JP2002237556A - パワー半導体装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 部材間の線膨張率の差による熱応力、熱歪み
を低減すると共に、パワー半導体素子の発熱を良好な熱
伝導により安定して効率的に放熱できる信頼性の高いパ
ワー半導体装置を得る。 【解決手段】 パワー半導体素子１０を搭載した線膨張
率の低い絶縁基板１１の下面と、放熱板となる線膨張率
の高い金属ベース板１５とを、内部に柱状の熱伝導体２
４を挿入した貫通孔２３を有する熱伝導性ポーラス金属
板２２を介在して接合し、柱状熱伝導体２４と貫通孔２
３側壁とを微細な空隙２３ａで離間させた状態とするこ
とで、熱伝導性能を確保しつつ熱応力緩和効果を得る。
を低減すると共に、パワー半導体素子の発熱を良好な熱
伝導により安定して効率的に放熱できる信頼性の高いパ
ワー半導体装置を得る。 【解決手段】 パワー半導体素子１０を搭載した線膨張
率の低い絶縁基板１１の下面と、放熱板となる線膨張率
の高い金属ベース板１５とを、内部に柱状の熱伝導体２
４を挿入した貫通孔２３を有する熱伝導性ポーラス金属
板２２を介在して接合し、柱状熱伝導体２４と貫通孔２
３側壁とを微細な空隙２３ａで離間させた状態とするこ
とで、熱伝導性能を確保しつつ熱応力緩和効果を得る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、電力変換や電動
機駆動などに用いられるパワー半導体装置に関し、特に
複数の半導体素子が実装され、冷却機構を有するパワー
半導体装置に関するものである。
機駆動などに用いられるパワー半導体装置に関し、特に
複数の半導体素子が実装され、冷却機構を有するパワー
半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のパワー半導体装置の一例として、
汎用のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transisto
r）モジュールを用いたパワー半導体装置の断面図を図
６に示す。図６において、１はパワーモジュールの一つ
であるＩＧＢＴモジュール、２はパワー半導体素子の一
つであるＩＧＢＴ素子、３は両面に銅等の金属の箔が接
着された、アルミナや窒化アルミ等からなる絶縁基板、
４はモリブデンやタングステン等からなる放熱用金属ベ
ース板、５はヒートシンク等の冷却手段、６と７ははん
だ、８は熱伝導性グリース等のコンパウンドである。図
に示すように、複数のＩＧＢＴ素子２は絶縁基板３を介
して放熱用金属ベース板４上に搭載され、図示しない樹
脂により覆われてＩＧＢＴモジュール１を構成する。ま
た、ＩＧＢＴ素子２は絶縁基板３上に、絶縁基板３は放
熱用金属ベース板４上にそれぞれはんだ６、７で接合さ
れ、放熱用金属ベース板４は冷却手段５にコンパウンド
８を介して圧接されている。ＩＧＢＴモジュール１の運
転時、ＩＧＢＴ素子２で発生する熱は、絶縁基板３と放
熱用金属ベース板４を介して、冷却手段５に伝導し、冷
却される。また、パワーモジュールの他の構造として、
ＧＴＯ（Gate Turn-Off Thyristor）等のパワーモジュ
ールの両面にヒートシンク等の冷却手段を取り付け、そ
れぞれの接続部は外部からの圧力で接続する圧接スタッ
ク型がある。
汎用のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transisto
r）モジュールを用いたパワー半導体装置の断面図を図
６に示す。図６において、１はパワーモジュールの一つ
であるＩＧＢＴモジュール、２はパワー半導体素子の一
つであるＩＧＢＴ素子、３は両面に銅等の金属の箔が接
着された、アルミナや窒化アルミ等からなる絶縁基板、
４はモリブデンやタングステン等からなる放熱用金属ベ
ース板、５はヒートシンク等の冷却手段、６と７ははん
だ、８は熱伝導性グリース等のコンパウンドである。図
に示すように、複数のＩＧＢＴ素子２は絶縁基板３を介
して放熱用金属ベース板４上に搭載され、図示しない樹
脂により覆われてＩＧＢＴモジュール１を構成する。ま
た、ＩＧＢＴ素子２は絶縁基板３上に、絶縁基板３は放
熱用金属ベース板４上にそれぞれはんだ６、７で接合さ
れ、放熱用金属ベース板４は冷却手段５にコンパウンド
８を介して圧接されている。ＩＧＢＴモジュール１の運
転時、ＩＧＢＴ素子２で発生する熱は、絶縁基板３と放
熱用金属ベース板４を介して、冷却手段５に伝導し、冷
却される。また、パワーモジュールの他の構造として、
ＧＴＯ（Gate Turn-Off Thyristor）等のパワーモジュ
ールの両面にヒートシンク等の冷却手段を取り付け、そ
れぞれの接続部は外部からの圧力で接続する圧接スタッ
ク型がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】これらＩＧＢＴモジュ
ール１の内部構造では、運転時の温度変化による接合部
の熱応力を低減するために、主要部分には素子の線膨張
率に近い部材を使っている。ＩＧＢＴモジュール１のＩ
ＧＢＴ素子２の線膨張率はシリコンで約３×１０ −６／
Ｋ、絶縁基板３の線膨張率は窒化アルミで約４×１０
−６／Ｋ、放熱用金属ベース板４の線膨張率はモリブデ
ンで約４．９×１０−６／Ｋ、タングステンで約４．６
×１０−６／Ｋである。また、ヒートシンク等の冷却手
段５には熱伝導率の高い金属、例えば銅やアルミが使用
されるが、一般に熱伝導率の高い金属は、線膨張率も高
くなり、線膨張率は銅で約１７．１×１０−６／Ｋ、ア
ルミで約２４．４×１０−６／ＫとＩＧＢＴモジュール
１の線膨張率との差が非常に大きい。このようにＩＧＢ
Ｔモジュール１と冷却手段５とでは、使用されている部
材の線膨張率の差が大きく、動作時の温度変化により熱
伸び差が発生する。このため、ＩＧＢＴモジュール１と
冷却手段５との間は、はんだなどを用いず、コンパウン
ド８を介して圧接することにより、熱応力や熱歪みを緩
和していた。
ール１の内部構造では、運転時の温度変化による接合部
の熱応力を低減するために、主要部分には素子の線膨張
率に近い部材を使っている。ＩＧＢＴモジュール１のＩ
ＧＢＴ素子２の線膨張率はシリコンで約３×１０ −６／
Ｋ、絶縁基板３の線膨張率は窒化アルミで約４×１０
−６／Ｋ、放熱用金属ベース板４の線膨張率はモリブデ
ンで約４．９×１０−６／Ｋ、タングステンで約４．６
×１０−６／Ｋである。また、ヒートシンク等の冷却手
段５には熱伝導率の高い金属、例えば銅やアルミが使用
されるが、一般に熱伝導率の高い金属は、線膨張率も高
くなり、線膨張率は銅で約１７．１×１０−６／Ｋ、ア
ルミで約２４．４×１０−６／ＫとＩＧＢＴモジュール
１の線膨張率との差が非常に大きい。このようにＩＧＢ
Ｔモジュール１と冷却手段５とでは、使用されている部
材の線膨張率の差が大きく、動作時の温度変化により熱
伸び差が発生する。このため、ＩＧＢＴモジュール１と
冷却手段５との間は、はんだなどを用いず、コンパウン
ド８を介して圧接することにより、熱応力や熱歪みを緩
和していた。
【０００４】しかしながら、ＩＧＢＴモジュール１と冷
却手段５との間に介在して両者を熱的に接続するコンパ
ウンド８は、熱伝導率が１〜数Ｗａｔｔ／ｍ・Ｋ程度と
低く、冷却性能が低い。また熱変形によりＩＧＢＴモジ
ュール１と冷却手段５との間の寸法が変化し冷却性能が
安定しないものであった。このような傾向は、高電圧・
大電流化や高サイクル化などの大容量化にともない半導
体素子からの発熱量が増加し、さらに長期信頼性の観点
から熱サイクル数も増大している近年では顕著であり、
ＩＧＢＴモジュール１の発熱を安定して効率よく外部に
放出することが困難であった。
却手段５との間に介在して両者を熱的に接続するコンパ
ウンド８は、熱伝導率が１〜数Ｗａｔｔ／ｍ・Ｋ程度と
低く、冷却性能が低い。また熱変形によりＩＧＢＴモジ
ュール１と冷却手段５との間の寸法が変化し冷却性能が
安定しないものであった。このような傾向は、高電圧・
大電流化や高サイクル化などの大容量化にともない半導
体素子からの発熱量が増加し、さらに長期信頼性の観点
から熱サイクル数も増大している近年では顕著であり、
ＩＧＢＴモジュール１の発熱を安定して効率よく外部に
放出することが困難であった。
【０００５】この発明は、上記のような問題点を解消す
るために成されたものであって、部材間の線膨張率の差
による熱応力、熱歪みを低減すると共に、パワー半導体
素子の発熱を良好な熱伝導により安定して効率的に放熱
できる信頼性の高いパワー半導体装置を得ることを目的
とする。
るために成されたものであって、部材間の線膨張率の差
による熱応力、熱歪みを低減すると共に、パワー半導体
素子の発熱を良好な熱伝導により安定して効率的に放熱
できる信頼性の高いパワー半導体装置を得ることを目的
とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明に係る請求項１
記載のパワー半導体装置は、パワー半導体素子を搭載し
た絶縁基板の下面と熱伝導性金属放熱板とを、孔の面内
占有率が３０〜８０％である熱伝導性ポーラス金属板を
介在して接合したものである。
記載のパワー半導体装置は、パワー半導体素子を搭載し
た絶縁基板の下面と熱伝導性金属放熱板とを、孔の面内
占有率が３０〜８０％である熱伝導性ポーラス金属板を
介在して接合したものである。
【０００７】またこの発明に係る請求項２記載のパワー
半導体装置は、請求項１において、熱伝導性ポーラス金
属板の孔は、球状あるいは上記ポーラス金属板の面に対
してほぼ垂直方向に延びた形状の空洞である。
半導体装置は、請求項１において、熱伝導性ポーラス金
属板の孔は、球状あるいは上記ポーラス金属板の面に対
してほぼ垂直方向に延びた形状の空洞である。
【０００８】またこの発明に係る請求項３記載のパワー
半導体装置は、パワー半導体素子を搭載した絶縁基板の
下面と熱伝導性金属放熱板とを、熱伝導性ポーラス金属
板を介在して接合し、上記ポーラス金属板は該ポーラス
金属板の面に対してほぼ垂直方向に貫通した空洞を備
え、該空洞内に該ポーラス金属板の一面から他面まで貫
通する柱状の熱伝導性金属を該空洞側壁と微細な空隙で
離間して配設したものである。
半導体装置は、パワー半導体素子を搭載した絶縁基板の
下面と熱伝導性金属放熱板とを、熱伝導性ポーラス金属
板を介在して接合し、上記ポーラス金属板は該ポーラス
金属板の面に対してほぼ垂直方向に貫通した空洞を備
え、該空洞内に該ポーラス金属板の一面から他面まで貫
通する柱状の熱伝導性金属を該空洞側壁と微細な空隙で
離間して配設したものである。
【０００９】またこの発明に係る請求項４記載のパワー
半導体装置は、請求項３において、常温からパワー半導
体素子の動作温度までの範囲において、空洞内の熱伝導
性金属と該空洞側壁との間で、空隙が確保されて離間状
態が継続するものである。
半導体装置は、請求項３において、常温からパワー半導
体素子の動作温度までの範囲において、空洞内の熱伝導
性金属と該空洞側壁との間で、空隙が確保されて離間状
態が継続するものである。
【００１０】またこの発明に係る請求項５記載のパワー
半導体装置は、請求項４において、空洞内の熱伝導性金
属は、ポーラス金属板の金属材料に比して低融点かつ線
膨張率が高い材料から成り、溶融含浸法により上記空洞
内に充填されて形成したものである。
半導体装置は、請求項４において、空洞内の熱伝導性金
属は、ポーラス金属板の金属材料に比して低融点かつ線
膨張率が高い材料から成り、溶融含浸法により上記空洞
内に充填されて形成したものである。
【００１１】またこの発明に係る請求項６記載のパワー
半導体装置は、請求項１〜５のいずれかにおいて、ポー
ラス金属板の孔（空洞）による開口率は、該金属板の中
心部よりも外周部で大きいものである。
半導体装置は、請求項１〜５のいずれかにおいて、ポー
ラス金属板の孔（空洞）による開口率は、該金属板の中
心部よりも外周部で大きいものである。
【００１２】またこの発明に係る請求項７記載のパワー
半導体装置は、請求項１〜６のいずれかにおいて、ポー
ラス金属板の絶縁基板側にモリブデンあるいはタングス
テンから成る緩衝板を接合して用いたものである。
半導体装置は、請求項１〜６のいずれかにおいて、ポー
ラス金属板の絶縁基板側にモリブデンあるいはタングス
テンから成る緩衝板を接合して用いたものである。
【００１３】またこの発明に係る請求項８記載のパワー
半導体装置は、請求項７において、ポーラス金属板と緩
衝板との接合は、クラッドによる接合である。
半導体装置は、請求項７において、ポーラス金属板と緩
衝板との接合は、クラッドによる接合である。
【００１４】またこの発明に係る請求項９記載のパワー
半導体装置は、パワー半導体素子を搭載した絶縁基板の
下面と熱伝導性金属放熱板とを、多数の柱状熱伝導性金
属を微細な空隙で互いに離間させて上記絶縁基板に対し
て垂直方向に配設した層を介在して接合したものであ
る。
半導体装置は、パワー半導体素子を搭載した絶縁基板の
下面と熱伝導性金属放熱板とを、多数の柱状熱伝導性金
属を微細な空隙で互いに離間させて上記絶縁基板に対し
て垂直方向に配設した層を介在して接合したものであ
る。
【００１５】
【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、この発明の
実施の形態を図について説明する。図１は、この発明の
実施の形態１によるパワー半導体装置の断面図である。
図１において、９はパワーモジュールの一つであるＩＧ
ＢＴモジュール、１０はパワー半導体素子としてのＩＧ
ＢＴ素子、１１は両面に銅等の金属の箔が接着された、
アルミナや窒化アルミ等からなる絶縁基板、１２はモリ
ブデンやタングステン等からなる緩衝板、１３は銅やア
ルミニウムなどからなる熱伝導性ポーラス金属板、１４
はポーラス金属板１３に設けられた空洞としての貫通孔
でポーラス金属板１３の表面から裏面に抜ける方向に貫
通する。また、１５は銅板やアルミニウム板などからな
る熱伝導性金属放熱板としての金属ベース板、１６は銅
やアルミニウムなどからなるヒートシンクなどの冷却手
段である。また、１７〜２０は接合のためのはんだ、２
１は緩衝板１２とポーラス金属板１３との間のクラッド
接合部である。
実施の形態を図について説明する。図１は、この発明の
実施の形態１によるパワー半導体装置の断面図である。
図１において、９はパワーモジュールの一つであるＩＧ
ＢＴモジュール、１０はパワー半導体素子としてのＩＧ
ＢＴ素子、１１は両面に銅等の金属の箔が接着された、
アルミナや窒化アルミ等からなる絶縁基板、１２はモリ
ブデンやタングステン等からなる緩衝板、１３は銅やア
ルミニウムなどからなる熱伝導性ポーラス金属板、１４
はポーラス金属板１３に設けられた空洞としての貫通孔
でポーラス金属板１３の表面から裏面に抜ける方向に貫
通する。また、１５は銅板やアルミニウム板などからな
る熱伝導性金属放熱板としての金属ベース板、１６は銅
やアルミニウムなどからなるヒートシンクなどの冷却手
段である。また、１７〜２０は接合のためのはんだ、２
１は緩衝板１２とポーラス金属板１３との間のクラッド
接合部である。
【００１６】図に示すように、複数のＩＧＢＴ素子１０
は絶縁基板１１を介して金属ベース板１５上に搭載され
るが、絶縁基板１１と金属ベース板１５とは、緩衝板１
２と所定の面内占有率で貫通孔１４を有する熱伝導性ポ
ーラス金属板１３とを介在して接合される。また、金属
ベース板１５上の構造物は、図示しない樹脂により覆わ
れてＩＧＢＴモジュール９を構成する。また、ＩＧＢＴ
素子１０は絶縁基板１１上に、絶縁基板１１は緩衝板１
２上にそれぞれはんだ１７、１８で接合され、緩衝板１
２とポーラス金属板１３とは、異なる材料の金属を界面
で強固に圧接接合するクラッド接合２１により接合され
ている。また、ポーラス金属板１３は金属ベース板１５
上にはんだ１９で接合され、さらに金属ベース板１５は
冷却手段１６にはんだ２０で接合されている。
は絶縁基板１１を介して金属ベース板１５上に搭載され
るが、絶縁基板１１と金属ベース板１５とは、緩衝板１
２と所定の面内占有率で貫通孔１４を有する熱伝導性ポ
ーラス金属板１３とを介在して接合される。また、金属
ベース板１５上の構造物は、図示しない樹脂により覆わ
れてＩＧＢＴモジュール９を構成する。また、ＩＧＢＴ
素子１０は絶縁基板１１上に、絶縁基板１１は緩衝板１
２上にそれぞれはんだ１７、１８で接合され、緩衝板１
２とポーラス金属板１３とは、異なる材料の金属を界面
で強固に圧接接合するクラッド接合２１により接合され
ている。また、ポーラス金属板１３は金属ベース板１５
上にはんだ１９で接合され、さらに金属ベース板１５は
冷却手段１６にはんだ２０で接合されている。
【００１７】このように構成されるパワー半導体装置で
は、動作時にパワー半導体素子１０で発生した熱は熱伝
導によって絶縁基板１１、緩衝板１２、ポーラス金属板
１３、金属ベース板１５を順次経て冷却手段１６に伝導
されて冷却される。この熱伝導経路において、上述した
ように、シリコンなどから成るパワー半導体素子１０お
よび窒化アルミニウムなどから成る絶縁基板１１の線膨
張率は小さく、銅やアルミニウムなどから成る冷却手段
１６は線膨張率が大きい。この実施の形態では、冷却手
段１６上の金属ベース板１５を銅やアルミなど、線膨張
率の大きな熱伝導性金属で構成し、この線膨張率の大き
な金属ベース板１５と線膨張率の小さな絶縁基板１１と
の間に、緩衝板１２およびポーラス金属板１３を挿入し
た。
は、動作時にパワー半導体素子１０で発生した熱は熱伝
導によって絶縁基板１１、緩衝板１２、ポーラス金属板
１３、金属ベース板１５を順次経て冷却手段１６に伝導
されて冷却される。この熱伝導経路において、上述した
ように、シリコンなどから成るパワー半導体素子１０お
よび窒化アルミニウムなどから成る絶縁基板１１の線膨
張率は小さく、銅やアルミニウムなどから成る冷却手段
１６は線膨張率が大きい。この実施の形態では、冷却手
段１６上の金属ベース板１５を銅やアルミなど、線膨張
率の大きな熱伝導性金属で構成し、この線膨張率の大き
な金属ベース板１５と線膨張率の小さな絶縁基板１１と
の間に、緩衝板１２およびポーラス金属板１３を挿入し
た。
【００１８】ポーラス金属板１３は銅やアルミニウムな
どの熱伝導率及び線膨張率の大きな熱伝導性金属で構成
され、図２に示すように、ポーラス金属板１３の面に対
してほぼ垂直方向に貫通する貫通孔１４を有する。この
貫通孔１４は、径寸法が１μ〜５ｍｍ程度、面内占有率
は３０〜８０％程度であり、この比較的大きな面内占有
率を有する貫通孔１４のためにポーラス金属板１３は剛
性が低くたわみ易くなっている。このため、動作時の温
度変化により図３に示すようにたわみ、線膨張率の大き
な金属ベース板１５と線膨張率の小さな絶縁基板１１と
の熱伸び差を吸収し、応力を緩和できる。また、ポーラ
ス金属板１３の絶縁基板１１側に挿入する緩衝板１２
は、モリブデンやタングステンなど、線膨張率が小さく
て剛性が高い材料を使用したため、絶縁基板１１への熱
応力の影響をさらに緩和できると共に、緩衝板１２と絶
縁基板１１との間のはんだによる接合部に発生する熱応
力を低減して長期信頼性を向上する。また、この緩衝板
１２の材料は、熱伝導性も良好（モリブデンの熱伝導
率；１３８Ｗａｔｔ／ｍ・Ｋ）である。さらに、緩衝板
１２はポーラス金属板１３とクラッドにより界面で強固
に接合されているため、接合部２１の信頼性が高く、ま
た緩衝板１２とポーラス金属板１３との間で、安定して
良好な熱伝導性が得られる。
どの熱伝導率及び線膨張率の大きな熱伝導性金属で構成
され、図２に示すように、ポーラス金属板１３の面に対
してほぼ垂直方向に貫通する貫通孔１４を有する。この
貫通孔１４は、径寸法が１μ〜５ｍｍ程度、面内占有率
は３０〜８０％程度であり、この比較的大きな面内占有
率を有する貫通孔１４のためにポーラス金属板１３は剛
性が低くたわみ易くなっている。このため、動作時の温
度変化により図３に示すようにたわみ、線膨張率の大き
な金属ベース板１５と線膨張率の小さな絶縁基板１１と
の熱伸び差を吸収し、応力を緩和できる。また、ポーラ
ス金属板１３の絶縁基板１１側に挿入する緩衝板１２
は、モリブデンやタングステンなど、線膨張率が小さく
て剛性が高い材料を使用したため、絶縁基板１１への熱
応力の影響をさらに緩和できると共に、緩衝板１２と絶
縁基板１１との間のはんだによる接合部に発生する熱応
力を低減して長期信頼性を向上する。また、この緩衝板
１２の材料は、熱伝導性も良好（モリブデンの熱伝導
率；１３８Ｗａｔｔ／ｍ・Ｋ）である。さらに、緩衝板
１２はポーラス金属板１３とクラッドにより界面で強固
に接合されているため、接合部２１の信頼性が高く、ま
た緩衝板１２とポーラス金属板１３との間で、安定して
良好な熱伝導性が得られる。
【００１９】このように、緩衝板１２およびポーラス金
属板１３により金属ベース板１５と絶縁基板１１との間
の線膨張率の差による熱応力が緩和できると共に、ＩＧ
ＢＴ素子１０の発熱を良好な熱伝導により安定して効率
的に放熱できる。
属板１３により金属ベース板１５と絶縁基板１１との間
の線膨張率の差による熱応力が緩和できると共に、ＩＧ
ＢＴ素子１０の発熱を良好な熱伝導により安定して効率
的に放熱できる。
【００２０】ところで、上述したようなポーラス金属板
は、液体金属中でガス原子の溶解度が大きく凝固して固
体に変態するとガス原子の固溶度が小さい材料を、高圧
ガス（水素あるいは酸素）雰囲気で溶解し凝固させるこ
とによって形成するもので、ポア（孔）の径寸法が１μ
〜５ｍｍ程度、面内占有率は３０〜８０％程度である。
また、形成時に型に流し込んだ溶融金属を、例えば下方
から、あるいは側面から一方向凝固させると、ポア
（孔）の成長方向を自由に制御できる。また、溶融温
度、凝固冷却速度、ガス圧力等の制御パラメータを制御
することにより、ポアサイズ、面内占有率も制御でき
る。このように形成されたポーラス金属板は、機械的強
度が比較的強く、また大きな面内占有率（３０〜８０％
程度）のポアが形成されて、機械的性質を維持しつつた
やみ易いため、上記の様に効果的に熱応力が緩和でき
る。また、熱伝導性金属を用いて構成したため、熱伝導
性も優れている。なお、鋳造法、メッキ法等により形成
されるポーラス金属では、８０％を越える面内占有率の
ポアを有するものがあるが、機械的強度が低い、ポア形
成の制御が十分に行えない、さらに面内占有率が大き過
ぎて熱伝導性が悪くなる等のため、適さない。
は、液体金属中でガス原子の溶解度が大きく凝固して固
体に変態するとガス原子の固溶度が小さい材料を、高圧
ガス（水素あるいは酸素）雰囲気で溶解し凝固させるこ
とによって形成するもので、ポア（孔）の径寸法が１μ
〜５ｍｍ程度、面内占有率は３０〜８０％程度である。
また、形成時に型に流し込んだ溶融金属を、例えば下方
から、あるいは側面から一方向凝固させると、ポア
（孔）の成長方向を自由に制御できる。また、溶融温
度、凝固冷却速度、ガス圧力等の制御パラメータを制御
することにより、ポアサイズ、面内占有率も制御でき
る。このように形成されたポーラス金属板は、機械的強
度が比較的強く、また大きな面内占有率（３０〜８０％
程度）のポアが形成されて、機械的性質を維持しつつた
やみ易いため、上記の様に効果的に熱応力が緩和でき
る。また、熱伝導性金属を用いて構成したため、熱伝導
性も優れている。なお、鋳造法、メッキ法等により形成
されるポーラス金属では、８０％を越える面内占有率の
ポアを有するものがあるが、機械的強度が低い、ポア形
成の制御が十分に行えない、さらに面内占有率が大き過
ぎて熱伝導性が悪くなる等のため、適さない。
【００２１】上記実施の形態では、貫通孔１４を有する
ポーラス金属板１３を用いたが、ポアは貫通していなく
ても良く、上記ポーラス金属板１３の面に対してほぼ垂
直方向に延びた形状の空洞、あるいは球状孔であっても
良い。これにより、金属ベース板１５と絶縁基板１１と
の間に生じる面方向の熱伸び差による応力を効果的に低
減できる。また、ポーラス金属板１３のポアによる開口
率は、中心部よりも外周部で大きくすると、外周部での
柔軟性が大きくなり効果的にたわみを発生させることが
できると共に、中心部の熱伝導量を大きくでき、放熱効
果を向上できる。
ポーラス金属板１３を用いたが、ポアは貫通していなく
ても良く、上記ポーラス金属板１３の面に対してほぼ垂
直方向に延びた形状の空洞、あるいは球状孔であっても
良い。これにより、金属ベース板１５と絶縁基板１１と
の間に生じる面方向の熱伸び差による応力を効果的に低
減できる。また、ポーラス金属板１３のポアによる開口
率は、中心部よりも外周部で大きくすると、外周部での
柔軟性が大きくなり効果的にたわみを発生させることが
できると共に、中心部の熱伝導量を大きくでき、放熱効
果を向上できる。
【００２２】また、上記実施の形態では、緩衝板１２は
ポーラス金属板１３とクラッドにより接合したが、熱伝
導性、および強度の観点から劣るものであるが、はんだ
により接合しても良い。さらに、緩衝板１２を設けずに
ポーラス金属板１３のみを金属ベース板１５と絶縁基板
１１との間に介在させてもよく、熱応力の緩和効果を得
ることができる。
ポーラス金属板１３とクラッドにより接合したが、熱伝
導性、および強度の観点から劣るものであるが、はんだ
により接合しても良い。さらに、緩衝板１２を設けずに
ポーラス金属板１３のみを金属ベース板１５と絶縁基板
１１との間に介在させてもよく、熱応力の緩和効果を得
ることができる。
【００２３】さらにまた、金属ベース板１５を設けず、
熱伝導性放熱板となる冷却手段１６をＩＧＢＴモジュー
ル９のベース板に用い、これにポーラス金属板１３を直
接接合して用いることもできる。
熱伝導性放熱板となる冷却手段１６をＩＧＢＴモジュー
ル９のベース板に用い、これにポーラス金属板１３を直
接接合して用いることもできる。
【００２４】実施の形態２．次に、この発明の実施の形
態２を図４に基づいて説明する。上記実施の形態１で
は、貫通孔１４を有するポーラス金属板１３を用いた
が、この実施の形態２では、図４に示すように、熱伝導
性ポーラス金属板２２の空洞としての貫通孔２３内に柱
状の熱伝導性金属としての柱状熱伝導体２４を挿入した
ものを用いる。熱伝導性ポーラス金属板２２の母材を例
えば銅で構成し、貫通孔２３内に、銅よりも低融点で線
膨張率の高い金属材料である、例えばアルミニウムから
成る柱状熱伝導体２４を、貫通孔２３の側壁と微細な空
隙２３ａで離間させて挿入する。なお、ポーラス金属板
２２以外の構成は、上記実施の形態１と同様である。
態２を図４に基づいて説明する。上記実施の形態１で
は、貫通孔１４を有するポーラス金属板１３を用いた
が、この実施の形態２では、図４に示すように、熱伝導
性ポーラス金属板２２の空洞としての貫通孔２３内に柱
状の熱伝導性金属としての柱状熱伝導体２４を挿入した
ものを用いる。熱伝導性ポーラス金属板２２の母材を例
えば銅で構成し、貫通孔２３内に、銅よりも低融点で線
膨張率の高い金属材料である、例えばアルミニウムから
成る柱状熱伝導体２４を、貫通孔２３の側壁と微細な空
隙２３ａで離間させて挿入する。なお、ポーラス金属板
２２以外の構成は、上記実施の形態１と同様である。
【００２５】このようなポーラス金属板２２は、上記実
施の形態１と同様に貫通孔２３を有するポーラス金属板
２２を形成し、その後、柱状熱伝導体２４の融点とポー
ラス金属板の母材２１の融点との間の温度に加熱してポ
ーラス金属板２２の貫通孔２３に溶融状態の柱状熱伝導
体２４を含浸させる、いわゆる溶融含浸法によって製作
する。上記のように、例えば、ポーラス金属板２２の母
材に融点が１３５７．６Ｋの銅、柱状熱伝導体２４に融
点が９３３．５Ｋのアルミニウムを使用することがで
き、しかもアルミニウムの線膨張率は銅の線膨張率より
大きいので、常温に近い動作温度まで冷却すると貫通孔
２３側壁と柱状熱伝導体２４との間に微小な空隙２３ａ
ができる。また、この空隙２３ａは、常温からパワー半
導体装置の動作温度までの範囲で確保されて、貫通孔２
３の側壁と柱状熱伝導体２４とは確実に離間される。
施の形態１と同様に貫通孔２３を有するポーラス金属板
２２を形成し、その後、柱状熱伝導体２４の融点とポー
ラス金属板の母材２１の融点との間の温度に加熱してポ
ーラス金属板２２の貫通孔２３に溶融状態の柱状熱伝導
体２４を含浸させる、いわゆる溶融含浸法によって製作
する。上記のように、例えば、ポーラス金属板２２の母
材に融点が１３５７．６Ｋの銅、柱状熱伝導体２４に融
点が９３３．５Ｋのアルミニウムを使用することがで
き、しかもアルミニウムの線膨張率は銅の線膨張率より
大きいので、常温に近い動作温度まで冷却すると貫通孔
２３側壁と柱状熱伝導体２４との間に微小な空隙２３ａ
ができる。また、この空隙２３ａは、常温からパワー半
導体装置の動作温度までの範囲で確保されて、貫通孔２
３の側壁と柱状熱伝導体２４とは確実に離間される。
【００２６】この実施の形態２では、貫通孔２３内に柱
状熱伝導体２４を挿入したため、ポーラス金属板２２の
母材だけでなく、柱状熱伝導体２４によっても熱伝導が
為され、熱伝導性能が高くなる。また、常温からパワー
半導体装置の動作温度までの範囲で貫通孔２３側壁と柱
状熱伝導体２４との間の空隙２３ａが確保されているた
め、ポーラス金属板２４がたわむ際に、ポーラス金属板
２２の母材と柱状熱伝導体２４とが互いに干渉せず、た
わみによる効果を妨げることがない。このため、動作時
の温度変化により図５に示すようにたわみ、線膨張率の
大きな金属ベース板１５と線膨張率の小さな絶縁基板１
１との熱伸び差を吸収し、上記実施の形態１と同様の熱
応力緩和効果を有すると共に、熱伝導性がさらに良くな
るため、放熱効果が向上する。
状熱伝導体２４を挿入したため、ポーラス金属板２２の
母材だけでなく、柱状熱伝導体２４によっても熱伝導が
為され、熱伝導性能が高くなる。また、常温からパワー
半導体装置の動作温度までの範囲で貫通孔２３側壁と柱
状熱伝導体２４との間の空隙２３ａが確保されているた
め、ポーラス金属板２４がたわむ際に、ポーラス金属板
２２の母材と柱状熱伝導体２４とが互いに干渉せず、た
わみによる効果を妨げることがない。このため、動作時
の温度変化により図５に示すようにたわみ、線膨張率の
大きな金属ベース板１５と線膨張率の小さな絶縁基板１
１との熱伸び差を吸収し、上記実施の形態１と同様の熱
応力緩和効果を有すると共に、熱伝導性がさらに良くな
るため、放熱効果が向上する。
【００２７】なお、柱状熱伝導体２４を機械加工によっ
て貫通孔２３よりごくわずかに小さく製作して挿入して
も良く、その場合は、柱状熱伝導体２４の材料をポーラ
ス金属板２２の母材よりも低融点で線膨張率の高いもの
とする必要はなく、共に熱伝導性の良い材料で、常温か
らパワー半導体装置の動作温度までの範囲で貫通孔２３
側壁と柱状熱伝導体２４との間の空隙２３ａが確保でき
ればよい。
て貫通孔２３よりごくわずかに小さく製作して挿入して
も良く、その場合は、柱状熱伝導体２４の材料をポーラ
ス金属板２２の母材よりも低融点で線膨張率の高いもの
とする必要はなく、共に熱伝導性の良い材料で、常温か
らパワー半導体装置の動作温度までの範囲で貫通孔２３
側壁と柱状熱伝導体２４との間の空隙２３ａが確保でき
ればよい。
【００２８】また、上記実施の形態２において、ポーラ
ス金属板２２の母材がない状態、即ち、多数の柱状熱伝
導体２４を微細な空隙で互いに離間させて配設した層
を、ポーラス金属板２２の替わりに用いると、熱応力の
緩和効果がさらに向上する。この場合、多数の柱状熱伝
導体２４を支持する支持板を下層の金属ベース板１５
側、あるいは、上下両側に設けても良い。
ス金属板２２の母材がない状態、即ち、多数の柱状熱伝
導体２４を微細な空隙で互いに離間させて配設した層
を、ポーラス金属板２２の替わりに用いると、熱応力の
緩和効果がさらに向上する。この場合、多数の柱状熱伝
導体２４を支持する支持板を下層の金属ベース板１５
側、あるいは、上下両側に設けても良い。
【００２９】
【発明の効果】以上のように、この発明に係る請求項１
記載のパワー半導体装置は、パワー半導体素子を搭載し
た絶縁基板の下面と熱伝導性金属放熱板とを、孔の面内
占有率が３０〜８０％である熱伝導性ポーラス金属板を
介在して接合したため、絶縁基板と熱伝導性金属放熱板
との間での熱応力、熱歪みを低減すると共に、パワー半
導体素子の発熱を良好な熱伝導により安定して効率的に
放熱できる。
記載のパワー半導体装置は、パワー半導体素子を搭載し
た絶縁基板の下面と熱伝導性金属放熱板とを、孔の面内
占有率が３０〜８０％である熱伝導性ポーラス金属板を
介在して接合したため、絶縁基板と熱伝導性金属放熱板
との間での熱応力、熱歪みを低減すると共に、パワー半
導体素子の発熱を良好な熱伝導により安定して効率的に
放熱できる。
【００３０】またこの発明に係る請求項２記載のパワー
半導体装置は、請求項１において、熱伝導性ポーラス金
属板の孔は、球状あるいは上記ポーラス金属板の面に対
してほぼ垂直方向に延びた形状の空洞であるため、絶縁
基板と熱伝導性金属放熱板との間に生じる面方向の熱伸
び差による応力を効果的に低減できる。
半導体装置は、請求項１において、熱伝導性ポーラス金
属板の孔は、球状あるいは上記ポーラス金属板の面に対
してほぼ垂直方向に延びた形状の空洞であるため、絶縁
基板と熱伝導性金属放熱板との間に生じる面方向の熱伸
び差による応力を効果的に低減できる。
【００３１】またこの発明に係る請求項３記載のパワー
半導体装置は、パワー半導体素子を搭載した絶縁基板の
下面と熱伝導性金属放熱板とを、熱伝導性ポーラス金属
板を介在して接合し、上記ポーラス金属板は該ポーラス
金属板の面に対してほぼ垂直方向に貫通した空洞を備
え、該空洞内に該ポーラス金属板の一面から他面まで貫
通する柱状の熱伝導性金属を該空洞側壁と微細な空隙で
離間して配設したため、絶縁基板と熱伝導性金属放熱板
との間での熱応力、熱歪みを低減すると共に、パワー半
導体素子の発熱をさらに良好な熱伝導により、一層効率
的に放熱できる。
半導体装置は、パワー半導体素子を搭載した絶縁基板の
下面と熱伝導性金属放熱板とを、熱伝導性ポーラス金属
板を介在して接合し、上記ポーラス金属板は該ポーラス
金属板の面に対してほぼ垂直方向に貫通した空洞を備
え、該空洞内に該ポーラス金属板の一面から他面まで貫
通する柱状の熱伝導性金属を該空洞側壁と微細な空隙で
離間して配設したため、絶縁基板と熱伝導性金属放熱板
との間での熱応力、熱歪みを低減すると共に、パワー半
導体素子の発熱をさらに良好な熱伝導により、一層効率
的に放熱できる。
【００３２】またこの発明に係る請求項４記載のパワー
半導体装置は、請求項３において、常温からパワー半導
体素子の動作温度までの範囲において、空洞内の熱伝導
性金属と該空洞側壁との間で、空隙が確保されて離間状
態が継続するため、安定して信頼性の高い放熱性能が得
られる。
半導体装置は、請求項３において、常温からパワー半導
体素子の動作温度までの範囲において、空洞内の熱伝導
性金属と該空洞側壁との間で、空隙が確保されて離間状
態が継続するため、安定して信頼性の高い放熱性能が得
られる。
【００３３】またこの発明に係る請求項５記載のパワー
半導体装置は、請求項４において、空洞内の熱伝導性金
属は、ポーラス金属板の金属材料に比して低融点かつ線
膨張率が高い材料から成り、溶融含浸法により上記空洞
内に充填されて形成したため、空洞内の熱伝導性金属と
該空洞側壁との間に微細な空隙が制御性良く容易に確保
でき、安定して信頼性の高い放熱性能が容易に得られ
る。
半導体装置は、請求項４において、空洞内の熱伝導性金
属は、ポーラス金属板の金属材料に比して低融点かつ線
膨張率が高い材料から成り、溶融含浸法により上記空洞
内に充填されて形成したため、空洞内の熱伝導性金属と
該空洞側壁との間に微細な空隙が制御性良く容易に確保
でき、安定して信頼性の高い放熱性能が容易に得られ
る。
【００３４】またこの発明に係る請求項６記載のパワー
半導体装置は、請求項１〜５のいずれかにおいて、ポー
ラス金属板の孔（空洞）による開口率は、該金属板の中
心部よりも外周部で大きいため、効果的に熱応力が緩和
できると共に、放熱効果を向上できる。
半導体装置は、請求項１〜５のいずれかにおいて、ポー
ラス金属板の孔（空洞）による開口率は、該金属板の中
心部よりも外周部で大きいため、効果的に熱応力が緩和
できると共に、放熱効果を向上できる。
【００３５】またこの発明に係る請求項７記載のパワー
半導体装置は、請求項１〜６のいずれかにおいて、ポー
ラス金属板の絶縁基板側にモリブデンあるいはタングス
テンから成る緩衝板を接合して用いたため、絶縁基板及
びパワー半導体素子への熱応力の影響をさらに低減でき
る。
半導体装置は、請求項１〜６のいずれかにおいて、ポー
ラス金属板の絶縁基板側にモリブデンあるいはタングス
テンから成る緩衝板を接合して用いたため、絶縁基板及
びパワー半導体素子への熱応力の影響をさらに低減でき
る。
【００３６】またこの発明に係る請求項８記載のパワー
半導体装置は、請求項７において、ポーラス金属板と緩
衝板との接合は、クラッドによる接合であるため、強固
で信頼性が高く、また熱伝導性が良好な接合が形成でき
る。
半導体装置は、請求項７において、ポーラス金属板と緩
衝板との接合は、クラッドによる接合であるため、強固
で信頼性が高く、また熱伝導性が良好な接合が形成でき
る。
【００３７】またこの発明に係る請求項９記載のパワー
半導体装置は、パワー半導体素子を搭載した絶縁基板の
下面と熱伝導性金属放熱板とを、多数の柱状熱伝導性金
属を微細な空隙で互いに離間させて上記絶縁基板に対し
て垂直方向に配設した層を介在して接合したため、絶縁
基板と熱伝導性金属放熱板との間での熱応力、熱歪みを
一層低減できると共に、パワー半導体素子の発熱を良好
な熱伝導により安定して効率的に放熱できる。
半導体装置は、パワー半導体素子を搭載した絶縁基板の
下面と熱伝導性金属放熱板とを、多数の柱状熱伝導性金
属を微細な空隙で互いに離間させて上記絶縁基板に対し
て垂直方向に配設した層を介在して接合したため、絶縁
基板と熱伝導性金属放熱板との間での熱応力、熱歪みを
一層低減できると共に、パワー半導体素子の発熱を良好
な熱伝導により安定して効率的に放熱できる。
【図１】 この発明の実施の形態１によるパワー半導体
装置の構造を示す断面図である。
装置の構造を示す断面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１によるポーラス金属
板を示す斜視図である。
板を示す斜視図である。
【図３】 この発明の実施の形態１によるポーラス金属
板の動作時のたわみを説明する図である。
板の動作時のたわみを説明する図である。
【図４】 この発明の実施の形態２によるパワー半導体
装置の構造を示す断面図である。
装置の構造を示す断面図である。
【図５】 この発明の実施の形態２によるポーラス金属
板の動作時のたわみを説明する図である。
板の動作時のたわみを説明する図である。
【図６】 従来のパワー半導体装置の構造を示す断面図
である。
である。
１０ パワー半導体素子としてのＩＧＢＴ素子、１１
絶縁基板、１２ 緩衝板、１３ 熱伝導性ポーラス金属
板、１４ 空洞としての貫通孔、１５ 放熱板としての
金属ベース板、１６ 放熱板としての冷却手段、２１
クラッド接合部、２２ 熱伝導性ポーラス金属板、２３
空洞としての貫通孔、２３ａ 空隙、２４ 柱状の熱
伝導性金属としての柱状熱伝導体。
絶縁基板、１２ 緩衝板、１３ 熱伝導性ポーラス金属
板、１４ 空洞としての貫通孔、１５ 放熱板としての
金属ベース板、１６ 放熱板としての冷却手段、２１
クラッド接合部、２２ 熱伝導性ポーラス金属板、２３
空洞としての貫通孔、２３ａ 空隙、２４ 柱状の熱
伝導性金属としての柱状熱伝導体。
Claims (9)
- 【請求項１】 パワー半導体素子を搭載した絶縁基板の
下面と熱伝導性金属放熱板とを、孔の面内占有率が３０
〜８０％である熱伝導性ポーラス金属板を介在して接合
したことを特徴とするパワー半導体装置。 - 【請求項２】 熱伝導性ポーラス金属板の孔は、球状あ
るいは上記ポーラス金属板の面に対してほぼ垂直方向に
延びた形状の空洞であることを特徴とする請求項１記載
のパワー半導体装置。 - 【請求項３】 パワー半導体素子を搭載した絶縁基板の
下面と熱伝導性金属放熱板とを、熱伝導性ポーラス金属
板を介在して接合し、上記ポーラス金属板は該ポーラス
金属板の面に対してほぼ垂直方向に貫通した空洞を備
え、該空洞内に該ポーラス金属板の一面から他面まで貫
通する柱状の熱伝導性金属を該空洞側壁と微細な空隙で
離間して配設したことを特徴とするパワー半導体装置。 - 【請求項４】 常温からパワー半導体素子の動作温度ま
での範囲において、空洞内の熱伝導性金属と該空洞側壁
との間で、空隙が確保されて離間状態が継続することを
特徴とする請求項３記載のパワー半導体装置。 - 【請求項５】 空洞内の熱伝導性金属は、ポーラス金属
板の金属材料に比して低融点かつ線膨張率が高い材料か
ら成り、溶融含浸法により上記空洞内に充填されて形成
したものであることを特徴とする請求項４記載のパワー
半導体装置。 - 【請求項６】 ポーラス金属板の孔（空洞）による開口
率は、該金属板の中心部よりも外周部で大きいことを特
徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のパワー半導体
装置。 - 【請求項７】 ポーラス金属板の絶縁基板側にモリブデ
ンあるいはタングステンから成る緩衝板を接合して用い
たことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のパ
ワー半導体装置。 - 【請求項８】 ポーラス金属板と緩衝板との接合は、ク
ラッドによる接合であることを特徴とする請求項７記載
のパワー半導体装置。 - 【請求項９】 パワー半導体素子を搭載した絶縁基板の
下面と熱伝導性金属放熱板とを、多数の柱状熱伝導性金
属を微細な空隙で互いに離間させて上記絶縁基板に対し
て垂直方向に配設した層を介在して接合したことを特徴
とするパワー半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001033121A JP2002237556A (ja) | 2001-02-09 | 2001-02-09 | パワー半導体装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001033121A JP2002237556A (ja) | 2001-02-09 | 2001-02-09 | パワー半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002237556A true JP2002237556A (ja) | 2002-08-23 |
Family
ID=18896924
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001033121A Pending JP2002237556A (ja) | 2001-02-09 | 2001-02-09 | パワー半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002237556A (ja) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2008034474A (ja) * | 2006-07-26 | 2008-02-14 | Sharp Corp | 伝熱シート及び基板装置 |
| JP2008141154A (ja) * | 2006-06-28 | 2008-06-19 | T Rad Co Ltd | 複合放熱板およびその製造方法並びに、それに用いる熱応力緩和プレート |
| CN100433391C (zh) * | 2006-11-30 | 2008-11-12 | 何永祥 | 一种采用多孔金属材料作为散热装置的大功率发光二极管 |
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