JP5950872B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

この発明は、パワー半導体デバイスを内部に有する半導体モジュールに関し、特にその冷却機能に関するものである。

近年、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のスイッチングデバイスや、それらに電気的に並列接続される還流ダイオードといったパワー半導体デバイスを使用した半導体装置（インテリジェントパワーモジュール(Intelligent Power Module)：ＩＰＭ）が開発されている。以下、上記のような半導体装置を単に「ＩＰＭ」と称する場合がある。

すなわち、ＩＰＭ等の半導体モジュールでは、ＩＧＢＴ等のスイッチングデバイスといったパワー半導体デバイス及び、それらに電気的に並列接続される還流ダイオードといったパワー半導体デバイス等が１つのパッケージに収められる等により一体的に構成されている。

そして、半導体モジュール内の半導体デバイスを冷却すべく、半導体モジュールに冷却機能が設けられる。このような半導体モジュールとして、例えば、特許文献１に開示された半導体装置が挙げられる。

特開２００６−２８７１１２号公報

しかしながら、冷却機能を有する従来の半導体モジュールは、比較的冷却が困難とされる半導体デバイスの表面電極まで十分に冷却することができていないという問題点があった。

この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、半導体デバイスの表面電極を含めて効果的に冷却することが可能な冷却機能を有する半導体モジュールを得ることを目的とする。

この発明に係る請求項１記載の半導体モジュールは、パワー半導体デバイスを有する半導体形成部と冷却器とが結合されて構成される冷却機能付きの半導体モジュールであって、前記半導体形成部は、表面上に前記パワー半導体デバイスを配置する基体と、前記半導体デバイスの表面に形成される電極部と電気的に接続される表面側主電極端子と、前記パワー半導体、前記基体、前記表面側主電極端子を覆って形成されるモールド樹脂部とを含み、前記基体の裏面、前記表面側主電極端子の先端部分は前記モールド樹脂部から露出しており、前記冷却器はペルチェ素子を有する冷却本体部と、前記冷却本体部の上部及び下部に設けられた吸熱部及び排熱部とを有し、前記吸熱部の上面と前記表面側主電極端子の前記先端部分とが互いに接触する態様で前記冷却器は前記半導体形成部に固定され、前記半導体形成部における前記基体の裏面と前記冷却器における前記排熱部の下面とが同一平面上に形成され、前記半導体モジュールは、表面上に前記基体及び前記冷却器を配置するベース板と、前記半導体形成部上に配置される押さえ板と、前記ベース板、前記押さえ板、前記半導体形成部及び前記冷却器を内部に収容するケースとをさらに備え、前記押さえ板は前記ケースへの収容時に前記半導体形成部を前記ベース板側に押圧するように固定され、前記ケース内部から外部に突出して形成され、前記表面側主電極端子と電気的に接続される表面側外部端子とをさらに備える。

この発明における請求項１記載の本願発明の半導体モジュールは、冷却することが比較的困難である表面側主電極端子をその先端部分から冷却器によって効果的に冷却することができる。この際、冷却本体部はペルチェ素子を有しており、ペルチェ素子に対し印加電圧に応じた冷却温度制御が行えるため、冷却対象の半導体デバイスに対して適切な冷却制御が行える。

加えて、請求項１記載の本願発明の半導体モジュールは、半導体形成部における基体の裏面と冷却器における排熱部の下面とが同一平面上に形成されているため、内部を流れる冷媒によって上記基体の裏面及び上記排熱部の下面から冷却する水冷方式の補助冷却部を用いて、同一平面を形成する上記基体の裏面及び上記排熱部の下面から効率的な冷却を行うことができる。

その結果、補助冷却部によってペルチェ素子の排熱部を下面から効率的に冷却することができるため、冷却対象の半導体デバイスに対し冷却器のペルチェ素子によって安定した冷却制御を行うことができる。

この発明の実施の形態１である冷却器付半導体モジュールの第１の態様を示す断面図である。 この発明の実施の形態１である冷却器付半導体モジュールの第１の態様を示す平面図である。 この発明の実施の形態１である冷却器付半導体モジュールの第２の態様を示す断面図である。 図１で示したパワー半導体形成部の等価回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態２である冷却器付半導体モジュールの第１の態様を示す断面図である。 この発明の実施の形態２である冷却器付半導体モジュールの第２の態様を示す断面図である。 この発明の実施の形態２である冷却器付半導体モジュールの第２の態様を示す平面図である。 ＩＰＭの一般的な構造（その１）を示す断面図である。 ＩＰＭの一般的な構造（その２）を示す断面図である。 ＩＰＭの一般的な構造（その３）を示す断面図である。

＜前提技術＞
図８〜図１０はＩＰＭの一般的な構造（その１〜その３）を示す断面図である。以下、これらの図を参照して、従来のＩＰＭの構造について説明する。

図８に示すように、裏面銅箔部５５、絶縁シート５４及びベース配線板５３の順で形成される積層構造により基体が構成される。ベース配線板５３は銅等の導電材で構成され、絶縁シート５４はセラミックや樹脂等から構成され、銅箔により構成される裏面銅箔部５５は絶縁シート５４を保護するために設けられる。

そして、ベース配線板５３の表面上に、ＩＧＢＴ等のスイッチングデバイス等のパワー半導体デバイス５１及び、それらに電気的に並列接続される還流ダイオード等のパワー半導体デバイス５２が形成される。この際、パワー半導体デバイス５１及び５２それぞれの裏面電極がはんだ等を用いてベース配線板５３の表面（の配線パターン上）に接合される。

パワー半導体デバイス５１及び５２それぞれの裏面電極は通常、Ｐ側（コレクタ及びカソード側）の電極として機能し、ベース配線板５３に形成された配線パターンを経由して、ベース配線板５３の表面（の配線パターン）上の一部にはんだ等により接合して設けられるＰ側電極５８に電気的に接続される。なお、上述した（コレクタ及びカソード側）とは、パワー半導体デバイス５１として形成されるＩＧＢＴのコレクタ側及びパワー半導体デバイス５２として形成される還流ダイオードのカソード側を意味する。

一方、パワー半導体デバイス５１及び５２それぞれの表面電極は通常、Ｎ側（エミッタ及びアノード側）の電極として機能し、これらの表面電極にＮ側電極５９がはんだ等により接合されることにより、表面電極，Ｎ側電極５９間が電気的に接続される。なお、Ｐ側電極５８及びＮ側電極５９は共に銅等の導電材から構成される。なお、上述した（エミッタ及びアノード側）とは、パワー半導体デバイス５１として形成されるＩＧＢＴのエミッタ側及びパワー半導体デバイス５２として形成される還流ダイオードのアノード側をそれぞれ意味する。

また、パワー半導体デバイス５１の制御電極（ＩＧＢＴのゲート，エミッタ）や温度検出ダイオード等のパッドとを含む複数の第３電極部は、配線用アルミワイヤー等の導電材５６を介して複数の制御用端子５７（図面上では一つの制御用端子５７を代表して示している）に電気的に接続される。一部の制御用端子５７は、温度検出ダイオード等の半導体モジュール６４の外部制御端子としても機能する。

そして、これらの構成部５１〜５９を覆ってモールド樹脂６０が形成されることにより半導体モジュール６４（トランスファモールドパワーモジュール：以下、単に「Ｔ−ＰＭ」と称する場合あり）が得られる。なお、制御用端子５７、Ｐ側電極５８及びＮ側電極５９の先端部分、並びに裏面銅箔部５５の裏面はモールド樹脂６０から露出している。

さらに、図９に示すように、Ｔ−ＰＭ６４はケース６８内に収納されることにより半導体モジュール３８が形成される。銅等からなるベース板６６の表面上に熱伝導率を向上するためのシリコングリス１５を介してＴ−ＰＭ６４の裏面が配置される。

そして、Ｔ−ＰＭ６４上に押さえ板６７が設けられる。押さえ板６７はケース６８への収容時にケース６８内の予め定められた位置に固定される。

さらに、押さえ板６７の上方に、シールド板７０を介して、駆動回路や保護回路等を実装したプリント配線板６９（プリンテッドサーキットボード：以下、「ＰＣＢ」と称する場合がある）が設けられる。

このプリント配線板６９のスルーホールを貫通し、はんだ等によりＴ−ＰＭ６４の制御用端子５７が接合される。

また、プリント配線板６９及びシールド板７０は、ケース６８への収容時にケース６８内の予め定められた位置に固定される。シールド板７０は急峻な電圧及び電流変化により生ずる電磁誘導ノイズからプリント配線板６９をシールドすべくアルミ等から構成される。

そして、銅等の導電材からなるＰ側主電極用の外部端子７１はケース６８の外部側面から内部に挿入され、ケース６８内においてＰ側電極５８と溶接等により接合されることにより電気的に接続される。同様にして、銅等の導電材からなるＮ側主電極用の外部端子７２はケース６８の外部側面から内部に挿入され、ケース６８内においてＮ側電極５９と溶接等により接合されることにより電気的に接続される。したがって、外部端子７１及び外部端子７２はそれぞれケース６８内から外部側面上に延びて形成される。

このように、Ｔ−ＰＭ６４をケース６８内に収容することにより半導体モジュール３８が形成される。すなわち、ＩＧＢＴに代表されるスイッチングデバイス等のパワー半導体デバイス５１と還流ダイオード等のパワー半導体デバイス５２とが電気的に並列接続されて構成されるＴ−ＰＭ６４及び、ＩＧＢＴ等のスイッチングデバイスの駆動や、過電流、温度異常を検出したりするプリント配線板６９を備えたＩＰＭとなる半導体モジュール３８が構成される。

さらに、図１０に示すように、Ｔ−ＰＭ６４の裏面側に補助冷却器７４が設けられることにより半導体モジュール３９が形成される。すなわち、補助冷却器７４がシリコングリス７３を介してベース板６６の裏面側に配置される。補助冷却器７４はアルミ等から構成され、内部を冷媒７５が巡回することにより水冷方式の冷却機能を有する。

図１０で示した補助冷却器７４を有する半導体モジュール３９において、Ｔ−ＰＭ６４内部のパワー半導体デバイス５１，５２から発生した熱はＴ−ＰＭ６４の裏面側に設けられた裏面銅箔部５５等より外部へ放出される。さらに、Ｔ−ＰＭ６４の外部へ放出された熱は、シリコングリス６５を介してケース６８側のベース板６６から、ＩＰＭ外部の補助冷却器７４へ放出される。この際、シリコングリス６５を介することにより、Ｔ−ＰＭ６４，ベース板６６間における接触面の凹凸箇所やソリを抑制することができる分、接触面積を増して熱伝導率を向上させることができる。

図８〜図１０で示した構造において、ＩＧＢＴに代表されるスイッチングデバイス等のパワー半導体デバイス５１及び還流ダイオード等のパワー半導体デバイス５２のスイッチング動作やＤＣ連続通電動作時の損失に伴う発熱は、パワー半導体デバイス５１，５２それぞれの裏面電極から、はんだ、銅等の導電材からなるベース配線板５３、セラミックや樹脂等の絶縁シート５４、絶縁シート５４を保護する為の裏面銅箔部５５を介してＴ−ＰＭ６４の外部へと放熱される。

従来のＩＰＭは図８〜図１０で示す構造を有しているため、ＩＧＢＴに代表されるスイッチングデバイス等のパワー半導体デバイス５１及び還流ダイオード等のパワー半導体デバイス５２のスイッチング動作やＤＣ連続通電動作時の損失に伴う発熱は、これらパワー半導体デバイス５１，５２それぞれの裏面電極からの放熱が主となる。

一方、これらパワー半導体デバイス５１，５２それぞれの表面電極に電気的に接続される、上側に位置する銅等の導電材からなるＮ側電極５９は、これらパワー半導体デバイス５１，５２の下側に位置する銅等の導電材からなるベース配線板５３に対し高温となる。

したがって、パワー半導体デバイス５１，５２を形成するシリコン等に比べ、その上側に位置するＴ−ＰＭ６４のＮ側電極５９や、その下側に位置するベース配線板５３を構成する銅等の導電材の方において熱膨張率が大きくなる。特にパワー半導体デバイス５１，５２の上側に位置するＮ側電極５９は、その下側に位置するベース配線板５３に比べ、スイッチング動作やＤＣ連続通電動作時の損失に伴う発熱による機械的膨張、収縮量が大きい。

このため、パワー半導体デバイス５１及び５２と、その上側に位置するＮ側電極９や、その下側に位置するベース配線板５３を構成する銅等の導電材とのはんだ接合部分は、繰返し加わる周囲温度の変化に伴う素材の熱膨張、熱収縮によるクラックが生じたり、剥離したりする等によって信頼性を低下させてしまう問題点があった。

また、これらパワー半導体デバイス５１，５２の表面電極まで十分に冷却し、より高速なスイッチング動作や、ＤＣ連続通電動作時のより大きな電流を連続通電するためには、外部の冷却器の能力向上のための大型化や、パワー半導体デバイスの形成面積を拡大し、単位面積あたりの電流密度に余裕を持たせる（チップ面積の拡大）等の冷却対策の必要がある。しかしながら、上記した冷却対策を施すことは装置の大型化を招くという別の問題点を誘発していまい実用的でない。

このように、図８〜図１０で示した従来のＩＰＭの問題点の解消を図ったのが以下で述べる実施の形態である。

＜実施の形態１＞
図１〜図３はこの発明の実施の形態１である冷却器付半導体モジュールの構造を示す説明図であり、図１及び図２は第１の態様を示す断面図及び平面図であり、図３は第２の態様を示す断面図である。

図１及び図２に示すように、裏面銅箔部５、絶縁シート４及びベース配線板３の順で形成される積層構造により基体が構成される。ベース配線板３は銅等の導電材で構成され、絶縁シート４はセラミックや樹脂等から構成され、銅箔により構成される裏面銅箔部５は絶縁シート４を保護するために設けられる。

そして、ベース配線板３の表面上に、ＩＧＢＴに代表されるスイッチングデバイス等のパワー半導体デバイス１及び、パワー半導体デバイス１に電気的に並列接続される還流ダイオード等のパワー半導体デバイス２が形成される。この際、パワー半導体デバイス１及び２それぞれの裏面電極がはんだ等を用いてベース配線板３の表面（の配線パターン上）に接合される。

パワー半導体デバイス１及び２それぞれの裏面電極は通常、Ｐ側（コレクタ及びカソード側）の電極として機能し、ベース配線板３に形成された配線パターンを経由して、ベース配線板３の表面（の配線パターン）上の一部にはんだ等により接合して設けられるＰ側電極８に電気的に接続される。上述した（コレクタ及びカソード側）は、パワー半導体デバイス１として形成されるＩＧＢＴ８１（図４参照）のコレクタ側及びパワー半導体デバイス２として形成される還流ダイオード８２（図４参照）のカソード側を意味する。

一方、パワー半導体デバイス１及び２それぞれの表面電極は通常、Ｎ側（エミッタ及びアノード側）の電極として機能し、これらの表面電極にＮ側電極９（表面側主電極端子）がはんだ等により接合されることにより、表面電極，Ｎ側電極９間が電気的に接続される。なお、Ｐ側電極８及びＮ側電極９は銅等の導電材から構成される。なお、上述した（エミッタ及びアノード側）は、パワー半導体デバイス１として形成されるＩＧＢＴ８１（図４参照）のエミッタ側及びパワー半導体デバイス２として形成される還流ダイオード８２（図４参照）のアノード側を意味する。

また、パワー半導体デバイス１の制御電極（ＩＧＢＴ８１のゲート，エミッタ）や温度検出ダイオード等のパッド等を含む複数の第３電極部は、配線用アルミワイヤー等の導電材６を介して複数の制御用端子７（図面上では一つの制御用端子７を代表して示している）に電気的に接続される。したがって、一部の制御用端子７は、温度検出ダイオード等のパワー半導体形成部１４における外部制御端子としても機能する。

そして、これらの構成部１〜９を覆ってモールド樹脂１０が形成されることによりパワー半導体形成部１４が得られる。なお、制御用端子７、Ｐ側電極８及びＮ側電極９の先端部分、並びに裏面銅箔部５の裏面はモールド樹脂１０から露出している。特に、Ｎ側電極９の先端部分は後に詳述する冷却器１００を取付可能にすべくモールド樹脂１０からの露出部分が長くなっている。

図４は図１で示したパワー半導体形成部１４の等価回路を示す回路図である。同図に示すように、パワー半導体デバイス１は例えばＩＧＢＴ８１により構成され、パワー半導体デバイス２は例えば還流ダイオード８２により構成される。

そして、パワー半導体デバイス１，２から構成される半導体デバイス形成領域４１内においてＩＧＢＴ８１のエミッタと還流ダイオード８２のアノードとが共通にＮ側電極９に電気的に接続され、ベース配線板３（の配線パターン）を介してＩＧＢＴ８１のコレクタと還流ダイオード８２のカソードとがＰ側電極８に共通に電気的に接続される。

さらに、Ｎ側電極９の裏面側に冷却器１００が固定具１２よって固定される。冷却器１００は、内部にペルチェ素子を有する冷却本体部１１０、冷却本体部１１０の上面側に設けられる吸熱部１１１、冷却本体部１１０の下面側に設けられる排熱部１１２、及び排熱部１１２の下面側に設けられる固定用排熱部１１３から構成される。

吸熱部１１１及び排熱部１１２は平面視形状が冷却本体部１１０より広く、それぞれの周辺領域が冷却本体部１１０から突出して形成され、固定用排熱部１１３は吸熱部１１１及び排熱部１１２より平面視形状が広く、周辺領域が排熱部１１２から突出して形成されている。固定用排熱部１１３は厚み及び平面視形状が固定具１２と同程度に形成されている。

以下、固定具１２による冷却器１００の取付内容について説明する。図１に示すように、Ｎ側電極９の裏面に冷却器１００の吸熱部１１１の上面が接触した状態で、Ｎ側電極９の表面上に固定具１２を配置して、固定具１２と冷却器１００の固定用排熱部１１３とをとめネジ２９によってネジ止め固定することにより、Ｎ側電極９及び冷却器１００間を固定することができる。

すなわち、図２に示すように、固定具１２（及び固定用排熱部１１３）は平面視して矩形状を呈しており、その４隅部分を貫通して４つのとめネジ２９を設け、４つのとめネジ２９をＮ側電極９の外部並びに冷却器１１の冷却本体部１１０、吸熱部１１１及び固定具１２の外部を通過させて、各とめネジ２９の先端部分を固定用排熱部１１３にネジ止め固定することにより、吸熱部１１１の表面とＮ側電極９の裏面とを強く接触させながら、Ｎ側電極９に冷却器１００を固定することができる。

そして、Ｎ側電極９に冷却器１００を取り付けた際、固定用排熱部１１３の下面とパワー半導体形成部１４における裏面銅箔部５の裏面とが同一平面上に形成されるように位置決めされる。なお、同一平面上に形成されるとは、固定用排熱部１１３の下面と裏面銅箔部５の裏面とを含む仮想的な一の平面が存在するように形成されることを意味する。

なお、吸熱部１１１及び排熱部１１２はそれぞれ窒化アルミ等の電気的絶縁性の高いセラミックにより形成されており、パワー半導体デバイス１，２用のＮ側電極９（高電圧部）と冷却器１００の冷却制御用の制御電圧（低電圧部）とを電気的に絶縁することが可能となる。さらに、固定用排熱部１１３を、窒化アルミ等の電気的絶縁性の高いセラミックにより形成することにより、固定用排熱部１１３及び排熱部１１２を共に冷却器１００の排熱部として機能させることができ、固定用排熱部１１３の下面が冷却器１００の下面となる。なお、冷却器１００を変形例として、排熱部１１２の形成を省略し、固定用排熱部１１３のみを冷却器１００の排熱部として機能させる態様も考えられる。

冷却本体部１１０内に設けられたペルチェ素子は、熱電効果のひとつであるペルチェ効果を利用した冷却用の素子である。ペルチェ素子は印加電圧に応じた冷却温度の制御が可能であり、パワー半導体デバイス１，２の過渡的な温度変化に対応した任意の冷却温度制御が可能となるため、パワー半導体デバイス１，２の表面電極とＮ側電極９との接合に用いられたはんだへの熱膨張による機械的なストレスを最も効果的に低減することが可能となる。その結果、実施の形態１の第１の態様である冷却器付半導体モジュール３１のパワー半導体デバイス１，２の動作時における信頼性の向上を図ることができる。

上述したように、実施の形態１の第１の態様である冷却器付半導体モジュール３１は、冷却することが比較的困難である表面側主電極端子であるＮ側電極９をその先端部分から冷却器１００によって効果的に冷却することができる。この際、冷却器１００を構成する冷却本体部１１０はペルチェ素子を有しており、ペルチェ素子に対し印加電圧に応じた冷却温度制御が行えるため、冷却対象のパワー半導体デバイス１，２に対して適切な冷却制御が行える。

このように、冷却器１００による冷却制御により、パワー半導体デバイス１を構成するＩＧＢＴ等のスイッチング動作時の損失に伴う発熱を低減することができるため、ＩＧＢＴ等はより高速なスイッチング動作が可能となる。

さらに、冷却器１００による冷却制御により、パワー半導体デバイス１，２におけるＤＣ連続通電動作時の損失に伴う発熱を低減することができるため、より大きな電流を連続通電することが可能となる。また、ペルチェ素子を用いた冷却器１００は装置規模が比較的小さくして構成することができるため、冷却器付半導体モジュール３１全体の小型化が可能となる分、コストの低減化を図ることができる。

さらに、パワー半導体デバイス１，２の表面電極にはんだを介して接合される銅等の導電材からなるＮ側電極９は、パワー半導体デバイス１，２を形成するシリコンに比べて熱膨張率が大きいが、このＮ側電極９を冷却器１００によって直接冷却することができる。その結果、パワー半導体デバイス１，２の表面電極と接合のために用いたはんだへの熱膨張による機械的なストレスを低減することが出来るため、ＩＰＭとしての冷却器付半導体モジュール３１の信頼性の向上を図ることができる。

さらに、図３に示すように、パワー半導体形成部１４の裏面側及び冷却器１００の固定用排熱部１１３側に補助冷却器２４を設けることにより冷却器付半導体モジュール３１Ｂを実施の形態１の第２の態様として形成することができる。すなわち、補助冷却器２４がシリコングリス１５を介してパワー半導体形成部１４及び裏面側及び排熱部１１２の下面側に取り付けられる。補助冷却器２４はアルミ等から構成され、内部を冷媒２５が巡回することにより水冷方式の冷却機能を有する。

このように、冷却器１００の固定用排熱部１１３の下面とパワー半導体形成部１４における裏面銅箔部５の裏面とが同一平面上に形成されるように位置決めされているため、補助冷却器２４の表面上にパワー半導体形成部１４及び冷却器１００を安定性良く配置することができる。その結果、パワー半導体形成部１４及び冷却器１００を一の補助冷却器２４を用いて効率的にパワー半導体形成部１４及び冷却器１００を冷却することができる。

図３で示した補助冷却器２４を有する冷却器付半導体モジュール３１Ｂにおいて、パワー半導体形成部１４内部のパワー半導体デバイス１，２から発生した熱はパワー半導体形成部１４の裏面側に設けられた裏面銅箔部５等より外部へ放出される。さらに、パワー半導体形成部１４の外部へ放出された熱は、シリコングリス１５を介して外部の補助冷却器２４へ放出される。この際、シリコングリス１５を介することにより、パワー半導体形成部１４，補助冷却器２４間における接触面の凹凸やソリを抑制することができる分、接触面積を増して熱伝導率を向上させることができる。

さらに、補助冷却器２４の冷却機能により、固定用排熱部１１３の下面から冷却器１００の冷却本体部１１０を効率的に冷却することが可能となり、ペルチェ素子を用いた冷却器１００による安定した吸熱が可能となる分、冷却器１００による冷却精度を高めることができる。

上述したように、パワー半導体形成部１４（における裏面銅箔部５）の裏面と冷却器１００（における固定用排熱部１１３）の下面とが同一平面上に形成されるように位置決めされている。このため、図３に示すように、同一平面を形成するパワー半導体形成部１４の裏面及び冷却器１００の下面と補助冷却器２４の表面とが安定性良く接する態様で、補助冷却器２４の表面上にパワー半導体形成部１４及び冷却器１００を安定性良く配置することができる。

その結果、実施の形態１の第２の態様である冷却器付半導体モジュール３１Ｂは、補助冷却器２４の内部を流れる冷媒２５によって、パワー半導体形成部１４の裏面側及び冷却器１００の下面側（排熱部１１２及び固定用排熱部１１３側）から効率的に冷却することができるため、冷却対象のパワー半導体デバイス１，２に対しペルチェ素子を用いた冷却器１００による安定した冷却制御を行うことができる。

＜実施の形態２＞
図５〜図７はこの発明の実施の形態２である冷却器付半導体モジュールの構造を示す説明図であり、図５は第１の態様を示す断面図であり、図６及び図７は第２の態様を示す断面図及び平面図である。

図５に示すように、実施の形態１で示した冷却器付半導体モジュール３１を構成したパワー半導体形成部１４と共に冷却器１１をケース１８内に収納することにより実施の形態２の第１の態様の冷却器付半導体モジュール３２が形成される。

以下、実施の形態２の第１の態様の構造について、実施の形態１と同じ構成部分は同一符号を付して説明を適宜省略しつつ、実施の形態１と異なる箇所を中心に説明する。

実施の形態２において、Ｎ側電極９の裏面側に冷却器１１が固定具１２よって固定される。冷却器１１は、内部にペルチェ素子を有する冷却本体部１１０、冷却本体部１１０の上面側に設けられる吸熱部１１１、及び冷却本体部１１０の下面側に設けられる排熱部１１２から構成される。冷却器１１は固定用排熱部１１３を有していない点において、実施の形態１で示した冷却器１００とは構成が異なる。

銅等からなるベース板１６の表面上に熱伝導率を向上するためのシリコングリス１５を介してパワー半導体形成部１４の裏面及び冷却器１１（の排熱部１１２）の下面が配置される。

以下、固定具１２による冷却器１１の取付内容について説明する。図５に示すように、Ｎ側電極９の裏面に冷却器１１の吸熱部１１１の上面が接触し、排熱部１１２がシリコングリス１５を介してベース板１６上に配置された状態で、Ｎ側電極９の表面上に固定具１２を配置して、固定具１２とベース板１６とによりＮ側電極９及び冷却器１１を挟み込む。そして、この状態で、固定具１２とベース板１６とをとめネジ２９によってネジ止め固定することにより、Ｎ側電極９及び冷却器１１間を固定することができる。

すなわち、前述したように、固定具１２は平面視して矩形状を呈しており（図２参照）、その４隅部分を貫通して４つのとめネジ２９を設け、４つのとめネジ２９をＮ側電極９及び冷却器１１の外部を通過させ、シリコングリス１５を貫通させて、各とめネジ２９の先端部分をベース板１６にネジ止め固定することにより、吸熱部１１１の表面とＮ側電極９の裏面とを強く接触させながら、Ｎ側電極９に冷却器１１を固定することができる。

そして、Ｎ側電極９に冷却器１１を取り付けた際、冷却器１１の下面とパワー半導体形成部１４における裏面銅箔部５の裏面とが同一平面上に形成されるように位置決めされる。

一方、パワー半導体形成部１４上に押さえ板１７が設けられる。押さえ板１７はよって、ケース１８の内部に設けられるネジ止め部（図示せず）にネジ止めされることにより、ケース１８内の予め定められた位置に固定される。そして、押さえ板１７はケース１８への収容時にパワー半導体形成部１４をベース板１６側に押圧するように作用する。したがって、固定具１２よってパワー半導体形成部１４と連結されている冷却器１１に対しても、押さえ板１７によって間接的にベース板１６側に押圧作用が働く。

さらに、押さえ板１７の上方に、シールド板２０を介して、駆動回路や保護回路等を実装したプリント配線板１９（プリンテッドサーキットボード：ＰＣＢ）が設けられる。このスルーホールを貫通し、はんだ等によりパワー半導体形成部１４の制御用端子７が接合される。

また、プリント配線板１９及びシールド板２０は、ケース１８の内部に設けられるネジ止め部（図示せず）にネジ止めされることにより、ケース１８内の予め定められた位置に固定される。

シールド板２０は急峻な電圧及び電流変化により生ずる電磁誘導ノイズからプリント配線板１９をシールドすべくアルミ等から構成される。

そして、銅等の導電材からなるＰ側主電極用の外部端子２１はケース１８の外部側面から内部に挿入され、ケース１８内においてＰ側電極８と溶接等により接合されることにより電気的に接続される。同様にして、銅等の導電材からなるＮ側主電極用の外部端子２２（表面側外部端子）はケース１８の外部側面から内部に挿入され、ケース１８内においてＮ側電極９の最先端部と溶接等により接合されることにより電気的に接続される。したがって、外部端子２１及び外部端子２２はそれぞれケース１８内から外部側面上に延びて形成される。

このように、パワー半導体形成部１４をケース１８内に収容することにより実施の形態２の冷却器付半導体モジュール３２が形成される。すなわち、ＩＧＢＴに代表されるスイッチングデバイス等のパワー半導体デバイス１と還流ダイオード等のパワー半導体デバイス２とが電気的に並列接続されたパワー半導体形成部１４及び、ＩＧＢＴ等のスイッチングデバイスの駆動や、過電流、温度異常を検出したりするプリント配線板１９を備えたＩＰＭとなる冷却器付半導体モジュール３２が構成される。

このように、実施の形態２の第１の態様である冷却器付半導体モジュール３２は、ケース１８への収容時に固定された押さえ板１７によるパワー半導体形成部１４に対する押圧作用により、ベース板１６上にパワー半導体形成部１４及び冷却器１１をより強固に固定することができる。

さらに、図６に示すように、パワー半導体形成部１４の裏面側に補助冷却器２４が設けることにより第２の態様の冷却器付半導体モジュール３２Ｂを形成することができる。すなわち、補助冷却器２４がシリコングリス２３を介してベース板１６の裏面側に配置される。前述したように、補助冷却器２４は、内部を冷媒７５が巡回することにより水冷方式の冷却機能を有する。

図６で示した補助冷却器２４を有する冷却器付半導体モジュール３２Ｂにおいて、パワー半導体形成部１４内部のパワー半導体デバイス１，２から発生した熱はパワー半導体形成部１４の裏面側に設けられた裏面銅箔部５５等より外部へ放出される。さらに、パワー半導体形成部１４の外部へ放出された熱は、シリコングリス１５及びベース板１６を介して補助冷却器２４へ放出される。この際、シリコングリス１５を介することにより、パワー半導体形成部１４及び冷却器１１，ベース板１６間における接触面積を増して熱伝導率を向上させている。

上述したように、実施の形態２の冷却器付半導体モジュール３２（３２Ｂ）は、パワー半導体形成部１４（における裏面銅箔部５）の裏面と冷却器１１（における排熱部１１２）の下面とが同一平面上に形成されるように位置決めされている。このため、図６に示すように、同一平面を形成するパワー半導体形成部１４の裏面及び冷却器１１の下面とをシリコングリス１５を介してベース板１６の表面上に安定性良く配置することができる。

その結果、実施の形態２の第２の態様である冷却器付半導体モジュール３２Ｂは、補助冷却器２４の内部を流れる冷媒２５によってパワー半導体形成部１４の裏面側及び冷却器１１の下面側から効率的に冷却することができるため、冷却対象のパワー半導体デバイス１，２に対しペルチェ素子を用いた冷却器１１による安定した冷却制御を行うことができる。

さらに、冷却器付半導体モジュール３２Ｂは、図７に示すように、２つのパワー半導体形成部１４（１４ａ，１４ｂ）を収納している。

すなわち、実施の形態２の第２の態様である冷却器付半導体モジュール３２Ｂは、パワー半導体形成部１４として、各々がパワー半導体デバイス１，２、基体（３〜５）、導電材６、制御用端子７、Ｐ側電極８、Ｎ側電極９及びモールド樹脂１０を有する２つのパワー半導体形成部１４ａ及び１４ｂを有している。さらに、パワー半導体形成部１４ａ及び１４ｂそれぞれに対して外部端子２１及び外部端子２２が設けられる。

一方、パワー半導体形成部１４ａ及び１４ｂに対して、ベース板１６、押さえ板１７、プリント配線板１９、及びシールド板２０が共通に設けられる。

そして、冷却器１１として、各々が冷却本体部１１０、吸熱部１１１及び排熱部１１２を有し、パワー半導体形成部１４ａ及び１４ｂと１対１に対応して設けられる２つの冷却器１１ａ及び１１ｂを有している。

前述したように、ベース板１６はパワー半導体形成部１４ａ及び１４ｂ並びに冷却器１１ａ及び１１ｂに対して共通に設けられ、一つのベース板１６上にシリコングリス１５を介してパワー半導体形成部１４ａ及び１４ｂ並びに冷却器１１ａ及び１１ｂが配置される。

さらに、パワー半導体形成部１４（１４ａ，１４ｂ）の裏面側及び冷却器１１（１１ａ，１１ｂ）の排熱部１１２側にシリコングリス２３を介して補助冷却器２４が設けられることにより第２の態様の冷却器付半導体モジュール３２Ｂが形成される。

このように、冷却器１１ａ及び１１ｂそれぞれの排熱部１１２の下面とパワー半導体形成部１４ａ及び１４ｂそれぞれにおける裏面銅箔部５の裏面とが同一平面上に形成されるように位置決めされているため、ベース板１６上に安定性良く設けることができる。したがって、実施の形態２の第２の態様は、パワー半導体形成部１４及び冷却器１１が複数設けられる構造において、複数のパワー半導体形成部１４及び冷却器１１に対し、一の補助冷却器２４より効率的に冷却することができる効果を奏する。

複数のパワー半導体形成部１４（１４ａ，１４ｂ）を実装する実施の形態２の冷却器付半導体モジュール３２Ｂにおいては、熱干渉や電流のアンバランスにより、一部のパワー半導体形成部１４（例えば、１４ａ）内のパワー半導体デバイスが他のパワー半導体形成部１４（例えば、１４ｂ）に比べより高温になる熱的アンバランスが生ずることがある。

このような熱的アンバランスが生じた場合、従来の半導体装置（ＩＰＭ）では、一部のパワー半導体形成部が他のパワー半導体形成部と比較して高温となり信頼性が著しく低下するといった問題が生じる可能性が高い。

一方、実施の形態２の第２の態様である冷却器付半導体モジュール３２Ｂでは、パワー半導体形成部１４ａ及び１４ｂに１対１に対応して冷却器１１ａ及び１１ｂを設けているため、冷却器１１ａ及び１１ｂ間で冷却能力を変えてパワー半導体形成部１４ａ及び１４ｂそれぞれを個別に冷却することができる。すなわち、冷却器１１ａ及び１１ｂそれぞれの冷却本体部１１０内のペルチェ素子への印加電圧を変えることにより、冷却器１１ａ及び１１ｂ間で異なる冷却能力に設定することができる。

このように、冷却器付半導体モジュール３２Ｂでは、複数のパワー半導体形成部１４に１対１に対応して複数の冷却器１１を設けることにより、冷却本体部１１０内のペルチェ素子を用いた冷却器１１の冷却温度を複数の冷却器１１それぞれで個別設定することができるため、上述した複数のパワー半導体形成部１４間における熱的アンバランスを効果的に緩和する冷却制御が行えるため、より信頼性の向上を図ることができる。その結果、冷却器付半導体モジュール３２Ｂの長寿命化を図ることができる。

例えば、パワー半導体形成部１４ａがパワー半導体形成部１４ｂと比較して高温状態になった場合、冷却器１１ａの冷却能力を選択的に高めることにより、パワー半導体形成部１４ａ及び１４ｂ間に生じて熱的アンバランスを効果的に抑制した冷却制御を行うことができる。

このように、実施の形態２の第２の態様である冷却器付半導体モジュール３２Ｂは、複数のパワー半導体形成部１４に１対１に対応して設けられる複数の冷却器１１によって、冷却することが比較的困難である複数の半導体形成部それぞれのＮ側電極９（表面側主電極端子）をその先端部分から効果的に冷却することができる。この際、複数の冷却本体部１１０はそれぞれペルチェ素子を有しており、ペルチェ素子に対し印加電圧に応じた冷却温度制御が行えるため、冷却対象の複数の半導体デバイスそれぞれに対して適切な冷却能力を発揮することができる。

すなわち、動作時における電流のアンバランスにより、複数のパワー半導体形成部１４における複数の半導体デバイス（複数のパワー半導体デバイス１，２）間のうち、一部の半導体デバイスが高温になる熱的アンバランスに対し、当該一部の半導体デバイスを有するパワー半導体形成部１４に対応する一部の冷却器１１の冷却能力を選択的に高めることにより、上記熱的アンバランスを効果的に緩和することができるため、冷却器付半導体モジュール３２Ｂとしての信頼性の向上を図ることができる。

なお、実施の形態２の第２の態様では、複数のパワー半導体形成部１４（複数の冷却器１１）として２つの場合を示したが、３つ以上のパワー半導体形成部１４からなる構成も勿論可能である。

また、実施の形態２では冷却本体部１１０、吸熱部１１１及び排熱部１１２から構成される冷却器１１を用いたが、冷却器１１に代えて実施の形態１で用いた冷却器１００を用いても良い。この場合、パワー半導体形成部１４（における裏面銅箔部５）の裏面と冷却器１００（における固定用排熱部１１３）の下面とが同一平面上に形成されるように位置決めし、パワー半導体形成部１４の裏面及び冷却器１００の下面とをシリコングリス１５を介してベース板１６の表面上に安定性良く配置することになる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１，２ パワー半導体デバイス、３ ベース配線板、４ 絶縁シート、５ 裏面銅箔部、６ 導電材、７ 制御用端子、８ Ｐ側電極、９ Ｎ側電極、１０ モールド樹脂、１１，１００ 冷却器、１２ 固定具、１４ パワー半導体形成部、１５，２３ シリコングリス、１６ ベース板、１７ 押さえ板、１８ ケース、１９ プリント配線板、２０ シールド板、２１，２２ 外部端子、２４ 補助冷却器、２５ 冷媒、３１，３１Ｂ，３２，３２Ｂ 冷却器付半導体モジュール。

Claims (2)

1. パワー半導体デバイスを有する半導体形成部と冷却器とが結合されて構成される冷却機能付きの半導体モジュールであって、
   前記半導体形成部は、
   表面上に前記パワー半導体デバイスを配置する基体と、
   前記半導体デバイスの表面に形成される電極部と電気的に接続される表面側主電極端子と、
   前記パワー半導体、前記基体、前記表面側主電極端子を覆って形成されるモールド樹脂部とを含み、前記基体の裏面、前記表面側主電極端子の先端部分は前記モールド樹脂部から露出しており、
   前記冷却器はペルチェ素子を有する冷却本体部と、前記冷却本体部の上部及び下部に設けられた吸熱部及び排熱部とを有し、前記吸熱部の上面と前記表面側主電極端子の前記先端部分とが互いに接触する態様で前記冷却器は前記半導体形成部に固定され、
   前記半導体形成部における前記基体の裏面と前記冷却器における前記排熱部の下面とが同一平面上に形成され、
   前記半導体モジュールは、
   表面上に前記基体及び前記冷却器を配置するベース板と、
   前記半導体形成部上に配置される押さえ板と、
   前記ベース板、前記押さえ板、前記半導体形成部及び前記冷却器を内部に収容するケースとをさらに備え、前記押さえ板は前記ケースへの収容時に前記半導体形成部を前記ベース板側に押圧するように固定され、
   前記ケース内部から外部に突出して形成され、前記表面側主電極端子と電気的に接続される表面側外部端子とをさらに備える、
   半導体モジュール。
2. 請求項１記載の半導体モジュールであって、
   前記半導体形成部は、各々が前記パワー半導体、前記基体、前記表面側主電極端子及び前記モールド樹脂部を有する複数の半導体形成部を含み、
   前記冷却器は、各々が前記冷却本体部、前記吸熱部及び排熱部を有し、前記複数の半導体形成部に１対１に対応して設けられる複数の冷却器を含み、
   前記表面側外部端子は前記複数の半導体形成部に１対１に対応してそれぞれ複数設けられ、前記ベース板及び前記押さえ板は前記複数の半導体形成部及び前記複数の冷却器に対して共通に設けられる、
   半導体モジュール。

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