JP6800121B2

JP6800121B2 - 半導体装置および電力変換装置

Info

Publication number: JP6800121B2
Application number: JP2017180911A
Authority: JP
Inventors: 兼士田上; 祐介石山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2020-12-16
Anticipated expiration: 2037-09-21
Also published as: JP2019057611A

Description

本発明は、電気自動車および電車等のモータを制御するインバータおよび回生用のコンバータに使用される、半導体装置およびこれを備えた電力変換装置に関するものである。

従来の半導体装置では、半導体素子がケースユニット内に組み込まれ、半導体素子に設けられた端子と、ケースユニットに設けられた端子とが溶接されている。良好な溶接を実施するために端子の先端部を王冠型形状にすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、両端子の導通が必須であることから、半導体素子の端子の先端側をケースユニットの端子側に傾斜させて両端子の先端部が接触し易い構造となっている。

特開２００９−１９３９２８号公報

しかしながら、半導体素子の端子の先端側がケースユニットの端子側に傾斜しているため、半導体素子をケースユニット内に組み込む際に、半導体素子の端子とケースユニットの端子との摩擦抵抗により引っ掛かりが発生し、半導体素子を最下点まで押し込めないという問題があった。

半導体素子を最下点まで押し込めない場合、半導体素子の裏面に塗布されたグリスが広がらず放熱性が悪化する。これにより、半導体装置の信頼性低下を引き起こすという問題があった。

そこで、本発明は、半導体素子の放熱性を向上させて半導体装置の信頼性向上を図ることが可能な技術を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、壁部を有し、かつ、第１端子が設けられたケースユニットと、前記ケースユニット内に組み込まれ、かつ、前記第１端子と接合される第２端子が設けられた半導体素子とを備え、前記第１端子は前記壁部から上方に延び、前記第２端子は、前記第１端子に対向するように前記半導体素子から上方に延び、かつ、孔を有し、前記第１端子と前記第２端子とが重なる範囲において、前記第２端子の表面積は前記第１端子の表面積より小さく形成され、前記第２端子は、前記第１端子との接触面とは反対側の面に設けられた切込みをさらに有し、前記切込みは、前記第２端子における前記第１端子との接触面とは反対側の面において前記第２端子の折り曲げられた部分より先端側に設けられたものである。

本発明によれば、第１端子と第２端子とが重なる範囲において、第２端子の表面積は第１端子の表面積より小さいため、半導体素子をケースユニット内に組み込む際に第１端子と第２端子との摩擦抵抗が低減し、半導体素子を最下点まで押し込みやすくなる。これにより、半導体素子とケースユニットとの間にグリスが広がり半導体素子の放熱性が向上するため、半導体装置の信頼性が向上する。

実施の形態１に係る半導体装置の概略断面図である。実施の形態１に係る半導体装置に備わる半導体素子の端子および周辺の概略図である。実施の形態１に係る半導体装置に備わるケースユニットの端子および周辺の概略図である。実施の形態２に係る半導体装置に備わる半導体素子の端子および周辺の概略断面図である。実施の形態３に係る半導体装置の概略断面図である。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。前提技術に係る半導体装置の概略断面図である。前提技術に係る半導体装置に備わる半導体素子の端子および周辺の概略図である。

＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置２０２の概略断面図である。図２は、半導体装置２０２に備わる半導体素子１の端子３および周辺の概略図である。図３は、半導体装置２０２に備わるケースユニット２の端子４および周辺の概略図である。

図１に示すように、半導体装置２０２は、ケースユニット２および半導体素子１を備えている。ケースユニット２は、底部２ａ、壁部２ｂおよび段部２ｃを備えている。底部２ａはケースユニット２の底面を構成し、壁部２ｂはケースユニット２の側面を構成している。段部２ｃは、壁部２ｂの下端部の内面に設けられている。

半導体素子１は、壁部２ｂから間隔をあけた状態で、半導体素子１の裏面に印刷されたグリス８を介して底部２ａに配置され、ケースユニット２の内部に組み込まれている。

ケースユニット２の壁部２ｂの内面には、上方に延びる端子４が設けられている。より具体的には、端子４は、Ｌ字状であり、壁部２ｂの内面から段部２ｃの上面に沿って半導体素子１側に延び、段部２ｃの先端付近で折り曲げられて上方に延びている。

半導体素子１の側面には、ケースユニット２の端子４に対向するように上方に延びる端子３が設けられている。より具体的には、端子３は、Ｌ字状であり、半導体素子１の側面からケースユニット２の壁部２ｂ側に延び、段部２ｃの先端付近で折り曲げられて上方に延びている。なお、端子４が第１端子に相当し、端子３が第２端子に相当する。

端子３と端子４は溶接されるため、両端子３，４が接触しやすいように、端子３はその先端側を含む上方に延びる部分が端子４側に傾斜した状態で配置されている。

図２に示すように、端子３は王冠形状である。より具体的には、端子３には、先端部の中央部が下方に凹む凹部３ａが設けられている。また、端子３は、凹部３ａの下側に孔１０を有している。図３に示すように、端子４は王冠形状である。より具体的には、端子４には、先端部の中央部が下方に凹む凹部４ａが設けられている。なお、端子４には、凹部４ａの下側に孔は設けられていない。

上記のように、端子３に孔１０を設けることで、端子４と端子３とが重なる範囲において、端子３の表面積は端子４の表面積より小さくなる。これにより、端子３と端子４との接触面積を小さくすることができる。なお、孔１０の形状は、円形であっても多角形であってもよく、端子４と端子３とが重なる範囲において、端子３の表面積が端子４の表面積より小さくなる形状であればよい。

次に、実施の形態１に係る半導体装置２０２の作用と効果について、前提技術に係る半導体装置２１２の場合と比較しながら説明する。図７は、前提技術に係る半導体装置２１２の概略断面図である。図８は、半導体装置２１２に備わる半導体素子１の端子３３および周辺の概略図である。

図８に示すように、前提技術に係る半導体装置２１２に備わる半導体素子１の端子３３には、孔１０が設けられていないため、実施の形態１の場合に比べて半導体素子１の端子３３とケースユニット２の端子４との接触面積が大きかった。そのため、図７に示すように、端子３３の先端側を含む上方に延びる部分が端子４側に傾斜しているため、半導体素子１をケースユニット２の内部に組み込む際に、端子３３と端子４との摩擦抵抗により引っ掛かりが発生し、半導体素子１を最下点まで押し込めないという問題があった。半導体素子１を最下点まで押し込めない場合、半導体素子１の裏面に印刷されたグリス８が広がらないため、半導体素子１と底部２ａとの間にグリス８の存在しない領域９が生じる。これにより、半導体素子１の放熱性が悪化し、半導体装置２１２の信頼性低下を引き起こすという問題があった。

これに対して、実施の形態１に係る半導体装置２０２では、端子４と端子３とが重なる範囲において、端子３の表面積は端子４の表面積より小さいため、半導体素子１をケースユニット２の内部に組み込む際に端子４と端子３との摩擦抵抗が低減し、半導体素子１を最下点まで押し込みやすくなる。これにより、半導体素子１と底部２ａとの間にグリス８が広がり半導体素子１の放熱性が向上するため、半導体装置２０２の信頼性が向上する。以上より、半導体装置２１２の歩留りの向上を図ることができる。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体装置について説明する。図４は、実施の形態２に係る半導体装置に備わる半導体素子１の端子３Ａおよび周辺の概略断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図４に示すように、実施の形態２では、半導体素子１の端子３Ａは、端子４との接触面とは反対側の面に設けられた切込み１１をさらに有している。切込み１１は、端子３Ａの内面において端子３Ａの折り曲げられた部分より僅かに先端側に設けられている。これにより、端子３Ａの剛性が低下し、半導体素子１をケースユニット２の内部に組み込む際に端子３Ａの先端側を含む上方に延びる部分が半導体素子１側に傾くことで、端子４と端子３Ａとの摩擦抵抗が低減し、半導体素子１を最下点までさらに押し込みやすくなる。

以上のように、実施の形態２に係る半導体装置では、端子３Ａは、端子４との接触面とは反対側の面に設けられた切込み１１をさらに有する。したがって、端子３Ａの剛性が低下するため、半導体素子１を最下点までさらに押し込みやすくなり、半導体素子１と底部２ａとの間におけるグリス８の広がり状態の向上が期待できる。

＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係る半導体装置２０２Ａについて説明する。図５は、実施の形態３に係る半導体装置２０２Ａの概略断面図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図５に示すように、実施の形態３では、半導体素子１の端子３Ｂは、端子４との接触面に設けられた半円形状の凸部１２をさらに有している。より具体的には、凸部１２は、端子３Ｂの先端部における端子４側の面に設けられている。これにより、端子４と端子３Ｂとの接触が点接触になるため、端子４と端子３Ｂとの摩擦抵抗が低減し、半導体素子１を最下点までさらに押し込みやすくなる。この場合、端子３Ｂは、その先端側を含む上方に延びる部分が端子４とは反対側に傾斜した状態で配置されていてもよい。

以上のように、実施の形態３に係る半導体装置２０２Ａでは、端子３Ｂは、端子４との接触面に設けられた凸部１２をさらに有する。したがって、端子４と端子３Ｂとの接触が点接触になるため、端子４と端子３Ｂとの摩擦抵抗が低減し、半導体素子１を最下点までさらに押し込みやすくなる。これにより、半導体素子１と底部２ａとの間におけるグリス８の広がり状態の向上が期待できる。

さらに、端子３Ｂは、先端側が端子４とは反対側に傾斜した状態で配置されたため、凸部１２以外の部分で端子４と接触しにくくなり、凸部１２を設けただけの場合より半導体素子１を最下点までさらに押し込みやすくなる。

＜実施の形態４＞
本実施の形態は、上述した実施の形態１に係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、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。

図６に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。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、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。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することとしてもよい。

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、図６に示すように、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、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、および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や各還流ダイオードは、上述した実施の形態１から３のいずれかに相当する半導体装置によって構成する。なお、ここでは実施の形態１に係る半導体装置２０２によって構成した場合について説明する。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、駆動回路は半導体装置２０２に内蔵されていてもよいし、半導体装置２０２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また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に係る半導体装置を適用するため、信頼性向上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レベルまたは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コンバータまたは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、レーザー加工機、誘導加熱調理器、および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および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。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１半導体素子、２ケースユニット、２ｂ壁部、３，３Ａ，３Ｂ端子、４端子、１０孔、１１切込み、１２凸部、２０１主変換回路、２０２，２０２Ａ半導体装置、２０３制御回路。

Claims

壁部を有し、かつ、第１端子が設けられたケースユニットと、
前記ケースユニット内に組み込まれ、かつ、前記第１端子と接合される第２端子が設けられた半導体素子と、
を備え、
前記第１端子は前記壁部から上方に延び、
前記第２端子は、前記第１端子に対向するように前記半導体素子から上方に延び、かつ、孔を有し、
前記第１端子と前記第２端子とが重なる範囲において、前記第２端子の表面積は前記第１端子の表面積より小さく形成され、
前記第２端子は、前記第１端子との接触面とは反対側の面に設けられた切込みをさらに有し、
前記切込みは、前記第２端子における前記第１端子との接触面とは反対側の面において前記第２端子の折り曲げられた部分より先端側に設けられた、半導体装置。
前記第２端子は、前記第１端子との接触面に設けられた凸部をさらに有する、請求項１記載の半導体装置。
前記第２端子は、先端側が前記第１端子とは反対側に傾斜した状態で配置された、請求項２記載の半導体装置。
請求項１から請求項３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、
を備えた、電力変換装置。