JP2013045930A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、半導体モジュールを構成する構成部材間にかかる圧接力の変化を低減する。
【解決手段】半導体モジュール１は、半導体素子２ａ，２ｂ、ＡＣ電極端子３、ＤＣ電極端子４，５、放熱器６を備える。放熱器６は、蓋部材８と、この蓋部材８と対向して設けられるヒートシンク９と、ばね１０より構成される。蓋部材８とヒートシンク９とを対向して設けることにより、冷媒路１２を形成し、この冷媒路１２中であって、半導体素子２ａ（若しくは、半導体素子２ｂ）の電極面の垂直方向延長上にばね１０を設ける。ばね１０により、ＡＣ電極端子３（若しくは、ＤＣ電極端子４，５）が半導体素子２ａ（若しくは、半導体素子２ｂ）方向に押圧される。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールに関する。

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」若しくは「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。

一般的な絶緑形パワー半導体モジュールにおいて、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は、半導体素子の下面に設けられた電極層がＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板（或いはＤＣＢ基板）の銅回路箔上にはんだ付けされ、回路上に設けられる（例えば、非特許文献１）。ここで、ＤＢＣ基板とは、セラミックス等からなる絶縁板に銅回路箔を直接接合したものである。

半導体素子の上面に設けられる電極層は、超音波ボンディング等の方法によりアルミワイヤが接続されてＤＢＣ基板上の銅回路箔と電気的に結線される。そして、ＤＢＣ基板の銅回路箔から外部へ電気を接続するための銅端子（リードフレームやブスバー）がはんだ付け等により銅回路箔と接続される。さらに、この周りは（スーパー）エンジニアリングプラスチックのケースで囲まれ、その中を電気絶緑のためのシリコンゲル等が充填される。

近年、半導体素子の動作温度の高温化が進んでいる。動作温度が、１７５〜２００℃となると、この温度がはんだ材料の融点に近いため、従来のはんだ材料を用いることができない場合がある。そこで、はんだに置換する材料として、例えば、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ナノペースト）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。

一方、はんだを用いない半導体モジュール構造として平型圧接構造パッケージが提案されている（非特許文献１、２)。

平型圧接構造パッケージは、圧接によりコンタクト端子と半導体素子との接続や半導体素子と基板とを接続する。一般的な平型圧接構造パッケージでは、半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ、ダイオード）の端部に半導体素子及びコンタクト端子の位置決めをするガイドが設けられる。そして、半導体素子の上面電極層がコンタクト端子に接触した状態で半導体素子が基板（Ｍｏ基板やＤＢＣ基板等）上に設けられる。このように、コンタクト端子と基板とが半導体素子を挟圧した状態で半導体モジュール内に備えられる。

平型圧接構造パッケージは、平型構造であることから半導体素子を両面から冷却できる。このため、一般的に平型圧接構造パッケージ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の両面を冷却するとともに、そのヒートシンクを導電部材として用いる。さらに、平型圧接構造パッケージは、圧接により半導体素子と電極端子等を接続するので、はんだを用いることなく半導体素子が電気的、熱的に外部と接続される。

平型圧接構造の半導体モジュールでは、圧接力が各半導体素子等に均等にかかるように半導体モジュールを組み立てる必要がある。例えば、圧接は平型圧接構造パッケージの上下のヒートシンクを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の電極ポストに均等にか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の破壊の原因となるおそれがある。なお、ヒートシンクと平型圧接構造パッケージの圧接は、主にユーザが実施する。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等、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、半導体モジュールの温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性を向上させるために、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。例えば、基板−銅ベース間、基板−銅端子間において、銅とセラミックスの熱膨張係数が異なるので、半導体モジュールの温度が上昇すると銅とセラミックスを接続するはんだにせん断応力が働く。このせん断応力により、はんだに亀裂が生じて熱抵抗が増大したり電極端子が剥離したりするおそれがある。同様に、半導体素子−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。

年々電力密度の増加に伴い、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で、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半導体モジュールの構造を設計する必要がある。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。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、半導体モジュールの温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性の向上が求められている。

そこで、高信頼性、環境性、利便性を同時に実現するために、はんだ接合、あるいはワイヤーボンドを用いず、かつ両面冷却が容易に実現可能であり、放熱性の面で有利な圧接型絶縁形パワー半導体モジュールが再び脚光を浴びている。

図５に示すように、両面冷却方式の圧接型半導体モジュール２１は、半導体モジュール２１の外周部にボルト１５が設けられる。そして、ヒートシンク２２，２２を半導体素子２ａ，２ｂ方向に押圧するように、ボルト１５をネジ（図示省略）で締結することで（あるいは、ヒートシンク２２，２２をスプリング等で押圧することで）、半導体モジュール２１を構成する構成部材（ＡＣ電極端子３、ＤＣ電極端子４，５、及び半導体素子２ａ，２ｂ等）に均一な圧接力を印加する。また、半導体モジュール２１の内部では、半導体素子２ａとＡＣ電極端子３（及び、ＤＣ電極端子４）との接合部にはんだ２３（あるいは、接着剤や樹脂等）層を設け、半導体素子２ａとＡＣ電極端子（及び、ＤＣ電極端子４）の電気的な接続が行われる。つまり、はんだ２３を用いることで、半導体モジュール２１を構成する構成部材を接着（または、封止）して、各構成部材にかかる圧接力が適正な範囲に収まり、また、すべての半導体素子２ａ，２ｂに対する圧接力のばらつきが大きくならないようにしている。このように、圧接型半導体モジュール２１では、機械的に圧接力を加える手段とともに、はんだ２３等による界面接合形成技術や樹脂等による封止技術を併用することで、各構成部材（特に、半導体素子２ａ，２ｂ）にかかる圧接力を適正な範囲に収まるように制御して半導体モジュール２１の信頼性を確保している。

ところが、近年さらなる電力変換器における電力の高密度化、小型化、ＳｉＣ素子等の採用により高温化（冷却機構の小型化）が進むにつれ、はんだや樹脂の接合、封止材料にも高温（例えば、２００℃以上）への耐性、信頼性が要求されるようになり、材料開発が進んでいる。しかし、高温材料の実装時の信頼性はまだ評価され始めたばかりであり、また高温材料は、従来の材料より高コストとなる。

これまでの両面冷却圧接構造は、はんだ層、樹脂層等の接合、封止層を排除した純粋に両面から加える圧力のみですべての接合を形成する場合、高温動作時には、熱膨張の違いによる応力集中が避けられないこと、上下冷却面間で平行度を維持することが困難であり、結果モジュール構成部材の特定の界面で接触圧力が過大あるいは過小となる問題があった。

特開２０１０−１４０９６９号公報 実開平０７−２７１６１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

圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールは、半導体モジュールを構成する構成部材の熱膨張係数の違いにより、半導体モジュールに設けられる各半導体素子に所定の圧接力を作用させることが困難になるおそれがあった。そして、熱膨張の違いによる応力集中が避けられない場合、半導体モジュールを構成する構成部材の特定の界面で接触圧力が過大あるいは過小となるおそれがあった。

なお、特許文献１，２には、ヒートシンクの冷媒路に弾性部材を設けることが開示されているが、どちらもヒートシンクと被冷却部品との接触を維持するためのものであり、半導体素子の電極層とこの電極層に接続される電極端子とを圧接するためのものではない。

上記事情に鑑み、本発明は、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、半導体モジュールを構成する構成部材にかかる圧接力が予め定められた範囲となるように維持することに貢献し、以て半導体モジュールの動作信頼性の向上に寄与することを目的としている。

上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの一態様は、半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、前記電極端子を前記半導体素子方向に押圧して設けられる放熱器と、を有し、前記放熱器の冷媒路であって、前記半導体素子の電極面の垂直方向延長上の冷媒路に、前記電極端子を前記半導体素子方向に押圧する弾性部材を設けることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記冷媒路を、前記弾性部材によって前記半導体素子方向に押圧される蓋部材と当該蓋部材に対向して設けられる外装部材とにより形成し、前記蓋部材の中心部の厚さを、当該蓋部材の周縁部より薄く形成することを特徴としている。好ましくは、前記蓋部材の、前記半導体素子の電極面の垂直方向延長上にある部分の厚さを、０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下とすると、半導体素子の積層部の熱膨張に応じて、蓋部材を弾性変形させることができる。また、前記外装部材の厚さを３ｍｍ以上とすることで、半導体モジュールの剛性を確保してもよい。

また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記冷媒路であって、前記半導体素子の電極面の垂直方向延長上でない箇所に、さらに弾性体を設け、前記弾性体の圧接力が、前記弾性部材の圧接力より小さいことを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記冷媒路に、前記弾性部材を冷媒から隔離する格納部を設けることを特徴としている。

また、上記の半導体モジュールにおいて、前記冷媒路の高さを、３ｍｍ以上とすることで、半導体モジュールの温度変化に対して弾性力の変化が小さい弾性部材を冷媒路に設けることもできる。また、前記弾性部材及び前記弾性体のいずれか同士を接続する接続部を設けてもよい。

また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、を備える半導体モジュールにおいて、前記電極端子に絶縁板を介して設けられる蓋部材と、当該蓋部材と対向して外装部材を設けることで冷媒路を形成し、この冷媒路に前記電極端子を前記半導体素子方向に押圧する弾性部材を設けて構成される放熱器を備え、前記放熱器を、前記半導体素子方向に押圧して設けるとともに、前記放熱器の外周部であって、前記電極端子を押圧する面に封止部材を介して筺体を設けることを特徴としている。

以上の発明によれば、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、半導体モジュールの温度によらず、半導体モジュールを構成する構成部材にかかる圧接力が予め定められた範囲となるように維持することに貢献することができる。

（ａ）実施形態１に係る半導体モジュールの断面図、（ｂ）実施形態１に係る半導体モジュールのＡ−Ａ断面図である。 実施形態１に係る半導体モジュールのＢ−Ｂ部分の特性を評価したシミュレーション結果を示す特性図であり、（ａ）温度状態を示す特性図、（ｂ）熱伝達係数の違いを示す特性図である。 （ａ）実施形態２に係る半導体モジュールの断面図、（ｂ）実施形態２に係る半導体モジュールのＣ−Ｃ断面図である。 実施形態３に係る半導体モジュールの断面図である。 従来技術に係る半導体モジュールの断面図である。

本発明の実施形態に係る半導体モジュールについて、図を参照して詳細に説明する。

（実施形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１の要部断面図である。本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１は、半導体素子２ａ，２ｂ、ＡＣ電極端子３、ＤＣ電極端子４，５、放熱器６を備える。

半導体素子２ａ，２ｂは、ＡＣ電極端子３の下面に応力緩衝板７（コンタクト電極）を介して設けられ、ＡＣ電極端子３と半導体素子２ａ，２ｂのＰ側電極層（或いは、Ｎ側電極層）が電気的に接続される。なお、実施形態の説明では、便宜上、上面及び底面とするが、上下方向は、本発明をなんら限定するものではない（後述の実施形態２，３も同様である）。また、図示省略するが、応力緩衝板７と接触する半導体素子２ａ，２ｂの接触面には、電極層（例えば、アルミニウム等）が蒸着等の方法で膜状に形成されている。

半導体素子２ａのＡＣ電極端子３が設けられる面の反対の面には、応力緩衝板７を介してＤＣ電極端子４（−極）が設けられ、ＤＣ電極端子４と半導体素子２ａのＮ側電極層（或いは、Ｐ側電極層）が電気的に接続される。また、半導体素子２ｂのＡＣ電極端子３が設けられる面の反対の面には、応力緩衝板７を介してＤＣ電極端子５（＋極）が設けられ、ＤＣ電極端子５と半導体素子２ｂのＰ側電極層（或いは、Ｎ側電極層）が電気的に接続される。

ＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４（若しくは、ＤＣ電極端子５）は、周知の電極材料（銅やアルミニウム等）を用いる。図示省略しているが、ＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４（若しくは、ＤＣ電極端子５）間には、半導体素子２ａ（または、半導体素子２ｂ）の位置決めを行うホルダが形成され、半導体素子２ａ（または、半導体素子２ｂ）の水平方向の位置決め及び固定が行われる。

放熱器６は、ＡＣ電極端子３の半導体素子２ａ，２ｂが接続される面の反対側の面に絶縁板１３を介して設けられる。また、放熱器６は、ＤＣ電極端子４の半導体素子２ａが接続される面の反対側の面（及びＤＣ電極端子５の半導体素子２ｂが接続される面の反対側の面）に、絶縁板１３を介して設けられる。つまり、放熱器６，６は、半導体素子２ａ（若しくは、半導体素子２ｂ）を上下方向から冷却するように一対設けられる。

放熱器６は、絶縁板１３と接する蓋部材８と、この蓋部材８と対向して設けられるヒートシンク９と、蓋部材８とヒートシンク９との間に設けられるばね１０とから構成される。

ヒートシンク９の蓋部材８と対向する面の外周部であって、蓋部材８と接触する面には、封止溝９ａが形成されており、この封止溝９ａにＯリング等を介在させて蓋部材８を設けることで、蓋部材８とヒートシンク９との間が封止される。そして、蓋部材８とヒートシンク９とを封止して設けた時、蓋部材８とヒートシンク９との間に冷媒路１２が形成されるように、蓋部材８は断面コ字状に形成される。つまり、蓋部材８は、冷媒路１２を形成するために、蓋部材８のヒートシンク９と対向する面の外周部（蓋部材外周部８ａ）が、蓋部材８の半導体素子２ａ，２ｂ近傍部分（蓋部材中心部８ｂ）と比較して肉厚に形成されている。この時、蓋部材外周部８ａの厚さを３ｍｍ以上とすると、後述のケース１４との接触部での封止を確実に行うことができる。一方、蓋部材中心部８ｂの厚さを薄くすると（例えば、０．３〜１．０ｍｍ）、放熱器６と半導体素子２ａ，２ｂ間の熱抵抗が軽減されるとともに、蓋部材８が弾性変形することで、半導体モジュール１を構成する構成部材（応力緩衝板７や半導体素子２ａ，２ｂ等）とケース１４との熱膨張量の違いにより発生する熱応力を緩和することができる。なお、ヒートシンク９の厚さを３ｍｍ以上とすることで、ヒートシンク９に剛性を持たせることができる。冷媒路１２の高さ（厚さ）は、特に限定されるものではないが、冷媒路１２の圧力損失が許容範囲以下（１００００Ｐａ以下）となるように設定する。具体的には、冷媒路１２の高さを、３ｍｍ以上とすることで、冷媒路１２の圧力損失を許容範囲以下とすることができる。冷媒路１２の高さを３ｍｍ以上とした場合、冷媒路１２に設けられるばね１０として、例えば、３ｍｍ以上の自然長を有する、圧縮ばねや皿ばねを用いることができる。

図１（ｂ）に示すように、蓋部材外周部８ａには、冷媒入口８ｃ（及び、冷媒出口８ｄ）が形成され、この冷媒入口８ｃから冷媒が冷媒路１２に供給される。冷媒路１２を流通する冷媒は、気体（例えば、空気）、液体（例えば、水）等半導体モジュール１を冷却するために用いられる冷媒が適宜選択して用いられる。また、ヒートシンク９（若しくは、蓋部材８）の冷媒路１２側の面には、放熱器６と冷媒との熱交換を促進するためにフィン１１が設けられる。冷媒路１２にフィン１１（突起形状のフィン１１）を周期的に配置することで、半導体モジュール１の放熱性をさらに高めることができる。

ばね１０は、放熱器６の冷媒路１２中であって、半導体素子２ａの電極面の垂直方向延長上に設けられる。なお、冷媒路１２中であって、他の半導体素子２ｂ〜２ｄの電極面の垂直方向延長上にもばね１０が設けられており、これら半導体素子２ｂ〜２ｄの電極面の垂直方向延長上に設けられたばね１０の作用効果も、半導体素子２ａの電極面の垂直方向延長上に設けられたばね１０と同様である。よって、以後、実施形態の説明では、半導体素子２ａの電極面の垂直方向延長上に設けられたばね１０について詳細に説明し、繰り返しを避けるため他の半導体素子２ｂ〜２ｄに設けられたばね１０については詳細な説明を省略する（実施形態２，３も同様である）。

図１（ａ）に示すように、ＡＣ電極端子３に絶縁板１３を介して設けられた放熱器６の冷媒路１２には、ばね１０が設けられ、このばね１０の圧縮力により、ＡＣ電極端子３や応力緩衝板７が半導体素子２ａ方向に圧接される。なお、ＤＣ電極端子４，５に絶縁板１３を介して設けられる放熱器６も同様に、放熱器６の冷媒路１２であって、半導体素子２ａ（または、半導体素子２ｂ）の電極面の垂直方向延長上にばね１０が設けられ、ＤＣ電極端子４を半導体素子２ａ（または、ＤＣ電極端子５を半導体素子２ｂ）方向に押圧する。ばね１０の大きさは、予め設定された圧縮力を半導体モジュール１を構成する構成部材に作用させることができる大きさを適宜選択して用いる。また、ばね１０の配置形態は、実施形態に限定されるものではなく、半導体素子２ａの大きさがばね１０の直径と比較して十分に大きい場合、一つの半導体素子２ａに対して、複数のばね１０を並列に配置する形態としてもよい。また、半導体素子２ａの大きさがばね１０の直径と比較して十分に小さい場合、複数の半導体素子（例えば、半導体素子２ａと半導体素子２ｂ）の中間にばねを設け、一つのばね１０で複数の半導体素子２ａ，２ｂを押圧する構成としてもよい。また、これら冷媒路１２に設けられたばね１０同士（例えば、ばね１０の端部同士）を接続する接続部を設けると、複数のばね１０の相対的な位置関係が固定されるので、冷媒路１２内におけるばね１０の移動を防止することができる。なお、冷媒路１２内におけるばね１０の移動を防止するために、ばね１０を蓋部材８（若しくは、ヒートシンク９）に固定してもよい。

半導体モジュール１の上下に配置された放熱器６，６の対向する面の外周部（向かい合う蓋部材８，８の面の外周部）には、Ｏリングを介してケース１４が設けられる。そして、放熱器６，６及びケース１４にボルト１５が挿通され、ナット１６で放熱器６，６間が締め付けられる。このようにして、放熱器６とケース１４との封止及び蓋部材８とヒートシンク９との封止が行われ、蓋部材８（及びばね１０）によって、ＡＣ電極端子３（若しくは、ＤＣ電極端子４，５）や絶縁板１３に所定（例えば、１〜１０ＭＰａ）の圧接力が加えられる。なお、放熱器６，６間を締め付ける手段は、ボルト１５とナット１６に限定されるものではなく、例えば、ナット１６と放熱器６との間にばね等の弾性部材を設け、放熱器６，６間を付勢する等適宜周知の締結方法を用いればよい。

上記構成からなる本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１によれば、半導体素子２ａ，２ｂを冷却する放熱器６，６の冷媒路１２であって、半導体素子２ａの電極面の垂直方向延長上に、半導体モジュール１を構成する各構成部材を圧接するばね１０を設けることで、半導体素子２ａに所定の圧接力を加えることができる。つまり、冷媒路１２にばね１０を設けることにより、半導体モジュール１（及び半導体素子２ａ〜２ｄ）の温度にかかわらずばね１０の温度を略一定とすることができるので、ばね１０による圧縮力を一定に維持することができる。

また、冷媒路１２の高さを３ｍｍ以上とすることで、ばね１０として、半導体モジュール１の設計誤差（後述する例では、数十μｍ程度）に比べ十分大きく（例えば、数百μｍ以上）変位させて半導体素子２ａ等に所定の圧力（１〜１０ＭＰａ）で圧接するために必要な弾性力を得る、ばね定数の比較的小さいばね（例えば、圧縮ばねや皿ばね等）を用いることができる。例えば、半導体モジュール１を構成する半導体素子２ａ，２ｂや応力緩衝板７の厚みの公差がそれぞれ最大１０μｍである場合、全体（半導体素子２ａと応力緩衝板７，７）では最大３０μｍの誤差が想定される。そこで、ばね定数が小さいばね１０を用いると、上記の誤差の影響による圧縮力の変化を低減することができる（誤差による影響を受けない）。その結果、半導体モジュール１を構成する構成部材の誤差により生じる圧接力の変化を低減することができる。

また、冷媒路１２を形成する蓋部材８の蓋部材中央部８ｂの厚さを０．３〜１．０ｍｍとすることで、蓋部材中央部８ｂが弾性変形し、半導体モジュール１を構成する各構成部材（ＡＣ電極端子３や半導体素子２ａ、応力緩衝板７等）とケース１４との熱膨張量の違いによる応力を低減することができる。つまり、半導体モジュール１を構成する各構成部材（特に半導体素子２ａ）の温度とケース１４の温度の違いにより、半導体モジュール１の動作時に、各構成部材とケース１４とでは、半導体モジュール１の厚み方向（つまり、各構成部材の積層方向）の熱膨張量が異なる場合がある。その場合、各構成部材とケース１４間に位置する蓋部材８に応力がかかる。本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１は、蓋部材中央部８ｂが弾性変形することで、この応力を低減し、ケース１４の端部や蓋部材８に局所的な応力がかかることを防止することができる。さらに、蓋部材中央部８ｂの厚さを薄くすることで、半導体素子２ａ，２ｂと冷媒路１２を流通する冷媒との間の熱抵抗を減少させることができる。

また、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１は、半導体モジュール１の外周部において、ボルト１５及びナット１６等の機械的な締結手段を用いて半導体素子２ａ，２ｂに所定の圧接力を作用させるとともに、蓋部材８とヒートシンク９、及び蓋部材９とケース１４との間にそれぞれＯリング等の封止部材を設けて半導体モジュール１の封止を行っている。これら封止部材や締結手段は、放熱器６近傍に設けられるので、封止部材や締結手段が高温に曝されることなく、さらに、半導体モジュール１の動作時に、熱容量の大きい冷媒により冷却されるため時間的な温度変化が小さくなる。その結果、封止部材や締結手段の信頼性が向上するので、半導体モジュール１の動作信頼性が向上する。また、機械的な部材で半導体モジュールを構成する各構成部材（例えば、半導体素子２ａ）に適切な圧接力を作用させることができるので、各構成部材間にはんだや樹脂等の接合剤を用いることなく構成部材に適切な圧接力を作用させることができる。その結果、接合剤や封止材の使用をできるだけ抑えつつ、同時に信頼性がある半導体モジュール１を構成することができる。つまり、接合剤や封止材の使用することなく、構成部材に適切な圧接力を作用させることができれば、高温耐性材料を使用するといった材料面での制約を解消するとともに、接合剤や封止材の劣化等、信頼性を毀損する要因が低減されるので、高温対応が可能で、かつ信頼性の高い半導体モジュールを構築することができる。また、接合剤や封止材の使用を低減することで、従来材料より高コストな高温耐性の材料の使用を抑制でき、半導体モジュールの製造コストが抑制される。

次に、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１の蓋部材８と冷媒（水）との界面部分（図１（ａ）のＢ−Ｂ部分）での温度分布及び熱伝達係数の解析を行った。この解析結果に基づいて、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１のさらなる作用について説明する。なお、解析は、境界条件（半導体素子２ａ，２ｂでの発熱、冷却水流量、冷媒種類、冷媒温度）を一定とし、解析ソフトＡＮＳＹＳを用いて流体と構造を連成したシミュレーションを行った。

図２（ａ）に示すように、冷媒路１２にばね１０を設けることで、ばね１０周辺部の蓋部材８の温度が局所的に低下した。さらに、図２（ｂ）に示すように、ばね１０周辺部の熱伝達係数が局所的に増大した。これは、冷媒路１２にばね１０を設けることで、冷媒路１２を流通する冷媒がばね１０に衝突して冷媒の安定流（層流）が乱され、ばね１０周辺で冷媒内の熱交換及び冷媒と蓋部材８との熱交換が促進されたためであると考えられる。

本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１は、半導体素子２ａの真上、真下に位置する冷媒路１２にばね１０が設けられている。つまり、ばね１０が設けられる位置は、半導体素子２ａで発生した熱が過渡的にも定常的にも最初に伝達する箇所であるので、ばね１０近傍の放熱性を高めることは、半導体素子２ａの温度と、半導体素子２ａと冷媒との熱抵抗を下げることに極めて効果的である。また、冷媒路１２内にばね１０を配置することで、冷媒路１２内に形成されていたフィン１１の数を低減することができるので、半導体モジュール１の製造コストを低減することができる。

（実施形態２）
図３（ａ）は、本発明の実施形態２に係る半導体モジュール１７の要部断面図である。本発明の実施形態２に係る半導体モジュール１７は、上記実施形態１に係る半導体モジュール１において、さらに放熱器６の冷媒路１２にばね１０の押圧方向と平行に蓋部材８を押圧するばね１８を設けたものである。よって、実施形態の説明では、実施形態１に係る半導体モジュール１と異なる箇所のみ詳細に説明し、その他の構成については、実施形態１に係る半導体モジュール１と同様であるので、同じ符号を付し詳細な説明を省略する。

図３（ａ）に示すように、本発明の実施形態２に係る半導体モジュール１７は、半導体素子２ａ，２ｂ、ＡＣ電極端子３、ＤＣ電極端子４，５、放熱器６を備える。

図３（ｂ）に示すように、半導体モジュール１７は、放熱器６の冷媒路１２であって、半導体素子２ａの電極面の垂直方向延長上以外の場所に、ばね１８が設けられる。つまり、半導体素子２ａの電極面の垂直方向延長上にばね１０が設けられるとともに、半導体素子２ａの電極面の垂直方向延長上以外の場所にもばね１８が設けられる。

ばね１８は、ばね１０と比較して、ばね定数の小さいものを用いる。つまり、ばね１０はＡＣ電極端子３（または、ＤＣ電極端子４）を半導体素子２ａ方向に押圧する弾性力を作用させるために設けられるものであるのに対して、ばね１８は、機械的作用よりも冷媒の流れを乱すことで放熱性を高める作用を担う。さらに、半導体素子２ａの電極面の垂直方向延長上以外の場所にばねを設けることで、蓋部材８ｂの変形が防止される。つまり、冷媒路１２にばね１０，１８を設けることで、冷媒がばね１０，１８に衝突して冷媒の安定流が乱され、ばね１０，１８周辺で冷媒内の熱交換及び冷媒と蓋部材８との熱交換が促進されるとともに、ばね１８の圧縮力の作用により蓋部材８の変形を防止することができる。

以上のように、実施形態２に係る半導体モジュール１７によれば、実施形態１に係る半導体モジュール１の効果に加えて、積層部（半導体素子２ａや応力緩衝板７等からなる積層部）以外の場所での蓋部材８の変形を防止するとともに、半導体モジュール１７の放熱性を向上させることができる。よって、半導体モジュール１７の動作信頼性が向上する。さらに、ばね１８が実施形態１に係る半導体モジュール１のフィン１１として機能するので、ヒートシンク９（若しくは、蓋部材８）にフィン１１を形成する製造コストや製造の手間を削減することができる。また、各半導体素子に対する位置関係が同じようになるように、ばね１８を各半導体素子近傍に多数配置することにより、各半導体素子近傍にて冷媒の流れが乱され、冷媒の流れの下流側にても、冷媒の温度が一定の値まで下がり、冷媒と固体（蓋部材８やばね１８等）間の熱交換率（熱伝達係数）も向上するため、半導体素子の温度を冷媒流路の上流側、下流側にかかわらず均一に低下させることができる。つまり、半導体素子間の温度のばらつきを軽減することができる。

（実施形態３）
図４は、本発明の実施形態３に係る半導体モジュール１９の要部断面図である。半導体モジュール１９は、上記実施形態１に係る半導体モジュール１において、さらにばね１０を格納する格納部２０を蓋部材８に設け、この格納部２０にＡＣ電極端子３（若しくは、ＤＣ電極端子４，５）や応力緩衝板７等を半導体素子２ａ，２ｂ方向に押圧するばね１０を設けたものである。よって、実施形態の説明では、実施形態１に係る半導体モジュール１と異なる箇所のみ詳細に説明し、その他の構成については、実施形態１に係る半導体モジュール１と同様であるので、同じ符号を付し詳細な説明を省略する。

図４に示すように、本発明の実施形態３に係る半導体モジュール１９は、半導体素子２ａ，２ｂ、ＡＣ電極端子３、ＤＣ電極端子４，５、放熱器６を備える。

放熱器６を構成する蓋部材８のばね１０が設けられる場所には、ばね１０の外周を囲むように円筒状の格納部２０（隔壁）が設けられる。この格納部２０にばね１０を設けることで、ばね１０が冷媒路１２を流通する冷媒から隔離される。また、放熱器６のヒートシンク９であって、格納部２０の端部が接する場所には、Ｏリング等の封止部材が設けられる封止溝９ｂが形成される。そして、この封止溝９ｂにＯリングを設けヒートシンク９と蓋部材８とを圧接することで、Ｏリングによって、ヒートシンク９と格納部２０との間が封止される。つまり、冷媒路１２中であって、半導体素子２ａの電極面の垂直方向延長上に設けられるばね１０は、格納部２０により冷媒から隔離されているので、冷媒によるばね１０の腐食が防止される。冷媒路１２を流通する冷媒は、格納部２０に衝突することで、安定流が乱されるので、実施形態１に係る半導体モジュール１と同様に、格納部２０を冷媒路１２に設けることで半導体モジュール１９の放熱性が向上する。

以上のように、実施形態３に係る半導体モジュール１９によれば、実施形態１に係る半導体モジュール１の効果に加えて、ばね１０が冷媒から隔離されているので、冷媒によるばね１０の腐食を防止し、ばね１０の圧縮力を略一定とすることができる。よって、実施形態３に係る半導体モジュール１９では、冷媒として、油や工業用水等、不純物を多く含み腐食性がある冷媒を用いた場合においても、半導体モジュール１９の長期安定性が向上する。

以上、本発明に係る半導体モジュールにおいて、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形及び修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形及び修正が本発明に係る半導体モジュールに属することは当然のことである。

例えば、本発明に係る半導体モジュールは、半導体素子と電極端子とを圧接により電気的に接続する半導体モジュールにおいて、電極端子を半導体素子方向に押圧する弾性部材を半導体素子を冷却する放熱器の冷媒路に設けることを特徴とするものであるので、半導体素子の種類や、半導体素子や電極端子の配置形態は適宜半導体モジュールの用途に応じて適宜変更が可能である。例えば、半導体モジュールをインバータとして用いる場合には、スイッチング素子とダイオードが並列に複数組み込まれたインバータ回路が形成される。一方、半導体モジュールをコンバータとして用いる場合には、整流素子（ダイオード）のみでコンバータ回路が構成される。

また、放熱器に形成される冷媒路の形成方法は、実施形態に限定されるものではなく、ヒートシンクを断面コ字状に形成する等、放熱器に冷媒路が形成されるものであればどのような形態で形成しても本発明の効果を得ることができる。

また、冷媒路に形成される格納部は、蓋部に固定する形態の他に、ヒートシンクに固定する形態であってもよい。さらに、蓋部及びヒートシンクそれぞれに封止部材を介して格納部を設けることで、ばねを冷媒から隔離してもよい。

１，１７，１９…半導体モジュール
２ａ〜２ｄ…半導体素子
３…ＡＣ電極端子
４…ＤＣ電極端子（−極）
５…ＤＣ電極端子（＋極）
６…放熱器
７…応力緩衝板
８…蓋部材
８ａ…蓋部材外周部（蓋部材の周縁部）
８ｂ…蓋部材中央部（蓋部材の中央部）
８ｃ…冷媒入口
８ｄ…冷媒出口
９…ヒートシンク（外装部材）
９ａ，９ｂ…封止溝
１０…ばね（弾性部材）
１２…冷媒路
１４…ケース（筺体）
１８…ばね（弾性体）
２０…格納部

Claims (9)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
   前記電極端子を前記半導体素子方向に押圧して設けられる放熱器と、を有し、
   前記放熱器の冷媒路であって、前記半導体素子の電極面の垂直方向延長上の冷媒路に、前記電極端子を前記半導体素子方向に押圧する弾性部材を設ける
   ことを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記冷媒路は、前記弾性部材によって前記半導体素子方向に押圧される蓋部材と当該蓋部材に対向して設けられる外装部材とにより形成され、
   前記蓋部材の中心部の厚さは、当該蓋部材の周縁部より薄く形成される
   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. 前記蓋部材の、前記半導体素子の電極面の垂直方向延長上にある部分の厚さは、０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下である
   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. 前記冷媒路であって、前記半導体素子の電極面の垂直方向延長上でない箇所にさらに弾性体を設け、
   前記弾性体の圧接力は、前記弾性部材の圧接力より小さくする
   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. 前記冷媒路に、前記弾性部材を冷媒から隔離する格納部を設ける
   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. 前記冷媒路の高さは、３ｍｍ以上である
   ことを特徴とする請求項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。
7. 前記外装部材の厚さは、３ｍｍ以上である
   ことを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
8. 前記弾性部材及び前記弾性体のいずれか同士を接続する接続部を有する
   ことを特徴とする請求項４に記載の半導体モジュール。
9. 半導体素子と、
   前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
   を備える半導体モジュールにおいて、
   前記電極端子に絶縁板を介して設けられる蓋部材と、当該蓋部材と対向して外装部材を設けることで冷媒路を形成し、この冷媒路に前記電極端子を前記半導体素子方向に押圧する弾性部材を設けて構成される放熱器を備え、
   前記放熱器を、前記半導体素子方向に押圧して設けるとともに、前記放熱器の外周部であって、前記電極端子を押圧する面に封止部材を介して筺体を設ける
   ことを特徴とする半導体モジュール。

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