JP2020088019A - Power semiconductor module, power conversion device, and manufacturing method of power semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はパワー半導体モジュール、電力変換装置およびパワー半導体モジュールの製造方法に関する。 The present invention relates to a power semiconductor module, a power converter, and a method for manufacturing a power semiconductor module.
スイッチング動作を行うパワー半導体素子を内蔵するパワー半導体モジュールは、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。パワー半導体素子は通電により発熱するため、パワー半導体モジュールには高い放熱性が求められる。特に、車載用途においては、小型、軽量化のため半導体モジュールを冷却するための水等の液体冷媒を用いた高効率な冷却システムが採用されている。
従来のパワー半導体モジュールとして、半導体素子を挟持する一対の導体の上下に配線板を配し、配線板の上下面に放熱用のフィンを有する放熱部材を配置して、上下の放熱部材をボルト等の締結部材を用いて固定する構造が知られている。しかし、この構造は、締結部材による組付けに時間を要し、また、締結部材の緩み等により水密構造の信頼性に欠けるという課題がある。
一方、半導体素子に接続された導電層を有する基板を、一対の冷却ハウジングプレートを溶接シームにより接合して冷却プレートを形成するパワー半導体モジュールが知られている。このパワー半導体モジュールでは、半導体素子および基板の冷却プレート側と反対側の面は露出されており、水密構造とはなっていない(例えば、特許文献1参照)。
A power semiconductor module including a power semiconductor element that performs a switching operation has a high conversion efficiency and is therefore widely used for consumer, vehicle, railway, substation equipment, and the like. Since the power semiconductor element generates heat when energized, the power semiconductor module is required to have high heat dissipation. In particular, for in-vehicle use, a highly efficient cooling system using a liquid refrigerant such as water for cooling the semiconductor module is adopted to reduce the size and weight.
As a conventional power semiconductor module, a wiring board is arranged above and below a pair of conductors that sandwich a semiconductor element, and a heat dissipation member having fins for heat dissipation is arranged on the upper and lower surfaces of the wiring board. There is known a structure for fixing using a fastening member. However, this structure has a problem that it takes time to assemble with the fastening member and the watertight structure lacks reliability due to loosening of the fastening member.
On the other hand, there is known a power semiconductor module in which a substrate having a conductive layer connected to a semiconductor element is joined to a pair of cooling housing plates by a welding seam to form a cooling plate. In this power semiconductor module, the surfaces of the semiconductor element and the substrate opposite to the cooling plate side are exposed and do not have a watertight structure (for example, refer to Patent Document 1).
特許文献1のパワー半導体モジュールには、放熱部材の組付けに関する開示がなく、放熱部材の組付けを容易かつ信頼性の高いものとする構造が記載されていない。
The power semiconductor module of
本発明の一態様によるパワー半導体モジュールは、半導体素子と、一方側の面に前記半導体素子が電気的に接続され、接地電位以外の電位を有する第1導体と、前記第1導体の、前記半導体素子が設けられた前記一方側の面とは反対側の他方側の面に設けられた絶縁部材と、前記絶縁部材の、前記第1導体が設けられた一方側の面とは反対側の他方側の面に設けられ、金属材料により形成された第1ベースと、前記半導体素子と前記第1導体と前記絶縁部材との外周側面を封止する樹脂と、を備えた半導体装置と、前記第1ベースと接合部において金属溶融により接合され、金属材料により形成された第2ベースと、を備え、前記第1ベースと第2ベースとを接合する前記接合部は、平面視で、前記第1導体とは重ならない位置に設けられている。 A power semiconductor module according to an aspect of the present invention includes a semiconductor element, a first conductor to which the semiconductor element is electrically connected to one surface thereof, and which has a potential other than a ground potential, and the semiconductor of the first conductor. An insulating member provided on the other surface opposite to the one surface on which the element is provided, and the other of the insulating member on the opposite side to the one surface on which the first conductor is provided. A first base provided on the side surface and formed of a metal material; and a resin sealing the outer peripheral side surfaces of the semiconductor element, the first conductor, and the insulating member, and 1 base and a second base formed of a metallic material, which is joined by metal fusion in the joining portion, and the joining portion joining the first base and the second base is the first base in plan view. It is provided at a position where it does not overlap with the conductor.
本発明によれば、第1ベースと第2ベースの組付けを容易かつ信頼性の高いものとすることができる。 According to the present invention, the assembling of the first base and the second base can be made easy and reliable.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following description and drawings are examples for explaining the present invention, and are appropriately omitted and simplified for the sake of clarity of the description. The present invention can be implemented in various other modes. Unless otherwise specified, each component may be single or plural.
The position, size, shape, range, etc. of each component shown in the drawings may not represent the actual position, size, shape, range, etc., for easy understanding of the invention. Therefore, the present invention is not necessarily limited to the position, size, shape, range, etc. disclosed in the drawings.
−第1の実施形態−
図1は、本発明のパワー半導体モジュールの第1の実施形態の断面図である。
以下の説明において、X方向、Y方向(X方向に直交する方向)およびZ方向を図示の通りとする。
パワー半導体モジュール1000は、樹脂7により内部の電子部品を封止した樹脂パッケージである半導体装置300および一対の固定部材106、206を備えている。
半導体装置300は、ほぼ直方体形状、換言すれば、Z方向から見た平面視でほぼ矩形形状を有し、樹脂7から外方に突出する複数の入出力端子3を有する。半導体装置300の厚さ方向(Z方向)の上下には、一対の放熱部材(第1ベース)103、203が接合されている。各放熱部材103、203には、厚さ方向に延在する複数の放熱用のフィン104、204が設けられている。
-First Embodiment-
FIG. 1 is a sectional view of a first embodiment of a power semiconductor module of the present invention.
In the following description, the X direction, the Y direction (direction orthogonal to the X direction), and the Z direction are as illustrated.
The
The
半導体装置300は、パワー半導体素子として、能動素子1およびダイオード2(以下、総称して半導体素子ということもある)を有する。図示はしないが、能動素子1およびダイオード2はスイッチング機能を有する上アーム回路および下アーム回路を構成する。半導体素子は、スイッチング機能を有していれば、特に限定されないが、能動素子1として、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等のトランジスタが用いられる。ダイオード2として、SBD(Schottoky Diode)、FRD(Fast Recovery Diode)等が用いられる。半導体素子を構成する材料としては、Siが良く用いられるが、SiC、GaN、GaO等を用いる事もできる。
なお、一つの半導体素子を、複数の半導体素子の集合体として構成してもよい。
The
Note that one semiconductor element may be configured as an aggregate of a plurality of semiconductor elements.
能動素子1の下面全面はコレクタ電極となっており、該コレクタ電極は、−Z方向側に配置されたスペーサ105に、はんだ等の接合材4により接合されている。ダイオード2の下面はカソード電極となっており、該カソード電極は、−Z方向側に配置されたスペーサ105に、はんだ等の接合材4により接合されている。能動素子1の上面にはエミッタ電極が形成されており、該エミッタ電極は+Z方向側に配置されたスペーサ205に、はんだ等の接合材4により接合されている。ダイオード2の上面にはアノード電極が形成されており、該アノード電極は、+Z方向側に配置されたスペーサ205に、はんだ等の接合材4により接合されている。スペーサ105、205は、銅やアルミニウム等の金属により形成されている。
The entire lower surface of the
スペーサ105の−Z方向側の下面には絶縁部材101が配置されている。スペーサ105と絶縁部材101との間には、第2導体102aが設けられている。第2導体102aと絶縁部材101とは、ろう付け等により一体に形成されている。第2導体102aは、スペーサ105を介して正極側に接続される。絶縁部材101上に設けられた第2導体102aの外周には、第2導体102aとは分離された、すなわち、第2導体102aとは絶縁された第1導体102が設けられている。第1導体102および第2導体102aは、ろう付け等により絶縁部材101に一体に形成されている。第1導体102には、ワイヤー5により能動素子1のゲート電極が電気的に接続されている。
An
スペーサ205の+Z方向側の上面には絶縁部材201が配置されている。スペーサ205と絶縁部材201との間には、第3導体202と第4導体202aが設けられている。第4導体202aは、スペーサ205を介して能動素子1のエミッタ電極およびダイオード2のアノード電極に接続されている。スペーサ205は、接地電位側となる。第3導体202は、不図示のセンサ回路または能動素子1のゲート電極に接続されている。
第3導体202および第4導体202aは絶縁部材201にろう付け等により一体に形成されている。
絶縁部材101、201として、例えば、AlN(窒化アルミニウム)セラミック基板を用いることができる。
The
The
As the insulating
第1導体102と第3導体202および第4導体202aとの間に入出力端子3が、樹脂7に保持されて配置されている。第1導体102と入出力端子3とは、はんだ等の接合材4により、接合されている。入出力端子3と第3導体202および第4導体202aとの間には、環状のスペーサ6が配置されている。入出力端子3とスペーサ6とは、はんだ等の接合材4により接合されている。第3導体202および第4導体202aとスペーサ6とは、はんだ等の接合材4により接合されている。
なお、図示はしないが、入出力端子3は、正極端子、負極端子、交流出力端子および複数の制御用端子等を含んでおり、これら複数の端子がY方向に間隔をおいて配列されている。
The input/
Although not shown, the input/
樹脂7の−Z方向側の下面と放熱部材103の−Z方向側の下面とは面一となっている。固定部材106は、樹脂7の下面と放熱部材103の下面とに接触した状態で、接合部8において放熱部材103に接合されている。接合部8は、固定部材106の内周縁および放熱部材103の外周縁に沿って全周に亘る環状に形成されている。
The lower surface of the
また、樹脂7の+Z方向側の上面と放熱部材203の+Z方向側の上面とは面一となっている。固定部材206は、樹脂7の上面と放熱部材203の上面とに接触した状態で接合部8において放熱部材203に接合されている。接合部8は、固定部材206の内周縁および放熱部材203の外周縁に沿って全周に亘る環状に形成されている。固定部材106,206は、例えば、アルミニウムにより形成される。
なお、固定部材106と固定部材206は、図示しない冷却ケーシングの一部を構成する。冷却ケーシングは、水等の液体冷媒の冷媒流入口と冷媒流出口とを備えており、冷却ケーシング内部に冷媒の流路を有する流路形成体を構成している。従って、パワー半導体モジュール1000は冷却ケーシング内を流通する冷媒で冷却される。
なお、接地電位である第4導体202aは、パワー半導体モジュール1000をキャパシタケース600(図11参照)等に組付けて電力変換装置とした状態で、固定部材206を介して接地電位となるが、パワー半導体モジュール1000の状態では、固定部材206とは絶縁されている。
Further, the upper surface of the
The fixing
The
固定部材106と放熱部材103、および固定部材206と放熱部材203とは、例えば、レーザ溶接等の金属溶融接合によって接合されている。
固定部材106と放熱部材103との接合部8は、第1導体102の外周の外側に配置されている。換言すれば、固定部材106と放熱部材103との接合部8は、平面視で第1導体102とは重ならない位置に設けられている。固定部材206と放熱部材203との接合部も同様である。
この構成による効果を、以下の比較例を示す図面を参照して説明する。
The fixing
The joint 8 between the fixing
The effects of this configuration will be described with reference to the drawings showing the following comparative examples.
図4(a)、(b)は、比較例における、固定部材206と放熱部材203との接合部の拡大断面図である。
図4(a)は、レーザ溶接のレーザ出力が大きい場合や、レーザの走査速度が遅い場合に発生する課題を示すための図である。固定部材206と放熱部材203の接合部8へのレーザによる入射エネルギが大きすぎると、固定部材206と放熱部材203が溶融されるばかりでなく、絶縁部材201および第3導体202も溶融される。このため、放熱部材203と第3導体202が図4(a)に示すショート領域9でショートするリスクが高まる。図示はしないが、固定部材106と放熱部材103との接合についても同様であり、固定部材106と放熱部材103の接合部8へのレーザによる入射エネルギが大きすぎると、固定部材106と放熱部材103が溶融されるばかりでなく、絶縁部材101および第1導体102も溶融され、放熱部材103と第1導体102がショートするリスクが高まる。
4A and 4B are enlarged cross-sectional views of a joint portion between the fixing
FIG. 4A is a diagram for showing a problem that occurs when the laser output of laser welding is large or when the laser scanning speed is slow. If the incident energy of the laser to the joint 8 between the fixing
図4(b)は、固定部材106または放熱部材103の表面に水分や油脂などの異物が付着している場合や、溶接時のシールドガスの条件が最適でない場合の課題を示すための図である。固定部材106または放熱部材103の表面に異物が付着していたり、溶接時のシールドガスの条件が最適でなかったりすると、放熱部材103と絶縁部材101との界面に溶接金属内のガスによりブローホール(空洞)10が形成されるリスクが高まる。図示はしないが、固定部材206と放熱部材203との接合についても同様であり、固定部材206または放熱部材203の表面に異物が付着していたり、溶接時のシールドガスの条件が最適でなかったりすると、放熱部材203と絶縁部材201との界面にブローホールが形成されるリスクが高まる。
FIG. 4B is a diagram for showing a problem when foreign matter such as moisture or oil adheres to the surface of the fixing
パワー半導体モジュール1000を駆動する場合に、第1導体102または第3導体202と放熱部材103、203との間にかかる電圧を高くし、また、放熱性を向上するために、絶縁部材101、201の厚さを薄くすることが有利である。しかし、絶縁部材101、201の厚さを薄くするほど、図4(a)に示すように、放熱部材103、203と第1導体102または第3導体202とが電気的にショートするリスクが高まる。
また、図4(b)に示すようなブローホールが発生すると、ブローホールに高い電界がかかり、部分放電が発生し、絶縁部材101、201を徐々に劣化させる。ブローホールにかかる電界は、接合部8と、第1導体102または第3導体202間との距離が小さい程、大きくなる。
When driving the
Further, when a blowhole as shown in FIG. 4B is generated, a high electric field is applied to the blowhole, partial discharge is generated, and the insulating
本実施形態では、上述したように、固定部材106と放熱部材103との接合部8は、平面視で第1導体102とは重ならない位置に設けられている。固定部材206と放熱部材203との接合部8は、平面視で第3導体202とは重ならない位置に設けられている。このため、固定部材106、206と放熱部材103、203の接合部8へのレーザによる入射エネルギが大きすぎる場合でも、放熱部材103と第1導体102とのショート、および放熱部材203と第3導体202とのショートの発生を抑制することができる。また、放熱部材103、203と絶縁部材101、201との界面にブローホールが形成されるような条件下でも、ブローホールにかかる電界が低減され、絶縁部材101、201の劣化を抑制することができる。
In the present embodiment, as described above, the
図2(a)、(b)は、図1に示すパワー半導体モジュールの製造工程を説明するための断面図である。図2(a)、(b)を参照して、図1に示すパワー半導体モジュール1000の製造方法の一例を説明する。
予め、絶縁部材101の上面に第1導体102および第2導体102aを、また、下面に、放熱用のフィン104が形成された放熱部材103を、例えば、ろう付け等により一体に形成しておく。第1導体102および第2導体102aを形成するには、絶縁部材101の上面全体に導体を形成し、フォトリソグラフィ技術等を用いて、所定パターンの第1導体102および第2導体102aを形成する。また、放熱用のフィン104は、放熱部材103に溶接等により接合する。
絶縁部材101としては、AlNセラミック(窒化アルミニウム)基板を用いることができる。また、第1導体102、第2導体102aおよび放熱部材103の材料としては、アルミニウムを用いることができる。
2A and 2B are cross-sectional views for explaining the manufacturing process of the power semiconductor module shown in FIG. An example of a method for manufacturing the
In advance, the
An AlN ceramic (aluminum nitride) substrate can be used as the insulating
本実施形態では、絶縁部材101と放熱部材103との間にろう材のみが介在する構造である。通常、絶縁部材101と放熱部材103との間に金属層を設け、絶縁部材101と金属層、および金属層と放熱部材103を、それぞれ、ろう材や放熱グリース、あるいははんだ等により接合する構造が採用される。本実施形態では、このような構造に比し、絶縁部材101と放熱部材103との間に介在される部材が少ないので、熱抵抗が小さく、放熱性を向上することができる。
In this embodiment, only the brazing material is interposed between the insulating
なお、絶縁部材101と放熱部材103との接合は、溶湯接合法により接合してもよい。溶湯接合法は、放熱用のフィン104および放熱部材103を形成するための金型のキャビティ内に溶融したアルミニウム等の金属を入れ、例えば、AlNセラミック基板等により形成された絶縁部材101を、溶融したアルミニウム等の金属に接合する方法である。この方法によれば、絶縁部材101と放熱部材103との熱抵抗をさらに小さくすることができる。
The insulating
次に、第2導体102a上にスペーサ105を、はんだ等の接合材4により接合する。そして、スペーサ105上に、能動素子1、ダイオード2を、それぞれ、はんだ等の接合材4により接合する。また、第1導体102上に、入出力端子3をはんだ等の接合材4により接合する。
Next, the
さらに、能動素子1のゲート電極と第1導体102とを、ワイヤーボンディング法を用いて、ワイヤー5により電気的に接続する。
Further, the gate electrode of the
その後、図2(a)に示すように、能動素子1上およびダイオード2上に、スペーサ105を、はんだ等の接合材4により接合すると共に、入出力端子3上にスペーサ6を、はんだ等の接合材4により接合する。
図2(b)を参照して、図2(a)に続く製造工程を説明する。予め、絶縁部材201の下面に第3導体202を、絶縁部材201の上面に、放熱用のフィン204が形成された放熱部材203を、例えば、ろう付け等により一体に形成しておく。そして、絶縁部材201が一体に形成された第3導体202を、スペーサ205上およびスペーサ6上に、はんだ等の接合材4により接合する。図2(b)は、ここまでの製造工程で形成された封止前のパワー半導体モジュール中間体を示す。
After that, as shown in FIG. 2A, the
The manufacturing process following FIG. 2A will be described with reference to FIG. In advance, the
次に、図2(b)に示す封止前のパワー半導体モジュールを金型のキャビティ内に設置し、例えば、トランスファーモールド等のモールド成型により樹脂封止する。すなわち、図2(b)に示すパワー半導体モジュール中間体は、第1導体102、第2導体102a、第3導体202、第4導体202a、絶縁部材101、201、放熱部材103、203の外周および入出力端子3の一部を覆うように樹脂7により封止される。樹脂封止に際して、入出力端子3の先端側が樹脂で覆われないように、すなわち、入出力端子3の先端側が外部に露出されるように封止する。樹脂7は、絶縁部材101と絶縁部材201との間におけるスペーサ6の内側にも充填され、能動素子1およびダイオード2の表面を覆う。
Next, the unsealed power semiconductor module shown in FIG. 2B is placed in the cavity of the mold, and is resin-sealed by molding such as transfer molding. That is, the power semiconductor module intermediate shown in FIG. 2B has the outer periphery of the
その後、放熱部材103の下面に固定部材106を位置決めして、放熱部材103の外周縁と固定部材106の内周縁が重なる領域にレーザを照射して、放熱部材103と固定部材106とを金属溶融接合する。上述したように、放熱部材103と固定部材106とが金属溶融接合された接合部8は、平面視で、第1導体102とは重ならない位置に設けられる。
同様に、放熱部材203の上面に固定部材206を位置決めして、放熱部材203の外周縁と固定部材206の内周縁が重なる領域にレーザを照射して、放熱部材203と固定部材206とを金属溶融接合する。
これにより、図1に図示されるパワー半導体モジュール1000が得られる。
Then, the fixing
Similarly, the fixing
As a result, the
上記方法では、放熱部材103、203を固定部材106、206に金属溶融接合により接合するので、放熱部材103と放熱部材203とを、ボルト等の締結部材を用いて組付ける方法に比し、部材が少ない。このため、部品点数が節減され、また、組付け時間も短縮され、コストを低減することができる。また、締結部材の締め付け不良や緩みにより水密性が損なわれることが無いので、水密性の信頼性を向上することができる。
In the above method, since the
[実施例1]
図2(a)、(b)に示される手順により、図1に図示されるパワー半導体モジュール1000を、下記の条件で作製した。
絶縁部材101、102を、板厚0.635mmのAlNセラミック基板を用いて形成した。第1〜第4導体102、102a、202、202aは、厚さ0.4mmのアルミニウム材により形成した。樹脂7による封止は、トランスファーモールドにより行った。固定部材106、206は、厚さ1.5mmのアルミニウム板により形成した。固定部材106、206と放熱部材103、203との接合は、レーザ溶接により行った。
レーザ溶接の条件は、レーザ出力1700W、走査速度8m/minとした。
[Example 1]
By the procedure shown in FIGS. 2A and 2B, the
The insulating
The laser welding conditions were a laser output of 1700 W and a scanning speed of 8 m/min.
[実施例2]
実施例1とは、レーザ溶接の条件のみを変え、他の条件はすべて同一として実施例2のパワー半導体モジュール1000を作製した。
実施例2のレーザ溶接の条件は、レーザ出力1700W、走査速度6m/minとした。
[Example 2]
A
The laser welding conditions of Example 2 were a laser output of 1700 W and a scanning speed of 6 m/min.
[比較例]
図5は、比較例のパワー半導体モジュールの断面図である。
比較例として、図5に図示するパワー半導体モジュール1000Rを作製した。
比較例のパワー半導体モジュール1000Rは、図1に図示するパワー半導体モジュール1000に対し、固定部材106と放熱部材103との接合部8が、第1導体102と、平面視で重なる領域に設けられており、固定部材206と放熱部材203との接合部8が、第3導体202と、平面視で重なる領域に設けられている点で相違する。
比較例のパワー半導体モジュール1000Rの他の構成は、すべて図1に示す第1の実施形態のパワー半導体モジュール1000と同様である。
実施例1とは、レーザ溶接の条件のみを変え、他の条件はすべて同一として比較例1、比較例2および比較例3のパワー半導体モジュール1000Rを作製した。
[Comparative example]
FIG. 5 is a sectional view of a power semiconductor module of a comparative example.
As a comparative example, a
In the
All other configurations of the
The
[比較例1]
比較例1のレーザ溶接の条件は、レーザ出力1700W、走査速度10m/minとした。
[比較例2]
比較例2のレーザ溶接の条件は、レーザ出力1700W、走査速度8m/minとした。
[比較例3]
比較例3のレーザ溶接の条件は、レーザ出力1700W、走査速度6m/minとした。
[Comparative Example 1]
The laser welding conditions of Comparative Example 1 were a laser output of 1700 W and a scanning speed of 10 m/min.
[Comparative example 2]
The laser welding conditions of Comparative Example 2 were a laser output of 1700 W and a scanning speed of 8 m/min.
[Comparative Example 3]
The laser welding conditions of Comparative Example 3 were a laser output of 1700 W and a scanning speed of 6 m/min.
実施例1、2のパワー半導体モジュール1000、および比較例1〜3のパワー半導体モジュール1000Rに対し、以下に示す(1)接合状態の検査、(2)耐電圧試験、(3)部分放電試験を実施し、本実施形態の効果を検証した。
(1)接合状態の検査
パワー半導体モジュール1000、1000R完成後に、放熱部材(第1ベース)103と固定部材(第2ベース)106との接合状態を、接続部の断面を切断し、観察することにより実施した。
The
(1) Inspection of Joining State After the
(2)耐電圧試験
放熱部材103と、能動素子1の全端子および第1導体102とは、電気的に絶縁されていなければならない。必要な耐電圧が確保できているかを確認するため、耐電圧試験を実施した。
耐電圧試験は、能動素子1およびダイオード2との入出力端子3の全ての端子を同電位となるように短絡し、全端子と放熱部材103との間にAC電圧5kvrmsを1分間印加し、耐電圧が確保できているかを確認した。
(2) Withstanding Voltage Test The
In the withstand voltage test, all terminals of the input/
(3)部分放電試験
固定部材106と放熱部材103とを溶接する際、絶縁部材101と放熱部材103との界面付近にブローホールが形成され、電圧印加時にブローホールへの電界が高くなると部分放電が発生する。パワー半導体モジュール1000の絶縁信頼性を確保するには、部分放電の発生を防止する必要がある。部分放電の発生を評価するために部分放電試験を実施した。
部分放電試験は、能動素子1およびダイオード2との入出力端子3の全ての端子を同電位となるように短絡し、全端子と放熱部材103との間にAC電圧0Vrmsを印加し、徐々に電圧を5kVrmsまで上昇させ、5kVrmsで1分間保持し、電圧印加時の最大放電電荷量を測定した。
(3) Partial Discharge Test When welding the fixing
In the partial discharge test, all terminals of the
上記検査結果を図6に示す。
(1)接合状態の検査結果
比較例1では、部分的に固定部材106と放熱部材103とが接合されていない部分が観察された。これは、比較例1では、走査速度が、他のいずれの実施例および比較例よりも速い10m/minであったため、入熱が小さく、接合されない部分が残ったと考えられる。
これに対し比較例2、3および実施例1、2では、観察範囲内全体に亘って、固定部材106と放熱部材103との接合は良好であった。
The inspection result is shown in FIG.
(1) Inspection Result of Bonded State In Comparative Example 1, a part where the fixing
On the other hand, in Comparative Examples 2 and 3 and Examples 1 and 2, the bonding between the fixing
(2)耐電圧試験結果
(耐電圧試験)
耐電圧試験の結果、比較例1と2、および実施例1、2では、5kVrmsで1分間、絶縁破壊することはなく、耐電圧試験はクリアした。しかし、比較例3では、放熱部材103と固定部材106とが電気的にショートしており、耐電圧試験は満足できなかった。
(2) Withstanding voltage test results (withstanding voltage test)
As a result of the withstand voltage test, in Comparative Examples 1 and 2, and Examples 1 and 2, there was no dielectric breakdown at 5 kVrms for 1 minute, and the withstand voltage test was cleared. However, in Comparative Example 3, the
(3)部分放電試験結果
部分放電試験の結果、比較例1および実施例1、2では、部分放電の最大放電電荷量は検出限界の1pC以下であった。これに対し、比較例2では、部分放電の最大放電電荷量100pCを検出した。比較例2では、固定部材106と放熱部材103の接続は良好になされていたが、観察を実施しなかった部分でブローホールが形成され、その部分で部分放電が発生した可能性がある。また比較例3では、耐電圧試験で説明したとおり、放熱部材103と固定部材106とがショートされており、電圧を印加することができなかった。
(3) Partial Discharge Test Result As a result of the partial discharge test, in Comparative Example 1 and Examples 1 and 2, the maximum discharge charge amount of the partial discharge was 1 pC or less, which is the detection limit. On the other hand, in Comparative Example 2, the maximum discharge charge amount of partial discharge of 100 pC was detected. In Comparative Example 2, the fixing
(試験結果の総合判定)
以上の試験の結果、総合判定は、図6にも示されている通り、比較例1〜3は、いずれかの試験においてNGであった。これに対し、実施例1、2では、すべての試験結果が良好であった。これにより、本実施形態による効果を確認することができた。
(Comprehensive judgment of test results)
As a result of the above test, the overall judgment was NG in any of the tests in Comparative Examples 1 to 3 as shown in FIG. 6. On the other hand, in Examples 1 and 2, all the test results were good. As a result, the effect of this embodiment could be confirmed.
上記第1の実施形態によれば、下記の効果を奏する。
(1)パワー半導体モジュール1000は、能動素子(半導体素子)1と、一方側の面に能動素子1が電気的に接続され、接地電位以外の電位を有する第1導体102と、第1導体102の、能動素子1が設けられた一方側の面とは反対側の他方側の面に設けられた絶縁部材101と、絶縁部材101の、第1導体102が設けられた一方側の面とは反対側の他方側の面に設けられ、金属材料により形成された放熱部材(第1ベース)103と、半導体素子1と第1導体102と絶縁部材101との外周側面を封止する樹脂7と、を備えた半導体装置300と、第1ベース103と接合部8において金属溶融により接合され、金属材料により形成された固定部材(第2ベース)106と、を備え、第1ベース103と第2ベース106とを接合する接合部8は、平面視で、第1導体102とは重ならない位置に設けられている。このため、固定部材106と放熱部材103との接合強度が向上すると共に電気的なショートが抑制され、また、ブローホール発生に起因する絶縁部材101の劣化を抑制することができ、固定部材106と放熱部材103との接合の信頼性を向上することができる。また、固定部材106と放熱部材103との組付けを、ボルト等の締結部材を用いずに行うことができるので、部品点数が削減され、かつ、組付け作業が容易となるのでコストダウンを図ることができる。
According to the said 1st Embodiment, the following effects are produced.
(1) The
(2)パワー半導体モジュール1000は、また、半導体装置300を構成する能動素子1の他面側に配置された絶縁部材201と、絶縁部材201の第1導体102が配置された側とは反対側に配置された、金属材料により形成された放熱部材(別の第1ベース)203と、を備え、さらに、第1ベース203と接合部8において金属溶融により接続された、金属材料により形成された固定部材(別の第2ベース)206を有する。このため、固定部材106と固定部材206とにより内部に冷媒の流路を有する流路形成体を構成することができ、半導体装置300に流路形成体が金属溶融接合により一体化されたパワー半導体モジュール1000を構成することが可能となる。
(2) In the
−第2の実施形態−
図3は、本発明のパワー半導体モジュールの第2の実施形態の断面図である。
第2の実施形態のパワー半導体モジュール1000は、固定部材107、207が、放熱用のフィン104、204を覆うカバー部107a、207aを有する点で、第1の実施形態とは相違する。
固定部材107、207のカバー部107a、207aは、放熱部材103、203に接合される接合部8の内周側近傍から放熱用のフィン104、204の先端部に向かって、内周側に向けて傾斜する傾斜状に延出され、すべての放熱用のフィン104、204の上部を覆っている。図3では、固定部材107、207のカバー部107a、207aの内面が放熱用のフィン104、204の先端面に接触する構造として例示されている。しかし、固定部材107、207のカバー部107a、207aの内面と放熱用のフィン104、204の先端面との間に隙間が設けられた構造としてもよい。
-Second Embodiment-
FIG. 3 is a sectional view of a second embodiment of the power semiconductor module of the present invention.
The
The
第2の実施形態においても、固定部材107と固定部材207は、図示しない冷却ケーシングの一部を構成する。冷却ケーシングは、水等の液体冷媒の冷媒流入口と冷媒流出口とを備えており、冷却ケーシング内部に冷媒の流路を有する流路形成体を構成している。したがって、パワー半導体モジュール1000は冷却ケーシング内を流通する冷媒で冷却される。第2の実施の形態では、流路形成体に流入した冷媒は、カバー部107a、207aと放熱部材103、203の間における放熱用のフィン104間または204間を流通する。このため、半導体装置300の冷却能力を大きくすることができる。
第2の実施形態の他の構成は、第1の実施形態と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
従って、第2の実施形態においても。第1の実施形態の効果(1)、(2)を奏する。
Also in the second embodiment, the fixing
The other configurations of the second embodiment are similar to those of the first embodiment, and corresponding members are designated by the same reference numerals and description thereof is omitted.
Therefore, also in the second embodiment. The effects (1) and (2) of the first embodiment are achieved.
[実施例3]
実施例1とは、レーザ溶接の条件のみを変え、他の条件はすべて同一として、図3に示される構造のパワー半導体モジュール1000を作製した。
実施例3の、レーザ溶接の条件は、レーザ出力1700W、走査速度8m/minとした。
[Example 3]
A
The laser welding conditions of Example 3 were a laser output of 1700 W and a scanning speed of 8 m/min.
[実施例4]
実施例1とは、レーザ溶接の条件のみを変え、他の条件はすべて同一として、図3に示される構造のパワー半導体モジュール1000を作製した。
実施例4の、レーザ溶接の条件は、レーザ出力1700W、走査速度6m/minとした。
[Example 4]
A
The laser welding conditions in Example 4 were a laser output of 1700 W and a scanning speed of 6 m/min.
実施例3、4についても、実施例1、2および比較例1〜3と同様、(1)接合状態の検査、(2)耐電圧試験、(3)部分放電試験を実施し、第2の実施形態の効果を検証した。この検査結果を、実施例1、2および比較例1〜3の検査結果が記載された図6に併記した。
図6を参照して明らかな通り、(1)接合状態の検査結果は、実施例3、4でも、実施例1、2と同様、良好であった。
また、(2)耐電圧試験結果は、実施例1、2と同様、5kVrmsで1分間、絶縁破壊することはなかった。
さらに、(3)部分放電試験結果、実施例1、2と同様、部分放電の最大放電電荷量は検出限界の1pC以下であった。
従って、試験結果の総合判定は、実施例3、4は、実施例1、2と同様、すべての試験結果が良好であり、これにより、第2の実施形態による効果を確認することができた。
Similarly to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3, Examples 3 and 4 were subjected to (1) inspection of bonding state, (2) withstand voltage test, and (3) partial discharge test, and second test. The effect of the embodiment was verified. The inspection results are also shown in FIG. 6 in which the inspection results of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 are described.
As is apparent from FIG. 6, (1) the inspection result of the bonding state was good in Examples 3 and 4 as in Examples 1 and 2.
In addition, (2) the result of the withstand voltage test was that dielectric breakdown did not occur for 1 minute at 5 kVrms, as in Examples 1 and 2.
Further, as a result of (3) partial discharge test, as in Examples 1 and 2, the maximum discharge charge amount of partial discharge was 1 pC or less, which is the detection limit.
Therefore, in the comprehensive judgment of the test results, all of the test results of Examples 3 and 4 are good as in Examples 1 and 2, and the effect of the second embodiment could be confirmed. ..
−第3の実施形態−
図7は、本発明のパワー半導体モジュールの第3の実施形態の断面図である。
第3の実施形態のパワー半導体モジュール1000では、絶縁部材101上に設けられた第1導体102の外周に第5導体108が設けられ、入出力端子3の第5導体108に対応する領域に、凹部31が設けられた構造を有する。
第5導体108は、第1導体102とは絶縁されている。第5導体108は、接地電位に接続された接地導体であるか、あるいは能動素子1およびダイオード2とは電気的に接続されていない、すなわち、絶縁された導体(浮き導体)である。浮き導体は、絶縁部材101、第1導体102、第2導体102aおよび放熱部材103から構成される配線板が強度的に弱い領域や変形しやすい領域に補強用として設けられる導体である。
-Third Embodiment-
FIG. 7 is a cross-sectional view of a third embodiment of the power semiconductor module of the present invention.
In the
The
固定部材106と放熱部材103とを接合する接合部8は、平面視で、第5導体108と重なる領域に設けられている。第5導体108の電位が接地電位であるか浮き電位であれば、接合部8と第5導体108とが導通したり、接合部8と第5導体108間に異物が介在したりしても差し支えない。入出力端子3の第5導体108に対応する領域に、凹部31が設けられているため、入出力端子3と第5導体108との間隙を小さくしても、入出力端子3間の電気的なショートを防止することができる。入出力端子3と第5導体108との間隙を小さくすることにより、パワー半導体モジュール1000の薄型化を図ることができる。
The
第3の実施形態の他の構成は、第1の実施形態と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
第3の実施形態においても、接合部8は、平面視で、第1導体102とは重ならない位置に設けられている。
従って、第3の実施形態においても。第1の実施形態の効果(1)、(2)を奏する。
The other configurations of the third embodiment are similar to those of the first embodiment, and corresponding members are designated by the same reference numerals and description thereof is omitted.
Also in the third embodiment, the
Therefore, also in the third embodiment. The effects (1) and (2) of the first embodiment are achieved.
−第4の実施形態−
図8は、本発明のパワー半導体モジュールの第4の実施形態の断面図である。
第4の実施形態のパワー半導体モジュール1000は、第1の実施形態(図1参照)に示されている厚さ方向(Z方向)上方の第3導体202、第4導体202a、絶縁部材201および放熱用のフィン204を有する放熱部材203を備えていない。また、第4の実施形態のパワー半導体モジュール1000は、放熱部材203を備えていないので、放熱部材203に接合される固定部材206も備えていない。
すなわち、第4の実施形態のパワー半導体モジュール1000では、能動素子1およびダイオード2の+Z方向の表面側は、樹脂7で封止されているだけである。
第4の実施形態の上記以外の構成は、第1の実施形態と同様であり、接合部8は、平面視で、第1導体102とは重ならない位置に設けられている。
従って、第4の実施形態においても、第1の実施形態の効果(1)を奏する。
-Fourth Embodiment-
FIG. 8 is a sectional view of the fourth embodiment of the power semiconductor module of the present invention.
The
That is, in the
The configuration of the fourth embodiment other than the above is the same as that of the first embodiment, and the
Therefore, the effect (1) of the first embodiment is also achieved in the fourth embodiment.
−第5の施形態−
図9は、本発明のパワー半導体モジュールの第5の実施形態の断面図である。
第5の実施形態のパワー半導体モジュール1000は、第2の実施形態(図3参照)に示されている厚さ方向(Z方向)上方の第3導体202、第4導体202a、絶縁部材201および放熱用のフィン204を有する放熱部材203を備えていない。また、第5の実施形態のパワー半導体モジュール1000は、放熱部材203を備えていないので、放熱部材203に接合される固定部材207も備えていない。
すなわち、第5の実施形態のパワー半導体モジュール1000では、能動素子1およびダイオード2の+Z方向の表面側は、樹脂7で封止されているだけである。
第5の実施形態の上記以外の構成は、第2の実施形態と同様であり、接合部8は、平面視で、第1導体102とは重ならない位置に設けられている。
従って、第5の実施形態においても、第1の実施形態の効果(1)を奏する。
-Fifth Embodiment-
FIG. 9: is sectional drawing of 5th Embodiment of the power semiconductor module of this invention.
The
That is, in the
The configuration of the fifth embodiment other than the above is the same as that of the second embodiment, and the
Therefore, the effect (1) of the first embodiment is also achieved in the fifth embodiment.
−第6の施形態−
図10は、本発明のパワー半導体モジュールの第6の実施形態の断面図である。
第6の実施形態のパワー半導体モジュール1000は、第1の実施形態に示されている半導体装置300を複数個(図10では、3個として図示されている)備えている。固定部材106、206は、隣接する各半導体装置300の放熱部材103,203に、接合部8で接合されている。なお、図10は、図1に示すパワー半導体モジュール1000の断面とは、直交する方向の断面を示す図であり、入出力端子3は図示されていないが、第1の実施形態と同様、接合部8は、平面視で、第1導体102とは重ならない位置に設けられている。固定部材106と固定部材206は、図示しない冷却ケーシングの一部を構成する。冷却ケーシングは、水等の液体冷媒の冷媒流入口と冷媒流出口とを備えており、冷却ケーシング内部に冷媒の流路を有する流路形成体を構成している。したがって、パワー半導体モジュール1000は冷却ケーシング内を流通する冷媒で冷却される。
従って、第6の実施形態においても、第1の実施形態の効果(1)、(2)を奏する。
-Sixth Embodiment-
FIG. 10: is sectional drawing of 6th Embodiment of the power semiconductor module of this invention.
The
Therefore, the effects (1) and (2) of the first embodiment are also obtained in the sixth embodiment.
なお、図10では、3個の半導体装置300を、固定部材106,206により連結した構造として例示しているが、半導体装置300の数は、2個または4個以上とすることもできる。
また、図10では、第1の実施形態に示す複数個の半導体装置300を固定部材106、206により連結したパワー半導体モジュール1000として例示した。しかし、第2〜第5の実施形態に示す半導体装置300に対しても、同様に、複数個の半導体装置300を固定部材106(107)、206(207)または固定部材106により連結したパワー半導体モジュールとすることができる。
Although FIG. 10 illustrates the structure in which the three
Further, in FIG. 10, the
−第7の施形態−
図11は、本発明のパワー半導体モジュールを有する電力変換装置の断面図である。
電力変換装置2000は、パワー半導体モジュール1000と、制御基板500と、キャパシタケース600とを備えている。
パワー半導体モジュール1000は、図3に図示された半導体装置300と固定部材107、207とを有する。キャパシタケース600の内部には、複数個(図11では、2個として図示されている)のキャパシタ601が収納されている。図11では、パワー半導体モジュール1000は、1個のみが図示されているが、3個のパワー半導体モジュール1000を備えるようにしてもよい。各パワー半導体モジュール1000を構成する半導体装置300は、それぞれ、上述した通り、能動素子1およびダイオード2により構成される上アーム回路および下アーム回路を内蔵しており、3個の半導体装置300を並列接続して三相インバータ回路を構成することができる。
-Seventh Embodiment-
FIG. 11 is a sectional view of a power converter having a power semiconductor module of the present invention.
The
The
半導体装置300の正極側端子3aは、バスバー701を介してキャパシタ601のキャパシタ端子602に接続されている。複数のバスバー701、702がインサート成型され、バスバーユニット700が形成されている。複数個のキャパシタ601は、電気的に並列に接続されている。半導体装置300の交流出力端子3bは、不図示のモータジェネレータに接続される。
The positive
パワー半導体モジュール1000、バスバーユニット700およびキャパシタケース600を厚さ方向(Z方向)に貫通して、中空軸を有する複数の接続部材710が設けられている。接続部材710の上端面には、制御基板500が載置されている。制御基板500には、複数の制御用電子部品501が実装されている。制御基板500、パワー半導体モジュール1000、バスバーユニット700およびキャパシタケース600は、接続部材710の中空軸内をそれぞれ挿通される固定用ボルト711により固定されている。
図11に図示されるように、接合部8は、平面視で、第1導体102とは重ならない位置に設けられている。
このように、第2の実施形態に示されたパワー半導体モジュール1000を用いて、電力変換装置2000を構成することが可能である。
なお、図11では、第2の実施形態に示されたパワー半導体モジュール1000を用いた電力変換装置2000として例示した。しかし、第1、第3〜第6の実施形態に示されたパワー半導体モジュール1000を用いて電力変換装置2000を構成することもできる。
A plurality of connecting
As illustrated in FIG. 11, the
As described above, the
Note that FIG. 11 illustrates the
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。上述した種々の実施の形態および変形例を組み合わせたり、適宜、変更を加えたりしてもよく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。 Although various embodiments and modifications have been described above, the present invention is not limited to these contents. The various embodiments and modifications described above may be combined or appropriately modified, and other modes conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included in the scope of the present invention.
1 能動素子(半導体素子)
2 ダイオード(半導体素子)
3 入出力端子
7 樹脂
8 接合部
9 ショート領域
10 ブローホール
31 凹部
101、201 絶縁部材
102 第1導体
102a 第2導体
202 第3導体
202a 第4導体
103 放熱部材(第1ベース)
104、204 放熱用のフィン
106、107 固定部材(第2ベース)
107a カバー部
108 第5導体
202 第3導体
203 放熱部材
206、207 固定部材
207a カバー部
300 半導体装置
1000 パワー半導体モジュール
2000 電力変換装置
1 Active element (semiconductor element)
2 Diode (semiconductor element)
3 Input/
104, 204 Fins for
Claims (12)
一方側の面に前記半導体素子が電気的に接続され、接地電位以外の電位を有する第1導体と、
前記第1導体の、前記半導体素子が設けられた前記一方側の面とは反対側の他方側の面に設けられた絶縁部材と、
前記絶縁部材の、前記第1導体が設けられた前記一方側の面とは反対側の他方側の面に設けられ、金属材料により形成された第1ベースと、
前記半導体素子と前記第1導体と前記絶縁部材との外周側面を封止する樹脂と、を備えた半導体装置と、
前記第1ベースと接合部において金属溶融により接合され、金属材料により形成された第2ベースと、を備え、
前記第1ベースと前記第2ベースとを接合する前記接合部は、平面視で、前記第1導体とは重ならない位置に設けられているパワー半導体モジュール。 Semiconductor element,
The semiconductor element is electrically connected to the surface on one side, and a first conductor having a potential other than the ground potential,
An insulating member provided on the surface of the other side of the first conductor opposite to the surface of the one side on which the semiconductor element is provided;
A first base formed of a metal material, which is provided on the other surface of the insulating member opposite to the one surface on which the first conductor is provided;
A semiconductor device comprising: the semiconductor element, the first conductor, and a resin that seals outer peripheral side surfaces of the insulating member,
A second base formed of a metal material, which is joined to the first base by melting the metal in the joint portion,
The power semiconductor module, wherein the joint portion that joins the first base and the second base is provided at a position not overlapping the first conductor in a plan view.
前記半導体装置は、前記絶縁部材の前記半導体素子側に設けられ、前記第1導体とは電気的に絶縁された第2導体をさらに備えるパワー半導体モジュール。 The power semiconductor module according to claim 1,
The power semiconductor module, wherein the semiconductor device further includes a second conductor provided on the semiconductor element side of the insulating member and electrically insulated from the first conductor.
前記半導体装置は、さらに、前記半導体素子の前記一方側の面と反対側の他面側に配置された別の絶縁部材と、
前記別の絶縁部材の前記半導体素子側とは反対側に配置された、金属材料により形成された別の第1ベースと、を備え、
前記別の第1ベースと接合部において金属溶融により接合された、金属材料により形成された別の第2ベースと、をさらに備えるパワー半導体モジュール。 The power semiconductor module according to claim 1,
The semiconductor device further includes another insulating member disposed on the other surface side opposite to the one surface of the semiconductor element,
Another first base formed of a metal material, which is arranged on a side of the another insulating member opposite to the semiconductor element side,
A power semiconductor module, further comprising: another first base and another second base formed of a metal material, which is joined by metal fusion at a joining portion.
前記別の絶縁部材の前記半導体素子側に設けられた第3導体をさらに備えるパワー半導体モジュール。 The power semiconductor module according to claim 3,
The power semiconductor module further provided with the 3rd conductor provided in the said semiconductor element side of the said another insulating member.
前記半導体装置は、
前記絶縁部材の前記半導体素子側に設けられ、前記第1導体とは電気的に絶縁された別の導体と、
前記別の導体に対応する領域に凹部が形成された入出力端子と、をさらに備えるパワー半導体モジュール。 The power semiconductor module according to claim 1,
The semiconductor device is
Another conductor provided on the semiconductor element side of the insulating member and electrically insulated from the first conductor,
A power semiconductor module further comprising: an input/output terminal having a recess formed in a region corresponding to the another conductor.
前記別の導体は、接地電位を有する接地導体、または前記半導体素子とは電気的に絶縁された浮き導体であるパワー半導体モジュール。 The power semiconductor module according to claim 5,
The power semiconductor module, wherein the other conductor is a ground conductor having a ground potential, or a floating conductor electrically insulated from the semiconductor element.
前記第1ベースは、放熱用のフィンを有するパワー半導体モジュール。 The power semiconductor module according to claim 1,
The first base is a power semiconductor module having fins for heat dissipation.
前記第2ベースは、前記放熱用のフィンを覆うカバー部を有するパワー半導体モジュール。 The power semiconductor module according to claim 7,
The second base is a power semiconductor module having a cover portion that covers the heat radiation fins.
前記半導体装置を複数個、備え、
前記第2ベースは、隣接する前記半導体装置を連結する部材であるパワー半導体モジュール。 The power semiconductor module according to any one of claims 1 to 8,
A plurality of the semiconductor devices,
The second base is a power semiconductor module that is a member that connects the adjacent semiconductor devices.
前記第1ベースと前記第2ベースとをレーザ溶接により接合するパワー半導体モジュールの製造方法。 A method for manufacturing the power semiconductor module according to claim 1, wherein
A method of manufacturing a power semiconductor module, wherein the first base and the second base are joined by laser welding.
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