JP2012009568A - 半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】ユニット表面が傷ついたとしても、中身の半導体チップ等についてはリユースすることができる構造の半導体モジュールを提供する。
【解決手段】半導体チップ１１等の構成部品を熱硬化性樹脂モールド部２１にて覆うことで耐熱性を確保しつつ、熱硬化性樹脂モールド部２１の外縁部を熱可塑性樹脂モールド部２２にて覆う。また、熱可塑性樹脂モールド部２２によって水路３０の一部を構成し、半導体チップ１１等の構成部品を熱硬化性樹脂モールド部２１および熱可塑性樹脂モールド部２２にて覆ったユニット１０を積層することで、冷却機構を構成する水路３０が内蔵された構造を構成する。このような構成とすることで、熱可塑性樹脂モールド部２２のみに傷がついたような場合には、熱可塑性樹脂モールド部２２を加熱して軟化させて除去し、熱可塑性樹脂モールド部２２以外の部分を用いてリビルト品を製造すれば、リユースすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートスプレッダ（放熱板）による放熱が行われる半導体パワー素子が形成された半導体チップとヒートスプレッダとを樹脂モールドして一体構造とした半導体モジュールに関するもので、例えば、インバータの上アーム（ハイサイド側素子）と下アーム（ローサイド側素子）のいずれかの半導体パワー素子を樹脂モールド部にてモールドした１ｉｎ１構造や、上下アームの二つの半導体パワー素子を一つの樹脂モールド部にてモールドした２ｉｎ１構造等の半導体モジュールに適用すると好適である。
従来より、半導体モジュールでは、半導体パワー素子が形成された半導体チップと半導体チップの放熱を行うためのヒートスプレッダとを樹脂モールドして一体化構造とすることが一般的である。このような半導体モジュールでは、通常、耐熱性を重視して、エポキシ樹脂等の耐熱性の高い熱硬化性樹脂をモールド用の樹脂として使用している。
しかしながら、熱硬化性樹脂は、一旦硬化してしまうと分解することが難しいため、一部の半導体パワー素子が故障した場合、半導体モジュール全体を廃棄しなければならず、リユースすることができない。
そこで、特許文献１において、一部の半導体パワー素子が故障した場合にも、故障していない他の部分をリユースすることが可能な半導体モジュールが提案されている。この半導体モジュールでは、半導体チップとヒートスプレッダに加えて、半導体チップを冷却するための冷却水が流される水路を樹脂モールドして一体化している。半導体チップとヒートスプレッダを樹脂モールドすると共に、その樹脂モールド部にて水路の一部を構成することで板状のユニットを形成し、さらにそのユニットを複数枚積層することで、各ユニットに形成された水路の一部同士を連結させて水路が形成されるようにしている。
このような構造の半導体モジュールでは、例えば何れかのユニット中の半導体パワー素子が故障した場合に、積層した複数枚のユニットを分解し、故障したユニットのみを良品に交換したのち、再度、複数枚のユニットを積層して組み直すことで、半導体モジュールをリユースすることができる。
特開２００６−１６５５３４号公報
近年、環境に対する意識の高まりにより、半導体パワー素子が内蔵された半導体モジュールについても、リユースの要求が高まっている。上記特許文献１に開示されている半導体モジュールでは、半導体パワー素子が故障したユニットを交換することでリユースを可能としているが、半導体チップなどの構成部品が故障していなくても、樹脂モールド部が傷ついた場合にも、そのユニットの交換が必要になる。このような場合には、半導体チップなどは正常であるのにもかかわらずユニットごと交換しなければならない。しかし、半導体チップなどが正常なのにユニットごと交換したのでは有効なリユースが行えず、資源の有効活用を行うことができない。特に、故障したユニットを良品に交換する際の分解時にユニット表面が傷つき易く、正常であったユニットも分解作業中に傷つけてしまいがちであるが、そのような場合にまでユニットごと不良品としてしまうのは好ましくない。
本発明は上記点に鑑みて、ユニット表面が傷ついたとしても、中身の半導体チップ等についてはリユースすることができる構造の半導体モジュールを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体チップ（１１）、第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）、正極端子（１５）、負極端子（１６）および制御端子（１７）を樹脂モールド部（２０）にてモールド化したものを１つのユニット（１０）として、該ユニット（１０）を蓋部（４０）と冷媒入口および冷媒出口を構成するパイプ（４１ａ、４１ｂ）が備えられたパイプ付蓋部（４１）にて挟み込み、かつ、ユニット（１０）と蓋部（４０）およびパイプ付蓋部（４１）を固定具（４３）にて固定した半導体モジュールであって、半導体パワー素子に電気的に接続された正極端子（１５）と負極端子（１６）および制御端子（１７）の一端を露出させると共に、第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）のうち半導体チップ（１１）と反対側の面を露出させつつ、半導体チップ（１１）、第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）、正極端子（１５）、負極端子（１６）および制御端子（１７）を覆う第１樹脂にて構成された第１樹脂モールド部（２１）と、第１樹脂モールド部（２１）の外縁部を覆いつつ、冷媒通路（３０）の一部を構成し、かつ、第１樹脂よりも軟化温度が低い第２樹脂で構成された第２樹脂モールド部（２２）とを有した構造により樹脂モールド部（２０）を構成することを特徴としている。
このように、半導体チップ（１１）等の構成部品を第１樹脂モールド部（２１）にて覆うことで耐熱性を確保しつつ、第１樹脂モールド部（２１）の外縁部を第２樹脂モールド部（２２）にて覆うようにしている。このような構成の半導体モジュールでは、故障したユニット（１０）を良品のユニット（１０）に取り替えることにより、半導体モジュールをリユースすることが可能となる。また、故障したユニット（１０）のうち第２樹脂モールド部（２２）以外の部分が故障していないような場合、例えば第２樹脂モールド部（２２）のみに傷がついたような場合には、第２樹脂モールド部（２２）を加熱して軟化させて除去し、第２樹脂モールド部（２２）以外の部分を用いてリビルト品を製造し、リユースできる。このため、故障していない半導体チップ（１１）等の構成部品を廃棄することなく、リユースすることが可能となる。これにより、故障したユニット（１０）を良品に交換する際の分解時等にユニット表面が傷ついたとしても、中身の半導体チップ（１１）等についてはリユースすることができる構造の半導体モジュールとすることができる。
例えば、請求項２に記載したように、第１樹脂モールド部（２１）を熱硬化性樹脂にて構成し、第２樹脂モールド部（２２）を熱可塑性樹脂にて構成することができる。
具体的には、請求項３に記載したように、熱硬化性樹脂としてエポキシ、フェノール、シリコーン樹脂を用いることができる。また、請求項４に記載したように、熱可塑性樹脂をポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン樹脂にて構成することができる。
請求項５に記載の発明では、ユニット（１０）を複数個備え、該複数個のユニット（１０）を積層することで積層体を構成し、該積層体の一方の先端部を蓋部（４０）にて覆いつつ、該積層体の他方の先端部をパイプ付蓋部（４１）にて覆った状態で固定具（４３）で固定されるようにすることを特徴としている。
このように、複数個のユニット（１０）を積層した積層体とする構造についても、故障したユニット（１０）を良品に交換する際の分解時等にユニット表面が傷ついたとしても、中身の半導体チップ（１１）等についてリユースすることができる構造の半導体モジュールにできる。特に、複数個のユニット（１０）を積層して半導体モジュールを構成する場合には、そのうちの一部の表面が傷ついただけですべてのユニット（１０）を廃棄するのは好ましくない。したがって、故障したユニット（１０）だけを取り替えることができるようにすることで、より資源の有効活用を可能とすることができる。
請求項６に記載の発明では、第１樹脂モールド部（２１）と第２樹脂モールド部（２２）の境界部にゴム部材（２３）を配置し、該ゴム部材（２３）により第１樹脂モールド部（２１）と第２樹脂モールド部（２２）の境界部をシールすることを特徴としている。
このように、第１樹脂モールド部（２１）と第２樹脂モールド部（２２）の境界部にゴム部材（２３）を配置しておくことにより、第１樹脂モールド部（２１）と第２樹脂モールド部（２２）の境界部の隙間を無くすことができ、これらの境界部に冷却水等の冷媒が浸入することを防止することができる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
本発明の第１実施形態にかかる半導体モジュール１の断面図である。 図１に示す半導体モジュール１を構成するユニット１０の１つを取り出した図であり、（ａ）はユニット１０の正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。 図１に示す半導体モジュール１の製造工程を示した断面図である。 図３に続く半導体モジュール１の製造工程を示した断面図である。 ユニット１０の取替え工程を示した半導体モジュール１の断面図である。 図５に続くユニット１０の取替え工程を示した半導体モジュール１の断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる半導体モジュール１に備えられる１つのユニット１０の断面図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる冷却機構を備えた半導体モジュールについて説明する。この半導体モジュールは、例えば車両用の三相モータの駆動を行うためのインバータ等に適用される。
図１は、本実施形態にかかる半導体モジュール１の断面図である。この図に示すように、半導体モジュール１は、例えばインバータを構成する半導体パワー素子などが形成された半導体チップ１１などの各種構成部品を樹脂モールドしたものを１つのユニット１０として、ユニット１０を複数個積層することによって構成されている。
図２は、半導体モジュール１を構成するユニット１０の１つを取り出した図であり、（ａ）はユニット１０の正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。
図２（ａ）〜（ｃ）に示されるように、各ユニット１０は、半導体パワー素子が形成された半導体チップ１１に加えて、金属ブロック１２、ヒートスプレッダ１３、１４、正極リード１５、負極リード１６および制御端子１７等を備え、これらが樹脂モールド部２０によって樹脂モールドされることで一体化された構造とされている。なお、ここでは各ユニット１０に、半導体パワー素子が形成された半導体チップ１１を１つのみ備えた１ｉｎ１構造について説明するが、半導体チップ１１を２つ備える２ｉｎ１構造、半導体チップ１１を３つ備える３ｉｎ１構造など、他の構造についても１ユニットとすることができる。例えば、インバータの場合、２ｉｎ１構造としては上下アームを構成する２つの半導体チップ１１をモールドして一体構造とする場合が想定され、３ｉｎ１構造としては三相分の上アームもしくは下アームを構成する３つの半導体チップ１１をモールドして一体構造とする場合が想定される。
半導体チップ１１には、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどの半導体パワー素子が形成されている。例えば、半導体モジュール１が三相モータ駆動用のインバータに適用される場合、上アームもしくは下アームのいずれか一方を構成する半導体パワー素子とフリーホイールダイオード（以下、ＦＷＤという）とが１チップ化されたものが半導体チップ１１とされる。本実施形態では、半導体パワー素子を基板厚み方向に電流を流す縦型の半導体素子としており、半導体チップ１１の表面側や裏面側には、各種パッドが形成された構造とされている。具体的には、半導体チップ１１の表面側には、半導体パワー素子のゲート等に接続されるパッドが形成されていると共に、半導体パワー素子のエミッタに接続されるパッドが形成され、裏面側は、裏面全面が半導体パワー素子のコレクタに繋がるパッドとされている。
なお、図２では半導体チップ１１を１チップ化した構造として図示してあるが、半導体パワー素子とＦＷＤとが別々のチップに形成されているような構造であっても良い。また、半導体チップ１１に基板横方向に電流を流す横型の半導体パワー素子が形成された構造であっても構わない。
金属ブロック１２は、熱伝達率の高い金属で構成され、例えば銅やアルミニウム等によって構成される。この金属ブロック１２は、半導体チップ１１の表面側に形成された半導体パワー素子のエミッタに接続されるパッド上にはんだ等を介して電気的および物理的に接続されている。この金属ブロック１２が半導体チップ１１の表面側に備えられることにより、半導体チップ１１の表面からヒートスプレッダ１４までの距離が所定間隔空けられている。
ヒートスプレッダ１３、１４は、半導体チップ１１から伝えられる熱を広範囲に拡散させて放出する放熱板として機能する。一方のヒートスプレッダ１３は、半導体チップ１１の裏面側のパッドに物理的にだけでなく電気的にも接続されることで、放熱板としての機能に加えて、半導体パワー素子のコレクタに接続される配線としても機能している。また、他方のヒートスプレッダ１４は、金属ブロック１２に対して電気的および物理的に接続されることで、放熱板としての機能に加えて、半導体パワー素子のエミッタに接続される配線としても機能している。これらヒートスプレッダ１３、１４は、銅などの熱伝達率の高い金属にて構成され、例えば所定厚さの四角形の金属板にて構成されている。ヒートスプレッダ１３、１４のうち半導体チップ１１と反対側の面は、樹脂モールド部２０から露出させられており、後述する冷却水に曝されている。なお、ヒートスプレッダ１３、１４のうち冷却水に曝される側の表面には、図示しない絶縁材が備えられており、この絶縁材によって冷却水との絶縁が図られていることから、ヒートスプレッダ１３、１４が冷却水に接することによるリークの発生については防止されている。
正極リード１５は、半導体チップ１１の正極端子を構成するものである。この正極リード１５は、ヒートスプレッダ１３に対して一体化もしくははんだや溶接等によって接合され、ヒートスプレッダ１３を介して半導体チップ１１の裏面側に備えられた半導体パワー素子のコレクタに繋がるパッドに電気的に接続されている。また、正極リード１５におけるヒートスプレッダ１３に接合された端部と反対側の端部は、樹脂モールド部２０から露出させられており、この露出部分を通じて外部との接続が行えるように構成されている。
負極リード１６は、半導体チップ１１の負極端子を構成するものである。この負極リード１６は、ヒートスプレッダ１４に対して一体成形もしくははんだや溶接等によって接合され、ヒートスプレッダ１４を介して半導体チップ１１の表面側に備えられた半導体パワー素子のエミッタに繋がるパッドに電気的に接続されている。また、負極リード１６におけるヒートスプレッダ１４に接合された端部と反対側の端部は、樹脂モールド部２０から露出させられており、この露出部分を通じて外部との接続が行えるように構成されている。
制御端子１７は、半導体パワー素子のゲート配線や半導体パワー素子に流れる電流のセンス、半導体チップ１１の温度のセンス等に用いられるもので、半導体チップ１１の表面側に形成された半導体パワー素子のゲート等に接続されるパッドにボンディングワイヤ１８を介して電気的に接続されている。制御端子１７における半導体チップ１１と接続される端部と反対側の端部は、樹脂モールド部２０から露出させられており、この露出部分を通じて外部との接続が行えるように構成されている。なお、半導体チップ１１の表面とヒートスプレッダ１４との間が金属ブロック１２によって所定間隔空けられていることから、ボンディングワイヤ１８はヒートスプレッダ１４と干渉することなく、良好に半導体チップ１１と制御端子１７との電気的接続が行えるようになっている。
樹脂モールド部２０は、上述したユニット１０内に備えられる各構成部品（半導体チップ１１、金属ブロック１２、ヒートスプレッダ１３、１４、正極リード１５、負極リード１６および制御端子１７）の接続を終えたものを成形型内に設置したのち、その成形型内に樹脂を注入してモールド化することで構成される。具体的には、樹脂モールド部２０は、各構成部品を熱硬化性樹脂でモールド化した熱硬化性樹脂モールド部２１と、熱硬化性樹脂モールド部２１の外縁を囲むように熱可塑性樹脂でモールド化した熱可塑性樹脂モールド部２２とによって構成されている。
熱硬化性樹脂モールド部２１は、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂にて構成されており、上述した各構成部品を覆いつつ、正極リード１５や負極リード１６および制御端子１７の一端側を露出させ、かつ、ヒートスプレッダ１３、１４の一面側を露出させるように構成されている。そして、樹脂モールド部２０のうち、この熱硬化性樹脂モールド部２１のみによって各構成部品の防水が行えるようになっている。また、熱硬化性樹脂モールド部２１は、一方向が長手方向となる長方板状とされ、その長辺を構成する一側面から正極リード１５および負極リード１６が引き出されており、その長辺と対向する長辺を構成する一側面から制御端子１７が引き出されている。ここで、各構成部品を熱硬化性樹脂モールド部２１によって覆った部分をパワーカードと呼び、このパワーカードの部分のみでもリユースが可能な構成とされている。
一方、熱可塑性樹脂モールド部２２は、例えばポリフェニレンサルファイド樹脂等の熱硬化性樹脂にて構成されており、熱硬化性樹脂モールド部２１の外縁を覆いつつ、各構成部品のうち熱硬化性樹脂モールド部２１から露出させられている部分、すなわち正極リード１５や負極リード１６および制御端子１７の一端側やヒートスプレッダ１３、１４の一面側を露出させている。熱可塑性樹脂モールド部２２のうちヒートスプレッダ１３、１４と対応する箇所には窓部２２ａ、２２ｂが形成されており、この窓部２２ａ、２２ｂを通じてヒートスプレッダ１３、１４が露出させられている。
また、熱可塑性樹脂モールド部２２は、半導体モジュール１の冷却機構を構成する冷媒通路としての水路３０（図１参照）の一部を構成している。具体的には、本実施形態の熱可塑性樹脂モールド部２２も、熱硬化性樹脂モールド部２１の長手方向と同方向を長手方向とする長円形板状部材にて構成されている。熱可塑性樹脂モールド部２２には、熱硬化性樹脂モールド部２１の長手方向両端よりも外側に突き出している部分に形成された主水路を構成する通路穴２２ｃと、熱可塑性樹脂モールド部２２の両面において外縁部よりも凹ませた凹部２２ｄとが形成されている。これら通路穴２２ｃや凹部２２ｄが水路３０の一部を構成しており、複数のユニット１０を積層したときに各通路穴２２ｃと凹部２２ｄとを含む水路３０が構成されるようになっている。
さらに、熱可塑性樹脂モールド部２２には、凹部２２ｄを囲むように形成されたシール部材セット用の溝部２２ｅが形成されている。この溝部２２ｅには後述するＯリング４２（図１参照）が嵌め込まれる。そして、複数のユニット１０を積層したときに、Ｏリング４２によりユニット１０同士の間のシールが為され、水路３０に流される冷媒としての冷却水が樹脂モールド部２０の外部に漏れることを防止している。このような構造により、各ユニット１０が構成されている。
さらに、半導体モジュール１には、図１に示すように蓋部４０、パイプ付蓋部４１、Ｏリング４２および固定具４３が備えられている。
蓋部４０およびパイプ付蓋部４１は、上記のように構成されたユニット１０を複数個積層したときの積層体の両先端部にそれぞれ配置されるものである。蓋部４０は、各ユニット１０の樹脂モールド部２０と対応する形状の板状部材で構成されている。蓋部４０を複数個積層したユニット１０の積層体の一方の先端部に配置したときに、蓋部４０とユニット１０との間には、凹部２２ｄによる隙間が形成されるようになっている。一方、パイプ付蓋部４１は、各ユニット１０の樹脂モールド部２０と対応する形状の板状部材に対して２本のパイプ４１ａ、４１ｂを備えた構成とされている。２本のパイプ４１ａ、４１ｂの一方は冷却水の入口、他方は冷却水の出口とされ、それぞれ各ユニット１０に形成された通路穴２２ｃと対応する位置に配置されている。また、パイプ付蓋部４１のうちユニット１０側の面には、シール部材セット用の溝部４１ｃが形成されている。
Ｏリング４２は、各ユニット１０に形成されたシール部材セット用の溝部２２ｅやパイプ付蓋部４１に形成されたシール部材セット用の溝部４１ｃ内に嵌め込まれ、積層された各ユニット１０の間やユニット１０と蓋部４０およびパイプ付蓋部４１の間をシールする。
固定具４３は、溝部２２ｅおよび溝部４１ｃ内にＯリング４２を嵌め込みつつ、積層した複数個のユニット１０の両先端部に蓋部４０およびパイプ付蓋部４１を配置したのち、蓋部４０およびパイプ付蓋部４１の両側から挟み込むことで固定するものである。この固定具４３によって固定されることで、パイプ４１ａ、４１ｂおよび各ユニット１０に形成した通路穴２２ｃおよび凹部２２ｄによる水路３０が構成された半導体モジュール１が構成されている。この固定具４３は着脱可能に構成されており、固定具４３を取り外すことにより、各ユニット１０や蓋部４０およびパイプ付蓋部４１が分解できるようになっている。本実施形態では、固定具４３は、両端がフックとされており、両端のフックの間の間隔が蓋部４０と複数個のユニット１０およびパイプ付蓋部４１を積層したときの幅よりも狭く、両フックの弾性力によって固定できるようになっている。なお、ここでは固定具４３を両端にフックを設けた構造としたが、勿論、固定具４３をネジ締め固定できるような構造としても構わない。
以上のような構造により、本実施形態にかかる半導体モジュール１が構成されている。このような構成の半導体モジュール１は、各ユニット１０の間やユニット１０と蓋部４０およびパイプ付蓋部４１の間がＯリング４２によってシールされているため、水路３０からの冷却水漏れを防止しつつ、冷却水による高い冷却効果により各ユニット１０に備えられた半導体チップ１１を冷却することができる。具体的には、図１に示すようにパイプ４１ａおよび各ユニット１０に形成された２つの通路穴２２ｃのうちの一方にて一方の主水路３１が構成されると共に、各ユニット１０に形成された２つの通路穴２２ｃのうちの他方およびパイプ４１ｂにて構成されるもう一方の主水路３２が構成される。また、各ユニット１０の凹部２２ｄにて分岐水路３３が構成される。このため、図１中に矢印で示したように、パイプ４１ａから供給された冷却水が一方の主水路３１を通じて各ユニット１０に行き渡った後、分岐水路３３を通じてもう一方の主水路３２側に移動し、さらにその主水路３２からパイプ４１ｂを通じて排出される。このとき、各ユニット１０に備えられたヒートスプレッダ１３、１４が冷却水に接して冷却されるため、半導体チップ１１で発した熱を効果的に放出することが可能となる。
次に、上記のように構成される半導体モジュール１の製造方法について説明する。図３および図４は、図１に示す半導体モジュール１の製造工程を示した断面図である。これらの図を参照して、半導体モジュール１の製造方法を説明する。
〔図３（ａ）の工程〕
まず、正極リード１５や負極リード１６および制御端子１７が一体化されたリードフレームを用意し、ヒートスプレッダ１３の表面側にリードフレームを配置すると共に正極リード１５をはんだ等によってヒートスプレッダ１３の表面に接合する。また、ヒートスプレッダ１３の表面に、はんだ等を介してＩＧＢＴやＦＷＤなどの半導体パワー素子が形成された半導体チップ１１を実装したのち、半導体チップ１１の表面に形成された半導体パワー素子のゲート等に繋がるパッドと制御端子１７とをボンディングワイヤ１８にて接続する。そして、半導体チップ１１の表面にはんだ等を介して金属ブロック１２を接合する。
〔図３（ｂ）の工程〕
金属ブロック１２や負極リード１６の表面にはんだ等を設置した後、その上にヒートスプレッダ１４を配置し、金属ブロック１２や負極リード１６とヒートスプレッダ１４とを接合する。
〔図３（ｃ）の工程〕
各部が接続された各構成部品をトランスファー成形機などの成形型内に配置したのち、成形型内にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を注入し、熱硬化性樹脂モールド部２１を形成する。これにより、パワーカードが構成される。このとき、ヒートスプレッダ１３、１４のうち半導体チップ１１と反対側の面が最初から露出した状態となるような成形を行っても良いが、最初はヒートスプレッダ１３、１４の当該面まで熱硬化性樹脂モールド部２１にて覆われるようにしておき、後で研削や切削などによって当該面を露出させるようにしても良い。
なお、ヒートスプレッダ１３、１４のうち熱硬化性樹脂モールド部２１から露出する部分を絶縁していないと、隣り合うユニット１０の間において対向するヒートスプレッダ１３、１４間が導通してしまう。このため、ヒートスプレッダ１３、１４のうちの熱硬化性樹脂モールド部２１から露出する側の面に絶縁膜などからなる絶縁材を形成しておいたり、熱硬化性樹脂モールド部２１を形成した後に絶縁材を貼り付けている。
〔図３（ｄ）の工程〕
熱硬化性樹脂モールド部２１によって各構成部品をモールド化したパワーカードをさらに別の成形型内に配置したのち、成形型内にポリフェニレンサルファイド樹脂等の熱可塑性樹脂を注入し、熱可塑性樹脂モールド部２２を形成する。これにより、ユニット１０が形成される。
〔図３（ｅ）の工程〕
そして、ユニット１０における熱可塑性樹脂モールド部２２の溝部２２ｅ内にＯリング４２を嵌め込む。
〔図４（ａ）の工程〕
図３（ｅ）の工程まで実施したユニット１０に対してＯリング４２を嵌め込んだものを複数個（本実施形態の場合には３個）用意する。そして、このようなユニット１０を複数個（図１中では３個）積層する。
〔図４（ｂ）の工程〕
蓋部４０およびパイプ付蓋部４１を用意し、パイプ付蓋部４１に形成されたシール部材セット用の溝部４１ｃにＯリング４２を嵌め込む。そして、積層した複数のユニット１０の積層方向の一方の先端部に蓋部４０を配置すると共に、他方の先端部にパイプ付蓋部４１を配置する。
〔図４（ｃ）の工程〕
蓋部４０と複数のユニット１０およびパイプ付蓋部４１を積層したものを固定具４３にて固定する。これにより、図１に示した本実施形態の半導体モジュール１が完成する。
次に、上記のように構成された半導体モジュール１の一部のユニット１０が製造工程中や市場において故障した場合のユニット１０の取替え方法について説明する。図５および図６に、ユニット１０の取替え工程を示した半導体モジュール１の断面図を示し、この図を参照して説明する。
〔図５（ａ）の工程〕
まず、固定具４３を蓋部４０と複数のユニット１０およびパイプ付蓋部４１の積層構造から取り外す。例えば、固定具４３が上述したように両端にフックが備えられた構造とされている場合には、フックを弾性変形させることで固定具４３を上記積層構造から容易に取り外すことができる。また、固定具４３がネジ締めによって上記積層構造に固定されている構造であれば、固定具４３に備えられたネジを緩めることにより上記積層構造から容易に取り外すことができる。
〔図５（ｂ）、（ｃ）の工程〕
続いて、故障したユニット１０、例えば図示したように樹脂モールド部２０に傷がついたユニット１０を選定し、蓋部４０と複数のユニット１０およびパイプ付蓋部４１を分割して、故障したユニット１０を取り外す。
〔図６（ａ）の工程〕
故障したユニット１０を加熱炉などの加熱処理装置内に設置したのち、加熱処理装置による加熱を行う。このときの加熱温度としては、熱可塑性樹脂モールド部２２のガラス転位点（軟化温度）以上、かつ、熱硬化性樹脂モールド部２１のガラス転位点（軟化温度）未満の温度とする。
例えば、熱可塑性樹脂モールド部２２をポリフェニレンサルファイド樹脂で構成しており、熱硬化性樹脂モールド部２１をエポキシ樹脂で構成している場合には、ポリフェニレンサルファイド樹脂のガラス転移点以上かつエポキシ樹脂のガラス転移点未満である１２０℃に加熱する。なお、ガラス転位点は、樹脂およびフィラー量によって決まることから、それらを選択することにより、所望のガラス転位点となるように調整することができる。
〔図６（ｂ）の工程〕
加熱処理装置内での加熱処理を続ける。これにより、故障したユニット１０のうち熱可塑性樹脂モールド部２２のみが軟化して除去可能となり、熱硬化性樹脂モールド部２１にて各構成部品が覆われたパワーカードのみとすることができる。なお、この温度での熱可塑性樹脂は液体と固体の中間状態であるため、自然に除去される訳ではないが、何らかの外力をかけることで、除去することができる。
〔図６（ｃ）の工程〕
熱硬化性樹脂モールド部２１にて各構成部品が覆われたパワーカードを熱可塑性樹脂モールド部２２を形成するための成形型内に配置したのち、成形型内に熱可塑性樹脂を注入し、パワーカードの外縁部を再び熱可塑性樹脂モールド部２２によって覆う。これにより、ユニット１０のリビルト品が完成する。
したがって、このようなユニット１０のリビルト品を用いて、再びユニット１０を複数個積層したのち、積層した複数個のユニット１０の両先端部それぞれに蓋部４０およびパイプ付蓋部４１を配置し、さらに固定具４３にて固定する。これにより、故障したユニット１０をリビルト品に交換した半導体モジュール１が完成する。
このように、故障したユニット１０をリビルト品として再び用いることで、熱可塑性樹脂モールド部２２以外の部分が故障していない半導体チップ１１等の構成部品を廃棄することなく、リユースすることが可能となる。
以上説明したように、本実施形態の半導体モジュール１によれば、半導体チップ１１等の構成部品を熱硬化性樹脂モールド部２１にて覆うことで耐熱性を確保しつつ、熱硬化性樹脂モールド部２１の外縁部を熱可塑性樹脂モールド部２２にて覆うようにしている。また、熱可塑性樹脂モールド部２２によって水路３０の一部を構成し、半導体チップ１１等の構成部品を熱硬化性樹脂モールド部２１および熱可塑性樹脂モールド部２２にて覆ったユニット１０を積層することで、冷却機構を構成する水路３０が内蔵された構造を構成している。
このような構成の半導体モジュール１では、故障したユニット１０を良品のユニット１０に取り替えることにより、半導体モジュール１をリユースすることが可能となる。また、故障したユニット１０のうち熱可塑性樹脂モールド部２２以外の部分が故障していないような場合、例えば熱可塑性樹脂モールド部２２のみに傷がついたような場合には、熱可塑性樹脂モールド部２２を加熱して軟化させて除去し、熱可塑性樹脂モールド部２２以外の部分を用いてリビルト品を製造し、リユースできるようにしている。このため、故障していない半導体チップ１１等の構成部品を廃棄することなく、リユースすることが可能となる。
このように、故障したユニット１０を良品に交換する際の分解時等にユニット１０の表面が傷ついたとしても、中身の半導体チップ１１等についてはリユースすることができる構造の半導体モジュール１とすることが可能となる。
特に、本実施形態のように複数個のユニット１０を積層した積層体とする構造において、そのうちの一部の表面が傷ついただけですべてのユニット１０を廃棄するのは好ましくない。したがって、本実施形態のように、故障したユニット１０を良品に交換する際の分解時等にユニット表面が傷ついたとしても、中身の半導体チップ１１等についてリユースできるようにすることで、より資源の有効活用を可能とすることができる。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、熱硬化性樹脂モールド部２１と熱可塑性樹脂モールド部２２の間への冷却水の浸入をより効果的に防止できる構造について説明する。なお、本実施形態の半導体モジュール１の基本構造については第１実施形態と同様であり、樹脂モールド部２２の構造についてのみ第１実施形態と異なっているため、第１実施形態と異なっている部分についてのみ説明する。
図７は、本実施形態の半導体モジュール１に備えられる１つのユニット１０の断面図である。この図に示されるように、熱硬化性樹脂モールド部２１と熱可塑性樹脂モールド部２２の境界部にゴム部材２３をインサート成形している。具体的には、半導体チップ１１等の構成部品を熱硬化性樹脂モールド部２１で覆ったのち、熱硬化性樹脂モールド部２１の外縁をゴム部材２３にて囲み、この状態で熱可塑性樹脂モールド部２２を成形する。このようにすると、熱可塑性樹脂モールド部２２の成形後の収縮による面圧によりゴム部材２３が押圧され、熱硬化性樹脂モールド部２１と熱可塑性樹脂モールド部２２の境界部の隙間を無くすことができる。
このように、熱硬化性樹脂モールド部２１と熱可塑性樹脂モールド部２２の境界部にゴム部材２３を配置しておくことにより、熱硬化性樹脂モールド部２１と熱可塑性樹脂モールド部２２の境界部の隙間を無くすことができ、これらの境界部に冷却水が浸入することを防止することができる。
（他の実施形態）
（１）上記実施形態では、第１樹脂モールド部として熱硬化性樹脂にて構成された熱硬化性樹脂モールド部２１、第２樹脂モールド部として熱可塑性樹脂にて構成された熱可塑性樹脂モールド部２２を例に挙げて説明した。しかしながら、これら第１、第２樹脂モールド部を共に熱硬化性樹脂もしくは共に熱可塑性樹脂にて構成しても良い。すなわち、第１樹脂モールド部よりも第２樹脂モールド部の方が軟化温度が低い樹脂で構成されるようにすれば良く、第１樹脂モールド部を構成する第１樹脂と第２樹脂モールド部を構成する第２樹脂の材料を変え、第１樹脂の軟化温度よりも第２樹脂の軟化温度が低くなるような材料を選定すればよい。このように、第１樹脂モールド部と第２樹脂モールド部とを異なる軟化温度を有する熱硬化性樹脂もしくは熱可塑性樹脂にて構成しても良い。ただし、耐熱性を考慮すると、第１樹脂モールド部を熱硬化性樹脂で構成するのが好ましく、比較的低温での軟化を考慮すると、第２樹脂モールド部を熱可塑性樹脂で構成するのが好ましい。
（２）上記第２実施形態では、ゴム部材２３を熱硬化性樹脂モールド部２１と熱可塑性樹脂モールド部２２の境界部の全域に設けた構造としているが、必ずしも全域に設ける必要はない。すなわち、熱硬化性樹脂モールド部２１と熱可塑性樹脂モールド部２２の境界部のうち、冷却水と接する箇所にゴム部材２３が配置されるようにすれば良い。
（３）上記実施形態では、三相モータを駆動するインバータに対して半導体モジュール１を適用する場合を例に挙げて説明したが、インバータに限らず、他の装置に本発明の半導体モジュール１を適用しても良い。
（４）上記実施形態では、冷媒として冷却水を例に挙げて説明したが、他の冷媒を用いても構わない。
１ 半導体モジュール
１０ ユニット
１１ 半導体チップ
１３、１４ ヒートスプレッダ
１５ 正極リード
１６ 負極リード
１７ 制御端子
２１ 熱硬化性樹脂モールド部
２２ 熱可塑性樹脂モールド部
２２ｃ 通路穴
２２ｄ 凹部
２２ｅ 溝部
２３ ゴム部材
３０ 水路
４０ 蓋部
４１ パイプ付蓋部
４１ｃ 溝部
４２ Ｏリング
４３ 固定具

Claims (6)

  1. 表面および裏面を有し、半導体パワー素子が形成された半導体チップ（１１）と、
    前記半導体チップ（１１）の裏面側に接続される第１ヒートスプレッダ（１３）と、
    前記半導体チップ（１１）の表面側に接続される第２ヒートスプレッダ（１４）と、
    前記半導体パワー素子に電気的に接続される端子（１５〜１７）と、
    前記半導体パワー素子に電気的に接続された前記端子（１５〜１７）の一部を露出させると共に、前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）のうち前記半導体チップ（１１）と反対側の面を露出させつつ、前記半導体チップ（１１）、前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）および前記端子（１５〜１７）を覆い、かつ、冷媒が流される冷媒通路の一部を構成する樹脂モールド部（２０）と、を有し、
    前記半導体チップ（１１）、前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）、前記端子（１５〜１７）を前記樹脂モールド部（２０）にてモールド化したものを１つのユニット（１０）として、該ユニット（１０）を蓋部（４０）と冷媒入口および冷媒出口を構成するパイプ（４１ａ、４１ｂ）が備えられたパイプ付蓋部（４１）にて挟み込み、かつ、前記ユニット（１０）と前記蓋部（４０）および前記パイプ付蓋部（４１）を固定具（４３）にて固定した半導体モジュールであって、
    前記樹脂モールド部（２０）は、
    前記半導体パワー素子に電気的に接続された前記端子（１５〜１７）の一部を露出させると共に、前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）のうち前記半導体チップ（１１）と反対側の面を露出させつつ、前記半導体チップ（１１）、前記第１、第２ヒートスプレッダ（１３、１４）および前記端子（１５〜１７）を覆う第１樹脂にて構成された第１樹脂モールド部（２１）と、
    前記第１樹脂モールド部（２１）の外縁部を覆いつつ、前記冷媒通路（３０）の一部を構成し、かつ、前記第１樹脂よりも軟化温度が低い第２樹脂で構成された第２樹脂モールド部（２２）とによって構成されていることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記第１樹脂モールド部（２１）は熱硬化性樹脂にて構成されており、
    前記第２樹脂モールド部（２２）は熱可塑性樹脂にて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記熱硬化性樹脂はエポキシ、フェノール、シリコーン樹脂にて構成されてい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. 前記熱可塑性樹脂はポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレート、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン樹脂であることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体モジュール。
  5. 前記ユニット（１０）は複数個備えられ、該複数個のユニット（１０）が積層されることで積層体が構成されていると共に、該積層体の一方の先端部が前記蓋部（４０）にて覆われ、かつ、該積層体の他方の先端部が前記パイプ付蓋部（４１）にて覆われた状態で前記固定具（４３）にて固定されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体モジュール。
  6. 前記第１樹脂モールド部（２１）と前記第２樹脂モールド部（２２）の境界部にゴム部材（２３）が配置されており、該ゴム部材（２３）により前記第１樹脂モールド部（２１）と前記第２樹脂モールド部（２２）の境界部がシールされていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体モジュール。
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