JP6540587B2 - Power module - Google Patents
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Description
本発明は、パワーモジュールの構造に関する。 The present invention relates to the structure of a power module.
近年、車両分野や産業機械分野または民生用機器分野において、高電圧、大電流動作が可能なパワーモジュールが用いられている。このようなパワーモジュールでは、搭載されている半導体素子が自己の発熱により高温になるため、高放熱性が要求される。そのため、熱伝導性に優れる銅を材料とした回路板及び放熱板を基板両面に接合するパワーモジュールが提案されている。例えば、特許文献1のパワーモジュールでは、回路板及び放熱板に異なる銅合金材料を使用して、異なる塑性変形能を与えて基板との密着性を良くし、放熱性を向上させている。
BACKGROUND In recent years, power modules capable of high-voltage, large-current operation have been used in the field of vehicles, industrial machinery, or consumer equipment. In such a power module, since the mounted semiconductor element is heated to a high temperature by its own heat generation, high heat dissipation is required. Therefore, there has been proposed a power module in which a circuit board and a heat sink made of copper, which is excellent in thermal conductivity, are joined to both sides of a substrate. For example, in the power module of
しかしながら、特許文献1のパワーモジュールでは、同一基板上において、複数の半導体素子を回路板表面に配置した場合、同じパワーを半導体素子に与えたとしても、同一基板上の中心部に熱が集中するため、素子間の発熱アンバランスを生み、放熱効率が悪化するという問題点があった。
However, in the power module of
本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、少なくとも3つ以上の半導体素子の発熱アンバランスを抑制するので、高温でも安定に動作させることができるパワーモジュールを得ることを目的とするものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to obtain a power module that can be stably operated even at high temperatures since the heat generation unbalance of at least three semiconductor elements is suppressed. It is said that.
一方主面に回路パターンが接合された絶縁基板に一列状に載置されたパワー半導体素子を有するパワーモジュールにおいて、パワー半導体素子は回路パターンと接合して絶縁基板に載置され、少なくとも3つ以上のパワー半導体素子のうち、両端に位置する第1パワー半導体素子と第2パワー半導体素子とに挟まれて位置する第3パワー半導体素子の直下の回路パターンの主面に対する垂直方向の厚みは、第1パワー半導体素子又は第2パワー半導体素子の直下の回路パターンの主面に対する垂直方向の厚みより大きいことを特徴とする。
In a power module having a power semiconductor element mounted in a row on an insulating substrate in which a circuit pattern is bonded to one main surface, the power semiconductor element is mounted on the insulating substrate by bonding to the circuit pattern and at least three or more of the power semiconductor device, the first power semiconductor element and the thickness of the vertical direction with respect to the main surface of the circuit pattern directly under the third power semiconductor element located sandwiched between the second power semiconductor element located at both ends, the It is characterized in that the thickness is larger than the thickness in the direction perpendicular to the main surface of the circuit pattern directly below the one power semiconductor element or the second power semiconductor element.
本発明に係るパワーモジュールによれば、パワーモジュール中で同一絶縁基板上に一列に載置された少なくとも3つ以上のパワー半導体素子のうち、両端に位置するパワー半導体素子に挟まれるパワー半導体素子の素子温度が高くなる傾向にあるため、両端に位置するパワー半導体素子に挟まれるパワー半導体素子の直下の回路パターンを厚くすることで、両端に位置するパワー半導体素子よりも両端に位置するパワー半導体素子に挟まれるパワー半導体素子の放熱効率を向上させて発熱アンバランスを抑制するので、パワーモジュールを高温でも安定に動作させることができる。
According to the power module of the present invention, a power semiconductor element sandwiched by power semiconductor elements located at both ends of at least three or more power semiconductor elements mounted in a row on the same insulating substrate in the power module because there is a tendency that the element temperature is high, by increasing the circuit pattern directly under the power semiconductor element is sandwiched power semiconductor element located at both ends, the power semiconductor element located at both ends than the power semiconductor element located at both ends Since the heat radiation efficiency of the power semiconductor element sandwiched between the two is improved to suppress the heat generation unbalance, the power module can be stably operated even at high temperature.
実施の形態1
実施の形態1におけるパワーモジュールについて説明する。図1は、実施の形態1のパワーモジュールを示す平面図である。図2は、図1のA−A’線における断面図である。なお、図1、図2において、同一符号は同一又は相当部分を示し、以下も同様である。パワーモジュール100は、半導体素子1a、1b、1c(以下、1で代表する場合もある)がはんだを介して絶縁基板3の一方主面(上面)に接合されている回路パターン2a、2b,2c(以下、2で代表する場合もある)に接合し、絶縁基板3の主面に対向する絶縁基板3の他面(下面)に銅ベース4がはんだを介して接合される構成である。なお、銅ベース4はモジュール基板の一例である。
The power module in the first embodiment will be described. FIG. 1 is a plan view showing the power module of the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA 'of FIG. In FIGS. 1 and 2, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts, and the same applies to the following.
図1に示すパワーモジュールでは、半導体素子1a、1b、1cが並列回路を構成している。半導体素子1は、スイッチング素子であるIGBTであり、はんだを介して回路パターン2の上面に一列に接合される。なお、半導体素子は、IGBT以外のMOSFETあるいはダイオード等であってもよい。また、半導体素子の個数は3個に限定されるものではなく、例えば、6個の半導体素子を組み合わせてインバータ回路を形成してもよい。回路パターン2は、銅または銅合金により回路パターンを構成しており絶縁基板3の上面にはんだあるいはろう材を介して接合される。回路パターン2は、半導体素子1の裏面電極、すなわち、IGBTの場合はコレクタ電極と接続しており、半導体素子1の動作時に発生した熱を広げた上で、絶縁基板3側に放熱する役割を果たす。さらに、回路パターン2a、2b,2cは、各回路パターン間において、金属ワイヤー6により電気的に接続されており、また、外部との電気信号を授受するための端子(図示せず)を有する。
In the power module shown in FIG. 1, the
絶縁基板3は、セラミックス基板、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、その他の窒化物、ホウ化物、酸化物、炭化物あるいはこれらの複合化合物の絶縁基板を用いることができる。絶縁基板3は銅ベース4の上面にはんだで接合されており、絶縁基板3の同一平面上に回路パターン2を介して半導体素子1が接続されて、銅ベース4と半導体素子1とが電気的に絶縁される。
The
出力パターン5は銅または銅合金で形成されており、絶縁基板3の上面にはんだを介して接合される。出力パターン5は、半導体素子1の表面電極、すなわちIGBTの場合はエミッタ電極と金属ワイヤー6を介して電気的に接続され、電気信号を外部へ出力するための端子(図示せず)を有する。銅ベース4は銅または銅合金で形成されており、半導体素子1の動作時に発生した熱を放熱するヒートシンクとしての役割を果たす。半導体素子1の動作時に発生した熱は、半導体素子1から回路パターン2を介して、絶縁基板3に伝達し、さらに、銅ベース4を介して放熱する。
The
図3は、図2の点線10で囲われた部分を示す拡大図である。ここで、半導体素子1a、1bに同じパワーを印加した場合における半導体素子1a、1bの各々で発生する熱の放熱経路を矢印11a、11bで示している。半導体素子1aで発生した熱は、回路パターン2aが薄いため、回路パターンの端部12a、12dまで熱が広がらず、熱の広がりが回路パターンのある位置12b、12cに制限されている。一方、半導体素子1bで発生した熱は、回路パターン2bが厚く、回路パターンの端部13a、13bまで熱が広がるため、回路パターンが薄い場合よりも放熱効率を向上させることができる。
FIG. 3 is an enlarged view showing a portion surrounded by a
図2のようなパワーモジュールを想定した場合、半導体素子1bは半導体素子1a、1cに挟まれて位置しており、半導体素子1bは、半導体素子1a、1cに対して素子温度が高くなる。かかる現象が生じるのは、半導体素子1a、1cから発生した熱が、半導体素子1a、1cに挟まれて位置する半導体素子1bの方向に熱伝導して、素子温度を相対的に上昇させるからである。
また、図2に示すような同一の絶縁基板上に回路パターンを介して一列に載置された半導体素子が3つの場合は、両端に位置する2つの半導体素子により1つの半導体素子が挟まれる。さらに、同一の絶縁基板上に回路パターンを介して載置された半導体素子が一列に並べられた5個である場合は、両端に位置する2つの半導体素子により3つの半導体素子が挟まれる。なお、実施例に限らず、半導体素子の個数は少なくとも3つ以上で一列に並んでいればよく、例えば、L字型に半導体素子を配置するパワーモジュールに対して、半導体素子を一列に配置することでパワーモジュールを小型化することができる。
Assuming that the power module as shown in FIG. 2 is assumed, the
Further, in the case where there are three semiconductor elements mounted in a line on the same insulating substrate via the circuit pattern as shown in FIG. 2, one semiconductor element is sandwiched by two semiconductor elements located at both ends. Furthermore, when there are five semiconductor elements mounted on the same insulating substrate via a circuit pattern in a line, the three semiconductor elements are sandwiched by two semiconductor elements located at both ends. The present invention is not limited to the embodiment, and the number of semiconductor elements may be at least three and arranged in a line, for example, the semiconductor elements are arranged in a line with respect to a power module in which the semiconductor elements are arranged in an L shape. This makes it possible to miniaturize the power module.
両端に位置する2つの半導体素子1a、1cに対して、半導体素子1a、1cに挟まれて位置し半導体素子1a、1cからの熱拡散の影響を受けて相対的に素子温度が高くなる半導体素子1bの直下にある回路パターン2bの絶縁基板3の上面に対して垂直方向の厚みを、半導体素子1a、1cの直下にある回路パターン2a、2bの絶縁基板の上面に対して垂直方向の厚みよりも大きくすることで、半導体素子1a、1cに対して半導体素子1bの放熱効率を高めることができる。なお、実施例に限らず回路パターン2は絶縁基板3の上面に一様に広がるように形成され、部分的に回路パターン2を厚くしても半導体素子1a、1cに対して半導体素子1bの放熱効率を高めることができる。さらに、両端に位置する2つの半導体素子に挟まれる位置にある半導体素子の直下にある回路パターンの厚さは、両端に位置する半導体素子の直下にある回路パターンの厚みに対して例えば1.5倍程度大きくすることが好ましい。
A semiconductor element which is located between the two
この実施の形態1のパワーモジュールによれば、一列に並ぶ少なくとも3つ以上の半導体素子のうち、両端に位置する半導体素子に挟まれる半導体素子の素子温度が相対的に高くなる傾向にあることから、両端に位置する半導体素子に挟まれる半導体素子の直下の回路パターンを厚くすることで、両端に位置する半導体素子よりも両端に位置する半導体素子に挟まれる半導体素子の放熱効率を向上させて、全体として発熱アンバランスを抑制できるという効果を奏する。 According to the power module of the first embodiment, among the at least three semiconductor elements arranged in a line, the element temperature of the semiconductor element sandwiched by the semiconductor elements located at both ends tends to be relatively high. By increasing the circuit pattern immediately below the semiconductor element sandwiched by the semiconductor elements positioned at both ends, the heat radiation efficiency of the semiconductor elements sandwiched by the semiconductor elements positioned at both ends is improved more than the semiconductor elements positioned at both ends, This produces an effect that the heat generation imbalance can be suppressed as a whole.
実施の形態2
実施の形態2のパワーモジュールについて説明する。図4は、実施の形態2のパワーモジュールを示す断面図である。実施の形態2のパワーモジュールは、実施の形態1のパワーモジュールにおいて、半導体素子が搭載される絶縁基板の厚みが同一であるのに対して、絶縁基板の厚みが同一でない点が異なる。
Embodiment 2
The power module of the second embodiment will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the power module of the second embodiment. The power module of the second embodiment is different from the power module of the first embodiment in that the thickness of the insulating substrate on which the semiconductor element is mounted is the same, but the thickness of the insulating substrate is not the same.
図4より、絶縁基板3は半導体素子1aと1b、および、1bと1cの各半導体素子間において段差を有し、半導体素子1bの下方に位置する絶縁基板3が凹部を有するように形成されている。絶縁基板3の凹部の底面は、回路パターン2bと絶縁基板3とが接合する接合部を有しており、絶縁基板3の凹部の底面から絶縁基板3の上面に対向する絶縁基板3の下面までの部位を絶縁基板部位3bとしている。両端に位置する半導体素子1a、1cの下方には回路パターン2a、2cと絶縁基板3とが接合する接合部を絶縁基板3が有しており、絶縁基板3の凹部底面より半導体素子側に高く位置する絶縁基板3の上面から絶縁基板3の下面までの部位を絶縁基板部位3a、3cとしている。半導体素子1bは半導体素子1a、1cに挟まれて位置しており、半導体素子1bは、両端に位置する半導体素子1a、1cに対して素子温度が高くなるため、絶縁基板部位3a、3cと回路パターン2a、2cとの接合部から絶縁基板3の下面までの絶縁基板の上面に対する垂直方向の厚みは、絶縁基板部位3bと回路パターン2bとの接合部から絶縁基板3の下面までの絶縁基板3の上面に対する垂直方向の厚みよりも大きく、さらに半導体素子1bの直下の回路パターン2bを半導体素子1a、1cの直下の回路パターン2a、2cに対して相対的に厚くすることで、両端に位置する半導体素子1a、1cよりも半導体素子1bの放熱効率をさらに高めることができる。なお、半導体素子1a、1cに対して素子温度が高い半導体素子1bの直下に位置する回路パターン2bを、両端に位置する半導体素子1a、1cの直下に位置する回路パターン2a、2cよりも熱伝導率の良い材料である銀などに変更することで、半導体素子1a、1cよりも半導体素子1bの放熱効率をさらに向上させることができる。
From FIG. 4, the
この実施の形態2のパワーモジュールによれば、一列に並ぶ少なくとも3つ以上の半導体素子のうち、両端に位置する半導体素子に挟まれる半導体素子の素子温度が高くなる傾向にあることから、両端に位置する半導体素子に挟まれる半導体素子の直下の回路パターンと絶縁基板との接合部から絶縁基板の下面までの厚みを両端に位置する半導体素子の直下の回路パターンと絶縁基板との接合部から絶縁基板の下面までの厚みより相対的に薄く、かつ、回路パターンを厚くすることで両端に位置する半導体素子よりも両端に位置する半導体素子に挟まれる半導体素子の放熱効率を向上させて発熱アンバランスを抑制できるという効果を奏する。 According to the power module of the second embodiment, among the at least three semiconductor elements arranged in a row, the element temperature of the semiconductor element sandwiched by the semiconductor elements located at both ends tends to be high. Insulating from the junction between the circuit pattern immediately below the semiconductor device located at the both ends of the circuit pattern directly below the semiconductor device and the insulating substrate, and the circuit pattern immediately below the semiconductor device sandwiched between the semiconductor devices located between two circuit patterns and the insulating substrate Heat dissipation imbalance is achieved by improving the heat radiation efficiency of the semiconductor element sandwiched by the semiconductor elements located at both ends by making the circuit pattern relatively thinner than the thickness to the lower surface of the substrate and making the circuit pattern thicker. The effect of suppressing the
また、両端に位置する半導体素子に挟まれる半導体素子の直下の回路パターンの部位を、両端に位置する半導体素子の直下の回路パターンの部位よりも熱伝導率の良い材料である銀などに変更することで、両端に位置する半導体素子よりも両端に位置する半導体素子に挟まれる半導体素子の放熱効率をさらに向上させることができる。 In addition, the portion of the circuit pattern immediately below the semiconductor element sandwiched by the semiconductor elements positioned at both ends is changed to silver or the like, which is a material having a better thermal conductivity than the portion of the circuit pattern directly below the semiconductor elements positioned at both ends. Thus, the heat dissipation efficiency of the semiconductor element sandwiched by the semiconductor elements positioned at both ends can be further improved than the semiconductor elements positioned at both ends.
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態及び変形例を自由に組み合わせ、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 The present invention can freely combine each embodiment and modification within the scope of the invention, and can suitably modify or omit each embodiment.
1a,1b,1c 半導体素子、2a,2b,2c 回路パターン、3 絶縁基板、4 銅ベース、5 出力パターン、6 金属ワイヤー、11a,11b 放熱経路、100 パワーモジュール。 1a, 1b, 1c Semiconductor elements, 2a, 2b, 2c circuit patterns, 3 insulating substrates, 4 copper bases, 5 output patterns, 6 metal wires, 11a, 11b heat radiation path, 100 power modules.
Claims (3)
前記回路パターンと接合して前記絶縁基板に一列状に載置された少なくとも3つ以上のパワー半導体素子を有するパワーモジュールであって、
前記パワー半導体素子のうち、両端に位置する第1パワー半導体素子と第2パワー半導体素子とに挟まれて位置する第3パワー半導体素子の直下の前記回路パターンの前記主面に対する垂直方向の厚みは、前記第1パワー半導体素子又は前記第2パワー半導体素子の直下の前記回路パターンの前記主面に対する垂直方向の厚みより大きいことを特徴とするパワーモジュール。 An insulating substrate having a circuit pattern joined to one main surface,
A power module having at least three or more power semiconductor elements joined to the circuit pattern and mounted on the insulating substrate in a line.
Among the power semiconductor device, the first power semiconductor element and the thickness of the direction perpendicular to the main surface of the circuit pattern directly under the third power semiconductor element located sandwiched between the second power semiconductor element located at both ends A power module characterized by having a thickness in a direction perpendicular to the main surface of the circuit pattern immediately below the first power semiconductor element or the second power semiconductor element.
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