JP2020113639A - パワーモジュールおよびその製造方法、電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ接合時のスパッタの発生を防止して、信頼性の高いパワーモジュールを提供する。【解決手段】セラミック基板上に回路パターンを有する絶縁基板と、前記絶縁基板における前記回路パターン上に実装された電力用半導体装置と、前記回路パターン上に接合され、前記電力用半導体装置の主電流を外部に出力する外部接続端子と、を備え、前記外部接続端子は、前記回路パターンに接合される端部において、前記回路パターンとは反対側の面にセラミック被膜を有し、前記回路パターンと前記外部接続端子との接合部は、硬ろう材によってレーザろう付されている。【選択図】図１

Description

本発明はパワーモジュールに関し、特に、信頼性を向上したパワーモジュールに関する。

パワーモジュールは、絶縁基板上にスイッチングデバイス、ダイオードデバイスなどの電力用半導体装置を搭載し、電力用半導体装置の主電流を絶縁基板上の回路パターンから、外部接続端子を介して装置外部に出力する構成を有することが一般的である。

ここで、外部接続端子および回路パターンは銅（銅合金、黄銅および軟銅含む）であり、銅どうしの接合にはレーザ溶接が用いられている。

例えば、特許文献１においては、レーザ照射面を有する第１部材と、レーザ照射面と反対側に配置され、かつ第１部材よりもレーザ吸収率が高い第２部材とで構成される接合構造体において、第１部材のレーザ照射面には、第１部材よりもレーザ吸収率が高い第１被膜を配設し、第１部材と第２部材との間には、第１部材よりもレーザ吸収率が高い第３被膜と、第３被膜より第２部材側に配設され、第２部材よりもレーザ吸収率が低い第２被膜とで構成される接合層を設けた構成が開示されている。第１部材、第２部材、第１被膜、第２被膜および第３被膜は、銅、銅合金、黄銅および軟銅で構成され、これらはレーザ溶接により溶接されることが開示されている。

このような構造を採ることで、レーザ出力を調整しながら溶接を行うことで、爆飛およびスパッタを防ぐといったメリットがあるとされている。

特許第３２９６０７０号公報

特許文献１のレーザ溶接は、例えば図２の溶接部の形状から、キーホール溶接であることが判るが、キーホール溶接ではスパッタが発生する可能性がある。すなわち、銅の場合、レーザ照射で温度が上がると、溶融池が発生する。溶融池に更にレーザを照射するとキーホールと呼ばれる窪みが形成される。これは溶融池の液体金属を更にレーザ光で加熱することで金属蒸気が大量に発生し、窪みが形成され、窪み内ではレーザ光が斜めに反射して互いに対向する窪みの壁面に当たり、そこで液体金属に吸収され、かつ吸収されなかったレーザ光が反射されて反対側の壁面を更に加熱するという多重反射が起こる。多重反射によりエネルギー吸収率が増大し、更に金属蒸気の発生が活発化し、窪みが深くなり、急角度の穿孔が形成される。入射角度が９０°に近づくと、反射光はほぼ全部が反対側の壁面に当たるので、レーザ光の吸収率が非常に高まった状態となる。

このような場合に、金属蒸気が多く生成される。金属蒸気の量はレーザによるエネルギーで気化した銅の量により変動するが、先に述べたように、キーホールの形状などでレーザの吸収量は変動する。そのため金属蒸気の発生量は一定ではない。金属蒸気がキーホールの外に出ていく際に、キーホールの壁面にある液体金属（溶融池）を巻き込んで噴出することがある。これがスパッタと呼称される現象である。スパッタが発生すると、パワーモジュールの内部に金属粒子が固着することがある。金属粒子が固着すると、パワーモジュールの信頼性が低下するので、金属粒子の固着の有無を確認する必要があるが、その確認は人間が目視で行う必要があり、時間がかかっていた。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、レーザ接合時のスパッタの発生を防止して、信頼性の高いパワーモジュールを提供することを目的とする。

本発明に係るパワーモジュールは、セラミック基板上に回路パターンを有する絶縁基板と、前記絶縁基板における前記回路パターン上に実装された電力用半導体装置と、前記回路パターン上に接合され、前記電力用半導体装置の主電流を外部に出力する外部接続端子と、を備え、前記外部接続端子は、前記回路パターンに接合される端部において、前記回路パターンとは反対側の面にセラミック被膜を有し、前記回路パターンと前記外部接続端子との接合部は、硬ろう材によってレーザろう付されている。

外部接続端子の回路パターンに接合される端部において、回路パターンとは反対側の面にセラミック被膜を有することで、レーザ接合により外部接続端子を回路パターンに接合する場合であっても、安定に加熱ができ、温度を任意に制御できる。このため、セラミック被膜にスパッタが発生することがないように温度制御しながら加熱することがで、スパッタの発生を防止して、パワーモジュールの内部にスパッタに起因する金属粒子が固着することを防止して、信頼性の高いパワーモジュールを提供することができる。

本発明に係る実施の形態１のパワーモジュールの構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１のパワーモジュールの製造方法を説明する断面図である。 本発明に係る実施の形態１のパワーモジュールの製造方法を説明する断面図である。 本発明に係る実施の形態１のパワーモジュールの製造方法を説明する断面図である。 本発明に係る実施の形態１のパワーモジュールの製造方法を説明する断面図である。 本発明に係る実施の形態１のパワーモジュールの製造方法を説明する断面図である。 本発明に係る実施の形態１のパワーモジュールの製造方法を説明する断面図である。 本発明に係る実施の形態２のパワーモジュールの製造方法を説明する断面図である。 本発明に係る実施の形態２のパワーモジュールの製造方法を説明する断面図である。 本発明に係る実施の形態２のパワーモジュールの製造方法を説明する断面図である。 本発明に係る実施の形態３の電力変換装置の構成示すブロック図である。

＜実施の形態１＞
＜装置構成＞
図１は、本発明に係る実施の形態１のパワーモジュール１００の構成を示す断面図である。なお、図１においては、絶縁基板９上に搭載される電力用半導体デバイス１以外の部品および封止材であるゲル等は、簡略化のため図示を省略している。

図１に示すように、パワーモジュール１００は、例えば、銅板などの金属板で構成されるベース板１１の上面に絶縁基板１０３が、はんだ材などの接合材１０により接合され、絶縁基板９の上面に、スイッチングデバイスおよびダイオードデバイスなどの電力用半導体デバイス１（電力用半導体装置）が接合材２により接合されている。

絶縁基板９は、主材となるセラミック基板８の上面に回路パターン７ａおよび７ｂが形成され、下面に回路パターン７ｃが形成されている。電力用半導体デバイス１は、回路パターン７ａ上に接合材２により接合されている。回路パターン７ａには、外部接続端子４１が接合材５により接合されている。また、回路パターン７ｂには、外部接続端子４２が接合材５により接合されている。回路パターン７ｃにはベース板１１が接合材１０により接合されている。

ベース板１１は、上面側および底面側が開口部となった箱状のケース１２の底面側の開口部を覆うように配設され、ベース板１１がケース１２の底面を構成している。なお、ベース板１１とケース１２とは、シリコーン系の接着剤１３で接合されている。ケース１２はインサート成型で作製されており、外部接続端子４１および４２は、その一部がケース１２に埋め込まれるように配設され、ケース１２の上面側の端面で端部が露出して、外部配線と接続される。なお、外部配線との接続口等は図示を省略している。

電力用半導体デバイス１は、下面側の主電極が接合材２を介して回路パターン７ａに電気的に接続され、回路パターン７ａおよび接合材５を介して外部接続端子４１に電気的に接続されている。接合材２には、Ａｇ（銀）ナノ粒子またはＣｕ（銅）ナノ粒子を用いた焼結接合材を用いており、接合材５には硬ろう材を用いている。

電力用半導体デバイス１の上面側の主電極（上面電極）は、接続配線３を介して回路パターン７ｂに電気的に接続され、回路パターン７ｂおよび接合材５を介して外部接続端子４２に電気的に接続されている。接続配線３は、アルミニウム（Ａｌ）または銅のワイヤであり、超音波ボンディングにより電力用半導体デバイス１および回路パターン７ｂに接続されている。

ここで、電力用半導体デバイス１としては、例えばＳｉＣ（炭化珪素）のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）およびＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）などが使用される。ＳｉＣは、Ｓｉより広いワイドバンドギャップを有し、ＳｉＣを用いたＳｉＣ半導体装置は、Ｓｉを用いたＳｉ半導体装置と比較して、耐圧性に優れ、許容電流密度も高く、また耐熱性も高いため高温動作も可能である。また、ＳｉＣに限定されず、他のワイドバンドギャップ半導体、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成しても良い。また、ワイドバンドギャップ半導体に代えて、例えば珪素（Ｓｉ）を用いても良い。Ｓｉを用いる場合には、スイッチングデバイスとしてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いても良い。また、ダイオードデバイスとしては、ＳＢＤ以外に、例えば、ｐｎ接合ダイオードまたはＪＢＳ（Junction Barrier Schottky：ジャンクションバリアショットキー）ダイオードであっても良い。

なお、電力用半導体デバイス１がＭＯＳＦＥＴなどのスイッチングデバイスである場合は、上面には主電極の他に制御電極が設けられ、制御電極は制御用接続配線を介して制御端子に電気的に接続されることになるが、これらについては図示および説明は省略する。

＜製造方法＞
次に、図２〜図７を用いて、パワーモジュール１００の製造方法について説明する。まず、図２を用いて外部接続端子４１および４２にセラミック被膜１８を形成する方法について説明する。

図１を用いて説明したように、外部接続端子４１および４２は、それぞれ接合材５により回路パターン７ａおよび７ｂに接合されるが、それに先立って、図２に示すように、外部接続端子４１および４２のレーザが照射される部分に、例えばプラズマ溶射におけるプラズマＰＬを照射することでセラミック被膜１８を形成する。

プラズマ溶射により形成されたプラズマ溶射膜であるセラミック被膜１８は、耐熱性があるため、炭化珪素半導体装置が搭載された高耐熱モジュールにおいても、熱による変形などがなく、安定した被膜を得ることができる。なお、プラズマ溶射によるセラミック皮膜の形成は公知技術であり、説明は省略する。また、外部接続端子４２へのセラミック被膜１８の形成は、外部接続端子４１と同じなので図示は省略する。

セラミック被膜１８は例えばアルミナで構成されている。ここで、アルミナの線膨張係数は約７．２×１０^−６／℃、外部接続端子４１および４２の主材である銅の線膨張係数は約１６．８×１０^−６／℃であり線膨張係数に差がある。そこで、形成するアルミナ膜の厚さを数十〜百μｍにすることによって、外部接続端子４１および４２とセラミック被膜１８との線膨張係数差による熱応力を緩和し、セラミック被膜１８を形成することに起因して、外部接続端子４１および４２に歪みが生じることを抑制できる。

次に、図３に示す工程において、絶縁基板９上の回路パターン７ａおよび７ｂの外部接続端子４１および４２をレーザろう付する部分に、予め、板状の硬ろう材６をレーザで接合する。そして、硬ろう材６を用いて外部接続端子４１および４２をレーザろう付することで、絶縁基板９上の回路パターン７ａおよび７ｂと、外部接続端子４１および４２のろう付される面の両方にフィレットが形成され、良好な接合部が得られることが、発明者達の実験で確認されている。

この仕組みについて説明すると、硬ろう材６を絶縁基板９上の回路パターン７ａおよび７ｂ上でレーザを用いて溶融させることで、回路パターン７ａおよび７ｂ上にフィレットが形成される。その後、溶融して回路パターン７ａおよび７ｂ上に接合された硬ろう材６上に外部接続端子４１および４２を接触させた状態で外部接続端子４１および４２の上面にレーザを照射することで、硬ろう材６が外部接続端子４１および４２の下面に広がり、フィレットが形成される。これは、硬ろう材６が、溶融すると熱の高い方に広がるためである。なお、絶縁基板９上の回路パターン７ａおよび７ｂに硬ろう材６を予め接合しないで、板状のままで回路パターン７ａおよび７ｂ上に置き、その上に外部接続端子４１および４２を接触させた状態でレーザを照射した場合、温度の高い方、つまり外部接続端子４１および４２の方にのみフィレットが形成される。これは、絶縁基板９が３次元的（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）に高い放熱性を持っているため、すぐに硬ろう材６の温度が下がって広がらないためである。

次に、図４に示す工程において、絶縁基板９の回路パターン７ａに、電力用半導体デバイス１を接合材２を用いて接合する。電力用半導体デバイス１の下部は、パワーモジュール１００のオン、オフによる熱負荷を受けやすく、Ｓｎ（すず）系のはんだ材などでは、縦割れまたは横割れによる劣化が激しい。そのため、接合材２には、Ａｇナノ粒子またはＣｕナノ粒子を用いた焼結接合材が用いられる。

例えば、Ａｇナノ粒子を用いた焼結接合材を例に挙げると、焼結温度は２５０℃程度であるが、焼結後のＡｇ接合部の融点はＡｇの融点である約９６０℃であり、高耐熱ダイボンド材として有用である。

次に、図５に示す工程において、電力用半導体デバイス１を搭載した絶縁基板９とベース板１１とをはんだ付けした後、電力用半導体デバイス１上の上面電極と絶縁基板９の回路パターン７ｂとを接続配線３により接続する。この接続配線３は、例えばＡｌワイヤまたはＣｕワイヤであり、超音波ボンディングによって接合される。

次に、図６に示す工程において、ベース板１１にケース１２を例えばシリコーン系の接着剤１３を用いて接合する。接着剤１３は、ケース１２の下側の開口部の内側と、ベース板１１の絶縁基板９が取り付けられた側の端縁部とを接着するように塗布される。

ここで、ケース１２には外部接続端子４１および４２が取り付けられており、ベース板１１にケース１２を接合すると、外部接続端子４１および４２の端部が、ベース板１１上の所定の位置に一義的に位置決めされる。この所定の位置とは、回路パターン７ａおよび７ｂに硬ろう材６が接合された位置である。

その後、絶縁基板９の回路パターン７ａおよび７ｂ上の硬ろう材６に外部接続端子４１および４２の端部の下面を接触させた状態で、硬ろう材６の直上の外部接続端子４１および４２の上面に形成したセラミック被膜１８にレーザを照射する。

このレーザ照射は、図７に示すように、例えばファイバーレーザ・ガルバノスキャナシステム１４を用いて行う。ファイバーレーザ・ガルバノスキャナシステム１４は、２軸（Ｘ／Ｙ）または３軸（Ｘ／Ｙ／Ｚ）に取り付けたレーザ反射鏡１４１の角度をモータ１４２で制御して、レーザファイバーから出力されるレーザを任意の位置に照射できるシステムである。

レーザを照射された外部接続端子４１および４２は、硬ろう材６の融点以上まで加熱され、硬ろう材６が溶融する。レーザの照射後、硬ろう材６は凝固して接合材５となり、外部接続端子４１および４２と、絶縁基板９の回路パターン７ａおよび７ｂがそれぞれろう付される。接合材５は、回路パターン７ａおよび７ｂの上面と、外部接続端子４１および４２のろう付される下面の両方にフィレットが形成され、良好な接合部が得られる。なお、レーザの照射は、回路パターン７ａ上の外部接続端子４１、回路パターン７ｂ上の外部接続端子４２の順で行っても良いが、逆の順番で行っても良い。

ここで、外部接続端子４１および４２と絶縁基板９の回路パターン７ａ、７ｂ、７ｃには、銅が用いられる。また、銅をろう付するための硬ろう材６には、セラミック基板８と回路パターン７ｃとを接合する接合材１０の活性金属ろう材よりも融点の低いりん銅ろうが用いられる。また、りん銅ろうを用いることによって、りんがフラックスの役割を果たすため、フラックスが不要になるメリットがある。

ここで、外部接続端子４１および４２に銅を用いる場合、２つの課題がある。１つは、長期信頼性の課題である。絶縁基板９の主材となるセラミック基板８は、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムなどで構成され、セラミック基板８の上下の主面に回路パターン７ａ〜７ｃとなる銅箔を例えばろう付けで接合して絶縁基板９が構成される。

セラミック基板８の厚みは０．３〜１ｍｍ程度、銅箔の厚みは０．２５〜１ｍｍ程度が用いられ、セラミック基板８の線膨張係数はセラミックがアルミナの場合は７．２×１０^−６／℃程度、セラミックが窒化珪素の場合は３〜４×１０^−６／℃程度、外部接続端子４１および４２、回路パターン７ａおよび７ｂの銅の線膨張係数は１６．８×１０^−６／℃程度である。なお、セラミック基板８に銅箔、すなわち回路パターン７ａおよび７ｂを接合することで、セラミック基板８のみかけの線膨張係数は１０×１０^−６／℃程度となっている。

この銅箔で構成された回路パターン７ａおよび７ｂに、外部接続端子４１および４２を接合する場合、Ｃｕとセラミック基板８の線膨張係数の差が大きいためパワーモジュール１００の使用時に生じる温度変化により、接合部には大きな熱応力が生じ、接合材および端子主材に亀裂が生じて進展し、断線する可能性がある。このため外部接続端子４１および４２に屈曲部を設けるなどのストレスリリーフ構造を形成し、熱応力を下げるなどの工夫が必要となり、設計工数の増大を招くだけでなく、保証できる温度範囲、耐久サイクル数に制約を受け、長期信頼性の確保の点での課題があった。

もう１つの課題は、先に説明した溶接時のスパッタの発生である。絶縁基板９上の回路パターン７ａおよび７ｂに、外部接続端子４１および４２をレーザろう付するには、外部接続端子４１および４２の銅が溶融しないと接合できない。銅は、比較的普及している波長１μｍ程度のレーザ光に対して、固体の場合は吸収率が８％、液体になると吸収率が３０％と倍以上に高くなる性質がある。このため同じレーザ光を照射していても、被加工物が受け取るエネルギー量は、銅が溶けたか溶けなかったかで大きく変動してしまう。このため、波長１μｍ程度のレーザ光で銅を溶融させるのは困難であった。そして銅の場合、レーザ照射で温度が上がると溶融池が発生し、溶融池に更にレーザを照射するとキーホールが形成され、先に説明したメカニズムによりキーホール壁面にある液体金属（溶融池）を巻き込んで噴出するスパッタが発生する。スパッタが発生すると、パワーモジュールの内部に金属粒子が固着しているか否かを確認する必要が生じ、確認には時間がかかることは先に説明した通りである。

これに対し、本実施の形態では、図２を用いて説明したように、外部接続端子４１および４２のレーザが照射される部分に、予めセラミック被膜１８を形成している。アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムなどのセラミックは、レーザ光に対する吸収率が一定して高いという性質があるため、銅のようにレーザ光照射装置から同じエネルギーのレーザ光を照射していたとしても、被照射部が受け取るエネルギー量が数倍程度ばらつくという問題がなくなり、安定に加熱ができる。そのため、温度を任意に制御でき、セラミック被膜１８にスパッタが発生しないように温度制御しながら加熱することができるので、スパッタの発生を防止して、パワーモジュール１００の内部に金属粒子が固着することを防止できる。なお、セラミック被膜１８にアルミナを用いた場合、安価で高耐熱な被膜を形成することができる。

また、先に説明したように、形成するセラミック被膜１８の厚さを数十〜百μｍにすることによって、外部接続端子４１および４２とセラミック被膜１８との線膨張係数差による熱応力を緩和して外部接続端子４１および４２に歪みが生じることを抑制できる。また、セラミック被膜１８、外部接続端子４１および４２、接合材５および絶縁基板９の線膨張係数差が小さくできるので、パワーモジュール１００の使用時の温度変化により、外部接続端子４１および４２と、絶縁基板９の表面の回路パターン７ａおよび７ｂとの接合部に生じる熱応力が小さくなり、信頼性の高い接合部を得ることができる。

ここで、電力用半導体デバイス１として用いるＳｉＣ半導体装置は、Ｓｉ半導体装置と比較して耐熱性も高いことは先に説明した。例えば、Ｓｉ半導体装置では主電流を流した場合の表面温度の最高温度Ｔｊｍａｘは１２５℃程度であるが、ＳｉＣ半導体装置では主電流を流した場合の表面温度の最高温度Ｔｊｍａｘは２００℃以上となる。

このため、使用する絶縁基板９のセラミック基板８も、放熱性が高く絶縁性の高いＳｉＮ（窒化珪素）基板を用いるなど、熱応力、放熱性を考慮したパワーモジュール１００の設計が必要となる。

電力用半導体デバイス１としてＳｉＣ半導体装置を用いて高い温度範囲で使用した場合、外部接続端子４１および４２と絶縁基板９上の回路パターン７ａおよび７ｂには、Ｓｉ半導体装置を用いた場合よりも強い熱応力が加わる。そのため、これまで外部接続端子４１および４２と絶縁基板９上の回路パターン７ａおよび７ｂとの接合に、はんだ付けまたは超音波ボンディングを用いると熱応力に起因した接合部の劣化が発生する可能性がある。劣化を発生させないためには、設計へのフィードバックを行うなどの措置が必要となり、コストの増加を招いていた。

しかし、本実施の形態によれば、外部接続端子４１および４２のレーザが照射される部分に、予めセラミック被膜１８を形成することでスパッタの発生を防止できるので、外部接続端子４１および４２と回路パターン７ａおよび７ｂとの接合に、強固なろう付けを用いることができ、電力用半導体デバイス１としてＳｉＣ半導体装置を用いて高い温度範囲で使用した場合でも、外部接続端子４１および４２と回路パターン７ａおよび７ｂとのそれぞれの接合部に劣化が発生することを防止でき、信頼性の高い接合部を得ることができる。このため、長期信頼性を確保した半導体モジュールを得ることができる。

＜実施の形態２＞
以上説明した本発明に係る実施の形態１においては、外部接続端子４１および４２のレーザが照射される部分に、予めセラミック被膜１８を形成する構成を説明したが、外部接続端子４１および４２上にセラミック被膜１８を直接形成するのではなく、中間層を間に介して形成しても良い。

以下、図８〜図１０を用いて、本発明に係る実施の形態２のパワーモジュール２００の製造方法について説明する。まず、図８を用いて外部接続端子４１に中間層１９を形成する方法について説明する。なお、外部接続端子４２への中間層１９の形成は、外部接続端子４１と同じなので図示は省略する。

図８に示すように、外部接続端子４１および４２のレーザが照射される部分に、中間層１９を配置し、中間層１９にレーザＬＳを照射してろう付する。

中間層１９は、銅と銅の間に合金の一種であるインバーが挟まれて接合されているＣＩＣ（Ｃｕ／Ｉｎｖｅｒ／Ｃｕ）合金である。銅の厚さとインバーの厚さとの比率を変えることによって、線膨張係数を変えることができる。中間層１９にＣＩＣ合金を用いることで、外部接続端子４１およぶ４２とセラミック被膜１８とが強固に接合できる。

例えば、セラミック被膜１８がアルミナの場合の線膨張係数は約７．２×１０^−６／℃、外部接続端子４１および４２の主材である銅の線膨張係数が約１６．８×１０^−６／℃であれば、厚さ比率が１：１：１で線膨張係数が約１１×１０^−６／℃のＣＩＣ合金を選択すれば良い。レーザＬＳを照射することでＣＩＣ合金の外部接続端子４１側の銅が溶融して接合材５１となり、外部接続端子４１にろう付けされることとなる。

次に、図９に示す工程において、外部接続端子４１上に搭載した中間層１９上に、例えばプラズマ溶射を用いてセラミック被膜１８を形成する。なお、プラズマ溶射によるセラミック皮膜の形成は公知技術であり、説明は省略する。また、外部接続端子４２へのセラミック被膜１８の形成は、外部接続端子４１と同じなので図示は省略する。セラミック被膜１８は、例えばアルミナで構成されている。

以下、図３〜図５を用いて説明した工程を経て、絶縁基板９上の回路パターン７ａ、７ｂへの硬ろう材６の接合、絶縁基板９上の回路パターン７ａへの電力用半導体デバイス１の接合、および電力用半導体デバイス１上の上面電極から絶縁基板９の回路パターン７ｂへの配線接続を行うが、重複する説明は省略する。

その後、絶縁基板９の回路パターン７ａおよび７ｂ上の硬ろう材６に外部接続端子４１および４２の端部の下面を接触させた状態で、硬ろう材６の直上の外部接続端子４１および４２の上面の中間層１９上に形成したセラミック被膜１８にレーザを照射することで、パワーモジュール２００を得る。

このレーザ照射は、図１０に示すように、例えばファイバーレーザ・ガルバノスキャナシステム１４を用いて行う。ファイバーレーザ・ガルバノスキャナシステム１４の構成は、図７に示したものと同じであるので、説明は省略する。

レーザを照射された外部接続端子４１および４２は、硬ろう材６の融点以上まで加熱され、硬ろう材６が溶融する。レーザの照射後、硬ろう材６は凝固して接合材５となり、外部接続端子４１および４２と、絶縁基板９の回路パターン７ａおよび７ｂがそれぞれろう付される。接合材５は、回路パターン７ａおよび７ｂと、外部接続端子４１および４２のろう付される下面の両方にフィレットが形成され、良好な接合部が得られる。なお、レーザの照射は、回路パターン７ａ上の外部接続端子４１、回路パターン７ｂ上の外部接続端子４２の順で行っても良いが、逆の順番で行っても良い。

外部接続端子４１および４２の線膨張整数とセラミック被膜１８の線膨張係数の中間の線膨張係数を有する中間層１９を形成することによって、外部接続端子４１および４１とセラミック被膜の線膨張係数差による熱応力を更に低減できる。外部接続端子４１および４２にセラミック被膜１８を形成することによって、外部接続端子４１および４２上のセラミック被膜１８、外部接続端子４１および４２、接合材５、絶縁基板９の線膨張係数が見かけ上同じとなり、信頼性の高い接合部を得ることができる。このため、長期信頼性を確保した半導体モジュールを得ることができる。

＜実施の形態３＞
本実施の形態は、上述した実施の形態１および２の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。実施の形態１および２に係るパワーモジュールの適用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３として、三相のインバータに実施の形態１および２に係るパワーモジュールを適用した場合について説明する。

図１１は、本実施の形態に係るパワーモジュール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１０００、電力変換装置２０００、負荷３０００で構成される。電源１０００は、直流電源であり、電力変換装置２０００に直流電力を供給する。電源１０００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およびＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしても良い。また、電源１０００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良い。

電力変換装置２０００は、電源１０００と負荷３０００の間に接続された三相のインバータであり、電源１０００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３０００に交流電力を供給する。電力変換装置２０００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２０２とを備えている。

負荷３０００は、電力変換装置２０００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３０００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２０００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチングデバイスと還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチングデバイスがスイッチングすることによって、電源１０００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３０００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つのスイッチングデバイスとそれぞれのスイッチングデバイスに逆並列された６つの還流ダイオードで構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチングデバイスおよび各還流ダイオードは、例えば、上述した実施の形態１に相当するパワーモジュール１００によって構成する。６つのスイッチングデバイスは２つのスイッチングデバイス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３０００に接続される。

また、主変換回路２０１は、各スイッチングデバイス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１００に内蔵されていても良いし、パワーモジュール１００とは別に駆動回路を備える構成であっても良い。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチングデバイスを駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチングデバイスの制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０２からの制御信号に従い、スイッチングデバイスをオン状態にする駆動信号とスイッチングデバイスをオフ状態にする駆動信号とを各スイッチングデバイスの制御電極に出力する。スイッチングデバイスをオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチングデバイスの閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチングデバイスをオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチングデバイスの閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。

制御回路２０２は、負荷３０００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチングデバイスを制御する。具体的には、負荷３０００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチングデバイス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デバイス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デバイスにはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチングデバイス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、各スイッチングデバイスの制御電極にオン信号また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のスイッチングデバイスと還流ダイオードとして実施の形態１および２に係るパワーモジュール１００および２００を適用するため、長期信頼性を確保した半導体モジュールを得ることができる。

本実施の形態では、２レベルの三相インバータに実施の形態１および２に係るパワーモジュールを適用する例を説明したが、実施の形態１および２に係るパワーモジュールの適用は、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コンバータに実施の形態１および２に係るパワーモジュールを適用することも可能である。

また、実施の形態１および２に係るパワーモジュール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、放電加工機およびレーザ加工機、または誘導加熱調理器および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、更に太陽光発電システムおよび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、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 電力用半導体デバイス、２ 接合材、３ 接続配線、４１，４２ 外部接続端子、７ａ，７ｂ 回路パターン、８ セラミック基板、９ 絶縁基板、１８ セラミック被膜、１９ 中間層、１００，２００ パワーモジュール。

Claims (10)

1. セラミック基板上に回路パターンを有する絶縁基板と、
   前記絶縁基板における前記回路パターン上に実装された電力用半導体装置と、
   前記回路パターン上に接合され、前記電力用半導体装置の主電流を外部に出力する外部接続端子と、を備え、
   前記外部接続端子は、
   前記回路パターンに接合される端部において、前記回路パターンとは反対側の面にセラミック被膜を有し、
   前記回路パターンと前記外部接続端子との接合部は、硬ろう材によってレーザろう付されている、パワーモジュール。
2. 前記セラミック被膜は、アルミナ、窒化珪素および窒化アルミニウムの何れかで構成される、請求項１記載のパワーモジュール。
3. 前記セラミック被膜は、プラズマ溶射膜で構成される、請求項２記載のパワーモジュール。
4. 前記セラミック被膜の厚さは、数十〜百μｍである、請求項１記載のパワーモジュール。
5. 前記外部接続端子と前記セラミック被膜の間に設けられた中間層を更に有し、
   前記中間層は、
   前記外部接続端子の線膨張係数と前記セラミック被膜の線膨張係数の中間の線膨張係数を有する、請求項１記載のパワーモジュール。
6. 前記中間層は、ＣＩＣ（Ｃｕ／Ｉｎｖｅｒ／Ｃｕ）合金で構成される、請求項５記載のパワーモジュール。
7. 請求項１記載のパワーモジュールの製造方法であって、
   （ａ）前記外部接続端子の前記回路パターンに接合される端部において、前記回路パターンとは反対側の面にプラズマ溶射で前記セラミック被膜を形成する工程と、
   （ｂ）前記回路パターンの前記外部接続端子が接合される部分に、板状の硬ろう材を搭載し、前記板状の硬ろう材にレーザを照射して、前記回路パターンに前記板状の硬ろう材を接合する工程と、
   （ｃ）前記回路パターンに接合された前記板状の硬ろう材上に、前記セラミック被膜が形成された前記外部接続端子を、前記セラミック被膜の形成面とは反対側の面が接するように配置し、前記セラミック被膜にレーザを照射して、前記外部接続端子と前記回路パターンとをレーザろう付する工程、とを備える、パワーモジュールの製造方法。
8. 請求項５記載のパワーモジュールの製造方法であって、
   （ａ）前記外部接続端子の前記回路パターンに接合される端部において、前記回路パターンとは反対側の面に前記中間層を搭載し、前記中間層にレーザを照射して、前記外部接続端子に前記中間層を接合する工程と、
   （ｂ）前記外部接続端子に接合された前記中間層にプラズマ溶射で前記セラミック被膜を形成する工程と、
   （ｃ）前記回路パターンの前記外部接続端子が接合される部分に、板状の硬ろう材を搭載し、前記板状の硬ろう材にレーザを照射して、前記回路パターンに前記板状の硬ろう材を接合する工程と、
   （ｄ）前記回路パターンに接合された前記板状の硬ろう材上に、前記中間層および前記セラミック被膜が形成された前記外部接続端子を、前記中間層および前記セラミック被膜の形成面とは反対側の面が接するように配置し、前記セラミック被膜にレーザを照射して、前記外部接続端子と前記回路パターンとをレーザろう付する工程、とを備える、パワーモジュールの製造方法。
9. 前記中間層は、ＣＩＣ（Ｃｕ／Ｉｎｖｅｒ／Ｃｕ）合金で構成される、請求項８記載のパワーモジュールの製造方法。
10. 請求項１記載のパワーモジュールを有し、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。

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