JP6925506B2 - 半導体パワーモジュールおよび電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体パワーモジュールおよび電力変換装置に関し、特に、パワー半導体素子を封止材によって封止した半導体パワーモジュールと、その半導体パワーモジュールを適用した電力変換装置に関する。
高電圧および大電流に対応する目的で、通電経路が縦方向に形成されているタイプの半導体素子は、一般的にパワー半導体素子と呼ばれている。そのようなパワー半導体素子には、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、バイポーラトランジスタ、ダイオードなどがある。
パワー半導体素子が絶縁基板に実装され、封止樹脂によって封止された半導体パワーモジュールは、産業機器、自動車、鉄道など、幅広い分野において用いられている。近年、半導体パワーモジュールを搭載した機器の高性能化に伴い、定格電圧および定格電流の増加、使用温度範囲の拡大（高温化、低温化）、といった半導体パワーモジュールの高性能化への要求が高まってきている。
半導体パワーモジュールのパッケージ構造は、ケース構造と呼ばれるものが主流である。ケース型の半導体パワーモジュールでは、放熱用のベース板上に絶縁基板を介して、パワー半導体素子が実装されている。そのパワー半導体素子を取り囲むように、ベース板にケースが接着されている。
半導体パワーモジュールの内部に実装されたパワー半導体素子は、主電極と電気的に接続されている。パワー半導体素子と主電極との電気的な接続には、ボンディングワイヤが用いられている。高電圧を印加した際の絶縁不良を防止する目的から、一般的に、半導体パワーモジュールの封止樹脂としては、シリコーンゲルまたはエポキシ樹脂等が用いられる。
半導体パワーモジュール（半導体装置）を開示した特許文献の一例として、たとえば、特許文献１がある。特許文献１では、主回路の一部となる主端子を、絶縁基板に配置された金属パターンに、超音波接合または熱圧着等の直接金属接合法により接合した電力用半導体装置が提案されている。この電力用半導体装置では、主端子と絶縁基板との接合部分について高い信頼性を得ることができるとされる。
しかしながら、封止樹脂と絶縁基板との界面では、半導体パワーモジュールの動作に伴って発生する熱により、封止樹脂中に気泡が発生することがある。また、封止樹脂が絶縁基板から剥離することがある。その結果、絶縁基板の沿面において、半導体パワーモジュールの絶縁性能が劣化してしまうという問題がある。
この問題点を解消するための手法として、たとえば、特許文献２では、絶縁性がより高い高絶縁耐電圧性樹脂剤を適用した半導体装置が提案されている。この半導体装置では、絶縁基板に搭載されたパワー半導体素子からベース板に至る、絶縁基板の沿面およびベース板の表面を、高絶縁耐電圧性樹脂剤によって覆うことで、絶縁性が確保されている。
特開２００４−２３５５６６号公報 特開２０００−２１６３３２号公報
しかしながら、上述した半導体パワーモジュールでは、半導体パワーモジュールを組み立てる際の工程手順に起因して、高絶縁耐電圧性樹脂剤の充填が不十分になることがあった。半導体パワーモジュールでは、一般的に、絶縁基板に配置された金属パターンに主端子を接合した後に、高絶縁耐電圧性樹脂剤が塗布される。
このような工程手順の場合、特に、絶縁基板の金属パターンにおいて主端子が接合される接合部分から外部端子までの取り出し経路が多く、複雑な半導体パワーモジュールでは、主端子が邪魔になって、高絶縁耐電圧性樹脂剤を安定に塗布することができないことがある。
このため、半導体パワーモジュール内では、高絶縁耐電圧性樹脂剤が塗布されていない箇所が発生することがある。また、塗布した高絶縁耐電圧性樹脂剤中に気泡の巻き込みが発生することがある。その結果、これらの不具合が、絶縁不良の原因につながることがあった。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、一つの目的は、絶縁性能が向上する半導体パワーモジュールを提供することであり、他の目的は、そのような半導体パワーモジュールを適用した電力変換装置を提供することである。
本発明に係る半導体パワーモジュールは、ベース板と、絶縁基板とパワー半導体素子とケース材と主端子と被接続体と封止材とを有している。絶縁基板は、ベース板に実装され、導電性パターンを含む。パワー半導体素子は、導電性パターンに実装されている。ケース材は、絶縁基板を取り囲むようにベース板に装着されている。主端子は、ケース材に取り付けられ、外部との電気的な接続を行う。被接続体は、導電性パターンに接続されるとともに、主端子が接続される。封止材は、ケース材の内側に充填され、絶縁基板、主端子および被接続体を封止する。主端子および被接続体では、主端子および被接続体の一方に設けられ、主端子および被接続体の他方を受け入れる受け入れ部と、受け入れ部における絶縁基板が位置する側の第１端部から絶縁基板が位置する側とは反対側の第２端部に向かって、受け入れ部に形成されたスリット部とを備えている。
本発明に係る電力変換装置は、上記半導体パワーモジュールを適用した電力変換装置であり、主変換回路と制御回路とを備えている。主変換回路は、入力される電力を変換して出力する。制御回路は、主変換回路を制御する制御信号を主変換回路に出力する。
本発明に係る半導体パワーモジュールによれば、主端子と、主端子が接続される被接続体とを備えている。これにより、主端子を被接続体に接続する前に封止材を充填することで、封止材を確実に充填することができる。その結果、絶縁性能を向上させることができる。
本発明に係る電力変換装置では、上記半導体パワーモジュールを適用することで、絶縁性の高い電力変換装置を得ることができる。
本発明の各実施の形態に係る半導体パワーモジュールの平面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの、図１に示す断面線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。 同実施の形態において、主端子および被接続体の部分を示す部分拡大斜視図である。 同実施の形態において、半導体パワーモジュールの製造方法の一工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図４に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図５に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図６に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。 同実施の形態における図７に示す工程において、主端子が被接続体に接続される様子を示す部分拡大斜視図である。 同実施の形態において、図７に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図９に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。 比較例に係る半導体パワーモジュールの断面図である。 比較例に係る半導体パワーモジュールの問題点を説明するための断面図である。 比較例に係る半導体パワーモジュールの問題点を説明するための部分拡大斜視図である。 比較例に係る半導体パワーモジュールの問題点を説明するための部分拡大断面図である。 同実施の形態において、半導体パワーモジュールの効果を説明するための第１の部分拡大斜視図である。 同実施の形態において、半導体パワーモジュールの効果を説明するための第２の部分拡大斜視図である。 同実施の形態において、半導体パワーモジュールの変形例を示す部分拡大斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体パワーモジュールにおける主端子と被接続体との接続態様を示す部分拡大斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体パワーモジュールにおける主端子と被接続体との接続態様を示す部分拡大斜視図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体パワーモジュールにおける主端子と被接続体との接続部分を示す部分拡大斜視図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体パワーモジュールにおける主端子と被接続体との接続部分を示す部分拡大斜視図である。 本発明の実施の形態６に係る、半導体パワーモジュールを適用した電力変換装置のブロック図である。
実施の形態１．
実施の形態１に係る半導体パワーモジュールについて説明する。図１および図２に示すように、半導体パワーモジュール１は、主として、ベース板３、絶縁基板７、パワー半導体素子１７、外部端子２３、主端子３１、被接続体３３、ケース２１、高絶縁耐電圧性樹脂剤２５、封止樹脂２７およびフタ２９を備えている。
絶縁基板７は、絶縁層９および金属板１１、１３を備えている。金属板１１、１３は、導電性パターンとして絶縁層９に形成されている。絶縁基板７として、たとえば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムまたは窒化珪素等のセラミックスまたはエポキシ樹脂等が適用される。絶縁層９の一方の面に金属板１１が配置され、絶縁層９の他方の面に金属板１３が配置されている。金属板１１、１３として、たとえば、銅またはアルミニウム等が適用される。
金属板１１は、はんだ５によってベース板３に接合されている。金属板１３には、はんだ１５によってパワー半導体素子１７が接合されている。はんだ５、１５の他に、たとえば、焼結銀、導電性接着材または液相拡散接合技術等を用いて接合してもよい。
パワー半導体素子１７には、たとえば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等の電力制御用のパワー半導体素子および還流ダイオード等がある。パワー半導体素子１７とパワー半導体素子１７とは、ボンディングワイヤ１９によって電気的に接続されている。また、パワー半導体素子１７と金属板１３とが、ボンディングワイヤ１９によって電気的に接続されている。ボンディングワイヤ１９として、たとえば、線径０．１〜０．５ｍｍのアルミニウム合金製の線材または銅合金製の線材が適用される。ボンディングワイヤの他に、ボンディングリボンを適用してもよい。
主端子３１は銅製の板状電極である。ここでは、主端子３１は、ケース２１にインサート成型されている。なお、主端子３１は、ケース２１にアウトサート成型されていてもよい。主端子３１の一方の端部は、被接続体３３を介して金属板１３に電気的に接続されている。主端子３１の他方の端部は、外部端子２３としてケース２１の外部に露出している。主端子３１を介して、電流および電圧の入出力が行われる。
ケース２１は、接着剤（図示せず）によってベース板３に接着されている。ケース２１の材料としては、一般的に、ＰＰＳ（Polyphenylene Sulfide）樹脂またはＰＢＴ（Polybutylene Terephthalate）樹脂が適用される。
第１封止材としての高絶縁耐電圧性樹脂剤２５および第２封止材としての封止樹脂２７は、半導体パワーモジュール１の内部の絶縁性を確保するために、ケース２１内に充填されている。封止樹脂２７として、シリコーンゲルが適用される場合がある。シリコーンゲルの線膨脹係数は３００〜４００ｐｐｍ／Ｋである。シリコーンゲルの線膨張係数は、半導体パワーモジュール１に使用される他の構成部材の線膨脹係数（３〜２５ｐｐｍ／Ｋ）と比べて、数十〜百数十倍大きい値である。また、高絶縁耐電圧性樹脂剤２５としては、たとえば、絶縁性の高い液状シリコーン材のような樹脂が好ましい。
半導体パワーモジュール１を搭載した機器の高性能化に対応するために、半導体パワーモジュール１は高温のもとで動作することが求められる。半導体パワーモジュール１が高温のもとに晒されると、シリコーンゲルは他の構成部材よりも大きく熱膨張する。このため、シリコンーンゲルと絶縁基板７との界面において気泡が発生することがある。また、シリコーンゲルが絶縁基板７から剥離することがある。その結果、絶縁基板７の沿面において絶縁不良が発生することが知られている。
また、封止樹脂２７としてエポキシ樹脂が適用される場合がある。エポキシ樹脂の場合、半導体パワーモジュール１が高温のもとで動作をすると、エポキシ樹脂の接着力が低下することがある。エポキシ樹脂の接着力が低下すると、エポキシ樹脂と絶縁基板７との界面において剥離が生じることがある。その結果、絶縁基板７の沿面において絶縁不良が発生することが知られている。
そこで、絶縁基板７からベース板３への破壊電圧を上昇させるために、高絶縁耐電圧性樹脂剤２５が塗布されている。高絶縁耐電圧性樹脂剤２５は、金属板１３の端面からベース板３に至る、絶縁基板７の沿面およびベース板３の表面を覆うように、ケース２１内に充填（塗布）されている。封止樹脂２７は、パワー半導体素子１７、ボンディングワイヤ１９、主端子３１が封入される高さまで、ケース２１内に充填されている。
フタ２９は、ケース２１内を覆うようにケース６の上部に取り付けられている。フタ２９によって、半導体パワーモジュール１の内部と外部とが分離されて、粉じん等が半導体パワーモジュール１の内部に侵入することが阻止される。フタ２９は、接着剤（図示せず）またはネジ（図示せず）によってケース２１に固定されている。
次に、主端子３１および被接続体３３について、より詳しく説明する。図３に示すように、主端子３１は被接続体３３に接続されている。被接続体３３は、たとえば、超音波によって金属板１３に直接接合されているか、または、熱圧着等の金属接合法によって金属板１３に直接接合されている。被接続体３３と金属板１３とが直接接合されている部分は、金属間接合部３５となる。
被接続体３３には、主端子３１を受け入れる受け入れ部３４が設けられている。受け入れ部３４は、たとえば、筒状の箱型である。受け入れ部３４には、スリット部３７が設けられている。スリット部３７は、受け入れ部３４における絶縁基板７（金属板１３）が位置する第１端部としての下端側から絶縁基板７が位置する側とは反対側の第２端部としての上端側に向かって延在している。主端子３１は、受け入れ部３４の上端側から挿通されて、受け入れ部３４に受け入れられている。主端子３１が被接続体３３を介して金属板１３に電気的に接続されることで、絶縁不良を抑制することができる。これについては後述する。
次に、上述した半導体パワーモジュール１の製造方法の一例について説明する。まず、絶縁層９および金属板１１、１３を備えた絶縁基板７を用意する（図４参照）。次に、絶縁基板７の金属板１３に、複数のパワー半導体素子１７のそれぞれを、はんだ１５によって接合する。一のパワー半導体素子１７と他のパワー半導体素子１７との間等を、ボンディングワイヤによって接続する。次に、図４に示すように、パワー半導体素子１７を搭載した絶縁基板７の金属板１１を、はんだ５によってベース板３に接合する。
次に、図５に示すように、たとえば、超音波または熱圧着等によって、被接続体３３を金属板１３におけるしかるべき位置に接合する。また、被接続体３３を接合する際に飛散した金属粉等の異物がある場合には、たとえば、エアーを吹き付けることによって、これらの異物を除去する。次に、図６に示すように、金属板１３の端面からベース板３に至る、絶縁基板７の沿面およびベース板３の表面を覆うように、高絶縁耐電圧性樹脂剤２５を塗布する。この時点では、まだ、主端子３１が被接続体３３に接続されていないため、主端子３１に邪魔されることなく、高絶縁耐電圧性樹脂剤２５をしかるべき部分に確実に塗布することができる。
次に、図７に示すように、主端子３１（外部端子２３）がインサート成型されたケース２１を、たとえば、接着剤（図示せず）によってベース板３に装着する。このとき、図８に示すように、主端子３１を被接続体３３の受け入れ部３４へ挿通させて、主端子３１を受け入れ部３４に受け入れる。
次に、図９に示すように、ケース２１内に封止樹脂２７を充填して、パワー半導体素子１７、ボンディングワイヤ１９および主端子３１等を封止する。次に、図１０に示すように、フタ２９をケース２１に接着等することで、半導体パワーモジュールが完成する。上述した半導体パワーモジュールでは、絶縁性を向上させることができる。これについて、比較例に係る半導体パワーモジュールと比べて説明する。
図１１に示すように、比較例に係る半導体パワーモジュールでは、主端子３１は、金属板１３に直接接合されている。なお、これ以外の構成については、図２に示す半導体パワーモジュール１と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
比較例に係る半導体パワーモジュールでは、絶縁基板７の金属板１３に主端子３１を接合した後に、高絶縁耐電圧性樹脂剤２５が塗布されることになる。この場合、図１２に示すように、絶縁基板７の金属板１３において主端子３１が接合される接合部分から外部端子２３までの取り出し経路が多く、複雑な半導体パワーモジュールでは、主端子３１が邪魔になって、矢印（点線部分を含む）に示すように、高絶縁耐電圧性樹脂剤２５を安定に塗布することができないことがある。
このため、半導体パワーモジュール内では、高絶縁耐電圧性樹脂剤２５が塗布されていない箇所が発生することがある。また、塗布した高絶縁耐電圧性樹脂剤２５中に気泡（図示せず）の巻き込みが発生することがある。その結果、絶縁不良の原因につながることがある。
一方、このような不具合を解消しようとして、高絶縁耐電圧性樹脂剤２５を塗布した後に、主端子３１を絶縁基板７の金属板１３に接合させることが想定される。この場合には、主端子３１が金属板１３に接合されていないため、高絶縁耐電圧性樹脂剤２５を確実に塗布することができる。
しかしながら、図１３に示すように、主端子３１を金属板１３に、金属接合させる際に、金属粉６１（図１４参照）が発生する。図１４に示すように、発生した金属粉６１が高絶縁耐電圧性樹脂剤２５に付着することがある。高絶縁耐電圧性樹脂剤２５は粘着性を有するため、一旦付着した金属粉６１は、容易には除去することができず、金属粉６１によって絶縁不良が発生することがある。
このため、半導体パワーモジュールを組み立てる工程の順番としては、主端子３１を金属板１３に接合した後に、高絶縁耐電圧性樹脂剤２５を塗布する必要がある。そうすると、高絶縁耐電圧性樹脂剤２５を容易に塗布するためには、主端子３１のサイズまたは主端子３１の取り回し等をできるだけ簡素化する必要があり、配線設計の自由度が制限されてしまうことになる。
比較例に対して実施の形態１に係る半導体パワーモジュール１では、主端子３１が被接続体３３を介して金属板１３に電気的に接続される。主端子３１は、被接続体３３が金属板１３に接合された後に被接続体３３の受け入れ部３４に受け入れられる。このため、被接続体３３を金属板１３に接合した後、主端子３１が受け入れ部３４に受け入れられる前に、高絶縁耐電圧性樹脂剤２５を塗布することで、主端子３１に邪魔されることなく高絶縁耐電圧性樹脂剤２５を確実に塗布することができる。
また、被接続体３３を金属板１３に接合する際に金属粉が発生したとしても、高絶縁耐電圧性樹脂剤２５を塗布する前に金属粉を除去することができる。さらに、封止樹脂２７中に気泡の巻き込みが生じたとしても、受け入れ部３４に設けられたスリット部３７を通って抜けやすくなり、気泡が封止樹脂２７中に留まるのを抑制することができる（図１５参照）。
これにより、金属板１３の端面からベース板３に至る、絶縁基板７の沿面およびベース板３の表面を覆うように、高絶縁耐電圧性樹脂剤２５を確実に塗布することができる。しかも、金属粉が付着することなく、また、封止樹脂２７中に気泡を留まらせることなく、封止樹脂２７を塗布することができる。その結果、半導体パワーモジュール１の絶縁性を確実に向上させることができる。
特に、気泡については、封止樹脂２７を塗布する際に、図１５に示すように、被接続体３３の金属間接合部３５の部分と主端子３１および受け入れ部３４の部分との間の領域Ｒに留まりやすくなる。この気泡をスリット部３７を介して効率的に抜くには、図１６に示すように、スリット部３７に第２テーパー部としてのテーパー部３９を設けることが好ましい。テーパー部３９では、スリット部３７の間隔として、一方の傾斜部分と他方の傾斜部分との間隔が、受け入れ部３４における下端側から上端側に向かうにしたがって、徐々に狭められるように形成されている。これにより、領域Ｒに留まろうとする気泡を集めて、上方へ向けて確実に抜くことができる。
さらに、主端子３１は、高絶縁耐電圧性樹脂剤２５を塗布した後に被接続体３３に挿通される。これにより、主端子３１のサイズまたは主端子３１の取り回し等を簡素化する必要がなくなり、配線設計の自由度を高めることができる。
なお、上述した半導体パワーモジュールでは、図３に示すように、被接続体３３の金属間接合部３５の部分と主端子３１の先端部分とが距離を隔てられた場合を例に挙げたが、図１７に示すように、主端子３１の先端部分を、被接続体３３の金属間接合部３５の部分に接触するように主端子３１を接続させてもよい。また、主端子３１自身がある一定の強度をもって曲げられた金属から形成されている。このため、被接続体３３の金属間接合部３５の部分と主端子３１の先端部分とが距離を隔てられた場合であっても、主端子３１の高さ方向の位置合わせは、問題なく行うことができる。
実施の形態２．
実施の形態２に係る半導体パワーモジュールについて説明する。図１８に示すように、半導体パワーモジュール１における被接続体３３では、受け入れ部３４の上端側に第１テーパー部としてのテーパー部４０が設けられている。テーパー部４０は外側（上方）に向かって拡がる態様で形成されている。なお、これ以外の構成については、図１および図２に示す半導体パワーモジュール１と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
上述した半導体パワーモジュール１では、実施の形態１に係る半導体パワーモジュール１について説明した効果に加えて、次のような効果が得られる。すなわち、上述した半導体パワーモジュール１では、被接続体３３における受け入れ部３４の上端側に、上方に向かって広がるテーパー部４０が設けられている。
これにより、半導体パワーモジュール１の組み立てにおいて、主端子３１を受け入れ部３４に受け入れる際に、主端子３１が受け入れ部３４に対して多少位置ずれが生じたとしても、テーパー部４０によって、主端子３１が受け入れ部３４へ確実に導かれて、主端子３１を受け入れ部３４へ確実に受け入れさせることができる。
実施の形態３．
実施の形態１、２では、被接続体に受け入れ部が形成された半導体パワーモジュールを例に挙げて説明した。ここでは、主端子に受け入れ部が形成された半導体パワーモジュールについて説明する。
図１９に示すように、半導体パワーモジュール１における主端子３１には、被接続体３３を受け入れる受け入れ部３４が設けられている。被接続体３３は、受け入れ部３４の下端側から挿通されて、受け入れ部３４に受け入れられている。受け入れ部３４にはスリット部３７が設けられている。なお、これ以外の構成については、図１および図２に示す半導体パワーモジュール１と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
上述した半導体パワーモジュール１では、実施の形態１に係る半導体パワーモジュール１について説明した効果に加えて、次のような効果が得られる。すなわち、上述した半導体パワーモジュール１では、主端子３１に、被接続体３３を受け入れる受け入れ部３４が設けられて、被接続体３３には受け入れ部は設けられていない。
被接続体３３と金属板１３（絶縁基板７）とを接触させる部分そのものの面積としては、上述した半導体パワーモジュール１の場合と、実施の形態１、２に係る半導体パワーモジュール１の場合とではほぼ同じである。
実施の形態１、２に係る半導体パワーモジュール１では、受け入れ部３４を有する被接続体３３を金属板１３に接合させる際に、金属間接合ツール（治具）をずらす分を考慮して、被接続体３３を金属板１３（絶縁基板７）と接触させる部分の領域を確保しておく必要がある。一方、上述した半導体パワーモジュールでは、被接続体３３には受け入れ部は設けられていないため、その必要はなくなる。
なお、実施の形態３（図１８参照）において説明したのと同様に、図１９に示される受け入れ部３４における金属板１３が位置する下端側に、第３テーパー部として、下方に向かって広がるテーパー部（図示せず）を設けるようにしてもよい。すなわち、図１８に示されるテーパー部４０を、図１９に示される受け入れ部３４の下端側に、下方に向かって広がる態様で設けるようにしてもよい。
この場合には、主端子３１の受け入れ部３４に被接続体３３を受け入れる際に、受け入れ部３４が被接続体３３に対して多少位置ずれが生じたとしても、テーパー部によって、主端子３１（受け入れ部３４）が被接続体３３へ確実に導かれて、被接続体３３を受け入れ部３４へ受け入れさせることができる。また、図１９に示す受け入れ部３４に、第４テーパー部として、図１６に示すテーパー部３９と同様のテーパー部を設けることで、気泡を確実に抜くことができる。
実施の形態４．
ここでは、主端子と被接続体とが、金属間接合によって電気的に接続された半導体パワーモジュールの一例について説明する。
図２０に示すように、半導体パワーモジュール１では、主端子３１が被接続体３３の受け入れ部３４に受け入れられた状態で、たとえば、はんだ４１によって、主端子３１と被接続体３３とが金属間接合されている。主端子３１および被接続体３３としては、実施の形態１、２、３において説明した態様の主端子３１および被接続体３３が適用される。なお、これ以外の構成については、図１および図２に示す半導体パワーモジュール１と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
上述した半導体パワーモジュール１では、実施の形態１に係る半導体パワーモジュール１について説明した効果に加えて、次のような効果が得られる。
半導体パワーモジュール１では、絶縁性および耐熱性は、適用される製品に応じて異なるため、適用される封止樹脂の粘性も、適用される製品に応じて変わることになる。ここで、封止樹脂２７として、比較的粘度が低い封止樹脂が使用される場合を想定する。この場合において、主端子３１が被接続体３３の受け入れ部３４に単に受け入れられた状態では、低粘度の封止樹脂２７が、主端子３１と受け入れ部３４との隙間に、毛管現象によって浸み込む場合が想定される。そのような場合には、主端子３１と受け入れ部３４との電気的な接続が妨げられるおそれがあることが考えられる。
上述した半導体パワーモジュール１では、はんだ４１によって、主端子３１と被接続体３３とが金属間接合されることで、封止樹脂２７が浸み込む隙間がなくなる。その結果、想定される電気的な接続が妨げられることがなくなる。また、主端子３１と被接続体３３とを、はんだ４１によって金属間接合することで、高温時の応力に対する接続強度を向上させることができ、電気的な接続信頼性も向上させることができる。
実施の形態５．
ここでは、主端子と被接続体とが、金属間接合によって電気的に接続された半導体パワーモジュールの他の例について説明する。
図２１に示すように、半導体パワーモジュール１では、主端子３１が被接続体３３の受け入れ部３４に受け入れられた状態で、たとえば、銀ペースト等の導電性接着材４３によって、主端子３１と被接続体３３とが金属間接合されている。主端子３１および被接続体３３としては、実施の形態１、２、３において説明した態様の主端子３１および被接続体３３が適用される。なお、これ以外の構成については、図１および図２に示す半導体パワーモジュール１と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
上述した半導体パワーモジュール１では、導電性接着材４３によって、主端子３１と被接続体３３とが金属間接合されることで、はんだ４１の場合と同様に、封止樹脂２７が浸み込む隙間がなくなる。その結果、想定される電気的な接続が妨げられることがなくなる。また、主端子３１と被接続体３３とを、導電性接着材４３によって金属間接合することで、高温時の応力に対する接続強度を向上させることができ、電気的な接続信頼性も向上させることができる。なお、導電性接着材４３としては、銀ペーストの他に、たとえば、銅ペースト等、金属を含有したペーストを適用することができる。
実施の形態６．
ここでは、上述した実施の形態１〜５に係るパワーモジュールを適用した電力変換装置について説明する。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態６として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
図２２は、本実施の形態に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。図２２に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のものにより構成することが可能であり、たとえば、直流系統、太陽電池、蓄電池により構成することができる。また、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータにより構成してもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成してもよい。
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図２２に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動する三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、たとえば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、または、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置２００の詳細について説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えている（いずれも図示せず）。スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力が交流電力に変換されて、負荷３００に供給される。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。
主変換回路２０１の各スイッチング素子および各還流ダイオードの少なくともいずれかに、上述した実施の形態１〜５のいずれかに係る半導体パワーモジュール１を、半導体モジュール２０２として構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示せず）を備えているが、駆動回路は半導体モジュール２０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるように、主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。たとえば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるように、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号またはオフ信号を駆動信号として出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子および還流ダイオードのすくなくともいずれかに、実施の形態１〜５のいずれかに係る半導体パワーモジュール１を半導体モジュール２０２として適用するため、電力変換装置の信頼性を向上させることができる。
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例について説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが、３レベルまたはマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には、単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、たとえば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器または非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには、太陽光発電システムまたは蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
なお、各実施の形態では、受け入れ部３４の形状として筒状の箱型を例に挙げたが、主端子３１または被接続体３３を受け入れて電気的な接続を図ることができれば、このような形状に限られない。また、各実施の形態において説明した半導体パワーモジュールについては、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。また、その組み合わせに応じた請求項の従属が予定される。
今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明は、パワー半導体素子等を封止材によって封止した半導体パワーモジュールに有効に利用される。
１ パワーモジュール半導体装置、３ ベース板、５ はんだ、７ 絶縁基板、９ 絶縁層、１１ 金属板、１３ 金属板、１５ はんだ、１７ パワー半導体素子、１９ ボンディングワイヤ、２１ ケース、２３ 外部端子、２５ 高絶縁耐電圧性樹脂剤、２７ 封止樹脂、２９ フタ、３１ 主端子、３３ 被接続体、３４ 受け入れ部、３５ 金属間接合部、３７ スリット部、３９、４０ テーパー部、４１ はんだ、４３ 銀ペースト、Ｒ 領域、６１ 金属粉、１００ 電源、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 半導体モジュール、２０３ 制御回路、３００ 負荷。

Claims (15)

  1. ベース板と、
    前記ベース板に実装され、導電性パターンを含む絶縁基板と、
    前記導電性パターンに実装されたパワー半導体素子と、
    前記絶縁基板を取り囲むように前記ベース板に装着されたケース材と、
    前記ケース材に取り付けられ、外部との電気的な接続を行う主端子と、
    前記導電性パターンに接続されるとともに、前記主端子が接続される被接続体と、
    前記ケース材の内側に充填され、前記絶縁基板、前記主端子および前記被接続体を封止する封止材と
    を有し、
    前記主端子および前記被接続体では、
    前記主端子および前記被接続体の一方に設けられ、前記主端子および前記被接続体の他方を受け入れる受け入れ部と、
    前記受け入れ部における前記絶縁基板が位置する側の第１端部から前記絶縁基板が位置する側とは反対側の第２端部に向かって、前記受け入れ部に形成されたスリット部と
    を備えた、半導体パワーモジュール。
  2. 前記受け入れ部は前記被接続体に設けられ、
    前記主端子は、前記受け入れ部における前記第２端部から前記受け入れ部に受け入れられた、請求項１記載の半導体パワーモジュール。
  3. 前記受け入れ部における前記第２端部では、外側に向けて広がる第１テーパー部が設けられた、請求項２記載の半導体パワーモジュール。
  4. 前記スリット部は、前記第１端部から前記第２端部の側へ向かって間隔が徐々に狭くなるように形成された第２テーパー部を含む、請求項３記載の半導体パワーモジュール。
  5. 前記スリット部は、前記第１端部から前記第２端部の側へ向かって間隔が徐々に狭くなるように形成された第２テーパー部を含む、請求項２記載の半導体パワーモジュール。
  6. 前記受け入れ部は前記主端子に設けられ、
    前記被接続体は、前記受け入れ部における前記第１端部から前記受け入れ部に受け入れられた、請求項１記載の半導体パワーモジュール。
  7. 前記受け入れ部における前記第１端部では、外側に向けて広がる第３テーパー部が設けられた、請求項６記載の半導体パワーモジュール。
  8. 前記スリット部は、前記第１端部から前記第２端部の側へ向かって間隔が徐々に狭くなるように形成された第４テーパー部を含む、請求項７記載の半導体パワーモジュール。
  9. 前記スリット部は、前記第１端部から前記第２端部の側へ向かって間隔が徐々に狭くなるように形成された第４テーパー部を含む、請求項６記載の半導体パワーモジュール。
  10. 前記主端子と前記被接続体とは、金属間接合された、請求項１記載の半導体パワーモジュール。
  11. 前記金属間接合は、はんだによる接合を含む、請求項１０記載の半導体パワーモジュール。
  12. 前記金属間接合は、導電性接着材による接合を含む、請求項１０記載の半導体パワーモジュール。
  13. 前記封止材は、
    前記絶縁基板を封止する第１封止材と、
    前記第１封止材を覆うように充填された第２封止材と
    を含む、請求項１記載の半導体パワーモジュール。
  14. 前記受け入れ部の形状は、筒状の箱型を含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
  15. 請求項１に記載の半導体パワーモジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
    前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と
    を備えた、電力変換装置。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7108567B2 (ja) * 2019-03-20 2022-07-28 株式会社東芝 パワーモジュール
US11071206B2 (en) * 2019-10-17 2021-07-20 Infineon Technologies Austria Ag Electronic system and processor substrate having an embedded power device module
US20230170323A1 (en) * 2020-07-22 2023-06-01 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor device, power converter, moving vehicle, and semiconductor device manufacturing method
JP2022139204A (ja) * 2021-03-11 2022-09-26 富士電機株式会社 半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59198740A (ja) * 1983-04-25 1984-11-10 Mitsubishi Electric Corp 樹脂封止形半導体複合素子
JPS6232635A (ja) * 1985-08-05 1987-02-12 Mitsubishi Electric Corp 樹脂封止形モジユ−ル
JPH0512941Y2 (ja) * 1987-05-28 1993-04-05
JP2560894B2 (ja) * 1989-09-20 1996-12-04 富士電機株式会社 半導体装置
JP2782640B2 (ja) * 1991-01-30 1998-08-06 富士電機株式会社 半導体装置の内部接続構造
JP3466329B2 (ja) * 1995-06-16 2003-11-10 三菱電機株式会社 半導体パワーモジュール
DE69923374T2 (de) 1998-05-28 2006-01-19 Hitachi, Ltd. Halbleitervorrichtung
JP2000216332A (ja) * 1999-01-20 2000-08-04 Hitachi Ltd 半導体装置
JP2002217362A (ja) * 2001-01-12 2002-08-02 Yazaki Corp 半導体装置
JP4039258B2 (ja) 2003-01-31 2008-01-30 富士電機デバイステクノロジー株式会社 電力用半導体装置
JP4567773B2 (ja) 2008-07-18 2010-10-20 三菱電機株式会社 電力用半導体装置
JP5098951B2 (ja) * 2008-10-22 2012-12-12 富士電機株式会社 半導体装置
JP5211364B2 (ja) * 2010-05-07 2013-06-12 三菱電機株式会社 半導体装置
JP5383621B2 (ja) 2010-10-20 2014-01-08 三菱電機株式会社 パワー半導体装置
US8643188B2 (en) 2011-06-03 2014-02-04 Infineon Technologies Ag Connecting system for electrically connecting electronic devices and method for connecting an electrically conductive first connector and electrically conductive second connector
US20140167237A1 (en) * 2012-12-14 2014-06-19 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Power module package
JP7014012B2 (ja) * 2018-03-30 2022-02-01 三菱電機株式会社 半導体装置、半導体装置の製造方法および電力変換装置

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