(57)【要約】【課題】  稼動に伴う温度サイクルによる寿命の改善と環境負荷の低減を両立させる。【解決手段】  電力変換装置の外部導出端子に電力用半導体素子を９０重量％以上のすずからなり、かつ実質的に鉛を含まない鉛フリーはんだではんだ付けする。さらに、電力用半導体素子の少なくとも１辺の長さが７mm以下とする。これによって、外部導出端子に半導体素子を直接はんだ付けすることができ、用いるはんだの種類を少なくし、信頼性を高める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部導出端子に電力用半導体素子をはんだ付けした電力変換装置であって、前記はんだが９０重量％以上のすずからなり、かつ鉛を含まないことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
すずを９０重量％以上含有し、銅，銀，ビスマス，アンチモン，亜鉛の少なくとも一つ以上の金属成分を含有してなるはんだによって接続される外部導出端子と電力用半導体素子とを有してなることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記電力用半導体素子の少なくとも１辺の長さが７mm以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記電力用半導体素子の接続面と反対側面に形成された外部導出端子は絶縁層を介して放熱板を設けたことを特徴とする請求項１又は２又は３に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電力用半導体素子を用いた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴなどの電力用半導体素子を用いた電力変換装置は、両面に金属導体を積層した絶縁基板の第１の金属導体に電力用半導体素子を、高融点はんだを介して接合し、第２の金属導体に放熱板を低融点はんだを介して接合している。
【０００３】
電力変換装置は、稼動に伴う温度サイクルによって、電力用半導体素子と放熱板との熱膨張係数の差から応力が生じ、高融点はんだや低融点はんだにクラックが進展し、信頼性が低下する。
【０００４】
このはんだに進展するクラックを抑制する目的で、放熱板に低熱膨張性の材料を用いる技術は多数開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１９０５６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
低熱膨張性の材料は、無酸素銅，アルミなどの材料と比較して、価格が高く、熱伝導率が低いため、電力用変換装置の低コスト化を妨げたり、より高い冷却性能が必要な電力変換装置には適用できないという課題があった。
【０００７】
高融点はんだは、一般的に鉛を９０重量％以上含有する鉛入りはんだであり、低融点はんだは、鉛を５０重量％前後含有する鉛入りはんだである。
【０００８】
近年、環境への配慮から、鉛，カドミウムなどの汚染物質を含まないことが望まれ、様々な業界で使用量の規制の対象とされるようになった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、外部導出端子に電力用半導体素子をはんだ付けした電力変換装置であって、９０重量％以上のすずからなり、かつ実質的に鉛を含まないことを最も主要な特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、電力用半導体素子の少なくとも１辺の長さが７mm以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電力変換装置は、外部導出端子に電力用半導体素子を直接はんだ付けすることで、はんだを１種類とし、はんだの材料費及びはんだ付け工数が節減できる。
【００１２】
本発明で用いるはんだは、９０重量％以上のすずからなる、かつ実質的に鉛を含まないはんだ（以下、鉛フリーはんだという）であり、鉛入りはんだと比較して、ヤング率，降伏応力などが高いため、クラックの進展する速度が遅く、信頼性が高い。
【００１３】
また、電力用半導体素子の少なくとも１辺の長さが７mm以下とすることで、温度サイクルによって生じる応力自体を小さくすることができるため、より信頼性が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の電力変換装置の特徴を、図１を用いて説明する。なお、図１は、本発明の特徴を分かりやすく説明するために、電力変換装置のパワーモジュール部を示し、制御回路を構成する制御端子及び制御基板を省略した概略図である。
【００１５】
本発明の電力変換装置のパワーモジュール１は、電力用半導体素子２と外部導出端子３とを、鉛フリーはんだ４を介して直接はんだ付けする。
【００１６】
外部導出端子は、電気良導性金属が好まれ、コストの観点から銅，アルミなどの金属が好適である。
【００１７】
例えば、ＣｕやＡｌからなるバスバーなどである。
【００１８】
鉛フリーはんだは、すずを９０重量％以上含有することが重要で、残部に銅，銀，ビスマス，アンチモン，亜鉛から少なくともひとつ以上の金属を含有してもよい。
【００１９】
なお、外部導出端子と放熱板５の外部露出面６との電気的な絶縁を確保するために、外部導出端子と放熱板との間に絶縁シートを挟んだり、外部導出端子または放熱板に絶縁層７を形成したりするとよい。
【実施例１】
【００２０】
本実施例は、図２に示す主回路構成となる上下一対の電力用半導体素子を持つパワーモジュールを３つ製作し、３相を逆変換する電力変換装置を製作した。
【００２１】
なお、本実施例では、電力用半導体素子として７.７mm×７.７mmのＭＯＳＦＥＴチップを用い、鉛フリーはんだとして銀が３重量％、銅が０.５重量％ 、残部がすずからなるはんだペーストを用いた。
【００２２】
まず、電気ニッケルめっきを施した無酸素銅からなる外部導出端子の電力用半導体素子を実装する部分の周囲に幅約１mmのソルダーレジスト層を形成した。
【００２３】
次に、外部導出端子と制御端子とをインサート成形した樹脂製ケースを製作し、厚さ約０.３mm の鉛フリーはんだを外部導出端子の電力半導体素子を実装する部分に形成した。
【００２４】
続いて、電力用半導体素子のドレイン電極面を下にしてはんだペーストの上に載せ、窒素雰囲気赤外線リフロー装置を用いてはんだ付けした。
【００２５】
さらに、電気ニッケルめっきを施した厚さ約３mmの無酸素銅からなる放熱板と樹脂製ケースとの間に厚さ０.５mm の絶縁シートを挿入し、ネジ止めした。
【００２６】
次に、電力用半導体素子のゲートパッドと制御端子とを直径２００μｍのアルミワイヤで超音波ボンディングし、電力用半導体素子のソース面と対アームの外部導出端子とを直径５００μｍのアルミワイヤを超音波ボンディングしてパワーモジュールを製作した。
【００２７】
最後に、製作した３つのパワーモジュールの制御端子と制御基板とをはんだ付けして、電力変換装置を製作した。
【実施例２】
【００２８】
本実施例は、電力用半導体素子を６.５mm×６.５mmのＭＯＳＦＥＴに替えて、実施例１と同様に電力変換装置を製作した。
【比較例】
【００２９】
本比較例は、鉛フリーはんだをすずが６３重量％、残部が鉛からなる共晶鉛入りはんだに替えて、実施例１と同様に電力変換装置を製作した。
〔評価〕
実施例１，実施例２及び比較例で製作した電力変換装置のパワーモジュールについて、温度サイクル試験を実施した。温度サイクル試験の条件は、低温側−３０℃，高温側125℃を各３０分のサイクルとして、初期、１００，２００サイクル、以降２００サイクル毎３０００サイクルまで熱抵抗を測定した。
【００３０】
温度サイクル試験のサイクル数を横軸に、熱抵抗の初期値に対する変化率と縦軸として図２に示す。
【００３１】
変化率が１０％以上になったサイクルを比較すると、比較例は、１２００サイクルであったの対して、実施例１は、２２００サイクルと長く、実施例２は、更に長い２８００サイクルであった。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明による電力変換装置は、信頼性が高く、環境に対しても負荷が少なく、工業製品特に環境対応の製品への適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による電力変換装置のパワーモジュール部の概略断面模式図。
【図２】本発明の実施例及び比較例で製作した電力変換装置のパワーモジュール部の主回路構成を示す回路図。
【図３】本発明の実施例及び比較例の温度サイクル試験による熱抵抗の変化率を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３４】
１…パワーモジュール、２…電力用半導体素子、３…外部導出端子、４…鉛フリーはんだ、８…アルミワイヤ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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