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JP2005094842A - インバータ装置及びその製造方法 - Google Patents

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利春 大部
Nobumitsu Tada
伸光 田多
Hironori Sekiya
洋紀 関谷
Keizo Hagiwara
敬三 萩原
Shinpei Yoshioka
心平 吉岡
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Abstract

【課題】 ワイヤボンディングによる接続では、ワイヤボンディングを配線するのに時間がかかり、また、冷却効率を向上しようとしても、構造的に限界がある。
【解決手段】 インバータの１アームを構成する並列接続された複数の半導体チップ１７１、１８１と、前記複数の半導体チップの一方の面が接続された第１の導体２５と、前記複数の半導体チップの他方の面が接続された幅広導体３３と、前記幅広導体に接続された第２の導体２７と、前記第１の導体及び第２の導体が絶縁樹脂シート２３を介して接着された冷却器２２とを具備したことにより、半導体チップで発生した熱損失は、一部が第１の導体に熱伝導し、冷却器に熱伝導して冷却され、もう一部が幅広導体に熱伝導しさらに第２の導体熱伝導し、冷却器に熱伝導して冷却される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、小型で冷却効率が良く、信頼性の高いインバータ装置及びその製造方法に関する。
電気自動車では、電力用半導体素子およびそれを用いたインバータ装置の小型化、高信頼性が要求されている。電力用半導体素子およびそれを用いたインバータ装置の小型化、高信頼性を図るためには、冷却効率が良い電力用半導体素子およびインバータ装置が必要となる。（例えば、特許文献１を参照。）
以下、従来のインバータ装置の構造について、図６、図７を参照して説明する。図６は、電力用半導体素子内部の半導体チップの実装構造を示す部分縦断面図であり、図７は、電力用半導体素子の部分斜視図である。
図６に示すインバータ装置では、３相インバータの１アームをサイズが□１０ｍｍ以下の半導体チップであるＩＧＢＴ１７１およびダイオード１８１を複数個並列接続して構成し、さらに厚みが１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の導体２０に前記３相インバータの１アームを構成する複数の半導体チップを接合し、前記導体２０を冷却器２２にセラミックスを含有した絶縁樹脂シート２３で接着している。
さらに図７に示すインバータ装置では、３相インバータのＷ相の上側アームを構成する４並列接続されたＩＧＢＴ１７１Ａ〜１７１Ｄおよび２並列接続されたダイオード１８１Ａ〜１８１Ｂを、３相インバータの上側アームを構成する上側アーム導体２５に１列に配置し、同様に３相インバータのＷ相の下側アームを構成する４並列接続されたＩＧＢＴ１７２Ａ〜１７２Ｄおよび２並列接続されたダイオード１８２Ａ〜１８２Ｂを、３相インバータの下側アームを構成する下側アーム導体２６に１列に配置している。さらに、上側アーム導体２５および下側アーム導体２６の間に、上側アーム導体２５上に配置されたＩＧＢＴ１７１Ａ〜１７１Ｄおよびダイオード１８１Ａ〜１８１Ｂと３相出力端子３２を接続する３相出力導体２７を配置している。
図７では、下側アーム導体２６と、３相出力導体２７が同一の導体で構成されている。さらに、上側アーム導体２５および下側アーム導体２６の間に、下側アーム導体２６上に配置されたＩＧＢＴ１７２Ａ〜１７２Ｄおよびダイオード１８２Ａ〜１８２Ｂと負極端子３１を接続する負極導体２８を配置している。ＩＧＢＴおよびダイオードと各導体間は、ワイヤボンディング２９により電気的に接続されている。
図６〜図７に示すインバータ装置では、導体２０や上側アーム導体２５および下側アーム導体２６に接合されたＩＧＢＴ１７１Ａ〜１７１Ｄおよびダイオード１８１Ａ〜１８１Ｃが冷却器２２に絶縁樹脂シート２３を用い直接接着されているので、電力用半導体素子内部のＩＧＢＴおよびダイオードチップの熱抵抗が低減する。更に、ＩＧＢＴ１７１Ａ〜１７１Ｄおよびダイオード１８１Ａ〜１８１Ｃが厚み１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の導体２０や上側アーム導体２５および下側アーム導体２６に接合されているので、導体２０や上側アーム導体２５および下側アーム導体２６の熱容量の効果により熱時定数が大きくなり過渡熱抵抗が小さくなり、インバータ起動時の温度上昇が小さくなる。故に、冷却効率が向上し、インバータ装置の小型化が図れる。
特開２００３−１５３５５４号公報
しかしながら、従来のインバータ装置では、電力用半導体素子内部のＩＧＢＴおよびダイオードチップの熱抵抗が低減する反面、以下のような問題点がある。
先ず、複数個並列接続されたＩＧＢＴまたはダイオードチップがワイヤボンディングにより電気的に配線されているので、複数のワイヤボンディングを配線するのに時間がかかり、製造時間が長くなる。
また、冷却効率を向上しようとしても、構造的に限界がある。
よって、本発明は、電力用半導体素子の冷却効率をさらに向上し、インバータ装置の通電容量の向上・小型化に対応し、なおかつ製造性に優れた電力用半導体素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るインバータ装置では、インバータの１アームを構成する並列接続された複数の半導体チップと、前記複数の半導体チップの一方の面が接続された第１の導体と、前記複数の半導体チップの他方の面が接続された幅広導体と、前記幅広導体に接続された第２の導体と、前記第１の導体及び第２の導体が絶縁樹脂シートを介して接着された冷却器とを具備したことを特徴とする。
本発明の請求項２に係るインバータ装置では、インバータの上側アームを構成する複数の半導体チップが並列接続された第１の半導体チップ群と、前記第１の半導体チップ群の半導体チップの一方の面が接続された第１の導体と、インバータの下側アームを構成する複数の半導体チップが並列接続された第２の半導体チップ群と、前記第２の半導体チップ群の半導体チップの一方の面が接続された第２の導体と、前記第１の半導体チップ群の半導体チップの他方の面が接続された第１の幅広導体と、前記第２の半導体チップ群の半導体チップの他方の面が接続された第２の幅広導体と、前記第１の導体及び第２の導体との間に配置され前記第１の幅広導体に接続された３相出力電極を接続する第３の導体と、前記第１の導体及び第２の導体との間に配置され前記第２の幅広導体に接続された負極電極を接続する第４の導体と、前記第１乃至第４の導体が絶縁樹脂シートを介して接着された冷却器とを具備したことを特徴とする。
本発明の請求項３に係るインバータ装置では、前記半導体チップの他方の面に熱緩衝板を接合し、前記幅広導体を接続したこと特徴とする。
本発明の請求項４に係るインバータ装置の製造方法では、前記複数の半導体チップと熱緩衝板と前記導体を低融点または高融点はんだで接合した後に、前記導体と前記冷却器、および前記熱緩衝板と前記幅広導体を、それぞれ接着することを特徴とする。
本発明の請求項５に係るインバータ装置の製造方法では、前記幅広導体を複数のチップごとに分割し、前記導体と前記冷却器を、前記導体上の複数の半導体チップが接合されていない場所を加圧して接着することを特徴とする。
本発明によれば、インバータ装置の通電容量の向上・小型化・信頼性向上が可能となる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態のインバータ装置の実装構造を示す部分斜視図である。図２は、図１のインバータ装置通電時に半導体チップより発生する熱損失の放熱経路を示す熱流束の解析結果である。図３は、図１のインバータ装置の半導体チップの過渡熱抵抗の解析結果である。
図１において、インバータ装置は、３相インバータの１アームを、サイズが□１０ｍｍ以下の半導体チップであるＩＧＢＴ１７１Ａ〜Ｄおよびダイオード１８１Ａ〜Ｂ、ＩＧＢＴ１７２Ａ〜Ｄおよびダイオード１８２Ａ〜Ｂを並列接続して構成している。図１においては、ＩＧＢＴが４並列、ダイオードが２並列の場合を示している。
さらに、３相インバータの上側アームを構成する４並列接続されたＩＧＢＴ１７１Ａ〜Ｄおよび２並列接続されたダイオード１８１Ａ〜Ｂを、３相インバータの上側アームを構成する上側アーム導体２５に１列に配置し、同様に３相インバータの下側アームを構成する４並列接続されたＩＧＢＴ１７２Ａ〜Ｄおよび２並列接続されたダイオード１８２Ａ〜Ｂを、３相インバータの下側アームを構成する下側アーム導体２６に１列に配置している。
さらに、上側アーム導体２５および下側アーム導体２６の間に、上側アーム導体２５上に配置されたＩＧＢＴ１７１Ａ〜Ｄおよびダイオード１８１Ａ〜Ｂと３相出力端子３２を接続する３相出力導体２７を配置している。図１の実施例では、下側アーム導体２６と、３相出力導体２７が同一の導体で構成されている。
さらに、上側アーム導体２５および下側アーム導体２６の間に、下側アーム導体２６上に配置されたＩＧＢＴ１７２Ａ〜Ｄおよびダイオード１８２Ａ〜Ｂと負極端子３１を接続する負極導体２８を配置している。
上記上側アーム導体２５および下側アーム導体２６および３相出力導体２７および負極導体２８の厚みは１．５ｍｍ〜５ｍｍ程度で、ＩＧＢＴおよびダイオードは前記導体の厚みの２倍以上の距離分散配置され、Ｓｎ／Ｐｂなどの低融点またはＳｎ／Ａｇ／Ｃｕなどの高融点はんだで各導体と接合されている。
さらに上側アーム導体２５および下側アーム導体２６および３相出力導体２７および負極導体２８は、冷却器２２にセラミックを含有した絶縁樹脂シート２３で接着されている。絶縁樹脂シート２３は、例えば絶縁樹脂に窒化ホウ素などのセラミックフィラ−を充填したものであり、熱伝導率は２〜４Ｗ／ｍＫ、厚みは０．０５〜０．１５ｍｍ程度である。
さらに、ＩＧＢＴおよびダイオードの上部には、幅広導体３３がＳｎ／Ｐｂなどの低融点またはＳｎ／Ａｇ／Ｃｕなどの高融点はんだで接合され、３相出力導体２７および負極導体２８と幅広導体３３により電気的に接続されている。
上側アーム導体２５と正極端子３０、および３相出力導体２７と３相出力端子３２、および負極導体２８と負極端子３１も、入出力導体３４により電気的に接続されている。
ＩＧＢＴ１７１、ＩＧＢＴ１７２およびダイオード１８１およびダイオード１８２は材質がＳｉで、前記各導体は材質が銅であるので、ＩＧＢＴおよびダイオードと導体の線膨張係数の違いにより、温度サイクルが負荷されたときに、ＩＧＢＴおよびダイオードと導体を接合するはんだにせん断応力が発生し、非線型ひずみが発生する。非線型ひずみの値が大きくなると、温度サイクルが負荷されたときにはんだにクラックなどが発生する。非線型ひずみの値は、小さいほど信頼性・耐久性が向上する。
よって、ＩＧＢＴおよびダイオードのチップサイズが大きくなると、はんだの非線型ひずみが増大する。インバータ装置の信頼性・耐久性を確保するためには、チップサイズをおおよそ□１０ｍｍ以下とすることが必要になる。
一方、チップサイズを□１０ｍｍ以下とすると、1チップ当りの通電容量が小さくなるため、電気自動車用の数１０ｋＷのインバータ装置を構成するためには、チップの並列接続が必要となる。
また、特にインバータ起動時の温度上昇を低減し、前記各導体の熱拡散の効果により定常熱抵抗を低減するためには、特許文献１に記載されているように、上側アーム導体２５および下側アーム導体２６および３相出力導体２７および負極導体２８の厚みは１．５〜５ｍｍが望ましい。
図２は、インバータ装置通電時に、半導体チップであるＩＧＢＴ１７２Ａにおいて発生した熱損失が、冷却器２２まで熱伝導され冷却されるときの、熱損失の流れを示す定常状態における熱流束の解析結果である。
図３は、図６〜図７に示した従来の電力用半導体素子と、本発明の電力用半導体素子の半導体チップの過渡熱抵抗を比較した解析結果である。
従来の電力用半導体素子では、ワイヤボンディングが非常に細く熱抵抗が非常に大きいので、ＩＧＢＴ１７２Ａで発生した熱損失は、ほとんど全てが下側アーム導体２６に熱伝導し、冷却器２２に放熱される。
これに対し、図２に示すように、本発明の電力用半導体素子では、ＩＧＢＴ１７２Ａで発生した熱損失は、一部が幅広導体３３に熱伝導しさらに負極導体２８に熱伝導し、もう一部が下側アーム導体２６に熱伝導し、さらに冷却器２２に熱伝導し冷却される。
この解析では、幅広導体３３の厚みは３ｍｍとし、下側アーム導体２６及び負極導体２８の厚みも３ｍｍとしている。幅広導体３３からの熱伝導を促進するためには、断面積が大きい方が熱抵抗が小さくなるのである程度の厚み（数ｍｍ程度）を有することが望ましい。断面積を大きくすると熱抵抗は小さくすることができるが、重量が重くなるという問題が発生する。
上記で説明したように、本発明では、ＩＧＢＴ１７２Ａが幅広導体３３および下側アーム導体２６により両面冷却されているので、図３に示したように、１０〜２０ｓｅｃの定常熱抵抗が従来の電力用半導体素子に比べ約２５％低減される。さらに、インバータ起動時に問題となる０．１〜０．３ｓｅｃの過渡熱抵抗も、幅広導体３３の両面冷却および熱容量の効果により、従来の電力用半導体素子に比べ約５０％低減する。
また、本発明の電力用半導体素子では、ＩＧＢＴおよびダイオードと導体と幅広導体をはんだにより接合すれば電気的配線が完成するので、従来の電力用半導体素子のように複数のワイヤボンディングを配線するという工程が必要なくなり、製造時間が短縮される。
このように、第１の実施の形態のインバータ装置においては、電力用半導体素子内部のＩＧＢＴおよびダイオードチップの熱抵抗がさらに低減し、インバータ起動時および定常状態の両方ともで、ＩＧＢＴおよびダイオードチップの温度上昇が低くなり冷却効率が向上する。これにより、インバータ装置の信頼性向上・小型化が図れると共に、電力用半導体素子の製造歩留まりも向上する。
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施の形態のインバータ装置の実装構造を示す部分斜視図である。図５は、本発明の第２の実施の形態のインバータ装置の製造手順を示す部分斜視図である。
図４において、電力用半導体素子は、半導体チップであるＩＧＢＴ１７１Ａ〜Ｄおよびダイオード１８１Ａ〜Ｂ、ＩＧＢＴ１７２Ａ〜Ｄおよびダイオード１８２Ａ〜Ｂの上部に、熱緩衝板３５をＳｎ／Ｐｂなどの低融点またはＳｎ／Ａｇ／Ｃｕなどの高融点はんだで接合し、さらに熱緩衝板３５の上部に幅広導体３３を、導電性接着剤で接着する。
熱緩衝板３５の材質は、半導体チップと線膨張係数の近い例えばモリブデン（Ｍｏ）などであり、その厚みは０．５ｍｍ程度である。導電性接着剤は、例えば絶縁樹脂を母材とし、銀フィラーなどの導電性物質が充填された接着剤であり、熱伝導率は１５〜６０Ｗ／ｍＫ位である。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
上記構造では、半導体チップと幅広導体３３の間に熱緩衝板３５と導電性接着剤があるが、例えば熱緩衝板３５がモリブデンでその厚みが０．５ｍｍであり、導電性接着剤の熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫであれば、第１の実施の形態に比べ約５％熱抵抗は高くなるものの、１０〜２０ｓｅｃの定常熱抵抗が従来の電力用半導体素子に比べ約２０％低減される。
さらに、図５の（Ｂ）に示すように、本発明の電力用半導体素子は、まずにＩＧＢＴ１７１Ａ〜Ｄおよびダイオード１８１Ａ〜Ｂ、ＩＧＢＴ１７２Ａ〜Ｄおよびダイオード１８２Ａ〜Ｂと熱緩衝板３５と前記各導体を、低融点または高融点はんだで接合する。
その後、前記各導体と前記冷却器２２を絶縁樹脂シート２３を用い、さらに熱緩衝板３５と幅広導体３３を導電性接着剤を用い、それぞれ同一の温度工程にて加熱接着する。
さらに、幅広導体３５は半導体チップごとに分割されているので、各導体と冷却器２２を、各導体上の複数の半導体チップが接合されていない場所を加圧して、絶縁樹脂シート２３を用い、加圧、加熱接着する。
上記のように製造する電力用半導体素子では、インバータの出力容量が大きくなり半導体チップの並列数が増え各導体の長さが長くなり、上側アーム導体２５および下側アーム導体２６および３相出力導体２７および負極導体２８において、各導体の冷却器との接着面の平面度や反りにある程度のばらつきが生じた場合でも、第１の実施の形態のように各導体がはんだ接合にて幅広導体３３と一体化されていない状態で、各導体がそれぞれ独立した状態で同一の温度工程にて絶縁樹脂シート２３を用い冷却器２２と加圧加熱接着されるので、冷却器２２と各導体が完全に一体化した状態で接着することが可能となる。
このように、第２の実施の形態においては、インバータ装置の出力容量が増大しても、電力用半導体素子の製造歩留を向上させることが可能となり、インバータ起動時および定常状態の両方ともで、第１の実施の形態とほぼ同等にＩＧＢＴおよびダイオードチップの温度上昇が低くなり冷却効率が向上する。
本発明の第１の実施の形態のインバータ装置の実装構造を示す部分斜視図。 図１のインバータ装置通電時に、半導体チップより発生する熱損失の放熱経路を示す熱流束の解析結果。 図１のインバータ装置の半導体チップの過渡熱抵抗の解析結果。 本発明の第２の実施の形態のインバータ装置の実装構造を示す部分斜視図。 本発明の第２の実施の形態のインバータ装置の製造手順を示す部分斜視図。 従来の電力用半導体素子内部の半導体チップの実装構造を示す部分縦断面図。 従来の電力用半導体素子の部分斜視図。
符号の説明
１７１、１７２・・ＩＧＢＴ
１８１、１８２・・ダイオード
２２・・冷却器
２３・・絶縁樹脂シート
２５・・上側アーム導体
２６・・下側アーム導体
２７・・３相出力導体
２８・・負極導体
２９・・ワイヤボンディング
３０・・正極端子
３１・・負極端子
３２・・３相出力端子
３３・・幅広導体
３４・・入出力導体
３５・・熱緩衝板

Claims (5)

  1. インバータの１アームを構成する並列接続された複数の半導体チップと、前記複数の半導体チップの一方の面が接続された第１の導体と、前記複数の半導体チップの他方の面が接続された幅広導体と、前記幅広導体に接続された第２の導体と、前記第１の導体及び第２の導体が絶縁樹脂シートを介して接着された冷却器とを具備したことを特徴とするインバータ装置。
  2. インバータの上側アームを構成する複数の半導体チップが並列接続された第１の半導体チップ群と、前記第１の半導体チップ群の半導体チップの一方の面が接続された第１の導体と、インバータの下側アームを構成する複数の半導体チップが並列接続された第２の半導体チップ群と、前記第２の半導体チップ群の半導体チップの一方の面が接続された第２の導体と、前記第１の半導体チップ群の半導体チップの他方の面が接続された第１の幅広導体と、前記第２の半導体チップ群の半導体チップの他方の面が接続された第２の幅広導体と、前記第１の導体及び第２の導体との間に配置され前記第１の幅広導体に接続された３相出力電極を接続する第３の導体と、前記第１の導体及び第２の導体との間に配置され前記第２の幅広導体に接続された負極電極を接続する第４の導体と、前記第１乃至第４の導体が絶縁樹脂シートを介して接着された冷却器とを具備したことを特徴とするインバータ装置。
  3. 前記半導体チップの他方の面に熱緩衝板を接合し、前記幅広導体を接続したこと特徴とする請求項１または２記載のインバータ装置。
  4. 前記複数の半導体チップと熱緩衝板と前記導体を低融点または高融点はんだで接合した後に、前記導体と前記冷却器、および前記熱緩衝板と前記幅広導体を、それぞれ接着することを特徴とする請求項３記載のインバータ装置の製造方法。
  5. 前記幅広導体を複数のチップごとに分割し、前記導体と前記冷却器を、前記導体上の複数の半導体チップが接合されていない場所を加圧して接着することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のインバータ装置の製造方法。
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