JP3829641B2 - Power semiconductor module - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーMOSFET,IGBT(Insulated gate bipolar transistor)等、高い発熱量のパワー半導体素子を有するモジュールの水冷構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
ハイブリッド電気自動車用モータ等、大出力モータを制御する大容量インバータに使用される従来技術のパワー半導体モジュールを、図2,図3,図4に示す。図2は、パワー半導体モジュール29を、熱伝導グリース26でヒートシンク27に固着した、いわゆる間接冷却モジュールである。図3は、図2の銅ベース24を、フィン31付き銅ベース30として、図2の熱伝導グリース26を削除した直接冷却モジュール32である。さらに、図4は、パワー半導体チップ10を、水路14を有するヒートシンク40にはんだ接着した直接冷却モジュールである。
【0003】
図2において、パワー半導体チップ10が、回路パターンである銅板20,窒化アルミ21,裏面銅板22で構成される窒化アルミ基板23に、はんだ11で接着される。さらに、この窒化アルミ基板23は、銅ベース24にはんだ25で接着される。このような構造で、パワー半導体モジュール29は、パワー半導体チップ10と銅ベース24が電気的に絶縁された、いわゆる絶縁型モジュールとなる。絶縁型モジュールは、例えばインバータとして組み上げるときに、モジュールとヒートシンク27の電気絶縁に配慮しなくて良いので、取り扱いが容易である。なお、モジュールの放熱は、窒化アルミ基板23,銅ベース24を介して、フィン29が形成されたヒートシンク27で行われる。この従来技術では、ヒートシンク27,水路カバー15とで水路14を構成した水冷構造である。本従来技術の場合、水冷しているので空冷より高い熱伝達を達成しているが、金属部材と比べて2桁熱伝導率の低い熱伝導グリース26部で温度が上昇する。さらに、絶縁モジュールの特徴である窒化アルミ基板23も、金属と比べて熱伝導率が低いため、温度上昇する。
【0004】
図3では、フィン31をパワーモジュール32の銅ベース30に設けている。銅ベース30と水路カバー15とで水路14を構成し、銅ベース30に直接冷却水を当てているベース直冷構造である。この構造は、図2では平板であった銅ベース30にフィン31を設けたため、窒化アルミ基板23のはんだ接着工程で、フィン31を変形させない配慮が必要になる。さらに、熱抵抗が高い窒化アルミ基板は依然として存在する。
【0005】
図4は、図3に示すベース直冷構造モジュールの絶縁基板(窒化アルミ基板)を削除して、低熱抵抗性を向上させていて、水路14を形成したアルミニウム製ヒートシンク40に、パワー半導体チップ10をはんだ11で直接接着している。すなわち、図2,図3ではヒートシンクとチップが電気的に絶縁された絶縁型モジュールであるのに対し、この従来技術では、ヒートシンクが電気絶縁されていない、非絶縁モジュールである。本従来技術は、パワー半導体チップ10の熱が、はんだ11以外の介在物なしで水冷ヒートシンク40で放熱されている構造である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
パワー半導体モジュールを水冷とするのは、半導体チップジャンクションから冷媒への熱抵抗,Rth(j−w)を低減するためである。しかし、図2,図3に示す従来技術の場合、パワー半導体チップ10とモジュールベース27,30を絶縁するための絶縁基板23がある為、熱抵抗の低下には限界がある。
【0007】
図4の構造では、非絶縁モジュールのため、例えばパワー半導体チップ10がIGBTの場合、ヒートシンク40はコレクタ電極となる。すなわち、ヒートシンク40には、高電圧が印加される。従って、隣接するヒートシンク間の絶縁距離を十分にとらなければならない。また、冷却水にも電圧が印加されるので、冷却水の純度十分上げて絶縁性を確保しなければならない。さらに、冷却水に電圧が印加されると、微弱ながら当然冷却水中にリーク電流が流れ、リーク電流でヒートシンク40の腐食を促進する懸念がある。
【0008】
本発明の目的は、冷却水純度に対する配慮や、絶縁距離に対する配慮が不要で、耐腐食性に優れ信頼性が高く、熱抵抗が十分低い、パワー半導体モジュールを提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
図1に本発明のパワー半導体モジュールの断面図を示す。本発明では、パワー半導体モジュール16とは、絶縁層13より上の部分を示す。本発明のパワー半導体モジュールでは、パワー半導体チップ10をはんだ11でヒートシンク兼コレクタ電極(IGBTの場合)12に接着し、ヒートシンク12のパワー半導体チップ10搭載面の対向面に、絶縁層13を設け、この対向面と水路カバー15とで、水路14を形成する。このような構成で、冷却水とパワー半導体モジュール16が絶縁された絶縁モジュールとなる。
【0010】
また、パワー半導体チップ10の熱は、絶縁層13はあるものの、図2の従来技術の配線パターン20(厚さ:〜0.3mm)よりも厚い(〜1mm以上)ヒートシンク12で十分に拡散される為、絶縁層13の伝熱面積が十分に大きくなり、絶縁層13の熱抵抗は無視できるほど小さくなる。さらに、本発明のパワー半導体モジュールでは、冷却水とヒートシンク12界面にある絶縁層13が、エポキシ等の樹脂,リン酸ガラス等のガラスで構成される為、耐腐食コーティングの役割もなす。
【0011】
本発明のパワー半導体モジュールは図5に示すように、ヒートシンク50にフィン52を設け、その外側に絶縁層51を形成している。水路カバー15とヒートシンク50とで水路14を構成して、フィン52により熱伝達面積を増大すると同時に、絶縁層51の熱抵抗も大幅に低減しているので一層の熱抵抗の低下が実現できる。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、以下図面を使用して詳細に説明する。
【0013】
(実施例1)
図6を用いて本実施例を説明する。図6は、上下各1アームを搭載した、一相IGBTモジュールの断面模式図である。電圧/電流定格が600V/200Aであり、IGBT60及び、フリーホイーリングダイオード(FWD)61のチップサイズは、各々概略10mm,7mmである。長さ691/幅695/間隔696が6mm/6mm/3mmのフィン66が、厚さ697が3mmの板に4本形成されたヒートシンク693に、共晶はんだ690でIGBT60、及び、FWD61チップがはんだ接着される。ヒートシンク693は、タフピッチ銅(C1100)製で、表面は無電解Niメッキ(膜厚:約6μm)処理されている。平面寸法は、2cm×4cmである。ここで、ヒートシンク693の凹凸は0.1mm 以上あれば良く、2mm以上あればなお良い。さらに、チップ搭載面694以外のヒートシンク693表面には、主成分がBi23であるビスマス系ガラス(膜厚:20μm)がコーティングされている。
【0014】
このビスマス系ガラスの厚さは50μmより薄いことが好ましい。また、ビスマス系ガラスの他にも融点が660℃以下でアルミニウムの融点より低いガラスであれば本実施例に適用できる。はんだ690の厚さは概略0.1mm 、Siチップ厚さは、概略0.5mm である。IGBT60,FWD61が各1チップ搭載されたヒートシンク693は、P,N,出力,制御端子(図示せず)、及びN電極67が一体成形された、いわゆるインサートケース62にシリコーン接着剤64で接着される。インサートケース62の材質はポリフェニレンサルファイド(PPS)である。外形寸法は、9cm(L)×3.5cm(W)×3cm(H)である。インサートケース62には、プリント回路基板(PCB)69が制御回路用として、同じくシリコーン接着剤64で接着される。電気的配線は、超音波ワイヤボンディングされるアルミニウムワイヤ68で行われる。線径0.3mmφ であり、電流容量を考慮して、チップ当たり、24本のワイヤが接続されている。封止は、エポキシ樹脂63で行われる。IGBTモジュールでは、シリコーンゲルによる封止が一般的であるが、本実施例ではいわゆる硬質レジンのみで封止したので、接着材64のみの場合より、防水の信頼性がより向上する。
【0015】
本実施例のIGBTモジュールの全端子を短絡し、モジュールを銅板の上に載せて、銅板と、短絡した全端子間の絶縁耐圧を測定すると、4KVであり、素子耐圧600VのIGBTモジュールとして十分な値である。
【0016】
冷却は、本実施例のIGBTモジュールのケース底面698を水路カバーに接着し、ヒートシンク693に冷却水を当てて行う。冷却系まで含めた断面構造を図7に示す。IGBTモジュール74は、図6の構造と基本的に同じであり、本実施例では、インサートケース75の底面全体に、銅板(C1100)71をインサート成形している。水路カバー72はアルミニウムダイカストで製造されている。冷却水のシールは、この銅板71部で、ケース75底面と水路カバー72とをガスケット70でネジ締めする。
【0017】
上記水路73に、冷却水を流速3m/sで流して、IGBT60の熱抵抗を測定した。その結果、Rth(j−w)=0.09℃/W であった。図2の従来技術の場合、同じ3m/sの流速で、Rth(j−w)=0.32℃/W であり、熱抵抗を70%以上小さくできた。さらに、ガラス層65が存在しない場合のRth(j−w)は0.08℃/Wであり、図4の従来技術の場合と比べても熱抵抗が10%程度しか増加せず、絶縁モジュールとして実装しやすくなっている。
【0018】
ヒートシンク693を銅(C1100)としたのは、熱抵抗低減を最優先としたためであり、製造コストを考慮して、アルミニウムとしてもよい。ヒートシンク693をアルミニウム(JIS A 1100)とした場合(形状は同一)についても同様に熱抵抗を測定したところ、Rth(j−w)=0.11℃/W であった。アルミニウムは銅よりも熱伝導率が低い為、熱抵抗が多少増大するが、図2の従来技術の構造よりも低い熱抵抗である。なお、アルミニウム製ヒートシンクの場合、線膨張係数が、銅よりも大きい為、チップ下はんだ690の歪みは銅製の場合よりも大きいので、アルミニウム製ヒートシンクの場合、はんだ690を0.2mm と厚くした。
【0019】
なお、ヒートシンク693の材質としては、無酸素銅(C1020),アルミダイカスト等でもよく、製造コスト,熱抵抗を考慮して選択すればよい。
【0020】
(実施例2)
本実施例を、図8の断面構造模式図を使用して説明する図6,図7に示した実施例と本実施例が異なるのは、ヒートシンク82の形状、及び、それに付随したインサートケース81の形状のみであり、その他の部分は全く同じである。図6のヒートシンク693にはフィン66を形成していたが、本実施例では平板のヒートシンク82であり、材質、及び、メッキ仕様は同じである。ヒートシンク82の表面は凹凸の山と谷との間を測定し、大きいほうから5点の平均値が0.1mm以下であり、この凹凸が0.05mm 以下であるとより好ましい。ヒートシンク82にIGBT,FWDチップをはんだ接着後、インサートケース81にヒートシンクをシリコーン接着材で接着する。絶縁は、モジュール底面全体に熱伝導樹脂シート80を接着して行われる。熱伝導樹脂シート80は、エポキシ樹脂にアルミナフィラーを混錬したもので、膜厚は0.1mm、熱伝導率は1.6W/m・℃である。接着は、150℃に加熱し、加圧する、いわゆる熱圧着で行われる。本実施例の構造で、モジュール底面は、樹脂シート80で覆われる。なお、熱伝導樹脂シートの厚さは0.3mmより薄ければ良く、好ましくは0.2mm以下である。
【0021】
銅板の上に本モジュールを載せて、全端子と銅板間の絶縁耐圧を測定したところ、6KVを示し、十分な耐圧を確認できた。さらに、実施例1と同じく、流速3m/sで熱伝導樹脂シート80下に冷却水を流し、IGBTチップ60の熱抵抗を測定したところ、Rth(j−w)=0.2℃/W であった。本実施例では図2の従来構造に比べ、低い熱抵抗を実現できた。
【0022】
(実施例3)
図9に本実施例の断面構造模式図を示す。図9は、IGBTチップ60,FWDチップ61,チップ抵抗94各2チップを搭載した1アームモジュールである。アウターリードを含む大きさが約7cm×6cm,板厚1mmのNiメッキ銅(C1020)製リードフレーム91に、IGBTチップ60,FWDチップ61,チップ抵抗94各2チップを共晶はんだ690で接着する。IGBTチップ60,FWDチップ61がはんだ接着されるリードフレーム91裏面には、実施例1と同じ低融点ガラス90が膜厚20μmコーティングされている。各チップとリードフレーム91間は、アルミニウムワイヤ68の超音波ボンディングで接続される。チップ抵抗94は、IGBTチップ60のゲートに接続され、その目的は、並列接続されたIGBT60の発振防止である。本リードフレーム91は、裏面が露出されるように、エポキシ樹脂で符号92の部分がトランスファモールドされる。しかる後IGBTチップ60,FWDチップ61が搭載された、裏面ガラスコートリードフレーム91が露出するように、エポキシ樹脂で符号93の部分が再びトランスファモールドされている。トランスファモールド樹脂93は、裏面ガラスコートリードフレーム91の裏面に約1.5mm オーバーハング97となっている。トランスファモールド樹脂93でリードフレーム91をかしめて、防水を確実にするためである。パッケージの高さは、約6mmである。
【0023】
図12はエポキシ樹脂で封止する前のリードフレーム形状図である。図中のAA断面を、樹脂封止、及び、冷却装置に取り付けた状態で示したのが、前述の図9である。IGBT60,FWD61はリードフレームのコレクタパターン120に接着され、エミッタはアルミニウムワイヤ68でエミッタパターン122に接続されている。補助エミッタワイヤ123,ゲートワイヤ124以外のアルミニウムワイヤは簡略化のため、一対のIGBT,FWDのみに描いている。前述のチップ抵抗94はゲートパターン126に接着され、補助エミッタワイヤ123はパターン125に接続されている。リードフレーム4隅の穴121はモジュール取付穴である。IGBT60,FWD61の熱は、大きさ約5cm×2cmのコレクタパターン120全体に広がり、効率良く放熱できる為、低い熱抵抗を実現できる。
【0024】
本パッケージを回路ケース96に接着して、水路カバー15とで水路95を形成した。水路の厚さは2mmである。この水路95に、約2kg/cm2 の水圧をかけたところ、パッケージ内部への冷却水の浸透は全く見られず、実用的な水圧では冷却水浸透の心配は無いことが分かった。また、これまでと同様に、流速3m/sで、IGBT60の熱抵抗を測定したところ、Rth(j−w)=0.1℃/W となり十分小さい熱抵抗を実現できた。また絶縁耐圧も、実施例1から2と同様に十分な値であった。
【0025】
(実施例4)
図10に本実施例の断面構造模式図を示す。本実施例は、トランスファモールド樹脂93を絶縁に使用した。本実施例では、裏面に一切コーティングしていないリードフレーム91にIGBT60,FWD61,チップ抵抗94を搭載し、リードフレーム裏面を露出させて、樹脂92でトランスファモールドする。リードフレーム91,はんだ690等は、実施例3と同一である。絶縁は、図示したように、トランスファモールド樹脂93で裏面全体を封止したトランスファモールド樹脂による絶縁層101を形成することを行っている。なお、図10では、トランスファモールド樹脂による絶縁層101の厚さは強調して表現しており、実際の厚さは約0.2mmである。本構造は、封止樹脂と絶縁樹脂を共通化して、製造コストを低減すると同時に、パッケージの防水性がより完全になる。
【0026】
本パッケージと回路ケース96,水路カバー15とで水路95を形成し、熱抵抗を測定すると、Rth(j−w)=0.26℃/W(流速:3m/s)であり、図2の従来技術の構造より低い熱抵抗である。
【0027】
(実施例5)
図11に本実施例の断面構造模式図を示す。本実施例では、図9の構造に耐腐食性を達成する為の耐腐食コーティング層110を設けた他は、図9と同様である。耐腐食コーティング層110は、本実施例では膜厚0.1mmの銅箔(C1020)であり、一般的に冷却水として用いられているエチレングリコール系の不凍液の場合、本コーティングで15年稼動した時の銅の溶出は無視出来るほど小さいと予測され、十分な耐腐食性が期待できる。熱抵抗は、銅の抵抗が無視できるほど小さい為、図9の場合と同じ値であった。
【0028】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却水純度に対する配慮や絶縁距離に対する配慮が不要で、耐腐食性に優れ信頼性が高く、熱抵抗が十分低い、パワー半導体モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のパワーモジュールの断面図である。
【図2】従来技術のパワーモジュールの断面図である。
【図3】別の従来技術のパワーモジュールの断面図である。
【図4】さらに別の従来技術のパワーモジュールの断面図である。
【図5】本発明のパワーモジュールの断面図である。
【図6】実施例1のパワーモジュールの断面図である。
【図7】図6のモジュールで水路を構成した場合の模式図である。
【図8】実施例2のパワーモジュールの断面図である。
【図9】実施例3のパワーモジュールの断面図である。
【図10】実施例4のパワーモジュールの断面図である。
【図11】実施例5のパワーモジュールの断面図である。
【図12】実施例3のリードフレーム平面模式図である。
【符号の説明】
10…パワー半導体チップ、11,25,690…はんだ、12…ヒートシンク兼コレクタ、または、ドレイン、または、カソード電極、13…絶縁層、14,73,95…水路、15,72…水路カバー、16,29,32…パワー半導体モジュール、20…銅板(回路パターン)、21…窒化アルミ、22…銅板、23…窒化アルミ基板、24…銅ベース、26…熱伝導グリース、27,30,40,50,82,693…ヒートシンク、29,31,52,66…フィン、51,65,90…低融点ガラス層、60…IGBTチップ、61…FWDチップ、62,75,81…インサートケース、63…エポキシ樹脂、64…シリコーン接着材、67…N電極、68…アルミニウムワイヤ、69…プリント回路基板、70…ガスケット、71…モジュール締付け用銅板、74…IGBTモジュール、76…ヒートシンク/ケース境界層、80…高熱伝導樹脂シート、91…リードフレーム、92,93…トランスファモールド樹脂、94…チップ抵抗、96…回路ケース、97…オーバーハング、101…トランスファモールド樹脂による絶縁層、110…耐腐食コーティング層、120…リードフレームコレクタパターン、121…モジュール取付穴、122…リードフレームエミッタパターン、123…補助エミッタアルミニウムワイヤ、124…ゲートアルミニウムワイヤ、125…リードフレーム補助エミッタパターン、126…リードフレームゲートパターン、691…フィン長さ、694…ヒートシンクのチップ搭載面、695…フィン幅、696…フィン間隔、697…ヒートシンク厚さ、698…ケース底面。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a water cooling structure of a module having a power semiconductor element with a high calorific value, such as a power MOSFET, an IGBT (Insulated gate bipolar transistor).
[0002]
[Prior art]
FIG. 2, FIG. 3 and FIG. 4 show conventional power semiconductor modules used in a large capacity inverter that controls a high output motor such as a motor for a hybrid electric vehicle. FIG. 2 shows a so-called indirect cooling module in which a power semiconductor module 29 is fixed to a heat sink 27 with a thermal conductive grease 26. FIG. 3 shows a direct cooling module 32 in which the copper base 24 of FIG. 2 is used as the copper base 30 with fins 31 and the heat conductive grease 26 of FIG. FIG. 4 shows a direct cooling module in which the power semiconductor chip 10 is soldered to a heat sink 40 having a water channel 14.
[0003]
In FIG. 2, the power semiconductor chip 10 is bonded by solder 11 to an aluminum nitride substrate 23 composed of a copper plate 20, an aluminum nitride 21, and a backside copper plate 22 that are circuit patterns. Further, the aluminum nitride substrate 23 is bonded to the copper base 24 with solder 25. With such a structure, the power semiconductor module 29 is a so-called insulation module in which the power semiconductor chip 10 and the copper base 24 are electrically insulated. For example, when an insulating module is assembled as an inverter, it is not necessary to consider the electrical insulation between the module and the heat sink 27, so that it is easy to handle. The module is radiated by a heat sink 27 in which fins 29 are formed via an aluminum nitride substrate 23 and a copper base 24. This prior art has a water cooling structure in which the water channel 14 is constituted by the heat sink 27 and the water channel cover 15. In the case of this prior art, since it is water-cooled, heat transfer higher than that of air cooling is achieved, but the temperature rises at 26 parts of heat-conducting grease having a two-digit thermal conductivity lower than that of the metal member. Further, the temperature of the aluminum nitride substrate 23, which is a feature of the insulating module, also rises because it has a lower thermal conductivity than metal.
[0004]
In FIG. 3, the fins 31 are provided on the copper base 30 of the power module 32. The copper base 30 and the water channel cover 15 constitute a water channel 14, and a base direct cooling structure in which cooling water is directly applied to the copper base 30. In this structure, since the fins 31 are provided on the copper base 30 which is a flat plate in FIG. 2, it is necessary to consider that the fins 31 are not deformed in the solder bonding process of the aluminum nitride substrate 23. Furthermore, aluminum nitride substrates with high thermal resistance still exist.
[0005]
FIG. 4 shows the power semiconductor chip 10 attached to the aluminum heat sink 40 in which the low heat resistance is improved by removing the insulating substrate (aluminum nitride substrate) of the base direct cooling structure module shown in FIG. Are directly bonded with solder 11. That is, in FIG. 2 and FIG. 3, the heat sink and the chip are electrically insulated modules, whereas in this prior art, the heat sink is a non-insulated module that is not electrically insulated. This prior art has a structure in which the heat of the power semiconductor chip 10 is dissipated by the water-cooled heat sink 40 without inclusions other than the solder 11.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The reason why the power semiconductor module is water-cooled is to reduce the thermal resistance Rth (j−w) from the semiconductor chip junction to the refrigerant. However, in the case of the prior art shown in FIGS. 2 and 3, since there is an insulating substrate 23 for insulating the power semiconductor chip 10 and the module bases 27 and 30, there is a limit to the reduction in thermal resistance.
[0007]
Since the structure of FIG. 4 is a non-insulating module, for example, when the power semiconductor chip 10 is an IGBT, the heat sink 40 serves as a collector electrode. That is, a high voltage is applied to the heat sink 40. Therefore, a sufficient insulation distance between adjacent heat sinks must be taken. Moreover, since a voltage is also applied to the cooling water, the insulation must be ensured by sufficiently increasing the purity of the cooling water. Further, when a voltage is applied to the cooling water, a leak current naturally flows though it is weak, and there is a concern that corrosion of the heat sink 40 is promoted by the leak current.
[0008]
An object of the present invention is to provide a power semiconductor module that does not require consideration for the purity of cooling water or consideration for an insulation distance, has excellent corrosion resistance, high reliability, and sufficiently low thermal resistance.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the power semiconductor module of the present invention. In the present invention, the power semiconductor module 16 indicates a portion above the insulating layer 13. In the power semiconductor module of the present invention, the power semiconductor chip 10 is bonded to the heat sink / collector electrode (in the case of IGBT) 12 with the solder 11, and the insulating layer 13 is provided on the opposite surface of the heat semiconductor chip 10 mounting surface of the heat sink 12. The facing surface and the water channel cover 15 form a water channel 14. With such a configuration, an insulating module in which the cooling water and the power semiconductor module 16 are insulated is obtained.
[0010]
The heat of the power semiconductor chip 10 is sufficiently diffused by the heat sink 12 which is thicker (~ 1 mm or more) than the conventional wiring pattern 20 (thickness: ~ 0.3 mm) of FIG. Therefore, the heat transfer area of the insulating layer 13 becomes sufficiently large, and the thermal resistance of the insulating layer 13 becomes small enough to be ignored. Furthermore, in the power semiconductor module of the present invention, since the insulating layer 13 at the interface between the cooling water and the heat sink 12 is made of a resin such as epoxy or glass such as phosphate glass, it also serves as a corrosion resistant coating.
[0011]
As shown in FIG. 5, the power semiconductor module of the present invention is provided with fins 52 on a heat sink 50 and an insulating layer 51 formed on the outside thereof. The water channel 14 is constituted by the water channel cover 15 and the heat sink 50, and the heat transfer area is increased by the fins 52. At the same time, the thermal resistance of the insulating layer 51 is greatly reduced, so that a further reduction in the thermal resistance can be realized.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
[0013]
Example 1
The present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a one-phase IGBT module on which one upper and lower arm is mounted. The voltage / current rating is 600V / 200A, and the chip sizes of the IGBT 60 and the freewheeling diode (FWD) 61 are approximately 10 mm and 7 mm, respectively. A fin 66 having a length 691 / width 695 / spacing 696 of 6 mm / 6 mm / 3 mm and four heat sinks 693 formed on a plate having a thickness 697 of 3 mm, eutectic solder 690 and IGBT 60 and FWD 61 chip are soldered. Glued. The heat sink 693 is made of tough pitch copper (C1100), and the surface is treated with electroless Ni plating (film thickness: about 6 μm). The plane dimension is 2 cm × 4 cm. Here, the unevenness of the heat sink 693 should be 0.1 mm or more, and more preferably 2 mm or more. Further, the surface of the heat sink 693 other than the chip mounting surface 694 is coated with bismuth glass (film thickness: 20 μm) whose main component is Bi 2 O 3 .
[0014]
The bismuth glass preferably has a thickness of less than 50 μm. In addition to bismuth glass, any glass having a melting point of 660 ° C. or lower and lower than the melting point of aluminum can be applied to this embodiment. The thickness of the solder 690 is approximately 0.1 mm, and the thickness of the Si chip is approximately 0.5 mm. The heat sink 693 on which each of the IGBT 60 and the FWD 61 is mounted is bonded with a silicone adhesive 64 to a so-called insert case 62 in which P, N, output, control terminal (not shown), and an N electrode 67 are integrally formed. The The material of the insert case 62 is polyphenylene sulfide (PPS). The external dimensions are 9 cm (L) × 3.5 cm (W) × 3 cm (H). A printed circuit board (PCB) 69 is adhered to the insert case 62 with a silicone adhesive 64 for the control circuit. Electrical wiring is performed with aluminum wires 68 that are ultrasonic wire bonded. The wire diameter is 0.3 mmφ and 24 wires are connected per chip in consideration of current capacity. Sealing is performed with an epoxy resin 63. In the IGBT module, sealing with silicone gel is generally used, but in this embodiment, since sealing is performed only with a so-called hard resin, the reliability of waterproofing is further improved as compared with the case of the adhesive 64 alone.
[0015]
When all the terminals of the IGBT module of this embodiment are short-circuited, the module is placed on a copper plate, and the insulation withstand voltage between the copper plate and all the short-circuited terminals is measured, it is 4 KV, which is sufficient as an IGBT module with an element withstand voltage of 600 V Value.
[0016]
Cooling is performed by adhering the case bottom surface 698 of the IGBT module of this embodiment to the water channel cover and applying cooling water to the heat sink 693. FIG. 7 shows a cross-sectional structure including the cooling system. The IGBT module 74 is basically the same as the structure of FIG. 6, and in this embodiment, a copper plate (C1100) 71 is insert-molded on the entire bottom surface of the insert case 75. The water channel cover 72 is made of aluminum die casting. The cooling water is sealed by the copper plate 71 and the bottom surface of the case 75 and the water channel cover 72 are screwed together with the gasket 70.
[0017]
Cooling water was passed through the water channel 73 at a flow rate of 3 m / s, and the thermal resistance of the IGBT 60 was measured. As a result, Rth (jw) = 0.09 ° C./W. In the case of the prior art of FIG. 2, Rth (j−w) = 0.32 ° C./W 2 at the same flow rate of 3 m / s, and the thermal resistance could be reduced by 70% or more. Further, Rth (j−w) when the glass layer 65 is not present is 0.08 ° C./W, and the thermal resistance is increased only by about 10% as compared with the case of the prior art of FIG. It is easy to implement as.
[0018]
The reason why the heat sink 693 is made of copper (C1100) is that heat resistance reduction is given top priority, and aluminum may be used in consideration of manufacturing costs. When the heat sink 693 was made of aluminum (JIS A 1100) (the shape was the same), the thermal resistance was measured in the same manner. As a result, Rth (j−w) = 0.11 ° C./W 2. Since aluminum has a lower thermal conductivity than copper, the thermal resistance is somewhat increased, but is lower than that of the prior art structure of FIG. In the case of an aluminum heat sink, since the linear expansion coefficient is larger than that of copper, the distortion of the under-chip solder 690 is larger than that of copper. Therefore, in the case of an aluminum heat sink, the solder 690 is made as thick as 0.2 mm.
[0019]
The material of the heat sink 693 may be oxygen-free copper (C1020), aluminum die casting, or the like, and may be selected in consideration of manufacturing cost and thermal resistance.
[0020]
(Example 2)
This embodiment will be described using the schematic cross-sectional structure diagram of FIG. 8. This embodiment differs from the embodiment shown in FIGS. 6 and 7 in that the shape of the heat sink 82 and the insert case 81 associated therewith are different. The other parts are exactly the same. The fins 66 are formed on the heat sink 693 in FIG. 6, but in the present embodiment, the flat heat sink 82 has the same material and plating specifications. The surface of the heat sink 82 is measured between the peaks and valleys of the unevenness, and the average value of the five points from the largest is 0.1 mm or less, and it is more preferable that the unevenness is 0.05 mm or less. After the IGBT and FWD chips are solder bonded to the heat sink 82, the heat sink is bonded to the insert case 81 with a silicone adhesive. Insulation is performed by adhering a heat conductive resin sheet 80 to the entire module bottom surface. The heat conductive resin sheet 80 is obtained by kneading an alumina filler with an epoxy resin, and has a film thickness of 0.1 mm and a heat conductivity of 1.6 W / m · ° C. Adhesion is performed by so-called thermocompression bonding, in which the material is heated to 150 ° C. and pressurized. In the structure of this embodiment, the module bottom surface is covered with a resin sheet 80. In addition, the thickness of the heat conductive resin sheet should just be thinner than 0.3 mm, Preferably it is 0.2 mm or less.
[0021]
When this module was mounted on a copper plate and the dielectric breakdown voltage between all terminals and the copper plate was measured, it was 6 KV and a sufficient breakdown voltage was confirmed. Further, as in Example 1, when cooling water was allowed to flow under the heat conductive resin sheet 80 at a flow rate of 3 m / s and the thermal resistance of the IGBT chip 60 was measured, Rth (j−w) = 0.2 ° C./W there were. In this embodiment, a low thermal resistance was realized as compared with the conventional structure of FIG.
[0022]
Example 3
FIG. 9 shows a schematic cross-sectional structure of this example. FIG. 9 shows a one-arm module on which an IGBT chip 60, an FWD chip 61, and a chip resistor 94 are mounted. An IGBT chip 60, an FWD chip 61, and a chip resistor 94 are bonded to each other by a eutectic solder 690 on a Ni-plated copper (C1020) lead frame 91 having a size including outer leads of about 7 cm × 6 cm and a thickness of 1 mm. . On the back surface of the lead frame 91 to which the IGBT chip 60 and the FWD chip 61 are soldered, the same low melting point glass 90 as that of the first embodiment is coated with a film thickness of 20 μm. Each chip and the lead frame 91 are connected by ultrasonic bonding of an aluminum wire 68. The chip resistor 94 is connected to the gate of the IGBT chip 60, and its purpose is to prevent oscillation of the IGBTs 60 connected in parallel. The lead frame 91 is epoxy molded with epoxy resin so that the back surface is exposed. Thereafter, the portion 93 is again molded with epoxy resin so that the back glass coated lead frame 91 on which the IGBT chip 60 and the FWD chip 61 are mounted is exposed. The transfer mold resin 93 has an overhang 97 of about 1.5 mm on the back surface of the back glass-coated lead frame 91. This is because the lead frame 91 is caulked with the transfer mold resin 93 to ensure waterproofing. The height of the package is about 6 mm.
[0023]
FIG. 12 is a lead frame shape diagram before sealing with epoxy resin. FIG. 9 described above shows the AA cross section in the figure in a state where the resin is sealed and attached to the cooling device. The IGBT 60 and FWD 61 are bonded to the collector pattern 120 of the lead frame, and the emitter is connected to the emitter pattern 122 by an aluminum wire 68. Aluminum wires other than the auxiliary emitter wire 123 and the gate wire 124 are drawn only on a pair of IGBTs and FWDs for simplification. The aforementioned chip resistor 94 is bonded to the gate pattern 126, and the auxiliary emitter wire 123 is connected to the pattern 125. Holes 121 at the four corners of the lead frame are module mounting holes. The heat of the IGBT 60 and the FWD 61 spreads over the entire collector pattern 120 having a size of about 5 cm × 2 cm and can efficiently dissipate heat, thereby realizing a low thermal resistance.
[0024]
This package was bonded to the circuit case 96 to form a water channel 95 with the water channel cover 15. The thickness of the water channel is 2 mm. When a water pressure of about 2 kg / cm 2 was applied to the water channel 95, no penetration of cooling water into the package was observed, and it was found that there was no concern about cooling water penetration at a practical water pressure. Further, when the thermal resistance of the IGBT 60 was measured at a flow rate of 3 m / s as before, Rth (j−w) = 0.1 ° C./W 2 and a sufficiently small thermal resistance could be realized. Also, the withstand voltage was a sufficient value as in Examples 1 and 2.
[0025]
Example 4
FIG. 10 shows a schematic cross-sectional structure of this example. In this example, transfer mold resin 93 was used for insulation. In this embodiment, an IGBT 60, FWD 61, and chip resistor 94 are mounted on a lead frame 91 that is not coated on the back surface at all, and the back surface of the lead frame is exposed and transfer molded with a resin 92. The lead frame 91, solder 690, and the like are the same as those in the third embodiment. Insulation is performed by forming an insulating layer 101 made of a transfer mold resin, the entire back surface of which is sealed with a transfer mold resin 93 as shown in the figure. In FIG. 10, the thickness of the insulating layer 101 made of transfer mold resin is expressed with emphasis, and the actual thickness is about 0.2 mm. In this structure, the sealing resin and the insulating resin are used in common to reduce the manufacturing cost, and at the same time, the waterproofness of the package becomes more complete.
[0026]
When the water channel 95 is formed by this package, the circuit case 96, and the water channel cover 15 and the thermal resistance is measured, Rth (j−w) = 0.26 ° C./W (flow rate: 3 m / s). Lower thermal resistance than prior art structures.
[0027]
(Example 5)
FIG. 11 shows a schematic diagram of a cross-sectional structure of this example. This embodiment is the same as FIG. 9 except that the structure of FIG. 9 is provided with a corrosion-resistant coating layer 110 for achieving corrosion resistance. The corrosion resistant coating layer 110 is a copper foil (C1020) having a thickness of 0.1 mm in this embodiment, and in the case of an ethylene glycol antifreeze generally used as cooling water, the coating has been operated for 15 years. The elution of copper at the time is predicted to be negligibly small, and sufficient corrosion resistance can be expected. The thermal resistance was the same value as in FIG. 9 because the resistance of copper was so small that it could be ignored.
[0028]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the consideration with respect to a cooling water purity and the consideration with respect to an insulation distance are unnecessary, it is excellent in corrosion resistance, it is highly reliable, and a power semiconductor module with sufficient low thermal resistance can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a power module of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a conventional power module.
FIG. 3 is a cross-sectional view of another prior art power module.
FIG. 4 is a cross-sectional view of yet another prior art power module.
FIG. 5 is a cross-sectional view of the power module of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of the power module according to the first embodiment.
7 is a schematic diagram when a water channel is configured by the module of FIG. 6;
FIG. 8 is a cross-sectional view of a power module according to a second embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a power module according to a third embodiment.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a power module according to a fourth embodiment.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a power module according to a fifth embodiment.
12 is a schematic plan view of a lead frame of Example 3. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Power semiconductor chip, 11, 25,690 ... Solder, 12 ... Heat sink and collector or drain or cathode electrode, 13 ... Insulating layer, 14, 73, 95 ... Waterway, 15,72 ... Waterway cover, 16 , 29, 32 ... power semiconductor module, 20 ... copper plate (circuit pattern), 21 ... aluminum nitride, 22 ... copper plate, 23 ... aluminum nitride substrate, 24 ... copper base, 26 ... thermal grease, 27, 30, 40, 50 , 82, 693 ... heat sink, 29, 31, 52, 66 ... fin, 51, 65, 90 ... low melting glass layer, 60 ... IGBT chip, 61 ... FWD chip, 62, 75, 81 ... insert case, 63 ... epoxy Resin, 64 ... Silicone adhesive, 67 ... N electrode, 68 ... Aluminum wire, 69 ... Printed circuit board, 70 ... Gasket 71 ... Copper plate for module fastening, 74 ... IGBT module, 76 ... Heat sink / case boundary layer, 80 ... High thermal conductive resin sheet, 91 ... Lead frame, 92, 93 ... Transfer mold resin, 94 ... Chip resistor, 96 ... Circuit case, 97 ... Overhang, 101 ... Insulating layer by transfer mold resin, 110 ... Corrosion-resistant coating layer, 120 ... Lead frame collector pattern, 121 ... Module mounting hole, 122 ... Lead frame emitter pattern, 123 ... Auxiliary emitter aluminum wire, 124 ... Gate aluminum wire, 125 ... lead frame auxiliary emitter pattern, 126 ... lead frame gate pattern, 691 ... fin length, 694 ... heat sink chip mounting surface, 695 ... fin width, 696 ... fin spacing 697 ... heat sink thickness, 698 ... bottom of the case.

Claims (13)

パワー半導体チップと、
該パワー半導体チップを搭載し、パワー半導体チップの熱を拡散させる金属体と、
前記パワー半導体チップを冷却する水冷手段とを備え、
前記パワー半導体チップは前記金属体の一方の面に接着手段により電気的に接着されており、
前記金属体の他方の面には絶縁層がコーティングされており、
前記絶縁層には前記水冷手段の冷却水が接するようになっており、
前記絶縁層は、融点が660℃以下の低融点ガラス又は樹脂から構成されている、或いは前記金属体表面に酸素又は窒素の原子を導入して、前記金属体を改質したものから構成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
A power semiconductor chip;
A metal body mounted with the power semiconductor chip and diffusing heat of the power semiconductor chip;
Water cooling means for cooling the power semiconductor chip,
The power semiconductor chip is electrically bonded to one surface of the metal body by an adhesive means,
An insulating layer is coated on the other surface of the metal body,
The insulating layer is in contact with the cooling water of the water cooling means,
The insulating layer is made of low melting glass or resin having a melting point of 660 ° C. or lower, or made by modifying the metal body by introducing oxygen or nitrogen atoms into the surface of the metal body. A power semiconductor module characterized by comprising:
請求項1に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記低融点ガラスはビスマス酸化物系ガラスであることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 1,
The power semiconductor module, wherein the low melting point glass is bismuth oxide glass.
請求項1又は2に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記低融点ガラスにより構成された前記絶縁層の厚さは50μm以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 1 or 2,
The power semiconductor module according to claim 1, wherein the insulating layer made of the low-melting glass has a thickness of 50 μm or less.
請求項1に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記樹脂は、エポキシ樹脂にアルミナフィラーを混錬したものであることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 1,
The power semiconductor module, wherein the resin is a mixture of an epoxy resin and an alumina filler.
請求項1又は4に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記樹脂により構成された前記絶縁層の厚さは300μm以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 1 or 4,
The power semiconductor module, wherein the insulating layer made of the resin has a thickness of 300 μm or less.
請求項1,4,5のいずれかに記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記樹脂は、前記パワー半導体チップを封止する樹脂であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to any one of claims 1, 4 and 5,
The power semiconductor module, wherein the resin is a resin that seals the power semiconductor chip.
パワー半導体チップと、
該パワー半導体チップを搭載し、パワー半導体チップの熱を拡散させる金属体と、
前記パワー半導体チップと電気的に接続された配線と、
前記パワー半導体チップを冷却する水冷手段とを備え、
前記パワー半導体チップは前記金属体の一方の面に接着手段により電気的に接着されており、
前記金属体の他方の面には絶縁層がコーティングされており、
前記絶縁層には前記水冷手段の冷却水が接するようになっており、
前記パワー半導体チップ,前記金属体及び前記配線は硬質樹脂で封止されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
A power semiconductor chip;
A metal body mounted with the power semiconductor chip and diffusing heat of the power semiconductor chip;
Wiring electrically connected to the power semiconductor chip;
Water cooling means for cooling the power semiconductor chip,
The power semiconductor chip is electrically bonded to one surface of the metal body by an adhesive means,
An insulating layer is coated on the other surface of the metal body,
The insulating layer is in contact with the cooling water of the water cooling means,
The power semiconductor module, wherein the power semiconductor chip, the metal body, and the wiring are sealed with a hard resin.
パワー半導体チップと、
該パワー半導体チップを搭載し、パワー半導体チップの熱を拡散させる金属体と、
前記パワー半導体チップを冷却する水冷手段とを備え、
前記金属体は銅又はアルミニウム或いはそれらの合金からなり、
前記パワー半導体チップは前記金属体の一方の面に接着手段により電気的に接着されており、
前記金属体の他方の面は表面に0.1mm 以上の凸凹を有しており、
前記凹凸を含む前記金属体の他方の面の表面には絶縁層がコーティングされており、
前記絶縁層には前記水冷手段の冷却水が接するようになっていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
A power semiconductor chip;
A metal body mounted with the power semiconductor chip and diffusing heat of the power semiconductor chip;
Water cooling means for cooling the power semiconductor chip,
The metal body is made of copper or aluminum or an alloy thereof,
The power semiconductor chip is electrically bonded to one surface of the metal body by an adhesive means,
The other surface of the metal body has an unevenness of 0.1 mm or more on the surface,
The surface of the other surface of the metal body including the irregularities is coated with an insulating layer,
The power semiconductor module, wherein the insulating layer is in contact with cooling water of the water cooling means.
パワー半導体チップと、
該パワー半導体チップを搭載し、パワー半導体チップの熱を拡散させる金属板と、
前記パワー半導体チップと前記金属板とを封止する樹脂ケースと、
前記パワー半導体チップを冷却する水冷手段とを備え、
前記パワー半導体チップは前記金属板に接着手段により電気的に接着されており、
前記金属板は、前記パワー半導体チップの搭載面の対向面が前記樹脂ケースの底面に露出するように、前記樹脂ケースに接着されており、
前記金属板が露出した前記樹脂ケースの底面全体は一体の絶縁層で被覆されており、
前記絶縁層には前記水冷手段の冷却水が接するようになっており、
前記絶縁層は、エポキシ樹脂を主成分とする樹脂から構成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
A power semiconductor chip;
A metal plate mounted with the power semiconductor chip and diffusing heat of the power semiconductor chip;
A resin case for sealing the power semiconductor chip and the metal plate;
Water cooling means for cooling the power semiconductor chip,
The power semiconductor chip is electrically bonded to the metal plate by bonding means,
The metal plate is bonded to the resin case such that the surface facing the mounting surface of the power semiconductor chip is exposed on the bottom surface of the resin case,
The entire bottom surface of the resin case where the metal plate is exposed is covered with an integral insulating layer,
The insulating layer is in contact with the cooling water of the water cooling means,
The power semiconductor module, wherein the insulating layer is made of a resin mainly composed of an epoxy resin.
パワー半導体チップと、
該パワー半導体チップを搭載し、パワー半導体チップの熱を拡散させる金属体と、
前記パワー半導体チップを冷却する水冷手段とを備え、
前記パワー半導体チップは前記金属体に接着手段により電気的に接着されており、
前記パワー半導体チップは前記金属体の一方の面に接着手段により電気的に接着されており、
前記金属体の他方の面には絶縁層がコーティングされており、
前記絶縁層の表面には、前記絶縁層とは異なる材質の薄膜が固着されており、
前記薄膜には前記水冷手段の冷却水が接するようになっていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
A power semiconductor chip;
A metal body mounted with the power semiconductor chip and diffusing heat of the power semiconductor chip;
Water cooling means for cooling the power semiconductor chip,
The power semiconductor chip is electrically bonded to the metal body by bonding means,
The power semiconductor chip is electrically bonded to one surface of the metal body by an adhesive means,
An insulating layer is coated on the other surface of the metal body,
A thin film made of a material different from the insulating layer is fixed to the surface of the insulating layer,
The power semiconductor module, wherein the thin film is in contact with cooling water of the water cooling means.
請求項10に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記薄膜は厚さ0.1mm 以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 10,
The power semiconductor module, wherein the thin film has a thickness of 0.1 mm or less.
パワー半導体チップと、
該パワー半導体チップを搭載し、パワー半導体チップの熱を拡散させる金属体と、
前記パワー半導体チップと前記金属体とを封止する樹脂ケースと、
前記パワー半導体チップを冷却する水冷手段とを備え、
前記パワー半導体チップは前記金属体に接着手段により電気的に接着されており、
前記金属体の前記パワー半導体チップとの接着面の対向面には絶縁層がコーティングされており、
前記絶縁層には、厚さ0.1mm 以下であり、前記絶縁層とは異なる材質の薄膜が接着されており、
前記薄膜には前記水冷手段の冷却水が接するようになっていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
A power semiconductor chip;
A metal body mounted with the power semiconductor chip and diffusing heat of the power semiconductor chip;
A resin case for sealing the power semiconductor chip and the metal body;
Water cooling means for cooling the power semiconductor chip,
The power semiconductor chip is electrically bonded to the metal body by bonding means,
An insulating layer is coated on the opposite surface of the adhesion surface of the metal body with the power semiconductor chip,
The insulating layer has a thickness of 0.1 mm or less, and a thin film made of a material different from the insulating layer is bonded to the insulating layer.
The power semiconductor module, wherein the thin film is in contact with cooling water of the water cooling means.
請求項10又は12に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記薄膜は、銅又はアルミニウムの金属から構成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 10 or 12,
The power semiconductor module, wherein the thin film is made of copper or aluminum metal.
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