(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的絶縁物を介して配線部材と放熱用金属材とを接合した半導体装置用の伝熱構造体において、
前記電気的絶縁物は、Ｂｉ２Ｏ３に換算したときに重量比で３０〜８０％のビスマスを含むビスマス系ガラス層からなることを特徴とする伝熱構造体。
【請求項２】
電気的絶縁物を介して配線部材と放熱用金属材とを接合した半導体装置用の伝熱構造体において、
前記電気的絶縁物は、Ｂｉ２Ｏ３に換算したときに重量比で３０〜８０％のビスマスを含むビスマス系ガラス層からなり、
前記金属材と前記ビスマス系ガラス層との間に、金属又は金属生成物あるいは該金属と該金属生成物の組合せから成る中間層が介在し、
前記ビスマス系ガラス層と前記中間層とが接合されていることを特徴とする伝熱構造体。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記ガラス層の熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃以上２３ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする伝熱構造体。
【請求項４】
電気的絶縁物を介して配線部材とヒートシンク用金属材とを接合し、前記配線部材に半導体素子を搭載した半導体装置において、
前記電気的絶縁物は、Ｂｉ２Ｏ３に換算したときに重量比で３０〜８０％のビスマスを含むビスマス系ガラス層からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
電気的絶縁物を介して配線部材とヒートシンク用金属材とを接合し、前記配線部材に半導体素子を搭載した半導体装置において、
前記電気的絶縁物は、Ｂｉ２Ｏ３に換算したときに重量比で３０〜８０％のビスマスを含むビスマス系ガラス層からなり、
前記金属材と前記ビスマス系ガラス層との間に、金属又は金属生成物あるいは該金属と該金属生成物の組合せから成る中間層が介在し、
前記ビスマス系ガラス層と前記中間層とが接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項４又は５において、前記配線部材がリードフレームであることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
半導体素子と該半導体素子を搭載した第一の金属材とを備えた主回路部と、該主回路部に制御信号を伝達するための制御回路部と、該主回路部及び該制御回路部に接続される外部入出力端子と、該半導体素子が発生した熱を周囲環境との間で熱交換するための第二の金属材とを備えており、該第一の金属材あるいは該外部入出力端子と、該第二の金属材との間に電気的絶縁物が介在する半導体装置であって、
前記電気的絶縁物は、Ｂｉ２Ｏ３に換算したときに重量比で３０〜８０％のビスマスを含むビスマス系ガラス層からなり、
前記第一の金属材あるいは前記外部入出力端子と前記ビスマス系ガラス層との間、及び、前記第二の金属材と前記ビスマス系ガラス層との間に、金属又は金属生成物あるいは該金属と該金属生成物の組合せから成る中間層が介在し、
前記ビスマス系ガラス層と前記中間層とが接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項７において、前記第一の金属材と前記第二の金属材が異種材料であることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項７において、前記電気的絶縁物が、前記第一の金属材と前記第二の金属材との距離を一定にする働きを持つスペーサを含有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項７において、任意の金属材を厚さ方向の任意の断面で切断し、表面凹凸の山から谷を引いた最大値で表面粗さを定義したときに、前記第一の金属材の該表面粗さと前記外部入出力端子の該表面粗さと前記第二の金属材の該表面粗さが、すべて前記絶縁物の厚さ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項７において、前記半導体素子のジャンクションから前記周囲環境までの熱抵抗値と、該半導体素子の発熱量と、該周囲環境の温度と、によって決定される該半導体素子のジャンクション温度が、該半導体素子の動作保証温度上限と等しくなるような前記絶縁物の厚さをｔ０としたときに、該絶縁物の厚さがｔ０以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項１１において、前記第一の金属材と前記第二の金属材の材質がともに銅又は銅合金であり、前記ｔ０＝４００μｍであることを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
請求項１１において、前記第一の金属材の材質が銅又は銅合金で、前記第二の金属材の材質がアルミニウム又はアルミニウム合金であり、前記ｔ０＝２５０μｍであることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
請求項１３において、前記第一の金属材と前記第二の金属材の材質がともにアルミニウム又はアルミニウム合金であり、前記ｔ０＝２１０μｍであることを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
車輪に直結された車軸を駆動するためのモータと、該モータの駆動力を制御するインバータと、該インバータを駆動しあるいは該モータから電力を回生するためのバッテリとを備えた車両であって、前記インバータが請求項４〜１４のいずれかに記載の半導体装置を1つ以上有することを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に係り、特に、各種パワーエレクトロニクス機器に用いられるインバータ等のパワー回路部に適した半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラスで絶縁する半導体装置用基板の従来構造の典型例として、特許第2503778号の発明では、半導体装置用基板が、銅または銅合金からなるヒートシンク板材の片面に、銅または銅合金と近似した熱膨張係数を有する酸化物系ガラス絶縁層を介して、銅または銅合金からなる回路形成用薄板材を接合してなる構造を有している。上記酸化物系ガラス絶縁層は、シリケート系ガラスまたはりん酸系ガラスからなっている。
【０００３】
一方、特開平９−９７８６５号公報には、Ｃｕ，ＡｌのヒートシンクとＳｉＮ基板とを活性金属ろう材で接着した構造が開示されている。特開平２−９４６４９号公報には、ＣｕヒートシンクとＡｌ2Ｏ3基板Ｃｕ2Ｏ層、はんだ層を介して接続した構造が開示されている。また、特開２０００−９７８６５号公報には、ベース板とガラス基板をダイペーストで接着した構成が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の酸化物系ガラス絶縁層を用いた従来構造ではヒートシンク板材の上面凹みにガラスを形成するため、厚さが1mm程度と厚くなる。ガラスの熱伝導率は0.5〜3W/m・K程度と小さく、ガラスが厚いとガラス部の熱抵抗値が大きくなる。したがって、回路形成用薄板材からヒートシンク板材までの熱抵抗値が大きくなるので、発熱量の大きな半導体素子を搭載する場合、冷却のために大きなヒートシンクが必要になり、ヒートシンクの体積増加とともにコストアップという問題が生じる。さらに、ガラスが厚いために、応力に対して脆弱という問題がある。
【０００５】
また、上記従来構造のガラスは、Na2OやP2O5といったアルカリ系材料を含むために、ガラスの抵抗値が低減し、耐圧が低くなるという問題が生じる。さらに、アルカリ系のガラスはSiO2系のガラスに比べて化学的安定性が低いためにガラスそのものの信頼性が低く、加えて、ガラスを金属に接着する作業温度である溶融点が700℃以上と高いので、アルミニウムのような比較的低融点(660℃)の材料と接合することができないという課題もある。その上、銅又は銅合金は酸化雰囲気中でガラスと接合することができないため、還元雰囲気を必要とするという課題も持つ。
【０００６】
特開平９−９７８６５号公報に記載の活性金属ろう材で接着する構造や、特開平２−９４６４９号公報に記載のはんだ層を介して接続した構造も、熱抵抗値が大きくなるので、発熱量の大きな半導体素子を搭載する場合、冷却のために大きなヒートシンクが必要になり、ヒートシンクの体積増加とともにコストアップという問題が生じる。
【０００７】
さらに、上記特開２０００−９７８６５号公報の発明では、ベース板とＳｉＯ2系ガラス基板を接着しているが、ＳｉＯ2系ガラスは、熱抵抗が高く、発熱量の大きな半導体素子を搭載する場合、冷却のために大きなヒートシンクが必要になる。
【０００８】
本発明は、上述の問題点を考慮してなされたものであり、高効率冷却のパワーモジュールを用いて、チップ面積縮小を可能とする半導体装置を実現することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記従来構造の問題点を解決するために、本発明は、電気的絶縁物を介して半導体装置と放熱用金属材とを接合した半導体装置用の伝熱構造体において、前記電気的絶縁物をＢｉ２Ｏ３に換算したときに重量比で３０〜８０％のビスマスを含むビスマス系ガラス層としたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の他の特徴は、電気的絶縁物を介して半導体装置と放熱用金属材とを接合した半導体装置用の伝熱構造体において、前記電気的絶縁物がＢｉ２Ｏ３に換算したときに重量比で３０〜８０％のビスマスを含むビスマス系ガラス層であり、前記金属材と前記ビスマス系ガラス層との間に、金属又は金属生成物あるいは該金属と該金属生成物の組合せから成る中間層が介在し、前記ビスマス系ガラス層と前記中間層とが接合されていることにある。
【００１１】
本発明の他の特徴は、半導体素子の少なくとも一部を電気的絶縁物を介してヒートシンク用金属材に接合した半導体装置において、前記電気的絶縁物がＢｉ２Ｏ３に換算したときに重量比で３０〜８０％のビスマスを含むビスマス系ガラス層であり、前記金属材と前記ビスマス系ガラス層との間に、金属又は金属生成物あるいは該金属と該金属生成物の組合せから成る中間層が介在し、前記ビスマス系ガラス層と前記中間層とが接合されていることにある。
【００１２】
本発明の他の特徴は、半導体素子と該半導体素子を搭載した第一の金属材とを備えた主回路部と、該主回路部に制御信号を伝達するための制御回路部と、該主回路部及び該制御回路部に接続される外部入出力端子と、該半導体素子が発生した熱を周囲環境との間で熱交換するための第二の金属材とを備えており、該第一の金属材あるいは該外部入出力端子と、該第二の金属材との間に電気的絶縁物が介在する半導体装置であって、前記電気的絶縁物がＢｉ２Ｏ３に換算したときに重量比で３０〜８０％のビスマスを含むビスマス系ガラス層であり、前記第一の金属材あるいは前記外部入出力端子と前記ビスマス系ガラス層との間、及び、前記第二の金属材と前記ビスマス系ガラス層との間に、金属又は金属生成物あるいは該金属と該金属生成物の組合せから成る中間層が介在し、前記ビスマス系ガラス層と前記中間層とが接合されていることにある。
【００１３】
本発明によれば、前述のビスマス系の低融点ガラスで配線部材とヒートシンクを接合する際、ガラスと金属材の間に金属又は金属生成物から成る中間層を介在させることで、絶縁耐圧を確保しつつ、熱特性及び信頼性の両方の改善を実現させることができる。すなわち、薄型化できるビスマス系ガラスを絶縁材に使用することによって、絶縁材の熱抵抗値を低減し、半導体素子から周囲環境までのトータル熱抵抗値を低減することができる。その結果、半導体素子の電流密度を上げることができるので、半導体素子面積の縮小を実現することができる。また、中間層を設けることによって還元雰囲気で接合する必然性がなくなるという利点もある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、以下図面を使用して詳細に説明する。
(実施例1)
本発明の第１の実施例になる半導体装置を図１〜５で説明する。図1は、ビスマス系のガラスを絶縁材として使用したパワーモジュールすなわち半導体装置の模式図であり、図２は図１のパワーモジュールの回路図である。図３は、配線部材及びヒートシンクにガラスを接合するプロセスを示した模式図であり、図４は、従来構造と本発明構造の熱抵抗値を比較したグラフである。図５は、配線部材及びヒートシンクの材質をパラメータとしてガラスの厚さと熱抵抗値の関係を表したグラフである。
【００１５】
本発明の第１の実施例になる3相パワーモジュール全体の構成を、図1の鳥瞰図及び図２の回路図を用いて説明する。パワーモジュール1000は、大きく分けて主回路部1001と制御回路部1002の2つからなり、パワーエレクトロニクス機器、例えば車両駆動用のモータ１とバッテリ４の間に配置されている。
【００１６】
まず、主回路部1001について説明する。U相上アームのIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)1003aとFWD(Free Wheeling Diode)1004aが、ハンダ1020a, 1020bを介してリードフレーム1006a上に搭載されている。U相下アームのIGBT 1003bとFWD 1004bがリードフレーム1006b上に搭載されており、IGBT 1003a, 1003bとFWD 1004a, 1004bでU相を構成する。以下同様に、V相とW相（1003c〜1003f, 1004c〜1004f ）がリードフレーム1006a, 1006c, 1006d上に構成される。
【００１７】
スイッチング素子として、IGBT 1003a, 1003bとFWD 1004a, 1004bの代わりにMOSFET(Metal Oxide Semiconductor/Field Effect Transistor)を用いても良い。
【００１８】
リードフレーム1006は半導体素子1003の配線部材であり、材料としては、例えば銅又は銅合金あるいはアルミニウム又はアルミニウム合金が挙げられる。IGBT 1003の大きさは11mm角程度であり、リードフレーム1006の大きさは120mm×40mm×0.7mm程度である。IGBT 1003aのコレクタ側はリードフレーム1006aと電気的に接続されており、エミッタ側はワイヤ1005を介してリードフレーム1006bに接続される。同様にFWD 1004aのアノード側はリードフレーム1006aと電気的に接続されており、カソード側はワイヤを介してリードフレーム1006bに接続される。ワイヤはU相についてのみ図示しているが、実際にはV,W相でも同様に配線される。
【００１９】
リードフレームの一部であるP端子1006f, N端子1006j, U端子1006g, V端子1006h, W端子1006Iは外部と接続され、多くの場合、L字型に曲げられる。また、ゲート電極1010は制御回路基板1013とコネクタ1019を介して接続される。リードフレーム1006は絶縁を担うガラス層1007を介してヒートシンク1008に接合される。ヒートシンク104は平板であり、ケース1009にネジ1011によって固定される。図1ではネジの数は4本であるが、実際には漏水などの観点から10本程度ネジを締めることもある。
【００２０】
ヒートシンク1008とケース1009との間には流路1012が形成され、流路1012中には冷媒である水やLLC(Long Life Coolant)溶液が流れる。ヒートシンク1008とケース1009の材料は例えばアルミニウムが挙げられるが、ヒートシンク1008がアルミニウムで、ケース1009がアルミダイカスト、というようにそれぞれ異種金属で作製した後、接合しても良い。IGBT 1003a,1003bやFWD 1004a,1004b等は、ポッティングやトランスファモールドといった手法で樹脂封止される。
【００２１】
次に、制御回路部1002の構成について説明する。制御回路基板1013には、主回路部1001を駆動するための制御回路が搭載される。この制御回路は、電流指令生成部1002a、電流制御部1002b、ＰＷＭ信号発生部1002cからなり、マイクロコンピュータ1014で構成される。この制御回路は、コネクタ1019を介して主回路部1001あるいは外部から運転指令などの制御信号やモータ電流信号ｉｕ，ｉｖを受け取り、信号処理した後、再びコネクタ1019を介して主回路部1001あるいは外部に制御信号を送る、というのが基本構成である。信号処理のために、制御IC 1015,トランス1016, 抵抗1017, コンデンサ1018などが搭載されている。制御回路部1002を主回路部1001に接続した後、全体をケース(図示せず)で覆い、被水を防いでいる。
【００２２】
本発明は、ビスマス系のガラス層1007を介して、リードフレーム1006とヒートシンク1008を接合する構成に特徴がある。この、ビスマス系ガラス層1007を介して、リードフレーム1006とヒートシンク1008を接合するプロセスについて、図３を用いて説明する。まず、リードフレーム1006とヒートシンク1008の材料がアルミニウム又はアルミニウム合金の場合について述べる。
【００２３】
図３(a)では、初めに大気のような酸化雰囲気中でビスマス系ガラス層1007を20μmの厚さで塗布する。ガラス層1007の塗布は、ガラスをバインダー(エタノール98重量%+エチルセルロース2重量%)に混ぜてガラスペーストとしてからスプレーする方法あるいは印刷によって行う。上記手法では最小5μm厚のガラスの塗布が可能であり、10μm単位で厚さを制御することができる。ヒートシンク1008の材料に低融点のアルミニウム又はアルミニウム合金を使用しているため、ガラス層1007の材料には低融点ガラスであるビスマス系ガラスが使用される。ガラス層1007の組成は重量%で表すと、Bi2O3：60%, B2O3：18%, BaO：11%, ZnO：6%, CaO：3%, SiO2：2%であり、ガラス転移温度は438℃、熱膨張係数は10ppm/℃である。
【００２４】
次に、ガラス層1007をヒートシンク1008に塗布して550℃程度(大気中)で焼き付け(一次焼成)し、脱バインダーを行う。その後、ガラス層1007を接着したヒートシンク1008にリードフレーム1006を搭載し、550℃程度(大気中)で再度焼き付け(二次焼成)を行うことで接合する。
【００２５】
図３(b)では、ヒートシンク1008とリードフレーム1006にそれぞれガラス層2000,2001を薄く(10μm)塗布し、脱バインダーする。その後、ガラス層2000を塗布したヒートシンク1008と、ガラス層2001を塗布したリードフレーム1006とを重ねて焼き付けを行うことで接合する。
【００２６】
本発明の接合プロセスの利点は、図３(a)に示すようにプロセスが簡便なことである。さらに、本発明の接合構造の利点は、図３(b)に示すように、ガラスに掛かる応力を緩和でき信頼性が向上することである。リードフレーム1006とヒートシンク1008の材質が銅又は銅合金の場合は、焼成を還元雰囲気(窒素あるいはアルゴン雰囲気)中で行う。
【００２７】
上記パワーモジュール1000のガラス成分はEDX(Energy Dispersion X-ray Spectroscopy；エネルギー分散型蛍光X線分析装置)で測定することができる。具体的には、ガラス層1007を含むように主回路部1001を断面方向に切断し、断面をSEM(Scanning Electron Microscopy)で測定し、定量分析することで、成分と成分比が判別できる。また、ガラス層1007の厚さについては、断面方向に切断したあと、通常の光学顕微鏡を使って測定できる。ガラス層1007がB, O, Nのような軽元素を含む場合は、ガラス層1007の一部を酸に溶かしてICP(Inductive Coupled Plasma-mass spectroscopy)分析することで成分及び成分比を測定できる。また接合の際の温度は、ガラスの粘度が10-7Pa・sとなる温度と定義することができる。ガラスの粘度は粘度測定器で測定することができる。
【００２８】
具体的には、上記のEDXで判明したガラスの組成比に従ってサンプルを作製し、100cm3程度の容積を持つ白金るつぼに上記ガラス成分を100g程度入れる。1000℃に加熱してガラスを溶かし、徐冷しながら白金の羽根の回転速度とトルクを検出し、ガラスの粘度を測定する。温度と粘度のグラフより、ガラスの粘度が10-7Pa・sとなる温度が求められる。ガラスの熱膨張係数に関しては示差熱膨張計を使って測定することができる。粘度と同様、ガラスの組成から縦4mm,横4mm,高さ15mm程度のガラスのブロックを作って、比較用の石英(SiO2)との伸びの違いを差動トランスで検出することで測定することができる。
【００２９】
また、それぞれの成分の働きについて以下説明する。Bi2O3はガラスの軟化点を下げる効果があり、40%以下では軟化点が高く、80%以上では熱膨張係数が大きくなってしまう。Bi2O3はガラス形成材として必須であり、割合が小さいと失透し、割合が大きいと粘性が高くなりすぎてしまう。BaO, ZnO, CaO, SiO2は、ガラスを安定化させるために含有させる成分である。
【００３０】
本発明構造の利点を以下説明する。従来技術である特許第2503778号の発明の銅-厚いガラス-銅構造の熱抵抗値を図４の左側棒グラフに、本発明の技術である銅-薄いガラス-アルミニウム構造の熱抵抗値を図４の右側棒グラフに示す。ともにヒートシンクは3mm厚の平板とし、流路を流れる水の温度を60℃、流速を3m/sとして解析した。
【００３１】
半導体素子内部(チップジャンクション)から周囲環境(60℃の水)までの熱抵抗値(以下、トータル熱抵抗値と記述)は、従来技術で0.82K/Wとなり、チップジャンクション温度が一般の保証温度(150℃)を大幅に超えてしまう。これは、ガラス層の厚さが1mmと厚いためであり、熱抵抗値の内訳を調べると、図４に示すように、ガラス層の熱抵抗値は0.75K/Wとトータル熱抵抗値の91%を占めている。
【００３２】
これに対して、本発明の技術では、ガラス層の厚さが20μm程度と薄いため、ガラス層の熱抵抗値は0.021K/Wと小さく、トータル熱抵抗値は0.12K/Wまで低減する。したがって、本発明構造をとることで、チップジャンクション温度が保証温度内に収まる。このように、薄いガラスで接合することにより、パワーモジュールの熱特性を改善できることが本発明技術の最大の利点である。
【００３３】
熱特性をガラスの厚さの観点からグラフ化したのが図５である。配線部材とヒートシンクの材質をパラメータとして、銅-ガラス-銅, 銅-ガラス-アルミニウム, アルミニウム-ガラス-銅, アルミニウム-ガラス-アルミニウムの4通りについて示している。ガラスの厚さを変えると、ガラス層の熱抵抗値が上下するため、配線部材での横方向熱広がりが変化する。ガラス層の厚さとトータル熱抵抗値は、厳密には線形の関係にはならないが、ガラス層上の配線部材で熱が横方向に十分広がると考えられるので、直線近似が十分成り立つと考えられる。
【００３４】
図５を使って、熱特性からガラス層の厚さを規定することができる。例えば、銅-ガラス-アルミニウム構造では、チップジャンクション温度を保証温度以下にするためにはガラス層の厚さを250μm程度以下にすれば良い。銅-ガラス-銅構造では、ガラス層の厚さを400μm程度以下に、アルミニウム-ガラス-銅構造では、ガラス層の厚さを210μm程度以下に、アルミニウム-ガラス-アルミニウム構造では、ガラス層の厚さを210μm程度以下にすれば良い。実際には、配線部材とヒートシンクの表面には凸凹が存在するので、ガラスの厚さは配線部材とヒートシンクの間の平均厚さで定義され、500μm以下の厚さであれば保証温度内に収まると考えられる。
【００３５】
また、本発明の構造により、高効率冷却が可能になるので、チップの電流密度を上げて、パワーモジュールの中で主要なコスト割合を占めるチップコストを低減することができる。なお、ガラス層は200V/μm程度の耐圧能力を有しており、ガラス層中に気泡やクラックが入らなければ20μmの厚さで4kV程度の耐圧能力がある。耐圧は、配線部材とヒートシンクにプローブを当て、電圧を印加したときの電流値を調べることで測定することができる。
【００３６】
本発明の第二の利点として、信頼性向上が挙げられる。一般的に絶縁材として用いられる窒化アルミニウムやアルミナの熱膨張係数はそれぞれ4ppm/℃, 7ppm/℃であり、銅の熱膨張係数17ppm/℃あるいはアルミニウムの熱膨張係数23ppm/℃と差が大きい。一般のガラスの熱膨張係数も5〜7ppm/℃程度であり、上記絶縁材を介して金属を接合した場合、熱膨張係数の差によって応力が掛かり、信頼性が低下するという問題がある。
【００３７】
本発明で用いるビスマス系ガラスの熱膨張係数は10ppm/℃であり、Bi2O3やB2O3の割合を増加することにより10ppm/℃以上の熱膨張係数の実現も可能である。なお、アルミニウムの熱膨張係数23ppm/℃よりもガラスの熱膨張係数を大きくすると、ガラスに引っ張り応力が掛かりガラスにクラックが入るので、ガラスの熱膨張係数は10ppm/℃〜23ppm/℃の範囲に入る必要がある。ビスマス系ガラスを用いることにより、銅又は銅合金あるいはアルミニウム又はアルミニウム合金との熱膨張係数の差は従来と比べて低減するので、パワーモジュールの信頼性を向上させることができる。さらに、ビスマス系ガラスは安価に製造することができるという利点も持っている。
【００３８】
本発明の第三の利点として、ビスマス系ガラスの融点の低さを挙げることができる。一般のガラスの溶融点は700〜1000℃であり、融点の低いアルミニウム又はアルミニウム合金と接合することができない。本発明技術で用いるビスマス系ガラスの軟化点は438℃と低いので、低融点の金属と接合することができる。
【００３９】
本発明の第四の利点として、ビスマス系ガラスの環境対応性が挙げられる。ビスマス系ガラスは、環境に大きな負荷を与える鉛を実質的に含まず、本発明構造ではハンダも1層のみとすることができる。この利点により、汎用パワーエレクトロニクスの分野だけでなく、電気自動車(Electric Vehicle)や図６に示したハイブリッド自動車(Hybrid Electric Vehicle)といった環境対応自動車などの分野にも積極的に適用していくことができる。
【００４０】
図６は、本発明を適用したハイブリッド自動車のシステム構成図である。ハイブリッド自動車システム5000は、エンジン5004とモータ5003の両方を使い、クラッチ5005, CVT(無段変速機)5006, 車軸5007を介して車輪5008に駆動力を伝達する。モータ5003はインバータ5009を介してバッテリ5002から供給される電力により駆動され、インバータ5009は制御ユニット5001で制御する。図1に示すパワーモジュール1000の主回路部1001がインバータ5009に対応し、制御回路部1002が制御ユニット5001に対応する。本発明を採用してパワーモジュール1000の熱特性を改善することにより、パワーモジュール1000とモータ5003を冷却するためのポンプを小さくすることができ、ハイブリッド自動車システム5000の小型・低コスト化を実現することができる。なお、本発明のパワーモジュールは、車軸の駆動源をモータのみとした電気自動車のインバータにも同様に適用できる。
【００４１】
(実施例2)
次に、本発明の第２の実施例を図７により説明する。図７は、ガラスにスペーサを混入させたパワーモジュールの模式図である。第２の実施例における主回路部6000の基本構成は図1の主回路部1001と同じであるが、ガラス層1007がスペーサ6001を含有している点が異なる。スペーサ6001は、ガラス層1007の厚さを一定に保つために混入され、例えば直径20μm程度のSiO2の粒で構成される。ガラス層1007の厚さを変化させたいときはスペーサ6001の直径を変化させれば良い。スペーサ6001は、予めガラスに混入させておくことで、リードフレーム1006あるいはヒートシンク1008にガラス層1007を塗布する際に表面に乗る。スペーサ6001には、ガラス層1007の溶融点よりも融点が高く、かつ、絶縁部材が選ばれる。
【００４２】
スペーサ6001を混入することによる利点は、絶縁耐圧の信頼性向上である。スペーサ6001によりガラス層1007の厚さを一定に保つことができるので、ガラスだけのときに比べ、リードフレーム1006とヒートシンク1008間の絶縁の信頼性を向上させることができる。
【００４３】
(実施例3)
次に、本発明の第３の実施例を図８により説明する。図８は、リードフレームとヒートシンクの表面に凹凸があるパワーモジュールの模式図である。第３の実施例における主回路部7000の基本構成は図1の主回路部1001と同じであるが、リードフレーム1006とヒートシンク1008にはそれぞれ表面凹凸7001,7002がある。図８の表面凹凸7001,7002は誇張して描いてあり、凹凸の山から谷を引いた幅で定義される表面粗さは実際には数μmから数100μm程度である。表面凹凸7001と7002の表面粗さは必ずしも同じではないので、リードフレーム1006とヒートシンク1008の間の距離もギャップ7003のように大きい箇所からギャップ7004のように小さい箇所まで様々である。ガラス層1007の厚さは表面凹凸7003,7004よりも大きい必要があり、また、ギャップ7004においてリードフレーム1006とヒートシンク1008間の絶縁耐圧を保証するように決められる。また、ヒートシンク1008の流路1012側にも表面凹凸7005を積極的に施すことによって、ヒートシンク1008が冷媒に触れる表面積が大きくなり、ヒートシンク1008と冷媒間の熱伝達係数を増加させることができる。
【００４４】
表面凹凸7003,7004,7005は、サンドブラストあるいはエッチング等の手法で作製される。熱特性の観点からは、ガラス層1007の厚さを小さくするために表面凹凸7003,7004の表面粗さを小さくし、ヒートシンク1008と冷媒間の熱伝達係数を増加させるために表面凹凸7005の表面粗さを大きくするのが良い。特に、サンドブラスト法の場合、表面凹凸7003と7005の表面粗さを異なった値にすることも容易である。通常、表面凹凸7003,7004の表面粗さは5μm程度、表面凹凸7005の表面粗さは100μm程度である。
【００４５】
(実施例4)
次に、本発明の第４の実施例を図９により説明する。図９は、リードフレームとヒートシンクの表面酸化物とガラスを接合させたパワーモジュールの模式図である。第４の実施例における主回路部8000の基本構成は図1の主回路部1001と同じである。ヒートシンク1006を銅又は銅合金、ヒートシンク1008をアルミニウム又はアルミニウム合金とする。リードフレーム1006の表面には1〜10μm程度の厚さでクロムメッキ層8001が施されている。リードフレーム1006とヒートシンク1008を大気のような酸化雰囲気中に置くと、それぞれ表面に酸化物クロム酸化物層8002と アルミナ層8003が形成される。アルミナ層8003の厚さは1〜100nm程度である。ガラスがクロム酸化物層8002及び アルミナ層8003と接着することで、ガラス層1007はリードフレーム1006及びヒートシンク1008に接合される。
【００４６】
本構造のメリットは、配線部材及び放熱部材の金属を選ばないことである。銅又は銅合金のように酸化すると銅酸化物の形成により脆くなる部材でも、表面にメッキ処理を施すことで、酸化雰囲気中でメッキの酸化物とガラスを接合することができる。したがって、ガラスにとって過酷な還元雰囲気を用いる必要がなくなるので、ガラス層1007の信頼性を向上させることができる。
【００４７】
(実施例5)
次に、本発明の第５の実施例を図１０により説明する。図１０は、リードフレームが搭載される箇所のみにガラス層を設けたパワーモジュールの模式図である。第５の実施例における主回路部9000の基本構成は図1の主回路部1001と同じであるが、ヒートシンク1006の下面のみにガラス層を設けている。図３(a)に示したガラス接合のプロセスにおいては、予めリードフレーム1006が搭載される箇所のみにガラスが接合されるように、ヒートシンク1008をマスク(図示せず)で覆ってガラスを接着する。その後、接着したガラス層9001,9002,9003上にリードフレーム1006を搭載し、接合する。図３(b)のプロセスにおいても、ヒートシンク1008をマスク(図示せず)で覆ってガラス接合し、予めガラス接合したリードフレーム1006と接合する。ガラス層9001,9002,9003は、沿面放電を防ぐため、リードフレーム1006の大きさより1mm程度大きくする必要がある。
【００４８】
本構造のメリットは、ガラス層9001,9002,9003の信頼性向上である。ガラス層9001,9002,9003を細分化することで、リードフレーム1006あるいはヒートシンク1008との熱膨張係数の差によって生じる応力を低減することができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、薄型化できるビスマス系ガラスを絶縁材に使用することによって、絶縁材の熱抵抗値を低減し、半導体素子から周囲環境までのトータル熱抵抗値を低減することができる。その結果、半導体素子の電流密度を上げることができるので、半導体素子面積の縮小を実現することができる。また、中間層を設けることによって還元雰囲気で接合する必然性がなくなるという利点もある。さらに、ビスマス系ガラスは低融点金属と接合することができ、実質的に鉛を含まないので、パワーモジュール設計及び適用分野の自由度向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を利用した、ビスマス系のガラスを絶縁材として使用したパワーモジュールの模式図。
【図２】図１のパワーモジュールの回路図。
【図３】本発明を利用した、配線部材及びヒートシンクにガラスを接合するプロセスを示した模式図。
【図４】従来構造と本発明構造の熱抵抗値を比較したグラフ。
【図５】本発明を利用した、配線部材及びヒートシンクの材質をパラメータとしてガラスの厚さと熱抵抗値の関係を表したグラフ。
【図６】本発明のパワーモジュールを利用した、ハイブリッド自動車のシステム構成図。
【図７】本発明を利用した、ガラスにスペーサを混入させたパワーモジュールの模式図。
【図８】本発明を利用した、リードフレームとヒートシンクの表面に凹凸があるパワーモジュールの模式図。
【図９】本発明を利用した、リードフレームとヒートシンクの表面酸化物とガラスを接合させたパワーモジュールの模式図。
【図１０】本発明を利用した、リードフレームが搭載される箇所のみにガラス層を設けたパワーモジュールの模式図。
【符号の説明】
1000…パワーモジュール、1001,6000,7000,8000,9000…主回路部、1002…制御回路部、1003…IGBT、1004…FWD、1005…ワイヤ、1006…リードフレーム、
1007,2000,2001,9001,9002,9003…ガラス層、1008…ヒートシンク、1009…ケース、1010,1019…コネクタ、1011…ネジ、1012…流路、1013…制御回路基板、1014…マイコン、1015…制御IC、1016…トランス、1017…抵抗、1018…コンデンサ、1020…ハンダ、5000…ハイブリッド自動車システム、5001…制御ユニット、5002…バッテリ、5003…モータ、5004…エンジン、5005…クラッチ、5006…CVT、5007…車軸、5008…車輪、5009…インバータ、6001…スペーサ、7001,7002,7005…表面凹凸、7003,7004…表面凹凸の差、8001…クロムメッキ層、8002…クロム酸化物層、8003…アルミナ層。
【図１】
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【図２】
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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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