JP2021150358A

JP2021150358A - パワー半導体モジュールの実装構造

Info

Publication number: JP2021150358A
Application number: JP2020046152A
Authority: JP
Inventors: 侑司菅谷; Yuji Sugaya
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2021-09-27
Also published as: CN113410191A

Abstract

【課題】低コストで放熱性が良いパワー半導体モジュールの実装構造を提供する。【解決手段】パワー半導体素子２０、パワー半導体素子２０から発生した熱を拡散させる熱拡散部材３０、電気的絶縁性を確保しながら熱を伝達する絶縁放熱部材４０、および冷却器５０が順次接合されており、熱拡散部材３０は、異方性熱伝導特性を有するグラファイト層３１および銅層３２を備えた複数の層で構成され、グラファイト層３１は、熱伝導率の一番低い方向が層の厚みの方向と直交して配置され、銅層３２はグラファイト層３１よりも冷却器５０に近い側に配置され、かつ、銅層３２の厚みはグラファイト層３１の厚みの４倍以上に設定されている。【選択図】図２

Description

本願は、パワー半導体モジュールの実装構造に関する。

電気自動車、ハイブリッドカー等の電動化車両には、一般的に駆動モータおよび駆動モータを制御するためのインバータ装置が搭載される。インバータ装置はパワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールによって構成されるインバータ回路を備え、スイッチング動作によって直流電力と交流電力とを相互に変換し、モータの力行動作および回生動作を行う。

パワー半導体素子は、大電流の導通またはスイッチング動作によって発熱が生じる。放熱が不十分であるとパワー半導体素子およびその周辺の構造部材が高温となり、性能の低下または故障を招くため、パワー半導体モジュールはこれらの熱を速やかに冷却器に伝達し、放熱する必要がある。

また、近年ではシリコン（Ｓｉ）半導体を用いたＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に置き換わる素子として、特性に優れるワイドバンドギャップ半導体である炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体を用いたＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が採用され始めている。ＳｉＣはＳｉと比較して小さい面積のチップで大きな電力を扱うが、その反面単位面積当たりの発熱量は増大し、より高い放熱性能が求められる。

従来、パワー半導体モジュールの熱拡散部材としては銅あるいは銅合金が使用されていたが、さらに放熱性を高めるために熱伝導率が各方向によって異なる、いわゆる異方性熱伝導特性をもつグラファイトを熱拡散部材として使用する構造が提案されている（例えば、下記の特許文献１参照）。

特開２０１１−２３６７０号公報

しかし、熱拡散部材として異方性熱伝特性をもつグラファイトを単体で使用する場合、この種のグラファイトは従来の銅あるいは銅合金と比較して単位体積当たりの価格が高価であり、費用対効果の面で導入には課題があった。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、低コストかつ放熱性能に優れたパワー半導体モジュールの実装構造を提供することを目的とする。

本願に開示されるパワー半導体モジュールの実装構造は、
パワー半導体素子、前記パワー半導体素子から発生した熱を拡散させる熱拡散部材、電気的絶縁性を確保しながら熱を伝達する絶縁放熱部材、および冷却器が順次接合されたパワー半導体モジュールの実装構造であって、
前記熱拡散部材は、異方性熱伝導特性を有するグラファイト層および銅層を備えた複数の層で構成され、前記グラファイト層は、熱伝導率の一番低い方向が前記層の厚みの方向と直交して配置され、前記銅層は前記グラファイト層よりも前記冷却器に近い側に配置されており、かつ、前記銅層の厚みは前記グラファイト層の厚みの４倍以上である。

本願に開示されるパワー半導体モジュールの実装構造によれば、低コストかつ放熱性能に優れたパワー半導体モジュールの実装構造を得ることできる。

実施の形態に係るパワー半導体モジュールを示す平面図である。図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。パワー半導体モジュールの熱伝達特性の熱解析結果を示すグラフである。パワー半導体モジュールの銅層の厚みｔｃとグラファイト層の厚みｔの比（ｔｃ／ｔ）をコスト面から見た場合の関係を示すグラフである。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係るパワー半導体モジュールを示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

この実施の形態１のパワー半導体モジュール１０は、１つのパワー半導体素子２０（例えパワーイドバンドギャップ半導体としてのＳｉＣ半導体）が熱拡散部材３０の上面に接合されている。その接合には、ここでは銀を主成分とした焼結材（図示しない）を用いているが、他の接合手法を用いてもよい。なお、熱拡散部材３０の構成については、後に詳述する。さらに、熱拡散部材３０の下面には、絶縁放熱部材４０が接合され、さらに、この絶縁放熱部材４０の下面には冷却器５０が接合されている。

絶縁放熱部材４０は、電気的絶縁性を保ちつつ、ある程度の熱伝導率をもつ必要があるため、例えばシリコンシート、あるいはセラミックシートが使用される。また、冷却器５０は、例えばアルミ製のもので、放熱用のフィン５０Ａが設けられている。
なお、パワー半導体素子２０、熱拡散部材３０、絶縁放熱部材４０は、絶縁性をもつモールド６０で封止されているが、図１では説明のためモールド６０を便宜上、透過して図示している。

上記の熱拡散部材３０は、図２に示すように、熱分解グラファイトからなるグラファイト層３１、および銅の板材からなる銅層３２が積層されて構成されており、グラファイト層３１は、さらに上層３１Ａと下層３１Ｂの２層で構成されている。

グラファイト層３１を構成する熱分解グラファイトは、炭素原子が六角形の網目を描くようにシート状に結合したグラフェンが複数積層された構造をしており、グラフェンの面と平行な方向については高い熱伝導率（例えば１７００［Ｗ／ｍＫ］程度）を示し、グラフェンの面と垂直な方向については、それよりも低い熱伝導率（例えば７［Ｗ／ｍＫ］程度）を示すような、異方性熱伝導特性を有する。

ここで、図１および図２において、上層３１Ａと下層３１Ｂの厚さ方向をＺ方向、このＺ方向と直交する平面２方向をＸ方向、Ｙ方向とすると、上層３１Ａにおけるグラフェンの面は、Ｘ−Ｚ平面と平行になるように配置されている。このため、上層３１Ａについては、Ｘ−Ｚ平面での熱伝導率が、これに直交するＹ方向への熱伝導率よりも大きな値を示す。また、下層３１Ｂにおけるグラフェンの面は、Ｙ−Ｚ平面での熱伝導率が、これに直交するＸ方向への熱伝導率よりも大きな値を示す。

したがって、Ｘ−Ｙ平面に着目すると、上層３１ＡについてはＸ方向に、下層３１ＢについてはＹ方向に熱が拡散され易く、したがって、グラファイト層３１全体で見ると、Ｘ−Ｙ平面の全方向に向けて熱が拡散される。しかも、Ｚ方向への熱伝導率も高いため、優れた放熱性能が発揮される。

熱拡散部材３０で広げられた熱は、絶縁放熱部材４０を介して絶縁を保ちながら冷却器５０に放熱される。この場合、絶縁放熱部材４０は、放熱経路における他の部材と比較して熱伝導率が低いため、熱がここを通過する前に熱拡散部材３０によって可能な限りＸ−Ｙ平面の全方向に拡散しておき、広い面積でもって絶縁放熱部材４０を通過させることができる。そして、熱拡散部材３０を通過して冷却器５０に伝わった熱はフィン５０Ａを介して放熱される。

なお、ここでは、グラファイト層３１を構成する上層３１Ａについては、Ｘ−Ｚ平面での熱伝導率が、これに直交するＹ方向への熱伝導率よりも大きな値を示し、また、下層３１Ｂについては、Ｙ−Ｚ平面での熱伝導率が、これに直交するＸ方向への熱伝導率よりも大きな値を示す構成としたが、これに限らず、上層３１Ａおよび下層３１Ｂの異方性熱伝導特性は、上下逆の場合であってもよい。また、ここでは、グラファイト層３１は、上層３１Ａおよび下層３１Ｂの２層からなるものとしたが、これに限らず、３層以上で構成されたものであってもよい。その場合でも、Ｘ方向およびＹ方向に広い面積をもって熱が拡散するように、互いに隣接する上下の層は、熱伝導率の一番低い方向同士が互いに直交するように配置されているのが好ましい。

図３は、この実施の形態１におけるパワー半導体モジュール１０の実装構造において、定常伝熱解析を行った結果を示すグラフである。図１、図２に示すように、グラファイト層３１の厚みをｔ、銅層３２の厚みをｔｃ、パワー半導体素子２０の一辺の長さをａとしたとき、横軸は銅層３２の厚みｔｃをパワー半導体素子２０の一辺の長さａで正規化した数値としている。また、縦軸はパワー半導体素子２０から冷却器５０のフィン５０Ａの根元の位置までの熱抵抗値Ｒｊｗを、ｔ＝０、ｔｃ＝０．２５ａの条件の下での値を「１」として正規化した値を示している。

また、この熱解析においては、パワー半導体素子２０の外周の一辺から熱拡散部材３０の外周の一辺までの距離をｂとしたとき（図１参照）、ｂ＝０．５ａとし、また、グラファイト層３１の上層３１Ａと下層３１Ｂの厚みをどちらも０．５ｔとした。また、絶縁放熱部材４０の等価熱伝達係数は５００００［Ｗ／ｍ^２Ｋ］とした。冷却器５０のフィン５０Ａは省略されているものとし、フィン５０Ａの根元の位置となる面に熱伝達係数３００００［Ｗ／ｍ^２Ｋ］を与えた。

図３より、グラファイト層３１の厚みｔが十分に厚い場合（例えば、ｔ＝０．１ａ〜０．２ａ）には、銅層３２の厚みｔｃを変化させても、熱抵抗値Ｒｊｗの変化は比較的小さい。このため、銅層３２を追加することの効果は薄い、もしくは熱抵抗を悪化させる傾向となる。

一方、グラファイト層３１が薄い場合（例えば、ｔ＝０．０２ａ〜０．０５ａ）には、銅層３２の厚みｔｃを変化させると、これに伴う熱抵抗値Ｒｊｗの変化が比較的大きい。そのため、グラファイト層３１の厚みｔが薄くても、銅層３２の厚みｔｃを調整することで熱抵抗値Ｒｊｗを下げて放熱性能を高めることができる。したがって、少量のみグラファイト層３１を用い、銅層３２で熱拡散効果を補うことでコストの増加を抑えつつ、放熱性能を高めることができる。

なお、グラファイト層３１の厚みｔが異なる各々のグラフにおいて、熱抵抗値Ｒｊｗが低下して飽和する下限となる位置は、パワー半導体素子２０の一辺から熱拡散部材３０の一辺までの距離ｂによっても変化するが、グラファイト層３１のコストおよび熱抵抗値Ｒｊｗの低減による効果を鑑みると、銅層３２の厚みｔｃはグラファイト層３１の厚みｔの４倍より大きいことが望ましい。例えば、グラファイト層３１の厚みｔがｔ＝０．０５ａの場合には、銅層３２の厚みｔｃは、ｔｃ≧０．２ａ（＝０．０５ａ×４）が好ましい。このようにすれば、グラファイト層３１の厚みｔを徒に厚くしなくても、銅層３２の厚みｔｃを調整することで、熱抵抗値Ｒｊｗを下げて放熱効果を高めることができる。

図４は、銅層３２の厚みｔｃとグラファイト層３１の厚みｔの比（ｔｃ／ｔ）を製作上のコスト面から見た場合の関係を示すグラフである。ここに、横軸は銅層３２の厚みｔｃとグラファイト層３１の厚みｔの比（ｔｃ／ｔ）を、縦軸は熱抵抗の減少によるチップサイズの変動まで考慮したコストを示す。また、図４中の横水平の破線ＣＢは、コストのメリットが成立するかどうかの境界線を示しており、この境界線によりも下側であれば、コストのメリットが生じる。

このグラフから、厚みの比（ｔｃ／ｔ）がおおよそ３以上であればメリットが生じるが、確実にメリットが生じるのは４以上、すなわち、銅層３２の厚みｔｃはグラファイト層３１の厚みｔの４倍より大きいことが望ましいことが理解される。

以上のように、この実施の形態１におけるパワー半導体モジュール１０の実装構造によれば、熱拡散部材３０を異方性熱伝導特性を有するグラファイト層３１および銅層３２を含む複数の層で構成しているので、グラファイト単体で使用する場合に比べ、グラファイトの使用量を削減でき、かつ、パワー半導体素子２０から発生した熱を効率良く拡散して冷却器５０で放熱することが可能となるため、低コストかつ放熱性能に優れたパワー半導体モジュール１０の実装構造を得ることできる。

なお、以上の説明では、パワー半導体素子２０として、ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ半導体を例として挙げたが、他のワイドバンドギャップ半導体、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体を用いても構わない。

また、以上の説明ではパワー半導体素子２０を熱拡散部材３０上に１つのみ実装した構成を例として挙げたが、複数のパワー半導体素子を実装する構成であっても本願による効果は有効である。

本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１０パワー半導体モジュール、２０パワー半導体素子、３０熱拡散部材、
３１グラファイト層、３１Ａ上層、３１Ｂ下層、３２銅層、
４０絶縁放熱部材、５０冷却器、６０モールド。

Claims

パワー半導体素子、前記パワー半導体素子から発生した熱を拡散させる熱拡散部材、電気的絶縁性を確保しながら熱を伝達する絶縁放熱部材、および冷却器が順次接合されたパワー半導体モジュールの実装構造であって、
前記熱拡散部材は、異方性熱伝導特性を有するグラファイト層および銅層を備えた複数の層で構成され、前記グラファイト層は、熱伝導率の一番低い方向が前記層の厚みの方向と直交して配置され、前記銅層は前記グラファイト層よりも前記冷却器に近い側に配置されており、かつ、前記銅層の厚みは前記グラファイト層の厚みの４倍以上である、パワー半導体モジュールの実装構造。
前記グラファイト層は、第１層と第２層の２層で構成され、前記第１層の熱伝導率の一番低い方向と前記第２層の熱伝導率の一番低い方向とは、互いに直交して配置されている、請求項１に記載のパワー半導体モジュールの実装構造。
前記パワー半導体素子および前記熱拡散部材は、絶縁性のモールドで一体に封止成型されている、請求項１または請求項２に記載のパワー半導体モジュールの実装構造。
前記パワー半導体素子は、ＳｉＣ半導体である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールの実装構造。