JP2019179828A - 半導体装置、半導体装置の製造方法および電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】回路パターン上の有効面積の縮小を抑制しつつ絶縁性を確保したパワーモジュールを得ることを目的とする。【解決手段】上面に回路パターンを有し、下面に金属板を有する絶縁基板と、回路パターンと導電性部材を介して接合する半導体素子と、絶縁基板の周りを囲うように位置するケースと、ケースに囲まれた部位で、半導体素子と絶縁基板とを封止する封止材と、絶縁基板の側面で、ケースと金属板とを固定する接着材とを備えることを特徴とする。【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置、半導体装置の製造方法及び電力変換装置に関するものである。
近年、パワーモジュールの高性能化に伴って、パワーモジュールの動作温度は上昇する傾向にある。高温動作が可能なパワーモジュールは、封止樹脂と他部材との剥離や、絶縁基板のクラックを抑制し、絶縁性を確保する必要がある。特許文献1では、パワーモジュールの絶縁性を確保するために、基板とケースとが接着剤により接続し、封止されている。
特開2000−40759号公報
特許文献1のパワーモジュールでは、半導体素子を搭載する回路基板の下面がベース板と接続されており、ベース板とケースとが、半固体状の接着剤により接続されることで、接着剤の塗布ムラが防止される。しかし、ベース板上面とケースとが、接着剤により接続されているため、ベース板上における回路基板の有効面積が縮小するという問題点が発生してしまう。
本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、ベース板とケースとが、ベース板の側面で接着材によって接続されることで、回路パターンの有効面積の縮小を抑制しつつ絶縁性を確保することを目的とするものである。
本発明に係るパワーモジュールは、上面に回路パターンを有し、下面に金属板を有する絶縁基板と、回路パターンと導電性部材を介して接合する半導体素子と、絶縁基板の周りを囲うように位置するケースと、ケースに囲まれた部位で、半導体素子と絶縁基板とを封止する封止材と、絶縁基板の側面で、ケースと金属板とを固定する接着材とを備えることを特徴とする。
本発明に係るパワーモジュールによれば、ケースとベース板が、ベース板の側面で接着材により接続されることで、回路パターン上の有効面積の縮小を抑制しつつ絶縁性を確保することができる。
実施の形態1のパワーモジュールを示す断面図である。 実施の形態1のパワーモジュールの動作時を示す断面図である。 実施の形態1の半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。 半導体素子と絶縁基板との接続を示す断面図である。 接着材10が取り付けられたケース6を示す上面図である。 ケース6とベース板2aとを接着材10を介して接続した断面図である。 ワイヤボンドによる電気的接続を示す断面図である。 実施の形態2のパワーモジュール52を示す断面図である。 実施の形態2のベース板の端部にV形断面を有するパワーモジュールを示す断面図である。 実施の形態3のパワーモジュールを示す断面図である。 本実施の形態にかか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
実施の形態1
実施の形態1におけるパワーモジュール50について説明する。図1は、実施の形態1のパワーモジュール50を示す断面図である。なお、図1以外の他図において、同一符号は同一又は相当部分を示す。図1に示すパワーモジュール50において、半導体素子1は、導電性部材3を介して絶縁基板2の上面に接合されている。
絶縁基板2は、ベース板2a、絶縁層2b、回路パターン2cによって構成されている。
絶縁層2bは、ベース板2aの上に設けられている。回路パターン2cは、絶縁層2bの上に設けられている。ベース板2aと回路パターン2cとは、例えば、銅によって形成されている。絶縁層2bは、パワーモジュール50の外部との電気的絶縁を確保し、例えば、無機セラミック材料で形成されてもよいし、セラミック粉末をエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂の中に分散した材料で形成されてもよい。
端子5aは、一端が導電性ワイヤー4aを介して回路パターン2cと電気的に接続されて、他端が外部との電気信号のやり取りに使用される。端子5bは、一端が導電性ワイヤー4bを介して半導体素子1の表面電極へ電気的に接続されて、他端が外部との電気信号のやり取りに使用される。なお、端子5(5a、5b)は、導電性があれば、特に材質に限定はない。
半導体素子1、絶縁基板2、及び導電性ワイヤー4(4a、4b)は、ケース6により囲まれている。ケース6は、可塑性樹脂等で形成されており、端子5がケース6にアウトサート形成される。なお、端子5は、ケース6にインサート形成されてもよいし、回路パターン2cと導電性部材を介して接合されてもよい。
半導体素子1、絶縁基板2、及び導電性ワイヤー4は、封止材7によって覆われている。封止材7は、絶縁性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、ゲル等である。端子5は、外部と信号のやり取りをするため、封止材7の表面から端子5の一部が露出される。また、絶縁基板2の裏面は、絶縁基板2の裏面が封止材7から露出されて、ヒートシンク等により冷却される。なお、絶縁基板2の裏面は、冷却できればよいため、必ずしも封止材7から露出させる必要はない。
絶縁基板2の側面において、絶縁基板2とケース6とが、接着材10によって固定される。つまり、ベース板2aの側面において、ベース板2aとケース6とが、固定されるため、回路パターン2cの有効面積の縮小を抑制できる。図1では、ベース板2aの下面と接着材10の下面とが同一平面上にあるが、ベース板2aの下面とケース6の下面とが同一平面上にあってもよい。
接着材10の材料は、加熱により軟化する樹脂(例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルブロックアミド共重合体、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂、硬質収縮性塩化ビニール、ポリエチレン、ポリプロピレン、オレフィン系エラストマー、シリコーン、クロロプレンゴム)等である。
接着材10は、熱を加えることで任意形状に変形し、ベース板2aとケース6の下部との間に隙間なく接するように配置できるため、接着ムラの懸念がなく、ベース板2aとケース6とを強固に固定することができる。特に、水分が発生しやすい高湿度環境下では、接着ムラ等によってベース板2aとケース6との間に空隙が発生すると、水分がベース板2aとケース6との隙間からパワーモジュール50内へ入り込む。入り込んだ水分は、絶縁層2bで吸収されて加水分解反応を生じ、絶縁層2bが劣化するという懸念がある。従って、接着材10によって、ベース板2aとケース6との間を隙間なく接続することは絶縁性の劣化を抑制するために重要であり、本発明によって、パワーモジュール50の絶縁性の劣化を抑制することができる。
また、パワーモジュール50の動作時は、図2のように、動作時の熱を冷やすヒートシンク8とベース板2aとがグリースなどのTIM(Thermal Interface Material)材を介して接続する。接着材10が、ケース6の内周下部と外周下部と下面とを覆うようにケース6の下部に取り付けられていることで、ケース6の側方から水分が入り込むことを抑制することが出来る。従って、ケース6とヒートシンク8との隙間からパワーモジュール50内へ水分が入り込むことを抑制できる。
図1において、半導体素子1がIGBTであり、紙面垂直方向で回路パターン2c上にダイオード(図示なし)が位置し、各々1つを使用して並列接続した場合の回路構成について説明する。端子5aは、パワーモジュール50のP端子であり、導電性ワイヤー4aを介して半導体素子1の裏面電極であるコレクタ電極と電気的に接続している。半導体素子1の表面電極であるエミッタ電極は、導電性ワイヤー4bを介して、パワーモジュール50のN端子である端子5bと電気的に接続している。また、半導体素子1のコレクタ電極とダイオードのカソード電極とが電気的に接続し、半導体素子1のエミッタ電極とダイオードのアノード電極とが電気的に接続して、1in1モジュールの並列回路を形成する。当然ながら上述した回路構成とは異なる回路を構成してもよく、例えば、2in1モジュールのハーフブリッジ回路や、6in1モジュールの3相インバータ回路を形成してもよい。なお、外部端子5bは回路構成によって出力端子となることがあってもよい。
ここで、実施の形態1の半導体装置の製造方法について、図3を参照して説明する。図3は、ベース板2aとケース6とが接着材10により固定された半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。実施の形態1の半導体装置の製造方法は、半導体素子1と絶縁基板2とを接合するダイボンド工程60と、ベース板2aとケース6との位置決めをする位置決め工程61と、電子回路を構成するための配線を行うワイヤボンド工程62と、ベース板2aとケース6とを固定するために接着材10を加熱する加熱工程63と、封止材7によって封止するための封止工程64との順に処理が行われる。
図3の各工程について説明する。まず、ダイボンド工程60について、図4を参照して説明する。半導体素子1を、絶縁基板2に、導電性部材3によって接合する。なお、絶縁基板2は、ベース板2aと絶縁層2bと回路パターン2cとが予め接続されているものを使用してもよいし、ダイボンド工程60によってそれぞれが接続されてもよい。また、外部との電気信号のやり取りに使用される端子5は、導電性部材を介して回路パターン2cに接合されてもよいし、端子5がケース6にインサートされて一体的に形成されてもよい。本発明では、図1に示すように、ケース6と一体的に形成されている端子5が、外部との電気信号のやり取りに使用されるものとして説明する。
次に、位置決め工程61について図5、図6を参照して説明する。図5は、接着材10が取り付けられたケース6を示す上面図であり、図6は、ベース板2aとケース6とが接着材10を介して接続された断面図である。なお、図5では、説明の都合上、端子5は図示していない。位置決め工程61では、ベース板2aとケース6とが位置決めされ、ベース板2aとケース6とが仮固定される。図5、図6のように、接着材10は、ケース6の内周下部と外周下部と下面とを覆うようにケース6に取り付けられている。ケース6の下部が接着材10によって覆われて、ケース6と接着材10との密着性を向上させることで、位置決め冶具を使用せず、ケース6の内周下部にベース板2aを嵌めこみ、ベース板2aとケース6とを仮固定することができる。
よって、ベース板2aとケース6とは、位置決め用の冶具を必要とせずに、容易に位置決めできる。なお、例えば、リング状の接着材10が、ケース6に一体的あるいは分離可能に取り付けられて、ベース板2aとケース6とが仮固定されてもよい。
位置決め工程61の後は、ワイヤボンド工程62である。ワイヤボンド工程62について図7を参照して説明する。ワイヤボンド工程62では、外部との電気信号のやり取りに使用される端子5と半導体素子1とを、導電性ワイヤー4を介して電気的に接続し、インバータ回路などの各種電子回路を構成する。このとき、接着材10によって、ベース板2aとケース6とが仮固定されているため、ワイヤーボンド時に絶縁基板2に圧力がかかったとしても、ベース板2aとケース6との位置ずれを抑制することができる。特に、ベース板2aとケース6の下部を覆う接着材10とが、平面に載置されてワイヤボンドされる際に、ワイヤボンド時の振動がケース6の下面を覆う接着材10によって吸収されるため、ベース板2aとケース6との位置ずれを抑制することができる。
次に、加熱工程63について説明する。加熱工程63では、熱源を有する加熱炉等によって、接着材10が、雰囲気加熱されることで任意形状に変形し、ベース板2aとケース6との間が、隙間なく固定される。なお、接着材10は、100〜150℃の温度で熱収縮する材料であり、加熱する方法は、熱源との接触、非接触を問わず、100℃以上まで接着材10の温度が上がる方法であれば特に限定しない。なお、ケース6の外周部は、接着材10によって覆われていることが好ましく、接着材10が熱収縮することで、接着材10の押圧力がケース6の外周部からベース板2aに向って働き、ベース板2aとケース6とを強固に固定することができる。
最後に、封止工程64について説明する。封止工程64は、外部と半導体素子1との絶縁を行う封止材7をケース6で囲まれた部位に注入して封止する。なお、封止材7を注入する際には、封止材7の流動性を良くするために加熱工程63で使用した熱源の熱を利用してもよい。
封止材7は、液状の樹脂であり、ある温度以上になると硬化するため、封止材7の注入後は、加熱する必要がある。封止材7が、加熱されて硬化することで封止工程64が完了し、図1のようなパワーモジュール50が完成する。なお、加熱する方法は、熱源との接触、非接触を問わず、封止材7が硬化する温度まで封止材7の温度が上がる方法であれば特に限定しない。また、封止材7は、水分等の外乱から保護されるために、封止材7の上部に蓋を設けてもよい。蓋を設けることによって、封止材7の吸湿等を防ぎ、パワーモジュールの信頼性を向上させることができる。
この実施の形態1のパワーモジュールによれば、ベース板2aの側面において、ベース板2aとケース6とが接着材10により接続されることで、回路パターン2c上の有効面積を確保しつつ絶縁性を確保できるという効果を奏する。
また、ベース板2aの側面において、ベース板2aとケース6とが接着材10により接続されることで、ベース板2aとケース6との間が隙間なく接続され、吸湿による絶縁層2bの劣化を抑制できるという効果を奏する。
実施の形態2
実施の形態2のパワーモジュールについて説明する。図8は、実施の形態2のパワーモジュール52を示す断面図である。実施の形態2のパワーモジュール52は、ベース板2aの上面と接する突起30がケース6に形成されている。
この実施の形態2のパワーモジュールによれば、突起30が、位置決め工程61において、ベース板2aとケース6との位置決め用のガイドとなるため、位置決め用の冶具等が不要となり、容易にベース板2aとケース6とを位置決めし、仮固定することができる。
なお、図9に示すパワーモジュール53のように、ベース板2aの端部がV形断面11を備えている場合でも、本実施の形態は有効である。突起31が、V形断面11上において、ベース板2aの傾斜面と面接触する傾斜面を有し、突起31が、ベース板2aの傾斜面と面接触することで、ベース板2aとケース6とを容易に位置決めすることができる。
また、ワイヤボンド工程62において、突起30、31がガイドとなるため、ワイヤボンド時の圧力が絶縁基板2にかかったとしても、絶縁基板2とケース6との位置ずれを抑制することができる。
実施の形態3
実施の形態3のパワーモジュールについて説明する。図10は、実施の形態3のパワーモジュール54を示す断面図である。実施の形態3のパワーモジュール54は、ケース6の下部に段差40が形成されている。
この実施の形態3のパワーモジュールによれば、ケース6の下部に段差40が形成されるため、ケース6と接着材10との接触面が増えることで密着性が向上し、絶縁基板2とケース6とをより位置ずれなく仮固定できる。なお、段差40は複数でもよく、段差40が複数形成されるほど、ケース6と接着材10との接触面が増えるため密着性が向上する。
実施の形態4
本実施の形態は、上述した実施の形態1から3にかかるパワーモジュール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、本実施の形態にかか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、本実施の形態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と各還流ダイオードの少なくともいずれかに、上述した実施の形態1から3のいずれかにかかるパワーモジュールを適用する。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、駆動回路はパワーモジュール202に内蔵されていてもよいし、パワーモジュール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。
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。
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から3にかかるパワーモジュールを適用するため、ベース板2aの側面において、ベース板2aとケース6とが接着材10により接続されることで、回路パターン2c上の有効面積を確保しつつ絶縁性を確保できるという効果を奏する。
また、ベース板2aの側面において、ベース板2aとケース6とが接着材10により接続されることで、ケース6とベース板2aとの間を隙間なく接続して、吸湿による絶縁層2bの劣化を抑制できるという効果を奏する。
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。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、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態及び変形例を自由に組み合わせ、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、部品と部品とを接合する導電性部材は、はんだ、金属フィラーを用いた金属ペースト、又は熱により金属化する焼成金属などの電気抵抗の低い金属を用いることが好ましい。
また、半導体素子1は、スイッチング素子やダイオードであればよく、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、SBD(Schottky Barrier Diode)、PNダイオードであってもよい。さらに、半導体素子の個数は、当然ながら一つに限定されるものではなく、二つ以上であってもよい。
1 半導体素子、2 絶縁基板、2a ベース板、2b 絶縁層、2c 回路パターン、3 導電性部材、4(4a、4b) 導電性ワイヤー、5(5a、5b) 端子、6 ケース、7 封止材、8 ヒートシンク、10 樹脂、11 V形断面、20 ケース、30 突起、31 突起、40 段差、50 パワーモジュール、51 パワーモジュール、52 パワーモジュール、53 パワーモジュール、54 パワーモジュール、100 電源、200 電力変換装置、201 主変換回路、202 パワーモジュール、203 制御回路、300 負荷

Claims (9)

  1. 上面に回路パターンを有し、下面に金属板を有する絶縁基板と、
    前記回路パターンと導電性部材を介して接合する半導体素子と、
    前記絶縁基板の周りを囲うように位置するケースと、
    前記ケースに囲まれた部位で、前記半導体素子と前記絶縁基板とを封止する封止材と、
    前記絶縁基板の側面で、前記ケースと前記金属板とを固定する接着材と、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ケースの下部が、前記金属板の上面と接する突起を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記ケースの下部に段差を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記接着材は、前記ケースの下部を覆っていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 請求項1から4に記載の半導体装置を有し、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。
  6. 上面に回路パターンを有し、下面に金属板を有する絶縁基板で、前記回路パターンの上面に半導体素子を導電性部材を介して接合するダイボンド工程と、
    前記絶縁基板の周りを囲うように載置するケースと前記金属板とを接着材を介して位置決めする位置決め工程と、
    前記接着材を加熱して、前記ケースと前記金属板とを固定する加熱工程と、
    を備える半導体装置の製造方法。
  7. 前記位置決め工程で、前記ケースの下部が、前記金属板の上面と接する突起を有することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記位置決め工程で、前記金属板の端部が、前記金属板の上面と下面とにおいて、それぞれ対向する面に向って傾斜してなるV形断面であり、
    前記V形断面と前記突起が面接触することを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記接着材は、前記ケースの下部を覆っていることを特徴とする請求項6から8のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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