JP4952094B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールに関し、詳しくは、発熱性の半導体素子を備えた半導体モジュールに関する。

従来、放熱部材と共に用いられる回路基板においては、分断されている金属回路板、セラミックス基板、およびべタ形状の金属板が積層されている。そのため、熱応力が不均衡となりやすく、回路基板に反りが発生する一因となっていた。

かかる熱に伴なう反りの発生を回避するための方法の一つとして、金属回路板の間を絶縁体で埋める技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところが、自動車用のパワーモジュールをはじめ、実際の半導体モジュールは、一般に金属回路板の間の領域は大きくない。

例えば、素子がＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の場合、プレーナ型、トレンチゲート型の素子はいずれも、素子の裏面から表面に向かって電流が流れるため、素子の上面のみならず下面にも配線が設けられる。これは、素子がＭＯＳの場合においても、トレンチ構造を採用して裏面から表面に向けて電流を流すときには、前記ＩＧＢＴの場合と同様である。

つまり、素子の上面には直接ワイヤーボンドが行なわれるものの、素子の下面に対しては、配線用金属板の素子が搭載された領域以外の領域にワイヤーボンドが行なわれ、外部との電気的接続が行なわれている。したがって、配線用金属板には、素子を搭載する領域だけでなく、ワイヤーボンドが行なえる領域を確保することが必要であり、ワイヤーボンドを行なう領域に素子に近接して絶縁体を付与して埋めることはできない。

さらに近年では、パワーモジュールの小型化、軽量化のために高密度実装を行なう要求が強くなっており、素子と素子との間隔は小さくなる傾向にあり、金属回路板と金属回路板との間隔も狭くなっている。このため、絶縁体で埋めるべき金属回路板の間の領域を大きくすることは困難であり、モジュールの剛性を充分確保するための量（つまり梁の径）の絶縁体を用いて埋めることは不可能となってきている。
特開２００４−８７９２７号公報

したがって、上記のように金属回路板の間を絶縁体で埋める方法によっては、熱応力に対する充分な剛性を確保することができず、反り抑制効果としては不充分であった。

一方、高密度実装を行なうために、モジュールに取り付けられている冷却器の性能を上げると共に、回路基板を放熱部材あるいは冷却モジュ−ルに接合していた従来からの方式に代えて、回路基板に直接フィンを形成して冷却を行なう方式が主流となりつつある。

この方式では、熱抵抗が小さくなって冷却性能が向上すると共に、熱は横方向に拡散するより縦方向に流れるようになり、素子から発生した熱は他の素子から発生した熱との干渉（熱干渉）は小さくなる。そのため、従来よりもパワーモジュールにおける素子の高密度実装が可能となってきている。

換言すれば、高密度実装する場合の、金属回路板の間を絶縁体で埋めることによりもたらされる熱抵抗減少による寄与は、従来に比べ遙かに小さくなっており、熱抵抗の減少に対して金属回路板の間を絶縁体で埋める必要性は薄れているのが現況である。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、金属回路板間への絶縁体の付設によらず、熱応力による反りに対する高い剛性を有すると共に、冷却効率が良好で熱変形が抑えられた半導体モジュールを提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。

本発明は、半導体素子が配置されている平面の面方向ではなく、該平面の法線方向、具体的には半導体素子と冷却用部材とを絶縁するための絶縁部材の厚みを半導体素子の位置に合わせて選択することが、これまで厚みを確保できなかった半導体素子以外の金属回路の領域に対向する領域の絶縁部材の厚みを厚くすることが可能で、梁となる領域の面積を大きくし、反りに対する剛性を高めるのに有効であるとの知見を得、かかる知見に基づいて達成されたものである。

上記目的を達成するために、本発明の半導体モジュールは、半導体素子と、前記半導体素子が配設される配線用金属板と、少なくとも前記半導体素子を冷却する冷媒が通過する中空の流路を有する冷却用部材と、前記配線用金属板と前記冷却用部材との間に配設され、前記冷却用部材の流路の路壁の一部を形成すると共に、前記半導体素子及び前記冷却用部材を電気的に絶縁し、前記半導体素子と対向する領域以外の領域の少なくとも一部の厚みが前記冷却用部材側に厚くなる形状を有する絶縁部材であるセラミックスとで構成したものである。

本発明における半導体素子には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ダイオードなどが含まれる。

本発明の半導体モジュールにおいては、半導体素子が配設された配線用金属板と少なくとも半導体素子を冷却する冷却用部材との間に配設されて半導体素子及び冷却用部材を電気的に絶縁する絶縁部材（例えば絶縁板；以下同様）の、半導体素子と対向する領域以外の領域の少なくとも一部、すなわち配線用金属板の厚み方向において半導体素子が存在しない領域（絶縁部材に打たれるワイヤーボンドの打設領域を含む。）の一部又は全部において、絶縁部材の配線用金属板が設けられる側と反対側（冷却用部材が設けられる側）に絶縁部材の厚みを厚くする〔逆に半導体素子と対向する領域の厚み（絶縁部材の厚み方向の厚み）は薄く（好ましくは１ｍｍ以下、より好ましくは０．１〜０．７ｍｍ）なる〕ことで、剛性を保つ構造の広幅化が可能で、半導体素子の配設位置に近い領域には絶縁部材の厚い部分を配置できるので、いわゆる梁となって剛性に寄与する領域を大きくとることができる。

この梁となる領域が広いことは、剛性を高めるのみならず、線膨張係数の小さい（線膨張係数が素子に近い）絶縁部材の領域が広くなり、モジュール全体の線膨張係数も素子の線膨張係数に近づけることができ、半導体素子と配線用金属板に存在するはんだに対する熱応力も小さくすることができ、より信頼性を高めることができる。また、冷却用部材側に絶縁部材の厚みが厚くなる構造とすることで、ワイヤーボンドとの干渉がないので、絶縁部材の厚みに大きな制限はなく、絶縁部材の厚みも厚くできる。したがって、絶縁部材の領域を広く保つことによる効果に相乗して剛性をも高めることができる。

さらに、絶縁部材の半導体素子と対向する領域以外の領域において、冷却用部材側に絶縁部材の厚みを厚くすることで、半導体素子と対向する領域の冷却効率、すなわち半導体素子の冷却効率を向上させることができる。

本発明の半導体モジュールを構成する冷却用部材は、（例えば絶縁部材または後述のフィンや柱材との間で熱交換して）前記半導体素子を冷却する冷媒（例えば、水、水にエチレングリコール等を添加したロングライフクーラント（ＬＬＣ）、アルコール、フロンなど）が通過する中空の流路を有する構造に構成される。

上記のように、絶縁部材の厚みは冷却用部材側に厚くなっており、絶縁部材との間で熱交換する冷媒が通過する中空の流路の路面に凹凸形状が形成されることで、凸形状の領域では流路を狭めて冷媒の流量を減じる一方、絶縁部材の厚み方向において半導体素子の直下となる凹形状の領域では流路が拡がって冷媒の通過流量を多くできるので、モジュールに供給される冷媒量が同量でも、半導体素子の冷却を効率良く行なえ、冷却性能を高めることができる。

冷却用部材には、熱伝導性のフィン又は柱材を設けて構成することができる。上記のように絶縁部材の厚みを冷却用部材側に凸形状にすると共に、フィン及び／又は柱材を設けることで放熱する表面積を確保でき、冷却雰囲気や冷媒との接触面積が大きくなるので、冷却効率を高めるのに有効である。

本発明の半導体モジュールにおいては、絶縁部材を用いて冷却用部材の流路の路壁の一部が形成されている。前記路壁を形成する絶縁部材にフィン及び／又は柱材を接合して構成されていることが好ましい。冷却用部材の冷媒が通過する流路の路壁にフィン、柱材を設けて冷媒との接触面積を拡げると共に、絶縁部材とフィンや柱材との間で熱交換が行なえるように構成されるので、冷却効率をより向上させることが可能である。

本発明の半導体モジュールを構成する絶縁部材は、セラミックスを用いて構成される。このセラミックスを用いると、伝熱効率の向上と熱変形防止が可能であるので、半導体素子の冷却効率を高めると共に、熱応力による反りの抑制に効果的である。

前記セラミックスの中でも、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化シリコーン、酸化シリコーン、酸化ベリリウム、及びシリコーンカーバイドから選択される一種もしくは二種以上を用いて構成されることが好ましい。

また、本発明の半導体モジュールを構成する配線用金属板は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であって電気抵抗率が１０×１０^−６Ωｃｍ以下である金属を用いて構成されることが好ましい。半導体素子が配設される配線用基板は、半導体素子の発熱で直接的に温度上昇しやすいが、伝熱効率と電気伝導性とを確保できるので、半導体素子の冷却効率を高め、熱応力による反りを抑えると同時に、素子の動作性能を良好に保ち得る点で有効である。

上記のような金属中でも、配線用金属板は、銅、アルミニウム、タングステン、及びモリブデンから選択される少なくとも一種を用いて構成されることが好ましい。

本発明によれば、金属回路板間への絶縁体の付設によらず、熱応力による反りに対する高い剛性を有すると共に、冷却効率が良好で熱変形が抑えられた半導体モジュールを提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の半導体モジュールの実施形態を説明する。但し、本発明においてはこれら実施形態に制限されるものではない。

（第１実施形態）
本発明の半導体モジュールの第１実施形態を図１、図２、図４を参照して説明する。本実施形態の半導体モジュールは、絶縁膜の素子が設けられている側と反対側に凸部を設けて凹凸面を形成し、この凹凸面に所定間隔でフィンを設けると共に、冷却水を流してフィンとの間で熱交換して素子の冷却が可能なように構成されたものである。

本実施形態の半導体モジュールは、図１に示すように、金属配線板であるＣｕ配線板１１と、このＣｕ配線板１１に接合された半導体素子であるＩＧＢＴ１２およびダイオード１３と、Ｃｕ配線板１１の半導体素子が接合されていない側に当接された絶縁膜であるグリーンシート１４と、グリーンシート１４のＣｕ配線板１１と当接しない側に形成された冷却器１５とを備えている。

Ｃｕ配線板１１は、厚み０．３ｍｍの銅板からなり、この銅板の表面にＩＧＢＴ１２およびダイオード１３（半導体素子）が接合されると共に、外部電源と導通されて、ＩＧＢＴ１２およびダイオード１３に電流を供給し作動させることができるようになっている。

金属配線板は、電気的に良導性の金属材料から目的等に応じて適宜選択して構成することができ、銅板以外に、例えば、アルミニウム、タングステン、モリブデン、インバー（Ｆｅ−Ｎｉ合金）、およびこれらの積層材などを用いることができる。

好ましくは、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属材料であり、伝熱効率を確保し、ＩＧＢＴ１２およびダイオード１３の冷却効率を高め、熱応力による反りを回避する点で、銅やアルミニウム、タングステン、及びモリブデンなどが好ましい。また、電気抵抗率が１０×１０^−６Ωｃｍ以下の金属材料が好ましく、電気伝導性を確保し、素子の動作性能を良好に保つ点で、銅やアルミニウム、タングステン、及びモリブデンなどが好適である。

Ｃｕ配線板の板厚としては、特に制限はないが、通常０．１〜１ｍｍ程度であり、熱応力および配線抵抗の点で０．１〜０．３ｍｍが好ましい範囲である。なお、Ｃｕ配線版の厚み以外のサイズについては、目的等に応じて適宜選択すればよい。

この金属配線板１１の上には、図１に示すように、ＩＧＢＴ１個とダイオード１個とが設けられており、インバータを形成するために必要な最小単位であるユニットが構成されている。

ＩＧＢＴおよびダイオードは、市販のものを適宜選択して用いることができる。
また、例えばハイブリッド車等に用いる三相インバータの場合には、図４に示すように、このユニット２個を直列したもの（アーム）３組（またはその倍数）を並列に組んで構成されている。

グリーンシート１４は、長さ１２０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚み０．６３５ｍｍのグリーンシート１４ａと、このグリーンシート１４ａと同サイズの開口部が設けられたグリーンシート１４ｂとを図２に示すように重ね、凹凸を有するように構成されている。

グリーンシート１４ａの厚みは、材質や絶縁性能、強度などを考慮して０．１〜２ｍｍの範囲で選択することができる。
また、グリーンシート１４ｂの厚みについては、モジュールの熱による反りの防止や、冷却効率（例えば冷却水を流すときの流量）を考慮して選択され、好ましくは０．３〜１０ｍｍの範囲である。

グリーンシート１４ａ、１４ｂはいずれも、電気抵抗率が焼成後に１０^１４Ωｃｍ以上の絶縁性を有する絶縁膜であり、ＩＧＢＴおよびダイオードが接合されたＣｕ配線板１１と冷却器１５とが電気的に絶縁されるようになっている。

グリーンシート１４ｂは、グリーンシート１４ａのＣｕ配線板１１に当接されている側と反対側（半導体素子が形成されていない素子非形成面側）の、グリーンシート１４ａを介してＩＧＢＴおよびダイオードと対向しない領域に選択的に設けられており、図１に示すように、グリーンシート１４ａの素子非形成面側に凸形状が形成されている。

グリーンシート１４ａ、１４ｂは、窒化アルミニウムの粉末、ポリビニルブチラール等の有機結合剤、ジブチルフタレート等の可塑剤、およびトルエン等の有機溶剤等を混合して混錬し、得られた泥漿をドクターブレードによって均一な厚さになるように板状に延ばし、焼成後の厚みが０．６３５ｍｍとなる厚みに形成されたシートを作製した後、このシートを裁断し、２種類の型を用いてプレス等の型抜きを行なうことにより成形し、シート状のグリーンシート１４ａと開口を有するグリーンシート１４ｂとを作製することができる。
なお、グリーンシートは、乾燥・脱脂・焼成により、１０〜２０％寸法が収縮するため、予め所望の厚さより厚く形成しておくことが望ましい。

本実施形態のグリーンシート１４は、上記のようにして予め作製したグリーンシート１４ａの素子非形成面側に、図２に示す位置関係となるようにグリーンシート１４ｂを重ね合わせて積層構造とし、これをまず温度９００℃以下の温度で加熱して乾燥、脱脂を行ない、続いて１６００〜１９００℃の温度領域で５時間焼成を行なうことによって作製されたものである。その後は、グリーンシート１４の表面を、酸素雰囲気下、１２００℃以下の温度で酸化し、酸化アルミニウムの被膜が形成される。

グリーンシート（絶縁部材）には、上記の窒化アルミニウム以外に、熱伝導性が高く線膨張係数の小さいセラミックス材の中から選択して好適に用いることができる。前記セラミックス材としては、窒化アルミニウムのほか、例えば、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化ベリリウム、シリコンカーバイドなどが挙げられ、目的等に応じて一種もしくは二種以上を選択して用いることができる。

冷却器１５は、グリーンシート１４のＣｕ配線板１１と当接しない素子非形成面側に、熱交換によりＩＧＢＴおよびダイオードを冷却するための冷却水が通過する流路１６と、この流路１６内にグリーンシート１４の素子非形成面と直角をなして設けられた複数本のフィン１７とを設けて構成されている。

流路１６は、グリーンシート１４ｂにその外周に沿うようにして、耐熱性の樹脂材料を用いて樹脂厚が５ｍｍとなるように長さ１２０ｍｍ×幅４０ｍｍの４面からなる無端の矩形形状に成形された枠１８を、厚み分の面で接合し、さらにこの接合面側と反対側の面に、厚さ１．０ｍｍの銅板１９を、パッキンを介して配置、固定することにより形成されたものである。

図１に示すように、この枠１８の互いに対向する２面には、それぞれテーパねじ継ぎ手が装着されており、冷却水を内部に供給するための流入口２１と、熱交換して暖まった冷却水を外部に排出するための流出口２２とが形成されており、流入口２１から供給された冷却水が路内を流れて流出口２２から外部に排出されることで、冷却水と熱交換してＩＧＢＴおよびダイオードの冷却が行なえるようになっている。

前記耐熱性の樹脂材料には、例えば、ポリエチレン、ポリアミド、フッ素樹脂などの熱可塑性樹脂、またはエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。

フィン１７は、厚さ１．０ｍｍの銅板をワイヤーカットでカットして、４０ｍｍ×１０ｍｍのサイズに成形されたものであり、梁部となるグリーンシート１４ｂの表面と梁部以外のグリーンシート１４ａの表面とにそれぞれ、約２ｍｍピッチで配置されている。

このフィン１７は、複数のフィンをタングステン製のスリットに狭持させた状態にして、グリーンシート１４の素子非形成面側に垂直に配置した後、１０６０℃〜１０７０℃の温度領域にて加熱することにより、銅−銅酸化物の共晶点にて直接接合することによって形成することができる。

本実施形態の半導体モジュールは、以下のようにして作製することができる。
グリーンシート１４の片側の表面にＣｕ配線板１１を設けた後、このＣｕ配線板１１に対して、フォトリソグラフィー法によりマスクを形成し、Ｃｕ配線板の表面のみが塩化第２鉄を主成分とするエッチング溶液に浸漬されるように配置してエッチングを行なうことにより、Ｃｕ配線板１１に配線パターン（回路）を形成する。なお、エッチングの際には、グリーンシート１４のフィンを形成する側がエッチング液に浸漬されないように位置調整を行なうようにすることが重要である。

また、Ｃｕ配線板１１をグリーンシート１４に接合し、エッチングにより回路を形成した後、フィンを接合することが可能である。

上記のようにして、グリーンシート１４上に設けられたＣｕ配線板１１の配線パターン（回路）が形成されている側に、約１ｃｍ角、厚さ０．１ｍｍのはんだ板をのせ、この上に更にＩＧＢＴ１２およびダイオード１３をのせ、これらをカーボン冶具等で位置を仮押さえした状態で、炉内を２００℃以上（低くともはんだの固相線以上、望ましくははんだの液相線以上）に温度設定したリフロー炉を通すことによって、ＩＧＢＴ（コレクター電極）１２およびダイオード（カソード電極）１３をＣｕ配線板１１にはんだ付けする。そして、ＩＧＢＴ１２のエミッタ電極およびゲート電極並びにダイオード１３のアノード電極とＣｕ配線板１１のパッドに、直径１００〜３００μｍのアルミニウム製の細線を用いてワイヤーボンドを施し、外部電力および制御回路との電気的な接続を行なう。

次に、耐熱性の高い熱可塑性樹脂を用い、射出成形により冷却器１５の側壁を構成する枠１８を作製する。作製した枠１８の互いに向き合う側壁にそれぞれ貫通孔を設け、図１−（ａ）に示すように、設けられた２ヶ所の貫通孔にテーパねじ継ぎ手を装着することにより、冷却水の流入口２１と流出口２２とを形成する。続いて、流入口２１及び流出口２２が設けられた枠１８の、該枠を構成する樹脂の樹脂厚分の面の一方に、ＩＧＢＴおよびダイオードが接合されたＣｕ配線板１１が設けられたグリーンシート１４のグリーンシート１４ｂを、他方の面に蓋となる銅板１９を当接して、それぞれパッキンを介してボルトおよびナットにより固定し、冷却水を流してＩＧＢＴおよびダイオードの冷却を行なう冷却器１５を形成する。

次に、本実施形態の半導体モジュールの性能について述べる。
（1）熱抵抗の測定
本発明の半導体モジュールを構成する冷却器１５に設けられた流入口２１および流出口２２と冷却水・温水循環装置の循環ノズルとをホースにより連通して、温度６５℃（以下、水温を「Ｔｗ」と略記する）の温水を一定の流量で循環させる。この冷却水・温水循環装置は、例えば自動車に搭載されているラジエーターとポンプの役割を担うものである。

次に、ゲート電極とエミッタ電極との間に電圧（以下、「Ｖｇｅ」と略記する）を印加する。このとき、しきい値（Ｖｇｅ（th）；通常、４Ｖ〜８Ｖ）を越えるＶｇｅが印加されると、ＩＧＢＴはＯＮ状態になる。本実施形態では、Ｖｇｅとして１５Ｖを印加するものとする。
また、コレクター電極とエミッタ電極との間に電圧（以下、「Ｖｃｅ」と略記する）を印加すると、コレクター電極とエミッタ電極との間に電流（以下、「Ｉｃｅ」と略記する）が流れ始める。飽和状態においては、Ｖｃｅが約２Ｖまでは電流が流れにくいが（ＩＧＢＴがＰＮ接合を有しているため）、約１〜２Ｖを超えるとＶｃｅの上昇と共にＩｃｅも増大する。このとき、ＩＧＢＴにおいて、ＶｃｅとＩｃｅとの積で表される電力損失に相当する熱Ｑが発生する。

絶縁型のシース熱電対をエミッタ電極（ＩＧＢＴの上面）に接触させ、ＩＧＢＴの表面温度を測定し、測定された値をＩＧＢＴのジャンクション温度（以下、「Ｔｊ」と略記する）とする。ＩＧＢＴと冷却水との温度差ΔＴは、ΔＴ＝Ｔｊ−Ｔｗである。

以上から、半導体素子から冷却水に至る熱抵抗（以下、「Ｒｔｈ」と略記する）は、Ｒｔｈ＝ΔＴ／Ｑで計算される。

上記に基づいて、冷却水の流量を１Ｌ／ｍｉｎとし、ＩＧＢＴ１２に電流を流し、Ｒｔｈを測定したところ、約０．４Ｋ／Ｗが得られた。この値は、従来の市販のＩＧＢＴパワーモジュールの熱抵抗（素子とケースの間）が１〜６Ｋ／Ｗであるのに比較し、水冷式に構成された本実施形態の半導体モジュールの熱抵抗（Ｒｔｈは、素子とケースに加え冷却器の熱抵抗が加算される）は、極めて小さく良好なことを示す。

なお、ここで本実施形態の半導体モジュールに対する比較として、グリーンシート１４ａにグリーンシーと１４ｂを重ねずにグリーンシート１４ａのみで構成したモジュールでは、本実施形態と同等の前記Ｒｔｈの値を得るには、冷却水の流量を１．２Ｌ／ｍｉｎにする必要があった。

（2）信頼性試験
本実施形態の半導体モジュールの冷熱サイクル試験を行ない、信頼性を評価した。
半導体モジュールを、冷却器１５から冷却水を抜いた状態で気相冷熱サイクル試験装置に設置し、大気下、低温雰囲気（−４０℃）と高温雰囲気（＋１０５℃）との間で冷熱サイクルを行なった。

本実施形態の半導体モジュールでは、上記の冷熱サイクルを３０００回行なったが、グリーンシートの窒化アルミニウムにクラックが発生することがなく、良好な状態を保つことができた。
これに対し、本実施形態の半導体モジュールに対する比較として、グリーンシート１４ａにグリーンシーと１４ｂを重ねずにグリーンシート１４ａのみで構成したモジュールでは、冷熱サイクルを１００〜２０００回行なう間でモジュールに反りが発生したり、グリーンシートの窒化アルミニウムにクラックが発生した。

（第２実施形態）
本発明の半導体モジュールの第２実施形態を図３を参照して説明する。本実施形態は、半導体素子を実装したＣｕ配線板が設けられたグリーンシートの間に冷却器を形成し、互いに向かい合う各グリーンシートの素子非形成面の両方に接合されるようにフィンを設けて冷却を行なう構成としたものである。

なお、本実施形態においても、グリーンシート上のＣｕ配線板ごとにＩＧＢＴ１個とダイオード１個とが設けられ、インバータを形成するために必要な最小単位であるユニットが構成されている。また、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態の半導体モジュールは、図３に示すように、ＩＧＢＴ１２およびダイオード１３が接合されたＣｕ配線板１１とこのＣｕ配線板１１のＩＧＴＢ等の非接合面側に当接されたグリーンシート１４とで構成された２つの接合体３１、３２と、接合体３１、３２の間に形成された冷却器３５とを備えている。

接合体３１と接合体３２とは、冷却器３５を構成する流路３７を形成するための所定の間隙をあけて配置されており、流路となるこの間隙には、接合体３１のグリーンシート１４および接合体３２のグリーンシート１４の双方と接合されるようにしてフィン３８が設けられている。

グリーンシート１４は、第１実施形態と同様に、グリーンシート１４ａと開口を有するグリーンシート１４ｂとを重ねて凹凸表面を有するように構成されている。すなわち、予め作製されたグリーンシート１４ａの素子非形成面側に、開口を有する同サイズのグリーンシート１４ｂを重ね合わせて積層構造とし、これを温度９００℃以下の温度で加熱して乾燥、脱脂を行ない、続いて１６００〜１９００℃の温度領域で５時間焼成を行なって作製されたものである。その後は、グリーンシート１４の表面を、酸素雰囲気下、１２００℃以下の温度で酸化し、酸化アルミニウムの被膜を形成する。

冷却器３５は、各接合体のグリーンシート１４のＣｕ配線板１１と当接しない素子非形成面（２面）間に形成され、ＩＧＢＴおよびダイオードを冷却するための冷却水が通過する流路３７と、この流路３７に位置し、２つの素子非形成面と直角をなして設けられた複数本のフィン３８とを設けて構成されている。

流路となる２つの接合体３１、３２間の間隙（流路３７の路高）は、作製しようとするモジュールのサイズや、冷却効率（例えば冷却水を流すときの流量）などを考慮して適宜選択することができるが、例えば、グリーンシート１４ａ間の距離は２〜１５ｍｍの範囲が好ましく、また、グリーンシート１４ｂ間の距離は１〜１０ｍｍの範囲が好ましい。

流路３７は、耐熱性の樹脂材料を用いて樹脂厚が１０ｍｍとなるように長さ１２０ｍｍ×幅４０ｍｍの４面からなる無端の矩形形状に成形された枠３９の、厚み分の面の一方を接合体３１のグリーンシート１４ｂと、他方の面を接合体３２のグリーンシート１４ｂとそれぞれパッキンを介して固定することにより形成されている。
なお、枠の互いに対向する２面には、第１実施形態と同様にしてテーパねじ継ぎ手が装着され、冷却水を内部に供給するための流入口２１と、熱交換して暖まった冷却水を外部に排出するための流出口２２とが形成されている。

フィン３８は、厚さ１．０ｍｍの銅板をワイヤーカットでカットして、４０ｍｍ×１０ｍｍのサイズに成形されたものであり、各接合体の梁部となるグリーンシート１４ｂの表面と梁部以外のグリーンシート１４ａの表面とにそれぞれ、約２ｍｍピッチで配置されている。

なお、冷却器３５内部に設けられたフィン３８は、冷却器３５の上面側である接合体３１のグリーンシート１４に接合されているフィンの群と、冷却器３５の下面側である接合体３２のグリーンシート１４に接合されているフィンの群とに分けてもよい。このとき、冷却器の上面（接合体３１）側に接合されているフィンと下面（接合体３２）側に接合されているフィンとは互いに互い違いに設けられていてもよいし、あるいは一部の領域は（半導体素子の存在する位置に合わせて）上面側に接合されたフィンにより、他の領域は下面側に接合されたフィンにより構成されていてもよい。

図３に示す接合体３１、３２は、第１実施形態と同様にして作製することができる。ここで、フィンは、グリーンシート１４ａ間に配置するフィンとグリーンシート１４ｂ間に配置するフィンとをそれぞれ別個に作製するようにしてもよく、あるいはフィンを１枚の銅板からプレス加工により、グリーンシートの凸部と凹部とに合わせて連続した一体構造に成形されたもので構成するようにしてもよい。

本実施形態の半導体モジュールは、以下のようにして作製できる。
グリーンシート１４の片側の表面にＣｕ配線板１１を接触させ、タングステン製の板および治具により加圧・固定した後、炉内に設置し、１０６０〜１０７０℃の銅−銅酸化物の共晶点において直接接合する。続いて、このＣｕ配線板１１に対して、フォトリソグラフィー法によりマスクを形成し、Ｃｕ配線板の表面のみが塩化第２鉄を主成分とするエッチング溶液に浸漬されるように配置してエッチングを行なうことにより、Ｃｕ配線板１１に配線パターン（回路）を形成する。なお、エッチングの際には、グリーンシート１４のフィンを形成する側がエッチング液に浸漬されないように位置調整を行なうようにすることが重要である。

次に、銀ロウ（銀に銅などの金属を添加した接合材）を２種（複数）のフィン３８の接合面（グリーンシート１４ａまたは１４ｂと接する端面）に塗布した後、フィンをカーボン製のスリットに狭持してグリーンシートの素子非形成面側の所定位置に約２ｍｍピッチで載置し、載置されたフィンの銀ロウが塗布された接合面と反対側の端面に更に、他のグリーンシートを重ね、２枚のグリーンシートの位置決めを行なった状態で不活性雰囲気の炉に設置し、６００℃以上の温度でろう付けを行ない接合する。

なお、フィンを銅板ではなく、アルミニウムなど銅以外の他の金属を用いる場合には、ろう材として、例えばシリコーンを含むアルミニウムを主成分とするろう材を用いることが好ましい。また、場合によっては、ろう付け前にフラックスの塗布、脱脂、エッチングなどの前処理を行なうことが望ましい。

配線パターン（回路）が形成されているＣｕ配線板１１へのＩＧＢＴ１２およびダイオード１３のはんだ付け、並びに、アルミニウム製の細線を用いたワイヤーボンドおよび外部電力、制御回路との電気的な接続については、第１実施形態と同様にして行なえる。

本実施形態では、冷却器３５を形成する枠３９は、冷却器の上側（すなわち接合体３１側）と下側（すなわち接合体３２側）とにそれぞれグリーンシート１４が配されているため、冷却器に対して側面から、パッキン３６を介して取り付け、ボルトおよびナットにより固定する。枠３９は、第１実施形態と同様に、耐熱性の高い熱可塑性樹脂を用いた射出成形により作製され、冷却器３５の側壁を構成するものである。そして、作製した枠３９の互いに向き合う２つの側壁にそれぞれ貫通孔を設け、設けられた２ヶ所の貫通孔の各々にテーパねじ継ぎ手を装着することにより、冷却水の流入口２１と流出口２２とを形成する。以上のようにして、本実施形態の半導体モジュールを作製することができる。

上記より得られた本実施形態の半導体モジュールの性能について、第１実施形態と同様にして熱抵抗の測定および信頼性試験を行なったところ、第１実施形態と同等の熱抵抗を示した。特に信頼性試験では、冷熱サイクルを３０００回終了した段階でも反り等の発生は全く認められなかった。

これは、冷却器３５の互いに向かいあう２面（接合体３１のグリーンシート１４と接合体３２のグリーンシート１４）に半導体素子が対称構造に接合されていることにより熱応力が打ち消される効果と、グリーンシート１４による剛性の強化とにより反りの発生を抑える効果とによるものと考えられる。

上記では、冷却水を冷媒として通過させて冷却を行なう冷却器を用いた構成を中心に説明したが、必ずしも流路を形成せずに、エアなどによって冷却する空冷式に構成されてもよい。
また、冷却器に用いる冷媒には、冷却水以外に、オイルその他の液体を用いることができる。

（ａ）は本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールの構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールを側面からみたときの側面図であり、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ´線断面図である。 グリーンシート１４ａとグリーンシート１４ｂとの位置関係と作製方法を説明するための図である。 本発明の第２実施形態の半導体モジュールの構成を示す断面図である。 三相インバータの回路の構成例を略説するための説明図である。

符号の説明

１２…ＩＧＢＴ
１３…ダイオード
１４，１４ａ，１４ｂ…グリーンシート（絶縁部材）
１５，３５…冷却器

Claims (6)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子が配設される配線用金属板と、
   少なくとも前記半導体素子を冷却する冷媒が通過する中空の流路を有する冷却用部材と、
   前記配線用金属板と前記冷却用部材との間に配設され、前記冷却用部材の流路の路壁の一部を形成すると共に、前記半導体素子及び前記冷却用部材を電気的に絶縁し、前記半導体素子と対向する領域以外の領域の少なくとも一部の厚みが前記冷却用部材側に厚くなる形状を有する絶縁部材であるセラミックスと、
   を備えた半導体モジュール。
2. 前記冷却用部材は、熱伝導性のフィン及び柱材の少なくとも一方を備え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。
3. 前記路壁を形成する絶縁部材に前記フィン及び柱材の少なくとも一方が接合されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記絶縁部材が、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化シリコーン、酸化シリコーン、酸化ベリリウム、及びシリコーンカーバイドから選択される少なくとも一種を用いてなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
5. 前記配線用金属板が、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であって電気抵抗率が１０×１０^−６Ωｃｍ以下である金属を用いてなることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
6. 前記配線用金属板が、銅、アルミニウム、タングステン、及びモリブデンから選択される少なくとも一種を用いてなることを特徴とする請求項５に記載の半導体モジュール。

Images