(57)【要約】【課題】大型の冷却機構を必要とせず、小型化可能なパワーモジュールを提供する。【解決手段】ソース電極１０ｓが形成された第１の主面１１、及びその第１の主面１１に対向し、ドレイン電極１０ｄが形成された第２の主面１２を有するスイッチング素子１０と、スイッチング素子１０の第１の主面１１上に配置された上面接合材４１と、上面接合材４１上に配置された上部冷却板５０と、スイッチング素子１０、上面接合材４１及び上部冷却板５０を覆う封止膜３０とを備え、上部冷却板５０の端部を封止膜３０の外部に露出させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主電極が形成された第１の主面、及び該第１の主面に対向し、第２の主電極が形成された第２の主面を有する半導体素子と、
前記半導体素子の前記第１の主面上に配置された上面接合材と、
前記上面接合材上に配置された上部冷却板と、
前記半導体素子、前記上面接合材及び上部冷却板を覆う封止膜
とを備え、前記上部冷却板の端部を前記封止膜の外部に露出させたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
第１の基板主面、及び該第１の基板主面に対向する第２の基板主面を有する基板と、
前記半導体素子の前記第２の主面と前記第１の基板主面間に配置された下面接合材と、
前記第２の基板主面に接し、端部が前記封止膜の外部に露出する下部冷却板
とを更に備える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】
前記上部冷却板及び前記下部冷却板の少なくともいずれかが、前記第１の主面と平行方向の熱伝導率が該平行方向と異なる方向の熱伝導率より大きい異方性の熱伝導特性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記半導体素子が、前記第１の主電極をソース電極とし、前記第２の主電極をドレイン電極とするスイッチング素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記上面接合材が、絶縁性の接着剤であることを特徴とする請求項１乃至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、直流電流を交流電流に変換するパワーモジュールに係り、特に半導体素子が基板上に搭載されたパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のスイッチング素子をスイッチングさせることによって、直流電源から供給される直流電流を交流電流に変換し、交流モータ等を駆動する。特に、スイッチング素子の制御回路が一体化されたパワーモジュールをインテリジェント・パワーモジュール（ＩＰＭ）という。
【０００３】
ＩＧＢＴ等は発熱量が大きいため、パワーモジュールでは素子の放熱が問題となる。そのため、発生した熱を放出する放熱板等の冷却機構を配置する等の、パワーモジュールを冷却する対策が採られている（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００５−１４２２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、パワーモジュールを構成する素子の表面はゲル等で断熱されているため、基板に接する素子の裏面のみから素子の発生する熱を放出する必要があった。つまり、最も熱が発生する素子の表面から放熱させることができず、基板に大型の冷却機構を設置して放熱していた。そのため、パワーモジュールを小型化することが困難であるという問題があった。
【０００５】
上記問題点を鑑み、本発明は、大型の冷却機構を必要とせず、小型化可能な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】
【０００６】
本発明の一態様によれば、（イ）第１の主電極が形成された第１の主面、及びその第１の主面に対向し、第２の主電極が形成された第２の主面を有する半導体素子と、（ロ）半導体素子の第１の主面上に配置された上面接合材と、（ハ）上面接合材上に配置された上部冷却板と、（ニ）半導体素子、上面接合材及び上部冷却板を覆う封止膜とを備え、上部冷却板の端部を封止膜の外部に露出させたパワーモジュールが提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、大型の冷却機構を必要とせず、小型化可能なパワーモジュールを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部品の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【０００９】
又、以下に示す第１及び第２の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１０】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュールは、図１に示すように、第１の主電極（ソース電極１０ｓ）が形成された第１の主面１１、及びその第１の主面１１に対向し、第２の主電極（ドレイン電極１０ｄ）が形成された第２の主面１２を有するスイッチング素子１０と、第１の主電極（アノード電極２０ａ）が形成された第１の主面２１、及びその第１の主面２１に対向し、第２の主電極（カソード電極２０ｋ）が形成された第２の主面２２を有する転流ダイオード２０を備える。このパワーモジュールは、スイッチング素子１０の第１の主面１１上及び転流ダイオード２０の第１の主面２１上にそれぞれ配置された上面接合材４１、４２と、上面接合材４１、４２上に配置された上部冷却板５０と、スイッチング素子１０、転流ダイオード２０、上面接合材４１、４２及び上部冷却板５０を覆う封止膜３０とを備え、上部冷却板５０の端部は封止膜３０の外部に露出する。図１では、封止膜３０を透過して基板６０、スイッチング素子１０と転流ダイオード２０等の基板６０上に配置された素子、及び上部冷却板５０等を示している。
【００１１】
また、図１に示したパワーモジュールは、第１の基板主面６１、及び第１の基板主面６１に対向する第２の基板主面６２を有する基板６０を更に備える。スイッチング素子１０の第２の主面１２及び転流ダイオード２０の第２の主面２２がそれぞれ第１の基板主面６１に接して、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０が基板６０上に配置される。
【００１２】
図２に、図１に側面図を示したパワーモジュールの上面図を示す。図２では、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の各電極は図示を省略している。
【００１３】
図１は、スイッチング素子１０が、ソース電極１０ｓ及びゲート電極１０ｇが第１の主面１１に形成され、ドレイン電極１０ｄが第２の主面１２に形成されたｎｐｎ型ＩＧＢＴである例を示している。ＩＧＢＴ以外にも、第１の主面１１に配置された第１の主電極と第２の主面１２に配置された第２の主電極間に流れる主電流を制御電極によって制御可能な素子、例えばＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等が、スイッチング素子１０に採用可能である。スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０は、第１及び第２の主面のそれぞれで熱が発生する素子である。
【００１４】
スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の材料には、シリコン（Ｓｉ）やシリコンカーバイト（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ダイヤモンド等が採用可能である。スイッチング損失や電力損失を抑制するために、ＳｉＣやＧａＮが好ましい。また、ＳｉＣやＧａＮを採用すると３００℃程度まで動作可能であるため、出力を高くするために基板温度が２００℃程度まで上昇する場合等に好ましい。更に、ＧａＮを採用することにより、高周波での駆動が可能になる。また、基板６０にアルミニウム（Ａｌ）／ＡｌＮ／Ａｌの積層構造を有するＤＢＡ（ダイレクト・ブレイズド・アルミニウム）基板等のＡｌＮを含む基板を採用した場合には、基板６０上に配置する素子にＡｌＮを採用することによって素子と基板の熱膨張係数が同等となり、熱応力の発生による素子破壊の問題も回避できる。更に、ＡｌＮはＳｉＣやＧａＮに比べて絶縁破壊係数が大きいため、基板６０上に配置する素子にＡｌＮを採用することにより耐圧を向上することができる。ダイヤモンドは上記の材料の物性値をすべて超えており、ダイヤモンドを採用することによってパワーモジュールの小型化を実現し、電力損失やスイッチング損失を大幅に低減できる。
【００１５】
基板６０には、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）やＡｌＮ、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化シリコン（ＳｉＯ2）等が採用可能であり、第１の基板主面６１上にはメタルパターンが形成されている（図示略）。例えば、メタルパターンにＡｌを採用したＤＢＡ基板、或いはメタルパターンに銅（Ｃｕ）を採用したＤＢＣ（ダイレクト・ボンディング・カッパ）基板等の熱伝導性絶縁基板が、基板６０に採用可能である。なお、裏面に熱伝導率の高いＡｌ板或いはＣｕ板を半田等で貼り付け、その一部を封止膜３０の外部に露出させることにより、基板６０の放熱性を高めることができる。
【００１６】
スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の各電極は、直接又はボンディングワイヤを介して、基板６０上に形成されたメタルパターンと電気的に接続され、パワーモジュールを構成する。具体的には、スイッチング素子１０のドレイン電極１０ｄ及び転流ダイオード２０のカソード電極２０ｋはメタルパターンに半田付け等により直接接続され、スイッチング素子１０のソース電極１０ｓとゲート電極１０ｇ及び転流ダイオード２０のアノード電極２０ａは、図示を省略するボンディングワイヤによってメタルパターンに接続される。或いは、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の各電極は、ボンディングワイヤ等によって、パワーモジュールが格納されるケース内の配線パターンと接続する。
【００１７】
封止膜３０は、物理的な衝撃や周囲の空気中の放電による破壊からパワーモジュールに搭載される素子を保護するために、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の周囲を覆うように形成される。図１に示した例では、基板６０の上面が封止膜３０に覆われ、基板６０の側面及び裏面は露出している。封止膜３０には、例えばレジン等が採用可能である。
【００１８】
上面接合材４１、４２は、熱伝導率の高い絶縁性の接合材であり、例えばエポキシ系接着剤等が採用可能である。具体的には、絶縁性のセラミックを主成分とし、最高稼動温度が２６０℃程度、熱伝導率が４〜５Ｗ／ｍＫ程度のエポキシ接着剤（グリース）等が採用可能である。なお、上面接合材４１、４２は、例えば半田等を用いてスイッチング素子１０、転流ダイオード２０に接続してもよい。
【００１９】
上部冷却板５０は、熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ程度以上の材料が採用可能である。具体的には、熱伝導率が２４０Ｗ／ｍＫ程度のＡｌや３７０Ｗ／ｍＫ程度のＣｕ等を使用できる。
【００２０】
上部冷却板５０は、異方性の熱伝導特性を有することがより好ましい。具体的には、スイッチング素子１０の第１の主面１１や転流ダイオード２０の第１の主面２１と平行な方向（以下において、単に「平行方向」という。）の熱伝導率が、平行方向と異なる他の方向の熱伝導率より大きいことが、スイッチング素子１０や転流ダイオード２０の放熱の点から好ましい。つまり、スイッチング素子１０の第１の主面１１や転流ダイオード２０の第１の主面２１からそれぞれ上面接合材４１、４２を介して上部冷却板５０に伝達された熱が、上部冷却板５０を主に平行方向に伝播し、封止膜３０の外部に露出した部分に伝達される。その結果、スイッチング素子１０や転流ダイオード２０で発生した熱が、効率よく封止膜３０の外部に伝播される。
【００２１】
異方性の熱伝導特性を有する材料は、例えば、熱伝導率が高い炭素繊維（ＣＦ）や特殊炭素繊維（ＶＧＣＦ）と高熱伝導率金属（例えばＡｌ等）を複合化させた複合材料（例えば、Ａｌ／ＣＦ、Ａｌ／ＣＦ／ＶＧＣＦ等）である。これらの複合材料は、炭素繊維の繊維方向の熱伝導率が７００Ｗ／ｍＫ程度であるのに対して、他の方向の熱伝導率は２０〜５０Ｗ／ｍＫ程度である。
【００２２】
なお、封止膜３０の外部に露出した熱が伝達される上部冷却板５０の端部は、自然冷却しても良い。或いは、例えばパワーモジュールを搭載したケースに冷却装置を取り付けて、ファンによる空冷或いは水冷等によって強制的に冷却してもよい。
【００２３】
図１に示したパワーモジュールに含まれる素子（スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０）と上面接合材４１、４２が接合され、更に上面接合材４１、４２が上部冷却板５０と接合された状態で、基板６０がケースに実装される。そして、ケースの配線パターンと素子間との接続等の必要なワイヤボンディングを行った後、封止膜３０により封止される。
【００２４】
図１に示したパワーモジュールを使用する回路例を図３に示す。図３に示したパワーモジュールは３相ＰＷＭ（パルス幅変調）インバータよりなる電力変換回路であり、高圧直流電源線であるＰ電源線２０１と低圧直流電源線であるＮ電源線２０２を備え、Ｐ電源線２０１とＮ電源線２０２間にそれぞれ配置されたＵ相出力部１１０、Ｖ相出力部１２０及びＷ相出力部１３０を有する。Ｕ相出力部１１０、Ｖ相出力部１２０及びＷ相出力部１３０は、高圧側ユニット１０１と低圧側ユニット１０２をそれぞれ有する。
【００２５】
高圧側ユニット１０１と低圧側ユニット１０２は同一の構成であり、図１に示したスイッチング素子１０と転流ダイオード２０が並列接続された構成である。高圧側ユニット１０１に含まれるスイッチング素子１０のドレイン電極１０ｄと転流ダイオード２０のカソード電極２０ｋは、Ｐ電源線２０１に接続される。高圧側ユニット１０１に含まれるスイッチング素子１０のソース電極１０ｓと転流ダイオード２０のアノード電極２０ａは、低圧側ユニット１０２に含まれるスイッチング素子１０のドレイン電極１０ｄと転流ダイオード２０のカソード電極２０ｋとの接続点に接続される。低圧側ユニット１０２に含まれるスイッチング素子１０のソース電極１０ｓと転流ダイオード２０のアノード電極２０ａは、Ｎ電源線２０２に接続される。
【００２６】
また、高圧側ユニット１０１及び低圧側ユニット１０２に含まれるスイッチング素子１０のゲート電極１０ｇは、制御回路（ゲートドライブ回路）３００に接続される。制御回路３００によってスイッチング素子１０の動作（オン／オフ）が制御され、Ｐ電源線２０１及びＮ電源線２０２から供給される直流電流が交流電流に変換される。
【００２７】
スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の各電極は、直接又はボンディングワイヤを介して、基板６０上に形成されたメタルパターン或いはパワーモジュールが格納されるケース内の配線パターンと電気的に接続され（不図示）、図３に示したパワーモジュールを構成する。なお、図３に示すように、Ｕ相出力部１１０、Ｖ相出力部１２０及びＷ相出力部１３０の高圧側ユニット１０１と低圧側ユニット１０２との各接続点から、Ｕ相交流出力ｕ、Ｖ相交流出力ｖ、及びＷ相交流出力ｗがそれぞれ出力される。Ｕ相交流出力ｕ、Ｖ相交流出力ｖ、及びＷ相交流出力ｗにより、例えばＵ相、Ｖ相及びＷ相の３つの相(コイル)を持ったモータの各相に位相の異なる交流電流を流すことによって、モータが回転する。
【００２８】
上部冷却板５０が無い場合、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の上面に発生する熱は、封止膜３０の外部への放出が困難である。しかし、図１に示したパワーモジュールでは、スイッチング素子１０の第１の主面１１及び転流ダイオード２０の第１の主面２１に発生した熱が、上面接合材４１、４２及び上部冷却板５０を伝播して封止膜３０の外部に放出される。つまり、図１に示したパワーモジュールでは、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の上面からの放熱が可能である。図１に示したように、パワーモジュールに含まれる素子（スイッチング素子１０、転流ダイオード２０）の上面（第１の主面１１、２１）には、下面（第２の主面１２、２２）と異なりメタルパターンと接していない。そのため、素子の下面から放熱する場合よりも効率的に放熱できる。
【００２９】
以上に説明したように、本発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュールでは、パワーモジュールが有する素子が上面と下面の両方から熱を発生する場合に特に効果的に放熱できる。その結果、図１に示したパワーモジュールによれば、パワーモジュールが効率よく冷却されるために大型の冷却機構を必要とせず、小型化が可能なパワーモジュールを提供することができる。
【００３０】
また、図１に示したパワーモジュールでは第１の基板主面６１と平行な方向に熱が伝播する。そのため、複数のパワーモジュールを第１の基板主面６１の面法線方向に積層して配置する場合に、パワーモジュールから発生する熱がその上下方向に配置された他のパワーモジュールに伝わらない。その結果、縦積みした複数のパワーモジュールの放熱を効率よく行うことができ、更に、パワーモジュールの間隔を狭くして小型化できる。
【００３１】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係るパワーモジュールは、図４に示すように、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０と基板６０の間に下面接合材７１、７２が配置され、更に、基板６０の下に下部冷却板８０が配置されていることが図１に示したパワーモジュールと異なる点である。即ち、下面接合材７１は、スイッチング素子１０の第２の主面１２と基板６０の第１の基板主面６１に接して配置される。下面接合材７２は、転流ダイオード２０の第２の主面２２と基板６０の第１の基板主面６１に接して配置される。更に、基板６０の第２の基板主面６２に接して下部冷却板８０が配置されている。下部冷却板８０は封止膜３０の外部に露出している。その他の構成については、図１に示す第１の実施の形態と同様である。
【００３２】
図４に示したパワーモジュールでは、パワーモジュールに含まれる半導体素子（スイッチング素子１０、転流ダイオード２０）の上面からだけでなく、半導体素子の下面からも下部冷却板８０を介して封止膜３０の外部に半導体素子で発生した熱を放出できる。下部冷却板８０は熱伝導率の高いＡｌ板等が採用可能であるが、上部冷却板５０と同様に、平行方向の熱伝導率が他の方向の熱伝導率より大きい異方性の熱伝導特性を有することが、半導体素子の放熱の点から好ましい。
【００３３】
また、下面接合材７１、７２には、上面接合材４１、４２と同様に、熱伝導率の高い絶縁性の接合材、例えばエポキシ系接着剤等が採用可能である。この場合、スイッチング素子１０のドレイン電極１０ｄ及び転流ダイオード２０のカソード電極２０ｋと基板６０の第１の基板主面６１上に形成されたメタルパターンとの電気的な接続を維持する必要がある。例えば、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０と基板６０とを接続する半田で周囲を囲むようにして、下面接合材７１、７２を半田中に埋め込む。或いは、上面接合材４１、４２に、熱伝導率の高い導電性の接合材を採用してもよい。
【００３４】
なお、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の下面から効率的に熱を下部冷却板８０に伝播するために、基板６０に熱伝導率の高い材料を採用することが好ましい。
【００３５】
図４に示したパワーモジュールによれば、スイッチング素子１０の第１の主面１１及び転流ダイオード２０の第１の主面２１に発生した熱が、上面接合材４１、４２及び上部冷却板５０を伝播して封止膜３０の外部に放出される。同時に、スイッチング素子１０の第２の主面１２及び転流ダイオード２０の第２の主面２２に発生した熱が、下面接合材７１、７２、基板６０及び下部冷却板８０を伝播して封止膜３０の外部に放出される。つまり、図４に示したパワーモジュールでは、スイッチング素子１０及び転流ダイオード２０の表面と裏面の両方からの効率的な放熱が可能である。
【００３６】
以上に説明したように、本発明の第２の実施の形態に係るパワーモジュールでは、パワーモジュールに含まれる素子の表面及び裏面からの放熱が可能なため、大型の冷却機構を必要とせず、小型化が可能なパワーモジュールを提供することができる。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００３７】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００３８】
既に述べた第１及び第２の実施の形態の説明においては、パワーモジュールが３相ＰＷＭインバータよりなる電力変換回路である例を示したが、２相或いは４相以上の交流電流を出力するパワーモジュールであってよい。また、パワーモジュールがスイッチング素子１０及び転流ダイオード２０を有する例を示したが、他の素子を含んでもよいことは勿論である。
【００３９】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的な側面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的な上面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュールを用いた回路構成例を示す回路図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的な側面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０…スイッチング素子
１０ｄ…ドレイン電極
１０ｇ…ゲート電極
１０ｓ…ソース電極
１１…第１の主面
１２…第２の主面
２０…転流ダイオード
２０ａ…アノード電極
２０ｋ…カソード電極
２１…第１の主面
２２…第２の主面
３０…封止膜
４１、４２…上面接合材
５０…上部冷却板
６０…基板
６１…第１の基板主面
６２…第２の基板主面
７１、７２…下面接合材
８０…下部冷却板
１０１…高圧側ユニット
１０２…低圧側ユニット
１１０…Ｕ相出力部
１２０…Ｖ相出力部
１３０…Ｗ相出力部
２０１…Ｐ電源線
２０２…Ｎ電源線
３００…制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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