(57)【要約】発電モータ（オルタネータ）に半導体装置を内蔵し、力行機能を付加する場合のように、エンジン近傍の高温環境に半導体装置が位置する場合において、高温環境に対する長期信頼性を向上できる半導体装置を提供することができる。半導体装置は、主電流の入出に上下２面の電極を用いるパワー半導体素子（１３ａ）と、パワー半導体素子（１２ａ）の下面電極を支持する絶縁基板（９）とを有する。線膨張率が８から１２ｐｐｍ／℃の範囲の導体板（１５ａ）を用い、パワー半導体素子（１３ａ）の上面電極と導体板（５ａ）を半田或いけ、金または銀のいずれかの材料を用いて接合した。【特許請求の範囲】
【請求項１】
主電流の入出に上下２面の電極を用いるパワー半導体素子と、
このパワー半導体素子の下面電極を支持する絶縁基板とを有する半導体装置であって、
線膨張率が８から１２ｐｐｍ／℃の範囲の導体板を用い、前記パワー半導体素子の上面電極と前記導体板を半田或いは、金または銀のいずれかの材料を用いて接合したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
主電流の入出に上下２面の電極を用いるパワー半導体素子と、
このパワー半導体素子の下面電極を支持する絶縁基板を有する半導体装置であって、
それぞれの厚さが１：（１〜２）：１の銅板、鉄ニッケル合金板、銅板からなる積層導体板を用い、前記パワー半導体の上面電極と前記積層導体板を半田或いは、金または銀のいずれかの材料を用いて接合したことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
主電流の入出に上下２面の電極を用いるパワー半導体素子を上アーム及び下アームに有するパワーモジュール部と、前記パワー半導体素子の駆動を制御する制御部とを備えた電力変換装置であって、
線膨張率が８から１２ｐｐｍ／℃の範囲の導体板を用い、前記パワー半導体素子の上面電極と前記導体板を半田或いは、金または銀のいずれかの材料を用いて接合したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
主電流の入出に上下２面の電極を用いるパワー半導体素子と、
このパワー半導体素子の下面電極を支持する絶縁基板を有する半導体装置であって、
それぞれの厚さが１：（１〜２）：１の銅板、鉄ニッケル合金板、銅板からなる積層導体板を用い、前記パワー半導体の上面電極と前記積層導体板を半田或いは、金または銀のいずれかの材料を用いて接合した半導体装置を内蔵していることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
固定子と、回転子とからなるモータであって、
主電流の入出に上下２面の電極を用いるパワー半導体素子を上アーム及び下アームに有し、バッテリーからの電力を変換して、前記モータに電力を供給する電力変換装置を備え、
線膨張率が８から１２ｐｐｍ／℃の範囲の導体板を用い、前記パワー半導体素子の上面電極と前記導体板を半田或いは、金または銀のいずれかの材料を用いて接合した半導体装置のパワー半導体素子と放熱板を電気接続し、前記放熱板をブラケットに電気的かつ機械的に固定したことを特徴とするモータ。
【請求項６】
請求項５記載のモータにおいて、前記半導体装置は、ブラケットの内面に装着されることを特徴とするモータ。
【請求項７】
固定子と、回転子とからなるモータであって、
主電流の入出に上下２面の電極を用いるパワー半導体素子を上アーム及び下アームに有し、バッテリーからの電力を変換して、前記モータに電力を供給する電力変換装置を備え、
それぞれの厚さが１：（１〜２）：１の銅板、鉄ニッケル合金板、銅板からなる積層導体板を用い、前記パワー半導体素子の上面電極と積層導体板を半田或いは、金または銀のいずれかの材料を用いて接合したパワー半導体素子と放熱板を電気接続し、前記放熱板をブラケットに電気的かつ機械的に固定したことを特徴とするモータ。
【請求項８】
請求項７記載のモータにおいて、前記パワー半導体素子は、ブラケットの内面に装着されることを特徴とするモータ。
【請求項９】
エンジンと、モータにより車輪が駆動されるハイブリット自動車であって、
主電流の入出に上下２面の電極を用いるパワー半導体素子を上アーム及び下アームに有し、バッテリーからの電力を変換して、前記モータに電力を供給する電力変換装置を備え、
線膨張率が８から１２ｐｐｍ／℃の範囲の導体板を用い、前記パワー半導体素子の上面電極と前記導体板を半田或いは、金または銀のいずれかの材料を用いて接合した半導体装置のパワー半導体素子と放熱板を電気接続し、
前記モータは、前記放熱板がブラケットに電気的かつ機械的に固定されて、エンジンルームに搭載されていることを特徴とするハイブリット自動車。
【請求項１０】
エンジンと、モータにより車輪が駆動されるハイブリット自動車であって、
主電流の入出に上下２面の電極を用いるパワー半導体素子を上アーム及び下アームに有し、バッテリーからの電力を変換して、前記モータに電力を供給する電力変換装置を備え、
それぞれの厚さが１：（１〜２）：１の銅板、鉄ニッケル合金板、銅板からなる積層導体板を用い、前記パワー半導体の上面電極と前記積層導体板を半田或いは、金または銀のいずれかの材料を用いて接合した半導体装置のパワー半導体素子と放熱板を電気接続し、
前記モータは、前記放熱板がブラケットに電気的かつ機械的に固定されて、エンジンルームに搭載されていることを特徴とするハイブリット自動車。
【請求項１１】
固定子と、回転子とからなるモータと、
主電流の入出に上下２面の電極を用いるパワー半導体素子を上アーム及び下アームに有し、バッテリーからの電力を変換して、前記モータに電力を供給する電力変換装置を有するモータ駆動システムであって、
線膨張率が８から１２ｐｐｍ／℃の範囲の導体板を用い、前記パワー半導体素子の上面電極と前記導体板を半田或いは、金または銀のいずれかの材料を用いて接合した半導体装置のパワー半導体素子と放熱板を電気接続し、
前記モータは、前記放熱板がブラケットに電気的かつ機械的に固定されて、エンジンルームに搭載されていることを特徴とするモータ駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、半導体装置、それを用いた電力変換装置，それを用いたモータ，それを用いたハイブリッド自動車及びそれを用いたモータ駆動システムに係り、特に、エンジンルーム等の高温環境下でも充分に性能を発揮できる半導体装置、それを用いた電力変換装置，それを用いたモータ，それを用いたハイブリッド自動車及びそれを用いたモータ駆動システムに関する。
【背景技術】  ハイブリッド電気自動車のように走行駆動力をエンジンと電気モータから取り出し、動力を併用して用いる自動車では、電気モータへ交流電力を供給する電力変換器が必要であることは広く知られている。
そして、この種電力変換器のパワー半導体モジュールの半導体チップとＡＩワイヤボンドとの熱膨張差により生ずるパワー半導体チップとワイヤボンドとの接合面の剥離を防止するため、例えば、特開２０００−１８３２４９号公報に記載のように、低熱膨張材を貼り付けたブスバー配線をパワー半導体素子の上面電極に導電性樹脂を用いて接合することが知られている。
【発明の開示】
ところで、燃費向上を目的に、信号待ち等の停車状態でエンジンを止め、発車時にエンジンを再始動させるモータを内蔵したアイドルストップ車（例えば、特開２００３−１１３７６３号公報）の普及には、低コストで多種多様な車両への実装を容易にするアイドルストップシステムが必要である。
このようなアイドルストップ機能を、低コストでかつ容易に多種多様な車両に持たせる一方法として、殆どの車両に搭載されている発電モータ（オルタネータ）に半導体装置を内蔵し、力行機能を付加する方法が検討されている。このモータに内蔵する半導体装置の課題としては、１）モータに内蔵するための小型化と、２）モータが高発熱体であるエンジンの傍に配置されることから、半導体装置の高温環境に対する長期信頼性の向上の２点である。
長期信頼性に関して、特開２０００−１８３２４９号公報に記載のものでは、エンジン近傍の高温環境を想定していないため、１）パワー半導体素子の温度が導電性樹脂材の硬化温度近傍まで上昇するため、硬化が進み、接合部がストレスに弱くなる。２）環境が高温であるため、発熱を減らしてパワー半導体素子の温度を抑制する必要があるが、導電性樹脂材の電気抵抗値が大きいと言う問題点がある。例えば、導電性樹脂材の体積抵抗率１Ω・ｃｍ（特開２０００−１８３２４９号公報より）に対して、接合材として使用される鉛錫半田の体積抵抗率は約１５μΩ・ｃｍであり、導電性樹脂材の抵抗は鉛錫半田の抵抗の約７万倍と大きい。また、３）低熱膨張材を銅バスバー配線に貼り付けた構造では、その線膨張率の違いから、バスバー配線は低熱膨張材より高温で伸び、低温で縮むことになる。この現象は高温環境において顕著であり、特開２０００−１８３２４９号公報に記載の構造では、バスバー配線が弓形に変形し、パワー半導体素子からブスバー配線を引き剥がす方向の力が、アイドルストップ車の運転、休止のサイクルによって、繰り返し発生することになる。そのため、前記接合部に剥離がより生じ易くなる。４）バスバー配線が弓形に変形するとそれに接続しているパワー半導体素子も弓形に変形する。パワー半導体素子と絶縁基板は、特開２０００−１８３２４９号公報にあるように、はんだ等の塑性変形しやすい材料で接合しているため、パワー半導体素子と絶縁基板の接合部にも３）と同様の引き剥がす方向の力に生じさせることになる。
尚、ここでいうパワー半導体素子において絶縁基板と接続する面電極が正極側であり、もう一方の面が負極側の電極である。また、以下では、パワー半導体素子の電極を、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の電極の呼称に準じ、正極側をドレイン電極、負極側をソース電極と称する。
本発明の目的は、発電モータ（オルタネータ）に半導体装置を内蔵し、力行機能を付加する場合のように、エンジン近傍の高温環境に半導体装置が位置する場合において、高温環境に対する長期信頼性を向上できる半導体装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、高温環境に対する長期信頼性を向上させた半導体装置を内蔵した電力変換装置を提供することにある。
本発明のその他の目的は、高温環境に対する長期信頼性を向上させた半導体装置を内蔵して力行動作を可能とした発電モータを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、高温環境に対する長期信頼性を向上させた半導体装置を内蔵してアイドルストップ動作の可能なハイブリッド自動車を提供することにある。
（１）上記第１の目的を達成するために、本発明は、主電流の入出力に上下２面の電極を設けたパワー半導体素子と、前記一方の下面電極を支持する絶縁基板と、前記他方の上面電極に接合される積層導体板とを備えた半導体装置であって、前記積層導体板は線膨張率を８から１２ｐｐｍ／℃の範囲とし、半田或いは、金或は銀のいずれかのナノ粒子を用いて上面電極に接合したものである。
かかる構成により、高温環境に対する長期信頼性を向上できるものとなる。
（２）上記第１の目的を達成するために、本発明は、主電流の入出力に上下２面の電極を設けたパワー半導体素子と、前記一方の下面電極を支持する絶縁基板と、前記他方の上面電極に接合される積層導体板とを備えた半導体装置であって、前記積層導体板はそれぞれの板厚の比率が１：（１〜２）：１となるように銅板、鉄ニッケル合金板、銅板で構成したものである。
かかる構成により、高温環境に対する長期信頼性を向上できるものとなる。
（３）上記第２の目的を達成するために、本発明は、主電流の入出に上下２面の電極を用いるパワー半導体素子を上アーム及び下アームに有するパワーモジュール部と、前記パワー半導体素子の駆動を制御する制御部とを備えた電力変換装置であって、線膨張率が８から１２ｐｐｍ／℃の範囲の導体板を用い、前記パワー半導体素子の上面電極と前記導体板を半田或いは、金または銀のいずれかの材料を用いて接合したものである。
（４）上記第３の目的を達成するために、本発明は、固定子と、回転子とからなるモータであって、主電流の入出に上下２面の電極を用いるパワー半導体素子を上アーム及び下アームに有し、バッテリーからの電力を変換して、前記モータに電力を供給する電力変換装置を備え、線膨張率が８から１２ｐｐｍ／℃の範囲の導体板を用い、前記パワー半導体素子の上面電極と前記導体板を半田或いは、金または銀のいずれかの材料を用いて接合した半導体装置のパワー半導体素子と放熱板を電気接続し、前記放熱板をブラケットに電気的かつ機械的に固定したものである。
かかる構成により、高温環境に対する長期信頼性を向上させた半導体装置を内蔵してモータを力行動作を可能とする。
（５）上記第４の目的を達成するために、本発明は、エンジンと、モータにより車輪が駆動されるハイブリット自動車であって、主電流の入出に上下２面の電極を用いるパワー半導体素子を上アーム及び下アームに有し、バッテリーからの電力を変換して、前記モータに電力を供給する電力変換装置を備え、それぞれの厚さが１：（１〜２）：１の銅板、鉄ニッケル合金板、銅板からなる積層導体板を用い、前記パワー半導体の上面電極と前記積層導体板を半田或いは、金または銀のいずれかの材料を用いて接合した半導体装置のパワー半導体素子と放熱板を電気接続し、前記モータは、前記放熱板がブラケットに電気的かつ機械的に固定されて、エンジンルームに搭載されているものである。
掛かる構成により、高温環境に対する長期信頼性を向上させた半導体装置を内蔵してアイドルストップ動作の可能なハイブリッド自動車を得ることができる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の一実施形態による半導体装置を内蔵したモータでエンジンを再始動させるアイドルストップ機能を有するハイブリッド自動車の構成を示すブロック図である。
図２は、本発明の一実施形態による半導体装置を内蔵したモータの構成を示すブロック図である。
図３は、本発明の一実施形態による半導体装置を内蔵したモータの構成を示す断面図である。
図４は、本発明の一実施形態による半導体装置を内蔵したモータ半導体装置である電力変換装置の構成を示す斜視図である。
図５は、本発明の一実施形態による半導体装置である電力変換装置の構成を示す断面図である。
図６は、本発明の他の実施形態による半導体装置である電力変換装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、図１〜図５を用いて、本発明の一実施形態による半導体装置の構成について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による半導体装置を内蔵したモータでエンジンを再始動させるアイドルストップ機能を有するハイブリッド自動車の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による半導体装置を内蔵したモータでエンジンを再始動させるアイドルストップ機能を有するハイブリッド自動車の構成を示すブロック図である。
エンジン５３が十分に暖気されている状態で車両が停車すると、制御装置５１はエンジン５３を停止させる。その後、制御装置５１は、運転者がブレーキペダルから足を離す等の発進に移行する動作や、バッテリ電圧低下等の発電が必要な状態を検知すると、半導体装置内蔵モータ６０の駆動力をベルトＢによりエンジン５３に伝達して、エンジン５３を再始動をさせる。この時、半導体装置内蔵モータ６０の電源は、バッテリー等の直流電源３１である。また、本車両において、半導体装置内蔵モータ６０は、走行時のエンジン回転により発電を行い、その電力を直流電源３１に充電する発電モータの機能も兼ね備えている。
エンジンの再始動と発電を効率良く行うためには、エンジン５３とモータ６０の回転軸を直結する場合やベルト駆動の場合のいずれにしても、半導体装置内蔵モータ６０は、従来発電モータ（オルタネータ）が配置されていたエンジン５３の近傍に配置する必要がある。即ち、半導体装置内蔵モータ６０は高温環境に置かれることになるが、半導体装置内蔵モータ６０は後述するように、高温環境に対して信頼性を向上させるた構造を有している。半導体内蔵モータ６０は、半導体装置の放熱板に放熱機能に加え電気配線の機能を持たせる等の機能集約により、寸法・信頼性の点で、エンジン近傍の高温環境に搭載されていた発電モータと置換え可能なものとなっている。そのため、半導体内蔵モータ６０は既設計の車両に対しても適用可能であり、よって、本実施形態により、低コストで容易にアイドルストップシステムを実現できるものである。なお、このように、オルタネータのような発電機に力行動作機能をもたせ、モータとして使用し、エンジン再始動を行う自動車を、一般に、マイルドハイブリッド自動車と称されている。
次に、図２を用いて、本実施形態による半導体装置を内蔵したモータ６０の電気的構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による半導体装置を内蔵したモータの構成を示すブロック図である。
半導体装置内蔵モータ６０は、交流電動機（モータ／ジェネレータ）６１と、モータ制御装置６３とから構成される。交流電動機６１は、ロータの回転位置を検知するための磁極位置検出手段６１ＭＤを備えている。
モータ制御装置３は、電力変換装置６３Ｐと、モータコントローラ６３Ｃと、励磁駆動回路６３ＥＤとを有する。
電力変換装置６３Ｐは、スイッチング素子（ＵＰ〜ＷＮ）と各スイッチング素子に逆並列に接続された整流素子を含む３相ブリッジ回路として構成されている。本例では、スイッチング素子として電解効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を使用し、整流素子としてダイオードを使用する。スイッチング素子として、ＩＧＢＴを使用することもできる。
交流電動機６１はステータとロータとを有し、巻線界磁式の３相交流モータとして構成されている。動力伝達手段２に駆動連結されたロータには、励磁コイル６１ＲＣが装着され、ステータには、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電機子コイル６１ＳＣが設けられている。
交流電動機６１のロータの励磁コイル６１ＲＣは、励磁駆動回路６３ＥＤによって給電される。また、励磁コイル６１ＲＣへの印加電圧も、この励磁駆動回路６３ＥＤによって調整される。交流電動機６１のステータの電機子コイル６１ＳＣの各相の出力線は、電力変換装置６３Ｐの３相のスイッチング素子（ＵＰ〜ＷＮ）及び整流素子を介して、直流電源３１の高電位側端子及び低電位側端子に接続された電源ラインに接続されている。
電力変換装置６３Ｐは、交流電動機６１をモータとして力行制御するときには、直流電源３１に蓄電された直流電力を直流／交流変換して電機子コイル６１ＳＣに給電するインバータ回路として作動する。また、電力変換装置６３Ｐは、交流電動機６１を発電機として発電制御するときには、発電によって電機子コイル６１ＳＣから出力される交流電力を交流／直流変換して電源ラインに給電するコンバータ（整流器）回路として作動する。こうした電力変換装置６３Ｐの作動に係るスイッチング素子（ＵＰ〜ＷＮ）のオン／オフ操作は、モータコントローラ６３Ｃによって操作されている。モータコントローラ６３Ｃには、制御装置５１からの指令に基づいて、力行モードと発電モードを切替える切替え手段を有し、力行制御と発電制御を行う。
モータ制御装置６３は、交流電動機６１をモータとして力行制御するときには、直流電源３１からの直流電力を交流電力に変換するインバータ回路として作動し、交流電動機６１を発電機として発電制御するときには、交流電動機６１からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ（整流器）回路として作動する。
エンジンを起動するとき、モータ制御装置６３は、交流電動機６１を力行制御する。即ち、交流電動機６１には、直流電源３１からモータ制御装置６３を介して交流電力が供給される。交流電動機６１の出力軸は、力行トルクを発生し、動力伝達手段を介してエンジンのクランクシャフトを回転させる。エンジンが所定の回転数に達すると、自力回転を開始する。本例では、交流電動機６１は、スタータモータとしての役割を果たすことになる。
エンジンが安定して自立運転をしているとき、モータ制御装置６３は、交流電動機６１への力行制御を停止し、発電制御を行う。即ち、交流電動機６１は、エンジンの動力によって駆動され、発電を行う。発電によって発生した交流電力は、モータ制御装置６３によって直流電力に変換され直流電源３１へ充電される。
このように、交流電動機６１は、直流電源３１からの電力供給によって動力を発生するモータとして機能すると共に、エンジンからの動力供給によって発電を行う発電機として機能する。
次に、図３を用いて、本実施形態による半導体装置を内蔵したモータ６０の機械的構成について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による半導体装置を内蔵したモータの構成を示す断面図である。
交流電動機６１は、２個のブラケット６１ＢＦ，６１ＢＲによって固定されたステータ６１Ｓと、ステータ６１Ｓの内側に回転可能に保持されたロータ６１Ｒとを備えている。ロータ６１Ｒのシャフト６１ＲＳは、２つのブラケットに取り付けられた軸受６１ＢＥ１，６１ＢＥ２によって回転可能に支持されている。ステータ６１Ｓは、固定子鉄芯６１ＳＣと、固定子コイル６１ＳＯとから構成される。ロータ６１Ｒは、回転子鉄芯６１ＲＣと、回転子コイル６１ＲＯとから構成される。ブラケット６１ＢＲには、図２に示したモータ制御装置６３が取り付けられている。
モータ制御装置６３の中の電力変換装置６３Ｐは、その放熱板にてリアブラケット６１ＢＲに面固定されている。リアブラケット６１ＢＲには、空冷フィン６１ＣＦが一体的に設けられている。半導体装置内蔵モータ６０では、バッテリ端子６１ＢＴが正極端子、リアブラケット６１ＢＲが負極端子（グランド端子）である。リアブラケット６１ＢＲに半導体装置である電力変換装置６３Ｐの冷却器と電気配線の二つの機能を持たせることで、半導体装置内蔵モータ６０は、半導体装置内蔵モータ６０の内部において専用のグランド配線を省くことができた。その部品削減効果により、本実施形態の半導体装置内蔵モータでは、そのモータを大きくすること無く、半導体装置を内蔵することを可能にした。なお、リアブラケット６１ＢＲは、配線として使用するために、アルミニウム等の良導体が用いられている。
次に、図４を用いて、本実施形態による半導体装置を内蔵したモータ６０に用いる半導体装置である電力変換装置６３Ｐの構成について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による半導体装置を内蔵したモータ半導体装置である電力変換装置の構成を示す斜視図である。
リアブラケット６１ＢＲに二つの機能を持たせるためには、半導体装置である電力変換装置６３Ｐの配線構造もそれを可能とする構造にする必要がある。そこで、本実施形態では、半導体装置である電力変換装置６３Ｐの構造を、図４に示す構成としている。図４は、モータに内蔵する半導体装置において、本発明に直接係わる配線構造を図示したものである。
図４に示す構造では、リアブラケット６１ＢＲへ電流を流すために、まず、放熱板７を銅や銅−モリブデン等の良導体で構成し、ブリッジ回路ロウサイド側のパワー半導体素子１３ｂ（図２のスイッチング素子ＵＮ，ＶＮ，ＷＮ）のソース電極と接続している積層導体板１５ｂをそのもう一端で放熱板７と接続している。これにより、放熱板はグランド配線としての機能を持つことになる。放熱板７をリアブラケット６１ＢＲと導体のネジ８等で面固定すると、放熱板７との接触面から熱を、導体ネジから電気をリアブラケット６１ＢＲへ伝えることになり、即ち、リアブラケット６１ＢＲは、電力変換装置である半導体装置の冷却器と電気配線の二つの機能を持つことになる。
以上の説明のように、本実施形態では、高温環境における信頼性を向上させた半導体装置に半導体装置の放熱板とモータのリアブラケットに放熱と電気配線の機能を持たせる等の機能集約による省スペース化を実現している。それにより、半導体装置を内蔵したモータは、寸法・信頼性の点で、エンジン近傍の高温環境に搭載されていた発電モータと置換え可能なものとなっている。
次に、図５を用いて、本実施形態による半導体装置である電力変換装置の構成について説明する。
図５は、本発明の一実施形態による半導体装置である電力変換装置の構成を示す断面図である。
パワー半導体素子１３ａと積層導体板１５ａは、接合材１８ａによって接合している。積層導体板１５ａと導体板１０ｂは、接合材１８ｂによって接合している。接合材１８ａ，１８ｂは電流が流れる部位であるため、その材料には半田またはＡｕ，Ａｇを主成分としたナノ粒子材の高電気伝導材を用いている。また、積層導体板１５ａは、ほぼ同じ厚さの銅板１６ａ，１６ｂで鉄ニッケル合金板１７を両側から挟んだ部品であり、その板厚の比は銅板１６ａ，１６ｂを１とすると、鉄ニッケル合金１７は１〜２である。ここで、積層導体板１５ａの等価線膨張率を計算すると、以下のように求められる。式（１）は、材質の異なる板を張り合わせた積層板の等価線膨張率を概算する式である。
等価線膨張率＝Σ（線膨張率×ヤング率×板厚）／Σ（ヤング率×板厚）  …（１）
式（１）より、積層導体板１５ａの等価線膨張率は約８〜１２ｐｐｍ／℃と求めることができる。ここで、銅の線膨張率は約１８ｐｐｍ／℃、鉄ニッケル合金の線膨張率は約１．５ｐｐｍ／℃、銅のヤング率は１１８Ｇｐａ、鉄ニッケル合金のヤング率は１４４Ｇｐａである。
次に、本実施形態に直接係わる各構成物とそれらの接続関係を説明する。パワー半導体素子１３ａと導体板１０ａは、半田１２ｂによって接合している。絶縁基板９と放熱板７は、半田１２ａによって接合している。絶縁基板９は、第１層目に導体板１０ａと１０ｂを、第２層目に絶縁体１１を、第３層目に導体板１０ｃを積層した部材である。導体板１０ａ，１０ｂ，１０ｃに銅を、絶縁体１１に窒化シリコンを用いて、各層の厚さを第１層と第３層は０．４ｍｍに、第２層を０．３２ｍｍにした場合、式（１）より絶縁基板９の等価線膨張率は約１０ｐｐｍ／℃である。ここで窒化シリコンの線膨張率は２．７ｐｐｍ／℃、ヤング率は３０３Ｇｐａ、銅の物性値は前述の値を用いた。前述で示した本実施形態に直接係わる各構成物には、エンジン近傍の高温環境で使用するため、耐熱性のある材料が用いられる。
次に、本実施形態の構造の作用について説明する。本実施形態の構造はパワー半導体素子１３ａを等価線膨張率１０ｐｐｍ／℃の絶縁基板９と等価線膨張率８〜１２ｐｐｍ／℃の積層導体板１５ａのほぼ同じ線膨張率の部材で挟んでいるため、高温環境で顕著になる各部材の膨張差を小さくすることができる。理想的には積層導体板１５ａの線膨張率を絶縁基板９に一致させることで、半田１２ｂと接合材１８ａに生じる熱応力が最小になり、最も長期信頼性を向上させることができる。前述の絶縁基板９の等価線膨張率は、具体的な値で計算した一例であるが、絶縁基板に使われる材料と厚さの範囲から等価線膨張率の範囲を計算すると次のようになる。絶縁基板において、第１層と第３層の銅板厚さは凡そ０．４ｍｍから０．５ｍｍの範囲であり、第２層が窒化シリコン板の場合はその厚さが０．３２ｍｍから０．６４ｍｍの範囲、第２層が窒化アルミ板の場合はその厚さは凡そ０．６４ｍｍである。式（１）を用いて計算すると、前述の板材と厚さの組み合せから絶縁基板の等価線膨張率は８〜１２ｐｐｍ／℃の範囲にあることが分かる。ここで、窒化アルミの線膨張率は４．４ｐｐｍ／℃、ヤング率は１６０ＧＰａとして計算した。の分析により、積層導体板１５ａは、銅板１６ａ、１６ｂの厚さ１に対して鉄ニッケル合金１７の厚さを１〜２の範囲にすると絶縁基板の線膨張率に近い値にすることができることが分かる。なお、前述の説明は、各部品が熱膨張しても平坦なままであることとを前提としているが、本構造では、積層導体板１５ａを同じ材料かつ同じ厚さの板で異なる材料の板を挟み込む構造にすることで、熱膨張した場合でも弓形に変形せず、パワー半導体素子との接合面を平坦に保つことが出来る構造になっている。
以上説明したように、本実施形態による半導体装置は、発電モータ（オルタネータ）に半導体装置を内蔵し、力行機能を付加する場合のように、エンジン近傍の高温環境に半導体装置が位置する場合において、高温環境に対する長期信頼性を向上できる。
また、本実施形態による半導体装置を内蔵した電力変換装置の高温環境に対する長期信頼性を向上できる。
さらに、本実施形態による発電モータは、高温環境に対する長期信頼性を向上させた半導体装置を内蔵して力行動作が可能となる。
また、本実施形態によるハイブリッド自動車は、高温環境に対する長期信頼性を向上させた半導体装置を内蔵してアイドルストップ動作が可能となる。
次に、図６を用いて、本発明の他の実施形態による半導体装置である電力変換装置の構成について説明する。なお、図１〜図４の構成は、本実施形態でも共通である。
図６は、本発明の他の実施形態による半導体装置である電力変換装置の構成を示す断面図である。
図５の実施形態において、積層導体板１５ａはその一方を導体板１０ｂと接合しているが、本発明は積層導体板１５ａの一方を導体板１０ｂと接合した構成に限定するものではなく、他の実施形態について図６を用いて説明する。
本実施形態では、積層配線板１８ａにワイヤ１４ｄが接合し、そしてワイヤ１４ｄが導体板１０ｂと接合している点が図５の実施形態と異なる。なお、ワイヤ１４ｄはアルミニウムを主成分した配線である。その他は同じ構造であるため、本実施形態では、図５の実施形態と同様、高温環境で接合材１８ａと半田１２ｂに生じる熱応力を小さくする効果がある。
積層配線板１８ａとワイヤ１４ｄの接合部の信頼性について説明すれば、積層配線板１８ａの第２層に使用されている鉄ニッケル合金は熱伝導率が１１Ｗ／ｍ℃（参考値：銅の熱伝導率３８０Ｗ／ｍ℃、アルミの熱伝導率２３３Ｗ／ｍ℃）と小さく、パワー半導体素子１３ａからワイヤ１４ｄまでの熱抵抗を大きくする効果がある。半導体装置において、電流スイチッングをするパワー半導体素子が最も高温になる部品であるが、熱抵抗の増大により、前述の積層配線板１８ａとワイヤ１４ｄの接合部の温度を、従来のワイヤをパワー半導体素子と直接接合した場合と比べ、低くすることができる。接合部の温度低減はその部分の熱膨張の低減を意味し、よって、ワイヤをパワー半導体素子と直接接合した場合と比べ、長期的信頼性が向上することを示している。
以上説明したように、本実施形態による半導体装置は、発電モータ（オルタネータ）に半導体装置を内蔵し、力行機能を付加する場合のように、エンジン近傍の高温環境に半導体装置が位置する場合において、高温環境に対する長期信頼性を向上できる。
また、本実施形態では、半導体装置の配線レイアウトの自由度を上げることができるワイヤ配線を高温環境で使用する半導体装置に適用可能にしたものである。
また、本実施形態による半導体装置を内蔵した電力変換装置の高温環境に対する長期信頼性を向上できる。
さらに、本実施形態による発電モータは、高温環境に対する長期信頼性を向上させた半導体装置を内蔵して力行動作が可能となる。
また、本実施形態によるハイブリッド自動車は、高温環境に対する長期信頼性を向上させた半導体装置を内蔵してアイドルストップ動作が可能となる。
なお、本発明における半導体装置において、パワー半導体素子はＭＯＳＦＥＴに限定したものはなく、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の主電流の入出に上下２面の電極を持っている半導体素子ならば、同様に適用することができる。
また、本発明の半導体装置はモータに内蔵する半導体装置に限定したものではなく、電力変換装置にも適用することができる。電力変換装置に本半導体装置を適用することによって、高温環境の場所に搭載できて、かつ専用の冷却器を持たなくても長期的な信頼性を確保可能な電力変換装置を提供することが可能になる。
以上のように、本発明の各実施形態によれば、パワー半導体素子の電極に接合される積層導体板の線膨張率を８から１２ｐｐｍ／℃の範囲とし、半田或いは、金或は銀のいずれかのナノ粒子を用いて上面電極に接合することによって、高温環境に対するパワー半導体素子の接合部の長期信頼性を向上させることができる。
また、本実施形態の半導体内蔵モータは、半導体装置の放熱板に放熱機能に加え電気配線の機能を持たせる等の機能集約により、寸法・信頼性の点で、エンジン近傍の高温環境に搭載されていた発電モータと置換え可能なものとなっているため、低コストで容易に多種多様な車両への適用可能なアイドルストップシステムを実現できる。
【産業上の利用可能性】  本発明によれば、発電モータ（オルタネータ）に半導体装置を内蔵し、力行機能を付加する場合のように、エンジン近傍の高温環境に半導体装置が位置する場合において、高温環境に対する長期信頼性を向上できる半導体装置を提供することができる。
また、高温環境に対する長期信頼性を向上させた半導体装置を内蔵した電力変換装置を提供することができる。
さらに、高温環境に対する長期信頼性を向上させた半導体装置を内蔵して力行動作を可能とした発電モータを提供することができる。
また、高温環境に対する長期信頼性を向上させた半導体装置を内蔵してアイドルストップ動作の可能なハイブリッド自動車を提供することができる。
【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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【国際調査報告】
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