JP2007243157A - 半導体モジュール及びこれを備える半導体装置、並びに、半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は上記課題に鑑み、製造コストを低減させると供に、半導体素子で生じた熱量を効果的にヒートシンクへ拡散させ得る半導体モジュール及び半導体装置の提供を目的とする。また、かかる半導体モジュールにおける製造方法の提供を目的とする。
【解決手段】半導体ユニットＳＵ２を構成する半導体モジュールＳＭ２は、主電極層Ｅｍ及び副電極層Ｅｓがそれぞれ積層された絶縁層ＩＢと、主電極層Ｅｍに積層され且つ電気的に接続された半導体素子Ｔｒとを備えている。そして、帯状に形成された内部端子Ｗｔ２が設けられ、半導体素子Ｔｒと副電極層Ｅｓとが内部端子Ｗｔ２によって接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュール及びこれを備える半導体装置に関する。また、かかる半導体モジュールの製造方法に関する。

近年、電気自動車（Electric Vehicle）又はハイブリッドカー（Hybrid Electric Vehicle）の開発が急速に進められており、これらの車両に搭載される電力変換装置に関する技術が多数提案されている。かかる技術は、例えば、特開２００３−１９９３６３号公報（特許文献１）によって紹介されている。

以下、かかる技術を応用させた従来技術について説明する。図９には電気自動車１の要部構成が示されている。かかる電気自動車１は、充電装置１００と、バッテリー２００と、電力変換装置３００と、多相交流モータ４００とから構成されている。また、電気自動車１は、多相交流モータ４００によって駆動される車輪、運転室内に設けられたアクセルペダル等が適宜設けられ、ドライバーＤが運転室内に搭乗する。充電装置１００は、外部の商用電源に接続され、バッテリー２００に電力を充電させる。バッテリー２００は、電力を蓄積し電力変換装置３００へ直流電源を供給する。電力変換装置３００は、入力された直流電源を３相の交流電源に変換し多相交流モータ４００へ供給する。多相交流モータ４００は、摺動軸に対して回動自在に設けられた３相コイルを具備し、交流電源の印加状態に応じて軸回転力を出力させる。かかる構成により、電力変換装置３００は、ドライバーＤのアクセル操作に応じて、交流電源の出力状態を適宜に制御させ、多相交流モータ４００の軸回転力の出力を制御させる。これにより、電気自動車１は、多相交流モータ４００を介して車輪にトルクが与えられ、ドライバーＤのアクセル操作に応じた駆動制御が実現される。

図１０には電力変換装置３００の回路構成が示されている。尚、同図では、バッテリー２００及び多相交流モータ４００が併せて示されている。図示の如く、電力変換装置３００は、平滑回路Ｆと、インバータ回路３２０と、検出回路Ｄｕ〜Ｄｗと、制御回路Ｃとから構成されている。また、電力変換装置３００には、ハイサイドラインＢＨ及びローサイドラインＢＬがバッテリー２００の正極及び陰極に対応させて各々設けられており、更に、前述した構成部品に適宜な配線が施されている。平滑回路Ｆは、コンデンサーによって構成され、バッテリー２００から供給された直流電源のリップルを平滑化させる。インバータ回路３２０は、複数のスイッチング回路ＳＭによって構成され、そして、かかるスイッチング回路ＳＭを組み合わせることにより、３相のインバータユニットＩｕ〜Ｉｗが形成されている。このとき、インバータユニットＩｕ〜Ｉｗに接続された電源ラインＬｕ〜Ｌｗは、多相交流モータ４００の図示されない端子部にそれぞれ接続されている。また、検出回路Ｄｕ〜Ｄｗは、電源ラインＬｕ〜Ｌｗの電圧値を検出し検出信号ＳＧｄを出力させる。更に、制御回路Ｃは、アクセルの操作状態に基づいて出力される駆動信号ＳＧａ、及び、複数の検出信号ＳＧｄを取得し、これらの信号に基づいてスイッチング回路ＳＭを適宜に駆動させる。かかる構成により、インバータ回路３２０は、制御回路Ｃによって適切に切替制御され、直流電源を所望の電力とした交流電源に変換させる。

電気自動車１に利用される電力変換装置３００の技術において、スイッチング回路ＳＭに用いられる半導体素子は、最大印加電流が３０Ａ〜４０Ａ程度に設計されたものが広く利用されている。しかし、電気自動車１は高出力の性能が要求されるため、現在の電力変換装置３００では、各々のスイッチング回路ＳＭの印加電流が、１００Ａ〜１５０Ａと成るように設計されている。従って、かかる事情から、スイッチング回路ＳＭが以下の如く構成されている。

図１１にはインバータ回路３２０を構成するインバータユニットの回路構成が示されている。尚、同図では、電源ラインＬｕに接続されたインバータユニットＩｕのみが、便宜的に示されている。図示の如く、インバータユニットＩｕは、ハイサイドラインＢＨに接続されたスイッチング回路ＳＭと、ローサイドラインＢＬに接続されたスイッチング回路ＳＭとから構成されている。また、互いのスイッチング回路ＳＭの間に電源ラインＬｕが接続されている。スイッチング回路ＳＭは、複数の半導体素子Ｔｒが並列に接続されており、各々のゲート部に接続された信号ラインは、互いに短絡した状態で制御回路Ｃに接続されている。従って、各々の半導体素子Ｔｒにおける許容印加電流の値が低い場合であっても、かかる構成により、半導体素子Ｔｒに印加される電流が分散されるので、複数の半導体素子Ｔｒを具備するスイッチング回路ＳＭでは、許容印加電流の値が引き上げられる。また、図示の如く、ローサイドラインＢＬに接続されたスイッチング回路ＳＭにあっても、前述同様、複数の半導体素子Ｔｒが並列接続されている。

図１２には電力変換装置３００を具現化させた装置構成が示されている。電力変換装置３００は、筐体３１０と、平滑装置Ｃと、バスバーＢＨ及びＢＬと、半導体装置３２０と検出装置Ｄｕ〜Ｄｗとから構成されている。また、図示されない制御装置Ｃが筐体３１０の内部に適宜格納されている。尚、同図では、具現化された装置構成を説明する都合上、図１０及び図１１で説明した平滑回路Ｆを平滑装置Ｆと名称変更する。同様に、インバータ回路３２０、検出回路Ｄｕ〜Ｄｗ、制御回路Ｃ、ハイサイドラインＢＨ、ローサイドラインＢＬ、スイッチング回路ＳＭ、をそれぞれ、半導体装置３２０、検出装置Ｄｕ〜Ｄｗ、制御装置Ｃ、バスバーＢＨ、バスバーＢＬ、半導体モジュールＳＭと名称変更する。

図示の如く、筐体３１０は、蓋部３１０ａと格納部３１０ｂとから構成されている。ここで、格納部３１０ｂには、入力端子３１２ａ及び３１２ｂと、冷却部３１２ｃと、出力端子Ｕ〜Ｗが設けられている。入力端子３１２ａ及び３１２ｂは、バッテリーに接続され、バスバーＢＨ及びＢＬに直流電源を印加する。冷却部３１２ｃは、格納部３１０ｂの底部に凹状の空間が設けられ、後述するヒートシンク３２６と組み合わさることで、冷却媒体の通過経路が形成される。また、冷却部３１２ｃには、給水管３１２ｅと排水管３１２ｄとが設けられ、図示されない外部配管に接続される。かかる冷却部３１２ｃでは、冷却された冷却媒体３１２ｆが給水管３１２ｅから流入し、冷却部３１２ｃの内部へ導かれる。このとき、冷却媒体３１２ｆはヒートシンク３２６との間で熱交換が行われ熱量を吸収する。その後、熱量を吸収した冷却媒体は、排水管３１２ｄによって排出され、図示されない熱交換機構によって冷却される。出力端子Ｕ〜Ｗは、筐体３１０の内部において、電源ラインＬｕ〜Ｌｗにそれぞれ接続され、図示されないケーブルを介して多相交流モータ４００に接続される。

図１３では半導体装置３２０の一部拡大図が示されている。図示の如く、半導体装置３２０は、半導体モジュールＳＭと枠体ＢＦとから構成されている。尚、半導体装置３２０には、図１３に示されている半導体モジュールＳＭと図示されない他の半導体モジュールＳＭとによって、総計６カ所に配列されている。

枠体ＢＦは、図示されない３本の板状導電体ＥＢと電源ラインＬｕ〜Ｌｗとが格子状に配線され、２行３列にレイアウトされた６箇所の開口部が形成される。また、芯状の導電体をＬ字型に形成させた信号端子Ｅｇが複数配列される。そして、枠体ＢＦは、３本の板状導電体ＥＢと電源ラインＬｕ〜Ｌｗと信号端子Ｅｇとが樹脂等の絶縁材によって一体被服される。このとき、各々の開口部において、信号端子Ｅｇは、一端が開口部の内部で露出され、他端が枠体ＢＦの上面に突出した状態で露出される。また、枠体ＢＦは、適宜の位置で板状導電体ＥＢを露出させ、導電端子Ｅｉ及びＥｏが構成される。

半導体モジュールＳＭは、絶縁層ＩＢと、複数の半導体素子Ｔｒによって構成され、ワイヤー端子Ｗｔ１によって適宜配線されている。このとき、絶縁層ＩＢの表面には、銅合金から成る電極層がパターニングされており、具体的には、主電極層Ｅｍと副電極層Ｅｓとが形成されている。そして、半導体素子Ｔｒが、主ハンダ層Ｅｍにそれぞれ配置されハンダ接合される。また、半導体モジュールＳＭは、導電端子Ｅｉと主電極層Ｅｍとがワイヤー端子Ｗｉ１によって接続され、導電端子Ｅｏと副電極層Ｅｓとがワイヤー端子Ｗｏ１によって接続される。また、絶縁層ＩＢの裏面には、主電極層Ｅｍ及び副電極層Ｅｓ等と同一材料とされた伝熱層ＩＢａが積層されている。

図１４では、図１３のＡ−Ａ断面を矢線方向に観察した状態が示されており、半導体装置３２０とヒートシンクＩＢとを接合させる際の積層構造が示されている。図示の如く、ヒートシンク３２６の上面には、グリス層３２５と、伝熱板３２４と、ハンダ層３２３と、前述した半導体モジュールＳＭとが順次積層されている。半導体モジュールＳＭと伝熱板３２４とは、ハンダ層３２３における境界面の付着力によって接合されている。このとき、ハンダ層３２３は、絶縁層ＩＢに積層された伝熱層ＩＢａによって、付着力の強化が図られている。そして、グリス層３２５及び伝熱板３２４及びハンダ層３２３は、熱伝導率の高い材質が適宜選択され、半導体モジュールＳＭで生じた熱量が効率よくヒートシンク３２６へと伝達される。また、下部ハンダ層３２３及び伝熱板３２４は、半導体モジュールＳＭを構成する絶縁層ＩＢの熱膨張率と略一致した材料が選択され、熱応力の発生を抑制させる積層構造が実現されている。かかる技術では、伝熱板３２４の材料には銅合金が選択され、ヒートシンク３２６の材料にはアルミ合金が選択されている。この場合、半導体モジュールＳＭから熱量が供給される際、伝熱板３２４とヒートシンク３２６との間の熱膨張率が相違するため、かかる積層構造は、双方の熱変形の差による相対変移が不可避的に生じ、熱応力を発生させ易い構造とされている。従って、かかる問題を回避するため、グリス層３２５を設けて、伝熱板３２４とヒートシンク３２６との密着状態を緩和させ、これにより、伝熱板３２４とヒートシンク３２６との間に生じる熱応力を緩和させている。尚、半導体装置３２０を構成する枠体ＢＦは、耐熱性の接着剤３２１によって伝熱板３２４に接合されている。

特開２００３−１９９３６３号公報

しかしながら、かかる従来技術では、半導体素子における端子部の寸法的制約に起因し、ワイヤー端子の接合本数を自由に増加させることが困難とされている。また、半導体素子の端子部へワイヤー端子を密接させてボンディングさせる場合、ボンディング装置のヘッド部が干渉し、ワイヤー端子の配列ピッチを所定量設けることが必要とされている。かかる技術的制約下にあっては、ワイヤー端子の有効断面積が極めて狭小な値とされるため、図１５に示す如く、ワイヤー端子の熱量の伝達効率が著しく低下し、ワイヤー端子に接合させる面に分布する半導体素子の熱量の拡散が効果的に行われないとの問題が生じる。また、電流の通過密度の増大に伴い、ワイヤー端子の内部では発熱し、半導体素子で発生した熱量の伝達効率が更に低下するとの問題も生じる。更に、ワイヤー端子の熱量が増加すると、ボンディング部ではワイヤー端子を構成する母材の液相温度に到達し、ワイヤー端子と半導体素子との接合状態が維持できなくなるとの問題も生じる。加えて、一部のワイヤー端子の接合が解かれると、半導体素子との接合を維持している他のワイヤー端子は、当該他のワイヤー端子によって更に狭小な有効断面積を構成するので、これに応じて、ワイヤー端子の内部における熱量の上昇が顕著となり、半導体素子との接合状態が維持されなくなり、これにより、半導体素子の出力電流を外部に伝達できなくなるとの問題が生じる。併せて、かかる構成を具備する半導体モジュールでは、ワイヤー端子を溶着させる工程を複数回連続して行うため、加工時間の増大を招き、生産効率を低下させる原因とされている。

また、半導体モジュールに多量のワイヤー端子を配置させると、半導体装置では、回路内部に寄生する総インピーダンスが増加し、半導体素子の駆動時に誘導ノイズが発生するとの問題を有していた。また、かかる誘導ノイズを低減させるため、ゲート抵抗を増加させたることも考えられるが、かかる半導体モジュールでは、発熱量の更なる増加に繋がるとの問題が生じる。また、ゲート抵抗の抵抗値が増加すると、これに応じて電力変換装置における損失量が増大し、多相交流モータの駆動効率が低下するとの問題が生じる。

更に、半導体素子で発熱した熱量が当該半導体素子の下面から絶縁層を介してヒートシンクへ伝達される場合、かかる絶縁層は、ハンダ層又は銅合金から成る伝熱層と比較して熱伝導率が低い材質で組成されているため、伝達された熱量が絶縁層の内部全域に十分拡散され得ない構成とされる。このため、絶縁層の裏面に積層された伝熱層が十分広い範囲に設けられていたとしても、絶縁層を通過して伝熱層に到達する熱量が制限され、半導体モジュールは、効果的な冷却作用を受けることができないとの問題が生じていた。

加えて、半導体モジュールに積層される主ハンダ層及び下部ハンダ層は、熱源である半導体素子と熱交換を積極的に行うヒートシンクとの間に設けられているので、熱量の分布状態を急激に変動させる現象が繰り返し行われる。従って、ハンダ接合される境界面では、断続的に発生する熱応力により、付着力が低下してクラックが発生する。また、かかる如くクラックが発生すると、電流及び熱量の伝達経路が狭められるので、電流密度の上昇及び熱量の伝達効率の低下を招き、ハンダ層に生じたクラックが更に成長するとの問題を有している。

併せて、かかる半導体モジュールでは、１層の絶縁層に複数の半導体素子を搭載させる構成とされているので、絶縁層と半導体素子とのハンダ接合を完了させた後に性能試験を実施する場合、かかる半導体素子のうち何れか一つの半導体素子の性能不全が発覚すると、他の半導体素子の性能が正常であるにも関わらず、かかる半導体モジュールを廃棄処分させなければならず、生産効率の低下及び製造コストの高騰を招来させていた。

本発明は上記課題に鑑み、製造コストを低減させると供に、半導体素子で生じた熱量を効果的にヒートシンクへ拡散させ得る半導体モジュール及び半導体装置の提供を目的とする。また、かかる半導体モジュールの製造方法の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では次のような半導体モジュールの構成とする。すなわち、主電極層及び副電極層がそれぞれ積層された絶縁層と、前記主電極層に積層され且つ電気的に接続された半導体素子とを備える半導体モジュールにおいて、前記半導体素子と前記副電極層とが帯状の内部端子によって接続されることとする。このとき、前記主電極層及び前記副電極層は、銅元素を基として組成される母材から成り、前記母材に熱膨張率の調整を行う調整元素が所定量含有された銅合金であることが好ましい。また、前記調整元素は、モリブデン元素及び／又はタングステン元素であることが好ましい。また、前記内部端子と前記半導体素子とは主ハンダ層を介して接合されていることが好ましい。また、前記内部端子と前記副電極層とは副ハンダ層を介して接合されていることが好ましい。また、前記内部端子の板厚は０．２ｍｍ以上とされていることが好ましい。また、前記内部端子は、前記銅合金によって構成されることが好ましい。また、前記内部端子は、前記半導体素子及び／又は前記副電極層に摩擦溶着されることが好ましい。また、前記内部端子の板厚は０．３ｍｍ以下とされていることが好ましい。また、前記内部端子は、板厚方向に折曲または湾曲された曲状形成部を具備し、前記曲状形成部を介した状態で前記半導体素子と前記副電極層との間に連架されていることが好ましい。また、前記主ハンダ層または前記副ハンダ層が接合される前記内部端子の接合面には、板厚方向に対して突出した閉曲面が形成され、前記主ハンダ層または前記副ハンダ層の表面と前記閉曲面とによって形成される端子側接触角が鋭角とされていることが好ましい。また、前記閉曲面は前記内部端子をプレス加工して形成されることが好ましい。また、前記閉曲面を形成する板厚は、前記基準板厚の７５％以上の値に設定されていることが好ましい。

また、かかる半導体モジュールを用いて、本発明では次のような半導体装置の構成とする。すなわち、上述の半導体モジュールを少なくとも一つ備え、更に、導電端子を具備する枠体と、前記半導体モジュール及び前記導電端子を電気的に接続させる外部端子とを備えることとする。また、かかる半導体モジュールが並列接続された少なくとも一つの半導体ユニットを備え、更に、導電端子を具備する枠体と、前記半導体モジュール及び前記導電端子を電気的に接続させる外部端子とを備えることとしても良い。また、前記外部端子は帯状に形成されていることとしても良い。また、前記半導体モジュールには熱交換を行うヒートシンクが更に設けられ、前記半導体モジュールは熱伝導率の高いモジュール用接着剤によって前記ヒートシンクへ接着されていることとしても良い。また、前記モジュール用接着剤は、シリコーン材で組成されていることとしても良い。また、前記半導体装置は、インバータ回路を構成し多相交流モータを駆動制御させることとしても良い。

更に、かかる半導体モジュールは次のような構成の製造方法により製造される。すなわち、前記半導体素子の下部と前記主電極層とを電気的に接合させる下部ハンダ工程と、前記半導体素子の上部及び前記副電極層のそれぞれに前記内部端子を接続させる上部ハンダ工程とが同一工程にて処理されることとする。

以上の如く、本発明に係る半導体モジュールでは、内部端子の断面積が非常に大きく確保されるので、半導体素子で生じた熱が効率よく副電極層へ導かれる。このとき、副電極層が絶縁層における熱量の低い分布域に積層されているので、かかる分布域への熱量の供給が効率よく行われ、絶縁層における熱量の分布の均等化が図られる。これにより、半導体素子で発生した熱は、半導体素子の下部を経由する第１の経路と半導体素子の上部を経由する第２の経路とに分岐され、ヒートシンクへと効率よく伝達され、良好な冷却作用を受けることが可能とされる。

また、半導体モジュールに用いられる内部端子は、主ハンダ層又は副ハンダ層によって広域的に面接合されるので、ワイヤー端子を複数回ボンディングさせる端子構造と比較して、内部端子と主ハンダ層又は副ハンダ層との接合工程の簡素化が図られる。このとき、主ハンダ層又は副ハンダ層をリフロー処理させると、接合工程の更なる簡素化が図られる。更に、半導体モジュールでは、内部端子と主ハンダ層及び副ハンダ層との接合面積が広く確保されるので、互いの結合力が高く維持され、長寿命化が期待できる。

更に、内部端子及び主電極層及び副電極層及び絶縁層のそれぞれの熱膨張率が適宜に調整されているので、半導体モジュールが熱変形を起こした場合であっても、主ハンダ層及び副ハンダ層及び下部ハンダ層に生じる熱応力が緩和され、これらハンダ層の近傍に発生するクラックが抑制される。

加えて、かかる半導体モジュールでは、内部端子の断面積が非常に大きく確保されるので、内部端子における電流密度が低く抑えられる。これにより、半導体モジュールは、内部端子の抵抗値が低減され、損失の効果的な抑制が図られる。また、かかる半導体モジュールを具備する電力変換装置では、半導体素子で生じる損失が抑制されるので、電気自動車に搭載される多相交流モータが効率よく駆動される。

また、本発明に係る半導体モジュールでは、かかる構造を具備する内部端子によってインダクタンスの低減が図られ、ゲート端子のＯＮ／ＯＦＦ切替時に生じる誘導電流が抑制され、誘導ノイズの低減が図られる。また、インダクタンスが低減されるので、ゲート抵抗を低く設定することが可能となり、半導体素子で生じる発熱量を低減させることが可能となる。このとき、半導体素子における発熱量が低減されると、半導体素子を選定する際の仕様の適正化が図られるので、かかる半導体素子を用いた半導体装置では、構造上不可避的であった過剰設計から回避され、コストの削減及び装置の軽量化が可能とされる。

更に、かかる如く構成された半導体モジュールは、主電極層及び副電極層を具備する状態で、半導体素子毎にそれぞれユニット化されているので、予め実施される性能試験でのプロービング作業が容易に行われる。このとき、本実施の形態に係る半導体装置では、かかる性能試験の結果に基づき半導体モジュールが適宜選択されるので、半導体ユニットを構成する半導体モジュールの性能が均一化され、半導体モジュールを通過する電流の適宜な分散が図られる。また、半導体装置に半導体モジュールが組み込まれ、その後、後発的に半導体素子の性能不全が発覚した場合には、かかる性能不全の半導体素子を具備する半導体モジュールのみの交換が可能とされる。これにより、半導体装置は、一部の半導体素子が後発的に発覚した場合であっても、適正に機能する半導体素子を不用意に廃棄させることなく、部品の使用効率を向上させ、製造コストの低減が図られる。

加えて、かかる半導体装置を電力変換装置に適用させた電気自動車では、半導体モジュールの損失が低減されるので、半導体装置の出力効率が高くなり、多相交流モータの制御性及び消費電力の改善が図られる。

以下、本発明に係る実施の形態につき図面を参照して説明する。図１は電気自動車に搭載される半導体装置の一部斜視図が示されている。図示の如く、半導体装置３２０は、複数の半導体モジュールＳＭ２が並列接続された半導体ユニットＳＵ２を備え、更に、導電端子Ｅｉ、Ｅｏを具備する枠体と、半導体モジュールＳＭ２及び導電端子Ｅｉ、Ｅｏを電気的に接続させる外部端子Ｗｉ２、Ｗｏ２とを備える。尚、本実施の形態に係る半導体装置３２０では、かかる半導体ユニットＳＵ２と図示されない他の半導体ユニットとが総計６カ所に配列されている。

枠体ＢＦは、前述の如く、図示されない３本の板状導電体ＥＢと電源ラインＬｕ〜Ｌｗとが格子状に配線され、２行３列にレイアウトされた６箇所の開口部が形成される。また、芯状の導電体をＬ字型に形成させた信号端子Ｅｇが複数配列される。そして、枠体ＢＦは、３本の板状導電体ＥＢと電源ラインＬｕ〜Ｌｗと信号端子Ｅｇとが樹脂等の絶縁材によって一体被服される。このとき、各々の開口部において、信号端子Ｅｇは、一端が開口部の内部で露出され、他端が枠体ＢＦの上面に突出した状態で露出される。また、枠体ＢＦは、適宜の位置で板状導電体ＥＢを露出させ、導電端子Ｅｉ及びＥｏが形成される。

かかる構成を具備する枠体ＢＦの開口部では、半導体ユニットＳＵ２を構成する半導体モジュールＳＭ２がそれぞれ配備され、半導体モジュールＳＭ２が外部端子Ｗｉ２及びＷｏ２によって導電端子Ｅｉ及びＥｏにそれぞれ接続される。かかる外部端子Ｗｉ２及びＷｏ２は、導電材料が帯状に形成されている。これにより、ワイヤー端子と比較した場合、外部端子Ｗｉ２及びＷｏ２では、電流の通過面積が拡大されるので、これに応じて、抵抗値が低減されると供に発熱量が抑制される。

図２には、図１のＢ−Ｂ断面を矢線方向に観察した状態が示されている。図示の如く半導体モジュールＳＭ２には、熱交換を行うヒートシンク３２６が更に設けられている。また、半導体モジュールＳＭ２は熱伝導率の高いモジュール用接着剤ＳＭ６によってヒートシンク３２６へ接着されている。

ヒートシンク３２６は、押出加工によって成形されたアルミ材が用いられる。また、設計仕様に準え、アルミ材の表面積及び包絡体積等が規定され、これにより、断面形状が適宜定められる。そして、ヒートシンク３２６は、電力変換装置３００における筐体３１０の冷却部３１２ｃに組み込まれ、シール性を具備した状態で固定される。これにより、冷却媒体３１２ｆの通過経路が確保され、熱交換部が構成される。尚、かかる熱交換部には、液体の冷却媒体を用いた水冷式を採用しても良く、気体の冷却媒体を用いた空冷式を採用しても良い。

モジュール用接着剤ＳＭ６は、シリコーン材で組成されていることが好ましい。このとき、モジュール用接着剤ＳＭ６は、３０μｍ〜５０μｍの接着厚とするのが好ましい。これにより、半導体モジュールＳＭ２とヒートシンク３２６とに生じる熱応力が効果的に緩和されると供に、熱伝導抵抗が所定値に抑えられる。また、モジュール用接着材ＳＭ６は、熱伝導率が２．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを用いるのが好ましい。これにより、半導体モジュールＳＭ２で生じた熱が効果的にヒートシンク３２６へ伝達される。

図１に戻り、半導体ユニットＳＵ２について説明する。図示の如く、本実施の形態における半導体ユニットＳＵ２は、枠体ＢＦのそれぞれの開口部に、３個の半導体モジュールＳＭ２が配列されている。そして、かかる半導体モジュールＳＭ２は、前述した導電端子Ｅｉ及びＥｏと外部端子Ｗｉ２及びＷｏ２とによって並列接続されている。ここで用いられる半導体モジュールＳＭ２は、予め性能試験が行われた半導体モジュールを取捨選択し、互いに同一または類似の性能とされる様に組み合わされている。これにより、半導体ユニットＳＵ２は、性能のバラツキが排除された半導体モジュールＳＭ２によって構成され、半導体モジュールＳＭ２を通過する電流を均等に分散させる。

半導体ユニットＳＵ２を構成する半導体モジュールＳＭ２は、主電極層Ｅｍ及び副電極層Ｅｓがそれぞれ積層された絶縁層ＩＢと、主電極層Ｅｍに積層され且つ電気的に接続された半導体素子Ｔｒとを備えている。そして、帯状に形成された内部端子Ｗｔ２が設けられ、半導体素子Ｔｒと副電極層Ｅｓとが内部端子Ｗｔ２によって接続されている。また、信号端子Ｅｇに接続されたワイヤーＷｇは、半導体素子Ｔｒの表面に設けられたゲート端子にそれぞれ接続されている。これにより、半導体素子Ｔｒは、図示されない制御回路Ｃの指令信号ＳＧａがゲート端子に印加され駆動制御される。

本実施の形態で用いられる半導体素子Ｔｒは、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴが採用されている。図１に示される半導体素子Ｔｒでは、表面部に占有面積の小さいゲート端子と占有面積が非常に大きいソース端子とがそれぞれレイアウトされている。また、裏面には大半の領域を占めるドレイン端子がレイアウトされている。但し、本実施の形態に用いられるｎチャンネルＭＯＳＦＥＴの替わりに、ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、サイリスタ、その他の半導体素子に置き換えることが可能である。このとき、採用する半導体素子の種類によって、各端子の構成が適宜変更される。

絶縁層ＩＢは、電気伝導率の低い材料が板体に形成され、各々の半導体素子Ｔｒに対応して設けられる。かかる構成により、ヒートシンク３２６との電気的な絶縁状態が確保される。また、絶縁層ＩＢは熱伝導率の高い材質が選定される。これにより、絶縁層ＩＢは、半導体素子Ｔｒで発生した熱を絶縁層ＩＢの内部へ有効に拡散させると供に、熱伝導抵抗が低く抑えられてヒートシンク３２６への熱伝達が有効に行われる。更に、絶縁層ＩＢは半導体素子Ｔｒの熱膨張係数に近い材質が選定される。これにより、半導体素子Ｔｒが発熱した場合、絶縁層ＩＢは、半導体素子Ｔｒの膨張量と同程度の熱膨張を起こし、絶縁層ＩＢと半導体素子Ｔｒとの間に生じる熱応力を抑制させている。かかる絶縁層ＩＢには、アルミナ又は窒化アルミ又は窒化ケイ素等のセラミックスが用いられる。例えば窒化アルミでは、熱伝導率が約１５０〜１８０（Ｗ／ｍＫ）、熱膨張率が約５．０〜６．０×１０−６（１／Ｋ）の性質を有している。

図２に示す如く、半導体モジュールＳＭ２は、絶縁層ＩＢの表面に主電極層Ｅｍ及び副電極層Ｅｓがパターニングされている。そして、主電極層Ｅｍには下部ハンダ層Ｓｇと半導体素子Ｔｒとが積層されており、半導体素子Ｔｒの表面と内部端子Ｗｔ２の一端とが主ハンダ層Ｓｍを介して接続されている。また、副電極層Ｅｓの表面には内部端子Ｗｔ２の他端が副ハンダ層Ｓｓを介して接続されている。他方、絶縁層ＩＢの裏面では、主電極層Ｓｍと同材質の伝熱層ＩＢａが積層され、ヒートシンク３２６に対する熱の伝達効率を向上させている。

主電極層Ｅｍ及び副電極層Ｅｓは、銅元素Ｃｕを基として組成される母材から成り、母材に熱膨張率の調整を行う調整元素Ｘが所定量含有された銅合金ＣｕＸとされている。調整元素Ｘは、母材Ｃｕの熱膨張率を抑制し絶縁層ＩＢと同程度の熱膨張率に調整させ、主電極層Ｅｍ及び副電極層Ｅｓと絶縁層ＩＢとの間に生じる熱応力を抑制している。かかる構成により、主電極層Ｅｍ及び副電極層Ｅｓと半導体装置Ｔｒとのそれぞれの熱膨張率が略一致した状態とされる。従って、半導体装置Ｔｒが発熱した場合であっても、当該半導体装置Ｔｒの膨張変形に対する主電極層Ｅｍの表面の相対変位が抑えられ、これにより、下部ハンダ層Ｓｇに発生するクラックが抑制される。また、内部端子Ｗｔ２のハンダ接合面と副電極層Ｅｓの表面との相対変移が抑えられ、これにより、副ハンダ層Ｓｓに発生するクラックが抑制される。このとき、調整元素ＣｕＸは、モリブデン元素Ｍｏ又はタングステン元素Ｗであるのが好ましい。また、モリブデン元素Ｍｏ及びタングステン元素Ｗの双方の元素を含有させても良い。

次に、主電極層Ｅｍ及び副電極層Ｅｓの製法例を以下に記す。先ず、絶縁層ＩＢを準備し、当該絶縁層ＩＢの表面にフォトレジストを塗布する。そして、フォトレジストを露光処理してパターニングを行い、約０．３ｍｍの銅合金ＣｕＸのエッチングを行う。その後、フォトレジストを洗浄処理して主電極層Ｅｍ及び副電極層Ｅｓのパターニングが完了する。このとき、ダイオードを配置させる電極層を更にパターニングさせても良い。また、これらの電極層は、前述の工程を繰り返し、銅合金ＣｕＸの表面にニッケルメッキ層及び金メッキ層を順次被服させるのが好ましい。かかる構成により、金メッキ層は、ハンダ層と高純度のニッケルメッキ層との結合を促す。また、ニッケルメッキ層は銅合金ＣｕＸとハンダ層との結合性を向上させる。

また、前述の如く、内部端子Ｗｔ２と半導体素子Ｔｒとは主ハンダ層Ｓｍを介して接合されている。かかる主ハンダ層Ｓｍは、半導体素子Ｔｒにおけるソース端子の全域に亘り溶着され、且つ、内部端子Ｗｔ２の接合面において広い範囲で溶着される。従って、主ハンダ層Ｓｍを設けたことにより、半導体素子Ｔｒと内部端子Ｗｔ２との双方の接合面積が有効に確保されるので、半導体素子Ｔｒで発生した熱が効率良く内部端子Ｗｔ２へ伝達される。更に、内部端子Ｗｔ２と副電極層Ｅｓとは副ハンダ層Ｓｓを介して接合されている。かかる副ハンダ層Ｅｓは、内部端子Ｗｔ２の接合面において広い範囲で溶着され、且つ、副電極層Ｅｓの広い範囲に亘り溶着される。従って、副ハンダ層Ｓｓを設けたことにより、内部端子Ｗｔ２と副電極層Ｅｓとによって形成される接合面積が有効に確保されるので、半導体素子Ｔｒを起点として伝達された熱は、効率よく副電極端子Ｓｓへ伝達され、その後、絶縁層ＩＢへと伝達される。尚、内部端子Ｗｔ２の接合面とは、内部端子Ｗｔ２の板厚方向の面であって、図２における絶縁層ＩＢが配される側の面を指す。このとき、主ハンダ層Ｓｍは、半導体素子Ｔｒの熱膨張率と内部端子Ｗｔ２の熱膨張率との間の値となるように成分調整されるのが好ましい。また、半導体素子Ｔｒと内部端子Ｗｔ２との熱膨張率が同一である場合には、主ハンダ層Ｓｍも、これと同じ値の熱膨張率となる様に成分調整を行うのが好ましい。更に、副ハンダ層Ｓｓにあっても、主ハンダ層Ｓｍと同様の成分調整を行い、熱膨張率を調整するのが好ましい。加えて、主ハンダ層Ｓｍ及び副ハンダ層Ｓｓは、所定の厚さを確保させて積層されるのが好ましい。かかる好ましい構成により、主ハンダ層Ｓｍ及び副ハンダ層Ｓｓでは、双方のハンダ層の内部又は境界部における応力が緩和され、クラックの発生が抑制される。

次に、内部端子Ｗｔ２の構成について説明する。図２に示す如く、内部端子Ｗｔ２は、所定の板厚から成る帯状の板体によって構成される。このとき、内部端子Ｗｔ２の板厚は０．２ｍｍ以上とされるのが好ましい。例えば、板厚ｔ＝０．３ｍｍであって板幅Ｗ＝２．０ｍｍとされる内部端子Ｗｔ２を用いた場合、内部端子Ｗｔ２の断面積は０．６ｍｍ２とされる。一方、直径０．３５ｍｍのワイヤー端子を複数ボンディングさせる従来技術の場合、本実施の形態に係る内部端子Ｗｔ２の板幅Ｗ相当の範囲では、ワイヤー端子が最大で５本しか溶着され得ないので、ワイヤー端子の総断面積は０．４８ｍｍ２とされる。従って、内部端子Ｗｔ２ではワイヤー端子の場合と比較して１．２５倍の有効断面積を有することとされる。即ち、内部端子Ｗｔ２とワイヤー端子の全長が同じである場合には、かかる有効断面積の増加割合に比例して、内部端子Ｗｔ２の抵抗値が低減される。尚、ワイヤー端子を複数本ボンディングさせる場合、ワイヤー端子をボンディングさせるボンディング装置のヘッド部が互いに干渉するため、実際には、前述した範囲内に溶着可能なワイヤー端子は、接合される本数が更に制限されるので、これに応じて抵抗値が高くなる。即ち、内部端子Ｗｔ２では、従来技術と比較して、抵抗値が格段に低く抑えられることが理解できる。かかる内部端子Ｗｔ２は、銅元素Ｃｕを基として組成される母材から成り、母材に熱膨張率の調整を行う調整元素Ｘが所定量含有された銅合金ＣｕＸとするのが好ましい。これにより、絶縁層ＩＢが熱膨張によって水平方向に変形した場合であっても、水平方向に対する内部端子Ｗｔ２の変形量は、絶縁層ＩＢの変形量と同程度とされるため、各々のハンダ層では、内部応力の増加が緩和される。このとき、調整元素ＣｕＸは、モリブデン元素Ｍｏ又はタングステン元素Ｗであるのが好ましい。また、モリブデン元素Ｍｏ及びタングステン元素Ｗの双方の元素を含有させても良い。

図３には内部端子Ｗｔ２の種々の実施態様が示されている。尚、同図は図１のＢ−Ｂ断面を矢線方向に観察した内部端子Ｗｔ２が示されている。図３（ａ）を参照して、本実施の形態に係る内部端子Ｗｔ２の形状について説明する。かかる内部端子Ｗｔ２は、板厚方向に折曲された曲状形成部Ｂ１を具備している。尚、図１に示される如く、内部端子Ｗｔ２は、曲状形成部Ｂ１を介した状態で、半導体素子Ｔｒと副電極層Ｅｓとの間にそれぞれ連架されて用いられる。ここで、曲状形成部Ｂ１とは図３（ａ）における点線枠内の板体の傾斜部を指す。また、板厚方向とは図３に記される矢印方向の全てを指す。前述の如く、半導体素子Ｔｒが発熱すると、主電極層Ｅｍと副電極層Ｅｓとの相対位置がＸ方向に変移する。このとき、内部端子Ｗｔ２は、相対的な変移に基づく力を接合面Ａ及び接合面Ｄから受けることにより、曲状形成部Ｂ１がＸ方向（矢印の逆方向を含む）に弾性変形される。即ち、主ハンダ層Ｓｍ又は副ハンダ層Ｓｓ又は下部ハンダ層Ｓｇに生じた剪断応力が緩和され、これらのハンダ層に生じるクラックの低減が図られる。また、半導体素子Ｔｒが発熱すると、半導体モジュールＳＭ２は積層方向に不均一な熱膨張を発生させる場合もある。かかる場合にあっても、内部端子Ｗｔ２は、板厚方向の力を接合面Ａ及び接合面Ｄから受け、曲状形成部Ｂ１がＹ方向（矢印の逆方向を含む）に弾性変形される。即ち、主ハンダ層Ｓｍ又は副ハンダ層Ｓｓ又は下部ハンダ層Ｓｇの垂直応力が緩和され、これらのハンダ層に生じるクラックの低減が図られる。尚、内部端子Ｗｔ２に形成される曲状形成部は、図３（ａ）に示される傾斜された曲状形成部Ｂ１に限られるものではない。例えば、図３（ｂ）に示すＶ字状の曲状形成部Ｂ２としても良い。また、図３（ｃ）に示す如く、Ｖ字状の曲状形成部Ｂ３を用いて接合面Ａ及び接合面Ｄを同一の高さとすることも可能である。また、図３（ｄ）に示される如く、ベンド状の湾曲された曲状形成部Ｂ４としても良い。また、図３（ｅ）に示す如く、湾曲された曲状形成部Ｂ５を用いて接合面Ａ及び接合面Ｄを同一の高さとすることも可能である。この他、図３（ｆ）に示す如く、半導体素子Ｔｒｂ又は副電極層Ｅｓの接合面Ａを改変し、複数の接合面Ａ１、Ａ２としても良い。かかる内部端子の具体的適用例を実施例１において後述する。

図４には半導体素子Ｔｒによって発生した熱の伝達経路が模式的に示されている。半導体素子Ｔｒが駆動されると、当該半導体素子Ｔｒで生じる損失に応じて熱が発生する。そして、この熱が第１の経路と第２の経路とに分岐してヒートシンク３２６へと導かれる。図示の如く、第１の経路を辿る熱は、半導体素子Ｔｒを起点として下部ハンダ層Ｓｇ、主電極層Ｅｍ、絶縁層ＩＢ、伝熱層ＩＢａ、モジュール用接着剤ＳＭ６、ヒートシンク３２６へと順次伝達される。このとき、絶縁層ＩＢの熱伝導率が銅合金等と比較して低い値とされているため、絶縁層ＩＢで熱拡散が十分に行われない場合には、絶縁層ＩＢにおいて第１の経路の熱に基づく熱量が供給されない領域が分布し、伝熱層ＩＢａより後段の積層構造への熱の伝達効率が低下されてしまう。そこで、本実施の形態に係る半導体モジュールＳＭ２では、絶縁層ＩＢの内部において、以下の如く熱分布の均等化がなされ、半導体素子Ｔｒで生じた熱の伝達効率の改善が図られる。即ち、第２の経路を辿る熱は、半導体素子Ｔｒを起点として、主ハンダ層Ｓｍ、内部端子Ｗｔ２へと導かれる。その後、かかる熱は、曲状形成部Ｂ１を介して副ハンダ層Ｓｓ、副電極層Ｅｓへと導かれ、更に、絶縁層ＩＢにおける熱量の低い分布域に導かれる。その後、かかる熱は、伝熱層ＩＢａ、モジュール用接着剤ＳＭ６、ヒートシンク３２６へと順次伝達される。従って、半導体装置Ｔｒで生じた熱が第１の経路及び第２の経路に分岐して絶縁層ＩＢに供給されるので、絶縁層ＩＢの内部では、熱量の低い分布域に第２の経路に基づく熱量が補われ、これにより、熱分布の偏差が低減される。

加えて、半導体モジュールＳＭ２の好ましい製法例を以下に記す。先ず、主電極層Ｅｍ及び副電極層Ｅｓがパターニングされた絶縁層ＩＢを準備する。そして、主電極層Ｅｍの上面に、下部ハンダ層Ｓｇ用のハンダシートＳ０、半導体素子Ｔｒ、主ハンダ層Ｓｍ用のハンダシートＳ１を順次積み重ねる。他方、副電極層Ｅｓの上面に副ハンダ層Ｓｓ用のハンダシートＳ２を配置する。その後、内部端子Ｗｔ２をハンダシートＳ１及びハンダシートＳ２の上面に連架させ、内部端子Ｗｔ２の接合面をそれぞれのハンダシートＳ１〜Ｓ２に接触させる。このとき、所定の治具を用いて、かかる構成部品の仮止を行うのが好ましい。また、内部端子Ｗｔ２の上面から所定圧力を加えるのが好ましい。そして、かかる準備工程を経た後、これらの組立体をリフロー炉へ投入する。然して、半導体素子Ｔｒの下部と主電極層Ｅｍとを電気的に接合させる下部ハンダ工程と、半導体素子Ｔｒの上部及び副電極層Ｅｓのそれぞれに内部端子Ｗｔ２を接続させる上部ハンダ工程とが同一工程にて処理される。かかる半導体モジュールの製造方法では、下部ハンダ工程を行った後に上部ハンダ工程を行う従来の製造方法と比較して、リフロー処理された下部ハンダ層Ｓｇが再びリフロー炉に投入されることから免れるので、ハンダ層における金メッキ層の拡散が抑制され、これにより、ハンダ層の合金化現象に起因して生じる脆性化の進行が抑えられ、下部ハンダ層Ｓｇに生じるクラックの抑制が図られる。尚、かかる工程の後、内部端子Ｗｔ２と絶縁層ＩＢとによって形成される間隙部には、結合性の高いアンダーフィルを設けても良い。かかる構成により、熱応力の影響が緩和され、主ハンダ層Ｓｍ及び下部ハンダ層Ｓｇに生じるクラックの発生が更に抑制される。

以上の如く、本実施の形態に係る半導体モジュールＳＭ２では、内部端子Ｗｔ２の断面積が非常に大きく確保されるので、半導体素子Ｔｒで生じた熱が効率よく副電極層Ｓｓへ導かれる。このとき、副電極層Ｓｓが絶縁層ＩＢにおける熱量の低い分布域に積層されているため、かかる分布域への熱量の供給が効率よく行われ、絶縁層ＩＢにおける熱量の分布の均等化が図られる。これにより、半導体素子Ｔｒで発生した熱は、半導体素子Ｔｒの下部を経由する第１の経路と半導体素子Ｔｒの上部を経由する第２の経路とに分岐され、ヒートシンク３２６へと効率よく伝達され、良好な冷却作用を受けることが可能とされる。

また、半導体モジュールＳＭ２に用いられる内部端子Ｗｔ２は、主ハンダ層Ｓｍ又は副ハンダ層Ｓｓによって広域的に面接合されるので、ワイヤー端子を複数回ボンディングさせる端子構造と比較して、内部端子Ｗｔ２と主ハンダ層Ｓｍ又は副ハンダ層Ｓｓとの接合工程の簡素化が図られる。このとき、主ハンダ層Ｓｍ又は副ハンダ層Ｓｓをリフロー処理させると、接合工程の更なる簡素化が図られる。更に、半導体モジュールＳＭ２では、内部端子Ｗｔ２と主ハンダ層Ｓｍ及び副ハンダ層Ｓｓとの接合面積が広く確保されるので、互いの結合力が高く維持され、長寿命化が期待できる。

更に、内部端子Ｔｒ及び主電極層Ｅｉ及び副電極層Ｅｏ及び絶縁層ＩＢのそれぞれの熱膨張率が適宜に調整されているので、半導体モジュールＳＭ２が熱変形を起こした場合であっても、主ハンダ層Ｓｍ及び副ハンダ層Ｓｓ及び下部ハンダ層Ｓｇに生じる熱応力が緩和され、これらハンダ層の近傍に発生するクラックが抑制される。

加えて、かかる半導体モジュールＳＭ２では、内部端子Ｗｔ２の断面積が非常に大きく確保されるので、内部端子Ｗｔ２における電流密度が低く抑えられる。これにより、半導体モジュールＳＭ２は、内部端子Ｗｔ２の抵抗値が低減され、損失の効果的な抑制が図られる。また、かかる半導体モジュールＳＭ２を具備する電力変換装置では、半導体素子Ｔｒで生じる損失が抑制されるので、電気自動車１に搭載される多相交流モータ４００が効率よく駆動される。

また、本実施の形態に係る半導体モジュールＳＭ２では、内部端子Ｗｔ２におけるインダクタンスの低減により、ゲート端子の駆動切替時に生じる誘導電流が抑制され、誘導ノイズの低減が図られる。また、インダクタンスが低減されるので、ゲート抵抗を低く設定することが可能となり、半導体素子Ｔｒで生じる発熱量を低減させることが可能となる。このとき、半導体素子Ｔｒにおける発熱量が低減されると、半導体素子Ｔｒを選定する際の仕様の適正化が図られるので、かかる半導体素子Ｔｒを用いた半導体装置３２０では、構造上不可避的であった過剰設計から回避され、コストの削減及び装置の軽量化が可能とされる。

更に、かかる如く構成された半導体モジュールＳＭ２は、主電極層Ｅｍ及び副電極層Ｅｓを具備する状態で、半導体素子Ｔｒ毎にそれぞれユニット化されているので、予め実施される性能試験でのプロービング作業が容易に行われる。このとき、本実施の形態に係る半導体装置３２０では、かかる性能試験の結果に基づき半導体モジュールＳＭ２が適宜選択されるので、半導体ユニットＳＵ２を構成する半導体モジュールＳＭ２の性能が均一化され、半導体モジュールＳＭ２を通過する電流の適宜な分散が図られる。また、半導体装置３２０に半導体モジュールＳＭ２が組み込まれ、その後、後発的に半導体素子Ｔｒの性能不全が発覚した場合には、かかる性能不全の半導体素子Ｔｒを具備する半導体モジュールＳＭ２のみの交換が可能とされる。これにより、半導体装置３２０は、半導体装置３２０の不具合部が後発的に発覚した場合であっても、適正に機能する半導体素子Ｔｒを不用意に廃棄させることなく、部品の使用効率を向上させ、製造コストの低減が図られる。

加えて、かかる半導体装置３２０を電力変換装置に適用させた電気自動車では、半導体モジュールＳＭ２の損失が低減されるので、半導体装置Ｗｔ２の出力効率が高くなり、多相交流モータの制御性及び消費電力の改善が図られる。

以下、図５乃至図８を参照し、実施の形態にて説明した半導体モジュール及び半導体装置の具体的使用例について説明する。尚、半導体装置及び半導体モジュールにおける変更が加えられていない構成については、実施の形態で用いた同一符号を付し説明を省略する。

図５には実施例１に係る半導体モジュールＳＭ３が示されている。図示の如く、半導体モジュールＳＭ３は、主電極層Ｅｍ及び副電極層Ｅｓが積層された絶縁層ＩＢと、下部ハンダ層Ｓｇを介して接合された半導体素子Ｔｒと、内部端子Ｗｔ３とから構成されている。かかる内部端子Ｗｔ３は、実施の形態における内部端子Ｗｔ３の替わりに置き換えられている。内部端子Ｗｔ３は、半導体素子Ｔｒ及び副電極層Ｅｓに摩擦溶着されている。即ち、本実施例に係る内部端子Ｗｔ３は、ボンディング装置によって摩擦溶着されるリボンワイヤーが用いられている。かかる構成により、半導体装置Ｔｒの上部に配されるソース端子と内部端子Ｗｔ３とが直接溶着されるので、実施の形態における主ハンダ層Ｓｍが省略される。このとき、内部端子Ｗｔ３の板厚ｔは０．３ｍｍ以下とされている。これにより、ボンディング装置で設定されるボンディング加重が所定値以下に抑えられ、半導体素子Ｔｒの破損を防止させている。また、図示の如く、内部端子Ｗｔ３は、ソース端子部においてウェーブ状に形成され、図３（ｆ）に示される断面形状とされている。かかる内部端子Ｗｔ３では、Ａ及びＡ’においてソース端子部に摩擦溶着されている。このとき、ソース端子では、複数のウェーブを連続的に形成させ、摩擦溶着部Ａ’を更に増加させるのが好ましい。これにより、ソース端子と内部端子Ｗｔ３との結合面積が増大し、結合力が強化されると供に長寿命化が図られる。また、ボンディング装置におけるボンディング加重の設定を低くさせ、半導体素子Ｔｒの更なる保護が図られる。

図６には、実施例２に係る半導体モジュールＳＭ４が示されている。図示の如く、半導体モジュールＳＭ４は、主電極層Ｅｍ及び副電極層Ｅｓが積層された絶縁層ＩＢと、下部ハンダ層Ｓｇを介して接合された半導体素子Ｔｒと、内部端子Ｗｔ４とから構成されている。尚、かかる内部端子Ｗｔ４は、実施の形態における内部端子Ｗｔ２の替わりに置き換えられており、主ハンダ層Ｓｍ及び副ハンダ層Ｓｓによって接合固定されている。

一般に、ハンダ層は、接合される両母材を溶かすことなく、ハンダ材のみを溶融して母材同士の隙間に流し込むことにより形成される。このとき、ハンダ層は、当該ハンダ層と母材とが接触した新たな境界面が形成されることにより、母材表面の自由エネルギーが減少し、付着力が発生する。従って、かかる付着力を強化させるため、母材の接合部には、フラックスが塗布され母材表面の活性化が図られている。また、フラックスは、溶融されたハンダ材の濡れ性を向上させ、母材とハンダ層の表面とによって形成される接触角を小さくさせる性質を有する。前述の如く、かかる付着力は、母材表面における自由エネルギーの減少量に比例する。従って、ハンダ材の濡れ性向上に伴って、母材とハンダ層の表面とによって形成される接触角が小さくなると、母材表面のハンダ接合面が拡大し、ハンダ層と母材との付着力が向上する。本実施例では、かかる付着力に着眼し、以下の如く、内部端子Ｗｔ２と主ハンダ層Ｓｍ及び副ハンダ層Ｓｓとの接合状態を改善させている。

図７には、図６のＤ−Ｄ断面を矢線方向に観察した状態が示されている。図示の如く、内部端子Ｗｔ４には、板厚方向に対して突出した閉曲面Ｗｐが複数形成されている。また、かかる複数の閉曲面のうち、一方の閉局面Ｗｐでは主ハンダ層と接合され、他方の閉曲面Ｗｐでは副ハンダ層と接合されている。尚、同図では、閉曲面Ｗｐが、内部端子Ｗｔ４と一体的に形成されており、内部端子Ｗｔ４の下面Ｓ４１と閉曲面Ｗｐとの境界ではフィレットＷｒが形成されている。

ここで、図８（ａ）を参照してハンダ層の表面形状について説明する。同図には、実施の形態で説明された半導体モジュールＳＭ２の一部が示されており、具体的には、図２におけるＡ部の拡大図が示されている。図示の如く、内部端子Ｗｔ２の接合面には、主ハンダ層Ｓｍと内部端子Ｗｔ２とによって境界面Ｓ１１が形成されている。また、半導体素子Ｔｒのソース端子部には、主ハンダ層Ｓｍと半導体素子Ｔｒの表面とによって境界面Ｓ３１が形成されている。そして、主ハンダ層Ｓｍの上部では、境界面Ｓ１１と主ハンダ層Ｓｍ２の表面Ｓ２１とによって端子側接触角αａが形成される。また、主ハンダ層Ｓｍ２の下部では、境界面Ｓ３１と主ハンダ層Ｓｍの表面Ｓ２１とによって素子側接触角βａが形成される。かかる端子側接触角αａ及び素子側接触角βａは主ハンダ層Ｓｍが積層される全周に亘って連続的に形成される。また、主ハンダ層Ｓｍは、境界面Ｓ１１及びＳ３１での付着力を向上させるため、フラックスによって表面張力が低下した状態とされている。このため、端子側接触角αａ及び素子側接触角βａは、境界面Ｓ１１及びＳ３１においてフィレットＳｒが形成されることとなる。

これに対し、図８（ｂ）には、本実施例に係る半導体モジュールＳＭ４の一部が示されており、具体的には、図８におけるＢ部の拡大図が示されている。図示の如く、主ハンダ層Ｓｍの下部には、図８（ａ）と同様、素子側接触角βｂがフィレットＳｒを具備した状態で形成されている。また、主ハンダ層Ｓｍの上部にあっても、内部端子Ｗｔ４の下面Ｓ４１と主ハンダ層Ｓｍ４の表面Ｓ２４との境界においてフィレットＳｒが形成されている。但し、主ハンダ層Ｓｍは内部端子Ｗｔ４の閉局面Ｗｐを包含する状態とされているので、端子側接触角αａは、主ハンダ層Ｓｍ４の表面Ｓ２４と閉曲面Ｗｐとによって形成されることとなる。このとき、端子側接触角αａは、閉局面Ｗｐの側面及びフィレットＷｒとによって極めて鋭角の状態とされる。即ち、図８（ａ）の主ハンダ層Ｓｍと比較して端子側接触角αａが小さくなるため、主ハンダ層Ｓｍと内部端子Ｗｔ４とは、互いの付着力が増した状態で接合されることとなる。また、これにより、内部端子Ｗｔ４と絶縁層ＩＢとの間に設けられていたアンダーフィルの省略が可能とされ、製造工程の簡素化及び製造コストの低減が図られる。

また、本実施例で用いられる内部端子Ｗｔ４では、当該内部端子Ｗｔ４をプレス加工することにより、閉曲面Ｗｐが一体成形されている。かかる加工法を採用することにより、製造工程の簡素化が図られると供に、閉曲面ＷｐのフィレットＷｒが容易に形成される。更に、内部端子Ｗｔ４の閉曲面Ｗｐでは、プレス加工によって、板厚ｔ２４が、元の板厚ｔ１４より薄く引き延ばされた状態とされる。このとき、閉曲面Ｗｐを形成する板厚ｔ２４は、板厚ｔ１４の７５％以上の値に設定されていることが好ましい。かかる板厚ｔ２４とすることにより、閉曲面における構造上の強度が維持される。また、高電流を導通させる際、局所的に発生する発熱及び破壊が抑制される。尚、本実施例では、副ハンダ層Ｓｓと内部端子Ｗｔ４との接合状態にあっても、上述の如く改善される。

以上の如く、本実施例に係る半導体モジュールＳＭ４では、内部端子Ｗｔ４の接合面に新たな閉曲面Ｗｐが形成されているので、主ハンダ層Ｓｍの上部に形成される端子側接触角αａが狭まり、内部端子Ｗｔ４と主ハンダ層Ｓｍとの接合状態が強化され、主ハンダ層Ｓｍのフィレット部で生じるクラックの発生が抑制される。

以上の如く記された実施の形態は、あくまでも本発明の一つの実施形態であって、本発明はこれに限らず他の実施形態を適用させることが可能である。例えば、本実施の形態では、半導体装置が、電気自動車に搭載されるものとして説明されている。しかし、これに限らず、かかる半導体装置は、内燃機関の駆動力又は多相交流モータの駆動力の何れかを選択的に用いる用に構成されたハイブリッド自動車、この他、多相交流モータで駆動される各車両に適用させても同様の効果を奏する。また、かかる半導体装置は、エアコンのコンプレッシングモータ、電気洗濯機のドラムモータ等にも適用することが可能である。

実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図 実施の形態に係る半導体装置の断面図 実施の形態に係る内部端子の断面図 実施の形態に係る半導体装置の内部伝熱経路を示す図 実施例１に係る半導体装置の構成を示す図 実施例２に係る半導体装置の構成を示す図 実施例２に係る半導装置の断面図 実施例２に係る半導体装置の一部断拡大図 従来例に係る電気自動車の機能ブロック図 従来例に係る半導体装置の回路構成を示す図 従来例に係る半導体装置の回路構成を示す図 従来例に係る電力変換装置の構成を示す図 従来例に係る半導体装置の構成を示す図 従来例に係る半導体装置の断面図 従来例に係る半導体装置の内部伝熱経路を示す図

符号の説明

３００ 電力変換装置
３２０ 半導体装置
３２６ ヒートシンク
ＳＭ６ モジュール用接着剤
Ｗｏ２ 外部端子
Ｗｉ２ 外部端子
ＢＦ 枠体
ＥＢ 導電端子
ＳＭ２ 半導体モジュール
ＩＢ 絶縁層
Ｅｍ 主電極層
Ｅｓ 副電極層
Ｔｒ 半導体素子
Ｓｍ 主ハンダ層
Ｓｓ 副ハンダ層
Ｗｔ２ 内部端子
αｂ 端子側フィレット角
Ｗｐ 閉曲面

Claims (20)

1. 主電極層及び副電極層がそれぞれ積層された絶縁層と、前記主電極層に積層され且つ電気的に接続された半導体素子とを備える半導体モジュールにおいて、
   前記半導体素子と前記副電極層とが帯状の内部端子によって接続されていることを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記主電極層及び前記副電極層は、銅元素を基として組成される母材から成り、前記母材に熱膨張率の調整を行う調整元素が所定量含有された銅合金であることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記調整元素は、モリブデン元素及び／又はタングステン元素であることを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記内部端子と前記半導体素子とは主ハンダ層を介して接合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の半導体モジュール。
5. 前記内部端子と前記副電極層とは副ハンダ層を介して接合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の半導体モジュール。
6. 前記内部端子の板厚は０．２ｍｍ以上とされていることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の半導体モジュール。
7. 前記内部端子は、前記銅合金によって構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載の半導体モジュール。
8. 前記内部端子は、前記半導体素子及び／又は前記副電極層に摩擦溶着されることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の半導体モジュール。
9. 前記内部端子の板厚は０．３ｍｍ以下とされていることを特徴とする請求項８に記載の半導体モジュール。
10. 前記内部端子は、板厚方向に折曲または湾曲された曲状形成部を具備し、前記曲状形成部を介した状態で前記半導体素子と前記副電極層との間に連架されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９に記載の半導体モジュール。
11. 前記主ハンダ層または前記副ハンダ層が接合される前記内部端子の接合面には、板厚方向に対して突出した閉曲面が形成され、前記主ハンダ層または前記副ハンダ層の表面と前記閉曲面とによって形成される端子側接触角が鋭角とされていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０に記載の半導体モジュール。
12. 前記閉曲面は前記内部端子をプレス加工して形成されることを特徴とする請求項１１に記載の半導体モジュール。
13. 前記閉曲面を形成する板厚は、前記基準板厚の７５％以上の値に設定されていることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の半導体モジュール。
14. 請求項１乃至請求項１３の何れか一項に記載の半導体モジュールを少なくとも一つ備え、更に、導電端子を具備する枠体と、前記半導体モジュール及び前記導電端子を電気的に接続させる外部端子とを備えることを特徴とする半導体装置。
15. 請求項１乃至請求項１３の何れか一項に記載の半導体モジュールが並列接続された少なくとも一つの半導体ユニットを備え、更に、導電端子を具備する枠体と、前記半導体モジュール及び前記導電端子を電気的に接続させる外部端子とを備えることを特徴とする半導体装置。
16. 前記外部端子は帯状に形成されていることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の半導体装置。
17. 前記半導体モジュールには熱交換を行うヒートシンクが更に設けられ、前記半導体モジュールは熱伝導率の高いモジュール用接着剤によって前記ヒートシンクへ接着されていることを特徴とする請求項１４乃至請求項１６に記載の半導体装置。
18. 前記モジュール用接着剤は、シリコーン材で組成されていることを特徴とする請求項１７に記載の半導体装置。
19. 前記半導体装置は、電力変換装置を構成し多相交流モータを駆動制御させることを特徴とする請求項１４乃至請求項１８に記載の半導体装置。
20. 前記半導体素子の下部と前記主電極層とを電気的に接合させる下部ハンダ工程と、前記半導体素子の上部及び前記副電極層のそれぞれに前記内部端子を接続させる上部ハンダ工程とが同一工程にて処理されることを特徴とする請求項１乃至請求項１３に記載の半導体モジュールの製造方法。

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