JP2010087072A - 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 - Google Patents

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裕之 宝蔵寺
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誠一 早川
Toshiya Sato
俊也 佐藤
Takehide Yokozuka
剛秀 横塚
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Abstract

【課題】
高温環境下での動作安定性と高電流負荷にも耐えうる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を提供する。
【解決手段】
本発明のパワー半導体モジュールは、電極表面にＮｉ層が形成された半導体素子と金属製導体パターンと前記半導体素子と前記導体パターンを接合したはんだとを備え、前記はんだの組成比がＳｎ−３ｗｔ％Ｃｕ〜Ｓｎ−１０ｗｔ％Ｃｕであり、前記半導体素子とはんだとの界面付近に形成された金属間化合物の厚さが、６μｍ〜５０μｍであることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【選択図】図１

Description

本発明は、接合部材にＰｂフリーはんだを用いた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に関する。特に、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子を有するパワー半導体モジュールの実装構造とハイブリッド車などの車載用インバータシステムに関する。
ハイブリッド車用モータ等、大出力モータを制御するインバータには、ＩＧＢＴモジュール等のパワー半導体モジュールが使用される。この自動車用インバータ中のＩＧＢＴモジュールの冷却は、水冷によるものが一般的である。インバータ動作時には、ＩＧＢＴモジュールに搭載されているパワー半導体からの発熱が大きく、素子安定動作を維持するために大きな冷却能力が必要となる。さらに車載用途のため、インバータ体積の小さいことが要求される理由による。つまり、空冷の場合にはヒートシンク部の体積が大きくなりすぎるため、車載用としての空冷は許容されないためである。
車載用インバータは、高温環境下にあるエンジンルーム内に搭載され、近年は従来の仕様に増して更なる高信頼性が要求されている。例えば、パワー半導体素子の到達温度が１２５℃から１５０℃と上昇した場合にも安定動作保証が要求され、瞬時の最大温度が１７５℃に到達しても絶縁破壊しないＩＧＢＴモジュールの開発が望まれており、これには、高温対応のＩＧＢＴ素子の開発、これと平行して、パワー半導体からの発熱を速やかに冷却するための低熱抵抗パワー半導体モジュールの開発が急務となっている。
また、パワー半導体モジュールの接合用材料としてＰｂ−Ｓｎ系のはんだ料が古くから用いられてきた。しかしながら、近年、Ｐｂ成分が人体に悪影響を及ぼすことが指摘されるようになり、Ｐｂ入りはんだは大きな社会問題としてクローズ・アップされるとともに、ＥＵのＷＥＥＥ（Waste Electrical and Electronics Equipment Directive）／ＲＯＨＳ（Restriction of Hazardous Substances Directive)指令に代表されるようにＰｂを含む有害物質の使用を法的に規制しようと言う動きが活発化している。
このような背景から、車載用インバータに搭載されるパワー半導体モジュールについても、Ｐｂフリーの接合用材料の適用が求められている。
特許文献１では、環境負荷が小さく低コストで、２００℃以上の高温で長時間使用しても接続信頼性を維持できる半導体素子の接続材料に関するものに加え、その接続材料を用いた半導体装置および車載用交流発電機（オルタネータ）の発明に関しての記載がある。
当該、発明内容は、半導体素子と、半導体素子の第一の面と第一の接続材料も用いて接続される支持電極体と、前記支持電極体に支持された前記半導体素子の第二の面と第二の接続材料を用いて接続されるリード電極体とを有する半導体装置であって、前記支持部材の接続部及び前記リード電極体の接続部にはＮｉ系めっきが施されており、前記第一の接続材料及び前記第二の接続材料は共晶組成よりＣｕ6Ｓｎ5相の含有量が多い組成のＳｎ系はんだであることを特徴とする半導体装置である。
また、半導体素子と、半導体素子の一側と室温から２００℃においてＣｕ6Ｓｎ5相を含有するＳｎ系はんだを介して接続されるＮｉ系めっきを施した支持電極体と、該支持電極体に支持された前記半導体素子の他側とを室温から２００℃においてＣｕ6Ｓｎ5相を含有するＳｎ系はんだを介して接続されるＮｉ系めっきを施したリード電極体を備える半導体装置において、室温から２００℃においてＣｕ6Ｓｎ5相を含有するＳｎ系はんだによる接続工程が、２２０〜４５０℃、還元性雰囲気で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法に関する記載がある。
更に、この半導体装置に用いられる接続材料は、共晶組成よりＣｕ6Ｓｎ5相の含有量が多い組成のＳｎ−Ｃｕ系Ｐｂフリーはんだであることを特徴としている。
特開２００７−６７１５８号公報
前記従来の半導体装置および車載用交流発電機（オルタネータ）は、２００℃以上の高温で長時間の継続使用が可能であるものの、Ｃｕ6Ｓｎ5相の含有量が多い組成のＳｎ−Ｃｕ系Ｐｂフリーはんだを大容量のパワー半導体モジュールに適用する際には、以下の問題がある。
車載用のパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子の安定動作保証の観点から、高放熱性が求められ、通常１０mm×１０mm以上の大面積のＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor）あるいはＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Emission Transistor）が１アーム当たりに２素子から３素子搭載される。車載用インバータ用のパワー半導体モジュールは、車載用交流発電機（オルタネータ）の数十Ａ通電量に比べて、４００Ａ×６００Ｖ以上の大電流・電圧で使用される。したがって、パワー半導体モジュールの各接合部には、使用環境温度に加えて素子発熱による温度負荷が加わる。このためワイヤーボンディング／素子接合界面および素子下はんだには素子から直接の温度変化を受けるため、過酷な熱負荷に晒されることになる。
熱応力によりワイヤーボンディング／素子接合界面に生じるひずみ量の低減には、パワー半導体素子の薄型化が１つの解決策である。パワー半導体素子の薄型化は、素子自身に展性を発現させ、変形能を付与することで両者の熱膨張係数差を縮小させることが可能である。一方、通電負荷が加わった場合、素子下はんだでは複雑な疲労現象が生じるため、個々に対策を講じる必要がある。素子下はんだにおける疲労現象とは、１）素子裏面のＮｉメタライズ層の残存量の違いにより、素子／はんだ界面に剥離が生じること、２）通電サイクルにともないはんだ粒子が粒成長し、粒子の３重点にボイドが生成すること、３）はんだ内部でクラック進展が起こることである。したがって、素子発熱が伴うパワーサイクルの寿命向上ためには、上記、１）〜３）の発生要因への対策が肝要である。
本発明の目的は、前記モジュールの問題点を解決するため、パワー半導体モジュールを構成するパワー半導体素子裏面のＮｉメタライズ層の厚さ，はんだリフロー後のＮｉ残存量，素子下はんだの組成，素子／はんだ界面およびはんだ／導体層界面に生成する金属間化合物の形状と生成量を規定することにより、高温環境下での動作安定性と高電流負荷にも耐えうる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を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明では、電極表面にＮｉ層が形成された半導体素子と金属製導体パターンと前記半導体素子と前記導体パターンを接合したはんだとを備えるパワー半導体モジュールにおいて、前記はんだの組成比がＳｎ−３ｗｔ％Ｃｕ〜Ｓｎ−１０ｗｔ％Ｃｕであり、前記半導体素子とはんだとの界面付近に形成された金属間化合物の厚さが、６μｍ〜５０μｍとしたことを特徴とする。なお、金属間化合物の厚さは、接合界面における金属間化合物の平均厚さとする。
また、Ｎｉメタライズ層の厚さを０.１μｍ以上から１０μｍ以下とし、はんだ接合後のＮｉメタライズ残存厚さを０.１μｍ以上としたことを特徴とする。
また、本発明のパワー半導体モジュールは、絶縁基板の一方の面に導体パターン、他方の面に裏面導体層が形成された配線基板と、前記導体パターンに搭載され、電流をスイッチングするパワー半導体素子と、前記裏面導体層の表面に配置された金属ベースとを備え、前記パワー半導体素子の電極表面にＮｉ層が形成され、前記電極と前記導体パターンとが、組成比がＳｎ−３ｗｔ％Ｃｕ〜Ｓｎ−１０ｗｔ％Ｃｕのはんだにより接合され、前記はんだと前記電極との界面付近に形成された金属間化合物の厚さが６μｍ〜５０μｍであることを特徴とする。
本発明によれば、パワー半導体モジュールへの通電量が４００Ａを超えるような、半導体素子が受ける負荷が大きくとも、動作安定性を堅持したパワーサイクル特性に優れるパワー半導体モジュールを実現することが可能となる。
冷却性能を向上ならびに高温環境下での信頼性、特に素子温度が１５０℃に到達する条件で、高温パワーサイクル試験での高寿命化を有するパワー半導体モジュールを特徴とする。
すなわち、本発明は、表面にＮｉ層が形成された半導体素子と金属製導体パターンと前記半導体と前記導体パターンを接合し、組成比がＳｎ−３ｗｔ％〜Ｓｎ−１０ｗｔ％であるはんだを備え、前記半導体素子とはんだとの界面付近に形成された金属間化合物の厚さが、６μｍ〜５０μｍであり、前記半導体素子で発熱した熱が前記界面から前記パターンに伝達されて、該導体パターンを介して放熱されるパワー半導体モジュールである。
また、本発明は前記半導体素子とはんだとの界面に対する垂直断面における該金属間化合物の面積比が、２０％〜１００％の範囲にあることを特徴とする。
また、本発明は前記Ｎｉ層のはんだ接合後の残存量が、０.１μｍ以上であることを特徴とする。
また、本発明は前記半導体素子の表面に形成したＮｉ層の厚さが、０.１μｍ〜１０μｍであることを特徴とする。
また、本発明は金属製導体パターンに加えて、第２の導体層と前記ベース板との接触面とは反対側の面の領域にフィンを備えたことを特徴とする。
また、本発明は、ベース板の前記第２の導体層との接触面とは反対側の面の領域にフィンを備えたことを特徴とする。
また、本発明は、上記半導体モジュールを用いた車載用インバータ装置であって、前記第２の導体層と前記ベース板との接触面とは反対側の面の下方に冷却水流路が形成された車載用インバータ装置である。
本発明について、図表を用いて、以下に説明する。
高温環境下での信頼性を向上させる方策として以下の技術を投入した。
パワーサイクル特性の向上には、ワイヤーボンディングと素子接合面における素子とワイヤーとの熱膨張係数差の縮小と、通電オン・オフにともなう素子下はんだの歪量を低減する必要があり、前者の方策には、素子の薄型化による効果が期待できる。後者は、素子裏面とはんだ界面近傍に生成する金属間化合物の厚さと生成量を制御すること、さらに、はんだ接合後の素子／はんだ界面に残存するＮｉ厚さを制御する必要がある。各々について、以下に説明する。
図１は、本発明の構造説明図である。図１（ａ）は平面模式図、同（ｂ）は（ａ）のＡＡ断面模式図である。断面模式図において、絶縁体表面の導体層パターン、及び、接着用の裏面金属パターン、さらに、半導体素子と絶縁体の導体層パターンおよび放熱ベースからなる。
本発明の実施例を、以下、図表を使用して詳細に説明する。
（実施例１）
図１を使用して第一の実施例について詳細に説明する。５０ｋＷクラスの水冷３相インバータに適用される、３相ＩＧＢＴモジュールの実施例である。
図１（ａ）は平面模式図、同図（ｂ）は同図（ａ）の断面模式図である。断面模式図においてＩＧＢＴ素子１，ＦＷＤ素子２等をはんだ接着３した表面の導体層４および裏面の導体層６が銅である窒化ケイ素基板５，銅製フィン・ベース８，主端子用電極１３，制御端子用電極１２，素子下の接着層３，絶縁体４の裏面導体層パターン６と金属ベース８の接着層７を表している。
セラミックス基板（ここでは窒化ケイ素基板を用いた）５の大きさは３２mm×５２mmで、素子サイズ１４.０mm×１２.５mm、厚さが０.０９mmのＩＧＢＴ素子１，素子サイズ１２.５mm×７.０mmのＦＷＤ素子２の各２素子が、融点２１０℃以上のＰｂレスはんだで接着されている。ここでは、表１に示したＳｎ−Ｃｕ系はんだならびにＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだを使用した。はんだ厚は０.１mm程度である。各素子の電圧／電流定格は６００Ｖ／２００Ａであり、２並列接続されることにより、定格６００Ｖ／４００Ａのモジュールとなっている。さらに、窒化ケイ素基板５には、ＩＧＢＴを並列駆動する場合の共振防止用ゲート抵抗素子と（図示せず）温度検出用サーミスタ（図示せず）が上記と同様のＰｂレスはんだで接着されている。ＩＧＢＴ素子１，ＦＷＤ素子２とセラミックス基板５上の銅パターンである導体層パターン４との接続は、アルミワイヤ１０，１１，１２で行う。
本ワイヤの線経は４００μｍφである。アルミワイヤ１０，１１，１２は、全本数でなく、代表的なワイヤのみを表現している。本パワー半導体搭載窒化ケイ素基板５と銅ベース８は、融点２１０℃以上のＳｎ−Ｃｕ系等のＰｂレスはんだで接着されている。はんだ厚は約０.１８mmである。窒化ケイ素基板５と主端子１３はメタルボンディングによる超音波接合がなされている。制御端子用電極１２との接続も同じくアルミワイヤ９で行われる。このワイヤの線経は４００μｍφである。アルミワイヤ１０，１１は、半導体素子表面にボンディングされるため、低ダメージに配慮する必要があり、ボンディング条件の適正化が必要不可欠である。
３相モジュールの各アームは、一枚の窒化ケイ素基板５から構成され、合計６枚の基板５が大きさ１２６mm×１４５mm、平板部の厚さ３mmのフィン付銅ベース８にはんだ接着されている。フィン１１４の幅１１５，間隔１１６，高さ１１８は各々２mm，４.５mm，８mmである。また、長さは８mmである。フィン１１４の本数は７８４本であり、全体のフィンの幅は２mmである。フィン１１４は、もちろん窒化ケイ素基板１００下の領域に配置される。フィンの形状は、冷却水を流したときの流速、及び、フィン効率を考慮し、最大の熱伝達を実現できる形状とした。
本モジュールを、水冷ジャケットに締結用ボルトネジ１７を用いて取り付けた場合の実施例の断面模式図を図２に示す。フィン０の底面をＡｌダイカスト製冷却ジャケット１５に接触させた構成をしている。冷却水のシールは、冷却ジャケットの取り付けをＯリング１６で行って実施している。Ｏリング取り付け用に、Ａｌダイカスト製冷却ジャケット１５に溝（図示せず）を設けている。Ｏリングの線径は１.９mmφ、溝深さは１.４mmである。また、モジュールはＭ６ボルトで取り付け、締付けトルクは２.４５Ｎ・ｍとした。このトルクは、通常のモジュール取り付けトルクと同程度である。
以上の構成のモジュールを接触させた、冷却ジャケット１５の水路に、エチレングリコール５０vol.％の冷却水を、流量１０Ｌ／minで給水口１８から通流し、パワーサイクル試験を実施した。パワーサイクル寿命試験は、素子到達温度が１５０℃になる条件を予め確認し、１アーム当たりにＤＣ５００Ａ（１素子当たりＤＣ２５０Ａ）でオン時間２sec、オフ時間１５secで行った。冷却水には５０％ＬＣＣを用いて加温・冷却循環装置を用いて５０℃とした。パワーサイクル寿命は、ＩＧＢＴ素子のΔＶce値が初期値の１.２倍となった回数とした。
ＩＧＢＴ素子のＮｉメタライズ層の厚さは、走査型電子顕微鏡（日立製Ｓ−４５００）を用いて観察した。
素子下はんだは、Ｓｎ−Ｃｕ系（千住金属製），Ｓｎ−３.５％Ａｇ−０.５％Ｃｕ−Ｎｉ−Ｇｅ（ニホンハンダ製）およびＳｎ−３％Ａｇ−０.５％Ｃｕ（ニホンハンダ製）を、また、基板下はんだは、Ｓｎ−３％Ａｇ−０.５％Ｃｕ−５％Ｉｎ（千住金属製）を用い、モジュール作製に供した。
Ｓｎ−Ｃｕ系のはんだ組成はＩＣＰ発光分析により評価した。導体層（回路基板の回路板）の表面処理は、Ｎｉ−Ｐめっきおよびめっきレスのものを使用した。
リフロー後の金属間化合物の形状（厚さ，生成量）およびＮｉメタライズの残存厚さは、モジュールの断面を切断加工し、樹脂埋め研磨とアルゴンプラズマ処理した試料を走査型電子顕微鏡（日立製Ｓ−４５００）を用いて観察した。
図３および図４に、素子／はんだ界面およびはんだ／導体層界面の断面観察像を示す。
図３（ａ）および図３（ｂ）は、素子／はんだ界面の×１０００倍および×３０００倍で観察したものである。また、図４（ａ）および図４（ｂ）は、はんだ／導体層界面の×１０００倍および×３０００倍で観察したものである。図３（ａ）および図４（ａ）より金属間化合物の厚さと生成量を、また、図３（ｂ）よりＮｉメタライズの残存厚さを測定する。
Figure 2010087072
表１において、実施例Ｎo.１〜４として、ＩＧＢＴ素子裏面のＮｉメタライズ層厚さを０.２μｍ〜４.５μｍとした場合の半導体モジュールのパワーサイクル寿命を評価した。
また、実施例Ｎo.５〜９として、実施例Ｎo.２のリフロー時間を短時間側の３minおよび長時間側の６０minまで評価を行った。また、実施例Ｎo.１０，１１として、実施例Ｎo.６およびＮo.７のリフロー時間の条件を同様にして、ＩＧＢＴ素子裏面のＮｉメタライズ層厚さを２.５μｍとして評価を行った。また、実施例Ｎo.１２〜１５として、実施例Ｎo.２およびＮo.６のリフロー温度を３００℃および３５５℃として評価を行った。また、実施例Ｎo.１６，１７として、実施例Ｎo.２とＮo.１４のリフロー条件を同様にしてはんだ組成をＳｎ−３％Ｃｕに変更したものを用いて評価を行った。また、実施例Ｎo.１８，１９として、実施例Ｎo.２とＮo.１４のリフロー条件を同様にしてはんだ組成をＳｎ−５％Ｃｕに変更したものを用いて評価を行った。また、実施例Ｎo.２０，２１として、実施例Ｎo.２とＮo.１４のリフロー条件を同様にしてはんだ組成をＳｎ−９％Ｃｕに変更したものを用いて評価を行った。実施例Ｎo.２２，２３として、実施例Ｎo.２とＮo.１４のリフロー条件を同様にしてはんだ組成をＳｎ−１０％Ｃｕに変更したものを用いて評価を行った。また、実施例Ｎo.２４として、実施例Ｎo.２のリフロー条件を２５５℃から３５５℃に、保持時間を６minから１２minに変更したものを用いて行った。また、実施例Ｎo.２５として、実施例Ｎo.２の導体層材質をＣｕからＮｉに変更したものを、また、実施例２６として実施例Ｎo.２５のリフロー温度を２５５℃から３５５℃の変更したものを用いて評価した。
この結果、実施例Ｎo.１〜２６では、また、パワーサイクル試験の目標仕様値１８０００サイクルをクリアーすることができ、高温環境下でのパワー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１の比較例のＮo.３１〜４２では、半導体モジュールのパワーサイクル特性を維持することはできなかった。
比較例Ｎo.３１では、実施例Ｎo.２の半導体モジュールにおいて、素子裏面のＮｉメタライス厚さを０.１μｍに変更した。Ｎo.３１は、パワーサイクル試験で目標仕様の１８０００サイクル未満となった。金属間化合物厚さが１０μｍで、Ｎｉメタライズ残存厚さは０.０２μｍと薄く、このためパワーサイクル試験時に、素子／はんだ界面での剥離が生じた。比較例Ｎo.３２では、実施例Ｎo.２の半導体モジュールにおいて、素子裏面のＮｉメタライス厚さを１２μｍに厚くした。この場合、素子の厚さ９０μｍに対してＮｉメタライズ層の厚さ比が増すため、Ｎｉメタライズ層と素子との界面に熱応力負荷により大きな歪が生じたため、リフロー直後にＩＧＢＴ素子が割れてしまう不具合が生じた。
比較例Ｎo.３３では、実施例Ｎo.２の半導体モジュールにおいて、素子下はんだ組成をＳｎ−７％ＣｕからＳｎ−２％Ｃｕに変更したものを評価した。この場合、素子／はんだ界面およびはんだ／導体界面での金属間化合物の生成厚さが、いずれも６μｍ以下となり、素子／はんだ剥離が生じる。
比較例Ｎo.３４では、実施例Ｎo.２の半導体モジュールにおいて、素子下はんだ組成をＳｎ−７％ＣｕからＳｎ−１２％Ｃｕに変更したものを評価した。この場合、素子／はんだ界面およびはんだ／導体界面で(Ｃｕ，Ｎｉ)6Ｓｎ5金属間化合物に加えて、この(Ｃｕ，Ｎｉ)6Ｓｎ5と導体層の界面に脆弱なＣｕ3Ｓｎが生成する。この場合、パワーサイクル試験時には、生成したＣｕ3Ｓｎと導体層との界面で剥離が生じるため、パワーサイクル寿命は低下した。
比較例Ｎo.３５では、実施例Ｎo.２の半導体モジュールにおいて、リフロー温度を２５５℃から４５０℃に上昇させたものを用いた。この場合、Ｎｉメタライズ層の残存量が０.０１μｍであり、パワーサイクル試験時に素子／はんだ界面での剥離が生じた。
比較例Ｎo.３６では、実施例Ｎo.２の半導体モジュールにおいて、リフロー温度と保持時間を２５５℃から３５５℃に上昇と６minから６０minに延長したものを用いて評価した。この場合においても、Ｎｉメタライズ層の残存量が０.０８μｍであり、パワーサイクル試験時に素子／はんだ界面での剥離が生じた。
比較例Ｎo.３７，３８は、実施例Ｎo.２および実施例Ｎo.１４の素子下はんだ組成を、Ｓｎ−７％ＣｕからＳｎ−３.５％Ａｇに変更したものを、また、比較例Ｎo.３９，４０は、同実施例の素子下はんだ組成をＳｎ−７％ＣｕからＳｎ−３.５％Ａｇ−０.５％Ｃｕ−Ｎｉ−Ｇｅに変更したものを、また、比較例Ｎo.４１，４２は、同実施例の素子下はんだ組成をＳｎ−７％ＣｕからＳｎ−３％Ａｇ−０.５％Ｃｕに変更したものを用いて評価した。その結果、Ｎo.３７からＮo.４２の素子／はんだ界面に生成する金属間化合物はＮｉ−Ｓｎ系であり、この場合、リフロー時にはこの金属間化合物の生成反応は促進されるため素子下のＮｉメタライズ層は、Ｓｎ−Ｃｕ系に比べて大幅に減少する。このため、パワーサイクル試験時に素子／はんだ界面での剥離が生じ、寿命低下となる。
以上の結果から、パワー半導体素子裏面のＮｉメタライズ層厚さは、０.２μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
また、素子下はんだ組成は、Ｓｎ−３％Ｃｕ〜Ｓｎ−１０％Ｃｕであることが好ましい。Ｓｎ−Ａｇ系およびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだは、Ｎｉ−Ｓｎ化合物を容易に生成するため、Ｎｉメタライズ層の消失速度が大きく、パワーサイクル寿命の向上は望めない。
さらに、金属間化合物については、１０μｍ以上４０μｍ以下であることが望ましい。
また、Ｎｉメタライズ層の残存厚さは、０.１μｍ以上であることが望ましい。
Ｓｎ−ＡｇおよびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだを用いた場合、素子中央部での界面剥離の原因は、Ｎｉメタライズ層の消失が関与している。すなわち、ＳｎＡｇＣｕＮｉＧｅはんだでは、リフロー過程ではんだ成分のＳｎと反応してＮｉ−Ｓｎ化合物を生成し、いわゆる、はんだによるＮｉ食われが起きＮｉメタライズ層は消失する。したがって、Ｎｉ層の下地膜のＴｉ層とＮｉ−Ｓｎ相および主相Ｓｎの新たな界面となる。この場合、Ｔｉとはんだ界面での接合強度を保証するには、ＴｉとＳｎの反応によりＴｉ−Ｓｎ化合物の生成が必要となるが、２３１℃でＴｉ6Ｓｎ5金属間化合物が形成される。これは、モジュール試作の際のリフロー温度よりも低い温度であるため、リフロー工程でＴｉ−Ｓｎ合金化は起こり得る。しかしながら、Ｔｉ−Ｓｎ層形成とＴｉ層に含まれる酸素量とは密接な関係にあり、半導体素子の前工程におけるＴｉ層の形成の際に、ここに取り込まれた酸素量の揺らぎにより接着力の弱い界面が形成される可能性があり、パワーサイクル過程において、通電による素子発熱と冷却の繰り返しで発生する熱応力負荷のため、接着力の弱いＴｉとのはんだ接合界面で剥離が生じたものと推察される。
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５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、回転子が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半導体モジュールＰＭＵ，パワー半導体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。
本発明の電力変換装置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。
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半導体モジュール、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。
本発明の基本構造を示す、（ａ）平面構造図、（ｂ）断面構造模式図。 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。 素子／はんだ界面のミクロ組織（ａ）×１０００倍（ｂ）×３０００倍拡大像。 はんだ／導体層界面のミクロ組織（ａ）×１０００倍（ｂ）×３０００倍拡大像。 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。
符号の説明
１ ＩＧＢＴ素子
２ ＦＷＤ素子
３ 素子下接着層
４ 表面の導体層
５ 絶縁体
６ 裏面の導体層
７ 裏面の導体層下接着層
８ 銅製フィン・ベース
９，１０，１１ アルミワイヤ
１２ 制御端子用電極
１３ 主端子用電極
１４ ＰＰＳ樹脂ケース
１５ Ａｌダイカスト製冷却ジャケット
１６ Ｏリング
１７ 締結用ボルトネジ
１８ 給水口

Claims (10)

  1. 電極表面にＮｉ層が形成された半導体素子と金属製導体パターンと前記半導体素子と前記導体パターンを接合したはんだとを備えるパワー半導体モジュールにおいて、
    前記はんだの組成比がＳｎ−３ｗｔ％Ｃｕ〜Ｓｎ−１０ｗｔ％Ｃｕであり、前記半導体素子とはんだとの界面付近に形成された金属間化合物の厚さが、６μｍ〜５０μｍであることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  2. 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記半導体素子とはんだとの界面に対して垂直断面での該金属間化合物の面積比が２０％〜１００％の範囲にあることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  3. 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Ｎｉ層のはんだ接合後の残存量が、０.１μｍ以上であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  4. 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記半導体素子の表面に形成したＮｉ層の厚さが、０.１μｍ〜１０μｍであることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  5. 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、パワー半導体モジュールへの通電量が４００Ａ以上であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  6. 絶縁基板の一方の面に導体パターン、他方の面に裏面導体層が形成された配線基板と、前記導体パターンに搭載され、電流をスイッチングするパワー半導体素子と、前記裏面導体層の表面に配置された金属ベースとを備えるパワー半導体モジュールにおいて、
    前記パワー半導体素子の電極表面にＮｉ層が形成され、
    前記電極と前記導体パターンとが、組成比がＳｎ−３ｗｔ％Ｃｕ〜Ｓｎ−１０ｗｔ％Ｃｕのはんだにより接合され、
    前記はんだと前記電極との界面付近に形成された金属間化合物の厚さが、６μｍ〜５０μｍであることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  7. 請求項６に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記半導体素子とはんだとの界面に対して垂直断面での該金属間化合物の面積比が２０％〜１００％の範囲にあることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  8. 請求項６に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記Ｎｉ層の厚さが、０.１μｍ〜１０μｍであることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  9. 請求項６に記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記金属ベース板の表面にフィンを備えたことを特徴とする半導体モジュール。
  10. 絶縁基板の一方の面に導体パターン、他方の面に裏面導体層が形成された配線基板と、前記導体パターンに搭載され、電流をスイッチングするパワー半導体素子と、前記裏面導体層の表面に配置された金属ベースと、前記金属ベース板の裏面に配置された冷却水流路とを備える車載用インバータ装置であって、
    前記パワー半導体素子の電極表面にＮｉ層が形成され、
    前記電極と前記導体パターンとが、組成比がＳｎ−３ｗｔ％Ｃｕ〜Ｓｎ−１０ｗｔ％Ｃｕのはんだにより接合され、
    前記はんだと前記電極との界面付近に形成された金属間化合物の厚さが、６μｍ〜５０μｍであることを特徴とする車載用インバータ装置。
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