(57)【要約】【課題】  簡易な構造にて十分な放熱性能を確保できるパワーモジュールを提供する。【解決手段】  配線3と、この配線3に接続される半導体素子6と、半導体素子6からの発熱を放散するヒートシンク1とを有するパワーモジュールである。この半導体素子6は配線3上に導電接着される。そして、この配線3はヒートシンク1と絶縁性接着剤2で接着されている。絶縁性接着剤2を用いれば、絶縁基板を用いる場合に比べて半導体素子6からヒートシンク1までの熱抵抗を小さくでき、より効率的に半導体素子を冷却することが可能である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線と、この配線に接続される半導体素子と、半導体素子からの発熱を放散するヒートシンクとを有するパワーモジュールであって、
この半導体素子は配線上に導電接着され、
この配線はヒートシンクと絶縁性接着剤で接着されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
配線と、この配線に接続される半導体素子と、半導体素子からの発熱を放散するヒートシンクとを有するパワーモジュールであって、
この半導体素子は配線上に導電接着され、配線はヒートシンク上に装着されて、
ヒートシンクは配線との界面に無機絶縁層を有することを特徴とするパワーモジュール。
【請求項３】
配線は、半導体素子が接着される装着部を有し、
この装着部の面積は、半導体素子の面積の2倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
無機絶縁層がAl2O3、SiO2、SnO2、SOGおよびIn2O3よりなる群から選択される１種以上からなる単層または複層であることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
無機絶縁層が多数の空孔を持つ多孔質で構成され、
この空孔に絶縁充填材を充填したことを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
無機絶縁層がヒートシンク表面に多数の島状として形成され、
各島の間に絶縁性接着剤が充填されていることを特徴とする請求項２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】
本発明はインバータなど、電力制御を行うパワーモジュールに関するものである。特に、簡易な構造で放熱効果に優れたパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッドカーなどの走行用モータの電力制御には、インバータが利用されている。このようなインバータの概略回路図を図８に示す。
【０００３】
インバータは、直流電源からの直流を所定の交流に変換し、モータへと供給する。このインバータは、一対のスイッチング素子530と一対のダイオード54とを接続し、これらスイッチング素子530とダイオード54との組み合わせを３つ並列に接続して３相のブリッジ回路を構成している。通常、スイッチング素子530にはFET、GTO、IGBTなどが利用される。
【０００４】
一方、モータ100は、中心側にロータ110となる磁石を具え、その外周にステーター120を具える。ステーター120は、内周側に突出する３つのポール121を有し、各ポール121には導線130を巻き付けてコイルが形成されている。また、モータ100はロータ110の回転位置を検出するホール素子140を具え、ホール素子140による位置情報に基づいて制御回路150から上記スイッチング素子530のスイッチングを制御する。
【０００５】
このインバータが実装された基板の概略平面図を図９に示す。この図に示すように、複数のスイッチング素子530とダイオード54が基板上に実装されている。これらスイッチング素子530などはインバータの動作に伴って発熱するため、発熱した熱を放散するため、ヒートシンク600上に設置されている。
【０００６】
その実装例の断面図を図10に示す。この実装例では、下から順に、ヒートシンク600、Ni箔601、半田602、Al板（下部配線）603、絶縁基板604、Al板（上部配線）605、Ni箔606、半田607、スイッチング素子530の順に積層されている（例えば非特許文献１）。通常、ヒートシンク600には、熱伝導性の高いAlやCuMo、CuWなどが利用される。必要に応じて、ヒートシンク600には表面積を増大させて放熱効率を高めるための多数のフィン（図示せず）が形成される。絶縁基板604には熱伝導性の高いセラミック材料であるAlNやAl2O3などが利用される。
【０００７】
【非特許文献１】株式会社東芝セミコンダクター社、“東芝インバーター用半導体”、[online]、[2003年10月13日検索]、インターネット＜http://www.semicon.toshiba.co.jp/prd/pdf_presen/inverter_j.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記の技術では、部品点数が多く、インバータシステム全体の構造が複雑であるという問題があった。
【０００９】
上記の技術では、スイッチング素子やダイオードなどの半導体素子が上部配線に実装されており、この上部配線とヒートシンクとの間には絶縁基板が介在されている。これは、ハイブリッドカーなどの電源電圧は300V程度と高電圧であるため、上部配線とヒートシンクとの間も絶縁する必要があるためである。その結果、絶縁基板が必要となって部品点数が増え、絶縁基板の装着工程も必要となり、インバータシステムが複雑化するという問題がある。
【００１０】
従って、本発明の主目的は、簡易な構造にて十分な放熱性能を確保できるパワーモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、配線とヒートシンクとの装着の仕方に工夫を施し、両者の絶縁性の確保と熱伝導性の効率改善を実現することで上記の目的を達成する。
【００１２】
本発明パワーモジュールは、配線と、この配線に接続される半導体素子と、半導体素子からの発熱を放散するヒートシンクとを有するパワーモジュールである。この半導体素子は配線上に導電接着される。そして、この配線はヒートシンクと絶縁性接着剤で接着されていることを特徴とする。
【００１３】
絶縁性接着剤を用いることで、別途絶縁基板（層・フィルム）を準備する必要がなく、パワーモジュールを構成する部品点数を減少することができる。また、絶縁性接着剤は絶縁基板（層・フィルム）を用いる場合に比べて半導体素子からヒートシンクまでの熱抵抗を小さくでき、より効率的に半導体素子を冷却することが可能である。
【００１４】
また、別の本発明パワーモジュールは、配線と、この配線に接続される半導体素子と、半導体素子からの発熱を放散するヒートシンクとを有するパワーモジュールである。この半導体素子は配線上に導電接着され、配線はヒートシンク上に装着される。そして、ヒートシンクは配線との界面に無機絶縁層を有することを特徴とする。
【００１５】
無機絶縁層を有するヒートシンクを用いれば、別途絶縁基板（層・フィルム）を準備する必要がなく、パワーモジュールを構成する部品点数を減少することができる。また、絶縁基板（層・フィルム）を用いる場合に比べて半導体素子からヒートシンクまでの熱抵抗を小さくでき、より効率的に半導体素子を冷却することが可能である。
【００１６】
以下、本発明をより詳しく説明する。
【００１７】
＜配線＞
配線は、ヒートシンク上に配されて電流が流される箇所であり、代表的には入力電力または出力電力を通電するための導電部材である。通常、この配線には銅板（例えば厚み1〜3mm）が利用される。銅板の上にNiなどのメッキ層を形成したものでも良い。
【００１８】
この配線は、半導体素子が接着される装着部を有する。装着部は配線のうち、半導体素子が実装可能なように半導体素子面積以上の面積を有する箇所である。通常、装着部は多角形あるいは円形に構成されることが多い。特に、半導体素子からの熱伝導が均等に行われるように、半導体素子を中心として外周側に均等に広がる形状が好適である。
【００１９】
この装着部の面積は、半導体素子の面積の2倍以上であることが好ましい。装着部の面積を大型化することで、半導体素子の熱をヒートシンクに伝導するための面積を広げ、半導体素子からヒートシンクまでの熱抵抗を小さくして効率的な放熱を行なうことができる。
【００２０】
＜半導体素子＞
この半導体素子には、ヒートシンク上に実装される全ての発熱性の素子が含まれる。インバータの場合、代表的にはスイッチング素子とダイオードの組合せで構成されるため、これらスイッチング素子とダイオードが半導体素子に相当する。スイッチング素子には、FET、GTO、IGBTなどが利用される。
【００２１】
この半導体素子は配線上に導電接着する。導電接着は、電気的な接続を確保して半導体素子を保持できる手段であれば特に限定されない。導電接着の代表例としては、半田付けが挙げられる。その他、導電性接着剤により半導体素子を配線上に接着しても良い。耐熱性に優れる導電性接着剤の具体例としては、エポキシ系としてコトロニクス社製Duralco124、同120、同122（商品名）が、セラミック系としてコトロニクス社製Resbond931、同954（商品名）が挙げられる。
【００２２】
＜ヒートシンク＞
ヒートシンクは、半導体素子からの熱を放散させるためのもので、熱伝導性の高い材料で構成することが望ましい。高熱伝導性の材料は導電性でも絶縁性でも構わない。
【００２３】
導電性材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金や銅、銅合金が挙げられる。ヒートシンクに導電性材料を用いた場合、絶縁性接着剤で配線をヒートシンクに接着する。その他、ヒートシンクにおける配線との界面に無機絶縁層を設けてもよい。この絶縁性接着剤と無機絶縁層の一方または双方により、配線とヒートシンクとの絶縁を確保する。
【００２４】
無機絶縁層としては、例えば、Al2O3、SiO2、SnO2、SOG（スピンオングラス）およびIn2O3よりなる群から選択される１種以上からなる単層または複層が挙げられる。その他、AlN、SiN、SiC、AlSiCなどでもよい。これらの無機絶縁層は、例えば真空蒸着、スパッタリングなどのPVD法や、プラズマCVDなどのCVD法あるいはスプレー法により形成することができる。
【００２５】
中でも、アルマイト処理により形成されるAl2O3が無機絶縁層として好適である。Al2O3は公知のアルマイト処理により容易に形成することができる。一般に、このアルマイト皮膜は多数の空孔を有する多孔質の酸化皮膜である。この空孔に絶縁充填材を充填することが好ましい。空孔を絶縁充填材で埋めることにより、無機絶縁層の絶縁性能を向上させることができる。
【００２６】
上記の無機絶縁層は、多数の島状に形成することが好ましい。通常、アルマイト皮膜などの無機絶縁層は、面積が大きい場合や膜厚が厚い場合にクラックが発生しやすい。多数の島がアルミニウムの素地上に分散された状態に形成されていれば、個々の無機絶縁層サイズが小さくなり、クラックの発生を抑制することができる。その場合、各島の間には絶縁性接着剤が充填されるようにすることが好ましい。この充填により、ヒートシンクの素地と配線との間は、絶縁性接着剤と島状に分散配置された無機絶縁層とで絶縁が確保されることになる。多数の島状に無機絶縁層を形成するには、例えばアルマイト処理の場合、アルミニウムの素地表面を格子状にマスクしておいてから電解液中で陽極酸化を行い、後にマスクを除去すれば良い。
【００２７】
一方、ヒートシンクを構成する高熱伝導性の絶縁性材料としては、AlN、SiN、SiC、AlSiCなどが挙げられる。絶縁性材料を用いた場合、ヒートシンクに直接配線を接合することができる。その場合の接合材は絶縁性でも導電性でも構わない。例えば、接合材としては、絶縁性接着剤や導電性接着剤が挙げられる。
【００２８】
ヒートシンクの形状は、効率的に放熱を行うために、表面積の大きい形状とすることが望ましい。例えば、多数のフィンを有する形状が挙げられる。
【００２９】
また、ヒートシンクは、水冷などの液体冷媒を用いる水冷タイプと、空気などの気体冷媒を用いる空冷タイプの両方が利用できる。液体冷媒を用いる場合、ブロック状のヒートシンク内に冷媒流路を形成すればよい。冷媒流路は、ヒートシンクを均一に冷却できるよう、例えば蛇行状に構成する。一方、空冷タイプの場合、ヒートシンクに多数のフィンを設け、各フィンの間にファンなどで風を送り込み強制空冷すれば、効果的な冷却を行うことができる。
【００３０】
＜絶縁性接着剤＞
絶縁性接着剤は、配線とヒートシンクとの電気的絶縁が確保できる絶縁耐力を有する材料を選択すれば良い。絶縁性接着剤にはエポキシ系接着剤やセラミック系接着剤などがある。耐熱性に優れる絶縁性接着剤の具体例として、エポキシ系としてコトロニクス社製Duralco4460、同4461、同4700（商品名）が、セラミック系としてコトロニクス社製Resbond901、同989（商品名）が挙げられる。
【００３１】
＜絶縁被覆材＞
ヒートシンク上に実装される配線や半導体素子などの実装部品は絶縁被覆材により覆って保護することが好ましい。この絶縁被覆材により、半導体素子とヒートシンクとが一体化された一部品として構成することができる。絶縁被覆材は、ICやLSIなどの分野でパッケージングに用いられている樹脂、例えばエポキシ樹脂などを利用することができる。その他、Siゲルなども利用できる。
【００３２】
半導体素子とヒートシンクとを絶縁被覆材で一体化した場合、パワーモジュールの表面に入力端子と、出力端子と、半導体素子制御用の信号端子とを形成することが好ましい。これらの端子を単一部品となったモジュールに設けることで、直流電源、モータ、制御回路などとモジュールとの接続を容易に行うことができる。例えば、インバータの場合、直流の入力端子と、変換出力される交流の出力端子と、スイッチング素子の制御用信号端子とをパワーモジュールの表面に形成すればよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００３４】
まず、本発明パワーモジュールの基本構成を図１に基づいて説明する。図１は本発明パワーモジュールを構成する半導体素子の実装状態を示す断面図である。このパワーモジュールは、下から順に、ヒートシンク1、絶縁性接着剤2、配線3、半田5、半導体素子6が積層して実装されている。
【００３５】
ヒートシンク1はアルミニウム製で、下面側に多数のフィン1Aが形成されている。各フィン1Aの間に形成される空間が空冷時の空気の流路となる。
【００３６】
このヒートシンク1上面に絶縁性接着剤2で配線3を装着する。配線3は銅製の基材31上にNiメッキ層32を形成したものである。絶縁性接着剤2には、コトロニクス社製Duralco4460、同4700（商品名）を用いた。
【００３７】
このNiメッキ層32の上に半田5により半導体素子6が実装される。ここでは、インバータのスイッチング素子であるFETを半導体素子6とした。そして、ヒートシンク1の上面を配線3や半導体素子6を覆うようにモールドする。このモールド樹脂7にはシリコーンゲルを用いた。
【００３８】
このパワーモジュールによれば、従来のパワーモジュールで用いていた絶縁基板を用いることなくパワーモジュールを構成でき、部品点数の減少、製造工程の簡略化を実現できる。また、配線とヒートシンクとの接合に絶縁性接着剤を用いることで、両者の絶縁性も十分に確保することができる。さらに、図中の矢印に示すように、半導体素子からヒートシンクへの熱伝導を迅速に行なうことで、効率的な放熱を行なうことができる。
【００３９】
なお、上記のNiメッキ層32を省略し、銅製の基材31上に直接半田5で半導体素子6を実装しても良い。
【実施例２】
【００４０】
次に、ヒートシンクの表面部に無機絶縁層を形成した例を図２に基づいて説明する。図２はAl2O3層を有するヒートシンクを用いた本発明パワーモジュールの断面図である。
【００４１】
実施例１では、ヒートシンク1と配線3との間の絶縁を絶縁性接着剤2だけにより確保した。本例では、図２に示すように、ヒートシンク1におけるアルミニウム素地10の上面に、アルマイト処理によりAl2O3層11（無機絶縁層）を形成し、その上に絶縁性接着剤2を塗布している。この構成によれば、絶縁性接着剤2に加えてAl2O3層11によっても、配線3とヒートシンク1との絶縁性を確保できる。通常、熱伝導性はAl2O3層11の方が絶縁性接着剤2よりも高い。また、Al2O3層11は十分な絶縁特性を有している。そのため、絶縁性接着剤2の厚みを薄くしても、Al2O3層11を有するヒートシンクを用いれば、Al2O3層11で耐電圧を確保しながら実施例１よりも半導体素子6とヒートシンク1間の熱抵抗をさらに小さくすることができる。他の構成は実施例１と同様なので説明を省略する。
【実施例３】
【００４２】
次に、多数の島状にAl2O3層を形成した例を図３に基づいて説明する。図３（A）は多数の島状にAl2O3層が形成されたヒートシンクの平面図、同（B）はこのヒートシンク上に絶縁性接着剤を塗布した状態の断面図である。
【００４３】
本例は、多数の島状にAl2O3層11を形成した点を除き、他の構成は実施例２と同様である。図３(A)に示すように、ヒートシンクのアルミニウム素地10上には矩形の島が多数整列された状態にAl2O3層11が形成される。このようなAl2O3層11は、アルマイト処理を行なう際、アルミニウムの素地10表面を格子状にマスクしておいてから電解液中で陽極酸化を行い、後にマスクを除去することで形成した。このように、多数の島がアルミニウムの素地上に分散された状態に形成されていれば、個々のAl2O3層のサイズが小さくなり、クラックの発生を抑制することができる。
【００４４】
このAl2O3層11上に絶縁性接着剤2を塗布する。そのとき、各島の間には絶縁性接着剤2が充填される。従って、ヒートシンクの素地10と配線3(図2参照)との間は、絶縁性接着剤2と島状に分散配置されたAl2O3層11とで絶縁が確保される。その場合、配線3とヒートシンク1との間の介在物は絶縁性接着剤2とAl2O3層11との混成となるため、この介在物の熱伝導度は絶縁性接着剤2とAl2O3層11のほぼ中間となる。そのため、Al2O3層11のみの場合に比べてより高い熱伝導性を得られ、効率的な放熱を行なうことができる。
【実施例４】
【００４５】
次に、実施例２のAl2O3層に顔料を充填した本発明モジュールを図４に基づいて説明する。図４はアルマイト処理により得たAl2O3層の模式説明図である。
【００４６】
この図に示すように、Al2O3層11はアルミニウム素地10の上に柱状の結晶粒が集合して形成されたものである。各結晶粒には、表面側が開口してアルミニウム素地側に底部を有するほぼ円筒状の空孔11Aが形成されている。
【００４７】
この空孔11Aに絶縁性充填材である顔料を充填する。この顔料を用いれば、アルマイト処理で得たAl2O3層11を着色することもできる。
【００４８】
Al2O3層11に形成される多数の空孔11Aを絶縁充填材で埋めることにより、Al2O3層11の絶縁特性をさらに向上させることができる。
【実施例５】
【００４９】
次に、配線のうち半導体素子が装着される装着部の面積を大型にした本発明モジュールを図５に基づいて説明する。図５(A)は実施例５のモジュールを構成する半導体素子と配線の平面図、（B）は同モジュールにおける半導体素子の装着箇所の断面図である。
【００５０】
この図に示すように、配線は帯状部33と、帯状部33と一体の装着部34とから構成される。装着部34は、半導体素子6が実装できるように帯状部33よりも幅広に形成された箇所である。本例では、ほぼ正方形の半導体素子6を実装するため正方形の装着部34とした。装着部34と帯状部33の連結箇所はほぼ台形状に構成されている。
【００５１】
ここで、装着部34の面積を半導体素子6の面積の2〜3倍とした。従来、装着部34の面積は半導体素子6の実装ができればよいため、せいぜい半導体素子6の1.2〜1.5倍程度とされていた。本例では、従来に比較して大面積の装着部34を構成することで半導体素子6からヒートシンク1までの熱伝導面積を大きくし、より効率的な放熱を可能とする。
【実施例６】
【００５２】
次に、本発明モジュールでインバータを構成した場合を図６に基づいて説明する。図６(A)は実施例６のインバータの模式平面図、同(B)は(A)図におけるB-B断面図である。
【００５３】
このモジュールは、アルミニウム製のヒートシンク1上に絶縁性接着剤2を介して配線3を所定のパターンに装着し、その配線3上に半導体素子6を実装している。ここでは、合計６つの半導体素子6（スイッチング素子）を配線3上に実装し、各半導体素子6と配線3とをAlやCuのボンディングワイヤ8にて接続している。(A)図の下方に引き出される２本の配線が入力電力用の配線で、上方に引き出される３本の配線が出力電力用の配線である。
【００５４】
本例においても、配線3とヒートシンク1とは絶縁性接着剤2により接合されているため、絶縁基板を用いる必要がなく、半導体素子6からの放熱を効率的に行なうことができる。
【実施例７】
【００５５】
次に、本発明モジュールでインバータを構成した場合を図７に基づいて説明する。図７(A)は実施例７のインバータの模式平面図、同(B)は(A)図におけるB-B断面図である。
【００５６】
本例もヒートシンク上に所定パターンの配線3を絶縁性接着剤2で接合し、その配線3上に合計６つの半導体素子6を実装した点は実施例６と同様である。また、(A)図の下方に引き出される２本の配線が入力電力用の配線で、上方に引き出される３本の配線が出力電力用の配線である点も実施例６と同様である。
【００５７】
実施例６と本例との相違は、実施例６では半導体素子6の配列が横型構造デバイスであるのに対し、本例では縦型構造デバイスとした点である。横型構造デバイスは、デバイスの水平面に沿って電流が流れるようにデバイス表面にソース、ゲート、ドレインが配され、縦構造デバイスは、デバイスの裏面から表面に向かって電流が流れるように表面にソース、ゲートが、裏面にドレインが配された構造である。また、本例では、配線パターンの上にAlNの絶縁セラミック基板9を形成し、その基板9における半導体素子6を実装する箇所には開口を形成して、開口部から半導体素子6を配線3上に接合している。
【００５８】
この構成によれば、絶縁基板を用いることなく配線3とヒートシンク1との接合を行なうことができ、半導体素子からの放熱を効率的に行なうことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明パワーモジュールによれば、絶縁性接着剤と無機絶縁層の少なくとも一方により配線とヒートシンクとを絶縁することで、簡易な構造にて十分な放熱性能を確保できるパワーモジュールとできる。そのため、電気自動車、ハイブリッドカーなど、パワーモジュールの設置スペースの制約が大きい分野において有効利用できる。特に、半導体素子温度が150℃から250℃程度、使用電源電圧200〜750V、最大電圧700〜1500V程度でのインバータへの利用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明パワーモジュールを構成する半導体素子の実装状態を示す断面図である。
【図２】Al2O3層を有するヒートシンクを用いた本発明パワーモジュールの断面図である。
【図３】(A）は多数の島状にAl2O3層が形成されたヒートシンクの平面図、（B）はこのヒートシンク上に絶縁性接着剤を塗布した状態の断面図である。
【図４】アルマイト処理により得たAl2O3層の模式説明図である。
【図５】(A)は実施例５のモジュールを構成する半導体素子と配線の平面図、（B）は同モジュールにおける半導体素子の装着箇所の断面図である。
【図６】(A)は実施例６のインバータの模式平面図、(B)は(A)図におけるB-B断面図である。
【図７】(A)は実施例７のインバータの模式平面図、(B)は(A)図におけるB-B断面図である。
【図８】モータを駆動するインバータの回路図である。
【図９】インバータを搭載した基板の概略平面図である。
【図１０】図９の基板の部分断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
1  ヒートシンク  1A  フィン  10  素地  11  Al2O3層  11A  空孔
2  絶縁性接着剤  3  配線  31  基材  32  Niメッキ層
33  帯状部  34  装着部
5  半田  6  半導体素子  7  モールド樹脂
8  ボンディングワイヤ  9  絶縁セラミック基板
54  ダイオード
100  モータ  110  ロータ  120  ステーター  121  ポール
130  導線  140  ホール素子  150  制御回路  530  スイッチング素子
600  ヒートシンク  601  Ni箔  602  半田  603  Al板  604  絶縁基板
605  Al板  606  Ni箔  607  半田
【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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【図９】
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【図１０】
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