JP4833795B2

JP4833795B2 - 半導体素子の接続リード

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Publication number: JP4833795B2
Application number: JP2006296316A
Authority: JP
Inventors: 芳生平野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-10-31
Also published as: JP2008112932A

Description

本発明は、半導体素子の接続リードに係り、特に好適には電力を所望の電圧、電流、周波数に変換する電力変換デバイスの接続リードに関するものである。

シリコン半導体材料は、ＣＰＵやメモリ、発信器等のデジタル素子用の材料として使用される他に、交流の１００V電圧を５V等の所望の直流電圧に変換する電源機器やモーター用インバータ等の電力変換、あるいは携帯電話等の基地局で信号を増幅するアンプ等のアナログ素子として用いられる等、デジタル機器、アナログ機器に、広範囲に利用されている。しかしながら、これらシリコン半導体素子は、シリコン材料の物性値（真性半導体温度）等から使用温度に限界があり、例えば、一般の電力用パワーデバイスではデバイス内部の素子温度が１５０℃程度を上限としており、これを超えない範囲で回路設計がなされている（非特許文献１）。

一方、近年では、シリコン材料より真性半導体温度が高く、物性的に高温での動作が可能でかつ高い飽和ドリフト速度、絶縁破壊電界を持つことが判明している炭化珪素（SiC）、ガリウム砒素（GaAs）、窒化ガリウム（GaN）、ダイヤモンドの素子を用いたデバイスの開発や実用化が進みつつある。具体的にはこれら材料の物性として、真性半導体温度Ｔ_i及び飽和ドリフト速度Ｖ_S、絶縁破壊電界Ｅ_Bは、シリコンではＴ_i＝６００K、Ｖ_s＝１×１０⁷cm/s、Ｅ_B＝０．３MV/cmであるのに対して、SiCは、４ＨポリタイプでＴ_i＝１４００K、Ｖ_S＝２．７×１０⁷cm/s、Ｅ_B＝３．５MV/cm、同じく６ＨポリタイプでＴ_i＝１３００K、Ｖ_S＝２．０×１０⁷cm/s、Ｅ_B＝３．０MV/cm、３ＣポリタイプでＴ_i＝１０００K、Ｖ_S＝２．７×１０⁷cm/s、Ｅ_B＝３．０MV/cm、GaAsはＴ_i＝８５０K、Ｖ_S＝２．０×１０⁷cm/s、Ｅ_B＝０．６５MV/cm、GaNはＴ_i＝２０００K、Ｖ_S＝２．７×１０⁷cm/s、Ｅ_B＝２．６MV/cm、ダイヤモンドはＴ_i＝３０００K、Ｖ_S＝２．７×１０⁷cm/s、Ｅ_B＝５．６MV/cmである。尚、真性半導体温度は真性キャリア濃度が５×１０¹⁵cm^-3になる温度である（非特許文献２）。

これら材料は、真性半導体温度まで素子として用いることができるわけではなく、工業利用としてはその温度以下で、十分な余裕を持った設計温度でデバイスが構成される。例えば、SiC材料を用いたデバイスでは素子温度として、凡そ７００℃以下で設計するのが実用的である。シリコンでは前述したようにデバイス内部の素子温度で１５０℃程度である。

このような電力デバイスを回路に実装する際には、一般にはガラスエポキシと銅箔からなる電気回路基板上に設けられた部品取り付け孔（ホール）に、デバイスから出ている丸棒状若しくは平板上の金属リードを差込み、ハンダ等の低融点金属によりロウ付けするのが一般的な取り付け方法である。このようなロウ材ハンダの種類としてはSn-37Pb（融点１８４℃）等が一般に知られており、また、Pbフリーの材料としてSn-3.5Ag（融点２２１℃）等が知られている（非特許文献３）。

複数の素子を内蔵した高出力用のパワーモジュールデバイスの場合は、リードとして銅板や太い銅撚線等が用いられ、モジュール端子と基板回路とを接続されている。これらリード線の末端処理としては、同じくハンダ等でロウ付けするか、ねじ等で機械的に圧着して取り付けるのが一般的な方法として知られている。

また、外部接続リードの形状として特許文献１（実開平6-7254号公報）には、ディスクリート型のデバイスのリードを直線構造ではなく、アーチ形やＶ形にしてデバイスが受けた熱応力の吸収緩和を行う機能を持つ構造が記載されている。
実開平6-７２５４号公報「実用電源回路設計ハンドブック」1988年5月20日初版 CQ出版社株式会社 65頁「SiC素子の基礎と応用」平成15年3月26日第１版株式会社オーム社 14〜15頁「鉛フリーはんだ付け技術」2001年1月20日初版株式会社工業調査会 91〜125頁

シリコン半導体素子からなる電力変換用デバイスを回路上に実装するため、ハンダ等のロウ材で接合しようとすると、ロウ材を溶かすためのハンダごて等からの熱が、デバイスのリードを伝わってシリコン半導体素子まで到達し、多くのシリコン半導体素子の耐用限界温度である１５０℃を超えてしまい、素子の破壊や、素子の劣化を生じさせる問題があった。さらに、近年では環境保全から、鉛を含まない高融点のハンダを用いる場合も増えており、高温でのロウ付け作業において、素子保護のためにより短い時間でロウ付けが必要になる等、以前より作業自体も難しくなってきていた。

また、半導体材料として、炭化珪素（SiC）、ガリウム砒素（GaAs）、窒化ガリウム（GaN）、ダイヤモンド又はこれらを複合してなる半導体素子を用いると、これらの半導体素子はその真性半導体温度が高く、物性的に高温での動作が可能であるため、ロウ付けの融点温度での破壊を避けることもある程度可能ではある。しかしながら、一方で、これら素子の特徴である高温動作を行わせるべく、素子の電力密度を上げて素子温度を上昇させると、素子から発熱する熱がリードを経由して、リードと外部電気回路とを繋ぐ部位、あるいは他の電気部品との間を繋ぐロウ付け部位へ伝播し、ハンダ等を溶かしたり、劣化させる場合があった。さらに、ロウ材として、鉛を含まない高融点の材料等を使用する場合、あるいは、圧着端子を用いる等の対策を施した場合においても、素子から発生した熱がリード、回路パターンを経由して近隣に配置した熱に弱い電気部品にまで到達し、それらを破壊、劣化させる場合もあった。また、このような問題に対する対策として、リードの末端で十分に冷えるようにリード長さを長くすると、電気抵抗が増し、回路の損失となっていた。また、リード長さを長くすることは、特に高周波回路では浮遊インダクタンス成分の増大を招き、ノイズが電力ロスの原因になる等の問題となっていた。

本発明は、従来の半導体素子の接続リードで発生する上記の各種問題を解決することができる半導体素子の接続リードを提供することを目的とする。

本発明では、前記課題解決のため、150〜700℃で動作するSiC、GaN、GaAs、ダイヤモンド、又はその組み合わせからなる材料で構成された電力変換デバイスである半導体素子と他の電気回路部品との間を接続して電力を入出力する半導体素子の接続リードであり、この接続リードのリード部位には、熱伝導性を有する電気絶縁材を介して、循環する冷却用媒体と熱交換する熱交換部を備えた冷却機構が設けられている半導体素子の接続リードを提供する。

本発明において、前記冷却機構としては、リード部位に良熱伝導性で熱容量の大きい放熱ブロックを取り付けた放熱ブロック構造等を例示することができる。

また、このような冷却機構に備えられた熱交換部においては、良熱伝導性の、好ましくは高熱伝導性の電気絶縁材を介して、循環する冷却用媒体と熱交換をすることが必要である。

更に、本発明が適用される好適な半導体素子は、その真性半導体温度が高く、物性的に高温での動作が可能なSiC、GaN、GaAs、ダイヤモンド、又はその組み合わせからなる材料で構成された電力変換デバイスである。

本発明によれば、半導体素子のデバイスであってもリードに冷却機構を持っているため、リードの片端のハンダごて等から伝わる熱を放熱可能とするため、半導体素子の限界温度近く、あるいはそれ以上の温度に成ることを回避でき、あるいは半導体素子の破壊温度になる到達時間を延長することができ、半導体素子の破壊や故障を防止することができる。また、リードの長さが短くとも、リード末端で十分な冷却効果が得られるため、リードの電気抵抗や浮遊インダクタンスを増大させることは無い。

冷却機構としては、リード部位に放熱ブロックを取り付けた放熱ブロック構造とすることにより、急激な熱伝導と温度上昇とを防止し、接続リードで発生する種々の熱の問題を解消することができる。

また、このような冷却機構においては、循環する冷却用媒体と熱交換する熱交換部を設けることにより、空冷以上の冷却効果を得ることができる。なお、電気絶縁材において、熱伝導性は廃熱を促進し、また、電気絶縁性はリード間の短絡防止、あるいは媒体とリードとの間の電気絶縁効果を発揮する。

更に、本発明が適用される半導体素子が高温動作可能な電力変換デバイスであれば、これらの半導体が動作し、デバイス内部で素子損失により発生した高温の熱がリードを伝わる際に放熱されるため、外部電気回路に接続するために用いたロウ材の融点を超えないようにすることができ、また、近接する他の耐熱性の低い電気部品等を、電気基板回路を伝播する熱から保護する効果もある。

以下、添付図面に示す実施例に基づいて、本発明の好適な実施の形態を具体的に説明する。

［第１の参考例］
図１は、本発明の第１の実施例に係るシリコン半導体素子からなる電力変換デバイスの構成説明図である。１は、シリコン半導体素子を内蔵する樹脂モールドされた部位であり、また、図２はそのリード部位の拡大断面説明図である。１の外形は高さ１０mm、幅１５mm、厚さ５mmである。シリコン半導体素子としては、PN型のダイオードを搭載してあり、許容限界温度は１５０℃のものである。６００Vの逆耐電圧を持ち、５Aの定格電流を持つ。２は、樹脂モールド部１の内部素子へ電流を流すためのリードであり、棒状の銅の金属部材で形成されている。３は、このリード２の一部に設けたれた冷却機構であり、７枚の銅製円板からなる放熱フィンが棒状のリード２の上部に一体的に取り付けられている。４は、リード２の通電端部であり、回路に搭載する場合は、この通電端部４がハンダ等で接合される。リード２の大きさは直径が０．８mmφで長さが１５mmであり、また、放熱フィンからなる冷却機構３を形成する各銅製円板の大きさは厚さが０．２mmであって、直径が４mmφであり、各々の銅製円板は０．５mmピッチで取り付けられている。

図１の第１の実施例に係る電力変換デバイスにおける放熱フィン構造からなる冷却機構３の効果を確認するため、以下の冷却効果確認実験を行った。

始めに、図１の第１の実施例に係る電力変換デバイス（単体）のリード２の通電端部４にワニ口クリップ付きの銅線を接続し、ダイオードの順方向に定格電流である５Aの電流を通電し、ダイオードの電圧、電流特性に問題がないことを確認した。次に、このデバイスから銅線を取り除き、通電端部４両端に約２００℃に暖められたハンダごてをあてがい、１５秒間、先端を熱した。その後ハンダごてを取り除き、１０分間常温で放置した後、最初に実施したように通電端部４にワニ口クリップで銅線を取り付け、電圧をかけて電流−電圧特性を確認した。結果は、ハンダごてによる加熱前後で変化が無く、問題はなかった。尚、ハンダごて温度を約２００℃としたのは、融点が１８４〜１９０℃程度のSn-Pb系ハンダのロウ付け作業を模擬するためである。

次に、比較のため、図３に示されているように、放熱フィン構造からなる冷却機構３が設けられていない以外は、上記図１の第１の実施例に係る電力変換デバイスと全く同じ従来型のリードを有した電力変換デバイスを準備して上記第１の実施例の場合と同様な冷却効果確認実験を行った。結果は、ハンダごてによる加熱前にはダイオードの電圧、電流特性に問題がなかったが、ハンダごてによる加熱後には導通が認められず、ダイオードが電気的に切断、破損していることが確認された。

［第２の参考例］
図４は、本発明の第２の実施例に係るシリコン半導体素子からなる電力変換デバイスの構成説明図であり、リード２の一部には２本の並列線路5a,5bで構成された並列接続構造からなる冷却機構５が設けられている。リード２の大きさは、その全体の長さが１５mmであり、上部の二股状に分かれた各並列線路5a,5bはその直径が０．５７mmφであって、その長さが８mmであり、また、下部の直径が０．８mmφである。

この第２の実施例に係る電力変換デバイスにおける並列接続構造からなる冷却機構５の効果を確認するため、上記第１の実施例の場合と同様の冷却効果確認実験を行った。
結果は、ハンダごてによる加熱前後で変化が無く、問題はなかった。

［第３の参考例］
図５は、本発明の第３の実施例に係るシリコン半導体素子からなる電力変換デバイスの構成説明図であって、図６はその分解組立説明図であり、リードの一部にアルミナ製の放熱ブロックからなる冷却機構６を設けた例である。この第３の実施例に係る電力変換デバイスのリードは、先述した図３と全く同じであり、予めシリコングリースが薄く塗られた２本のリード部位２をアルミナ製放熱ブロック６に空けた２個の貫通孔８内にそれぞれ通し、固定のため、２枚の接着板７を樹脂モールド部１の両サイドに接着剤で貼り付けて一体構造とした。シリコングリースをリード部位に塗ったのは、孔とリードの隙間を埋め、熱伝導性を保つためである。尚、アルミナ製放熱ブロックの外形は高さ５mm、幅１５mm、厚さ５mmで、２個の孔の径は０．８１mmφとした。

この第３の実施例に係る電力変換デバイスにおけるアルミナ製放熱ブロックからなる冷却機構６の効果を確認するため、上記第１の実施例の場合と同様の冷却効果確認実験を行った。
結果は、ハンダごてによる加熱前後で変化が無く、問題はなかった。

［実施例］
図７は、本発明の実施例に係る電力変換デバイスの構成説明図であって、図８はその分解組立説明図である。図中、９は、SiC材料を用いたMOSFET素子が２個内蔵された電力変換用モジュールである。外形は、長さ１００mm、幅５０mm、高さ３０mmで、ねじ止め圧着式端子9a,9b,9cとソケットピン接続端子9d,9eからなる５個の外部接続端子が付属している。10は、モジュール９と外部回路を繋ぐ３本のリードで、厚さ０．５mm、幅１２mm、長さ１５０mmの銅板を曲げた上、両端にネジ孔を設けたものからなり、その末端14a,14b,14cで図示外の他の電気回路部品の端子へとそれぞれ接続されている。11は、冷却のための銅ブロック本体で、12は銅ブロック本体11を貫通する冷却水循環用のための銅製のパイプであり、外形が１０mmφのものである。銅ブロック本体11の外形は、長さ１００mm、幅５０mm、高さ３０mmである。本銅ブロック本体11の上部には同じく銅製の放熱フィン13が設けられており、放熱フィン13の高さまで含めると全体で５０mmであった。フィン１枚の厚さは０．３mmである。この実施例においては、上記の銅ブロック本体11、パイプ12、及び放熱フィン13により熱交換部が構成されており、この熱交換部の銅ブロック本体11とリード10とが、高熱伝導を有する電気絶縁基板（電気絶縁材）15を介して、熱交換可能に設けられている。上記電気絶縁基板15は、長さ１２０mm、幅８０mm、厚さ１．０mmのアルミナの板からなり、電気回路基板に取り付けるためのネジ孔15aが４隅に４個、同じく上に載せる銅ブロック本体11のネジ取り付け孔11aと同位置に配置したネジ孔15bが４個それぞれ設けられている。銅ブロック本体11と電気絶縁基板15、及びリード10は、ネジ取り付け孔11aとネジ孔15bを通じてガラスエポキシ樹脂からなる電気回路基板にネジで締め付けられて、一体として実装される構造とした。

図９は、図７のモジュール内部回路を説明するための図である。２個のSiCからなるMOSFET素子を直列接続した構造で、D1、S1、G1、D2、S2、G2はそれぞれのMOSFETのドレイン、ソース、ゲート端子にあたり、図７中の端子9aがD1、9bがS1とD2に共通の端子、9cがS2、9dがG1、9eがG2端子に相当する。MOSFET素子各１個の電気仕様としては、最大定格電圧１２００V、最大定格電流５Aで、素子の最大動作温度が５００℃のものを実装してある。

図７に示した実施例の効果を見るために、図１０で示す昇圧チッパー回路に搭載して冷却効果確認実験を行った。C-1が図７に示した電力変換モジュールに相当し、図１０中に記載された接続端子D1、G1、G2、S2は、それぞれ図９と同じ端子であることを意味する。S1、D2に相当する端子は、銅リード10を接続したが、リード末端14bで電気回路に接続は行わず、電気回路基板にネジで止めた上、融点が２２１℃のSb-Ag系ハンダ材料をロウ付けした。リード末端14a,14cも同じくネジ止めして、融点が２２１℃のハンダでロウ付けをして、これらは、図１０の回路通り、他の部品と接続した。

C-2は、直流電源で電圧６００Vである。C-3はインダクタ、C-4は耐用温度限界が１５０℃のシリコンダイオード、C-5は電界コンデンサ、C-6は負荷抵抗である。

C-7は、電力変換モジュールC-1のドライブ回路で、矩形電圧を発生し、G1、G2のゲート端子に並列接続されて、モジュール内の２個のMOSFETを同時にON/OFFさせる。

C-8はコンデンサ、C-9は抵抗でスナバ回路であり、C-8、C-9で電力変換モジュールC-1から発生するノイズ等の余剰エネルギを吸収するスナバ回路を構成している。
これら部品C-2〜C-9も、それぞれ融点が２２１℃のSb-Ag系ハンダ材料で接続してある。

本回路を用いて、ドライブ回路C-7の周波数とON/OFF時間比（Duty比）とを調整し、電力変換モジュールC-1に平均電流で５Aが流れるようにした。具体的には、周波数２００KHzで、時間比を０．４とした。また、図７の循環水パイプ12には、１分間に１００mlで約２０℃の水を流し続けた。回路動作後、１０分経過したところで、リード10の末端14aの温度を測定したところ９０℃であった。

次に、同じ状態でパイプ12に流れる水を止めて、1０分間放置後、同じくリード10の末端14aの温度を測定したところ１２０℃であった。

さらに、同じ状態で銅ブロック本体11を含めた冷却部位を丸ごと取り除いたところ、約２分間で負荷抵抗C-6に電圧が観測されなかったため、回路動作を停止した。このとき、リード末端14aの温度は２１０℃であった。停止した原因を調査したところ、シリコンダイオードC-4が、電力変換モジュールのリード10を介して伝播した熱が原因で、内部許容温度である１５０℃を超えたため、導通がなくなったことであった。

以上、本発明の実施形態について述べたが、冷却効果を上げるために、空冷ファンを用いて冷却機構を冷やすことにより、より冷却効果を上げることができる。また、水冷の例について述べたが、媒体は空気等のガスを用いても良い。冷却構造は、電力デバイスのリードと一体でもよく、既存のデバイスにリードを後から取り付けてもよい。

図１は、第１の参考例に係る電力変換デバイスの構成を示す構成説明図である。図２は、図１のリード部位を拡大して示す拡大断面説明図である。

図３は、従来の電力変換デバイスの接続リードを説明するための構成説明図である。

図４は、第２の参考例に係る電力変換デバイスの構成を示す構成説明図である。

図５は、第３の参考例に係る電力変換デバイスの構成を示す構成説明図である。図６は、図５の分解組立説明図である。

図７は、本発明の実施例に係る電力変換デバイスの構成を示す構成説明図である。図８は、図７の分解組立説明図である。

図９は、図７の電力変換モジュールの内部構造を示した回路図である。

図１０は、本発明の実施例の冷却効果確認実験で用いた昇圧チッパー回路を示す回路図である。

符号の説明

１…半導体素子樹脂モールド部位、２…リード、３…放熱フィン、４…ロウ付け部位、５…並列リード部位、６…冷却部位、７…接着板、８…孔、９…電力変換デバイスモジュール本体、9a,9b,9c,9d,9e,9f…モジュール端子、10…リード、11…銅ブロック、11a…孔、12…パイプ、13…放熱フィン、14a,14b,14c…リード末端、15…電気絶縁基板（電気絶縁材）、15a,15b…孔、D1…MOSFET−ドレイン端子、D2…MOSFET−ドレイン端子、S1…MOSFET−ソース端子、S2…MOSFET−ソース端子、G1…MOSFET−ゲート端子、G2…MOSFET−ゲート端子、M1…MOSFET素子、M2…MOSFET素子、C-1…電力変換モジュール、C-2…直流電源、C-3…インダクタ、C-4…ダイオード、C-5…コンデンサ、C-6…負荷抵抗、C-7…矩形電圧信号発生回路、C-8…コンデンサ、C-9…抵抗。

Claims

150〜700℃で動作するSiC、GaN、GaAs、ダイヤモンド、又はその組み合わせからなる材料で構成された電力変換デバイスである半導体素子と他の電気回路部品との間を接続して電力を入出力する半導体素子の接続リードであり、この接続リードのリード部位には、熱伝導性を有する電気絶縁材を介して、循環する冷却用媒体と熱交換する熱交換部を備えた冷却機構が設けられていることを特徴とする半導体素子の接続リード。

前記冷却機構が、リード部位に設けられた放熱ブロック構造である請求項１に記載の半導体素子の接続リード。