JP6540587B2 - パワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、パワーモジュールの構造に関する。

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。

特開２０１２−２３４０３公報

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。

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。

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。

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。

実施の形態１のパワーモジュールを示す平面図である。 実施の形態１のパワーモジュールにおいて図１のＡ−Ａ’線における断面図である。 実施の形態１のパワーモジュールにおいて図２の点線１０で囲われた部分を示す拡大図である。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (3)

1. 一方主面に回路パターンが接合された絶縁基板と、
   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。
2. 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と前記主面との接合部から前記主面に対向する前記絶縁基板の他面までの前記主面に対する垂直方向の前記絶縁基板厚みは、前記第３パワー半導体素子の直下の前記回路パターンと前記主面との接合部から前記他面までの前記主面に対する垂直方向の前記絶縁基板の厚みより大きいことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 前記第３パワー半導体素子の直下に位置する前記回路パターンは、銀で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール。

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