(57)【要約】【課題】放熱性に優れ、特に冷却器の熱変形による影響が回路ユニットに付与され難く、さらに、両面冷却構造のパワーモジュールに比して製造コストが廉価なパワーモジュールを提供する。【解決手段】半導体素子１がはんだ層３，３を介して少なくとも２つの基板２，２で挟持されて回路ユニット４を形成し、この回路ユニット４が第１の冷却器９の一側面側に配されてなるパワーモジュール１０において、２つの第２の冷却器６，６が第１の冷却器９と熱連通しながらその一側面から立設しており、２つの基板２，２のそれぞれが２つの第２の冷却器６，６のそれぞれと間隔を置いて対向し、回路ユニット４と第１の冷却器９の間、および、基板２と第２の冷却器６の間に絶縁樹脂体８が介層されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子がはんだ層を介して少なくとも２つの基板で挟持されて回路ユニットを形成し、この回路ユニットが第１の冷却器の一側面側に配されてなるパワーモジュールにおいて、
２つの第２の冷却器が前記第１の冷却器と熱連通しながら前記一側面から立設しており、
２つの基板のそれぞれが２つの第２の冷却器のそれぞれと間隔を置いて対向し、回路ユニットと第１の冷却器の間、および、基板と第２の冷却器の間に絶縁樹脂体が介層されてなるパワーモジュール。
【請求項２】
前記第２の冷却器が前記第１の冷却器の一部である請求項１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】
本発明はパワーモジュールに係り、特に、放熱性に優れ、熱応力が回路ユニットを構成するはんだ層に生じ難いパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子を搭載したパワーモジュールにおいては、該素子からの発熱を効率よく放熱し、発熱時においても基準温度以下となるような調整が図られている。
【０００３】
ここで、従来のパワーモジュールの構造を図４，５に基づいて説明する。図４で示すパワーモジュールＰ１は、従来のパワーモジュールの一般構造を示すものであり、半導体装置ａがはんだ層ｃを介して絶縁基板ｂ１（窒化アルミニウム（ＡｌＮ）板や純アルミニウム板の積層体等からなる）に固定されて回路ユニットを形成し、絶縁基板ｂ１が放熱板ｑ１（ヒートシンク）と冷媒還流器ｑ２から構成された冷却器ｑにロウ付けもしくは接着剤にて接合され、回路ユニットを包囲するハウジングｅの内側に封止樹脂体ｆが形成されてその全体が構成されたものである。ここで、この冷媒還流器ｑ２は、冷水等の冷媒を還流させる流路ｑ２ａを備え、流路ｑ２ａ内を還流する冷媒によって放熱板ｑ１からの放熱とクーリングを図っている。なお、この冷媒還流器の代わりに冷却フィンが適用される形態もある。
【０００４】
図４で示すパワーモジュールＰ１では、発熱源である半導体素子ａで生じた熱は、主として図示する矢印Ｑ１の一方向でその放熱がおこなわれる。
【０００５】
一方、図５で示すパワーモジュールＰ２は、半導体装置ａがはんだ層ｃ、ｃを介して上下２つの放熱性基板ｂ２、ｂ２（放熱ブロック）で挟持されて回路ユニットを形成し、それぞれの放熱性基板ｂ２が放熱グリス層ｈを介して冷却器ｑに接続され、回路ユニットが封止樹脂体ｆで包囲された構造を呈している。
【０００６】
図５で示す上下（もしくは左右）対象のパワーモジュールＰ２によれば、半導体装置ａで生じた熱を上下２つの方向Ｑ２で放熱できることから、パワーモジュールＰ１に比してその放熱性能は格段に向上する。
【０００７】
近時のパワーモジュールはその小型化が進んでおり、パワーモジュールの小型化に伴って半導体素子が発する熱もより大きなものとなり、かつ単位面積当りの熱量が増大している。また、パワーモジュールの小型化に伴って構成部材の熱拡散面積も低下している一方で、冷却器による冷却性能には自ずと限界がある。このような現状に鑑み、図４で示すパワーモジュールＰ１の放熱性能は、その放熱経路が半導体素子ａから冷却器ｑへの一方向の流れのみであり、発熱量の増大している近時のパワーモジュールにとっては十分な放熱性能を有するものとは言い難い。そこで、放熱経路を２方向とするべく、図５で示すような両面冷却構造のパワーモジュールＰ２が開発されているのが現状である。なお、この両面冷却構造のパワーモジュールが特許文献１に開示されている。
【０００８】
ところで、従来のパワーモジュールは図４，５で説明したように各種構成部材の多層積層構造となっているが、たとえば半導体素子の線膨張率が３ｐｐｍ／Ｋ程度、絶縁基板の線膨張率が４〜５ｐｐｍ／Ｋ程度、ヒートシンクアルミ板の線膨張率が２３ｐｐｍ／Ｋ程度と構成部材ごとに線膨張率が大きく異なっている。
【０００９】
そして、このパワーモジュールがハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される場合には、長期に亘り、しかも寒暖差が極めて激しい冷熱サイクルに対してその耐久性の確保が要求されることになる。しかし、上記するように構成部材ごとに線膨張率が大きく異なっていることから、それぞれの部材を直付けした場合には温度変化に起因する熱膨張差によって熱応力が構成部材間の接合部に生じ、たとえば構造弱部であるはんだ層等の界面で生じたクラックがパワーモジュールの耐久性を低下させる大きな要因となり得る。なお、構成部材の中でも剛性が格段に高い冷却器ｑの熱変形による他部材への影響が大きいことは周知の事実である。
【００１０】
両面冷却構造のパワーモジュールＰ２は、パワーモジュールＰ１に比して放熱性が向上することから、その各構成部材の熱変形量と構成部材間の熱変形差が緩和され、構造弱部であるはんだ層ｃにおけるクラックの発生も抑制されることになる。
【００１１】
しかし、パワーモジュールＰ１に比してパワーモジュールＰ２の部品点数は多く、特に冷媒還流器や冷却フィンを２つ要することからその製造コストは大幅に上昇してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−０２４１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、放熱性に優れ、特に回路ユニットが冷却器の熱変形による影響を受け難く、さらに、両面冷却構造のパワーモジュールに比して製造コストが廉価なパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成すべく、本発明によるパワーモジュールは、半導体素子がはんだ層を介して少なくとも２つの基板で挟持されて回路ユニットを形成し、この回路ユニットが第１の冷却器の一側面側に配されてなるパワーモジュールにおいて、２つの第２の冷却器が前記第１の冷却器と熱連通しながら前記一側面から立設しており、２つの基板のそれぞれが２つの第２の冷却器のそれぞれと間隔を置いて対向し、回路ユニットと第１の冷却器の間、および、基板と第２の冷却器の間に絶縁樹脂体が介層されてなるものである。
【００１５】
本発明のパワーモジュールは、回路ユニットを搭載する第１の冷却器（ヒートシンクのみ、もしくはヒートシンクと冷媒還流器や冷却フィンのユニット）の一側面から２つの第２の冷却器（たとえばヒートシンク）を立上げ、この２つの第２の冷却器の間に、回路ユニットを配設してなるものである。そして、この回路ユニットは半導体素子が少なくとも２つの基板で挟持されて構成されており、それぞれの基板（の面積の広い側面）が第２の冷却器と対向するように配設されたものである。
【００１６】
回路ユニットと第１の冷却器の間、および第２の冷却器と基板の間は、絶縁性を確保するべく絶縁樹脂体が介在している。
【００１７】
ここで、回路ユニットは、その構成部材の積層方向が従来構造のパワーモジュール（たとえば図４，５で示すパワーモジュール）のものから９０回動した方向となるように配設されており、従来構造のように、冷却器と回路ユニットの各構成部材が同方向に積層する構造ではない。
【００１８】
このように、回路ユニットの各構成部材の積層方向を従来構造のものと相違させたことにより、高剛性の冷却器が熱変形することによる回路ユニットへの影響はほとんど無くなる。
【００１９】
これは、従来構造のパワーモジュールにおいては回路ユニットの構成部材と冷却器が同一方向で積層していたことにより、相対的に高剛性の冷却器が熱変形した際に、この熱変形に起因する引張りや圧縮といった外力が回路ユニットの各構成部材に直接的に付与されていたのに対して、回路ユニットの構成部材の積層方向が冷却器に対して９０度回動して冷却器と平行もしくは略平行とされたことにより、回路ユニットには冷却器の熱変形に起因する外力が生じ難くなったことによるものである。
【００２０】
なお、本発明のパワーモジュールでは、回路ユニットと第１、第２の冷却器双方の間に絶縁樹脂体が介在していることから、冷却器の熱変形に起因する外力が回路ユニットに作用し難いという効果はより一層顕著なものとなっている。
【００２１】
さらに、回路ユニットを構成する半導体素子の両側に基板が配設され、双方の基板が第１の冷却器に熱連通する第２の冷却器に対向している。ここで、「対向」とは、基板を構成する側面の中で広い面積の側面が第２の冷却器に対向していることを意味している。この構成により、発熱源である半導体素子から生じた熱は２つの基板へ２方向に放熱され、双方の基板から第２の冷却器へ放熱された熱が第１の冷却器へ伝熱される。また、これに加えて、基板を構成する側面の中で第１の冷却器と対向する面積の小さな側面から第１の冷却器へも熱が放熱される。すなわち、放熱量の相対的に多い基板から第２の冷却器への放熱経路と、放熱量の相対的に少ない基板から第１の冷却器への放熱経路という４つの放熱経路で熱を放熱しながら第１の冷却器にてクーリングされることになる。
【００２２】
このように、本発明のパワーモジュールは従来の両面冷却構造のパワーモジュールのように半導体素子の両側に冷媒還流器を具備する冷却器を配することなく、４方向の放熱経路から放熱された熱を１つの冷媒還流器へ導くことで効果的にパワーモジュールの放熱をおこなうことができる。
【００２３】
なお、上記する冷却器の熱変形によって仮に絶縁樹脂体内にクラックが生じた場合でも、本発明のパワーモジュールは半導体素子から冷却器（第１の冷却器）へ複数の放熱経路を有していることから、クラック形成箇所における放熱性低下がパワーモジュール全体の放熱性に大きく影響するものとはなり難い。
【００２４】
ここで、上記する「基板」には、絶縁基板や放熱性基板（放熱性ブロック）なども含むものであり、回路ユニットの構成は、半導体素子と基板とこれらを繋ぐはんだ層のほかに、放熱グリス層や応力緩和材などがさらに積層された形態などを含んでいる。
【００２５】
また、第１の冷却器と第２の冷却器は、同素材で一体に成形されてもよいし、同素材で別体に成形され、ロウ付けや接着にて接続されてもよいし、別素材で別体に成形されたものが接続されてもよい。
【００２６】
たとえば、第１の冷却器がヒートシンクと冷媒還流器からなり、第２の冷却器もヒートシンクからなる場合に、双方のヒートシンクが成形型内で一体に成形されてもよく、第２の冷却器が第１の冷却器の全部もしくは一部と一体に成形される場合には、この第２の冷却器は第１の冷却器の一部と見なすことができる。
【００２７】
本発明のパワーモジュールは、図４で示す従来一般の構造のパワーモジュールに比して、放熱性能が格段に向上し、さらには、高剛性の冷却器の熱変形による外力が回路ユニットに作用することが抑制され、はんだ層等におけるクラックの発生も抑制される。
【００２８】
また、図５で示す両面冷却構造のパワーモジュールのように、冷媒還流器や冷却フィンを２基設けるものでないことから、たとえば図４で示すパワーモジュールと比較して製造コストが大きく上昇するものとはならない。
【００２９】
本発明のパワーモジュールは、上記のごとく放熱性に優れ、しかも構造弱部である回路ユニットのはんだ層にクラックが生じ難いことから、その耐久性も高い。したがって、本発明のパワーモジュールは、高い耐久性と放熱性が要求される近時のハイブリッド車や電気自動車に車載されるインバータ等に好適である。
【発明の効果】
【００３０】
以上の説明から理解できるように、本発明のパワーモジュールによれば、半導体素子を
２つの基板で挟持して回路ユニットを形成し、これらの部材の積層方向を第１の冷却器に対して平行もしくは略平行となるように回路ユニットを配設し、さらに、２つの基板を第１の冷却器に熱連通する２つの第２の冷却器のそれぞれに対向させた構成を有していることにより、半導体素子から第１の冷却器へ至るたとえば４つの放熱経路を具備することができ、かつ、回路ユニットが第１の冷却器の熱変形による影響を受け難くすることができる。これにより、この第１の冷却器の熱変形時に回路ユニットの中でも構造弱部であるはんだ層にクラックが生じることが効果的に抑制され、高耐久で放熱性に優れたパワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明のパワーモジュールの一実施の形態を示した縦断面図である。
【図２】図１で示すパワーモジュールにおいて、第１の冷却器が熱変形した際のパワーモジュールの変形モードを模擬した図である。
【図３】実験およびＣＡＥ解析で使用したパワーモジュールの構成を示した図であり、（ａ）は実施例を示した図であり、（ｂ）は比較例１を示した図であり，（ｃ）は比較例２を示した図である。
【図４】従来構造のパワーモジュールの一実施の形態を示した縦断面図である。
【図５】従来構造のパワーモジュールの他の実施の形態を示した縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示するパワーモジュールを構成する回路ユニットは、半導体素子をはんだ層を介して２つの放熱基板が挟持した形態であるが、回路ユニットがこれ以外の構成部材からなる積層構造を呈していてもよいことは勿論のことである。また、第１の冷却器を構成する冷媒還流器は冷却フィンであってもよい。
【００３３】
図１は本発明のパワーモジュールを模式的に示した縦断面図である。このパワーモジュール１０は、冷媒還流器７とヒートシンク５からなる第１の冷却器９と、このヒートシンク５から立設する２つの第２の冷却器６，６と、これら第１の冷却器９と第２の冷却器６，６の間に絶縁樹脂体８を介して配設された回路ユニット４と、から大略構成されている。
【００３４】
回路ユニット４は、中央の半導体素子１と、この半導体素子１の両側に配された２つの放熱性基板２，２と、これら半導体素子１と放熱性基板２を繋ぐはんだ層３とが積層して構成されている。
【００３５】
第１の冷却器９は、ヒートシンク５と、冷水もしくは冷風、冷油などの冷媒が流れる還流路７ａを具備する冷媒還流器７がロウ付け等で一体に構成されている。
【００３６】
このヒートシンク５から立設する第２の冷却器６もヒートシンクからなり、２つのヒートシンク６，６がそれらの端部でヒートシンク５とロウ付け、もしくは成形型内で一体に成形されることで、ヒートシンク５，６が熱連通した状態で一体に形成される。
【００３７】
そして、この回路ユニット４の各構成部材の積層方向Ｌ１は、第１の冷却器９（の広がり方向）に平行となっており、図４，５で示す従来構造のパワーモジュールＰ１，Ｐ２の回路ユニットの各構成部材の積層方向から９０度回動した姿勢となっている。
【００３８】
放熱性基板２は、その広幅な面積が第２の冷却器であるヒートシンク６と絶縁樹脂体８を介して対向しており、パワーモジュール１０の駆動時において発熱源である半導体素子１から生じた熱は、放熱性基板２から絶縁樹脂体８を介してヒートシンク６に放熱され（Ｘ１方向）、この熱はヒートシンク６が熱連通するヒートシンク５へ伝熱され（Ｘ２方向）、ヒートシンク５下方の冷媒還流器７にて放熱もしくはクーリングされる。
【００３９】
すなわち、半導体素子１の両側に位置する放熱性基板２，２から第２の冷却器６，６を介して１つの第１の冷却器９へ放熱される２つの放熱経路が形成されている。
【００４０】
上記する２つの放熱経路が主たる放熱経路となるが、これ以外にも、放熱性基板２の下方端面から封止樹脂体８を介して直接的に第１の冷却器９へ放熱される別途の放熱経路（Ｘ３方向）も存在しており、したがって、図示するパワーモジュール１０は、少なくとも４つの放熱経路を有しており、放熱性能に優れたパワーモジュールとなっている。
【００４１】
ここで、放熱性基板２とヒートシンク５，６の間の離間（これらの位置での絶縁樹脂体８の厚み）は、絶縁信頼性の観点から可及的に長いのが好ましく、放熱性の観点から可及的に短いのが好ましいものの、数百μｍまでの範囲で適宜の離間に調整されるのがよい。
【００４２】
また、図２は、図１で示すパワーモジュールにおいて、第１の冷却器が熱変形した際のパワーモジュールの変形モードを模擬した図である。より具体的には、パワーモジュール１０が駆動して発熱源である半導体素子１から熱が発生し、これが第１の冷却器９に及んで熱変形し、この熱変形による外力がその上部の構成部材に作用して変形している状態を示している。
【００４３】
他の構成部材に比して剛性の高い第１の冷却器９が熱変形して、たとえばその上方のヒートシンク５が側方に大きく伸び（Ｙ１方向）て全体が上に突の変形モードを呈した場合には、ヒートシンク５に繋がる２つのヒートシンク６，６はそれらの上方を外側に開くようにして傾斜する（Ｙ２方向）。
【００４４】
そして、この図示する変形モードでは、絶縁樹脂体８の上方が側方に引っ張られることによって絶縁樹脂体８の上方におけるヒートシンク６との界面でクラックＣが生じ易くなる。
【００４５】
また、図示を省略するが、第１の冷却器９が逆に下に突の変形モードを呈した場合には、絶縁樹脂体８の下方が側方に引っ張られることから、この下方のヒートシンク６との界面でクラックが生じ易くなる。
【００４６】
したがって、高剛性な第１の冷却器９の熱変形によって絶縁樹脂体８の一部でクラックが生じるものの、この熱変形による影響、すなわち、この熱変形に起因する引張りや圧縮といった外力は回路ユニット４にはほとんど作用しないことが理解できる。
【００４７】
このことは、図４，５で示す従来構造のパワーモジュールＰ１、Ｐ２の構造とパワーモジュール１０の構造を比較すると容易に理解できるが、パワーモジュール１０はその回路ユニット４を構成する各部材の積層方向が第１の冷却器９に対して平行となっているためである。
【００４８】
図２で示すように、第１の冷却器９の熱変形による外力が絶縁樹脂体８の一部に引張り力として付与され、ここでクラックが生じて応力が解放されることにより、回路ユニット４の構成部材にはこの熱変形に起因する外力は作用し難い。
【００４９】
したがって、従来構造のパワーモジュールにおける構造弱部が回路ユニットを構成するはんだ層であって、そのために冷却器の熱変形に起因する外力がこのはんだ層に作用してここにクラックを生じさせていた問題は、図示するパワーモジュール１０では生じ難い。
【００５０】
[本発明のパワーモジュール（実施例）と、従来のパワーモジュール（比較例１，２）に対する冷熱サイクル試験とその結果、およびＣＡＥ解析とその結果]
本発明者等は、図１で示す本発明のパワーモジュール（実施例）と、図４，５で示す従来構造のパワーモジュール（それぞれ比較例１，２）を試作し、それぞれのパワーモジュールに対して−４０℃と１７５℃の間で冷熱を３０００回繰り返す冷熱サイクル試験を実施し、この試験の初期と試験後で、それぞれの熱抵抗とはんだ層におけるクラック率、および絶縁樹脂体における接着率を測定した。
【００５１】
さらに、冷熱サイクル試験で使用したパワーモジュールをコンピュータ内でモデル化し、はんだ層における発生応力を求めるＣＡＥ解析を実施した。
【００５２】
図３に、本実験およびＣＡＥ解析で使用したパワーモジュールの構成を具体的に示しており、図３ａは実施例を、図３ｂは比較例１を、図３ｃは比較例２をそれぞれ示している。
【００５３】
以下、表１に実験で使用した実施例、比較例１，２の各構成部材の物性値を示しており、表２にＣＡＥ解析における実施例、比較例１，２の各構成部材の物性値を示している。また、表３に実験およびＣＡＥ解析の結果を示している。
【００５４】
【表１】
2011249696.tif 000003
2011249696.tif 000004
【００５５】
【表２】
2011249696.tif 000005
2011249696.tif 000006
【００５６】
【表３】
2011249696.tif 000007
【００５７】
本実験において、実施例、比較例１，２ともに、実験用の冷却板に放熱グリスを介して接触させてパワーモジュールを冷却し、この際、パワーモジュールを冷却板に押さえ付ける治具の締付けトルクにてグリス膜厚が一定になるように管理した。また、冷却器1の下面は二次加工にて反りを無くし、その影響を除外している。そして、熱抵抗に関する評価法は、半導体素子と冷却液温度の差を熱抵抗としている。
【００５８】
また、はんだクラック率に関する評価法は、Ｘ線ＣＴを測定し、各はんだ層の画像処理にて得たクラック率の悪い方の値を採用している。
【００５９】
また、絶縁樹脂の接着率に関する評価法は、超音波探傷により、実施例では冷却器2と基板3の界面を測定し、画像処理にて得た接着率を面ごとに乗じて（接着率：基板3×絶縁樹脂4）で、２面のうちで悪い方の値を採用している。一方、比較例１では、冷却器1と基板3の界面を測定し、実施例と同様の方法で算出している。
【００６０】
表３の実験結果およびＣＡＥ解析結果より、熱抵抗、はんだクラック率、絶縁樹脂の接着率のいずれも、冷熱サイクル試験後において、比較例１に比して実施例は結果の向上が確認できる。具体的には、実施例の結果は、熱抵抗に関しては比較例１の４０％未満に、はんだクラック率に関しては２０％未満に、絶縁樹脂の接着率は５０％以上の増加にそれぞれ改善されている。
【００６１】
また、ＣＡＥ解析の結果より、はんだ層における発生応力は比較例１の７６％にまで低下しており、はんだ層におけるクラック率の低減に寄与していることが分かる。
【００６２】
一方、実施例は比較例２に比して、熱抵抗に関してはサイクル試験初期は大きいものの、サイクル試験後は比較例２の８０％程度にまで低減しており、はんだクラック率は３０％程度にまで低減しており、絶縁樹脂の接着率は２０％程度の増加となっている。
【００６３】
これらの実験および解析結果より、従来構造の比較例１，２に比して本発明のパワーモジュールにかかる実施例は、はんだ層における発生応力と冷熱サイクル試験後のクラック発生率がともに大きく低減され、回路ユニットの周囲を包囲する絶縁樹脂体の接着率は大きく向上いていることより、耐久性と品質に優れたパワーモジュールとなっていることが実証されている。
【００６４】
このように高品質で高性能、高耐久なパワーモジュールは、搭載機器に高放熱性と高耐久性を要求する近時のハイブリッド車や電気自動車等に車載されるインバータ等への適用に最適である。
【００６５】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６６】
１…半導体素子、２…放熱性基板、３…はんだ層、４…回路ユニット、５…ヒートシンク、６…ヒートシンク（第２の冷却器）、７…冷媒還流器、８…絶縁樹脂体、９…第１の冷却器、１０…パワーモジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
2011249696.tif 000010
【図４】
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【図５】
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