JP2016174034A - 半導体パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性能が高く、熱処理に係る作業を簡略化することのできる半導体パワーモジュールの提供。
【解決手段】一方の面１０ａに第１導電層１１が設けられ、他方の面１０ｂに第２導電層１２が設けられた絶縁基板１０と、一方の面１０ａ側に配置された半導体素子２０と、他方の面１０ｂ側に配置されたヒートシンク３０と、を有する半導体パワーモジュール１であって、ヒートシンク３０は、金属板を折り曲げて形成されたフォールディングフィン３１を有し、半導体素子２０と第１導電層１１、及び、ヒートシンク３０と第２導電層１２は、それぞれ同一の融点を有する半田４０を介して接合されている、という構成を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体パワーモジュールに関するものである。

半導体パワーモジュールは、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体素子を有する電力変換装置に適用される。半導体パワーモジュールにおいては、半導体素子から発せられる熱を効率よく放熱して、半導体素子の温度を所定温度以下に保つ必要がある。従来、半導体素子の放熱構造を有する半導体パワーモジュールとして、例えば、下記特許文献１に記載の電力変換装置が知られている。

特許文献１に記載の電力変換装置は、絶縁基板の一方の面側に半導体素子を有し、絶縁基板の他方の面側に放熱基板を有する。放熱基板には、放熱フィンが複数形成され、放熱フィンは、冷却液の流れに対して平行となる向きで冷却流路に配置されている。半導体素子から発せられる熱は、絶縁基板を介して放熱基板に伝熱され、放熱フィンを介して冷却液に放熱される。

特許第３９８２１８０号公報

ところで、従来、半導体パワーモジュールにおいては、絶縁基板と放熱基板との密着性を高めるべく、絶縁基板と放熱基板との間にシリコングリースやシリコンシート等のサーマルインターフェースを挟むことがなされている。しかしながら、このサーマルインターフェースは、熱伝導率が例えば１〜数Ｗ／ｍ・Ｋ程度のものであり、金属材と比較すると熱伝導率が２桁小さく、熱障壁となっている。

ここで、絶縁基板と放熱基板とを直接、ロウ材等の金属材で接合することが考えられるが、絶縁基板に予め半導体素子が半田等で接合されている場合、ロウ材で接合する際の熱で半田が溶融してしまう虞がある。このため、半田と異なる融点のロウ材を用いる必要があり、また、絶縁基板に対する異なる温度の熱処理を、半導体素子と放熱基板のそれぞれで計２回行う必要があり、作業が煩雑であった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、放熱性能が高く、熱処理に係る作業を簡略化することのできる半導体パワーモジュールの提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、一方の面に第１導電層が設けられ、他方の面に第２導電層が設けられた絶縁基板と、前記一方の面側に配置された半導体素子と、前記他方の面側に配置されたヒートシンクと、を有する半導体パワーモジュールであって、前記ヒートシンクは、金属板を折り曲げて形成されたフォールディングフィンを有し、前記半導体素子と前記第１導電層、及び、前記ヒートシンクと前記第２導電層は、それぞれ同一の融点を有する接合金属を介して接合されている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、ヒートシンクがフォールディングフィンを有し、ヒートシンクが半導体素子と同じ接合金属によって、絶縁基板の第２導電層に接合される。フォールディングフィンは、アスペクト比が大きいため、同じ体積の通常のフィンと比較して、放熱性能が高く、軽量となり、熱容量も小さくなる。このため、ヒートシンクと半導体素子との熱容量の差が小さくなり、絶縁基板に対する半導体素子とヒートシンクの接合が、接合金属を統一した一括リフローによって達成可能となる。

また、本発明においては、前記ヒートシンクは、前記接合金属よりも融点の高い第２の接合金属を介して前記フォールディングフィンと接合されているベースプレートを有し、前記ベースプレートと前記第２導電層は、前記接合金属を介して接合されている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、フォールディングフィンがベースプレートを介して第２導電層に接合される。ベースプレートは、金属板を折り曲げて形成されたフォールディングフィンよりも平面度を出し易い。このため、ヒートシンクと第２導電層の接合精度を高め、また、接合金属に発生するボイド（空隙）を抑制できる。

また、本発明においては、前記フォールディングフィンと前記第２導電層は、前記接合金属を介して接合されている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、フォールディングフィンが接合金属を介して第２導電層に直接接合される。このため、ヒートシンクの熱容量がより小さくなり、ヒートシンクと半導体素子との熱容量の差がさらに小さくなる。このため、接合金属を統一した一括リフローがより好適に行える。

また、本発明においては、前記フォールディングフィンは、第１の厚みを有する複数のフィン部と、前記第１の厚みよりも小さい第２の厚みで、隣り合う前記フィン部の間を接続する接続部と、を有する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、フォールディングフィンのフィン部よりも接続部の方が、相対的に熱容量が小さくなる。よって、フォールディングフィンの接続部においては、半導体素子との熱容量の差がより小さくなり、接合金属を統一した一括リフローがより好適に行える。

本発明によれば、放熱性能が高く、熱処理に係る作業を簡略化することのできる半導体パワーモジュールが得られる。

本発明の第１実施形態における半導体パワーモジュールの断面構成図である。 本発明の第１実施形態におけるヒートシンクの断面構成図である。 本発明の第１実施形態における半導体パワーモジュールの熱処理に係る作業フローを示す図である。 比較例として従来の半導体パワーモジュールの熱処理に係るフローを示す図である。 本発明の第２実施形態における半導体パワーモジュールの断面構成図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における半導体パワーモジュール１の断面構成図である。図２は、本発明の第１実施形態におけるヒートシンク３０の断面構成図である。
図１に示すように、半導体パワーモジュール１は、絶縁基板１０と、半導体チップ２０（半導体素子）と、ヒートシンク３０と、を有する。

絶縁基板１０は、平板状に形成された絶縁材である。絶縁基板１０としては、例えば、熱伝導性の高い絶縁メタライズ基板を好適に採用し得る。具体的に、絶縁基板１０は、窒化珪素、窒化アルミ等から形成されている。絶縁基板１０の一方の面１０ａには、第１導電層１１が設けられている。また、絶縁基板１０の他方の面１０ｂには、第２導電層１２が設けられている。

第１導電層１１は、絶縁基板１０の一方の面１０ａにメッキまたは蒸着等で設けられている。第１導電層１１は、導電性を有する銅やアルミニウム等の回路パターンである。一方、第２導電層１２は、絶縁基板１０の他方の面１０ｂにメッキまたは蒸着等で設けられている。第２導電層１２は、導電性を有する銅やアルミニウム等のベースパターンである。絶縁基板１０は、第１導電層１１と第２導電層１２との間に挟まれる構成となっている。

半導体チップ２０は、例えば、ＩＧＢＴ等の半導体素子である。半導体チップ２０は、絶縁基板１０の一方の面１０ａ側に配置される。半導体チップ２０は、一方の面１０ａ側において、第１導電層１１と半田４０（接合金属）を介して接合されている。図１には、２つの半導体チップ２０が図示されているが、半導体チップ２０は、１つでもよく、また、３つ以上設けられる構成であってもよい。

半導体パワーモジュール１の回路構成は、例えば、特開２０１３−２２３３８４号公報や特開２０１４−３８９８２号公報等に記載されて公知であるため、その詳細な説明を割愛するが、第１導電層１１には、不図示の正極パターンと、負極パターンと、出力パターンとが形成され、例えば、電源の正極端子と負極端子が、正極パターンと負極パターンに接続され、正極パターンと負極パターンを介して入力された電力を半導体チップ２０が交流（または直流）に変換し、変換した電力を出力パターンを介して外部に出力する構成となっている。

ヒートシンク３０は、フォールディングフィン３１と、ベースプレート３２と、を有する。フォールディングフィン３１は、金属板を折り曲げて形成されている。金属板としては、銅やアルミニウム等の熱伝導性の高い金属板を好適に採用し得る。銅の熱伝導率は、例えば、３９８Ｗ／ｍ・Ｋである。また、アルミニウムの熱伝導率は、例えば、２３６Ｗ／ｍ・Ｋである。フォールディングフィン３１は、一枚の金属板を複数回折り曲げて形成されており、アスペクト比が高い。

フォールディングフィン３１は、図２に示すように、複数のフィン部３３と、複数の接続部３４と、を有する。フィン部３３は、金属板が折り重なって形成されている。フィン部３３は、第１の厚みｔ１を有する。なお、フィン部３３の先端３３ａは、金属板の折り返し部であり、金属板の折り重ね部の第１厚みｔ１よりも大きい。フィン部３３は、間隔をあけて複数設けられている。

接続部３４は、隣り合うフィン部３３の間を接続する。接続部３４は、フィン部３３の先端３３ａと反対の基端３３ｂ側に配置されている。接続部３４は、平面部３４ａを有する。平面部３４ａは、フィン部３３の基端３３ｂから先端３３ａに向かう突出方向と直交する方向に延在する。接続部３４は、第１の厚みｔ１よりも小さい第２の厚みｔ２を有する。接続部３４においては、金属板が折り重なっておらず、第２の厚みｔ２は、第１の厚みｔ１の２分の１になる。

ベースプレート３２は、平板状の金属板である。金属板としては、フォールディングフィン３１と同様に、銅やアルミニウム等の熱伝導性の高い金属板を好適に採用し得る。図１に示すように、ベースプレート３２の一方の面３２ａは、半田４０を介して第２導電層１２と接合されている。また、ベースプレート３２の他方の面３２ｂは、ロウ材４１（第２の接合金属）を介してフォールディングフィン３１と接合されている。ロウ材４１は、半田４０よりも融点が高いものであればよい。

続いて、上記構成の半導体パワーモジュール１を製造する熱処理に係る作業について説明する。
図３は、本発明の第１実施形態における半導体パワーモジュール１の熱処理に係る作業フローを示す図である。図４は、比較例として従来の半導体パワーモジュールの熱処理に係るフローを示す図である。

図３に示す作業フローでは、先ず、絶縁基板１０とヒートシンク３０に半田印刷を行う。なお、ヒートシンク３０は、予めフォールディングフィン３１とベースプレート３２とをロウ材４１で接合しておく。半田印刷により、同一の融点を有する半田４０が、絶縁基板１０の第１導電層１１と、ベースプレート３２の一方の面３２ａにそれぞれ配置される。なお、半田４０は、ペースト印刷だけでなく、半田シートを使用してもよい。

次に、絶縁基板１０に印刷した半田４０の上に半導体チップ２０を搭載する。その次に、リフロー冶具を搭載し、半導体チップ２０を搭載した絶縁基板１０を、ヒートシンク３０に印刷した半田４０の上に載置する。その後、絶縁基板１０、半導体チップ２０、ヒートシンク３０を組み合わせたものを、真空リフロー炉に入れ、一括リフローを行う。その後、ワイヤボンダ等の後工程を経て半導体パワーモジュール１が製造される。

例えば、第１導電層１１の厚みを０．４ｍｍとし、第２導電層１２の厚みを０．３ｍｍとし、ベースプレート３２の厚みを２ｍｍとし、第１導電層１１、第２導電層１２、及びベースプレート３２の面積が略同一且つ形成材料が銅であると仮定した場合、絶縁基板１０とベースプレート３２の銅の体積比は、（０．４＋０．３）：２、すなわち略１：３となる。そうすると、リフローに影響する絶縁基板１０とベースプレート３２の熱容量比も、略１：３となる。よって、例えば、絶縁基板１０を含む上の部分の熱時定数が１０秒程度であれば、半導体パワーモジュール１全体の時定数は４０秒程度となり、十分に一括リフローすることができる。

一方、図４に示す比較例の作業フローでは、先ず、絶縁基板に半田Ａの半田印刷を行う。次に、絶縁基板に印刷した半田Ａの上に半導体チップを搭載する。その次に、リフロー冶具を搭載し、１回目のリフローを行う。また、ヒートシンク側では、ヒートシンクに半田Ｂの半田印刷を行う。半田Ｂは、半田Ａよりも融点が低いものを選択する。次に、ヒートシンクに印刷した半田Ｂの上に半導体チップを載せた絶縁基板を搭載する。その次に、リフロー冶具を搭載し、２回目のリフローを行う。その後、ワイヤボンダ等の後工程を経て半導体パワーモジュールが製造される。

上記比較例の半導体パワーモジュールにおいて、通常よく採用される構成を想定して、ヒートシンクの厚みは１０ｍｍ程度、面積も絶縁基板の２倍程度取られていると仮定すると、絶縁基板とヒートシンクの銅の体積比は、略１：３０となる。そうすると、リフローに影響する絶縁基板とヒートシンクの熱容量比も、略１：３０となる。熱容量の差が大きいと、絶縁基板の温度が速やかに昇温するのに対して、ヒートシンクの温度がなかなか上がらず、ヒートシンク側の半田付けが困難になる。このため、半導体チップを実装するための半田Ａと、絶縁基板１０の下の半田Ｂは、融点の異なる材料を使用する必要がある。

このように、比較例では、融点の異なる半田Ａ、Ｂを使用するため、熱処理（リフロー）が２回必要で、作業が煩雑である。一方、図３に示す本実施形態では、同一の融点を有する半田４０を使用するため、一括リフローが可能であり、熱処理が１回で済み、作業を簡略化することができる。すなわち、本実施形態のヒートシンク３０は、金属板を折り曲げて形成されたフォールディングフィン３１を有し、フォールディングフィン３１は、アスペクト比が大きいため、同じ体積の通常のフィンと比較して、放熱性能が高く、軽量となり、熱容量も小さくなる。このため、ヒートシンク３０と半導体素子２０との熱容量の差が小さくなり、絶縁基板１０に対する半導体素子２０とヒートシンク３０との接合が、半田４０を統一した一括リフローによって達成可能となる。

また、本実施形態では、ヒートシンク３０は、半田４０よりも融点の高いロウ材４１を介してフォールディングフィン３１と接合されているベースプレート３２を有し、ベースプレート３２と第２導電層１２は、半田４０を介して接合されている。この構成によれば、フォールディングフィン３１がベースプレート３２を介して第２導電層１２に接合される。ベースプレート３２は、金属板を折り曲げて形成されたフォールディングフィン３１よりも平面度を出し易い。このため、ヒートシンク３０と第２導電層１２の接合精度を高めることができる。また、半田４０に発生するボイド（空隙）も抑制できる。したがって、第２導電層１２からヒートシンク３０への熱伝導を効率よく行える。

このように、上述の本実施形態によれば、一方の面１０ａに第１導電層１１が設けられ、他方の面１０ｂに第２導電層１２が設けられた絶縁基板１０と、一方の面１０ａ側に配置された半導体素子２０と、他方の面１０ｂ側に配置されたヒートシンク３０と、を有する半導体パワーモジュール１であって、ヒートシンク３０は、金属板を折り曲げて形成されたフォールディングフィン３１を有し、半導体素子２０と第１導電層１１、及び、ヒートシンク３０と第２導電層１２は、それぞれ同一の融点を有する半田４０を介して接合されている、という構成を採用することによって、放熱性能が高く、熱処理に係る作業を簡略化することのできる半導体パワーモジュール１が得られる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図５は、本発明の第２実施形態における半導体パワーモジュール１Ａの断面構成図である。
図５に示すように、第２実施形態のヒートシンク３０Ａが、ベースプレート３２を備えていない点で、上記実施形態と異なる。

第２実施形態では、フォールディングフィン３１と第２導電層１２が、半田４０を介して接合されている。すなわち、フォールディングフィン３１が半田４０を介して第２導電層１２に直接接合される。この構成によれば、ベースプレート３２を備えていない分、ヒートシンク３０Ａの熱容量がより小さくなる。そうすると、ヒートシンク３０Ａと半導体素子２０との熱容量の差がさらに小さくなる。このため、半田４０を統一した一括リフローがより好適に行える。

また、図２に示すように、フォールディングフィン３１は、第１の厚みｔ１を有するフィン部３３と、第１の厚みｔ１よりも小さい第２の厚みｔ２を有する接続部３４と、を有する。したがって、フォールディングフィン３１のフィン部３３よりも接続部３４の方が、相対的に熱容量が小さくなる。また、フォールディングフィン３１と第２導電層１２を接合する場合、図５に示すように、接続部３４に半田４０が印刷される。よって、フォールディングフィン３１の接続部３４においては、半導体素子２０との熱容量の差がより小さくなり、半田４０を統一した一括リフローがより好適に行える。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、半導体チップ２０にワイドバンドギャップ半導体を使用してもよい。

また、例えば、半田４０は同一の融点を有していれば、絶縁基板１０の上下で成分や組成が異なってもよい。また、接合金属は半田４０に限定されず他のロウ材であってもよい。

１、１Ａ 半導体パワーモジュール
１０ 絶縁基板
１０ａ 一方の面
１０ｂ 他方の面
１１ 第１導電層
１２ 第２導電層
２０ 半導体チップ（半導体素子）
３０、３０Ａ ヒートシンク
３１ フォールディングフィン
３２ ベースプレート
３３ フィン部
３４ 接続部
４０ 半田（接合金属）
４１ ロウ材（第２の接合金属）
ｔ１ 第１の厚み
ｔ２ 第２の厚み

Claims (4)

1. 一方の面に第１導電層が設けられ、他方の面に第２導電層が設けられた絶縁基板と、前記一方の面側に配置された半導体素子と、前記他方の面側に配置されたヒートシンクと、を有する半導体パワーモジュールであって、
   前記ヒートシンクは、金属板を折り曲げて形成されたフォールディングフィンを有し、
   前記半導体素子と前記第１導電層、及び、前記ヒートシンクと前記第２導電層は、それぞれ同一の融点を有する接合金属を介して接合されている、ことを特徴とする半導体パワーモジュール。
2. 前記ヒートシンクは、前記接合金属よりも融点の高い第２の接合金属を介して前記フォールディングフィンと接合されているベースプレートを有し、
   前記ベースプレートと前記第２導電層は、前記接合金属を介して接合されている、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
3. 前記フォールディングフィンと前記第２導電層は、前記接合金属を介して接合されている、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
4. 前記フォールディングフィンは、
   第１の厚みを有する複数のフィン部と、
   前記第１の厚みよりも小さい第２の厚みで、隣り合う前記フィン部の間を接続する接続部と、を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の半導体パワーモジュール。

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