JP6743728B2 - 半導体パワーモジュール及び電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体パワーモジュール及び電力変換装置に関する。
半導体パワーモジュールは高電圧で電流のオン・オフを長期間において連続で行うため、高い信頼性が要求されている。耐圧に対する信頼性を向上させるために、絶縁樹脂で基板電極を覆うことで電流リークを抑えている。例えば、セラミック絶縁基板上の基板電極表面にポリイミド系又はポリアミドイミド系の絶縁樹脂を薄く塗布して硬化させて、耐圧に対する信頼性を向上させている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−３２６１７号公報
ポッティング法を用いて厚み５μｍ〜１００μｍの絶縁樹脂を塗布するが、塗布後の樹脂の表面張力又は樹脂を硬化させる時の体積収縮により、基板電極の上端部は絶縁樹脂で覆われない。そのため、基板電極間で電流がリークして基板電極の上端部で異常放電が発生し、基板電極が破壊されるという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は耐圧に対する信頼性を向上させることができる半導体パワーモジュール及び電力変換装置を得るものである。
本発明に係る半導体パワーモジュールは、上面に凹部が形成された絶縁基板と、前記凹
部に埋め込まれ、前記凹部の底面にはんだ又はろう材で接合された基板電極と、前記基板電極の上に接合された半導体素子と、前記基板電極の上端部を覆い、前記基板電極の上面の前記上端部よりも内側の領域及び前記半導体素子を覆わない絶縁樹脂とを備えることを特徴とする。
本発明では、基板電極は絶縁基板の凹部に埋め込まれている。これにより、絶縁基板と基板電極との間に段差ができないため、基板電極の表面に均一に絶縁樹脂を形成して基板電極の上端部を確実に絶縁樹脂で覆うことができる。従って、耐圧に対する信頼性を向上させることができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体パワーモジュールを示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る絶縁基板と基板電極を拡大した断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの製造方法を示す断面図である。 比較例に係る半導体パワーモジュールを示す断面図である。 図８の破線で囲った部分を拡大した断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体パワーモジュールを示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る絶縁基板と基板電極を拡大した断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体パワーモジュールの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体パワーモジュールの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体パワーモジュールの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
本発明の実施の形態に係る半導体パワーモジュール及び電力変換装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体パワーモジュールを示す断面図である。セラミックなどの絶縁基板１の上面に凹部２が形成されている。基板電極３がはんだ４を介して凹部２に埋め込まれている。図２は、本発明の実施の形態１に係る絶縁基板と基板電極を拡大した断面図である。基板電極３の厚みｈは２００μｍ〜８００μｍであり、凹部２の深さｄ以下である。
半導体素子５が基板電極３の上にはんだ６を介して接合されている。厚み５μｍ〜１００μｍのポリイミド系又はポリアミドイミド系の絶縁樹脂７が基板電極３の上端部を覆う。半導体素子５の上面に電圧を印加するためのワイヤ配線８が接続されている。シリコンゲル９が基板電極３及び半導体素子５を覆っている。
続いて、本実施の形態に係る半導体パワーモジュールの製造方法を説明する。図３〜７は、本発明の実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの製造方法を示す断面図である。まず、図３に示すように、絶縁基板１の上面に凹部２を形成する。次に、図４に示すように、凹部２の底面にはんだ４を形成する。
次に、図５に示すように、凹部２にアルミ箔板、銅箔板又はそれらの金属ペースなどの導電性の金属をはんだ４を使って高温接合させて基板電極３を形成する。なお、はんだ４の代わりにろう材を用いてもよく、基板電極３をスパッタで形成してもよい。
次に、図６に示すように、基板電極３の上端部を覆うように絶縁樹脂７をポッティング法により薄く塗布して硬化させる。次に、図７に示すように、基板電極３の上面にはんだ６を介して半導体素子５を接合させる。その後、半導体素子５へのワイヤ接続などを実施する。
続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図８は、比較例に係る半導体パワーモジュールを示す断面図である。図９は図８の破線で囲った部分を拡大した断面図である。比較例では、絶縁基板１の上面に凹部２が形成されておらず、平坦な上面に基板電極３が形成されている。従って、絶縁基板１と基板電極３の間に高い段差がある。塗布後の絶縁樹脂７の表面張力又は絶縁樹脂７を硬化させる時の体積収縮により、基板電極３の上端部は絶縁樹脂７で覆われない。そのため、基板電極３間で電流がリークして基板電極３の上端部で異常放電が発生し、基板電極３が破壊されてしまう。
これに対して、本実施の形態では、基板電極３は絶縁基板１の凹部２に埋め込まれており、基板電極３の上面の高さは絶縁基板１の上面の高さ以下である。これにより、絶縁基板１と基板電極３との間に段差ができないため、基板電極３の表面に均一に絶縁樹脂７を形成して基板電極３の上端部を確実に絶縁樹脂７で覆うことができる。従って、基板電極３間で電流がリークせず、基板電極３の上端部で異常放電は発生しないため、耐圧に対する信頼性を向上させることができる。また、絶縁性が高まることで基板電極３間の距離を短く設計することができるため、モジュールを小型化することができる。モジュールの小型化によりモジュールの冷却性能が高くなり、電力損失が少なくなり性能が向上する。
実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２に係る半導体パワーモジュールを示す断面図である。図１１は、本発明の実施の形態２に係る絶縁基板と基板電極を拡大した断面図である。実施の形態１とは異なり、基板電極３の幅ｗ２が凹部２の幅ｗ１よりも小さい。絶縁樹脂７は基板電極３の上端部及び側面も覆う。絶縁樹脂７の厚みは（ｗ１−ｗ２）／２よりも小さい。その他の構成は実施の形態１と同様である。
続いて、本実施の形態に係る半導体パワーモジュールの製造方法を説明する。図１２〜１４は、本発明の実施の形態２に係る半導体パワーモジュールの製造方法を示す断面図である。まず、実施の形態１と同様に図３及び図４の工程を実施する。次に、図１２に示すように、凹部２内に、凹部２よりも幅が狭い基板電極３を形成する。次に、図１３に示すように、基板電極３の上端部及び側面を覆うように絶縁樹脂７をポッティング法により薄く塗布して硬化させる。次に、図１４に示すように、基板電極３の上面にはんだ６を介して半導体素子５を接合させる。その後の工程は実施の形態１と同様である。
本実施の形態では、絶縁樹脂７は基板電極３の上端部だけでなく側面も覆う。これにより、基板電極３の側面に対して横方向のリーク電流を抑えることができ、横方向の絶縁耐圧が高まるため、更にデバイスの信頼性が向上する。
なお、半導体素子５は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体素子は、耐電圧性と許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体素子を用いることで、この半導体素子を組み込んだ半導体パワーモジュールも小型化・高集積化できる。また、半導体素子の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体パワーモジュールを更に小型化できる。また、半導体素子の電力損失が低く高効率であるため、半導体パワーモジュールを高効率化できる。
実施の形態３．
本実施の形態は、上述した実施の形態１又は２に係る半導体パワーモジュールを電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態３として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
図１５は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００を有する。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成でき、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成してもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成してもよい。
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、又は、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子と各還流ダイオードは、上述した実施の形態１又は２に相当する半導体パワーモジュール２０２によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体パワーモジュール２０２に内蔵されていてもよいし、半導体パワーモジュール２０２とは別に駆動回路を設けてもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるように主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１又は２にかかる半導体パワーモジュールを適用するため、耐圧に対する信頼性を向上させることができる。
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベル又はマルチレベルの電力変換装置でも構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータ又はＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することもできる。
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、誘導加熱調理器又は非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システム又は蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
１ 絶縁基板、２ 凹部、３ 基板電極、５ 半導体素子、７ 絶縁樹脂、１００ 電源、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 半導体パワーモジュール、２０３ 制御回路、３００ 負荷

Claims (6)

  1. 上面に凹部が形成された絶縁基板と、
    前記凹部に埋め込まれ、前記凹部の底面にはんだ又はろう材で接合された基板電極と、
    前記基板電極の上に接合された半導体素子と、
    前記基板電極の上端部を覆い、前記基板電極の上面の前記上端部よりも内側の領域及び
    前記半導体素子を覆わない絶縁樹脂とを備えることを特徴とする半導体パワーモジュール
    。
  2. 前記絶縁樹脂はポリイミド系又はポリアミドイミド系の材料からなることを特徴とする
    請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
  3. 前記基板電極及び前記半導体素子を覆うシリコンゲルを更に備えることを特徴とする請
    求項１又は２に記載の半導体パワーモジュール。
  4. 前記基板電極の上面の高さは前記絶縁基板の前記上面の高さ以下であることを特徴とす
    る請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体パワーモジュール。
  5. 上面に凹部が形成された絶縁基板と、
    前記凹部に埋め込まれた基板電極と、
    前記基板電極の上に接合された半導体素子と、
    前記基板電極の上端部を覆い、前記基板電極の上面の前記上端部よりも内側の領域及び
    前記半導体素子を覆わない絶縁樹脂とを備え、
    前記基板電極の幅は前記凹部の幅よりも小さく、
    前記絶縁樹脂は前記基板電極の側面も覆うことを特徴とする半導体パワーモジュール。
  6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体パワーモジュールを有し、入力される電力を
    変換して出力する主変換回路と、
    前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路とを備えるこ
    とを特徴とする電力変換装置。
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