JP7369670B2 - パワーモジュール、およびパワーモジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、パワーモジュール、およびパワーモジュールの製造方法に関する。

パワー半導体素子のスイッチング動作により電力変換を行うパワーモジュールは、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電設備等に幅広く利用されている。このパワー半導体素子はスイッチング動作により発熱を繰り返すため、パワーモジュールの放熱性に高い信頼性が求められる。例えば、車載用においては、小型化、軽量化の要求に応じてより高い信頼性が求められている。

特許文献１には、パワーデバイスから発せられる熱が、回路板、電気絶縁板および応力緩和板を経て冷却器に伝えられ、冷却流体通路内を流れる冷却流体に放熱されることが開示され、応力緩和板は、熱伝導性に優れたアルミニウム、銅などの金属により形成されることが開示されている。

特開２０１３－３８１２３号公報

特許文献１では、冷却部材に熱を伝える金属に圧縮応力により塑性変形が発生すると、冷却部材との間に隙間が発生し、接触熱抵抗が増加して、放熱性が低下する課題がある。

本発明の第１の態様によるパワーモジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備えるパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第１金属部材と、を備え、前記第１金属部材は、前記第１金属部材内に埋設される第２金属部材を有し、前記第２金属部材は、前記第１金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第１金属部材の厚さより薄い厚さであり、Cu及びNi素材により構成される。
本発明の第２の態様によるパワーモジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備えるパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第１金属部材と、を備え、前記第１金属部材は、前記第１金属部材内に埋設される第２金属部材を有し、前記第２金属部材は、前記第１金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第１金属部材の厚さより薄い厚さであり、前記第１金属部材の厚さは、４０－２００μｍである。
本発明の第３の態様によるパワーモジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備えるパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第１金属部材と、を備え、前記第１金属部材は、前記第１金属部材内に埋設される第２金属部材を有し、前記第２金属部材は、前記第１金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第１金属部材の厚さより薄い厚さであり、前記第１金属部材と前記絶縁部材との間、又は前記第１金属部材と前記冷却部材との間に、金属間化合物層を形成する。
本発明の第４の態様によるパワーモジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備えるパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第１金属部材と、を備え、前記第１金属部材は、前記第１金属部材内に埋設される第２金属部材を有し、前記第２金属部材は、前記第１金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第１金属部材の厚さより薄い厚さであり、前記パワー半導体素子と前記導体板とを接合する第２接合材の厚さをＨ１、前記導体板の厚さをＨ２、前記絶縁部材を構成する樹脂絶縁層の厚さをＨ３、前記絶縁部材を構成する金属箔の厚さをＨ４とし、前記第２接合材の線膨張係数をａ１、前記導体板の線膨張係数をａ２、前記樹脂絶縁層の線膨張係数をａ３、前記金属箔の線膨張係数をａ４とし、前記パワー半導体モジュールの温度と室温との温度差をΔＴとし、前記パワー半導体モジュールの反り量ΔＳを下記の式によって定義したときに、前記第１金属部材と前記第２金属部材の厚さの差は、前記ΔＳの値より小さい。
ΔＳ＝Ｈ１×ａ１×ΔＴ＋Ｈ２×ａ２×ΔＴ＋Ｈ３×ａ３×ΔＴ＋Ｈ４×ａ４×ΔＴ
本発明の第５の態様によるパワーモジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備えるパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第１金属部材と、を備え、前記第１金属部材は、前記第１金属部材内に埋設される第２金属部材を有し、前記第２金属部材は、前記第１金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第１金属部材の厚さより薄い厚さであり、前記絶縁部材と接触する前記第１金属部材の表面は凹凸形状を形成し、凸部の面積率は４０%以上である。
本発明によるパワーモジュールの製造方法は、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備えるパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第１金属部材と、を備えたパワーモジュールの製造方法であって、前記第１金属部材内に前記第１金属部材よりも硬い金属材料よりなる第２金属部材を埋設する第１工程と、前記第２金属部材を埋設した第１金属部材を冷却部材と接合する第２工程と、前記第１金属部材の厚さをプレス加工により薄くする第３工程と、前記第１金属部材に前記パワー半導体モジュールを密着する第４工程と、を備える。

本発明によれば、冷却部材に熱を伝える金属の塑性変形を抑制し、放熱の信頼性を向上させることができる。

パワーモジュールの外観を示す図である。 パワーモジュールの断面図である。 パワーモジュールの要部の拡大断面図である。 パワーモジュールの要部の拡大断面図である。 パワー半導体モジュールの反り量の例を示す表である。 （Ａ）～（Ｃ）第１金属部材の凸部の面積率と熱抵抗との関係をシミュレーションした結果を示す図である。 （Ａ）～（Ｄ）パワーモジュールの製造工程を示す図である。 両面冷却型のパワーモジュールの断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各実施形態において同一の符号を付された構成は、特に言及しない限り、各実施形態において同様の機能を有するため、その説明を省略する。また、必要な図面には、各部の位置の説明を明確にするために、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸から成る直交座標軸を記載している。

本実施形態では、平板状のパワー半導体素子に直交するＺ軸方向を、「縦方向」とも称する。本実施形態では、平板状のパワー半導体素子に沿ったＸ軸方向を「横方向」とも称する。

図１は、本実施形態に係るパワーモジュール１００の外観を示す図である。
パワーモジュール１００は、一面に冷却部材４５が配置されている。冷却部材４５は、パワー半導体モジュール１０１に後述の第１金属部材２０を介して当接している。パワー半導体モジュール１０１は、後述のパワー半導体素子３２等の各構成要素を、封止樹脂６により封止されている。そして、冷却部材４５の中に冷媒を流通することによりパワー半導体モジュール１０１を冷却する。冷媒には、水や水にエチレングリコールを混入した不凍液等を用いる。冷却部材４５は、菅状の冷却部材４５でもよいし、ピン状のフィンを用いてもよい。

冷却部材４５は、伝導性を有する材料を用いて形成される。冷却部材４５は、例えば、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ－Ｃ、Ｃｕ－ＣｕＯ又はこれらの複合材、或いは、Ａｌ、Ａｌ合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ－Ｃ又はこれらの複合材等を用いて形成される。

パワーモジュール１００は、直流正極端子５２、直流負極端子５３、交流出力端子５４及び制御端子５５が、パワーモジュール１００から外部へ向かって突出するように伸びている。なお、図１では、直流正極端子５２及び直流負極端子５３が交流出力端子５４及び制御端子５５と、互いに対抗したパワーモジュール１００の例を示したが、各端子の突出方向が１方向のパワーモジュール１００であってもよい。

図２は、図１に示すＡ－Ａ’線でパワーモジュール１００を切断した断面図である。図３は、図２に示すパワーモジュール１００の要部Ｂの拡大断面図であり、図４は、図２に示すパワーモジュール１００の要部Ｃの拡大断面図である。

パワーモジュール１００は、パワー半導体素子３２を備える。パワー半導体素子３２は、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）、ＩＥＧＴ（injection enhanced gate transistor）又はＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）等のトランジスタが形成された半導体、或いは、ダイオードが形成された半導体により構成される。図２では、パワー半導体素子３２の一例として、トランジスタが形成された半導体を示している。パワー半導体素子３２は、スイッチング素子として機能する。

図２に示すように、パワー半導体素子３２が、例えばＩＧＢＴ等のトランジスタが形成された半導体である場合、パワー半導体素子３２の第１電極面３２ａはエミッタ電極に相当し、第２電極面３２ｂはコレクタ電極に相当する。この場合、第１電極面３２ａ、第２電極面３２ｂ及び図示省略した制御電極は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ又はこれらの合金等を用いて形成される。第１電極面３２ａ、第２電極面３２ｂ及び制御電極の表面には、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｐｄ又はこれらの合金等の鍍金が施されている。

第１導体板３０は、縦方向において第１接合材３１を介して第１電極面３２ａに対向して配置される。第２導体板３４は、縦方向において第２接合材３３を介して第２電極面３２ｂに対向して配置される。第１導体板３０及び第２導体板３４は、Ｚ軸方向の両面からパワー半導体素子３２を挟持する。

第１導体板３０及び第２導体板３４のそれぞれは、導電性及び熱伝導性を有する材料を用いて形成される。第１導体板３０及び第２導体板３４のそれぞれは、例えば、Ｃｕ若しくはＣｕ合金、又は、Ａｌ若しくはＡｌ合金等を用いて形成される。なお、図２では、第１導体板３０及び第２導体板３４が単一の部材で形成された例を示しているが、第１導体板３０及び第２導体板３４は、複数の部材を接合して形成されていてもよい。

第２導体板３４には、樹脂絶縁層４２および金属箔４３により構成される絶縁部材４４が積層される。絶縁部材４４は熱伝導性を有する。第１導体板３０、第２導体板３４および絶縁部材４４は、パワー半導体素子３２を挟持した状態において、封止樹脂６によって封止され、パワー半導体モジュール１０１を構成する。封止樹脂６は、例えば、エポキシ樹脂等であり、トランスファーモールド等の樹脂成型によって成形される。絶縁部材４４と冷却部材４５との間には、熱伝導部材である第１金属部材２０が設けられている。金属板４１と第１金属部材２０を介した冷却部材４５とは、Ｚ軸方向の両面からパワー半導体モジュール１０１を挟持する。

パワー半導体素子３２から発生した熱は、第２電極面３２ｂ側から、第２接合材３３を介して、第２導体板３４に伝達され、冷却部材４５に伝達される。
絶縁部材４４は、パワー半導体素子３２から発生した熱を冷却部材４５に伝達する部材であり、熱伝導率が高く、かつ、絶縁耐圧が大きい材料を用いて形成される。絶縁部材４４は、金属箔４３が接着された樹脂絶縁層４２でもよく、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ若しくはＳｉ３Ｎ４等のセラミクス、又は、これらの微粉末を含有する絶縁シートでもよい。

第１金属部材２０は、絶縁部材４４と冷却部材４５とを密着する金属、即ち硬度が低い金属、例えばヤング率50GPa以下の金属が好ましい。第１金属部材２０の材料は、例えば、Sn、In、Zn、Snの合金、Inの合金、Znの合金が好適である。

パワーモジュール１００は、パワーサイクル試験や温度サイクル試験において、パワー半導体素子３２の発熱を起点として各部材に熱膨張が生じる。それにより、第１金属部材２０には圧縮応力が負荷される。第１金属部材２０への圧縮応力が降伏応力未満であれば弾性領域内であり、第１金属部材２０と絶縁部材４４の間、又は第1金属部材２０と冷却部材４５の間には隙間が発生せず、パワーモジュール１００の放熱性が維持される。一方で、第１金属部材２０への圧縮応力が降伏応力に達すると、第１金属部材２０が塑性変形し、第１金属部材２０と絶縁部材４４、または第１金属部材２０と冷却部材４５との間に隙間が発生し易い。隙間が発生すると、冷却部材４５と接触する面積が減少し、接触熱抵抗が大きくなり、放熱性が低下する。それによりパワーモジュール１００では、信頼性が低下する。

本実施形態に係るパワーモジュール１００では、図３に示すように、第１金属部材２０は、第１金属部材２０内に埋設される第２金属部材２１を有する。第２金属部材２１は第１金属部材２０より硬い金属材料である。第１金属部材２０よりも硬いとは、ビッカース硬さやブリネル硬さ等の各種の硬さを示す指標が、第１金属部材２０よりも大きいことを示すという意味である。すなわち、第２金属部材２１は、第１金属部材２０よりも大きい硬さを有すると好適である。第２金属部材２１が第１金属部材２０よりも硬いことにより、第２金属部材２１の降伏応力は第１金属部材２０よりも大きくなり、第２金属部材２１が絶縁部材４４と冷却部材４５との間の隙間を規制しやすくなる。よってパワーモジュール１００は、第１金属部材２０の塑性変形を抑制でき、パワーモジュール１００の信頼性を確保することができる。なお、第１金属部材２０よりも硬いとは、第２金属部材２１の材料のヤング率が、第１金属部材２０の材料のヤング率より大きいという意味であってもよい。

第２金属部材２１は、第１金属部材２０と一緒に合金層を形成する点、第１金属部材２０の濡れ性が高い点、及び、第１金属部材２０よりも硬い、他の材料に比べて熱伝導率が高い点を鑑みると、第２金属部材２１の材料は、例えば、Ni、Cu、Cuの合金及びNiの合金が好適である。但し、第２金属部材２１の材料は、必ずしもNi、Cu、Cuの合金及びNiの合金に限定されるものではない。第２金属部材２１の材料は、第１金属部材２０の融点より高い融点を有し、高温に曝されても剛性が低下せず、絶縁部材４４と冷却部材４５との隙間を規制できる材料であればよい。

また、第２金属部材２１は、第１金属部材２０の厚さより薄い厚さである。これにより、第２金属部材２１は、絶縁部材４４と冷却部材４５との間の縦方向寸法を規定するスペーサとして機能し、第１金属部材２０が圧縮応力により降伏応力に至ることを抑制し、塑性変形を低減でき、パワーモジュール１００の信頼性を向上させることができる。

第１金属部材２０の厚さは３０－２００μm以内が好ましい。第１金属部材２０の厚さは、パワーモジュール１００の放熱性や信頼性に影響を与える。第１金属部材２０の厚さが厚すぎると熱抵抗が大きくなり、放熱性が低下してしまう。一方で、第１金属部材２０の厚さが薄すぎると、絶縁部材４４及び冷却部材４５との接触面の凹凸によって第１金属部材２０と絶縁部材４４の間、又は第１金属部材２０と冷却部材４５の間には隙間が発生する懸念がある。例えば、絶縁部材４４の表面は凹凸によって４０μmの段差を有する。よって第１金属部材２０の厚さは４０-２００μmが好ましく、７０-１７０μmであればなおよい。第２金属部材２１は、互いに分離した形状が好ましい。互いに分離されていないと、絶縁部材４４及び冷却部材４５における段差に第２金属部材２１が追従することができず、第１金属部材２０と絶縁部材４４の間、又は第１金属部材２０と冷却部材４５の間には隙間が発生する懸念がある。よって、第２金属部材２１は、例えば複数の粒子が好ましく、粒子の形状は球状でも四角いサイコロ状でもその他の形状であってもよい。また、線材を切断した金属材料でもよい。すなわち、第２金属部材２１は、互いに分離した金属材料であればよい。

また、第２金属部材２１は、第１金属部材２０を形成する金属と第２金属部材２１に含まれる金属とが合金層を形成する場合、第１金属部材２０と第２金属部材２１は強固に接合して隙間が発生し難くなる。第２金属部材２１が第１金属部材２０から剥離すると、剥離が起点となり、放熱性が低下する。また、剥離が進展した場合は、パワーモジュール１００の信頼性が低下する。よって、第２金属部材２１の材料は、第１金属部材２０に含まれる金属と一緒に合金層を形成する材料であれば、第２金属部材２１が剥離し難くなるため好適である。この場合、パワーモジュール１００は、第１金属部材２０の剥離の発生を抑制することができるため、パワーモジュール１００の信頼性を確保することができる。

図３に示すように、平板状のパワー半導体素子３２に直交するＺ軸方向、すなわち、縦方向から視て、パワー半導体素子３２の領域に対向する領域Ｍを定める。第２金属部材２１は、第１金属部材２０内の少なくとも領域Ｍに設けられる。パワー半導体素子３２の発熱は、領域Ｍの温度が上昇しやすく、各部材が熱膨張し易い。すなわち、第２金属部材２１が領域Ｍに設けられていない場合には、第１金属部材２０が圧縮応力により塑性変形した場合、第１金属部材２０と絶縁部材４４との間、又は第1金属部材２０と冷却部材４５との間に隙間が発生すると、冷却部材４５と熱抵抗が著しく大きくなり、パワーモジュール１００の信頼性が低下する。

第２金属部材２１は、絶縁部材４４、又は冷却部材４５と当接してもよい。第２金属部材２１は、絶縁部材４４と冷却部材４５の隙間を規制し、第２金属部材２１が熱伝導率の高い金属材料であることで放熱性が向上し、パワー半導体素子３２から発生する熱を冷却部材４５に伝え易くすることができる。

第１金属部材２０は、グリースなどの液状の熱伝導部材と比較すると、絶縁部材４４や冷却部材４５との接触部における微小な隙間を満たしにくいため接触熱抵抗が大きい傾向にある。ゆえに、図４に示すように、第１金属部材２０と冷却部材４５との間には金属間化合物層２２を形成して接合することで、接触熱抵抗を低減することができる。また、第１金属部材２０と絶縁部材４４との間に金属間化合物層２２を形成して接合してもよい。なお、第１金属部材２０と絶縁部材４４との間、および第１金属部材２０と冷却部材４５との両方とも金属間化合物層２２を形成して接合すると、熱サイクル試験及びパワーサイクル試験において第１金属部材２０は各構成部材の熱膨張による熱応力が負荷され、剥離が発生するとパワーモジュール１００の信頼性が低下する。このため、第１金属部材２０は絶縁部材４４または冷却部材４５の一方と面圧が印加された状態で接触することが好ましい。なお、金属間化合物層２２は、第１金属部材２０を加熱溶融で接合させてもよいし、超音波による振動、レーザ、圧力による手法で接合させてもよい。例えば、冷却部材４５がNiめっきで被覆されたAlであり、第１金属部材２０がSn主成分であれば、金属間化合物層２２は、NiとSnの金属間化合物であるNi3Sn、Ni3Sn2、Ni3Sn4等が形成される。

パワー半導体モジュール１０１を通電加熱すると、冷却部材４５への放熱の過程で各構成部材には熱膨張が発生する。この熱膨張によってパワー半導体モジュール１０１に反りが発生し、第１金属部材２０に圧縮応力を及ぼして塑性変形するおそれがある。そこで、第１金属部材２０の塑性変形を抑制するために、図４に示すように、第１金属部材２０の厚さＴと第２金属部材２１の厚さＴ’の差はパワー半導体モジュール１０１の反り量ΔＳより小さいことが好ましい。パワー半導体モジュール１０１の反り量ΔＳについては以下に説明する。

パワー半導体素子３２と第２導体板３４とを接合する第２接合材３３の厚さをＨ１、第２導体板３４の厚さをＨ２、絶縁部材４４を構成する樹脂絶縁層４２の厚さをＨ３、絶縁部材４４を構成する金属箔４３の厚さをＨ４とする。さらに、第２接合材３３の線膨張係数をａ１、第２導体板３４の線膨張係数をａ２、樹脂絶縁層４２の線膨張係数をａ３、金属箔４３の線膨張係数をａ４とする。また、通電加熱時のパワー半導体モジュール１０１の温度と室温との温度差をΔTとする。パワー半導体モジュール１０１の反り量ΔSを下記の式（１）によって定義したときに、第１金属部材２０と第２金属部材２１の厚さの差Ｔ－Ｔ’は、ΔＳの値より小さい。例えば、ΔT=１２５℃の場合、ΔSの値は９．９２μmであり、Ｔ－Ｔ’がこれよりも小さくなるように、第１金属部材２０と第２金属部材２１の厚さＴ、Ｔ’がそれぞれ設定される。
ΔＳ＝Ｈ１×ａ１×ΔＴ＋Ｈ２×ａ２×ΔＴ＋Ｈ３×ａ３×ΔＴ＋Ｈ４×ａ４×ΔＴ
・・・・（１）

図５は、パワー半導体モジュール１０１の反り量ΔＳの例を示す表である。
図５の例１および例２は、第２導体板３４の厚さＨ２が４．０ｍｍの場合を、例３および例４は、第２導体板３４の厚さＨ２が２．０ｍｍの場合を示す。さらに、図５の例１および例３は、温度差ΔT=１００℃の場合を、例２および例４は、温度差ΔT=１２５℃の場合を示す。

例２に示すように、温度差ΔT=１２５℃の場合は、反り量ΔＳ＝９．９２μｍとなる。この場合は、第１金属部材２０と第２金属部材２１の厚さの差を９．９２μｍ未満にすれば、第２金属部材２１により、パワー半導体モジュール１０１の反りによる第１金属部材２０への圧縮応力を低減できる。

ここで、図４に示すように、絶縁部材４４に接する第１金属部材２０は、複数の凹部２０ｂと凸部２０ａとを有する形状でもよい。一般的に金属材料系の熱伝導部材は面圧を大きくすることで接触熱抵抗を低減し、熱抵抗を小さくできることが知られている。凸部２０ａを配置することで、一定荷重が加わった時に、凸部２０ａに負荷される面圧は、凸部２０ａを形成しないときに比べて大きい。よって第１金属部材２０に凸部２０ａを設けると、第１金属部材２０の接触熱抵抗は小さくなり、パワーモジュール１００の放熱性が向上する。

図６（Ａ）～図６（Ｃ）は、第１金属部材２０の凸部２０ａの面積率と熱抵抗との関係をシミュレーションした結果を示す図である。図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、シミュレーションの計算過程を、図６（Ｃ）は、第１金属部材２０の凸部２０ａの面積率と熱抵抗との関係を示すグラフである。

図６（Ａ）は、第１金属部材２０の一例であるシート形状のInの面圧Ｐ(MPa)と熱抵抗Ｒ_１(cm²K/W)の実測値を表す。面圧Ｐとして１０個の実測値を基に最小二乗法による近似曲線を作成し、次式（２）を導いた。
Ｒ_１=０．０３Ｐ^-2＋０．０１２・・・（２）
ここで、Ｒ_１はInの熱抵抗、Ｐは面圧を示す。

図６（Ｂ）は、熱抵抗の増加割合を示す表である。一般に熱抵抗は次式（３）で表される。
Ｒ_２=ｔ/（ｋ×Ａ）・・・（３）
ここで、Ｒ_２は熱抵抗、ｔは伝熱方向の厚さ、ｋは熱伝達率、Ａは伝熱の面積を表す。
面積Ａ=１００を基準として面積Ａ=１０から９０の熱抵抗の増加割合を図６（Ｂ）の表に示す。

式（２）と式（３）を用いて、一定荷重が第１金属部材２０に負荷された場合において、図６（Ｃ）に、第１金属部材２０の凸部２０ａの面積率と熱抵抗との関係をグラフに示した。
図６（Ｃ）では、面積Ａ＝１００を基準にしたときの熱抵抗を基準値１とし、このときの規格化熱抵抗Ｒ_１×Ｒ_２を縦軸に、横軸に第１金属部材２０の凸部２０ａの面積率（％）を表す。

図６（Ｃ）に示すように、規格化熱抵抗が１以下になる面積率は４０%-１００%の領域であり、規格化熱抵抗が１より大きい面積率は４０%未満の範囲内である。規格化熱抵抗を１以下とすることで、パワーモジュール１００の放熱性を向上できる。熱抵抗を低減するには、第１金属部材２０の凸部の面積率を４０－１００％の範囲内にすることが望ましい。

図７（Ａ）～図７（Ｄ）は、パワーモジュール１００の製造工程を示す図である。
図７（Ａ）に示すように、第１工程では、第１金属部材２０内に第２金属部材２１を埋設する。第２金属部材２１は、第１金属部材２０よりも硬い金属材料であり、例えば複数の粒子など互いに分離した金属材料である。第１金属部材２０は、圧延加工されたもので所定の長さでカットする。圧延加工の過程で第２金属部材２１が第１金属部材２０よりも突出することを防ぐために、第１金属部材２０の厚さは第２金属部材２１の厚さの１．５倍程度に加工する。

図７（Ｂ）に示すように、第２工程では、第２金属部材２１を埋設した第１金属部材２０を冷却部材４５の上に載置して、第１金属部材２０を冷却部材４５と接合する。第１金属部材２０を冷却部材４５に載置した後に、第１金属部材２０を加熱溶融させて、冷却部材４５と第１金属部材２０との間に金属間化合物層２２を形成して接合してもよい。また、金型に凹凸を設けて、絶縁部材４４と当接する第１金属部材２０の面には、凸部２０aの面積率が４０%以上含むような凸部２０ａと凹部２０ｂの加工を施してもよい。

図７（Ｃ）に示すように、第３工程では、プレス加工により第１金属部材２０の厚さを薄くする。具体的には、前述したように、第１金属部材２０と第２金属部材２１の厚さの差は、パワー半導体モジュール１０１の反り量ΔSより小さくなるようにする。第１金属部材２０の厚さは第２金属部材２１より厚くする。

図７（Ｄ）に示すように、第４工程では、第１金属部材２０上に絶縁部材４４を有する図示省略したパワー半導体モジュール１０１を密着する。

以上の説明では、片面冷却型のパワーモジュール１００を例に説明した。しかし、両面冷却型のパワーモジュール１００’にも同様に適用することができる。

図８は、両面冷却型のパワーモジュール１００’の断面図である。図２に示したパワーモジュール１００と同一の個所には同一の符号を附してその説明を省略する。
図８に示すように、パワーモジュール１００’は、第１導体板３０の上に樹脂絶縁層４２’および金属箔４３’よりなる絶縁部材４４’が積層される。さらに、絶縁部材４４’の上には、第１金属部材２０’が積層される。

第１金属部材２０’は、第１金属部材２０’内に埋設される第２金属部材２１’を有し、第２金属部材２１’は、第１金属部材２０’よりも硬い金属材料であり、第１金属部材２０’の厚さより薄い厚さである。第１金属部材２０’および第２金属部材２１’は、既に説明した第１金属部材２０および第２金属部材２１と同様であり、その説明を省略する。第１金属部材２０’の上には冷却部材４５’が接合される。

本実施形態によれば、パワーサイクル試験や温度サイクル試験によって第１金属部材２０、２０’への圧縮応力が発生したときに、第１金属部材２０、２０’より硬い第２金属部材２１、２１’を第１金属部材２０、２０’に埋設することにより、絶縁部材４４、４４’と冷却部材４５、４５’との隙間を維持し、第１金属部材２０、２０’が降伏応力に至り塑性変形することを抑制できる。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）パワーモジュール１００、１００’は、パワー半導体素子３２と、パワー半導体素子３２と電気的に接続される導体板３０、３４と、導体板３０、３４に積層される絶縁部材４４、４４’とを備えるパワー半導体モジュール１０１と、パワー半導体モジュール１０１の放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材４５、４５’と、絶縁部材４４、４４’と冷却部材４５、４５’との間に配置される第１金属部材２０、２０’と、を備え、第１金属部材２０、２０’は、第１金属部材２０、２０’内に埋設される第２金属部材２１、２１’を有し、第２金属部材２１、２１’は、第１金属部材２０、２０’よりも硬い金属材料であり、第１金属部材２０、２０’の厚さより薄い厚さである。これにより、冷却部材に熱を伝える金属の塑性変形を抑制し、放熱の信頼性を向上させることができる。

（２）パワーモジュール１００、１００’の製造方法は、パワー半導体素子３２と、パワー半導体素子３２と電気的に接続される導体板３０、３４と、導体板３０、３４に積層される絶縁部材４４、４４’とを備えるパワー半導体モジュール１０１と、パワー半導体モジュール１０１の放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材４５、４５’と、絶縁部材４４、４４’と冷却部材４５、４５’との間に配置される第１金属部材２０、２０’と、を備えたパワーモジュール１００、１００’の製造方法であって、第１金属部材２０、２０’内に第１金属部材２０、２０’よりも硬い金属材料よりなる第２金属部材２１、２１’を埋設する第１工程と、第２金属部材２１、２１’を埋設した第１金属部材２０、２０’を冷却部材４５、４５’と接合する第２工程と、第１金属部材２０、２０’の厚さをプレス加工により薄くする第３工程と、第１金属部材２０、２０’にパワー半導体モジュール１０１を密着する第４工程と、を備える。これにより、冷却部材に熱を伝える金属の塑性変形を抑制し、放熱の信頼性を向上させることができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態を組み合わせた構成としてもよい。

６…封止樹脂、２０、２０’…第１金属部材、２０ａ…凸部、２０ｂ…凹部、２１、２１’…第２金属部材、２２…金属間化合物層、３０…第１導体板、３１…第１接合材、３２…パワー半導体素子、３２ａ…第１電極面、３２ｂ…第２電極面、３３…第２接合材、３４…第２導体板、３５…ワイヤ部材、４１…金属板、４２、４２’…樹脂絶縁層、４３、４３’…金属箔、４４、４４’…絶縁部材、４５、４５’…冷却部材、５２…直流正極端子、５３…直流負極端子、５４…交流出力端子、５５…制御端子、１００、１００’…パワーモジュール、１０１…パワー半導体モジュール。

Claims (13)

1. パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備えるパワー半導体モジュールと、
   前記パワー半導体モジュールの放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、
   前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第１金属部材と、を備え、
   前記第１金属部材は、前記第１金属部材内に埋設される第２金属部材を有し、前記第２金属部材は、前記第１金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第１金属部材の厚さより薄い厚さであり、Cu及びNi素材により構成されるパワーモジュール。
2. パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備えるパワー半導体モジュールと、
   前記パワー半導体モジュールの放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、
   前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第１金属部材と、を備え、
   前記第１金属部材は、前記第１金属部材内に埋設される第２金属部材を有し、前記第２金属部材は、前記第１金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第１金属部材の厚さより薄い厚さであり、
   前記第１金属部材の厚さは、４０－２００μｍであるパワーモジュール。
3. パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備えるパワー半導体モジュールと、
   前記パワー半導体モジュールの放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、
   前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第１金属部材と、を備え、
   前記第１金属部材は、前記第１金属部材内に埋設される第２金属部材を有し、前記第２金属部材は、前記第１金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第１金属部材の厚さより薄い厚さであり、
   前記第１金属部材と前記絶縁部材との間、又は前記第１金属部材と前記冷却部材との間に、金属間化合物層を形成するパワーモジュール。
4. 請求項３に記載のパワーモジュールにおいて、
   前記第１金属部材は、前記絶縁部材または前記冷却部材の一方と面圧が印加された状態で接触するパワーモジュール。
5. パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備えるパワー半導体モジュールと、
   前記パワー半導体モジュールの放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、
   前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第１金属部材と、を備え、
   前記第１金属部材は、前記第１金属部材内に埋設される第２金属部材を有し、前記第２金属部材は、前記第１金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第１金属部材の厚さより薄い厚さであり、
   前記パワー半導体素子と前記導体板とを接合する第２接合材の厚さをＨ１、前記導体板の厚さをＨ２、前記絶縁部材を構成する樹脂絶縁層の厚さをＨ３、前記絶縁部材を構成する金属箔の厚さをＨ４とし、
   前記第２接合材の線膨張係数をａ１、前記導体板の線膨張係数をａ２、前記樹脂絶縁層の線膨張係数をａ３、前記金属箔の線膨張係数をａ４とし、
   前記パワー半導体モジュールの温度と室温との温度差をΔＴとし、
   前記パワー半導体モジュールの反り量ΔＳを下記の式によって定義したときに、前記第１金属部材と前記第２金属部材の厚さの差は、前記ΔＳの値より小さいパワーモジュール。
   ΔＳ＝Ｈ１×ａ１×ΔＴ＋Ｈ２×ａ２×ΔＴ＋Ｈ３×ａ３×ΔＴ＋Ｈ４×ａ４×ΔＴ
6. パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備えるパワー半導体モジュールと、
   前記パワー半導体モジュールの放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、
   前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第１金属部材と、を備え、
   前記第１金属部材は、前記第１金属部材内に埋設される第２金属部材を有し、前記第２金属部材は、前記第１金属部材よりも硬い金属材料であり、前記第１金属部材の厚さより薄い厚さであり、
   前記絶縁部材と接触する前記第１金属部材の表面は凹凸形状を形成し、凸部の面積率は４０%以上であるパワーモジュール。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のパワーモジュールにおいて、
   前記パワー半導体モジュールは、前記パワー半導体素子の両面に、前記導体板および前記絶縁部材を備え、
   前記冷却部材、および前記第１金属部材は、前記パワー半導体モジュールの両面に設けられるパワーモジュール。
8. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のパワーモジュールにおいて、
   前記第２金属部材は、互いに分離した金属材料であるパワーモジュール。
9. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のパワーモジュールにおいて、
   前記第２金属部材は、少なくとも、平板状の前記パワー半導体素子に直交する方向から視て、前記パワー半導体素子の領域に対向する前記第１金属部材の領域内に設けられるパワーモジュール。
10. パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記導体板に積層される絶縁部材とを備えるパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの放熱面と対向して配置されるとともに熱的に接続される冷却部材と、前記絶縁部材と前記冷却部材との間に配置される第１金属部材と、を備えたパワーモジュールの製造方法であって、
    前記第１金属部材内に前記第１金属部材よりも硬い金属材料よりなる第２金属部材を埋設する第１工程と、
    前記第２金属部材を埋設した第１金属部材を冷却部材と接合する第２工程と、
    前記第１金属部材の厚さをプレス加工により薄くする第３工程と、
    前記第１金属部材に前記パワー半導体モジュールを密着する第４工程と、
    を備えるパワーモジュールの製造方法。
11. 請求項１０に記載のパワーモジュールの製造方法において、
    前記第２工程は、第１金属部材を加熱溶融させて、前記冷却部材と前記第１金属部材との間に金属間化合物を形成して接合する工程を含むパワーモジュールの製造方法。
12. 請求項１０に記載のパワーモジュールの製造方法において、
    前記第２工程は、前記絶縁部材と当接する前記第１金属部材の面に、凸部の面積率が４０%以上含むような凸部と凹部の加工を施す工程を含むパワーモジュールの製造方法。
13. 請求項１０に記載のパワーモジュールの製造方法において、
    前記第３工程は、前記第１金属部材と前記第２金属部材の厚さの差が、前記パワー半導体モジュールの反り量ΔＳより小さくなるように、第１金属部材の厚さを前記プレス加工により薄くするパワーモジュールの製造方法。
    ここで、前記パワー半導体素子と前記導体板とを接合する第２接合材の厚さをＨ１、前記導体板の厚さをＨ２、前記絶縁部材を構成する樹脂絶縁層の厚さをＨ３、前記絶縁部材を構成する金属箔の厚さをＨ４とし、前記第２接合材の線膨張係数をａ１、前記導体板の線膨張係数をａ２、前記樹脂絶縁層の線膨張係数をａ３、前記金属箔の線膨張係数をａ４とし、前記パワー半導体モジュールの温度と室温との温度差をΔＴとし、前記パワー半導体モジュールの反り量ΔＳは下記の式によって定義する。
    ΔＳ＝Ｈ１×ａ１×ΔＴ＋Ｈ２×ａ２×ΔＴ＋Ｈ３×ａ３×ΔＴ＋Ｈ４×ａ４×ΔＴ

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