JP2005302778A - Semiconductor module and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor module which can obtain a sufficient adhesion between a power semiconductor element and an electrode without using a bonding material such as solder. <P>SOLUTION: A semiconductor element 62 and flat spring electrodes 64, 66, and 68 are encapsulated in a heatsink 52 formed of a ceramic material. The inside of the heatsink 52 is filled up with a molding resin 70. The heatsink 52 presses the flat spring electrodes 64, 66, and 68 against the semiconductor element 62 using the contraction of the ceramic material at the time of sintering or at the time of cooling after thermal expansion. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、半導体モジュールおよびその製造方法に関し、特に、電極がパワー半導体素子に圧接される半導体モジュールの構造および製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor module and a manufacturing method thereof, and more particularly to a structure and manufacturing method of a semiconductor module in which an electrode is pressed against a power semiconductor element.

特開２００１−３０８２４５号公報は、パワー半導体素子の両側に電極および冷却体が設けられた両面冷却型の半導体モジュールを開示する。この半導体モジュールにおいては、半田によってパワー半導体素子と接合され、かつ、電極を兼ねる金属放熱板がパワー半導体素子を挟み込むようにしてパワー半導体素子の両側に設けられる。そして、その両側にヒートシンクマスおよび冷却チューブからなる冷却体がさらに設けられ、狭圧部材によってこれらが半導体モジュールの厚さ方向に狭圧される（特許文献１参照）。   Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-308245 discloses a double-sided cooling type semiconductor module in which electrodes and a cooling body are provided on both sides of a power semiconductor element. In this semiconductor module, a metal heat sink that is joined to the power semiconductor element by solder and also serves as an electrode is provided on both sides of the power semiconductor element so as to sandwich the power semiconductor element. And the cooling body which consists of a heat sink mass and a cooling tube is further provided in the both sides, and these are narrowed in the thickness direction of a semiconductor module by a narrow pressure member (refer patent document 1).

この特開２００１−３０８２４５号公報に開示された半導体モジュールによれば、簡単な構造および作業でパワー半導体素子、金属放熱板および冷却体を一体化できる。
特開２００１−３０８２４５号公報 特開２００１−３０８２３７号公報 特開平５−２９９４８３号公報 特開平１−２４９６７０号公報 According to the semiconductor module disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-308245, the power semiconductor element, the metal heat sink and the cooling body can be integrated with a simple structure and work.
JP 2001-308245 A JP 2001-308237 A Japanese Patent Laid-Open No. 5-299383 JP-A-1-249670

上述した特開２００１−３０８２４５号公報においても開示されているように、このような半導体モジュールにおいては、パワー半導体素子と電極との接合力を十分に得るために、パワー半導体素子を電極と固設する半田などの接合剤が一般に用いられる。   As disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-308245 described above, in such a semiconductor module, the power semiconductor element is fixed to the electrode in order to obtain a sufficient bonding force between the power semiconductor element and the electrode. A bonding agent such as solder is generally used.

しかしながら、このような半田などの接合剤が用いられる場合、半導体モジュールが高温条件下で使用されると、接合材が融解するおそれがある。   However, when a bonding agent such as solder is used, the bonding material may melt when the semiconductor module is used under high temperature conditions.

特に、近年、高耐熱性に優れ、高温動作可能なＳｉＣパワー半導体素子やＧａＮ系のパワー半導体素子が注目されており、これらのパワー半導体素子を用いれば、半導体モジュールの動作温度を６００℃程度まで上昇させることができるが、一方で、半田などの接合材が融解するおそれはさらに高まる。   In particular, SiC power semiconductor elements and GaN-based power semiconductor elements that are excellent in high heat resistance and capable of operating at high temperatures have been attracting attention in recent years. If these power semiconductor elements are used, the operating temperature of the semiconductor module can be reduced to about 600 ° C. On the other hand, the risk of melting a bonding material such as solder is further increased.

そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、半田などの接合材を用いることなくパワー半導体素子と電極との間に十分な接合力を得ることができる半導体モジュールを提供することである。   Therefore, the present invention has been made to solve such a problem, and the object thereof is to obtain a sufficient bonding force between the power semiconductor element and the electrode without using a bonding material such as solder. It is to provide a semiconductor module.

また、この発明の別の目的は、半田などの接合材を用いることなくパワー半導体素子と電極との間に十分な接合力を得ることができる半導体モジュールの製造方法を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a semiconductor module manufacturing method capable of obtaining a sufficient bonding force between a power semiconductor element and an electrode without using a bonding material such as solder.

この発明によれば、半導体モジュールは、半導体素子と、半導体素子の両側に設けられ、各々が半導体素子に密接される第１および第２の電極と、半導体素子ならびに第１および第２の電極を封止し、第１および第２の電極を半導体素子に押付けるセラミック材とを備える。   According to the present invention, a semiconductor module includes a semiconductor element, first and second electrodes provided on both sides of the semiconductor element, each in close contact with the semiconductor element, the semiconductor element, and the first and second electrodes. A ceramic material that seals and presses the first and second electrodes against the semiconductor element.

好ましくは、半導体素子は、耐熱性を有するパワー半導体素子である。   Preferably, the semiconductor element is a power semiconductor element having heat resistance.

好ましくは、セラミック材は、半導体素子から発生する熱を外部へ放熱するヒートシンクを構成する。   Preferably, the ceramic material constitutes a heat sink that dissipates heat generated from the semiconductor element to the outside.

好ましくは、セラミック材は、第１および第２の電極の耐熱温度よりも低い温度で焼結する低温焼結セラミック材からなる。   Preferably, the ceramic material is made of a low-temperature sintered ceramic material that is sintered at a temperature lower than the heat resistance temperature of the first and second electrodes.

好ましくは、半導体素子の動作温度は、半導体素子ならびに第１および第２の電極がセラミック材に組付けられる際のセラミック材の加熱温度よりも低い。   Preferably, the operating temperature of the semiconductor element is lower than the heating temperature of the ceramic material when the semiconductor element and the first and second electrodes are assembled to the ceramic material.

好ましくは、第１および第２の電極の各々は、半導体素子を挟み込む方向に伸縮する弾性構造を有する。   Preferably, each of the first and second electrodes has an elastic structure that expands and contracts in a direction in which the semiconductor element is sandwiched.

好ましくは、半導体モジュールは、セラミック材の内部において半導体素子ならびに第１および第２の電極のさらに両側に設けられ、半導体素子が第１および第２の電極によって挟み込まれる方向に各々が伸縮する第１および第２の弾性部材をさらに備える。   Preferably, the semiconductor module is provided on both sides of the semiconductor element and the first and second electrodes inside the ceramic material, and each of the semiconductor modules expands and contracts in a direction in which the semiconductor element is sandwiched between the first and second electrodes. And a second elastic member.

好ましくは、半導体モジュールは、半導体素子から発生する熱をセラミック材へ伝熱する絶縁封止材をさらに備える。   Preferably, the semiconductor module further includes an insulating sealing material that transfers heat generated from the semiconductor element to the ceramic material.

好ましくは、半導体素子は、第１および第２の電極の位置を拘束する第１のガイド部を有する。   Preferably, the semiconductor element has a first guide part that constrains the positions of the first and second electrodes.

好ましくは、セラミック材は、第１および第２の電極の位置を拘束する第２のガイド部を有する。   Preferably, the ceramic material has a second guide portion that restrains the positions of the first and second electrodes.

好ましくは、セラミック材は、第１および第２の弾性部材の位置を拘束する第２のガイド部を有する。   Preferably, the ceramic material has a second guide portion that restrains the positions of the first and second elastic members.

また、この発明によれば、半導体モジュールの製造方法は、半導体素子ならびにその両側にそれぞれ密接される第１および第２の電極がセラミック材によって封止される半導体モジュールの製造方法であって、所定の温度よりも低い焼結温度で焼結する低温焼結セラミック材で焼結前にセラミック材を形成する第１のステップと、密接された半導体素子ならびに第１および第２の電極をセラミック材内部に挿入する第２のステップと、焼結温度にセラミック材を加熱してセラミック材を焼結させる第３のステップとを備える。   In addition, according to the present invention, a method for manufacturing a semiconductor module is a method for manufacturing a semiconductor module in which a semiconductor element and first and second electrodes that are in close contact with both sides thereof are sealed with a ceramic material. A first step of forming the ceramic material prior to sintering with a low temperature sintered ceramic material that is sintered at a sintering temperature lower than the temperature of the ceramic material; and the intimate semiconductor element and the first and second electrodes within the ceramic material And a third step of heating the ceramic material to a sintering temperature to sinter the ceramic material.

好ましくは、所定の温度は、第１および第２の電極の耐熱温度である。   Preferably, the predetermined temperature is a heat resistant temperature of the first and second electrodes.

また、この発明によれば、半導体モジュールの製造方法は、半導体素子ならびにその両側にそれぞれ密接される第１および第２の電極がセラミック材によって封止される半導体モジュールの製造方法であって、セラミック材を焼結して形成する第１のステップと、セラミック材を所定の温度に加熱する第２のステップと、密接された半導体素子ならびに第１および第２の電極を第２のステップにおける加熱によって熱膨張したセラミック材内部に挿入する第３のステップと、半導体素子ならびに第１および第２の電極がセラミック材内部に挿入された後、セラミック材を冷却する第４のステップとを備える。   In addition, according to the present invention, a method for manufacturing a semiconductor module is a method for manufacturing a semiconductor module in which a semiconductor element and first and second electrodes that are in close contact with both sides thereof are sealed with a ceramic material. A first step of sintering and forming the material; a second step of heating the ceramic material to a predetermined temperature; and heating the intimate semiconductor element and the first and second electrodes in the second step. A third step of inserting the ceramic material into the thermally expanded ceramic material; and a fourth step of cooling the ceramic material after the semiconductor element and the first and second electrodes are inserted into the ceramic material.

好ましくは、所定の温度は、半導体モジュールの動作温度よりも高い。   Preferably, the predetermined temperature is higher than the operating temperature of the semiconductor module.

この発明による半導体モジュールにおいては、半導体素子ならびに第１および第２の電極を封止するセラミック材は、その収縮作用によって第１および第２の電極を半導体素子に押付ける。   In the semiconductor module according to the present invention, the ceramic material for sealing the semiconductor element and the first and second electrodes presses the first and second electrodes against the semiconductor element by the contraction action.

したがって、この発明によれば、半田などの接合材を用いることなく、半導体素子と第１および第２の電極との間に十分な接合力を得ることができる。その結果、半田などの接合材が融解するおそれのある高温条件下においても、半導体モジュールを動作させることができる。   Therefore, according to the present invention, a sufficient bonding force can be obtained between the semiconductor element and the first and second electrodes without using a bonding material such as solder. As a result, the semiconductor module can be operated even under high temperature conditions in which a bonding material such as solder may be melted.

また、この発明による半導体モジュールにおいては、半導体素子は、耐熱性を有するパワー半導体素子であり、高温で動作することができる。   In the semiconductor module according to the present invention, the semiconductor element is a power semiconductor element having heat resistance, and can operate at a high temperature.

したがって、この発明によれば、この半導体モジュールを冷却する冷却系統を簡素化することができる。   Therefore, according to the present invention, the cooling system for cooling the semiconductor module can be simplified.

また、この発明による半導体モジュールにおいては、セラミック材の焼結時における収縮作用によって第１および第２の電極から半導体素子への押付力が発生する。   Moreover, in the semiconductor module according to the present invention, a pressing force from the first and second electrodes to the semiconductor element is generated by the shrinking action during sintering of the ceramic material.

したがって、この発明によれば、セラミック材の高精度な収縮率に基づいて、第１および第２の電極から半導体素子へ所望の押付力を発生させることができる。   Therefore, according to the present invention, it is possible to generate a desired pressing force from the first and second electrodes to the semiconductor element based on the highly accurate shrinkage rate of the ceramic material.

また、この発明による半導体モジュールにおいては、焼結されたセラミック材を加熱して熱膨張させた後の冷却時における収縮作用によって第１および第２の電極から半導体素子への押付力が発生する。   Moreover, in the semiconductor module according to the present invention, the pressing force from the first and second electrodes to the semiconductor element is generated by the shrinking action during cooling after the sintered ceramic material is heated and thermally expanded.

したがって、この発明によれば、一般に高温となる焼結温度に第１および第２の電極および半導体素子がさらされることはない。また、焼結時に製造する場合よりも短時間で半導体モジュールを製造できる。   Therefore, according to the present invention, the first and second electrodes and the semiconductor element are not exposed to a sintering temperature that is generally high. Moreover, a semiconductor module can be manufactured in a shorter time than the case where it manufactures at the time of sintering.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

［実施の形態１］
図１は、この発明による半導体モジュールが用いられる装置の一例として示されるモータ駆動装置の主要部の構成を示す回路図である。 [Embodiment 1]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a main part of a motor driving apparatus shown as an example of an apparatus using a semiconductor module according to the present invention.

図１を参照して、モータ駆動装置１は、コンバータ１０と、インバータ２０と、制御装置３０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電源ラインＬ１〜Ｌ３とを含む。コンバータ１０は、バッテリＢとインバータ２０との間に接続され、インバータ２０は、出力ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬを介してモータジェネレータＭＧと接続される。   Referring to FIG. 1, motor drive device 1 includes a converter 10, an inverter 20, a control device 30, capacitors C1 and C2, and power supply lines L1 to L3. Converter 10 is connected between battery B and inverter 20, and inverter 20 is connected to motor generator MG via output lines UL, VL, WL.

コンバータ１０と接続されるバッテリＢは、直流電源であって、たとえば、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池からなる。バッテリＢは、直流電圧をモータ駆動装置１に供給し、また、モータ駆動装置１から受ける直流電圧によって充電される。   Battery B connected to converter 10 is a direct current power source, and is composed of, for example, a secondary battery such as nickel metal hydride or lithium ion. The battery B supplies a direct current voltage to the motor drive device 1 and is charged by the direct current voltage received from the motor drive device 1.

インバータ２０によって駆動制御されるモータジェネレータＭＧは、３相交流同期電動発電機であって、モータ駆動装置１から受ける交流電力によって駆動力を発生する。また、モータジェネレータＭＧは、回生動作によって交流電力を発電し、その発電した交流電力をモータ駆動装置１に供給する。   The motor generator MG that is driven and controlled by the inverter 20 is a three-phase AC synchronous motor generator, and generates driving force by AC power received from the motor driving device 1. Further, motor generator MG generates AC power by a regenerative operation, and supplies the generated AC power to motor drive device 1.

コンバータ１０は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬとからなる。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は、電源ラインＬ２，Ｌ３の間に直列に接続され、制御装置３０からの制御信号をベースに受ける。各パワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続される。   Converter 10 includes power transistors Q1 and Q2, diodes D1 and D2, and a reactor L. Power transistors Q1 and Q2 are connected in series between power supply lines L2 and L3, and receive a control signal from control device 30 as a base. Diodes D1 and D2 are connected between the collector and emitter of each of the power transistors Q1 and Q2 so that current flows from the emitter side to the collector side.

リアクトルＬは、バッテリＢの正極と接続される電源ラインＬ１に一端が接続され、パワートランジスタＱ１のエミッタとパワートランジスタＱ２のコレクタとの接続点に他端が接続される。そして、リアクトルＬは、パワートランジスタＱ２のスイッチング動作に応じて流される電流を磁場エネルギーとして蓄積することによってバッテリＢからの直流電圧を昇圧し、その昇圧された直流電圧をパワートランジスタＱ２がオフされたタイミングに同期してダイオードＤ１を介して電源ラインＬ２に供給する。   Reactor L has one end connected to power supply line L1 connected to the positive electrode of battery B, and the other end connected to a connection point between the emitter of power transistor Q1 and the collector of power transistor Q2. Reactor L boosts the DC voltage from battery B by accumulating the current that flows according to the switching operation of power transistor Q2 as magnetic field energy, and power transistor Q2 is turned off by the boosted DC voltage. The power is supplied to the power supply line L2 via the diode D1 in synchronization with the timing.

インバータ２０は、Ｕ相アーム２２、Ｖ相アーム２４およびＷ相アーム２６からなる。各相アームは、電源ラインＬ２，Ｌ３の間に並列に接続される。Ｕ相アーム２２は、直列に接続されたパワートランジスタＱ３，Ｑ４からなり、Ｖ相アーム２４は、直列に接続されたパワートランジスタＱ５，Ｑ６からなり、Ｗ相アーム２６は、直列に接続されたパワートランジスタＱ７，Ｑ８からなる。また、各パワートランジスタＱ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。   Inverter 20 includes U-phase arm 22, V-phase arm 24 and W-phase arm 26. Each phase arm is connected in parallel between power supply lines L2 and L3. U-phase arm 22 includes power transistors Q3 and Q4 connected in series, V-phase arm 24 includes power transistors Q5 and Q6 connected in series, and W-phase arm 26 includes power transistors connected in series. It consists of transistors Q7 and Q8. Further, diodes D3 to D8 that flow current from the emitter side to the collector side are connected between the collectors and emitters of the power transistors Q3 to Q8, respectively.

そして、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、それぞれＵ，Ｖ，Ｗ各相ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬを介してモータジェネレータＭＧにおけるＵ，Ｖ，Ｗ各相コイルの反中性点側に接続されている。   The connection points of the power transistors in the U, V, and W phase arms are respectively opposite to the U, V, and W phase coils in the motor generator MG via the U, V, and W phase lines UL, VL, and WL. Connected to the neutral point side.

ここで、コンバータ１０およびインバータ２０を構成するパワートランジスタＱ１〜Ｑ８およびダイオードＤ１〜Ｄ８は、高耐熱性のパワー素子であって、たとえば、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）からなるＳｉＣパワー素子からなる。ＳｉＣパワー素子は、近年注目を浴びているパワー半導体素子であって、従来のＳｉ系パワー素子と比較して禁制帯幅や熱伝導度が大きく、高耐熱性のほか、高耐電圧、低損失、低オン抵抗などの特性を備えている。   Here, power transistors Q1 to Q8 and diodes D1 to D8 constituting converter 10 and inverter 20 are high heat resistant power elements, for example, SiC power elements made of silicon carbide (SiC). SiC power devices are power semiconductor devices that have been attracting attention in recent years. They have a larger forbidden bandwidth and thermal conductivity than conventional Si-based power devices, have high heat resistance, high withstand voltage, and low loss. It has characteristics such as low on-resistance.

コンデンサＣ１は、電源ラインＬ１，Ｌ３の間に接続され、電源ラインＬ１の電圧レベルを平滑化する。また、コンデンサＣ２は、電源ラインＬ２，Ｌ３の間に接続され、電源ラインＬ２の電圧レベルを平滑化する。   Capacitor C1 is connected between power supply lines L1 and L3, and smoothes the voltage level of power supply line L1. Capacitor C2 is connected between power supply lines L2 and L3, and smoothes the voltage level of power supply line L2.

制御装置３０は、モータトルク指令値、モータジェネレータＭＧの各相電流値、およびインバータ２０の入力電圧に基づいてモータジェネレータＭＧの各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を生成してインバータ２０へ出力する。   Control device 30 calculates each phase coil voltage of motor generator MG based on the motor torque command value, each phase current value of motor generator MG, and the input voltage of inverter 20, and based on the calculation result, power transistors Q3 to Q3. A PWM (Pulse Width Modulation) signal for turning on / off Q8 is generated and output to inverter 20.

また、制御装置３０は、上述したモータトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ１２０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ１０へ出力する。   Further, control device 30 calculates the duty ratio of power transistors Q1 and Q2 for optimizing the input voltage of inverter 120 based on the motor torque command value and the motor speed described above, and based on the calculation result, the power is calculated. A PWM signal for turning on / off the transistors Q1 and Q2 is generated and output to the converter 10.

さらに、制御装置３０は、モータジェネレータＭＧによって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリＢを充電するため、コンバータ１０およびインバータ２０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ８のスイッチング動作を制御する。   Further, control device 30 controls switching operations of power transistors Q1 to Q8 in converter 10 and inverter 20 in order to charge battery B by converting AC power generated by motor generator MG into DC power.

このモータ駆動装置１においては、コンバータ１０は、制御装置３０からのＰＷＭ信号に基づいて、バッテリＢから受ける直流電圧を昇圧して電源ラインＬ２に供給する。そして、インバータ２０は、制御装置３０からのＰＷＭ信号に基づいて、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＬ２から受け、その受けた直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧへ出力する。   In motor drive device 1, converter 10 boosts the DC voltage received from battery B based on the PWM signal from control device 30 and supplies it to power supply line L <b> 2. Inverter 20 receives the DC voltage smoothed by capacitor C2 from power supply line L2 based on the PWM signal from control device 30, converts the received DC voltage into an AC voltage, and outputs the AC voltage to motor generator MG. To do.

また、インバータ２０は、モータジェネレータＭＧの回生動作によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインＬ２へ出力する。そして、コンバータ１０は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＬ２から受け、その受けた直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。   Inverter 20 rectifies the AC voltage generated by the regenerative operation of motor generator MG into a DC voltage and outputs the DC voltage to power supply line L2. Converter 10 receives the DC voltage smoothed by capacitor C2 from power supply line L2, and steps down the received DC voltage to charge battery B.

図２は、図１に示したコンバータ１０およびインバータ２０の各アームを構成する半導体モジュールの外形図である。なお、インバータ２０の各相における上下各アームおよびコンバータ１０の上下各アームの構成は、いずれも同じであるので、以下では、図１に示したインバータ２０のＵ相上アームを構成する半導体モジュールについて代表的に説明する。   FIG. 2 is an external view of a semiconductor module constituting each arm of converter 10 and inverter 20 shown in FIG. Since the configurations of the upper and lower arms in each phase of inverter 20 and the upper and lower arms of converter 10 are the same, hereinafter, a semiconductor module constituting the U-phase upper arm of inverter 20 shown in FIG. A representative explanation will be given.

図２を参照して、半導体モジュール５０は、ヒートシンク５２によって外周が覆われた本体と、本体から突出した電極５４，５６および信号電極５８とを含む。   Referring to FIG. 2, semiconductor module 50 includes a main body whose outer periphery is covered by heat sink 52, electrodes 54 and 56 and signal electrode 58 protruding from the main body.

ヒートシンク５２は、後述するように、セラミック材からなり、図示されない内部のパワートランジスタＱ３およびダイオードＤ３から発生する熱を外部冷却体（図示せず）へ放熱する。電極５４，５６は、それぞれ図１に示した電源ラインＬ２およびＵ相ラインＵＬに接続される。信号電極５８は、図１に示した制御装置３０に接続され、パワートランジスタＱ３に対するＰＷＭ信号を制御装置３０から受ける。   As will be described later, the heat sink 52 is made of a ceramic material, and dissipates heat generated from an internal power transistor Q3 and a diode D3 (not shown) to an external cooling body (not shown). Electrodes 54 and 56 are connected to power supply line L2 and U-phase line UL shown in FIG. 1, respectively. The signal electrode 58 is connected to the control device 30 shown in FIG. 1 and receives a PWM signal for the power transistor Q3 from the control device 30.

図３，図４は、図２に示した半導体モジュール５０の構造を示す断面図である。ここで、図３は、図２に示した半導体モジュール５０の断面ＩＩＩ−ＩＩＩの構造を示す断面図であり、図４は、図３に示した半導体モジュール５０の断面ＩＶ−ＩＶの構造を示す断面図である。   3 and 4 are cross-sectional views showing the structure of the semiconductor module 50 shown in FIG. Here, FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of section III-III of the semiconductor module 50 shown in FIG. 2, and FIG. 4 shows the structure of section IV-IV of the semiconductor module 50 shown in FIG. It is sectional drawing.

図３，図４を参照して、半導体モジュール５０は、半導体素子部６２と、板ばね電極６４，６６，６８と、モールド樹脂７０と、ヒートシンク５２とを含む。半導体素子部６２は、パワートランジスタＱ３と、ダイオードＤ３とを含む。また、半導体素子部６２には、板ばね電極６４，６６，６８の位置を固定するための凸形状のガイド６３が設けられており、ヒートシンク５２にも、板ばね電極６４，６６，６８の位置を固定するための凹形状のガイドが設けられている。   With reference to FIGS. 3 and 4, the semiconductor module 50 includes a semiconductor element portion 62, leaf spring electrodes 64, 66, 68, a mold resin 70, and a heat sink 52. The semiconductor element unit 62 includes a power transistor Q3 and a diode D3. The semiconductor element portion 62 is provided with a convex guide 63 for fixing the positions of the leaf spring electrodes 64, 66, 68, and the heat sink 52 is also provided with the positions of the leaf spring electrodes 64, 66, 68. A concave-shaped guide is provided for fixing.

板ばね電極６４，６６，６８の各々は、たとえば銅などの高導電性かつ高伝熱性の部材からなり、半導体素子部６２の厚み方向に弾性力を発生するばね構造を有する。板ばね電極６４は、半導体素子部６２上において、パワートランジスタＱ３のコレクタ部およびダイオードＤ３のカソード部と接合され、また、図２に示した電極５４（図示せず）と接続される。板ばね電極６６は、半導体素子部６２上において、パワートランジスタＱ３のエミッタ部およびダイオードＤ３のアノード部と接合され、また、図２に示した電極５６（図示せず）と接続される。板ばね電極６８は、半導体素子部６２上において、パワートランジスタＱ３のベース部と接合され、また、図２に示した信号電極５８（図示せず）と接続される。なお、板ばね電極６４，６６，６８は、半導体素子部６２に設けられたガイド６３によって半導体素子部６２との接合位置が固定され、ヒートシンク５２の内面側に設けられたガイドによって、ヒートシンク５２との接合位置が固定される。   Each of the leaf spring electrodes 64, 66, 68 is made of a highly conductive and highly heat conductive member such as copper, and has a spring structure that generates an elastic force in the thickness direction of the semiconductor element portion 62. The leaf spring electrode 64 is joined to the collector portion of the power transistor Q3 and the cathode portion of the diode D3 on the semiconductor element portion 62, and is connected to the electrode 54 (not shown) shown in FIG. The leaf spring electrode 66 is joined to the emitter portion of the power transistor Q3 and the anode portion of the diode D3 on the semiconductor element portion 62, and is connected to the electrode 56 (not shown) shown in FIG. The leaf spring electrode 68 is joined to the base portion of the power transistor Q3 on the semiconductor element portion 62, and is connected to the signal electrode 58 (not shown) shown in FIG. The leaf spring electrodes 64, 66, 68 are fixed to the heat sink 52 by a guide provided on the inner surface side of the heat sink 52, with the joining position of the leaf spring electrodes 64, 66, 68 fixed to the semiconductor element 62 fixed by the guide 63 provided on the semiconductor element 62. The joining position is fixed.

ヒートシンク５２は、たとえば低温焼結助剤が添加された低温焼結セラミック材からなる。ヒートシンク５２は、半導体素子部６２からの熱を板ばね電極６４，６６，６８およびモールド樹脂７０を介して受け、その受けた熱を外部へ放熱する。また、ヒートシンク５２は、焼結時あるいは加熱膨張後の冷却時の収縮作用によって、板ばね電極６４，６６，６８を半導体素子部６２へ押付けている。   The heat sink 52 is made of, for example, a low temperature sintered ceramic material to which a low temperature sintering aid is added. The heat sink 52 receives heat from the semiconductor element portion 62 via the leaf spring electrodes 64, 66, 68 and the mold resin 70, and dissipates the received heat to the outside. Further, the heat sink 52 presses the leaf spring electrodes 64, 66, 68 against the semiconductor element portion 62 by a contraction action during sintering or cooling after heating and expansion.

すなわち、セラミック材は、焼結時に収縮し、また、焼結成形後の加熱によって熱膨張するところ、後述するように、ヒートシンク５２の焼結成形前、または焼結成形後の加熱による熱膨張時に半導体素子部６２および板ばね電極６４，６６，６８がヒートシンク５２内に組み込まれ、その後のヒートシンク５２の収縮作用によって、板ばね電極６４，６６，６８と半導体素子部６２との間に押付力が発生する。   That is, the ceramic material shrinks during sintering and thermally expands by heating after sintering molding. As will be described later, before the heat forming of the heat sink 52 or during thermal expansion by heating after sintering molding. The semiconductor element portion 62 and the leaf spring electrodes 64, 66, 68 are incorporated in the heat sink 52, and a pressing force is applied between the leaf spring electrodes 64, 66, 68 and the semiconductor element portion 62 due to the subsequent contraction action of the heat sink 52. Occur.

モールド樹脂７０は、高伝熱性かつ絶縁性の封止材であって、ヒートシンク５２内における板ばね電極６４，６６，６８の位置ずれを防止するとともに、半導体素子部６２からヒートシンク５２への熱伝導度を向上させ、また、防水材としても機能する。   The mold resin 70 is a highly heat-conducting and insulating sealing material that prevents displacement of the leaf spring electrodes 64, 66, and 68 in the heat sink 52 and conducts heat from the semiconductor element portion 62 to the heat sink 52. It improves the degree and also functions as a waterproof material.

なお、上記において、モールド樹脂７０は、「絶縁封止材」を構成し、ガイド６３は、「第１のガイド部」を構成し、ヒートシンク５２における凹形状のガイドは、「第２のガイド部」を構成する。   In the above, the mold resin 70 constitutes an “insulating sealing material”, the guide 63 constitutes a “first guide portion”, and the concave guide in the heat sink 52 is defined as a “second guide portion”. Is configured.

この半導体モジュール５０においては、ヒートシンク５２の収縮作用によって板ばね電極６４，６６，６８から半導体素子部６２への押付力が発生する。そして、この押付力が板ばね電極６４，６６，６８と半導体素子部６２との接合力となり、半田など高温条件下で融解する接合材を用いることなく、板ばね電極６４，６６，６８が半導体素子部６２に固設される。また、板ばね電極６４，６６，６８は、過度の押付力を吸収し、板ばね電極６４，６６，６８と半導体素子部６２との接合面にかかる押付力を均一化するとともに、半導体素子部６２からの熱をヒートシンク５２へ伝熱し、さらには、発熱による熱膨張時の寸法公差を吸収する。   In the semiconductor module 50, a pressing force from the leaf spring electrodes 64, 66, 68 to the semiconductor element portion 62 is generated by the contraction action of the heat sink 52. The pressing force becomes a bonding force between the leaf spring electrodes 64, 66, and 68 and the semiconductor element portion 62, and the leaf spring electrodes 64, 66, and 68 are made of semiconductor without using a bonding material that melts under a high temperature condition such as solder. Fixed to the element unit 62. The leaf spring electrodes 64, 66, and 68 absorb excessive pressing force, uniformize the pressing force applied to the joint surface between the leaf spring electrodes 64, 66, and 68 and the semiconductor element portion 62, and the semiconductor element portion. The heat from 62 is transferred to the heat sink 52, and further, dimensional tolerance at the time of thermal expansion due to heat generation is absorbed.

図５〜図８は、図２〜図４に示した半導体モジュール５０の製造方法を説明するための製造工程図である。   5 to 8 are manufacturing process diagrams for explaining a method of manufacturing the semiconductor module 50 shown in FIGS.

図５，図６を参照して、セラミック材の焼結時の収縮率を考慮して、焼結前のヒートシンク５２が形成される。ここで、図５では、図２に示した断面ＩＩＩ−ＩＩＩに対応するヒートシンク５２の断面が示されており、図６では、図３に示した断面ＩＶ−ＩＶに対応するヒートシンク５２の断面が示されている。なお、ヒートシンク５２は、後に半導体素子部６２等を内部に挿入するために一部が開口されている。   Referring to FIGS. 5 and 6, the heat sink 52 before sintering is formed in consideration of the shrinkage rate during sintering of the ceramic material. Here, FIG. 5 shows a cross section of the heat sink 52 corresponding to the cross section III-III shown in FIG. 2, and FIG. 6 shows a cross section of the heat sink 52 corresponding to the cross section IV-IV shown in FIG. It is shown. The heat sink 52 is partially opened for later insertion of the semiconductor element portion 62 and the like.

図７を参照して、半導体素子部６２および板ばね電極６４，６６，６８（板ばね電極６８は図示せず）が開口部からヒートシンク５２内に挿入される。   Referring to FIG. 7, semiconductor element portion 62 and leaf spring electrodes 64, 66 and 68 (leaf spring electrode 68 is not shown) are inserted into heat sink 52 from the opening.

図８を参照して、半導体素子部６２および板ばね電極６４，６６，６８がヒートシンク５２内に挿入された後、セラミック材からなるヒートシンク５２が焼結される。ここで、上述したように、ヒートシンク５２は、低温焼結助剤が添加された低温焼結セラミック材からなり、たとえば８５０℃程度での焼結が可能である。一方、板ばね電極６４，６６，６８がたとえば銅からなる場合、融点は１０００℃以上であり、また、上述のように、半導体素子部６２は、高耐熱性のＳｉＣパワー素子からなり、かつ、ヒートシンク５２との間に介在物（板ばね電極６４，６６，６８）を介するので、板ばね電極６４，６６，６８および半導体素子部６２は、ヒートシンク５２の焼結時の加熱によってダメージを受けることはない。   Referring to FIG. 8, after semiconductor element portion 62 and leaf spring electrodes 64, 66, and 68 are inserted into heat sink 52, heat sink 52 made of a ceramic material is sintered. Here, as described above, the heat sink 52 is made of a low-temperature sintered ceramic material to which a low-temperature sintering aid is added, and can be sintered at about 850 ° C., for example. On the other hand, when the leaf spring electrodes 64, 66, 68 are made of, for example, copper, the melting point is 1000 ° C. or higher, and as described above, the semiconductor element portion 62 is made of a high heat resistant SiC power element, and Since inclusions (leaf spring electrodes 64, 66, 68) are interposed between the heat sink 52 and the heat sink 52, the leaf spring electrodes 64, 66, 68 and the semiconductor element portion 62 are damaged by heating during sintering of the heat sink 52. There is no.

そして、ヒートシンク５２が焼結されると、ヒートシンク５２は収縮し、この収縮作用によって板ばね電極６４，６６，６８から半導体素子部６２への押付力が発生する。その後は、特に図示しないが、ヒートシンク５２内に樹脂モールド７０が充填され、開口部が閉じられて、半導体素子部６２および板ばね電極６４，６６，６８がヒートシンク５２内に封止される。   When the heat sink 52 is sintered, the heat sink 52 contracts, and a pressing force from the leaf spring electrodes 64, 66, 68 to the semiconductor element portion 62 is generated by the contraction action. Thereafter, although not particularly shown, the resin mold 70 is filled in the heat sink 52, the opening is closed, and the semiconductor element portion 62 and the leaf spring electrodes 64, 66, 68 are sealed in the heat sink 52.

図９，図１０は、図２〜図４に示した半導体モジュール５０の他の製造方法を説明するための製造工程図である。   9 and 10 are manufacturing process diagrams for explaining another method for manufacturing the semiconductor module 50 shown in FIGS.

図９を参照して、半導体素子部６２および板ばね電極６４，６６，６８がヒートシンク５２内に組込まれる前にヒートシンク５２が焼結形成される。なお、ヒートシンク５２は、半導体素子部６２等を内部に挿入するために一部が開口されている。   Referring to FIG. 9, the heat sink 52 is sintered before the semiconductor element portion 62 and the leaf spring electrodes 64, 66, 68 are assembled in the heat sink 52. The heat sink 52 is partially opened to insert the semiconductor element portion 62 and the like therein.

図１０を参照して、ヒートシンク５２は、焼結形成後、再度加熱される。そうすると、ヒートシンク５２は熱膨張し、その際に、半導体素子部６２および板ばね電極６４，６６，６８が開口部からヒートシンク５２内に挿入される。   Referring to FIG. 10, heat sink 52 is heated again after the sintering. Then, the heat sink 52 is thermally expanded, and at that time, the semiconductor element portion 62 and the leaf spring electrodes 64, 66, 68 are inserted into the heat sink 52 from the openings.

その後、ヒートシンク５２が冷却されると、ヒートシンク５２は収縮し、この収縮作用によって板ばね電極６４，６６，６８から半導体素子部６２への押付力が発生する。そして、その後、特に図示しないが、ヒートシンク５２内に樹脂モールド７０が充填され、開口部が閉じられて、半導体素子部６２および板ばね電極６４，６６，６８がヒートシンク５２内に封止される。   Thereafter, when the heat sink 52 is cooled, the heat sink 52 contracts, and a pressing force from the leaf spring electrodes 64, 66, 68 to the semiconductor element portion 62 is generated by the contraction action. Thereafter, although not particularly shown, the resin mold 70 is filled in the heat sink 52, the opening is closed, and the semiconductor element portion 62 and the leaf spring electrodes 64, 66, 68 are sealed in the heat sink 52.

ここで、半導体素子部６２は、上述したように、高温動作可能なＳｉＣパワー素子などからなり、６００℃程度の耐熱性を有する。そこで、上記において、ヒートシンク５２をたとえば６００℃程度に加熱して半導体モジュール５０を作り込み、それよりも低い動作温度（たとえば２５０℃程度）で半導体素子部６２を動作させれば、板ばね電極６４，６６，６８から半導体素子部６２への押付力を確保しつつ、半導体モジュール５０を動作させることができる。   Here, as described above, the semiconductor element portion 62 is composed of a SiC power element capable of operating at a high temperature and has a heat resistance of about 600 ° C. Therefore, in the above, if the heat sink 52 is heated to, for example, about 600 ° C. to make the semiconductor module 50, and the semiconductor element portion 62 is operated at a lower operating temperature (for example, about 250 ° C.), the leaf spring electrode 64. , 66 and 68, the semiconductor module 50 can be operated while ensuring a pressing force to the semiconductor element portion 62.

以上のように、この実施の形態１によれば、セラミック材からなるヒートシンク５２の収縮作用によって板ばね電極６４，６６，６８から半導体素子部６２への押付力を発生させるようにしたので、半田などの接合材を用いることなく、半導体素子部６２と板ばね電極６４，６６，６８との間に十分な接合力を得ることができる。したがって、半導体モジュール５０を構成するパワー半導体素子に高温動作可能なＳｉＣパワー素子などを用いることができ、その結果、この半導体モジュール５０を冷却する冷却系統を簡素化することができる。   As described above, according to the first embodiment, the pressing force from the leaf spring electrodes 64, 66, 68 to the semiconductor element portion 62 is generated by the contraction action of the heat sink 52 made of ceramic material. A sufficient bonding force can be obtained between the semiconductor element portion 62 and the leaf spring electrodes 64, 66, 68 without using a bonding material such as. Therefore, a SiC power element capable of operating at high temperature can be used as the power semiconductor element constituting the semiconductor module 50, and as a result, a cooling system for cooling the semiconductor module 50 can be simplified.

また、セラミック材からなるヒートシンク５２が半導体モジュール５０内部を外部冷却体と絶縁するので、半導体モジュール５０内部を外部冷却体と絶縁する絶縁体を別途設ける必要はない。   Further, since the heat sink 52 made of a ceramic material insulates the semiconductor module 50 from the external cooling body, it is not necessary to separately provide an insulator for insulating the semiconductor module 50 from the external cooling body.

さらに、セラミック材からなるヒートシンク５２の焼結時の収縮作用を利用すれば、セラミック材の高精度な収縮率に基づいて、板ばね電極６４，６６，６８から半導体素子部６２へ所望の押付力を発生させることができる。   Furthermore, if the shrinkage action during sintering of the heat sink 52 made of a ceramic material is utilized, a desired pressing force from the leaf spring electrodes 64, 66, 68 to the semiconductor element portion 62 based on the highly accurate shrinkage rate of the ceramic material. Can be generated.

また、さらに、ヒートシンク５２を低温焼結セラミック材で構成したので、焼結温度が抑えられる。したがって、ヒートシンク５２の焼結時に板ばね電極６４，６６，６８および半導体素子部６２を組付ける場合、板ばね電極６４，６６，６８および半導体素子部６２が熱によるダメージを受けることはない。   Furthermore, since the heat sink 52 is made of a low-temperature sintered ceramic material, the sintering temperature can be suppressed. Therefore, when the leaf spring electrodes 64, 66, 68 and the semiconductor element portion 62 are assembled when the heat sink 52 is sintered, the leaf spring electrodes 64, 66, 68 and the semiconductor element portion 62 are not damaged by heat.

一方、焼結されたヒートシンク５２を加熱して熱膨張させた後の冷却時におけるヒートシンク５２の収縮作用を利用して半導体モジュール５０を製造する場合は、一般に高温となる焼結温度に板ばね電極６４，６６，６８および半導体素子部６２がさらされることはない。また、焼結時に製造する場合よりも短時間で半導体モジュール５０を製造できる。   On the other hand, when the semiconductor module 50 is manufactured by utilizing the shrinkage action of the heat sink 52 during cooling after the sintered heat sink 52 is heated and thermally expanded, the leaf spring electrode is generally set at a high sintering temperature. 64, 66, 68 and the semiconductor element part 62 are not exposed. Moreover, the semiconductor module 50 can be manufactured in a shorter time than the case where it manufactures at the time of sintering.

また、さらに、板ばね電極６４，６６，６８によって、板ばね電極６４，６６，６８と半導体素子部６２との間に作用する押付力が接触面内で均一化されるので、その接触面における局部的な過度の押付力の発生が防止され、半導体素子部６２の破壊を防止できる。   Further, the pressing force acting between the leaf spring electrodes 64, 66, 68 and the semiconductor element portion 62 is made uniform in the contact surface by the leaf spring electrodes 64, 66, 68. Generation of local excessive pressing force is prevented, and destruction of the semiconductor element portion 62 can be prevented.

また、さらに、動作中の発熱による熱膨張時の寸法公差を板ばね電極６４，６６，６８が吸収するので、半導体モジュール５０の組付公差を小さくすることができる。また、別途弾性部材を設ける必要がないので、部品数の増加を防止でき、半導体モジュール５０の組付性が阻害されることはない。さらに、板ばね電極６４，６６，６８自体が伝熱体となるので、半導体モジュール５０の放熱性が向上する。   Further, since the leaf spring electrodes 64, 66, and 68 absorb the dimensional tolerance at the time of thermal expansion due to heat generation during operation, the assembly tolerance of the semiconductor module 50 can be reduced. Moreover, since it is not necessary to provide a separate elastic member, an increase in the number of components can be prevented, and the assembling property of the semiconductor module 50 is not hindered. Furthermore, since the leaf spring electrodes 64, 66, and 68 themselves become heat transfer bodies, the heat dissipation of the semiconductor module 50 is improved.

また、さらに、半導体モジュール５０の内部は、半導体素子部６２から発生する熱をヒートシンク５２へ伝熱するモールド樹脂７０によって封止されるので、半導体モジュール５０の放熱性が向上し、かつ、板ばね電極６４，６６，６８および半導体素子部６２の位置ずれを防止できる。   Further, since the inside of the semiconductor module 50 is sealed by the mold resin 70 that transfers heat generated from the semiconductor element portion 62 to the heat sink 52, the heat dissipation of the semiconductor module 50 is improved, and the leaf spring The positional shift of the electrodes 64, 66, 68 and the semiconductor element part 62 can be prevented.

また、さらに、ヒートシンク５２に設けられた凹形状のガイドによってヒートシンク５２上における板ばね電極６４，６６，６８の位置が固定されるので、ヒートシンク５２と板ばね電極６４，６６，６８との位置ずれが防止される。   Further, since the positions of the leaf spring electrodes 64, 66, 68 on the heat sink 52 are fixed by the concave guide provided on the heat sink 52, the positional deviation between the heat sink 52 and the leaf spring electrodes 64, 66, 68 is avoided. Is prevented.

また、さらに、半導体素子部６２に設けられたガイド部６３によって半導体素子部６２上における板ばね電極６４，６６，６８の位置が固定されるので、半導体素子部６２と板ばね電極６４，６６，６８との位置ずれが防止される。   Furthermore, since the positions of the leaf spring electrodes 64, 66, 68 on the semiconductor element portion 62 are fixed by the guide portion 63 provided in the semiconductor element portion 62, the semiconductor element portion 62 and the leaf spring electrodes 64, 66, Misalignment with 68 is prevented.

なお、上記においては、パワートランジスタＱ１〜Ｑ８およびダイオードＤ１〜Ｄ８は、高温動作可能なＳｉＣパワー素子としたが、ＳｉＣパワー素子に代えてＧａＮ系のパワー素子であってもよい。   In the above description, the power transistors Q1 to Q8 and the diodes D1 to D8 are SiC power elements that can operate at a high temperature, but may be GaN-based power elements instead of the SiC power elements.

また、上記においては、板ばね電極６４，６６，６８の形状は、図３，図４等に示された形状のものに限られるものではなく、その他の形状を有していてもよい。   Moreover, in the above, the shape of the leaf | plate spring electrodes 64, 66, 68 is not restricted to the shape shown by FIG. 3, FIG. 4, etc., You may have another shape.

また、上記においては、板ばね電極６４，６６，６８の内部は、空洞としたが、板ばね電極６４，６６，６８の熱抵抗を小さくするため、弾性構造を有する伝熱部材を板ばね電極６４，６６，６８の内部に設けてもよい。   In the above description, the leaf spring electrodes 64, 66, and 68 are hollow. However, in order to reduce the thermal resistance of the leaf spring electrodes 64, 66, and 68, the heat transfer member having an elastic structure is used as the leaf spring electrode. 64, 66, 68 may be provided.

また、上記において、ヒートシンク５２内における力の均衡を図るため、半導体素子部６２を挟んで板ばね電極６８の反対側にダミーの板ばねを設けてもよい。   In the above, a dummy leaf spring may be provided on the opposite side of the leaf spring electrode 68 with the semiconductor element portion 62 interposed therebetween in order to balance the force in the heat sink 52.

また、上記においては、半導体素子部６２に設けられるガイド６３は、凸形状のものとしたが、ガイド６３の形状は、これに限られるものではなく、半導体素子部６２上において板ばね電極６４，６６，６８の位置を固定できる形状であればよい。   In the above description, the guide 63 provided in the semiconductor element portion 62 has a convex shape. However, the shape of the guide 63 is not limited to this, and the leaf spring electrode 64, Any shape that can fix the positions 66 and 68 is acceptable.

同様にして、上記においては、ヒートシンク５２に設けられるガイドは、凹形状のものとしたが、ヒートシンク５２に設けられるガイドの形状は、これに限られるものではなく、板ばね電極６４，６６，６８の位置を固定できる形状であればよい。   Similarly, in the above description, the guide provided on the heat sink 52 has a concave shape, but the shape of the guide provided on the heat sink 52 is not limited to this, and the leaf spring electrodes 64, 66, 68 are not limited thereto. Any shape can be used as long as the position can be fixed.

［実施の形態２］
実施の形態２では、実施の形態１による半導体モジュールを構成する板ばね電極が電極板とばね部とに分離される。 [Embodiment 2]
In the second embodiment, the leaf spring electrode constituting the semiconductor module according to the first embodiment is separated into an electrode plate and a spring portion.

実施の形態２による半導体モジュールが用いられるモータ駆動装置の主要部の構成は、図１に示したモータ駆動装置１の構成と同じであり、また、実施の形態２による半導体モジュールの外形は、図２に示した実施の形態１による半導体モジュールと同じであるので、それらの説明は繰返さない。   The configuration of the main part of the motor drive device in which the semiconductor module according to the second embodiment is used is the same as the configuration of the motor drive device 1 shown in FIG. 1, and the outer shape of the semiconductor module according to the second embodiment is shown in FIG. Since this is the same as the semiconductor module according to the first embodiment shown in FIG. 2, the description thereof will not be repeated.

図１１は、実施の形態２による半導体モジュール５０Ａの構造を示す断面図である。   FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor module 50A according to the second embodiment.

図１１を参照して、半導体モジュール５０Ａは、図３に示した実施の形態１による半導体モジュール５０の構成において、板ばね電極６４，６６，６８の代わりに、電極板７２，７４，７６と、ばね部７８，８０，８２とを含む。半導体モジュール５０Ａのその他の構造は、実施の形態１による半導体モジュール５０と同じである。   Referring to FIG. 11, semiconductor module 50 </ b> A includes electrode plates 72, 74, and 76 instead of leaf spring electrodes 64, 66, and 68 in the configuration of semiconductor module 50 according to the first embodiment shown in FIG. 3. Spring portions 78, 80, 82. The other structure of the semiconductor module 50A is the same as that of the semiconductor module 50 according to the first embodiment.

電極板７２，７４，７６は、たとえば銅などの高導電性材料からなり、それぞればね部７８，８０，８２により半導体素子部６２に押付けられることによって半導体素子部６２と接合される。電極板７２は、半導体素子部６２上において、パワートランジスタのコレクタ部およびダイオードのカソード部と接合され、また、図２に示した電極５４（図示せず）と接続される。電極板７４は、半導体素子部６２上において、パワートランジスタのエミッタ部およびダイオードのアノード部と接合され、また、図２に示した電極５６（図示せず）と接続される。電極板７６は、半導体素子部６２上において、パワートランジスタのベース部と接合され、また、図２に示した信号電極５８（図示せず）と接続される。なお、電極板７２，７４，７６は、半導体素子部６２に設けられたガイド６３によって、半導体素子部６２との接合位置が固定される。   The electrode plates 72, 74, 76 are made of a highly conductive material such as copper, for example, and are joined to the semiconductor element portion 62 by being pressed against the semiconductor element portion 62 by spring portions 78, 80, 82, respectively. The electrode plate 72 is joined to the collector portion of the power transistor and the cathode portion of the diode on the semiconductor element portion 62, and is connected to the electrode 54 (not shown) shown in FIG. The electrode plate 74 is joined to the emitter portion of the power transistor and the anode portion of the diode on the semiconductor element portion 62, and is connected to the electrode 56 (not shown) shown in FIG. The electrode plate 76 is joined to the base portion of the power transistor on the semiconductor element portion 62 and connected to the signal electrode 58 (not shown) shown in FIG. The electrode plates 72, 74, and 76 are fixed at their joint positions with the semiconductor element portion 62 by guides 63 provided in the semiconductor element portion 62.

ばね部７８，８０，８２は、たとえば鉄などの高伝熱性部材からなり、半導体素子部６２の厚み方向に弾性力を発生する。ばね部７８，８０，８２は、それぞれヒートシンク５２と電極板７２，７４，７６との間に設けられる。   The spring portions 78, 80, 82 are made of a highly heat conductive member such as iron, for example, and generate an elastic force in the thickness direction of the semiconductor element portion 62. The spring portions 78, 80, 82 are provided between the heat sink 52 and the electrode plates 72, 74, 76, respectively.

この半導体モジュール５０Ａにおいては、ヒートシンク５２の収縮作用によってばね部７８，８０，８２から電極板７２，７４，７６への押付力が発生し、その結果、電極板７２，７４，７６は、半導体素子部６２に押付けられる。そして、この押付力が電極板７２，７４，７６と半導体素子部６２との接合力となり、半田など高温条件下で融解する接合材を用いることなく、電極板７２，７４，７６が半導体素子部６２に固設される。また、ばね部７８，８０，８２は、過度の押付力を吸収し、電極板７２，７４，７６と半導体素子部６２との接合面にかかる押付力を均一化するとともに、電極板７２，７４，７６を介して受ける半導体素子部６２からの熱をヒートシンク５２へ伝熱し、さらには、発熱による熱膨張時の寸法公差を吸収する。   In this semiconductor module 50A, a pressing force from the spring portions 78, 80, 82 to the electrode plates 72, 74, 76 is generated by the contraction action of the heat sink 52. As a result, the electrode plates 72, 74, 76 It is pressed against the part 62. The pressing force becomes a bonding force between the electrode plates 72, 74, and 76 and the semiconductor element portion 62, and the electrode plates 72, 74, and 76 can be connected to the semiconductor element portion without using a bonding material that melts under high temperature conditions such as solder. 62 is fixed. Further, the spring portions 78, 80, 82 absorb excessive pressing force, uniformize the pressing force applied to the joint surface between the electrode plates 72, 74, 76 and the semiconductor element portion 62, and also the electrode plates 72, 74. , 76 transfers heat from the semiconductor element portion 62 to the heat sink 52, and further absorbs a dimensional tolerance during thermal expansion due to heat generation.

以上のように、この実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果を得つつ、ばね部７８，８０，８２を低コストの鉄などで構成することによって、半導体モジュールの低コスト化を図ることができる。   As described above, according to the second embodiment, it is possible to reduce the cost of the semiconductor module by configuring the spring portions 78, 80, and 82 with low-cost iron or the like while obtaining the same effects as in the first embodiment. Can be achieved.

［実施の形態３］
実施の形態１，２では、半導体素子部６２の厚み方向の両側にヒートシンク５２が設けられる両面冷却型の半導体モジュールが示されたが、実施の形態３では、片面冷却型の半導体モジュールが示される。 [Embodiment 3]
In the first and second embodiments, the double-sided cooling type semiconductor module in which the heat sinks 52 are provided on both sides in the thickness direction of the semiconductor element portion 62 is shown, but in the third embodiment, the single-sided cooling type semiconductor module is shown. .

図１２は、実施の形態３による半導体モジュール５１の構造を示す断面図である。   FIG. 12 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor module 51 according to the third embodiment.

図１２を参照して、半導体モジュール５１は、半導体素子部９０と、板ばね電極９２と、電極バスバー９４と、ヒートシンク９６と、締結部材９８と、モールド樹脂７０とを含む。   Referring to FIG. 12, semiconductor module 51 includes a semiconductor element portion 90, a leaf spring electrode 92, an electrode bus bar 94, a heat sink 96, a fastening member 98, and a mold resin 70.

半導体素子部９０は、パワー半導体素子を含む。板ばね電極９２は、たとえば銅などの高導電性かつ高伝熱性の部材からなり、半導体素子部９０の厚み方向に弾性力を発生するばね構造を有する。電極バスバー９４は、外部の電源ラインと半導体素子部９０との間で電力を伝達する電力母線である。   The semiconductor element unit 90 includes a power semiconductor element. The leaf spring electrode 92 is made of a highly conductive and highly heat conductive member such as copper, for example, and has a spring structure that generates an elastic force in the thickness direction of the semiconductor element portion 90. The electrode bus bar 94 is a power bus that transmits power between an external power supply line and the semiconductor element unit 90.

ヒートシンク９６は、たとえば低温焼結助剤が添加された低温焼結セラミック材からなる。ヒートシンク９６は、半導体素子部９０からの熱を冷却体９９へ伝熱するとともに、セラミック材の焼結時あるいは加熱膨張後の冷却時の収縮作用により電極バスバー９４を板ばね電極９２へ押付けることによって、板ばね電極９２を半導体素子部９０へ押付けている。   The heat sink 96 is made of, for example, a low temperature sintered ceramic material to which a low temperature sintering aid is added. The heat sink 96 transfers heat from the semiconductor element unit 90 to the cooling body 99 and presses the electrode bus bar 94 against the leaf spring electrode 92 by a contraction action during sintering of the ceramic material or cooling after heating expansion. Thus, the leaf spring electrode 92 is pressed against the semiconductor element portion 90.

このような片面冷却型の実施の形態３によっても、両面冷却型の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。   The effect similar to that of the double-sided cooling type Embodiment 1 can also be obtained by such single-sided cooling type Embodiment 3.

なお、上記の実施の形態３において、実施の形態１に対する実施の形態２と同様に、板ばね電極９２を電極板とばね部とに分離して構成してもよい。   In the third embodiment, as in the second embodiment relative to the first embodiment, the leaf spring electrode 92 may be separated into an electrode plate and a spring portion.

なお、上記の各実施の形態においては、コンバータ１０およびインバータ２０における各アームが１つの半導体モジュールとしてパッケージ化される場合について説明したが、半導体モジュールの構成は、これに限られるものではなく、たとえば、同相の上下アーム毎、あるいはインバータ全体およびコンバータ全体を１つの半導体モジュールとしてパッケージ化してもよい。   In each of the above embodiments, the case where each arm in converter 10 and inverter 20 is packaged as one semiconductor module has been described. However, the configuration of the semiconductor module is not limited to this, for example, Each of the upper and lower arms in the same phase, or the entire inverter and the entire converter may be packaged as one semiconductor module.

また、この発明による半導体モジュールは、たとえば、近年大きく注目されているハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）や電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などにおいて好適である。すなわち、このような車両システムにおいては、信頼性、小型化、低コストが強く要求されるところ、この半導体モジュールによれば、高温の動作条件下や車両振動に対しても装置の信頼性を確保できる。また、半導体素子にＳｉＣパワー素子やＧａＮ系パワー素子などの高耐熱性パワー素子を用いることができるので、冷却系統を簡略化でき、その結果、車両の小型化および低コスト化にも寄与する。   Also, the semiconductor module according to the present invention is suitable for, for example, a hybrid vehicle and an electric vehicle that have been attracting much attention in recent years. That is, in such a vehicle system, reliability, downsizing, and low cost are strongly required. According to this semiconductor module, the reliability of the device is ensured even under high-temperature operating conditions and vehicle vibration. it can. Moreover, since a high heat-resistant power element such as a SiC power element or a GaN power element can be used as the semiconductor element, the cooling system can be simplified, and as a result, the vehicle can be reduced in size and cost.

また、上記の各実施の形態においては、半導体モジュールがモータ駆動装置に用いられる場合を代表的に例示して説明したが、この発明による半導体モジュールの適用範囲は、モータ駆動装置に限られるものではなく、たとえば上述の車両システムにおいては、パワー半導体素子が用いられるオルタネータや点火装置、ピエゾ燃料噴射装置にもこの発明を適用することができ、さらには、その他様々な電力システムにおいても適用することができる。   In each of the above embodiments, the case where the semiconductor module is used in a motor drive device has been described as a representative example. However, the application range of the semiconductor module according to the present invention is not limited to the motor drive device. For example, in the above-described vehicle system, the present invention can be applied to an alternator, an ignition device, and a piezo fuel injection device in which a power semiconductor element is used, and can also be applied to various other power systems. it can.

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許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が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims for patent and all modifications within the scope.

この発明による半導体モジュールが用いられる装置の一例として示されるモータ駆動装置の主要部の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the principal part of the motor drive unit shown as an example of the apparatus by which the semiconductor module by this invention is used. 図１に示すコンバータおよびインバータの各アームを構成する半導体モジュールの外形図である。FIG. 2 is an external view of a semiconductor module constituting each arm of the converter and inverter shown in FIG. 1. 図２に示す半導体モジュールの断面ＩＩＩ−ＩＩＩの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the cross section III-III of the semiconductor module shown in FIG. 図３に示す半導体モジュールの断面ＩＶ−ＩＶの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the cross section IV-IV of the semiconductor module shown in FIG. 図２〜図４に示す半導体モジュールの製造方法を説明するための第１の製造工程図である。FIG. 5 is a first manufacturing process diagram for explaining a manufacturing method of the semiconductor module shown in FIGS. 図２〜図４に示す半導体モジュールの製造方法を説明するための第２の製造工程図である。FIG. 5 is a second manufacturing process diagram for explaining the manufacturing method of the semiconductor module shown in FIGS. 図２〜図４に示す半導体モジュールの製造方法を説明するための第３の製造工程図である。FIG. 6 is a third manufacturing process diagram for explaining the manufacturing method of the semiconductor module shown in FIGS. 図２〜図４に示す半導体モジュールの製造方法を説明するための第４の製造工程図である。FIG. 6 is a fourth manufacturing process diagram for explaining the manufacturing method of the semiconductor module shown in FIGS. 図２〜図４に示す半導体モジュールの他の製造方法を説明するための第１の製造工程図である。FIG. 5 is a first manufacturing process diagram for explaining another manufacturing method of the semiconductor module shown in FIGS. 図２〜図４に示す半導体モジュールの他の製造方法を説明するための第２の製造工程図である。FIG. 10 is a second manufacturing process diagram for explaining another manufacturing method of the semiconductor module shown in FIGS. 実施の形態２による半導体モジュールの構造を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor module according to a second embodiment. 実施の形態３による半導体モジュールの構造を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor module according to a third embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１ モータ駆動装置、１０ コンバータ、２０ インバータ、３０ 制御装置、２２ Ｕ相アーム、２４ Ｖ相アーム、２６ Ｗ相アーム、５０，５０Ａ，５１ 半導体モジュール、５２，９６ ヒートシンク、５４，５６ 電極、５８ 信号電極、６２，９０ 半導体素子部、６４，６６，６８，９２ 板ばね電極、７０ モールド樹脂、７２，７４，７６ 電極板、７８，８０，８２ ばね部、９４ 電極バスバー、９８ 締結部材、９９ 冷却体、Ｂ バッテリ、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｌ１〜Ｌ３ 電源ライン、Ｑ１〜Ｑ８ パワートランジスタ、Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード、Ｌ リアクトル、ＵＬ Ｕ相ライン、ＶＬ Ｖ相ライン、ＷＬ Ｗ相ライン、ＭＧ モータジェネレータ。   1 motor drive device, 10 converter, 20 inverter, 30 control device, 22 U-phase arm, 24 V-phase arm, 26 W-phase arm, 50, 50A, 51 semiconductor module, 52, 96 heat sink, 54, 56 electrode, 58 signal Electrode, 62, 90 Semiconductor element part, 64, 66, 68, 92 Leaf spring electrode, 70 Mold resin, 72, 74, 76 Electrode plate, 78, 80, 82 Spring part, 94 electrode bus bar, 98 Fastening member, 99 Cooling Body, B battery, C1, C2 capacitor, L1-L3 power line, Q1-Q8 power transistor, D1-D8 diode, L reactor, UL U-phase line, VL V-phase line, WL W-phase line, MG motor generator.

Claims (15)

半導体素子と、
前記半導体素子の両側に設けられ、各々が前記半導体素子に密接される第１および第２の電極と、
前記半導体素子ならびに前記第１および第２の電極を封止し、前記第１および第２の電極を前記半導体素子に押付けるセラミック材とを備える半導体モジュール。 A semiconductor element;
First and second electrodes provided on both sides of the semiconductor element, each in close contact with the semiconductor element;
A semiconductor module comprising: a ceramic material that seals the semiconductor element and the first and second electrodes, and presses the first and second electrodes against the semiconductor element. 前記半導体素子は、耐熱性を有するパワー半導体素子である、請求項１に記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 1, wherein the semiconductor element is a power semiconductor element having heat resistance. 前記セラミック材は、前記半導体素子から発生する熱を外部へ放熱するヒートシンクを構成する、請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 1, wherein the ceramic material constitutes a heat sink that dissipates heat generated from the semiconductor element to the outside. 前記セラミック材は、前記第１および第２の電極の耐熱温度よりも低い温度で焼結する低温焼結セラミック材からなる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。   4. The semiconductor module according to claim 1, wherein the ceramic material is made of a low-temperature sintered ceramic material that is sintered at a temperature lower than a heat resistant temperature of the first and second electrodes. 5. 前記半導体素子の動作温度は、前記半導体素子ならびに前記第１および第２の電極が前記セラミック材に組付けられる際の前記セラミック材の加熱温度よりも低い、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。   5. The operation temperature of the semiconductor element is lower than a heating temperature of the ceramic material when the semiconductor element and the first and second electrodes are assembled to the ceramic material. 2. The semiconductor module according to item 1. 前記第１および第２の電極の各々は、前記半導体素子を挟み込む方向に伸縮する弾性構造を有する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。   6. The semiconductor module according to claim 1, wherein each of the first and second electrodes has an elastic structure that expands and contracts in a direction in which the semiconductor element is sandwiched. 前記セラミック材の内部において前記半導体素子ならびに前記第１および第２の電極のさらに両側に設けられ、前記半導体素子が前記第１および第２の電極によって挟み込まれる方向に各々が伸縮する第１および第２の弾性部材をさらに備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。   First and second elements are provided on both sides of the semiconductor element and the first and second electrodes in the ceramic material, and each expands and contracts in a direction in which the semiconductor element is sandwiched between the first and second electrodes. The semiconductor module according to claim 1, further comprising two elastic members. 前記半導体素子から発生する熱を前記セラミック材へ伝熱する絶縁封止材をさらに備える、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to any one of claims 1 to 7, further comprising an insulating sealing material that transfers heat generated from the semiconductor element to the ceramic material. 前記半導体素子は、前記第１および第２の電極の位置を拘束する第１のガイド部を有する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の半導体モジュール。   9. The semiconductor module according to claim 1, wherein the semiconductor element has a first guide portion that restrains positions of the first and second electrodes. 10. 前記セラミック材は、前記第１および第２の電極の位置を拘束する第２のガイド部を有する、請求項１から請求項６および請求項８のいずれか１項に記載の半導体モジュール。   9. The semiconductor module according to claim 1, wherein the ceramic material has a second guide portion that restrains the positions of the first and second electrodes. 10. 前記セラミック材は、前記第１および第２の弾性部材の位置を拘束する第２のガイド部を有する、請求項７に記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 7, wherein the ceramic material includes a second guide portion that restrains the positions of the first and second elastic members. 半導体素子ならびにその両側にそれぞれ密接される第１および第２の電極がセラミック材によって封止される半導体モジュールの製造方法であって、
所定の温度よりも低い焼結温度で焼結する低温焼結セラミック材で焼結前に前記セラミック材を形成する第１のステップと、
密接された前記半導体素子ならびに前記第１および第２の電極を前記セラミック材内部に挿入する第２のステップと、
前記焼結温度に前記セラミック材を加熱して前記セラミック材を焼結させる第３のステップとを備える半導体モジュールの製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor module in which a semiconductor element and first and second electrodes in close contact with both sides thereof are sealed with a ceramic material,
A first step of forming said ceramic material prior to sintering with a low temperature sintered ceramic material that sinters at a sintering temperature lower than a predetermined temperature;
A second step of inserting the intimate semiconductor element and the first and second electrodes into the ceramic material;
And a third step of sintering the ceramic material by heating the ceramic material to the sintering temperature. 前記所定の温度は、前記第１および第２の電極の耐熱温度である、請求項１２に記載の半導体モジュールの製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor module according to claim 12, wherein the predetermined temperature is a heat resistant temperature of the first and second electrodes. 半導体素子ならびにその両側にそれぞれ密接される第１および第２の電極がセラミック材によって封止される半導体モジュールの製造方法であって、
前記セラミック材を焼結して形成する第１のステップと、
前記セラミック材を所定の温度に加熱する第２のステップと、
密接された前記半導体素子ならびに前記第１および第２の電極を前記第２のステップにおける加熱によって熱膨張した前記セラミック材内部に挿入する第３のステップと、
前記半導体素子ならびに前記第１および第２の電極が前記セラミック材内部に挿入された後、前記セラミック材を冷却する第４のステップとを備える半導体モジュールの製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor module in which a semiconductor element and first and second electrodes in close contact with both sides thereof are sealed with a ceramic material,
A first step of sintering and forming the ceramic material;
A second step of heating the ceramic material to a predetermined temperature;
A third step of inserting the intimate semiconductor element and the first and second electrodes into the ceramic material thermally expanded by heating in the second step;
And a fourth step of cooling the ceramic material after the semiconductor element and the first and second electrodes are inserted into the ceramic material. 前記所定の温度は、前記半導体モジュールの動作温度よりも高い、請求項１４に記載の半導体モジュールの製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor module according to claim 14, wherein the predetermined temperature is higher than an operating temperature of the semiconductor module.
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