JP6257478B2

JP6257478B2 - 電力用半導体装置

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Publication number: JP6257478B2
Application number: JP2014178101A
Authority: JP
Inventors: 範之別芝; 中島　泰; 泰中島; 石井　隆一; 隆一石井; 貴夫三井; 優福
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2034-09-02
Also published as: JP2016051878A

Description

本発明は、半導体装置、特に電力用半導体装置に関する。

近年、電力用半導体装置は、一般産業用、電鉄用のみならず自動車用にも広く使用されるようになってきた。特に車載用においては、許容サイズの中で各部品の小型、軽量化を行い自動車の燃費向上に寄与することが求められる。よって、振動が大きいエンジン及びトランスミッションの近傍にも電力用半導体装置の搭載が可能になれば、エンジンルーム内での部品レイアウトの自由度が高まり、車両全体として小型化を実現可能となる。このように特に自動車搭載用の電力用半導体装置では、小型化及び高耐振化が強く求められている。

従来の電力用半導体装置の一例では、ヒートシンクの上に絶縁層を設け、この絶縁層上にバスバー配線を設け、このバスバー配線上に設けたダイパッドにパワー半導体素子を搭載している。また、従来の電力用半導体装置では、パワー半導体素子の電極面から取り出された主回路配線、及びバスバー配線面から取り出された主回路配線をモジュール上方に取り出し、パワー半導体素子、バスバー配線、絶縁層、及びヒートシンクの上面にはエポキシ封止材を設け、さらにモジュール上方に設けた板状電極部材の開口部に対して主回路配線を嵌合している。このような構成によって、モジュール上方への主回路配線の取り出しによる床面積の低減、及びモジュール外部配線工程の簡素化を実現している。

特開２００９−２９５６３１号公報

特許文献１では、バスバー配線面から取り出した主回路配線を、モジュール上方に設けた板状電極部材の開口部に嵌合することで電気的接続を確保している。しかしながら、上述の例えばエンジン近辺のような振動ストレスが高い場合には、振動により嵌合部分における電極部材と配線とが摩擦を引き起こす。その結果、接触電気抵抗が増しジュール発熱を招き、周辺部品の耐温度を超える温度上昇が発生する可能性もある。さらに、振動によって両者間の摩耗が進むと、電極部材と配線との間に隙間が生じアーク放電発生あるいは導通喪失も懸念される。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、小型化及び高耐振化を同時に実現可能な電力用半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における電力用半導体装置は、基板であり厚み方向の両面に導体層を有するセラミック基板と、一方の上記導体層に接合した放熱部材と、他方の上記導体層に接合した電力用半導体素子と、上記電力用半導体素子の周辺を囲む枠形状で上記他方の導体層に固定される枠部材と、上記電力用半導体素子に接合され上記枠部材から上記厚み方向に突出する電極と、を備え、上記枠部材は、その内側に配置される上記電極の位置ずれを防止する第１位置ずれ防止部材を有し、上記電極は、上記第１位置ずれ防止部材と係合する係止部を有することを特徴とする。

本発明の一態様における電力用半導体装置によれば、電力用半導体素子に接合された電極は厚み方向に沿って枠部材から突出することで、電力用半導体装置の小型化を図ることができる。さらに枠部材は第１位置ずれ防止部材を有し、電極は係止部を有することで、第１位置ずれ防止部材と係止部とを係合させて電極の位置決め及び位置ずれ防止を行うことができる。よって電極と外部配線との密着性を容易に得ることが可能となる。その結果、電極と外部配線とは良好な溶接を行うことが可能となり、電極と外部配線とは溶接にて接続される。よって高振動が作用した場合でも、従来のような問題が発生することはなく、高い耐振化を得ることができる。

本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の斜視図である。図１Ａに示す電力用半導体装置の平面図である。図１Ａに示す電力用半導体装置の断面図である。図１Ａに示す電力用半導体装置を複数配置した構成の斜視図である。本発明の実施の形態２における電力用半導体装置の平面図である。図３Ａに示す電力用半導体装置の斜視図である。本発明の実施の形態３における電力用半導体装置の平面図である。図４Ａに示す電力用半導体装置の斜視図である。本発明の実施の形態４における電力用半導体装置の平面図である。図５Ａに示す電力用半導体装置の斜視図である。本発明の実施の形態６における電力用半導体装置の斜視図である。図６Ａに示す電力用半導体装置の側面図である。図６Ａに示す電力用半導体装置の変形例における斜視図である。

本発明の実施形態である電力用半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
また以下の説明では、電力用半導体素子を有する電力用半導体装置を例に採るが、実施の形態に示す構成は、電力用半導体装置に限定することなく、通常電圧が印加され動作する一般的な半導体素子を有する半導体装置に適用することも可能である。

実施の形態１．
図１Ａから図１Ｃ（まとめて図１と記す場合もある）は、本実施の形態１における電力用半導体装置１０１を示しており、図１Ａはその斜視図、図１Ｂは平面図、図１Ｃは断面図である。このような電力用半導体装置１０１は、基本的構成部品として、セラミック基板３と、電力用半導体素子５と、電極７と、枠部材１１と、放熱部材１３とを有し、さらに枠部材１１に第１位置ずれ防止部材を設け、電極７に係止部を設けている。
尚、実施の形態１から６では、電力用半導体装置から放熱部材を除いた構成部分を半導体モジュールと呼ぶ。

このような構成を有する電力用半導体装置１０１は、以下に詳しく説明するが、電力用半導体素子に接続される電極７及び信号線８を、当該電力用半導体装置１０１の厚み方向９１に沿って取り出すことから、電力用半導体装置１０１の小型化、及び外部配線との配線工程の簡素化を実現している。さらにまた、同じく以下で詳しく説明するが、電極７と外部配線とを溶接で接合することで、高い耐振化を図っており、そのような溶接を達成可能とする特徴的構成を電力用半導体装置１０１は有している。

セラミック基板３は、図１Ｃに示すように、厚み方向９１においてセラミック層２の両面に対して上面導体層１ａ及び下面導体層１ｂをそれぞれ形成して構成される。セラミック層２の材料は、例えばＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、あるいはＡｌ_２Ｏ_３などの、絶縁性があり熱伝導性の高い材料である。セラミック層２の厚みは、０．３ｍｍから１ｍｍ程度が産業的に用いられている。上面導体層１ａ及び下面導体層１ｂは、例えばＣｕ、Ａｌ、ＣｕとＡｌの積層体などで構成できる。上面導体層１ａには、電力用半導体素子５が接合され、上面導体層１ａ及び下面導体層１ｂの厚みは、おおよそ０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度であり、厚い方が電力用半導体素子５からの放熱性が高まるが、厚いほどセラミック層２に対する熱応力が高まる。よって損傷防止のため、そのマージンを大きく確保する必要があり、実用上は０．３ｍｍ程度が用いられている。

電力用半導体素子５は、上面導体層１ａに第１固着層４によって接合される。第１固着層４は、例えばはんだ、Ａｇ導体、Ｃｕ導体などの、導電性を有し機械的な固着が可能な金属系の物質が用いられる。この場合、Ａｇ導体など比較的高融点の材料を用いることで、電力用半導体素子５の動作温度が上昇した場合でも第１固着層４の信頼性を維持可能である。
電力用半導体素子５の材料としては、通常Ｓｉが用いられるが、ＧａＮあるいはＳｉＣなど高温動作可能な素材を用いてもよい。このような高温動作可能な材料を用いた方が電力用半導体装置１０１全体の小型化が可能となり好適である。

電力用半導体素子５の上面及び上面導体層１ａから電極７Ａ、７Ｂ（まとめて電極７と記す場合もある）が厚み方向９１に沿って取り出される。電極７と電力用半導体素子５及び上面導体層１ａとは、第２固着層６によって固着される。電極７Ａ、７Ｂは、詳細後述の枠部材１１から上方に突出し、後工程にて外部配線と溶接にて接合される。電極７Ａ、７Ｂの材料は、例えばＣｕあるいはＣｕ合金などの電気伝導性が高く産業的に使いやすい材料が好適である。また電極７は、電力用半導体素子５の表面で発生した熱を外部配線及び周囲の封止材に拡散させる働きがあり、熱伝導率が高いことも必要であるため、Ｃｕの適用が効果的である。但し、電極７の材料はＣｕに限定するものではなく、後述の実施の形態５において詳しく述べる。

第２固着層６の材料としては、はんだ、Ａｇ、Ｃｕ、または導電性の例えばＣｕＳｎ合金などの電気導電性の材料が好適である。ここでは第２固着層６は第１固着層４と同じ材料を用いているが、導電性及び信頼性を確保できれば、他の材質でもかまわない。また第２固着層６は、電力用半導体素子５に直接接する場所に配置されるため、高融点であることが好ましい。すなわち金属は、再結晶温度以上で使用していると、結晶粒界が拡散により移動して結晶粒が粗大化し、金属疲労に対して弱くなるという性質がある。そのため、はんだなどの低融点材料は、接合時の加熱温度が低いため産業的には使い易いが、長期信頼性の観点から、接合時は低融点で接合中に融点が上昇するＡｇシンター材、Ｃｕシンター材、ＣｕＳｎシンター材などの適用も可能である。

電極７の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度が用いられる。厚みが大きいほど電力用半導体素子５への熱応力が大きくなり、一方、薄過ぎると通電時の電気抵抗による抵抗発熱が問題となるため、適切な厚み選択が必要である。よって必要に応じて応力低減のために穴をあけるなどして見掛けの剛性を下げ熱応力を低減するなどの手法が有効である。

電力用半導体素子５からは上述の電極７Ａ、７Ｂのみならず信号線８も厚み方向９１に沿って上方へ取り出される。各信号線８は、電力用半導体素子５が実装されていない導体層と電気的に接続されている。

また、上面導体層１ａには、電力用半導体素子５の周辺を囲む枠形状の枠部材１１が配置され固定される。上面導体層１ａと枠部材１１との固定方法の一例としては、シリコーン系の柔らかい接着剤で固着することができる。電極７Ａ、７Ｂ及び信号線８は、枠部材１１から突出する。枠部材１１の材料は、射出成型可能で耐熱性の高い樹脂材料が用いられる。例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、液晶樹脂、フッ素系樹脂などが好適である。尚、図示していないが、枠部材１１の内側には封止樹脂が注入され、電力用半導体素子５及び電極７等は樹脂封止される。

以下で詳しく説明するが、枠部材１１及び電極７には両者間の係合を図る構成を設けている。

一方、セラミック基板３の下面導体層１ｂには、第３固着層１２によって放熱部材１３が固定され、電力用半導体装置１０１を構成する。放熱部材１３としては、Ａｌ、Ｃｕ、ＣｕＭｏ合金、ＳｉＣＡｌなどが用いられる。熱伝導率が高い材料であることが重要であるが、セラミック基板３などの電力用半導体素子５を搭載した部分と放熱部材１３との間の線膨張係数の差が大きい場合には、第３固着層１２の耐久性に難点が生じる。よって、より高い信頼性が要求される製品では、放熱部材１３の材料として、線膨張係数の比較的小さいＣｕＭｏあるいはＳｉＣＡｌを用いる。

第３固着層１２としては、放熱性が高く長期劣化の少ない材料が好適である。但し、電力用半導体素子５から温度的な隔たりが大きいため、はんだなども十分実用に耐えうる。また、より高温での耐久性が達成可能なＡｇシンター材、Ｃｕシンター材、ＣｕＳｎシンター材も同様に利用可能である。

以上説明した構成により、図１Ａに示すような電力用半導体装置１０１が形成される。さらには、放熱部材１３の面積を広げて複数の半導体モジュールを放熱部材１３に載置した、図２に示すような電力用半導体装置１０１−１を構成することもできる。この電力用半導体装置１０１−１では、各電力用半導体装置１０１における枠部材１１の周囲を取り込む第２枠部材１５を放熱部材１３に固定する。また、第２枠部材１５の内側には、各電力用半導体装置１０１に共通用の外部配線バスバー２０を設け、封止樹脂が注入される。樹脂封止により電力用半導体素子５周辺のコレクタ−エミッタ間、セラミック基板３の沿面周辺のコレクタ−ヒートシンク間の絶縁性を確保する。

さらに本実施の形態１の電力用半導体装置１０１では、上述の枠部材１１及び電極７に対して、以下に詳しく説明する特徴的構成部分を設けている。
即ち、上述のように構成される電力用半導体装置１０１は、例えば、モーターなどを駆動するインバータ用として用いられ、モーターを駆動する場合、通常数百アンペアの通電電流が流れる。よって、電力用半導体装置１０１内の配線部、及び電力用半導体装置１０１外の外部配線は、通電電流に応じて許容部材温度内及び許容雰囲気温度内に収まるように設計する必要がある。特に自動車に搭載される場合には、既に説明したように、電力用半導体装置１０１には、さらに小型化及び耐振化が要求される。また、モーターの負荷の増減による温度変化により、電力用半導体装置１０１内部の接合部に熱応力が生じ、繰り返される温度変化によって接合部が劣化することも考えられる。すなわち長期使用に対して安全に使用できる期間を保証する設計を行う必要がある。

電力用半導体装置１０１の主回路配線、つまり上述の電極７と外部配線との接続について、高度な耐振性スペックにも適合させる手段としては、配線同士をネジ留めする方法、あるいは配線同士を溶接し一体化する方法が考えられる。ネジ留め方法については、ナット、及び座面スペース確保が必要なことから、床面積の小型化を阻害することとなり製品の競争力が低下する恐れがある。一方、溶接し一体化する方法、例えばＴＩＧ溶接で接合し一体化する方法においては、溶接時のチャック部品の干渉を防止できれば、ネジ留めに比べて製品スペースを取る必要はなく有利である。またレーザー溶接などの溶接部に対して間接的にエネルギーを伝える手段を採用することで、製品スペースをさらに低減可能である。

一方、電力用半導体装置１０１の電極７と外部配線とを例えばＴＩＧ溶接によって一体化して耐振性向上を図る場合、各配線同士を密着状態に維持することが必要であり、維持できない場合には溶け分かれ状態となり良好な接合性が得られないという問題がある。
ここで、電力用半導体装置１０１の電極７と外部配線とを密着させる手段としては、２枚の電極をチャックする手段がある。このチャック手段により、通常、電極７と外部配線との距離を縮めながら、つまり矯正しながら、溶接が行われる。しかしながらこの矯正量が増すと、当然ながら、電力用半導体素子５に電極７を固定している第２固着層６部分、ひいては電力用半導体素子５に対して外部応力が作用することになる。したがって、上記矯正量は、十分に小さくする必要がある。

そこで本実施の形態１における電力用半導体装置１０１では、主回路配線に相当する電極７を第２固着層６によって電力用半導体素子５に接合する際に生じる電極７の位置的なバラツキを抑制する。この電極７の位置ずれを抑制するために、電力用半導体装置１０１では、枠部材１１に第１位置ずれ防止部材を設け、電極７に、第１位置ずれ防止部材と係合する係止部を設けている。これら第１位置ずれ防止部材及び係止部を係合させることによって電極７の位置ずれを最小限に抑制する。

本実施の形態１では、第１位置ずれ防止部材の一例として、枠部材１１は、図１Ａに示すような、凸部１４を有する。凸部１４は、枠部材１１の対向する各壁面から対向する壁面に向かってそれぞれ突出した部材であり、枠部材１１と一体的に成型している。
また、係止部の一例として、電極７は、図１Ｂに示すような、凹部２４を有する。尚、図１Ｂでは、凹部２４が明示されるように凹部２４を誇張して図示している。実際には、凹部２４は凸部１４と嵌合する程度つまり両者間に隙間がほとんど生じない程度のサイズである。

本実施の形態１では、第１位置ずれ防止部材として凸形状、係止部として凹形状を有するが、上述したこれらの機能面から明らかなように、第１位置ずれ防止部材及び係止部の形状はこれらに限定するものではない。

このように、セラミック基板３に固定される枠部材１１に凸部１４を設け、電極７に凹部２４を設けて、凸部１４と凹部２４とを互いに係合させることで、電力用半導体装置１０１において、主回路配線に相当する電極７について、第２固着層６によって電力用半導体素子５に接合する際に生じる電極７の位置的なバラツキを抑制することができる。その結果、電極７が外部配線と溶接される際に、位置決めジグ等を用いることなく精度良く電極７の位置決めを行うことができ、上述の矯正量をゼロもしくは従来に比べて低減することが可能となり、良好な溶接を行うことが可能となる。したがって、電力用半導体装置１０１において高い耐振性を得ることができ、製品の信頼性及び生産性も向上する。また、溶接時において、電力用半導体素子５に電極７を固定している第２固着層６部分、ひいては電力用半導体素子５に対する外部応力の作用も無くなる、あるいは低減することができ、この点からも高い製品信頼性を得ることができる。

本実施の形態１の電力用半導体装置１０１では、さらに以下の構成も有している。
上述したように、放熱部材１３は、第３固着層１２によってセラミック基板３の下面導体層１ｂに固定される。一方、第３固着層１２として例えばはんだ接合などの液相化する接合手段を用いたときに液相化が発生した場合には、放熱部材１３に対して、セラミック基板３、電力用半導体素子５、及び枠部材１１等から構成される半導体モジュールが移動可能となる。その結果、電力用半導体素子５の主回路配線に相当する電極７と外部配線との位置が定まらないという事象の発生も考えられる。

そこで電力用半導体装置１０１では、枠部材１１に第２位置ずれ防止部材を設け、放熱部材１３には連結部を設けている。電力用半導体装置１０１では、図１Ａ等に示すように、第２位置ずれ防止部材の一例として、枠部材１１の壁面の外側に、放熱部材１３に向かって突起１７を設け、放熱部材１３には連結部の一例として突起１７が嵌合する凹部１８を設けている。突起１７及び凹部１８は、枠部材１１の対角位置の２箇所に形成している。尚、後述の実施の形態３でも述べるが、枠部材１１の第２位置ずれ防止部材、及び放熱部材１３の連結部における形状は、上述の、及び図示する形態に限定するものではない。

このように突起１７及び凹部１８を設けることで、上記半導体モジュールの移動を防止することができ、位置決めジグなどを用いることなく精度良く電極７と外部配線との位置決めを行うことが可能となり、電力用半導体装置１０１の小型化及び高耐振化を実現しながら生産性も同時に確保することを成し遂げている。

また、電極７Ａ、７Ｂには、通電時の温度上昇による伸縮が発生する。上部の端子台も振動などで弾性範囲内であっても変形し、その結果として電極７Ａ、７Ｂに力が作用する。この場合、特に電力用半導体素子５の表面電極に固着された電極７Ａ、７Ｂ等が大きく変形すると電力用半導体素子５にストレスが加えられ、固着層を変形させるなどの不具合が予想される。本実施の形態１では、上述したように電極７の凹部２４と枠部材１１の凸部１４とを嵌合させたことで、温度変化あるいは振動による電極７の変形は、凸部１４と凹部２４との嵌合部で一旦受け止められ、電力用半導体素子５あるいはセラミック基板３の電極との接合部の応力を大幅に低減できた。

好ましくは電極７の立ち上がり部分７１（図１Ｃ）の曲率を大きくとることで、電極７の伸縮あるいは振動を吸収するストレスリリーフを大きく確保可能である。また、厚み方向９１に沿う電極７の延在部分に、Ｓ字型あるいは閂型のベントを設けストレスリリーフを確保してもよい。即ち、枠部材１１と電極７とが余りに強固に固定されていると、電極７に作用したストレスを逃がすことができない。よって好ましくは枠部材１１は、ある程度変形可能である必要があり、ＰＰＳ、液晶樹脂、あるいはフッ素樹脂で成形し、その肉厚を例えば１ｍｍ以下程度にすることで、若干弾性変形が可能となる。このような若干の変形が可能であることで、さらに電力用半導体素子５あるいはセラミック基板３の電極７へのストレスを下げる作用が働き、耐振性を向上させることができる。

実施の形態２．
図３Ａは、本実施の形態２における電力用半導体装置１０２の平面図であり、図３Ｂは電力用半導体装置１０２の斜視図である（図３Ａ、図３Ｂをまとめて図３と記す場合もある）。
この電力用半導体装置１０２は、実施の形態１における電力用半導体装置１０１の構成と略同じ構成を有し、以下に説明する部分のみで相違する。以下では、この相違部分のみについて説明を行う。
電力用半導体装置１０２では、電極７Ａ、７Ｂは、枠部材１１を樹脂成型する際にインサートしている。このインサートを行うために、枠部材１１における第１位置ずれ防止部材は、本実施の形態２では、対向する壁面間に延在し電極７をインサートして電極７に対して厚み方向９１において係合する凸部１６である。また凸部１６は枠部材１１と一体的に成型されていることから、上記インサート動作により、枠部材１１と電極７とが一体的に形成される。

このような形態を採ることによって、本実施の形態２の電力用半導体装置１０２は、上述した実施の形態１における電力用半導体装置１０１にて得られる効果を奏することができ、さらに、電極７の第２固着層６による固着工程の前準備として、電極７Ａについてマウンターを用いてマウントする工程が省略可能となり、生産性が向上する。また、第２固着層６の厚みは、第２固着層６の接合部信頼性を左右する重要なパラメータであるが、成形品である枠部材１１に電極７Ａを一体化することで、電極７Ａの高さを厳密に規定することが可能となり、製品の品質向上につながる。

さらにまた、電極７が厚み方向９１に沿って立ち上げられた箇所を枠部材１１で囲うことにより、電力用半導体装置１０２の全体に作用する熱応力を枠部材１１の樹脂材料で受け止めることができる。よって、第２固着層６あるいは電力用半導体素子５に直接的に作用する応力が緩和され、接合部の信頼性の向上につながる。

実施の形態３．
図４Ａは、本実施の形態３における電力用半導体装置１０３の平面図であり、図４Ｂは電力用半導体装置１０３の斜視図である（図４Ａ、図４Ｂをまとめて図４と記す場合もある）。
この電力用半導体装置１０３は、実施の形態１における電力用半導体装置１０１の構成と略同じ構成を有し、以下に説明する部分のみで相違する。以下では、この相違部分のみについて説明を行う。
枠部材１１と放熱部材１３との接続について、実施の形態１の電力用半導体装置１０１では、枠部材１１に形成した突起１７を、放熱部材１３に形成した凹部１８に嵌合する形態を採った。これに対して本実施の形態３の電力用半導体装置１０３では、放熱部材１３に連結部の一例として突起２７を設け、枠部材１１に第２位置ずれ防止部材の一例として溝２８を設け、突起２７と溝２８とを係合させる。

このような構成を採ることによって、本実施の形態３の電力用半導体装置１０３は、上述した実施の形態１における電力用半導体装置１０１にて得られる効果を奏することができる。また電力用半導体装置１０３は、上記半導体モジュールの移動を防止することができ、位置決めジグなどを用いることなく精度良く電極７及び信号線８と外部配線との位置決めを行うことが可能となり、電力用半導体装置１０３の小型化及び高耐振化を実現しながら生産性も同時に確保することを成し遂げている。
また放熱部材１３に対して枠部材１１が上側に位置するので、本実施の形態３では、枠部材１１の溝２８に放熱部材１３の突起２７が係合する状態を直接視認することができる。よって、実施の形態１の構造と比較すると生産性が飛躍的に向上するという利点がある。

実施の形態４．
図５Ａは、本実施の形態４における電力用半導体装置１０４の平面図であり、図５Ｂは電力用半導体装置１０４の斜視図である（図５Ａ、図５Ｂをまとめて図５と記す場合もある）。
この電力用半導体装置１０４は、実施の形態１における電力用半導体装置１０１の構成と略同じ構成を有し、以下に説明する部分のみで相違する。以下では、この相違部分のみについて説明を行う。
本実施の形態４の電力用半導体装置１０４では、枠部材１１は、さらに、枠部材１１とセラミック基板３の上面導体層１ａとの固着をより強固にするための補強端子２１を設けている。補強端子２１は、枠部材１１の内側へ壁面から突出し、枠部材１１にインサートされて形成され、電極７等が第２固着層６で固着される工程にて同時に上面導体層１ａに固着される。補強端子２１の配置位置は、図５Ａに示す箇所に限定するものではなく、セラミック基板３の上面導体層１ａに枠部材１１を固定可能な場所であればよい。

本実施の形態４の電力用半導体装置１０４は、上述した実施の形態１における電力用半導体装置１０１にて得られる効果を奏することができ、さらに、補強端子２１を設けることにより、電力用半導体装置１０４の厚み方向９１あるいは平面方向に印加される振動ストレスに対しても十分な強度を得ることができる。また、既に説明したように、電極７及び信号線８は、上記半導体モジュールの外の外部配線及び制御基板等と接続され、電極７及び信号線８には、熱ストレス及び振動ストレスが作用する。このような状況においても補強端子２１を設けることによって、半導体素子５等との接続信頼性、ひいては半導体モジュールにおける信頼性を向上させることが可能となる。

実施の形態５．
以上説明した、図１から図５に示す各実施の形態１から４の電力用半導体装置１０１から１０４において、以下のような構成を採ることも可能である。
即ち、電力用半導体装置１０１から１０４は、例えばモーターを駆動するインバータとして構成することができる。例えば自動車用の駆動モーターは、モーター１台あるいは２台とガソリンエンジンとのハイブリッドシステム、モーターのみの電気自動車用など、多種多様化しており、これに対応してモーターを駆動するインバータに求められる信頼性スペックもそれぞれのシステムに応じて多種多様化している。即ち、小型化及び高耐振化という課題に合わせて、様々な信頼性スペックに対応して安価で高品質なインバータが求められている。特に第２固着層６における接合部、つまり半導体素子５と電極７等との接続信頼性について、より高い信頼性が必要な場合には、電極７等の材料にＣｕを適用することのみならず、電極７等の線膨張係数を電力用半導体素子５（例えばシリコンであれば２．５ｐｐｍ／Ｋ）に近づけることが有効な手段となる。例えば、Ｃｕ、インバー（Ｆｅ−３６％Ｎｉ合金）、及びＣｕを３層に積層したクラッド材料の場合、厚み比に応じて電極表面の見かけの線膨張係数をコントロールすることができる。例えば、インバーの比率を大きくした場合には４ｐｐｍ／Ｋ（Ｃｕ：Ｉｎｖａｒ：Ｃｕ＝１：８：１）、小さくした場合には１３ｐｐｍ／Ｋ（Ｃｕ：Ｉｎｖａｒ：Ｃｕ＝２：１：２）となり、シリコン（２．５ｐｐｍ／Ｋ）と銅（１７ｐｐｍ／Ｋ）との間で任意に変化させることが可能である。

以上のことから、電極７等と電力用半導体素子５との線膨張係数の差を緩和することで、第２固着層６のひずみ量は格段に低減し、接合部の信頼性を向上させることができる。特にＣｕ：Ｉｎｖａｒ：Ｃｕ＝１：１：１の場合には、Ｃｕ合金電極の場合と比較して１０倍以上の寿命向上効果を確認している。また、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ｃｕ−Ｗ合金なども熱伝導率を極端に下げることなく信頼性を向上させることができることが判っている。
また、電極７は上述のように材料自体及び形状を変更することだけで、格段に信頼性を向上させることができるため、電力用半導体装置の使用環境あるいは運転モードの異なる様々なインバータに対して、電極材料及び形状の変更のみで対応可能となる。このため、製造工程の共通化を図ることが実現でき、製造コストの低減につなげることができる。したがって、小型、高耐振、低コストなインバータを実現することが可能である。

実施の形態６．
図６Ａは本実施の形態６の電力用半導体装置１０６の斜視図であり、図６Ｂは側面図である。尚、図６Ａ及び図６Ｂをまとめて図６と記す場合もある。また、図７は、電力用半導体装置１０６におけるヒートシンク３１にジャケット３２をさらに設けた電力用半導体装置１０６−１の斜視図である。
図６Ａに示す電力用半導体装置１０６は、上述した実施の形態１における電力用半導体装置１０１の半導体モジュール１０１Ａ部分を、例えば６個にて、ヒートシンク３１に配列した形態を有する。尚、電力用半導体装置１０１の半導体モジュール１０１Ａとは、電力用半導体装置１０１から放熱部材１３を除いた構成部分に相当する。また、ヒートシンク３１は、放熱部材１３に厚み方向９１に沿って複数の冷却フィン３１ａを突設した構造である。
また、図７に示す電力用半導体装置１０６−１では、図２に図示して説明した第２枠部材１５及び外部配線バスバー２０をヒートシンク３１に設けている。また、ジャケット３２には、ジャケット３２内を通過する冷媒、例えば水、の一対の出入口３３が電力用半導体装置１０６−１の対角位置に設けている。

例えば自動車用のハイブリッドシステムでは、駆動モーターの出力に応じて、通常数百アンペアの通電電流が流れ、半導体モジュール内の電力用半導体素子は発熱する。よってこの電力用半導体素子５は、通電電流に応じて許容部材温度、許容雰囲気温度内に収めるように設計する必要がある。通常、通電電流の３〜５％程度の損失が電力用半導体素子で生じる。この損失による温度上昇が、例えば接合材として用いている、はんだの融点を超えると半導体装置は故障してしまう。また半導体素子の温度がおよそ３７０℃に達すると、絶縁性がなくなり破壊してしまう。これらの温度上昇があってはならないため、電力用半導体素子からの発熱を効率よく放熱部材に伝えていく必要がある。冷却システムとしては、強制空冷もしくは強制水冷の手段を用いることが通常多いが、空冷と水冷とでは放熱部材上面における熱伝達係数に桁違いの差があることから、並びに、半導体素子から放熱部材までの部材の厚みと熱伝導率との関係において、数百ボルトにおよぶ耐電圧を維持させるために必要な厚みとのトレードオフ関係を満足させる必要があることから、結果的に水冷システムを選択せざるを得ないという状況がある。

即ち、電力用半導体装置の小型化、高耐振化、低コスト化に加えて高出力化を実現するためには、放熱部材自体がヒートシンクとなり、かつ水路の入口及び出口以外の箇所における気密性が確保されている構造が好ましい。しかしながら、流路までを構成した水冷ヒートシンクは、放熱部材と比較すると剛性が高くなり、その結果、第３固着層１２つまりセラミック基板３とヒートシンクとの間の接合層の接合部信頼性に大きな影響を与える。例えば、アルミニウム製水冷ヒートシンクとして、３ｍｍ厚の天板、及び３ｍｍ厚のフィンで構成し、流路を構成するためのジャケットを厚み１０ｍｍの板材で構成した場合、３ｍｍ厚の天板に対して８ｍｍ厚以上の等価剛性を有することがわかっている。したがって第３固着層１２の接合品質には、十分に注意を払う必要がある。例えば、第３固着層１２に、はんだ材料を用いた場合、はんだ量が不十分であったり、半導体モジュールと放熱部材との位置関係が決まっていない場合には、はんだ濡れが不十分な領域が発生してしまい、第３固着層１２が切り欠き形状となり、応力集中による剥離進展の増大を招く。その防止策として、はんだ量を必要以上に多めにすることではんだ濡れ不良を防止しようとした場合、はんだ接合時のフラックス飛散に伴うはんだボールの発生という問題がある。また、ボイド対策として真空引きを用いたはんだ接合を行った場合にも、はんだボールの飛散が発生する。これらのはんだボールは、導電性異物となる。電力用半導体装置では、数百から数千ボルトの各電圧に応じた空間絶縁距離及び沿面絶縁距離を確保しているが、上述のような導電性異物が飛散した場合には、導電性異物の除去工程の追加、及び検査工程の追加が発生し、また、品質低下の恐れも生じる。これらのことから、半導体モジュールと放熱部材との位置関係を厳密に規定して、適切なはんだ量を投入する必要がある。

ここで、実施の形態１に記載したように、放熱部材１３に凹部１８、及び枠部材１１に突起１７を設けることで、また実施の形態３で説明した構成を採ることで、特にジャケットとヒートシンクと半導体モジュールとが一体となった、本実施の形態６の図７に示すような電力用半導体装置１０６−１の構造によれば、位置決め精度向上の効果を発揮することができ、不良率の低減につなげることができる。

また、電力用半導体素子及び電極を熱硬化性樹脂で完全に封止する構造も存在するが、放熱器との間に熱伝導グリスを介在させずはんだ接合などで固着する場合には、半導体モジュールと放熱器との線膨張係数差によって生じる反りによって、外部配線部の位置精度が得られないこと、また固着層への歪が増大し十分な接合部信頼性が得られないこと、等の問題があった。一方、放熱グリスによって製品全体の反りを吸収しようとすると、半導体モジュールと放熱器との間の熱抵抗が高くなってしまう。そのため、電力用半導体素子の温度上昇を抑制するためには、電力用半導体素子のサイズを大きくする必要が生じ、これはコスト増大につながる。また、半導体モジュールの反りを低減させるためには、反りの支配的な要因である、半導体モジュールにおける基板、電極、及び熱硬化性樹脂のそれぞれの弾性率、線膨張係数、及び厚みを適正化する必要がある。例えば、封止材を熱硬化樹脂からシリコーンゲルへ変更することで、弾性率を熱硬化樹脂に比べて２桁以上下げることができる。このように反りは、主に、電力用半導体装置を構成するセラミック基板及び電極の弾性率、線膨張係数、厚みによって決まる。ゲルの封止構造で反り量を最小化する場合、例えばセラミック基板の導体層として０．８ｍｍ厚の銅箔を用い、セラミック層として０．３ｍｍ厚の窒化ケイ素を採用したとき、線膨張係数は、〜１１ｐｐｍ／Ｋの値となる。よって、電極の材料として上述のＣＩＣ（Ｃｕ：Ｉｎｖａｒ：Ｃｕ）電極を（１：１：１の比で、１１ｐｐｍ／Ｋ）と合わせることで、反り量を抑制することが可能である。

反りの低減は、製品全体の各固着層の厚みバラツキを抑制する効果があるのはもちろんのこと、生産上のバラツキに対しても固着層の製造プロセスで生じる固着層厚みバラツキを小さくすることが可能となるため、仕損低減も実現できる。
したがって、電力用半導体装置の小型、高耐振化と、低コスト化とを同時に実現することが可能である。
さらにまた、上述した実施の形態５との組合せによって、工程の共通化によるコスト低減との相乗効果が生じることはいうまでもない。

上述した各実施の形態を組み合わせた構成を採ることも可能であり、また、異なる実施の形態に示される構成部分同士を組み合わせることも可能である。

１ａ上面導体層、１ｂ下面導体層、２セラミック層、３セラミック基板、
５電力用半導体素子、７電極、１１枠部材、１３放熱部材、
１４凸部、１７突起、１８凹部、２１補強端子、２４凹部、
２７突起、２８溝、３１ヒートシンク、３１ａ冷却フィン、
３２ジャケット、９１厚み方向、
１０１〜１０４，１０６電力用半導体装置。

Claims

基板であり厚み方向の両面に導体層を有するセラミック基板と、
一方の上記導体層に接合した放熱部材と、
他方の上記導体層に接合した電力用半導体素子と、
上記電力用半導体素子の周辺を囲む枠形状で上記他方の導体層に固定される枠部材と、
上記電力用半導体素子に接合され上記枠部材から上記厚み方向に突出する電極と、を備え、
上記枠部材は、その内側に配置される上記電極の位置ずれを防止する第１位置ずれ防止部材を有し、
上記電極は、上記第１位置ずれ防止部材と係合する係止部を有する、
ことを特徴とする電力用半導体装置。
上記第１位置ずれ防止部材は、上記枠部材において対向する壁面間を延在して上記電極に対して上記厚み方向において係合し、かつ上記電極をインサートして形成される、請求項１に記載の電力用半導体装置。
上記放熱部材は、上記枠部材と連結する連結部を有し、
上記枠部材は、上記連結部と係合して上記放熱部材に対する位置決めを行う第２位置ずれ防止部材を有する、請求項１又は２に記載の電力用半導体装置。
上記枠部材は、他方の上記導体層に接合する補強端子を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
上記電極は、銅合金よりも線膨張係数が小さい材料で作製される、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
上記放熱部材は、冷却フィンを有するヒートシンクであり、このヒートシンクを覆い内側を冷媒が通過するジャケットを有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。