JP2008041851A - パワー半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高温環境で使用される半導体装置におけるパワー半導体素子接続部の長期信頼性を向上することが出来る装置を提供する。
【解決手段】絶縁基板と該絶縁基板の表面に形成された配線とを有する配線基板と、該配線基板の配線上に配置された複数のパワー半導体素子と、該パワー半導体素子と外部接続端子を電気的に接続する第１の板状接続配線と、上記配線基板の配線と外部接続端子を電気的に接続する第２の板状接続配線と、を有し、上記第１及び第２の板状接続配線と前記パワー半導体素子との接続部が、はんだ材とはんだ材よりも硬い複数の導体とで構成され、前記導体ははんだ材で被覆されたパワー半導体装置を特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は半導体装置に関わり、特にエンジンルーム等の高温環境下で使用されるパワー半導体装置、及びそれを用いた電力変換器に関するものである。
走行駆動力をエンジンと電気モータから取り出し、動力を併用して用いるハイブリッド車、あるいはモータのみで駆動する電気自動車では、前記電気モータへ交流電力を供給する電力変換器が必要である。この電力変換器のパワー半導体装置において、半導体チップとその周辺に配置される外部電極とはアルミ製のワイヤを用いて結線されることが多い。また、このアルミ製ボンディングワイヤとの熱膨張差により生ずるパワー半導体チップとボンディングワイヤとの接合部剥れを防止するため、例えば、低熱膨張材を貼り付けたバスバー配線をパワー半導体素子の上面電極に導電性樹脂を用いて接合する構造が知られている（特許文献１参照）。また、導電性接着剤を用いて接合し、かつ接合部に所定の厚さのスペーサを設けた構造が知られている（特許文献２参照）。また、スペーサを設ける構造としては、特許文献３等にも開示されている。
特開２０００−１８３２４９号公報 特開２０００−３０７０４３号公報 特開２００３−２４３６０１号公報
前述の半導体装置の課題として、高発熱体であるエンジン付近に配置するためには、前記半導体装置の高温環境に対する長期信頼性の向上が必要となる。長期信頼性に関して、エンジン付近の高温環境を想定していない前述した従来技術では、（１）前記パワー半導体素子の温度が導電性樹脂材のガラス転移温度近くまで上昇するため樹脂の軟化が進み、接合部がストレスに弱くなり、（２）環境が高温であるため、発熱を減らしてパワー半導体素子の温度上昇を抑制する必要があるが、導電性樹脂材の電気抵抗値が大きいという問題点がある。例えば、導電性樹脂材の体積抵抗率１Ω・cmに対して、接合材として使用されるＳｎＰｂ共晶はんだの体積抵抗率は約１５μΩ・cmであり、導電性樹脂材の抵抗は
ＳｎＰｂ共晶はんだの抵抗の約７万倍と大きい。
また、（３）低熱膨張材をＣｕバスバー配線に貼り付けた構造では、その熱膨張係数の違いから前記バスバー配線は低熱膨張材より高温で伸び、低温で縮むことになる。この現象は高温環境においてより顕著になり、前記構造ではバスバー配線が弓形に変形する。つまり、パワー半導体素子からバスバー配線を引き剥がす方向の力が、車の運転，停止（休止）のサイクルによって繰り返し発生することになる。そのため、前記接合部の剥離が発生し易くなる。剥離は接合部端面から生じやすい。（４）前記バスバー配線が弓形に変形するとそれに接続しているパワー半導体素子も弓形に変形する。前記パワー半導体素子と絶縁基板は、特許文献１にあるようにはんだ等の塑性変形しやすい材料で接合しているため、前記パワー半導体素子と絶縁基板の接合部にも（３）と同様の引き剥がす方向の力に生じさせることになり、高温環境に対する長期信頼性の確保が非常に困難になる。
一方、特許文献２では導電性接着剤中に所定の厚さのスペーサを設けているが、このスペーサと導電性接着剤との界面も上記（３），（４）と同様、剥離が生じやすくなり、高温環境下でのひずみ低減効果は望めない。
さらに、特許文献３では、はんだ接合構造としているが、スペーサを接合部中央に設けているため、接合部端部に生じやすい剥離を抑えることは困難である。また、従来、はんだ内にスペーサとして金属ボールを設けることが知られているが、この場合、金属ボールの配置を制御することは困難であり、確実に接合部端部にスペーサが配置することは保障できないため、半導体装置としての一定の信頼性が得られない。
本発明の目的は、高温環境に対する長期信頼性を向上させることが出来るパワー半導体装置を提供することにある。
本発明のパワー半導体装置は、絶縁基板と該絶縁基板の表面に形成された配線とを有する配線基板と、該配線基板の配線上に配置された複数のパワー半導体素子と、該パワー半導体素子と外部接続端子を電気的に接続する第１の板状接続配線と、上記配線基板の配線と外部接続端子を電気的に接続する第２の板状接続配線と、を有し、上記第１及び第２の板状接続配線と前記パワー半導体素子との接続部が、はんだ材とはんだ材よりも硬い複数の導体とで構成され、前記導体ははんだ材で被覆されていることを特徴とする。
また、前記第１の板状接続配線がブリッジ部を含み、前記第１の板状接続配線のブリッジ部の屈曲開始部に隣接する接合部の端部周辺に前記導体が配置されている。
本発明によれば、高温環境に対する長期信頼性に優れたパワー半導体装置を提供することができる。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明による半導体装置の実施例の一つを示す図である。本例の半導体装置は、支持部材１１０と、支持部材１１０の上にはんだ材１３０を介して設けられた配線基板１０１と、配線基板１０１の上にはんだ材１３０を介して設けられた半導体素子１０５，１０６と、を有する。半導体素子１０５，１０６は、電流の切り換えを行うスイッチング素子として機能し、スイッチング半導体素子、又は、パワー半導体素子と称される。例えば、一方の半導体素子105はＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor) であり、他方の半導体素子１０６はダイオードである。
配線基板１０１は、絶縁体１０２とその上側のＣｕ配線１０３と絶縁体１０２の下側のＣｕ製放熱板１０４からなる積層部材である。絶縁体１０２は窒化珪素板等のセラミックス基板である。例えば、Ｃｕ配線１０３の厚さは１.０mm 、Ｃｕ製放熱板１０４の厚さは０.８mm、絶縁体１０２の厚さは０.３２mmである。
半導体素子１０５，１０６と外部接続端子１２１は、第１の板状接続配線１０７によって接続されている。配線基板１０１上のＣｕ配線１０３と外部接続端子１２２は、第２の板状接続配線１０８によって接続されている。板状接続配線１０７，１０８はＣｕまたはＣｕ系の材料によって形成された帯状部材であり、表面にＮｉめっきが施されている。
第１の板状接続配線１０７は、第１の半導体素子１０５に対する接合面を形成する第１の接合部１０７ａ、２つの半導体素子１０５，１０６を電気的に接続する第１のブリッジ部１０７ｂ，第２の半導体素子１０６に対する接合面を形成する第２の接合部１０７ｃ、第２の半導体素子１０６と外部接続端子１２１を接続する第２のブリッジ部１０７ｄ、及び、外部接続端子１２１に対する接合面を形成する第３の接合部１０７ｅからなる。第１及び第２の接合部１０７ａ，１０７ｃは、はんだ材１３０を介して半導体素子１０５，
１０６の上面のエミッタ電極に、それぞれ接続されている。第３の接合部１０７ｅは、はんだ材１３０を介して外部接続端子１２１に接続されている。はんだ材１３０は、Ｓｎを含有し、厚さが約１５０μｍである。
第２の板状接続配線１０８は、配線基板１０１上のＣｕ配線１０３に対する接合面を形成するＬ字形部１０８ａ、外部接続端子１２２に対する接合面を形成する接合部１０８ｃ、及び、Ｌ字形部１０８ａと接合部１０８ｃを接続するブリッジ部１０８ｂからなる。Ｌ字形部１０８ａの下端は、はんだ材１３０を介して配線基板１０１上のＣｕ配線１０３に接続されている。接合部１０８ｃは、はんだ材１３０を介して外部接続端子１２２に接続されている。Ｌ字形部１０８ａは、ブリッジ部１０８ｂの長さを十分大きくするために設ける。
本例によると、図示のように、第１の板状接続配線１０７の第２のブリッジ部１０７ｄの下側に第２の板状接続配線１０８のブリッジ部１０８ｂが近接して配置され、且つ、２つのブリッジ部１０７ｄ，１０８ｂは略平行に配置されている。こうして本例では、２つの板状接続配線１０７，１０８のブリッジ部１０７ｄ，１０８ｂが近接して且つ平行に配置されているため、インダクタンスを小さくすることができる。
半導体素子１０５の下面のコレクタ電極は、はんだ材１３０を介して配線基板１０１上のＣｕ配線１０３に接続されている。半導体素子１０５の上面のゲート電極と外部接続端子１２３は、ボンディングワイヤ１０９によって接続されている。
パワー半導体モジュールにおいては、コレクタ電極ばかりでなくエミッタ電極にも大きな電流が流れるため、エミッタ電極に接続する配線として、板状接続配線１０７，１０８を用いる。それにより、エミッタ電極における接続面の信頼性、および放熱性を向上させることが可能になる。
支持部材１１０の外面には冷却フィン１１１が設けられている。支持部材１１０の縁には、ケース１１２が接続されている。したがって、支持部材１１０を底面、ケース１１２を側面とする四角形の凹部が形成される。この凹部に、封止材１１３が充填されている。封止材１１３によって、支持部材１１０上の配線基板１０１，半導体素子１０５，１０６，板状接続配線１０７，１０８，ボンディングワイヤ１０９、及び、外部接続端子１２１，１２２，１２３は、外気より遮断される。
次に、本実施例による半導体装置のモジュールの基本的な効果について説明する。板状接続配線１０７，１０８の材料は、高電導性を有すると同時に高熱伝導性を有することが望ましい。高電導性と高熱伝導性を有する材料として、上述のように、ＣｕまたはＣｕ系の合金がある。板状接続配線１０７，１０８の熱膨張係数は、約１８ppm／℃ である。なお、前述で示した本発明に直接係わる各構成物には、エンジン近傍の高温環境化でも使用できるように、耐熱性のある材料が用いられることが好ましい。
配線基板１０１は、上述のように、Ｃｕ配線１０３，絶縁体１０２及びＣｕ製放熱板
１０４からなる積層部材である。絶縁体１０２として窒化珪素板を用いると、配線基板
１０１の熱膨張係数は約１０ppm／℃ となる。
したがって、半導体素子１０５，１０６は、熱膨張係数１８ppm／℃ の板状接続配線
１０７，１０８と熱膨張係数１０ppm／℃ の配線基板１０１によって挟まれている。半導体素子１０５，１０６と配線基板１０１の間における熱膨張係数の差に起因する熱応力は小さいが、半導体素子１０５，１０６と板状接続配線１０７，１０８の間における熱膨張係数の差に起因する熱応力は比較的大きい。
配線基板１０１は所定の材料からなり且つ所定の厚さを有する複数の層からなる積層構造を有し、その熱膨張係数は一定の範囲にある。したがって、半導体素子１０５，１０６と板状接続配線１０７，１０８の間の熱膨張係数の差をできるだけ小さくする必要がある。そこで、板状接続配線１０７，１０８の材料として、ＣｕまたはＣｕ系の材料、例えば、Ｃｕ／インバー／Ｃｕの構成の材料などが望ましい。なお、前述の配線基板の熱膨張係数は、具体的な値で計算した一例であるが、配線基板に使われる材料と厚さの範囲から熱膨張係数には最適範囲がある。
次に、第１の板状接続配線１０７と半導体素子１０５，１０６の間の接合部の信頼性について説明する。半導体素子１０５，１０６は電流のスイッチングを行うため、高温の発熱源である。半導体装置では、半導体素子１０５，１０６によって発生する熱を放熱させる必要がある。本例の板状接続配線１０７の熱伝導率は、約３８０Ｗ／ｍ℃であり、かなり大きい。例えば、参考値として、ボンディングワイヤに用いられるアルミニウムの熱伝導率は、２３３Ｗ／ｍ℃である。従って、板状接続配線１０７は、半導体素子１０５，
１０６が発生する熱に対して高い放熱性を達成することができる。板状接続配線１０７とパワー半導体素子１０５，１０６の接合部の温度を、従来のアルミニウム製のボンディングワイヤと半導体素子の接合部と比べて、低くすることができる。接合部の温度を低くすることは、その熱膨張量の低減を意味する。従って、本例では、従来のアルミニウム製のボンディングワイヤと半導体素子の接合部と比べて、長期的信頼性を向上することができる。
ところで、板状接続配線１０７のＩＧＢＴ及びダイオードとの接続面には突起が複数設けられている。本構造はパワー半導体素子１０５，ダイオード１０６を熱膨張係数１０
ppm／℃ の配線基板１０１と熱膨張係数１８ppm／℃ の板状接続配線１０７で挟んでいる。パワー半導体素子と配線基板間においては、高温環境で顕著になる各部材の熱膨張差に起因する熱応力は小さい。一方、パワー半導体素子と接続配線間のそれは大きい。特に、板状接続配線がブリッジ部を有する場合には、接続配線のパワー半導体素子との接続部とブリッジ部の立ち上がり部（屈曲開始部）との境界部分に大きな熱応力が発生することになる。しかし、前記接続配線の半導体素子との接続面、特にブリッジ部の立ち上がり部と隣接する接続部端部周辺に突起物があることにより、熱膨張差によって生ずる熱応力の分散効果を生じさせることができる。このため、接続信頼性を大幅に向上させることができる。
図２は、前記突起が設けられた位置に対する接続信頼性を示したものである。横軸は、接続端子とパワー半導体素子の接続面積に対する突起の設置位置である。ここで、接続信頼性は−５５℃から１５０℃までの温度サイクル試験によるもので、はんだが２０％破断するまでの回数を表している。縦軸は、前記突起を設けないときの２０％破断回数で割った値で示した温度サイクル寿命比である。この結果によると、突起設置位置が接続部の端に位置するほど接続信頼性向上の効果が大きいことが判る。また、接続部端部から４０％内側までの位置までは同等の信頼性が確保できているが、４０％よりも内側になると突起を設置しない場合とほとんど変わらないことも判った。このことは、接続部に発生する温度サイクルによる熱応力場は、接続部中央にはほとんど作用していないことを示す。
このような突起の設置は、モジュール組み立て時のはんだリフローの際、溶融はんだの不要な濡れ広がりを防止する効果も得られる。半導体素子上の端部には有機保護膜が塗布されているが、この膜の上にはんだが覆うと耐圧不良を起こすことがある。このような不良を抑止することができる。
また、突起は剥離の伸展を抑制する効果を有する。その際、剥離は各部材の界面から発生していくため、突起が外部に露出してしまうと突起とはんだ材との界面が剥離起点となり得るため、突起ははんだ材に覆われていることが重要である。したがって、突起のはんだ材中での配置は、外周部から４０％内側までの位置であり、かつはんだ材で全体が覆われていることが好ましい。
なお、本実施例は接続端子に突起を設けたが、はんだ材中に例えば金属製のボールを埋め込んでも同様の効果が得られる。この場合には金属製のボールが確実に接合材の端部位置に配置されるようにすることが重要である。
以上説明した本発明の半導体装置において、パワー半導体素子はＩＧＢＴ，ダイオードに限定したものはなく、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor）等の主電流の入出に上下２面の電極を持っている半導体素子ならば、同様に適用することができる。
また、本発明の半導体装置は各種電力変換装置に適用することができる。前記電力変換装置に本半導体装置を適用することによって、高温環境の場所に搭載できて、かつ専用の冷却器を持たなくても長期的な信頼性を確保可能な電力変換装置を提供することが可能になる。
図３は半導体装置の回路を説明する図である。９００は半導体装置を示し、MOSFET素子（４個）１０１が並列に配置された２系統のブロック９１０を有し、各ブロック９１０は直列に接続され、入力主端子３０in，出力主端子３０out ，補助端子３１が所定部から引き出されて半導体装置９００の要部を構成している。また、この回路の稼働時における温度検出用サーミスタ３４が半導体装置９００内に独立して配置されている。
また、インバータ装置及び電動機は、電気自動車にその動力源として組み込むことができる。この自動車においては、動力源から車輪に至る駆動機構を簡素化できたためギヤーの噛込み比率の違いにより変速していた従来の自動車に比べ、変速時のショックが軽減され、スムーズな走行が可能で、振動や騒音の面でも従来よりも軽減することができる。なお、本実施例の半導体装置９００は最終的に、図４に示すハイブリッド自動車電動機960の回転数制御用インバータ装置に組み込まれた。
更に、本実施例半導体装置９００を組み込んだインバータ装置は冷暖房機に組み込むこともできる。この際、従来の交流電動機を用いた場合より高い効率を得ることができる。この点は、冷暖房機使用時の電力消費を低減するのに役立つ。また、室内の温度が運転開始から設定温度に到達するまでの時間を、従来の交流電動機を用いた場合より短縮できる。
本実施例と同様の効果は、半導体装置９００が他の流体を撹拌又は流動させる装置、例えば洗濯機，流体循環装置等に組み込まれた場合でも享受できる。
以上本発明に関し、実施例を用いて具体的に説明したが、本発明はこれら実施例に限定したものではなく、各実施例の組み合わせやその効果を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
以上説明した本実施例によれば、パワー半導体素子の上面電極にはんだ材を用いて板状電極を接合することによって、高温環境に対するパワー半導体素子の接合部の長期信頼性を向上させることができる。
さらに、パワー半導体素子の電極に接合される板状電極を用いることによってパワー半導体素子からの放熱を向上させることができる。半導体装置において、電流スイッチングをするパワー半導体素子が最も高温になる部品であるが、放熱性の向上により板状電極とパワー半導体素子の接合部の温度を、従来のアルミニウムワイヤをパワー半導体素子と直接接合した場合と比べ、低くすることができる。接合部の温度低減はその部分の熱膨張の低減を意味するので、ワイヤをパワー半導体素子と直接接合した場合と比べ、長期的信頼性が向上する。
また、本実施例の半導体装置はハイブリッド自動車用の電力変換装置に適用することができる。高温環境の場所に搭載できて、かつ専用の冷却器を持たなくても長期的な信頼性を確保可能な電力変換装置を提供することが可能になる。
本発明を用いたパワー半導体モジュールの実施例の一つを示した図である。 突起が設けられた位置に対する接続信頼性を示したものである。 半導体装置の回路を説明する図である。 ハイブリッド自動車電動機の回転数制御用インバータ装置を示す概略図である。
符号の説明
１０１…配線基板、１０２…絶縁体、１０３…Ｃｕ配線、１０４…Ｃｕ製放熱板、105，１０６…半導体素子、１０７，１０８…板状接続配線、１０７Ａ，１０８Ａ…突起、
１０９…ボンディングワイヤ、１１０…支持部材、１１１…冷却フィン、１１２…ケース、１１３…封止材、１２１，１２２，１２３…外部接続端子。

Claims (12)

  1. 絶縁基板と該絶縁基板の表面に形成された配線とを有する配線基板と、該配線基板の配線上に配置された複数のパワー半導体素子と、該パワー半導体素子と外部接続端子を電気的に接続する第１の板状接続配線と、上記配線基板の配線と外部接続端子を電気的に接続する第２の板状接続配線と、を有し、上記第１及び第２の板状接続配線と前記パワー半導体素子との接続部が、はんだ材とはんだ材よりも硬い複数の導体とで構成され、前記導体ははんだ材で被覆されていることを特徴とするパワー半導体装置。
  2. 請求項１に記載のパワー半導体装置において、前記第１の板状接続配線がブリッジ部を含むことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項２に記載のパワー半導体装置において、前記第１の板状接続配線のブリッジ部の屈曲開始部に隣接する接合部の端部周辺に前記導体が配置されていることを特徴とするパワー半導体装置。
  4. 請求項１に記載のパワー半導体装置において、前記導体は前記第１の板状接続配線の接合面に形成された突起であることを特徴とするパワー半導体装置。
  5. 請求項１に記載のパワー半導体装置において、前記導体が接続部端部から４０％内側までの位置に配置されていることを特徴とするパワー半導体装置。
  6. 請求項１に記載のパワー半導体装置において、上記半導体素子は、電流の切り換えを行うスイッチング機能を有することを特徴とするパワー半導体装置。
  7. 請求項１に記載のパワー半導体装置において、前記第１及び第２の板状接続配線がＣｕまたはＣｕ系の材料によって形成されていることを特徴とするパワー半導体装置。
  8. 請求項１に記載のパワー半導体装置を用いた電力変換装置。
  9. 請求項８に記載の電力変換装置を用いて電気モータへ交流電力を供給するように構成されたハイブリット自動車。
  10. 絶縁基板と該絶縁基板の表面に形成された配線とを有する配線基板と、該配線基板の配線上に配置され、主電流の入出力に上下２面の電極を用いる複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子の上面電極と外部電極とをＳｎを含むはんだ材により接続したＣｕまたはＣｕ系の材料で構成された板状接続配線とを有し、前記板状接続配線と前記半導体素子の接合部の面積に対して、外周部から４０％内側までの位置に、前記はんだ材より固い複数の導体が配置され、かつ前記導体がすべて前記はんだ材の内部にあることを特徴としたパワー半導体装置。
  11. 請求項１０に記載のパワー半導体装置において、前記板状接続配線がブリッジ部を含むことを特徴とする半導体装置。
  12. 請求項１１に記載のパワー半導体装置において、前記第１の板状接続配線のブリッジ部の屈曲開始部に隣接する接合部の端部周辺に前記導体が配置されていることを特徴とするパワー半導体装置。
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