JP6860453B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、パワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールに関する。

例えば耐圧数ｋＶでＭＷ級の電力変換器を構築するためには、半導体素子の電流容量を大きくすることが求められる。そのために、複数の半導体素子を並列実装したパワー半導体モジュールが提案されている。

特許第３２５８２００号公報 特許第４３８５３２４号公報

特許文献１では、上記性能を得るために、導体で半導体素子を挟み、セラミック製の外囲器で封止した圧接型半導体が提案されている。圧接型半導体は、故障時に短絡電流が流れた際の破裂防止性能が優れているが、多数の半導体素子を一括で圧接する構造であり、皿ばねによって７０ｋＮ程度の荷重で圧接可能なスタック構造が必要である。また、全半導体素子を均等に圧接することが重要であるため、部材の加工精度やスタック構造の組立精度を高めるための取り組みが求められる。

圧接を用いない半導体装置の構造については、例えば特許文献２に開示されている。半導体素子の両面を接合することで、複数の半導体素子を並列実装する際に均等圧接が不要となり構造を簡素化できるが、故障時に短絡電流が流れた際の破裂防止性能が劣るという課題がある。

本発明の実施形態は、圧接を用いない低コストな構造で、短絡電流通電時の破裂防止性能が優れたパワー半導体モジュールを提供する。

実施形態によれば、パワー半導体モジュールは、複数のサブモジュールと、前記複数のサブモジュールの間の領域に配置された主回路配線と、前記主回路配線よりも電気抵抗が高い複数のバスバーと、を備えている。それぞれの前記サブモジュールは、第１金属部材と、前記第１金属部材の上方に配置された第２金属部材と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に配置され、前記第１金属部材と前記第２金属部材に接合された半導体素子と、前記半導体素子、前記半導体素子と前記第１金属部材との接合部、および前記半導体素子と前記第２金属部材との接合部を覆う樹脂と、を有する。前記複数のバスバーは、前記複数の第２金属部材と、前記主回路配線とに接続されている。

第１実施形態のパワー半導体モジュールの側断面図。 第１実施形態のサブモジュールおよびバスバーの側断面図。 第１実施形態のパワー半導体モジュールの内部の上面図。 第１実施形態のパワー半導体モジュールの内部の上面図。 （ａ）は、第１実施形態のパワー半導体モジュールが通常動作しているときの電流経路を示す上面図であり、（ｂ）は、同パワー半導体モジュールが通常動作しているときの電流経路を示す側断面図。 （ａ）は、半導体素子が故障したときの電流経路を示す上面図であり、（ｂ）は、半導体素子が故障したときの電流経路を示す側断面図。 第２実施形態のサブモジュールおよびバスバーの側断面図。 第３実施形態のパワー半導体モジュールの側断面図。 第４実施形態のパワー半導体モジュールの側断面図。 （ａ）は第４実施形態のサブモジュールの上面図であり、（ｂ）は第４実施形態のサブモジュールの側面図。

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のパワー半導体モジュールの側断面図であり、図３におけるＡ−Ａ断面図である。
図２は、第１実施形態のサブモジュール１０およびバスバー２０の側断面図である。
図３は、第１実施形態のパワー半導体モジュールの内部の上面図である。

第１実施形態のパワー半導体モジュールは、第３金属部材４３と、第３金属部材４３上に搭載された複数のサブモジュール（または半導体装置）１０と、主回路配線３１と、複数のサブモジュール１０のそれぞれと主回路配線３１とを接続する複数のバスバー２０と、絶縁樹脂製のケース５０とを有する。

第３金属部材４３は、板状部４３ａと、複数の凸部（または柱状部）４３ｂとを有する。複数の凸部４３ｂは、板状部４３ａの一方の面上に、板状部４３ａと一体に設けられている。凸部４３ｂの上にサブモジュール１０が搭載されている。

図１に示すように、ケース５０の下端部は、第３金属部材４３の板状部４３ａに接着され、それら第３金属部材４３とケース５０の内側に密閉空間が形成されている。その密閉空間内に、複数のサブモジュール１０、複数のバスバー２０、および主回路配線３１が配置されている。

サブモジュール１０は、第１金属部材４と、第１金属部材４の上方に配置された第２金属部材５と、第１金属部材４と第２金属部材５との間に配置された半導体素子（半導体チップ）１と、電気絶縁性の樹脂８とを有する。

半導体素子１は、例えば電力変換に用いられるパワー半導体素子であり、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等の制御電極を有するスイッチング素子である。または、半導体素子１は、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode）等のダイオードであってもよい。

サブモジュール１０は、１つまたは複数の半導体素子１を有する。１つのサブモジュール１０に複数の半導体素子１が搭載された場合、複数の半導体素子１はすべて同一のチップでなくてもよい。１つのサブモジュール１０内にＩＧＢＴ等のスイッチング素子のチップと、ＦＲＤ等のダイオードのチップが混在していてもよい。

半導体素子１の一方の面（裏面）には、例えば、コレクタ電極、ドレイン電極、アノード電極が形成されている。それら電極は、接合材２によって第１金属部材４に接合されている。

半導体素子１の他方の面（表面）には、例えば、エミッタ電極、ソース電極、カソード電極が形成されている。それら電極は、接合材３によって第２金属部材５に接合されている。

第２金属部材５は、板状部５ｂと、複数の凸部（または柱状部）５ａとを有する。複数の凸部５ａは、板状部５ｂの一方の面に、板状部５ｂと一体に設けられている。半導体素子１のエミッタ電極、ソース電極、カソード電極などは、接合材３によって第２金属部材５に接合されている。

半導体素子１がＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴのようにゲート電極を有する素子の場合、そのゲート電極と接続されたゲートパッドが、半導体素子１におけるエミッタ電極やソース電極が形成された表面に形成されている。そのゲートパッドは、図２に示すように、接合材６によって、板状金属部材であるゲートコネクタ７と接続されている。

図２に示すように、サブモジュール１０はサブモジュールケース９内に配置され、サブモジュールケース９内には樹脂８が充填されている。図１、３において、サブモジュールケース９の図示は省略している。

樹脂８は、例えばエポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂である。サブモジュールケース９は、例えば、ステンレス、アルミニウム、鉄などの金属、または、ＰＰＳ（polyphenylenesulfide）などの樹脂で形成されている。

樹脂８は、半導体素子１を覆っている。また、樹脂８は、半導体素子１と第１金属部材４との接合部、半導体素子１と第２金属部材５との接合部、および半導体素子１とゲートコネクタ７との接合部を覆っている。

例えば、真空状態のサブモジュールケース９内に、流動性が高い状態の樹脂８を注入し、固化させることで、上記接合部や半導体素子１の近傍に気泡を残さずに、接合部および半導体素子１を樹脂封止することができる。

サブモジュールケース９に、開口部９ａ、９ｂ、９ｃが形成されている。第１金属部材４のうち、半導体素子１と接合している面の反対側の面の少なくとも一部は樹脂８で封止されずに、開口部９ｂに露出している。第２金属部材５の板状部５ｂのうち、半導体素子１と接合している面の反対側の面の少なくとも一部は樹脂８で封止されずに、開口部９ａ露出している。ゲートコネクタ７は、開口部９ｃを通じて、サブモジュールケース９の外に導出されている。

サブモジュール１０の開口部９ｂから露出する第１金属部材４は、図１に示すように、接合材４１によって、第３金属部材４３の凸部４３ｂの上面に接合されている。

第３金属部材４３、第１金属部材４、および第２金属部材５は、電気伝導性と熱伝導性に優れた材料からなる。例えば、第３金属部材４３、第１金属部材４、および第２金属部材５は、銅またはアルミニウムを主成分に含み、銅、銅合金、アルミニウム、またはアルミニウム合金からなる。

なお、サブモジュール１０における第１金属部材４と第２金属部材５の形状の違いによる熱歪みの差を低減するために、第１金属部材４と第２金属部材５は線膨張係数の異なる材料を用いることも可能である。

接合材２、３、４１は、例えば、はんだ、導電性接着剤、銀ペースト等である。

図１、３に示すように、複数のサブモジュール１０の間の領域に主回路配線３１、３２が配置されている。主回路配線３１、３２は、例えば図１に示す絶縁材料のポスト４５によって第３金属部材４３の板状部４３ａ上に支持されている。または、主回路配線３１、３２を樹脂でコーティングして、第３金属部材４３上に配置する構造であってもよい。主回路配線３１、３２は、板状の金属配線であり、例えば銅配線である。

図３に示すように、主回路配線３２の一部は、主電極端子としてケース５０の外部に突出している。また、図２に示すゲートコネクタ７の一部は、ゲート端子（信号端子）としてケース５０の外部に突出している。

サブモジュール１０の第２金属部材５の板状部５ｂの上面に、バスバー２０の一端部が接合されている。図２に示すように、バスバー２０の一端部は、サブモジュールケース９の開口部９ａを通じて、第２金属部材５の板状部５ｂに接合されている。図１に示すように、バスバー２０の他端部は、主回路配線３１に接合されている。バスバー２０と第２金属部材５との接合方法、およびバスバー２０と主回路配線３１との接合方法は、例えば、はんだ付け、ろう付け、溶接、ボルト締結などである。

バスバー２０は、例えば、銅、４２アロイ（ニッケルと鉄の合金）、ニッケルとクロムの合金などの導電性材料からなる。バスバー２０は、例えば、板状、または板状部材をジグザグに折り曲げた形状に形成されている。

バスバー２０の電気抵抗は、主回路配線３１、３２の電気抵抗よりも高い。バスバー２０において、電流が流れる方向に垂直な断面の断面積Ｓ［ｃｍ^２］と、長さ（電流経路長）Ｌ［ｃｍ］は、バスバー２０に求められる電気抵抗Ｒ［Ω］に対して、次の式で決定される。
Ｒ＝ρ_０×Ｌ／Ｓ［Ω］（ρ_０：体積抵抗率［Ωｃｍ］）

例えば、バスバー２０の材料として、主回路配線３１、３２よりも体積抵抗率が高い材料を用いることで、バスバー２０の電気抵抗を主回路配線２１、３２の電気抵抗よりも高くしている。主回路配線３１、３２の材料は、電気抵抗を低く、且つ発熱を小さくするために、バスバー２０よりも体積抵抗率が小さい材料が望ましい。例えば、主回路配線３１、３２の材料は銅であり、バスバー２０の材料は４２アロイ（ニッケルと鉄の合金）、またはニッケルとクロムの合金である。

１つのサブモジュール１０は、少なくとも１つのバスバー２０によって、主回路配線３１、３２と電気的に接続されている。複数のサブモジュール１０は、複数のバスバー２０を介して、第３金属部材４３と主回路配線３１、３２との間に、電気的に並列接続されている。電流は、サブモジュール１０の縦方向（積層方向）を流れる。電流は、そのサブモジュール１０およびバスバー２０を通じて、第３金属部材４３と主回路配線３１、３２との間を流れる。

図４は、サブモジュール１０の並列接続数が図３の例よりも増えた場合の、図３と同様な上面図である。

図４には、並列接続された８個のサブモジュール１０が、１つのケース５０内に収容された例を表すが、１つのケース５０内に９個以上のサブモジュール１０を並列接続させて配置してもよい。

半導体素子１に短絡電流が流れ、そのときに発生するジュール熱によって、半導体素子１が破壊され、サブモジュール１０内の圧力が上がるとサブモジュール１０の破裂をまねく可能性がある。

そこで、実施形態によれば、ある程度電気抵抗値の高いバスバー２０をサブモジュール１０に直列に接続することで、バスバー２０と半導体素子１とでエネルギー消費を分担し、半導体素子１に発生するジュール熱を抑制できる。

図５（ａ）は、第１実施形態のパワー半導体モジュールが通常動作しているときの電流経路を示す、図３と同様の上面図である。
図５（ｂ）は、同パワー半導体モジュールが通常動作しているときの電流経路を示す、図１と同様の側断面図である。
図５（ａ）および（ｂ）において、電流経路を白抜き矢印で模式的に表す。

通常動作（正常動作）時、各バスバー２０に電流が分流するため、複数のサブモジュール１０に流れる電流の合計をＩtotalとすると、１つのバスバー２０あたりに発生するジュール熱Ｑは、Ｑ＝Ｒ×（Ｉtotal／並列数）^２［Ｊ］となる（Ｒはバスバー２０の電気抵抗［Ω］）。

図６（ａ）は、半導体素子１が故障したときの電流経路を示す、図５（ａ）と同様の上面図である。
図６（ｂ）は、半導体素子１が故障したときの電流経路を示す、図５（ｂ）と同様の側断面図である。
図６（ａ）および（ｂ）において、電流経路を白抜き矢印で模式的に表す。

故障した半導体素子１を含むサブモジュール１０には電流が流れ、正常なサブモジュール１０には電流が流れない。故障したサブモジュール１０に接続されたバスバー２０に発生するジュール熱Ｑ’は、Ｑ’＝Ｒ×（Ｉtotal）^２［Ｊ］となる。

故障時と比較して、通常動作時におけるサブモジュール１０に流れる電流値に対するロス発生効果は、Ｑ／Ｑ’＝（１／並列数）^２となり、通常動作時は故障時よりもロス発生を低減することができる。

複数のバスバー２０の並列接続効果によって、通常動作時はサブモジュール１０の効率を悪化させることなく、故障時には故障したサブモジュール１０に接続されたバスバー２０がエネルギーを消費することで、半導体素子１に発生するジュール熱を抑制し、サブモジュール１０の破裂を抑制することができる。

すなわち、故障時には、故障したサブモジュール１０と、そのサブモジュール１０に直列に接続されたバスバー２０のみに短絡電流が流れ、バスバー２０に大きなジュール熱を発生させることができる。これにより、短絡電流が流れる半導体素子１に発生するジュール熱が低減され、破壊を抑制できる。

第３金属部材４３と主回路配線３１、３２との間には複数のバスバー２０が並列接続されているため、通常運転時に各バスバー２０に流れる電流値は、パワー半導体モジュールの出力電流を並列数で割った値となり、通常運転時のジュール熱は抑制することができる。

以下、他の実施形態について説明する。第１実施形態と異なる箇所を中心に説明し、第１実施形態と共通の要素は同じ符号を付し、その説明を省略する場合もある。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態のサブモジュール１０およびバスバー２０の側断面図である。

第２実施形態では、バスバー２０がサブモジュールケース９の内部に配置され、樹脂８で封止されている点が第１実施形態と異なる。バスバー２０において、第２金属部材５と接合された部分も含めて、サブモジュールケース９内に配置された部分は、樹脂８で覆われている。

バスバー２０の他方の端部は、ゲートコネクタ７が導出された開口部９ｃを通じて、サブモジュールケース９の外部に導出され、上記第１実施形態と同様に主回路配線３１に接合されている。

故障時にバスバー２０に大電流が流れた際、バスバー２０をジグザグに折り曲げた構造にした場合には、バスバー２０が対向する部分で互いに反発する向きの電磁力が発生する。

第２実施形態によれば、バスバー２０のジグザグ状折曲部を樹脂８で封止することでバスバー２０が固定され、上記電磁力による変形を防ぐことができる。本実施形態によって、強度の低い薄いバスバー２０を用いた場合にも変形を防ぐことができる。

また、サブモジュール１０の内部でバスバー２０の長さＬを稼げるため、バスバー２０におけるサブモジュール１０の外部へ突き出す部分の長さを短くすることができ、パワー半導体モジュール全体の小型化が可能になる。

（第３実施形態）
図８は、第３実施形態のパワー半導体モジュールの側断面図である。

サブモジュール１０の第２金属部材５の上に絶縁基板６２が配置され、その絶縁基板６２の上に第４金属部材６４が配置されている。

第４金属部材６４は、板状部６４ａと、複数の凸部（または柱状部）６４ｂとを有する。複数の凸部６４ｂは、板状部６４ａの一方の面に、板状部６４ａと一体に設けられている。絶縁基板６２は、例えばセラミックス基板の両面に銅が蒸着された構造をもつ。

絶縁基板６２は、第２金属部材５と、第４金属部材６４の凸部６４ｂとの間に配置されている。絶縁基板６２の一方の面は、接合材６１によって第２金属部材５に接合されている。絶縁基板６２の他方の面は、接合材６３によって第４金属部材６４の凸部６４ｂに接合されている。接合材６１、６３は、例えば、はんだ、導電性接着剤、銀ペースト等である。

バスバー２０の一端部は、例えば第２金属部材５の側壁部に接合され、バスバー２０の他端部は主回路配線３１に接合されている。

第３金属部材４３と第４金属部材６４に、絶縁樹脂製のケース５１が接着され、複数のサブモジュール１０が配置された空間が、それら第３金属部材４３、第４金属部材６４、およびケース５１によって密閉されている。

第３実施形態によれば、サブモジュール１０の裏面に第３金属部材４３が接合され、サブモジュール１０の表面にも絶縁基板６２を介して第４金属部材６４が接合されている。通常運転時に半導体素子１が発した熱は、サブモジュール１０の両面から金属部材４３、６４に熱伝導し、半導体素子１を冷却することができる。サブモジュール１０の裏面のみ金属部材と接合した構成と比べて、冷却性能を向上させることができる。

また、絶縁基板６２が電流を通さないため、故障時の電流経路は、サブモジュール１０からバスバー２０を経ずに第４金属部材６４に流れる経路ではなく、第２金属部材５からバスバー２０を通って主回路配線３１に流れる電流経路となる。したがって、故障時にバスバー２０は前述した機能を発揮することができる。

バスバー２０は、第２金属部材５の上面、側面など、どの面に接合していてもよい。

（第４実施形態）
図９は、第４実施形態のパワー半導体モジュールの側断面図である。
図１０（ａ）は第４実施形態のサブモジュールの上面図であり、図１０（ｂ）は第４実施形態のサブモジュールの側面図である。

第４実施形態によれば、バスバー２０の両端部に金属足部２０ａ、２０ｂが設けられている。金属足部２０ａ、２０ｂは、例えばバスバー２０にろう付けされた銅である。

バスバー２０の一端の金属足部２０ａは、第２金属部材５の側面に接合またはネジ締結されている。または、金属足部２０ａは、第２金属部材５の上面に接合またはネジ締結されてもよい。

バスバー２０の他端の金属足部２０ｂは、主回路配線３１に接合またはネジ締結されている。図９に示す例では、主回路配線３１は、第３金属部材４３上に形成された樹脂７０中に設けられ、その樹脂７０によって第３金属部材４３上に保持されている。また、樹脂７０は、主回路配線３１と金属足部２０ｂとの接合部を覆って保護している。

以上説明した各実施形態によれば、圧接を用いない低コストな構造で、故障時の破裂防止性能を持ち、通常運転時のロスが小さいパワー半導体モジュールを提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…半導体素子、４…第１金属部材、５…第２金属部材、７…ゲートコネクタ、８…樹脂、９…サブモジュールケース、１０…サブモジュール、２０…バスバー、３１，３２…主回路配線、４３…第３金属部材、６２…絶縁基板、６４…第４金属部材

Claims (6)

1. 第１金属部材と、前記第１金属部材の上方に配置された第２金属部材と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に配置され、前記第１金属部材と前記第２金属部材に接合された半導体素子と、前記半導体素子、前記半導体素子と前記第１金属部材との接合部、および前記半導体素子と前記第２金属部材との接合部を覆う樹脂と、をそれぞれが有する複数のサブモジュールと、
   前記複数のサブモジュールの間の領域に配置された主回路配線と、
   前記複数の第２金属部材と、前記主回路配線とに接続され、前記主回路配線よりも電気抵抗が高い複数のバスバーと、
   を備えたパワー半導体モジュール。
2. 前記バスバーの体積抵抗率は、前記主回路配線の体積抵抗率よりも高い請求項１記載のパワー半導体モジュール。
3. 前記サブモジュールは、サブモジュールケース内に配置され、
   前記サブモジュールケースは、前記第１金属部材における前記半導体素子に接合している面の反対側の面を露出させる第１開口部と、前記第２金属部材における前記半導体素子に接合している面の反対側の面を露出させる第２開口部とを有し、
   前記バスバーは、前記第２開口部を通じて、前記第２金属部材に接続されている請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール。
4. 前記サブモジュールは、サブモジュールケース内に配置され、
   前記バスバーの少なくとも一部が、前記サブモジュールケース内で前記樹脂に覆われている請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール。
5. 第３金属部材をさらに備え、
   前記複数のサブモジュールは、前記第１金属部材を前記第３金属部材に接合させて、前記第３金属部材上に搭載されている請求項１〜４のいずれか１つに記載のパワー半導体モジュール。
6. 前記第２金属部材の上に配置された第４金属部材と、
   前記第２金属部材と前記第４金属部材との間に配置された絶縁基板と、
   をさらに備えた請求項１〜５のいずれか１つに記載のパワー半導体モジュール。

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