(57)【要約】【課題】  半導体素子の表面温度の低減、及びその面内温度分布の均一化を実現できるパワー半導体モジュールを提供する。【解決手段】  本発明にかかるパワー半導体モジュールでは、高熱伝導体２０により半導体素子１３で発生した熱を一時的に保留し、半導体素子１３の表面温度の上昇を抑制することができる。特に、高熱伝導体２０の熱伝導率が半導体素子１３の熱伝導率よりも大きいため、その発生熱を速やかに伝導させて温度抑制効果を発揮させることができる。【選択図】  図１
2005116702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の表面に形成された回路パターンの所定位置に半導体素子をロー付接合して構成されるパワー半導体モジュールにおいて、
前記半導体素子の前記絶縁基板とは反対側に形成された表面電極に、前記半導体素子の熱伝導率以上の熱伝導率を有する高熱伝導体をロー付接合したことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
前記高熱伝導体の熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
【請求項３】
前記高熱伝導体における前記半導体素子の表面電極との接合面積が、前記表面電極全体の面積の４０％以上となるように構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記高熱伝導体の厚みが、前記半導体素子の厚みと、前記半導体素子との間に介装されるロー材の厚みとを合計した厚み以上となるように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
前記高熱伝導体の厚みが０．２５ｍｍ以上となるように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
前記高熱伝導体が、前記半導体素子と前記絶縁基板の前記回路パターンとを接続する電気伝導体を構成することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のパワー半導体モジュール。
【請求項７】
前記高熱伝導体がリードフレームとして構成されており、その厚みが最小となる部分の厚さが０．２５ｍｍ以上となるように構成されたことを特徴とする請求項６記載のパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱性の半導体素子を絶縁基板上に構成された回路パターンに接合して構成されるパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールなどのパワー半導体モジュールのパッケージ構造は、図８に示すようなケース構造と呼ばれるものが主流となっている。同図（Ａ）は、そのＩＧＢＴモジュールの主要部を表す平面図であり、同図（Ｂ）は、そのＡ−Ａ断面に相当する矢視断面図である。
【０００３】
これらの図に示されるように、ＩＧＢＴモジュールは、ヒートシンク１１１，絶縁基板１１２及び半導体素子１１３を半田１１４により一体的に接合して、この一体となった構造物を樹脂成形されたケース１１５に接着し、さらに配線用の複数のワイヤ１１６を接続することにより構成されている。そして、これら絶縁基板１１２，半導体素子１１３及びワイヤ１１６を水分，湿気，塵などから保護するために、ケース１１５内はゲル１１７で封止されている。
【０００４】
このＩＧＢＴモジュールの電気的接続については、同図に示すように、半導体素子１１３の表面電極にワイヤ１１６がボンディングされる一方、裏面電極が絶縁基板１１２上の回路パターン１１８（主にＣｕで構成）に半田接合されている。また、複数の回路パターン１１８の間や、各回路パターン１１８と外部電極用端子１１９との間にもワイヤ１１６がボンディングされ、電気的な接続が確保されている。
【０００５】
しかしながら、ワイヤ１１６による電気配線では半導体素子１１３で発生した熱を放熱させる作用が少ない。また、半導体素子１１３で発生した熱は絶縁基板１１２にて拡散してヒートシンク１１１に伝導されて放熱されるが、特に半導体素子１１３の中央部は端部に比べて発生した熱が絶縁基板１１２内で広がり難い。このため、実使用時に半導体素子１１３の中心部の温度が極端に上昇し、パワー半導体モジュールの性能及び信頼性を低下させてしまうといった問題があった。
【０００６】
こうした中、例えば半導体素子の表面電極に金属板を接合し、この金属板を介して半導体素子で発生した熱を放熱する技術が提案されている（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特開２０００−６８４４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献には、導電性の良い金属板を用いるとあるのみで、放熱に関するその金属板の具体的特性については触れられておらず、どの程度の放熱効果があるかについても開示されていない。
【０００８】
一方、上記問題を解決するためには、パワー半導体モジュールにおいて電流のオン／オフにより温度負荷が繰返される実使用時に生じる半田接合部の歪みを低減させ、その半田接合部の電気的安定性（電流の流れの均一化），熱的な性能（表面温度分布の均一化）と、その長期信頼性を確保する必要がある。そして、その長期信頼性を確保するためには、半導体素子の表面温度の低減、さらにその面内温度分布の均一化を如何に実現するかが課題となる。
【０００９】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、半導体素子の表面温度の低減、及びその面内温度分布の均一化を実現できるパワー半導体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】
【００１０】
本発明では上記問題を解決するために、絶縁基板の表面に形成された回路パターンの所定位置に半導体素子をロー付接合して構成されるパワー半導体モジュールにおいて、前記半導体素子の前記絶縁基板とは反対側に形成された表面電極に、前記半導体素子の熱伝導率以上の熱伝導率を有する高熱伝導体をロー付接合したことを特徴とするパワー半導体モジュールが提供される。
【００１１】
ここでいう「ロー付接合」には、半田接合その他のロー材による接合が含まれる。また、絶縁基板やこれに接合される半導体素子は一つであっても複数含まれていてもよい。
このようなパワー半導体モジュールによれば、高熱伝導体により半導体素子で発生した熱を一時的に保留し、半導体素子の表面温度の上昇を抑制することができる。特に、高熱伝導体の熱伝導率が半導体素子の熱伝導率以上になっているため、その発生熱を速やかに伝導させて温度抑制効果を発揮させることができる。
【００１２】
一般的には、半導体素子の熱伝導率は１００Ｗ／ｍ・Ｋ程度のものがほとんどであるため、高熱伝導体として、その熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるものを選択するのが好ましい。
【００１３】
この場合、高熱伝導体における半導体素子の表面電極との接合面積が大きいほど熱伝導が良くなり、半導体素子の表面温度の低減効果を発揮する傾向にあるが、発明者らの解析により、ある接合面積以上になるとその効果が収束する傾向にあることが分かった。すなわち、後述する実施の形態でも述べるように、その接合面積が半導体素子の中心部を含め表面電極全体の面積の４０％以上となるように構成するとよい。
【００１４】
同様に、発明者らの解析により、高熱伝導体の厚みが、半導体素子の厚みと、半導体素子との間に介装されるロー材の厚みとを合計した厚み以上となるように構成されていると、高熱伝導体による温度抑制効果を大きく発揮させることができる。具体的には、後述する実施の形態から、高熱伝導体の厚みが０．２５ｍｍ以上となるように構成されるのが好ましい。
【００１５】
さらに、高熱伝導体が、半導体素子と絶縁基板の回路パターンとを接続する電気伝導体を構成するようにしてもよい。
このように構成すれば、高熱伝導体において半導体素子から受け取った熱を、絶縁基板側に伝導して放熱することができ、半導体素子の表面温度の速やかな低減を実現することができる。
【００１６】
例えば、高熱伝導体をリードフレームとして構成することができ、その厚みが最小となる部分の厚さが０．２５ｍｍ以上となるように構成すれば、表面温度の良好な低減効果が得られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のパワー半導体モジュールによれば、高熱伝導体により半導体素子での発生熱を保留することができるため、その半導体素子の表面温度を低減させることができる。その結果、半導体素子の表面の温度勾配が小さくなり、その面内温度分布の均一化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
まず、本発明の第１の実施の形態について説明する。尚、本実施の形態のパワー半導体モジュールは、半導体素子としてＩＧＢＴを用いたものであり、図１はそのパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール）の構造を表す断面図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、長方形板状の絶縁基板１１の表面に形成された回路パターン１２の所定位置に、複数の発熱性の半導体素子１３（ＩＧＢＴ：本実施の形態では熱伝導率約８５Ｗ／ｍ・Ｋ）を半田５１を介して半田接合して構成されている（図８（ａ）と同様）。尚、図１においては、その複数の半導体素子１３の一つが表示されている。
【００２０】
絶縁基板１１の裏面には、この絶縁基板１１よりも大きな長方形板状の銅（Ｃｕ）板からなるヒートシンク１４が半田５２を介して半田接合されており、そのヒートシンク１４の上端縁に沿って半導体素子１３を取り囲むように、樹脂成形されたケース１５が接着されている。ケース１５の内壁には外部接続端子として、エミッタ用端子２１やコレクタ用端子２２等が設けられており、それぞれ複数本のアルミワイヤ３１，３２等を介して絶縁基板１１の回路パターン１２に電気的に接続されている。
【００２１】
半導体素子１３の表面電極は、図示しないアルミ（Ａｌ）で成膜されているが、無電解Ｎｉ／Ａｕめっき処理を施しているため、半田接合が可能となっている。そして、半導体素子１３の絶縁基板１１とは反対側に形成された表面電極には、低電気抵抗率で高熱伝導率を有する銅からなる長方形板状の高熱伝導体２０が半田５３を介して半田接合されている。この高熱伝導体２０は、半導体素子１３の表面に形成されたエミッタ電極に接続されており、その上面にはエミッタ電流を絶縁基板１１側に流すアルミワイヤ３３の一端がボンディングされ、その他端が回路パターン１２に接続されている。半導体素子１３の裏面にはコレクタ電極が形成されており、半田５１を介して絶縁基板１１の回路パターン１２に接続されている。
【００２２】
また、半導体素子１３の表面にはゲート電極も形成されており、このゲート電極と回路パターン１２とをつなぐアルミワイヤ３４がボンディングされている。このゲート電極と電気的に接続される回路パターン１２の部分からは、さらにアルミワイヤ３５が延出しており、その先端がケース１５の内壁に設けられた図示しないゲート用端子に接続されている。つまり、各アルミワイヤによって電気配線が形成されている。
【００２３】
さらに、これら絶縁基板１１，半導体素子１３，高熱伝導体２０及び各アルミワイヤを水分，湿気，塵などから保護するために、ケース１５内はゲル１７で封止されている。
次に、本実施の形態の高熱伝導体２０を設けたことによる温度低減効果について説明する。図２は、ＦＥＭ（有限要素法）による解析結果であり、高熱伝導体２０の接合面積と半導体素子１３の表面温度との関係を示している。同図において、横軸は、半導体素子１３の表面電極の面積（活性面積）に対する高熱伝導体２０の接合面積の比率（％）を表し、縦軸は、半導体素子１３の表面温度（℃）を表している。
【００２４】
このＦＥＭ解析の解析条件としては、高熱伝導体２０を厚さ１．０ｍｍ，熱伝導率３９０Ｗ／ｍ・Ｋの銅で形成し、半導体素子１３を一辺９．２５ｍｍ，厚さ１００μｍの正方形板状のものとした。また、半導体素子１３の発生熱量を１６０Ｗ，パワー半導体モジュール１の周囲温度を２５℃、冷却については強制空冷とした（以下の解析についても全て同条件である）。
【００２５】
同図によれば、高熱伝導体２０の接合面積が大きいほど表面温度を低減できることが分かり、特に、高熱伝導体２０の接合面積が半導体素子１３の表面電極の面積に対する面積比で４０％以上であれば、表面温度を大幅（１５℃以上）に低減できることが分かる。また、同面積比が４０％以上になると、その表面温度が収束していることも分かる。
【００２６】
次に、図３は、上述した接合面積比（図２参照）が７８％の場合と、０％の場合（つまり、高熱伝導体２０が無い場合）についての半導体素子１３の表面の温度分布を示している。同図において、横軸は、半導体素子１３の表面における幅方向の位置（一端縁からの距離）を表し、縦軸は、その表面温度（℃）を表している。
【００２７】
同図によれば、半導体素子１３の表面電極に高熱伝導体２０を半田接合した場合のほうが、高熱伝導体２０を接合していない場合に比べてその半導体素子１３の表面温度が大きく低下していることが分かる。また、高熱伝導体２０を接合した場合のほうが表面温度分布の差が小さく、表面温度分布が均一化される傾向にあることが分かる。
【００２８】
次に、図４は、高熱伝導体２０の厚さを変化させた場合の表面温度の変化を示している。同図において、横軸は、高熱伝導体２０の厚さ（ｍｍ）を表し、縦軸は、表面温度（℃）を表している。
【００２９】
同図によれば、高熱伝導体２０の厚さが０．２５ｍｍ以上のときに特に表面温度の低減効果が大きいことが分かる。
以上に説明したように、本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、高熱伝導体２０により半導体素子１３で発生した熱を一時的に保留し、半導体素子１３の表面温度の上昇を抑制することができる。特に、高熱伝導体２０の熱伝導率が半導体素子１３の熱伝導率よりも大きいため、その発生熱を速やかに伝導させて温度抑制効果を発揮させることができる。
【００３０】
その結果、半導体素子１３と絶縁基板１１との接合部の熱応力による歪を低減することもでき、信頼性の高い接合が可能となる。
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図５は、本実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの構造を表す断面図である。尚、本実施の形態は、高熱伝導体の構成を除けば上記第１の実施の形態の構成と同様であるため、同様の構成部分については同一の符号を付す等してその説明を省略する。
【００３１】
図５に示すように、本実施の形態のパワー半導体モジュール２０１においては、高熱伝導体２２０を二股のリードフレーム（電気伝導体）として構成している。その材質は銅（Ｃｕ）であり、第１の実施の形態と同様である。
【００３２】
すなわち、高熱伝導体２２０は、上記高熱伝導体２０と同形状の本体２２１の側方に、半田５４を介して絶縁基板１１の回路パターン１２に電気的に接続されるリードフレーム部２２２を有している。この本体２２１とリードフレーム部２２２とはその上端縁が架橋部２２３によって接続されている。
【００３３】
次に、本実施の形態の高熱伝導体２２０を設けたことによる放熱効果について説明する。図６は、ＦＥＭによる解析結果であり、高熱伝導体２２０の厚さと半導体素子１３の表面温度との関係を示している。同図において、横軸は、高熱伝導体２２０において厚みが最小となる架橋部２２３の厚さ（ｍｍ）を表し、縦軸は、半導体素子１３の表面温度（℃）を表している。尚、このＦＥＭ解析の解析条件については、高熱伝導体２２０の形状を除いて第１の実施の形態の場合と同様である。
【００３４】
同図によれば、架橋部２２３が厚くなるほど表面温度が低下することが分かる。尚、信頼性試験の一つであるパワーサイクル試験では、表面温度が５℃下がると接合部の寿命は２倍になると推定される（例えば富士時報  Vol.74, No.2, pp145-148, 2001）。
【００３５】
ここで、同図において、高熱伝導体２２０を設けない場合（架橋部２２３の厚みが０）と比較して、表面温度が５℃程度低減される厚さは０．２５ｍｍ程度ということになる。このため、架橋部２２３の厚さが０．２５ｍｍ以上あれば、パワー半導体モジュール２０１の寿命を大きく延ばすことができることが分かる。
【００３６】
次に、図７は、高熱伝導体２２０による半導体素子１３の小型化の可能性を検討した解析結果である。すなわち、本実施の形態において、仮に従来のワイヤボンディング配線（アルミワイヤのみで高熱伝導体２２０がない場合）と同様の表面温度を許容した場合に、半導体素子１３をどの程度小型化できるかを検証したものである。
【００３７】
ここでは、高熱伝導体２２０の半導体素子１３の表面電極の面積に占める接合面積の面積比を８０％、高熱伝導体２２０の本体２２１の厚さを１．０ｍｍとし、架橋部２２３の厚さを０．０５〜１．０ｍｍで変化させて解析を行った。
【００３８】
同図によれば、架橋部２２３の厚さを０．２５ｍｍ以上にすることで、従来の半導体素子の大きさの８０％以下にすることができ、つまり２０％以上の小型化が可能なことが分かる。さらに、架橋部２２３の厚さを０．５ｍｍとすると、３０％程度の小型化が可能となることが分かる。これは、本発明を利用することで、省スペースに対応したパワー半導体モジュールも提供可能であることを示している。
【００３９】
以上に説明したように、本実施の形態のパワー半導体モジュール２０１は、二股のリードフレームとして構成した高熱伝導体２２０により、半導体素子１３で発生した熱を絶縁基板１１側に伝導して放熱することができ、半導体素子１３の表面温度をより速やかに低減することができる。その結果、半導体素子１３と絶縁基板１１との接合部の熱応力による歪を低減することもでき、信頼性の高い接合が可能となる。
【００４０】
また、仮に半導体素子１３の温度低減を意図しない場合でも、その温度上昇の抑制効果を利用することで、半導体素子１３の小型化を可能にし、省スペース化を実現することができる。
【００４１】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はその特定の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の精神の範囲内での変化変形が可能であることはいうまでもない。
【００４２】
例えば、上記実施の形態では、高熱伝導体２０，２２０として銅からなるものを示したが、低電気抵抗率で高熱伝導率を有するものとして、銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）等の他の金属からなるものや、このような金属を含有した導電性セラミック等からなるものでもよい。
【００４３】
また、上記第２の実施の形態では、高熱伝導体２２０を二股のリードフレームとして構成した例を示したが、三股以上のリードフレームとして構成することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
発熱性の半導体素子を備えたパワー半導体モジュールであって、その半導体素子の温度上昇の抑制が要求されるものに対して適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】第１の実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの構造を表す断面図である。
【図２】第１の実施の形態の効果に関する解析結果を表す説明図である。
【図３】第１の実施の形態の効果に関する解析結果を表す説明図である。
【図４】第１の実施の形態の効果に関する解析結果を表す説明図である。
【図５】第２の実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの構造を表す断面図である。
【図６】第２の実施の形態の効果に関する解析結果を表す説明図である。
【図７】第２の実施の形態の効果に関する解析結果を表す説明図である。
【図８】従来のパワー半導体モジュールの構造を表す平面図及び断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１，２０１  パワー半導体モジュール
１１  絶縁基板
１２  回路パターン
１３  半導体素子
１４  ヒートシンク
１５  ケース
２０，２２０  高熱伝導体
３１，３２，３３，３４，３５  アルミワイヤ
５１，５２，５３，５４  半田
２２１  本体
２２２  リードフレーム部
２２３  架橋部
【図１】
2005116702.tif 000003
【図２】
2005116702.tif 000004
【図３】
2005116702.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005116702.tif 000009
【図８】
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