JP2018195724A - Power module and manufacturing method for the same, and power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワーモジュールおよびその製造方法ならびに電力変換装置に関し、特に、パワー半導体素子が絶縁回路基板に接合されたパワーモジュールと、そのようなパワーモジュールの製造方法と、そのようなパワーモジュールを適用した電力変換装置とに関するものである。 The present invention relates to a power module, a manufacturing method thereof, and a power conversion device, and more particularly, a power module in which a power semiconductor element is bonded to an insulating circuit board, a manufacturing method of such a power module, and such a power module. It is related with the power converter device.
パワーモジュールでは、筐体内に配置された絶縁回路基板の回路パターンにパワー半導体素子が搭載されている。パワー半導体素子は、配線部材等を介して外部端子と電気的に接続されている。筐体内は封止材料によって絶縁封止されている。 In a power module, a power semiconductor element is mounted on a circuit pattern of an insulated circuit board disposed in a housing. The power semiconductor element is electrically connected to an external terminal via a wiring member or the like. The inside of the housing is insulated and sealed with a sealing material.
一般的に、パワー半導体素子は、薄い板状の形状とされる。そのようなパワー半導体素子では、電流は、薄板状のパワー半導体素子が位置する平面(仮想)にほぼ直交する向きに流れることになる。このため、パワー半導体素子は、絶縁回路基板における回路パターンとは面接合されている。 In general, the power semiconductor element has a thin plate shape. In such a power semiconductor element, current flows in a direction substantially perpendicular to a plane (virtual) on which the thin plate-shaped power semiconductor element is located. For this reason, the power semiconductor element is surface-bonded to the circuit pattern on the insulating circuit board.
また、多くの場合、パワー半導体素子を搭載した絶縁回路基板は、構造支持体とされるベース板に面接合されている。このように、パワーモジュールには、一の部材と他の部材とが面接合された箇所が存在しており、一の部材と他の部材とは、面接合部によって面接合される。面接合部の接合材料としては、現在、鉛フリーはんだ、ロウ材、焼結性の金属粒子ペーストまたは導電性接着剤等が用いられている。 In many cases, an insulating circuit board on which a power semiconductor element is mounted is surface-bonded to a base plate serving as a structure support. Thus, in the power module, there is a place where one member and another member are surface-bonded, and the one member and the other member are surface-bonded by the surface bonding portion. Currently, lead-free solder, brazing material, sinterable metal particle paste, conductive adhesive, or the like is used as a bonding material for the surface bonding portion.
パワーモジュールでは、パワー半導体素子のオン動作とオフ動作に伴って、温度の上昇と下降とが繰り返される(温度スイング)。上述した面接合部の温度が変化すると、部材等の線膨張係数の違いによって熱応力が生じ、面接合部が損傷してしまうことがある。面接合部が損傷を受けると、パワー半導体素子において発生した熱を逃がしにくくなり、パワーモジュールの故障に繋がるおそれがある。 In the power module, as the power semiconductor element is turned on and off, the temperature rises and falls repeatedly (temperature swing). When the temperature of the above-described surface bonding portion changes, thermal stress is generated due to a difference in coefficient of linear expansion of the member or the like, and the surface bonding portion may be damaged. When the surface junction is damaged, it is difficult to release heat generated in the power semiconductor element, which may lead to failure of the power module.
従来、このような面接合部の損傷を防ぐための構造が提案されている。たとえば、特許文献1では、回路基板と冷却器とが接合された構造体において、回路基板の表面(接合面)に、複数のスリットを設けた構造が提案されている。
Conventionally, a structure for preventing damage to such a surface joint has been proposed. For example,
従来より、面接合部を有するパワーモジュールでは、温度の上昇と下降に伴う面接合部の損傷を抑制するとともに、放熱性を向上させて、パワーモジュールとしての信頼性のさらなる向上を図ることが求められている。 Conventionally, in a power module having a surface joint, it is required to further improve the reliability of the power module by suppressing damage to the surface joint due to temperature rise and fall and improving heat dissipation. It has been.
本発明は、そのような開発の一環でなされたものであり、一つの目的は、さらなる信頼性の向上が図られるパワーモジュールを提供することであり、他の目的は、そのようなパワーモジュールの製造方法を提供することであり、さらに他の目的は、そのようなパワーモジュールを適用した電力変換装置を提供することである。 The present invention has been made as part of such development, and one object is to provide a power module that can be further improved in reliability, and the other object is to provide such a power module. It is to provide a manufacturing method, and yet another object is to provide a power conversion device to which such a power module is applied.
本発明に係るパワーモジュールは、ベース板と絶縁回路基板とパワー半導体素子と配線部材と外部端子と封止部材とを備えている。絶縁回路基板は、ベース板に第1接合部を介して接合され、回路パターンを有する。パワー半導体素子は、絶縁回路基板に第2接合部を介して接合されている。配線部材は、パワー半導体素子に第3接合部を介して接合されるとともに、回路パターンに第4接合部を介して接合されている。外部端子は、絶縁回路基板に第5接合部を介して接合されている。封止部材は、絶縁回路基板、パワー半導体素子および配線部材を封止する。第1接合部、第2接合部、第3接合部、第4接合部および第5接合部のうち、少なくとも一つは面接合部とされる。面接合部は、平面状に拡がる接合材料と、接合材料を平面視的に区切る態様で、接合材料に配置された区切り部材とを備えている。 The power module according to the present invention includes a base plate, an insulating circuit board, a power semiconductor element, a wiring member, an external terminal, and a sealing member. The insulating circuit board is bonded to the base plate via the first bonding portion and has a circuit pattern. The power semiconductor element is bonded to the insulating circuit board via the second bonding portion. The wiring member is bonded to the power semiconductor element via the third bonding portion, and is bonded to the circuit pattern via the fourth bonding portion. The external terminal is joined to the insulating circuit board via the fifth joint. The sealing member seals the insulating circuit board, the power semiconductor element, and the wiring member. At least one of the first joint, the second joint, the third joint, the fourth joint, and the fifth joint is a surface joint. The surface bonding portion includes a bonding material that expands in a planar shape, and a partition member that is disposed in the bonding material in a mode of partitioning the bonding material in a plan view.
本発明に係るパワーモジュールの製造方法は、ベース板、絶縁回路基板、パワー半導体素子、配線部材および外部端子を有するパワーモジュールの製造方法であって、以下の工程を備えている。ベース板、絶縁回路基板、パワー半導体素子、配線部材および外部端子のうちの一の部材を第1被接合部材とし、他の部材を第2被接合部材として、第1被接合部材と第2被接合部材とを接合する工程を含む。第1被接合部材と第2被接合部材とを接合する工程は、以下の工程を備えている。第1被接合部材に、接合材料と、接合材料を平面視的に区切る区切り部材とを配置する。第2被接合部材を、第2被接合部材と第1被接合部材との間に接合材料および区切り部材を挟み込む態様で配置し、第2被接合部材を接合材料および区切り部材によって第1被接合部材に接合する。 The method for manufacturing a power module according to the present invention is a method for manufacturing a power module having a base plate, an insulating circuit board, a power semiconductor element, a wiring member, and an external terminal, and includes the following steps. One member among the base plate, the insulated circuit board, the power semiconductor element, the wiring member, and the external terminal is used as the first member to be joined, and the other member is used as the second member to be joined. A step of joining the joining member. The step of bonding the first bonded member and the second bonded member includes the following steps. A joining material and a separating member for separating the joining material in a plan view are arranged on the first joined member. The second member to be joined is arranged in such a manner that the joining material and the partition member are sandwiched between the second member to be joined and the first member to be joined, and the second member to be joined is joined by the joining material and the separator member. Join the member.
本発明に係る電力変換装置は、上記パワーモジュールを適用した電力変換装置であって、主変換回路と制御回路とを備えている。主変換回路は、入力される電力を返還して出力する。制御回路は、主変換回路を制御する制御信号を、主変換回路に出力する。 A power conversion device according to the present invention is a power conversion device to which the power module is applied, and includes a main conversion circuit and a control circuit. The main conversion circuit returns the input power and outputs it. The control circuit outputs a control signal for controlling the main conversion circuit to the main conversion circuit.
本発明に係るパワーモジュールによれば、第1接合部、第2接合部、第3接合部、第4接合部および第5接合部のうち、少なくとも一つは面接合部とされる。その面接合部は、平面状に拡がる接合材料と、接合材料を平面視的に区切る態様で、接合材料に配置された区切り部材とを備えている。これにより、熱応力が低減されて、信頼性のさらなる向上を図ることができる。 According to the power module of the present invention, at least one of the first joint, the second joint, the third joint, the fourth joint, and the fifth joint is a surface joint. The surface bonding portion includes a bonding material that expands in a planar shape, and a partition member that is disposed in the bonding material in a mode of partitioning the bonding material in a plan view. Thereby, thermal stress is reduced and the reliability can be further improved.
本発明に係るパワーモジュールの製造方法によれば、第1被接合部材と第2被接合部材とを接合する工程では、第1被接合部材に、接合材料と、接合材料を平面視的に区切る区切り部材とを配置する。第2被接合部材を、第2被接合部材と第1被接合部材との間に接合材料および区切り部材を挟み込む態様で配置し、第2被接合部材を接合材料および区切り部材によって第1被接合部材に接合する。これにより、熱応力が低減されて、信頼性のさらな向上が図れるパワーモジュールを製造することができる。 According to the method for manufacturing a power module according to the present invention, in the step of joining the first member to be joined and the second member to be joined, the joining material and the joining material are divided in plan view on the first member to be joined. A separator member is arranged. The second member to be joined is arranged in such a manner that the joining material and the partition member are sandwiched between the second member to be joined and the first member to be joined, and the second member to be joined is joined by the joining material and the separator member. Join the member. As a result, it is possible to manufacture a power module in which thermal stress is reduced and reliability can be further improved.
本発明に係る電力変換装置によれば、上記パワーモジュールを適用することで、熱応力が低減されて、信頼性のさらなる向上を図ることができる。 According to the power converter of the present invention, by applying the power module, thermal stress is reduced, and further improvement in reliability can be achieved.
実施の形態1.
実施の形態1に係るパワーモジュールについて説明する。
The power module according to
図1および図2に示すように、パワーモジュール1では、ベース板3の上に絶縁回路基板7が搭載されている。絶縁回路基板7は、絶縁性基板7a、回路パターン7b、7cおよび導電性部材7dを備えている。回路パターン7b、7cは、絶縁性基板7aの表面に配置されている。導電性部材7dは、絶縁性基板7aの裏面に配置されている。絶縁回路基板7の導電性部材7dが、第1接合部5aによってベース板3に接合されている。ここでは、第1接合部5aは、たとえば、はんだである。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the
絶縁回路基板7にパワー半導体素子13が搭載されている。パワー半導体素子13は、素子本体13a、表面電極13bおよび裏面電極13cを含む。パワー半導体素子13の裏面電極13cが、面接合部5によって回路パターン7bに接合されている。後述するように、面接合部5をなしている第2接合部5bは、接合材料9と区切り部材11とを備えている。
A
パワー半導体素子13の表面電極13bと回路パターン7cとが、配線部材15によって電気的に接続されている。一の外部端子19と回路パターン7bとが、配線部材17によって電気的に接続されている。また、他の外部端子19と回路パターン7cとが、配線部材17によって電気的に接続されている。ベース板3には、ケース21が取り付けられている。ケース21の内部には、ベース板3の上に配置されたパワー半導体素子13等を絶縁封止するように、封止部材23が充填されている。
The
上述したパワーモジュールでは、特に、パワー半導体素子13(裏面電極13c)と絶縁回路基板7(回路パターン7b)とが面接合部5を介して接合されており、面接合部5をなす第2接合部5bが、接合材料9と区切り部材11とを備えている。次に、その接合材料9および区切り部材11について説明する。接合材料9は、平面状に拡がっている。平面状に拡がっている接合材料9に対して、区切り部材11は、平面視的に接合材料9を区切るように配置されている。平面視的に接合材料9を区切るとは、接合材料9を上から見たときに、区切り部材11が接合材料9を区切るように配置されている構造をいう。なお、接合材料9が、区切り部材11に対して一方側と他方側とに完全に区切られた構造を意図するものではない。区切り部材11は、接合材料9とは異なる材料(異種部材)から形成されている。
In the power module described above, in particular, the power semiconductor element 13 (back
ここで、接合材料9および区切り部材11の材料(材質)について説明する。接合材料9として、たとえば、近年、一般的に用いられている鉛フリーはんだを適用することができる。また、接合材料9として、導電性接着剤または金属の焼結体等を適用することができる。金属の焼結体とは、金属粒子を含有するペーストに熱処理(接合工程)を施すことによって、金属粒子を焼結させたものである。
Here, the material (material) of the
接合材料9として、鉛フリーはんだを適用した場合には、区切り部材11として、鉛フリーはんだに濡れやすい第1金属としての金属を適用することが望ましい。鉛フリーはんだに濡れやすい金属として、たとえば、銅、ニッケルまたは金等がある。区切り部材11として、鉛フリーはんだに濡れやすい金属を適用することで、接合材料9と区切り部材11とが接合されて、区切り部材11が熱伝導に寄与する。その結果、パワー半導体素子13において発生した熱を逃がしやすくすることができる。なお、区切り部材11としては、少なくとも表面に、その金属が位置していれば、接合材料9と接合されて、熱を逃がすことができる。
When lead-free solder is applied as the
また、区切り部材11として、任意の金属(母材)の表面を、接合材料9とは異なる金属によって被覆した態様の区切り部材11を適用してもよい。たとえば、母材として、純アルミニウム等の比較的軟らかい金属を用い、その金属の表面を、鉛フリーはんだに濡れやすい金属によって被覆した区切り部材11が挙げられる。
Further, as the separating
この場合には、まず、母材の金属が比較的柔らかいことで、熱応力を低減することができる。また、接合材料9と区切り部材11とが接合されて、区切り部材11が熱伝導に寄与することになる。アルミニウムの熱伝導率は約200W/mKであり、この熱伝導率の値は、一般的な鉛フリーはんだの熱伝導率の値よりも高い。
In this case, first, since the metal of the base material is relatively soft, thermal stress can be reduced. Moreover, the joining
このため、面接合部が鉛フリーはんだのみである場合と比べて、発生した熱が放熱しやすくなり、放熱性を向上させることができる。このように、接合材料9の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料を区切り部材11として選択した場合には、接合の信頼性と放熱性との双方を向上させることができ、メリットがより大きくなる。
For this reason, compared with the case where a surface junction part is only lead-free solder, it becomes easy to radiate | generate the generated heat | fever and can improve heat dissipation. Thus, when a material having a thermal conductivity higher than the thermal conductivity of the
また、熱応力を低減させることを重視する場合には、区切り部材11の母材として樹脂材料を選択し、その樹脂材料の表面に第1金属としての金属を形成させた区切り部材11を適用してもよい。そのような金属としては、ニッケル、銅または金を適用することが望ましい。
Further, when importance is placed on reducing thermal stress, a resin material is selected as the base material of the
また、接合材料9として導電性接着剤を適用する場合には、導電性接着剤に含まれる樹脂成分に接着力がある。このため、接合材料9としてはんだを用いる場合よりも、接合材料9と区切り部材11とを密着させるための区切り部材11の選択肢が増えることになる。区切り部材11として、種々の第3金属としての金属を選択することで、上述した接合の信頼性と放熱性との双方を向上させることができる。
When a conductive adhesive is applied as the
さらに、接合材料9として金属の焼結体、より具体的な例として、銀の焼結体または銅の焼結体を適用する場合には、区切り部材11としては、銀の焼結ペーストまたは銅の焼結ペーストとの接合性が良好な第4金属としての金属を選択することが望ましい。そのような金属として、たとえば、銅、銀または金等の金属を選択することで、接合材料9と区切り部材11とを接合させることができ、接合の信頼性と放熱との双方を向上させることができる。
Further, when a metal sintered body is applied as the
なお、上述した接合材料9および区切り部材11の材料の例は、特に効果的な例を示したものであり、これらの材料に限られるものではない。また、接合材料9と区切り部材11との接合または接着は必須ではなく、接合力または接着力を有していなくても、接合材料9と区切り部材11とが密着をしていれば、一定の熱伝導が期待される。さらに、接合材料9と区切り部材11との間に空間(隙間)が存在している場合には、熱伝導の観点からは不利になるが、接合性の観点からでは、空間に応力を逃がすことができて、応力低減に寄与することができる。
In addition, the example of the material of the joining
次に、区切り部材11の形状について、詳しく説明する。接合材料9に対して区切り部材11を平面視すると、区切り部材11は接合材料9を区切る任意の形状をもって配置されている。たとえば、図3では、区切り部材11が、接合材料9に対して格子状に配置されている配置構造が示されている。図4では、区切り部材11が、接合材料9に対して網目状に配置されている配置構造が示されている。
Next, the shape of the
図5では、区切り部材11が、接合材料9に対してほぼ同心円状に配置されている配置構造が示されている。図6では、接合材料9に対して、閉じられたループ状の区切り部材11が入れ子状に配置されている配置構造が示されている。図7では、区切り部材11が、接合材料9に対して、渦巻き状に配置されている配置構造が示されている。図5に示される同心円状の配置構造、図6に示される入れ子状の配置構造および図7に示される渦巻き状の配置構造では、区切り部材11の配置の対称性が高く、応力の集中を発生しにくくすることができる。
FIG. 5 shows an arrangement structure in which the separating
また、接合材料9の領域において、特に、損傷を防ぎたい箇所に集中的に区切り部材11を配置するようにしてもよい。たとえば、図8では、区切り部材11が、接合材料9における周縁領域に集中的に配置されている配置構造が示されている。また、図9では、区切り部材11が、接合材料9における中央の領域に集中的に配置されている配置構造が示されている。上述した区切り部材の形状(配置構造)の例は、特に効果的な例を示したものであり、これらの配置構造に限られるものではない。
Further, in the region of the
次に、区切り部材11の断面形状について説明する。区切り部材11の断面形状としては任意の断面形状とすることができる。たとえば、図10では、断面形状が矩形の区切り部材11が示されている。図11では、断面形状が円形の区切り部材11が示されている。図12では、断面形状が楕円形の区切り部材11が示されている。図13では、断面形状が多角形の区切り部材11が示されている。
Next, the cross-sectional shape of the
また、区切り部材11は、パワー半導体素子13に接触していてもよいし、接触していなくてもよい。図14では、区切り部材11が、パワー半導体素子13に接触するとともに、回路パターン7bにも接触している断面構造が示されている。一方、図15では、区切り部材11が、パワー半導体素子13と回路パターン7bとに接触していない断面構造が示されている。区切り部材11の断面形状は、応力を低減させる効果、放熱性、区切り部材11の製造のしやすさ等を総合的に判断して設計するのが望ましい。
Moreover, the
また、上述したパワーモジュール1では、接合材料9に1層の区切り部材11が配置されている場合を例に挙げて説明したが、層の数としては1層に限られるものではなく、接合の信頼をさらに高めるために、複数層の接合材料を配置してもよい。たとえば、図16では、接合材料9に2層の区切り部材11が配置されている断面構造が示されている。
Further, in the
また、区切り部材11の材料(母材)として、所望の線膨張係数を有する材料を適用することが望ましい。たとえば、はんだの線膨張係数(22ppm/K)、銀の線膨張係数(19ppm/K)、銅の線膨張係数(17ppm/K)、または、樹脂材料の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料を適用することが望ましい。そのような材料として、たとえば、モリブデン(Mo)またはモリブデン銅(MoCu)合金等の、第2金属または第5金属としての金属を適用することができる。
Moreover, it is desirable to apply a material having a desired linear expansion coefficient as the material (base material) of the
また、接合材料9としては、はんだ、銀または銅等の焼結体、導電性接着剤が多くの場合に適用される。これらの接合材料9の線膨張係数は、パワー半導体素子13の構成材料とされるシリコン(Si)の線膨張係数膨張(2ppm/K)または炭化シリコン(SiC)の線膨張係数(5ppm/K)よりも大きい。
Further, as the
接合材料9の線膨張係数とパワー半導体素子13を構成する材料の線膨張係数との差が、パワーモジュール1の信頼性に影響を及ぼすような場合においては、相対的に線膨張係数の低い区切り部材11を接合材料9中に埋没させることで、接合材料9と区切り部材11を含む面接合部の全体(総体)の線膨張係数が調節されて、パワーモジュール1の信頼性をさらに向上させることができる。
In the case where the difference between the linear expansion coefficient of the
次に、上述したパワーモジュール1の製造方法の一例について説明する。まず、絶縁回路基板7を用意する。次に、図17に示すように、絶縁回路基板7の回路パターン7bに、パワー半導体素子13の裏面電極13cが接合される。たとえば、図18に示すように、回路パターン7b(絶縁回路基板7)と裏面電極13c(パワー半導体素子13)との間に、接合材料9と区切り部材11とが配置される。その後、その接合材料9および区切り部材11によって、絶縁回路基板7とパワー半導体素子13とを接合する処理(接合工程)が行われる。
Next, an example of the manufacturing method of the
ここで、たとえば、接合材料9として、鉛フリーはんだを適用する場合には、区切り部材11とともに、はんだプリフォーム、ペーストはんだ等が配置される。接合工程では、熱処理を施すことによりリフローはんだ付けが行われる。はんだがリフローすることによって、区切り部材11が接合材料9に埋没する。
Here, for example, when lead-free solder is applied as the
また、接合材料9として、導電性接着剤を適用する場合、特に、金属粒子が樹脂に含まれる態様の導電性接着剤の場合には、区切り部材11とともに、キュア前のペースト状の導電性接着剤が配置される。このとき、区切り部材11をペースト状の導電性接着剤に埋め込むことが望ましい。接合工程では、キュアが行われる。
Further, when a conductive adhesive is applied as the
さらに、接合材料9として、金属の焼結体を適用する場合には、区切り部材とともに金属粒子を含有するペーストが配置される。接合工程では、加熱処理または加熱加圧処理が行われて、ペーストに含まれるバインダー成分が揮発し、金属の焼結体が形成される。なお、加圧処理を行わない場合には、あらかじめ、区切り部材11をペーストに埋め込むことが望ましい。
Furthermore, when a metal sintered body is applied as the
ところで、絶縁回路基板7に接合材料9と区切り部材11とを配置させる際に、図18に示される接合材料9の上に区切り部材11を配置する態様の他に、次のような配置の態様がある。図19では、区切り部材11を上と下とから接合材料9によって挟み込む態様が示されている。図20では、区切り部材11の上に接合材料9を配置する態様が示されている。図21では、たとえば、2層の接合材料9と2層の区切り部材11とを交互に積層する態様が示されている。
By the way, when arranging the joining
また、図22に示すように、層状の接合材料9にあらかじめ空隙を設けておき、その空隙に区切り部材11を嵌め込む態様でもよい。このような配置の態様では、接合工程の後に、接合材料9中にボイドが残ってしまうのを防ぐことができ、ボイドが残存することによって放熱性が損なわれるのを抑制することができる。
Further, as shown in FIG. 22, a mode in which a gap is provided in advance in the layered
上述したように、接合材料9がペースト状の材料であれば、そのペースト状の材料に区切り部材11を押し付ければよい。また、接合材料9が固体の材料の場合には、接合材料9にあらかじめ凹部等を形成しておき、その凹部等に区切り部材11を嵌め込めばよい。こうして、パワー半導体素子13が面接合部5を介して絶縁回路基板7に接合されることになる。
As described above, if the
次に、図23に示すように、パワー半導体素子13の表面電極13bに、たとえば、はんだによって配線部材15の一端が接合される。回路パターン7cに、たとえば、はんだによって配線部材15の他端が接合される。次に、図24に示すように、絶縁回路基板7が、第1接合部5aによってベース板3に接合される。第1接合部5aとして、たとえば、はんだが適用される。次に、図25に示すように、ベース板3にケース21が取り付けられる。ケース21には、パワー半導体素子3等を外部と電気的に接続するための外部端子19が突出している。
Next, as shown in FIG. 23, one end of the
次に、図26に示すように、一の外部端子19と電気的に接続される配線部材17が、たとえば、はんだによって回路パターン7bに接合される。また、他の外部端子19と電気的に接続される配線部材17が、たとえば、はんだによって回路パターン7cに接合される。次に、図27に示すように、ケース21内に封止部材23が充填されて、パワー半導体素子13等が絶縁封止される。こうして、図1および図2に示されるパワーモジュール1が完成する。
Next, as shown in FIG. 26, the
上述したパワーモジュール1では、パワー半導体素子13と回路パターン7bとを接合する面接合部5において、接合材料9を平面視的に区切るように区切り部材11が配置されている。これにより、上述したように、パワー半導体素子13の発熱に伴う熱応力を低減することができる。また、パワー半導体素子13のオン動作とオフ動作に伴って、温度の上昇と下降とが繰り返された場合において、面接合部5が損傷を受けにくくすることができる。さらに、接合部にスリット等の空隙が形成されている従来のパワーモジュールの場合と比べると、空隙に接合材料が流れ込むことを懸念する必要がなく、接合材料9の選択肢を拡げることができる。
In the
実施の形態2.
前述したパワーモジュールでは、パワー半導体素子13と回路パターン7bとを接合する第2接合部5b(面接合部5)に、接合材料9と区切り部材11とを配置させた場合について説明した。ここでは、面接合部のすべてについて、接合部材と区切り部材とを配置したパワーモジュールについて説明する。
Embodiment 2. FIG.
In the power module described above, the case where the
図28および図29に示すように、パワーモジュール1では、パワー半導体素子13と回路パターン7bとを面接合する第2接合部5bに加えて、第1接合部5a、第3接合部5c、第4接合部5dおよび第5接合部5eのそれぞれに、面接合部5として接合材料9と区切り部材11とが配置されている。第1接合部5aによって、絶縁回路基板7の導電性部材7dとベース板3とが面接合されている。
As shown in FIGS. 28 and 29, in the
第3接合部5cによって、パワー半導体素子13の表面電極13bと配線部材15とが面接合されている。第4接合部5dによって、絶縁回路基板7の回路パターン7cと配線部材15とが面接合されている。第5接合部5eによって、絶縁回路基板7の回路パターン7bと配線部材17とが面接合されている。接合材料9に対する区切り部材11の配置構造および材料等については、実施の形態1において説明した配置構造および材料等が適用される。
The
なお、これ以外の構成については、図1および図2に示すパワーモジュールと同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。 In addition, since it is the same as that of the power module shown in FIG.1 and FIG.2 about another structure, the same code | symbol is attached | subjected to the same member and the description will not be repeated unless it is required.
次に、上述したパワーモジュールの製造方法の一例について説明する。まず、図17に示す工程と同様に、図30に示すように、パワー半導体素子13の裏面電極13cが、接合材料9と区切り部材11とを含む第2接合部5bによって、絶縁回路基板7の回路パターン7bに接合される。
Next, an example of a method for manufacturing the power module described above will be described. First, similarly to the process shown in FIG. 17, as shown in FIG. 30, the
次に、図31に示すように、配線部材15の一端が、接合材料9と区切り部材11とを含む第3接合部5cによって、パワー半導体素子13の表面電極13bに接合される。また、配線部材15の他端が、接合材料9と区切り部材11とを含む第4接合部5dによって、絶縁回路基板7の回路パターン7cに接合される。次に、図32に示すように、絶縁回路基板7の導電性部材7dが、接合材料9と区切り部材11とを含む第1接合部5aによって、ベース板3に接合される。次に、図33に示すように、ベース板3にケース21が取り付けられる。
Next, as shown in FIG. 31, one end of the
次に、図34に示すように、配線部材17が、接合材料9と区切り部材11とを含む第5接合部5eによって、絶縁回路基板7の回路パターン7bに接合される。また、配線部材17が、接合材料9と区切り部材11とを含む第5接合部5eによって、絶縁回路基板7の回路パターン7cに接合される。次に、図35に示すように、ケース21内に封止部材23が充填されて、パワー半導体素子13等が絶縁封止される。こうして、図28および図29に示されるパワーモジュール1が完成する。面接合部5によって対応する部材を接合する工程のそれぞれでは、実施の形態1において説明した方法のうちから、接合に適した方法が適用される。
Next, as shown in FIG. 34, the
上述したパワーモジュール1では、面接合部5のすべてについて、接合材料9と区切り部材11とが配置されている。これにより、実施の形態1において説明したように、パワー半導体素子13の発熱に伴う熱応力を効果的に低減することができる。また、パワー半導体素子13のオン動作とオフ動作に伴って、温度の上昇と下降とが繰り返された場合において、面接合部5が損傷をさらに受けにくくすることができる。
In the
なお、上述したパワーモジュールでは、面接合部5のすべてについて、接合材料9と区切り部材11とが配置された場合について説明したが、パワーモジュール1としては、これに限られるものではなく、特定の面接合部5に対して、接合材料9と区切り部材11とを配置させてもよい。
In the power module described above, the case where the
実施の形態3.
ここでは、上述した実施の形態1、2に係るパワーモジュール適用した電力変換装置について説明する。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3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。
Here, the power conversion device to which the power module according to
図36は、本実施の形態に係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36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は種々のものにより構成することが可能であり、たとえば、直流系統、太陽電池、蓄電池により構成することができる。また、交流系統に接続された整流回路またはAC/DCコンバータにより構成してもよい。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してもよい。
FIG. 36 is a block diagram showing a configuration of a power conversion system to which the power conversion device according to the present embodiment is applied. The power conversion system illustrated in FIG. 36 includes a
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36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。
The
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す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、たとえば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、または、空調機器向けの電動機として用いられる。
The
以下、電力変換装置200の詳細について説明する。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いる(いずれも図示せず)。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が交流電力に変換されて、負荷300に供給される。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、本実施の形態に係る主変換回路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。
Hereinafter, details of the
主変換回路201の各スイッチング素子または各還流ダイオードは、上述した実施の形態1、2のいずれかに相当する半導体モジュール202(パワーモジュール1)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。
Each switching element or each free-wheeling diode of the
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(図示せず)を備えているが、駆動回路は半導体モジュール202に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール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。
The
制御回路203は、負荷300に所望の電力が供給されるように、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。たとえば、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に、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またはオフ信号を駆動信号として出力する。
The
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、2に係る半導体モジュール(パワーモジュール1)を適用するため、電力変換装置の信頼性を向上させることができる。
In the power conversion device according to the present embodiment, since the semiconductor module (power module 1) according to the first and second embodiments is applied as the switching element and the free wheel diode of the
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について説明したが、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レベルまたは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コンバータまたはAC/DCコンバータに本発明を適用することも可能である。 In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to a two-level three-phase inverter has been described. However, the present invention is not limited to this and can be applied to various power conversion devices. In the present embodiment, a two-level power conversion device is used. However, a three-level or multi-level power conversion device may be used. The invention may be applied. In addition, when power is supplied to a direct current load or the like, the present invention can be applied to a DC / DC converter or an AC / DC converter.
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、たとえば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器または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または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。 In addition, the power conversion device to which the present invention is applied is not limited to the case where the load described above is an electric motor. For example, a power supply device for an electric discharge machine, a laser processing machine, an induction heating cooker, or a non-contact power feeding system Furthermore, it can also be used as a power conditioner for a photovoltaic power generation system or a power storage system.
なお、各実施の形態において説明したパワーモジュールおよび電力変換装置については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。 In addition, about the power module and power converter device which were demonstrated in each embodiment, it is possible to combine variously as needed.
今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time is an example, and the present invention is not limited to this. The present invention is defined by the terms of the claims, rather than the scope described above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、面接合部を有するパワーモジュールに有効に利用される。 The present invention is effectively used for a power module having a surface joint portion.
1 パワーモジュール、3 ベース板、5 面接合部、5a 第1接合部、5b 第2接合部、5c 第3接合部、5d 第4接合部、5e 第5接合部、7 絶縁回路基板、7a 絶縁性基板、7b 回路パターン、7c 回路パターン、7d 導電性部材、9 接合材料、11 区切り部材、13 パワー半導体素子、13a 素子本体、13b 表面電極、13c 裏面電極、15、17 配線部材、19 外部端子、21 ケース、23 封止部材、100 電源、200 電力変換装置、201 主変換回路、202 半導体モジュール、203 制御回路、300 負荷。
DESCRIPTION OF
Claims (17)
前記ベース板に第1接合部を介して接合され、回路パターンを有する絶縁回路基板と、
前記絶縁回路基板に第2接合部を介して接合されたパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に第3接合部を介して接合されるとともに、前記回路パターンに第4接合部を介して接合された配線部材と、
前記絶縁回路基板に第5接合部を介して接合された外部端子と、
前記絶縁回路基板、前記パワー半導体素子および前記配線部材を封止する封止部材と
を備え、
前記第1接合部、前記第2接合部、前記第3接合部、前記第4接合部および前記第5接合部のうち、少なくとも一つは面接合部とされ、
前記面接合部は、
接合材料と、
前記接合材料を平面視的に区切る態様で、前記接合材料に配置された区切り部材と
を備えた、パワーモジュール。 A base plate,
An insulating circuit board bonded to the base plate via a first bonding portion and having a circuit pattern;
A power semiconductor element bonded to the insulating circuit substrate via a second bonding portion;
A wiring member bonded to the power semiconductor element via a third bonding portion and bonded to the circuit pattern via a fourth bonding portion;
An external terminal joined to the insulated circuit board via a fifth joint,
A sealing member for sealing the insulating circuit board, the power semiconductor element, and the wiring member;
At least one of the first joint, the second joint, the third joint, the fourth joint, and the fifth joint is a surface joint,
The surface joint portion is
A bonding material;
A power module comprising: a partition member disposed on the bonding material in a mode of partitioning the bonding material in plan view.
前記区切り部材の少なくとも表面には、第1金属が位置する、請求項1〜3のいずれか1項に記載のパワーモジュール。 The bonding material is solder,
The power module according to claim 1, wherein the first metal is located on at least a surface of the partition member.
前記区切り部材は第3金属である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のパワーモジュール。 The bonding material is a conductive adhesive,
The power module according to claim 1, wherein the partition member is a third metal.
前記区切り部材の少なくとも表面には、第4金属が位置する、請求項1〜3のいずれか1項に記載のパワーモジュール。 The bonding material is a sintered body of either silver or gold,
The power module according to claim 1, wherein a fourth metal is located on at least a surface of the partition member.
前記ベース板、前記絶縁回路基板、前記パワー半導体素子、前記配線部材および前記外部端子のうちの一の部材を第1被接合部材とし、他の部材を第2被接合部材として、前記第1被接合部材と前記第2被接合部材とを接合する工程を含み、
前記第1被接合部材と前記第2被接合部材とを接合する工程は、
前記第1被接合部材に、接合材料と、前記接合材料を平面視的に区切る区切り部材とを配置する工程と、
前記第2被接合部材を、前記第2被接合部材と前記第1被接合部材との間に前記接合材料および前記区切り部材を挟み込む態様で配置し、前記第2被接合部材を前記接合材料および前記区切り部材によって前記第1被接合部材に接合する工程と
を備えた、パワーモジュールの製造方法。 A method of manufacturing a power module having a base plate, an insulated circuit board, a power semiconductor element, a wiring member, and an external terminal,
One member of the base plate, the insulated circuit board, the power semiconductor element, the wiring member, and the external terminal is a first member to be joined, and the other member is a second member to be joined. A step of joining the joining member and the second joined member,
The step of joining the first member to be joined and the second member to be joined includes
Arranging a bonding material and a separating member for dividing the bonding material in a plan view on the first bonded member;
The second member to be bonded is disposed in a form in which the bonding material and the partition member are sandwiched between the second member to be bonded and the first member to be bonded, and the second member to be bonded is the bonding material and And a step of joining the first member to be joined by the partition member.
前記接合材料として、はんだが使用され、
前記第2被接合部材は、熱処理を施し、リフローはんだ付けによって前記第1被接合部材に接合された、請求項13記載のパワーモジュールの製造方法。 In the step of joining the first member to be joined and the second member to be joined,
As the bonding material, solder is used,
The method for manufacturing a power module according to claim 13, wherein the second member to be bonded is heat-treated and bonded to the first member to be bonded by reflow soldering.
前記接合材料として、導電性接着剤が使用され、
熱処理を施すことによって、前記第2被接合部材が前記第1被接合部材に接合された、請求項13記載のパワーモジュールの製造方法。 In the step of joining the first member to be joined and the second member to be joined,
As the bonding material, a conductive adhesive is used,
The method for manufacturing a power module according to claim 13, wherein the second member to be bonded is bonded to the first member to be bonded by performing a heat treatment.
前記接合材料として、銀および銅のいずれかの粒子を含有するペースト状材料が使用され、
少なくとも熱処理を施すことにより、前記ペースト状材料が前記銀および前記銅のいずれかの焼結体となって、前記第2被接合部材が前記第1被接合部材に接合された、請求項13記載のパワーモジュールの製造方法。 In the step of joining the first member to be joined and the second member to be joined,
As the bonding material, a paste-like material containing either silver or copper particles is used,
The pasted material becomes a sintered body of one of the silver and the copper by performing at least heat treatment, and the second joined member is joined to the first joined member. Method of manufacturing the power module.
入力される電力を返還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。
A power conversion device to which the power module according to any one of claims 1 to 12 is applied,
A main conversion circuit that returns and outputs input power; and
A power conversion apparatus comprising: a control circuit that outputs a control signal for controlling the main conversion circuit to the main conversion circuit.
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