JP2005228825A - 電力半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高耐熱半導体素子がダイボンディング手段を用いて実装された半導体装置において、高温動作時のダイボンディング手段の溶融による電気的または熱的な接続についての不具合を解消する。
【解決手段】ワイドギャップ半導体素子２５をハンダ２１にてダイボンディングする場合に、実装部材である配線３３の上面に、ハンダ２１が溶融して側方へ流出するのを防止するための流出防止壁２９を形成する。ワイドギャップ半導体素子２５の高速駆動によってハンダ２１が溶融して側方に流出しようとしても、その流出が流出防止壁２９によって防止される。ワイドギャップ半導体素子２５と配線３３との間で電気的及び熱的な接続が保証される。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力半導体装置及びそれに関連する技術に関するものである。
近年、環境問題からハイブリッド自動車のような高電圧（約３００Ｖ）の自動車が開発されている。ハイブリッド自動車においては、電力はバッテリからの直流をインバータで３相交流に変換し、車両を駆動するモータへと供給している。
ハイブリッド自動車に搭載されている電力変換器は、変換する電力が数１０ｋＷにも及ぶため、発熱量も膨大で、車両に搭載される場合、冷却機構が大きく複雑になりハイブリッド車のコストアップの原因になっている。
このような問題を解決するため、従来、パワーデバイスを組込んだパワーモジュールに対して、ヒートシンクや冷却管を組込んだ水冷ジャケット等が適用された冷却装置で冷却することが行われていた。
しかしながら、冷却装置を使用してパワーモジュールを冷却する構成とすると、冷却装置のコストがかかり、また冷却装置を設置するスペースが必要である。さらに、その冷却装置を駆動するための消費電力が必要とされるため、例えば自動車といった省電力化の要請の強い分野に適用する場合、パワーモジュールの駆動時に冷却装置の駆動を省略したいという要請があった。
かかる要請に応じるためのひとつの方法としては、ＳｉＣ半導体チップ等の高耐熱半導体素子を使用する方法がある。この高耐熱半導体素子は、高耐圧及び高耐熱の特性を有しており、高温環境、放射線照射環境下等の厳しい環境でも高速動作が可能であるため、ヒートシンク等の簡素な放熱部材を使用するだけで素子破壊することなく駆動可能であり、水冷ジャケット等でパワーモジュールを冷却しなくてもよい利点がある。
図４は、例えば自動車の電力変換器としてのインバータ装置に高耐熱半導体素子１が搭載される場合の提案例を示した側面図である。この提案例に係る高耐熱半導体素子１の例としては、ＳｉＣ系等のワイドギャップ半導体素子で構成されたＦＥＴがあり、このＦＥＴ１が、アルミニウム製等の上部配線３上にダイボンディング材料であるハンダ５で電気的且つ熱的に接続されて固定されている。そして、上部配線３の下層に窒化アルミニウム系等の絶縁基板７が形成され、絶縁基板７の下層にアルミニウム系等の下部配線９が形成され、さらに下部配線９が、ＣｕＭｏ系、ＡｌＳｉＣｕ系またはＣｕ系等のヒートシンク１１の上面にダイボンディング材料であるハンダ１３で電気的且つ熱的に接続されて固定されている。尚、図４中の符号１５はＦＥＴ１のゲート入力を行うためのボンディングワイヤーを示している。
図４に示したＦＥＴ１（高耐熱半導体素子）が高速駆動により発熱すると、その熱を、ハンダ５、上部配線３、絶縁基板７、下部配線９及びハンダ１３を通じてヒートシンク１１に逃がすことができる。
このように、高耐熱半導体素子を使用すれば、ヒートシンク１１のような簡単な構成で放熱を行うだけで、高速駆動を行ってもＦＥＴ１の素子破壊が行われないため、大がかりな水冷ジャケット等の冷却装置が不要となる。
しかしながら、一般的なハンダ５，１３に用いられる錫−亜鉛系材料は、その耐熱温度が一定であり、高耐熱半導体素子が高速駆動すると、その発熱により溶融してしまうおそれがある。そうすると、図５のように例えばハンダ５が上部配線３の側面側に流れ出てしまってＦＥＴ１の底面との接触面積が減少するなどの事態が生じ、これによりハンダ５，１３による電気的接続と熱的接続に支障を来すといった不具合がある。このため、図４のように高耐熱半導体素子をハンダ５，１３で実装した構成をとる場合、高耐熱半導体素子の耐熱温度がいくら高くても、ハンダ５，１３の耐熱温度がボトルネックとなってしまい、結局は高耐熱半導体素子の駆動速度を一定レベルに下げざるを得ないことになってしまう。したがって、水冷ジャケット等の大がかりな冷却装置を省略して図４のように実装された高耐熱半導体素子を駆動させる場合、この高耐熱半導体素子の高温動作速度に限界があった。
そこで、本発明の課題は、高耐熱半導体素子がダイボンディング手段を用いて実装された半導体装置において、高温動作時のダイボンディング手段の溶融による電気的または熱的な接続についての不具合を解消し得る電力半導体装置を提供することにある。
上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、半導体素子と、前記半導体素子を上方に実装する実装部材と、前記実装部材の上面に前記半導体素子をダイボンディングするダイボンディング手段とを備え、前記実装部材の上面に、前記ダイボンディング手段が溶融して側方へ流出するのを防止するための流出防止壁が形成されたものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電力半導体装置であって、前記半導体素子の電極部以外の部分に、当該半導体素子を実装する基板への接続を行うワイヤが結線されるものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電力半導体装置であって、前記ワイヤが、前記半導体素子の電極部以外の部分と、前記基板上に搭載された温度検知手段の付近との間に結線されるものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の電力半導体装置であって、前記半導体素子がワイドギャップ半導体素子であるものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の電力半導体装置であって、当該電力半導体装置が、電源からの電力を所定の負荷に対して変換する電力変換器に搭載されるものである。
請求項１に記載の発明の電力半導体装置は、半導体素子をダイボンディング手段（ハンダ）にて実装部材にダイボンディングする際に、半導体素子の高速駆動によってダイボンディング手段が溶融して側方に流出しようとしても、その流出が流出防止壁によって防止されることで、半導体素子と実装部材との間で、電気的及び熱的な接続が保証される。
請求項２に記載の発明の電力半導体装置は、半導体素子の電極部以外の部分に、当該半導体素子を実装する基板への接続を行うワイヤが結線されるので、半導体素子の電極部のみをワイヤ及びダイボンディング手段により結線する場合に比べて、半導体素子の基板に対する熱的な接続を保証することができる。
請求項３に記載の発明の電力半導体装置は、ワイヤが、半導体素子の電極部以外の部分と、基板上に搭載された温度検知手段の付近との間に結線されるので、半導体素子と温度検知手段との間の熱的な接続を確保でき、温度検知手段での温度検知精度が向上する。
請求項４に記載の発明の電力半導体装置は、半導体素子としてワイドギャップ半導体素子が適用されるので、この半導体素子が高速駆動して発熱しても素子破壊が発生するのを防止できる。そして、請求項１のように、ダイボンディング手段の溶融による電力半導体装置の破壊をも防止できることから、電力半導体装置全体として高速性能を向上しても耐久性が高いものをダイボンディング手段でのダイボンディングといった簡単な実装構成で提供することができる。したがって、例えば水冷ジャケット等の大がかりな冷却装置を使用しなくても、高速性能に優れた電力半導体装置の使用を実現でき、冷却装置が不要な分のコスト削減及びスペース削減を実現できる。
本発明は、特に請求項５に記載のように、電力半導体装置が、電源からの電力を所定の負荷に対して変換する電力変換器に搭載される場合に、その発熱に対する耐久性を向上できる点で有利である。
＜構成＞
図１は本発明の一の実施形態に係る電力半導体装置２０の適用例を示す平面図、図２はその電力半導体装置２０の側面視断面図である。この電力半導体装置２０は、図１の如く、例えばハイブリッド自動車に搭載される電力変換器としてのインバータ装置といった高熱環境において使用されるもので、図２のようにハンダ（ダイボンディング手段）２１，２３によってダイボンディングされることで内部の電気的接続及び熱的接続を行いながら、高耐熱半導体素子２５の高速駆動時に発生する熱をヒートシンク２７から逃がすようになっており、特に高耐熱半導体素子２５の発熱によりハンダ２１，２３が溶融した際に、当該ハンダ２１，２３が流れ出るのを防止するための流出防止壁２９，３１が形成されたものである。
具体的に、この電力半導体装置２０は、インバータ装置のスイッチ素子として使用されるＳｉＣ系等のワイドギャップ半導体素子であるＦＥＴ（高耐熱半導体素子）２５と、当該高耐熱半導体素子２５の下方に位置する上部配線３３と、この上部配線３３の下層に配置される絶縁基板３５と、この絶縁基板３５の下層に配置される下部配線３７と、この下部配線３７の下方に配置されるＣｕＭｏ系、ＡｌＳｉＣｕ系またはＣｕ系等のヒートシンク２７とを備え、高耐熱半導体素子２５が上部配線３３の上面側にダイボンディング材料であるハンダ２１で電気的且つ熱的に接続されて固定され、また下部配線３７がヒートシンク２７の上面側にダイボンディング材料であるハンダ２３で電気的且つ熱的に接続されて固定されている。
ここで、ハンダ２１，２３は、錫−亜鉛系材料が使用された安価な一般的なものが適用される。
そして、上面にハンダ２１，２３が形成される部材としての上部配線３３及びヒートシンク２７のそれぞれの上面に、情報に突出して形成された突条としての流出防止壁２９，３１が金型成形等によって形成されている。この流出防止壁２９，３１の形成位置は、各ハンダ２１，２３が上面側に接続される部材（ＦＥＴ２５及び下部配線３７）の底面の端部よりも僅かに外側に配置され、これにより、ハンダ２１，２３が形成される際に、ハンダ２１，２３の底面側に位置する部材（上部配線３３及びヒートシンク２７）に対するハンダ２１，２３の接触面積を規定する役割を果たしている。そして、流出防止壁２９，３１は、各ハンダ２１，２３の溶融時の粘性や表面張力を考慮して、当該各ハンダ２１，２３が溶融しても当該ハンダ２１，２３の側方方向への流出が流出防止壁２９，３１によって阻止されることで、各ハンダ２１，２３とその上面側に接続される部材（ＦＥＴ２５及び下部配線３７）との接触面積が変化しないような位置に設定される。このような流出防止壁２９，３１の形成位置は、実験を繰り返したりコンピュータで各ハンダ２１，２３の溶融時の粘性や表面張力を演算してシミュレーションを行ったりすることで、ハンダ２１，２３の溶融により電力半導体装置２０の内部の電気的及び熱的な接続が変化しないように設定されるものである。
上述のように、この電力半導体装置２０は、図１のようなインバータ装置に適用される。このインバータ装置の電気回路としての構成は図３のようになっており、電源であるバッテリ（図示省略）から入力される電圧を昇圧したりモータＭからの回生電流を降圧してバッテリ側に与えたりする電圧変換回路４１と、この電圧変換回路４１から出力される電力に基づいてスイッチ切替によりモータＭを駆動するための駆動電流（例えば３相交流電流）を生成してモータＭに与えるスイッチユニット４３とを備える。
スイッチユニット４３は、図３の如く、第１〜第６のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６と、第１〜第６のフリーホイールダイオードＤ１〜Ｄ６とを備えており、モータＭとの電気接続はＵ、Ｖ、Ｗの各相に対応した第１〜第３の接続部Ｔ１〜Ｔ３を介して行われる。
第１〜第３のフリーホイールダイオードＤ１〜Ｄ３は、対応するハイアーム側の第１〜第３のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ３と並列関係をなし、正側に向けて順方向となるように接続されている。また第４〜第６のフリーホイールダイオードＤ４〜Ｄ６は、対応するローアーム側の第４〜第６のスイッチング素子Ｓ４〜Ｓ６と並列関係をなし、第１〜第３の接続部Ｔ１〜Ｔ３側に向けて順方向となるように接続されている。かかる各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が適宜オンオフされることにより、電圧変換回路４１から与えられる直流電流が３相交流電流に変換されてモータＭに供給されるようになっている。
そして、図３中のハイアーム側の第１〜第３のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ３が、図１における第１の電力半導体装置（ＦＥＴ）２０ａを構成し、図３中のローアーム側の第４〜第６のスイッチング素子Ｓ４〜Ｓ６が、図１における第２の電力半導体装置（ＦＥＴ）２０ｂの高耐熱半導体素子２５（図２）を構成している。図１中の各電力半導体装置２０ａ，２０ｂは、図２に示した電力半導体装置２０にそれぞれ相当する。また、図２における絶縁基板３５は、図１におけるスイッチユニット４３の基板４３ａに相当し、図２中の上部配線３３及び下部配線３７は、図１におけるスイッチユニット４３の基板４３ａの両面に形成されている。また、図２におけるヒートシンク２７は、図１におけるスイッチユニット４３の基板４３ａの各電力半導体装置２０ａ，２０ｂの裏面側に形成される。
尚、図１中の符号５１はハイアーム側の第１〜第３のフリーホイールダイオードＤ１〜Ｄ３で構成される集積部品、同じく符号５３はローアーム側の第４〜第６のフリーホイールダイオードＤ４〜Ｄ６で構成される集積部品、同じく符号５５は電圧変換回路４１の正電圧側電圧変換部、同じく符号５７は電圧変換回路４１の負電圧側電圧変換部、同じく符号５７は図３中のＵ、Ｖ、Ｗの各相に対応した第１〜第３の接続部Ｔ１〜Ｔ３が形成された出力端子部、同じく符号５９は特にハイアーム側の電力半導体装置２０ａにおける電流監視を行うための電流検知素子、同じく符号６０は電力半導体装置２０ａのゲートコントロール電極をそれぞれ示している。また、このインバータ装置には、各電力半導体装置２０ａ，２０ｂの温度監視を行うための温度検知用サーミスタ６１ａ〜６１ｃが形成されている。
そして、電流検知素子５９及び温度検知用サーミスタ６１ａ〜６１ｃからの信号が、各電力半導体装置２０ａ，２０ｂの各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオンオフ制御を行うための図示しないマイクロコンピュータチップ等の制御部品に入力され、この制御部品によって異常状態が検知されたときに各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をオフにする等の制御が行われる。
そして、このインバータ装置においては、各第１の電力半導体装置２０ａ及び第２の電力半導体装置２０ｂ（図１）の高耐熱半導体素子２５（図２）の上面がボンディングワイヤー６３に接続され、高耐熱半導体素子２５の底面がハンダ２１によって上部配線３３に接続されるだけでなく、図１のように、各電力半導体装置２０ａ，２０ｂの電極部以外の位置からスイッチユニット４３の基板４３ａ（図２中の絶縁基板３５に相当する）に対してボンディングワイヤー６５ａ〜６５ｄが引き出され、基板４３ａに対して熱的に接続される構成となっている。また、ボンディングワイヤー６５ａ〜６５ｄの基板４３ａに対する接続位置は、温度検知用サーミスタ６１ａ〜６１ｃの付近に設定されることが望ましく、さらに望ましくは、温度検知用サーミスタ６１ａ〜６１ｃに熱的に接続された金属片６７上またはその金属片６７の付近に設定される。これにより、ボンディングワイヤー６５ａ〜６５ｄを通じて各電力半導体装置２０ａ，２０ｂと温度検知用サーミスタ６１ａ〜６１ｃとの熱的な接続が行われ、温度検知用サーミスタ６１ａ〜６１ｃでの温度検知精度が向上する。
尚、図１中の符号７１は接続線を示している。
＜動作＞
上記のインバータ装置における電力半導体装置２０の動作例を説明する。まず、電源であるバッテリ（図示省略）から入力される電圧を電圧変換回路４１の正電圧側電圧変換部５５及び負電圧側電圧変換部５７で昇圧し、各電力半導体装置２０ａ，２０ｂのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６（図３）に印加される。そして、図示しない制御部品によって各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が適宜オンオフされることにより、電圧変換回路４１から与えられる直流電流が３相交流電流に変換されてモータＭに供給される。
この際、各電力半導体装置２０ａ，２０ｂ（電力半導体装置２０）の高耐熱半導体素子２５を構成するスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が高速駆動すると、高耐熱半導体素子２５の発熱によって、図２に示したハンダ２１，２３が溶融し、電力半導体装置２０ａの側方に流れ出そうとする。
しかしながら、上部配線３３及びヒートシンク２７に形成された流出防止壁２９，３１により、ハンダ２１，２３の側方方向への流出が流出防止壁２９，３１によって阻止される。そして、流出防止壁２９，３１の形成位置が、各ハンダ２１，２３の溶融時の粘性や表面張力を考慮して形成されているので、ハンダ２１，２３が溶融しても、この各ハンダ２１，２３とその上面側に接続される部材（ＦＥＴ２５及び下部配線３７）との接触面積が変化するのを防止できる。したがって、各ハンダ２１，２３が形成された上下の部材（即ち、高耐熱半導体素子２５と上部配線３３／下部配線３７とヒートシンク２７）同士の電気的及び熱的な接続状態が維持される。特に、ハイブリッド自動車等に代表されるように振動や揺れ等が発生する環境下においては、ハンダ２１，２３の側方への流出が発生しやすいため、流出防止壁２９，３１によりハンダ２１，２３の側方への流出を防止するのに有効である。
したがって、図２に示したような製造が容易で安価な構成で高耐熱半導体素子２５を絶縁基板３５上の上部配線３３上に実装するだけで、ＳｉＣ半導体チップ等の高耐熱半導体素子２５を高速駆動させても、この電気的及び熱的な接続について支障を来す自体を防止でき、従来のように水冷ジャケットのような大がかりな冷却装置が不要で、且つ高速性能に優れた電力半導体装置２０を提供することができる。
また、このインバータ装置においては、各第１の電力半導体装置２０ａ及び第２の電力半導体装置２０ｂ（図１）の高耐熱半導体素子２５の上面が、図２のようにボンディングワイヤー６３に接続され、高耐熱半導体素子２５の底面がハンダ２１によって上部配線３３に接続されるだけでなく、図１のように、各電力半導体装置２０ａ，２０ｂの電極部以外からスイッチユニット４３の基板４３ａ（図２中の絶縁基板３５に相当する）に対してボンディングワイヤー６５ａ〜６５ｄが引き出されているので、ボンディングワイヤー６３及びハンダ２１，２３によるダイボンディングだけを適用する場合に比べて、基板４３ａに対する熱的な接続を確実に行うことができる。特に、ボンディングワイヤー６５ａ〜６５ｄの基板４３ａに対する接続位置が、温度検知用サーミスタ６１ａ〜６１ｃの付近に設定されたり、あるいは、温度検知用サーミスタ６１ａ〜６１ｃに熱的に接続された金属片６７上またはその金属片６７の付近に設定されることで、ボンディングワイヤー６５ａ〜６５ｄを通じて各電力半導体装置２０ａ，２０ｂと温度検知用サーミスタ６１ａ〜６１ｃとの熱的な接続が行われ、温度検知用サーミスタ６１ａ〜６１ｃでの温度検知精度が向上する。
尚、上記実施形態では、電力半導体装置２０をハイブリッド自動車のインバータ装置に適用する例について説明したが、電力半導体装置２０内の高耐熱半導体素子２５が高速駆動を行う装置であれば、どのような分野の装置に適用されても差し支えない。
また、上記実施形態では、上部配線３３とヒートシンク２７の両方に流出防止壁２９，３１を形成していたが、例えば上部配線３３のみに形成しても差し支えない。
本発明の一の実施形態に係る電力半導体装置が搭載される電力変換器としてのインバータ装置を示す平面図である。 本発明の一の実施形態に係る電力半導体装置を示す側面視断面図である。 本発明の一の実施形態に係る電力半導体装置が搭載される電力変換器としてのインバータ装置を示す回路図である。 提案例に係る電力半導体装置を示す側面図である。 提案例に係る電力半導体装置において高耐熱半導体素子の高速駆動によりダイボンディング手段であるハンダが溶融した状態を示す側面図である。
符号の説明
２０，２０ａ，２０ｂ 電力半導体装置
２１，２３ ハンダ（ダイボンディング手段）
２５ 高耐熱半導体素子（ワイドギャップ半導体素子）
２７ ヒートシンク
２９，３１ 流出防止壁
３３ 上部配線
３５ 絶縁基板
３７ 下部配線
４１ 電圧変換回路
４３ スイッチユニット
４３ａ 基板
６１ａ〜６１ｃ 温度検知用サーミスタ
６５ａ〜６５ｄ ボンディングワイヤー
６７ 金属片

Claims (5)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子を上方に実装する実装部材と、
    前記実装部材の上面に前記半導体素子をダイボンディングするダイボンディング手段と
    を備え、
    前記実装部材の上面に、前記ダイボンディング手段が溶融して側方へ流出するのを防止するための流出防止壁が形成されたことを特徴とする電力半導体装置。
  2. 請求項１に記載の電力半導体装置であって、
    前記半導体素子の電極部以外の部分に、当該半導体素子を実装する基板への接続を行うワイヤが結線されることを特徴とする電力半導体装置。
  3. 請求項２に記載の電力半導体装置であって、
    前記ワイヤが、前記半導体素子の電極部以外の部分と、前記基板上に搭載された温度検知手段の付近との間に結線されることを特徴とする電力半導体装置。
  4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の電力半導体装置であって、
    前記半導体素子がワイドギャップ半導体素子である、電力半導体装置。
  5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の電力半導体装置であって、
    当該電力半導体装置が、電源からの電力を所定の負荷に対して変換する電力変換器に搭載されることを特徴とする電力半導体装置。


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