JP2018129352A - 電力用半導体装置およびそれを用いた電力変換装置 - Google Patents

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Shuzo Araya
修三 荒谷
中島　泰
Yasushi Nakajima
泰 中島
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    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/32227—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the layer connector connecting to a bond pad of the item
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    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/45099—Material
    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45117—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/45124—Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/48137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
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    • H01L2224/48135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/48137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
    • H01L2224/48139—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate with an intermediate bond, e.g. continuous wire daisy chain
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    • H01L2224/48225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
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    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/4901—Structure
    • H01L2224/4903—Connectors having different sizes, e.g. different diameters
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    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8319—Arrangement of the layer connectors prior to mounting
    • H01L2224/83192—Arrangement of the layer connectors prior to mounting wherein the layer connectors are disposed only on another item or body to be connected to the semiconductor or solid-state body
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    • H01L2224/83203—Thermocompression bonding, e.g. diffusion bonding, pressure joining, thermocompression welding or solid-state welding
    • H01L2224/83204—Thermocompression bonding, e.g. diffusion bonding, pressure joining, thermocompression welding or solid-state welding with a graded temperature profile
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    • H01L2224/832—Applying energy for connecting
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
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    • H01L2224/83385—Shape, e.g. interlocking features
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399—Material
    • H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/83417—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/83424—Aluminium [Al] as principal constituent
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399—Material
    • H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/83439—Silver [Ag] as principal constituent
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399—Material
    • H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/83444—Gold [Au] as principal constituent
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399—Material
    • H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/83447—Copper [Cu] as principal constituent
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Abstract

【課題】半導体素子と基板との間の接合において、接合部の劣化を防ぎ、放熱性、耐熱性に優れた信頼性の高い電力用半導体装置およびそれを用いた電力変換装置。を提供することを目的とする。【解決手段】電力用半導体素子１（１ａ、１ｂ）の裏面電極に接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）と、回路パターン４ａに接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）との間に、焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）よりも高い熱伝導率を有する熱伝導性板材１４（１４ａ、１４ｂ）を挟んだ構成とし、高い耐熱性が得られるだけでなく、焼結性金属接合材料単体で焼結させた接合層よりも、さらに放熱性を高める。【選択図】図１

Description

この発明は、金属微粒子を含む接合材料を用いて半導体素子を実装する電力用半導体装置およびそれを用いた電力変換装置に関する。
従来の電力用半導体装置では、電力用半導体素子と回路基板上の配線パターンの間が、Ｓｎ系などのはんだ材料を用いてダイボンドされている。特許文献１によれば、少なくとも電力用半導体素子、もしくは絶縁基板上の回路パターンの接合される一方の面にＣｏまたはＣｒまたはＭｏなどの金属被覆層を形成して、はんだ付け時にその金属がはんだ中に溶け込み、接合部のはんだ材料の融点を上昇させて接合するようにしている。このようなダイボンド方法によって、低コストで鉛フリーのはんだ材料を用いながら、高温はんだによるはんだ付けに相当するはんだ付けを実現できるため、基板にはんだ付けして実装するために高温条件に晒される電子部品の内部接合などに有用である。
また、別の方法では、電力用半導体素子と回路基板上の配線パターンの間が、異方性導電接着剤を用いて、ダイボンドされている。特許文献２によれば、バインダーに、導電性粒子と、導電性接着剤よりも平均粒径が小さいダイヤモンド粒子を分散させた異方性導電接着剤を用いて、電力用半導体素子と回路基板上の配線パターンの間を、熱圧着により接合している。このようなダイヤモンド粒子を分散させた異方性導電接着剤を用いてダイボンドすることによって、放熱性の高いダイボンド部が可能となる。
特開２００６‐１５９２０１号公報（段落００２４〜００３１、図１） 特開２０１４‐６５７６５号公報（段落００２５〜００３９）
しかし、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）素子などのワイドバンドギャップ半導体素子を用いた電力用半導体装置の場合、Ｓｎ系のはんだ材料では、パワーサイクル試験や温度サイクル試験において、縦割れや横割れなど接合部の劣化が懸念され、放熱部の信頼性を保証できる期間に制約があるという問題があった。また、Ｚｎ系のはんだ材料、例えばＺｎ-Ａｌ系では、Ａｌが化合物を形成しやすく、はんだ接合部が硬く脆くなる可能性がある
という問題があった。
一方、ダイヤモンド粒子などを分散させた異方性導電接着剤を用いてダイボンドを行うと、ダイヤモンド粒子の分散に偏りがあると、放熱性にムラが生じるといった問題があった。また、導電接着剤では、樹脂を硬化させることから、例えば高いジャンクション温度でパワーサイクル試験を行った場合、樹脂の劣化が懸念されるという問題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、半導体素子と基板との間の接合において、接合部の劣化を防ぎ、放熱性、耐熱性に優れた信頼性の高い力用半導体装置およびそれを用いた電力変換装置を提供することを目的とする。
この発明の電力用半導体装置は、表面に回路パターンが設けられた絶縁基板と、裏面に電極が設けられた半導体素子と、前記半導体素子の前記電極に接合された焼結状態にある金属接合材料と前記回路パターンに接合された前記焼結状態にある金属接合材料との間に、前記焼結状態にある金属接合材料よりも高い熱伝導率を有する熱伝導性板材を挟んだ接合層とを備えたことを特徴とするものである。
この発明によれば、焼結状態にある金属接合材料の間に熱伝導性板材を挟む接合層を設けることにより、高い耐熱性が得られるだけでなく、焼結性金属接合材料単体で焼結させた接合層よりも、さらに放熱性を高めることができる。
この発明の実施の形態１による電力用半導体装置の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による電力用半導体装置の接合層の構成を示す断面拡大図である。 この発明の実施の形態１による電力用半導体装置の接合層の製造工程を示すフローチャート図である。 この発明の実施の形態１による電力用半導体装置の接合層の他の構成を示す断面拡大図である。 この発明の実施の形態１による電力用半導体装置の接合層の他の構成を示す断面拡大図である。 この発明の実施の形態２による電力用半導体装置の接合層の構成を示す断面拡大図である。 この発明の実施の形態２による電力用半導体装置の接合層の製造工程を示すフローチャート図である。 この発明の実施の形態３による電力用半導体装置の接合層の構成を示す断面拡大図である。 この発明の実施の形態３による電力用半導体装置の接合層の放熱性を説明するための図である。 この発明の実施の形態３による電力用半導体装置の接合層の製造工程を示すフローチャート図である。 この発明の実施の形態４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．
図１は、この発明の実施の形態１による電力用半導体装置１０１の要部の構成を示す断面図である。図１に示すように、電力用半導体装置１０１は、ベース板１３と、絶縁基板６と、電力用半導体素子１（１ａ、１ｂ）と、ゲートワイヤ１０と、アルミニウムなどのワイヤ１１と、絶縁基板６と電力用半導体素子１（１ａ、１ｂ）を接合する接合層５０（５０ａ、５０ｂ）と、から構成されている。
絶縁基板６は、ベース板１３にはんだ１２を介して接合されている。絶縁基板６は、例えばＡｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮなどの絶縁性のセラミック基材５で形成され、セラミック基材５の両面には導体層である回路パターン４（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）が積層固着されている。セラミック基材５の表面には、回路パターン４ａ、４ｃ、４ｄが、裏面には４ｂが形成されている。回路パターン４（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）には、ＣｕやＡｌなどの金属が用いられ、金属層単独の場合もあり得るし、Ａｕなどの貴金属材料で被覆することもある。回路パターン４ａ上には、電力用半導体素子１ａ、１ｂがそれぞれ熱伝導性板材１４ａ、１４ｂを挟んで焼結状態にある焼結性金属接合材料２ａ、２ｂからなる接合層５０ａ、５０ｂを介して接合されている。
電力用半導体素子１（１ａ、１ｂ）は、材質が珪素（Ｓｉ）やワイドバンドギャップ半導体材料としての炭化珪素（ＳｉＣ、シリコンカーバイド）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドなどのものが用いられる。ここでは、電力用半導体素子１ａは、例えばＳｉＣのＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用い、電力用半導体素子１ｂは、例えばＳｉＣのＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｂａｒｒｉｅｒ ｄｉｏｄｅ）を用いる。電力用半導体素子１ａの表面電極（図示せず）とセラミック基材５上の回路パターン４ｃは、ゲートワイヤ１０によって、電力用半導体素子１ａと電力用半導体素子１ｂの各表面電極（図示せず）、および回路パターン４ｄは、アルミニウムなどのワイヤを用いて、超音波接合等によって接続される。
図２は、この発明の実施の形態１による電力用半導体装置１０１の接合層５０ａの構成を示す断面拡大図である。図２に示すように、接合層５０ａは、電力用半導体素子１ａの裏面電極（図示せず）に接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２ａと、回路パターン４ａに接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２ａとの間に、焼結状態にある焼結性金属接合材料２ａよりも高い熱伝導率を有する熱伝導性板材１４ａを挟んだ構成を有する。接合層５０ｂも、同様の構成を有する。
接合層５０（５０ａ、５０ｂ）は、例えばＡｕや、Ａｇ、Ｃｕなどの骨材たる金属微粒子が有機成分中に分散されてペースト状になった焼結性金属接合材料を用いて形成される。焼結性金属接合材料は、ナノメーターレベルの金属微粒子が非常に大きな表面積を有し、表面エネルギーを多く備えることから反応性が高くなっており、その金属がバルクで示す融点よりも低い温度で金属接合が拡散により進むという現象を利用したものである。ただし、金属微粒子は、その反応性の高さから、常温でも接触するだけで焼結すなわち拡散接合が進行する。そのため、焼結性金属接合材料では、金属微粒子が凝集して焼結反応が進行するのを抑制するため、金属微粒子の表面は保護膜で覆われている。保護膜は、金属微粒子間を独立した状態で分散保持するための有機分散材によって形成されている。さらに、接合工程において焼結反応を生じさせるため、加熱により有機分散材と反応して金属微粒子を裸にする分散材捕捉材と、有機分散材と分散材捕捉材との反応物質を捕捉して揮散する揮発性有機成分等が添加されている。
接合層５０（５０ａ、５０ｂ）に用いる熱伝導性板材１４（１４ａ、１４ｂ）は、焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）よりも高い熱伝導率を有するが、好ましくは、線膨張係数が絶縁基板と電力用半導体素子の間のものを用いる。接合層５０（５０ａ、５０ｂ）に用いる熱伝導性板材１４（１４ａ、１４ｂ）には、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕや、ダイヤモンド、グラファイトなどの板材を用いる。
このように、電力用半導体素子１（１ａ、１ｂ）の裏面電極に接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）と、回路パターン４ａに接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）との間に、焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）よりも高い熱伝導率を有する熱伝導性板材１４（１４ａ、１４ｂ）を挟んだ構成とすることで、電力用半導体装置の動作時に電力用半導体素子１（１ａ、１ｂ）より発生する熱は、接合層５０（５０ａ、５０ｂ）を介して、焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）、熱伝導性板材１４（１４ａ、１４ｂ）、焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）、絶縁基板６の順に伝熱された後、ベース板１３の方へ放熱され、伝熱経路に焼結状態にある焼結性金属接合材料以上の熱伝導率を持つバルク体が存在するため、焼結性金属接合材料単体で焼結させた接合層よりも、さらに放熱性を高めることができる。また、熱伝導性板材１４（１４ａ、１４ｂ）の線膨張係数が、焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）と同程度のものを用いることで、焼結状態にある焼結性金属接合材料と熱伝導性板材の間に生じる熱応力を下げることができるので、信頼性を保証できる期間を更に長くできる。
次に、この発明の実施の形態１による電力用半導体装置１０１の製造方法について、図３に基づき説明する。図３は、この発明の実施の形態１による電力用半導体装置１０１の製造工程を示すフローチャート図であり、絶縁基板６の回路パターン４ａと電力用半導体素子１ａを接合する接合層５０ａの製造工程を示す。
まず最初に、図３（ａ）に示すように、絶縁基板６の回路パターン４ａ上に焼結性金属接合材料２１ａの印刷を行い、その上に熱伝導性板材１４ａを搭載する。焼結性金属接合材料２１ａが接合されやすいように、回路パターン４ａの表面には、ＡｕめっきやＡｇめっきを施してもよい。焼結性金属接合材料２１ａの印刷には、メタルマスクとメタルスキージが用いられる。続いて、図３（ｂ）に示すように、熱伝導性板材１４ａ上に焼結性金属接合材料２２ａを印刷する。
次いで、図３（ｃ）に示すように、電力用半導体素子１ａを加圧力Ｐで加圧しながら搭載した後、無加圧の状態で雰囲気炉にて焼結性金属接合材料２１ａ、２２ａの焼結を行う。電力用半導体素子１ａ下より外側の外周部にはみ出さないように回路パターン４ａ上に焼結性金属接合材料２１ａ、２２ａを印刷すれば、加圧加熱タイプの焼結性金属接合材料２１ａ、２２ａを用いてもよい。
この結果、図３（ｄ）に示すように、電力用半導体素子１ａの裏面電極(図示せず)に接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２ａと、絶縁基板６の回路パターン４ａに接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２ａとの間に、焼結状態にある焼結性金属接合材料２ａよりも高い熱伝導率を有する熱伝導性板材１４ａを挟んだ接合層５０ａが得られる。接合層５０ｂも、同様の製造工程で製造される。
以上のように、この発明の実施の形態１における電力用半導体装置１０１では、電力用半導体素子１（１ａ、１ｂ）の裏面電極に接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）と、回路パターン４ａに接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）との間に、焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）よりも高い熱伝導率を有する熱伝導性板材１４（１４ａ、１４ｂ）を挟んだ構成としたので、はんだ材料や導電性接着剤を用いた場合と比べ、融点が高く、高い耐熱性が得られるだけでなく、焼結状態にある焼結性金属接合材料以上の熱伝導率を持つバルク体が存在するため、焼結性金属接合材料単体で焼結させた接合層よりも、さらに放熱性を高めることができる。また、パワーサイクル試験や温度サイクル試験において、縦割れや横割れなど接合部の劣化を小さくすることができる。
また、熱伝導性板材１４（１４ａ、１４ｂ）の線膨張係数が、焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）と同程度のものを用いるようにしたので、焼結状態にある焼結性金属接合材料と熱伝導性板材の間に生じる熱応力を下げることができ、信頼性を保証できる期間を更に長くできる。
なお、上記の実施の形態１においては、平板型の熱伝導性板材１４（１４ａ、１４ｂ）を用いたが、これに限るものではない。例えば、波型の熱伝導性板材を用いてもよい。図４は、この発明の実施の形態１による電力用半導体装置１０１の他の構成を示す断面拡大図であり、図４（ａ）は湾曲形状の波型の熱伝導性板材１４１ａ、１４１ｂを用いたものを示し、図４（ｂ）はテーパー形状の波型の熱伝導性板材１４２ａ、１４２ｂを用いたものを示す。その他の構成および製造方法については、上記と同様であり、その説明を省略する。このような構成とすることにより、平板型の熱伝導性板材よりも波型の熱伝導性板材の方が、焼結状態にある焼結性金属接合材料との接触面積が大きくなるため、放熱性をさらに高めることができる。
また、上記の実施の形態１においては、図２および図４に示すように、熱伝導性板材１４ａ、１４ｂ、１４１ａ、１４１ｂ、１４２ａ、１４２ｂが焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）内に包含される場合について説明したが、これに限るものではない。熱伝導性板材が焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）から外側にはみ出していてもよい。図５は、この発明の実施の形態１による電力用半導体装置１０１の他の構成を示す断面拡大図であり、図５（ａ）は平板型の熱伝導性板材１４３ａ、１４３ｂを用いたものを示し、図５（ｂ）は湾曲形状の波型の熱伝導性板材１４４ａ、１４４ｂを用いたものを示し、図５（ｃ）はテーパー形状の波型の熱伝導性板材１４５ａ、１４５ｂを用いたものを示す。その他の構成および製造方法については、上記と同様であり、その説明を省略する。このように熱伝導性板材が焼結状態にある焼結性金属接合材料から外側にはみ出す構成とすることにより、電力用半導体装置の動作時に電力用半導体素子１（１ａ、１ｂ）より発生する熱は、接合層５０（５０ａ、５０ｂ）を介して、焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）、バルク体である熱伝導性板材１４３ａ、１４３ｂ、１４４ａ、１４４ｂ、１４５ａ、１４５ｂ、焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）、絶縁基板６、ベース板１３の順にベース板の方へ放熱される経路と、焼結状態にある焼結性金属接合材料２（２ａ、２ｂ）からバルク体である熱伝導性板材１４３ａ、１４３ｂ、１４４ａ、１４４ｂ、１４５ａ、１４５ｂへ伝熱され、その熱が接合層５０（５０ａ、５０ｂ）よりも外側へはみ出した熱伝導性板材１４３ａ、１４３ｂ、１４４ａ、１４４ｂ、１４５ａ、１４５ｂの端部から外部に放熱される経路を持つことから、さらに放熱性を高めることができる。
また、熱伝導性板材１４、１４１、１４２、１４３、１４４、１４５に、Ａｇを用いる場合、Ａｇは好ましくは圧延した板材を適宜電力用半導体素子の形状に合わせた所定の形状に切断したものを用いると、低コストで高熱伝導を達成できる。
なお、熱伝導性板材１４、１４１、１４２、１４３、１４４、１４５に、線膨脹係数がＡｕ、Ａｇ、Ｃｕよりもはるかに小さいダイヤモンドやグラファイトを用いても、ダイヤモンドやグラファイトが焼結状態にある焼結性金属接合材料２に比べはるかに薄くすることによって、Ｐ／Ｃ試験や温度サイクル試験時の伸縮に追従することが出来ることから、熱伝導性板材と焼結状態にある焼結性金属接合材料と間の熱応力は、無視できる。
実施の形態２．
実施の形態１では、絶縁基板６の回路パターン４ａは平坦な構成としたが、実施の形態２では、電力用半導体素子１ａ、１ｂをそれぞれ接合する回路パターン４ａの領域に凹凸部を形成する場合について示す。
図６は、この発明の実施の形態２による電力用半導体装置１０２の接合層５０ａの構成を示す断面拡大図である。図６に示すように、接合層５０ａは、電力用半導体素子１ａの裏面電極（図示せず）に接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２ａと、回路パターン４１ａに形成されたテーパー形状の凹凸部４２ａに接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２ａとの間に、焼結状態にある焼結性金属接合材料２ａよりも高い熱伝導率を有する熱伝導性板材１４ａを挟んだ構成を有する。接合層５０ｂも、同様の構成を有する。この発明の実施の形態２による電力用半導体装置のその他の構成については、実施の形態１の電力用半導体装置１０１と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。
このように、接合層５０（５０ａ、５０ｂ）が回路パターン４１ａに形成されたテーパー形状の凹凸部４２（４２ａ、４２ｂ）に接合する構成とすることで、回路パターンが平坦な場合に比べて、焼結状態にある焼結性金属接合材料と接合する面積が大きくなり、放熱性を高めることができる。
次に、この発明の実施の形態２による電力用半導体装置１０２の製造方法について、図７に基づき説明する。図７は、この発明の実施の形態２による電力用半導体装置１０２の製造工程を示すフローチャート図であり、絶縁基板６１の回路パターン４ａと電力用半導体素子１ａを接合する接合層５０ａの製造工程を示す。
まず最初に、図７（ａ）に示すように、電力用半導体素子１ａを接合する回路パターン４ａの領域にテーパー形状の凹凸部４２ａを形成した絶縁基板６１を用意し、絶縁基板６１の回路パターン４１ａのテーパー形状の凹凸部４２ａ上に焼結性金属接合材料２１ａの印刷を行い、その上に熱伝導性板材１４ａを搭載する。回路パターン４１ａのテーパー形状の凹凸部４２ａは、回路パターン４１ａの形成時にエッチングなどで形成されている。焼結性金属接合材料２１ａが接合されやすいように、回路パターン４１ａのテーパー形状の凹凸部４２ａの表面には、ＡｕめっきやＡｇめっきを施してもよい。焼結性金属接合材料２１ａの印刷には、メタルマスクとメタルスキージが用いられる。
続いて、図７（ｂ）に示すように、熱伝導性板材１４ａ上に焼結性金属接合材料２２ａを印刷する。次いで、図７（ｃ）に示すように、電力用半導体素子１ａを加圧力Ｐで加圧しながら搭載した後、無加圧の状態で雰囲気炉にて焼結性金属接合材料２１ａ、２２ａの焼結を行う。
この結果、図７（ｄ）に示すように、電力用半導体素子１ａの裏面電極(図示せず)に接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２ａと、回路パターン４１ａに形成されたテーパー形状の凹凸部４２ａに接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２ａとの間に、焼結状態にある焼結性金属接合材料２ａよりも高い熱伝導率を有する熱伝導性板材１４ａを挟んだ接合層５０ａが得られる。接合層５０ｂも、同様の製造工程で製造される。
以上のように、この発明の実施の形態２における電力用半導体装置１０２では、接合層５０（５０ａ、５０ｂ）が回路パターン４１ａに形成された凹凸部４２（４２ａ、４２ｂ）に接合する構成としたので、実施の形態１と同様の効果を有するだけでなく、回路パターンが平坦な場合に比べて、焼結状態にある焼結性金属接合材料と接合する面積が大きくなり、放熱性を高めることができる。また、焼結性金属接合材料、特に無加圧タイプの焼結性金属接合材料は，接合層がポーラスとなるため、回路パターンとの接触面積が大きいほど放熱性を高めることができる。
なお、上記の実施の形態２においては、回路パターン４１ａにテーパー形状の凹凸部４２（４２ａ、４２ｂ）を形成した場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、湾曲形状の凹凸部を形成しても同様の効果を得ることができる。
実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２では、接合層５０、５１、５２の周縁部はフィレット形状であるが、実施の形態３では、接合層が電力用半導体素子１より外側の外周部にはみ出した形状で設けられる場合について説明する。
図８は、この発明の実施の形態３による電力用半導体装置１０３の接合層５３ａの構成を示す断面拡大図である。図８に示すように、接合層５３ａは、電力用半導体素子１ａの裏面電極（図示せず）に接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２０ａと、回路パターン４ａに接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２０ａとの間に、焼結状態にある焼結性金属接合材料２０ａよりも高い熱伝導率を有する熱伝導性板材１４ａを挟んだ構成を有するとともに、周縁部３０ａが電力用半導体素子１ａより外側の外周部にはみ出した形状で設けられている。接合層５３ｂも、同様の構成を有する。この発明の実施の形態３による電力用半導体装置のその他の構成については、実施の形態１の電力用半導体装置１０１と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。
次に、この発明の実施の形態３による電力用半導体装置１０３の接合層５３ａの放熱性について、図９に基づき説明する。図９（ａ）は、図８の領域Ａの断面拡大図であり、周縁部３０ａが電力用半導体素子１ａより外側の外周部にはみ出した形状を示す。図９（ｂ）は、周縁部がフィレット形状の場合を示す。
電力用半導体装置の動作時に電力用半導体素子１（１ａ、１ｂ）より発生する熱は、電力用半導体素子１（１ａ、１ｂ）下の接合層５３ａ、つまり熱伝導性板材１４ａを挟んだ焼結状態にある焼結性金属接合材料を介して絶縁基板６の方へ放熱されるだけでなく、図９（ａ）に示すように、電力用半導体素子１ａより外側の外周部にはみ出した形状の周縁部３０ａからもＤ１方向に放熱される。接合層５３ａは、周縁部３０の断面形状が円弧状に形成されているため、図９（ｂ）に示すフィレット形状の周縁部に比べて、表面積が大きくなり、放熱性が高まる。
このように、接合層５３ａの周縁部３０ａを電力用半導体素子１ａより外側の外周部にはみ出した形状に設けることで、フィレット形状の周縁部に比べて、表面積が大きくなり、放熱性を高めることができる。
次に、この発明の実施の形態３による電力用半導体装置１０３の製造方法について、図１０に基づき説明する。図１０は、この発明の実施の形態３による電力用半導体装置１０３の製造工程を示すフローチャート図であり、絶縁基板６の回路パターン４ａと電力用半導体素子１ａを接合する接合層５３ａの製造工程を示す。
まず最初に、図１０（ａ）に示すように、絶縁基板６の回路パターン４ａ上に、粘度が１００〜１５０Ｐａ・ｓ程度の焼結性金属接合材料２３ａの印刷を行い、その上に熱伝導性板材１４ａを搭載する。焼結性金属接合材料２３ａが接合されやすいように、回路パターン４１ａの表面には、ＡｕめっきやＡｇめっきを施してもよい。焼結性金属接合材料２３ａの印刷には、メタルマスクとメタルスキージが用いられる。
続いて、図１０（ｂ）に示すように、熱伝導性板材１４ａ上に、粘度が１００〜１５０Ｐａ・ｓ程度の焼結性金属接合材料２４ａを印刷する。次いで、図１０（ｃ）に示すように、電力用半導体素子１ａを加圧力Ｐで加圧しながら搭載した後、無加圧の状態で雰囲気炉にて焼結性金属接合材料２３ａ、２４ａの焼結を行う。なお、粘度が７０〜８０Ｐａ・ｓ程度の焼結性金属接合材料を用いた場合には、接合層の周縁部がフィレット形状となる。
この結果、図１０（ｄ）に示すように、電力用半導体素子１ａの裏面電極（図示せず）に接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２０ａと、回路パターン４ａに接合された焼結状態にある焼結性金属接合材料２０ａとの間に、焼結状態にある焼結性金属接合材料２０ａよりも高い熱伝導率を有する熱伝導性板材１４ａを挟んだ構成を有するとともに、周縁部３０ａが電力用半導体素子１ａより外側の外周部にはみ出した形状の接合層５３ａが得られる。接合層５３ｂも、同様の製造工程で製造される。
なお、上記の実施の形態３においては、無加圧タイプの焼結性金属接合材料２３ａ、２４ａを用いた場合の製造方法を説明した。電力用半導体素子１より外側の外周部に加圧のかからない焼結性金属接合材料が存在するため、加圧タイプの焼結性金属接合材料を用いると、周縁部が十分に回路パターンに接合されず焼結性金属接合材料が回路パターンから離脱する。そのため、実施の形態３で示した構造で用いる焼結性金属接合材料には、無加圧タイプの焼結性金属接合材料を用いることが望ましい。
以上のように、この発明の実施の形態３における電力用半導体装置１０３では、接合層５３ａの周縁部３０ａを電力用半導体素子１ａより外側の外周部にはみ出した形状に設けるようにしたので、実施の形態１と同様の効果を有するだけでなく、フィレット形状の周縁部に比べて、表面積が大きくなり、放熱性を高めることができる。
実施の形態４．
実施の形態４は、上述した実施の形態１〜３にかかる電力用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４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１１は、この発明の実施の形態４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。
図１１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１１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、スイッチング素子と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、実施の形態４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１〜３のいずれかに相当する電力用半導体装置（ここでは電力用半導体装置１０１で説明する）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、駆動回路は電力用半導体装置１０１に内蔵されていてもよいし、電力用半導体装置１０１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を、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。
実施の形態４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１〜３にかかる半導体装置を適用するため、信頼性向上を実現することができる。
実施の形態４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。実施の形態４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、この発明は、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。
１、１ａ、１ｂ 電力用半導体素子、２、２ａ、２ｂ、２０ａ、２０ｂ 焼結状態にある焼結性金属接合材料、４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４１ａ 回路パターン、６、６１ 絶縁基板、１４、１４ａ、１４ｂ、１４１ａ、１４１ｂ、１４２ａ、１４２ｂ、１４３ａ、１４３ｂ、１４４ａ、１４４ｂ、１４５ａ、１４５ｂ 熱伝導性板材、３０ａ、３０ｂ 周縁部、４２、４２ａ、４２ｂ 凹凸部 ５０、５０ａ、５０ｂ、５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂ、５５ａ、５５ｂ、５６ａ、５６ｂ 接合層、１０１、１０２、１０３、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０３ 制御回路、３００ 負荷

Claims (10)

  1. 表面に回路パターンが設けられた絶縁基板と、
    裏面に電極が設けられた半導体素子と、
    前記半導体素子の前記電極に接合された焼結状態にある金属接合材料と前記回路パターンに接合された前記焼結状態にある金属接合材料との間に、前記焼結状態にある金属接合材料よりも高い熱伝導率を有する熱伝導性板材を挟んだ接合層と
    を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
  2. 前記金属接合材料は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕの少なくとも１の金属属微粒子を含むことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
  3. 前記熱伝導性板材は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、ダイヤモンド、グラファイトのいずれか１の板材であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。
  4. 前記熱伝導性板材は、線膨張係数が前記焼結状態にある金属接合材料と同程度であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  5. 前記熱伝導性板材は、波型の板材であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  6. 前記回路パターンは、前記半導体素子を接合する領域に凹凸部を設けられたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  7. 前記接合層は、周縁部が前記半導体素子より外側の外周部にはみ出した形状に設けられたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  8. 前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  9. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項８に記載の電力用半導体装置。
  10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の電力用半導体装置を有し、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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