JP5569400B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体パワー素子が形成された半導体チップをヒートスプレッダと呼ばれる放熱板に搭載したのち、樹脂モールドして一体構造とする半導体モジュールおよびその製造方法に関するもので、例えば、上アーム（ハイサイド側素子）と下アーム（ローサイド側素子）の半導体パワー素子を形成した２つの半導体チップを複数組備え、各半導体チップを樹脂モールド部にモールドした構造の半導体モジュール等に適用すると好適である。

従来、特許文献１において、半導体パワー素子が形成された複数の半導体チップをヒートスプレッダ呼ばれる金属板上に搭載したのち、樹脂モールドして一体構造とした半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールは、金属板と複数の半導体チップとをはんだ等を介して電気的に接続すると共に、半導体チップに形成されたパッドと制御端子とをワイヤボンディングにて電気的に接続したのち、樹脂モールド部によって半導体チップと金属板などを覆うことで一体化した構造とされている。

一方、特許文献２において、冷却用フィンの上に絶縁材を介して半導体チップを搭載し、半導体チップを樹脂モールドした構造の半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールも、コンバータが形成された半導体チップとインバータが形成された半導体チップを共に冷却用フィン上に搭載し、これらを樹脂モールドすることで冷却用フィンや半導体チップ等を一体化した構造とされている。

ところで、複数の半導体チップすべてを単に樹脂モールドしたのでは、モールド樹脂の体積が大きくなり、成形後に樹脂モールド部が収縮する際に生じる応力が冷熱にて膨張収縮する際に大きくなる。この応力により、半導体モジュールの構成部品、例えば半導体チップ、絶縁材、はんだ、樹脂モールド部などが破壊されたり、これら各構成部品の界面の剥離が生じたりするという問題が起こる。特に、特許文献２に記載したような冷却用フィンと一体構造とされる半導体モジュールでは、冷却用フィンを構成する材料と樹脂モールド部を構成する樹脂との線膨張の差が大きくなり、更に大きな応力を発生させることになって、上記問題を発生させ易くする。

その一方で、特許文献３に記載されているように、冷却用フィン上の基板に設けられた半導体チップ毎にポッティングレジンでモールドし、各半導体チップに対応するモールド間に間隙（溝）を形成したものも知られている。この場合、モールド樹脂の体積が小さくなるため、成形後に樹脂モールド部が収縮する際に生じる応力が小さくなり、上記問題を生じ難くすることができる。

特開２００８−１８２０７４号公報 特開平１１−２０４７００号公報 特開２００７−１５７８６３号公報

しかしながら、特許文献３に記載されているように、ポッティングで各半導体チップをモールドする場合には、液状の樹脂材をポッティングする際に、樹脂材の粘性の程度によってはこの樹脂材が半導体チップよりも外側に広がって、形成しようとする間隙を埋めてしまうという問題が生じる。そこで、各半導体チップを成形型に配置し、型に樹脂を注入することで、確実に各半導体チップ間に間隙を形成することが考えられる。しかし、例えば３相交流モータを駆動するインバータ回路においては、スイッチング素子となる半導体チップは６個必要となり、複数の交流モータを駆動する場合や１つの交流モータに対し並列でインバータ回路を形成する場合には、６×ｎ個の半導体チップが必要となる。この場合、成形型で、各半導体チップ間に特許文献３に開示されているような間隙を有するモールド部分を形成しようとした場合、成形型のランナ及びゲート（出入口）が複数必要となり、成形型の装置が複雑化するという問題が生じる。

本発明は上記点に鑑みて、複数の半導体チップを樹脂モールドし、樹脂モールド部分が成形型により成形された半導体モジュールにおいて、樹脂モールド部分の成形が煩雑になることを抑制しつつ、樹脂成形後に樹脂モールド部が収縮する際の応力が冷熱にて膨張収縮する際に大きくなることを抑制し、樹脂モールド部や各構成部品が破壊されたり、各構成部品の界面が剥離したりすることを抑制できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体パワー素子が形成された半導体チップ（１１）の間において、樹脂モールド部（１６）を分割して区画する樹脂モールド部（１６）の厚みと同じ深さの分割溝（１６ａ）を形成しつつ、冷却プレート（１８）の表面側に搭載された半導体チップ（１１）のうち、隣接する複数の半導体チップ（１１）は、分割溝（１６ａ）が形成されることなく樹脂モールド部（１６）にてモールドされた半導体チップモールド群とされ、分割溝（１６ａ）は、半導体チップモールド群毎に形成されていることを特徴としている。

このような構成とすれば、複数の半導体チップ（１１）を樹脂モールドし、樹脂モールド部（１６）が成形型により成形された半導体モジュールにおいて、樹脂モールド部（１６）の成形が煩雑になることを抑制しつつ、樹脂成形後に樹脂モールド部（１６）が収縮する際の応力が冷熱にて膨張収縮する際に大きくなることを抑制し、樹脂モールド部（１６）や各構成部品が破壊されたり、各構成部品の界面が剥離したりすることを抑制できる。

また、請求項１に記載の発明では、半導体パワー素子は、インバータ（１）と回転部（３）とを備える三相交流回転機のインバータ（１）を構成しており、半導体チップモールド群は、回転部（３）に対して電流流れの上流側に位置する半導体パワー素子が集合した上アーム半導体チップモールド群と、回転部（３）に対して電流流れの下流側に位置する半導体パワー素子が集合した下アーム半導体チップモールド群とを備え、分割溝（１６ａ）は、上アーム半導体チップモールド群と、下アーム半導体チップモールド群との間に形成されていることを特徴としている。

このように、上アーム半導体チップモールド群と下アーム半導体チップモールド群とに分割して異なる樹脂モールド部（１６）にて覆うようにすれば、一方のアームに発熱が集中した際（例えば、インバータ（１）におけるアーム間での短絡時）に、他方のアームの半導体チップ（１１）に熱や熱膨張による歪みが伝わることを抑制でき、その影響を与えないようにすることができる。

請求項２に記載の発明では、半導体チップモールド群は、三相の各相において回転部（３）に対して電流流れの上流側及び下流側の半導体パワー素子が集合したＵ相半導体チップモールド群と、Ｖ相半導体チップモールド群と、Ｗ相半導体チップモールド群とを備え、分割溝（１６ａ）は、Ｕ相半導体チップモールド群とＶ相半導体チップモールド群とＷ相半導体チップモールド群の間にそれぞれ形成されていることを特徴としている。

このように、各相毎に半導体チップモールド群を構成すれば、一相に発熱が集中した際（例えば、回転部（３）のロック時やインバータ（１）における一相短絡時）に、他の相の半導体チップに熱や熱膨張による歪みが伝わることを抑制でき、その影響を与えないようにすることができる。

さらに、請求項２に記載の発明では、Ｕ相半導体チップモールド群とＶ相半導体チップモールド群とＷ相半導体チップモールド群における各２つの半導体パワー素子は並設されるとともに、各半導体パワー素子は制御端子とワイヤ線（２２）によって接続されており、Ｕ相半導体チップモールド群とＶ相半導体チップモールド群とＷ相半導体チップモールド群における各２つの半導体パワー素子制御端子は、並設方向において逆方向に延出されていることを特徴としている。

このような配置によって、成形型のゲートの入口と出口を並設方向において一端と他端に設ければ、型内にモールド樹脂を注入するときにワイヤ流れを抑制できる。

請求項３に記載の発明では、半導体チップモールド群には、樹脂モールド部（１６）の厚みよりも浅くされ、半導体チップモールド群に含まれる半導体チップ（１１）を半導体チップ（１１）毎に区画する区画溝（１６ｂ）が形成されていることを特徴としている。

このように、樹脂モールド部（１６）の厚みよりも浅い区画溝（１６ｂ）により、樹脂モールド部（１６）が部分的に薄くされることで区画されるようにしても良い。このような構造の場合、樹脂モールド部（１６）の厚さと同じ深さの溝（１６ａ）にて樹脂モールド部（１６）を分割する場合と比較すれば、樹脂成形後に樹脂モールド部（１６）が収縮する際の応力の抑制効果が多少低下するものの、それでも応力の抑制効果を発揮することが可能となる。そして、このように樹脂モールド部（１６）を一体化構造にできれば、樹脂モールド時に樹脂を注入する際のゲートをそれぞれ１つずつ備えるだけで済むため、成形型の複雑化を防止することが可能となる。

請求項４に記載の発明では、冷却プレート（１８）の裏面側には、冷却フィン（１８ａ）が備えられていることを特徴としている。

このように、冷却プレート（１８）の裏面側に冷却フィン（１８ａ）を付けた構造としても良い。このように、冷却プレート（１８）の裏面側に冷却フィン（１８ａ）を備えた構造とする場合、成形後に樹脂モールド部が収縮する際に生じる応力が更に大きくなる。このため、応力の抑制がより効果的となる。

請求項５に記載の発明では、金属にて構成された冷却プレート（１８）を備え、該冷却プレート（１８）の表面側に絶縁材（１７）を介して半導体パワー素子が形成されていることを特徴としている。このように、例えば、冷却プレート（１８）の表面側に絶縁材（１７）を介して半導体パワー素子が形成される形態とすることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかる半導体モジュール１０が適用されるインバータ１の回路図である。 （ａ）は、半導体モジュール１０の上面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図である。 半導体モジュール１０の上面レイアウトである。 成形型による樹脂モールド部１６の成形の様子を模式的に示した断面図である。 樹脂モールド部１６を成形する際の樹脂の注入方向を示した上面模式図である。 本発明の第２実施形態にかかる半導体モジュール１０の部分透過上面図である。 成形型による樹脂モールド部１６の成形の様子を模式的に示した断面図である。 樹脂モールド部１６を成形する際の樹脂の注入方向を示した上面模式図である。 本発明の第３実施形態にかかる半導体モジュール１０を示した図であり、（ａ）は半導体モジュール１０の上面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。 成形型による樹脂モールド部１６の成形の様子を模式的に示した断面図である。 樹脂モールド部１６を成形する際の樹脂の注入方向を示した上面模式図である。 本発明の第４実施形態にかかる半導体モジュール１０を示した上面図である。 他の実施形態で説明する冷却プレート１８の他の構造例を示した半導体モジュール１０の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態では、本発明の一実施形態にかかる半導体モジュールの適用例として、回転部に相当する三相交流モータと当該三相交流モータの駆動用のインバータとを有する三相交流回転機のインバータを例に挙げて説明する。

図１は、インバータ１の回路図である。図１に示すように、インバータ１は、直流電源２に基づいて負荷である三相交流モータ３を交流駆動するためのもので、昇圧回路４とインバータ出力回路５とを備えた構成とされている。

昇圧回路４は、直列接続した上下アーム４１、４２と、リアクトル４３およびコンデンサ４４にて構成されている。上下アーム４１、４２は、それぞれ、ＩＧＢＴ４１ａ、４２ａとフリーホイールダイオード（以下、ＦＷＤという）４１ｂ、４２ｂが並列接続された構成とされ、上下アーム４１、４２の間にリアクトル４３を介して直流電源２の正極側が接続されている。また、リアクトル４３よりも直流電源２側において、直流電源２と並列的にコンデンサ４４が接続されている。このようにして昇圧回路４が構成されている。

このように構成される昇圧回路４では、上アーム４１のＩＧＢＴ４１ａをオフ、下アーム４２のＩＧＢＴ４２ａをオンしているときに直流電源２からの電力供給に基づいてリアクトル４３がエネルギーを蓄積する。例えば直流電源２は２８８Ｖの電圧を発生させる２００Ｖ系のバッテリであり、この高電圧に基づいてリアクトル４３にエネルギーが蓄えられる。そして、上アーム４１のＩＧＢＴ４１ａをオン、下アーム４２のＩＧＢＴ４２ａをオフすると、リアクトル４３に蓄積されているエネルギーがインバータ出力回路５への電源供給ライン６に直流電源２よりも大きな電源電圧（例えば６５０Ｖ）を印加する。このような上下アーム４１、４２のＩＧＢＴ４１ａ、４２ａのオンオフ動作を交互に繰り返し行うことで、一定の電源電圧をインバータ出力回路５側に供給することができる。

なお、昇圧回路４とインバータ出力回路５との間において、電源供給ライン６とＧＮＤライン７との間にコンデンサ８および抵抗９が並列的に接続されている。コンデンサ８は、平滑用コンデンサであり、昇圧回路４における上下アーム４１、４２のＩＧＢＴ４１ａ、４２ａのスイッチング時のリプルの低減やノイズの影響を抑制して一定な電源電圧を形成するために用いられる。抵抗９は、放電抵抗であり、昇圧回路４における上アーム４１のＩＧＢＴ４１ａのオフ時に、コンデンサ８に蓄えられているエネルギーを消費するために備えられている。

インバータ出力回路５は、直列接続した上下アーム５１〜５６が三相分並列接続された構成とされ、上アーム５１、５３、５５と下アーム５２、５４、５６との中間電位を三相交流モータ３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に順番に入れ替えながら印加する。すなわち、上下アーム５１〜５６は、それぞれ、ＩＧＢＴ５１ａ〜５６ａおよびＦＷＤ５１ｂ〜５６ｂを備えた構成とされ、各相の上下アーム５１〜５６のＩＧＢＴ５１ａ〜５６ａがオンオフ制御されることで、三相交流モータ３に対して周期の異なる三相の交流電流を供給する。これにより、三相交流モータ３の駆動を可能としている。

本実施形態では、インバータ出力回路５を構成する各アーム５１〜５６それぞれを構成する半導体チップを一体構造としたもの、つまり６つの半導体パワー素子を樹脂モールドした６ｉｎ１構造の半導体モジュールとしている。

図２（ａ）に、半導体モジュール１０の上面図を示すと共に、図２（ｂ）に、図２（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図を示す。また、図３に、半導体モジュール１０の上面レイアウトを示す。以下、図２および図３を参照して本実施形態に係る半導体モジュール１０の構成について説明する。なお、図２（ａ）は断面図ではないが、図を見易くするために、部分的にハッチングを示してある。

図２および図３に示すように、半導体モジュール１０は、半導体チップ１１、放熱板１２、第１、第２電気配線１３、１４、制御端子１５を１アーム分の構成部品ブロックとして、６組の構成部品ブロックを３組ずつに分割して樹脂モールド部１６にて覆った構成とされ、これらが１枚の絶縁材１７を介して１枚の冷却プレート１８上に搭載された構成とされている。冷却プレート１８の表面に配置した絶縁材１７の上に各構成部品ブロックを配置したのち、３組ずつに分割して樹脂モールド部１６にてモールドすることで、半導体モジュール１０を一体化した構造としている。なお、樹脂モールド部１６にて覆った６アーム分の構成部品ブロックそれぞれの詳細構造は、若干異なっているものの基本構造が同様であるため、まずは樹脂モールド部１６にて覆っている構成部品ブロックの基本構造を構成している各部品について説明する。

半導体チップ１１には、上アーム５１、５３、５５もしくは下アーム５２、５４、５６のいずれかが形成されている。本実施形態では、半導体チップ１１に形成されるＩＧＢＴ５１ａ〜５６ａおよびＦＷＤ５１ｂ〜５６ｂを基板垂直方向に電流を流す縦型素子として形成しており、半導体チップ１１の表面側と裏面側に各種パッドが形成されている。具体的には、図３に示すように、半導体チップ１１の表面側には、ＩＧＢＴ５１ａ〜５６ａのゲートに接続されるパッド１１０が形成されていると共に、ＩＧＢＴ５１ａ〜５６ａのエミッタおよびＦＷＤ５１ｂ〜５１ｄのカソードに接続されるパッド１１１が形成されている。また、裏面側は、裏面全面がＩＧＢＴ５１ａ〜５６ａのコレクタおよびＦＷＤ５１ｂ〜５１ｄのアノードに繋がるパッドとされている。

放熱板１２は、ヒートスプレッダに相当するものであり、半導体チップ１１における裏面側において、はんだ２０を介して、ＩＧＢＴ５１ａ〜５６ａのコレクタおよびＦＷＤ５１ｂ〜５６ｂのカソードと接続されている。放熱板１２のうちの裏面側、つまり半導体チップ１１が配置される面と反対側の面は樹脂モールド部１６から露出させられており、この露出部分において放熱が行えるようになっている。

第１電気配線１３は、半導体チップ１１の正極端子を構成するものであり、放熱板１２に対して第１電気配線１３が一体成形もしくは溶接等によって接合され、放熱板１２を介して半導体チップ１１の裏面側に備えられたパッドに電気的に接続されている。

第２電気配線１４は、半導体チップ１１の負極端子を構成するものであり、はんだ２１を介して半導体チップ１１の表面側のＩＧＢＴ５１ａ〜５６ａのエミッタおよびＦＷＤ５１ｂ〜５１ｄのカソードに接続されるパッド１１１に電気的に接続されている。

制御端子１５は、ＩＧＢＴ５１ａ〜５６ａのゲート配線となるもので、半導体チップ１１の表面側に形成されたＩＧＢＴ５１ａ〜５６ａのゲートに接続されるパッド１１０にボンディングワイヤ２２を介して電気的に接続されている。制御端子１５における半導体チップ１１とは反対側の端部は、樹脂モールド部１６から露出させられており、この露出部分を通じて外部との接続が行えるように構成されている。

樹脂モールド部１６は、放熱板１２の表面側に上述した各部、つまり、はんだ２０、２１やボンディングワイヤ２２による電気的な接続を終えた半導体チップ１１、第１、第２電気配線１３、１４、制御端子１５を搭載したのち、これらを成形型に設置し、その成形型内に樹脂を注入してモールド化することで構成される。この樹脂モールド部１６により、第１、第２電気配線１３、１４および制御端子１５の露出箇所以外が覆われることで、半導体チップ１１などが保護されている。

以上が本実施形態の半導体モジュール１０に備えられる構成部品ブロックの基本構造を構成している構成部品および樹脂モールド部１６の詳細構成である。次に、本実施形態の６ｉｎ１構造の半導体モジュール１０の各構成部品ブロックおよび樹脂モールド部１６の詳細について説明する。

上述した各構成部品ブロックに含まれる半導体チップ１１は、図３に示すように、半導体チップ１１ａ〜１１ｆの６つあり、半導体チップ１１ａ〜１１ｆそれぞれに対してインバータ出力回路５における各アーム５１〜５６を形成してある。半導体チップ１１ａ〜１１ｃには３つの上アーム５１、５３、５５がそれぞれ形成してあり、半導体チップ１１ｄ〜１１ｆには３つの下アーム５２、５４、５６がそれぞれ形成してある。

半導体チップ１１ａ〜１１ｃは同じ一枚の放熱板１２ａ上に配置された状態で樹脂モールドされており、半導体チップ１１ｄ〜１１ｆはそれぞれ異なる放熱板１２ｂ〜１２ｄ上に配置された状態で樹脂モールドされている。樹脂モールド部１６の一部は絶縁材１７からはみ出しており、そのはみ出した部分において冷却プレート１８に接合されている。

半導体チップ１１ａ〜１１ｃには個々に第２電気配線１４ａ〜１４ｃが備えられているが、第１電気配線１３は共通した１つとされている。この第１電気配線１３が電源供給ライン６に電気的に接続されている。また、第２電気配線１４ａ〜１４ｃは二方向において樹脂モールド部１６から外部に引き出された構造とされ、一方が三相交流モータ３に接続され、他方が半導体チップ１１ｄ〜１１ｅが接続された放熱板１２ｂ〜１２ｄにそれぞれ接続される。つまり、半導体チップ１１ａ〜１１ｃの第２電気配線１４ａ〜１４ｃが半導体チップ１１ｄ〜１１ｆの第１電気配線１３ｄ〜１３ｆも兼ねた構成とされている。そして、半導体チップ１１ｄ〜１１ｆの第２電気配線１４も共通した１つとされている。また、各半導体チップ１１ａ〜１１ｆからはボンディングワイヤ２２ａ〜２２ｆを介して制御端子１５ａ〜１５ｆが外部に引き出されている。このような構成とされることで、各上下アーム５１〜５６が図１に示した接続形態となるようにしてある。

そして、このように構成されたアーム５１〜５６を構成する半導体チップ１１ａ〜１１ｆを３組ずつ、紙面左側に並べられた３つの上アーム５１、５３、５５が形成された半導体チップ１１ａ〜１１ｃを１つの樹脂モールド部１６にて覆い、紙面右側に並べられた３つの下アーム５２、５４、５５が形成された半導体チップ１１ｄ〜１１ｆをもう１つの樹脂モールド部１６にて覆うようにしている。つまり、樹脂モールド部１６を上アーム５１、５３、５５が形成された半導体チップ１１ａ〜１１ｃと下アーム５２、５４、５６が形成された半導体チップ１１ｄ〜１１ｆとの間において溝（分割溝）１６ａにて二つに分断した構造としている。

換言すれば、上アーム５１、５３、５５を構成する３組と、下アーム５２、５４、５６を構成する３組とに区画し、それらをそれぞれ異なる樹脂モールド部１６によってモールドしている。樹脂モールド部１６には、深さが樹脂モールド部１６の厚みと同じとされた溝１６ａが設けられており、この溝１６ａによって樹脂モールド部１６が上アーム側と下アーム側に分割されることで２つにされている。このため、分割された各樹脂モールド部１６は、三組分の構成部品ブロックに備えられた半導体チップ１１等を覆うだけの体積とされている。

このように、複数の半導体チップ１１ａ〜１１ｆ等を樹脂モールド部１６にて覆い、樹脂モールド部１６を溝１６ａにて複数に分割して区画している。そして、隣接する半導体チップ１１ａ〜１１ｆの間については、溝１６ａが形成されることなく同じ樹脂モールド部１６内に複数個が含められるようにし、半導体チップモールド群が構成されるようにしている。例えば、本実施形態では、３組の上アーム側の各半導体チップ１１ａ〜１１ｃ等を一方の樹脂モールド部１６によって覆うと共に、３組の下アーム側の各半導体チップ１１ｄ〜１１ｆ等を他方の樹脂モールド部１６によって覆うようにし、二つの樹脂モールド部１６によってインバータ出力回路５を二つの半導体チップ樹脂モールド群に分割している。これらのうち一方が三相交流モータ３に対して電流流れの上流側に位置する半導体パワー素子が集合した上アーム半導体チップモールド群となり、他方が三相交流モータ３に対して電流流れの下流側に位置する半導体パワー素子が集合した下アーム半導体チップモールド群となる。

以上のような構造により、本実施形態にかかる半導体モジュール１０が構成されている。このように構成された半導体モジュール１０によれば、以下の効果を得ることができる。

具体的には、本実施形態の半導体モジュール１０では、６ｉｎ１構造としつつ、アーム５１〜５６を構成する半導体チップ１１ａ〜１１ｆの全部を均一な厚さの１つの樹脂モールド部１６にて覆うのではなく、それらを分割して複数の樹脂モールド部１６にて覆うようにしている。このため、溝１６ａの無い均一な厚さ（高さ）とした樹脂モールド部１６にてすべての半導体チップ１１ａ〜１１ｆを覆う場合と比較して、成形後に樹脂モールド部１６が収縮する際に生じる応力を小さくできる。すなわち、均一な厚さとした樹脂モールド部１６によってすべてのアーム５１〜５６の半導体チップ１１ａ〜１１ｆ等を覆う場合、樹脂モールド部１６の体積が大きくなるため、成形後に樹脂モールド部１６が収縮する際に生じる応力が大きくなる。これに対して、本実施形態のように、複数の半導体チップ１１ａ〜１１ｆを複数の樹脂モールド部１６に分けて覆うようにすれば、各樹脂モールド部１６の体積を小さくすることができる。このため、成形後に樹脂モールド部１６が収縮する際に生じる応力を小さくできる。

ただし、複数の半導体チップ１１ａ〜１１ｆを複数の樹脂モールド部１６に分けて覆うようにしているものの、すべての半導体チップ１１ａ〜１１ｆを１つずつ異なる樹脂モールド部１６にて覆うような構造とはしていない。このため、各半導体チップ１１ａ〜１１ｆを１つずつ異なる樹脂モールド部１６にて覆う場合と比較して、成形型のランナおよびゲートがその個数分必要とならないようにでき、成形型の簡素化を図ることができる。

したがって、樹脂モールド部１６の成形が煩雑になることを抑制しつつ、樹脂成形後に樹脂モールド部１６が収縮する際の応力が冷熱にて膨張収縮する際に大きくなることを抑制し、樹脂モールド部１６や各構成部品が破壊されたり、各構成部品の界面が剥離したりすることを抑制できる。

さらに、本実施形態では、上アーム半導体チップモールド群と下アーム半導体チップモールド群とに分割して異なる樹脂モールド部１６にて覆うようにしている。このため、一方のアームに発熱が集中した際（例えば、インバータ１におけるアーム間での短絡時）に、他方のアームの半導体チップに熱や熱膨張による歪みが伝わることを抑制でき、その影響を与えないようにすることができる。

また、本実施形態のような構造の半導体モジュールは、樹脂モールド部１６を成形する際に、樹脂モールド部１６以外の組み付けを行った各部品を成形型内に配置したのち、樹脂成形を行うことで完成する。この樹脂モールド部１６の樹脂成形時において、樹脂注入を行うゲート位置を調整することにより、型内にモールド樹脂を注入するときにワイヤ流れを抑制できるという効果を得ることもできる。これについて、図４および図５を参照して説明する。

図４は、成形型による樹脂モールド部１６の成形の様子を模式的に示した断面図である。また、図５は、樹脂モールド部１６を成形する際の樹脂の注入方向を示した上面模式図である。なお、図５では、樹脂モールド部１６を成形する際の様子を明確にするために、樹脂モールド部１６を太破線にて示してある。

図４（ａ）に示されるように、上型１０１および下型１０２を有する成形型１００を用意し、半導体モジュールのうちの樹脂モールド部１６以外の組付けを行った各部品を成形型１００の収容室１０３内に配置する。図４（ｂ）に示すように、収容室１０３は、半導体モジュールのうちの樹脂モールド部１６以外の組付けを行った各部品を成形型１００内に配置したのち上型１０１と下型１０２を組み合わせたときに、仕切壁１０１ａによって上アーム半導体チップモールド群を収容する室および下アーム半導体チップモールド群を収容する室に区画される。そして、上型１０１には、区画された各室それぞれに繋がるように樹脂注入用のゲートの入口１０４および出口１０５が備えられており、これら入口１０４から出口１０５を通る経路を通じて樹脂注入を行うことで、区画された各室それぞれで樹脂モールド部１６を成形する。

このような樹脂成形を行うに際し、樹脂注入用のゲートの入口１０４を図５に示すように制御端子１５が設けられた位置に設け、樹脂が制御端子１５およびワイヤ２２の延設方向に対して平行に注入されるようにする。このようにすれば、注入された樹脂が図５中の矢印に示したようにワイヤ２２の延設方向と平行に流れ、樹脂圧がワイヤ２２に加わり難くできるため、型内にモールド樹脂を注入するときにワイヤ流れを抑制することが可能となる。

このように、成形型１００に設ける樹脂注入用のゲートの入口１０４を制御端子１５側に設け、樹脂が制御端子１５やワイヤ２２の延設方向と平行に流れるようにすることで、上記効果を得ることができる。

なお、図５中では、各半導体チップ１１の制御端子１５ごとにゲートの入口１０４の形成範囲を記載してあるが、すべての制御端子１５に対応してゲートの入口１０４を形成しなければならない訳ではない。すなわち、すべての制御端子１５に対応してゲートの入口１０４を備えるのが好ましいが、これらの複数のゲートの入口１０４のうちの少なくとも１つを備えた構成であっても構わない。樹脂モールド部１６ごとにゲートの入口１０４を１つにする場合には、中央に位置する制御端子１５と対応する位置にゲートの入口１０４を備えるようにすると、そこを中心として両側に均等に樹脂を流すことができるため好ましい。また、ゲートの出口１０５については任意の場所に設置すればよい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の半導体モジュール１０は、第１実施形態に対して樹脂モールド部１６の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図６は、本実施形態にかかる半導体モジュール１０の部分透過上面図である。図中紙面上方については樹脂モールド部１６を破線で示した透過図としてある。

この図に示されるように、本実施形態では、各相の上下アーム５１〜５６を構成する半導体チップ１１ａ〜１１ｆ、つまり半導体チップ１１ａ〜１１ｆのうちの２つずつを１つの樹脂モールド部１６にて覆うようにしている。すなわち、樹脂モールド部１６を各相の上下アーム５１〜５６を構成する半導体チップ１１ａ〜１１ｆの間において溝１６ａにて二つに分断した構造とすることで、三相交流モータ３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの上下アーム５１〜５６が形成された半導体チップ１１ａ〜１１ｆ等を一相ごとに分けて樹脂モールド部１６にて覆った構造としている。これらのうち、Ｕ相の上下アーム５１、５２が形成された半導体チップ１１ａ、１１ｄを樹脂モールド部１６で覆ったものがＵ相半導体チップモールド群、Ｖ相の上下アーム５３、５４が形成された半導体チップ１１ｂ、１１ｅを樹脂モールド部１６で覆ったものがＶ相半導体チップモールド群、Ｗ相の上下アーム５５、５６が形成された半導体チップ１１ｃ、１１ｆを樹脂モールド部１６で覆ったものがＷ相半導体チップモールド群となる。

このような構成としても、すべてのアーム５１〜５６の半導体チップ１１ａ〜１１ｆを覆う場合と比較して、１つ１つに区画された樹脂モールド部１６の体積を小さくすることができる。このため、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態のように、各相毎に半導体チップモールド群を構成すれば、一相に発熱が集中した際（例えば、三相交流モータ３のロック時やインバータ１における一相短絡時）に、他の相の半導体チップに熱や熱膨張による歪みが伝わることを抑制でき、その影響を与えないようにすることができる。

さらに、本実施形態の半導体モジュールでは、各相の半導体チップモールド群内において、各相毎に半導体チップ１１ａ〜１１ｆが並設されると共に、並設された各半導体チップ１１ａ〜１１ｆの制御端子１５が並設方向において逆方向に延出された配置となる。このような配置によって、成形型１００のゲートの入口１０４と出口１０５を並設方向において一端と他端に設ければ、型内にモールド樹脂を注入するときにワイヤ流れを抑制できる。

図７は、本実施形態の構造の半導体モジュールにおける成形型による樹脂モールド部１６の成形の様子を模式的に示した断面図である。また、図８は、樹脂モールド部１６を成形する際の樹脂の注入方向を示した上面模式図である。なお、図８では、樹脂モールド部１６を成形する際の様子を明確にするために、樹脂モールド部１６を太破線にて示してある。

図７に示される成形型１００は、基本構成は第１実施形態において図４に示したものと同様であるが、樹脂モールド部１６を区画するための収容室１０３の形状を第１実施形態に対して変更してある。具体的には、各相毎に室が区画されるように仕切壁の構造を変更してある（ただし、仕切壁は図７の断面と平行に延設されているため、図７中では示されていない）。そして、ゲートの入口１０４および出口１０５を各半導体チップ１１ａ〜１１ｆの制御端子１５の並設方向の一端と他端に配置している。

このような構成とし、図７（ａ）に示されるように半導体モジュールのうちの樹脂モールド部１６以外の組付けを行った各部品を成形型１００の収容室１０３内に配置したのち、図７（ｂ）に示すように上型１０１と下型１０２を組み合わせ、ゲートの入口１０４および出口１０５を通じてモールド樹脂を注入する。このようにすれば、注入された樹脂が図８中の矢印に示したようにワイヤ２２の延設方向と平行に流れ、樹脂圧がワイヤ２２に加わり難くできるため、型内にモールド樹脂を注入するときにワイヤ流れを抑制することが可能となる。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、図７中では、ゲートの入口１０４および出口１０５を各半導体チップ１１ａ〜１１ｆの制御端子１５の並設方向の一端と他端に配置したが、両側をゲートの入口１０４とし、出口１０５を任意の位置に配置するようにしても良い。また、複数のゲートの入口１０４や出口１０５のうちの少なくとも１つを備えた構成であっても構わない。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態の半導体モジュール１０も、第１実施形態に対して樹脂モールド部１６の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図９は、本実施形態にかかる半導体モジュール１０を示した図であり、（ａ）は半導体モジュール１０の上面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。この図に示されるように、本実施形態では、樹脂モールド部１６にて各アーム５１〜５６を構成する半導体チップ１１ａ〜１１ｆにて覆いつつ、各半導体チップ１１ａ〜１１ｆの間において樹脂モールド部１６の厚みよりも浅い溝（区画溝）１６ｂにて樹脂モールド部１６を部分的に薄くすることで樹脂モールド部１６を区画している。このため、第１実施形態とは異なり、樹脂モールド部１６は、溝１６ｂにて区画されているものの、一体化された構造とされている。そして、区画された各樹脂モールド部１６により、各アーム５１〜５６を構成する半導体チップ１１ａ〜１１ｆがチップ毎に覆われた構造とされている。

このように一体化した樹脂モールド部１６の場合、樹脂モールド部１６の体積が大きくなることになるが、溝１６ｂが形成されている部分については樹脂モールド部１６の厚さが薄くなっているため、樹脂成形後に樹脂モールド部１６が収縮する際の応力が十分に小さくなる。このため、第１実施形態のような樹脂モールド部１６の厚さと同じ深さの溝１６ａにて樹脂モールド部１６を分割する場合と比較すれば、樹脂成形後に樹脂モールド部１６が収縮する際の応力の抑制効果が多少低下するものの、それでも応力の抑制効果を発揮することが可能となる。

そして、このように樹脂モールド部１６を一体化構造にできれば、樹脂モールド時に樹脂を注入する際のゲートをそれぞれ１つずつ備えるだけで済むため、成形型の複雑化を防止することが可能となる。

したがって、樹脂モールド部１６の成形が煩雑になることを抑制しつつ、樹脂成形後に樹脂モールド部１６が収縮する際の応力が冷熱にて膨張収縮する際に大きくなることを抑制し、樹脂モールド部１６や各構成部品が破壊されたり、各構成部品の界面が剥離したりすることを抑制できる。

また、本実施形態のような構造についても、第１、第２実施形態と同様、型内にモールド樹脂を注入するときにワイヤ流れを抑制することができる。

図１０は、本実施形態の構造の半導体モジュールにおける成形型による樹脂モールド部１６の成形の様子を模式的に示した断面図である。また、図１１は、樹脂モールド部１６を成形する際の樹脂の注入方向を示した上面模式図である。なお、図１１では、樹脂モールド部１６を成形する際の様子を明確にするために、樹脂モールド部１６を太破線にて示してある。

図１０に示される成形型１００は、基本構成は第１実施形態において図４に示したものと同様であるが、収容室１０３側に突出させた仕切壁１０１ａが冷却プレート１８までは達せず、これらの間に隙間が空くことで、この隙間を通じてモールド樹脂が流動できる構造にしてある。そして、各相毎に、半導体チップ１１ａ〜１１ｆの並設方向の一端と他端に、成形型１００のゲートの入口１０４と出口１０５を形成してある。

このような構成とし、図１０（ａ）に示されるように半導体モジュールのうちの樹脂モールド部１６以外の組付けを行った各部品を成形型１００の収容室１０３内に配置したのち、図１０（ｂ）に示すように上型１０１と下型１０２を組み合わせ、ゲートの入口１０４および出口１０５を通じてモールド樹脂を注入する。このようにすれば、注入された樹脂が図１１中の矢印に示したようにワイヤ２２の延設方向と平行に流れ、樹脂圧がワイヤ２２に加わり難くできるため、型内にモールド樹脂を注入するときにワイヤ流れを抑制することが可能となる。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、図１０中では、ゲートの入口１０４および出口１０５を各半導体チップ１１ａ〜１１ｆの制御端子１５の並設方向の一端と他端に配置したが、両側をゲートの入口１０４とし、出口１０５を任意の位置に配置するようにしても良い。また、複数のゲートの入口１０４や出口１０５のうちの少なくとも１つを備えた構成であっても構わない。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態の半導体モジュール１０は、第１
実施形態に対して第３実施形態のような構造を適用したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１２は、本実施形態にかかる半導体モジュール１０を示した上面図である。この図に示されるように、本実施形態では、第３実施形態と同様に、上アーム５１、５３、５５を構成する３つの半導体チップ１１ａ〜１１ｃと下アーム５２、５４、５５を構成する３つの半導体チップ１１ｄ〜１１ｆをそれぞれ分割した異なる樹脂モールド部１６にて覆っているが、各樹脂モールド部１６に対して、各半導体チップ１１ａ〜１１ｆの間に溝１６ｂを備えることで、樹脂モールド部１６を各半導体チップ１１ａ〜１１ｆ毎に区画した構造としている。この上アーム５１、５３、５５を構成する半導体チップ１１ａ〜１１ｃの間において樹脂モールド部１６に備えられた溝１６ｂおよび下アーム１１ｄ〜１１ｆを構成する半導体チップ１１ｄ〜１１ｆの間において樹脂モールド部１６に備えられた溝１６ｂは、上アーム５１、５３、５５を構成する３つの半導体チップ１１ａ〜１１ｃと下アーム５２、５４、５６を構成する３つの半導体チップ１１ｄ〜１１ｆの間において樹脂モールド部１６を分断する溝１６ａよりも浅くされている。

このように、上アーム５１、５３、５５を構成する３つの半導体チップ１１ａ〜１１ｃと下アーム５２、５４、５５を構成する３つの半導体チップ１１ｄ〜１１ｆをそれぞれ分割した異なる樹脂モールド部１６にて覆う構造においても、第３実施形態と同様に、浅い溝１６ｂにて半導体チップ１１ａ〜１１ｆ毎に区画した構造とすることができる。これにより、第５実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態のような構造についても、第１〜第３実施形態と同様、型内にモールド樹脂を注入するときにワイヤ流れを抑制することができる。本実施形態の場合、成形型１００として、図４に示した第１実施形態に示したものに対して、各半導体チップ１１の間において冷却プレート１８との間に隙間が設けられる程度に突き出した仕切壁を設けたものを用いれば良い。このような構造とする場合にも、注入された樹脂が第１実施形態と同様に図５中の矢印に示したようにワイヤ２２の延設方向と平行に流れ、樹脂圧がワイヤ２２に加わり難くできるため、型内にモールド樹脂を注入するときにワイヤ流れを抑制することが可能となる。

（他の実施形態）
（１）上記実施形態では、６ｉｎ１構造の半導体モジュール１０について説明したが、例えば上アーム５１、５３、５５を構成する３つの半導体チップ１１ａ〜１１ｃと下アーム５２、５４、５５を構成する３つの半導体チップ１１ｄ〜１１ｆを別々にモジュール化する３ｉｎ１構造の半導体モジュールにも本発明を適用することができる。また、上下アーム４１、４２、５１〜５６のうちの一相分のみをモジュール化するような２ｉｎ１構造の半導体モジュールとする場合にも本発明を適用することができる。すなわち、モジュール化される半導体パワー素子の数に拘わらず、本発明を適用することができる。

その場合、第１実施形態に示したように、樹脂モールド部１６の厚みと同じ深さの溝１６ａによって樹脂モールド部１６を複数に完全に分割して区画しても良いし、第３実施形態に示したように、樹脂モールド部１６の厚みよりも浅い溝１６ｂによって樹脂モールド部１６を複数に完全に区画しても良い。また、第３、第４実施形態で示したように、樹脂モールド部１６の厚みと同じ深さの溝１６ａやそれよりも浅い溝１６ｂとを組み合わせた構造としても構わない。

（２）上記実施形態では、冷却プレート１８が単なる板状のプレートである場合について説明したが、冷却プレート１８として他の構造のものを適用することもできる。図１３（ａ）、（ｂ）は、他の構造の冷却プレート１８の一例を示した半導体モジュール１０の断面図である。これら図に示されるように、冷却プレート１８を冷却フィン１８ａを付けた構造としても構わない。この場合、図１３（ａ）に示したように、第１実施形態等のような樹脂モールド部１６の厚みと同じ深さの溝１６ａが形成される構造について冷却フィン１８ａを付けた構造としても良いし、図１３（ｂ）に示したように、第４実施形態等のような樹脂モールド部１６の厚みよりも浅い溝１６ｂが形成される構造について冷却フィン１８ａを付けた構造としても良い。このように、冷却プレート１８の裏面側に冷却フィン１８ａを備えた構造とする場合、成形後に樹脂モールド部が収縮する際に生じる応力が更に大きくなる。このため、応力の抑制がより効果的となる。

（３）上記実施形態では、インバータ１と回転部を構成する三相交流モータ３とを有する三相交流回転機のインバータ１の半導体モジュール１０に本発明を適用した場合について説明した。しかしながら、半導体モジュール１０としてはインバータ１に適用されるものに限るものではなく、少なくとも半導体モジュール１０が備えられるものであれば、どのようなものに対しても第１〜第４実施形態に示した構成を適用することができる。例えば、コンバータなどに対して第１〜第４実施形態に示した構成を適用することができる。

（４）また、上記各実施形態では、半導体チップ１１にＩＧＢＴ５１ａ〜５６ａやＦＷＤ４１ｂ、４２ｂ、５１ｂ〜５６ｂが一体形成されているものについて説明したが、これらがそれぞれ別チップとされている構造についても本発明を適用することができる。さらに、半導体パワー素子としてＩＧＢＴを例に挙げて説明したが、他の素子、例えばパワーＭＯＳＦＥＴなどが用いられる場合についても、本発明を適用することも可能である。

（５）上記第６実施形態では、第３実施形態に対して第５実施形態のような樹脂モールド部１６の厚みよりも浅い溝１６ｂを備える構造について説明したが、第４実施形態に対して第５実施形態のような浅い溝１６ｂを備える構造としても良い。つまり、各相の上下アーム５１〜５６をそれぞれ異なる樹脂モールド部１６で覆うような構造において、上アーム５１、５３、５５を構成する半導体チップ１１ａ〜１１ｃと下アーム５２、５４、５６を構成する半導体チップ１１ｄ〜１１ｆとの間に樹脂モールド部１６の厚みよりも浅い溝１６ｂを備えるような構造としても良い。

１ インバータ
３ 三相交流モータ
４ 昇圧回路
５ インバータ出力回路
１０ 半導体モジュール
１１ 半導体チップ
１２ 銅ブロック
１３、１４ 第１、第２電気配線
１５ 制御端子
１６ 樹脂モールド部
１６ａ、１６ｂ 溝
１７ 絶縁材
１８ 冷却プレート
１８ａ 冷却フィン
４１、５１、５３、５５ 上アーム
４２、５２、５４、５６ 下アーム

Claims (5)

1. 金属にて構成された冷却プレート（１８）を備え、該冷却プレート（１８）の表面側に、半導体パワー素子が形成された３以上の半導体チップ（１１）が搭載され、前記複数の半導体チップ（１１）が型成形により成形された樹脂モールド部（１６）にてモールドされて一体構造とされた半導体モジュールであって、
   前記半導体パワー素子が形成された前記半導体チップ（１１）の間において、前記樹脂モールド部（１６）を分割して区画する前記樹脂モールド部（１６）の厚みと同じ深さの分割溝（１６ａ）が形成され、
   前記冷却プレート（１８）の表面側に搭載された前記半導体チップ（１１）のうち、隣接する複数の前記半導体チップ（１１）は、前記分割溝が形成されることなく樹脂モールド部（１６）にてモールドされた半導体チップモールド群とされ、
   前記分割溝（１６ａ）は、前記半導体チップモールド群毎に形成されていて、
   前記半導体パワー素子は、インバータ（１）と回転部（３）とを備える三相交流回転機の前記インバータ（１）を構成しており、
   前記半導体チップモールド群は、前記回転部（３）に対して電流流れの上流側に位置する半導体パワー素子が集合した上アーム半導体チップモールド群と、前記回転部（３）に対して電流流れの下流側に位置する半導体パワー素子が集合した下アーム半導体チップモールド群とを備え、
   前記分割溝（１６ａ）は、前記上アーム半導体チップモールド群と、前記下アーム半導体チップモールド群との間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. 金属にて構成された冷却プレート（１８）を備え、該冷却プレート（１８）の表面側に、半導体パワー素子が形成された３以上の半導体チップ（１１）が搭載され、前記複数の半導体チップ（１１）が型成形により成形された樹脂モールド部（１６）にてモールドされて一体構造とされた半導体モジュールであって、
   前記半導体パワー素子が形成された前記半導体チップ（１１）の間において、前記樹脂モールド部（１６）を分割して区画する前記樹脂モールド部（１６）の厚みと同じ深さの分割溝（１６ａ）が形成され、
   前記冷却プレート（１８）の表面側に搭載された前記半導体チップ（１１）のうち、隣接する複数の前記半導体チップ（１１）は、前記分割溝が形成されることなく樹脂モールド部（１６）にてモールドされた半導体チップモールド群とされ、
   前記分割溝（１６ａ）は、前記半導体チップモールド群毎に形成されていて、
   前記半導体パワー素子は、インバータ（１）と回転部（３）とを備える三相交流回転機の前記インバータ（１）を構成しており、
   前記半導体チップモールド群は、三相の各相において前記回転部（３）に対して電流流れの上流側及び下流側の半導体パワー素子が集合したＵ相半導体チップモールド群と、Ｖ相半導体チップモールド群と、Ｗ相半導体チップモールド群とを備え、
   前記分割溝（１６ａ）は、前記Ｕ相半導体チップモールド群と前記Ｖ相半導体チップモールド群と前記Ｗ相半導体チップモールド群の間にそれぞれ形成され、
   前記Ｕ相半導体チップモールド群と前記Ｖ相半導体チップモールド群と前記Ｗ相半導体チップモールド群における各２つの前記半導体パワー素子は並設されるとともに、各前記半導体パワー素子は制御端子（１５）とワイヤ線（２２）によって接続されており、
   前記Ｕ相半導体チップモールド群と前記Ｖ相半導体チップモールド群と前記Ｗ相半導体チップモールド群における各２つの前記半導体パワー素子の前記制御端子（１５）は、前記並設方向において逆方向に延出されていることを特徴とする半導体モジュール
3. 前記半導体チップモールド群には、前記樹脂モールド部（１６）の厚みよりも浅くされ、前記半導体チップモールド群に含まれる前記半導体チップ（１１）を前記半導体チップ（１１）毎に区画する区画溝（１６ｂ）が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
4. 前記冷却プレート（１８）の裏面側には、冷却フィン（１８ａ）が備えられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体モジュール。
5. 金属にて構成された冷却プレート（１８）を備え、該冷却プレート（１８）の表面側に絶縁材（１７）を介して前記半導体パワー素子が形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体モジュール。

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