JP4573467B2 - パワー半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般にパワー半導体装置に関するものであり、より特定的には、パワー半導体素子を備えた電流制御用途に用いられるパワー半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、フライホイールダイオード、ＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子を用いた従来のパワー半導体装置の断面図である。
【０００３】
パワー半導体装置は、たとえば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁部材２を備える。絶縁部材２の一方の面に金属板６を介在させてパワー半導体素子１が設けられている。絶縁部材２の他方の面に、金属板６を介在させて、半田層５により放熱板４が接合されている。
【０００４】
各パワー半導体素子１は、導線７で接続されている。パワー半導体素子１は、注入材１１に被覆されている。パワー半導体素子１の上方には、電子回路基板９が設けられており、電子回路基板９の上に電子部品１０が設けられている。これらの部品は、外部筐体３内に収められている。
【０００５】
外部筐体３は、接着部１４により、放熱板４に接着されている。外部筐体３を貫通するように、外部電極８が金属板６に接続されている。放熱板４には、冷媒口プラグ４０が取付けられている（図では、出入口の一方のみが図示されている。）。
【０００６】
放熱板４は冷却性能を高くするために、熱伝導率の高い材料（たとえばＣｕ）で形成される。このような従来のパワー半導体装置は、たとえば、特開平９−１２１０１９号公報に提案されている。
【０００７】
放熱板４の冷却性能を向上させるため、放熱板４の内部には、冷媒としての水などの流体を流すための冷媒通路（図示せず）が形成されている。
【０００８】
このパワー半導体装置においては、パワー半導体装置の駆動時に、パワー半導体素子１にゲート信号を入力することで、コレクタ・エミッタ間の電流をＯＮ／ＯＦＦさせる。このとき、パワー半導体素子１に発生した熱が、表面側の金属板６、絶縁部材２、裏面側の金属板６、裏面側の半田層５を伝導して放熱板４に伝えられ、放熱板４の内部を流れる冷媒に放熱される。冷媒は、冷媒口プラグ４０を介して、装置外部の循環装置により、循環される。
【０００９】
パワー半導体素子１の駆動に伴う発熱の繰返しにより、パワー半導体装置には温度の上昇と下降の変動が繰返される。パワー半導体素子１の線膨張率は、約３×１０-6（１／℃）、絶縁部材２のそれは約５×１０-6（１／℃）、放熱板４のそれは銅の場合、１７×１０-6（１／℃）であるため、これらが接合された装置の構造においては、各部材内部に熱応力が発生する。
【００１０】
パワー半導体装置の長期信頼性を評価・確認するための重要な項目として、温度サイクル試験がある。試験は、通常−４０℃から１２５℃の繰返し温度変化をパワー半導体装置に与えるが、冷媒通路の設けられた放熱板４の厚みは、約１０〜２０ｍｍと厚いため、温度サイクル試験により、場合によっては、温度変動回数（温度サイクル数）が数百回程度で、半田層５に亀裂が発生し、これが進展する。
【００１１】
この亀裂の発生および進展により、パワー半導体素子１の熱が放熱板４に伝わるための伝熱経路が遮断されるため、パワー半導体素子１の温度が上昇し、正常動作が妨げられることが懸念される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来のパワー半導体装置によれば、図１１を参照して、両面に金属板６が接合された絶縁部材２に、放熱板４を半田付けしている。このような構造では、少ない温度サイクル数で、半田層５に亀裂が発生して、これが進展するために、長期にわたる温度サイクルで、安定した放熱性能を維持できないという問題点があった。
【００１３】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、半田層の耐温度サイクル性を向上することができるように改良されたパワー半導体装置を提供することを目的とする。
【００１４】
この発明の他の目的は、装置の長期信頼性を向上できる構造を有するパワー半導体装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るパワー半導体装置は、両面に金属板が固着された絶縁部材を備える。上記絶縁部材の一方の面に、上記金属板を介在させて、パワー半導体素子が設けられている。上記絶縁部材の他方の面に、上記金属板を介在させて、半田層により、放熱板が接合されている。上記放熱板内に、冷却のための冷媒を通過させる冷媒通路が設けられている。上記冷媒通路の幅は、上記半田層の端部の近傍において、他の部分における冷媒通路の幅よりも広くされている。
【００１６】
この発明の好ましい実施態様によれば、上記放熱板の、上記半田層と接触する面と反対側の面に、凹部が設けられている。
【００１７】
この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記凹部は、複数箇所に設けられている。
【００１８】
この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記冷媒通路の幅は、上記半田層の４隅の近傍において、他の部分における上記冷媒通路の幅よりも広くされている。
【００１９】
この発明のさらに他の好ましい実施態様によれば、上記冷媒通路は、上記放熱板内において碁盤目状に形成されている。
【００２０】
この発明の第２の局面に従うパワー半導体装置は、両面に金属板が固着された絶縁部材を備える。上記絶縁部材の一方の面に、上記金属板を介在させてパワー半導体素子が設けられている。上記絶縁部材の他方の面に、上記金属板を介在させて、半田層により、放熱板が接合されている。上記放熱板内に、冷却のための冷媒を通過させる冷媒通路が設けられている。上記放熱板の冷媒通路と半田層に挟まれる部分の厚みは、半田層の端部の近傍において、他の部分における放熱板の厚みよりも薄くされている。
【００２１】
この発明の好ましい実施態様によれば、上記放熱板の厚みは、上記半田層の端部の近傍において、他の部分における放熱板の厚みよりも薄くされている。
【００２２】
この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記放熱板の、上記半田層が接触する側の面に、銅よりも熱膨張率が小さい金属層が形成されている。
【００２３】
この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記放熱板の、上記半田層が接触する側の面に、銅よりも縦弾性率が小さい金属層が形成されている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
【００２５】
実施の形態１
図１は、実施の形態１にかかるパワー半導体装置の断面図である。
【００２６】
パワー半導体装置は、たとえば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁部材２を備える。絶縁部材２の一方の面に金属板６を介在させてパワー半導体素子１が設けられている。絶縁部材２の他方の面に、金属板６を介在させて、半田層５により放熱板４が接合されている。
【００２７】
パワー半導体素子１は、それぞれ、導線７で接続されている。パワー半導体素子１は、注入材１１に被覆されている。パワー半導体素子１の上方には、電子回路基板９が設けられており、電子回路基板９の上に電子部品１０が設けられている。これらの部品は、外部筐体３に収められている。
【００２８】
外部筐体３は、接着部１４により、放熱板４に接着されている。外部筐体３を貫通するように、外部電極８が金属板６に接続されている。放熱板４には、冷媒口プラグ４０が取付けられている放熱板４には、放射性能を高くするために、熱伝導率の高い材料（たとえば熱膨張率が約３９０（Ｗ/ｍ・Ｋ）のＣｕ材）が用いられる。
【００２９】
放熱板４の、半田層５と接触する面と反対側の面に、凹部１５が設けられている。放熱板４内には、冷却のための冷媒を通過させる冷媒通路１２と、冷媒口１３が設けられている。冷媒通路１２の幅は、半田層５の端部の近傍において、他の部分における冷媒通路１２の幅よりも広くされている。換言すると、半田接合層５の端部の直下の位置における、放熱板４の冷媒通路１２の断面は、絶縁部材２の中央部直下の冷媒通路１２の断面よりも大きい。
【００３０】
このように、半田層５の端部直下の冷媒通路１２の断面を大きくすることによって、半田層５の端部下の放熱板４の剛性が、周囲に比較して小さくなる。パワー半導体装置の温度変動に伴い発生する半田層５の端部の熱応力は、上下の被接合材の線膨張率、弾性率および板厚に影響することがわかっている。たとえば、図２に示すような、第１層および第２層が半田層（接合層）を挟む３層積層構造における半田層（接合層）のせん断応力τは、半田層（接合層）の端部で最大となり、剪断応力τの値は、次式で表わされる。
【００３１】
【数１】
【００３２】
上式において、ｔ１、Ｅ１およびα１は、第１層の厚さ、縦弾性率および線膨張率、ηおよびＧは接合層の厚さおよび横弾性率、ｔ２、Ｅ２およびα２は第２層の厚さ、縦弾性率および線膨張率である。また、ΔＴはせん断応力が０のときからの温度変化、Ｌは接合層の長さである。
【００３３】
上式により、放熱板４の剛性を小さくすれば、半田層（接合層）の端部の応力を低減できることがわかるが、冷媒循環による放熱を考えると、半田層（接合層）の下全部を冷媒通路にすることは、冷媒の流速が低下し、効率が低減する。
【００３４】
図１１を参照して、温度サイクルによる半田層５の亀裂は、接合端部から発生することが実験で明らかであることから、半田層５の外周縁部のみの熱応力を低下させればよい。したがって、図１に示すような冷媒通路１２を設ければ、半田層５の端部応力を低下させることができ、温度サイクル寿命（温度サイクル数）を増加させることができる。
【００３５】
また、絶縁部材２が半田層５で接合されている位置の放熱板４の裏面（絶縁部材２の接合面と反対側）が、冷媒通路１２に干渉しない範囲で大きく凹んだ形状を有している。冷媒口１３の部分は、外部配管との接続のための冷媒口プラグ４０の取付とパワー半導体装置全体の剛性確保のため、板厚が確保されている。
【００３６】
このように、半田層５の下の放熱板４の裏面に凹部１５を設け、放熱板４の剛性を低下させることによっても、半田層５の端部の剪断応力を低下させることができる。上述の冷媒通路１２の配置と組み合わせると、さらに、半田層５の端部の応力低減を図ることができる。
【００３７】
図３は、半田層５の端部下の冷媒通路１２の形状、放熱板４の裏面に対する凹み加工が、半田層５の端部の熱応力の低減に及ぼす影響について、有限要素法による応力解析結果を示す。図１と図３を参照して、冷媒通路１２の施工および放熱板４の裏面の凹み加工を行うことにより、半田層５の端部の、熱応力による、歪が低減することがわかった。
【００３８】
図４は、実施の形態１に係るパワー半導体装置における、放熱板４に施工された冷媒通路１２の配置を示す、平面図である。図中、破線２０は、絶縁部材２と放熱板４間に形成された半田層５の外周縁の位置を示す。このように、半田層５の外周縁全周にわたり、その直下において、冷媒通路１２の幅が他の部分における冷却通路１２の幅よりも大きくされている。図中、矢印３０は、冷媒の入出方向の一例を示す。
【００３９】
なお、上記実施例では、凹部を１箇所だけに設ける場合を例示したが、凹部を複数箇所に設けてもよい。
【００４０】
実施の形態２
図５は、実施の形態２に係るパワー半導体装置の、放熱板４に施工された冷媒通路１２の配置を示す、平面図である。
【００４１】
図１１を参照して、パワー半導体装置の温度サイクルによる発生する半田層５の亀裂は、ほとんどの場合、半田層５の４隅から生じることが、実験で確認されている。このことより、図５に示すように、半田層５の４隅部分に相対する位置の冷媒通路１２の幅を他の部分より大きくして、当該部分の放熱板４の剛性を低下させた。
【００４２】
これにより、半田層５の熱応力を緩和できるとともに、各々の冷媒通路１２の最小断面積部分の断面積が均一となり、冷媒の流速を均一化でき、放熱板４の平面方向に対して均一な冷却が可能となる。
【００４３】
また、半田層５の４隅に相対する位置の放熱板４に設けられる冷媒通路１２の形状は、たとえば図６および図７に示したような形状であっても、同様の効果を得ることができる。なおこれらの図において、図１に示す部材と同一または相当する部分には、同一の参照番号を付し、その説明を繰返さない。
【００４４】
実施の形態３
図８は、実施の形態３に係るパワー半導体装置の、放熱板４に加工された冷媒通路１２の配置を示す平面図である。
【００４５】
図１と図８を参照して、半田層５の４隅に相対する位置に、放熱板４の剛性を低下させるために、横方向にその幅広部分が延びる冷媒通路１２が配置されている。さらに、半田層５の中央部近傍の下の冷媒通路１２が、碁盤目状に配置されている。このように構成すると、半田層５の下部の放熱板４の剛性がさらに低減することになる。その結果、半田層５の端部の剪断応力をさらに低減でき、耐温度サイクル特性を向上できる。
【００４６】
実施の形態４
図９は、実施の形態４にかかるパワー半導体装置の、放熱板４を含む主要部分の断面図である。
【００４７】
半田層５の端部に相対する位置において、冷媒通路１２と半田層５に挟まれる放熱板部分４ｔの厚みを、当該個所のみ薄くなるようにした。冷媒通路１２の上部にある放熱板４の厚みを、全面的に薄くすることが、製造上の問題などで不可能な場合、たとえば、放熱板４の上面のうねりが大きくなり、絶縁部材２が高精度に半田接合できないような場合がある。こうした場合にも、本発明の実施の形態により、必要部分のみ（４ｔ）の放熱板４の剛性を低減させることができる。
そのため、半田層５の耐温度サイクル特性を向上できる。
【００４８】
実施の形態５
図１０は、実施の形態５に係るパワー半導体装置の、放熱板４を含む主要部分の断面図である。
【００４９】
放熱板４において、冷媒通路１２と半田層５に挟まれる放熱板の一部分に、Ｃｕ材（線膨張率約１７×１０-6（１/℃））よりも線膨張率が小さい材料で形成された接合板１８を形成した。接合板１８としては、たとえば、線膨張率が約５×１０-6（１／℃）のＭｏ材などを用いる。これにより、放熱板４の熱伝導性を大幅に低下させることなく、半田層５に生じる熱応力を低減することが可能となる。
【００５０】
実施の形態６
図１０は、また、実施の形態６に係るパワー半導体装置の放熱板４を含む主要部分の断面図である。
【００５１】
本実施の形態では、実施の形態５で説明した接合板１８の材料として、縦弾性率約１２０ＧＰａのＣｕ材よりも縦弾性率の小さい材質のものを用いた。これにより、パワー半導体装置に発生する熱応力を弾性率の小さい接合板１８で緩和できるため、半田層５に生じる熱応力を低減させることが可能となる。
【００５２】
実施の形態７
実施の形態１〜６においては、半田層５の端部に相対する位置の放熱板４の剛性を局部的に低減させるために、冷媒通路１２を配置している。本実施の形態では、冷媒通路とは別に、単に空隙を設けた。このように構成しても同様の効果を得ることができる。
【００５３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００５４】
【発明の効果】
この発明の第１の局面に従うパワー半導体装置においては、半田層端部の熱応力が緩和され、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすことができ、装置の信頼性を高めることができる。
【００５５】
また、放熱板の、半田層と接触する面と反対側の面に、凹部を設けた場合には、半田層端部の熱応力が緩和され、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすことができ、装置の信頼性をさらに高めることができる。
【００５６】
また、凹部を複数箇所に設けることにより、半田層端部の熱応力がさらに緩和され、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすことができ、装置の信頼性を高めることができる。
【００５７】
さらに、冷媒通路の幅を、半田層の４隅の近傍において他の部分における冷媒通路の幅よりも広くすることにより、半田層端部の熱応力がさらに緩和され、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすことができ、装置の信頼性を高めることができる。
【００５８】
冷媒通路を、放熱板内において碁盤目状に形成することにより、半田層端部の熱応力がさらに緩和され、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命をさらに伸ばすことができ、装置の信頼性をさらに高めることができる。
【００５９】
この発明の第２の局面に従うパワー半導体装置では、放熱板内であって、半田層の端部の近傍に、放熱板の剛性を局部的に低減させるための空隙が設けられているので、半田層端部の熱応力が緩和され、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすことができ、装置の信頼性を高めることができる。
【００６０】
また、この発明において、放熱板の厚みを、半田層の端部の近傍において、他の部分における放熱板の厚みよりも薄くすることにより、半田層端部の熱応力をさらに緩和し、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすことができ、装置の信頼性を高めることができる。
【００６１】
また、放熱板の、半田層が接触する側の面に、銅よりも熱膨張率が小さい金属層を形成することにより、半田層端部の熱応力をさらに緩和し、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命をさらに伸ばすことができ、装置の信頼性をさらに高めることができる。
【００６２】
さらに、放熱板の、半田層が接触する側の面を、銅よりも縦弾性率が小さい金属で形成することにより、半田層端部の熱応力をさらに緩和し、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすことができ、装置の信頼性をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係るパワー半導体装置の断面図である。
【図２】３層接合材の接合層に発生する熱応力の大きさを説明するための図である。
【図３】実施の形態１に係るパワー半導体装置に対する応力解析結果を示す図である。
【図４】実施の形態１に係るパワー半導体装置の、放熱板に設けられた冷媒通路の配置を示す平面図である。
【図５】実施の形態２に係るパワー半導体装置の、放熱板に設けられた冷媒通路の配置を示す平面図である。
【図６】実施の形態２に係るパワー半導体装置の、放熱板に設けられた冷媒通路の別の態様を示す平面図である。
【図７】実施の形態２に係るパワー半導体装置の、放熱板に設けられた冷媒通路のさらに他の態様を示す平面図である。
【図８】実施の形態３に係るパワー半導体装置の、放熱板に設けられた冷媒通路の配置を示す平面図である。
【図９】実施の形態４に係るパワー半導体装置における放熱板の構造を説明するための断面図である。
【図１０】実施の形態５に係るパワー半導体装置における放熱板の構造を説明するための断面図である。
【図１１】従来のパワー半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１ パワー半導体素子、２ 絶縁部材、３ 外部筐体、４ 放熱板、５ 半田層、６ 金属板、７ 導線、８ 外部電極、９ 電子回路基板、１０ 電子部品、１１ 注入材、１２ 冷媒通路、１３ 冷媒口、１４ 接着部、１５ 凹部、４０ 冷媒口プラグ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般にパワー半導体装置に関するものであり、より特定的には、パワー半導体素子を備えた電流制御用途に用いられるパワー半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、フライホイールダイオード、ＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子を用いた従来のパワー半導体装置の断面図である。
【０００３】
パワー半導体装置は、たとえば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁部材２を備える。絶縁部材２の一方の面に金属板６を介在させてパワー半導体素子１が設けられている。絶縁部材２の他方の面に、金属板６を介在させて、半田層５により放熱板４が接合されている。
【０００４】
各パワー半導体素子１は、導線７で接続されている。パワー半導体素子１は、注入材１１に被覆されている。パワー半導体素子１の上方には、電子回路基板９が設けられており、電子回路基板９の上に電子部品１０が設けられている。これらの部品は、外部筐体３内に収められている。
【０００５】
外部筐体３は、接着部１４により、放熱板４に接着されている。外部筐体３を貫通するように、外部電極８が金属板６に接続されている。放熱板４には、冷媒口プラグ４０が取付けられている（図では、出入口の一方のみが図示されている。）。
【０００６】
放熱板４は冷却性能を高くするために、熱伝導率の高い材料（たとえばＣｕ）で形成される。このような従来のパワー半導体装置は、たとえば、特開平９−１２１０１９号公報に提案されている。
【０００７】
放熱板４の冷却性能を向上させるため、放熱板４の内部には、冷媒としての水などの流体を流すための冷媒通路（図示せず）が形成されている。
【０００８】
このパワー半導体装置においては、パワー半導体装置の駆動時に、パワー半導体素子１にゲート信号を入力することで、コレクタ・エミッタ間の電流をＯＮ／ＯＦＦさせる。このとき、パワー半導体素子１に発生した熱が、表面側の金属板６、絶縁部材２、裏面側の金属板６、裏面側の半田層５を伝導して放熱板４に伝えられ、放熱板４の内部を流れる冷媒に放熱される。冷媒は、冷媒口プラグ４０を介して、装置外部の循環装置により、循環される。
【０００９】
パワー半導体素子１の駆動に伴う発熱の繰返しにより、パワー半導体装置には温度の上昇と下降の変動が繰返される。パワー半導体素子１の線膨張率は、約３×１０-6（１／℃）、絶縁部材２のそれは約５×１０-6（１／℃）、放熱板４のそれは銅の場合、１７×１０-6（１／℃）であるため、これらが接合された装置の構造においては、各部材内部に熱応力が発生する。
【００１０】
パワー半導体装置の長期信頼性を評価・確認するための重要な項目として、温度サイクル試験がある。試験は、通常−４０℃から１２５℃の繰返し温度変化をパワー半導体装置に与えるが、冷媒通路の設けられた放熱板４の厚みは、約１０〜２０ｍｍと厚いため、温度サイクル試験により、場合によっては、温度変動回数（温度サイクル数）が数百回程度で、半田層５に亀裂が発生し、これが進展する。
【００１１】
この亀裂の発生および進展により、パワー半導体素子１の熱が放熱板４に伝わるための伝熱経路が遮断されるため、パワー半導体素子１の温度が上昇し、正常動作が妨げられることが懸念される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来のパワー半導体装置によれば、図１１を参照して、両面に金属板６が接合された絶縁部材２に、放熱板４を半田付けしている。このような構造では、少ない温度サイクル数で、半田層５に亀裂が発生して、これが進展するために、長期にわたる温度サイクルで、安定した放熱性能を維持できないという問題点があった。
【００１３】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、半田層の耐温度サイクル性を向上することができるように改良されたパワー半導体装置を提供することを目的とする。
【００１４】
この発明の他の目的は、装置の長期信頼性を向上できる構造を有するパワー半導体装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るパワー半導体装置は、両面に金属板が固着された絶縁部材を備える。上記絶縁部材の一方の面に、上記金属板を介在させて、パワー半導体素子が設けられている。上記絶縁部材の他方の面に、上記金属板を介在させて、半田層により、放熱板が接合されている。上記放熱板内に、冷却のための冷媒を通過させる冷媒通路が設けられている。上記冷媒通路の幅は、上記半田層の端部の近傍において、他の部分における冷媒通路の幅よりも広くされている。
【００１６】
この発明の好ましい実施態様によれば、上記放熱板の、上記半田層と接触する面と反対側の面に、凹部が設けられている。
【００１７】
この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記凹部は、複数箇所に設けられている。
【００１８】
この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記冷媒通路の幅は、上記半田層の４隅の近傍において、他の部分における上記冷媒通路の幅よりも広くされている。
【００１９】
この発明のさらに他の好ましい実施態様によれば、上記冷媒通路は、上記放熱板内において碁盤目状に形成されている。
【００２０】
この発明の第２の局面に従うパワー半導体装置は、両面に金属板が固着された絶縁部材を備える。上記絶縁部材の一方の面に、上記金属板を介在させてパワー半導体素子が設けられている。上記絶縁部材の他方の面に、上記金属板を介在させて、半田層により、放熱板が接合されている。上記放熱板内に、冷却のための冷媒を通過させる冷媒通路が設けられている。上記放熱板の冷媒通路と半田層に挟まれる部分の厚みは、半田層の端部の近傍において、他の部分における放熱板の厚みよりも薄くされている。
【００２１】
この発明の好ましい実施態様によれば、上記放熱板の厚みは、上記半田層の端部の近傍において、他の部分における放熱板の厚みよりも薄くされている。
【００２２】
この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記放熱板の、上記半田層が接触する側の面に、銅よりも熱膨張率が小さい金属層が形成されている。
【００２３】
この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記放熱板の、上記半田層が接触する側の面に、銅よりも縦弾性率が小さい金属層が形成されている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
【００２５】
実施の形態１
図１は、実施の形態１にかかるパワー半導体装置の断面図である。
【００２６】
パワー半導体装置は、たとえば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁部材２を備える。絶縁部材２の一方の面に金属板６を介在させてパワー半導体素子１が設けられている。絶縁部材２の他方の面に、金属板６を介在させて、半田層５により放熱板４が接合されている。
【００２７】
パワー半導体素子１は、それぞれ、導線７で接続されている。パワー半導体素子１は、注入材１１に被覆されている。パワー半導体素子１の上方には、電子回路基板９が設けられており、電子回路基板９の上に電子部品１０が設けられている。これらの部品は、外部筐体３に収められている。
【００２８】
外部筐体３は、接着部１４により、放熱板４に接着されている。外部筐体３を貫通するように、外部電極８が金属板６に接続されている。放熱板４には、冷媒口プラグ４０が取付けられている放熱板４には、放射性能を高くするために、熱伝導率の高い材料（たとえば熱膨張率が約３９０（Ｗ/ｍ・Ｋ）のＣｕ材）が用いられる。
【００２９】
放熱板４の、半田層５と接触する面と反対側の面に、凹部１５が設けられている。放熱板４内には、冷却のための冷媒を通過させる冷媒通路１２と、冷媒口１３が設けられている。冷媒通路１２の幅は、半田層５の端部の近傍において、他の部分における冷媒通路１２の幅よりも広くされている。換言すると、半田接合層５の端部の直下の位置における、放熱板４の冷媒通路１２の断面は、絶縁部材２の中央部直下の冷媒通路１２の断面よりも大きい。
【００３０】
このように、半田層５の端部直下の冷媒通路１２の断面を大きくすることによって、半田層５の端部下の放熱板４の剛性が、周囲に比較して小さくなる。パワー半導体装置の温度変動に伴い発生する半田層５の端部の熱応力は、上下の被接合材の線膨張率、弾性率および板厚に影響することがわかっている。たとえば、図２に示すような、第１層および第２層が半田層（接合層）を挟む３層積層構造における半田層（接合層）のせん断応力τは、半田層（接合層）の端部で最大となり、剪断応力τの値は、次式で表わされる。
【００３１】
【数１】
上式において、ｔ１、Ｅ１およびα１は、第１層の厚さ、縦弾性率および線膨張率、ηおよびＧは接合層の厚さおよび横弾性率、ｔ２、Ｅ２およびα２は第２層の厚さ、縦弾性率および線膨張率である。また、ΔＴはせん断応力が０のときからの温度変化、Ｌは接合層の長さである。
【００３３】
上式により、放熱板４の剛性を小さくすれば、半田層（接合層）の端部の応力を低減できることがわかるが、冷媒循環による放熱を考えると、半田層（接合層）の下全部を冷媒通路にすることは、冷媒の流速が低下し、効率が低減する。
【００３４】
図１１を参照して、温度サイクルによる半田層５の亀裂は、接合端部から発生することが実験で明らかであることから、半田層５の外周縁部のみの熱応力を低下させればよい。したがって、図１に示すような冷媒通路１２を設ければ、半田層５の端部応力を低下させることができ、温度サイクル寿命（温度サイクル数）を増加させることができる。
【００３５】
また、絶縁部材２が半田層５で接合されている位置の放熱板４の裏面（絶縁部材２の接合面と反対側）が、冷媒通路１２に干渉しない範囲で大きく凹んだ形状を有している。冷媒口１３の部分は、外部配管との接続のための冷媒口プラグ４０の取付とパワー半導体装置全体の剛性確保のため、板厚が確保されている。
【００３６】
このように、半田層５の下の放熱板４の裏面に凹部１５を設け、放熱板４の剛性を低下させることによっても、半田層５の端部の剪断応力を低下させることができる。上述の冷媒通路１２の配置と組み合わせると、さらに、半田層５の端部の応力低減を図ることができる。
【００３７】
図３は、半田層５の端部下の冷媒通路１２の形状、放熱板４の裏面に対する凹み加工が、半田層５の端部の熱応力の低減に及ぼす影響について、有限要素法による応力解析結果を示す。図１と図３を参照して、冷媒通路１２の施工および放熱板４の裏面の凹み加工を行うことにより、半田層５の端部の、熱応力による、歪が低減することがわかった。
【００３８】
図４は、実施の形態１に係るパワー半導体装置における、放熱板４に施工された冷媒通路１２の配置を示す、平面図である。図中、破線２０は、絶縁部材２と放熱板４間に形成された半田層５の外周縁の位置を示す。このように、半田層５の外周縁全周にわたり、その直下において、冷媒通路１２の幅が他の部分における冷却通路１２の幅よりも大きくされている。図中、矢印３０は、冷媒の入出方向の一例を示す。
【００３９】
なお、上記実施例では、凹部を１箇所だけに設ける場合を例示したが、凹部を複数箇所に設けてもよい。
【００４０】
実施の形態２
図５は、実施の形態２に係るパワー半導体装置の、放熱板４に施工された冷媒通路１２の配置を示す、平面図である。
【００４１】
図１１を参照して、パワー半導体装置の温度サイクルによる発生する半田層５の亀裂は、ほとんどの場合、半田層５の４隅から生じることが、実験で確認されている。このことより、図５に示すように、半田層５の４隅部分に相対する位置の冷媒通路１２の幅を他の部分より大きくして、当該部分の放熱板４の剛性を低下させた。
【００４２】
これにより、半田層５の熱応力を緩和できるとともに、各々の冷媒通路１２の最小断面積部分の断面積が均一となり、冷媒の流速を均一化でき、放熱板４の平面方向に対して均一な冷却が可能となる。
【００４３】
また、半田層５の４隅に相対する位置の放熱板４に設けられる冷媒通路１２の形状は、たとえば図６および図７に示したような形状であっても、同様の効果を得ることができる。なおこれらの図において、図１に示す部材と同一または相当する部分には、同一の参照番号を付し、その説明を繰返さない。
【００４４】
実施の形態３
図８は、実施の形態３に係るパワー半導体装置の、放熱板４に加工された冷媒通路１２の配置を示す平面図である。
【００４５】
図１と図８を参照して、半田層５の４隅に相対する位置に、放熱板４の剛性を低下させるために、横方向にその幅広部分が延びる冷媒通路１２が配置されている。さらに、半田層５の中央部近傍の下の冷媒通路１２が、碁盤目状に配置されている。このように構成すると、半田層５の下部の放熱板４の剛性がさらに低減することになる。その結果、半田層５の端部の剪断応力をさらに低減でき、耐温度サイクル特性を向上できる。
【００４６】
実施の形態４
図９は、実施の形態４にかかるパワー半導体装置の、放熱板４を含む主要部分の断面図である。
【００４７】
半田層５の端部に相対する位置において、冷媒通路１２と半田層５に挟まれる放熱板部分４ｔの厚みを、当該個所のみ薄くなるようにした。冷媒通路１２の上部にある放熱板４の厚みを、全面的に薄くすることが、製造上の問題などで不可能な場合、たとえば、放熱板４の上面のうねりが大きくなり、絶縁部材２が高精度に半田接合できないような場合がある。こうした場合にも、本発明の実施の形態により、必要部分のみ（４ｔ）の放熱板４の剛性を低減させることができる。
そのため、半田層５の耐温度サイクル特性を向上できる。
【００４８】
実施の形態５
図１０は、実施の形態５に係るパワー半導体装置の、放熱板４を含む主要部分の断面図である。
【００４９】
放熱板４において、冷媒通路１２と半田層５に挟まれる放熱板の一部分に、Ｃｕ材（線膨張率約１７×１０-6（１/℃））よりも線膨張率が小さい材料で形成された接合板１８を形成した。接合板１８としては、たとえば、線膨張率が約５×１０-6（１／℃）のＭｏ材などを用いる。これにより、放熱板４の熱伝導性を大幅に低下させることなく、半田層５に生じる熱応力を低減することが可能となる。
【００５０】
実施の形態６
図１０は、また、実施の形態６に係るパワー半導体装置の放熱板４を含む主要部分の断面図である。
【００５１】
本実施の形態では、実施の形態５で説明した接合板１８の材料として、縦弾性率約１２０ＧＰａのＣｕ材よりも縦弾性率の小さい材質のものを用いた。これにより、パワー半導体装置に発生する熱応力を弾性率の小さい接合板１８で緩和できるため、半田層５に生じる熱応力を低減させることが可能となる。
【００５２】
実施の形態７
実施の形態１〜６においては、半田層５の端部に相対する位置の放熱板４の剛性を局部的に低減させるために、冷媒通路１２を配置している。本実施の形態では、冷媒通路とは別に、単に空隙を設けた。このように構成しても同様の効果を得ることができる。
【００５３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００５４】
【発明の効果】
この発明の第１の局面に従うパワー半導体装置においては、半田層端部の熱応力が緩和され、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすことができ、装置の信頼性を高めることができる。
【００５５】
また、放熱板の、半田層と接触する面と反対側の面に、凹部を設けた場合には、半田層端部の熱応力が緩和され、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすことができ、装置の信頼性をさらに高めることができる。
【００５６】
また、凹部を複数箇所に設けることにより、半田層端部の熱応力がさらに緩和され、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすことができ、装置の信頼性を高めることができる。
【００５７】
さらに、冷媒通路の幅を、半田層の４隅の近傍において他の部分における冷媒通路の幅よりも広くすることにより、半田層端部の熱応力がさらに緩和され、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすことができ、装置の信頼性を高めることができる。
【００５８】
冷媒通路を、放熱板内において碁盤目状に形成することにより、半田層端部の熱応力がさらに緩和され、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命をさらに伸ばすことができ、装置の信頼性をさらに高めることができる。
【００５９】
この発明の第２の局面に従うパワー半導体装置では、放熱板内であって、半田層の端部の近傍に、放熱板の剛性を局部的に低減させるための空隙が設けられているので、半田層端部の熱応力が緩和され、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすことができ、装置の信頼性を高めることができる。
【００６０】
また、この発明において、放熱板の厚みを、半田層の端部の近傍において、他の部分における放熱板の厚みよりも薄くすることにより、半田層端部の熱応力をさらに緩和し、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすことができ、装置の信頼性を高めることができる。
【００６１】
また、放熱板の、半田層が接触する側の面に、銅よりも熱膨張率が小さい金属層を形成することにより、半田層端部の熱応力をさらに緩和し、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命をさらに伸ばすことができ、装置の信頼性をさらに高めることができる。
【００６２】
さらに、放熱板の、半田層が接触する側の面を、銅よりも縦弾性率が小さい金属で形成することにより、半田層端部の熱応力をさらに緩和し、熱疲労による半田層の亀裂発生および進展寿命を伸ばすことができ、装置の信頼性をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係るパワー半導体装置の断面図である。
【図２】３層接合材の接合層に発生する熱応力の大きさを説明するための図である。
【図３】実施の形態１に係るパワー半導体装置に対する応力解析結果を示す図である。
【図４】実施の形態１に係るパワー半導体装置の、放熱板に設けられた冷媒通路の配置を示す平面図である。
【図５】実施の形態２に係るパワー半導体装置の、放熱板に設けられた冷媒通路の配置を示す平面図である。
【図６】実施の形態２に係るパワー半導体装置の、放熱板に設けられた冷媒通路の別の態様を示す平面図である。
【図７】実施の形態２に係るパワー半導体装置の、放熱板に設けられた冷媒通路のさらに他の態様を示す平面図である。
【図８】実施の形態３に係るパワー半導体装置の、放熱板に設けられた冷媒通路の配置を示す平面図である。
【図９】実施の形態４に係るパワー半導体装置における放熱板の構造を説明するための断面図である。
【図１０】実施の形態５に係るパワー半導体装置における放熱板の構造を説明するための断面図である。
【図１１】従来のパワー半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１ パワー半導体素子、２ 絶縁部材、３ 外部筐体、４ 放熱板、５ 半田層、６ 金属板、７ 導線、８ 外部電極、９ 電子回路基板、１０ 電子部品、１１ 注入材、１２ 冷媒通路、１３ 冷媒口、１４ 接着部、１５ 凹部、４０ 冷媒口プラグ。
Claims (9)
- 両面に金属板が固着された絶縁部材と、
前記絶縁部材の一方の面に前記金属板を介在させて設けられたパワー半導体素子と、
前記絶縁部材の他方の面に、前記金属板を介在させて、半田層により接合された放熱板と、
前記放熱板内に設けられ、冷却のための冷媒を通過させる冷媒通路と、を備え、
前記冷媒通路の幅は、前記半田層の端部の近傍において、他の部分における冷媒通路の幅よりも広くされている、パワー半導体装置。 - 前記放熱板の、前記半田層と接触する面と反対側の面に、凹部が設けられている、請求項１に記載のパワー半導体装置。
- 前記凹部は、複数箇所設けられている、請求項２に記載のパワー半導体装置。
- 前記冷媒通路の幅は、前記半田層の４隅の近傍において、他の部分における前記冷媒通路の幅よりも広くされている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
- 前記冷媒通路は、前記放熱板内において碁盤目状に形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
- 両面に金属板が固着された絶縁部材と、
前記絶縁部材の一方の面に前記金属板を介在させて設けられたパワー半導体素子と、
前記絶縁部材の他方の面に、前記金属板を介在させて、半田層により接合された放熱板と、
前記放熱板内に設けられ、冷却のための冷媒を通過させる冷媒通路と、を備え、
前記放熱板の前記冷媒通路と前記半田層に挟まれる部分の厚みは、前記半田層の端部の近傍において、他の部分における放熱板の厚みよりも薄くされている、パワー半導体装置。 - 前記放熱板の厚みは、前記半田層の端部の近傍において、他の部分における放熱板の厚みよりも薄くされている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
- 前記放熱板の、前記半田層が接触する側の面に、銅よりも熱膨張率が小さい金属層が形成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
- 前記放熱板の、前記半田層が接触する側の面に、銅よりも縦弾性率が小さい金属が形成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
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