JP2016220272A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】スナバ回路の効果を十分に発揮しスナバ回路及び半導体素子の熱による破損を防止する。【解決手段】セラミック基板と上アーム金属回路板と上アーム回路と下アーム金属回路板と下アーム回路とによって構成され、上アーム回路と下アーム回路の交流側を電気的に接続した半導体モジュールであって、上アーム金属回路板と下アーム金属回路板の上面部に半導体素子の接合箇所以外の領域に絶縁層を設ける共に絶縁層上面に金属パターンを設け、金属パターンの上面にサージを吸収するコンデンサ又は抵抗の少なくともいずれか一方の部品で構成された電子部品を配置し電子部品は、上アーム側の半導体素子と下アーム側の半導体素子間に並列接続されると共に電子部品及び半導体素子の少なくとも一部は封止部材で封止されている。【選択図】図３

Description

この発明は、電力変換装置に搭載される半導体モジュールに関するものである。

サージ電圧によるノイズが外部に漏洩することを防止すると共に、ヒートサイクルにおける耐久性が高く、かつ汎用性の高い性能を得るものとして、例えば半導体モジュールの外部にサージ電圧を吸収するスナバ回路を設置した半導体モジュールが提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１４−１２８０６６号公報

上記サージ電圧の式は、次式（１）で表される通りである。
Ｅｓ＝−Ｌ（ｄｉ／ｄｔ）・・・・・・（１）
Ｅｓ：サージ電圧
Ｌ：インダクタンス
ｉ：定常電流
ｔ：時間

モジュールの外部にスナバ回路を設置すると、半導体素子からスナバ回路までのバスバー長さが長くなるため、上記の式（１）から分かるように、寄生インダクタンスＬが付き、サージ電圧を下げることができず、スナバ回路の効果を十分に得られない問題がある。

また、近年ＳｉＣ（シリコンカーバイト）等の開発により、半導体素子には、大電流を流す傾向にあり、モジュール内部の半導体素子の近くにスナバ回路を設置すると、半導体素子の熱を受熱し、熱に弱いコンデンサが破損する問題がある。

更に、半導体素子と金属回路板の線膨張係数差により、接合部が熱応力を受け、クラック（空気層）が半導体素子下に発生し、放熱性が低下する問題がある。

この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、スナバ回路の効果を十分に発揮し、スナバ回路及び、半導体素子の熱による破損を防止することを目的とするものである。

この発明に係わる半導体モジュールは、上アームと下アームを有するセラミック基板と、このセラミック基板に接合された上アーム金属回路板と、この上アーム金属回路板に前記上アーム側の半導体素子を電気的に接合した上アーム回路と、前記セラミック基板に接合された下アーム金属回路板と、この下アーム金属回路板に前記下アーム側の半導体素子を電気的に接合した下アーム回路とによって構成され、前記上アーム回路と前記下アーム回路の交流側を電気的に接続した半導体モジュールであって、前記上アーム金属回路板と前記下アーム金属回路板のそれぞれの上面部において、前記半導体素子の接合箇所以外の領域に絶縁層を設ける共にこの絶縁層上面に金属パターンを設け、
前記金属パターンの上面に、サージを吸収するコンデンサ又は抵抗の少なくともいずれか一方の部品で構成された電子部品を配置し、前記電子部品は、前記上アーム側の半導体素子と前記下アーム側の半導体素子間に並列接続されると共に、この電子部品及び前記半導体素子の少なくとも一部は封止部材で封止されているものである。
また、封止部材の機能は、絶縁及び放熱の目的のため絶縁が取りにくい箇所、放熱させたい箇所のみ封止する。

この発明によれば、寄生インダクタンスＬを低くすることができ、スナバ回路の効果を十分に発揮でき、スナバ回路及び、半導体素子の熱による破損を防止することができる。

この発明の実施の形態１における半導体モジュールを示す平面図である。 この発明の実施の形態１における半導体モジュールを示す斜視図である。 この発明の実施の形態１における半導体モジュールを示す分解斜視図である。 この発明の実施の形態２における半導体モジュールを示す平面図である。 この発明の実施の形態２における半導体モジュールを示す斜視図である。 この発明の実施の形態２における半導体モジュールを示す分解斜視図である。

以下、図面に基づいて、この発明の各実施の形態を説明する。
なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。

実施の形態１．
図１〜図３に基づいて実施の形態１における半導体モジュール説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による半導体モジュールを示す平面図、図２は、図１の半導体モジュールを示す斜視図、図３は、図１の半導体モジュールを示す分解斜視図である。なお、図１の丸枠Ａは金属回路基板８（８ａ、８ｂ）と、金属パターン１３と、絶縁層１４との構成部分を示す拡大図である。

図１〜図３において、半導体モジュールは、セラミック基板５、上アーム金属回路板６ａ、下アーム金属回路板６ｂ、半導体素子１ａ、１ｂ、金属回路基板８（８ａ、８ｂ）、抵抗２、コンデンサ３、放熱用金属板７、冷却器１０、及び樹脂部材１１で構成されている。なお、半導体モジュールは、具体例を挙げると、車載用半導体モジュール、インバーター用半導体モジュール又は車載インバーター用半導体モジュールである。

セラミック基板５は、上アーム５ａと下アーム５ｂで構成され、セラミック基板５の上面に、上アーム金属回路板６ａ及び下アーム金属回路板６ｂをロウ付け等による金属間接合で接合している。

上アーム金属回路板６ａ、下アーム金属回路板６ｂには、上アーム側の半導体素子１ａと下アーム側の半導体素子１ｂ（以下「半導体素子１ａ、１ｂ」という）が、各金属回路板とセラミック基板５との接合端部１２から離れた領域、すなわち各金属回路板面の中央付近の領域にそれぞれ配置され、上アーム金属回路板６ａ、下アーム金属回路板６ｂとそれぞれ銀シンター等の金属粒子焼結結合で接合されている。また、半導体モジュールは、半導体素子１ａを電気的に接合した上アーム回路と、半導体素子１ｂを電気的に接合した下アーム回路で構成され、その交流（ＯＵＴ）側は電気的に接続されている。

また、上アーム金属回路板６ａと下アーム金属回路板６ｂのそれぞれの上面部には、半導体素子１ａ、１ｂの接合箇所以外の領域に、既製の金属回路基板（金属パターン１３の両面に絶縁層１４をサンドイッチ状に重ね合わせた基板）８を装着し、更に後述する電子部品が配置されている。

電子部品は、サージを吸収するコンデンサ３又は抵抗２の少なくともいずれか一方の部品で構成され、接合端部１２に近い領域に配置されている。また、電子部品（コンデンサ３、抵抗２）は、半導体素子１ａと半導体素子１ｂ間に並列接続されている。
また、コンデンサ３は、金属回路板６ａに直接実装せずに、リード４ａを介し、金属回路板６ａから離れた位置に実装する。

上アーム金属回路板６ａ、下アーム金属回路板６ｂなどを囲う樹脂部材１１は、接着剤で接着され、その内部はゲル状封止材で封止されるが、この封止により電子部品（コンデンサ３、抵抗２）及び半導体素子１ａ、１ｂの少なくとも一部も封止部材で封止されている。なお、この封止は、例えばトランスファーモールド法で成形した樹脂で封止しても良い。

また、セラミック基板５は、上アーム金属回路板６ａ、下アーム金属回路板６ｂを接合した側の反対面に、放熱用金属板７が接合され、更に放熱用金属板７には、その下面である反対面に冷却器１０が接合され、この冷却器１０、放熱用金属板７は、両者共にロウ付け等による金属間接合で接合している。

前記のように、半導体素子１ａ、１ｂから冷却器１０までの間を放熱性の良い部材で接合することで、半導体素子１ａ、１ｂの熱を効率よく冷却することが可能となる。
また、前記のように線膨張係数差がある部材同士で完全に接合すると、半導体素子１ａ、１ｂの発熱により、上アーム金属回路板６ａ、下アーム金属回路板６ｂと、セラミック基板５との接合端部１２からクラック（空気層）が入ることがある。

接合端部１２からクラックが入ると冷却器１０までの放熱パス面積が減り、十分な放熱性が確保できなくが、半導体素子１ａ、１ｂを上アーム金属回路板６ａ、下アーム金属回路板６ｂとセラミック基板５との接合端部１２から離れた領域、すなわち上アーム金属回路板６ａ、下アーム金属回路板６ｂの面中央付近の領域にそれぞれ配置することで寿命が確保される。また、半導体素子１ａ、１ｂは、上アーム金属回路板６ａ、下アーム金属回路板６ｂの接合端部１２までの距離を十分確保しているため、半導体素子１ａ、１ｂの熱は、上アーム金属回路板６ａ、下アーム金属回路板６ｂによって十分に広げることができ、放熱性を向上させることができる。

また、冷却器１０は、放熱用金属板７無しでセラミック基板５に直接接合してもよい。すなわち、セラミック基板５において、当該セラミック基板と各金属回路板との接合面の反対面に、冷却器１０を直接接合した構造とすることで部材が減り、半導体素子１ａ、１ｂから冷却器１０までの距離を狭めることで放熱性を向上させることが可能になる。

特に、車載用インバーター、特にＳｉＣ半導体素子を使用したモジュールにおいては、小型化、低価格化の観点より、素子サイズをなるべく小さくする傾向にあるので、その分放熱性を向上させる策が重要になる。

また、金属回路基板８（８ａ、８ｂ）は、上アーム金属回路板６ａと下アーム金属回路板６ｂのそれぞれの上面部において、半導体素子１ａ、１ｂが接合している箇所以外の領域である面上に、はんだ等により接合されている。

次に、前記実施の形態１は、金属回路基板８（８ａ、８ｂ）を採用した場合であるが、
その改良例である１変形例について説明する。
図示していないがこの変形例は、金属回路基板８（８ａ、８ｂ）に代る代替部材として、上アーム金属回路板６ａと下アーム金属回路板６ｂの上面部において、半導体素子の接合箇所以外の領域に絶縁層を設け更にこの絶縁層上面に金属パターンを接合して、金属回路基板８と同様の構成にしたものである。
このような構成とすることで、金属回路基板８（８ａ、８ｂ）を採用する場合に比べ、部品点数を減らせるという更なる効果が生じる。

金属回路基板８（８ａ、８ｂ）の上面には、電子部品である抵抗２を実装している。更に、電子部品であるコンデンサ３は、リード４ａを介し、上アーム５ａに配置した金属回路基板８ａと下アーム５ｂに配置した金属回路基板８ｂ間に実装（電気的に接合）されている。

また、樹脂部材１１を上アーム金属回路板６ａ、下アーム金属回路板６ｂに接着剤で接着し、内部をゲル状封止材で封止している。
例えば、封止はトランスファーモールド法で成形した樹脂で封止しても良い。

前記の上アーム金属回路板６ａ、下アーム金属回路板６ｂにおいて、熱の広がり、クラックの進展で半導体素子１ａ、１ｂが配置できない箇所に、前記電子部品よりなるスナバ回路を設けることでデットスペースが活用でき、半導体モジュールの小型化を図れる。

また、半導体素子１ａ、１ｂとスナバ回路が短い経路で繋ぐことができ、更に、上アーム金属回路板６ａ、下アーム金属回路板６ｂを流れる電流とスナバ回路を流れる電流が近接して流れるため、寄生インダクタンスＬを低減することができ、スナバ回路の効果も十分に得ることができる。

前記コンデンサ３が、例えばセラミックコンデンサの場合、上アーム金属回路板６ａ、下アーム金属回路板６ｂに直接実装すると、材料の線膨張係数差により、半導体素子発熱時にセラミックコンデンサにストレスが掛かり割れるのを、リード４ａを介し接続し、リード４ａが変形することで、ストレスを吸収し、コンデンサ割れを防ぐことができる。また、半導体素子の熱を受け、熱くなる金属回路基板８（８ａ、８ｂ）から、熱に弱いコンデンサ３を離すこともでき、更にゲル等の封止材で封止することで、リード４ａの熱を吸収し、コンデンサ３に熱が伝わりにくい構造とすることができる。

実施の形態２．
図４〜図６に基づいて実施の形態２における半導体モジュール説明する。
図４は、この発明の実施の形態２における半導体モジュールを示す平面図、図５は、斜視図、図６は、分解斜視図である。なお、半導体モジュールは、具体例を挙げると、車載用半導体モジュール、インバーター用半導体モジュール又は車載インバーター用半導体モジュールである。

図４〜図６において、半導体モジュールは、セラミック基板５、上アーム金属回路板６ａ、下アーム金属回路板６ｂ、半導体素子１ａ、１ｂ、金属回路基板９、抵抗２、コンデンサ３、放熱用金属板７、冷却器１０、及び樹脂部材１１で構成されている。なお、実施の形態１と同一構成部分については、説明を省略する。

セラミック基板は、上アーム５ａと下アーム５ｂで構成され、セラミック基板５の上面に、上アーム金属回路板６ａ及び下アーム金属回路板６ｂを接合している。例えば接合方法は、ロウ付け等による金属間接合でも良い。

また、上アーム金属回路板６ａ及び下アーム金属回路板６ｂには、半導体素子１ａ、１ｂが、各金属回路板とセラミック基板５の接合端部１２から離れた領域、すなわち各金属回路板面の中央付近の領域にそれぞれ配置され、上アーム金属回路板６ａ及び下アーム金属回路板６ｂとそれぞれ金属粒子焼結結合で接合されている。例えば金属粒子焼結結合は、銀シンターによる接合であってもよい。

また、セラミック基板５は、上アーム金属回路板６ａ、下アーム金属回路板６ｂを接合した側の反対面に、放熱用金属板７が接合され、更に放熱用金属板７には、その反対面に冷却器１０が接合され、冷却器１０、放熱用金属板７の接合方法は、例えば、はんだによる接合でも良いし、ロウ付け等による金属間接合でも良い。

前記のように、半導体素子１ａ、１ｂから冷却器１０までの間を放熱性の良い部材で接合することで、半導体素子１ａ、１ｂの熱を効率よく冷却することが可能となる。
また、前記のように線膨張係数差がある部材同士で完全に接合すると、半導体素子１ａ、１ｂの発熱により、上アーム金属回路板６ａ及び下アーム金属回路板６ｂとセラミック基板５の接合端部１２からクラックが入ることがある。

接合端部１２からクラックが入ると冷却器１０までの放熱パス面積が減り、十分な放熱性が確保できなくなるが、半導体素子１ａ、１ｂを上アーム金属回路板６ａ及び下アーム金属回路板６ｂとセラミック基板５との接合端部１２から離れた領域、すなわち上アーム金属回路板６ａ、下アーム金属回路板６ｂの面中央付近の領域にそれぞれ配置することで寿命が確保される。

また、半導体素子１ａ、１ｂは、上アーム金属回路板６ａ及び下アーム金属回路板６ｂの接合端部１２までの距離を十分確保しているため、半導体素子１ａ、１ｂの熱は、上アーム金属回路板６ａ及び下アーム金属回路板６ｂによって十分に広げることができ、放熱性を向上させることができる。

また、冷却器１０は、放熱用金属板７無しでセラミック基板５に直接接合してもよい。すなわち、セラミック基板５において、当該セラミック基板と各金属回路板との接合面の反対面に、冷却器１０を直接接合した構造とすることで部材が減り、半導体素子１ａ、１ｂから冷却器１０までの距離を狭めることで放熱性を向上させることが可能になる。

特に、車載用インバーター特にＳｉＣ半導体素子を使用したモジュールにおいては、小型化、低価格化の観点より、素子サイズをなるべく小さくする傾向にあるので、その分放熱性を向上させる策が重要になる。

また、上アーム側の半導体素子１ａを電気的に接合した上アーム回路を有する上アーム５ａと下アーム側の半導体素子１ｂを電気的に接合した下アーム回路を有する下アーム５ｂは、交流（ＯＵＴ）側の接続用金属回路基板９により接続され、更に、接続用金属回路基板９上には、電子部品である抵抗２及びコンデンサ３を実装している。なお、接続用金属回路基板９は、上アーム金属回路板６ａと下アーム金属回路板６ｂのそれぞれの上面部において、各半導体素子の接合箇所以外の領域に設けられている。

なお、電子部品は、サージを吸収するコンデンサ３又は抵抗２の少なくともいずれか一方の部品で構成され、接合端部１２に近い領域に配置されている。また、電子部品（コンデンサ３、抵抗２）は、上アーム側の半導体素子１ａと下アーム側の半導体素子１ｂ間に並列接続されている。また、コンデンサ３は、金属回路板６ａに直接実装せずに、リード４ａを介し、金属回路板６ａから離れた位置に実装する。

また、上アーム５ａと下アーム５ｂは、交流（ＯＵＴ）側の接続用金属回路基板９上にスナバ回路を設けることでデットスペースが活用でき、半導体モジュールの小型化を図れる。

また、半導体素子１ａ、１ｂとスナバ回路が短い経路で繋ぐことができ、更に、上アーム５ａと下アーム５ｂは、交流（ＯＵＴ）側の接続用金属回路基板９を流れる電流とスナバ回路を流れる電流が近接し流れるため、寄生インダクタンスＬを低減することができ、スナバ回路の効果も十分に得ることができる。

また、樹脂部材１１を上アーム金属回路板６ａ及び下アーム金属回路板６ｂに接着剤で接着し、内部（電子部品及び半導体素子１ａ、１ｂの少なくとも一部）をゲル封止材で封止している。なお、この封止は、例えばトランスファーモールド法で成形した樹脂で封止しても良い。

前記コンデンサ３を上アーム金属回路板６ａ及び下アーム金属回路板６ｂに直接実装すると、半導体素子１ａ、１ｂの熱を受け、コンデンサ３の寿命低下が懸念されるが、この実施の形態２によれば、熱くなる接続用金属回路基板９から、熱に弱いコンデンサ３を離すこともでき、更にゲル等の封止材で封止することで、交流（ＯＵＴ）側の接続用金属回路基板９の熱を吸収し、コンデンサ３に熱が伝わりにくい構造とすることができる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ａ、１ｂ：半導体素子、 ２：抵抗、 ３：コンデンサ、 ４、４ａ：リード、
５：セラミック基板、 ６ａ：上アーム金属回路板、 ６ｂ：下アーム金属回路板、
７：放熱用金属板、 ８ａ：上アーム側の金属回路基板、
８ｂ：下アーム側の金属回路基板、 ９：交流（ＯＵＴ）側の接続用金属回路基板、
１０：冷却器、 １１：樹脂部材、 １２：接合端部、 １３：金属パターン、
１４：絶縁層

この発明に係わる半導体モジュールは、上アームと下アームを有するセラミック基板と、このセラミック基板に接合された上アーム金属回路板と、この上アーム金属回路板に前記上アーム側の半導体素子を電気的に接合した上アーム回路と、前記セラミック基板に接合された下アーム金属回路板と、この下アーム金属回路板に前記下アーム側の半導体素子を電気的に接合した下アーム回路とによって構成され、前記上アーム回路と前記下アーム回路の交流側を電気的に接続した半導体モジュールであって、前記上アーム金属回路板と前記下アーム金属回路板のそれぞれの上面部において、前記半導体素子の接合箇所以外の領域に設けられた絶縁層と、この絶縁層の上面に設けられた金属パターンと、この金属パターンの上面に配置されサージを吸収するコンデンサ又は抵抗の少なくともいずれか一方の部品で構成された電子部品とを有し、前記電子部品は、前記上アーム側の半導体素子と前記下アーム側の半導体素子間に並列接続されると共に、この電子部品及び前記半導体素子の少なくとも一部は封止部材で封止されているものである。また、封止部材の機能は、絶縁及び放熱の目的のため絶縁が取りにくい箇所、放熱させたい箇所のみ封止する。

Claims (12)

1. 上アームと下アームを有するセラミック基板と、このセラミック基板に接合された上アーム金属回路板と、この上アーム金属回路板に前記上アーム側の半導体素子を電気的に接合した上アーム回路と、前記セラミック基板に接合された下アーム金属回路板と、この下アーム金属回路板に前記下アーム側の半導体素子を電気的に接合した下アーム回路とによって構成され、前記上アーム回路と前記下アーム回路の交流側を電気的に接続した半導体モジュールであって、
   前記上アーム金属回路板と前記下アーム金属回路板のそれぞれの上面部において、前記半導体素子の接合箇所以外の領域に絶縁層を設ける共にこの絶縁層上面に金属パターンを設け、前記金属パターンの上面に、サージを吸収するコンデンサ又は抵抗の少なくともいずれか一方の部品で構成された電子部品を配置し、前記電子部品は、前記上アーム側の半導体素子と前記下アーム側の半導体素子間に並列接続されると共に、この電子部品及び前記半導体素子の少なくとも一部は封止部材で封止されていることを特徴とする半導体モジュール。
2. 上アームと下アームを有するセラミック基板と、このセラミック基板に接合され上アーム金属回路板と、この上アーム金属回路板に前記上アーム側の半導体素子を電気的に接合した上アーム回路と、前記セラミック基板に接合された下アーム金属回路板と、この下アーム金属回路板に前記下アーム側の半導体素子を電気的に接合した下アーム回路とによって構成された半導体モジュールであって、
   前記上アーム金属回路板と前記下アーム金属回路板のそれぞれの上面部において、前記半導体素子の接合箇所以外の領域に、絶縁層を有する金属回路基板を設け、前記上アーム回路と前記下アーム回路の交流側の接続部は、前記金属回路基板によって電気的に接続され、更にこの金属回路基板にサージを吸収するコンデンサ又は抵抗の少なくともいずれか一方の部品で構成された電子部品を配置し、前記電子部品は、前記上アーム側の半導体素子と前記下アーム側の半導体素子間に並列接続されると共に、この電子部品及び前記半導体素子の少なくとも一部は封止部材で封止されていることを特徴とする半導体モジュール。
3. 前記電子部品は、前記上アームに配置した金属パターンと、前記下アームに配置した金属パターン間に、リードを介し電気的に接合し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。
4. 各金属回路板上面に、金属パターンの両面に絶縁層をサンドイッチ状に重ね合わせた金属回路基板を採用し、前記絶縁層及び前記金属パターンとして機能させたたことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
5. 前記半導体素子は、各金属回路板と前記セラミック基板の接合端部から離れた領域に配置され、前記電子部品は、前記接合端部に近い領域に配置されてい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. 前記封止部材は、ゲル状の充填剤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. 前記封止部材は、トランスファーモールド法で成形した樹脂であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
8. 前記セラミック基板において、当該セラミック基板と各金属回路板との接合面の反対面に、放熱用金属板を接合し、この放熱用金属板の反対面に冷却器を接合したことを特徴とする請求項１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. 前記セラミック基板において、当該セラミック基板と各金属回路板との接合面の反対面に、冷却器を直接接合したことを特徴とする請求項１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。
10. 前記半導体素子は、ＳｉＣ半導体素子である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. 前記半導体モジュールは、車載用半導体モジュールである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. 前記半導体モジュールは、インバーター用半導体モジュールであることを特徴とする請求項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。

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