(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱板と、該放熱板と樹脂絶縁層を介して接合された導電層と、該導電層と接するパワー半導体素子と、外部との接続用の端子とを備え、前記パワー半導体素子と導電層の一部または全部が樹脂で封止されたパワー半導体モジュールにおいて、
前記導電層が板厚０．５ｍｍ以上の銅と銅の酸化物との複合材料であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記パワー半導体素子として、逆並列接続されたダイオードと自己消弧型スイッチング素子がそれぞれ２チップずつ並列接続され、同一の回路パターンの導電層上に搭載されているものを用い、かつ、前記導電層の複合材料の熱伝導率に異方性を持たせ、該導電層の熱伝導率が、前記ダイオード側の方が自己消弧型スイッチング素子側よりも大きくなるように、前記パワー半導体素子が配置されていることを特徴としたパワー半導体モジュール。
【請求項３】
放熱板と、該放熱板と樹脂絶縁層を介して接合された導電層と、前記放熱板と樹脂絶縁層を介して接合された積層基板と、該積層基板上に構成された信号回路と、前記導電層と接するパワー半導体素子と、外部との接続用の端子とを備え、前記パワー半導体素子と信号回路及び前記導電層の一部または全部が樹脂で封止されたパワー半導体モジュールにおいて、
前記放熱板に銅と銅の酸化物との複合材料を用いると共に、該放熱板の熱伝導率に異方性を持たせ、かつ、該放熱板の熱伝導率が、前記パワー半導体素子側よりも前記信号回路側の方が大きくなるように、前記パワー半導体素子と信号回路が配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパワー半導体モジュールに係り、特に、内部絶縁型に好適なパワー半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
パワー半導体モジュールおよびパワー半導体モジュールの制御用回路を内蔵したＩＰＭ(Inteligent Power Module) は、ＩＧＢＴ等パワー素子の大容量化及び家電品のインバータ化に伴い使用用途が広がっている。この使用用途の拡大に伴い、小容量から大容量の幅広い領域での製品対応および各容量域での低価格化が必要となっている。
【０００３】
パワー半導体モジュールにおいては、通常搭載されているパワー半導体素子の高発熱性を考慮し、金属等の高熱伝導の放熱板と、高熱伝導性絶縁材料の絶縁層と、回路パターンが形成された良導体の導電層とからなるのが一般的である。そして、搭載部品の発熱量に応じて、前記絶縁層の材料が選択されている。
【０００４】
大、中容量パワー半導体モジュールの構造を図５に示す。該図に示す如く、大、中容量パワー半導体モジュールは、銅の放熱板101と、銅の回路パターン502ａ及び502ｂを表裏面に設けたセラミック基板501と、前記回路パターン502a上に半田により接合されたダイオード104bやＩＧＢＴ104a等のパワー半導体素子104と、前記回路パターン502aとパワー半導体素子104を結線する金属細線105と、パワー用外部接続端子108a及び信号用外部接続端子108bと、ケース106と、セラミック基板501、回路パターン502ａ、502ｂ及びパワー半導体素子104とを封止する樹脂107とから概略構成されている。セラミック基板501の裏面の銅パターン502bは、放熱板101に半田接合されている。発熱量の大きな大、中容量品では、主として、高価であるが熱伝導率の大きいアルミナセラミックス、窒化アルミニウムセラミックス等のセラミックスが絶縁層として用いられている。
【０００５】
一方、小容量パワー半導体モジュールの構造を図６に示す。該図に示す如く、小容量パワー半導体モジュールは、アルミ製の放熱板101と、この放熱板101上に樹脂絶縁層102を介して接合された導電層103と、該導電層103上に半田により接合されたダイオード104bやＩＧＢＴ104a等のパワー半導体素子104と、前記導電層103とパワー半導体素子104を結線する金属細線105と、パワー用外部接続端子108a及び信号用外部接続端子108bと、ケース106と、導電層103とパワー半導体素子104を封止する樹脂107とから概略構成されている。発熱量が比較的小さい小容量パワー半導体モジュールでは、比較的熱伝導率が小さいが安価である樹脂絶縁層を用いている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
樹脂絶縁層を用いたパワー半導体モジュールを中、大容量域に適用できれば、高価なアルミナセラミックス、窒化アルミニウムセラミックス等のセラミックスを使用する必要が無く、コスト低減を図ることができる。しかし、絶縁樹脂は、熱伝導率が小さいためにパワー半導体モジュールの熱抵抗が大きくなり、発熱量の大きな中、大容量パワー半導体モジュールに適用すると、パワー半導体素子の温度が上昇して動作不良の原因となる。従って、中、大容量のパワー半導体に絶縁樹脂層を用いる際は、パワー半導体素子の発熱の放散が課題となる。
【０００７】
これらパワー半導体素子の発熱を有効に放散する手段として、図７に示すように、パワー半導体素子104と回路パターンを有する導電層103との間に、モリブデン等の低熱膨張率を有する金属で構成される熱拡散板701を介するものがある。パワー半導体素子104の発熱は、熱拡散板701内で横方向に広がり、結果として、パワー半導体モジュールの熱抵抗は低減する。また、モリブデンは熱膨張率が、放熱板101を構成するアルミおよび導電層103を構成する銅と、パワー半導体素子104の主たる構成材料のシリコンの間であり、運転時にパワー半導体素子104の下面の接合部に生じる熱歪みを緩和する効果がある。しかし、熱拡散板701を設置する方法は、モリブデン等の低熱膨張率の金属が高価で有ることと、熱拡散板の接合のプロセスが必要であることからコスト上の問題がある。
【０００８】
一方、導電層を厚膜化することにより、導電層に熱拡散の機能を持たせ、等価的に伝熱面積を広げる手段がある。導電層の厚膜化に効果的な手段として、特開平09-129822号公報に開示されている厚膜の導電層を回路パターンに用いるものがある。導電層に使用する材料は、抵抗率が小さいことが望まれる。しかし、導電層に銅やアルミニウム等の低抵抗率の金属を用いると、これらの低抵抗率の金属とパワー半導体素子の熱膨張率の差が大きいために、運転中に導電層とパワー半導体素子の接合部に熱歪みが発生する。例えば、銅の熱膨張率は１７×１０~6／Ｋ、アルミの熱膨張率は２４×１０~6／Ｋである。一方、パワー半導体素子の主たる構成材料は、主にシリコンである。シリコンの熱膨張率は、３×１０~6／Ｋである。接合部に発生する熱歪みは、導電層とパワー半導体素子の熱膨張率の差が大きいほど大きくなる。また、パワー半導体素子の寸法が大きいほど、つまり、中、大容量パワー半導体モジュール程、熱歪みが大きくなる。熱歪みが大きいほど接合部の信頼性は低下する。運転時に発生する熱歪みのために、銅、アルミといった、低抵抗の金属を導電層に用いると、パワー半導体モジュールの大容量化に限界がある。
【０００９】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、安価な樹脂絶縁層を用いて、低熱抵抗かつ、運転時の熱歪みが小さい高信頼性の中、大容量に好適なパワー半導体モジュールを提供するにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記目的を達成するために、放熱板と、該放熱板と樹脂絶縁層を介して接合された導電層と、該導電層と接するパワー半導体素子と、外部との接続用の端子とを備え、前記パワー半導体素子と導電層の一部または全部が樹脂で封止されたパワー半導体モジュールにおいて、前記導電層が板厚０．５ｍｍ以上の銅と銅の酸化物との複合材料であるパワー半導体モジュール、或いは、放熱板と、該放熱板と樹脂絶縁層を介して接合された導電層と、前記放熱板と樹脂絶縁層を介して接合された積層基板と、該積層基板上に構成された信号回路と、前記導電層と接するパワー半導体素子と、外部との接続用の端子とを備え、前記パワー半導体素子と信号回路及び前記導電層の一部または全部が樹脂で封止されたパワー半導体モジュールにおいて、前記放熱板に銅と銅の酸化物との複合材料を用いると共に、該放熱板の熱伝導率に異方性を持たせ、かつ、該放熱板の熱伝導率が、前記パワー半導体素子側よりも前記信号回路側の方が大きくなるように、前記パワー半導体素子と信号回路が配置されているパワー半導体モジュールとしたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施例を図１、図２、図３、図４に基づいて説明する。ただし、本発明は下記の実施例に限られるものではない。
【００１２】
（実施例１）
図１（ａ）、（ｂ）に、本発明の第一の実施形態である３相パワー回路を含むパワー半導体モジュールを示し、図１（ｂ）は本実施形態の平面構造を、図１（ａ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ断面を示す。
【００１３】
本実施形態のパワー半導体モジュールの構造は、放熱板101の上に樹脂絶縁層102を設け、この樹脂絶縁層102上に導電層103ａ、103ｂが接合され、該導電層103ａ上の所定の位置にパワー半導体素子104を半田により接合され、金属細線105で導電層103ｂとパワー半導体素子104を結線し、樹脂絶縁層102上に接合したケース106内に封止樹脂107によりモールドされて構成されている。更に、導電層103ｂはパワー用外部端子108aおよび信号用外部端子108bにより外部と接続される。また、パワー半導体素子104として、導電層103ａの回路パターンの同一部位に、逆並列接続されたＩＧＢＴ104aとダイオード104bを搭載している。
【００１４】
一方、放熱板101には、パワー半導体モジュールの冷却フィンへの取り付け用穴109を設けてある。放熱板101の材料として、高熱伝導の金属であるアルミ、銅等が用いられる。また、放熱板101内の熱広がりによるパワー半導体モジュールの熱抵抗低減の効果を考慮し、放熱板101厚は、２〜５ｍｍの範囲とする。
【００１５】
樹脂絶縁層102は、低熱抵抗および高絶縁が必要である。樹脂絶縁層102には、フィラーが分散されたエポキシ樹脂を用いている。フィラーには、高熱伝導率を有する無機化合物、例えば酸化珪素、酸化アルミ等が用いられる。フィラーの含有率を増すほど樹脂絶縁層102の熱抵抗は低減するが、エポキシ樹脂中に分散可能なフィラーの量には限界がある。フィラーの含有量を７５〜９５％とすることで、樹脂絶縁層102の熱伝導率は２〜５Ｗ／ｍｋ程度の範囲となる。また、低熱抵抗の樹脂絶縁層102を得るためには、樹脂絶縁層厚102を薄くすることが有効である。しかし、樹脂絶縁層102を薄くすると、樹脂絶縁層102の絶縁耐圧が小さくなるとともに、樹脂絶縁層102にピンホール等が発生しやすくなり、信頼性を低下させる。よって、樹脂絶縁層102の薄化には限界がある。本実施例での、樹脂絶縁層102の厚さは５０〜２５０μｍ程度である。樹脂絶縁層102は、絶縁を目的とするものであり、導電層103の直下部と、導電層103の周囲の放熱板101を、必要とされる絶縁耐圧に相当する縁面距離分以上は覆っている必要がある。本実施例では、放熱板101の導電層103側の主面の全面を樹脂絶縁層102で覆っている。
【００１６】
導電層103ａ、103ｂは、銅と銅の酸化物との複合材料により構成される。銅と銅の酸化物との複合材料の酸化銅の含有率は３０〜７０％の範囲であり、熱膨張率は５〜１４×１０-6／Ｋの範囲である。導電層103ａ、103ｂは、図１（ｂ）に示すような回路パターンを形成している。導電層103ａ、103ｂの板厚は０．５ｍｍ以上とする。銅と銅の酸化物との複合材料は加工性に優れるので、板厚０．５ｍｍ以上の任意の形状の回路パターンをプレス加工にて作製できる。導電層103ａ、103ｂの厚さを０．５ｍｍ以上とすると、後述する金属細線105の断面積に比べて大きく、ジュール発熱は問題とならない。
【００１７】
銅と銅の酸化物との複合材料を導電層103ａ、103ｂに用いるとにより、銅を用いた場合と比べて、パワー半導体素子104との接合部に発生する熱歪みを緩和することができ、図１（ａ）、（ｂ）に示すような、複数の部位からなる回路パターンの導電層103ａ、103ｂを備えるパワー半導体素子104においては、パワー半導体素子104を搭載した導電層103aのみに、抵抗率が銅と比べて大きい銅と銅の酸化物との複合材料を用いてもジュール発熱の問題はない。また、搭載されたパワー半導体素子104のサイズ、発熱により、回路パターンの部位毎に導電層103ａ、103ｂの酸化銅の含有率を最適化することができる。
【００１８】
また、導電層103ａ、103ｂの表面をNi、Ag、Pt、Sn、Sb、Cu、Zn、Pdの群から選択された少なくとも１種の金属、または、Ni、Ag、Pt、Sn、Sb、Cu、Zn、Pdの群から選択された少なくとも１種以上の金属を含む合金により被覆することにより良好な半田濡れ性を得ることができる。
【００１９】
パワー半導体素子104と導電層103ａ、103ｂを接合する半田は、Ｓｎ６３Ｐｂ３７等の錫と鉛の共晶組成に近い合金が、プロセス温度が低くてよい。また、鉛を含有していない半田として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系等がある。これらの半田は半田接合部に発生する熱歪みを低減するために、半田層の厚さを５０μｍ以上としている。
【００２０】
ケース106は、前記放熱板101に樹脂絶縁層102を介して接着されている。ケース106の材料に、耐熱性を有するＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を用いることにより、前記パワー半導体素子104の導電層103ａ、103ｂへの半田接合と同時に、樹脂絶縁層102に接着することが可能である。
【００２１】
パワー半導体素子104と導電層103ａ、103ｂは、金属細線105により接合されている。金属細線105には、φ３００〜５００μｍ程度のＡｌ合金のワイヤを用いる。
【００２２】
また、導電層103ａ、103ｂには、外部との接続用の端子108が配置されている。導電層103ａ、103ｂやパワー半導体素子104、金属細線105、外部接続端子108の一部は、熱伝導率の高い樹脂107によって封止されている。この封止樹脂107は、エポキシ樹脂等の比較的硬い熱硬化性樹脂を使用するのが一般的であるが、封止の際や使用時に封止樹脂が金属細線や素子に悪影響を与えることを防止するために、シリコンゲル等の比較的柔らかい材料を用いる。
【００２３】
本実施形態におけるパワー半導体モジュールは、低熱膨張率である銅と銅の酸化物との複合材料の導電層103ａ、103ｂを用いることにより、比較的大容量のパワー半導体素子104を実装した場合においても、運転時にパワー半導体素子104と導電層103ａ、103ｂの接合部に生じる熱歪みを抑制し高信頼性を得ている。また、導電層103ａ、103ｂの板厚を０．５ｍｍ以上とすることによって、高抵抗である銅と銅の複合材料の導電層103ａ、103ｂにおいても充分低い電気抵抗が得られ、導電層103ａ、103ｂ部のジュール発熱が抑制できるとともに、従来例のように、モリブデンのような高価な熱拡散板用いることなく、パワー半導体素子で発生した熱を導電層103ａ、103ｂ内部で効果的に拡散させパワー半導体モジュールの熱抵抗を低減している。
【００２４】
（実施例２）
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に本発明の第二の実施形態である単相パワー回路を含むパワー半導体モジュールに適用した例を示す。
【００２５】
本実施形態は、逆並列接続されたＩＧＢＴ104aとダイオード104bが、それぞれ２チップずつ並列接続され、同一の回路パターンの導電層103a上に搭載されている。また、銅と銅の酸化物とで構成された導電層103aに、図２（ａ）に示す方向の熱伝導率が大きくなるような熱伝導率の異方性を持たせている。また、パワー半導体素子104は、ＩＧＢＴ104aから逆並列されたダイオード104b方向の導電層103ａの熱伝導率が大きくなる様に配置されている。図２（ｂ）に図２（ａ）のＡ−Ａ断面図を示す。図２（ｂ）に図２（ａ）のＢ−Ｂ断面図を示す。図２（ａ）、図２（ｂ）には、インバータ動作時の熱流を矢印で模式的に示している。インバータ動作時は、ＩＧＢＴ104aの方が逆並列接続したダイオード104bよりも発熱が大きい。導電層103ａには図２（ａ）に示す方向の熱伝導率の異方性を持たせているので、ＩＧＢＴ104aの発熱の広がりは、図２（ａ）に示す逆並列接続されたダイオード104bへの方向の方が、図２（ｃ）に示す並列接続されたＩＧＢＴ104aへの方向よりも大きい。よって、インバータ動作時のＩＧＢＴ104aの発熱は、導電層103ａ内を熱伝導率の大きい方向、つまり、逆並列した発熱の小さいダイオード104b方向へ広がり効率的に冷却される。一方、コンバータ動作時は、ダイオード104bの方が逆並列接続したＩＧＢＴ104aよりも発熱が大きい。ダイオード104bの発熱は、導電層103ａ内を熱伝導率の大きい方向、つまり、逆並列した発熱の小さいＩＧＢＴ104a方向へ広がり、同様に効率的に冷却される。
【００２６】
（実施例３）
図３（ａ）、（ｂ）に、本発明の第三の実施形態である３相パワー回路とパワー回路を制御する制御用素子を含む信号回路からなるパワー半導体モジュールに適用した例を示す。図３（ｂ）は本実施例の平面構造を示す。図３（ａ）は図３（ｂ）のＡ−Ａ断面を示す。なお、図１を用いて説明した、第一の実施例であるパワー半導体モジュールと同一の構成については、同一の符号を付し重複する説明を省略する。
【００２７】
該図に示す如く、樹脂絶縁層102上に、ガラスエポキシ製の多層基板301が接着剤により接合されている。ガラスエポキシ製の多層基板301には、信号回路302が形成されている（図３（ｂ）には省略されている）。信号回路302は、パワー半導体素子104を制御する制御用半導体素子303を含む。ガラスエポキシ製の多層基板301は導電層103ａと同時に、放熱板101に樹脂絶縁層102を介して接着剤により接合される。ＩＧＢＴ104aおよびダイオード104bは、信号回路302および導電層103ａの所定の箇所に金属細線105により結線される。また、放熱板101の下主面が露出するように、エポキシ樹脂の封止樹脂107で、トランスファー形成により樹脂封止されている。
【００２８】
（実施例４）
図４（ａ）、（ｂ）に、本発明の第四の実施形態であるパワー半導体素子104から構成される３相パワー回路部401とパワー回路部401を制御する制御用素子303を含む信号回路部402からなるパワー半導体モジュールに適用した例を示す。図４（ｂ）は本実施例の平面構造を示す。図４（ａ）は図４（ｂ）のＡ−Ａ断面を示す。なお、図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明した、第三の実施例であるパワー半導体モジュールと同一の構成については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２９】
該図に示す如く、導電層103には、導電率の高い金属もしくは、熱膨張率の小さい銅と銅酸化物との複合材料を用いる。パワー半導体素子104の容量により、小容量域においては、銅などの導電率が高く、熱膨張率の大きい金属を導電層103に用いる。この際は、導電層103の厚さは０．５ｍｍ以下で問題はない。中、大容量域においては、熱膨張率の小さい銅と銅の酸化物との複合材料を用いる。この際、導電層103の厚さは、０．５ｍｍ以上とする。放熱板101には、銅と銅酸化物との複合材料を用い、図４（ｂ）に示す方向の熱伝導率が大きくなるような熱伝導率の異方性を持たせている。また、パワー回路部および信号回路部は、パワー回路部から信号回路部方向の放熱板101の熱伝導率が大きくなる様に配置されている。運転時の、熱流を図４（ａ）に矢印で模式的に示す。パワー回路部は信号回路部よりも発熱が大きい。パワー回路部の発熱は、熱伝導率が大きい信号回路部の方向に広がり、効率的に冷却される。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、安価な樹脂絶縁層を用いて、低熱抵抗かつ、運転時の熱歪みの小さい高信頼性の中、大容量パワー半導体モジュールを得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるパワー半導体モジュールの第一の実施例を示す説明図である。
【図２】  本発明によるパワー半導体モジュールの第二の実施例を示す説明図である。
【図３】  本発明によるパワー半導体モジュールの第三の実施例を示す説明図である。
【図４】  本発明によるパワー半導体モジュールの第四の実施例を示す説明図である。
【図５】  本発明によるパワー半導体モジュールの従来例を示す説明図である。
【図６】  本発明によるパワー半導体モジュールの従来例を示す説明図である。
【図７】  本発明によるパワー半導体モジュールの従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
101…放熱板、102…樹脂絶縁層、103ａ、103ｂ…導電層、104…パワー半導体素子、104ａ…IGBT、104ｂ…ダイオード、105…金属細線、106…ケース、107…封止樹脂、108a…パワー用外部端子、108ｂ…信号用外部端子、109…取り付け穴、301…多層基板、302…信号回路、303…制御用半導体素子、401…パワー回路部、402…信号回路部、501…セラミック基板、502…回路パターン、701…熱拡散板。
【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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