JP7101885B2 - パワー半導体モジュール及び電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、パワー半導体モジュール及び電力変換装置に関する。
特開２００７－１２８３１号公報（特許文献１）は、絶縁回路基板と、半導体素子と、金属ワイヤとを備えるパワー半導体装置を開示している。金属ワイヤは、半導体素子に接合されている。半導体素子と金属ワイヤとの接合部は、絶縁樹脂で被覆されている。絶縁樹脂は、ポリアミド系樹脂またはポリアミドポリイミド系樹脂である。
特開２００７－１２８３１号公報
半導体素子の熱膨張係数と金属ワイヤの熱膨張係数との間の差に起因して、パワー半導体装置の使用中に、半導体素子と金属ワイヤとの間の接合部に応力が繰り返し印加される。特許文献１に開示されたパワー半導体装置に含まれる絶縁樹脂だけでは、半導体素子と金属ワイヤとの間の接合部にクラックが発生することを抑制することは困難である。特許文献１に開示されたパワー半導体装置は、低い信頼性を有している。本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、向上された信頼性を有するパワー半導体モジュール及び電力変換装置を提供することである。
本発明のパワー半導体モジュールは、半導体素子と、少なくとも一つの導電ワイヤと、第１樹脂部材と、第２樹脂部材と、第３樹脂部材とを備える。半導体素子は、前面電極を含む。少なくとも一つの導電ワイヤは、接合部において、前面電極に接合されている。第３樹脂部材は、半導体素子と、第１樹脂部材と、第２樹脂部材とを封止する。第１樹脂部材は、前面電極の第１表面と、導電ワイヤの第２表面とに沿って延在しており、かつ、導電ワイヤの長手方向における接合部の両端部の少なくとも一つで屈曲している。前面電極の第１表面は、接合部の両端部の少なくとも一つに接続されており、かつ、導電ワイヤに対向している。導電ワイヤの第２表面は、接合部の両端部の少なくとも一つに接続されており、かつ、前面電極に対向している。第１樹脂部材は、接合部の両端部の少なくとも一つと、第１表面と、第２表面とを覆っている。第２樹脂部材は、第１樹脂部材の屈曲部を覆っている。第１樹脂部材の第１破断伸び率は、第２樹脂部材の第２破断伸び率よりも高い。第１樹脂部材の第１破断強度は、第２樹脂部材の第２破断強度よりも高い。第２樹脂部材の第２引張弾性率は、第１樹脂部材の第１引張弾性率よりも高い。
本発明の電力変換装置は、主変換回路と、制御回路とを備える。主変換回路は、本発明のパワー半導体モジュールを有し、かつ、入力される電力を変換して出力するように構成されている。制御回路は、主変換回路を制御する制御信号を主変換回路に出力するように構成されている。
第１樹脂部材の第１破断伸び率は、第２樹脂部材の第２破断伸び率よりも高い。第１樹脂部材の第１破断強度は、第２樹脂部材の第２破断強度よりも高い。そのため、パワー半導体モジュールにヒートサイクルが印加されても、第１樹脂部材は、破断することなく、導電ワイヤを半導体素子の前面電極に固定し続けることができる。第２樹脂部材の第２引張弾性率は、第１樹脂部材の第１引張弾性率よりも高い。そのため、パワー半導体モジュールにヒートサイクルが印加されたときに、第２樹脂部材は、第１樹脂部材のうち最も破断しやすい第１樹脂部材の屈曲部において第１樹脂部材が破断することを防止する。接合部にクラックが発生することが防止され得る。本発明のパワー半導体モジュール及び電力変換装置は、向上された信頼性を有する。
実施の形態１のパワー半導体モジュールの概略断面図である。 実施の形態１のパワー半導体モジュールの、図１に示される領域ＩＩおける概略部分拡大断面図である。実施の形態１のパワー半導体モジュールの、図３に示される断面線ＩＩ－ＩＩにおける概略部分拡大断面図である。 実施の形態１のパワー半導体モジュールの概略部分拡大平面図である。 実施の形態１の第１変形例のパワー半導体モジュールの概略部分拡大断面図である。 実施の形態１の第２変形例のパワー半導体モジュールの、図６に示される断面線Ｖ－Ｖにおける概略部分拡大断面図である。 実施の形態１の第２変形例のパワー半導体モジュールの概略部分拡大平面図である。 実施の形態１の第３変形例のパワー半導体モジュールの、図８に示される断面線ＶＩＩ－ＶＩＩにおける概略部分拡大断面図である。 実施の形態１の第３変形例のパワー半導体モジュールの概略部分拡大平面図である。 実施の形態１の第４変形例のパワー半導体モジュールの、図１０に示される断面線ＩＸ－ＩＸにおける概略部分拡大断面図である。 実施の形態１の第４変形例のパワー半導体モジュールの概略部分拡大平面図である。 実施の形態１の第５変形例のパワー半導体モジュールの概略部分拡大平面図である。 実施の形態１の第６変形例のパワー半導体モジュールの概略部分拡大平面図である。 実施の形態２のパワー半導体モジュールの概略断面図である。 実施の形態２のパワー半導体モジュールの、図１３に示される領域ＸＩＶおける概略部分拡大断面図である。実施の形態２のパワー半導体モジュールの、図１５に示される断面線ＸＩＶ－ＸＩＶにおける概略部分拡大断面図である。 実施の形態２のパワー半導体モジュールの概略部分拡大平面図である。 実施の形態２のパワー半導体モジュールの製造方法の一工程を示す概略部分拡大断面図である。 実施の形態２のパワー半導体モジュールの製造方法における、図１６に示される工程の次工程を示す概略部分拡大断面図である。 実施の形態２のパワー半導体モジュールの製造方法における、図１７に示される工程の次工程を示す概略部分拡大断面図である。 実施の形態２の第１変形例のパワー半導体モジュールの概略部分拡大平面図である。 実施の形態２の第２変形例のパワー半導体モジュールの、図２１に示される断面線ＸＸ－ＸＸにおける概略部分拡大断面図である。 実施の形態２の第２変形例のパワー半導体モジュールの概略部分拡大平面図である。 実施の形態２の第２変形例のパワー半導体モジュールの製造方法の一工程を示す概略部分拡大断面図である。 実施の形態２の第２変形例のパワー半導体モジュールの製造方法における、図２２に示される工程の次工程を示す概略部分拡大断面図である。 実施の形態２の第２変形例のパワー半導体モジュールの製造方法における、図２３に示される工程の次工程を示す概略部分拡大断面図である。 実施の形態２の第３変形例のパワー半導体モジュールの概略部分拡大平面図である。 実施の形態２の第４変形例のパワー半導体モジュールの概略部分拡大断面図である。 実施の形態２の第５変形例のパワー半導体モジュールの概略部分拡大平面図である。 実施の形態３のパワー半導体モジュールの概略断面図である。 実施の形態３のパワー半導体モジュールの、図２８に示される領域ＸＸＩＸおける概略部分拡大断面図である。 実施の形態３のパワー半導体モジュールの製造方法の一工程を示す概略部分拡大断面図である。 実施の形態４に係る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を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
実施の形態１．
図１から図１２を参照して、実施の形態１のパワー半導体モジュール１を説明する。図１に示されるように、パワー半導体モジュール１は、絶縁回路基板１０と、半導体素子１５と、少なくとも一つの導電ワイヤ２０と、第１樹脂部材３０と、第２樹脂部材３３と、第３樹脂部材４０とを主に備える。パワー半導体モジュール１は、ヒートシンク３７をさらに備えてもよい。パワー半導体モジュール１は、外囲体３８をさらに備えてもよい。
絶縁回路基板１０は、絶縁基板１１を含む。絶縁基板１１は、第１方向（ｘ方向）と、第１方向に垂直な第２方向（ｙ方向）とに延在している。絶縁基板１１は、おもて面と、おもて面とは反対側の裏面とを含む。絶縁基板１１は、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）のような無機材料（セラミックス材料）で形成されてもよい。絶縁回路基板１０は、導電回路パターン１２と、導電板１３とを含む。導電回路パターン１２は、絶縁基板１１のおもて面上に設けられている。導電板１３は、絶縁基板１１の裏面上に設けられている。導電回路パターン１２及び導電板１３は、例えば、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）のような金属材料で形成されてもよい。
半導体素子１５は、パワー半導体素子である。半導体素子１５は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）もしくは金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のようなスイッチング素子、または、ショットキーバリアダイオードのような整流素子である。半導体素子１５は、シリコン、または、炭化珪素、窒化ガリウムもしくはダイヤモンドのようなワイドバンドギャップ半導体材料で形成されてもよい。
半導体素子１５は、前面電極１７を含む。半導体素子１５は、背面電極１６をさらに含んでもよい。半導体素子１５は、縦型構造を有してもよい。前面電極１７と背面電極１６とは、例えば、Ｓｉを含有するＡｌ合金で形成されてもよい。前面電極１７と背面電極１６とは、各々、被覆層（図示せず）で覆われてもよい。被覆層は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）層、金（Ａｕ）層またはこれらの積層体であってもよい。
半導体素子１５は、絶縁回路基板１０の導電回路パターン１２に接合されている。具体的には、半導体素子１５の背面電極１６は、はんだまたは金属微粒子焼結体のような接合部材（図示せず）を用いて、導電回路パターン１２に接合されている。前面電極１７は、第１表面１７ａを含んでいる。前面電極１７の第１表面１７ａは、導電ワイヤ２０の長手方向（第１方向（ｘ方向））における接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑの少なくとも一つに接続されており、かつ、導電ワイヤ２０に対向している。
導電ワイヤ２０は、接合部２１において、半導体素子１５の前面電極１７に接合されている。導電ワイヤ２０は、導電回路パターン１２に接合されている。導電ワイヤ２０は、ワイヤボンダーを用いて、半導体素子１５の前面電極１７と導電回路パターン１２とにボンディングされてもよい。導電ワイヤ２０は、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）のような金属材料で形成されてもよい。
図２に示されるように、導電ワイヤ２０は、第２表面２０ａと、第３表面２０ｍと、第４表面２０ｎとを含む。導電ワイヤ２０の第２表面２０ａは、導電ワイヤ２０の長手方向（第１方向（ｘ方向））における接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑの少なくとも一つに接続されており、かつ、前面電極１７に対向している。導電ワイヤ２０の第４表面２０ｎは、接合部２１において前面電極１７に接触している。導電ワイヤ２０の第３表面２０ｍは、導電ワイヤ２０の第４表面２０ｎとは反対側の表面である。
導電ワイヤ２０は、接合部２１に近位する端２０ｐを有している。導電ワイヤ２０の長手方向（第１方向（ｘ方向））における接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑは、導電ワイヤ２０の端２０ｐに近位する端部２１ｐ、及び、導電ワイヤ２０の端２０ｐから遠位する端部２１ｑである。接合部２１の端部２１ｑは、導電ワイヤ２０の長手方向（第１方向（ｘ方向））において、接合部２１の端部２１ｐとは反対側にある。
図２に示されるように、第１樹脂部材３０は、前面電極１７の第１表面１７ａと、導電ワイヤ２０の第２表面２０ａとに沿って延在しており、かつ、導電ワイヤ２０の長手方向における接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑの少なくとも一つで屈曲している。導電ワイヤ２０の長手方向における、接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑの少なくとも一つと第１樹脂部材３０の屈曲部３１との間の距離ｄは、１５０μｍ以下であってもよい。距離ｄは、１００μｍ以下であってもよい。
第１樹脂部材３０は、接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑの少なくとも一つと、前面電極１７の第１表面１７ａと、導電ワイヤ２０の第２表面２０ａとを覆っている。接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑの少なくとも一つは、接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑであってもよい。第１樹脂部材３０は、接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑを互いに接続する接合部２１の側部２１ｒ，２１ｓをさらに覆ってもよい。第１樹脂部材３０は、接合部２１の外周の全てを覆ってもよい。第１樹脂部材３０は、導電ワイヤ２０の第３表面２０ｍをさらに覆ってもよい。第１樹脂部材３０は、導電ワイヤ２０の端２０ｐをさらに覆ってもよい。図４に示される本実施の形態の第１変形例のように、導電ワイヤ２０の端２０ｐは、第１樹脂部材３０から露出してもよい。
図２に示されるように、第１樹脂部材３０の一部は、第２樹脂部材３３から露出してもよい。前面電極１７の第１表面１７ａ上に延在している第１樹脂部材３０の一部は、第２樹脂部材３３から露出してもよい。図４に示される本実施の形態の第１変形例のように、前面電極１７の第１表面１７ａ上に延在している第１樹脂部材３０の全ては、第２樹脂部材３３で覆われてもよい。図２に示されるように、導電ワイヤ２０の端２０ｐ上に形成されている第１樹脂部材３０は、第２樹脂部材３３から露出してもよい。第１樹脂部材３０の厚さは、接合部２１上の導電ワイヤ２０の最大厚さＤ2より小さくてもよい。第１樹脂部材３０の厚さは、接合部２１上の導電ワイヤ２０の最大厚さＤ2の半分より小さくてもよい。
第１樹脂部材３０は、例えば、ポリイミド系樹脂材料のような絶縁樹脂材料で形成されている。第１樹脂部材３０は、シロキサン骨格が導入されたポリイミド系樹脂材料で形成されてもよい。シロキサン骨格は、第１樹脂部材３０に、可撓性と、導電ワイヤ２０及び前面電極１７に対する接着性とを付与する。
図２に示されるように、第２樹脂部材３３は、第１樹脂部材３０の屈曲部３１を覆っている。接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑの少なくとも一つは、第１樹脂部材３０及び第２樹脂部材３３によって二重に封止されている。接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑは、第１樹脂部材３０及び第２樹脂部材３３によって二重に封止されてもよい。接合部２１の側部２１ｒ，２１ｓは、第１樹脂部材３０及び第２樹脂部材３３によって二重に封止されてもよい。接合部２１の外周の全ては、第１樹脂部材３０及び第２樹脂部材３３によって二重に封止されてもよい。第２樹脂部材３３は、エポキシ系樹脂材料のような絶縁樹脂材料で形成されている。第２樹脂部材３３の外表面は、外側（第３樹脂部材４０）に向かって凸形状を有してもよい。
前面電極１７の第１表面１７ａと導電ワイヤ２０の第２表面２０ａとの間にある第２樹脂部材３３の頂部３３ｐの前面電極１７の第１表面１７ａからの最小高さｈ1は、接合部２１上の導電ワイヤ２０の最小厚さＤ1の半分よりも大きくてもよい。導電ワイヤ２０の第３表面２０ｍ上の第２樹脂部材３３の最大厚さｈ2は、接合部２１上の導電ワイヤ２０の最大厚さＤ2の２倍以下である。第２樹脂部材３３の最大厚さｈ2は、導電ワイヤ２０の最大厚さＤ2の１．５倍以下であってもよい。第２樹脂部材３３の最大厚さｈ2は、導電ワイヤ２０の最大厚さＤ2以下であってもよい。図５及び図６に示される本実施の形態の第２変形例ように、導電ワイヤ２０の第３表面２０ｍは、第２樹脂部材３３から露出してもよい。第２樹脂部材３３の最大厚さｈ2は、ゼロであってもよい。
第１樹脂部材３０の第１破断伸び率は、第２樹脂部材３３の第２破断伸び率よりも高い。第１樹脂部材３０の第１破断伸び率は、例えば、２０％以上である。第１樹脂部材３０の第１破断伸び率は、５０％以上であってもよく、８０％以上であってもよい。第１樹脂部材３０の第１破断強度は、第２樹脂部材３３の第２破断強度よりも高い。第１樹脂部材３０の第１破断強度は、例えば、１００ＭＰａ以上である。第１樹脂部材３０の第１破断強度は、１５０ＭＰａ以上であってもよい。第１樹脂部材３０の第１破断伸び率及び第１破断強度は、ＡＳＴＭ Ｄ８８２に従って測定される。第２樹脂部材３３の第２破断伸び率及び第２破断強度は、ＪＩＳ Ｋ ７１６１－１に従って測定される。
第２樹脂部材３３の第２引張弾性率は、第１樹脂部材３０の第１引張弾性率よりも高い。第２樹脂部材３３の第２引張弾性率は、例えば、５ＧＰａ以上である。第２樹脂部材３３の第２引張弾性率は、例えば、３０ＧＰａ以下であってもよい。第１樹脂部材３０の第１引張弾性率は、ＡＳＴＭ Ｄ８８２に従って測定される。第２樹脂部材３３の第２引張弾性率は、ＪＩＳ Ｋ ７１６１－１に従って測定される。
第２樹脂部材３３は、第１樹脂部材３０より高濃度のフィラーを含む。第１樹脂部材３０は、例えば、金属またはセラミックスで形成されている第１フィラーを含んでもよい。第１樹脂部材３０は、フィラーを含んでいなくてもよい。第２樹脂部材３３は、シリカまたはアルミナのような第２フィラーを含んでもよい。
第１樹脂部材３０が、フィラーを含んでいない、または、低濃度のフィラーしか含んでいないため、第１樹脂部材３０の第１破断伸び率及び第１破断強度を増加させることができる。しかし、第１樹脂部材３０が、フィラーを含んでいない、または、低濃度のフィラーしか含んでいないと、第１樹脂部材３０の第１引張弾性率を増加させることが難しい。パワー半導体モジュール１にヒートサイクルが印加されたときに、第１樹脂部材３０だけでは、半導体素子１５と導電ワイヤ２０と第３樹脂部材４０との間の熱膨張係数の差に起因する導電ワイヤ２０の変形を十分に抑えることが困難である。
第２樹脂部材３３は第１樹脂部材３０より高濃度のフィラーを含むため、第２樹脂部材３３の第２引張弾性率を、第１樹脂部材３０の第１引張弾性率よりも高くすることができる。パワー半導体モジュール１にヒートサイクルが印加されたときに、第１樹脂部材３０の第１引張弾性率よりも高い第２引張弾性率を有する第２樹脂部材３３は、導電ワイヤ２０の変形を十分に抑えることができる。第２樹脂部材３３は、導電ワイヤ２０の変形に起因して第１樹脂部材３０が破断することを防止することができる。
第１樹脂部材３０及び第２樹脂部材３３は、各々、パワー半導体モジュール１の最高使用温度よりも高いガラス転移温度を有してもよい。例えば、第１樹脂部材３０及び第２樹脂部材３３は、各々、１５０℃以上のガラス転移温度を有してもよい。
第３樹脂部材４０は、半導体素子１５と、第１樹脂部材３０と、第２樹脂部材３３とを封止する。第３樹脂部材４０は、導電ワイヤ２０の少なくとも一部をさらに封止する。第３樹脂部材４０は、導電ワイヤ２０の全体を封止してもよい。第３樹脂部材４０は、例えば、シリコーンゲルのような絶縁樹脂材料で形成されている。
第３樹脂部材４０の第３引張弾性率は、第１樹脂部材３０の第１引張弾性率及び第２樹脂部材３３の第２引張弾性率よりも低くてもよい。そのため、第３樹脂部材４０と半導体素子１５との間の熱膨張係数の差に起因して、第３樹脂部材４０が半導体素子１５から剥がれることが防止され得る。第３樹脂部材４０の第３引張弾性率は、ＪＩＳ Ｋ ６２５１に従って測定される。第３樹脂部材４０の絶縁破壊強さは、第１樹脂部材３０及び第２樹脂部材３３の絶縁破壊強さよりも高い。第３樹脂部材４０は、例えば、１０ｋＶ／ｍｍ以上の絶縁破壊強さを有してもよい。
図１に示されるように、ヒートシンク３７は、絶縁回路基板１０に取り付けられている。具体的には、絶縁回路基板１０の導電板１３は、伝熱グリースのような接合部材（図示せず）を用いて、ヒートシンク３７のおもて面に接合されている。半導体素子１５から発生した熱は、絶縁回路基板１０を介して、ヒートシンク３７に伝達される。この熱は、ヒートシンク３７から、パワー半導体モジュール１の外部へ放散される。ヒートシンク３７は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）のような金属材料で形成されている。
図１に示されるように、外囲体３８が、ヒートシンク３７のおもて面に周縁に取り付けられてもよい。ヒートシンク３７と外囲体３８とは、ケース３６を構成している。パワー半導体モジュール１は、ケースタイプのモジュールである。外囲体３８は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）またはポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）のような絶縁樹脂材料で形成されている。ケース３６の内部空間の少なくとも一部は、第３樹脂部材４０で充填されている。パワー半導体モジュール１は、外囲体３８を備えていないモールドタイプのモジュールであってもよい。
図７及び図８に示される本実施の形態の第３変形例ように、第１樹脂部材３０は、接合部２１のうち接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑを選択的に覆ってもよい。接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑは、選択的に、第１樹脂部材３０及び第２樹脂部材３３によって二重に封止されてもよい。接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑを互いに接続する接合部２１の側部２１ｒ，２１ｓの一部は、第１樹脂部材３０から露出してもよい。接合部２１の外周の一部は、第１樹脂部材３０から露出してもよい。
図９及び図１０に示される本実施の形態の第４変形例ように、第１樹脂部材３０で覆われる接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑの少なくとも一つは、接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑのうちの一つであってもよい。本実施の形態の第４変形例では、第１樹脂部材３０は、接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑのうち接合部２１の端部２１ｐを選択的に覆っている。接合部２１の端部２１ｐは、選択的に、第１樹脂部材３０及び第２樹脂部材３３によって二重に封止されてもよい。接合部２１の端部２１ｐは、第１樹脂部材３０から露出している。第１樹脂部材３０は、接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑのうち接合部２１の端部２１ｑを選択的に覆ってもよい。接合部２１の端部２１ｑは、選択的に、第１樹脂部材３０及び第２樹脂部材３３によって二重に封止されてもよい。
図１１に示される本実施の形態の第５変形例及び図１２に示される本実施の形態の第６変形例のように、少なくとも一つの導電ワイヤ２０は、複数の導電ワイヤ２０であってもよい。第１樹脂部材３０と第２樹脂部材３３とは、複数の導電ワイヤ２０にまたがって形成されてもよい。第１樹脂部材３０と第２樹脂部材３３とは、複数の導電ワイヤ２０と前面電極１７との間に形成される複数の接合部２１にまたがって形成されてもよい。複数の接合部２１は、一括して、第１樹脂部材３０及び第２樹脂部材３３によって二重に封止されてもよい。
図１２に示される本実施の形態の第６変形例のように、第１樹脂部材３０は、接合部２１のうち接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑを選択的に覆ってもよい。複数の接合部２１の端部２１ｐは、選択的に、第１樹脂部材３０及び第２樹脂部材３３によって二重に封止されてもよい。複数の接合部２１の端部２１ｑは、選択的に、第１樹脂部材３０及び第２樹脂部材３３によって二重に封止されてもよい。接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑを互いに接続する接合部２１の側部２１ｒ，２１ｓの一部は、第１樹脂部材３０から露出してもよい。接合部２１の外周の一部は、第１樹脂部材３０から露出してもよい。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法を説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法は、接合工程Ｓ１と、第１封止工程Ｓ２と、第２封止工程Ｓ３と、第３封止工程Ｓ４とを備えている。
接合工程Ｓ１では、半導体素子１５が、絶縁回路基板１０に接合される。例えば、半導体素子１５の背面電極１６は、はんだまたは金属微粒子焼結体のような接合部材（図示せず）を用いて、導電回路パターン１２に接合される。導電ワイヤ２０が、接合部２１において、半導体素子１５の前面電極１７に接合される。例えば、導電ワイヤ２０は、ワイヤボンダーを用いて、半導体素子１５の前面電極１７と導電回路パターン１２とにボンディングされる。絶縁回路基板１０が、ヒートシンク３７に接合される。例えば、絶縁回路基板１０の導電板１３は、伝熱グリースのような接合部材（図示せず）を用いて、ヒートシンク３７のおもて面に接合される。さらに、外囲体３８がヒートシンク３７に接合されてもよい。
第１封止工程Ｓ２では、第１樹脂部材３０が形成される。例えば、樹脂材料が溶媒中に分散された溶液が、導電ワイヤ２０及び前面電極１７の第１表面１７ａ上に塗布される。溶液が塗布された導電ワイヤ２０及び前面電極１７を加熱して、溶媒を蒸発させるとともに樹脂材料を硬化させる。こうして、前面電極１７の第１表面１７ａ及び導電ワイヤ２０の第２表面２０ａ上に第１樹脂部材３０が形成される。第１樹脂部材３０を構成する樹脂材料は、ディスペンサを用いて塗布されてもよいし、静電塗布または電着塗布によって塗布されてもよい。ディスペンサを用いた樹脂材料の塗布は、経済的である。静電塗布または電着塗布は、狭小領域への樹脂材料の塗布を容易にする。
第２封止工程Ｓ３では、第２樹脂部材３３が形成される。例えば、液状の樹脂材料が第１樹脂部材３０上に供給される。液状の樹脂材料を硬化させて、第２樹脂部材３３が形成される。第３封止工程Ｓ４では、第３樹脂部材４０が形成される。例えば、液状の樹脂材料が、第１樹脂部材３０、第２樹脂部材３３、導電ワイヤ２０の少なくとも一部、半導体素子１５及び絶縁回路基板１０上に供給される。液状の樹脂材料を硬化させて、第３樹脂部材４０が形成される。こうして、パワー半導体モジュール１が得られる。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１の効果を説明する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、半導体素子１５と、少なくとも一つの導電ワイヤ２０と、第１樹脂部材３０と、第２樹脂部材３３と、第３樹脂部材４０とを備える。半導体素子１５は、前面電極１７を含む。少なくとも一つの導電ワイヤ２０は、接合部２１において、前面電極１７に接合されている。第３樹脂部材４０は、半導体素子１５と、第１樹脂部材３０と、第２樹脂部材３３とを封止する。第１樹脂部材３０は、前面電極１７の第１表面１７ａと、導電ワイヤ２０の第２表面２０ａとに沿って延在しており、かつ、導電ワイヤ２０の長手方向における接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑの少なくとも一つで屈曲している。第１表面１７ａは、接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑの少なくとも一つに接続されており、かつ、導電ワイヤ２０に対向している。第２表面２０ａは、接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑの少なくとも一つに接続されており、かつ、前面電極１７に対向している。第１樹脂部材３０は、接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑの少なくとも一つと、第１表面１７ａと、第２表面２０ａとを覆っている。第２樹脂部材３３は、第１樹脂部材３０の屈曲部３１を覆っている。第１樹脂部材３０の第１破断伸び率は、第２樹脂部材３３の第２破断伸び率よりも高い。第１樹脂部材３０の第１破断強度は、第２樹脂部材３３の第２破断強度よりも高い。第２樹脂部材３３の第２引張弾性率は、第１樹脂部材３０の第１引張弾性率よりも高い。
第１樹脂部材３０の第１破断伸び率は、第２樹脂部材３３の第２破断伸び率よりも高い。第１樹脂部材３０の第１破断強度は、第２樹脂部材３３の第２破断強度よりも高い。そのため、パワー半導体モジュール１にヒートサイクルが印加されても、第１樹脂部材３０は、破断することなく、導電ワイヤ２０を半導体素子１５の前面電極１７に固定し続けることができる。第２樹脂部材３３の第２引張弾性率は、第１樹脂部材３０の第１引張弾性率よりも高い。そのため、パワー半導体モジュール１にヒートサイクルが印加されたときに、第２樹脂部材３３は、半導体素子１５と導電ワイヤ２０との間の熱膨張係数の差に起因する導電ワイヤ２０の変形を減少させることができる。第２樹脂部材３３は、導電ワイヤ２０の変形に起因して第１樹脂部材３０のうち最も破断しやすい第１樹脂部材３０の屈曲部３１において第１樹脂部材３０が破断することを防止する。接合部２１にクラックが発生することが防止され得る。パワー半導体モジュール１は、向上された信頼性を有する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、第３樹脂部材４０の第３引張弾性率は、第１樹脂部材３０の第１引張弾性率及び第２樹脂部材３３の第２引張弾性率よりも低い。そのため、パワー半導体モジュール１にヒートサイクルが印加されたときに、導電ワイヤ２０が断線することが防止され得る。パワー半導体モジュール１は、向上された信頼性を有する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、第１樹脂部材３０の第１破断伸び率は２０％以上であり、第１樹脂部材３０の第１破断強度は１００ＭＰａ以上である。パワー半導体モジュール１にヒートサイクルが印加されても、第１樹脂部材３０は、破断することなく、導電ワイヤ２０を半導体素子１５の前面電極１７に固定し続けることができる。接合部２１にクラックが発生することが防止され得る。パワー半導体モジュール１は、向上された信頼性を有する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、第２樹脂部材３３の第２引張弾性率は、５ＧＰａ以上である。パワー半導体モジュール１にヒートサイクルが印加されたときに、第２樹脂部材３３は、半導体素子１５と導電ワイヤ２０との間の熱膨張係数の差に起因する導電ワイヤ２０の変形を減少させることができる。第２樹脂部材３３は、導電ワイヤ２０の変形に起因して第１樹脂部材３０が破断することを防止することができる。接合部２１にクラックが発生することが防止され得る。パワー半導体モジュール１は、向上された信頼性を有する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、第２樹脂部材３３は、第１樹脂部材３０より高濃度のフィラーを含んでいる。そのため、第１樹脂部材３０の第１破断伸び率及び第１破断強度を増加させることができるとともに、第２樹脂部材３３の第２引張弾性率を増加させることができる。接合部２１にクラックが発生することが防止され得る。パワー半導体モジュール１は、向上された信頼性を有する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、導電ワイヤ２０の長手方向（第１方向（ｘ方向））における、接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑの少なくとも一つと第１樹脂部材３０の屈曲部３１との間の距離ｄは、１５０μｍ以下である。そのため、第１樹脂部材３０を形成する際に溶媒が蒸発しやすくなって、第１樹脂部材３０中に溶媒が残留することが防止される。第１樹脂部材３０が脆くなることが防止される。また、樹脂材料を硬化させて第１樹脂部材３０を得る際に、第１樹脂部材３０に残留する応力が減少する。そのため、パワー半導体モジュール１にヒートサイクルが印加されても、第１樹脂部材３０は、破断することなく、導電ワイヤ２０を半導体素子１５の前面電極１７に固定し続けることができる。接合部２１にクラックが発生することが防止され得る。パワー半導体モジュール１は、向上された信頼性を有する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑの少なくとも一つは、接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑである。接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑが、第１樹脂部材３０と第２樹脂部材３３とによって二重に封止されているため、接合部２１にクラックが発生することが防止され得る。パワー半導体モジュール１は、向上された信頼性を有する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、第１樹脂部材３０は、接合部２１のうち接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑを選択的に覆っている。第１樹脂部材３０の使用量を低減させることができる。パワー半導体モジュール１のコストが減少する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、第１表面１７ａと第２表面２０ａとの間にある第２樹脂部材３３の頂部３３ｐの第１表面１７ａからの最小高さｈ1は、接合部２１上の導電ワイヤ２０の最小厚さＤ1の半分よりも大きい。パワー半導体モジュール１にヒートサイクルが印加されたときに、第２樹脂部材３３は、半導体素子１５と導電ワイヤ２０との間の熱膨張係数の差に起因する導電ワイヤ２０の変形を減少させることができる。第２樹脂部材３３は、導電ワイヤ２０の変形に起因して第１樹脂部材３０が破断することを防止する。接合部２１にクラックが発生することが防止され得る。パワー半導体モジュール１は、向上された信頼性を有する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、導電ワイヤ２０の第３表面２０ｍ上の第２樹脂部材３３の最大厚さｈ2は、接合部２１上の導電ワイヤ２０の最大厚さＤ2の２倍以下である。第３表面２０ｍは、接合部２１において前面電極１７に接触している導電ワイヤ２０の第４表面２０ｎとは反対側の表面である。第２樹脂部材３３が過度に厚く形成されていないため、パワー半導体モジュール１にヒートサイクルが印加されたときに、半導体素子１５と導電ワイヤ２０と第２樹脂部材３３との間の熱膨張係数の差に起因して導電ワイヤ２０が断線することが防止され得る。パワー半導体モジュール１は、向上された信頼性を有する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、少なくとも一つの導電ワイヤ２０は、複数の導電ワイヤ２０である。第１樹脂部材３０と第２樹脂部材３３とは、複数の導電ワイヤ２０にまたがって形成されている。第１樹脂部材３０と前面電極１７との間の接触面積が増加して、第１樹脂部材３０は、前面電極１７により強く密着する。第１樹脂部材３０と第２樹脂部材３３とが、前面電極１７及び接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑの少なくとも一つから剥離し難くなる。接合部２１にクラックが発生することが防止され得る。パワー半導体モジュール１は、向上された信頼性を有する。
実施の形態２．
図１３から図１５、図１９から図２１及び図２５から図２７を参照して、実施の形態２のパワー半導体モジュール１ｂを説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂは、実施の形態１のパワー半導体モジュール１と同様の構成を備えているが、主に以下の点で異なっている。
図１３から図１５に示されるように、パワー半導体モジュール１ｂでは、前面電極１７は、接合部２１の周囲にくぼみ４２を有している。くぼみ４２は、前面電極１７に形成されている。くぼみ４２は、前面電極１７の第１表面１７ａに形成されてもよい。第１樹脂部材３０は、くぼみ４２に充填されている。図１５に示されるように、くぼみ４２は、接合部２１の周囲に形成されている。特定的には、前面電極１７の平面視において、くぼみ４２は、接合部２１を取り囲むように形成されてもよい。さらに特定的には、前面電極１７の平面視において、くぼみ４２は、接合部２１を取り囲むように連続的に形成されてもよい。
図１６から図１８を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂの製造方法の一例を説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂの製造方法の一例は、実施の形態１のパワー半導体モジュール１の製造方法と同様の工程を備えているが、くぼみ形成工程Ｓ５をさらに備える点で主に異なっている。
図１６に示されるように、くぼみ形成工程Ｓ５は、接合工程Ｓ１の前に行われる。くぼみ形成工程Ｓ５では、半導体素子１５の前面電極１７にくぼみ４２を形成する。具体的には、レーザ光源４５から前面電極１７にレーザ光４６を照射することによって、くぼみ４２は形成される。レーザ光４６は、前面電極１７のうち、接合部２１となる領域の周囲に照射される。レーザ光源４５は、例えば、炭酸ガスレーザである。
図１７に示されるように、くぼみ形成工程Ｓ５の後に、接合工程Ｓ１が行われる。例えば、くぼみ形成工程Ｓ５の後に、導電ワイヤ２０を前面電極１７に接合する工程が行われる。図１８に示されるように、接合工程Ｓ１の後に、第１封止工程Ｓ２と第２封止工程Ｓ３とが行われる。続いて、第３封止工程Ｓ４が行われる。こうして、図１３から図１５に示されるパワー半導体モジュール１ｂが得られる。
図１９に示される本実施の形態の第１変形例並びに図２０及び図２１に示される本実施の形態の第２変形例のように、前面電極１７の平面視において、くぼみ４２は、複数の部分に分割して形成されてもよい。前面電極１７の平面視において、くぼみ４２は、接合部２１を取り囲むように離散的に形成されてもよい。
図２１に示される本実施の形態の第２変形例のように、接合部２１の周囲に、くぼみ４２が形成されていない領域があってもよい。くぼみ４２は、接合部２１の全周囲に形成される必要はない。本実施の形態の第２変形例では、前面電極１７のうち接合部２１の端部２１ｑに対向する部分に、くぼみ４２は形成されていない。
図２２から図２４を参照して、本実施の形態の第２変形例のパワー半導体モジュール１ｂの製造方法の一例を説明する。本実施の形態の第２変形例のパワー半導体モジュール１ｂの製造方法の一例は、図１６から図１８に示される本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂの製造方法の一例と同様の工程を備えているが、以下の点で主に異なっている。
本実施の形態の第２変形例のパワー半導体モジュール１ｂの製造方法の一例では、くぼみ形成工程Ｓ５は、接合工程Ｓ１のうち少なくとも導電ワイヤ２０を前面電極１７に接合する工程が行われた後に行われている。くぼみ形成工程Ｓ５は、接合工程Ｓ１の全体が行われた後に行われてもよい。図２２に示されるように、導電ワイヤ２０は前面電極１７に接合される。それから、図２３に示されるように、くぼみ形成工程Ｓ５が行われる。具体的には、レーザ光源４５から、前面電極１７のうち接合部２１の周囲の領域に、レーザ光４６を照射することによって、くぼみ４２は形成される。図２４に示されるように、第１封止工程Ｓ２と第２封止工程Ｓ３とが行われる。続いて、第３封止工程Ｓ４が行われる。こうして、本実施の形態の第２変形例のパワー半導体モジュール１ｂが得られる。
図２５に示される本実施の形態の第３変形例のように、前面電極１７の平面視において、くぼみ４２は、接合部２１を周囲を多重に取り囲むように形成されてもよい。図２６に示される本実施の形態の第４変形例のように、第１樹脂部材３０で覆われる接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑの少なくとも一つは、接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑのうちの一つであってもよい。本実施の形態の第４変形例では、第１樹脂部材３０は、接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑのうち接合部２１の端部２１ｐを選択的に覆っている。第１樹脂部材３０は、接合部２１の両端部２１ｐ，２１ｑのうち接合部２１の端部２１ｑを選択的に覆ってもよい。
図２７に示される本実施の形態の第５変形例のように、少なくとも一つの導電ワイヤ２０は、複数の導電ワイヤ２０であってもよい。第１樹脂部材３０と第２樹脂部材３３とは、複数の導電ワイヤ２０にまたがって形成されてもよい。くぼみ４２は、複数の接合部２１の各々の周囲に設けられている。複数の接合部２１の各々に対応するくぼみ４２は、互いに接続されてもよい。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂは、実施の形態１のパワー半導体モジュール１の効果に加えて、以下の効果を奏する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂでは、前面電極１７は、接合部２１の周囲にくぼみ４２を有している。くぼみ４２に、第１樹脂部材３０が充填されている。
パワー半導体モジュール１ｂにヒートサイクルが印加されたときに、導電ワイヤ２０と半導体素子１５との間の熱膨張係数の差に起因して、第１樹脂部材３０の端部から接合部２１に向かって、前面電極１７からの第１樹脂部材３０の剥がれが進展することがある。くぼみ４２には第１樹脂部材３０が充填されている。そのため、くぼみ４２において、前面電極１７からの第１樹脂部材３０の剥がれの進展方向が変わり、この進展方向はくぼみ４２の底に向かう。前面電極１７からの第１樹脂部材３０の剥がれが接合部２１に到達することが防止され得る。パワー半導体モジュール１ｂにヒートサイクルが印加されても、第１樹脂部材３０は、導電ワイヤ２０を半導体素子１５の前面電極１７に固定し続けることができる。接合部２１にクラックが発生することが防止され得る。パワー半導体モジュール１ｂは、向上された信頼性を有する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂでは、くぼみ４２は、前面電極１７の平面視において、接合部２１を取り囲むように形成されている。そのため、前面電極１７からの第１樹脂部材３０の剥がれが接合部２１に到達することが一層防止され得る。パワー半導体モジュール１ｂにヒートサイクルが印加されても、第１樹脂部材３０は、導電ワイヤ２０を半導体素子１５の前面電極１７に固定し続けることができる。接合部２１にクラックが発生することが防止され得る。パワー半導体モジュール１ｂは、向上された信頼性を有する。
実施の形態３．
図２８及び図２９を参照して、実施の形態３のパワー半導体モジュール１ｃを説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃは、実施の形態２のパワー半導体モジュール１ｂと同様の構成を備えているが、くぼみ４２の形状の点で主に異なっている。
パワー半導体モジュール１ｃでは、くぼみ４２は、開口４２ｃと、底４２ｄと、開口４２ｃと底４２ｄとを接続する側面４２ｅとを有している。くぼみ４２は、前面電極１７の第１表面１７ａの法線方向に対して傾斜する方向に延在している。くぼみ４２の側面４２ｅの少なくとも一部は、前面電極１７の第１表面１７ａの法線方向に対して傾斜している。くぼみ４２の側面４２ｅの全体が、前面電極１７の第１表面１７ａの法線方向に対して傾斜してもよい。くぼみ４２の側面４２ｅの傾斜部は、くぼみ４２の開口４２ｃに接続されてもよい。前面電極１７の平面視において、底４２ｄまたは側面４２ｅの少なくとも一部は、開口４２ｃよりも接合部２１から離れた位置にある。前面電極１７の平面視において、くぼみ４２の底４２ｄと接合部２１との間の距離がくぼみ４２の開口４２ｃと接合部２１との間の距離よりも大きくなるように、くぼみ４２は前面電極１７の第１表面１７ａの法線方向に対して傾斜している。
図３０を参照して、実施の形態３のパワー半導体モジュール１ｃの製造方法を説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃの製造方法は、実施の形態２のパワー半導体モジュール１ｂの製造方法と同様の工程を備えているが、くぼみ形成工程Ｓ５の点で主に異なっている。
本実施の形態のくぼみ形成工程Ｓ５では、前面電極１７の第１表面１７ａの法線方向に対して傾斜したくぼみ４２が形成される。傾斜したくぼみ４２は、前面電極１７の第１表面１７ａの法線方向に対して傾斜した方向に進むレーザ光４６を、前面電極１７のうち接合部２１となる部分の周囲に照射することによって形成される。例えば、レーザ光源４５を前面電極１７の第１表面１７ａの法線方向に対して傾けて配置することによって、前面電極１７の第１表面１７ａは、前面電極１７の第１表面１７ａの法線方向に対して傾斜した方向からレーザ光４６によって照射される。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃは、実施の形態２のパワー半導体モジュール１ｂの効果に加えて、以下の効果を奏する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃでは、くぼみ４２は、開口４２ｃと、底４２ｄと、開口４２ｃと底４２ｄとを接続する側面４２ｅとを有している。前面電極１７の平面視において、底４２ｄまたは側面４２ｅの少なくとも一部は、開口４２ｃよりも接合部２１から離れた位置にある。傾斜したくぼみ４２において、前面電極１７からの第１樹脂部材３０の剥がれの進展方向がさらに大きく変わる。前面電極１７からの第１樹脂部材３０の剥がれが接合部２１に到達することが一層防止され得る。パワー半導体モジュール１ｃにヒートサイクルが印加されても、第１樹脂部材３０は、導電ワイヤ２０を半導体素子１５の前面電極１７に固定し続けることができる。接合部２１にクラックが発生することを一層防止することができる。パワー半導体モジュール１ｃは、向上された信頼性を有する。
実施の形態４．
本実施の形態は、実施の形態１から実施の形態３のパワー半導体モジュール１，１ｂ，１ｃのいずれかを電力変換装置に適用したものである。本実施の形態の電力変換装置２００が、特に限定されるものではないが、三相のインバータである場合について以下説明する。
図３１に示される電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００及び負荷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、特に限定されないが、例えば、直流系統、太陽電池または蓄電池で構成されてもよいし、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータで構成されてもよい。電源１００は、直流系統から出力される直流電力を別の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成されてもよい。
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３１に示されるように、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、特に限定されるものではないが、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、または、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（図示せず）と還流ダイオード（図示せず）を備えている。スイッチング素子が電源１００から供給される電圧をスイッチングすることによって、主変換回路２０１は、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換して、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、本実施の形態に係る主変換回路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とから構成され得る。主変換回路２０１の各スイッチング素子及び各還流ダイオードの少なくともいずれかに、上述した実施の形態１から実施の形態３のパワー半導体モジュール１，１ｂ，１ｃのいずれかを適用する。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相及び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（図示せず）を備えている。駆動回路は、半導体モジュール２０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２０２とは別に設けられてもよい。駆動回路は、主変換回路２０１に含まれるスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成して、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に駆動信号を供給する。具体的には、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パルス幅変調（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、オフ状態に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２００では、主変換回路２０１に含まれる半導体モジュール２０２として、実施の形態１から実施の形態３のパワー半導体モジュール１，１ｂ，１ｃのいずれかが適用される。そのため、本実施の形態に係る電力変換装置２００は、向上された信頼性を有する。
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、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レベルの電力変換装置であってもよいし、マルチレベルの電力変換装置であってもよい。電力変換装置が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が適用されてもよい。電力変換装置が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が適用されてもよい。
本発明が適用された電力変換装置は、負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機もしくはレーザー加工機の電源装置、または、誘導加熱調理器もしくは非接触器給電システムの電源装置に組み込まれ得る。本発明が適用された電力変換装置は、太陽光発電システムまた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られ得る。
今回開示された実施の形態１－４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。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態１－４の少なくとも２つを組み合わせてもよい。本発明の範囲は、上記した説明ではなく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を意図される。
１，１ｂ，１ｃ パワー半導体モジュール、１０ 絶縁回路基板、１１ 絶縁基板、１２ 導電回路パターン、１３ 導電板、１５ 半導体素子、１６ 背面電極、１７ 前面電極、１７ａ 第１表面、２０ 導電ワイヤ、２０ａ 第２表面、２０ｍ 第３表面、２０ｎ 第４表面、２０ｐ 端、２１ 接合部、２１ｐ，２１ｑ 端部、２１ｒ，２１ｓ 側部、３０ 第１樹脂部材、３１ 屈曲部、３３ 第２樹脂部材、３３ｐ 頂部、３６ ケース、３７ ヒートシンク、３８ 外囲体、４０ 第３樹脂部材、４２ｃ 開口、４２ｄ 底、４２ｅ 側面、４５ レーザ光源、４６ レーザ光、１００ 電源、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 半導体モジュール、２０３ 制御回路、３００ 負荷。

Claims (15)

  1. 前面電極を含む半導体素子と、
    接合部において前記前面電極に接合されている少なくとも一つの導電ワイヤと、
    第１樹脂部材と、
    第２樹脂部材と、
    前記半導体素子と前記第１樹脂部材と前記第２樹脂部材とを封止する第３樹脂部材とを備え、
    前記第１樹脂部材は、前記前面電極の第１表面と、前記導電ワイヤの第２表面とに沿って延在しており、かつ、前記導電ワイヤの長手方向における前記接合部の両端部の少なくとも一つで屈曲しており、前記第１表面は、前記接合部の前記両端部の前記少なくとも一つに接続されており、かつ、前記導電ワイヤに対向しており、前記第２表面は、前記接合部の前記両端部の前記少なくとも一つに接続されており、かつ、前記前面電極に対向しており、
    前記第１樹脂部材は、前記接合部の前記両端部の前記少なくとも一つと、前記第１表面と、前記第２表面とを覆っており、
    前記第２樹脂部材は、前記第１樹脂部材の屈曲部を覆っており、
    前記第１樹脂部材の第１破断伸び率は、前記第２樹脂部材の第２破断伸び率よりも高く、
    前記第１樹脂部材の第１破断強度は、前記第２樹脂部材の第２破断強度よりも高く、
    前記第２樹脂部材の第２引張弾性率は、前記第１樹脂部材の第１引張弾性率よりも高い、パワー半導体モジュール。
  2. 前記第３樹脂部材の第３引張弾性率は、前記第１樹脂部材の前記第１引張弾性率及び前記第２樹脂部材の前記第２引張弾性率よりも低い、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  3. 前記第１樹脂部材の前記第１破断伸び率は２０％以上であり、
    前記第１樹脂部材の前記第１破断強度は１００ＭＰａ以上である、請求項１または請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 前記第２樹脂部材は、前記第１樹脂部材より高濃度のフィラーを含んでいる、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  5. 前記第２樹脂部材の前記第２引張弾性率は、５ＧＰａ以上である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  6. 前記導電ワイヤの前記長手方向における、前記接合部の前記両端部の前記少なくとも一つと前記第１樹脂部材の前記屈曲部との間の距離は、１５０μｍ以下である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  7. 前記接合部の前記両端部の前記少なくとも一つは、前記接合部の前記両端部である、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  8. 前記第１樹脂部材は、前記接合部のうち前記接合部の前記両端部を選択的に覆っている、請求項７に記載のパワー半導体モジュール。
  9. 前記第１表面と前記第２表面との間にある前記第２樹脂部材の頂部の前記第１表面からの最小高さは、前記接合部上の前記導電ワイヤの最小厚さの半分よりも大きい、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  10. 前記導電ワイヤの第３表面上の前記第２樹脂部材の最大厚さは、前記接合部上の前記導電ワイヤの最大厚さの２倍以下であり、
    前記第３表面は、前記接合部において前記前面電極に接触している前記導電ワイヤの第４表面とは反対側の表面である、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  11. 前記少なくとも一つの導電ワイヤは、複数の導電ワイヤであり、
    前記第１樹脂部材と前記第２樹脂部材とは、前記複数の導電ワイヤにまたがって形成されている、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  12. 前記前面電極は、前記接合部の周囲にくぼみを有しており、
    前記くぼみに、前記第１樹脂部材が充填されている、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  13. 前記くぼみは、前記前面電極の平面視において、前記接合部を取り囲むように形成されている、請求項１２に記載のパワー半導体モジュール。
  14. 前記くぼみは、開口と、底と、前記開口と前記底とを接続する側面とを有しており、
    前記前面電極の平面視において、前記底または前記側面の少なくとも一部は、前記開口よりも前記接合部から離れた位置にある、請求項１２に記載のパワー半導体モジュール。
  15. 請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の前記パワー半導体モジュールを有し、かつ、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、電力変換装置。
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