JP5338980B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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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、半導体装置を配線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板を積層し、これらを加圧することで半導体装置と各電極板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、陽極板が半導体モジュールの下面に配置されており、陰極板が半導体モジュールの上面に配置されている。このため、この半導体モジュールを機器に取り付ける際には、半導体モジュールの上面側（すなわち、陰極板側）と半導体モジュールの下面側（すなわち、陽極板側）にそれぞれ配線を接続する必要がある。すなわち、この半導体モジュールを機器に取り付ける際には、複雑な配線が必要となる。したがって、本明細書では、より簡単な配線により機器に取り付けることが可能な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電極板と、第２電極板と、第１配線部材を有している。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電極板は、第１電極と接している。第２電極板は、第２電極と接している。第１配線部材は、第１電極板から絶縁された状態で第１電極板を貫通しており、第２電極板と接続されている。第１電極板、及び、第２電極板に対して半導体装置を加圧する圧力が加わっていることによって、第１電極板、半導体装置、及び、第２電極板が互いに固定されている。
この半導体モジュールでは圧力によって第１電極板、半導体装置、及び、第２電極板が互いに接続されている。この半導体モジュールでは、ろう材による接合を用いていないため、半導体装置の発熱時に、半導体装置にストレスが加わり難い。また、第２電極板は、第１電極板を貫通している第１配線部材に接続されている。したがって、第１電極板側で、第１電極板に対する配線のみならず、第２電極板に対する配線を設けることができる。したがって、この半導体モジュールは、機器に取り付ける際に、より簡単な配線により接続が可能である。
上述した半導体モジュールは、半導体装置と第２電極板を取り囲んでおり、第１電極板に固定されており、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おり、第２電極板を半導体装置に向かって加圧しているカバーをさらに有することが好ましい。
なお、カバーは、第２電極板に直接接触して第２電極板を半導体装置に向かって加圧していてもよいし、他の部材を介して第２電極板を半導体装置に向かって加圧していてもよい。
この半導体モジュールは、カバーを回転させて第２ネジ溝を第１ネジ溝に係合させることで、カバーと筒体を組み立てることができる。第２電極板に対する配線は第１配線部材によって第１電極板を貫通して外側に引き出されているので、カバーを通して第２電極に対する配線を設ける必要はない。したがって、カバーを回転させる組立方式を採用しても、カバーを回転させるときに配線部材が邪魔になることがない。また、このような構成によれば、カバーを回転させることで、カバーによって第２電極板を半導体装置に向かって加圧することができる。すなわち、カバーを筒体に取り付けることで、第１電極板、半導体装置、及び、第２電極板を互いに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、カバーに、冷却器が固定されていることが好ましい。
上述したようにカバーには配線を設ける必要がないので、カバーと冷却器とを好適に接続することができる。このため、半導体装置を好適に冷却することができる。
上述した半導体モジュールは、半導体装置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１電極板から絶縁された状態で第１電極板を貫通しており、第３電極に接続されている第２配線部材をさらに有することが好ましい。
このような構成によれば、第３電極に対する配線を、第１電極板側に引き出すことができる。したがって、第１電極板側に、第３電極に対する配線を設けることができる。
第１実施例の半導体モジュール１０の概略断面図。 図１の矢印Ａ１に沿って半導体モジュール１０を見た場合における、半導体装置２０と、バスバー３０の平板部３０ａ及び貫通配線部３０ｂと、絶縁板８０と、第１電極板４０の筒部４０ｂとの位置関係を示す図。 半導体モジュール１０の組立工程の説明図。 第１実施例の第１変形例の半導体モジュールの概略断面図。 第１実施例の第２変形例の半導体モジュールの概略断面図。 第１実施例の第３変形例の半導体モジュールの概略断面図。 第２実施例の半導体モジュール１００の概略断面図。 図７の矢印Ａ２に沿って半導体モジュール１００を見た場合における、半導体装置２０と、カバー１５０と、ケース１４０と、ネジ１６２の位置関係を示す図。
（第１実施例）
図１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、平板部４０ａと筒部４０ｂを有している。平板部４０ａは、略平面状に形成されている。図１、２に示すように、筒部４０ｂは、平板部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。筒部４０ｂは、平板部４０ａ上に固定されている。筒部４０ｂの外周面には、ネジ溝４０ｃが形成されている。
筒部４０ｂの内側の平板部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、ピン９０が設置されている。
金属板８４は、平板部４０ａ上に設置されている。金属板８４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上に設置されている。各ゲート電極２８は、金属板８４と接触していない。
ケース４０の平板部４０ａには、半導体装置２０のゲート電極２８と対向する位置に、平板部４０ａを上面から下面に貫通する貫通孔９４が形成されている。貫通孔９４は複数のゲート電極２８が配列されている方向に沿って伸びている。すなわち、全てのゲート電極２８と対向するように、平面視したときに略長方形の形状を有する１つの貫通孔９４が平板部４０ａに形成されている。貫通孔９４内には、絶縁部材９２が固定されている。絶縁部材９２は、ＰＰＳ等の樹脂材料により構成されている。貫通孔９４は、絶縁部材９２により塞がれている。ゲート電極２８と対向する位置の絶縁部材９２には、金属製のピン９０が固定されている。なお、図１では、１つのピン９０のみを図示しているが、各ゲート電極２８と対向する各位置に、１つずつピン９０が固定されている。すなわち、絶縁部材９２には、複数のピン９０が固定されている。各ピン９０は、絶縁部材９２を貫通している。したがって、各ピン９０の上端は平板部４０ａの上側に位置しており、各ピン９０の下端は平板部４０ａの下側に位置している。各ピン９０の平板部４０ａよりも上側の部分９０ａは、弾性変形するバネ部である。各バネ部９０ａは、湾曲した状態で対応するゲート電極２８と接触している。各ピン９０は、絶縁部材９２によってケース４０の平板部４０ａから絶縁されている。
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。
バスバー３０は、金属製の平板を折り曲げることで構成された部品である。バスバー３０は、平板部３０ａと、貫通配線部３０ｂと、外側配線部３０ｃを有している。平板部３０ａは、略平面状に形成されており、金属板８２上に設置されている。貫通配線部３０ｂは、平板部３０ａから下方向に伸びている。ケース４０の平板部４０ａには、半導体装置２０と対向しない位置に、貫通孔９６が形成されている。貫通配線部３０ｂは、貫通孔９６を通って平板部４０ａの下側まで伸びている。貫通孔９６内には、絶縁部材８８が固定されている。絶縁部材８８は、貫通孔９６を閉じている。貫通配線部３０ｂは、絶縁部材８８に固定されているとともに、絶縁部材８８によって平板部４０ａから絶縁されている。外側配線部３０ｃは、貫通配線部３０ｂの下端から側方に伸びている。外側配線部３０ｃは、平板部４０ａよりも下側において平板部４０ａと平行に伸びている。
絶縁板８０は、バスバー３０の平板部３０ａ上に設置されている。絶縁板８０は、ＡｌＮ等の絶縁体により構成されている。
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、その円筒形状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の平板部４０ａによって、金属板８４、半導体装置２０、金属板８２、バスバー３０、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と平板部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互いに固定されている。なお、ケース４０の平板部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、金属板８２とバスバー３０の平板部３０ａとの接触部分、及び、ピン９０と半導体装置２０のゲート電極２８との接触部分は、はんだ等のろう材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が設置されている。絶縁シート７０の上面には、冷却器６０が設置されている。冷却器６０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６０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６０とカバー５０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の平板部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に対する配線であるバスバー３０が、ケース４０の平板部４０ａを貫通して平板部４０ａの下側に引き出されている。また、ゲート電極２８に対する配線であるピン９０が、ケース４０の平板部４０ａを貫通して平板部４０ａの下側に引き出されている。したがって、平板部４０ａ（すなわち、ソース電極２６）に対する外部配線、バスバー３０（すなわち、ドレイン電極２２）に対する外部配線、及び、ピン９０（すなわち、ゲート電極２８）に対する外部配線を、半導体モジュール１０の下面側に設置することができる。このため、カバー５０の上面には、外部配線が設置されない。カバー５０の上面に外部配線が存在しないので、カバー５０の上面全体を絶縁シート７０を介して冷却器６０に接続することができる。このため、冷却器６０で半導体装置２０を好適に冷却することができる。また、このように各電極に対する配線を半導体モジュール１０の下面側にまとめることで、これらの配線の間のインダクタンスを低減することができる。また、この半導体モジュール１０では、半導体装置２０が圧力によって周囲の部材に対して固定されており、半導体装置２０と周囲の部材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とその周囲の部材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。
また、この半導体モジュール１０では、図２に示すように半導体装置２０の平面形状が長方形である。また、半導体装置２０の１つの長辺に沿って、複数のゲート電極２８が配列されている。また、半導体装置２０の反対の長辺近傍において、バスバー３０の貫通配線部３０ｂがケース４０の平板部４０ａを貫通している。このような配置によれば、図２に示すように、筒部４０ｂ内のバスバー３０の平面形状を略正方形とすることができ、筒部４０ｂ内の領域をより広く活用することができる。
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、ケース４０の平板部４０ａ上に金属板８４を載置する。次に、複数のピン９０と絶縁部材９２とが一体化した部品を、平板部４０ａの貫通孔９４に設置する。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、各ゲート電極２８を対応するピン９０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、図３に示すように、バスバー３０と絶縁部材８８とが一体化した部品を設置する。なお、この段階では、バスバー３０はＬ字状の断面形状を有しており、図１の外側配線部３０ｃ（絶縁部材８８の下側から折れ曲がっている部分）が形成されていない。ここでは、絶縁部材８８が貫通孔９６内に設置されるまで、バスバー３０の貫通配線部３０ｂをケース４０の貫通孔９６に挿入する。また、バスバー３０の平板部３０ａを、金属板８２に接触させる。次に、バスバー３０の平板部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を半導体装置２０に向かって加圧する。これによって、カバー５０の平板部５０ａとケース４０の平板部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の平板部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、積層体の各部材が互いに固定される。
なお、金属板８４は、隣接するソース電極２６及びケース４０の平板部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の下面が平板部４０ａの表面形状に合わせて塑性変形し、金属板８４が平板部４０ａと密着する。これによって、ソース電極２６と平板部４０ａとが確実に接続される。
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の平板部３０ａ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の上面が平板部３０ａの表面形状に合わせて塑性変形し、金属板８２が平板部３０ａと密着する。これによって、ドレイン電極２２と平板部３０ａとが確実に電気的に接続される。
また、積層体が加圧されると、ピン９０のバネ部９０ａが撓む。これによって、ピン９０とゲート電極２８との間に適切な圧力が加わり、ピン９０とゲート電極２８とが確実に接続される。
カバー５０をケース４０に固定したら、バスバー３０の下側の部分を折り曲げて、外側配線部３０ｃを形成する。その後、カバー５０に、絶縁シート７０を介して冷却器６０を取り付けることで、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に対する配線がカバー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、カバー５０によって前記積層体を加圧することができる。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、ケース４０の平板部４０ａと金属板８４によって、第１電極板（ソース電極２６に接している電極板）が構成されている。また、バスバー３０の平板部３０ａと金属板８２によって、第２電極板（ドレイン電極２２に接している電極板）が構成されている。また、バスバー３０の貫通配線部３０ｂによって、第１配線部（第１電極板から絶縁された状態で第１電極板を貫通しており、第２電極板と接続されている配線部）が構成されている。また、ケース４０の筒部４０ｂによって、半導体装置と第２電極板を取り囲んでおり、第１電極板に固定されており、外周面に第１ネジ溝が形成されている筒体が構成されている。また、カバー５０によって、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おり、第２電極板を（絶縁板８０を介して）半導体装置に向かって加圧しているカバーが構成されている。また、ピン９０によって、第１電極板から絶縁された状態で第１電極板を貫通しており、第３電極（ゲート電極）に接続されている第２配線部材が構成されている。
なお、第１実施例では、絶縁シート７０を介してカバー５０が冷却器６０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６０に固定されていてもよい。また、図４に示すように、ケース４０とカバー５０の周囲全体が絶縁体である樹脂７４に覆われていてもよい。この場合、図４に示すように半導体装置２０の周囲の空間（ケース４０とカバー５０に囲まれた空間）に樹脂７４が充填されていてもよいし、この空間に樹脂が充填されていなくてもよい。また、図５に示すように、カバー５０に絶縁性のキャップ７２を被せて、キャップ７２を介してカバー５０を冷却器６０に固定してもよい。また、第１実施例では、平板部４０ａと筒部４０ｂが一体化していたが、これらが別部材により構成されていてもよい。例えば、図６に示すように、金属製の平板４０ａに絶縁体により構成された筒４０ｂが固定されていてもよい。なお、図４〜６においては、第１実施例と同じ構成の部材には、第１実施例と同じ参照番号を付している。
また、第１実施例の半導体モジュール１０は、金属板８４を有していたが、金属板８４が存在せず、ソース電極２６が直接平板部４０ａと接触していてもよい。また、第１実施例の半導体モジュール１０は、金属板８２を有していたが、金属板８２が存在せず、ドレイン電極２２が直接平板部３０ａと接触していてもよい。また、第１実施例の半導体モジュール１０は、絶縁板８０を有していた。しかしながら、例えばカバー５０が絶縁体により構成されている場合等のように、バスバー３０とケース４０との絶縁を確保できる場合には、絶縁板８０が存在しなくてもよい。
（第２実施例）
次に、図７、８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、ケース４０とカバー５０以外については、第１実施例の半導体モジュール１０と同じ構成を有している。なお、図７、８においては、第１実施例と同じ構成の部材には、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は、ケース１４０が、筒部を有していない。すなわち、ケース１４０は、平板部のみにより構成されている。ケース１４０には、３つのネジ孔１４２が形成されている。
第２実施例の半導体モジュール１００では、カバー１５０の側壁部１５０ｂが、略長方形を描くように形成されている。また、側壁部１５０ｂにフランジ１５０ｃが形成されている。フランジ１５０ｃには、貫通孔１５２が形成されている。
カバー１５０の貫通孔１５２を通して、ケース１４０のネジ孔１４２にネジ１６２が締結されている。３つのネジ１６２によって、カバー１５０がケース１４０に固定されており、これらの間の積層体が加圧されている。
このように、加圧によって半導体装置２０が周囲の部材に対して固定されているので、第２実施例の半導体モジュール１００は寿命が長い。また、半導体モジュール１００では、半導体装置２０のソース電極２６及びゲート電極２８に対する配線がケース１４０の下側に引き出されている。したがって、外部配線を容易に設置することができる。
なお、上述した第１実施例及び第２実施例では、半導体装置がＭＯＳＦＥＴであったが、ＩＧＢＴ、ダイオード等、種々の半導体装置に対して、上述した実施例の構成を適用することができる。
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 (3)

  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電極板と、
    第２電極と接している第２電極板と、
    半導体装置と第２電極板を取り囲んでおり、第１電極板に固定されており、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おり、カバー用絶縁部材を介して第２電極板を半導体装置に向かって加圧しているカバーと、
    第１電極板とカバーの間から外側に伸び、一端部が第１電極板から絶縁された状態で第１電極板を貫通しており、他端部が第２電極板と接続されている第１配線部材と、
    を有しており、
    第１ネジ溝と第２ネジ溝が締結されることにより、第１電極板、及び、第２電極板に対して半導体装置を加圧する圧力が加わっていることによって、第１電極板、半導体装置、及び、第２電極板が互いに固定されている、
    半導体モジュール。
  2. カバーに、冷却器用絶縁部材を介して冷却器が固定されている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. 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１電極板から絶縁された状態で第１電極板を貫通しており、第３電極に接続されている第２配線部材、
    をさらに有する請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
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