JP6783327B2 - 半導体装置および電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置および電力変換装置に関し、特にパワーモジュールとしての半導体装置およびそれを含む電力変換装置に関するものである。

半導体装置のうち特に大電流を扱うパワーモジュールにおいて、従来、そこに含まれるパワー半導体素子の動作を制御するための信号配線にはボンディングワイヤなどの部材が用いられていた。すなわちパワー半導体素子の制御信号パッドと、パワーモジュールの外部と電気的に接続するための制御信号端子とが、ボンディングワイヤなどの配線部材により接合されていた。

輸送機器などの機械的に振動するような環境で使用されるパワーモジュールにおいては、制御信号パッドと制御信号端子とを接合するボンディングワイヤが、振動および熱疲労によって断線し、パワーモジュールの制御が不能となる場合がある。

またパワーモジュールにおいては、制御信号端子がパワー半導体素子の周囲に配置され、制御信号端子がワイヤボンディング法などにより制御信号パッドと接合される。このため、制御信号端子を配置するためのスペース、およびワイヤボンディング時に接合ツールが可動するための領域を確保する必要がある。したがってボンディングワイヤを用いたパワーモジュールは、その平面積が大きくなることにより大型化する問題がある。

このような問題に対処するため、たとえば特開２０１０−２８７７２６号公報（特許文献１）においては、パワー半導体素子の制御信号パッドに、絶縁性ブロックの内部で固定された制御信号端子が、はんだを介して接合される構成が開示されている。かかる構造を適用することにより、制御信号パッドと制御信号端子との熱疲労による破壊が抑制される。また制御信号端子はパワー半導体素子の主表面に交差する厚み方向に沿って延びるため、このような制御信号端子の接合により、当該半導体装置の平面積の増加を抑制することができる。

ただし、特開２０１０−２８７７２６号公報の半導体装置においては、半導体チップがベースリードにはんだ付け接合されており、ベースリードのさらに下方に配置されるべき回路基板と制御信号パッドなどとの位置関係が不明確となっている。一方、回路基板を明確に示したうえで、上記制御信号端子などが明記された、パワーモジュールなどの電力用半導体装置の構成が、たとえば特開２０１５−４１７１６号公報（特許文献２）および特開平８−１２５１１５号公報（特許文献３）に開示されている。

特開２０１０−２８７７２６号公報 特開２０１５−４１７１６号公報 特開平８−１２５１１５号公報

しかしながら、特開２０１５−４１７１６号公報および特開平８−１２５１１５号公報においてはいずれも、制御信号端子がパワー半導体素子と直接接合されていない。つまり上記各公報においては制御信号端子と回路基板との電気的接続は、パワー半導体素子の平面視における外側においてなされる。このためたとえば制御信号端子がパワー半導体素子上に重なるように接合される場合に比べてその平面積がやや大きくなるという問題がある。

本願発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路基板を備える電力用半導体装置において、その平面積の増加を抑制することが可能な半導体装置、およびそのような半導体装置を有する電力変換装置を提供することである。

本発明の半導体装置は、回路基板と、パワー半導体素子と、絶縁性ブロックと、制御信号端子と、第１の主端子と、第２の主端子とを備える。パワー半導体素子は回路基板の一方の主表面上に接合される。絶縁性ブロックはパワー半導体素子を囲うように配置され、パワー半導体素子の真上が開口部となっている。制御信号端子は絶縁性ブロック内に挿入されるように絶縁性ブロックに固定され、屈曲部を含み、屈曲部は絶縁性ブロックからパワー半導体素子上に部分的に突出し、パワー半導体素子と接合される。第１の主端子は制御信号端子が接合されたパワー半導体素子と同一のパワー半導体素子に接合される。第２の主端子は回路基板に接合される。

本発明によれば、制御信号端子が第１の主端子と共に同一のパワー半導体素子に直接接合される。このため、たとえば制御信号端子がパワー半導体素子の外側に配置されボンディングワイヤを介してパワー半導体素子と接合される場合に比べて平面視におけるスペースを節約でき、当該半導体装置をより小型化できる。

実施の形態１のパワーモジュールの構成の概略平面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う部分の構成の概略断面図である。 実施の形態２の第１例のパワーモジュールの構成を示す、実施の形態１の図２に相当する概略断面図である。 実施の形態２の第２例のパワーモジュールの構成を示す、実施の形態１の図２に相当する概略断面図である。 実施の形態３のパワーモジュールの構成を示す、実施の形態１の図２に相当する概略断面図である。 実施の形態４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。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
実施の形態１．
まず本実施の形態の半導体装置の構成として、パワーモジュールの構成について図１および図２を用いて説明する。図１は実施の形態１のパワーモジュールの構成を概略的に示す上面図である。図２は実施の形態１のパワーモジュールの構成を概略的に示す断面図である。

図１および図２を参照して、本実施の形態の半導体装置としてのパワーモジュール１０１は、回路基板１と、パワー半導体素子３と、絶縁性ブロック５と、制御信号端子７と、主端子９とを主に有している。

回路基板１は、パワーモジュール１０１全体の土台としての平板状の部材である。回路基板１は、絶縁部材１ａと、回路パターン１ｂと、金属層１ｃとを有している。

絶縁部材１ａは、たとえばセラミックスの平板状基板であり、平面視においてたとえば矩形状を有している。当該セラミックスの材料としては、たとえばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素からなる群から選択されるいずれかが用いられることが好ましいがこれらに限られない。また絶縁部材１ａはセラミックスの材料により形成される必要はなく、絶縁部材１ａはたとえばセラミックスフィラーを充填した有機材料により形成されてもよい。このような有機材料としては、たとえばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シアネート系樹脂からなる群から選択されるいずれかが用いられることが好ましい。またここで用いられるセラミックスフィラーとしては、たとえばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなる群から選択されるいずれかが用いられることが好ましい。

回路パターン１ｂは、絶縁部材１ａの図２における上側（パワー半導体素子３側）の主表面上の少なくとも一部を覆うように形成されている。回路パターン１ｂは１つまたは複数の、たとえば平面視において矩形状のパターンであることが好ましい。また金属層１ｃは、絶縁部材１ａの図２における下側（パワー半導体素子３と反対側）の主表面上の少なくとも一部を覆うように形成されている。金属層１ｃは１つまたは複数の、たとえば平面視において矩形状のパターンであることが好ましい。

回路パターン１ｂおよび金属層１ｃは、たとえば銅の薄膜により形成されているが、回路パターン１ｂおよび金属層１ｃを構成する材料はこれに限られない。回路パターン１ｂおよび金属層１ｃを構成する材料は、絶縁部材１ａと直接接合法または活性金属接合法により接合することが可能な任意の材料とすることができる。具体的には、回路パターン１ｂおよび金属層１ｃに用いられる材料は、高い電気伝導性を有する材料であることが好ましい。なおここで直接接合法とは、絶縁部材１ａおよび回路パターン１ｂを、または絶縁部材１ａおよび金属層１ｃを、直接反応により接合する方法である。またここで活性金属接合法とは、絶縁部材１ａおよび回路パターン１ｂを、または絶縁部材１ａおよび金属層１ｃを、チタンまたはジルコニウムなどの活性金属を添加したロウ材により接合する方法である。

パワー半導体素子３は、たとえば平面視において矩形状の半導体チップとして形成されている。パワー半導体素子３は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheel Diode）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などにより構成されることが好ましい。ただしパワー半導体素子３の種類は上記各種に限られるものではない。図１および図２においてはパワー半導体素子３は互いに間隔をあけて２つのパワー半導体素子３ａ，３ｂとして形成されているが、その数はこれに限られるものではない。パワー半導体素子３、すなわち２つのパワー半導体素子３ａ，３ｂは、回路基板１の一方の主表面すなわち図２の上側（パワー半導体素子３側）の主表面上の少なくとも一部の上に接合されている。具体的には、パワー半導体素子３ａは、回路基板１の回路パターン１ｂの上側の主表面上の一部に、素子接合材３ａｇを介して接合されている。同様に、パワー半導体素子３ｂは、回路基板１の回路パターン１ｂの上側の主表面上の一部に、素子接合材３ｂｇを介して接合されている。

素子接合材３ａｇ，３ｂｇは、パワー半導体素子３ａ，３ｂの図示しない裏面電極と回路パターン１ｂとの間に設けられており、これにより、パワー半導体素子３ａ，３ｂの裏面電極と回路パターン１ｂとが接合されている。素子接合材３ａｇ，３ｂｇとしては、たとえば鉛およびスズを含有する高温用はんだが用いられることが好ましい。ただし、素子接合材３ａｇ，３ｂｇに用いられる材料はこれに限定されるものではない。具体的には、素子接合材３ａｇ，３ｂｇに用いられる材料として、たとえば銀ナノ粒子ペースト、または銀粒子およびエポキシ樹脂を含む導電性接着材を用いることもできる。

パワー半導体素子３ａの一方すなわち上側の主表面上には、制御信号パッド３ｐおよび、主電極パッド３ａｐが形成されている。パワー半導体素子３ｂの一方すなわち上側の主表面上には、主電極パッド３ｂｐが形成されている。ただしパワー半導体素子３ａ，３ｂの主表面上に形成されるパッドの種類はこれらに限られるものではない。パワー半導体素子３ａ，３ｂの表面上には制御信号パッド３ｐおよび主電極パッド３ａｐ，３ｂｐの双方が形成されてもよいが、制御信号パッド３ｐおよび主電極パッド３ａｐ，３ｂｐのいずれか一方のみが形成されてもよい。たとえば図２のパワー半導体素子３ａ上には制御信号パッド３ｐと主電極パッド３ａｐとの双方が形成されているが、図２のパワー半導体素子３ｂ上には主電極パッド３ｂｐのみ形成されている。なお図１の平面図においては制御信号パッド３ｐが互いに間隔をあけて３つ形成されているが、制御信号パッド３ｐの数はこれに限られない。

制御信号パッド３ｐおよび主電極パッド３ａｐ，３ｂｐとしては、良好な電気的特性および機械的特性を保つ観点から、アルミニウム、銅、銀、ニッケル、金からなる群から選択されるいずれか１種、あるいはいずれか２種以上の合金が用いられることが好ましい。

絶縁性ブロック５は、図１の平面視においてパワー半導体素子３を囲うように配置されており、たとえばパワー半導体素子３を矩形状に囲うように形成されている。具体的には、絶縁性ブロック５は、パワー半導体素子３ａ，３ｂの真上において開口部５ｃを有するように形成されている。すなわち絶縁性ブロック５は、図１の平面視におけるパワー半導体素子３の周囲に配置されているが、パワー半導体素子３の真上には配置されていない。絶縁性ブロック５は、たとえば図２等に示されない接着材により、回路パターン１ｂの上側の主表面上の平面視における比較的外側の領域に接合されている。このため回路パターン１ｂの上側の主表面と、矩形の枠状の絶縁性ブロック５とにより筐体が形成されており、パワー半導体素子３などは当該筐体内に収納された態様となっている。しかし絶縁性ブロック５の構成はこれに限られるものではない。たとえば、絶縁性ブロック５が後述の冷却器１３の表面上に接合されていてもよい。

絶縁性ブロック５としては、射出成形可能で耐熱性の高い絶縁性の材料が用いられることが好ましい。具体的には、絶縁性ブロック５は、たとえばポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタラート、液晶樹脂、フッ素系樹脂からなる群から選択されるいずれかからなることが好ましい。絶縁性ブロック５、回路パターン１ｂともに、パワーモジュール１０１の全体の筐体を構成する。

制御信号端子７は、図２に示すように、絶縁性ブロック５内に挿入されている。これにより制御信号端子７は、絶縁性ブロック５に固定されている。制御信号端子７は、図２の水平方向すなわち左右方向に延びる部分と、図２の鉛直方向すなわち上下方向に延びる部分とを有している。そして制御信号端子７は、上記水平方向に延びる部分と上記鉛直方向に延びる部分との境界において屈曲部７ｔを有している。制御信号端子７は、屈曲部７ｔよりも水平方向に延びる部分側が部分的に絶縁性ブロック５内から突出している。また異なる観点から言えば、屈曲部７ｔは絶縁性ブロック５からパワー半導体素子３上に部分的に突出している。このようにして絶縁性ブロック５内から突出された制御信号端子７の部分は、パワー半導体素子３ａと接合されている。具体的には、たとえばパワー半導体素子３ａの一方の主表面上の制御信号パッド３ｐ上には、制御端子接合材７ｇを介して、制御信号端子７が接合されている。すなわち制御信号端子７は、制御信号パッド３ｐと、接合材としての制御端子接合材７ｇを介して接合されている。また制御信号端子７は、その鉛直方向に延びる部分の先端側が部分的に絶縁性ブロック５から露出している。

制御信号端子７は、図１の平面図においては、制御信号パッド３ｐよりも、図１の上下方向の幅が狭くなる態様となっている。しかしこのような態様に限られず、たとえば制御信号端子７の図１の上下方向の幅が制御信号パッド３ｐの当該幅と同じであってもよく、制御信号端子７の方が制御信号パッド３ｐよりも当該幅が広くてもよい。また図１の平面図においては制御信号端子７が互いに間隔をあけて３本形成されているが、制御信号端子７の数はこれに限られない。

次に、主端子９としては、第１の主端子９ａと、第２の主端子９ｂとを有している。第１の主端子９ａは、その下側の面上の第１の主端子接合材９ａｇおよび第２の主端子接合材９ｂｇを介して、パワー半導体素子３ａ，３ｂの上側主表面上の主電極パッド３ａｐ，３ｂｐのそれぞれと接合されている。すなわち第１の主端子９ａは、制御信号端子７が接合されたパワー半導体素子３ａと同一のパワー半導体素子３ａに接合されている。また第１の主端子９ａは、第２の主端子接合材９ｂｇを介して、パワー半導体素子３ｂにも接合されている。すなわち第１の主端子９ａは、パワー半導体素子３ａの主電極パッド３ａｐ、およびパワー半導体素子３ｂの主電極パッド３ｂｐの双方に、接合されている。

第１の主端子９ａも、たとえば制御信号端子７と同様に、図２の水平方向すなわち左右方向に延びる部分と、図２の鉛直方向すなわち上下方向に延びる部分とを有している。そして第１の主端子９ａは、上記水平方向に延びる部分と上記鉛直方向に延びる部分との境界において屈曲部を有している。そして屈曲部よりも水平方向に延びる領域側が、パワー半導体素子３ａの主電極パッド３ａｐと、パワー半導体素子３ｂの主電極パッド３ｂｐとの双方を跨ぐように接合されている。このため第１の主端子９ａは、第２の主端子９ｂおよび制御信号端子７に比べて、その水平方向に沿って延びる部分が長くなっている。なお図２においては、パワー半導体素子３ｂ側に屈曲部を有するように第１の主端子９ａが接合されているがこれに限らず、たとえばパワー半導体素子３ａ側に屈曲部を有するように第１の主端子９ａが接合されてもよい。

以上を言い換えれば、２つのパワー半導体素子３のうちの一方であるパワー半導体素子３ａは制御信号端子７および第１の主端子９ａの双方と接合されているのに対し、他方であるパワー半導体素子３ｂは第１の主端子９ａのみと接合されている。

一方、第２の主端子９ｂは、回路パターン１ｂの上側の主表面上の一部に、第３の主端子接合材９ｃｇを介して、接合されている。第２の主端子９ｂは、制御信号端子７と同様に、絶縁性ブロック５内に挿入されており、これにより絶縁性ブロック５に固定されている。第２の主端子９ｂは、図２の水平方向すなわち左右方向に延びる部分と、図２の鉛直方向すなわち上下方向に延びる部分とを有している。そして第２の主端子９ｂは、上記水平方向に延びる部分と上記鉛直方向に延びる部分との境界において屈曲部を有している。第２の主端子９ｂは、屈曲部よりも水平方向に延びる部分側が部分的に絶縁性ブロック５内から突出している。このようにして絶縁性ブロック５内から突出された制御信号端子７の部分は、第３の主端子接合材９ｃｇを介して、回路パターン１ｂに接合されている。また第２の主端子９ｂは、その鉛直方向に延びる部分の先端側が部分的に絶縁性ブロック５から露出している。

制御信号端子７および第１の主端子９ａ、第２の主端子９ｂは、電気伝導性が良い材料により形成されることが好ましく、たとえば銅、アルミニウム、またはこれらのうち少なくとも一方を含む合金が用いられることが好ましい。ただし制御信号端子７および第１の主端子９ａ、第２の主端子９ｂに用いられる材料はこれらに限られない。

また制御端子接合材７ｇ、第１の主端子接合材９ａｇ、第２の主端子接合材９ｂｇおよび第３の主端子接合材９ｃｇとしては、たとえば鉛およびスズを含有する高温用はんだが用いられることが好ましい。ただし、制御端子接合材７ｇ、第１の主端子接合材９ａｇ、第２の主端子接合材９ｂｇおよび第３の主端子接合材９ｃｇに用いられる材料はこれに限定されるものではない。具体的には、制御端子接合材７ｇ、第１の主端子接合材９ａｇ、第２の主端子接合材９ｂｇおよび第３の主端子接合材９ｃｇに用いられる材料として、たとえば銀ナノ粒子ペースト、または銀粒子およびエポキシ樹脂を含む導電性接着材を用いることもできる。

その他、図１の平面図に示すように、第１の主端子９ａおよび第２の主端子９ｂは板状の配線部材で構成されている。しかし第１の主端子９ａおよび第２の主端子９ｂの形状はこれに限られるものではない。

第１の主端子９ａおよび第２の主端子９ｂは、たとえばアルミニウムの合金ワイヤにより、パワー半導体素子３ａ，３ｂなどに接続されてもよい。その場合は、第１の主端子接合材９ａｇ、第２の主端子接合材９ｂｇおよび第３の主端子接合材９ｃｇが主電極パッド３ａｐ，３ｂｐ上および回路パターン１ｂ上に設けられなくてもよい。また図１および図２においては第２の主端子９ｂは絶縁性ブロック５に挿入されるように固定されているが、本実施の形態においてはそのような構成に限られない。

以上に述べた回路パターン１ｂ、パワー半導体素子３、制御信号端子７の水平方向に延びる部分、第１の主端子９ａおよび第２の主端子９ｂの水平方向に延びる部分などは、封止樹脂１１により封止されている。言い換えれば、封止樹脂１１は、絶縁性ブロック５と回路パターン１ｂとにより構成される筐体の内部を充填するように配置されている。これにより、絶縁性ブロック５内に挿入されそこから突出した制御信号端子７および第２の主端子９ｂが水平方向に延びる部分、および第１の主端子９ａの水平方向に延びる部分はその表面が封止樹脂１１に覆われる態様となっている。第１の主端子９ａの鉛直方向に延びる部分の一部すなわち屈曲部に比較的近い領域についても同様である。

一方、たとえば第１の主端子９ａの鉛直方向に延びる部分の他の一部すなわち屈曲部から離れた先端側の領域については、封止樹脂１１から露出している。また制御信号端子７および第２の主端子９ｂの鉛直方向に延びる部分の先端側の、絶縁性ブロック５から露出した部分についても同様に、封止樹脂１１から露出している。

封止樹脂１１は、たとえばシリコン樹脂により形成されるが、これに限られない。封止樹脂１１としてはたとえばウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、ゴム材からなる群から選択されるいずれか１つ以上を用いることができる。封止樹脂１１は複数の樹脂材料の組み合わせにより構成されてもよく、たとえばゲル状のシリコン樹脂の上にエポキシ樹脂を重ねることにより構成されてもよい。

なお図２においては、封止樹脂１１は絶縁性ブロック５と回路パターン１ｂとにより構成される筐体の内部を充填するように配置されているが、これに限定されない。たとえば封止樹脂１１は上記筐体の内部のみならずその外部まで拡がるように配置されていてもよい。その場合、後述の冷却器１３等に図示しないケース等を設け、封止樹脂１１を充填する必要がある。

パワーモジュール１０１においては、回路基板１の特に金属層１ｃの下側の主表面上に、金属層接合材１ｇを介して、冷却器１３が接合されている。ただし絶縁部材１ａがセラミックスフィラーを充填した有機材料により形成され、かかるセラミックスフィラーがアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなる群から選択されるいずれかが用いられる場合には、金属層１ｃおよび金属層接合材１ｇは不要である。つまりこの場合は冷却器１３上に直接絶縁部材１ａが設置されればよい。

冷却器１３は、パワーモジュール１０１の動作中に発生する熱を外部へ放熱する。そのため冷却器１３は、熱伝導性の良い材料により構成されていることが好ましい。具体的には、冷却器１３の構成材料としては、たとえばアルミニウム、銅のいずれかを主たる成分とする合金、または炭化珪素とアルミニウムとの複合材（Ａｌ−ＳｉＣ）が用いられる。ただし冷却器１３に用いられる材料はこれらに限定されない。また図示されないが、冷却器１３には熱交換を促進するための冷媒の流路が形成されていることが好ましい。

金属層接合材１ｇとしては、たとえば鉛およびスズを含有する高温用はんだが用いられることが好ましい。ただし、金属層接合材１ｇに用いられる材料はこれに限定されるものではない。具体的には、金属層接合材１ｇに用いられる材料として、たとえば銀ナノ粒子ペースト、または銀粒子およびエポキシ樹脂を含む導電性接着材を用いることもできる。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態においては、制御信号端子７が、第１の主端子９ａが接合されるパワー半導体素子３ａと部分的に重なるように配置され、制御信号端子７がパワー半導体素子３ａに直接、制御端子接合材７ｇを介して接合されている。このため、たとえば制御信号端子７がパワー半導体素子３ａの平面視における外側に配置され、制御信号端子７とパワー半導体素子３ａとがボンディングワイヤを介して接合される場合に比べて、スペースを節約することができる。具体的には、ここで節約できるスペースとは、制御信号端子７が仮にパワー半導体素子３ａの外側のたとえば回路基板１上に直接接合される場合に生じるスペース、および制御信号端子７とパワー半導体素子３ａとをワイヤボンディングするために要するスペースの総和である。したがって、本実施の形態によれば、パワーモジュール１０１をより小型化することができる。また制御信号端子７とパワー半導体素子３ａとの接続にボンディングワイヤを用いた場合に生じ得る、振動および熱疲労に起因する断線を抑制することができる。

またパワーモジュール１０１においては、制御信号端子７が絶縁性ブロック５内に挿入されるように固定されている。そして制御信号端子７は、屈曲部を含むことにより水平方向に延び絶縁性ブロック５から部分的に突出した部分が、制御端子接合材７ｇを介して制御信号パッド３ｐと接合されている。制御信号端子７は水平方向に延びる部分を有することにより、その先端部を制御信号パッド３ｐの真上に配置させることができるためである。これにより上記のように、制御信号端子７とパワー半導体素子３ａとは制御端子接合材７ｇを介して接合されている。このため上記のように、制御信号端子７とパワー半導体素子３ａとの接続にボンディングワイヤを用いた場合に生じ得る、振動および熱疲労に起因する断線を抑制することができるとともに、ワイヤボンディングなどのスペース節約により大型化を抑制することができる。

その他、本実施の形態においては、以下のような作用効果も有する。たとえば絶縁性ブロック５が開口部５ｃを有さず、パワー半導体素子３の真上が絶縁性ブロック５に覆われた状態にあれば、制御信号パッド３ｐと制御信号端子７との接合部をパワーモジュール１０１の外部から観察することができない。したがって、制御信号パッド３ｐと制御信号端子７との接合部の出来栄えを外部から視認により評価することが困難である。制御信号パッド３ｐと制御信号端子７とがはんだなどの接合材により接合される場合、両者間の接合位置のずれにより、両者の接合される領域の面積が十分でなく、不良品となる場合がある。この場合に、仮に制御信号パッド３ｐと制御信号端子７との接合状態を外観により評価することができなければ、その接合位置のずれにより接合状態が不良である場合においても製品として出荷されるおそれがある。これを防ぐためには、非破壊検査及び電気特性試験により制御信号パッド３ｐと制御信号端子７との接合状態を調べる必要が生じ、製造コストが増大する問題がある。

そこで本実施の形態においては、絶縁性ブロック５は、パワー半導体素子３を囲むように配置され、パワー半導体素子３の真上が絶縁性ブロック５に覆われず封止樹脂１１に封止された構成となっている。このため制御信号パッド３ｐと制御信号端子７との接合部の出来栄えを外部から視認することができ、上記のような非破壊検査及び電気特性試験を行なうことによるパワーモジュール１０１の製造コストの増大を抑制することがでる。

さらにその他の本実施の形態の作用効果は以下のとおりである。本実施の形態のパワーモジュール１０１においては、第２の主端子９ｂが回路基板１の回路パターン１ｂに、第３の主端子接合材９ｃｇにより接合されている。このため、たとえば第２の主端子９ｂが回路基板１とボンディングワイヤを介して接合される場合に生じ得る、振動および熱疲労に起因する断線を抑制することができる。

実施の形態２．
図３は実施の形態２の第１例のパワーモジュールの構成を概略的に示す断面図である。図３を参照して、本実施の形態の第１例の半導体装置としてのパワーモジュール２０１は、基本的に実施の形態１のパワーモジュール１０１と同様の構成を有するため、同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし本実施の形態のパワーモジュール２０１は、制御端子接合材７ｇを有さず、制御信号端子７が制御信号パッド３ｐの表面に直接接合されている点において、パワーモジュール１０１と構成上異なっている。またパワーモジュール２０１においては、制御信号端子７が水平方向に延びる部分のうち絶縁性ブロック５から突出した部分において、その表面の一部、特に上面の一部に凹部ｃｃ１が形成されている。

パワーモジュール２０１においては、制御信号端子７は制御信号パッド３ｐに、超音波接合法によって接合されている。一般的に、超音波接合時には制御信号端子７などの配線部材の上方から接合ツールを押圧しながら当該制御信号端子７に対して超音波振動を印加することで、制御信号端子７と制御信号パッド３ｐとが接合される。このため、その超音波振動を印加する処理の際に、制御信号端子７の水平部分の上面には、接合ツールによる圧痕が形成される。これにより、制御信号端子７の上面上には凹部ｃｃ１が形成される。

図３のパワーモジュール２０１においては、上記のように制御信号端子７の水平部分の上面上に凹部ｃｃ１が形成されるが、このような態様に限られない。図４は実施の形態２の第２例のパワーモジュールの構成を概略的に示す断面図である。図４を参照して、本実施の形態の第２例の半導体装置としてのパワーモジュール２０２は、基本的にパワーモジュール２０１と同様の構成であるが、制御信号端子７の水平部分の上面に凹部ｃｃ１が形成されておらず、当該上面が平坦面となっている。

可能であれば、図４のパワーモジュール２０２のように、制御信号端子７の水平部分の上面に凹部ｃｃ１を形成することなく、制御信号端子７と制御信号パッド３ｐとが超音波接合法により直接接合されてもよい。なおこの場合においても、たとえば実製品の封止樹脂１１を分解して露出する当該接合部分を外側から視認することにより、制御信号端子７と制御信号パッド３ｐとが超音波接合法により直接接合されていることを容易に判断できる。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態のパワーモジュール２０１，２０２においては、制御信号端子７が制御信号パッド３ｐの表面に、超音波接合法により直接接合されている。このため実施の形態１のパワーモジュール１０１のように制御信号端子７が制御信号パッド３ｐと、制御端子接合材７ｇを介して接合される場合に比べて、制御信号端子７と制御信号パッド３ｐとの接合部の強度を高くすることができる。このため制御信号端子７と制御信号パッド３ｐとの接合部の信頼性をより高くすることができる。

実施の形態３．
図５は実施の形態３のパワーモジュールの構成を概略的に示す断面図である。図５を参照して、本実施の形態の半導体装置としてのパワーモジュール３０１は、基本的に実施の形態１のパワーモジュール１０１と同様の構成を有するため、同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし本実施の形態のパワーモジュール３０１は、制御信号端子７が水平方向に延びる部分のうち絶縁性ブロック５から突出した部分において、その表面の一部、特に下面（回路基板１側の表面）の一部に凹部ｃｃ２が形成されている。このため制御信号端子７の水平方向に延びる部分と制御信号パッド３ｐとの間に挟まれる制御端子接合材７ｇは、その一部が凹部ｃｃ２に嵌まり込むように配置される。つまりパワーモジュール３０１において制御端子接合材７ｇは、その一部の表面が凹部ｃｃ２の内壁面に接触するように嵌まり込んでいる。

凹部ｃｃ２の寸法は、制御信号端子７、制御信号パッド３ｐおよび制御端子接合材７ｇの寸法に応じて任意に定められ、たとえば平面視において縦方向の寸法３００μｍ×横方向の寸法４００μｍ程度とすることが好ましい。言い換えれば凹部ｃｃ２は、縦方向、横方向ともに３００μｍ以上４００μｍ以下程度であることが好ましい。

なお凹部ｃｃ２は凹部ｃｃ１と異なり、超音波接合工程により形成されたものではなく、制御信号端子７と制御信号パッド３ｐとを接合する工程を行なう前に予め形成されるものである。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態のパワーモジュール３０１においては、制御信号端子７が凹部ｃｃ２と制御端子接合材７ｇとにより位置決めされる。制御端子接合材７ｇの一部の表面が凹部ｃｃ２の内壁面に接触するように嵌まり込み、制御端子接合材７ｇの凹部ｃｃ２に対する位置が決定されるためである。このため制御信号端子７と制御信号パッド３ｐとの接合位置のばらつきを抑制することができる。

実施の形態４．
本実施の形態は、上述した実施の形態１〜３にかかる半導体装置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４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６は、本実施の形態にかか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。

図６に示す電力変換システムは、電源１０００、電力変換装置２０００、負荷３０００から構成される。電源１０００は、直流電源であり、電力変換装置２０００に直流電力を供給する。電源１０００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、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１０００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することとしてもよい。

電力変換装置２０００は、電源１０００と負荷３０００の間に接続された三相のインバータであり、電源１０００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３０００に交流電力を供給する。電力変換装置２０００は、図６に示すように、入力される直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１０と、主変換回路２０１０を制御する制御信号を主変換回路２０１０に出力する制御回路２０３０とを備えている。

負荷３０００は、電力変換装置２０００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３０００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、もしくは、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２０００の詳細を説明する。主変換回路２０１０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１０００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３０００に供給する。主変換回路２０１０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２０１０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２０１０の各スイッチング素子および各還流ダイオードの少なくともいずれかを、上述した実施の形態１〜３のいずれかのパワーモジュール１０１，２０１，２０２，３０１に相当する半導体モジュール２０２０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２０１０の３つの出力端子は、負荷３０００に接続される。

また、主変換回路２０１０は、上記の各スイッチング素子および各還流ダイオードの少なくともいずれか（以下「（各）スイッチング素子」と記載）を駆動する駆動回路（図示なし）を備えている。しかし駆動回路は半導体モジュール２０２０に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２０２０とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１０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２０１０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２０３０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）となり、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２０３０は、負荷３０００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１０のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３０００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１０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２０１０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２０１０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２０１０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１〜３にかかるパワーモジュールを適用するため、電力変換装置の小型化、振動および熱疲労に起因する断線の抑制などを実現することができる。

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レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、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コンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。

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、又は誘導加熱調理器や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や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。

以上に述べた各実施の形態（に含まれる各例）に記載した特徴を、技術的に矛盾のない範囲で適宜組み合わせるように適用してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 回路基板、１ａ 絶縁部材、１ｂ 回路パターン、１ｃ 金属層、１ｇ 金属層接合材、３，３ａ，３ｂ パワー半導体素子、３ａｇ，３ｂｇ 素子接合材、３ａｐ，３ｂｐ 主電極パッド、３ｐ 制御信号パッド、５ 絶縁性ブロック、５ｃ 開口部、７ 制御信号端子、７ｇ 制御端子接合材、７ｔ 屈曲部、９ 主端子、９ａ 第１の主端子、９ａｇ 第１の主端子接合材、９ｂ 第２の主端子、９ｂｇ 第２の主端子接合材、９ｃｇ 第３の主端子接合材、１１ 封止樹脂、１３ 冷却器、１０１，２０１，２０２，３０１ パワーモジュール、１０００ 電源、２０００ 電力変換装置、２０１０ 主変換回路、２０３０ 制御回路、３０００ 負荷、ｃｃ１，ｃｃ２ 凹部。

Claims (5)

1. 回路基板と、
   前記回路基板の一方の主表面上に接合されたパワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子を囲うように配置され、前記パワー半導体素子の真上が開口部となっている絶縁性ブロックと、
   前記絶縁性ブロック内に挿入されるように前記絶縁性ブロックに固定され、屈曲部を含み、前記屈曲部は前記絶縁性ブロックから前記パワー半導体素子上に部分的に突出し、前記パワー半導体素子と接合された制御信号端子と、
   前記制御信号端子が接合された前記パワー半導体素子と同一の前記パワー半導体素子に接合された第１の主端子と、
   前記回路基板に接合された第２の主端子とを備える、半導体装置。
2. 前記パワー半導体素子の一方の主表面上には制御信号パッドが形成され、
   前記制御信号端子は、前記制御信号パッドと、接合材を介して接合される、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記パワー半導体素子の一方の主表面上には制御信号パッドが形成され、
   前記制御信号端子は、前記制御信号パッドの表面に直接接合される、請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記制御信号端子の前記回路基板側の表面の一部に凹部が形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置を有し、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備えた電力変換装置。

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