(57)【要約】【課題】半導体素子を用いたパワーモジュールにおいて、良好に放熱のなされるパワーモジュールを提供する。【解決手段】パワーモジュールは、半導体素子１０と、半導体素子１０の一方の面１０ａの側に、一方の面２０ａが接続された第１の絶縁基板２０と、半導体素子１０の他方の面１０ｂの側に、一方の面３０ａが接続された第２の絶縁基板３０と、第１の絶縁基板２０の他方の面２０ｂに接続された第１の冷却器４０と、第２の絶縁基板３０の他方の面３０ｂに接続された第２の冷却器５０と、を有し、第１の冷却器４０及び第２の冷却器５０は、グラファイト、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｍｇ−ＳｉＣのいずれかにより形成されている。【選択図】  図２
2019021864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子の一方の面の側に、一方の面が接続された第１の絶縁基板と、
前記半導体素子の他方の面の側に、一方の面が接続された第２の絶縁基板と、
前記第１の絶縁基板の他方の面に接続された第１の冷却器と、
前記第２の絶縁基板の他方の面に接続された第２の冷却器と、
を有し、
前記第１の冷却器及び前記第２の冷却器は、グラファイト、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｍｇ−ＳｉＣのいずれかにより形成されているパワーモジュール。
【請求項２】
前記第１の冷却器及び前記第２の冷却器を形成している材料の線膨張係数は、７．５ｐｐｍ／Ｋ以下である請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記第１の絶縁基板及び前記第２の絶縁基板を形成している材料の線膨張係数は、７．５ｐｐｍ／Ｋ以下である請求項１または２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記第１の冷却器及び前記第２の冷却器を形成している材料の線膨張係数は、前記半導体素子を形成している材料の線膨張係数以上である請求項１から３のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記半導体素子の一方の面の側に接合されている前記第１の絶縁基板は、金属材料を基材とする接合材により接合されており、
前記半導体素子の他方の面の側に接合されている前記第２の絶縁基板は、金属材料を基材とする接合材により接合されている請求項１から４のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記第１の絶縁基板と前記第１の冷却器とは、金属材料を基材とする接合材により接合されており、
前記第２の絶縁基板と前記第２の冷却器とは、金属材料を基材とする接合材により接合されている請求項１から５のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記半導体素子の他方の面と前記第２の絶縁基板の一方の面との間には、導電スペーサが設けられており、
前記半導体素子と前記導電スペーサは、金属材料を基材とする接合材により接合されており、
前記導電スペーサと前記第２の絶縁基板は、金属材料を基材とする接合材により接合されている請求項１から６のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項８】
前記半導体素子は、ＳｉＣを含む材料により形成されている請求項１から７のいずれか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関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車や電気自動車等には、大電流を流すことのできる半導体素子を有するパワーモジュールが複数設けられている。このようなパワーモジュールにおいては、半導体素子に大電流を流すことにより生じた熱を放熱するため、パワーモジュール間に冷却管が設けられている。一般に、冷却管はアルミニウムや銅等の熱伝導率の高い材料により形成されているが、アルミニウムや銅等は導電性を有しているため、パワーモジュールにおける半導体素子と冷却管との間には、絶縁性を有する絶縁材が設置されている。また、絶縁材と冷却管との間には、シリコーンオイル等からなるグリスが介在しており、半導体素子において生じた熱は、絶縁材、グリスを介して、冷却管に移動し放熱される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１６５６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のパワーモジュールの半導体素子において発生した熱は、絶縁材及びグリスを介し冷却管に移動するが、グリスの熱伝導率は極めて低いため、熱の移動がグリスにより阻まれ、半導体素子の冷却が十分になされない場合がある。このような傾向は、半導体素子を流れる電流が増えれば増えるほど、また、パワーモジュール全体の大きさが、小さくなればなるほど、顕著となる。
【０００５】
このため、半導体素子を用いたパワーモジュールでは、放熱が良好なものが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施形態の一観点によれば、パワーモジュールは、半導体素子と、半導体素子の一方の面の側に、一方の面が接続された第１の絶縁基板と、半導体素子の他方の面の側に、一方の面が接続された第２の絶縁基板と、を有する。更に、第１の絶縁基板の他方の面に接続された第１の冷却器と、第２の絶縁基板の他方の面に接続された第２の冷却器と、を有し、第１の冷却器及び第２の冷却器は、グラファイト、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｍｇ−ＳｉＣのいずれかにより形成されている。
【発明の効果】
【０００７】
本開示によれば、半導体素子を用いたパワーモジュールにおいて、放熱を良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】パワーモジュールの構造図である。
【図２】本開示の第１の実施形態のパワーモジュールの構造図である。
【図３】熱抵抗の比較のために用いたモデルの説明図である。
【図４】本開示の第２の実施形態のパワーモジュールの構造図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施するための形態について、以下に説明する。
【００１０】
［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。
【００１１】
〔１〕  本開示の一態様に係るパワーモジュールは、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面の側に、一方の面が接続された第１の絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面の側に、一方の面が接続された第２の絶縁基板と、前記第１の絶縁基板の他方の面に接続された第１の冷却器と、前記第２の絶縁基板の他方の面に接続された第２の冷却器と、を有し、前記第１の冷却器及び前記第２の冷却器は、グラファイト、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｍｇ−ＳｉＣのいずれかにより形成されている。
【００１２】
熱伝導率の高いアルミニウムや銅により形成されている冷却器は、絶縁基板を形成している絶縁体材料との線膨張係数の差が大きいため、冷却器と絶縁基板とを直接金属材料により接合した場合、温度が高くなると応力が発生し、不具合が生じるおそれがある。このため、本願発明者は、線膨張係数が絶縁基板を形成している絶縁体に近い材料、即ち、グラファイト、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｍｇ−ＳｉＣ等により冷却器を形成することにより、発生する応力を抑制できることを見出した。本願発明は、このように本願発明者により見出された知見に基づくものである。
【００１３】
〔２〕  前記第１の冷却器及び前記第２の冷却器を形成している材料の線膨張係数は、７．５ｐｐｍ／Ｋ以下である。
【００１４】
〔３〕  前記第１の絶縁基板及び前記第２の絶縁基板を形成している材料の線膨張係数は、７．５ｐｐｍ／Ｋ以下である。
【００１５】
〔４〕  前記第１の冷却器及び前記第２の冷却器を形成している材料の線膨張係数は、前記半導体素子を形成している。
【００１６】
〔５〕  前記第１の絶縁基板と前記第１の冷却器は、金属材料を基材とする接合材により接合されており、前記第２の絶縁基板と前記第２の冷却器は、金属材料を基材とする接合材により接合されている。
【００１７】
〔６〕  前記第１の絶縁基板と前記第１の冷却器とは、金属材料を基材とする接合材により接合されており、前記第２の絶縁基板と前記第２の冷却器とは、金属材料を基材とする接合材により接合されている。
【００１８】
〔７〕  前記半導体素子の他方の面と前記第２の絶縁基板の一方の面との間には、導電スペーサが設けられており、前記半導体素子と前記導電スペーサは、金属材料を基材とする接合材により接合されており、前記導電スペーサと前記第２の絶縁基板は、金属材料を基材とする接合材により接合されている。
【００１９】
〔８〕  前記半導体素子は、ＳｉＣを含む材料により形成されている。
【００２０】
［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の一実施形態について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。
【００２１】
〔第１の実施形態〕
最初に、半導体素子を用いたパワーモジュールであって、グリスを用いたものについて、図１に基づき説明する。このようなパワーモジュールは、半導体モジュール９２０の両面の各々に絶縁基板９３０が設けられており、絶縁基板９３０の外側には、冷媒が流れる冷媒流路９４１が形成された冷却器９４０が各々設けられている。半導体モジュール９２０は、半導体素子９２１と、半導体素子９２１の両面に設けられた金属材料を基材とする放熱板９２２が樹脂材料９２３により固められた構造のものであり、外部接続端子９２４及び９２５が上下方向に設けられている。半導体モジュール９２０は、樹脂材料９２３により固められている状態においては、各々の放熱板９２２の面の一つは露出している。放熱板９２２はＣｕ（銅）等により形成されており、絶縁基板９３０は絶縁性を有するセラミックス基板により形成されており、冷却器９４０は、アルミニウム等により形成されている。
【００２２】
このパワーモジュールでは、半導体モジュール９２０の放熱板９２２が露出している面と絶縁基板９３０との間には、シリコーングリス９５１が入れられており、また、絶縁基板９３０と冷却器９４０との間には、シリコーングリス９５２が入れられている。このように、シリコーングリス９５１及び９５２を用いることにより、半導体モジュール９２０の放熱板９２２と絶縁基板９３０との間、及び、絶縁基板９３０と冷却器９４０との間における隙間をなくすことができ、熱伝導性を高めている。
【００２３】
また、シリコーングリス９５１及び９５２は柔軟性を有しているため、放熱板９２２と絶縁基板９３０との間、絶縁基板９３０と冷却器９４０との間において、熱膨張係数に差があっても、相互間に発生する応力を緩和することができる。このため、半導体モジュール９２０において発熱した熱が、絶縁基板９３０や冷却器９４０に伝わっても、絶縁基板９３０や冷却器９４０に熱膨張起因での亀裂や破損が生じることはない。
【００２４】
しかしながら、シリコーングリス９５１及び９５２は、シリコーンオイル等を基材として用いており、熱伝導率が約１Ｗ／ｍ・Ｋであり、金属材料の熱伝導率と比較して２桁程度低い。このため、放熱板９２２から絶縁基板９３０への熱伝導、絶縁基板９３０から冷却器９４０への熱伝導が円滑にはなされず、半導体素子９２１を十分に冷却することができない場合がある。
【００２５】
また、熱による膨張や収縮が繰り返されると、放熱板９２２と絶縁基板９３０との間のシリコーングリス９５１や、絶縁基板９３０と冷却器９４０との間のシリコーングリス９５２は流動性を有しているため、ポンプアウト現象により、徐々に外に押し出される。このようにポンプアウト現象により、外に押し出されたシリコーングリス９５１及び９５２は、元には戻らないため、放熱板９２２と絶縁基板９３０との間、また、絶縁基板９３０と冷却器９４０との間には空間が発生する。このような空間は、シリコーングリス９５１及び９５２よりも熱伝導が低いため、更に放熱がされにくくなる。
【００２６】
（パワーモジュール）
次に、第１の実施形態におけるパワーモジュールについて説明する。本実施形態におけるパワーモジュールは、図２に示されるように、半導体素子１０の両面には、第１の絶縁基板２０と第２の絶縁基板３０とが各々設けられており、半導体素子１０は、第１の絶縁基板２０と第２の絶縁基板３０により挟まれている。具体的には、半導体素子１０の一方の面１０ａには、第１の絶縁基板２０が設けられており、他方の面１０ｂに第２の絶縁基板３０が設けられている。
【００２７】
第１の絶縁基板２０には、一方の面２０ａにＣｕ等により配線を形成するための金属層２１が形成されており、他方の面２０ｂに、Ｃｕ等により配線を形成するための金属層２２が形成されている。第２の絶縁基板３０には、一方の面３０ａにＣｕ等により配線を形成するための金属層３１が形成されており、他方の面３０ｂに、Ｃｕ等により配線を形成するための金属層３２が形成されている。
【００２８】
本実施形態においては、半導体素子１０の一方の面１０ａと第１の絶縁基板２０の一方の面２０ａに形成された金属層２１とを内側接合材６１により接合することにより、半導体素子１０と第１の絶縁基板２０とが接合されている。また、半導体素子１０の他方の面１０ｂと第２の絶縁基板３０の一方の面３０ａに形成された金属層３１とを内側接合材６２により接合することにより、半導体素子１０と第２の絶縁基板３０とが接合されている。
【００２９】
このように、半導体素子１０の両面に第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０が接合されているものを樹脂材料７１により固めることにより、半導体モジュール７０が形成される。この半導体モジュール７０には、上下方向、即ち、第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０の面方向に沿った方向の両端には、外部接続端子７２及び７３が各々設けられている。
【００３０】
また、第１の絶縁基板２０の他方の面２０ｂの側には、第１の冷却器４０が設けられており、第２の絶縁基板３０の他方の面３０ｂの側には、第２の冷却器５０が設けられている。
【００３１】
具体的には、第１の絶縁基板２０の他方の面２０ｂに設けられた金属層２２と表面がメタライズされた第１の冷却器４０の一方の面４０ａとを外側接合材６３により接合することにより、第１の絶縁基板２０と第１の冷却器４０とが接合されている。また、第２の絶縁基板３０の他方の面３０ｂに設けられた金属層３２と表面がメタライズされた第２の冷却器５０の一方の面５０ａとを外側接合材６４により接合することにより、第２の絶縁基板３０と第２の冷却器５０とが接合されている。
【００３２】
半導体素子１０は、大電流を流すことのできるパワートランジスタ、ＦＥＴ（Field effect transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子であり、ＳｉやＳｉＣ等の半導体材料により形成されている。尚、Ｓｉは、線膨張係数が約３．９ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率が約１５７Ｗ／ｍ・Ｋである。ＳｉＣは、線膨張係数が約３．７ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率が約４００Ｗ／ｍ・Ｋである。また、半導体素子１０の厚さは、約３５０μｍである。
【００３３】
第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０は、絶縁性を有するセラミックス材料、具体的には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等により形成されている。尚、ＡｌＮは、線膨張係数が約４．５ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率が約１７０Ｗ／ｍ・Ｋである。Ａｌ２Ｏ３は、線膨張係数が約７．２ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率が約３３Ｗ／ｍ・Ｋである。Ｓｉ３Ｎ４は、線膨張係数が約２．７ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率が約９０Ｗ／ｍ・Ｋである。また、第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０の厚さは、３００〜７００μｍである。
【００３４】
第１の冷却器４０及び第２の冷却器５０は、グラファイト、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｍｇ−ＳｉＣ等の比較的線膨張係数が低い材料により形成されている。尚、グラファイトは、例えば、等方性黒鉛等であり、線膨張係数が約４．４〜５．５ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率が約１００Ｗ／ｍ・Ｋである。Ａｌ−ＳｉＣは、線膨張係数が約７．５ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率が約１８５Ｗ／ｍ・Ｋである。Ｍｇ−ＳｉＣは、線膨張係数が約７．５ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率が約２３０Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００３５】
内側接合材６１及び６２には、鉛フリーはんだや金属焼結体、例えば、Ｓｎ−Ｃｕはんだや焼結銅もしくは焼結銀等が用いられる。外側接合材６３及び６４には、鉛フリーはんだや金属焼結体、例えば、Ｓｎ−Ｃｕはんだや焼結銅もしくは焼結銀等が用いられる。本実施の形態においては、外側接合材６３、６４に代えて、グラファイトシートを用いることも可能である。グラファイトシートの熱伝導率は比較的高いが、第１の絶縁基板２０と第１の冷却器４０との間、第２の絶縁基板３０と第２の冷却器５０との間に密着するものではない。このため、直接的に接合することのできる外側接合材６３、６４を用いた方が放熱には効果的である。尚、銀の熱伝導率は約４２０Ｗ／ｍ・Ｋであり、銅の熱伝導率は約３９８Ｗ／ｍ・Ｋであり、Ｓｎ−Ｃｕはんだの熱伝導率は約６３Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００３６】
本実施形態におけるパワーモジュールでは、半導体素子１０を動作させることにより発生した熱は、一方の面１０ａより、第１の絶縁基板２０を介し第１の冷却器４０に移動し、他方の面１０ｂより、第２の絶縁基板３０を介し第２の冷却器５０に移動する。第１の冷却器４０には内部に冷媒が流れる冷媒流路４１が設けられており、冷媒流路４１に冷媒を流すことにより冷却される。また、第２の冷却器５０には内部に冷媒が流れる冷媒流路５１が設けられており、冷媒流路５１に冷媒を流すことにより冷却される。
【００３７】
本実施形態におけるパワーモジュールでは、半導体素子１０と第１の絶縁基板２０とは、内側接合材６１により接合されており、半導体素子１０と第２の絶縁基板３０とは、内側接合材６２により接合されている。また、第１の絶縁基板２０と第１の冷却器４０とは、外側接合材６３により接合されており、第２の絶縁基板３０と第２の冷却器５０とは、外側接合材６４により接合されている。
【００３８】
また、第１の冷却器４０及び第２の冷却器５０は線膨張係数の低い材料により形成されている。これにより、外側接合材６３による第１の絶縁基板２０と第１の冷却器４０との接合、外側接合材６４による第２の絶縁基板３０と第２の冷却器５０との接合が可能となる。即ち、第１の冷却器４０及び第２の冷却器５０は、一般的には、ＡｌやＣｕ等の熱伝導率の高い材料により形成されているが、ＡｌやＣｕの線膨張係数は、第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０と比較して高い。具体的には、Ａｌの線膨張係数は約２６．４ｐｐｍ／Ｋであり、Ｃｕの線膨張係数は約１７．８ｐｐｍ／Ｋであり、第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０を形成しているＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４の線膨張係数と比較すると極めて高い。このように線膨張係数の差が大きい２つの材料を外側接合材６３及び６４等のような金属材料により接合した場合、熱伝導の際に温度が高くなると、線膨張係数の差により、応力が発生したり、更には、ひびや剥がれ等が生じる場合がある。
【００３９】
本実施形態は、第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０を形成している材料の線膨張係数に近い値の材料により第１の冷却器４０及び第２の冷却器５０を形成することにより、２つの材料の線膨張係数の差を小さくし、金属材料等による接合を可能としている。このように、第１の絶縁基板２０と第１の冷却器４０とを外側接合材６３により接合し、第２の絶縁基板３０と第２の冷却器５０とを外側接合材６４により接合することにより、パワーモジュールの冷却性能を向上させることができる。
【００４０】
また、金属材料等の外側接合材６３及び外側接合材６４を用いた接合では、第１の絶縁基板２０と第１の冷却器４０とが固定され、第２の絶縁基板３０と第２の冷却器５０とが固定される。このため、振動等が生じても揺らぐことはなく、パワーモジュールの信頼性を向上させることができる。
【００４１】
従って、本実施形態におけるパワーモジュールにおいては、内側接合材６１及び６２、外側接合材６３及び６４は、鉛フリーはんだ、金属焼結体等の金属材料が用いられており、熱伝導率の低いシリコーングリス等は用いられてはいない。よって、半導体素子１０において発生した熱は、第１の絶縁基板２０を介し第１の冷却器４０へ、また、第２の絶縁基板３０を介し第２の冷却器５０へと円滑に移動するため、半導体素子１０を効率よく冷却することができる。
【００４２】
即ち、本実施形態においては、半導体素子１０と第１の絶縁基板２０との間は、熱伝導率の高い内側接合材６１により接合されており、第１の絶縁基板２０と第１の冷却器４０との間は、熱伝導率の高い外側接合材６３により接合されている。従って、半導体素子１０において発生した熱は、第１の絶縁基板２０を介し第１の冷却器４０へと効率よく移動させることができる。また、半導体素子１０と第２の絶縁基板３０との間は、熱伝導率の高い内側接合材６２により接合されており、第２の絶縁基板３０と第２の冷却器５０との間は、熱伝導率の高い外側接合材６４により接合されている。従って、半導体素子１０において発生した熱は、第２の絶縁基板３０を介し第２の冷却器５０へと効率よく移動させることができる。従って、本実施形態におけるパワーモジュールでは、半導体素子１０を効率よく冷却することができる。
【００４３】
また、半導体素子１０は、Ｓｉにより形成されたものよりも、ＳｉＣにより形成されたものの方が、大電流を流すことができることから、ＳｉＣにより形成されたものは、Ｓｉにより形成されたものに比べて、発熱量が多く、また、小型化にすることが可能である。従って、本実施形態におけるパワーモジュールは、半導体素子１０がＳｉＣにより形成されているものに適用することにより、顕著な効果を得ることができる。
【００４４】
本実施形態においては、第１の冷却器４０及び第２の冷却器５０は、グラファイト、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｍｇ−ＳｉＣのいずれかを含む材料により形成されている。また、第１の冷却器４０及び第２の冷却器５０を形成している材料の線膨張係数は、半導体素子１０を形成している半導体材料の線膨張係数以上、７．５ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましい。
【００４５】
また、第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４のいずれかを含む材料により形成されている。第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０を形成している材料の線膨張係数は、半導体素子１０を形成している半導体材料の線膨張係数以上、７．５ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましい。更には、第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０を形成している材料の線膨張係数は、第１の冷却器４０及び第２の冷却器５０を形成している材料の線膨張係数以下であることが好ましい。
【００４６】
（熱抵抗の比較）
次に、本実施形態における効果について説明する。具体的には、図３（ａ）に示されるように、半導体素子１１０と冷却器１４０との間にシリコーングリス９７０が用いられているモデルと、図３（ｂ）に示されるように、シリコーングリス９７０が用いられていないモデルについて熱抵抗を算出して比較を行った。尚、図３（ｂ）に示される構造のモデルは、本実施形態におけるパワーモジュールに対応する。
【００４７】
図３（ａ）に示す構造のモデルは、発熱源となる半導体素子１１０の下に、Ｃｕ焼結接合材１６０、金属層１２１、ＳｉＮ基板１２０、金属層１２２、シリコーングリス９７０、冷却器１４０が順に設置されている構造のものである。図３（ｂ）に示す構造のモデルは、発熱源となる半導体素子１１０の下に、Ｃｕ焼結接合材１６０、金属層１２１、ＳｉＮ基板１２０、金属層１２２、Ｓｎ−Ｃｕはんだ１７０、冷却器１４０が順に設置されている構造のものである。尚、Ｃｕ焼結接合材１６０の厚さは０．０５ｍｍとし、熱伝導率は３００Ｗ／ｍＫとした。２層ある金属層１２１、１２２はいずれも厚さは０．３ｍｍとし、熱伝導率は３９８Ｗ／ｍＫとした。ＳｉＮ基板１２０の厚さは０．３２ｍｍとし、熱伝導率は９０Ｗ／ｍＫとした。シリコーングリス９７０の厚さは０．１５ｍｍとし、熱伝導率は１．０Ｗ／ｍＫとした。Ｓｎ−Ｃｕはんだ１７０の厚さは０．１５ｍｍとし、熱伝導率は６３Ｗ／ｍＫとした。
【００４８】
表１は、図３（ａ）に示す構造のモデルにおいて、Ｃｕ焼結接合材１６０、金属層１２１、ＳｉＮ基板１２０、金属層１２２、シリコーングリス９７０の形状が、一辺の長さが１０ｍｍの正方形である場合について行った計算結果である。尚、熱は各層内において真下に拡散する前提で計算している。
【００４９】
【表１】
2019021864.tif 000003
【００５０】
この場合の半導体素子１１０において生じた熱が冷却器１４０に到達するまでの熱抵抗は、１．５５２Ｋ／Ｗである。
【００５１】
ところで、上記のように、半導体素子１１０を形成する材料をＳｉからＳｉＣ等にすることにより、半導体素子１１０を小型化することができ、更には、パワーモジュールを小型化にすることができる。表２は、半導体素子１１０を小型にした場合のシミュレーション結果であり、Ｃｕ焼結接合材１６０、金属層１２１、ＳｉＮ基板１２０、金属層１２２、シリコーングリス９７０の形状が、一辺の長さが６ｍｍの正方形である場合について行った計算結果である。
【００５２】
【表２】
2019021864.tif 000004
【００５３】
この場合の半導体素子１１０において生じた熱が冷却器１４０に到達するまでの熱抵抗は、４．３１２Ｋ／Ｗである。従って、半導体素子１１０をＳｉＣ等により形成し、小型にした場合には、更に、冷却器１４０までの熱抵抗が高くなり、半導体素子１１０の冷却を十分に行うことが困難となる。
【００５４】
表３、表４は、本実施形態におけるパワーモジュールに対応するものであり、シリコーングリスが用いられていない図３（ｂ）の構造のモデルについての計算結果である。
【００５５】
【表３】
2019021864.tif 000005
【００５６】
【表４】
2019021864.tif 000006
【００５７】
表３は、Ｃｕ焼結接合材１６０、金属層１２１、ＳｉＮ基板１２０、金属層１２２、Ｓｎ−Ｃｕはんだ１７０の形状が、一辺の長さが１０ｍｍの正方形である場合について行った計算結果である。この場合の半導体素子１１０において生じた熱が冷却器１４０に到達するまでの熱抵抗は、０．０７６Ｋ／Ｗである。従って、表１に示されるシリコーングリスを用いた場合と比較して、熱抵抗を１／２０以下にすることができる。
【００５８】
表４は、Ｃｕ焼結接合材１６０、金属層１２１、ＳｉＮ基板１２０、金属層１２２、Ｓｎ−Ｃｕはんだ１７０の形状が、一辺の長さが６ｍｍの正方形である場合について行った計算結果である。この場合の半導体素子１１０において生じた熱が冷却器１４０に到達するまでの熱抵抗は、０．２１１Ｋ／Ｗである。以上のように、本実施の形態におけるパワーモジュールは、シリコーングリスを用いた場合と比較して、格段に熱抵抗を低くすることができる。
【００５９】
尚、外側接合材６３及び６４に代えて、シリコーングリスを用いた場合には、第１の絶縁基板２０及び第２の絶縁基板３０と第１の冷却器４０及び第２の冷却器５０との線膨張係数の差が小さいため、シリコーングリスのポンプアウト現象が抑制される効果はある。
【００６０】
〔第２の実施形態〕
次に、第２の実施形態について説明する。本実施の形態におけるパワーモジュールは、図４に示すように、半導体素子１０の他方の面１０ｂと第２の絶縁基板３０の一方の面３０ａとの間に導電スペーサ８０を設けた構造のものである。導電スペーサ８０は、銅等の導電性を有する金属材料により形成されており、半導体素子１０の他方の面１０ｂに形成された電極と第２の絶縁基板３０の一方の面３０ａに形成された金属層３１とを電気的に接続するために設けられている。本実施形態においては、半導体素子１０の他方の面１０ｂと導電スペーサ８０の一方の面８０ａとは、内側接合材６５により接続されており、導電スペーサ８０の他方の面８０ｂと第２の絶縁基板３０の一方の面３０ａに形成された金属層３１とは、内側接合材６６により接続されている。内側接合材６５及び６６は、内側接合材６２等と同様の材料により形成されている。
【００６１】
尚、上記以外の内容については、第１の実施形態と同様である。
【００６２】
以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１０        半導体素子
１０ａ      一方の面
１０ｂ      他方の面
２０        第１の絶縁基板
２０ａ      一方の面
２０ｂ      他方の面
３０        第２の絶縁基板
３０ａ      一方の面
３０ｂ      他方の面
４０        第１の冷却器
５０        第２の冷却器
６１        内側接合材
６２        内側接合材
６３        外側接合材
６４        外側接合材
【図１】
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【図２】
2019021864.tif 000008
【図３】
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【図４】
2019021864.tif 000010