(57)【要約】【課題】フィン状ヒートシンクや冷却媒体なしに小型化できる構造のパワーモジュールを提供する。【解決手段】半導体チップ１０１及び還流ダイオード１１１を有するモータドライブ用パワーモジュールにおいて、複数の半導体チップ１０１と複数の還流ダイオード１１１とを有し、半導体チップ１０１及び還流ダイオード１１１をはんだボール４０２などのマイクロ接続及び少なくとも２枚のセラミック基板２０１，２０２を使用して、立体的に実装するパワーモジュール。パワーモジュールによれば、パワーモジュールにおける半導体チップの実装面積を約半分にすることができる。パワーモジュールのパッケージングにおいて、半導体チップ１０１の放熱板５０３をパワーモジュールの側面から見て上下両面に実装して、立体的に実装した半導体チップの放熱を両面から促進することができる。【選択図】　　図１
2004022844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体チップ及び複数の還流ダイオードを有するモータドライブ用パワーモジュールにおいて、前記半導体チップ及び還流ダイオードをはんだボールなどのマイクロ接続及び少なくとも２枚のセラミック基板を使用して、立体的に実装することを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記半導体チップの放熱板をパワーモジュールの両面に実装することを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーエレクトロニクスの分野に関し、特にモータドライブ用インバータやサーボパックに使用する半導体チップと、還流ダイオードとを内蔵したパワーモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパワーモジュールにおいては、６つの半導体チップ及び６つの還流ダイオードを内蔵し、特にＩＧＢＴチップを内蔵したＩＧＢＴモジュールと呼ばれるものや、前記ＩＧＢＴモジュールにゲートドライブ回路や保護回路を付加しインテリジェント化させたインテリジェントパワーモジュールが一般的である。以下、例としてＩＧＢＴモジュールを図を用いて簡単に説明する。
【０００３】
図２は従来のＩＧＢＴモジュールの内部構造図である。図２において、（ａ）はＩＧＢＴモジュールの上面図、（ｂ）　はＩＧＢＴモジュール　（ａ）の等価回路、（ｃ）はＩＧＢＴモジュール（ａ）のＡ−Ａ’における断面図、（ｄ）はパッケージの側面図である。また、図２（ｄ）に示すパッケージの中に図２（ａ）のＩＧＢＴモジュールが内蔵されるものとする。
【０００４】
図２において、１０１は半導体チップ（ＩＧＢＴチップ）、１１１は半導体チップに付属する還流ダイオード、２０３はセラミック基板、３０１は出力端子用金属配線（例えば銅配線）、３１１は上アームゲート信号用金属配線（例えば銅配線）、３１２は下アーム用ゲート信号用金属配線（例えば銅配線）、３２１はＰ側端子用金属配線（例えば銅配線）、３２２はＮ側端子用金属配線（例えば銅配線）、３４１は配線と半導体チップ冷却を兼ねた銅ヒートシンク、３５１はＵ相分の上下アーム、３５２はＶ相分の上下アーム、３５３はＷ相分の上下アーム、４０１ははんだ層、４０３はアルミワイヤである。これらの回路のパッケージについて説明する。５０１はパッケージ（例えばエポキシ系樹脂）、５０３は放熱板、５０４は外部端子（例えば銅配線）である。これらを以下に示すように構成する。
【０００５】
図２（ｃ）の半導体チップ１０１と半導体チップに付属する還流ダイオード１１１とを各種の金属配線（３０１、３１１、３１２、３２１、３２２など）及びアルミワイヤ４０３を用いて、図２（ｂ）の等価回路としたものが図２（ａ）である。また、図２（ｃ）に示すように、半導体チップ１０１ははんだ層４０１を介して銅ヒートシンク３４１にダイボンディングされる。銅ヒートシンク３４１ははんだ層４０１を介してセラミック基板２０３に接続され、セラミック基板２０３は放熱板（銅ベース）５０３へはんだ付けされる。この放熱板へのはんだ付けの際に、セラミック基板に銅もしくはアルミをロウ付けしておく。また、これらはエポキシ樹脂などによりモジュールとしてパッケージされる。パッケージ内部の空間には、冷却及び絶縁のためにシリコン樹脂やエポキシ樹脂が充填される。
【０００６】
このＩＧＢＴモジュールがモータドライブ用インバータやサーボパックに使用される際は、セラミック基板により絶縁されているため、そのまま冷却用ヒートシンクにネジ止めされる。
【０００７】
動作としては、ゲート信号がゲート信号用金属配線３１１及び３１２に入力され、それにより半導体チップ１０１がスイッチングし、出力用金属配線３０１において任意の周波数の交流電圧を得ることができる。
【０００８】
また、半導体チップの冷却を高効率化したパワー半導体モジュールが提案されている（特開平１１−１２１６９１号公報）。
【０００９】
図３はそのパワー半導体モジュールの構成を示す簡略図である。図３において、１３１はパワー半導体モジュール、１３２はサブモジュール、１０１は半導体チップ、４０１ははんだ層、３６１はメタライズ領域（配線）、２０３はセラミック基板、５０５はヒートシンク（５０５ａは冷却体、５０５Ｂは冷却構造）、５０６はハウジング、５０７は窪み、５０８は冷却媒体、５０９はシールである。以上の構成において、一つの半導体チップ１０１、セラミック基板２０３、ヒートシンク５０５から構成されるヒートシンクが一体化されたサブモジュール１３２を組み合わせ、前述のＩＧＢＴモジュールと同様な回路を組み、パワー半導体モジュール１３１としている。また、前記半導体パワーモジュールは、冷却効率を高めるために冷却媒体５０８を使用する例もあげられている。また、パワー半導体モジュールとしての機能は、前述したＩＧＢＴモジュールと同等であり、全体をパッケージングしているため冷却用のヒートシンクを外部に装着する場合もネジ止めされる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術において、図２（ａ）のＩＧＢＴモジュールを構成する半導体チップ１０１やそれらに付属する還流用ダイオード１１１は、金属配線３０１、３１１及び３１２やアルミワイヤ４０３を用いてセラミック基板上で平面的に回路を構成しているので、セラミック基板のスペースは各半導体チップの実装スペースの合計分を必要とし、半導体チップの発熱の問題から実装スペースを縮小できないため、モジュールとして平面的な実装スペースが大きいという問題があった。
【００１１】
また、他のパワー半導体モジュールにおいては、半導体チップ冷却用のヒートシンクを一体化したサブモジュールを製作し、そのサブモジュールを組み合わせて半導体モジュールとする構成となっているが、モータドライブ用インバータやサーボパックに使用する際は、冷却用ヒートシンクが必要となり、モータドライブ用インバータやサーボパックとしてはさほど小型化できず、また、冷却媒体を使用した場合にシーリング、組立工数の増加などコストアップにつながる要因が多いという問題点があった。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、パワーモジュールの小型化であり、フィン状ヒートシンクや冷却媒体なしに小型化できる構造のパワーモジュールを提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のパワーモジュールは、半導体チップ及び還流ダイオードを有するモータドライブ用パワーモジュールにおいて、複数の半導体チップと複数の還流ダイオードとを有し、前記半導体チップ及び還流ダイオードをはんだボールなどのマイクロ接続及び少なくとも２枚のセラミック基板を使用して、立体的に実装することを特徴とするパワーモジュールである。請求項１記載のパワーモジュールによれば、パワーモジュールにおける半導体チップの実装面積を約半分にすることができる。
【００１４】
請求項２記載のパワーモジュールは、前記半導体チップの放熱板をパワーモジュールの両面に実装することを特徴とするパワーモジュールである。請求項２記載のパワーモジュールによれば、立体的に実装した半導体チップの放熱を両面から促進することができるので、さらなる小型化ができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施形態を示す。図１において、（ａ）はパワーモジュールの上面図、（ｂ）はパワーモジュール（ａ）の等価回路、（ｃ）はパワーモジュール（ａ）のＡ−Ａ’における断面図、（ｄ）はパッケージの側面図、（ｅ）はパッケージの上面図、（ｆ）はパッケージ（ｄ）のＢ−Ｂ’における断面図である。また、図１（ｄ）、（ｅ）に示すパッケージの中に、図１（ａ）のパワーモジュールが内蔵されるものとする。図１において、１０１は半導体チップ（ＩＧＢＴチップ）、１１１は半導体チップに付属する還流ダイオード、２０１は上アーム用セラミック両面基板、２０２は下アーム用セラッミク基板、３０１は出力端子用金属配線（例えば銅配線）、３１１は上アームゲート信号用金属配線、３１２は下アーム用ゲート信号用金属配線、３２１はＰ側端子用金属配線（例えば銅ブスバ）、３２２はＮ側端子用金属配線（例えば、銅配線）、３３１はセラミック基板のスルーホール、３４１は配線と半導体チップ冷却を兼ねた銅ヒートシンク、３５１はＵ相分の上下アーム、３５２はＶ相分の上下アーム、３５３はＷ相分の上下アーム、４０１ははんだ層、４０２ははんだボール、５０１はパッケージ（例えばエポキシ系樹脂）、５０２は高熱伝導絶縁シート、５０３は放熱板、５０４は外部端子（例えば銅配線）である。これらを以下に示すように構成する。ここでは、Ｐ側端子用金属配線３２１に接続される半導体チップを上アーム半導体チップ、Ｎ側端子用金属配線に接続される半導体チップを下アーム半導体チップとする。
【００１７】
図１（ｃ）に示すように、セラミック基板２０１には、上アーム半導体チップ１０１がはんだボール４０２を介して接続される。図１（ｂ）の等価回路のＰ端子に相当する銅配線３２１に、上アーム半導体チップ１０１がはんだ層４０１を介してダイボンディングされる。セラミック基板２０１には、スルーホール３３１が設けられており、これを介して上アームと下アームが接続され、さらに下アーム半導体チップ１０１がはんだ層４０１を介してセラミック基板２０１にダイボンディングされる。さらに、下アーム半導体チップ１０１からはんだボール４０２を介してセラミック基板２０２へ接続される。また、上下アーム半導体チップに付属する還流ダイオード１１１は、上アーム半導体チップ及び下アーム半導体チップとの高さ調整及び冷却のために銅ヒートシンク３４１を有する。また、上アームに付属する還流ダイオード１１１はＰ端子用金属配線３２１と、そして下アームに付属する還流ダイオード１１１はセラミック基板２０２と、それぞれはんだ層４０１を介して接続される。この構造を１アームとし、Ｕ相分の上下アーム３５１とする。同様の構造でＶ及びＷ相分の上下アームを構成すると、図１（ｂ）の等価回路となる。
【００１８】
また、本発明によるパワーモジュールはパッケージ５０１によってパッケージングされる。パッケージ５０１はエポキシ系樹脂で構成される。また、パッケージ５０１はハウジング構造とし、内部にシリコーン樹脂を充填することにより、絶縁と放熱を兼ねることが望ましい。このとき、本発明のパワーモジュールのパッケージの厚みとしては、ワイヤボンディングのループの高さを必要としないため、従来と同等もしくはそれ以下となる。また、上アーム半導体チップ１０１及び下アーム半導体チップ１０１の放熱のため、パッケージ５０１の外側に放熱板５０３が装着される。図１（ｄ）に示すように、放熱板５０３は上下アーム半導体チップ１０１をサンドイッチするように装着される。放熱板５０３の装着の際は、上アーム半導体チップ１０１が接続されているＰ端子用金属配線３２１とは、高熱伝導を有する絶縁シート５０２を介して接続される。つまり、パッケージ５０１はＰ端子用金属配線３２１の部分だけむき出し、もしくは薄い樹脂で構成されることになる。
【００１９】
また、下アーム半導体チップ１０１が接続されているセラミック基板２０２と放熱板５０３の接続は、セラミック基板２０２にロウづけされた銅にはんだ付けされるかもしくは直接ロウ付けされる。また、放熱板５０３はコの字型の一体構造のものが望ましい。また、パッケージ外部への端子の取り出しには外部端子５０４を使用する。外部端子５０４は図１（ｂ）の等価回路の端子数だけ取り出される。例えば等価回路中では、３０１、３１１、３１２のＵ、Ｖ、Ｗ相分が当てはまる。また、外部端子５０４と基板上の配線３０１、３１１、３１２などとの接続は、はんだによる接続が望ましい。例えば、図１（ｆ）に示すように、出力用端子３０１を例として説明する。外部端子５０４は基板上の配線（ここでは、３０１）とはんだ層４０１を介して接続される。また、外部端子のパッケージ外部への取り出しは、図１（ｅ）に示すようにパッケージ側面から取り出し、Ｌ字型に曲げて取り出す構成とする例を示す。その際、外部端子は小型化のため一般的なピン端子によるものが望ましいが、これ以外に種々の取り出し方法や取り出し位置としてもよい。
【００２０】
このように、セラミック基板を２枚使用し、そのセラッミック基板に半導体チップをはんだボール及びダイボンディングにより立体的に接続し、パワーモジュールを形成する。
【００２１】
この実施形態によれば、モジュール内部で半導体チップが立体的な３次元構造をとるため、従来のパワーモジュールと比較して実装面積を約半分にできる。また、放熱板が半導体チップの上下に配置されるため、放熱が上下方向に分散され、半導体チップの温度を従来のパワーモジュールと同等もしくはそれ以下の温度にすることが可能である。
【００２２】
また、半導体チップへの接続は従来のアルミワイヤから、断面積が大きく接続距離が短いはんだボールを使用していることも放熱効果を上げる重要な要因となる。このとき、使用する半導体チップははんだボールにより立体的に接続されるが、はんだボール以外にマイクロ接続可能な接続方法が適用可能である。
【００２３】
また、モータドライブ用インバータやサーボパック用のヒートシンクへの実装は、パワーモジュールが完全に絶縁されているため、従来通りネジ止めで行うことができ、そのときの熱容量を基本的に変える必要はない。つまり、モータドライブ用インバータやサーボパックに使用する際は、単純にはパワーモジュールが縮小した分の小型化が可能となる。
【００２４】
これらの構成のパワーモジュールに、ゲート信号用金属配線を介してゲート信号を入力することで、従来のパワーモジュールと同様の動作が可能となる。
【００２５】
本発明の実施形態によれば、２枚のセラッミク基板を立体的に接続することで実装スペースを約１／２に縮小できる。これにより、モータドライブ用インバータやサーボパックに使用する際のヒートシンクの容量及びパワーモジュールのヒートシンクへの実装方法を従来と変えることなく使用することができる。さらに、半導体チップへの接続面積が従来のワイヤボンディングによる接続よりも増加しているため、放熱の面でも有利である。
【００２６】
なお、本発明によるパワーモジュールは、ゲートドライブ回路や保護回路を付加しインテリジェント化させたインテリジェントパワーモジュールとしてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１記載のパワーモジュールによれば、モジュール内部で半導体チップが立体的な３次元構造をとるため、従来のパワーモジュールと比較して実装面積を約半分にできる。また、パワーモジュールが絶縁されているため、ヒートシンクへの実装方法を従来と変えることなく使用することができる。
【００２８】
さらに、半導体チップへの接続面積が従来のワイヤボンディングによる接続よりも増加しているため、放熱の面でも有利である。つまり、モータドライブ用インバータやサーボパックの小型化が可能となる。
【００２９】
請求項２記載のパワーモジュールによれば、そのパッケージングにおいて、半導体チップの放熱板をパワーモジュールの側面から見て上下方向に実装するため、半導体チップ温度を従来と同等もしくはそれ以下にすることが可能で、モータドライブ用インバータやサーボパックを小型化できる。また、モータドライブ用インバータやサーボパックに使用する際のヒートシンクの容量を従来と変えることなく使用することができる。つまり、モータドライブ用インバータやサーボパックの小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるパワーモジュールの構成図である。
【図２】従来のＩＧＢＴモジュールの構成図である。
【図３】従来の他のパワーモジュールの構成図である。
【符号の説明】
１０１　半導体チップ
１１１　還流ダイオード
１３１　パワー半導体モジュール
１３２　サブモジュール
２０１　上アーム用セラミック両面基板
２０２　下アーム用セラミック基板
２０３　セラミック基板
３０１　出力端子用金属配線
３１１　上アームゲート信号用金属配線
３１２　下アーム用ゲート信号用金属配線
３２１　Ｐ側端子用金属配線
３２２　Ｎ側端子用金属配線
３３１　スルーホール
３４１　銅ヒートシンク
３５１　Ｕ相分の上下アーム
３５２　Ｖ相分の上下アーム
３５３　Ｗ相分の上下アーム
３６１　メタライズ領域
４０１　はんだ層
４０２　はんだボール
４０３　アルミワイヤ
５０１　パッケージ
５０２　高熱伝導絶縁シート
５０３　放熱板
５０４　外部端子
５０５　ヒートシンク（５０５Ａは冷却体、５０５Ｂは冷却構造）
５０６　ハウジング
５０７　窪み
５０８　冷却媒体
５０９　シール
【図１】
2004022844.tif 000003
【図２】
2004022844.tif 000004
【図３】
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