JP2018195724A - パワーモジュールおよびその製造方法ならびに電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性のさらなる向上が図られるパワーモジュールと、パワーモジュールの製造方法と、電力変換装置とを提供する。【解決手段】パワーモジュール１は、絶縁回路基板７およびパワー半導体素子１３を備えている。パワー半導体素子１３は、素子本体１３ａ、表面電極１３ｂおよび裏面電極１３ｃを含む。絶縁回路基板７は、絶縁性基板７ａ、回路パターン７ｂ、７ｃおよび導電性部材７ｄを備えている。パワー半導体素子１３と絶縁回路基板７とが面接合部５をなす第２接合部５ｂによって接合されている。第２接合部５ｄでは、平面状に拡がっている接合材料９に対して、区切り部材１１は、平面視的に接合材料９を区切るように配置されている。区切り部材１１は、接合材料９とは異なる材料から形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、パワーモジュールおよびその製造方法ならびに電力変換装置に関し、特に、パワー半導体素子が絶縁回路基板に接合されたパワーモジュールと、そのようなパワーモジュールの製造方法と、そのようなパワーモジュールを適用した電力変換装置とに関するものである。

パワーモジュールでは、筐体内に配置された絶縁回路基板の回路パターンにパワー半導体素子が搭載されている。パワー半導体素子は、配線部材等を介して外部端子と電気的に接続されている。筐体内は封止材料によって絶縁封止されている。

一般的に、パワー半導体素子は、薄い板状の形状とされる。そのようなパワー半導体素子では、電流は、薄板状のパワー半導体素子が位置する平面（仮想）にほぼ直交する向きに流れることになる。このため、パワー半導体素子は、絶縁回路基板における回路パターンとは面接合されている。

また、多くの場合、パワー半導体素子を搭載した絶縁回路基板は、構造支持体とされるベース板に面接合されている。このように、パワーモジュールには、一の部材と他の部材とが面接合された箇所が存在しており、一の部材と他の部材とは、面接合部によって面接合される。面接合部の接合材料としては、現在、鉛フリーはんだ、ロウ材、焼結性の金属粒子ペーストまたは導電性接着剤等が用いられている。

パワーモジュールでは、パワー半導体素子のオン動作とオフ動作に伴って、温度の上昇と下降とが繰り返される（温度スイング）。上述した面接合部の温度が変化すると、部材等の線膨張係数の違いによって熱応力が生じ、面接合部が損傷してしまうことがある。面接合部が損傷を受けると、パワー半導体素子において発生した熱を逃がしにくくなり、パワーモジュールの故障に繋がるおそれがある。

従来、このような面接合部の損傷を防ぐための構造が提案されている。たとえば、特許文献１では、回路基板と冷却器とが接合された構造体において、回路基板の表面（接合面）に、複数のスリットを設けた構造が提案されている。

特開２００８−１３５５１１号公報

従来より、面接合部を有するパワーモジュールでは、温度の上昇と下降に伴う面接合部の損傷を抑制するとともに、放熱性を向上させて、パワーモジュールとしての信頼性のさらなる向上を図ることが求められている。

本発明は、そのような開発の一環でなされたものであり、一つの目的は、さらなる信頼性の向上が図られるパワーモジュールを提供することであり、他の目的は、そのようなパワーモジュールの製造方法を提供することであり、さらに他の目的は、そのようなパワーモジュールを適用した電力変換装置を提供することである。

本発明に係るパワーモジュールは、ベース板と絶縁回路基板とパワー半導体素子と配線部材と外部端子と封止部材とを備えている。絶縁回路基板は、ベース板に第１接合部を介して接合され、回路パターンを有する。パワー半導体素子は、絶縁回路基板に第２接合部を介して接合されている。配線部材は、パワー半導体素子に第３接合部を介して接合されるとともに、回路パターンに第４接合部を介して接合されている。外部端子は、絶縁回路基板に第５接合部を介して接合されている。封止部材は、絶縁回路基板、パワー半導体素子および配線部材を封止する。第１接合部、第２接合部、第３接合部、第４接合部および第５接合部のうち、少なくとも一つは面接合部とされる。面接合部は、平面状に拡がる接合材料と、接合材料を平面視的に区切る態様で、接合材料に配置された区切り部材とを備えている。

本発明に係るパワーモジュールの製造方法は、ベース板、絶縁回路基板、パワー半導体素子、配線部材および外部端子を有するパワーモジュールの製造方法であって、以下の工程を備えている。ベース板、絶縁回路基板、パワー半導体素子、配線部材および外部端子のうちの一の部材を第１被接合部材とし、他の部材を第２被接合部材として、第１被接合部材と第２被接合部材とを接合する工程を含む。第１被接合部材と第２被接合部材とを接合する工程は、以下の工程を備えている。第１被接合部材に、接合材料と、接合材料を平面視的に区切る区切り部材とを配置する。第２被接合部材を、第２被接合部材と第１被接合部材との間に接合材料および区切り部材を挟み込む態様で配置し、第２被接合部材を接合材料および区切り部材によって第１被接合部材に接合する。

本発明に係る電力変換装置は、上記パワーモジュールを適用した電力変換装置であって、主変換回路と制御回路とを備えている。主変換回路は、入力される電力を返還して出力する。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。

本発明に係るパワーモジュールによれば、第１接合部、第２接合部、第３接合部、第４接合部および第５接合部のうち、少なくとも一つは面接合部とされる。その面接合部は、平面状に拡がる接合材料と、接合材料を平面視的に区切る態様で、接合材料に配置された区切り部材とを備えている。これにより、熱応力が低減されて、信頼性のさらなる向上を図ることができる。

本発明に係るパワーモジュールの製造方法によれば、第１被接合部材と第２被接合部材とを接合する工程では、第１被接合部材に、接合材料と、接合材料を平面視的に区切る区切り部材とを配置する。第２被接合部材を、第２被接合部材と第１被接合部材との間に接合材料および区切り部材を挟み込む態様で配置し、第２被接合部材を接合材料および区切り部材によって第１被接合部材に接合する。これにより、熱応力が低減されて、信頼性のさらな向上が図れるパワーモジュールを製造することができる。

本発明に係る電力変換装置によれば、上記パワーモジュールを適用することで、熱応力が低減されて、信頼性のさらなる向上を図ることができる。

実施の形態１に係るパワーモジュールの平面図である。 同実施の形態において、図１に示す断面線ＩＩ−ＩＩにおけるパワーモジュールの断面図である。 同実施の形態において、面接合部における接合材料および区切り部材の配置構造を示す第１の平面図である。 同実施の形態において、面接合部における接合材料および区切り部材の配置構造を示す第２の平面図である。 同実施の形態において、面接合部における接合材料および区切り部材の配置構造を示す第３の平面図である。 同実施の形態において、面接合部における接合材料および区切り部材の配置構造を示す第４の平面図である。 同実施の形態において、面接合部における接合材料および区切り部材の配置構造を示す第５の平面図である。 同実施の形態において、面接合部における接合材料および区切り部材の配置構造を示す第６の平面図である。 同実施の形態において、面接合部における接合材料および区切り部材の配置構造を示す第７の平面図である。 同実施の形態において、面接合部における区切り部材の断面形状を示す第１の部分断面図である。 同実施の形態において、面接合部における区切り部材の断面形状を示す第２の部分断面図である。 同実施の形態において、面接合部における区切り部材の断面形状を示す第３の部分断面図である。 同実施の形態において、面接合部における区切り部材の断面形状を示す第４の部分断面図である。 同実施の形態において、面接合部における区切り部材の断面形状を示す第５の部分断面図である。 同実施の形態において、面接合部における区切り部材の断面形状を示す第６の部分断面図である。 同実施の形態において、面接合部における区切り部材の断面構造を示す部分断面図である。 同実施の形態において、パワーモジュールの製造方法の一工程を示す断面図である。 同実施の形態において、接合材料および区切り部材によって面接合する際の、接合材料および区切り部材の配置の態様を示す第１の部分断面図である。 同実施の形態において、接合材料および区切り部材によって面接合する際の、接合材料および区切り部材の配置の態様を示す第２の部分断面図である。 同実施の形態において、接合材料および区切り部材によって面接合する際の、接合材料および区切り部材の配置の態様を示す第３の部分断面図である。 同実施の形態において、接合材料および区切り部材によって面接合する際の、接合材料および区切り部材の配置の態様を示す第４の部分断面図である。 同実施の形態において、接合材料および区切り部材によって面接合する際の、接合材料および区切り部材の配置の態様を示す第５の部分断面図である。 同実施の形態において、図１７に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図２３に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図２４に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図２５に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図２６に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。 実施の形態２に係るパワーモジュールの平面図である。 同実施の形態において、図２８に示す断面線ＸＸＩＸ−ＸＸＩＸにおけるパワーモジュールの断面図である。 同実施の形態において、パワーモジュールの製造方法の一工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図３０に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図３１に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図３２に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図３３に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図３４に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。 実施の形態３に係る、パワーモジュール適用した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。

実施の形態１．
実施の形態１に係るパワーモジュールについて説明する。

図１および図２に示すように、パワーモジュール１では、ベース板３の上に絶縁回路基板７が搭載されている。絶縁回路基板７は、絶縁性基板７ａ、回路パターン７ｂ、７ｃおよび導電性部材７ｄを備えている。回路パターン７ｂ、７ｃは、絶縁性基板７ａの表面に配置されている。導電性部材７ｄは、絶縁性基板７ａの裏面に配置されている。絶縁回路基板７の導電性部材７ｄが、第１接合部５ａによってベース板３に接合されている。ここでは、第１接合部５ａは、たとえば、はんだである。

絶縁回路基板７にパワー半導体素子１３が搭載されている。パワー半導体素子１３は、素子本体１３ａ、表面電極１３ｂおよび裏面電極１３ｃを含む。パワー半導体素子１３の裏面電極１３ｃが、面接合部５によって回路パターン７ｂに接合されている。後述するように、面接合部５をなしている第２接合部５ｂは、接合材料９と区切り部材１１とを備えている。

パワー半導体素子１３の表面電極１３ｂと回路パターン７ｃとが、配線部材１５によって電気的に接続されている。一の外部端子１９と回路パターン７ｂとが、配線部材１７によって電気的に接続されている。また、他の外部端子１９と回路パターン７ｃとが、配線部材１７によって電気的に接続されている。ベース板３には、ケース２１が取り付けられている。ケース２１の内部には、ベース板３の上に配置されたパワー半導体素子１３等を絶縁封止するように、封止部材２３が充填されている。

上述したパワーモジュールでは、特に、パワー半導体素子１３（裏面電極１３ｃ）と絶縁回路基板７（回路パターン７ｂ）とが面接合部５を介して接合されており、面接合部５をなす第２接合部５ｂが、接合材料９と区切り部材１１とを備えている。次に、その接合材料９および区切り部材１１について説明する。接合材料９は、平面状に拡がっている。平面状に拡がっている接合材料９に対して、区切り部材１１は、平面視的に接合材料９を区切るように配置されている。平面視的に接合材料９を区切るとは、接合材料９を上から見たときに、区切り部材１１が接合材料９を区切るように配置されている構造をいう。なお、接合材料９が、区切り部材１１に対して一方側と他方側とに完全に区切られた構造を意図するものではない。区切り部材１１は、接合材料９とは異なる材料（異種部材）から形成されている。

ここで、接合材料９および区切り部材１１の材料（材質）について説明する。接合材料９として、たとえば、近年、一般的に用いられている鉛フリーはんだを適用することができる。また、接合材料９として、導電性接着剤または金属の焼結体等を適用することができる。金属の焼結体とは、金属粒子を含有するペーストに熱処理（接合工程）を施すことによって、金属粒子を焼結させたものである。

接合材料９として、鉛フリーはんだを適用した場合には、区切り部材１１として、鉛フリーはんだに濡れやすい第１金属としての金属を適用することが望ましい。鉛フリーはんだに濡れやすい金属として、たとえば、銅、ニッケルまたは金等がある。区切り部材１１として、鉛フリーはんだに濡れやすい金属を適用することで、接合材料９と区切り部材１１とが接合されて、区切り部材１１が熱伝導に寄与する。その結果、パワー半導体素子１３において発生した熱を逃がしやすくすることができる。なお、区切り部材１１としては、少なくとも表面に、その金属が位置していれば、接合材料９と接合されて、熱を逃がすことができる。

また、区切り部材１１として、任意の金属（母材）の表面を、接合材料９とは異なる金属によって被覆した態様の区切り部材１１を適用してもよい。たとえば、母材として、純アルミニウム等の比較的軟らかい金属を用い、その金属の表面を、鉛フリーはんだに濡れやすい金属によって被覆した区切り部材１１が挙げられる。

この場合には、まず、母材の金属が比較的柔らかいことで、熱応力を低減することができる。また、接合材料９と区切り部材１１とが接合されて、区切り部材１１が熱伝導に寄与することになる。アルミニウムの熱伝導率は約２００Ｗ／ｍＫであり、この熱伝導率の値は、一般的な鉛フリーはんだの熱伝導率の値よりも高い。

このため、面接合部が鉛フリーはんだのみである場合と比べて、発生した熱が放熱しやすくなり、放熱性を向上させることができる。このように、接合材料９の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料を区切り部材１１として選択した場合には、接合の信頼性と放熱性との双方を向上させることができ、メリットがより大きくなる。

また、熱応力を低減させることを重視する場合には、区切り部材１１の母材として樹脂材料を選択し、その樹脂材料の表面に第１金属としての金属を形成させた区切り部材１１を適用してもよい。そのような金属としては、ニッケル、銅または金を適用することが望ましい。

また、接合材料９として導電性接着剤を適用する場合には、導電性接着剤に含まれる樹脂成分に接着力がある。このため、接合材料９としてはんだを用いる場合よりも、接合材料９と区切り部材１１とを密着させるための区切り部材１１の選択肢が増えることになる。区切り部材１１として、種々の第３金属としての金属を選択することで、上述した接合の信頼性と放熱性との双方を向上させることができる。

さらに、接合材料９として金属の焼結体、より具体的な例として、銀の焼結体または銅の焼結体を適用する場合には、区切り部材１１としては、銀の焼結ペーストまたは銅の焼結ペーストとの接合性が良好な第４金属としての金属を選択することが望ましい。そのような金属として、たとえば、銅、銀または金等の金属を選択することで、接合材料９と区切り部材１１とを接合させることができ、接合の信頼性と放熱との双方を向上させることができる。

なお、上述した接合材料９および区切り部材１１の材料の例は、特に効果的な例を示したものであり、これらの材料に限られるものではない。また、接合材料９と区切り部材１１との接合または接着は必須ではなく、接合力または接着力を有していなくても、接合材料９と区切り部材１１とが密着をしていれば、一定の熱伝導が期待される。さらに、接合材料９と区切り部材１１との間に空間（隙間）が存在している場合には、熱伝導の観点からは不利になるが、接合性の観点からでは、空間に応力を逃がすことができて、応力低減に寄与することができる。

次に、区切り部材１１の形状について、詳しく説明する。接合材料９に対して区切り部材１１を平面視すると、区切り部材１１は接合材料９を区切る任意の形状をもって配置されている。たとえば、図３では、区切り部材１１が、接合材料９に対して格子状に配置されている配置構造が示されている。図４では、区切り部材１１が、接合材料９に対して網目状に配置されている配置構造が示されている。

図５では、区切り部材１１が、接合材料９に対してほぼ同心円状に配置されている配置構造が示されている。図６では、接合材料９に対して、閉じられたループ状の区切り部材１１が入れ子状に配置されている配置構造が示されている。図７では、区切り部材１１が、接合材料９に対して、渦巻き状に配置されている配置構造が示されている。図５に示される同心円状の配置構造、図６に示される入れ子状の配置構造および図７に示される渦巻き状の配置構造では、区切り部材１１の配置の対称性が高く、応力の集中を発生しにくくすることができる。

また、接合材料９の領域において、特に、損傷を防ぎたい箇所に集中的に区切り部材１１を配置するようにしてもよい。たとえば、図８では、区切り部材１１が、接合材料９における周縁領域に集中的に配置されている配置構造が示されている。また、図９では、区切り部材１１が、接合材料９における中央の領域に集中的に配置されている配置構造が示されている。上述した区切り部材の形状（配置構造）の例は、特に効果的な例を示したものであり、これらの配置構造に限られるものではない。

次に、区切り部材１１の断面形状について説明する。区切り部材１１の断面形状としては任意の断面形状とすることができる。たとえば、図１０では、断面形状が矩形の区切り部材１１が示されている。図１１では、断面形状が円形の区切り部材１１が示されている。図１２では、断面形状が楕円形の区切り部材１１が示されている。図１３では、断面形状が多角形の区切り部材１１が示されている。

また、区切り部材１１は、パワー半導体素子１３に接触していてもよいし、接触していなくてもよい。図１４では、区切り部材１１が、パワー半導体素子１３に接触するとともに、回路パターン７ｂにも接触している断面構造が示されている。一方、図１５では、区切り部材１１が、パワー半導体素子１３と回路パターン７ｂとに接触していない断面構造が示されている。区切り部材１１の断面形状は、応力を低減させる効果、放熱性、区切り部材１１の製造のしやすさ等を総合的に判断して設計するのが望ましい。

また、上述したパワーモジュール１では、接合材料９に１層の区切り部材１１が配置されている場合を例に挙げて説明したが、層の数としては１層に限られるものではなく、接合の信頼をさらに高めるために、複数層の接合材料を配置してもよい。たとえば、図１６では、接合材料９に２層の区切り部材１１が配置されている断面構造が示されている。

また、区切り部材１１の材料（母材）として、所望の線膨張係数を有する材料を適用することが望ましい。たとえば、はんだの線膨張係数（２２ｐｐｍ／Ｋ）、銀の線膨張係数（１９ｐｐｍ／Ｋ）、銅の線膨張係数（１７ｐｐｍ／Ｋ）、または、樹脂材料の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料を適用することが望ましい。そのような材料として、たとえば、モリブデン（Ｍｏ）またはモリブデン銅（ＭｏＣｕ）合金等の、第２金属または第５金属としての金属を適用することができる。

また、接合材料９としては、はんだ、銀または銅等の焼結体、導電性接着剤が多くの場合に適用される。これらの接合材料９の線膨張係数は、パワー半導体素子１３の構成材料とされるシリコン（Ｓｉ）の線膨張係数膨張（２ｐｐｍ／Ｋ）または炭化シリコン（ＳｉＣ）の線膨張係数（５ｐｐｍ／Ｋ）よりも大きい。

接合材料９の線膨張係数とパワー半導体素子１３を構成する材料の線膨張係数との差が、パワーモジュール１の信頼性に影響を及ぼすような場合においては、相対的に線膨張係数の低い区切り部材１１を接合材料９中に埋没させることで、接合材料９と区切り部材１１を含む面接合部の全体（総体）の線膨張係数が調節されて、パワーモジュール１の信頼性をさらに向上させることができる。

次に、上述したパワーモジュール１の製造方法の一例について説明する。まず、絶縁回路基板７を用意する。次に、図１７に示すように、絶縁回路基板７の回路パターン７ｂに、パワー半導体素子１３の裏面電極１３ｃが接合される。たとえば、図１８に示すように、回路パターン７ｂ（絶縁回路基板７）と裏面電極１３ｃ（パワー半導体素子１３）との間に、接合材料９と区切り部材１１とが配置される。その後、その接合材料９および区切り部材１１によって、絶縁回路基板７とパワー半導体素子１３とを接合する処理（接合工程）が行われる。

ここで、たとえば、接合材料９として、鉛フリーはんだを適用する場合には、区切り部材１１とともに、はんだプリフォーム、ペーストはんだ等が配置される。接合工程では、熱処理を施すことによりリフローはんだ付けが行われる。はんだがリフローすることによって、区切り部材１１が接合材料９に埋没する。

また、接合材料９として、導電性接着剤を適用する場合、特に、金属粒子が樹脂に含まれる態様の導電性接着剤の場合には、区切り部材１１とともに、キュア前のペースト状の導電性接着剤が配置される。このとき、区切り部材１１をペースト状の導電性接着剤に埋め込むことが望ましい。接合工程では、キュアが行われる。

さらに、接合材料９として、金属の焼結体を適用する場合には、区切り部材とともに金属粒子を含有するペーストが配置される。接合工程では、加熱処理または加熱加圧処理が行われて、ペーストに含まれるバインダー成分が揮発し、金属の焼結体が形成される。なお、加圧処理を行わない場合には、あらかじめ、区切り部材１１をペーストに埋め込むことが望ましい。

ところで、絶縁回路基板７に接合材料９と区切り部材１１とを配置させる際に、図１８に示される接合材料９の上に区切り部材１１を配置する態様の他に、次のような配置の態様がある。図１９では、区切り部材１１を上と下とから接合材料９によって挟み込む態様が示されている。図２０では、区切り部材１１の上に接合材料９を配置する態様が示されている。図２１では、たとえば、２層の接合材料９と２層の区切り部材１１とを交互に積層する態様が示されている。

また、図２２に示すように、層状の接合材料９にあらかじめ空隙を設けておき、その空隙に区切り部材１１を嵌め込む態様でもよい。このような配置の態様では、接合工程の後に、接合材料９中にボイドが残ってしまうのを防ぐことができ、ボイドが残存することによって放熱性が損なわれるのを抑制することができる。

上述したように、接合材料９がペースト状の材料であれば、そのペースト状の材料に区切り部材１１を押し付ければよい。また、接合材料９が固体の材料の場合には、接合材料９にあらかじめ凹部等を形成しておき、その凹部等に区切り部材１１を嵌め込めばよい。こうして、パワー半導体素子１３が面接合部５を介して絶縁回路基板７に接合されることになる。

次に、図２３に示すように、パワー半導体素子１３の表面電極１３ｂに、たとえば、はんだによって配線部材１５の一端が接合される。回路パターン７ｃに、たとえば、はんだによって配線部材１５の他端が接合される。次に、図２４に示すように、絶縁回路基板７が、第１接合部５ａによってベース板３に接合される。第１接合部５ａとして、たとえば、はんだが適用される。次に、図２５に示すように、ベース板３にケース２１が取り付けられる。ケース２１には、パワー半導体素子３等を外部と電気的に接続するための外部端子１９が突出している。

次に、図２６に示すように、一の外部端子１９と電気的に接続される配線部材１７が、たとえば、はんだによって回路パターン７ｂに接合される。また、他の外部端子１９と電気的に接続される配線部材１７が、たとえば、はんだによって回路パターン７ｃに接合される。次に、図２７に示すように、ケース２１内に封止部材２３が充填されて、パワー半導体素子１３等が絶縁封止される。こうして、図１および図２に示されるパワーモジュール１が完成する。

上述したパワーモジュール１では、パワー半導体素子１３と回路パターン７ｂとを接合する面接合部５において、接合材料９を平面視的に区切るように区切り部材１１が配置されている。これにより、上述したように、パワー半導体素子１３の発熱に伴う熱応力を低減することができる。また、パワー半導体素子１３のオン動作とオフ動作に伴って、温度の上昇と下降とが繰り返された場合において、面接合部５が損傷を受けにくくすることができる。さらに、接合部にスリット等の空隙が形成されている従来のパワーモジュールの場合と比べると、空隙に接合材料が流れ込むことを懸念する必要がなく、接合材料９の選択肢を拡げることができる。

実施の形態２．
前述したパワーモジュールでは、パワー半導体素子１３と回路パターン７ｂとを接合する第２接合部５ｂ（面接合部５）に、接合材料９と区切り部材１１とを配置させた場合について説明した。ここでは、面接合部のすべてについて、接合部材と区切り部材とを配置したパワーモジュールについて説明する。

図２８および図２９に示すように、パワーモジュール１では、パワー半導体素子１３と回路パターン７ｂとを面接合する第２接合部５ｂに加えて、第１接合部５ａ、第３接合部５ｃ、第４接合部５ｄおよび第５接合部５ｅのそれぞれに、面接合部５として接合材料９と区切り部材１１とが配置されている。第１接合部５ａによって、絶縁回路基板７の導電性部材７ｄとベース板３とが面接合されている。

第３接合部５ｃによって、パワー半導体素子１３の表面電極１３ｂと配線部材１５とが面接合されている。第４接合部５ｄによって、絶縁回路基板７の回路パターン７ｃと配線部材１５とが面接合されている。第５接合部５ｅによって、絶縁回路基板７の回路パターン７ｂと配線部材１７とが面接合されている。接合材料９に対する区切り部材１１の配置構造および材料等については、実施の形態１において説明した配置構造および材料等が適用される。

なお、これ以外の構成については、図１および図２に示すパワーモジュールと同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。

次に、上述したパワーモジュールの製造方法の一例について説明する。まず、図１７に示す工程と同様に、図３０に示すように、パワー半導体素子１３の裏面電極１３ｃが、接合材料９と区切り部材１１とを含む第２接合部５ｂによって、絶縁回路基板７の回路パターン７ｂに接合される。

次に、図３１に示すように、配線部材１５の一端が、接合材料９と区切り部材１１とを含む第３接合部５ｃによって、パワー半導体素子１３の表面電極１３ｂに接合される。また、配線部材１５の他端が、接合材料９と区切り部材１１とを含む第４接合部５ｄによって、絶縁回路基板７の回路パターン７ｃに接合される。次に、図３２に示すように、絶縁回路基板７の導電性部材７ｄが、接合材料９と区切り部材１１とを含む第１接合部５ａによって、ベース板３に接合される。次に、図３３に示すように、ベース板３にケース２１が取り付けられる。

次に、図３４に示すように、配線部材１７が、接合材料９と区切り部材１１とを含む第５接合部５ｅによって、絶縁回路基板７の回路パターン７ｂに接合される。また、配線部材１７が、接合材料９と区切り部材１１とを含む第５接合部５ｅによって、絶縁回路基板７の回路パターン７ｃに接合される。次に、図３５に示すように、ケース２１内に封止部材２３が充填されて、パワー半導体素子１３等が絶縁封止される。こうして、図２８および図２９に示されるパワーモジュール１が完成する。面接合部５によって対応する部材を接合する工程のそれぞれでは、実施の形態１において説明した方法のうちから、接合に適した方法が適用される。

上述したパワーモジュール１では、面接合部５のすべてについて、接合材料９と区切り部材１１とが配置されている。これにより、実施の形態１において説明したように、パワー半導体素子１３の発熱に伴う熱応力を効果的に低減することができる。また、パワー半導体素子１３のオン動作とオフ動作に伴って、温度の上昇と下降とが繰り返された場合において、面接合部５が損傷をさらに受けにくくすることができる。

なお、上述したパワーモジュールでは、面接合部５のすべてについて、接合材料９と区切り部材１１とが配置された場合について説明したが、パワーモジュール１としては、これに限られるものではなく、特定の面接合部５に対して、接合材料９と区切り部材１１とを配置させてもよい。

実施の形態３．
ここでは、上述した実施の形態１、２に係るパワーモジュール適用した電力変換装置について説明する。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３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３６は、本実施の形態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３６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は種々のものにより構成することが可能であり、たとえば、直流系統、太陽電池、蓄電池により構成することができる。また、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータにより構成してもよい。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３６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す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、たとえば、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の詳細について説明する。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いる（いずれも図示せず）。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が交流電力に変換されて、負荷３００に供給される。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または各還流ダイオードは、上述した実施の形態１、２のいずれかに相当する半導体モジュール２０２（パワーモジュール１）によって構成する。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（図示せず）を備えているが、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に、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。たとえば、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に、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、２に係る半導体モジュール（パワーモジュール１）を適用するため、電力変換装置の信頼性を向上させることができる。

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について説明したが、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、たとえば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器または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ることも可能である。

なお、各実施の形態において説明したパワーモジュールおよび電力変換装置については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、面接合部を有するパワーモジュールに有効に利用される。

１ パワーモジュール、３ ベース板、５ 面接合部、５ａ 第１接合部、５ｂ 第２接合部、５ｃ 第３接合部、５ｄ 第４接合部、５ｅ 第５接合部、７ 絶縁回路基板、７ａ 絶縁性基板、７ｂ 回路パターン、７ｃ 回路パターン、７ｄ 導電性部材、９ 接合材料、１１ 区切り部材、１３ パワー半導体素子、１３ａ 素子本体、１３ｂ 表面電極、１３ｃ 裏面電極、１５、１７ 配線部材、１９ 外部端子、２１ ケース、２３ 封止部材、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 (17)

1. ベース板と、
   前記ベース板に第１接合部を介して接合され、回路パターンを有する絶縁回路基板と、
   前記絶縁回路基板に第２接合部を介して接合されたパワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子に第３接合部を介して接合されるとともに、前記回路パターンに第４接合部を介して接合された配線部材と、
   前記絶縁回路基板に第５接合部を介して接合された外部端子と、
   前記絶縁回路基板、前記パワー半導体素子および前記配線部材を封止する封止部材と
   を備え、
   前記第１接合部、前記第２接合部、前記第３接合部、前記第４接合部および前記第５接合部のうち、少なくとも一つは面接合部とされ、
   前記面接合部は、
   接合材料と、
   前記接合材料を平面視的に区切る態様で、前記接合材料に配置された区切り部材と
   を備えた、パワーモジュール。
2. 前記面接合部では、前記区切り部材は、前記接合材料に対して、平面視的に、同心円状に配置された構造、閉じられたループが入れ子状に配置された構造、渦巻状に配置された構造のいずれかの配置構造とされた、請求項１記載のパワーモジュール。
3. 前記面接合部では、前記接合材料と前記区切り部材とは、接合している状態および接着している状態のいずれかである、請求項１または２に記載のパワーモジュール。
4. 前記接合材料は、はんだであり、
   前記区切り部材の少なくとも表面には、第１金属が位置する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
5. 前記第１金属は、ニッケル、銅および金からなる群から選ばれるいずれかである、請求項４記載のパワーモジュール。
6. 前記区切り部材の内部には、前記第１金属とは異なる材料からなる部分が位置する、請求項４記載のパワーモジュール。
7. 前記材料は、前記はんだの線膨張係数、銀の線膨張係数、銅の線膨張係数および樹脂材料の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する第２金属である、請求項６記載のパワーモジュール。
8. 前記接合材料は、導電性接着剤であり、
   前記区切り部材は第３金属である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
9. 前記接合材料は、銀および金のいずれかの焼結体であり、
   前記区切り部材の少なくとも表面には、第４金属が位置する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
10. 前記第４金属は、銅、銀および金からなる群から選ばれるいずれかである、請求項９記載のパワーモジュール。
11. 前記区切り部材の内部には、前記第４金属とは異なる他の材料からなる部分が位置する、請求項９記載のパワーモジュール。
12. 前記他の材料は、はんだの線膨張係数、銀の線膨張係数、銅の線膨張係数および樹脂材料の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する第５金属である、請求項１１記載のパワーモジュール。
13. ベース板、絶縁回路基板、パワー半導体素子、配線部材および外部端子を有するパワーモジュールの製造方法であって、
    前記ベース板、前記絶縁回路基板、前記パワー半導体素子、前記配線部材および前記外部端子のうちの一の部材を第１被接合部材とし、他の部材を第２被接合部材として、前記第１被接合部材と前記第２被接合部材とを接合する工程を含み、
    前記第１被接合部材と前記第２被接合部材とを接合する工程は、
    前記第１被接合部材に、接合材料と、前記接合材料を平面視的に区切る区切り部材とを配置する工程と、
    前記第２被接合部材を、前記第２被接合部材と前記第１被接合部材との間に前記接合材料および前記区切り部材を挟み込む態様で配置し、前記第２被接合部材を前記接合材料および前記区切り部材によって前記第１被接合部材に接合する工程と
    を備えた、パワーモジュールの製造方法。
14. 前記第１被接合部材と前記第２被接合部材とを接合する工程では、
    前記接合材料として、はんだが使用され、
    前記第２被接合部材は、熱処理を施し、リフローはんだ付けによって前記第１被接合部材に接合された、請求項１３記載のパワーモジュールの製造方法。
15. 前記第１被接合部材と前記第２被接合部材とを接合する工程では、
    前記接合材料として、導電性接着剤が使用され、
    熱処理を施すことによって、前記第２被接合部材が前記第１被接合部材に接合された、請求項１３記載のパワーモジュールの製造方法。
16. 前記第１被接合部材と前記第２被接合部材とを接合する工程では、
    前記接合材料として、銀および銅のいずれかの粒子を含有するペースト状材料が使用され、
    少なくとも熱処理を施すことにより、前記ペースト状材料が前記銀および前記銅のいずれかの焼結体となって、前記第２被接合部材が前記第１被接合部材に接合された、請求項１３記載のパワーモジュールの製造方法。
17. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載のパワーモジュールを適用した電力変換装置であって、
    入力される電力を返還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。
    
    

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