JP5899680B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、絶縁形のパワー半導体モジュールに係わり、特に高温動作が要求されるパワー半導体モジュールに関するものである。

代表的な絶縁形パワー半導体モジュールとして、インバータ等の電力変換装置に用いられるIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールがある。このIGBTモジュールに代表される絶縁形パワー半導体モジュールなどは、JEC-2407-2007、IEC60747-15にその規格が制定されている。また、一般的な絶縁形パワー半導体モジュールの構造として非特許文献１のｐ２８９に開示されている。

図９は非特許文献１に記載されたパワー半導体モジュールの構成を示したもので、スイッチング素子であるIGBTやダイオード等の半導体素子２０は、半導体素子２０の下面電極層を介してDBC基板２１の銅回路箔２２上に半田付けされ、そのDBC基板２１は放熱のための銅ベース２４に半田付け部２５を介して接着される。ここで、DBC（Direct Bond Copper）基板２１とは、セラミックス等からなる絶縁板２３に銅回路箔２２を直接接合したものである。

半導体素子２０の上面電極層は、アルミワイヤー２６を超音波でボンディングされ、例えばDBC基板２１上の銅回路箔２２と電気的に結線される。そして、DBC基板２１上の銅回路箔２２からリードフレームやブスバーよりなる銅端子２７を介して外部に導出している。その際の、銅回路箔２２と銅端子２７との接続は半田付けによって行われており、更にその周りを（スーパー）エンジニアリングプラスチックのケース２８で囲み、その中を電気絶縁のためのシリコーンゲル等が充填される。ここで、一般に半導体素子２０とDBC基板２１を接合する半田は、DBC基板２１と銅ベース２４を接合する半田に対し融点が高く、２回のリフローにより接合される。

近年、半導体素子の動作温度の高温化が進み、１７５℃〜２００℃の動作温度では半田材料の融点に近いため、半田に置換する材料としてＢｉ，Ｚｎ，Ａｕの金属系高温半田、Ｓｎ−Ｃｕの化合物系高温半田、Ａｇ粉，ｎａｎｏＡｇの低温焼結金属等が提案されている。
また、次世代の半導体素子であるＳｉＣは、２５０℃〜３００℃での動作温度が可能であることが報告されている。

使用時に発生する熱に基づく応力を緩和して放熱特性をよくするものとして特許文献１が公知となっている。

一方、半田を用いないパワー半導体モジュールとしては、非特許文献１のｐ３３６や非特許文献２に平形圧接構造パッケージとして開示されている。
図１０はそのパッケージを示したもので、半導体素子３０の上面電極層がコンタクト端子３３に接触した状態でＭｏ板３４上に載置されている。そして、半導体素子３０の端部には、半導体素子３０及びコンタクト端子３３の位置決めをするガイド３５が備えられている。

このように構成された平形圧接構造パッケージは、半導体素子３０を上下両面から冷却できると共に、半田付けをしない構造で電気的、熱的に外部と接続できる。このため、一般的に形圧接構造パッケージの両端をヒートシンクで圧接することで平形圧接構造パッケージの両面を冷却し、このヒートシンクを導電部材として用いている。

特開平１０−３０３３４０ 特許第４６２１５３１

コロナ社「パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック」ｐ２８９、ｐ３３６ 電気学会誌Vol．１１８，ｐ２７６，１９９６

温度サイクル、パワーサイクル等への信頼性向上の課題に対しては、半導体モジュールを構成する部材である半導体素子、金属、セラミックス等の熱膨張の違いによって生じる課題を解決する必要がある。すなわち、DBC基板ー銅ベース間、DBC基板ー銅端子間において、銅とセラミックスの熱膨張係数の差から使用される半田にせん断応力が働いて半田に亀裂が生じ、熱抵抗が増大して端子が剥離する虞がある。さらに、半導体素子ーDBC基板間の半田にも亀裂が生じる場合がある。
また、条件によっては半導体素子上のアルミワイヤーの接続部でも、アルミニウムと半導体素子の熱膨張の差で応力が発生してアルミワイヤーが疲労破断する。

年々の電力密度の増加に伴って、使用する半導体素子内部の接合温度が高くなることから、半田のせん断応力、アルミワイヤーの応力が大きくなってきている。これに対して熱膨張の影響が半導体モジュールの設計寿命に至るまでの期間に上記問題が顕在化しないようにする必要がある。このことは、ＳｉＣやＧａＮのような高温で使用できるワイドバンドキャップ半導体素子の出現により、さらに熱膨張の影響の低減が要求されている。

そこで、高信頼性、環境性、利便性を同時に実現するためには、半田接合、あるいはワイヤーボンドを用いず、且つ両面冷却が容易に実現可能で放熱特性の面で有利な圧接型の絶縁形パワー半導体モジュールが再度脚光を浴びてきた。
また、ＳｉＣやＧａＮなどの高温で使用可能な半導体素子の性能を生かすパワー半導体モジュールとしても、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性向上が求められている。

図１１は一般的な圧接型のパワー半導体モジュールの主要部を示したもので、圧接型のパワー半導体モジュールには以下の（ａ），（ｂ）の課題が存在する。
（ａ）．部材間の接触圧力による微妙な変化で放熱性が変化する。放熱性を高く維持するためには部材間の接触圧力を、例えば１ＭＰａのような一定圧力以上に確保する必要があり、そのモジュールの信頼性を高めるためには、接触面全体に対してできるだけ均一な接触圧力を確保する必要がある。

すなわち、接触圧が低い箇所が存在すると、その部位の電気伝導度が低下し、結果良好な接触が保たれている箇所に電流が集中し、また、通電によるジュール発熱を放熱するパスも狭くなって特定の部材が局所的に温度上昇する。その結果、局所的に部材が熱膨張して複雑な形状に熱変化し、部材間の接触面において均一な接触圧を維持することが困難になる。同時に局所的に応力が集中し、モジュールの信頼性低下の要因となる。また、半導体チップ表面にはＡｌ等の電極層が蒸着等で膜付けされており、半導体チップへの圧接力が過大になり過ぎるとチップ表面を傷つける懸念があり、半導体チップの表裏面においては特に適切な接触圧を維持することが重要となる。

（ｂ）．両面冷却構造においては、一般に図９で示すように、絶縁材、３〜５ｍｍ程度厚みを有するベース（放熱板）、グリースを経て冷却器内を流れる冷媒と熱交換するため、圧接により全ての部材界面間で良好な接触が確保できた場合でも、半導体チップから冷媒までの熱抵抗がある値以下に下げられないという問題を有している。

なお、弾性作用を持った金属板を絶縁板とヒートシンクの間に配置するものとしては、特許文献１と２が公知となっている。特許文献１には、半導体素子上に熱応力緩和のために弾性作用をもたせた突起付きの金属板を配置したことが記載されている。特許文献２には、絶縁板とヒートシンクの間に熱伝導と熱応力緩和のために弾性作用をもたせた突起付きの金属板を配置したことが記載されている。しかし、両特許文献のものは半田を使用して樹脂等を用いて封止する従来型モジュールに関するものである。

そこで、本発明が目的とするとこは、半田を用いないパワー半導体モジュールにおいて、その放熱特性を向上し、小型化を実現しつつ信頼性を向上させた圧接型のパワー半導体モジュールを提供することにある。

本発明の請求項１は、半導体チップと、この半導体チップの両面側に、それぞれ外面方向に向かってコンタクト材、電極材および絶縁材を介して冷却ブロックを積層する圧接型のパワー半導体モジュールにおいて、
前記絶縁材と冷却ブロック間に、冷却ブロックと対向する面に複数の突起部が設けられ、且つ力を面で受ける板バネ特性を有する薄板をそれぞれ配設すると共に、
前記薄板に設けられた突起部と対向する冷却ブロックの面に複数の溝を設け、
前記積層された半導体チップ、コンタクト材、電極材、絶縁材および薄板の各部材の外周面を絶縁物からなるケースで囲繞固定し、
前記冷却ブロックは、形成された溝を前記薄板の突起部を避けた位置に配置し、
薄板の突起部を冷却ブロック面に接触させてボルトを介し薄板と一体的に固定したことを特徴としたものである。

本発明の請求項２は、前記薄板の突起部は、前記半導体チップの真上相当の位置に設けられることを特徴としたものである。

本発明の請求項３は、前記薄板は、周縁部の厚みを厚くして形成し、形成された薄板の厚い層と前記冷却ブロック間を一体化することを特徴としたものである。

本発明の請求項４は、前記薄板の厚い層と前記冷却ブロック間を一体化した後に、冷却ブロックから挿入されたボルトにより薄板を介して前記半導体チップに圧接力を伝播することを特徴としたものである。
本発明の請求項５は、前記薄板の厚い層と前記冷却ブロック間の一体化は、接着剤によることを特徴としたものである。

本発明の請求項６は、前記冷却媒体流通時に、薄板と冷却ブロック接合面に周期的な突起形状を持たせることを特徴としたものである。

本発明の請求項７は、前記薄板は、平板部の肉厚は０．１〜０．５ｍｍ、突起部の厚さ０．１〜１．０ｍｍで形成されたことを特徴としたものである。

本発明の請求項８は、前記薄板と冷却ブロック接合時に、薄板の突起部が冷却ブロックに最初に接触し、前記接着剤若しくはボルト締め付け時に薄板の突起部に接触圧力がかかるよう構成されたことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、薄板に突起部を設けることで力を面で受ける板バネとして作用させたものである。これにより、バネ定数は、薄板の厚みや表面に設ける突起部の数等で制御することができ、また、広い面で力を分散して受ける板バネとして作用させることができて、モジュールが片締めになる可能性が大幅に低減でき、モジュールの小型化が出来るものである。

また、冷却ブロックに溝を設け、この溝と薄板表面に設けられる突起部とで冷却水の循環水路が形成されることで、循環水路と半導体チップ間の熱抵抗が低減され、熱交換率が向上して放熱性が向上するものである。
さらに本発明では、冷却ブロックと薄板とを一体化する際に接着剤とボルトで
内部部品の周辺部を締め付け、その後に接着剤を硬化させることで冷媒の外部への漏れを防止できるものである。

本発明の実施形態を示す断面図。 本発明に使用される薄板の構成図。 薄板と冷却ブロックの接合説明図。 本発明のシミュレーションによるモデル図。 本発明のシミュレーションによるモデル化説明図。 シミュレーションによる内部部品の変位図。 シミュレーションによる応力分布図。 シミュレーションによる半導体チップへの圧力図。 従来のパワー半導体モジュール部分構成図。 従来の平型圧接構造パッケージの構成図。 従来の圧接型パワー半導体モジュールの構成図。

本発明は、パワー半導体モジュールに使用されるベース（放熱板）を薄膜化形状として小さいバネ定数を持たせ、加圧力に比例して弾性的に変形させる。この弾性を有するベースと冷却ブロックを一体化して構成部品の公差、厚み方向の熱膨張等が原因の公差を吸収しつつ一定の圧接力を与えると共に、冷媒をベースと冷却ブロック間に流すことで放熱性を高めたものである。
以下、図に基づいて詳述する。

図１は、本発明の実施例を示す構成図である。１は半導体チップ（半導体素子）で、複数設けられた各半導体チップの上下（表裏）方向にはそれぞれコンタクト材２（２ａ，２ｂ）を介して電極材３（３ａ，３ｂ）が積層されている。コンタクト材２は、半導体チップ１の表面の所定領域をコントロールされた所定圧力で押圧し、半導体チップ１との界面でのせん断応力を低減させる。このため、コンタクト材２は熱膨張係数が半導体チップ１に近い材料用いられ、例えば、半導体チップ１がシリコンの場合には、熱膨張係数は３ｐｐｍ／℃に近いものが使用され、電気伝導率が高いという条件からグラファイト材料、モリブデン、タングステン等、グラファイトを含有した金属（合金、Ｃ−ＣｕＭｏ等）を例示することができる。

コンタクト材２を介して外部に電流を取り出す電極材３は、Ｃｕ合金等が使用され３ａ，３ｂの各一端はケース７を貫通して外部に突出される。また、この電極材３ａ，３ｂの外側には、通電領域を外部から絶縁するための窒化珪素等かになる絶縁材４ａ，４ｂが配置される。さらに、この絶縁材４ａ，４ｂの外側には、
一般的なバネ用材料である炭素鋼系、オーステナイト系ステンレス等からなる薄板５（５ａ，５ｂ）が配置される。

薄板５は、例えば、平面部が０．３ｍｍ程度（０．１〜０．５ｍｍ）の肉厚からなるもので、平板でも加えた力に比例して弾性的に変形し、加えた力をはずすことで元に戻る一定のバネ効果を有するが、本発明では、よりバネ定数を下げる（力に対して変位量を増大させる）ために、図２に示すように片面に一定厚みの突起部５ｃが形成されている。突起部５ｃは、例えばその高さは０．５ｍｍ程度（０．１〜１．０）の突起形状で、その突起部が角状の場合には４ｍｍ角程度とされる。また、この薄板５は、図３で示すようにその周縁部分は突起部５ｃの高さと同程度の厚みを有し、ボルトを介して冷却ブロック６を一体化するためのネジ穴が螺設されている。
勿論、薄板および薄板の突起部の寸法や形状は限定的なものではなく、その形状や大きさは半導体チップの大きさ等によって自由に選択できる。

１〜５を積層した各部材の外周部をケース７によって囲繞する。ケース７はＰＰＳ等の樹脂よるなる絶縁物で、積層された薄板５ａ，５ｂを挟み込むようにして囲み、接着剤によって固定し、１〜５の部材を外部から遮断して酸化、汚染による部品の劣化を防止している。薄板５の、さらに外側には冷却ブロック６（６ａ，６ｂ）が積層される。

冷却ブロック６は、アルミニウムや銅合金よりなって、内面となる側には冷媒の流路となる溝６ｃが設けられ、任意位置に流入口６ｄが穿設されている。冷却ブロック６を薄板５に積層するとき、薄板５の突起部５ｃが図１及び図３で示すように冷却ブロック６に設けられた溝６ｃを避けた位置に位置決めされて接触した状態で一体化される。一体化に当たっては、パッキン（Ｏリング）などによる一体化でもよいが、例えば、室温以上で２００℃以下で硬化接着する接着剤を外部から薄板５と冷却ブロック６間に流し込み、その後、孔６ｅにボルトを挿し込んで薄板５と冷却ブロック６間の間隔が適切な厚みとなったときに、適切な締付トルクとなるようボルトを締め付けて接着剤の硬化処理を行う。

ボルト締付時に発生する下方向（若しくは上方向）への垂直圧力が冷却ブロック６→薄板５の突起部５ｃ→絶縁材４→電極材３→コンタクト材２→半導体チップ１の順番で応力伝達させることができる。
なお、冷却ブロック６と薄板５間の接着剤は、ケース７とその内部部品（絶縁材、電極材３、コンタクト材２、半導体チップ１）の厚みの微妙なずれ、内部部品の熱膨張によるケース７と内部部品の厚みのずれ調整の役割を担い、パワー半導体モジュール動作時に部材間に、例えば２〜２４MPaの接触圧がかかるよう接着剤層の厚みが調節される。

以上のように本発明は、薄板５を凹凸形状とすることでバネ特性を持たせることができ、内部部品に圧縮応力を加えることを可能とする圧接型パワー半導体モジュールを構成したものである。
図４〜図８は薄板５が内部部品に対して相当の接触圧を与えているかを検証した検証結果を示したものである。

解析はANSYSを用いて実施したもので、図４は解析上のモデル、図５は境界条件を示したものである。この解析ではモデルの簡略化のために、パワー半導体モジュールは、上面側の薄板５及び冷却ブロック６を設け、冷却ブロック周辺部でのボルト締めによる圧力は、図５で示すように一定の厚みの周辺部に１０MPaの下向き圧力を与えることで模擬した。検証に供した薄板５の厚みを０．３ｍｍ、突起部５ｃの厚み（高さ）０．５ｍｍとし、この突起部５ｃは半導体チップ１の真上に相当する位置に６個設けた。また、半導体チップ１を挟んで積層される１〜４の内部部品の厚み（高さ）はケース内面高さより０．１ｍｍ薄いと仮定し、ボルト締めによる下向きの応力により薄板５が変形して内部部品に圧接力をかける状況を模擬した。

図６はボルト締め、接着剤硬化後に室温に戻したときの各部材のボルト締前との厚み方向の変位を示したものである。図６によると、ケースと内部部品の厚み方向の寸法誤差が０．１ｍｍの場合でのボルト締めによる圧接後の各部材の厚み方向の変位は、例えば点線で囲んだアの部位では−２０〜−４０［μｍ］程度変位し、イの部分では−０．０００１［ｍ］程度変位し、下部の絶縁材４に接触して応力を伝播している。

図７は、各内部部品及び薄板５にかかる相当応力分布を示したもので、（ａ）図は相当応力分布、（ｂ）図は薄板にかかる相当応力分布ある。
薄板の材質はSUS301としたもので、その結果、ケース７の内周側壁や薄板５変形部にかかる応力は、点線で囲んだウの部位で示すように４e7〜２e8［Ｐa］と最大２００MPa程度となっている。これは、炭素鋼系、オーステナイト系ステンレス（例えばSUS301-CSP Hなど）の弾性上限（バネ限界値）の５００MPa以上に比べると十分に余裕があり、材質SUS301は薄板のバネ機能として問題ないことが明らかである。薄板の材質に関しては放熱性、加工性、耐水性の高いほうが望ましく、例えばアルミニウム合金や銅合金もそれぞれ適切な厚み、形状で設計することで採用が可能である。

図８は複数（ここでは６個）の半導体チップの上面側表面にかかる接触圧力分布を示したものである。点線で囲んだ部分は半導体チップ上に位置するコンタクト材２の接触面形状で、半導体チップ上面側では１e7〜２．４e7［Pa］となっており、コンタクト材２に接触させた位置での圧力は、２〜２４MPaの圧力で印加できていることが確認できた。
なお、接触圧力は、冷却ブロックの周辺部にかける圧力値、すなわち、孔６ｅを介して薄板５を螺合する締付度合いとボルトの配置やその本数などによって制御することができる。

また、パワー半導体モジュールを図１のように構成することで、次の理由によって放熱性が向上する。
（１）冷却ブロックの厚みを薄くすることができるため、冷却ブロック自身の熱抵抗を低減することができる。
（２）溝６ｃを含む冷媒を流す領域に周期的突起が存在することで、冷媒の流れが安定流、層流にはならずに乱されることで、冷媒と薄板、冷却ブロック間の熱交換率が高められる。
よって、放熱性が良好で信頼性の高いパワー半導体モジュールの提供が可能となる。

以上のように本発明は、薄板に突起部を設けることで力を面で受ける板バネとして作用させたものである。
その際、バネ定数は、薄板の厚みや表面に設ける突起部の数等で制御することができ、また、広い面で力を分散して受ける板バネとして作用させることができる。これによって、非特許文献１のようにモジュール外周にバネ定数の等しいバネを複数設ける場合に比較して、モジュールが片締めになる可能性が大幅に低減する。また、従来設けていた大型のバネをモジュール外側に設ける必要もなく、モジュールの小型化が出来るものである。
また、薄板上に設ける表面凹凸形状を半導体チップの真上のみに設けた場合には、半導体チップに効率的に力を伝播させることが可能となるものである。

冷却ブロックに溝６ｃを設け、この溝６ｃと薄板表面に設けられる突起部５ｃとで冷却水の循環水路が形成され、両者の機能が相乗されて半導体チップ側に対する循環水路の面積が広く形成されるため、循環水路と半導体チップ間の熱抵抗が低減されると共に、熱交換率が向上して放熱性が向上するものである。特に、半導体チップが配設される真上の相当位置に薄板の凹凸形状を位置させた場合には、凹凸形状近傍では冷媒と内部部品間の熱交換率が最大となるため、半導体チップ真上方向の放熱性が向上するものである。

さらに本発明では、冷却ブロックと薄板とを一体化する際に接着剤とボルトで
内部部品の周辺部を締め付け、その後に接着剤を硬化させるという簡単な手法により圧接力を確保し、冷媒の外部への漏れを防止することができる。接着剤の層（厚さ）を変更することで、内部部品とケースの厚み方向のズレ（公差）に対応できるものである。

１… 半導体チップ
２… コンタクト材
３… 電極材
４… 絶縁材
５… 薄板
６… 冷却ブロック
７… ケース

Claims (8)

1. 半導体チップと、この半導体チップの両面側に、それぞれ外面方向に向かってコンタクト材、電極材および絶縁材を介して冷却ブロックを積層する圧接型のパワー半導体モジュールにおいて、
   前記絶縁材と冷却ブロック間に、冷却ブロックと対向する面に複数の突起部が設けられ、且つ力を面で受ける板バネ特性を有する薄板をそれぞれ設けると共に、
   前記薄板に設けられた突起部と対向する冷却ブロックの面に複数の溝を設け、
   前記積層された半導体チップ、コンタクト材、電極材、絶縁材および薄板の各部材の外周面を絶縁物からなるケースで囲繞固定し、
   前記冷却ブロックは、形成された溝を前記薄板の突起部を避けた位置に配置し、
   薄板の突起部を冷却ブロック面に接触させてボルトを介し薄板と一体的に固定したことを特徴としたパワー半導体モジュール。
2. 前記薄板の突起部は、前記半導体チップの真上相当の位置に設けられることを特徴とした請求項１記載のパワー半導体モジュール。
3. 前記薄板は、周縁部の厚みを厚くして形成し、形成された薄板の厚い層と前記冷却ブロック間を一体化することを特徴とした請求項１又は２記載のパワー半導体モジュール。
4. 前記薄板の厚い層と前記冷却ブロック間を一体化した後に、冷却ブロックから挿入されたボルトにより薄板を介して前記半導体チップに圧接力を伝播することを特徴とした請求項３記載のパワー半導体モジュール。
5. 前記薄板の厚い層と前記冷却ブロック間の一体化は、接着剤によることを特徴とした請求項３又は４記載のパワー半導体モジュール。
6. 前記冷却媒体流通時に、薄板と冷却ブロック接合面に周期的な突起形状を持たせることを特徴とした請求項１乃至５の何れかに記載のパワー半導体モジュール。
7. 前記薄板は、平板部の肉厚は０．１〜０．５ｍｍ、突起部の厚さ０．１〜１．０ｍｍで形成されたことを特徴とした請求項１乃至６の何れかに記載のパワー半導体モジュール。
8. 前記薄板と冷却ブロック接合時に、薄板の突起部が冷却ブロックに最初に接触し、前記接着剤若しくはボルト締め付け時に薄板の突起部に接触圧力がかかるよう構成されたことを特徴とした請求項１乃至６の何れかに記載のパワー半導体モジュール。

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