JP5338979B1 - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

半導体モジュールであって、半導体装置と、第１導電部材と、第２導電部材と、筒体と、カバーを有している。半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の一方の表面に形成されている第１電極と、前記一方の表面と反対の半導体基板の表面に形成されている第２電極を有する。第１導電部材は、第１電極と接している。第２導電部材は、第２電極と接している。筒体は、半導体装置を取り囲んでおり、第１導電部材に固定されており、外周面または内周面に第１ネジ溝が形成されている。カバーには、第２ネジ溝が形成されている。カバーは、第２ネジ溝が第１ネジ溝に係合していることによって筒体に固定されている。半導体装置と第２導電部材が、第１導電部材とカバーに挟まれることによって固定されている。第２導電部材が、カバーよりも第１導電部材側に存在する筒体の外周壁を貫通して筒体の内側から外側に引き出されている延出部を有している。

Description

本明細書に開示の技術は、半導体モジュールに関する。

半導体装置が発熱すると、半導体装置とその周辺の部材（はんだ、配線等）が熱膨張する。各部材の熱膨張率の違いにより、半導体装置にストレスが加わる。このようなストレスは、半導体装置及び半導体モジュールの寿命を短くする。

上述したストレスを低減するために、はんだ等のろう材による接合を用いることなく、半導体装置を導電部材に接続することが検討されている。例えば、日本国特許公開公報Ｈ９−２５２０６７号（以下、特許文献１という）には、半導体装置と各電極を積層し、これらを加圧することで半導体装置と各電極とを接続した半導体モジュールが開示されている。しかしながら、この半導体モジュールでは、第１の電極が半導体装置から下側に伸びるように配置されており、第２の電極が半導体装置から上側に伸びるように配置されている。このように第１の電極と第２の電極が離れていると、第１の電極と第２の電極の間のインダクタンスが大きくなるという問題が生じる。したがって、本明細書では、加圧により半導体装置と導電部材が接続されているとともに、各導電部材の間のインダクタンスが小さい半導体モジュールを提供する。

本明細書が開示する半導体モジュールは、半導体装置と、第１導電部材と、第２導電部材と、筒体と、カバーを有している。半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の一方の表面に形成されている第１電極と、前記一方の表面と反対の半導体基板の表面に形成されている第２電極を有する。第１導電部材は、第１電極と接している。第２導電部材は、第２電極と接している。筒体は、半導体装置を取り囲んでおり、第１導電部材に固定されており、外周面または内周面に第１ネジ溝が形成されている。カバーは、第２ネジ溝が形成されており、第２ネジ溝が第１ネジ溝に係合していることによって筒体に固定されている。半導体装置と第２導電部材は、第１導電部材とカバーに挟まれることによって固定されている。第２導電部材は、カバーよりも第１導電部材側に存在する筒体の外周壁を貫通して筒体の内側から外側に引き出されている延出部を有している。

この半導体モジュールでは、第２導電部材の延出部が、筒体の外周壁を貫通して筒体の内側から外側に引き出されている。このため、筒体の外側において、延出部を第１導電部材に沿って配置することができる。このため、この半導体モジュールでは、第１導電部材と第２導電部材の間のインダクタンスが小さい。また、延出部は、カバーよりも第１導電部材側に存在する筒体の外周壁を貫通している。すなわち、延出部は、カバーを貫通することなく、筒体の外周壁を貫通している。このため、カバーを回転させて筒体に取り付ける（すなわち、第２ネジ溝を第１ネジ溝に係合させる）ことが可能である。このため、この半導体モジュールは、容易に組み立てることができる。

上述した半導体モジュールは、半導体基板の前記一方の表面に、第３電極がさらに形成されていてもよい。この場合に、半導体モジュールが、第３電極に接しており、カバーよりも第１導電部材側に存在する筒体の外周壁を貫通して筒体の内側から外側に引き出されている第３導電部材をさらに有していることが好ましい。

また、上述した何れかの半導体モジュールでは、半導体装置に対する配線（例えば、第２導電部材、第３導電部材）が筒体の外周壁を貫通して筒体の外側に引き出されているので、第１導電部材及びカバーには配線の引出し構造を設ける必要がない。したがって、第１導電部材及びカバーに冷却器を接続して、好適に半導体装置を冷却することができる。このため、上述したいずれかの半導体モジュールは、第１導電部材の半導体装置と反対側の表面に第１の冷却器が接続されており、カバーの半導体装置と反対側の表面に、第２の冷却器が接続されていることが好ましい。

また、上述した何れかの半導体モジュールは、第３導電部材と第１導電部材の間に、絶縁部材が配置されており、第３導電部材が、第３電極と絶縁部材に挟まれることによって固定されていることが好ましい。

このような構成によれば、第３導電部材と第３電極が加圧により接続されるので、第３電極近傍で半導体装置に加わるストレスが軽減される。

第１実施例の半導体モジュール１０の縦断面図。 図１の矢印Ａ１に沿って半導体モジュール１０を見た平面図であって、電極板４０ａと冷却器６２、７２の図示を省略した図。 第２実施例の半導体モジュール１００の縦断面図。 変形例の半導体モジュールの縦断面図。 変形例の半導体モジュールの縦断面図。

（第１実施例）
図１、２に示す半導体モジュール１０は、ケース４０とカバー５０内に半導体装置２０を収容したアセンブリである。

ケース４０は、金属により構成されている。ケース４０は、電極板４０ａと、筒体４０ｂを有している。電極板４０ａは、略平面状に形成されている。筒体４０ｂは、電極板４０ａに対して垂直に中心軸が伸びる円筒形状に形成されている。筒体４０ｂの下端は、電極板４０ａに接続されている。すなわち、筒体４０ｂの中心孔の下端は、電極板４０ａによって塞がれている。電極板４０ａの一部４０ｅは、筒体４０ｂの外周面よりも外側に引き出されている。筒体４０ｂの外周面には、ネジ溝４０ｃが形成されている。ネジ溝４０ｃの下側（電極板４０ａ側）の筒体４０ｂには、貫通孔４０ｄ、４０ｆが形成されている。

電極板４０ａ上には、金属板８４、半導体装置２０、金属板８２、バスバー３０、絶縁板８０、及び、３つのピン９０が設置されている。金属板８４、半導体装置２０、及び、金属板８２、及び、絶縁板８０は、筒体４０ｂの内側に設置されている。バスバー３０及びピン９０は、筒体４０ｂの外周壁を貫通するように設置されている。

金属板８４は、電極板４０ａ上に載置されている。金属板８４は、すず、銀（銀ペースト）等の比較的柔らかい金属により構成されている。

金属板８４上には、半導体装置２０が設置されている。半導体装置２０は、ＳｉＣにより構成された半導体基板２４を有している。半導体基板２４には、ＭＯＳＦＥＴが形成されている。半導体基板２４の下面には、ＭＯＳＦＥＴのソース電極２６と、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極２８の複数個が形成されている。図２に示すように、半導体基板２４は、長方形である。複数のゲート電極２８は、半導体基板２４の１つの長辺に沿って配列されている。図１に示すように、半導体基板２４の上面には、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電極２２が形成されている。半導体装置２０は、ソース電極２６が金属板８４と接触するように、金属板８４上に載置されている。各ゲート電極２８は、金属板８４と接触していない。

金属板８２は、半導体装置２０上に設置されている。金属板８２は、すず等の比較的柔らかい金属により構成されている。金属板８２は、半導体装置２０のドレイン電極２２と接触している。

３つのピン９０のそれぞれは、ゲート電極２８に接続されている。各ピン９０は、筒体４０ｂの外周壁に形成されている貫通孔４０ｆを通って、ゲート電極２８から筒体４０ｂの外側まで延びている。貫通孔４０ｆ内のピン９０は、絶縁体９２によって覆われている。各ピン９０は、絶縁体９２を介してケース４０に固定されている。各ピン９０は、絶縁体９２によってケース４０から絶縁されている。

バスバー３０は、折り曲げられた金属板により構成されている。バスバー３０は、第１部分３０ａ、第２部分３０ｂ、第３部分３０ｃを有している。第１部分３０ａは、金属板８２上に載置されている。第２部分３０ｂは、第１部分３０ａから電極板４０ａ側に向かって伸びている。第３部分３０ｃは、第２部分３０ｂから電極板４０ａに沿って伸びている。第３部分３０ｃは、筒体４０ｂの外周壁に形成されている貫通孔４０ｄを通って、筒体４０ｂの内側から外側まで延びている。貫通孔４０ｄ内のバスバー３０は、絶縁体３２によって覆われている。バスバー３０は、絶縁体３２によってケース４０から絶縁されている。

絶縁板８０は、バスバー３０の第１部分３０ａ上に載置されている。

カバー５０は、金属により構成されている。カバー５０の外表面には、絶縁塗装が施されている。カバー５０は、円筒形状の側壁部５０ｂと、その側壁部５０ｂの中心孔の一端を閉塞する平板部５０ａとを有している。すなわち、カバー５０は、カップ形状を備えている。側壁部５０ｂの内周面には、ネジ溝５０ｃが形成されている。カバー５０のネジ溝５０ｃは、ケース４０のネジ溝４０ｃに係合している。すなわち、ネジ溝４０ｃ、５０ｃを用いて、カバー５０がケース４０に締結されている。カバー５０の平板部５０ａの下面は、絶縁板８０と接している。すなわち、カバー５０の平板部５０ａとケース４０の電極板４０ａによって、金属板８４、半導体装置２０、金属板８２、バスバー３０の第１部分３０ａ、及び、絶縁板８０からなる積層体が挟まれている。カバー５０はケース４０に対して高いトルクで締結されている。したがって、前記積層体は、平板部５０ａと電極板４０ａによって加圧されている。この圧力によって、前記積層体を構成する各部材が、カバー５０とケース４０に対して固定されている。なお、ケース４０の電極板４０ａと金属板８４との接触部分、金属板８４と半導体装置２０のソース電極２６との接触部分、半導体装置２０のドレイン電極２２と金属板８２との接触部分、及び、金属板８２とバスバー３０の第１部分３０ａとの接触部分は、ろう材等によって接合されていない。したがって、カバー５０をケース４０から取り外すと、前記積層体の各部材を互いに分離させることができる。

カバー５０の平板部５０ａの上面には、絶縁シート７０が固定されている。絶縁シート７０の上面には、冷却器７２が固定されている。冷却器７２は、液循環式の冷却器である。なお、カバー５０と絶縁シート７０との接触部分、及び、絶縁シート７０と冷却器７２の接触部分には、グリースが塗布されている。これによって、冷却器７２とカバー５０の間における熱抵抗が低減されている。また、ケース４０の電極板４０ａの下面には、絶縁シート６０が固定されている。絶縁シート６０の下面には、冷却器６２が固定されている。冷却器６２は、液循環式の冷却器である。なお、電極板４０ａと絶縁シート６０との接触部分、及び、絶縁シート６０と冷却器６２の接触部分には、グリースが塗布されている。これによって、電極板４０ａと絶縁シート６０の間における熱抵抗が低減されている。

以上に説明したように、この半導体モジュール１０では、半導体基板２４の下面側に位置するソース電極２６に対する配線が、ケース４０の電極板４０ａによって構成されている。また、半導体基板２４の上面側に位置するドレイン電極２２に対する配線が、バスバー３０によって構成されている。バスバー３０は、筒体４０ｂの外周壁を貫通して筒体４０ｂの外側に引き出されている。これによって、電極板４０ａの延出部４０ｅとバスバー３０の第３部分３０ｃが、互いに接近しており、かつ、略平行に配置されている。したがって、これらの間におけるインダクタンスが、従来の半導体モジュールよりも低減されている。すなわち、この半導体モジュール１０では、ソース電極２６に対する配線とドレイン電極２２に対する配線の間のインダクタンスが低減される。

また、バスバー３０の第３部分３０ｃが電極板４０ａの延出部４０ｅの近くに配置されているので、これらに対する外部の配線を容易に設置することができる。すなわち、仮に、ドレイン電極２２に対する配線部材が半導体モジュール１０の上側に引き出されている場合には、電極板４０ａから離れた位置でドレイン電極２２に対する外部配線を接続しなければならない。これに対し、本実施例の半導体モジュール１０では、第３部分３０ｃが延出部４０ｅの近くに配置されているので、これらに対する外部の配線を容易に設置することができる。

また、半導体モジュール１０では、ゲート電極２８に対する配線であるピン９０も、筒体４０ｂの外周壁を貫通して筒体４０ｂの外側に引き出されている。すなわち、電極板４０ａにより構成されている配線を除く全ての配線が、カバー５０よりも電極板４０ａ側の筒体４０ｂの外周壁を貫通して筒体４０ｂの内側から外側に引き出されている。このため、電極板４０ａ及びカバー５０に、ケース４０とカバー５０の内側から外側に配線を引き出すための構造が形成されていない。このため、電極板４０ａの下面とカバー５０の上面を平坦な形状とすることが実現されている。電極板４０ａの下面が平坦であるので、電極板４０ａに対して冷却器６２が好適に接続されている。したがって、冷却器６２によって効率的に半導体装置２０を冷却することができる。また、カバー５０の上面が平坦であるので、カバー５０に対して冷却器７２が好適に接続されている。したがって、冷却器７２によって効率的に半導体装置２０を冷却することができる。すなわち、この半導体モジュール１０によれば、両面から半導体装置２０を効率的に冷却することができる。

また、この半導体モジュール１０では、半導体装置２０が圧力によって固定されており、半導体装置２０と金属板８２、８４とがろう付け等によって接合されていない。したがって、半導体装置２０が発熱することで半導体装置２０と金属板８２、８４が熱膨張した場合に、半導体装置２０にストレスが加わり難い。したがって、この半導体モジュール１０は寿命が長い。

次に、半導体モジュール１０の製造方法について説明する。最初に、絶縁体９２と３つのピン９０が一体になっている部品を用意し、その部品の各ピン９０を半導体装置２０の各ゲート電極２８に接合する。次に、ケース４０の筒体４０ｂ内の電極板４０ａ上に金属板８４を載置する。次に、互いに接続されているピン９０と半導体装置２０を、金属板８４上に設置する。このとき、ピン９０を筒体４０ｂの貫通孔４０ｆに挿入しながら、半導体装置２０を金属板８４上に載置する。半導体装置２０を金属板８４上に載置する際には、ソース電極２６を金属板８４に接触させる。次に、半導体装置２０上に、金属板８２を載置する。次に、バスバー３０と絶縁体３２が一体になっている部品を、金属板８４上に設置する。ここでは、バスバー３０の第３部分３０ｃを筒体４０ｂの貫通孔４０ｄに挿入しながら、バスバー３０の第１部分３０ａを金属板８２上に載置する。次に、バスバー３０の第１部分３０ａ上に、絶縁板８０を載置する。次に、カバー５０のネジ溝５０ｃをケース４０のネジ溝４０ｃと係合させることで、カバー５０をケース４０に固定する。カバー５０をその中心軸回りに回転させることでカバー５０を下側に移動させると、カバー５０の平板部５０ａが絶縁板８０と接触する。そこから、さらにカバー５０を回転させると、カバー５０の平板部５０ａが絶縁板８０を下側に向かって加圧する。すなわち、カバー５０の平板部５０ａとケース４０の電極板４０ａに挟まれている積層体（すなわち、金属板８４、半導体装置２０、金属板８２、バスバー３０の第１部分３０ａ、及び、絶縁板８０）が、その積層方向に加圧される。これによって、積層体の各部材がケース４０及びカバー５０に対して固定される。

なお、金属板８４は、隣接するソース電極２６及びケース４０の電極板４０ａよりも柔らかい。このため、積層体が加圧されると、金属板８４の上面がソース電極２６の表面形状に合わせて塑性変形し、金属板８４がソース電極２６と密着する。同様に、積層体が加圧されると、金属板８４の下面が電極板４０ａの表面形状に合わせて塑性変形し、金属板８４が電極板４０ａと密着する。これによって、ソース電極２６と電極板４０ａとが確実に電気的に接続される。

また、金属板８２は、隣接するドレイン電極２２及びバスバー３０よりも柔らかい。このため、積層体が加圧されると、金属板８２の下面がドレイン電極２２の表面形状に合わせて塑性変形し、金属板８２がドレイン電極２２と密着する。同様に、積層体が加圧されると、金属板８２の上面がバスバー３０の表面形状に合わせて塑性変形し、金属板８２がバスバー３０と密着する。これによって、ドレイン電極２２とバスバー３０とが確実に電気的に接続される。

カバー５０をケース４０に固定したら、カバー５０に、絶縁シート７０を介して冷却器７２を取り付ける。次に、電極板４０ａに、絶縁シート６０を介して冷却器６２を取り付ける。これによって、図１に示す半導体モジュール１０が完成する。

この半導体モジュール１０では、半導体装置２０に対する配線であるバスバー３０とピン９０が、筒体４０ｂのみを貫通しており、カバー５０を貫通していない。したがって、組立時にカバー５０を自由に回転させることができる。したがって、ネジ溝４０ｃとネジ溝５０ｃとを係合させて、カバー５０をケース４０に取り付けることができる。また、このネジ構造によって、前記積層体を加圧して固定することができる。したがって、この半導体モジュール１０は、容易に組み立てることができる。

なお、第１実施例の半導体モジュール１０では、請求項の各構成要素に対して以下のように対応する。ケース４０の電極板４０ａと金属板８４によって、請求項における第１導電部材が構成されている。筒体４０ｂによって、請求項における筒体が構成されている。カバー５０によって、請求項におけるカバーが構成されている。バスバー３０と金属板８２によって、請求項における第２導電部材が構成されている。ピン９０によって、請求項における第３導電部材が構成されている。

（第２実施例）
次に、図３に示す第２実施例の半導体モジュール１００について説明する。なお、第２実施例の半導体モジュール１００は、ピン９０とゲート電極２８との接続構造が第１実施例の半導体モジュール１０と異なり、その他の構造は第１実施例の半導体モジュールと等しい。なお、第２実施例の半導体モジュール１００についての以下の説明では、第１実施例の半導体モジュール１０を構成する各部材に対応する部材に、第１実施例と同じ参照番号を付している。

第２実施例の半導体モジュール１００では、各ピン９０がゲート電極２８に対して接合されておらず、接触しているのみである。また、第２実施例の半導体モジュール１００では、ゲート電極２８に対向する位置の電極板４０ａの上面に、絶縁ブロック８８が設置されている。ピン９０は、絶縁ブロック８８とゲート電極２８によって挟まれ固定されている。これによって、ピン９０がゲート電極２８に対して電気的に接続されている。

次に、第２実施例の半導体モジュール１００の製造方法について説明する。最初に、ケース４０を用意し、筒体４０ｂ内の電極板４０ａ上に金属板８４と絶縁ブロック８８を載置する。次に、絶縁体９２と３つのピン９０が一体になっている部品を設置する。このとき、この部品を貫通孔４０ｆに挿入するとともに、各ピン９０の筒体４０ｂの内側の端部を絶縁ブロック８８上に載置する。次に、金属板８４上に、半導体装置２０を載置する。このとき、ソース電極２６を金属板８４に接触させるとともに、各ゲート電極２８を各ピン９０の絶縁ブロック８８上の部分に接触させる。その後は、第１実施例と同様にして、金属板８２、バスバー３０、絶縁板８０を設置し、その後、カバー５０をケース４０に固定する。カバー５０を回転させて積層体を加圧すると、その圧力がゲート電極２８と絶縁ブロック８８に挟まれているピン９０にも加わる。この圧力によって、ピン９０がゲート電極２８に対して固定される。その後、第１実施例と同様にして冷却器６２、７２を取り付けることで、第２実施例の半導体モジュール１００が完成する。

上記の通り、第２実施例の半導体モジュール１００では、各ピン９０が圧力によってゲート電極２８に固定される。すなわち、各ピン９０がゲート電極２８に接合されない。このため、ピン９０とゲート電極２８との接点周辺において、半導体装置２０に対するストレスが軽減される。これにより、半導体装置２０の信頼性がより向上する。

なお、上述した第２実施例では、絶縁ブロック８８が電極板４０ａとは別の部材によって構成されていたが、予め絶縁ブロック８８が電極板４０ａに固定されていてもよい。

また、上述した第１実施例及び第２実施例では、カバー５０が絶縁シート７０を介して冷却器７２に固定されていた。しかしながら、カバー５０の表面に絶縁膜が形成されており、その絶縁膜を介してカバー５０が冷却器７２に固定されていてもよい。同様に、第１実施例及び第２実施例では電極板４０ａが、絶縁シート６０を介して冷却器６２に固定されていた。しかしながら、電極板４０ａの表面に絶縁膜が形成されており、その絶縁膜を介して電極板４０ａが冷却器６２に固定されていてもよい。また、図４に示すように、カバー５０に絶縁性のキャップ７４を被せて、キャップ７４を介してカバー５０を冷却器７２に固定してもよい。また、図５に示すように、ケース４０とカバー５０の周囲全体を絶縁性の樹脂７６で覆い、樹脂７６に冷却器６２、７２を固定してもよい。

また、上述した第１実施例及び第２実施例では、筒体４０ｂ及びカバー５０が金属製であったが、これらは絶縁体により構成されていてもよい。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (5)

1. 半導体モジュールであって、
   半導体基板と、半導体基板の一方の表面に形成されている第１電極と、前記一方の表面と反対の半導体基板の表面に形成されている第２電極を有する半導体装置と、
   第１電極と接している第１導電部材と、
   第２電極と接している第２導電部材と、
   半導体装置を取り囲んでおり、第１導電部材に固定されており、外周面または内周面に第１ネジ溝が形成されている筒体と、
   第２ネジ溝が形成されており、第２ネジ溝が第１ネジ溝に係合していることによって筒体に固定されているカバー、
   を有しており、
   半導体装置と第２導電部材が、第１導電部材とカバーに挟まれることによって固定されており、
   第２導電部材が、カバーよりも第１導電部材側に存在する筒体の外周壁を貫通して筒体の内側から外側に引き出されている延出部を有しており、
   第２導電部材と筒体が絶縁分離されており、
   カバーと第２導電部材が絶縁分離されている、
   半導体モジュール。
2. 第２導電部材と筒体との間に両者を絶縁分離するための第１の絶縁部材が設けられており、
   カバーと第２導電部材との間に両者を絶縁分離するための第２の絶縁部材が設けられている、
   請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 半導体基板の前記一方の表面に、第３電極がさらに形成されており、
   第３電極と接しており、カバーよりも第１導電部材側に存在する筒体の外周壁を貫通して筒体の内側から外側に引き出されている第３導電部材、をさらに有しており、
   第３導電部材と筒体が絶縁分離されている、
   請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
4. 第１導電部材の半導体装置と反対側の表面に、第１の冷却器用絶縁部材を介して第１の冷却器が接続されており、
   カバーの半導体装置と反対側の表面に、第２の冷却器用絶縁部材を介して第２の冷却器が接続されている、
   請求項１から３の何れか一項に記載の半導体モジュール。
5. 第３導電部材と第１導電部材の間に、第３導電部材と筒体との間に両者を絶縁分離するための第３の絶縁部材が配置されており、
   第３導電部材が、第３電極と第３の絶縁部材に挟まれることによって固定されている、
   請求項３に記載の半導体モジュール。

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