(57)【要約】      （修正有）【課題】高温であっても安定して高い信頼性で動作でき、ヒートシンクの体積を飛躍的に小型化でき、一体型回路基板の構造を単純化でき、製造工程の短縮化や低コスト化にも寄与できる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は、金属基板電極１４と絶縁基板１５とヒートシンク１２が接合された一体型回路基板１１を有する。回路基板の金属基板電極上に半導体パワーデバイス１３が接合される。この半導体パワーデバイスはＳｉＣ半導体パワーデバイスである。回路基板を構成する材料間の常温と接合時温度間の平均熱膨張係数差が２．０ｐｐｍ／℃以下であり、また回路基板を構成する材料間の接合温度と動作最低温度の温度差で生じる伸びの差が２０００ｐｐｍ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板電極と絶縁基板とヒートシンクが接合された一体型の回路基板を備え、
前記回路基板の前記金属基板電極上に半導体パワーデバイスが接続され、
前記回路基板を構成する材料間の常温と接合時温度間の平均熱膨張係数差が２．０ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
金属基板電極と絶縁基板とヒートシンクが接合された一体型の回路基板を備え、
前記回路基板の前記金属基板電極上に半導体パワーデバイスが接続され、
前記回路基板を構成する材料の接合温度と動作最低温度との温度差で生じる伸びの差が２０００ｐｐｍ以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項３】
前記半導体パワーデバイスはＳｉＣ半導体パワーデバイスであることを特徴する請求項１または２記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記金属基板電極の材質は、モリブデン、タングステン、銅モリブデン、銅タングステンのいずれかであることを特徴とする請求項１または２記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
前記絶縁基板の材質は窒化アルミニウムまたは窒化珪素であることを特徴とする請求項１または２記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
前記ヒートシンクの材質は、金属・炭素複合材、金属・シリコンカーバイド複合材、タングステン、モリブデン、銅モリブデン、銅タングステンのいずれかであることを特徴とする請求項１または２記載のパワー半導体モジュール。
【請求項７】
前記半導体パワーデバイスと前記回路基板は融点２５０℃以上の鉛フリーハンダで接合され、前記半導体パワーデバイスと前記回路基板の常温と接合時温度間の平均熱膨張係数差が５ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする請求項１または２記載のパワー半導体モジュール。
【請求項８】
前記鉛フリーハンダは金すず合金であることを特徴とする請求項７記載のパワー半導体モジュール。
【請求項９】
前記半導体パワーデバイスの表面および前記回路基板の表面に金属配線が接合され、前記金属配線と前記半導体パワーデバイスの常温と接合時温度間の平均熱膨張係数差、および前記金属配線と前記回路基板の常温と接合時温度間の平均熱膨張係数差が５ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする請求項１または２記載のパワー半導体モジュール。
【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に関し、特に、自動車等に搭載するのに好適な電力変換装置として使用されるパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータやＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力変換装置には、半導体パワーデバイスが使用される。半導体パワーデバイスは、主に複数の半導体パワーデバイスが実装された「パワー半導体モジュール」と呼ばれる形態で利用される。
【０００３】
図４と図５を参照して従来の代表的なパワー半導体モジュールの構造を説明する。図４はパワー半導体モジュールの断面構造を示し、図５はパワー半導体モジュールに組み込まれる電気回路を示す。
【０００４】
半導体パワーデバイスの種類には、外部信号によってオン・オフ動作を制御されるトランジスタと、整流特性を持つダイオード等がある。代表的なトランジスタとしてはＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどが挙げられる。
【０００５】
図５は直流を三相交流に変換するインバータ回路の例を示している。このインバータ回路１００は、少なくとも６個のＩＧＢＴ１０１と６個のダイオード１０２で構成される。６個のＩＧＢＴ１０１はブリッジ回路を形成する構成で接続されている。各ダイオード１０２は、対応するＩＧＢＴ１０１のコレクタとエミッタの間に、エミッタからコレクタに向かう方向を順方向として接続されている。図５における左側の上部端子１０３ａおよび下部端子１０３ｂは直流入力端子であり、右側の３つの端子１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃは三相交流の出力端子である。インバータ回路１００では、制御する電力が大きくなると、各半導体パワーデバイスでの発熱が大きくなるので、外部へ十分に熱を逃して半導体パワーデバイスでの過度な温度上昇を防ぐ必要がある。
【０００６】
図４に示したパワー半導体モジュール２０１では、上記のＩＧＢＴ１０１やダイオード１０２は、総称的に半導体パワーデバイス２０２として示されている。これらの半導体パワーデバイス２０２は、積層された金属基板電極２１１、絶縁基板２１２、および金属基板２１３からなる回路基板２１０の上にハンダ（半田）２２１で接合されている。金属基板電極２１１は、半導体パワーデバイス２０２に対応して複数設けられている。また複数の半導体パワーデバイス２０２のそれぞれの表面電極にはＡｌ（アルミニウム）ワイヤ２２２が接続され、外部電極２２３につながっている。回路基板２１０で、金属基板電極２１１と金属基板２１３はアルミニウムからなり、絶縁基板２１２は窒化アルミニウムからなり、これらの要素は互いに接合されている。
【０００７】
上記の金属基板電極２１１の働きは各半導体パワーデバイス２０２に流れる大きな電流を低損失で外部に伝達することである。従って金属基板電極２１１には電気伝導率が高い材料が適している。金属基板電極２１１の材料には主に銅やアルミニウムが使われている。一方、絶縁基板２１２の働きは、複数の金属基板電極２１１のそれぞれと金属基板２１３との間の電気的絶縁を確保するためのものである。また絶縁基板２１２は、半導体パワーデバイス２０２で発生した熱を外部に流す役割も有している。このため絶縁基板２１２としては、絶縁抵抗が高くかつ熱伝導率が高い材料が望まれる。一般的に絶縁基板２１２の材質には、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナなどが使われている。
【０００８】
金属基板電極２１１と絶縁基板２１２は、一般的に、６００℃程度以上の高温でのロウ付けで接合される。ロウ付け後に室温に冷却すると、金属基板電極２１１と絶縁基板２１２の間の熱膨張係数差に起因する応力により反りが生じる。絶縁基板２１２を介して金属基板電極２１１とは反対側の位置に配置されている金属基板２１３は、この反りを抑制するためのもので、回路基板２１０における金属基板電極２１１、絶縁基板２１２、金属基板２１３の３つの要素は、同一のロウ付け工程で接合される。
【０００９】
回路基板２１０の全体は、ハンダ２２４を介して銅製のベース板２２５に接合されている。回路基板２１０の各構成要素が１ｍｍ以下の厚みしか持たないのに対して、ベース板２２５は数ｍｍ以上の厚みを持っている。また、ハンダ２２４はやわらかく延びやすい特性があり、ベース板２２５と回路基板２１０の間に発生する熱応力を緩和する役割を果たしている。ベース板２２５は、シリコングリース２２６を介してアルミニウム製のヒートシンク２２７に接続されている。
【００１０】
なおベース板２２５の上には樹脂ケース２２８が固定されている。上記の外部電極２２３は樹脂ケース２２８に固定され、ケース内部からケース外部に延設されている。
【００１１】
パワー半導体モジュール２０１の動作中には、大きな電流が各半導体パワーデバイス２０２に流れ、ここで熱が発生する。パワー半導体モジュール２０１の全体からすると、局所的に発生した熱は、回路基板２１０からベース板２２５に伝わり、ベース板２２５内で大きく横方向に拡散してベース板２２５内に行き渡り、最終的にはヒートシンク２２７を介して大気に放出される。シリコン半導体パワーデバイスの接合部の上限温度は１５０℃程度であることが一般的であるので、パワー半導体モジュールにおいては、実装された半導体パワーデバイス２０２がこの上限温度を超えないように、放熱構造が設計されている。
【００１２】
シリコンを用いる半導体パワーデバイス２０２の性能は、ほぼ理論限界に近づいており、これに代わるものとして、近年、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）を用いる半導体パワーデバイス（以下「ＳｉＣ半導体パワーデバイス」という）が注目されている。ＳｉＣ半導体パワーデバイスは、シリコン半導体パワーデバイスと比較して、損失を低減でき、さらに高温で動作が可能である。このため、ＳｉＣ半導体パワーデバイスを用いたパワー半導体モジュールや電力変換器では、発熱が低減し、高温動作が可能となり、ヒートシンクと外気や冷却水との温度差を大きくできることにより、ヒートシンクの体積を削減できる。パワー半導体モジュールや電力変換器を小型化する上で、ＳｉＣ半導体パワーデバイスの適用は非常に有力な手段となる可能性が高い。
【００１３】
しかし、従来の実装構造は、ＳｉＣ半導体パワーデバイスの特性が生かされる２００℃を超えるような高温動作には適用できない。仮に、従来の実装技術を用いたパワー半導体モジュールを、２００℃を超えるような高温環境下、または最高温度と最低温度の温度変化の大きい環境下で使用したりまたは保管したりした場合、構成材料間の熱膨張係数の違いに起因する熱応力が大きくなりすぎたり、ハンダなどの材料自身の耐熱性が不足したりすることにより、パワー半導体モジュールが致命的な不具合に至ることになる。
【００１４】
ここで、本願発明に関連する従来技術を開示する文献として下記の特許文献１〜４を挙げる。
【００１５】
特許文献１に開示されるパワー半導体基板は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）で作られた絶縁体の表裏面に放熱性の高いＣｕＭｏ（銅モリブデン）からなる高放熱複合板材を備えている。この文献の発明によれば、パワー半導体における基板単体の構造を開示しているが、ヒートシンクの構造までは何も言及していない。この構造によれば、パワー半導体における電気伝導性と電気絶縁性は改善されるが、放熱性については何も考慮がされていない。
【００１６】
特許文献２に開示される半導体パッケージにおいても、上記の特許文献１の開示例と同様に、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）で作られた絶縁体の表裏面にＣｕＭｏ（銅モリブデン）からなる高放熱複合板材が接合されている。
【００１７】
特許文献３に開示される半導体装置では、Ｃｕ（銅）で作られたベース板の一方の面にセラミックス基板を接合し、ベース板の他方の面にセラミックス基板の設置箇所に対応させて、熱膨張係数がセラミックス基板と略等しいＭｏ（モリブデン）の板材を接合している。この文献に記載された発明によれば、パワー半導体における基板単体の構造を開示しているが、ヒートシンクの構造までは言及していない。この構造によれば、パワー半導体における反りの発生を防止するが、電気伝導性や電気絶縁性について考慮されていない。
【００１８】
特許文献４に開示される電力用半導体装置では、ＡｌＮ基板の周辺部に電気的に接続されていない導電パターンを設けた構造を開示している。この構造によれば、ＡｌＮ基板の表裏面での応力バランスをとることにより、ＡｌＮ基板の表面に発生する応力の発生を抑制する。この文献に記載された発明によれば、パワー半導体における基板単体の構造を開示しているが、ヒートシンクの構造までは言及していない。この構造によれば、パワー半導体における反りの発生を防止するが、放熱性について考慮されていない。
【特許文献１】特開平９−１４８４９１号公報
【特許文献２】特開２０００−２１６２７８号公報（特許第3479738号公報）
【特許文献３】特開２０００−３３２１７０号公報
【特許文献４】特開平１０−２８９９６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
以上のように、従来の半導体パワーデバイスの実装技術は、シリコン半導体パワーデバイスの動作温度範囲では実用的であるが、ＳｉＣ半導体パワーデバイスのような、より高温での動作が有効なデバイスに対しては十分な耐温度環境性がない。シリコン半導体パワーデバイスを利用する場合も、その性能を十分に生かすためには、より熱抵抗が小さく耐温度環境性の高い実装技術が望まれる。
【００２０】
また図４に示したパワー半導体モジュールの構造では、半導体パワーデバイス２０２から外気に至るまでの経路が、ハンダ２２１／金属基板電極２１１／絶縁基板２１２／金属基板２１３／ハンダ２２４／ベース板２２５／シリコングリース２２６／ヒートシンク２２７と複雑な構造をとっている。この理由は、構成材料間の熱膨張係数差に起因する熱応力を緩和すること、または製造工程に制約されることなどにある。
【００２１】
従って、ＳｉＣ半導体パワーデバイスを用いてパワー半導体モジュールを構成する場合には、半導体パワーデバイスから外気に至るまでの経路をより簡単な構造とし、より高温での動作が有効なＳｉＣ半導体パワーデバイスに対して十分な耐温度環境性を有することが望ましい。
【００２２】
本発明の目的は、高温であっても安定して高い信頼性で動作することができ、ヒートシンクの体積を飛躍的に小型化することができ、一体型回路基板の構造をきわめて単純化することができ、製造工程の短縮化や低コスト化にも寄与できるパワー半導体モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明に係るパワー半導体モジュールは、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【００２４】
第１の観点のパワー半導体モジュールは、金属基板電極と絶縁基板とヒートシンクが接合された一体型の回路基板を有し、この回路基板の金属基板電極上に半導体パワーデバイスが接続され、さらに回路基板を構成する材料間の常温と接合時温度間の平均熱膨張係数差が２．０ｐｐｍ／℃以下である。
【００２５】
上記した「回路基板を構成する材料間の常温と接合時温度間の平均熱膨張係数差」とは次のことを意味する。
【００２６】
回路基板を形成する複数の構成材料（３層構造の金属基板電極、絶縁基板、ヒートシンク）について、それぞれ、常温から接合時温度（または「接合温度」ともいう。例えば８００℃）までの平均熱膨張係数を求める。求めた平均熱膨張係数について構成材料の間の差を平均熱膨張係数差と定義する。本発明では、この平均熱膨張係数の差が２．０ｐｐｍ／℃以下となるように設定される。ここで、上記の「常温から接合時温度までの平均熱膨張係数」は次の式で定義される。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
パワー半導体モジュールに関する実際の接合プロセスでは、最初に、複数の構成材料を所定の位置関係にて常温（室温）でセットし、その後にセット物を装置に投入し、装置の温度を徐々に上げ、装置温度を接合可能温度（接合時温度）の付近で一定に保つ。その後、装置の温度を常温（室温）まで下げ、複数の構成材料が接合されたパワー半導体モジュールが装置から取り出される。
【００２９】
複数の構成材料が接合された後、接合時温度から常温まで温度が低下するとき、熱膨張係数が異なる複数の構成材料の間で応力が生じる。この際生じる応力の大きさは、常温から接合時温度までの各温度領域における熱膨張係数に依存して決まることになる。
【００３０】
以上から、複数の構成材料の間の熱膨張係数差として、常温から接合時温度までの熱膨張係数の平均値の差を用いる。
【００３１】
第２の観点のパワー半導体モジュールは、金属基板電極と絶縁基板とヒートシンクが接合された一体型の回路基板を有し、この回路基板の金属基板電極上に半導体パワーデバイスが接続され、さらに回路基板を構成する材料の、接合温度と動作最低温度の温度差で生じる伸びの差が２０００ｐｐｍ以下である。
【００３２】
上記のパワー半導体モジュールにおいて、好ましくは、半導体パワーデバイスはＳｉＣ半導体パワーデバイスである。
【００３３】
上記のパワー半導体モジュールにおいて、好ましくは、金属基板電極の材質は、モリブデン、タングステン、銅モリブデン、銅タングステンのいずれかである。
【００３４】
上記のパワー半導体モジュールにおいて、好ましくは、絶縁基板の材質は窒化アルミニウムまたは窒化珪素である。
【００３５】
上記のパワー半導体モジュールにおいて、好ましくは、ヒートシンクの材質は、金属・炭素複合材、金属・シリコンカーバイド複合材、タングステン、モリブデン、銅モリブデン、銅タングステンのいずれかである。
【００３６】
上記のパワー半導体モジュールにおいて、好ましくは、半導体パワーデバイスと回路基板が融点２５０℃以上の鉛フリーハンダで接合されており、半導体パワーデバイスと回路基板の常温と接合時温度間の平均熱膨張係数差が５ｐｐｍ／℃以下である。この鉛フリーハンダは好ましくは金すず合金である。
【００３７】
上記の各パワー半導体モジュールにおいて、好ましくは、半導体パワーデバイスの表面および回路基板の表面に金属配線が接合されており、この金属配線と半導体パワーデバイスの常温と接合時温度間の平均熱膨張係数差、および金属配線と回路基板の常温と接合時温度間の平均熱膨張係数差が５ｐｐｍ／℃以下である。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によるパワー半導体モジュールでは次の効果を奏する。
第１に、従来のパワー半導体モジュールよりも高温での動作が可能である。ＳｉＣ半導体パワーデバイスを実装した場合では、ＳｉＣの高温動作特性が生かせる２００℃を超える温度での安定動作が可能となる。また本発明による構造をシリコンデバイスに適用した場合にも、従来よりも高温動作し、より信頼性の高いパワー半導体モジュールが実現可能である。
第２に、高温動作化により、外気または冷却水とヒートシンクとの温度差を高くとることができるために、ヒートシンクの体積を飛躍的に小型化できる。さらに、低損失のＳｉＣ半導体パワーデバイスを実装することで、さらなる小型化が可能になる。
第３に、一体型回路基板の構造がきわめて単純であり、１回の接合プロセスで製作可能であることから、製造工程の短縮化や低コスト化にも寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００４０】
図１を参照して本発明に係るパワー半導体モジュールの第１の実施形態を説明する。図１は第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの要部構造の縦断面図を示している。
【００４１】
図１に示したパワー半導体モジュール１０において、回路基板１１は、金属基板電極１４、絶縁基板１５、ヒートシンク１２が一体化された構造を有している。金属基板電極１４にはＳｉＣ半導体パワーデバイス１３が鉛ハンダ１６を介して接続されている。また、ＳｉＣ半導体パワーデバイス１３の上部電極である金属基板電極１４と外部電極１８の間は、モジュール内の回路構成に合わせて金属配線１９で相互に接続されている。さらに、ヒートシンク１２には、耐熱性の高い樹脂からなるケース１７が固定されている。
【００４２】
またパワー半導体モジュール１０内の回路構成に合わせて、金属基板電極１４はパターンを形成しており、さらに複数の絶縁基板１５がヒートシンク１２上に接合される場合もある。
【００４３】
金属基板電極１４の材質は例えばモリブデン（Ｍｏ）であり、絶縁基板の材質は例えば窒化アルミニウム（ＡＩＮ）である。また、ヒートシンク１２の材質は、例えば銅カーボン複合材（ＣｕＣ）である。さらに金属配線１９は例えばアルミワイヤである。
【００４４】
上記の構造を有するパワー半導体モジュール１０では、わずかに３層で構成されたヒートシンク一体型の回路基板を有している。この回路基板１１は、パワー半導体モジュールの主要機能である電流を流す電気的機能、各金属基板電極１４間および金属基板電極１４とヒートシンク間の絶縁を確保する絶縁機能、さらにＳｉＣ半導体パワーデバイス１３で発生した熱を外気に放出する放熱機能を備えた上に、構造が単純化されている。従って、従来のパワー半導体モジュールの構造と比較して、熱抵抗が低減でき、製造工程も簡略化されることになる。
【００４５】
金属基板電極１４と絶縁基板１５とヒートシンク１２は例えば８００℃以上の温度でロウ付けされている。
【００４６】
本実施形態での金属基板電極１４と絶縁基板１５とヒートシンク１２で使用される材料について、常温から８００℃までの平均の熱膨張係数は、モリブデン（Ｍｏ）が６．０ｐｐｍ／℃、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）が５．５ｐｐｍ／℃、銅カーボン複合材（ＣｕＣ）が５．７ｐｐｍ／℃である。これらの構成要素の材料間の最大の平均熱膨張係数差はわずかに０．５ｐｐｍ／℃である。
【００４７】
他方、アルミニウムや銅を金属基板やヒートシンク等に使う従来の構造では、構成要素の材料間の平均熱膨張係数は１０〜２０ｐｐｍ／℃にもなる。
【００４８】
構成要素の材料間の平均熱膨張係数についての上記の違いによって、本実施形態によるパワー半導体モジュール１０では、従来のものに比較して極めて高い耐温度環境特性を実現できる。
【００４９】
またＳｉＣ半導体パワーデバイス１３を実装したパワー半導体モジュール１０では、２００℃以上の温度で繰り返し動作させた場合でも、正常に動作させることができる。さらに、モリブデン（Ｍｏ）の電気抵抗率は、アルミニウムの倍程度であるが、厚み等を考慮することにより低損失で大電流を流す機能を十分に満たすことができる。
【００５０】
さらに、第１実施形態に係るパワー半導体モジュール１０によれば、搭載されるＳｉＣ半導体パワーデバイス１３は、従来のシリコン半導体パワーデバイスと比較して損失を１／２以下にできることに加えて、高温動作化が可能であるため、外気とヒートシンク１２との温度差を従来に比較して倍以上にすることができる。これによってヒートシンク１２の大きさ（体積）を従来のものと比較してほぼ１／５程度に大幅に削減することができる。
【００５１】
以上により、第１実施形態に係るパワー半導体モジュール１０は、次の３つの特徴を有するモジュール構造である。
【００５２】
第１に、回路基板１１が、金属基板電極１４と絶縁基板１５とヒートシンク１２が一体化された多機能かつ簡素な構造を有している。
【００５３】
第２に、回路基板１１に発生する熱応力が極めて小さいため、実装されるＳｉＣ半導体パワーデバイス１３が２００℃を超える温度で動作し、かつパワー半導体モジュールの使用環境または保管環境が−４０℃等の極低温下となる高温度差の環境においても高い信頼性を備えている。
【００５４】
第３に、ＳｉＣ半導体パワーデバイス１３が低損失であること、ヒートシンク１２と外気の温度差を高くできることにより、従来に比してヒートシンク１２の体積を飛躍的に小型にすることができる。
【００５５】
下記の表１は、上記第１実施形態に係る回路基板１１を含む各種の回路基板構造について、−４０〜＋２００℃の温度範囲で温度サイクル試験を行った結果の一部を示している。
【００５６】
【表１】
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【００５７】
第１実施形態で採用している回路基板１１の構造をはじめとして、一般的な回路基板の接合温度である６００〜８００℃と常温とでの平均の熱膨張係数差が小さい場合には、長期の温度サイクル試験でも異常が見られていない。
【００５８】
一方、ＡｌやＣｕなどを使用した構成材料間の平均熱膨張係数差が非常に大きい構造では、温度サイクル試験でも早期に破壊する結果となった。また、「ＣｕＭｏ／Ａｌ２０３／ＣｕＣ」のような、ＡｌやＣｕを使用しない構造でも早期に破壊に至る構造もある。「Ｍｏ／ＡｌＮ／ＣｕＣ」と「ＣｕＭｏ／Ａｌ２０３／ＣｕＣ」を比較した場合、常温と接合時温度間の平均熱膨張係数差は、「Ｍｏ／ＡｌＮ／ＣｕＣ」の方が小さいが、温度サイクル試験の最高温度である２００℃と常温間での平均熱膨張係数差は、むしろ「ＣｕＭｏ／Ａｌ２０３／ＣｕＣ」の方が小さい。温度サイクル試験の結果は、「Ｍｏ／ＡｌＮ／ＣｕＣ」では異常が見られず、「ＣｕＭｏ／Ａｌ２０３／ＣｕＣ」では早期に破壊に至っている。
【００５９】
以上の結果から、回路基板構造の耐温度環境性に与える影響は、動作温度と常温間での平均熱膨張係数差よりも常温と接合時温度間の平均熱膨張係数差の方が大きく、接合温度と常温間での平均熱膨張係数差が概略２ｐｐｍ／℃以下である必要があることがわかる。
【００６０】
上記の表１に示した材料例以外にも、金属基板電極１４としては銅モリブデン複合材、ヒートシンク１２としてはＡｌＳｉＣなども適用可能であり、構成材料間の常温から接合時温度までにおける平均熱膨張係数差が２ｐｐｍ／℃以下になるように構成材料が選ばれれば、適用することができる。
【００６１】
また、より低温での接合が可能な場合には、より大きな平均熱膨張係数差が許容されることになる。その場合の目安となるのは、接合温度と保管環境温度または動作最低温度との温度差で生じる構成材料の伸縮率の差である。表１の例では、接合温度が８００℃で動作最低温度が−４０℃である。温度サイクル試験の結果が良好であった回路基板のうち構成材料の伸縮率の差が最大であるのは「Ｗ／ＳｉＮ／ＣｕＣ」で、その値は１３００ｐｐｍである。一方、温度サイクル試験において早期に破壊に至った回路基板のうち構成材料の伸縮率の差が最小であったものは「ＣｕＭｏ／Ａｌ２０３／ＣｕＣ」で、その値は２０００ｐｐｍであった。このことから、保管環境温度または動作最低温度が０℃以下になる場合には、接合温度と保管環境温度または動作最低温度との温度差で生じる構成材料の伸縮率の差が２０００ｐｐｍ以下が望ましいことがわかる。
【００６２】
次に、図２を参照して、本発明に係るパワー半導体モジュールの第２の実施形態を説明する。図２は第２の実施形態に係るパワー半導体モジュール２０の要部の縦断面図を示している。図２において、図１で説明した要素と同一の要素には同一の符号を付している。
【００６３】
図２に示したパワー半導体モジュール２０は、各金属基板電極１４の上にはＡｕＳｎハンダ（高温鉛フリーハンダ）２１によってＳｉＣ半導体パワーデバイス１３を固定している。その他の構造は、第１実施形態で説明した構造と同じである。
【００６４】
第１の実施形態のパワー半導体モジュール２０では、ＳｉＣ半導体パワーデバイス１３は従来から知られるハンダ１６で金属基板電極１４の上に接合されていた。しかしながら、世界的に求められている鉛フリー化に対応する必要がある。現状では、２００℃を超える温度環境下では十分な長期信頼性を確保して使用できる鉛フリーハンダは見あたらない。融点からはＡｕＳｎ，ＡｕＳｉ等が候補になるが、これらのハンダは従来の鉛ハンダと比較して硬いために、Ａｌや銅等の従来から主に使用されている金属基板電極１４と半導体パワーデバイスとの接合に用いた場合、温度サイクルにより半導体パワーデバイスとハンダの界面、または金属基板電極１４とハンダとの界面で剥離したり、半導体パワーデバイスが破壊される等の事象が発生する。
【００６５】
この第２の実施形態では、ＡｕＳｎハンダ２１の接合温度である約３００℃と常温間におけるＳｉＣ半導体パワーデバイス１３と一体型回路基板１１との平均熱膨張係数差が３ｐｐｍ／℃以下と小さいため、ＡｕＳｎハンダ２１を用いた場合でも、高い耐温度環境特性を実現することができる。
【００６６】
下記の表２は、異なる２種類の回路基板構造にＡｕＳｎハンダでＳｉＣ半導体パワーデバイスを接合して、−４０〜＋２００℃の温度サイクル試験を行った結果を示す。従来構造の「Ａｌ／ＡｌＮ／Ａｌ」では早期に異常が見られたのに対して、本実施形態の構造である「Ｍｏ／ＡｌＮ／ＣｕＣ」では１００００サイクルで異常が見られなかった。
【００６７】
【表２】
2007305962.tif 000005
【００６８】
この結果から明らかなように、本実施形態の構造においては、ＳｉＣ半導体パワーデバイスと一体型回路基板との熱膨張係数差が小さいため、従来構造では使いにくいＡｕＳｎハンダが、十分な信頼性を確保した上で厳しい温度環境下でも使用できている。
【００６９】
ＳｉＣ半導体パワーデバイス１３のハンダ接合の上限温度は、既存の装置を利用できる等の観点から４００℃程度が適当である。これまでの実験結果とハンダ接合温度が一体型回路基板の接合温度の半分程度であることを考慮すると、ＳｉＣ半導体パワーデバイス１３と一体型回路基板１１の常温と接合時温度間の平均熱膨張係数差は５ｐｐｍ／℃程度以下が望ましいと考えられる。
【００７０】
第２の実施形態によるパワー半導体モジュール２０によれば、鉛フリー化構造においても、実装されるＳｉＣ半導体パワーデバイス１３が２００℃を超える温度で動作し、かつパワー半導体モジュールの使用環境または保管環境の温度が−４０℃等の極低温下になる高温度差の環境においても高い信頼性を備えている。
【００７１】
次に図３を参照して、本発明に係るパワー半導体モジュールの第３の実施形態を説明する。図３は第３実施形態に係るパワー半導体モジュール３０の要部の縦断面図を示し、図３において、図２で説明した要素と同一の要素には同一の符号を付している。
【００７２】
図３に示したパワー半導体モジュール３０では、ＳｉＣ半導体パワーデバイス１３の表面からプレート形状のＣｕＭｏの金属配線３２で外部に電気的な接続がなされている。ＳｉＣ半導体パワーデバイス１３の表面と金属配線３２の間はＡｕＳｎハンダ３３で接合されている。その他の構造については、第２実施形態等で説明した構造と同じである。
【００７３】
第３実施形態に係るパワー半導体モジュール３０によれば、強度が高く平均熱膨張係数が、ＳｉＣ半導体パワーデバイス１３および一体型回路基板１１に近い金属配線３２を適用することで、前述の第１と第２の実施形態よりもさらに耐温度環境特性を高くすることができる。
【００７４】
前述の第１および第２の実施形態では、ＳｉＣ半導体パワーデバイス１３の表面からＡｌワイヤ１９で外部に配線される例を示した。しかし、ＳｉＣ半導体パワーデバイス１３の温度が２５０℃以上になるような厳しい条件ではＡｌワイヤ１９では信頼性が確保できなくなる。
【００７５】
そこで本実施形態では、Ａｌワイヤ１９に代えてＣｕＭｏからなる熱膨張係数が小さく強度の高いプレート形状の金属配線３２を採用している。代表的なＣｕＭｏ配線構造としては、例えば幅１ｍｍ、厚み０．２ｍｍである。ＳｉＣ半導体パワーデバイス１３との接合にはＡｕＳｎハンダ３３を使用した。
【００７６】
ＣｕＭｏの金属配線３２は、Ａｌワイヤと比較して、耐熱性が高く、接合時と常温との間の平均熱膨張係数がＳｉＣ半導体パワーデバイス１３や一体型回路基板１１に近い上に強度も高いことから、高温動作においても高い信頼性が確保できる。
【００７７】
本実施形態のパワー半導体モジュール３０では、ＳｉＣ半導体パワーデバイス１３の温度が２５０℃に達する環境で繰り返し動作させても、正常に動作することが確認できている。
【００７８】
金属配線３２とＳｉＣ半導体パワーデバイス１３の間の常温と接合時温度間の平均熱膨張係数差は、ＳｉＣ半導体パワーデバイス１３と一体型回路基板１１の接合と同様の考えで５ｐｐｍ／℃以下であることが望ましい。さらに、金属配線３２と一体型回路基板１１の間の接合部の接合時と常温との間の平均熱膨張係数差も重要であり、５ｐｐｍ／℃以下であることが望まれる。なお、ＳｉＣ半導体パワーデバイス１３と金属配線３２および金属配線３２と外部電極１８の間の接合では任意のハンダ３５を用いることができる。また金属配線３２にはＣｕＭｏ以外にモリブデンも用いることができる。さらに、半導体パワーデバイスはシリコンであってもよい。
【００７９】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、例えば燃料電池自動車、ハイブリッド自動車、電気自動車等の駆動電力を制御するパワー半導体モジュールとして利用される。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの構造を示す縦断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係るパワー半導体モジュールの構造を示す縦断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係るパワー半導体モジュールの構造を示す縦断面図である。
【図４】従来の代表的なパワー半導体モジュールの構造を示す縦断面図である。
【図５】従来のパワー半導体モジュールに組み込まれるブリッジ回路を示す電気回路図である。
【符号の説明】
【００８２】
１０      パワー半導体モジュール
１１      回路基板
１２      ヒートシンク
１３      ＳｉＣ半導体パワーデバイス
１４      金属基板電極
１５      絶縁基板
１６      鉛ハンダ
【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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