(57)【要約】【課題】本発明は、パワー半導体のベアチップを基板に実装したパワーモジュールの放熱性能を向上させることを目的とする。【解決手段】パワーモジュール１０ａは、基板１２、基板１２の一面に設けられた導電性のパッド１４、基板１２の一面に実装されたパワー半導体１６、パッド１４とパワー半導体１６とを電気接続するワイヤ１８ａ、基板１２の一面から他面を貫くサーマルビア２０、基板１２よりも熱伝導率の高い部材よりなる熱伝導部２２ａ、および基板１２の他面側に設けられた放熱器２４を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面と他面とを有し、絶縁性の板体で構成される基板と、
前記基板の一面に設けられた導電性のパッドと、
前記基板の一面に実装されたパワー半導体と、
前記パワー半導体とパッドとを電気的に接続する電気接続部材と、
前記基板において、パワー半導体が実装される位置に設けられ、基板の一面から他面へ貫く導体と、
前記基板において、パッドを有する位置に設けられ、前記絶縁性の板体よりも熱伝導率の高い部材よりなる熱伝導部と、
前記基板の他面側に設けられた放熱器と、
を備えたパワーモジュール。
【請求項２】
前記熱伝導部が、前記絶縁性の板体よりも熱伝導率の高い導体または樹脂を含む請求項１のパワーモジュール。
【請求項３】
前記熱伝導部が、基板の一面から他面へ貫く導体を含む請求項１または２のパワーモジュール。
【請求項４】
前記電気接続部材が、導電性のワイヤ、導電性のテープ、または導電性の板よりなる請求項１から３のいずれかのパワーモジュール。
【請求項５】
前記パワー半導体が、ヒートスプレッダを介して基板に実装されている請求項１から４のいずれかのパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板にパワー半導体などの電子部品を実装したパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワー半導体のベアチップを安価な樹脂基板に実装することによってパワーモジュールのコスト低減が図られている。また、熱伝導率の低い樹脂基板の熱抵抗を低減するために種々の技術が開発・開示されている（下記の特許文献１など）。
【０００３】
図７に示す従来のパワーモジュール５０は、基板１２の一面側にパワー半導体１６が実装されており、他面側に放熱器２４が取り付けられている。基板１２において、パワー半導体１６が実装される箇所にサーマルビア２０が設けられる。なお、パワー半導体１６はヒートスプレッダを介して基板１２に実装される場合がある。基板１２の一面側に導体のパッド１４があり、パワー半導体１６の上面の端子からパッド１４にワイヤ１８ａが接続されている。パッド１４は、導体パターンやビアホールなどを介して他の電子部品に接続される。
【０００４】
放熱器２４は絶縁層３０を介して基板１２に取り付けられる。パワー半導体１６で発生した熱は、サーマルビア２０を介して放熱器２４に伝導される。サーマルビア２０によって基板１２の厚み方向の熱抵抗が下げられている。例えば基板１２のサーマルビア２０を有する部分の平均の熱伝導率は数十Ｗ／ｍ・Ｋまで向上される。
【０００５】
しかし、パワー半導体１６を実装するために用いられる高価なＡｌ基板と比べると、上記の熱伝導率は一桁小さい。放熱器２４の大型化・高性能化やパワー半導体１６の耐熱性能向上が必要になる。
【０００６】
近年、パワーモジュール５０の小型化が要求されており、その要求に応えるとパワーモジュール５０の単位面積（または体積）あたりの発熱量が高くなる。ＳｉＣやＧａＮなどの高発熱密度の材料を用いたパワー半導体１６を使いこなす必要がある。そのため、パワーモジュール１６のさらなる放熱性向上が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１９６８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、パワー半導体のベアチップを基板に実装したパワーモジュールの放熱性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のパワーモジュールは、一面と他面とを有し、絶縁性の板体で構成される基板と、前記基板の一面に設けられた導電性のパッドと、前記基板の一面に実装されたパワー半導体と、前記パワー半導体とパッドとを電気的に接続する電気接続部材と、前記基板において、パワー半導体が実装される位置に設けられ、基板の一面から他面へ貫く導体と、前記基板において、パッドを有する位置に設けられ、前記絶縁性の板体よりも熱伝導率の高い部材よりなる熱伝導部と、前記基板の他面側に設けられた放熱器とを備える。
【００１０】
パワー半導体で発生した熱は、基板に設けられた導体を介して放熱器に伝わる。さらにパワー半導体の熱は、電気接続部材、パッド、および熱伝導部を介して放熱器に伝えられる。パワーモジュールは複数の放熱経路を有する。
【００１１】
前記熱伝導部は、前記絶縁性の板体よりも熱伝導率の高い導体または樹脂を含む。また前記熱伝導部は、基板の一面から他面へ貫く導体を含む。基板の中で熱伝導部の熱伝導率を高めることによって、パワー半導体の放熱経路を形成する。
【００１２】
前記電気接続部材は、導電性のワイヤ、導電性のテープ、または導電性の板である。電気接続部材は、導電性の物質であり、熱伝導率が高く、パワー半導体の熱がパッドに伝えられる。
【００１３】
前記パワー半導体が、ヒートスプレッダを介して基板に実装されている。パワー半導体の熱は、ヒートスプレッダによって拡散される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、パワー半導体で発生した熱を放熱器に伝導させるための放熱経路が増えたため、パワー半導体に対する冷却能力が向上している。放熱器の大型化はされていないため、パワーモジュールの小型化に対応することが可能である。冷却能力が向上した分、パワー半導体の発熱量が増加しても、パワー半導体を動作させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】導電性のワイヤを使用したパワーモジュールを示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】パワーモジュールにヒートスプレッダを設けた図である。
【図３】導電性のテープを使用したパワーモジュールを示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】導電性の板を使用したパワーモジュールを示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】シミュレーションに使用したパワーモジュールの上面図である。
【図６】熱伝導部の他の構成を示す図であり、（ａ）は導体を埋め込んだ図であり、（ｂ）は導体の粒子を埋め込んだ図である。
【図７】従来のパワーモジュールを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明のパワーモジュールについて図面を用いて説明する。図面は模式的に示しており、実際の大きさとは異なる場合がある。
【実施例１】
【００１７】
図１に示すパワーモジュール１０ａは、基板１２、基板１２の一面に設けられた導電性のパッド１４、基板１２の一面に実装されたパワー半導体１６、パッド１４とパワー半導体１６とを電気接続するワイヤ１８ａ、基板１２の一面から他面を貫くサーマルビア２０、基板１２よりも熱伝導率の高い部材よりなる熱伝導部２２ａ、および基板１２の他面側に設けられた放熱器２４を備える。
【００１８】
基板１２は、絶縁性の板体であり、樹脂基板またはセラミック（アルミナ）基板である。樹脂基板であれば、例えばガラスクロス含浸エポキシ樹脂基板などが挙げられる。説明では、パワー半導体１６が実装される側の面を一面、放熱器２４が設けられる側の面を他面として説明する。
【００１９】
パッド１４は、銅や銅合金などの導体箔である。基板１２には導体箔によって配線パターンが形成されており、その一部がパッド１４となる。説明の便宜上、図では配線パターンを省略している。基板１２にはパワー半導体１６以外の電子部品が実装されており、それらの電子部品は配線パターンに接続される。
【００２０】
パワー半導体１６はベアチップであり、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）やＦＷＤ（free wheeling diode）などが挙げられる。ＩＧＢＴのベアチップの場合、基板１２側にコレクタ、基板１２の反対側にエミッタとゲートが配置される。コレクタが基板１２の導体箔２６の上にハンダ２８によって実装され、エミッタはワイヤ１８ａによってパッド１４に接続する。また、ＩＧＢＴのゲートも他のパッド１９にワイヤ１５で接続される。パワー半導体１６を樹脂封止して、保護する。
【００２１】
ワイヤ１８ａは導体であり、アルミニウムワイヤなどが挙げられる。ＩＧＢＴのエミッタに接続されるワイヤ１８ａであれば、大電流に耐えるために例えば直径３５０μｍのワイヤ１８ａを３本使用する。ワイヤ１８ａはボンディング装置を使用して接続する。信号伝達に使用するワイヤ（直径約２０〜７５μｍ）に比べて太く、複数本あるため、パワー半導体１６の熱がパッド１４まで伝導される。
【００２２】
基板１２において、パワー半導体１６を実装する位置には、サーマルビア２０が設けられる。サーマルビア２０は、基板１２の一面から他面まで貫かれた複数の導体で構成される。基板１２の表面において、複数の導体は導体箔２６で接続されている。サーマルビア２０の形成は、基板１２に複数のビアホールを空け、ビアホールの内壁にメッキを施す。ビアホールには導体または樹脂を埋め込む。サーマルビア２０は導体で形成されるため、基板１２よりも熱伝導率が高い。そのため、パワー半導体１６の熱は、サーマルビア２０を介して放熱器２４に伝導される。
【００２３】
サーマルビア２０の代わりに大きな１つの穴を設けて、内壁にメッキを施し、導体を埋め込んでも良い。サーマルビア２０の部分を全て導体にして、熱伝導率を大きくする。
【００２４】
基板１２の他面には放熱器２４が設けられ、放熱をおこなう。放熱器２４は、熱伝導性の高い金属板が挙げられる。基板１２と放熱器２４との間には絶縁層３０を設けて、放熱器２４によって短絡を起こさないようにする。基板１２と放熱器２４は、ねじによって固定される。
【００２５】
パワーモジュール１０ａを空気調和機のインバータ装置に適用した場合、基板１２の他面側には冷却装置が取り付けられる。冷却装置は、冷媒が通過する配管、配管を覆う冷媒ジャケット、および冷媒ジャケットに取り付けられる伝熱板で構成される。上記の放熱器２４は伝熱板に対応する。また、上記の冷媒ジャケット以外に空冷のヒートシンクも挙げられる。冷媒ジャケットやヒートシンクは、伝熱板を介する場合と介さない場合がある。伝熱板を介さない場合、ヒートシンクのベース板や上記配管を覆う冷媒ジャケットが伝熱板２４の機能を有する。
【００２６】
熱伝導部２２ａは、基板１２におけるパッド１４を有する位置に設けられる。ワイヤ１８ａを経由してパッド１４に伝導されたパワー半導体１６の熱は、熱伝導部２２ａを介して放熱器２４に伝導される。サーマルビア２０以外に、パワー半導体１６に対する放熱経路が増え、冷却能力が上がる。
【００２７】
熱伝導部２２ａとしてサーマルビアが挙げられる。基板１２よりも熱伝導率の高い導体を複数本備えることによってパッド１４に伝えられた熱を放熱器２４へ伝導しやすくしている。サーマルビアはパッドを有する位置全体に形成するようにする。
【００２８】
以上のように、本発明は従来と比べて放熱経路が増加されており、パワー半導体１６から放熱器２４までの熱抵抗が減少する。パワー半導体１６に対する冷却能力が高められている。パワーモジュール１０ａの小型化によって求められる冷却性能の向上が可能になる。
【実施例２】
【００２９】
パワー半導体１６は、ヒートスプレッダ３２を介して基板１２に実装されても良い（図２）。ヒートスプレッダ３２は、例えば約１ｍｍ厚の導体板である。実装する際、導体箔２６とヒートスプレッダ３２とがハンダ３４で接続され、ヒートスプレッダ３２とパワー半導体１６とがハンダ２８で接続される。パワーモジュール１０ｄは、パワー半導体１６の熱をヒートスプレッダ３２で拡散させて、放熱性能を上げることができる。パワー半導体１６から放熱器２４までの熱抵抗が下げられる。
【実施例３】
【００３０】
上記実施例では電気接続部材としてワイヤ１８ａを挙げたが、ワイヤ１８ａに限定されない。図３のパワーモジュール１０ｂのように、導電性のテープ（フィルム）１８ｂを使用してもよい。また、図４のパワーモジュール１０ｃのように、導電性の板１８ｃを使用しても良い。パワー半導体１６の上面の電極とパッド１４とが接続されるのであれば、導電性の板１８ｃの形状は図４の形状に限定されない。これらのテープ１８ｂや板１８ｃは、金属球からなるバンプやハンダを使用して接続する。ワイヤ１８ａに比べて断面積が大きくなるため、熱伝導が良くなる。パワー半導体１６に対する冷却能力が向上する。
【００３１】
各電気接続部材における従来と本発明との熱抵抗のシミュレーション結果を説明する。基板１２は１．６ｍｍ厚のガラスクロス含浸エポキシ樹脂基板である。基板１２の上に１００μｍ厚のハンダを介して１ｍｍ厚のヒートスプレッダ３２を取り付け、ヒートスプレッダ３２の上に１００μｍ厚のハンダを介して２つのパワー半導体１６を実装した（図５）。パワー半導体１６はＩＧＢＴとＦＷＤである。ＩＧＢＴのエミッタとＦＷＤのアノードを電気接続部材で接続し、いずれかのパワー半導体１６とパッド１４とを電気接続部材で接続した。
【００３２】
各電気接続部材は、導電性のワイヤ１８ａ、導電性のテープ１８ｂ、および導電性の板１８ｃである。図５はワイヤ１８ａを使用した図である。ワイヤ１８ａは直径３５０μｍのアルミニウムワイヤであり、３本使用した。テープ１８ｂは、幅１．５ｍｍ、厚み０．２７５ｍｍのアルミニウムテープを１本使用した。板１８ｃは、幅１．５ｍｍ、厚み０．５ｍｍの銅板を１枚使用した。
【００３３】
本発明のパワーモジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、基板１２におけるパッド１４を有する位置に熱伝導部２２ａとしてサーマルビアを設けた。サーマルビアの各ビアホールは、直径０．４５ｍｍ、ビアホール内の銅箔厚み０．０２ｍｍ、ビアホール同士のピッチは０．７ｍｍである。一方、従来のパワーモジュール５０は、基板１２のパッド１４を有する位置にサーマルビアを設けていない。表１に従来と比べた本発明の熱抵抗の低下率を示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
表１に示すように、放熱経路が増えたため、従来と比べてパワー半導体１６から放熱器２４までの熱抵抗が低下されている。言い換えると、従来と比べて放熱性能が向上している。断面積が大きくなるほど熱抵抗が下がるため、導電性の板１８ｃを使用するのが好ましいことが分かる。
【実施例４】
【００３６】
熱伝導部２２ａはサーマルビアに限定されない。例えば、図６（ａ）に示すパワーモジュール１０ｅは、熱伝導部２２ｂとして、基板１２におけるパッド１４の有する位置が全て導体である。サーマルビアよりも導体の割合が高くなるため、熱伝導率が高められる。
【００３７】
また、図６（ｂ）のパワーモジュール１０ｆは、熱伝導部２２ｃとして、基板１２におけるパッド１４を有する位置に、導体の粉２２ｃを複数埋め込んでいる。粉２２ｃの大きさは、基板１２からはみ出さない大きさであれば任意である。導体の粉２２ｃが含まれる分、熱伝導率が高くなる。埋め込むための方法は、基板１２におけるパッド１４を有する位置に穴を空け、樹脂と共に粉２２ｃを埋め込む方法が挙げられる。
【００３８】
さらに、熱伝導部として、基板１２よりも熱伝導率の高い樹脂を使用してもよい。例えば、アルミナや窒化アルミナなどの微粒子をエポキシ系樹脂に混合させたものが挙げられる。熱伝導率を高くするためには、アルミナよりも窒化アルミナを混合した樹脂を使用するのが好ましい。
【実施例５】
【００３９】
パワー半導体１６がＩＧＢＴの場合、さらにゲートに接続されるパッド１５の位置に上述した熱伝導部２２ａ，２２ｂ，２２ｃを設けても良い。
【００４０】
その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。
【符号の説明】
【００４１】
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ：パワーモジュール
１２：基板
１４：パッド
１６：パワー半導体
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ：電気接続部材
２０：サーマルビア
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ：熱伝導部
２４：放熱器
２６：導体箔
２８，３４：ハンダ
３０：絶縁層
３２：ヒートスプレッダ
【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】
2011192762.tif 000009
【図７】
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