８】電力半導体チップ２上のエミッタ電極１４
への電圧供給は、エミッタ用電極端子２２から行われ
る。エミッタ電極１４には、網状金属細線２４が、半田
等で接続されている。網状金属細線２４は、金属細線１
６より細い多数の網状に編まれた金属細線から構成され
ている。網状金属細線２４には、さらに配線用金属端子
２６が、半田で接続されている。配線用金属端子２６は
導電体層２８に半田で接合されており、導電体層２８に
は更にエミッタ用電極端子２２が接合されている。この
ように、エミッタ電極１４は、網状金属細線２４、配線
用金属端子２６、導電体層２８を介してエミッタ用電極
端子２２に電気的に接続されている。
【００２９】電力半導体チップ２、絶縁基板４、各電極
端子１８，２０，２２等は、外殻ケース３２と金属基板
３４で構成されるパッケージ３６内に封入される。この
とき、パッケージ３６内部を、シリコンゲル、エポキシ
樹脂等で満たしても良い。
【００３０】電力半導体モジュール１００においては、
エミッタ電極１４とエミッタ用電極端子２２との接続線
路は、従来用いられていた金属細線（例えば金属細線１
６と同じ素材のもの）ではなく、網状金属細線２４が使
用されている。網状金属細線２４は金属細線と比較し
て、表面積が非常に大きい。そのため、放熱効率が向上
し、効果的に電力半導体チップ２を冷却することが可能
である。
【００３１】図４、図５及び図６には、他の実施形態の
電力半導体モジュールの概略図が示されている。図４
は、電力半導体モジュール２００の断面概略図であり、
図５のＥＥ線での断面概略図である。また、図５は、図
４のＣＣ線での平面概略図であり、図６は、図５のＤＤ
線での断面図である。
【００３２】電力半導体モジュール２００には、パワー
素子としてＩＧＢＴが形成された電力半導体チップ２
と、ダイオードが形成された半導体チップ４０が内蔵さ
れている。図７には、半導体チップ４０の平面図が示さ
れている。半導体チップ４０には、ダイオードが形成さ
れており、表面にはアノード電極４２と、裏の面にカソ
ード電極（図示せず）が形成されている。
【００３３】電力半導体チップ２及び半導体チップ４０
は、両面にそれぞれ導電体層６及び導電体層１０を有す
るＡｌＮ等の絶縁基板４の導電体層６上に、半田（図示
せず）等で固定される。電力半導体チップ２の裏の面の
コレクタ電極と半導体チップ４０の裏の面のカソード電
極とは、この導電体層６で電気的に接続される。
【００３４】一方、電力半導体チップ２上のゲート電極
１２、エミッタ電極１４、半導体チップ４０のアノード
電極４２は、それぞれ各チップの表の面側で、両面に導
電体層４４，４６を有する絶縁基板４８の導電体層４６
に電気的に接続される。
【００３５】図８には、図６に示された絶縁基板４８の
概略図が示されている。図８（ａ）には、絶縁基板４８
を表の面から眺めた平面図が示されており、図８（ｂ）
には、絶縁基板４８を裏の面から見た平面図が示されて
おり、図８（ｃ）には、図８（ａ）のＦＦ線での断面拡
大図が示されている。絶縁基板４８の裏の面には、電力
半導体チップ２のゲート電極１２、エミッタ電極１４及
び半導体チップ４０のアノード電極４２を半田等で接続
できるように、導電体層４６がパターニングされている
（図８（ｂ））。このパターニングされた導電体層４６
は、絶縁基板に設けられ複数の貫通穴５０の内壁部に形
成された導電体層５２で、表の面の導電体層４６とそれ
ぞれ接続されている。
【００３６】導電体層４６には、エミッタ用電極端子２
２が接続される。このエミッタ用電極端子２２は、その
一部が金属板から形成されている。エミッタ用電極端子
２２は面積が広く作られている。
【００３７】絶縁基板４８は半透明基板であっても良
く、絶縁基板４８の表の面と裏の面に、導電体層４６に
それぞれ電力半導体チップ２又は半導体チップ４０を固
定する際の位置あわせのための位置合わせマーク５４、
５６等が施されている。
【００３８】図９には、電力半導体モジュール２００の
組立工程が示されている。絶縁基板４８の導電体層４６
には、電力半導体チップ２及び半導体チップ４０をそれ
ぞれ、リフローソルダリングにより半田で固定する（図
９（ａ））。この接続には、半田の代わりに導電性樹脂
を用いても良い。このとき、絶縁基板４８は半透明基板
であって、絶縁基板４８の表の面と裏の面の位置合わせ
マーク５４，５６によって、絶縁基板４８と電力半導体
チップ２及び半導体チップ４０の位置あわせを容易に行
うことができる。
【００３９】その後、導電体層４４にエミッタ用電極端
子２２を半田等で接続する。また、電力半導体チップ２
及び半導体チップ４０の裏の面は、絶縁基板４の導電体
層６に半田等で接合される（図９（ｂ））。その後、絶
縁基板４を金属基板３４に接続することで、パッケージ
３６内に封入され、電力半導体モジュール２００が完成
する（図４、図５、図６）。このとき、内部にシリコン
ゲルを挿入し、最後にエポキシ樹脂でモジュール隙間を
埋めてもよい。
【００４０】図１０には、電力半導体モジュール２００
の定格出力に対する電力半導体チップ２の最高温度が示
されている。電力半導体モジュール２００は従来のもの
と比較して、約１５℃最高温度の低下が観測された。
【００４１】このように、本実施形態の電力半導体モジ
ュールは、導電体層４６で電極用端子２２，１８等と接
続される。従って、金属細線と比較して、導電体層４６
の長さは短くて良い。そのため、導電体層の抵抗値が小
さくなり、電流による導電体層自体の発熱量も小さくな
る。また、寄生インダクタンスが小さくなり、サージ電
圧及び電気的雑音を低下させることが可能である。
【００４２】また、電極端子２２、１８、２０は、少な
くともその一部が金属板となっており、面積が比較的大
きい。従って、電力半導体チップ２で発生する熱を効率
よく放熱することが可能である。
【００４３】また、電力半導体チップ２とエミッタ用電
極端子２２との距離を小さくすることができるので、電
力半導体モジュール全体の大きさを小さくすることが可
能であり、製造コストが安価な電力半導体モジュールを
提供することが可能となる。
【００４４】また、電力半導体チップ２は、絶縁基板４
８がある程度の熱伝導性を有する絶縁基板であれば、金
属基板３４は放熱板の機能を果たし、発生する熱を放熱
することも可能である。
【００４５】図１１及び図１２に、他の実施形態の電力
半導体モジュール３００が示されている。図１１は、図
１２における電力半導体モジュール３００のＨＨ線での
断面図である。また、図１２は、図１１における電力半
導体モジュール３００のＧＧ線での平面図である。電力
半導体モジュール３００の絶縁基板４８上には、電力半
導体チップ２を制御する制御回路を有する制御用半導体
チップ８０が接続されている。この制御用半導体チップ
８０は電力半導体モジュール３００の外部から制御信号
を入力され、その信号に応じて、電力半導体チップ２の
駆動電流を制御することが可能である。
【００４６】図１３には、絶縁基板４８の平面図が示さ
れている。図１３（ａ）には、絶縁基板４８の表の面の
平面図が示されており、図１３（ｂ）には、絶縁基板４
８の裏の面の平面図が示されている。この平面図におい
ては、絶縁基板４８は、折り曲げられる部分が延ばされ
た状態である。制御用半導体チップ８０は、表の面の部
分８４に半田等で固定される。制御用半導体チップ８０
から電力半導体チップ２に入力される制御信号は、絶縁
基板４８上の導電体層４６でゲート電極に入力される。
このように、電力半導体モジュール３００は、絶縁基板
４８に制御用半導体チップ８０を有しているため、制御
用半導体チップ８０と電力半導体チップ２との接続線路
の距離が短くなる。そのため、接続線路への電磁的雑音
の混入を大幅に減らすことが可能である。
【００４７】また、図１４には、他の電力半導体モジュ
ール４００が示されている。電力半導体モジュール４０
０は、絶縁基板４８の導電体層４４上にさらに絶縁基板
６０が接続され、絶縁基板６０上に制御用半導体チップ
６２，６４等を固定されている。制御用半導体チップ６
２，６４は外部と電気的に接続される外部電極端子６１
を有している。
【００４８】図１５に絶縁基板６０の平面図が示されて
おり、図１５（ａ）には絶縁基板６０の表の面が示され
ており、図１５（ｂ）には、絶縁基板６０の裏の面が示
されている。絶縁基板６０は両面に導電体層６６，６８
を有する。
【００４９】導電体層６８は絶縁基板４８の導電体層４
４に半田等で接続される。導電体層６８は、絶縁基板４
８の導電体層４４を介して、電力半導体チップ２のゲー
ト電極とエミッタ電極とそれぞれ適切に電気的に接続さ
れるようにパターン形成されている。
【００５０】また、導電体層６６は、エミッタ用電極端
子２２やゲート用電極端子１８とが、電力半導体チップ
２と適切に接続されるようにパターン形成されている。
また、導電体層６６の一部には、制御用半導体チップ６
２，６４が固定できる領域７２が設けられている。導電
体層６６と６８とは、貫通穴７０を介して電気的に接続
されている。
【００５１】電力半導体モジュール４００においては、
絶縁基板６０に制御用半導体チップ８０を有しているた
め、制御用半導体チップ８０と電力半導体チップ２との
接続線路の距離が短くなる。そのため、接続線路への電
磁的雑音の混入を大幅に減らすことが可能である。
【００５２】また、図１６には、エミッタ用電極端子２
２の一部に水冷パイプ７４を有する電力半導体モジュー
ル５００が示されている。このように、エミッタ用電極
端子２２の一部に水冷パイプ７４を設けることで、さら
に、電力半導体チップ２への冷却を向上させることが可
能である。
【００５３】
【発明の効果】以上のように、本発明では、外部との電
気的接続を行う電極端子と電力半導体チップの特に接続
線路側から逃げる熱量が大きくなるので、電力半導体チ
ップを効果的に冷却することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施形態の電力半導体モジュールの断面概
略図である。
【図２】 本実施形態の電力半導体モジュールの平面概
略図である。
【図３】 電力半導体チップの平面図である。
【図４】 他の実施形態の電力半導体モジュールの断面
概略図である。
【図５】 他の実施形態の電力半導体モジュールの平面
概略図である。
【図６】 他の実施形態の電力半導体モジュールの図５
におけるＤＤ線での断面概略図である。
【図７】 ダイオードが形成された半導体チップの平面
図である。
【図８】 電力半導体チップと電極とを接続する絶縁基
板の概略図である。
【図９】 電力半導体モジュールの製造方法が示された
工程概略図である。
【図１０】 本実施形態の電力半導体モジュールと従来
の電力半導体モジュールとのチップ最高温度の違いを表
した図である。
【図１１】 他の実施形態の電力半導体モジュールの断
面概略図である。
【図１２】 他の実施形態の電力半導体モジュールの平
面概略図である。
【図１３】 他の実施形態の絶縁基板の平面図である。
【図１４】 他の実施形態の電力半導体モジュールの断
面図である。
【図１５】 他の実施形態の絶縁基板の平面図である。
【図１６】 水冷パイプを有する電力半導体モジュール
の断面図である。
【図１７】 従来の電力半導体モジュールの断面図であ
る。
【符号の説明】
２ 電力半導体チップ、１８，２０，２２ 電極端子、
２４ 網状金属細線、４４，４６ 導電体層、４８ 絶
縁基板、１００，２００，３００，４００ 電力半導体
モジュール。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電力半導体チップを内蔵する電力半導体
    モジュールであって、 外部との電気的接続を行う電極端子と、 この電極端子と前記電力半導体チップとを電気的に接続
    する接続線路と、を含み、 前記接続線路の少なくとも一部が網状金属細線からなる
    ことを特徴とする電力半導体モジュール。
  2. 【請求項２】 電力半導体チップを内蔵する電力半導体
    モジュールであって、 外部との電気的接続を行う電極端子と、 この電極端子と前記電力半導体チップとを電気的に接続
    する接続線路と、を含み、 前記電極端子の少なくとも一部が金属板からなり、 前記接続線路の少なくとも一部が、貫通穴を有する絶縁
    基板の両面及び前記貫通穴の内壁部に形成された導電体
    層からなることを特徴する電力半導体モジュール。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の電力半導体モジュール
    であって、 前記電力半導体チップの一主面に密着されている放熱板
    を更に有することを特徴とする電力半導体モジュール。
  4. 【請求項４】 請求項２又は３に記載の電力半導体モジ
    ュールであって、 前記絶縁基板は、その一主面上に、前記電力半導体チッ
    プと電気的に接続される制御用半導体チップを有するこ
    とを特徴とする電力半導体モジュール。
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