(57)【要約】      （修正有）【課題】信頼性の高いパワーモジュールを提供することにある。【解決手段】パワー半導体装置は、半導体素子３１と、半導体素子を挟みかつ当該半導体素子と半田材３２を介して、それぞれ接続される第１導体３３及び第２導体３４と、を備える。半導体素子は、一方の面に第１電極と、他方の面に第２電極と、当該一方の面に配線４５と、当該配線を覆う保護摸４６とを有する。第１導体は、半導体素子の一方の面側に配置される。さらに第１導体は、保護摸と対向する部分に他の部分より突出する突出部３３ｐを有する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子を挟みかつ当該半導体素子と半田材を介して、それぞれ接続される第１導体及び第２導体と、を備え、
前記半導体素子は、一方の面に第１電極と、他方の面に第２電極と、当該一方の面に配線と、当該配線を覆う保護摸とを有し、
前記第１導体は、前記半導体素子の前記一方の面側に配置され、
さらに前記第１導体は、前記保護摸と対向する部分に他の部分より突出する突出部を有するパワー半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
前記突出部の幅が前記保護膜の幅よりも長く、かつ前記突出部の側壁は保護膜側壁よりも外側に位置するパワー半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
前記突出部が前記配線の平面パターンに沿って形成され、前記配線を覆う前記保護膜の幅よりも長く、かつ前記突出部側壁は保護膜側壁よりも外側に位置するパワー半導体装置。
【請求項４】
請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
前記突出部が前記配線の平面パターンを覆うように形成されるパワー半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体装置に関し、特に車両駆動用のモータを制御する電力変換装置に用いられるパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境への負荷低減のため、ハイブリッド自動車や電気自動車の普及が急務である。ハイブリッド自動車や電気自動車においては搭載される部品の小型化が重要視され、電力変換装置も例外ではなく小型化が求められている。
【０００３】
電力変換装置の小型化に伴い発熱密度が高くなるため、電力変換装置を構成する電子部品の中で発熱量が大きいパワー半導体装置においては、冷却性能を向上させる必要があり、例えば特許文献１に示すように、両面直接冷却方式のパワー半導体装置が開示されている。
【０００４】
特許文献１に記載のパワー半導体装置においては、パワー半導体チップの表裏両面を導電板に半田付けし、導体板を露出した状態で樹脂により封止した封止体を、両面に放熱部材を有する筒型の金属ケース内に、収納された構造となっている。
【０００５】
金属ケースの内側（放熱部材）と導体板との間は熱伝導性の絶縁接着剤（絶縁部材）により接着されており、パワー半導体チップの発熱を、両面の導体板、熱伝導性の絶縁接着剤（絶縁部材）、放熱部材を介して、外部に放熱している。
【０００６】
しかしパワー半導体装置においては、さらなるパワー密度の向上のためパワー半導体チップの使用温度範囲の高温化や、パワーサイクル寿命の長寿命化が望まれている。
【０００７】
これにより、パワー半導体素子と導体板との接続部における長期信頼性の低下が懸念される。特にパワー半導体素子のチップ表面電極側（エミッタ側）には、ゲートフィンガーと呼ばれる配線やそれを保護する配線保護膜のパターンが形成されている。
【０００８】
両面冷却型のパワー半導体装置では、これらの保護膜パターンを含めた表面電極が導体とはんだ接続されている。このため、パワー半導体チップの発熱時には、表面電極、導体や保護膜の線膨脹係数差により配線保護膜パターン端部は応力集中場となり、配線保護膜パターン端部付近の表面電極膜やはんだには繰り返し高い応力が負荷されることになり疲労破壊が懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−２５７３６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで本発明の課題は、パワー半導体チップの繰り返し発熱（パワーサイクル時）のチップ表面電極と導体接続部に対する信頼性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明に係るパワー半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子を挟みかつ当該半導体素子と半田材を介して、それぞれ接続される第１導体及び第２導体と、を備え、前記半導体素子は、一方の面に第１電極と、他方の面に第２電極と、当該一方の面に配線と、当該配線を覆う保護摸とを有し、前記第１導体は、前記半導体素子の前記一方の面側に配置され、さらに前記第１導体は、前記保護摸と対向する部分に他の部分より突出する突出部を有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、パワー半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る電力変換装置２００の外観斜視図である。
【図２】本実施形態に係る電力変換装置２００の分解斜視図である。
【図３】本実施形態に係るパワーモジュール１００の外観正面図である。
【図４】図３に図示されたパワーモジュール１００のＡ−Ａ´線縦断面図である。
【図５】本実施形態に係るパワーモジュール１００のパワー半導体素子３１の平面図である。
【図６】パワー半導体素子３１と第１導体３３との接続部のみを示した平面図と側面図である。
【図７】パワー半導体素子３１と第１導体３３との接続部のみを示した平面図と側面図である。
【図８】有限要素法解析により、突出部３３ｐがある場合とない場合の電極膜４４の応力を評価した結果を示すグラフである。
【図９】第３実施形態に係るパワー半導体素子３１と第１導体３３との接続部のみを示した平面図と側面図である。
【図１０】他の実施形態に係るパワー半導体素子３１と第１導体３３との接続部のみを示した平面図と側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施例１）
以下、図を参照して、本発明に係る電力変換装置の一実施の形態を説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る電力変換装置２００の外観斜視図である。図２は、本実施形態に係る電力変換装置２００の分解斜視図である。
【００１６】
電力変換装置２００は、電気自動車やハイブリッド自動車の電源装置として用いられる。電力変換装置２００は、モータジェネレータに接続されたインバータ回路を内蔵し、また外部のバッテリに接続された昇圧回路および全体を制御する制御回路を備えている。
【００１７】
電力変換装置２００は、アルミニウムやアルミニウム合金等のアルミニウム系金属により形成された筐体２０１と、筐体２０１に締結部材（不図示）により締結される底蓋２０２と、を有する。筐体２０１と底蓋２０２とは、一体成型により形成することもできる。
【００１８】
筐体２０１の上部には、不図示の上蓋が締結部材により締結され、密閉状の容器が形成される。筐体２０１の内部には、冷却流路を形成するための周壁２１１が形成され、周壁２１１と底蓋２０２とにより冷却用空間２１０が形成されている。
【００１９】
冷却用空間２１０内には、複数（図２では４つ）の側壁２２１を有する支持部材２２０と各側壁２２１間に配置される複数（図２では３つ）のパワーモジュール１００が収納される。パワーモジュール１００の詳細は後述する。
【００２０】
筐体２０１の一側部には、一対の貫通孔が設けられ、貫通孔の一方には、入口用配管２０３ａが設けられ、貫通孔の他方には、出口用配管２０３ｂが設けられている。
【００２１】
冷却水などの冷却媒体は、入口用配管２０３ａから冷却用空間２１０内に流入し、支持部材２２０の側壁２２１と各パワーモジュール１００との間の冷却路を流通して出口用配管２０３ｂから流出する。
【００２２】
出口用配管２０３ｂから流出した冷却媒体は、不図示のラジエータ等の冷却装置によって冷却されて、再び、入口用配管２０３ａから冷却用空間２１０内に流入するように循環する。
【００２３】
冷却用空間２１０は、シール部材２３１を介在して、カバー部材２４０により密封される。カバー部材２４０は、パワーモジュール１００の端子が挿通される開口部２４１を形成する。カバー部材２４０の周縁部は、冷却用空間２１０を形成する周壁２１１の上部に、不図示の締結部材により固定される。
【００２４】
筐体２０１の冷却用空間２１０の外側領域には、インバータ回路に供給される直流電力を平滑化するための複数のコンデンサ素子２５１を備えるコンデンサモジュール２５０が収納される。
【００２５】
コンデンサモジュール２５０とパワーモジュール１００の上部に、直流側バスバーアセンブリ２６１が配置される。直流側バスバーアセンブリ２６１は、コンデンサモジュール２５０とパワーモジュール１００の間に直流電力を伝達する。
【００２６】
直流側バスバーアセンブリ２６１の上方には、インバータ回路を制御するドライバ回路部を含んだ制御回路基板アセンブリ２６２が配置されている。
【００２７】
交流側バスバーアセンブリ２６３は、パワーモジュール１００と接続され、交流電力を伝達する。また、交流側バスバーアセンブリ２６３は、電流センサを有する。
【００２８】
図３ないし図６に基づき、本実施形態に係るパワーモジュール１００について説明する。
【００２９】
図３は、本実施形態に係るパワーモジュール１００の外観正面図である。図４は、図３に図示されたパワーモジュール１００のＡ−Ａ´線縦断面図である。図５は、本実施形態に係るパワーモジュール１００の金属ケースの断面図である。図６は、本発明のパワーモジュール１００のパワー半導体モジュールの断面図である。
【００３０】
図３及び図４に示されるように、パワーモジュール１００は、放熱フィン４２を有する一対の放熱部材４１及び枠体４３から構成されている金属製ケース４０を有する。
【００３１】
金属製ケース４０内に、パワー半導体素子３１等を内蔵する回路体が収納されている。
【００３２】
金属製ケース４０は、例えば一面に挿入口を、他面に底部を有する扁平状の筒型形状をした冷却器である。金属製ケース４０は、電気伝導性を有する部材、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ｃ、Ｃｕ−ＣｕＯなどの複合材、あるいはＡｌ、Ａｌ合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃなどの複合材などから形成されている。
【００３３】
一対の放熱部材４１は、枠体４３と接合されている。接合としては、例えば、ＦＳＷ（摩擦攪拌接合）、レーザ溶接、ろう付等を適用することができる。このような形状の金属製のケースを用いることで、パワーモジュール１００を水や油、有機物などの冷媒が流れる流路内に挿入しても、冷却媒体がパワーモジュール１００の内部に侵入するのを簡易な構成で防ぐことができる。本実施形態においては、放熱部材４１と枠体４３が別部材の場合について示したが、放熱部材４１と枠体４３は同一部材であってもよく一体化されていてもよい。
【００３４】
上述した実施の形態では、開口部が１方向のみのパワーモジュールの例を示したが、開口部が対向する２方向のパワーモジュールにも適用することが可能である。
【００３５】
図４に示されるように、第１導体３３と第２導体３４のそれぞれは、パワー半導体素子３１の各電極面に対向して配置され、接合材３２を介して接合される。第１導体３３はパワー半導体素子３１の表面電極に接続され、第２導体３４が裏面電極に接続されている。
【００３６】
第１導体３３及び第２導体３４は、例えば、銅、銅合金、あるいはアルミニウム、アルミニウム合金などにより形成されている。接合材３２ははんだ材などにより形成されている。
【００３７】
なお図４では第１導体３３が同一部材で形成されている場合を示したが、複数の部材を接合して形成されていても構わない。
【００３８】
パワー半導体素子３１と第１導体３３と第２導体３４とに構成される構造体は、第１封止樹脂６で封止されている。
【００３９】
第１導体３３の上面３３ａ及び第２導体３４の上面３４ａは、第１封止樹脂６から露出しており、熱伝導性の絶縁層５１を介して放熱部材４１と接続されている。
【００４０】
絶縁層５１は、パワー半導体素子３１から発生する熱を放熱部材４１に熱伝導するものであり、熱伝導率が高く、かつ、絶縁耐圧が大きい材料で形成されている。例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等のセラミックス、あるいは、これらの微粉末を含有する絶縁シートまたは接着剤を用いることができる。
【００４１】
金属製ケース４０と絶縁層５１およびモールド樹脂６との隙間は第２封止樹脂７により、埋められている。
【００４２】
図５は、本実施形態に係るパワーモジュール１００のパワー半導体素子３１の平面図である。図６は、パワー半導体素子３１と第１導体３３との接続部のみを示した平面図と側面図である。図７は、パワー半導体素子３１と第１導体３３との接続部のみを示した平面図と側面図である。
【００４３】
図５に示されるように、パワー半導体素子３１の表面には、電極膜４４と電極パッド４７が形成されている。図７に示されるように、パワー半導体素子３１の表面には、さらに、配線４５と、配線４５を保護するための保護膜４６とが形成される。
【００４４】
電極膜４４や配線４５は例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、あるいは銅、銅合金などにより形成されている。電極膜４４の表面にはニッケルなどの金属膜が形成されていてもよい。また、保護膜４６は例えば、ポリイミド膜などにより形成されている。
【００４５】
パワー半導体素子３１と接続する第１導体３３の面には、保護膜４６に対向する位置に突出部３３ｐが設けられている。突出部３３ｐは、少なくとも保護膜４６の幅と同じかそれよりも大きい幅で形成されている。
【００４６】
突出部３３ｐの側壁３３ｂは、投影面（電極膜４４と平行な面）上で保護膜４６の側壁４６ａと同じかそれより外側になるように設けられている。
【００４７】
また、突出部３３ｐの平面パターンは、配線４５の上面を覆うように設けられた保護膜４６のパターンに沿って設けられている。
【００４８】
本実施形態に係る第１導体３３により作用と効果を説明する。
【００４９】
両面冷却パワー半導体装置では、パワー半導体素子３１の両面を導体に接合材により接続されている。パワー半導体素子３１の発熱時には、パワー半導体素子３１、はんだなどの接合材３２、第１導体３３および第２導体３４など、パワー半導体素子３１周辺部材の温度は上昇する。
【００５０】
特にはんだなどの接合材３２の線膨脹係数は、パワー半導体素子３１や第１導体３３および第２導体３４に比べて大きいため、他の部材に比べて膨脹量が大きい。接合材３２の膨脹により、保護膜４６は力を受け、保護膜４６端部には応力が発生する。
【００５１】
本実施形態におけるパワーモジュール１００においては、第１導体３３のパワー半導体素子３１を接続する面には、保護膜４６に対向する位置に突出部３３ｐが設けられている。これにより保護膜４６上のはんだ厚３２ｂを、他の部分のはんだ厚３２ａよりも薄くすることができる。
【００５２】
これにより、突出部３３ｐ以外のはんだの膨脹量が、突出部３３ｐ付近のはんだの膨脹量よりも大きくなり、突出部付近の保護膜４６に負荷される力を減少することができる。
【００５３】
図８は、有限要素法解析により、突出部３３ｐがある場合とない場合の電極膜４４の応力を評価した結果を示すグラフである。
【００５４】
従来のように突出部が無い場合に比べて、突出部を設けた場合、応力は約４０％低減出来ることを確認した。このように応力が低減されることにより、保護膜端部での電極膜の疲労破壊を防止することが可能となる。
【００５５】
これにより、保護膜４６端部に発生する応力を低減することができ、電極４４や接合材３２の疲労破壊を防止でき、信頼性の高いパワー半導体装置が実現できる。
【００５６】
（実施例２）
第１の実施例では、第２導体３３がパワー半導体素子３１と絶縁層５１に接続部３２を介して接続されているパワーモジュールの例を示した。図９は、第２実施形態に係るパワーモジュール１００の断面図である。
【００５７】
図９に示されるように、パワー半導体素子３１の表面電極側に接合材３２を介して第２導体３３を接続し、さらに接合材３８を介して第３導体３５に接続され、第３導体３５が絶縁層５１に接続されていてもよい。
【００５８】
また、第１の実施形態では、パワーモジュール１００は、放熱フィン４２を有する一対の放熱部材４１と枠体４３から構成されている金属製ケース４０を有し、金属製ケース４０内に、パワー半導体モジュールが収納されている場合について示した。
【００５９】
しかし、図９に示すように、第１封止樹脂６により封止されたパワー半導体モジュールが絶縁層５１を介して第４導体３６、第５導体３７に接続され、さらに接合部３９を介して冷却部４８に接続されていてもよい。
【００６０】
この場合でも、第１導体３３のパワー半導体素子３１を接続する面には、保護膜４６に対向する位置に突出部３３ｐが設けられている。突出部は３３ａ少なくとも保護膜４６の幅と同じかそれよりも大きい幅で形成されている。突出部の側壁３３ｂは、投影面上で保護膜４６の側壁４６ａと同じかそれより外側になるように設けられている。また、突出部３３ｐの平面パターンは、配線４５の上面を覆うように設けられた保護膜４６のパターンに沿って設けられている。これにより、実施形態１と同様の効果が得られる。
【００６１】
その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で、種々変形して適用することが可能である。
【００６２】
（実施例３）
また、実施形態１においては、図６に示したように、第１導体３３に設ける突出部３３ｐの平面パターンは、配線４５の上面を覆うように設けられた保護膜４６のパターンに全体を覆うように突出部３３ｐを設けている。
【００６３】
保護膜４６端部での電極膜４４の応力低減効果は、図６に示したように、配線パターンに沿って突出部３３ｐを設けた場合、効果が最も大きいことを応力解析により確認している。
【００６４】
しかし、図１０に示されるように、本実施形態のように配線パターン全体を覆うように突出部３３ｐを設けた場合でも、電極膜４４の応力を低減できる。また、突出部３３ｐの平面パターンが単純となるため、製造しやすいというメリットがある。
【００６５】
上述した実施の形態では、放熱部材４１の放熱フィン４２の形状をピンフィンとしたが、他の形状、例えばストレートフィンやコルゲートフィンであっても良い。
【００６６】
また、上述した実施の形態では、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される車載用のパワー半導体装置を例に説明したが、パワー半導体素子３１の両面に導体が接続部により接続されている両面冷却式のパワー半導体装置であれば、本発明を同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００６７】
６…第１封止樹脂、７…第２封止樹脂、３１…パワー半導体素子、３２…接合材、３２ａ…はんだ厚、３２ｂ…はんだ厚、３３…第１導体、３３ａ…上面、３３ｂ…側壁、３３ｐ…突出部、３４…第２導体、３５…第３導体、３６…第４導体、３７…第５導体、３８…接合材、３９…接合材、４０…金属ケース、４１…放熱部材、４２…放熱フィン、４３…枠体、４４…電極膜、４５…配線、４６…保護膜、４７…電極パッド、４８…冷却部、５１…絶縁層、１００…パワーモジュール、２００…電力変換装置、２０１…筐体、２０２…底蓋、２０３ａ…入口用配管、２０３ｂ…出口用配管、２１０…冷却用空間、２１１…周壁、２２１…側壁、２２０…支持部材、２３１…シール部材、２４０…カバー部材、２４１…開口部、２５０…コンデンサモジュール、２５１…コンデンサ素子、２６１…直流側バスバーアセンブリ、２６２…制御回路基板アセンブリ、２６３…交流側バスバーアセンブリ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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