JP2020088122A - 半導体モジュール、電力変換装置および半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

半導体モジュール、電力変換装置および半導体モジュールの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】流路形成体を有する半導体モジュールの生産性を向上する。【解決手段】半導体モジュール９００は、第１、第２の接続部８１０を有する第１、第２のフィンベース８００と、第１〜第４の導体４１０〜４１３の外周側面を封止する樹脂８５０とを備える半導体装置３００と、第１、第２のフィンベース８００の第１、第２の接続部８１０に接続された流路形成体６００と、を備え、第１、第２の接続部８１０の外周端部８１０ａ間の厚さ方向の間隔は、第１、第２の接続部８１０の中間部８０４間の厚さ方向の間隔よりも小さくなるように塑性変形された第１の塑性変形部８０１を有し、樹脂８５０は、第１、第２のフィンベース８００の第１、第２の接続部８１０間に充填されている。【選択図】図１０

Description

本発明は、半導体モジュール、電力変換装置および半導体モジュールの製造方法に関する。
スイッチング動作を行うパワー半導体素子を内蔵する半導体モジュールは、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電設備等に幅広く利用されている。このパワー半導体素子は通電により発熱するため、半導体モジュールには高い放熱性が求められる。特に車載用途においては、小型、軽量化のため半導体モジュールを冷却するための水等の液体冷媒を用いた高効率な冷却システムが採用されている。
このような半導体モジュールの構造および製造方法の一例を以下に示す。
パワー半導体素子を有するパワーモジュールを挟んで、周壁部がほぼ垂直に屈曲された断面コ字形状の上下一対のケースを、各ケースの周壁部の側端面同士が対向するように配置する。上下一対のケースを外部から加圧し、ケースの周壁部を相互の間隔が小さくなるように変形させて上下一対のケースの側端面同士を接触させる。この状態のまま、側端面の接触部を、溶接などにより接合する。このような工程で、パワーモジュールがケース内に固定される。（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１６−３９２２４号公報
特許文献１の半導体モジュールは、パワーモジュールをケースに圧着する工程と、その後でケースの接合面を溶接する工程が必要であり、生産性が低い。また、特許文献１には、冷媒による冷却を可能とする半導体モジュールに関する記載が無い。
本発明の一態様による半導体モジュールは、半導体素子と、前記半導体素子を挟んで厚さ方向に対向して配置され、それぞれ前記半導体素子に接続される一対の導体と、前記一対の導体のうちの一方の導体の前記半導体素子側と反対側の面に絶縁部材を介して配置され、前記一方の導体の外周側面より外方に延出された第１の接続部を有する第１の放熱部材と、前記一対の導体のうちの他方の導体の前記半導体素子側と反対側の面に絶縁部材を介して配置され、前記他方の導体の外周側面より外方に延出された第２の接続部を有する第２の放熱部材と、前記一対の導体の外周側面を封止する樹脂と、を備える半導体装置と、前記半導体装置の前記第１の放熱部材の前記第１の接続部および前記第２の放熱部材の前記第２の接続部に接続された流路形成体と、を備え、前記第１の放熱部材の前記第１の接続部の外周端部と前記第２の放熱部材の前記第２の接続部の外周端部間の厚さ方向の間隔は、前記第１の放熱部材の前記第１の接続部の中間部と前記第２の放熱部材の前記第２の接続部の中間部間の厚さ方向の間隔よりも小さくなるように塑性変形された第１の塑性変形部を有し、前記樹脂は、前記第１の放熱部材の前記第１の接続部と前記第２の放熱部材の前記第２の接続部間に充填されている。
本発明によれば、流路形成体を有する半導体モジュールの生産性を向上することができる。
図１は、本発明の半導体モジュールを構成する半導体装置の一実施形態の外観斜視図。 図２（ａ）は、図１に示す半導体装置のＩＩ−ＩＩ線断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）に図示された接続部８１０の拡大図。 図３は、図１に示す半導体装置の回路の一例を示す回路図。 図４（ａ）〜図４（ｃ）は、図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための各工程における断面図。 図５（ａ）〜図５（ｂ）は、図４（ａ）〜図４（ｃ）に続く半導体装置の製造方法を説明するための各工程における断面図。 図６（ａ）〜図６（ｃ）は、それぞれ、図４（ａ）〜図４（ｃ）に対応する工程の斜視図。 図７（ａ）〜図７（ｂ）は、それぞれ、図５（ａ）〜図５（ｂ）に対応する工程の斜視図。 図８（ａ）は、封止前半導体装置構成体を金型内に設置して樹脂モールドを行う工程の断面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）の領域ＶＩＩＩｂの拡大図、図８（ｃ）は、封止前半導体装置構成体を樹脂モールドする前におけるフィンベース８００の接続部８１０の形状を示す側面図。 図９（ａ）は、図８（ａ）に図示された金型内に樹脂を注入した状態における樹脂による作用を説明する図、図９（ｂ）は、図９（ａ）の領域ＸＩｂの拡大図。 図１０は、本発明による半導体モジュールの第１の実施形態の一例を示す断面図。 図１１は、本発明による半導体モジュールの第１の実施形態の他の例を示す断面図。 図１２は、本発明による半導体モジュールを用いた電力変換装置の回路図。 図１３は、図１２に示す電力変換装置の一例を示す外観斜視図。 図１４は、図１３に示す電力変換装置のＸＩＶ−ＸＩＶ線断面図。 図１５（ａ）は、図１４に図示された電力変換装置を上方側からみた斜視図、図１５（ｂ）は、図１４に図示された電力変換装置を下方側からみた斜視図。 図１６は、図１５（ａ）のＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図。 図１７は、本発明による半導体モジュールの第２の実施形態を示す断面図。 図１８（ａ）は、本発明による半導体モジュールの第３の実施形態の断面図、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）に示すフィンベースの接続部をモールド成型する工程の拡大断面図。 図１９は、封止前半導体装置構成体を金型内に設置した状態における、金型によるフィンベースの接続部の変形を説明するための模式図。
−第１の実施形態−
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
図１は、本発明の半導体モジュールを構成する半導体装置の一実施形態の外観斜視図である。
なお、以下の説明において、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は図示の通りとする。
図１は、本発明による半導体装置の一実施形態の外観斜視である。
半導体装置３００は、樹脂８５０により内部の電子部品を封止した樹脂パッケージである装置本体３０１、フィンベース８００および大電流を入出力する複数のパワー端子、信号を入出力する複数の信号端子を備えている。装置本体３０１は、ほぼ直方体形状、換言すれば、最も面積が大きい主面３０２を垂直方向からみた平面視でほぼ矩形形状を有する。複数のパワー端子および複数の信号端子は、装置本体３０１の長さ方向（Ｘ方向）の一辺３０１ａ、およびこの一辺に対向する他辺３０１ｂから突出している。装置本体３０１の主面３０２およびこの主面３０２の対向面である裏面３０３それぞれに、多数のフィン８００ａを有するフィンベース８００が設けられている。各フィンベース８００の外周縁には、冷媒の配置空間を形成する流路形成体６００（図１０参照）との接続部８１０が設けられている。
装置本体３０１の他辺３０１ｂからは、正極側端子３１５Ｂおよび負極側端子３１９Ｂ等のパワー端子が突出している。装置本体３０１の一辺３０１ａからは、パワー端子として、交流側端子３２０Ｂが突出している。
装置本体３０１の他辺３０１ｂからは、下アームゲート信号端子３２５Ｌ，ミラーエミッタ信号端子３２５Ｍ、ケルビンエミッタ信号端子３２５Ｋ、コレクタセンス信号端子３２５Ｃ等の信号端子が突出している。装置本体３０１の一辺３０１ａからは、上アームゲート信号端子３２５Ｕ、温度センス信号端子３２５Ｓ、ミラーエミッタ信号端子３２５Ｍ、ケルビンエミッタ信号端子３２５Ｋ、コレクタセンス信号端子３２５Ｃ等の信号端子等が突出している。これらの信号端子を総合的に説明する場合は信号端子３２５とする。
図１に図示されているように、パワー端子である正極側端子３１５Ｂおよび負極側端子３１９Ｂと、交流側端子３２０Ｂとは、装置本体３０１の他辺３０１ｂと一辺３０１ａとに相対向して設けられている。
複数のパワー端子および複数の信号端子は、長手方向（＋Ｘ方向と−Ｘ方向）に突設し、先端は高さ方向（＋Ｚ方向）に向け垂直に屈曲されて延出されている。複数の信号端子を同一の＋Ｚ方向に向けることで、制御回路やドライバ回路への接続が容易となる。また、制御端子を、装置本体３０１の一辺３０１ａと他辺３０１ｂとの二辺に分けて突出するため、端子間の沿面距離や空間距離を確保している。
正極側端子３１５Ｂと負極側端子３１９Ｂとは、装置本体３０１の他辺３０１ｂ側にＹ方向に隣接して配置されている。また、正極側端子３１５Ｂと負極側端子３１９ＢとはＬ字形状に屈折された小さい面積である側面が対向して配列されており、入出力の電流を近接させてインダクタンスを低減する効果を得ている。また、直流端子である正極側端子３１５Ｂと負極側端子３１９Ｂとはバッテリに連結したコンデンサモジュール５００（図１２参照）に接続するため、共に同一の他辺３０１ｂ側から突出することで、インバータレイアウトを簡略化できる効果がある。交流側端子３２０Ｂは、直流側端子が突出する面とは対向する対面から突出している。交流側端子３２０Ｂは、電流センサ１８０（図１２参照）に接続した後、電力変換装置から突出し、モータジェネレータ１９２、１９４（図１２参照）に接続される。このため、コンデンサモジュール５００と接続する直流端子とは別方向に突出させることで、インバータレイアウトが簡略化できる効果がある。
図２（ａ）は、図１に示す半導体装置のＩＩ−ＩＩ線断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）に図示された接続部８１０の拡大図であり、図３は、図１に示す半導体装置の回路の一例を示す回路図である。
半導体装置３００は、能動素子１５５やダイオード１５６からなるスイッチング機能を有する上アーム回路と、能動素子１５７やダイオード１５８からなるスイッチング機能を有する下アーム回路を備えている。能動素子１５５、１５７およびダイオード１５６、１５８を半導体素子と呼ぶ。この半導体素子は、スイッチング機能を有しておれば、特に限定されないが、能動素子１５５、１５７として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等のトランジスタが用いられる。ダイオード１５６、１５８として、ＳＢＤ（Schottky Diode）、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode）等が用いられる。半導体素子を構成する材料としては、Ｓｉが良く用いられるが、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＯ等を用いる事もできる。
図３に図示されるように、正極側端子３１５Ｂは、第３導体４１２に接続される。上アーム回路のスイッチング素子を構成する能動素子１５５のコレクタ電極とダイオード１５６のカソード電極は、第３導体４１２により電気的に接続される。能動素子１５５のエミッタ電極とダイオード１５６のアノード電極は、第２導体４１１により電気的に接続される。
負極側端子３１９Ｂは第４導体４１３に電気的に接続される。下アーム回路のスイッチング素子を構成する能動素子１５７のエミッタ電極とダイオード１５８のアノード電極は、第４導体４１３により電気的に接続される。能動素子１５７のコレクタ電極とダイオード１５８のカソード電極は、第１導体４１０により電気的に接続される。第１導体４１０と第２導体４１１は、中間電極部４１４を介して電気的に接続される。交流側端子３２０Ｂは、第１導体４１０に電気的に接続される。ケルビンエミッタ信号端子３２５Ｋは、上アーム回路および下アーム回路それぞれの、エミッタ電極に接続される。上アーム回路のコレクタセンス信号端子３２５Ｃは、第３導体４１２に電気的に接続され、下アーム回路のコレクタセンス信号端子３２５Ｃは、第１導体４１０に接続される。
なお、能動素子１５５、１５７は、それぞれ、複数個の能動素子１５５、１５７を備えて構成してもよい。
図２（ａ）に示されるように、能動素子１５５のコレクタ電極、ダイオード１５６のアノード電極は、はんだ、焼結金属等の金属接合部材５１を介して、第３導体４１２に接合されている。能動素子１５５のエミッタ電極、ダイオード１５６のカソード電極は、はんだ、焼結金属等の金属接合部材５１を介して、第２導体４１１に接合されている。能動素子１５７のコレクタ電極、ダイオード１５８（図２には図示せずのアノード電極）は、はんだ、焼結金属等の金属接合部材５１を介して、第１導体４１０に接合されている。能動素子１５７（図２には図示せず）のエミッタ電極、ダイオード１５８のカソード電極は、はんだ、焼結金属等の金属接合部材５１により、第４導体４１３に接合されている。第１導体４１０は、第２導体４１１に一体的に形成された中間電極部４１４（図６（ａ）も参照）に金属接合部材５１により接合されている。これにより、第１導体４１０と第２導体４１１とは、電気的に接続されている。
なお、能動素子１５５、１５７は、下面全面がコレクタ電極であり、ダイオード１５６、１５８は、下面全面がアノード電極、上面のアクティブエリアがカソード電極となっている。
第１〜第４の導体４１０〜４１３は、銅やアルミニウムにより形成されるが、電気伝導性が高い材料であれば、他の材料でもよい。第１導体４１０および第３導体４１２の下方側（＋Ｚ方向）の面にはコレクタ側配線板４２３が配置されている。コレクタ側配線板４２３は、はんだ、焼結金属等の金属接合部材５１により、第１導体４１０および第３導体４１２に接合されている。コレクタ側配線板４２３は、セラミック等の絶縁板４５１の表裏面に、銅やアルミニウムからなる配線４５２が形成されて構成されている。第１導体４１０および第３導体４１２は、金属接合部材５１により配線４５２に接合されている。金属接合される導体や配線には、接合強度を増大するために、めっきを施したり、微細な凹凸を設けたりしてもよい。各能動素子１５５、１５７の各電極は、ワイヤ８４０によりコレクタ側配線板４２３に形成された配線に接続され、ワイヤ８４１により樹脂８５０の外部に露出する信号端子３２５に接続されている。ワイヤ８４０、８４１は、接続レイアウトによっては、連続したワイヤで形成してもよい。各能動素子１５５、１５７の各電極と配線との接続については、後述する。
第２導体４１１および第４導体４１３の上方側（−Ｚ方向）の面にはエミッタ側配線板４２２が配置されている。エミッタ側配線板４２２は、はんだ、焼結金属等の金属接合部材５１により、第２導体４１１および第４導体４１３に接合されている。エミッタ側配線板４２２は、セラミック等の絶縁板４５３の表裏面に、銅やアルミニウムからなる配線４５４が形成されて構成されている。第２導体４１１および第４導体４１３は、金属接合部材５１によりエミッタ側配線板４２２に形成された配線４５４に接合されている。
図２（ａ）において、コレクタ側配線板４２３の下面およびエミッタ側配線板４２２の上面には、それぞれ、フィンベース８００が接合されている。コレクタ側配線板４２３またはエミッタ側配線板４２２とフィンベース８００とは、はんだ、焼結金属等の金属接合部材５１により接合される。
上下のフィンベース８００の間は、樹脂８５０により封止されている。樹脂８５０は、例えば、トランスファーモールド等のモールド成型により形成される。
多数のフィン８００ａを有するフィンベース８００は放熱部材であり、エミッタ側配線板４２２の外周端部４２２ａまたはコレクタ側配線板４２３の外周端部４２３ａより外方に延出された接続部８１０を有する。接続部８１０は、フィンベース８００の底面からフィン８００ａの根元までの厚さ（Ｚ方向の長さ）とほぼ同じか、それよりも薄い厚さに形成された低剛性を有する。
（フィンベース８００）
図２（ｂ）に図示されるように、接続部８１０は、ＸＹ面にほぼ平行な平坦な中間部８０４を有する。また、接続部８１０は、第１〜第３の塑性変形部８０１〜８０３を有する。第１塑性変形部８０１は、接続部８１０の外周端部８１０ａ側に形成されている。第２塑性変形部８０２は、接続部８１０の根元側であるエミッタ側配線板４２２の外周端部４２２ａまたはコレクタ側配線板４２３の外周端部４２３ａに対応する領域に形成されている。第３塑性変形部８０３は、中間部８０４における第１塑性変形部８０１側とは反対側に形成されている。上下のフィンベース８００の外周端部８１０ａ間の厚さ方向（Ｚ方向）の間隔は、上下のフィンベース８００の中間部８０４間の厚さ方向（Ｚ方向）における間隔よりも小さくなっている。
第１〜第４の導体４１０〜４１３の外周側面を覆う樹脂８５０は、上下のフィンベース８００の接続部８１０間に充填されている。接続部８１０の第１〜第３の塑性変形部８０１〜８０３は、封止前半導体装置構成体３０４（図５（ａ）参照）を金型８５２（図８（ａ）参照）内に設置し、金型８５２内に樹脂材８５０Ｓ（図８（ａ）参照）を注入するモールド成型時に形成される。これにより、上下のフィンベース８００における接続部８１０の中間部８０４間の間隔のばらつきを小さくする効果を奏する。このことについては、後述する。
なお、図２（ｂ）のフィンベース８００の左右から突出する接続部８１０の形状は、樹脂封止された後の形状である。樹脂封止する前のフィンベース８００の接続部８１０はＸ方向に延在する薄い平板の形状を呈している。そして、後述するが、モールド成型用金型に装填した際、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、上下一対のフィンベース８００の接続部８１０は上下金型８５２ａ、８５２ｂに挟圧されて塑性変形し、樹脂を充填した成型工程で図２（ｂ）に示す形状となる。
（製造方法）
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための各工程における断面図であり、図５（ａ）〜図５（ｂ）は、図４（ａ）〜図４（ｃ）に続く半導体装置の製造方法を説明するための各工程における断面図である。また、図６（ａ）〜図６（ｃ）は、それぞれ、図４（ａ）〜図４（ｃ）に対応する工程の斜視図であり、図７（ａ）〜図７（ｂ）は、それぞれ、図５（ａ）〜図５（ｂ）に対応する工程の斜視図である。
図４（ａ）〜図４（ｃ）、図５（ａ）〜図５（ｂ）、図６（ａ）〜図６（ｃ）および図７（ａ）〜図７（ｂ）を参照して、図１に示す半導体装置３００の製造方法を説明する。
図４（ａ）、図６（ａ）に図示されるように、第３導体４１２に、能動素子１５５のコレクタ電極およびダイオード１５６のカソード電極を金属接合部材５１により接合する。同様に、第１導体４１０に、能動素子１５７のコレクタ電極およびダイオード１５８のカソード電極を金属接合部材５１により接合する。
また、第２導体４１１に、能動素子１５５のエミッタ電極およびダイオード１５６のアノード電極を金属接合部材５１により接合する。同様に、第４導体４１３に、能動素子１５７のエミッタ電極およびダイオード１５８のアノード電極を金属接合部材５１により接合する。
なお、図４（ａ）〜（ｃ）、図５（ａ）、（ｂ）では、第１導体４１０には、生産性を高めるため、交流側端子３２０Ｂが一体に形成されているが、交流側端子３２０Ｂは、第１導体４１０とは別体として形成してもよい。
次に、図４（ｂ）、図６（ｂ）に図示されるように、第１導体４１０および第３導体４１２の下面に金属接合部材５１によりコレクタ側配線板４２３を接合し、各能動素子１５５、１５７の各電極を、コレクタ側配線板４２３の配線４５２にワイヤ８４０により電気的に接続する。また、各配線４５２と、図１に図示されるすべての信号端子とをワイヤ８４１により接続する。
その後の工程は図４（ｃ）、図６（ｃ）に図示される。これらの図に示すように、第２導体４１１および第４導体４１３の上面に金属接合部材５１によりエミッタ側配線板４２２の下側（Ｚ方向側）の配線４５４を接合する。
本実施形態では、コレクタ側導体である第１導体４１０および第３導体４１２と、コレクタ側配線板４２３とが別体とされた構造を有する。コレクタ側配線板４２３の配線４５２の厚さは薄いが、第１導体４１０および第３導体４１２の厚さは厚い為、平面方向に熱を拡散することができる。コレクタ側配線板４２３の配線４５２の厚さを薄くすることでコレクタ側配線板４２３を安価にすることができ、また、配線４５２の厚さが薄いため、配線のパターンを微細化することが可能となり、コレクタ側配線板４２３の面積が縮小され小型化が可能となる。
エミッタ側についても同様であり、エミッタ側導体である第２導体４１１および第４導体４１３と、エミッタ側配線板４２２とが別体とされており、これにより、第２導体４１１と第４導体４１３により、平面方向に熱を拡散することができ、また、エミッタ側配線板４２２を安価、かつ、小型化とすることが可能となる。
図４（ｃ）の工程で得られた中間体の表裏面にフィンベース８００が設けられる。すなわち、図５（ａ）、図７（ａ）に図示されるように、コレクタ側配線板４２３の下面およびエミッタ側配線板４２２の上面に、それぞれ、フィンベース８００を、金属接合部材５１により接合する。フィンベース８００は、例えば、アルミニウムにより形成されている。コレクタ側配線板４２３の配線４５２およびエミッタ側配線板４２２の配線４５４を銅で形成すると、アルミニウムと銅の熱膨張差でフィンベース８００に反りが生じる。しかし、本実施形態では、第１導体４１０と第３導体４１２に接合されたコレクタ側配線板４２３、および第２導体４１１と第４導体４１３に接合されたエミッタ側配線板４２２に、それぞれ、フィンベース８００を金属接合部材５１により接合する。このため、フィンベース８００を接合する際の反りを低減することができる。従って、フィンベース８００の接合工程を、加圧接合するプロセスでなく、低加圧または無加圧の接合プロセスとすることが可能となる。これにより、生産設備の低コスト化を図ることができる。
なお、フィンベース８００の接合面にはニッケルめっきを施してもよい。
また、コレクタ側配線板４２３やエミッタ側配線板４２２を、予め、フィンベース８００に金属接合部材５１等により接合しておいてもよい。
図５（ａ）、図７（ａ）に図示された樹脂８５０により封止する前の半導体装置３００を、封止前半導体装置構成体３０４と呼ぶ。
図５（ａ）、図７（ａ）の工程で得られた封止前半導体装置構成体３０４を樹脂封止する。すなわち、図５（ｂ）、図７（ｂ）に図示されるように、上下一対のフィンベース８００間に設けられた封止前半導体装置構成体３０４を樹脂８５０により封止する。樹脂８５０による封止は、トランスファ-モールド成型により行う。樹脂モールドの前に、封止前半導体装置構成体３０４に樹脂薄膜を被覆しておいてもよい。
（モールド成型）
図８（ａ）は、封止前半導体装置構成体を金型内に設置して樹脂モールドを行う工程の断面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の領域ＶＩＩＩｂの拡大図であり、図８（ｃ）は、封止前半導体装置構成体を樹脂モールドする前におけるフィンベース８００の接続部８１０の形状を示す側面図である。
図８（ｃ）を参照すると、樹脂モールド前のフィンベース８００の接続部８１０は、Ｘ方向に平行に延在する薄い平板の形状を呈している。そして、図８（ｂ）を参照すると、樹脂モールドするに当たり金型内に封止前半導体装置構成体を装填すると、上下金型８５２ａ，８５２ｂの段部８５５で上下一対の接続部８１０がＺ方向に挟圧されて図８（ｂ）に示すように変形する。以下、詳細に説明する。
図８（ａ）に図示されるように、図５（ａ）に図示された封止前半導体装置構成体３０４を、下型８５２ａおよび上型８５２ｂにより構成される金型８５２のキャビティ内に設置する。図８（ｃ）を参照して説明したように、各フィンベース８００には、低剛性の接続部８１０が形成されている。上下金型８５２ａ、８５２ｂ内に封止前半導体装置構成体３０４を設置すると、接続部８１０の外周端部８１０ａは、図８（ｂ）に図示されるように、上型８５２ｂの段部８５５ｂの第一面８５７に当接する。同様に、図８（ｂ）には図示しないが、下型８５２ａの段部８５５ａの第一面８５７に当接する。この理由を以下に示す。
図１９は、封止前半導体装置構成体を金型内に設置した状態における、金型によるフィンベースの接続部の変形を説明するための模式図である。図１９も参照して説明する。
図１９の実線で示す符号８１０−１は、樹脂モールド前において、Ｘ方向に平行に延在する接続部８１０の変形前の形状を示している。
下型８５２ａおよび上型８５２ｂには、それぞれ、段部８５５ａまたは段部８５５ｂが形成されている。下型８５２ａの段部８５５ａと上型８５２ｂの段部８５５ｂの構造は同一であり、以下では、段部８５５ａと段部８５５ｂとを代表して段部８５５として説明する。また、段部８５５はＸ方向に延在して−Ｚ方向に面する第一面８５７と第二面８５８とを有する。
Ｘ方向における長さにおいて、接続部８１０の外周端部８１０ａ間の長さ，すなわち図１９に示す寸法Ｘ８１０は、段部８５５の垂直側面８５６間の長さ、すなわち図１９に示す寸法Ｘ８５６より大きい。上型８５２ｂの段部８５５ｂの第一面８５７と下型８５２ａの段部８５５ａの第一面８５７間の厚さ方向（Ｚ方向）の間隔、すなわち図１９に示す寸法Ｚ８５７は、封止前半導体装置構成体３０４の上下のフィンベース８００の接続部８１０間の厚さ方向（Ｚ方向）の間隔、すなわち図１９に示す寸法Ｚ８１０よりも小さくなるように設定されている。また、上型８５２ｂの段部８５５ｂの第２面８５８と下型８５２ａの段部８５５ａの第二面８５８間の厚さ方向（Ｚ方向）の間隔，すなわち図１９に示す寸法Ｚ８５８は、封止前半導体装置構成体３０４の上下のフィンベース８００の接続部８１０間の厚さ方向（Ｚ方向）の間隔Ｚ８１０よりも大きくなるとように設定されている。
なお、金型８５２の段部８５５ａ、８５５ｂの第一面８５７および第二面８５８は、ＸＹ面にほぼ平行な平坦面に形成されている。
以上のとおり、フィンベース８００の接続部８１０、および金型段部８５５ａ，８５５ｂの第一面８５７と第二面８５８の諸寸法を以上のように設定した。従って、封止前半導体装置構成体３０４を金型８５２のキャビティ内に設置して金型８５２を型締めすると、図８（ａ）、８（ｂ）に示されるように、上下のフィンベース８００の接続部８１０の外周端部８１０ａ近傍の部分は、それぞれ、段部８５５ｂまたは段部８５５ａの第一面８５７と垂直側面８５６が交差する角部に当接し、図１９において実線で示す変形前の接続部８１０−１が二点鎖線８１０−２で示す変形後の接続部８１０−２のように屈曲される。
図９（ａ）は、図８（ａ）に図示された金型内に樹脂を注入した状態における樹脂による作用を説明する図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）の領域ＸＩｂの拡大図である。
図８（ａ）、８（ｂ）に示される状態で、金型８５２内に樹脂材８５０Ｓを注入する。樹脂材８５０Ｓは、金型８５２のキャビティ内に流入し、上下のフィンベース８００の接続部８１０間に充填され、第１〜第４の導体４１０〜４１３の外周側面を封止する。上述したように、この状態では、上下のフィンベース８００の接続部８１０は、それぞれ、段部８５５ｂ、８５５ａの第一面８５７に押し付けられている。このため、上下のフィンベース８００間に注入された樹脂材８５０Ｓは、上下のフィンベース８００の接続部８１０と段部８５５ｂまたは段部８５５ａの第一面８５７との当接部で漏出が抑制され、段部８５５ｂまたは段部８５５ａの第二面８５８側に漏出することはない。
上下一対のフィンベース８００が接合された封止前半導体装置構成体３０４を、金型８５２により強力にクランプすると、能動素子１５５、１５７等に過度の応力が生じる。しかし、フィンベース８００に接続部８１０を設けており、フィンベース８００は低剛性の接続部８１０において小さい荷重で屈曲する構成としているので、能動素子１５５、１５７等に作用する応力を緩和することができる。
また、金型８５２内には、図８（ａ）に示すようにばね機構８６４が設けられている。ばね機構８６４は、第１〜第４の導体４１０〜４１３やコレクタ側・エミッタ側配線板４２２、４２３を介して能動素子１５５、１５７等に作用する引き剥しを防止する機能を有する。引き剥がしとは次のような現象である。つまり、金型８５２のキャビティ内に設置された封止前半導体装置構成体３０４の周囲に充填される樹脂材８５０Ｓにより、上下のフィンベース８００に、このフィンベース８００間の空間を広げる静水圧Ｐｓ（図９（ａ）、９（ｂ）参照）が作用する。このため、能動素子１５５、１５７等に、第１〜第４の導体４１０〜４１３やコレクタ側・エミッタ側配線板４２３、４２２を介して引き剥がし力が作用する。ばね機構８６４による封止前半導体装置構成体３０４への加圧力を、上下の金型８５２ａ、８５２ｂの型締力により生じる封止前半導体装置構成体３０４への加圧力よりも大きくすることで、能動素子１５５、１５７等に作用する引き剥し力を打ち消すことができる。
能動素子１５５、１５７等は、加圧力には強いが、引き剥がし力には弱く、破壊や故障の要因となる。ばね機構８６４による封止前半導体装置構成体３０４への加圧力を、樹脂材８５０Ｓの圧力により生じる引き剥がし力よりも大きくすることで、樹脂モールド時の能動素子１５５、１５７等の破壊や故障を防止することができる。
図９（ａ）に図示されるように、金型８５２のキャビティ内に設置された封止前半導体装置構成体３０４内に硬化前では流動性を持った樹脂材８５０Ｓが流入することで、樹脂材８５０Ｓに加わる圧力が静水圧Ｐｓとして、金型８５２及び封止前半導体装置構成体３０４に負荷される。
樹脂材８５０Ｓにより生じた静水圧Ｐｓは、図９（ｂ）に示されるように、フィンベース８００の接続部８１０を変形し上下の金型８５２ａ、８５２ｂの段部８５５ａ、８５５ｂの第二面８５８に押し付ける。この時、接続部８１０に、第１塑性変形部８０１、第２塑性変形部８０２、第３塑性変形部８０３および平坦な中間部８０４が形成される。
図９（ｂ）に示されるように、フィンベース８００の接続部８１０は、第１塑性変形部８０１で外周端部８１０ａが段部８５５ａ、８５５ｂの第一面８５７の上方に位置するように変形される。フィンベース８００の接続部８１０は、第２塑性変形部８０２および第３塑性変形部８０３でも変形され、中間部８０４が、金型８５２の第二面８５８の表面に倣って平坦になるように変形される。フィンベース８００の接続部８１０は、根元側の第２塑性変形部８０２で第３塑性変形部８０３に向けて外方に向けて斜めに拡開するように変形される。
樹脂材８５０Ｓの注入圧力を５ＭＰaとした場合、接続部８１０が０．６mm以下のアルミニウム材で形成すれば、第１〜第３の塑性変形部８０１〜８０３および中間部８０４を有する接続部８１０を形成することができる。
通常、封止前半導体装置構成体３０４の上下のフィンベース８００の接続部８１０の厚さ方向、換言すればＺ方向の高さ位置（以下、単に、「高さ位置」ということもある）は、部品公差や組み立て時のばらつきにより、１つの封止前半導体装置構成体３０４自体で、０．１ｍｍ程度のばらつきを生じる。また、複数の封止前半導体装置構成体３０４では０．２mm程度のばらつきを生じる。
これに対し、本実施形態では、上下のフィンベース８００の接続部８１０の中間部８０４は、モールド成型時の樹脂材８５０Ｓにより、上下の金型８５２ａ、８５２ｂの平坦な第二面８５８に押し付けられ、この状態が保持されるように接続部８１０を塑性変形して形成される。つまり、封止前半導体装置構成体３０４の上下のフィンベース８００の接続部８１０の中間部８０４の高さ位置にばらつきがあっても、すべての封止前半導体装置構成体３０４の接続部８１０の中間部８０４の高さ位置を、上下の金型８５２ａ、８５２ｂの第二面８５８の位置に設定することができる。このため、半導体装置３００の上下のフィンベース８００の接続部８１０の中間部８０４の高さ位置のばらつきを極めて小さくすることができる。本発明者による検討では、上下のフィンベース８００の接続部８１０の中間部８０４の高さ位置のばらつきを、複数の半導体装置３００間でも０．０１mm程度にすることができた。
なお、上記フィンベース８００の接続部８１０の塑性変形の説明では、Ｘ方向に関して述べたが、図１０を参照して明らかな通り、フィンベース８００の接続部８１０は、Ｙ方向に関しても、Ｘ方向と同様に塑性変形する。
また、図示はしないが、第１〜第４の導体４１０〜４１３、パワー端子、信号端子のパッケージ化は、樹脂モールド工程までは、第１〜第４の導体４１０〜４１３、パワー端子および信号端子がタイバーにより連結された状態で行われる。樹脂モールド後に、タイバーをカットし、パワー端子、信号端子を所定の形状に加工することで、図１に図示される半導体装置３００を得ることができる。
図１０は、本発明による半導体モジュールの第１の実施形態の一例を示す断面図である。
半導体モジュール９００は、半導体装置３００と流路形成体６００とを有する。
半導体装置３００は、上述した通り、第１〜第４の導体４１０〜４１３を挟んで、上下にフィンベース８００が配置され、フィンベース８００の接続部８１０間に充填された樹脂８５０により第１〜第４の導体４１０〜４１３が封止された構造を有する。接続部８１０は、樹脂８５０の上下面（Ｚ方向）に露出する中間部８０４を有する。
流路形成体６００は、上ケース６０１ａと、下ケース６０１ｂとを有する。上ケース６０１ａは、上方（−Ｚ方向）のフィンベース８００に接合され、下ケース６０１ｂは、下方（Ｚ方向）のフィンベース８００に接合される。上ケース６０１ａとフィンベース８００との接合構造と下ケース６０１ｂのフィンベース８００との接合構造とは同じである。以下では、上ケース６０１ａと下ケース６０１ｂとを代表してケース６０１とし、ケース６０１とフィンベース８００との接合構造について説明する。
ケース６０１は、平面視で矩形枠状のベース部６０２と、ベース部６０２と一体形成されたカバー部６０３とを有する。ベース部６０２は、ＸＹ面にほぼ平行な平坦状に形成され、フィンベース８００の接続部８１０の中間部８０４に接合されている。カバー部６０３は、ベース部６０２から立ち上がりフィンベース８００のフィン８００ａの先端との間に隙間が生じる高さまで延出されている。カバー部６０３とフィンベース８００のフィン８００ａとの間の隙間は、水等の冷媒が流通する冷却用流路Ｃｗを構成する。
なお、上ケース６０１ａと下ケース６０１ｂとの冷却用流路Ｃｗは、図示しない領域において連通する冷媒流入口１３（図１６参照）と冷媒流出口１４（図１６参照）とを備えており、上ケース６０１ａと下ケース６０１ｂとが組付けられて流路形成体６００が構成されている。
ケース６０１のベース部６０２とフィンベース８００の接続部８１０の中間部８０４とは接合部６５０で接合されている。接合部６５０は、第１〜第４の導体４１０〜４１３の外周側面を封止する樹脂８５０上において全周に亘り形成されている。
ケース６０１のベース部６０２とフィンベース８００の接続部８１０との接合には、樹脂を用いた接着または溶接等を用いることができるが、耐久性の点で優れている溶接が好ましい。溶接による接合としてレーザ溶接を用いることができる。一般に、レーザ溶接では、接合する部材間に０．１mm以上の隙間が生じると溶接不具合が発生するリスクが高まる。上述したように、本実施形態では、上下のフィンベース８００の接続部８１０の中間部８０４の高さ位置のばらつきを、複数の半導体装置３００間でも０．０１mm程度にすることができる。このため、流路形成体６００とフィンベース８００との接合の信頼性および作業性を高め、以って、生産性を向上することができる。
図１１は、本発明による半導体モジュールの第１の実施形態の他の例を示す断面図である。
図１１に示す半導体モジュール９００Ａは、２つの半導体装置３００と、１つの流路形成体６００Ａとを有する。流路形成体６００Ａは、上ケース６０１ｃと、下ケース６０１ｄとを有する。上ケース６０１ｃは、上方（−Ｚ方向）のフィンベース８００に接合され、下ケース６０１ｄは、下方（Ｚ方向）のフィンベース８００に接合される。上ケース６０１ｃとフィンベース８００との接合構造と下ケース６０１ｄのフィンベース８００との接合構造とは同じである。以下では、上ケース６０１ｃと下ケース６０１ｄとを代表してケース６０１とし、ケース６０１とフィンベース８００との接合構造について説明する。
ケース６０１は、枠状形成を有し、２つの半導体装置３００の間に配置されて半導体装置３００の両方に接合されている。すなわち、ケース６０１は、一方の半導体装置３００のフィンベース８００の接続部８１０に接合部６５０で接合されると共に他方の半導体装置３００のフィンベース８００の接続部８１０に接合部６５０で接合されている。
なお、上ケース６０１ｃと下ケース６０１ｄとは、図示しない領域において連通する冷媒流入口１３（図１６参照）と冷媒流出口１４（図１６参照）とを備えており、上ケース６０１ｃと下ケース６０１ｄとが組付けられて流路形成体６００Ａが構成されている。
図１１に図示された実施形態においても、半導体装置３００の上下のフィンベース８００の接続部８１０の中間部８０４の高さ位置のばらつきを、複数の半導体装置３００間でも０．０１mm程度にすることができる。上ケース６０１ｃと下ケース６０１ｄは、このようにばらつきが小さいフィンベース８００の接続部８１０の中間部８０４に接合される。このため、流路形成体６００Ａとフィンベース８００との接合を、強度上および信頼性の面で良好かつ効率的に行うことができる。
なお、図１１では、半導体モジュール９００Ａは、２つの半導体装置３００を１つの流路形成体６００Ａで連結する構造として例示した。しかし、半導体装置３００の数は、３つ以上とし、隣接する半導体装置３００同士を流路形成体６００Ａで接続する構造とすることができる。
上記第１の実施形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）半導体モジュール９００、９００Ａは、第１の接続部８１０を有する第１のフィンベース（放熱部材）８００と、第２の接続部８１０を有する第２のフィンベース（放熱部材）８００と、第１〜第４の導体４１０〜４１３の外周側面を封止する樹脂８５０とを備える半導体装置３００と、第１のフィンベース８００の第１の接続部８１０および第２のフィンベース８００の第２の接続部８１０に接続された流路形成体６００、６００Ａと、を備え、第１のフィンベース８００の第１の接続部８１０の外周端部８１０ａと第２のフィンベース８００の第２の接続部８１０の外周端部８１０ａ間の厚さ方向の間隔は、第１のフィンベース８００の第１の接続部８１０の中間部８０４と第２のフィンベース８００の第２の接続部８１０の中間部８０４間の厚さ方向の間隔よりも小さくなるように塑性変形された第１の塑性変形部８０１を有し、樹脂８５０は、第１のフィンベース８００の第１の接続部８１０と第２のフィンベース８００の第２の接続部８１０間に充填されている。この構成によれば、流路形成体６００、６００Ａと半導体装置３００の第１、第２のフィンベース８００とを接続するだけで半導体モジュール９００、９００Ａを組付けることができる。従って、上下のケースの周側部の端面同士を位置合わせする工程が必要でなく、半導体モジュール９００、９００Ａの生産性を向上することができる。
なお、第１、第２のフィンベース８００の外周端部８１０ａ間の厚さ方向の間隔は、中間部８０４間の厚さ方向の間隔よりも小さくなるように塑性変形されているので、モールド成型の際、樹脂材８５０Ｓが第１、第２の接続部８１０から外部に漏出するのを抑制することができる。
（２）上記半導体モジュールの製法において、第１のフィンベース８００の第１の接続部８１０および第２のフィンベース８００の第２の接続部それぞれの外周端部８１０ａを金型８５２の段部（突当部）８５５に当接し、第１のフィンベース８００の第１の接続部８１０およびフィンベース８００の第２の接続部８１０間に樹脂材８５０Ｓを充填し、第１のフィンベース８００の第１の接続部８１０の中間部８０４のフィンベース８００の第２の接続部８１０の中間部８０４間の厚さ方向の間隔が段部８５５間の厚さ方向の間隔よりも大きくなるように第１のフィンベース８００の第１の接続部８１０および第２のフィンベース８００の第２の接続部８１０それぞれを塑性変形する。
この方法によれば、第１、第２のフィンベース８００の第１、第２の接続部８１０は樹脂材８５０Ｓの注入時の圧力により塑性変形する。このため、第１、第２のフィンベース８００の第１、第２の接続部８１０を塑性変形する工程を別途行う必要がなく、生産性が向上する。
また、上下のフィンベース８００間に注入された樹脂材８５０Ｓは、上下のフィンベース８００の接続部８１０と段部８５５ｂまたは段部８５５ａの突当部で漏出が抑制され、段部８５５ｂまたは段部８５５ａの第二面８５８側に漏出することはない。
さらに、上下のフィンベース８００の接続部８１０は、金型８５２の段部８５５の下面８５８に押し付けられた位置に保持されるように塑性変形する。つまり、封止前半導体装置構成体３０４の上下のフィンベース８００の接続部８１０間の間隔にばらつきがあっても、すべての封止前半導体装置構成体３０４の接続部８１０の中間部８０４のＺ高さ位置を上下の金型８５２ａ、８５２ｂの下面８５８の位置に設定することができる。このため、上下のフィンベース８００の接続部８１０の中間部８０４の間の間隔のばらつきを極めて小さくすることができる。これにより、上下のフィンベース８００と流路形成体６００、６００Ａとの接合の信頼性および作業性を高め、以って、生産性を向上することができる。
図１２は、本発明による半導体モジュールを用いた電力変換装置の回路図である。
電力変換装置２００は、インバータ回路部１４０、１４２と、補機用のインバータ回路部４３と、コンデンサモジュール５００とを備えている。インバータ回路部１４０及び１４２は、半導体装置３００を複数個備えており、それらを接続することにより三相ブリッジ回路を構成している。電流容量が大きい場合には、更に半導体装置３００を並列接続し、これら並列接続を三相インバータ回路の各相に対応して行うことにより、電流容量の増大に対応できる。また、半導体装置３００に内蔵しているパワー半導体素子である能動素子１５５、１５７やダイオード１５６、１５８を並列接続することでも電流容量の増大に対応できる。
インバータ回路部１４０とインバータ回路部１４２とは、基本的な回路構成は同じであり、制御方法や動作も基本的には同じである。インバータ回路部１４０等の回路的な動作の概要は周知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
上述のように、上アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として上アーム用の能動素子１５５と上アーム用のダイオード１５６とを備えており、下アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として下アーム用の能動素子１５７と下アーム用のダイオード１５８とを備えている。能動素子１５５、１５７は、ドライバ回路１７４を構成する２つのドライバ回路の一方あるいは他方から出力された駆動信号を受けてスイッチング動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。
上述したように、上アーム用の能動素子１５５および下アーム用の能動素子１５７は、コレクタ電極、エミッタ電極、ゲート電極を備えている。上アーム用のダイオード１５６および下アーム用のダイオード１５８は、カソード電極およびアノード電極の２つの電極を備えている。図３に示すように、ダイオード１５６、１５８のカソード電極がＩＧＢＴ１５５、１５７のコレクタ電極に、アノード電極が能動素子１５５、１５７のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。これにより、上アーム用の能動素子１５５および下アーム用の能動素子１５７のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう電流の流れが順方向となっている。
なお、能動素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いても良く、この場合は、上アーム用のダイオード１５６、下アーム用のダイオード１５８は不要となる。
各上・下アーム直列回路の正極側端子３１５Ｂと負極側端子３１９Ｂとはコンデンサモジュール５００のコンデンサ接続用の直流端子にそれぞれ接続されている。上アーム回路と下アーム回路の接続部にはそれぞれ交流電力が発生し、各上・下アーム直列回路の上アーム回路と下アーム回路の接続部は各半導体装置３００の交流側端子３２０Ｂに接続されている。各相の各半導体装置３００の交流側端子３２０Ｂはそれぞれ電力変換装置２００の交流出力端子に接続され、発生した交流電力はモータジェネレータ１９２または１９４の固定子巻線に供給される。
制御回路１７２は、車両側の制御装置やセンサ（例えば、電流センサ１８０）などからの入力情報に基づいて、上アーム用の能動素子１５５、下アームの能動素子１５７のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する。ドライバ回路１７４は、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、上アーム用の能動素子１５５、下アーム用の能動素子１５７をスイッチング動作させるための駆動信号を生成する。
なお、１８１、１８２、１８８はコネクタである。
上・下アーム直列回路は、不図示の温度センサを含み、上・下アーム直列回路の温度情報がマイコンに入力される。また、マイコンには上・下アーム直列回路の直流正極側の電圧情報が入力される。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知および過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全ての上アーム用の能動素子１５５、下アーム用の能動素子１５７のスイッチング動作を停止させ、上・下アーム直列回路を過温度或いは過電圧から保護する。
図１３は、図１２に示す電力変換装置の一例を示す外観斜視図であり、図１４は、図１３に示す電力変換装置のＸＩＶ−ＸＩＶ線断面図である。また、図１５（ａ）は、図１４に図示された電力変換装置を上方側からみた斜視図、図１５（ｂ）は、図１４に図示された電力変換装置を下方側からみた斜視図であり、図１６は、図１５（ａ）のＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。
電力変換装置２００は、下部ケース１１および上部ケース１０により構成され、ほぼ直方体形状に形成された筐体１２を備えている。筐体１２の内部には、図１５に図示される半導体モジュール９００Ｂ、コンデンサモジュール５００等が収容されている。半導体モジュール９００Ｂは流路形成体６００Ｂを備えており、筐体１２の一側面からは、流路形成体６００Ｂの冷却用流路Ｃｗ（図１０参照）に連通する冷却水流入管１３および冷却水流出管１４が突出している。図１４に図示されるように、下部ケース１１は、上部側が開口され、上部ケース１０は、下部ケース１１の開口を塞いで下部ケース１１に取り付けられている。上部ケース１０と下部ケース１１とは、アルミニウム合金等により形成され、外部に対して密封して固定される。上部ケース１０と下部ケース１１とを一体化して構成してもよい。筐体１２を、単純な直方体形状としたことで、車両等への取り付けが容易となり、また、生産もし易い。
図１３に示されるように、筐体１２の長手方向の一側面に、コネクタ１７が取り付けられており、このコネクタ１７には、交流ターミナル１８が接続されている。また、冷却水流入管１３および冷却水流出管１４が導出された面には、コネクタ２１が設けられている。
図１４に図示されるように、筐体１２内には、半導体モジュール９００Ｂが収容されている。半導体モジュール９００Ｂの上方側には、制御回路１７２およびドライバ回路１７４が配置され、半導体モジュール９００の下方側には、コンデンサモジュール５００が収容されている。図１５（ａ）、１５（ｂ）に図示されるように、半導体モジュール９００Ｂは、２in１構造の半導体装置３００を３個有する６in１構造を有する。すなわち、図１２に示すインバータ回路部１４０、１４２の一方を含んでいる。なお、図１５（ｂ）では、半導体装置３００の配置を示すため、流路形成体６００を透過して、フィンベース８００を図示している。
半導体装置３００の交流側端子３２０Ｂは、電流センサ１８０を貫通してバスバー３６１に接合されている。また、半導体装置３００の直流端子である正極側端子３１５Ｂおよび負極側端子３１９Ｂは、それぞれ、コンデンサモジュール５００の正・負極端子３６２Ａ、３６２Ｂに接合される。
なお、図１４に示された半導体装置３００では、交流側端子３２０Ｂは、屈曲されておらず、ストレートに延出されている。また、正極側端子３１５Ｂ、負極側端子３１９Ｂは、根元側においてカットされた短い形状を有する。
電力変換装置２００は、下部ケース１１内に、コンデンサモジュール５００を収容し、予め作製した半導体モジュール９００Ｂをコンデンサモジュール５００上に収容し、半導体モジュール９００Ｂ上に制御回路１７２、ドライバ回路１７４を収容して作製される。半導体モジュール９００Ｂを収容する際には、各半導体装置３００の交流側端子３２０Ｂをバスバー３６１に接合し、正極側端子３１５Ｂ、負極側端子３１９Ｂを、それぞれ、コンデンサモジュール５００の正・負極端子３６２Ａ、３６２Ｂに接合する。制御回路１７２、ドライバ回路１７４を収容する際には、各半導体装置３００の信号端子と制御回路１７２、ドライバ回路１７４の接続端子（図示せず）を接続する。半導体モジュール９００Ｂ、コンデンサモジュール５００、制御回路１７２、ドライバ回路１７４を下部ケース１１内に収容後、上部ケース１０により密封することにより、図１３に図示される電力変換装置２００が得られる。
図１５（ａ）、図１５（ｂ）および図１６に図示されるように、半導体モジュール９００Ｂは、細長の直方体形状を有している。半導体モジュール９００の流路形成体６００Ｂは、鉄やアルミニウム合金等により形成されている。
図１６に図示されるように、流路形成体６００Ｂは、図１０に示す流路形成体６００と図１１に示す流路形成体６００Ａとを組み合わせた構造を有し、流路上部カバー６１０と流路筐体６２０と、流路下部カバー６３０とを有する。流路筐体６２０は、隣接する半導体装置３００同士を接続する枠部６２１が設けられている。流路上部カバー６１０と流路筐体６２０とは、不図示の締結部材により組付けられている。流路筐体６２０と流路下部カバー６３０とは、Ｏリング６３１を介して結合され、水密構造を構成している。
枠部６２１は、図１１に図示されるように、隣接する各半導体装置３００のフィンベース８００の接続部８１０の接合部６５０で接続され、両隣の半導体装置３００を連結している。
流路下部カバー６３０には、冷却水流入管１３および冷却水流出管１４が設けられている。流路筐体６２０には、枠部６２１を厚さ（Ｚ方向）に貫通する貫通流路６１２が形成されている。冷却水流入管１３から流入した冷却水は、各半導体装置３００の下面（Ｚ方向）と流路下部カバー６３０間に設けられた流路を流通して各半導体装置３００を下方側から冷却する。また、冷却水流入管１３から流入した冷却水は、貫通流路６１２を介して各半導体装置３００の上面（−Ｚ方向）と流路上部カバー６１０間に設けられた流路を流通して各半導体装置３００を上方側から冷却する。各半導体装置３００を上方側および下方側から冷却した冷却水は冷却水流出管１４から流出する。流路下部カバー６３０、流路筐体６２０、流路上部カバー６１０内には、各半導体装置３００を冷却するための冷却用流路Ｃｗが形成されている。
このように、２in１構造の半導体装置３００を３個用いて、６in１構造の電力変換装置２００を形成している。
−第２の実施形態−
図１７は、本発明による半導体モジュールの第２の実施形態を示す断面図である。
第２の実施形態では、半導体装置３００のフィンベース８００の接続部８１０の中間部８０４に厚肉部８１１を設けた構造を有する。
厚肉部８１１は、接続部８１０の流路形成体６００Ａ側とは反対側に突出して設けられている。厚肉部８１１が第１塑性変形部８０１と第３塑性変形部８０３の間の中間部８０４に設けられているので、接続部８１０の塑性変形を阻害することなく、接続部８１０を第１〜第３の塑性変形部８０１〜８０３で塑性変形させることができる。フィンベース８００の接続部８１０と流路形成体６００Ａとをレーザ溶接により接合する場合、レーザ出力のばらつきによりレーザがフィンベース８００の接続部８１０と流路形成体６００Ａとを厚さ方向に貫通する可能性がある。フィンベース８００の接続部８１０に厚肉部８１１を設けることで、このようなレーザの貫通を抑制することができ、接合強度を確保することができる。
第２の実施形態における他の構成は、第１の実施形態と同様である。
従って、第２の実施形態においても第１の実施形態と同様な効果を奏する。
−第３の実施形態−
図１８（ａ）は、本発明による半導体モジュールの第３の実施形態の断面図、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）に示すフィンベースの接続部をモールド成型する工程の拡大断面図である。
第３の実施形態では、半導体装置３００のフィンベース８００の接続部８１０の中間部８０４に、断面三角形状の凹部８１２が設けられた構造を有する。凹部８１２は、接続部８１０の中間部８０４の幅（Ｘ方向の長さ）のほぼ中央部に、全周に亘る環状に設けられており、接続部８１０は、凹部８１２を境に、Ｘ方向および−Ｘ方向に延在する２つの平坦部に分割される。
金型８５２には、凹部８１２を形成するための断面三角形状の突部８６０が、全周に亘る環状に設けられている。
金型８５２内に樹脂材８５０Ｓを注入すると、樹脂材８５０Ｓが上下のフィンベース８００の接続部８１０間に充填され、各フィンベース８００の接続部８１０は、樹脂圧により段部８５５ｂの第二面８５８に押し付けられる。金型８５２には突部８６０が形成されているため、接続部８１０は突部８６０の角部となっている頂部および頂部両側の根元部で、それぞれ、塑性変形部８０５、８０６、８０７が形成され、この状態が保持される。
図１８（ａ）に図示されるように、流路形成体６００Ａの上下のケース６０１は、それぞれ、各半導体装置３００のフィンベース８００の接続部８１０に２つの接合部６５０で接合される。２つの接合部６５０は、接続部８１０の凹部８１２のＸ方向の平坦部の領域と、−Ｘ方向の平坦部の領域とに１つずつ設けられる。
このように、１つのフィンベース８００の接続部８１０は、２か所で流路形成体６００の各ケース６０１に接合されている構造とすることにより接続強度の信頼性が確保され、また、水密性能が向上する。
第３の実施形態における他の構成は、第１の実施形態と同様である。
従って、第３の実施形態においても第１の実施形態と同様な効果を奏する。
上記実施形態では、半導体モジュール９００、９００Ａを、上アームと下回路が１対設けられた２in１構造または３対設けられた６in１構造として例示した。しかし、半導体モジュール９００、９００Ａを３in１構造または４in１構造とすることもできる。
なお、３in１構造は、例えば、３個の上アーム回路をパッケージ化した構造、または３個の下アーム回路をパッケージ化した構造を有する。３個の上アーム回路をパッケージした上アームパッケージと３個の下アーム回路をパッケージした下アームパッケージとを組み合わせて、６in１構造を有する半導体モジュールを形成することができる。
上記実施形態では、第１〜第４の導体４１０〜４１３と配線板４２２、４２３の配線４５２、４５４の接合、および配線板４２２、４２３の配線４５２、４５４とフィンベース８００とを金属接合部材５１により接合する構造として例示した。しかし、金属接合部材５１による接合に替えて、導電性接着剤や、溶接、イオンビーム照射による溶融接合等、他の接合法によってもよい。
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。上述した種々の実施の形態および変形例を組み合わせたり、適宜、変更を加えたりしてもよく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
１５５、１５７ 能動素子（半導体素子）
１５６、１５８ ダイオード（半導体素子）
２００ 電力変換装置
３００ 半導体装置
３０４ 封止前半導体装置構成体
４１０〜４１３ 第１〜第４導体
４２２ エミッタ側配線板
４２３ コレクタ側配線板
４５１，４５３ 絶縁板
６００、６００Ａ、６００Ｂ 流路形成体
６０１ ケース（枠部）
６０１ａ、６０１ｃ 上ケース（枠部）
６０１ｂ、６０１ｄ 下ケース（枠部）
６０２ ベース部（枠部）
６０３ カバー部
６２１ 枠部
６５０ 接合部
８００ フィンベース（放熱部材）
８００ａ フィン
８０１〜８０３ 第１〜第３塑性変形部
８０４ 中間部（平坦部）
８１０ 接続部
８１０ａ 外周端部
８１１ 厚肉部
８１２ 凹部
８５０ 樹脂
８５０Ｓ 樹脂材
８５２ 金型
８５５、８５５ａ、８５５ｂ 段部（突当部）
９００、９００Ａ 半導体モジュール
９００Ａ 半導体モジュール
Ｃｗ 冷却用流路
Ｐｓ 静水圧

Claims (10)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子を挟んで厚さ方向に対向して配置され、それぞれ前記半導体素子に接続される一対の導体と、
    前記一対の導体のうちの一方の導体の前記半導体素子側と反対側の面に絶縁部材を介して配置され、前記一方の導体の外周側面より外方に延出された第１の接続部を有する第１の放熱部材と、
    前記一対の導体のうちの他方の導体の前記半導体素子側と反対側の面に絶縁部材を介して配置され、前記他方の導体の外周側面より外方に延出された第２の接続部を有する第２の放熱部材と、
    前記一対の導体の外周側面を封止する樹脂と、を備える半導体装置と、
    前記半導体装置の前記第１の放熱部材の前記第１の接続部および前記第２の放熱部材の前記第２の接続部に接続された流路形成体と、を備え、
    前記第１の放熱部材の前記第１の接続部の外周端部と前記第２の放熱部材の前記第２の接続部の外周端部間の厚さ方向の間隔は、前記第１の放熱部材の前記第１の接続部の中間部と前記第２の放熱部材の前記第２の接続部の中間部間の厚さ方向の間隔よりも小さくなるように塑性変形された第１の塑性変形部を有し、
    前記樹脂は、前記第１の放熱部材の前記第１の接続部と前記第２の放熱部材の前記第２の接続部間に充填されている半導体モジュール。
  2. 請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記第１の放熱部材および前記第２の放熱部材は、それぞれ、放熱用のフィンを有する半導体モジュール。
  3. 請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記第１の放熱部材の前記第１の接続部および前記第２の放熱部材の前記第２の接続部のそれぞれは、前記導体の前記外周側面に対向する根元部と前記外周端部との間に平坦部を有する半導体モジュール。
  4. 請求項３に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記第１の放熱部材の前記第１の接続部および前記第２の放熱部材の前記第２の接続部それぞれの根元部は、前記平坦部側に向かって厚さ方向の間隔が大きくなるように塑性変形する第２の塑性変形部を有する半導体モジュール。
  5. 請求項３に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記流路形成体は、前記第１の放熱部材の前記第１の接続部および前記第２の放熱部材の前記第２の接続部それぞれの前記平坦部において前記第１の接続部および前記第２の接続部それぞれに接合されている半導体モジュール。
  6. 請求項５に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記流路形成体と、前記第１の放熱部材の前記第１の接続部および前記第２の放熱部材の前記第２の接続部との接合は、溶接である半導体モジュール。
  7. 請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記流路形成体は、前記第１の放熱部材および前記第２の放熱部材それぞれの前記導体側と反対側の面を覆って設けられ、前記第１の放熱部材および前記第２の放熱部材それぞれの前記導体側と反対側の面との間に冷媒の流路を形成するカバー部を有する半導体モジュール。
  8. 請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記半導体装置を複数個備え、
    前記流路形成体は、隣接する前記半導体装置の前記第１の放熱部材の前記第１の接続部相互および前記半導体装置の前記第２の放熱部材の前記第２の接続部相互を接続する枠部を有する半導体モジュール。
  9. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の前記半導体モジュールを、複数個、前記流路形成体内に収容する電力変換装置。
  10. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
    前記第１の放熱部材の前記第１の接続部および前記第２の放熱部材の前記第２の接続部それぞれの外周端部を金型の突当部に当接し、前記第１の放熱部材の前記第１の接続部および前記第２の放熱部材の前記第２の接続部間に樹脂を充填し、前記第１の放熱部材の前記第１の接続部の中間部と前記第２の放熱部材の前記第２の接続部の中間部間の厚さ方向の間隔が前記突当部間の厚さ方向の間隔よりも大きくなるように前記第１の放熱部材の前記第１の接続部および前記第２の放熱部材の前記第２の接続部それぞれを塑性変形する半導体モジュールの製造方法。
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