JP4120581B2

JP4120581B2 - パワーモジュール

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Publication number: JP4120581B2
Application number: JP2003427683A
Authority: JP
Inventors: 雄二八木; 厚志塚田; 宏長瀬
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2018-08-26
Also published as: JP2004096135A

Description

本発明は、電気自動車に使用される電力用パワーモジュールに関する。

電気自動車等（ハイブリッド自動車を含む）の電動機のコイルに所定の交流電力を供給するインバータは、電力用スイッチング素子等で構成されている。電力用半導体としては、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ等の半導体チップに形成されたパワー素子が用いられている。パワー素子が形成された半導体チップは、制御回路等と共に一つのパワーモジュールに封止されている。

このようなパワーモジュールにおいては、封止されているパワー素子自体に大電流が流れるため、このパワー素子が発熱し熱破壊が起こる場合がある。このような熱破壊を防止するために、従来、封止されている半導体チップを絶縁板を介して金属基板に取り付け、その金属基板には放熱フィンを取り付け、冷却が行われていた。

図１には、従来のパワーモジュールが示されている。パワーモジュール２内には、表面にパワー素子としてＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が形成された半導体チップ４が、絶縁基板６上の金属膜８に半田９で固定されている。

金属膜８はコレクタ用電極端子（図示せず）に接続されており、半導体チップ４の半導体基板にコレクタ電圧を供給する。ＡｌやＡｕ等の金属細線でできている金属細線１０の両端は、半導体チップ４上のゲート電極１１と絶縁基板６上の金属膜１２に超音波溶接で接合されている。金属膜１２はゲート用電極端子（図示せず）に接続されているため、金属細線１０とゲート用電極端子は電気的に接続され、ゲート用電極端子から金属細線１０にゲート電圧が供給される。また、ボンディングワイヤ１３の両端は、半導体チップ４上のエミッタ電極１４と絶縁基板６上の金属膜１６に超音波溶接で接合されている。エミッタ用電極端子１８は半田２０で金属膜１６に取り付けられているので、ボンディングワイヤ１３とエミッタ用電極端子１８は電気的に接続され、エミッタ用電極端子１８からボンディングワイヤ１３にエミッタ電圧が供給される。

絶縁基板６下面は、金属膜２２を介して、金属基板２４上に半田２６で取り付けられている。プラスチック等の材質で形成された外殻ケース２８と金属基板２４とでパッケージ２９が構成され、半導体チップ４、絶縁基板６、金属膜８、１２、１６、金属細線１０、１３とエミッタ用電極端子１８の一部分は、パッケージ２９に封止されており、一つのパワーモジュールを構成している。金属基板２４には図示していない放熱フィンが設置されており、半導体チップ４で発生した熱は金属基板２４を介して半導体チップ４の下面に放熱されることにより、半導体チップ４が冷却される。

しかしながら、金属基板２４で半導体チップ４を冷却する場合、半導体チップ４と金属基板２４との間に、熱伝導率が低い絶縁基板６や半田９、２６が介在している。そのため、半導体チップ４を十分に冷却することができない。また、金属細線１０、１３は一般に熱伝導率が高い材質であるが、金属細線であるため、効果的な放熱ができない。そのため、半導体チップ４の発熱量が増大すると、チップ破壊が生じる場合がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、封止されたパワー素子を効果的に冷却することができるパワーモジュールを提供することを目的とする。

本発明は、パワーモジュールであって、上面電極と下面電極とを有するパワー素子と、前記パワー素子の下面電極の下側に絶縁体を介して接続される、内部に冷却液が流通する金属製の第１の冷却板と、前記パワー素子の上面電極の上側に絶縁体を介して接続される、内部に冷却液が流通する金属製の第２の冷却板と、前記第１の冷却板と第２の冷却板との間に配置される、外部に電気的接続を行うための少なくとも１つの電極端子と、を備え、前記上面電極及び／又は下面電極は、金属板を介して前記電極端子に電気的に接続されており、前記電極端子は、前記上面電極に電気的に接続されている第１の電極端子と、前記下面電極に電気的に接続されている第２の電極端子と、を含み、前記第１の電極端子と前記第２の電極端子が同じ高さで平行に配置されていることを特徴とする。

また、前記金属板の少なくとも一部は、前記第１の冷却板又は第２の冷却板に絶縁体を介して接続されていることが好ましい。

また、前記パワー素子の前記上面電極及び／又は前記下面電極と前記絶縁体との間には、前記金属板が介挿されていることが好ましい。

また、本発明のパワーモジュールは、上面電極と下面電極とを有するパワー素子と、前記パワー素子の下面電極が固定される絶縁基板と、前記絶縁基板の下面が固定される、内部に冷却液が流通する金属製の第１の冷却板と、外部に電気的接続を行うための第１の電極端子と、前記パワー素子の上面電極と前記第１の電極端子とを電気的に接続する第１の金属板と、前記第１の金属板の前記パワー素子の上面電極に接続された反対の面が、絶縁体を介して接続される、内部に冷却液が流通する金属製の第２の冷却板と、前記下面電極に電気的に接続され、外部に電気的接続を行うための第２の電極端子と、を備え、前記第１の電極端子と前記第２の電極端子が同じ高さで平行に配置されていることを特徴とする。

また、前記パワー素子の前記下面電極は第２の金属板を介して前記絶縁基板に固定されており、前記第２の電極端子は、前記第２の金属板と電気的に接続することが好ましい。

また、前記パワー素子のゲート電極に電気的に接続されるゲート用電極端子をさらに有することが好ましい。また、前記パワー素子は、前記上面電極としてエミッタ電極、前記下面電極としてコレクタ電極を有するＩＧＢＴであり、前記エミッタ電極に電気的に接続された第１の電極端子と前記コレクタ電極に電気的に接続された第２の電極端子が同じ高さで平行に配置されていることが好ましい。

また、前記パワー素子の周囲には冷却板とプラスチック材とで、このパワー素子を封止する封止体が構成されていることが好ましい。

パワー素子は、その動作に応じて発熱する。接続線路は、電気的接続を行う導電体であり、パワー素子の熱は接続線路を通じて伝達されやすい。そして、この接続線路が金属板となっている。金属板は、比較的大きな面積としやすく、この金属板から効果的に放熱を行える。

また、金属板とパワー素子の接続は、スポット溶接で行うことが好ましい。複数点におけるスポット溶接によって、面積の広い金属板とパワー素子の電極面との接続を確実に行うことができる。スポット溶接は超音波接合が好ましい。

なお、パワー素子は、通常絶縁基板上に固定されている。従って、この絶縁基板側からの放熱は、従来通り行える。本発明では、接続線路を介して放熱できる熱量が大きくなり、効果的な放熱が達成できる。

また、本発明では、金属板が絶縁体を介して、冷却板に接続されていてもよい。金属板は、比較的大きな面積としやすいため、この金属板から冷却板に効果的に熱を伝達できる。冷却板は内部に冷却液が流通しており、かつ熱伝導率の高い金属製であるため、より効果的な放熱が行える。

また、前記金属板と冷却板の間に介在する絶縁体は、熱伝導性のよい材質を採用することが好ましい。これによって、金属板から冷却板へ向けての熱の流れをスムーズなものにでき、放熱効果を上昇することができる。

また、電極端子を外部に引き出す部分を除くパワー素子の周囲を金属製の冷却板により覆うように構成することで、パワー素子の放熱を上昇できる。また、電極端子を外部に引き出す部分は、プラスチック材で構成し、冷却板とこのプラスチック材とで、パワー素子の周囲を封止する封止体を構成することが好ましい。

更に、冷却板を二層構造として、各層間の間隙を冷却液の通路にすることが好ましい。この構成により、冷却液の通路を容易に形成することができる。

以上のように、本発明では、パワー素子が載置された絶縁基板側からとパワー素子と電気的に接続された接続線路側の両側から、パワー素子を冷却することが可能であり、特に接続線路側から逃げる熱量が大きいので、パワー素子を効果的に冷却することが可能である。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図２（ａ）には第一の実施形態の冷却手段を備えたパワーモジュールの断面図が、図２（ｂ）には図２（ａ）のＡ−Ａ’線での平面図が示されている。パワーモジュール２内には、表面にパワー素子としてＩＧＢＴが形成された半導体チップ４が、絶縁基板６上の金属膜８に半田９で固定されている。絶縁基板６は金属膜２２を介して、金属基板２４に半田２６を介して取り付けられている。絶縁基板６によって、金属膜２２と半導体チップ４は電気的に絶縁される。

なお、ここでは、パワー素子としてＩＧＢＴを使用しているが、パワーＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｅｉｌｄ−ＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の他のパワー素子を用いてもよい。

パワー素子としてＩＧＢＴを用いた場合、半導体チップ４上のゲート電極１１、エミッタ電極１４及びコレクタ電極（即ち、半導体チップ４の半導体基板）に電圧を供給するために、チップ上のそれぞれの電極と、チップ外部へ電気的に接続される電極端子とを接続する必要がある。

半導体チップ４上のゲート電極１１への電圧供給は、ゲート用電極端子３０から行われる。ゲート電極１１は、金属細線１０を介してゲート用電極端子３０に電気的に接続される。まず、金属細線１０の両端は、一方がゲート電極１１に、もう一方が絶縁基板６上の金属膜１２にスポット溶接される。スポット溶接は超音波溶接が好ましい。さらに、金属膜１２はゲート用電極端子３０に半田で接合されるので、金属細線１０とゲート用電極端子３０は電気的に接続される。

半導体チップ４上のコレクタ電極、即ち、半導体チップ４の半導体基板への電圧供給は、コレクタ用電極端子３２から、半導体チップ４の下面に半田９で取り付けられている金属膜８を介して行われる。

半導体チップ４上のエミッタ電極１４への電圧供給は、エミッタ用電極端子１８から行われる。エミッタ電極１４には、金属板３４が接続されている。金属板３４にはさらに配線用金属端子３８が接続されている。配線用金属端子３８は金属膜１６に半田４０で接合されており、金属膜１６にはエミッタ用電極端子１８が半田２０で接合されている。このように、エミッタ電極１４は、金属板３４、配線用金属端子３８、半田４０、金属膜１６、半田２０を介してエミッタ用電極端子１８に電気的に接続されている。

エミッタ電極１４とエミッタ用電極端子１８との接続線路は、従来用いられていた金属細線ではなく、金属板３４を使用しており、金属板３４は金属細線と比較して大きな面積を有している。そのため、金属板３４とエミッタ電極１４及び配線用金属端子３８との接続はそれぞれ接合部３６及び接合部３９において、スポット溶接することが好ましい。接合部３６及び接合部３９の複数点でスポット溶接を行うことにより、面積の広い金属板３４と、エミッタ電極１４および配線用金属端子３８との接続を確実に行うことができる。スポット溶接は超音波溶接であることが好ましい。なお、金属板３４と配線用金属端子３８との接続はレーザ溶接を用いても良い。

また、本実施形態では、金属板３４と配線用金属端子３８と接続し、エミッタ電極１４とエミッタ用電極端子１８との接続線路として用いたが、金属板３４と配線用金属端子３８とを一体とした金属製の部材を用いても構わない。

また、各電極端子１８、３０、３２、配線用金属端子３８と金属板３４は、導電性の良い材料が用いられるのが好ましい。そして、金属板３４は、配線用金属端子３８およびエミッタ電極１４に超音波溶接で接合されるので、配線用金属端子３８およびエミッタ電極１４の材質により、超音波溶接が容易にできる材料を適宜選択するのが好ましい。例えば、エミッタ電極１４がＡｌで形成されている場合、金属板３４もＡｌ等のＡｌと超音波溶接が容易にできる材料のものが良い。

半導体チップ４が載置された絶縁基板６の下面は、金属膜２２を介して、金属基板２４上に半田２６で取り付けられている。チップ側面側は外殻ケース２８で囲まれており、外殻ケース２８の下部には金属基板２４が、上部には上部冷却板４４が取り付けられている。外殻ケース２８は、電極端子１８、３０、３２を外部に引き出すため、プラスチック等の絶縁部材で構成されている。これらの金属基板２４、外殻ケース２８と上部冷却板４４より、パッケージ２９が構成される。パッケージ２９内には、半導体チップ４、絶縁基板６、金属膜８、１２、１６、金属細線１０、金属板３４と、ゲート用電極端子３０、コレクタ用電極端子３２、エミッタ用電極端子１８の一部分が封止され、一つのパワーモジュール２を構成している。なお、金属基板２４及び上部冷却板４４は熱伝導率が良い金属製であることが好ましい。

半導体チップ４は絶縁基板６を介して、冷却された金属基板２４に載置されているので、絶縁基板６を介しての放熱を従来通り行うことが可能である。

また、エミッタ電極１４に接続される金属板３４は、絶縁膜４８を介して、上部冷却板４４に接続される。金属板３４は比較的面積が広いため、半導体チップ４で発生する熱を効果的に上部冷却板４４に伝達することができる。上部冷却板４４は比較的面積が広く、金属製であるため、半導体チップ４で発生する熱を効果的に放熱できる。なお、絶縁膜４８は、金属板３４と上部冷却板４４とを電気的に絶縁できればよいが、上部冷却板４４から半導体チップ４に効果的に熱を伝達する必要があるため、シリコンゴム等の熱伝導率が高く厚さを薄くできる材質の物が好ましい。

このように、第一の実施形態では、半導体チップ４は比較的面積の大きな金属板３４を介して、比較的面積の大きな上部冷却板４４と接続されている。そのため、金属板３４を介して、半導体チップ４から上部冷却板４４へ逃げる熱量が大きくなり、効果的な放熱が達成できる。そのため、半導体チップ４を絶縁基板６側と上部冷却板４４側の両側より冷却することができるので、従来より効果的に半導体チップ４を冷却することができる。

次に、第二の実施形態の冷却手段を備えたパワーモジュールについて説明する。

図３（ａ）には第二の実施形態の冷却手段を備えたパワーモジュールの断面図が、図３（ｂ）には図３（ａ）のＡ−Ａ’線での平面図が示されている。

第二の実施形態においては、パッケージ２９内に、封止された半導体チップ４を取り囲むように数個の冷却溝４６が形成されている。冷却溝４６内には冷却液が循環されており、パッケージ２９の金属基板２４と上部冷却板４４が冷却液により冷却されている。金属板３４は、絶縁膜４８を介して、上部冷却板４４に接続されている。金属板３４は比較的面積が大きく、半導体チップ４で発生した熱を上部冷却板４４に容易に伝達できる。そのため、上部冷却板４４から半導体チップ４を効果的に冷却することができる。

このように、第二の実施形態では、半導体チップ４を絶縁基板６側と上部冷却板４４側の両側より冷却することができるので、従来より効果的に半導体チップ４を冷却することができる。特に、上部冷却板４４は、半導体チップ４と比較的面積の大きな金属板３４を介して接続されているため、半導体チップ４から上部冷却板４４に逃げる熱量が大きくなり、効果的な放熱が達成できる。

図４には、二層構造のパッケージを備えたパワーモジュールの断面図が示されている。図４では、図３におけるパッケージ２９を二層構造にし、層と層の間に冷却液を循環させている。上部冷却板４４、外殻ケース２８、金属基板２４で第一の封止層が構成され、第一の封止層の外側に第二の封止層５２が形成されている。第一の封止層は三方が第二の封止層５２に囲まれており、第一の封止層と第二の封止層５２との間の冷却溝４６に冷却液が流されている。

第一の封止層と第二の封止層５２との間に冷却液を流すための、冷却液の流入口を確保するため金属板５４及び５６が取り付けネジ５８、６０、６２、６４で第一の封止層及び第二の封止層５２に固定されている。なお、本実施形態では、冷却液の流入口の確保は、金属板５４及び５６を取り付けネジ５８、６０、６２、６４で取り付ける方法で行った。しかしながら、流入口の確保はこの方法に限定したものではなく、例えば、金属板５４と５６を第二の封止層５２と一体型するなど、流入口を確保できればよい。また、金属板５４と５６は金属製である必要はなく、絶縁物でもよく、材料は適宜選択することができる。

このように、第一の封止層と第二の封止層５２との間に冷却液が循環され、第一の封止層が冷却される。第一の封止層が冷却されると、上部冷却板４４および金属基板２４により、半導体チップ４が冷却される。

二層構造のパッケージによる冷却方法は、図５に示されるように、第一の封止層の四方を囲むように冷却液を流してもよい。この場合、冷却液の流入口を確保するために金属板６６が取り付けネジ６８、７０により、第二の封止層５２に取り付けられている。また、エミッタ用電極端子１８と金属板６６とを電気的に絶縁するために、絶縁チューブ７２が設置される。なお、金属板６６は冷却水の冷却口を確保できればよいので、第二の封止層５２と一体型でもよいし、また、金属製でなくてもよい。

このように、以上の実施形態では、半導体チップ４をチップ下面の金属板２４および上部冷却板４４の両側から冷却するので、効果的に半導体チップ４を冷却することができる。

なお、以上の実施形態では、絶縁基板６上には一個の半導体チップのみを載置したが、二個以上の半導体チップを絶縁基板６上に載置してもよい。

従来の冷却手段を備えたパワーモジュールの概略図である。第一の実施形態のパワーモジュールの概略図である。第二の実施形態のパワーモジュールの概略図である。二層構造のパッケージを備えたパワーモジュールの概略図である。第４図に示したパッケージの他の実施例を示す概略図である。

符号の説明

２パワーモジュール、４半導体チップ、６絶縁基板、８，１２，１６，２２金属膜、９，２０，２６，４０半田、１０，１３金属細線、１１ゲート電極、１４エミッタ電極、１８エミッタ用電極端子、２４金属基板、２８外殻ケース、２９パッケージ、３０ゲート用電極端子、３２コレクタ用電極端子、３４金属板、３６，３９接合部、３８配線用金属端子、４４上部冷却板、４６冷却溝、４８絶縁膜、５２第二の封止層、５４，５６，６６金属板、５８，６０，６２，６４，６８，７０取り付けネジ、７２絶縁チューブ。

Claims

上面電極と下面電極とを有するパワー素子と、
前記パワー素子の下面電極の下側に絶縁体を介して接続される、内部に冷却液が流通する金属製の第１の冷却板と、
前記パワー素子の上面電極の上側に絶縁体を介して接続される、内部に冷却液が流通する金属製の第２の冷却板と、
前記第１の冷却板と第２の冷却板との間に配置される、外部に電気的接続を行うための少なくとも１つの電極端子と、
を備え、
前記上面電極及び／又は下面電極は、金属板を介して前記電極端子に電気的に接続されており、
前記電極端子は、前記上面電極に電気的に接続されている第１の電極端子と、前記下面電極に電気的に接続されている第２の電極端子と、を含み、
前記第１の電極端子と前記第２の電極端子が同じ高さで平行に配置されていることを特徴とするパワーモジュール。
請求項１に記載のパワーモジュールであって、
前記金属板の少なくとも一部は、前記第１の冷却板又は第２の冷却板に絶縁体を介して接続されていることを特徴とするパワーモジュール。
請求項１または２に記載のパワーモジュールであって、
前記パワー素子の前記上面電極及び／又は前記下面電極と前記絶縁体との間には、前記金属板が介挿されていることを特徴とするパワーモジュール。
上面電極と下面電極とを有するパワー素子と、
前記パワー素子の下面電極が固定される絶縁基板と、
前記絶縁基板の下面が固定される、内部に冷却液が流通する金属製の第１の冷却板と、
外部に電気的接続を行うための第１の電極端子と、
前記パワー素子の上面電極と前記第１の電極端子とを電気的に接続する第１の金属板と、
前記第１の金属板の前記パワー素子の上面電極に接続された反対の面が、絶縁体を介して接続される、内部に冷却液が流通する金属製の第２の冷却板と、
前記下面電極に電気的に接続され、外部に電気的接続を行うための第２の電極端子と、
を備え、
前記第１の電極端子と前記第２の電極端子が同じ高さで平行に配置されていることを特徴とするパワーモジュール。
請求項４に記載のパワーモジュールであって、
前記パワー素子の前記下面電極は第２の金属板を介して前記絶縁基板に固定されており、
前記第２の電極端子は、前記第２の金属板と電気的に接続することを特徴とするパワーモジュール。
請求項１から５のいずれか１項に記載のパワーモジュールであって、
前記パワー素子のゲート電極に電気的に接続されるゲート用電極端子をさらに有することを特徴とするパワーモジュール。
請求項１から６のいずれか１項に記載のパワーモジュールであって、
前記パワー素子の周囲には冷却板とプラスチック材とで、このパワー素子を封止する封止体が構成されていることを特徴とするパワーモジュール。
請求項１から７のいずれか１項に記載のパワーモジュールであって、
前記パワー素子は、前記上面電極としてエミッタ電極、前記下面電極としてコレクタ電極を有するＩＧＢＴであり、
前記エミッタ電極に電気的に接続された第１の電極端子と前記コレクタ電極に電気的に接続された第２の電極端子が同じ高さで平行に配置されていることを特徴とするパワーモジュール。