JP2017050498A - パワー半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップに負荷がかかることを抑制できるパワー半導体モジュールを提供する。【解決手段】実施形態にかかるパワー半導体モジュールは、１つ以上の半導体素子を有する半導体チップ部と、前記半導体チップ部の一方の面に接合された接合面を有するブロック状の第１の導体と、前記半導体チップ部の他方の面に接合された接合面を有するブロック状の第２の導体と、前記第１の導体の底面および前記第２の導体の底面に接合された冷却部と、を備え、前記第１の導体および前記第２の導体は、前記上面に溝を有し、前記溝の底部は、前記接合面と交差する方向において前記導体の中心位置よりも前記半導体チップ部に近い位置であって、前記底面と交差する方向において前記導体と前記半導体素子との接合領域の前記上面側の端部よりも前記底面側に配される、パワー半導体モジュール。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、パワー半導体モジュールに関する。

例えば電気自動車等の分野において、インバータ装置等のパワー半導体モジュールの小型化および信頼性向上が要求されている。パワー半導体モジュールの小型化、信頼性向上のためには、半導体チップおよび電力変換器について、冷却効率を高めることが必要となる。

インバータ装置において、例えば、半導体チップであるＩＧＢＴ（Insulated gate bipolar transistor）およびダイオードと、半導体チップの両面の電極に接合される接合面を有する第１の導体、および第２の導体と、これらの導体に接合される伝熱面を有する冷却部と、を備える構造が知られている。各導体はブロック状の金属で構成されており、大きな熱容量を有する。このため、半導体チップの短時間発熱時における温度上昇を抑制する。各導体は、部位によって温度差が生じるため、熱膨張で変形する場合がある。この場合、導体の変形によって、半導体チップに負荷がかかる。

特開２００７−６８３０２号公報 特開２０１３−２２２８８６号公報 特開２００７−６７２２０号公報

本発明が解決しようとする課題は、温度差に起因して半導体チップに負荷がかかることを抑制できるパワー半導体モジュールを提供することである。

実施形態にかかるパワー半導体モジュールは、１つ以上の半導体素子を有する半導体チップ部と、前記半導体チップ部の一方の面に接合された接合面と、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、を有するブロック状の第１の導体と、前記半導体チップ部の他方の面に接合された接合面と、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、を有するブロック状の第２の導体と、前記第１の導体の底面および前記第２の導体の底面に接合された冷却部と、を備え、前記第１の導体および前記第２の導体は、前記上面に溝を有し、前記溝の底部は、前記接合面と交差する方向において前記導体の中心位置よりも前記半導体チップ部に近い位置であって、前記底面と交差する方向において前記導体と前記半導体素子との接合領域の前記上面側の端部よりも前記底面側に配される。

第１実施形態に係るインバータモジュールの構成を示す斜視図。 同インバータモジュールの構成を示す側面図。 同インバータモジュールの熱による変形の状態を示す説明図。 比較例１にかかるインバータモジュールの熱による変形の状態を示す説明図。 第２実施形態に係るインバータモジュールの構成を示す斜視図。 同インバータモジュールの構成を示す側面図。 第３実施形態に係るインバータモジュールの構成を示す斜視図。 同インバータモジュールの構成を示す側面図。 同インバータモジュールの熱による変形の状態を示す説明図。 比較例２にかかるインバータモジュールの熱による変形の状態を示す説明図。 第４実施形態に係るインバータモジュールの構成を示す側面図。 他の実施形態に係るインバータモジュールの構成を示す斜視図。 同インバータモジュールの構成を示す側面図。 他の実施形態に係るインバータモジュールの構成を示す側面図。 他の実施形態に係るインバータモジュールの構成を示す側面図。 他の実施形態に係るインバータモジュールの構成を示す側面図。

[第１実施形態]
以下、本発明の第１実施形態に係るパワー半導体モジュールとしてのインバータモジュール１の構成について、図１および図２を参照して説明する。また、各図において説明の便宜上、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。図中矢印Ｙ，Ｚ，Ｘは互いに直交する３方向をそれぞれ示している。ここで、本実施形態では、半導体チップ群１２と導体１５，１６との接合面に垂直なＸ方向を導体の幅方向、冷却部１７と導体１５，１６との接合面である伝熱面に直交するＺ方向を導体高さ方向、接合面および前記底面に交差する方向をＹ方向として定義している。

図１はインバータモジュール１の構造を示す斜視図であり、図２はＹ方向から見た側面図である。

インバータモジュール１は、少なくとも１つの半導体チップを有する半導体チップ部としての半導体チップ群１２と、半導体チップ群１２の両側に配される第１および第２の導体１５，１６と、第１および第２の導体１５，１６の下に配される冷却部１７と、を備える。

半導体チップ群１２は、インバータの１つの相の少なくとも１アームの一部を構成する半導体素子として、スイッチング素子であるＩＧＢＴ１３およびダイオード１４を備える。ダイオード１４は、ＩＧＢＴ１３に対して逆並列接続されている。
ＩＧＢＴ１３およびダイオード１４の外形状は、例えば矩形の板状に構成されている。ＩＧＢＴ１３およびダイオード１４は厚さ方向がインバータモジュール１の幅方向に沿う縦型配置である。本実施形態において、ＩＧＢＴ１３およびダイオード１４の両主面には、導体１５，１６の一部を構成するコレクタ電極板２３およびエミッタ電極板２４がそれぞれ設けられている。すなわち本実施形態において、導体と半導体素子との接合領域は、ＩＧＢＴ１３と、エミッタ電極板２４との接合領域となる。

ＩＧＢＴ１３およびダイオード１４は、それぞれの一方の主面がはんだによってコレクタ電極板２３を介して第１の導体１５に接合され、他方の主面がはんだによってエミッタ電極板２４を介して第２の導体１６に接合されている。ここで、エミッタ電極板２４のＩＧＢＴ１３との接合領域は、ＩＧＢＴ１３の信号線等の引き出し部形成および絶縁等の関係から、ＩＧＢＴ１３の対向する面よりも小さい。すなわち対向するＩＧＢＴ１３の面の一部にのみエミッタ電極板２４が接合されている。

第１の導体１５および第２の導体１６は、導電性金属である銅もしくは銅合金から直方体に形成されたバスバーである。第１の導体１５および第２の導体１６は、それぞれ、半導体チップ群１２の一方の面に接合された接合面と、この接合面と対向する外側面と、接合面および外側面と交差する底面および上面と、を有するブロック状に構成されている。

第１の導体１５および第２の導体１６は、半導体チップ群１２を挟んで対向配置され、半導体チップ群１２の両面に接合され、少なくとも半導体チップ群１２と熱伝達可能に接続されている。第１の導体１５には、半導体チップ群１２の正極側が電気的かつ機械的に接合されている。第２の導体１６には、半導体チップ群１２の負極側が電気的かつ機械的に接合されている。したがって、第１の導体１５は正側導体として正電極を形成し、第２の導体１６は負側導体として負電極を形成する。具体的には、導体１５，１６は、ＩＧＢＴ１３およびダイオード１４に、コレクタ電極２３，エミッタ電極２４を介して接合される。

第１の導体１５および第２の導体１６には、溝１５ａ，１６ａがそれぞれ形成されている。溝１５ａ，１６ａは例えば第１の導体１５および第２の導体１６の上面から下方に所定深さに至るスリット状の切欠きである。溝１５ａ、１６ａは所定幅を有し、Ｙ方向に直交する断面が矩形状に構成されている。

溝１５ａ，１６ａは第１の導体１５および第２の導体１６のＹ方向全長に亘って設けられ、例えば第１の導体１５および第２の導体１６を形成する際に例えば押し出し加工やプレス加工などで形成される。

溝１５ａ，１６ａは、各導体１５、１６のX方向における中央よりも半導体チップ群１２に近い位置に配置されている。また、溝１５ａ，１６ａは、Ｚ方向において、少なくとも導体と半導体素子との接合領域、すなわち本実施形態においてはエミッタ電極板２４とＩＧＢＴ１３との接合領域に至る深さを有している。すなわち、溝１５ａ，１６ａの底部は、Ｘ方向において導体１５，１６の中心位置よりも半導体チップ群１２に近い位置であって、Ｚ方向においてエミッタ電極板２４とＩＧＢＴ１３との接合領域の上面側の端部よりも底面側に配されている。本実施形態において、溝１５ａ，１６ａの底部は、導体１５，１６のＺ方向における中心位置に至っている。

第１の導体１５と第２の導体１６の下面には、冷却部１７が当接し、熱伝導可能に接合されている。

冷却部１７は、放熱器２０と、電気的な絶縁を確保するための絶縁部２１と、ベース部２２と、を備えて構成される。冷却部１７は第１の導体１５および第２の導体１６に当接する伝熱面を有している。

放熱器２０は、たとえばアルミ合金により形成され、複数の放熱フィン２０ａを有する。

絶縁部２１は、エポキシ系樹脂等の絶縁材料により、第１および第２の導体１５，１６のＺ方向端面に対応する矩形の板状に構成されている。ベース部２２は例えば銅合金若しくはアルミ合金等の材料から絶縁部２１と同様に第１および第２の導体１５，１６のＺ方向端面に対応する矩形の板状に構成されている。

第１の導体１５および第２の導体１６の下面にそれぞれ絶縁部２１が接合され、絶縁部２１の下面にベース部２２が接合される。ベース部２２の下面に放熱器２０が接合される。

半導体チップ群１２により生じた熱は、両主面に接合された第１の導体１５および第２の導体１６を介して、それぞれ各導体１５，１６のＺ方向一方の面に接合された絶縁部２１、ベース部２２、を介して、放熱器２０に伝達され、半導体チップ群１２が冷却される。

以上の様な構成のインバータモジュール１において、半導体チップ群１２の発熱により温度が上昇したときの温度分布は、各導体１５、１６の半導体チップ群１２近傍である上部は高温になり、冷却部１７側である下部は低温になる。また、半導体チップ群１２も発熱により高温となる。

図３は、インバータモジュール１の熱による変形の状態の概略を示す説明図である。図３に示すように、以上のような温度分布によって、各導体１５，１６の上方は熱膨張により上方に開く形で変形する。一方、各導体１５，１６の下方は温度上昇が小さいため上方に比較して変形は小さく、また半導体チップ群１２自体も温度上昇により膨張する。

図４は、比較例１にかかるインバータモジュールの熱による変形の状態の概略を示す説明図である。ここで、比較例１として溝が形成されていないインバータモジュール１００を例示する。インバータモジュール１００は、少なくとも１つの半導体チップを有する半導体チップ群１１２と、半導体チップ群１１２の両側に配される第１および第２の導体１１５，１１６と、第１および第２の導体１１５，１１６の下に配される冷却部１７と、を備える。

第１の導体１１５および第２の導体１１６は、導電性金属である銅もしくは銅合金から直方体に形成されたバスバーであり、溝は形成されていない。このような構成のインバータモジュール１００において、半導体チップ群１１２の発熱により温度が上昇したときの温度分布は、各導体１１５、１１６の半導体チップ群１１２近傍である上部は高温になり、冷却部１７側である下部は低温になる。また、半導体チップ群１１２も発熱により高温となる。このような温度分布によって、各導体１１５，１１６の上方は熱膨張により上方に開く形で変形する。一方、各導体１１５，１１６の下方は温度上昇が小さいため上方に比較して変形は小さく、また半導体チップ群１１２自体も温度上昇により膨張する。

図４に示すように発熱時には、ＩＧＢＴ１１３がエミッタ電極板２４との接合部縁部で屈曲する形に変形するため、熱変形による負荷がかかる。このように、ＩＧＢＴ１１３を屈曲させる荷重は、ＩＧＢＴ１１３に機械的な負荷をかけるとともに、その品質を劣化させる要因となることから、信頼性の低下を招くことになる。

これに対し、本実施形態かかるインバータモジュール１は、各導体１５，１６の上面に溝１５ａ、１６ａが形成されているため、導体１５，１６の上部の変形を許容し、ＩＧＢＴ１３に作用する導体１５，１６の剛性を比較例と比較して小さなものとすることができる。このため、各導体１５，１６の変形がＩＧＢＴ１３に与える力は小さくなり、ＩＧＢＴ１３の屈曲変形が抑制される。したがって、ＩＧＢＴ１３に過大な変形および荷重の負荷がかかることを防止できる。このため、ＩＧＢＴ１３やダイオード１４といった半導体内部および表面に機械的な損傷を与えることを防止でき、信頼性を高めることが可能となる。

[第２実施形態]
図５、６を参照して、第２実施形態に係るインバータモジュール２について、説明する。図５は、第２実施形態に係るインバータモジュール２の構成を示す斜視図であり、図６はインバータモジュール２をＹ軸方向から見た側面図である。

なお、第２実施形態にかかるインバータモジュール２は、複数の半導体チップ群１２を配置するとともに、第３の導体１９を設けた点が、上記第１実施形態と異なる。この他は第１実施形態にかかるインバータモジュール１と同様であるため、第２実施形態にかかるインバータモジュール２において、インバータモジュール１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図５および図６に示すように、第２実施形態に係るインバータモジュール２は、冷却部１７上に、第１、第２、および第３の導体１５，１６，１９を備え、インバータモジュール２の幅方向に並列に半導体チップ群１２を２つ有している。

一方の半導体チップ群１２を構成するＩＧＢＴ１３ａおよびダイオード１４ａは、それぞれ一方の主面が第１の導体１５に接合され、他方の主面は第２の導体１６に接合される。他方の半導体チップ群１２を構成するＩＧＢＴ１３ｂおよびダイオード１４ｂは、それぞれ一方の主面が第２の導体１６に接合され、他方の主面は第３の導体１９に接合される。第３の導体１９は第１および第２の導体１５，１６と同様に構成されている。

第１の導体１５には、一方の半導体チップ群１２の正極側が電気的かつ機械的に接合されており、第２の導体１６には一方の面に一方の半導体チップ群１２の負極側、他方の面に他方の半導体チップ群１２の正極側が電気的かつ機械的に接合されている。さらに第３の導体１９には、他方の半導体チップ群１２の負極側が電気的かつ機械的に接合されている。したがって、第１の導体１５は、正側導体として正電極を形成し、第３の導体１９は負側導体として負電極を形成し、第２の導体１６は、出力となる交流側電極を形成する。

また、第１の導体１５、第２の導体１６、第３の導体１９は、それぞれ半導体チップ群１２との接合面に直交する端面に、電気的な絶縁を確保するためのシート状の絶縁部２１が接着され、さらに絶縁部２１はベース部２２を介して放熱器２０に接合されている。すなわち、半導体チップ群１２との接合面に直交する両端面が冷却部１７との接合面である伝熱面を構成する。

第１の導体１５および第２の導体１６には、溝１５ａ，１６ａがそれぞれ形成されている。

溝１５ａ，１６ａ，１９ａは例えば第１の導体１５、第２の導体１６、第３の導体１９の上面から下方に所定深さに至って形成された切欠きである。溝１５ａ，１６ａ、１９ａは第１の導体１５、第２の導体１６、および第３の導体１９のＹ方向全長に延び、例えば第１の導体１５、第２の導体１６、および第３の導体１９を形成する際に例えば押し出し加工やプレス加工などで形成される。

溝１５ａ，１９ａは、各導体１５、１９の幅方向の中央位置よりも半導体チップ群１２に近い位置、すなわち図５におけるＸ方向の中央よりの位置に配されている。

なお、本実施形態においては中央に位置する第２の導体１６において、幅方向における２カ所に、それぞれ溝１６ａ，１６ａが形成されている。

溝１５ａ，１６ａ，１９ａは、少なくともエミッタ電極板２４とＩＧＢＴ１３との接合領域に至る深さを有している。すなわち、溝１５ａ，１６ａの底部は、Ｘ方向において導体１５，１６の中心位置よりも半導体チップ群１２に近い位置であって、Ｚ方向においてエミッタ電極板２４とＩＧＢＴ１３との接合領域の上面側の端部よりも底面側に配されている。本実施形態において、溝１５ａ，１６ａ，１９ａの最深部は、導体１５，１６、１９のＺ方向における中心位置に至っている。

導体１５，１６，１９の下面には、冷却部１７が当接し、熱的に接続されている。

本実施形態にかかるインバータモジュール２においても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、導体１５，１６，１９の上面にそれぞれ溝１５ａ，１６ａ，１９ａが形成されていることで、導体１５，１６，１９の上部の外方への変形が許容され、導体１５，１６，１９の変形がＩＧＢＴ１３ａ，１３ｂに及ぼす荷重を低減し、ＩＧＢＴ１３ａ，１３ｂに過大な変形や負荷がかかることを抑制することができる。
[第３実施形態]
図７乃至９に従って、第３実施形態に係るインバータモジュール３について説明する。図７は、第３実施形態に係るインバータモジュール３の構成を示す斜視図であり、図８は、インバータモジュール３をＹ軸方向からみた側面図である。

図７および図８に示すように、インバータモジュール３は、導体１５，１６の上面に接触するように第２の冷却部１８を備える。また、インバータモジュール３において、導体１５，１６の両側面であり、かつ半導体チップの上下に位置する箇所に、それぞれ溝１５ｂ，１６ｂが形成されている。この他は第２実施形態にかかるインバータモジュール１、２と同様であるため、インバータモジュール４において、第１実施形態や第２実施形態に係るインバータモジュール１，２と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

インバータモジュール３は、少なくとも１つの半導体チップを有する半導体チップ群１２と、半導体チップ群１２の両側に配される第１および第２の導体１５，１６と、第１および第２の導体１５，１６の上下に配される第１および第２の冷却部１７，１８と、を備える。

第１の導体１５と第２の導体１６の上下面に、第１の冷却部１７および第２の冷却部１８がそれぞれ当接し、熱的に接続されている。

第１の冷却部１７と、第２の冷却部は上下に対向配置され、対向する伝熱面を有している。第１の冷却部１７および第２の冷却部１８の両伝熱面の間に、第１の導体１５および第２の導体１６が設けられている。

第１の冷却部１７および第２の冷却部１８は、放熱器２０と、電気的な絶縁を確保するためのシート状の絶縁部２１と、ベース部２２と、を備えて構成される。放熱器２０は、たとえばアルミ合金により形成され、複数の放熱フィンを有する。

半導体チップ群１２により生じた熱は、両主面に接合された第１の導体１５および第２の導体１６を介して、それぞれ各導体１５，１６のＺ方向両側の２面に接合された絶縁部２１、ベース部２２、を介して、放熱器２０に伝達され、半導体チップ群１２が冷却される。

第１の導体１５および第２の導体１６のＸ方向の両端面、すなわち半導体チップ群１２との接合面とは反対側の面において、上下２カ所にそれぞれ溝１５ｂ，１６ｂが形成されている。

溝１５ｂ、１６ｂは、各導体１５，１６の中心よりも冷却部１７，１８に近い位置に設けられ、例えばＺ方向において導体の一部としてのエミッタ電極板２４と半導体素子としてのＩＧＢＴ３との接合領域の端縁の位置と同じか、それよりも冷却部１７に近い位置に形成されている。

溝１５ｂ，１６ｂは例えば第１の導体１５および第２の導体１６のＸ方向外方に向く外側面から半導体チップ群１２側、すなわちＸ方向内側に向けて、所定深さに至って形成された切欠きである。溝１５ｂ，１６ｂは第１の導体１５および第２の導体１６のＹ方向全長に延び、例えば第１の導体１５および第２の導体１６を形成する際に例えば押し出し加工やプレス加工などで形成される。

溝１５ｂ，１６ｂは、半導体チップ群１２の上方と下方に、それぞれ形成されている。溝１５ｂ，１６ｂの底部は、Ｚ方向において、エミッタ電極板２４とＩＧＢＴ１３との接合領域よりも底面に近い位置と、この接合領域よりも上面に近い位置と、にそれぞれ配される。溝１５ｂ，１６ｂは、Ｘ方向において、導体１５，１６の中央部位に至る深さを有している。

本実施形態にかかるインバータモジュール２においても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、導体１５，１６，の外側端面にそれぞれ溝１５ａ，１６ａが形成されていることで、導体１５，１６の中央部位の外方への変形が許容され、導体１５，１６の変形がＩＧＢＴ１３の変形に及ぼす影響を抑制することができる。

図９は、インバータモジュール３の熱による変形の状態を示す説明図である。図１０は、比較例２にかかるインバータモジュール１０２の熱による変形の状態を示す説明図である。

ここで、比較例２として、上下に冷却部１７，１８を備えるとともに溝が形成されていない導体１５，１６を備えたインバータモジュール１０１を例示する。

インバータモジュール１０１は、少なくとも１つの半導体チップを有する半導体チップ群１１２と、半導体チップ群１１２の両側に配される第１および第２の導体１１５，１１６と、第１および第２の導体１１５，１１６の上下に配される冷却部１７、１８と、を備える。

第１の導体１１５および第２の導体１１６は、導電性金属である銅もしくは銅合金から直方体に形成されたバスバーであり、溝は形成されていない。このような構成のインバータモジュール１０１において、半導体チップ群１１２の発熱により温度が上昇したときの温度分布は、各導体１１５、１１６の半導体チップ群１１２近傍であるＺ方向中央部分は高温になり、冷却部１７、１８側である上下端部は低温になる。

また、半導体チップ群１１２も発熱により高温となる。このような温度分布によって、各導体１１５，１１６の中央部は熱膨張により上下に伸びる形で変形する。一方、各導体１１５，１１６の上下端部は温度上昇が小さいため、中央部に比較して変形は小さく、また半導体チップ群１１２自体も温度上昇により膨張する。

したがって、発熱時には、ＩＧＢＴ１１３がコレクタ電極板２３と、エミッタ電極板２４との接合部を中心に圧縮されながら上下に引っ張られることになる。したがって、ＩＧＢＴ１１３は、コレクタ電極板２３との接合部縁部を支点として屈曲する形で変形し、熱変形による負荷がかかる。このように、ＩＧＢＴ１１３を屈曲させる荷重は、ＩＧＢＴ１１３に機械的な負荷をかけるとともに、その品質を劣化させる要因となることから、信頼性の低下を招くことになる。

一方、図９に示すように、インバータモジュール１は、各導体１５，１６の両側面に切欠き１５ａ、１６ａが形成されているため、導体１５，１６の外側部位が上下方向へ開くような変形を許容し、ＩＧＢＴ１３に作用する導体１５，１６の剛性を比較例と比較して小さなものとすることができる。このため、各導体１５，１６の変形がＩＧＢＴ１３に与える力は小さくなり、ＩＧＢＴ１３の屈曲変形が抑制される。したがって、ＩＧＢＴ１３に過大な変形および荷重の負荷がかかることがなくなり、信頼性を高めることが可能となる。
［第４実施形態］
図１１に従って、第４実施形態に係るインバータモジュール４について説明する。図１１は、インバータモジュール４をＹ軸方向から見た側面図である。

図１１に示すインバータモジュール４において、導体１５，１６は内側面に溝１５ｃ，１６ｃをそれぞれ備えている。この他は第１実施形態にかかるインバータモジュール１と同様であるため、インバータモジュール４において、第１実施形態に係るインバータモジュール１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

インバータモジュール４は、少なくとも１つの半導体チップを有する半導体チップ群１２と、半導体チップ群１２の両側に配される第１および第２の導体１５，１６と、第１および第２の導体１５，１６の下に配される冷却部１７と、を備える。

第１の導体１５と第２の導体１６の下面に、冷却部１７が当接し、熱的に接続されている。第１の導体１５および第２の導体１６には、溝１５ｃ，１６ｃがそれぞれ形成されている。

溝１５ｃ，１６ｃは、第１の導体１５、第２の導体１６の内側の側面であって、半導体チップ群１２との接合面から、外方に所定深さに至って形成された切欠きである。

溝１５ｃ，１６ｃは断面視においていわゆるＵ字状を成し、開口が所定の幅を有するとともに底部が湾曲している。

溝１５ｃ，１６ｃは第１の導体１５および第２の導体１６のＹ方向全長に亘って設けられ、例えば第１の導体１５および第２の導体１６を形成する際に例えば押し出し加工やプレス加工などで形成される。

溝１５ｃ，１６ｃは、各導体１５、１６の、半導体チップ群１２との接合領域の端縁に配置されている。すなわち、溝１５ｃ、１６ｃの開口部の縁は、コレクタ電極板２３の外周縁とエミッタ電極板２４の外周縁にそれぞれ配されている。

溝１５ｃ、１６ｃ内は、はんだ充填されてなるはんだ部１５ｄ，１６ｄが形成されている。例えば半導体チップ群１２との接合における余剰のはんだが溝１５ｃ，１６ｃに入り込むことによって、はんだ部１５ｄ，１６ｄが形成される。はんだは、導体１５、１６を構成する銅合金よりも剛性が低い材料であることから、この溝１５ｃ，１６ｃに形成されたはんだ部１５ｄ、１６ｄは、導体１５、１６の変形に追従しながら、半導体チップ群１２で生じた熱を伝達する経路としての役割を果たす。

本実施形態にかかるインバータモジュール４においても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、導体１５，１６の内側面に、溝１５ｃ，１６ｃが形成され、導体１５，１６よりも変形しやすい材料で充填されているため、導体１５，１６の変形が許容され、導体１５，１６の変形がＩＧＢＴ１３の変形に及ぼす荷重を低減し、ＩＧＢＴ１３の変形を抑制できる。

さらに、はんだは、高い伝熱性を有するとともに、剛性が低いことから、導体１５，１６の変形に追従するという効果を奏しながら、溝１５ｃ、１６ｃを中空とした場合よりも高い放熱性が確保できる。

本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば、図１２および図１３は他の実施形態にかかるインバータモジュール５を示す斜視図および平面図である。インバータモジュール５は、第１乃至第３の導体１５，１６，１９と複数の半導体チップ群１２とを交互にＸ方向に並列した構成であって、導体１５，１６，１９の上下に冷却部１７，１８をそれぞれ配置した構成である。本実施形態においても上記第２実施形態や第３実施形態と同様の効果を奏することができる。

また、上記実施形態では、断面が矩形状に構成された溝１５ａ，１６ａ，１９ａを例示したがこれに限られるものではない。例えば、他の実施形態として図１４や図１５に示すように、断面がＶ字形状の溝１５ｅ、１６ｅ、１５ｇ，１６ｇをそれぞれ備える構成としてもよい。

図１４に示すインバータモジュール６は、導体１５，１６の上面に上側に開く溝１５ｅ，１６ｅがそれぞれ形成されている。溝１５ｅ，１６ｅは、開口側、すなわち上側の開口幅が拡大する、いわゆる楔形状の断面を有する。

図１５に示すインバータモジュール７は、上側に第２の冷却部１８を備えるとともに、導体１５，１６の外側面において上下２カ所に、溝１５ｅ，１６ｅがそれぞれ形成されている。溝１５ｅ，１６ｅは、開口側、すなわちＸ方向外側の開口幅が拡大する、いわゆる楔形状の断面を有する。これらの実施形態においても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、上記第４実施形態においては、はんだで充填された溝１５ｃが半導体チップ群１２の下方にのみ形成された構成を例示したが、これに限られるものではない。例えば他の実施形態として図１６に示すインバータモジュール８では、導体１５，１６の上下に第１および第２の冷却部１７，１８が配置され、半導体チップ群１２の上下端縁に対応する位置にそれぞれ溝１５ｃ，１６ｃが形成されている。溝１５ｃ、１６ｃ内にははんだが充填されたはんだ部１５ｄ，１６ｄがそれぞれ形成されている。本実施形態においても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。

この他、上面からＺ方向に延びる溝１５ａ，１６ａ，１９ａに代えて、導体１５，１６，１９の上端部の外側面からＸ方向に延びる溝を形成してもよい。あるいは、各溝の延出方向をＺ方向またはＸ方向に対して斜めに傾斜させてもよい。また上記実施形態においては、導体の一部として、ブロック状の導体１５，１６，１９と半導体チップ部１２との間に電極板２３，２４を介在させたが、これに限られるものではない。例えば電極板２３，２４を省略してＩＧＢＴやダイオードなどの半導体チップとブロック状の導体とを直接接合させることも可能である。この場合には半導体素子と導体の接合領域は、ＩＧＢＴやダイオードなどの半導体チップと導体との接合領域となる。この場合にも、上記各実施形態と同様の効果を奏する。

また、上記実施形態においては半導体素子としてＩＧＢＴを例示したが、これに限られるものではなく、他の半導体素子と導体を接合する構成においても上記各実施形態と同様の効果を奏する。

また、上記実施形態においては、エミッタ電極板２４との接合面がＩＧＢＴの対向面の一部である場合について例示したが、全面に接合される場合にも適用可能である。この場合にも、所定位置に設けたスリットによって熱変形を許容することで、半導体素子への熱変形による負荷を低減することができるという上記各実施形態と同様の効果を得られる。

半導体素子や導体の数も上記に限られるものではなく、適宜変更して実施可能である。例えば半導体素子は１つであってもよい。

なお、本発明のいくつか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。

１〜８…インバータモジュール、１２…半導体チップ群（半導体チップ部）、１３…ＩＧＢＴ（スイッチング素子）、１４…ダイオード、１５…第１の導体、１５ａ〜１５ｃ，１５ｅ，１５ｇ…溝、１６…第２の導体、１６ａ〜１６ｃ，１６ｅ，１６ｇ…溝、１７…第１の冷却部、１８…第２の冷却部、１９…第３の導体、１９ａ…溝、２０…放熱器、２１…絶縁部、２２…ベース部、２３…コレクタ電極板、２４…エミッタ電極板。

Claims (10)

1. １つ以上の半導体素子を有する半導体チップ部と、
   前記半導体チップ部の一方の面に接合された接合面と、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、を有するブロック状の第１の導体と、
   前記半導体チップ部の他方の面に接合された接合面と、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、を有するブロック状の第２の導体と、
   前記第１の導体の底面および前記第２の導体の底面に接合された冷却部と、を備え、
   前記第１の導体および前記第２の導体の上面に、その底部が、前記接合面と交差する方向において前記導体の中心位置よりも前記半導体チップ部に近い位置であって、前記底面と交差する方向において前記導体と前記半導体素子との接合領域の前記上面側の端部よりも前記底面側に配される、溝が設けられる、パワー半導体モジュール。
2. １つ以上の半導体素子を有する半導体チップ部と、
   前記半導体チップ部の一方の面に接合された接合面と、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、を有するブロック状の第１の導体と、
   前記半導体チップ部の他方の面に接合された接合面と、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、を有するブロック状の第２の導体と、
   前記第１の導体の底面および前記第２の導体の底面に接合された冷却部と、を備え、
   前記第１の導体および前記第２の導体は、前記外側面に溝を有し、前記溝の底部は、前記導体と前記半導体素子との接合領域よりも前記底面に近い位置、および前記接合領域よりも前記上面に近い位置の少なくとも一方に配される、パワー半導体モジュール。
3. １つ以上の半導体素子を有する半導体チップ部と、
   前記半導体チップ部の一方の面に接合された接合面と、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、を有するブロック状の第１の導体と、
   前記半導体チップ部の他方の面に接合された接合面と、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、を有するブロック状の第２の導体と、
   前記第１の導体の前記底面および第２の導体の前記底面に接合された冷却部と、を備え、
   前記第１および第２の導体は、前記接合面に形成される溝を有し、前記溝の開口部は、前記導体の接合面において前記半導体チップ部の周縁の少なくとも一部に対向する位置に配される、パワー半導体モジュール。
4. １つ以上の半導体素子を有する第１の半導体チップ部と、
   前記第１の半導体チップ部の一方の面に接合された接合面と、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、を有するブロック状の第１の導体と、
   前記第１の半導体チップ部の他方の面に接合された接合面と、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、を有するブロック状の第２の導体と、
   １つ以上の半導体素子を有し、前記第２の導体の外側面に接合される第２の半導体チップ部と、
   前記第２の半導体チップ部に接合された接合面と、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、を有するブロック状の第３の導体と、
   前記第１の導体、前記第２の導体および前記第３の導体の底面に接合された冷却部と、を備え、
   前記第１の導体、前記第２の導体および前記第３の導体の、前記上面、前記外側面または前記接合面の少なくともいずれかに溝が形成される、パワー半導体モジュール。
5. 前記溝は、前記接合面および前記底面に交差する方向において前記導体の全長にわたって形成されるスリット状の切り欠きである、請求項１乃至４のいずれか記載のパワー半導体モジュール。
6. 前記半導体素子は、インバータの１つの相の少なくとも１アームを構成し、
   前記冷却部は、前記導体の前記底面に絶縁部を介して接合され、
   前記半導体チップ部は、前記導体と前記半導体素子との間に介在する電極板をそれぞれ備え、
   前記溝の底部は、前記底面に交差する方向において、前記半導体素子と前記電極板との接合領域の外周部よりも深い位置に至ることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
7. 前記溝の内部に、前記導体よりも剛性の低い材料が配されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載のパワー半導体モジュール。
8. 前記第１および第２の導体の上面に接合された第２の冷却部を備える、請求項２乃至７のいずれか記載のパワー半導体モジュール。
9. 前記導体は、前記半導体素子との間に配される電極板を備え、
   前記接合領域は、前記半導体素子と前記電極板との接合領域である、請求項１乃至８のいずれか記載のパワー半導体モジュール。
10. 前記電極板は、前記半導体素子の対向面のうちの一部に対向する接合面を有する、請求項９記載のパワー半導体モジュール。