JP5028948B2 - Power module laminated structure - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve cooling performance without increasing load imposed on a semiconductor chip. <P>SOLUTION: In the stack structure 10 of a power module, a pair of power modules 15a, 15b opposing each other in a stack direction S are coupled via a heat sink 16 erected in a non-contact status with a circuit layer 12 on the surface of a ceramic plate 11 in the one power module 15a so that the surfaces of semiconductor chips 14 may oppose each other with a space in the stack direction S or the surface of the semiconductor chip 14 in the one power module 15a and the rear surface of a cooler 13 in the other power module 15b may oppose each other with a space in the stack direction S. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&amp;INPIT

Description

この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュールの積層構造体に関するものである。   The present invention relates to a laminated structure of a power module used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.

この種のパワーモジュールの積層構造体として、例えば下記特許文献１に示されるような、半導体チップと、この半導体チップの表裏面にそれぞれはんだ接合された一対の放熱板と、各放熱板の表面に絶縁部材を介して接触した冷却器とが備えられた構成が知られている。そして、このパワーモジュールの積層構造体では、熱サイクル下で使用する際に、その全体を積層方向に加圧してパワーモジュールの各構成部材同士の接触圧を高めた状態で、半導体チップをその表裏面側からそれぞれ冷却することによって、冷却能の向上が図られている。
特開２００５−１５０４２０号公報 As a laminated structure of this type of power module, for example, as shown in Patent Document 1 below, a semiconductor chip, a pair of heat sinks soldered to the front and back surfaces of the semiconductor chip, and a surface of each heat sink A configuration including a cooler that is in contact with each other via an insulating member is known. In the laminated structure of the power module, when used under a thermal cycle, the semiconductor chip is displayed in a state where the whole is pressed in the laminating direction to increase the contact pressure between the components of the power module. The cooling performance is improved by cooling from the back side.
JP-A-2005-150420

しかしながら、前記従来のパワーモジュールの積層構造体では、その全体を積層方向に加圧した状態で熱サイクル下で使用していたので、昇温時におけるパワーモジュールの各構成部材の膨張変形により半導体チップに大きな押圧力が作用して、この半導体チップの熱サイクル寿命を低下させるおそれがあった。
特に、近年では、半導体チップと一対の放熱板とを接合する各はんだ層の厚さを大きくすることによって、半導体チップと放熱板との熱膨張係数差に起因したはんだ層の内部応力を緩和させる要請があるが、このようにはんだ層の厚さを大きくすると、半導体チップが放熱板の表面に対して傾き易くなるので、前述のように積層方向に加圧した状態で熱サイクル下で使用すると、半導体チップの表裏面において局所的に大きな押圧力が作用する部分が生じ、この半導体チップの熱サイクル寿命をさらに低下させるおそれがあった。なお、はんだ層の厚さを厚くすると、パワーモジュールの熱抵抗値が上昇するおそれもあった。 However, in the conventional laminated structure of the power module, the entire structure is used under a thermal cycle in a state where the whole is pressed in the lamination direction. There is a possibility that a large pressing force acts on the semiconductor chip to reduce the thermal cycle life of the semiconductor chip.
In particular, in recent years, by increasing the thickness of each solder layer that joins the semiconductor chip and the pair of heat sinks, the internal stress of the solder layer due to the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor chip and the heat sink is alleviated. Although there is a request, if the thickness of the solder layer is increased in this way, the semiconductor chip is likely to be inclined with respect to the surface of the heat sink, so that it is used under a heat cycle with pressure applied in the stacking direction as described above. There is a portion where a large pressing force acts locally on the front and back surfaces of the semiconductor chip, which may further reduce the thermal cycle life of the semiconductor chip. Note that when the thickness of the solder layer is increased, the thermal resistance value of the power module may increase.

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、半導体チップにかかる負荷を増大させることなく、冷却能を向上させることができるパワーモジュールの積層構造体を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a laminated structure of a power module that can improve the cooling performance without increasing the load applied to the semiconductor chip.

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュールの積層構造体は、セラミックス板と、このセラミックス板の表面にろう付けされた回路層と、前記セラミックス板の裏面にろう付けされた冷却器と、前記回路層の表面にはんだ接合された半導体チップとを備えるパワーモジュールが、これらの冷却器、セラミックス板、回路層および半導体チップが配置された積層方向に複数設けられたパワーモジュールの積層構造体であって、前記積層方向で互いに対向する一対のパワーモジュールは、それぞれの半導体チップの表面同士が前記積層方向で間隔をあけて互いに対向するように、または、一方のパワーモジュールにおける半導体チップの表面と他方のパワーモジュールにおける冷却器の裏面とが前記積層方向で間隔をあけて互いに対向するように、一方のパワーモジュールにおいてセラミックス板の表面に回路層と非接触状態で立設されたヒートシンク部を介して、前記一方のパワーモジュールのセラミックス板と前記他方のパワーモジュールの冷却器若しくはセラミックス板とが連結されていることを特徴とする。
この発明によれば、前記一対のパワーモジュールが前記ヒートシンク部を介して連結されているので、これらのパワーモジュールのうち、半導体チップで発生した熱により温度が高くなっている高温側パワーモジュールの熱を、ヒートシンク部を介して、温度が低い低温側パワーモジュールに伝導させることによって、高温側パワーモジュールを低温側パワーモジュールの冷却器で冷却することが可能になり、この積層構造体の冷却能を向上させることができる。
しかも、この一対のパワーモジュールが、それぞれの半導体チップの表面同士が前記積層方向で間隔をあけて対向するように、または、一方のパワーモジュールにおける半導体チップの表面と他方のパワーモジュールにおける冷却器の裏面とが前記積層方向で間隔をあけて対向するように設けられているので、熱サイクル使用時におけるパワーモジュールの各構成部材の膨張変形により、各半導体チップに押圧力が作用するのを防ぐことが可能になり、これらの半導体チップの熱サイクル寿命が低下するのを防ぐことができる。
さらに、半導体チップを有するパワーモジュールが前記積層方向に複数設けられているので、半導体チップの実装密度を向上させることが可能になり、このパワーモジュールの設置面積を低減することができる。
さらにまた、前記ヒートシンク部が、一方のパワーモジュールにおけるセラミックス板の表面に、回路層と非接触状態、すなわち電気的に絶縁状態で立設されているので、このヒートシンク部と前記他方のパワーモジュールとの間に絶縁部材を設けなくても、ヒートシンク部により前記一対のパワーモジュールを互いが電気的に絶縁状態となるように連結することが可能になり、パワーモジュールの積層構造体の製造コストを抑えることができる。 In order to solve such problems and achieve the above object, a laminated structure of a power module of the present invention includes a ceramic plate, a circuit layer brazed to the surface of the ceramic plate, and the ceramic plate. A power module including a cooler brazed to the back surface and a semiconductor chip solder-bonded to the surface of the circuit layer has a plurality of power modules in the stacking direction in which the cooler, the ceramic plate, the circuit layer, and the semiconductor chip are arranged. A pair of power modules facing each other in the stacking direction, so that the surfaces of the respective semiconductor chips face each other at an interval in the stacking direction, or The front surface of the semiconductor chip in one power module and the back surface of the cooler in the other power module are stacked together. In so as to face each other with a gap, through the heat sink portion which is erected in the circuit layer and the non-contact state to the surface of the ceramic plate in one power module, the other is a ceramic plate of said one power module A power module cooler or a ceramic plate is connected.
According to this invention, since the pair of power modules are connected via the heat sink portion, the heat of the high-temperature side power module whose temperature is high due to the heat generated in the semiconductor chip among these power modules. Is conducted to the low-temperature power module having a low temperature through the heat sink, so that the high-temperature power module can be cooled by the cooler of the low-temperature power module. Can be improved.
In addition, the pair of power modules are arranged such that the surfaces of the respective semiconductor chips face each other with a gap in the stacking direction, or the surface of the semiconductor chip in one power module and the cooler in the other power module. Since the back surface is provided so as to be opposed to each other with a gap in the stacking direction, it is possible to prevent the pressing force from acting on each semiconductor chip due to the expansion and deformation of each component of the power module when the heat cycle is used. Therefore, it is possible to prevent the thermal cycle life of these semiconductor chips from being lowered.
Furthermore, since a plurality of power modules having semiconductor chips are provided in the stacking direction, it is possible to improve the mounting density of the semiconductor chips and reduce the installation area of the power modules.
Furthermore, since the heat sink portion is erected on the surface of the ceramic plate in one power module in a non-contact state, that is, in an electrically insulated state, this heat sink portion and the other power module Even if an insulating member is not provided between the pair of power modules, it is possible to connect the pair of power modules so that they are electrically insulated from each other by the heat sink portion, thereby reducing the manufacturing cost of the laminated structure of the power modules. be able to.

ここで、前記一対のパワーモジュールが、一方のパワーモジュールにおける半導体チップの表面と、他方のパワーモジュールにおける冷却器の裏面とが前記積層方向で間隔をあけて互いに対向するように設けられた場合、前記ヒートシンク部は、前記他方のパワーモジュールにおける冷却器の裏面に接合されてもよい。
この場合、一方のパワーモジュールにおける半導体チップで発生した熱を、このパワーモジュールにおける冷却器のみならず、回路層、セラミックス板およびヒートシンク部を介して、他方のパワーモジュールにおける冷却器にも伝導させることが可能になり、この積層構造体の冷却能を確実に向上させることができる。 Here, when the pair of power modules is provided so that the front surface of the semiconductor chip in one power module and the back surface of the cooler in the other power module face each other with a gap in the stacking direction, The heat sink portion may be bonded to the back surface of the cooler in the other power module.
In this case, the heat generated in the semiconductor chip in one power module is conducted not only to the cooler in this power module but also to the cooler in the other power module through the circuit layer, the ceramic plate and the heat sink. It is possible to improve the cooling ability of the laminated structure.

さらにこの場合、パワーモジュールの積層構造体の熱サイクル使用時において、前記一方のパワーモジュールにおける半導体チップの総発熱量が、前記他方のパワーモジュールにおける半導体チップの総発熱量よりも大きいことが好ましい。この場合、パワーモジュールの積層構造体の冷却能を効率的に向上させることができる。
ここで、前述した半導体チップの総発熱量の大小とは、半導体チップ自体の仕様電力値の大小のみならず、この仕様電力値は同等であってもパワーモジュールの積層構造体の熱サイクル使用時における使用頻度の大小を含むものである。 Further, in this case, it is preferable that the total heat generation amount of the semiconductor chip in the one power module is larger than the total heat generation amount of the semiconductor chip in the other power module when the power module laminate structure is used. In this case, the cooling ability of the laminated structure of the power module can be improved efficiently.
Here, the above-described magnitude of the total heat generation of the semiconductor chip is not only the magnitude of the specification power value of the semiconductor chip itself, but also when the thermal power cycle of the laminated structure of the power module is used even if this specification power value is equivalent. This includes the frequency of use in

また、前記一対のパワーモジュールが、それぞれの半導体チップの表面同士が前記積層方向で間隔をあけて互いに対向するように設けられた場合、前記ヒートシンク部は、他方のパワーモジュールにおけるセラミックス板の表面に接合されてもよい。   Further, when the pair of power modules are provided such that the surfaces of the respective semiconductor chips face each other with a gap in the stacking direction, the heat sink portion is formed on the surface of the ceramic plate in the other power module. It may be joined.

さらに、前記ヒートシンク部は、純Ｃｕ若しくはＣｕ合金で形成されたヒートシンク本体を有してもよい。
この場合、純Ｃｕ若しくはＣｕ合金は、純ＡｌやＡｌ合金よりも熱容量が大きいので前記の作用効果がより一層確実に奏効されることになる。 Furthermore, the heat sink part may have a heat sink body formed of pure Cu or Cu alloy.
In this case, pure Cu or a Cu alloy has a larger heat capacity than pure Al or an Al alloy, so that the above-described effects can be achieved more reliably.

この発明によれば、半導体チップにかかる負担を増大させることなく、冷却能を向上させることができる。   According to the present invention, the cooling capacity can be improved without increasing the burden on the semiconductor chip.

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の第１実施形態に係るパワーモジュールの積層構造体を示す全体図である。
この積層構造体１０は、セラミックス板１１と、このセラミックス板１１の表面にろう付けされた回路層１２と、セラミックス板１１の裏面にろう付けされた冷却器１３と、回路層１２の表面にはんだ接合された半導体チップ１４とを備えるパワーモジュール１５ａ、１５ｂが、これらの冷却器１３、セラミックス板１１、回路層１２および半導体チップ１４が配置された積層方向Ｓに複数設けられている。なお、図示の例では、冷却器１３は、内部に複数の冷媒供給路１３ａが形成された、いわゆる多穴管とされている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall view showing a laminated structure of a power module according to a first embodiment of the present invention.
The laminated structure 10 includes a ceramic plate 11, a circuit layer 12 brazed to the surface of the ceramic plate 11, a cooler 13 brazed to the back surface of the ceramic plate 11, and solder to the surface of the circuit layer 12. A plurality of power modules 15 a and 15 b including the bonded semiconductor chips 14 are provided in the stacking direction S in which the cooler 13, the ceramic plate 11, the circuit layer 12, and the semiconductor chips 14 are arranged. In the illustrated example, the cooler 13 is a so-called multi-hole tube in which a plurality of refrigerant supply paths 13a are formed.

そして、本実施形態では、前記積層方向Ｓで互いに対向する一対のパワーモジュール１５ａ、１５ｂは、一方のパワーモジュール１５ａにおける半導体チップ１４の表面と他方のパワーモジュール１５ｂにおける冷却器１３の裏面とが前記積層方向Ｓで間隔をあけて互いに対向するように、一方のパワーモジュール１５ａにおいてセラミックス板１１の表面に回路層１２と非接触状態で立設されたヒートシンク部１６を介して連結されている。また、ヒートシンク部１６は、他方のパワーモジュール１５ｂにおける冷却器１３の裏面に接合されている。   In the present embodiment, the pair of power modules 15a and 15b facing each other in the stacking direction S includes the surface of the semiconductor chip 14 in one power module 15a and the back surface of the cooler 13 in the other power module 15b. One power module 15a is connected to the surface of the ceramic plate 11 via a heat sink 16 that is erected in a non-contact state with the circuit layer 12 so as to face each other in the stacking direction S. Moreover, the heat sink part 16 is joined to the back surface of the cooler 13 in the other power module 15b.

ここで、パワーモジュール１５ａ、１５ｂを構成する各部材の材質としては、例えば、セラミックス板１１ではＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３若しくはＳｉ３Ｎ４等が挙げられ、回路層１２では純Ｃｕ、Ｃｕ合金、純Ａｌ若しくはＡｌ合金が挙げられ、冷却器１３では純Ａｌ若しくはＡｌ合金が用いられる。 Here, examples of the material of each member constituting the power modules 15a and 15b include AlN, Al 2 O 3 or Si 3 N 4 in the ceramic plate 11, and pure Cu, Cu alloy in the circuit layer 12, and the like. Pure Al or Al alloy is used, and the cooler 13 uses pure Al or Al alloy.

本実施形態では、セラミックス板１１をＡｌＮ若しくはＳｉ３Ｎ４で形成し、回路層１２を純Ａｌ若しくはＡｌ合金で形成した場合について説明する。
なお、この場合、半導体チップ１４と回路層１２とを接合するはんだ層１７は、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の無鉛系のはんだ材、若しくは例えばＰｂＳｎ系等のＰｂを含むはんだ材が用いられ、セラミックス板１１と回路層１２および冷却器１３とをろう付けするろう材では、例えばＡｌ−Ｓｉ系等のＡｌ系のろう材が挙げられる。 In the present embodiment, a case where the ceramic plate 11 is formed of AlN or Si 3 N 4 and the circuit layer 12 is formed of pure Al or Al alloy will be described.
In this case, the solder layer 17 that joins the semiconductor chip 14 and the circuit layer 12 is made of, for example, a lead-free solder material such as Sn—Ag—Cu, or a solder material containing Pb such as PbSn. Examples of the brazing material for brazing the ceramic plate 11 to the circuit layer 12 and the cooler 13 include an Al-based brazing material such as Al-Si.

図示の例では、ヒートシンク部１６は板状体とされて、その表裏面が、冷却器１３の冷媒供給路１３ａが延びる方向、および前記積層方向Ｓに沿って延在するように縦置き姿勢とされ、その積層方向Ｓの一端が、一方のパワーモジュール１５ａにおけるセラミックス板１１の表面にろう付けされ、他端が、他方のパワーモジュール１５ｂにおける冷却器１３の裏面にはんだ層１９を介して接合されている。このように、ヒートシンク部１６の前記積層方向Ｓにおける両端をそれぞれ、冷却器１３、および電気絶縁性を有するセラミックス板１１に接合することによって、このヒートシンク部１６により、一対のパワーモジュール１５ａ、１５ｂが、互い１５ａ、１５ｂが電気的に絶縁状態となるように連結されている。   In the illustrated example, the heat sink portion 16 is a plate-like body, and the vertical orientation is such that the front and back surfaces extend along the direction in which the refrigerant supply path 13a of the cooler 13 extends and along the stacking direction S. One end of the stacking direction S is brazed to the surface of the ceramic plate 11 in one power module 15a, and the other end is joined to the back surface of the cooler 13 in the other power module 15b via the solder layer 19. ing. In this way, by joining both ends of the heat sink portion 16 in the stacking direction S to the cooler 13 and the ceramic plate 11 having electrical insulation, the heat sink portion 16 allows the pair of power modules 15a and 15b to be connected. , 15a and 15b are connected to each other so as to be electrically insulated.

本実施形態では、ヒートシンク部１６は、純Ｃｕ若しくはＣｕ合金で形成されたヒートシンク本体１６ａと、純Ａｌ若しくはＡｌ合金で形成されたＡｌ部材１６ｂとを備え、ヒートシンク本体１６ａがヒートシンク部１６の前記他端を有し、Ａｌ部材１６ｂがヒートシンク部１６の前記一端を有するように、ヒートシンク本体１６ａとＡｌ部材１６ｂとがはんだ層１８を介して接合されている。ここで、ヒートシンク本体１６ａの方がＡｌ部材１６ｂよりも体積が大きくなっている。図示の例では、ヒートシンク本体１６ａの方がＡｌ部材１６ｂよりも前記積層方向Ｓの長さが長くなっている。
なお、はんだ層１８、１９は前記はんだ材で形成され、Ａｌ部材１６ｂとセラミックス板１１とは、前記ろう材箔でろう付けされている。 In the present embodiment, the heat sink unit 16 includes a heat sink body 16a formed of pure Cu or Cu alloy, and an Al member 16b formed of pure Al or Al alloy. The heat sink body 16a and the Al member 16b are joined via the solder layer 18 so that the end has the end and the Al member 16b has the one end of the heat sink portion 16. Here, the volume of the heat sink body 16a is larger than that of the Al member 16b. In the illustrated example, the heat sink body 16a is longer in the stacking direction S than the Al member 16b.
The solder layers 18 and 19 are formed of the solder material, and the Al member 16b and the ceramic plate 11 are brazed with the brazing material foil.

また、Ａｌ部材１６ｂの前記積層方向Ｓの長さは、一方のパワーモジュール１５ａにおける回路層１２の前記積層方向Ｓの長さと同等とされ、ヒートシンク本体１６ａの前記積層方向Ｓにおける長さは、一方のパワーモジュール１５ａにおける回路層１２の表面と半導体チップ１４の表面との距離以上となっている。これにより、一方のパワーモジュール１５ａの半導体チップ１４の表面と、他方のパワーモジュール１５ｂの冷却器１３の裏面とが非接触となっている。   Further, the length of the Al member 16b in the stacking direction S is equal to the length of the circuit layer 12 in the one power module 15a in the stacking direction S, and the length of the heat sink body 16a in the stacking direction S is The distance between the surface of the circuit layer 12 and the surface of the semiconductor chip 14 in the power module 15 a is greater than or equal to the distance. Thereby, the surface of the semiconductor chip 14 of one power module 15a and the back surface of the cooler 13 of the other power module 15b are not in contact with each other.

以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュール１５の積層構造体１０によれば、一対のパワーモジュール１５ａ、１５ｂが、一方のパワーモジュール１５ａにおける半導体チップ１４の表面と他方のパワーモジュール１５ｂにおける冷却器１３の裏面とが前記積層方向Ｓで間隔をあけて互いに対向するように、ヒートシンク部１６を介して連結されているので、これらのパワーモジュール１５ａ、１５ｂのうち、半導体チップ１４で発生した熱により温度が高くなっている高温側パワーモジュールの熱を、ヒートシンク部１６を介して、温度が低い低温側パワーモジュールに伝導させることによって、高温側パワーモジュールを低温側パワーモジュールの冷却器１３で冷却することが可能になり、この積層構造体１０の冷却能を向上させることができる。   As described above, according to the laminated structure 10 of the power module 15 according to the present embodiment, the pair of power modules 15a and 15b are cooled by the surface of the semiconductor chip 14 in one power module 15a and the cooling in the other power module 15b. Since the back surface of the container 13 is connected via the heat sink part 16 so as to face each other with a gap in the stacking direction S, heat generated in the semiconductor chip 14 among these power modules 15a and 15b. The heat of the high temperature side power module having a higher temperature is conducted to the low temperature side power module having a low temperature through the heat sink 16 to cool the high temperature side power module with the cooler 13 of the low temperature side power module. It is possible to improve the cooling capacity of the laminated structure 10. It can be.

本実施形態では、ヒートシンク部１６の前記積層方向Ｓにおける両端がそれぞれ、一方のパワーモジュール１５ａにおけるセラミックス板１１の表面、および他方のパワーモジュール１５ｂにおける冷却器１３の裏面にそれぞれ接合されているので、一方のパワーモジュール１５ａにおける半導体チップ１４で発生した熱を、このパワーモジュール１５ａにおける冷却器１３のみならず、回路層１２、セラミックス板１１およびヒートシンク部１６を介して、他方のパワーモジュール１５ｂにおける冷却器１３にも伝導させることが可能になり、この積層構造体１０の冷却能を確実に向上させることができる。   In the present embodiment, both ends of the heat sink portion 16 in the stacking direction S are respectively joined to the front surface of the ceramic plate 11 in one power module 15a and the back surface of the cooler 13 in the other power module 15b. The heat generated in the semiconductor chip 14 in one power module 15a is not only the cooler 13 in the power module 15a, but also the cooler in the other power module 15b via the circuit layer 12, the ceramic plate 11 and the heat sink portion 16. 13 can also be conducted, and the cooling ability of the laminated structure 10 can be reliably improved.

ここで、以上のように構成されたパワーモジュールの積層構造体１０の熱サイクル使用時において、一方のパワーモジュール１５ａにおける半導体チップ１４の総発熱量が、他方のパワーモジュール１５ｂにおける半導体チップ１４の総発熱量よりも大きいことが好ましい。この場合、パワーモジュールの積層構造体１０の冷却能を効率的に向上させることができる。
なお、前述した半導体チップ１４の総発熱量の大小とは、半導体チップ１４自体の仕様電力値の大小のみならず、この仕様電力値は同等であってもパワーモジュールの積層構造体１０の熱サイクル使用時における使用頻度の大小を含むものである。 Here, when the power module laminated structure 10 configured as described above is used in a thermal cycle, the total heat generation amount of the semiconductor chip 14 in one power module 15a is equal to the total amount of the semiconductor chips 14 in the other power module 15b. It is preferably larger than the calorific value. In this case, the cooling capacity of the laminated structure 10 of the power module can be improved efficiently.
The above-described magnitude of the total heat generation of the semiconductor chip 14 is not only the magnitude of the specification power value of the semiconductor chip 14 itself, but also the thermal cycle of the laminated structure 10 of the power module even if this specification power value is equivalent. This includes the frequency of use at the time of use.

また、本実施形態では、この一対のパワーモジュール１５ａ、１５ｂが、一方のパワーモジュール１５ａにおける半導体チップ１４の表面と他方のパワーモジュール１５ｂにおける冷却器１３の裏面とが前記積層方向Ｓで間隔をあけて対向するように設けられているので、熱サイクル使用時におけるパワーモジュール１５ａ、１５ｂの各構成部材の膨張変形により、各半導体チップ１４に押圧力が作用するのを防ぐことが可能になり、これらの半導体チップ１４の熱サイクル寿命が低下するのを防ぐことができる。
さらに、半導体チップ１４を有するパワーモジュール１５ａ、１５ｂが前記積層方向Ｓに複数設けられているので、半導体チップ１４の実装密度を向上させることが可能になり、このパワーモジュール１５ａ、１５ｂの設置面積を低減することができる。 In the present embodiment, the pair of power modules 15a and 15b has a gap in the stacking direction S between the surface of the semiconductor chip 14 in one power module 15a and the back surface of the cooler 13 in the other power module 15b. Therefore, it is possible to prevent the pressing force from acting on each semiconductor chip 14 due to the expansion and deformation of each component of the power modules 15a and 15b when the heat cycle is used. It is possible to prevent the thermal cycle life of the semiconductor chip 14 from decreasing.
Further, since a plurality of power modules 15a and 15b having the semiconductor chip 14 are provided in the stacking direction S, the mounting density of the semiconductor chips 14 can be improved, and the installation area of the power modules 15a and 15b can be reduced. Can be reduced.

さらにまた、ヒートシンク部１６が、一方のパワーモジュール１５ａにおけるセラミックス板１１の表面に、回路層１２と電気的に絶縁状態で立設されているので、このヒートシンク部１６と他方のパワーモジュール１５ｂとの間に絶縁部材を設けなくても、ヒートシンク部１６により一対のパワーモジュール１５ａ、１５ｂを互いが電気的に絶縁状態となるように連結することが可能になり、パワーモジュールの積層構造体１０の製造コストを抑えることができる。   Furthermore, since the heat sink part 16 is erected on the surface of the ceramic plate 11 in one power module 15a in an electrically insulated state from the circuit layer 12, the heat sink part 16 and the other power module 15b Even if no insulating member is provided between the pair of power modules 15a and 15b by the heat sink portion 16, it is possible to connect the power modules 15a and 15b so as to be electrically insulated from each other. Cost can be reduced.

さらに、本実施形態では、ヒートシンク部１６が、純ＡｌやＡｌ合金よりも熱容量が大きい純Ｃｕ若しくはＣｕ合金で形成されたヒートシンク本体１６ａを有し、しかもヒートシンク本体１６ａの方がＡｌ部材１６ｂよりも体積が大きくなっているので、前記の作用効果がより一層確実に奏効されることになる。   Furthermore, in this embodiment, the heat sink part 16 has a heat sink body 16a formed of pure Cu or Cu alloy having a larger heat capacity than pure Al or Al alloy, and the heat sink body 16a is more than the Al member 16b. Since the volume is increased, the above-described effects can be achieved more reliably.

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態に代えて、図２に示されるように、一対のパワーモジュール１５ａ、１５ｂを、それぞれの半導体チップ１４の表面同士が前記積層方向Ｓで間隔をあけて互いに対向するように設け、ヒートシンク部１６の前記積層方向Ｓにおける両端を、一対のパワーモジュール１５ａ、１５ｂそれぞれにおける各セラミックス板１１の表面にろう付けした積層構造体２０を採用してもよい。本実施形態では、ヒートシンク部１６は、ヒートシンク本体１６ａの前記積層方向Ｓにおける両端にそれぞれ、Ａｌ部材１６ｂがはんだ接合された構成をなし、これらのＡｌ部材１６ｂがそれぞれ、一対のパワーモジュール１５ａ、１５ｂにおけるセラミックス板１１の表面にろう付けされている。 The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, instead of the embodiment, as shown in FIG. 2, a pair of power modules 15 a and 15 b are provided so that the surfaces of the respective semiconductor chips 14 face each other with a gap in the stacking direction S. The laminated structure 20 in which both ends of the heat sink portion 16 in the lamination direction S are brazed to the surface of each ceramic plate 11 in each of the pair of power modules 15a and 15b may be employed. In the present embodiment, the heat sink portion 16 has a configuration in which Al members 16b are soldered to both ends in the stacking direction S of the heat sink body 16a, and these Al members 16b are respectively a pair of power modules 15a and 15b. Is brazed to the surface of the ceramic plate 11.

また、冷却器１３、セラミックス板１１、回路層１２、ヒートシンク部１６、およびはんだ層１７、１８、１９を形成する各材質は前記実施形態のものに限定されるものではない。さらに、前記各実施形態では、パワーモジュールの積層構造体１０、２０として、パワーモジュール１５ａ、１５ｂが二層積層された構成を示したが、３層以上積層した構成にも適用可能である。
さらにまた、図１で示した実施形態に代えて、ヒートシンク部１６の前記他端と、他方のパワーモジュール１５ｂにおける冷却器１３の裏面とを、例えば高熱伝導性を有する接着剤で接合してもよく、さらに、この接着剤でヒートシンク本体１６ａとＡｌ部材１６ｂとを接合してヒートシンク１６を形成してもよい。
また、図２で示した実施形態に代えて、前記接着剤でヒートシンク本体１６ａとＡｌ部材１６ｂとを接合してヒートシンク１６を形成してもよい。 Moreover, each material which forms the cooler 13, the ceramic board 11, the circuit layer 12, the heat sink part 16, and the solder layers 17, 18, and 19 is not limited to the thing of the said embodiment. Further, in each of the above-described embodiments, the power module laminated structures 10 and 20 have been described in which the power modules 15a and 15b are stacked in two layers, but the present invention can also be applied to a structure in which three or more layers are stacked.
Furthermore, instead of the embodiment shown in FIG. 1, the other end of the heat sink portion 16 and the back surface of the cooler 13 in the other power module 15b may be joined with, for example, an adhesive having high thermal conductivity. Further, the heat sink 16 may be formed by bonding the heat sink body 16a and the Al member 16b with this adhesive.
Further, instead of the embodiment shown in FIG. 2, the heat sink 16 may be formed by bonding the heat sink body 16a and the Al member 16b with the adhesive.

また、図１で示した前記第１実施形態では、他方のパワーモジュール１５ｂにおける冷却器１３と、ヒートシンク本体１６ａとを別体としたが、これに代えて、例えば、これら１３、１６ａを同一の材料で一体に形成してもよい。   In the first embodiment shown in FIG. 1, the cooler 13 and the heat sink body 16a in the other power module 15b are separated from each other, but instead, for example, these 13, 16a are the same. The material may be integrally formed.

例えば、他方のパワーモジュール１５ｂにおける冷却器１３およびヒートシンク本体１６ａを純Ａｌ若しくはＡｌ合金で一体に形成した場合、このヒートシンク本体１６ａを、図３に示されるように、一方のパワーモジュール１５ａにおけるセラミックス板１１の表面に、Ａｌ部材１６ｂを介在させずに直接、ろう付けしてもよい。
また、これに代えて、他方のパワーモジュール１５ｂにおける冷却器１３およびヒートシンク本体１６ａを純Ｃｕ若しくはＣｕ合金で一体に形成した場合、図１および図２で示した実施形態と同様に、Ａｌ部材１６ｂを介して一方のパワーモジュール１５ａにおけるセラミックス板１１の表面にろう付けしてもよい。 For example, when the cooler 13 and the heat sink body 16a in the other power module 15b are integrally formed of pure Al or an Al alloy, the heat sink body 16a is formed of a ceramic plate in the one power module 15a as shown in FIG. 11 may be brazed directly without interposing the Al member 16b.
Alternatively, when the cooler 13 and the heat sink body 16a in the other power module 15b are integrally formed of pure Cu or Cu alloy, the Al member 16b is similar to the embodiment shown in FIGS. You may braze to the surface of the ceramic board 11 in one power module 15a via.

半導体チップにかかる負荷を増大させることなく、冷却能を向上させることができる。   The cooling capacity can be improved without increasing the load on the semiconductor chip.

この発明の第１実施形態に係るパワーモジュールの積層構造体を示す全体図である。1 is an overall view showing a laminated structure of a power module according to a first embodiment of the present invention. この発明の第２実施形態に係るパワーモジュールの積層構造体を示す全体図である。It is a general view which shows the laminated structure of the power module which concerns on 2nd Embodiment of this invention. この発明の第３実施形態に係るパワーモジュールの積層構造体を示す全体図である。It is a general view which shows the laminated structure of the power module which concerns on 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１０、２０ 積層構造体
１１ セラミックス板
１２ 回路層
１３ 冷却器
１４ 半導体チップ
１５ａ、１５ｂ パワーモジュール
１６ ヒートシンク部
１６ａ ヒートシンク本体
２１ 絶縁部材
Ｓ 積層方向 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 20 Laminated structure 11 Ceramic board 12 Circuit layer 13 Cooler 14 Semiconductor chip 15a, 15b Power module 16 Heat sink part 16a Heat sink body 21 Insulating member S Lamination direction

Claims (4)

セラミックス板と、このセラミックス板の表面にろう付けされた回路層と、前記セラミックス板の裏面にろう付けされた冷却器と、前記回路層の表面にはんだ接合された半導体チップとを備えるパワーモジュールが、これらの冷却器、セラミックス板、回路層および半導体チップが配置された積層方向に複数設けられたパワーモジュールの積層構造体であって、
前記積層方向で互いに対向する一対のパワーモジュールは、それぞれの半導体チップの表面同士が前記積層方向で間隔をあけて互いに対向するように、または、一方のパワーモジュールにおける半導体チップの表面と他方のパワーモジュールにおける冷却器の裏面とが前記積層方向で間隔をあけて互いに対向するように、一方のパワーモジュールにおいてセラミックス板の表面に回路層と非接触状態で立設されたヒートシンク部を介して、前記一方のパワーモジュールのセラミックス板と前記他方のパワーモジュールの冷却器若しくはセラミックス板とが連結されていることを特徴とするパワーモジュールの積層構造体。
A power module comprising a ceramic plate, a circuit layer brazed to the surface of the ceramic plate, a cooler brazed to the back surface of the ceramic plate, and a semiconductor chip soldered to the surface of the circuit layer A laminated structure of a power module provided in a plurality in the laminating direction in which these coolers, ceramic plates, circuit layers and semiconductor chips are arranged,
The pair of power modules facing each other in the stacking direction is such that the surfaces of the respective semiconductor chips face each other with an interval in the stacking direction, or the surface of the semiconductor chip in one power module and the other power as the back surface of the cooler in the module are opposed to each other with an interval in the stacking direction, through the heat sink portion which is erected in a non-contact state and the circuit layer on the surface of the ceramic plate in one of the power module, the A laminated structure of a power module, wherein the ceramic plate of one power module and the cooler or ceramic plate of the other power module are connected.
請求項１記載のパワーモジュールの積層構造体であって、
前記一対のパワーモジュールは、一方のパワーモジュールにおける半導体チップの表面と、他方のパワーモジュールにおける冷却器の裏面とが前記積層方向で間隔をあけて互いに対向するように設けられ、
前記ヒートシンク部は、前記他方のパワーモジュールにおける冷却器の裏面に接合されていることを特徴とするパワーモジュールの積層構造体。 A laminated structure of a power module according to claim 1,
The pair of power modules is provided such that the surface of the semiconductor chip in one power module and the back surface of the cooler in the other power module face each other with a gap in the stacking direction,
The laminated structure of a power module, wherein the heat sink portion is bonded to a back surface of a cooler in the other power module. 請求項１記載のパワーモジュールの積層構造体であって、
前記一対のパワーモジュールは、それぞれの半導体チップの表面同士が前記積層方向で間隔をあけて互いに対向するように設けられ、
前記ヒートシンク部は、他方のパワーモジュールにおけるセラミックス板の表面に接合されていることを特徴とするパワーモジュールの積層構造体。 A laminated structure of a power module according to claim 1,
The pair of power modules are provided such that the surfaces of the respective semiconductor chips face each other with a gap in the stacking direction,
A laminated structure of a power module, wherein the heat sink is bonded to the surface of a ceramic plate in the other power module. 請求項１から３のいずれかに記載のパワーモジュールの積層構造体であって、
前記ヒートシンク部は、純Ｃｕ若しくはＣｕ合金で形成されたヒートシンク本体を有していることを特徴とするパワーモジュールの積層構造体。 A power module laminated structure according to any one of claims 1 to 3,
The heat sink portion has a heat sink body formed of pure Cu or a Cu alloy, and the power module laminated structure.
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