JP4210908B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部で極端に上昇した内圧を外部に逃がし、半導体素子の破損に伴う周辺への二次的影響を防止できる半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車及びハイブリッド車では、バッテリの直流をインバータ装置で交流に電力変換して交流モータを駆動するようになっている。インバータ装置は複数の半導体モジュールを含み、各半導体モジュールは半導体素子とその両側の一対の電極板とを有する。半導体モジュールの作動時、半導体素子で熱が発生する。半導体素子をその許容温度以下で動作させるために、半導体モジュールは種々の冷却手段により冷却される。
【０００３】
第１従来例（特許文献１参照）の半導体装置では、半導体モジュールの両面に放熱板を配置し、その冷却フィンを通して熱を逃がしている。外気への放熱を利用した冷却は簡便ではあるが、冷却効率が十分とは言えない。
【０００４】
第２従来例（特許文献２参照）のインバータ装置では、内部を冷却媒体が流通する一対の冷却部材を半導体素子の両側に配置している。また、第３従来例（特許文献３参照）の電子機器冷却装置では、内部を冷却媒体が流通している一対の冷却体を半導体素子の両面に加圧している。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３０８２６３号
【特許文献２】
特開２００１−３４５５８９号
【特許文献３】
特開２００２−９５２６７号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
第２従来例及び第３従来例によれば、半導体素子で発生した熱は冷却部材又は冷却体内を流通する冷却媒体により吸収（熱交換）される。しかし、半導体素子及び／又はその周辺における極端な内圧の上昇により半導体装置又はインバータ装置が破損するおそれがある。
【０００７】
即ち、半導体素子に何らかの異常（例えば、許容量以上の電流を流したとき）が発生したとき、極度の高熱が発生する。その結果、半導体素子の周辺の樹脂モールドが溶融、気化し、半導体素子内部の内圧が極度に上昇する。上昇した内圧が樹脂モールドに封止された電極板を外方に押し出そうとする。電極部が大きく変形すると、冷却部材の損傷、冷却媒体の漏れ等を引き起こすことがある。最悪の場合は、半導体モジュールが破裂し、樹脂モールドの破片が周辺機器に飛散、付着することになる。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、極端な内圧の上昇による破損及びそれに伴う周辺への二次的影響が防止された半導体モジュールを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願の発明者は、半導体モジュールの一部に、半導体素子及び半導体素子近傍の上昇圧力を逃がす内圧逃がし部を設けることを思い付いて、本発明を完成した。
本願の半導体モジュールは、請求項１に記載したように、半導体素子と；半導体素子の一面に密接し一方電極が形成された一方電極板と；半導体素子の他面に接触し他方電極が形成された他方電極板と；半導体素子、一方電極板及び他方電極板を封止した樹脂モールドと；から成る半導体モジュールにおいて、樹脂モールドには、半導体モジュール内に封止された半導体素子及び半導体素子近傍の上昇した圧力を外部に逃がすために、樹脂モールドの樹脂材料と密着性が低い樹脂材料で製造され、半導体素子の側縁から樹脂モールドの外面にかけて樹脂モールドに埋設された樹脂線材から成る内圧逃がし部が形成されている。
【００１０】
この半導体モジュールにおいて、半導体モジュール内に封止された半導体素子及び半導体素子近傍の圧力が上昇したとき、上昇圧力は、樹脂モールドに形成された内圧逃がし部を通して半導体モジュールの外部に開放される。
【００１１】
請求項２の半導体モジュールは、請求項１において、樹脂線材は半導体素子の周縁から樹脂モールドの外面まで延びている。請求項３の半導体モジュールは、請求項２において、樹脂線材は半導体素子及び半導体素子近傍の上昇した圧力により樹脂モールドの埋設孔から剥離し、又は埋設孔から抜け出す。
【００１４】
【発明の実施の形態】
＜半導体モジュール＞
▲１▼本発明の半導体モジュールは、半導体素子、一方電極板、他方電極板及び樹脂モールドから成る。
【００１５】
「内圧逃がし部」とは、半導体モジュールの内部（半導体素子及びその近傍）の上昇した圧力を、半導体モジュールの破損を防止するために、その外部に逃がす（開放する）部分である。内圧を逃がすためには、半導体素子の周縁から樹脂モジュールの外面に延びる孔や隙間を形成すれば良い。
〈2〉本発明の内圧逃がし部は、樹脂モジュール中に埋設され、樹脂モジュールと密着性が悪い樹脂線材（ワイヤ）から成る。樹脂ワイヤは樹脂モールドの材料よりも融点が少し高い樹脂材料や、絶縁性のセラミックスで製造される。樹脂モジュールの成形時に半導体素子と一方電極板又は他方電極板との間にセットされる。
【００１６】
樹脂ワイヤは、樹脂モールドとの密着性の悪さのせいで、上昇した内圧により外方に押し出されるか、又は樹脂モジュールの埋設孔の内面から剥離し両者間に隙間ができる。
〈3〉なお、内圧逃がし部は、これと一体成形された変形規制部を有することができる。「変形規制部」は樹脂モジュールの外周面に対応する枠形状を呈し、半導体素子と同じ厚さを持つことが望ましい。変形規制部は、半導体素子に一方電極板及び他方電極板を圧接する際、一方電極板及び他方電極板が半導体素子に加圧され過ぎること、及び一方電極板及び他方電極板と金型との間に隙間ができることを防止する。
〈 4 〉一方電極板において、半導体素子の一面に密接される本体と、周辺機器に接続されるコレクタ電極とは一体に形成されても良いし、別々に形成した後接合されても良い。他方電極板においても、半導体素子の他面に密接される本体と、周辺機器に接続されるエミッタ電極とは一体に形成されても良いし、別々に形成した後接合されても良い。
＜インバータ装置＞
並置された複数の半導体モジュールと、これらの一方電極板に密接し内部を冷却媒体が流れる一方冷却管と、他方電極板に密接し内部を冷却媒体が流れる他方冷却管と、駆動回路及び制御回路とでインバータ装置が構成される。冷却管（チューブ）は厚さの薄い略角筒形状を持ち、その内部空間が冷媒の流通路を形成している。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する。
＜第１実施例＞
（構成）
図１、図２、図３、図４及び図５に第１実施例による半導体モジュールが示されている。この半導体モジュール１０は、並置された第１半導体素子１７及び第２半導体素子２０と、これらの下面に密着した下方電極板１１と、上面に密着した上方電極板２５（図４では図示省略）と、二つの半導体素子１７、２０及び一対の電極板１１、２５を包囲し封止した樹脂モールド３０とから成る。
【００１８】
矩形状の下方電極板１１は銅を主成分とし、本体１２と、これから一方向に突出したコレクタ電極１３と、他方向に突出した複数の信号端子１４を有する。信号端子１４を通してゲート・エミッタ信号、カレントミラー信号、ダイオードの順方向電圧の温度特性を利用した温度センス信号が入力される。
【００１９】
下方電極板１１上にスイッチング用の第１半導体素子１７及び転流用の第２半導体素子２０が配置されている。双方の半導体素子１７、２０はともにＩＧＢＴから成り、はんだ２２ａ及び２２ｂにより下方電極板１１に接合されている。第１半導体素子１７と信号端子１４とはワイヤ２３でボンディングされている。
【００２０】
第１半導体素子１７及び第２半導体素子２０上に、ブロック（不図示）を介して銅を主成分とし、本体２６と、これから一方向に突出したエミッタ電極２７とを持つ上方電極板２５が裁置され、はんだ２８ａ及び２８ｂにより接合されている。ブロックはワイヤ２３と上方電極板２５との接触を防止するものである。エミッタ電極２７はコレクタ電極１３と同方向に突出している。コレクタ電極１３及びエミッタ電極２７は第１半導体素子１７及び第２半導体素子２０に主たる電流を流すものである。
【００２１】
これら第１半導体素子１７、第２半導体素子２０、下方電極板１１及び上方電極板２５を樹脂モールド３０が包囲し封止している。樹脂モールド３０は、第１半導体素子１７と第２半導体素子２０との間の隙間を充填する充填部３１と、これらの外周に位置する外周部３５と、下方電極板１１の下面側に位置する下方部４１と、上方電極板２５の上面側に位置する上方部４３とを含む。
【００２２】
充填部３１はコレクタ電極１３等側の一側部３２ａ及び反対側の他側部３２ｂと、これらの間の一端部３３ａ及び他端部３３ｂとを含む。外周部３５は一側部３２ａ及び他側部３２ｂの外側に位置する一側部３６ａ及び他側部３６ｂと、一端部３３ａ及び他端部３３ｂの外側に位置する一端部３７ａ及び他端部３７ｂとを含む。
【００２３】
下方電極板１１の本体１２が下方部４１の裏面に露出し、上方電極板２５の本体２６が上方部４３の表面に露出している。
【００２４】
図２及び図３から分かるように、樹脂モールド３０の一側部３２ａ及び３６ａには、第１半導体素子１７のコレクタ電極１３側の一側縁１８ａから一側部３６ａの外面かけて第１樹脂ワイヤ４５が埋設されている。他側部３２ｂ及び３６ｂには、第１半導体素子１７の他側縁１８ｂから他側部３６ｂの外面かけて第２樹脂ワイヤ４６が埋設されている。一端部３３ａ及び３７ａには、第１半導体素子１７の一端縁１８ｃから一端部３７ａの外面かけて第３樹脂ワイヤ４７が埋設されている。
【００２５】
第１、第２及び第３樹脂ワイヤ４５、４６及び４７は樹脂モールド３０よりも少し融点が高い樹脂材料から成る。第１半導体素子１７と下方電極板１１との間に位置決めして樹脂モールド３０を成形することにより、半導体モジュール１０内の上記所定位置にセットされた。
【００２６】
また、樹脂モールド３０の一側部３２ａ及び３６ａには、第２半導体素子２０のコレクタ電極１３側の一側縁２１ａから一側部３６ａの外面かけて第４樹脂ワイヤ５１が埋設されている。第４樹脂ワイヤ５１は第１樹脂ワイヤ４６に向かって傾斜している。他側部３２ｂ及び３６ｂには、第２半導体素子２０の他側縁２１ｂから他側部３６ｂの外面にかけて、第５樹脂ワイヤ５２が第２樹脂ワイヤ４６と平行に埋設されている。
【００２７】
一端部３３ａ及び３７ａには、第２半導体素子２０の一端縁２１ｃから他端部３７ｂの外面かけて第６樹脂ワイヤ５３が第３樹脂ワイヤ４７と反対方向に埋設されている。
【００２８】
第４、第５及び第６樹脂ワイヤ５１、５２及び５３は樹脂モールド３０よりも少し融点が高い樹脂材料から成る。第２半導体素子２０と下方電極板１１との間に位置決めして樹脂モールド３０を成形することにより、半導体モジュール１０内の上記所定位置にセットされた。
【００２９】
図５に示すように、上記半導体モジュール１０と冷却チューブ５６とでインバータ装置６０が構成される。冷却チューブ５６は薄い（扁平な）角筒形状を持ち、図５の紙面と直角方向に延びている。内部には冷却冷媒を流通させるための複数の冷媒流通路５７が並設されている。
【００３０】
下方の冷却チューブ５６の上面に絶縁板５８を介して複数の半導体モジュール１０をコレクタ電極等の突出方向が冷却チューブ５６の長手方向と直交するように並置し、その上面に下から中間の冷却チューブ５６を載置する。中間の冷却チューブ５７の上面に絶縁板５８を介して複数の半導体モジュール１０を並置し、その上面に上方の冷却チューブ５６を載置する。
【００３１】
長手方向の両端にスぺーサ（不図示）を挟んで複数本の冷却チューブ５６を上下方向に加圧し、半導体モジュール１０と冷却チューブ５６とを一体化することによりインバータ装置６０が完成する。
（作用効果）
本実施例の半導体モジュール１０及びインバータ装置６０における直流から交流への電力変換は、一般の半導体モジュール及びインバータ装置のそれと同じである。よって、作動についての説明は割愛する。
【００３２】
本実施例によれば、以下の効果が得られる。
【００３３】
半導体モジュール１０の冷却に関し、作動時における温度上昇が抑制される。各半導体モジュール１０は上面側及び下面側から冷却チューブ５７で挟まれ、上面に露出した本体１２及び下面に露出した本体２６がそれぞれ冷却チューブ５６に密着している。冷却チューブ５６では冷媒通路５７内を冷却媒体が流通している。よって、各半導体モジュール１０は冷却媒体により上下両面から冷却され、作動時における温度上昇が抑制される。
【００３４】
内圧の逃がしに関し、たとえ半導体モジュール１０の異常作動により極度の高熱が発生しても、その破損が防止される。即ち、高熱により樹脂モールド３０が溶融、気化し、第１半導体素子１７及びその周辺の内圧が上昇すると、樹脂ワイヤ４５から４７を押し出そうとする。この押出し力が比較的小さいときは、樹脂ワイヤ４５から４７が埋設されている埋設孔の内壁面から剥離し、両者間の隙間から内圧が半導体モジュール１０の外部に逃げる。
【００３５】
これに対して、内圧が比較的高いときは、樹脂ワイヤ４５から４７が樹脂モールド３０の埋設孔から外部に抜け出し、埋設孔を通して内圧が半導体モジュール１０の外部に逃がされる。ここで、第１、第２及び第３樹脂ワイヤ４５、４６及び４７は第１半導体素子１７の異なる三方向に延びている。よって、樹脂モールド３０の一側部３６ａ、他側部３６ｂ又は一端部３７ａの何れの部分が溶融しても、内圧は良好に開放される。
【００３６】
また、樹脂モールド３０が溶融、気化し、第２半導体素子２０及びその周辺の圧力が上昇すると、第４、第５及び第６樹脂ワイヤ５１、５２及び５５と埋設孔との間の隙間を通して、又は樹脂ワイヤ５１、５３及び５３が埋設孔から外部に抜け出すことにより、半導体モジュール１０の外界に確実に逃がされる。
【００３７】
更に、第１、第２及び第３樹脂ワイヤ４５、４６及び４７も、第４、第５及び第６樹脂ワイヤ５１、５２及び５３も容易に形成でき、細いので半導体モジュール１０の製造や冷却チューブ５６との結合に影響を及ぼさない。
【００３８】
加えて、半導体モジュールの破裂に起因して樹脂モールドの破片が周辺機器に飛散、付着することが防止されるので、破片の飛散に伴う周辺への二次的影響も防止される。
＜第２実施例＞
図６及び図７に示す第２実施例は、第１実施例に比べて、樹脂ワイヤの形成場所が異なる。第１半導体素子１７の周囲には、樹脂モールド６２内に上記第１樹脂ワイヤ４５と同様の第１樹脂ワイヤ６３と、第１半導体素子１７の一側縁１８ａの他端部から第１樹脂ワイヤ６３から離れる斜め方向に延びた第２樹脂ワイヤ６４とが形成されている。
【００３９】
一方、第２半導体素子２０の周囲には上記第４樹脂ワイヤ５１と同様の第３樹脂ワイヤ６５と、一側縁２１ａの他端から第３樹脂ワイヤ６５から離れる斜め方向に延びた第４樹脂ワイヤ６７とが形成されている。
【００４０】
これから分かるように、第２実施例ではすべての樹脂ワイヤ６３、６４、６５及び６７が半導体モジュール６２のコレクタ電極１３及びエミッタ電極２７（図２参照）側に形成されている。これは、コレクタ電極１３及びエミッタ電極２７は信号端子１４よりも形状が簡単で、強度が大きいためである。信号端子１４は複数の細いピンから成り、これらが接続される制御基板（不図示）は電子部品がごく狭い間隔で実装されている。よって、圧力が信号端子１４側で開放されると、信号端子１４が変形したり、解放時に飛散する樹脂モールド６２の飛散物が電子部品等に付着して誤作動の原因となり易い。
【００４１】
これに対して、コレクタ電極１３及びエミッタ電極２７は矩形板状で強度が大きいので、内圧による変形の心配は少ない。また、エミッタ電極１３とコレクタ電極２７とは絶縁状必要な所定間隔を隔てて配置されているので、樹脂モールド６２の飛散物が付着しても誤作動等を引き起こす心配は少ない。
＜第３実施例＞
図８及び図９に第３実施例を示す。第３実施例は、樹脂モールド８０の外周に樹脂ワイヤと一体的に枠状の変形規制部９０を形成している点が異なる。詳述すると、樹脂モールド８０の一側面７２の一端に第１一側規制部７３ａが形成され、他側面７５の一端に第１他側規制部７３ｂが形成され、一端面７８の全長に一端規制部７３ｃが形成されている。一側面７２の他端に第２一側規制部７６ａが形成され、他側面７５の他端に第２他側規制部７６ｂが形成され、他端面７８の全長に他端規制部７６ｃが形成されている。
【００４２】
第１半導体素子１７の周囲には、一側縁１８ａの一端から斜め方向に延び第１一側規制部７３ａにつながった第１樹脂ワイヤ８３と、一端縁１８ｂの中間から延び一端規制部７３ｃにつながった第２樹脂ワイヤ８４とが形成されている。樹脂ワイヤ８３及び８４と規制部７３ａ、７３ｂ及び７３ｃとは同じ樹脂材料から成り、これらと一体的に形成されている。
【００４３】
第２半導体素子２０の周囲には、 一側縁２１ａの中間から斜め方向に延び第１一側規制部７６ａにつながった第３樹脂ワイヤ８６と、一端縁２１ｂから延び他端規制部７６ｃにつながった第４樹脂ワイヤ８７とが形成されている。樹脂ワイヤ８６及び８７と規制部７６ａ、７６ｂ及び７６ｃとは同じ樹脂材料から成り、これらと一体的に形成されている。
【００４４】
規制部７３ａ、７３ｂ及び７３ｃと、規制部７６ａ、７６ｂ及び７６ｃとで変形規制部９０が構成される。
【００４５】
第３実施例によれば、第１半導体素子１７及び第２半導体素子２０における内圧が、樹脂ワイヤ８３、８４、８６及び８７の剥離又は埋設孔からの抜出しにより外部に開放される。
【００４６】
加えて、樹脂モールド８０の成形時、第１半導体素子１７及び第２半導体素子２０に上方電極板１２及び下方電極板２６を加圧したときの両電極板１２、２６の変形が規制される。つまり、はんだによる上方電極板１２及び下方電極板２６の接合時、両電極板１２、２６間の間隔が所定値よりも大きいときは樹脂ワイヤ８３，８４，８６及び８７が加圧力の一部を負担し、電極板１２，２６の変形を防止する。また、間隔が所定値よりも小さいときは、樹脂ワイヤ８３，８４，８６及び８７が過度の変形を防止し、電極板１２，２６と金型との間に隙間が形成されるのを防止する。
【００４７】
変形規制部９０がないと、両電極板１２，２６間の間隔が所定値よりも大きいとき、金型から加わる過大な加圧力により第１半導体素子１７及び第２半導体素子２０が損傷するおそれがある。反対に、間隔が所定値よりも小さいと、上方電極板１２及び下方電極板２６と金型との間に隙間ができ、この隙間に進入した樹脂材料が電極板１２、２６の表面に樹脂膜を形成し、放熱性を損うことになる。
【００５１】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明の半導体モジュールによれば、半導体素子及び半導体素子近傍の圧力が上昇したとき、この上昇圧力は、樹脂モールドに形成された内圧逃がし部を通して半導体モジュールの外部に開放される。その結果、半導体モジュールの破損及びそれに伴う二次的影響が防止される。
【００５２】
また、内圧逃がし部が樹脂モールドと密着性の悪い樹脂線材から成り、上昇した圧力の開放に適している。請求項２の半導体モジュールによれば、内圧逃がし部が半導体素子から樹脂モールドの外面まで形成されており、半導体素子及び半導体素子近傍の上昇圧力を樹脂モールドの外部に導くことができる。請求項３の半導体モジュールによれば、樹脂線材と樹脂モールドの埋設孔との隙間等を通して内圧が確実に開放される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の半導体モジュールを示す斜視図である。
【図２】半導体モジュールの平面図である。
【図３】図１の３−３断面図である。
【図４】図３の４−４断面図である。
【図５】第１実施例のインバータ装置の側面図である。
【図６】第２実施例を示す上記図３に対応する断面図である。
【図７】第２実施例を示す上記図４に対応する断面図である。
【図８】第３実施例を示す上記図３に対応する断面図である。
【図９】第３実施例を示す上記図４に対応する断面図である。
【符号の説明】
１０：半導体モジュール １１：下方電極板
１３：コレクタ電極 １４：信号端子
１７：第１半導体素子 ２０：第２半導体素子
２６：上方電極板 ２７：エミッタ電極
４５、４６、４７：第１半導体素子側の樹脂ワイヤ
５１、５２，５３：第２半導体素子側の樹脂ワイヤ
５６：冷却チューブ ６０：インバータ装置
９０：樹脂枠部

Claims (3)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子の一面に密接し一方電極が形成された一方電極板と、
    前記半導体素子の他面に接触し他方電極が形成された他方電極板と、
    前記半導体素子、一方電極板及び他方電極板を封止した樹脂モールドと、
    から成る半導体モジュールにおいて、
    前記樹脂モールドには、前記半導体モジュール内に封止された前記半導体素子及び該半導体素子近傍の上昇した圧力を外部に逃がすために、前記樹脂モールドの樹脂材料と密着性が低い樹脂材料で製造され、該半導体素子の側縁から該樹脂モールドの外面にかけて該樹脂モールドに埋設された樹脂線材から成る内圧逃がし部が形成されていることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記樹脂線材は前記半導体素子の周縁から前記樹脂モールドの外面まで延びている請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記樹脂線材は前記半導体素子及び該半導体素子近傍の上昇した圧力により前記樹脂モールドの埋設孔から剥離し、又は該埋設孔から抜け出す請求項２に記載の半導体モジュール。
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