JP2018142620A

JP2018142620A - パワー半導体装置

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Publication number: JP2018142620A
Application number: JP2017035669A
Authority: JP
Inventors: 円丈露野; Enjo Tsuyuno
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2037-02-28
Also published as: JP6767898B2; WO2018159209A1

Abstract

【課題】本発明の目的は、パワー半導体装置の信頼性を向上させることである。【解決手段】本発明に係るパワー半導体装置は、パワー半導体素子を有する回路体と、前記回路体を収納するケースと、前記回路体と前記ケースに間に配置される絶縁部材と、を備え、前記ケースは、前記回路体と対向する第１ベース部と、枠部と、当該枠部と当該第１ベースを接続するとともに当該第１ベースよりも薄く形成される接続部と、を有し、前記第１ベースは、フィンを有する第１フィンベースと、当該第１フィンベースよりも薄くかつ前記接続部よりも厚く形成されさらに当該接続部と接続される第１中間ベースと、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体素子を搭載したパワー半導体装置に関し、特に電力変換装置に用いられるパワー半導体装置に関する。

パワー半導体素子のスイッチングによる電力変換装置は、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電設備等に幅広く利用されている。このパワー半導体素子は通電により発熱するため、高い放熱性が求められる。

特に車載用途においては、小型、軽量化のため水冷を用いた高効率な冷却システムが採用されている。水冷による冷却システムは冷媒流路の形成する必要があり複雑な構造となる。この冷媒流路の形成を用意にする技術として、特許文献１には、パワー半導体装置を水没する事で冷媒流路を形成する構造が開示されている。

特許文献１に記載されたパワー半導体装置は、放熱板を囲む薄肉部を有するケースに半導体素子を封止した封止体を収納し、封止体とケースとの間には絶縁シートが挿入されている。

しかしながら、この絶縁シートが封止体またはケースから剥離することによる信頼性の低下に対策が必要になった。

特開２０１１−２３３６０６号公報

本発明の課題は、パワー半導体装置の信頼性を向上させることである。

本発明に係るパワー半導体装置は、パワー半導体素子を有する回路体と、前記回路体を収納するケースと、前記回路体と前記ケースに間に配置される絶縁部材と、を備え、前記ケースは、前記回路体と対向する第１ベース部と、枠部と、当該枠部と当該第１ベースを接続するとともに当該第１ベースよりも薄く形成される接続部と、を有し、前記第１ベースは、フィンを有する第１フィンベースと、当該第１フィンベースよりも薄くかつ前記接続部よりも厚く形成されさらに当該接続部と接続される第１中間ベースと、を有する。

本発明により、パワー半導体装置の信頼性を向上させることができる。

本実施形態のパワー半導体装置３００の平面図及びＡ−Ａ‘面で切断した断面図である。パワー半導体装置３００のリードフレームを中心にした製造工程の平面図である。パワー半導体装置３００の製造工程で作製するリード体９１０の平面図である。パワー半導体装置３００の製造工程で作製する回路体９００の平面図及びＡ−Ａ‘面で切断した断面図である。回路体９００をケース９５０に挿入するまでの製造工程の断面模式図である。絶縁シート９０６を中心にしたパワー半導体装置３００の製造工程の断面模式図である。本実施形態のパワー半導体装置の変形例である構造を説明する模式図である。変形例に係る、絶縁シート９０６を中心にしたパワー半導体装置３００の製造工程の断面模式図である。パワー半導体装置３００の熱応力解析モデル及びポイントＣの応力解析結果を示す。本実施形態のパワー半導体装置３００の回路図である。本実施形態のパワー半導体装置３００を用いた電力変換装置２００の回路図である。電力変換装置２００の外観を示す斜視図である。電力変換装置２００の断面構造を示す概略図である。図１２の断面Ａにおける電力変換装置２００の断面図である。

以下、本発明に係る構造体の実施の形態として、車両搭載用の電力変換装置に用いられるパワー半導体装置について説明する。

以下に説明するパワー半導体装置の実施形態においては、発熱体としてのパワー半導体素子、当該発熱体と熱的に接続される放熱板としてのＡｌベース板やフィン部、及び当該発熱体と当該放熱板を固定する樹脂材としての封止樹脂等の各構成要素について、図面を参照して説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態のパワー半導体装置３００の平面図及びＡ−Ａ‘面で切断した断面図である。

パワー半導体装置３００は、封止樹脂９０７と、直流端子３１５Ｂ及び３１９Ｂと、交流端子３２０Ｂと、信号端子３２５Ｕ及び３２５Ｌを有する。

回路体９００は、リードフレームに搭載したパワー半導体素子を封止した構造体である。信号端子３２５Ｌ、交流端子３２０Ｂ、信号端子３２５Ｕは、パワー半導体装置３００の一面から突出し、一列に並べられる。また、直流端子３１５Ｂ及び直流端子３１９Ｂは、パワー半導体装置３００の他方の一面から突出し、一列に並べられる。直流端子３１５Ｂ及び直流端子３１９Ｂが隣接することで、入出力の電流を近接させインダクタンスを低減する効果がある。

回路体９００は、ケース９５０に絶縁シート９０６を介して密着し、パワー半導体素子の熱を冷却媒体に伝達している。ケース９５０は、冷却媒体が回路体９００に接触したり、回路体９００を形成する封止樹脂９０７が吸湿又は膨潤したりするのを防止している。なお、絶縁シート９０６は、シート状でなく膜状に絶縁層を形成してもよく、絶縁機能を有する絶縁部材であればよい。

ケース９５０は、Ｏリング等の部材により冷却冷媒の液密性を確保するシール部９８０と、機械的強度を持たせる枠部９６０と、回路体９００に内蔵されるパワー半導体素子の熱を冷却媒体に伝達する第１ベース９５１と、枠部９６０と第１ベース９５１を接続するとともに第１ベース９５１よりも薄く形成される接続部９７０と、を有する。

また、第１ベース部９５１は、フィンを有する第１フィンベース９５２と、第１フィンベース９５２よりも薄くかつ接続部９７０よりも厚く形成されさらに接続部９７０と接続される第１中間ベース９５３と、を有する。

第１中間ベース９５３は、第１フィンベース９５２より薄く形成されるため低応力となり密着性を担保する効果がある。低応力となる第１中間ベース９５３が第１フィンベース９５２を囲っているため、絶縁シート９０６が外周から剥離するのを防止し、信頼性を向上する効果がある。さらに追加の効果として、回路体９００とケース９５０との間のポッティング樹脂を省略して生産性を高めることできる効果もある。

特に、絶縁シート９０６の端部が第１中間ベース９５１とケース９５０の間に配置されると、剥離の始点となる絶縁シート９０６の端部を第１中間ベース９５１により押さえ、剥離をする効果を高めることができる。

本実施形態のように、第１ベース部９５１の回路体９５０を挟んだ反対面に第２ベース部９５５を設けてもよい。第２ベース部９５５に、第１フィンベース９５２及び第１中間ベース９５３と同様の機能を有する第２フィンベース９５６及び第２中間ベース９５７を形成してもよい。

ケース９５０は、防水性を有する材料であれば、特に制約されないが、接続部９７０の変形を容易にするため金属材料が好まれる。金属材料でも、重量及びコストの点からアルミニウムを主成分とする材料が好ましい。

本実施例のパワー半導体装置３００の製造手順について、図２から図６を用いて説明する。

図２は、パワー半導体装置３００のリードフレームを中心にした製造工程の平面図である。

コレクタ側リードフレーム９０１に、後述するパワー半導体素子である上アーム側ＩＧＢＴ１５５、上アーム側ダイオード１５６、下アーム側ＩＧＢＴ１５７、下アーム側ダイオード１５８がはんだ接続される。ここで、ＩＧＢＴとは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の略である。

コレクタ側リードフレーム９０１は、トランスファーモールド時に端子部に樹脂が流出するのを防止するためにタイバー９１２を有する。コレクタ側リードフレーム９０１や後述するその他のリードフレームは、電気伝導性と放熱性を兼ね備える金属材料が望ましい。金属材料の中でも、銅またはアルミニウムを主成分とする材料が好ましい。その中でも特に銅を主成分とする材料が電気伝導性の点から望ましい。

図３は、パワー半導体装置３００の製造工程で作製するリード体９１０の平面図である。

パワー半導体素子のエミッタ側にエミッタ側リードフレーム９０２及び９０３がはんだ接続される。この後、Ａｌワイヤ９０５により、ＩＧＢＴゲートパットとリードフレームを電気的に接続する。このようにして、トランスファーモールド前のリード体９１０が作製される。

図４は、パワー半導体装置３００の製造工程で作製する回路体９００の平面図及びＡ−Ａ‘面で切断した断面図である。

リード体９１０を封止樹脂９０７としてトランスファーモールドにて封止した後、タイバー９１２をカットして回路体９００が作製される。封止樹脂９０７は、樹脂材料であれば特に制約されないが、熱応力を低減するためリードフレームの熱膨張率に近い材料が望ましい。

図５は、回路体９００をケース９５０に挿入するまでの製造工程の断面模式図である。

上側の絶縁シート９０６は、封止樹脂９０７から露出したエミッタ側リードフレーム９０２及び９０３を少なくとも覆うように回路体９００に接続される。下側の絶縁シート９０６は、封止樹脂９０７から露出したコレクタ側リードフレーム９０１を少なくとも覆うように回路体９００に接続される。絶縁シート９０６と回路体９００との接続は、接着等の仮固定によって為される。そして、絶縁シート９０６を接続した回路体９００を、ケース９５０に挿入する。

図６は、絶縁シート９０６を中心にしたパワー半導体装置３００の製造工程の断面模式図である。

両面に絶縁シート９０６を仮固定しケース９５０に挿入した回路体９００は、真空プレス機を用いて加熱圧着される。プレス熱板９９０にクッション材９９１を用いて取り付けられた圧着治具Ａ９９２及び圧着治具Ｂ９９３を用いて、ケース９５０のフィン先端及び第１中間ベース部９５３を加圧する。

これにより接続部９７０が変形し、絶縁シート９０６が第１フィンベース９５２、第２フィンベース９５６、第１中間ベース９５３及び第２中間ベース９５７と密着する。この密着状態を保持したまま、所定の温度、時間で絶縁シート９０６を硬化させて、回路体９００とケース９５０を絶縁シート９０６により接着させる。このようにしてパワー半導体装置３００が得られる。

図７に本実施形態のパワー半導体装置の変形例である構造を説明する模式図を示す。図１ないし図６で説明された実施形態と異なる点は、第１中間ベース部９５３に、第１フィンベース９５２に形成されたフィンと同じ高さの凸部９５８を有する。

図８は、変形例に係る、絶縁シート９０６を中心にしたパワー半導体装置３００の製造工程の断面模式図である。

両面に絶縁シート９０６を仮固定しケース９５０に挿入した回路体９００は、真空プレス機を用いて加熱圧着される。プレス熱板９９０にクッション材９９１を用いて取り付けられた圧着治具Ａ９９２を用いて、ケース９５０のフィン先端を加圧する。第１中間ベース部９５３にフィンと同じ高さの凸部９５８が形成されているため、圧着治具を簡略化しても、第１中間ベース部９５３を加圧できる効果がある。圧着により接続部９７０が変形し、絶縁シート９０６が第１フィンベース９５２、第２フィンベース９５６、第１中間ベース９５３及び第２中間ベース９５７と密着する。この密着状態を保持したまま、所定の温度、時間で絶縁シートを硬化させて、回路体９００とケース９５０を絶縁シートにより接着させる。このようにしてパワー半導体装置３００が得られる。

図９は、パワー半導体装置３００の熱応力解析モデル及びポイントＣの応力解析結果を示す。

Ｔ１は第１フィンベース部９５２と第２フィンベース９５６のそれぞれの厚さ、Ｔ２は第１中間ベース部９５３と第２中間ベース９５７のそれぞれの厚さを示す。ケース９５０の材料はＡｌ材、リードフレームは銅材とし封止樹脂９０７は銅材と同じ熱膨張率で計算した。また解析は、動作温度である１５０℃を応力０として、−４０℃における最大主応力を求めた。また、Ｔ２は２．５ｍｍとした。

Ｔ１＝Ｔ２の最大主応力を１として、これに対する比を相対応力とした。第１中間ベース部９５３と第２中間ベース９５７が薄くなるにともない応力が低減する効果が確認できた。特に相対厚さが０．４以下になると傾きが大きくなり応力低減の効果が大きいことが確認できた。

絶縁シート９０６の端部が剥離すると、その剥離は内部に進展する。ケース９５０と回路体９００にはパワー半導体素子の動作により高電圧加わる。端部からの剥離が回路体９００のリードフレーム露出に達すると、高電圧が加わるリードフレームとケース９５０の間に空気層ができ、絶縁性が低下する。絶縁シート９０６の端部の応力を低減するとこのような剥離を抑制できるため信頼性寿命が向上できる効果がある。

図１０は、本実施形態のパワー半導体装置３００の回路図である。端子３１５Ｂは、上アーム回路のコレクタ側から出力しており、バッテリー又はコンデンサの正極側に接続される。端子３２５Ｕは、上アーム回路のＩＧＢＴ１５５のゲート及びエミッタセンスから出力している。端子３１９Ｂは、下アーム回路のエミッタ側から出力しており、バッテリー若しくはコンデンサの負極側、又はＧＮＤに接続される。端子３２５Ｌは、下アーム回路のＩＧＢＴ１５７のゲート及びエミッタセンスから出力している。端子３２０Ｂは、下アーム回路のコレクタ側から出力しており、モータに接続される。中性点接地をする場合は、下アーム回路は、ＧＮＤでなくコンデンサの負極側に接続する。

本実施例のパワー半導体装置は、上アーム回路及び下アーム回路の２つのアーム回路を、１つのモジュールに一体化した構造である２ｉｎ１構造である。２ｉｎ１構造の他にも、３ｉｎ１構造、４ｉｎ１構造、６ｉｎ１構造等を用いた場合、パワー半導体装置からの出力端子の数を低減し小型化することができる。

図１１は、本実施形態のパワー半導体装置３００を用いた電力変換装置２００の回路図である。電力変換装置２００は、インバータ回路部１４０、１４２と、補機用のインバータ回路部４３と、コンデンサモジュール５００と、を備えている。インバータ回路部１４０及び１４２は、パワー半導体装置３００を複数備えており、それらを接続することにより３相ブリッジ回路を構成している。電流容量が大きい場合には、更にパワー半導体装置３００を並列接続し、これら並列接続を３相インバータ回路の各相に対応して行うことにより、電流容量の増大に対応できる。また、パワー半導体装置３００に内蔵しているパワー半導体素子を並列接続することでも電流容量の増大に対応できる。

インバータ回路部１４０とインバータ回路部１４２とは、基本的な回路構成は同じであり、制御方法や動作も基本的には同じである。インバータ回路部１４０等の回路的な動作の概要は周知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

上述のように、上アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として上アーム用ＩＧＢＴ１５５と上アーム用ダイオード１５６とを備えており、下アーム回路は、下アーム用ＩＧＢＴ１５７と下アーム用ダイオード１５８とを備えている。ＩＧＢＴ１５５及び１５７は、ドライバ回路１７４を構成する２つのドライバ回路の一方あるいは他方から出力された駆動信号を受けてスイッチング動作し、バッテリー１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。

上アーム用ＩＧＢＴ１５５や下アーム用ＩＧＢＴ１５７は、コレクタ電極、エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子）、ゲート電極（ゲート電極端子）を備えている。上アーム用ダイオード１５６や下アーム用ダイオード１５８は、カソード電極およびアノード電極の２つの電極を備えている。上アーム用ＩＧＢＴ１５５や下アーム用ＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、ダイオード１５６、１５８のカソード電極がＩＧＢＴ１５５、１５７のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ１５５、１５７のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。なお、パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いても良く、この場合は上アーム用ダイオード１５６、下アーム用ダイオード１５８は不要となる。

上下アーム直列回路に設けられた温度センサ（不図示）からは、上下アーム直列回路の温度情報がマイコンに入力される。また、マイコンには上下アーム直列回路の直流正極側の電圧情報が入力される。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知および過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全ての上アーム用ＩＧＢＴ１５５、下アーム用ＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路を過温度或いは過電圧から保護する。

図１２は、電力変換装置２００の外観を示す斜視図である。本実施の形態に係る電力変化装置２００の外観は、上面あるいは底面が略長方形の筐体１２と、筐体１２の短辺側の外周の一つに設けられた上部ケース１０と、筐体１２の下部開口を塞ぐための下部ケース１６とを固定して形成されたものである。筐体１２の底面図あるいは上面図の形状を略長方形としたことで、車両への取付けが容易となり、また生産しやすい。

図１３は、電力変換装置２００の断面構造を示す概略図である。パワー半導体装置３００は、流路形成体１０００に設置される。パワー半導体装置３００を流路形成体に挿入した後、実装部品を搭載した積層配線板５０１を組み付け、信号端子と積層配線板５０１を電気的に接続する。さらに、大電流が流れる端子はバスバー配線を多層積層したプレート１２００から突出した端子と溶接する。積層配線板５０１とプレート１２００を立体積層することで、電力変換装置を小型化することができる。

流路形成体１０００は、パワー半導体装置３００を冷却する冷媒を流す冷媒流路を形成する。流路形成体１０００は、パワー半導体装置３００の放熱部に、冷媒が流れる流路を形成する。パワー半導体装置３００のシール部９８０には、Ｏリング等の弾性体が設けられる。

図１４は、図１２の断面Ａにおける断面図である。筐体１２は、流路形成体１０００を形成する。冷却水入口１３から水路１９内に流入した冷媒は、水路１９を矢印で示すように流れ、冷却水出口１４から排出される。本実施形態においては、水路１９内に、６つのパワー半導体装置３００が冷却水の流れに沿って配置されている。

１０…上部ケース、１２…筺体、１３…冷却水入口、１４…冷却水出口、１６…下部ケース、１８…交流ターミナル、１９…流路、２０…水路構造体、２１…コネクタ、４３…インバータ回路、１３６…バッテリ、１４０…インバータ回路、１４２…インバータ回路、１５５…上アーム用ＩＧＢＴ、１５６…上アーム用ダイオード、１５７…下アーム用ＩＧＢＴ、１５８…下アーム用ダイオード、１７４…ドライバ回路、１９２…モータジェネレータ、１９４…モータジェネレータ、２００…電力変換装置、３００…パワー半導体装置、３１５Ｂ…直流端子、３１９Ｂ…直流端子、３２０Ｂ…交流端子、３２５Ｕ…信号端子、３２５Ｌ…信号端子、５００…コンデンサモジュール、５０１…積層配線板、９００…回路体、９０１…コレクタ側リードフレーム、９０２…エミッタ側リードフレーム、９０３…エミッタ側リードフレーム、９０４…パワー半導体素子、９０５…Ａｌワイヤ、９０６…絶縁シート、９０７…封止樹脂、９１０…リード体、９１２…タイバー、９５０…ケース、９５１…第１ベース部、９５２…第１フィンベース、９５３…第１中間ベース、９５５…第２ベース部、９５６…第２フィンベース、９５７…第２中間ベース、９５８…凸部、９６０…枠部、９７０…接続部、９８０…シール部、９９０…プレス熱板、９９１…クッション材、９９２…圧着治具Ａ、９９３…圧着治具Ｂ、１０００…流路形成体、１２００…プレート

Claims

パワー半導体素子を有する回路体と、
前記回路体を収納するケースと、
前記回路体と前記ケースに間に配置される絶縁部材と、を備え、
前記ケースは、前記回路体と対向する第１ベース部と、枠部と、当該枠部と当該第１ベースを接続するとともに当該第１ベースよりも薄く形成される接続部と、を有し、
前記第１ベースは、フィンを有する第１フィンベースと、当該第１フィンベースよりも薄くかつ前記接続部よりも厚く形成されさらに当該接続部と接続される第１中間ベースと、を有するパワー半導体装置。
請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
前記回路体を挟んで前記第１ベース部と対向する第２ベース部を備え、
前記枠部の前記接続部は、前記第１ベース部と前記第２ベース部を接続するとともに当該第１ベース及び当該第２ベースよりも薄く形成されるパワー半導体装置。
請求項１または２に記載のパワー半導体装置であって、
前記絶縁部材の端部は、前記第１中間ベースと前記ケースの間に配置されるパワー半導体装置。
請求項１ないし３に記載のパワー半導体装置であって、
前記第１中間ベースは、前記フィンの先端よりも高くまたは当該フィンの先端と同じ高さとなるように形成される突起部を有するパワー半導体装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載のパワー半導体装置であって、
前記第１中間ベースに第１フィンベースのフィンと同一平面で接する突起を備えるパワー半導体装置。
請求項１乃至５のいずれかに記載のパワー半導体装置であって、
前記第１中間ベースの厚さは、前記第１フィンベースの厚さを１とした場合、０．４以下であるパワー半導体装置。
請求項１乃至６のいずれかに記載のパワー半導体装置であって、
前記ケースは、アルミニウムを含む材料により構成され、
前記回路体は、銅を含む材料により構成されるリードフレームを導電部材として用いるパワー半導体装置。
請求項１乃至７のいずれかに記載のパワー半導体装置であって、
前記第１ベース部を挟んで前記回路体と対向するとともに冷媒を流す流路を形成する流路形成体を備えるパワー半導体装置。