JP2018067611A - 半導体装置および電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】板状の配線部材を用いた場合に安定してフィレットが形成される半導体装置を提供すること。【解決手段】絶縁基板と、この絶縁基板の周辺部に設けられた周壁とで構成されたケースと、絶縁基板上に一面が接合された半導体素子と、周壁に一端が固定され、他端が、半導体素子の絶縁基板とは反対の面に形成された上面電極にはんだで接合された板状の配線部材と、を備えた半導体装置において、配線部材は、配線部材の板面に垂直な断面において、線膨張係数が異なる少なくとも２種類の材料で形成され、加熱により絶縁基板側とは反対側に凸となるバイメタル領域を有するようにした。【選択図】図１

Description

この発明は、半導体素子上に板状の配線部材をはんだ付けした半導体装置、およびその半導体装置を備えた電力変換装置に関するものである。

半導体装置としてのパワーモジュールにおいて、半導体素子上配線をワイヤボンドから、板状の配線部材をはんだ付けした構造に変更することで、エネルギー密度を上げ、小型化することができる。半導体素子がはんだ付けされている基板と配線部材との距離がばらつくと、半導体素子上のはんだにフィレットが形成されないことがある。フィレットの形状は信頼性に影響するため、基板と配線部材の距離を安定させ、フィレットの形状を安定させる必要があった。

板状の配線部材を用いたものでは、特許文献１に記載されている構造とすることで、生産性が高く、高エネルギー密度化されたモジュールを提供でき、半導体素子上はんだが過剰に供給された場合でも安定してフィレットを形成でき、信頼性の高いモジュールが得られる。特許文献２では、バンプのある基板に対し、半導体素子を加圧しながら接合することで、はんだ厚を均一にしている。

特開２０１６−０７６６７０号公報 特開２００８−１８１９０８号公報

特許文献１では、半導体素子上の配線が、板状の配線部材をはんだ付けした構造となっている。しかし、ケースと一体となっている配線部材と絶縁基板の距離にばらつきが生じた場合や、半導体素子上に供給されるはんだ量が過小な場合、半導体素子上のはんだのフィレットが形成されないことがある。はんだフィレットの有無は信頼性に影響するため、配線部材の高さを安定させ、フィレットの形状を安定させる必要があった。

特許文献２では、バンプのある基板に対し、半導体素子を加圧しながら接合することで、はんだ厚を均一にしている。しかし、バンプによって点で支えているため、半導体素子に割れを生じさせないために、加圧力を精密に制御する必要があった。

本発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、板状の配線部材を用いた場合に安定してフィレットが形成される半導体装置を提供することを目的としている。

本発明は、絶縁基板と、この絶縁基板の周辺部に設けられた周壁とで構成されたケースと、周壁の内側の絶縁基板上に一面が接合された半導体素子と、周壁に一端が固定され、他端が、半導体素子の絶縁基板とは反対側の面に形成された上面電極にはんだで接合された板状の配線部材と、を備えた半導体装置において、配線部材は、配線部材の板面に垂直な断面において、線膨張係数が異なる少なくとも２種類の材料で形成され、加熱により絶縁基板側とは反対側に凸となるバイメタル領域を有するようにしたものである。

本発明によれば、半導体素子に接合される配線部材がバイメタル構造となっているため、はんだ付け時の加熱により、配線部材が半導体素子に近づく方向に変形し、半導体素子と配線部材の間隔が小さくなるので、安定してフィレットを形成できる。

本発明の実施の形態１による半導体装置の構成を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の構成を示す上面図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の効果を説明するための断面模式図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の効果を説明するためのはんだ付け部分の断面模式図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の別の構成を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置のさらに別の構成を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態２による半導体装置の構成を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態３による半導体装置の構成を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態３による半導体装置の構成を示す上面図である。 本発明の実施の形態４による半導体装置の構成を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態４による半導体装置の構成を示す上面図である。 本発明の実施の形態５によ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。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１による半導体装置の構成について、図を参照しながら以下に説明する。なお、各図において、同一または相当する構成部分については同じ符号を付している。各図間の図示では、対応する各構成部のサイズや縮尺はそれぞれ独立しており、例えば構成の一部を変更した断面図の間で変更されていない同一構成部分の図示において、同一構成部分のサイズや縮尺が異なっている場合もある。また、半導体装置の構成は、実際にはさらに複数の部材を備えているが、説明を簡単にするため、説明に必要な部分のみを記載し、例えばゲート配線や封止樹脂など、他の部分については省略している。さらに実際の構成は、同一の部材を並列で接続する場合や、スイッチング素子とダイオードなどの整流素子を直列接続する場合があるが、これらも簡単のため省略している。

図１は本発明の実施の形態１による半導体装置としてのパワーモジュールの断面模式図、図２は上面図であり、図１は図２のＡ−Ａ位置での断面を示す。絶縁基板１（例えば１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ、Ａｌ：０．３ｍｍ、ＡｌＮ：０．６ｍｍ、Ａｌ：０．３ｍｍ、Ｎｉめっき５ｕｍ）に、半導体素子２（例えばＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、例えば大きさ：１５ｍｍ×１５ｍｍ×厚さ１００ｕｍ、Ｓｉ製）が半導体素子下はんだ３（例えばＳｎ−０．７５Ｃｕ、厚さ０．１５ｍｍ）によりはんだ付けされている。

絶縁基板１と半導体素子２の間には、半導体素子下はんだ３の厚さを安定させるためにワイヤバンプ４（例えばＡｌワイヤ、φ１００ｕｍ）が形成されている。半導体素子２の、絶縁基板１と接合された下面と反対側の上面には、上面電極２ａが設けられている。上面電極２ａの表面には、半導体素子上はんだ５（例えばＳｎ−０．７５Ｃｕ、厚さ０．４ｍｍ）との接合を良好にするため、Ｎｉからなる金属膜が形成されている。

周壁６（例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルアルファイド））が、絶縁基板１の周辺に、半導体素子２の外周を囲むように設けられている。本実施の形態１では、周壁６は絶縁基板１上に搭載されており、半導体素子２をはんだ付けしている絶縁基板１の面を底面とするケースを形成している。周壁６には配線部材７（例えばＣｕ、厚さ１ｍｍ）が固定されている。配線部材７は例えばプレス加工により成形された板状の部材であり、一端部が周壁６に固定されている。配線部材７を周壁６に固定するため、インサートモールドにより形成されている。配線部材７の片側の先端部は、周壁６の上面部から露出して設けられ、外部と接続する接続端子（図示せず）として用いられる。また、配線部材７は外部端子と反対側の端部７ｄと半導体素子２の上面電極２ａとが半導体素子上はんだ５により接合しており、半導体素子２と電気的に接続されている。絶縁基板１と周壁６により形成されたケース内に、封止樹脂８（例えばエポキシ樹脂）が充填されており、封止樹脂８が半導体素子２や配線部材７などを覆っている。

配線部材７は、半導体素子２と周壁６との間の一部で、配線部材７の主部を構成する主金属７ａと線膨張係数が異なる金属７ｂとが圧接されて構成されており、線膨張係数が異なる金属７ｂが圧接された部分はバイメタル領域７ｃとなっている。

配線部材７の主部を構成している主金属７ａは例えばＣｕで、線膨張係数が異なる金属７ｂは、主金属７ａよりも線膨張係数が小さい金属であって、例えばインバー（線膨張係数：１．２×１０^-6／Ｋ）である。バイメタル領域７ｃは２種類の金属を圧延接合することで形成される。インバーは鋳造により形成されたものを用いる。このバイメタル領域７ｃは絶縁基板１に近い面に線膨張係数が小さい金属が配置されていることになる。配線部材７の主部を構成する主金属７ａと線膨張係数が小さい金属７ｂの厚さの比は１：１が好ましいが、厚さが異なっていても良い。

半導体素子上はんだ５を溶融し、半導体素子２と配線部材７をはんだ付けする時に加熱すると、配線部材７も加熱される。本実施の形態のように配線部材７にバイメタル領域７ｃを形成することで、配線部材７の主部を構成する主金属７ａと線膨張係数が小さい金属７ｂの線膨張係数差で、配線部材７は絶縁基板１と反対方向に凸となるように変形する。配線部材７の一端部は周壁６に固定されているため、半導体素子２と接合する側の端子が絶縁基板１に近づく方向に変形することになる。そのため、図３（ａ）のように配線部材７が製造ばらつきにより上向きになっていても、加熱中は図３（ｂ）のように配線部材７が半導体素子上はんだ５に近づくので、はんだ付け後は図１に示すように、正常にはんだ付けができる。半導体素子上はんだ５は図４（ｂ）の模式図に示すようなフィレットが形成されていない信頼性上の懸念がある接合部とならず、図４（ａ）のはんだ付け部分の断面模式図に示すような形状のフィレットを安定的に形成することができる。図４（ｂ）のようにフィレットが形成されていないはんだ接合部より、図４（ａ）のようにフィレットが形成されている方が、信頼性が高いことが知られていることから、本構造により信頼性の高いパワーモジュールが得られることとなる。

また、図１に示す配線部材７は、全体としての線膨張係数が、主金属７ａであるＣｕの線膨張係数よりも小さくなる。このため、線膨張係数が１６．８×１０^-6／Ｋと大きいＣｕのみで構成されている配線部材に比べ、図１に示す配線部材７では、線膨張係数が４．６×１０^-6／Ｋである絶縁基板１および線膨張係数が２．４×１０^-6／Ｋである半導体素子２との線膨張係数差が小さくなる。したがって、半導体素子下はんだ３や半導体素子上はんだ５に生じる応力が小さくなり、熱応力によるはんだの劣化の抑制につながり、信頼性が向上する。

配線部材７の主金属７ａを構成するＣｕは酸化しやすく、酸化膜があると封止樹脂８との密着性が阻害されるため、絶縁性が損なわれることが懸念されるが、Ｃｕよりも酸化し
にくいＡｌやＮｉなどの金属で表面を被覆したり、配線部材７の主部を構成する主金属７ａをＡｌやＮｉにすることで、このような懸念が解消される。

絶縁基板１はＡｌ−ＡｌＮ−Ａｌという構造のものを用いたが、絶縁性を確保できるものであれば、ＡｌＮの代わりにＡｌ₂Ｏ₃やＳｉ₃Ｎ₄などを用いてもよく、金属部分はＡｌの代わりにＣｕなどを用いてもよい。大きさや厚さも例示したものに限らない。半導体素子２をはんだ付けする面にはんだ付け性を確保するために金属膜としてＮｉを５ｕｍ配置しているが、はんだ付けできれば、金属膜はＡｕやＴｉなどでもよく、厚さもこれに限るものではない。

半導体素子２はＩＧＢＴとしたが、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）やサイリスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）でもよい。ＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ
Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ）やＳＢＪ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）などのダイオードでもよく、パワーモジュール以外の半導体パッケージに適用してもよい。また、大きさや厚さは、上記の例に示した寸法に限るものではない。上面電極２ａは、半導体素子２に１箇所に設けられてもよいし、２箇所以上設けられてもよい。上面電極２ａにはＮｉからなる金属膜が形成されているとしたが、半導体素子上はんだ５との接合性がよくなるのであれば、ＡｕやＴｉなどでもよい。

半導体素子下はんだ３および半導体素子上はんだ５はＳｎ−０．７５Ｃｕとしたが、これに限るものではない。また、半導体素子下はんだ３と半導体素子上はんだ５は同じ種類である必要はなく、異なるはんだの組み合わせでもよい。半導体素子下はんだ３、半導体素子上はんだ５とも厚さは上記に示した例の限りではない。絶縁基板１と半導体素子２の接合は、半導体素子下はんだ３によるはんだ付けに限らず、Ａｇ粒子を用いた焼結接合や、導電性ペーストを用いた接着でもよい。ワイヤバンプ４は、Ａｌワイヤとしたが、Ｃｕなどでもよい。また、線径ははんだ厚より小さければ、１００ｕｍに限るものではない。また、ワイヤバンプ４はなくてもよい。周壁６はＰＰＳを用いるとしたが、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などでもよい。配線部材７の主部はＣｕ製としたが、Ａｌなど別の部材でもよい。表面にＮｉやＡｕなどの金属膜を配置してもよく、板厚は１ｍｍに限るものではない。

配線部材７の主金属７ａと線膨張係数の小さい金属７ｂの組み合わせは、線膨張係数差で配線部材７の先端が半導体素子２に近づく方向に変形するのであれば、Ｃｕとインバーや、Ｃｕとコバール、ＣｕとＦｅ、ＣｕとＷなどがよい。また、Ｃｕの酸化による封止樹脂８との剥離を抑制するために、主金属７ａをＡｌやＮｉとしてもよい。また、バイメタル領域７ｃはインバーを圧接して形成するとしたが、ろう付けなどで接合されたものでもよい。

図５に示すように、配線部材７を、配線部材７の主金属７ａの外部に線膨張係数の小さい金属７ｂを接合する構成とし、バイメタル領域７ｃの厚さが他の部分の厚さと異なっていてもよい。このような形状とすることで配線部材７の主金属７ａを配線部材として形成後、線膨張係数の小さい金属７ｂを主金属７ａにろう付けなどで付けるだけでよくなる。また、配線部材７全体をバイメタル領域７ｃとし、半導体素子２とはんだ付けする領域と外部端子のみはんだ付けできるようにＮｉやＡｕ、Ｔｉをめっきなどの方法で成膜してもよい。

さらに、図６に示すように樹脂など主金属７ａよりも線膨張係数の大きい部材７ｅを主金属７ａの上面、すなわち絶縁基板１から遠い側に接合して配線部材７を構成しても同様の効果が得られる。線膨張係数の大きい部材はインサートモールドで周壁６と同時に形成
しても、周壁６を形成した後から二液性のエポキシ樹脂を塗布するなどとしてもよい。

以上のように、実施の形態１による半導体装置では、配線部材７を線膨張係数の異なる少なくとも２種の材料で形成することにより、加熱によって絶縁基板側とは反対側に凸となるように歪むバイメタル領域７ｂを設けたので、配線部材７を半導体素子２にはんだ付けする際、フィレットを安定的に形成でき、信頼性の高い接合が可能となる。

実施の形態２．
図７は本発明の実施の形態２による半導体装置の断面模式図である。配線部材７が、主金属７ａとしてのＣｕと、Ｃｕよりも線膨張係数の小さい金属７ｂとしてのインバーにより、Ｃｕ−インバー−Ｃｕのクラッド材で構成されている。ここで、主金属７ａとしてのＣｕは、半導体素子２と接合する面側（絶縁基板１側）のＣｕの厚さに対し、半導体素子２と接合しない面側（絶縁基板１から遠い側）のＣｕの厚さが厚くなっている。クラッド材は各種の金属を圧延接合することで形成される。インバーは鋳造により形成されたものを用いる。その他の構成は実施の形態１と同様である。

半導体素子上はんだ５を溶融し、半導体素子２と配線部材７をはんだ付けする時に生じる熱により、配線部材７も加熱される。配線部材７はインバー７ｂを挟んで主金属７ａとしての上下のＣｕの厚さが異なるため、線膨張係数の差により、配線部材７は絶縁基板１と反対方向に凸となるように変形する。配線部材７の一端部は周壁６に固定されているため、半導体素子２と接合する側の端部が絶縁基板１に近づく方向に変形することになる。そのため、半導体素子上はんだ５は図４（ｂ）に示すようなフィレットが形成されていない信頼性上の懸念がある接合部とならず、図４（ａ）に示すような形状のフィレットを安定的に形成することができ、信頼性の高いパワーモジュールが得られる。

また、バイメタル領域が形成されておらず線膨張係数の大きいＣｕのみで配線部材が構成されている場合に比べ、本実施の形態２による配線部材は、配線部材７全体として、線膨張係数の小さい絶縁基板１や半導体素子２との線膨張係数差が小さくなるので、半導体素子下はんだ３や半導体素子上はんだ５に生じる応力が小さくなり、信頼性が向上する。

さらに、半導体素子２とはんだ付けされる領域や外部端子も表面処理をすることなく、はんだ付けすることが可能なため、一枚のＣｕ−インバー−Ｃｕのクラッド材を板金加工することで、配線部材７を形成でき、生産性が高いパワーモジュールが得られる。

配線部材７をＣｕ−インバー−Ｃｕのクラッド材としたが、上下の線膨張係数の差により一方向に変形する構成であれば、主金属７ａとしてのＣｕはＡｌなど、線膨張係数の大きな金属でもよく、線膨張係数が小さい金属７ｂは、インバーの代わりにコバールやＦｅなどの線膨張係数の小さい金属を用いてもよい。

実施の形態３．
図８は本発明の実施の形態３による半導体装置の断面模式図、図９は上面図である。半導体素子２と周壁６の間の位置に、絶縁基板１と配線部材７との距離を規制するスペーサー９（ＰＰＳ製）が配置されている。絶縁基板１と配線部材７との距離を規制するスペーサー９は、周壁６と配線部材７を形成するインサートモールドのとき、合わせて形成することで、生産性を確保できる。その他の構成は実施の形態１と同様である。

絶縁基板１と配線部材７の距離を規制するスペーサー９を設けることで、配線部材７と絶縁基板１との距離が、はんだ付け時に線膨張係数差による変形により、スペーサー９により規制される距離よりも接近することを防ぐことができる。このため、半導体素子２と配線部材７のはんだ付け部が狙い値を超えて近接したことで余剰となったはんだが半導体
素子２の上面電極２ａ以外に漏れることを防ぎつつ、安定的に半導体素子上はんだ５にフィレットを形成でき、信頼性の高いパワーモジュールが得られる。

さらに、配線部材７を構成するＣｕは、酸化しやすく、酸化膜があると封止樹脂８との密着性が阻害されるため、絶縁性が損なわれることが懸念されるが、Ｃｕよりも酸化しにくいＡｌやＮｉなどの金属で表面を被覆したり、配線部材７の主部を構成する主金属７ａをＡｌやＮｉにすることで、このような懸念が解消される。

スペーサー９はインサートモールドで、周壁６と合わせて形成するとしたが、独立した部材でもよい。また、絶縁基板１または配線部材７にシリコーン系の接着剤などで固定してもよい。絶縁性を確保できる構造となっていれば、配線部材７の板金加工の際に突起部を設け、絶縁基板１に接触させるようにしてもよい。スペーサー９は半導体素子上はんだ５の厚さを制限するために配置するので、絶縁性を確保できるのであれば、半導体素子２上に配置されていてもよい。

本実施の形態は、実施の形態１と組み合わせたものとしたが、実施の形態２のように、配線部材７がＣｕの厚さが異なるＣｕ−インバー−Ｃｕとなっているモジュールと組み合わせてもよい。

実施の形態４．
図１０は本発明の実施の形態４による半導体装置の断面模式図、図１１は上面図であり、図１０は図１１のＢ−Ｂ位置での断面を示す。図１１に示すように、半導体素子２の上で配線部材７と重なる領域のうち、半導体素子上はんだ５が配置されておらず、かつゲート配線と干渉しない領域に、線材による距離離隔部材１０（Ａｌ製、φ４００ｕｍ）が１か所、または複数か所、ワイヤボンドによる捨てボンドのようにファーストボンド後すぐにワイヤをカットし、ルーピング配線しない１点ボンドで接合して配置されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

本実施の形態のように距離離隔部材１０を配置することで、はんだ付け時にバイメタル領域７ｂの線膨張係数差により変形し、配線部材７と絶縁基板１とが、過剰に接近することを防ぐことができる。このため、半導体素子２と配線部材７のはんだ付け部が狙い値を超えて近接し、余剰となったはんだが半導体素子２の上面電極２ａ以外に漏れることを防ぎつつ、安定的に半導体素子上はんだ５にフィレットを形成でき、信頼性の高い半導体装置が得られる。距離離隔部材１０は、配線部材７と絶縁基板１とが、過剰に接近することを防ぐことができれば、線材でなくても、板材など線状以外の形状の部材であってもよい。また、距離離隔部材１０は、はんだとは異なる材料で、はんだ付け時の加熱温度で溶融しない材料であればよい。

配線部材７の主金属７ａとしてのＣｕは、酸化しやすく、酸化膜があると封止樹脂８との密着性が阻害されるため、絶縁性が損なわれることが懸念されるが、Ｃｕよりも酸化しにくいＡｌやＮｉなどの金属で表面を被覆したり、配線部材７の主金属７ａをＡｌやＮｉにすることで、このような懸念が解消される。

さらに、距離離隔部材１０は半導体素子上で完結するため、実施の形態３で説明したスペーサーとは異なり、絶縁基板１との絶縁性を確保する必要がない。また、距離離隔部材１０の材料がＡｌのような熱伝導に優れた材料の場合、配線部材７と距離離隔部材１０が接触するので、配線部材７を介しての放熱性が向上する効果がある。

以上では距離離隔部材１０は半導体素子上はんだ５を配置していない領域に配置するとしたが、半導体素子上はんだ５の中となる位置に配置してもよい。特に、この場合におい
ては、距離離隔部材１０をＣｕ製やＡｕ製とすると、距離離隔部材１０がはんだに濡れるため、最も高温となる部分から放熱でき、放熱性をさらに向上させる効果がある。

距離離隔部材１０として線材を使用する場合、ワイヤの径は４００ｕｍとしたが、これに限るものではない。ループを形成しない１点ボンドとして形成するようにしたが、ループ高さを安定して形成できればループを形成してもよい。

本実施の形態は、実施の形態１と組み合わせたものとしたが、実施の形態２のように、配線部材７が主金属７ａとしてのＣｕの厚さが異なるＣｕ−インバー−Ｃｕとなっているモジュールと組み合わせてもよい。

以上の実施の形態では、絶縁基板と半導体素子間にワイヤバンプ４を形成しているが、無くても良い。但し、無い場合、半導体素子が傾く可能性があり、ワイヤバンプがある方が好ましい。

実施の形態５．
本実施の形態は、上述した実施の形態１から４にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。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５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１２は、本実施の形態にかか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１２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は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。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することとしてもよい。

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１２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され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、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、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の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子や還流ダイオードを備えており（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を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。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、本実施の形態にかかる主変換回路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や各還流ダイオードは、上述した実施の形態１から４のいずれかに相当する半導体装置２０２によって構成する。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（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体装置２０２に内蔵されていてもよいし、半導体装置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。例えば、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が、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、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又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と還流ダイオードとして実施の形態１から４のいずれかの実施の形態にかかる半導体装置を適用するため、安定してフィレットを形成でき、信頼性の高い電力変換装置を実現することができる。

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を説明したが、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レベルや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コンバータや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、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や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や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、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ 絶縁基板、２ 半導体素子、２ａ 上面電極、３ 半導体素子下はんだ、４ ワイヤバンプ、５ 半導体素子上はんだ、６ 周壁、７ 配線部材、７ａ 主金属、７ｂ 線膨張係数が小さい金属、７ｅ 線膨張係数が大きい部材、７ｃ バイメタル領域、７ｄ 外部端子と反対側の端部、８ 封止樹脂、９ スペーサー、１０ 距離離隔部材、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 半導体装置、２０３ 制御回路

Claims (7)

1. 絶縁基板と、この絶縁基板の周辺部に設けられた周壁とで構成されたケースと、
   前記周壁の内側の前記絶縁基板上に一面が接合された半導体素子と、
   前記周壁に一端が固定され、他端が、前記半導体素子の前記絶縁基板とは反対側の面に形成された上面電極にはんだで接合された板状の配線部材と、を備えた半導体装置において、
   前記配線部材は、前記配線部材の板面に垂直な断面において、線膨張係数が異なる少なくとも２種類の材料で形成され、加熱により前記絶縁基板側とは反対側に凸となるバイメタル領域を有することを特徴とする半導体装置。
2. 前記配線部材は、主部を構成する主金属と、前記配線部材の板に垂直な断面において、前記絶縁基板に近い側に配置された、前記主金属よりも線膨張係数が小さい金属とで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記配線部材は、主部を構成する主金属と、前記配線部材の板に垂直な断面において、前記絶縁基板から遠い側に接合された前記主金属よりも線膨張係数が大きい部材とで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記配線部材は、前記配線部材の板に垂直な断面において、主部を構成する主金属の間に、前記主金属よりも線膨張係数が小さい部材が挟まれ、前記絶縁基板から遠い側の前記主金属の厚みが、前記絶縁基板に近い側の前記主金属の厚みより厚いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記周壁と前記半導体素子との間の位置に、前記配線部材と前記絶縁基板との間の距離を規制するスペーサーを設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記半導体素子の上面電極と前記配線部材との間に、前記はんだとは異なる材料の距離離隔部材が配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置を有し、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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