(57)【要約】【課題】パワーモジュールに実装された複数の半導体素子間の熱不均衡を解消してパワーモジュールの性能低下を防止する。【解決手段】本発明のパワーモジュール１は、絶縁性の基板３と、基板３上に形成された所定形状の金属配線層５と、金属配線層５を被覆する絶縁層７とを備え、金属配線層５に接続された複数の半導体素子１１を実装しており、複数の半導体素子１１の周囲に、絶縁層７による被覆がなく金属配線層５が露出した放熱部２３ａ、２３ｂが形成され、放熱部２３ａ、２３ｂの広さは半導体素子１１の発熱量に応じて設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の基板と、前記基板上に形成された所定形状の金属配線層と、前記金属配線層を被覆する絶縁層とを備え、前記金属配線層に接続された複数の半導体素子を実装したパワーモジュールであって、
前記複数の半導体素子の周囲に、前記絶縁層による被覆がなく前記金属配線層が露出した放熱部が形成され、前記放熱部の広さは前記半導体素子の発熱量に応じて設定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】
前記放熱部に接する前記半導体素子の周縁に絶縁層を形成したことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記絶縁層による被覆がなく前記金属配線層を露出させて前記半導体素子からの配線を前記金属配線層に接続する接続部を、前記複数の半導体素子毎に設け、
前記複数の半導体素子毎に設けられた接続部を、前記接続部の周囲及び前記接続部の間に拡大して第２の放熱部を形成した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】
前記第２の放熱部の広さは、前記半導体素子の発熱量に応じて設定されていることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記パワーモジュールは、前記絶縁層の熱伝導率よりも高い熱伝導率の充填剤で充填されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項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、複数の半導体素子が実装されたパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電力機器の小型化・高出力化に伴い、パワーモジュールの冷却対策が重要になってきている。従来、半導体素子が実装されたパワーモジュールの冷却方式としては、半導体素子の実装面と反対側に放熱器を設置して半導体素子の熱を逃がす方式が一般的である。ここで、特許文献１では、放熱性の向上を目的として半導体素子の実装面側にヒートスプレッダを設置した構造が開示されている。この構造は、ワイヤボンディングやリボンボンディングで半導体素子を基板に接合したパワーモジュールを対象としている。
【０００３】
また、近年のパワーモジュールでは、高出力化の為に複数の半導体素子を実装し、小型化を狙って半導体素子間の距離を極力狭くする構造としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１９２６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来のパワーモジュールのように複数の半導体素子を実装して半導体素子間の距離を極力狭くする構造にした場合、各半導体素子の間の熱不均衡が発生しやすくなり、パワーモジュールの性能が低下してしまうという問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、複数の半導体素子間の熱不均衡を解消して性能低下を防止することのできるパワー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】
【０００７】
上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係るパワーモジュールは、絶縁性の基板と、基板上に形成された所定形状の金属配線層と、金属配線層を被覆する絶縁層とを備え、金属配線層に接続された複数の半導体素子を実装している。そして、パワーモジュールは、複数の半導体素子の周囲に、絶縁層による被覆がなく金属配線層が露出した放熱部が形成され、放熱部の広さは半導体素子の発熱量に応じて設定されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、パワーモジュールに実装された複数の半導体素子間の熱不均衡を解消することができるので、パワーモジュールの性能低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係るパワーモジュールの構造を示す平面図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態に係るパワーモジュールの断面構造を示す図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施形態に係るパワーモジュールの断面構造を示す図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図４は、比較例に係るパワーモジュールの構造を示す平面図である。
【図５】図５は、比較例に係るパワーモジュールの断面構造を示す図４のＣ−Ｃ断面図である。
【図６】図６は、比較例に係るパワーモジュールの電流の流れを説明するための平面図である。
【図７】図７は、比較例に係るパワーモジュールの電流の流れを説明するための平面図である。
【図８】図８は、本発明の第２実施形態に係るパワーモジュールの半導体素子周辺の構造を示す平面図である。
【図９】図９は、本発明の第２実施形態に係るパワーモジュールの半導体素子周辺の断面構造を示す図８のＤ−Ｄ断面図である。
【図１０】図１０は、比較例に係るパワーモジュールの半導体素子周辺の構造を示す平面図である。
【図１１】図１１は、比較例に係るパワーモジュールの半導体素子周辺の断面構造を示す図１０のＥ−Ｅ断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の第３実施形態に係るパワーモジュールの構造を示す平面図である。
【図１３】図１３は、本発明の第４実施形態に係るパワーモジュールの構造を示す平面図である。
【図１４】図１４は、本発明の第５実施形態に係るパワーモジュールの半導体素子周辺の構造を示す平面図である。
【図１５】図１５は、本発明の第５実施形態に係るパワーモジュールの半導体素子周辺の断面構造を示す図１４のＦ−Ｆ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した第１〜第５実施形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
［第１実施形態］
［パワーモジュールの構造］
図１は本実施形態に係るパワーモジュールの構造を示す平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１のＢ−Ｂ断面図である。図１〜３に示すように、本実施形態に係るパワーモジュール１は、絶縁性の基板３と、基板３上に形成された所定形状の金属配線層５と、金属配線層５を被覆する絶縁層７とを備え、金属配線層５に接続された複数の半導体素子１１を実装している。
【００１２】
パワーモジュール１は、２ｉｎ１の構造をしており、上アームを構成する半導体素子１１ａと、下アームを構成する半導体素子１１ｂとが１つの基板上に実装されている。ただし、パワーモジュール１の構造については２ｉｎ１に限定する必要はなく、６ｉｎ１や１ｉｎ１等のその他の構造であっても適用可能である。
【００１３】
基板３は、エポキシ系樹脂等の絶縁性の素材で形成されている。基板３の下面には、ヒートスプレッダ１３を介して放熱器１５が設置され、ヒートスプレッダ１３は銅やアルミニウム等の熱伝導性が良好な材料で形成されている。また、図１、３に示すように、ヒートスプレッダ１３の一部は露出して、半導体素子１１ｂからの配線が接続される接続部１７が形成される。この接続部１７は、半導体素子１１ｂ毎にそれぞれ設けられており、絶縁層７、金属配線層５、基板３による被覆がなくヒートスプレッダ１３を露出させた構造をしている。これにより、ヒートスプレッダ１３はＮ配線及びＮ端子として利用され、金属配線層として機能する。
【００１４】
金属配線層５は、Ｐ配線５ａと出力配線５ｂとから構成され、配線抵抗の低い銅やアルミニウム等の材料で形成されている。Ｐ配線５ａはＰ端子１９に接続され、出力配線５ｂは出力端子２１に接続されている。Ｐ端子１９及び出力端子２１は、配線抵抗の低いアルミニウムや銅等の材料を用いて形成され、Ｎｉめっき等の表面処理を施してもよい。
【００１５】
ここで、上アーム側の半導体素子１１ａの周囲には、絶縁層７による被覆がなくＰ配線５ａを露出させた放熱部２３ａが形成され、下アーム側の半導体素子１１ｂの周囲には、絶縁層７による被覆がなく出力配線５ｂを露出させた放熱部２３ｂが形成されている。この放熱部２３ａ、２３ｂは、半導体素子１１の近傍において絶縁層７を設けずに、その下層にあるＰ配線５ａ及び出力配線５ｂを露出させた構造の領域である。尚、Ｐ配線５ａ及び出力配線５ｂを露出させる際には、他の部品との絶縁性を確保したうえで露出させる。このように半導体素子１１近傍のＰ配線５ａ及び出力配線５ｂを露出されることにより、露出させた部位から半導体素子１１で発熱した熱を放熱させることができる。
【００１６】
また、放熱部２３ａの広さ、すなわちＰ配線５ａを露出させる面積については、並列に実装された半導体素子１１ａの発熱量に応じて設定されている。具体的には、複数の半導体素子１１ａのうち最も発熱量が大きい半導体素子の周囲に形成された放熱部の広さを最も広くし、発熱量が小さい半導体素子の周囲に形成された放熱部については発熱量に応じてＰ配線５ａの露出面積を狭くする。図１では、Ｐ端子１９に最も近い半導体素子１１ａの発熱量が最も大きいので、その周囲の放熱部２３ａが最も広く、Ｐ端子１９から離れるにつれて放熱部２３ａの広さが狭くなるように設定されている。また、図１では、下アーム側の放熱部２３ｂは、出力端子２１に最も近い半導体素子１１ｂの周囲だけに形成されているが、すべての半導体素子１１ｂの周囲に放熱部２３ｂを形成してもよい。この場合、放熱部２３ｂの広さは、上述した上アーム側の放熱部２３ａと同様に半導体素子１１ｂの発熱量に応じて設定される。
【００１７】
さらに、パワーモジュール１の表面には、半導体素子１１ａからの配線を出力配線５ｂに接続する接続部２５が形成されている。この接続部２５は、半導体素子１１ａ毎にそれぞれ設けられており、絶縁層７による被覆がなく出力配線５ｂを露出させた構造をしている。
【００１８】
絶縁層７は、エポキシ系樹脂等の絶縁性素材で形成され、パワーモジュール１の表面を被覆している。
【００１９】
半導体素子１１は、上アームを構成する複数の半導体素子１１ａと、下アームを構成する複数の半導体素子１１ｂとから構成され、本実施形態ではＭＯＳＦＥＴの場合を一例として説明する。ただし、半導体素子１１はＭＯＳＦＥＴに限らず、ＩＧＢＴやサイリスタ等の他の半導体素子であってもよい。半導体素子１１は、金属配線層５上に接合材２７を介して接合されている。接合材２７は、はんだ等のろう材を用いればよく、銀粒子等を用いたシンター接合でもよい。また、半導体素子１１から接続部１７、２５に接続するワイヤー２９、３１は配線抵抗の低いアルミニウムや銅等の材料を使用しており、ワイヤーではなくリボンタイプであってもよい。半導体素子１１の駆動は、上アーム側の半導体素子１１ａについてはゲート信号線３３からのゲート信号によって行われ、下アーム側の半導体素子１１ｂについてはゲート信号線３５からのゲート信号によって行われる。
【００２０】
［パワーモジュールの作用効果］
上述した構造のパワーモジュール１を駆動すると、電流はＰ端子１９からＰ配線５ａを経由して、上アーム側に並列に実装された半導体素子１１ａのドレイン電極へ流れる。その後、電流は、半導体素子１１ａのソース電極からワイヤー２９を経由して接続部２５に流れ、出力配線５ｂを通って出力端子２１へ流れる。
【００２１】
また、出力端子２１から電流が流れる場合には、出力端子２１からの電流は、出力配線５ｂを経由して下アーム側に並列に実装された半導体素子１１ｂのドレイン電極へ流れる。その後、電流は、半導体素子１１ｂのソース電極からワイヤー３１を経由して接続部１７に流れ、Ｎ配線及びＮ端子として機能するヒートスプレッダ１３へ流れる。
【００２２】
このとき、本実施形態に係るパワーモジュール１では、金属配線層５を露出させた放熱部２３ａ、２３ｂを半導体素子１１の周囲に形成したので、放熱部２３ａ、２３ｂから半導体素子１１で発熱した熱を放熱することができる。これにより、パワーモジュール１の放熱性を向上させることができる。
【００２３】
また、放熱部２３ａ、２３ｂの広さを半導体素子１１の発熱量に応じて設定したので、並列に実装された複数の半導体素子１１の間の熱不均衡を解消してパワーモジュール１の性能低下を防止することができる。
【００２４】
ここで、放熱部２３ａ、２３ｂを設けなかった場合の比較例と対比することによって、本実施形態に係るパワーモジュール１の放熱効果を具体的に説明する。図４は比較例のパワーモジュールの構造を示す平面図であり、図５は図４のＣ−Ｃ断面図である。
【００２５】
図４、５に示すように、比較例のパワーモジュール４０は、上述した放熱部２３ａ、２３ｂが形成されていないので、半導体素子１１の周囲には金属配線層５の表面に絶縁層７が形成されている。
【００２６】
この比較例において、パワーモジュール４０を駆動すると、図６に示すように、Ｐ端子１９からの電流Ｉ１は、Ｐ配線５ａを介して上アーム側の半導体素子１１ａを流れ、接続部２５を経由して出力配線５ｂから出力端子２１へと流れる。このとき、３つ並列に実装されている半導体素子１１ａのうちＰ端子１９に最も近接した半導体素子１１ａの周囲の領域Ｘに電流集中が発生しやすくなる。
【００２７】
また、出力端子２１から電流が流れる場合には、図７に示すように、出力端子２１からの電流Ｉ２は、出力配線５ｂを介して下アーム側の半導体素子１１ｂを流れ、接続部１７を経由してＮ端子となるヒートスプレッダ１３へと流れる。このとき、３つ並列に実装されている半導体素子１１ｂのうち出力端子２１に最も近接した半導体素子１１ｂの周囲の領域Ｙに電流集中が発生しやすくなる。
【００２８】
したがって、Ｐ端子１９及び出力端子２１に近接した半導体素子の発熱量が増加し、並列に実装された他の半導体素子との間に熱不均衡が発生してパワーモジュールの性能を低下させていた。
【００２９】
しかし、本実施形態に係るパワーモジュール１では、金属配線層５を露出させた放熱部２３ａ、２３ｂを半導体素子１１の周囲に形成し、放熱部２３ａ、２３ｂの広さを半導体素子１１の発熱量に応じて設定している。すなわち、Ｐ端子１９及び出力端子２１の最も近い位置では半導体素子１１の発熱量が最も大きくなるので、放熱部２３ａ、２３ｂの広さ（金属配線層５の露出面積）を最も広くする。そして、Ｐ端子１９及び出力端子２１から離れるにしたがって半導体素子１１の発熱量が低下するので、放熱部２３ａ、２３ｂの広さもＰ端子１９及び出力端子２１から離れるにしたがって狭くなるように設定する。これにより、並列に実装された複数の半導体素子１１の間の熱不均衡を解消してパワーモジュール１の性能低下を防止することができる。
【００３０】
また、特許文献１では、放熱性を向上させるために、ヒートスプレッダを半導体素子の実装面側に設置していたので、高さ方向のサイズアップになるという問題点があった。しかし、本実施形態に係るパワーモジュール１では、絶縁層７を除去して金属配線層５を露出させて放熱しているので、高さ方向にサイズアップすることなく、パワーモジュール１の放熱性を向上させることができる。
【００３１】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るパワーモジュールについて図面を参照して説明する。図８は本実施形態に係るパワーモジュールの半導体素子周辺の構造を示す平面図であり、図９は図８のＤ−Ｄ断面図である。尚、第１実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。
【００３２】
第１実施形態では、半導体素子１１の周縁には放熱部２３ａ、２３ｂが直接形成されていたが、本実施形態では半導体素子１１と放熱部２３ａ、２３ｂとの間に絶縁層７０を形成したことが相違している。
【００３３】
図８、９に示すように、本実施形態に係るパワーモジュールでは、放熱部２３ａ、２３ｂに接する半導体素子１１の周縁に絶縁層７０を形成している。例えば、半導体素子１１の端部から０．１〜０．３ｍｍ程度離れた位置に幅０．５ｍｍ程度の絶縁層７０を、半導体素子１１の外周に沿って形成する。この絶縁層７０の外側は、金属配線層５を露出させた構造の放熱部２３ａ、２３ｂが形成されている。また、接合材２７の厚さは０．１〜０．３ｍｍ程度に設定することが望ましい。
【００３４】
このように本実施形態に係るパワーモジュールでは、絶縁層７０を半導体素子１１の周縁に形成したので、半導体素子１１の実装時に接合材２７が幅０．５ｍｍ程度の絶縁層７０によってせき止められる。したがって、接合材２７が必要以上に濡れ広がることを防止できるので、半導体素子１１の位置ズレ、θズレや接合材２７の断面方向の傾きを抑制することが可能となる。
【００３５】
これに対して、絶縁層７０を形成しない場合には、半導体素子１１を実装する工程で、位置決め治具等を用いずにリフロー炉等の実装工程を実施すると、図１０の平面図に示すように接合材２７が必要以上に濡れ広がる場合があった。また、図１０のＥ−Ｅ断面図である図１１に示すように、接合材２７に断面方向の傾きが発生する場合があった。したがって、上述したように絶縁層７０を形成することにより、半導体素子１１の実装精度を向上させることができる。
【００３６】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係るパワーモジュールについて図面を参照して説明する。図１２は本実施形態に係るパワーモジュールの構造を示す平面図である。尚、第１及び第２実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。
【００３７】
第１実施形態では、接続部１７、２５は、ワイヤー２９、３１が接続される部分のみ絶縁層７がなくヒートスプレッダ１３及び出力配線５ｂを露出させる構造となっていた。しかし、本実施形態ではワイヤー２９、３１の接続部分だけではなく、その周囲についても絶縁層７を設けずにヒートスプレッダ１３及び出力配線５ｂを広く露出させるようにしたことが、第１実施形態と相違している。
【００３８】
図１２に示すように、本実施形態に係るパワーモジュール５０では、複数の半導体素子１１毎に設けられていた図１の接続部１７、２５を拡大して第２の放熱部５１、５３を形成している。
【００３９】
第２の放熱部５１は、絶縁層７による被覆がなく出力配線５ｂを露出させた構造をしており、図１の接続部２５をその周囲やその間に拡大することによって形成されている。これにより、第２の放熱部５１は、露出した部分全体で放熱を行うことができるので、パワーモジュール５０の放熱性を向上させることができる。同様に、第２の放熱部５３は、絶縁層７による被覆がなくヒートスプレッダ１３を露出させた構造をしており、図１の接続部１７をその周囲やその間に拡大することによって形成されている。これにより、第２の放熱部５３は、露出した部分全体で放熱を行うことができるので、パワーモジュール５０の放熱性を向上させることができる。尚、出力配線５ｂ及びヒートスプレッダ１３を露出させる際には、他の部品との絶縁性を確保したうえで露出させる。
【００４０】
このように本実施形態に係るパワーモジュール５０では、図１の接続部１７、２５をその周囲及びその間に拡大して第２の放熱部５１、５３を形成する。これにより、半導体素子１１で発熱した熱を、ワイヤー２９、３１を通じて出力配線５ｂ及びヒートスプレッダ１３に伝熱させ、第２の放熱部５１、５３の露出した部分から放熱することができる。したがって、パワーモジュール５０の放熱性を向上させることができる。
【００４１】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係るパワーモジュールについて図面を参照して説明する。図１３は本実施形態に係るパワーモジュールの構造を示す平面図である。尚、第３実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。
【００４２】
図１３に示すように、本実施形態に係るパワーモジュール６０では、第２の放熱部６１、６３の広さを、接続された半導体素子１１の発熱量に応じて設定したことが第３実施形態と相違している。
【００４３】
すなわち、第２の放熱部６１では、並列に実装された半導体素子１１ａのうちＰ端子１９に最も近い半導体素子の発熱量が最も大きいので、その半導体素子に接続された部分の広さ（出力配線５ｂの露出面積）が最も広くなるように設定されている。そして、Ｐ端子１９から離れるにしたがって半導体素子１１ａの発熱量も小さくなるので、それに応じて第２の放熱部６１の広さも狭くなるように設定されている。
【００４４】
同様に、第２の放熱部６３についても、並列に実装された半導体素子１１ｂのうち出力端子２１に最も近い半導体素子の発熱量が最も大きいので、その半導体素子に接続された部分の広さ（ヒートスプレッダ１３の露出面積）が最も広くなるように設定されている。そして、出力端子２１から離れるにしたがって半導体素子１１ｂの発熱量も小さくなるので、それに応じて第２の放熱部６３の広さも狭くなるように設定されている。
【００４５】
このように本実施形態に係るパワーモジュール６０では、第２の放熱部６１、６３の広さを、接続された半導体素子１１の発熱量に応じて設定する。これにより、発熱量が大きい半導体素子１１の放熱を他の半導体素子に比べて促進させることができるので、複数の半導体素子１１の間の熱不均衡を改善することができ、パワーモジュール６０の放熱性を向上させることができる。
【００４６】
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態に係るパワーモジュールについて図面を参照して説明する。図１４は本実施形態に係るパワーモジュールの半導体素子周辺の構造を示す平面図であり、図１５は図１４のＦ−Ｆ断面図である。尚、第１〜第４実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。
【００４７】
図１４、１５に示すように、本実施形態に係るパワーモジュールでは、樹脂等の充填剤８１を基板上に充填したことが、上述した第１〜第４実施形態と相違している。
【００４８】
また、パワーモジュールに樹脂等を充填する場合には、絶縁層７の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料の充填剤８１を用いる。具体的には、絶縁層７には熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ程度のエポキシ系樹脂を用い、充填剤８１には熱伝導率が２〜４Ｗ／ｍ・Ｋ程度の高熱伝導性シリコーンゲルや高熱伝導性のエポキシ系トランスファーモールド樹脂を用いる。
【００４９】
このように本実施形態に係るパワーモジュールでは、絶縁層７の熱伝導率よりも高い熱伝導率の充填剤８１を充填する。これにより、露出した放熱部２３ａ、２３ｂを充填剤８１で塞いだ構造にしても放熱部２３ａ、２３ｂから充填剤８１への熱の伝達が促進され、パワーモジュールの放熱性を向上させることができる。
【００５０】
なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００５１】
１、４０、５０、６０  パワーモジュール
３  基板
５  金属配線層
５ａ  Ｐ配線
５ｂ  出力配線
７、７０  絶縁層
１１、１１ａ、１１ｂ  半導体素子
１３  ヒートスプレッダ
１５  放熱器
１７、２５  接続部
１９  Ｐ端子
２１  出力端子
２３ａ、２３ｂ  放熱部
２７  接合材
２９、３１  ワイヤー
３３、３５  ゲート信号線
５１、５３、６１、６３  第２の放熱部
８１  充填剤
【図１】
2016033943.tif 000003
【図２】
2016033943.tif 000004
【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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【図１１】
2016033943.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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