JP2020025027A - 電力用半導体装置及びその製造方法、並びに、電力変換装置 - Google Patents

電力用半導体装置及びその製造方法、並びに、電力変換装置 Download PDF

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Abstract

【課題】電力用半導体装置の信頼性を高めることが可能な技術を提供することを目的とする。【解決手段】電力用半導体装置は、絶縁層１ａ及び回路パターン１ｂが順に配設された基板１ａと、回路パターン１ｂと電気的に接続された電力用半導体素子２と、ファイバーレーザーによって回路パターン１ｂに溶接された溶接部分３ａを含む薄肉部分３ｂを有する電極端子３とを備える。回路パターン１ｂの厚さは、０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であり、電極端子３の薄肉部分３ｂは、回路パターン１ｂの厚さの１倍以上２倍以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、電力用半導体装置及びその製造方法、並びに、電力変換装置に関する。
電力用半導体素子を用いたパワーモジュールなどの電力用半導体装置では、絶縁層の表面に配設された回路パターンと電極端子との接合を強固にするためにレーザー溶接が用いられることがある。例えば特許文献１では、リードなどの電極端子の先端部分の少なくとも一部分を他の部分よりも薄くし、その薄くした部分を溶接する技術が提案されている。このような技術によれば、溶接時の熱伝導性が良好となるので、溶接による接合の強さが向上し、その結果、信頼性の向上及び溶接時間の短縮による生産性の向上が可能となる。
特開平７−９４８４５号公報
しかしながら、電極端子を薄くしすぎると、電極端子自体の機械強度が弱くなるという問題がある。また、電極端子を厚くしすぎると、電極端子自体の機械強度は強くなるが、厚い電極端子と回路パターンとを接合するための高エネルギーのレーザーによって、回路パターン下の絶縁層が破壊されることがあるという問題がある。
そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、電力用半導体装置の信頼性を高めることが可能な技術を提供することを目的とする。
本発明に係る電力用半導体装置は、絶縁層及び回路パターンが順に配設された基板と、前記回路パターンと電気的に接続された電力用半導体素子と、ファイバーレーザーによって前記回路パターンに溶接された溶接部分を含む薄肉部分を有する電極端子とを備え、前記回路パターンの厚さは、０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であり、前記電極端子の前記薄肉部分は、前記回路パターンの厚さの１倍以上２倍以下である。
本発明によれば、電極端子の薄肉部分は、回路パターンの厚さの１倍以上２倍以下であるため、電力用半導体装置の信頼性を高めることができる。
関連半導体装置の一部の構成を模式的に示す断面図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置の一部の構成を模式的に示す断面図である。 ピール強度と、溶接部分の深さのばらつきとを調べた結果を示す図である。 実施の形態２に係る電力用半導体装置の一部の構成を模式的に示す断面図である。 実施の形態３に係る電力用半導体装置の一部の構成を模式的に示す斜視図である。 実施の形態４に係る電力用半導体装置の一部の構成を模式的に示す斜視図である。 実施の形態５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。
＜実施の形態１＞
まず、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置及について説明する前に、これと関連する半導体装置（以下、「関連半導体装置」と記す）について説明する。
図１は、関連半導体装置の一部の構成を模式的に示す断面図である。関連半導体装置は、絶縁基板などの基板１と、電力用半導体素子２と、電極端子３とを備える。
基板１には、絶縁層１ａ及び回路パターン１ｂが順に配設されてなる。絶縁層１ａは、例えばセラミック、樹脂などを含む。回路パターン１ｂは、例えば金属などの導電性を有する部材を含む。なお、図示しないが、回路パターン１ｂ同士は、例えばアルミワイヤなどで電気的に接続される。
電力用半導体素子２は、図示しないはんだを介して回路パターン１ｂ上に配設されることによって、回路パターン１ｂと電気的に接続されている。電力用半導体素子２は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。
電極端子３は、例えば、板状部材を屈曲させて形成されたリードである。電極端子３の一端部分が回路パターン１ｂと接触された状態で、レーザーが回路パターン１ｂと逆側から照射されたことによって、電極端子３は、回路パターン１ｂに溶接されている。
以上のような構成が、当該構成を保護する図示しないゲルなどの封止材とともに、図示しないケースなどのパッケージによって覆われている。
ここで、関連半導体装置の電極端子３の厚さは比較的厚くなっている。このような電極端子３と回路パターン１ｂとの溶接を行うためには、高エネルギーのレーザーが必要となる。このような高エネルギーのレーザーによれば、電極端子３と回路パターン１ｂとの溶接を行うことができるが、図１に示すように、溶接部分３ａが下側に広がって、絶縁層１ａを破壊することがある。一方、電極端子３の厚さが薄いと、電極端子３自体の機械強度が低下する。そこで、本実施の形態１に係る電力用半導体装置では、以下で説明するように、このような問題を解決することが可能となっている。
図２は、本実施の形態１に係る電力用半導体装置の一部の構成を模式的に示す断面図である。以下、本実施の形態１に係る構成要素のうち、上述の構成要素と同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
電極端子３は薄肉部分３ｂを有しており、この薄肉部分３ｂは、レーザーによって回路パターン１ｂに溶接された溶接部分３ａを含んでいる。本実施の形態１では、このような溶接を行うためのレーザーとして、ビーム品質が良いファイバーレーザーを用いる。これにより、微小領域に対して安定した溶接を行うことができ、かつ、回路パターン１ｂが、例えばＣｕ（銅）及びＡｌ（アルミニウム）などの難溶融材であっても溶接を行うことができる。
ここで、以上のような構成において、ピール強度と、溶接部分３ａの深さのばらつきとを調べた。図３は、その結果を示す図である。実線はピール強度を示し、一点鎖線は溶接部分３ａの深さのばらつきを示す。図３の横軸は、回路パターン１ｂの厚さに対する電極端子３の厚さの比率としている。なお、回路パターン１ｂの厚さが０．２ｍｍ以上０．５以下である場合に、以上のような図３の結果と同様の結果が得られた。
図３の下側のハッチング領域では、ピール強度が不十分であり、電流容量の不足、及び、寿命の低減が生じやすくなることが分かった。図３の上側のハッチング領域では、溶接部分３ａのばらつきが大きくなり、絶縁層１ａが破壊される確率が高くなることが分かった。そこで、本実施の形態１では、電極端子３の薄肉部分３ｂが、回路パターン１ｂの厚さの１倍以上２倍以下であるように構成される。
＜実施の形態１のまとめ＞
本実施の形態１に係る電力用半導体装置によれば、ビーム品質が良いファイバーレーザーを用いるので、微小領域に対して安定した溶接を行うことができ、かつ、回路パターン１ｂが難溶融材であっても溶接を行うことができる。また本実施の形態１に係る電極端子３の薄肉部分３ｂは、回路パターン１ｂの厚さの１倍以上２倍以下であるように構成される。これにより、ピール強度の向上、電流容量の不足の抑制、寿命の低減の抑制、及び、絶縁層１ａが破壊される確率の低減が期待できる。したがって、電力用半導体装置の信頼性を高めることができる。
＜変形例＞
実施の形態１では、電力用半導体素子２と回路パターン１ｂとの間のダイボンド材は、はんだであったが、これに限ったものではなく、例えば、焼結性のＡｇ（銀）粒子またはＣｕ（銅）粒子を含む接合材であってもよい。焼結性の接合材をダイボンド材に用いた構成によれば、はんだをダイボンド材に用いた構成よりも、電力用半導体素子２と回路パターン１ｂとの接合部の寿命を向上させることができる。
また、実施の形態１では、電力用半導体素子２は、ＩＧＢＴであったが、これに限ったものではない。電力用半導体素子２は、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）、及び、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）の少なくともいずれか１つを含んでもよい。
また、実施の形態１では、電力用半導体素子２は、回路パターン１ｂ上に配設されたが、これに限ったものではない。電力用半導体素子２は回路パターン１ｂと電気的に接続されればよく、例えば、回路パターン１ｂとの間に他の導電部材が設けられてもよい。
＜実施の形態２＞
図４は、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の一部の構成を模式的に示す断面図である。以下、本実施の形態２に係る構成要素のうち、上述の構成要素と同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
本実施の形態２では、電極端子３の薄肉部分３ｂ以外の部分の厚みは、０．６ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、電力用半導体素子２はワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ（炭化珪素）を含む。このような構成によれば、電極端子３の断面積が比較的大きいので、電力用半導体装置に大電流を流すことができる。また、ＳｉＣは、耐熱性に優れるため、この観点からも、電力用半導体装置に大電流を流すことができる。この結果、パッケージ、ひいては、電力方半導体装置の小型化が期待できる。
なお、以上の説明では、ワイドバンドギャップ半導体はＳｉＣであったが、これに限ったものではない。例えば、ワイドバンドギャップ半導体は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、または、ダイヤモンドなどであってもよい。
＜実施の形態３＞
図５は、本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の一部（電極端子）の構成を模式的に示す斜視図である。以下、本実施の形態３に係る構成要素のうち、上述の構成要素と同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
本実施の形態３では、平面視において、薄肉部分３ｂの形状は溶接部分３ａの形状と同一となっている。つまり、平面視において、薄肉部分３ｂは溶接部分３ａのみから構成されている。図４の例では、薄肉部分３ｂは、電極端子３の外縁部分に設けられておらず、電極端子３は、薄肉部分３ｂが底部である凹部３ｃを有している。
このような本実施の形態３に係る電力用半導体装置によれば、電極端子３のうちレーザー接合部分である溶接部分３ａのみが薄くなっているので、実施の形態１よりも応力耐性の向上、ひいては接合信頼性の向上が期待できる。また、電力用半導体装置の電流容量を高めることができるので、パッケージ、ひいては、電力用半導体装置の小型化が期待できる。
＜実施の形態４＞
図６は、本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置の一部（電極端子）の構成を模式的に示す斜視図である。以下、本実施の形態４に係る構成要素のうち、上述の構成要素と同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
本実施の形態４に係る電力用半導体装置は、実施の形態３の構成に加えて、凹部３ｃに埋設された導電性部材３ｄを備える。導電性部材３ｄは、例えば、Ｃｕペースト、及び、Ａｇペーストの少なくともいずれか１つを含む。図６の構成は、例えば、薄肉部分３ｂをレーザーによって回路パターン１ｂに溶接した後に、導電性部材３ｄが凹部３ｃに埋設されることによって形成される。
このような本実施の形態４に係る電力用半導体装置によれば、電流が流れる電極端子３の断面積を実質的に大きくすることができる。このため、電力用半導体装置に大電流を流すことができ、この結果、パッケージ、ひいては、電力用半導体装置の小型化が期待できる。
＜実施の形態５＞
本発明の実施の形態５に係る電力変換装置は、実施の形態１〜４のいずれかに係る電力用半導体装置を有する主変換回路を備えた電力変換装置である。以上で説明した電力用半導体装置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、本実施の形態５として、三相のインバータに、実施の形態１〜４のいずれかに係る電力用半導体装置を適用した場合について説明する。
図７は、本実施の形態５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７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は種々の電源で構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成されてもよいし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成されてもよい。また、電源１００は、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されてもよい。
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００と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７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とを備えており（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には種々の構成があるが、本実施の形態５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と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及び各還流ダイオードの少なくともいずれか１つは、上述した実施の形態１〜４のいずれかに係る電力用半導体装置が適用された半導体モジュール２０２によって構成される。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。
駆動回路２０２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、駆動回路２０２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、制御回路２０３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、制御回路２０３は、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（Pulse Width Modulation）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、制御回路２０３は、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。
以上のような本実施の形態５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及び還流ダイオードの少なくともいずれか１つとして、実施の形態１〜４に係る電力用半導体装置を適用するため、信頼性を高めることができる。
以上で説明した本実施の形態５では、２レベルの三相インバータに、実施の形態１〜４のいずれかに係る電力用半導体装置を適用する例を説明したが、本実施の形態５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５では、実施の形態１〜４のいずれかに係る電力用半導体装置は、２レベルの電力変換装置であるとしたが、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上記電力用半導体装置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コンバータに上記電力用半導体装置を適用することも可能である。
また、本実施の形態５に係る電力変換装置は、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、各実施の形態及び各変形例を自由に組み合わせたり、各実施の形態及び各変形例を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
１ 基板、１ａ 絶縁層、１ｂ 回路パターン、２ 電力用半導体素子、３ 電極端子、３ａ 溶接部分、３ｂ 薄肉部分、３ｄ 導電性部材、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０３ 制御回路。

Claims (7)

  1. 絶縁層及び回路パターンが順に配設された基板と、
    前記回路パターンと電気的に接続された電力用半導体素子と、
    ファイバーレーザーによって前記回路パターンに溶接された溶接部分を含む薄肉部分を有する電極端子と
    を備え、
    前記回路パターンの厚さは、０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であり、
    前記電極端子の前記薄肉部分は、前記回路パターンの厚さの１倍以上２倍以下である、電力用半導体装置。
  2. 請求項１に記載の電力用半導体装置であって、
    前記電極端子の前記薄肉部分以外の部分の厚みは、０．６ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、
    前記電力用半導体素子はワイドバンドギャップ半導体を含む、電力用半導体装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置であって、
    平面視において、前記薄肉部分の形状は前記溶接部分の形状と同じである、電力用半導体装置。
  4. 請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の電力用半導体装置であって、
    前記電極端子は、前記薄肉部分が底部である凹部を有し、
    前記凹部に埋設された導電性部材をさらに備える、電力用半導体装置。
  5. 請求項４に記載の電力用半導体装置であって、
    前記導電性部材は、Ｃｕペースト、及び、Ａｇペーストの少なくともいずれか１つを含む、電力用半導体装置。
  6. 請求項１から請求項５のうちのいずれか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
    を備える、電力変換装置。
  7. （ａ）絶縁層及び回路パターンが順に配設された基板を準備する工程と、
    （ｂ）電力用半導体素子を前記回路パターンと電気的に接続する工程と、
    （ｃ）電極端子が有する薄肉部分を、ファイバーレーザーによって前記回路パターンに溶接する工程と、
    を備え、
    前記回路パターンの厚さは、０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であり、
    前記電極端子の前記薄肉部分は、前記回路パターンの厚さの１倍以上２倍以下である、電力用半導体装置の製造方法。
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