JP2019013079A - パワー半導体装置及びそれを用いた電力変換装置 - Google Patents

パワー半導体装置及びそれを用いた電力変換装置 Download PDF

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Abstract

【課題】信頼性を確保しながら生産性を高めるパワー半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子と導体部を含んで構成される回路体と、回路体を挟んで互いに対向される第１絶縁部材８１２と第２絶縁部材８２２と、回路体と第１絶縁部材と第２絶縁部材を挟んで互いに対向される第１ベース８１１と第２ベース８２１と、第１ベースにより覆われる第１開口部及び第２ベースにより覆われる第２開口部が形成されるケース８０５と、第１ベースと第２ベースとの間の空間に設けられかつ当該双方のベースに接触することにより当該第１ベースと当該第２ベースとの間の距離を一定に保つ距離規定部２０７とを備える。【選択図】図９（ａ）

Description

本発明は、パワー半導体素子を搭載したパワー半導体装置及び当該パワー半導体装置を有する電力変換装置に関する。
パワー半導体素子のスイッチングによって電力を変換する装置は、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電設備等に幅広く利用されている。このパワー半導体素子は通電により発熱するため、高い放熱性が求められる。特に車載用途においては、小型化及び軽量化のために液体の冷媒を用いた高効率な冷却システムが採用されている。例えば、電力変換装置に用いられ、樹脂モールドされた半導体装置をケースに収納するパワーモジュールに関し特許文献１が開示されている。
特開２０１１-２３３６０６号公報
特許文献１に記載されたパワーモジュールは、放熱板を囲む薄肉部を有するケースに半導体素子を封止した封止体を収納したもので、封止体とケースを圧着した後、封止体とケース間をポッティング樹脂で封止する工程を必要とする。
本発明の課題は、パワー半導体装置の信頼性を低下させることなく、生産性を向上させることである。
本発明は、半導体素子と導体部を含んで構成される回路体と、前記回路体を挟んで互いに対向される第１絶縁部材と第２絶縁部材と、前記回路体と前記第１絶縁部材と前記第２絶縁部材を挟んで互いに対向される第１ベースと第２ベースと、前記第１ベースにより覆われる第１開口部及び前記第２ベースにより覆われる第２開口部が形成されるケースと、前記第１ベースと前記第２ベースとの間の空間に設けられかつ当該双方のベースに接触することにより当該第１ベースと当該第２ベースとの間の距離を規制する距離規制部とを備える事を特徴とする。
本発明によれば、パワー半導体装置の信頼性を低下させることなく、生産性を向上させることができる。
本実施形態に係るパワー半導体装置３００の全体斜視図である。 パワー半導体装置３００を構成するコレクタ側基板８１０の斜視図である。 パワー半導体装置３００を構成するエミッタ側基板８２０の斜視図である。 本実施形態に係るケース８０５の斜視図である。 図４の平面Ａの矢印方向から見たケース８０５の断面図である。 ケース８０５にコレクタ側基板８１０を下側から搭載した状態を示す断面図である。 回路部品の一部をコレクタ側基板８１０に搭載した状態を示す断面図である。 ケース８０５にエミッタ側基板８２０を下側から搭載した状態を示す断面図である。 第２ベース８２１の加工工程を示す断面図である。 図６（ａ）の加工部分を示す拡大断面図である。 レーザー溶接の工程を示す断面図である。 トランスファーモールドにより樹脂封止する工程を示す断面図である。 図５（ｃ）工程に対応するパワー半導体装置３００の製造工程途中の斜視図である。 図６（ｃ）工程に対応するパワー半導体装置３００の製造工程途中の斜視図である。 他の実施形態に係るパワー半導体装置の断面図である。 他の実施形態に係るパワー半導体装置の断面図である。 他の実施形態に係るパワー半導体装置の断面図である。 図１ないし図９に示されたいずれかのパワー半導体装置の回路図である。 本実施形態に係るパワー半導体装置３００を搭載した電力変換装置２００の断面斜視図である。
以下、本発明に係る構造体の実施の形態として、車両搭載用の電力変換装置に用いられるパワー半導体装置について説明する。以下に説明するパワー半導体装置の実施形態においては、発熱体としてのパワー半導体素子、パワー半導体素子を搭載する導体部、当該発熱体と熱的に接続される放熱板としてのフィン部を有するベース、及び当該発熱体と当該放熱板を固定する樹脂材としての封止樹脂等の各構成要素について、図面を参照して説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。
図１は、本実施形態に係るパワー半導体装置３００の全体斜視図である。パワー半導体装置３００は、金属製のケース８０５と、放熱フィンを有する金属製のベース８６０と、ケース８０５に収納される封止樹脂８５０と、直流端子３１５Ｂ及び直流端子３１９Ｂと、交流端子３２０Ｂと、信号端子３２５Ｕ、信号端子３２５Ｌ及び信号端子３２５Ｓと、を備える。
信号端子３２５Ｕは、インバータ回路の上アームを構成するパワー半導体素子に信号を伝達する。信号端子３２５Ｌは、インバータ回路の下アームを構成するパワー半導体素子に信号を伝達する。信号端子３２５Ｓは、電流検出用の端子と温度検出用の端子を構成する。
ケース８０５は、交流端子３２０Ｂ等が貫通する開口付近に形成されたシール部８００と、直流端子３１５Ｂ及び直流端子３１９Ｂが貫通する開口付近に形成されたシール部８０１と、を形成する。溶接部８０９が、ケース８０５とベース８６０の境界部に設けられる。
ケース８０５において、シール部８００とシール部８０１で挟まれた領域に冷却水が接触する。冷却水は、ケース８０５とベース８６０と溶接部８０９といった金属製材料によって封止樹脂８５０と隔離されている。
これにより、冷却水による封止樹脂８５０の吸湿を防止し高い信頼性を確保できる。信号端子３２５Ｌ、信号端子３２５Ｕ、信号端子３２５Ｓ及び交流端子３２０Ｂは、パワー半導体装置３００の一面から一列に突出している。これらは、制御回路、ドライバ回路、電流センサに接続するため、一面から突出する事で、インバータレイアウトが簡略化できる効果がある。
また、直流端子３１５Ｂと直流端子３１９Ｂは、パワー半導体装置３００の一面から一列に突出している。直流端子３１５Ｂと直流端子３１９Ｂが隣接している事で、入出力の電流を近接させインダクタンスを低減する効果がある。また直流端子３１５Ｂと直流端子３１９Ｂはバッテリに連結したコンデンサモジュールに接続するため、一面から突出することで、インバータレイアウトを簡略化できる効果がある。
図２は、パワー半導体装置３００を構成するコレクタ側基板８１０の斜視図である。
導体部８１３は、パワー半導体素子を搭載する素子搭載部と、直流端子３１５Ｂ等を搭載する端子搭載部と、を有する。第１ベース８１１は、フィンを形成する金属製部材である。第１絶縁部材８１２は、導体部８１３と第１ベース８１１との間に形成され、導体部８１３と第１ベース８１１とを絶縁させる。また第１絶縁部材８１２には、後述される距離規定部８０７ａないし８０７ｃが設けられる。
第１ベース８１１は、金属材料であれば特に制約されないが、放熱性の点で銅又はアルミが望ましく、さらに図１に示されたケース８０５との溶接性を考慮するとアルミが最も望ましい。
第１ベース８１１のフィンは、冷却水と接するため、防食性の点で、最表面は、アルミ、アルマイト又はニッケル等となるよう処理されている事が望ましい。
導体部８１３は、電気伝導性を有する材料であれば特に制約されないが、電気伝導性に優れた銅又はアルミが望ましい。導体部８１３の一部又は全体は、はんだ接続性を向上するため、ニッケルめっきを含むめっきを施す事が望ましい。また導体部８１３は、封止樹脂８５０との密着性を向上するため、粗化等の加工を施すことが望ましい。
導体部８１３ａは、不図示のＡｌワイヤによりパワー半導体素子のゲート電極と接続する。導体部８１３ｂは、図１に示された信号端子３２５Ｕと接続する。これら導体部８１３ａと導体部８１３ｂを連結することにより、コレクタ側基板８１０が小型化される。
この場合、導体部８１３ｂと信号端子３２５Ｕを接続するための接合部材が、導体部８１３ａに流出するとＡｌワイヤの接続が困難となる。そこで、導体部８１３ａの幅が導体部８１３ｂの幅より小さく形成される。これにより、Ａｌワイヤを接続する導体部８１３ａに、信号端子３２５Ｕを接続する接合材料が流出するのを抑制している。
また、導体部８１３ｃと導体部８１３ｄが、導体部８１３ｂに接続される。つまり導体部８１３ｂから複数の導体部８１３ｃと導体部８１３ｄが分岐される。特に導体部８１３ｃと導体部８１３ｄは互いに離れる方向に形成される。
これにより、パワー半導体素子を２並列で搭載する場合のＡｌワイヤの立体的に交差を防止し、トランスファーモールド時のワイヤ変形による短絡を防止している。
第１絶縁部材８１２は、絶縁性材料であれば特に制約されないが、耐熱性及び熱伝導性の観点からセラミックスが望ましい。第１絶縁部材８１２がセラミックスの場合、封止樹脂８５０との密着性を向上するため、レーザ等による表面粗化 や、有機薄膜等を形成する事が望ましい。
第１ベース８１１及び導体部８１３は、ろう材により第１絶縁部材８１２と接続されたり、パターン形成等により第１絶縁部材８１２と接続されたりする。より具体的には、第１ベース８１１及び導体部８１３は、アルミ溶湯により、第１絶縁部材８１２の両面に形成されてもよい。パワー半導体装置３００の組み立て前に、第１ベース８１１及び導体部８１３と第１絶縁部材８１２を接着しておくことにより、パワー半導体装置３００の組み立て工程で接着プロセスを省略でき、製造コストを低減できる。
図３は、パワー半導体装置３００を構成するエミッタ側基板８２０の斜視図である。
導体部８２３は、パワー半導体素子を搭載する。本実施形態では、導体部８２３ａは、インバータ回路の上アームを構成する２つのＩＧＢＴと２つのダイオードを搭載する。導体部８２３ｂは、インバータ回路の下アームを構成する２つのＩＧＢＴと２つのダイオードを搭載する。
第２ベース８２１は、フィンを有するとともに金属製部材により構成される。第２絶縁部材８２２は、導体部８２３と第２ベース８２１との間に形成され、導体部８２３と第２ベース８２１とを絶縁させる。
また第２絶縁部材８２２には、後述される距離規定部８０７ｄないし８０７ｆが設けられる。
導体部８２３は、パワー半導体素子のエミッタ側に接続するための第１突起部８２３ｃや、コレクタ側基板８１０の配線に接続するための第２突起部８２３ｄと、を有する。これにより、コレクタ側基板８１０とエミッタ側基板８２０との電気的接続部の接合部材の厚さを均等にし、接続時の傾斜を抑制し、平行度を確保しやすい効果がある。
図４は、本実施形態に係るケース８０５の斜視図である。ケース８０５は、コレクタ側基板８１０やエミッタ側基板８２０を挿入させるための貫通孔８０５ａと、直流端子３１５Ｂ等を挿入させるための貫通孔８０５ｂと、交流端子３２０Ｂ等を挿入させるための貫通孔８０５ｃと、を形成する。
ケース８０５は、防水性を有する金属材料であればとくに制約されないが、加工性及びベースとの溶接性を考慮するとアルミが最も望ましい。
本実施例のパワー半導体装置３００の製造工程について、図５から図８を用いて説明する。
図５（ａ）は、図４の平面Ａの矢印方向から見たケース８０５の断面図である。
図５（ｂ）は、ケース８０５にコレクタ側基板８１０を下側から搭載した状態を示す断面図である。
図５（ｃ）は、回路部品の一部をコレクタ側基板８１０に搭載した状態を示す断面図である。
接続部材８４１がコレクタ側基板８１０の導体部８１３に設けられる。さらにパワー半導体素子８０４及び交流端子３２０Ｂ等の端子が、接続部材８４１を関して導体部８１３に接続される。その後
不図示のＡｌワイヤを導体部８１３とパワー半導体素子８０４に接続する。
図５（ｄ）は、ケース８０５にエミッタ側基板８２０を下側から搭載した状態を示す断面図である。この時、距離規定部８０７ａと距離規定部８０７ｅのそれぞれの頂面が当接する。これにより、第１ベース８１１と第２ベース８２１の高さがケース８０５に干渉しない高さにすることができ、第１ベース８１１と第２ベース８２１とケース８０５との干渉を防止できる。
そして、接続部材８４１による接続時における、ケース８０５との干渉を防止できる事で、電気的接続部の品質を向上できる。また、第１ベース８１１と第２ベース８２１の高さを精密に規定する事で第１ベース８１１と第２ベース８２１とケース８０５の溶接に必要な寸法を確保できる。
図６（ａ）は、第２ベース８２１の加工工程を示す断面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の加工部分を示す拡大断面図である。
第２ベース８２１は、ケース８０５に干渉しない高さとなっている。そこで、第２ベース８２１に屈曲部８０６を設けることにより、第２ベース８２１の周縁をケース８０５に近接させる。
なお、第１ベース８１１とケース８０５は、ケース８０５の自重により第１ベース８１１により、互いに接触している。
図６（ｃ）は、レーザー溶接の工程を示す断面図である。第１ベース８１１とケース８０５、さらに第２ベース８２１とケース８０５をレーザー溶接により接続し、溶接部８０９をそれぞれ形成する。
図６（ｄ）は、トランスファーモールドにより樹脂封止する工程を示す断面図である。ケース８０５と第１ベース８１１及び第２ベース８２１の隙間に、封止樹脂８５０をトランスファーモールドにより封止する。
ケース８０５と第１ベース８１１、さらにケース８０５と第２ベース８２１が溶接されているため、フィン側へ封止樹脂８５０が流出しない。また、ケース８０５の端面８０５ｄ及び８０５ｅを封止樹脂８５０で被覆する事で交流端子３２０Ｂ等の端子とケース８０５を絶縁できる。この後、図示していないリードフレームのタイバーをカットして端子を形成し、パワー半導体装置３００を得る。
図７は、図５（ｃ）工程に対応するパワー半導体装置３００の製造工程途中の斜視図である。
コレクタ側基板８１０に、パワー半導体素子である上アーム側のＩＧＢＴ１５５Ａ及び１５５Ｂ、上アーム側のダイオード１５６Ａ及び１５６Ｂ、下アーム側のＩＧＢＴ１５７Ａ及び１５７Ｂ、下アーム側のダイオード１５８Ａ及び１５８Ｂが２並列ではんだ接続されている。ここでＩＧＢＴとは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の略である。ＩＧＢＴ１５５Ａ等のそれぞれは、ゲート及び温度センスからＡｌワイヤ８４０によりコレクタ側基板８１０の導体部８１３ｂ等に接続している。タイバー８３０ないし８３２は、交流端子３２０Ｂ等の端子同士を接続する
図８は、図６（ｃ）工程に対応するパワー半導体装置３００の製造工程途中の斜視図である。
溶接部８０９が、第２ベース８２１とケース８０５が接する境界部に設けられる。ケース８０５と第１ベース８１１及び第２ベース８２１が溶接されている事で、冷却水による封止樹脂の吸湿を防止し高い信頼性を確保できる。
図９（ａ）は、他の実施形態に係るパワー半導体装置の断面図である。第１ベース８１１と第２ベース８２１の距離は、距離規定部２０７により一定に保つことができる。
本実施形態に係る距離規定部２０７は、第１絶縁部材８１２と、ケース８０５の一部から延びるスペーサ８０５ｄと、第２絶縁部材８２２に形成される導体部８２３ｅと、第２絶縁部材８２２と、により構成される。導体部８２３ｅは、他の導体部８２３ａ等よりも第１絶縁部材８１２に近づくように突出する。
図９（ｂ）は、他の実施形態に係るパワー半導体装置の断面図である。第１ベース８１１と第２ベース８２１の距離は、距離規定部３０７により一定に保つことができる。
本実施形態に係る距離規定部３０７は、第１絶縁部材８１２と、第１絶縁部材８１２に形成される導体部８１３ｆと、直流端子３１５Ｂと、第２絶縁部材８２２に形成される導体部８２３ｆと、第２絶縁部材８２２と、により構成される。なお、直流端子３１５Ｂ以外の直流端子３１９Ｂや交流端子３２０Ｂ等の端子であってもよい。本実施形態は、端子が距離規定部３０７の一部として機能し、部品点数増加や装置の大型化を抑制することができる。
図９（ｃ）は、他の実施形態に係るパワー半導体装置の断面図である。第１ベース８１１と第２ベース８２１の距離は、距離規定部４０７により一定に保つことができる。
距離規定部４０７は、第１ベース８１１から突出する第１突出部８１１ａと、第２ベース８２１から突出する第２突出部８２１ａと、により構成される。第１突出部８１１ａは、第１ベース８１１と一体に構成されていてもよい。第２突出部８２１ａは、第２ベース８２１と一体に構成されていてもよい。距離規定部４０７を構成する部材を少なくすることで、寸法公差の小さくしたり、割れや等の破壊に対する信頼性を向上させたりすることができる。
図１０は、図１ないし図９に示されたいずれかのパワー半導体装置の回路図である。
直流端子３１５Ｂは、上アーム回路のコレクタ側から出力しており、バッテリ又はコンデンサの正極側に接続される。信号端子３２５Ｕは、上アーム回路のＩＧＢＴ１５５のゲート及びエミッタセンスから出力している。
直流端子３１９Ｂは、下アーム回路のエミッタ側から出力しており、バッテリ若しくはコンデンサの負極側、又はＧＮＤに接続される。信号端子３２５Ｌは、下アーム回路のＩＧＢＴ１５７のゲート及びエミッタセンスから出力している。交流端子３２０Ｂは、下アーム回路のコレクタ側から出力しており、モータに接続される。中性点接地をする場合は、下アーム回路は、ＧＮＤでなくコンデンサの負極側に接続する。
本実施形態に係るパワー半導体装置は、上アーム回路及び下アーム回路の２つのアーム回路を、１つのモジュールに一体化した構造である２ｉｎ１構造である。２ｉｎ１構造の他にも、３ｉｎ１構造、４ｉｎ１構造、６ｉｎ１構造等を用いた場合、パワー半導体装置からの出力端子の数を低減し小型化することができる。
図１１は、本実施形態に係るパワー半導体装置３００を搭載した電力変換装置２００の断面斜視図である。
本実施形態に係る電力変換装置２００の外観は、上面あるいは底面が略長方形の筐体１２と、筐体１２の短辺側の外周の一つに設けられた上部ケース１０と、筐体１２の下部開口を塞ぐための下部ケース１６と、により構成される。
パワー半導体装置３００を筐体１２及び流路形成体１００からなる構造体に設置することで流路を形成している。パワー半導体装置３００を挿入した後、積層電極リードフレーム７００を組み付け、交流電極端子３２０Ｂと積層電極リードフレームを溶接する。
次に、実装部品を搭載した制御回路１７２、ドライバ回路１７４を組み付け、信号端子３２５Ｕ等と接続する。パワー半導体装置３００の下部に位置する直流端子はコンデンサモジュール５００と溶接する。その後、下部ケース１６、上部ケース１０を搭載する。パワー半導体装置３００を近接して並べ、上部に制御回路、下部にコンデンサモジュールを設置することで、コンパクトに配置し小型化できる。パワー半導体装置３００のシール部８００、８０１には、Ｏリング等の弾性体が設けられる。
１０…上部ケース、１２…筐体、１６…下部ケース、１５５Ａ…ＩＧＢＴ、１５５Ｂ…ＩＧＢＴ、１５６Ａ…ダイオード、１５６Ｂ…ダイオード、１５７Ａ…ＩＧＢＴ、１５７Ｂ…ＩＧＢＴ、１５８Ａ…ダイオード、１５８Ｂ…ダイオード、２００…電力変換装置、２０７…距離規定部、３００…パワー半導体装置、３０７…距離規定部、３１５Ｂ…直流端子、３１９Ｂ…直流端子、３２０Ｂ…交流端子、３２５Ｌ…信号端子、３２５Ｕ…信号端子、３２５Ｓ…信号端子、８００…シール部、８０１…シール部、８０４…パワー半導体素子、８０５…ケース、８０５ａないし８０５ｃ…貫通孔、８０５ｄ…スペーサ、８０６…屈曲部、８０７ａないし８０７ｆ…距離規定部、８０９…溶接部、８１０…コレクタ側基板、８１１…第１ベース、８１１ａ…第１突出部、８１２…第１絶縁部材、８１３…導体部、８１３ａ…導体部、８１３ｂ…導体部、８１３ｃ…導体部、８１３ｄ…導体部、８１３ｅ…導体部、８１３ｆ…導体部、８２０…エミッタ側基板、８２１…第２ベース、８２１ａ…第２突出部、８２２…第２絶縁部材、８２３…導体部、８２３ａ…導体部、８２３ｂ…導体部、８２３ｃ…第１突起部、８２３ｄ…第２突起部、８２３ｅ…導体部、８２３ｆ…導体部、８３０…タイバー、８３１…タイバー、８３２…タイバー、８４０…Ａｌワイヤ、８４１…接続部材、８５０…封止樹脂、８６０…ベース

Claims (5)

  1. 半導体素子と導体部を含んで構成される回路体と、
    前記回路体を挟んで互いに対向される第１絶縁部材と第２絶縁部材と、
    前記回路体と前記第１絶縁部材と前記第２絶縁部材を挟んで互いに対向される第１ベースと第２ベースと、
    前記第１ベースにより覆われる第１開口部及び前記第２ベースにより覆われる第２開口部が形成されるケースと、
    前記第１ベースと前記第２ベースとの間の空間に設けられかつ当該双方のベースに接触することにより当該第１ベースと当該第２ベースとの間の距離を規制する距離規制部と、を備え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であって、
    前記第１絶縁部材と前記第２絶縁部材は、セラミック基板であり、
    前記距離規制部は、前記セラミック基板から突出するパワー半導体装置。
  3. 請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
    前記突出部は、前記第１ベースに形成されかつ前記第２ベースに向かって突出する第１突出部と、前記第２ベースに形成されかつ前記第１ベースに向かって突出する第２突出部と、により構成され、
    前記第１突出部は、前記第２突出部と接触することにより前記第１ベースと前記第２ベースとの間の距離を規制するパワー半導体装置。
  4. 請求項１または３に記載のパワー半導体装置であって、
    前記第１ベース又は前記第２ベースは、前記ケースが配置された側に向かって変形される屈曲部を有しかつ当該ケースに接続されるパワー半導体装置。
  5. 請求項１ないし３に記載のいずれかのパワー半導体装置であって、
    前記第１ベース又は前記第２ベースは、当該第１ベース又は当該第２ベースと前記ケースとの間の空間に樹脂封止材を埋めるパワー半導体装置。
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