(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱素子が実装された絶縁基板と、該絶縁基板が固着された放熱板と、該発熱素子を外装する樹脂とで構成されるパワーモジュールにおいて、
金または銅からなり、前記発熱素子の電極上に形成され、前記樹脂で覆われながらも上面が平坦化されて前記樹脂から露出したバンプと、
前記バンプ上面に配置され、前記バンプを介して前記発熱素子と接続される金属配線板とを備え、
前記金属配線板は、絶縁材を基材として該基材上に金属を張り合わせることにより配線が施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】
請求項１記載のバンプと発熱素子との当接する部分の面積が、該素子のバンプ側の面積の３０％以上であることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項３】
請求項２記載のバンプの厚さが発熱素子の厚さの０．３〜３．０倍であることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項４】
発熱素子が実装された絶縁基板と、該絶縁基板が固着された放熱板と、該発熱素子を外装する樹脂とで構成されるパワーモジュールの製造方法において、
発熱素子の電極上に金または銅からなるバンプを形成する第１工程と、
前記バンプと前記発熱素子とを覆うように樹脂外装する第２工程と、
前記バンプ上面の樹脂を切削除去し平坦化してバンプ上面を露出させる第３工程と、
前記バンプ上面に金属配線板を配置し、該金属配線板と前記発熱素子とを前記バンプを介して接続する第４工程と
を備え、
前記第４工程で配置される前記金属配線板は、絶縁材を基材として該基材上に金属を張り合わせることにより配線が施されていることを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【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り、特にインバータ装置などの発熱素子を冷却するための冷却構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車等に用いられている従来のインバータ装置には、トランジスタやＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子が用いられているが、大電流を制御していることから消費電力も大きく、多量の熱が発生する。
このような半導体スイッチング素子からの発熱を放置しておくと、電子部品が劣化して寿命が短くなるばかりでなく、破壊するおそれもあるため、極力、放熱し、温度上昇を抑制して使用する必要がある。
【０００３】
従来のパワーモジュールとしては、図３、４に示す断面図のようなものがあり、このパワーモジュールは、冷却装置を備えた汎用のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）モジュールである（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−６８４４７号公報
【０００４】
図３において、１はパワーモジュール、５はアルミニウムや銅等からなる放熱板（金属ベース板）、４は両面に銅等の金属箔を固着させたアルミナや窒化アルミニウム等からなる絶縁基板、２はＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子（発熱素子）である。
また、９はブスバー、８は中継基板、１０は半導体スイッチング素子と中継基板を接続するアルミワイヤ、３ははんだ、１１はパワーモジュール１の内部を封止するシリコン樹脂、７はヒートシンク、６はシリコングリース等のコンパウンドである。
図３に示すように、半導体スイッチング素子２は、絶縁基板４の上にはんだ３を介して接合され、また、絶縁基板４は放熱板５の上にはんだ３を介して接合され、放熱板５はヒートシンク７にコンパウンド６を介して固着されている。
パワーモジュールの動作時に半導体スイッチング素子２から発生する熱は、絶縁基板４と放熱板５とを経由してヒートシンク７に伝導し、半導体スイッチング素子２が冷却される。
【０００５】
上記のパワーモジュールは、使用されている各部材の線膨張係数が互いに異なるので、動作時の温度変化により熱変形が起こり、これにより熱応力が発生する。
また、大容量化に伴って半導体スイッチング素子の発熱量が増加するとともに、熱サイクル数も増大しているため、長期にわたる信頼性に関しても問題がある。
例えば、パワーモジュール１では、絶縁基板４が窒化アルミニウムである場合、その線膨張係数が約４×１０−６／Ｋであるのに対して、放熱板５が銅の場合、約１６×１０−６／Ｋであり、アルミニウムの場合、約２３×１０−６／Ｋとその差が非常に大きく、このため動作時に生じる温度変化によって、絶縁基板４と放熱板５の接合部に熱応力が発生し、従来のはんだ３のような硬い材料で構成した場合、亀裂が発生しやすく、長期信頼性に問題があった。
さらに、放熱板５とヒートシンク７との間に、熱伝導率の低いコンパウンド６を介在させる構造となっているため、熱抵抗が高く、冷却性能が低いという問題もあった。
【０００６】
また、他の従来例として、図４のように、半導体スイッチング素子２を絶縁基板４に載置させ、該絶縁基板４を放熱板５に固着させた上で、放熱フィン付きのヒートシンク７に取付けるとともに、半導体スイッチング素子２の電極を金属板２０に接合させ、該金属板２０を、絶縁膜２１を介して上部冷却板２２に接続させる構造のものがある。
【０００７】
しかし、上記の構造は複雑であり、組立に工数がかかり、部材コストが高くなる上、上部冷却板２２に接続する絶縁膜２１により熱伝導性が低下するという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のパワーモジュールにおいては、半導体スイッチング素子２を搭載した絶縁基板４を金属製の放熱板５にはんだ付けし、さらに放熱板５の下面と冷却ブロックの接する面にシリコングリース等のコンパウンド６を塗布して使用し、半導体スイッチング素子の冷却効果を高めているものの、シリコングリースの熱伝導率が約１Ｗ／ｍ・Ｋであり、放熱板や絶縁基板と比較して２桁以上小さく、シリコングリース界面における熱抵抗が大きくなるために高い放熱性を期待できない。
【０００９】
また、絶縁基板４と、上記の半導体スイッチング素子２、放熱板５との界面、半導体スイッチング素子２と金属板２０との界面に存在する接合はんだ３も、他の構成部材と比較して、熱抵抗が大きいため、放熱板の熱伝導性を向上させたとしても、高い放熱性を期待できない。
【００１０】
上記のような問題があったため、簡単な構造で、かつ半導体スイッチング素子からの放熱性を改善することができる電子部品の冷却構造が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するもので、発熱素子が実装された絶縁基板と、該絶縁基板が固着された放熱板と、該発熱素子を外装する樹脂とで構成されるパワーモジュールにおいて、金または銅からなり、前記発熱素子の電極上に形成され、前記樹脂で覆われながらも上面が平坦化されて前記樹脂から露出したバンプと、前記バンプ上面に配置され、前記バンプを介して前記発熱素子と接続される金属配線板とを備え、前記金属配線板は、絶縁材を基材として該基材上に金属を張り合わせることにより配線が施されていることを特徴とするパワーモジュールである。
また、発熱素子が実装された絶縁基板と、該絶縁基板が固着された放熱板と、該発熱素子を外装する樹脂とで構成されるパワーモジュールの製造方法において、発熱素子の電極上に金または銅からなるバンプを形成する第１工程と、前記バンプと前記発熱素子とを覆うように樹脂外装する第２工程と、前記バンプ上面の樹脂を切削除去し平坦化してバンプ上面を露出させる第３工程と、前記バンプ上面に金属配線板を配置し、該金属配線板と前記発熱素子とを前記バンプを介して接続する第４工程とを備え、前記第４工程で配置される前記金属配線板は、絶縁材を基材として該基材上に金属を張り合わせることにより配線が施されていることを特徴とするパワーモジュールの製造方法である。
【００１２】
また、上記のバンプと発熱素子との当接する部分の面積が、該素子のバンプ側の面積の３０％以上であることを特徴とするパワーモジュールである。
【００１３】
さらに、上記のバンプの厚さが発熱素子の厚さの０．３〜３．０倍であることを特徴とするパワーモジュールである。
【００１４】
そして、上記の金属配線板がポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ガラス繊維等の絶縁材を基材とし、銅、アルミニウム等の金属張りとし、銅、アルミニウム等により配線を施してなることを特徴とするパワーモジュールである。
【発明の効果】
【００１５】
上記の半導体スイッチング素子の発熱を、熱伝導性の高い金または銅からなるバンプを介して上面の放熱用の金属配線板に伝導させ、放熱することにより、半導体スイッチング素子下面の絶縁基板、放熱板だけでは十分に放熱できない熱をも逃がすことができ、放熱性向上を図ることが可能となる。
このとき、上記バンプの半導体スイッチング素子と当接する部分の面積を、該素子のバンプ側の面積の３０％以上とし、バンプの厚さを該素子の厚さの０．３〜３．０倍とすることで、上記の熱伝導性が改善されるとともに、半導体スイッチング素子と金属配線板との接続強度も維持することができ、また、該金属配線板を銅、アルミニウム等の金属張りとし、銅、アルミニウム等により配線することにより、放熱性がさらに向上する。
よって、信頼性の高い電子部品冷却構造を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明による実施例について、図面を参照して説明する。
パワーモジュールに使用される、本発明の電子部品冷却装置の断面図を図１に示す。また、図１のバンプ１６、エポキシ樹脂１７、中継基板８のＡ−Ａ’線による断面図を図２に示す。
半導体スイッチング素子２を搭載した絶縁基板４は、放熱板５にはんだ３を介してはんだ付けして実装される。
また、半導体スイッチング素子２上に冷却効果を高めるために、熱伝導性の高い金または銅からなるバンプ１６を形成して、周囲をエポキシ樹脂１７で固定した後、該バンプ１６とエポキシ樹脂の上面を切削除去して平坦化し、さらにバンプ上部に銅またはアルミニウムを張り合わせた熱伝導性の高い金属配線板１８を接合する。ここで、上記エポキシ樹脂は高さ調整の働きをする。
上記構成により、半導体スイッチング素子２から発生する熱は、はんだ３を介して絶縁基板４、放熱板５に至る経路のみでなく、バンプ１６を介して金属配線板１８に至る経路、すなわち、熱抵抗の大きなはんだを介さず放熱する経路を併せ持つ構造となり、放熱性を大幅に改善することができ、高い冷却能力を実現できる。
【００１７】
ここで、バンプ１６と半導体スイッチング素子２との当接する部分の面積と、該素子２のバンプ側面積の比［％］、バンプ１６の厚さに対する半導体スイッチング素子２の厚さの比［倍］と、該素子２の温度上昇との関係を調査した。
なお、バンプの材料は、本実施例では金とした。
また、半導体スイッチング素子２のバンプ１６による金属配線板１８との接続強度を調査するため、振動試験を行った。
なお、上記２つの試験の条件は下記のとおりとし、試料数はｎ＝１０とした。
【００１８】
［半導体スイッチング素子の温度上昇測定］
・半導体スイッチング素子：ＩＧＢＴ（定格：７０Ａ−６００Ｖ、サイズ：６．９×９．
０ｍｍ）
・通電条件
電流：３０Ａ、電圧：３２０Ｖ、時間：１０分
・温度上昇測定方法
測定器：熱電対
周囲温度：６０℃（恒温槽）
【００１９】
［パワーモジュールの振動試験］
パワーモジュールの金属配線板側を試験用基板にはんだ付けして、振動試験機に取り付け、下記条件にて試験した。
・振動試験条件
（周波数）      （振幅）    （時間）
Ｘ方向  １０〜５５Ｈｚ、１．５ｍｍ、２時間
Ｙ方向  １０〜５５Ｈｚ、１．５ｍｍ、２時間
Ｚ方向  １０〜５５Ｈｚ、１．５ｍｍ、２時間
・上記振動試験後、製品特性を測定し、不良品の発生数を調査した。
【００２０】
上記試験を行い、半導体スイッチング素子の温度上昇［℃］を測定するとともに、振動試験後の特性不良品の発生数を調査した結果を、下記の表１に示す。  
【００２１】
【表１】
0004555187.tif 000002
【００２２】
表１より明らかなように、バンプを介して半導体スイッチング素子の熱を金属配線板に放熱する構造の実施例１〜１１は、このような放熱構造を持たない従来例１と比較して、放熱性が改善され、また、半導体スイッチング素子の金属配線板に対する接続強度（振動試験後の特性）も改善されている。
また、半導体スイッチング素子の熱を金属板を介して上部冷却板に放熱する構造の従来例２は、従来例１より放熱性が改善され、実施例１と同等であるが、半導体スイッチング素子の金属配線板に対する接続強度（振動試験後の特性）は改善されていない。
次に、実施例１〜１１について比較すると、バンプ１６と半導体スイッチング素子２との当接する部分の面積と、該素子１２のバンプ側面積の比［％］は、３０％以上とするのが良い。３０％未満では、半導体スイッチング素子１２の温度上昇を抑えるのに十分でなく、また、バンプ１６による、半導体スイッチング素子１２の金属配線板１８への接続強度が十分でないので、振動試験において特性不良が発生する（実施例１、２）。
また、バンプ１６の厚さに対する半導体スイッチング素子１２の厚さの比［倍］は、０．３〜３．０倍とするのが良い。０．３倍未満では、接続強度が十分でないので、振動試験において特性不良が発生する（実施例４）。また、３．０倍を超えても、振動試験における不良発生率は変わらないので、材料コスト面で不利となる（実施例８）。
なお、上記実施例ではバンプの材料として金を用いたが、銅を用いても、上記と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例によるパワーモジュールの断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線によるパワーモジュールの断面図である。
【図３】従来例の電子部品冷却構造によるパワーモジュールの断面図である。
【図４】他の従来例の電子部品冷却構造によるパワーモジュールの断面図である。    である。
【符号の説明】
【００２４】
１  パワーモジュール
２  半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）
３  はんだ
４  絶縁基板
５  放熱板（金属ベース板）
６  コンパウンド
７  ヒートシンク
８  中継基板
９  ブスバー
１０  アルミワイヤ
１１  シリコン樹脂
１６  バンプ
１７  エポキシ樹脂
１８  金属配線板（放熱用）
１９  配線用金属端子（配線用）
２０  金属板
２１  絶縁膜
２２  上部冷却板
２３  配線パターン
【図１】
0004555187.tif 000003
【図２】
0004555187.tif 000004
【図３】
0004555187.tif 000005
【図４】
0004555187.tif 000006