(57)【要約】【課題】パワー半導体モジュールの製造工程において、半導体チップの接合性を確保する。【解決手段】伝熱面として第１面及び第２面を有する冷却器２と、所定の溶融温度で溶融する第１接合材３ｃにより第１半導体チップ３ｂが接合されると共に、上記冷却器２の第１面に接合される第１基板３ａと、上記第１接合材３ｃと溶融温度が異なる第２接合材４ｃにより第２半導体チップ４ｂが接合されると共に上記冷却器２の第２面に接合される第２基板４ａとを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱面として第１面及び第２面を有する冷却器と、
所定の溶融温度で溶融する第１接合材により第１半導体チップが接合されると共に、前記冷却器の第１面に接合される第１基板と、
前記第１接合材と溶融温度が異なる第２接合材により第２半導体チップが接合されると共に前記冷却器の第２面に接合される第２基板と
を備え、
前記第１半導体チップは、前記第２半導体チップよりも発熱量が大きく、
前記第１接合材は、前記第２接合材より熱伝導率が高く設定される
ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
前記第１接合材は、銀焼結材であり、
前記第２接合材は、ハンダである
ことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、放熱機能を有する熱伝導器（冷却器）に絶縁層を形成し、絶縁層の上に電力半導体チップ（半導体チップ）を搭載した電力用半導体モジュール（パワー半導体モジュール）が開示されている。特許文献１の電力用半導体モジュールは、絶縁層と半導体チップとがハンダ（接合材）により接合され、絶縁層と熱伝導器とが銅材（接合材）により接合されている。また、特許文献１には、熱伝導器が複数の面において電力用半導体モジュールを搭載する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２８４６８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱伝導器の複数の面に半導体チップを接合する場合において、先に第１面に半導体チップを接合した後に、第２面に半導体チップを接合する作業が必要となる。特許文献１では、熱伝導器の複数の面に半導体チップを搭載する場合でも、全ての面において同一の接合材を用いている。このため、冷却器の第２面に接合する際に、加熱炉の熱が第１面にも伝わり、先に第１面に接合された基板の接合材が再溶融し、第１面における半導体チップ及び基板が剥離する可能性がある。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、パワー半導体モジュールの製造工程において、半導体チップの接合性を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、伝熱面として第１面及び第２面を有する冷却器と、所定の溶融温度で溶融する第１接合材により第１半導体チップが接合されると共に、上記冷却器の第１面に接合される第１基板と、上記第１接合材と溶融温度が異なる第２接合材により第２半導体チップが接合されると共に上記冷却器の第２面に接合される第２基板とを備え、上記第１半導体チップは、上記第２半導体チップよりも発熱量が大きく、上記第１接合材は、上記第２接合材より熱伝導率が高く設定される、という構成を採用する。
【０００７】
第２の手段として、上記第１の手段において、上記第１接合材は、銀焼結材であり、上記第２接合材は、ハンダである、という構成を採用する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第１接合材と、第２接合材とで溶融温度が異なっている。先に、一方の伝熱面において溶融温度が高い方の接合材を用いて基板を冷却器に接合し、次に、他方の伝熱面において溶融温度が低い方の接合材を用いて基板を冷却器に接合することにより、溶融温度が低い方の接合材による接合工程において、溶融温度が高い方の接合材が再溶融することがない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールが備える電力変換装置の断面を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。図１は、本実施形態に係るパワー半導体モジュールが備える電力変換装置１の断面を示す模式図である。
【００１１】
本実施形態におけるパワー半導体モジュールは、電力変換装置１を備えている。電力変換装置１は、図１に示すように、冷却器２と、第１電子基板ユニット３と、第２電子基板ユニット４とを備えている。
冷却器２は、天板部２ａと、天板部２ａに対向する底板部２ｂと、天板部２ａと底板部２ｂとの間に設けられる放熱部２ｃとを有している。放熱部２ｃは、天板部２ａ及び底板部２ｂに垂直となるように複数の放熱フィンが立設されており、放熱フィンの間を水が通過することにより、放熱フィンの表面から熱を逃がしている。冷却器２は、第１電子基板ユニット３及び第２電子基板ユニット４の熱を放熱フィンから放熱することにより、第１電子基板ユニット３及び第２電子基板ユニット４を冷却する水冷ジャケットである。
【００１２】
第１電子基板ユニット３は、冷却器２の伝熱面である天板部２ａの外面（第１面）に複数（本実施形態においては３つ）設けられ、第１基板３ａと、第１半導体チップ３ｂと、銀焼結材接合層３ｃ（第１接合材）とを備えている。第１基板３ａは、第１半導体チップ３ｂが実装された絶縁基板であり、冷却器２の天板部２ａの外面に銀焼結材接合層３ｃにより接合されている。また、第１基板３ａには、銀焼結材接合層３ｃとの間に、両面において導電部材３ｄが設けられている。導電部材３ｄは、銀焼結材接合層３ｃを第１基板３ａに定着させるために設けられる。
【００１３】
第１半導体チップ３ｂは、銀焼結材接合層３ｃにより、第１基板３ａにおける冷却器２と接合される面と対向する面に実装されており、通電時において最高約１４０℃程度で発熱する。銀焼結材接合層３ｃは、銀の微粒粉を約３００℃で焼成することにより溶融させ、さらに溶融した銀の微粒粉を冷却して固化させたものである。なお、銀焼結材接合層３ｃは、再溶融する温度が約９６０℃とされ、熱伝導率が約４２０Ｗ／ｍ・Ｋとされている。
【００１４】
第２電子基板ユニット４は、冷却器２の伝熱面である底板部２ｂの外面（第２面）に複数（本実施形態においては３つ）設けられ、第２基板４ａと、第２半導体チップ４ｂと、ハンダ接合層４ｃ（第２接合材）とを備えている。第２基板４ａは、第２半導体チップ４ｂが実装された絶縁基板であり、冷却器２の底板部２ｂの外面にハンダ接合層４ｃにより接合されている。また、第２基板４ａには、ハンダ接合層４ｃとの間に、両面において導電部材４ｄが設けられている。導電部材４ｄは、ハンダ接合層４ｃを第２基板４ａに定着させるために設けられる。
【００１５】
第２半導体チップ４ｂは、ハンダ接合層４ｃにより、第２基板４ａにおける冷却器２と接合される面と対向する面に実装されており、通電時において最高約１１０℃程度で発熱する。ハンダ接合層４ｃは、溶融する温度及び再溶融温度が約２７０℃とされ、熱伝導率が約６２Ｗ／ｍ・Ｋとされている。
【００１６】
すなわち、第１半導体チップ３ｂは、第２半導体チップ４ｂよりも発熱時の最高温度が高く、発熱量が大きい。また、銀焼結材接合層３ｃは、ハンダ接合層４ｃよりも熱伝導率が高く、さらに再溶融温度がハンダ接合層４ｃの溶融温度よりも高い。
【００１７】
このような本実施形態における電力変換装置１における第１電子基板ユニット３及び第２電子基板ユニット４と冷却器２との組み付け方法を説明する。
まず、冷却器２の天板部２ａにおいて、第１電子基板ユニット３の取り付け作業が行われる。具体的には、第１基板３ａに設けられた導電部材３ｄと冷却器２の天板部２ａとの間に、銀ナノ粒子が配置される。そして、銀ナノ粒子は、導電部材３ｄ及び冷却器２の天板部２ａを介して加熱及び加圧されることで、表面の皮膜が除去され、粒子同士が接触する。さらに、銀ナノ粒子は、約３００℃程度で焼結されることで、粒子同士が溶融して結合し、導電部材３ｄ及び天板部２ａに溶着することで、導電部材３ｄと天板部２ａとの間に銀焼結材接合層３ｃを形成する。
【００１８】
次に、冷却器２の底板部２ｂにおいて、第２電子基板ユニット４の取り付け作業が行われる。具体的には、第２基板４ａに設けられた導電部材４ｄと冷却器２の底板部２ｂとの間にハンダが配置される。さらに、該ハンダは、不図示の加熱炉により約２７０℃程度で加熱されることで溶融し、導電部材４ｄ及び冷却器２の底板部２ｂに密着した状態で固化することで、導電部材４ｄと冷却器２の底板部２ｂとの間にハンダ接合層４ｃを形成する。この際、加熱炉の熱と、加熱炉から冷却器２の底板部２ｂに加えられた熱とが天板部２ａ側へと伝わるものの、天板部２ａ側の銀焼結材接合層３ｃが、その再溶融温度である約９６０℃程度まで上昇することはなく、天板部２ａの銀焼結材接合層３ｃが再溶融することはない。
【００１９】
本実施形態によれば、銀焼結材接合層３ｃは、ハンダ接合層４ｃよりも溶融温度及び再溶融温度が高く設定されている。これにより、第２電子基板ユニット４の冷却器２への接合作業によって、銀焼結材接合層３ｃが再溶融することがない。
【００２０】
さらに、本実施形態によれば、銀焼結材接合層３ｃは、ハンダ接合層４ｃよりも熱伝導率が高い。また、第１半導体チップ３ｂは、第２半導体チップ４ｂよりも発熱温度が高い。したがって、第１半導体チップ３ｂの高い発熱量を銀焼結材接合層３ｃにより効率的に冷却器２へと伝えることができ、第１半導体チップ３ｂを効率よく冷却することができ、第１半導体チップ３ｂが過熱することを防止できる。
【００２１】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００２２】
上記実施形態においては、第１電子基板ユニット３及び第２電子基板ユニット４は、それぞれ３個ずつ冷却器２に接合される構成としたが、本発明はこれに限定されない。第１電子基板ユニット３及び第２電子基板ユニット４は、４個以上または２個以下としてもよい。
【符号の説明】
【００２３】
１……電力変換装置、２……冷却器、３……第１電子基板ユニット、３ａ……第１基板、３ｂ……第１半導体チップ、３ｃ……銀焼結材接合層、４……第２電子基板ユニット、４ａ……第２基板、４ｂ……第２半導体チップ、４ｃ……ハンダ接合層
【図１】
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