JP2011176087A - 半導体モジュール、及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュール、及び電力変換装置の温度サイクル、及びパワーサイクルの信頼性を向上する。
【解決手段】ＤＢＣ基板５上に固定された半導体素子８の上面電極層と接続される上面側導体１１に接触する金属板１２が、上面側導体１１を半導体素子８方向へ押圧するように金属板固定用ＤＢＣ基板１３の銅回路箔７に接続される。そして、半導体素子８及び上面側導体１１の位置決めをするガイド１４（枠体）をＤＢＣ基板５上に固定する。上面側導体１１は、銅等の熱伝導性のよい材料、または半導体素子８を構成する材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュール、及び該半導体モジュールを備える電力変換装置、特に、高温動作が要求される半導体モジュール、及び電力変換装置に関する。

代表的な絶縁形パワー半導体モジュールとして、インバータ等電力変換装置に用いられるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）モジュールがある。また、このＩＧＢＴモジュールに代表される「絶緑形パワー半導体モジュール」もしくは「Isolated power semiconductor devices」は、それぞれＪＥＣ−２４０７−２００７、ＩＥＣ６０７４７−１５にて規格が制定されている。

図４（ａ）及び（ｂ）を参照して、非特許文献１に開示された一般的な絶緑形パワー半導体モジュール２０の構造を説明する。

図４（ｂ）に示すように、スイッチング素子であるＩＧＢＴやダイオード等の半導体素子８は、半導体素子８の下面電極層を介してＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板５（或いはＤＣＢ基板）の銅回路箔７上にはんだ付けされ、ＤＢＣ基板５は放熱のための銅ベース４にはんだ付け（はんだ部２３を介して接続）される。ここで、ＤＢＣ基板５とは、セラミックス等からなる絶縁板６に銅回路箔７を直接接合したものである。

半導体素子８の上面電極層は、アルミワイヤ２１を超音波でボンディングされ、例えば、ＤＢＣ基板５上の銅回路箔７と電気的に結線される。そして、ＤＢＣ基板５の銅回路箔７から外部へ電気を接続するための銅端子２２（リードフレームやブスバー）は、銅回路箔７とはんだ付けにより接続される。更にこの周りを（スーパー）エンジニアリングプラスチックのケース１９で囲み、その中を電気絶緑のためのシリコーンゲル等が充填される。ここで、一般に半導体素子８−ＤＢＣ基板５間のはんだは、ＤＢＣ基板５−銅ベース４間のはんだに対し融点が高く、２回のリフローにより接合されている。

近年、半導体素子の動作温度の高温化が進んでいる。１７５℃〜２００℃の動作温度では、はんだ材料の融点に近いため、はんだに置換する材料として、金属系高温はんだ（Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｕ）、化合物系高温はんだ（Ｓｎ−Ｃｕ）、低温焼結金属（Ａｇ粉、ｎａｎｏＡｇ）等が提案されている。また、次世代の半導体素子であるＳｉＣは、２５０〜３００℃での動作が報告されている。

ＤＢＣ基板−銅端子間の接合については、すでに上述の超音波で接合する方法が商品化されており、これについては高い信頼性が得られている。

−方、はんだを用いない半導体モジュールとして、図５（ａ）及び（ｂ）のような平型圧接構造パッケージ２４がある（非特許文献１、２)。半導体素子８（ＩＧＢＴ９、ダイオード１０）は、半導体素子８の上面電極層がコンタクト端子２６に接触した状態で、Ｍｏ板２５上に備えられている。そして、半導体素子８の端部には、半導体素子８及びコンタクト端子２６の位置決めをするガイド２７が備えられている。このような平型圧接構造パッケージ２４は、半導体素子８を両面から冷却できるとともに、はんだを用いないで電気的、熱的に外部と接続できる。このため、一般的に平型圧接構造パッケージ２４の両端をヒートシンクで圧接することで、平型圧接構造パッケージ２４の両面を冷却すると共に、そのヒートシンクを導電部材として用いる。

特開平２００８−１１７８２５号公報 特開平２００９−１６４６４７号公報

電気学会高性能高機能パワーデバイス・パワーＩＣ調査専門委員会、「パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック」、コロナ社、１９９６年７月、ｐ２８９、ｐ３３６ 森睦宏、関康和、「大容量ＩＧＢＴの最近の進歩」、電気学会誌、社団法人電気学会、１９９８年５月、Ｖｏｌ．１１８（５）、ｐｐ．２７４−２７７ 楢崎敦司、外８名、「ダイレクトリードボンディング型ＭＯＳＦＥＴ／ＣＳＴＢＴの開発」、電気学会電気デバイス研究会資料、２００５年、ＥＤＤ−０５、ｐｐ７５−７８

はんだを用いた絶緑形パワー半導体モジュールの課題としては、以下の２つの課題がある。
１．ＲｏＨＳ（Restriction of Hazardous Substances）に対応するため、はんだの鉛フリー化
２．温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性の向上
はんだの鉛フリー化の課題に対しては、鉛フリーはんだ材料として、上述のようにＳｎ−Ａｇ系やＳｎ−Ｃｕ系のものが検討されている。

一方、はんだを用いない平型圧接構造パッケージの場合、ヒートシンクと平型圧接構造パッケージ２４の圧接は、主にユーザが実施する。圧接は平型圧接構造パッケージ２４の上下のヒートシンク間とで電気的に絶緑する必要があること、板バネで平型圧接構造パッケージ２４を圧接するがこの設計の圧接力が平型圧接構造パッケージ２４の電極ポストに均等に掛かるようにする必要がある。これらにはノウハウがあり、圧接が不良であった場合は半導体素子８の破壊に繋がる。また、回路を構成するのに、このヒートシンクや圧接のための板バネが小型化の妨げとなるなど、使いこなすのには熟練が要求される。

このことから平型圧接構造パッケージ２４は限られた装置への適用となり、代わりに使い勝手の良い従来型の絶縁形パワー半導体モジュールが広く使われている。

また、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性の向上の課題に対しては、半導体モジュールを構成する各部材（半導体、金属、セラミックス等）の熱膨張率の違いより生じる課題を改善する必要がある。すなわち、ＤＢＣ基板−銅ベース間、ＤＢＣ基板−銅端子間において、銅とセラミックスの熱膨張係数の差から間のはんだにせん断応力が働き、はんだに亀裂が生じて熱抵抗が増大したり端子が剥離したりする虞がある。さらに、半導体素子−ＤＢＣ基板間のはんだにも亀裂が生じる場合がある。その他、半導体素子上のアルミワイヤの接続部でもアルミニウムと半導体素子の熱膨張の差で応力が発生してアルミワイヤが疲労破断する場合がある。

年々電力密度が増すこと、半導体素子上の電極とアルミワイヤ間等の接合温度が高くなることから、はんだのせん断応力、アルミワイヤの応力が大きくなってきている。これに対して熱膨張の影響が半導体モジュールの設計寿命に至るまでの期間に亘って顕在化しないようにする必要がある。ＳｉＣやＧａＮのような高温で使用できるワイドバンドキャップ半導体素子の出現により、さらに熱膨張の影響の低減が要求されている。

そこで、高信頼性、環境性、利便性を同時に実現するために、圧接のようにはんだ接合、あるいはワイヤーボンドを用いず、かつ使い勝手の良い絶緑形パワー半導体モジュールの実現が求められている。また、ＳｉＣ、ＧａＮなどの高温で使用可能な半導体素子の性能を活かす半導体モジュールとしても、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性の向上が求められている。

上記課題を解決する本発明の半導体モジュールは、基板上に備えられる半導体素子と、前記半導体素子上に備えられる導体と、前記導体を前記半導体素子方向へ押圧する金属板とを備え、前記金属板の両端には、該金属板を固定する固定部が設けられたことを特徴としている。

また、上記半導体モジュールにおいて、前記半導体素子が嵌装される絶縁性の枠体が前記基板上に備えることを特徴としている。

また、上記半導体モジュールにおいて、前記枠体は予め前記基板上に固定されるとよい。

また、上記半導体モジュールにおいて、前記基板を放熱部材に固定すると半導体モジュールの放熱性が向上する。

また、上記半導体モジュールにおいて、前記基板と前記半導体素子との間に他の導体を備えるとよい。

また、上記課題を解決する本発明の半導体モジュールは、放熱部材上に固設される絶縁性の枠体と、前記枠体により位置決めされた位置であって、前記放熱部材上に配設される絶縁板と、該絶縁板上に備えられる導電部材と、該導電部材上であって、前記枠体に備えられる半導体素子と、前記半導体素子上に備えられる導体と、前記導体を前記半導体素子方向へ押圧する金属板とを備え、前記金属板の両端には、該金属板を固定する固定部が設けられたことを特徴としている。

また、この半導体モジュールにおいて、前記導電部材と前記半導体素子との間に他の導体を備えるとよい。

また、上記半導体モジュールにおいて、前記枠体には、制御用の信号を入力するための信号入力部を形成するとよい。

さらに、上記半導体モジュールにおいて、前記金属板に設けられる固定部は、該金属板の長手方向に２列以上備えるとよい。

また、上記半導体モジュールにおいて、前記導体と前記金属板との間に絶縁部材を備えるとよい。

また、上記半導体モジュールにおいて、前記固定部において、前記金属板の固定に超音波圧接を用いるとよい。

また、上記課題を解決する本発明の電力変換装置は、上記半導体モジュールのいずれかを備えることを特徴としている。

以上の発明によれば、半導体モジュール、及び該半導体モジュールを備えた電力変換装置の温度サイクル、及びパワーサイクルの信頼性向上に寄与する。

本発明の第１の実施形態に係る半導体モジュールの概略を例示する図であり、（ａ）半導体モジュールの平面図、（ｂ）半導体モジュールの断面図。 本発明の第２の実施形態に係る半導体モジュールの概略を例示する図であり、（ａ）半導体モジュールの平面図、（ｂ）半導体モジュールの断面図。 本発明の第３の実施形態に係る半導体モジュールの概略を例示する図であり、（ａ）半導体モジュールの平面図、（ｂ）半導体モジュールの断面図。 従来技術に係る半導体モジュールの概略を例示する図であり、（ａ）半導体モジュールの斜視図、（ｂ）半導体モジュールの断面図。 従来技術に係る平型圧接構造パッケージの概略を例示する図であり、（ａ）平型圧接構造パッケージの斜視図、（ｂ）平型圧接構造パッケージの断面図。

本発明の実施形態に係る半導体モジュールは、半導体素子の上面電極層に接続される上面側導体と接触する金属板が、前記上面側導体を半導体素子方向に押圧するように基板上に固定されるものである。そして、半導体素子の上面電極層からの電力の取り出しをこの金属板で行うものである。また、本発明の実施形態に係る電力変換装置は、この半導体モジュールを備えた電力変換装置である。

したがって、従来のアルミワイヤやリードフレームをはんだ付けした半導体モジュール、及び電力変換装置での電力の取り出しと比較して、熱膨張差による応力が緩和されて、上面電極層とリードフレーム（金属板）との接触部の寿命が格段に向上する。さらに、金属板をリードフレームとして用いることによりアルミワイヤ使用時のような局部的な電流集中を防げることから、半導体素子の温度が均一になるとともに、熱抵抗も低下して同じ電力であれば半導体素子温度を低く抑えることができる。

以下、本発明の実施形態に係る半導体モジュールについて、図面を参照して詳細に説明する。
（実施形態１）
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように本発明の第１の実施形態に係る半導体モジュール１は、銅ベース４上に、ＤＢＣ基板５がはんだ部２３を介して（はんだ付けにより）固定され、このＤＢＣ基板５上に半導体素子８（例えば、スイッチング素子９、ダイオード１０）が、半導体素子８の底面電極層を介してはんだ部２３により固定されている。ここでいうＤＢＣ基板５とは、セラミックス等の絶縁板６に銅回路箔７を直接接合したものである。

そして、半導体素子８上には、半導体素子８の上面電極層（例えば、ｎチャネル素子のエミッタ若しくはソース、ダイオードのアノード側の電極層）と接続される上面側導体１１が備えられ、この上面側導体１１に接触する金属板１２が、上面側導体１１を半導体素子８方向へ押圧するように金属板固定用ＤＢＣ基板１３上の銅回路箔７と接続される。さらに、半導体素子８の側面には、上面側導体１１と半導体素子８の位置決めをするガイド１４（枠体）がＤＢＣ基板５上に固設されている。そして、この周りを（スーパー）エンジニアリングプラスチックのケース１９で囲み、このケース１９と銅ベース４とに形成される空間に電気絶緑のためのシリコーンゲル等が充填される。

銅ベース４は、放熱のために備えられるものであり、既知の放熱部材を用いればよい。また、銅ベース４にヒートシンク等を接続して放熱効果を高めてもよい。

ガイド１４は絶縁材料（例えば、セラミックまたは合成樹脂等）からなり、ガイド１４の高さは、金属板１２による上面側導体１１及び半導体素子８の圧接の妨げにならない高さとするとよい。また、スイッチング素子９のガイド１４には、制御用の信号を入力するためのリード線３１を導入するための切り欠き３０が形成される。

図１（ａ）及び（ｂ）の例では、半導体素子８を、はんだ部２３によってＤＢＣ基板５上にはんだ付けで固定している。一方で、本発明に係る半導体モジュール１は、ガイド１４を備えているので、ＤＢＣ基板５上に半導体素子８をはんだ付けで固定しない場合においても、ガイド１４及び金属板１２により半導体素子８を固定することができる。したがって、ＤＢＣ基板５と半導体素子８をはんだ付けで固定しない場合には、温度サイクル、及びパワーサイクル等によるはんだの劣化が起こらないので半導体モジュール１の信頼性がさらに向上する。

スイッチング素子９としては、例えばＳｉやＳｉＣから構成されるＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）、ＢＪＴ（Bipolar Junction Transistor：バイポーラトランジスタ）、ＪＦＥＴ（Junction Field Effect Transistor：接合型電界効果トランジスタ）等があげられる。

ダイオード１０（例えば、Free Wheeling Diode：ＦＷＤ）は、スイッチング素子９と逆並列接続（場合によっては直列接続）される。

上面側導体１１に銅等の熱伝導性の良い金属を用いると、上面側導体１１がヒートスプレッダとして作用し放熱性が向上する。また、上面側導体１１を半導体素子８を構成する材料（例えば、ＳｉやＳｉＣ、ＧａＮ）に比較的熱膨張係数が近い材料（例えば、ＭｏやＷ、その他化合物等）を用いると、上面側導体１１が熱応力の緩衝板として作用し、温度サイクルにおける信頼性を高めることができる。なお、上面側導体１１はスイッチング素子９の端面部や制御用電極層に接触しないような構造にする必要がある。

金属板１２は、銅やアルミニウム等の金属を用いればよい。また、金属板１２の形状は、帯状や板状等の形状が例示される。そして、金属板１２は、金属板固定用ＤＢＣ基板１３の銅回路箔７に接続される。

図１（ａ）及び（ｂ）に例示する半導体モジュール１では、この半導体素子８が配置されるＤＢＣ基板５と金属板固定用ＤＢＣ基板１３が別の基板であるが、同一のＤＢＣ基板上に半導体素子８と金属板１２を備えてもよい。この金属板１２の長さは、金属板１２が接続される各銅回路箔７の間隔と同程度かそれより長くする。

この金属板１２は、超音波等で銅回路箔７と接合される。金属板１２と銅回路箔７を接合する場合、金属板１２と銅回路箔７との接合する接合部１５は複数備えるとよい。

例えば、金属板１２の両端部に設けられる接合部１５を２列備えた場合では、まず、半導体素子８から最も離れた接合部１５ａにおいて、金属板１２と各銅回路箔７を接合する。この時、金属板１２は、図中に点線で示すように上面側導体１１を半導体素子８方向へ押圧するように固定される。さらに半導体素子８に近い接合部１５ｂにおいて、金属板１２を再度銅回路箔７と超音波で接続する。このように金属板１２を銅回路箔７と接合することにより、金属板１２がより強い力で上面側導体１１を半導体素子８方向に押圧するように、金属板１２を金属板固定用ＤＢＣ基板１３に備えることができる。なお、２回目以降の接合部１５ｂでの超音波接合により、所定の圧接力が得られるように金属板１２の材料の物性と距離、ガイド１４の高さや上面側導体１１と金属板固定用ＤＢＣ基板１３の高低差を設計するとよい。

半導体モジュール１外部への電力の取り出しは、従来どおりはんだや超音波等の接合方法により主端子（図示せず）を金属板１２が接続された銅回路箔７及び半導体素子８が備えられた銅回路箔７に接合し、この主端子から電力を取り出すことができる。なお、金属板１２の延長に、半導体モジュール１外部に電力を取り出す主端子（図示せず）を直接設けても良い。

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る半導体モジュール１は、リードフレームとして備えられる金属板１２と上面側導体１１の接続方法に圧接を用いることで、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性を向上することができる。

半導体素子８のリードとして、通電と放熱を兼ねた金属板１２を配置することで、従来アルミワイヤで構成していた電力の取り出しを、金属板１２を用いて、かつはんだを用いずに実現できる。この接続方法は、金属板１２が半導体素子８と上面側導体１１を圧接させる形態であるため、構成材料間に熱膨張差があってもせん断応力の影響が低く、材料同士摩擦による応力となり、しかも表面の滑りにより応力が緩和できるため高い信頼性が得られる。
（実施形態２）
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、本発明の第２の実施形態に係る半導体モジュール２は、半導体素子８（スイッチング素子９、ダイオード１０）、上面側導体１１、及び底面側導体１６の位置決めをするガイド１４（枠体）を予めＤＢＣ基板５上に固定し、このガイド１４によって定められた位置に半導体素子８を底面側導体１６を介してＤＢＣ基板５上に固定すること以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と同様のものについては同じ符号を付し詳細な説明を省略する。

図２（ａ）及び（ｂ）を参照して本発明の第２の実施形態に係る半導体モジュール２について詳細に説明する。

本発明の第２の実施形態に係る半導体モジュール２は、銅ベース４上にＤＢＣ基板５がはんだ部２３によって（はんだ付けにより）固定され、このＤＢＣ基板５上に絶縁体からなるガイド１４（枠体）が固定されている。そして、このガイド１４によって定められた位置のＤＢＣ基板５上に半導体素子８の底面電極層（例えば、ｎチャネル素子のコレクタかドレイン、ダイオードのカソード側の電極層）と接続される底面側導体１６が備えられ、さらに底面側導体１６上に半導体素子８が備えられる。そして、半導体素子８上には、半導体素子８の上面電極層（例えば、ｎチャネル素子のエミッタかソース、ダイオードのアノード側の電極層）と接続される上面側導体１１が備えられ、この上面側導体１１に接触する金属板１２が、上面側導体１１を半導体素子８方向に押圧するように金属板固定用ＤＢＣ基板１３上の銅回路箔７と接続される。そして、この周りを（スーパー）エンジニアリングプラスチックのケース１９で囲み、このケース１９と銅ベース４とに形成される空間に電気絶緑のためのシリコーンゲル等が充填される。

ガイド１４は絶縁材料からなり、ガイド１４の高さは、金属板１２による半導体素子８と上面側導体１１の圧接の妨げにならない高さとするとよい。また、スイッチング素子９のガイド１４には、制御用の信号を入力するためのリード線３１を導入するための切り欠き３０が形成される。

ＤＢＣ基板５上には、スイッチング素子９と、このスイッチング素子９と逆並列接続（場合によっては直列接続）されるダイオード１０が配置されている。

上面側導体１１及び底面側導体１６に銅等の熱伝導性のよい金属を用いると、上面側導体１１及び底面側導体１６がヒートスプレッダとして作用し放熱性が向上する。また、上面側導体１１及び底面側導体１６を半導体素子８を構成する材料（例えば、ＳｉやＳｉＣ、ＧａＮ）に比較的熱膨張係数が近い材料（例えば、ＭｏやＷや、その他化合物等）を用いると、これら上面側導体１１及び底面側導体１６が熱応力の緩衝板として作用し、温度サイクルにおける信頼性を高めることができる。なお、上面側導体１１はスイッチング素子９の端面部や制御用電極層（図示省略）に接触しないような構造にする必要がある。

金属板１２は、銅やアルミニウム等の金属を用いればよい。また、金属板１２の形状は、帯状や板状等の形状が例示される。そして、金属板１２は、金属板固定用ＤＢＣ基板１３の銅回路箔７に接続される。

図２（ａ）及び（ｂ）に例示する半導体モジュール２では、この半導体素子８が配置されるＤＢＣ基板５と金属板固定用ＤＢＣ基板１３が別の基板であるが、同一のＤＢＣ基板上に半導体素子８と金属板１２を備えてもよい。この金属板１２の長さは、金属板１２が接続される各銅回路箔７の間隔と同程度かそれより長くする。

この金属板１２は、超音波等で金属板固定用ＤＢＣ基板１３の銅回路箔７と接合される。金属板１２と銅回路箔７を接合する場合、金属板１２と銅回路箔７との接合する接合部１５は複数備えるとよい。

例えば、金属板１２の両端部に設けられる接合部１５を２列備えた場合では、まず、半導体素子８から最も離れた接合部１５ａにおいて、金属板１２と各銅回路箔７を接合する。この時、金属板１２は、図中に点線で示すように上面側導体１１を半導体素子８方向へ押圧するように固定される。さらに半導体素子８に近い接合部１５ｂにおいて、金属板１２を再度銅回路箔７と超音波で接続する。このように金属板１２を銅回路箔７と接合することにより、より強い力で上面側導体１１が半導体素子８に圧接するように金属板１２を金属板固定用ＤＢＣ基板１３上に備えることができる。なお、２回目以降の接合部１５ｂでの超音波接合により、所定の圧接力が得られるように金属板１２の材料の物性と距離、ガイド１４の高さや上面側導体１１と金属板固定用ＤＢＣ基板１３の高低差を設計するとよい。

半導体モジュール２外部への電力の取り出しは、従来どおりはんだや超音波等の接合方法により主端子（図示せず）を金属板１２が接続された銅回路箔７及び半導体素子８が備えられた銅回路箔７に接合し、この主端子から電力を取り出すことができる。なお、金属板１２の延長に、半導体モジュール２外部に電力を取り出す主端子（図示せず）を直接設けても良い。

以上のように、本発明の第２の実施形態に係る半導体モジュール２は、リードフレームとして備えられる金属板１２と上面側導体１１の接続方法に圧接を用いることで、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性を向上することができる。

そして、第２の実施形態に係る半導体モジュール２は、ＤＢＣ基板５と半導体素子８の接続方法において、はんだ付けを行う必要がないので、第１の実施形態に係る半導体モジュール１の効果に加えて、作業性が向上する効果を有するとともに、半導体素子８の熱によるダメージがなく歩留まりが向上する効果も得られる。また、ＤＢＣ基板５を銅ベース４にはんだ付けするときに、ＤＢＣ基板５上に半導体素子８が実装されていないため、高温のプロセス（ロウ付け）等を用いることができ、ＤＢＣ基板５と銅ベース４間の接合の信頼性が向上する。

さらに、底面側導体１６に銅等の金属を用いた場合、底面側導体１６がヒートスプレッダとして作用し放熱性が向上する。一方、底面側導体１６に、スイッチング素子９を構成する材料に比較的熱膨張係数が近い材料を用いると、底面側導体１６が熱応力の緩衝板として作用し、温度サイクルにおける信頼性を高めることができる。
（実施形態３）
図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、本発明の第３の実施形態に係る半導体モジュール３は、半導体素子８（スイッチング素子９、ダイオード１０）、上面側導体１１、及び底面側導体１６の位置決めをするガイド１４（枠体）を予め銅ベース４上に固定し、このガイド１４によって定められた位置に半導体素子８を、絶縁板１７、導電部材１８、及び底面側導体１６を介して銅ベース４上に固定すること以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と同様のものについては同じ符号を付し詳細な説明を省略する。

図３（ａ）及び（ｂ）を参照して本発明の第３の実施形態に係る半導体モジュール３について詳細に説明する。

本発明の第３の実施形態に係る半導体モジュール３は、絶縁体からなるガイド１４（枠体）、及び上面側導体１１と接触する金属板１２が接続される金属板固定用ＤＢＣ基板１３が、はんだ部２３を介して銅ベース上に固定されている。そして、このガイド１４によって定められた位置に、絶縁板１７が備えられる。絶縁板１７上には導電部材１８が備えられ、導電部材１８上には半導体素子８の底面電極層（例えば、ｎチャネル素子のコレクタかドレイン、ダイオードのカソード側の電極層）と接続される底面側導体１６が備えられる。そして、底面側導体１６上に半導体素子８が備えられ、半導体素子８上には半導体素子８の上面電極層（例えば、ｎチャネル素子のエミッタかソース、ダイオードのアノード側の電極層）と接続される上面側導体１１が備えられる。さらに、上面側導体１１に接触する金属板１２が、上面側導体１１を半導体素子方向へ押圧するように金属板固定用ＤＢＣ基板１３上の銅回路箔７と接続される。そして、この周りを（スーパー）エンジニアリングプラスチックのケース１９で囲み、このケース１９と銅ベース４とに形成される空間に電気絶緑のためのシリコーンゲル等が充填される。

ガイド１４は絶縁材料からなり、ガイド１４の高さは、金属板１２による半導体素子８の圧接の妨げにならない高さとするとよい。また、スイッチング素子９のガイド１４には、制御用の信号を入力するためのリード線３１を導入するための切り欠き３０が形成される。

絶縁板１７は、絶縁性の材料であれば周知の絶縁板（セラミック及び合成樹脂等）を用いればよい。なお、絶縁板１７としてＤＢＣ基板を用いると、絶縁板１７−銅ベース４間と絶縁板１７−導電部材１８間の熱抵抗を低減することができる。

導電部材１８は、銅ベース４側のリードフレームとして備えられる。導電部材１８の材質としては、銅、アルミ等の金属が例示される。導電部材１８の延長に、半導体モジュール３外部に電力を取り出す主端子（図示せず）を直接設けても良い。

底面側導体１６はスイッチング素子９と同サイズでよいが、上面側導体１１はスイッチング素子９の端面部や制御用電極層（図示せず）に接触しないような構造にする必要がある。また、底面側導体１６が導電部材１８を兼ねる構造としても良い。

上面側導体１１及び底面側導体１６に銅等の熱伝導性のよい金属を用いると、上面側導体１１及び底面側導体１６がヒートスプレッダとして作用し放熱性が向上する。また、上面側導体１１及び底面側導体１６を半導体素子８を構成する材料（例えば、ＳｉやＳｉＣ、ＧａＮ）に比較的熱膨張係数が近い材料（例えば、ＭｏやＷや、その他化合物等）を用いると、これら上面側導体１１及び底面側導体１６が熱応力の緩衝板として作用し、温度サイクルにおける信頼性を高めることができる。なお、上面側導体１１はスイッチング素子９の端面部や制御用電極層（図示省略）に接触しないような構造にする必要がある。

金属板１２は、銅やアルミニウム等の金属を用いればよい。また、金属板１２の形状は、帯状や板状等の形状が例示される。そして、金属板１２は、金属板固定用ＤＢＣ基板１３の銅回路箔７に接続される。

金属板１２は、超音波等で銅回路箔７と接合される。金属板１２と銅回路箔７を接合する場合、金属板１２と銅回路箔７との接合する接合部１５は複数備えるとよい。

例えば、金属板１２の両端部に設けられる接合部１５を２列備えた場合では、まず、半導体素子８から最も離れた接合部１５ａにおいて、金属板１２と各銅回路箔７を接合する。この時、金属板１２は、図中に点線で示すように上面側導体１１を半導体素子８方向へ押圧するように固定される。さらに半導体素子８に近い接合部１５ｂにおいて、金属板１２を再度銅回路箔７と超音波で接続する。このように金属板１２を銅回路箔７と接合することにより、より強い力で上面側導体１１が半導体素子８に圧接するように金属板１２を金属板固定用ＤＢＣ基板１３上に備えることができる。なお、２回目以降の接合部１５ｂでの超音波接合により、所定の圧接力が得られるように金属板１２の材料の物性と距離、ガイド１４の高さや上面側導体１１と金属板固定用ＤＢＣ基板１３の高低差を設計するとよい。

半導体モジュール３外部への電力の取り出しは、従来どおりはんだや超音波等の接合方法により主端子（図示せず）を上面側の金属板１２と接続される銅回路箔７に接合し、この主端子から電力を取り出すことができる。なお、上面側の金属板１２の延長に、半導体モジュール３外部に電力を取り出す主端子（図示せず）を直接設けても良い。

以上のように、本発明の第３の実施形態に係る半導体モジュール３は、リードフレームとして備えられる金属板１２と上面側導体１１の接続方法に圧接を用いることで、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性が向上する。

そして、第３の実施形態に係る半導体モジュール３は、半導体素子８の直上、及び半導体素子８−銅ベース４間ではんだ付け等による固定を行わないため、第１及び第２の実施形態に係る半導体モジュール１、２の効果に加えて、温度サイクルによる影響が低く、はんだの亀裂による劣化の影響が少なく、半導体モジュール３の信頼性、耐久性が向上する。

以上、実施形態１〜３を参照して本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。例えば、前述の各実施形態１〜３においては、半導体素子として、スイッチング素子及びダイオードを備える例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の種類の電力用半導体素子を組み合わせて設けてもよい。

また、銅ベース上に半導体素子を配置する例を示したが、本発明はこれに限定されず、銅ベースの代わりに水冷式等のヒートシンクを用いると、冷却効率が向上し、高い電力密度を扱うことができる。さらに、実施形態の詳細な説明では、はんだ付けによりＤＢＣ基板と半導体素子等を固着する例を示しているが、固着する材料ははんだに限定されるものではなく、各種ロウ剤やＡｌ、Ａｇ等の低融点金属等既知の固定材料を適宜用いればよい。

更にまた、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜構成要素の追加若しくは省略又は設計変更を加えたものも、本発明の特徴部分が実施されている限り、本発明の範囲に含まれる。例えば、上面の金属板は圧接のみに用い通電は行わない構造、すなわち、半導体素子上面にリードフレームを設置し、その上に絶縁部材を置き、その上から前記金属板により押圧する構造も考えられる。上記絶縁部材としては、実施形態で説明した絶縁板と同様のものを用いればよい。

そして、本発明に係る半導体モジュールを電力変換装置に備えると、電力変換装置における温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性が向上する。

１、２、３…半導体モジュール
４…銅ベース（放熱部材）
５…ＤＢＣ基板
６…絶縁板
８…半導体素子
９…スイッチング素子（半導体素子）
１０…ダイオード（半導体素子）
１１…上面側導体（導体）
１２…金属板
１３…金属板固定用ＤＢＣ基板
１４…ガイド（枠体）
１５…接合部（固定部）
１６…底面側導体（他の導体）
１７…絶縁板
１８…導電部材
３０…切り欠き（信号入力部）

Claims (12)

1. 基板上に備えられる半導体素子と、
   前記半導体素子上に備えられる導体と、
   前記導体を前記半導体素子方向へ押圧する金属板と、
   を備え、
   前記金属板の両端には、該金属板を固定する固定部が設けられた
   ことを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記半導体素子が嵌装される絶縁性の枠体が前記基板上に備えられる
   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. 前記枠体は予め前記基板上に固定される
   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. 前記基板は放熱部材に固定される
   ことを特徴とする請求項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。
5. 前記基板と前記半導体素子との間に他の導体が備えられる
   ことを特徴とする請求項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。
6. 放熱部材上に固設される絶縁性の枠体と、
   前記枠体により位置決めされた位置であって、前記放熱部材上に配設される絶縁板と、
   該絶縁板上に備えられる導電部材と、
   該導電部材上であって、前記枠体に備えられる半導体素子と、
   前記半導体素子上に備えられる導体と、
   前記導体を前記半導体素子方向へ押圧する金属板と、
   を備え、
   前記金属板の両端には、該金属板を固定する固定部が設けられた
   ことを特徴とする半導体モジュール。
7. 前記導電部材と前記半導体素子との間に他の導体が備えられる
   ことを特徴とする請求項６に記載の半導体モジュール。
8. 前記枠体には、制御用の信号を入力するための信号入力部が形成される
   ことを特徴とする請求項２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。
9. 前記金属板に設けられる固定部は、該金属板の長手方向に２列以上備えられる
   ことを特徴とする請求項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。
10. 前記導体と前記金属板との間に絶縁部材を備えた
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
11. 前記固定部において、前記金属板の固定に超音波圧接を用いた
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の半導体モジュールを備えた電力変換装置。

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