JP2011238643A - パワー半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁放熱樹脂層がヒートスプレッダに押しつぶされない構造を備えたパワー半導体モジュールを提供する。
【解決手段】放熱絶縁シート１３には、当該放熱絶縁シート１３よりも融点が高い絶縁物で構成された球状のスペーサ１３ａが分散されている。これにより、ヒートスプレッダ１１を放熱絶縁シート１３に接着する際に、ピンでヒートスプレッダ１１が放熱絶縁シート１３側に押し付けられたとしても、スペーサ１３ａによって放熱絶縁シート１３の厚みが一定に保たれるので、放熱絶縁シート１３が局所的に薄くつぶされることを防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体モジュールに関するものである。

従来より、パワー半導体モジュールを備えた電力変換装置が、例えば特許文献１で提案されている。このパワー半導体モジュールは、ヒートスプレッダの上面にパワー半導体チップがはんだを介して接合され、ヒートスプレッダの下面に絶縁放熱樹脂層および金属層が順に積層されている。また、リードフレームがヒートスプレッダに接合され、ワイヤを介してパワー半導体チップに接続されている。そして、リードフレームを突出させると共に金属層が露出するように、パワー半導体チップ、ヒートスプレッダ、絶縁放熱樹脂層、および金属層がモールド樹脂で封止されることでパワー半導体モジュールが構成されている。

このような構造のパワー半導体モジュールでは、金型内に金属層、絶縁放熱樹脂層、およびチップが実装されたヒートスプレッダの順に配置し、ヒートスプレッダにピンを押し当ててヒートスプレッダを絶縁放熱樹脂層に押し付けて接着すると共に溶融したモールド樹脂を流し込んで成形する方法が一般的である。

特開２００６−１６６６０４号公報

しかしながら、上記従来の技術では、ヒートスプレッダにピンを押し当ててヒートスプレッダと絶縁放熱樹脂層とを接着しているので、ヒートスプレッダに押し当てたピンの力がヒートスプレッダに加わる場所で局所的に絶縁放熱樹脂層が押しつぶされて薄くなり、ヒートスプレッダと金属層との間で絶縁不良になる可能性があった。

本発明は上記点に鑑み、局所的に絶縁放熱樹脂層がヒートスプレッダに押しつぶされない構造を備えたパワー半導体モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、板状のヒートスプレッダ（１１）の一面（１１ａ）に半導体素子（１２）が実装され、ヒートスプレッダ（１１）の他面（１１ｂ）が樹脂層（１３）で覆われており、樹脂層（１３）のうちヒートスプレッダ（１１）とは反対側の面が露出するように、半導体素子（１２）、ヒートスプレッダ（１１）、および樹脂層（１３）がモールド樹脂（１４）で封止されている。そして、樹脂層（１３）には、スペーサ（１３ａ）が分散されていることを特徴とする。

このように、樹脂層（１３）内にスペーサ（１３ａ）が分散されているので、ヒートスプレッダ（１１）を樹脂層（１３）に接着する際に、ピンでヒートスプレッダ（１１）が樹脂層（１３）側に押し付けられたとしても、スペーサ（１３ａ）によって樹脂層（１３）の厚みが一定に保たれる。したがって、樹脂層（１３）が局所的に薄くつぶされることを防止することができる。

請求項２に記載の発明では、スペーサ（１３ａ）は、樹脂層（１３）よりも融点が高い絶縁物で構成されていることを特徴とする。

これによると、樹脂層（１３）がヒートスプレッダ（１１）に押し付けられたとしても、スペーサ（１３ａ）の絶縁性によってヒートスプレッダ（１１）と外部部品との絶縁性を保つことができる。

また、請求項３に記載の発明のように、スペーサ（１３ａ）として、球状のものを採用することができる。

請求項４に記載の発明では、一面（２０ａ）を有する熱交換器（２０）を備えている。そして、樹脂層（１３）は、ヒートスプレッダ（１１）の他面（１１ｂ）と熱交換器（２０）の一面（２０ａ）とを接着していることを特徴とする。

これにより、半導体素子（１２）から熱を受け取ったヒートスプレッダ（１１）の熱を、樹脂層（１３）を介して熱交換器（２０）に放出することができる。また、スペーサ（１３ａ）の絶縁性によってヒートスプレッダ（１１）と熱交換器（２０）との絶縁性を保つことができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態に係る熱交換器付きパワー半導体モジュールの断面図である。 図１に示されるパワー半導体モジュールの製造工程のうちモールド樹脂の成形工程を示した図である。

以下、本発明の一実施形態について図を参照して説明する。以下で示される熱交換器付きパワー半導体モジュールは、例えばインバータ装置などの電力変換装置に適用されるものである。

図１は、パワー半導体モジュールの断面図である。この図に示されるように、パワー半導体モジュールは、モジュール１０と、熱交換器２０と、を備えて構成されている。

モジュール１０は、ヒートスプレッダ１１と、半導体素子１２と、放熱絶縁シート１３と、モールド樹脂１４と、を備えている。このうち、ヒートスプレッダ１１は一面１１ａおよび他面１１ｂを有する板状をなしており、半導体素子１２の熱を受け取って放出するヒートシンクとしての役割を果たすものである。ヒートスプレッダ１１として、例えばＣｕのブロックが採用される。

半導体素子１２は、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳトランジスタ等の素子が形成された半導体チップである。この半導体素子１２にはゲート等のパッドや電極が形成されており、図示しないリードにボンディングワイヤを介して電気的に接続されている。また、半導体素子１２は、ヒートスプレッダ１１の一面１１ａにはんだ１５を介して実装されている。

放熱絶縁シート１３は、ヒートスプレッダ１１と熱交換器２０とを接着するための熱伝導絶縁性の接着剤である。この放熱絶縁シート１３は、ヒートスプレッダ１１の他面１１ｂを覆っている。このような放熱絶縁シート１３としては、例えば熱硬化性のエポキシ樹脂にセラミックフィラーが混入されたシート状のものが採用される。セラミックフィラーが混入されていない場合の熱伝導率（１〜１０Ｗ／ｍ・Ｋ）に対して、放熱絶縁シート１３の熱伝導率は例えば１０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋとなっている。

また、放熱絶縁シート１３には、所定の直径を持つ球状のスペーサ１３ａが分散されている。このようなスペーサ１３ａとして、セラミックボールやガラスビーズ等の放熱絶縁シート１３よりも融点が高い絶縁物が採用される。これにより、放熱絶縁シート１３がヒートスプレッダ１１に厚み方向に押し付けられても放熱絶縁シート１３が少なくともスペーサ１３ａの直径の厚みに維持されると共に、ヒートスプレッダ１１と他の部品（後述する熱交換器２０）との絶縁性が維持される。

モールド樹脂１４は、モジュール１０の外観をなすものである。このモールド樹脂１４は、放熱絶縁シート１３のうちヒートスプレッダ１１とは反対側の面が露出するように、半導体素子１２、図示しないリードの一部、ヒートスプレッダ１１、および放熱絶縁シート１３をそれぞれ封止している。このようなモールド樹脂１４として、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。なお、「放熱絶縁シート１３のうちヒートスプレッダ１１とは反対側の面が露出するように」とは、放熱絶縁シート１３のうちヒートスプレッダ１１とは反対側の面を覆わないように、という意味である。

熱交換器２０は、モジュール１０つまり半導体素子１２を冷却するための冷却器である。熱交換器２０は一面２０ａおよび他面２０ｂを有する板状をなしており、熱交換器２０の一面２０ａが放熱絶縁シート１３に接着されている。

また、熱交換器２０の他面２０ｂには、当該他面２０ｂの一部が突出したフィン２１が複数形成されている。図１に示されるように、フィン２１は例えばピンフィンであり、千鳥状に配置されている。このフィン２１により、熱交換器２０の放熱性が向上する。熱交換器２０の材質として、例えば熱伝導性が良いＡｌが採用される。

上記では、放熱絶縁シート１３はヒートスプレッダ１１と熱交換器２０とを接着すると述べたが、より正確には、放熱絶縁シート１３はヒートスプレッダ１１の他面１１ｂと熱交換器２０の一面２０ａとを接着していると言える。また、図１に示されるように、モールド樹脂１４は、放熱絶縁シート１３の側面も覆うように形成され、熱交換器２０の一面２０ａに接している。以上が本実施形態に係るパワー半導体モジュールの全体構成である。

このような構造のパワー半導体モジュールにおいて、半導体素子１２が動作して半導体素子１２で熱が発生すると、半導体素子１２から放出された熱は、ヒートスプレッダ１１、放熱絶縁シート１３、および熱交換器２０に伝達される。そして、熱交換器２０の他面２０ｂ側は流体等の冷媒に晒されることで、熱交換器２０の熱が冷媒に奪われ、熱交換器２０が冷やされる。このように、半導体素子１２の熱を熱交換器２０に放出することができる。

次に、パワー半導体モジュールの製造方法について、図２を参照して説明する。まず、半導体素子１２、リード、ヒートスプレッダ１１、放熱絶縁シート１３、および熱交換器２０をそれぞれ用意しておく。また、ヒートスプレッダ１１の一面１１ａにはんだ１５を介して半導体素子１２を実装し、半導体素子１２に図示しないリードを接続しておく。

そして、図２に示されるように、下側金型３０に熱交換器２０を配置し、熱交換器２０の一面２０ａに放熱絶縁シート１３を配置する。さらに、この放熱絶縁シート１３の上に、半導体素子１２が実装されたヒートスプレッダ１１を配置する。

この後、上側金型４０を下側金型３０に重ね、型押さえ用のピン５０でヒートスプレッダ１１を熱交換器２０側に押し付ける。この場合、放熱絶縁シート１３にはスペーサ１３ａが分散されているので、ヒートスプレッダ１１のうちピン５０で押し付けられた場所の放熱絶縁シート１３が局所的に薄くつぶされることはない。また、各スペーサ１３ａのサイズはそれぞれ同じであるので、放熱絶縁シート１３の厚さは一定に保たれる。

この状態で、上側金型４０の凹部４１に図示しないゲートから溶融したモールド樹脂１４を流し込み、半導体素子１２、図示しないリードの一部、ヒートスプレッダ１１、および放熱絶縁シート１３をそれぞれ封止する。これにより、溶融したモールド樹脂１４によって放熱絶縁シート１３を加熱すると共に、ヒートスプレッダ１１と熱交換器２０とを接着する。また、モールド樹脂１４および放熱絶縁シート１３をそれぞれ冷却することで熱硬化させる。こうして、パワー半導体モジュールが完成する。

以上説明したように、本実施形態では、放熱絶縁シート１３にスペーサ１３ａが分散されていることが特徴となっている。これにより、ヒートスプレッダ１１が放熱絶縁シート１３に接着されるとき、ピン５０でヒートスプレッダ１１が放熱絶縁シート１３側に押し付けられたとしても、放熱絶縁シート１３が局所的に薄くつぶされてしまうことを防止することができる。つまり、スペーサ１３ａによって放熱絶縁シート１３の厚みを確保できる。

また、スペーサ１３ａが絶縁物で構成されているので、放熱絶縁シート１３がヒートスプレッダ１１に押し付けられても、ヒートスプレッダ１１と熱交換器２０との絶縁性を維持し続けることができる。すなわち、モジュール１０と熱交換器２０のような外部部品との絶縁性を保つことができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、放熱絶縁シート１３が特許請求の範囲の「樹脂層」に対応する。

（他の実施形態）
上記一実施形態では、熱交換器２０が一体化されたパワー半導体モジュールについて説明したが、これはパワー半導体モジュールの構成の一例であり、パワー半導体モジュールに熱交換器２０が一体化されていなくても良い。すなわち、放熱絶縁シート１３は、他の部品に接着されても良い。

また、熱交換器２０の他面２０ｂに設けられたフィン２１はピンフィンではなく、板状フィンでも良い。また、オフセットフィンでも良い。一方、熱交換器２０の他面２０ｂにフィン２１を設けるのではなく、熱交換器２０の他面２０ｂが波状等の凹凸形状になっていても良い。

上記一実施形態では、スペーサ１３ａとして球状のものを用いたが、これはスペーサ１３ａの形状の一例であり、他の形状でも良い。例えば、放熱絶縁シート１３の厚みを一定に保持できるのであればサイコロ状でも良い。

上記一実施形態では、モジュール１０に１つの半導体素子１２を設けた構造が示されているが、これは一例であり、モジュール１０に設ける半導体素子１２の数はモジュール１０の用途に応じて適宜変更できる。

１１ ヒートスプレッダ
１１ａ ヒートスプレッダの一面
１１ｂ ヒートスプレッダの他面
１２ 半導体素子
１３ 放熱絶縁シート
１３ａ スペーサ
１４ モールド樹脂
２０ 熱交換器
２０ａ 熱交換器の一面

Claims (4)

1. 板状のヒートスプレッダ（１１）の一面（１１ａ）に半導体素子（１２）が実装され、前記ヒートスプレッダ（１１）の他面（１１ｂ）が熱伝導絶縁性の樹脂層（１３）で覆われており、前記樹脂層（１３）のうち前記ヒートスプレッダ（１１）とは反対側の面が露出するように、前記半導体素子（１２）、前記ヒートスプレッダ（１１）、および前記樹脂層（１３）がモールド樹脂（１４）で封止されたパワー半導体モジュールであって、
   前記樹脂層（１３）には、スペーサ（１３ａ）が分散されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
2. 前記スペーサ（１３ａ）は、前記樹脂層（１３）よりも融点が高い絶縁物で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
3. 前記スペーサ（１３ａ）は、球状であることを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール。
4. 一面（２０ａ）を有する熱交換器（２０）を備え、
   前記樹脂層（１３）は、前記ヒートスプレッダ（１１）の他面（１１ｂ）と前記熱交換器（２０）の一面（２０ａ）とを接着していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のパワー半導体モジュール。

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