(57)【要約】【課題】ワイヤボンディングやリボン電線を用いた接続方法により半導体ベアチップを基板に実装するパワーモジュールの放熱性を向上させることにある。【解決手段】一面と他面とを有する基板１１と、基板１１の一面側に配設されるヒートスプレッダ１２と、ヒートスプレッダ１２を介して基板１１に実装される半導体ベアチップ１３と、基板１１に実装された半導体ベアチップ１３を封止する封止材１４と、基板１１の他面側に設けられた放熱器１５と、を備えたパワーモジュール１０において、ヒートスプレッダ１２に、基板１１及び半導体ベアチップ１３それぞれと熱接触する板状の第一拡散部１２１と、第一拡散部１２１から基板１１の反対方向に起立する一又は複数の第二拡散部１２２とを設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面と他面とを有する基板と、
前記基板の一面側に配設されるヒートスプレッダと、
前記ヒートスプレッダを介して前記基板に実装される半導体ベアチップと、
前記基板に実装された前記半導体ベアチップを封止する封止材と、
前記基板の他面側に設けられた放熱器と、を備え、
前記ヒートスプレッダが、前記基板及び前記半導体ベアチップそれぞれと熱接触する板状の第一拡散部と、該第一拡散部から前記基板の反対方向に起立する第二拡散部とを備えることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記基板の一面に設けられた電極パッドと、
前記半導体ベアチップと前記電極パッドとを電気的に接続する電気接続部材と、を備え、
前記第二拡散部が、前記電気接続部材に対して非接触であることを特徴とする、請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記第二拡散部が、板状又は棒状であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記第二拡散部の一部が前記封止材から露出していることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一つに記載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、基板に半導体素子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】
従来から、半導体素子をベアチップの状態で樹脂基板などに実装したパワーモジュールが知られている。このようなパワーモジュールは、例えば、空気調和機などの電力機器に用いられ、電力の変換や制御を行う。
【０００３】
図８に示す従来のパワーモジュール８０は、基板１の一面側に半導体ベアチップ３がヒートスプレッダ２を介して実装されており、基板１の他面側に放熱器５が絶縁層（図示省略）を介して設けられている。基板１の一面側には電極パッド６が形成されており、半導体ベアチップ３の上面にある端子（図示省略）と電極パッド６とが電気接続部材７で接続されている。半導体ベアチップ３は樹脂などの封止材４により保護される。基板１において、ヒートスプレッダ２と熱接触する箇所には周知のサーマルビア８が設けられている。半導体ベアチップ３で発生した熱はヒートスプレッダ２、基板１のサーマルビア８を介して放熱器５に伝導される。ヒートスプレッダ２が熱を拡散させるため、パワーモジュール８０の放熱性を向上させることができる。
【０００４】
近年、電力機器の多機能化などにより、その動作のために相応の電力量が必要とされる。一方で、パワーモジュールは小型化が要求されており、その要求に応じると単位面積（あるいは単位体積）あたりの発熱量が高くなる。したがって、パワーモジュールの放熱対策が重要となる。
【０００５】
図８に示すパワーモジュール８０においては、ヒートスプレッダ２の面積が大きいほど基板１のサーマルビア８を介した放熱器５との接触面積が大きくなりパワーモジュール８０の放熱性が向上する。しかしながら、ヒートスプレッダ２の面積を拡大すると、パワーモジュール８０のサイズも大きくなってしまうため、パワーモジュール８０の小型化に対する要求に応じることができない。
【０００６】
例えば、樹脂基板などに比べて熱伝導率が高いAl基板などの金属基板を用いることによってパワーモジュール８０の放熱性をさらに向上させることもできるが、Al基板は樹脂基板に比べて高価であり、コスト上好ましくない。
【０００７】
下記特許文献に、半導体チップを覆うようにヒートスプレッダを設け、このヒートスプレッダに放熱フィンが取付けられた電子装置が開示されている。半導体チップで発生した熱がヒートスプレッダを介して放熱フィンに伝達されることにより放熱が行われる。ヒートスプレッダには半導体チップの形状に対応する凹部が形成されており、この凹部に半導体チップが収容されるため、互いに熱接触する面積が増加し、放熱効率が向上する。
【０００８】
しかしながら、特許文献は、ワイヤボンディングやリボン電線を用いた接続方法を考慮したものではない。したがって、パワーモジュール８０に適用することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−２１３８４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものであり、本発明の目的は、ワイヤボンディングやリボン電線を用いた接続方法により半導体ベアチップを基板に実装するパワーモジュールの放熱性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のパワーモジュールは、一面と他面とを有する基板と、基板の一面側に配設されるヒートスプレッダと、ヒートスプレッダを介して基板に実装される半導体ベアチップと、基板に実装された半導体ベアチップを封止する封止材と、基板の他面側に設けられた放熱器と、を備え、ヒートスプレッダが、基板及び半導体ベアチップそれぞれと熱接触する板状の第一拡散部と、第一拡散部から基板の反対方向に起立する第二拡散部とを備えることを特徴とする。半導体ベアチップで発生した熱はヒートスプレッダの第一拡散部および第二拡散部の方に拡散される。
【００１２】
本発明のパワーモジュールは、基板の一面に設けられた電極パッドと、半導体ベアチップと電極パッドとを電気的に接続する電気接続部材と、を備え、第二拡散部が、電気接続部材に対して非接触である。
【００１３】
本発明のパワーモジュールは、第二拡散部が、板状又は棒状である。
【００１４】
本発明のパワーモジュールは、第二拡散部の一部が封止材から露出している。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るパワーモジュールによれば、ヒートスプレッダの第一拡散部から基板の反対方向に起立するように第二拡散部を設けているため、ヒートスプレッダが基板と熱接触する部分の面積を拡大することなく、ヒートスプレッダ全体としての表面積を拡大することができる。これにより、熱の拡散量が向上し、パワーモジュールの放熱性が向上すると同時に、パワーモジュールの小型化に対する要求にも対応可能となる。
【００１６】
本発明に係るパワーモジュールによれば、ヒートスプレッダの第二拡散部が、電気接続部材に対して非接触となるように設けられるため、電気接続部材が半導体ベアチップと電極パッドとを電気的に接続する際の妨げにならない。これにより、ワイヤボンディングやリボン電線を用いた接続方法により半導体ベアチップを基板に実装するパワーモジュールに適用することができる。
【００１７】
本発明に係るパワーモジュールによれば、第二拡散部が板状又は棒状に形成可能であるため、電気接続部材の配置に対する自由度が高い。これにより、半導体ベアチップの端子と基板上の電極パッドとの位置関係について、多種のパターンに対応することが可能となる。
【００１８】
本発明に係るパワーモジュールによれば、第二拡散部の一部が封止材から露出しているため、ヒートスプレッダにより拡散された熱を、封止材を介することなく空気へ熱伝導させることができる。これにより、パワーモジュールの放熱性をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第一の実施形態に係るパワーモジュールを示す（ａ）平面図及び（ｂ）A1−A1線に沿った断面図である。
【図２】第一の実施形態に係るパワーモジュールを示すA2−A2線（図１（ａ）参照）に沿った断面図である。
【図３】第一の実施形態に係るパワーモジュールの変形例を示す（ａ）平面図及び（ｂ）B1−B1線に沿った断面図である。
【図４】第二の実施形態に係るパワーモジュールを示す（ａ）平面図及びC1−C1線に沿った断面図である。
【図５】第三の実施形態に係るパワーモジュールを示す断面図である。
【図６】第一の実施形態に係るパワーモジュールの他の変形例を示す断面図である。
【図７】第三の実施形態に係るパワーモジュールの変形例を示す断面図である。
【図８】従来のパワーモジュールを示す（ａ）平面図及び（ｂ）D1−D1線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係るパワーモジュールの実施形態について図面を用いて説明する。本明細書において、各図面は概略的に示されており、同一の符号で示されている場合は、同一の構成を示すものとする。本明細書において、基板の一面とは、半導体ベアチップなどが設けられる側の面を示すものとし、基板の他面とは、放熱器が設けられる側の面を示すものとする。説明の便宜上、各図面の平面図においては封止材の図示を省略しており、各断面図（図２を除く）においては電極パッド及び電気接続部材の図示を省略している。
【００２１】
図１および図２に示すように、第一の実施形態に係るパワーモジュール１０は、基板１１と、基板１１の一面に設けられたヒートスプレッダ１２と、ヒートスプレッダ１２を介して基板１１に実装された半導体ベアチップ１３と、半導体ベアチップ１３を封止する封止材１４と、基板１１の他面に設けられた放熱器１５とを備える。
【００２２】
基板１１は、絶縁性の板体である。基板１１には電子回路が形成されている。基板１１は、具体的には、エポキシ樹脂などを用いた樹脂基板またはアルミナなどを用いたセラミック基板が挙げられる。さらに具体的には、基板１１はガラスエポキシ樹脂基板などである。図示しないが、基板１１には、周知のサーマルビア１８が適宜設けられている。このサーマルビア１８を介して、ヒートスプレッダ１２から放熱器１５への熱伝導および半導体ベアチップ１３と前記電子回路との接続が行われる。
【００２３】
ヒートスプレッダ１２は、熱伝導率の高い導体である。ヒートスプレッダ１２は半導体ベアチップ１３の熱を効果的に拡散させる。ヒートスプレッダ１２は、基板１１に設けられたサーマルビア１８の上に半田付けされる。
【００２４】
ヒートスプレッダ１２は、第一拡散部１２１と第二拡散部１２２とを備える。第一拡散部１２１は板状に形成されており、基板１１および半導体ベアチップ１３それぞれと熱接触している。第二拡散部１２２は板状に形成されており、第一拡散部１２１から基板１１の反対方向に垂直に起立している。第一拡散部１２１の端部に第二拡散部１２２が形成される。この第二拡散部１２２は、折り曲げ成形又は深絞り成形などの任意の方法で第一拡散部１２１と一体的に形成される。なお、第二拡散部１２２は必ずしも第一拡散部１２１の端部に形成される必要はない。例えば、溶接などの方法により第一拡散部１２１の端部よりも内側に形成してもよい。
【００２５】
ヒートスプレッダ１２の大きさは、半導体ベアチップ１３の大きさ、封止材１４の幅や厚みなどに応じて適宜設計される。第一拡散部１２１および第二拡散部１２２それぞれの厚みは、例えば約１ｍｍであるが、さらに薄く形成してもよい。第一拡散部１２１の厚みと第二拡散部１２２の厚みとは必ずしも同一である必要はなく、互いの厚みが異なるように形成してもよい。
【００２６】
ヒートスプレッダ１２の材質としては、熱伝導率が高く熱膨張率が低い銅や銅を含む合金などの金属材料を用いるのが好ましい。熱の拡散効率が向上にするとともに、熱変形を防ぐことができる。
【００２７】
半導体ベアチップ１３は、電力機器において、電力の変換、制御を行うための電子部品である。半導体ベアチップ１３は、例えば、トランジスタやダイオードなどの半導体素子であり、さらに具体的にはIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）やFWD（Free Wheeling Diode）などが挙げられる。半導体ベアチップ１３はヒートスプレッダ１２の第一拡散部１２１上に電気的及び熱的に接続するようにして基板１１の一面側に実装される。半導体ベアチップ１３と基板１１に形成された電子回路とがヒートスプレッダ１２及び周知のサーマルビア１８を介して熱的に接続される。サーマルビア１８を介さずに基板１１の電子回路に接続してもよい。例えば、IGBTのベアチップの場合は、コレクタが第一拡散部１２１に接続される。
【００２８】
封止材１４は、半導体ベアチップ１３を封止して保護するためのものであり、基板１１の一面側に設けられる。封止材１４の材質としては、高耐熱性で熱応力が低い熱硬化性樹脂が挙げられ、さらに具体的にはエポキシ樹脂やフェノール樹脂、又はこれらを組み合わせた合成樹脂などが挙げられる。熱による変形を防ぐことができるからである。封止材１４は、注型成形や圧縮成形などの方法により直方体状など任意の形状に形成され、半導体ベアチップ１３の全体を覆うことにより、半導体ベアチップ１３を保護する。このとき、ヒートスプレッダ１２も同時に封止材１４で覆われる。短絡を防止するためである。
【００２９】
放熱器１５は、半導体ベアチップ１３で発生する熱を放熱するためのものであり、基板１１の他面に設けられる。放熱器１５は、例えば熱伝導性が高い金属板、ヒートシンク、冷媒ジャケットなどが挙げられ、これらは任意に選択可能である。放熱器１５と基板１１との間には、短絡を防止するために不図示の絶縁層が設けられる。放熱器１５はねじなどの任意の取付け手段により基板１１に取付けられる。
【００３０】
また、パワーモジュール１０において、基板１１の一面側には電極パッド１６が設けられている。半導体ベアチップ１３の上面にある不図示の端子と、この電極パッド１６とが電気接続部材１７で接続される。このとき、第二拡散部１２２と電気接続部材１７とは非接触である。
【００３１】
電極パッド１６は、導電性が高い導体箔である。この導体箔によって基板１１の一面に電子回路の配線パターンが形成されており、電極パッド１６はその一部である。電極パッド１６の材質としては、例えば、金属材料などが挙げられ、さらに具体的には、銅や銅を含む合金などが挙げられる。
【００３２】
電気接続部材１７は、半導体ベアチップ１３の端子（図示省略）と電極パッド１６とを電気的に接続する導体であり、具体的には、導電性ワイヤや導電性テープである。導電性ワイヤの径や導電性テープの幅、及びこれらの長さなど、電気接続部材１７の大きさは、電流量や配線パターンに応じて適宜設計される。図２に示すように、電気接続部材１７はワイヤボンディングやリボン電線を用いた接続方法により半導体ベアチップ１３側から電極パッド１６側へ架けられることによって接続される。電気接続部材１７の材質としては、金属材料が挙げられ、具体的には銅、アルミニウム、銀、金などが挙げられる。
【００３３】
電気接続部材１７とヒートスプレッダ１２が接触すると電気的な短絡が生じる。そのため、ヒートスプレッダ１２の第二拡散部１２２が、電気接続部材１７に対して非接触となるように設けられる。言い換えれば、電気接続部材１７がヒートスプレッダ１２の第一拡散部１２１上を横切る箇所には第二拡散部１２２が設けられていない。このため、ワイヤボンディングやリボン電線を用いた接続方法を阻害することなく電気接続部材１７を半導体ベアチップ１３側から電極パッド１６側に架けて電気的に接続することができる。例えば、ワイヤボンディングを行う場合は、ボンディングヘッドが第二拡散部１２２と接触しないようにする必要があるが、ボンディングワイヤの高さを上げる必要はない。
【００３４】
次に、本実施形態のパワーモジュール１０の放熱の作用について説明する。半導体ベアチップ１３で発生した熱は、主にヒートスプレッダ１２の第一拡散部１２１に伝導される。第一拡散部１２１は半導体ベアチップ１３よりも面積が大きいため、伝導された熱が第一拡散部１２１において拡散される。この拡散された熱は、さらに基板１１のサーマルビア１８を介して放熱器１５へと伝導され、パワーモジュール１０の放熱が行われる。
【００３５】
一方、第一拡散部１２１に伝導された熱の一部は第二拡散部１２２に伝導される。第二拡散部１２２に伝導された熱は、封止材１４を介して空気へと伝導され放熱される。第二拡散部１２２は第一拡散部１２１から起立して設けられているため、封止材１４の高さ方向及び側面に向かう方向への熱伝導率が従来の板状のヒートスプレッダに比べて高い。このため、従来に比べて基板１１の一面側からの空気冷却によるパワーモジュール１０の放熱性を向上させることができる。
【００３６】
上述のとおり、パワーモジュール１０は、従来の放熱器１５による放熱に加えて、第二拡散部１２２及び封止材１４を介した空気冷却による放熱が可能である。言い換えれば、基板１１の一面及び他面の両面側で放熱が可能である。
【００３７】
このように、ヒートスプレッダ１２が第二拡散部１２２を備えることにより、従来に比べてヒートスプレッダ１２全体の表面積が拡大される。このため、半導体ベアチップ１３で発生した熱の拡散量が向上し、パワーモジュール１０の放熱性を向上させることができる。第一拡散部１２１の面積を拡大することなく、ヒートスプレッダ１２全体としての表面積を拡大することができるため、パワーモジュールの小型化に対する要求にも対応可能である。
【００３８】
以上、本発明の第一の実施形態に係るパワーモジュール１０について説明したが、本発明に係るパワーモジュールは、その他の形態で実施することができる。
【００３９】
例えば、図３に示すパワーモジュール２０のように、FWDなどのダイオード型の半導体ベアチップ２３を基板１１に実装する場合は、ヒートスプレッダ２２を用いてもよい。ヒートスプレッダ２２は、板状に形成された第一拡散部２２１と、第一拡散部２２１から基板１１の反対方向に垂直に起立し、第一拡散部２２１の三辺に接続される第二拡散部２２２とから成る。第二拡散部２２２は、複数の板状部材を連結して形成してもよく、押出成形などにより一の部材として形成してもよい。この場合も、第二拡散部２２２と電気接続部材１７とを互いに非接触とすることができる。
【００４０】
また、図４に示す第二の実施形態に係るパワーモジュール３０のように、ヒートスプレッダ３２の第一拡散部３２１から基板１１の反対方向に起立する第二拡散部３２２を棒状に形成してもよい。ワイヤボンディングなどを行う際に、電極パッド１６の配置との関係上、図４に示すように電気接続部材１７が第一拡散部３２１付近に位置する場合があるが、第二拡散部３２２を棒状に形成することで、第二拡散部３２２と電気接続部材１７とを互いに非接触とすることができる。
【００４１】
電極パッド１６の配置に応じて、板状あるいは棒状の第二拡散部３２２を適宜組み合わせて形成したヒートスプレッダを用いてもよい。これにより、電気接続部材１７の配置に対する自由度が高くなり、半導体ベアチップ１３の端子と基板１１上の電極パッド１６との位置関係について、多種のパターンに対応することが可能となる。
【００４２】
図５に示す第三の実施形態に係るパワーモジュール４０のように、ヒートスプレッダ１２の第二拡散部１２２の一部を露出させた形態であってもよい。ヒートスプレッダ１２の熱伝導率は封止材１４の熱伝導率よりも高いため、封止材１４から空気への放熱効率と比べて露出部１２３から空気への放熱効率のほうが高い。第二拡散部１２２の一部（露出部１２３）が封止材１４から露出しているため、ヒートスプレッダ１２により拡散された熱を、封止材１４を介することなく空気へ伝導させることができる。これにより、パワーモジュール４０の放熱性を向上させることができる。
【００４３】
図６に示すパワーモジュール５０に設けられたヒートスプレッダ１２ａのように、第二拡散部１２２ａが、第一拡散部１２１から斜めに起立するように形成されていてもよい。上記パワーモジュール１０に設けられた、第二拡散部１２２が第一拡散部１２１から垂直に起立するヒートスプレッダ１２と比べて表面積をさらに拡大させることができる。
【００４４】
図７に示すパワーモジュール６０のように、ヒートスプレッダ１２ｂの第二拡散部１２２ｂに鍔部を設け、この鍔部を露出部１２３ｂとして封止材１４から露出させた形態であってもよい。上記パワーモジュール４０に設けられたヒートスプレッダ１２の露出部１２３と比べて露出部１２３ｂの面積が広いためパワーモジュール６０の放熱性をさらに向上させることができる。
【００４５】
本発明のパワーモジュールは、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、ボンディングヘッドがヒートスプレッダの第二拡散部と接触しないようにワイヤボンディングを行い得るスペースさえ確保できれば、可能な限り広範囲にわたってヒートスプレッダの第二拡散部を設けてもよい。第一拡散部の周縁部から起立する平面形状がロの字状の第二拡散部に必要最小限の切欠き部を形成したヒートスプレッダを用いることもできる。
【００４６】
あるいは、ヒートスプレッダの上に複数のパワー半導体、例えばIGBTとFWDを並列に接続することによりインバータ回路を形成することもできる。
【００４７】
このように、本発明のパワーモジュールは、基板に実装する半導体ベアチップの発熱量、電極パッドを含む電子回路の配線パターン、放熱器の性能など、様々な条件に応じて上記実施形態に挙げた技術を組み合せて適宜設計したヒートスプレッダを備えたパワーモジュールとして実施することができる。
【００４８】
尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づいて種々なる改良、修正、又は変形を加えた態様でも実施できる。また、同一の作用又は効果が生じる範囲内で、何れかの発明特定事項を他の技術に置換した形態で実施しても良い。
【符号の説明】
【００４９】
１、１１：基板
２、１２、１２ａ、１２ｂ、２２、３２：ヒートスプレッダ
３、１３、２３：半導体ベアチップ
４、１４：封止材
５、１５：放熱器
６、１６：電極パッド
７、１７：電気接続部材
８、１８：サーマルビア
１２１、２２１、３２１：第一拡散部
１２２、１２２ａ、１２２ｂ、２２２、３２２：第二拡散部
１２３、１２３ｂ：露出部
１０、２０、３０、４０、５０、６０、８０：パワーモジュール
【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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