[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

JP2009004666A - パワー半導体モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

パワー半導体モジュールおよびその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2009004666A
JP2009004666A JP2007165748A JP2007165748A JP2009004666A JP 2009004666 A JP2009004666 A JP 2009004666A JP 2007165748 A JP2007165748 A JP 2007165748A JP 2007165748 A JP2007165748 A JP 2007165748A JP 2009004666 A JP2009004666 A JP 2009004666A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon fiber
semiconductor module
composite material
silicon nitride
insulating substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2007165748A
Other languages
English (en)
Inventor
Toshiyuki Imamura
寿之 今村
Toshiaki Morita
俊章 守田
Hiroyuki Hozoji
裕之 宝蔵寺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP2007165748A priority Critical patent/JP2009004666A/ja
Priority to US12/141,670 priority patent/US20080315401A1/en
Publication of JP2009004666A publication Critical patent/JP2009004666A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L24/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L24/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/29111—Tin [Sn] as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/4501—Shape
    • H01L2224/45012—Cross-sectional shape
    • H01L2224/45015—Cross-sectional shape being circular
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/45099—Material
    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45117—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/45124—Aluminium (Al) as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/45099—Material
    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/45147—Copper (Cu) as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/48137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/491—Disposition
    • H01L2224/49105—Connecting at different heights
    • H01L2224/49109—Connecting at different heights outside the semiconductor or solid-state body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H01L2224/83801—Soldering or alloying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/91—Methods for connecting semiconductor or solid state bodies including different methods provided for in two or more of groups H01L2224/80 - H01L2224/90
    • H01L2224/92—Specific sequence of method steps
    • H01L2224/922—Connecting different surfaces of the semiconductor or solid-state body with connectors of different types
    • H01L2224/9222—Sequential connecting processes
    • H01L2224/92242—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector
    • H01L2224/92247—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector the second connecting process involving a wire connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L24/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L24/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L24/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of semiconductor or other solid state devices
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of semiconductor or other solid state devices all the devices being of a type provided for in a single subclass of subclasses H10B, H10F, H10H, H10K or H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of semiconductor or other solid state devices all the devices being of a type provided for in a single subclass of subclasses H10B, H10F, H10H, H10K or H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of semiconductor or other solid state devices all the devices being of a type provided for in a single subclass of subclasses H10B, H10F, H10H, H10K or H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group subclass H10D
    • H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of semiconductor or other solid state devices all the devices being of a type provided for in a single subclass of subclasses H10B, H10F, H10H, H10K or H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group subclass H10D the devices being arranged next to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/00011—Not relevant to the scope of the group, the symbol of which is combined with the symbol of this group
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01005—Boron [B]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01006—Carbon [C]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01013—Aluminum [Al]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01014—Silicon [Si]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01019—Potassium [K]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01023—Vanadium [V]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01027—Cobalt [Co]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01028—Nickel [Ni]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01029—Copper [Cu]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01033—Arsenic [As]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01047—Silver [Ag]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01049—Indium [In]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/0105—Tin [Sn]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01074—Tungsten [W]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01078—Platinum [Pt]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01082—Lead [Pb]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013—Alloys
    • H01L2924/0132—Binary Alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013—Alloys
    • H01L2924/0133—Ternary Alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013—Alloys
    • H01L2924/0134—Quaternary Alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013—Alloys
    • H01L2924/014—Solder alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
    • H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/161—Cap
    • H01L2924/1615—Shape
    • H01L2924/16195—Flat cap [not enclosing an internal cavity]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/19—Details of hybrid assemblies other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/1901—Structure
    • H01L2924/1904—Component type
    • H01L2924/19041—Component type being a capacitor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/19—Details of hybrid assemblies other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/191—Disposition
    • H01L2924/19101—Disposition of discrete passive components
    • H01L2924/19107—Disposition of discrete passive components off-chip wires
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/20—Parameters
    • H01L2924/207—Diameter ranges
    • H01L2924/2076—Diameter ranges equal to or larger than 100 microns

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

【課題】
本発明の目的は、半導体素子と放熱機構部との間の熱抵抗を小さくして、冷却性能の向上したパワー半導体モジュールを提供することにある。
【解決手段】
窒化ケイ素絶縁基板と、前記窒化ケイ素絶縁基板の一方の面に配置されたＣｕ又はＣｕ合金からなる金属回路板と、前記金属回路板に搭載された半導体素子と、前記窒化ケイ素絶縁基板の他方の面に配置されたＣｕ又はＣｕ合金からなる放熱板とを有する半導体モジュールにおいて、前記窒化ケイ素絶縁基板と前記金属回路板との間に、炭素繊維とＣｕ又はＣｕ合金からなる炭素繊維−金属複合材が配置されており、前記炭素繊維−金属複合材の炭素繊維配向方向の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ.Ｋ 以上であることを特徴とする半導体モジュール。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体モジュールおよびその製造方法に関する。
半導体デバイス、特に、大電流をスイッチング制御するパワー半導体デバイスでは、発熱量が大きいため、パワー半導体素子の動作安定性を確保するためには、冷却効率の優れる冷却構造が検討されている。半導体デバイスの冷却に要求される性能は、半導体モジュールを実装した電気回路モジュールが搭載される電機システムの様々な環境によって異なる。例えば自動車に搭載された電力変換装置では、車両への搭載環境，動作環境などから電気装置の冷却に高い性能が要求される。
ここで、従来の半導体デバイスとしては、例えば、特許文献１の特許公開公報には、炭素繊維複合材を用いた半導体モジュールについての記載があり、耐熱性ならびに温度サイクル特性の向上に優れ、かつ低熱抵抗化を可能とするため、素子投入電流を１.５ から２.０ 倍化することが可能となり、素子サイズのあるいは搭載素子数の低減が可能となり、低コスト化を達成することが可能となる。
特開２００５−５４００号公報
近年、パワーモジュールが搭載される電力変換（インバータ）システムでは、システムのさらなる小型化，低コスト化及び高信頼化が課題になっている。例えば自動車では、パワーモジュールが搭載される電力変換システムの小型化，低コスト化及び高信頼化が重要な課題になっている。すなわち自動車では、地球環境に及ぼす影響の低減，燃費のさらなる向上などが望まれている。これを達成するためには車両駆動或いは車載補機駆動の電動化の普及が必須であり、そのためには、電力変換装置における車両への搭載性改善，電力変換装置の価格低下などが必須である。このため、自動車では、電力変換装置の小型化，低コスト化及び高信頼化が重要な課題になっている。
とりわけ、通電により自己発熱する半導体素子によって電気回路が構成された電力変換システムでは、機器の小型によって機器の熱容量が大きくなる。このため、電機システムのさらなる小型化，低コスト化さらにパワーモジュールの動作安定性すなわち高信頼化にあたっては、パワーモジュールの冷却性能のさらなる向上を考慮する必要がある。このような背景のもと、駆動モータ出力が１５ｋＷを超えるストロング・タイプのハイブリッド車（以後、単にＨＥＶ車と記載する）においては、パワーモジュールの熱抵抗値Ｒｊ−ｗを０.１５℃／Ｗ以下にすることが要求されている。
ここで、特許文献１の半導体モジュールでは、半導体素子とヒートシンクとの間に炭素繊維複合材層を設け、半導体素子と炭素繊維複合材層との間に半導体素子で生じた熱を炭素繊維複合材層の全面に伝導する伝熱金属板を設けることで冷却性能を向上させようとする試みがなされている。更に、ヒートシンクと炭素繊維複合材層との間に熱バッファ用の中間ヒートシンク（銅板）を設けている。しかし、ＨＥＶ車に用いる場合には、パワーモジュールとしての放熱性に難点がある。特許文献１では、絶縁体（セラミックス）と炭素繊維複合材の間に、Ｃｕ板からなる中間ヒートシンク層を設けているが、この中間ヒートシンク層は、熱容量を稼ぐための観点では、モジュール自身の熱抵抗低減に効果がある。
しかし、ストロング・タイプのＨＥＶ車は、３００Ｖ×３００Ａを超える電力がパワーモジュールに投入されるため、この場合には、逆に、この中間ヒートシンク層に熱が堆積して、熱抵抗を増加させてしまう。このため、上記ＨＥＶ用のパワーモジュールに求められる熱抵抗値Ｒｊ−ｗ：０.１５℃／Ｗ以下を達成することが困難である。
本発明の目的は、半導体素子と放熱機構部との間の熱抵抗を小さくして、冷却性能の向上したパワー半導体モジュール、及び、このパワー半導体モジュールを用いて小型化，低コスト化及び高信頼化を図れるインバータ・システム，電力変換システム及び車載用電機システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の半導体モジュールは、窒化ケイ素絶縁基板と、前記窒化ケイ素絶縁基板の一方の面に配置されたＣｕ又はＣｕ合金からなる金属回路板と、前記金属回路板に搭載された半導体素子と、前記窒化ケイ素絶縁基板の他方の面に配置されたＣｕ又はＣｕ合金からなる放熱板とを有する半導体モジュールにおいて、前記窒化ケイ素絶縁基板と前記金属回路板との間に、炭素繊維とＣｕ又はＣｕ合金からなる炭素繊維−金属複合材が配置されており、前記炭素繊維−金属複合材の炭素繊維配向方向の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ.Ｋ以上であることを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、Ａｇ粉末又はＡｇシート接合材により接合されており、接合層の熱伝導率が８０Ｗ／ｍ.Ｋ以上４００Ｗ／ｍ.Ｋ以下であることを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、前記炭素繊維−金属複合材の厚さが０.２ 〜５mmの範囲であることを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、前記炭素繊維−金属複合材の表面にＮｉあるいはＣｕの表面層を有し、前記表面層の厚さが、０.５μｍ 〜２０μｍであることを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、前記炭素繊維−金属複合材と前記金属回路板とが、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系のろう材で接合され、前記炭素繊維−金属複合材と前記窒化ケイ素絶縁基板、及び、前記窒化ケイ素基板と前記放熱ベースが、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系のろう材で接合されていることを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、前記放熱板の直下に冷却水を接触させる直接冷却構造を備え、前記冷却水の水量が５Ｌ／min以上，１５Ｌ／min以下、水圧が５ｋＰａ〜５０ｋＰａの範囲にあることを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明は、炭素繊維−金属複合材とその上面に配備されたＣｕ又はＣｕ合金からなる金属回路板との接合、また、炭素繊維−金属複合材とその下面に配備された窒化ケイ素基板との接合、ならびに、窒化ケイ素基板とその下面に配備されたＣｕ又はＣｕ合金からなる放熱ベースとの接合に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系のろう材層を用い、接合温度を６００℃から７５０℃で一括接合したことを特徴とする。
かかる構成により、半導体素子と放熱機構部との間の熱抵抗を小さくして、冷却性能を向上し得るものとなる。さらには、電力変換システム及び車載用電機システムの小型化，低コスト化及び高信頼化を図れるものとなる。
本発明によれば、半導体素子と放熱機構部との間の熱抵抗を小さくして、冷却性能を向上が可能な半導体モジュールを提供することが可能である。
また、電力変換装置及び車載用電機システムを、小型化，低コスト化及び高信頼化を図ることができる。
以下、図面に基づいて、本発明の各実施形態を説明する。
以下に説明する実施形態では、本発明のパワー半導体モジュールと当該モジュールが搭載される電力変換装置として、特に熱サイクルや動作的環境などが大変厳しい車載用インバータ装置を例に挙げて説明する。車載用インバータ装置は、車載電動機の駆動を制御する制御装置として車載電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリから供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車載電動機に供給することにより、車載電動機の駆動を制御する。
なお、以下に説明する構成は、ＤＣ／ＤＣコンバータや直流チョッパなどの直流−直流電力変換装置或いは交流−直流電力変換装置の電力変換部を構成するパワーモジュールにも適用可能である。
また、以下に説明する構成は、工場の電動機駆動システムなどの産業用電機システムに搭載された電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電動機駆動システムなどの家庭用電機システムに搭載された電力変換装置の電力変換部を構成するパワーモジュールにも適用可能である。
最初に、図１〜図６を用いて、本発明の実施形態によるパワー半導体モジュールについて説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による半導体モジュールの構成を示す断面図である。
本発明の半導体モジュールは、半導体素子１，金属回路板２，炭素繊維−金属複合材５，絶縁基板（窒化ケイ素絶縁基板）７、及び、放熱板８で構成される。窒化ケイ素絶縁基板７の一方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる金属回路板２が配置され、金属回路板２に半導体素子１が素子下接合層３により接合されている。窒化ケイ素絶縁基板７と金属回路板２との間には、炭素繊維とＣｕ又はＣｕ合金からなり、熱伝導率が４００Ｗ／ｍ.以上である炭素繊維−金属複合材５が配置されている。炭素繊維−金属複合材５と、窒化ケイ素絶縁基板７，金属回路板２とはろう材４により接合されている。また、窒化ケイ素絶縁基板７の他方の面には、Ｃｕ又はＣｕ合金からなり放熱板８がろう材４を介して接合されている。
半導体素子１としては、ＩＧＢＴ素子（Insulated Gate Bipolar Transistor）の他、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などを用いることが可能である。
炭素繊維−金属複合材５の表面には、金属回路板２，窒化ケイ素絶縁基板７との接合性を向上させるために表面層６としてＮｉ層あるいはＣｕ層が設けられる。この表面層６の厚さは、０.５μｍ〜２０μｍの範囲とすることが好ましい。
また、金属回路板２と半導体素子１とを接合する素子下接合層３としては、はんだ，Ａｇ粉末，Ａｇシート等の接合材を用いることが可能である。この素子下接合層３の熱伝導率が８０Ｗ／ｍ.Ｋ 以上であることが好ましく、高熱伝導率の観点からＡｇ粉末，Ａｇシートの接合材を用いることが好ましい。
また、炭素繊維−金属複合材５と、その上面に配備された金属回路板２との接合、また、その下面に配備された窒化ケイ素絶縁基板７との接合ならびに窒化ケイ素絶縁基板７と、その下面に配備されたＣｕ又はＣｕ合金からなる放熱板８との接合には、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系のろう材層４を用いることが好ましい。
炭素繊維−金属複合材５は、炭素繊維自身の熱伝導率が１０００Ｗ／ｍ.Ｋ程度であり、マトリックス金属のＣｕあるいはＣｕ合金の３９０Ｗ／ｍ.Ｋよりも２.５倍程度あるため、炭素繊維の配向方向が炭素繊維−金属複合材の熱伝導率に大きく寄与する。したがって、一方向に炭素繊維を配向させた炭素繊維−金属複合材を厚さ方向となるように実装することで、半導体モジュールの熱抵抗を低減することが可能となる。
炭素繊維−金属複合材５の炭素繊維としては、熱伝導性が比較的高いものであれば特に限定されないが、例えば東レ社の炭素繊維（商品名：トレカクロス、タイプ：Carbon Fabrics）等を用いることができる。また、精製された木タールを減圧雰囲気下で加熱してピッチ化し、得られたピッチを溶融紡糸によってピッチ繊維とし、得られたピッチ繊維を炭化して炭素繊維として用いてもよい。この場合、精製された木タールを、圧力：２mmＨｇ以上１０mmＨｇ以下、温度：１００℃以上２２０℃以下の減圧雰囲気下で加熱してピッチ化する。さらに、上記工程により得られたピッチを粉砕した後、温度：１４０℃以上１８０℃以下で、窒素ガス圧力を用いて溶融紡糸を行ってピッチ繊維とする。なお、得られたピッチ繊維を炭化して炭素繊維に変える工程については、石油や石炭から得られるピッチを原料とする従来のプロセスと同様の条件を適用することができる。
次に、本実施形態の半導体モジュールを構成する金属回路板，炭素繊維−金属複合材，セラミックス材およびＣｕ又はＣｕ合金の接合方法を以下に示す。本実施形態において、炭素繊維−金属複合材５は、研削加工により５０mm×３０mm×３mmｔのサイズに整え、表面層６を形成したものを用いた。また、金属回路板２として、５０mm×３０mm×０.１mmｔサイズのＣｕ板を用いた。また、放熱板８として８５mm×５０mm×３mmｔサイズの無酸素Ｃｕベースを用いた。また、炭素繊維−金属複合材５と放熱板８の間に位置する絶縁層には、５０mm×３０mm×０.３２mmｔ サイズの窒化ケイ素絶縁基板７を用いた。窒化ケイ素絶縁基板７の製造方法は、量産性に優れるシート成形法によりグリーンシートを作製し、５００℃×６ｈの脱バインダー処理を行い、９気圧の加圧窒素雰囲気にて１８００℃〜１９５０℃×２ｈ〜６ｈの条件で焼成することで焼結体シートを得た。続いて、３００メッシュのアルミナ製砥粒を用いたサンドブラストにより焼結体シートの表面性状を整えた。
続いて、スクリーン印刷法により、炭素繊維−金属複合材５の表面にＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系ろう材を、裏面にＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系ろう材を塗布した。また、窒化ケイ素絶縁基板７の片側の面にＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系ろう材を塗布した。続いて、カーボン製のろう付けセット治具に、表面側から金属回路板２，表裏面にろう材を塗布した炭素繊維−金属複合材５，窒化ケイ素絶縁基板７および放熱板８をセットし、これにセラミックス製のばねを用いて０.１ＭＰａ の荷重を負荷した。なお、窒化ケイ素絶縁基板７のセットについては、上記ろう材の塗布面をＣｕベース板との接合面となるようにした。これを真空ろう付け炉の炉内に挿入し、真空度：２.０×１０-3Ｐａ，保持条件７６０℃×１０minにて実施し、金属回路板２，炭素繊維−金属複合材５，放熱板８を一括接合した。
続いて、半導体素子１の搭載はナノＡｇ粒子のよる接合方法を採用した。素子下接合層３として、粒子表面に予め濃度０.５％ のポリアクリル酸を塗布した１次粒子径が２０〜５００ｎｍの範囲にあるナノＡｇ粉末粒子を用いた。金属回路板２と半導体素子１との接合面にナノＡｇ粉末粒子を塗布し、大気中で２００℃〜３５０℃の温度範囲、加熱時間は３分、負荷圧力を１.０ＭＰａ として、金属回路板２と半導体素子１を接合し、図２に示した半導体モジュールを得た。
以下、素子下接合層３，ろう材層４，炭素繊維−金属複合材５，炭素繊維複合材表面層６，窒化ケイ素絶縁基板７，放熱板８の構成部材の効果について説明する。
図２は、本発明の半導体モジュール１０に用いる炭素繊維−金属複合材５の熱伝導率および厚さとこれを用いた半導体モジュール１１の熱抵抗との関係を示した図である。なお、図中の炭素繊維複合材についての熱伝導率の表記はＷと簡略化した。
本評価では、半導体素子サイズ：１２mm×１２mm，素子数：１，Ｃｕ回路板：５０mm×３０mm×０.１mmｔ ，炭素繊維−金属複合材：５０mm×３０mm，放熱ベース：８５mm×５０mm×３mmｔ、素子下接合層は、ナノＡｇを用い、熱伝導率は１８０Ｗ／ｍ.Ｋ である。
炭素繊維−金属複合材のＣｕ表面層厚さは５μｍｔとした。半導体モジュール１１の熱抵抗（Ｒｊ−ｗ）は、炭素繊維複合材の熱伝導率および厚さに影響を受ける。炭素繊維複合材の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ.Ｋ の場合には、炭素繊維複合材自身は放熱性に寄与せず、その厚さが増大するとＲｊ−ｗは増加する。
炭素繊維複合材の熱伝導率が１００Ｗ／ｍ.Ｋ の程度の場合には、炭素繊維複合材自身は放熱性に効果を発揮しはじめ、その厚さが増大すると０.５mmｔ でＲｊ−ｗは低下する。また、１mmｔ以上となると増加する傾向にあり、炭素繊維複合材の適性厚さが存在する。しかしながら、この場合では、所望のＲｊ−ｗ：０.１５℃／Ｗ 以下に低減することが出来ない。
さらに炭素繊維複合材の厚さ方向の熱伝導率を４００Ｗ／ｍ.Ｋに向上させると、０.２mmｔ〜５mmｔのいずれの厚さにおいても、所望のＲｊ−ｗ：０.１５℃／Ｗ 以下とすることが可能である。
したがって、炭素繊維複合材の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ.Ｋ 以上であることが望ましい。さらに好ましくは、炭素繊維複合材の厚さ２.５mmｔ〜３.５mmｔの範囲とすることが良い。
なお、本発明の半導体モジュールの熱抵抗評価に用いた炭素繊維複合材の厚さ方向の熱伝導率は、それぞれ５０Ｗ／ｍ.Ｋ，１００Ｗ／ｍ.Ｋ，１３０Ｗ／ｍ.Ｋ，６００Ｗ／ｍ.Ｋおよび１０００Ｗ／ｍ.Ｋであるが、これらの素材は炭素繊維とＣｕからなる複合材料であり、順に、炭素繊維含有量が３０vol.％で無配向のもの、炭素繊維含有量が３０vol.％で一方向に配向させたもの、炭素繊維含有量が５２vol.％ で一方向に配向させたものおよび炭素繊維含有量が８０vol.％で一方向に配向させたものである。炭素繊維複合材の熱伝導率の測定には、京都電子工業製；熱物性評価装置を用い、レーザーフラッシュ法により測定した。測定に供した試料形状は、φ１０×３ｔに加工したものを用いた。
図３は、本発明の半導体モジュールに用いる半導体素子下接合層の熱伝導率とこれを用いた半導体モジュールの熱抵抗との関係を示した図である。搭載する半導体素子数が１素子と２素子の場合について示している。本評価では、半導体素子サイズ：１２mm×１２mm，Ｃｕ回路板：５０mm×３０mm×０.１mmｔ,炭素繊維−金属複合材：５０mm×３０mm×３mmｔ，放熱ベース：８５mm×５０mm×３mmｔ，炭素繊維−金属複合材の熱伝導率：４００Ｗ／ｍ.Ｋ，炭素繊維−金属複合材のＣｕ表面層厚さは５μｍｔとした。
素子下接合層に、無鉛はんだを用いた場合には、２素子搭載では、所望のＲｊ−ｗ：０.１５℃／Ｗ以下にすることが可能であったが、これを１素子搭載では、Ｒｊ−ｗが０.２４℃／Ｗとなり、ＨＥＶ用インバータへの搭載ができない。
一方、素子下接合部の接合層の熱伝導率を８０Ｗ／ｍ.Ｋ 以上とした場合には、１素子搭載であっても所望のＲｊ−ｗ：０.１５℃／Ｗ 以下が達成できており、かつ素子数低減により、低コスト化が可能である。したがって、本発明に用いる接合層の熱伝導率は８０Ｗ／ｍ.Ｋ以上が望ましい。
ここで、本発明の半導体モジュールの熱抵抗評価に用いた素子下接合層の熱伝導率は、それぞれ３５Ｗ／ｍ.Ｋ，８０Ｗ／ｍ.Ｋ，１３０Ｗ／ｍ.Ｋ，１８０Ｗ／ｍ.Ｋおよび２６０Ｗ／ｍ.Ｋであるが、これらの接合材は、３５Ｗ／ｍ.ＫのものがＳｎ−３ｗｔ％Ａｇ−０.５ｗｔ％Ｃｕ 組成の無鉛はんだ材であり、以下は順に、ナノＡｇ粉末から構成されるものであり、これらの空隙率が体積比で３５％，６％および０.５％ のものである。また、当接合層の厚さは０.７６μｍ〜０.８７μｍの範囲に調整した。
ナノＡｇ粉末による素子下接合層の形成には、１次粒子径が２０〜５００ｎｍの範囲にあるナノＡｇ粉末粒子を用い、予め濃度０.５％ のポリアクリル酸を粒子表面に塗布した。ポリアクリル酸は適度な粘着性があり、かつ大気中加熱時に酸化消失する。このため、接合前は半導体素子や接続配線などの位置あわせが容易になり、接合後にはポリアクリル酸は無くなるので接合性を妨げることはない。本実施例ではポリアクリル酸を用いたが、粘着材としてはこの限りではない。
上記、空隙率の調整は、大気中で２００℃〜３５０℃の温度範囲で実施した。この際の加熱時間は３分、また、負荷圧力は１.０ＭＰａとした。
図４は、本発明の半導体モジュールに用いる炭素繊維複合材の表面層ｔ１の厚さとこれを用いた半導体モジュールの熱抵抗および温度サイクル寿命の関係を示した図である。図４における半導体モジュールの構成について、半導体素子サイズ：１２mm×１２mm，Ｃｕ回路板：５０mm×３０mm×０.１mmｔ ，炭素繊維−金属複合材：５０mm×３０mm×３mmｔ，放熱ベース：８５mm×５０mm×３mmｔ，炭素繊維−金属複合材の熱伝導率：４００Ｗ／ｍ.Ｋ である。半導体モジュールの熱抵抗は、１モジュールにかかる通電電流を２００Ａとして通電時間を３０sec とした場合の飽和熱抵抗値を測定した。また、温度サイクル寿命については、初期熱抵抗値の１.２倍となったサイクル数とした。
ｔ１厚さが、０.５μｍ 以下では、炭素繊維複合材の表面層とろう材層との反応が維持できず、炭素繊維複合材と窒化ケイ素基板との接合強度の低下を招聘する。このため、冷熱繰り返しに対する温度サイクル特性が低下し、冷熱サイクル試験５００サイクル後に、炭素繊維複合材／窒化ケイ素基板界面にクラックが進展し、これにより初期熱抵抗の５０％増加となり、半導体素子に過大な熱負荷がかかりパワーモジュールとして機能を消失する。
一方、ｔ１厚さが、２０μｍ超では、炭素繊維よりも熱伝導率の低い炭素繊維複合材の表面層自身の熱伝導率が律則となり、半導体モジュールの熱抵抗が０.１５℃／Ｗ以上となる。
したがって、半導体モジュールに用いる炭素繊維複合材の表面層ｔ１の厚さは、０.５μｍから２０μｍの範囲にあるのが望ましい。
図５は、本発明の半導体モジュールに用いる炭素繊維複合材の熱伝導率および半導体の素子数と、これに用いた半導体モジュールの熱抵抗との関係を示した図である。なお、図中の炭素繊維複合材についての熱伝導率の表記はＷと簡略化した。
図５における半導体モジュールの構成について、Ｃｕ回路板：５０mm×３０mm×０.１mmｔ ，炭素繊維−金属複合材：５０mm×３０mm×３mmｔ，放熱ベース：８５mm×５０mm×３mmｔ，炭素繊維−金属複合材の熱伝導率：４００Ｗ／ｍ.Ｋ 、炭素繊維−金属複合材のＣｕ表面層厚さは５μｍｔである。
半導体の搭載数の増大により、半導体モジュールの熱抵抗は低下する。また、炭素繊維複合材の熱伝導率が、４００Ｗ／ｍ.Ｋ以上では、素子数１であっても熱抵抗０.１５℃／Ｗ以下となる。前述のように半導体モジュールの放熱性と低コスト化の両立が重要であるが、０.１５℃／Ｗ 以下の範囲にあるのは、素子数が２以上であればよい。一方、素子面積ならびに素子数は、素子自身のコストに影響し、いずれも低減させることが望ましい。さらに素子面積の低減は、実装スペースの省力化に繋がる。したがって、本発明に用いる炭素繊維複合材の熱伝導率は、４００Ｗ／ｍ.Ｋ以上であり、搭載する半導体素子に関して、素子数１であることがより好ましい。
図６は、本発明の半導体モジュールに用いる半導体素子サイズとこれに用いた半導体モジュールの熱抵抗および半導体素子の欠陥率との関係を示した図である。本評価において、Ｃｕ回路板：５０mm×３０mm×０.１mmｔ ，炭素繊維−金属複合材：５０mm×３０mm×３mmｔ，放熱ベース：８５mm×５０mm×３mmｔ，炭素繊維−金属複合材の熱伝導率：４００Ｗ／ｍ.Ｋ、炭素繊維−金属複合材のＣｕ表面層厚さは５μｍｔとした。
半導体素子サイズ（素子面積）の増大により、半導体モジュールの熱抵抗は低下する。また、半導体素子中に導入される欠陥率は、１０mm×１０mmの素子で０.９％ と最も小さくなる。半導体モジュールの放熱性と低コスト化の両立が重要であるが、０.１５℃／Ｗ 以下の範囲にあるのは、素子サイズ１０mmＬ以上であればよい。一方、素子面積ならびに素子数は、素子自身のコストに影響し、いずれも低減させることが望ましい。さらに素子面積の低減は、実装スペースの省力化に繋がる。したがって、本発明に搭載する半導体素子に関して、素子サイズは１０mm、素子数１であることがより好ましい。
次に、図１に示した半導体モジュールにおいて、ろう材層４のろう材組成，接合温度と、接合界面ボイド率，ろう材流れの関係について評価した結果を表１に示す。表１において、Ａ界面，Ｂ界面およびＣ界面は、それぞれ、Ｃｕ回路板−炭素繊維複合材間、炭素繊維複合材−窒化ケイ素基板間および窒化ケイ素基板−Ｃｕ又はＣｕ合金からなる放熱ベース間の接合界面を示す（図１参照）。各接合界面のボイド率の評価については、超音波画像診断装置（日立建機製：Ｈｉ−Focuse）を用い、各界面の面積を１００％とした場合に検出されるボイドの面積割合を算出した。ここで、各接合界面でのボイド率は、接合強度および放熱性確保の観点から５％以下であることが好ましい。また、ろう材流れとは、ろう材成分のＡｇ成分が金属回路板およびＣｕ又はＣｕ合金からなる放熱ベースの表面を拡散する現象を示す。本評価では、Ａ，ＢおよびＣの各界面の端部から２mm以上拡大した場合をろう材流れ有とした。ろう材流れがある場合、外観の不均一性に加えて、めっき表面の粗面化，はんだ濡れ性の劣化が生じる。このため、ろう材流れを抑制することが肝要である。
Figure 2009004666
表１の実施例Ｎo.１〜６は、Ａ界面のろう材にＡｇ−２５Ｃｕ−１０Ｉｎ，Ａｇ−２５Ｃｕ−５Ｉｎを、Ｂ，Ｃ界面にＡｇ−２５Ｃｕ−１０Ｉｎ−２Ｔｉ，Ａｇ−２５Ｃｕ−５Ｉｎ−２Ｔｉを使用し、接合温度を６８０℃及び７５０℃で接合したものである。実施例Ｎo.１〜６では、いずれの系においても接合界面ボイド率を４.５％ 以下に抑えられ、各界面において良好な接合状態が得られた。また、ろう材流れも発生しなかった。
表１の比較例Ｎo.２１，２２は、Ａ界面のろう材にＩｎを含まないＡｇ−Ｃｕ系のろう材（Ａｇ−２５Ｃｕ，Ａｇ−２０Ｃｕ）を使用し、接合温度を７５０℃として接合したものである。この比較例Ｎo.２１，２２では、ろう材の溶融温度が上昇し、Ａ界面での接合界面ボイド率は５％超となった。
また、表１の比較例Ｎo.２３，２４は、Ｂ，Ｃ界面のろう材にＩｎを含まないＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のろう材（Ａｇ−２５Ｃｕ−２Ｔｉ，Ａｇ−２０Ｃｕ−２Ｔｉ）を使用し、接合温度を７５０℃として接合したものである。比較例Ｎo.２１，２２と同様に、比較例Ｎo.２３，２４ではＢ，Ｃ接合界面の接合界面ボイド率が５％超となった。
また、表１の比較例Ｎo.２５〜２８は、実施例Ｎo.１，２と同様のろう材組成を用いて、接合温度をそれぞれ５００℃，５６０℃，８２０℃，８５０℃として接合したものである。接合温度を６００℃未満とした比較例Ｎo.２５，２６では、いずれの接合界面においても接合界面ボイド率が５％超となった。また、接合温度を８００℃超とした比較例Ｎo.２７，２８では、いずれの接合界面でもボイド率が５％以下となるものの、金属回路板および放熱板にろう材成分が流れる不具合が生じた。
以上の結果から、Ａ，Ｂ，Ｃ界面のろう材としてＩｎを含むことで接合界面ボイド率を低下でき、特にＡ界面はＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系ろう材、Ｂ，Ｃ界面はＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系ろう材とすることが好ましい。また、ろう材組成としては、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系が７５Ａｇ−２５Ｃｕ−１０Ｉｎであり、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系が７５Ａｇ−２５Ｃｕ−１０Ｉｎ−２Ｔｉであることが好ましい。また、接合温度は、６００℃〜８００℃とすることが好ましい。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図７に、本実施形態の半導体モジュール形状を示す。図１に示した半導体モジュールをポリイミド系の接着剤を用いて１３０℃×３ｈ×大気処理によりＰＰＳ樹脂製ケース１５と放熱板８とを接着し、半導体素子１および金属回路板２とＰＰＳ樹脂製ケース１５に配置された配線パッド１２にφ４００μｍのＡｌ製ワイヤー１６を用いて、ワイヤーボンディング処理を行い、続いて、絶縁ゲル１７をモジュール内に流し込んで、１６０℃×３ｈ×大気圧処理によりゲル硬化させ半導体モジュールを得た。
更に、この半導体モジュールを放熱板８の裏面に冷却ジャケット１８を取付け、図８に示す半導体モジュールを得た。冷却ジャケット１８は、放熱板８の裏面に防漏水シール２０を介して樹脂製ケース１５，放熱板８の外周部の位置で締結ボルト２１により固定されている。防漏水シール２０は締結ボルト２１より内側に設置されている。冷却ジャケット１８は冷却水が流れる冷却水流路１９を備えており、搬水ポンプにより水量，圧力を制御することが可能である。この冷却構造は、冷却ジャケット１８の冷却水流路１９を流れる冷却水が放熱板８に直接接触する構造となっている。従来の冷却構造では図１０に示したように、半導体モジュールの放熱板裏面と、アルミダイカスト合金製の水冷ジャケット１８の表面とを放熱グリース２２を介して取付けた間接冷却構造となる。従って、間接冷却構造と比較して本実施形態の直接冷却構造は優れた放熱性を有する。
次に、図８に示す本実施形態の半導体モジュールについて、モジュール特性として熱抵抗（℃／Ｗ）、温度サイクル特性を評価した。本評価では、炭素繊維−金属複合材の熱伝導率と厚さ，表面層の材質と厚さ，半導体素子のサイズ及び数，素子下接合層の材質及び熱伝導率、及び、冷却水の水量，水圧の条件をかえて作製した半導体モジュールのモジュール特性を評価した。評価結果を表２に示す。なお、半導体素子のサイズの表記について、例えば、１３.５mm2は、縦×横の長さが１３.５×１３.５であることを示している。
Figure 2009004666
半導体モジュールの熱抵抗測定は、キャッツ電子製パワー半導体熱抵抗評価装置を用い、通電電流２００Ａ，通電時間３０sec 後の熱抵抗を評価した。温度サイクル特性については、温度サイクル条件を−４０℃⇔ＲＴ⇔１２５℃とし、初期の熱抵抗値に対して１.２倍となるサイクル数を合否の判定基準とした。この場合、３０００サイクル以上の信頼性を維持することが望ましい。
表２の炭素繊維−金属複合材の熱伝導率の測定方向であるＺ方向，Ｘ方向，Ｙ方向とは、それぞれ、厚さ方向，短辺方向および長辺方向を示す。
本評価で用いた炭素繊維−金属複合材５は、炭素繊維と平均粒子径が１μｍ〜２００μｍのＣｕおよびＣｕ粉末を用い、所定の寸法サイズのカーボン製金型にこれらを充填し、通電パルス焼結法により炭素繊維−金属複合材を得た。ＣｕおよびＣｕ粉末の平均粒子径については、粒子径が１μｍ未満では、比表面積が大きくなり粉末表面に銅酸化膜が形成され易くなり、焼成反応の促進の障害となる。また、粒子径が大きい場合は、粒子自身の溶融反応が生じ難くなり、この場合においても焼結阻害が生じる。焼結条件は、９５０℃〜１０３０℃×２時間×５０Ｍｐａの条件で、窒素雰囲気にて実施した。ここで、熱伝導率の調整は、炭素繊維と金属粉末の充填量比ならびに炭素繊維の配向制御により実施した。焼結方法は、通電パルス焼結法以外では、通常のホットプレス法を用いることもできる。
また、本評価において、冷却ジャケットは搬水ポンプにより水量：０〜３０Ｌ／min，圧力：０〜１００ｋＰａの範囲で制御できるものを使用した。
表２において、実施例Ｎo.１〜３として、Ｚ方向及びＸ方向の熱伝導率が６００Ｗ／ｍ.Ｋ、Ｙ方向の熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ.Ｋであり、表面層として５μｍのＣｕ層を有する炭素繊維−金属複合材を用い、１３.５mm×１３.５mmの半導体素子１個を接合材料としてＡｇ粉末を用いた熱伝導率１８０Ｗ／ｍ.Ｋ の素子下接合層により接合し、冷却ジャケットの水量：１０Ｌ／min、圧力：１５ｋＰａとした半導体モジュールを用いて、炭素繊維−金属複合材の厚さをそれぞれ２μｍ，３μｍ，４μｍとして評価を行った。
また、実施例Ｎo.４，５として、実施例Ｎo.１，２の表面層の材質をＮｉ層に代えて評価を行った。また、実施例Ｎo.６〜９として、実施例Ｎo.２の炭素繊維−金属複合材の表面層厚さを１μｍ，１０μｍ，１５μｍ，２０μｍに代えて評価を行った。また、実施例Ｎo.１０，１１，１４，１５として、実施例Ｎo.２の素子下接合層の材質をＡｇシートを用いた接合層に代えて、その熱伝導率をそれぞれ１８０，２８０，３２０，４００Ｗ／ｍ.Ｋ のものを用いて評価を行った。また、実施例Ｎo.１２，１３として、実施例Ｎo.２の素子下接合層の熱伝導率をそれぞれ２２０，２８０Ｗ／ｍ.Ｋ のものを用いて評価を行った。また、実施例Ｎo.１６〜２１として、実施例Ｎo.２の冷却ジャケットの水量，水圧を代えて、水量を１２，１５，２０Ｌ／min、水圧を１０，２０，４０ｋＰａとしてそれぞれ評価を行った。また、実施例Ｎo.２２〜２６として、実施例２の半導体素子のサイズ又は個数を代えて評価を行った。また、実施例Ｎo.２７〜３６として、実施例２の炭素繊維−金属複合材の熱伝導率および厚さ，表面層の厚さ，素子下接合層の熱伝導率を代えて評価を行った。
この結果、実施例Ｎo.１〜３６では、熱抵抗値（Ｒｊ−ｗ）が０.１５℃／Ｗ 以下が可能であり、放熱性に優れかつ冷熱サイクル特性に優れる半導体モジュールが得られた。
次に、表２の比較例のＮo.５１〜６２では、半導体モジュールの熱抵抗値（Ｒｊ−ｗ）が０.１５℃／Ｗ 以下あるいは冷熱サイクル特性を維持することはできなかった。
比較例Ｎo.５１〜Ｎo.５３では、実施例Ｎo.２の半導体モジュールにおいて、炭素繊維−金属複合材に厚さ方向（Ｚ方向）の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ.Ｋ 未満（５０，１００，１３０Ｗ／ｍ.Ｋ）の材料を用いて評価した結果、半導体モジュールの熱抵抗が０.１５℃／Ｗ超となった。
比較例Ｎo.５４では、実施例Ｎo.２の炭素繊維−金属複合材の表面層に形成されるＣｕ層を０.４μｍとして評価した結果、半導体モジュールの熱抵抗が０.１５℃／Ｗ超となった。これは表面層が薄く、金属回路板／炭素繊維−金属複合材界面と炭素繊維−金属複合材と窒化ケイ素界面でのボイド率が大きくなり、これにより熱抵抗が増大したものである。
比較例Ｎo.５５では、実施例Ｎo.２の炭素繊維−金属複合材の表面層に形成されるＣｕ層を２５μｍとして評価した結果、半導体モジュールの熱抵抗が０.１５℃／Ｗ 超となった。これは、表面層のＣｕ層が２５μｍと厚くＣｕ層により熱抵抗が増大したものと考えられる。
比較例Ｎo.５６，５７では、実施例Ｎo.２の素子下接合層の熱伝導率をそれぞれ３０，６０Ｗ／ｍ.Ｋとして評価した結果、ともに熱抵抗が０.１５℃／Ｗ超となった。
比較例Ｎo.５８では、実施例Ｎo.２の素子下接合層として、熱伝導率が４２０Ｗ／ｍ.ＫのＡｇシートを用いたものであるが、この場合、熱抵抗および冷熱サイクル特性に優れるが、製品として必要な量産性に欠如する不具合がある。
比較例Ｎo.５９，６０は、冷却ジャケットの冷却水量が５Ｌ／min 未満であり、冷却不足のため熱抵抗が０.１５℃／Ｗ超となった。
比較例Ｎo.６１は、冷却ジャケットの冷却水の圧力が５ｋＰａ未満であり、冷却不足のため熱抵抗が０.１５℃／Ｗ超となった。
比較例Ｎo.６２は、冷却ジャケットの冷却水の圧力が５０ｋＰａ超であり、冷却水漏れを誘起するため半導体モジュールとしての機能を成さなかった。
以上の結果から、炭素繊維−金属複合材のＺ方向の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ.Ｋ 以上であることが好ましい。また、炭素繊維−金属複合材の表面層の材質としてＣｕ，Ｎｉを使用することができ、その厚さとしては０.５〜２０μｍ が好ましい。また、素子下接合層の熱伝導率は８０〜４００Ｗ／ｍ.Ｋ とすることが好ましい。また、冷却ジャケットは搬水ポンプにより水量：５Ｌ／min 以上，圧力：５〜５０ｋＰａの範囲で制御することが好ましい。
続いて、本発明のパワー半導体モジュールを搭載した車載用インバータ装置について説明する。
図９は、本発明の実施形態によるパワー半導体モジュールを使用した電力変換装置ＩＮＶを用いて構成した車載用電機システムと、内燃機関のエンジンシステムを組み合わせたハイブリッド電気自動車のブロック図である。
本実施形態のＨＥＶは、前輪ＦＲＷ，ＦＬＷ、後輪ＲＰＷ，ＲＬＷ、前輪車軸ＦＤＳ，後輪車軸ＲＤＳ，デファレンシャルギアＤＥＦ，変速機Ｔ／Ｍ，エンジンＥＮＧ，電動機ＭＧ１，ＭＧ２，電力変換装置ＩＮＶ，バッテリＢＡＴ，エンジン制御装置ＥＣＵ，変速機制御装置ＴＣＵ，電動機制御装置ＭＣＵ，バッテリ制御装置ＢＣＵ，車載用ローカルエリアネットワークＬＡＮを備える。
本実施例では、駆動力は、エンジンＥＮＧと２つの電動機ＭＧ１，ＭＧ２で発生し、変速機Ｔ／Ｍ，デファレンシャルギアＤＥＦ，前輪車軸ＦＤＳを通じて前輪ＦＲＷ，ＦＬＷに伝わる。
変速機Ｔ／Ｍは、複数のギアから構成され、速度等の運転状態に応じてギア比を変えることができる装置である。
デファレンシャルギアＤＥＦは、カーブなどで左右の車輪ＦＲＷ，ＦＬＷに速度差があるときに、適切に左右に動力を分配する装置である。
エンジンＥＮＧは、インジェクタ，スロットバルブ，点火装置，吸排気バルブ（いずれも図示省略）などの複数のコンポーネントで構成される。インジェクタは、エンジンＥＮＧの気筒内に噴射する燃料を制御する燃料噴射弁である。スロットバルブは、エンジンＥＮＧの気筒内に供給される空気の量を制御する絞り弁である。点火装置は、エンジンＥＮＧの気筒内の混合気を燃焼させる火源である。吸排気バルブは、エンジンＥＮＧの気筒の吸気及び排気に設けられた開閉弁である。
電動機ＭＧ１，ＭＧ２は、三相交流同期式、つまり永久磁石回転電機である。
尚、電動機ＭＧ１，ＭＧ２としては、三相交流誘導式回転電機やリラクタンス式回転電機などのものを用いてもよい。
電動機ＭＧ１，ＭＧ２は、回転する回転子と、回転磁界を発生する固定子からなる。
回転子は、鉄心の内部に複数の永久磁石を埋め込んだもの、もしくは、鉄心の外周表面に複数の永久磁石を配置して構成する。固定子は、電磁鋼板に銅線を巻回して構成する。
固定子の巻線に三相交流電流を流すことにより、回転磁界が発生し、回転子に生じるトルクにより電動機ＭＧ１，ＭＧ２を回転させることができる。
電力変換装置ＩＮＶは、パワー半導体のスイッチングにより、電動機ＭＧ１，ＭＧ２の電力を制御するものである。簡単に言えば、高圧バッテリＢＡＴの直流源を、電動機ＭＧ１，ＭＧ２に繋いだり（オン），切ったり（オフ）することで、電動機ＭＧ１，ＭＧ２を制御する。本実施例では、電動機ＭＧ１，ＭＧ２が三相交流モータであるので、スイッチング（オン，オフ）の時間幅の粗密により、三相交流電圧発生させ、電動機ＭＧ１，ＭＧ２の駆動力を制御する（ＰＷＭ制御）。
電力変換装置ＩＮＶは、スイッチング時に瞬時に電力を供給するコンデンサモジュールＣＭ，スイッチングするパワーモジュールＰＭＵ，パワーモジュールのスイッチングを駆動回路装置ＤＣＵ及び、スイッチングの時間幅の粗密を決める電動機制御装置ＭＣＵから構成する。
本実施形態の電力変換装置ＩＮＶは、放熱性に優れるパワー半導体モジュールの搭載により高信頼性を有するものとなる。
以上で説明した本実施形態によれば、低熱抵抗を維持した上に素子搭載数を低減することにより実装スペースを省力化したパワーモジュール、ひいてはインバータ装置ＩＮＶのさらなる小型化を実現できる。これによって、小型化で信頼性の高いハイブリッド電気自動車の電動機駆動システムを低価格で提供できる。
本発明の実施形態による半導体モジュールの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態による半導体モジュールに用いる炭素繊維複合材の熱伝導率および厚さとこれを用いた半導体モジュールの熱抵抗との関係を示した図である。 本発明の実施形態による半導体モジュールに用いる半導体素子下接合層の熱伝導率とこれを用いた半導体モジュールの熱抵抗との関係を示した図である。 本発明の実施形態による半導体モジュールに用いる炭素繊維複合材の表面層の厚さとこれを用いた半導体モジュールの熱抵抗および温度サイクル寿命の関係を示した図である。 本発明の実施形態による半導体モジュールに用いる半導体素子サイズとこれを用いた半導体モジュールの熱抵抗および半導体素子の欠陥率の関係を示した図である。 本発明の実施形態による半導体モジュールに用いる半導体素子サイズとこれを用いた半導体モジュールの熱抵抗および半導体素子の欠陥率の関係を示した図である。 本発明の実施形態による半導体モジュールの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態による半導体モジュールの冷却構造を示す断面図である。 本発明の実施形態による電力変換装置ＩＮＶを用いて構成した車載用電機システムと、内燃機関のエンジンシステムを組み合わせたハイブリッド電気自動車のブロック図である。 従来の半導体モジュールの冷却構造を示す断面図である。
符号の説明
１ 半導体素子
２ 金属回路板
３ 素子下接合層
４ ろう材層
５ 炭素繊維−金属複合材
６ 表面層
７ 窒化ケイ素絶縁基板
８ 放熱板
１１ 半導体モジュール
１２ 配線パッド
１３ 主回路端子
１４ 制御端子
１５ ＰＰＳ製樹脂ケース
１６ 金属ワイヤ
１７ 絶縁ゲル
１８ 冷却ジャケット
１９ 冷却水流路
２０ 防漏水シール
２１ 締結ボルト
２２ 放熱グリース

Claims (13)

  1. 窒化ケイ素絶縁基板と、前記窒化ケイ素絶縁基板の一方の面に配置されたＣｕ又はＣｕ合金からなる金属回路板と、前記金属回路板に搭載された半導体素子と、前記窒化ケイ素絶縁基板の他方の面に配置されたＣｕ又はＣｕ合金からなる放熱板とを有する半導体モジュールにおいて、
    前記窒化ケイ素絶縁基板と前記金属回路板との間に、炭素繊維とＣｕ又はＣｕ合金からなる炭素繊維−金属複合材が配置されており、前記炭素繊維−金属複合材の炭素繊維配向方向の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ.Ｋ以上であることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 請求項１において、前記金属回路板と半導体素子が、Ａｇ粉末又はＡｇシート接合材により接合されており、接合層の熱伝導率が８０Ｗ／ｍ.Ｋ以上４００Ｗ／ｍ.Ｋ以下であることを特徴とする半導体モジュール。
  3. 請求項１において、前記炭素繊維−金属複合材の厚さが０.２〜５mmの範囲であることを特徴とする半導体モジュール。
  4. 請求項１において、前記炭素繊維−金属複合材の表面にＮｉあるいはＣｕの表面層を有し、前記表面層の厚さが、０.５μｍ〜２０μｍであることを特徴とする半導体モジュール。
  5. 請求項１において、前記炭素繊維−金属複合材と前記金属回路板とが、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系のろう材で接合されていることを特徴とする半導体モジュール。
  6. 請求項１において、前記炭素繊維−金属複合材と前記窒化ケイ素絶縁基板、及び、前記窒化ケイ素基板と前記放熱ベースが、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系のろう材で接合されていることを特徴とする半導体モジュール。
  7. 請求項１において、飽和熱抵抗値（Ｒｊ−ｗ）が０.１５℃／Ｗ 以下であることを特徴とする半導体モジュール。
  8. 請求項１において、前記放熱板の直下に冷却水を接触させる直接冷却構造を備え、前記冷却水の水量が５Ｌ／min以上〜１５Ｌ／min、水圧が５ｋＰａ〜５０ｋＰａの範囲にあることを特徴とする半導体モジュール。
  9. 請求項１において、前記半導体素子の動作電流が３００Ａ以上、動作電圧が３００Ｖ以上であることを特徴とする半導体モジュール。
  10. 請求項１に記載の半導体モジュールを用いたことを特徴とする車載インバータ装置。
  11. 窒化ケイ素絶縁基板と、前記窒化ケイ素絶縁基板の一方の面に炭素繊維−金属複合材を介して接合されたＣｕ又はＣｕ合金からなる金属回路板と、前記金属回路板に搭載された半導体素子と、前記窒化ケイ素絶縁基板の他方の面に配置されたＣｕ又はＣｕ合金からなる放熱板とを有する半導体モジュールの製造方法であって、
    前記金属回路板と前記炭素繊維−金属複合材との間にＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系のろう材層を配置する工程と、
    前記炭素繊維−金属複合材と前記窒化ケイ素絶縁基板との間、及び、前記窒化ケイ素絶縁基板と前記放熱板との間にＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系のろう材層を配置する工程と、
    前記金属回路板，炭素繊維−金属複合材，窒化ケイ素絶縁基板、及び、放熱板を一括接合する工程とを有することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  12. 請求項１１において、前記炭素繊維−金属複合材が炭素繊維とＣｕ又はＣｕ合金からなり、炭素繊維配向方向の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ.Ｋ 以上であることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  13. 請求項１１において、前記接合工程の接合温度が６００℃〜８００℃であることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
JP2007165748A 2007-06-25 2007-06-25 パワー半導体モジュールおよびその製造方法 Pending JP2009004666A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007165748A JP2009004666A (ja) 2007-06-25 2007-06-25 パワー半導体モジュールおよびその製造方法
US12/141,670 US20080315401A1 (en) 2007-06-25 2008-06-18 Power Semiconductor Module And Method of Manufacturing the Power Semiconductor Module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007165748A JP2009004666A (ja) 2007-06-25 2007-06-25 パワー半導体モジュールおよびその製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009004666A true JP2009004666A (ja) 2009-01-08

Family

ID=40135624

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007165748A Pending JP2009004666A (ja) 2007-06-25 2007-06-25 パワー半導体モジュールおよびその製造方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20080315401A1 (ja)
JP (1) JP2009004666A (ja)

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010087432A1 (ja) * 2009-01-29 2010-08-05 株式会社オクテック 放熱基体およびこれを用いた電子装置
JP2012142547A (ja) * 2010-12-16 2012-07-26 Nippon Soken Inc 熱拡散部材の接合構造、発熱体の冷却構造、及び熱拡散部材の接合方法
JP2012222160A (ja) * 2011-04-08 2012-11-12 Nippon Soken Inc 発熱体モジュール及びその製造方法、熱拡散部材
JP2013507761A (ja) * 2009-10-07 2013-03-04 バレオ・エチユード・エレクトロニク 電子電力モジュール、および前記モジュールを製造するための方法
WO2014020807A1 (ja) * 2012-08-03 2014-02-06 富士電機株式会社 冷却構造体及び電力変換装置
WO2014024361A1 (ja) * 2012-08-08 2014-02-13 富士電機株式会社 冷却構造体及び電力変換装置
JP2015220239A (ja) * 2014-05-14 2015-12-07 日産自動車株式会社 パワー半導体モジュール及びその製造方法
JPWO2014020808A1 (ja) * 2012-08-03 2016-07-21 富士電機株式会社 冷却構造体及び電力変換装置
JP6038270B1 (ja) * 2015-12-22 2016-12-07 有限会社 ナプラ 電子装置
US9627350B2 (en) 2015-04-30 2017-04-18 Mitsubishi Electric Corporation Method for manufacturing semiconductor device
JP2019071328A (ja) * 2017-10-06 2019-05-09 株式会社豊田中央研究所 半導体実装基板、半導体モジュールおよび半導体実装基板の製造方法
CN113834527A (zh) * 2021-09-18 2021-12-24 重庆大学 一种压接型功率半导体结构及其内部压力在线测量方法

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5123633B2 (ja) * 2007-10-10 2013-01-23 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置および接続材料
US20110123823A1 (en) * 2009-11-23 2011-05-26 Hamilton Sundstrand Corporation Method of joining graphite fibers to a substrate
US8646677B2 (en) * 2009-11-23 2014-02-11 Hamilton Sundstrand Space Systems International, Inc. Method of joining graphite fibers to a substrate
JP5546889B2 (ja) * 2010-02-09 2014-07-09 日本電産エレシス株式会社 電子部品ユニット及びその製造方法
US9072199B2 (en) 2010-12-27 2015-06-30 Src, Inc. Thermal transfer component, apparatus and method including thermally conductive frame penetrated by thermally conductive plug
US8945749B2 (en) * 2011-12-15 2015-02-03 GM Global Technology Operations LLC Carbon fiber thermal interface for cooling module assembly
JP2013236010A (ja) * 2012-05-10 2013-11-21 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置
JP6127833B2 (ja) 2013-08-26 2017-05-17 三菱マテリアル株式会社 接合体の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法
KR101712928B1 (ko) 2014-11-12 2017-03-09 삼성전자주식회사 반도체 패키지
DE102020207342A1 (de) 2020-06-15 2021-12-16 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Leistungsmodul

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58137285A (ja) * 1982-02-10 1983-08-15 株式会社日立製作所 金属板付セラミック基板の製造法
JPH04285076A (ja) * 1991-03-14 1992-10-09 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk セラミックス接合用ペーストろう材
JPH05175378A (ja) * 1991-12-26 1993-07-13 Hitachi Ltd 半導体装置
JPH0753276A (ja) * 1992-03-23 1995-02-28 Ngk Insulators Ltd ロウ付け方法
JPH08102570A (ja) * 1994-09-30 1996-04-16 Toshiba Corp セラミックス回路基板
JP2001217362A (ja) * 2000-01-31 2001-08-10 Ngk Insulators Ltd 積層放熱部材、および同放熱部材を用いたパワー半導体装置、並びにそれらの製造方法
JP2001291808A (ja) * 2000-01-31 2001-10-19 Ngk Insulators Ltd 積層放熱部材、パワー半導体装置およびそれらの製造方法
JP2004356625A (ja) * 2003-05-06 2004-12-16 Fuji Electric Device Technology Co Ltd 半導体装置及びその製造方法
JP2005005400A (ja) * 2003-06-10 2005-01-06 Honda Motor Co Ltd 半導体装置
WO2006088065A1 (ja) * 2005-02-16 2006-08-24 Hitachi Metals, Ltd. 放熱部材及びその製造方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5253720A (en) * 1975-10-29 1977-04-30 Hitachi Ltd Non-orientated cu-carbon fiber compoite and its manufacturing method
US6469381B1 (en) * 2000-09-29 2002-10-22 Intel Corporation Carbon-carbon and/or metal-carbon fiber composite heat spreader
JP2002324875A (ja) * 2001-04-26 2002-11-08 Fuji Photo Film Co Ltd 半導体パッケージ基台および半導体パッケージ
US6821625B2 (en) * 2001-09-27 2004-11-23 International Business Machines Corporation Thermal spreader using thermal conduits
AT5972U1 (de) * 2002-03-22 2003-02-25 Plansee Ag Package mit substrat hoher wärmeleitfähigkeit
KR100705868B1 (ko) * 2003-05-06 2007-04-10 후지 덴키 디바이스 테크놀로지 가부시키가이샤 반도체 장치 및 그 제조 방법
CA2550015C (en) * 2003-12-18 2013-02-26 Shimane Prefectural Government Metal-based carbon fiber composite material and method for producing the same
JP5145591B2 (ja) * 2004-11-09 2013-02-20 島根県 金属基炭素繊維複合材料の製造方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58137285A (ja) * 1982-02-10 1983-08-15 株式会社日立製作所 金属板付セラミック基板の製造法
JPH04285076A (ja) * 1991-03-14 1992-10-09 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk セラミックス接合用ペーストろう材
JPH05175378A (ja) * 1991-12-26 1993-07-13 Hitachi Ltd 半導体装置
JPH0753276A (ja) * 1992-03-23 1995-02-28 Ngk Insulators Ltd ロウ付け方法
JPH08102570A (ja) * 1994-09-30 1996-04-16 Toshiba Corp セラミックス回路基板
JP2001217362A (ja) * 2000-01-31 2001-08-10 Ngk Insulators Ltd 積層放熱部材、および同放熱部材を用いたパワー半導体装置、並びにそれらの製造方法
JP2001291808A (ja) * 2000-01-31 2001-10-19 Ngk Insulators Ltd 積層放熱部材、パワー半導体装置およびそれらの製造方法
JP2004356625A (ja) * 2003-05-06 2004-12-16 Fuji Electric Device Technology Co Ltd 半導体装置及びその製造方法
JP2005005400A (ja) * 2003-06-10 2005-01-06 Honda Motor Co Ltd 半導体装置
WO2006088065A1 (ja) * 2005-02-16 2006-08-24 Hitachi Metals, Ltd. 放熱部材及びその製造方法

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2010087432A1 (ja) * 2009-01-29 2012-08-02 株式会社オクテック 放熱基体およびこれを用いた電子装置
WO2010087432A1 (ja) * 2009-01-29 2010-08-05 株式会社オクテック 放熱基体およびこれを用いた電子装置
JP2013507761A (ja) * 2009-10-07 2013-03-04 バレオ・エチユード・エレクトロニク 電子電力モジュール、および前記モジュールを製造するための方法
US8958209B2 (en) 2009-10-07 2015-02-17 Valeo Equipements Electriques Moteur Electronic power module, and method for manufacturing said module
JP2012142547A (ja) * 2010-12-16 2012-07-26 Nippon Soken Inc 熱拡散部材の接合構造、発熱体の冷却構造、及び熱拡散部材の接合方法
JP2012222160A (ja) * 2011-04-08 2012-11-12 Nippon Soken Inc 発熱体モジュール及びその製造方法、熱拡散部材
WO2014020807A1 (ja) * 2012-08-03 2014-02-06 富士電機株式会社 冷却構造体及び電力変換装置
JPWO2014020808A1 (ja) * 2012-08-03 2016-07-21 富士電機株式会社 冷却構造体及び電力変換装置
JPWO2014020807A1 (ja) * 2012-08-03 2016-07-21 富士電機株式会社 冷却構造体及び電力変換装置
JPWO2014024361A1 (ja) * 2012-08-08 2016-07-25 富士電機株式会社 冷却構造体及び電力変換装置
WO2014024361A1 (ja) * 2012-08-08 2014-02-13 富士電機株式会社 冷却構造体及び電力変換装置
JP2015220239A (ja) * 2014-05-14 2015-12-07 日産自動車株式会社 パワー半導体モジュール及びその製造方法
US9627350B2 (en) 2015-04-30 2017-04-18 Mitsubishi Electric Corporation Method for manufacturing semiconductor device
JP6038270B1 (ja) * 2015-12-22 2016-12-07 有限会社 ナプラ 電子装置
JP2019071328A (ja) * 2017-10-06 2019-05-09 株式会社豊田中央研究所 半導体実装基板、半導体モジュールおよび半導体実装基板の製造方法
CN113834527A (zh) * 2021-09-18 2021-12-24 重庆大学 一种压接型功率半导体结构及其内部压力在线测量方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20080315401A1 (en) 2008-12-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2009004666A (ja) パワー半導体モジュールおよびその製造方法
US7528485B2 (en) Semiconductor device, power converter device using it, and hybrid vehicle using the power converter device
JP5146402B2 (ja) 炭素粒子含有被膜の成膜方法、伝熱部材、パワーモジュール、及び車両用インバータ
US9520377B2 (en) Semiconductor device package including bonding layer having Ag3Sn
US7745952B2 (en) Electric circuit module with improved heat dissipation characteristics using a fixing tool for fixing an electric apparatus to a heat sink
RU2635730C2 (ru) Электроподогреваемый каталитический конвертер
WO2014061588A1 (ja) ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法
JP4241859B2 (ja) パワーモジュールの製造方法、パワーモジュール、車両用インバータ、及び車両
WO2015046280A1 (ja) Ｃｕ／セラミックス接合体、Ｃｕ／セラミックス接合体の製造方法、及び、パワーモジュール用基板
WO2014034332A1 (ja) 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製造方法
JP2002094131A (ja) 熱電変換素子
WO2006067986A1 (ja) 熱電変換モジュールとそれを用いた熱交換器および熱電発電装置
JP2012142547A (ja) 熱拡散部材の接合構造、発熱体の冷却構造、及び熱拡散部材の接合方法
JP2014054934A (ja) ヒーター
WO2023246214A1 (zh) 一种功率模组及其制造方法
WO2020215739A1 (zh) 一种纳米金属膜模块制备方法及其基板制备方法
JP2007214340A (ja) 金属超微粒子使用接合材及びそれを用いた半導体装置
TWI642154B (zh) 電源模組用基板及其製造方法、電源模組
JP2010087072A (ja) パワー半導体モジュールおよびこれを用いたインバータシステム
JPH09243201A (ja) 熱電変換装置およびその製造方法
JP2009127086A (ja) 伝熱部材及びその製造方法
Iwashige et al. CoW metallization for high strength bonding to both sintered Ag joints and encapsulation resins
JP6124103B2 (ja) 窒化珪素回路基板およびその製造方法
JP4910903B2 (ja) 伝熱部材の製造方法、パワーモジュール、車両用インバータ、及び車両
JP6093130B2 (ja) ヒーター

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090526

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20090806

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090825

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20091222