JP6182850B2

JP6182850B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6182850B2
Application number: JP2012256502A
Authority: JP
Inventors: 崇広田; 林　哲也; 林　　哲也; 山上　滋春; 滋春山上; 早見　泰明; 泰明早見
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2032-11-22
Also published as: JP2014107279A

Description

この発明は、半導体素子によって構成される電力変換装置の構造に関する。

一般に、電力変換器は冷却器と金属体と半導体素子とを積層して構成される。このような電力変換器では、冷却器と金属体との間、及び、半導体素子と金属板との間に接合部材を設けてそれぞれ接合する（特許文献１参照）。

特開２０１０−０２１４０６号公報

前述した電力変換器を装置に実装する場合には、これらを炉の中に入れて加熱し、接合部材の融点付近まで炉の温度を上昇させることで、接合部材が膨張して冷却器と金属体、及び、半導体素子と金属体がそれぞれ接合される。

加熱後に炉から電力変換装置が取り出されると、装置全体の温度は下降するので電力変換装置は収縮する。このとき、接合部材については、外気と接触している部分と、外気と接触していない部分とで温度下降の勾配が異なる。そのため、外気と接触していない部分については、外気と接触している部分に比べて収縮してから凝固するまでの時間が長くなる。

その結果、外気と接触している部分と接触していない部分とでは、接合部材の厚みに差が生じてしまい、接合部材で接合される冷却器と金属体や、金属体と半導体素子に反りが生じる可能性がある。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、電力変換装置において、接合部材で接合される半導体素子と金属体、又は、金属体と冷却器に反りが生じることを抑制することにある。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明による電力変換装置は、電力を変換するための半導体素子と、前記半導体素子を保持する金属体と、前記半導体素子との間に積層された前記金属体を挟んで、前記半導体素子を冷却する冷却器と、を含む。そして、前記冷却器と前記金属体とを接合する冷却器側接合層と、前記金属体と前記半導体素子とを接合する素子側接合層と、を含む。前記冷却器側接合層又は素子側接合層は、同一面内に、凝固点の高い接合部材と凝固点の低い接合部材とを有し、高凝固点接合部材は、前記金属体に接する面の中央に形成され、低凝固点接合部材は、前記高凝固点接合部材の周囲に形成され、中央に形成される高凝固点の接合部材、及び、周囲に形成される低凝固点の接合部材が溶融した状態から温度が下降する場合において、高凝固点の接合部材は、低凝固点の接合部材よりも先に凝固することを特徴とする。

この態様によれば、接合部材の融点付近まで昇温させた炉から電力変換装置を取り出したときに、外気と接触している低凝固点接合部材と、内部に形成される低凝固点接合部材とが収縮して固まるタイミングを近づけることができる。

そのため、同一面内に形成される接合層の外側と内側の厚みの差を小さくできるので、接合部材によって接合される半導体素子と金属体、又は、金属体と冷却器に反りが生じることを抑制することができる。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態における電力変換装置の積層構造を示す図である。図２は、電力変換装置の接合層の平面を示す図である。図３は、接合層を構成する２つの接合部材の温度下降特性を示す図である。図４は、第２実施形態における接合層の平面を示す図である。図５は、第３実施形態における接合層の平面を示す図である。図６は、第４実施形態における電力変換装置の積層構造を示す図である。図７は、金属電極への接合層による半導体チップの実装構造を示す図である。図８は、半導体チップと絶縁基板の接合構造を示す図である。図９は、第５実施形態における電力変換装置の積層構造を示す図である。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における電力変換装置の積層構造を示す図である。

電力変換装置１００は、例えば、車両に搭載される電気機器である。電力変換装置１００は、冷却器１０９と、半導体モジュール１１０と、冷却器側接合層２００と、を備える。

半導体モジュール１１０は、電力を変換する機能を有する回路（電力変換器）である。半導体モジュール１１０は、半導体チップ１０１と、素子側接合層１０２と、金属電極１０３と、絶縁基板１０４と、放熱板１０５と、封止樹脂１０６と、を有する。

半導体チップ１０１は、電力を変換するための半導体素子を有する。半導体素子としては、電力変換に用いられるトランジスタや、トランジスタと対向する位置に設けられるダイオードなどが半導体チップ１０１に形成される。

電力変換に用いられるトランジスタとしては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）や、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などが挙げられる。

素子側接合層１０２は、半導体チップ１０１と金属電極１０３とを接合する。素子側接合層１０２は、例えば半田（はんだ）などの接合部材によって形成される。

金属電極１０３は、半導体チップ１０１を保持する金属板である。金属電極１０３によって半導体素子に電圧又は電流が供給される。金属電極１０３としては、導電率の高い金属、例えば銅が用いられる。

絶縁基板１０４は、金属電極１０３と冷却器１０９との間を電気的に絶縁する。絶縁基板１０４には、セラミックスや窒化アルミニウムなどの絶縁部材が用いられる。絶縁基板１０４は、熱圧着によって、放熱板１０５と金属電極１０３とに挟まれて接合される。

放熱板１０５は、半導体チップ１０１に生じる熱を冷却器１０９に伝導する。放熱板１０５には、熱伝導性の高い金属体が用いられる。冷却器１０９と反対の面には、絶縁基板１０４、金属電極１０３、素子側接合層１０２及び半導体チップ１０１が下から上に順番に積層される。また、絶縁基板１０４を挟んで熱圧着された金属電極１０３及び放熱板１０５は、半導体素子を保持する金属体として用いられている。

封止樹脂１０６は、半導体チップ１０１と、素子側接合層１０２と、金属電極１０３と、絶縁基板１０４と、放熱板１０５とを纏めて封止する。封止樹脂１０６としては、融点が比較的高い樹脂、例えばエポキシ樹脂などが用いられる。

このように、半導体チップ１０１と素子側接合層１０２と金属電極１０３と絶縁基板１０４と放熱板１０５を積層した後、これらを封止樹脂１０６で全体的に覆うことによって、半導体モジュール１１０が形成される。

冷却器３００は、半導体モジュール１１０を冷却する。本実施形態では冷却器３００は、冷却器３００と半導体チップ１０１との間に積層される金属電極１０３、絶縁基板１０４及び放熱板１０５を挟んで、半導体チップ１０１を冷却する。

冷却器３００には、軽量で熱伝導性が比較的高い金属が用いられる。例えば、アルミニウムや銅などが好ましい。また、冷却器側接合層２００と接する冷却面に対し、Ｎｉなどでメッキ処理を施すことが望ましい。冷却器３００のメッキ処理については、冷却器側接合層２００と接する冷却面以外の面に施してもよい。

また、冷却器３００の冷却面に接合部材よりも浅いざぐり形状の加工を施してもよい。これにより、冷却器３００と半導体モジュール１１０との間からはんだが流れ、あふれ出ることを防止できる。

冷却器側接合層２００は、半導体モジュール１１０と冷却器３００とを接合する。冷却器側接合層２００には、金属体が用いられる。これにより、冷却器３００から半導体チップ１０１への冷却効率を高めている。

一般に、接合層には半田などの接合部材が用いられ、ロウ付け技術を使用して半導体モジュール１１０を冷却器３００に接合する。具体的には、半導体モジュール１１０と冷却器３００との間に接合部材を設け、その電力変換装置を炉の中に入れて加熱し、接合部材の融点付近まで炉の温度を上昇させることによって、半導体モジュール１１０と冷却器３００とを接合する。

加熱によって接合部材が膨張した後に電力変換装置が炉から取り出されると、装置全体の温度は下降して電力変換装置は収縮する。このとき、接合層のうち、外気と接触している部分と、外気と接触していない部分とでは温度下降の勾配が違うので、外気と接触していない部分は、外気と接触している部分に比べて収縮してから凝固するまでに時間を要する。

その結果、外気と接触している部分と、外気に接触していない部分とで接合層の厚みに差が生じてしまい、接合層で接合される冷却器と金属体とに反りが生じる可能性がある。

そこで、本発明では、接合層に凝固点の異なる２つの接合部材を用いて冷却器と金属体とを接合する。

第１実施形態では、半導体モジュール１１０と冷却器３００との冷却器側接合層２００は、同一面内に凝固点の高い接合部材１０７と凝固点の低い接合部材１０８とを有する。

接合部材１０７及び接合部材１０８は、ロウ材であり、互いに同じ種類の金属である。接合部材１０７及び接合部材１０８としては、例えば、錫（Ｓｎ）と鉛（Ｐｂ）を含有する錫鉛（すずなまり）はんだ、又は、Ｓｎ-Ｐｂ-Ｂｉはんだ等が用いられる。

本実施形態では接合部材１０７及び接合部材１０８は、錫鉛はんだである。錫鉛はんだに関しては、錫と鉛の比率を変えることよって凝固点を調整することができる。具体的には、金属構成のうち鉛の比率がプラス０％〜８１％の範囲で、凝固点の調整が可能である。金属構成のうち鉛の比率が３７％のときに凝固点が最も低くなる。

接合部材１０７は、外気と接触しない部分に設けられる。接合部材１０７は、冷却器側接合層２００と放熱板１０５の接触面の中央に形成される。接合部材１０７は、高凝固点接合部材であり、接合部材１０７の凝固点は、接合部材１０８の凝固点よりも高くなるように調整される。接合部材１０７としては、例えば、金属構成のうち鉛の比率が７３％である鉛錫はんだが用いられる。

接合部材１０８は、外気と接触する部分に設けられる。すなわち、接合部材１０８は、接合部材１０７の周囲に形成される。接合部材１０８は、凝固点が接合部材１０７よりも低い低凝固点接合部材である。本実施形態では、接合部材１０８として、凝固点の最も低い錫鉛はんだ、すなわち鉛の比率が３７％の錫鉛はんだが用いられる。

接合部材１０８の内周は、接合部材１０７の外周に一致している。一般的に接合部材同士の接合境界においては金属の凝集が起こる。本実施形態では、接合部材１０７及び接合部材１０８に同じ種類の金属を用いることで、接合境界での金属の凝集を起こりにくくしている。

このように、凝固点の異なる接合部材１０７及び接合部材１０８が半導体モジュール１１０と冷却器３００との間に設けられ、この状態で電力変換装置１００を炉に入れて加熱することによって、半導体モジュール１１０と冷却器３００とを接合する。そして接合部材１０７及び接合部材１０８が溶融した状態で電力変換装置１００が炉から取り出され、接合部材１０７及び接合部材１０８の温度が下降する。

この場合において、接合部材１０７の凝固点は、接合部材１０８よりも高く調整されているため、内側の接合部材１０７と外側の接合部材１０８とが凝固するタイミングが近くなり、接合部材１０７と接合部材１０８の厚みの差を小さくできる。したがって、半導体モジュール１１０に生じる反りを抑制することができるとともに、冷却器側接合層２００に生じる応力を低減することができる。

図２は、接合部材１０７及び接合部材１０８の配置を示す平面図である。

接合部材１０８は、接合部材１０７を包含するように設けられる。接合部材１０７は、冷却器側接合層２００の中央に形成され、接合部材１０８は、接合部材１０７の周囲に形成される。接合部材１０７及び接合部材１０８は、共に四角形状に形成され、互いに相似の関係にある。

接合部材１０８の中央部分は、接合部材１０７と同じ形状に切り抜かれる。そのため、接合部材１０８の内周の形状は、接合部材１０８の外周と同じ形状であり、接合部材１０８の内周は、接合部材１０７の外周とぴったり一致する。

例えば、接合部材１０８の内周の形状が円形であり、接合部材１０７の外周の形状が四角形だとすると、双方の境界面の隙間が大きくなって熱性能が低下する。これに対し、本実施形態のように接合部材１０８の内周と接合部材１０７の外周とを同じ形状にすることで、接合部材１０８と接合部材１０７の境界面の隙間を小さくすることができる。したがって、隙間が生じることによる熱性能の悪化を防止することができる。

接合部材１０７は、長辺の長さＬｉが接合部材１０８の長さＬｏに対して５０％以下となるように形成される。冷却器側接合層２００においては、中央から外側に離れるほど温度の降下速度が大きく急になる傾向がある。特に、中央から外周（２／Ｌo）までの範囲のうち半分よりも外側の部分については、温度の降下勾配が大きくなる。そのため、接合部材１０８に温度の下降勾配が大きくなる部分が包含されるように、接合部材１０８の長辺Ｌｏに占める接合部材１０７の割合を５０％以下にする。

これにより、接合部材１０８と接合部材１０７の凝固するタイミングを近づけることが容易となる。したがって、接合部材１０７と接合部材１０８をより均一にすることが可能となる。

また、接合部材１０８の対角線の交点は、接合部材１０７の対角線の交点と一致している。すなわち、接合部材１０８の重心が接合部材１０７の面内に位置している。これにより、温度の下降勾配が大きい部分に接合部材１０８を、温度の下降勾配が小さい部分に接合部材１０７を確実に形成することが可能となる。

図３は、接合部材１０７及び接合部材１０８の温度下降特性１１７及び１１８を示す図である。図３では横軸が時間を示し、縦軸が温度を示す。温度ｔ１は接合部材１０７の凝固点である。温度ｔ２は接合部材１０８の凝固点である。

温度下降特性１１８では、接合部材１０８が接合部材１０７よりも外側にあるため、温度降下時の熱時定数τ２が、温度下降特性１１７の熱時定数τ１よりも小さい。このため、接合部材１０８は、接合部材１０７よりも早く冷える。例えば、接合部材１０７と接合部材１０８の凝固点が同じであれば、外側の接合部材１０８から凝固することになる。

そこで、接合部材１０７の凝固点ｔ１を接合部材１０８の凝固点ｔ２よりも高くして、接合部材１０８から先に凝固するように設計している。接合部材１０７と接合部材１０８の凝固点の温度差は、金属構成の比率変更による温度調整可能な範囲内において１０℃以上に設計することが望ましい。

温度ｔ１では、接合部材１０７が凝固し始めるのに対し、接合部材１０８は溶融状態である。一方、接合部材１０８の温度の下降速度は接合部材１０７よりも速いので、接合部材１０８は、接合部材１０７が凝固した時点Ｔ１の温度ｔ２’から凝固点ｔ２まで早期に到達する。このため、接合部材１０７が凝固するタイミングＴ１と、接合部材１０８が凝固するタイミングＴ２とを近づけることができる。

したがって、接合部材１０７と接合部材１０８が凝固するタイミングを近づけつつ、確実に接合部材１０８を先に凝固させることができる。

このように、接合部材１０７と接合部材１０８とが凝固するタイミングを近づけることによって、電力変換装置１を急冷する工程を設けることなく、ダイボンディングによって半導体モジュール１１０と冷却器３００とを接合することができる。

本発明の第１実施形態によれば、冷却器側接合層２００において、凝固点の高い接合部材１０７が放熱板１０５との接触面の中央に形成され、接合部材１０８が接合部材１０７の周囲に形成される。

これにより、接合部材１０８の融点付近まで加熱した炉から電力変換装置１００を取り出したときに、外側の接合部材１０８と内側の接合部材１０７の収縮するタイミングが近づくため、接合部材１０７と接合部材１０８の厚みの差を小さくすることができる。その結果、半導体チップ１０１の直下部分における冷却器３００と放熱板１０５の反りを抑制することができる。

さらに接合部材１０７及び接合部材１０８に生じる応力が低減されるので、冷却器側接合層２００の信頼性を高めることができる。

また、本実施形態では、接合部材１０８は、重心が接合部材１０７の面内に位置するように形成される。これにより、冷却器３００と放熱板１０５の中央部分に生じる反りが抑制されるので、半導体チップ１０１の冷却性能をより高めることができる。

さらに本実施形態では、接合部材１０８の内周は、接合部材１０７の外周と一致している。このように、接合部材１０８の内周と接合部材１０７の外周の形状を同一にすることで、接合部材１０８と接合部材１０７の境界面の隙間を小さくできる。したがって、冷却器側接合層２００に隙間が生じることによる放熱性能の低下を防ぐことができる。

そして接合部材１０７及び１０８には、互いに同じ種類の金属が用いられる。これにより、接合部材同士の境界で起こりやすい金属の凝集を抑制することができる。このため、境界面における接合の信頼性を高めることができる。

また、本実施形態では、接合部材１０８に対する接合部材１０７の長辺の比率が５０％以下に設定される。このため、冷却器側接合層２００のうち、温度の下降勾配が大きい部分に接合部材１０８を形成し、温度の下降勾配が小さい部分に接合部材１０７を形成することができる。

したがって、接合部材１０７と接合部材１０８が凝固するタイミングを、精度良く調整することが可能となり、両者の凝固タイミングをより近づけることができる。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態における冷却器側接合層２００の配置を示す平面図である。

冷却器側接合層２００は、同一面内に凝固点の高い接合部材２０７と、凝固点の低い接合部材２０８とを有する。凝固点の低い接合部材２０８は、凝固点の高い接合部材２０７を包含する。内側の接合部材２０７及び外側の接合部材２０８は、共に円形状に形成され、互いに相似の関係にある。

接合部材２０７は、図１に示した接合部材１０７と同じ金属部材であり、接合部材２０８は、接合部材１０８と同じ金属部材である。また接合部材２０７の凝固点は、接合部材２０８の凝固点よりも低くなるように調整されている。

接合部材２０８の中央部は、接合部材２０７と同じ形状に切り抜かれている。すなわち、接合部材２０８の内周と接合部材２０７の外周とは互いに同じ形状である。接合部材２０８の中心点は、接合部材２０７の中心点と一致している。接合部材１０８の重心は、接合部材１０７の面内に位置している。

第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。さらに本実施形態では、第１実施形態と異なり、接合部材２０７と接合部材２０８が同心円形状に形成される。したがって、同心円状に凝固タイミングを揃えることができ、接合部材２０７と接合部材２０８の境界での接合層の厚みを均一にすることができる。

（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態における冷却器側接合層２００の配置を示す平面図である。

冷却器側接合層２００は、同一面内に、凝固点の高い接合部材３０７と、凝固点の低い４つの接合部材３０８と、を有する。接合部材３０７及び接合部材３０８は、それぞれ、図１で述べた接合部材１０７及び接合部材１０８と同じ金属部材であり、接合部材３０７の凝固点は、接合部材３０８の凝固点よりも低い。

接合部材３０７及び接合部材３０８は、共に四角形状に形成される。接合部材３０８は、接合部材３０７の各辺にそれぞれ設けられる。接合部材３０７と接合部材３０８の接する各辺の長さはそれぞれ一致している。

接合部材３０８は、図２に示した接合部材１０８の四隅を取り除いた形状をしている。そのため、接合部材１０８と同様、接合部材３０８の重心は、接合部材３０７の面内に位置する。

第３実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに本実施形態では、第１実施形態と異なり、接合部材３０８の接触面の面積を小さくしている。

一般的に、接合部材３０８の面積が大きくなるほど、接合部材３０８に生じる応力が大きくなる。このため、接合部材３０８の面積を接合部材１０８よりも小さくすることによって、接合部材３０８に生じる応力を緩和することができる。これにより、接合の信頼性をより高めることができる。

なお、各実施形態では、半導体モジュール１１０の素子側接合層１０２を１つの接合部材で形成する例について説明したが、冷却器側接合層２００と同様に、素子側接合層１０２を凝固点の異なる２つの接合部材により素子側接合層１０２を形成してもよい。以下に、素子側接合層１０２を凝固点の異なる接合部材で形成した例について説明する。

（第４実施形態）
図６は、本発明の第４実施形態における半導体モジュール１１１の積層構造を示す図である。図６では、素子側接合層１０２の同一平面内に、凝固点の高い接合部材５０１と凝固点の低い接合部材５０２とが配置される。他の構成は、図１に示した半導体モジュール１１０と同様であるため、同一の符号を付してここでの説明を省略する。

接合部材５０１及び接合部材５０２は、半導体チップ１０１と金属電極１０３とを接合する。接合部材５０１及び接合部材５０２は、冷却器側接合層２００と同様、はんだ等のロウ材であり、互いに同じ種類の金属である。

接合部材５０１は、外気と接触しない部分に設けられる。接合部材５０１は、半導体チップ１０１に接する面の中央に配置される。一方、接合部材５０２は、外気と接触する部分に設けられる。接合部材５０２は、接合部材５０１の周囲に配置される。

接合部材５０１の外周は、接合部材５０２の内周とぴったり一致している。接合部材５０２の内部に占める接合部材５０１の比率は５０％以下である。さらに接合部材５０２の重心は、接合部材５０１の面内に位置する。

接合部材５０２の凝固点は、接合部材５０２の内部に形成される接合部材５０１の凝固点よりも低い。例えば、接合部材５０１及び接合部材５０２は、金属の組成比率を変えて凝固点の調整をするのが望ましい。

図７は、接合部材５０１及び接合部材５０２による半導体チップ１０１を金属電極１０３に実装する実装構造を示す図である。

接合部材５０２は、凝固点が接合部材５０１よりも低く、かつ、接合部材５０１の周囲に設けられる。その結果、ダイボンディングによって半導体チップ１０１を金属電極１０３に実装する工程において、第１実施形態と同じように、内側の接合部材５０１と外側の接合部材５０２の厚みに差が生じ難くなる。

これにより、半導体チップ１０１と金属電極１０３との線膨張係数の違いによって生じる半導体チップ１０１の反りや応力を低減することができる。

図８は、半導体チップ１０１と絶縁基板１０４の接合構造を示す図である。

絶縁基板１０４は、金属電極１０３と放熱板１０５とで挟まれ、ロウ付け等の技術によって接合される。本実施形態ではロウ付けによって、絶縁基板１０４の表面が半導体チップ１０１と接合され、絶縁基板１０４の裏面が金属電極１０３と接合されている。

ダイボンディング工程において、凝固点が高い接合部材５０１の周囲に、凝固点が低い接合部材５０２を配置することで、内側の接合部材５０１と外側の接合部材５０２とが凝固するタイミングが近くなり、接合部材５０１と接合部材５０２の厚みが均一になる。これにより、半導体チップ１０１と絶縁基板１０４の線膨張係数の差によって生じる反りや、素子側接合層１０２に生じる応力を緩和することができる。

第４実施形態によれば、素子側接合層１０２において、凝固点の高い接合部材５０１が半導体チップ１０１との接触面の中央に形成され、凝固点の低い接合部材５０２が凝固点の高い接合部材５０１の周囲に形成される。これにより、接合部材５０１と接合部材５０２との凝固するタイミングが近くなるので、内側の接合部材５０１及び外側の接合部材５０２の厚みの差を小さくすることができる。

したがって、第１実施形態と同様、半導体チップ１０１の中央部に生じる反りを低減することができるとともに、素子側接合層１０２に生じる応力を低減することで信頼性を高めることができる。

さらに本実施形態では、接合部材５０２は、重心が接合部材５０１の面内に位置するように形成される。これにより、半導体チップ１０１と金属電極１０３の中央部分に生じる反りを効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、接合部材５０２の内周は、接合部材５０１の外周と一致している。このように、接合部材５０２と接合部材５０１の隙間を小さくすることによって、素子側接合層１０２の放熱性能の低下を防ぐことができる。

そして接合部材５０１及び接合部材５０２は、互いに同じ種類の金属である。これにより、接合部材同士の境界で起こりやすい金属の凝集を抑制することができる。

また、本実施形態では、接合部材５０２に対する接合部材５０１の長辺の比率は５０％以下に設定される。このため、素子側接合層１０２のうち、温度の下降勾配が大きい部分に接合部材１０８を、温度の下降勾配が小さい部分に接合部材１０７を確実に形成することができる。

したがって、接合部材同士の凝固するタイミングを精度良く調整することが可能となり、両者の凝固タイミングをより近づけることができる。

（第５実施形態）
図９は、本発明の第５実施形態における電力変換装置の積層構造を示す図である。

電力変換装置６００は、半導体チップの両面を２つの金属電極で挟む構成である。電力変換装置６００は、半導体モジュール６１０と、冷却器側接合層６３１及び冷却器側接合層６３２と、冷却器６４１及び冷却器６４２と、を有する。

半導体モジュール６１０は、両面電極のパワーモジュールである。半導体モジュール６１０は、半導体チップ６０１と、半導体チップ６０１の一方の面に積層される素子側接合層６１２と、金属電極６１３と、絶縁基板６１４と、放熱板６２５と、を有する。さらに半導体モジュール６１０は、半導体チップ６０１の他方の面に積層される素子側接合層６２２と、金属電極６２３と、絶縁基板６２４と、放熱板６２５と、を有する。そして半導体モジュール６１０は、これらを封止樹脂６０６によって封止する。

金属電極６１３及び金属電極６２３と、絶縁基板６１４及び絶縁基板６２４と、放熱板６１５及び放熱板６２５と、冷却器６４１及び冷却器６４２とは、図１に示したものと同じ構成であるのでここでの説明を省略する。

素子側接合層６１２及び素子側接合層６２２は、図６に示した素子側接合層１０２と同じ構成である。

素子側接合層６１２は、半導体チップ６０１の表面と金属電極６１３とを接合する。素子側接合層６１２は、同一面内に凝固点の異なる接合部材７１１及び接合部材７１２を有する。素子側接合層６１２には、凝固点の高い接合部材７１１が中央部に形成され、凝固点の低い接合部材７１２が接合部材７１１の周囲に形成される。

素子側接合層６２２は、半導体チップ６０１の裏面と金属電極６２３とを接合する。素子側接合層６２２は、同一面内に凝固点が異なる接合部材７２１及び接合部材７２２を有する。素子側接合層６２２には、凝固点の高い接合部材７２１が中央部に形成され、凝固点の低い接合部材７２２が接合部材７２１の周囲に形成される。

また、冷却器側接合層６３１及び冷却器側接合層６３２は、図１に示した冷却器側接合層２００と同じように半導体モジュールと冷却器とを接合する。

冷却器側接合層６３１は、放熱板６１５と冷却器６４１とを接合する。冷却器側接合層６３１は、同一平面内に凝固点の異なる接合部材７３１及び接合部材７３２を有する。冷却器側接合層６３１には、凝固点の高い接合部材７３１が中央部に形成され、凝固点の低い接合部材７３２が接合部材７３１の周囲に形成される。

冷却器側接合層６３２は、放熱板６２５と冷却器６４２とを接合する。冷却器側接合層６３２は、同一平面内に凝固点の異なる接合部材７４１及び接合部材７４２を有する。冷却器側接合層６３２には、凝固点の高い接合部材７４１が中央部に形成され、凝固点の低い接合部材７４２が接合部材７３１の周囲に形成される。

第５実施形態によれば、素子側接合層６１２及び素子側接合層６２２において凝固点の低い接合部材を凝固点の高い接合部材の周囲に形成し、金属電極６１３と金属電極６２３とに挟まれた半導体チップ６０１を金属電極６１３及び金属電極６２３に接合する。

これにより、素子側接合層６１２及び素子側接合層６２２の厚みの差が小さくなるので、半導体チップ６０１、金属電極６１３及び金属電極６２３の中央部の反りや、素子側接合層６１２及び６２２に生じる応力を軽減することができる。

さらに本実施形態では、冷却器側接合層６３１及び冷却器側接合層６３２においても凝固点の低い接合部材を凝固点の高い接合部材の周囲に形成して、冷却器６４１と冷却器６４２とに挟まれる半導体モジュール６１０を冷却器６４１及び冷却器６４２に接合する。

これにより、冷却器側接合層６３１及び冷却器側接合層６３２の厚みが均一になるので、半導体モジュール６１０、冷却器６４１及び冷却器６４２の接合部に生じる反りや応力を緩和することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１００、５００電力変換装置
１０１、６０１半導体チップ（半導体素子）
１０２、６１２、６２２素子側接合層
５０１接合部材（高凝固点接合部材）
５０２接合部材（低凝固点接合部材）
１０３、６１３、６２３金属電極（金属体）
１０５、６１５、６２５放熱板（金属体）
２００、６３１、６３２冷却器側接合層
１０７、２０７、３０７接合部材（高凝固点接合部材）
１０８、２０８、３０８接合部材（低凝固点接合部材）
３００、６４１、６４２冷却器

Claims

電力を変換するための半導体素子と、
前記半導体素子を保持する金属体と、
前記半導体素子との間に積層された前記金属体を挟んで、前記半導体素子を冷却する冷却器と、
前記冷却器と前記金属体とを接合する冷却器側接合層と、
前記金属体と前記半導体素子とを接合する素子側接合層と、を含み、
前記冷却器側接合層又は前記素子側接合層は、同一面内に、凝固点の高い接合部材と凝固点の低い接合部材とを有し、
高凝固点の接合部材は、前記金属体に接する面の中央に形成され、
低凝固点の接合部材は、前記高凝固点の接合部材の周囲に形成され、
前記中央に形成される前記高凝固点の接合部材、及び、前記周囲に形成される前記低凝固点の接合部材が溶融した状態から温度が下降する場合において、前記高凝固点の接合部材は、前記低凝固点の接合部材よりも先に凝固する、電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記低凝固点の接合部材の重心は、前記高凝固点の接合部材の面内に位置する、
電力変換装置。
請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置において、
前記低凝固点の接合部材の内周は、前記高凝固点の接合部材の外周と一致している、
電力変換装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記低凝固点の接合部材の長辺に対する前記高凝固点の接合部材の長辺の比率は５０％以下である、
電力変換装置。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記２つの接合部材は、互いに同じ種類の金属である、
電力変換装置。