JP2005183495A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
省電力化，大容量化を両立し、かつ高信頼性，低コストな電力変換装置を提供する。
【解決手段】
パワー半導体素子の主電極と電力変換装置の主回路との接続に金属からなる帯状導体を用いて電気的に接続することにあり、帯状導体の主電極に対応する、第一の主面にＡｌ，
Ｎｉ，Ａｕ，Ｃｕの少なくともひとつを主体とする金属からなる複数の金属バンプ１３を形成した帯状導体１１を用い、パワー半導体素子の主電極と金属バンプとを超音波により溶接するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくともひとつ以上のＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体素子をベアチップ実装する電力変換装置に関する。
入力される電力をＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体素子でスイッチングして順変換または逆変換して出力する電力変換装置は、電力を変換する主回路と、パワー半導体素子のスイッチング動作を制御する制御回路とで構成される。その他、必要に応じて、放熱板，冷却器，平滑用コンデンサなどが付加される。
パワー半導体素子の種類によって、主回路および制御回路の構成が若干異なる場合があるが、パワー半導体素子の第二の主電極と主回路との接続および制御電極と制御回路との接続にはワイヤが用いられ、実装は、モールドケースと放熱板とをモジュール化したパワーモジュールとして電力変換装置を構成する。
ここで、ワイヤは、電気伝導性のよい金属が用いられており、線径０.１〜０.５mmの
Ａｌワイヤが用いられており、一般的に、ワイヤは超音波ボンディングにより接続されている。
しかし、ワイヤは、パワー半導体素子の稼動に伴なう熱サイクルにより、次第にパワー半導体素子の第二の主電極または制御電極から剥がれ始め、断線に至り、電力変換装置の寿命となる。ワイヤが剥がれる原因は、パワー半導体素子の線膨張係数が約３×１０-6／Ｋであるのに対して、ワイヤの線膨張係数が２０×１０-6／Ｋ前後と大きく、線膨張係数の差からワイヤとパワー半導体素子の界面に応力が生じるためである。
また、ワイヤを超音波ボンディングする場合、隣り合うワイヤの間隔は、ボンディング装置のツールが干渉しないようにする必要がある。すなわち、電力変換装置の大電流化するために、ワイヤの本数を増やす必要があるが、ボンディングできるワイヤの本数には限界があり、大電流化が困難となっている。
寿命および大電流化の課題があり、これらを解決する方法として、ワイヤに替わる接続方法が多数提案されている。例えば、特開平１１−１７０８７号公報によると、導電性粒子を分散させた導電性樹脂と板状の電極を用いて接続する方法が開示されている。パワー半導体素子と板状の電極の線膨張係数の差から生じる応力は、導電性樹脂で緩和させている。また、特開２０００−３４９２０７号公報によると、線膨張係数がパワー半導体素子と同程度な導電性材料（以下、低熱膨張材という）をはんだを介して接続する方法が開示されている。
一方、パワー半導体素子または電力変換装置の故障の防止を目的に、電流，温度などの検知機能を付加したＭＯＳＦＥＴが実用化されており、パワー半導体素子は、ゲートに加えて複数の制御電極を備えるようになっている。さらに、パワー半導体素子は、コスト低減を目的に寸法の縮小化が進み、第二の主電極の寸法が小さくなると同時に、第二の主電極と制御電極との間隔が狭くなってきている。
特開平１１−１７０８７号公報 特開２０００−３４９２０７号公報
しかしながら、ワイヤに替わる接続方法には、以下の課題がある。すなわち、前者の導電性樹脂と板状の電極を用いて接続する方法の場合、導電性樹脂の体積抵抗率は、金属単体と比較して１〜２桁高いため、電力変換装置の効率を低下させることになり、電力変換装置の省電力化，大電流化の障害となっている。また、導電性樹脂の導電性は、樹脂中に分散した導電性粒子の接触によって得られている。したがって、稼動による熱サイクルに伴ない、導電性樹脂が熱膨張し、各導電性粒子の接触が保てなくなり、次第に導電性樹脂の体積抵抗率が増加する問題もある。
さらに、導電性樹脂の形成方法は、メタルマスクやスクリーンを用いて印刷したり、ディスペンサで塗布したりするため、制御電極に精度よく形成することが困難である。すなわち、導電性樹脂による方法は、複数の制御電極間の絶縁の確保および制御電極と第二の主電極間の絶縁の確保が困難であり、パワー半導体素子の寸法縮小化に対応できない。
また、後者の低熱膨張材をはんだを介して接続する方法の場合、低熱膨張材は、一般的に体積抵抗率が高く、電力変換装置の効率を低下させると同時に、発熱が大きくなり大電流化の障害となる。
本発明は、このような課題を解決することが目的であって、省電力化，大容量化を両立し、かつ高信頼性，低コストな電力変換装置を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明は、パワー半導体素子の主電極と電力変換装置の主回路との接続に、第一の主面にＡｌ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｃｕの少なくともひとつを主体とする金属からなる複数の金属バンプを形成した帯状導体を用い、パワー半導体素子の主電極と金属バンプとを超音波により溶接することを特徴とする。
帯状導体の少なくともパワー半導体素子と金属バンプで接続する部分を鉄ニッケル合金を芯とする三層の複合材にしたことを特徴とする。
パワー半導体素子の制御電極と電力変換装置の制御回路との接続に、制御電極に対応するパッド部にＡｌ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｃｕの少なくともひとつを主体とする金属からなる金属バンプが形成されたフレキシブルプリント配線板を用い、パワー半導体素子の制御電極と金属バンプとを超音波により溶接することを特徴とする。
本発明によれば、省電力化，大容量化を両立し、かつ高信頼性，低コストで電力変換装置を提供することができる。
以下、本発明による実施の形態を説明する。
本発明の第一の特徴は、パワー半導体素子の主電極と電力変換装置の主回路との接続に、第一の主面にＡｌ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｃｕの少なくともひとつを主体とする金属からなる複数の金属バンプを形成した帯状導体を用い、パワー半導体素子の主電極と金属バンプとを超音波により溶接することにある。
本発明によると、帯状導体とパワー半導体素子の線膨張係数の差から生じる応力は、帯状導体に形成した複数の金属バンプによって緩和することができ、金属バンプは格子状に配列することで効果的に応力を分散できる。
金属バンプは、Ａｌ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｃｕのいずれかひとつの金属単体またはこれら金属の組み合わせであることが好ましく、これらの金属はパワー半導体素子の主電極との高い接合力が得られる。例えば、主電極がＡｌからなる場合、金属バンプはＡｌ，Ｎｉのいずれかが好適である。また、金属バンプは、Ｃｕの表面にＮｉの皮膜を形成したり、Ｎｉの表面にＡｌの皮膜を形成したり、二種以上の金属を組み合わせて用いてもよい。特に、金属バンプの最表層にある金属は、主電極の金属と同じにすると高い接合力を得ることができる。
なお、金属バンプの高さおよび径は、特に制約はないが、概ね十数μｍから百数十μｍが好ましく、より高いほど応力を緩和することができる。また、配列のピッチについては、パワー半導体素子に流す電流および主電極の一辺の長さを考慮して任意に設定すればよい。帯状導体の材質は、特に限定されることはないが、電気伝導性が良く、低コストな材料であるＣｕ，Ａｌなどを主体とする金属または合金が好適である。
例えば、パワー半導体素子の主電極の寸法が縦７.７ｍｍ，横８.５ｍｍの場合、従来のワイヤによる方法だと、線径５００μｍのＡｌワイヤを用いると１８から２１本程度しかボンディングできず、Ａｌワイヤの単位長さ当たりの抵抗値は、２１本の合計で約６.４ｍΩ／ｍとなる。本発明によると、配列のピッチ２００μｍ，径７５μｍ，高さ７５μｍの金属バンプを形成した寸法が幅７.７ｍｍ ，厚さ５００μｍのＣｕからなる帯状導体を用いると１４００以上の金属バンプで接続でき、帯状導体の単位長さ当たりの抵抗値は、約４.３ｍΩ／ｍ となる。すなわち、本発明によると、パワー半導体素子との接続点を大幅に増やせるため、熱膨張による応力を効果的に緩和できる。また、単位長さ当たりの抵抗値も低減できるため、損失を低減でき、ひとつのパワー半導体素子当たりの電流を増やせる。
本発明の第二の特徴は、帯状導体の少なくともパワー半導体素子と金属バンプで接続する部分を鉄ニッケル合金を芯とする三層の複合材にしたことにある。
本発明によると、線膨張係数が低い鉄ニッケル合金と電気伝導性のよい金属と三層の複合材とすることで、帯状導体のパワー半導体素子との接続部の線膨張係数を１０×１０-6／Ｋ以下にできるため、帯状導体とパワー半導体素子の線膨張係数の差から生じる応力自体を低減できる。鉄ニッケル合金は、Ｎｉが３６，４２，５０重量％などの圧延箔が市販されており、他の低熱膨張材より比較的安く入手できる。三層の複合材は、圧延銅箔，アルミ箔などの金属を鉄ニッケル合金の両面にクラッドした材料も種々市販されている。なお、電流は、帯状導体の電気伝導性のよい金属側を流れるため、電気伝導性を維持したまま、線膨張係数の差から生じる応力を低減でき、電力変換装置の効率と信頼性を両立できる。
本発明の第三の特徴は、パワー半導体素子の制御電極と電力変換装置の制御回路との接続に、制御電極に対応するパッド部にＡｌ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｃｕの少なくともひとつを主体とする金属からなる金属バンプが形成されたフレキシブルプリント配線板を用い、パワー半導体素子の制御電極と金属バンプとを超音波により溶接することにある。
本発明によると、パワー半導体素子の複数の制御電極に対応する回路を形成したフレキシブルプリント配線板を用いることで、制御電極と制御回路とを一括で接続でき、更に近接する制御電極に絶縁を確保したまま実装できる。すなわち、電力変換装置の製造コストを低減でき、パワー半導体素子の縮小化にも対応できるため、電力変換装置の低コスト化に貢献できる。
金属バンプの材質，高さおよび径は、本発明の第一の特徴と同じである。
以下に、より詳細な実施例を説明する。
図１に示すようなパワー半導体素子との接合部１２に金属バンプ１３を形成した帯状導体１１を作製した。すなわち、所望の大きさに裁断した厚さ約５００μｍの圧延無酸素銅（Ｃ１０２０）からなる帯状導体１１のパワー半導体素子との接合部１２に配列ピッチ約２００μｍ，径約５０μｍ，高さ約７５μｍの金属バンプ１３を電解ニッケルめっきにより形成した。
なお、電解ニッケルめっきに際しては、予め帯状導体１１の両面にドライフィルムレジストをラミネートし、フォトリソグラフ法により金属バンプの逆パターンを形成し、めっき後にドライフィルムレジストを剥離した。
本実施例は、実施例１と同様に帯状導体を作製し、さらに金属バンプの表面にＡｌの皮膜を形成した。すなわち、金属バンプ側に厚さ約０.５μｍ のＡｌをスパッタリングにより形成した。
図２に示すように、パワー半導体素子との接合部２２に金属バンプ２３を形成し、接合部２２を鉄ニッケル合金２４を芯とする三層の複合材である帯状導体２１を作製した。まず、所望の大きさに裁断した厚さ約５００μｍの３６重量％−Ｎｉの鉄ニッケル合金２４の両面に厚さ約５００μｍの圧延無酸素銅（Ｃ１０２０）をクラッドした複合材を用意した。次に、接合部２２以外の金属バンプを形成しない圧延無酸素銅と鉄ニッケル合金をそれぞれエッチングで除去した後、接合部２２に配列ピッチ約１００μｍ，径約５０μｍ，高さ約７５μｍの金属バンプ２３を電解銅めっきにより形成した。さらに、金属バンプ
２３に厚さ約３μｍの無電解ニッケル−リンめっきと厚さ約１μｍの無電解金めっきを施した（図示せず）。
なお、圧延無酸素銅および鉄ニッケル合金のエッチングに際しては、予め金属バンプを形成する面の全面および金属バンプを形成しない面の接合部にエッチングレジストを形成し、圧延無酸素銅と鉄ニッケル合金を２５０ｇ／ｌ−塩化第二銅・二水和物、２５０ｍｌ／ｌ−塩酸を含む水溶液でエッチングした後、エッチングレジストを剥離した。
また、電解銅めっきに際しては、実施例１と同様に、予め帯状導体１１の両面にドライフィルムレジストをラミネートし、フォトリソグラフ法により金属バンプの逆パターンを形成し、めっき後にドライフィルムレジストを剥離した。
なお、本実施例では、接合部以外の複合材をエッチングで除去したが、複合材をそのまま残しても構わない。
図３に示すように、パワー半導体素子との接合部３２に金属バンプ３３が形成されたフレキシブルプリント配線板３１を作製した。まず、所望の大きさに裁断した厚さ約１８
μｍの銅と厚さ約２５μｍのポリイミドを積層した片面銅張りポリイミドフィルム（宇部興産社製：ユピセルＮ）を用意した。次に、エッチングで回路導体３４を形成し、パッド部３５ａ，３５ｂが開口した厚さ約１５μｍのソルダーレジスト３６（太陽インキ社製：ＰＳＲ−９０００）をフォトリソグラフ法により形成した。続いて、接合部３２に径約
５０μｍ，高さ約７５μｍの金属バンプ３３を電解銅めっきにより形成した。さらに、金属バンプ３３に厚さ約３μｍの無電解ニッケル−リンめっきと厚さ約１μｍの無電解金めっきを施した（図示せず）。
本実施例は、実施例２および実施例４でそれぞれ作製した帯状導体およびフレキシブルプリント配線板を用いて、パワー半導体素子周辺の実装形態が図４に示すような電力変換装置を作製した。本実施例の電力変換装置は、図５に示すような主回路構成であり、パワー半導体素子はＭＯＳＦＥＴ素子を用いた。
すなわち、パワー半導体素子４１の第一の主電極４２（ドレイン電極）と、内部回路導体４３とがはんだ４４ａを介して電気的に接続し、圧延無酸素銅からなるベース４５と窒化ケイ素からなるセラミック基板４６により電気的に絶縁した。内部接続導体４７がインサート成形されたケース４８とベース４５とをシリコーン接着剤（図示せず）を用いて接着し、パワー半導体素子４１の第二の主電極４９（ソース電極）と内部接続導体４７とを実施例２で作製した帯状導体５０で電気的に接続した。パワー半導体素子４１の制御電極５１（ゲート電極）と、実施例４で作製したフレキシブルプリント配線板５２とを電気的に接続し、ケース４８の内部にシリコーンゲル（図示せず）を充填し、パワーモジュール５３を作製した。なお、帯状導体５０の金属バンプ５４と第二の主電極４９との接続およびフレキシブルプリント配線板５２の金属バンプ５５と制御電極５１との接続は、フリップチップボンダを用いて超音波溶接した。さらに、制御回路を形成したプリント配線板
５６とパワーモジュール５３とをフレキシブルプリント配線板５２を介して電気的に接続し、冷却フィン，平滑コンデンサ（図示せず）を接続し、電力変換装置を作製した。なお、本実施例では、帯状導体５０と内部接続導体４７との接続にはんだ４４ｂを用いたが、主電極の接続と同様に、帯状導体５０に金属バンプを形成し、金属バンプと内部接続導体４７とを溶接してもよい。
本実施例は、実施例５の帯状導体を実施例３で作製した帯状導体に変えて、実施例５と同様に、電力変換装置を作製した。
実施例５および実施例６で作製したパワーモジュールについて、低温側−４０℃，３０分と高温側１２５℃，３０分の温度サイクル試験を１０００サイクル行った。温度サイクル試験後、金属バンプの接合部を断面観察したところ、断線，剥がれなどの不具合はなく、接続信頼性が高いことを確認した。
本発明による帯状導体の一例を示す概略模式図であって、図１（ａ）は、帯状導体の一断面を示し、図１（ｂ）は、帯状導体の第一の主面から見た図を示す。 本発明による帯状導体の一例を示す概略断面模式図。 本発明によるフレキシブルプリント配線板の一例を示す概略模式図であって、図３（ａ）は、フレキシブルプリント配線板の金属バンプ側から見た図を示し、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ′断面を示す。 本発明による電力変換装置のパワー半導体素子周辺の実装形態を示す概略断面模式図。 本発明による電力変換装置の主回路構成を示す回路図。
符号の説明
１１，２１，５０…帯状導体、１２，２２，３２…接合部、１３，２３，３３，５４，５５…金属バンプ、２４…鉄ニッケル合金、３１，５２…フレキシブルプリント配線板、３４…回路導体、３５ａ，３５ｂ…パッド部、３６…ソルダーレジスト、３７…ポリイミド基材、４１…パワー半導体素子、４２…第一の主電極、４３…内部回路導体、４４ａ，４４ｂ，４４ｃ…はんだ、４５…ベース、４６，７１…セラミック基板、４７…内部接続導体、４８…ケース、４９…第二の主電極、５１…制御電極、５３…パワーモジュール、５６…プリント配線板、５７…コネクタ。

Claims (3)

  1. 少なくともひとつ以上のパワー半導体素子をベアチップ実装する電力変換装置において、前記パワー半導体素子の主電極と、前記電力変換装置の主回路とを、金属からなる帯状導体で電気的に接続し、かつ前記帯状導体の前記主電極に対応する第一の主面に複数の金属バンプが形成され、前記金属バンプはＡｌ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｃｕから選ばれた少なくともひとつを主体とする金属からなり、前記金属バンプと前記主電極とが超音波により溶接することを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記帯状導体の第二の主面の少なくとも前記主電極に対応する部分が、鉄ニッケル合金を芯とする３層の複合材であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 少なくともひとつ以上のパワー半導体素子をベアチップ実装する電力変換装置において、前記パワー半導体素子の制御電極と、前記電力変換装置の制御回路とを、フレキシブルプリント配線板で電気的に接続し、かつ前記フレキシブルプリント配線板の前記制御電極に対応するパッド部に金属バンプが形成され、前記金属バンプはＡｌ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｃｕから選ばれた少なくともひとつを主体とする金属からなり、前記金属バンプと前記制御電極とが超音波により溶接することを特徴とする電力変換装置。
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