JP2023140056A - パワー半導体スイッチングモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】パワー半導体スイッチングモジュールの小型化及びコスト低減を図る。【解決手段】ユニットセルＵｉｊにより構成される熱回路は、発熱源からチップ金属導体Ｂｉｊの下面に至る熱抵抗から構成される第１熱流路と、第１熱流路からパワー半導体ＳＷチップＳｉｊ、ダイアタッチＤｉｊ及びチップ金属導体Ｂｉｊの各々の表面において分岐して各表面側の大気に至る熱容量から構成される第２熱流路とを含む。ｍｓレンジの単パルス通電時のパワー半導体ＳＷチップＳｉｊの発熱に対して、熱回路の熱インピーダンスは、第１熱流路及び第２熱流路の熱回路全体を介する放熱によりパワー半導体ＳＷチップＳｉｊを定格温度以下に保持できるように設定されている。【選択図】図３

Description

本発明は、複数のパワー半導体ＳＷチップを実装するパワー半導体スイッチングモジュールに関する。

以下、簡単に表記するため、１ｍｓ以上、数１０ｍｓ（ミリ秒）未満の時間レンジを「ｍｓレンジ」と称し、パワー半導体スイッチモジュールを「ＰＳＭ」、スイッチを「ＳＷ」と適宜略記することにする。

単パルス通電ＰＳＭとは、常時は遮断状態であるが、ある時（たとえば異常時など）ｍｓレンジの極めて短い期間だけ通電状態にする機能と目的を備えたＰＳＭを指す。単パルスＰＳＭの典型的な用途としては、機械ＳＷ部と半導体ＳＷ部とから構成されるハイブリッド大電力直流遮断器の半導体ＳＷ部主回路（非特許文献１）が挙げられる。単パルスＰＳＭは、大電力に限らず、中小電力の単パルス通電においても、また、さらには、直流電力だけでなく交流電力の短時間通電においても、適用可能である。

本発明のパワー半導体スイッチングモジュールは、上記単パルス通電ＰＳＭの他に、単パルス通電と非単パルス通電とを兼用するパワー半導体スイッチングモジュールも含む。

一般に現在のＰＳＭには、過去から踏襲されてきた非単パルス通電型でオンオフ通電型のパワー半導体スイッチングモジュール（例：特許文献１）が用いられている。

従来の単パルスＰＳＭの構成を概略的に説明すると、絶縁基板の上面に載置接合させた薄いチップ金属導体の上に、所定のパワー半導体ＳＷチップ（パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ、ダイオードなど）をはんだなどのダイアタッチで接合してなるパワー半導体ＳＷユニットセルを、１枚の金属ベース板の上に並べ、必要な電流容量を満たす数だけ並列接続し、必要な耐圧を満たす数だけ直列接続した構成をしている。

前記パワー半導体ＳＷユニットセルの並列接続は、通常、チップ金属導体を共通とすることによって達成する。一方、直列接続は、隣接する高電位側ユニットの半導体上部電極と低電位側ユニットのチップ金属導体をボンディングワイヤなどのインターコネクトで接続して達成する。

特開２００６－２１６７３０号

松本 寿彰，飯尾 直隆，"大容量直流遮断器（ＤＣＣＢ）" 電気学会誌、１３７巻１１号、（２０１７年）、ｐｐ．７５７－７６０

パワー半導体ＳＷユニットセルの絶縁基板を共通（一体）にして、一枚の絶縁基板上に各チップ金属導体を配置した構成が一般的である。この場合は、金属ベース板を省略することもできる。絶縁基板の厚さは当該ＰＳＭが制御する電圧の高さや電流の大きさ、スイッチングで起こるサージ電圧の強度、機械的強度、あるいは放熱性を考慮して決められる。一般に取り扱う電力が大きくなるほど、絶縁基板の肉厚は厚くなって行く。

本発明は、小型化及びコスト低減を図ることのできるパワー半導体スイッチングモジュールを提供することを目的とする。

本発明は、
絶縁基板と、
前記絶縁基板の上面側に積層されているチップ金属導体と、
複数のパワー半導体ＳＷチップと、
前記チップ金属導体と各パワー半導体ＳＷチップと間に介在するダイアタッチと、
を備えるパワー半導体スイッチングモジュールであって、
各パワー半導体ＳＷチップと、該パワー半導体ＳＷチップの下面側のダイアタッチと、該ダイアタッチの下側の前記チップ金属導体とが、各パワー半導体ＳＷチップの発熱源の発熱を大気に放出する熱回路を構成し、
各熱回路は、各発熱源から前記チップ金属導体の下面に至る熱抵抗から構成される第１熱流路と、該第１熱流路から前記パワー半導体ＳＷチップ、前記ダイアタッチ及び前記チップ金属導体の各々の表面において分岐して各表面側の大気に至る熱容量から構成される第２熱流路とを含み、
所定のｍｓレンジの単パルス通電時の前記パワー半導体ＳＷチップの発熱に対して、
前記熱回路の過渡熱インピーダンスは、前記第１熱流路のみを介する放熱が前記パワー半導体ＳＷチップを最大定格温度以下に保持できるかできないかに関係なく、前記第１熱流路及び前記第２熱流路の前記熱回路全体を介する放熱により前記パワー半導体ＳＷチップを前記最大定格温度以下に保持するように設定されている。

本発明によれば、パワー半導体スイッチングモジュールは、ｍｓレンジで通電されるときのパワー半導体ＳＷチップの発熱に対して過渡熱インピーダンスに注視した熱回路に基づく構成とされるので、パワー半導体スイッチングモジュールの小型化及びコスト低下を図ることができる。

本発明に係る単パルス通電パワー半導体スイッチモジュール（短パルスＰＳＭ）の平面図である。 図１の短パルスＰＳＭの回路表記図である。 図１の短パルスＰＳＭの任意のパワー半導体ＳＷユニットセル（ユニットセル）Ｕ_ｉｊの垂直断面図である。 ユニットセルＵ_2,2の模式的な熱回路図である。 実施例１のＰＳＭ及びＰＳＭ比較例１－１，１－２のユニットセルの縦横の寸法をまとめて示す図である。 実施例１及び比較例１－１，１－２で用いる各部位材料の熱物性定数を示す表である。 図６の表の数値を拡張１次元熱伝導モデルに与えて求めた各部位の定常熱容量Ｃ_ｎと定常熱抵抗Ｒ_ｎの値とを示す表である。 図７の表内の値を図４の熱回路モデルに代入して数値計算を行い、ｍｓレンジの過渡熱インピーダンス特性Ｚ_ｊ－ｃ（ｔ）を模擬した結果のグラフである。 ｔ_ＳｉＣの関数としてＺ_ｊ－ｃ（１ｍｓ）とＺ_ｊ－ｃ（１０ｍｓ）をプロットしたグラフである。 １ｍｓと１０ｍｓの過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃとｔ_ＤＡとの関係をプロットしたグラフである。 １ｍｓと１０ｍｓの過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃとチップ金属導体（Ｃｕ）Ｂ_ｉｊの厚みｔ_Ｃｕの関係を示すグラフである。 １ｍｓと１０ｍｓの過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃとチップ金属導体（Ｃｕ）Ｂ_ｉｊの外縁増分はΔｌ_Ｃｕの関係を示すグラフである。 実施例２と比較例２のｍｓレンジ過渡熱インピーダンス特性Ｚ_ｊ－ｃ（ｔ）を示すグラフである。 実施例３と比較例３のｍｓレンジ過渡熱インピーダンス特性Ｚ_ｊ－ｃ（ｔ）を示すグラフである。 実施例４と比較例４のｍｓレンジ過渡熱インピーダンス特性Ｚ_ｊ－ｃ（ｔ）を示すグラフである。 実施例５と比較例５のｍｓレンジ過渡熱インピーダンス特性Ｚ_ｊ－ｃ（ｔ）を示すグラフである。 図１の短パルスＰＳＭを装備する直流遮断器の適用例としての直流給電システムの模式図である。 本発明の課題抽出の基になった単パルスＰＳＭのパワー半導体ＳＷユニットセルＵ’の断面図である。 本発明者が、図１８の単パルス通電ＰＳＭ（比較例１－１）について実施した過渡熱解析の結果のグラフである。

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明は、実施形態に限定されないことは言うまでもない。なお、複数の実施形態間で共通する構成要素については、全図を通して同一の符号を使用する。

（課題の創出）
最初に、本発明の課題の抽出について説明する。図１８は、本発明の課題抽出の基になった単パルスＰＳＭのパワー半導体ＳＷユニットセルＵ’の断面図である。

このパワー半導体ＳＷユニットセルＵ’は、耐圧７ｋＶ以上、電流容量３５０Ａ級標準ＰＳＭを用いられることを想定している。また、パワー半導体ＳＷユニットセルＵ’を４並列×１０直列に並べて（具体的な並びパターンについては、図１で後述。）ＰＳＭを構成した例を想定している。

Ｓ’は定格１２００Ｖ、９０Ａ以上のパワー半導体ＳＷとしてのＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴ（厚み０．３５ｍｍ）チップ、Ｂ’は純銅からなるチップ金属導体、Ｄ’は錫－銀－銅系はんだダイアタッチ（たとえばＳＡＣ３０５、厚み０．１ｍｍ）、２’はアルミナ絶縁基板（厚み５ｍｍ）、Ｍ’は前記チップ金属導体Ｂ’とアルミナ絶縁基板２’を熱的機械的の接合する伝熱接合材、たとえば、シリコーン系熱伝導シート（厚み０．１ｍｍ）である。

すべてのパワー半導体ＳＷチップに付属ドライブ回路から出力ゲート信号（電圧）を同時に与えるとＰＳＭは通電状態になり、出力ゲート信号（電圧）を取り除くとＰＳＭは遮断状態になる。

周知のように、非単パルス型のＰＳＭにあっては、内部に搭載されたすべてのパワー半導体ＳＷチップを最大定格温度Ｔ_ｊＭＡＸを超えて使用しないという制限のもとに、パワー半導体ＳＷチップ数とＰＳＭのサイズ（面積）を抑える努力が重要視される。ＰＳＭの駆動性と商品力（コストパーフォーマンス）を高めるためである。このため、稼働時にパワー半導体ＳＷ１チップ当たりに流せる電流（＝チップ電流定格）を高めることへの要求が強い。この要求は単パルスＰＳＭでも同様である。

これに確実に応える方策は、パワー半導体ＳＷチップで発生したジュール熱を効率よくパワー半導体ＳＷユニットセル外部（＝モジュール外部）に放熱する構造を構築することである。具体的には、パワー半導体ＳＷユニットセルのパワー半導体ＳＷチップの表面からユニットセル（絶縁基板又は金属ベース板）の裏面に至る放熱経路にある要素部材の定常熱抵抗の総和Ｒ_ｊ－ｃを効果的に削減することである。

モジュール定常熱抵抗Ｒ_ｊ－ｃを占める主たる成分はチップ金属導体と絶縁基板と金属ベース板と、これら３要素部材を接合する接合材であるから、これら材料の熱伝導度と厚みを如何に低減するかが、従来の非単パルス型のＰＳＭ（＝標準ＰＳＭ）熱設計の主要関心事であった。

ｍｓレンジ単パルス電力通電用途のＰＳＭにおいても、伝統的にモジュール定常熱抵抗Ｒ_ｊ－ｃが放熱性の重要な指標だとみなされ、それゆえに、Ｒ_ｊ－ｃを低くするための熱設計がなされてきた。これは、Ｒ_ｊ－ｃを低くすればｍｓレンジの過渡熱インピーダンス（本明細書では、インピーダンスとは、抵抗とリアクタンスとの両方を含んだ概念とする。）Ｚ_ｊ－ｃ（ｔ）も相似的に低減されると認識されていたことを意味する。なお、以下単に「過渡熱インピーダンス」と言えばユニットセルの裏面から眺めたパワー半導体ＳＷチップ表面の過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃを指すものとする。

本発明者は、鋭意考察を重ねたところ、このような従来の熱設計思想に基づいた単パルス通電ＰＳＭにあっては、
（１）ｍｓレンジの過渡熱インピーダンスの低減が不十分である、
（２）チップ電流密度が上げられない、
（３）上記１、２の結果として、ＰＳＭの小型化、低価格が達成できない、
という問題（課題）があることを創出した。

図１９は、本発明者が、図１８の単パルス通電ＰＳＭ（比較例１－１）について実施した過渡熱解析の結果である。このグラフは、比較例１－１の過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃと、同セルのパワー半導体ＳＷチップ／ダイアタッチ（Ｓ_ｉｊ／Ｄ_ｉｊ）界面の過渡熱インピーダンスＺ_ｄ－ｃと、ダイアタッチ／チップ金属導体（Ｄ_ｉｊ／Ｍ_ｉｊ）界面の過渡熱インピーダンスＺ_ｄ－ｃの時間変化を示している。

なお、図１９を含む各図のグラフの縦軸のインピーダンス（＝抵抗＋リアクタンス）とは、注目する結節点の環境温度に対する温度差の変化をパワー半導体ＳＷチップのジュール発熱Ｐ_Ｄ（一定、単位Ｗ）で除した評価量（後述する（式１）参照）のことで、単位はＫ／Ｗである。

本発明者は、この解析結果から、ＰＳＭユニットセルの過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃは、１）１ｍｓ～５ｍｓ付近までの時間レンジでは、パワー半導体ＳＷチップの熱インピーダンスとダイアタッチの熱インピーダンスが主成分であること、２）＞５ｍｓになると、これらにチップ金属導体の熱インピーダンス成分が加わってくること、を洞察するとともに、ｍｓレンジの過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃを縮減するには、まず、パワー半導体ＳＷチップとダイアタッチの熱インピーダンス成分を縮減し、つづいて、チップ金属導体の熱インピーダンス成分を縮減することが有効であることに気付いた。

本発明は、本発明者等がかように着想し、鋭意努力を続けてなされた発明である。

（実施形態）
図１は本発明に係る単パルス通電パワー半導体スイッチモジュール（短パルスＰＳＭ）１の平面図、図２は同短パルスＰＳＭ１の回路表記図、図３は同短パルスＰＳＭ１の任意のパワー半導体ＳＷユニットセル（以下単に「ユニットセル」と略称）Ｕ_ｉｊの垂直断面図である。「Ｕ_ｉｊ」において、添え字ｉ、ｊは、図１及び図２のユニットセルの番地（ｉ行、ｊ列）を意味している。なお、ユニットセル以外の部位の符号に付く添え字ｉ、ｊが意味するところも以下同様である。

図１及び図２の本発明短パルスＰＳＭ１は、ユニットセルＵ_ｉｊを７直列×４並列に接続した例を示しているが、この直並列数は飽くまで説明便宜上の一例であって、ユニットセル数が２以上であれば、どのような並列数×直列数の組合せでもよい。

ユニットセルＵ_ｉｊの基本構造は原則みな同じである。ただし、本発明においては、異種のパワー半導体スイッチを混在させて構成する変形も可能である。このような場合、異種パワー半導体スイッチユニットセルの構成は異なることになる。現実的によく起こるケースはパワートランジスタと逆並列にパワーダイオードを置く場合である。このような場合は、たとえば、偶数ｉ行のユニットセルＵ_ｉｊのパワー半導体スイッチをパワートランジスタとし、奇数ｉ行のユニットセルＵ_ｉｊのパワー半導体スイッチをパワーダイオードとする。

構造の詳細な説明に移ると、Ｓ_ｉｊは薄いパワー半導体ＳＷチップであり、薄いダイアタッチＤ_ｉｊを介して、厚いチップ金属導体Ｂ_ｉｊの上に接合されている。列番号ｊを同じくするチップ金属導体Ｂ_ｉｊは、同じ列のパワー半導体ＳＷチップＳ_ｉｊを並列接続するために、実際には図１に示すように、一体化されている。チップ金属導体Ｂ_ｉｊは伝熱接合材Ｍ_ｉｊを介して共通の絶縁基板２の上に接合されている。

Ｂ_Ｐは主回路のＰ端子（非表示）を取り付けるためのＰ端子金属導体、Ｂ_Ｎは主回路のＮ端子（非表示）を取り付けるためのＮ端子金属導体、各Ｂ_ＧｊとＢ_Ｓｊはｊ行ユニットセルのパワー半導体ＳＷチップＳ_ｉｊのターンオン／ターンオフを制御する信号線の入力端子（非表示）を取り付けるための制御端子金属導体である。Ｐ端子金属導体Ｂ_Ｐ、Ｎ端子金属導体Ｂ_Ｎ、制御端子金属導体Ｂ_Ｇｊ、Ｂ_Ｓｊはチップ金属導体Ｂ_ｉｊと同様に、伝熱接合材（非表示）を介して共通の絶縁基板２の上に接合されている

Ｉ_ｉｊはパワー半導体ＳＷチップＳ_ｉｊとこれに図上、右隣接するＳ_{ｉ（ｊ＋１）}を直列に接続するための主回路インターコネクト（図１は太線Ａｌボンディングワイヤーとして描画）であって、Ｓ_ｉｊの上面電極と右隣接ユニットセルのチップ金属導体Ｂ_{ｉ（ｊ＋１）}を接続している。Ｉ_Ｐｊは前記Ｐ端子金属導体Ｂ_Ｐと右隣接する第１列チップ金属導体Ｂ_ｉ１を接続する主回路インターコネクト（図１は太線Ａｌボンディングワイヤーとして描画）である。Ｉ_ＧｊとＩ_Ｓｊはｊ列に配設されたチップ金属導体Ｂ_ｉｊの一対の制御信号電極（ゲート電極やケルビンソース電極など）を結ぶ信号線インターコネクトで、たとえば、細線Ａｌボンディングワイヤーである。

何かの意図があって、絶縁基板２を分割した態様の単パルスＰＳＭを構成したい場合は、特許文献１のように、共通のベース金属基板を用意して、これの表面に分割した複数の絶縁基板２を載置する構成とすることができる。

図１～図３に示した実施形態に係る単パルスＰＳＭは、ｍｓレンジの過渡熱インピーダンスに注視して、これを効果的に削減する適正化がなされていることを特徴としている。従来の単パルスＰＳＭと比べると、この適正化はパワー半導体ＳＷチップＳ_ｉｊとダイアタッチＤ_ｉｊとチップ金属導体Ｂ_ｉｊの属性において、顕著な相違となって現れてくる。

前記パワー半導体ＳＷチップＳ_ｉｊはＳｉＣやＧａＮ、Ｓｉなどの任意の半導体である。たとえば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの低抵抗パワートランジスタ、あるいは、ｐｎダイオード、ショットキーダイオードなどの低抵抗パワーダイオードとすることができる。

ＰＳＭユニットセルのｍｓレンジ過渡熱インピーダンスを低減するために、パワー半導体ＳＷチップＳ_ｉｊの厚みはパワー半導体ＳＷ有効デバイス層厚を下限として、厚くても０．２５ｍｍ以下、好ましくは０．２ｍｍ以下の可能な限り薄い値であることが望ましい。

周知のように、パワー半導体ＳＷは半導体基板の表層に形成されている。前記有効デバイス層厚とはこのパワー半導体ＳＷ層の厚みを指している。パワー半導体ＳＷチップの厚みが有効デバイス層厚に近づいてくると、パワー半導体ＳＷはＳＷとして機能できなくなるから、厚みはこれより厚くなければならない。有効デバイス層厚は、エネルギーバンドギャップ（又は真性降伏電界）が小さい半導体材料ほど厚くなる傾向があることが知られている。

次に、前記ダイアタッチＤ_ｉｊには、低抵抗率が保証されている接合材、たとえば、はんだ（Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系、Ｐｂ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ａｕ系はんだ）、焼結Ａｇペースト、焼結Ｃｕペーストを用いることができる。ただ、これらに限るものではなく、その他の低抵抗率材料を用いてもよい。

ｍｓレンジ過渡熱インピーダンスの低減を達成するため、実施形態においては、ダイアタッチＤ_ｉｊの厚みは０．０７ｍｍ以下、望ましくは０．０５ｍｍ以下の可能な限り薄い値であることが望ましい。厚みの実際的な下限は接合技術の工業的安定性とコストで決まる。

次に、前記チップ金属導体Ｂ_ｉｊには、低抵抗と良熱伝導を呈する卑金属材料を用いることができる。これに該当する材料として、Ｃｕ又はＡｌが挙げられるが、ほかの卑金属材料でもよい。前記ダイアタッチＤ_ｉｊとの接合を良好にするために、チップ金属導体の表面をＮｉやＡｕ、Ａｇ、Ｐｔでめっきしてもよい。

ＰＳＭ（ユニットセル）のｍｓレンジ過渡熱インピーダンスを低減するために、本実施形態においては、チップ金属導体Ｂ_ｉｊの厚みは少なくとも０．８ｍｍ以上、５ｍｍ以下の範囲が望ましく、１．５ｍｍ以上で、３ｍｍ以下の範囲がより好ましい。

さらに、ｍｓレンジ過渡熱インピーダンスを低減するために、チップ金属導体Ｂ_ｉｊの外縁はパワー半導体ＳＷチップＳ_ｉｊの外縁より増分Δｌ＝１．１ｍｍ～５．１ｍｍの範囲で大きくすることが望ましく、Δｌ＝２．１ｍｍ～４．１ｍｍだけ大きくすることがより好ましい。なお、パワー半導体ＳＷチップＳ_ｉｊの縦、横の長さをａ、ｂとするとき、チップ金属導体Ｂ_ｉｊの縦長はａ＋２Δｌ、横長はｂ＋２Δｌである。

前記伝熱接合材Ｍ_ｉｊには通常の伝熱性を有するものであるなら大きな制約はなく、従来の伝熱接合材の中から比較的自由に選定することができる。これに該当するものとしては、シリコーン系熱伝導シートや、はんだ（Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系、Ｐｂ系、Ｓｎ－Ｃｕ系）が挙げられる。伝熱接合材にはんだを用いる場合には、前提として絶縁基板２の表面はメタライスされているものとする。伝熱接合材の厚みについては特に強い要求はなく、たとえば０．１ｍｍ～０．３ｍｍでよい。

前記絶縁基板２には、従来の単パルスＰＳＭと同様に、対地絶縁破壊強度や機械的強度を考慮して従来のＰＳＭと同じ仕様の絶縁基板を選定することができる。たとえば、安価な材料であるアルミナ製の絶縁基板を用いることができる。本発明単パルスＰＳＭにおいては、アルミナ絶縁基板に比べて熱伝導度が高い窒化ケイ素基板や窒化アルミニウム基板（いずれも相対的に高価）を敢えて採用する必要もない。

以下、従来の単パルスＰＳＭに対する本発明実施の形態の単パルスＰＳＭの効果を確認するために、いくつかの具体例を挙げながら、従来の単パルスＰＳＭ（比較）と本発明単パルスＰＳＭのｍｓレンジの過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃを比較することにする。比較を実現するため、ここでは、熱拡がりを考慮した拡張１次元熱伝導モデルとラダー熱回路モデルを適用して過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃ特性を模擬することにする。

熱拡がりについて一般的な説明を追加する。ユニットセルＵ_ｉｊのような積層構造の熱回路において、熱流方向に相互に隣接する上流側の層体Ｌａ及び下流側の層体Ｌｂとし、層体Ｌａ，Ｌｂの熱伝導率をそれぞれＫａ，Ｋｂとし、層体Ｌａは上面で層体Ｌａより小面積の面状発熱面Ｌ_０と接しているものとする。面状発熱面Ｌ_０から層体Ｌａに伝わった熱は、層体Ｌａにおいて径方向に拡がる。層体Ｌａ表面の当該熱の熱拡がり角をαとすると、α＝ｔａｎ^-1（Ｋａ／Ｋｂ）で計算される。なお、面状発熱面Ｌ_０，層体Ｌａの熱接合面に対して垂直方向の熱拡がり角がα＝０°であり、接合面に平行な方向（径方向）の熱拡がり角がα＝９０°である。

熱拡がり角αが小さく、層体Ｌａの厚さが比較的薄いか径方向寸法が面状発熱面Ｌ_０より層体Ｌａの方が十分に大きいときは、面状発熱面Ｌ_０から層体Ｌａに伝わった熱は、熱拡がりを持続しながら層体Ｌａより下の層体Ｌｂへ進む。これに対し、熱拡がり角αが大きく、層体Ｌａの厚さが比較的厚いか径方向寸法が層体Ｌａにおいて面状発熱面Ｌ_０より十分に大きくなっていないときは、面状発熱面Ｌ_０から層体Ｌａに伝わった熱は、所定の深さで層体Ｌａの側面の表面に達して、それ以下の深さでは熱拡がりが起こらずに層体Ｌｂに向かって伝熱する。

各層体の内部の伝熱は、各層体における後述の定常熱抵抗Ｒ_ｎにより規定される。各層体の熱の蓄熱量は、各層体における後述の定常熱容量Ｃ_ｎにより規定される。

以上を踏まえて、ユニットセルＵ_ｉｊの過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃの計算方法を説明する。まず、パワー半導体ＳＷユニットセルの各層（即ち、パワー半導体ＳＷチップとダイアタッチ、チップ金属導体、伝熱接合材、絶縁基板）の熱物性定数と寸法を拡張１次元熱伝導モデルに与え、各層毎の定常熱容量Ｃ_ｎ（単位：Ｊ／Ｋ）と定常熱抵抗Ｒ_ｎ（単位Ｋ／Ｗ）を決定する。ここで添え字の「ｎ」は層番号を表し、パワー半導体ＳＷチップが第１層、次のダイアタッチが第２層、以下順にチップ金属導体が第３層、伝熱接合材が第４層、絶縁基板が第５層である。

こうして各層の定常熱容量Ｃ_ｎと定常熱抵抗Ｒ_ｎが求まったところで、これを図４のようなラダー熱回路モデルの各変数に代入する。

図４は、ユニットセルＵ_2,2の模式的な熱回路図である。パワー半導体ＳＷチップＳ_2,2と、ダイアタッチＤ_2,2と、チップ金属導体Ｂ_2,2と、伝熱接合材Ｍ_ｉｊと、絶縁基板２とは、パワー半導体ＳＷチップＳ_2,2の発熱源１０の発熱を大気に放出する熱回路１２を構成する。熱回路１２は、第１熱流路１５と第２熱流路１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅとを含む。

第１熱流路１５は、熱抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５の直列接続から構成される。熱抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５は、それぞれパワー半導体ＳＷチップＳ_2,2、ダイアタッチＤ_2,2、チップ金属導体Ｂ_2,2、伝熱接合材Ｍ_ｉｊ、及び絶縁基板２の熱抵抗である。第２熱流路１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅは、それぞれパワー半導体ＳＷチップＳ_2,2、ダイアタッチＤ_2,2、チップ金属導体Ｂ_2,2、伝熱接合材Ｍ_ｉｊ、及び絶縁基板２の各々の表面において第１熱流路１５から分岐して、各表面側の大気に至る熱容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５を有する。

図４において、電気回路のアース線に相当するアース熱流路２０は、ユニットセルＵ_2,2が大気に露出している表面に相当し、大気温度にある。熱容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５は、それぞれパワー半導体ＳＷチップＳ_2,2、ダイアタッチＤ_2,2、チップ金属導体Ｂ_2,2、伝熱接合材Ｍ_ｉｊ、及び絶縁基板２の熱容量である。

所定のｍｓレンジ（例：１ｍｓ～４０ｍｓのレンジ）の単パルス通電時のパワー半導体ＳＷチップＳ_2,2の発熱に対して、熱回路１２の熱インピーダンスＺ_2,2は、第１熱流路１５のみを介する放熱がパワー半導体ＳＷチップＳ_2,2を最大定格温度以下に保持できるかできないかに関係なく、第１熱流路１５及び第２熱流路１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅの熱回路１２全体を介する放熱によりパワー半導体ＳＷチップＳ_2,2を当該最大定格温度以下に保持するように設定されている。

なお、最大定格温度Ｔ_ｊＭＡＸは、Ｓｉ－ＩＧＢＴで７５～１２５℃、ＳｉＣやＧａＮで１２５℃～１７５℃である。また、熱インピーダンスＺ_2,2は、発熱源１０の温度と大気温度との間に接続されている熱抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５と熱容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５とから算出される。

図４の熱回路１２において、パワー半導体ＳＷチップＳ_2,2の表面を時間ゼロから定電力Ｐ_Ｄ（単位：Ｗ）で発熱させたときのパワー半導体ＳＷチップＳ_2,2の表面温度Ｔ_ｊのステップ応答Ｔ_ｊ（ｔ）を計算で求める。任意の時間ｔのＴ_ｊとＺ_ｊ－ｃとパワー半導体ＳＷチップのジュール発熱Ｐ_Ｄ（一定、単位Ｗ）の間には、次の（式１）の関係がある。したがって、Ｔ_ｊ（ｔ）曲線の各点をＰ_Ｄで除すと過渡熱インピーダンス特性Ｚ_ｊ－ｃ（ｔ）が得られる。
Ｔ_ｊ（ｔ）＝Ｚ_ｊ－ｃ（ｔ）×Ｐ_Ｄ・・・・（式１）

実施例１はユニットセルＵ_ｉｊのパワー半導体ＳＷチップＳ_ｉｊとして、ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴ（チップサイズ４．８×４．８ｍｍ^２）を搭載した単パルスＰＳＭの例である。ダイアタッチＤ_ｉｊはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系ＳＡＣ３０４はんだ、チップ金属導体Ｂ_ｉｊは純Ｃｕ、伝熱接合材Ｍ_ｉｊはシリコーン系熱伝導シート、絶縁基板２はアルミナ板である。この材料構成は比較のための比較例１－１，１－２も同じである。

Ｓ_ｉｊの厚みは０．１５ｍｍ、Ｄ_ｉｊの厚みは０．０２ｍｍ、Ｂ_ｉｊの厚みは３ｍｍとした。また、同様に本発明の記述に則って、Ｂ_ｉｊの一辺の長さは１３．５ｍｍ（Δｌ＝４．１ｍｍ）とした。一方、市場流布単パルスＰＳＭを考慮して、比較例１－１，１－２のＳ_ｉｊ’の厚みは０．３５ｍｍ、Ｄ_ｉｊ’の厚みは０．１ｍｍ、Ｂ_ｉｊ’の厚みは０．３ｍｍとした。Ｂ_ｉｊ’の一辺の長さは、Ｂ_ｉｊと同じ１３．５ｍｍ（Δｌ＝４．１ｍｍ）とした。

伝熱接合材Ｍ_ｉｊと絶縁基板２の寸法は実施例１及び比較例１－１とで統一し、伝熱接合材Ｍ_ｉｊの厚みは０．１ｍｍ、一辺は１３．５ｍｍ、絶縁基板２の厚みは５ｍｍ、一辺は１４．８ｍｍであった。比較例１－２は、従来の熱設計法に則して定常熱抵抗Ｒ_ｊ－ｃを下げるため、絶縁基板２の厚みを比較例１－１より薄くして３ｍｍとした。これ以外の値は比較例１－１と同じである。

図５は実施例１のＰＳＭ及びＰＳＭ比較例１－１，１－２のユニットセルの縦横の寸法をまとめて示している。ａはパワー半導体チップＳ_ｉｊ（及びＳ_ｉｊ’）の一辺の長さ、ここではａ＝４．８ｍｍ、ΔｌはＳ_ｉｊ（及びＳ_ｉｊ’）の外縁とチップ金属導体Ｂ_ｉｊ（及びＢ_ｉｊ’）の外縁の距離、ここでは、Δｌ＝４．１ｍｍである。Δｍはチップ金属導体Ｂ_ｉｊ（及びＢ_ｉｊ’）の外縁とユニットセルＵ_ｉｊ（及びＵ_ｉｊ’）の外縁の距離、あって、ここでは、Δｍ＝０．９ｍｍである。Δｍの２倍の２Δｍはチップ金属導体Ｂ_ｉｊ（及びＢ_ｉｊ’）と図上、右隣接するチップ金属導体Ｂ_{ｉ（ｊ＋１）}（及びＢ_{ｉ（ｊ＋１）}’）との絶縁距離に該当する。

図６の表は、実施例１及び比較例１－１，１－２で用いる各部位材料の熱物性定数を示している。この物性定数と前記各部位の寸法（厚さと縦横長）を拡張１次元熱伝導モデルに与えると、図７の表のように、各部位の定常熱容量Ｃ_ｎと定常熱抵抗Ｒ_ｎの値が得られる。

これら値を図４の熱回路モデルに代入して数値計算を行い、ｍｓレンジの過渡熱インピーダンス特性Ｚ_ｊ－ｃ（ｔ）を模擬した結果が図８のグラフである。横軸は発熱時間（単位：ｓ）である。グラフの実線が実施例１の過渡熱インピーダンスの特性、破線が及び一点鎖線がそれぞれ比較例１－１，１－２の過渡熱インピーダンス特性である。比較例１－１と比較例１－２の過渡熱インピーダンス特性は３０ｍｓ付近までは視認することが難しいほどに、一致している。

１ｍｓ以上の時間レンジで、実施例１の過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃが、比較例１－１，１－２に比べ、大幅に縮減していることが分かる。たとえば１０ｍｓのときで比較すると、比較例１－１はＺ_ｊ－ｃ＝０．１４９Ｋ／Ｗ、比較例１－２もＺ_ｊ－ｃ＝０．１４９Ｋ／Ｗ、これに対して実施例１はＺ_ｊ－ｃ＝０．０４３Ｋ／Ｗであるから、本発明によって過渡熱インピーダンスが従来の１／３以下に縮減したことが分かる。このようにして、実施例１は、「ｍｓレンジの過渡熱インピーダンスの低減が不十分である」という第１の創出課題を解決していると言うことができる。

ここで前記（式１）を参照すると、過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃが１／３に縮減できたということは、パワー半導体ＳＷチップＳ_ｉｊのジュール発熱を３倍に増やしても同じパワー半導体ＳＷチップ最大定格表面温度Ｔ_ｊＭＡＸを保つことができることを意味している。この知見に、パワー半導体ＳＷチップＳ_ｉｊのジュール発熱はＳ_ｉｊに流れる負荷電流Ｉと印加される電圧Ｖの積で表されることを考慮すると、実施例１においては、同じチップ面積のパワー半導体ＳＷチップであっても比較例１－１よりもおおきな負荷電流が流せること、言い換えると、電流密度を増大させられることを意味している。

ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗をＲ_ｏｎとするとき、そのジュール発熱はＩ^２Ｒ_ｏｎであるから発熱を３倍にできるということは負荷電流を√３倍に増やせる（７３％増）ことを意味する。即ち、実施例１は、「チップ電流密度が上げられない」という第２の創出課題も解決していると言うことができる。

上述のように過渡熱インピーダンスが下がり、チップ電流密度が上がったことから、パワー半導体ＳＷチップ数又はパワー半導体ＳＷチップ面積の削減が可能となり、かつ、この削減に伴いユニットセルの面積の削減が達成されることことから、ＰＳＭの小型化や原価削減が達成される。即ち、実施例１は、「ＰＳＭの小型化、低価格が達成できない」という第３の創出課題を解決していると言うことができる。

従来の単パルスＰＳＭ熱設計にあっては、定常熱抵抗Ｒ_ｊ－ｃを下げることがｍｓレンジの過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃ（ｔ）を縮減することに繋がると考えられていた。ここで、実施例１と比較例１－２の定常熱抵抗Ｒ_ｊ－ｃを比較すると、Ｒ_ｊ－ｃはパワー半導体ＳＷチップ表面から絶縁基板裏面までの各層の定常熱抵抗Ｒ_ｎの総和であるから、図７を参照して各層のＲ_ｎを足し合わせると、実施例１がＲ_ｊ－ｃ＝１．８２５Ｋ／Ｗ、比較例１－２がＲ_ｊ－ｃ＝１．２２４Ｋ／Ｗとなり、比較例１－２の方が低い定常熱抵抗を与えるのが分る。従来の熱設計指針に従えば、比較例１－２の方がｍｓレンジにおいても低いＺ_ｊ－ｃを与えるはずであるが、実際には上述のように、高い定常熱抵抗を示す本発明の方が反対にずっと低いＺ_ｊ－ｃを与える。この結果は、従来の単パルスＰＳＭ熱設計指針の誤謬又は限界を指摘している言うことができる。

以上、本発明単パルスＰＳＭ実施例１の効果の説明を終えたところで、前記パワー半導体ＳＷチップＳ_ｉｊとダイアタッチＤ_ｉｊ、チップ金属導体Ｂ_ｉｊ各層の厚みと、チップ金属導体Ｂ_ｉｊの平面寸法ａ＋２Δｌ（ｂ＋２Δｌ）が如何なる根拠に基づいて決定されたか言及する。

まず、パワー半導体ＳＷチップ（ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ）Ｓ_ｉｊの厚さｔ_ＳｉＣがｍｓレンジの単パルスＰＳＭ過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃに与える影響を探るために、ｔ_ＳｉＣの数値を振って過渡熱インピーダンス特性Ｚ_ｊ－ｃ（ｔ）がどのように変化するか模擬した。ｔ_ＳｉＣ以外の部位の厚さや縦横長はすべて前述実施例１の値と同じである。

Ｚ_ｊ－ｃ（ｔ）の変化を直観的かつ定量的に捉えるために１ｍｓと１０ｍｓのＺ_ｊ－ｃの変化に着目することにする。図９は、ｔ_ＳｉＣの関数としてＺ_ｊ－ｃ（１ｍｓ）とＺ_ｊ－ｃ（１０ｍｓ）をプロットしたものである。この結果から、１０ｍｓ付近のＺ_ｊ－ｃを縮減するにはｔ_ＳｉＣはできるだけ薄い方がよいが、１ｍｓ付近のＺ_ｊ－ｃも一緒に縮減するためにはｔ_ＳｉＣは少なくとも下降が始まるの０．２ｍｍ以下、下降が実際に起こる０．１５ｍｍ以下が望ましいという結論が得られる。縮減の下限は前述のとおり、パワー半導体ＳＷチップＳ_ｉｊの有効デバイス層の厚さである。

同様にして、ダイアタッチ（はんだＳＡＣ３０４）Ｄ_ｉｊの厚さｔ_ＤＡがｍｓレンジの単パルスＰＳＭ過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃに与える影響を模擬した。ｔ_ＤＡ以外の部位の厚さや縦横長はすべて前述実施例１の値と同じである。図１０は１ｍｓと１０ｍｓの過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃとｔ_ＤＡとの関係をプロットしている。

１０ｍｓ付近のＺ_ｊ－ｃを縮減するにはｔ_ＤＡはできるだけ薄い方がよいという結論が得られる。しかし、１ｍｓ～１０ｍｓレンジのＺ_ｊ－ｃを一様に縮減するのが実用上商品力が高く有利である。こうして、１ｍｓのＺ_ｊ－ｃの変化に注目すると、１ｍｓのＺ_ｊ－ｃの縮減が顕著になるのはｔ_ＤＡ＝０．０５ｍｍ付近からであり、ｔ_ＤＡ＝０．０２ｍｍ付近からはほぼ直線的に減少するようになっていることが分かる。

この結果からダイアタッチの厚みは厚くとも０．０５ｍｍ以下、０．０２ｍｍ以下がより望ましいという結論が得られる。また、ダイアタッチの厚みの下限は、０．００５ｍｍとなる。理由は、（ａ）圧延・打抜きで製造するはんだプリフォーム（座蒲団状のはんだ）を敷いてはんだ付け、及び（ｂ）スクリーン印刷ではんだペーストを印刷塗布してその上に半導体チップを載せることによるはんだ付けのいずれのダイアタッチにおいて、０．００５ｍｍが限界（下限）であるからである。

また、同様にしてチップ金属導体（Ｃｕ）Ｂ_ｉｊの厚みｔ_Ｃｕ又はパワー半導体ＳＷチップに対する外縁増分Δｌ_Ｃｕが単パルスＰＳＭ過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃに与える影響を模擬して調べた。ｔ_Ｃｕ又はΔｌ_Ｃｕだけを変更し、他の部位の厚さや縦横長はすべて前述実施例１の値と同じである。

図１１は１ｍｓと１０ｍｓの過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃとチップ金属導体（Ｃｕ）Ｂ_ｉｊの厚みｔ_Ｃｕの関係を示している。外縁増分はΔｌ_Ｃｕ＝４．１ｍｍ（チップ金属導体の一辺の長さでいうと１３ｍｍ）であった。ｔ_Ｃｕの増大は１ｍｓのＺ_ｊ－ｃ削減にほとんど作用しないが、１０ｍｓ付近のＺ_ｊ－ｃ削減には絶大な効果があることが分かる。ｔ_Ｃｕが０．８ｍｍ以上でＺ_ｊ－ｃの顕著な縮減効果が認められ、５ｍｍを超えると縮減効果が飽和する傾向が鮮明になる。とくに縮減効果が高いのは１．５ｍｍ≦ｔ_Ｃｕ≦３ｍｍの範囲であることが分かる。こうして、Ｃｕ電極厚みは、少なくとも０．８ｍｍ＜ｔ_Ｃｕ＜５ｍｍの範囲がよく、１．５ｍｍ≦ｔ≦３ｍｍの範囲がより望ましいという結論が導かれる。

図１２は１ｍｓと１０ｍｓの過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃとチップ金属導体（Ｃｕ）Ｂ_ｉｊの外縁増分Δｌ_Ｃｕの関係を示している。チップ金属導体（Ｃｕ）Ｂ_ｉｊの厚みはｔ_Ｃｕ＝３ｍｍとした。前記ｔ_Ｃｕの場合と同様に、Δｌ_Ｃｕの増大は１ｍｓ付近のＺ_ｊ－ｃ削減にほとんど作用しないが、１０ｍｓ付近のＺ_ｊ－ｃ削減には絶大な効果があることが分かる。Δｌ_Ｃｕが２．１ｍｍまで顕著なＺ_ｊ－ｃ縮減効果が認められ、５．１ｍｍを超えると縮減効果が飽和する傾向が鮮明になる。特に縮減効果が高いのは３．１ｍｍ≦Δｌ_Ｃｕ≦４．１ｍｍの範囲であることが分かる。こうして、Ｃｕ電極厚みは少なくとも２．１ｍｍ＜Δｌ_Ｃｕ＜５．１ｍｍの範囲がよく、３．１ｍｍ≦Δｌ_Ｃｕ≦４．１ｍｍの範囲がより望ましいという結論が導かれる。

図９～図１２で確認された過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃと前記パワー半導体ＳＷチップの関係、Ｚ_ｊ－ｃとダイアタッチの厚みの関係、Ｚ_ｊ－ｃとチップ金属導体の厚み及び外縁増分との関係は程度こそ多少ことなるもののＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴだけでなく、他のパワー半導体ＳＷモジュールでも同様に確認されることが判明している。

実施例２の単パルスＰＳＭは、ＳｉＣよりさらに高い降伏強度とやや低い熱伝導率を有するＧａＮパワー半導体ＳＷチップをユニットセルに具有するＰＳＭである。検討するパワーデバイスチップはＧａＮ単結晶基板に形成された一辺４．８ｍｍの縦型ＭＯＳＦＥＴチップとするが、バイポーラトランジスタチップでもショットキーダイオードチップでもよい。

縦型ＧａＮ－ＭＯＳＦＥＴチップ厚みは、前述した本発明の趣旨に添い、かつ、今日の先端パワーＧａＮ半導体デバイス製造技術で製作可能な最小の厚さ、０．１５ｍｍとする。ＰＳＭユニットセルのパワー半導体ＳＷチップを除くその他の部分の構成は、実施例１（図３、図５）と同じである。

実施例２と比較する比較例２には、厚み０．３５ｍｍ（＝通常の厚み）で製作したＧａＮパワー半導体ＳＷチップを用いた場合を仮定し、パワー半導体ＳＷチップを除くその他の部分の構成は前記比較例１－１（図１０、図５）と同じとした。

過渡熱インピーダンス特性Ｚ_ｊ－ｃ（ｔ）の模擬に必要なＧａＮ単結晶の熱物性値は以下のとおりである。熱伝導率：１６８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、比熱：０．４５９Ｊ／（ｇ・Ｋ）、密度：６．１５ｇ／ｃｍ^３。

図１３は実施例２と比較例２のｍｓレンジ過渡熱インピーダンス特性Ｚ_ｊ－ｃ（ｔ）を示している。グラフの実線が実施例２（のユニットセル）の過渡熱インピーダンス特性、破線が比較例２（のユニットセル）の過渡熱インピーダンス特性である。

１ｍｓ以上の時間レンジで、比較例２のＰＳＭに比べ、実施例２の過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃが大きく縮減していることが分かる。たとえば１０ｍｓのときで比較すると、比較例２のＰＳＭがＺ_ｊ－ｃ＝０．１６９５Ｋ／Ｗであるのに対して、実施例１はＺ_ｊ－ｃ＝０．０５９７Ｋ／Ｗであるから、本発明によって過渡熱インピーダンスが１／３以下に縮減したことが分かる。

過渡熱インピーダンスが１／３以下に縮減できたことから、実施例２は、「ｍｓレンジの過渡熱インピーダンスの低減が不十分である」という第１の創出課題を解決していると言うことができる。

この過渡熱インピーダンスが１／３以下縮減によって、ＧａＮ－ＭＯＳＦＥＴの負荷電流を比較例２のＰＳＭに対して√３倍程度（７３％）増やせることになるから、実施例２は、「チップ電流密度が上げられない」という第２の創出課題も解決していると言うことができる。

比較例２に対してチップ電流密度が上げられることから、ＰＳＭに搭載するＧａＮ－ＭＯＳＦＥＴチップ数の削減又はＧａＮ－ＭＯＳＦＥＴチップ面積の削減が可能となるばかりでなく、この削減によってユニットセルの面積の削減が達成され、ＰＳＭの小型化や原価削減が達成される。こうして、実施例２は、「ＰＳＭの小型化、低価格が達成できない」という第３の創出課題を解決していると言うことができる。

実施例３の単パルスＰＳＭは、今日パワー半導体ＳＷとして最も使われているＳｉ－ＩＧＢＴを用いた単パルスＰＳＭである。一辺４．８ｍｍ正方のＳｉ－ＩＧＢＴチップを用いた例で説明するが、これは説明の便宜であって、どのようなサイズのＳｉ－ＩＧＢＴでも結果は変わらない。また、デバイスの種類はＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタ、ｐｎダイオードチップでもよい。

Ｓｉ－ＩＧＢＴチップについては、厚み０．０６ｍｍの超薄チップが市販されているので、実施例３の単パルスＰＳＭも、比較に用いる比較例３も超薄チップを搭載している場合を想定して比較を行う。

実施例３のその他の構成は実施例１（図３及び図５）と同じである。また、比較例３のその他の構成は、比較例１－１（図１０及び図５）と同じである。

過渡熱インピーダンス特性Ｚ_ｊ－ｃ（ｔ）の模擬に必要なＳｉ単結晶の熱物性値は以下のとおりである。熱伝導率：７３Ｗ／（ｍ・Ｋ）、比熱：０．７８４Ｊ／（ｇ・Ｋ）、密度：２．３３ｇ／ｃｍ^３。

図１４は実施例３と比較例３のｍｓレンジ過渡熱インピーダンス特性Ｚ_ｊ－ｃ（ｔ）を示している。グラフの実線が実施例３の過渡熱インピーダンス特性、破線が比較例３の過渡熱インピーダンス特性である。

１ｍｓ以上の時間レンジで、比較例３のＰＳＭに比べ、実施例３のＰＳＭの過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃが大きく縮減していることが分かる。たとえば１０ｍｓのときで比較すると、比較例３のＰＳＭがＺ_ｊ－ｃ＝０．１５０３Ｋ／Ｗであるのに対して、実施例３はＺ_ｊ－ｃ＝０．０５７１Ｋ／Ｗであるから、本発明によって過渡熱インピーダンスが約３８％まで縮減したことが分かる。この減縮はダイアタッチの厚みの適正化と、チップ金属板の厚みとサイズの適正化によってもたらされた。

過渡熱インピーダンスが３８％にまで縮減できたことから、実施例３は、「ｍｓレンジの過渡熱インピーダンスの低減が不十分である」という第１の創出課題を解決していると言うことができる。

この過渡熱インピーダンス３８％縮減によって、Ｓｉ－ＩＧＢＴの負荷電流を比較例２のＰＳＭに対して６２％程度増やせることが見込まれることから、実施例３は、「チップ電流密度が上げられない」という第２の創出課題も解決していると言うことができる。

実施例３は、比較例３に対してチップ電流密度が上げられることから、ＰＳＭに搭載するＳｉ－ＩＧＢＴチップ数の削減又はＳｉ－ＩＧＢＴチップ面積の削減が可能となるばかりでなく、この削減によってユニットセルの面積の削減が達成され、ＰＳＭの小型化や原価削減が達成される。こうして、実施例３は、「ＰＳＭの小型化、低価格が達成できない」という第３の創出課題を解決していると言うことができる。

実施例１～３のパワー半導体ＳＷチップＳ_ｉｊの縦横寸法はすべて４．８ｍｍであった。パワー半導体ＳＷチップＳ_ｉｊの寸法はなにもこの大きさに限定されるものではなく任意の大きさのＳ_ｉｊについて適用可能である。実施例４は、実施例１のＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ（Ｓ_ｉｊ）の寸法（図５）が小さくなって、ａ＝３．０ｍｍとなったケースである。比較例４のＳ_ｉｊ’の寸法も３．０ｍｍとする。ΔｌとΔｍの値は、実施例１と同じΔｌ＝４．１ｍｍ、Δｍ＝０．９ｍｍである。ＰＳＭ各材料の構成及び熱物性、厚みは実施例１と同じとした

図１５は実施例４と比較例４のｍｓレンジ過渡熱インピーダンス特性Ｚ_ｊ－ｃ（ｔ）を示している。グラフの実線が実施例４のＰＳＭ（のユニットセル）の過渡熱インピーダンス特性、破線が比較例４のＰＳＭ（のユニットセル）の過渡熱インピーダンス特性である。

１ｍｓ以上の時間レンジで、比較例３のＰＳＭに比べ、実施例４のＰＳＭの過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃが大きく縮減していることが分かる。たとえば１０ｍｓのときで比較すると、比較例３のＰＳＭがＺ_ｊ－ｃ＝０．３５６５Ｋ／Ｗであるのに対して、実施例１はＺ_ｊ－ｃ＝０．１０４４Ｋ／Ｗであるから、本発明によって過渡熱インピーダンスが約２９％に縮減したことが分かる。

過渡熱インピーダンスが約２９％に縮減できたことから、実施例４は、「ｍｓレンジの過渡熱インピーダンスの低減が不十分である」という第１の創出課題を解決していると言うことができる。

この過渡熱インピーダンス約２９％によって、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴの負荷電流を比較例４のＰＳＭに対して７１％程度増やせることが見込まれる。よって、実施例４は、「チップ電流密度が上げられない」という第２の創出課題も解決していると言うことができる。

比較例４に対してチップ電流密度が上げられることから、ＰＳＭに搭載するＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴチップ数の削減又はＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴチップ面積の削減が可能となるばかりでなく、この削減によってユニットセルの面積の削減が達成され、ＰＳＭの小型化や原価削減が達成される。こうして、実施例４は、「ＰＳＭの小型化、低価格が達成できない」という第３の創出課題を解決していると言うことができる。

実施例５は、実施例１のパワー半導体チップＳ_ｉｊの寸法（ａ＝４．８ｍｍ）が逆に大きくなったケースである。ａ＝１０ｍｍである。比較例５のＳ_ｉｊ’の寸法も、ａ＝１０ｍｍとする。ΔｌとΔｍの値は、実施例１と同じΔｌ＝４．１ｍｍ、Δｍ＝０．９ｍｍである。ＰＳＭ各材料の構成及び熱物性、厚みは実施例１と同じである。

図１６は実施例５と比較例５のｍｓレンジ過渡熱インピーダンス特性Ｚ_ｊ－ｃ（ｔ）を示している。実線が実施例５のＰＳＭ（のユニットセル）の過渡熱インピーダンス特性、破線が比較例５のＰＳＭ（のユニットセル）の過渡熱インピーダンス特性である。

１ｍｓ以上の時間レンジで、比較例５のＰＳＭに比べ、実施例５のＰＳＭの過渡熱インピーダンスＺ_ｊ－ｃが大きく縮減していることが分かる。１０ｍｓのときで比較すると、比較例５のＰＳＭがＺ_ｊ－ｃ＝０．０３９３Ｋ／Ｗであるのに対して、実施例５は、Ｚ_ｊ－ｃ＝０．０１１４Ｋ／Ｗであるから、実施例５は、過渡熱インピーダンスが約２９％に縮減したことが分かる。

実施例５は、過渡熱インピーダンスが約２９％に縮減できたことから、「ｍｓレンジの過渡熱インピーダンスの低減が不十分である」という第１の創出課題を解決していると言うことができる。

この過渡熱インピーダンス約２９％縮減によって、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴの負荷電流を比較例４のＰＳＭに対して７１％程度増やせることが見込まれる。よって、実施例５は、「チップ電流密度が上げられない」という第２の創出課題も解決していると言うことができる。

実施例５は、比較例５に対してチップ電流密度が上げられることから、ＰＳＭに搭載するＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴチップ数の削減又はＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴチップ面積の削減が可能となるばかりでなく、この削減によってユニットセルの面積の削減が達成され、ＰＳＭの小型化や原価削減が達成される。こうして、実施例５は、「ＰＳＭの小型化、低価格が達成できない」という第３の創出課題を解決していると言うことができる。

（短パルスＰＳＭの適用例）
図１７は、図１の短パルスＰＳＭ１を装備する直流遮断器１２５の適用例としての直流給電システム１００の模式図である。図１の短パルスＰＳＭ１は、直流給電システム１００において、半導体ＳＷ部１４４として実装されている。

直流給電システム１００は、主電流路１２０上に直流電流の流れ方向に順番に直流電源１１１、設備側遮断制御装置１１２、外部断路器１１７、直流遮断器１２５及び負荷１１３を備えている。

直流給電システム１００は、例えば、洋上風力発電に利用される。外部断路器１１７は、省略することができる。

直流遮断器１２５は、相互に並列に接続されている主回路１３０と副回路１５０とを備えている。副回路１５０は、省略することができる。

主回路１３０は、相互に並列に接続されている第１電流路１３５及び第２電流路１３６とから構成される並列接続部と、該並列接続部に対して一側及び他側にそれぞれ一側主電流路１３１及び他側主電流路１３２とを有している。一側主電流路１３１及び他側主電流路１３２は、直流遮断器１２５における主電流路１２０を構成する。

スイッチ制御部１３９は、一側主電流路１３１に設けられ、一側主電流路１３１を流れる主電流の電流値（以下、「主電流値ｉ」ともいう。）及び主電流値ｉの時間微分値（以下、「時間微分値ｊ」ともいう。）を検出する。スイッチ制御部１３９は、また、設備側遮断制御装置１１２からの指令信号（図では、矢付き点線で示している。）を受信する。スイッチ制御部１３９は、主電流値ｉ及び時間微分値ｊ、並びに指令信号に基づいて機械ＳＷ部１４０及び半導体ＳＷ部１４４の切替位置としてのオン、オフを切り替える切替信号を生成し、機械ＳＷ部１４０及び半導体ＳＷ部１４４に出力する（図では、矢付き一点鎖線で示している。）。

機械ＳＷ部１４０等の機械ＳＷ部は、いわゆる低抵抗スイッチに属する。半導体ＳＷ部１４４は、例えば、ソース同士を向き合わせて相互に直列に接続された２つのＦＥＴ（電界効果トランジスタ）から構成されている。

副回路１５０は、相互に直列に接続されている機械スイッチ１５１及び抵抗１５２を有し、両端においてそれぞれ一側主電流路１３１及び他側主電流路１３２に接続されている。

この直流給電システム１００の作用を概略的に説明すると、直流給電システム１００の正常運転中は、機械ＳＷ部１４０がオンに維持され、外部断路器１１７から出力される直流の主電流が第１電流路１３５を介して負荷１１３に供給されている。この直流給電システム１００では、直流給電システム１００の正常運転時の主電流値ｉとしておおよそ５００Ａを想定している。直流給電システム１００における異常状態の発生に伴い、主電流値ｉは、急激に上昇する。異常電流の最大上昇値は１０ｋＡ以上になることがある。

直流給電システム１００において、異常状態が生じると、主電流値ｉ及び／又は時間微分値ｊが増大して、主電流値ｉ≧α及び／又は時間微分値ｊ≧βとなる。スイッチ制御部１３９は、主電流値ｉ≧α及び／又は時間微分値ｊ≧βであると判断すると、スイッチ制御部１３９は、半導体ＳＷ部１４４にオフからオンに切り替わる切替信号を半導体ＳＷ部１４４に出力し、半導体ＳＷ部１４４は、オフからオンに切り替わる。

スイッチ制御部１３９は、次に、機械ＳＷ部１４０をオンからオフに切り替える切替信号を機械ＳＷ部１４０に出力する。この時の半導体ＳＷ部１４４のオン電圧は、すなわち、機械ＳＷ部１４０の両端電圧は、アーク発生電圧には達していない値にとなっている。この結果、機械ＳＷ部１４０は、アーク放電を起こすことなく、円滑にオフになる。

（変形例）
実施形態の熱回路図（図４）では、ユニットセルＵ_2,2において、下面側は絶縁基板２の裏面側まで含めた熱回路図を記載している。本発明の熱回路では、短パルスＰＳＭ１において、各ユニットセルＵ_ｉｊにおいて下面側は少なくともチップ金属導体Ｂ_ｉｊの裏面側まで含めればよい。

実施形態では、短パルスＰＳＭ１について説明したが、本発明のパワー半導体スイッチングモジュールは、短パルスＰＳＭ１専用に限定されることなく、同一のＰＳＭが短パルスＰＳＭと非短パルスＰＳＭとを兼ねるＰＳＭであってもよい。

各実施例では、具体的な数値を提示しているが、各具体的な数値に対して±３％の範囲内は、対応実施例の各具体的な数値と同一の作用効果が奏されることは、当該半導体技術分野において当業者の常識の範囲であることはいうまでもない。

１・・・単パルス通電パワー半導体スイッチモジュール
Ｕ_ｉｊ・・・パワー半導体ＳＷユニットセル（ユニットセル）
Ｓ_ｉｊ・・・パワー半導体ＳＷチップ
Ｄ_ｉｊ・・・ダイアタッチ
Ｂ_ｉｊ・・・チップ金属導体
Ｍ_ｉｊ・・・伝熱接合材
２・・・絶縁基板
Ｂ_Ｐ・・・Ｐ端子金属導体
Ｂ_Ｎ・・・Ｎ端子金属導体
Ｂ_Ｇｊ・・・制御端子金属導体
Ｂ_Ｓｊ・・・制御端子金属導体
Ｉ_ｉｊ・・・主回路インターコネクト（太線Ａｌボンディングワイヤー）
Ｉ_Ｐｊ・・・Ｐ端子金属導体接続主回路インターコネクト（太線Ａｌボンディングワイヤー）
Ｉ_Ｇｊ・・・信号線インターコネクト（細線Ａｌボンディングワイヤー）
Ｉ_Ｓｊ・・・信号線インターコネクト（細線Ａｌボンディングワイヤー）

Claims (8)

1. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板の上面側に積層されているチップ金属導体と、
   複数のパワー半導体ＳＷチップと、
   前記チップ金属導体と各パワー半導体ＳＷチップと間に介在するダイアタッチと、
   を備えるパワー半導体スイッチングモジュールであって、
   各パワー半導体ＳＷチップと、該パワー半導体ＳＷチップの下面側のダイアタッチと、該ダイアタッチの下側の前記チップ金属導体とが、各パワー半導体ＳＷチップの発熱源の発熱を大気に放出する熱回路を構成し、
   各熱回路は、各発熱源から前記チップ金属導体の下面に至る熱抵抗から構成される第１熱流路と、該第１熱流路から前記パワー半導体ＳＷチップ、前記ダイアタッチ及び前記チップ金属導体の各々の表面において分岐して各表面側の大気に至る熱容量から構成される第２熱流路とを含み、
   所定のｍｓレンジの単パルス通電時の前記パワー半導体ＳＷチップの発熱に対して、
   前記熱回路の過渡熱インピーダンスは、前記第１熱流路のみを介する放熱が前記パワー半導体ＳＷチップを最大定格温度以下に保持できるかできないかに関係なく、前記第１熱流路及び前記第２熱流路の前記熱回路全体を介する放熱により前記パワー半導体ＳＷチップを前記最大定格温度以下に保持するように設定されていることを特徴とするパワー半導体スイッチングモジュール。
2. 前記所定のｍｓレンジは、１ｍｓ～４０ｍｓのレンジであることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体スイッチングモジュール。
3. 前記熱回路の熱インピーダンスの設定パラメータとして、前記パワー半導体ＳＷチップの厚さが選択されていることを特徴とする請求項１又は２記載のパワー半導体スイッチングモジュール。
4. 前記パワー半導体ＳＷチップの厚さは、少なくともパワー半導体ＳＷ有効デバイス層の厚さより大きく、かつ０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３記載のパワー半導体スイッチングモジュール。
5. 前記熱回路の熱インピーダンスの設定パラメータとして、前記ダイアタッチの厚さが選択されていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のパワー半導体スイッチングモジュール。
6. 前記ダイアタッチの厚さは、０．００５ｍｍ～０．０５ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項５記載のパワー半導体スイッチングモジュール。
7. 前記熱回路の熱インピーダンスの設定パラメータとして、前記チップ金属導体の厚さと前記ダイアタッチの下面から外側への前記チップ金属導体の張出量とが選択されていることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載のパワー半導体スイッチングモジュール。
8. 前記チップ金属導体の厚みは、０．８ｍｍ～５ｍｍの範囲内でであり、
   また、前記張出量をΔｌとするとき、Δｌは２．１ｍｍ＜Δｌ＜５．１ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項７記載のパワー半導体スイッチングモジュール。

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