WO2019176199A1 - 半導体パワーモジュールおよび電力変換装置 - Google Patents

半導体パワーモジュールおよび電力変換装置 Download PDF

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耕三 原田
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    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor power module and a power converter, and more particularly to a semiconductor power module in which a power semiconductor element is sealed with a sealing material, and a power converter to which the semiconductor power module is applied.
  • a semiconductor element of a type in which an energization path is formed in the vertical direction for the purpose of dealing with a high voltage and a large current is generally called a power semiconductor element.
  • a power semiconductor element examples include an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), a bipolar transistor, and a diode.
  • Semiconductor power modules in which power semiconductor elements are mounted on an insulating substrate and sealed with a sealing resin are used in a wide range of fields such as industrial equipment, automobiles, and railways.
  • semiconductor power modules in which power semiconductor elements are mounted on an insulating substrate and sealed with a sealing resin
  • semiconductor power modules such as increased rated voltage and rated current, and expanded operating temperature range (higher temperature, lower temperature). It is coming.
  • the package structure of semiconductor power modules is mainly called case structure.
  • a case type semiconductor power module a power semiconductor element is mounted on a base plate for heat dissipation via an insulating substrate.
  • a case is bonded to the base plate so as to surround the power semiconductor element.
  • the power semiconductor element mounted inside the semiconductor power module is electrically connected to the main electrode. Bonding wires are used for electrical connection between the power semiconductor element and the main electrode. For the purpose of preventing insulation failure when a high voltage is applied, silicone gel, epoxy resin, or the like is generally used as the sealing resin for semiconductor power modules.
  • Patent Document 1 proposes a power semiconductor device in which a main terminal that is a part of a main circuit is bonded to a metal pattern disposed on an insulating substrate by a direct metal bonding method such as ultrasonic bonding or thermocompression bonding. .
  • a direct metal bonding method such as ultrasonic bonding or thermocompression bonding.
  • the sealing resin may peel from the insulating substrate. As a result, there is a problem that the insulating performance of the semiconductor power module is deteriorated along the creeping surface of the insulating substrate.
  • Patent Document 2 proposes a semiconductor device to which a high insulation voltage-resistant resin agent having higher insulation is applied.
  • insulation is ensured by covering the creeping surface of the insulating substrate and the surface of the base plate from the power semiconductor element mounted on the insulating substrate to the base plate with a high-insulation voltage-resistant resin agent. .
  • the filling of the high insulation voltage-resistant resin agent may be insufficient.
  • a semiconductor power module generally, after a main terminal is bonded to a metal pattern arranged on an insulating substrate, a high insulation voltage-resistant resin agent is applied.
  • the present invention has been made to solve such problems, and one object is to provide a semiconductor power module with improved insulation performance, and another object is to provide such a semiconductor power module. It is to provide a power conversion device to which a module is applied.
  • the semiconductor power module according to the present invention includes a base plate, an insulating substrate, a power semiconductor element, a case material, a main terminal, a connected body, and a sealing material.
  • the insulating substrate is mounted on the base plate and includes a conductive pattern.
  • the power semiconductor element is mounted on the conductive pattern.
  • the case material is attached to the base plate so as to surround the insulating substrate.
  • the main terminal is attached to the case material and makes electrical connection with the outside.
  • the connected body is connected to the conductive pattern and the main terminal is connected.
  • the sealing material is filled inside the case material and seals the insulating substrate, the main terminal, and the connected body.
  • the main terminal and the body to be connected are provided on one of the main terminal and the body to be connected and receive the other of the main terminal and the body to be connected, and insulated from the first end on the side where the insulating substrate is located in the receiving section.
  • a slit portion formed in the receiving portion is provided toward the second end portion opposite to the side on which the substrate is located.
  • a power conversion device is a power conversion device to which the semiconductor power module is applied, and includes a main conversion circuit and a control circuit.
  • the main conversion circuit converts the input power and outputs it.
  • the control circuit outputs a control signal for controlling the main conversion circuit to the main conversion circuit.
  • the semiconductor power module according to the present invention includes a main terminal and a connected body to which the main terminal is connected.
  • the sealing material can be reliably filled by filling the sealing material before connecting the main terminal to the connected body.
  • the insulation performance can be improved.
  • a highly insulating power conversion device can be obtained by applying the semiconductor power module.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor power module according to Embodiment 1 of the present invention taken along a cross-sectional line II-II shown in FIG. In the same embodiment, it is the elements on larger scale which show the part of the main terminal and the to-be-connected body.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a step of the method of manufacturing a semiconductor power module in the embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 4 in the same embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 5 in the same embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 6 in the same embodiment.
  • FIG. 8 is a partially enlarged perspective view showing how the main terminal is connected to the connected body in the step shown in FIG. 7 in the same embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 7 in the same embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 9 in the same embodiment.
  • FIG. 5 is a first partial enlarged perspective view for explaining the effect of the semiconductor power module in the embodiment.
  • FIG. 10 is a partially enlarged perspective view showing a modification of the semiconductor power module in the embodiment.
  • It is a partial expansion perspective view which shows the connection aspect of the main terminal and to-be-connected body in the semiconductor power module which concerns on Embodiment 2 of this invention.
  • It is a partial expansion perspective view which shows the connection aspect of the main terminal and to-be-connected body in the semiconductor power module which concerns on Embodiment 3 of this invention.
  • Embodiment 1 FIG. A semiconductor power module according to the first embodiment will be described.
  • the semiconductor power module 1 mainly includes a base plate 3, an insulating substrate 7, a power semiconductor element 17, an external terminal 23, a main terminal 31, a connected body 33, a case 21, a high insulation resistance.
  • a voltage resin agent 25, a sealing resin 27, and a lid 29 are provided.
  • the insulating substrate 7 includes an insulating layer 9 and metal plates 11 and 13.
  • the metal plates 11 and 13 are formed on the insulating layer 9 as a conductive pattern.
  • a metal plate 11 is disposed on one surface of the insulating layer 9, and a metal plate 13 is disposed on the other surface of the insulating layer 9.
  • the metal plates 11 and 13 for example, copper or aluminum is applied.
  • the metal plate 11 is joined to the base plate 3 by solder 5.
  • a power semiconductor element 17 is joined to the metal plate 13 by solder 15.
  • sintered silver, a conductive adhesive, or a liquid bath diffusion bonding technique may be used.
  • the power semiconductor element 17 includes, for example, a power semiconductor element for power control such as IGBT and MOSFET, a free wheel diode, and the like.
  • the power semiconductor element 17 and the power semiconductor element 17 are electrically connected by a bonding wire 19.
  • the power semiconductor element 17 and the metal plate 13 are electrically connected by a bonding wire 19.
  • a bonding ribbon may be applied in addition to the bonding wire.
  • the main terminal 31 is a plate electrode made of copper.
  • the main terminal 31 is insert-molded in the case 21.
  • the main terminal 31 may be outsert molded in the case 21.
  • One end of the main terminal 31 is electrically connected to the metal plate 13 via the connected body 33.
  • the other end of the main terminal 31 is exposed to the outside of the case 21 as the external terminal 23. Current and voltage are input and output through the main terminal 31.
  • the case 21 is bonded to the base plate 3 with an adhesive (not shown).
  • an adhesive not shown.
  • PPS Polyphenylene Sulfide
  • PBT Polybutylene Terephthalate
  • the high insulation voltage-resistant resin agent 25 as the first sealing material and the sealing resin 27 as the second sealing material are filled in the case 21 in order to ensure the insulation inside the semiconductor power module 1.
  • Silicone gel may be applied as the sealing resin 27.
  • the linear expansion coefficient of silicone gel is 300 to 400 ppm / K.
  • the linear expansion coefficient of the silicone gel is a value that is several tens to several hundreds of times larger than the linear expansion coefficient (3 to 25 ppm / K) of other components used in the semiconductor power module 1.
  • a resin such as a liquid silicone material having high insulation is preferable.
  • the semiconductor power module 1 In order to cope with the high performance of equipment equipped with the semiconductor power module 1, the semiconductor power module 1 is required to operate at a high temperature. When the semiconductor power module 1 is exposed to a high temperature, the silicone gel expands more greatly than other components. For this reason, bubbles may be generated at the interface between the silicon gel and the insulating substrate 7. In addition, the silicone gel may peel from the insulating substrate 7. As a result, it is known that insulation failure occurs on the creeping surface of the insulating substrate 7.
  • an epoxy resin may be applied as the sealing resin 27.
  • an epoxy resin when the semiconductor power module 1 operates at a high temperature, the adhesive strength of the epoxy resin may be reduced. When the adhesive strength of the epoxy resin is reduced, peeling may occur at the interface between the epoxy resin and the insulating substrate 7. As a result, it is known that insulation failure occurs on the creeping surface of the insulating substrate 7.
  • a high insulating voltage-resistant resin agent 25 is applied.
  • the high-insulation voltage-resistant resin agent 25 is filled (applied) in the case 21 so as to cover the creeping surface of the insulating substrate 7 and the surface of the base plate 3 from the end surface of the metal plate 13 to the base plate 3.
  • the sealing resin 27 is filled in the case 21 up to a height at which the power semiconductor element 17, the bonding wire 19, and the main terminal 31 are enclosed.
  • the lid 29 is attached to the upper part of the case 6 so as to cover the inside of the case 21.
  • the lid 29 separates the inside and outside of the semiconductor power module 1 and prevents dust and the like from entering the inside of the semiconductor power module 1.
  • the lid 29 is fixed to the case 21 with an adhesive (not shown) or a screw (not shown).
  • the main terminal 31 is connected to the connected body 33.
  • the connected body 33 is directly bonded to the metal plate 13 by, for example, ultrasonic waves, or directly bonded to the metal plate 13 by a metal bonding method such as thermocompression bonding.
  • a portion where the body 33 to be connected and the metal plate 13 are directly joined becomes an intermetallic joint 35.
  • the receiving body 33 is provided with a receiving portion 34 that receives the main terminal 31.
  • the receiving part 34 is a cylindrical box shape, for example.
  • the receiving part 34 is provided with a slit part 37.
  • the slit portion 37 extends from the lower end side as the first end portion where the insulating substrate 7 (metal plate 13) is located in the receiving portion 34 to the upper end side as the second end portion opposite to the side where the insulating substrate 7 is located. It extends towards.
  • the main terminal 31 is inserted from the upper end side of the receiving portion 34 and is received by the receiving portion 34. Since the main terminal 31 is electrically connected to the metal plate 13 via the connected body 33, insulation failure can be suppressed. This will be described later.
  • the insulating substrate 7 provided with the insulating layer 9 and the metal plates 11 and 13 is prepared (see FIG. 4).
  • each of the plurality of power semiconductor elements 17 is joined to the metal plate 13 of the insulating substrate 7 with solder 15.
  • One power semiconductor element 17 and another power semiconductor element 17 are connected by a bonding wire.
  • the metal plate 11 of the insulating substrate 7 on which the power semiconductor element 17 is mounted is joined to the base plate 3 with the solder 5.
  • the body to be connected 33 is joined to an appropriate position on the metal plate 13 by, for example, ultrasonic waves or thermocompression bonding. Moreover, when there exists foreign materials, such as a metal powder scattered when joining the to-be-connected body 33, these foreign materials are removed by spraying air, for example.
  • a high insulation voltage-resistant resin agent 25 is applied so as to cover the creeping surface of the insulating substrate 7 and the surface of the base plate 3 from the end surface of the metal plate 13 to the base plate 3. At this point, since the main terminal 31 is not yet connected to the connected body 33, the high insulation voltage-resistant resin agent 25 can be reliably applied to an appropriate part without being obstructed by the main terminal 31. it can.
  • the case 21 in which the main terminal 31 (external terminal 23) is insert-molded is attached to the base plate 3 with an adhesive (not shown), for example.
  • the main terminal 31 is inserted into the receiving portion 34 of the connected body 33 and the main terminal 31 is received in the receiving portion 34.
  • the case 21 is filled with a sealing resin 27 to seal the power semiconductor element 17, the bonding wire 19, the main terminal 31, and the like.
  • the lid 29 is adhered to the case 21 to complete the semiconductor power module.
  • the insulation can be improved. This will be described in comparison with the semiconductor power module according to the comparative example.
  • the main terminal 31 is directly joined to the metal plate 13. Since the other configuration is the same as that of the semiconductor power module 1 shown in FIG. 2, the same reference numerals are given to the same members, and the description thereof will not be repeated unless necessary.
  • the high insulation voltage-resistant resin agent 25 is applied.
  • the metal plate 13 of the insulating substrate 7 there are many extraction paths from the joint portion where the main terminal 31 is joined to the external terminal 23.
  • the main terminal 31 is an obstacle.
  • the high insulation voltage-resistant resin agent 25 may not be applied stably.
  • the main terminal 31 is bonded to the metal plate 13 of the insulating substrate 7 after applying the high-insulation voltage-resistant resin agent 25 in an attempt to solve such a problem.
  • the high-insulation voltage-resistant resin agent 25 can be reliably applied.
  • metal powder 61 (see FIG. 14) is generated. As shown in FIG. 14, the generated metal powder 61 may adhere to the high insulation voltage-resistant resin agent 25. Since the high insulation voltage-resistant resin agent 25 has adhesiveness, the metal powder 61 once adhered cannot be easily removed, and the metal powder 61 may cause insulation failure.
  • the main terminal 31 is electrically connected to the metal plate 13 via the connected body 33.
  • the main terminal 31 is received by the receiving portion 34 of the connected body 33 after the connected body 33 is joined to the metal plate 13. For this reason, after joining the to-be-connected body 33 to the metal plate 13 and before the main terminal 31 is received by the receiving portion 34, the main terminal 31 is disturbed by applying the high insulation voltage-resistant resin agent 25.
  • the high-insulation voltage-resistant resin agent 25 can be reliably applied without any problems.
  • the metal powder can be removed before applying the high-insulation voltage-resistant resin agent 25. Furthermore, even if bubbles are entrained in the sealing resin 27, the bubbles can be easily removed through the slits 37 provided in the receiving portion 34, and the bubbles can be prevented from remaining in the sealing resin 27. (See FIG. 15).
  • the high insulation voltage-resistant resin agent 25 can be reliably applied so as to cover the creeping surface of the insulating substrate 7 and the surface of the base plate 3 from the end surface of the metal plate 13 to the base plate 3.
  • the sealing resin 27 can be applied without adhesion of metal powder and without causing bubbles to remain in the sealing resin 27. As a result, the insulation of the semiconductor power module 1 can be reliably improved.
  • the tapered portion 39 is provided as the second tapered portion in the slit portion 37 as shown in FIG.
  • the tapered portion 39 is formed such that the interval between the one inclined portion and the other inclined portion is gradually narrowed from the lower end side to the upper end side in the receiving portion 34 as the interval of the slit portion 37. . Thereby, it is possible to collect bubbles that are to stay in the region R and reliably extract them upward.
  • the main terminal 31 is inserted into the body to be connected 33 after applying the high insulation voltage-resistant resin agent 25. Thereby, it is not necessary to simplify the size of the main terminal 31 or the handling of the main terminal 31, and the degree of freedom in wiring design can be increased.
  • the main terminal 31 may be connected so that the tip portion of the main terminal 31 is in contact with the portion of the intermetallic joint 35 of the body to be connected 33. Further, the main terminal 31 itself is formed of a metal bent with a certain strength. For this reason, even if it is a case where the part of the to-be-connected body 33 of the metal joint part 35 and the front-end
  • FIG. 18 A semiconductor power module according to the second embodiment will be described.
  • a tapered portion 40 as a first tapered portion is provided on the upper end side of the receiving portion 34.
  • the taper portion 40 is formed so as to expand outward (upward). Since other configurations are the same as those of the semiconductor power module 1 shown in FIGS. 1 and 2, the same members are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated unless necessary.
  • the tapered portion 40 that extends upward is provided on the upper end side of the receiving portion 34 in the connected body 33.
  • the taper portion 40 causes the main terminal 31. Is reliably guided to the receiving portion 34, and the main terminal 31 can be reliably received by the receiving portion 34.
  • Embodiment 3 FIG.
  • the semiconductor power module in which the receiving portion is formed on the connected body has been described as an example.
  • a semiconductor power module in which a receiving portion is formed on the main terminal will be described.
  • the main terminal 31 in the semiconductor power module 1 is provided with a receiving portion 34 for receiving the connected body 33.
  • the connected body 33 is inserted from the lower end side of the receiving portion 34 and received by the receiving portion 34.
  • the receiving part 34 is provided with a slit part 37. Since other configurations are the same as those of the semiconductor power module 1 shown in FIGS. 1 and 2, the same members are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated unless necessary.
  • the main terminal 31 is provided with the receiving portion 34 that receives the connected body 33, and the connected body 33 is not provided with the receiving portion.
  • the area of the portion itself that contacts the body to be connected 33 and the metal plate 13 (insulating substrate 7) is the case of the semiconductor power module 1 described above and the case of the semiconductor power module 1 according to the first and second embodiments. It is almost the same.
  • the amount of displacement of the intermetal joining tool (jig) is taken into consideration. It is necessary to secure a region where the connection body 33 is brought into contact with the metal plate 13 (insulating substrate 7). On the other hand, in the semiconductor power module described above, since the receiving portion is not provided in the body 33 to be connected, this is not necessary.
  • a taper spreading downward as a third taper portion on the lower end side where the metal plate 13 is located in the receiving portion 34 shown in FIG. A portion (not shown) may be provided. That is, you may make it provide the taper part 40 shown by FIG. 18 in the aspect which spreads below on the lower end side of the receiving part 34 shown by FIG.
  • the main terminal 31 ( The receiving portion 34) can be reliably guided to the connected body 33, and the connected body 33 can be received by the receiving portion 34. Further, by providing the receiving portion 34 shown in FIG. 19 with a tapered portion similar to the tapered portion 39 shown in FIG. 16 as the fourth tapered portion, it is possible to reliably remove bubbles.
  • Embodiment 4 FIG. Here, an example of a semiconductor power module in which the main terminal and the bonded portion are electrically connected by metal-to-metal bonding will be described.
  • the main terminal 31 and the body to be connected 33 are indirect metal by, for example, solder 41 Are combined.
  • the main terminal 31 and the to-be-connected body 33 As the main terminal 31 and the to-be-connected body 33, the main terminal 31 and the to-be-connected body 33 of the aspect demonstrated in Embodiment 1, 2, 3 are applied. Since other configurations are the same as those of the semiconductor power module 1 shown in FIGS. 1 and 2, the same members are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated unless necessary.
  • the viscosity of the sealing resin to be applied also varies depending on the product to be applied.
  • a sealing resin having a relatively low viscosity is used as the sealing resin 27.
  • the low-viscosity sealing resin 27 is immersed in the gap between the main terminal 31 and the receiving portion 34 by capillary action. Is assumed. In such a case, it is conceivable that the electrical connection between the main terminal 31 and the receiving portion 34 may be hindered.
  • the main terminal 31 and the body to be connected 33 are bonded to each other by the solder 41 so that there is no gap in which the sealing resin 27 penetrates. As a result, the assumed electrical connection is not hindered. Further, by joining the main terminal 31 and the body to be connected 33 with the solder 41, the connection strength against the stress at the time of high temperature can be improved, and the electrical connection reliability can also be improved.
  • Embodiment 5 FIG. Here, another example of the semiconductor power module in which the main terminal and the bonded portion are electrically connected by metal-to-metal bonding will be described.
  • the main terminal 31 is connected to the main terminal 31 by a conductive adhesive 43 such as silver paste in a state where the main terminal 31 is received by the receiving portion 34 of the connected body 33.
  • the connection body 33 is metal-to-metal bonded.
  • the main terminal 31 and the to-be-connected body 33 As the main terminal 31 and the to-be-connected body 33, the main terminal 31 and the to-be-connected body 33 of the aspect demonstrated in Embodiment 1, 2, 3 are applied. Since other configurations are the same as those of the semiconductor power module 1 shown in FIGS. 1 and 2, the same members are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated unless necessary.
  • the main terminal 31 and the body to be connected 33 are bonded to each other by the conductive adhesive 43 so that the sealing resin 27 penetrates in the same manner as in the case of the solder 41. Disappears. As a result, the assumed electrical connection is not hindered. Further, by joining the main terminal 31 and the body to be connected 33 to each other with the conductive adhesive 43, the connection strength against stress at high temperature can be improved, and the electrical connection reliability is also improved. Can do.
  • a paste containing a metal such as a copper paste can be used as the conductive adhesive 43.
  • Embodiment 6 the power conversion device to which the power module according to Embodiments 1 to 5 described above is applied will be described.
  • the present invention is not limited to a specific power converter, hereinafter, a case where the present invention is applied to a three-phase inverter will be described as a sixth embodiment.
  • FIG. 22 is a block diagram showing a configuration of a power conversion system to which the power conversion device according to the present embodiment is applied.
  • the power conversion system illustrated in FIG. 22 includes a power supply 100, a power conversion device 200, and a load 300.
  • the power source 100 is a DC power source and supplies DC power to the power conversion device 200.
  • the power source 100 can be constituted by various types, and can be constituted by, for example, a DC system, a solar battery, or a storage battery. Moreover, you may comprise by the rectifier circuit or AC / DC converter connected to the alternating current system. Further, the power supply 100 may be configured by a DC / DC converter that converts DC power output from the DC system into predetermined power.
  • the power conversion device 200 is a three-phase inverter connected between the power source 100 and the load 300, converts the DC power supplied from the power source 100 into AC power, and supplies the AC power to the load 300. As shown in FIG. 22, the power conversion device 200 converts a DC power into an AC power and outputs the main conversion circuit 201, and a control circuit 203 outputs a control signal for controlling the main conversion circuit 201 to the main conversion circuit 201. And.
  • the load 300 is a three-phase electric motor that is driven by AC power supplied from the power conversion device 200.
  • the load 300 is not limited to a specific application, and is an electric motor mounted on various electric devices.
  • the load 300 is used as an electric motor for a hybrid vehicle, an electric vehicle, a railway vehicle, an elevator, or an air conditioner.
  • the main conversion circuit 201 includes a switching element and a reflux diode (both not shown). When the switching element is switched, the DC power supplied from the power supply 100 is converted into AC power and supplied to the load 300.
  • the main conversion circuit 201 is a two-level three-phase full bridge circuit, and includes six switching elements and respective switching elements. It can be composed of six anti-parallel diodes.
  • the semiconductor power module 1 is configured as the semiconductor module 202 in at least one of the switching elements and the free-wheeling diodes of the main conversion circuit 201.
  • the six switching elements are connected in series for each of the two switching elements to constitute upper and lower arms, and each upper and lower arm constitutes each phase (U phase, V phase, W phase) of the full bridge circuit.
  • the output terminals of the upper and lower arms, that is, the three output terminals of the main conversion circuit 201 are connected to the load 300.
  • the main conversion circuit 201 includes a drive circuit (not shown) that drives each switching element.
  • the drive circuit may be built in the semiconductor module 202 or a drive circuit separate from the semiconductor module 202. May be provided.
  • the drive circuit generates a drive signal for driving the switching element of the main conversion circuit 201 and supplies the drive signal to the control electrode of the switching element of the main conversion circuit 201.
  • a drive signal for turning on the switching element and a drive signal for turning off the switching element are output to the control electrode of each switching element.
  • the drive signal When the switching element is maintained in the ON state, the drive signal is a voltage signal (ON signal) that is equal to or higher than the threshold voltage of the switching element, and when the switching element is maintained in the OFF state, the drive signal is a voltage that is equal to or lower than the threshold voltage of the switching element.
  • Signal (off signal) When the switching element is maintained in the ON state, the drive signal is a voltage signal (ON signal) that is equal to or higher than the threshold voltage of the switching element, and when the switching element is maintained in the OFF state, the drive signal is a voltage that is equal to or lower than the threshold voltage of the switching element.
  • Signal (off signal) When the switching element is maintained in the ON state, the drive signal is a voltage signal (ON signal) that is equal to or higher than the threshold voltage of the switching element, and when the switching element is maintained in the OFF state, the drive signal is a voltage that is equal to or lower than the threshold voltage of the switching element.
  • Signal (off signal) When the switching element is maintained in the ON state,
  • the control circuit 203 controls the switching element of the main conversion circuit 201 so that desired power is supplied to the load 300. Specifically, based on the power to be supplied to the load 300, the time (ON time) during which each switching element of the main converter circuit 201 is to be turned on is calculated. For example, the main conversion circuit 201 can be controlled by PWM control that modulates the ON time of the switching element according to the voltage to be output. Then, a control command (control signal) is supplied to the drive circuit included in the main conversion circuit 201 so that an ON signal is output to the switching element that should be turned on at each time point and an OFF signal is output to the switching element that should be turned off. ) Is output. The drive circuit outputs an ON signal or an OFF signal as a drive signal to the control electrode of each switching element in accordance with the control signal.
  • the semiconductor power module 1 according to any one of the first to fifth embodiments is applied as the semiconductor module 202 to at least one of the switching element and the free wheel diode of the main conversion circuit 201.
  • the reliability of the power conversion device can be improved.
  • the present invention is not limited to this, and can be applied to various power conversion devices.
  • a two-level power conversion device is used.
  • a three-level or multi-level power conversion device may be used.
  • the invention may be applied.
  • the present invention can be applied to a DC / DC converter or an AC / DC converter.
  • the power conversion device to which the present invention is applied is not limited to the case where the load described above is an electric motor.
  • a power supply device for an electric discharge machine, a laser processing machine, an induction heating cooker, or a non-contact power feeding system Furthermore, it can also be used as a power conditioner for a photovoltaic power generation system or a power storage system.
  • a cylindrical box shape is given as an example of the shape of the receiving portion 34.
  • the main terminal 31 or the body to be connected 33 can be received and electrical connection can be achieved, It is not limited to shape.
  • the semiconductor power modules described in the embodiments can be variously combined as necessary. In addition, claims will be dependent on the combination.
  • the present invention is effectively used for a semiconductor power module in which a power semiconductor element or the like is sealed with a sealing material.
  • 1 power module semiconductor device 3 base plate, 5 solder, 7 insulating substrate, 9 insulating layer, 11 metal plate, 13 metal plate, 15 solder, 17 power semiconductor element, 19 bonding wire, 21 case, 23 external terminal, 25 high Insulation voltage-resistant resin agent, 27 sealing resin, 29 lid, 31 main terminal, 33 connected portion, 34 receiving portion, 35 intermetallic joint, 37 slit portion, 39, 40 taper portion, 41 solder, 43 silver paste , R region, 61 metal powder, 100 power supply, 200 power conversion device, 201 main conversion circuit, 202 semiconductor module, 203 control circuit, 300 load.

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Abstract

半導体パワーモジュール（１）は、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。主端子（３１）は被接続体（３３）に接続されている。被接続体（３３）は金属板（１３）に直接接合されている。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）には、スリット部が設けられている。スリット部は、受け入れ部（３４）における絶縁基板（７）が位置する下端側から絶縁基板（７）が位置する側とは反対側の上端側に向かって延在している。

Description

半導体パワーモジュールおよび電力変換装置
　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槽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、主端子と被接合部とが、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、主端子と被接合部とが、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　被接続部、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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