JP5145966B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を内蔵すると共に一対の主面に放熱板を配設してなる半導体モジュールに関する。

半導体素子を内蔵すると共に一対の主面に放熱板を配設してなる半導体モジュールとして、例えば特許文献１に示すものがある。かかる半導体モジュール９においては、図１６に示すごとく、両主面に放熱板９２を配することにより、半導体素子９１の熱を、半導体モジュール９の両主面から放熱することが可能となり、放熱効率を向上させることができる。
それ故、放熱板はできるだけ大きく、また、一対の放熱板９２の大きさは同等とすることが理想である。

特開２００１−３０８２３７号公報

しかしながら、実際に半導体モジュール９を製造する場合、図１６（Ａ）、（Ｃ）に示すごとく、半導体素子９１のエミッタ側に配するエミッタ側放熱板９２２の大きさを、半導体素子９２のコレクタ側に配するコレクタ側放熱板９２１よりも小さくせざるを得ない。この理由を以下に述べる。

すなわち、半導体モジュール９を製造する場合、まず、図１７（Ａ）に示すごとく、コレクタ側放熱板９２１にはんだ箔９５１、半導体素子９１、はんだ箔９５２、スペーサ９３、はんだ箔９５３を順次載せて、ファーストリフローを行うことにより、これらを接合する。その後、半導体素子９１と信号端子９４（図１６）とをワイヤボンディングにて接続する（図示略）。

次いで、上記のごとく接合されたコレクタ側放熱板９２１と半導体素子９１とスペーサ９３との組立体９０を、図１７（Ｂ）に示すごとく上下反転する。そして、スペーサ９３の表面を、はんだ９５０を介して、エミッタ側放熱板９２２に対向させるようにして、上記組立体９０をエミッタ側放熱板９２２に載せる（図１８）。この状態でセカンドリフローを行うことにより、上記組立体９０にエミッタ側放熱板９２２を接合する。その後、全体を樹脂モールドすることにより、半導体モジュール９を得る。

ここで、上記セカンドリフロー時には、図１８〜図２１に示すごとく、上記組立体９０とエミッタ側放熱板９２２との間の水平方向及び厚み方向の位置決めを行うための支承治具９６を用いる。この支承治具９６は、エミッタ側放熱板９２２を載置する底部９６１と、該底部９６１の両端から上方に立設した一対の立設部９６２とを有する。そして、図１８に示すごとく、上記底部９６１にエミッタ側放熱板９２２を載置し、その上から、コレクタ側放熱板９２１と半導体素子９１とスペーサ９３との組立体９０を載せる。このとき、コレクタ側放熱板９２１の端部が、上記立設部９６２の上面９６３に当接する。これにより、エミッタ側放熱板９２２と上記組立体９０との位置あわせを行いつつ、セカンドリフローを行う。

そのため、エミッタ側放熱板９２２は、上記一対の立設部９６２の内側に入る寸法であり、コレクタ側放熱板９２１は、上記一対の立設板９６２に懸架することが可能な寸法である必要がある。それゆえ、コレクタ側放熱板９２１は、エミッタ側放熱板９２２よりも、大きな外形を有することとなる。
そうすると、半導体モジュール９において、両主面に配された一対の放熱板９２から半導体素子９１の放熱を均等に行うことができず、放熱性能を充分に向上させることが困難であった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、放熱性能に優れた半導体モジュールを提供しようとするものである。

本発明は、半導体素子を内蔵すると共に一対の主面に放熱板を配設してなる半導体モジュールであって、
上記一対の放熱板のうちの一方の放熱板である第一放熱板は長方形状を有し、
上記一対の放熱板のうちの他方の放熱板である第二放熱板は、上記第一放熱板と同形状の長方形における四つ角のうちの少なくとも対角の二つの角部に切欠部を設けた形状を有し、
上記第二放熱板は、その主面に垂直に投影したとき上記切欠部以外の部分において上記第一放熱板と重なっており、
上記切欠部は、上記長方形の角部のみに形成されていることを特徴とする半導体モジュールにある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記半導体モジュールにおいては、上記第二放熱板が、上記第一放熱板と同形状の長方形における四つ角のうちの少なくとも対角の二つの角部に切欠部を設けた形状を有する。そのため、上記半導体モジュールを組み立てる際、第二放熱板における切欠部に対応する位置に支承治具の立設部を配置した状態で支承治具の底部に第二放熱板を載置すると共に、第一放熱板の四つ角のうちの少なくとも対角の二つの角部を支承治具の立設部に支承させることができる（後述する実施例１、図４、図７参照）。これにより、第一放熱板と第二放熱板との位置合わせを行うことができ、半導体モジュールの製造が可能となる。

そして、上記切欠部は、長方形における四つ角のうちの少なくとも対角の二つの角部に配置すれば足るため、第二放熱板と第一放熱板との面積の差を小さくすることができる。すなわち、第二放熱板の面積を極力大きくして、半導体モジュールの両主面からの放熱を略均等とすることができると共に、放熱性能を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、放熱性能に優れた半導体モジュールを提供することができる。

本発明（請求項１）において、上記放熱板の形状は、主面に垂直な方向から見たときの形状である。また、上記半導体モジュールは、上記半導体素子を一つ内蔵していてもよいし、複数個内蔵していてもよい。

また、上記第二放熱板は、上記切欠部を、三つ以上の角部に形成してあることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記半導体モジュールを組み立てる際に、三つ以上の切欠部に対応して、立設部を三本以上有する支承治具を用いることができ、第一放熱板を安定して支承することができる。

また、上記第二放熱板は、上記切欠部を、四つの角部すべてに形成してあることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記半導体モジュールを組み立てる際に、四つの切欠部に対応して、立設部を四本有する支承治具を用いることができ、第一放熱板を一層安定して支承することができる（図５〜図７参照）。

また、上記半導体素子は、バイポーラトランジスタからなり、上記第二放熱板は、上記半導体素子のエミッタ側に配設されていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記半導体素子におけるベースにワイヤーボンディングを施すことがあるが、かかる場合に、半導体モジュールの組立時に支承治具にて支承すべき第一放熱板は、ベースと反対側の面に設けられたコレクタの配設側の放熱板となる。それ故、コレクタと反対側のエミッタ側に上記第二放熱板を配設することが好ましい。これにより、製造容易な半導体モジュールを得ることができる。

また、上記半導体素子は、電界効果トランジスタからなり、上記第二放熱板は、上記半導体素子のドレイン側に配設されていることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記半導体素子におけるゲートにワイヤーボンディングを施すことがあるが、かかる場合に、半導体モジュールの組立時に支承治具にて支承すべき第一放熱板は、ゲートと反対側の面に設けられたソースの配設側の放熱板となる。それ故、ソースと反対側のドレイン側に上記第二放熱板を配設することが好ましい。これにより、製造容易な半導体モジュールを得ることができる。

（実施例１）
本発明の実施例に係る半導体モジュールにつき、図１〜図７を用いて説明する。
本例の半導体モジュール１は、図１に示すごとく、半導体素子２を内蔵すると共に一対の主面に放熱板３を配設してなる。図１（Ｃ）に示すごとく、一対の放熱板３のうちの一方の放熱板である第一放熱板３１は長方形状を有する。また、図１（Ａ）に示すごとく、一対の放熱板３のうちの他方の放熱板である第二放熱板３２は、第一放熱板３１と同形状の長方形における四つの角部に切欠部３２１を設けた形状を有する。

具体的には、図１（Ａ）、（Ｃ）に示すごとく、第二放熱板３２における長手方向の寸法Ａと短手方向の寸法Ｂとは、それぞれ第一放熱板３１における長手方向の寸法Ａと短手方向の寸法Ｂと同等である。そして、第二放熱板３２は、第一放熱板３１における四つの角部に対応する位置に、切欠部３２１を形成している。これらの切欠部３２１は、それぞれ、３ｍｍ×３ｍｍの正方形状を有する。
また、図１（Ｂ）、図２に示すごとく、第二放熱板３２は、その主面に垂直に投影したとき切欠部３２以外の部分において第一放熱板３１と重なる状態で、半導体モジュール１に組み込まれている。

本例の半導体モジュール１は、図２に示すごとく、二個の半導体素子２を内蔵してなり、二個の半導体素子２のうちの一方は、バイポーラトランジスタの一種であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）２１である。そして、第二放熱板３２は、ＩＧＢＴ２１のエミッタ側に配設されている。
また、上記二個の半導体素子２のうちの他方は、ダイオード２２である。そして、ダイオード２２は、アノード側を第二放熱板３２側に配置している。

また、第一放熱板３１は、上記二個の半導体素子２における第二放熱板３２とは反対側の面に配置されている。すなわち、第一放熱板３１は、ＩＧＢＴ２１のコレクタ側に配され、ダイオード２２のカソード側に配されている。
半導体素子２は、第一放熱板３１の内側面３１２に、はんだ５によって接合されている。そして、半導体素子２における第一放熱板３１と反対側の面は、熱伝導性及び導電性に優れたスペーサ１２を介してはんだ５によって第二放熱板３２の内側面３２２に接合されている。このようにして、二個の半導体素子２は、一対の放熱板３に挟持された状態にある。

また、半導体素子２、放熱板３、スペーサ１２等からなる接合体は、一対の放熱板３の表面を露出させる状態で、樹脂によってモールドされており、図１（Ａ）、（Ｃ）に示すごとく、平面視略長方形状の本体部１０を構成している。
また、第一放熱板３１及び第二放熱板３２は、それぞれ一対の電極端子３３とそれぞれ一体化されている。これらの電極端子３３は、図１に示すごとく、本体部１０における一辺から突出している。また、本体部１０における他方の辺からは、複数の信号端子３４が突出している。信号端子３４は、本体部１０の内部において、二個の半導体素子２のうちのＩＧＢＴ２１のコレクタ端子にワイヤーボンディングによって接続されている。

半導体モジュール１は、例えば、インバータ等の電力変換装置におけるスイッチング用の部品として組み込まれる。そして、上記一対の電極端子３３は、被制御電流を流す電力バスバーに接続され、上記信号端子３４は、半導体素子２を制御する制御回路に接続される。

以下に、半導体モジュール１の製造方法につき説明する。
まず、図３に示すごとく、第一放熱板３１にはんだ箔５１、半導体素子２、はんだ箔５２、スペーサ１２、はんだ箔５３を順次載せて、ファーストリフローを行うことにより、これらを接合する。その後、半導体素子２と信号端子３４とをワイヤボンディングにて接続する（図示略）。

次いで、上記のごとく接合された第一放熱板３１と半導体素子２とスペーサ１２との組立体１００を、図３（Ｂ）に示すごとく上下反転する。そして、スペーサ１２の表面を、はんだ５を介して、第二放熱板３２に対向させるようにして、上記組立体９０を第二放熱板３２に載せる（図４）。この状態でセカンドリフローを行うことにより、上記組立体１００に第二放熱板３２を接合する。その後、全体を樹脂モールドすることにより、半導体モジュール１を得る。

ここで、上記セカンドリフロー時には、図４〜図７に示すごとく、上記組立体１００と第二放熱板３２との間の水平方向及び厚み方向の位置決めを行うための支承治具６を用いる。この支承治具６は、図５、図６に示すごとく、第二放熱板３２を載置する長方形状の底部６１と、該底部６１の四隅から上方に立設した一対の立設部６２とを有する。そして、図４、図７に示すごとく、上記底部６１に第二放熱板３２を載置し、その上から、第一放熱板３１と半導体素子２とスペーサ９３との組立体１００を載せる。このとき、第一放熱板３１の端部が、上記立設部６２の上面６３に当接する。これにより、第二放熱板３２と上記組立体１００との位置あわせを行いつつ、セカンドリフローを行う。

第二放熱板３２は、上記のごとく、四つ角に切欠部３２１を形成してなるため、この切欠部３２１に支承治具６の立設部６２が配置されるような状態で、第二放熱板３２を支承治具６の底部６１に載置することができる。一方、第一放熱板３１は、上記のごとく、切欠部３２１を設けておらず、その四つ角を、支承治具６の立設部６２の上面６３に載置することができる。
このようにして、第一放熱板３１と第二放熱板３２との間の間隔を一定の間隔に保った状態で、セカンドリフローを行うことができる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記半導体モジュール１においては、第二放熱板３２が、第一放熱板３１と同形状の長方形における四つ角のうちの少なくとも対角の二つの角部に切欠部３２１を設けた形状を有する。そのため、半導体モジュール１を組み立てる際、図４、図７に示すごとく、第二放熱板３２における切欠部３２１に対応する位置に支承治具６の立設部６２を配置した状態で支承治具の底部６１に第二放熱板３２を載置すると共に、第一放熱板３１の四つ角を支承治具６の立設部６２に支承させることができる。これにより、第一放熱板３１と第二放熱板３２との位置合わせを行うことができ、半導体モジュール１の製造が可能となる。

そして、切欠部３２１は、長方形における四つ角にのみ配置すれば足るため、第二放熱板３２と第一放熱板３１との面積の差を小さくすることができる。すなわち、第二放熱板３２の面積を極力大きくして、半導体モジュール１の両主面からの放熱を略均等とすることができると共に、放熱性能を向上させることができる。

また、第二放熱板３２は、切欠部３２１を、四つの角部すべてに形成してあるため、半導体モジュール１を組み立てる際に、四つの切欠部３２１に対応して、立設部６２を四本有する支承治具６を用いることができ、第一放熱板３１を一層安定して支承することができる。

また、半導体素子２のうちの一方では、バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ２１）からなり、第二放熱板３２は、ＩＧＢＴ２１のエミッタ側に配設されている。これは、ＩＧＢＴ２１におけるベースには、上記のごとくワイヤーボンディングを施すため、半導体モジュール１の組立時に支承治具６にて支承すべき第一放熱板３１は、必然的に、ベースと反対側の面に設けられたコレクタの配設側に配されることとなる。それ故、コレクタと反対側のエミッタ側に第二放熱板３２を配設することにより、製造容易な半導体モジュールを得ることができる。

以上のごとく、本例によれば、放熱性能に優れた半導体モジュールを提供することができる。

（実施例２）
本例は、半導体素子２のうちの一方であるＩＧＢＴ２１の代わりに、、電界効果トランジスタの一種であるＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を用いた例である。
この場合には、第二放熱板３２は、ＭＯＳＦＥＴのドレイン側に配設し、第一放熱板３１をソース側に配設する。

すなわち、この場合には、ＭＯＳＦＥＴにおけるゲートにワイヤーボンディングを施して信号端子と接続する。そのため、半導体モジュール１の組立時に支承治具６１にて支承すべき第一放熱板３１は、ゲートと反対側の面に設けられたソースの配設側に配されることとなる。それ故、ソースと反対側のドレイン側に第二放熱板３２を配設することにより、製造容易な半導体モジュール１を得ることができる。
その他は、実施例１と同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。

（実施例３）
本例は、図８〜図１０に示すごとく、第二放熱板３２の四つ角に設けた切欠部３２１の形状を種々変更した半導体モジュール１の例である。
図８に示す半導体モジュール１における切欠部３２１は、テーパ状に面取りした形状を有する。
図９に示す半導体モジュール１における切欠部３２１は、内側に凸の円弧形状を有する。
図１０に示す半導体モジュール１における切欠部３２１は、外側に凸の円弧形状を有する。
その他は、実施例１と同様である。
これらの場合にも、実施例１と同様の作用効果を有する。
なお、切欠部３２１の形状は、上記以外にも種々の形状が考えられる。

（実施例４）
本例は、図１１〜図１４に示すごとく、第二放熱板３２に設けた切欠部３２１の数を３個あるいは２個とした半導体モジュール１の例である。
図１１に示す半導体モジュール１は、第二放熱板３２における三つの角部に切欠部３２１を設け、他の一つの角部には切欠部３２１を設けていない。また、この半導体モジュール１における切欠部３２１は、実施例１と同様に正方形状を有する。
図１２に示す半導体モジュール１も、第二放熱板３２における三つの角部に切欠部３２１を設け、他の一つの角部には切欠部３２１を設けていない。また、この半導体モジュール１における切欠部３２１は、テーパ状に面取りした形状を有する。

図１３に示す半導体モジュール１は、第二放熱板３２における対角の二つの角部に切欠部３２１を設け、他の二つの角部には切欠部３２１を設けていない。また、この半導体モジュール１における切欠部３２１は、実施例１と同様に正方形状を有する。
図１４に示す半導体モジュール１も、第二放熱板３２における対角の二つの角部に切欠部３２１を設け、他の二つの角部には切欠部３２１を設けていない。また、この半導体モジュール１における切欠部３２１は、テーパ状に面取りした形状を有する。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、第二放熱板３２の面積を第一放熱板３１の面積に、より近付けて大きくすることができるため、半導体モジュール１の両主面からの放熱を一層均等に行うことができると共に、放熱性能を向上させることができる。
また、第二放熱板３２の少なくとも対角の二つの角部に切欠部３２１を設ければ、半導体モジュール１を組み立てる際に、第一放熱板３１と第二放熱板３２とを、立設部を２本あるいは３本とした支承治具６（例えば、図５、図６に示す支承治具６の立設部６２を２本あるいは３本としたもの）に適切にセットすることが可能である。それゆえ、半導体モジュール１の製造が充分に可能となる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例５）
本例は、図１５に示すごとく、逆方向導通性を有する２個の半導体素子２０を、半導体モジュール１に内蔵した例である。
逆方向導通性を有する半導体素子２０としては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、あるいは、上述したＩＧＢＴにダイオードの機能を取り込んだ複合素子を用いることができる。そして、二個の半導体素子２０は、第一放熱板３１（電極端子３３）と第二放熱板３２（電極端子３３）とにおいて、互いに電気的に並列接続されている。

したがって、本例の半導体モジュール１は、上述した実施例１〜４における半導体モジュールを２個並列接続したものを、大きさを変えずに一体化したものと考えることができる。そして、信号端子３４については、各半導体素子２０ごとに制御回路に接続する必要があるため、実施例１〜４の半導体モジュールの二倍の本数が形成されている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、実施例１〜４に示した半導体モジュールに対して二倍の電流が全体として流れることとなり、発熱量が二倍となる。それゆえ、本例の半導体モジュール１においては特に放熱性能の向上が求められるが、本発明を適用することにより、効果的に、両主面からの放熱を略均等にして、放熱性能を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

実施例１における、（Ａ）第二放熱板側から見た半導体モジュールの正面図、（Ｂ）（Ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図、（Ｃ）第一放熱板側から見た半導体モジュールの正面図。 図１（Ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図。 実施例１における、半導体モジュールの製造方法の説明図。 実施例１における、支承治具を用いた半導体モジュールの製造方法の説明図。 実施例１における、支承治具の平面図。 実施例１における、支承治具の斜視図。 実施例１における、支承治具とこれにセットする第二放熱板及び第一放熱板の斜視図。 実施例３における、半導体モジュールの正面図。 実施例３における、他の半導体モジュールの正面図。 実施例３における、更に他の半導体モジュールの正面図。 実施例４における、切欠部を３個設けた半導体モジュールの正面図。 実施例４における、切欠部を３個設けた他の半導体モジュールの正面図。 実施例４における、切欠部を２個設けた半導体モジュールの正面図。 実施例４における、切欠部を２個設けた他の半導体モジュールの正面図。 実施例５における、半導体モジュールの正面図。 従来例における、（Ａ）第二放熱板側から見た半導体モジュールの正面図、（Ｂ）（Ａ）のＣ−Ｃ線矢視断面図、（Ｃ）第一放熱板側から見た半導体モジュールの正面図。 従来例における、半導体モジュールの製造方法の説明図。 従来例における、支承治具を用いた半導体モジュールの製造方法の説明図。 従来例における、支承治具の平面図。 従来例における、支承治具の斜視図。 従来例における、支承治具とこれにセットするエミッタ側放熱板及びコレクタ側放熱板の斜視図。

符号の説明

１ 半導体モジュール
２ 半導体素子
３ 放熱板
３１ 第一放熱板
３２ 第二放熱板
３２１ 切欠部

Claims (5)

1. 半導体素子を内蔵すると共に一対の主面に放熱板を配設してなる半導体モジュールであって、
   上記一対の放熱板のうちの一方の放熱板である第一放熱板は長方形状を有し、
   上記一対の放熱板のうちの他方の放熱板である第二放熱板は、上記第一放熱板と同形状の長方形における四つ角のうちの少なくとも対角の二つの角部に切欠部を設けた形状を有し、
   上記第二放熱板は、その主面に垂直に投影したとき上記切欠部以外の部分において上記第一放熱板と重なっており、
   上記切欠部は、上記長方形の角部のみに形成されていることを特徴とする半導体モジュール。
2. 請求項１において、上記第二放熱板は、上記切欠部を、三つ以上の角部に形成してあることを特徴とする半導体モジュール。
3. 請求項２において、上記第二放熱板は、上記切欠部を、四つの角部すべてに形成してあることを特徴とする半導体モジュール。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、上記半導体素子は、バイポーラトランジスタからなり、上記第二放熱板は、上記半導体素子のエミッタ側に配設されていることを特徴とする半導体モジュール。
5. 請求項１〜３のいずれか一項において、上記半導体素子は、電界効果トランジスタからなり、上記第二放熱板は、上記半導体素子のドレイン側に配設されていることを特徴とする半導体モジュール。

Images