JP2009105389A

JP2009105389A - Power module

Info

Publication number: JP2009105389A
Application number: JP2008250388A
Authority: JP
Inventors: Masao Saito; 匡男濟藤; Takuichi Otsuka; 拓一大塚; Keiki Okumura; 啓樹奥村
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2007-10-02
Filing date: 2008-09-29
Publication date: 2009-05-14

Abstract

【課題】大型の冷却機構を必要とせず、小型化可能なパワーモジュールを提供する。
【解決手段】第１の基板主面６１、及びその第１の基板主面６１と対向する第２の基板主面６２を有する基板６０と、ソース電極１０ｓが形成された第１の主面１１、及びその第１の主面１１に対向した、第１の基板主面６１に接するドレイン電極１０ｄが形成された第２の主面１２を有し、第１の基板主面６１に配置されたスイッチング素子１０と、スイッチング素子１０の配置された領域の残余の領域において、第１の基板主面６１に配置された熱伝達部４０と、熱伝達部４０上に配置された上部冷却部５０とを備える。
【選択図】図１A power module that can be miniaturized without requiring a large cooling mechanism is provided.
A substrate 60 having a first substrate main surface 61 and a second substrate main surface 62 opposite to the first substrate main surface 61, and a first main surface 11 on which a source electrode 10s is formed. , And a second main surface 12 formed with a drain electrode 10d that is in contact with the first substrate main surface 61 and that faces the first main surface 11, and is disposed on the first substrate main surface 61. In the remaining region of the switching element 10 and the region where the switching element 10 is disposed, the heat transfer unit 40 disposed on the first substrate main surface 61, and the upper cooling unit 50 disposed on the heat transfer unit 40 Is provided.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、直流電流を交流電流に変換するパワーモジュールに係り、特に半導体素子が基板上に搭載されたパワーモジュールに関する。 The present invention relates to a power module that converts a direct current into an alternating current, and more particularly to a power module in which a semiconductor element is mounted on a substrate.

パワーモジュールは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のスイッチング素子をスイッチングさせることによって、直流電源から供給される直流電流を交流電流に変換し、交流モータ等を駆動する。特に、スイッチング素子の制御回路が一体化されたパワーモジュールをインテリジェント・パワーモジュール（ＩＰＭ）という。 The power module converts a DC current supplied from a DC power source into an AC current by driving a switching element such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT), and drives an AC motor or the like. In particular, a power module in which a control circuit for a switching element is integrated is called an intelligent power module (IPM).

ＩＧＢＴ等は発熱量が大きいため、パワーモジュールでは素子の放熱が問題となる。そのため、発生した熱を放出する放熱板等の冷却機構を配置する等の、パワーモジュールを冷却する対策が採られている（例えば特許文献１参照。）。
特開２００５−１４２２２８号公報 Since IGBT and the like generate a large amount of heat, heat dissipation of the element becomes a problem in the power module. For this reason, measures are taken to cool the power module, such as disposing a cooling mechanism such as a heat radiating plate that releases the generated heat (see, for example, Patent Document 1).
JP 2005-142228 A

しかしながら、パワーモジュールを構成する素子の表面はゲル等で断熱されているため、素子の発生する熱を、基板に接する素子の裏面のみから放出している。そのため冷却効率が低く、基板に大型の冷却機構を設置して放熱する必要があった。その結果、パワーモジュールを小型化することが困難であるという問題があった。 However, since the surface of the element constituting the power module is thermally insulated by gel or the like, the heat generated by the element is released only from the back surface of the element in contact with the substrate. Therefore, the cooling efficiency is low, and it is necessary to dissipate heat by installing a large cooling mechanism on the substrate. As a result, there is a problem that it is difficult to reduce the size of the power module.

上記問題点を鑑み、本発明は、大型の冷却機構を必要とせず、小型化可能なパワーモジュールを提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a power module that can be downsized without requiring a large cooling mechanism.

本発明の一態様によれば、（イ）第１の基板主面、及びその第１の基板主面と対向する第２の基板主面を有する基板と、（ロ）第１の主電極が形成された第１の主面、及びその第１の主面に対向した、第１の基板主面に接する第２の主電極が形成された第２の主面を有し、第１の基板主面に配置された半導体素子と、（ハ）半導体素子の配置された領域の残余の領域において、第１の基板主面に配置された熱伝達部と、（ニ）熱伝達部上に配置された上部冷却部とを備えるパワーモジュールが提供される。 According to one aspect of the present invention, (b) a substrate having a first substrate main surface and a second substrate main surface facing the first substrate main surface, and (b) a first main electrode A first substrate having a first main surface formed and a second main surface on which a second main electrode facing the first main surface and facing the first main surface is formed; A semiconductor element disposed on the main surface; (c) a heat transfer portion disposed on the first substrate main surface in a remaining region of the region where the semiconductor element is disposed; and (d) disposed on the heat transfer portion. A power module including an upper cooling unit is provided.

本発明によれば、大型の冷却機構を必要とせず、小型化可能なパワーモジュールを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a power module that can be downsized without requiring a large cooling mechanism.

次に、図面を参照して、本発明の第１乃至第３の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部品の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, first to third embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic, and it should be noted that the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each component, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

又、以下に示す第１乃至第３の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Also, the following first to third embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the component parts. The material, shape, structure, arrangement, etc. are not specified below. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュールは、図１に示すように、第１の基板主面６１、及びその第１の基板主面６１と対向する第２の基板主面６２を有する基板６０と、第１の基板主面６１に配置されたスイッチング素子１０及び転流ダイオード２０と、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の配置された領域の残余の領域において、第１の基板主面６１に配置された熱伝達部４０と、熱伝達部４０上に配置された上部冷却部５０とを備える。 (First embodiment)
As illustrated in FIG. 1, the power module according to the first embodiment of the present invention includes a first substrate main surface 61 and a second substrate main surface 62 that faces the first substrate main surface 61. In the remaining region of the region where the switching element 10 and the commutation diode 20 are disposed, and the switching element 10 and the commutation diode 20 disposed on the first substrate main surface 61. The heat transfer part 40 arrange | positioned at the surface 61 and the upper cooling part 50 arrange | positioned on the heat transfer part 40 are provided.

スイッチング素子１０は、第１の主電極（ソース電極１０ｓ）が形成された第１の主面１１、及びその第１の主面１１に対向した、第１の基板主面６１に接する第２の主電極（ドレイン電極１０ｄ）が形成された第２の主面１２を有する。転流ダイオード２０は、第１の主電極（アノード電極２０ａ）が形成された第１の主面２１、及びその第１の主面２１に対向し、第１の基板主面６１に接する第２の主電極（カソード電極２０ｋ）が形成された第２の主面２２を有する。 The switching element 10 includes a first main surface 11 on which a first main electrode (source electrode 10 s) is formed, and a second substrate that is in contact with the first substrate main surface 61 facing the first main surface 11. It has the 2nd main surface 12 in which the main electrode (drain electrode 10d) was formed. The commutation diode 20 is opposed to the first main surface 21 on which the first main electrode (anode electrode 20a) is formed, and the first main surface 21 and is in contact with the first substrate main surface 61. The second main surface 22 on which the main electrode (cathode electrode 20k) is formed.

基板６０は、メタルパターン層６３、絶縁層６４及びヒートスプレッタ６５が積層された構造を有する。図１に示した例では、絶縁層６４に接する面と対向するメタルパターン層６３の面が第１の基板主面６１である。また、絶縁層６４に接する面と対向するヒートスプレッタ６５の面が第２の基板主面６２である。 The substrate 60 has a structure in which a metal pattern layer 63, an insulating layer 64, and a heat spreader 65 are laminated. In the example shown in FIG. 1, the surface of the metal pattern layer 63 facing the surface in contact with the insulating layer 64 is the first substrate main surface 61. The surface of the heat spreader 65 facing the surface in contact with the insulating layer 64 is the second substrate main surface 62.

図２に、図１に示したパワーモジュールの上面図を示す。図１は、図２のＩ−Ｉ方向に沿った断面図である。図２は、上部冷却部５０を透過して基板６０、スイッチング素子１０と転流ダイオード２０、及び熱伝達部４０を示している。なお、図２ではスイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の各電極、ケース７０は図示を省略している。 FIG. 2 shows a top view of the power module shown in FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the II direction of FIG. FIG. 2 shows the substrate 60, the switching element 10, the commutation diode 20, and the heat transfer unit 40 through the upper cooling unit 50. In FIG. 2, the electrodes of the switching element 10 and the commutation diode 20 and the case 70 are not shown.

基板６０のメタルパターン層６３には、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０を用いた所望の回路を実現するための回路パターンが、金属膜を用いて形成されている。メタルパターン層６３に使用する金属膜には、アルミニウム（Ａｌ）膜や銅（Ｃｕ）膜等が採用可能である。絶縁層６４には、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）等が採用可能である。ヒートスプレッタ６５には、熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ程度以上の材料が採用可能である。具体的には、熱伝導率が２４０Ｗ／ｍＫ程度のＡｌや３７０Ｗ／ｍＫ程度のＣｕ等が使用できる。つまり、メタルパターン層６３の金属膜にＡｌを採用したＤＢＡ（ダイレクト・ブレイズド・アルミニウム）基板、或いはメタルパターン層６３の金属膜にＣｕを採用したＤＢＣ（ダイレクト・ボンディング・カッパ）基板等の熱伝導性絶縁基板が、基板６０に採用可能である。 A circuit pattern for realizing a desired circuit using the switching element 10 and the commutation diode 20 is formed on the metal pattern layer 63 of the substrate 60 using a metal film. As the metal film used for the metal pattern layer 63, an aluminum (Al) film, a copper (Cu) film, or the like can be used. For the insulating layer 64, alumina (Al ₂ O ₃ ), aluminum nitride (AlN), silicon nitride (SiN), silicon oxide (SiO ₂ ), or the like can be used. For the heat spreader 65, a material having a high thermal conductivity, for example, a material having a thermal conductivity of about 200 W / mK or more can be used. Specifically, Al having a thermal conductivity of approximately 240 W / mK, Cu having a thermal conductivity of approximately 370 W / mK, or the like can be used. That is, the heat conduction of a DBA (direct-bladed aluminum) substrate using Al for the metal film of the metal pattern layer 63 or a DBC (direct bonding kappa) substrate using Cu for the metal film of the metal pattern layer 63. A conductive insulating substrate can be used for the substrate 60.

図１は、スイッチング素子１０が、ソース電極１０ｓ及びゲート電極１０ｇが第１の主面１１に形成され、ドレイン電極１０ｄが第２の主面１２に形成されたｎｐｎ型ＩＧＢＴである例を示している。ＩＧＢＴ以外にも、第１の主面１１に配置された第１の主電極と第２の主面１２に配置された第２の主電極間に流れる主電流を制御電極によって制御可能な素子、例えばＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等が、スイッチング素子１０に採用可能である。 FIG. 1 shows an example in which the switching element 10 is an npn type IGBT in which a source electrode 10 s and a gate electrode 10 g are formed on a first main surface 11 and a drain electrode 10 d is formed on a second main surface 12. Yes. In addition to the IGBT, an element capable of controlling the main current flowing between the first main electrode arranged on the first main surface 11 and the second main electrode arranged on the second main surface 12 by the control electrode, For example, a MOS field effect transistor (FET) or the like can be used as the switching element 10.

スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の材料には、シリコン（Ｓｉ）やシリコンカーバイト（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ＡｌＮ、ダイヤモンド等が採用可能である。スイッチング損失や電力損失を抑制するために、ＳｉＣやＧａＮが好ましい。また、ＳｉＣやＧａＮを採用すると３００℃程度まで動作可能であるため、出力を高くするために基板温度が２００℃程度まで上昇する場合等に好ましい。更に、ＧａＮを採用することにより、高周波での駆動が可能になる。また、Ａｌ／ＡｌＮ／Ａｌの積層構造を有するＤＢＡ基板等のＡｌＮを含む基板を基板６０として採用した場合には、基板６０上に配置する素子にＡｌＮを採用することによって素子と基板の熱膨張係数が同等となり、熱応力の発生による素子破壊の問題も回避できる。更に、ＡｌＮはＳｉＣやＧａＮに比べて絶縁破壊係数が大きいため、基板６０上に配置する素子にＡｌＮを採用することにより耐圧を向上することができる。ダイヤモンドは上記の材料の物性値をすべて超えており、ダイヤモンドを採用することによってパワーモジュールの小型化を実現し、電力損失やスイッチング損失を大幅に低減できる。 As materials for the switching element 10 and the commutation diode 20, silicon (Si), silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), AlN, diamond, or the like can be used. In order to suppress switching loss and power loss, SiC and GaN are preferable. Further, when SiC or GaN is employed, the operation is possible up to about 300 ° C., which is preferable when the substrate temperature is increased to about 200 ° C. in order to increase the output. Furthermore, by using GaN, driving at high frequency becomes possible. Further, when a substrate containing AlN such as a DBA substrate having a laminated structure of Al / AlN / Al is adopted as the substrate 60, the thermal expansion of the element and the substrate can be achieved by adopting AlN as the element disposed on the substrate 60. The coefficients are equal, and the problem of element destruction due to the generation of thermal stress can be avoided. Furthermore, since AlN has a larger dielectric breakdown coefficient than SiC and GaN, the withstand voltage can be improved by adopting AlN as an element disposed on the substrate 60. Diamond exceeds all the physical property values of the above materials. By adopting diamond, the power module can be miniaturized, and power loss and switching loss can be greatly reduced.

スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の各電極は、直接又はボンディングワイヤを介して、メタルパターン層６３に形成されたメタルパターンと電気的に接続され、パワーモジュールを構成する。具体的には、スイッチング素子１０のドレイン電極１０ｄ及び転流ダイオード２０のカソード電極２０ｋはメタルパターン層６３に半田付け等により直接に接続され、スイッチング素子１０のソース電極１０ｓとゲート電極１０ｇ及び転流ダイオード２０のアノード電極２０ａは、図示を省略するボンディングワイヤによってメタルパターン層６３に接続される。或いは、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の各電極は、ボンディングワイヤ等によって、パワーモジュールが格納されるケース７０内の配線パターンと接続する。ケース７０は、例えば合成樹脂等からなる。 Each electrode of the switching element 10 and the commutation diode 20 is electrically connected to a metal pattern formed on the metal pattern layer 63 directly or via a bonding wire to constitute a power module. Specifically, the drain electrode 10d of the switching element 10 and the cathode electrode 20k of the commutation diode 20 are directly connected to the metal pattern layer 63 by soldering or the like, and the source electrode 10s, the gate electrode 10g, and the commutation of the switching element 10 are performed. The anode electrode 20a of the diode 20 is connected to the metal pattern layer 63 by a bonding wire (not shown). Alternatively, each electrode of the switching element 10 and the commutation diode 20 is connected to a wiring pattern in the case 70 in which the power module is stored by a bonding wire or the like. The case 70 is made of, for example, a synthetic resin.

スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０で発生した熱を効率的に放出するために、熱伝達部４０はできるだけスイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の近傍に配置することが好ましい。また、図１、図２では熱伝達部４０が１つ配置された例を示しているが、複数の熱伝達部４０を第１の基板主面６１に配置してもよい。例えば、ドレイン電極１０ｄが接続するメタルパターンと同一領域に１つの熱伝達部４０配置し、カソード電極２０ｋが接続するメタルパターンと同一領域に他の１つの熱伝達部４０を配置してもよい。この場合、熱伝達部４０は熱伝導率の高い絶縁性の材料、例えばエポキシ系接着剤等が採用可能である。具体的には、絶縁性のセラミックを主成分とし、最高稼動温度が２６０℃程度、熱伝導率が４〜５Ｗ／ｍＫ程度のエポキシ接着剤（グリース）等が熱伝達部４０に採用可能である。 In order to efficiently release the heat generated in the switching element 10 and the commutation diode 20, it is preferable that the heat transfer unit 40 be disposed as close to the switching element 10 and the commutation diode 20 as possible. 1 and 2 show an example in which one heat transfer unit 40 is arranged, a plurality of heat transfer units 40 may be arranged on the first substrate main surface 61. For example, one heat transfer unit 40 may be disposed in the same region as the metal pattern to which the drain electrode 10d is connected, and another heat transfer unit 40 may be disposed in the same region as the metal pattern to which the cathode electrode 20k is connected. In this case, the heat transfer unit 40 can employ an insulating material having a high thermal conductivity, such as an epoxy adhesive. Specifically, an epoxy adhesive (grease) having an insulating ceramic as a main component, a maximum operating temperature of about 260 ° C., and a thermal conductivity of about 4 to 5 W / mK can be used for the heat transfer unit 40. .

或いは、メタルパターン層６３のメタルパターンと接触する熱伝達部４０の端部のみを絶縁性の材料とし、他の部分をＡｌやＣｕ等の導電体材料としてもよい。また、メタルパターン層６３のメタルパターンの存在しない領域に熱伝達部４０を配置する場合には、熱伝達部４０に導電体材料を採用可能である。導電体材料からなる熱伝達部４０は、例えば半田等を用いてメタルパターン層６３に接続される。 Alternatively, only the end of the heat transfer unit 40 that contacts the metal pattern of the metal pattern layer 63 may be an insulating material, and the other part may be a conductive material such as Al or Cu. Further, when the heat transfer unit 40 is disposed in a region where the metal pattern of the metal pattern layer 63 does not exist, a conductor material can be used for the heat transfer unit 40. The heat transfer unit 40 made of a conductive material is connected to the metal pattern layer 63 using, for example, solder.

熱伝達部４０は、異方性の熱伝導特性を有することがより好ましい。具体的には、第１の基板主面６１の法線方向（以下において、単に「法線方向」という。）の熱伝導率が、その法線方向と異なる他の方向の熱伝導率より大きいことが、スイッチング素子１０や転流ダイオード２０の放熱の点から好ましい。つまり、スイッチング素子１０の第２の主面１２や転流ダイオード２０の第２の主面２２から基板６０を介して熱伝達部４０に伝達された熱が、熱伝達部４０を主に法線方向に伝播し、上部冷却部５０に伝達される。その結果、スイッチング素子１０や転流ダイオード２０で発生した熱が、効率よく上部冷却部５０に伝播される。 It is more preferable that the heat transfer unit 40 has anisotropic heat conduction characteristics. Specifically, the thermal conductivity in the normal direction of the first substrate main surface 61 (hereinafter simply referred to as “normal direction”) is larger than the thermal conductivity in another direction different from the normal direction. It is preferable from the viewpoint of heat dissipation of the switching element 10 and the commutation diode 20. That is, the heat transferred from the second main surface 12 of the switching element 10 and the second main surface 22 of the commutation diode 20 to the heat transfer unit 40 via the substrate 60 is mainly normal to the heat transfer unit 40. Propagated in the direction and transmitted to the upper cooling unit 50. As a result, heat generated in the switching element 10 and the commutation diode 20 is efficiently transmitted to the upper cooling unit 50.

異方性の熱伝導特性を有する材料は、例えば、熱伝導率が高い炭素繊維（ＣＦ）や特殊炭素繊維（ＶＧＣＦ）と高熱伝導率金属（例えばＡｌ等）を複合化させた複合材料（例えば、Ａｌ／ＣＦ、Ａｌ／ＣＦ／ＶＧＣＦ等）である。これらの複合材料は、炭素繊維の繊維方向の熱伝導率が７００Ｗ／ｍＫ程度であるのに対して、他の方向の熱伝導率は２０〜５０Ｗ／ｍＫ程度である。 The material having anisotropic thermal conductivity is, for example, a composite material (for example, a composite of carbon fiber (CF) or special carbon fiber (VGCF) having high thermal conductivity and a high thermal conductivity metal (for example, Al). Al / CF, Al / CF / VGCF, etc.). These composite materials have a thermal conductivity in the fiber direction of the carbon fiber of about 700 W / mK, whereas the thermal conductivity in the other direction is about 20 to 50 W / mK.

上部冷却部５０は、ヒートスプレッタ６５と同様に、熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ程度以上の材料が採用可能である。具体的には、Ａｌ或いはＣｕ等が使用可能である。 As with the heat spreader 65, the upper cooling unit 50 can employ a material having high thermal conductivity, for example, a material having a thermal conductivity of about 200 W / mK or more. Specifically, Al or Cu can be used.

図１に示したパワーモジュールに含まれる素子（スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０）、及び熱伝達部４０が基板６０に搭載された状態で、基板６０はケース７０に実装される。このとき、ヒートスプレッタ６５の絶縁層６４と接する面に対向する裏面（第２の基板主面６２）が外部に露出するように、基板６０はケース７０に実装される。そして、ケース７０の配線パターン（図示略）と素子間との接続等の必要なワイヤボンディングを行った後、封止膜３０によって封止される。 The substrate 60 is mounted on the case 70 in a state where the elements (the switching element 10 and the commutation diode 20) and the heat transfer unit 40 included in the power module illustrated in FIG. 1 are mounted on the substrate 60. At this time, the board | substrate 60 is mounted in the case 70 so that the back surface (2nd board | substrate main surface 62) facing the surface which contact | connects the insulating layer 64 of the heat spreader 65 may be exposed outside. Then, after performing necessary wire bonding such as connection between the wiring pattern (not shown) of the case 70 and the elements, the case 70 is sealed with the sealing film 30.

封止膜３０は、物理的な衝撃や周囲の空気中の放電による破壊からパワーモジュールに搭載される素子を保護するために、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の周囲を覆うように形成される。封止膜３０には、例えばシリコン樹脂或いはエポキシ樹脂からなるゲル状の材料等が採用可能である。 The sealing film 30 is formed so as to cover the periphery of the switching element 10 and the commutation diode 20 in order to protect the element mounted on the power module from physical impact or destruction due to discharge in the surrounding air. . For the sealing film 30, for example, a gel material made of silicon resin or epoxy resin can be used.

封止膜３０は、熱伝達部４０の上面が封止膜３０から露出するように形成される。そして、露出した熱伝達部４０の上面に接するように上部冷却部５０が配置される。その結果、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０で発生した熱は、基板６０及び熱伝達部４０を介して上部冷却部５０に伝達される。上部冷却部５０から放熱するためには、自然冷却であってもよい。或いは、パワーモジュールを搭載したケース７０に冷却装置を取り付けて、ファンによる空冷或いは水冷等によって強制的に上部冷却部５０を冷却してもよい。 The sealing film 30 is formed so that the upper surface of the heat transfer unit 40 is exposed from the sealing film 30. And the upper cooling part 50 is arrange | positioned so that the upper surface of the exposed heat transfer part 40 may be contact | connected. As a result, the heat generated in the switching element 10 and the commutation diode 20 is transmitted to the upper cooling unit 50 through the substrate 60 and the heat transfer unit 40. In order to dissipate heat from the upper cooling unit 50, natural cooling may be used. Alternatively, a cooling device may be attached to the case 70 on which the power module is mounted, and the upper cooling unit 50 may be forcibly cooled by air cooling or water cooling using a fan.

図１に示したパワーモジュールを使用する回路例を図３に示す。図３に示したパワーモジュールは３相ＰＷＭ（パルス幅変調）インバータよりなる電力変換回路であり、高圧直流電源線であるＰ電源線２０１と低圧直流電源線であるＮ電源線２０２を備え、Ｐ電源線２０１とＮ電源線２０２間にそれぞれ配置されたＵ相出力部１１０、Ｖ相出力部１２０及びＷ相出力部１３０を有する。Ｕ相出力部１１０、Ｖ相出力部１２０及びＷ相出力部１３０は、高圧側ユニット１０１と低圧側ユニット１０２をそれぞれ有する。 A circuit example using the power module shown in FIG. 1 is shown in FIG. The power module shown in FIG. 3 is a power conversion circuit composed of a three-phase PWM (pulse width modulation) inverter, and includes a P power line 201 that is a high-voltage DC power line and an N power line 202 that is a low-voltage DC power line. A U-phase output unit 110, a V-phase output unit 120, and a W-phase output unit 130 are disposed between the power supply line 201 and the N power supply line 202, respectively. The U-phase output unit 110, the V-phase output unit 120, and the W-phase output unit 130 have a high-pressure side unit 101 and a low-pressure side unit 102, respectively.

高圧側ユニット１０１と低圧側ユニット１０２は同一の構成であり、図１に示したスイッチング素子１０と転流ダイオード２０が並列接続された構成である。高圧側ユニット１０１に含まれるスイッチング素子１０のドレイン電極１０ｄと転流ダイオード２０のカソード電極２０ｋは、Ｐ電源線２０１に接続される。高圧側ユニット１０１に含まれるスイッチング素子１０のソース電極１０ｓと転流ダイオード２０のアノード電極２０ａは、低圧側ユニット１０２に含まれるスイッチング素子１０のドレイン電極１０ｄと転流ダイオード２０のカソード電極２０ｋとの接続点に接続される。低圧側ユニット１０２に含まれるスイッチング素子１０のソース電極１０ｓと転流ダイオード２０のアノード電極２０ａは、Ｎ電源線２０２に接続される。 The high voltage side unit 101 and the low voltage side unit 102 have the same configuration, and the switching element 10 and the commutation diode 20 shown in FIG. 1 are connected in parallel. The drain electrode 10 d of the switching element 10 and the cathode electrode 20 k of the commutation diode 20 included in the high voltage side unit 101 are connected to the P power supply line 201. The source electrode 10 s of the switching element 10 included in the high voltage side unit 101 and the anode electrode 20 a of the commutation diode 20 are connected to the drain electrode 10 d of the switching element 10 included in the low voltage side unit 102 and the cathode electrode 20 k of the commutation diode 20. Connected to the connection point. The source electrode 10 s of the switching element 10 and the anode electrode 20 a of the commutation diode 20 included in the low voltage side unit 102 are connected to the N power supply line 202.

また、高圧側ユニット１０１及び低圧側ユニット１０２に含まれるスイッチング素子１０のゲート電極１０ｇは、制御回路（ゲートドライブ回路）３００に接続される。制御回路３００によってスイッチング素子１０の動作（オン／オフ）が制御され、Ｐ電源線２０１及びＮ電源線２０２から供給される直流電流が交流電流に変換される。 Further, the gate electrode 10 g of the switching element 10 included in the high voltage side unit 101 and the low voltage side unit 102 is connected to a control circuit (gate drive circuit) 300. The operation (on / off) of the switching element 10 is controlled by the control circuit 300, and the direct current supplied from the P power supply line 201 and the N power supply line 202 is converted into an alternating current.

スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の各電極は、直接又はボンディングワイヤを介して、メタルパターン層６３に形成されたメタルパターン或いはパワーモジュールが格納されるケース７０内の配線パターンと電気的に接続され、図３に示したパワーモジュールを構成する。なお、図３に示すように、Ｕ相出力部１１０、Ｖ相出力部１２０及びＷ相出力部１３０の高圧側ユニット１０１と低圧側ユニット１０２との各接続点から、Ｕ相交流出力ｕ、Ｖ相交流出力ｖ、及びＷ相交流出力ｗがそれぞれ出力される。Ｕ相交流出力ｕ、Ｖ相交流出力ｖ、及びＷ相交流出力ｗにより、例えばＵ相、Ｖ相及びＷ相の３つの相(コイル)を持ったモータの各相に位相の異なる交流電流を流すことによって、モータが回転する。 The electrodes of the switching element 10 and the commutation diode 20 are electrically connected to the wiring pattern in the case 70 in which the metal pattern or power module stored in the metal pattern layer 63 is stored, either directly or via a bonding wire. The power module shown in FIG. 3 is configured. As shown in FIG. 3, U-phase AC outputs u, V are determined from connection points between the high-pressure side unit 101 and the low-pressure side unit 102 of the U-phase output unit 110, the V-phase output unit 120, and the W-phase output unit 130. A phase AC output v and a W phase AC output w are output. By using the U-phase AC output u, the V-phase AC output v, and the W-phase AC output w, for example, an AC current having a different phase is applied to each phase of a motor having three phases (coils) of U phase, V phase, and W phase The motor rotates by flowing.

図１に示したパワーモジュールでは、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０で発生した熱が、ヒートスプレッタ６５から放出されると同時に、基板６０、熱伝達部４０及び上部冷却部５０を伝播し、上部冷却部５０からパワーモジュールの外部に放出される。つまり、図１に示したパワーモジュールでは、パワーモジュールの表面（上部冷却部５０の上面５１）及び裏面（第２の基板主面６２）の両面から熱が放出される。そのため、基板６０の裏面からのみ放熱する場合よりも効率的に放熱できる。その結果、例えば熱によって封止膜３０にクラックが発生する等の問題を回避できる。 In the power module shown in FIG. 1, heat generated in the switching element 10 and the commutation diode 20 is released from the heat spreader 65 and simultaneously propagates through the substrate 60, the heat transfer unit 40, and the upper cooling unit 50, thereby It is discharged from the part 50 to the outside of the power module. That is, in the power module shown in FIG. 1, heat is released from both the front surface (the upper surface 51 of the upper cooling unit 50) and the back surface (the second substrate main surface 62) of the power module. Therefore, heat can be radiated more efficiently than when heat is radiated only from the back surface of the substrate 60. As a result, it is possible to avoid problems such as generation of cracks in the sealing film 30 due to heat, for example.

以上に説明したように、本発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュールでは、パワーモジュールの上面と下面の両方から放熱できるため、冷却能力が向上する。その結果、図１に示したパワーモジュールによれば、大型の冷却機構を必要とせず、小型化が可能なパワーモジュールを提供することができる。 As described above, in the power module according to the first embodiment of the present invention, heat can be radiated from both the upper surface and the lower surface of the power module, so that the cooling capacity is improved. As a result, according to the power module shown in FIG. 1, it is possible to provide a power module that can be downsized without requiring a large cooling mechanism.

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係るパワーモジュールは、図４に示すように、熱伝達部４０が基板６０のヒートスプレッタ６５に接していることが、図１に示したパワーモジュールと異なる点である。図５に、図４に示したパワーモジュールの上面図を示す。図４は、図５のＩＩ−ＩＩ方向に沿った断面図である。図５は、上部冷却部５０を透過して基板６０、スイッチング素子１０と転流ダイオード２０、及び熱伝達部４０を示している。図５ではスイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の各電極、ケース７０は図示を省略している。 (Second Embodiment)
The power module according to the second embodiment of the present invention is different from the power module shown in FIG. 1 in that the heat transfer unit 40 is in contact with the heat spreader 65 of the substrate 60 as shown in FIG. is there. FIG. 5 shows a top view of the power module shown in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the II-II direction of FIG. FIG. 5 shows the substrate 60, the switching element 10, the commutation diode 20, and the heat transfer unit 40 through the upper cooling unit 50. In FIG. 5, the electrodes of the switching element 10 and the commutation diode 20 and the case 70 are not shown.

図４及び図５に示すように、基板６０のメタルパターン層６３及び絶縁層６４に開口部が設けられ、この開口部において露出されて第１の基板主面６１となるヒートスプレッタ６５の表面に、熱伝達部４０の端部が接している。その他の構成については、図１に示す第１の実施の形態と同様である。 As shown in FIGS. 4 and 5, an opening is provided in the metal pattern layer 63 and the insulating layer 64 of the substrate 60, and the surface of the heat spreader 65 that is exposed in this opening and becomes the first substrate main surface 61 is The end of the heat transfer unit 40 is in contact. Other configurations are the same as those of the first embodiment shown in FIG.

図４及び図５に示したパワーモジュールでは、パワーモジュールに含まれる半導体素子（スイッチング素子１０、転流ダイオード２０）で発生し、メタルパターン層６３及び絶縁層６４を介してヒートスプレッタ６５に伝播した熱が、ヒートスプレッタ６５から熱伝達部４０を介して上部冷却部５０にも伝達される。つまり、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０で発生した熱が、ヒートスプレッタ６５の裏面（第２の基板主面６２）からだけでなく、上部冷却部５０の上面５１からも放熱される。 In the power module shown in FIGS. 4 and 5, the heat generated in the semiconductor elements (switching element 10 and commutation diode 20) included in the power module and propagated to the heat spreader 65 through the metal pattern layer 63 and the insulating layer 64. Is transmitted from the heat spreader 65 to the upper cooling unit 50 via the heat transfer unit 40. That is, the heat generated in the switching element 10 and the commutation diode 20 is radiated not only from the back surface (second substrate main surface 62) of the heat spreader 65 but also from the upper surface 51 of the upper cooling unit 50.

以上に説明したように、本発明の第２の実施の形態に係るパワーモジュールでは、パワーモジュールの上面と下面の両方から効率的に放熱できるため、冷却能力が向上する。その結果、図４に示しパワーモジュールによれば、大型の冷却機構を必要とせず、小型化が可能なパワーモジュールを提供することができる。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。 As described above, in the power module according to the second embodiment of the present invention, since heat can be efficiently radiated from both the upper surface and the lower surface of the power module, the cooling capacity is improved. As a result, according to the power module shown in FIG. 4, it is possible to provide a power module that can be downsized without requiring a large cooling mechanism. Others are substantially the same as those in the first embodiment, and redundant description is omitted.

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係るパワーモジュールは、図６に示すように、スイッチング素子１０の第１の主面１１上に配置され、上部冷却部５０と接する上面接合材８１、及び転流ダイオード２０の第１の主面２１上に配置され、上部冷却部５０と接する上面接合材８２を更に備えることが、図１に示したパワーモジュールと異なる点である。その他の構成については、図１に示す第１の実施の形態と同様である。 (Third embodiment)
As shown in FIG. 6, the power module according to the third embodiment of the present invention is arranged on the first main surface 11 of the switching element 10, and the upper surface bonding material 81 in contact with the upper cooling unit 50, and the rolling element. The power module shown in FIG. 1 is different from the power module shown in FIG. 1 in that an upper surface bonding material 82 disposed on the first main surface 21 of the current diode 20 and in contact with the upper cooling unit 50 is further provided. Other configurations are the same as those of the first embodiment shown in FIG.

図６に、図７に示したパワーモジュールの上面図を示す。図７は、上部冷却部５０を透過して基板６０、スイッチング素子１０と転流ダイオード２０、熱伝達部４０、及び上面接合材８１、８２を示している。図７に示すように、ソース電極１０ｓ及びゲート電極１０ｇの上面の一部が露出するように、上面接合材８１はスイッチング素子１０の第１の主面１１上に配置されている。同様に、アノード電極２０ａの上面の一部が露出するように、上面接合材８２は転流ダイオード２０の第１の主面２１上に配置されている。第１の主面１１の上面接合材８１に覆われていない領域や第１の主面２１の上面接合材８２に覆われていない領域にボンディングワイヤーを接続すること等により、ソース電極１０ｓ、ゲート電極１０ｇ及びアノード電極２０ａと、メタルパターン層６３に形成されたメタルパターン或いはケース７０内の配線パターンとを接続できる。 FIG. 6 shows a top view of the power module shown in FIG. FIG. 7 shows the substrate 60, the switching element 10 and the commutation diode 20, the heat transfer unit 40, and the upper surface bonding materials 81 and 82 through the upper cooling unit 50. As shown in FIG. 7, the upper surface bonding material 81 is disposed on the first main surface 11 of the switching element 10 so that parts of the upper surfaces of the source electrode 10 s and the gate electrode 10 g are exposed. Similarly, the upper surface bonding material 82 is disposed on the first main surface 21 of the commutation diode 20 so that a part of the upper surface of the anode electrode 20a is exposed. By connecting a bonding wire to a region of the first main surface 11 that is not covered with the upper surface bonding material 81 or a region of the first main surface 21 that is not covered with the upper surface bonding material 82, the source electrode 10s and the gate The electrode 10g and the anode electrode 20a can be connected to the metal pattern formed on the metal pattern layer 63 or the wiring pattern in the case 70.

上面接合材８１、８２は、熱伝導率の高い絶縁性の接合材であり、例えばエポキシ系接着剤等が採用可能である。具体的には、絶縁性のセラミックを主成分とし、最高稼動温度が２６０℃程度、熱伝導率が４〜５Ｗ／ｍＫ程度のエポキシ接着剤（グリース）等が採用可能である。或いは、熱伝導率の高い絶縁性の部材と金属の部材を積層して上面接合材８１、８２を構成してもよい。上部冷却部５０がＡｌやＣｕ等の金属部材である場合には、上部冷却部５０及び上面接合材８１、８２を介してスイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の各電極がショートしないように、上面接合材８１、８２は絶縁部分を含む必要がある。 The upper surface bonding materials 81 and 82 are insulating bonding materials with high thermal conductivity, and, for example, an epoxy-based adhesive can be used. Specifically, an epoxy adhesive (grease) having an insulating ceramic as a main component, a maximum operating temperature of about 260 ° C., and a thermal conductivity of about 4 to 5 W / mK can be employed. Alternatively, the upper surface bonding materials 81 and 82 may be configured by laminating an insulating member having a high thermal conductivity and a metal member. When the upper cooling unit 50 is a metal member such as Al or Cu, the upper surface is arranged so that the electrodes of the switching element 10 and the commutation diode 20 are not short-circuited via the upper cooling unit 50 and the upper surface bonding materials 81 and 82. The bonding materials 81 and 82 need to include an insulating portion.

なお、図４に示したパワーモジュールと同様に、図６に示したパワーモジュールの熱伝達部４０が基板６０のヒートスプレッタ６５に接していてもよい。 Note that, similarly to the power module illustrated in FIG. 4, the heat transfer unit 40 of the power module illustrated in FIG. 6 may be in contact with the heat spreader 65 of the substrate 60.

本発明の第３の実施の形態に係るパワーモジュールでは、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の上面から上部冷却部５０に熱が伝搬する。図６に示したように、パワーモジュールに含まれる素子（スイッチング素子１０、転流ダイオード２０）の上面（第１の主面１１、２１）は、下面（第２の主面１２、２２）と異なりメタルパターン層６３や絶縁層６４と接していない。そのため、素子の上面から放熱する方が、素子の下面から放熱するよりも効率的である。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。 In the power module according to the third embodiment of the present invention, heat propagates from the upper surfaces of the switching element 10 and the commutation diode 20 to the upper cooling unit 50. As shown in FIG. 6, the upper surface (first main surface 11, 21) of the element (switching element 10, commutation diode 20) included in the power module is the same as the lower surface (second main surface 12, 22). In contrast, the metal pattern layer 63 and the insulating layer 64 are not in contact with each other. Therefore, it is more efficient to radiate heat from the upper surface of the element than to radiate heat from the lower surface of the element. Others are substantially the same as those in the first embodiment, and redundant description is omitted.

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１乃至第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。 (Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the first to third embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

既に述べた第１乃至第３の実施の形態の説明においては、パワーモジュールが３相ＰＷＭインバータよりなる電力変換回路である例を示したが、２相或いは４相以上の交流電流を出力するパワーモジュールであってよい。また、パワーモジュールがスイッチング素子１０及び転流ダイオード２０を有する例を示したが、他の素子を含んでもよいことは勿論である。 In the description of the first to third embodiments already described, an example in which the power module is a power conversion circuit including a three-phase PWM inverter has been shown. However, power that outputs an alternating current of two phases or four phases or more is shown. It can be a module. Moreover, although the power module has shown the example which has the switching element 10 and the commutation diode 20, it is needless to say that another element may be included.

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Accordingly, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.

本発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的な側面図である。It is a typical side view of the power module which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的な上面図である。It is a typical top view of a power module concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュールを用いた回路構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram showing an example of circuit composition using a power module concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第２の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的な側面図である。It is a typical side view of the power module which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的な上面図である。It is a typical top view of a power module concerning a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第３の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的な側面図である。It is a typical side view of the power module which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的な上面図である。It is a typical top view of the power module which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.

Explanation of symbols

１０…スイッチング素子
１０ｄ…ドレイン電極
１０ｇ…ゲート電極
１０ｓ…ソース電極
１１…第１の主面
１２…第２の主面
２０…転流ダイオード
２０ａ…アノード電極
２０ｋ…カソード電極
２１…第１の主面
２２…第２の主面
３０…封止膜
４０…熱伝達部
５０…上部冷却部
６０…基板
６１…第１の基板主面
６２…第２の基板主面
６３…メタルパターン層
６４…絶縁層
６５…ヒートスプレッタ
７０…ケース
８１、８２…上面接合材
１０１…高圧側ユニット
１０２…低圧側ユニット
１１０…Ｕ相出力部
１２０…Ｖ相出力部
１３０…Ｗ相出力部
２０１…Ｐ電源線
２０２…Ｎ電源線
３００…制御回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Switching element 10d ... Drain electrode 10g ... Gate electrode 10s ... Source electrode 11 ... 1st main surface 12 ... 2nd main surface 20 ... Commutation diode 20a ... Anode electrode 20k ... Cathode electrode 21 ... 1st main surface DESCRIPTION OF SYMBOLS 22 ... 2nd main surface 30 ... Sealing film 40 ... Heat transfer part 50 ... Upper cooling part 60 ... Substrate 61 ... 1st board | substrate main surface 62 ... 2nd board | substrate main surface 63 ... Metal pattern layer 64 ... Insulating layer 65 ... heat spreader 70 ... case 81, 82 ... upper surface bonding material 101 ... high pressure side unit 102 ... low pressure side unit 110 ... U phase output unit 120 ... V phase output unit 130 ... W phase output unit 201 ... P power supply line 202 ... N power supply Line 300 ... Control circuit

Claims

A substrate having a first substrate main surface and a second substrate main surface opposite to the first substrate main surface;
A first main surface on which a first main electrode is formed, and a second main surface on which a second main electrode is formed opposite to the first main surface and in contact with the first substrate main surface. A semiconductor element disposed on the main surface of the first substrate,
In the remaining region of the region where the semiconductor element is disposed, a heat transfer unit disposed on the first substrate main surface;
A power module comprising: an upper cooling unit disposed on the heat transfer unit.

2. The power module according to claim 1, wherein the semiconductor element is a switching element having the first main electrode as a source electrode and the second main electrode as a drain electrode.

The power module according to claim 1, wherein the substrate has a heat spreader, and the heat transfer unit is in contact with the heat spreader.

The heat transfer part has an anisotropic thermal conductivity characteristic in which a thermal conductivity in a normal direction of the first substrate main surface is larger than a thermal conductivity in a direction different from the normal direction. Item 4. The power module according to any one of Items 1 to 3.

The power module according to claim 1, wherein the heat transfer unit is an insulating adhesive.

6. The power module according to claim 1, further comprising an upper surface bonding material disposed on the first main surface of the semiconductor element and in contact with the upper cooling portion.