JP6366857B2

JP6366857B2 - 電力用半導体装置

Info

Publication number: JP6366857B2
Application number: JP2017547681A
Authority: JP
Inventors: 範之別芝; 石井　隆一; 隆一石井; 優福; 隆行山田; 貴夫三井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-10-28
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2036-09-29
Also published as: DE112016004980B4; CN107851639A; US20180197838A1; US10553559B2; DE112016004980T5; WO2017073233A1; JPWO2017073233A1; CN107851639B

Description

本発明は、電力用半導体装置に関する。

近年、環境問題に関連して、電力用半導体装置は、一般産業用、電鉄用のみならず車載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、限られたスペースの中で高い信頼性が要求されること、及び、従来のエンジン駆動システムに対してモーター、インバータを搭載することによる燃費向上の付加価値を低コストで実現すること、が求められている。具体的には、水冷式の電力用半導体装置は、エンジンルーム内に搭載される場合が多いが、エンジンルーム内での耐熱性、耐震性を満足しつつ、小型化することが求められる。また、電力用半導体装置の内部部品の中で高いコスト割合を示す部品の一つに半導体素子が挙げられる。よって半導体素子製造時における半導体素子の損失を低減する、あるいは、放熱構造の改善により動作可能温度範囲の拡大を図り、その分、半導体素子のサイズを縮小してウェハからの取得数を増やす、ことでコスト低減が図られている。

電力用半導体装置は、Ｓｉ（線膨張係数：２．５ｐｐｍ／Ｋ）を代表とした半導体素子と、Ｃｕ（線膨張係数：１６．８ｐｐｍ／Ｋ），Ａｌ（線膨張係数：２３．０ｐｐｍ／Ｋ）等を代表とする外部配線とを有して構成され、半導体素子の上下面における各電極と外部配線との接続信頼性が電力用半導体素子の製品寿命を決定している。

半導体素子の下面電極における接続には、はんだ接合等が用いられるが、材料改善による信頼性向上は限界を迎えつつあり、例えばはんだよりも高強度な、ＣｕＳｎ化合物による接合、Ａｇ焼結による接合、Ｃｕ焼結による接合等の適用が検討されている。
一方、半導体素子の上面電極における接続は、従来、Ａｌワイヤボンド接合を用いることで必要な電流容量及び接続信頼性を確保してきた。しかしながら、半導体素子の小型化により、接続部の単位体積当たりの電流密度が増大し、その結果、接続信頼性の低下を招く恐れが懸念されている。

特開２０１３−１７１８７０号公報

従来の半導体装置における上述した課題についてさらに詳しく説明する。
電力用半導体装置（パワー半導体モジュール）では、例えば上記特許文献１に記載するように、電力変換用途のスイッチングデバイスとして用いられる複数のＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）と、逆並列接続のフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）とを１セットとし、その複数セットが、例えばインバータ回路の半導体素子構成になるように、絶縁回路基板上に配置、配線されている。
ここでは金属基板上に固着された絶縁回路基板上に、ＩＧＢＴの下面電極及び複数の外部端子の下端がそれぞれはんだ接合される。さらにＩＧＢＴの上面電極には、ワイヤボンディングによってＡｌ線の配線が行なわれ、このＡｌ線は、さらに外部端子に電気的に接続されている。
また、金属基板上の絶縁回路基板全体を取り囲むように金属基板の外周には、枠状の樹脂ケースが固着される。この樹脂ケースと金属基板上とで構成される、樹脂ケースの内側空間には、絶縁性の封止樹脂材が充填されて電力用半導体装置が形成される。

このように構成される従来の電力用半導体装置において、ＩＧＢＴの上面電極に、ワイヤボンディングによるＡｌ線の配線を施す際の問題点として、一旦、金属基板上にＡｌ線をワイヤボンディングするための配線スペースが必要になること、及び、上述したように半導体素子の小型化に伴い電流密度が増大し、その結果、接続信頼性が低下すること、が挙げられる。

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであり、電力用半導体素子の電極と配線との接続信頼性を従来に比べて向上可能である、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、絶縁層における厚み方向の対向面に第１導体層及び第２導体層を有する絶縁基板と、上記第１導体層に第１固着層を介して接合した複数の半導体素子と、それぞれの上記半導体素子で共用する外部配線であり、当該外部配線と上記第１導体層との間に上記半導体素子が位置し上記第１導体層に沿って延在した状態で第２固着層を介して各半導体素子に接合する素子連結部、及びこの素子連結部の一端を上記厚み方向へ折り曲げた外部接続用端部を有する、外部配線と、上記第１導体層上の複数の半導体素子の周囲に第３固着層を介して上記第１導体層に接合された枠部材と、を備え、上記枠部材は、上記外部接続用端部と嵌合する嵌合部を有し、上記外部配線は、上記半導体素子側へ突出する、少なくとも２つの突起部を有する、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、枠部材には嵌合部を設け、また外部配線には突起部を設けた。外部配線の外部接続用端部は、厚み方向に延在し当該電力用半導体装置の上面から取り出されることで、当該電力用半導体装置の小型化を図っている。また、枠部材には、外部接続用端部が嵌合する嵌合部を設け、さらに外部配線に少なくとも２つの突起部を設けたことで、外部配線の位置決めは、ジグを使用することなく厳密に規定することが可能になる。その結果、第２固着層の最小厚み及び最大厚みを厳密に規定することができ、外部配線の接合部信頼性を従来に比べて安定させることが可能となる。

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１示す電力用半導体装置の断面図である。実施の形態２における電力用半導体装置の斜視図である。図３に示す電力用半導体装置の断面図である。実施の形態３における電力用半導体装置の断面図である。実施の形態４における電力用半導体装置の断面図である。図３に示す電力用半導体装置の変形例における断面図である。

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。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態の電力用半導体装置１０１の斜視図であり、図２はその断面図である。電力用半導体装置１０１は、基本的構成部分として、複数の半導体素子５と、外部配線７と、枠部材８と、絶縁基板１０とを備える。これらの構成部分について、以下に順次説明を行う。

図１及び図２に示すように、絶縁基板１０は、第１導体層１、絶縁層２、第２導体層３を有し、絶縁層２の厚み方向１１における対向面に第１導体層１及び第２導体層３が形成されている。絶縁層２の材料は、ＡｌＮあるいはＳｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３などの絶縁性を有しかつ熱伝導性の高いセラミック材料が好適である。またＢＮフィラーなどを含有したエポキシ樹脂絶縁層を使用することもできる。絶縁層２の厚みは、０．３ｍｍから１ｍｍ程度である。第１導体層１及び第２導体層３は、例えばＣｕあるいはＡｌ、ＣｕとＡｌとの積層層などで構成可能である。第１導体層１及び第２導体層３の厚みは、それぞれ、約０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度である。第１導体層１には電力用の半導体素子５が接合されることから、第１導体層１は厚いほうが電力用半導体素子５からの放熱性が高まる。一方、第１導体層１及び第２導体層３は、厚いほど絶縁層２に対する熱応力が高まるため、絶縁層２の損傷防止用のマージンを大きく確保する必要があることから、実用上は０．３〜０．６ｍｍ程度が用いられる。

第１導体層１には複数の半導体素子５が接合される。電力用の半導体素子５としては、本実施の形態では後述するように、ＩＧＢＴとダイオードとをセットで用いている。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。
半導体素子５は、その厚み方向における２つの対向面のそれぞれに電極を有し、一方面、例えば下面、の電極が第１固着層４によって第１導体層１に接合される。第１固着層４としては、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。このときＡｇの層など高融点の材料を用いることで、電力用半導体素子５における動作温度が上昇したときの第１固着層４の信頼性を高めることができる。

外部配線７は、基本的構成部分として、素子連結部７ａと外部接続用端部７ｄとを有し、これらは一体で成形されている。素子連結部７ａは、それぞれの半導体素子５によって共用される部分であって、外部配線７と第１導体層１との間に半導体素子５が位置する状態で第１導体層１に沿って延在し、各半導体素子５における他方面、例えば上面、の各電極に第２固着層６によって接合される部分である。外部接続用端部７ｄは、素子連結部７ａから厚み方向１１へ折り曲げられた部分であり、外部装置との電気的接続が行われる部分である。

このような外部配線７は、電力用半導体素子５で発生した熱を、外部装置との接続部あるいは周囲の封止材（図示しない）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、例えばＣｕを使用するのが効果的である。
また外部配線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ることから自ずと制限があり、また薄すぎると通電時におけるオーム抵抗による発熱が大きくなるため、適切な厚み選択が必要である。
また外部配線７は、素子連結部７ａにおいて、半導体素子５側へ突出する少なくとも２つの突起部７ｂを有する。この点については後述する。

第２固着層６の材料としては、はんだあるいはＡｇ、Ｃｕ、又は導電性のある例えばＣｕＳｎ合金などの電気導電性のある材料が好適である。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、産業的には接合時の加熱温度が低いため使いやすいが、長期信頼性の観点から、接合の際には低融点であるが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が検討される。

枠部材８は、全ての半導体素子５を囲って絶縁基板１０上の外形を規定しており、ここでは、第１導体層１の周縁部の全周に設けられる枠状の部材であり、第３固着層９を介して第１導体層１に接合される。図示するように、当該電力用半導体装置１０１におけるそれぞれの電極の先端は、枠部材８の外表面から突出し、外部装置との電気的接続が可能となっている。
枠部材８の材料としては、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）あるいは液晶樹脂、フッ素系樹脂などが好適である。尚、半導体素子５及び外部配線７等が配置されている、枠部材８の内側には封止材が注入され封止が行われる。該封止により、半導体素子５におけるコレクタ〜エミッタ間、絶縁基板１０の沿面周辺のコレクタ〜ヒートシンク間の絶縁性が確保される。

以上のように構成される本実施の形態の電力用半導体装置１０１は、モーターなどを駆動するインバータに関する。モーターを駆動する場合、当該電力用半導体装置１０１には、通常数百アンペアの通電電流が流れることから、外部配線７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する必要がある。
一方、従来の電力用半導体装置からもそうであるように、モーターの負荷の増減による半導体素子等の温度変化により、電力用半導体装置内部の接合部には熱応力が発生し、繰り返される温度変化によって接合部が劣化することが懸念される。即ち、長期使用に対して寿命が存在する。よって安全に使用できる期間を保証するために寿命設計を行う必要がある。

本実施の形態の電力用半導体装置１０１においても外部配線７は、通電時の温度上昇により伸縮が発生する。特に外部配線７は、電力用半導体素子５の上面電極に固着されているため、外部配線７が大きく変形すると電力用半導体素子５にストレスが加わり、電力用半導体素子５の上面電極を変形させるなどの不具合が予想される。

また、第２固着層６への熱応力は、第２固着層６に亀裂進展を及ぼす。第２固着層６による接合部の断面積が低減すると、接合部の自己発熱が上昇し、さらに繰返し熱応力が大きくなる。接合部の亀裂進展が進み、電力用半導体素子５と外部配線７とが断裂した状態になると、電力用半導体素子５の上面電極と外部配線７との間に高い電位差が発生し、アーク放電を起こし電力用半導体装置が故障してしまうことになる。したがって、第２固着層６の亀裂進展速度には、十分に余裕を持たせる必要がある。

また、電力用半導体素子５は、例えばＩＧＢＴとダイオードとを一式とし、隣接して配置する方が配線インダクタンスの観点から好ましい。本実施の形態では、上述したようにこの方式を採っている。一方、このような構成においては以下の問題点がある。

即ち、それぞれの電力用半導体素子に対してそれぞれ外部配線を施すと、各配線をモジュール上部で接続することが必要になる。よって、加工に必要なスペースあるいは加工工数が増加し、生産性及びコストの観点から好ましくない。したがって、複数の電力用半導体素子を単数の外部配線で一度に接合する方が、配線インダクタンスを小さくできる、及び、一度のはんだ接合のみで多数の接合部を同時に処理できるため、生産性が向上する。この観点に基づいて、本実施の形態では、上述したように複数の半導体素子５に対して一つの外部配線７を配置している。

ところが、複数の電力用半導体素子に同時接合するように外部配線の接合面を設け、かつ、モジュールの小型化のために絶縁基板の厚み方向に沿って上方へ外部配線の一端を立ち上げる構成を採った場合、次の課題が生じる可能性がある。
即ち、外部配線の重心が複数の電力用半導体素子間における重心からオフセットしてしまう。その結果、外部配線の姿勢が不安定になり第２固着層で接合する際に、ある半導体素子に対して配置されている第２固着層の厚みと、別の半導体素子に対して配置されている第２固着層の厚みとのバラツキが非常に大きくなる。最悪の場合には、外部配線が転倒してしまう懸念もある。
このような各第２固着層における厚みのバラツキは、以下の問題を招く。即ち、第２固着層の厚みが非常に大きい場合、第２固着層に作用する熱応力は小さくなるが、一方、電力用半導体素子の上面電極に作用する熱応力は大きくなってしまう。その結果、上面電極の亀裂進展が早くなる。一方、第２固着層の厚みが非常に小さい場合には、第２固着層に作用する熱応力が非常に大きくなり、第２固着層の亀裂進展が非常に早くなる。
以上の説明から判るように、半導体素子の電極と外部配線との接合部信頼性を得るには、第２固着層の最小厚み及び最大厚みを厳密に規定しなければならない。

第２固着層６の最小厚み及び最大厚みを厳密に規定するために、本実施の形態では、枠部材８には嵌合部８ｂを設け、外部配線７には突起部７ｂを設けている。
即ち、嵌合部８ｂは、外部配線７の転倒防止を図るための構成部分であり、外部配線７の外部接続用端部７ｄと嵌合して外部配線７の位置ずれを規制する。ここで嵌合部８ｂと外部配線７との嵌合は、嵌合部８ｂにおいて外部配線７の接触面の全面で接触してもよいし、上記接触面の一部で接触している状態でもよく、共に同様の効果を発揮出来る。

次に、外部配線７の突起部７ｂは、素子連結部７ａにおいて第２固着層６との接触面７ｅから半導体素子５側へ突出させた部分であり、電力用半導体素子５上の第２固着層６に対して少なくとも1箇所以上に設けている。例えば、一つの電力用半導体素子５上に第２固着層６を２箇所に設けた場合には、各電力用半導体素子５上に２箇所ずつ突起部７ｂが設けられる。また、各突起部７ｂにおける突出高さは、同一に設定することが好ましい。突起部７ｂと第２固着層６との位置関係は、第２固着層６の内部に突起部７ｂを内在させることで厚み規制の効果を発揮できることから、各第２固着層６の端部よりも中央付近に突起部７ｂを設ける方が固着後の仕上がり厚みのバラつきを小さくすることができる。さらに、突起部７ｂに応力集中部が存在すると、繰返し温度ストレスが生じたときに第２固着層６のクラック起点となってしまうため、突起部７ｂの形状は、円筒形状あるいは楕円筒形状が好ましい。

以上説明した、外部配線７における突起部７ｂ、並びに、枠部材８における嵌合部８ｂを設けたことで、第２固着層６の最小厚み及び最大厚みを、ジグの使用無しに厳密に規定することが可能になる。その結果、各半導体素子５の電極と外部配線７との接合部信頼性を従来に比べて向上させることができる。
また、外部配線７の外部接続用端部７ｄは、絶縁基板１０の厚み方向１１に沿って延在し当該電力用半導体装置１０１の表面（上面）から取り出されることから、電力用半導体装置１０１の小型化を実現し、さらに、外部配線７は、複数の半導体素子５に対して設置されることから、生産性及びコスト面での有益性も同時に確保することができる。

また好ましくは、外部配線７において素子連結部７ａから外部接続用端部７ｄへの折り曲げ部分７ｆ（図２）の曲率を大きく設定することで、外部配線７における伸縮あるいは振動の除去（ストレスリリーフ）を大きく確保することができる。また、外部接続用端部７ｄに例えばＳ字型あるいはかんぬき型のベントを設けてストレスリリーフを確保してもよい。

実施の形態２．
図３に示す本実施の形態２の電力用半導体装置１０２は、上述した実施の形態１における外部配線７にさらに工夫を加えた外部配線７−２を有する構成を備える。電力用半導体装置１０２は、外部配線７−２の構成以外、実施の形態１と同じ構成を備えることから、以下では主に外部配線７−２について説明を行う。尚、図４は本実施の形態２における電力用半導体装置１０２の断面図である。

図３及び図４に示す第２固着層６は、はんだの場合であれは、クリームはんだを印刷もしくはディスペンスで供給するか、又は、板状のはんだをマウントすることで、設けられる。このように設けられた、はんだの接合時に発生する問題として、はんだボールの飛散がある。以下に詳しく説明する。

即ち、クリームはんだの場合には、フラックスが揮発する際に、はんだボールの飛散が生じる。また板状はんだの場合には、ドライ還元プロセス中から、はんだ融点を超えて溶融させた場合に、はんだボールの飛散が発生する。板状はんだの場合には、はんだ溶融中のボイド低減を目的とした真空引きプロセス中に発生する飛散がさらに多くなる傾向にある。

このようなはんだボールの飛散は、供給するはんだの量を少なくすることで抑えることができる。しかしながら、供給するはんだ量が不十分な場合、あるいは半導体素子と外部配線との位置関係が定まっていないような場合には、はんだの濡れが不十分な領域が発生し、応力集中による剥離進展の増大を招いてしまう。一方、この濡れ不良を防止するために、はんだ量を必要以上に多く供給してしまうと、上述した、はんだボールの飛散が多くなり、多くの導電性異物を発生させてしまう。

電力用半導体装置では、数百から数千ボルトの動作電圧に対応した空間絶縁距離、沿面絶縁距離を確保しているが、上述の導電性異物が飛散することで、その除去工程、さらに検査工程の追加が生じるとともに品質低下の恐れが生じる。したがって、半導体素子と外部配線との位置関係を厳密に規定し、適切なはんだ量を投入する必要がある。

上述したような観点から、第２固着層６に関して適切なはんだ量を供給可能になるように、本実施の形態２における電力用半導体装置１０２においても、実施の形態１で説明した電力用半導体装置１０１における構成を有し、特に、枠部材８には嵌合部８ｂを設け、外部配線７−２には、突起部７ｂ、さらに凹部７ｃを設けている。
この凹部７ｃは、素子連結部７ａにおける第２固着層６との接触面７ｅに設けられる。また凹部７ｃは、図３及び図４に示すように外部配線７−２を貫通したものでもよいし、図７に示すように非貫通のものでもよい。また凹部７ｃの形状は、図示する円形に限定されず、任意の形状を採用することができる。例えば溝状であってもよい。

このように、接触面７ｅに凹部７ｃを設けることで、第２固着層６を形成するために供給したはんだの逃げ場所が提供され、適切量を超えたはんだ量が供給された場合であっても、余剰量を凹部７ｃに収容することができる。よって、凹部７ｃは、はんだ供給量のバラツキを吸収、言い換えると調整することができる。その結果、導電性異物の発生、及び、はんだの濡れ不良の発生を防止あるいは抑制することができ、第２固着層６の厚さを厳密に規定することができる。その結果、各半導体素子５の電極と外部配線７との接合部信頼性を従来に比べてさらに向上させることができる。勿論、導電性異物に起因する不良も抑制することができる。

実施の形態３．
図５に示す本実施の形態３の電力用半導体装置１０３は、上述した実施の形態１又は２における枠部材８にさらに工夫を加えた枠部材８−２を有した構成を備える。電力用半導体装置１０３は、枠部材８−２の構成以外、実施の形態１又は２と同じ構成を備えることから、以下では主に枠部材８−２について説明を行う。

枠部材８−２は、本実施の形態では、第３固着層９との接触面８ｅに、嵌合部８ｂに加えて、凸部８ｃをさらに有する。凸部８ｃは、図５内の拡大図に示すように、接触面８ｅから第１導体層１側へ突出する構成部分である。ここで接触面８ｅは、第１導体層１へ枠部材８−２を固定する第３固着層９に枠部材８−２が接触する面である。
既に説明した外部配線７における突起部７ｂ、並びに、枠部材８−２において嵌合部８ｂ及び凸部８ｃを設けたことで、第２固着層６の最小厚み及び最大厚みを、ジグの使用無しに厳密に規定することが可能になる。その結果、各半導体素子５の電極と外部配線７との接合部信頼性を従来に比べて向上させることができる。

詳しく説明すると、凸部８ｃを設けることで、第３固着層９の厚みを規定することができ、かつ、第１導体層１に対する枠部材８−２の配置が適確にできる。よって、枠部材８−２に設けた嵌合部８ｂと外部配線７との位置関係の誤差を最小限に抑えることが可能となる。このように凸部８ｃは、外部配線７の安定した位置決めに寄与し、ひいては第２固着層６の厚みを規定することを可能にする。

ここで凸部８ｃは、接触面８ｅに対して、少なくとも３箇所に設ければ、必要最低限の厚み規定機能を有することが可能である。一方、厚み規定機能をより確実なものにするためには、凸部８ｃは、枠部材８−２の接触面８ｅに連続して設けてもよいし、接触面８ｅに不連続で飛び飛びに設けてもよい。

実施の形態４．
図６を参照して本実施の形態４の電力用半導体装置１０４について説明する。この電力用半導体装置１０４も実施の形態３で説明した枠部材８−２を有する。尚、図６は、実施の形態２の電力用半導体装置１０２つまり外部配線７−２を有する構成において、枠部材８を枠部材８−２に換えた構成を示しているが、実施の形態１の電力用半導体装置１０１において、枠部材８を枠部材８−２に換えた構成を採ることもできる。

本実施の形態４の電力用半導体装置１０４においても、枠部材８−２は、接触面８ｅから第１導体層１側へ突出する凸部８ｃを有し、枠部材８−２と第１導体層１との距離を厳密に定め、第３固着層９の厚みを規定することで、外部配線７−２と枠部材８−２の嵌合部８ｂの位置関係の誤差を最小限に抑制する構造としている。ここで第３固着層９にはシリコーン系接着剤を用いることが、作業の観点では好ましい。

しかしながら、第３固着層９が第１導体層１の上面から側面を流れ落ち、絶縁層２との界面まで達する場合には、第３固着層９内に空気等のボイドが封入されてしまい電界分布が劣化する恐れがある。その結果、絶縁層２の沿面放電距離、すなわち第１導体層１から第２導体層３までの沿面放電距離が不足してしまう可能性が生じる場合も考えられる。

そこでこのような可能性の発生を抑えるために本実施の形態４の電力用半導体装置１０４では、枠部材８−２において、第３固着層９との接触面８ｅに凹部８ｄを設けた。凹部８ｄを設けたことで、第３固着層９の逃げ場所が提供され、適切な量を超えた第３固着層９が供給された場合であっても、余剰量を凹部８ｄに収容することができる。よって、凹部８ｄは、第３固着層９量のバラツキを吸収、言い換えると調整することができる。

その結果、第３固着層９が過剰であった場合でも、第３固着層９が第１導体層１の上面から絶縁層２の界面まで流れ落ちるのを防止でき、ボイド形成を防止し、上述した沿面放電距離の不足の発生を防止することができる。
また、枠部材８の形状において全体で反り等の歪みがある場合、及び、第１導体層１の形状においても反り等の歪みがある場合でも、第３固着層９量を適正化することが可能となる。よって、電力用半導体装置１０４の生産性を飛躍的に向上させることが可能となる。

実施の形態５．
本実施の形態５における電力用半導体装置は、上述した実施の形態１から４における外部配線７あるいは外部配線７−２に関して工夫を施した電力用半導体装置である。よって以下では、主に外部配線７あるいは外部配線７−２に関して説明を行う。
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台とエンジンとのハイブリッドシステム用のもの、又は、モーターのみの電気自動車用のもの等、多種多様化しており、この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。そして、小型化という課題に合わせて、様々な信頼性スペックに応じて安価で高品質なインバータが求められている。

特に、上述した第２固着層６に関連した接合部信頼性について、さらに高い信頼性が要求される場合には、外部配線７及び外部配線７−２は、その材料としてＣｕを適用することのみならず、外部配線７及び外部配線７−２の線膨張係数を半導体素子（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。外部配線７及び外部配線７−２が、例えば、Ｃｕ、インバー（つまりＦｅ−３６％Ｎｉ合金）、Ｃｕの３層に積層したクラッド材料の場合、これらの厚み比を調整することで、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可能である。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Ｃｕ（１７ｐｐｍ／Ｋ）との間で、外部配線７及び外部配線７−２の線膨張係数を任意に変化させることが可能である。例えば、外部配線７及び外部配線７−２の線膨張係数を、Ｃｕ合金における線膨張係数よりも小さく半導体素子における線膨張係数よりも大きく設定可能である。

以上のことから、外部配線７及び外部配線７−２と、電力用半導体素子５との線膨張係数差を小さくすることで、第２固着層６のひずみ量は格段に低減し、その結果、外部配線７及び外部配線７−２の接合部信頼性を向上させることが可能となる。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出願人は確認している。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接続信頼性を向上させることが可能であることが判っている。

このように、外部配線７及び外部配線７−２は、材料自体及び形状を変更することのみで、接続信頼性を格段に向上させることができる。よって、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、外部配線７及び外部配線７−２の材料及び形状の変更のみで対処可能となるため、電力用半導体装置の製造工程の共通化を図ることが実現でき、製造コストの低減を達成可能である。したがって、小型、高耐震、低コストであるインバータを実現することが可能である。

尚、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。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
又、２０１５年１０月２８日に出願された、日本国特許出願Ｎｏ．特願２０１５−２１１５８３号の明細書、図面、特許請求の範囲、及び要約書の開示内容の全ては、参考として本明細書中に編入されるものである。

１第１導体層、２絶縁層、３第２導体層、４第１固着層、５半導体素子、
６第２固着層、７外部配線、７ａ素子連結部、７ｂ突起部、７ｃ凹部、
７ｄ外部接続用端部、７ｅ接触面、７−２外部配線、
８枠部材、８ｂ嵌合部、８ｃ凸部、８ｄ凹部、８ｅ接触面、
８−２枠部材、９第３固着層、１０絶縁基板、
１０１〜１０４電力用半導体装置。

Claims

絶縁層における厚み方向の対向面に第１導体層及び第２導体層を有する絶縁基板と、
上記第１導体層に第１固着層を介して接合した複数の半導体素子と、
それぞれの上記半導体素子で共用する外部配線であり、当該外部配線と上記第１導体層との間に上記半導体素子が位置し上記第１導体層に沿って延在した状態で第２固着層を介して各半導体素子に接合する素子連結部、及びこの素子連結部の一端を上記厚み方向へ折り曲げた外部接続用端部を有する、外部配線と、
上記第１導体層上の複数の半導体素子の周囲に第３固着層を介して上記第１導体層に接合された枠部材と、を備え、
上記枠部材は、上記外部接続用端部と嵌合する嵌合部を有し、
上記外部配線は、上記半導体素子側へ突出する、少なくとも２つの突起部を有する、
ことを特徴とする電力用半導体装置。
上記素子連結部は、上記第２固着層との接触面に凹部を有する、請求項１に記載の電力用半導体装置。
上記枠部材は、上記第３固着層との接触面に上記第１導体層側へ突出する凸部をさらに有する、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、上記第３固着層との接触面に凹部をさらに有する、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。
上記外部配線は、Ｃｕ合金における線膨張係数よりも小さく半導体素子における線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する、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。