JP3829641B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ（Insulated gate bipolar transistor）等、高い発熱量のパワー半導体素子を有するモジュールの水冷構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッド電気自動車用モータ等、大出力モータを制御する大容量インバータに使用される従来技術のパワー半導体モジュールを、図２，図３，図４に示す。図２は、パワー半導体モジュール２９を、熱伝導グリース２６でヒートシンク２７に固着した、いわゆる間接冷却モジュールである。図３は、図２の銅ベース２４を、フィン３１付き銅ベース３０として、図２の熱伝導グリース２６を削除した直接冷却モジュール３２である。さらに、図４は、パワー半導体チップ１０を、水路１４を有するヒートシンク４０にはんだ接着した直接冷却モジュールである。
【０００３】
図２において、パワー半導体チップ１０が、回路パターンである銅板２０，窒化アルミ２１，裏面銅板２２で構成される窒化アルミ基板２３に、はんだ１１で接着される。さらに、この窒化アルミ基板２３は、銅ベース２４にはんだ２５で接着される。このような構造で、パワー半導体モジュール２９は、パワー半導体チップ１０と銅ベース２４が電気的に絶縁された、いわゆる絶縁型モジュールとなる。絶縁型モジュールは、例えばインバータとして組み上げるときに、モジュールとヒートシンク２７の電気絶縁に配慮しなくて良いので、取り扱いが容易である。なお、モジュールの放熱は、窒化アルミ基板２３，銅ベース２４を介して、フィン２９が形成されたヒートシンク２７で行われる。この従来技術では、ヒートシンク２７，水路カバー１５とで水路１４を構成した水冷構造である。本従来技術の場合、水冷しているので空冷より高い熱伝達を達成しているが、金属部材と比べて２桁熱伝導率の低い熱伝導グリース２６部で温度が上昇する。さらに、絶縁モジュールの特徴である窒化アルミ基板２３も、金属と比べて熱伝導率が低いため、温度上昇する。
【０００４】
図３では、フィン３１をパワーモジュール３２の銅ベース３０に設けている。銅ベース３０と水路カバー１５とで水路１４を構成し、銅ベース３０に直接冷却水を当てているベース直冷構造である。この構造は、図２では平板であった銅ベース３０にフィン３１を設けたため、窒化アルミ基板２３のはんだ接着工程で、フィン３１を変形させない配慮が必要になる。さらに、熱抵抗が高い窒化アルミ基板は依然として存在する。
【０００５】
図４は、図３に示すベース直冷構造モジュールの絶縁基板（窒化アルミ基板）を削除して、低熱抵抗性を向上させていて、水路１４を形成したアルミニウム製ヒートシンク４０に、パワー半導体チップ１０をはんだ１１で直接接着している。すなわち、図２，図３ではヒートシンクとチップが電気的に絶縁された絶縁型モジュールであるのに対し、この従来技術では、ヒートシンクが電気絶縁されていない、非絶縁モジュールである。本従来技術は、パワー半導体チップ１０の熱が、はんだ１１以外の介在物なしで水冷ヒートシンク４０で放熱されている構造である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
パワー半導体モジュールを水冷とするのは、半導体チップジャンクションから冷媒への熱抵抗，Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）を低減するためである。しかし、図２，図３に示す従来技術の場合、パワー半導体チップ１０とモジュールベース２７，３０を絶縁するための絶縁基板２３がある為、熱抵抗の低下には限界がある。
【０００７】
図４の構造では、非絶縁モジュールのため、例えばパワー半導体チップ１０がＩＧＢＴの場合、ヒートシンク４０はコレクタ電極となる。すなわち、ヒートシンク４０には、高電圧が印加される。従って、隣接するヒートシンク間の絶縁距離を十分にとらなければならない。また、冷却水にも電圧が印加されるので、冷却水の純度十分上げて絶縁性を確保しなければならない。さらに、冷却水に電圧が印加されると、微弱ながら当然冷却水中にリーク電流が流れ、リーク電流でヒートシンク４０の腐食を促進する懸念がある。
【０００８】
本発明の目的は、冷却水純度に対する配慮や、絶縁距離に対する配慮が不要で、耐腐食性に優れ信頼性が高く、熱抵抗が十分低い、パワー半導体モジュールを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
図１に本発明のパワー半導体モジュールの断面図を示す。本発明では、パワー半導体モジュール１６とは、絶縁層１３より上の部分を示す。本発明のパワー半導体モジュールでは、パワー半導体チップ１０をはんだ１１でヒートシンク兼コレクタ電極（ＩＧＢＴの場合）１２に接着し、ヒートシンク１２のパワー半導体チップ１０搭載面の対向面に、絶縁層１３を設け、この対向面と水路カバー１５とで、水路１４を形成する。このような構成で、冷却水とパワー半導体モジュール１６が絶縁された絶縁モジュールとなる。
【００１０】
また、パワー半導体チップ１０の熱は、絶縁層１３はあるものの、図２の従来技術の配線パターン２０(厚さ：〜０.３mm）よりも厚い（〜１mm以上）ヒートシンク１２で十分に拡散される為、絶縁層１３の伝熱面積が十分に大きくなり、絶縁層１３の熱抵抗は無視できるほど小さくなる。さらに、本発明のパワー半導体モジュールでは、冷却水とヒートシンク１２界面にある絶縁層１３が、エポキシ等の樹脂，リン酸ガラス等のガラスで構成される為、耐腐食コーティングの役割もなす。
【００１１】
本発明のパワー半導体モジュールは図５に示すように、ヒートシンク５０にフィン５２を設け、その外側に絶縁層５１を形成している。水路カバー１５とヒートシンク５０とで水路１４を構成して、フィン５２により熱伝達面積を増大すると同時に、絶縁層５１の熱抵抗も大幅に低減しているので一層の熱抵抗の低下が実現できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、以下図面を使用して詳細に説明する。
【００１３】
（実施例１）
図６を用いて本実施例を説明する。図６は、上下各１アームを搭載した、一相ＩＧＢＴモジュールの断面模式図である。電圧／電流定格が６００Ｖ／２００Ａであり、ＩＧＢＴ６０及び、フリーホイーリングダイオード(ＦＷＤ)６１のチップサイズは、各々概略１０mm，７mmである。長さ６９１／幅６９５／間隔６９６が６mm／６mm／３mmのフィン６６が、厚さ６９７が３mmの板に４本形成されたヒートシンク６９３に、共晶はんだ６９０でＩＧＢＴ６０、及び、ＦＷＤ６１チップがはんだ接着される。ヒートシンク６９３は、タフピッチ銅（Ｃ１１００）製で、表面は無電解Ｎｉメッキ（膜厚：約６μｍ）処理されている。平面寸法は、２cm×４cmである。ここで、ヒートシンク６９３の凹凸は０.１mm 以上あれば良く、２mm以上あればなお良い。さらに、チップ搭載面６９４以外のヒートシンク６９３表面には、主成分がＢｉ2Ｏ3であるビスマス系ガラス（膜厚：２０μｍ）がコーティングされている。
【００１４】
このビスマス系ガラスの厚さは５０μｍより薄いことが好ましい。また、ビスマス系ガラスの他にも融点が６６０℃以下でアルミニウムの融点より低いガラスであれば本実施例に適用できる。はんだ６９０の厚さは概略０.１mm 、Ｓｉチップ厚さは、概略０.５mm である。ＩＧＢＴ６０，ＦＷＤ６１が各１チップ搭載されたヒートシンク６９３は、Ｐ，Ｎ，出力，制御端子（図示せず）、及びＮ電極６７が一体成形された、いわゆるインサートケース６２にシリコーン接着剤６４で接着される。インサートケース６２の材質はポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）である。外形寸法は、９cm（Ｌ）×３.５cm(Ｗ）×３cm（Ｈ）である。インサートケース６２には、プリント回路基板（ＰＣＢ）６９が制御回路用として、同じくシリコーン接着剤６４で接着される。電気的配線は、超音波ワイヤボンディングされるアルミニウムワイヤ６８で行われる。線径０.３mmφ であり、電流容量を考慮して、チップ当たり、２４本のワイヤが接続されている。封止は、エポキシ樹脂６３で行われる。ＩＧＢＴモジュールでは、シリコーンゲルによる封止が一般的であるが、本実施例ではいわゆる硬質レジンのみで封止したので、接着材６４のみの場合より、防水の信頼性がより向上する。
【００１５】
本実施例のＩＧＢＴモジュールの全端子を短絡し、モジュールを銅板の上に載せて、銅板と、短絡した全端子間の絶縁耐圧を測定すると、４ＫＶであり、素子耐圧６００ＶのＩＧＢＴモジュールとして十分な値である。
【００１６】
冷却は、本実施例のＩＧＢＴモジュールのケース底面６９８を水路カバーに接着し、ヒートシンク６９３に冷却水を当てて行う。冷却系まで含めた断面構造を図７に示す。ＩＧＢＴモジュール７４は、図６の構造と基本的に同じであり、本実施例では、インサートケース７５の底面全体に、銅板（Ｃ１１００）７１をインサート成形している。水路カバー７２はアルミニウムダイカストで製造されている。冷却水のシールは、この銅板７１部で、ケース７５底面と水路カバー７２とをガスケット７０でネジ締めする。
【００１７】
上記水路７３に、冷却水を流速３ｍ／ｓで流して、ＩＧＢＴ６０の熱抵抗を測定した。その結果、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）＝０.０９℃／Ｗ であった。図２の従来技術の場合、同じ３ｍ／ｓの流速で、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）＝０.３２℃／Ｗ であり、熱抵抗を７０％以上小さくできた。さらに、ガラス層６５が存在しない場合のＲｔｈ（ｊ−ｗ）は０.０８℃／Ｗであり、図４の従来技術の場合と比べても熱抵抗が１０％程度しか増加せず、絶縁モジュールとして実装しやすくなっている。
【００１８】
ヒートシンク６９３を銅（Ｃ１１００）としたのは、熱抵抗低減を最優先としたためであり、製造コストを考慮して、アルミニウムとしてもよい。ヒートシンク６９３をアルミニウム（ＪＩＳ Ａ １１００）とした場合（形状は同一）についても同様に熱抵抗を測定したところ、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）＝０.１１℃／Ｗ であった。アルミニウムは銅よりも熱伝導率が低い為、熱抵抗が多少増大するが、図２の従来技術の構造よりも低い熱抵抗である。なお、アルミニウム製ヒートシンクの場合、線膨張係数が、銅よりも大きい為、チップ下はんだ６９０の歪みは銅製の場合よりも大きいので、アルミニウム製ヒートシンクの場合、はんだ６９０を０.２mm と厚くした。
【００１９】
なお、ヒートシンク６９３の材質としては、無酸素銅（Ｃ１０２０），アルミダイカスト等でもよく、製造コスト，熱抵抗を考慮して選択すればよい。
【００２０】
（実施例２）
本実施例を、図８の断面構造模式図を使用して説明する図６，図７に示した実施例と本実施例が異なるのは、ヒートシンク８２の形状、及び、それに付随したインサートケース８１の形状のみであり、その他の部分は全く同じである。図６のヒートシンク６９３にはフィン６６を形成していたが、本実施例では平板のヒートシンク８２であり、材質、及び、メッキ仕様は同じである。ヒートシンク８２の表面は凹凸の山と谷との間を測定し、大きいほうから５点の平均値が0.1mm以下であり、この凹凸が０.０５mm 以下であるとより好ましい。ヒートシンク８２にＩＧＢＴ，ＦＷＤチップをはんだ接着後、インサートケース８１にヒートシンクをシリコーン接着材で接着する。絶縁は、モジュール底面全体に熱伝導樹脂シート８０を接着して行われる。熱伝導樹脂シート８０は、エポキシ樹脂にアルミナフィラーを混錬したもので、膜厚は０.１mm、熱伝導率は１.６Ｗ／ｍ・℃である。接着は、１５０℃に加熱し、加圧する、いわゆる熱圧着で行われる。本実施例の構造で、モジュール底面は、樹脂シート８０で覆われる。なお、熱伝導樹脂シートの厚さは０.３mmより薄ければ良く、好ましくは０.２mm以下である。
【００２１】
銅板の上に本モジュールを載せて、全端子と銅板間の絶縁耐圧を測定したところ、６ＫＶを示し、十分な耐圧を確認できた。さらに、実施例１と同じく、流速３ｍ／ｓで熱伝導樹脂シート８０下に冷却水を流し、ＩＧＢＴチップ６０の熱抵抗を測定したところ、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）＝０.２℃／Ｗ であった。本実施例では図２の従来構造に比べ、低い熱抵抗を実現できた。
【００２２】
（実施例３）
図９に本実施例の断面構造模式図を示す。図９は、ＩＧＢＴチップ６０，FWDチップ６１，チップ抵抗９４各２チップを搭載した１アームモジュールである。アウターリードを含む大きさが約７cm×６cm，板厚１mmのＮｉメッキ銅(Ｃ1020)製リードフレーム９１に、ＩＧＢＴチップ６０，ＦＷＤチップ６１，チップ抵抗９４各２チップを共晶はんだ６９０で接着する。ＩＧＢＴチップ６０，ＦＷＤチップ６１がはんだ接着されるリードフレーム９１裏面には、実施例１と同じ低融点ガラス９０が膜厚２０μｍコーティングされている。各チップとリードフレーム９１間は、アルミニウムワイヤ６８の超音波ボンディングで接続される。チップ抵抗９４は、ＩＧＢＴチップ６０のゲートに接続され、その目的は、並列接続されたＩＧＢＴ６０の発振防止である。本リードフレーム９１は、裏面が露出されるように、エポキシ樹脂で符号９２の部分がトランスファモールドされる。しかる後ＩＧＢＴチップ６０，ＦＷＤチップ６１が搭載された、裏面ガラスコートリードフレーム９１が露出するように、エポキシ樹脂で符号９３の部分が再びトランスファモールドされている。トランスファモールド樹脂９３は、裏面ガラスコートリードフレーム９１の裏面に約１.５mm オーバーハング９７となっている。トランスファモールド樹脂９３でリードフレーム９１をかしめて、防水を確実にするためである。パッケージの高さは、約６mmである。
【００２３】
図１２はエポキシ樹脂で封止する前のリードフレーム形状図である。図中のＡＡ断面を、樹脂封止、及び、冷却装置に取り付けた状態で示したのが、前述の図９である。ＩＧＢＴ６０，ＦＷＤ６１はリードフレームのコレクタパターン１２０に接着され、エミッタはアルミニウムワイヤ６８でエミッタパターン122に接続されている。補助エミッタワイヤ１２３，ゲートワイヤ１２４以外のアルミニウムワイヤは簡略化のため、一対のＩＧＢＴ，ＦＷＤのみに描いている。前述のチップ抵抗９４はゲートパターン１２６に接着され、補助エミッタワイヤ１２３はパターン１２５に接続されている。リードフレーム４隅の穴１２１はモジュール取付穴である。ＩＧＢＴ６０，ＦＷＤ６１の熱は、大きさ約５cm×２cmのコレクタパターン１２０全体に広がり、効率良く放熱できる為、低い熱抵抗を実現できる。
【００２４】
本パッケージを回路ケース９６に接着して、水路カバー１５とで水路９５を形成した。水路の厚さは２mmである。この水路９５に、約２kg／cm2 の水圧をかけたところ、パッケージ内部への冷却水の浸透は全く見られず、実用的な水圧では冷却水浸透の心配は無いことが分かった。また、これまでと同様に、流速３ｍ／ｓで、ＩＧＢＴ６０の熱抵抗を測定したところ、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）＝０.１℃／Ｗ となり十分小さい熱抵抗を実現できた。また絶縁耐圧も、実施例１から２と同様に十分な値であった。
【００２５】
（実施例４）
図１０に本実施例の断面構造模式図を示す。本実施例は、トランスファモールド樹脂９３を絶縁に使用した。本実施例では、裏面に一切コーティングしていないリードフレーム９１にＩＧＢＴ６０，ＦＷＤ６１，チップ抵抗９４を搭載し、リードフレーム裏面を露出させて、樹脂９２でトランスファモールドする。リードフレーム９１，はんだ６９０等は、実施例３と同一である。絶縁は、図示したように、トランスファモールド樹脂９３で裏面全体を封止したトランスファモールド樹脂による絶縁層１０１を形成することを行っている。なお、図１０では、トランスファモールド樹脂による絶縁層１０１の厚さは強調して表現しており、実際の厚さは約０.２mmである。本構造は、封止樹脂と絶縁樹脂を共通化して、製造コストを低減すると同時に、パッケージの防水性がより完全になる。
【００２６】
本パッケージと回路ケース９６，水路カバー１５とで水路９５を形成し、熱抵抗を測定すると、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）＝０.２６℃／Ｗ（流速：３ｍ／ｓ）であり、図２の従来技術の構造より低い熱抵抗である。
【００２７】
（実施例５）
図１１に本実施例の断面構造模式図を示す。本実施例では、図９の構造に耐腐食性を達成する為の耐腐食コーティング層１１０を設けた他は、図９と同様である。耐腐食コーティング層１１０は、本実施例では膜厚０.１mmの銅箔（Ｃ1020)であり、一般的に冷却水として用いられているエチレングリコール系の不凍液の場合、本コーティングで１５年稼動した時の銅の溶出は無視出来るほど小さいと予測され、十分な耐腐食性が期待できる。熱抵抗は、銅の抵抗が無視できるほど小さい為、図９の場合と同じ値であった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却水純度に対する配慮や絶縁距離に対する配慮が不要で、耐腐食性に優れ信頼性が高く、熱抵抗が十分低い、パワー半導体モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパワーモジュールの断面図である。
【図２】従来技術のパワーモジュールの断面図である。
【図３】別の従来技術のパワーモジュールの断面図である。
【図４】さらに別の従来技術のパワーモジュールの断面図である。
【図５】本発明のパワーモジュールの断面図である。
【図６】実施例１のパワーモジュールの断面図である。
【図７】図６のモジュールで水路を構成した場合の模式図である。
【図８】実施例２のパワーモジュールの断面図である。
【図９】実施例３のパワーモジュールの断面図である。
【図１０】実施例４のパワーモジュールの断面図である。
【図１１】実施例５のパワーモジュールの断面図である。
【図１２】実施例３のリードフレーム平面模式図である。
【符号の説明】
１０…パワー半導体チップ、１１，２５，６９０…はんだ、１２…ヒートシンク兼コレクタ、または、ドレイン、または、カソード電極、１３…絶縁層、１４，７３，９５…水路、１５，７２…水路カバー、１６，２９，３２…パワー半導体モジュール、２０…銅板（回路パターン）、２１…窒化アルミ、２２…銅板、２３…窒化アルミ基板、２４…銅ベース、２６…熱伝導グリース、２７，３０，４０，５０，８２，６９３…ヒートシンク、２９，３１，５２，６６…フィン、５１，６５，９０…低融点ガラス層、６０…ＩＧＢＴチップ、６１…ＦＷＤチップ、６２，７５，８１…インサートケース、６３…エポキシ樹脂、６４…シリコーン接着材、６７…Ｎ電極、６８…アルミニウムワイヤ、６９…プリント回路基板、７０…ガスケット、７１…モジュール締付け用銅板、７４…ＩＧＢＴモジュール、７６…ヒートシンク／ケース境界層、８０…高熱伝導樹脂シート、９１…リードフレーム、９２，９３…トランスファモールド樹脂、９４…チップ抵抗、９６…回路ケース、９７…オーバーハング、１０１…トランスファモールド樹脂による絶縁層、１１０…耐腐食コーティング層、１２０…リードフレームコレクタパターン、１２１…モジュール取付穴、１２２…リードフレームエミッタパターン、１２３…補助エミッタアルミニウムワイヤ、１２４…ゲートアルミニウムワイヤ、１２５…リードフレーム補助エミッタパターン、１２６…リードフレームゲートパターン、６９１…フィン長さ、６９４…ヒートシンクのチップ搭載面、６９５…フィン幅、６９６…フィン間隔、６９７…ヒートシンク厚さ、６９８…ケース底面。
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ（Insulated gate bipolar transistor）等、高い発熱量のパワー半導体素子を有するモジュールの水冷構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッド電気自動車用モータ等、大出力モータを制御する大容量インバータに使用される従来技術のパワー半導体モジュールを、図２，図３，図４に示す。図２は、パワー半導体モジュール２９を、熱伝導グリース２６でヒートシンク２７に固着した、いわゆる間接冷却モジュールである。図３は、図２の銅ベース２４を、フィン３１付き銅ベース３０として、図２の熱伝導グリース２６を削除した直接冷却モジュール３２である。さらに、図４は、パワー半導体チップ１０を、水路１４を有するヒートシンク４０にはんだ接着した直接冷却モジュールである。
【０００３】
図２において、パワー半導体チップ１０が、回路パターンである銅板２０，窒化アルミ２１，裏面銅板２２で構成される窒化アルミ基板２３に、はんだ１１で接着される。さらに、この窒化アルミ基板２３は、銅ベース２４にはんだ２５で接着される。このような構造で、パワー半導体モジュール２９は、パワー半導体チップ１０と銅ベース２４が電気的に絶縁された、いわゆる絶縁型モジュールとなる。絶縁型モジュールは、例えばインバータとして組み上げるときに、モジュールとヒートシンク２７の電気絶縁に配慮しなくて良いので、取り扱いが容易である。なお、モジュールの放熱は、窒化アルミ基板２３，銅ベース２４を介して、フィン２９が形成されたヒートシンク２７で行われる。この従来技術では、ヒートシンク２７，水路カバー１５とで水路１４を構成した水冷構造である。本従来技術の場合、水冷しているので空冷より高い熱伝達を達成しているが、金属部材と比べて２桁熱伝導率の低い熱伝導グリース２６部で温度が上昇する。さらに、絶縁モジュールの特徴である窒化アルミ基板２３も、金属と比べて熱伝導率が低いため、温度上昇する。
【０００４】
図３では、フィン３１をパワーモジュール３２の銅ベース３０に設けている。銅ベース３０と水路カバー１５とで水路１４を構成し、銅ベース３０に直接冷却水を当てているベース直冷構造である。この構造は、図２では平板であった銅ベース３０にフィン３１を設けたため、窒化アルミ基板２３のはんだ接着工程で、フィン３１を変形させない配慮が必要になる。さらに、熱抵抗が高い窒化アルミ基板は依然として存在する。
【０００５】
図４は、図３に示すベース直冷構造モジュールの絶縁基板（窒化アルミ基板）を削除して、低熱抵抗性を向上させていて、水路１４を形成したアルミニウム製ヒートシンク４０に、パワー半導体チップ１０をはんだ１１で直接接着している。すなわち、図２，図３ではヒートシンクとチップが電気的に絶縁された絶縁型モジュールであるのに対し、この従来技術では、ヒートシンクが電気絶縁されていない、非絶縁モジュールである。本従来技術は、パワー半導体チップ１０の熱が、はんだ１１以外の介在物なしで水冷ヒートシンク４０で放熱されている構造である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
パワー半導体モジュールを水冷とするのは、半導体チップジャンクションから冷媒への熱抵抗，Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）を低減するためである。しかし、図２，図３に示す従来技術の場合、パワー半導体チップ１０とモジュールベース２７，３０を絶縁するための絶縁基板２３がある為、熱抵抗の低下には限界がある。
【０００７】
図４の構造では、非絶縁モジュールのため、例えばパワー半導体チップ１０がＩＧＢＴの場合、ヒートシンク４０はコレクタ電極となる。すなわち、ヒートシンク４０には、高電圧が印加される。従って、隣接するヒートシンク間の絶縁距離を十分にとらなければならない。また、冷却水にも電圧が印加されるので、冷却水の純度十分上げて絶縁性を確保しなければならない。さらに、冷却水に電圧が印加されると、微弱ながら当然冷却水中にリーク電流が流れ、リーク電流でヒートシンク４０の腐食を促進する懸念がある。
【０００８】
本発明の目的は、冷却水純度に対する配慮や、絶縁距離に対する配慮が不要で、耐腐食性に優れ信頼性が高く、熱抵抗が十分低い、パワー半導体モジュールを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
図１に本発明のパワー半導体モジュールの断面図を示す。本発明では、パワー半導体モジュール１６とは、絶縁層１３より上の部分を示す。本発明のパワー半導体モジュールでは、パワー半導体チップ１０をはんだ１１でヒートシンク兼コレクタ電極（ＩＧＢＴの場合）１２に接着し、ヒートシンク１２のパワー半導体チップ１０搭載面の対向面に、絶縁層１３を設け、この対向面と水路カバー１５とで、水路１４を形成する。このような構成で、冷却水とパワー半導体モジュール１６が絶縁された絶縁モジュールとなる。
【００１０】
また、パワー半導体チップ１０の熱は、絶縁層１３はあるものの、図２の従来技術の配線パターン２０(厚さ：〜０.３mm）よりも厚い（〜１mm以上）ヒートシンク１２で十分に拡散される為、絶縁層１３の伝熱面積が十分に大きくなり、絶縁層１３の熱抵抗は無視できるほど小さくなる。さらに、本発明のパワー半導体モジュールでは、冷却水とヒートシンク１２界面にある絶縁層１３が、エポキシ等の樹脂，リン酸ガラス等のガラスで構成される為、耐腐食コーティングの役割もなす。
【００１１】
本発明のパワー半導体モジュールは図５に示すように、ヒートシンク５０にフィン５２を設け、その外側に絶縁層５１を形成している。水路カバー１５とヒートシンク５０とで水路１４を構成して、フィン５２により熱伝達面積を増大すると同時に、絶縁層５１の熱抵抗も大幅に低減しているので一層の熱抵抗の低下が実現できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、以下図面を使用して詳細に説明する。
【００１３】
（実施例１）
図６を用いて本実施例を説明する。図６は、上下各１アームを搭載した、一相ＩＧＢＴモジュールの断面模式図である。電圧／電流定格が６００Ｖ／２００Ａであり、ＩＧＢＴ６０及び、フリーホイーリングダイオード(ＦＷＤ)６１のチップサイズは、各々概略１０mm，７mmである。長さ６９１／幅６９５／間隔６９６が６mm／６mm／３mmのフィン６６が、厚さ６９７が３mmの板に４本形成されたヒートシンク６９３に、共晶はんだ６９０でＩＧＢＴ６０、及び、ＦＷＤ６１チップがはんだ接着される。ヒートシンク６９３は、タフピッチ銅（Ｃ１１００）製で、表面は無電解Ｎｉメッキ（膜厚：約６μｍ）処理されている。平面寸法は、２cm×４cmである。ここで、ヒートシンク６９３の凹凸は０.１mm 以上あれば良く、２mm以上あればなお良い。さらに、チップ搭載面６９４以外のヒートシンク６９３表面には、主成分がＢｉ2Ｏ3であるビスマス系ガラス（膜厚：２０μｍ）がコーティングされている。
【００１４】
このビスマス系ガラスの厚さは５０μｍより薄いことが好ましい。また、ビスマス系ガラスの他にも融点が６６０℃以下でアルミニウムの融点より低いガラスであれば本実施例に適用できる。はんだ６９０の厚さは概略０.１mm 、Ｓｉチップ厚さは、概略０.５mm である。ＩＧＢＴ６０，ＦＷＤ６１が各１チップ搭載されたヒートシンク６９３は、Ｐ，Ｎ，出力，制御端子（図示せず）、及びＮ電極６７が一体成形された、いわゆるインサートケース６２にシリコーン接着剤６４で接着される。インサートケース６２の材質はポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）である。外形寸法は、９cm（Ｌ）×３.５cm(Ｗ）×３cm（Ｈ）である。インサートケース６２には、プリント回路基板（ＰＣＢ）６９が制御回路用として、同じくシリコーン接着剤６４で接着される。電気的配線は、超音波ワイヤボンディングされるアルミニウムワイヤ６８で行われる。線径０.３mmφ であり、電流容量を考慮して、チップ当たり、２４本のワイヤが接続されている。封止は、エポキシ樹脂６３で行われる。ＩＧＢＴモジュールでは、シリコーンゲルによる封止が一般的であるが、本実施例ではいわゆる硬質レジンのみで封止したので、接着材６４のみの場合より、防水の信頼性がより向上する。
【００１５】
本実施例のＩＧＢＴモジュールの全端子を短絡し、モジュールを銅板の上に載せて、銅板と、短絡した全端子間の絶縁耐圧を測定すると、４ＫＶであり、素子耐圧６００ＶのＩＧＢＴモジュールとして十分な値である。
【００１６】
冷却は、本実施例のＩＧＢＴモジュールのケース底面６９８を水路カバーに接着し、ヒートシンク６９３に冷却水を当てて行う。冷却系まで含めた断面構造を図７に示す。ＩＧＢＴモジュール７４は、図６の構造と基本的に同じであり、本実施例では、インサートケース７５の底面全体に、銅板（Ｃ１１００）７１をインサート成形している。水路カバー７２はアルミニウムダイカストで製造されている。冷却水のシールは、この銅板７１部で、ケース７５底面と水路カバー７２とをガスケット７０でネジ締めする。
【００１７】
上記水路７３に、冷却水を流速３ｍ／ｓで流して、ＩＧＢＴ６０の熱抵抗を測定した。その結果、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）＝０.０９℃／Ｗ であった。図２の従来技術の場合、同じ３ｍ／ｓの流速で、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）＝０.３２℃／Ｗ であり、熱抵抗を７０％以上小さくできた。さらに、ガラス層６５が存在しない場合のＲｔｈ（ｊ−ｗ）は０.０８℃／Ｗであり、図４の従来技術の場合と比べても熱抵抗が１０％程度しか増加せず、絶縁モジュールとして実装しやすくなっている。
【００１８】
ヒートシンク６９３を銅（Ｃ１１００）としたのは、熱抵抗低減を最優先としたためであり、製造コストを考慮して、アルミニウムとしてもよい。ヒートシンク６９３をアルミニウム（ＪＩＳ Ａ １１００）とした場合（形状は同一）についても同様に熱抵抗を測定したところ、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）＝０.１１℃／Ｗ であった。アルミニウムは銅よりも熱伝導率が低い為、熱抵抗が多少増大するが、図２の従来技術の構造よりも低い熱抵抗である。なお、アルミニウム製ヒートシンクの場合、線膨張係数が、銅よりも大きい為、チップ下はんだ６９０の歪みは銅製の場合よりも大きいので、アルミニウム製ヒートシンクの場合、はんだ６９０を０.２mm と厚くした。
【００１９】
なお、ヒートシンク６９３の材質としては、無酸素銅（Ｃ１０２０），アルミダイカスト等でもよく、製造コスト，熱抵抗を考慮して選択すればよい。
【００２０】
（実施例２）
本実施例を、図８の断面構造模式図を使用して説明する図６，図７に示した実施例と本実施例が異なるのは、ヒートシンク８２の形状、及び、それに付随したインサートケース８１の形状のみであり、その他の部分は全く同じである。図６のヒートシンク６９３にはフィン６６を形成していたが、本実施例では平板のヒートシンク８２であり、材質、及び、メッキ仕様は同じである。ヒートシンク８２の表面は凹凸の山と谷との間を測定し、大きいほうから５点の平均値が0.1mm以下であり、この凹凸が０.０５mm 以下であるとより好ましい。ヒートシンク８２にＩＧＢＴ，ＦＷＤチップをはんだ接着後、インサートケース８１にヒートシンクをシリコーン接着材で接着する。絶縁は、モジュール底面全体に熱伝導樹脂シート８０を接着して行われる。熱伝導樹脂シート８０は、エポキシ樹脂にアルミナフィラーを混錬したもので、膜厚は０.１mm、熱伝導率は１.６Ｗ／ｍ・℃である。接着は、１５０℃に加熱し、加圧する、いわゆる熱圧着で行われる。本実施例の構造で、モジュール底面は、樹脂シート８０で覆われる。なお、熱伝導樹脂シートの厚さは０.３mmより薄ければ良く、好ましくは０.２mm以下である。
【００２１】
銅板の上に本モジュールを載せて、全端子と銅板間の絶縁耐圧を測定したところ、６ＫＶを示し、十分な耐圧を確認できた。さらに、実施例１と同じく、流速３ｍ／ｓで熱伝導樹脂シート８０下に冷却水を流し、ＩＧＢＴチップ６０の熱抵抗を測定したところ、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）＝０.２℃／Ｗ であった。本実施例では図２の従来構造に比べ、低い熱抵抗を実現できた。
【００２２】
（実施例３）
図９に本実施例の断面構造模式図を示す。図９は、ＩＧＢＴチップ６０，FWDチップ６１，チップ抵抗９４各２チップを搭載した１アームモジュールである。アウターリードを含む大きさが約７cm×６cm，板厚１mmのＮｉメッキ銅(Ｃ1020)製リードフレーム９１に、ＩＧＢＴチップ６０，ＦＷＤチップ６１，チップ抵抗９４各２チップを共晶はんだ６９０で接着する。ＩＧＢＴチップ６０，ＦＷＤチップ６１がはんだ接着されるリードフレーム９１裏面には、実施例１と同じ低融点ガラス９０が膜厚２０μｍコーティングされている。各チップとリードフレーム９１間は、アルミニウムワイヤ６８の超音波ボンディングで接続される。チップ抵抗９４は、ＩＧＢＴチップ６０のゲートに接続され、その目的は、並列接続されたＩＧＢＴ６０の発振防止である。本リードフレーム９１は、裏面が露出されるように、エポキシ樹脂で符号９２の部分がトランスファモールドされる。しかる後ＩＧＢＴチップ６０，ＦＷＤチップ６１が搭載された、裏面ガラスコートリードフレーム９１が露出するように、エポキシ樹脂で符号９３の部分が再びトランスファモールドされている。トランスファモールド樹脂９３は、裏面ガラスコートリードフレーム９１の裏面に約１.５mm オーバーハング９７となっている。トランスファモールド樹脂９３でリードフレーム９１をかしめて、防水を確実にするためである。パッケージの高さは、約６mmである。
【００２３】
図１２はエポキシ樹脂で封止する前のリードフレーム形状図である。図中のＡＡ断面を、樹脂封止、及び、冷却装置に取り付けた状態で示したのが、前述の図９である。ＩＧＢＴ６０，ＦＷＤ６１はリードフレームのコレクタパターン１２０に接着され、エミッタはアルミニウムワイヤ６８でエミッタパターン122に接続されている。補助エミッタワイヤ１２３，ゲートワイヤ１２４以外のアルミニウムワイヤは簡略化のため、一対のＩＧＢＴ，ＦＷＤのみに描いている。前述のチップ抵抗９４はゲートパターン１２６に接着され、補助エミッタワイヤ１２３はパターン１２５に接続されている。リードフレーム４隅の穴１２１はモジュール取付穴である。ＩＧＢＴ６０，ＦＷＤ６１の熱は、大きさ約５cm×２cmのコレクタパターン１２０全体に広がり、効率良く放熱できる為、低い熱抵抗を実現できる。
【００２４】
本パッケージを回路ケース９６に接着して、水路カバー１５とで水路９５を形成した。水路の厚さは２mmである。この水路９５に、約２kg／cm2 の水圧をかけたところ、パッケージ内部への冷却水の浸透は全く見られず、実用的な水圧では冷却水浸透の心配は無いことが分かった。また、これまでと同様に、流速３ｍ／ｓで、ＩＧＢＴ６０の熱抵抗を測定したところ、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）＝０.１℃／Ｗ となり十分小さい熱抵抗を実現できた。また絶縁耐圧も、実施例１から２と同様に十分な値であった。
【００２５】
（実施例４）
図１０に本実施例の断面構造模式図を示す。本実施例は、トランスファモールド樹脂９３を絶縁に使用した。本実施例では、裏面に一切コーティングしていないリードフレーム９１にＩＧＢＴ６０，ＦＷＤ６１，チップ抵抗９４を搭載し、リードフレーム裏面を露出させて、樹脂９２でトランスファモールドする。リードフレーム９１，はんだ６９０等は、実施例３と同一である。絶縁は、図示したように、トランスファモールド樹脂９３で裏面全体を封止したトランスファモールド樹脂による絶縁層１０１を形成することを行っている。なお、図１０では、トランスファモールド樹脂による絶縁層１０１の厚さは強調して表現しており、実際の厚さは約０.２mmである。本構造は、封止樹脂と絶縁樹脂を共通化して、製造コストを低減すると同時に、パッケージの防水性がより完全になる。
【００２６】
本パッケージと回路ケース９６，水路カバー１５とで水路９５を形成し、熱抵抗を測定すると、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）＝０.２６℃／Ｗ（流速：３ｍ／ｓ）であり、図２の従来技術の構造より低い熱抵抗である。
【００２７】
（実施例５）
図１１に本実施例の断面構造模式図を示す。本実施例では、図９の構造に耐腐食性を達成する為の耐腐食コーティング層１１０を設けた他は、図９と同様である。耐腐食コーティング層１１０は、本実施例では膜厚０.１mmの銅箔（Ｃ1020)であり、一般的に冷却水として用いられているエチレングリコール系の不凍液の場合、本コーティングで１５年稼動した時の銅の溶出は無視出来るほど小さいと予測され、十分な耐腐食性が期待できる。熱抵抗は、銅の抵抗が無視できるほど小さい為、図９の場合と同じ値であった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却水純度に対する配慮や絶縁距離に対する配慮が不要で、耐腐食性に優れ信頼性が高く、熱抵抗が十分低い、パワー半導体モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパワーモジュールの断面図である。
【図２】従来技術のパワーモジュールの断面図である。
【図３】別の従来技術のパワーモジュールの断面図である。
【図４】さらに別の従来技術のパワーモジュールの断面図である。
【図５】本発明のパワーモジュールの断面図である。
【図６】実施例１のパワーモジュールの断面図である。
【図７】図６のモジュールで水路を構成した場合の模式図である。
【図８】実施例２のパワーモジュールの断面図である。
【図９】実施例３のパワーモジュールの断面図である。
【図１０】実施例４のパワーモジュールの断面図である。
【図１１】実施例５のパワーモジュールの断面図である。
【図１２】実施例３のリードフレーム平面模式図である。
【符号の説明】
１０…パワー半導体チップ、１１，２５，６９０…はんだ、１２…ヒートシンク兼コレクタ、または、ドレイン、または、カソード電極、１３…絶縁層、１４，７３，９５…水路、１５，７２…水路カバー、１６，２９，３２…パワー半導体モジュール、２０…銅板（回路パターン）、２１…窒化アルミ、２２…銅板、２３…窒化アルミ基板、２４…銅ベース、２６…熱伝導グリース、２７，３０，４０，５０，８２，６９３…ヒートシンク、２９，３１，５２，６６…フィン、５１，６５，９０…低融点ガラス層、６０…ＩＧＢＴチップ、６１…ＦＷＤチップ、６２，７５，８１…インサートケース、６３…エポキシ樹脂、６４…シリコーン接着材、６７…Ｎ電極、６８…アルミニウムワイヤ、６９…プリント回路基板、７０…ガスケット、７１…モジュール締付け用銅板、７４…ＩＧＢＴモジュール、７６…ヒートシンク／ケース境界層、８０…高熱伝導樹脂シート、９１…リードフレーム、９２，９３…トランスファモールド樹脂、９４…チップ抵抗、９６…回路ケース、９７…オーバーハング、１０１…トランスファモールド樹脂による絶縁層、１１０…耐腐食コーティング層、１２０…リードフレームコレクタパターン、１２１…モジュール取付穴、１２２…リードフレームエミッタパターン、１２３…補助エミッタアルミニウムワイヤ、１２４…ゲートアルミニウムワイヤ、１２５…リードフレーム補助エミッタパターン、１２６…リードフレームゲートパターン、６９１…フィン長さ、６９４…ヒートシンクのチップ搭載面、６９５…フィン幅、６９６…フィン間隔、６９７…ヒートシンク厚さ、６９８…ケース底面。
Claims (13)
- パワー半導体チップと、
該パワー半導体チップを搭載し、パワー半導体チップの熱を拡散させる金属体と、
前記パワー半導体チップを冷却する水冷手段とを備え、
前記パワー半導体チップは前記金属体の一方の面に接着手段により電気的に接着されており、
前記金属体の他方の面には絶縁層がコーティングされており、
前記絶縁層には前記水冷手段の冷却水が接するようになっており、
前記絶縁層は、融点が６６０℃以下の低融点ガラス又は樹脂から構成されている、或いは前記金属体表面に酸素又は窒素の原子を導入して、前記金属体を改質したものから構成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記低融点ガラスはビスマス酸化物系ガラスであることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記低融点ガラスにより構成された前記絶縁層の厚さは５０μｍ以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記樹脂は、エポキシ樹脂にアルミナフィラーを混錬したものであることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 請求項１又は４に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記樹脂により構成された前記絶縁層の厚さは３００μｍ以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 請求項１，４，５のいずれかに記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記樹脂は、前記パワー半導体チップを封止する樹脂であることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - パワー半導体チップと、
該パワー半導体チップを搭載し、パワー半導体チップの熱を拡散させる金属体と、
前記パワー半導体チップと電気的に接続された配線と、
前記パワー半導体チップを冷却する水冷手段とを備え、
前記パワー半導体チップは前記金属体の一方の面に接着手段により電気的に接着されており、
前記金属体の他方の面には絶縁層がコーティングされており、
前記絶縁層には前記水冷手段の冷却水が接するようになっており、
前記パワー半導体チップ，前記金属体及び前記配線は硬質樹脂で封止されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - パワー半導体チップと、
該パワー半導体チップを搭載し、パワー半導体チップの熱を拡散させる金属体と、
前記パワー半導体チップを冷却する水冷手段とを備え、
前記金属体は銅又はアルミニウム或いはそれらの合金からなり、
前記パワー半導体チップは前記金属体の一方の面に接着手段により電気的に接着されており、
前記金属体の他方の面は表面に０.１mm 以上の凸凹を有しており、
前記凹凸を含む前記金属体の他方の面の表面には絶縁層がコーティングされており、
前記絶縁層には前記水冷手段の冷却水が接するようになっていることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - パワー半導体チップと、
該パワー半導体チップを搭載し、パワー半導体チップの熱を拡散させる金属板と、
前記パワー半導体チップと前記金属板とを封止する樹脂ケースと、
前記パワー半導体チップを冷却する水冷手段とを備え、
前記パワー半導体チップは前記金属板に接着手段により電気的に接着されており、
前記金属板は、前記パワー半導体チップの搭載面の対向面が前記樹脂ケースの底面に露出するように、前記樹脂ケースに接着されており、
前記金属板が露出した前記樹脂ケースの底面全体は一体の絶縁層で被覆されており、
前記絶縁層には前記水冷手段の冷却水が接するようになっており、
前記絶縁層は、エポキシ樹脂を主成分とする樹脂から構成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - パワー半導体チップと、
該パワー半導体チップを搭載し、パワー半導体チップの熱を拡散させる金属体と、
前記パワー半導体チップを冷却する水冷手段とを備え、
前記パワー半導体チップは前記金属体に接着手段により電気的に接着されており、
前記パワー半導体チップは前記金属体の一方の面に接着手段により電気的に接着されており、
前記金属体の他方の面には絶縁層がコーティングされており、
前記絶縁層の表面には、前記絶縁層とは異なる材質の薄膜が固着されており、
前記薄膜には前記水冷手段の冷却水が接するようになっていることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 請求項１０に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記薄膜は厚さ０.１mm 以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - パワー半導体チップと、
該パワー半導体チップを搭載し、パワー半導体チップの熱を拡散させる金属体と、
前記パワー半導体チップと前記金属体とを封止する樹脂ケースと、
前記パワー半導体チップを冷却する水冷手段とを備え、
前記パワー半導体チップは前記金属体に接着手段により電気的に接着されており、
前記金属体の前記パワー半導体チップとの接着面の対向面には絶縁層がコーティングされており、
前記絶縁層には、厚さ０.１mm 以下であり、前記絶縁層とは異なる材質の薄膜が接着されており、
前記薄膜には前記水冷手段の冷却水が接するようになっていることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 請求項１０又は１２に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記薄膜は、銅又はアルミニウムの金属から構成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
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