JP2004273487A - 半導体素子搭載モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】部品単価、部品点数及び組立工数を低減し、低コスト化を実現できる半導体素子搭載モジュールを提供すること。
【解決手段】半導体素子搭載モジュール１０１は、冷却器１０５と、冷却器１０５の表面１０５Ｈに形成された絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜１０７と、絶縁粉体塗膜１０７上に載置された熱拡散板１０９と、熱拡散板１０９上にハンダ１１１を介して接合された半導体素子１０３，１０４と、熱拡散板１０９及び半導体素子１０３，１０４を覆うように冷却器１０５上に盛られた弾性絶縁樹脂１１３とを備える。さらに、絶縁粉体塗膜１０７と熱拡散板１０９との間には、放熱グリス１１５が介在する。
【選択図】 図１
【解決手段】半導体素子搭載モジュール１０１は、冷却器１０５と、冷却器１０５の表面１０５Ｈに形成された絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜１０７と、絶縁粉体塗膜１０７上に載置された熱拡散板１０９と、熱拡散板１０９上にハンダ１１１を介して接合された半導体素子１０３，１０４と、熱拡散板１０９及び半導体素子１０３，１０４を覆うように冷却器１０５上に盛られた弾性絶縁樹脂１１３とを備える。さらに、絶縁粉体塗膜１０７と熱拡散板１０９との間には、放熱グリス１１５が介在する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子が搭載された半導体素子搭載モジュールに関し、特に、発熱の大きい半導体素子を搭載し、その熱を放熱する冷却器を備える半導体素子搭載モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、発熱の大きい半導体素子を搭載し、冷却器を利用した放熱構造を有する半導体素子搭載モジュールが知られている。例えば、図５に簡略化した断面図を示す半導体素子搭載モジュール８０１が知られている。この半導体素子搭載モジュール８０１は、冷却器８０３と、この上にボルト８０５によって固定された放熱板８０７と、この放熱板８０７上に中温ハンダ８０９を介して接合された絶縁セラミック板８１１と、この絶縁セラミック板８１１上に高温ハンダ８１５を介して接合された半導体素子８１７，８１８とを備える。
【０００３】
このうち、冷却器８０３は、半導体素子８１７，８１８で生じた熱を放熱するためのものであり、例えばＡｌからなり、その内部を冷却水が循環するように構成されている。
放熱板８０７は、例えばＣｕＭｏから形成されている。このような放熱板８０７は、半導体素子８１７，８１８で生じた熱を放熱する役割を果たすと共に、これに実装される絶縁セラミック板８１１や半導体素子８１７，８１８との線膨張係数の差を小さくすることにより（例えば、ＡｌＮや半導体素子８１７，８１８の線膨張係数が４ｐｐｍ／℃であるのに対して、ＣｕＭｏの線膨張係数は７．２ｐｐｍ／℃である）、放熱板８０７と絶縁セラミック板８１１を接合する中温ハンダ８０９、及び、絶縁セラミック板８１１と半導体素子８１７，８１８を接合する高温ハンダ８１５の寿命をそれぞれ十分に確保する役割を果たす。なお、冷却器８０３と放熱板８０７との間には、半導体素子８１７，８１８から放熱板８０７に伝わった熱を効率よく冷却器８０３に伝えるように、放熱グリス８１９を入れている。
絶縁セラミック板８１１は、例えばＡｌＮなどのセラミックからなり、その表面及び裏面の略全面にＡｌからなる電極８１２が形成され、さらにそれら上にはＮｉメッキが被着されている。このような絶縁セラミック板８１１を介在させるのは、半導体素子８１７，８１８と冷却器８０３を絶縁する必要があるからである。また、絶縁セラミック板８１１は、半導体素子８１７，８１８で生じた熱を放熱する役割も果たす。さらに、半導体素子８１７，８１８や放熱板８０７との線膨張係数の差が小さいセラミックを使用することにより、中温ハンダ８０９及び高温ハンダ８１５の寿命をそれぞれ十分に確保できる。なお、この従来例では、半導体素子として、ＩＧＢＴ素子８１７とダイオード８１８が搭載されている。
【０００４】
また、図６に簡略化した断面図を示す半導体素子搭載モジュール９０１も知られている。この半導体素子搭載モジュール９０１も、上記の半導体素子搭載モジュール８０１と同様に、冷却器９０３と、この上にボルト９０５によって固定された放熱板９０７と、この放熱板９０７上に中温ハンダ９０９を介して接合された絶縁セラミック板９１１と、絶縁セラミック板９１１上に高温ハンダ９１５を介して接合された半導体素子９１７，９１８とを備える。しかし、上記の半導体素子搭載モジュール８０１と異なり、この半導体素子搭載モジュール９０１では、半導体素子９１７，９１８が搭載された絶縁セラミック板９１１が、１つの半導体素子搭載モジュール９０１に複数個実装されている。
【０００５】
また、従来の技術に関連する文献として、特許文献１〜３が知られている。特許文献１では、上記の半導体素子搭載モジュール８０１，９０１とは全く異なるものであるが、多層プリント基板において、導電回路に形成した基板表面に、粉体塗料を塗装、焼付けして絶縁塗膜層を形成することが開示されている。また、特許文献２では、パワーモジュールにおいて、半導体素子と、セラミックからなり、一部に導電部を有する特殊な放熱板と、冷却器とを備えるものが開示されている。また、特許文献３では、上記のパワーモジュール８０１，９０１とは全く異なるものであるが、半導体チップ（半導体素子）を実装した回路基板をポッティング材を介して容器内で樹脂封止した半導体装置が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−２０９６４５号公報
【特許文献２】
特開２００１−１３５７５８号公報
【特許文献３】
特開平８−１２５０７１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の半導体素子搭載モジュール８０１，９０１は、中温ハンダ８０９，９０９及び高温ハンダ８１５，９１５の寿命確保のため、高価なＣｕＭｏからなる放熱板８０７，９０７が使用されている。特に、第２の従来例として示した半導体素子搭載モジュール９０１では、冷却器９０３の表面９０３Ｈ略全面を覆う面積の広い放熱板９０７が使用されているため、放熱板９０７が高価である。また、絶縁及び放熱の両立化と、中温ハンダ８０９，９０９及び高温ハンダ８１５，９１５の寿命確保のため、高価なセラミック素材からなる絶縁セラミック板８１１，９１１が使用されている。さらに、放熱効率を向上させるため、高価な放熱グリス８１９，９１９が広い面積で使用されている。特に、第２の従来例の半導体素子搭載モジュール９０１では、冷却器９０３の表面９０３Ｈ略全面を覆うように広い面積で放熱グリス９１９が使用されているため、高価である。このように従来の半導体素子搭載モジュール８０１，９０１は、部品単価が高く、また、部品点数も多く、組立工数も多いため、高コスト化を招いていた。
【０００８】
本発明はかかる現状に鑑みてなされたものであって、部品単価、部品点数及び組立工数を低減し、低コスト化を実現できる半導体素子搭載モジュールを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
その解決手段は、冷却器と、上記冷却器の表面に形成された絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜と、上記絶縁粉体塗膜上に載置された熱拡散板と、上記熱拡散板上にハンダを介して接合された半導体素子と、上記熱拡散板及び上記半導体素子を覆うように上記冷却器上に盛られた弾性絶縁樹脂と、を備えることを特徴とする半導体素子搭載モジュールである。
【００１０】
本発明によれば、冷却器の表面には、絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜が形成され、その上に半導体素子を搭載した熱拡散板が載置されている。このように絶縁粉体塗膜を形成することで、非絶縁性の半導体素子と冷却器を絶縁できるため、従来の半導体素子搭載モジュールで絶縁のために必要とされていた高価な絶縁セラミック板を省くことができ、部品単価を低減できる。しかも、絶縁粉体塗膜は、液体やシートなどから形成される絶縁膜に比して、冷却器の表面の形状に合わせて均一に形成することが容易である。また、絶縁粉体塗膜は、例えば８０μｍ〜１２５μｍ程度に薄く形成しても十分な絶縁性を確保できるため、半導体素子搭載モジュールを薄型化できる。また、熱拡散板上に直接ハンダを介して半導体素子を搭載しているので、熱拡散板を電極部材として利用することもできるため、この点においても、電極を形成した従来の絶縁セラミック板をなくすことができる。さらに、絶縁セラミック板をなくすことで従来２種類必要であったハンダを１つにでき、部品点数及び組立工数を低減できる。なお、熱拡散板及び半導体素子を覆うように冷却器上に弾性絶縁樹脂を盛っているので、半導体素子を搭載した熱拡散板を冷却器上（絶縁粉体塗膜上）に確実に固定できる。このように、本発明の半導体素子搭載モジュールは、部品単価、部品点数及び組立工数を低減し、低コスト化を実現できる。
【００１１】
ここで、冷却器は、半導体素子で生じた熱を放熱できるものを適宜選択すればよく、その形状や材質は特に問われない。例えば、冷却器内部に冷却水を循環させて冷却を行うものでもよいし、多数の冷却フィンを設けて冷却を行うものでもよい。
絶縁粉体塗膜は、電気絶縁性、機械的強度、冷却器表面への密着性などに優れたものを適宜選択すればよい。例えば、アクリル樹脂系、エポキシ樹脂系、ポリエステル樹脂系、ポリアミド樹脂系、ウレタン樹脂系などの粉体塗料を利用できる。さらに、必要に応じて、硬化剤、硬化触媒、顔料、有機樹脂微粒子、難燃性付与剤、塗面調整剤などの塗料添加物を加えてもよい。また、絶縁粉体塗膜は、冷却器の表面全面に形成してもよいし、表面の一部に形成してもよい。なお、絶縁粉体塗膜は、粉体塗料等をスプレー塗装法や流動浸漬法などの方法により冷却器表面に塗装し、粉体塗料種など応じた温度で焼付けることにより容易に形成できる。
熱拡散板は、半導体素子で生じた熱を放熱できるものを適宜選択すればよく、その形状や材質は特に問われないが、ハンダ寿命を確保するため、ＣｕＭｏなど、搭載する半導体素子との線膨張係数の差が小さいものを選択するのが好ましい。
半導体素子は、目的に応じて適宜選択すればよく、例えば、スイッチング素子、パワーＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、ダイオード、ＣＰＵなどが挙げられる。
弾性絶縁樹脂は、半導体素子を搭載した熱拡散板を冷却器上に固定できるものであればよく、電気絶縁性や弾性、耐熱性を考慮して適宜選択すればよい。例えば、ウレタン系樹脂やシリコーン系樹脂などを利用できる。
【００１２】
上記の半導体素子搭載モジュールであって、上記絶縁粉体塗膜と上記熱拡散板との間に、放熱グリスが介在することを特徴とする半導体素子搭載モジュールとすると良い。
【００１３】
本発明によれば、絶縁粉体塗膜と熱拡散板との間に、放熱グリスが介在する。このような放熱グリスが存在することにより、絶縁粉体塗膜と熱拡散板との隙間を確実に埋めることができるため、熱拡散板から冷却器への放熱効率を向上させることができる。
放熱グリスは、放熱性や粘性を考慮して適宜選択すればよく、例えば、シリコーンオイルを基油にして、セラミックフィラーや金属石鹸等の増調剤、各種添加剤などを配合したシリコーングリスなどを使用できる。
【００１４】
また、他の解決手段は、冷却器と、上記冷却器上に載置された熱拡散板であって、その裏面に絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜が形成された熱拡散板と、上記熱拡散板上にハンダを介して接合された半導体素子と、上記熱拡散板及び上記半導体素子を覆うように上記冷却器上に盛られた弾性絶縁樹脂と、を備えることを特徴とする半導体素子搭載モジュールである。
【００１５】
本発明によれば、冷却器上に載置された熱拡散板の裏面には、絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜が形成されている。このように絶縁粉体塗膜を形成することで、非絶縁性の半導体素子と冷却器を絶縁できるため、従来の半導体素子搭載モジュールで絶縁のために必要とされていた高価な絶縁セラミック板を省くことができ、部品単価を低減できる。しかも、絶縁粉体塗膜は、液体やシートなどから形成される絶縁膜に比して、放熱板の裏面の形状に合わせて均一に形成することが容易である。また、絶縁粉体塗膜は、例えば８０〜１２５μｍ程度に薄く形成しても十分な絶縁性を確保できるため、半導体素子搭載モジュールを薄型化できる。また、熱拡散板上に直接ハンダを介して半導体素子を搭載しているので、熱拡散板を電極部材として利用することもできるため、この点においても、電極を形成した従来の絶縁セラミック板をなくすことができる。さらに、絶縁セラミック板をなくすことで従来２種類必要であったハンダを１つにでき、部品点数及び組立工数を低減できる。なお、熱拡散板及び半導体素子を覆うように冷却器上に弾性絶縁樹脂を盛っているので、半導体素子を搭載した熱拡散板を冷却器上に確実に固定できる。このように、本発明の半導体素子搭載モジュールは、部品単価、部品点数及び組立工数を低減し、低コスト化を実現できる。
【００１６】
さらに、上記の半導体素子搭載モジュールであって、上記冷却器と上記絶縁粉体塗膜との間に、放熱グリスが介在することを特徴とする半導体素子搭載モジュールとすると良い。
【００１７】
本発明によれば、冷却器と絶縁粉体塗膜との間に、放熱グリスが介在する。このような放熱グリスが存在することにより、冷却器と絶縁粉体塗膜との隙間を確実に埋めることができるため、熱拡散板から冷却器への放熱効率を向上させることができる。
【００１８】
また、他の解決手段は、冷却器と、上記冷却器の表面に形成された絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜と、上記絶縁粉体塗膜上に載置された熱拡散板であって、分割された複数の熱拡散板と、各々の上記熱拡散板上にハンダを介して接合された半導体素子と、上記熱拡散板及び上記半導体素子を覆うように上記冷却器上に盛られた弾性絶縁樹脂であって、各々の上記熱拡散板に対応した形態で上記冷却器上に分けて盛られた複数の弾性絶縁樹脂と、を備えることを特徴とする半導体素子搭載モジュールである。
【００１９】
本発明によれば、冷却器の表面には、絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜が形成され、その上に半導体素子を搭載した熱拡散板が載置されている。このように絶縁粉体塗膜を形成することで、非絶縁性の半導体素子と冷却器を絶縁できるため、従来の半導体素子搭載モジュールで絶縁のために必要とされていた高価な絶縁セラミック板を省くことができ、部品単価を低減できる。しかも、絶縁粉体塗膜は、液体やシートなどから形成される絶縁膜に比して、冷却器の表面の形状に合わせて均一に形成することが容易である。また、絶縁粉体塗膜は、例えば８０〜１２５μｍ程度に薄く形成しても十分な絶縁性を確保できるため、半導体素子搭載モジュールを薄型化できる。また、従来は、冷却器の表面略全面を覆う広い面積の放熱板を使用していたのに対し、本発明の熱拡散板は、必要最小限の大きさに複数に分割されているため、高価な熱拡散板の単価を低減できる。またさらに、熱拡散板上に直接ハンダを介して半導体素子を搭載しているので、熱拡散板を電極部材として利用することもできるため、この点においても、電極を形成した従来の絶縁セラミック板をなくすことができる。さらに、絶縁セラミック板をなくすことで従来２種類必要であったハンダを１つにでき、部品点数及び組立工数を低減できる。なお、熱拡散板及び半導体素子を覆うように冷却器上に弾性絶縁樹脂を盛っているので、半導体素子を搭載した熱拡散板を冷却器上（絶縁粉体塗膜上）に確実に固定できる。しかも、弾性絶縁樹脂は、各々の熱拡散板に対応した形態で冷却器上に分けて盛られているため、弾性絶縁樹脂の単価を低減できる。このように、本発明の半導体素子搭載モジュールは、部品単価、部品点数及び組立工数を低減し、低コスト化を実現できる。
【００２０】
さらに、上記の半導体素子搭載モジュールであって、複数の上記熱拡散板の少なくともいずれかについては、上記絶縁粉体塗膜と上記熱拡散板との間に、放熱グリスが介在することを特徴とする半導体素子搭載モジュールとすると良い。
【００２１】
本発明によれば、複数の熱拡散板の少なくともいずれかについては、絶縁粉体塗膜と熱拡散板との間に、放熱グリスが介在する。このような放熱グリスが存在することにより、絶縁粉体塗膜と熱拡散板との隙間を確実に埋めることができるため、熱拡散板から冷却器への放熱効率を向上させることができる。また、従来、冷却器の表面略全面に放熱グリスが塗布されていたのに対し、本発明では、熱拡散板を小さく複数に分割したのに伴い、狭い面積にだけ放熱グリスを入れればよいため、高価な放熱グリスの単価を低減できる。
【００２２】
また、他の解決手段は、冷却器と、上記冷却器上に載置された熱拡散板であって、複数に分割されてなり、各々の裏面に絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜がそれぞれ形成された熱拡散板と、各々の上記熱拡散板上にハンダを介して接合された半導体素子と、上記熱拡散板及び上記半導体素子を覆うように上記冷却器上に盛られた弾性絶縁樹脂であって、各々の上記熱拡散板に対応した形態で上記冷却器上に分けて盛られた複数の弾性絶縁樹脂と、を備えることを特徴とする半導体素子搭載モジュールである。
【００２３】
本発明によれば、冷却器上に載置された熱拡散板の各々の裏面には、絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜が形成されている。このように絶縁粉体塗膜を形成することで、非絶縁性の半導体素子と冷却器を絶縁できるため、従来の半導体素子搭載モジュールで絶縁のために必要とされていた高価な絶縁セラミック板を省くことができ、部品単価を低減できる。しかも、絶縁粉体塗膜は、液体やシートなどから形成される絶縁膜に比して、熱拡散板の裏面の形状に合わせて均一に形成することが容易である。また、絶縁粉体塗膜は、例えば８０〜１２５μｍ程度に薄く形成しても十分な絶縁性を確保できるため、半導体素子搭載モジュールを薄型化できる。さらに、熱拡散板を小さく複数に分割したのに伴い、狭い面積にだけ絶縁粉体塗膜を形成すればよいため、絶縁粉体塗膜の単価を低減できる。また、従来は、冷却器の表面略全面を覆う広い面積の放熱板を使用していたのに対し、本発明の熱拡散板は、必要最小限の大きさで複数に分割しているため、高価な熱拡散板の単価を低減できる。またさらに、熱拡散板上に直接ハンダを介して半導体素子を搭載しているので、熱拡散板を電極部材として利用することもできるため、この点においても、電極を形成した従来の絶縁セラミック板をなくすことができる。さらに、絶縁セラミック板をなくすことで従来２種類必要であったハンダを１つにでき、部品点数及び組立工数を低減できる。なお、熱拡散板及び半導体素子を覆うように冷却器上に弾性絶縁樹脂を盛っているので、半導体素子を搭載した熱拡散板を冷却器上に確実に固定できる。しかも、弾性絶縁樹脂は、各々の熱拡散板に対応した形態で冷却器上に分けて盛られているため、弾性絶縁樹脂の単価を低減できる。このように、本発明の半導体素子搭載モジュールは、部品単価、部品点数及び組立工数を低減し、低コスト化を実現できる。
【００２４】
さらに、上記の半導体素子搭載モジュールであって、複数の上記熱拡散板の少なくともいずれかについては、上記冷却器と上記絶縁粉体塗膜との間に、放熱グリスが介在することを特徴とする半導体素子搭載モジュールとすると良い。
【００２５】
本発明によれば、複数の熱拡散板の少なくともいずれかについては、冷却器と絶縁粉体塗膜との間に、放熱グリスが介在する。このような放熱グリスが存在することにより、冷却器と絶縁粉体塗膜との隙間を確実に埋めることができるため、熱拡散板から冷却器への放熱効率を向上させることができる。また、従来、冷却器の表面略全面に放熱グリスが塗布されていたのに対し、本発明では、熱拡散板を小さく複数に分割したのに伴い、狭い面積にだけ放熱グリスを入れればよいため、高価な放熱グリスの単価を低減できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
本実施形態に係る半導体素子搭載モジュール１０１の簡略化した断面図を図１に示す。この半導体素子搭載モジュール１０１は、半導体素子としてＩＧＢＴ素子１０３とダイオード１０４が搭載された車載用のパワーモジュール１０１である。このパワーモジュール１０１は、冷却器１０５と、その表面１０５Ｈの略全面に形成された絶縁粉体塗膜１０７と、この絶縁粉体塗膜１０７上に載置された熱拡散板１０９と、熱拡散板１０９上にハンダ１１１を介して接合された半導体素子１０３，１０４と、熱拡散板１０９及び半導体素子１０３，１０４を覆うように冷却器１０５上に盛られた弾性絶縁樹脂１１３とを備える。また、絶縁粉体塗膜１０７と熱拡散板１０９との間には、放熱グリス１１５が介在している。
【００２７】
このうち、冷却器１０５は、搭載する半導体素子１０３，１０４で生じた熱を放熱するためのものであり、Ａｌからなり、その内部を冷却水が循環するように構成されたケースである。冷却器１０５の線膨張係数は２３ｐｐｍ／℃である。絶縁粉体塗膜１０７は、エポキシ樹脂粉体塗料からなり、その厚さは約１００μｍと薄く形成されている。
放熱グリス１１５は、シリコーンにセラミックフィラーが混合されたシリコーングリスからなり、その厚さは約１００μｍである。
熱拡散板１０９は、ＣｕＭｏからなり、全面にＮｉメッキが施されている。その線膨張係数は７．２ｐｐｍ／℃である。このような熱拡散板１０９は、半導体素子１０３，１０４で生じた熱を放熱する役割を果たすと共に、半導体素子１０３，１０４との熱膨張係数の差を小さくすることにより（半導体素子１０３，１０４の線膨張係数は４ｐｐｍ／℃である）、ハンダ１１１の寿命を十分に確保できる。
弾性絶縁樹脂１１３は、耐熱性の高いウレタン系樹脂からなり、ドーム状に冷却器１０５上（絶縁粉体塗膜１０７上）に盛られている。
なお、ＩＧＢＴ素子１０３とダイオード１０４は、図示しないアルミワイヤーにより互いに接続されている。また、冷却器１０５上には、図示しないバスバーやターミナルなどの端子が設けられ、これらと、ＩＧＢＴ素子１０３、ダイオード１０４及び熱拡散板１０９とも、アルミワイヤーを介して接続されている。
【００２８】
このようなパワーモジュール１０１は、熱拡散板１０９が載置される冷却器１０５の表面１０５Ｈに絶縁粉体塗膜１０７が形成されているので、半導体素子１０３，１０４と冷却器１０５を絶縁できる。従って、従来の半導体素子搭載モジュール８０１で絶縁のために必要とされていた高価な絶縁セラミック板８１１を省くことができ（図５参照）、部品単価を低減できる。しかも、絶縁粉体塗膜１０７は、液体やシートなどから形成される絶縁膜に比して、冷却器１０５の表面１０５Ｈの形状に合わせて均一に形成することが容易である。また、絶縁粉体塗膜１０７は、上記のように１００μｍ程度に薄く形成しても十分な絶縁性を確保できるため、パワーモジュール１０１を薄型化できる。また、熱拡散板１０９上に直接ハンダ１１１を介して半導体素子１０３，１０４を搭載しているので、熱拡散板１０９を上記のように電極部材として利用でき、この点においても、電極８１２を形成した従来の絶縁セラミック板８１１を省くことができる（図５参照）。さらに、従来の絶縁セラミック板８１１をなくすことで従来２種類必要であったハンダ８０９，８１５を１つのハンダ１１１にでき（図５参照）、部品点数及び組立工数を低減できる。また、熱拡散板１０９及び半導体素子１０３，１０４を覆うように冷却器１０５上に弾性絶縁樹脂１１３を盛っているので、半導体素子１０３，１０４を搭載した熱拡散板１０９を冷却器１０５上（絶縁粉体塗膜１０７上）に確実に固定できる。このように、本実施形態のパワーモジュール１０１は、部品単価、部品点数及び組立工数を低減し、低コスト化を実現できる。
【００２９】
さらに、本実施形態では、絶縁粉体塗膜１０７と熱拡散板１０９との間に、放熱グリス１１５を入れている。従って、絶縁粉体塗膜１０７と熱拡散板１０９との隙間を確実に埋めることができるため、熱拡散板１０９から冷却器１０５への放熱効率を向上させることができる。
【００３０】
次いで、上記パワーモジュール１０１の製造方法について説明する。
まず、熱拡散板１０９を用意し、その表面の所定の位置にＩＧＢＴ素子１０３とダイオード１０４を公知の手法によりハンダ１１１で接合する。一方で、冷却器１０５を用意し、その表面１０５Ｈの略全面に絶縁粉体塗膜１０７を公知の手法により形成する。その後、絶縁粉体塗膜１０７上の所定の位置に放熱グリス１１５を塗布し、その上に半導体素子１０３，１０４を搭載した熱拡散板１０９を載置する。次に、アルミワイヤーを用いて、ＩＧＢＴ素子１０３やダイオード１０４、ターミナル、バスバーを公知のワイヤーボンディングにより接続する。その後、熱拡散板１０９及び半導体素子１０３，１０４を覆うように冷却器１０５上（絶縁粉体塗膜１０７上）に熱硬化性のウレタン系樹脂をポッティングし、熱硬化させて弾性絶縁樹脂１１３を形成すれば、上記パワーモジュール１０１が完成する。
【００３１】
（実施形態２）
次いで、第２の実施の形態について図を参照しつつ説明する。なお、上記実施形態１と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。
本実施形態に係る半導体素子搭載モジュール２０１の簡略化した断面図を図２に示す。この半導体素子搭載モジュール２０１も、半導体素子としてＩＧＢＴ素子２０３とダイオード２０４が搭載された車載用のパワーモジュール２０１である。このパワーモジュール２０１も、上記実施形態１と同様に、冷却器２０５と、その表面２０５Ｈの略全面に形成された絶縁粉体塗膜２０７と、この絶縁粉体塗膜２０７上に載置された熱拡散板２０９と、熱拡散板２０９上にハンダ２１１を介して接合された半導体素子２０３，２０４と、熱拡散板２０９及び半導体素子２０３，２０４を覆うように冷却器２０５上に盛られた弾性絶縁樹脂２１３とを備える。
【００３２】
しかし、本実施形態では、熱拡散板２０９は、最小限の大きさに分割されて複数（２つ）実装されている。また、弾性絶縁樹脂２１３は、各々の熱拡散板２０９に対応した形態で冷却器２０５上に複数（２つ）盛られている。また、放熱グリス２１５は、一部（図中左側）の熱拡散板２０９と絶縁粉体塗膜２０７との間にだけ介在している。また、冷却器２０５上には、複数の端子２２１が立設されている。そして、これらの端子２２１と、ＩＧＢＴ素子２０３、ダイオード２０４及び熱拡散板２０９とは、アルミワイヤー２２３を介して接続されている。また、ＩＧＢＴ素子２０３とダイオード２０４同士もアルミワイヤー２２３を介して接続されている。
【００３３】
このようなパワーモジュール２０１も、上記実施形態１と同様な部分については、上記実施形態１と同様な作用、効果を奏する。加えて、本実施形態では、従来、冷却器９０３の表面９０３Ｈ略全面を覆う広い面積の放熱板９０７を使用していたのに対し（図６参照）、熱拡散板２０９を必要最小限の大きさに複数に分割しているため、高価な熱拡散板２０９の単価を低減できる。また、弾性絶縁樹脂２１３は、各々の熱拡散板２０９に対応した形態で冷却器２０５上に分けて盛られているため、弾性絶縁樹脂２１３の単価を低減できる。さらに、本実施形態では、従来、冷却器９０３の表面９０３Ｈ略全面に放熱グリス９１９を塗布していたのに対し（図６参照）、熱拡散板２０９を小さく複数に分割したのに伴い、必要最小限の狭い面積にだけ放熱グリス２１５を介在させているので、高価な放熱グリス２１５の単価を低減できる。このように、本実施形態のパワーモジュール２０１も、部品単価、部品点数及び組立工数を低減し、低コスト化を実現できる。
【００３４】
（実施形態３）
次いで、第３の実施の形態について図を参照しつつ説明する。なお、上記実施形態１または２と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。また、上記実施形態１と全く同様な部分は、同じ番号を付して説明する。
本実施形態に係る半導体素子搭載モジュール３０１の簡略化した断面図を図３に示す。この半導体素子搭載モジュール３０１も、半導体素子としてＩＧＢＴ素子１０３とダイオード１０４が搭載された車載用のパワーモジュール３０１である。このパワーモジュール３０１は、冷却器１０５と、この上に載置され、裏面１０９Ｒに絶縁粉体塗膜３０７が形成された熱拡散板１０９と、この熱拡散板１０９上にハンダ１１１を介して接合された半導体素子１０３，１０４と、熱拡散板１０９及び半導体素子１０３，１０４を覆うように冷却器１０５上に盛られた弾性絶縁樹脂１１３とを備える。また、冷却器１０５と絶縁粉体塗膜３０７との間には、放熱グリス３１５が介在している。即ち、本実施形態では、絶縁粉体塗膜３０７が熱拡散板１０９の裏面１０９Ｒに形成されている点と、放熱グリス３１５が冷却器１０５と絶縁粉体塗膜３０７との間に塗布されている点が、上記実施形態１と異なる。その他は、上記実施形態１と同様である。
【００３５】
このようなパワーモジュール３０１は、冷却器１０５上に載置される熱拡散板１０９の裏面１０９Ｒに絶縁粉体塗膜３０７が形成されているので、上記実施形態１と同様、半導体素子１０３，１０４と冷却器１０５を絶縁できる。従って、従来の半導体素子搭載モジュール８０１で絶縁のために必要とされていた高価な絶縁セラミック板８１１を省くことができ（図５参照）、部品単価を低減できる。加えて、本実施形態では、熱拡散板１０９の裏面１０９Ｒに絶縁粉体塗膜３０７を形成しているので、上記実施形態１のように冷却器１０５の表面１０５Ｈ略全面に絶縁粉体塗膜１０７を形成するのに比して（図１参照）、その面積が小さくなり、原料単価を低減できる。
また、本実施形態では、冷却器１０５と絶縁粉体塗膜３０７との間に、放熱グリス３１５を入れているが、このようにすることで、冷却器１０５と絶縁粉体塗膜３０７との隙間を確実に埋めることができるため、上記実施形態１，２と同様、熱拡散板１０９から冷却器１０５への放熱効率を向上させることができる。その他、上記実施形態１または２と同様な部分は、上記実施形態１または２と同様な作用、効果を奏する。
【００３６】
（実施形態４）
次いで、第４の実施の形態について図を参照しつつ説明する。なお、上記実施形態１〜３のいずれかと同様な部分の説明は、省略または簡略化する。また、上記実施形態２と全く同様な部分は、同じ番号を付して説明する。
本実施形態に係る半導体素子搭載モジュール４０１の簡略化した断面図を図４に示す。この半導体素子搭載モジュール４０１も、半導体素子としてＩＧＢＴ素子２０３とダイオード２０４が搭載された車載用のパワーモジュール４０１である。このパワーモジュール４０１は、上記実施形態３と同様に、冷却器２０５と、この上に載置され、裏面２０９Ｒに絶縁粉体塗膜４０７が形成された熱拡散板２０９と、この熱拡散板２０９上にハンダ２１１を介して接合された半導体素子２０３，２０４と、熱拡散板２０９及び半導体素子２０３，２０４を覆うように冷却器２０５上に盛られた弾性絶縁樹脂２１３とを備える。放熱グリス４１５は、冷却器２０５と絶縁粉体塗膜４０７との間に介在している（図中左側参照）。
【００３７】
しかし、本実施形態では、熱拡散板２０９は、上記実施形態２と同様に、複数（２つ）実装されている。また、弾性絶縁樹脂２１３は、各々の熱拡散板２０９に対応した形態で冷却器２０５上に複数（２つ）盛られている。また、放熱グリス４１５は、一部（図中左側）の放熱板２０９に対して存在している。その他の部分も、上記実施形態２と同様に構成されている。
即ち、本実施形態のパワーモジュール３０１は、上記実施形態２または上記実施形態３のいずれかと同様な部分から構成されている。従って、上記実施形態２と同様な部分については、上記実施形態２と同様な作用、効果を、上記実施形態３と同様な部分については、上記実施形態３と同様な作用、効果を得ることができる。
【００３８】
以上において、本発明を実施形態１〜４に即して説明したが、本発明は上記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で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体素子搭載モジュールの部品単価、部品点数及び組立工数を低減し、低コスト化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１に係るパワーモジュールを示す断面図である。
【図２】実施形態２に係るパワーモジュールを示す断面図である。
【図３】実施形態３に係るパワーモジュールを示す断面図である。
【図４】実施形態４に係るパワーモジュールを示す断面図である。
【図５】従来技術に係る第１の半導体素子搭載モジュールを示す断面図である。
【図６】従来技術に係る第２の半導体素子搭載モジュールを示す断面図である。
【符号の説明】
１０１，２０１，３０１，４０１ パワーモジュール（半導体素子搭載モジュール）
１０３，２０３ ＩＧＢＴ素子（半導体素子）
１０４，２０４ ダイオード（半導体素子）
１０５，２０５ 冷却器
１０７，２０７，３０７，４０７ 絶縁粉体塗膜
１０９，２０９ 熱拡散板
１１３，２１３ 弾性絶縁樹脂
１１５，２１５，３１５，４１５ 放熱グリス
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子が搭載された半導体素子搭載モジュールに関し、特に、発熱の大きい半導体素子を搭載し、その熱を放熱する冷却器を備える半導体素子搭載モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、発熱の大きい半導体素子を搭載し、冷却器を利用した放熱構造を有する半導体素子搭載モジュールが知られている。例えば、図５に簡略化した断面図を示す半導体素子搭載モジュール８０１が知られている。この半導体素子搭載モジュール８０１は、冷却器８０３と、この上にボルト８０５によって固定された放熱板８０７と、この放熱板８０７上に中温ハンダ８０９を介して接合された絶縁セラミック板８１１と、この絶縁セラミック板８１１上に高温ハンダ８１５を介して接合された半導体素子８１７，８１８とを備える。
【０００３】
このうち、冷却器８０３は、半導体素子８１７，８１８で生じた熱を放熱するためのものであり、例えばＡｌからなり、その内部を冷却水が循環するように構成されている。
放熱板８０７は、例えばＣｕＭｏから形成されている。このような放熱板８０７は、半導体素子８１７，８１８で生じた熱を放熱する役割を果たすと共に、これに実装される絶縁セラミック板８１１や半導体素子８１７，８１８との線膨張係数の差を小さくすることにより（例えば、ＡｌＮや半導体素子８１７，８１８の線膨張係数が４ｐｐｍ／℃であるのに対して、ＣｕＭｏの線膨張係数は７．２ｐｐｍ／℃である）、放熱板８０７と絶縁セラミック板８１１を接合する中温ハンダ８０９、及び、絶縁セラミック板８１１と半導体素子８１７，８１８を接合する高温ハンダ８１５の寿命をそれぞれ十分に確保する役割を果たす。なお、冷却器８０３と放熱板８０７との間には、半導体素子８１７，８１８から放熱板８０７に伝わった熱を効率よく冷却器８０３に伝えるように、放熱グリス８１９を入れている。
絶縁セラミック板８１１は、例えばＡｌＮなどのセラミックからなり、その表面及び裏面の略全面にＡｌからなる電極８１２が形成され、さらにそれら上にはＮｉメッキが被着されている。このような絶縁セラミック板８１１を介在させるのは、半導体素子８１７，８１８と冷却器８０３を絶縁する必要があるからである。また、絶縁セラミック板８１１は、半導体素子８１７，８１８で生じた熱を放熱する役割も果たす。さらに、半導体素子８１７，８１８や放熱板８０７との線膨張係数の差が小さいセラミックを使用することにより、中温ハンダ８０９及び高温ハンダ８１５の寿命をそれぞれ十分に確保できる。なお、この従来例では、半導体素子として、ＩＧＢＴ素子８１７とダイオード８１８が搭載されている。
【０００４】
また、図６に簡略化した断面図を示す半導体素子搭載モジュール９０１も知られている。この半導体素子搭載モジュール９０１も、上記の半導体素子搭載モジュール８０１と同様に、冷却器９０３と、この上にボルト９０５によって固定された放熱板９０７と、この放熱板９０７上に中温ハンダ９０９を介して接合された絶縁セラミック板９１１と、絶縁セラミック板９１１上に高温ハンダ９１５を介して接合された半導体素子９１７，９１８とを備える。しかし、上記の半導体素子搭載モジュール８０１と異なり、この半導体素子搭載モジュール９０１では、半導体素子９１７，９１８が搭載された絶縁セラミック板９１１が、１つの半導体素子搭載モジュール９０１に複数個実装されている。
【０００５】
また、従来の技術に関連する文献として、特許文献１〜３が知られている。特許文献１では、上記の半導体素子搭載モジュール８０１，９０１とは全く異なるものであるが、多層プリント基板において、導電回路に形成した基板表面に、粉体塗料を塗装、焼付けして絶縁塗膜層を形成することが開示されている。また、特許文献２では、パワーモジュールにおいて、半導体素子と、セラミックからなり、一部に導電部を有する特殊な放熱板と、冷却器とを備えるものが開示されている。また、特許文献３では、上記のパワーモジュール８０１，９０１とは全く異なるものであるが、半導体チップ（半導体素子）を実装した回路基板をポッティング材を介して容器内で樹脂封止した半導体装置が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−２０９６４５号公報
【特許文献２】
特開２００１−１３５７５８号公報
【特許文献３】
特開平８−１２５０７１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の半導体素子搭載モジュール８０１，９０１は、中温ハンダ８０９，９０９及び高温ハンダ８１５，９１５の寿命確保のため、高価なＣｕＭｏからなる放熱板８０７，９０７が使用されている。特に、第２の従来例として示した半導体素子搭載モジュール９０１では、冷却器９０３の表面９０３Ｈ略全面を覆う面積の広い放熱板９０７が使用されているため、放熱板９０７が高価である。また、絶縁及び放熱の両立化と、中温ハンダ８０９，９０９及び高温ハンダ８１５，９１５の寿命確保のため、高価なセラミック素材からなる絶縁セラミック板８１１，９１１が使用されている。さらに、放熱効率を向上させるため、高価な放熱グリス８１９，９１９が広い面積で使用されている。特に、第２の従来例の半導体素子搭載モジュール９０１では、冷却器９０３の表面９０３Ｈ略全面を覆うように広い面積で放熱グリス９１９が使用されているため、高価である。このように従来の半導体素子搭載モジュール８０１，９０１は、部品単価が高く、また、部品点数も多く、組立工数も多いため、高コスト化を招いていた。
【０００８】
本発明はかかる現状に鑑みてなされたものであって、部品単価、部品点数及び組立工数を低減し、低コスト化を実現できる半導体素子搭載モジュールを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
その解決手段は、冷却器と、上記冷却器の表面に形成された絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜と、上記絶縁粉体塗膜上に載置された熱拡散板と、上記熱拡散板上にハンダを介して接合された半導体素子と、上記熱拡散板及び上記半導体素子を覆うように上記冷却器上に盛られた弾性絶縁樹脂と、を備えることを特徴とする半導体素子搭載モジュールである。
【００１０】
本発明によれば、冷却器の表面には、絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜が形成され、その上に半導体素子を搭載した熱拡散板が載置されている。このように絶縁粉体塗膜を形成することで、非絶縁性の半導体素子と冷却器を絶縁できるため、従来の半導体素子搭載モジュールで絶縁のために必要とされていた高価な絶縁セラミック板を省くことができ、部品単価を低減できる。しかも、絶縁粉体塗膜は、液体やシートなどから形成される絶縁膜に比して、冷却器の表面の形状に合わせて均一に形成することが容易である。また、絶縁粉体塗膜は、例えば８０μｍ〜１２５μｍ程度に薄く形成しても十分な絶縁性を確保できるため、半導体素子搭載モジュールを薄型化できる。また、熱拡散板上に直接ハンダを介して半導体素子を搭載しているので、熱拡散板を電極部材として利用することもできるため、この点においても、電極を形成した従来の絶縁セラミック板をなくすことができる。さらに、絶縁セラミック板をなくすことで従来２種類必要であったハンダを１つにでき、部品点数及び組立工数を低減できる。なお、熱拡散板及び半導体素子を覆うように冷却器上に弾性絶縁樹脂を盛っているので、半導体素子を搭載した熱拡散板を冷却器上（絶縁粉体塗膜上）に確実に固定できる。このように、本発明の半導体素子搭載モジュールは、部品単価、部品点数及び組立工数を低減し、低コスト化を実現できる。
【００１１】
ここで、冷却器は、半導体素子で生じた熱を放熱できるものを適宜選択すればよく、その形状や材質は特に問われない。例えば、冷却器内部に冷却水を循環させて冷却を行うものでもよいし、多数の冷却フィンを設けて冷却を行うものでもよい。
絶縁粉体塗膜は、電気絶縁性、機械的強度、冷却器表面への密着性などに優れたものを適宜選択すればよい。例えば、アクリル樹脂系、エポキシ樹脂系、ポリエステル樹脂系、ポリアミド樹脂系、ウレタン樹脂系などの粉体塗料を利用できる。さらに、必要に応じて、硬化剤、硬化触媒、顔料、有機樹脂微粒子、難燃性付与剤、塗面調整剤などの塗料添加物を加えてもよい。また、絶縁粉体塗膜は、冷却器の表面全面に形成してもよいし、表面の一部に形成してもよい。なお、絶縁粉体塗膜は、粉体塗料等をスプレー塗装法や流動浸漬法などの方法により冷却器表面に塗装し、粉体塗料種など応じた温度で焼付けることにより容易に形成できる。
熱拡散板は、半導体素子で生じた熱を放熱できるものを適宜選択すればよく、その形状や材質は特に問われないが、ハンダ寿命を確保するため、ＣｕＭｏなど、搭載する半導体素子との線膨張係数の差が小さいものを選択するのが好ましい。
半導体素子は、目的に応じて適宜選択すればよく、例えば、スイッチング素子、パワーＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、ダイオード、ＣＰＵなどが挙げられる。
弾性絶縁樹脂は、半導体素子を搭載した熱拡散板を冷却器上に固定できるものであればよく、電気絶縁性や弾性、耐熱性を考慮して適宜選択すればよい。例えば、ウレタン系樹脂やシリコーン系樹脂などを利用できる。
【００１２】
上記の半導体素子搭載モジュールであって、上記絶縁粉体塗膜と上記熱拡散板との間に、放熱グリスが介在することを特徴とする半導体素子搭載モジュールとすると良い。
【００１３】
本発明によれば、絶縁粉体塗膜と熱拡散板との間に、放熱グリスが介在する。このような放熱グリスが存在することにより、絶縁粉体塗膜と熱拡散板との隙間を確実に埋めることができるため、熱拡散板から冷却器への放熱効率を向上させることができる。
放熱グリスは、放熱性や粘性を考慮して適宜選択すればよく、例えば、シリコーンオイルを基油にして、セラミックフィラーや金属石鹸等の増調剤、各種添加剤などを配合したシリコーングリスなどを使用できる。
【００１４】
また、他の解決手段は、冷却器と、上記冷却器上に載置された熱拡散板であって、その裏面に絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜が形成された熱拡散板と、上記熱拡散板上にハンダを介して接合された半導体素子と、上記熱拡散板及び上記半導体素子を覆うように上記冷却器上に盛られた弾性絶縁樹脂と、を備えることを特徴とする半導体素子搭載モジュールである。
【００１５】
本発明によれば、冷却器上に載置された熱拡散板の裏面には、絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜が形成されている。このように絶縁粉体塗膜を形成することで、非絶縁性の半導体素子と冷却器を絶縁できるため、従来の半導体素子搭載モジュールで絶縁のために必要とされていた高価な絶縁セラミック板を省くことができ、部品単価を低減できる。しかも、絶縁粉体塗膜は、液体やシートなどから形成される絶縁膜に比して、放熱板の裏面の形状に合わせて均一に形成することが容易である。また、絶縁粉体塗膜は、例えば８０〜１２５μｍ程度に薄く形成しても十分な絶縁性を確保できるため、半導体素子搭載モジュールを薄型化できる。また、熱拡散板上に直接ハンダを介して半導体素子を搭載しているので、熱拡散板を電極部材として利用することもできるため、この点においても、電極を形成した従来の絶縁セラミック板をなくすことができる。さらに、絶縁セラミック板をなくすことで従来２種類必要であったハンダを１つにでき、部品点数及び組立工数を低減できる。なお、熱拡散板及び半導体素子を覆うように冷却器上に弾性絶縁樹脂を盛っているので、半導体素子を搭載した熱拡散板を冷却器上に確実に固定できる。このように、本発明の半導体素子搭載モジュールは、部品単価、部品点数及び組立工数を低減し、低コスト化を実現できる。
【００１６】
さらに、上記の半導体素子搭載モジュールであって、上記冷却器と上記絶縁粉体塗膜との間に、放熱グリスが介在することを特徴とする半導体素子搭載モジュールとすると良い。
【００１７】
本発明によれば、冷却器と絶縁粉体塗膜との間に、放熱グリスが介在する。このような放熱グリスが存在することにより、冷却器と絶縁粉体塗膜との隙間を確実に埋めることができるため、熱拡散板から冷却器への放熱効率を向上させることができる。
【００１８】
また、他の解決手段は、冷却器と、上記冷却器の表面に形成された絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜と、上記絶縁粉体塗膜上に載置された熱拡散板であって、分割された複数の熱拡散板と、各々の上記熱拡散板上にハンダを介して接合された半導体素子と、上記熱拡散板及び上記半導体素子を覆うように上記冷却器上に盛られた弾性絶縁樹脂であって、各々の上記熱拡散板に対応した形態で上記冷却器上に分けて盛られた複数の弾性絶縁樹脂と、を備えることを特徴とする半導体素子搭載モジュールである。
【００１９】
本発明によれば、冷却器の表面には、絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜が形成され、その上に半導体素子を搭載した熱拡散板が載置されている。このように絶縁粉体塗膜を形成することで、非絶縁性の半導体素子と冷却器を絶縁できるため、従来の半導体素子搭載モジュールで絶縁のために必要とされていた高価な絶縁セラミック板を省くことができ、部品単価を低減できる。しかも、絶縁粉体塗膜は、液体やシートなどから形成される絶縁膜に比して、冷却器の表面の形状に合わせて均一に形成することが容易である。また、絶縁粉体塗膜は、例えば８０〜１２５μｍ程度に薄く形成しても十分な絶縁性を確保できるため、半導体素子搭載モジュールを薄型化できる。また、従来は、冷却器の表面略全面を覆う広い面積の放熱板を使用していたのに対し、本発明の熱拡散板は、必要最小限の大きさに複数に分割されているため、高価な熱拡散板の単価を低減できる。またさらに、熱拡散板上に直接ハンダを介して半導体素子を搭載しているので、熱拡散板を電極部材として利用することもできるため、この点においても、電極を形成した従来の絶縁セラミック板をなくすことができる。さらに、絶縁セラミック板をなくすことで従来２種類必要であったハンダを１つにでき、部品点数及び組立工数を低減できる。なお、熱拡散板及び半導体素子を覆うように冷却器上に弾性絶縁樹脂を盛っているので、半導体素子を搭載した熱拡散板を冷却器上（絶縁粉体塗膜上）に確実に固定できる。しかも、弾性絶縁樹脂は、各々の熱拡散板に対応した形態で冷却器上に分けて盛られているため、弾性絶縁樹脂の単価を低減できる。このように、本発明の半導体素子搭載モジュールは、部品単価、部品点数及び組立工数を低減し、低コスト化を実現できる。
【００２０】
さらに、上記の半導体素子搭載モジュールであって、複数の上記熱拡散板の少なくともいずれかについては、上記絶縁粉体塗膜と上記熱拡散板との間に、放熱グリスが介在することを特徴とする半導体素子搭載モジュールとすると良い。
【００２１】
本発明によれば、複数の熱拡散板の少なくともいずれかについては、絶縁粉体塗膜と熱拡散板との間に、放熱グリスが介在する。このような放熱グリスが存在することにより、絶縁粉体塗膜と熱拡散板との隙間を確実に埋めることができるため、熱拡散板から冷却器への放熱効率を向上させることができる。また、従来、冷却器の表面略全面に放熱グリスが塗布されていたのに対し、本発明では、熱拡散板を小さく複数に分割したのに伴い、狭い面積にだけ放熱グリスを入れればよいため、高価な放熱グリスの単価を低減できる。
【００２２】
また、他の解決手段は、冷却器と、上記冷却器上に載置された熱拡散板であって、複数に分割されてなり、各々の裏面に絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜がそれぞれ形成された熱拡散板と、各々の上記熱拡散板上にハンダを介して接合された半導体素子と、上記熱拡散板及び上記半導体素子を覆うように上記冷却器上に盛られた弾性絶縁樹脂であって、各々の上記熱拡散板に対応した形態で上記冷却器上に分けて盛られた複数の弾性絶縁樹脂と、を備えることを特徴とする半導体素子搭載モジュールである。
【００２３】
本発明によれば、冷却器上に載置された熱拡散板の各々の裏面には、絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜が形成されている。このように絶縁粉体塗膜を形成することで、非絶縁性の半導体素子と冷却器を絶縁できるため、従来の半導体素子搭載モジュールで絶縁のために必要とされていた高価な絶縁セラミック板を省くことができ、部品単価を低減できる。しかも、絶縁粉体塗膜は、液体やシートなどから形成される絶縁膜に比して、熱拡散板の裏面の形状に合わせて均一に形成することが容易である。また、絶縁粉体塗膜は、例えば８０〜１２５μｍ程度に薄く形成しても十分な絶縁性を確保できるため、半導体素子搭載モジュールを薄型化できる。さらに、熱拡散板を小さく複数に分割したのに伴い、狭い面積にだけ絶縁粉体塗膜を形成すればよいため、絶縁粉体塗膜の単価を低減できる。また、従来は、冷却器の表面略全面を覆う広い面積の放熱板を使用していたのに対し、本発明の熱拡散板は、必要最小限の大きさで複数に分割しているため、高価な熱拡散板の単価を低減できる。またさらに、熱拡散板上に直接ハンダを介して半導体素子を搭載しているので、熱拡散板を電極部材として利用することもできるため、この点においても、電極を形成した従来の絶縁セラミック板をなくすことができる。さらに、絶縁セラミック板をなくすことで従来２種類必要であったハンダを１つにでき、部品点数及び組立工数を低減できる。なお、熱拡散板及び半導体素子を覆うように冷却器上に弾性絶縁樹脂を盛っているので、半導体素子を搭載した熱拡散板を冷却器上に確実に固定できる。しかも、弾性絶縁樹脂は、各々の熱拡散板に対応した形態で冷却器上に分けて盛られているため、弾性絶縁樹脂の単価を低減できる。このように、本発明の半導体素子搭載モジュールは、部品単価、部品点数及び組立工数を低減し、低コスト化を実現できる。
【００２４】
さらに、上記の半導体素子搭載モジュールであって、複数の上記熱拡散板の少なくともいずれかについては、上記冷却器と上記絶縁粉体塗膜との間に、放熱グリスが介在することを特徴とする半導体素子搭載モジュールとすると良い。
【００２５】
本発明によれば、複数の熱拡散板の少なくともいずれかについては、冷却器と絶縁粉体塗膜との間に、放熱グリスが介在する。このような放熱グリスが存在することにより、冷却器と絶縁粉体塗膜との隙間を確実に埋めることができるため、熱拡散板から冷却器への放熱効率を向上させることができる。また、従来、冷却器の表面略全面に放熱グリスが塗布されていたのに対し、本発明では、熱拡散板を小さく複数に分割したのに伴い、狭い面積にだけ放熱グリスを入れればよいため、高価な放熱グリスの単価を低減できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
本実施形態に係る半導体素子搭載モジュール１０１の簡略化した断面図を図１に示す。この半導体素子搭載モジュール１０１は、半導体素子としてＩＧＢＴ素子１０３とダイオード１０４が搭載された車載用のパワーモジュール１０１である。このパワーモジュール１０１は、冷却器１０５と、その表面１０５Ｈの略全面に形成された絶縁粉体塗膜１０７と、この絶縁粉体塗膜１０７上に載置された熱拡散板１０９と、熱拡散板１０９上にハンダ１１１を介して接合された半導体素子１０３，１０４と、熱拡散板１０９及び半導体素子１０３，１０４を覆うように冷却器１０５上に盛られた弾性絶縁樹脂１１３とを備える。また、絶縁粉体塗膜１０７と熱拡散板１０９との間には、放熱グリス１１５が介在している。
【００２７】
このうち、冷却器１０５は、搭載する半導体素子１０３，１０４で生じた熱を放熱するためのものであり、Ａｌからなり、その内部を冷却水が循環するように構成されたケースである。冷却器１０５の線膨張係数は２３ｐｐｍ／℃である。絶縁粉体塗膜１０７は、エポキシ樹脂粉体塗料からなり、その厚さは約１００μｍと薄く形成されている。
放熱グリス１１５は、シリコーンにセラミックフィラーが混合されたシリコーングリスからなり、その厚さは約１００μｍである。
熱拡散板１０９は、ＣｕＭｏからなり、全面にＮｉメッキが施されている。その線膨張係数は７．２ｐｐｍ／℃である。このような熱拡散板１０９は、半導体素子１０３，１０４で生じた熱を放熱する役割を果たすと共に、半導体素子１０３，１０４との熱膨張係数の差を小さくすることにより（半導体素子１０３，１０４の線膨張係数は４ｐｐｍ／℃である）、ハンダ１１１の寿命を十分に確保できる。
弾性絶縁樹脂１１３は、耐熱性の高いウレタン系樹脂からなり、ドーム状に冷却器１０５上（絶縁粉体塗膜１０７上）に盛られている。
なお、ＩＧＢＴ素子１０３とダイオード１０４は、図示しないアルミワイヤーにより互いに接続されている。また、冷却器１０５上には、図示しないバスバーやターミナルなどの端子が設けられ、これらと、ＩＧＢＴ素子１０３、ダイオード１０４及び熱拡散板１０９とも、アルミワイヤーを介して接続されている。
【００２８】
このようなパワーモジュール１０１は、熱拡散板１０９が載置される冷却器１０５の表面１０５Ｈに絶縁粉体塗膜１０７が形成されているので、半導体素子１０３，１０４と冷却器１０５を絶縁できる。従って、従来の半導体素子搭載モジュール８０１で絶縁のために必要とされていた高価な絶縁セラミック板８１１を省くことができ（図５参照）、部品単価を低減できる。しかも、絶縁粉体塗膜１０７は、液体やシートなどから形成される絶縁膜に比して、冷却器１０５の表面１０５Ｈの形状に合わせて均一に形成することが容易である。また、絶縁粉体塗膜１０７は、上記のように１００μｍ程度に薄く形成しても十分な絶縁性を確保できるため、パワーモジュール１０１を薄型化できる。また、熱拡散板１０９上に直接ハンダ１１１を介して半導体素子１０３，１０４を搭載しているので、熱拡散板１０９を上記のように電極部材として利用でき、この点においても、電極８１２を形成した従来の絶縁セラミック板８１１を省くことができる（図５参照）。さらに、従来の絶縁セラミック板８１１をなくすことで従来２種類必要であったハンダ８０９，８１５を１つのハンダ１１１にでき（図５参照）、部品点数及び組立工数を低減できる。また、熱拡散板１０９及び半導体素子１０３，１０４を覆うように冷却器１０５上に弾性絶縁樹脂１１３を盛っているので、半導体素子１０３，１０４を搭載した熱拡散板１０９を冷却器１０５上（絶縁粉体塗膜１０７上）に確実に固定できる。このように、本実施形態のパワーモジュール１０１は、部品単価、部品点数及び組立工数を低減し、低コスト化を実現できる。
【００２９】
さらに、本実施形態では、絶縁粉体塗膜１０７と熱拡散板１０９との間に、放熱グリス１１５を入れている。従って、絶縁粉体塗膜１０７と熱拡散板１０９との隙間を確実に埋めることができるため、熱拡散板１０９から冷却器１０５への放熱効率を向上させることができる。
【００３０】
次いで、上記パワーモジュール１０１の製造方法について説明する。
まず、熱拡散板１０９を用意し、その表面の所定の位置にＩＧＢＴ素子１０３とダイオード１０４を公知の手法によりハンダ１１１で接合する。一方で、冷却器１０５を用意し、その表面１０５Ｈの略全面に絶縁粉体塗膜１０７を公知の手法により形成する。その後、絶縁粉体塗膜１０７上の所定の位置に放熱グリス１１５を塗布し、その上に半導体素子１０３，１０４を搭載した熱拡散板１０９を載置する。次に、アルミワイヤーを用いて、ＩＧＢＴ素子１０３やダイオード１０４、ターミナル、バスバーを公知のワイヤーボンディングにより接続する。その後、熱拡散板１０９及び半導体素子１０３，１０４を覆うように冷却器１０５上（絶縁粉体塗膜１０７上）に熱硬化性のウレタン系樹脂をポッティングし、熱硬化させて弾性絶縁樹脂１１３を形成すれば、上記パワーモジュール１０１が完成する。
【００３１】
（実施形態２）
次いで、第２の実施の形態について図を参照しつつ説明する。なお、上記実施形態１と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。
本実施形態に係る半導体素子搭載モジュール２０１の簡略化した断面図を図２に示す。この半導体素子搭載モジュール２０１も、半導体素子としてＩＧＢＴ素子２０３とダイオード２０４が搭載された車載用のパワーモジュール２０１である。このパワーモジュール２０１も、上記実施形態１と同様に、冷却器２０５と、その表面２０５Ｈの略全面に形成された絶縁粉体塗膜２０７と、この絶縁粉体塗膜２０７上に載置された熱拡散板２０９と、熱拡散板２０９上にハンダ２１１を介して接合された半導体素子２０３，２０４と、熱拡散板２０９及び半導体素子２０３，２０４を覆うように冷却器２０５上に盛られた弾性絶縁樹脂２１３とを備える。
【００３２】
しかし、本実施形態では、熱拡散板２０９は、最小限の大きさに分割されて複数（２つ）実装されている。また、弾性絶縁樹脂２１３は、各々の熱拡散板２０９に対応した形態で冷却器２０５上に複数（２つ）盛られている。また、放熱グリス２１５は、一部（図中左側）の熱拡散板２０９と絶縁粉体塗膜２０７との間にだけ介在している。また、冷却器２０５上には、複数の端子２２１が立設されている。そして、これらの端子２２１と、ＩＧＢＴ素子２０３、ダイオード２０４及び熱拡散板２０９とは、アルミワイヤー２２３を介して接続されている。また、ＩＧＢＴ素子２０３とダイオード２０４同士もアルミワイヤー２２３を介して接続されている。
【００３３】
このようなパワーモジュール２０１も、上記実施形態１と同様な部分については、上記実施形態１と同様な作用、効果を奏する。加えて、本実施形態では、従来、冷却器９０３の表面９０３Ｈ略全面を覆う広い面積の放熱板９０７を使用していたのに対し（図６参照）、熱拡散板２０９を必要最小限の大きさに複数に分割しているため、高価な熱拡散板２０９の単価を低減できる。また、弾性絶縁樹脂２１３は、各々の熱拡散板２０９に対応した形態で冷却器２０５上に分けて盛られているため、弾性絶縁樹脂２１３の単価を低減できる。さらに、本実施形態では、従来、冷却器９０３の表面９０３Ｈ略全面に放熱グリス９１９を塗布していたのに対し（図６参照）、熱拡散板２０９を小さく複数に分割したのに伴い、必要最小限の狭い面積にだけ放熱グリス２１５を介在させているので、高価な放熱グリス２１５の単価を低減できる。このように、本実施形態のパワーモジュール２０１も、部品単価、部品点数及び組立工数を低減し、低コスト化を実現できる。
【００３４】
（実施形態３）
次いで、第３の実施の形態について図を参照しつつ説明する。なお、上記実施形態１または２と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。また、上記実施形態１と全く同様な部分は、同じ番号を付して説明する。
本実施形態に係る半導体素子搭載モジュール３０１の簡略化した断面図を図３に示す。この半導体素子搭載モジュール３０１も、半導体素子としてＩＧＢＴ素子１０３とダイオード１０４が搭載された車載用のパワーモジュール３０１である。このパワーモジュール３０１は、冷却器１０５と、この上に載置され、裏面１０９Ｒに絶縁粉体塗膜３０７が形成された熱拡散板１０９と、この熱拡散板１０９上にハンダ１１１を介して接合された半導体素子１０３，１０４と、熱拡散板１０９及び半導体素子１０３，１０４を覆うように冷却器１０５上に盛られた弾性絶縁樹脂１１３とを備える。また、冷却器１０５と絶縁粉体塗膜３０７との間には、放熱グリス３１５が介在している。即ち、本実施形態では、絶縁粉体塗膜３０７が熱拡散板１０９の裏面１０９Ｒに形成されている点と、放熱グリス３１５が冷却器１０５と絶縁粉体塗膜３０７との間に塗布されている点が、上記実施形態１と異なる。その他は、上記実施形態１と同様である。
【００３５】
このようなパワーモジュール３０１は、冷却器１０５上に載置される熱拡散板１０９の裏面１０９Ｒに絶縁粉体塗膜３０７が形成されているので、上記実施形態１と同様、半導体素子１０３，１０４と冷却器１０５を絶縁できる。従って、従来の半導体素子搭載モジュール８０１で絶縁のために必要とされていた高価な絶縁セラミック板８１１を省くことができ（図５参照）、部品単価を低減できる。加えて、本実施形態では、熱拡散板１０９の裏面１０９Ｒに絶縁粉体塗膜３０７を形成しているので、上記実施形態１のように冷却器１０５の表面１０５Ｈ略全面に絶縁粉体塗膜１０７を形成するのに比して（図１参照）、その面積が小さくなり、原料単価を低減できる。
また、本実施形態では、冷却器１０５と絶縁粉体塗膜３０７との間に、放熱グリス３１５を入れているが、このようにすることで、冷却器１０５と絶縁粉体塗膜３０７との隙間を確実に埋めることができるため、上記実施形態１，２と同様、熱拡散板１０９から冷却器１０５への放熱効率を向上させることができる。その他、上記実施形態１または２と同様な部分は、上記実施形態１または２と同様な作用、効果を奏する。
【００３６】
（実施形態４）
次いで、第４の実施の形態について図を参照しつつ説明する。なお、上記実施形態１〜３のいずれかと同様な部分の説明は、省略または簡略化する。また、上記実施形態２と全く同様な部分は、同じ番号を付して説明する。
本実施形態に係る半導体素子搭載モジュール４０１の簡略化した断面図を図４に示す。この半導体素子搭載モジュール４０１も、半導体素子としてＩＧＢＴ素子２０３とダイオード２０４が搭載された車載用のパワーモジュール４０１である。このパワーモジュール４０１は、上記実施形態３と同様に、冷却器２０５と、この上に載置され、裏面２０９Ｒに絶縁粉体塗膜４０７が形成された熱拡散板２０９と、この熱拡散板２０９上にハンダ２１１を介して接合された半導体素子２０３，２０４と、熱拡散板２０９及び半導体素子２０３，２０４を覆うように冷却器２０５上に盛られた弾性絶縁樹脂２１３とを備える。放熱グリス４１５は、冷却器２０５と絶縁粉体塗膜４０７との間に介在している（図中左側参照）。
【００３７】
しかし、本実施形態では、熱拡散板２０９は、上記実施形態２と同様に、複数（２つ）実装されている。また、弾性絶縁樹脂２１３は、各々の熱拡散板２０９に対応した形態で冷却器２０５上に複数（２つ）盛られている。また、放熱グリス４１５は、一部（図中左側）の放熱板２０９に対して存在している。その他の部分も、上記実施形態２と同様に構成されている。
即ち、本実施形態のパワーモジュール３０１は、上記実施形態２または上記実施形態３のいずれかと同様な部分から構成されている。従って、上記実施形態２と同様な部分については、上記実施形態２と同様な作用、効果を、上記実施形態３と同様な部分については、上記実施形態３と同様な作用、効果を得ることができる。
【００３８】
以上において、本発明を実施形態１〜４に即して説明したが、本発明は上記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で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体素子搭載モジュールの部品単価、部品点数及び組立工数を低減し、低コスト化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１に係るパワーモジュールを示す断面図である。
【図２】実施形態２に係るパワーモジュールを示す断面図である。
【図３】実施形態３に係るパワーモジュールを示す断面図である。
【図４】実施形態４に係るパワーモジュールを示す断面図である。
【図５】従来技術に係る第１の半導体素子搭載モジュールを示す断面図である。
【図６】従来技術に係る第２の半導体素子搭載モジュールを示す断面図である。
【符号の説明】
１０１，２０１，３０１，４０１ パワーモジュール（半導体素子搭載モジュール）
１０３，２０３ ＩＧＢＴ素子（半導体素子）
１０４，２０４ ダイオード（半導体素子）
１０５，２０５ 冷却器
１０７，２０７，３０７，４０７ 絶縁粉体塗膜
１０９，２０９ 熱拡散板
１１３，２１３ 弾性絶縁樹脂
１１５，２１５，３１５，４１５ 放熱グリス
Claims (8)
- 冷却器と、
上記冷却器の表面に形成された絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜と、
上記絶縁粉体塗膜上に載置された熱拡散板と、
上記熱拡散板上にハンダを介して接合された半導体素子と、
上記熱拡散板及び上記半導体素子を覆うように上記冷却器上に盛られた弾性絶縁樹脂と、
を備えることを特徴とする半導体素子搭載モジュール。 - 請求項１に記載の半導体素子搭載モジュールであって、
上記絶縁粉体塗膜と上記熱拡散板との間に、放熱グリスが介在する
ことを特徴とする半導体素子搭載モジュール。 - 冷却器と、
上記冷却器上に載置された熱拡散板であって、その裏面に絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜が形成された熱拡散板と、
上記熱拡散板上にハンダを介して接合された半導体素子と、
上記熱拡散板及び上記半導体素子を覆うように上記冷却器上に盛られた弾性絶縁樹脂と、
を備えることを特徴とする半導体素子搭載モジュール。 - 請求項３に記載の半導体素子搭載モジュールであって、
上記冷却器と上記絶縁粉体塗膜との間に、放熱グリスが介在する
ことを特徴とする半導体素子搭載モジュール。 - 冷却器と、
上記冷却器の表面に形成された絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜と、
上記絶縁粉体塗膜上に載置された熱拡散板であって、分割された複数の熱拡散板と、
各々の上記熱拡散板上にハンダを介して接合された半導体素子と、
上記熱拡散板及び上記半導体素子を覆うように上記冷却器上に盛られた弾性絶縁樹脂であって、各々の上記熱拡散板に対応した形態で上記冷却器上に分けて盛られた複数の弾性絶縁樹脂と、
を備えることを特徴とする半導体素子搭載モジュール。 - 請求項５に記載の半導体素子搭載モジュールであって、
複数の上記熱拡散板の少なくともいずれかについては、上記絶縁粉体塗膜と上記熱拡散板との間に、放熱グリスが介在する
ことを特徴とする半導体素子搭載モジュール。 - 冷却器と、
上記冷却器上に載置された熱拡散板であって、複数に分割されてなり、各々の裏面に絶縁粉体からなる絶縁粉体塗膜がそれぞれ形成された熱拡散板と、
各々の上記熱拡散板上にハンダを介して接合された半導体素子と、
上記熱拡散板及び上記半導体素子を覆うように上記冷却器上に盛られた弾性絶縁樹脂であって、各々の上記熱拡散板に対応した形態で上記冷却器上に分けて盛られた複数の弾性絶縁樹脂と、
を備えることを特徴とする半導体素子搭載モジュール。 - 請求項７に記載の半導体素子搭載モジュールであって、
複数の上記熱拡散板の少なくともいずれかについては、上記冷却器と上記絶縁粉体塗膜との間に、放熱グリスが介在する
ことを特徴とする半導体素子搭載モジュール。
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| JP2015096792A (ja) * | 2013-11-15 | 2015-05-21 | 株式会社フィルテック | 流体熱交換装置 |
-
2003
- 2003-03-05 JP JP2003058027A patent/JP2004273487A/ja active Pending
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