(57)【要約】【課題】半導体素子に接続された第１ベースと放熱機能を有する第２ベースの組付けを容易かつ信頼性の高いものとする。【解決手段】パワー半導体モジュール１０００は、能動素子１に電気的に接続された、接地電位以外の電位を有する第１導体１０２と、絶縁部材１０１の第１導体１０２側とは反対側に配置された、金属材料により形成された放熱部材１０３と、能動素子１と第１導体１０２と絶縁部材１０１との外周側面を封止する樹脂７と、を備えた半導体装置３００と、放熱部材１０３と接合部８において金属溶融により接合された、金属材料により形成された固定部材１０６と、を備え、接合部８は、平面視で、第１導体１０２とは重ならない位置に設けられている。【選択図】図１
2020088019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
一方側の面に前記半導体素子が電気的に接続され、接地電位以外の電位を有する第１導体と、
前記第１導体の、前記半導体素子が設けられた前記一方側の面とは反対側の他方側の面に設けられた絶縁部材と、
前記絶縁部材の、前記第１導体が設けられた前記一方側の面とは反対側の他方側の面に設けられ、金属材料により形成された第１ベースと、
前記半導体素子と前記第１導体と前記絶縁部材との外周側面を封止する樹脂と、を備えた半導体装置と、
前記第１ベースと接合部において金属溶融により接合され、金属材料により形成された第２ベースと、を備え、
前記第１ベースと前記第２ベースとを接合する前記接合部は、平面視で、前記第１導体とは重ならない位置に設けられているパワー半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記半導体装置は、前記絶縁部材の前記半導体素子側に設けられ、前記第１導体とは電気的に絶縁された第２導体をさらに備えるパワー半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記半導体装置は、さらに、前記半導体素子の前記一方側の面と反対側の他面側に配置された別の絶縁部材と、
前記別の絶縁部材の前記半導体素子側とは反対側に配置された、金属材料により形成された別の第１ベースと、を備え、
前記別の第１ベースと接合部において金属溶融により接合された、金属材料により形成された別の第２ベースと、をさらに備えるパワー半導体モジュール。
【請求項４】
請求項３に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記別の絶縁部材の前記半導体素子側に設けられた第３導体をさらに備えるパワー半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記半導体装置は、
前記絶縁部材の前記半導体素子側に設けられ、前記第１導体とは電気的に絶縁された別の導体と、
前記別の導体に対応する領域に凹部が形成された入出力端子と、をさらに備えるパワー半導体モジュール。
【請求項６】
請求項５に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記別の導体は、接地電位を有する接地導体、または前記半導体素子とは電気的に絶縁された浮き導体であるパワー半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記第１ベースは、放熱用のフィンを有するパワー半導体モジュール。
【請求項８】
請求項７に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記第２ベースは、前記放熱用のフィンを覆うカバー部を有するパワー半導体モジュール。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記半導体装置を複数個、備え、
前記第２ベースは、隣接する前記半導体装置を連結する部材であるパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
請求項９に記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記第２ベースは、前記半導体装置を冷却するための冷却用流路を有するパワー半導体モジュール。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載のパワー半導体モジュールを有する電力変換装置。
【請求項１２】
請求項１から１０までのいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールを製造する方法において、
前記第１ベースと前記第２ベースとをレーザ溶接により接合するパワー半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパワー半導体モジュール、電力変換装置およびパワー半導体モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング動作を行うパワー半導体素子を内蔵するパワー半導体モジュールは、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。パワー半導体素子は通電により発熱するため、パワー半導体モジュールには高い放熱性が求められる。特に、車載用途においては、小型、軽量化のため半導体モジュールを冷却するための水等の液体冷媒を用いた高効率な冷却システムが採用されている。
従来のパワー半導体モジュールとして、半導体素子を挟持する一対の導体の上下に配線板を配し、配線板の上下面に放熱用のフィンを有する放熱部材を配置して、上下の放熱部材をボルト等の締結部材を用いて固定する構造が知られている。しかし、この構造は、締結部材による組付けに時間を要し、また、締結部材の緩み等により水密構造の信頼性に欠けるという課題がある。
一方、半導体素子に接続された導電層を有する基板を、一対の冷却ハウジングプレートを溶接シームにより接合して冷却プレートを形成するパワー半導体モジュールが知られている。このパワー半導体モジュールでは、半導体素子および基板の冷却プレート側と反対側の面は露出されており、水密構造とはなっていない（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−５０４６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のパワー半導体モジュールには、放熱部材の組付けに関する開示がなく、放熱部材の組付けを容易かつ信頼性の高いものとする構造が記載されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によるパワー半導体モジュールは、半導体素子と、一方側の面に前記半導体素子が電気的に接続され、接地電位以外の電位を有する第１導体と、前記第１導体の、前記半導体素子が設けられた前記一方側の面とは反対側の他方側の面に設けられた絶縁部材と、前記絶縁部材の、前記第１導体が設けられた一方側の面とは反対側の他方側の面に設けられ、金属材料により形成された第１ベースと、前記半導体素子と前記第１導体と前記絶縁部材との外周側面を封止する樹脂と、を備えた半導体装置と、前記第１ベースと接合部において金属溶融により接合され、金属材料により形成された第２ベースと、を備え、前記第１ベースと第２ベースとを接合する前記接合部は、平面視で、前記第１導体とは重ならない位置に設けられている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、第１ベースと第２ベースの組付けを容易かつ信頼性の高いものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明のパワー半導体モジュールの第１の実施形態の断面図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は、図１に示すパワー半導体モジュールの製造工程を説明するための断面図である。
【図３】図３は、本発明のパワー半導体モジュールの第２の実施形態の断面図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、比較例における、固定部材と放熱部材との接合部の拡大断面図である。
【図５】図５は、比較例のパワー半導体モジュールの断面図である。
【図６】図６は、実施例と比較例の試験結果を示す図である。
【図７】図７は、本発明のパワー半導体モジュールの第３の実施形態の断面図である。
【図８】図８は、本発明のパワー半導体モジュールの第４の実施形態の断面図である。
【図９】図９は、本発明のパワー半導体モジュールの第５の実施形態の断面図である。
【図１０】図１０は、本発明のパワー半導体モジュールの第６の実施形態の断面図である。
【図１１】図１１は、本発明のパワー半導体モジュールを有する電力変換装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
【０００９】
−第１の実施形態−
図１は、本発明のパワー半導体モジュールの第１の実施形態の断面図である。
以下の説明において、Ｘ方向、Ｙ方向（Ｘ方向に直交する方向）およびＺ方向を図示の通りとする。
パワー半導体モジュール１０００は、樹脂７により内部の電子部品を封止した樹脂パッケージである半導体装置３００および一対の固定部材１０６、２０６を備えている。
半導体装置３００は、ほぼ直方体形状、換言すれば、Ｚ方向から見た平面視でほぼ矩形形状を有し、樹脂７から外方に突出する複数の入出力端子３を有する。半導体装置３００の厚さ方向（Ｚ方向）の上下には、一対の放熱部材（第１ベース）１０３、２０３が接合されている。各放熱部材１０３、２０３には、厚さ方向に延在する複数の放熱用のフィン１０４、２０４が設けられている。
【００１０】
半導体装置３００は、パワー半導体素子として、能動素子１およびダイオード２（以下、総称して半導体素子ということもある）を有する。図示はしないが、能動素子１およびダイオード２はスイッチング機能を有する上アーム回路および下アーム回路を構成する。半導体素子は、スイッチング機能を有していれば、特に限定されないが、能動素子１として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等のトランジスタが用いられる。ダイオード２として、ＳＢＤ（Schottoky Diode）、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode）等が用いられる。半導体素子を構成する材料としては、Ｓｉが良く用いられるが、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＯ等を用いる事もできる。
なお、一つの半導体素子を、複数の半導体素子の集合体として構成してもよい。
【００１１】
能動素子１の下面全面はコレクタ電極となっており、該コレクタ電極は、−Ｚ方向側に配置されたスペーサ１０５に、はんだ等の接合材４により接合されている。ダイオード２の下面はカソード電極となっており、該カソード電極は、−Ｚ方向側に配置されたスペーサ１０５に、はんだ等の接合材４により接合されている。能動素子１の上面にはエミッタ電極が形成されており、該エミッタ電極は＋Ｚ方向側に配置されたスペーサ２０５に、はんだ等の接合材４により接合されている。ダイオード２の上面にはアノード電極が形成されており、該アノード電極は、＋Ｚ方向側に配置されたスペーサ２０５に、はんだ等の接合材４により接合されている。スペーサ１０５、２０５は、銅やアルミニウム等の金属により形成されている。
【００１２】
スペーサ１０５の−Ｚ方向側の下面には絶縁部材１０１が配置されている。スペーサ１０５と絶縁部材１０１との間には、第２導体１０２ａが設けられている。第２導体１０２ａと絶縁部材１０１とは、ろう付け等により一体に形成されている。第２導体１０２ａは、スペーサ１０５を介して正極側に接続される。絶縁部材１０１上に設けられた第２導体１０２ａの外周には、第２導体１０２ａとは分離された、すなわち、第２導体１０２ａとは絶縁された第１導体１０２が設けられている。第１導体１０２および第２導体１０２ａは、ろう付け等により絶縁部材１０１に一体に形成されている。第１導体１０２には、ワイヤー５により能動素子１のゲート電極が電気的に接続されている。
【００１３】
スペーサ２０５の＋Ｚ方向側の上面には絶縁部材２０１が配置されている。スペーサ２０５と絶縁部材２０１との間には、第３導体２０２と第４導体２０２ａが設けられている。第４導体２０２ａは、スペーサ２０５を介して能動素子１のエミッタ電極およびダイオード２のアノード電極に接続されている。スペーサ２０５は、接地電位側となる。第３導体２０２は、不図示のセンサ回路または能動素子１のゲート電極に接続されている。
第３導体２０２および第４導体２０２ａは絶縁部材２０１にろう付け等により一体に形成されている。
絶縁部材１０１、２０１として、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）セラミック基板を用いることができる。
【００１４】
第１導体１０２と第３導体２０２および第４導体２０２ａとの間に入出力端子３が、樹脂７に保持されて配置されている。第１導体１０２と入出力端子３とは、はんだ等の接合材４により、接合されている。入出力端子３と第３導体２０２および第４導体２０２ａとの間には、環状のスペーサ６が配置されている。入出力端子３とスペーサ６とは、はんだ等の接合材４により接合されている。第３導体２０２および第４導体２０２ａとスペーサ６とは、はんだ等の接合材４により接合されている。
なお、図示はしないが、入出力端子３は、正極端子、負極端子、交流出力端子および複数の制御用端子等を含んでおり、これら複数の端子がＹ方向に間隔をおいて配列されている。
【００１５】
樹脂７の−Ｚ方向側の下面と放熱部材１０３の−Ｚ方向側の下面とは面一となっている。固定部材１０６は、樹脂７の下面と放熱部材１０３の下面とに接触した状態で、接合部８において放熱部材１０３に接合されている。接合部８は、固定部材１０６の内周縁および放熱部材１０３の外周縁に沿って全周に亘る環状に形成されている。
【００１６】
また、樹脂７の＋Ｚ方向側の上面と放熱部材２０３の＋Ｚ方向側の上面とは面一となっている。固定部材２０６は、樹脂７の上面と放熱部材２０３の上面とに接触した状態で接合部８において放熱部材２０３に接合されている。接合部８は、固定部材２０６の内周縁および放熱部材２０３の外周縁に沿って全周に亘る環状に形成されている。固定部材１０６，２０６は、例えば、アルミニウムにより形成される。
なお、固定部材１０６と固定部材２０６は、図示しない冷却ケーシングの一部を構成する。冷却ケーシングは、水等の液体冷媒の冷媒流入口と冷媒流出口とを備えており、冷却ケーシング内部に冷媒の流路を有する流路形成体を構成している。従って、パワー半導体モジュール１０００は冷却ケーシング内を流通する冷媒で冷却される。
なお、接地電位である第４導体２０２ａは、パワー半導体モジュール１０００をキャパシタケース６００（図１１参照）等に組付けて電力変換装置とした状態で、固定部材２０６を介して接地電位となるが、パワー半導体モジュール１０００の状態では、固定部材２０６とは絶縁されている。
【００１７】
固定部材１０６と放熱部材１０３、および固定部材２０６と放熱部材２０３とは、例えば、レーザ溶接等の金属溶融接合によって接合されている。
固定部材１０６と放熱部材１０３との接合部８は、第１導体１０２の外周の外側に配置されている。換言すれば、固定部材１０６と放熱部材１０３との接合部８は、平面視で第１導体１０２とは重ならない位置に設けられている。固定部材２０６と放熱部材２０３との接合部も同様である。
この構成による効果を、以下の比較例を示す図面を参照して説明する。
【００１８】
図４（ａ）、（ｂ）は、比較例における、固定部材２０６と放熱部材２０３との接合部の拡大断面図である。
図４（ａ）は、レーザ溶接のレーザ出力が大きい場合や、レーザの走査速度が遅い場合に発生する課題を示すための図である。固定部材２０６と放熱部材２０３の接合部８へのレーザによる入射エネルギが大きすぎると、固定部材２０６と放熱部材２０３が溶融されるばかりでなく、絶縁部材２０１および第３導体２０２も溶融される。このため、放熱部材２０３と第３導体２０２が図４（ａ）に示すショート領域９でショートするリスクが高まる。図示はしないが、固定部材１０６と放熱部材１０３との接合についても同様であり、固定部材１０６と放熱部材１０３の接合部８へのレーザによる入射エネルギが大きすぎると、固定部材１０６と放熱部材１０３が溶融されるばかりでなく、絶縁部材１０１および第１導体１０２も溶融され、放熱部材１０３と第１導体１０２がショートするリスクが高まる。
【００１９】
図４（ｂ）は、固定部材１０６または放熱部材１０３の表面に水分や油脂などの異物が付着している場合や、溶接時のシールドガスの条件が最適でない場合の課題を示すための図である。固定部材１０６または放熱部材１０３の表面に異物が付着していたり、溶接時のシールドガスの条件が最適でなかったりすると、放熱部材１０３と絶縁部材１０１との界面に溶接金属内のガスによりブローホール（空洞）１０が形成されるリスクが高まる。図示はしないが、固定部材２０６と放熱部材２０３との接合についても同様であり、固定部材２０６または放熱部材２０３の表面に異物が付着していたり、溶接時のシールドガスの条件が最適でなかったりすると、放熱部材２０３と絶縁部材２０１との界面にブローホールが形成されるリスクが高まる。
【００２０】
パワー半導体モジュール１０００を駆動する場合に、第１導体１０２または第３導体２０２と放熱部材１０３、２０３との間にかかる電圧を高くし、また、放熱性を向上するために、絶縁部材１０１、２０１の厚さを薄くすることが有利である。しかし、絶縁部材１０１、２０１の厚さを薄くするほど、図４（ａ）に示すように、放熱部材１０３、２０３と第１導体１０２または第３導体２０２とが電気的にショートするリスクが高まる。
また、図４（ｂ）に示すようなブローホールが発生すると、ブローホールに高い電界がかかり、部分放電が発生し、絶縁部材１０１、２０１を徐々に劣化させる。ブローホールにかかる電界は、接合部８と、第１導体１０２または第３導体２０２間との距離が小さい程、大きくなる。
【００２１】
本実施形態では、上述したように、固定部材１０６と放熱部材１０３との接合部８は、平面視で第１導体１０２とは重ならない位置に設けられている。固定部材２０６と放熱部材２０３との接合部８は、平面視で第３導体２０２とは重ならない位置に設けられている。このため、固定部材１０６、２０６と放熱部材１０３、２０３の接合部８へのレーザによる入射エネルギが大きすぎる場合でも、放熱部材１０３と第１導体１０２とのショート、および放熱部材２０３と第３導体２０２とのショートの発生を抑制することができる。また、放熱部材１０３、２０３と絶縁部材１０１、２０１との界面にブローホールが形成されるような条件下でも、ブローホールにかかる電界が低減され、絶縁部材１０１、２０１の劣化を抑制することができる。
【００２２】
図２（ａ）、（ｂ）は、図１に示すパワー半導体モジュールの製造工程を説明するための断面図である。図２（ａ）、（ｂ）を参照して、図１に示すパワー半導体モジュール１０００の製造方法の一例を説明する。
予め、絶縁部材１０１の上面に第１導体１０２および第２導体１０２ａを、また、下面に、放熱用のフィン１０４が形成された放熱部材１０３を、例えば、ろう付け等により一体に形成しておく。第１導体１０２および第２導体１０２ａを形成するには、絶縁部材１０１の上面全体に導体を形成し、フォトリソグラフィ技術等を用いて、所定パターンの第１導体１０２および第２導体１０２ａを形成する。また、放熱用のフィン１０４は、放熱部材１０３に溶接等により接合する。
絶縁部材１０１としては、ＡｌＮセラミック（窒化アルミニウム）基板を用いることができる。また、第１導体１０２、第２導体１０２ａおよび放熱部材１０３の材料としては、アルミニウムを用いることができる。
【００２３】
本実施形態では、絶縁部材１０１と放熱部材１０３との間にろう材のみが介在する構造である。通常、絶縁部材１０１と放熱部材１０３との間に金属層を設け、絶縁部材１０１と金属層、および金属層と放熱部材１０３を、それぞれ、ろう材や放熱グリース、あるいははんだ等により接合する構造が採用される。本実施形態では、このような構造に比し、絶縁部材１０１と放熱部材１０３との間に介在される部材が少ないので、熱抵抗が小さく、放熱性を向上することができる。
【００２４】
なお、絶縁部材１０１と放熱部材１０３との接合は、溶湯接合法により接合してもよい。溶湯接合法は、放熱用のフィン１０４および放熱部材１０３を形成するための金型のキャビティ内に溶融したアルミニウム等の金属を入れ、例えば、ＡｌＮセラミック基板等により形成された絶縁部材１０１を、溶融したアルミニウム等の金属に接合する方法である。この方法によれば、絶縁部材１０１と放熱部材１０３との熱抵抗をさらに小さくすることができる。
【００２５】
次に、第２導体１０２ａ上にスペーサ１０５を、はんだ等の接合材４により接合する。そして、スペーサ１０５上に、能動素子１、ダイオード２を、それぞれ、はんだ等の接合材４により接合する。また、第１導体１０２上に、入出力端子３をはんだ等の接合材４により接合する。
【００２６】
さらに、能動素子１のゲート電極と第１導体１０２とを、ワイヤーボンディング法を用いて、ワイヤー５により電気的に接続する。
【００２７】
その後、図２（ａ）に示すように、能動素子１上およびダイオード２上に、スペーサ１０５を、はんだ等の接合材４により接合すると共に、入出力端子３上にスペーサ６を、はんだ等の接合材４により接合する。
図２（ｂ）を参照して、図２（ａ）に続く製造工程を説明する。予め、絶縁部材２０１の下面に第３導体２０２を、絶縁部材２０１の上面に、放熱用のフィン２０４が形成された放熱部材２０３を、例えば、ろう付け等により一体に形成しておく。そして、絶縁部材２０１が一体に形成された第３導体２０２を、スペーサ２０５上およびスペーサ６上に、はんだ等の接合材４により接合する。図２（ｂ）は、ここまでの製造工程で形成された封止前のパワー半導体モジュール中間体を示す。
【００２８】
次に、図２（ｂ）に示す封止前のパワー半導体モジュールを金型のキャビティ内に設置し、例えば、トランスファーモールド等のモールド成型により樹脂封止する。すなわち、図２（ｂ）に示すパワー半導体モジュール中間体は、第１導体１０２、第２導体１０２ａ、第３導体２０２、第４導体２０２ａ、絶縁部材１０１、２０１、放熱部材１０３、２０３の外周および入出力端子３の一部を覆うように樹脂７により封止される。樹脂封止に際して、入出力端子３の先端側が樹脂で覆われないように、すなわち、入出力端子３の先端側が外部に露出されるように封止する。樹脂７は、絶縁部材１０１と絶縁部材２０１との間におけるスペーサ６の内側にも充填され、能動素子１およびダイオード２の表面を覆う。
【００２９】
その後、放熱部材１０３の下面に固定部材１０６を位置決めして、放熱部材１０３の外周縁と固定部材１０６の内周縁が重なる領域にレーザを照射して、放熱部材１０３と固定部材１０６とを金属溶融接合する。上述したように、放熱部材１０３と固定部材１０６とが金属溶融接合された接合部８は、平面視で、第１導体１０２とは重ならない位置に設けられる。
同様に、放熱部材２０３の上面に固定部材２０６を位置決めして、放熱部材２０３の外周縁と固定部材２０６の内周縁が重なる領域にレーザを照射して、放熱部材２０３と固定部材２０６とを金属溶融接合する。
これにより、図１に図示されるパワー半導体モジュール１０００が得られる。
【００３０】
上記方法では、放熱部材１０３、２０３を固定部材１０６、２０６に金属溶融接合により接合するので、放熱部材１０３と放熱部材２０３とを、ボルト等の締結部材を用いて組付ける方法に比し、部材が少ない。このため、部品点数が節減され、また、組付け時間も短縮され、コストを低減することができる。また、締結部材の締め付け不良や緩みにより水密性が損なわれることが無いので、水密性の信頼性を向上することができる。
【００３１】
［実施例１］
図２（ａ）、（ｂ）に示される手順により、図１に図示されるパワー半導体モジュール１０００を、下記の条件で作製した。
絶縁部材１０１、１０２を、板厚０．６３５ｍｍのＡｌＮセラミック基板を用いて形成した。第１〜第４導体１０２、１０２ａ、２０２、２０２ａは、厚さ０．４ｍｍのアルミニウム材により形成した。樹脂７による封止は、トランスファーモールドにより行った。固定部材１０６、２０６は、厚さ１．５ｍｍのアルミニウム板により形成した。固定部材１０６、２０６と放熱部材１０３、２０３との接合は、レーザ溶接により行った。
レーザ溶接の条件は、レーザ出力１７００Ｗ、走査速度８ｍ／ｍｉｎとした。
【００３２】
［実施例２］
実施例１とは、レーザ溶接の条件のみを変え、他の条件はすべて同一として実施例２のパワー半導体モジュール１０００を作製した。
実施例２のレーザ溶接の条件は、レーザ出力１７００Ｗ、走査速度６ｍ／ｍｉｎとした。
【００３３】
［比較例］
図５は、比較例のパワー半導体モジュールの断面図である。
比較例として、図５に図示するパワー半導体モジュール１０００Ｒを作製した。
比較例のパワー半導体モジュール１０００Ｒは、図１に図示するパワー半導体モジュール１０００に対し、固定部材１０６と放熱部材１０３との接合部８が、第１導体１０２と、平面視で重なる領域に設けられており、固定部材２０６と放熱部材２０３との接合部８が、第３導体２０２と、平面視で重なる領域に設けられている点で相違する。
比較例のパワー半導体モジュール１０００Ｒの他の構成は、すべて図１に示す第１の実施形態のパワー半導体モジュール１０００と同様である。
実施例１とは、レーザ溶接の条件のみを変え、他の条件はすべて同一として比較例１、比較例２および比較例３のパワー半導体モジュール１０００Ｒを作製した。
【００３４】
［比較例１］
比較例１のレーザ溶接の条件は、レーザ出力１７００Ｗ、走査速度１０ｍ／ｍｉｎとした。
［比較例２］
比較例２のレーザ溶接の条件は、レーザ出力１７００Ｗ、走査速度８ｍ／ｍｉｎとした。
［比較例３］
比較例３のレーザ溶接の条件は、レーザ出力１７００Ｗ、走査速度６ｍ／ｍｉｎとした。
【００３５】
実施例１、２のパワー半導体モジュール１０００、および比較例１〜３のパワー半導体モジュール１０００Ｒに対し、以下に示す（１）接合状態の検査、（２）耐電圧試験、（３）部分放電試験を実施し、本実施形態の効果を検証した。
（１）接合状態の検査
パワー半導体モジュール１０００、１０００Ｒ完成後に、放熱部材（第１ベース）１０３と固定部材（第２ベース）１０６との接合状態を、接続部の断面を切断し、観察することにより実施した。
【００３６】
（２）耐電圧試験
放熱部材１０３と、能動素子１の全端子および第１導体１０２とは、電気的に絶縁されていなければならない。必要な耐電圧が確保できているかを確認するため、耐電圧試験を実施した。
耐電圧試験は、能動素子１およびダイオード２との入出力端子３の全ての端子を同電位となるように短絡し、全端子と放熱部材１０３との間にＡＣ電圧５ｋｖｒｍｓを１分間印加し、耐電圧が確保できているかを確認した。
【００３７】
（３）部分放電試験
固定部材１０６と放熱部材１０３とを溶接する際、絶縁部材１０１と放熱部材１０３との界面付近にブローホールが形成され、電圧印加時にブローホールへの電界が高くなると部分放電が発生する。パワー半導体モジュール１０００の絶縁信頼性を確保するには、部分放電の発生を防止する必要がある。部分放電の発生を評価するために部分放電試験を実施した。
部分放電試験は、能動素子１およびダイオード２との入出力端子３の全ての端子を同電位となるように短絡し、全端子と放熱部材１０３との間にＡＣ電圧０Ｖｒｍｓを印加し、徐々に電圧を５ｋＶｒｍｓまで上昇させ、５ｋＶｒｍｓで１分間保持し、電圧印加時の最大放電電荷量を測定した。
【００３８】
上記検査結果を図６に示す。
（１）接合状態の検査結果
比較例１では、部分的に固定部材１０６と放熱部材１０３とが接合されていない部分が観察された。これは、比較例１では、走査速度が、他のいずれの実施例および比較例よりも速い１０ｍ／ｍｉｎであったため、入熱が小さく、接合されない部分が残ったと考えられる。
これに対し比較例２、３および実施例１、２では、観察範囲内全体に亘って、固定部材１０６と放熱部材１０３との接合は良好であった。
【００３９】
（２）耐電圧試験結果
（耐電圧試験）
耐電圧試験の結果、比較例１と２、および実施例１、２では、５ｋＶｒｍｓで１分間、絶縁破壊することはなく、耐電圧試験はクリアした。しかし、比較例３では、放熱部材１０３と固定部材１０６とが電気的にショートしており、耐電圧試験は満足できなかった。
【００４０】
（３）部分放電試験結果
部分放電試験の結果、比較例１および実施例１、２では、部分放電の最大放電電荷量は検出限界の１ｐＣ以下であった。これに対し、比較例２では、部分放電の最大放電電荷量１００ｐＣを検出した。比較例２では、固定部材１０６と放熱部材１０３の接続は良好になされていたが、観察を実施しなかった部分でブローホールが形成され、その部分で部分放電が発生した可能性がある。また比較例３では、耐電圧試験で説明したとおり、放熱部材１０３と固定部材１０６とがショートされており、電圧を印加することができなかった。
【００４１】
（試験結果の総合判定）
以上の試験の結果、総合判定は、図６にも示されている通り、比較例１〜３は、いずれかの試験においてＮＧであった。これに対し、実施例１、２では、すべての試験結果が良好であった。これにより、本実施形態による効果を確認することができた。
【００４２】
上記第１の実施形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）パワー半導体モジュール１０００は、能動素子（半導体素子）１と、一方側の面に能動素子１が電気的に接続され、接地電位以外の電位を有する第１導体１０２と、第１導体１０２の、能動素子１が設けられた一方側の面とは反対側の他方側の面に設けられた絶縁部材１０１と、絶縁部材１０１の、第１導体１０２が設けられた一方側の面とは反対側の他方側の面に設けられ、金属材料により形成された放熱部材（第１ベース）１０３と、半導体素子１と第１導体１０２と絶縁部材１０１との外周側面を封止する樹脂７と、を備えた半導体装置３００と、第１ベース１０３と接合部８において金属溶融により接合され、金属材料により形成された固定部材（第２ベース）１０６と、を備え、第１ベース１０３と第２ベース１０６とを接合する接合部８は、平面視で、第１導体１０２とは重ならない位置に設けられている。このため、固定部材１０６と放熱部材１０３との接合強度が向上すると共に電気的なショートが抑制され、また、ブローホール発生に起因する絶縁部材１０１の劣化を抑制することができ、固定部材１０６と放熱部材１０３との接合の信頼性を向上することができる。また、固定部材１０６と放熱部材１０３との組付けを、ボルト等の締結部材を用いずに行うことができるので、部品点数が削減され、かつ、組付け作業が容易となるのでコストダウンを図ることができる。
【００４３】
（２）パワー半導体モジュール１０００は、また、半導体装置３００を構成する能動素子１の他面側に配置された絶縁部材２０１と、絶縁部材２０１の第１導体１０２が配置された側とは反対側に配置された、金属材料により形成された放熱部材（別の第１ベース）２０３と、を備え、さらに、第１ベース２０３と接合部８において金属溶融により接続された、金属材料により形成された固定部材（別の第２ベース）２０６を有する。このため、固定部材１０６と固定部材２０６とにより内部に冷媒の流路を有する流路形成体を構成することができ、半導体装置３００に流路形成体が金属溶融接合により一体化されたパワー半導体モジュール１０００を構成することが可能となる。
【００４４】
−第２の実施形態−
図３は、本発明のパワー半導体モジュールの第２の実施形態の断面図である。
第２の実施形態のパワー半導体モジュール１０００は、固定部材１０７、２０７が、放熱用のフィン１０４、２０４を覆うカバー部１０７ａ、２０７ａを有する点で、第１の実施形態とは相違する。
固定部材１０７、２０７のカバー部１０７ａ、２０７ａは、放熱部材１０３、２０３に接合される接合部８の内周側近傍から放熱用のフィン１０４、２０４の先端部に向かって、内周側に向けて傾斜する傾斜状に延出され、すべての放熱用のフィン１０４、２０４の上部を覆っている。図３では、固定部材１０７、２０７のカバー部１０７ａ、２０７ａの内面が放熱用のフィン１０４、２０４の先端面に接触する構造として例示されている。しかし、固定部材１０７、２０７のカバー部１０７ａ、２０７ａの内面と放熱用のフィン１０４、２０４の先端面との間に隙間が設けられた構造としてもよい。
【００４５】
第２の実施形態においても、固定部材１０７と固定部材２０７は、図示しない冷却ケーシングの一部を構成する。冷却ケーシングは、水等の液体冷媒の冷媒流入口と冷媒流出口とを備えており、冷却ケーシング内部に冷媒の流路を有する流路形成体を構成している。したがって、パワー半導体モジュール１０００は冷却ケーシング内を流通する冷媒で冷却される。第２の実施の形態では、流路形成体に流入した冷媒は、カバー部１０７ａ、２０７ａと放熱部材１０３、２０３の間における放熱用のフィン１０４間または２０４間を流通する。このため、半導体装置３００の冷却能力を大きくすることができる。
第２の実施形態の他の構成は、第１の実施形態と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
従って、第２の実施形態においても。第１の実施形態の効果（１）、（２）を奏する。
【００４６】
［実施例３］
実施例１とは、レーザ溶接の条件のみを変え、他の条件はすべて同一として、図３に示される構造のパワー半導体モジュール１０００を作製した。
実施例３の、レーザ溶接の条件は、レーザ出力１７００Ｗ、走査速度８ｍ／ｍｉｎとした。
【００４７】
［実施例４］
実施例１とは、レーザ溶接の条件のみを変え、他の条件はすべて同一として、図３に示される構造のパワー半導体モジュール１０００を作製した。
実施例４の、レーザ溶接の条件は、レーザ出力１７００Ｗ、走査速度６ｍ／ｍｉｎとした。
【００４８】
実施例３、４についても、実施例１、２および比較例１〜３と同様、（１）接合状態の検査、（２）耐電圧試験、（３）部分放電試験を実施し、第２の実施形態の効果を検証した。この検査結果を、実施例１、２および比較例１〜３の検査結果が記載された図６に併記した。
図６を参照して明らかな通り、（１）接合状態の検査結果は、実施例３、４でも、実施例１、２と同様、良好であった。
また、（２）耐電圧試験結果は、実施例１、２と同様、５ｋＶｒｍｓで１分間、絶縁破壊することはなかった。
さらに、（３）部分放電試験結果、実施例１、２と同様、部分放電の最大放電電荷量は検出限界の１ｐＣ以下であった。
従って、試験結果の総合判定は、実施例３、４は、実施例１、２と同様、すべての試験結果が良好であり、これにより、第２の実施形態による効果を確認することができた。
【００４９】
−第３の実施形態−
図７は、本発明のパワー半導体モジュールの第３の実施形態の断面図である。
第３の実施形態のパワー半導体モジュール１０００では、絶縁部材１０１上に設けられた第１導体１０２の外周に第５導体１０８が設けられ、入出力端子３の第５導体１０８に対応する領域に、凹部３１が設けられた構造を有する。
第５導体１０８は、第１導体１０２とは絶縁されている。第５導体１０８は、接地電位に接続された接地導体であるか、あるいは能動素子１およびダイオード２とは電気的に接続されていない、すなわち、絶縁された導体（浮き導体）である。浮き導体は、絶縁部材１０１、第１導体１０２、第２導体１０２ａおよび放熱部材１０３から構成される配線板が強度的に弱い領域や変形しやすい領域に補強用として設けられる導体である。
【００５０】
固定部材１０６と放熱部材１０３とを接合する接合部８は、平面視で、第５導体１０８と重なる領域に設けられている。第５導体１０８の電位が接地電位であるか浮き電位であれば、接合部８と第５導体１０８とが導通したり、接合部８と第５導体１０８間に異物が介在したりしても差し支えない。入出力端子３の第５導体１０８に対応する領域に、凹部３１が設けられているため、入出力端子３と第５導体１０８との間隙を小さくしても、入出力端子３間の電気的なショートを防止することができる。入出力端子３と第５導体１０８との間隙を小さくすることにより、パワー半導体モジュール１０００の薄型化を図ることができる。
【００５１】
第３の実施形態の他の構成は、第１の実施形態と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
第３の実施形態においても、接合部８は、平面視で、第１導体１０２とは重ならない位置に設けられている。
従って、第３の実施形態においても。第１の実施形態の効果（１）、（２）を奏する。
【００５２】
−第４の実施形態−
図８は、本発明のパワー半導体モジュールの第４の実施形態の断面図である。
第４の実施形態のパワー半導体モジュール１０００は、第１の実施形態（図１参照）に示されている厚さ方向（Ｚ方向）上方の第３導体２０２、第４導体２０２ａ、絶縁部材２０１および放熱用のフィン２０４を有する放熱部材２０３を備えていない。また、第４の実施形態のパワー半導体モジュール１０００は、放熱部材２０３を備えていないので、放熱部材２０３に接合される固定部材２０６も備えていない。
すなわち、第４の実施形態のパワー半導体モジュール１０００では、能動素子１およびダイオード２の＋Ｚ方向の表面側は、樹脂７で封止されているだけである。
第４の実施形態の上記以外の構成は、第１の実施形態と同様であり、接合部８は、平面視で、第１導体１０２とは重ならない位置に設けられている。
従って、第４の実施形態においても、第１の実施形態の効果（１）を奏する。
【００５３】
−第５の施形態−
図９は、本発明のパワー半導体モジュールの第５の実施形態の断面図である。
第５の実施形態のパワー半導体モジュール１０００は、第２の実施形態（図３参照）に示されている厚さ方向（Ｚ方向）上方の第３導体２０２、第４導体２０２ａ、絶縁部材２０１および放熱用のフィン２０４を有する放熱部材２０３を備えていない。また、第５の実施形態のパワー半導体モジュール１０００は、放熱部材２０３を備えていないので、放熱部材２０３に接合される固定部材２０７も備えていない。
すなわち、第５の実施形態のパワー半導体モジュール１０００では、能動素子１およびダイオード２の＋Ｚ方向の表面側は、樹脂７で封止されているだけである。
第５の実施形態の上記以外の構成は、第２の実施形態と同様であり、接合部８は、平面視で、第１導体１０２とは重ならない位置に設けられている。
従って、第５の実施形態においても、第１の実施形態の効果（１）を奏する。
【００５４】
−第６の施形態−
図１０は、本発明のパワー半導体モジュールの第６の実施形態の断面図である。
第６の実施形態のパワー半導体モジュール１０００は、第１の実施形態に示されている半導体装置３００を複数個（図１０では、３個として図示されている）備えている。固定部材１０６、２０６は、隣接する各半導体装置３００の放熱部材１０３，２０３に、接合部８で接合されている。なお、図１０は、図１に示すパワー半導体モジュール１０００の断面とは、直交する方向の断面を示す図であり、入出力端子３は図示されていないが、第１の実施形態と同様、接合部８は、平面視で、第１導体１０２とは重ならない位置に設けられている。固定部材１０６と固定部材２０６は、図示しない冷却ケーシングの一部を構成する。冷却ケーシングは、水等の液体冷媒の冷媒流入口と冷媒流出口とを備えており、冷却ケーシング内部に冷媒の流路を有する流路形成体を構成している。したがって、パワー半導体モジュール１０００は冷却ケーシング内を流通する冷媒で冷却される。
従って、第６の実施形態においても、第１の実施形態の効果（１）、（２）を奏する。
【００５５】
なお、図１０では、３個の半導体装置３００を、固定部材１０６，２０６により連結した構造として例示しているが、半導体装置３００の数は、２個または４個以上とすることもできる。
また、図１０では、第１の実施形態に示す複数個の半導体装置３００を固定部材１０６、２０６により連結したパワー半導体モジュール１０００として例示した。しかし、第２〜第５の実施形態に示す半導体装置３００に対しても、同様に、複数個の半導体装置３００を固定部材１０６（１０７）、２０６（２０７）または固定部材１０６により連結したパワー半導体モジュールとすることができる。
【００５６】
−第７の施形態−
図１１は、本発明のパワー半導体モジュールを有する電力変換装置の断面図である。
電力変換装置２０００は、パワー半導体モジュール１０００と、制御基板５００と、キャパシタケース６００とを備えている。
パワー半導体モジュール１０００は、図３に図示された半導体装置３００と固定部材１０７、２０７とを有する。キャパシタケース６００の内部には、複数個（図１１では、２個として図示されている）のキャパシタ６０１が収納されている。図１１では、パワー半導体モジュール１０００は、１個のみが図示されているが、３個のパワー半導体モジュール１０００を備えるようにしてもよい。各パワー半導体モジュール１０００を構成する半導体装置３００は、それぞれ、上述した通り、能動素子１およびダイオード２により構成される上アーム回路および下アーム回路を内蔵しており、３個の半導体装置３００を並列接続して三相インバータ回路を構成することができる。
【００５７】
半導体装置３００の正極側端子３ａは、バスバー７０１を介してキャパシタ６０１のキャパシタ端子６０２に接続されている。複数のバスバー７０１、７０２がインサート成型され、バスバーユニット７００が形成されている。複数個のキャパシタ６０１は、電気的に並列に接続されている。半導体装置３００の交流出力端子３ｂは、不図示のモータジェネレータに接続される。
【００５８】
パワー半導体モジュール１０００、バスバーユニット７００およびキャパシタケース６００を厚さ方向（Ｚ方向）に貫通して、中空軸を有する複数の接続部材７１０が設けられている。接続部材７１０の上端面には、制御基板５００が載置されている。制御基板５００には、複数の制御用電子部品５０１が実装されている。制御基板５００、パワー半導体モジュール１０００、バスバーユニット７００およびキャパシタケース６００は、接続部材７１０の中空軸内をそれぞれ挿通される固定用ボルト７１１により固定されている。
図１１に図示されるように、接合部８は、平面視で、第１導体１０２とは重ならない位置に設けられている。
このように、第２の実施形態に示されたパワー半導体モジュール１０００を用いて、電力変換装置２０００を構成することが可能である。
なお、図１１では、第２の実施形態に示されたパワー半導体モジュール１０００を用いた電力変換装置２０００として例示した。しかし、第１、第３〜第６の実施形態に示されたパワー半導体モジュール１０００を用いて電力変換装置２０００を構成することもできる。
【００５９】
上記では、種々の実施の形態および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。上述した種々の実施の形態および変形例を組み合わせたり、適宜、変更を加えたりしてもよく、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。
【符号の説明】
【００６０】
１    能動素子（半導体素子）
２    ダイオード（半導体素子）
３    入出力端子
７    樹脂
８    接合部
９    ショート領域
１０  ブローホール
３１  凹部
１０１、２０１    絶縁部材
１０２    第１導体
１０２ａ  第２導体
２０２    第３導体
２０２ａ  第４導体
１０３    放熱部材（第１ベース）
１０４、２０４    放熱用のフィン
１０６、１０７    固定部材（第２ベース）
１０７ａ  カバー部
１０８    第５導体
２０２    第３導体
２０３    放熱部材
２０６、２０７    固定部材
２０７ａ  カバー部
３００    半導体装置
１０００    パワー半導体モジュール
２０００    電力変換装置
【図１】
2020088019.tif 000003
【図２】
2020088019.tif 000004
【図３】
2020088019.tif 000005
【図４】
2020088019.tif 000006
【図５】
2020088019.tif 000007
【図６】
2020088019.tif 000008
【図７】
2020088019.tif 000009
【図８】
2020088019.tif 000010
【図９】
2020088019.tif 000011
【図１０】
2020088019.tif 000012
【図１１】
2020088019.tif 000013