(57)【要約】【課題】生産性が高く、小型軽量化が実現可能なパワーモジュール及びパワー半導体装置を提供する。【解決手段】パワーモジュール１０１の厚みと同じ高さを有する少なくとも一対の金属ブロック１１２−１，１１２−２を備え、各金属ブロックの放熱面１１２ａは、パワーモジュールの側面に露出する。電力用半導体素子１１１は、各金属ブロックにおけるパワーモジュールの厚み方向に沿う素子保持面１１２ｂ間に挟んで保持される。【選択図】図１
2010161188.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作により発熱する電力用半導体素子を内蔵し対向する２つの側面にて規定される厚みを有するパワーモジュールであって、
上記厚みと同じ高さを有し、かつ上記２つの側面にそれぞれ露出し対向する放熱面、及び上記放熱面に垂直な素子保持面を有する金属ブロックを少なくとも一対備え、
上記一対の金属ブロックは、互いに上記素子保持面を対向させて配置され、上記電力用半導体素子は、上記素子保持面間に挟まれて保持される、ことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
上記金属ブロックにおいて上記放熱面及び上記素子保持面以外の端子形成面に固定される外部端子をさらに備えた、請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項３】
上記放熱面が露出した上記側面を覆う絶縁層をさらに備えた、請求項１又は２記載のパワーモジュール。
【請求項４】
上記放熱面が露出した上記側面を覆う絶縁層と、該絶縁層を覆う保護層とをさらに備えた、請求項１又は２記載のパワーモジュール。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のパワーモジュールを備えたことを特徴とするパワー半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体素子を有するパワーモジュール、及び該パワーモジュールを備えたパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なパワー半導体装置は、一個の冷却器に、一個もしくは複数のパワーモジュールを、熱伝導グリスを介してネジ固定する構成を有する。また、小型軽量化を追求したパワー半導体装置としては、日本国特許第４０１６９０７号等に開示されるものが一例として挙げられる。該特許では、水冷冷却器をパワーモジュールの両面に配置してスタックすることで冷却器の両面を利用し、小型軽量化を図るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４０１６９０７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に開示される半導体モジュールでは、特許文献１の図４に示されるように、一対の電極放熱板の間にＩＧＢＴ素子を挟んだ構造となっている。このような半導体モジュールは、トランスファモールド工法で製造されるが、封止に用いる樹脂は、１００気圧程度の圧力で金型内に送り込まれる。よって、例えば１０μｍ程度以上の隙間があれば樹脂の染み出しが発生する。このような染み出しが上記電極放熱板の露出部に発生し、いわゆる樹脂バリを形成した場合には、樹脂の熱伝導率が金属の数百分の一程度であることから、上記電極放熱板の放熱性は極端に低下する。
【０００５】
封止の際には、上型及び下型のそれぞれが上記一対の電極放熱板のそれぞれに接触して樹脂封止が行われるが、上記隙間の発生を防止するため、上型及び下型に対して数十から数百トンの加圧力が作用される。一方、上述のように上記半導体モジュールは、一対の電極放熱板の間にＩＧＢＴ素子を挟んだ構造となっていることから、上記加圧力は、直接に上記ＩＧＢＴ素子に作用する。その結果、ＩＧＢＴ素子が破損する可能性がある。一方、破損防止のため加圧力を低下させると、上記樹脂バリの発生の可能性が生じてしまう。
このように従来の半導体モジュールでは、生産性が悪いという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、生産性が高く、小型軽量化が実現可能なパワーモジュール及びパワー半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様におけるパワーモジュールは、動作により発熱する電力用半導体素子を内蔵し対向する２つの側面にて規定される厚みを有するパワーモジュールであって、上記厚みと同じ高さを有し、かつ上記２つの側面にそれぞれ露出し対向する放熱面、及び上記放熱面に垂直な素子保持面を有する金属ブロックを少なくとも一対備え、上記一対の金属ブロックは、互いに上記素子保持面を対向させて配置され、上記電力用半導体素子は、上記素子保持面間に挟まれて保持されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様におけるパワーモジュールによれば、パワーモジュールの厚みと同じ高さを有する少なくとも一対の金属ブロックを備え、各金属ブロックの放熱面は、パワーモジュールの側面に露出する。また、電力用半導体素子は、各金属ブロックにおけるパワーモジュールの厚み方向に沿う素子保持面間に挟んで保持される。よって、電力用半導体素子は、２つの放熱面へ放熱が可能であり、電力用半導体素子の放熱性を向上させることができる。さらに、このように放熱性が向上することで、従来のような大型部品である冷却器は不要となる。よって、パワー半導体装置の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。
【０００９】
さらに、パワーモジュールをトランスファモールド工法にて作製する場合、金型は各金属ブロックの放熱面に接触し、金型押さえ圧力は、各金属ブロックに作用し、放熱面に垂直に位置する素子保持面間に挟んで保持される電力用半導体素子に直接作用することは無い。したがって電力用半導体素子の破壊、及びいわゆる樹脂バリは、発生せず、安定してパワーモジュールの生産が可能である。よって、従来に比べて生産性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図２Ａ】図１に示すパワーモジュールの斜視図である。
【図２Ｂ】図１に示すパワーモジュールの斜視図であり、金属ブロックを透視した状態を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２におけるパワー半導体装置の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態３におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図５】図４に示すパワーモジュールの斜視図であり、金属ブロックを透視した状態を示す図である。
【図６】図４に示すパワーモジュールを備えたパワー半導体装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態４におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図８】図７に示すパワーモジュールの斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態５におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図１０】図９に示すパワーモジュールの斜視図である。
【図１１】図９に示すパワーモジュールを備えたパワー半導体装置の構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態６におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図１３】図１２の部分拡大図である。
【図１４】本発明の実施の形態６におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態７におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態８におけるパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図１７】図１６に示すパワーモジュールの斜視図である。
【図１８Ａ】図１６に示すパワーモジュールの斜視図である。
【図１８Ｂ】図１６に示すパワーモジュールの斜視図である。
【図１９】図１６に示すパワーモジュールの回路構成を示す図である。
【図２０】図１６に示すパワーモジュールを備えたパワー半導体装置の構成を示す図である。
【図２１Ａ】複数のパワーモジュールを備えたパワー半導体装置の構成を示す図である。
【図２１Ｂ】図２１Ａに示すパワーモジュールの回路構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態であるパワーモジュール、及び該パワーモジュールを備えたパワー半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
【００１２】
実施の形態１．
本実施の形態１におけるパワーモジュールの一例の断面図を図１に示し、また、その斜視図を図２Ａ及び図２Ｂに示す。本実施形態におけるパワーモジュール１０１は、基本的構成部分として、パワー素子１１１と、それぞれ同形状にてなる一対の金属ブロック１１２−１，１１２−２とを備え、対向する２つの側面に相当する第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂにて規定される厚みｔを有する。厚みｔは、一例として２ｍｍから１０ｍｍ程度が適当である。
尚、後述の実施形態にて説明するように、金属ブロック１１２−１，１１２−２対の数は、一対に限定するものではない。
【００１３】
金属ブロック１１２−１，１１２−２は、アルミニウムや銅などの、熱伝導率及び導電性の高い材料が用いられ、本実施形態では、それぞれ同形状で、図２Ａ及び図２Ｂに示すような直方体形状にてなる。このような金属ブロック１１２−１，１１２−２のそれぞれは、当該パワーモジュール１０１の上記第１主面１０１ａ及び上記第２主面１０１ｂに露出し対向する放熱面１１２ａ、１１２ａと、上記厚みｔと同じ高さを有し放熱面１１２ａに垂直な一つの素子保持面１１２ｂとを有する。尚、各金属ブロック１１２−１，１１２−２において、それぞれの放熱面１１２ａは、パワーモジュール１０１の第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂと面一となる。又、放熱面１１２ａからの放熱効果を高めるため、放熱面１１２ａの面積は、素子保持面１１２ｂの面積よりも大きいのが好ましい。つまり図２Ｂに示すように、各金属ブロック１１２−１，１１２−２は、図示の奥行き方向つまりパワーモジュール１０１の長さ方向１０１ｃに細長い直方体形状である。
【００１４】
このような２つの金属ブロック１１２−１及び金属ブロック１１２−２は、図１等に示すように、互いの素子保持面１１２ｂを対向させて配置され、２つの素子保持面１１２ｂの間に導電層１１３を介してパワー素子１１１を保持する。ここで、２つの素子保持面１１２ｂ間の隙間１１２ｃは、金属ブロック１１２−１と、金属ブロック１１２−２との電気的絶縁を確保するための距離であり、必要な耐電圧特性に合わせて設定される。
【００１５】
パワー素子１１１は、その材質として、ＳｉやＧａＡｓ、ＳｉＣなどが用いられて作製され、動作により発熱するＩＧＢＴのような電力用半導体素子であり、そのサイズは、例えば一辺が５〜２０ｍｍ程度、厚み０．１〜１ｍｍ程度である。パワー素子１１１からの放熱性を高めるためには、パワー素子１１１を長方形状とし、パワーモジュール１０１の第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂに平行な辺を、垂直な辺よりも長く構成するのが好ましい。上述したように、金属ブロック１１２−１，１１２−２を、パワーモジュール１０１の長さ方向１０１ｃに細長く形成することは、これに対応したものである。
【００１６】
このようなパワー素子１１１の、互いに対向する第１主面１１１ａ及び第２主面１１１ｂには、それぞれ電極が形成されている。これらの電極の内、一方もしくは両方は、第１主面１１１ａ及び第２主面１１１ｂの少なくとも一方の縁端部に、耐電圧性を確保するために、導電層１１３と接しない絶縁領域１１１ｃを設けている。本実施形態では、図示するように第２主面１１１ｂのみに絶縁領域１１１ｃを設けているが、第１主面１１１ａ及び第２主面１１１ｂにおける各縁端部に絶縁領域１１１ｃを設けてもよい。パワー素子１１１のその他の電極は、それぞれ導電層１１３を介して金属ブロック１１２−１及び金属ブロック１１２−２と電気的に接続される。
【００１７】
導電層１１３として、半田、導電性接着剤などが用いられる。導電層１１３の厚みは、例えば１０μｍから１ｍｍ程度である。導電層１１３の厚みは、薄いほうが放熱性が高まり好ましい。しかしながら、パワー素子１１１の素材と金属ブロック１１２−１，１１２−２の素材との線膨張係数が倍以上異なる構成の場合、パワー素子１１１に熱応力が発生する。よってこのような構成では、弾性率がパワー素子１１１及び金属ブロック１１２−１，１１２−２よりも低い導電層１１３を用いることで、上記熱応力を低減することができる。このような場合、導電層１１３の厚みは大きいほど好ましい。
【００１８】
上述のように配置、構成された、パワー素子１１１及び導電層１１３を含む金属ブロック１１２−１，１１２−２は、封止樹脂１１４にてモールドされる。該モールドにより、パワーモジュール１０１の筐体が形成される。又モールドに際し、金属ブロック１１２−１、１１２−２の放熱面１１２ａは、上述したように、パワーモジュール１０１の第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂとそれぞれ同一面を形成し、第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂにそれぞれ露出する。
【００１９】
封止樹脂１１４は、熱硬化型樹脂が一般的に用いられ、シリカフィラー入りのエポキシ樹脂が通常用いられる。封止樹脂１１４について、絶縁性が高く、耐熱性がある樹脂であれば上述の樹脂に限らないのは言うまでもない。
もちろん金属ブロック１１２−１、１１２−２は、本実施形態のような直方体に限定されるものではなく、パワーモジュール１０１の第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂに露出するおよそ平行な放熱面１１２ａを有せばよく、直方体に限定されるものではない。例えば放熱面に投影したときの形状が平行四辺形や台形形状や凹凸形状でもよく、その場合には、封止樹脂１１４との接着面積が増大するので密着性が増すなどの効果が更に得られる。
【００２０】
以上のような構成を有するパワーモジュール１０１における封止樹脂１１４による封止方法について説明する。
一般的に、熱硬化型樹脂を封止に用いる工法は、トランスファモールドという名称で広く半導体装置の封止技術として用いられている。この工法の特徴は、上金型、下金型にキャビティとよばれる凹み部があり、該凹み部に封止する部材を入れた状態で、熱硬化型樹脂を加圧注入し、樹脂硬化後に成型物を取り出すものである。このプロセスでは、溶融した樹脂の粘度は、水に近い程度に低く、例えば０．１ｍｍ以下の隙間でさえ樹脂は、通過してしまう。よって、金型同士は、高い面精度で作製する必要があり、数十から数百ｔという高い加圧力で金型を押し付けあうことで隙間をなくし、初めて加工が可能となる。
【００２１】
このようなトランスファモールド工法の場合、金型押さえ圧力が直接パワー素子にかかる従来の構造では、パワー素子の破壊が問題となる。
これに対し本実施形態における構造では、上述のように金属ブロック１１２−１、１１２−２のそれぞれの厚みは、パワーモジュール１０１の厚みｔを規定し、つまり厚みｔに同じである。よって、樹脂封止を行いパワーモジュール１０１の厚さｔを規定する上金型及び下金型に、金属ブロック１１２−１、１１２−２の放熱面１１２ａを接触させ、かつ金属ブロック１１２−１、１１２−２を上金型及び下金型にて挟むことで、上金型と下金型とが型締めされたときの厚さｔと、金属ブロック１１２−１、１１２−２の厚さｔとは同一となる。よって、金属ブロック１１２−１，１１２−２は、金型押さえ圧力を受け止めることができる。
【００２２】
さらに、金型の型締め方向に相当する、パワーモジュール１０１の厚さｔの厚み方向１０１ｄに平行な素子保持面１１２ｂ、１１２ｂの間にパワー素子１１１を保持している。よって、金型の型締めの際にもパワー素子１１１には金型押さえ圧力は、作用しない。
したがってパワー素子１１１の破壊は、発生せず、パワーモジュール１０１の安定した生産が可能であり、生産性の向上を図ることができる。
【００２３】
又、上述のように、金属ブロック１１２−１、１１２−２の放熱面１１２ａは、パワーモジュール１０１の第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂにそれぞれ露出する。また、パワー素子１１１は、導電層１１３を介して金属ブロック１１２−１及び金属ブロック１１２−２に接続されている。よって、パワー素子１１１から発生した熱は、金属ブロック１１２−１及び金属ブロック１１２−２の両方に伝導し、パワーモジュール１０１の第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂの両面から放熱を行うことができ、放熱性は向上している。又、パワー素子１１１の第１主面１１１ａ及び第２主面１１１ｂに形成されている電極とそれぞれ電気的に接続された金属ブロック１１２−１及び金属ブロック１１２−２は、パワーモジュール１０１の第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂのいずれにも存在する。よって、パワーモジュール１０１に対する配線を容易に行うことができるという効果がある。
【００２４】
実施の形態２．
図３には、上述した実施の形態１のパワーモジュール１０１を備えた、本発明の実施の形態２におけるパワー半導体装置１０２が示されている。
パワー半導体装置１０２は、実施の形態１におけるパワーモジュール１０１を厚み方向１０１ｄから冷却器１２０、１２０で挟んだ構造である。即ち、パワーモジュール１０１における第１主面１０１ａには、金属ブロック１１２−１，１１２−２に形成した電極（不図示）に電気的にそれぞれ接続される配線部材１２２が設けられる。配線部材１２２は、当該パワーモジュール１０１と外部との導通路を形成する。このような配線部材１２２、及びパワーモジュール１０１における第２主面１０１ｂには、それぞれ絶縁層１２１が形成される。さらにこれらの絶縁層１２１を介して厚み方向１０１ｄから冷却器１２０、１２０が設けられている。
【００２５】
このような構成を有するパワー半導体装置１０２によれば、金属ブロック１１２−１，１１２−２の放熱面１１２ａにそれぞれ対向して冷却器１２０を設けたことから、パワー素子１１１からの熱抵抗を低減でき、かつ装置の小型化を図ることが可能となる。
【００２６】
尚、さらに加圧手段（不図示）を用いて厚み方向１０１ｄから冷却器１２０とパワーモジュール１０１との密着性を高めるように構成してもよい。又、例えば接着性の絶縁層１２１を用いて、冷却器１２０とパワーモジュール１０１とを密着させてもよい。このように密着性の向上を図ることで、パワーモジュール１０１の放熱性をさらに向上させることができる。
【００２７】
さらにまた、半田付け可能なメタライズを付与したセラミック基板などの絶縁層１２１を用い、パワーモジュール１０１、配線部材１２２、及び冷却器１２０と、絶縁層１２１とを半田付けにて接続するようにしてもよい。このように構成することで、パワー半導体装置１０２の取り扱い性が向上し、また、パワーモジュール１０１と冷却器１２０との保持力に変動が生じず安定した放熱性を得ることができる。
【００２８】
実施の形態３．
図４及び図５には、本発明の実施の形態３におけるパワーモジュール１０３が示されている。
パワーモジュール１０３は、上述した実施の形態１のパワーモジュール１０１に外部端子に相当する主端子１２５を設けた構成である。よって、パワーモジュール１０１に関する構成部分については、ここでの説明を省略する。以下では、パワーモジュール１０１との相違部分である主端子１２５についてのみ説明を行う。
【００２９】
主端子１２５は、ＣｕやＡｌ，Ｆｅなどの導電性のある金属からなる短冊形状であり、その厚みは、例えば０．３ｍｍから１ｍｍ程度が実用的である。このような主端子１２５は、金属ブロック１１２−１，１１２−２における放熱面１１２ａ、素子保持面１１２ｂ以外の側面に対応する端子形成面１１２ｄ、１１２ｄにそれぞれ立設される。尚、本実施形態では、金属ブロック１１２−１，１１２−２において、パワーモジュール１０１の長さ方向１０１ｃに直交する側面を端子形成面１１２ｄ、１１２ｄとしている。
【００３０】
主端子１２５と端子形成面１１２ｄとの固着方法としては、レーザ溶接などの高エネルギ密度の接合手段を用いることができる。又、主端子１２５、１２５における、端子形成面１１２ｄとの固着端部近傍は封止樹脂１１４による封止工程にて封止されるが、先端部を含めてその他の部分は、パワーモジュール１０３の筐体表面から外部へ突出する。
【００３１】
このように構成されるパワーモジュール１０３では、上述したパワー半導体装置１０２とは異なり、金属ブロック１１２−１，１１２−２の放熱面１１２ａが露出したパワーモジュールの主面に、配線部材１２２を構成する必要はなくなる。よって、図６に示すように、パワーモジュール１０３を用いてパワー半導体装置１０３−１を構成する場合には、パワーモジュール１０３における第１主面１０１ａに対しても直接に絶縁層１２１を配置することが可能となる。よって、第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂと、冷却器１２０、１２０との間の熱抵抗を最小限にすることができる。したがって、実施の形態２の構成に比べて放熱性をより高めることができ、かつパワー半導体装置の小型化が可能である。
【００３２】
実施の形態４．
図７及び図８には、本発明の実施の形態４におけるパワーモジュール１０４が示されている。パワーモジュール１０４は、上述の実施の形態３におけるパワーモジュール１０３の放熱面１１２ａを含む第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂを覆って絶縁層１３０を設けた構成を有する。絶縁層１３０の表面は、当該パワーモジュール１０４における第１主面１０４ａ及び第２主面１０４ｂを形成する。
【００３３】
このような絶縁層１３０として、セラミック板や絶縁樹脂などが挙げられる。セラミック板として、例えばアルミナや窒化アルミニウム、炭化珪素等の素材が挙げられ、このようなセラミック板は、放熱性と絶縁性とを兼ね備えた材料として有効である。又、絶縁層１３０の厚みは、例えば０．３ｍｍ程度から１ｍｍ程度のものが利用可能である。
【００３４】
又、絶縁層１３０として、例えばＡｇＰｄ、ＡｇＰｔ、ＭｏＭｎなどの金属微粉末をガラスと一緒に練りこんだ印刷ペーストを所定箇所に印刷供給し、加熱炉で焼成することで、メタセラ基板と呼ばれる、はんだ付可能なセラミック板を用いることもできる。このようなセラミック板を用いることで、パワーモジュール１０４に内蔵される金属ブロック１１２−１，１１２−２と絶縁層１３０とを半田にて固定することが可能となる。
【００３５】
パワーモジュール１０４に備わるパワーモジュール１０３では、実施の形態１におけるパワーモジュール１０１が有する、パワー素子１１１の破壊が発生せず安定した生産が可能である、という上述の効果を奏することができる。さらに、絶縁層１３０を設けたパワーモジュール１０４によれば、パワーモジュール１０４の反りを低減できるという効果が得られる。
即ち、セラミックの線膨張係数は１０ｐｐｍ／℃以下であるのに対して、銅は１８ｐｐｍ／℃、アルミニウムは２３ｐｐｍ／℃であり、両者間には大きな隔たりがある。よって、バイメタル効果により、一般的には、パワー素子の発熱に応じてパワーモジュールには反りが発生する。
【００３６】
これに対し、本実施形態のパワーモジュール１０４では、厚み方向１０１ｄに直交する両側面に、およそ均等に絶縁層１３０を備えたことで、反りを低減できる。一般的には、パワーモジュールの反りが大きくなると、冷却器とパワーモジュールとの固着界面に隙間が生じ、熱抵抗が増大するという不具合が生じるため、パワーモジュールの動作温度をあまり大きくできないという課題がある。しかしながら、本実施形態のパワーモジュール１０４では、パワー素子１１１をパワーモジュール１０４のおよそ中心部に配置し、かつパワー素子１１１から見て上下の厚みをほぼ均等にできる。このため、パワー素子１１１からの放熱経路の温度分布が上下でほぼ対称にでき、結果、バランスが取れているので、パワーモジュール１０４の反りを低減できる。例えばパワー素子１１１が片方の主面に偏っていると、温度分布がつき、パワー素子１１１に近い側の主面と反対側の主面との温度が異なってくるため、反りが発生しやすくなる。このようにパワー素子１１１をパワーモジュール１０４の中心付近に配置することで、反りを低減できる。このため動作温度を高くしても反りにより隙間ができる、などの不具合が発生せず、動作温度を高くしても放熱性を維持できる。
【００３７】
又、本実施形態のパワーモジュール１０４のように、絶縁層１３０の内蔵化により、対となる金属ブロック１１２−１，１１２−２の各素子保持面１１２ｂ、１１２ｂ間の隙間１１２ｃに溝などを形成せずとも、金属ブロック１１２−１と金属ブロック１１２−２との絶縁距離を確保できるという特徴がある。したがって、パワーモジュール１０４に備わるパワーモジュール１０３における放熱面１１２ａの利用率を向上させることができる。
又、本実施形態においてもパワーモジュール１０３は、図５に示す構成と同様に、主端子１２５を金属ブロック１１２−１、１１２−２の側面１１２ｄに固着している。よって、金属ブロック１１２−１、１１２−２の放熱面１１２ａには、絶縁層１３０のみを配することができ、簡便かつ最大限に放熱性を高めることができる。
【００３８】
実施の形態５．
図９及び図１０には、本発明の実施の形態５におけるパワーモジュール１０５が示されている。
パワーモジュール１０５では、実施の形態３にて説明したように作製されたパワーモジュール１０３に対して、金属ブロック１１２−１、１１２−２の放熱面１１２ａ、１１２ａに絶縁層１３５，１３５を設け、さらに絶縁層１３５を覆って保護層１４０，１４０を設けた構造を有する。保護層１４０の表面は、当該パワーモジュール１０５における第１主面１０５ａ及び第２主面１０５ｂを形成する。尚、本実施形態におけるパワーモジュール１０５は、上述の実施形態４におけるパワーモジュール１０４に保護層１４０をさらに設けた構成に類似するが、パワーモジュール１０４に備わる絶縁層１３０に代えて絶縁層１３５を有する。
【００３９】
絶縁層１３５は、本実施形態では、エポキシ系の熱硬化樹脂に、ＢＮ，ＡｌＮ，アルミナ、シリカなどの絶縁性フィラーを含有した、熱伝導率が数〜数十Ｗ／ｍＫの絶縁材料が実用化可能である。このような絶縁材料は、ロールｔｏロールタイプの生産設備で製造できるため、生産性が高いという利点がある。即ち、原料を混ぜて、ＰＥＴフィルムのようなシート材料上に供給し、巻き取りながら、一定の間隙のローラーを通すことで、一定膜厚の絶縁層を形成し、所定の形状にカットし、接着することで絶縁層を構成可能である。
【００４０】
一方、上述のような絶縁材料は、湿気にさらされると絶縁性が低下するという問題を有する。これに対し本実施形態のパワーモジュール１０５では、上記問題を解決するために、絶縁層１３５がパワーモジュールの主面に露出しないように、絶縁層１３５を覆い保護層１４０を設けた。保護層１４０として、本実施形態では、例えば銅箔やステンレス箔、アルミ箔などが使用可能である。
【００４１】
上述のような構成を有する本実施形態のパワーモジュール１０５によれば、パワーモジュール１０５に備わるパワーモジュール１０３では、実施の形態１におけるパワーモジュール１０１が有する、パワー素子１１１の破壊が発生せず安定した生産が可能である、という上述の効果を奏することができる。さらに、保護層１４０を設けたことで、絶縁層１３５への水分の浸入を防止することができる。したがって、例えば屋外のような湿度が不安定な過酷な環境においても、本実施形態のパワーモジュール１０５は、高い絶縁性を保証することができ、高い耐久性を実現可能である。
【００４２】
又、図１１は、本実施形態のパワーモジュール１０５を用いたパワー半導体装置１０５−１を示している。上述したように絶縁層１３５は、パワーモジュール１０５に内蔵されているため、パワーモジュール１０５と冷却器１２０とを当接させることでパワー半導体装置１０５−１が構成可能である。したがって、構造が簡素化されるという効果が得られる。又、金属ブロック１１２−１，１１２−２は、外界には露出していないため、絶縁距離などの制約も非常に小さくなり、設計の自由度を向上させることができる。
【００４３】
実施の形態６
図１２から図１４には、本発明の実施の形態６におけるパワーモジュール１０６が示されている。
上述した各実施形態のパワーモジュールでは、一つのパワーモジュールにパワー素子１１１が一つ備わる場合を示しているが、本実施形態では複数のパワー素子を有する構成を示している。図１２は、本実施形態のパワーモジュール１０６の平面図を示しており、紙面に垂直な方向がパワーモジュール１０６の高さ（厚み）方向に相当する。パワーモジュール１０６においても、一対となる２つの金属ブロック１５０−１、１５０−２を有する。ここで、金属ブロック１５０−１、１５０−２は、上述の金属ブロック１１２−１，１１２−２に対応する部材であり、対向して位置する放熱面１５０ａをそれぞれ有するとともに、放熱面１５０ａに垂直で上記高さ方向に平行に位置する素子保持面１５０ｂ−１、１５０ｂ−２を有する。素子保持面１５０ｂ−１、１５０ｂ−２の間には、本実施形態では２つのパワー素子１１１−１、１１１−２が導電層１１３（図１３）を介して保持されている。又、金属ブロック１１２−１，１１２−２の端子形成面１１２ｄに対応する、金属ブロック１５０−１、１５０−２の端子形成面１５０ｄには、主端子１２５が突設されている。
【００４４】
本実施形態では、２つのパワー素子１１１−１、１１１−２は、異種のものであり、また、厚みを異にする。パワー素子１１１−１、１１１−２の厚みの相違に対応するため、図示するように、本実施形態では金属ブロック１５０−１の素子保持面１５０ｂ−１には、段差１５２を設けている。このように金属ブロック１５０−１に段差１５２を設けることで、厚みの異なるパワー素子１１１を同一モジュール内に収納可能となり、パワー半導体装置の小型化を図ることができる。
【００４５】
又、パワー素子１１１−１、１１１−２が異種のため、一方のパワー素子１１１−１には、制御端子１５１が接続され、パワー素子１１１−１の電極と制御端子１５１とは電気的に導通路が形成されている。図１３には、制御端子１５１部分の拡大断面図を示す。制御端子１５１は、パワー素子１１１−１の制御用電極と導電層１５３を介して固定される。尚、制御端子１５１は、細長い部材であり、金属ブロック１５０−１には、制御端子１５１を外部へ導くための溝１５４が形成されている。該溝１５４には、絶縁層１５５が設けられ、金属ブロック１５０−１と制御端子１５１との電気的絶縁が図られている。尚、溝１５４を最小限の大きさにとどめることで、放熱性を損なわずにパワー半導体装置を構成可能となる。このような制御端子１５１を備えることで、様々な回路構成に対応可能となる。
【００４６】
図１４には、金属ブロック１５０−１の素子保持面１５０ｂ−１を透視した状態を図示する。尚、図示の上下方向が、パワーモジュール１０６の高さ（厚み）方向１０６ｄに相当する。図示のように、パワー素子１１１−１の端部かつ辺の中央付近に制御端子１５１を設けることで、放熱経路が溝１５４を通る距離を最小限にでき、熱抵抗への影響を最小限にすることができる。即ち、溝１５４部分では、放熱の断面積が溝１５４の深さ分、少なくなるが、パワー素子１１１−１の発熱は、面状の分布発熱であるので、放熱経路としてはパワー素子１１１−１の中央部の発熱のみが、溝１５４の影響を受け、パワーモジュール１０６の主面に近づくほど影響は低くなる。よって、溝１５４は、パワー素子１１１−１の中央部に配置することで、溝１５４による熱抵抗への影響を最小限にとどめることができる。
【００４７】
又、図１４に示すように、パワーモジュール１０６においてもパワーモジュール１０５の構成と同様に、金属ブロック１５０−１、１５０−２の放熱面１５０ａ、１５０ａに絶縁層１３５，１３５を設け、さらに絶縁層１３５を覆って保護層１４０，１４０を設けた構造を有する。保護層１４０の表面は、当該パワーモジュール１０６における第１主面１０６ａ及び第２主面１０６ｂを形成する。
【００４８】
上述のような構成を有する本実施形態のパワーモジュール１０６においても、金属ブロック１１２−１，１１２−２の場合と同様に、金属ブロック１５０−１、１５０−２の素子保持面１５０ｂ−１、１５０ｂ−２の間にパワー素子１１１−１、１１１−２を保持していることから、実施の形態１におけるパワーモジュール１０１が有する、パワー素子１１１の破壊が発生せず安定した生産が可能である、という上述の効果を奏することができる。
【００４９】
実施の形態７
本実施形態では、パワーモジュールが複数のパワー素子を備える場合における金属ブロックの他の形状例を示している。即ち、図１５は、本実施形態のパワーモジュール１０７の平面図を示しており、紙面に垂直な方向がパワーモジュール１０７の高さ（厚み）方向に相当する。パワーモジュール１０７においても、一対となる２つの金属ブロック１６０−１、１６０−２を有する。ここで、金属ブロック１６０−１、１６０−２は、上述の金属ブロック１１２−１，１１２−２に対応する部材であり、対向して位置する放熱面１６０ａをそれぞれ有するとともに、放熱面１６０ａに垂直で上記高さ方向に平行に位置する素子保持面１６０ｂ、１６０ｂを有する。本実施形態において素子保持面１６０ｂ、１６０ｂは、図示するような階段状の形状にてなる。このような素子保持面１６０ｂ、１６０ｂの間には、本実施形態では２つのパワー素子１１１−１、１１１−２が導電層（不図示）を介して保持されている。
パワーモジュール１０７におけるその他の構成部分は、上述の各実施形態のいずれかにおける構成を用いることができ、ここでの説明及び図示を省略する。
【００５０】
パワーモジュール１０７においても、上述の各実施形態と同様に、実施の形態１におけるパワーモジュール１０１が有する、パワー素子１１１の破壊が発生せず安定した生産が可能である、という上述の効果を奏することができる。
又、本実施形態のように、パワー素子１１１−１，１１１−２をずらして配置することで、パワー素子間の熱干渉を抑制できる。よって熱抵抗が下がり、パワー半導体装置としての底面積を更に抑制可能である。
【００５１】
実施の形態８
図１６から図１９には、本発明の実施の形態８におけるパワーモジュール１０８が示されている。本実施形態のパワーモジュール１０８は、図９及び図１０を参照して説明した本発明の実施の形態５におけるパワーモジュール１０５に対して、さらに金属ブロック１１２−３を追加しパワー素子１１１−２を追加した構成を有する。又、図１８Ａ及び図１８Ｂに示すように、２つのパワー素子１１１−１，１１１−２をそれぞれ制御するための制御端子１５１−１，１５１−２が主端子１２５とは反対側に引き出されている。尚、図１８Ａ及び図１８Ｂでは、封止樹脂１１４の図示を省略している。図１９には、本実施形態のパワーモジュール１０８の回路構成を示す。図示のようなハーフブリッジ回路が一つのパワーモジュール１０８中に内蔵されている。
【００５２】
このように、金属ブロック１１２−１〜１１２−３の各放熱面１１２ａに垂直な各素子保持面１１２ｂにパワー素子１１１−１，１１１−２を搭載したことで、複雑な構成のパワー素子を一つのパワーモジュールの中に搭載可能である。
【００５３】
又、パワーモジュール１０８を用いてパワー半導体装置を構成した状態を図２０に示す。複数の相を別のモジュールとするよりも、一個の樹脂筐体に内包した方が、全体として小型化できる。このような構成において、パワー素子１１１−１，１１１−２間の熱干渉が問題となるのは、熱抵抗の大きなパッケージの場合であって、本実施形態のような極めて低い熱抵抗の場合には、放熱面１１２ａと平行な方向への熱の広がりはほとんどなく、熱は直線的に伝達される傾向が強い。即ち、パワー素子１１１−１，１１１−２間の距離を短くしても熱干渉による悪影響が低いといえる。このような構成においては、パワー半導体装置の小型化においては、絶縁距離やパッケージを構成する上での肉厚などが支配的になる傾向が強い。本実施形態のように熱は垂直に、電流は水平に伝達することで、極めてコンパクトなパワー半導体装置を構成することが可能である。
【００５４】
また、図２１Ａ及び図２１Ｂに示す半導体装置１１０は、上側冷却器１２０−１、下側冷却器１２０−２、３個のパワーモジュール１０９Ａ〜１０９Ｃ、出力バスバー１１０ａ、及びＰＮバスバー１１０ｂを備えている。
各パワーモジュール１０９Ａ〜１０９Ｃからは、Ｐ端子１０９ｂ、出力端子１０９ａ、Ｎ端子１０９ｃ、及び制御端子が外部に引き出されて配置されている。一対の冷却器１２０−１，１２０−２に挟まれた空間内に、３個のパワーモジュール１０９Ａ〜１０９Ｃが配列され、Ｐ端子１０９ｂ、出力端子１０９ａ、及びＮ端子１０９ｃは、電力用半導体装置１１０の側面に近接して引き出されている。そして出力バスバー１１０ａ及びＰＮバスバー１１０ｂから露出した電極と、パワーモジュール１０９Ａ〜１０９ＣのＰ端子１０９ｂ、Ｎ端子１０９ｃ及び出力端子１０９ａとを、例えば溶接やはんだ付などで接合する。ＰＮバスバー１１０ｂ及び出力バスバー１１０ａは、図示しない外部接続電極と結合されており、モータや電源と結合される。また、制御端子には、図示しない制御基板と例えばコネクタやスルーホールはんだ付などで電気的に結合される。
【００５５】
このようにして、６個のスイッチを一体化した、モータ駆動用電力用半導体装置を構成している。尚、この例ではモータ駆動用のインバータ回路を示したが、同様に４スイッチで溶接用インバータを構成するなど、様々なバリエーションに適用可能である。
このように本実施形態によればパワー半導体装置が小型軽量化できる。
【符号の説明】
【００５６】
１０１  パワーモジュール、１０２  パワー半導体装置、
１０３〜１０８  パワーモジュール、１１１  パワー素子、
１１２−１，１１２−２  金属ブロック、１１２ａ  放熱面、
１１２ｂ  素子保持面、１２０  冷却器、１２５  主端子、
１３０，１３５  絶縁層、１４０  保護層、１５１  制御端子。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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