JP2013222886A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁樹脂シートの厚みを増やすことなく、寿命の向上、冷却性能の向上を図ることが可能な半導体モジュールを提供する。
【解決手段】実施形態によれば、半導体モジュールは、インバータの１つの相の少なくとも１つのアームを構成する１つあるいは複数の半導体素子と、半導体素子の正極側電極に接合した接合面２ｃと、この接合面と対向する外側面２ｄと、接合面および外側面と交差する底面２ａおよび上面２ｂと、を有する第１導体２と、前記半導体素子の負極側電極に接合した接合面３ｃと、この接合面と対向する外側面３ｄと、接合面および外側面と交差する底面３ａおよび上面３ｂと、を有する第２導体３と、記第１および第２導体の底面に絶縁樹脂シート４を介して接着された冷却器５と、を備え、第１および第２導体は、少なくとも外側面に設けられ底面の近傍に位置する切欠き６を有している。
【選択図】図１

Description

この発明の実施形態は、半導体モジュールに関する。

一般に、電気自動車、ハイブリッド自動車は、直流を交流に変換してモータに供給する電力用半導体装置として、インバータ装置を備えている。例えば、３相のインバータ装置の場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する３つの半導体モジュールを有している。

半導体モジュールは、それぞれ導電性金属で形成された第１導体および第２導体と、並列に接続されているＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)およびダイオード等の複数の半導体素子と、を備えている。半導体素子の正極側電極は第１導体の１つの接合面に接合され、半導体素子の負極側電極は第２導体の１つの接合面に接合されている。接合面に対して略垂直となる各導体の底面は、セラミックスを含有した絶縁樹脂シートを介して冷却器に接着されている。冷却器に接合された第１および第２導体は、電力の伝達だけでなく、半導体素子による発熱を伝熱することが可能であり、半導体素子を正極と負極の両面から冷却することを可能とする。この複数個の半導体素子および第１、第２導体は、絶縁性を有する樹脂製パッケージに収納されている。

このような半導体モジュールの特徴の一つに、導体の熱容量の効果から熱時定数が大きく過渡熱抵抗を小さくできることがある。通常、各導体と各半導体素子の線膨張係数は異なる。そのため、各半導体素子の作動および停止から負荷される熱の温度サイクルから、各半導体素子と各導体の接合面にせん断応力が発生する。このせん断応力による、はんだのひずみを緩和し、長寿命性を向上させるために、半導体素子と導体に対してほぼ中間の線膨張係数を持つ熱緩衝板を用いることもある。

特許第４５７５０３４号公報

上述のような半導体モジュールにおいて、半導体素子の発熱を冷却器へ伝達する導体の底面（冷却面）は、樹脂シートに密着、固定されている。これに対して、底面と反対にある導体の上面は、樹脂製パッケージ内に封入された絶縁性樹脂のみが接触するだけで、底面ほど強固には固定されない。そのため、導体の底面と上面が熱の温度サイクルにより熱膨張と伸縮を繰り返す際、導体の上面側は伸びやすいが底面側は伸びにくいことから、導体の上下面の間でひずみが生じる。このひずみにより、特に、発熱する半導体素子から遠い面と導体底面の縁および角に応力が集中し、絶縁樹脂シートを局所的に圧迫する。そのため、絶縁樹脂シートの長期寿命性の確保のために所定のシート厚みが必要となる。

長期寿命性をさらに向上させるには絶縁樹脂シートをより厚くすることが挙げられるが、この場合、合わせて絶縁樹脂の熱抵抗も増加するため、冷却性能が低下する。また、モジュールの大型化およびコストの増加に繋がる可能性もあるために望ましくない。

そこで、本発明の課題は、絶縁樹脂シートの厚みを増やすことなく、寿命の向上、冷却性能の向上を図ることが可能な半導体モジュールを提供することにある。

実施形態によれば、半導体モジュールは、インバータの１つの相の少なくとも１つのアームを構成する１つあるいは複数の半導体素子と、前記半導体素子の正極側電極に接合した接合面と、この接合面と対向する外側面と、前記接合面および外側面と交差する底面および上面と、を有する第１導体と、前記半導体素子の負極側電極に接合した接合面と、この接合面と対向する外側面と、前記接合面および外側面と交差する底面および上面と、を有する第２導体と、前記第１および第２導体の底面に絶縁樹脂シートを介して接着された冷却器と、を備え、前記第１および第２導体は、少なくとも前記外側面に設けられ前記底面の近傍に位置する切欠きを有している。

図１は、第１の実施形態に係る半導体モジュールを示す斜視図。 図２は、図１の線Ａ−Ａに沿った半導体モジュールの断面図。 図３は、前記半導体モジュールの導体に作用する応力の分布を示す図。 図４は、変形例に係る半導体モジュールを示す断面図。 図５は、第２の実施形態に係る半導体モジュールを示す斜視図。 図６は、第３の実施形態に係る半導体モジュールを示す断面図。 図７は、第４の実施形態に係る半導体モジュールを示す断面図。 図８は、変形例に係る半導体モジュールを示す断面図。 図９は、第５の実施形態に係る半導体モジュールを示す斜視図。 図１０は、第６の実施形態に係る半導体モジュールを示す斜視図。

以下、図面を参照しながら、種々の実施形態に係る半導体モジュールについて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体モジュールを示す斜視図、図２は、図１の線Ａ−Ａに沿った半導体モジュールの断面図である。
図１および図２に示すように、半導体モジュール１０は、例えば、３相インバータのある１相の１アームに適用される半導体モジュールとして構成されている。半導体モジュール１０は、１アームを構成する１つあるいは複数の半導体素子、ここでは、並列に接続されたＩＧＢＴ１ａおよびダイオード１ｂと、それぞれ銅、アルミニウム等の導電性金属により形成された第１導体２および第２導体３と、冷却器を構成する放熱板５と、第１および第２導体と放熱板との間に配置された絶縁樹脂シート４と、を備えている。

第１および第２導体２、３は、軸方向両端部を有する細長い棒状、例えば、角柱形状に形成されている。第１導体２および第２導体３は、同一の長さ、また、ほぼ同一の径に形成されている。第１導体２は、底面２ａ、この底面に対向する上面２ｂ、底面および上面と直交する長手方向の接合面（第１側面）２ｃ、底面および上面と直交し接合面と対向する長手方向の外側面（第２側面）２ｄ、および底面と直交する２つの両端面２ｅを有している。

第１導体２の接合面２ｃは、ＩＧＢＴ１ａおよびダイオード１ｂの正極側（それぞれコレクタ、カソード）に電気的かつ機械的に接合されている。接合面２ｃ上において、ＩＧＢＴ１ａおよびダイオード１ｂは、第１導体２の長手方向（中心軸線方向）に沿って並んで配置されている。第１導体２の底面２ａは、絶縁樹脂シート４を介して放熱板５上に接着され、冷却面を構成している。絶縁樹脂シート４は、例えば、セラミックを含み、絶縁性、接着性、熱伝導性を有している。そして、絶縁樹脂シート４は、放熱板５の上面に接着されているとともに、第１導体２の底面を放熱板５に接着している。

第２導体３は、底面３ａ、この底面に対向する上面３ｂ、底面および上面と直交する長手方向の接合面（第１側面）３ｃ、底面および上面と直交し接合面３ｃと対向する長手方向の外側面（第２側面）３ｄ、および底面と直交する２つの両端面３ｅを有している。

第２導体３の接合面３ｃは、第１導体２の接合面２ｃと隙間を置いて平行に対向しているとともに、ＩＧＢＴ１ａおよびダイオード１ｂの負極側（それぞれエミッタ、アノード）に電気的かつ機械的に接合されている。接合面３ｃ上において、ＩＧＢＴ１ａおよびダイオード１ｂは、第２導体３の長手方向（中心軸線方向）に沿って並んで配置されている。第２導体３の底面３ａは、絶縁樹脂シート４を介して放熱板５上に接着され、冷却面を構成している。絶縁樹脂シート４は、第１および第２導体２、３の底面２ａ、３ａよりも大きな矩形状に形成され、底面２ａ、３ａおよび底面の周囲に延在している。

第１導体２の接合面２ｃとは反対側にある外側面２ｄ、および第２導体の接合面３ｃとは反対側にある外側面３ｄには、それぞれスリット状の切欠き６が形成されている。切欠き６は、第１導体および第２導体の全長に亘り、導体の軸方向と平行に延びている。外側面２ｄ、３ｄ上における切欠き６の開口と第１および第２導体２、３の底面２ａ、３ａとの間隔ｔは、例えば、１ｍｍ程度になっている。切欠き６は、底面２ａ、３ａにより近い方が良いが、切欠き６により第１および第２導体２、３の底面積が減少しないようにする。

切欠き６の深さは、第１および第２導体２、３の全幅の２０％程度であり、切欠き６の幅は導体の全高に対しては特に問われず、例えば、１ｍｍ以下に設定されている。本実施形態において、切り込み６は、導体の底面２ａ、３ａに対して角度θ、例えば、約３０度、傾斜して形成されている。切欠き６の角度θは、９０度でなければよく、すなわち、第１、第２導体２、３の底面２ａ、３ａに対して垂直でなければよく、例えば、図４に示すように、角度θ＝ゼロとし、底面２ａ、３ａと平行としてもよい。
半導体モジュール１０は、図示しない樹脂製パッケージ内に収納される。

上記のように構成された半導体モジュール１０では、半導体素子であるＩＧＢＴ１ａおよびダイオード１ｂが作動および停止を繰り返すと、通電時に半導体素子が発熱し、熱の温度サイクルが第１および第２導体２、３へ負荷される。半導体素子からの熱は、第１および第２導体２、３および絶縁樹脂シート４を通して放熱板５に伝わり、放熱板から図示しない放熱フィンを介して外気に、あるいは、放熱板から図示しない冷却プレートを介して冷媒に放熱される。これにより、半導体素子が冷却され、所望の温度範囲に維持される。

熱の温度サイクルにおいて、第１および第２導体２、３では、底面３ａ、３ａと上面２ｂ、３ｂとでは接着状態が異なるため、線膨張率が互いに異なり、第１、第２導体の上下にひずみを引き起こすが、第１、第２導体に切欠き６を形成することにより、この切欠き６の底を支点にひずみが生じ、この近辺に応力が集中する。その結果、絶縁樹脂シート４に接着された第１、第２導体導２、３の接着面、つまり、底面２ａ、３ａの外側面２ｄ、３ｄ側の角部への応力集中を緩和することができる。図３に示すように、切欠き６を設けない場合、破線Ｂで示すように、底面２ａ、３ａの外側面２ｄ、３ｄ側の角部に応力が集中する。これに対して、切欠き６を設けた場合、実線Ｃで示すように、応力が拡散し、底面２ａ、３ａの外側面２ｄ、３ｄ側の角部への応力集中が緩和される。従って、第１、第２導体２、３の上記角部により絶縁樹脂シート４を局所的に圧迫することがなくなり、絶縁樹脂シートの損傷、変形、ひび割れ等を抑制し、絶縁樹脂シートの長寿命化を図ることができる。すなわち、絶縁樹脂シート４の厚みを増やすことなく、絶縁樹脂シートの長寿命化を図ることが可能となる。更に、従来と同等の寿命であれば、絶縁樹脂シートの厚さを薄くすることも可能となり、その結果、冷却性能が向上し、半導体モジュールの更なる小型化、低コスト化を図ることが可能となる。

次に、他の実施形態に係る半導体モジュールについて説明する。以下に説明する他の実施形態において、前述した第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る半導体モジュール１０を示す斜視図である。この図に示すように、第１導体２および第２導体３は、スリット状の切欠き６を有し、この切欠き６は、第１の実施形態と同様に、各導体の外側面２ｄ、３ｄの下部に加えて、導体の両端面２ｅ、３ｅの下部に連続して形成されている。このように切欠き６を導体の３面、３方向に設けることにより、導体の両側面と冷却面（底面）とが交わる縁に局所的な応力が生じた際の圧迫を緩和することが出来る。

また、導体の３面に限らず、例えば、導体の接合面と冷却面（底面）とが交わる角部にも強い応力が生じる場合には、半導体素子と導体の接合面との接合面積が減少しない範囲で、各導体の上面および底面を除いた４面の外周に、第１の実施形態と同じ要領で切欠き６を設けることもできる。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に係る半導体モジュール１０の断面図である。本実施形態において、第１導体２および第２導体３に形成された切欠き６は、その断面形状が多角式の多段形状、例えば、台形となっている。このような多段形状の切欠き６とした場合、切欠き６の底側の２つの角６ａ、６ｂを支点に導体の応力が分散される。すなわち、この２点６ａ、６ｂを支点にひずみが生じるため、導体に作用する応力が２か所に分散される。その結果、第１、第２導体２、３から絶縁樹脂シート４に作用する応力をより緩和することができる。

なお、第３の実施形態においても、各導体２、３の上面および底面を除く４面の外周に第１の実施形態と同じ要領で多段形状の切欠き６を設けてもよい。

（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態に係る半導体モジュール１０の断面図である。本実施形態においては、第１導体２および第２導体３は、外側面２ｄ、３ｄの底面２ａ、３ａ側の下端部を外側に突出させ、底面に連続する突出部を有している。すなわち、各導体２、３の底面２ａ、３ａは、外側面２ｄ、３ｄ側に延長し、外側面を越えて外側に延出している。この突出部により、外側面２ｄ、３ｄから底面２ａ、３ａにかけて外側に湾曲する極率半径Ｒが０．５程度の逆Ｒ形状の曲面６ａあるいはフィレット形状を形成している。

このように構成された第１、第２導体２、３によれば、導体の上面、底面のひずみによる応力は曲面６ａ全体に分散される。そのため、絶縁樹脂シート４に作用する応力をより緩和することができ、また熱時定数に影響する各導体の熱容量の低下を抑えることができる。

図８に示す変形例によれば、第１導体２および第２導体３は、外側面２ｄ、３ｄの底面側下端部を外側に延長し、突出させたフランジ状の突出部を有している。この突出部は、底面２ａ、３ａとほぼ平行に延びるクランク状の段差を形成している。この場合、第１、第２導体２、３の熱容量を維持したまま、各導体の上下に生じるひずみによる応力を緩和することができる。

（第５の実施形態）
図９は、第５の実施形態に係る半導体モジュール１０を示す斜視図である。本実施形態においては、前述した第１の実施形態で設けられた導体の全長に亘って延びる切欠き６の代わりに、第１、第２導体２、３の外側面２ｄ、３ｄと両端面２ｅ、３ｅとが交わる角部、つまり、導体の外側の２つの角部、のみに切欠き６が設けられている。各切欠き６の高さ位置、深さ、幅等は、第１の実施形態における切欠き６と同様に形成されている。

半導体モジュール１０の小型化のために第１、第２導体の長さを短くし、半導体素子としてのＩＧＢＴ１ａ、ダイオード１ｂが導体の端面２ｅ、３ｅの近くに接合する場合、半導体素子の作動による発熱で導体端面の付近の温度上昇は、導体の中央付近に比べ高くなる。そのため、半導体素子から負荷される熱の温度サイクルによる絶縁樹脂シート４への応力は、第１、第２導体２、３の角と底面との界面に集中する。本実施形態によれば、応力が集中しやすい第１、第２導体２、３の角部のみに切欠き６を設けることで、熱時定数に影響する第１、第２導体の熱容量の低下を抑えつつ、絶縁樹脂シート４への応力の緩和することができる。

本実施形態では、切欠き６は、導体の底面とほぼ平行な三角柱状の切欠きとしているが、第１の実施形態と同様に、導体の底面に対して傾斜して設けてもよい。また、切欠き６の形状は、三角柱に限らず、直方体など他の形状としてもよい。更に、第１、第２導体２、３の接合面２ｃ、３ｃと両端面２ｅ、３ｅとが交わる角部に、上記と同じ要領で切欠き６を設けてもよい。

（第６の実施形態）
図１０は、第６の実施形態に係る半導体モジュール１０を示す斜視図である。本実施形態においては、前述した第５の実施形態と同様に、第１、第２導体２、３の外側面２ｄ、３ｄと両端面２ｅ、３ｅとが交わる角部、つまり、導体の外側の２つの角部、に例えば直方体形状の切欠き６をそれぞれ設け、更に、各切欠き６にスペーサ７を挿入している。スペーサ７は、切欠き６の形状、寸法とほぼ等しい形状、寸法を有し、耐熱性、耐久性、柔軟性を持つシリコーン等により形成されている。

本実施形態によれば、各切欠き６に挿入されたスペーサ７は、半導体モジュール１０を図示しない樹脂製パッケージ内に配置し、このパッケージ内に絶縁性樹脂を封入する際、絶縁性樹脂の切欠き６内への侵入と充填を抑制し、また、柔軟性を持つスペーサ７は、第１、第２導体２、３にひずみが発生した際に変形する。そのため、切欠き６に上記絶縁性樹脂が充填され硬化した場合に比較して、切欠き６による応力緩和効果の低下を抑制することができる。

スペーサ７は、耐熱性と柔軟性が持つ材質であれば、弾性等の他の特性によっては特に限定されることはない。絶縁性樹脂の封入と硬化後にスペーサ７が変形してその形状を保てない場合でも、上述したスペーサ７の効果を発揮することができる。スペーサ７の寸法や形状は、切欠き６の空間を埋められるものであれば、特に制限されない。切欠き６の形状および設置位置は、本実施形態に限定されることなく、前述した第１ないし第３の実施形態と同様の切欠きとし、この切欠きにスペーサを挿入する構成としてもよい。

本発明の種々の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ａ…ＩＧＢＴ（半導体素子）、１ｂ…ダイオード（半導体素子）、２…第１導体、
３…第２導体、２ａ、３ａ…底面、２ｂ、３ｂ…上面、２ｃ、３ｃ…接合面、
２ｄ、３ｄ…外側面、４…絶縁樹脂シート、５…放熱板、６…切欠き、７…スペーサ、
１０…半導体モジュール、

Claims (9)

1. インバータの１つの相の少なくとも１アームを構成する１つあるいは複数の半導体素子と、
   前記半導体素子の正極側電極に接合した接合面と、この接合面と対向する外側面と、前記接合面および外側面と交差する底面および上面と、を有する第１導体と、
   前記半導体素子の負極側電極に接合した接合面と、この接合面と対向する外側面と、前記接合面および外側面と交差する底面および上面と、を有する第２導体と、
   前記第１および第２導体の底面に絶縁樹脂シートを介して接着された冷却器と、を備え、
   前記第１および第２導体は、少なくとも前記外側面に設けられ前記底面の近傍に位置する切欠きを有している半導体モジュール。
2. 前記切欠きは、前記外側面の全長に亘って延びるスリット状の切欠きを含んでいる請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記切欠きは、前記第１および第２導体の上面および底面を除く複数の面に形成され、前記底面の近傍に位置している請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記切欠きは、多段形状の断面形状を有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
5. 前記切欠きは、前記第１および第２導体の前記外側面と両端面とが交わる外側角部に設けられている請求項１に記載の半導体モジュール。
6. 前記切欠きに挿入され、この切欠きの空間を埋める、耐熱性および柔軟性を有するスペーサを備えている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
7. インバータの１つの相の少なくとも１アームを構成する１つあるいは複数の半導体素子と、
   前記半導体素子の正極側電極に接合した接合面と、この接合面と対向する外側面と、前記接合面および外側面と交差する底面および上面と、を有する第１導体と、
   前記半導体素子の負極側電極に接合した接合面と、この接合面と対向する外側面と、前記接合面および外側面と交差する底面および上面と、を有する第２導体と、
   前記第１および第２導体の底面に絶縁樹脂シートを介して接着された冷却器と、を備え、
   前記第１導体および第２導体は、前記外側面の前記底面側の下端部から外側に突出し、前記底面に連続する突出部を有している半導体モジュール。
8. 前記突出部は、前記外側面から前記底面にかけて外側に湾曲する曲面あるいはフィレット形状を形成している請求項７に記載の半導体モジュール。
9. 前記突出部は、フランジ状の段差を形成している請求項７に記載の半導体モジュール。

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