JP5202365B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、ヒートシンク上に絶縁層を介して半導体素子が実装されて成る半導体装置に関するものである。

直流電力と交流電力を変換する電力変換装置として、ヒートシンクの上面に複数の半導体素子が実装された半導体装置を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の半導体装置は、ヒートシンクの上面に絶縁層が設けられ、その絶縁層の上に直流電源の正極に接続される第１の導電層と、信号線に接続される第２の導電層が設けられている。そして、第１の導電層の上方には直流電源の負極に接続される平板状の導体の接続片が平行に配置され、第１の導電層と接続片の間に、パワー半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）がはんだ固定されている。パワー半導体素子は、コレクタ電極部が第１の導電層に接続され、エミッタ電極部が接続片に接続されている。また、絶縁層の上に設置された第２の導電層はワイヤーボンディング等によってパワー半導体素子のゲート電極部に接続されている。

特開２００５−２３６１０８号公報

ところで、ヒートシンクの上面に一体化される絶縁層は、通常、ヒートシンクの材質に対して線膨張係数の小さいセラミック等の材料によって形成される。このため、パワー半導体素子の発熱時には、線膨張係数の差によってヒートシンクと絶縁層に撓み変形が生じ易くなる。
特に、一つのヒートシンクの上面に正極側パワー半導体素子と負極側パワー半導体素子が並列に配置され、ヒートシンクの上面形状が正方形状とされる場合には、中心からの距離の長いヒートシンクの対角線方向に大きな反りが生じ易くなる。そして、ヒートシンクの対角線方向に大きな反りが生じると、ヒートシンクと反りを生じない接続片とに挟まれたパワー半導体素子に大きな応力が作用することになる。

そこで、この発明は、ヒートシンクの撓み変形時にパワー半導体素子に作用する応力を低減することのできる半導体装置を提供しようとするものである。

上記の課題を解決する請求項１に記載の発明は、正極側パワー半導体素子（例えば、後述の実施形態におけるハイ側のトランジスタＵＨ）と負極側パワー半導体素子（例えば、後述の実施形態におけるロー側のトランジスタＵＬ）が、略正方形状のヒートシンク（例えば、後述の実施形態におけるヒートシンク３１）の上面に当該ヒートシンクと線膨張係数の異なる絶縁層（例えば、後述の実施形態における絶縁層４４）を介して並列に配置され、前記正極側パワー半導体素子のコレクタ電極部が第１の導体（例えば、後述の実施形態におけるＰバスバー２０）を介して直流電源（例えば、後述の実施形態におけるバッテリ３）の正極に電気的に接続される一方で、前記負極側パワー半導体素子のエミッタ電極部が第２の導体（例えば、後述の実施形態におけるＮバスバー２１）を介して前記直流電源の負極に電気的に接続され、前記正極側パワー半導体素子のエミッタ電極部と前記負極側パワー半導体素子のコレクタ電極部が第３の導体（例えば、後述の実施形態におけるＯｕｔバスＴｒＵ２２）を介して交流機器（例えば、後述の実施形態におけるモータ４）に電気的に接続されている半導体装置であって、前記第１，第２，第３の導体のうちの少なくとも一つに平板状の接続片（例えば、後述の実施形態における接続片２１ａ，２２ａ）が設けられるとともに、この接続片が前記正極側パワー半導体素子と負極側パワー半導体素子の一方の上面に重合固定され、前記接続片には、前記ヒートシンクの中心側に向かって離間幅の広がる一対の屈曲境界線が設けられ、これらの屈曲境界線によって、前記ヒートシンクの対角線方向の当該接続片の撓み変形を容易にする撓み許容部が構成されていることを特徴とする。
これにより、パワー半導体素子の発熱時に、ヒートシンクと絶縁層が両者の線膨張係数の差によって撓み変形すると、その撓み応力がパワー半導体素子を通して接続片に入力される。このとき、ヒートシンクは、正方形状であることから、対角線方向に大きく撓み変形する。接続片は、ヒートシンクからの入力を受け、一対の屈曲境界部に沿ってヒートシンクの対角線方向に容易に撓み変形するようになる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置において、前記接続片には、前記ヒートシンクの中心側に向かって断面の半径が連続的に増大する湾曲部（例えば、後述の実施形態における湾曲部３８）が設けられ、この湾曲部によって前記撓み許容部が構成されていることを特徴とする。
これにより、パワー半導体素子の発熱時に、ヒートシンクと絶縁層が両者の線膨張係数の差によって撓み変形すると、接続片は湾曲部の両縁に沿って容易に撓み変形するようになる。

請求項１に記載の発明によれば、接続片に、ヒートシンクの中心側に向かって離間幅の広がる一対の屈曲境界線が設けられ、ヒートシンクの撓み変形時に接続片が一対の屈曲境界線に沿ってヒートシンクの対角線方向に容易に変形するようになっているため、パワー半導体素子に作用する応力を確実に低減することができる。

請求項２に記載の発明によれば、接続片に、ヒートシンクの中心側に向かって断面の半径が連続的に増大する湾曲部が設けられ、ヒートシンクの撓み変形時に接続片が湾曲部の両縁に沿ってヒートシンクの対角線方向に容易に変形するようになっているため、パワー半導体素子に作用する応力を確実に低減することができる。

この発明の一の実施形態のパワーコントロールユニットの回路図である。 この発明の一実施形態の半導体装置の端子台を取り付ける前の斜視図である。 この発明の一実施形態の半導体装置の斜視図である。 この発明の一実施形態の半導体ユニットの背面図である。 この発明の一実施形態のパワーモジュールの図４のＡ−Ａ断面に対応する拡大断面図である。 この発明の一実施形態の半導体装置の平面図である。 この発明の一実施形態の半導体装置の側面図である。 この発明の一実施形態の接続片の図６のＢ−Ｂ断面に対応する拡大断面図である。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１はハイブリッド車両用のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）１を含む回路の概略構成を示している。このハイブリッド車両はエンジン（図示せず）と、エンジンの機械的出力により駆動される発電機（ＧＥＮ）２と、発電機２の発電出力により充電される高圧系の直流電源であるバッテリ（ＢＡＴ）３と、バッテリ３の放電出力と発電機２の発電出力の少なくとも一方を用いて駆動輪（図示せず）を駆動する三相交流式のモータ（ＭＯＴ）４と、を備えている。

パワーコントロールユニット１は、昇圧回路や降圧回路として機能するコンバータ（ＤＣ／ＤＣＣＯＮＶ）７と、直流電力を三相交流電力に変換してモータ４を駆動するとともに、モータ４で発電された三相交流電力を直流電力に変換する第１インバータ（Ｔｒ／Ｍ ＰＤＵ）５と、発電機２で発電された三相交流電力を直流電力に変換する第２インバータ（ＧＥＮ ＰＤＵ）６と、を備えている。
モータ４の駆動時には、コンバータ７で昇圧されたバッテリ３の直流電力、若しくは、第２インバータ２で直流に変換された発電機２の発電電力が第１インバータ５によって任意の出力の三相交流電力に変換され、その電力がモータ４に供給される。また、バッテリ３への充電時には、第１インバータ５で直流電力に変換されたモータ４の回生電力、若しくは、第２インバータ６で直流電力に変換された発電機２の発電電力がコンバータ７によって設定電圧の直流電力に降圧され、その電力がバッテリ３に供給される。
コンバータ７、第１インバータ５及び第２インバータ６は、制御基板（ＥＣＵ）８からの制御指令によりゲートドライブ基板（ＧＤＣＢ）９を介して駆動制御される。

第１インバータ５は、複数のパワー半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）を具備するブリッジ回路５ａと平滑コンデンサ５ｂが設けられたパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータによって構成されている。この第１インバータ５にはモータ４とコンバータ７が接続されている。

第２インバータ６は、第１インバータ５と同様に、複数のパワー半導体素子を具備するブリッジ回路６ａと平滑コンデンサ６ｂが設けられたパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータ等によって構成されている。また、この第２インバータ６には発電機２とコンバータ７が接続されている。

第１インバータ５と第２インバータ６の各ブリッジ回路５ａ，６ａには、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相に対応するハイ側（正極側）のトランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨとロー側（負極側）のトランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬが設けられている。各相のハイ側のトランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨはコンバータ７の正極側端子Ｐｔに接続され、ロー側のトランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬはコンバータ７の負極側端子Ｎｔに接続されている。各相毎の対をなすトランジスタＵＨとＵＬ，ＶＨとＶＬ，ＷＨとＷＬはそれぞれ直列に接続され、各相のトランジスタの対はコンバータ７に対して並列に接続されている。また、各トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのコレクタ電極部−エミッタ電極部間には、エミッタ電極部からコレクタ電極部に向けて順方向となるようにして、ダイオードＤＵＨ，ＤＵＬ，ＤＶＨ，ＤＶＬ，ＤＷＨ，ＤＷＬが各々接続されている。

図２，図３は、半導体装置７０のブロックを示している。
この半導体装置７０は、第１インバータ５のＵ相のハイ側のトランジスタＵＨとロー側のトランジスタＵＬを、対応するダイオードＤＵＨ，ＤＵＬとともにヒートシンク３１上に一体化したものである。なお、第１インバータ５のＶ相、Ｗ相のハイ側とロー側のトランジスタＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬとダイオードＤＶＨ，ＤＶＬ，ＤＷＨ，ＤＷＬと、第２インバータ６の各相のハイ側とロー側のトランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬとダイオードＤＵＨ，ＤＵＬ，ＤＶＨ，ＤＶＬ，ＤＷＨ，ＤＷＬについても同様の構成の半導体装置７０として構成されている。したがって、以下では第１インバータ５のＵ相の半導体装置７０を代表として説明し、他の半導体装置７０については異なる構成についてのみ説明するものとする。

ヒートシンク３１は、アルミニウム材料から成り、矩形板状の台座４３の下面に下側に向けて突出する複数のピン状のフィン４０（図４，図５参照）が一体形成されている。また、台座４３の上面には、熱伝導性に優れた窒化アルミの絶縁層４４が一体に形成されており、絶縁層４４の上面には一対のベース電極４５，４６が並列に設置されている。なお、窒化アルミの絶縁層４４の線膨張係数は、アルミニウム材料から成るヒートシンク３１の線膨張係数よりも小さい。

一方のベース電極４５はコンバータ７の正極側端子Ｐｔ（図１参照）と導通するＰバスバー２０（第１の導体）に接続され、他方のベース電極４６はモータ４のＵ相端子に接続されるＯｕｔバスＴｒＵ２２（第３の導体）に接続されている。一方のベース電極４５の上方には、ＯｕｔバスＴｒＵ２２から延出した接続片２２ａが平行に配置され、ベース電極４５と接続片２２ａの間にハイ側のトランジスタＵＨとダイオードＤＵＨが接続されている。なお、ハイ側のトランジスタＵＨは、コレクタ電極部がベース電極４５（Ｐバスバー２０）に接続され、エミッタ電極部が接続片２２ａ（ＯｕｔバスＴｒＵ２２）に接続されている。

他方のベース電極４６の上方には、コンバータ７の負極側端子Ｎｔ（図１参照）と導通するＮバスバー２１（第２の導体）の接続片２１ａが平行に配置され、ベース電極４６とＮバスバー２１の接続片２１ａの間にロー側のトランジスタＵＬとダイオードＤＵＬが接続されている。なお、ロー側のトランジスタＵＬは、コレクタ電極部がベース電極４６（ＯｕｔバスＴｒＵ２２）に接続され、エミッタ電極部がＮバスバー２１に接続されている。
なお、Ｖ相とＷ相の半導体装置７０においては、ＯｕｔバスＴｒＵ２２に代えて、モータ４のＶ相端子に接続されるＯｕｔバスＴｒＶ２３（図１参照）と、モータ４のＷ相端子に接続されるＯｕｔバスＴｒＷ２４（図１参照）が用いられている。また、第２インバータ６のＵ，Ｖ，Ｗの各相の半導体装置７０では、ＯｕｔバスＴｒＵ２５、ＯｕｔバスＴｒＶ２６、ＯｕｔバスＴｒＷ２７（図１参照）が用いられている

ＯｕｔバスＴｒＵ２２の接続片２２ａとＮバスバー２１の接続片２１ａは略長方形状に形成され、両者の長辺がヒートシンク３１の台座４３の辺に対して平行になるように配置されている。そして、両接続片２２ａ，２１ａの長手方向のほぼ中間位置には、上方（ヒートシンク３１から離間する方向）に膨出する湾曲部３８が形成されている。この湾曲部３８については後に詳述する。

また、両接続片２２，２１の上面には、図３に示すように、トランジスタＵＨ，ＵＬのゲート電極部やその他の電子機器に接続される信号線を保持するための端子台６９が取り付けられている。端子台６９は絶縁材料によって形成され、両接続片２２，２１の幅方向の全域に跨る長尺なブロックによって構成されている。端子台６９の上面には信号線が接続される信号端子３９が設けられ、この信号端子３９とトランジスタＵＨ，ＵＬやその他の電子機器の間がワイヤーボンディングによって接続されている。なお、図中４８は、ワイヤーボンディングによる接続線である。

図４は、第１インバータ５のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の３つの半導体装置７０が樹脂ケース３４で保持された半導体ユニット３２を示し、図５は、この半導体ユニット３２の下面側に流路ケース４１が取り付けられたパワーモジュール３０を示している。
この実施形態では、第１インバータ５のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の３つの半導体装置７０が一つのパワーモジュール３０として一体化されている。

３つの半導体装置７０は一列に並べられ、これらの半導体装置７０の周縁部と上面側が樹脂ケース３４によって覆われている。
なお、樹脂ケース３４は、枠部が最初に半導体装置７０と一体化され、その後に各半導体装置７０の上部を覆うように枠部内にポッティングが行われる。このため、各半導体装置７０の上部は樹脂ケース３４のポッディング部内に埋設されるが、Ｐバスバー２０、ＯｕｔバスＴｒＵ２２、Ｎバスバー２１の各接続端子部と、端子台６９から引き出された信号ピン３７は樹脂ケース３４の外側に露出している。

流路ケース４１は、半導体ユニット３２の樹脂ケース３４の下面に結合されて、樹脂ケース３４との間に冷却媒体の流路を形成するものであり、上面の略中央部には、各ヒートシンク３１のフィン４０を受容する凹部４２が形成されている。また、流路ケース４１の長手方向の一端には、図４に示すように、凹部４２内に冷媒を導入するための導入管５２が接続され、長手方向の他端には凹部４２から冷媒を排出するための排出管５３が接続されている。
流路ケース４１の上面には樹脂ケース３４が重合され、その状態で樹脂ケース３４と流路ケース４１がボルト５０によって締結固定されている。また、樹脂ケース３４と流路ケース４１の間には環状のシール部材４７が介装されている。

図６は、一つの半導体装置７０を上面側から見たものであり、図７は、半導体装置７０の側面を示し、図８は、図６のＢ−Ｂ断面に対応する接続片２１ａ（Ｎバスバー２１）の断面を示している。
これらの図に示すように、各接続片２２ａ，２１ａの湾曲部３８は、円弧状断面が接続片２２ａ，２１ａの幅方向に亘って形成されたものであるが、その断面の円弧の半径はヒートシンク３１の中心（対角線の交点）側に向かって連続的に増大するようになっている。したがって、各接続片２２ａ，２１ａの平坦な一般面と湾曲部３８の間の二つの境界線Ｌ１，Ｌ２（屈曲境界線）は、ヒートシンク３１の中心側に向かって離間幅が広がっている。この実施形態においては、各接続片２２ａ，２１ａに設けられた湾曲部３８、若しくは、湾曲部３８の両縁の境界線Ｌ１，Ｌ２部分が撓み許容部を構成している。

各半導体装置７０においては、アルミニウム材料から成るヒートシンク３１の上面に、アルミニウムよりも線膨張係数の小さい窒化アルミの絶縁層４４が一体に設けられているため、トランジスタＵＨ，ＵＬの発熱時に線膨張係数の差によってヒートシンク３１と絶縁層４４に撓み変形が生じる可能性がある。そして、ヒートシンク３１の上面と、その上面に取り付けられている絶縁層４４は正方形状に形成されているため、ヒートシンク３１と絶縁層４４には、ヒートシンク３１の中心からの離間距離の長い対角線方向に大きな撓み変形（反り変形）を生じ易くなる。

パワーモジュール３０の各半導体装置７０は、ヒートシンク３１上に絶縁層４４とベース電極４５，４６を介して設置されたトランジスＵＨ，ＵＬとダイオードＤＵＨ，ＤＵＬの上部にＯｕｔバスＴｒＵ２２とＮバスバー２１の接続片２２ａ，２１ａが接合されているが、各接続片２２ａ，２１ａには、円弧の半径がヒートシンク３１の中心側に向かって連続的に増大するように湾曲部３８が設けられているため、トランジスタＵＬ，ＵＬの発熱によってヒートシンク３１と絶縁層４４が対角線方向に大きく撓み変形すると、各接続片２２ａ，２１ａが湾曲部３８の両縁の境界線Ｌ１，Ｌ２に倣って容易に変形するようになる。
したがって、接続片２２ａ，２１ａがヒートシンク３１と絶縁層４４に追従して容易に撓み変形することから、トランジスＵＨ，ＵＬとダイオードＤＵＨ，ＤＵＬには大きな応力が作用しなくなる。よって、この半導体装置７０においては、接続片の２２ａ，２１ａの形状の工夫によってダイオードＤＵＨ，ＤＵＬやトランジスタＵＨ，ＵＬの劣化を未然に防止することができる。

なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。

３…バッテリ（直流電源）
４…モータ（交流機器）
２０…Ｐバスバー（第1の導体）
２１…Ｎバスバー（第２の導体）
２２…ＯｕｔバスＴｒＵ（第３の導体）
２１ａ，２２ａ…接続片
３１…ヒートシンク
３８…湾曲部
４４…絶縁層
７０…半導体装置
ＵＨ…ハイ側のトランジスタ（正極側パワー半導体素子）
ＵＬ…ロー側のトランジスタ（負極側パワー半導体素子）
ＤＵＨ…ハイ側のダイオード（正極側パワー半導体素子）
ＤＵＬ…ロー側のダイオード（負極側パワー半導体素子）
Ｌ１，Ｌ２…境界線（屈曲境界線）

Claims (2)

1. 正極側パワー半導体素子と負極側パワー半導体素子が、略正方形状のヒートシンクの上面に当該ヒートシンクと線膨張係数の異なる絶縁層を介して並列に配置され、
   前記正極側パワー半導体素子のコレクタ電極部が第１の導体を介して直流電源の正極に電気的に接続される一方で、
   前記負極側パワー半導体素子のエミッタ電極部が第２の導体を介して前記直流電源の負極に電気的に接続され、
   前記正極側パワー半導体素子のエミッタ電極部と前記負極側パワー半導体素子のコレクタ電極部が第３の導体を介して交流機器に電気的に接続されている半導体装置であって、
   前記第１，第２，第３の導体のうちの少なくとも一つに平板状の接続片が設けられるとともに、この接続片が前記正極側パワー半導体素子と負極側パワー半導体素子の一方の上面に重合固定され、
   前記接続片には、前記ヒートシンクの中心側に向かって離間幅の広がる一対の屈曲境界線が設けられ、これらの屈曲境界線によって、前記ヒートシンクの対角線方向の当該接続片の撓み変形を容易にする撓み許容部が構成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記接続片には、前記ヒートシンクの中心側に向かって断面の半径が連続的に増大する湾曲部が設けられ、この湾曲部によって前記撓み許容部が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

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