JP2024050019A - パワー半導体モジュールおよび電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁基板のクラックを抑制可能なパワー半導体モジュールを提供する。【解決手段】絶縁基板の支持部材を有しない樹脂封止型のパワー半導体モジュール２００であって、絶縁基板５０と、導体層パターン１１、導体層パターン１２及び導体層パターン１３を有し、導体層パターン１１上に接合された第１の半導体チップ群３１、３２と、導体層パターン１２上に接合された第２の半導体チップ群３３、３４と、導体層パターン１１の反対側と導体層パターン１２とを電気的に接続するリードフレーム２１と、導体層パターン１２の反対側と導体層パターン１３と、を電気的に接続するリードフレーム２２と、を備え、リードフレームの各々は、導体層パターン１１と導体層パターン１２との間のスリット７１、７２を跨いで配置され、かつ、絶縁基板の各導体層パターンの配置面に垂直な方向において、リードフレームが一重となるように配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体モジュールの構造に係り、特に、絶縁基板の支持部材となるベース板や放熱器を含まずに製造する樹脂封止型パワー半導体モジュールに適用して有効な技術に関する。

産業機器や電気鉄道車両、自動車、家電等の電力制御やモータ制御に、パワーMOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子、フリーホイールダイオード等の半導体素子を用いたパワー半導体モジュールが使用されている。近年では、特に電気自動車の普及から車載インバータ向けのパワー半導体モジュールの必要性が高まっている。車載インバータの電力利用効率を高めながら低価格で提供するためには、パワー半導体モジュールは低損失を実現しながらも低コスト化が求められる。

低損失特性の実現には、パワー半導体チップにGaN（窒化ガリウム）やSiC（炭化珪素）等の新材料や、逆方向導電性を備えた新型のSi（シリコン）製IGBTの適用など複数の選択肢がある。一方、パワー半導体モジュールの低コスト化の方法も様々な技術の方向性がある。モジュールを構成する部材自体を安価なものに置き換えることや、モジュールの外形を成型する方法を従来のケース方式から製造単価の安いモールド樹脂封止方式に変更するなどの製造工程の変更によっても低コスト化は可能である。しかしながら、実際には製造上の隘路が発生する。

モジュール構成部材の一つである絶縁基板は、その絶縁特性の確保のためにセラミック基板が主に用いられる。靭性の高い窒化ケイ素（SiN）基板や熱伝導率の高い窒化アルミニウム（AlN）基板は優れた特徴を有しながらも価格が高いというジレンマがあり、特に量産個数の多い車載インバータ用パワー半導体モジュールには安価なアルミナ（Al₂O₃）基板の適用が望まれるものの、曲げ強度が弱いという問題がある。

また、モジュールの外形を成型する工程において、トランスファーモールド方式やポッティング方式による樹脂封止を導入して一層の低コスト化を図るためには、樹脂の冷却硬化工程で生じる収縮応力に耐え得るモジュール構造が必要となる。つまり、曲げ強度の弱い安価なセラミック基板を用いても、樹脂封止の過程で発生する応力によるセラミック基板のクラック等の不具合を抑制する技術が重要となる。

樹脂封止をするパワー半導体モジュールであっても、機械的な剛性の高いベース板や放熱器等の支持部材を備える構成の場合には、上記のような応力によるセラミック基板のクラック等の問題は顕在化しない。しかし、複数の小型パワー半導体モジュールを組合せて必要な定格電流を満足する車載インバータでは、絶縁基板上に半導体スイッチング素子を搭載して樹脂封止をするシンプルな構成が多用される。従って、パワー半導体モジュールの製造工程において、絶縁基板の支持部材となるベース板や放熱器等を備えない場合には、セラミック基板のクラック等の応力による問題を克服して製造歩留まりを高める必要がある。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、サージ電圧を従来のものよりも低減できるようにする構成が示されている。セラミック基板を用い、基板上の回路パターン間を接続する電極バーを複数用いる。電極バー同士をラミネート構造に配置することでインダクタンスを低減してサージ電圧を抑制する。封止樹脂に関する記載は無いが、特許文献１の図１にはセラミック基板の平面中央に剛性を向上可能なラミネート電極バー構造を配置することが開示されている。

また、特許文献２には、半導体モジュール１００の外形を決める端子ケース８８を熱硬化型樹脂で形成することが述べられており、セラミック基板上に配置した複数の半導体チップの熱平衡性を向上させるために、基板上の配線パターン間に生じたスリットを架橋状の部材で跨ぐ構造が開示されている。

特開２００４－２１４４５２号公報 国際公開第２０２０／０７１１０２号

上記特許文献１の図１を参照すると、ハーフブリッジ回路を構成するIGBT及びダイオードのチップ配置と、それらを電気的に接続する電極バー３２，３３，３４の形状が示されている。複数の電極バーは絶縁物を挟み互いに近接させて配置することが述べられている。

また、上記特許文献２の図２を参照すると、チップ接合部１８０、配線接合部１８２、脚部１８５と１８６、及び架橋部１８４で構成されるリードフレームによって、セラミック基板上の配線パターン間を接続する構造が述べられている。

しかしながら、セラミック基板のクラックを防止する観点では、上記の従来技術には複数の課題がある。

特許文献１の構成では、樹脂封止によってモジュール外形を成型することを仮定すると、セラミック基板の平面に対して電極バーを重ね合わせる構造となることから、モジュール全体を封止するためには樹脂厚を厚くせざるを得ないことが容易に推察できる。そのため、樹脂総量の増加による収縮応力の増大やコスト高騰の課題が発生する。従って、前述のように、小型で安価なパワー半導体モジュールを志向する車載インバータへの適用は難しいと言える。

また、特許文献２には、架橋状の部分を含むリードフレームが、１６４－１～３の配線パターン間に生じるスリットを跨ぐことが示されており、セラミック基板に対して剛性を補強する構造と言える。しかし、そのリードフレームの配置は限定的であり、例えばセラミック基板中央部の最も長さの長いスリットについては、リードフレームは配置されていない。セラミック基板に対して剛性を補強するためには、樹脂封止後の冷却硬化時に最も大きな応力が生じて割れが発生しやすい箇所を同定した上で対策を施す必要がある。従って、基板中央部の長いスリットについて対処のない特許文献２の構成では、セラミック基板のクラック発生を防止することは困難であると考えられる。

そこで、本発明の目的は、絶縁基板の支持部材となるベース板や放熱器を使用しない樹脂封止型パワー半導体モジュールにおいて、封止樹脂の冷却硬化時に発生しやすい絶縁基板のクラックを効果的に抑制可能なパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、絶縁基板の支持部材を有しない樹脂封止型のパワー半導体モジュールであって、絶縁基板と、前記絶縁基板上に配置された第１の導体層パターンと、前記絶縁基板上に配置され、前記第１の導体層パターンと電気的に絶縁された第２の導体層パターンと、前記絶縁基板上に配置され、前記第１の導体層パターンおよび前記第２の導体層パターンと電気的に絶縁された第３の導体層パターンと、前記第１の導体層パターン上に接合された１つ以上の半導体チップを有する第１の半導体チップ群と、前記第２の導体層パターン上に接合された１つ以上の半導体チップを有する第２の半導体チップ群と、前記第１の半導体チップ群の前記第１の導体層パターンとの接合面の反対側と前記第２の導体層パターンとを電気的に接続する第１のリードフレームと、前記第２の半導体チップ群の前記第２の導体層パターンとの接合面の反対側と前記第３の導体層パターンとを電気的に接続する第２のリードフレームと、を備え、前記第１のリードフレームおよび前記第２のリードフレームの各々は、前記第１の導体層パターンと前記第２の導体層パターンとの間のスリットを跨いで配置され、かつ、前記絶縁基板の前記各導体層パターンの配置面に垂直な方向において、リードフレームが一重となるように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、絶縁基板の支持部材となるベース板や放熱器を使用しない樹脂封止型パワー半導体モジュールにおいて、封止樹脂の冷却硬化時に発生しやすい絶縁基板のクラックを効果的に抑制可能なパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置を実現することができる。

これにより、パワー半導体モジュールの絶縁基板にアルミナ（Al₂O₃）基板を用いることができ、パワー半導体モジュールの製造歩留まり向上及び低コスト化、電力変換装置の低コスト化が図れる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１に係るパワー半導体モジュールの平面図である。 図１のＡ－Ａ’断面図である。 図１のＢ－Ｂ’断面図である。 従来のパワー半導体モジュールの平面図である。 図４のＣ－Ｃ’断面図である。 セラミック基板における応力の解析結果の一例を示す図である。 図６の解析モデルの概要を示す図である。（従来例） 図６の解析モデルの概要を示す図である。（本発明） 本発明の実施例２に係るパワー半導体モジュールの平面図である。 図８のＤ－Ｄ’断面における相互インダクタンスを概念的に示す図である。 本発明の実施例１及び実施例２に係るパワー半導体モジュールの外形図である。 本発明の実施例３に係る電力変換装置の回路構成を示すブロック図である。 図１のＡ－Ａ’断面における相互インダクタンスを概念的に示す図である。 図１における主回路インダクタンス経路を示す等価回路図である。 図８における主回路インダクタンス経路を示す等価回路図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成或いは類似の機能を備えた構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１から図７Ｂ、及び図１０を参照して、本発明の実施例１のパワー半導体モジュールについて説明する。本実施例では、セラミック絶縁基板を用いて構成するパワー半導体モジュールにおいて、封止樹脂が冷却硬化する際のセラミック絶縁基板のクラックの発生を抑制するモジュール構造を示すとともに、セミック絶縁基板に加わる応力の低減効果について説明する。

≪概略構成≫
図１に、本実施例のパワー半導体モジュール２００の概略構成を示す。なお、図１の平面図では、本来封止樹脂６０があるために見えない下層の部品配置について、便宜上、透過させた前提でその配置を明示することを、予め述べておく。図１は、パワー半導体モジュール２００を上方から見た平面図を示し、図２及び図３は、それぞれ平面図に記載した断面線Ａ－Ａ’及び断面線Ｂ－Ｂ’における断面構造図を示している。

≪平面構成≫
図１に示す本実施例のパワー半導体モジュール２００は、ハーフブリッジ回路を１枚の絶縁基板（セラミック基板）５０上に構成する。点線で示す樹脂封止６０の範囲がパワー半導体モジュールの外形を示している。

本実施例のパワー半導体モジュール２００は、図１に示すように、ＩＧＢＴチップとダイオードチップの組み合わせを２組備えた（符号３１と３２，符号３３と３４）、いわゆる２ｉｎ１タイプのパワー半導体モジュールであり、３つの外部主端子１，２，３を有している。

外部主端子１は高電圧電源端子として、外部主端子３は低電圧電源端子として直流電圧を絶縁基板５０上のハーフブリッジ回路に供給し、外部主端子２は交流電圧端子として機能し、負荷電流を外部に供給する。

３つの外部主端子１，２，３はそれぞれ、絶縁基板５０上に配置され互いに電気的に絶縁された３つの導体層パターン１１，１２，１３に接続されている。

導体層パターン１１は、絶縁基板５０のＹ方向の一辺に沿って延在するように、絶縁基板５０の一方の領域（図１では絶縁基板５０の右側の領域）に配置されている。導体層パターン１２は、絶縁基板５０のＹ方向の他方の辺に沿って延在するように、絶縁基板５０の他方の領域（図１では絶縁基板５０の左側の領域）に配置されている。導体層パターン１１と導体層パターン１２との間には、スリット７１が形成されており、スリット７１により導体層パターン１１と導体層パターン１２とが分離されるとともに、電気的に絶縁されている。

導体層パターン１３は、絶縁基板５０のＸ方向の一辺に沿って延在し、一部が絶縁基板５０の一方の領域（図１では絶縁基板５０の右側の領域）に配置され、他の一部が他方の領域（図１では絶縁基板５０の左側の領域）に配置されている。導体層パターン１１及び導体層パターン１２と、導体層パターン１３との間には、スリット７２が形成されており、スリット７２により導体層パターン１１及び導体層パターン１２と導体層パターン１３とが分離されるとともに、電気的に絶縁されている。

外部主端子１は、絶縁基板５０上に接合された導体層パターン１１に電気的に接続される。図１では、導体層パターン１１に半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴチップ３１と、半導体ダイオード素子としてダイオードチップ３２をそれぞれ１チップずつ逆並列接続して、上アーム回路を構成している。ＩＧＢＴチップ３１のコレクタ電極とダイオードチップ３２のカソード電極を、半田及び焼結材料を介して導体層パターン１１に、電気的かつ機械的に接続する。信号端子５，６はＩＧＢＴチップ３１のスイッチングを制御するゲート制御端子とエミッタセンス端子である。導体層パターン１５，１６に接続されたそれぞれの端子は、ボンディングワイヤ２５，２６を介してＩＧＢＴチップ３１上のゲート電極３０３とエミッタ電極３０２に接続される。

ＩＧＢＴチップ３１のエミッタ電極３０２とダイオードチップ３２のアノード電極３０４は共に、リードフレーム２１を介して、交流電圧端子の電位が印加される導体層パターン１２に電気的かつ機械的に接続される。その接続方法は、ＩＧＢＴチップ３１のコレクタ電極とダイオードチップ３２のカソード電極と同様に、半田及び焼結材料を介する方法である。

導体層パターン１２には下アーム回路を構成するＩＧＢＴチップ３３のコレクタ電極とダイオードチップ３４のカソード電極とともに、交流電圧端子である外部主端子２が接続される。リードフレーム２２は、ＩＧＢＴチップ３３のエミッタ電極３０２とダイオードチップ３４のアノード電極３０４を接続するとともに、導体層パターン１３に接続する。上アーム回路と同様に、信号端子（ゲート制御端子）７と信号端子（エミッタセンス端子）８がＩＧＢＴチップ３３のスイッチングを制御する。

ここで、上記の焼結材料とは、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の粒径を有する単結晶が複数集合したものであり、表面に酸化銅を含んで構成される酸化銅層が形成された銅ナノ粒子を含む焼結銅接合材料を含むものである。焼結銅接合技術は、上記の銅ナノ粒子を半導体チップの接合材料として用い、銅ナノ粒子を互いに焼結することにより焼結銅接合層を形成するものである。銅は、従来の半田や銀に比べて、破壊耐力が高く、例えば１７５℃以上の高温使用においても接合の破壊寿命を長くすることができる。また、焼結銅接合材料は、銅やニッケルなどの非貴金属に対する接合性が高く、接合の相手となる電極材料に高価な金や銀のめっき膜を必要としないため、接合に要するコストを抑えることができる。

本発明の特徴は、導体層パターン１１と導体層パターン１２の間に発生するスリット７１に対するリードフレーム２１とリードフレーム２２の配置形態にある。リードフレーム２１とリードフレーム２２は、それぞれ複数の半導体チップの配置方向（図１中のＹ方向）に伸展した後にＬ字型となり、スリット７１に対して直角に跨ぐ形状とする。なお、角度は必ずしも直角（９０°）に限定されるものではなく、略直角或いは斜めに跨ぐ形状であっても良い。

ＩＧＢＴチップ３１とダイオードチップ３２、ＩＧＢＴチップ３３とダイオードチップ３４の二組のチップ群は、スリット７１の基板中心位置を起点に概ね点対称であることから、Ｌ字形状を備える２つのリードフレーム２１，２２も、図１に示すように、スリット７１の基板中心位置を起点とした点対称の配置となる。リードフレーム２１とリードフレーム２２により所謂架橋上の補強構造を付加した構造となり、この配置を取ることによりスリット７１の長さは、図１に示す距離Ｙ１からＹ２へと短くすることが可能になる。

≪断面構成≫
図２及び図３は、それぞれ図１に示す断面線Ａ－Ａ’及び断面線Ｂ－Ｂ’におけるモジュール構造を示している。なお、パワー半導体モジュール２００の内部構造を分かり易くするために、Ａ－Ａ’断面及びＢ－Ｂ’断面から見た奥行方向の構成部品も一部示している。図２のＡ－Ａ’断面図では、リードフレーム２１及びリードフレーム２２と、スリット７１及びスリット７２との配置関係を示している。また、導体層パターン１４は、絶縁基板５０の下部平面に接合される導体層パターンである。

図２のＡ－Ａ’断面図は、リードフレーム２２からリードフレーム２１に向かう方向を視野としており、半導体チップ（ダイオードチップ３２，ＩＧＢＴチップ３３）とリードフレーム２１，２２で構成する導体によるブリッジ構造がスリット７１を跨ぐことが分かる。封止樹脂６０により形成されるパワー半導体モジュール２００の外形の内、図示する長さＺ１をパワー半導体モジュール２００の高さと定義する。

図３のＢ－Ｂ’断面図は、リードフレーム２１，２２がスリット７１上に配置されていない領域の断面構成を示す。リードフレーム２１とリードフレーム２２の断面形状は上下２段階の形状としており、半導体チップ（ＩＧＢＴチップ３１，ダイオードチップ３４）の各電極に接続する下半分は、半導体チップの電極の幅に合わせた形状に設定する。

本実施例のパワー半導体モジュール２００では、図３に示すように、封止樹脂６０の外形形状に特徴を設けて、スリット７１に機械的ストレスを与える収縮応力を抑制している。リードフレーム２１とリードフレーム２２が、絶縁基板５０の中央を囲う形状となることから、リードフレームの無い中央部分について、封止樹脂６０の形状を部分的に変形し、図３に示すような凹部形状６１（幅Ｘ４）を設ける。凹部形状６１におけるパワー半導体モジュール２００の高さをＺ１ａと定義する。

このように、絶縁基板５０上に発生するスリット７１を跨ぐ剛性強化用のリードフレームの配置と、リードフレームによる剛性強化が及ばない基板中央部では封止樹脂６０の厚さを薄く抑える形状にすることを同時に実現できるのが本実施例の構造である。

図１０に、パワー半導体モジュール２００の成型後の外形図を示す。図中の中央に凹部形状６１があり、その平面形状は長方形（矩形）である。凹部形状６１は、リードフレーム２１とリードフレーム２２によって囲われた略矩形の領域に形成されている。その短辺の長さＸ４は、リードフレーム間の間隔を反映して決まる値であるが、薄層化の効果を得るためには４ｍｍ以上に設定するのが望ましい。また、上記のパワー半導体モジュール２００の高さＺ１及びＺ１ａの値を例示すると、Ｚ１＝５ｍｍ、Ｚ１ａ＝３ｍｍとすることができ、その結果、凹部形状６１の凹部高さは差分の２ｍｍとなる。この凹部形状６１の凹部高さ（深さ）は、２ｍｍ以上とするのが望ましい。

なお、図１０に示すパワー半導体モジュール２００の外形形状は、後述する実施例２（図８）のパワー半導体モジュール２０２でも同様である。

剛性の定量評価の一例として以下に概算を示す。

絶縁基板５０にアルミナ（Al₂O₃）基板を用いることを想定し、その厚みを０．３ｍｍ、ヤング率を３００ＧＰａとする。リードフレームは銅製として、厚みを１．５ｍｍ、ヤング率を１３０ＧＰaとする。剛性は、厚みとヤング率の積で概算できることから、アルミナ基板とリードフレームが仮に同じ幅であった場合には、銅製のリードフレームの剛性がアルミナ基板の２００％強となるが、リードフレームの幅の総和がアルミナ基板の剛性に支配的なスリット７１の幅の４０％と仮定すると、リードフレーム導入による剛性の強化分は導入前の８０％増と概算できる。

また、リードフレームは、パワー半導体チップ（ＩＧＢＴチップ及びダイオードチップ）とその接合材を介して剛性を発揮するため、チップ種やダイボンド接合材の選定が重要である。Ｓｉチップに替えて硬度の高いＳｉＣチップ、半田に替えて２倍以上の接合強度が確保できる焼結銅や焼結銀による接合方法を選択することで、本発明の効果をより顕著にすることは言うまでもない。

≪従来のリードフレーム構成例≫
本実施例の構成と作用効果をより分かり易くするために、図４及び図５を用いて、従来のパワー半導体モジュールの構成例について説明する。

図４は、従来のパワー半導体モジュール２０１の平面図であり、図５は、図４のＣ－Ｃ’断面図である。なお、図２及び図３と同様に、パワー半導体モジュール２０１の内部構造を分かり易くするために、Ｃ－Ｃ’断面から見た奥行方向の構成部品も一部示している。

図４に示す従来のパワー半導体モジュール２０１は、図１と同様のハーフブリッジ回路を絶縁基板５０上で実現するモジュール構成を例示するものである。リードフレーム２１とリードフレーム２２を採用するものの、従来例の形態を示している。

本実施例（図１）の構成と異なり、剛性の補強構造は無く、絶縁基板５０の中央に長さＹ３のスリット７１が発生している。封止樹脂６０が冷却硬化することにより、スリット７１を中心に応力が発生してしまい、絶縁基板５０の中心部分にクラックが発生するリスクが高い。

≪解析結果による定性的傾向≫
図６から図７Ｂを用いて、絶縁基板５０の中央部における応力について説明する。

図６は、セラミック基板の中央部における応力Ｎを、シミュレータを用いて解析した結果を示している。図７Ａ及び図７Ｂは、図６の解析モデルの概要を示す図であり、それぞれ従来例の構造、本発明の構造を模した断面構造を示している。

アルミナ（Al₂O₃）を想定した絶縁基板（セラミック基板）５０に対し、厚み０．４ｍｍの銅製の導体層パターン１１，１２，１４を配置した。応力Ｎの観測位置は、厚み０．３ｍｍの絶縁基板（セラミック基板）５０の中央部分で、かつ、スリット７１の直下である。

本発明の構造を模した図７Ｂは、スリット７１を塞ぐ形でリードフレーム相当の銅製の板ＬＦが追加で配置された構成を示している。図７Ａ及び図７Ｂでは、封止樹脂６０として、共にエポキシ樹脂が厚みＴで導体層パターン１１，１２上に配置されることを想定し、そのＴ値を変化させた場合の応力Ｎの依存性を図６に示す。ここでは、４ｍｍ～７ｍｍのＴ値を用いている。現実的なＴ値は４ｍｍ程度であり、絶縁基板５０と導体層パターン１１，１２の厚みを考慮すると、樹脂封止されたパワー半導体モジュールの全体の厚みは５ｍｍ前後である。

図６の横軸に示す樹脂の厚みＴの変化に対し、図７Ａに示す従来例の構造を模した断面構造の場合（図中▲のプロット）では、樹脂の厚みＴが薄くなった場合でも応力Ｎは減少することなく、高止まりすることが分かる。一方、図７Ｂに示す本発明の構造を模した断面構造（図中〇のプロット）では、従来例の構造に比べて、応力Ｎ自体が低下するとともに、樹脂の厚みＴが薄くなるのに従い、応力Ｎが減少することが分かる。

この傾向は、本実施例で説明した剛性を補強する構造のリードフレームの追加と部分的な樹脂厚の薄層化を合わせた施策に効果があることを定性的に示すものである。また、図６の従来例のデータが示すように、樹脂の厚みＴを単純に薄層化しても応力低減効果は期待できないことも判明した。これらの解析結果の傾向は、樹脂や銅製導電層パターンの熱膨張率やそれぞれの厚みとの関係により変動し恒常的な傾向ではないものの、本発明の効果を示している。

以上説明したように、本実施例のパワー半導体モジュールは、絶縁基板５０の支持部材となるベース板や放熱器等を有しない樹脂封止型のパワー半導体モジュールであって、絶縁基板５０と、絶縁基板５０上に配置された第１の導体層パターン１１と、絶縁基板５０上に配置され、第１の導体層パターン１１と電気的に絶縁された第２の導体層パターン１２と、絶縁基板５０上に配置され、第１の導体層パターン１１及び第２の導体層パターン１２と電気的に絶縁された第３の導体層パターン１３と、第１の導体層パターン１１上に接合された１つ以上の半導体チップを有する第１の半導体チップ群（ＩＧＢＴチップ３１，ダイオードチップ３２）と、第２の導体層パターン１２上に接合された１つ以上の半導体チップを有する第２の半導体チップ群（ＩＧＢＴチップ３３，ダイオードチップ３４）と、第１の半導体チップ群の第１の導体層パターン１１との接合面の反対側と第２の導体層パターン１２とを電気的に接続する第１のリードフレーム２１と、第２の半導体チップ群の第２の導体層パターン１２との接合面の反対側と第３の導体層パターン１３とを電気的に接続する第２のリードフレーム２２を備えており、第１のリードフレーム２１及び第２のリードフレーム２２の各々は、第１の導体層パターン１１と第２の導体層パターン１２との間のスリット７１を跨いで配置され、かつ、絶縁基板５０の各導体層パターン１１，１２，１３の配置面に垂直な方向において、互いに重ならないように、すなわち、リードフレーム２１，２２が一重となるように配置されている。

また、スリット７１は、絶縁基板５０の中央部に配置され、絶縁基板５０上に形成される各導体層パターン１１，１２，１３間の複数のスリットの内、長さが最も長い。

また、スリット７１の少なくとも一部を含む領域の封止樹脂６０の厚みは、他の領域の封止樹脂６０の厚みよりも薄い。

また、絶縁基板５０の各導体層パターン１１，１２，１３の配置面に垂直な方向において、第１のリードフレーム２１及び第２のリードフレーム２２上には、封止樹脂６０のみが配置されている。

これにより、封止樹脂６０の冷却硬化時に発生しやすい絶縁基板５０のクラックを効果的に抑制することができる。

図８及び図９、図１２から図１４を参照して、本発明の実施例２のパワー半導体モジュールについて説明する。なお、図１２及び図１３は、実施例１に関する図であり、本実施例との比較のために示している。

図８は、本実施例のパワー半導体モジュール２０２の平面図である。実施例１（図１）の構成に対して、外部主端子１及び外部主端子３の端子形状とその周囲の導体層パターンの形状を変更している。スリット７１に対するリードフレーム２１とリードフレーム２２Ａの形状は、実施例１（図１）と同様である。

リードフレーム２２Ａは、Ｌ字形状のフレーム形状を備えながら、実施例１（図１）で示した外部主端子３の機能も兼ねる形状とする。このような形状とすることで、ＩＧＢＴチップ３３から外部主端子３Ａまでの経路を一様に、かつ厚い導体で構成できる。例えば、導体層パターン１１～１３が銅製の回路パターンであって、その厚みが０．４ｍｍとする。一方、リードフレーム２１及びリードフレーム２２Ａは、導体層パターン１１～１３の厚みに関わらず、厚銅リードフレームを利用できることから、その厚みは１．０ｍｍ～１．５ｍｍに設定することが可能である。

外部主端子１Ａは、実施例１（図１）の外部主端子１と比較して、絶縁基板５０上の長さをダイオードチップ３２の近傍まで伸長させると共に、導体層パターン１３の上部を通過する形状とする。

図８の断面線Ｄ－Ｄ’での断面図を図９に示す。上述したような本実施例の形態を取ることによって、高電圧電源端子である外部主端子１Ａに対して、低電圧電源端子である外部主端子３Ａ（リードフレーム２２Ａが兼ねる）は、（１）厚い導体断面形状同士で平行配置できる、（２）導体層パターン１３と平面的に平行配置する領域が発生する、という２点の特徴を備えることができる。つまり、外部主端子１Ａが、リードフレーム２２Ａと厚い導体断面形状同士で平行配置でき、なおかつ、導体層パターン１３とは広い幅で平行配置できる。

外部主端子１Ａと外部主端子３Ａは、パワー半導体モジュール２０２のスイッチング特性に影響を与える主回路インダクタンスＬｓを構成する配線経路である。図１４に、図８に示す本実施例のパワー半導体モジュール２０２の主回路インダクタンス経路の等価回路を示す。外部主端子１Ａは図中のＴｅｒｍ１Ａに、外部主端子３ＡはＴｅｒｍ３Ａにそれぞれ対応する。

Ｔｅｒｍ１Ａは、外部主端子１Ａで発生するインダクタンスに相当するＬ１ＡとＬ１Ｂを経由して、ＩＧＢＴチップ３１とダイオードチップ３２に接続される。これらの半導体チップは、リードフレーム２１に相当するインダクタンスＬ２１を介して、ＩＧＢＴチップ３３とダイオードチップ３４に接続され、さらにリードフレーム２２Ａと導体層パターン１３に対応するインダクタンスＬ２２Ａ，Ｌ２２Ｂ，Ｌ１３、そして外部主端子３Ａのインダクタンスを示すＬ３を介してＴｅｒｍ３Ａに接続される。

上記のＴｅｒｍ１ＡからＴｅｒｍ３Ａに至る経路の総インダクタンスが主回路インダクタンスＬｓであり、その値が小さいほど、スイッチング時のサージ電圧等を削減できることから、スイッチング損失を小さくすることができる。

図９及び図１４に示す等価回路から、本実施例の構成では、インダクタンスＬ１Ａ及びＬ１Ｂに対して、相互インダクタンスＭ１－１３，Ｍ１－２２，Ｍ１－３が導体層パターン１３とリードフレーム２２Ａ（外部主端子３Ａを兼ねる）との間に発生する。図９に示すように、外部主端子１Ａと外部主端子３Ａについては、互いに通流する電流が逆方向に流れることから、相互インダクタンスＭが発生して上記の主回路インダクタンスＬｓの値を減少させる効果がある。主回路インダクタンスＬｓの値が減少するのは、相互インダクタンスＭの符号がＬｓを構成する導体層パターンとリードフレームの自己インダクタンスと逆の負性だからである。

ここで、図１２及び図１３を用いて、実施例１（図１）の構成と比較する。

図１２に示す実施例１の断面構造（図１のＡ－Ａ’断面）では、導体層パターン１１に対して、導体層パターン１３とリードフレーム２２の積層構造との間に相互インダクタンスＭ１１－１３が発生する。

図１３に、実施例１（図１）のパワー半導体モジュール２００の主回路インダクタンス経路の等価回路を示す。主回路インダクタンスの経路に着目すると、外部主端子１と導体層パターン１１に発生するインダクタンスＬ１及びＬ１１に対して、導体層パターン１３と外部主端子３との間に、上記のＭ１１－１３に加え、相互インダクタンスＭ１－３が発生する。

実施例１（図１）と実施例２（図８）とを比較すると、外部主端子や導体層パターン、及びリードフレームの長さは同等であるが、図１３と図１４の比較から分かるように、相互インダクタンスが異なっている。実施例１と実施例２の相互インダクタンスの差分について大小の比較をすると式（１）の関係が成立する。

｜Ｍ１－１３ ＋ Ｍ１－２２｜ ＞ ｜Ｍ１１－１３｜ ・・・（式１）
すなわち、実施例１（図１）に示す外部主端子１と外部主端子３、及び周辺の導体層パターンとリードフレームの配置形態よりも、本実施例（図８）のような配置とすることで、主回路インダクタンスＬｓに影響を与える相互インダクタンスの値を大きくすることができるため、本実施例では、主回路インダクタンスLsを実施例１より小さく抑えることが可能となる。

以上説明したように、本実施例のパワー半導体モジュールは、第１の導体層パターン１１と電気的に接続された外部主端子１Ａを有しており、外部主端子１Ａの一部は、絶縁基板５０の各導体層パターン１１，１２，１３の配置面において、第２のリードフレーム２２Ａと封止樹脂６０を隔てて対向し、かつ、第３の導体層パターン１３と封止樹脂６０を隔てて対向するように構成されている。

また、外部主端子３Ａは、第２のリードフレーム２２Ａと一体で成形されている。

本実施例では、絶縁基板（セラミック基板）５０への応力を緩和しつつ、外部主端子の形状の変更により、主回路インダクタンスＬｓを低減することができる。

従って、アルミナ（Al₂O₃）基板等の安価ではあるが、曲げ強度の弱い絶縁基板を樹脂封止型のパワー半導体モジュールに導入し、基板クラックのリスクを下げて高歩留まりで製造できることから、パワー半導体モジュールの低コスト化が可能となる。

また、主回路インダクタンスを低減できることから、スイッチング損失を低減することができる。

図１１を参照して、本発明の実施例３の電力変換装置について説明する。図１１は、本実施例の電力変換装置の回路構成を示すブロック図である。

図１１では、バッテリー２５０と、電力変換装置２６０と、負荷となる電動機２７０によって構成される電気自動車の車軸を駆動する３相交流電動機の例を示している。

本実施例の電力変換装置２６０は、２ｉｎ１のパワー半導体モジュール２００もしくはパワー半導体モジュール２０２によって構成される一相分のレグ回路を３つと、コンデンサ２４０と、制御回路２３０とを備えている。なお、電力変換装置２６０は、交流の相数に等しいゲート駆動回路２１０（２１０ａ～２１０ｃ）を備えている。

電力変換装置２６０は、コンデンサ２４０により主電圧（Ｖｃｃ）を保持し、制御回路２３０により生成された各パワー半導体モジュール２００（２０２）内の半導体スイッチング素子のゲート駆動信号は、ゲート駆動回路２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃを介して各パワー半導体モジュール２００（２０２）へと入力される。

レグ回路２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃは、それぞれ第１相のインバータレグ、第２相のインバータレグ、第３相のインバータレグを構成する。各インバータレグの出力が電動機２７０と接続される。

本実施例では、レグ回路２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃは、同じ回路構成を有している。そこで、レグ回路２２０ａを例にとって回路構成について説明する。

レグ回路２２０ａは、パワー半導体モジュール２００ａ（２０２ａ）によって構成される一対の上下アームと、パワー半導体モジュール２００ａ（２０２ａ）をオン・オフ制御するゲート駆動回路２１０ａと、を備えている。

本実施例によれば、電力変換装置２６０に搭載されるパワー半導体モジュール２００もしくはパワー半導体モジュール２０２に、実施例１及び実施例２のいずれかで説明したパワー半導体モジュールが用いられており、電力変換装置２６０やそれを含んで構成する電気自動車用モータ駆動システムのコストを低減することができる。

また、実施例２で説明したパワー半導体モジュール２０２を用いることにより、主回路インダクタンスを低減できることから、従来のモジュール構成と比較して、スイッチング損失を低減することができる。

従って、電力変換装置２６０やそれを含んで構成する電気自動車用モータ駆動システムを、低コスト化できるとともに、低損失化することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば、パワー半導体モジュール２００やパワー半導体モジュール２０２を構成する部材の寸法や絶縁距離はその応用に応じて任意で良い。

さらに、パワー半導体モジュール２００及びパワー半導体モジュール２０２を構成する半導体スイッチング素子のチップ配置は図示した形態に限定されるものではない。

パワー半導体モジュール２００もしくはパワー半導体モジュール２０２としては、各実施例で説明したＩＧＢＴとダイオードの並列接続の他に、複数のＭＯＳＦＥＴチップの並列接続構成やＪＦＥＴ型（Junction Field Effect Transistor）等のユニポーラデバイスや、ＢＪＴ（Bipolar Junction Transistor）等のバイポーラデバイスのいずれでも良い。なお、デバイスに応じて、主端子やセンス端子の名称が、上述の「コレクタ」及び「エミッタ」の他、「ドレイン」及び「ソース」と呼称される。

また、パワー半導体モジュール２００もしくはパワー半導体モジュール２０２を適用する電力変換装置２６０は、電気自動車用モータ駆動システムの他、太陽光発電装置におけるＰＣＳ（Power Conditioning System）や鉄道車両電気システム等にも適用できる。

１，１Ａ…外部主端子（高電圧電源端子）
２…外部主端子（交流電圧端子）
３，３Ａ…外部主端子（低電圧電源端子）
５，７…信号端子（ゲート制御端子）
６，８…信号端子（エミッタセンス端子）
１１…導体層パターン（高電圧電源端子の電位）
１２…導体層パターン（交流電圧端子の電位）
１３…導体層パターン（低電圧電源端子の電位）
１４…導体層パターン
１５，１８…導体層パターン（ゲート電圧端子の電位）
１６，１９…導体層パターン（エミッタセンス電圧端子の電位）
２１，２２，２２Ａ…リードフレーム
２５，２７…（ゲート配線用）ボンディングワイヤ
２６，２８…（エミッタセンス配線用）ボンディングワイヤ
３１，３３…ＩＧＢＴチップ
３２，３４…ダイオードチップ
５０…絶縁基板（セラミック基板）
６０…封止樹脂
６１…（封止樹脂の）凹部形状
７１，７２…（導体層パターン間の）スリット
２００,２０１，２０２…パワー半導体モジュール
２１０，２１０ａ～２１０ｃ…ゲート駆動回路
２２０，２２０ａ～２２０ｃ…レグ回路
２３０…制御回路
２４０…コンデンサ
２５０…バッテリー
２６０…電力変換装置
２７０…電動機
３０１…コレクタ電極
３０２…エミッタ電極
３０３…ゲート電極
３０４…アノード電極
３０５…カソード電極
Ｘ１，Ｘ４，Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４…距離
Ｔ…封止樹脂の厚み

Claims (12)

1. 絶縁基板の支持部材を有しない樹脂封止型のパワー半導体モジュールであって、
   絶縁基板と、
   前記絶縁基板上に配置された第１の導体層パターンと、
   前記絶縁基板上に配置され、前記第１の導体層パターンと電気的に絶縁された第２の導体層パターンと、
   前記絶縁基板上に配置され、前記第１の導体層パターンおよび前記第２の導体層パターンと電気的に絶縁された第３の導体層パターンと、
   前記第１の導体層パターン上に接合された１つ以上の半導体チップを有する第１の半導体チップ群と、
   前記第２の導体層パターン上に接合された１つ以上の半導体チップを有する第２の半導体チップ群と、
   前記第１の半導体チップ群の前記第１の導体層パターンとの接合面の反対側と前記第２の導体層パターンとを電気的に接続する第１のリードフレームと、
   前記第２の半導体チップ群の前記第２の導体層パターンとの接合面の反対側と前記第３の導体層パターンとを電気的に接続する第２のリードフレームと、を備え、
   前記第１のリードフレームおよび前記第２のリードフレームの各々は、前記第１の導体層パターンと前記第２の導体層パターンとの間のスリットを跨いで配置され、かつ、前記絶縁基板の前記各導体層パターンの配置面に垂直な方向において、リードフレームが一重となるように配置されてい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であって、
   前記第１のリードフレームおよび前記第２のリードフレームの各々は、前記絶縁基板の前記各導体層パターンの配置面に垂直な方向において、互いに重ならない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であって、
   前記スリットは、前記絶縁基板の中央部に配置され、
   前記絶縁基板上に形成される前記各導体層パターン間の複数のスリットの内、長さが最も長いことを特徴とするパワー半導体モジュール。
4. 請求項３に記載のパワー半導体モジュールであって、
   前記絶縁基板、前記第１の半導体チップ群、前記第２の半導体チップ群、前記第１のリードフレーム、前記第２のリードフレームを封止する封止樹脂を有し、
   前記スリットの少なくとも一部を含む領域の封止樹脂の厚みは、他の領域の封止樹脂の厚みよりも薄い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であって、
   前記絶縁基板の前記各導体層パターンの配置面に垂直な方向において、前記第１のリードフレームおよび前記第２のリードフレーム上には、封止樹脂のみが配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
6. 請求項４に記載のパワー半導体モジュールであって、
   前記封止樹脂は、表面に凹部を有し、
   前記凹部は、前記封止樹脂の厚みが薄い領域であり、その深さは２ｍｍ以上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４に記載のパワー半導体モジュールであって、
   前記封止樹脂は、表面に凹部を有し、
   前記凹部は、前記封止樹脂の厚みが薄い領域であり、前記パワー半導体モジュールを平面視した際に、短辺が４ｍｍ以上の矩形形状で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１に記載のパワー半導体モジュールであって、
   前記第１の導体層パターンと電気的に接続された外部端子を有し、
   前記外部端子の一部は、前記絶縁基板の前記各導体層パターンの配置面において、前記第２のリードフレームと封止樹脂を隔てて対向し、かつ、前記第３の導体層パターンと封止樹脂を隔てて対向することを特徴とするパワー半導体モジュール。
9. 請求項１に記載のパワー半導体モジュールであって、
   前記絶縁基板は、アルミナ（Al₂O₃）を主成分とするセラミック基板であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
10. 請求項１に記載のパワー半導体モジュールであって、
    前記第１の半導体チップ群と前記第１の導体層パターンとの接合、前記第１の半導体チップ群と前記第１のリードフレームとの接続、前記第２の半導体チップ群と前記第２の導体層パターンとの接合、前記第２の半導体チップ群と前記第２のリードフレームとの接続の内、少なくともいずれか１つは焼結銅による接合または接続であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
11. 請求項１に記載のパワー半導体モジュールであって、
    前記第１の導体層パターンと電気的に接続された第１の外部端子と、
    前記第３の導体層パターンと電気的に接続された第２の外部端子と、を有し、
    前記第２の外部端子は、前記第２のリードフレームと一体で成形されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
12. 一対以上の上下アームを有する主回路と、
    前記上下アームを駆動する駆動回路と、を備え、
    前記上下アームに、請求項１から１１のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールを用いることを特徴とする電力変換装置。

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