(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ベースを有する半導体モジュールであって、
前記金属ベースはその周囲の外周部と、該外周部に囲まれ、複数の絶縁基板が搭載される一方の面が前記外周部の主面よりも突出した天板部とからなっていて、前記天板部の前記一方の面には複数の半導体チップがそれぞれの半導体チップに対応する前記複数の絶縁基板を介して配置され、前記天板部の前記一方の面の反対側の面には放熱フィンが配置されていて、
前記複数の半導体チップには半導体モジュール外部との電気的接続を行う電気配線が接続され、
前記天板部の厚さは前記外周部の厚さよりも薄く、
前記絶縁基板の間の前記天板部に溝を有し、
前記溝は底部より開口部の幅が狭い形状であり、
前記複数の半導体チップは前記溝とともに樹脂により封止されている、
ことを特徴とする放熱フィン付き半導体モジュール。
【請求項２】
さらに、前記金属ベースの外周部に固着される端子ケースを有し、
前記端子ケース内部は、前記複数の半導体チップと、前記溝とともに前記樹脂により封止されていることを特徴とする請求項１記載の放熱フィン付き半導体モジュール。
【請求項３】
前記樹脂は、エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１または２記載の放熱フィン付き半導体モジュール。
【請求項４】
前記天板部は、前記複数の絶縁基板を介して配置された前記複数の半導体チップの外側に、さらに溝を有することを特徴とする請求項１または２記載の放熱フィン付き半導体モジュール。
【請求項５】
金属ベースを有する半導体モジュールであって、
前記金属ベースはその周囲の外周部と、該外周部に囲まれ、複数の絶縁基板が搭載される一方の面が前記外周部の主面よりも突出した天板部とからなっていて、前記天板部の前記一方の面には複数の半導体チップがそれぞれの半導体チップに対応する前記複数の絶縁基板を介して配置され、前記天板部の前記一方の面の反対側の面には放熱フィンが配置されていて、
前記複数の半導体チップには半導体モジュール外部との電気的接続を行う電気配線が接続され、
前記天板部の厚さは前記外周部の厚さよりも薄く、
前記絶縁基板の間の前記天板部に溝を有し、
前記溝の断面形状は、Ｖ字、矩形状、直線部分を有する半円形状からなる群から選択される一の形状であり、
前記複数の半導体チップは前記溝とともに樹脂により封止されている、
ことを特徴とする放熱フィン付き半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力変換装置などに用いられる、放熱用のフィンを備えた半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
図７、図８は従来のパワー半導体モジュール２００を示す。図５はこのパワー半導体モジュール２００が使用される電力変換装置のインバータ回路図である。図７は、金属ベース１０１の上面図である。金属ベース１０１は、図８（ａ）に示すように放熱フィン１１０を備える。金属ベース１０１は、上面に３枚の絶縁基板１０８を有し、３枚の絶縁基板１０８のそれぞれの上に、金属箔１０５を介してＩＧＢＴ１０３とＦＷＤ１０４との２組の半導体チップ組み合わせが半田付けされて搭載されている。ここでＩＧＢＴは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ＦＷＤはフリーホイールダイオードであり、以降ＩＧＢＴ、ＦＷＤと記載して説明する。図７に示すそれぞれの半導体チップは図示しないアルミワイヤのボンディングまたは配線銅板の半田付けにより図５に示すＵ、Ｖ、Ｗ相の３相インバータ回路になるように配線接続される。なお、図５においてＭと表示されたものは例として表示された３相インバータ回路の負荷であって、３相インバータ回路自体に含まれるものではない。図８（ａ）は図７のＡ−Ａ’線断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線枠内の拡大断面図である。ここでＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各層の半導体チップ類は絶縁基板やボンディングワイヤなどとともに金属ベース上で樹脂により封止（樹脂封止）されている。【０００３】
前記図７、図８に示すパワー半導体モジュール２００では、その動作中にＩＧＢＴ（ＩＧＢＴチップ）１０３とＦＷＤ（ＦＷＤチップ）１０４には導通損失とスイッチング損失からなる損失が発生し、その損失により半導体チップが発熱する。この発熱により、半導体チップの接合温度が定格温度を超えて上昇し続けると素子破壊に至るため、半導体チップは冷却しながら動作させなければならない。半導体チップで発生した熱は、半導体チップの裏面に接合される半田１０６およびその下の絶縁基板１０８を通じて放熱フィン１１０付き金属ベース１０１に伝熱され、放熱フィン１１０部分から外部へ放熱される。金属ベース１０１に接合された絶縁基板１０８と半導体チップとを良好に冷却するためには、放熱フィン１１０付き金属ベース１０１は図示しない冷媒により冷却されることが好ましい。【０００４】
このような放熱フィン１１０付きパワー半導体モジュール２００にかかる公知技術には特許文献１に開示されるものが知られている。
特許文献１には、パワー半導体モジュールに用いられる放熱用途の絶縁回路基板とその冷却構造及びパワー半導体装置とその冷却構造が開示されていて、図７及び図８に示す構成は特許文献１に開示される冷却構造にＵ、Ｖ、Ｗ相の３相インバータ回路部品を組み合わせたものである。【０００５】
また公知文献には、金属ベースに接合された半導体素子上にエポキシ樹脂を注入して、ボンディングワイヤの長寿命化をはかる技術についての記載がある（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２２９１４号公報（図１）
【特許文献２】特開２００８−２７０４５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記図７、図８に示すパワー半導体モジュール２００を動作させた場合、絶縁基板１０８上で近接して配置されるＩＧＢＴ１０３とＦＷＤ１０４間や、相互に近接配置される絶縁基板１０８と絶縁基板１０８の間は、動作中の発熱による相互の熱干渉を生じる。これにより、中間部に配置された半導体チップ類の温度が上昇し易くなる。【０００８】
例えば、前記図７、図８に示すパワー半導体モジュール２００の動作時には、すべての半導体チップが発熱することから、図７に示す近接配置された３枚の絶縁基板１０８の間には熱干渉が生じる。このため、特に中央に配置された例えばＶ相に対応する絶縁基板１０８とその上に半田付けされた半導体チップは両側からの熱干渉を受けて、半導体チップ温度が高くなりやすい。そうすると、パワー半導体モジュール２００としての動作温度が中央の半導体チップにより制約されてしまう。また、金属ベース１０１に半田付けされたＵ、Ｖ、Ｗ相の３つの絶縁基板１０８がパワー半導体モジュール２００の動作に伴う温度変化の繰り返しにより半田にクラックを生じる。半田に生じたクラックにより、パワー半導体モジュール２００は、半導体チップで生じた熱を効率よく放熱フィン１１０に伝えることができなくなるという問題が起こる。また、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の３つの相に対応する半導体チップ間の温度の不均一性と、パワー半導体モジュール２００の動作に伴う温度変化の繰り返しとから、封止樹脂が金属ベース１０１の表面から剥離するという問題も発生する。【０００９】
本発明は、以上述べた点を考慮してなされたものである。本発明の目的は、前述した問題点を解消するために、良好な放熱性により熱抵抗を低減することができ、複数の半導体チップ間の熱干渉が緩和されかつ封止樹脂が金属ベースから剥離しにくい高い信頼性を有する放熱フィン付き半導体モジュールを低コストで提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、金属ベースを有する半導体モジュールであって、前記金属ベースはその周囲の外周部と、該外周部に囲まれ、複数の絶縁基板が搭載される一方の面が前記外周部の主面よりも突出した天板部とからなっていて、前記天板部の前記一方の面には複数の半導体チップがそれぞれの半導体チップに対応する前記複数の絶縁基板を介して配置され、前記天板部の前記一方の面の反対側の面には放熱フィンが配置されていて、前記複数の半導体チップには半導体モジュール外部との電気的接続を行う電気配線が接続され、前記天板部の厚さは前記外周部の厚さよりも薄く、前記絶縁基板の間の前記天板部に溝を有し、前記溝は底部より開口部の幅が狭い形状であり、前記複数の半導体チップは前記溝とともに樹脂により封止されていることを特徴とする放熱フィン付き半導体モジュールとすることにより前記本発明の目的を達成することができる。
【００１１】
前記放熱フィン付き半導体モジュールは、さらに前記金属ベースの外周部に固着される端子ケースを有していて、前記端子ケース内部を前記樹脂により封止されているものであることが好ましい。また、前記端子ケース内部を封止する前記樹脂がエポキシ樹脂である放熱フィン付き半導体モジュールであることがより好ましい。さらに、前記天板部は、複数の絶縁基板を介して配置された前記複数の半導体チップの外側にさらに溝を有するものである放熱フィン付き半導体モジュールことがいっそう好ましい。
【００１２】
また、前記溝の断面形状は、Ｖ字、矩形状、直線部分を有する半円形状からなる群から選択される一の形状である放熱フィン付き半導体モジュールであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、良好な放熱性により熱抵抗を低減することができ、製品の動作中に受ける熱ストレスによる半田クラックの発生を抑制して、高い信頼性を有する放熱フィン付き半導体モジュールを低コストで提供することができる。【００１４】
本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の放熱フィン付き半導体モジュールの金属ベース上に絶縁基板および半導体チップなどを半田付けした状態を示す上面図である。
【図２】本発明の放熱フィン付き半導体モジュールにかかる金属ベースを裏面から見た下面図である。
【図３】本発明の放熱フィン付き半導体モジュールにかかる図１のＢ−Ｂ’線断面図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の放熱フィン付き半導体モジュールにかかる図１のＣ−Ｃ’線断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の破線枠内の拡大断面図である。
【図５】このパワー半導体モジュールが使用される電力変換装置のインバータ回路図である。
【図６】本発明の放熱フィン付き半導体モジュールのＣ−Ｃ’線断面図であって、絶縁基板間に設けられる凹部断面形状の異なる例を示す断面図である。
【図７】従来の放熱フィン付き半導体モジュールの金属ベース上に絶縁基板および半導体チップなどを半田付けした状態を示す上面図である。
【図８】図８（ａ）は、従来の放熱フィン付き半導体モジュールにかかる図１のＡ−Ａ’線断面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の破線枠内の拡大断面図である。
【図９】本発明の放熱フィン付き半導体モジュール第二の実施例にかかる断面図である。実施例１における図３に対応する図である。
【図１０】本発明の放熱フィン付き半導体モジュール第二の実施例にかかる断面図である。実施例１における図４（ａ）に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の放熱フィン付き半導体モジュール（パワー半導体モジュール）にかかる実施例について、図面を参照して詳細に説明する。また、以下の実施例の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、実施例で説明される添付図面は、見易くまたは理解し易くするために必ずしも正確なスケール、寸法比で描かれているわけではない。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１７】
図１〜図４に本発明の放熱フィン１０付きパワー半導体モジュール１００を示す。図５は電力変換装置のインバータ回路図であり、パワー半導体モジュール１００の等価回路である。図１は金属ベース１上に絶縁基板８および半導体チップなどを半田付けにより搭載した状態を示す上面図である。図２は、裏面である放熱フィン側から見た金属ベース１の下面図である。図３は図１のＢ−Ｂ’線断面図である。図４（ａ）は図１のＣ−Ｃ’線断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の破線枠内の拡大断面図である。【００１８】
このパワー半導体モジュール１００について、図１〜図４を参照して詳細に説明する。パワー半導体モジュール１００は金属ベース１を有し、金属ベース１は外周部（フランジ部）に外部装置にナットとネジで取り付けるための取り付け孔２を有する。パワー半導体モジュール１００は、半導体チップ（ＩＧＢＴチップ３、ＦＷＤチップ４）が絶縁基板８の表面の金属箔５上に半田６により半田付けされ、半導体チップが半田６により半田付けされた絶縁基板８が放熱フィン１０を備えた金属ベース１の表面上に半田付けされて搭載される構造を有する。ただし、これらの図に示す半導体モジュール１００は、内部構造を理解し易くするように金属ベース１上の半導体チップ間を電気的に接続するための金属ワイヤや電気信号を入出力させる外部接続端子およびこれらを封止するための樹脂材および封止樹脂を囲む端子ケースなどが省かれている。説明の便宜のため、金属ベース１に半田付けされた絶縁基板８に搭載された部分をそれぞれＵ相半導体ユニット、Ｖ相半導体ユニット、Ｗ相半導体ユニットと呼ぶ。【００１９】
金属ベース１は銅やアルミニウムまたその合金などの熱伝導率の高い金属板からなり、半導体チップが搭載される表面側の位置に対応する裏面側の位置に放熱フィン１０を備える構造を有している。図２に示す金属ベース１の裏面側には、複数の突起状のピンを配列させたピン型の放熱フィン１０の位置およびピン配列を示しているが、放熱フィン形状としては、他に、角型、ブレード型、波型などに変えることもできる。【００２０】
絶縁基板８は、セラミック板や絶縁膜で被覆された絶縁金属板に、これらの裏面（金属ベース１に接合する側）には全面に金属箔が、表面側には所要の配線パターンに加工された金属箔がそれぞれ固着される構成を備えている。セラミック板の材料としてはアルミナ、窒化アルミニウム、窒化シリコンなどの磁器材料を用いることができる。絶縁金属板の金属材としてはアルミ合金などが用いられる。半導体チップ（例えばＩＧＢＴチップ３、ＦＷＤチップ４）は、絶縁基板８の表面側の金属箔上の所定の位置にそれぞれ半田付けされる。【００２１】
前記図１〜図４には図示していないが、このパワー半導体モジュール１００には、外部信号を入出力するための外部接続端子を一体に組み込んだ成型樹脂からなる端子ケースが金属ベースの外周部１５の表面に接着される。【００２２】
半導体チップは絶縁基板８表面の、配線パターンに加工された金属箔５上に半田接合される。３枚の絶縁基板８上の図１に示すＵ、Ｖ、Ｗ相ごとの半導体チップの組み合わせは図５に示す３相インバータ回路のＵ、Ｖ、Ｗ相の３相に対応するように配置される。これらの半導体チップの上部電極は金属ワイヤなどにより、端子ケースと一体に樹脂成型されて固定されている外部接続端子の下端部またはその近傍にワイヤボンディング接続され、図５に示す３相インバータ回路になるように、電気的に接続される。半導体チップの上部電極の電気的な接続は、ワイヤボンディング接続に代えて、アルミ合金や銅合金の板を半田付けなどにより接合する方法としてもよい。金属ワイヤは、アルミ、銅や金またはその合金からなる細線が用いられ、超音波接合により接合され接続される。また、図示しない端子ケースの内側にはシリコーンゲルやエポキシ樹脂などが封止樹脂として充填される。なお、封止樹脂は、樹脂と金属ベース表面との密着性を高くすることができるエポキシ樹脂が好ましい。【００２３】
図４の断面図（ａ）、（ｂ）に示す本発明にかかるパワー半導体モジュール１００では、放熱フィン１０付き金属ベース１の天板部１１の厚さｈ２は外周部１５の厚さｈ１に比べて薄くされていることが特徴の一つである。さらに、相互に近接配置される複数の絶縁基板８間の天板部１１の溝１２の底部（最も低く窪んだ部分）の厚さｈ３は前記天板部１１の溝１２以外の厚さｈ２よりも、さらに薄くされていることも本発明の特徴の一つである。【００２４】
一方、前述の従来の放熱フィン１１０付き金属ベース１０１では、図８に示すように天板部１１１の厚さおよび外周部の厚さは同じで有り、均一な厚さである。一般にこれらの半導体モジュールの外周部には外部装置にナットとネジで取り付けるための取り付け孔が設けられており、大きな締め付け力が掛けられる場所であるので、その力に対応する所定の厚さ（例えばネジによる締め付け力によって外周部の金属ベース板が変形しない厚さ）以下に減厚することはできない。【００２５】
他方、金属ベース１の厚さは、例えば、天板部１１の厚さ、ｈ２＝３〜５ｍｍ、外周部１５の厚さ、ｈ１＝４〜６ｍｍ、溝１２の底部の厚さ、ｈ３＝２〜４ｍｍとすることができる。溝１２の幅は１〜３ｍｍ、溝１２の深さは１〜３ｍｍとすることができる。【００２６】
放熱フィン１０付き金属ベース１は半導体チップの発熱を冷媒に放熱するため、その天板部１１は厚さが薄いほど、熱抵抗を下げることができる。その熱抵抗は、（１）式で表される。【００２７】
熱抵抗Ｒｔｈ＝金属ベース板の天板部の厚さＬ÷（金属ベース板天板部の半田付け面積Ｓ  ×  金属ベース板の熱伝導率λ）・・・（１）
（１）式で熱抵抗Ｒｔｈが下がれば、次に示す（２）式より放熱性が改善されて半導体チップの温度を下げることができ、その結果、半導体モジュールの長期信頼性を高めることができる。【００２８】
半導体チップと冷媒の温度差ΔＴ＝半導体チップから冷媒までの熱抵抗Ｒｔｈ  ×  半導体チップの損失Ｗ・・・（２）
これら（１）式、（２）式から、本発明の放熱フィン１０付き半導体モジュール１００は天板部１１の厚さｈ２＜外周部１５の厚さｈ１とすることで、実動作中の熱抵抗Ｒｔｈを低減し、半導体チップ温度を低減することが可能となる。【００２９】
さらに、天板部１１には、天板部１１の厚さｈ２＞溝１２底部の厚さｈ３となるＶ字の溝１２が、相互に近接配置される絶縁基板８の間に設けられている。溝１２により隣り合うそれぞれの絶縁基板８間の金属ベース内の熱伝導が抑止されるため、絶縁基板８間の熱干渉を低減でき、特に中央の絶縁基板８上に搭載されて熱干渉を受け易い半導体チップの温度を低減することができる。絶縁基板８間で溝なしの平坦な金属ベース表面の間隔を広げることによっても熱干渉の低減はできるが、金属ベースの面積が大きくなるので、コスト面、コンパクト性の面から好ましくない。半導体ユニット間の熱干渉が低減されるので各半導体ユニット間の温度が均一化されて金属ベース内の温度勾配がゆるくなるので半田クラックの発生が低減される。以上の説明では、相互に近接配置された３枚の絶縁基板８間の金属ベース１の表面に溝１２を設けているが、この溝形状は、図６に示すように、（ａ）の断面Ｖ字状の溝１２の他に、（ｂ）の矩形状の溝１２ａ、（ｃ）の半円形状の溝１２ｂなどの本発明の趣旨に沿った凹形状とすることができる。【００３０】
さらにこの凹形状による本発明の効果として、金属ベース１上に半田付けされた半導体チップ構造の全体を、例えばエポキシ樹脂で封止する際に、この溝１２の表面積は平坦面の場合よりも大きくなるため、エポキシ樹脂と金属ベース１の表面の密着強度を高めることができる。また、溝１２内にエポキシ樹脂が充填されることによるエポキシ樹脂が剥離しにくくなる効果も期待できる。この効果を得るための樹脂としてはゲル状の樹脂よりも、エポキシ樹脂のように樹脂自体の強度が高くかつ樹脂封止の際に圧縮応力が働くものが好ましい。また、この樹脂が剥離しにくくなる効果をさらに高めるには、溝形状を底部より開口部の幅を狭くした形状にすると、樹脂の溝の内部形状への引っかかりによる圧縮効果が現れることによっても半導体チップおよび半田のクラック防止効果が発揮される。その結果、エポキシ樹脂の密着強度が高まることおよび前記樹脂が剥離しにくくなる効果により、温度変化の際に半田に加わる応力を低減できるため、半田にクラックが入るなどの劣化を抑制し半導体モジュールの信頼性を高くし寿命を延ばすことができる。なお、放熱フィン付き金属ベースの成型方法としては、切削、鍛造、Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄ法などの公知の成型方法を用いることができる。【００３１】
なお、以上の説明ではＵ、Ｖ、Ｗの各相に対応する３つの半導体ユニットが配置された場合について説明したが、半導体ユニットの数は２以上であれば本発明の効果が発揮される。
【実施例２】
【００３２】
図９及び図１０を用いて本発明の第二の実施例を説明する。図９及び図１０はそれぞれ第一の実施例における図３、図４（ａ）に対応する半導体モジュールの断面図である。第二の実施例では溝１２が外側に位置する両半導体ユニットの外側にも設けられている点が実施例１の場合と異なっている。この外側に配置された溝により封止樹脂が金属ベースにより強固に固着される効果がある。封止樹脂はエポキシ樹脂が好ましい。【００３３】
上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。
【符号の説明】
【００３４】
１        金属ベース
２        取り付け孔
３        ＩＧＢＴチップ
４        ＦＷＤチップ
５        金属箔
６        半田
８        絶縁基板
１０      放熱フィン
１１      天板部
１２      溝
１５      外周部
ｈ１      外周部厚さ
ｈ２      天板部厚さ
ｈ３      溝底部厚さ
【図１】
0005954409.tif 000002
【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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