JP5078290B2 - Power semiconductor module - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power semiconductor module which is capable of restraining heat released from semiconductor elements from causing thermal damage to a low heat-resistant member, such as a bonding material etc, in a case where a current applied to a power semiconductor element is comparatively large and amounts to 50A/cm<SP>2</SP>or above. <P>SOLUTION: The power module is equipped with a board where power semiconductor unit elements are mounted on its one surface with a first bonding material and a board supporting member to which the above board is bonded with a second bonding material. Provided that a maximum current supplied to per unit area of the unit element is represented by (a), the resistance value of the unit element is represented by Ron, the area ratio of the unit element to an insulating board is represented by (r), the allowable rising temperature of the first bonding member is represented by &Delta;T, and the area of the unit element is represented by (s); (s) is so set as to satisfy two Formulas, &Delta;T&ge;Ron a<SP>2</SP>(9.9s+64.2r+8.8)&times;10<SP>-2</SP>and 0.25&ge;s&ge;0.1, and the power semiconductor module is constituted so as to satisfy Formula, N=A/s, wherein N is the parallel number of the unit elements, and A denotes a current to be supplied. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、一方の面にパワー半導体素子が第1の接合材を介して接合された基板を、第2の接合材を介して基板支持部材に接合したパワー半導体モジュールに関する。   The present invention relates to a power semiconductor module in which a substrate having a power semiconductor element bonded to one surface via a first bonding material is bonded to a substrate support member via a second bonding material.

モータなどの駆動装置の制御を行う電源モジュール回路には、パワー半導体モジュールが用いられている(例えば、特許文献1参照)。このような従来のパワー半導体モジュールの構造の一例を示す模式説明図を図20に示す。   A power semiconductor module is used for a power supply module circuit that controls a driving device such as a motor (see, for example, Patent Document 1). A schematic explanatory view showing an example of the structure of such a conventional power semiconductor module is shown in FIG.

図20に示すように、パワー半導体モジュール101は、略平板状の絶縁基板111と、この絶縁基板111の一方の面(図示上面)に第1の接合材112を介して搭載(あるいは接合)された1個のパワー半導体素子113と、絶縁基板111の他方の面(図示下面)が、第2の接合材114を介して接合された略平板状のベース板115とを備えて構成されている。なお、図20においては図示しないが、パワー半導体素子113には、複数の配線がワイヤボンディング等により接続されて上記回路が形成されている。なお、第1の接合材112としては、例えば、鉛フリーはんだが用いられる。   As shown in FIG. 20, the power semiconductor module 101 is mounted (or bonded) to a substantially flat insulating substrate 111 and one surface (upper surface in the drawing) of the insulating substrate 111 via a first bonding material 112. In addition, the power semiconductor element 113 and the other surface (the lower surface in the drawing) of the insulating substrate 111 are configured to include a substantially flat base plate 115 bonded through a second bonding material 114. . Although not shown in FIG. 20, the circuit is formed in the power semiconductor element 113 by connecting a plurality of wirings by wire bonding or the like. For example, lead-free solder is used as the first bonding material 112.

一般に、このようなパワー半導体モジュール101においては、投入される電流量に応じてパワー半導体素子113自体が発熱することになるが、パワー半導体素子113自体及び第1の接合材112がその他の部材と比べてその耐熱性が低い弱耐熱性部材であることにより、上記発熱により生じた熱がこれらの弱耐熱性部材に対して熱的なダメージを与えることがないようにする必要がある。そのため、従来のパワー半導体モジュール101においては、ベース板115の裏面にヒートシンク(図示せず)を設ける、あるいはベース板115自体をヒートシンクとして機能させること等により放熱を促進させて、パワー半導体素子113及び第1の接合材112に熱的ダメージが生じることの抑制を図っている。   In general, in such a power semiconductor module 101, the power semiconductor element 113 itself generates heat in accordance with the amount of current applied, but the power semiconductor element 113 itself and the first bonding material 112 are different from other members. By being a weak heat-resistant member having a low heat resistance, it is necessary to prevent the heat generated by the heat generation from causing thermal damage to these weak heat-resistant members. Therefore, in the conventional power semiconductor module 101, heat sink is promoted by providing a heat sink (not shown) on the back surface of the base plate 115, or by causing the base plate 115 itself to function as a heat sink. The first bonding material 112 is prevented from being thermally damaged.

このようなパワー半導体モジュールの分野においては、より高出力に対応することができるモジュールが強く望まれており、このようなモジュールとして、パワー半導体素子113にSi(シリコン)バイポーラデバイス(Si−IGBT素子)を適用したパワー半導体モジュール101が用いられている。このようなSi−IGBT素子では、複数素子の並列接続構造を採用すると一部の素子に電流が偏り不均一動作となる場合があるため、電流容量を確保して高出力に対応可能とするために、歩留まり確保を考慮した範囲内で素子サイズが大型化されたモジュールが用いられる傾向にある。   In the field of such a power semiconductor module, a module that can cope with higher output is strongly desired. As such a module, the power semiconductor element 113 includes a Si (silicon) bipolar device (Si-IGBT element). ) Is used. In such a Si-IGBT element, if a parallel connection structure of a plurality of elements is adopted, current may be biased in some elements and non-uniform operation may occur, so that current capacity can be secured and high output can be supported. In addition, there is a tendency to use a module whose element size is increased within a range in consideration of securing the yield.

特開2003−37241号公報JP 2003-37241 A

近年、このようなパワー半導体モジュールにおいて用いられている従来のSi素子に代わって、SiC(シリコンカーバイト)を用いたパワー半導体素子(SiC素子)が注目を浴びつつある。このSiC素子は、従来のSi素子に比べて耐熱性に優れており、さらに単位面積あたりに投入できる電流量も大きく、パワー半導体モジュールの小型化、高出力化を担う重要なデバイスとして期待されている。   In recent years, power semiconductor elements (SiC elements) using SiC (silicon carbide) instead of conventional Si elements used in such power semiconductor modules are attracting attention. This SiC element has superior heat resistance compared to conventional Si elements, and also has a large amount of current that can be input per unit area, and is expected as an important device responsible for miniaturization and high output of power semiconductor modules. Yes.

具体的には、Si素子では、その絶縁破壊電界が0.3MV/cmであり、例えば1000V程度の耐圧を確保するためには、ドリフト層のドーピング濃度と厚みによる電気抵抗値Ronは、面積で規格化しておよそ数百mΩ・cmとなる。一方SiC素子では、絶縁破壊電界がSi素子と比べ1桁高い3MV/cmあるため、同様に1000Vの耐圧を確保するためには、電気抵抗値RonはSi素子に比べ2桁以上小さな値となる。従って、素子において同じ発熱量を許容すると仮定した場合に、パワー半導体素子に供給できる電流量は、電気抵抗値がより小さなSiC素子の方が大きくなる、すなわち、Si素子と比べ1桁以上大きな電流密度が許容されることとなる。また、このようなSiC素子は、バンドギャップが広いため、比較的高温下でもその半導体特性を維持することができるような高い耐熱性を有し、発熱量の許容量もSi素子と比べ格段に大きい。従って更なる電流密度の高度化を図ることが可能である。例えば、Si素子ではその耐熱性により150℃程度以下に素子の温度上昇を抑える必要があるのに対して、SiC素子では、400℃程度あるいはそれ以上でも半導体素子として動作させることが可能である。また、Si素子では、その単位面積あたりの投入電流量を50A/cm未満に抑えて、単位面積あたりの発熱量を40〜80W/cmの間で使用されているのに対して、SiC素子では、単位面積あたりの投入電流量を50A/cm以上として、単位面積あたりの発熱量が80W/cm以上となる領域での使用が期待されている。 Specifically, the Si element has a dielectric breakdown electric field of 0.3 MV / cm. For example, in order to ensure a withstand voltage of about 1000 V, the electric resistance value Ron depending on the doping concentration and thickness of the drift layer is expressed in terms of area. Normalized to approximately several hundred mΩ · cm 2 . On the other hand, in the SiC element, the dielectric breakdown electric field is 3 MV / cm, which is one digit higher than that of the Si element. Similarly, in order to ensure a withstand voltage of 1000 V, the electric resistance value Ron is two or more orders of magnitude smaller than that of the Si element. . Therefore, when it is assumed that the same heat generation amount is allowed in the element, the amount of current that can be supplied to the power semiconductor element is larger in the SiC element having a smaller electric resistance value, that is, a current that is one digit or more larger than that in the Si element. Density will be allowed. In addition, since such a SiC element has a wide band gap, it has high heat resistance that can maintain its semiconductor characteristics even at a relatively high temperature, and the allowable amount of heat generation is much higher than that of the Si element. large. Therefore, it is possible to further enhance the current density. For example, the Si element needs to suppress the temperature rise of the element to about 150 ° C. or less due to its heat resistance, whereas the SiC element can be operated as a semiconductor element at about 400 ° C. or higher. In addition, in the Si element, the input current amount per unit area is suppressed to less than 50 A / cm 2 and the calorific value per unit area is used between 40 to 80 W / cm 2 , whereas the SiC element is used. The element is expected to be used in a region where the input current amount per unit area is 50 A / cm 2 or more and the heat generation amount per unit area is 80 W / cm 2 or more.

しかしながら、このような電流密度の高度化が可能になり、かつ、パワー半導体素子自体が高い耐熱性を有するようになっても、このSiC素子を絶縁基板に接合する第1の接合材としては、鉛フリーはんだ材料等に代表されるような弱耐熱性部材が用いられることには変わりが無く、これらの弱耐熱性部材に対して熱的ダメージが生じることを抑制する必要がある。例えば、鉛フリーはんだ材料は、125℃程度以下にその温度上昇を抑える必要があり、高出力化されたモジュールにおいて、ヒートシンクなどの放熱性を工夫するだけでは、弱耐熱性部材の温度上昇を十分に抑制することができない場合がある。このような状況では、SiC素子の高耐熱性の特性を有効に活用することで、高出力化されたパワー半導体デバイスを開発することが、阻害されるという問題がある。   However, even if the current density can be increased and the power semiconductor element itself has high heat resistance, the first bonding material for bonding the SiC element to the insulating substrate is as follows. There is no change in the use of weak heat-resistant members such as lead-free solder materials, and it is necessary to suppress the occurrence of thermal damage to these weak heat-resistant members. For example, it is necessary to suppress the temperature rise of lead-free solder materials to about 125 ° C or less. In a high-power module, simply devising heat dissipation such as a heat sink can sufficiently increase the temperature of weak heat-resistant members. In some cases, it cannot be suppressed. Under such circumstances, there is a problem that development of a power semiconductor device with high output is hindered by effectively utilizing the high heat resistance characteristics of the SiC element.

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、パワー半導体素子の単位面積あたりの投入電流量が50A/cm以上と比較的大きな場合において、上記半導体素子にて生じる発熱により接合材等の弱耐熱性部材へ熱的ダメージが生じることが、抑制されたパワー半導体モジュールを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to solve the above-described problem, and when the input current amount per unit area of the power semiconductor element is relatively large as 50 A / cm 2 or more, the heat generated in the semiconductor element is used. An object of the present invention is to provide a power semiconductor module in which the occurrence of thermal damage to a weak heat-resistant member such as a bonding material is suppressed.

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。   In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.

本発明の第1態様によれば、絶縁基板と、
上記絶縁基板の一方の面上に第1の接合材を介して接合された同じ形状を有する複数のパワー半導体単位素子が電気的に並列に接続されて構成されるパワー半導体素子群と、
上記絶縁基板の他方の面に第2の接合材を介して接合されて、上記絶縁基板を支持するベース部材と、
シリコングリースを介して上記ベース部材が配置された冷却ブロックとを備え、
ここで、上記パワー半導体単位素子の面積を、上記パワー半導体単位素子を上記絶縁基板の一方の面上に配置した時の平面視での面積とした場合に、
上記パワー半導体単位素子の単位面積あたりに投入される最大電流量a(A/cm)、上記パワー半導体単位素子の単位面積あたりの抵抗値Ron(Ω・cm)、上記絶縁基板に対する上記パワー半導体単位素子の面積比率r、上記第1の接合材の許容上昇温度ΔT(℃)、上記パワー半導体単位素子1個あたりの面積s(cm)が数11を満たす範囲となるように、上記それぞれのパワー半導体単位素子が形成され、
上記複数のパワー半導体単位素子の総面積S1(cm)に対して、上記それぞれのパワー半導体単位素子の並列個数Nが、数12を満たすように上記パワー半導体素子群が構成されることを特徴とするパワー半導体モジュールを提供する。
ΔT≧Ron・a・(9.9s+64.2r+8.8)×10−2・・・(数11)
N=S1/s ・・・(数12)
According to a first aspect of the present invention, an insulating substrate;
A power semiconductor element group configured by electrically connecting a plurality of power semiconductor unit elements having the same shape bonded to one surface of the insulating substrate via a first bonding material in parallel;
A base member that is bonded to the other surface of the insulating substrate via a second bonding material and supports the insulating substrate;
A cooling block in which the base member is disposed via silicon grease,
Here, when the area of the power semiconductor unit element is an area in plan view when the power semiconductor unit element is disposed on one surface of the insulating substrate,
Maximum amount of current is charged per unit area of the power semiconductor unit devices a (A / cm 2), the power resistance value per unit area of the semiconductor unit devices Ron (Ω · cm 2), the power for the insulating substrate The area ratio r of the semiconductor unit elements, the allowable increase temperature ΔT (° C.) of the first bonding material, and the area s (cm 2 ) per one power semiconductor unit element are in a range satisfying Formula 11. Each power semiconductor unit element is formed,
The total area S1 (cm 2) of the plurality of power semiconductor unit devices, characterized in that the parallel number N of the respective power semiconductor unit elements, the power semiconductor element group so as to satisfy the equation 12 is constituted A power semiconductor module is provided.
ΔT ≧ Ron · a 2 (9.9s + 64.2r + 8.8) × 10 −2 (Equation 11)
N = S1 / s (Equation 12)

本発明の第2態様によれば、上記各々のパワー半導体単位素子の単位面積あたりに投入される最大電流量が50A/cm以上である第1態様に記載のパワー半導体モジュールを提供する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the power semiconductor module according to the first aspect, wherein the maximum amount of current input per unit area of each of the power semiconductor unit elements is 50 A / cm 2 or more.

本発明の第3態様によれば、上記それぞれのパワー半導体単位素子は、SiCにより形成されたSiC半導体素子である第1態様又は第2態様に記載のパワー半導体モジュールを提供する。   According to a third aspect of the present invention, there is provided the power semiconductor module according to the first aspect or the second aspect, wherein each of the power semiconductor unit elements is a SiC semiconductor element formed of SiC.

本発明の第態様によれば、上記第1の接合材は、鉛フリーはんだ材料により形成される第1から第3態様のいずれか1つに記載のパワー半導体モジュールを提供する。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the power semiconductor module according to any one of the first to third aspects, wherein the first bonding material is formed of a lead-free solder material.

本発明の第態様によれば、上記それぞれのパワー半導体単位素子が上記絶縁基板の上記一方の面上に千鳥格子状に配置されて、上記パワー半導体素子群が構成されている第1から第態様のいずれか1つに記載のパワー半導体モジュールを提供する。
According to a fifth aspect of the present invention, the upper Symbol respective power semiconductor unit element is arranged in a staggered pattern on said one surface of the insulating substrate, said power semiconductor element group is configured A power semiconductor module according to any one of the first to third aspects is provided.

本発明によれば、パワー半導体素子をその発熱量に応じて複数のパワー半導体単位素子へと分割された並列接続構成を採用することができるため、投入電流量が比較的大きく、それぞれの単位素子からの発熱量の総和が大きいような場合であっても、その発熱量を個々の単位素子へと効果的に分散させてそのピーク値を低減させることができ、モジュール内に存在する弱耐熱性部材へ熱的ダメージが与えられることを確実に防止することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to employ a parallel connection configuration in which a power semiconductor element is divided into a plurality of power semiconductor unit elements in accordance with the amount of heat generated. Even in cases where the total amount of heat generated from the unit is large, the amount of generated heat can be effectively distributed to individual unit elements to reduce the peak value, and the weak heat resistance existing in the module. It is possible to reliably prevent thermal damage to the member.

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

本発明の一の実施形態にかかるパワー半導体モジュールの一例であるパワー半導体モジュール1の外観構造を示す模式斜視図を図1に示す。図1に示すように、パワー半導体モジュール1は、略平板状の基板(回路基板)の一例である絶縁基材11と、この絶縁基板11の一方の面(図示上面)に第1の接合材12を介して接合(搭載)された複数のパワー半導体単位素子13とを備えている。さらに、絶縁基板11の他方の面(図示下面)は第2の接合材14を介して基板支持部材の一例である略平板状のベース板15に接合されることで、パワー半導体モジュール1が構成されている。   FIG. 1 is a schematic perspective view showing an external structure of a power semiconductor module 1 which is an example of a power semiconductor module according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the power semiconductor module 1 includes an insulating base 11 that is an example of a substantially flat substrate (circuit board), and a first bonding material on one surface (upper surface in the drawing) of the insulating substrate 11. And a plurality of power semiconductor unit elements 13 joined (mounted) via 12. Further, the other surface (the lower surface in the drawing) of the insulating substrate 11 is bonded to a substantially flat base plate 15 which is an example of a substrate support member via a second bonding material 14, thereby configuring the power semiconductor module 1. Has been.

絶縁基板11としては、例えば、窒化アルミなどの高い絶縁率と熱伝導性を有するセラミック材料などが用いられる。第1の接合材12及び第2の接合材14としては、はんだ材料、例えば鉛フリーはんだ材料が用いられる。また、ベース板15としては、本実施形態においては、例えば銅を含む合金にて構成される金属板が用いられる。   As the insulating substrate 11, for example, a ceramic material having a high insulation rate and thermal conductivity such as aluminum nitride is used. As the first bonding material 12 and the second bonding material 14, a solder material, for example, a lead-free solder material is used. Further, as the base plate 15, in the present embodiment, for example, a metal plate made of an alloy containing copper is used.

また、図1に示すように、各々のパワー半導体単位素子13は、SiC(シリコンカーバイト)にて形成された素子であり、例えば、SiC−MOSFET等のユニポーラデバイス(SiC素子)として、それぞれ同一形状を有するように形成されている。さらに、それぞれのパワー半導体素子13は互いに電気的に並列に接続されており、これによりパワー半導体素子群16が構成されている。   Further, as shown in FIG. 1, each power semiconductor unit element 13 is an element formed of SiC (silicon carbide), and is the same as a unipolar device (SiC element) such as a SiC-MOSFET, for example. It is formed to have a shape. Further, the power semiconductor elements 13 are electrically connected to each other in parallel, and thereby, a power semiconductor element group 16 is configured.

また、本実施形態のパワー半導体モジュール1に用いられているSiC−MOSFET素子(すなわち、パワー半導体単位素子)13は、従来のSi素子、例えばSi−IGBT素子とは異なり、それぞれの単位素子13を電気的並列に接続しても、不均一動作が起こり難いという特性を有しており、パワー半導体モジュール1において、大きな1個の半導体素子を用いることや、複数の小さなパワー半導体素子(単位素子)を並列接続して用いることができるという自由度の高い設計が実現可能である。   Further, the SiC-MOSFET element (that is, the power semiconductor unit element) 13 used in the power semiconductor module 1 of the present embodiment is different from a conventional Si element, for example, an Si-IGBT element, and each unit element 13 is replaced with each other. The power semiconductor module 1 has a characteristic that non-uniform operation hardly occurs even when electrically connected in parallel. In the power semiconductor module 1, one large semiconductor element is used, or a plurality of small power semiconductor elements (unit elements). It is possible to realize a highly flexible design that can be used in parallel connection.

一方、このような構成を有するパワー半導体モジュール1は、適用される製品等の使用環境において、パワー半導体素子13の耐熱性、接合材であるはんだ材料の熱による劣化や損傷(熱的ダメージ)特性、そしてモジュール全体の熱変形の結果生じるそれぞれの接合部分の接合信頼性などの観点から、投入される電流量に対して、常温からのその温度上昇値がある一定の温度を超えないような制限が設けることで、モジュール内に存在する弱耐熱性部材に熱的ダメージが生じることを抑制する必要がある。   On the other hand, the power semiconductor module 1 having such a configuration has heat resistance of the power semiconductor element 13 and deterioration or damage (thermal damage) characteristics due to heat of the solder material that is a bonding material in the environment where the product is applied. In addition, from the viewpoint of the reliability of joints at each joint resulting from thermal deformation of the entire module, the amount of current that is input is limited so that the temperature rise from room temperature does not exceed a certain temperature Therefore, it is necessary to suppress the occurrence of thermal damage to the weak heat-resistant member present in the module.

本実施形態のパワー半導体モジュール1は、このような弱耐熱性部材への熱的ダメージが生じることを抑制するための手段として、モジュールに要求される大きさのパワー半導体素子を複数個のパワー半導体単位素子13に分割して、個々の単位素子13を電気的に並列に接続するような構造を採用することで、パワー半導体素子にて発生する熱量を、個々のパワー半導体単位素子13に分散させて、第1の接合材12に代表されるような弱耐熱性部材の温度上昇を抑制可能とするものである。   The power semiconductor module 1 according to the present embodiment includes a plurality of power semiconductors having a power semiconductor element having a size required for the module as means for suppressing the occurrence of thermal damage to the weak heat-resistant member. By dividing the unit element 13 and adopting a structure in which the individual unit elements 13 are electrically connected in parallel, the amount of heat generated in the power semiconductor element is distributed to the individual power semiconductor unit elements 13. Thus, the temperature rise of the weak heat resistant member represented by the first bonding material 12 can be suppressed.

ここで、本実施形態のパワー半導体モジュール1の構造的な条件を示すパラメータ関係式を示す。パワー半導体単位素子13の単位面積あたりに投入される最大電流量a(A/cm)、パワー半導体単位素子13の単位面積あたりの抵抗値Ron(Ω・cm)、パワー半導体単位素子13と絶縁基板11との面積比率r、弱耐熱性部材(例えば第1の接合材12)の許容上昇温度ΔT(℃)、パワー半導体単位素子13の1個あたりの面積s(cm)が数1を満たす範囲となるようにパワー半導体モジュール1が構成されている。なお、本実施形態において、単位素子の面積(あるいは単位面積)という場合には、半導体素子が配置された状態での平面視の面積のことである。
ΔT≧Ron・a・(9.9s+64.2r+8.8)×10−2 ・・・(数1)
Here, a parameter relational expression indicating a structural condition of the power semiconductor module 1 of the present embodiment is shown. A maximum current amount a (A / cm 2 ) input per unit area of the power semiconductor unit element 13, a resistance value Ron (Ω · cm 2 ) per unit area of the power semiconductor unit element 13, The area ratio r with the insulating substrate 11, the allowable temperature rise ΔT (° C.) of the weak heat-resistant member (for example, the first bonding material 12), and the area s (cm 2 ) of each power semiconductor unit element 13 is several 1 The power semiconductor module 1 is configured to satisfy a range that satisfies the above. In the present embodiment, the area (or unit area) of the unit element means an area in plan view in a state where the semiconductor element is arranged.
ΔT ≧ Ron · a 2 (9.9s + 64.2r + 8.8) × 10 −2 (Equation 1)

ただし、パワー半導体モジュール1において、各々のパワー半導体単位素子13には複数のワイヤ、例えばアルミニウムワイヤがボンディングにより接続される。このようなワイヤの線径やワイヤボンディングの精度等から少なくとも確保すべき単位素子13の面積の下限値、すなわちワイヤボンディング実施のための最小許容面積smin(cm)が決定される。また、それぞれのパワー半導体単位素子13を製造する過程では、1枚の半導体ウェハあたりに発生するボイド等の混入割合から、十分な歩留まりを確保するために、単位素子13の1個あたりの面積の最大許容面積smax(cm)が決定される。すなわち、パワー半導体単位素子13の1個あたりの面積sは、上述の数1を満たすとともに、数2をも満たす必要がある。なお、このような単位素子の面積の最小許容面積smin及び最大許容面積smaxは、半導体素子の製造技術やワイヤボンディング等の実装技術の進歩とともに変化していく値である。SiC素子では、例えば、最小許容面積smin=0.1cm、最大許容面積smax=0.25cmであるが、技術の進歩とともに、最小許容面積sminはさらに小さな値となり、最大許容面積smaxは、さらに大きな値となることが考えられる。
max≧s≧smin ・・・(数2)
However, in the power semiconductor module 1, a plurality of wires, for example, aluminum wires, are connected to each power semiconductor unit element 13 by bonding. From such a wire diameter and wire bonding accuracy, at least a lower limit value of the area of the unit element 13 to be secured, that is, a minimum allowable area s min (cm 2 ) for wire bonding is determined. Further, in the process of manufacturing each power semiconductor unit element 13, in order to ensure a sufficient yield from the mixing ratio of voids and the like generated per one semiconductor wafer, the area per unit element 13 is increased. A maximum allowable area s max (cm 2 ) is determined. That is, the area s per power semiconductor unit element 13 needs to satisfy the above formula 1 and also the formula 2. Note that the minimum allowable area s min and the maximum allowable area s max of the area of such unit elements are values that change with the progress of semiconductor element manufacturing techniques and mounting techniques such as wire bonding. In the SiC element, for example, the minimum allowable area s min = 0.1 cm 2 and the maximum allowable area s max = 0.25 cm 2 , but with the advancement of technology, the minimum allowable area s min becomes a smaller value and the maximum allowable area It is conceivable that s max becomes a larger value.
s max ≧ s ≧ s min (Expression 2)

このように数1及び数2を満たすような面積sを有するパワー半導体単位素子13を用いて、パワー半導体素子群16を構成するそれぞれの半導体単位素子13の並列個数N、数3にて決定することができる。これにより、パワー半導体素子群16が構成されたパワー半導体モジュール1を提供することができる。なお、S1は、パワー半導体素子群16を構成するパワー半導体単位素子13の総面積である。
N=S1/s ・・・(数3)
Thus, using the power semiconductor unit elements 13 having the area s satisfying Equations 1 and 2, the parallel number N of the respective semiconductor unit elements 13 constituting the power semiconductor element group 16 is determined by Equation 3 . it is Ru can be. Thereby, the power semiconductor module 1 in which the power semiconductor element group 16 is configured can be provided. S1 is the total area of the power semiconductor unit elements 13 constituting the power semiconductor element group 16.
N = S1 / s (Equation 3)

このようなパワー半導体モジュール1においては、パワー半導体素子13としてSiC素子を採用しながら、その弱耐熱性部材、例えば第1の接合材12における温度上昇をΔT(℃)以下に抑えることができ、弱耐熱性部材に対する熱的ダメージが抑制されたパワー半導体モジュール1を構成することができる。   In such a power semiconductor module 1, while adopting a SiC element as the power semiconductor element 13, the temperature rise in the weak heat-resistant member, for example, the first bonding material 12, can be suppressed to ΔT (° C.) or less, The power semiconductor module 1 in which thermal damage to the weak heat resistant member is suppressed can be configured.

また、このようなそれぞれの数式、すなわちパラメータ関係式は、図2に示すグラフ上に表すことができる。図2において、横軸は、パワー半導体単位素子13の単位面積あたりの投入電流量a、すなわち電流密度を示しており、縦軸は、パワー半導体単位素子13の1個あたりの面積sを示している。このようなグラフにおいて、第1の接合材12の許容上昇温度ΔTを数1に従って等温線としてプロットしている。また、数2にて示される条件についても、図2のグラフにプロットしている。   Each of these mathematical expressions, that is, parameter relational expressions, can be represented on the graph shown in FIG. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the input current amount a per unit area of the power semiconductor unit element 13, that is, the current density, and the vertical axis indicates the area s per unit of the power semiconductor unit element 13. Yes. In such a graph, the allowable rise temperature ΔT of the first bonding material 12 is plotted as an isotherm according to Equation 1. Further, the conditions shown in Equation 2 are also plotted in the graph of FIG.

ここで具体的な数値例を挙げて、数1〜数3及び図2のグラフより決定される構造を有するパワー半導体モジュール1について説明する。例えば、上記製品に投入される所定の電流量、すなわち製品に対して過大な負荷を与える際に必要な最大の電流量が174Aであるとする。また、パワー半導体モジュール1内部の伝熱による温度上昇の結果、第1の接合材12の接続部分に熱的ダメージが与えられても、また全体の熱的な変形によって同じく第1の接合材12の接続部分に機械的なダメージが与えられても、接続寿命を十分に満足するために必要な制限として、許容上昇温度ΔTを20℃とする。そうすると、本説明の例では、パワー半導体モジュール1、すなわちパワー半導体素子群16に投入される電流量174Aに対して、第1の接合材12、すなわちはんだ接合部分の温度上昇が20℃を超えないような構造を設計する必要がある。   Here, the power semiconductor module 1 having a structure determined from Equations 1 to 3 and the graph of FIG. 2 will be described with specific numerical examples. For example, it is assumed that the predetermined amount of current input to the product, that is, the maximum amount of current required when an excessive load is applied to the product is 174A. Further, as a result of the temperature rise due to heat transfer inside the power semiconductor module 1, even if the connection portion of the first bonding material 12 is thermally damaged, the first bonding material 12 is also caused by the overall thermal deformation. Even if mechanical damage is given to the connection portion, the allowable rise temperature ΔT is set to 20 ° C. as a restriction necessary for sufficiently satisfying the connection life. Then, in the example of the present description, the temperature increase of the first bonding material 12, that is, the solder bonding portion does not exceed 20 ° C. with respect to the amount of current 174 A input to the power semiconductor module 1, that is, the power semiconductor element group 16. It is necessary to design such a structure.

また、パワー半導体単位素子13としてはSiC素子が用いられるため、半導体単位素子そのものの抵抗特性であるRonは、例えば0.01Ω・cmとなる。また、パワー半導体モジュール1に要求されるサイズの制約を考慮して(すなわち、あまり大きすぎるモジュールは現実的に使用制約が多くなってしまう)、それぞれのパワー半導体単位素子13の合計面積に対して、10倍の大きさの面積を有する絶縁基板11を用いるものとし、面積比率rを0.1とする。 Moreover, since a SiC element is used as the power semiconductor unit element 13, Ron which is the resistance characteristic of the semiconductor unit element itself is, for example, 0.01 Ω · cm 2 . Further, in consideration of the size restriction required for the power semiconductor module 1 (that is, a module that is too large actually has more usage restrictions), the total area of each power semiconductor unit element 13 is not limited. The insulating substrate 11 having an area 10 times larger is used, and the area ratio r is 0.1.

ここまでの諸条件と、図2のグラフとの対応を見てみると、図示斜線にて示された範囲が、パワー半導体モジュール1の設計可能範囲Dとなる。すなわち、数1により決定される許容上昇温度ΔT=20℃の等温線を下回る範囲であって、かつ、数2に示される単位素子13の製造あるいは実装上の条件を満たすような範囲が、設計可能範囲Dとなる。なお、設計可能範囲Dにおいて、電流密度の下限が50A/cmとなっているのは、単位素子としてSiC素子を用いることの利点を活用するためである。なお、従来のSi素子における電流密度は、50A/cm未満となる。 Looking at the correspondence between the various conditions so far and the graph of FIG. 2, the range indicated by the oblique lines in the figure is the designable range D of the power semiconductor module 1. That is, the range that is below the isotherm of the allowable rise temperature ΔT = 20 ° C. determined by Equation 1 and that satisfies the manufacturing or mounting conditions of the unit element 13 shown by Equation 2 is designed. This is a possible range D. In the designable range D, the lower limit of the current density is 50 A / cm 2 in order to utilize the advantage of using the SiC element as the unit element. The current density in the conventional Si element is less than 50 A / cm 2 .

このような数1及び数2により決定される設計可能範囲Dを満足するために、例えば、パワー半導体単位素子13の1個あたりに投入される電流量aを110A/cm、パワー半導体単位素子13の1個あたりの面積sを0.1cmとすると、パワー半導体モジュール1に投入される電流量が174Aであるため、パワー半導体単位素子13の総面積は174÷110≒1.6cm、また単位素子13の1個あたりの面積sが0.1cmであるため、その並列配置個数NはN=1.6÷0.1=16個として決定することができる。このように決定されたそれぞれのパワー半導体単位素子13を第1の接合材12を介して、例えばマトリックス状(あるいは格子状または行列状)に4行×4列に絶縁基板11上に配置させることで、第1の接合材12の温度上昇を20℃以下に低減させることができ、これにより、接合材12に対する熱的影響の発生が抑制されたパワー半導体モジュール1を構成することができる。 In order to satisfy the designable range D determined by Equations 1 and 2, for example, the current amount a input per one power semiconductor unit element 13 is 110 A / cm 2 , and the power semiconductor unit element 13 is 0.1 cm 2, and the amount of current input to the power semiconductor module 1 is 174 A, the total area of the power semiconductor unit elements 13 is 174 ÷ 110≈1.6 cm 2 . Further, since the area s per unit element 13 is 0.1 cm 2 , the number N of parallel arrangements can be determined as N = 1.6 ÷ 0.1 = 16. Each power semiconductor unit element 13 determined in this way is arranged on the insulating substrate 11 through the first bonding material 12 in, for example, a matrix shape (or a lattice shape or a matrix shape) in 4 rows × 4 columns. Thus, the temperature increase of the first bonding material 12 can be reduced to 20 ° C. or less, and thus the power semiconductor module 1 in which the occurrence of thermal influence on the bonding material 12 is suppressed can be configured.

(単位素子への分割による温度上昇を抑制する原理について)
次に、このようにパワー半導体素子を複数個の単位素子13へと分割することで、温度上昇を抑制する原理について以下に説明する。このような説明にあたって、本実施形態の比較例として、パワー半導体素子を1個の素子として形成した場合のパワー半導体モジュールの模式説明図を図3(A)に示し、このモジュールの絶縁基板表面(あるいは第1の接合材)における温度上昇値の分布を示すグラフを図3(B)に示す。この比較例に対して、本実施形態のように複数個のパワー半導体単位素子を用いてパワー半導体モジュールを形成した場合の模式説明図を図4(A)に示し、このモジュールの絶縁基板表面(あるいは第1の接合材)における温度上昇値の分布を示すグラフを図4(B)に示す。なお、図3(A)及び図4(A)に示すモジュールの模式説明図と、図3(B)及び図4(B)の温度分布グラフにおいて横軸に示す絶縁基板表面の位置とは、それぞれ対応するように表している。なお、比較例のモジュール201におけるパワー半導体素子213と本実施形態のモジュール1におけるパワー半導体単位素子13は、共にSiC素子として形成されているとともに、それぞれの素子の合計面積は同じとされている。また、絶縁基板11と第1の接合材12も同じ材料にて形成されている。また、本実施形態のモジュール1におけるそれぞれの単位素子13への分割個数は、以下の説明の理解を容易なものとするために、例えば3個に設定して説明を行うものとする。
(About the principle to suppress the temperature rise due to the division into unit elements)
Next, the principle of suppressing the temperature rise by dividing the power semiconductor element into a plurality of unit elements 13 will be described below. In such description, as a comparative example of the present embodiment, a schematic explanatory diagram of a power semiconductor module when the power semiconductor element is formed as one element is shown in FIG. Or the graph which shows distribution of the temperature rise value in a 1st joining material) is shown to FIG. 3 (B). For this comparative example, a schematic explanatory diagram when a power semiconductor module is formed using a plurality of power semiconductor unit elements as in this embodiment is shown in FIG. Or the graph which shows distribution of the temperature rise value in a 1st joining material) is shown in FIG.4 (B). In addition, the schematic explanatory diagram of the module shown in FIGS. 3A and 4A and the position of the insulating substrate surface shown on the horizontal axis in the temperature distribution graphs of FIGS. 3B and 4B are: They are shown as corresponding to each other. The power semiconductor element 213 in the module 201 of the comparative example and the power semiconductor unit element 13 in the module 1 of the present embodiment are both formed as SiC elements, and the total area of each element is the same. The insulating substrate 11 and the first bonding material 12 are also formed of the same material. In addition, the number of divisions into the respective unit elements 13 in the module 1 of the present embodiment is set to, for example, 3 for the sake of easy understanding of the following description.

図3及び図4において、モジュール201及び1への投入電流量I(A)を同じとすると、図3の比較例のモジュール201におけるパワー半導体素子213の発熱量W213は、数4にて表すことができる。
213=R×I=(Ron/S1)×I=(Ron・I)/S1
・・・(数4)
一方、本実施形態のモジュール1における1個のパワー半導体単位素子13の発熱量W13は、数5にて表すことができる。
13=R×(I/N)={Ron/(S1/N)}×(I/N)
=(Ron・I)/(S1・N) ・・・(数5)
なお、Rは1個の素子における抵抗値であり、S1は素子の合計面積であり、Nは単位素子13への分割個数であって、本説明においてはN=3個となる。
3 and 4, assuming that the input current amount I (A) to the modules 201 and 1 is the same, the heat generation amount W 213 of the power semiconductor element 213 in the module 201 of the comparative example of FIG. be able to.
W 213 = R × I 2 = (Ron / S1) × I 2 = (Ron · I 2 ) / S1
... (Equation 4)
Meanwhile, the heating value W 13 of one power semiconductor unit devices 13 in the module 1 of this embodiment can be represented by the number 5.
W 13 = R × (I / N) 2 = {Ron / (S1 / N)} × (I / N) 2
= (Ron · I 2 ) / (S1 · N) (Equation 5)
Note that R is the resistance value of one element, S1 is the total area of the elements, N is the number of divisions into unit elements 13, and in this description, N = 3.

数4及び数5にて表される発熱量W213及びW13から明らかなように、1個の素子、すなわち単素子の発熱量は、単位素子13の分割個数(あるいは並列個数)に反比例して小さくなることが判る。 As is apparent from the calorific values W 213 and W 13 expressed by the equations 4 and 5, the calorific value of one element, that is, a single element, is inversely proportional to the number of divided unit elements 13 (or the number of parallel elements). It turns out that it becomes small.

また、図3(A)及び(B)に示すように、比較例のモジュール201においては、絶縁基板11のそれぞれの端部より半導体素子213に近づくにしたがって徐々に温度上昇ΔTが高くなり、半導体素子213の略中央の位置P10にて温度上昇ΔTの極大値ΔT10が生じている。一方、図4(A)及び(B)を参照すると、本実施形態のモジュール1においては、絶縁基板11のそれぞれの端部より、両端に位置されている単位素子13に近づくにしたがって徐々に温度上昇ΔTが高くなり、両端のそれぞれの単位素子13の中央の位置P1及びP3にて温度上昇ΔTのピークΔT、ΔTが生じるが、さらに中央の単位素子13に近づくにしたがって緩やかに温度上昇ΔTが下降され、再び中央の単位素子13における中央の位置P2にて温度上昇ΔTの極大値ΔTが生じている。ただし、モジュール1における極大値ΔT、及びピークΔT、ΔTは、比較例のモジュール201における極大値ΔT10と比べて十分に低い値となっている。 As shown in FIGS. 3A and 3B, in the module 201 of the comparative example, the temperature rise ΔT gradually increases as the semiconductor element 213 is approached from the respective end portions of the insulating substrate 11. A local maximum value ΔT 10 of the temperature increase ΔT is generated at a position P 10 at the substantially center of the element 213. On the other hand, referring to FIGS. 4A and 4B, in the module 1 of this embodiment, the temperature gradually increases from the respective end portions of the insulating substrate 11 toward the unit elements 13 located at both ends. The rise ΔT is increased, and peaks ΔT 1 and ΔT 3 of the temperature rise ΔT are generated at the central positions P1 and P3 of the respective unit elements 13 at both ends. The temperature rises gradually as the center unit element 13 is further approached. [Delta] T is lowered, the maximum value [Delta] T 2 of the temperature rise [Delta] T is generated at the center position P2 at the center of the unit element 13 again. However, the maximum value [Delta] T 2 in module 1, and the peak [Delta] T 1, [Delta] T 2 has a sufficiently low value as compared with the maximum value [Delta] T 10 in module 201 of the comparative example.

その理由は、次のように考えることができる。単素子においては、素子の端部や中央付近に拘わらず略均一な発熱が生じても、素子内部において直接的な熱移動が生じるため、素子の中央において温度上昇ΔTの極大点が生じることになる。一方、素子を複数の単位素子に分割することによって、単位素子間の直接的な熱移動を実質的に分断することが可能となり、単位素子ごとに温度上昇ΔTの極大点が生じることになるものの、その絶対値は、分割個数に反比例して小さくすることができる。ただし、素子内の直接的な熱移動と比して十分に小さいものであるが、上記分断によっても絶縁基板等を通じての間接的な熱移動は残ったままであるので、中央に配置されている単位素子13の極大値は、端部側に配置されている単位素子13の極大値よりも多少ではあるが高くなる。従って、このように、複数の単位素子13への並列配置構造を採用することで、その分割個数Nに応じて温度上昇ΔTを抑制することが可能となる。   The reason can be considered as follows. In a single element, even if substantially uniform heat generation occurs regardless of the end portion or the center of the element, direct heat transfer occurs inside the element, so that a maximum point of temperature rise ΔT occurs in the center of the element. Become. On the other hand, by dividing the element into a plurality of unit elements, it becomes possible to substantially divide the direct heat transfer between the unit elements, and the maximum point of the temperature rise ΔT occurs for each unit element. The absolute value can be reduced in inverse proportion to the number of divisions. However, although it is sufficiently small compared with the direct heat transfer in the element, the indirect heat transfer through the insulating substrate and the like remains even after the above-mentioned division, so the unit arranged in the center The maximum value of the element 13 is slightly higher than the maximum value of the unit element 13 disposed on the end side. Therefore, by adopting the parallel arrangement structure to the plurality of unit elements 13 in this way, it is possible to suppress the temperature rise ΔT according to the division number N.

ここで、このような半導体素子を複数の単位素子に分割することで、弱耐熱性部材に対する温度上昇を抑制することができる効果として、単位素子の面積(cm)及び素子分割個数N(個)と、弱耐熱性部材の温度上昇ΔT(℃)との関係についての一例を図14のグラフに示す。図14に示すように、半導体素子の面積を例えば1.44cmから分割して小型化していくことで、温度上昇ΔTを低減させることができ、例えば単位素子の面積を0.1〜0.2cm程度にまで小型化すること、すなわち10個以上の単位素子へと分割することで、温度上昇ΔTを20℃程度にまで減少させることができることが判る。 Here, by dividing such a semiconductor element into a plurality of unit elements, the effect of suppressing the temperature rise with respect to the weak heat-resistant member is that the area of the unit element (cm 2 ) and the number N of element divisions (number ) And the temperature rise ΔT (° C.) of the weak heat-resistant member, an example of the relationship is shown in the graph of FIG. As shown in FIG. 14, by dividing the area of the semiconductor element from, for example, 1.44 cm 2 and reducing the size, the temperature rise ΔT can be reduced. It can be seen that the temperature rise ΔT can be reduced to about 20 ° C. by downsizing to about 2 cm 2 , that is, dividing into 10 or more unit elements.

(隣接する単位素子への熱移動による影響について)
また、半導体素子の分割個数と、1つの単位素子から隣接する単位素子への熱移動による影響を示すグラフとして、単位素子の中心からの距離dと基板内部温度Tとの関係を、素子分割個数毎(例えば、分割個数2個、10個、16個)に示すグラフを図15に示す。図15に示すように、素子分割個数が2個である場合には、素子中心(d=0)において基板内部温度T=Tであるものが、距離が離間するに従って温度が減少し、距離dにおいては、温度Tに比して十分に低い温度であるTとなるように減少することが分かる。さらに素子分割個数を10個とする場合には、素子中心における温度もT10<Tと低減させることができるとともに、温度Tにまで減少させるための距離もd10<dと短くなる。さらに、素子分割個数を16個と増加させると、基板内部温度をT16<T10にまで減少させることができ、温度Tにまで減少させるための距離がd16<d10とさらに短くなることが分かる。なお、このような温度Tは、例えば、隣接する単位素子への熱移動による熱的影響が、許容温度上昇ΔTに対して十分に低減された温度ということができる。
(Influence of heat transfer to adjacent unit elements)
Further, as a graph showing the number of divided semiconductor elements and the influence of heat transfer from one unit element to an adjacent unit element, the relationship between the distance d from the center of the unit element and the substrate internal temperature T is expressed as follows: FIG. 15 shows a graph shown for each (for example, the number of divisions of 2, 10, and 16). As shown in FIG. 15, when the number of element divisions is two, the substrate internal temperature T = T 2 at the element center (d = 0) decreases as the distance increases. It can be seen that d 2 decreases to T 0 , which is a sufficiently lower temperature than temperature T 2 . Further, when the number of element divisions is 10, the temperature at the element center can be reduced to T 10 <T 2, and the distance for reducing the temperature to T 0 can be reduced to d 10 <d 2. . Furthermore, when the number of element divisions is increased to 16, the substrate internal temperature can be reduced to T 16 <T 10 , and the distance for reducing the temperature to T 0 can be further shortened to d 16 <d 10. I understand that. Note that such a temperature T 0 can be said to be a temperature at which the thermal influence due to heat transfer to adjacent unit elements is sufficiently reduced with respect to the allowable temperature increase ΔT, for example.

(パワー半導体モジュールの回路構成について)
ここで、本実施形態のパワー半導体モジュールにおける回路構成の一例について、図16、図17、及び図18に示す模式回路構成図を用いて、以下に説明する。
(Circuit configuration of power semiconductor module)
Here, an example of a circuit configuration in the power semiconductor module of the present embodiment will be described below with reference to schematic circuit configuration diagrams shown in FIGS. 16, 17, and 18.

まず、図16及び図17は、本実施形態における回路構成の考え方を示す模式回路構成図であり、図16は、トランジスタとして構成された半導体素子113を例とした場合における従来のパワー半導体モジュール101における回路構成を示す図であり、図17は、同じくトランジスタとして構成された複数の単位素子13を例とした場合における本実施形態のパワー半導体モジュール1における回路構成を示す図である。図16に示すように、一般的にはトランジスタには3つの電極、すなわち、ドレイン電極101d、ソース電極101s、及びゲート電極101gが備えられている。このような従来のトランジスタを複数に分割して電気的に並列に接続して構成したのが、本実施形態のパワー半導体モジュール1である。具体的には、図17に示すように、パワー半導体モジュール1は、複数の単位素子13により構成される個々のトランジスタが並列に接続されることで、トランジスタの集合体を構成し、この集合体全体として共通のドレイン電極1d、ソース電極1s、及びゲート電極1gを備えさせるように構成されている。すなわち、本実施形態においては、例えば、電気的には1つのトランジスタ機能を、物理的に分割し、電気的に並列接続を行うことで、パワー半導体モジュール1が構成されている。   First, FIG. 16 and FIG. 17 are schematic circuit configuration diagrams showing the concept of the circuit configuration in the present embodiment, and FIG. 16 shows a conventional power semiconductor module 101 in the case where the semiconductor element 113 configured as a transistor is taken as an example. FIG. 17 is a diagram illustrating a circuit configuration in the power semiconductor module 1 of the present embodiment when a plurality of unit elements 13 that are also configured as transistors are taken as an example. As shown in FIG. 16, a transistor is generally provided with three electrodes, that is, a drain electrode 101d, a source electrode 101s, and a gate electrode 101g. The power semiconductor module 1 of this embodiment is configured by dividing such a conventional transistor into a plurality of parts and electrically connecting them in parallel. Specifically, as shown in FIG. 17, the power semiconductor module 1 forms an assembly of transistors by connecting individual transistors configured by a plurality of unit elements 13 in parallel. As a whole, a common drain electrode 1d, source electrode 1s, and gate electrode 1g are provided. That is, in the present embodiment, for example, the power semiconductor module 1 is configured by electrically dividing one transistor function physically and performing electrical connection in parallel.

図17に示すように、本実施形態の複数の単位素子により構成されるトランジスタ回路を用いて、例えば、図18に示すような本実施形態の実施例にかかるモータ駆動用の回路を構成することができる。図18に示す回路80は、例えば、バッテリ81の直流電圧(例えば200〜300V)をコンバータ82で昇圧し(例えば600〜700Vに昇圧)、その後、インバータ83で3相の交流に変換して、交流モータ84を駆動するような回路構成を有している。コンバータ82は、本実施形態のパワー半導体モジュールにより構成されており、例えば、単位素子である2個のトランジスタ13Aにより構成されている。また、インバータ83も、本実施形態のパワー半導体モジュールにより構成されており、例えば、単位素子である6個のトランジスタ13Bにより構成されている。なお、図18に示すように、バッテリ81とコンバータ82との間には、平滑コンデンサ85とリアクトル86とが備えられており、また、コンバータ82とインバータ83との間には、フィルタコンデンサ87が備えられている。このように構成された交流モータ84を駆動する回路80においては、パワー半導体素子を用いながら、接合材等の弱耐熱性部材に対する熱的影響の発生を抑制することができ、より高出力のモータ駆動への対応を実現することが可能となる。   As shown in FIG. 17, for example, a circuit for driving a motor according to the example of the present embodiment as shown in FIG. 18 is configured by using the transistor circuit including the plurality of unit elements of the present embodiment. Can do. The circuit 80 shown in FIG. 18 boosts the DC voltage (for example, 200 to 300 V) of the battery 81 by the converter 82 (for example, boosts to 600 to 700 V), and then converts it to three-phase AC by the inverter 83, The circuit configuration is such that the AC motor 84 is driven. The converter 82 is configured by the power semiconductor module of the present embodiment, and is configured by, for example, two transistors 13A that are unit elements. The inverter 83 is also configured by the power semiconductor module of the present embodiment, and is configured by, for example, six transistors 13B that are unit elements. As shown in FIG. 18, a smoothing capacitor 85 and a reactor 86 are provided between the battery 81 and the converter 82, and a filter capacitor 87 is provided between the converter 82 and the inverter 83. Is provided. In the circuit 80 for driving the AC motor 84 configured as described above, it is possible to suppress the occurrence of a thermal influence on a weak heat-resistant member such as a bonding material while using a power semiconductor element, and a higher output motor. It becomes possible to realize the drive.

(熱流体解析による数1の導出方法について)
次に、上述したパワー半導体単位素子13の1個あたりの面積sと、弱耐熱性部材の許容上昇温度ΔT等とのパラメータ関係式である数1の導出方法について、以下に説明する。本発明においては、このようなパラメータ関係式の導出方法として、定常熱流体モデル(3次元モデル)を用いて有限体積法により熱流体解析を行う方法を用いた。
(About the derivation method of number 1 by thermal fluid analysis)
Next, a derivation method of Equation 1, which is a parameter relational expression between the area s of each power semiconductor unit element 13 and the allowable temperature rise ΔT of the weak heat resistant member, will be described below. In the present invention, as a method for deriving such a parameter relational expression, a method of performing thermal fluid analysis by a finite volume method using a steady thermal fluid model (three-dimensional model) is used.

まず、定常熱流体モデルとして用いたパワー半導体モジュールの解析モデルについて、解析モデル10の模式外観斜視図を図5に示し、その模式部分断面図を図6に示す。なお、パワー半導体モジュール1の解析モデル10における各構成部材には、その理解を容易なものとするために、パワー半導体モジュール1の各構成部材と同じ参照符号を付している。図5及び図6に示すように、解析モデル10は、複数のパワー半導体単位素子13(すなわちパワー半導体素子群)と、これらの半導体単位素子13が第1の接合材12を介して接合された絶縁基板11と、この絶縁基板11が第2の接合材14を介して接合されたベース板15と、ベース板15がシリコングリース17を介して配置された冷却ブロック18とにより構成されている。なお、この解析モデル10では、ベース板15がヒートシンクとしての機能を備えている。さらに図5に示すように、絶縁基板11及びそれぞれのパワー半導体単位素子13の露出表面(図示上面)全体を覆うように、シリコンゲル19が配置されている。なお、図6においては、このシリコンゲル19の図示を省略している。   First, as for the analysis model of the power semiconductor module used as the steady thermal fluid model, a schematic external perspective view of the analysis model 10 is shown in FIG. 5, and a schematic partial sectional view thereof is shown in FIG. It should be noted that each constituent member in the analysis model 10 of the power semiconductor module 1 is given the same reference numeral as each constituent member of the power semiconductor module 1 in order to facilitate understanding thereof. As shown in FIGS. 5 and 6, the analysis model 10 includes a plurality of power semiconductor unit elements 13 (that is, a power semiconductor element group) and these semiconductor unit elements 13 bonded together via a first bonding material 12. The insulating substrate 11 includes a base plate 15 to which the insulating substrate 11 is bonded via a second bonding material 14, and a cooling block 18 in which the base plate 15 is disposed via silicon grease 17. In this analysis model 10, the base plate 15 has a function as a heat sink. Further, as shown in FIG. 5, a silicon gel 19 is disposed so as to cover the entire exposed surface (upper surface in the drawing) of the insulating substrate 11 and each power semiconductor unit element 13. In FIG. 6, illustration of the silicon gel 19 is omitted.

また、図6に示すように、絶縁基板11は、例えば3層構造を有しており、図示上面から電極層11a、基板層11b、及びアルミニウム層11cにより構成されている。また、それぞれの部材の厚みtは、例えば、半導体単位素子13:0.037cm、第1の接合材12:0.01cm、電極層11a:0.04cm、基板層11b:0.064cm、アルミニウム層:0.04cm、第2の接合材14:0.025cm、ベース板15:0.3cm、及び、シリコングリース17:0.005cmに設定されている。また、このような解析モデル10においては、パワー半導体単位素子13のサイズ及び個数、並びに絶縁基板11のサイズに代表されるそれぞれの設計パラメータについての温度上昇に対する影響度を評価するために、これらの設計パラメータは可変されるものとしている。なお、絶縁基板12上に配置されるそれぞれの単位素子13は、その並列個数(分割個数)に応じて、等分布に配置するものとした。   As shown in FIG. 6, the insulating substrate 11 has, for example, a three-layer structure, and is composed of an electrode layer 11a, a substrate layer 11b, and an aluminum layer 11c from the upper surface in the drawing. The thickness t of each member is, for example, semiconductor unit element 13: 0.037 cm, first bonding material 12: 0.01 cm, electrode layer 11a: 0.04 cm, substrate layer 11b: 0.064 cm, aluminum layer : 0.04 cm, second bonding material 14: 0.025 cm, base plate 15: 0.3 cm, and silicon grease 17: 0.005 cm. Further, in such an analysis model 10, in order to evaluate the influence on the temperature rise for each design parameter represented by the size and number of the power semiconductor unit elements 13 and the size of the insulating substrate 11, these Design parameters are assumed to be variable. In addition, each unit element 13 arrange | positioned on the insulated substrate 12 shall be arrange | positioned at equal distribution according to the parallel number (division | segmentation number).

このような解析モデル10において、第1の条件として、1個の単位素子あたりの発熱量(W/個)を設定し、第2の条件として、冷却ブロック18に固定温度として、例えば冷却水の温度(℃)を設定し、さらに第3の条件として、解析モデル10の周囲に固定温度(℃)を設定した。なお、詳細な条件、すなわち設計パラメータ等については後述するものとする。また、評価ポイントとして、パワー半導体単位素子13の下面に配置されている第1の接合材12の温度を解析により求めた。なお、それぞれの温度が平衡状態となるまで、解析計算を継続し、上記温度を算出している。また、計算環境については、解析技術として「有限体積法」を採用し、ソルバーとして「熱流体解析ソフト(Flotherm Ver.5.1)」を用い、要素数は約200000とした。   In such an analysis model 10, the heat generation amount (W / piece) per unit element is set as the first condition, and the cooling block 18 is set as a fixed temperature, for example, cooling water as the second condition. A temperature (° C.) was set, and a fixed temperature (° C.) was set around the analysis model 10 as a third condition. Detailed conditions, that is, design parameters and the like will be described later. Further, as an evaluation point, the temperature of the first bonding material 12 arranged on the lower surface of the power semiconductor unit element 13 was obtained by analysis. In addition, analysis calculation is continued until each temperature will be in an equilibrium state, and the said temperature is calculated. Regarding the calculation environment, “finite volume method” was adopted as an analysis technique, “thermal fluid analysis software (Flotherm Ver. 5.1)” was used as a solver, and the number of elements was about 200,000.

ここで、この熱流体解析における設計パラメータと解析実験水準について、具体的に説明する。まず、本解析において可変される設計パラメータとして、それぞれのパワー半導体単位素子13に投入される全電流(合計電流)Aと、冷却ブロック18における冷却水温度T0と、それぞれのパワー半導体単位素子13の総面積(全ての素子の総面積)S1と、単位素子13の並列個数Nと、絶縁基板11の総面積S2を用いている。さらに、これらの設計パラメータについて、図7の表に示すように、複数の実験水準を組み合わせて、解析実験を行った。具体的には、単位素子に投入される全電流Aとして、45A、146A、及び174Aの3通りの実験水準を適用し、単位素子総面積S1として、1cm、2cm、及び3cmの3通りの実験水準を適用し、単位素子の並列個数Nとして、1個、10個、及び16個の3通りの実験水準を適用し、絶縁基板の総面積S2として、3.240cm、8.820cm、及び14.440cmの3通りの実験水準を適用し、そして冷却水温度T0として、65℃及び110℃の2通りの実験水準を適用した。 Here, the design parameters and analysis experiment levels in this thermal fluid analysis will be specifically described. First, as design parameters that can be varied in this analysis, the total current (total current) A input to each power semiconductor unit element 13, the cooling water temperature T 0 in the cooling block 18, the power semiconductor unit elements 13 The total area (total area of all elements) S1, the parallel number N of unit elements 13, and the total area S2 of the insulating substrate 11 are used. Further, with respect to these design parameters, as shown in the table of FIG. 7, an analysis experiment was performed by combining a plurality of experimental levels. Specifically, three experimental levels of 45A, 146A, and 174A are applied as the total current A input to the unit element, and the unit element total area S1 is 3 of 1 cm 2 , 2 cm 2 , and 3 cm 2 . The three experimental levels of 1, 10, and 16 are applied as the parallel number N of unit elements, and the total area S2 of the insulating substrate is 3.240 cm 2 , 8. Three experimental levels of 820 cm 2 and 14.440 cm 2 were applied, and two experimental levels of 65 ° C. and 110 ° C. were applied as the cooling water temperature T0.

これらの設計パラメータの全て組み合わせである全162ケースについて熱流体解析を実施した結果の一部を図8の表に示す。図8に示すように、例えばデータNo.1においては、それぞれの設計パラメータについて、単位素子総面積S1=1、並列個数N=2、基板総面積S2=3.24、全電流A=45.00、及び冷却水温度T0=65.00と設定して解析計算を行い、第1の接合材12の温度Tが71.76℃となる旨の解析結果を得た。その後、データNo.2以降においても、設計パラメータの実験水準の組み合わせを変化させて、162個全てのケースについて解析結果を算出、すなわち多変量解析を実施した。   A part of the results of the thermal fluid analysis for all 162 cases, which are all combinations of these design parameters, are shown in the table of FIG. As shown in FIG. 1, for each design parameter, the unit element total area S1 = 1, the parallel number N = 2, the substrate total area S2 = 3.24, the total current A = 45.00, and the cooling water temperature T0 = 65.00. And an analysis calculation was performed to obtain an analysis result indicating that the temperature T of the first bonding material 12 was 71.76 ° C. Thereafter, data No. In 2 and later, the combination of design parameter experimental levels was changed, and the analysis results were calculated for all 162 cases, that is, multivariate analysis was performed.

この解析結果を用いて、第1の接合材12の温度Tをそれぞれの設計パラメータを用いて予測する温度予測式を数6のように導くことができる。
T=T0+
・{(8.8/S1)+(9.9/N)+(64.2/S2)}×10−4
・・・(数6)
Using this analysis result, a temperature prediction formula for predicting the temperature T of the first bonding material 12 using each design parameter can be derived as shown in Equation 6.
T = T0 +
A 2 · {(8.8 / S1) + (9.9 / N) + (64.2 / S2)} × 10 −4
... (Equation 6)

数6に示す温度予測式において、単位素子のon抵抗値Ronを考慮すると、数7に示す式に変換することができる。なお、第1の接合材の温度上昇値ΔTは、ΔT=T−T0にて表すことができる。
ΔT=(Ron/S1)・A×
{(8.8/S1)+(9.9/N)+(64.2/S2)}×10−4
・・・(数7)
In the temperature prediction formula shown in Formula 6, when the on-resistance value Ron of the unit element is taken into consideration, it can be converted into the formula shown in Formula 7. The temperature increase value ΔT of the first bonding material can be expressed by ΔT = T−T0.
ΔT = (Ron / S1) · A 2 ×
{(8.8 / S1) + (9.9 / N) + (64.2 / S2)} × 10 −4
... (Equation 7)

さらに、数7に示す数式を数8に示すように変形する。
ΔT=(Ron/S1)・A×
{8.8+(9.9・S1/N)+(64.2・S1/S2)}×10−4
・・・(数8)
そして、単位素子における電流密度a=A/S1、1個の単位素子の面積s=S1/N、単位素子と絶縁基板の面積比r=S1/S2を数8の数式に代入すると、数9に示す数式を導き出すことができる。
ΔT=Ron・a・(9.9s+64.2r+8.8)×10−2 ・・・(数9)
さらに数9において、ΔTを第1の接合材の温度上昇許容値とすることで、数1に示す本発明のパラメータ関係式を導き出すことができる。なお、このように解析計算により導き出された数9の温度予測式においては、熱流体解析によって計算された温度に対して±数℃の範囲内で温度予測を行うことができた。
Further, the mathematical formula shown in Equation 7 is modified as shown in Equation 8.
ΔT = (Ron / S1 2 ) · A 2 ×
{8.8+ (9.9 · S1 / N) + (64.2 · S1 / S2)} × 10 −4
... (Equation 8)
Then, when the current density a = A / S1 in the unit element, the area s = S1 / N of one unit element, and the area ratio r = S1 / S2 between the unit element and the insulating substrate are substituted into the mathematical expression of Expression 8, The following mathematical formula can be derived.
ΔT = Ron · a 2 · (9.9s + 64.2r + 8.8) × 10 −2 (Equation 9)
Furthermore, in Equation 9, the parameter relational expression of the present invention shown in Equation 1 can be derived by setting ΔT as the temperature rise allowable value of the first bonding material. In the temperature prediction formula of Equation 9 derived by the analysis calculation in this way, the temperature prediction could be performed within a range of ± several degrees with respect to the temperature calculated by the thermal fluid analysis.

(従来のSi素子と本実施形態のSiC素子との違いについて)
ここで、従来のパワー半導体モジュールにおいて用いられているSi素子と、本実施形態のパワー半導体モジュールにおいて用いられているSiC素子との違いについてさらに詳細に説明する。
(Difference between the conventional Si element and the SiC element of this embodiment)
Here, the difference between the Si element used in the conventional power semiconductor module and the SiC element used in the power semiconductor module of the present embodiment will be described in more detail.

従来のSi素子と本実施形態のSiC素子とは、同じくパワー半導体モジュールに用いられる半導体素子であるものの、互いに全く異なるような特性を有する素子である。具体的には、SiC素子を用いたモジュールにおいては、従来のSi素子を用いたモジュールに比べて、より高い電流密度、例えば50A/cm以上での動作が可能となる点において、両素子の特性が異なっていると言える。その理由は次の通りである。 Although the conventional Si element and the SiC element of this embodiment are semiconductor elements that are also used in the power semiconductor module, they are elements having completely different characteristics. Specifically, a module using an SiC element can operate at a higher current density, for example, 50 A / cm 2 or more than a module using a conventional Si element. It can be said that the characteristics are different. The reason is as follows.

パワー半導体モジュールがオフ(off)状態にある時に高電圧に耐えることができるように、例えば素子におけるドリフト領域のドーピング濃度や厚みを設計する。この場合の濃度・厚みにより、ドリフト領域内の電界分布が決まる。空乏化したドリフト領域内の電界は、ドーピング濃度で決まる傾きにより増加して、p/n接合界面において最大値をとる。ドリフト領域内の上記電界分布の積分値が、このパワー半導体モジュールの耐圧を決めることとなるため、所望の耐圧を確保できるようにドリフト領域の濃度と厚みを設計する必要がある。このような設計においては、上記電界が一番大きくなるp/n接合界面において生じる電界が、Siの物性値である絶縁破壊電界以下になるように設定することで、パワー半導体モジュールの耐圧を保証することができる。ここで、上記設計された濃度・厚みにより、モジュールがオン(on)時の電気抵抗値Ronが決まることになる。   For example, the doping concentration and thickness of the drift region in the device are designed so that a high voltage can be withstood when the power semiconductor module is in an off state. The electric field distribution in the drift region is determined by the concentration and thickness in this case. The electric field in the depleted drift region increases with a slope determined by the doping concentration, and takes a maximum value at the p / n junction interface. Since the integrated value of the electric field distribution in the drift region determines the breakdown voltage of the power semiconductor module, it is necessary to design the concentration and thickness of the drift region so as to ensure a desired breakdown voltage. In such a design, the withstand voltage of the power semiconductor module is guaranteed by setting the electric field generated at the p / n junction interface where the electric field is greatest to be equal to or less than the dielectric breakdown electric field which is a physical property value of Si. can do. Here, the electrical resistance value Ron when the module is turned on is determined by the designed concentration and thickness.

例えば、Si素子の場合は、絶縁破壊電界が0.3MV/cmなので、1000V程度の耐圧を確保するためには、1×1014程度のドーピング濃度で100μm程度の厚みのドリフト領域が必要となる。上記1000Vの耐圧を保証するドリフト層のドーピング濃度と厚みにより決まる電気抵抗値Ronは、面積で規格化して、数百mΩ・cm程度になる。 For example, in the case of a Si element, since the dielectric breakdown electric field is 0.3 MV / cm, a drift region having a thickness of about 100 μm is required at a doping concentration of about 1 × 10 14 in order to ensure a breakdown voltage of about 1000 V. The electrical resistance value Ron determined by the doping concentration and thickness of the drift layer that guarantees a breakdown voltage of 1000 V is normalized by the area and is about several hundred mΩ · cm 2 .

これに対して、SiC素子の場合は、上記絶縁破壊電界がSi素子に比べて一桁高い3MV/cm以上あるため、同様に1000Vの耐圧を確保するためには、Si素子と比べて、2桁高いドーピング濃度、及び一桁薄い厚みで足りることになる。このため、SiC素子で形成したパワー半導体モジュールは、Si素子で形成されたパワー半導体モジュールに比べて2桁以上小さな電気抵抗値Ronとなる。   On the other hand, in the case of the SiC element, the dielectric breakdown electric field is 3 MV / cm or more, which is an order of magnitude higher than that of the Si element. An order of magnitude higher doping concentration and an order of magnitude thinner will suffice. For this reason, the power semiconductor module formed of the SiC element has an electric resistance value Ron that is two digits or more smaller than that of the power semiconductor module formed of the Si element.

このような内容は、MOSFET等のユニポーラデバイスに当てはまり、Si−MOSFETに比べてSiC−MOSFETは2桁程小さな電気抵抗値Ronとなることが期待される。一方、Si素子として、上記ユニポーラデバイスでなく、バイポーラデバイス(IGBT等)が広く使われているが、このIGBTなどはバイポーラデバイスのマイノリティーキャリアの注入を利用して、同じ耐圧でも電気抵抗値Ronを一桁以上下げることが可能である。SiC−MOSFETをこのようなSi−IGBTと比較しても、1000V耐圧を有するパワー半導体モジュールにおける電気抵抗値Ronの大きさは、SiC−MOSFETの方が一桁小さくすることができる。   Such contents apply to unipolar devices such as MOSFETs, and SiC-MOSFETs are expected to have electrical resistance values Ron that are two orders of magnitude smaller than Si-MOSFETs. On the other hand, a bipolar device (IGBT or the like) is widely used as the Si element instead of the unipolar device described above, but this IGBT or the like uses the injection of minority carriers of the bipolar device to increase the electric resistance value Ron even with the same breakdown voltage. It can be lowered by one digit or more. Even when the SiC-MOSFET is compared with such a Si-IGBT, the magnitude of the electrical resistance value Ron in the power semiconductor module having a 1000V breakdown voltage can be made smaller by one digit in the SiC-MOSFET.

このような電気抵抗値Ronは、素子に電流が流れた場合に、損失となり、流れる電流の2乗の値の比例した発熱Wが生じる(W=Ron×I)。つまり、素子において同じ発熱量を許容した場合には、SiC素子に流すことができる電流(単位面積あたりの電流、すなわち電流密度)が大きくなる。例えば、SiC−MOSFETをSi−MOSFETと比較したら、SiC−MOSFETは一桁以上大きな電流密度が許容されることになる。 Such an electric resistance value Ron becomes a loss when a current flows through the element, and generates heat W proportional to the square value of the flowing current (W = Ron × I 2 ). That is, when the same calorific value is allowed in the element, the current (current per unit area, that is, current density) that can be passed through the SiC element increases. For example, if a SiC-MOSFET is compared with a Si-MOSFET, the SiC-MOSFET is allowed to have a current density that is an order of magnitude greater.

さらに、SiC素子は、バンドギャップが広いため、高温下でも半導体特性を維持できる。Si素子では、その温度を150℃程度以下に保つ必要があるが、SiC素子では400℃以上でも半導体素子として動作させることができる。このような高温下での動作を生かすと、電流密度をさらに上げて、発熱の増加により素子温度が上昇しても、SiC素子はパワー半導体素子として使用することができる。なお、このような特性について逆の見方をすれば、SiC素子においては、電流密度が大きく取れるので、同じ電流を流す場合には、素子面積を小さくすることができるという特性を有しているとも言うことができる。   Furthermore, since the SiC element has a wide band gap, the semiconductor characteristics can be maintained even at high temperatures. In the case of an Si element, the temperature needs to be kept at about 150 ° C. or lower. However, an SiC element can be operated as a semiconductor element even at 400 ° C. or higher. By taking advantage of such high-temperature operation, the SiC element can be used as a power semiconductor element even if the current density is further increased and the element temperature rises due to an increase in heat generation. From the opposite view of such characteristics, the SiC element has a characteristic that the current density can be increased, so that the element area can be reduced when the same current flows. I can say that.

さらに別の観点におけるSi素子とSiC素子との特性の相違点について説明する。Si素子の中でも比較的大電力(高耐圧、大電流)に対応可能であるという特性を有するSi−IGBTにおいては、複数のSi−IGBT素子を電気的に並列接続した構成とすると、各々の素子相互間の特性の違いによって電流が一部の素子に偏って流れる不均一動作となる場合がある。このような不均一動作の発生を抑制しながら、より大きな電流容量を確保するためには、Si素子のサイズを大型化することが望ましい。すなわち、Si素子におけるこのような不均一動作の発生を抑制するためには、複数の素子への並列化を行うことなく、素子の歩留まり確保できる範囲において、素子の大型化が行われることになる。   Further, the difference in characteristics between the Si element and the SiC element from another viewpoint will be described. In a Si-IGBT having characteristics that it can cope with relatively large power (high withstand voltage, large current) among Si elements, each element can be configured by electrically connecting a plurality of Si-IGBT elements in parallel. There may be a non-uniform operation in which current flows biased to some elements due to a difference in characteristics between them. In order to secure a larger current capacity while suppressing the occurrence of such non-uniform operation, it is desirable to increase the size of the Si element. That is, in order to suppress the occurrence of such non-uniform operation in the Si element, the element is increased in size within a range in which the yield of the element can be secured without parallelization to a plurality of elements. .

これに対して、SiC−MOSFET素子では、上記Si−IGBT素子のような不均一動作が生じるという問題は生じない。これは、Si−IGBT素子は、温度上昇に伴って電気抵抗が減少するという温度特性を有しており、大きな電流が偏って流れることにより素子の温度が上昇し、それに伴って抵抗が減少して、さらに電流が増大して不均一動作が増幅されるためである。これに対して、SiC−MOSFET素子では、温度上昇により逆に電気抵抗が増大するという特性を有しているため、上記不均一動作の増幅は生じ難い。   On the other hand, the SiC-MOSFET element does not have the problem that non-uniform operation occurs as in the Si-IGBT element. This is because the Si-IGBT element has a temperature characteristic that the electric resistance decreases as the temperature rises, and the temperature of the element rises due to a large current flowing unbalanced, and the resistance decreases accordingly. This is because the current is further increased and the non-uniform operation is amplified. On the other hand, since the SiC-MOSFET element has a characteristic that the electrical resistance increases conversely with a temperature rise, the non-uniform operation is hardly amplified.

このような両素子の特性の違いを考慮すれば、従来のSi素子では、大電力に対応するための構造設計としては、上記不均一動作を回避するために、複数素子の並列構成を避けながら、素子サイズの大型化を積極的に図るという設計思想が存在するものと考えられる。これに対して、本発明のSiC素子(SiC−MOSFET)では、その構造設計において、複数の素子の並列構成や素子サイズの大型化のようないずれの構造をも採用することができ、構造設計の自由度が高いという特性と有しており、従来のSi素子とは全く異なる特性を有する素子であるということができる。   Considering such a difference in characteristics between the two elements, in the conventional Si element, as a structural design for dealing with high power, while avoiding the above-described non-uniform operation, avoiding a parallel configuration of a plurality of elements. It is considered that there is a design philosophy of actively increasing the element size. On the other hand, in the SiC element (SiC-MOSFET) of the present invention, any structure such as a parallel configuration of a plurality of elements or an increase in element size can be adopted in the structural design. Therefore, it can be said that the element has completely different characteristics from the conventional Si element.

(弱耐熱性部材及び許容上昇温度について)
上述の実施形態の説明においては、弱耐熱性部材が例えば第1の接合材であるような場合について説明したが、本発明はこのような場合についてのみ限定されるものではない。本明細書において、「弱耐熱性部材」とは、パワー半導体モジュールを構成するそれぞれの部材の中で、比較的その耐熱性が低いような部材であって、パワー半導体単位素子の発熱により熱的な悪影響を受けやすく、そのような熱的な悪影響を受けることによって、その部材が有する機能を維持することが困難となる、あるいは困難となる恐れが生じ易くなるような部材のことである。このような弱耐熱性部材に対して、熱的な悪影響を与えることが無いように、設定されるのが「許容上昇温度ΔT」である。このような弱耐熱性部材の例としては、はんだ材料が用いられる第1の接合材や第2の接合材があるが、その他にも、単位素子の電気的な接続を行うワイヤ材料(例えば、アルミニウムワイヤ:耐熱温度200〜250℃程度)、絶縁基板自体(例えば、セラミック基板:耐熱温度125〜250℃)、成型樹脂材料(耐熱温度175℃以下)などがある。なお、例えば、弱耐熱性部材が鉛フリーはんだ(耐熱温度125℃程度)が用いられた第1の接合材であるような場合にあっては、例えば、許容上昇温度ΔTは20℃と設定することができる。このような許容上昇温度ΔTは、パワー半導体モジュールを、冷却ブロックを通じて冷却温度85℃にて冷却するとした場合に、鉛フリーはんだの耐熱温度125℃からマージンを20℃考慮して、温度上昇を20℃以内に抑える必要があるということから決定することができる。
(About weak heat-resistant members and allowable temperature rise)
In the description of the above-described embodiment, the case where the weak heat-resistant member is, for example, the first bonding material has been described. However, the present invention is not limited only to such a case. In this specification, the “weak heat-resistant member” is a member having a relatively low heat resistance among the respective members constituting the power semiconductor module, and is thermally caused by the heat generated by the power semiconductor unit element. It is a member that is likely to be adversely affected, and that it is difficult to maintain the function of the member due to such a thermal adverse effect, or the risk that it is likely to be difficult. It is the “allowable temperature rise ΔT” that is set so as not to adversely affect the weak heat-resistant member. Examples of such a weak heat-resistant member include a first bonding material and a second bonding material in which a solder material is used. In addition, a wire material (for example, for electrically connecting unit elements) Aluminum wire: heat resistant temperature of about 200 to 250 ° C., insulating substrate itself (for example, ceramic substrate: heat resistant temperature of 125 to 250 ° C.), molded resin material (heat resistant temperature of 175 ° C. or lower), and the like. For example, when the weak heat-resistant member is a first bonding material using lead-free solder (heat-resistant temperature of about 125 ° C.), for example, the allowable temperature rise ΔT is set to 20 ° C. be able to. When the power semiconductor module is cooled at a cooling temperature of 85 ° C. through the cooling block, the allowable increase temperature ΔT is 20 ° C. considering the heat-resistant temperature of lead-free solder of 125 ° C. and a margin of 20 ° C. It can be determined from the fact that it must be kept within ° C.

(単位素子の実装形態の実施例)
ここで、このような特徴を有するパワー半導体モジュールにおける具体的な実装形態の実施例について、図19に示すパワー半導体モジュール301の模式構成図(模式断面図)を用いて説明する。図19に示すように、セラミックスにより形成された絶縁基板311の図示上面には、金属電極317上にはんだ312を介して、複数の単位素子313が実装されている。また、絶縁基板311は、その図示下面において、金属電極318及びはんだ314を介して、ベース板である放熱板315上に接合されている。放熱板315は、中空容器形状を有する例えば成形樹脂により形成されたケース部材321に接続されており、ケース部材321の内部にパワー半導体モジュール301が配置されている。また、図19に示すように、ケース部材321は、その外部空間と内部空間とを電気的に連通させるように、複数の金属体(例えば導体配線)320が形成されている。この金属体320におけるケース部材321の内部空間側の端部には、アルミニウム等の導体材料にて形成されたワイヤ319の一端が接続され、このワイヤ319は、それぞれの単位素子313の図示上面に形成されている素子電極313aを電気的に並列に接続するように、いわゆるワイヤボンディングが行われている。また、絶縁基板311の図示上面に配置された金属電極317と金属体320との間においてもワイヤボンディングによりワイヤ319が接続されている。また、ケース部材321の内部空間におけるパワー半導体モジュール301の上方には、複数の電子部品323が実装された制御回路基板322が固定されており、この制御回路基板322は、金属体320に電気的に接続されている。このようにパワー半導体モジュール301におけるそれぞれの単位素子313を、外部端子である金属体320に、その実装形態としてワイヤボンディングを用いて接続することで、本実施形態による種々の効果を得ることができるパワー半導体モジュールを含む電気回路を構成することができる。
(Example of unit element mounting form)
Here, an example of a specific mounting form in the power semiconductor module having such characteristics will be described with reference to a schematic configuration diagram (schematic cross-sectional view) of the power semiconductor module 301 shown in FIG. As shown in FIG. 19, a plurality of unit elements 313 are mounted on a metal electrode 317 via solder 312 on the upper surface of an insulating substrate 311 formed of ceramics. In addition, the insulating substrate 311 is joined to the heat radiating plate 315 as the base plate via the metal electrode 318 and the solder 314 on the lower surface in the drawing. The heat radiating plate 315 is connected to a case member 321 formed of, for example, a molding resin having a hollow container shape, and the power semiconductor module 301 is disposed inside the case member 321. As shown in FIG. 19, the case member 321 is formed with a plurality of metal bodies (for example, conductor wirings) 320 so that the external space and the internal space are in electrical communication. One end of a wire 319 formed of a conductive material such as aluminum is connected to the end of the metal body 320 on the inner space side of the case member 321. The wire 319 is connected to the upper surface of each unit element 313 in the drawing. So-called wire bonding is performed so that the formed device electrodes 313a are electrically connected in parallel. A wire 319 is also connected by wire bonding between the metal electrode 317 disposed on the upper surface of the insulating substrate 311 and the metal body 320. A control circuit board 322 mounted with a plurality of electronic components 323 is fixed above the power semiconductor module 301 in the internal space of the case member 321. The control circuit board 322 is electrically connected to the metal body 320. It is connected to the. Thus, by connecting each unit element 313 in the power semiconductor module 301 to the metal body 320 that is an external terminal by using wire bonding as its mounting form, various effects according to the present embodiment can be obtained. An electric circuit including a power semiconductor module can be configured.

(パワー半導体単位素子の配置構成の変形例)
次に、本実施形態のパワー半導体モジュール1におけるそれぞれのパワー半導体単位素子13の配置構成の変形例について説明する。上述の説明においては、図1に示すように、それぞれのパワー半導体単位素子13からの絶縁基板11に対する放熱量を等分させることを目的として、例えば16個のパワー半導体単位素子13を4×4のマトリクス状に配置させるような場合について説明したが、単位素子13の配置構成は、このような場合についてのみ限定されるものではない。
(Modification example of arrangement of power semiconductor unit elements)
Next, a modified example of the arrangement configuration of each power semiconductor unit element 13 in the power semiconductor module 1 of the present embodiment will be described. In the above description, as shown in FIG. 1, for example, 16 power semiconductor unit elements 13 are arranged in 4 × 4 for the purpose of equally dividing the heat radiation amount from each power semiconductor unit element 13 to the insulating substrate 11. However, the arrangement configuration of the unit elements 13 is not limited only to such a case.

このようなマトリックス状の配置構成に代えて、例えば、図9に示すように、16個の単位素子13を千鳥格子状に配置させるような構成を採用することもできる。具体的には、図9に示すように、本変形例にかかるパワー半導体モジュール21における絶縁基板11上には、合計16個のパワー半導体単位素子13が4列に分けて配置されているが、互いに隣接する列の単位素子13同士の距離が最大となるように、千鳥格子状に配列されている。すなわち、ある列に配置された単位素子13が、隣接する列に配置された他の単位素子に近接して隣り合わないような配置構成が採用されている。このような配置構成を採用することで、絶縁基板11の面積を拡大することなく、それぞれの単位素子13間の距離を最大とすることができ、各々の単位素子13相互の熱的影響を最小限に抑えることができ、第1の接合材12の温度上昇ΔTをより効果的に抑制することが可能となる。   Instead of such a matrix-like arrangement configuration, for example, as shown in FIG. 9, a configuration in which 16 unit elements 13 are arranged in a staggered pattern may be employed. Specifically, as shown in FIG. 9, a total of 16 power semiconductor unit elements 13 are arranged in four rows on the insulating substrate 11 in the power semiconductor module 21 according to this modification. The unit elements 13 in adjacent columns are arranged in a staggered pattern so that the distance between the unit elements 13 is maximum. That is, an arrangement configuration is employed in which the unit elements 13 arranged in a certain column are not adjacent to and adjacent to other unit elements arranged in the adjacent column. By adopting such an arrangement, the distance between the unit elements 13 can be maximized without increasing the area of the insulating substrate 11, and the thermal influence between the unit elements 13 can be minimized. It is possible to suppress the temperature rise ΔT of the first bonding material 12 more effectively.

(パワー半導体モジュールの設計方法について)
次に、本実施形態のパワー半導体モジュール1の構造を決定する数1の関係式を用いて、第1の接合材12に対する温度上昇が抑制されたパワー半導体モジュールを具体的に設計する手法について、実施例として以下に説明する。
(About power semiconductor module design method)
Next, a method for specifically designing a power semiconductor module in which a temperature increase with respect to the first bonding material 12 is suppressed using the relational expression of Formula 1 that determines the structure of the power semiconductor module 1 of the present embodiment. An example will be described below.

まず、第1のステップとして、数1の関係式において、パワー半導体単位素子13の1個あたりの面積s=0、単位素子13と絶縁基板11との面積比率r=0と仮定し、半導体素子を最小に分割しかつ絶縁基板11の面積を最大とした場合を考える。そうすると、単位素子13の面積と絶縁基板11の面積とを放熱性能に関して最良の状態にした場合における電流密度aと単位素子の単位面積あたりの抵抗値Ronとの関係を、図10に示すグラフのように導き出すことができる。なお、図10においては、縦軸に単位素子の単位面積あたりの抵抗値Ron(mΩ・cm)を示し、横軸に電流密度a(A/cm)を示しており、さらに第1の接合材12の許容上昇温度ΔT(℃)を等温線にて示している。 First, as a first step, in the relational expression of Equation 1, it is assumed that the area s = 0 of each power semiconductor unit element 13 and the area ratio r = 0 between the unit element 13 and the insulating substrate 11 are as follows. Is considered to be divided into the smallest and the area of the insulating substrate 11 is maximized. Then, the relationship between the current density a and the resistance value Ron per unit area of the unit element when the area of the unit element 13 and the area of the insulating substrate 11 are in the best state with respect to the heat dissipation performance is shown in the graph of FIG. Can be derived as follows. In FIG. 10, the vertical axis indicates the resistance value Ron (mΩ · cm 2 ) per unit area of the unit element, the horizontal axis indicates the current density a (A / cm 2 ), and the first An allowable temperature rise ΔT (° C.) of the bonding material 12 is indicated by an isotherm.

図10のグラフに示すように、例えば、150(A/cm)以上の電流密度aで、許容上昇温度ΔTが20℃以下となるようなパワー半導体モジュールを実現しようとする場合、単位面積あたりの抵抗値Ronは10(mΩ・cm)以下とする必要があることが判る。従来のSi素子では、単位面積あたりの抵抗値Ronが10(mΩ・cm)を超えるため、このような仕様のモジュールを実現することはできない。従って、このモジュール実現のためには、Ronが10(mΩ・cm)以下となるような特性を有しているSiC素子を用いる必要があることが判る。 As shown in the graph of FIG. 10, for example, when it is intended to realize a power semiconductor module in which the allowable temperature rise ΔT is 20 ° C. or less at a current density a of 150 (A / cm 2 ) or more, It can be seen that the resistance value Ron must be 10 (mΩ · cm 2 ) or less. In the conventional Si element, since the resistance value Ron per unit area exceeds 10 (mΩ · cm 2 ), a module having such a specification cannot be realized. Therefore, it can be seen that in order to realize this module, it is necessary to use a SiC element having such a characteristic that Ron is 10 (mΩ · cm 2 ) or less.

次に、第2のステップとして、単位面積あたりの抵抗値をRon=2(mΩ・cm)とする条件を設定した場合において、数1の関係式にて単位素子の面積s=0と仮定し、単位素子の放熱性能に関して最良な状態とした場合について考える。そうすると、電流密度aと単位素子と絶縁基板との面積比rとの関係を、図11に示すグラフのように導き出すことができる。なお、図11においては、縦軸に単位素子と絶縁基板の面積比rを示し、横軸に電流密度a(A/cm)を示しており、さらに第1の接合材12の許容上昇温度ΔT(℃)を等温線にて示している。 Next, as a second step, when the condition that the resistance value per unit area is Ron = 2 (mΩ · cm 2 ) is set, the unit element area s = 0 is assumed in the relational expression (1). Consider the case where the unit element is in the best condition for heat dissipation performance. Then, the relationship between the current density a and the area ratio r between the unit element and the insulating substrate can be derived as shown in the graph of FIG. In FIG. 11, the vertical axis represents the area ratio r between the unit element and the insulating substrate, the horizontal axis represents the current density a (A / cm 2 ), and the allowable rise temperature of the first bonding material 12. ΔT (° C.) is indicated by an isotherm.

図11のグラフを用いて、所定の電流密度aを適用した場合に、第1の接合材12の許容上昇温度をΔT≦20℃を実現することができる面積比rを決定する。例えば、電流密度をa=200(A/cm)とすると、面積比はr≦0.25(すなわち単位素子の総面積に対して絶縁基板の面積が4倍以下)に設定する必要があることが判る。また、電流密度をa=300(A/cm)とするならば、面積比はr≦0.03に設定する必要がある。現実的には、面積比rが例えば0.1より小さくなると、絶縁基板11の面積が大きくなりすぎるため、面積比はr≧0.1以上に設定することが好ましく、このような観点からは、電流密度はa≦250(A/cm)とすることが好ましいことが判る。 Using the graph of FIG. 11, when a predetermined current density a is applied, an area ratio r that can realize ΔT ≦ 20 ° C. of the allowable increase temperature of the first bonding material 12 is determined. For example, when the current density is a = 200 (A / cm 2 ), the area ratio needs to be set to r ≦ 0.25 (that is, the area of the insulating substrate is not more than 4 times the total area of the unit elements). I understand that. If the current density is a = 300 (A / cm 2 ), the area ratio must be set to r ≦ 0.03. Actually, when the area ratio r is smaller than 0.1, for example, the area of the insulating substrate 11 becomes too large. Therefore, the area ratio is preferably set to r ≧ 0.1 or more from this viewpoint. It can be seen that the current density is preferably a ≦ 250 (A / cm 2 ).

最後に、第3のステップとして、単位面積あたりの抵抗値をRon=2(mΩ・cm)、単位素子と絶縁基板との面積比をr=0.1とする条件を設定した場合において、数1の関係式を用いて、電流密度aに対する単位素子1個の面積sの関係を、図12に示すグラフのように導き出す。なお、図12のグラフにおいては、縦軸に単位素子の面積s(cm)を示し、横軸に電流密度a(A/cm)を示しており、さらに第1の接合材12の許容上昇温度ΔT(℃)を等温線にて示している。 Finally, as a third step, when the resistance value per unit area is set to Ron = 2 (mΩ · cm 2 ) and the area ratio between the unit element and the insulating substrate is set to r = 0.1, Using the relational expression of Equation 1, the relationship of the area s of one unit element to the current density a is derived as shown in the graph of FIG. In the graph of FIG. 12, the vertical axis indicates the area s (cm 2 ) of the unit element, the horizontal axis indicates the current density a (A / cm 2 ), and further, the tolerance of the first bonding material 12. The rise temperature ΔT (° C.) is indicated by an isotherm.

図12に示すグラフを用いて、第1の接合材12の許容上昇温度がΔT≦20(℃)を実現することができる電流密度aと単位素子の面積sとを決定する。例えば、電流密度をa=200(A/cm)とする場合には、単位素子1個の面積はs≦1.0(cm)とする必要があり、また、a=250(A/cm)とする場合には、単位素子1個の面積はs≦0.1(cm)とする必要があることが判る。 Using the graph shown in FIG. 12, the current density a and the unit element area s at which the allowable increase temperature of the first bonding material 12 can realize ΔT ≦ 20 (° C.) are determined. For example, when the current density is a = 200 (A / cm 2 ), the area of one unit element needs to be s ≦ 1.0 (cm 2 ), and a = 250 (A / cm 2 ). cm 2) and when the one unit of area elements it can be seen that it is necessary to make the s ≦ 0.1 (cm 2).

このような第1から第3のステップを実施することで、第1の接合材12に対して熱的な悪影響が発生することを抑制可能な構造を有するパワー半導体モジュールを設計・製造することが可能となる。なお、これらのステップの順序は、上述の説明のような順序に限定されることなく、その他の順序によっても実施することができる。また、このような設計手法を用いて決定されたパワー半導体モジュールにおけるそれぞれの設計パラメータの組み合わせの一例を図13に示す表に示す。図13に示す表においては、パワー半導体モジュールへの投入電流量が174Aであり、かつ、第1の接合材12の許容上昇温度がΔT=20℃であるという設計条件において、数1、数2、及び数3を用いて導き出されたそれぞれの設計パラメータの組み合わせを示している。例えば、抵抗値Ron=10(mΩ・cm)、面積比r=0.1、及び電流密度a=110(A/cm)の条件においては、単位素子の総面積S1=1.58(cm)、絶縁基板面積S2=15.82(cm)となり、面積s=0.1(cm)の単位素子を並列個数N=16個配置させるか、あるいは、面積s=0.15(cm)の単位素子を並列個数N=11個配置させるようなパワー半導体モジュールの構成を採用することが可能となる。 By performing such first to third steps, it is possible to design and manufacture a power semiconductor module having a structure capable of suppressing the occurrence of a thermal adverse effect on the first bonding material 12. It becomes possible. Note that the order of these steps is not limited to the order as described above, and can be performed in other orders. An example of combinations of design parameters in the power semiconductor module determined using such a design technique is shown in the table shown in FIG. In the table shown in FIG. 13, in the design condition that the amount of current applied to the power semiconductor module is 174 A and the allowable temperature rise of the first bonding material 12 is ΔT = 20 ° C., Equations 1 and 2 , And combinations of design parameters derived using Equation (3). For example, under the conditions of the resistance value Ron = 10 (mΩ · cm 2 ), the area ratio r = 0.1, and the current density a = 110 (A / cm 2 ), the total area S1 = 1.58 ( cm 2 ), the insulating substrate area S2 = 15.82 (cm 2 ), and the unit number N = 16 of the unit elements having the area s = 0.1 (cm 2 ) is arranged, or the area s = 0.15. It is possible to employ a configuration of a power semiconductor module in which (cm 2 ) unit elements are arranged in a parallel number N = 11.

上記実施形態によれば、大電力仕様に対応することができるSiC素子を用いて、モジュール内に存在する第1の接合材等の弱耐熱性部材に対する熱的な悪影響を確実に抑制することができるパワー半導体モジュールの構成を実現することができる。特に、従来のパワー半導体モジュールに用いられているSi素子においては存在しない積極的に並列(分割)配置させるという考え方を、本発明のSiC素子に適用することで、複数個のSiC単位素子の並列配置によりパワー半導体モジュールを構成することができ、各々の単位素子に生じる発熱温度のピーク値を低減させて、弱耐熱性部材に対する熱的悪影響を効果的に抑制することが可能となる。また、このようなパワー半導体モジュールの構造を決定する際には、数1、数2、及び数3のパラメータ関係式を適用することで、その構造設計を容易なものとすることができる。従って、このような数1〜数3の関係式を満たすようなパラメータを備える構造を有するパワー半導体モジュールを製造することで、弱耐熱性部材に対する熱的影響を抑制しながら、大電力仕様に対応することが可能となるモジュールを提供することが可能となる。   According to the above-described embodiment, it is possible to reliably suppress a thermal adverse effect on the weak heat-resistant member such as the first bonding material existing in the module by using the SiC element that can correspond to the high power specification. A configuration of a power semiconductor module that can be realized can be realized. In particular, by applying the concept of positively parallel (divided) arrangement that does not exist in the Si elements used in conventional power semiconductor modules to the SiC element of the present invention, a plurality of SiC unit elements are arranged in parallel. The power semiconductor module can be configured by the arrangement, and the peak value of the heat generation temperature generated in each unit element can be reduced to effectively suppress the adverse thermal effect on the weak heat resistant member. Moreover, when determining the structure of such a power semiconductor module, the structural design can be facilitated by applying the parameter relational expressions of Equation 1, Equation 2, and Equation 3. Therefore, by manufacturing a power semiconductor module having a structure that satisfies such a relational expression of Equations 1 to 3, it can meet high power specifications while suppressing the thermal influence on the weak heat resistant member. It is possible to provide a module that can be used.

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。   It is to be noted that, by appropriately combining arbitrary embodiments of the various embodiments described above, the effects possessed by them can be produced.

本発明のパワー半導体モジュールは、半導体素子の単位面積あたりの発熱量が比較的大きな場合について、その発熱量に応じて効率的にその熱量を分散し、できるだけ小さい面積で、半導体素子およびそれを接合する接合材等の弱耐熱性部材の温度上昇を低減することができる。従って、SiC素子のような大電力仕様に対応可能な特性を有効に生かすことができ、パワー半導体モジュールの大電力化に関して有用である。   In the power semiconductor module of the present invention, when the heat generation amount per unit area of the semiconductor element is relatively large, the heat amount is efficiently dispersed according to the heat generation amount, and the semiconductor element and the semiconductor element are bonded with the smallest possible area. The temperature rise of the weak heat resistant member such as the bonding material to be reduced can be reduced. Therefore, it is possible to make effective use of characteristics that can be applied to a high power specification such as a SiC element, which is useful for increasing the power of the power semiconductor module.

本発明の一の実施形態にかかるパワー半導体モジュールの構成を示す模式斜視図。The schematic perspective view which shows the structure of the power semiconductor module concerning one Embodiment of this invention. 上記実施形態のパワー半導体モジュールにおいて、単位素子1個あたりの面積Sと単位素子への単位面積あたりの投入電流量との関係を示すグラフ。The power semiconductor module of the said embodiment WHEREIN: The graph which shows the relationship between the area S per unit element, and the injection current amount per unit area to a unit element. 上記実施形態の比較例にかかるパワー半導体モジュール(1個の素子)において、温度上昇の分布を示す図であって、(A)は上記比較例のモジュールの模式断面図、(B)は温度上昇の分布を示すグラフ。In the power semiconductor module (one element) concerning the comparative example of the said embodiment, it is a figure which shows distribution of a temperature rise, Comprising: (A) is a schematic cross section of the module of the said comparative example, (B) is a temperature rise. The graph which shows distribution of. 上記実施形態のパワー半導体モジュール(3個の単位素子に分割)において、温度上昇の分布を示す図であって、(A)は上記実施形態のモジュールの模式断面図、(B)は温度上昇の分布を示すグラフ。In the power semiconductor module of the above embodiment (divided into three unit elements), it is a diagram showing the distribution of temperature rise, (A) is a schematic cross-sectional view of the module of the above embodiment, (B) is a temperature rise A graph showing the distribution. 上記実施形態のパワー半導体モジュールの構成を決定する関係式を導出するための熱流体解析において、解析モデルの模式斜視図。FIG. 4 is a schematic perspective view of an analysis model in thermal fluid analysis for deriving a relational expression that determines the configuration of the power semiconductor module of the embodiment. 上記熱流体解析における解析モデルの模式部分断面図。FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view of an analysis model in the thermal fluid analysis. 上記熱流体解析における設計パラメータと解析実験水準を示す表形式の図。The table format figure which shows the design parameter and analysis experiment level in the said thermal fluid analysis. 上記熱流体解析の結果の一部を示す表形式の図。The table format figure which shows a part of result of the said thermal fluid analysis. 上記実施形態の変形例にかかるパワー半導体モジュールの模式斜視図であって、千鳥格子状に単位素子が配列された構成の図。It is a model perspective view of the power semiconductor module concerning the modification of the said embodiment, Comprising: The figure of the structure by which the unit element was arranged in the zigzag form. 上記実施形態のパワー半導体モジュールの関係式を用いて、モジュール設計を行う実施例において、単位素子の単位面積あたりの抵抗値Ronと電流密度aとの関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between resistance value Ron per unit area of a unit element, and the current density a in the Example which designs a module using the relational expression of the power semiconductor module of the said embodiment. 上記実施形態のパワー半導体モジュールの関係式を用いて、モジュール設計を行う実施例において、単位素子と絶縁基板との面積比rと電流密度aとの関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the area ratio r of a unit element and an insulating substrate, and the current density a in the Example which designs a module using the relational expression of the power semiconductor module of the said embodiment. 上記実施形態のパワー半導体モジュールの関係式を用いて、モジュール設計を行う実施例において、単位素子の1個あたりの面積sと電流密度aとの関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the area s per unit element, and the current density a in the Example which performs module design using the relational expression of the power semiconductor module of the said embodiment. 上記モジュール設計の実施例により決定されたパラメータの組み合わせを示す表形式の図。The figure of a table format which shows the combination of the parameter determined by the Example of the said module design. 上記実施形態において、複数の単位素子へと分割することにより、弱耐熱性部材の温度上昇を低減させることができる効果を示すグラフ。In the said embodiment, the graph which shows the effect which can reduce the temperature rise of a weak heat resistant member by dividing | segmenting into a several unit element. 上記実施形態において、単位素子の中心からの距離と、基板内部温度との関係を示すグラフ。In the said embodiment, the graph which shows the relationship between the distance from the center of a unit element, and board | substrate internal temperature. 従来のパワー半導体素子の回路例を示す模式回路図。The schematic circuit diagram which shows the circuit example of the conventional power semiconductor element. 上記実施形態のパワー半導体素子の回路例を示す模式回路図。The schematic circuit diagram which shows the circuit example of the power semiconductor element of the said embodiment. 上記実施形成のパワー半導体素子により構成される交流モータ駆動用回路の例を示す模式回路図。The schematic circuit diagram which shows the example of the circuit for AC motor drive comprised by the power semiconductor element of the said embodiment formation. 上記実施形態において、ワイヤボンディングによるパワー半導体モジュールの実装形態を示す模式断面図。In the said embodiment, the schematic cross section which shows the mounting form of the power semiconductor module by wire bonding. 従来のパワー半導体モジュールの構成を示す模式斜視図。The model perspective view which shows the structure of the conventional power semiconductor module.

符号の説明Explanation of symbols

1 パワー半導体モジュール
10 解析モデル
11 絶縁基板
11a 電極層
11b 基板層
11c アルミニウム層
12 第1の接合材
13 パワー半導体単位素子
14 第2の接合材
15 ベース板
16 パワー半導体素子群
17 シリコングリース
18 冷却ブロック
19 シリコンゲル
S1 パワー半導体単位素子の総面積
S2 絶縁基板の面積
s パワー半導体単位素子1個あたりの面積
N パワー半導体単位素子の並列(分割)個数
A パワー半導体モジュールに投入される最大電流量
a パワー半導体単位素子への単位面積あたりに投入される最大電流量
Ron パワー半導体素子の電気抵抗値
ΔT 弱耐熱部材の許容上昇温度
r パワー半導体単位素子と絶縁基板の面積比率
1 power semiconductor module 10 analysis model 11 insulating substrate 11a electrode layer 11b substrate layer 11c aluminum layer 12 first bonding material 13 power semiconductor unit element 14 second bonding material 15 base plate 16 power semiconductor element group 17 silicon grease 18 cooling block 19 Silicon gel S1 Total area of power semiconductor unit element S2 Area of insulating substrate s Area per power semiconductor unit element N Number of parallel (divided) power semiconductor unit elements A Maximum amount of current input to power semiconductor module a Power Maximum current amount Ron input per unit area to semiconductor unit element Ron Electric resistance value ΔT of power semiconductor element Allowable temperature rise of weak heat resistant member r Area ratio of power semiconductor unit element to insulating substrate

Claims (5)

絶縁基板と、
上記絶縁基板の一方の面上に第1の接合材を介して接合された同じ形状を有する複数のパワー半導体単位素子が電気的に並列に接続されて構成されるパワー半導体素子群と、
上記絶縁基板の他方の面に第2の接合材を介して接合されて、上記絶縁基板を支持するベース部材と、
シリコングリースを介して上記ベース部材が配置された冷却ブロックとを備え、
ここで、上記パワー半導体単位素子の面積を、上記パワー半導体単位素子を上記絶縁基板の一方の面上に配置した時の平面視での面積とした場合に、
上記パワー半導体単位素子の単位面積あたりに投入される最大電流量a(A/cm)、上記パワー半導体単位素子の単位面積あたりの抵抗値Ron(Ω・cm)、上記絶縁基板に対する上記パワー半導体単位素子の面積比率r、上記第1の接合材の許容上昇温度ΔT(℃)、上記パワー半導体単位素子1個あたりの面積s(cm)が数11を満たす範囲となるように、上記それぞれのパワー半導体単位素子が形成され、
上記複数のパワー半導体単位素子の総面積S1(cm)に対して、上記それぞれのパワー半導体単位素子の並列個数Nが、数12を満たすように上記パワー半導体素子群が構成されることを特徴とするパワー半導体モジュール。
ΔT≧Ron・a・(9.9s+64.2r+8.8)×10−2・・・(数11)
N=S1/s ・・・(数12)
An insulating substrate;
A power semiconductor element group configured by electrically connecting a plurality of power semiconductor unit elements having the same shape bonded to one surface of the insulating substrate via a first bonding material in parallel;
A base member that is bonded to the other surface of the insulating substrate via a second bonding material and supports the insulating substrate;
A cooling block in which the base member is disposed via silicon grease,
Here, when the area of the power semiconductor unit element is an area in plan view when the power semiconductor unit element is disposed on one surface of the insulating substrate,
Maximum amount of current is charged per unit area of the power semiconductor unit devices a (A / cm 2), the power resistance value per unit area of the semiconductor unit devices Ron (Ω · cm 2), the power for the insulating substrate The area ratio r of the semiconductor unit elements, the allowable increase temperature ΔT (° C.) of the first bonding material, and the area s (cm 2 ) per one power semiconductor unit element are in a range satisfying Formula 11. Each power semiconductor unit element is formed,
The total area S1 (cm 2) of the plurality of power semiconductor unit devices, characterized in that the parallel number N of the respective power semiconductor unit elements, the power semiconductor element group so as to satisfy the equation 12 is constituted Power semiconductor module.
ΔT ≧ Ron · a 2 (9.9s + 64.2r + 8.8) × 10 −2 (Equation 11)
N = S1 / s (Equation 12)
上記各々のパワー半導体単位素子の単位面積あたりに投入される最大電流量が50A/cm以上である請求項1に記載のパワー半導体モジュール。 2. The power semiconductor module according to claim 1, wherein the maximum amount of current input per unit area of each of the power semiconductor unit elements is 50 A / cm 2 or more. 上記それぞれのパワー半導体単位素子は、SiCにより形成されたSiC半導体素子である請求項1又は2に記載のパワー半導体モジュール。   The power semiconductor module according to claim 1, wherein each of the power semiconductor unit elements is a SiC semiconductor element formed of SiC. 上記第1の接合材は、鉛フリーはんだ材料により形成される請求項1から3のいずれか1つに記載のパワー半導体モジュール。   The power semiconductor module according to claim 1, wherein the first bonding material is formed of a lead-free solder material. 記それぞれのパワー半導体単位素子が上記絶縁基板の上記一方の面上に千鳥格子状に配置されて、上記パワー半導体素子群が構成されている請求項1からのいずれか1つに記載のパワー半導体モジュール。 On SL respective power semiconductor unit element is arranged in a staggered pattern on said one surface of the insulating substrate, in any one of claims 1-3 in which the power semiconductor element group is configured The power semiconductor module described.
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