JP2009130168A - 半導体装置および半導体装置の絶縁方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を可能とした半導体装置および半導体装置の絶縁方法を提供する。
【解決手段】樹脂枠３０内のバスバーに半導体チップを接合した半導体モジュール３をネジ２により絶縁体４を挟んで冷却器５と結合した半導体装置において、樹脂枠の内外に絶縁物６を充填する。これにより樹脂枠３０絶縁体の間に絶縁物が充填され、半導体モジュールのバスバーの露出面とネジ２との間の沿面放電を抑制される。バスバーとネジとの間の沿面距離を確保することが不要となるため、半導体モジュールの小型化が可能となる。また冷却器に流出防止壁５ａを設けたことにより、絶縁物を半導体モジュール３の内外に封入する際に絶縁物の流出を防止でき、半導体モジュールのバスバーの露出面とネジとの間を隙間なく絶縁物によって充填することができるようになる。よって絶縁物による絶縁性能が半導体モジュールの内外において一定とすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置および半導体装置の絶縁方法に関する。

従来、一方の面に電極を形成した半導体チップの電極面にバスバーを接合し、隣接するバスバー同士を樹脂モールドによって固定することによって半導体モジュールが形成されている。また半導体モジュールと冷却器との間に絶縁体を挟み、バスバーを絶縁体に接触させた状態で導体モジュールに冷却器を取り付けて半導体装置を形成している。
この半導体装置は、バスバーと冷却器間に絶縁体を挟み込むことによって電気的絶縁を確保している。

ここで、半導体モジュールと冷却器の取り付けには、ネジやピンなどの金属部材が固定部材として用いられている一方で、上記のようにバスバーと冷却器間は絶縁体が挟みこまれているため、絶縁体のバスバー側の面に沿面放電の発生が懸念される。
そこで、バスバーと固定部材間の距離を離し、沿面距離を確保することによって、バスバーと固定部材とを電気的に絶縁している。
このような半導体装置として、たとえば特開２００１−１１０９８５号公報に記載されたものがある。
特開２００１−１１０９８５号公報

しかしながら、バスバーと固定部材間の距離を離しているため、沿面距離の確保分だけ半導体モジュールにデッドスペースが生じ、半導体装置の小型化を図ることができないといった問題があった。
そこで本発明はこのような問題点に鑑み、小型化を可能とした半導体装置および半導体装置の絶縁方法を提供することを目的とする。

本発明は、半導体モジュールの底面に露出したバスバーと、半導体モジュールを固定対象物に固定するための固定部材との間に絶縁物を充填するものとした。

本発明によれば、バスバーと固定部材間に絶縁物が充填されていることによりバスバーと固定部材との間の沿面距離が不要となり、半導体モジュールの小型化を図ることができる。

次に本発明の実施の形態を実施例により説明する。
まず第１の実施例について説明する。
図１は、半導体装置の分解図であり、図２は、半導体装置の断面図である。
冷却器５上に絶縁体４を挟んで半導体モジュール３を載置し、半導体モジュール３と冷却器５とを金属製のネジ２によって固定することによって半導体装置１が形成される。
半導体モジュール３は、半導体チップ３３と、半導体チップ３３の電極面に接合されたバスバー３２と、隣接するバスバー３２同士を固定するモールド部３１とより構成されている。
特に半導体モジュール３は、半導体チップ３３やバスバー３２の周囲を樹脂枠３０によって囲まれている。
樹脂枠３０は、半導体チップ３３などの高さよりも高く形成されており、四隅にネジ２を差し込むための貫通穴３５が形成されている。

冷却器５には、半導体モジュール３や絶縁体４の周囲を取り囲むようにして立ち上げられた流出防止壁５ａと、流出防止壁５ａの内側にネジ２をねじ込むための取り付け穴５ｈが設けられている。
絶縁体４には、ネジ２を差し込むための貫通穴４ａが形成されている。
また図２に示すように、半導体モジュール３の樹脂枠３０の内部、および半導体モジュール３と流出防止壁５ａの間、樹脂枠３０と絶縁体４との間には、絶縁物６が充填されている。
なお絶縁物６は、流動性を有する絶縁物であり、未硬化のエポキシ、ウレタン樹脂、シリコンゲルや絶縁油、シリコングリスなどを用いることができる。

次に、半導体装置１の製造工程について説明する。
まず、バスバー３２や半導体チップ３３を樹脂枠３０内にモールドあるいは固定して半導体モジュール３を作製する。
この状態では、まだ半導体モジュール３内には絶縁物６が充填されていない。
次に、半導体モジュール３と冷却器５との間に絶縁体４を挟みこむようにして、半導体モジュール３を冷却器５上に載置する。
なお、冷却器５にはあらかじめ流出防止壁５ａを形成しておく。

次にネジ２を貫通穴３５、４ａに通し、先端を冷却器５の取り付け穴５ｈにねじ込んで、半導体モジュール３と冷却器５とを絶縁体４を挟み込んだ状態で固定する。
次に、半導体モジュール３の内部用、および半導体モジュール３と流出防止壁５ａの間用の２種類の封入ノズルを用いて半導体モジュール３の内部および半導体モジュール３と流出防止壁５ａとの間に絶縁物６を封入する。
なお半導体モジュール３内部の絶縁物６は、半導体チップ３３などを覆い、樹脂枠３０の高さを超えないものとし、半導体モジュール３と流出防止壁５ａとの間の絶縁物６は、流出防止壁５ａの高さを超えないものとする。

次に、半導体モジュール３および冷却器５を脱泡し、絶縁物６を硬化させ、半導体モジュール３の内部を絶縁物６によって充填させる。
冷却器５に流出防止壁５ａを形成しておくことにより、絶縁物６の封入工程および脱泡・硬化工程において絶縁物６が流出せず、樹脂枠３０と絶縁体４の間に絶縁物６を均一に封入・充填することができる。

本実施例は以上のように構成され、半導体モジュール３の内外に絶縁物６を充填することにより、樹脂枠３０と絶縁体４の間に絶縁物６が充填され、半導体モジュール３のバスバー３２の露出面とネジ２との間の沿面放電を抑制することができる。したがってバスバー３２とネジ２との間の沿面距離を確保することが不要となるため、半導体モジュール３の小型化が可能となる。
また冷却器５に流出防止壁５ａを設けたことにより、絶縁物６を半導体モジュール３の内外に封入する際に絶縁物６の流出を防止でき、半導体モジュール３のバスバー３２の露出面とネジ２との間を隙間なく絶縁物６によって充填することができるようになる。
よって絶縁物６による絶縁性能を半導体モジュール３の内外において一定とすることができる。

次に、第２の実施例について説明する。
図３は、半導体装置の分解図であり、図４は、半導体装置の断面図である。
なお本実施例は、主に第１の実施例における冷却器５に代えて冷却器５Ｂを用いたものであり、他の構成は第１の実施例と同様であるので同一番号を付して説明を省略する。
冷却器５Ｂ上に、絶縁体４を挟んで半導体モジュール３Ａが載置され、ネジ２によって半導体モジュール３Ａと冷却器５Ｂとを固定することによって半導体装置１Ａが構成される。
半導体モジュール３Ａの内部には絶縁物６が充填されている。

絶縁体４と冷却器５Ｂとの間には、シリコングリスなどの絶縁物４１が塗布されている。
なお絶縁物４１として、シリコングリス以外にも流動性を有する半固体絶縁体、たとえばシリコンコンパウンドなどを用いることができる。
冷却器５Ｂは、ネジ２をねじ込むための取り付け穴５ｅが４箇所設けられており、その取り付け穴５ｅの開口部には取り付け穴５ｅよりも大径の大径穴５ｃが設けられ、さらに各大径穴５ｃ間をつなぐ溝５ｄが設けられている。

次に、半導体装置１Ａの製造工程について説明する。
まず、バスバー３２や半導体チップ３３を樹脂枠３０Ａ内にモールドあるいは固定して半導体モジュール３Ａを作成する。
この半導体モジュール３Ａには、あらかじめ内部に絶縁物６を充填しておく。
次に、冷却器５Ｂの上面（半導体モジュール３Ａが設置される面）にシリコングリスなどの絶縁物４１を塗布する。
なお絶縁物４１を、絶縁体４の上下面のいずれか一方の面、もしくは両面にも塗布しておく。
本実施例では絶縁体４の両面に絶縁物４１を塗布しておく。

半導体モジュール３Ａと冷却器５Ｂとの間に絶縁体４を挟みこむようにして、半導体モジュール３Ａを冷却器５Ｂ上に載置する。
なお、冷却器５Ｂにはあらかじめ大径穴５ｃや溝５ｄを形成しておく。
このとき、半導体モジュール３Ａと冷却器５Ｂの間の絶縁物４１が、半導体モジュール３Ａの下部よりはみ出そうとするが、冷却器５Ｂに設けた大径穴５ｃおよび溝５ｄによりはみ出した絶縁物４１が吸収され、絶縁物４１が半導体モジュール３Ａの外部に流出してしまうことを防止できる。
なお樹脂枠３０Ａの最外周部は絶縁体４と当接している。

本実施例は以上のように構成され、バスバー３２とネジ２間に絶縁物４１が充填されていることによりバスバーとネジとの間の沿面距離が不要となり、半導体モジュールの小型化を図ることができる。
また、冷却器５Ｂに大径穴５ｃおよび溝５ｄを設けることにより、半導体モジュール３Ａと冷却器５Ｂの間の絶縁物４１のはみ出しが吸収され、樹脂枠３０Ａと絶縁体４との間の絶縁物４１の厚さ／量を均一に保つことができ、バスバー３２とネジ２間の絶縁性能を部位によらず均一にすることが可能となる。

次に、第３の実施例について説明する。
図５は、半導体装置の分解図であり、図６は、半導体装置の断面図である。
なお第１の実施例と同一構成物については、同一番号を付して説明を省略する。
冷却器５Ｆ上に絶縁体４とシール材７とを挟んで半導体モジュール３Ｂを載置し、半導体モジュール３Ｂと冷却器５Ｆとをネジ２によって固定することによって半導体装置１Ｂが形成される。

半導体モジュール３Ｂは、半導体チップ３３と、半導体チップ３３の電極面に接合されたバスバー３２と、隣接するバスバー３２同士を固定するモールド部３１とより構成されている。
特に半導体モジュール３Ｂは、半導体チップ３３やバスバー３２の周囲を樹脂枠３０Ｂによって囲まれている。また、樹脂枠３０Ｂの下部には、半導体モジュール３Ｂの内外をつなぐ貫通穴１０が所定の位置に形成されている。

シール材７は、半導体モジュール３Ｂと絶縁体４との間において、４本のネジ２よりも外側を取り囲む形状に形成されている。
また図６に示すように、半導体モジュール３Ｂの樹脂枠３０Ｂの内部、および樹脂枠３０Ｂと絶縁体４との間には絶縁物６が充填されている。
本実施例では、絶縁物６としてシリコンゲルを用いている。

次に、半導体装置１Ｂの製造工程について説明する。
まず、バスバー３２や半導体チップ３３を樹脂枠３０内にモールドあるいは固定して半導体モジュール３Ｂを作製する。
この状態では、また半導体モジュール３Ｂ内には絶縁物６が充填されていない。
また樹脂枠３０Ｂの下部には、半導体モジュール３Ｂの内外をつなぐ貫通穴１０が所定の位置に形成されている。

次に半導体モジュール３Ｂの底面外周部に、四角枠形状のシール材７を取り付ける。
半導体モジュール３Ｂと冷却器５Ｆとの間に絶縁体４とシール材７とを挟みこむようにして、半導体モジュール３Ｂを冷却器５Ｆ上に載置する。

次にネジ２によって、半導体モジュール３Ｂと冷却器５Ｆとを絶縁体４とシール材７とを挟み込んだ状態で固定する。
次に、半導体モジュール３Ｂの内部に、封入ノズルを用いて絶縁物６を封入する。
このとき、絶縁物６は、貫通穴１０を通って樹脂枠３０Ｂと絶縁体４との間にも流れ込む。
次に、半導体モジュール３Ｂおよび冷却器５Ｆを脱泡し、絶縁物６を硬化させ、半導体モジュール３Ｂの内部を絶縁物６によって充填させる。

本実施例は以上のように構成され、バスバー３２とネジ２間に絶縁物６が充填されていることによりバスバーとネジとの間の沿面距離が不要となり、半導体モジュールの小型化を図ることができる。
そして、樹脂枠３０Ｂの下部に貫通穴１０を設け、さらに半導体モジュール３Ｂの底面外周部にシール材７を取り付けておくことにより、半導体モジュール３Ｂの内部に絶縁物６を封入すると樹脂枠３０Ｂと絶縁体４との間にも絶縁物６が流れ込むため、バスバー３２とネジ２との間に効率よく絶縁物６を充填することができる。

次に第４の実施例について説明する。
図７は、半導体装置の分解図であり、図８は、半導体装置の断面図である。
なお第１、第３の実施例と同一構成物については、同一番号を付して説明を省略する。
冷却器５Ｆ上に絶縁体４を挟んで半導体モジュール３Ｃを載置し、半導体モジュール３Ｃと冷却器５Ｆとをネジ２によって固定することによって半導体装置１Ｃが形成される。
半導体モジュール３Ｃの内部には、絶縁物６が充填されている。
特に、半導体モジュール３Ｃと絶縁体４との間には、ネジ２に通された環状の絶縁物８が配置されている。
絶縁物８は、粘着性および弾性を有する固体絶縁物が用いられ、たとえばシリコンゴム、ポリオレフィンゴム、天然ゴム、フッ素ゴムなどが用いられる。

次に、半導体装置１Ｃの製造工程について説明する。
まず、バスバー３２や半導体チップ３３を樹脂枠３０Ｃ内にモールドあるいは固定して半導体モジュール３Ｃを作製する。
この半導体モジュール３Ｃの樹脂枠３０Ｃ内には、あらかじめ内部に絶縁物６を充填しておく。
次に、半導体モジュール３の底面に絶縁物８を取り付ける。
なお絶縁物８は、樹脂枠３０Ｃに設けられたネジ２を通すための貫通穴３５と整合するように取り付けられている。

次に半導体モジュール３Ｃと冷却器５Ｆとの間に絶縁体４と絶縁物８とを挟みこむようにして、半導体モジュール３Ｃを冷却器５Ｆ上に載置する。
半導体モジュール３Ｃと冷却器５Ｆとをネジ２によって固定する。
このときネジ２は、絶縁物８の環状の内側を通っている。
したがって半導体モジュール３Ｃの樹脂枠３０Ｃと絶縁体４との間において、ネジ２は絶縁物８によって囲まれている。

本実施例は以上のように構成され、半導体モジュール３Ｃの樹脂枠３０Ｃと絶縁体４との間に環状の絶縁物８を挟みこみ、環状の絶縁物８内にネジ２を通すことにより、ネジ２によって半導体モジュール３Ｃと冷却器５Ｆとを固定する際に絶縁物８に荷重が加えられ、絶縁物８と絶縁体４および半導体モジュール３Ｃとが密着し、バスバー３２とネジ２との間の沿面放電の放電パスを消失させることができる。したがって半導体モジュール３は小型化される。

第１の実施例における半導体装置の分解図である。 第１の実施例における半導体装置の断面図である。 第２の実施例における半導体装置の分解図である。 第２の実施例における半導体装置の断面図である。 第３の実施例における半導体装置の分解図である。 第３の実施例における半導体装置の断面図である。 第４の実施例における半導体装置の分解図である。 第４の実施例における半導体装置の断面図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 半導体装置
２ ネジ（固定部材）
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 半導体モジュール
４ 絶縁体
５、５Ｂ、５Ｆ 冷却器（固定対象部）
５ａ 流出防止壁
５ｃ 大径穴
５ｄ 溝
５ｅ、５ｈ 取り付け穴
６、４１ 絶縁物
７ シール材
８ 絶縁物
１０ 貫通穴
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ 樹脂枠（樹脂部）
３１ モールド部
３２ バスバー
３３ 半導体チップ

Claims (7)

1. 半導体モジュールの固定対象物と接合される面にバスバーが露出し、固定部材によって前記半導体モジュールと前記固定対象物とが固定される半導体装置において、
   前記バスバーと固定部材との間に充填された絶縁物を備えることを特徴とする半導体装置。
2. 前記絶縁物は流動性を有し、
   前記固定対象物の前記半導体モジュールとの接合面に、前記半導体モジュールの底部外周を囲む壁が設けら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。
3. 前記固定対象物の前記半導体モジュールとの接合面に、
   前記固定部材が差し込まれる部位に設けられた少なくとも１つ以上の大径穴と、
   前記固定対象物の前記半導体モジュールとの接合面のうち前記半導体モジュールと当接する領域内において、前記各大径穴をつなぎ、前記半導体モジュールの外周部近傍を囲う溝と、を備え、
   前記大径穴および前記溝内に前記絶縁物が充填されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記半導体モジュールは外周を取り囲む樹脂部を有し、該樹脂部の前記固定対象物との接合面の最外周部に設けられたシール材と、
   前記樹脂部に設けられ、前記半導体モジュールの内部と前記樹脂部の前記固定対象物との接合面とをつなぐ貫通穴と、を備え、
   前記半導体モジュールの内部から前記樹脂部と前記固定部材との間に前記絶縁物を導入可能としたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記絶縁物は環状に形成され、
   前記半導体モジュールと前記固定対象物との間において、前記絶縁物は前記固定部材の周囲を囲むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
6. 固定対象物との接合面にバスバーが露出した半導体モジュールと、前記固定対象物とを固定部材によって固定し、前記バスバーと前記固定部材との間に絶縁物を充填することを特徴とする半導体装置の絶縁方法。
7. 固定対象物との接合面にバスバーが露出した半導体モジュールと、前記固定対象物との間に絶縁物を挟み込み、前記半導体モジュールと前記固定対象物とを固定部材によって固定することによって前記バスバーと前記固定部材との間に前記絶縁物を充填させることを特徴とする半導体装置の絶縁方法。

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