JP7105214B2 - パワー半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、パワー半導体装置に関する。
近年、地球規模での環境や資源問題がクローズアップされており、資源の有効活用、省エネルギー化の推進、地球温暖化ガスの排出抑制のため、パワー半導体素子のスイッチングを利用したインバータ装置を代表とする高効率な電力変換装置が注目されている。こうした電力変換装置は、冷蔵庫やエアコンなどの家電製品をはじめ、産業機械、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、鉄道、電力、社会インフラ関連機器などに幅広く応用展開されている。
電力変換装置は、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子を内蔵したパワー半導体装置（パワーモジュール）、バスバー、コンデンサ、インダクター、各種センサ、制御回路等の数多くの部品から構成されている。設置面積の小スペース化や安全性のため、小型で信頼性の高い電力変換装置が求められている。これには、電力変換装置の主構成部品であるパワー半導体装置の小型、高信頼化が重要である。
パワー半導体装置は、パワー半導体素子、導体部、放熱材、絶縁材などで構成されるが、パワー半導体素子の通電による発熱量が高いため、小型、高信頼化を実現するには、効率良くパワー半導体素子を冷却する必要がある。このため、近年ではパワー半導体素子の両面に導体部、絶縁板、放熱板を取り付け、パワー半導体素子で発生した熱を素子の両面から放熱する両面冷却構造のパワー半導体装置が開発されている。こうした両面冷却構造のパワー半導体装置では、小型化や放熱性の向上を図りつつ、パワー半導体素子を間に挟んで対向して配置される導体部の間や、導体部と放熱板の間において、パワー半導体素子に高電圧が印加された際にも電気的に導通が起こらないようにするため、高い絶縁性を確保する必要がある。
上記課題を解決するものとして、下記の特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１には、パワー半導体素子と電気的に接続される導体部と放熱部との間に、絶縁層を介して中間導体層を配置させ、この中間導体層により導体部と放熱部の間の電圧を分担することで、絶縁材の厚さを低減しても絶縁性を確保可能な構造が開示されている。
特開２０１６－５９１４７号公報
特許文献１の技術では、導体部と放熱板の間における絶縁性については確保可能であるが、導体部の間の絶縁性確保については言及されていない。
本発明によるパワー半導体装置は、直流電力を伝達する直流端子と繋がる第１導体部と、交流電力を伝達する交流端子と繋がる第２導体部と、前記第１導体部と前記第２導体部の間に配置され、前記直流電力を前記交流電力に変換する半導体素子と、前記第１導体部と前記第２導体部の間に配置される介装部と、を備え、前記介装部は、前記第１導体部と繋がる第１導体層と、前記第２導体部と繋がる第２導体層と、前記第１導体層と前記第２導体層の間に、単層または複数層の第３導体層を間に挟んで配置される複数の絶縁層と、を有する。
本発明によれば、導体部の間の絶縁性を確保し、小型で信頼性に優れたパワー半導体装置を提供することができる。
本発明の第１の比較例に係るパワー半導体装置の構造を示す断面図である。 パワー半導体装置において発生した剥離の例を示す図である。 パワー半導体装置における剥離部の概要図である。 図３の等価回路を示す図である。 パワー半導体装置の剥離部における絶縁体の厚さと最小部分放電電圧の関係の例を示す図である。 本発明の第２の比較例に係るパワー半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るパワー半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るパワー半導体装置の構造を示す断面図である。 パワー半導体装置の作成方法の例を説明する図である。 パワー半導体装置の作成方法の例を説明する図である。 本発明の実施形態および比較例による各パワー半導体装置の部分放電開始電圧の測定結果を示す図である。
（比較例の説明）
本発明の実施形態について説明する前に、従来のパワー半導体装置の構造例を、本発明の比較例として以下に説明する。
図１は、本発明の第１の比較例に係るパワー半導体装置１０００Ｃの構造を示す断面図である。図１に示すパワー半導体装置１０００Ｃは、半導体素子１と、スペーサー３と、直流端子４と、交流端子５と、絶縁部材１０１および２０１と、第１導体部１０２と、第２導体部２０２と、放熱部１０３および２０３とを備え、これらが封止樹脂１０により一体化されて構成されている。
直流端子４は、直流電源に接続された不図示の直流バスバーと電気的に接続されるとともに、導電性の接合部材９により第１導体部１０２と接合されている。交流端子５は、交流モータ等の交流負荷に接続された不図示の交流バスバーと電気的に接続されるとともに、導電性の接合部材９により第２導体部２０２と接合されている。接合部材９は、例えばはんだを用いて構成される。
半導体素子１は、例えばＩＧＢＴ等のスイッチング動作可能な素子であり、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間に配置される。直流端子４により直流電源から伝達された直流電力は、第１導体部１０２を介して半導体素子１に入力される。半導体素子１は、直流端子４から第１導体部１０２を介して入力された直流電力を交流電力に変換し、第２導体部２０２と半導体素子１の間に配置されたスペーサー３を介して、変換後の交流電力を第２導体部２０２に出力する。半導体素子１から第２導体部２０２に出力された交流電力は、第２導体部２０２を介して交流端子５に出力され、交流端子５により交流負荷に伝達される。半導体素子１と第１導体部１０２およびスペーサー３とは、接合部材９によりそれぞれ接合されている。
スペーサー３は、銅などの導電性の部材を用いて構成されており、半導体素子１から出力された交流電力を第２導体部２０２に伝達する。スペーサー３は、第２導体部２０２と半導体素子１の間のスペースを埋めるように配置される。これにより、パワー半導体装置１０００Ｃの製造工程において、第２導体部２０２の位置を適切に調整することができる。スペーサー３と第２導体部２０２とは、接合部材９により接合されている。
第１導体部１０２および第２導体部２０２は、絶縁部材１０１、２０１を介して、放熱部１０３、２０３とそれぞれ熱的に結合するように配置されている。放熱部１０３、２０３は、絶縁部材１０１、２０１に接する面とは反対側の面が封止樹脂１０からそれぞれ露出している。これにより、パワー半導体装置１０００Ｃにおいて両面冷却構造が実現され、半導体素子１の通電によって発生した熱を放熱部１０３、２０３から効率的に放熱することができるようになっている。
以上説明した両面冷却構造のパワー半導体装置１０００Ｃでは、一般に、スペーサー３、接合部材９、半導体素子１の３つの部材の合計の熱膨張係数と、封止樹脂１０の熱膨張係数とが互いに異なる。そのため、第１導体部１０２または第２導体部２０２と封止樹脂１０との接着力が低いと、パワー半導体装置１０００Ｃが稼働と休止を繰り返すことで生じる温度変化により、パワー半導体装置１０００Ｃにおいて、第１導体部１０２または第２導体部２０２と封止樹脂１０との間に剥離が発生する可能性がある。
図２は、パワー半導体装置１０００Ｃにおいて発生した剥離の例を示している。図２では、第２導体部２０２と封止樹脂１０との間に、剥離により生じた空間である剥離部空間２０が存在している。
特に、パワー半導体装置１０００Ｃが鉄道、自動車、航空機等の輸送機器において使用される場合や、電力用に利用される場合には、使用される電圧が比較的高い。そのため、半導体素子１と電気的にそれぞれ接続される第１導体部１０２と第２導体部２０２との間の耐圧を確保するために、スペーサー３の高さを大きくとる必要がある。したがって、第１導体部１０２や第２導体部２０２と封止樹脂１０との間に、剥離が発生しやすい傾向にある。
図３は、パワー半導体装置１０００Ｃにおける剥離部２１の概要図である。図２の剥離部２１は、第２導体部２０２と封止樹脂１０との間の剥離によって生じた剥離部空間２０と、この剥離部空間２０と封止樹脂１０を間に挟んで互いに対向する第１導体部１０２および第２導体部２０２の各部分とを含んでいる。図３は、この剥離部２１の電気的特性の概要を示している。
半導体素子１がスイッチング動作を行うと、図３に示すように半導体素子１はパルス発生源３０として作用し、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間に電圧変化を引き起こす。剥離部２１では、図３に示すように、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間に封止樹脂１０と剥離部空間２０が存在している。そのため、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間の電圧（以下、導体間電圧と称する）は、封止樹脂１０と剥離部空間２０に分圧されて印加される。
図４は、図３の等価回路を示す図である。図４に示すように、パルス発生源３０からの電圧は、封止樹脂１０による容量成分Ｃｒと、剥離部空間２０による容量成分Ｃａｉｒとに分圧される。
ここで、剥離部空間２０には、容量成分Ｃａｉｒと並列接続された放電ギャップ２２が存在する。この放電ギャップ２２は、剥離部空間２０の厚さに応じた絶縁破壊電圧を有している。すなわち、剥離部空間２０には気体（空気）が充填されている。一般的に、空気の絶縁破壊強度は、封止樹脂１０の絶縁破壊強度よりも低い。また、空気の比誘電率はおおよそ１であり、封止樹脂１０の比誘電率は一般的に３～６程度の値である。
図２に示したように、第２導体部２０２と封止樹脂１０の間に薄い剥離部空間２０が広がっている場合には、剥離部空間２０の電界は、封止樹脂１０の電界に封止樹脂１０の比誘電率をかけた値となる。そのため、剥離部空間２０にかかる電圧は、封止樹脂１０よりも高くなる。この電圧が放電ギャップ２２の絶縁破壊電圧を超えると、空気の絶縁破壊が起こり、剥離部空間２０において部分放電が生じる。すなわち、導体間電圧により封止樹脂１０では絶縁破壊が生じないが、剥離部空間２０において絶縁破壊が生じるため、部分的な放電が発生する。
剥離部空間２０で部分放電が発生したとしても、封止樹脂１０の絶縁破壊強度が高ければ、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間が短期間での絶縁破壊に至る可能性は小さい。しかしながら、パワー半導体装置１０００Ｃを長期間使用すると、封止樹脂１０において絶縁劣化が徐々に進行し、最悪の場合には、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間が絶縁破壊に至る可能性がある。また、絶縁破壊に至らないまでも、絶縁信頼性の低下につながる。そのため、部分放電の発生をできるだけ防止しなければならない。
以上のように、本発明の第１の比較例に係るパワー半導体装置１０００Ｃのような両面冷却構造のパワー半導体装置では、使用環境下での部分放電を防止し、絶縁部の絶縁劣化を防止することが重要である。
図５は、パワー半導体装置１０００Ｃの剥離部２１における絶縁体の厚さと最小部分放電電圧の関係の例を示す図である。図５では、図３に示したように、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間に、絶縁体である封止樹脂１０と剥離部空間２０が積層された２層絶縁構成において、例として封止樹脂１０の比誘電率εｒを５、温度Ｔを２５℃とした場合の、封止樹脂１０の厚さと最小部分放電電圧の関係を計算により求めた結果を示している。なお、図５の最小部分放電電圧とは、剥離部空間２０において部分放電が生じる導体間電圧の最小値である。また、図５では高度をパラメータとして、様々な高度に対応する気圧下での封止樹脂１０の厚さと最小部分放電電圧の関係を示している。
図５によれば、封止樹脂１０の厚さが薄くなるほど最小部分放電電圧が低くなることが分かる。また、高度が高くなるほど、すなわち気圧が低くなるほど、封止樹脂１０の厚さが同じでも最小部分放電電圧が低くなることが分かる。
自動車や鉄道と同じ輸送機器の一つである航空機においては、化石燃料を使用するジェットエンジンで推力を生み出しているのが現状であり、資源の有効活用という観点で見ると、他の輸送機器よりも効率に劣っている状態である。今後の航空輸送需要の拡大を考えると、このままジェットエンジンを推力にした航空機が増大すると、地球温暖化ガスの排出拡大が見込まれる。このため、航空機においても他の輸送機器を同様に、電動化が望まれる。
航空機の電動化のためには、小型大容量なバッテリーや、小型高出力な電動機および電力変換装置が必要となる。また、航空機のように高高度の場所で使用される電力変換装置では、図２に示したような剥離部空間２０が発生した場合、図５で説明したように、高度に応じて部分放電開始電圧の低下が生じることを考慮する必要がある。
上記のような高高度における部分放電開始電圧の低下を補うための方法の一例を、図６を参照して以下に説明する。図６は、本発明の第２の比較例に係るパワー半導体装置１０００Ｄの構造を示す断面図である。図６に示すパワー半導体装置１０００Ｄは、図１に示した第１の比較例に係るパワー半導体装置１０００Ｃと比べて、スペーサー３の高さを高くし、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間の絶縁距離（絶縁体の厚さ）を大きくしている。
図６のパワー半導体装置１０００Ｄを採用すると、第１導体部１０２または第２導体部２０２と封止樹脂１０との間に剥離が発生した場合の最小部分放電電圧を高くすることができる。しかしながら、図５から分かるように、高高度では絶縁体の厚さが大きくなるほど、絶縁体の厚さに対する最小部分放電電圧の上昇が飽和傾向にあるため、得られる効果が減少する。また、スペーサー３の高さが増えることで、熱抵抗が増加するとともにパワー半導体装置１０００Ｄが大きくなってしまうため、パワー半導体装置全般に求められる小型化や放熱性の向上といった要求に反することとなる。
本発明は、上記課題に鑑みて、導体間に配置された絶縁体に剥離による空隙が生じた場合でも部分放電の発生を抑制可能な、小型で信頼性の高いパワー半導体装置の提供を目的としてなされたものである。以下の各実施形態では、本発明のパワー半導体装置の構造例について説明する。
（第１の実施形態）
図７は、本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体装置１０００の構造を示す断面図である。図７に示すパワー半導体装置１０００は、第１の比較例で説明した図１のパワー半導体装置１０００Ｃにおける半導体素子１、スペーサー３、直流端子４、交流端子５、絶縁部材１０１，２０１、第１導体部１０２、第２導体部２０２、放熱部１０３，２０３に加えて、介装部３００をさらに有している。本実施形態のパワー半導体装置１０００は、これらが封止樹脂１０により一体化されて構成されている。
介装部３００は、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間に配置されている。なお、図７の断面図では、半導体素子１およびスペーサー３を間に挟んで、介装部３００がこれらの左右に配置されている様子を示している。しかしながら、後で図１０を参照して説明するように、実際には介装部３００は、第１導体部１０２と第２導体部２０２の重なり方向、すなわち図７の上下方向に対して垂直な平面内において、半導体素子１の周囲を囲うように配置されている。
介装部３００は、接合部材９により第１導体部１０２と接合された第１導体層３０１と、接合部材９により第２導体部２０２と接合された第２導体層３０２と、第１導体層３０１と第２導体層３０２の間に配置された第３導体層３０３と、第１絶縁層３０４および第２絶縁層３０５とを有する。本実施形態において、第３導体層３０３は単層で構成されており、この第３導体層３０３を間に挟んで、２つの絶縁層（第１絶縁層３０４および第２絶縁層３０５）が第１導体層３０１と第２導体層３０２の間に配置されている。第１絶縁層３０４および第２絶縁層３０５は、例えば樹脂により構成される。
本実施形態のパワー半導体装置１０００では、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間に印加される導体間電圧は、介装部３００において、第１導体層３０１と第３導体層３０３の間に配置された第１絶縁層３０４の容量成分と、第２導体層３０２と第３導体層３０３の間に配置された第２絶縁層３０５の容量成分とに分圧される。したがって、第１導体部１０２または第２導体部２０２と封止樹脂１０との間に、図２で説明したような剥離による剥離部空間２０が生じた場合に、剥離部空間２０に印加される電圧を小さくすることができる。その結果、比較例１、２と比べて最小部分放電電圧を高くすることができるため、部分放電の発生を抑止することができる。
（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係るパワー半導体装置１０００Ａの構造を示す断面図である。図８に示すパワー半導体装置１０００Ａは、第１の実施形態で説明した図７のパワー半導体装置１０００と比べて、介装部３００の構造が異なっている。具体的には、本実施形態において介装部３００は、接合部材９により第１導体部１０２と接合された第１導体層３０１と、接合部材９により第２導体部２０２と接合された第２導体層３０２と、第１導体層３０１と第２導体層３０２の間に配置された第３導体層３０３と、第１絶縁層３０４、第２絶縁層３０５および第３絶縁層３０６とを有する。本実施形態において、第３導体層３０３は二層で構成されており、この二層の第３導体層３０３を間に挟んで、３つの絶縁層（第１絶縁層３０４、第２絶縁層３０５および第３絶縁層３０６）が第１導体層３０１と第２導体層３０２の間に配置されている。ここで、第３絶縁層３０６は、二層の第３導体層３０３の間に配置されている。第１絶縁層３０４、第２絶縁層３０５および第３絶縁層３０６は、例えば樹脂により構成される。
本実施形態のパワー半導体装置１０００Ａでは、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間に印加される導体間電圧は、介装部３００において、第１導体層３０１と下側の第３導体層３０３の間に配置された第１絶縁層３０４の容量成分と、２つの第３導体層３０３の間に配置された第３絶縁層３０６の容量成分と、第２導体層３０２と上側の第３導体層３０３の間に配置された第２絶縁層３０５の容量成分とに分圧される。したがって、第１の実施形態と同様に、第１導体部１０２または第２導体部２０２と封止樹脂１０との間に、図２で説明したような剥離による剥離部空間２０が生じた場合に、剥離部空間２０に印加される電圧を小さくすることができる。その結果、比較例１、２と比べて最小部分放電電圧を高くすることができるため、部分放電の発生を抑止することができる。さらに、第１の実施形態と比べても、最小部分放電電圧を高くすることができるため、部分放電の発生をより一層抑止することができる。
（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態に係るパワー半導体装置１０００Ｂの構造を示す断面図である。図９に示すパワー半導体装置１０００Ｂは、第２の実施形態で説明した図８のパワー半導体装置１０００Ａと比べて、介装部３００の構造が異なっている。具体的には、本実施形態において介装部３００は、第１導体層３０１と第２導体層３０２の間に配置された３つの絶縁層（第１絶縁層３０４、第２絶縁層３０５および第３絶縁層３０６）が、第１導体層３０１、第２導体層３０２および第３導体層３０３よりも幅広の構造を有している。これ以外の点については、第２の実施形態と同様である。
本実施形態のパワー半導体装置１０００Ｂでも、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
（パワー半導体装置の作成方法）
次に、以上説明した各実施形態のパワー半導体装置１０００，１０００Ａおよび１０００Ｂの作成方法の例について、図１０および図１１を用いて以下に説明する。
まず、AlNセラミック絶縁板（板厚0.635mm）の両面に銅導体層（層厚0.4mm）を形成したセラミック絶縁回路基板を２枚準備する。これらのセラミック絶縁回路基板は、各パワー半導体装置において、絶縁部材１０１、２０１として用いられる。また、これらのセラミック絶縁回路基板における一方の導体層は、回路パターン間の絶縁部となる導体層の不要部分が予めエッチングで除去され、半導体素子１と電気的に接合されることで、第１導体部１０２、第２導体部２０２を形成する。もう一方の導体層は、放熱部１０３、２０３を形成する。
次に、プリント回路板を用いて介装部３００を形成する。具体的には、第１の実施形態に係るパワー半導体装置１０００の場合は、第１導体層３０１、第２導体層３０２および第３導体層３０３として、厚さ35μｍの銅箔をそれぞれ使用する。また、第１絶縁層３０４および第２絶縁層３０５として、厚さ1mmのガラス布エポキシ樹脂プリプレグをそれぞれ使用する。そして、第１導体層３０１、第１絶縁層３０４、第３導体層３０３、第２絶縁層３０５、第２導体層３０２の順となるように積層し、真空プレスにて成型することで、介装部３００を作成する。
一方、第２の実施形態に係るパワー半導体装置１０００Ａの場合、および第３の実施形態に係るパワー半導体装置１０００Ｂの場合は、第１導体層３０１、第２導体層３０２および第３導体層３０３として、厚さ35μｍの銅箔をそれぞれ使用する。また、第１絶縁層３０４、第２絶縁層３０５および第３絶縁層３０６として、厚さ0.65mmのガラス布エポキシ樹脂プリプレグをそれぞれ使用する。そして、第１導体層３０１、第１絶縁層３０４、第３導体層３０３、第３絶縁層３０６、第３導体層３０３、第２絶縁層３０５、第２導体層３０２の順となるように積層し、真空プレスにて成型することで、介装部３００を作成する。
続いて図１０に示すように、１枚目のセラミック絶縁回路基板の一方の導体層（第１導体部１０２）上の所定の位置に、半導体素子１，２、介装部３００および直流端子４をそれぞれ配置し、接合部材９を介して接合する。なお、半導体素子１は前述のように例えばＩＧＢＴであり、半導体素子２は例えばダイオードである。また、半導体素子１，２の周囲を囲うように介装部３００を配置し、その外側に直流端子４を配置する。さらに、第１導体部１０２の一部をゲート接続用導体部１０４として他の部分から絶縁し、その上に、半導体素子１のゲート電極７と接続するための制御端子６を配置して、接合部材９を介して接合する。
上記のようにして半導体素子１，２、介装部３００、直流端子４および制御端子６をそれぞれ所定の配置で第１導体部１０２またはゲート接続用導体部１０４に接合したら、半導体素子１，２の上にスペーサー３をそれぞれ配置し、接合部材９を介して接合する。さらに、半導体素子１のゲート電極７とゲート接続用導体部１０４とを、金属ワイヤー８により電気的に接続する。
また図１１に示すように、２枚目のセラミック絶縁回路基板の一方の導体層（第２導体部２０２）上の所定の位置に交流端子５を配置し、接合部材９を介して接合する。
以上説明したようにして、２枚のセラミック絶縁回路基板上に必要な部品をそれぞれ配置したら、第１導体部１０２と第２導体部２０２が互いに対向するようにして、これらを重ね合わせる。そして、第２導体部２０２上の所定の位置に、介装部３００およびスペーサー３を、接合部材９を介してそれぞれ接合する。この状態における第１導体部１０２と第２導体部２０２との距離は、いずれの実施形態でも約2.2mmである。
その後、２枚のセラミック絶縁回路基板の間を封止樹脂１０によってモールドすることで、各部品を絶縁封止する。これにより、各実施形態のパワー半導体装置１０００，１０００Ａおよび１０００Ｂが完成する。
なお、前述の第１、第２の比較例に係るパワー半導体装置１０００Ｃ，１０００Ｄについても、介装部３００に関する工程を除いて、上記と同様の作成方法により作成することが可能である。このとき、第１の比較例によるパワー半導体装置１０００Ｃにおける第１導体部１０２と第２導体部２０２との距離は、第１～第３の各実施形態と同様に、例えば約2.2mmである。一方、第２の比較例によるパワー半導体装置１０００Ｄにおける第１導体部１０２と第２導体部２０２との距離は、例えば約4.0mmである。
（パワー半導体装置の試験）
次に、本発明によるパワー半導体装置を用いた試験について説明する。以下では、本発明によるパワー半導体装置の絶縁信頼性についての効果を検証するため、第１、第２の実施形態でそれぞれ説明したパワー半導体装置１０００，１０００Ａと、第１、第２の比較例でそれぞれ説明したパワー半導体装置１０００Ｃ，１０００Ｄとを用いて、それぞれに温度サイクル試験を実施し、所定の試験サイクル毎に部分放電試験を実施した結果を説明する。
なお、前述のように本発明の目的は、第１導体部１０２または第２導体部２０２と封止樹脂１０との間で剥離が発生した場合に、部分放電の発生を防止することである。そのため本試験では、パワー半導体装置１０００，１０００Ａ，１０００Ｃ，１０００Ｄのそれぞれに対して、半導体素子１の代わりにガラス板を用いたサンプルを作成し、このサンプルを用いて部分放電試験を実施することで、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間における部分放電の発生状況を確認できるようにした。これは、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間における部分放電の発生状況を確認するためには、導体間電圧として交流電圧を印加する必要があるが、半導体素子１が搭載されていると導体間電圧の印加により半導体素子１に電流が流れてしまい、部分放電が発生しなくなるためである。
本試験では、パワー半導体装置１０００，１０００Ａ，１０００Ｃ，１０００Ｄのそれぞれに対応する各サンプルに対して温度サイクル試験を実施し、所定の試験サイクル毎に部分放電測定装置を用いて、直流端子４と交流端子５の間に印加する交流電圧を0Vから徐々に上昇させたときに、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間に部分放電が発生する電圧（部分放電開始電圧）を測定した。ここで、部分放電が発生したと判断する閾値は10pCとした。なお、部分放電開始電圧を測定する際には、温度サイクル試験槽からサンプルを取り出した後、サンプルを真空チャンバー内に入れて0.2気圧で１週間保持し、その後に真空チャンバーから取り出して、直流端子４と交流端子５の間に交流電圧を印加した。このように、サンプルを0.2気圧で１週間保持した後に部分放電開始電圧の測定を行うのは、温度サイクル試験によって第１導体部１０２または第２導体部２０２と封止樹脂１０との間に剥離部空間２０が生じた場合に、剥離部空間２０において部分放電が発生しやすくするためである。
図１２は、本発明の実施形態および比較例による各パワー半導体装置の部分放電開始電圧の測定結果を示す図である。図１２では、-40℃から125℃の範囲で温度サイクル試験を実施したときの各サンプルにおける試験サイクル数と部分放電開始電圧の測定結果との関係を示している。なお、部分放電開始電圧の測定では、直流端子４と交流端子５の間に印加する交流電圧の最大値を6kVrmsとした。6kVrmsでも部分放電が発生しなかった場合、図１２では部分放電開始電圧を6kVrmsとしてプロットしている。
図１２に示すように、温度サイクル試験の開始前においては、第１の実施形態のパワー半導体装置１０００に対応するサンプル（実施例１）、第２の実施形態のパワー半導体装置１０００Ａに対応するサンプル（実施例２）、第１の比較例のパワー半導体装置１０００Ｃに対応するサンプル（比較例１）、第２の比較例のパワー半導体装置１０００Ｄに対応するサンプル（比較例２）の全てにおいて、最大印加電圧の6kVrmsでも部分放電の発生がないことを確認した。
また、温度サイクル試験の100サイクル経過時点において、比較例１では4.8kVrms、比較例２では5.8kVrmsで部分放電がそれぞれ発生することを確認した。その後、サイクル数が経過するにつれて、比較例１、比較例２ともに部分放電電圧が次第に低下し、温度サイクル試験が終了する3000サイクル経過時点において、比較例１では2.8kVrms、比較例２では4.5kVrmsで部分放電がそれぞれ発生することを確認した。ここで、前述のように比較例１に対応するパワー半導体装置１０００Ｃでは、第１導体部１０２と第２導体部２０２との距離は約2.2mmであり、比較例２に対応するパワー半導体装置１０００Ｄでは、第１導体部１０２と第２導体部２０２との距離は約4.0mmである。したがって、絶縁距離（封止樹脂１０の厚み）が大きい比較例２の方が、部分放電開始電圧が高いことが分かる。
一方、実施例１の場合、300サイクル経過時点では5.8kVrmsで部分放電が発生し、温度サイクル試験が終了する3000サイクル経過時点では5.6kVrmsで部分放電が発生することを確認した。また、実施例２の場合は、温度サイクル試験の終了まで部分放電の発生は認められなかった。ここで、前述のように実施例１に対応するパワー半導体装置１０００、および実施例２に対応するパワー半導体装置１０００Ａでは、第１導体部１０２と第２導体部２０２との距離は、比較例１と同じ約2.2mmである。すなわち、実施例１、実施例２は、第１導体部１０２と第２導体部２０２との距離が比較例１と同じであるにも関わらず、比較例１よりも部分放電開始電圧が高いことを確認できた。
上記の試験結果から、次のことが分かる。すなわち、第１、第２の比較例に係るパワー半導体装置１０００Ｃ，１０００Ｄでは、第１導体部１０２または第２導体部２０２と封止樹脂１０との界面が剥離すると、これによって生じた剥離部空間２０に高い電界がかかることで、剥離部空間２０において部分放電が発生する。一方、第１、第２の実施形態に係るパワー半導体装置１０００，１０００Ａでは、分圧用に複数の層が積層された介装部３００を有することで、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間に印加される導体間電圧を、介装部３００の複数の絶縁層（第１絶縁層３０４、第２絶縁層３０５、第３絶縁層３０６）に分圧することができる。そのため、第１導体部１０２や第２導体部２０２と封止樹脂１０との間に剥離が生じた場合に、剥離部空間２０にかかる電界を小さくできる。その結果、図１２に示したように、部分放電の発生を抑制し、部分放電開始電圧を高くすることができる。
また、第１の実施形態では、介装部３００の絶縁層が第１絶縁層３０４および第２絶縁層３０５の二層であるため、第１導体部１０２と第２導体部２０２にかかる電圧を、二層の絶縁層に分圧できる。これに対して、第２の実施形態では、介装部３００の絶縁層が第１絶縁層３０４、第２絶縁層３０５および第３絶縁層３０６の三層であるため、第１導体部１０２と第２導体部２０２にかかる電圧を、三層の絶縁層に分圧できる。したがって、第１導体部１０２と第２導体部２０２の距離が同じでも、第２の実施形態の方が部分放電開始電圧をより高くすることができる。
以上説明した本発明の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）パワー半導体装置１０００，１０００Ａ，１０００Ｂは、直流電力を伝達する直流端子４と繋がる第１導体部１０２と、交流電力を伝達する交流端子５と繋がる第２導体部２０２と、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間に配置され、直流電力を交流電力に変換する半導体素子１と、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間に配置される介装部３００とを備える。介装部３００は、第１導体部１０２と繋がる第１導体層３０１と、第２導体部２０２と繋がる第２導体層３０２と、第１導体層３０１と第２導体層３０２の間に、単層または複数層の第３導体層３０３を間に挟んで配置される複数の絶縁層とを有する。このようにしたので、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間の絶縁性を確保し、小型で信頼性に優れたパワー半導体装置１０００，１０００Ａ，１０００Ｂを提供することができる。
（２）パワー半導体装置１０００，１０００Ａ，１０００Ｂにおいて、複数の絶縁層は、第１導体層３０１と第３導体層３０３の間に配置される第１絶縁層３０４と、第２導体層３０２と第３導体層３０３の間に配置される第２絶縁層３０５とを含む。このようにしたので、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間に印加される導体間電圧を、第１絶縁層３０４の容量成分と第２絶縁層３０５の容量成分とに分圧できるため、第１導体部１０２または第２導体部２０２と封止樹脂１０との間に剥離が生じて剥離部空間２０が形成された場合に、剥離部空間２０に印加される電圧を小さくすることができる。したがって、部分放電の発生を効果的に抑止することができる。
（３）パワー半導体装置１０００Ａ，１０００Ｂにおいて、複数の絶縁層は、第３導体層３０３の間に配置される第３絶縁層３０６をさらに含む。このようにしたので、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間に印加される導体間電圧を、第１絶縁層３０４の容量成分と、第２絶縁層３０５の容量成分と、第３絶縁層３０６の容量成分とに分圧できるため、第１導体部１０２または第２導体部２０２と封止樹脂１０との間に剥離が生じて剥離部空間２０が形成された場合に、剥離部空間２０に印加される電圧をさらに小さくすることができる。したがって、部分放電の発生をより一層効果的に抑止することができる。
（４）介装部３００は、プリント回路板を用いて形成されている。このようにしたので、介装部３００を容易に形成することができる。
（５）介装部３００は、第１導体部１０２と第２導体部２０２の重なり方向に対して垂直な平面内において、半導体素子１の周囲を囲うように配置されている。このようにしたので、部分放電の発生抑止に必要な範囲に介装部３００を確実に配置することができる。
（６）パワー半導体装置１０００，１０００Ａ，１０００Ｂは、第１導体部１０２または第２導体部２０２と半導体素子１の間に配置された導電性のスペーサー３をさらに備える。このようにしたので、半導体素子１の厚さに関わらず、第１導体部１０２と第２導体部２０２の間の絶縁性確保に必要な距離を確保することができる。
なお、以上説明した実施形態のうち、第１の実施形態では、第１導体層３０１と第２導体層３０２の間に、介装部３００として、単層の第３導体層３０３を間に挟んで第１絶縁層３０４および第２絶縁層３０５が配置されたパワー半導体装置１０００を説明した。また、第２、第３の実施形態として、第１導体層３０１と第２導体層３０２の間に、介装部３００として、二層の第３導体層３０３を間に挟んで第１絶縁層３０４、第２絶縁層３０５および第３絶縁層３０６が配置されたパワー半導体装置１０００Ａ，１０００Ｂを説明した。しかしながら、本発明における介装部３００の構造はこれに限定されない。第１導体層３０１と第２導体層３０２の間に、単層または複数層の第３導体層３０３を間に挟んで配置される複数の絶縁層を有するものであれば、任意の構造で介装部３００を構成することが可能である。
以上説明した実施形態や各種変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、上記では種々の実施形態や変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
１：半導体素子（ＩＧＢＴ）
２：半導体素子（ダイオード）
３：スペーサー
４：直流端子
５：交流端子
６：制御端子
７：ゲート電極
８：金属ワイヤー
９：接合部材
１０：封止樹脂
２０：剥離部空間
１０１：絶縁部材
１０２：第１導体部
１０３：放熱部
１０４：ゲート接続用導体部
２０１：絶縁部材
２０２：第２導体部
２０３：放熱部
３００：介装部
３０１：第１導体層
３０２：第２導体層
３０３：第３導体層
３０４：第１絶縁層
３０５：第２絶縁層
３０６：第３絶縁層
１０００，１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃ，１０００Ｄ：パワー半導体装置

Claims (6)

  1. 直流電力を伝達する直流端子と繋がる第１導体部と、
    交流電力を伝達する交流端子と繋がる第２導体部と、
    前記第１導体部と前記第２導体部の間に配置され、前記直流電力を前記交流電力に変換する半導体素子と、
    前記第１導体部と前記第２導体部の間に配置される介装部と、を備え、
    前記介装部は、
    前記第１導体部と繋がる第１導体層と、
    前記第２導体部と繋がる第２導体層と、
    前記第１導体層と前記第２導体層の間に、単層または複数層の第３導体層を間に挟んで配置される複数の絶縁層と、を有するパワー半導体装置。
  2. 請求項１に記載のパワー半導体装置において、
    前記複数の絶縁層は、前記第１導体層と前記第３導体層の間に配置される第１絶縁層と、前記第２導体層と前記第３導体層の間に配置される第２絶縁層と、を含むパワー半導体装置。
  3. 請求項２に記載のパワー半導体装置において、
    前記複数の絶縁層は、前記第３導体層の間に配置される第３絶縁層をさらに含むパワー半導体装置。
  4. 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装置において、
    前記介装部は、プリント回路板を用いて形成されているパワー半導体装置。
  5. 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装置において、
    前記介装部は、前記第１導体部と前記第２導体部の重なり方向に対して垂直な平面内において、前記半導体素子の周囲を囲うように配置されているパワー半導体装置。
  6. 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装置において、
    前記第１導体部または前記第２導体部と前記半導体素子の間に配置された導電性のスペーサーをさらに備えるパワー半導体装置。
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