(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
絶縁層を有し、前記絶縁層の上面に回路層および下面に金属層が設けられた絶縁基板と、
前記半導体素子の裏面と前記絶縁層の上面側の前記回路層の上面とを接合し、前記半導体素子の裏面側の外周よりも大きい上面を有する焼結性接合部材と、
前記絶縁基板の下面と接合されるベース板と、
前記半導体素子のおもて面に接合する配線部材とを備え、
前記半導体素子、前記ベース板と前記絶縁基板とを接合した構造体、前記配線部材、前記焼結性接合部材の順に弾性率が大きくなる、パワーモジュール。
【請求項２】
半導体素子と、
絶縁層を有し、前記絶縁層の上面に回路層および下面に金属層が設けられた絶縁基板と、
前記半導体素子の裏面と前記絶縁層の上面側の前記回路層の平坦な上面とを接合し、前記半導体素子の裏面側の外周よりも大きい平坦な上面を有する焼結性接合部材と、
を備え、
前記半導体素子は複数あり、前記複数の半導体素子は、前記回路層からの高さが同一であり、一体となった前記焼結性接合部材の平坦な上面には、前記複数の半導体素子と前記絶縁基板と前記焼結性接合部材とを封止する封止樹脂と前記複数の半導体素子とが配置される、パワーモジュール。
【請求項３】
前記絶縁基板の下面と接合されるベース板と、
前記半導体素子のおもて面に接合する配線部材とを備える、請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記焼結性接合部材の上面は、前記半導体素子の外周よりも外側へ突出する平坦部を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記焼結性接合部材は、側面部を有し、前記側面部は外側から内側に向かって前記焼結性接合部材の上面と前記焼結性接合部材の下面との距離が離れている、請求項４に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記絶縁層の下面側の前記金属層と前記ベース板とは、直接接合されている、請求項１または請求項３に記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記絶縁層の下面側の前記金属層と前記ベース板とは、接合層を介して接合されている、請求項１または請求項３に記載のパワーモジュール。
【請求項８】
前記配線部材は、ボンディングワイヤまたは板状金属部材である、請求項１、請求項３、請求項６および請求項７のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項９】
前記焼結性接合部材の熱抵抗は、前記絶縁層、前記絶縁層の上面側の前記回路層および前記絶縁層の下面側の前記金属層の熱抵抗よりも小さい、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項１０】
前記焼結性接合部材は、銀または銅の金属粒子を含む、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項１１】
前記絶縁基板の上面側の前記回路層の上面には、凹部が形成されており、前記凹部内には、前記焼結性接合部材が配置されている、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項１２】
前記焼結性接合部材は、前記絶縁層の上面側の前記回路層の側面にも形成されている、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項１３】
前記回路層は、第一回路層と第二回路層とを有し、前記金属層は、第一金属層と第二金属層とを有し、前記第一回路層の大きさは前記第二回路層の大きさよりも小さく、前記第一金属層の大きさは前記第二金属層の大きさよりも小さい、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のパワーモジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
を備えた電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、熱抵抗を低減したパワーモジュールおよび電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールにおいては、パワーモジュールに搭載された半導体素子を動作させることで、半導体素子が発熱する。半導体素子による発熱は、パワーモジュールを構成する各構成部材間に熱応力を発生させ、パワーモジュールの信頼性を劣化させる原因となる。このため、パワーモジュールには、半導体素子の発熱による温度上昇を抑えるために、高い放熱性が求められる。【０００３】
そこで、半導体素子の発熱による影響を抑制する目的で、半導体素子からの放熱性を向上し、熱抵抗を低減するために、半導体素子よりも大きい金属板で半導体素子による熱を横方向に拡げて放熱している（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１２０７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のパワーモジュールにおいては、半導体素子を接合材で金属板に接合し、金属板の大きさを半導体素子の大きさよりも大きくすることで、熱を横方向へ拡げているが、接合材としてはんだが用いられ、はんだの大きさが半導体素子の大きさとほぼ同じ大きさであるため、半導体素子から金属板までの経路において、熱抵抗が高く、熱を拡げる効果が十分に得られず、パワーモジュールの信頼性が劣化する問題点があった。【０００６】
本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、半導体素子での発熱を拡げることで、半導体素子からの放熱性を向上し、信頼性を向上させたパワーモジュールを得ることを目的としている
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示に係るパワーモジュールは、半導体素子と、絶縁層を有し、絶縁層の上面に回路
層および下面に金属層が設けられた絶縁基板と、半導体素子の裏面と絶縁層の上面側の金
属層の上面とを接合し、半導体素子の裏面側の外周よりも大きい上面を有する焼結性接合
部材と、絶縁基板の下面と接合されるベース板と、半導体素子のおもて面に接合する配線
部材と、を備え、半導体素子、ベース板と絶縁基板とを接合した構造体、配線部材、焼結
性接合部材の順に弾性率が大きくなる、パワーモジュールである。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、半導体素子の裏面側の外周よりも大きな焼結性接合部材を設けたので、半導体素子からの放熱性の向上が可能となり、パワーモジュールの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。
【図２】実施の形態１におけるパワーモジュールを示す平面構造模式図である。
【図３】実施の形態１におけるパワーモジュールの半導体素子接合部を拡大した断面構造模式図である。
【図４】実施の形態１におけるパワーモジュールの他の半導体素子接合部を拡大した断面構造模式図である。
【図５】実施の形態１におけるパワーモジュールの半導体素子接合部を拡大した平面構造模式図である。
【図６】実施の形態１における他のパワーモジュールを示す断面構造模式図である。
【図７】実施の形態２におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。
【図８】実施の形態２におけるパワーモジュールを示す平面構造模式図である。
【図９】実施の形態３におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。
【図１０】実施の形態３における他のパワーモジュールを示す断面構造模式図である。
【図１１】実施の形態３における他のパワーモジュールを示す断面構造模式図である。
【図１２】実施の形態４における電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
はじめに、本開示のパワーモジュールの全体構成について、図面を参照しながら説明する。なお、図は模式的なものであり、示された構成要素の正確な大きさなどを反映するものではない。また、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図２は、実施の形態１におけるパワーモジュールを示す平面構造模式図である。図１は、図２の一点鎖線ＡＡにおける断面構造模式図である。図２は、封止部材９を透過して、パワーモジュール１００を上面から見た平面構造模式図である。
【００１２】
図において、パワーモジュール１００は、半導体素子１と、焼結性接合部材２と、絶縁基板１１と、ベース板８と、封止部材９と、配線部材であるボンディングワイヤ１０、リード端子１２と、を備えている。
【００１３】
図１において、パワーモジュール１００は、ベース板８の上面に絶縁基板１１が直接接合されている。半導体素子１は、絶縁基板１１の上面に、半導体素子１の裏面側の外周よりも大きい上面を有する焼結性接合部材２を介して接合されている。半導体素子１の上面には、主電極１３と制御信号電極１４とが形成されている。半導体素子１の主電極１３と制御信号電極１４は、それぞれが、ボンディングワイヤ１０を介して、リード端子１２と接続されている。封止部材９は、ベース板８の上面に接して、絶縁基板１１と半導体素子１とボンディングワイヤ１０とを封止している。リード端子１２は、一端を封止部材９の内部に配置され、他端を封止部材９の側面から突出している。
【００１４】
図２において、封止部材９は、点線にて表示し、封止部材９に封止されている部材の位置関係がわかるようにしている。パワーモジュール１００の最外周は、ベース板８の周縁部である。ベース板８の周縁部よりも内側に封止部材９が配置されている。また、封止部材９の外縁よりも内側には、絶縁基板１１の絶縁層５が配置されている。さらに、絶縁基板１１の絶縁層５の外縁よりも内側には、絶縁基板１１の上面側の第二回路層４が配置されている。また、第二回路層４の外縁よりも内側には、第一回路層３が配置されている。さらに、第一回路層３の外縁よりも内側には、焼結性接合部材２が配置されている。焼結性接合部材２は、外周が半導体素子１の裏面側の外周よりも大きく、焼結性接合部材２の上面には、半導体素子１が接合されている。また、焼結性接合部材２の外周は、全周にわたって半導体素子１の外周よりも大きいことが望ましいが、全周の一部に半導体素子１の外周と同じあるいは小さい領域があってもよい。
【００１５】
リード端子１２は、複数あり、パワーモジュール１００の対向する辺のそれぞれに設けられている。リード端子１２の一端は、封止部材９の外縁よりも内側に配置され、リード端子１２の他端は、封止部材９の外縁よりも外側に配置されている。リード端子１２は、ボンディングワイヤ１０を介して、半導体素子１の上面に形成された主電極１３または、制御信号電極１４と接合されている。
【００１６】
次に、各々の構成、材料、および材質について説明する。
【００１７】
半導体素子１は、おもて面（上面）と裏面（下面）とを有している。半導体素子１のおもて面には、おもて面電極である主電極１３および制御信号電極１４が形成され、裏面には、半導体素子１の裏面側の外周と同じ大きさの裏面電極（図示せず）が形成されている。半導体素子１の主電極１３および制御信号電極１４には、配線部材であるボンディングワイヤ１０を介して端子部材であるリード端子１２が接続されている。半導体素子１としては、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、フリーホイールダイオード（ＦＷＤ：Ｆｒｅｅ  Ｗｈｅｅｌ  Ｄｉｏｄｅ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などが適用できる。
【００１８】
半導体素子１の材料としては、シリコン(Ｓｉ：Ｓｉｌｉｃｏｎ)、炭化珪素（ＳｉＣ：Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ）、窒化ガリウム（ＧａＮ：Ｇａｌｌｉｕｍ  Ｎｉｔｒｉｄｅ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３：Ｇａｌｌｉｕｍ（III）  Ｏｘｉｄｅ）などである。ただし、半導体素子１の種類や材料は、これらに限られるものではない。また、半導体素子１の数としては、図１のパワーモジュール１００では１つであるが、複数の半導体素子１を用いてパワーモジュール１００を構成しても良い。複数の半導体素子１を用いた場合においても、複数の半導体素子１と第一回路層３とを焼結性接合部材２を用いて接合してもよい。
【００１９】
図１，２に示すように、半導体素子１の表面には、主電極１３および制御信号電極１４が設けられている。ただし、半導体素子１の表面に形成される電極の種類はこれらに限られるものではない。例えば、半導体素子１の表面には、主電極１３のみが形成されていても構わない。
【００２０】
絶縁基板１１は、上面と下面とを有している。絶縁基板１１は、絶縁層５を有している。絶縁層５としては、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３：Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ｏｘｉｄｅ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ：Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ｎｉｔｒｉｄｅ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４：Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ）などを材料して用いたセラミックス基板が適用される。ただし、セラミックス基板の材料は、これらに限られるものではない。
【００２１】
絶縁層５は、上面と下面とを有している。絶縁層５の上面側には、回路層である第一回路層３と第二回路層４とが形成されている。第二回路層４の下面は、絶縁層５の上面に接して配置されている。第一回路層３の下面は、第二回路層４の上面に接して配置されている。また、絶縁層５の下面側には、金属層である第一金属層７と第二金属層６とが形成されている。第二金属層６の上面は、絶縁層５の下面に接して配置されている。第一金属層７の上面は、第二金属層６の下面に接して配置されている。第一回路層３および第一金属層７には、例えば銅（Ｃｕ）が、第二回路層４および第二金属層６には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）が用いられる。ただし、第一回路層３、第一金属層７、第二回路層４および第二金属層６に用いられる材料は、これに限られるものではない。
【００２２】
第二回路層４および第二金属層６は、絶縁層５であるセラミックス基板と直接接合法または活性金属接合法を用いて接合することが可能であればよい。また、第一回路層３および第一金属層７は、それぞれが第二回路層４または第二金属層６を介してセラミックス基板５と直接接合法または活性金属接合法により接合することが可能であればよい。第一回路層３、第一金属層７、第二回路層４および第二金属層６に用いられる材料は、高い電気伝導性を有する材料であればよい。第二回路層４および第二金属層６は、セラミックス基板と線膨張係数の異なる第一回路層３または第一金属層７とセラミックス基板とを接合する場合に、これらの層間に発生する応力を緩和する緩和層として用いられる。ここで、直接接合法とは、第二回路層４および第二金属層６とセラミックス基板とを直接反応させることで接合する方法である。また、活性金属接合法とは、第二回路層４または第二金属層６とセラミックス基板とを、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等の活性金属を添加したろう材により接合する方法である。
【００２３】
絶縁基板１１において、第一回路層３と第二回路層４、または、第一金属層７と第二金属層６との外周端部をほぼ同じ横方向の大きさに揃えると、第一回路層３または第一金属層７の外周端部に応力が集中して、応力緩和層として利用している第二回路層４または第二金属層６などにクラック（亀裂）が発生し、セラミックス基板にもクラックが伝搬することが懸念される。このため、クラックの伝搬を抑制するために、第一回路層３と第一金属層７の横方向の大きさは、それぞれ第二回路層４と第二金属層６の横方向の大きさよりも小さくなっている。
【００２４】
焼結性接合部材２は、上面と下面とを有している。焼結性接合部材２は、半導体素子１と第一回路層３との間に設けられている。焼結性接合部材２は、半導体素子１の裏面電極と第一回路層３の上面とを接合する。焼結性接合部材２の外周の大きさは、半導体素子１の裏面側の外周の大きさよりも大きく、半導体素子１の裏面側の外周よりも外側へ突出（露出）した平坦部２３を有している。焼結性接合部材２は、銀または銅の金属粒子を含んでいる金属導体である。焼結性接合部材２の原材料としては、例えば、Ａｇナノ粒子ペーストまたはＣｕナノ粒子ペースト、あるいは、これらの粒子にマイクロサイズの粒子を含んだ焼結ペースト材を用いることができる。この焼結性接合部材２の内部には、複数の粒子による空隙が存在する。焼結性接合部材２の全体の体積に占める空隙の体積の割合で定義される空隙率は、３０％以上５０％以下とすることで、弾性率が１３ＧＰａ以下と柔らかい焼結性接合部材２を形成することができる。焼結性接合部材２の熱抵抗は、絶縁層５、絶縁層５の上面側の第一回路層３と第二回路層４および絶縁層５の下面側の第一金属層７と第二金属層６のいずれの熱抵抗よりも小さい。
【００２５】
図１，２においては、半導体素子１、焼結性接合部材２および第一回路層３が一個ずつの場合について記載しているが、半導体素子１および焼結性接合部材２が同一の複数個あり、これら複数個の半導体素子１および焼結性接合部材２が各々第一回路層３の上面に搭載されていても構わない。
【００２６】
ベース板８は、板状であり、上面と下面とを有している。ベース板８は、パワーモジュール１００の動作中に発生する熱をパワーモジュール１００の外部へ放熱する役割がある。このため、ベース板８としては、熱伝導性の良い材料が用いられる。ベース板８の材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）のいずれかを主たる成分とする合金や、炭化珪素（ＳｉＣ）とＡｌの複合材（Ａｌ−ＳｉＣ）、あるいは、ＳｉＣとマグネシウム（Ｍg）の複合材（Ｍｇ−ＳｉＣ）が用いられる。ただし、ベース板８に用いられる材料は、これらに限定されるものではない。
【００２７】
ベース板８の上面には、絶縁基板１１が直接接合されている。すなわち、ベース板８の上面には、絶縁基板１１の下面側の第一金属層７が直接接合されている。絶縁基板１１の下面側の第一金属層７をベース板８の上面に接合する方法としては、直接接合法または活性金属接合法により接合されている。
【００２８】
封止部材９は、ベース板８の上面に接合された絶縁基板１１と絶縁基板１１の上面に焼結性接合部材２で接合された半導体素子１とをベース板８の上面に接して、ベース板８の上面側を封止する樹脂である。パワーモジュール１００は、図１に記載の構成を１ユニットとして、この１ユニットを複数個組み合わせて使用されることもある。このため、１つのユニット毎に封止するのではなく、複数ユニットが搭載されたパワーモジュールの筐体内部を封止部材９を用いて一度（一体的）に封止してもよい。封止部材９の材料としては、例えば、エポキシ樹脂が用いられる。ただし、封止部材９に用いられる材料としては、これに限られるものではなく、例えば、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂およびゴム材などを用いることができる。
【００２９】
リード端子１２は、封止部材９で覆われたパワーモジュール１００の内部と外部とを電気的に接続するための端子部材である。リード端子１２は、ボンディングワイヤ１０を介して半導体素子１のおもて面電極と接続されている。リード端子１２の材料としては、アルミニウム、銅、銀、金あるいはこれらの合金、複合素材など、電気の良導体で、ボンディングワイヤ１０をボンディング（接合）できる材質であれば、これらに限られるものではない。
【００３０】
ボンディングワイヤ１０は、半導体素子１のおもて面に形成された電極とリード端子１２とを電気的に接続する。ボンディングワイヤ１０は、半導体素子１のおもて面側と接合している。また、ボンディングワイヤ１０は、絶縁基板１１の上面側の回路層間を接続する配線としても用いることができる。図２において、ボンディングワイヤ１０の数は、制御信号電極１４に各１本、主電極１３に３本形成しているが、これに限らず、パワーモジュール１００の回路構成上の必要に応じて、多数のボンディングワイヤ１０あるいは異なる太さのボンディングワイヤ１０を用いて配線してもよい。ボンディングワイヤ１０の材質としては、アルミニウム、銅、銀、金あるいはこれら合金、複合素材など、電気の良導体で、主電極１３、制御信号電極１４およびリード端子１２に対して、ボンディング（接合）できる材質であれば、これらに限定されるものではない。
【００３１】
図３は、実施の形態１におけるパワーモジュールの半導体素子接合部を拡大した断面構造模式図である。図４は、実施の形態１におけるパワーモジュールの他の半導体素子接合部を拡大した断面構造模式図である。図５は、実施の形態１におけるパワーモジュールの半導体素子接合部を拡大した平面構造模式図である。
【００３２】
図３において、焼結性接合部材２は、平坦部２３と、側面部２４と、を有している。焼結性接合部材２の外周は、半導体素子１の裏面側の外周よりも大きく、半導体素子１の裏面の外周よりも外側へ平坦部２３が突出している。また、焼結性接合部材２の側面部２４では、焼結性接合部材２の外側から内側に向かって焼結性接合部材２の上面と焼結性接合部材２の下面との距離が離れている形状である。焼結性接合部材２は、焼結処理されることで、焼結性接合部材２が収縮し、焼結性接合部材２の側面部２４においては、焼結性接合部材２の上面と下面との間が傾斜しており、点線Ｃで示した直線と焼結性接合部材２の下面（第一回路層３の上面）との間には、傾斜（テーパ）角度２０を有している。焼結性接合部材２の側面部２４の傾斜の形状としては、直線でもよく曲率を持った形状でもよい。なお、焼結性接合部材２の傾斜角２０の角度によっては、半導体素子１の外周端部において、明確に平坦部２３が形成されずに、側面部２４が半導体素子１の上面と下面とを結ぶ形状となる場合もある。
【００３３】
特に、焼結性接合部材２の側面部２４においては、製造工程において、半導体素子１と接合していない焼結性接合部材２の上面側は、第一回路層３と接合する下面側と比べて、焼結性接合部材２は収縮しやすいためにテーパ角２０が形成される。焼結性接合部材２の側面部（端面）２４のテーパ角２０は、４５度以上９０度未満であり、少なくとも、焼結性接合部材２の外周の角部は、丸みを帯びた形状をしている。テーパ角２０が４５度以下となると、焼結性接合部材２の上面と下面での収縮の差が大きくなり、焼結性接合部材２の下面と第一回路層３の上面との接合部での焼結性接合部材２の剥離の要因となる可能性がある。このため、テーパ角２０の角度としては、４５度以上である方が接合部での信頼性確保の観点からよい。さらに、焼結性接合部材２の平坦部２３の幅（長さ）は、１ｍｍから２ｍｍ程度の範囲であり、適用するパワーモジュールの定格（電圧）に応じて適宜選択可能である。
【００３４】
図４において、焼結性接合部材２は、焼結性接合部材２の上面に窪み（凹部）１８を有している。基本的な構成は、図３と同じであるが、図４においては、焼結性接合部材２の半導体素子１の裏面側が接する領域に窪み１８が形成されている。半導体素子１の裏面は、焼結性接合部材２と窪み１８部分で接合している。半導体素子１の裏面電極は、焼結性接合部材２の上面の窪み１８の下面および側面と接合している。焼結性接合部材２の上面の窪み１８は、焼結性接合部材２の上面に半導体素子１を配置後、加圧処理することで、半導体素子１が焼結性接合部材２の上面に押さえつけられて形成される。
【００３５】
図５は、図３，４に示した構造の平面（上面）構造模式図を示している。図５は、上面視（平面視）であるため、図４で示した窪み１８は、半導体素子１の周縁部と重なっている。図５において、半導体素子１の周縁部よりも外側には、焼結性接合部材２の平坦部２３と平坦部２３から続く焼結性接合部材２の側面部２４とが配置されている。
【００３６】
図３、図４および図５に示した焼結性接合部材２は、通常、接合部材として用いられるはんだと同様に、無加圧でも接合でき、また、５ＭＰａ以下の加圧力でも接合できる。焼結性接合部材２は、この加圧力の大きさに応じて、図４に示したように焼結性接合部材２の上面に窪み１８が形成されるか、図３に示したように上面が平らな形状となるかが決定される。焼結性接合部材２の厚みは、焼結後の厚みとして４０μｍ程度である。なお、図３，４，５では、簡略化のため、図１で示した焼結性接合部材２を構成する金属粒子および空隙は記載していない。
【００３７】
図６は、実施の形態１における他のパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図において、パワーモジュール２００は、半導体素子１と、焼結性接合部材２と、絶縁基板３１と、ベース板８と、封止部材９と、ボンディングワイヤ１０、リード端子１２と、接合層である絶縁基板下接合部材２１と、を備えている。
【００３８】
図１および図２に示したパワーモジュール１００では、絶縁基板１１としては、第一回路層３、第二回路層４、第一金属層７、第二金属層６および絶縁層５（セラミックス基板）で構成されているが、図６に示すパワーモジュール２００では、第二回路層４および第二金属層６を設けずに、回路層である第一回路層３と金属層である第一金属層７とを絶縁層５に直接接合した構成としている。
【００３９】
また、パワーモジュール２００においては、絶縁基板３１とベース板８とは、絶縁基板下接合部材２１を用いて接合している。絶縁基板下接合部材２１としては、鉛（Ｐｂ）フリーはんだや鉛含有はんだなどを用いて接合することができる。また、焼結性接合部材２と同じように、絶縁基板下接合部材２１の原材料としては、銀（Ａｇ）ナノ粒子ペーストまたは銅（Ｃｕ）ナノ粒子ペースト、あるいは、これらの粒子にマイクロサイズの粒子を含んだ焼結ペースト材を用いることもできる。さらに、図１に示したように絶縁基板下接合部材２１を用いずに、直接接合法または、活性金属接合法で接合してもよい。なお、本構造の場合においては、第一回路層が回路層である。
【００４０】
このような構成で作製されたパワーモジュール１００，２００の各部材の弾性率は、半導体素子１、ベース板８と絶縁基板１１とを接合した構造体（基板）、ボンディングワイヤ１０、焼結性接合部材２の順で大きくなる関係にある。
【００４１】
このように、焼結性接合部材２は、半導体素子１の裏面側の外周よりも大きく、半導体素子１の裏面側の外周から外側へ突出する平坦部２３を設けたので、半導体素子１で発生した熱を焼結性接合部材２の平坦部２３用いて拡散することができる。その結果、半導体素子１からの放熱性の向上が可能となり、パワーモジュール１００，２００の信頼性を向上することができる。
【００４２】
また、半導体素子１と絶縁基板１１とを半導体素子１の裏面側の外周の大きさよりも大きな外周（サイズ）の焼結性接合部材２を用いて接合している。この結果、半導体素子１の端部と焼結性接合部材２の端部とを離して配置しできるので、焼結性接合部材２の端部に応力集中せず、焼結性接合部材２の端部から焼結性接合部材２の内部へのクラックの侵入が抑制される。
【００４３】
さらに、半導体素子１は、他の部材間の接合に比べて、非常に柔らかい焼結性接合部材２を用いて絶縁基板１１と接合したので、固い絶縁基板１１とベース板８とを接合した構造体（基板）に、柔らかい焼結性接合部材２で接合された半導体素子１にダメージを与えず、ボンディングワイヤ１０の接合部における接合の寿命を延ばすことができる。
【００４４】
また、焼結性接合部材２は、焼結性接合部材２の表面にも空隙が形成されており、この空隙によって、アンカー効果が発生し、焼結性接合部材２の表面と封止部材９との密着性が向上することで、封止部材９の剥離を抑制することができる。
【００４５】
次に、上述のように構成された本実施の形態１のパワーモジュール１００の製造方法について説明する。
【００４６】
はじめに、パワーモジュール１００の底面部となるベース板８を準備する（ベース板準備工程）。
【００４７】
次に、絶縁層５の上面に第一回路層３および第二回路層４、下面に第一金属層７および第二金属層６が設けられた絶縁基板１１を準備する（絶縁基板準備工程）。第一回路層３および第二回路層４、第一金属層７および第二金属層６と絶縁層５との接合は、ロウ付けなどにより行う。
【００４８】
次に、絶縁基板１１の上面側の第一回路層３の上面に、半導体素子１を焼結性接合部材２を用いて接合する（半導体素子接合工程）。焼結性接合部材２は、印刷法やディスペンサー等により第一回路層３の上面に塗布され、使用している粒子径により異なるが、従来のＳｎ系はんだ材と同等レベルの加熱温度での焼結処理により形成される。焼結性接合部材２は、半導体素子１よりも大きなサイズで塗布され、半導体素子１を焼結性接合部材２の上面に搭載後、半導体素子１と第一回路層３とを接合する。焼結性接合部材２は、第一回路層３の上面に塗布され、塗付後、焼結処理により４０μｍ程度の厚みとなる。半導体素子１を絶縁基板１１の上面側の第一回路層３の上面に接合した後、ベース板８の上面と絶縁層５の下面側の第一金属層７の下面とを直接接合法または、活性金属接合法を用いて接合する（絶縁基板接合工程）ことで、ベース板８と絶縁基板１１とが接合される。
【００４９】
半導体素子１を絶縁基板１１の上面側の第一回路層３の上面に配置後、半導体素子１の表面電極である主電極１３および制御信号電極１４と端子部材であるリード端子１２とを配線部材であるボンディングワイヤ１０を用いて電気的に接続する（配線部材形成工程）。
【００５０】
ボンディングワイヤ１０を用いて配線を形成した後、半導体素子１、絶縁基板１１およびボンディングワイヤ１０を封止部材９を用いて封止する。このとき、リード端子１２は、一端側を封止部材９内部に配置し、他端側を封止部材９の側面から露出して封止部材９で封止される（封止工程）。
【００５１】
以上の主要な製造工程を経ることで、図１に示すパワーモジュール１００が製造できる。なお、パワーモジュール２００においても、絶縁基板１１の構成を絶縁基板３１の構成となるように、回路層および金属層を形成することで製造できる。
【００５２】
以上のように構成されたパワーモジュール１００，２００においては、焼結性接合部材２の外周は、半導体素子１の裏面側の外周よりも大きく、半導体素子１の裏面側の外周から外側へ突出する平坦部２３を設けたので、半導体素子１で発生した熱を焼結性接合部材２の平坦部２３まで広げて拡散することができる。その結果、半導体素子１からの放熱性の向上が可能となり、パワーモジュール１００，２００の信頼性を向上することができる。
【００５３】
また、半導体素子１と絶縁基板１１とは、半導体素子１の裏面側の外周よりも大きな外周（サイズ）の焼結性接合部材２を用いて接合されている。この結果、半導体素子１の端部と焼結性接合部材２の端部とを離して配置しできるので、焼結性接合部材２の端部に応力集中せず、焼結性接合部材２の端部から焼結性接合部材２の内部へのクラックの侵入が抑制される。
【００５４】
さらに、半導体素子１は、他の部材間の接合に比べて、非常に柔らかい焼結性接合部材２を用いて絶縁基板１１と接合したので、固い絶縁基板１１とベース板８とを接合した構造体（基板）に、柔らかい焼結性接合部材２で接合された半導体素子１にダメージを与えず、ボンディングワイヤ１０の接合部における接合の寿命を延ばすことができる。
【００５５】
また、焼結性接合部材２は、焼結性接合部材２の表面にも空隙が形成されており、この空隙によって、アンカー効果が発生し、焼結性接合部材２の表面と封止部材９との密着性が向上することで、封止部材９の剥離を抑制することができる。
【００５６】
実施の形態２．
本実施の形態２においては、実施の形態１で用いた焼結性接合部材２の上面に複数の半導体素子１を設けたことが異なる。このように、複数の半導体素子１を複数の半導体素子１の配置領域よりも大きく、半導体素子１の配置領域から外側へ突出した平坦部２３を有する焼結性接合部材２の同一上面に配置したので、半導体素子１で発生した熱を焼結性接合部材２の平坦部２３まで拡げて拡散することができる。その結果、半導体素子１からの放熱性の向上が可能となり、パワーモジュール３００の信頼性を向上することができる。なお、その他の点については、実施の形態１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００５７】
図７は、実施の形態２におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図８は、実施の形態２におけるパワーモジュールを示す平面構造模式図である。図７は、図８の一点鎖線ＢＢにおける断面構造模式図である。図２８、封止部材９を透過して、パワーモジュール３００を上面から見た平面構造模式図である。
【００５８】
図において、パワーモジュール３００は、複数の半導体素子１と、焼結性接合部材２と、絶縁基板１１と、ベース板８と、封止部材９と、ボンディングワイヤ１０、リード端子１２と、を備えている。
【００５９】
実施の形態１においては、半導体素子１が１個の場合、あるいは複数個の場合であっても、焼結性接合部材２は、各半導体素子１にそれぞれ個別に設ける構成としていたが、本実施の形態２においては、複数の半導体素子１を複数の半導体素子１の接合領域よりも大きな領域で一体となった１つの焼結性接合部材２を用いて、絶縁基板１１の第一回路層３の上面に接合されている。複数の半導体素子１の間には、焼結性接合部材２の上面が露出しており、封止部材９は、複数の半導体素子１の間においても、空隙が形成された焼結性接合部材２の上面と直接接することができるので、封止部材９との密着性が向上し、封止部材９の剥離抑制ができる。
【００６０】
図７、図８に示すように、複数の半導体素子１を第一回路層３の上面に焼結性接合部材２を介して配置する場合、半導体素子１の裏面側の外周から突出した平坦部２３の幅（長さ）は、１ｍｍから２ｍｍ程度であり、適用するパワーモジュールの定格に応じて適宜選択可能である。また、複数の半導体素子１の間隔としては、焼結性接合部材２の平坦部２３と同じ寸法が必要となる。例えば、図８に示すように、上面視（平面視）において、焼結性接合部材２の上面上に、２０ｍｍ角の半導体素子１を縦に２個、横に４個の計８個配置する場合には、焼結性接合部材２の大きさとしては、縦４６ｍｍ、横９０ｍｍ程度の領域となる。これにより、各半導体素子１間の絶縁性を確保して、複数の半導体素子１を配置することができる。
【００６１】
このように、複数の半導体素子１を用いた場合においても、焼結性接合部材２は、複数の半導体素子１の接合領域よりも大きな領域の上面を有して設けたので、複数の半導体素子１で発生する熱を拡げて放熱することができ、パワーモジュール３００の放熱性を向上させることが可能となり、パワーモジュール３００の信頼性を向上させることができる。
【００６２】
また、複数の半導体素子１を１つの焼結性接合部材２で接合したので、半導体素子１の端部と焼結性接合部材２の端部とを異なる位置に配置でき、半導体素子１の端部にあたる焼結性接合部材２への応力集中が低減され、焼結性接合部材２へのクラックの発生が抑制される。
【００６３】
以上のように構成されたパワーモジュール３００においては、焼結性接合部材２は、複数の半導体素子１の接合領域の外周よりも大きく、半導体素子１の裏面側の外周から外側へ突出する平坦部２３を設けたので、半導体素子１で発生した熱を焼結性接合部材２の平坦部２３まで広げて拡散することができる。その結果、半導体素子１からの放熱性の向上が可能となり、パワーモジュール３００の信頼性を向上することができる。
【００６４】
また、複数の半導体素子１と絶縁基板１１とは、複数の半導体素子１の接合領域よりも大きな外周（サイズ）の焼結性接合部材２を用いて接合されている。この結果、半導体素子１の端部と焼結性接合部材２の端部とを離して配置しできるので、焼結性接合部材２の端部に応力集中せず、焼結性接合部材２の端部から焼結性接合部材２の内部へのクラックの侵入が抑制される。
【００６５】
さらに、複数の半導体素子１は、他の部材間の接合に比べて、非常に柔らかい焼結性接合部材２を用いて絶縁基板１１と接合したので、固い絶縁基板１１とベース板８とを接合した構造体（基板）に、柔らかい焼結性接合部材２で接合された複数の半導体素子１にダメージを与えず、ボンディングワイヤ１０の接合部における接合の寿命を延ばすことができる。
【００６６】
また、焼結性接合部材２は、焼結性接合部材２の表面にも空隙が形成されており、この空隙によって、アンカー効果が発生し、焼結性接合部材２の表面と封止部材９との密着性が向上することで、封止部材９の剥離を抑制することができる。
【００６７】
実施の形態３．
本実施の形態３においては、実施の形態１，２で用いたボンディングワイヤ１０とリード端子１２との替わりに主端子接合層１６と板状金属部材である主端子１５とを設けたことが異なる。このように、半導体素子１の上面に形成した電極と外部との接続構造を主端子接合層１６と主端子１５との構成とした場合においても、複数の半導体素子１を複数の半導体素子１の配置領域よりも大きく、半導体素子１の配置領域から突出した平坦部２３を有する焼結性接合部材２の上面に配置したので、半導体素子１で発生した熱を焼結性接合部材２の平坦部２３まで拡げて拡散することができる。その結果、半導体素子１からの放熱性の向上が可能となり、パワーモジュール４００の信頼性を向上することができる。なお、その他の点については、実施の形態１，２と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００６８】
図９は、実施の形態３におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。
【００６９】
図において、パワーモジュール４００は、複数の半導体素子１と、焼結性接合部材２と、絶縁基板１１と、ベース板８と、封止部材９と、板状金属部材である主端子１５、主端子接合層１６と、を備えている。
【００７０】
図９において、本実施の形態３では、半導体素子１の電極と外部との接続方式は、ボンディングワイヤ１０とリード端子１２とを用いる方式から、半導体素子１の（主）電極上の形成した主端子接合層１６と主端子１５とを用いるＤＬＢ構造（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｌｅａｄ  Ｂｏｎｄｉｎｇ：ダイレクトリードボンド方式）と呼ばれる方式に変更している。図９に示したように、主端子１５は、主端子接合層１６を介して図示していない半導体素子１の主電極と接合している。主端子１５は、封止部材９の外部に配置され、主端子接合層１６と接合する部分には、主端子１５の突起部２５が形成されている。突起部２５の形状としては、主端子１５の下面側から半導体素子１の上面の電極へ向かって伸びる形状でもよく、主端子１５の側面側から半導体素子１の上面の電極へ向かって伸びる形状でもよい。
【００７１】
主端子１５の材料としては、電気伝導性が良い材料であれば良く、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などを主成分とした合金あるいは線膨張係数を半導体素子１に近づけるための複合素材などを用いることができる。ただし、主端子１５に用いられる材料は、これらに限定されるものではない。図９においては、図示していないが、制御信号端子は、主端子１５と比較して電流がほとんど流れないので、ＤＬＢ構造を用いてもよいが、ボンディングワイヤ１０とした構造を用いてもよい。また、半導体素子１としては、制御信号端子がない場合もある。
【００７２】
主端子接合層１６の原材料としては、例えば、Ａｇナノ粒子ペーストまたはＣｕナノ粒子ペースト、あるいはこれらの粒子にマイクロサイズの粒子を含んだ焼結ペースト材を用いて接合することできる。また、鉛（Ｐｂ）および錫（Ｓｎ）を含有する高温用はんだあるいは、鉛フリーはんだなども用いることもできる。さらに、主端子接合層１６の材料として、Ａｇ粒子やＣｕ粒子およびエポキシ樹脂を含む導電性接着材を用いることもできる。ただし、主端子接合層１６に用いられる材料としては、これらに限定されるものではない。
【００７３】
なお、主端子１５が、突起部２５を有しておらず、封止部材９の内部で、主端子接合層１６と接合する形態の構成の場合であっても同様に用いることができる。また、主端子１５は、突起部２５を含めて封止部材９で封止されて、封止部材９の内部に配置されてもよく、この場合には、主端子１５の突起部２５が形成された端部側は、封止部材９内部に配置される。突起部２５が形成された主端子１５の反対側の端部は、封止部材９の側面から封止部材９の外部へ露出（突出）して配置される。
【００７４】
このように、複数の半導体素子１は、複数の半導体素子１の配置領域よりも大きく、複数の半導体素子１の配置領域から突出した平坦部２３を有する焼結性接合部材２の上面に配置されたので、それぞれの半導体素子１の配置位置によらず、焼結性接合部材２の厚みが同一であり、複数の半導体素子１の上面の高さをそろえることができるため、半導体素子１の主電極１３への接合をＤＬＢ構造とした主端子１５としても、容易に複数の半導体素子１を同時に接続することが可能となる。
【００７５】
図１０は、実施の形態３における他のパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図において、パワーモジュール５００は、複数の半導体素子１と、焼結性接合部材２と、絶縁基板１１と、ベース板８と、封止部材９と、板状金属部材である主端子１５、主端子接合層１６と、応力緩衝層２２と、第一回路層３の上面に形成された窪み（凹部）１７と、を備えている。
【００７６】
図１０において、外部との接続構造としては、図９と同様にＤＬＢ構造を用いている。しかしながら、半導体素子１の電極と外部との接続方法としては、ボンディングワイヤを用いて接続しても構わない。焼結性接合部材２の外周の端部に対応する箇所の第一回路層３の上面の部分には、第一回路層の凹部１７が形成されている。第一回路層３の凹部１７の内部には、焼結性接合部材２が配置され、充填されている。このため、第一回路層３の凹部１７の内部の焼結性接合部材２も考慮することで、実効的に焼結性接合部材２の端部に該当する箇所の焼結性接合部材２の厚みを厚くすることができる。
【００７７】
また、図１０では、半導体素子１と主端子１５との線膨張係数を合わせるために、半導体素子１と主端子１５の間に応力緩衝層２２を挟んで、応力緩衝層２２の上下に主端子接合層１６を配置して、半導体素子１と主端子１５とを接合している。しかしながら、半導体素子１と主端子１５との線膨張係数に大きな差異がない場合には、図９と同様に応力緩衝層２２をなくし、半導体素子１と主端子１５とを主端子接合層１６で接合してもよい。
【００７８】
このように、焼結性接合部材２の端部に対応する箇所の第一回路層３の上面に凹部１７を設けたので、焼結性接合部材２の端部での厚みが増し、焼結性接合部材２の端部における応力を緩和することができ、焼結性接合部材２の剥離やクラックの発生を抑えることが可能となる。
【００７９】
図１１は、実施の形態３における他のパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図において、パワーモジュール６００は、複数の半導体素子１と、焼結性接合部材２と、絶縁基板１１と、ベース板８と、封止部材９と、板状金属部材である主端子１５、主端子接合層１６と、第一回路層３の端部の側面に形成された焼結性接合部材２の突出部２６と、を備えている。
【００８０】
図１１においては、図９で示した焼結性接合部材２が、第一回路層３の側面にも形成することで、第一回路層３上面および側面を覆っている点が異なっている。焼結性接合部材２の突出部２６は、第一回路層３の側面および第二回路層４の上面に接して配置される。ここでは、複数の半導体素子１が接合した状態を示しているが、半導体素子１が１個の場合、また、第二回路層、第二金属層がない場合でも、同様の構成が可能である。第二回路層４がない場合には、焼結性接合部材２の突出部２６は絶縁層５の上面に接して配置される。さらに、焼結性接合部材２は、第一回路層３の側面にも形成されるため、第一回路層３の幅（外周）は第一金属層７の幅（外周）よりも小さく設定される。
【００８１】
このように、焼結性接合部材２は、第一回路層３の上面および側面を含む露出した全体を覆うので、封止部材９との接触する面の表面にも空隙が形成された状態となる。このため、第一回路層３の表面を粗化（荒）して凹凸を形成しなくても、焼結性接合部材２の表面の空隙によりアンカー効果が得られ、焼結性接合部材２と封止部材９との密着性を向上させることができる。
【００８２】
以上のように構成されたパワーモジュール４００，５００，６００においては、焼結性接合部材２は、複数の半導体素子１の接合領域の外周よりも大きく、半導体素子１の裏面側の外周から外側へ突出する平坦部２３を設けたので、半導体素子１で発生した熱を焼結性接合部材２の平坦部２３まで広げて拡散することができる。その結果、半導体素子１からの放熱性の向上が可能となり、パワーモジュール４００，５００，６００の信頼性を向上することができる。
【００８３】
また、複数の半導体素子１と絶縁基板１１とは、複数の半導体素子１の接合領域よりも大きな外周（サイズ）の焼結性接合部材２を用いて接合されている。この結果、半導体素子１の端部と焼結性接合部材２の端部とを離して配置しできるので、焼結性接合部材２の端部に応力集中せず、焼結性接合部材２の端部から焼結性接合部材２の内部へのクラックの侵入が抑制される。
【００８４】
さらに、複数の半導体素子１は、他の部材間の接合に比べて、非常に柔らかい焼結性接合部材２を用いて絶縁基板１１と接合したので、固い絶縁基板１１とベース板８とを接合した構造体（基板）に、柔らかい焼結性接合部材２で接合された複数の半導体素子１にダメージを与えず、ボンディングワイヤ１０の接合部における接合の寿命を延ばすことができる。
【００８５】
また、焼結性接合部材２は、焼結性接合部材２の表面にも空隙が形成されており、この空隙によって、アンカー効果が発生し、焼結性接合部材２の表面と封止部材９との密着性が向上することで、封止部材９の剥離を抑制することができる。
【００８６】
さらに、焼結性接合部材２には、焼結性接合部材２の端部に対応する箇所の第一回路層３の上面に凹部１７を設けたので、焼結性接合部材２の端部の厚みが増し、焼結性接合部材２の端部における応力を緩和することができ、焼結性接合部材２の剥離やクラックの発生を抑えることが可能となる。
【００８７】
また、焼結性接合部材２は、焼結性接合部材２の突出部２６を有しており、第一回路層３の上面および側面を含む露出した全体を覆うので、封止部材９との接触する面の表面にも空隙が形成された状態となる。このため、第一回路層３の表面を粗して凹凸を形成しなくても、アンカー効果により封止部材９との密着性を向上さえることができる。
【００８８】
実施の形態４．
本実施の形態４は、上述した実施の形態１から３のいずれかに係るパワーモジュールを電力変換装置に適用したものである。本開示は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態４として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。
【００８９】
図１２は、実施の形態４における電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【００９０】
図１２に示す電力変換システムは、電源１０００、電力変換装置２０００、負荷３０００を備えている。電源１０００は、直流電源であり、電力変換装置２０００に直流電力を供給する。電源１０００は種々のもので構成することができ、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路、ＡＣ／ＤＣコンバータなどで構成することとしてもよい。また、電源１０００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
【００９１】
電力変換装置２０００は、電源１０００と負荷３０００との間に接続された三相のインバータであり、電源１０００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３０００に交流電力を供給する。電力変換装置２０００は、図１２に示すように、電源１０００から入力される直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２００１と、主変換回路２００１を制御する制御信号を主変換回路２００１に出力する制御回路２００３とを備えている。
【００９２】
負荷３０００は、電力変換装置２０００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３０００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、空調機器向けの電動機等として用いられる。
【００９３】
以下、電力変換装置２０００の詳細を説明する。主変換回路２００１は、パワーモジュール２００２に内蔵されたスイッチング素子と還流ダイオードとを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１０００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３０００に供給する。主変換回路２００１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２００１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列に接続された６つの還流ダイオードとから構成することができる。主変換回路２００１は、各スイッチング素子、各還流ダイオードなどを内蔵する上述した実施の形態１から３のいずれかに相当するパワーモジュール２００２によって構成される。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２００１の３つの出力端子は、負荷３０００に接続される。
【００９４】
また、主変換回路２００１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えている。駆動回路はパワーモジュール２００２に内蔵されていてもよいし、パワーモジュール２００２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２００１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２００１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２００３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
【００９５】
制御回路２００３は、負荷３０００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２００１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３０００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２００１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２００１を制御することができる。また、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を出力し、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号を出力されるように、主変換回路２００１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
【００９６】
以上のように構成された本実施の形態４に係る電力変換装置においては、主変換回路２００１のパワーモジュール２００２として実施の形態１から３にかかるパワーモジュールを適用するため、信頼性向上を実現することができる。
【００９７】
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本開示を適用する例を説明したが、本開示は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベル、マルチレベルの電力変換装置であってもよいし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本開示を適用してもよい。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣコンバータなどに本開示を適用することもできる。
【００９８】
また、本開示を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器、非接触給電システムの電源装置等として用いることもでき、さらには、太陽光発電システム、蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることもできる。
【００９９】
特に、半導体素子１として、ＳｉＣを用いた場合、半導体素子１はその特徴を生かすために、Ｓｉの時と比較してより高温で動作させることになる。ＳｉＣデバイスを搭載するパワーモジュールにおいては、より高い信頼性が求められるため、高信頼のパワーモジュールを実現するという本開示のメリットはより効果的なものとなる。
【０１００】
上述した実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと解されるべきである。本開示の範囲は、上述した実施形態の範囲ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１０１】
１  半導体素子、２  焼結性接合部材、３  第一回路層、４  第二回路層、５  絶縁層（セラミックス基板）、６  第二金属層、７  第一金属層、８  ベース板、９  封止部材、１０  ボンディングワイヤ、１１，３１  絶縁基板、１２  リード端子、１３  主電極、１４  制御信号電極、１５  主端子、１６  主端子接合層、１７  第一回路層の凹部、１８  焼結性接合部材の凹部、２０  傾斜（テーパ）角、２１  絶縁基板下接合部材、２２  応力緩衝層、  ２３  焼結性接合部材の平坦部、２４  焼結性接合部材の側面部、２５  主端子の突出部、２６  焼結性接合部材の突出部、１００，２００，３００，４００，５００，６００，２００２  パワーモジュール、１０００  電源、２０００  電力変換装置、２００１  主変換回路、２００３  制御回路、３０００  負荷。
【要約】
半導体素子からベース板までの熱抵抗を低減し、接合部の応力緩和を実現したパワーモジュールを得る。半導体素子（１）と、絶縁層（５）を有し、絶縁層（５）の上面に回路層（３，７）および下面に金属層（４，６）が設けられた絶縁基板（１１）と、半導体素子（１）の裏面と絶縁層（５）の上面側の回路層（３）の上面とを接合し、半導体素子（１）の裏面側の外周よりも大きい上面を有する焼結性接合部材（２）と、を備えたパワーモジュールである。【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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【図１１】
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【図１２】
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