JP2023081051A - 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

Abstract

【課題】複数のパワー半導体素子とともに電子部品を封止する場合に、封止部材が流動する隙間が狭くなりボイドなどが発生して半導体モジュールの信頼性が低下する課題がある。【解決手段】並列に配列された複数のパワー半導体素子と、前記並列に配列された前記複数のパワー半導体素子の上面及び下面にそれぞれ接合された第１の導体板と第２の導体板と、前記第２の導体板上に設けられた配線基板と、前記配線基板上に実装される電子部品と、を備え、前記複数のパワー半導体素子と前記第１の導体板および前記第２の導体板と前記配線基板と前記電子部品とを封止部材で封止した半導体モジュールであって、前記配線基板の上面側に位置する前記第１の導体板には、前記配線基板上の前記電子部品と対向する領域に凹部および貫通孔の少なくとも一方が形成される半導体モジュール。【選択図】図５

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。

パワー半導体素子のスイッチングによる電力変換装置は、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。近年は、パワー半導体素子は、通電できる電流に限度があるため、複数のパワー半導体素子を並列に接続することにより、大電流に対応した高出力化が図られている。一方で、パワー半導体素子の周辺には、パワー半導体素子のゲートに駆動に必要な電荷を加えるためゲート抵抗や、パワー半導体素子のスイッチング時のサージを平滑化するためのチップコンデンサなどの電子部品が必要となる。複数のパワー半導体素子を封止してなる半導体モジュールには、これらの電子部品も含めて封止する必要がある。

特許文献１には、複数のパワー半導体素子を並列に接続した電力変換装置が開示されている。

特開２０１９－０６８５３４号公報

複数のパワー半導体素子とともに電子部品を封止する場合に、封止部材が流動する隙間が狭くなりボイドなどが発生して半導体モジュールの信頼性が低下する課題がある。

本発明による半導体モジュールは、並列に配列された複数のパワー半導体素子と、前記並列に配列された前記複数のパワー半導体素子の上面及び下面にそれぞれ接合された第１の導体板と第２の導体板と、前記第２の導体板上に設けられた配線基板と、前記配線基板上に実装される電子部品と、を備え、前記複数のパワー半導体素子と前記第１の導体板および前記第２の導体板と前記配線基板と前記電子部品とを封止部材で封止した半導体モジュールであって、前記配線基板の上面側に位置する前記第１の導体板には、前記配線基板上の前記電子部品と対向する領域に凹部および貫通孔の少なくとも一方が形成される。
本発明による半導体モジュールの製造方法は、並列に配列された複数のパワー半導体素子と、前記並列に配列された前記複数のパワー半導体素子の上面及び下面にそれぞれ接合された第１の導体板と第２の導体板と、前記第２の導体板上に設けられた配線基板と、前記配線基板上に実装される電子部品と、を備え、前記複数のパワー半導体素子と前記第１の導体板および前記第２の導体板と前記配線基板と前記電子部品とを封止部材で封止した半導体モジュールの製造方法であって、前記配線基板の上面側に位置する前記第１の導体板に、前記配線基板上の前記電子部品と対向する領域に形成された凹部または貫通孔へ、前記封止部材を流し込んで封止する工程を含む。

本発明によれば、ボイドなどの発生を抑制し、信頼性の高い半導体モジュールを提供することができる。

電気回路体の平面図である。 電気回路体の断面図である。 半導体モジュールの平面図である。 半導体モジュールの内部構造を示す平面図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）半導体モジュール断面図である。 半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。 （ａ）（ｂ）比較例の製造工程を示す断面図である。 （ａ）（ｂ）変形例１にかかる半導体モジュールを示す図である。 変形例１にかかる半導体モジュール３００の製造工程を示す断面図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）変形例２にかかる半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）エミッタ側の導体板の製造工程を示す外観斜視図である。 （ａ）（ｂ）貫通孔の形状を示す図である。 半導体モジュールの回路図である。 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。 電力変換装置の一例を示す外観斜視図である。 電力変換装置の断面図である。

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。

同一あるいは同様な機能を有する構成要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。

図１は、電気回路体４００の平面図である。電気回路体４００は、半導体モジュール３００と冷却部材３４０からなる。半導体モジュール３００は、３個設けられ、パワー半導体素子を用い直流電流と交流電流を変換する機能があり、通電により発熱するため、これを冷却部材３４０内に流れる冷媒で冷却する。冷媒には、水や水にエチレングリコールを混入した不凍液等を用いることができる。各半導体モジュール３００は、直流回路のコンデンサモジュール５００（図１４参照）に連結する正極側端子３１５Ｂおよび負極側端子３１９Ｂ、交流回路のモータジェネレータ１９２、１９４（図１４参照）に連結する交流側端子３２０Ｂ等の大電流が流れるパワー端子を備えている。また、下アームゲート端子３２５Ｌ、エミッタセンス信号端子３２５Ｅ、コレクタセンス信号端子３２５Ｃ、上アームゲート端子３２５Ｕ、等の半導体モジュール３００の制御に用いる信号端子を備えている。

図２は、電気回路体４００の断面図である。この断面図は図１に示すＡ－Ａ線の断面図である。図３は、半導体モジュール３００の平面図である。図１に示す電気回路体４００に搭載している一個の半導体モジュール３００を示す。

上アーム回路を形成するパワー半導体素子１５５（図４参照）は、素子を２列で各列に５個を配置して並列接続したものである。パワー半導体素子１５５としては、Si、SiC、GaN、GaO、C等を用いることができる。パワー半導体素子のボディダイオードを用いる場合は、別付けのダイオードを省略してもよい。パワー半導体素子１５５のコレクタ側は、第２導体板４３１に接合されている。この接合に用いる接合部材は、はんだでもよいし、焼結金属でもよい。パワー半導体素子１５５のエミッタ側には第１導体板４３０が接合されている。

下アーム回路を形成するパワー半導体素子１５７（図４参照）は、素子を２列で各列に５個を配置して並列接続したものである。パワー半導体素子１５７のコレクタ側は、第４導体板４３３（図５（ｂ）参照）に接合されている。パワー半導体素子１５７のエミッタ側には第３導体板４３２（図５（ｂ）参照）が接合されている。

導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、電気伝導性と熱伝導率が高い材料であれば特に限定されないが、銅系又はアルミ系材料が望ましい。これらは、単独で用いてもよいが、はんだや、焼結金属との接合性を高めるためNiやAg等のめっきを施してもよい。導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、電流を通電する役割の他に、パワー半導体素子１５５、１５７が発する熱を冷却部材３４０に伝熱する伝熱部材としての役割をはたしている。導体板４３０、４３１、４３２、４３３と冷却部材３４０は電位が異なるため、この間に絶縁層４４２、４４３（図２参照）を有する。絶縁層４４２、４４３は、樹脂系の絶縁層を用いてもセラミック系の絶縁層を用いてもよい。セラミック系の絶縁層は熱伝導率に優れる利点がある。また、樹脂系の絶縁層は、接着性を持たせることができ、導体板４３０、４３１、４３２、４３３に圧着できるため生産性に優れる利点がある。本実施形態では、樹脂系の絶縁層の一例を示している。

絶縁層４４２、４４３は金属箔４４４と組み合わせてシート部材４４０、４４１とし、絶縁層４４２、４４３側を導体板４３０、４３１、４３２、４３３に圧着することで、片面にのみ接着性を有する絶縁シートとして生産時の作業性を向上できる。また、冷却部材３４０と接する側を金属箔４４４にすることで絶縁層４４２、４４３を保護することができる。シート部材４４０、４４１と冷却部材３４０の間には、接触熱抵抗を低減するため熱伝導部材４５３を設ける。パワー半導体素子１５５、１５７、導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、トランスファー成形により封止樹脂などの封止部材３６０で封止される。シート部材４４０、４４１の端部を封止部材３６０に埋没するようにしてシート部材４４０、４４１がその端部からの剥離を防止するようにしてもよい。

図４は、半導体モジュール３００の内部構造を示す平面図である。この図４は、図３の半導体モジュール３００の平面図から、第１シート部材（エミッタ側）４４０、第１導体板（上アーム回路のエミッタ側）４３０、第３導体板（下アーム回路のエミッタ側）４３２を取り除いた状態を示す。

図４に示すように、上アーム回路を形成するパワー半導体素子１５５は、第２導体板４３１の上に、２列で各列に５個ずつ配置されている。下アーム回路を形成するパワー半導体素子１５７も同様に、第４導体板４３３の上に、２列で各列に５個ずつ配置されている。並列に配列されたパワー半導体素子１５５、１５７のそれぞれの配列の間には、導体板４３１、４３３の上に、配線基板３７２ａが設けられている。配線基板３７２ａ上には、パワー半導体素子１５５、１５７と下アームゲート端子３２５Ｌ、エミッタセンス信号端子３２５Ｅ、コレクタセンス信号端子３２５Ｃ、上アームゲート端子３２５Ｕ、等の信号端子とをつなぐ信号配線が設けられている。そして、パワー半導体素子１５５、１５７のゲートにつながる信号配線にはチップ抵抗３７０が配置されている。パワー半導体素子１５５、１５７のそれぞれの配列の間に、配線基板３７２ａを設置することで、１つの配線基板３７２ａで両側のパワー半導体素子１５５、１５７の配線を引き回すことができ、配線基板３７２ａの数と面積を少なくして効率化できる。

導体板４３１、４３３の上には接着剤３７３を介して、導体板４３１、４３３の端部に、配線基板３７２ｂが設けられている。配線基板３７２ｂ上には、パワー半導体素子１５５、１５７と信号端子とをつなぐ信号配線が設けられ、信号配線にはチップコンデンサ３７１が配置されている。パワー半導体素子１５５、１５７として、ＳｉＣなどの次世代デバイスを用いて、高速でスイッチングする場合、平滑用のコンデンサの一部を半導体モジュール３００内にチップコンデンサ３７１として設置する。この場合、半導体モジュール３００内に設けたチップコンデンサ３７１はインダクタンスを低くすることができる。これにより、半導体モジュール３００の外に設けたインダクタンスが高くなる平滑用のコンデンサでは平滑化できない高速スイッチング時のサージを、平滑化することが可能となる。

なお、配線基板３７２ａ、３７２ｂにチップ抵抗３７０やチップコンデンサ３７１が配置される例で説明するが、チップ抵抗３７０やチップコンデンサ３７１を含むその他の電子部品を配置してもよい。例えば、配線基板３７２ａ、３７２ｂに、故障診断ＩＣや電流センサ、温度センサなどの電子部品を搭載して高機能化することが可能である。また、配線基板３７２ａ、３７２ｂは、絶縁層を挟み込んで多層にした構造の多層基板であってもよい。

図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）は、半導体モジュール３００の断面図である。図５（ａ）は、図４に示すＢ－Ｂ線の、図５（ｂ）は、図４に示すＣ－Ｃ線の、図５（ｃ）は、図４に示すＤ－Ｄ線の断面図である。なお、図４では取り除いていた、第１シート部材（エミッタ側）４４０、第１導体板（上アーム回路エミッタ側）４３０を設けた状態の断面図を示す。

図５（ａ）に示すように、配線基板３７２ｂにチップコンデンサ３７１が配置されている。この配線基板３７２ｂの上面側に位置する導体板４３０には、配線基板３７２ｂ上のチップコンデンサ３７１と対向する領域に凹部４３４が形成されている。

図５（ｂ）に示すように、配線基板３７２ａにチップ抵抗３７０が配置されている。この配線基板３７２ａの上面側に位置する導体板４３０、４３２には、配線基板３７２ａ上のチップ抵抗３７０と対向する領域に凹部４３４が形成されている。

図５（ｃ）に示すように、配線基板３７２ａの上面側に位置する導体板４３０、４３２には、配線基板３７２ａ上のチップ抵抗３７０と対向する領域に凹部４３４が形成されている。凹部４３４は、複数のパワー半導体素子１５５、１５７の配列の方向に沿って設けられている。配線基板３７２ａの両側は間隙を形成している。この間隙や凹部４３４には、トランスファー成形工程において、封止部材が流入して充填される。その場合に、凹部４３４を設けているので、流入する封止部材が、配線基板３７２ａ、３７２ｂ上に設置された電子部品によって妨げられるのを防止する。これにより、複数のパワー半導体素子とともに電子部品を封止する場合に、封止部材が流動する隙間が狭くなりボイドなどが発生して半導体モジュール３００の信頼性が低下させることなく、また、半導体モジュール３００の厚さを増加させることなく、信頼性の高い半導体モジュール３００を提供することができる。

図６は、半導体モジュール３００の製造工程を示す断面図である。図５（ｃ）と同様に、図４に示すＤ－Ｄ線の断面図で示す。
トランスファーモールド装置６０１内の金型に、封止部材３６０で封止する前の半導体モジュール３００（以下、回路体３１０と称する）を設置する。この回路体３１０は、パワー半導体素子１５５、１５７と、パワー半導体素子１５５、１５７の上面及び下面に接合された導体板４３１、４３３と、導体板４３１、４３３上に設けられた配線基板３７２ａ、３７２ｂと、配線基板３７２ａ、３７２ｂ上に実装されたチップ抵抗３７０、チップコンデンサ３７１などの電子部品を含む。

トランスファーモールド装置６０１は、スプリング６０２とシート部材４４０、４４１を金型に真空吸着する機構及び、真空脱気機構を備える。トランスファーモールド装置６０１は、予め１７５℃の恒温状態に加熱した金型内に、シート部材４４０、４４１を真空吸着にて保持する。次に、シート部材４４０、４４１と回路体３１０とが離間した状態から、上下の金型を近接し、図示していない上下金型の周囲に設置したパッキンのみ接触させる。そして、金型キャビティを真空排気する。所定の気圧以下になるよう真空排気が完了すると、パッキンをさらに押しつぶし、上下の金型を完全にクランプする。この時、シート部材４４０、４４１と回路体３１０は接触する。真空状態で、シート部材４４０、４４１と回路体３１０が接触し、スプリング６０２による加圧力で密着するため、ボイドを巻き込まず密着できる。そして、トランスファー成形工程で、封止部材３６０を注入口３６５より金型キャビティに注入する。

既に説明したように、導体板４３０、４３２には凹部４３４が形成されている。例えば、電子部品と導体板４３０、４３２との隙間を２４０μｍ以上確保して、トランスファー成形工程で電子部品の上にも確実に封止部材３６０が充填されるようにしている。封止部材３６０に充填している充填材は８０μｍ以下のものが用いられているが、最大粒径の３倍未満では、流動時に充填材が偏在し樹脂強度が低下する場合がある。電子部品と導体板４３０、４３２との隙間を２４０μｍ以上とすることで、凹部４３４に封止される部分の樹脂強度を確保し、温度変化などの熱応力に対する信頼性を高める効果がある。また、絶縁層４４２、４４３を含むシート部材４４０、４４１をトランスファー成形工程で圧着することで生産性を向上している。

次の硬化工程においては、トランスファーモールド装置６０１から封止部材３６０で封止した半導体モジュール３００を取り出し、常温で冷却し、その後、２時間以上で硬化を行う。

図７（ａ）、図７（ｂ）は、比較例の製造工程を示す断面図である。この比較例は、本実施形態を用いない例を、本実施形態と比較するために示したものである。図６と同一の箇所には同一の符号を付して説明を簡略に行う。

図７（ａ）は、導体板４３０、４３２に凹部４３４を形成していない例を示す。図７（ａ）に示すように、導体板４３０、４３２に凹部４３４を設けない場合、配線基板３６２には電子部品の搭載は困難となる。また、配線基板３６２を設置しても、配線基板３６２と導体板４３０、４３２との隙間が２４０μｍ未満となり、封止部材３６０の未充填部や、充填部の樹脂強度不足が生じる場合がある。

また、図７（ｂ）は、エミッタ側の導体板４３０、４３２とコレクタ側の導体板４３１、４３３との間にスペーサ４３８を入れて隙間を確保した例を示す。なお、トランスファーモールド装置６０１は図示を省略している。この場合、封止部材３６０の流動性は良くなるものの、スペーサ４３８が高くなりエミッタ側の導体板４３０、４３２への熱伝導が悪化し放熱性が低下する。

本実施形態では、このような比較例と比較して、エミッタ側の導体板４３０、４３２に凹部４３４を形成して封止部材３６０の流動性を高めることで、配線基板３６２に電子部品の搭載を可能にし、封止部材３６０の充填部の樹脂強度を保ち、放熱性を維持することができる。

図８（ａ）、図８（ｂ）は、変形例１にかかる半導体モジュール３００を示す図である。図８（ａ）は、半導体モジュール３００の内部構造を示す半透過図である。この図８（ａ）は、図３の半導体モジュール３００の平面図から、第１シート部材（エミッタ側）４４０を取り除いた状態、すなわち図４のパワー半導体素子１５５、１５７に、第１導体板（上アーム回路のエミッタ側）４３０および第３導体板（下アーム回路のエミッタ側）４３２が接合された状態を示す。図８（ｂ）は、図８（ａ）の領域Ｔの拡大図、図８（ｃ）は、図８（ａ）のＥ－Ｅ線の断面図である。図４と同一の箇所には同一の符号を付して説明を簡略に行う。

図８（ａ）に示すように、配線基板３７２ａ、３７２ｂの上面側に位置する導体板４３０、４３２には、配線基板３７２ａ、３７２ｂ上の電子部品（チップ抵抗３７０やチップコンデンサ３７１）と対向する領域に貫通孔４３５が形成されている。

貫通孔４３５を設けているので、トランスファー成形工程において、流入する封止部材が、配線基板３７２ａ、３７２ｂ上に設置された電子部品によって妨げられるのを防止する。これにより、複数のパワー半導体素子とともに電子部品を封止する場合に、封止部材が流動する隙間が狭くなりボイドなどが発生して半導体モジュール３００の信頼性が低下させることなく、また、半導体モジュール３００の厚さを増加させることなく、信頼性の高い半導体モジュール３００を提供することができる。

チップ抵抗３７０と対向する領域に設けられる貫通孔４３５は、配線基板３７２ａを挟んで互いに対向するパワー半導体素子１５５、１５７を結ぶ直線経路Ｐと重畳しない位置であって、複数のパワー半導体素子１５５、１５７の配列の方向に沿って複数設けられる。貫通孔４３５を、パワー半導体素子１５５、１５７とパワー半導体素子１５５、１５７とを最短距離で結ぶ直線経路Ｐと重畳しない位置に形成することで、漏洩電流が貫通孔４３５を迂回してインダクタンスが増加することを防止している。具体的には、直線経路Ｐは、パワー半導体素子１５５、１５７の対向する幅Wと互いの距離で規定される領域である。この領域に入らないように貫通孔４３５を設ける。または、直線経路Ｑは、図８（ｂ）に示すように、配線基板３７２ａ、３７２ｂを挟んで互いに対向するパワー半導体素子１５５、１５７の幅Wの中心線から＋W×1/4、－W×1/4の範囲（幅Wの中心部のW×2/4の範囲）と互いの距離で規定される領域である。少なくとも、この直線経路Ｑに入らないように貫通孔４３５を設ける。

図９は、変形例１にかかる半導体モジュール３００の製造工程を示す断面図である。図６と同一の箇所には同一の符号を付して説明を簡略に行う。図８（ａ）に示したように、導体板４３０、４３２には、貫通孔４３５が形成されている。
まず、トランスファーモールド装置６０１内の金型に、封止部材３６０で封止する前の半導体モジュール３００（シート部材４４０、４４１を設けた回路体３１０）を設置する。この半導体モジュール３００は、パワー半導体素子１５５、１５７と、パワー半導体素子１５５、１５７の上面及び下面に接合された導体板４３１、４３３と、導体板４３１、４３３および導体板４３０、４３２の外表面を両面から挟むシート部材４４０、４４１と、導体板４３１、４３３上に設けられた配線基板３７２ａ、３７２ｂと、導体板４３１、４３３上に設けられた配線基板３７２ａ、３７２ｂと、配線基板３７２ａ、３７２ｂ上に実装されたチップ抵抗３７０、チップコンデンサ３７１などの電子部品を含む。

トランスファーモールド装置６０１は、スプリング６０２とシート部材４４０、４４１を金型に真空吸着する機構及び、真空脱気機構を備える。トランスファーモールド装置６０１は、予め１７５℃の恒温状態に加熱した金型内に、シート部材４４０、４４１を真空吸着にて保持する。次に、シート部材４４０、４４１と回路体３１０とが離間した状態から、上下の金型を近接し、図示していない上下金型の周囲に設置したパッキンのみ接触させる。そして、金型キャビティを真空排気する。所定の気圧以下になるよう真空排気が完了すると、パッキンをさらに押しつぶし、上下の金型を完全にクランプする。この時、シート部材４４０、４４１と回路体３１０は接触する。真空状態で、シート部材４４０、４４１と回路体３１０が接触し、スプリング６０２による加圧力で密着するため、ボイドを巻き込まず密着できる。

そして、トランスファー成形工程で、封止部材３６０を注入口３６１より金型キャビティに注入する。エミッタ側の導体板４３０、４３２に貫通孔４３５を形成しているので、配線基板３６２に背の高い電子部品を搭載しても、封止部材３６０の流動性が損なわれることがなく、半導体モジュールの放熱性を維持することができる。

図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）は、変形例２にかかる半導体モジュール３００の製造工程を示す断面図である。図９と同一の箇所には同一の符号を付して説明を簡略に行う。

トランスファーモールド装置６０１内の金型に、封止部材３６０で封止する前の半導体モジュール３００’を設置する。この半導体モジュール３００’は、シート部材４４０、４４１を設ける前の状態である。すなわち、半導体モジュール３００’は、パワー半導体素子１５５、１５７と、パワー半導体素子１５５、１５７の上面及び下面に接合された導体板４３１、４３３と、導体板４３１、４３３上に設けられた配線基板３７２ａ、３７２ｂと、導体板４３１、４３３上に設けられた配線基板３７２ａ、３７２ｂと、配線基板３７２ａ、３７２ｂ上に実装されたチップ抵抗３７０、チップコンデンサ３７１などの電子部品を含む。トランスファーモールド装置６０１内の金型と導体板４３１、４３３との間は、空隙であるオーバーモールド部３６３が形成される。

そして、トランスファー成形工程で、封止部材３６０を注入口３６１より金型キャビティに注入する。封止部材３６０は、オーバーモールド部３６３および貫通孔４３５を流通するので、配線基板３６２に背の高い電子部品を搭載しても、封止部材３６０の流動性が損なわれることがなく、封止部材３６０の充填性を飛躍的向上している。このため、半導体モジュールの放熱性を維持することができる。

図１０（ｂ）は、研削工程であり、封止部材３６０が硬化した後、半導体モジュール３００’を取り出し、エミッタ側の導体板４３０、４３２が露出する研削面３６４まで研削する。
図１０（ｃ)は、圧着工程であり、研削工程の後に、シート部材４４０、４４１を半導体モジュール３００’の両面に圧着する。

図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）は、エミッタ側の導体板４３０、４３２の製造工程を示す外観斜視図である。
図１１（ａ）は銅板の製造工程である。導体板４３０、４３２として用いる銅板に、凹部４３４を形成する。凹部４３４の溝に沿った方向の両側は凸部４３７を形成する。これにより、凹部４３４と凸部４３７とを引き抜き材として製造することで、生産性を向上している。

図１１（ｂ）は、突起形成工程である。凸部４３７をプレスにより所定間隔でへこませることで突起部４３６を設ける。凹部４３４は、複数のパワー半導体素子１５５、１５７の配列の方向に沿って設けられている。そして、凹部４３４と対応して、配線基板３７２ａが設置される。したがって、突起部４３６は、配線基板３７２ａの両側に、パワー半導体素子１５５、１５７の配列の方向に所定間隔で設けられることになる。これにより、トランスファー成形工程において、封止部材が突起部４３６と突起部４３６との間にも流入して、ボイドなどの発生を抑えるので半導体モジュール３００の信頼性が高まる。

図１１（ｃ）は貫通孔形成工程である。貫通孔４３５を形成する場合は、凹部４３４に所定間隔で穴あけを行う。貫通孔４３５は、配線基板３７２ａを挟んで互いに対向するパワー半導体素子１５５、１５７を結ぶ直線経路Ｐ、Ｑと重畳しない位置であって、複数のパワー半導体素子１５５、１５７の配列の方向に沿って複数設けられる。

図１２（ａ）、図１２（ｂ）は、貫通孔４３５の形状を示す図である。図１２（ａ）は、断面図、図１２（ｂ）は、シート部材４４０を取り除いた状態の平面図である。
図１２（ａ）に示すように、エミッタ側の導体板４３０の貫通孔４３５に面彫りや、Ｒ加工４３５ｒを設けることで、導体板４３０とシート部材４４０の接触部の応力を緩和し、半導体モジュール３００の信頼性を向上している。また、図１２（ｂ）に示すように、上面から導体板４３０を見た場合もＲや面取り４３５ｒを設けることで、導体板４３０とシート部材４４０の接触部の応力を緩和し信頼性を向上している。

図１３は、半導体モジュール３００の回路図である。端子３１５Ｂは、上アーム回路のコレクタ側から出力しており、バッテリ又はコンデンサの正極側に接続される。端子３２５Ｕは、上アーム回路のパワー半導体素子１５５のゲート及びエミッタセンスから出力している。端子３１９Ｂは、下アーム回路のエミッタ側から出力しており、バッテリ若しくはコンデンサの負極側、又はＧＮＤに接続される。端子３２５Ｌは、下アーム回路のパワー半導体素子１５７のゲート及びエミッタセンスから出力している。端子３２０Ｂは、下アーム回路のコレクタ側から出力しており、モータに接続される。中性点接地をする場合は、下アーム回路は、ＧＮＤでなくコンデンサの負極側に接続する。ゲート端子３２５Ｕとパワー半導体素子１５５の間やゲート端子３２５Ｌとパワー半導体素子１５７の間にはそれぞれ、チップ抵抗３７０を設け、ゲートに加える電荷を安定化している。端子３２５Ｃは、コレクタセンス信号の端子、端子３２５Ｅは、エミッタセンス信号の端子である。

また、第２導体板４３１と正極側端子３１５Ｂとの間や、第３導体板４３２と負極側端子３１９Ｂとの間に、チップコンデンサ３７１を設け、高速スイッチング時のサージを平滑化している。

なお、図１３では、パワー半導体素子１５５、１５７をそれぞれ一つの記号で表しているが、図３を参照して述べたように、パワー半導体素子１５５は、２列で各列に５個を配置してなる。パワー半導体素子１５７も同様に、２列で各列に５個を配置してなる。すなわち、パワー半導体素子１５５、１５７は、通電できる電流を増やして出力をアップするために、パワー半導体素子を１０個並列に用いる。なお、並列に用いるパワー半導体素子の数は一例であり、要求される出力に応じてパワー半導体素子を多並列で用いる。

パワー半導体素子１５５、１５７を多並列にして用いる場合、パワー半導体素子１５５、１５７の誤作動を防止するため、多並列にした素子毎にゲート抵抗を設けることが望ましく、このゲート抵抗としてチップ抵抗３７０を搭載した配線基板３７２ａを半導体モジュール３００に内蔵する。

本実施形態の半導体モジュール３００は、上アーム回路及び下アーム回路の２つのアーム回路を、１つの半導体モジュール３００に一体化した構造である２ｉｎ１構造である。なお、２ｉｎ１構造の他にも、上アーム回路及び下アーム回路の２つのアーム回路と上アーム回路または下アーム回路の１つのアーム回路とを、１つの半導体モジュール３００に一体化した３ｉｎ１構造、上アーム回路及び下アーム回路の４つのアーム回路を１つの半導体モジュール３００に一体化した４ｉｎ１構造、上アーム回路及び下アーム回路の６つのアーム回路を１つの半導体モジュール３００に一体化した６ｉｎ１構造等であってもよい。

図１４は、半導体モジュール３００を用いた電力変換装置２００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、半導体モジュール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、更に半導体モジュール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、本実施形態で説明したように、半導体モジュール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。

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モジュール３００の交流側端子３２０Ｂに接続されている。各相の各半導体モジュール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１５は、図１４に示す電力変換装置２００の一例を示す外観斜視図であり、図１６は、図１５に示す電力変換装置２００のＸＶ－ＸＶ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を備えている。筐体の内部には、電気回路体４００、コンデンサモジュール５００等が収容されている。電気回路体４００は冷却流路を有しており、筐体１２の一側面からは、冷却流路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１５に図示されるように、下部ケース１１は、上部側（Ｚ方向）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。

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１６に図示されるように、筐体１２内には、電気回路体４００が収容されている。電気回路体４００の上方には、制御回路１７２およびドライバ回路１７４が配置され、電気回路体４００の直流端子側には、コンデンサモジュール５００が収容されている。コンデンサモジュール５００を電気回路体４００と同一高さに配置することで、電力変換装置２００を薄型化でき、車両への設置自由度が向上する。電気回路体４００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、半導体モジュール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。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）半導体モジュール３００、３００’は、並列に配列された複数のパワー半導体素子１５５、１５７と、並列に配列された複数のパワー半導体素子１５５、１５７の上面及び下面にそれぞれ接合された導体板４３０、４３２と導体板４３１、４３３と、導体板４３１、４３３上に設けられた配線基板３７２ａ、３７２ｂと、配線基板３７２ａ、３７２ｂ上に実装される電子部品３７０、３７１と、を備え、複数のパワー半導体素子１５５、１５７と導体板４３０、４３２および導体板４３１、４３３と配線基板３７２ａ、３７２ｂと電子部品３７０、３７１とを封止部材３６０で封止したものであって、配線基板３７２ａ、３７２ｂの上面側に位置する導体板４３０、４３２には、配線基板３７２ａ、３７２ｂ上の電子部品３７０、３７１と対向する領域に凹部４３４および貫通孔４３５の少なくとも一方が形成される。これにより、ボイドなどの発生を抑制し、信頼性の高い半導体モジュールを提供することができる。

（２）並列に配列された複数のパワー半導体素子１５５、１５７と、並列に配列された複数のパワー半導体素子１５５、１５７の上面及び下面にそれぞれ接合された導体板４３０、４３２と導体板４３１、４３３と、導体板４３１、４３３上に設けられた配線基板３７２ａ、３７２ｂと、配線基板３７２ａ、３７２ｂ上に実装される電子部品３７０、３７１と、を備え、複数のパワー半導体素子１５５、１５７と導体板４３０、４３２および導体板４３１、４３３と配線基板３７２ａ、３７２ｂと電子部品３７０、３７１とを封止部材３６０で封止した半導体モジュール３００、３００’の製造方法は、配線基板３７２ａ、３７２ｂの上面側に位置する導体板４３０、４３２に、配線基板３７２ａ、３７２ｂ上の電子部品３７０、３７１と対向する領域に形成された凹部４３４または貫通孔４３５へ、封止部材３６０を流し込んで封止する工程を含む。これにより、ボイドなどの発生を抑制し、信頼性の高い半導体モジュールを提供することができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。

１１・・・下部ケース、１３・・・冷却水流入管、１４・・・冷却水流出管、１７・・・コネクタ、１８・・・交流ターミナル、２１・・・コネクタ、４３、１４０、１４２・・・インバータ回路部、１５５、１５７・・・パワー半導体素子、１７２・・・制御回路、１７４・・・ドライバ回路、１８０・・・電流センサ、１８１、１８２、１８８・・・コネクタ、１９２、１９４・・・モータジェネレータ、２００・・・電力変換装置、３００、３００’・・・半導体モジュール、３１５Ｂ・・・正極側端子、３１９Ｂ・・・負極側端子、３２０Ｂ・・・交流側端子、３２５・・・信号端子、３２５Ｃ・・・コレクタセンス端子、３２５Ｌ・・・下アームゲート端子、３２５Ｅ・・・エミッタセンス端子、３２５Ｕ・・・上アームゲート端子、３４０・・・冷却部材、３６０・・・封止部材、３６１・・・注入口、３６２・・・配線基板、３６３・・・オーバーモールド部、３６４・・・研削面、３７０・・・チップ抵抗、３７１・・・チップコンデンサ、３７２ａ、３７２ｂ・・・配線基板、３７３・・・接着剤、４００・・・電気回路体、４２０・・・導体板、４３０・・・第１導体板（上アーム回路エミッタ側）、４３１・・・第２導体板（上アーム回路コレクタ側）、４３２・・・第３導体板（下アーム回路エミッタ側）、４３３・・・第４導体板（下アーム回路コレクタ側）、４３４・・・凹部、４３５・・・貫通孔、４３６・・・突起部、４４０・・・第１シート部材（エミッタ側）、４４１・・・第２シート部材（コレクタ側）、４４２・・・第１絶縁層（エミッタ側）、４４３・・・第２絶縁層（コレクタ側）、４４４・・・金属箔、４５３・・・熱伝導部材、５００・・・コンデンサモジュール、６０１・・・トランスファーモールド装置、６０２・・・スプリング。

Claims (9)

1. 並列に配列された複数のパワー半導体素子と、前記並列に配列された前記複数のパワー半導体素子の上面及び下面にそれぞれ接合された第１の導体板と第２の導体板と、前記第２の導体板上に設けられた配線基板と、前記配線基板上に実装される電子部品と、を備え、前記複数のパワー半導体素子と前記第１の導体板および前記第２の導体板と前記配線基板と前記電子部品とを封止部材で封止した半導体モジュールであって、
   前記配線基板の上面側に位置する前記第１の導体板には、前記配線基板上の前記電子部品と対向する領域に凹部および貫通孔の少なくとも一方が形成され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、
   前記凹部は、前記複数のパワー半導体素子の配列の方向に沿って設けられ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、
   前記貫通孔は、前記配線基板を挟んで互いに対向する前記パワー半導体素子を結ぶ直線経路と重畳しない位置であって、前記複数のパワー半導体素子の配列の方向に沿って複数設けられ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、
   前記直線経路は、前記配線基板を挟んで互いに対向する前記パワー半導体素子の幅Wの中心部のW×2/4を含む範囲である半導体モジュール。
5. 請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
   前記配線基板は、前記並列に配列された前記複数のパワー半導体素子のそれぞれの配列の間に設けられ、
   前記電子部品は、チップ抵抗である半導体モジュール。
6. 請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
   前記配線基板は、前記第２の導体板の端部に設けられ、
   前記電子部品は、チップコンデンサ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、
   前記第１の導体板の前記複数のパワー半導体素子と対抗する側とは反対側に、および前記第２の導体板の前記複数のパワー半導体素子と対抗する側とは反対側にそれぞれ圧着されている絶縁層を含むシート部材を備える半導体モジュール。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の半導体モジュールを備え、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置。
9. 並列に配列された複数のパワー半導体素子と、前記並列に配列された前記複数のパワー半導体素子の上面及び下面にそれぞれ接合された第１の導体板と第２の導体板と、前記第２の導体板上に設けられた配線基板と、前記配線基板上に実装される電子部品と、を備え、前記複数のパワー半導体素子と前記第１の導体板および前記第２の導体板と前記配線基板と前記電子部品とを封止部材で封止した半導体モジュールの製造方法であって、
   前記配線基板の上面側に位置する前記第１の導体板に、前記配線基板上の前記電子部品と対向する領域に形成された凹部または貫通孔へ、前記封止部材を流し込んで封止する工程を含む半導体モジュールの製造方法。

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