JP2011023654A

JP2011023654A - パワーモジュール

Info

Publication number: JP2011023654A
Application number: JP2009168979A
Authority: JP
Inventors: Takuya Kadoguchi; 卓矢門口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: JP5381444B2

Abstract

【課題】本発明は、小型化かつ接続部の信頼性を向上させたパワーモジュールを提供することを課題とする。
【解決手段】電力用素子１０と電力用素子１０を駆動制御する制御素子１１をモジュール化したパワーモジュール１であって、電力用素子１０の信号部１０ｅと制御素子１１の信号部とをフリップチップ接続して積層化する。さらに、電力用素子１０の両面にリードフレーム１２ａ，１２ｂをそれぞれ設け、一方のリードフレーム１２ｂを電力用素子１０と制御素子１１で共有する。また、電力用素子１０、制御素子１１及びリードフレーム１２を樹脂１７でモールド封止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力用素子と当該電力用素子を駆動制御する制御素子をモジュール化したパワーモジュールに関する。

ＩＧＢＴ[Insulated Gate Bipolar Transistor]チップなどの電力用素子にその電力用素子を駆動制御するドライブＩＣなどの制御素子をモジュール化したパワーモジュールが知られている。図６には、従来のパワーモジュール１００の一例を示している。このパワーモジュール１００では、ＩＧＢＴチップ１１０のコレクタ電極１１０ａがリードフレーム１１２のヒートシンク１１２ａにはんだ１１３で接合されるとともに、ドライブＩＣ１１１の裏面１１１ａがヒートシンク１１２ａにＡｇペースト１１４で接合されている。また、パワーモジュール１００では、ＩＧＢＴチップ１１０のエミッタ電極１１０ｂとリードフレーム１１２のインナリード１１２ｂとが大電流用の太いＡｌ線１１５で接続され、信号パッド１１０ｃとドライブＩＣ１１１の表面１１１ｂ側の所定の箇所とが信号用の細いＡｕ線１１６で接続され、ドライブＩＣの表面１１１ｂ側の所定の箇所とリードフレーム１１２のインナリード１１２ｃとがＡｕ線１１７で接続されている。また、特許文献１には、パワー半導体を搭載したパワー回路基板が絶縁樹脂で封止されてなるパワー回路モジュールとパワー半導体を駆動制御する制御回路基板が絶縁樹脂で封埋されてなる制御回路モジュールとを併設し、パワー回路モジュールと制御回路モジュールとをワイヤで接続した電力変換装置が記載されている。

特開２００６−１２１８６１号公報特開２００７−１２４７６９号公報特開２００９−９９６６３号公報

従来のパワーモジュールでは、電力用素子と制御素子とを併設し、素子間をワイヤで接続しているので、ワイヤスペースが必要となり、小型化できない。また、ワイヤが接続されていない一面側だけでの放熱（熱伝導）となって、放熱効率の向上も図れない。さらに、工程が複雑なワイヤボンディング工程を必要とし、特に、Ａｌ線やＡｕ線などの種類の異なるワイヤを使用する場合には製造装置が異なるために工程数が増加する。

そこで、本発明は、小型化かつ接続部の信頼性を向上させたパワーモジュールを提供することを課題とする。

本発明に係るパワーモジュールは、電力用素子と当該電力用素子を駆動制御する制御素子をモジュール化したパワーモジュールであって、電力用素子の信号部と制御素子の信号部とを接続して積層化したことを特徴とする。

このパワーモジュールでは、電力用素子と制御素子の信号部が対向するように配置し、その素子間の信号部をはんだなどで接続して積層化している。このように、パワーモジュールでは、素子間の接続部を積層化しているので、モジュールを小型化でき、接続部の信頼性を向上できる。

本発明の上記パワーモジュールでは、電力用素子の両面にリードフレームをそれぞれ設け、何れか一方のリードフレームを電力用素子と制御素子で共有すると好適である。

このパワーモジュールでは、電力用素子の表面側と裏面側にそれぞれリードフレームが配置され、各側のリードフレームが電力用素子にそれぞれ接合される。さらに、パワーモジュールでは、各側のリードフレームのうち一方側のリードフレームを電力用素子と制御素子で共有し、そのリードフレームが制御素子にも接合される。このように、パワーモジュールでは、電力用素子の両面にリードフレームを配設しているので、電力用素子からの発熱を両面で放熱でき、放熱効率を向上できる。さらに、パワーモジュールでは、電力用素子と制御素子でリードフレームを共有しているので、モジュールを小型化できる。

本発明の上記パワーモジュールでは、電力用素子、制御素子及びリードフレームをモールド封止すると好適である。このように、パワーモジュールでは、素子間の接続部などをモールド封止するので、素子間の接続部の信頼性をより向上できる。

本発明の上記パワーモジュールでは、リードフレームの外側に放熱部材を設けると好適である。このように、パワーモジュールでは、リードフレームの外側に放熱部材（冷却部材など）を設けることにより、電力用素子などからリードフレームを介して伝わる熱を放熱部材で高効率に外部に放散できる。

本発明は、素子間の接続部を積層化することにより、モジュール全体を小型化でき、接続部の信頼性を向上できる。

本実施の形態に係るインテリジェントパワーモジュールの基本構成の断面図である。図１のインテリジェントパワーモジュールの基本構成に対する変形例の断面図である。図１のインテリジェントパワーモジュールの基本構成に対する他の変形例の断面図である。本実施の形態に係るインテリジェントパワーモジュールを製品実装したパワーコントロールユニットの断面図である。本実施の形態に係るインテリジェントパワーモジュールの製造工程フローであり、（ａ）が第１組み付け工程であり、（ｂ）が第１はんだ付け工程であり、（ｃ）が第２組み付け工程であり、（ｄ）が第２はんだ付け工程であり、（ｅ）がモールド封止工程である。従来のインテリジェントパワーモジュールの断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るパワーモジュールの実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施の形態では、本発明に係る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に適用する。本実施の形態に係るインテリジェントパワーモジュールは、少なくとも電力用素子としてのＩＧＢＴチップと制御素子としてのドライブＩＣをモジュール化したものである。

図１を参照して、本実施の形態に係るインテリジェントパワーモジュール１について説明する。図１は、本実施の形態に係るインテリジェントパワーモジュールの断面図である。

インテリジェントパワーモジュール１では、ＩＧＢＴチップ１０とドライブＩＣ１１とを信号部が向き合うように配置し、その信号部間をフリップチップ接続して積層化する。さらに、インテリジェントパワーモジュール１では、ＩＧＢＴチップ１０の表面側と裏面側にリードフレーム１２をそれぞれ配置し、ＩＧＢＴチップ１０の各面の電極にリードフレーム１２をはんだ付けでそれぞれ接合する。さらに、インテリジェントパワーモジュール１では、モジュール全体をモールド樹脂封止する。

ＩＧＢＴチップ１０は、電力用半導体素子であり、スイッチング素子である。ＩＧＢＴチップ１０の裏面１０ａ側には、リードフレーム１２のヒートシンク１２ａが配置される。裏面１０ａ（コレクタ電極１０ｃ）は、ヒートシンク１２ａにはんだ１３で接合される。ＩＧＢＴチップ１０の表面１０ｂ側には、リードフレーム１２のインナリード１２ｂとドライブＩＣ１１が配置される。表面１０ｂ側に設けられるエミッタ電極１０ｄは、インナリード１２ｂにはんだ１４で接合される。表面１０ｂ側に設けられる信号パッド１０ｅは、ドライブＩＣ１１にはんだバンプ１５でフリップチップ接続される。

ドライブＩＣ１１は、ＩＧＢＴチップ１０の駆動を制御するＩＣである。ドライブＩＣ１１は、ベアチップあるいはＷＬ−ＣＳＰ[Wafer Level Chip Size Package]である。ドライブＩＣ１１は、表面１１ｂ側がＩＧＢＴチップ１０の表面１０ｂ側を向くように配置され、表面１１ｂのＩＧＢＴチップ１０に駆動制御信号を送信する箇所がＩＧＢＴチップ１０の信号パッド１０ｅに対向する位置に配置される。したがって、ドライブＩＣ１１の裏面１１ａ側には、リードフレーム１２のインナリード１２ｂが配置される。ドライブＩＣ１１の表面１１ｂ側には、ＩＧＢＴチップ１０の表面１０ｂ側の一部とリードフレーム１２のインナリード１２ｃが配置される。ドライブＩＣ１１の駆動制御信号を送信する箇所は、ＩＧＢＴチップ１０の信号パッド１０ｅにはんだバンプ１５でフリップチップ接続される。また、ドライブＩＣ１１の表面１１ｂ側の所定の箇所が、インナリード１２ｃにはんだバンプ１６でフリップチップ接続される。

リードフレーム１２は、ＩＧＢＴチップ１０やドライブＩＣ１１を支持固定するとともに外部配線と接続する電子部品である。リードフレーム１２は、Ｃｕ系材料やＡｌ系材料などの機械的強度、熱伝導性、電気伝導性に優れる材料で形成される。リードフレーム１２は、パターニングされたモジュール下部のヒートシンク１２ａ、モジュール上部のインナリード１２ｂ、モジュール側部のインナリード１２ｃを少なくとも含んでいる。

ヒートシンク１２ａは、ＩＧＢＴチップ１０を十分に載置できる大きさの平面形状を有している。このヒートシンク１２ａの平断面の面積は、電力用素子及び制御素子を載置する必要があった従来のヒートシンクよりもかなり小さな面積である。ヒートシンク１２ａは、ＩＧＢＴチップ１０のコレクタ電極１０ｃを外部配線に接続する機能を有している。また、ヒートシンク１２ａは、ＩＧＢＴチップ１０を支持固定するとともに、ＩＧＢＴチップ１０からの熱を冷却部材まで伝導するための機能（冷却部材がない場合には放熱するための機能）を有している。

インナリード１２ｂは、断面視して凸形状である。この凸形状における突出している部分１２ｄは、ＩＧＢＴチップ１０のエミッタ電極１０ｄと同程度の大きさと形状の平面形状を有し、かつ、エミッタ電極１０ｄに近接する位置までの高さを有している。その突出している部分１２ｄから窪んでいる部分１２ｅは、ドライブＩＣ１１を十分に載置できる大きさの平面形状を有している。インナリード１２ｂは、ＩＧＢＴチップ１０のエミッタ電極１０ｄを外部配線に接続する機能を有している。また、インナリード１２ｂは、ＩＧＢＴチップ１０からの熱を冷却部材まで伝導をするための機能を有している。なお、このインテリジェントパワーモジュール１の基本構成では、このインナリード１２ｂにおける窪んでいる部分１２ｅが無くてもよく、少なくともＩＧＢＴチップ１０のエミッタ電極１０ｄと接続するための部分（突出している部分１２ｄ）があればよい。

ヒートシンク１２ａとインナリード１２ｂ間には、ＩＧＢＴチップ１０とドライブＩＣ１１とが上記したような位置関係で配置される。ＩＧＢＴチップ１０は、ヒートシンク１２ａにはんだ１３で接合されるとともにインナリード１２ｂの突出部分１２ｄにはんだ１４で接合されて支持固定される。ドライブＩＣ１１は、支持固定されたＩＧＢＴチップ１０にはんだバンプ１５で接合されるとともにインナリード１２ｃにはんだバンプ１５で接合されて固定される。このように配置及び接合された状態のＩＧＢＴチップ１０、ドライブＩＣ１１及びリードフレーム１２を含むモジュール全体は、樹脂１７（エポキシ樹脂など）によってモールド封止される。

図２を参照して、上記の基本構成の変形例としてインテリジェントパワーモジュール２について説明する。図２は、図１のインテリジェントパワーモジュールの基本構成に対する変形例の断面図である。

インテリジェントパワーモジュール２は、インテリジェントパワーモジュール１の基本構成と異なる点としては、ドライブＩＣ１１の裏面１１ａがインナリード１２ｂの窪んでいる部分１２ｅにはんだ１８で接合される。このように、ドライブＩＣ１１の裏面１１ａもインナリード１２ｂに接合するのは、ドライブＩＣ１１からの熱の放熱性を向上させるためである。したがって、インナリード１２ｂは、ＩＧＢＴチップ１０からの熱を冷却部材まで伝導するための機能を有する上に、ドライブＩＣ１１からの熱を冷却部材まで伝導するための機能を有している。ドライブＩＣ１１の裏面１１ａは、はんだ付けを可能な金属膜が形成されている。なお、この構成の場合、このインナリード１２ｂにおける窪んでいる部分１２ｅは必須である。

図３を参照して、上記の基本構成の他の変形例としてインテリジェントパワーモジュール３について説明する。図３は、図１のインテリジェントパワーモジュールの基本構成に対する他の変形例の断面図である。

インテリジェントパワーモジュール３は、インテリジェントパワーモジュール２の構成と異なる点としては、インナリード１２ｂの上面側も樹脂１７でモールド封止する。このようにインナリード１２ｂの上面側も樹脂１７に覆われているので、インナリード１２ｂ側には冷却部材は設けられない。さらに、インテリジェントパワーモジュール３には、ヒートシンク１２ａの下面が絶縁シート１９で覆われ、その絶縁シート１９を介してＣｕ材２０が設けられてもよい。ちなみに、インテリジェントパワーモジュールの配設スペースの制約などで、一方側だけにしか冷却部材が設けられない場合がある。

図４を参照して、上記の構成を有するインテリジェントパワーモジュールの製品実装例として、パワーコントロールユニット４について説明する。ここでは、図２のインテリジェントパワーモジュール２を用いている。図４は、本実施の形態に係るインテリジェントパワーモジュールを製品実装したパワーコントロールユニットの断面図である。

パワーコントロールユニット４は、インテリジェントパワーモジュール２のヒートシンク１２ａの下面側が絶縁シート２１ａで覆われて、その絶縁シート２１ａを介して冷却機２２ａが設けられるとともに、インナリード１２ｂの上面側が絶縁シート２１ｂで覆われて、その絶縁シート２１ｂを介して冷却機２２ｂが設けられる。このように、パワーコントロールユニット４では、上下両面に冷却機２２ａ，２２ｂを設けて、放熱性を向上させている。

最後に、図５を参照して、上記の構成を有するインテリジェントパワーモジュールの製造工程について説明する。ここでは、図２のインテリジェントパワーモジュール２の製造工程を説明する。図５は、本実施の形態に係るインテリジェントパワーモジュールの製造工程フローである。

まず、図５（ａ）に示す第１組み付け工程において、ドライブＩＣ１１の表面１１ｂにおいて、ＩＧＢＴチップ１０に駆動制御信号を送信する箇所にはんだバンプ１５が形成され、インナリード１２ｃとの接続箇所にはんだバンプ１６が形成される。ヒートシンク１２ａの上側に、はんだ１３、ＩＧＢＴチップ１０の順で配置される。ＩＧＢＴチップ１０の上側に、表面１１ｂ側をＩＧＢＴチップ１０の表面１０ｂに向けかつＩＧＢＴチップ１０に駆動制御信号を送信する箇所（はんだバンプ１５が形成された箇所）をＩＧＢＴチップ１０の信号パッド１０ｅに対向させてドライブＩＣ１１が配置される。ドライブＩＣ１１の下側に、はんだバンプ１６が形成された箇所に対向してインナリード１２ｃが配置される。

次に、図５（ｂ）に示す第１はんだ付け工程において、ＩＧＢＴチップ１０のコレクタ電極１０ｃとヒートシンク１２ａとがはんだ１３で接合される。また、ＩＧＢＴチップ１０の信号パッド１０ｅとドライブＩＣ１１とがはんだバンプ１５でフリップチップ接続される。また、ドライブＩＣ１１とインナリード１２ｃとがはんだバンプ１６でフリップチップ接続される。

次に、図５（ｃ）に示す第２組み付け工程において、ＩＧＢＴチップ１０の上側（表面１０ｂ側）に、エミッタ電極１０ｄを覆うようにはんだ１４が配置され、その上に、突出している部分１２ｄをエミッタ電極１０ｄに対向させてインナリード１２ｂが配置される。また、ドライブＩＣ１１の上側（裏面１１ａ側）に、はんだ１８が配置される。

次に、図５（ｄ）に示す第２はんだ付け工程において、ＩＧＢＴチップ１０のエミッタ電極１０ｄとインナリード１２ｂの突出している部分１２ｄとがはんだ１４で接合される。また、ドライブＩＣ１１の裏面１１ａとインナリード１２ｂの窪んでいる部分１２ｅとがはんだ１８で接合される。

最後に、図５（ｅ）に示すモールド封止工程において、ＩＧＢＴチップ１０、ドライブＩＣ１１、リードフレーム１２（ヒートシンク１２ａ、インナリード１２ｂ、インナリード１２ｃなど）が組み付けられ、全ての接続箇所がはんだ付けされた状態で、モジュール全体が樹脂１７によってモールド封止される。

インテリジェントパワーモジュール１によれば、ＩＧＢＴチップ１０とドライブＩＣ１１の信号部が対向するように配置し、その信号部間をフリップチップ接続して積層化することにより、モジュール全体の平断面の面積が小さくなり、モジュール全体を小型化することができる。さらに、全ての接続部をはんだ付けで行っているので、従来のワイヤによる接続スペースが不要となり、モジュール全体をより小型化できる。

また、インテリジェントパワーモジュール１によれば、はんだ付けで接続を行っているので、接続部の信頼性が向上する。さらに、モジュール全体を樹脂でモールド封止しているので、はんだ部分を樹脂で固め、この樹脂によってはんだのひずみなどを抑えることができ、接続部の信頼性がより向上する。

また、インテリジェントパワーモジュール１によれば、はんだ付けで接続を行っているので、ワイヤボンディング工程が不要となり、工程数を削減でき（工程を簡略化）、加工時間を短縮できる。また、ドライブＩＣをＡｇペーストなどで固定する必要がないので、工程数をより削減できる。

また、インテリジェントパワーモジュール１によれば、ＩＧＢＴチップ１０の両側にリードフレーム１２（ヒートシンク１２ａ、インナリード１２ｂ）を設けているので、ＩＧＢＴチップ１０からの熱を両側からリードフレーム１２を介して放熱でき、放熱効率を向上できる。

また、インテリジェントパワーモジュール２の場合、ドライブＩＣ１１の裏面１１ａ側もインナリード１２ｂとはんだ付けで接合しているので、ドライブＩＣ１１からの熱も効率良く放熱できる。さらに、ＩＧＢＴチップ１０とドライブＩＣ１１でインナリード１２ｂを共有しているので、モジュール全体を小型化できる。

また、パワーコントロールユニット４のように、リードフレーム１２の外側に冷却機２２ａ，２２ｂを設けることにより、ＩＧＢＴチップ１０やドライブＩＣ１１からの熱をより効率的に放熱できる。

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。

例えば、本実施の形態ではＩＧＢＴチップとそれを駆動制御するドライブＩＣを少なくとも含むインテリジェントパワーモジュールに適用したが、他の構成のパワーモジュールにも適用可能である。電力用素子としてＩＧＢＴチップを適用したが、パワーＭＯＳＦＥＴなどの他の電力用素子でもよい。また、制御素子としてドライブＩＣを適用したが、他の制御素子でもよい。

また、本実施の形態ではＩＧＢＴチップとドライブＩＣの信号部間の接続をフリップチップ接続したが、他の接続方法としてもよい。

また、本実施の形態ではＩＧＢＴチップの両面にリードフレームを設ける構成としたが、リードフレーム以外の部材を用いてもよい。

また、本実施の形態ではモジュール全体を樹脂でモールド封止する構成としたが、モールド封止がない構成としてもよい。

１，２，３…インテリジェントパワーモジュール、４…パワーコントロールユニット、１０…ＩＧＢＴチップ、１１…ドライブＩＣ、１２…リードフレーム、１２ａ…ヒートシンク、１２ｂ，１２ｃ…インナリード、１３，１４，１８…はんだ、１５，１６…はんだバンプ、１７…樹脂、１９，２１ａ，２１ｂ…絶縁シート、２０…Ｃｕ材、２２ａ，２２ｂ…冷却機

Claims

電力用素子と当該電力用素子を駆動制御する制御素子をモジュール化したパワーモジュールであって、
前記電力用素子の信号部と前記制御素子の信号部とを接続して積層化したことを特徴とするパワーモジュール。
前記電力用素子の両面にリードフレームをそれぞれ設け、何れか一方のリードフレームを前記電力用素子と前記制御素子で共有することを特徴とする請求項１に記載するパワーモジュール。
前記電力用素子、前記制御素子及び前記リードフレームをモールド封止することを特徴とする請求項２に記載するパワーモジュール。
前記リードフレームの外側に放熱部材を設けることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載するパワーモジュール。