JP4378239B2 - 半導体装置及びそれを使用した電力変換装置並びにこの電力変換装置を用いたハイブリッド自動車。 - Google Patents

半導体装置及びそれを使用した電力変換装置並びにこの電力変換装置を用いたハイブリッド自動車。 Download PDF

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Description

本発明は、比較的大電力容量の半導体装置に係り、特に、エンジンルーム内など、高温環境下でも充分に性能が発揮できるようにした半導体装置及びそれを使用した電力変換装置並びにこの電力変換装置を用いたハイブリッド自動車に関する。
近年、省エネと環境汚染の見地から、内燃機関と電動機を併用し、走行駆動力をこれらの双方に依存した、いわゆるハイブリッド自動車や、走行駆動力を電動機だけに依存した電気自動車が注目され、実用に供されているが、この場合、電動機としては、制御効率の高さや、単純な構造の面から、主として誘導電動機や同期電動機などの交流電動機が使用される。
このとき、電源としては、ハイブリッド自動車の場合、一般には二次電池やキャパシタが使用され、電気自動車の場合は、主として燃料電池が使用されるので、何れにしても直流電力を交流電力に変換するための変換装置、いわゆるインバータ装置が必要であり、これにはパワー半導体装置が用いられる。
ところで、このパワー半導体装置の場合、半導体チップとその周辺に配置される外部電極の接続には、通常、アルミ(アルミニウム)のワイヤが用いられることが多いが、このとき、高温環境下では、アルミとシリコンの熱膨張差によるパワー半導体チップとボンディングワイヤの接合部剥れが問題になる。
そこで、このパワー半導体チップとボンディングワイヤの接合部剥れを防止するため、従来技術として、低熱膨張材を貼り付けたバスバー配線を、パワー半導体素子の上面電極に、導電性樹脂を用いて接合する構造がある(例えば、特許文献１参照)。
特開２０００−１８３２４９号公報
上記従来技術は、高温環境下での信頼性の保持に配慮がされているとは言えず、適用対象に制限を受けてしまうという問題があった。
例えば、上記した自動車の場合、エンジン付近は高温環境下にあるので、これに適用した場合、従来技術では、以下に列挙する理由により信頼性に問題が生じてしまうのである。
まず、従来技術の場合、高温に曝されると、半導体素子の温度が導電性樹脂材のガラス転移温度近くまで上昇するため、当該樹脂材の軟化が進み、接合部がストレスに弱くなってしまうので、発熱を減らしてパワー半導体素子の温度上昇を抑制する必要があるが、導電性樹脂材は電気抵抗が大きいので、困難である。
例えば、導電性樹脂材は体積抵抗率が１Ω・ｃｍもあり、一般に接合材として使用される錫−鉛共晶はんだの体積抵抗率約１５μΩ・ｃｍと比較して約７万倍も大きい。従って通電による発熱量の抑制が困難なのである。
また、低熱膨張材を銅のバスバー配線に貼り付けた構造では、その熱膨張係数の違いから、高温になると、バスバー配線は低熱膨張材より多く熱膨張して伸び、低温では多く縮むことになる。この現象は高温環境においてより顕著になり、従って、前記の構造ではバスバー配線が弓形に変形してしまう。
つまり、従来技術の場合、パワー半導体素子からバスバー配線を引き剥がす方向の力が、自動車の運転、停止(休止)のサイクルによって繰り返し発生することになり、この結果、前記接合部の剥離が発生し易くなるので、信頼性が低下してしまうのである。
更に、上記したように、バスバー配線が弓形に変形すると、それに接続されているパワー半導体素子にも応力がかかるので、同じく弓形に変形しようとすする。このとき、パワー半導体素子と絶縁基板は、従来技術にも示されているに、はんだなど塑性変形しやすい材料で接合さているため、パワー半導体素子と絶縁基板の接合部にも、上記した場合と同様に、引き剥がす方向の力が働いてしまうことになり、高温環境下での長期信頼性の確保が困難になってしまうのである。
本発明の目的は、高温環境下でも長期信頼性が保持できるようにしたパワー半導体装置を提供することにある。
上記目的は、半導体チップの一方の面と他方の面に主電流の入出力電極の一方と他方が各々取出されている半導体素子を用い、前記入出力電極の一方を絶縁基板の導体層に接合することにより、前記半導体素子が前記絶縁基板に支持されるようにした半導体装置において、前記半導体チップの入出力電極の他方と前記絶縁基板の導体層の接続に、炭素とアルミニウム又は炭素と銅の複合材からなる導体条片を用い、前記導体条片が、金、銀、ニッケル、銅、アルミニウム、亜鉛、錫、インジウム、ビスマス、アンチモンから選択される少なくとも２種類以上のナノサイズ及びミクロンサイズの金属粒子の固溶体により、前記半導体チップの入出力電極の他方と前記絶縁基板の導体層に対して接合され、前記金属粒子の固溶体と、前記導体条片、前記入出力電極の他方、及び、前記導体層とが金属接合しているようにして達成される。
このとき、前記入出力電極の一方が、金、銀、ニッケル、銅、アルミニウム、亜鉛、錫、インジウム、ビスマス、アンチモンから選択される少なくとも２種類以上の金属粒子の固溶体により、前記絶縁基板の導体層に接合され、前記金属粒子の固溶体と、前記入出力電極の一方、及び、前記導体層とが金属接合しているようにしても、上記目的を達成することができる。
また、このとき、前記導体条片の接合面が金又は銀で覆われているようにしても、或いは、前記入出力電極の一方の接合面及び前記絶縁基板の導体層の接合面が金又は銀で覆われているようにしても、上記目的を達成することができる。
本発明によれば、高温環境に対する半導体素子の接合部の長期信頼性を向上させることができる。
また、本発明によれば、半導体素子の放熱を向上させることができる。半導体装置において、電流スイチッングをするパワー半導体素子が最も高温になる部品であるが、本発明によれば、放熱性の向上により複合配線板とパワー半導体素子の接合部の温度を、従来のワイヤをパワー半導体素子と直接接合した場合と比べ、低くすることができる。
接合部の温度低減はその部分の熱膨張の低減を意味するので、本発明によれは、ワイヤをパワー半導体素子と直接接合した場合と比べ、長期的信頼性が向上する。
また、本発明の半導体装置はハイブリッド自動車用の電力変換装置に適用することができ、このとき高温環境の場所に搭載でき、且つ専用の冷却器を持たなくても長期的な信頼性を確保可能な電力変換装置を提供することが可能になる。
以下、本発明によるパワー半導体装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
図３と図４は、本発明をインバータ装置用の絶縁型パワー半導体装置に適用した場合の一実施形態で、図３(a)は平面図で、図３(b)は断面図であり、図４は斜視図であり、これらの図において、１０１は半導体素子で、１０２ａ、１０２ｂは導体層、１０３はセラミックス絶縁基板、１１０は支持部材、１１１はケース、１１２は外部端子、１１３はボンディングワイヤ、１１４は封止材である。なお、パワー半導体装置自体は１００で表わしてある。
ここで、支持部材１１０は、銅板やアルミニウム板で作られ、全体を支持する部材として機能すると共に、図示してない放熱フィンに取付けられたとき熱の伝導経路としても機能するようになっている。そして、この支持部材１１０の一方の面(図では上面)に、図示のように、セラミックス絶縁基板１０３がろう付されている。
このセラミックス絶縁基板１０３は窒化珪素系セラミックスで作られ、その両面に銅の導体層１０２ａ、１０２ｂを備えた３層構造に作られ、このとき、一方の面(図では上側の面)にある導体層１０２ａに配線パターンを形成して配線基板としている。そして、他方の面(図では下側の面)にある導体層１０２ｂは、支持部材１１０にセラミックス絶縁基板１０３をろう付けするときの接合面として働くようになっている。
そして、この導体層１０２ａからなる配線パターンの所定の部分に半導体素子１０１が搭載されるのであるが、ここでは、この半導体素子１０１として、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ)が用いられ、しかも主電流の入力電極(例えばエミッタ)と出力電極(例えばコレクタ)が半導体チップの一方の面と他方の面に各々取出されている形式のものが用いられている。
このとき、半導体素子１０１としては、上記したＩＧＢＴに限らず、ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)を用いてもよく、この場合は、主電流の入力電極は、例えばソースとなり、出力電極は、例えばドレインとなる。
ここで、このパワー半導体装置１００は、図５に示すように、インバータ装置の主回路における１アーム分の回路を構成し、このとき、上アーム部９１０と下アーム部９１１の夫々が４個のＩＧＢＴの半導体素子１０１で構成されている。なお、図４では、簡略化のため、半導体素子１０１が３個の場合が描かれている。
このとき半導体素子１０１の各ＩＧＢＴには、図示のように、フライホイールダイオードが逆並列接続されており、正極側と負極側の２個の直流端子３０Ａ、３０Ｂと１個の交流出力端子３０Ｃ、それに４個の補助端子３１を備え、内部には更に温度検出用のサーミスタ３４も設けてある。ここで、直流端子３０Ａ、３０Ｂと交流出力端子３０Ｃが外部端子１１２で構成されている。
そして、このパワー半導体装置１００を３個、図６に示すように接続することにより、３相インバータ装置の主回路が構成され、図示してない制御手段により、例えばＰＷＭスイッチング制御されることにより、直流端子３０Ａ、３０Ｂに供給されている直流電力を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相からなる可変電圧可変周波数の交流電力に変換し、出力端子３０Ｃから出力し、誘導電動機などの交流電動機Ｍに供給できるようになる。
図３と図４に戻り、これらの図において、各半導体素子１０１は、上記したように、配線パターンを形成している導体層１０２ａの所定の部分に搭載されているが、このとき、具体的には、図１に示すように、各半導体素子１０１の下側の面にある主電流の入力電極(又は出力電極)が配線パターンを形成している導体層１０２ａの所定の部分に、錫系はんだ１０５によってろう付け接合されることにより、取付けられている。
一方、各半導体素子１０１の上側の面にある主電流の出力電極(又は入力電極)は、接続用の導体状片２０１により、配線パターンを形成している導体層１０２ａの所定の部分に接続されるようになっているが、このとき、この実施形態では、導電性を保持しながら、熱膨張係数の低減が得られるようにするため、この導体状片２０１として、炭素(カーボン)とアルミニウムの複合材の条片、或いは炭素と銅の複合材の条片を用い、これにニッケルめっきを施して使用している。
しかも、この実施形態では、図１に示すように、この導体状片２０１と半導体素子１０１の出力電極(又は入力電極)が、５ｎｍから数１０μｍの微細な粒径の、いわゆるナノサイズとミクロンサイズの金粒子と銀粒子を主成分とする混合物の接合層２０２ａにより接合され、同じく導体状片２０１と導体層１０２ａも、５ｎｍから数１０μｍのナノサイズとミクロンサイズの金粒子と銀粒子を主成分とする混合物の接合層２０２ｂにより接合されている。
このとき、これらの接合層２０２ａ、２０２ｂは、次のようにして形成される。まず、半導体素子１０１の出力電極(又は入力電極)と導体層１０２ａ、それに導体状片２０１のそれぞれの接合面となる部分に金めっきを施す。そして、半導体素子１０１の出力電極(又は入力電極)の表面と導体層１０２ａの表面で接合面となる部分に、上記したナノサイズとミクロンサイズの金粒子と銀粒子の混合物が含有された溶液を塗布し、この後、溶液を飛ばすなどして混合物を残し、所定の厚さの混合物層を形成させる。
この後、所定の形状にした導体状片２０１を半導体素子１０１の出力電極(又は入力電極)と導体層１０２ａの双方の接合面に載置し、８０℃の温度の雰囲気中で６０分程度の時間、加熱するのである。
この加熱により、混合物層を構成しているナノサイズとミクロンサイズの金粒子と銀粒子は互いに固溶し、導体状片２０１は、半導体素子１０１の出力電極(又は入力電極)と接合層２０２ａにより、導体層１０２ａとは接合層２０２ｂにより、各々ろう付けと同じように固着接合され、導体状片２０１をリード線として電気的な接続が得られる。
このとき、金と銀は全率固溶体を形成するが、ナノサイズの粒子とミクロンサイズの粒子を含有させることにより、前述のように、８０℃程度の低温でも固溶体を形成し、ろう付けと同じような接合を得ることができる。
このときの金と銀の固溶状態は、ナノサイズ粒子特有の現象で、各粒子が単独で存在している凝集体とは異なり、上記したように、機械的な接合が与えられ、これが８０℃の温度で加熱するだけで得られるのである。
しかも、このようにして一旦、接合が与えられると、接合層２０２ａ、２０２ｂは、接合時の加熱温度が８０℃であったにも拘らず、以後は、混合材の中で溶融点が低い方の温度、この場合は銀の通常の溶融温度になるまでは固溶状態が解けず、接合状態を保つという性質があり、従って接合部分の耐熱性に問題が生じる虞れはない。
従って、この実施形態によれば、低温処理が可能になるので、製造時に高温に晒される虞れが少なくなる上、製品としては高温使用に耐えることになり、この結果、長期的信頼性の向上が得られることが判る。
ここで、図２は、半導体素子１０１の導体層１０２ａに対する接合に錫系はんだ１０５を用いず、接合層２０２ａ、２０２ｂと同じく、５ｎｍから数１０μｍのナノサイズとミクロンサイズの金粒子と銀粒子を主成分とする混合物からなる接合層２０２ｃを用いた場合の実施形態であり、その他の点は、図１の場合と同じである。
そこで、この後、ボンディングワイヤ１１３による接続を施し、封止材１１４で封止するなど、必要な処理を施してやれば、図１と図２の何れの場合もパワー半導体装置１００として完成させることができる。
このとき、上記した自動車に適用し、エンジン近傍の高温環境で使用することを考慮して、ケース１１１や封止材１１４など、パワー半導体装置１００を構成する各部にには、耐熱性のある材料が用いられるのはいうまでもない。
ここで、このようなパワー半導体装置においては、半導体素子のコレクタ電極だけではなく、エミッタ電極部分にも大きな電流が流れるが、このとき、この実施形態によるパワー半導体装置１００では、図１と図２の何れの場合も、配線幅が大きな導体条片２０１を用い、且つ、それが接合層２０２ａ、２０２ｂにより接合されており、従って、エミッタ電極側の接続信頼性を更に向上させることができる。
更に詳しく説明すると、接合層２０２ａ、２０２ｂは電流が流れる部位であるため、その材料には金、銀を主成分としたナノサイズ粒子とミクロンサイズ粒子の混合材の高電気伝導材を用いている。
この金粒子と銀粒子の混合材による接合は８０℃程度の温度で得られるが、８０℃程度の温度でも両者は互いに固溶した状態となり、各粒子単独で存在する凝集体とは異なる。
このとき、金と銀は、上記したように、全率固溶体を形成するが、ナノサイズの粒子を含有させることにより、８０℃程度の低温でも固溶体を形成し、接合が得られるのである。
ここで、この実施形態では、接合層２０２ａと接合層２０２ｂとして、ナノサイズとミクロンサイズの金粒子と銀粒子を主成分とする混合物が用いられているが、この混合物としては、金と銀に限らず、金、銀、ニッケル、銅、アルミニウム、亜鉛、錫、インジウム、ビスマス、アンチモンから選択される少なくとも１種類以上の金属粒子の混合物でも実施することができる。
ところで、導体状片２０１は、上記したように、炭素とアルミニウムの複合材、或いは炭素と銅の複合材で作られている。そうすると、この導体状片２０１の熱膨張係数は、約８〜１２ｐｐｍ／℃である。
一方、パワー半導体素子１０１は錫系はんだ１０５によって導体層１０２ａに接合されている。このとき、導体層１０２ａと導体層１０２ｂは銅で、セラミックス絶縁基板１０３は窒化珪素系セラミックスであるとし、このとき、導体層１０２ａの厚さを１．０ｍｍ、導体層１０２ｂを０．８ｍｍ、それにセラミックス絶縁基板１０３の厚さは０．３２ｍｍとした。この場合、導体層１０２ａと導体層１０２ｂ、それにセラミックス絶縁基板１０３からなる絶縁配線基板の熱膨張係数は約１０ｐｐｍ／℃である。
そうすると、この実施形態では、熱膨張係数１０ｐｐｍ／℃の絶縁配線基板と熱膨張係数８〜１２ｐｐｍ／℃の導体状片２０１という、ほぼ同じ線膨張率の部材でパワー半導体素子１０１が挟まれていることになり、従って、接続用に比較的断面積が大きい導体条片２０１を使用しているにもかかわらず、高温環境で顕著になる各部材の膨張差に起因する熱応力を小さく抑えることができる。
理想的には、導体状片２０１の熱膨張係数を絶縁配線基板のそれに一致させてやれば、接合層２０２ｂに現れる熱応力が最小になり、最も長期信頼性を向上させることができるが、上記実施形態によれば、熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃と８〜１２ｐｐｍ／℃であり、従って、ほぼ理想的な状態が得られていることが判る。
ところで、前述した絶縁配線基板の熱膨張係数は、具体的な値で計算した一例であるが、絶縁基板に使われる材料と厚さの範囲から熱膨張係数には最適範囲があるので、任意に選ぶことができる。
ここで、前述の説明は、各部品が熱膨張したときでも平坦なままであることを前提としているが、このとき、この実施形態では、接続用に導体条片２０１を用いているので、熱膨張した場合でも弓形に変形せず、従って、前提として説明した通り、パワー半導体素子１０１との接合面を平坦に保つことができる。
次に、上記実施形態における導体状片２０１とパワー半導体素子１０１の接合部の信頼性について説明すると、上記実施形態が採用している複合材の導体状片２０１の場合、その熱伝導率はおよそ３００Ｗ/ｍ℃(参考値：銅の熱伝導率３８０Ｗ/ｍ℃、アルミの熱伝導率２３３Ｗ/ｍ℃)と大きく、しかも、これがワイヤ状ではなく、条片状(短冊状)になっている。
この結果、導体状片２０１の断面積が大きくでき、上記した高い熱伝導率と相俟って、パワー半導体素子１０１からの熱の移動が容易になり、従って、この実施形態によれば、パワー半導体素子１０１の放熱を向上させることができる。
例えば、インバータ装置に使用するパワー半導体装置の場合、電流をスイチッングするパワー半導体素子が最も多く発熱し、高温になる部品であるが、この実施形態によれば、導体状片２０１による放熱性の向上により、パワー半導体素子１０１の接合部の温度を、従来のワイヤボンディングによるパワー半導体素子装置の場合と比較して、低くすることができる。
ここで接合部の温度低減は、その部分の熱膨張の低減を意味する。よって、ワイヤをパワー半導体素子に直接接合した場合と比較して長期的信頼性が向上することを示しており、従って、この実施形態によれば、長期的信頼性の向上が得られることが判る。
また、本発明の実施形態は、上記したように、パワー半導体素子をＩＧＢＴやＯＳＦＥＴなどに限定したものではなく、主電流の流入と流出に上下２面の電極を持っている半導体素子ならば、同様に適用することができる。
また、本発明の半導体装置は各種電力変換装置に適用することができる。前記電力変換装置に本半導体装置を適用することによって、高温環境の場所に搭載できて、かつ専用の冷却器を持たなくても長期的な信頼性を確保可能な電力変換装置を提供することが可能になる。
また、インバータ装置及び電動機は、電気自動車にその動力源として組み込むことができる。この自動車においては、動力源から車輪に至る駆動機構を簡素化できたためギヤーの噛込み比率の違いにより変速していた従来の自動車に比べ、変速時のショックが軽減され、スムーズな走行が可能で、振動や騒音の面でも従来よりも軽減することができる。
ここで、本発明の実施形態によるパワー半導体装置１００は、上記したように、ハイブリッド自動車の電動機の回転数制御用インバータ装置に用いることができ、この場合、図６に示す３相インバータ装置として、エンジン駆動の発電機と二次電池からハイブリッド自動車の交流電動機Ｍに可変電圧可変周波数の３相交流電力を供給することができる。
また、本発明の実施形態によるパワー半導体装置１００を組み込んだインバータ装置は冷暖房機に組み込むこともでき、この場合、従来の交流電動機を用いた場合より高い効率を得ることができる。
従って、本発明の実施形態によれば、冷暖房機使用時の電力消費を低減するのに役立つ。また、室内の温度が運転開始から設定温度に到達するまでの時間を、従来の交流電動機を用いた場合より短縮できる。
更に、本発明の実施形態によるパワー半導体装置１００は、流体を撹拌又は流動させる装置、例えば洗濯機、流体循環装置等にインバータ装置として組み込むことができ、この場合でも電力消費の低減などの効果を享受することができる。
以上、本発明について、実施形態を用いて具体的に説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、各実施形態の組み合わせやその効果を逸脱しない範囲で種々変更可能なことはいうまでもない。
本発明によるパワー半導体装置の一実施形態を示す部分拡大断面図である。 本発明によるパワー半導体装置の他の一実施形態を示す部分拡大断面図である。 本発明によるパワー半導体装置の一実施形態を示す平面図と側断面図である。 本発明によるパワー半導体装置の一実施形態を示す要部斜視図である。 本発明によるパワー半導体装置の一実施形態を示す等価回路図である。 本発明によるパワー半導体装置の一実施形態が適用されたインバータ装置の説明図である。
符号の説明
１０１：半導体素子
１０２ａ、１０２ｂ：導体層
１０３：セラミックス絶縁基板
１０５：錫系はんだ
１１０：支持部材
１１１：ケース
１１２：外部端子
１１３：ボンディングワイヤ
１１４：封止材
２０１：接続用端子(複合材からなる接続用の導体)
２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ：接合層(５ｎｍから数１０μｍのナノサイズとミクロンサイズの金粒子と銀粒子を主成分とする混合物の接合層)

Claims (6)

  1. 半導体チップの一方の面と他方の面に主電流の入出力電極の一方と他方が各々取出されている半導体素子を用い、前記入出力電極の一方を絶縁基板の導体層に接合することにより、前記半導体素子が前記絶縁基板に支持されるようにした半導体装置において、
    前記半導体チップの入出力電極の他方と前記絶縁基板の導体層の接続に、炭素とアルミニウム又は炭素と銅の複合材からなる導体条片を用い、
    前記導体条片が、金、銀、ニッケル、銅、アルミニウム、亜鉛、錫、インジウム、ビスマス、アンチモンから選択される少なくとも２種類以上のナノサイズ及びミクロンサイズの金属粒子の固溶体により、前記半導体チップの入出力電極の他方と前記絶縁基板の導体層に対して接合され、前記金属粒子の固溶体と、前記導体条片、前記入出力電極の他方、及び、前記導体層とが金属接合していることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置において、
    前記入出力電極の一方が、金、銀、ニッケル、銅、アルミニウム、亜鉛、錫、インジウム、ビスマス、アンチモンから選択される少なくとも２種類以上の金属粒子の固溶体により、前記絶縁基板の導体層に接合され、前記金属粒子の固溶体と、前記入出力電極の一方、及び、前記導体層とが金属接合していることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の半導体装置において、
    前記導体条片の接合面が金又は銀で覆われていることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１又は請求項２に記載の半導体装置において、
    前記入出力電極の一方の接合面及び前記絶縁基板の導体層の接合面が金又は銀で覆われていることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の半導体装置を内蔵したことを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項５に記載の電力変換装置をエンジンルームに搭載したことを特徴とするハイブリット自動車。
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