JP5995417B2 - 半導体モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、内蔵された半導体素子を冷却する冷却ケースを備えた半導体モジュールおよびその製造方法に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車には、モータを駆動する複数個のインバータを含む電力変換装置が搭載されている。インバータ装置は、電池から供給された直流電力を交流電力に変換してモータを駆動し、また、逆にモータで回生した交流電力を直流電力に変換し蓄電装置に蓄電する。各インバータは、パワー半導体素子を有する半導体モジュールを備え、パワー半導体素子のオン・オフ動作を制御してモータを駆動する。
オン・オフ動作に伴って、パワー半導体素子から発生される発熱量は大変大きいため、半導体モジュールは、冷却能力の高い構造であることが要求される。

このような、半導体モジュールの一例として下記の構造が知られている。
パワー半導体素子に対向する２枚のベース板と、この２枚のベース板に、一方の側縁を除く三方の側縁で連結される湾曲状の連結部とにより、連続して継ぎ目の無いＣＡＮ状放熱ベースを構成する。一方の側縁には、パワー半導体素子が挿入される開口部が形成されている。つまり、ＣＡＮ状放熱ベースは、一側縁に開口部が形成された同一材質で形成された袋状の部材であり、各ベース板の外面側には、放熱用の多数のフィンが形成されている。

パワー半導体素子は、半導体回路部を構成する電極モジュールとしてユニット化され、ＣＡＮ状放熱ベースの内部に収納される。ＣＡＮ状放熱ベースの内面と電極モジュールとの間に、絶縁層を介装し、ＣＡＮ状放熱ベースを外側から加圧して湾曲状の連結部を塑性変形させ、電極モジュールとＣＡＮ状放熱ベースを絶縁層により接着する。このような構造とすることにより、パワー半導体素子で発生した発熱を、絶縁層を介してＣＡＮ状放熱ベースの両面から放熱する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１１０１４３号公報

上記特許文献１に記載された半導体モジュールでは、ＣＡＮ状放熱ベースを外部から加圧することにより、湾曲状の連結部を塑性変形させた状態で電極モジュールとＣＡＮ状放熱ベースを接着させている。このため、連結部の板厚は、ベース板より薄くして変形が容易に行われるようにする必要がある。
しかし、パワー半導体素子からの発熱が大きい半導体モジュールでは、線膨張係数の差に起因して湾曲状の連結部に大きな応力が作用する。このため、連結部の板厚を薄くすると、ベース板と連結部との接合部において金属疲労による破壊が生じ易い。また、連結部の板厚を厚くすると、接着後のスプリングバックにより、電極モジュールとＣＡＮ状放熱ベースの接着が剥離する。

この発明は、複数の接続端子を有する半導体素子と、半導体素子の表裏面に対向して配置された一対の導体板とを有する半導体ユニットと、半導体ユニットを挿入する挿入用開口部を有し、内部に半導体ユニットが収納された冷却ケースとを備え、冷却ケースは、各導体板に対向し、それぞれ、複数の放熱用のフィンを有する一対の放熱部と、放熱部に連結され、半導体ユニットの接続端子に接続される接続部材を挿通する開口部を有する金属製の枠体とを備え、放熱部は、少なくとも一方が枠体と別体として形成され、一方の放熱部は、少なくとも、外面にフィンが形成されたベース部と、ベース部よりも薄肉に形成された連結部を有し、連結部は、放熱部の一側縁において半導体ユニットに対面する側とは反対側に形成され、枠体は、一方の放熱部が配置される開口部を有し、一方の放熱部は枠体の開口部に配置され、連結部の先端部において枠体に接合されていることを特徴とする。

この発明によれば、導体板に対向する平面部の開口部に放熱部が配置され、この放熱部に形成された薄肉の連結部の先端部において、ほぼ平坦な状態で枠体に接合されている。このため、連結部に作用する温度分布差に起因する応力を低減することができる。
また、薄肉の連結部は、半導体ユニットに対面する面側の反対側に形成されている。つまり、放熱部の連結部は、放熱部の外面側に形成されている。このため、半導体素子の発熱により、放熱部は、連結部を含む全体が膨張し、薄肉部である連結部には、膨張力が大きい放熱部における連結部の内周部分により圧縮される圧縮応力が作用することになり、応力発生に伴う破壊の防止にはより効果的となる。

（ａ）は本発明の実施形態１を示し、半導体モジュールの一部を切り欠いた外観斜視図、（ｂ）は（ａ）の領域Ｘの拡大図。 図１の縦断断面図。 図１における中継端子ユニットと冷却ユニットを分解した状態の斜視図。 本発明の半導体モジュールに内蔵された半導体ユニットの表面側の外観斜視図。 本発明の半導体モジュールに内蔵された半導体ユニットの裏面側の外観斜視図。 図４における絶縁封止剤を除去した状態の斜視図。 図５における絶縁封止剤を除去した状態の斜視図。 本発明の半導体モジュールに内蔵される回路構成の一例を示す図。 本発明の半導体モジュールより構成される電力変換装置の回路ブロック構成の一例を示す図。 図２における領域Ｘの拡大断面図。 本発明の高熱伝導性絶縁層の近傍の拡大断面図。 比較例としての半導体モジュールの縦断断面図。 本発明および比較例における熱ひずみと疲労破壊の関係を示す対比図。 本発明の実施形態２を示す縦断断面図。 本発明の実施形態３を示す縦断断面図。 本発明の半導体モジュールの実施形態４を示し、主要部の拡大断面図。 図１６における放熱部の側面傾斜角θと熱ひずみとの関係を示す特性図。

（実施形態１）
以下、図面を参照して、本発明の半導体モジュールの実施形態を説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は本発明の実施形態１を示し、図１（ａ）は半導体モジュールの一部を切り欠いた外観斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の領域Ｘの拡大図である。また、図２は、図１の縦断断面図である。また、図３は、図１における中継端子ユニットと冷却ユニットを分解した状態の斜視図である。
半導体モジュール１は、中継端子ユニット２と半導体冷却ユニット３とを複数の締結部材９１により締結して構成される（図３参照）。
半導体冷却ユニット３は、半導体ユニット３０とＣＡＮ冷却ユニット２０を備えている。
この半導体モジュール１は、図示はしないが、冷却ジャケットに設けられた冷却水流路内に挿入され、冷却水流路内を循環する冷却媒体により冷却されるものである。

半導体ユニット３０は、半導体素子３１、ダイオード３２、半導体素子３１およびダイオード３２の表裏面に密着する導体板３３、３４、３５、３６および各導体板３３〜３６の周側面全体を覆って形成された封止樹脂６を有する（図２参照）。また、半導体ユニット３０は、後述する、複数の信号端子２４および温度信号端子２５を備えている（図３参照）。なお、後述する如く、導体板３３と３４および導体板３５と３６とは、それぞれ、図２における同一平面に位置しており、図２においては１個ずつ図示されている。

ＣＡＮ冷却ユニット２０は、半導体ユニット３０を収容する空間を有し、フレーム２１（枠体）と一対のフィンプレート（放熱部）２２とを一体化して形成された冷却ケース２３および冷却ケース２３内に収容された半導体ユニット３０の周囲を覆って充填された絶縁性封止剤１７を有する。
フィンプレート２２は、例えば、熱伝導性が高く、他の部位の熱変形に対する追随性の良好なＡ１０５０等のアルミニウムで形成されており、矩形のほぼ平板状のベース部２２ａの内面側、すなわち、半導体ユニット３０側は平坦面とされている。また、ベース部２２ａの外面には多数のフィン２２ｂが立設されている。ベース部２２ａは、熱抵抗、熱の拡散熱、および変形の抑制の面から、例えば、厚さ１．０〜４．０ｍｍ程度とするのが好ましく、特に、２．５ｍｍ程度とすることがより好ましい。

フィンプレート２２の側縁部は、ベース部２２ａの半導体ユニット３０側が、全周に亘って所定の深さに除去されており、ベース部２２ａよりも薄肉とされた連結部２２ｃとされている。
絶縁性封止剤１７は、連結部２２ｃの下面と半導体ユニット３０の間にも充填されている。

フレーム２１は、アルミニウム等により形成され、ベース部２１ａと、ベース部２１ａに対し垂直方向に張り出すフランジ部２１ｂを有する。図３に図示されるように、フランジ部２１ｂのほぼ中央部にはボス部４１が形成されており、ボス部４１にはねじ穴４３と位置決め用穴４４が形成されている。また、フランジ部２１ｂの両側部にはボス部４２とねじ穴４３が形成されている。

冷却ケース２３には、半導体ユニット３０を収容する空間２３ａが形成されており、この空間２３ａには、上述の絶縁性封止剤１７の一部１７ａが充填される。空間２３ａは、図２の紙面に垂直な方向の寸法（長さ）が、ベース部２１ａとフランジ部２１ｂとにおいて同一であり、図２における左右方向の寸法（幅）が、フランジ部２１ｂにおいてベース部２１ａよりも幅広く形成されている。

フレーム２１のベース部２１ａは、半導体ユニット３０の表面および裏面に対向する一対の周側壁を有し、各周側壁には、フィンプレート２２が配置される開口２１ｃが形成されている。
フィンプレート２２は、フレーム２１の開口２１ｃ内に配置され、連結部２２ｃの先端が、フレーム２１のベース部２１ａの側壁に設けられた開口２１ｃの周縁部に接合されている。

冷却ケース２３の空間２３ａに収容された半導体ユニット３０の表・裏面と冷却ケース２３の内面との間には、それぞれ、高熱伝導性絶縁層１６が装着されている。半導体ユニット３０の半導体素子３１から発生した熱は、導体板３３〜３６のいずれか１つ、高熱伝導性絶縁層１６、フィンプレート２２の順に伝導し、フィン２２ｂから効率的に放熱される。
つまり、半導体ユニット３０の一面上に高熱伝導性絶縁層１６が配置されており、図１（ａ）および図１（ｂ）に図示されるように、高熱伝導性絶縁層１６上に、フレーム２１の開口２１ｃに沿って絶縁性封止剤１７の一部１７ａが形成されている。そして、絶縁性封止剤１７の一部１７ａ上に、フィンプレート２２の連結部２２ｃが配置された状態で、連結部２２ｃの先端がフレーム２１の開口２１ｃの周縁部に接合されている。

図示はしないが、冷却ケース２３は、例えば、フレーム２１のフランジ部２１ｂが、冷却媒体が循環する冷却管が挿通された冷却器に連結され、半導体素子３１の冷却を促進する。

中継端子ユニット２は、半導体ユニット３０の半導体素子３１およびダイオード３２のオン・オフ動作を制御する制御部などの外部回路に接続される複数の中継端子８を有する。中継端子８は、絶縁樹脂製の支持体９に一体成形されており、各中継端子８の端部が半導体ユニット３０の信号端子２４、温度信号端子２５（図３参照）と中継端子接合部１４（図２参照）で接続されている。

図３に図示されるように、中継端子ユニット２の支持体９のほぼ中央部にはボス部５１が形成されており、ボス部５１には、ねじ穴５３と位置決め用ピン５４が形成されている。また、支持体９の両側部にはボス部５２とねじ穴５３が形成されている。

中継端子ユニット２と半導体冷却ユニット３とを組み付けるには、支持体９の位置決め用ピン５４をフレーム２１の位置決め用穴４４に挿通して位置決めをした状態で、ねじ等の締結部材９１をねじ穴５３およびねじ穴４３に締め付ける。

図４は、本発明の半導体モジュールに内蔵された半導体冷却ユニットの表面側の外観斜視図であり、図５は、本発明の半導体モジュールに内蔵された半導体ユニットの裏面側の外観斜視図である。また、図６は、図４における絶縁封止剤を除去した状態の斜視図であり、図７は、図５における絶縁封止剤を除去した状態の斜視図である。
半導体ユニット３０の表面側には、図６に図示されるように、交流出力側の導体板３３と直流負極側の導体板３４とが同一平面上に配置されている。半導体ユニット３０の表面側に形成された封止樹脂６は、図４に図示されるように、導体板３３の上面３３ａと導体板３４の上面３４ａを露出して、導体板３３および３４の周囲全体を被覆している。封止樹脂６の上面は、導体板３３の上面３３ａおよび導体板３４の上面３４ａと面一となっている。

同様に、半導体ユニット３０の裏面側には、図６に図示されるように、直流正極側の導体板３５と交流出力側の導体板３６とが同一平面上に配置されている。半導体ユニット３０の裏面側に形成された封止樹脂６は、図５に図示されるように、導体板３５の上面３５ａと導体板３６の上面３６ａを露出して、導体板３５および３６の周囲全体を被覆している。封止樹脂６の上面は、導体板３５の上面３５ａおよび導体板３６の上面３６ａと面一となっている。

導体板３３〜３６は、図示は省略されているが、相互に分離され、一端側で連結フレーム部に連結された複数のリード部を有するリードフレームである。図７に図示されるように、直流正極側の導体板３５には、半導体素子３１Ｕおよびダイオード３２Ｕから構成される上アーム回路の入出力端子がボンディングされている。導体板３５の各リード（図示せず）には、複数の信号端子２４および複数の温度信号端子２５がワイヤ２６Ｕにより接続されている。各半導体素子３１Ｕ、３１Ｌは、導体板３３〜３６に、特に図示しないが金属接合材を介してそれぞれボンディングでされる。金属接合材としては、例えば、半田材や銀シート及び微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材等を用いる。

また、交流出力側の導体板３６には、半導体素子３１Ｌおよびダイオード３２Ｌから構成される下アーム回路の入出力端子がボンディングされている。導体板３６の各リード（図示せず）には、複数の信号端子２４Ｌがワイヤ２６Ｌにより接続されている。
また、図６に図示されるように、導体板３４には引出しリード３４ｂが形成されており、この引出しリード３４ｂの先端が導体板３５に接続されている。

半導体ユニット３０における封止樹脂６は、信頼性向上および導体板３３〜３６の保持を目的として設けられるものである。封止樹脂６は、例えば、エポキシ樹脂を用いて、トランスファーモールドにより、導体板３３〜３６の上面３３ａ〜３６ａを露出し、かつ、信号端子２４Ｕ、２４Ｌおよび温度信号端子２５の先端側を露出した状態に形成される。
なお、導体板３３〜３６のリード部（図示せず）および信号端子２４Ｕ、２４Ｌ、温度信号端子２５は、連結フレーム部（図示せず）に連結されて一体に形成されており、各入出力端子およびワイヤ２６Ｕ、２６Ｌとのボンディングを行い、封止樹脂６により封止された後、連結フレーム部を切断して半導体ユニット３０が作製される。

図８は、本発明の半導体モジュールに内蔵される回路構成の一例を示す図である。
図８に図示された回路は、インバータ回路の１相分の回路構成を示す。
半導体ユニット３０の半導体素子３１Ｕおよび３１Ｌとしては、ＩＢＧＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）からなるパワートランジスタが用いられる。
導体板３５には、上アーム側の半導体素子３１Ｕのコレクタ電極と上アーム側のダイオード３２Ｕのカソード電極が接続される。導体板３６には、下アーム側の半導体素子３１Ｌのコレクタ電極と下アーム側のダイオード３２Ｌのカソード電極が接続される。

図９は、本発明の半導体ユニット３０により構成される電力変換装置の回路ブロック構成の一例を示す図である。
図９に示すように、電力変換装置１００は、バッテリ２００とモータジェネレータ３００とに接続されて、バッテリ２００から供給される直流電流を３相の交流電流に変換して、モータジェネレータ３００へ供給する装置である。

電力変換装置１００は、バッテリ２００から供給される直流電流を安定化し、平滑化するためのコンデンサ一体モジュール１１０と、直流電流から３相の交流電流を生成するためのインバータ装置１２０を含んで構成される。また、インバータ装置１２０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相を構成する上下アーム直列回路１２１と、それを制御する制御モジュール１３０と、を含んで構成されている。

インバータ装置１２０において、上下アーム直列回路１２１のそれぞれは、半導体素子３１とダイオード３２との並列接続回路からなる２つの電流スイッチ回路が直列に配置されて構成される。上下アーム直列回路１２１の上下端は、それぞれ、バッテリ２００の正極および負極に直流コネクタ１４０を介して接続される。上側（正極側）に配置された半導体素子３１Ｕとダイオード３２Ｕとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる、上アームとして動作する。また、下側（負極側）に配置された半導体素子３１Ｌとダイオード３２Ｌとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる、下アームとして動作する。

インバータ装置１２０は、それぞれの上下アーム直列回路１２１の中点位置、すなわち、上下の電流スイッチ回路の接続部分からは、３相の交流電流ｕ、ｖ、ｗが出力され、その出力された３相の交流電流ｕ、ｖ、ｗは、交流コネクタ１６０を介して、モータジェネレータ３００へ供給される。

また、制御モジュール１３０は、３組の上下アーム直列回路１２１を駆動制御するドライバ回路１３１と、ドライバ回路１３１へ制御信号を供給する制御回路１３２と、を含んで構成される。ここで、ドライバ回路１３１から出力される信号は、半導体モジュール１の上アームおよび下アームの各半導体素子３１Ｕ、３１Ｌに供給され、そのスイッチング動作を制御して、各上下アーム直列回路１２１から出力される交流電流ｕ、ｖ、ｗの振幅や位相などを制御する。

制御回路１３２は、３組の上下アーム直列回路１２１における各半導体素子３１Ｕ、３１Ｌのスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータを備えている。そのマイクロコンピュータには、入力情報として、モータジェネレータ３００に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１２１からモータジェネレータ３００へ供給する電流値、およびモータジェネレータ３００の回転子の磁極位置などが入力される。

これらの入力情報のうち、目標トルク値は、図示しない上位の制御装置から出力された指令信号に基づく。また、電流値は、各上下アーム直列回路１２１から出力される交流電流の電流値を検出する電流センサ１５０の検出信号に基づく。また、磁極位置は、モータジェネレータ３００に設けられた図示しない回転磁極センサの検出信号に基づく。

また、制御モジュール１３０は、過電流，過電圧，過温度などの異常検知を行う機能を有し、上下アーム直列回路１２１を保護している。ちなみに、各アームの半導体素子３１Ｕ、３１Ｌのエミッタ電極は、ドライバ回路１３１に接続され、ドライバ回路１３１は、それぞれの半導体素子３１Ｕ、３１Ｌごとにエミッタ電極における過電流検知を行い、過電流が検知された半導体素子３１Ｕ、３１Ｌについては、そのスイッチング動作を停止させ、過電流から保護する。

また、制御回路１３２には、上下アーム直列回路１２１に設けられた図示しない温度センサや、上下アーム直列回路１２１の両端に印加される直流電圧を検出する検出回路などからの信号が入力され、それらの信号に基づき、過温度，過電圧などの異常を検知する。そして、過温度，過電圧などの異常を検知した場合には、全ての半導体素子３１Ｕ、３１Ｌのスイッチング動作を停止させ、半導体モジュール１全体を過温度、過電圧などの異常から保護する。

なお、以上に示した電力変換装置１００において、半導体素子３１Ｕ、３１Ｌおよびダイオード３２Ｕ、３２Ｌからなる電流スイッチ回路は、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いて構成してもよい。また、３組の上下アーム直列回路１２１は、２つの上下アーム直列回路を含んで構成され、２相の交流電流を出力するものとしてもよい。さらに、電力変換装置１００は、図１の回路構成とほとんど同様に構成される３相（２相）の交流電流を直流電流に変換する装置であってもよい。
このような、電力変換装置１００は、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される車載電機システムの車両駆動用電機システムに用いることができる。

図１０は、図２における領域Ｘの拡大断面図である。
上述した如く、フィンプレート２２と半導体ユニット３０とは高熱伝導性絶縁層１６を挟んで配置されている。
フィンプレート２２のベース部２２ａの側縁部は、全周に亘り、半導体ユニット３０側が所定の深さに除去され、薄肉の連結部２２ｃとされている。つまり、連結部２２ｃは、ベース部２２ａの上層部により形成されている。連結部２２ｃの上面側は平坦であり、連結部２２ｃの先端部には、下面側に突き出す接合部２２ｄが形成されている。フィンプレート２２はフレーム２１の開口２１ｃ内に配置され、フィンプレート２２の接合部２２ｄの先端側面は、フレーム２１の開口２１ｃの縁部に接面している。フィンプレート２２の接合部２２ｄは、例えば、摩擦攪拌接合によりフレーム２１の開口２１ｃの縁部に接合される。

摩擦攪拌接合による接合方法の一例を下記に示す。
・ 攪拌ピンおよび攪拌ピンより径大のショルダ部が同軸上に配置された接合用回転ツールを準備する。
・ 接合回転用ツールの攪拌ピンの中心を、フィンプレート２２の接合部２２ｄの先端側面がフレーム２１の開口２１ｃに接面する位置にほぼ一致させる。
・ 攪拌回転用ツールを回転し、フィンプレート２２の接合部２２ｄおよびフレーム２１の開口２１ｃの周縁部を攪拌ピンにより掘削し、ショルダ部の先端部を所定深さに食い込ませる。
・ ショルダ部の先端部を所定深さに食い込ませた状態のまま、接合用回転ツールを開口２１ｃに沿って移動する。摩擦攪拌によって、フィンプレート２２の接合部２２ｄとフレーム２１の開口２１ｃの周縁部が塑性化し接合される。接合用回転ツールを開口２１ｃの全周に亘り移動して、開口２１ｃの全周を接合する。

フィンプレート２２の連結部２２ｃとベース部２２ａの側面２２ｅの交差部には、円弧状の面取り２２ｆが形成されている。面取り２２ｆは、熱膨張により連結部２２ｃとベース部２２ａの側面２２ｅに発生する応力集中を緩和する。また、以下に詳細を説明するが、半導体ユニット３０と冷却ケース２３との間に高熱伝導性絶縁層１６を配置する際、連結部２２ｃを変形するが、この変形時における応力集中を緩和する。

図１１は、高熱伝導性絶縁層１６およびその近傍の拡大断面図である。
高熱伝導性絶縁層１６は、絶縁膜１６ａと、絶縁膜１６ａの両面に形成された接着層１６ｂとを有する。
絶縁膜１６ａは、例えば、エポキシ樹脂にセラミック粒子が分散されて形成されている。樹脂よりも熱伝導性に優れる酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックシートの両面に放熱グリースを塗布したシートを用いてもよい。シートではなく、グリース、コンパウンド等を用いることもできる。

高熱伝導性絶縁層１６の接着層１６ｂの一方には、フィンプレート２２の内面が接着され、高熱伝導性絶縁層１６の接着層１６ｂの他方には、半導体ユニット３０の導体板３３、３４または３５、３６および封止樹脂６の一部が接着される。上述した如く、導体板３３、３４の上面３３ａ、３４ａまたは導体板３５、３６の上面３５ａ、３６ａは封止樹脂６の上面と面一であるので、半導体素子３１で発生した熱は、導体板３３〜３６から高熱伝導性絶縁層１６に伝達され、フィンプレート２２から効率よく放熱される。

以下に、半導体ユニット３０と冷却ケース２３との間に高熱伝導性絶縁層１６を取り付ける方法を示す。
・ フレーム２１とフィンプレート２２が接合されて形成された冷却ケース２３の空間２３ａに、半導体ユニット３０を収容する。
・ 冷却ケース２３のフィンプレート２２を外方に押し広げて、冷却ケース２３と半導体ユニット３０との間に高熱伝導性絶縁層１６を挿入する。この際、フィンプレート２２は、連結部２２ｃにおいて容易に変形させることができる。
・ フィンプレート２２を解放して変形前の形状に復元し、高熱伝導性絶縁層１６に、冷却ケース２３の内面および半導体ユニット３０の外面を接着する。接着後、フィンプレート２２の連結部２２ｃは、スプリングバックにより元の位置戻る。必要に応じ、フィンプレート２２を半導体ユニット３０側に押し付けてもよい。
・ この後、冷却ケース２３の空間２３ａに絶縁性封止剤１７を充填して、半導体ユニット３０の周側面全体を被覆する。この際、フィンプレート２２の連結部２２ｃの下面と半導体ユニット３０の間に、絶縁性封止剤１７の一部１７ａが充填される。絶縁性封止剤１７としては、例えば、エポキシ系接着剤を用いる。

上記において、フィンプレート２２は、連結部２２ｃが湾曲されていない、ほぼ平坦な状態でフレーム２１に接合されている。このため、温度分布差に起因して連結部に作用する応力を低減することができ、以て、連結部２２ｃにおける金属疲労による破壊に対する耐久性を向上することができる。

連結部２２ｃには、ベース部２２ａの側面２２ｅとの接続部に面取り２２ｆが形成されており、熱膨張により連結部２２ｃとベース部２２ａの側面２２ｅに発生する応力集中を緩和する。また、連結部２２ｃに面取り２２ｆが形成されているため、フィンプレート２２の連結部２２ｃを変形して、半導体ユニット３０と冷却ケース２３との間に高熱伝導性絶縁層１６を取り付ける工程において、連結部２２ｃとベース部２２ａの接続部の応力集中を緩和することができる。

また、連結部２２ｃは、ベース部２２ａの上層部側、換言すれば、半導体ユニット３０側と反対側に形成されている。この構造は、連結部２２ｃをベース部２２ａの下層部側に形成する構造に比し、連結部２２ｃに作用する応力を緩和するという効果を奏する。
以下に、その理由を説明する。

図１２は、比較例としての半導体モジュール６０の縦断断面図である。
比較例としての半導体モジュール６０は、導体板６４ａ、６４ｂを収納する冷却ケース６１は、フランジ部６１ａと、多数のフィン６２が形成された一対のベース部６３を有する。冷却ケース６１のフランジ部６１ａと各ベース部６３との間には、ベース部６３より薄肉の連結部６５が形成されている。一対のベース部６３は、下端部６１ｂにおいて一体的に連接されている。連結部６５は、ベース部６３の上層部側が除去され、ベース部６３の下層部側に設けられている。

導体板６４ａおよび６４ｂのそれぞれと、冷却ケース６１の内面との間には高熱伝導性絶縁層１６が配置されている。導体板６４ａ、６４ｂの全周側面は、封止樹脂６６により被覆されている。また、冷却ケース６１の上部空間には絶縁性封止剤６７が充填されている。
導体板６４ａ、６４ｂおよび一対のベース部６３は、高熱伝導性絶縁層１６に接着されている。

半導体モジュール６０おいて、連結部６５は、高熱伝導性絶縁層１６を介して封止樹脂６６に固着されている。封止樹脂６６を含めた導体板６４ａおよび封止樹脂６６を含めた導体板６４ｂの線膨張係数はベース部６３の線膨張係数より小さい。
従って、ベース部６３は、矢印Ｙ方向で示すように外方に向かって湾曲する方向、換言すれば、ベース部６３の下層部側（半導体ユニット３０に面する側）の中央領域側が半導体ユニット３０側に凸状となるように変形しようとする。しかし、ベース部６３の下端部６１ｂは連接され、ベース部６３の上端は、上部側のフランジ部６１ａ内に充填された絶縁性封止剤６７により移動を阻止されている。
このため、ベース部６３と連結部６５の接合部に引張応力が大きな作用する。これにより、この部分が金属疲労により破壊され易くなる。

これに対し、本発明の一実施の形態の半導体モジュール１では、フィンプレート２２の連結部２２ｃは、ベース部２２ａの上層部側に形成されており、高熱伝導性絶縁層１６側とは反対側に位置する。この構造では、比較例の場合と同様に、ベース部２２ａの下層部側（半導体ユニット３０に面する側）の中央領域側が半導体ユニット３０側に凸状となるように変形すると、ベース部２２ａの上層部側に位置する連結部２２ｃには圧縮応力が作用することになる。圧縮応力による破壊は、引張応力による場合に比し、著しく生じ難い。このため、本発明の一実施の形態の半導体モジュール１は、比較例に比して、金属疲労に対する信頼性を大幅に向上することができる。

図１３は、本発明の一実施の形態および比較例における熱ひずみと疲労破壊の関係を示す対比図である。
図１３において、縦軸の熱ひずみ［％］および横軸の金属疲労までの回数は、共に対数目盛である。
図１３に図示される如く、比較例における熱ひずみは１．５％程度であり、疲労回復に至るまでの回数は６×１０^２程度である。これに対し、本発明の一実施の形態の場合には、熱ひずみは、０．４８％程度であり、疲労回復に至るまでの回数は８×１０^３程度である。
このように、本発明の一実施の形態では、フィンプレート２２の連結部２２ｃに発生する熱ひずみは、比較例の１／３程度（熱応力も１／３程度）に低減され、金属疲労までの回数では、１桁以上大きくなることが確認された。

（実施形態２）
図１４は、本発明の半導体モジュールの実施形態２の縦断断面図である。
実施形態２の半導体モジュール１Ａが実施形態１として図２に示す半導体モジュール１と相違する点は、一方のフィンプレート２２Ａには、薄肉の連結部２２ｃが形成されていない点である。すなわち、一方のフィンプレート２２Ａは側面２２ｅに、直接、接合部２２ｄが連接されている。フィンプレート２２Ａの接合部２２ｄは、他方のフィンプレート２２の接合部２２ｄよりも肉厚にしてもよい。

半導体モジュール１Ａにおいて、半導体ユニット３０と冷却ケース２３Ａとの間に高熱伝導性絶縁層１６を取り付ける場合、フィンプレート２２Ａは、接合部２２ｄにおいて変形せず、フィンプレート２２の連結部２２ｃのみを変形する。このことにより、フィンプレート２２Ａの強度を向上することができる。
半導体モジュール１Ａのその他の構造は、実施形態１に示された半導体モジュール１と同様であり、従って、同様な効果を奏する。
なお、図１４では、半導体ユニット３０の裏面側に、薄肉の連結部２２ｃが形成されていないフィンプレート２２Ａを配置した構造としたが、逆に、半導体ユニット３０の表面側に、薄肉の連結部２２ｃが形成されていないフィンプレート２２Ａを配置する構造としてもよい。

（実施形態３）
図１５は、本発明の半導体モジュールの実施形態３の縦断断面図である。
実施形態３の半導体モジュール１Ｂが実施形態１として図２に示す半導体モジュール１と相違する点は、フレーム２１Ａに、フィンプレート２２の一方が一体化して形成されている点である。
すなわち、フレーム２１Ａは、半導体ユニット３０の裏面側に対応する放熱部２７を有し、放熱部２７に多数のフィン２７ａが立設されている。フレーム２１Ａの半導体ユニット３０の表面側には、実施形態１と同様に、フィンプレート２２が開口２１ｃ内に配置された状態で、フレーム２１の開口２１ｃの縁部に接合されている。
実施形態３の構造では、実施形態２と同様に強度の向上を図ることができ、また、部品点数の削減および組立作業の効率化を図ることができる。

半導体モジュール１Ｂのその他の構造は、実施形態１に示された半導体モジュール１と同様であり、従って、同様な効果を奏する。
なお、図１５では、フレーム２１Ａは、半導体ユニット３０の裏面側に対応する側に、多数のフィン２７ａを有する放熱部２７を一体に形成した構造としたが、逆に、半導体ユニット３０の表面側に対応する側に、多数のフィン２７ａを有する放熱部２７を一体に形成した構造としてもよい。

（実施形態４）
図１６は、本発明の半導体モジュールの実施形態４を示すもので、高熱伝導性絶縁層１６およびその近傍の拡大断面図である。
図１６に図示された実施形態４においては、フィンプレート２２Ａの側面２２ｅが、ベース部２２ａの下面側、換言すれば、半導体ユニット３０側に向かって、面積が縮小する方向に傾斜されている。
上述した如く、フィンプレート２２の連結部２２ｃとベース部２２ａの側面２２ｅの交差部には、熱集中に起因する応力集中が生じる。また、半導体ユニット３０と冷却ケース２３との間に高熱伝導性絶縁層１６を配置する際、連結部２２ｃを変形するために、この変形に伴う応力集中が生じる。

そこで、連結部２２ｃに連接されるベース部２２ａの側面２２ｅを、連結部２２ｃと側面２２ｅの角度が９０度よりも大きくなるように傾斜させる。これにより、熱集中に起因する応力集中が緩和され、変形に起因する応力集中が緩和され、以て、連結部２２ｃが破壊するまでの寿命が向上する。

図１７は、図１６におけるベース部２２ａの側面傾斜角θと熱ひずみ［％］との関係を示す特性図である。
側面傾斜角θが５０〜６０度では、傾斜角θの増大と共に、熱ひずみは直線的に上昇する。側面傾斜角θが６０〜７０度では、傾斜角θの増大と共に、熱ひずみは直線的に上昇するが、熱ひずみの上昇率は、側面傾斜角θが５０〜６０度の範囲の場合よりも小さい。側面傾斜角θが７０度以上では、傾斜角θが増大しても熱ひずみは、ほぼ一定である。

図１７に図示された結果から、次のことが理解される。
下面２２ｇに対する側面２２ｅの傾斜角θは、７０度程度以下が好ましく、６０度以下がより好ましい。傾斜角θが小さすぎすると、フィンプレート２２が大きくなるため、傾斜角θは、例えば、３０度以上とすることが好ましい。

図１６に図示された、フィンプレート２２のベース部２２ａの側面２２ｅに傾斜角θを形成する構造は、実施形態２および３に対しても適用が可能である。

なお、上記した各実施形態では、半導体モジュール１、１Ａ、１Ｂに内蔵される電子部品は、半導体素子３１およびダイオード３２としたが、他の電子部分を含んでいてもよいし、さらに多数の電子部品を含んでいてもよい。

半導体ユニット３０は、半導体素子３１およびダイオード３２を覆う導体板３３〜３６、回路部の入出力に接続される信号端子２４、温度信号端子２５および封止樹脂６で構成される構造として例示した。しかし、半導体ユニット３０はこのような構造に限られるものではない。例えば、導体板３３〜３６をケース形状としたり、信号端子２４、温度信号端子２５をコネクタとしたりしてもよい。

フィン２２ｂは、半導体ユニットの表裏両面において、個数や配置面積を異なるようにしてもよい。その他、本発明の趣旨の範囲で、適宜、変形して適用することが可能であり、要は、半導体素子の発熱を冷却する冷却ケースを、放熱部と枠体により構成し、放熱部の少なくとも一側縁に、放熱部の上層部で形成される薄肉の連結部を設け、この連結部がほぼ平坦な状態でフレーム２１に接合されるようにしたものであればよい。

１、１Ａ、１Ｂ 半導体モジュール
２ 中継端子ユニット
３ 半導体冷却ユニット
６ 封止樹脂
１６ 高熱伝導性絶縁層
１７ 絶縁性封止剤
２０ ＣＡＮ冷却ユニット
２１、２１Ａ フレーム（枠体）
２１ａ ベース部
２１ｂ フランジ部
２２、２２Ａ フィンプレート（放熱部）
２２ａ ベース部
２２ｂ、２７ａ フィン
２２ｃ 連結部
２２ｄ 接合部
２２ｅ 側面
２２ｆ 面取り
２２ｇ 下面
３０ 半導体ユニット
３１、３１Ｕ、３１Ｌ 半導体素子
３２、３２Ｕ、３２Ｌ ダイオード
３３〜３６ 導体板

Claims (13)

1. 複数の接続端子を有する半導体素子と、前記半導体素子の表裏面に対向して配置された一対の導体板とを有する半導体ユニットと、
   前記半導体ユニットを挿入する挿入用開口部を有し、内部に前記半導体ユニットが収納された冷却ケースとを備え、
   前記冷却ケースは、前記各導体板に対向し、それぞれ、複数の放熱用のフィンを有する一対の放熱部と、前記放熱部に連結され、前記半導体ユニットの前記接続端子に接続される接続部材を挿通する開口部を有する金属製の枠体とを備え、
   前記放熱部は、少なくとも一方が前記枠体と別体として形成され、前記一方の放熱部は、少なくとも、外面に前記フィンが形成されたベース部と、前記ベース部よりも薄肉に形成された連結部を有し、前記連結部は、前記放熱部の一側縁において前記半導体ユニットに対面する側とは反対側に形成され、前記枠体は、前記一方の放熱部が配置される開口部を有し、前記一方の放熱部は前記枠体の前記開口部に配置され、前記連結部の先端部において前記枠体に接合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に記載の半導体モジュールにおいて、前記各放熱部と前記半導体ユニットとの間に、熱伝導性絶縁層が介在されていることを特徴とする半導体モジュール。
3. 請求項１または２に記載の半導体モジュールにおいて、前記半導体ユニットは、前記各導体板の表面を露出すると共に前記各導体板の側面を覆う封止樹脂を含む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１項に記載の半導体モジュールにおいて、前記冷却ケース内に前記半導体ユニットの周囲を覆う封止剤が内蔵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４に記載の半導体モジュールにおいて、前記封止剤の一部は、前記連結部の下面と前記半導体ユニットとの間に充填されていることを特徴とする半導体モジュール。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体モジュールにおいて、前記連結部は前記ベース部の側面に設けられ、前記ベース部の前記側面は、前記ベース部の前記半導体ユニットに対面する面の面積が縮小する方向に傾斜する傾斜面とされていることを特徴とする半導体モジュール。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体モジュールにおいて、前記連結部は前記ベース部の側面に設けられ、前記連結部と前記側面の交差部には、前記連結部の下面と前記側面とを繋ぐ面が形成されていることを特徴とする半導体モジュール。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体モジュールにおいて、前記連結部の先端は、前記連結部の他の部分よりも厚肉であることを特徴とする半導体モジュール。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体モジュールにおいて、前記一方の放熱部は、Ａ１０５０により形成されていることを特徴とする半導体モジュール。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体モジュールにおいて、前記放熱部の他方は、周側縁部に段状に形成された薄肉の接合部を有する、前記枠体とは別体に形成された部材であることを特徴とする半導体モジュール。
11. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体モジュールにおいて、前記放熱部の他方は、前記枠体に一体化して形成されていることを特徴とする半導体モジュール。
12. 請求項１に記載の半導体モジュールの製造方法であって、前記一方の放熱部の連結部は、ほぼ全周に亘って連続して形成され、前記枠体に摩擦攪拌により接合されていることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
13. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体モジュールの製造方法であって、前記一方の放熱部と前記枠体とは摩擦攪拌接合により接合されていることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。

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