(57)【要約】【課題】熱サイクルに起因するストレスによりパワー半導体素子と金属板とを接合する接合部材にクラックが発生した場合でも、パワー半導体素子と金属板との間の導通不良を起こすことを防止し、信頼性の高いパワー半導体モジュールを提供する。【解決手段】パワー半導体モジュール１に、パワー半導体素子２と、電極を形成する金属板３と、融点が該パワー半導体素子の素子動作許容温度よりも低く、該パワー半導体素子と該金属板とを導通可能に接合する接合部材４と、を具備した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子と、
電極を形成する金属板と、
融点が該パワー半導体素子の素子動作許容温度よりも低く、該パワー半導体素子と該金属板とを導通可能に接合する接合部材と、
を具備する、ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
前記接合部材の融点は前記パワー半導体素子の定格動作温度よりも高い、ことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項３】
前記接合部材は、
５２Ｉｎ−４８Ｓｎ合金、５０Ｂｉ−２８Ｐｂ−２２Ｓｎ合金、４０Ｂｉ−４０Ｐｂ−１１．５Ｓｎ−８．５Ｃｄ合金、４７．７Ｂｉ−３３．２Ｐｂ−１８．８Ｓｎ−０．３Ｓｂ合金のうちのいずれかの合金、または、これらと同様または近似の合金からなる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記接合部材の表面において、前記パワー半導体素子および前記金属板のいずれにも接していない部分を被覆し、かつ、該パワー半導体素子と該金属板とを接合する絶縁部材を具備する、ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
前記絶縁部材は、ガラス転移点が前記接合部材の融点よりも高い熱硬化性樹脂からなる、ことを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
前記接合部材を融点以上の温度に加熱する加熱手段を具備する、ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項７】
前記パワー半導体素子が前記加熱手段を兼ね、該パワー半導体素子のスイッチング周波数を変えることにより該パワー半導体素子の温度を上昇させる、ことを特徴とする請求項６に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項８】
接合部材によりパワー半導体素子と電極を形成する金属板とを導通可能に接合する第一の工程と、
絶縁部材により該接合部材の表面において該パワー半導体素子および該金属板のいずれにも接していない部分を被覆するとともに、該パワー半導体素子と該金属板とを接合する第二の工程と、
を具備することを特徴と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の技術に関する。
より詳細には、熱サイクルに起因するストレスによりパワー半導体素子と金属板とを接合する接合部材に発生するクラックを防止し、パワー半導体モジュールの信頼性を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、ダイオード、サイリスタ等のパワー半導体素子と、電極を形成する金属板等と、をはんだ等の接合部材により導通可能に接合したパワー半導体モジュールの技術は公知となっている。例えば、特許文献１に記載の如くである。
【特許文献１】特開２０００−３４９２０９号公報
【０００３】
近年、パワー半導体モジュールは大電流に対応することが求められ、大電流を流した場合の発熱対策として、該電極を形成する金属板の断面積（厚さ）を大きくする傾向がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、パワー半導体モジュールに流す電流を大きくすると、以下の如き問題が発生する。
パワー半導体素子を構成する代表的な材料であるシリコンの線膨張係数（約４ｐｐｍ／℃）は、電極を形成する金属板を構成する代表的な材料である銅の線膨張係数（約１６ｐｐｍ／℃）またはアルミニウムの線膨張係数（約２３ｐｐｍ／℃）との差が大きい。
そのため、パワー半導体モジュールに流す大電流をオン・オフすることによりパワー半導体素子や金属板の温度が上昇と下降とを繰り返す（熱サイクル）と、パワー半導体素子と金属板とを接合している接合部材は、パワー半導体素子と金属板の線膨張係数の差により、剪断方向（パワー半導体素子または金属板との接合面に平行な方向）にストレスを受ける。そして、当該ストレスにより接合部材にはクラックが生じ、最終的にパワー半導体素子と金属板との間の導通不良を起こす場合が考えられる。
【０００５】
上記接合部材のクラックを防止する方法の一つとして、パワー半導体素子を構成する材料（主にシリコン、ＳｉＣ）の線膨張係数に近い線膨張係数を持つＡｌＮ（約５ｐｐｍ／℃）やＳｉＯ（約７ｐｐｍ／℃）等のセラミックスからなる絶縁基板に該金属板を接合し、該金属板の「見かけの線膨張係数」を、パワー半導体素子を構成する材料の線膨張係数に近づける方法が挙げられる。
しかし、この方法はパワー半導体モジュールの金属板が厚くなると（厚さが０．５ｍｍ以上の場合には）有効でない。これは、金属板の一方の面に絶縁基板を接合することによる“金属板の「見かけの線膨張係数」を絶縁基板の線膨張係数に近づける効果”が、金属板において絶縁基板と接合されている方の面の近傍（厚さ方向において約０．５ｍｍの範囲）にしか及ばないことによる。
従って、パワー半導体モジュールに大電流を流すことを想定して金属板を厚くする場合には、上記方法により接合部材のクラックの発生を防止することが困難となる。
【０００６】
本発明は以上の如き状況に鑑み、熱サイクルに起因するストレスによりパワー半導体素子と金属板とを接合する接合部材にクラックが発生した場合でも、パワー半導体素子と金属板との間の導通不良を起こすことを防止し、信頼性の高いパワー半導体モジュールを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００８】
即ち、請求項１においては、パワー半導体素子と、電極を形成する金属板と、融点が該パワー半導体素子の素子動作許容温度よりも低く、該パワー半導体素子と該金属板とを導通可能に接合する接合部材と、を具備するものである。
【０００９】
請求項２においては、前記接合部材の融点は前記パワー半導体素子の定格動作温度よりも高いものである。
【００１０】
請求項３においては、前記接合部材は、５２Ｉｎ−４８Ｓｎ合金、５０Ｂｉ−２８Ｐｂ−２２Ｓｎ合金、４０Ｂｉ−４０Ｐｂ−１１．５Ｓｎ−８．５Ｃｄ合金、４７．７Ｂｉ−３３．２Ｐｂ−１８．８Ｓｎ−０．３Ｓｂ合金のうちのいずれかの合金、または、これらと同様または近似の合金からなるものである。
【００１１】
請求項４においては、前記接合部材の表面において、前記パワー半導体素子および前記金属板のいずれにも接していない部分を被覆し、かつ、該パワー半導体素子と該金属板とを接合する絶縁部材を具備するものである。
【００１２】
請求項５においては、前記絶縁部材は、ガラス転移点が前記接合部材の融点よりも高い熱硬化性樹脂からなるものである。
【００１３】
請求項６においては、前記接合部材を融点以上の温度に加熱する加熱手段を具備するものである。
【００１４】
請求項７においては、前記パワー半導体素子が前記加熱手段を兼ね、該パワー半導体素子のスイッチング周波数を変えることにより該パワー半導体素子の温度を上昇させるものである。
【００１５】
請求項８においては、接合部材によりパワー半導体素子と電極を形成する金属板とを導通可能に接合する第一の工程と、絶縁部材により該接合部材の表面において該パワー半導体素子および該金属板のいずれにも接していない部分を被覆するとともに、該パワー半導体素子と該金属板とを接合する第二の工程と、を具備するものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１７】
請求項１においては、接合部材にクラックが発生すると接合部材が溶融して再び凝固することにより、該クラックを無くし、パワー半導体素子と金属板との間の導通不良を防止することが可能である。
【００１８】
請求項２においては、通電時に接合部材にクラックが発生していない場合には、該接合部材を固体状に保持することが可能である。
【００１９】
請求項３においては、接合部材にクラックが発生すると接合部材が溶融して再び凝固することにより、該クラックを無くし、パワー半導体素子と金属板との間の導通不良を防止することが可能である。
【００２０】
請求項４においては、溶融した状態の接合部材が大気に触れて酸化し、パワー半導体素子および金属板との濡れ性の低下、ひいては電気的接触の悪化に起因する導通不良を防止することが可能である。
また、接合部材が溶融した状態でも、パワー半導体素子と金属板との位置関係を保持することが可能である。
さらに、溶融した状態の接合部材がパワー半導体素子と金属板とを接合している場所から流出することを防止することが可能である。
【００２１】
請求項５においては、製造時における作業性に優れる。
【００２２】
請求項６においては、任意の時に接合部材を溶融させ、再び凝固させてクラックを無くすことが可能であり、信頼性が向上する。
【００２３】
請求項７においては、任意の時に接合部材を溶融させ、再び凝固させてクラックを無くすことが可能であり、信頼性が向上する。
【００２４】
請求項８においては、接合部材にクラックが発生すると接合部材が溶融して再び凝固することにより、該クラックを無くし、パワー半導体素子と金属板との間の導通不良を防止することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下では、図１を用いて本発明に係るパワー半導体モジュールの実施の一形態であるパワー半導体モジュール１について説明する。
パワー半導体モジュール１は主にパワー半導体素子２、金属板３、接合部材４、絶縁部材５等を具備する。
パワー半導体モジュール１は、熱サイクルに起因するストレスによりパワー半導体素子２と金属板３とを接合する接合部材４にクラックが発生した場合でも、接合部材４が溶融することにより該クラックを無くすことが可能であり、該クラックが進展して最終的にパワー半導体素子２と金属板３との間の導通不良（導通不能）を起こすことを防止できる。
以下、パワー半導体モジュール１の各構成部材について説明する。
【００２６】
パワー半導体素子２は、主にシリコンやＳｉＣ等の半導体からなる素子である。パワー半導体素子２の具体例としてはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ（またはＩｎｅｒｔｅｄ）  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＢＴ（Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ダイオード、ＧＴＯサイリスタ（Ｇａｔｅ  Ｔｕｒｎ  Ｏｆｆ  Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、その他のサイリスタ等が挙げられる。
【００２７】
金属板３は銅やアルミニウム等の導電性の金属からなる板状の部材（金属板）であり、パワー半導体素子２の電極（導電経路）を形成する。該金属板３はパワー半導体モジュール１を構成する他の部材であるブスバーや電気配線（図示せず）に接続され、パワー半導体モジュール１の外部と導通可能となっている。
また、金属板３はパワー半導体素子２にて発生する熱を逃がすための放熱経路としての機能を兼ねる。
【００２８】
接合部材４はパワー半導体素子２と金属板３とを導通可能に接合する部材である。接合部材４は、その融点がパワー半導体素子２の素子動作許容温度よりも低い材料により構成される。また、接合部材４はパワー半導体素子２にて発生する熱を熱伝導により逃がすための放熱経路を兼ねる。
ここで、「素子動作許容温度」とは、パワー半導体素子２が所定の機能を保証するために許容し得る上限の温度（パワー半導体素子２が壊れる下限の温度）をいう。なお、本実施例のパワー半導体素子２の素子動作許容温度は１５０℃であるが、素子動作許容温度はパワー半導体素子２の種類により異なるものであり、１５０℃に限定されるものではない。
【００２９】
パワー半導体モジュール１は、設計段階においてパワー半導体モジュール１の放熱量を十分に確保する（例えば、放熱板や冷却水路を設ける）等して、パワー半導体モジュール１の定格動作温度を素子動作許容温度よりも低い温度に設定し、パワー半導体素子２が所定の機能を果たさなくなる事態が起こる（壊れる）ことを防止している。
ここで、「定格動作温度」とは、通常の使用環境下でパワー半導体モジュール１を使用した場合におけるパワー半導体素子２の温度を指す。定格動作温度はパワー半導体モジュール１の周囲の雰囲気温度、パワー半導体モジュール１を流れる電流値、放熱板や冷却水等によるパワー半導体モジュール１からの放熱量、等の要因により決定される。
パワー半導体素子２にて発生した熱は、熱伝導により接合部材４および金属板３を経て放熱されることから、接合部材４および金属板３の温度は通常、パワー半導体素子２の温度よりも低くなる。
【００３０】
従来のパワー半導体モジュールにおいても、本実施例のパワー半導体モジュール１と同様に、パワー半導体素子の保護を目的として、パワー半導体モジュールの定格動作温度を素子動作許容温度よりも低い温度に設定している。
従来のパワー半導体モジュールの接合部材にクラックが発生すると、パワー半導体素子で発生した熱を逃がす放熱経路の断面積が小さくなり、パワー半導体素子および接合部材の温度が上昇し、さらに線膨張係数の差に起因するストレスが大きくなる。
しかし、従来のパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子と電極とを接合する接合部材として、一般的なはんだ（錫−鉛合金）あるいは鉛フリーはんだ（錫−銀合金、錫−銅合金、錫−銀−銅合金、錫−アンチモン合金）等を用いており、これら一般的なはんだあるいは鉛フリーはんだは、いずれもその融点がパワー半導体素子の素子動作許容温度よりも高い。例えば、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだの融点は１８３℃であり、Ｓｎ−Ａｇはんだの融点は２２０℃である。よって、従来のパワー半導体モジュールは、使用時に接合部材（はんだや鉛はんだ）が溶融することは無い。
結果として、パワー半導体素子と電極とを接合する接合部材にクラックが一度発生すると、該クラックは熱サイクルによりさらに進展していき、最終的には接合部材が破断してパワー半導体素子と金属板との間の導通不良を起こす場合がある。
【００３１】
これに対して、本実施例のパワー半導体モジュール１の場合、接合部材４にクラックが発生して接合部材４の温度が上昇し、融点に達すると接合部材４が溶融し、液体状となる。
しかし、接合部材４の融点は素子動作許容温度よりも低いので、パワー半導体素子２が機能不全となることは無い。
そして、溶融した状態の接合部材４の放熱経路の断面積はクラックが発生した固体状の接合部材４よりも大きいので、パワー半導体素子２および接合部材４の温度が下降する。従って、溶融した状態の接合部材４は再び凝固してクラックの無い固体状の接合部材４となる。
このように、本実施例のパワー半導体モジュール１は、接合部材４にクラックが発生すると接合部材４が溶融して再び凝固することにより、該クラックを無くすことが可能である。従って、パワー半導体モジュール１は、接合部材４のクラックの進展により最終的にパワー半導体素子２と金属板３との間の導通不良を起こすことを防止することが可能であり、信頼性が高い。
また、接合部材４が溶融する際には周囲から潜熱を吸収するので、パワー半導体素子２の発熱量が急に増加し、熱伝導による放熱ではパワー半導体素子２の冷却が間に合わない場合でも、ある程度パワー半導体素子２の温度上昇を抑制することが可能である。
【００３２】
接合部材４に好適な材料の具体例としては、以下の（１）から（５）に記載の合金が挙げられる。
（１）  ５２Ｉｎ−４８Ｓｎ合金：５２重量％のインジウムと４８重量％の錫からなる合金（融点１１７℃）
（２）  ５０Ｂｉ−２８Ｐｂ−２２Ｓｎ合金：５０重量％のビスマスと２８重量％の鉛と２２重量％の錫からなる合金（融点１２４℃）
（３）  ４０Ｂｉ−４０Ｐｂ−１１．５Ｓｎ−８．５Ｃｄ合金：４０重量％のビスマスと４０重量％の鉛と１１．５重量％の錫と８．５重量％のカドミウムからなる合金（融点１３０℃）
（４）  ４７．７Ｂｉ−３３．２Ｐｂ−１８．８Ｓｎ−０．３Ｓｂ合金：４７．７重量％のビスマスと３３．２重量％の鉛と１８．８重量％の錫と０．３重量％のアンチモンからなる合金（融点１３０℃）
（５）  上記（１）から（４）に記載の合金と同様または近似の合金
【００３３】
ここで、「（１）から（４）に記載の合金と同様の合金」とは、（１）から（４）に記載の合金と組成が異なるが、導通可能であり、融点がパワー半導体素子２の素子動作許容温度よりも低い材料を含む。
また、「（１）から（４）に記載の合金と近似の合金」とは、（１）から（４）に記載の合金に近似の組成を有する合金であって、融点がパワー半導体素子２の素子動作許容温度よりも低い材料を含む。ここで、「近似の組成を有する合金」とは、（ａ）合金に含まれる元素の組み合わせは同じであるが各元素の重量比が若干異なる場合、または、（ｂ）合金に含まれる元素の組み合わせの一部を別の元素に置換または合金に含まれる元素の組み合わせに一種類以上の別の元素を追加したもの、が挙げられる。
【００３４】
上記（１）から（５）に記載の合金は、いずれも、その融点が本実施例のパワー半導体素子２の素子動作許容温度よりも低いという特徴を有する。
【００３５】
また、接合部材４は、その融点がパワー半導体素子２の定格動作温度よりも高い材料により構成されることが好ましい。これは、以下の理由による。
接合部材４の融点がパワー半導体素子２の定格動作温度よりも低いと、パワー半導体モジュール１の使用時には接合部材４が常に溶融していることとなるが、この場合でも、接合部材４のクラックの進展により最終的にパワー半導体素子２と金属板３との間の導通不良を起こすことを防止することが可能である。
しかし、溶融した状態の接合部材４の熱伝導率はクラックが無い固体状の接合部材４の熱伝導率よりも小さいので、接合部材４を、融点がパワー半導体素子２の定格動作温度よりも高い材料で構成することにより、通電時に接合部材４にクラックが発生していない場合には、接合部材４を固体状に保持し、パワー半導体モジュール１の発熱量をより小さくし、エネルギーロスを小さくすることが好ましい。
【００３６】
絶縁部材５は接合部材４の表面においてパワー半導体素子２および金属板３のいずれにも接していない部分（露出部分）を被覆し、かつ、パワー半導体素子２と金属板３とを接合する絶縁性の材料からなる部材である。
絶縁部材５は接合部材４の表面を被覆することにより、溶融した状態の接合部材４を構成する材料が大気に触れて酸化し、パワー半導体素子２および金属板３との濡れ性の低下、ひいては電気的接触の悪化に起因する導通不良を防止する。
また、接合部材４が溶融すると、接合部材４がパワー半導体素子２と金属板３との位置関係を保持する（パワー半導体素子２を金属板３に固定する）機能を果たさなくなるが、絶縁部材５が、接合部材４が溶融した状態でも、パワー半導体素子２と金属板３との位置関係を保持する（パワー半導体素子２を金属板３に固定する）。
さらに、絶縁部材５は、溶融した状態の接合部材４がパワー半導体素子２と金属板３とを接合している場所（本実施例の場合、パワー半導体素子２と金属板３との間）から流出することを防止する。これは、接合部材４がパワー半導体素子２と金属板３とを接合している場所から流出すると、パワー半導体素子と金属板とを接合している場所にある接合部材が減少して、パワー半導体素子２と金属板３との間の導通不良を起こしたり、該流出した接合部材が他の導通経路を短絡させたりする場合があるからである。
【００３７】
絶縁部材５を構成する材料の好適な例としては熱硬化性樹脂が挙げられる。硬化前の熱硬化性樹脂は低温でも流動性があるため、接合部材４の表面においてパワー半導体素子２および金属板３のいずれにも接していない部分（露出部分）を被覆するのが容易であり、パワー半導体モジュール１の製造時における作業性に優れることによる。
【００３８】
熱硬化性樹脂で絶縁部材５を構成する場合、該熱硬化性樹脂のガラス転移温度（熱硬化性樹脂が軟化する温度）は、少なくとも接合部材４を構成する材料の融点よりも高いことが好ましく、パワー半導体素子２の素子動作許容温度よりも高いことがより好ましい。
これは、熱硬化性樹脂のガラス転移温度（熱硬化性樹脂が軟化する温度）が、接合部材４を構成する材料の融点よりも低いと、接合部材４が溶融する温度（融点）において絶縁部材５が変形したり破れたりして、接合部材４が大気に触れたり、溶融した接合部材４が絶縁部材５の外部に流出する場合があるからである。
絶縁部材５を構成する熱硬化性樹脂のガラス転移温度がパワー半導体素子２の素子動作許容温度よりも高い場合には、パワー半導体モジュール１の使用時において絶縁部材５が変形したり破れたりすることが無い。
絶縁部材５を構成する材料として好適な熱硬化性樹脂の一例としては、エポキシ樹脂が挙げられる。
【００３９】
パワー半導体モジュール１は、上記パワー半導体素子２、金属板３、接合部材４、絶縁部材５を複数組（例えば、一般的なインバータとして使用する場合には六組）具備する他、パワー半導体モジュール１を構成する部材を収容する樹脂等の絶縁材料からなる筐体、パワー半導体素子２や金属板３を外部の装置と導通させるためのブスバーや電気配線、パワー半導体素子２へ電圧を印可することによりスイッチング（パワー半導体素子２を流れる電流のオン・オフ）を行うための制御基板等を具備する。
また、場合によっては、パワー半導体素子２や金属板３等の発熱する部材を冷却するための冷却水路が形成される。
【００４０】
また、パワー半導体モジュール１に、接合部材４を融点以上の温度に加熱する加熱手段（ヒータ等）を具備することも可能である。
このように構成することにより、接合部材４に発生したクラックが進展する等してパワー半導体素子２の温度が上昇した場合の他にも、任意の時に接合部材４を溶融させ、再び凝固させてクラックを無くすことが可能であり、信頼性が向上する。
【００４１】
上記加熱手段により接合部材４を溶融させ、再び凝固させるタイミングとしては、（Ａ）所定の期間経過毎、（Ｂ）接合部材４が固体の状態を保持している（融点以下の温度を保持している）期間を計測し、該期間が所定の期間を超えた時、（Ｃ）接合部材の温度がクラックが発生する可能性がある温度まで上昇した時、等が挙げられる。
【００４２】
上記（Ａ）の場合、パワー半導体モジュール１は時間を計測する手段を具備する。
また、上記（Ｂ）の場合、パワー半導体モジュール１はパワー半導体素子２および接合部材４のうち、少なくとも一方の温度を検出する温度検出手段（例えば、熱電対等の温度センサ）と、該温度センサにより検出された温度に係る情報に基づいて接合部材４が固体の状態を保持している（融点以下の温度を保持している）期間を計測し、該期間が所定の期間を超えたか否かを判断する手段を具備する。
また上記（Ｃ）の場合、（Ａ）の場合、パワー半導体モジュール１は接合部材４の温度を測定する手段を具備する。
【００４３】
また、上記加熱手段の別実施例として、パワー半導体素子２を加熱手段として用いることができる。すなわち、図２に示す如く、同じ電流値の場合、パワー半導体素子２はスイッチング周波数が大きいほど損失（発熱量）が大きいので、パワー半導体素子２の周波数を通常の使用時よりも大きくして発熱量を増大させることにより、接合部材４を溶融させることが可能である。
なお、パワー半導体モジュール１をハイブリッド車に用いる場合、パワー半導体モジュール１に通電される電流値は運転者のアクセルやブレーキの操作により変化するが、スイッチング周波数はアクセルやブレーキの操作と独立して変化させることが可能であるため、使用時の任意のタイミングで運転者の操作に影響を与えずにスイッチング周波数を変化させることが可能である。
【００４４】
以下では、図３を用いてパワー半導体素子２を加熱手段として用いた場合のスイッチング周波数制御方法について説明する。
【００４５】
ステップＳ１１０において、パワー半導体モジュール１に具備され、パワー半導体素子２のスイッチング操作を行う制御基板（以後、単に「制御基板」という。）は、温度検出手段により検出されたパワー半導体素子２の温度と、接合部材４の融点とを比較する。
ここで、「温度検出手段」は、例えば端子電圧によりパワー半導体素子の温度検出に使用する温度検出用ダイオードでも良く、公知の技術を使用した温度検出用センサでも良い。
制御基板は、温度検出手段により検出されたパワー半導体素子２の温度と、接合部材４の融点とを比較した結果、パワー半導体素子２の温度が接合部材４の融点以下の場合にはステップＳ１２０に移行し、パワー半導体素子２の温度が接合部材４の融点よりも高い場合にはステップＳ１３０に移行する。
【００４６】
ステップＳ１２０において、制御基板は、パワー半導体素子２の温度が接合部材４の融点以下の状態が継続していることを示すカウント数を１だけ上昇させ、ステップＳ１４０に移行する。
【００４７】
ステップＳ１３０において、制御基板は、パワー半導体素子２の温度が接合部材４の融点以下の状態が継続していることを示すカウント数をゼロに戻し、ステップＳ１４０に移行する。
【００４８】
ステップＳ１４０において、制御基板は、パワー半導体素子２の温度が接合部材４の融点以下の状態が継続していることを示すカウント数と、設定値（所定のカウント数）とを比較する。ここで、設定値は、接合部材４の予想寿命（通常の使用環境下において使用開始から熱サイクルにより接合部材４が破断して導通不良を起こすまでの予想期間）よりも短い時間に対応するカウント数とする。
制御基板は、パワー半導体素子２の温度が接合部材４の融点以下の状態が継続していることを示すカウント数と、設定値（所定のカウント数）とを比較した結果、該カウント数が設定値より小さい場合にはステップＳ１５０に移行し、該カウント数が設定値以上の場合にはステップＳ１６０に移行する。
【００４９】
ステップＳ１５０において、制御基板は、パワー半導体素子２のスイッチング周波数を通常の使用時の周波数に設定して、ステップＳ１１０に移行する。
【００５０】
ステップＳ１６０において、制御基板は、パワー半導体素子２のスイッチング周波数を接合部材４を溶融させるための周波数（通常の使用時の周波数より高い周波数）に設定して、ステップＳ１１０に移行する。
【００５１】
以上の如く構成することにより、パワー半導体モジュール１は、パワー半導体素子２の温度が接合部材４の融点以下の状態（換言すれば、接合部材４が全て固体の状態、または一部が溶融した状態）が所定期間（所定のカウント数）継続した場合にはパワー半導体素子２のスイッチング周波数が高くなり、発熱量が上昇して接合部材４を溶融させ、その後は再びパワー半導体素子２の温度が接合部材４の融点以下の状態が継続していることを示すカウント数が設定値を超えるまでパワー半導体素子２のスイッチング周波数を通常使用時のスイッチング周波数に戻し、接合部材４を再び凝固させることが可能である。
【００５２】
以下では、図４および図５を用いて、パワー半導体モジュール１の製造方法の第一実施例および第二実施例について説明する。なお、図４および図５における絶縁材料５はエポキシ樹脂からなるものとする。
【００５３】
図４に示すパワー半導体モジュール１の製造方法の第一実施例、および、図５に示すパワー半導体モジュール１の製造方法の第二実施例は、いずれも、接合部材４によりパワー半導体素子２と金属板３とを導通可能に接合する第一の工程と、絶縁部材５により接合部材４の表面においてパワー半導体素子２および金属板３のいずれにも接していない部分４ａを被覆するとともに、パワー半導体素子２と金属板３とを接合する第二の工程と、
を具備する。
【００５４】
図４に示すパワー半導体モジュール１の製造方法の第一実施例、および、図５に示すパワー半導体モジュール１の製造方法の第二実施例は、第一工程については略同様であり、シート状に形成された接合部材４をパワー半導体素子２と金属板３の間に挟んで炉に所定時間入れ、加熱した後冷却する。シート状の接合部材４は炉内で溶融し、その後凝固してパワー半導体素子２と金属板３とを導通可能に接合する。
このとき、炉の保持温度を、接合部材４の融点以上かつ素子動作許容温度以下とすることにより、パワー半導体素子２が壊れて所定の機能を果たさなくなることが無い。
【００５５】
図４に示すパワー半導体モジュール１の製造方法の第一実施例の第二工程においては、いわゆる「樹脂ポッティング」が行われる。すなわち、接合部材４の表面においてパワー半導体素子２および金属板３のいずれにも接していない部分４ａを被覆するように硬化前のエポキシ樹脂を塗布する。
このとき、塗布された硬化前のエポキシ樹脂は、パワー半導体素子２および金属板３のいずれにも接触し、硬化前のエポキシ樹脂と、パワー半導体素子２と金属板３とで囲まれた空間に接合部材４を封入する格好になっている。
続いて、硬化前のエポキシ樹脂を加熱した後冷却することによりエポキシ樹脂を硬化させ、絶縁部材５とする。硬化前のエポキシ樹脂を加熱する温度はエポキシ樹脂が硬化する温度以上かつ接合部材４の融点以下であり、接合部材４が溶融することが無く、パワー半導体素子２が壊れて所定の機能を果たさなくなることが無い。
【００５６】
図５に示すパワー半導体モジュール１の製造方法の第二実施例の第二工程においては、いわゆる「トランスファーモールド」により絶縁部材５が形成される。すなわち、接合部材４により接合されたパワー半導体素子２および金属板３を金型内に収容し、該金型内に硬化前のエポキシ樹脂を流し込み、該エポキシ樹脂を加熱してある程度硬化させた時点で金型から取り外し、再び加熱してから冷却することによりエポキシ樹脂を硬化させ、絶縁部材５とする。絶縁部材５は接合部材４の表面においてパワー半導体素子２および金属板３のいずれにも接していない部分を被覆するとともに、パワー半導体素子２と金属板３とを接合している。硬化前のエポキシ樹脂を加熱する温度はエポキシ樹脂が硬化する温度以上かつ接合部材４の融点以下であり、接合部材４が溶融することが無く、パワー半導体素子２が壊れて所定の機能を果たさなくなることが無い。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係るパワー半導体モジュールの実施の一形態を示す模式図。
【図２】パワー半導体素子のスイッチング周波数と発熱量との関係を示す図。
【図３】スイッチング周波数選択制御のフロー図。
【図４】本発明に係るパワー半導体モジュールの製造方法の第一実施例を示す模式図。
【図５】本発明に係るパワー半導体モジュールの製造方法の第二実施例を示す模式図。
【符号の説明】
【００５８】
１    パワー半導体モジュール
２    パワー半導体素子
３    金属板
４    接合部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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