JP2018073848A - 電力半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配線材を接合する接合材にはんだの濡れ性をよくするためにフラックス入りのはんだを用いると、はんだボールが発生しやすくなり、はんだボールが半導体素子上に乗る可能性がある。また、フラックスが飛散し、半導体素子に付着する。これらは、絶縁不良の原因となる。
【解決手段】 この発明に係る電力半導体装置は、半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子が第１の接合材によって接合される絶縁基板と、半導体スイッチング素子に接続される配線材と、半導体スイッチング素子と配線材とが接合される第２の接合材と、絶縁基板に接着され配線材の位置を決める配線位置決め部材とを備え、第２の接合材は、還元剤を含まないことを特徴とする。
【選択図】図１Ｂ

Description

この発明は、モータなどを制御する電力変換装置などに搭載される電力半導体装置に関する。

近年、車載用電力半導体装置において、大出力化が進行する一方で、高信頼性に加え小型軽量化、高効率化が求められるようになってきている。その結果、配線の電流密度が上がり、配線の温度上昇が大きくなり、例えば、配線基板と配線との接合部などへのストレスが大きく、接合部の信頼性が大きな問題となっている。また、小型化のため、高密度実装が必要となり、半導体素子や配線に高い位置精度が求められるようになってきた。そこで、接合部へのストレスを緩和し、精度よく実装可能な電力半導体装置の構造が求められている。
従来の電力半導体装置では、配線に突起を設け、はんだの厚さを管理することにより、はんだのストレスを管理して信頼性を確保したものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、配線にアーチ形状を設けることで、はんだへのストレスを低減し、信頼性を確保したものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−２４３６０１号公報 特開２００８−４１８５１号公報

特許文献１では、銅表面を還元し、はんだの濡れ性をよくするためにフラックス入りのはんだを用いると、はんだボールが発生しやすくなり、はんだボールが半導体素子上に乗る可能性がある。また、フラックスが飛散し、半導体素子に付着する。これらは、絶縁不良の原因となり、特に電圧を数ｋＶで用いる場合、わずかな不純物により、絶縁不良に至ることがあるため、入念に洗浄する必要がある。フラックスの場合、絶縁に悪影響を与えないものも存在するが、採用には膨大な評価が必要となるといった課題がある。
また、部材を高密度に配置するため、ワイヤボンドで配線する方法も考えられるが、小型化により配線の電流密度が高くなっており、ワイヤボンドでは大電流密度への対応は不適である。
特許文献２では、配線にアーチ形状を設けて、はんだへのストレスを低減している。しかし、配線長が伸びることで、配線のインダクタンスが大きくなり、サージなどのノイズの増加を招いてしまうといった課題がある。
なお、両先行技術文献とも、半導体素子と配線が近くなることに対する対策は述べられていない。はんだの表面張力による、セルフアライメントだけでは、高い位置精度は得られない。治具による位置のアライメントでは、治具の熱容量などがはんだ付けの状態に影響するため、はんだ付けのタクトが長くなる。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、生産性がよく高信頼性を確保した電力半導体装置を得ることを目的としている。

この発明に係る電力半導体装置は、半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子が第１の接合材によって接合される絶縁基板と、半導体スイッチング素子に接続される配線材と、半導体スイッチング素子と配線材とが接合される第２の接合材と、絶縁基板に
接着され配線材の位置を決める配線位置決め部材とを備え、第２の接合材は、還元剤を含まないことを特徴とする。

この発明によれば、配線を精度良く実装することが可能であり、高密度実装が可能となることで、電力半導体装置を小型化できる。また、還元剤を含まない接合材を使用するため、はんだボールを抑制でき、フラックスの飛散が無いことから、絶縁信頼性に優れ、フラックスやはんだボール除去のための洗浄工程が不要となり、生産性が向上する。さらには、フラックスや洗浄液などの化学物質の使用量が削減できるため、地球環境の保全にも貢献できる。

本発明の実施の形態１による電力半導体装置を示す上面図である。 本発明の実施の形態１による電力半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による電力半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による配線材の形状変更による効果を示す図である。 本発明の実施の形態２において、実施の形態１の形状で同等の効果を得るための配線材の形状を示す側面図である。 本発明の実施の形態３による電力半導体装置を示す上面図である。 本発明の実施の形態３による電力半導体装置を示す断面図である。

実施の形態１．
図１Ａは、本発明の実施の形態１の電力半導体装置を示す上面図であり、図１Ｂはその断面図である。
電力半導体装置は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子１ａ、スイッチング素子１ｂと、ダイオードなどの半導体素子２ａ、半導体素子２ｂが、絶縁性のセラミック３（例えば、窒化珪素など）の両面に銅（Ｃｕ）などの導電率の大きな金属板４を貼りあわせた絶縁基板５に接合材６ａを用いて実装される。
絶縁基板５には、銅（Ｃｕ）などの導電率の大きな金属からなり、外部からのストレスを緩和するための屈曲部を有する配線材７ａ、配線材７ｂを位置決めする機構である配線位置決め部材８を有する。すなわち、スイッチング素子１ａ、スイッチング素子１ｂ、および半導体素子２ａ、半導体素子２ｂと接続する配線材７ａと、絶縁基板５と接続する配線材７ｂとを、絶縁樹脂からなる配線位置決め部材８で位置決めを行う、図１Ａ中、位置決め部をＰと表示する。配線位置決め部材８は図示しない接着材により絶縁基板５に接着される。
配線材７ａ、及び配線材７ｂは、例えば接合材６ｂの厚さより背の低い突起を有しており、還元剤などの有機物を含まない、はんだなどの金属接合するための接合材６ｂをかしめる。また、配線材７ｂは絶縁基板５と接合材６ｂにより接合され、配線材７ａはスイッチング素子１ａ、スイッチング素子１ｂ、及び半導体素子２ａ、半導体素子２ｂと接合材６ｂにより接合される。接合工程では、還元雰囲気にて絶縁基板５を還元した後、真空状態で接合材６ｂを溶融させ、冷却することで接合する。
上述した電力半導体装置Ａは絶縁や異物混入を防ぐ目的でゲルなどの充填材９が充填され、冷却器（図示せず）に設置、外部配線（図示せず）に接続され、電力変換装置などに組み込まれる。

このような構成により、配線材７ａ、配線材７ｂは、屈曲部を持つことで、硬い樹脂などでモールドしない構造であっても、外部から配線材７ａ、７ｂに加わるストレスを緩和することが可能である。そのため、外部からのストレスが原因の一つとなる、接合材６ｂ
のクラック低減が可能になり信頼性が向上する。

さらに、フラックスなどの還元剤を含まない接合材６ｂを用いることで、還元剤の排出が無いため、接合材６ｂの溶融時に接合材６ｂの飛散を抑制できる。すなわち、フラックスなどの還元剤が入っている場合、接合材６ｂの溶融時に還元剤が外に排出されるが、その際に接合材６ｂも巻き込んで排出され、周囲に付着してしまう。

また、通常、還元剤入りの接合材を用いると、接合材周りに還元剤が残渣として残る。使用電圧が低い数十Ｖ程度の場合は、還元剤の種類によっては残っていても問題ない。しかし、数百Ｖから数千Ｖで使用される場合、絶縁不良の原因となる。そのため、還元剤除去のため洗浄が必要となる。しかし、還元剤を含まない接合材６ｂを用いることで、洗浄工程を省略でき、生産性が向上するだけでなく、洗浄液の管理や、廃液処理などを行う必要が無く、設備投資も抑制できる。さらには、フラックスや洗浄液などの化学物質の使用量を削減できるため、地球環境の保全にも貢献できる。

配線材７ａ、配線材７ｂの突起部に、接合材６ｂをかしめることで、接合材６ｂの位置決めが不要となり生産性が向上する。配線材７ａ、配線材７ｂに突起を設けると、配線材７ａ、配線材７ｂの自立には３つ以上の突起が必要となる。しかし、配線材７ａは比較的スペースに余裕があるが、配線材７ｂの場合、複数の突起を設けることは困難である。これに対し、接合材６ｂの厚さより背の低い突起に、接合材６ｂをかしめることで、突起面が隠れ平面になるため、突起が１つでも自立する。そのため、部品の供給が容易になり、生産性が向上する。

また、突起を配線材７ａ、配線材７ｂに接合材６ｂをかしめた面は、還元雰囲気下において、還元効果のある気体が侵入しにくく、配線材７ａ、配線材７ｂの酸化状態によっては還元雰囲気下において接合に必要な程度に十分に還元されない。そこで、配線材７ａ、配線材７ｂは予め還元しておき、接合するまで接合に問題ない程度に配線材７ａ、配線材７ｂの酸化状態を管理する必要がある。しかし、予め還元された配線材７ａ、配線材７ｂを真空状態で保存しておけば、開封後１日程度は接合材６ｂの濡れ性に問題ないため、実際の工程で管理が煩雑になることはない。なお、接合材６ｂをかしめる突起は、はんだ厚さをコントロールするための突起として用いても良い。接合材６ｂに発生し、クラックの原因となるせん断応力は、はんだ厚さによって変わるため、接合材６ｂの厚さを管理することで、接合材６ｂのクラックの進展をコントロールできる。

配線位置決め部材８に、配線材７ａ、配線材７ｂをアウトサートすることで位置が決められる。配線位置決め部材８に配線材７ａ、配線材７ｂをインサートした場合、位置精度は向上するが、配線位置決め部材８と配線材７ａ、配線材７ｂの熱膨張差により反りが発生し、温度サイクル時に大きなストレスがかかる。アウトサートであれば、反りを抑えられ、接合材６ｂへのストレスを低減でき、信頼性が向上する。
なお、真空状態で接合材６ｂを溶融させることで、接合材６ｂ内のボイドの低減や、はんだボールの抑制が可能となる。これは、接合材６ｂを大気圧中で溶融させると、周囲の空気を巻き込むことがあり、この空気が真空時に排出されることで接合材６ｂが飛散するが、真空中で接合材６ｂを溶融させると、周囲に巻き込む空気がほぼないためである。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２による電力半導体装置を示す断面図である。
実施の形態１の配線材７ａ、配線材７ｂの曲げ部を無くし、配線材７ａ、配線材７ｂの根元の板厚を、部分的に薄くしたものである。形状は、鋭角形状で薄い部分を設けるより円形状で薄い部分を設ける方がよい。応力集中によって、配線材７ａ、配線材７ｂが破断するのを防ぐためである。

実施の形態１の配線材７ａ、配線材７ｂの形状では、緩衝機構を設けるのに屈曲部を設けるため、配線長さが伸びることにより、配線インダクタンスが増加してしまい、これによるサージなどのノイズの増加が懸念される。一方、図２のような形状であれば、インダクタンスの増加はほぼなく、配線材７ａ、配線材７ｂの剛性を低下させることができる。

図３に、長さ１５ｍｍ、幅８ｍｍ、板厚１ｍｍの配線材を基準として、下から３ｍｍの位置に、Ｒ３ｍｍの形状で部分的に薄くした構造により効果を検証した結果を示す。
基準とする板厚１ｍｍの配線材に比べ、部分的に板厚を０.６ｍｍにすることで、曲げ剛
性が約２割低下する。この効果を実施の形態１の形状のように屈曲部を設けることで実現するには、図４のような形状となり、配線長が約３ｍｍも長くなり、インダクタンスが増加する。
配線材７ａ、配線材７ｂの一部を細くすることで、僅かに配線材７ａ、配線材７ｂの発熱量の増加は発生するが、数十〜数百Ｗ発熱するスイッチング素子１ａ、スイッチング素子１ｂ、半導体素子２ａ、半導体素子２ｂに比べれば無視できる発熱量である。また、銅などの金属は熱伝導率も高いことに加え、絶縁基板５は冷却器に設置されるため、冷却によって配線材７ａ、配線材７ｂの発熱増加による温度上昇、周りへの熱干渉の影響は無視できるようになる。
なお、板厚を部分的に薄くする位置は、可能な限り配線材７ａ、配線材７ｂの根元側に設ける方が外部からのストレス緩和の効果が大きい。

実施の形態３．
図５Ａ、図５Ｂは、本発明の実施の形態３による電力半導体装置を示す上面図と断面図である。
実施の形態１の配線位置決め部材８の形状を変更したものであり、スイッチング素子１ａ、スイッチング素子１ｂと、配線材７ｂとの間に、配線材位置決め部材８により、壁１０を形成した構成としている。
接合材６ｂが必要以上に濡れ拡がらないよう、絶縁基板５の金属板４の表面に、接合材６ｂが濡れない有機物などのレジストでパター二ングする場合がある。このように、周りにレジストなどで接合材６ｂの広がりを抑制している場合でも、接合材６ｂが溶融した際に、配線材７ｂの重みなどで接合材６ｂがレジストに乗り上げる時がある。

近年、ＳｉＣなどのワイドギャップ半導体からなるスイッチング素子、半導体素子は、高温動作可能という特徴を活かすため、接合材６ａに、高温で適用可能なＡｇなどの焼結材が用いられることがある。スイッチング素子１ａ、スイッチング素子１ｂ、半導体素子２ａ、半導体素子２ｂのための接合材６ａに、Ａｇなどの焼結材が使われる場合、接合材６ｂが僅かでも接合材６ａに触れると、接合材６ｂが接合材６ａに吸い取られ、配線材７ｂのための接合材６ｂの量が足りなくなる恐れがある。接合材６ｂが接合材６ａに吸い取られる理由としては、焼結材は空孔を多く持っているため、表面に濡れるだけでなく、接合材６ａの内部にも接合材６ｂが侵入しやすいためである。そこで、接合材６ａと接合材６ｂが触れないよう、壁１０を設けることで、接合材６ａと接合材６ｂが触れることを防ぐことが可能である。
また、アウトサートの場合、接合前に配線材７ｂが動いたり、倒れたりする可能性がある。壁１０を含め、4方向を壁にして位置決めすることで、配線材７ｂの位置ずれ、倒れ
を防止できる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
また、図中、同一符号は同一構成または相当部分を示す。

１ａ スイッチング素子、１ｂ スイッチング素子、２ａ 半導体素子、
２ｂ 半導体素子、３ セラミック、４ 金属板、５ 絶縁基板、６ａ 接合材、
６ｂ 接合材、７ａ 配線材、７ｂ 配線材、８ 配線位置決め部材、９ 充填材、
１０ 壁

この発明に係る電力半導体装置は、半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子が第１の接合材によって接合される絶縁基板と、半導体スイッチング素子に接続される第１の配線材と、絶縁基板に接続される第２の配線材と、絶縁基板に接着され第１及び第２の配線材の位置を決める配線位置決め部材とを備え、第１及び第２の配線材は配線位置決め部材によって位置決めされ、還元剤を含まない第２の接合材により接合されているとともに、第１の接合材と第２の接合材との間に、前記配線位置決め部材により形成された壁が設けられていることを特徴とする。

この発明によれば、配線を精度良く実装することが可能であり、高密度実装が可能とな
ることで、電力半導体装置を小型化できる。また、還元剤を含まない接合材を使用するた
め、はんだボールを抑制でき、フラックスの飛散が無いことから、絶縁信頼性に優れ、フ
ラックスやはんだボール除去のための洗浄工程が不要となり、生産性が向上する。さらに
は、フラックスや洗浄液などの化学物質の使用量が削減できるため、地球環境の保全にも
貢献できる。さらに、壁を設けることにより、第１の接合材と第２の接合材が触れることを防ぐことが可能である。

実施の形態３．
図５Ａ、図５Ｂは、本発明の実施の形態３による電力半導体装置を示す上面図と断面図
である。
実施の形態１の配線位置決め部材８の形状を変更したものであり、スイッチング素子１
ａ、スイッチング素子１ｂと、配線材７ｂとの間に、配線材位置決め部材８により、壁１
０を形成した構成としている。
接合材６ｂが必要以上に濡れ拡がらないよう、絶縁基板５の金属板４の表面に、接合材
６ｂが濡れない有機物などのレジストでパターニングする場合がある。このように、周り
にレジストなどで接合材６ｂの広がりを抑制している場合でも、接合材６ｂが溶融した際
に、配線材７ｂの重みなどで接合材６ｂがレジストに乗り上げる時がある。

Claims (7)

1. 半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子が第１の接合材によって接合される絶縁基板と、前記半導体スイッチング素子に接続される配線材と、前記半導体スイッチング素子と前記配線材とが接合される第２の接合材と、前記絶縁基板に接着され前記配線材の位置を決める配線位置決め部材と、を備え、前記第２の接合材は、還元剤を含まないことを特徴とする電力半導体装置。
2. 半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子が第１の接合材によって接合される絶縁基板と、前記半導体スイッチング素子に接続される第１の配線材と、前記絶縁基板に接続される第２の配線材と、前記絶縁基板に接着され前記第１及び前記第２の配線材の位置を決める配線位置決め部材とを備え、前記第１及び前記第２の配線材は前記配線位置決め部材によって位置決めされ、還元剤を含まない第２の接合材により接合されていることを特徴とする電力半導体装置。
3. 前記半導体スイッチング素子に接続する前記第１および前記第２の配線材の裏面に、前記第２の接合材の厚さ以下の高さの突起を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の電力半導体装置。
4. 前記第１の配線材、及び前記第２の配線材は、一部の板厚が他の部分の板厚より薄く形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電力半導体装置。
5. 前記第１の接合材は前記第２の接合材との間に、前記配線位置決め部材により形成された壁が設けられていることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の電力半導体装置。
6. 前記第１の接合材は焼結材であることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載の電力半導体装置。
7. 前記半導体スイッチング素子が、ワイドギャップ半導体からなることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の電力半導体装置。
   

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