JP2019067836A - パワー半導体装置およびそれを用いた電力変換装置 - Google Patents

パワー半導体装置およびそれを用いた電力変換装置 Download PDF

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Abstract

【課題】パワー半導体装置の絶縁層と他の部材が剥離することによる信頼性低下を抑制することである。【解決手段】本発明に係るパワー半導体装置は、パワー半導体素子と、当該パワー半導体素子に電流を伝達する導体部と、前記パワー半導体素子が配置された側とは反対側の前記導体部の面に接触する絶縁層と、前記絶縁層を挟んで前記導体部と対向する金属製放熱部と、を備え、前記絶縁層は、絶縁部と、当該絶縁部を介して前記導体部と前記金属製放熱部に挟まれる導体層とを有し、前記導体層に接続されかつ当該絶縁部の接触状態に応じて異なる信号を出力する出力端子を有する。【選択図】 図２

Description

本発明は、パワー半導体装置およびそれを用いた電力変換装置に関する。
近年、地球規模での環境門問題や資源問題がクローズアップされており、資源の有効活用、省エネルギー化の推進、地球温暖化ガスの排出を抑制するため、パワー半導体素子を用いた電力変換装置が民生用、車載用、鉄道用、産業用、インフラ用などの分野に幅広く利用されている。
例えば車載用で見ると、モータで駆動する電気自動車（ＥＶ）や、モータ駆動とエンジン駆動を組み合わせたハイブリッドカー（ＨＥＶ）などがある。これらＥＶやＨＥＶでは、パワー半導体素子をスイッチング制御することにより、バッテリーの直流電圧を擬似的な交流電圧を作りだし、高効率にモータを駆動する。
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。通常、パワー半導体素子の放熱にはフィンを有する金属製の放熱体を用いるとともに、パワー半導体素子の電位の安定化や感電の防止を目的としてグラウンド（ＧＮＤ）に接地する。このため、パワー半導体素子と放熱体との間には絶縁部材が必要で、絶縁部材には優れた熱伝導性と高い絶縁信頼性が必要とされる。
放熱性を向上する手段としては、例えば特許文献１や特許文献２に示されるような、パワー半導体素子を内蔵した回路体と放熱体の間に絶縁層が配置され、パワー半導体素子の発熱を絶縁層を介して放熱体に逃がす構造のパワー半導体装置が知られている。
特許文献１及び特許文献２に記載されたパワー半導体装置は、パワー半導体素子を内蔵した回路体と放熱体の間に絶縁シートを配置することで、パワー半導体素子と放熱体の間の熱伝導性と絶縁性を有している。
特許文献１に記載されたパワー半導体装置では、冷却体を含む金属ケース部材の構造を工夫することで、放熱体と回路体との離間の抑制を図っている。
また、特許文献２に記載されたパワー半導体装置では、回路体のパワー半導体素子に電気的に接続された導体部と放熱体との間の絶縁層中に中間導体層を形成することで、導体部と放熱体との間にかかる電圧を、中間導体層を挟んだ上下の絶縁層で容量分圧することで、回路体と放熱体が離間した時の部分放電発生の防止を図っている。
パワー半導体装置における課題は、導体部と絶縁層、絶縁層と放熱体の離間、剥離である。パワー半導体素子が発熱し、パワー素子に電流を伝達する導体部、放熱体、絶縁層のそれぞれの熱膨張が異なるために剥離が発生する。
剥離が発生すると、剥離部分での部分放電発生による絶縁信頼性の低下と、冷却性能が低下がし、最悪の場合にはパワー半導体装置の機能が停止することになる。
パワー半導体装置、およびこれを用いた電力変換装置においては、小型化、高パワー化が進行しており、パワー半導体素子をより高い温度まで使用することが要求されている。また、今後普及が進むと予測されるＳｉＣパワー半導体素子においては、Ｓｉパワー半導体素子に比較しさらに高温領域での使用が可能となることから、導体部と絶縁層、絶縁層と放熱体との剥離の課題は大きくなると考えられる。
特開２０１６−３９２２４号公報 特開２０１６−５９１４７号公報
そこで本発明の課題は、絶縁層と他の部材が剥離することによる信頼性低下を抑制することである。
本発明に係るパワー半導体装置は、パワー半導体素子と、当該パワー半導体素子に電流を伝達する導体部と、前記パワー半導体素子が配置された側とは反対側の前記導体部の面に接触する絶縁層と、前記絶縁層を挟んで前記導体部と対向する金属製放熱部と、を備え、前記絶縁層は、絶縁部と、当該絶縁部を介して前記導体部と前記金属製放熱部に挟まれる導体層とを有し、前記導体層に接続されかつ当該絶縁部の接触状態に応じて異なる信号を出力する出力端子を有する。
本発明により、パワー半導体装置およびそれを用いた電力変換装置の信頼性低下を抑制することができる。
本実施形態に係るパワー半導体装置１０００の断面図である。 本実施形態に係るパワー半導体装置１０００の平面図である。 本実施形態に係る絶縁層１１１Ａ等により構成された絶縁部１１０の平面透視図である。 図３の平面ＡＡによるカットした絶縁部１１０の断面図である。 本実施形態に係る回路体１００の製造過程を示す断面図である。 本実施形態に係るパワー半導体装置１０００の製造過程を示す断面図である。 本実施形態に係るパワー半導体装置１０００の出力端子１０７を用いた容量測定で、絶縁部１１０の導体部と放熱部との接触状態、剥離状態を評価、診断する原理を説明する断面図である。 導体部１０３と絶縁層との接触状態（剥離率）と導体部側の絶縁層１１１Ｂの容量の関係を示すグラフである。 本実施形態に係るパワー半導体装置１０００の出力端子１０７を用いた電圧測定において、絶縁層の導体部と放熱部との接触状態を評価、診断する原理を説明する断面図である。 導体部と絶縁層の剥離した場合の導体部側絶縁部、放熱部側絶縁部それぞれの電圧分担を示すグラフである。 本実施形態に係るパワー半導体装置１０００の出力端子１０７を用いた電圧測定において、電圧を検出するための一回路の形態を示す回路図である。 電圧検出回路を用いてパワー半導体装置１０００の出力端子１０７の電圧をモニターした結果である。
本発明に係る実施形態を、以下、実施例に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係るパワー半導体装置１０００の断面図である。
パワー半導体装置１０００は、パワー半導体素子１０１及び１０２と、パワー半導体素子１０１及び１０２に電流を伝達する導体部１０３と、パワー半導体素子１０１及び１０２が配置された側とは反対側の導体部１０３の面に接触する絶縁層１１１Ａ及び１１１Ｂと、絶縁層１１１Ａ及び１１１Ｂを挟むように導体部１０３と対向する金属製放熱部１３１と、を備える。本実施形態において、パワー半導体素子１０１はＩＧＢＴであり、パワー半導体素子１０２はダイオードである。
絶縁層１１１Ａと絶縁層１１１Ｂとの間には、導体層１１２が設けられる。出力端子１０７は、導体層１１２に接続されかつ絶縁層１１１Ａや絶縁層１１１Ｂと他の部材との接触状態に応じて異なる信号を出力する。
図２は、本実施形態に係るパワー半導体装置１０００の平面図である。図４は、本実施形態に係る絶縁層１１１Ａ等により構成された絶縁部１１０の平面透視図である。図５は、図４の平面ＡＡによるカットした絶縁部１１０の断面図である。
絶縁部１１０は、金属製放熱部１３１と接触する側の絶縁層１１１Ａと、導体部１０３に接触する側の絶縁層１１１Ｂと、絶縁層１１１Ａと絶縁層１１１Ｂに挟まれる導体層１１２と、に構成される。また絶縁部１１０は、出力端子１０７と電気的に接続するための接続電極１１２Ｃと、導体層１０３から接続電極１１２Ｃへと繋がる経路配線１１２Ｂと、を有する。
本実施形態に係る回路体１００の製造過程について、図５の（Ａ）ないし（Ｅ）を用いて説明する。
図５の（Ａ）において、導体部１０３上に、接合材１０４を介してパワー半導体素子１０１及び１０２を接合する。ここで、一般的に導体部１０３には銅やアルミなどの導電性が高い金属、接合材１０４にははんだなどが使用される。
また、図５の（Ａ）では導体部１０３から延びるパワー端子１０５が設けられる。導体部１０３とパワー端子１０５を一体として形成してもよいし、それぞれ別部材でそれぞれを接合材で接続してもかまわない。導体部１０３上へのパワー半導体素子１０１を接合した後、パワー半導体素子１０１上のゲート電極と制御端子１０６との間を金属細線で接続する（図の簡略化のために金属細線は図示せず）。
図５の（Ｂ）において、パワー半導体素子１０１及び１０２のもう一方の面を同じく導体部１０３に接合材１０４を介して接合し、図５の（Ｃ）に示すような状態とする。
図５の（Ｄ）において、パワー半導体素子１０１及び１０２と導体部１０３をモールド樹脂１０８にて封止する。必要に応じて、パワー半導体素子が配置された側とは反対側の導体部１０３の面が露出するようにモールド樹脂１０８を研磨する。
さらに図５の（Ｅ）において、回路体１００の表面に露出させた出力端子１０７と接続用電極１１２Ｃとの間に導電性接着部材１２０を配置させ、出力端子１０７と接続用電極１１２Ｃを電気的に接続する。
ここで、導電性接着部材１２０としては樹脂中に金属粒子を分散させた導電性接着材や異方性導電ペースト、異方性導電フィルムなどが使用できる。本工程において、回路体１００と絶縁部１１０との固定と、導体層１１２と出力端子１０７との電気的接続が為される。
本実施形態に係るパワー半導体装置１０００の製造過程について、図６の（Ａ）ないし（Ｄ）を用いて説明する。
図６の（Ｂ）において、絶縁部１１０が一体化した回路体１００を金属製放熱部１３１と放熱フィン１３２を有するケース１３０の内部に挿入する。
そして、図６の（Ｃ）において、金属製放熱部１３１を真空プレス機にて押圧し、ケース１３０の薄肉部を変形させ、金属製放熱部１３１の内側の面と絶縁部１１０との間と、絶縁層と回路体１００との間を接合する。
そして、図６の（Ｄ）において、ケース１３０内側の回路体１１０との空間にポッティング樹脂１４０を注入し、ポッティング樹脂１４０を所定の温度、時間で硬化させ、パワー半導体装置１０００が完成する。
次に、本実施形態に係るパワー半導体装置１０００の導体部１０３と絶縁部１１０との間、絶縁部１１０と金属製放熱部１３１との間の剥離状態の診断方法について説明する。
（パワー半導体装置の完成後の検査）
図７は、本実施形態に係るパワー半導体装置１０００の出力端子１０７を用いた容量測定で、絶縁部１１０の導体部と放熱部との接触状態、剥離状態を評価、診断する原理を説明する断面図である。
図７の（Ａ）において、導体部１０３と絶縁層１１１Ｂとの間、絶縁層１１１Ａと金属製放熱部１３１との間に剥離がない正常状態における導体部１０３側の絶縁層１１１Ｂの容量をＣ１、金属製放熱部１３１側の絶縁層１１１Ａの容量をＣ２とする。絶縁層１１１Ａと絶縁層１１１Ｂの材料（比誘電率）と厚さを同じとなるように形成すればＣ１とＣ２はほぼ同じ値となる。
図７の（Ｂ）は、導体部１０３と絶縁層１１１Ｂとの間に剥離がある状態を示す。導体部１０３と絶縁層１１１Ｂとの間に剥離がある場合は、導体部１０３と導体層１１２の距離が拡大するとともに絶縁部に空気層（比誘電率は１）が加わるため、導体部１０３側の容量Ｃ１’は剥離が無い正常状態の容量Ｃ１よりも小さくなる。
図７の（Ｃ）は、絶縁層１１１Ａと金属製放熱部１３１との間に剥離がある状態を示す。この場合、導体層１１２と金属製放熱部１３１の距離が拡大するとともに絶縁部に空気層（比誘電率は１）が加わるため、金属製放熱部１３１側の容量Ｃ２’は剥離が無い正常状態の容量Ｃ２よりも小さくなる。
図８は、導体部１０３と絶縁層との接触状態（剥離率）と導体部側の絶縁層１１１Ｂの容量の関係を示すグラフである。
ここで、剥離率とは導体部１０３と絶縁層１１１Ｂとの間に剥離がない正常状態における導体部１０３と導体層１１２が対向する面の面積を基準として、導体部１０３と絶縁層１１１Ｂとの剥離部分の面積との比で表した数値である。
図８から分かるように、導体部１０３と絶縁層１１１Ｂとの間に剥離があれば、その剥離面積、剥離率に応じて導体部側絶縁部の容量が低下する。
図８では、導体部１０３と絶縁層１１１Ｂが剥離した場合の容量変化を示すグラフであるが、金属製放熱部１３１と絶縁層１１１Ａとの間に剥離があれば、同様に放熱部側の絶縁部の容量が低下する。
以上説明した原理により、パワー半導体装置１０００の完成後、ＬＣＲメータやインピーダンスアナライザ等の計測器を用いて、パワー端子１０５と出力端子１０７との間、金属製放熱部１３１と出力端子１０７との間の容量を測定することにより、導体部１０３と絶縁層１１１Ｂ、絶縁層１１１Ａと金属製放熱部１３１の接触状態を検査、診断することが可能である。
（電力変換装置の稼動時における診断と診断結果の利用）
図９は、本実施形態に係るパワー半導体装置１０００の出力端子１０７を用いた電圧測定において、絶縁層の導体部と放熱部との接触状態を評価、診断する原理を説明する断面図である。
図９の（Ａ）において、導体部１０３と絶縁層１１１Ｂとの間、絶縁層１１１Ｂと金属製放熱部１３１との間に剥離がない正常状態における導体部１０３側の絶縁層１１１Ｂの容量をＣ１、金属製放熱部１３１側の絶縁層１１１Ａの容量をＣ２とする。
導体部１０３側の絶縁部と金属製放熱部１３１側の絶縁部の絶縁層の材料（比誘電率）と厚さを同様となるように形成していればＣ１とＣ２はほぼ同じ値となる。よって、剥離がない正常状態における導体層１１２の電圧は、導体部１０３と金属製放熱部１３１との間に課せられた電圧のほぼ半分の電圧をなり、導体部１０３側の絶縁層１１１Ｂの電圧をＶ１と金属製放熱部１３１側の絶縁層１１１Ａの電圧Ｖ２はほぼ同じ値となる。
図９の（Ｂ）は、導体部と絶縁層との間に剥離がある状態を示す。導体部と絶縁層との間に剥離がある場合は、導体部と導体層の距離が拡大するとともに絶縁部に空気層（比誘電率は１）が加わるため、導体部側の容量Ｃ１’は離間が無い正常状態の容量Ｃ１よりも小さくなる。結果として、導体部側絶縁部にかかる電圧Ｖ１’は大きくなり、放熱部側絶縁部にかかる電圧Ｖ２’は小さくなる。
図９の（Ｃ）は、絶縁層と放熱部との間に剥離がある状態を示す。この場合、導体層と放熱部の距離が拡大するとともに絶縁部に空気層（比誘電率は１）が加わるため、放熱部側の容量Ｃ２’’は剥離が無い正常状態の容量Ｃ２よりも小さくなる。結果として、導体部側絶縁部にかかる電圧Ｖ１’’は小さくなり、放熱部側絶縁部にかかる電圧Ｖ２’’は大きくなる。
図１０は、導体部と絶縁層との接触状態（剥離率）によって、導体部側絶縁部の電圧分担と放熱部側絶縁部の電圧分担の比率が変化する関係を示すグラフである。ここで、剥離率とは導体部と絶縁層との間に剥離がない正常状態における導体部と導体層が対向する面の面積を基準として、導体部と絶縁層との剥離部分の面積との比で表した数値である。図１１から分かるように、導体部と絶縁層との間に剥離があれば、その剥離率に応じて導体部側絶縁部の電圧分担が増加し、放熱部側絶縁部の電圧分担は減少する。
図１０では、導体部と絶縁層の剥離した場合の導体部側絶縁部、放熱部側絶縁部それぞれの電圧分担を示すグラフであるが、放熱部と絶縁層との間が剥離すれば、逆に導体部側絶縁部の電圧分担は減少し、放熱部側絶縁部の電圧分担は増加する。
図１１は、本実施形態に係るパワー半導体装置１０００の出力端子１０７を用いた電圧測定において、電圧を検出するための一回路の形態を示す回路図である。
本実施形態に係るパワー半導体装置１０００を用いた電力変換装置において、図１２に示すような電圧検出回路を形成する。図１２において、太線で示す回路部分が電力変換装置の主回路、細線で示す回路部分が電圧の検出回路である。
本実施形態に係るパワー半導体装置１０００の出力端子１０７の電圧をＶＭは、主回路電圧の半分程度の高電圧となるため、抵抗で分圧された電圧ＶＭとしてＡ／Ｄ変換して電圧値として出力する。
図１２は、電圧検出回路を用いてパワー半導体装置１０００の出力端子１０７の電圧をモニターした結果である。
導体部と絶縁層、絶縁層と放熱部との間に剥離が無い正常状態での出力端子の電圧変化を破線で、導体部と絶縁層の間に剥離がある場合の出力端子の電圧変化を破線で示す。パワー半導体素子のスイッチングよって、出力端子の電圧は時間的に変化する。このため、導体部と絶縁層、絶縁層と放熱部の剥離状態を正確に診断するには、スイッチングに期させて電圧を検出する必要がある。例えば、駆動回路の信号に同期させて、スイッチングがＯＮの時とＯＦＦの時のぞれぞれの電圧を検出し、それぞれの電圧値の差分を採り、その差分の電圧の初期正常状態からの変化で剥離状態の診断が可能となる。
なお、出力端子１０７からの信号に基づいて、パワー半導体素子のスイッチング状態が導通時と遮断時のそれぞれの電位を検出し、導通時と前記遮断時の電位差が所定の閾値に達した時に、パワー半導体素子のスイッチング周波数を低下させるようにしてもよい。
なお、前述の導通時と前述の遮断時の電位差が所定の閾値に達した時に、パワー半導体装置の正極端子と負極端子との間への入力電圧を低下させるようにしてもよい。
前述の導通時と前述の遮断時の電位差が所定の閾値に達した時に、パワー半導体装置の出力を低下させるようにしてもよい。
前述の導通時と前述の遮断時の電位差が所定の閾値に達した時に、運転者へ警告をするための信号を出力するようにしてよい。
本実施形態に係るパワー半導体装置により、パワー半導体素子に電流を伝達する導体部と絶縁層との間、絶縁層と金属製放熱部との間の剥離状態を診断することができ、パワー半導体装置の機能が停止に至るまでに未然に異常を検知することが可能となる。また、剥離状態の診断、異常検知が可能となることで、電力変換装置の突発的な故障を未然に防止することができ、また異常検知後、パワー半導体装置および電力変換装置の出力を抑制することで、機能が停止するまでの運転時間を延長することができる。総じて、パワー半導体装置および電力変換装置の信頼性を向上させることができる。
１００…回路体、１０１…パワー半導体素子、１０２…パワー半導体素子、１０３…導体部、１０４…接合材、１０５…パワー端子、１０６…制御端子、１０７…出力端子、１０８…モールド樹脂、１１０…絶縁部、１１１Ａ…絶縁層、１１１Ｂ…絶縁層、１１２…導体層、１１２Ｃ…接続用電極、１２０…導電性接着部材、１３０…ケース、１３１…金属製放熱部、１３２…放熱フィン、１４０…ポッティング樹脂、１０００…パワー半導体装置

Claims (6)

  1. パワー半導体素子と、
    前記パワー半導体素子に電流を伝達する導体部と、
    前記パワー半導体素子が配置された側とは反対側の前記導体部の面に接触する絶縁層と、
    前記絶縁層を挟んで前記導体部と対向する金属製放熱部と、を備え、
    前記絶縁層は、絶縁部と、当該絶縁部を介して前記導体部と前記金属製放熱部に挟まれる導体層と、を有し、
    前記導体層に接続されかつ当該絶縁部の接触状態に応じて異なる信号を出力する出力端子を有す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を用いた電力変換装置において、
    前記出力端子からの信号に基づいて、前記パワー半導体素子のスイッチング状態が導通時 と遮断時のそれぞれの電位を検出し、
    前記導通時と前記遮断時の電位差に基づいて、当該電力変換装置の使用が開始された時点の電位差を初期値とし、当該電力変換装置の運転時の導通時と遮断時の電位差を所定時間後とに検出し、前記初期値との比較により、前記絶縁部の接触状態を診断する診断部を有する電力変換装置。
  3. 請求項１に記載のパワー半導体装置を用いた電力変換装置において、
    前記出力端子からの信号に基づいて、前記パワー半導体素子のスイッチング状態が導通時 と遮断時のそれぞれの電位を検出し、
    前記導通時と前記遮断時の電位差が所定の閾値に達した時に、前記パワー半導体素子のスイッチング周波数を低下させる電力変換装置。
  4. 請求項１に記載のパワー半導体装置を用いた電力変換装置において、
    前記出力端子からの信号に基づいて、前記パワー半導体素子のスイッチング状態が導通時 と遮断時のそれぞれの電位を検出し、
    前記導通時と前記遮断時の電位差が所定の閾値に達した時に、前記パワー半導体装置の正極端子と負極端子との間への入力電圧を低下させる電力変換装置。
  5. 請求項１に記載のパワー半導体装置を用いた電力変換装置において、
    前記出力端子からの信号に基づいて、前記パワー半導体素子のスイッチング状態が導通時 と遮断時のそれぞれの電位を検出し、
    前記導通時と遮断時の電位差が所定の閾値に達した時に、当該パワー半導体装置の出力を低下させる電力変換装置。
  6. 請求項１に記載のパワー半導体装置を用いた電力変換装置において、
    前記出力端子からの信号に基づいて、前記パワー半導体素子のスイッチング状態が導通時 と遮断時のそれぞれの電位を検出し、
    前記導通時と前記遮断時の電位差が所定の閾値に達した時に、運転者へ警告をするための信号を出力する電力変換装置。
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