(57)【要約】【課題】  半導体素子が接合された導体を直接冷却器に取り付ける方法では、半導体素子の電気的特性の中間検査ができないので、製造歩留まりがあまり高くない。【解決手段】  複数の電力用半導体素子１７８１を有する電力用半導体装置において、複数の半導体チップ１７８１を導体２０の一方の面に接合し、前記導体２０の他方の面が、前記導体に対し剛性の低い絶縁樹脂シート２９で、前記導体と線膨張係数が同一の放熱用金属板３０に接着されていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電力用半導体素子と、電力用半導体素子を駆動する駆動手段と、電力用半導体素子を制御する制御手段を有するインバータ装置において、
複数の半導体チップを導体の一方の面に接合し、
前記導体の他方の面が、前記導体に対し剛性の低い絶縁樹脂シートで、前記導体と線膨張係数が同一の放熱用金属板に接着されていることを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
複数の電力用半導体素子を有する電力用半導体装置において、
複数の半導体チップを導体の一方の面に接合し、
前記導体の他方の面が、前記導体に対し剛性の低い絶縁樹脂シートで、前記導体と線膨張係数が同一の放熱用金属板に接着されていることを特徴とする電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電力用半導体素子と電力用半導体素子を駆動する駆動回路と電力用半導体素子を制御する制御回路を有するインバータ装置及び電力用半導体
装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車では、電力用半導体素子およびインバータ装置の小型化、高信頼性が要求されている。電力用半導体素子およびインバータ装置の小型化、高信頼性を図るためには、冷却効率が良い電力用半導体素子およびインバータ装置が必要となる。
【０００３】
従来のインバータ装置としては、例えば特許文献１に記載されたインバータ装置がある。
【０００４】
図５は、特許文献１に記載されたインバータ装置の電力用半導体素子内部の半導体チップの実装構造を示す部分縦断面図である。
【０００５】
図６は、特許文献１に記載されたインバータ装置の、電力用半導体素子の側面断面図である。
【０００６】
図５、図６に記載されたインバータ装置では、３相インバータの１アームをサイズが□１０ｍｍ以下の半導体チップであるＩＧＢＴ１７およびダイオード１８を複数個並列接続して構成し、さらに厚みが１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の導体２０に前記３相インバータの１アームを構成する複数の半導体チップを接合し、前記導体２０を冷却器２２にセラミックスを含有した絶縁樹脂シート２３で接着している。
【０００７】
さらに、ＩＧＢＴおよびダイオード、導体、絶縁樹脂シートは、周囲が冷却器２２と接着されており正極端子２７および負極端子および３相出力端子２８および制御入出力端子２５を備えた樹脂パッケージ２６の内部に、絶縁性のゲルと共に封入されている。
【０００８】
このインバータ装置では、導体２０に接合されたＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｄおよびダイオード１８Ａ〜１８Ｃが冷却器２２に絶縁樹脂シート２３を用い直接接着されているので、電力用半導体素子内部のＩＧＢＴおよびダイオードチップの熱抵抗が低減される。更に、ＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｄおよびダイオード１８Ａ〜１８Ｃの厚みが１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の導体２０に接合されているので、導体２０の熱容量の効果により熱時定数が大きくなり過渡熱抵抗が小さくなり、インバータ起動時の温度上昇が小さくなる。故に、冷却効率が向上し、インバータ装置の小型化が図れる。
【特許文献１】特開２００３−１５３５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図５、図６に示すインバータ装置では、電力用半導体素子内部のＩＧＢＴおよびダイオードチップの熱抵抗が低減する反面、以下のような問題点がある。
【００１０】
インバータ装置を構成するＩＧＢＴまたはダイオードチップの電気的特性の中間検査ができないので、電力用半導体素子の製造工程の途中で、複数個並列接続されたＩＧＢＴまたはダイオードチップの内１つが故障していたとしても、最終的に冷却器と共に全てを廃棄することとなり、製造歩留まりがあまり高くない。
【００１１】
従って、本発明は、電力用半導体素子の冷却効率を向上し、インバータ装置の通電容量の向上・小型化に対応し、なおかつ製造性に優れた電力用半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明は、複数の電力用半導体素子と、電力用半導体素子を駆動する駆動手段と、電力用半導体素子を制御する制御手段を有するインバータ装置において、複数の半導体チップを導体の一方の面に接合し、前記導体の他方の面が、前記導体に対し剛性の低い絶縁樹脂シートで、前記導体と線膨張係数が同一の放熱用金属板に接着されていることを特徴とするインバータ装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、熱抵抗が低く、製造歩留まりが高く、信頼性の高い電力用半導体素子を実現することができ、インバータ装置の通電容量の向上・小型化・信頼性向上が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態のインバータ装置の電力用半導体素子内部の半導体チップの実装構造を示す縦断面図である。
【００１６】
図１において、インバータ装置は、３相インバータの１アームを、サイズが□１０ｍｍ以下の半導体チップであるＩＧＢＴ１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄおよびダイオード１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃを並列接続して構成している。図１においては、ＩＧＢＴが４並列、ダイオードが３並列の場合の実施例である。
【００１７】
半導体チップであるＩＧＢＴ１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄおよびダイオード１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃは、厚みが１．５ｍｍ以上７ｍｍ以下の銅製の導体２０に、導体２０の厚みの２倍以上の距離をおいて分散配置され、Ｓｎ／Ｐｂなどの低融点またはＳｎ／Ａｇ／Ｃｕなどの高融点はんだ２１で接合されている。
【００１８】
さらに、導体２０は、材質が銅やアルミニウムなどの放熱用金属板３０にセラミックを含有した絶縁樹脂シート２９で接着される。ここで、導体２０は、ＩＧＢＴ１７Ａ〜Ｄおよびダイオード１８Ａ〜Ｃを接合した面にはメッキ処理２４を行い、放熱用金属板３０とセラミックスを含有した絶縁樹脂シート２９で接着する反対面にはメッキ処理を行っていない。絶縁樹脂シート２９は、例えばエポキシ樹脂に窒化ホウ素などのセラミックフィラ−を充填したものであり、熱伝導率は２〜４Ｗ／ｍＫ、厚みは０．０５〜０．１５ｍｍ程度である。
【００１９】
さらに、放熱用金属板３０は裏面に熱伝導グリース１９を塗布し、銅やアルミニウム製の冷却器２２に取付けねじ３により加圧接触されている。
【００２０】
さらに、１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄおよびダイオード１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、導体２０、絶縁樹脂シート２９は、周囲が冷却器２２と接着されており正極端子および負極端子および３相出力端子および制御入出力端子を備えた樹脂パッケージ２６の内部に、絶縁性のゲルと共に封入されている。絶縁性のゲルは、一般的にやわらかい材質のものが用いられる。
【００２１】
図１において、インバータ装置は、厚みが１．５ｍｍ以上７ｍｍ以下の銅製の導体２０に、半導体チップであるＩＧＢＴ１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄおよびダイオード１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃが、Ｓｎ／Ｐｂなどの低融点またはＳｎ／Ａｇ／Ｃｕなどの高融点はんだ２１で接合されている。
【００２２】
ＩＧＢＴ１７およびダイオード１８は材質がＳｉで、導体２０は材質が銅であるので、ＩＧＢＴ１７およびダイオード１８と導体２０の線膨張係数の違いにより、温度サイクルが負荷されたときに、はんだ２１にせん断応力が発生し、非線型ひずみが発生する。非線型ひずみの値が大きくなると、温度サイクルが負荷されたときにはんだにクラックなどが発生する。
【００２３】
非線型ひずみの値は、小さいほど信頼性・耐久性が向上するが、ＩＧＢＴ１７およびダイオード１８のチップサイズが大きくなると、はんだの非線型ひずみが増大する。よって、インバータ装置の信頼性・耐久性を確保するためには、チップサイズをおおよそ□１０ｍｍ以下とすることが必要になる。
【００２４】
図２は、本発明の実施の形態のインバータ装置通電時の半導体チップの温度の解析結果であり、導体２０の厚みが３ｍｍのときの、インバータ通電時のＩＧＢＴ１７およびダイオード１８の温度変化の解析結果である。
【００２５】
インバータ起動時には、ＩＧＢＴおよびダイオードの損失が大きくなり、ＩＧＢＴおよびダイオードとも温度上昇が特に高くなる。
【００２６】
ＩＧＢＴ１７およびダイオード１８の信頼性の向上、並列数の低減、電力用半導体素子およびインバータ装置の小型化には、特にインバータ起動時の温度上昇を低減することが重要となる。
【００２７】
図３は、本発明の実施の形態のインバータ装置起動時の半導体チップの温度と導体厚みの相関の解析結果であり、導体２０の厚みをパラメータにした、インバータ起動時のＩＧＢＴ１７およびダイオード１８の温度変化である。
【００２８】
導体２０の厚みが１．５ｍｍより小さくなると、ＩＧＢＴ１７およびダイオード１８の温度が特に高くなる。導体２０の厚みが１．５ｍｍ以上の場合に、導体２０の熱容量の効果により、ＩＧＢＴおよびダイオードのインバータ起動時の温度が低くなる。
【００２９】
図４は、本発明の実施の形態の半導体チップの定常熱抵抗と導体厚みの相関の解析結果であり、導体２０の厚みをパラメータにした、ＩＧＢＴの定常熱抵抗の解析結果である。
【００３０】
図４において、（Ａ）の曲線は特に放熱用金属板３０の材質をアルミニウムとした場合の解析結果であり、（Ｂ）の曲線は特に放熱用金属板３０の材質を銅とした場合の解析結果である。
【００３１】
放熱用金属板３０の材質をアルミニウムとした場合には、（Ａ）の曲線に示す特性となり、導体２０の厚みが３ｍｍ〜７ｍｍの時に、導体２０の熱拡散の効果により定常熱抵抗がほぼ最小となる。図５に示した特許文献１の電力用半導体素子のように導体に接合された半導体素子が冷却器に直接接着されたときほどではないものの、定常熱抵抗は小さくなる。
【００３２】
また、放熱用金属板３０の材質を銅とし、導体２０と線膨張係数を同一とした場合、（Ｂ）の曲線に示す特性となり、導体２０の厚みが３ｍｍ〜７ｍｍの時に、導体２０の熱拡散の効果により定常熱抵抗がほぼ最小となる。（Ａ）の曲線よりも更に定常熱抵抗は小さくなる。
【００３３】
このように、（Ａ）の特性よりも（Ｂ）の特性の方が定常熱抵抗が小さいという結果が得られた。
【００３４】
発明者らによる試験結果に基づいて更に詳細に検討を行ったところ、導体２０を銅とし放熱用金属板３０をアルミニウムとした場合の（Ａ）では放熱用金属板３０の裏面の反りは最大で約１２０μｍであったのに対して、導体２０および放熱用金属板３０を銅とした場合の（Ｂ）では放熱用金属板３０の裏面の反りは最大で約２５μｍとなり、非常に大きく反りが低減された。
【００３５】
この放熱用金属板の裏面の反りが低減されることにより、導体２０および放熱用金属板３０を銅とした場合の（Ｂ）では、放熱用金属板３０と冷却器２２との間のギャップが小さくなり熱伝導グリース１９の厚みも非常に薄くなるので接触熱抵抗が非常に小さくなり、（Ａ）より更に熱抵抗が低減することが判った。
【００３６】
つまり、導体２０および放熱用金属板３０を銅とした場合の（Ｂ）では、放熱用金属板３０と導体２０を接着している絶縁樹脂シート２９は、厚みは０．０５〜０．１５ｍｍ程度、弾性率は３６ＧＰａ程度である。材質が銅である導体２０および放熱用金属板３０の弾性率は１１５ＧＰａであり、絶縁シート２９の剛性は導体２０および放熱用金属板３０に対し十分に小さい。放熱用金属板３０の厚みは、導体２０の厚みと同等かそれ以上である。上述した剛性が大きい銅を材質とした導体２０と放熱用金属板３０を、剛性が小さい絶縁シート２９で接着した場合には、導体２０と放熱用金属板３０の線膨張係数が同一であるので、放熱用金属板の反りがほとんど発生しない。
【００３７】
よって、放熱用金属板の反りが低減されることにより、放熱用金属板と冷却器との間のギャップが小さくなり熱伝導グリースの厚みも非常に薄くなるので接触熱抵抗が非常に小さくなり、熱抵抗が低減する。
【００３８】
以上のように、放熱用金属板３０の材質を銅とした場合には、導体２０の厚みが３ｍｍ〜７ｍｍの時に導体２０の熱拡散の効果により定常熱抵抗がほぼ最小となり、図５に示した特許文献１の電力用半導体素子とほぼ同等なる。また、導体２０の厚みが７ｍｍより厚くなると、ＩＧＢＴ定常熱抵抗が増大し始める。更に、インバータ起動時の半導体チップの温度は、導体２０の厚みが１．５ｍｍより小さくなると、温度が急激に高くなる。
【００３９】
また、本発明の電力用半導体素子では、特許文献１の電力用半導体素子のように冷却器と一体化されていないので、特性中間検査が可能となり、製造歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態のインバータ装置の電力用半導体素子内部の半導体チップの実装構造を示す部分縦断面図。
【図２】本発明の実施の形態のインバータ装置通電時の半導体チップの温度の解析結果。
【図３】本発明の実施の形態のインバータ装置起動時の半導体チップの温度と導体厚みの相関の解析結果。
【図４】本発明の実施の形態の半導体チップであるＩＧＢＴの定常熱抵抗と導体厚みの相関の解析結果。
【図５】従来のインバータ装置の電力用半導体素子内部の半導体チップの実装構造を示す部分縦断面図。
【図６】従来のインバータ装置の電力用半導体素子の側面断面図。
【符号の説明】
【００４１】
１７・・・ＩＧＢＴ
１８・・・ダイオード
１９・・・熱伝導グリース
２０・・・導体
２１・・・低融点または高融点はんだ
２２・・・冷却器
２４・・・メッキ
２９・・・絶縁樹脂シート
３０・・・放熱用金属板
【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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【図６】
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