(57)【要約】【課題】半導体素子や基板、接合部にクラックが進展したり、剥離が発生するのを抑制し、半永久的に半導体装置を使用可能な半導体装置の使用方法を提供する。【解決手段】ＩＧＢＴ素子２１〜２６及びＦＷＤ素子３１〜３６を金属板の表面に直接又は鑞材を用いて接合した半導体装置１ａは、温度センサ２ａにより第１のＩＧＢＴ素子２１の温度を計測し、当該計測結果に基づいて、接合部を実質的に一定温度で所定時間保持するように制御回路５が第１のＩＧＢＴ素子２１のゲート電圧を制御して、当該素子２１の温度を意図的に調整することにより、金属板を構成する金属材料自体に焼き鈍し処理を行って、接合部に発生した残留応力を除去する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子及び金属板を有し、前記半導体素子の主面を前記金属板の表面に直接金属接合又は鑞材を用いて接合した半導体装置を使用する半導体装置の使用方法であって、
前記半導体素子の温度を調整して、前記半導体素子と前記金属板との接合部を実質的に一定温度で所定時間保持することにより前記金属板又は前記鑞材の少なくとも一方に焼き鈍し処理を行う半導体装置の使用方法。
【請求項２】
半導体素子が接合された金属板と絶縁板とを有し、前記金属板を前記絶縁板に直接金属接合又は鑞材を用いて接合した半導体装置を使用する半導体装置の使用方法であって、
前記半導体素子の温度を調整して、前記金属板と前記絶縁板との接合部を実質的に一定温度で所定時間保持することにより前記金属板又は前記鑞材の少なくとも一方に焼き鈍し処理を行う半導体装置の使用方法。
【請求項３】
半導体素子、金属板及び絶縁板を有し、前記半導体素子の主面を前記金属板の表面に直接金属接合又は鑞材を用いて接合すると共に、前記金属板を前記絶縁板に直接金属接合又は鑞材を用いて接合した半導体装置を使用する半導体装置の使用方法であって、
前記半導体素子の温度を調整して、前記半導体素子と前記金属板との接合部、及び、前記金属板と前記絶縁板との接合部を実質的に一定温度で所定時間保持することにより前記金属板又は前記鑞材の少なくとも一方に焼き鈍し処理を行う半導体装置の使用方法。
【請求項４】
前記半導体素子の温度を調整して、前記半導体素子と前記金属板との接合部、又は、前記金属板と前記絶縁板との接合部の少なくとも一方を実質的に一定温度で所定時間保持した後に、前記半導体素子を実質的に一定の温度勾配で冷却する請求項１〜３の何れかに記載の半導体装置の使用方法。
【請求項５】
温度計測手段により計測される前記半導体素子の温度、前記半導体素子と前記金属板との接合部、又は、前記金属板と前記絶縁板との接合部の温度に基づいて、前記半導体素子の温度を調整する請求項１〜４の何れかに記載の半導体装置の使用方法。
【請求項６】
前記半導体素子にトランジスタ素子を含み、
前記トランジスタ素子のゲート電圧を制御することにより当該トランジスタ素子の温度を調整する請求項１〜５の何れかに記載の半導体装置の使用方法。
【請求項７】
前記半導体素子にダイオード素子を含み、
前記ダイオード素子に流れる電流を制御することにより当該ダイオード素子の温度を調整する請求項１〜６の何れかに記載の半導体装置の使用方法。
【請求項８】
前記半導体素子を放熱する放熱手段の放熱能力を制御することにより、前記半導体素子の温度を調整する請求項１〜７の何れかに記載の半導体装置の使用方法。
【請求項９】
前記半導体素子を加熱する加熱手段を制御することにより、前記半導体素子の温度を調整する請求項１〜８の何れかに記載の半導体装置の使用方法。
【請求項１０】
無効電流を前記半導体素子に流すことにより、前記半導体素子の温度を調整する請求項１〜９の何れかに記載の半導体装置の使用方法。
【請求項１１】
前記温度計測手段により計測された温度値の履歴に基づいて、前記接合部が実質的に一定温度で所定時間保持された実績の有無を定期的に判別し、
当該判別結果に応じて前記半導体素子の温度を調整する請求項５〜１０の何れかに記載の半導体装置の使用方法。
【請求項１２】
半導体素子及び金属板を有し、前記半導体素子の主面を前記金属板の表面に直接金属接合又は鑞材を用いて接合した半導体装置であって、
前記半導体素子、又は、前記半導体素子と前記金属板との接合部の温度を計測する温度計測手段と、
前記半導体素子の温度を調整する温度調整手段と、
前記温度計測手段の計測結果に基づいて、前記接合部を実質的に一定温度で所定時間保持することにより前記金属板又は前記鑞材の少なくとも一方に焼き鈍し処理を行うように前記温度調整手段を制御する制御回路と、を備えた半導体装置。
【請求項１３】
半導体素子が接合された金属板と絶縁板とを有し、前記金属板を前記絶縁板に直接金属接合又は鑞材を用いて接合した半導体装置であって、
前記半導体素子、又は、前記半導体素子と前記金属板との接合部の温度を計測する温度計測手段と、
前記半導体素子の温度を調整する温度調整手段と、
前記温度計測手段の計測結果に基づいて、前記接合部を実質的に一定温度で所定時間保持することにより前記金属板又は前記鑞材の少なくとも一方に焼き鈍し処理を行うように前記温度調整手段を制御する制御回路と、を備えた半導体装置。
【請求項１４】
半導体素子、金属板及び絶縁板を有し、前記半導体素子の主面を前記金属板の表面に直接又は鑞材を用いて接合すると共に、前記金属板を前記絶縁板に直接金属接合又は鑞材を用いて接合した半導体装置であって、
前記半導体素子、又は、前記半導体素子と前記金属板との接合部の温度を計測する温度計測手段と、
前記半導体素子の温度を調整する温度調整手段と、
前記温度計測手段の計測結果に基づいて、前記半導体素子と前記金属板との接合部、及び、前記金属板と前記絶縁板との接合部を実質的に一定温度で所定時間保持することにより前記金属板又は前記鑞材の少なくとも一方に焼き鈍し処理を行うように前記温度調整手段を制御する制御回路と、を備えた半導体装置。
【請求項１５】
前記温度計測手段は、前記半導体素子に内蔵されている請求項１２〜１４の何れかに記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記温度計測手段は、前記半導体素子と前記金属板との接合部の近傍、又は、前記金属板と前記絶縁板との接合部の近傍に設けられている請求項１２〜１４の何れかに記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記制御回路は、前記半導体素子と前記金属板との接合部、又は、前記金属板と前記絶縁板との接合部の少なくとも一方を実質的に一定温度で所定時間保持した後に、前記半導体素子の温度を実質的に一定の温度勾配で降下させるように前記温度調整手段を制御する請求項１２〜１６の何れかに記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記半導体素子は、トランジスタ素子を含み、
前記温度調整手段は、前記トランジスタ素子のゲート電圧を制御することにより当該トランジスタ素子の温度を調整する請求項１２〜１７の何れかに記載の半導体装置。
【請求項１９】
前記半導体素子は、ダイオード素子を含み、
前記温度調整手段は、前記ダイオード素子に流れる電流を制御することにより当該ダイオード素子の温度を調整する請求項１２〜１８の何れかに記載の半導体装置。
【請求項２０】
前記半導体素子を放熱する放熱手段をさらに備え、
前記温度調整手段は、前記放熱手段の放熱能力を制御することにより、前記半導体素子の温度を調整する請求項１２〜１９の何れかに記載の半導体装置。
【請求項２１】
前記半導体素子を加熱する加熱手段をさらに備え、
前記温度調整手段は、前記加熱手段を制御することにより、前記半導体素子の温度を調整する請求項１２〜２０の何れかに記載の半導体装置。
【請求項２２】
前記温度調整手段は、無効電流を前記半導体素子に流すことにより、前記半導体素子の温度を調整する請求項１２〜２１の何れかに記載の半導体装置。
【請求項２３】
前記半導体装置は、直流電源から供給された直流を交流に変換して交流負荷に出力可能となっており、
前記直流電源を前記半導体装置から着脱可能な入力側ソケットをさらに備え、
前記入力側ソケットには、電流制御により前記半導体素子の温度を調整可能な温度調整用電源を接続可能な請求項１２〜２２の何れかに記載の半導体装置。
【請求項２４】
前記ダイオード素子の順方向に電流が流れるように、前記入力側ソケットに前記温度調整用電源を接続する請求項２３記載の半導体装置。
【請求項２５】
前記半導体装置は、直流電源から供給された直流を交流に変換して交流負荷に出力可能となっており、
前記交流負荷を前記半導体装置から着脱可能な出力側ソケットをさらに備え、
前記出力側ソケットには、電流制御又は抵抗制御により前記半導体素子の温度を調整可能な温度調整用負荷を接続可能な請求項１２〜２４の何れかに記載の半導体装置。
【請求項２６】
前記金属板は、アルミニウム又は銅を含有する金属材料を使用している請求項１２〜２５の何れかに記載の半導体装置。
【請求項２７】
前記鑞材は、アルミニウム系、銅系、銀系又は金系の鑞材を含む請求項１２〜２６の何れかに記載の半導体装置。
【請求項２８】
前記温度計測手段により計測された温度値の履歴を記憶する記憶手段をさらに備え、
前記制御回路は、前記記憶手段に記憶された温度履歴に基づいて、前記接合部が実質的に一定温度で所定時間保持された実績の有無を定期的に判別し、当該判別結果に応じて前記温度調整手段の制御を行う請求項１２〜２７の何れかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子及び金属板を有し、半導体素子を金属板に直接金属接合又は鑞付けにより接合した半導体装置を使用する半導体装置の使用方法及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な半導体装置では、半導体素子が基板に半田接合により接合されている。このような半田接合を用いた半導体装置では、半田自身が歪むことにより接合部に発生する応力を緩和する利点がある。しかしながら、このような半田接合による応力緩和効果も、実使用における温度差により生じる熱応力を許容しきれず、半田接合部にクラックが進展したり剥離が発生し、半田接合部の熱抵抗増大によりチップの破壊を招来するおそれがある。
【０００３】
一方、上記のような半田接合では、その工数が増加したり、半田自体が熱抵抗を有する等の問題があるので、このような問題を解決するための技術として、超音波振動を用いて半導体素子を基板に直接金属接合する半田レス接合が従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、半導体素子を基板に直接金属接合すると、半田の利点であった応力緩和効果が得られないため、特に異種材料同士を接合するような場合には、当該異種材料間の熱膨張差により生じる熱応力が緩和されず、そのまま半導体素子や基板、接合部に発生する。その結果、半導体素子や基板にクラックが進展したり、接合部に剥離が発生する等の問題が生じる場合がある。
【特許文献１】特開２００４−１４５９９号公報
【発明の開示】
【０００４】
本発明は、半導体素子や基板、接合部にクラックが進展したり、剥離が発生するのを抑制し、半永久的に半導体装置を使用可能な半導体装置の使用方法及び半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、半導体素子及び金属板を有し、前記半導体素子の主面を前記金属板の表面に直接金属接合又は鑞材を用いて接合した半導体装置を使用する半導体装置の使用方法であって、前記半導体素子の温度を調整して、前記半導体素子と前記金属板との接合部を実質的に一定温度で所定時間保持することにより前記金属板又は前記鑞材の少なくとも一方に焼き鈍し処理を行う半導体装置の使用方法が提供される。
【０００５】
本発明では、半導体素子の温度を意図的に調整して、接合部を実質的に一定温度で所定時間保持することにより、半導体素子と金属板との接合部や金属板を構成する金属材料自体に焼き鈍し処理を行って、接合部や金属板に発生した残留応力を除去する。これにより、半導体素子や基板、接合部にクラックが進展したり、剥離が発生するのを抑制して、半永久的に半導体装置を使用することが可能となる。
【０００６】
また、上記目的を達成するために、本発明によれば、半導体素子及び金属板を有し、前記半導体素子の主面を前記金属板の表面に直接金属接合又は鑞材を用いて接合した半導体装置であって、前記半導体素子、又は、前記半導体素子と前記金属板との接合部の温度を計測する温度計測手段と、前記半導体素子の温度を調整する温度調整手段と、前記温度計測手段の計測結果に基づいて、前記接合部を実質的に一定温度で所定時間保持することにより前記金属板又は前記鑞材の少なくとも一方に焼き鈍し処理を行うように前記温度調整手段を制御する制御回路と、を備えた半導体装置が提供される。
【０００７】
本発明では、温度計測手段により半導体素子自体又は接合部の温度を計測し、当該計測結果に基づいて、接合部を実質的に一定温度で所定時間保持するように制御回路が温度調整手段を制御して、半導体素子の温度を意図的に調整する。これにより、半導体素子と金属板との接合部や金属板を構成する金属材料自体に焼き鈍し処理を行って、接合部や金属板に発生した残留応力を除去することが出来るので、半導体素子や金属板、接合部にクラックが進展したり、剥離が発生するのを抑制して、半永久的に使用可能な半導体装置を提供することが出来る。
【発明の実施の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係る半導体装置及びその周辺を示す回路構成図、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は本発明の第１実施形態に係る半導体装置のトランジスタ素子実装部を示す図であり、図２（Ａ）はその断面図、図２（Ｂ）はその上部平面図、図３は一般的なＩＧＢＴ素子の電流−電圧特性におけるゲート電圧の影響を示すグラフ、図４は一般的な金属の焼き鈍し処理における温度の影響を示すグラフ、図５は本発明の実施形態に係る半導体装置において通常使用時の場合と無効電流を使用した場合の温度変化を示すグラフ、図６は本発明の第１実施形態に係る半導体装置に温度調整用電源を用いた場合の回路構成図、図７は本発明の第１実施形態に係る半導体装置に温度調整用負荷を用いた場合の回路構成図である。
【００１０】
本実施形態に係る半導体装置１ａは、図１に示すように、６個のＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）素子２１〜２６と、各ＩＧＢＴ素子２１〜２６とは逆方向に電流が流れるように当該各ＩＧＢＴ素子２１〜２６にそれぞれ並列に接続された６個のＦＷＤ（フリーホイールダイオード）素子３１〜３６と、擬似三相交流を発生させるためのＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）機能を具備していると共に各ＩＧＢＴ素子２１〜２６のゲート電圧を制御可能に接続されている制御回路５と、を備えており、直流電源１０から直流母線１０ａを介して供給される直流を交流に変換して、交流配線２０ａを介して三相交流モータ２０等の交流負荷に出力するためのインバータ装置である。なお、ＩＧＢＴ素子２１〜２６の代わりにMOS型トランジスタを用いた場合には、ＦＷＤ素子３１〜３６は不要となる。
【００１１】
この半導体装置１ａの各ＩＧＢＴ素子２１〜２６（図２（Ａ）及び（Ｂ）において符号２で示す）は、図２（Ａ）に示すように、セラミックス絶縁基板４に実装されている。なお、図２（Ａ）及び（Ｂ）は、図１におけるＩＧＢＴ素子２１〜２６のひとつ分の実装部位における断面図及び上部平面図を示している。
【００１２】
この基板４は、回路パターンがそれぞれ形成された金属板４ａ、４ｅと、電気絶縁性に優れたセラミックス板４ｃと、から構成されている。金属板４ａは、例えば銅やアルミニウム等を含有する金属材料から成り、セラミックス板４ｃの一方の主面に、接合部４ｄで、直接接合法（ＤＢＣ法：Direct  Bonding  Copper）、鑞材を用いた鑞付け又は溶湯金属を用いた直接接合等によって接合されている。同様に、金属板４ｅは、例えば銅やアルミニウム等を含有する金属材料から成り、セラミックス板４ｃの他方の主面に、直接接合法（ＤＢＣ法：Direct  Bonding  Copper）、鑞材を用いた鑞付け又は溶湯金属を用いた直接接合等によって接合されている。
【００１３】
各ＩＧＢＴ素子２１〜２６は、その裏面に形成された裏面電極がセラミックス絶縁基板４の金属板４ａに、超音波振動を用いて接合部４ｂで直接金属接合されている。なお、特に図示しないが、各ＦＷＤ素子３１〜３６も、セラミックス絶縁基板４の金属板４ａに超音波振動を用いて直接金属接続されている。
【００１４】
本実施形態に係る半導体装置１ａに用いられるＩＧＢＴ素子２１〜２６は、図２（Ｂ）に示すように、当該トランジスタ素子２の内部に温度センサ２ａが内蔵されている。この温度センサ２ａは、トランジスタ素子２自体の温度を計測して当該計測結果を電位差で出力することが可能となっている。この温度センサ２ａの出力端子は、図１に示すように、上述の制御回路５に接続されており、計測結果を制御回路５に出力することが可能となっている。なお、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）には、トランジスタ素子２に内蔵された温度センサ２ａやゲートを制御回路５に接続するための、当該温度センサ２ａの出力端子やゲート端子２ｂに接続されたワイヤボンディングは図示していない。
【００１５】
本実施形態に係る半導体装置１ａの制御回路５は、既述の擬似三相交流を発生させる機能に加えて、温度センサ２ａの計測結果に基づいて、各ＩＧＢＴ素子２１〜２６のゲート電圧を制御して、当該各ＩＧＢＴ素子２１〜２６の温度を調整するような制御を行うことが可能となっている。また、この制御回路５には、この温度センサ２ａによる計測結果を記憶可能な記憶部５ａが具備されており、この記憶部５ａは、温度センサ２ａから出力された計測結果を時系列に従って逐次記憶してＩＧＢＴ素子２１〜２６の温度履歴を作成することが可能となっている。
【００１６】
さらに、本実施形態に係る半導体装置１ａは、直流電源１０と当該半導体装置１ａとの接続部に、直流母線１０ａとの電気的な接続を着脱可能な直流側ソケット６が設けられている。同様に、三相交流モータ２０と当該半導体装置１ａとの接続部にも、交流配線２０ａとの電気的な接続を着脱可能な交流側ソケット７が設けられている。
【００１７】
次に作用について説明する。
【００１８】
本実施形態に係る半導体装置１ａは、通常作動時においては、直流電源１０から入力された直流を交流に変換して三相交流モータ２０に出力しており、直列接続されたＩＧＢＴ素子同士（例えば、図１において第１のＩＧＢＴ素子２１と第２のＩＧＢＴ素子２２）のゲートに同時に電圧を印加することなく、ＩＧＢＴ素子２１〜２６の発熱を抑制するために十分に高い（例えば１６Ｖ）ゲート電圧を印可するように制御回路５のＰＷＭ機能により制御されている。しかしながら、ＩＧＢＴ素子２１〜２６の発熱を完全に抑制することは出来ず、しかも外部環境等の要因も加わって、ＩＧＢＴ素子２１〜２６や半導体装置１ａ全体に、低温と高温とを繰り返す温度サイクルが印可される。そのため、特にトランジスタ素子２と金属板４ａとが異種材料で構成されているような場合には、その熱膨張差により各接合部４ｂに歪みが発生すると共に、金属板４ａを構成する金属材料に加工硬化が発生し、接合部４ｂの残留応力が増加する傾向がある。
【００１９】
ここで、図３は一般的なＩＧＢＴ素子のコレクタ−エミッタ間の電圧（コレクタ−エミッタ電圧）によるメイン電流（コレクタ電流）の変化とゲート電圧の影響を示しているが、このグラフより一般的なＩＧＢＴ素子は、ゲート電圧が低い程、メイン電流が流れ難くコレクタ−エミッタ間に電圧が過剰にかかることが分かる。
【００２０】
そこで、本実施形態に係る半導体装置１ａでは、三相交流モータ２０が停止している際に、例えば、第１のＩＧＢＴ素子２１に低めのゲート電位（例えば８Ｖ）を印加すると共に第２のＩＧＢＴ素子２２に高めのゲート電位（例えば２０Ｖ）を印加して、第１のＩＧＢＴ素子２１の抵抗値を高くすると共に第２のＩＧＢＴ素子２２の抵抗値を低くして、直流電源１０の電圧を第１のＩＧＢＴ素子２１にかける。これにより、直流電源１０から供給されるメイン電流が、三相交流モータ２０に出力されずに、第１及び第２のＩＧＢＴ素子２１、２２を通過して直流電源１０に戻るように流れるので、第１のＩＧＢＴ素子２１の温度が上昇する。本実施形態に係る半導体装置１ａは、以上のような要領により、第１及び第２のＩＧＢＴ素子２１、２２のゲート電圧を制御することにより、第１のＩＧＢＴ２１の温度を意図的に調整することが可能となっている。
【００２１】
本実施形態では、第１のＩＧＢＴ素子２１に内蔵された温度センサ２ａの計測結果から、ＩＧＢＴ素子２１〜２６と基板４の金属板４ａとの接合部４ｂの温度を簡易的に把握し、これに基づいて、上記のような方法で第１のＩＧＢＴ素子２１の温度を制御することにより、当該接合部４ｂを実質的に一定温度で所定時間保持する。なお、温度センサ２ａで第１のＩＧＢＴ素子２１の温度を計測することにより、接合部４ｂの温度を簡易的に把握することに加えて、当該素子２１自体の破壊を防止することも可能となっている。本発明では温度センサ２ａをトランジスタ素子２に内蔵させることに限定されず、例えば、接合部４ｂの近傍に設置しても良く、これにより当該接合部４ｂの温度をより正確に把握することが可能となる。
【００２２】
このように第１のＩＧＢＴ素子２１の温度を意図的に制御して、接合部４ｂを実質的に一定温度で所定時間保持することにより、当該接合部４ｂにおける金属板４ａの焼き鈍し処理が行われて、残留応力が除去される。これにより、当該金属板４ａの金属材料が使用前の十分に柔らかい状態に戻るので、半導体素子２１〜２６、３１〜３６や金属板４ａにクラックが進展したり、接合部４ｂに剥離が発生するのが抑制され、半永久的に半導体装置１ａを使用することが可能となる。
【００２３】
具体的には、基板４の金属板４ａが、例えばタフピッチ銅や無酸素銅で構成されている場合には、約１５０℃〜約２７０℃の間で保持することにより、材料力学的な回復や再結晶による転移の消滅により残留応力を除去することが出来る。また、基板４の金属板４ａが、例えば黄銅で構成されている場合には、約６時間で３００℃程度又は約２分間で４００℃程度で保持することにより、再結晶が５０％となる焼き戻し処理が完了する。因みに、図４に示すように、焼き鈍し処理の温度を高くすることにより、短時間で焼き鈍し処理が行うことが出来、即ち、短時間で金属材料の強度低下を引き起こすことが出来る。
【００２４】
なお、上述の説明では、第１のＩＧＢＴ素子２１の温度を制御することにより、接合部４ｂを実質的に一定温度で所定時間保持するように説明したが、第２〜第６のＩＧＢＴ素子２２〜２６の温度を調整することにより、接合部４ｂの温度を制御することが出来る。
【００２５】
さらに、本実施形態では、上記の焼き鈍し処理が完了した後に、第１のＩＧＢＴ素子２１の温度が実質的に一定の温度勾配で降下するように、制御回路５が当該ＩＧＢＴ素子２１のゲート電圧を制御する。一般的に金属材料は、高温状態から急速に急冷すると、微細な結晶状態を保持して高い強度を示す傾向があるため、本実施形態では、実質的に一定の温度勾配で除冷することにより、より一層確実に焼き鈍し処理による残留除去の効果を得ることが出来る。
【００２６】
本実施形態に係る半導体装置１ａでは、モータ２０が停止している間（直流を交流に変換していない間）、上記のような焼き鈍し処理を常時行っているのではなく、制御回路５の記憶部５ａに記憶された第１のＩＧＢＴ素子２１の温度履歴に基づいて、焼き鈍し処理の実績の有無を定期的に判別することにより、接合部４ｂの焼き鈍し処理を自動的に行う。
【００２７】
より具体的には、上述のように、温度センサ２ａにより計測された温度値は、制御回路５の記憶部５ａに時系列に従って逐次記憶されているので、当該記憶部５ａには第１のＩＧＢＴ素子２１の温度履歴が形成されている。そして、この記憶部５ａに形成された温度履歴に対して、第１のＩＧＢＴ素子２１が実質的に一定温度で所定時間保持された実績があるか否かを、制御回路５が定期的に照会することにより、接合部４ｂの焼き鈍し処理を自動的に行う。
【００２８】
また、本実施形態に係る半導体装置１ａでは、次のような方法により、半導体装置１ａの通常使用時（モータ２０回転時）においても接合部４ｂの焼き鈍し処理を行うことが可能となっている。即ち、一般的に、インバータ装置では交流負荷へのトルク付与に寄与する有効電流と無効電流とが流れるが、本実施形態に係る半導体装置１ａでは、図５に示すように、制御回路５が、三相交流モータ２０のトルク付与に寄与しない無効電流を第１のＩＧＢＴ素子２１に流す制御を行うことにより、当該素子２１の温度を過剰に発熱させ、半導体装置１ａの通常使用時においても焼き鈍し処理を行うことが可能となっている。
【００２９】
さらに、本実施形態に係る半導体装置１ａでは、制御回路５のゲート電圧制御による第１のＩＧＢＴ素子２１の温度調整に代えて、第１のＩＧＢＴ素子２１の他の温度調整方法として、図６に示すように、半導体装置１ａに流れる直流電流を制御可能な温度調整用電源３０を予め準備しておき、モータ２０停止時において焼き鈍し処理を行う際に、直流電源１０を直流側ソケット６で半導体装置１ａから取り外して、当該温度調整用電源３０に取り替え、この温度調整用電源３０の電流制御により第１のＩＧＢＴ素子２１を意図的に発熱させることにより接合部４ｂの焼き鈍し処理を行っても良い。
【００３０】
このような温度調整用電源３０を用いて電流制御を行うことによりトランジスタ素子２を容易に温度調整出来るので、半導体装置１ａにおける接合部４ｂの焼き鈍し処理を容易に行うことが可能となる。また、ソケットを用いて直流電源２０と温度調整用電源３０とを交換容易とすることにより、半導体装置１ａの通常使用時から焼き鈍し処理時への切り替えが容易となる。
【００３１】
或いは、制御回路５のゲート電圧制御による第１のＩＧＢＴ素子２１の温度調整に代えて、第１のＩＧＢＴ素子２１のさらに他の温度調整方法として、図７に示すように、半導体装置１ａから流れる交流電流や抵抗を制御可能な温度調整用負荷４０を予め準備しておき、モータ２０停止時において焼き鈍し処理を行う際に、三相交流モータ２０を交流側ソケット７で半導体装置１ａから取り外して、当該温度調整用負荷４０に取り替え、この温度調整用負荷４０の電流制御又は抵抗制御により第１のＩＧＢＴ素子２１を意図的に発熱させることにより接合部４ｂの焼き鈍し処理を行っても良い。
【００３２】
このような温度調整用負荷４０を用いて電流制御や抵抗制御を行うことによりトランジスタ素子２を容易に温度調整出来るので、半導体装置１ａにおける接合部４ｂの焼き鈍し処理を容易に行うことが可能となる。また、ソケットを用いて三相交流モータ２０と温度調整用負荷４０とを交換容易とすることにより、半導体装置１ａの通常使用時から焼き鈍し処理時への切り替えが容易となる。
【００３３】
以上のように、本実施形態では、温度センサ２ａによりトランジスタ素子２の温度を計測し、当該計測結果に基づいて、接合部４ｂを実質的に一定温度で所定時間保持するように制御回路５がトランジスタ素子２のゲート電圧を制御して、トランジスタ素子２の温度を意図的に調整する。これにより、金属板４ａを構成する金属材料自体に焼き鈍し処理を行って、接合部４ｂに発生した残留応力を除去することが出来るので、ＩＧＢＴ素子２１〜２６及びＦＷＤ素子３１〜３６や金属板４ａにクラックが進展したり、接合部４ｂに剥離が発生するのを抑制して、半永久的に半導体装置を使用することが可能となる。
【００３４】
また、本実施形態では、トランジスタ素子２のゲート電圧の制御によりトランジスタ素子２の発熱を制御するので、簡易的に接合部４ｂの焼き鈍し処理を行うが可能となる。
【００３５】
［第２実施形態］
図８は本発明の第２実施形態に係る半導体装置及びその周辺を示す回路構成図、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は本発明の第２実施形態に係る半導体装置のトランジスタ素子実装部を示す図であり、図９（Ａ）はその断面図、図９（Ｂ）はその上部平面図である。
【００３６】
本発明の第２実施形態に係る半導体装置１ｂは、図８、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、第１〜第６のＩＧＢＴ素子２１〜２６の実装部にヒートシンク８と冷却フィン９が装着されている点で上述の第１実施形態に係る半導体装置１ａと相違するが、その他の構成は第１実施形態に係る半導体装置１ａの構成と同一である。以下に、第２実施形態に係る半導体装置１ｂについて、第１実施形態に係る半導体装置１ａとの相違点のみを説明する。
【００３７】
本発明の第２実施形態に係る半導体装置１ｂの各ＩＧＢＴ素子２１〜２６（図９（Ａ）及び図９（Ｂ）にて符号２で示す）は、図９（Ａ）に示すように、第１実施形態と同様に、セラミックス絶縁基板４の金属板４ａに接合部４ｂで超音波振動を用いて直接金属接合されて実装されているが、本実施形態では、この実装部にヒートシンク８及び冷却ファン９が装着されている点で第１実施形態と相違する。
【００３８】
このトランジスタ素子２の実装部では、図９（Ａ）に示すように、ヒートシンク９が、基板４を挟んでトランジスタ素子２に対向するように、当該基板４の金属板４ｅに装着されている。このヒートシンク８は、例えば、アルミニウム製の押出形材で構成され多数のフィンを有しており、基板４を介してトランジスタ素子２の放熱を行うことが可能となっている。
【００３９】
また、本実施形態に係る半導体装置１ｂでは、同図に示すように、上記のヒートシンク８の下方に冷却ファン９が装着されている。この冷却ファン９は、ファンを回転させることにより、ヒートシンク８の各フィン間に送風して滞留した熱気を除去することにより、ヒートシンク８によるトランジスタ素子２の放熱を促進させることが可能となっている。
【００４０】
この冷却ファン９は、図８に示すように、制御回路５に接続されており、制御回路５は、冷却ファン９のファン回転数を制御することにより、ヒートシンク８及び冷却ファン９の放熱能力を制御することが可能となっている。なお、本発明における放熱手段は、冷却ファンに限定されず、例えば冷却液が循環可能な液冷ジャケット等であっても良く、この場合には、冷却液の流量を調整することにより放熱能力を制御することが出来る。
【００４１】
次に作用について説明する。
【００４２】
本実施形態に係る半導体装置１ｂは、第１実施形態に係る半導体装置１ａと同様に、通常使用時には直流電源１０から入力された直流を交流に変換して三相交流モータ２０に出力しており、モータ２０停止時には、温度センサ２ａにより計測された温度値に基づいて、例えば第１のＩＧＢＴ素子２１の温度を調整し、接合部４ｂを実質的に一定温度で所定時間保持することにより、当該接合部４ｂにおける金属板４ａの焼き鈍し処理を行う。
【００４３】
この第１のＩＧＢＴ素子２１の温度調整の際、第１実施形態ではゲート電圧を調整することにより当該素子２１の温度調整を行ったが、本実施形態では、第１実施形態と異なり、制御回路５が冷却ファン９の回転数を制御することにより、第１のＩＧＢＴ素子２１の温度調整を行う。具体的には、温度センサ２ａにより計測された温度値が焼き鈍し温度未満である場合には、制御回路５は、冷却ファン９の回転を停止或いは減速させるような制御を行うことにより、第１のＩＧＢＴ素子２１の温度を上昇させる。これに対し、温度センサ２ａにより計測された温度値が焼き鈍し温度以上である場合には、制御回路５は、冷却ファン９の回転数を上げるような制御を行うことにより、第１のＩＧＢＴ素子２１の温度を下げる。
【００４４】
以上のように、本実施形態では、温度センサ２ａによりトランジスタ素子２の温度を計測し、当該計測結果に基づいて、接合部４ｂを実質的に一定温度で所定時間保持するように制御回路５が冷却ファン９の回転数を制御して、トランジスタ素子２の温度を意図的に調整する。これにより、金属板４ａを構成する金属材料自体に焼き鈍し処理を行って、接合部４ｂに発生した残留応力を除去することが出来るので、ＩＧＢＴ素子２１〜２６及びＦＷＤ素子３１〜３６や金属板４ａにクラックが進展したり、接合部４ｂに剥離が発生するのを抑制して、半永久的に半導体装置を使用することが可能となる。
【００４５】
また、本実施形態では、冷却ファン９の冷却能力によりトランジスタ素子２の発熱を制御するので、簡易的に接合部４ｂの焼き鈍し処理を行うが可能となる。
【００４６】
［第３実施形態］
図１０は本発明の第３実施形態に係る半導体装置及びその周辺を示す回路構成図、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は本発明の第３実施形態に係る半導体装置のトランジスタ素子実装部を示す図であり、図１１（Ａ）はその断面図であり、図１１（Ｂ）はその上部平面図である。
【００４７】
本発明の第３実施形態に係る半導体装置１ｃは、図１０、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すように、第１〜第６のＩＧＢＴ素子２１〜２６の実装部にヒータ２ｃが装着されている点で上述の第１実施形態に係る半導体装置１ａと相違するが、その他の構成は第１実施形態に係る半導体装置１ａの構成と同一である。以下に、第３実施形態に係る半導体装置１ｃについて、第１実施形態に係る半導体装置１ａとの相違点のみを説明する。
【００４８】
本発明の第３実施形態に係る半導体装置１ｃの各ＩＧＢＴ素子２１〜２６（図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）にて符号２で示す）は、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すように、第１実施形態と同様に、セラミックス絶縁基板４の金属板４ａに接合部４ｂで超音波振動を用いて直接金属接合された実装されているが、トランジスタ素子２はその周囲にヒータ２ｃが装着されている点で第１実施形態と相違する。このトランジスタ素子２の周囲に装着されたヒータ２ｃは、トランジスタ素子２を加熱することが可能となっている。このヒータ２は、図１０に示すように、制御回路５に接続されており、制御回路５は、ヒータ２ｃをオン／オフ制御することにより、トランジスタ素子２の温度を調整することが可能となっている。
【００４９】
次に作用について説明する。
【００５０】
本実施形態に係る半導体装置１ｃは、第１実施形態に係る半導体装置１ａと同様に、通常使用時には直流電源１０から入力された直流を交流に変換して三相交流モータ２０に出力しており、モータ２０停止時には、温度センサ２ａにより計測された温度値に基づいて、例えば第１のＩＧＢＴ素子２１の温度を調整し、接合部４ｂを実質的に一定温度で所定時間保持することにより、当該接合部４ｂにおける金属板４ａの焼き鈍し処理を行う。
【００５１】
この第１のＩＧＢＴ素子２１の温度調整の際、第１実施形態ではゲート電圧を調整することにより当該素子２１の温度調整を行ったが、本実施形態では、第１実施形態と異なり、制御回路５がヒータ２ｃをオン／オフ制御することにより、第１のＩＧＢＴ素子２１の温度調整を行う。具体的には、温度センサ２ａにより計測された温度値が焼き鈍し温度未満である場合には、制御回路５は、ヒータ２ｃをオン制御することにより、第１のＩＧＢＴ素子２１の温度を上昇させる。これに対し、温度センサ２ａにより計測された温度値が焼き鈍し温度以上である場合には、制御回路５は、ヒータ２ｃをオフ制御することにより、第１のＩＧＢＴ素子２１の温度を下げる。
【００５２】
以上のように、本実施形態では、温度センサ２ａによりトランジスタ素子２の温度を計測し、当該計測結果に基づいて、接合部４ｂを実質的に一定温度で所定時間保持するように制御回路５がヒータのオン／オフを制御して、トランジスタ素子２の温度を意図的に調整する。これにより、金属板４ａを構成する金属材料自体に焼き鈍し処理を行って、接合部４ｂに発生した残留応力を除去することが出来るので、ＩＧＢＴ素子２１〜２６及びＦＷＤ素子３１〜３６や金属板４ａにクラックが進展したり、接合部４ｂに剥離が発生するのを抑制して、半永久的に半導体装置を使用することが可能となる。
【００５３】
また、本実施形態では、ヒータ２ｃのオン／オフ制御によりトランジスタ素子２の発熱を制御するので、簡易的に接合部４ｂの焼き鈍し処理を行うが可能となる。
【００５４】
［第４実施形態］
図１２は本発明の第４実施形態に係る半導体装置に温度調整用電源を用いた場合の回路構成図、図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は本発明の第４実施形態に係る半導体装置のダイオード実装部を示す図であり、図１３（Ａ）はその断面図、図１３（Ｂ）はその上部平面図である。
【００５５】
本発明の第４実施形態に係る半導体装置１ｄは、図１２、図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）に示すように、第１〜第６のＦＷＤ素子３１〜３６に温度センサ３ａが内蔵されている点で上述の第１実施形態に係る半導体装置１ａと相違するが、その他の構成は第１実施形態に係る半導体装置１ａの構成と同一である。以下に、第４実施形態に係る半導体装置１ｄについて、第１実施形態に係る半導体装置１ａとの相違点のみを説明する。
【００５６】
本発明の第４実施形態に係る半導体装置１ｄの各ＦＷＤ素子３１〜３６（図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）にて符号３で示す）は、図１３（Ａ）に示すように、第１実施形態におけて図２（Ａ）及び図２（Ｂ）にて説明したＩＧＢＴ素子と同様に、その裏面に形成された裏面電極が金属板４ａに超音波振動を用いて直接金属接合されることにより、セラミックス絶縁基板４に実装されている。
【００５７】
本実施形態では、第１実施形態と異なり、図１３（Ｂ）に示すように、各ＦＷＤ素子３１〜３６に温度センサ３ａが内蔵されている。この温度センサ３ａは、ダイオード素子３自体の温度を計測して当該計測結果を電位差で出力することが可能となっている。この温度センサ３ａの出力端子は、図１２に示すように、制御回路５に接続されており、計測結果を制御回路５に出力することが可能となっている。なお、図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）には、ダイオード素子３に内蔵された温度センサ３ａを制御回路５に接続するための、当該温度センサ３ａの出力端子に接続されたワイヤボンディングは図示していない。また、本発明では温度センサ３ａをダイオード素子３に内蔵させることに限定されず、例えば、接合部４ｂの近傍に設置しても良く、これにより当該接合部４ｂの温度を正確に把握することが可能となる。
【００５８】
次に作用について説明する。
【００５９】
本実施形態に係る半導体装置１ｄは、通常使用時には、第１実施形態に係る半導体装置１ａと同様に、直流電源１０から入力された直流を交流に変換して三相交流モータ２０に出力している。
【００６０】
モータ２０停止時には、第１実施形態において図６に基づいて説明したように、直流電源１０を直流側ソケット６で半導体装置１ｄから取り外して、予め準備しておいた、直流電流を制御可能な温度調整用電源３０に取り替え、この温度調整用電源３０の電流制御により接合部４ｄの焼き鈍し処理を行う。
【００６１】
この際、図１２に示すように、温度調整用電源３０の直流電流の向きが、第１〜第６のＦＷＤ素子３１〜３６の順方向に一致するように、直流側ソケット６を介して温度調整用電源３０を導体装置１ｄに接続する。これにより、温度調整用電源３０から電流を流すと第１〜第６のＦＷＤ素子３１〜３６を発熱することとなるので、温度調整用電源３０により電流制御を行うことにより、第１〜第６のＦＷＤ素子３１〜３６の温度を調整することが可能となる。
【００６２】
従って、本実施形態では、温度センサ３ａにより計測された温度値に基づいて、温度調整用電源３０の電流を制御することにより、第１〜第６のＦＷＤ素子３１〜３６の温度を調整し、接合部４ｂを実質的に一定温度で所定時間保持することにより、当該接合部４ｂにおける金属板４ａの焼き鈍し処理を行う。
【００６３】
以上のように、本実施形態では、温度センサ３ａによりダイオード素子３の温度を計測し、当該計測結果に基づいて、接合部４ｂを実質的に一定温度で所定時間保持するように温度調整用電源が電流を制御して、ダイオード素子３の温度を意図的に調整する。これにより、金属板４ａを構成する金属材料自体に焼き鈍し処理を行って、接合部４ｂに発生した残留応力を除去することが出来るので、ＩＧＢＴ素子２１〜２６及びＦＷＤ素子３１〜３６や金属板４ａにクラックが進展したり、接合部４ｂに剥離が発生するのを抑制して、半永久的に半導体装置を使用することが可能となる。
【００６４】
また、本実施形態では、半導体装置１ｄを流れるメイン電流の制御によりダイオード素子３の発熱を制御するので、簡易的に接合部４ｂの焼き鈍し処理を行うが可能となる。
【００６５】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００６６】
上述の第１〜第４実施形態では、トランジスタ素子２（第４実施形態ではダイオード素子３）と基板４の金属板４ａとが超音波振動を用いて直接金属接合されるように説明したが、トランジスタ素子２と金属板４ａとを鑞材を用いて鑞付けにより接合しても良く、上述のようなトランジスタ素子２の温度調整を行って当該接合部を実質的に一定温度で所定時間保持することにより、接合部を構成する鑞材自体に焼き鈍し処理を行って、当該鑞材の残留応力を除去することが出来る。この場合には、アルミニウム系、銅系、銀系又は金系等の鑞材を用いることが好ましい。
【００６７】
また、上述の第１〜第４実施形態では、トランジスタ素子２（第４実施形態ではダイオード素子３）と基板４の金属板４ａとの接合部４ｂを焼き鈍し処理の対象としたが、トランジスタ素子２が接合された金属板４ａとセラミックス板４ｃとの接合部４ｄを焼き鈍し処理の対象としても良い。このように当該接合部４ｄを焼き鈍し処理することにより、当該接合部４ｄが直接金属接合されている場合には、金属板４ａを構成する金属材料自体から残留応力を除去することが出来、又、当該接合部４ｄが鑞材を用いて鑞付けにより接合されている場合には、鑞材を構成する金属材料自体から残留応力を除去することが出来る。この場合も、アルミニウム系、銅系、銀系又は金系の鑞材を用いることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置及びその周辺を示す回路構成図である。
【図２】図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置のトランジスタ素子実装部を示す図であり、図１（Ａ）はその断面図であり、図１（Ｂ）はその上部平面図である。
【図３】図３は、一般的なＩＧＢＴ素子の電流−電圧特性におけるゲート電圧の影響を示すグラフである。
【図４】図４は、一般的な金属の焼き鈍し処理における温度の影響を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明の実施形態に係る半導体装置において通常使用時の場合と無効電流を使用した場合の温度変化を示すグラフである。
【図６】図６は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置に温度調整用電源を用いた場合の回路構成図である。
【図７】図７は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置に温度調整用負荷を用いた場合の回路構成図である。
【図８】図８は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置及びその周辺を示す回路構成図である。
【図９】図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置のトランジスタ素子実装部を示す図であり、図９（Ａ）はその断面図であり、図９（Ｂ）はその上部平面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置及びその周辺を示す回路構成図である。
【図１１】図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、本発明の第３実施形態にかかる半導体装置のトランジスタ素子実装部を示す図であり、図１０（Ａ）はその断面図であり、図１０（Ｂ）はその上部平面図である。
【図１２】図１２は、本発明の第４実施形態に係る半導体装置に温度調整用電源を用いた場合の回路構成図である。
【図１３】図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る半導体装置のダイオード実装部を示す図であり、図１３（Ａ）はその断面図であり、図１３（Ｂ）はその上部平面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１…半導体装置
２…半導体素子
２１〜２６…ＩＧＢＴ素子
２ａ…温度センサ
２ｂ…ゲート端子
２ｃ…ヒータ
３…ダイオード素子
３１〜３６…ＦＷＤ素子
３ａ…温度センサ
４…基板
４ａ…金属板
４ｂ…半導体素子と金属板との接合部
４ｃ…絶縁板
４ｄ…金属板と絶縁板との接合部
４ｅ…金属板
５…制御回路
５ａ…記憶部
６…直流側ソケット
７…交流側ソケット
８…ヒートシンク
９…冷却ファン
１０…直流電源
１０ａ…直流母線
２０…モータ
２０ａ…交流配線
３０…温度調整用電源
４０…温度調整用負荷
【図１】
2006049567.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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