JP6407756B2 - 半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

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Description

この発明の実施形態は、半導体モジュールの製造方法に関する。
近年、自動車の燃費向上を目的とし、内燃機関とモータとを併用したハイブリッド車の普及が急速に進んでいる。また一方で、モータだけで走行可能な電気自動車の製品化も進んでいる。これら自動車を実現するためには、電池とモータとの間に、直流電力から交流電力への変換および交流電力から直流電力への変換を行なう電力変換装置が必要となる。
ハイブリッド車および電気自動車では、半導体電力変換装置の小型化、高信頼性が要求されている。半導体電力変換装置の小型化、高信頼性を図るためには、冷却効率が良い半導体電力変換装置が必要となる。これを実現する方法としては、半導体素子の表裏面に導電体を接続し、導電体から冷却器へ放熱させる両面放熱型の半導体モジュールが提案されている。
特開２００３−２５８１６６号公報 特開２００７−０６８３０２号公報
半導体モジュールを冷却器上に配置する際、半導体モジュールは、例えば、冷却器と絶縁するとともに冷却器に対して固定する必要がある。このような絶縁する工程及び固定する工程の過程において、放熱性を損わせることなく半導体モジュールを冷却器上に配置できなければ、半導体電力変換装置の性能の低下につながる。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、放熱性を損わせることなく冷却器に対して容易に固定可能な半導体モジュールの製造方法を提供することにある。
実施形態によれば、半導体モジュールの製造方法は、半導体素子が有する第１電極を第１導電体が有する第１接合面に電気的に接続し、前記半導体素子が有する前記第１電極と対向する面に形成されている第２電極を第２導電体が有する第２接合面に電気的に接続する工程と、第１絶縁材料を用いて、前記半導体素子を封止して第１外囲部分を形成する工程と、前記第１外囲部分の一部、前記第１導電体の一部及び前記第２導電体の一部を除去加工し、前記第１導電体に第１放熱面を形成し、前記第２導電体に第２放熱面を形成する工程と、前記第１絶縁材料よりも熱伝導率が高い第２絶縁材料を用いて、前記第１放熱面と前記第２放熱面に接するように第２外囲部分を形成する工程と、前記第２外囲部分の一部を除去加工し、前記第１放熱面に平行な面を前記第２外囲部分に形成する工程と、を備える。
図１は、実施形態の半導体モジュールの構成部材の一例を説明する分解斜視図である。 図２は、実施形態の半導体モジュールの等価回路の一例を示す図である。 図３は、実施形態の半導体モジュールの一例を示す斜視図である。 図４は、実施形態の半導体モジュールの一例を底面側から見た分解斜視図である。 図５は、制御回路基板を取り外した状態の半導体電力変換装置の一例を示す斜視図である。 図６は、半導体電力変換装置の支持フレームおよび冷却器の一例を示す斜視図である。 図７は、制御回路基板を含む半導体電力変換装置全体の一例を示す斜視図である。 図８は、実施形態の半導体モジュールの製造方法の一例を説明するための図である。 図９は、別の実施形態の半導体モジュールの構成部材の一例を説明する分解斜視図である。 図１０は、別の実施形態の半導体モジュールの一例を示す斜視図である。 図１１は、別の実施形態の半導体モジュールの製造方法の一例を説明するための図である。
以下に、図面を参照しながら、実施形態に係る半導体電力変換装置について詳細に説明する。なお、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
図１は、実施形態の半導体モジュール１６の構成部材の一例を説明する分解斜視図である。実施形態の半導体モジュール１６は、いわゆる両面放熱型及び垂直実装型の電力変換装置として構成されている。
半導体モジュール１６は、第１導電体３４と、第２導電体３６と、第１半導体素子３８と、第２半導体素子４０と、第１凸型導電体４４ａと、第２凸型導電体４４ｂと、第１電力端子４６ａと、接続部４８と、複数の接合体４２ａ〜４２ｆを有している。
第１導電体３４は、例えば、銅により形成された略直方体形状である。第１導電体３４は、平坦な矩形状の第１接合面３４ａ、第１接合面３４ａと直交する平坦な矩形状の第１放熱面３４ｂを有している。さらに、第１導電体３４は、第１接合面３４ａと対向する平坦な矩形状の面３４ｃ、第１放熱面３４ｂと対向するとともに第１接合面３４ａと直交する平坦な矩形状の面３４ｄ、第１接合面３４ａ及び第１放熱面３４ｂと直交する平坦な矩形状の面３４ｅ、面３４ｅと対向するとともに第１接合面３４ａ及び第１放熱面３４ｂと直交する平坦な矩形状の面３４ｆを有している。なお、第１導電体３４は、第１接合面３４ａ及び第１接合面３４ａと直交する第１放熱面３４ｂを有していればよく、略直方体形状以外の形状であってもよい。第１接合面３４ａの形状は、矩形状以外の形状であってもよい。第１放熱面３４ｂの形状は、矩形状以外の形状であってもよい。
第２導電体３６は、例えば、銅により形成された略直方体形状である。第２導電体３６は、平坦な矩形状の第２接合面３６ａ、第２接合面３６ａと直交する平坦な矩形状の第２放熱面３６ｂを有している。さらに第２導電体３６は、第２接合面３６ａと対向する平坦な矩形状の面３６ｃ、第２放熱面３６ｂと対向するとともに第２接合面３６ａと直交する平坦な矩形状の面３６ｄ、第２接合面３６ａ及び第２放熱面３６ｂと直交する平坦な矩形状の面３６ｅ、面３６ｅと対向するとともに第２接合面３６ａ及び第２放熱面３６ｂと直交する平坦な矩形状の面３６ｆを有している。第２接合面３６ａは、第１接合面３４ａと対向している。第２放熱面３６ｂは、第１放熱面３４ｂを含む仮想平面上に位置している。これは、後述する図６に示す受熱面１８ａ上に半導体モジュール１６を配置した際に、第１放熱面３４ｂから受熱面１８ａまでの間隔を第２放熱面３６ｂから受熱面１８ａまでの間隔と略同じにするためである。第１導電体３４及び第２導電体３６それぞれの放熱性は、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂから受熱面１８ａまでの距離（最短の放熱経路）に依存する。第１放熱面３４ｂから受熱面１８ａまでの距離及び第２放熱面３６ｂから受熱面１８ａまでの距離が短ければ、第１導電体３４及び第２導電体３６それぞれの放熱性は向上する。第１放熱面３４ｂから受熱面１８ａまでの間隔が第２放熱面３６ｂから受熱面１８ａまでの間隔と略同じであれば、何れかの導電体の放熱性は犠牲になることはない。言い換えれば、第１放熱面３４ｂから受熱面１８ａまでの間隔が第２放熱面３６ｂから受熱面１８ａまでの間隔が異なれば、受熱面１８ａまでの間隔が広い導電体の放熱性は、受熱面１８ａまでの間隔が狭い導電体の放熱性よりも悪くなる。
なお、第２導電体３６は、第２接合面３６ａ、及び、第１放熱面３４ｂを含む仮想平面上に位置し第２接合面３６ａと直交する第２放熱面３６ｂを有していればよく、略直方体形状以外の形状であってもよい。第２接合面３６ａの形状は、矩形状以外の形状であってもよい。第２放熱面３６ｂの形状は、矩形状以外の形状であってもよい。
第１半導体素子３８は、パワー半導体素子、例えば、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)である。第１半導体素子３８は、第１導電体３４と第２導電体３６との間に挟まれて、これらの導電体に接合されている。第１半導体素子３８は、電極３８ａ及び電極３８ｂを有している。第１半導体素子３８は、矩形板状に形成され、第１面に電極３８ａ、第１面と対向する第２面に電極３８ａと異なる電極３８ｂを有している。なお、第１半導体素子３８は、電極３８ａ及び電極３８ｂを有していればよく、その形状は、矩形板状以外の形状であってもよい。第１半導体素子３８の第２面に、複数、例えば、４つの接続端子３８ｃが形成されている。そして、第１半導体素子３８の第１面及び第２面は、電極部分および接続端子部分を除いて、絶縁膜、例えば、ポリイミドのフィルムで覆われている。
第１半導体素子３８は、第１導電体３４の接合面３４ａと平行に配置され、電極３８ａ（コレクタ）が第１接続体、例えば、矩形状の半田シート４２ａにより第１導電体３４の第１接合面３４ａに接合されている。
第２半導体素子４０は、第１導電体３４と第２導電体３６との間に挟まれて、第１導電体３４と第２導電体３６とに接合されている。第２半導体素子４０は、ダイオードを有している。第２半導体素子４０は、電極４０ａ及び電極４０ｂを有している。第２半導体素子４０は、矩形板状に形成され、第１面に電極４０ａ、第１面と対向する第２面に電極４０ａと異なる電極４０ｂを有している。なお、第２半導体素子４０は、電極４０ａ及び電極４０ｂを有していればよく、その形状は、矩形板状以外の形状であってもよい。第２半導体素子４０の第１面及び第２面は、矩形状の電極部分を除いて、絶縁膜、例えば、ポリイミドのフィルムで覆われている。
第２半導体素子４０は、第１導電体３４の接合面３４ａと平行に配置され、更に、隙間を置いて第１半導体素子３８と並んで配置されている。第２半導体素子４０は、電極４０ａが第２接続体、例えば、矩形状の半田シート４２ｂにより第１導電体３４の第１接合面３４ａに接合されている。
第１凸型導電体４４ａは、第１半導体素子３８の電極３８ｂ上に第３接続体、例えば、矩形状の半田シート４２ｃにより接合されている。
第１凸型導電体４４ａは、例えば、銅により形成され、扁平な直方体形状の本体と、本体の一方の主面から第２導電体３６の接合面３６ａ側に突出し、本体よりも小径で扁平な直方体形状の凸部４５ａを一体に有している。第１凸型導電体４４ａは、本体の平坦な主面側が半田シート４２ｃにより第１半導体素子３８の電極３８ｂに電気的かつ機械的に接合されている。なお、第１凸型導電体４４ａは、第１半導体素子３８の電極３８ｂに電気的かつ機械的に接合できる形状であればよく、上述のような形状に限定されない。
第２凸型導電体４４ｂは、第２半導体素子４０の他方の電極上に第４接続体、例えば、矩形状の半田シート４２ｄにより接合されている。第２凸型導電体４４ｂは、例えば、銅により形成され、扁平な直方体形状の本体と、本体の一方の主面から第２導電体３６の接合面３６ａ側に突出し、本体よりも小径で扁平な直方体形状の凸部４５ｂと、を一体に有している。そして、第２凸型導電体４４ｂは、本体の平坦な主面側が半田シート４２ｄにより第２半導体素子４０の電極４０ｂに電気的かつ機械的に接合されている。なお、第２凸型導電体４４ｂは、第２半導体素子４０の電極４０ｂに電気的かつ機械的に接合できる形状であればよく、上述のような形状に限定されない。
なお、第１および第２凸型導電体４４ａ、４４ｂは、別体に限らず、２つの本体を一体に形成し、２つの凸部を共通の本体上に設ける構成としてもよい。
第１電力端子４６ａは、独立して形成され、その基端部が第５接続体、例えば、矩形状の半田シート４２ｅにより第１導電体３４の接合面３４ａに接合されている。第１電力端子４６ａは、第１導電体３４及び第２導電体３６と対向しない位置まで延出する。
第２電力端子４６ｂは、その基端部が接続部４８に連結されている。第２電力端子４６ｂは、第１導電体３４及び第２導電体３６と対向しない位置まで延出する。
接続部４８は、細長い矩形板状の導電金属板で形成されている。この接続部４８には、それぞれ位置決め用の矩形状の第１開口５１ａおよび第２開口５１ｂが並んで形成されている。第１開口５１ａは、第１凸型導電体４４ａの凸部４５ａが嵌合可能な大きさで、かつ、第１凸型導電体４４ａの本体よりも小さく形成されている。同様に、第２開口５１ｂは、第２凸型導電体４４ｂの凸部４５ｂが嵌合可能な大きさで、かつ、第２凸型導電体４４ｂの本体よりも小さく形成されている。接続部４８の第２導電体３６側の表面には、第１および第２開口５１ａ、５１ｂを含む領域に亘って浅い矩形状の凹所５６が形成されている。更に、接続部４８は、その上縁から上方に突出する３本の支持突起を一体に有している。真ん中の支持突起から一本の信号端子５０が上方へ延びている。すなわち、５本の信号端子５０の内、エミッタ分岐端子５０ａは、接続部４８から分岐して延び、他の信号端子５０とほぼ平行に位置している。
接続部４８及び第２電力端子４６ｂは、第１及び第２凸型導電体４４ａ、４４ｂの凸部４５ａ、４５ｂが第１開口５１ａ、第２開口５１ｂにそれぞれ係合した状態で、第１及び第２凸型導電体４４ａ、４４ｂに接合されている。
更に、接続部４８、第１及び第２凸型導電体４４ａ、４４ｂの凸部４５ａ、４５ｂは、接続部４８の凹所５６内に配置された第６接続体、例えば、矩形状の半田シート４２ｆにより、第２導電体３６の接合面３６ａに電気的および機械的に接合されている。すなわち、接続部４８、第１及び第２凸型導電体４４ａ、４４ｂ、及び第２導電体３４の３部材は、半田シート４２ｆにより相互に接合されている。
以上により、第１半導体素子３８及び第２半導体素子４０は、第１導電体３４と第２導電体３６との間に挟まれ配置されている。第１半導体素子３８の第１電極３８ａは、第１導電体３４の第１接合面３４ａと電気的に接続し、第１半導体素子３８の第２電極３８ｂは、第２導電体３６の第２接合面３６ａと電気的に接合している。同様に、第２半導体素子４０の第１電極４０ａは、第１導電体３４の第１接合面３４ａと電気的に接続し、第２半導体素子４０の第２電極４０ｂは、第２導電体３６の第２接合面３６ａと電気的に接合している。例えば、第１半導体素子３８及び第２半導体素子４０は、第１接合面３４ａ及び第２接合面３６ａに対して平行に、かつ、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂに対して垂直に配置されている。
信号端子５０は、第１導電体３４の接合面３４ａと平行に延びている。信号端子５０のうちの４本の基端は、ボンディングワイヤ（図示せず）により、第１半導体素子３８の接続端子３８ｃに接続されている。実施形態の半導体モジュール１６は、例えば５本の信号端子５０を有している。信号端子５０は、細長い棒状に形成され、互いに平行に延びている。なお、信号端子５０を構成する端子数は、５本以外の本数であってもよい。
図２は、実施形態の半導体モジュール１６の等価回路の一例を示す図である。
信号端子５０は、前述した接続部４８から分岐した、すなわち、接続部４８に導通しているエミッタ分岐端子（コレクタ、エミッタ間電圧モニタ端子）（分岐信号端子）５０ａ、電流（エミッタセンス電流）モニタ端子５０ｂ、ゲート（ゲート、エミッタ間電圧）端子５０ｃ、チップ温度モニタ端子５０ｄ、５０ｅを含んでいる。信号端子５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅのそれぞれの基端と第１半導体素子３８の対応する接続端子３８ｃとを図示しないボンディングワイヤ（導線）で接続している。第１半導体素子３８は、第１導電体３４および第２導電体３６を介して、第１電力端子４６ａ、第２電力端子４６ｂに接続されている。同様に、第２半導体素子４０は、第１導電体３４および第２導電体３６を介して、第１電力端子４６ａ、第２電力端子４６ｂに接続されている。
図３は、実施形態の半導体モジュール１６の一例を示す斜視図である。図４は、実施形態の半導体モジュール１６の一例を底面側から見た斜視図である。なお、図４では、第２絶縁体６２は、半導体モジュール１６から分解して示している。
半導体モジュール１６は、第１絶縁体５２と、第２絶縁体６２をさらに有している。本実施形態では、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを含む仮想平面と直交する方向（以降、第１方向という）において、複数の信号端子５０側の外面を半導体モジュール１６の上面、第２絶縁体６２側の外面を半導体モジュール１６の底面というものとする。
第１絶縁体５２は、半導体モジュール１６の構成部材を絶縁する絶縁層である。第１絶縁体５２は絶縁性を有する材料で構成されていればよく、その材料は限定されない。第１絶縁体５２は、第１半導体素子３８及び第２半導体素子４０を封止している。さらに、第１絶縁体５２は、第１導電体３４のうちの第１放熱面３４ｂ以外の面（図１に示す例では第１接合面３４ａ、面３４ｃ、面３４ｄ、面３４ｅ、面３４ｆ）及び第２導電体３６のうちの第２放熱面３６ｂ以外の面（図１に示す例では第２接合面３６ａ、面３６ｃ、面３６ｄ、面３６ｅ、面３６ｆ）を被覆している。さらに、第１凸型導電体４４ａ、第２凸型導電体４４ｂ、接続部４８、第１電力端子４６ａの基端部、第２電力端子４６ｂの基端部、及び信号端子５０の基端部を被覆している。
第１絶縁体５２は、互いに平行な２つの側面５２ａ、５２ｂと、これらの側面５２ａ、５２ｂと直交する平坦な底面５２ｃと、底面に対向する上面５２ｄと、２つの端面５２ｅと、パーティングライン５４を有している。図４に示すように、第１絶縁体５２の底面５２ｃは、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを含む仮想平面上に位置している。
このパーティングライン５４は、リードフレームの接続部４８、第１電力端子４６ａ及び第２電力端子４６ｂを含む平面内に位置し、第１絶縁体５２の上面５２ｄ及び両端面５２ｅに沿って残っている。また、パーティングライン５４は、側面５２ｂ側にずれて位置している。
第１絶縁体５２の上面５２ｄにおいて、パーティングライン５４と側面５２ａとの間の部分は、パーティングライン５４から側面５２ａに向かって底面５２ｃ側へ僅かに傾斜して延び、パーティングライン５４と側面５２ｂとの間の部分は、パーティングライン５４から側面５２ｂに向かって底面５２ｃ側へ僅かに傾斜して延びている。
第１絶縁体５２の各端面５２ｅにおいて、パーティングライン５４と側面５２ａとの間の部分は、パーティングライン５４から側面５２ａに向かって他方の端面５２ｅ側へ僅かに傾斜して延び、パーティングライン５４と側面５２ｂとの間の部分は、パーティングライン５４から側面５２ｂに向かって他方の端面５２ｅ側へ僅かに傾斜して延びている。
第１電力端子４６ａは、パーティングライン５４の位置で第１絶縁体５２の一方の端面５２ｅから第１絶縁体５２の外方に延出している。第１電力端子４６ａの接触部４７ａは、側面５２ａ側へ直角に折り曲げられ、第１絶縁体５２の端面５２ｅと隙間を置いて対向している。また、接触部４７ｂは、略直角に折り曲げられ、第１絶縁体５２に対して、第１絶縁体５２の中央近傍に位置している。
第２電力端子４６ｂは、パーティングライン５４の位置で第１絶縁体５２の他方の端面５２ｅから第１絶縁体５２の外方に延出し、更に、第２電力端子４６ｂの接触部４７ｂは、側面５２ａ側へ直角に折り曲げられ、第１絶縁体５２の端面５２ｅと隙間を置いて対向している。また、接触部４７ａは、略直角に折り曲げられ、第１絶縁体５２に対して、第１絶縁体５２の中央近傍に位置している。
５本の信号端子５０は、パーティングライン５４の位置で第１絶縁体５２の上面５２ｄから第１方向に沿って突出している。また、５本の信号端子５０は、それぞれ２箇所で折曲げられ、信号端子５０の延出端側の端部５３ａは、第１絶縁体５２の中央近傍に位置している。信号端子５０の少なくとも端部５３ａの外面には、図示しない導電膜が形成されている。
第２絶縁体６２は、半導体モジュール１６の構成部材を絶縁する絶縁層である。第２絶縁体６２は、絶縁性を有する材料で構成されていればよく、その材料は限定されない。第２絶縁体６２は、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを被覆している。第２絶縁体６２は、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを被覆する平坦な矩形状の第１面６２ａ、及び、第１面６２ａと対向し第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを含む仮想平面と平行な平坦な矩形状の第２面６２ｂを有している。第２絶縁体６２は、第１方向において均一の厚さで形成された平板形状である。第１面６２ａは、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを含む平坦な仮想平面上に位置するため、平坦面で構成されている。第２面６２ｂは、後述する図６に示す冷却器１２の平坦な受熱面１８ａに接着させるため、平坦面で構成されている。なお、第１面６２ａ及び第２面６２ｂの形状は、矩形状以外の形状であってもよい。第２絶縁体６２が平板形状で形成されているのは、第１放熱面３４ｂから受熱面１８ａまでの距離と第２放熱面３６ｂから受熱面１８ａまでの距離を略同じにするためである。第２絶縁体６２の第１方向における厚さは、図６に示す冷却器１２の受熱面１８ａに対する絶縁性、及び、第１導電体３４と第２導電体３６の放熱性のバランスを考慮して所定の厚さに決定される。第２絶縁体６２の厚さは、例えば、０．２ｍｍで形成されている。
以上により、第１導電体３４は、第１絶縁体５２または第２絶縁体６２の何れかによって、露出することなく被覆されることで絶縁されている。同様に、第２導電体３６は、第１絶縁体５２または第２絶縁体６２の何れかによって、露出することなく被覆されることで絶縁されている。
以下、上記半導体モジュール１６を搭載した装置の一例として半導体電力変換装置１０について説明する。
図５は、制御回路基板を取り外した状態の半導体電力変換装置１０の一例を示す斜視図である。
図６は、半導体電力変換装置１０の支持フレーム１４および冷却器１２の一例を示す斜視図である。
図７は、制御回路基板を含む半導体電力変換装置１０全体の一例を示す斜視図である。
図５ないし図７に示すように、半導体電力変換装置１０は、冷却器１２、冷却器１２上に固定された支持フレーム１４、および、冷却器１２上に載置され、支持フレーム１４により支持された複数の半導体モジュール１６を有している。
冷却器１２は、平坦な矩形状の受熱面１８ａを有する扁平な直方体形状の冷却ブロック１８を有している。この冷却ブロック１８は、例えば、アルミニウムで形成されている。また、冷却ブロック１８内には、水等の冷却媒体を流す冷媒流路２０が形成されている。
支持フレーム１４は、受熱面１８ａに対応する大きさの矩形状の外枠と、外枠間を延びる互いに平行な複数の連結梁とを一体に有し、これら外枠および連結梁により例えば、４列に並んだ、それぞれ矩形状の設置空間部２２を形成している。また、支持フレーム１４には、後述する半導体モジュール１６に電気的に接続される複数の接続端子２４を有する複数のバスバー２６、複数の入力端子２８、および２組の３相の出力端子３０が設けられている。バスバー２６の接続端子２４は、各設置空間部２２の各側縁に沿って、複数個ずつ間隔を置いて並んで配置されている。そして、支持フレーム１４は、例えば、インサートモールドにより、複数の端子と一体に樹脂により成形されている。また、支持フレーム１４は、例えば、複数のねじにより冷却ブロック１８の受熱面１８ａ上に固定されている。
図５に示すように、半導体モジュール１６は、例えば、６個ずつ、４列に並んで支持フレーム１４に設置されている。各列において、６個の半導体モジュール１６は、支持フレーム１４の設置空間部２２内に配置され、第２絶縁体６２の第２面６２ａが冷却器１２の受熱面１８ａと接するように受熱面１８ａ上に設置されている。第２絶縁体６２の第２面６２ａは、例えば接着剤で受熱面１８ａに対して接着されている。第１導電体３４及び第２導電体３６は、第２絶縁体６２を介して冷却器１２に熱的に接続される。第１半導体素子３８および第２半導体素子４０で発生した熱は、第１導電体３４及び第２導電体３６を介して冷却器１２に放熱される。各半導体モジュール１６の電力端子は、バスバー２６の接続端子２４に接触し、バスバー２６に電気的に接続されている。また、各半導体モジュール１６の複数の信号端子５０は、第１方向に沿って突出している。
本実施形態の半導体モジュール１６は、上述したように第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂが既に第２絶縁体６２で被覆されている。そのため、本実施形態の半導体モジュール１６は、受熱面１８ａ上に配置する際に、受熱面１８ａに対する更なる絶縁処理を必要としない。
さらに、本実施形態の半導体モジュール１６は、受熱面１８ａ上に配置する際に、第１放熱面３４ｂから受熱面１８ａまでの間隔及び第２放熱面３６ｂから受熱面１８ａまでの間隔を第２絶縁体６２のみによって管理できる。第２絶縁体６２の第１方向の厚さは、上述したように絶縁性及び放熱性のバランスを考慮して所定の厚さに決定されている。半導体モジュール１６を受熱面１８ａ上に置くだけで、第１放熱面３４ｂから受熱面１８ａまでの間隔及び第２放熱面３６ｂから受熱面１８ａまでの間隔は、第２絶縁体６２で規定された所定の間隔になる。そのため、半導体モジュール１６は、受熱面１８ａ上に配置後のさらなる間隔調整を必要としない。
さらに、本実施形態の半導体モジュール１６は、受熱面１８ａ上に置くだけで、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを含む仮想平面が受熱面１８ａに対して平行関係になる。第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを含む仮想平面は、第２絶縁体６２の第２面６２ｂと平行関係にあるため、第２面６２ｂと接する受熱面１８ａとも平行関係になるからである。そのため、第１放熱面３４ｂから受熱面１８ａまでの間隔は、第２絶縁体６２で規定された所定の間隔に対応し、第１放熱面３４ｂの何れの領域においても同じである。ここで、第１放熱面３４ｂが受熱面１８ａと平行関係にない場合を想定する。この場合、第１放熱面３４ｂから受熱面１８ａまでの間隔は、第１放熱面３４ｂの第１の領域と第２の領域とでばらつく。例えば、第１放熱面３４ｂの第１の領域から受熱面１８ａまでの間隔が絶縁性及び放熱性を考慮した所定の間隔にあるとしても、第１放熱面３４ｂの第２の領域から受熱面１８ａまでの間隔は、この所定の間隔よりも広い場合がある。第２の領域における放熱性は、第１の領域における放熱性よりも低下する。以上より、第１放熱面３４ｂが受熱面１８ａと所定間隔をあけて平行関係にある場合の第１導電体３４全体としての放熱性は、第１放熱面３４ｂが受熱面１８ａと平行関係にない場合の第１導電体３４全体としての放熱性よりも高い。これは、第２放熱面３６ｂと受熱面１８ａとの関係においても同様である。本実施形態の半導体モジュール１６は、受熱面１８ａ上に単に置くだけであっても、第１導電体３４及び第２導電体３６の放熱性を低下させることはない。
さらに、本実施形態の半導体モジュール１６は、受熱面１８ａ上に複数個配置する場合であっても、上述したような半導体モジュール１６の放熱性、及び、放熱性に起因する各半導体モジュール１６の性能は、半導体モジュール１６間でばらつくことはない。これは、どの半導体モジュール１６であっても、上述したように、第２絶縁体６２により、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを受熱面１８ａと平行にし、第１放熱面３４ｂから受熱面１８ａまでの間隔及び第２放熱面３６ｂから受熱面１８ａまでの間隔を絶縁性及び放熱性を考慮した所定の間隔にすることができるからである。
ここで、例えば、第２絶縁体６２が予め取り付けられていない半導体モジュールを想定する。このような半導体モジュールは、受熱面１８ａ上に配置する際に、例えば、受熱面１８ａ上に広げて塗布した樹脂により、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを受熱面１８ａから絶縁するとともに、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを受熱面１８ａに接着させる。この場合には、受熱面１８ａ上の樹脂の厚さを所定の厚さで均一にして塗布するなどの高精度な管理が要求される。そのため、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂが受熱面１８ａに対して平行関係になるように半導体モジュールを受熱面１８ａに配置することは、困難である。さらに、第１放熱面３４ｂ全面において、第１放熱面３４ｂと受熱面１８ａとの距離を絶縁性及び放熱性のバランスを考慮した所定の厚さに保つように半導体モジュールを受熱面１８ａに配置することは、困難である。同様に、第２放熱面３６ｂ全面において、第２放熱面３６ｂと受熱面１８ａとの距離をこの所定の厚さに保つように半導体モジュールを受熱面１８ａに配置することは、困難である。したがって、このような半導体モジュールを受熱面１８ａ上に複数個配置する場合、各半導体モジュールの放熱性、及び、放熱性に起因する各半導体モジュールの性能は、半導体モジュール間でばらつく。結果として、第２絶縁体６２が予め取り付けられていない半導体モジュールは、配置不良に起因する半導体電力変換装置の性能の低下を引き起こす可能性が高い。
以上により、本実施形態によれば、半導体モジュール１６を受熱面１８ａ上に複数個配置する場合であっても、放熱性を損わせることなく冷却器１２の受熱面１８ａ上に半導体モジュール１６を容易に固定することができる。結果として、本実施形態によれば、半導体モジュール１６の配置不良に起因する半導体電力変換装置１０の性能の低下を防ぐことができる。
図７に示すように、半導体電力変換装置１０は、半導体モジュール１６および装置全体の入出力および動作を制御する制御回路基板３２を有している。制御回路基板３２は、支持フレーム１４とほぼ等しい大きさの矩形状に形成されている。制御回路基板３２は、半導体モジュール１６上に重ねて設置され、図示しない固定ねじ等により支持フレーム１４に取り付けられている。各半導体モジュール１６の信号端子５０は、制御回路基板３２に電気的に接続されている。
半導体モジュール１６は、支持フレーム１４の設置空間部２２内に配置され、半導体モジュール１６は、第２絶縁体６２の第２面６２ｃが受熱面１８ａと接するように、受熱面１８ａ上に設置されている。半導体モジュール１６の第１電力端子４６ａおよび第２電力端子４６ｂの接触部４７ａ、４７ｂは、それぞれバスバー２６の接続端子２４に接触し、バスバー２６に電気的に接続されている。また、半導体モジュール１６の複数の信号端子５０は、上方へ突出している。
一列に並んだ複数の半導体モジュール１６において、隣合う２つの半導体モジュール１６は、第１絶縁体５２の側面同志が隣接対向して、あるいは、互いに当接した状態で配置されている。隣合う２つの半導体モジュール１６の内、一方は、他方に対して１８０度反転した向きで配置してもよい。いずれの向きで配置した場合でも、半導体モジュール１６の第１電力端子４６ａおよび第２電力端子４６ｂは、バスバー２６の接続端子２４に確実に係合する。また、この場合でも、いずれの向きで配置した場合でも、半導体モジュール１６の信号端子５０は、絶縁体５２の中央部に位置し、制御回路基板３２に対して所定位置に配置される。
図７に示すように、制御回路基板３２を半導体モジュール１６上に設置することにより、各半導体モジュール１６の信号端子５０の端部は、制御回路基板３２に形成されたスルーホールに挿通され、図示しない半田等により制御回路基板３２に電気的に接続される。
なお、本実施形態の半導体モジュール１６では、第２絶縁体６２が、第１絶縁体５２よりも高い熱伝導性を有していてもよい。第１絶縁体５２は、例えば、シリカフィラーを樹脂に混ぜた安価な材料で構成されている。樹脂は、例えば、エポキシ樹脂などが用いられるが、これに限定されない。第２絶縁体６２は、例えば、熱伝導性かつ絶縁性を有しているフィラーを樹脂に混ぜた材料で構成されている。樹脂は、例えば、エポキシ樹脂や、ポリイミド樹脂などが用いられるが、これに限定されない。フィラーは、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）フィラー、アルミナフィラーなどが用いられるが、これに限定されない。半導体モジュール１６を受熱面１８ａ上に配置した際に、第２絶縁体６２は、第１放熱面３４ｂと受熱面１８ａの間、及び、第２放熱面３６ｂと受熱面１８ａの間に存在する。つまり、第２絶縁体６２は、第１放熱面３４ｂから受熱面１８ａ及び第２放熱面３６ｂから受熱面１８ａまでの最短の放熱経路に位置している。第２絶縁体６２が上述のような高熱伝導性を有する材料で構成されていれば、第１導電体３４及び第２導電体３６の放熱性は高まる。一方、半導体モジュールを受熱面１８ａ上に配置した際に、第１絶縁体５２は、第１放熱面３４ｂと受熱面１８ａの間、及び、第２放熱面３６ｂと受熱面１８ａの間に存在しない。第１絶縁体５２は、第１放熱面３４ｂから受熱面１８ａ及び第２放熱面３６ｂから受熱面１８ａまでの最短の放熱経路に位置していない。そのため、第１絶縁体５２が高熱伝導性を有していなくても、半導体モジュール１６全体としての放熱性が低下することはない。なお、第１絶縁体５２は、第２絶縁体６２と同様の高熱伝導性を有する材料で構成されていてもよいが、高熱伝導性を有する材料はコストがかかる。そのため、コスト面を考慮すれば、第１絶縁体５２は、第２絶縁体６２よりも熱伝導性が低い安価な材料で構成されている方が好ましい。
なお、第２絶縁体６２が上述したような熱伝導性かつ絶縁性を有しているフィラーを樹脂に混ぜた材料で構成されている場合、第２面６２ｂは切削加工が施されていてもよい。切削加工は、例えば、ダイヤモンドチップを用いたフライス加工によって行われる。第２面６２ｂは、切削加工によってフィラーが微細な凹凸として表れる。そのため、第２面６２ｂは、荒れた状態の切削面となる。半導体モジュール１６を冷却器１２の受熱面１８ａ上に例えばシリコーン接着剤で接着する際、シリコーン接着剤は、第２面６２ｂの凹凸部分に入り込み硬化する。第２面６２ｂの凹凸部分よるアンカー効果により、半導体モジュール１６と冷却器１２との接合強度は大きくなる。
図８は、実施形態の半導体モジュール１６の製造方法の一例を説明するための図である。なお、図８は、第１接合面３４ａ及び第１放熱面３４ｂに直交する平面における半導体モジュール１６の断面の一例を示す図である。半導体モジュール１６の製造方法は、例えば、リフロー工程と、１次モールド工程と、１次切削工程と、２次モールド工程と、２次切削工程とを有している。
図８の（ａ）は、半導体モジュール１６のリフロー工程後の状態を示す図である。リフロー工程は、半導体モジュール１６の構成部材を半田で接合する工程である。
リフロー工程では、第１導電体３４と、第２導電体３６と、第１半導体素子３８と、第２半導体素子４０と、第１凸型導電体４４ａと、第２凸型導電体４４ｂと、第１電力端子４６ａと、接続部４８と、信号端子５０を、図１を用いて説明したように接合する。
リフロー工程では、第１半導体素子３８が有する第１電極３８ａを第１導電体３４が有する第１接合面３４ａに電気的に接続し、第１半導体素子３８が有する第２電極３８ｂを第１接合面３４ａと対向した第２導電体３６が有する第２接合面３６ａに電気的に接続する。同様に、第２半導体素子４０が有する第１電極４０ａを第１導電体３４が有する第１接合面３４ａに電気的に接続し、第２半導体素子４０が有する第２電極４０ｂを第１接合面３４ａと対向した第２導電体３６が有する第２接合面３６ａに電気的に接続する。なお、リフロー工程時における第１導電体３４は、第１接合面３４ａと直交し、面３４ｄと対向する面３４ｇを有している。リフロー工程時における第１導電体３４は、面３４ｄに直交する方向の幅が図１を用いて説明した第１導電体３４の幅よりも大きく形成されている。同様に、リフロー工程時における第２導電体３６は、第２接合面３６ａと直交し、面３６ｄと対向する面３６ｇを有している。リフロー工程時における第２導電体３６は、面３６ｄに直交する方向の幅が図１を用いて説明した第２導電体３６の幅よりも大きく形成されている。その理由は、第１導電体３４の面３４ｇがリフロー工程時における部品搭載位置のばらつきにより、第２導電体３６の面３６ｇを含む仮想平面上に位置しないことがあるからである。第１導電体３４及第２導電体３６は、後述する１次切削工程において第１導電体３４の面３４ｇ及び第２導電体３６の面３６ｇを切削することで、第１接合面３４ａと直交する第１放熱面３４ｂを第１導電体３４に形成するとともに、第２接合面３６ａと直交し、第１放熱面３４ｂを含む仮想平面上に位置する第２放熱面３６ｂを第２導電体３６に形成するための余裕を持たせた大きさである。
図８の（ｂ）は、半導体モジュール１６の１次モールド工程後の状態を示す図である。１次モールド工程は、第１絶縁体５２を用いて、第１半導体素子３８及び第２半導体素子４０を封止し、第１導電体３４、第２導電体３６、第１凸型導電体４４ａ、第２凸型導電体４４ｂ、接続部４８、第１電力端子４６ａの基端部、第２電力端子４６ｂの基端部、及び信号端子５０の基端部を被覆する工程である。１次モールド工程は、例えば、図示しない金型に第１樹脂材料を注入するトランスファーモールドで行われる。第１樹脂材料は、第１絶縁体５２を形成する。第１樹脂材料を注入するためのゲート位置は、第１導電体３４の面３４ｇ近傍または第２導電体３６の面３６ｇ近傍に設置される。１次モールド工程は、既存のモールド装置で行うことができる。金型温度は、例えば、１８０℃、成形圧力は、例えば、１５ＭＰａ程度である。１次モールド工程により、第１絶縁体５２は、第１導電体３４の全面および第２導電体３６の全面を被覆している。
図８の（ｃ）は、半導体モジュール１６の１次切削工程後の状態を示す図である。１次切削工程は、第１絶縁体５２、第１導電体３４及び第２導電体３６の一部を切削することで、第１接合面３４ａと直交し、第１絶縁体５２から露出した第１放熱面３４ｂを第１導電体３４に形成するとともに、第２接合面３６ａと直交し、第１放熱面３４ｂを含む仮想平面上に位置し、第１絶縁体５２から露出した第２放熱面３６ｂを第２導電体３６に形成する工程である。なお、切削加工以外にも、研削、研磨、切り落としでもよい。そのため、本明細書における切削加工は、これらの総称となる除去加工とすることができる。
半導体モジュール１６を切削する方向は、第１接合面３４ａまたは第２接合面３６ａと直交する平面に直交する方向（以降、第２方向という）である。半導体モジュール１６を切削する方向は、面３４ｇが第１接合面３４ａと直交する平坦面で形成されていれば、面３４ｇと直交する方向でもある。同様に、半導体モジュール１６を切削する方向は、面３６ｇが第２接合面３６ａと直交する平坦面で形成されていれば、面３６ｇと直交する方向でもある。第１切削工程は、第２方向に沿って、面３４ｇまたは面３６ｇ近傍の第１絶縁体５２の外面から行われる。はじめに、第１切削工程により、面３４ｇを被覆していた第１絶縁体５２及び面３６ｇを被覆していた第１絶縁体５２は、切削される。面３４ｇが露出した後、第１導電体３４が面３４ｇ側からさらに第２方向に沿って切削されると、第１導電体３４には、第１接合面３４ａと直交し、第１導電体３４から露出した面（図１で説明した第１放熱面３４ｂ）が形成される。面３６ｇが露出した後、第２導電体３６が面３６ｇ側からさらに第２方向に沿って切削されると、第２導電体３６には、第２接合面３６ａと直交し、第１放熱面３４ｂを含む仮想平面上に位置し、第１導電体３４から露出した面（図１で説明した第２放熱面３６ｂ）が形成される。第１導電体３４の切削に伴い、第１導電体３４の第１接合面３４ａ、面３４ｃ、面３４ｅ及び面３４ｆを被覆している第１絶縁体５２の一部も切削される。同様に、第２導電体３６の切削に伴い、第２導電体３６の第２接合面３６ａ、面３６ｃ、面３６ｅ及び面３６ｆを被覆している第１絶縁体５２の一部も切削される。第１絶縁体５２には、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを含む仮想平面上に位置する底面５２ｃが形成される。１次切削工程は、例えば、ダイヤモンドチップを用いたフライス加工によって行われる。
図８の（ｄ）は、半導体モジュール１６の２次モールド工程後の状態を示す図である。２次モールド工程は、第２絶縁体６２で第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを被覆する工程である。２次モールド工程は、例えば、図示しない金型に第２絶縁体６２を形成するための第２樹脂材料を注入するトランスファーモールドで行われる。第２樹脂材料を注入するためのゲート位置は、第１放熱面３４ｂ、第２放熱面３６ｂ及び底面５２ｃの何れかと対向する位置に設置される。金型温度は、例えば、１８０℃、成形圧力は、例えば、１５ＭＰａ程度である。２次モールド工程により、第２絶縁体６２は、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを被覆するように形成される。第２絶縁体６２は、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを被覆する第１面６２ａを有している。第１面６２ａは、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを含む仮想平面に対応する。さらに、第２絶縁体６２は、第１面６２ａと対向する面を有している。この面には、２次モールド工程に起因するゲート跡、パーティングライン、パーティング部の段差ができることがある。第１面６２ａと対向する面は、上述したように冷却器１２の平坦な受熱面１８ａに接触させるため、ゲート跡等を切削した平坦面で構成される必要がある。第１面６２ａと対向する面は、後述する２次切削工程によって第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを含む仮想平面と平行な平坦面に加工される。そのため、２次モールド工程では、第２絶縁体６２は、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを含む仮想平面と直交する方向（図１を用いて先に説明した第１方向）の厚さが後述する２次切削工程後に予め定められた所定の厚さになるように、この所定の厚さよりも厚く半導体モジュール１６に形成される。
図８の（ｅ）は、半導体モジュール１６の２次切削工程後の状態を示す図である。２次切削工程は、第１導電体３４の第１放熱面３４ｂ及び第２導電体３６の第２放熱面３６ｂが露出しない範囲内で、第１放熱面３４ｂと第２放熱面３６ｂを被覆する第１面６２ａと対向し第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを含む仮想平面と平行な第２面６２ｂを第２絶縁体６２に形成する工程である。
半導体モジュール１６を切削する方向は、第１方向である。なお、第１方向は、１次切削工程における第２方向に対応していてもよい。第２絶縁体６２は、第１方向に沿って、第１面６２ａと対向する面から第１面６２ａに向けて切削される。第２絶縁体６２は、第１導電体３４の第１放熱面３４ｂ及び第２導電体３６の第２放熱面３６ｂが露出しない範囲内、かつ、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを含む仮想平面と直交する方向において予め定められた所定の厚さになるまで切削加工される。
２次切削工程後、第２絶縁体６２には、第１面６２ａと対向し第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを含む仮想平面と平行な平坦な第２面６２ｂが形成される。第２絶縁体６２は、第１方向において、予め定められた所定の均一の厚さで形成された平板形状である。１次モールド工程で第２絶縁体６２にできたゲート跡、パーティングライン、パーティング部の段差は、２次切削工程により、第２絶縁体６２から取り除かれる。
２次切削工程は、１次切削工程と同様に、例えば、ダイヤモンドチップを用いたフライス加工によって行われる。２次切削工程の精度は機械加工精度のみで決まる。そのため、第１方向における第２絶縁体６２の厚さは、高精度で均一に加工できる。
本実施形態の半導体モジュール１６の製造方法によれば、モールド装置や切削装置のような既存の装置を用いるだけで、半導体モジュール１６に取り付けた第２絶縁体６２について、第１方向における厚さを予め定められた所定の厚さに高精度で加工し、第２絶縁体６２の第２面６２ｂをこの仮想平面と平行に高精度で加工することができる。
以上により、本実施形態によれば、受熱面１８ａ上に複数個配置する場合であっても、放熱性を損わせることなく冷却器１２の受熱面１８ａ上に容易に固定することができる半導体モジュール１６を製造することができる。
なお、２次モールド工程時にゲート位置は、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを含む仮想平面と直交する面上に設けてもよい。つまり、第２樹脂材料の注入方向は、第１放熱面３４ｂ及び第２放熱面３６ｂを含む仮想平面に対して平行である。この場合、図２等を用いて説明した形状の第２絶縁体６２を半導体モジュール１６に形成可能な金型を用いることができる。第２絶縁体６２の第２面６２ｂには、ゲート跡等は発生しない。そのため、２次切削工程は不要となり、半導体モジュール１６の製造コストは低減する。
上述した半導体モジュール１６は、以下のように構成される。第１半導体素子３８は、第１電極３８ａと、第１電極３８ａと対向する面に形成されている第２電極３８ｂとを有する。第２半導体素子４０についても同様である。第１導電体３４は、第１電極３８ａ及び第１電極４０ａと電気的に接続する第１接合面３４ａ、及び、第１放熱面３４ｂを有する。第２導電体３６は、第２電極３８ｂ及び第２電極４０ｂと電気的に接続する第２接合面３６ａ、及び、第２放熱面３６ｂを有する。第１絶縁体５２は、第１絶縁材料で構成され第１半導体素子３８及び第２半導体素子４０を封止するように形成されている。第１絶縁体５２は、第１外囲部分ということもできる。第２絶縁体６２は、第１絶縁材料よりも熱伝導率が高い第２絶縁材料で構成され第１放熱面３４ｂと第２放熱面３６ｂに接するように形成されている。第２絶縁体６２は、第２外囲部分ということもできる。半導体モジュール１６の外囲器７１は、第１絶縁体５２及び第２絶縁体６２で構成されている。
さらに、第２放熱面３６ｂは、第１放熱面３４ｂを含む仮想平面上に位置する。
さらに、第２絶縁体６２は、第１放熱面３４ｂと接する領域と第２放熱面３６ｂと接する領域とを含む第１面６２ａ、及び、第１面６２ａに平行な第２面６２ｂを有する。
なお、第２絶縁体６２が含むフィラーは、第２絶縁材料（上述したような樹脂など）よりも熱伝導率が高い。
上述した半導体モジュール１６の製造方法の各工程は、以下のように行われる。上述のリフロー工程は、第１半導体素子３８が有する第１電極３８ａを第１導電体３４が有する第１接合面３４ａに電気的に接続し、第１半導体素子３８が有する第１電極３８ａと対向する面に形成されている第２電極３８ｂを第２導電体３６が有する第２接合面３６ａに電気的に接続する工程である。第２半導体素子４０についても同様である。
上述の１次モールド工程は、第１絶縁材料を用いて、第１半導体素子３８及び第２半導体素子４０を封止して第１絶縁体５２を形成する工程である。
上述の１次切削工程は、第１絶縁体５２の一部、第１導電体３４の一部及び第２導電体３６の一部を除去加工し、第１導電体３４に第１放熱面３４ｂを形成し、第２導電体３６に第２放熱面３６ｂを形成する工程である。
上述の２次モールド工程は、第１絶縁材料よりも熱伝導率が高い第２絶縁材料を用いて、第１放熱面３４ｂと第２放熱面３６ｂに接するように第２絶縁体６２を形成する工程である。
上述の２次切削工程は、第２絶縁体６２の一部を除去加工し、第１放熱面３４ｂに平行な面を第２絶縁体６２に形成する工程である。
さらに、１次切削工程における第２導電体３６に第２放熱面３６ｂを形成する工程は、第１放熱面３４ｂを含む仮想平面上に第２放熱面３６ｂを形成する工程である。
さらに、２次切削工程における第１放熱面３４ｂに平行な面を第２絶縁体６２に形成する工程は、第１放熱面３４ｂと第２放熱面３６ｂとを含む面に対向する面を第２絶縁体６２に形成する工程である。
なお、上記実施形態では、第１接合面３４ａ及び第２接合面３６ａ（これらに接合される第１半導体素子３８および第２半導体素子４０）が冷却器１２の受熱面１８ａに対して垂直となる半導体モジュール１６の例を説明したが、受熱面１８ａに対する角度は垂直以外であってもよく、特に限定されない。
次に、別の実施形態について説明する。
図９は、別の実施形態に係る半導体モジュール１６１の一例を示す斜視図である。ここでは、上述の半導体モジュール１６の構成及び製造方法と異なる点を中心に説明し、同一部分については説明を省略する。
半導体モジュール１６１は、第１導電体３４１と、第２導電体３６１と、第１半導体素子３８１と、第２半導体素子４０１と、第１凸型導電体４４１ａと、第２凸型導電体４４１ｂと、第１電力端子４６１ａと、第２電力端子４６１ｂと、接続部４８１と、複数の接合体４２１ａ〜４２１ｆを有している。
第１導電体３４１は、上述の第１導電体３４と同様に、例えば、銅により形成された略直方体形状である。第１導電体３４１は、平坦な矩形状の第１接合面３４１ａ、第１接合面３４１ａと対向する平坦な矩形状の第１放熱面３４１ｃを有している。第１接合面３４１ａは、第１放熱面３４１ｃと略平行である。さらに、第１導電体３４１は、第１接合面３４１ａ及び第１放熱面３４１ｃと直行する平坦な矩形状の面３４１ｂ、面３４１ｂと対向するとともに第１接合面３４１ａ及び第１放熱面３４１ｃと直交する平坦な矩形状の面３４１ｄ、第１接合面３４１ａ及び第１放熱面３４１ｃと直交する平坦な矩形状の面３４１ｅ、面３４１ｅと対向するとともに第１接合面３４１ａ及び第１放熱面３４１ｃと直交する平坦な矩形状の面３４１ｆを有している。なお、第１導電体３４１は、第１接合面３４１ａ及び第１放熱面３４１ｃを有していればよく、略直方体形状以外の形状であってもよい。第１接合面３４１ａの形状は、矩形状以外の形状であってもよい。第１放熱面３４１ｃの形状は、矩形状以外の形状であってもよい。
第２導電体３６１は、上述の第２導電体３６と同様に、例えば、銅により形成された略直方体形状である。第２導電体３６１は、平坦な矩形状の第２接合面３６１ａ、第２接合面３６１ａと対向する平坦な矩形状の第２放熱面３６１ｃを有している。第２接合面３６１ａは、第２放熱面３６１ｃと略平行である。さらに第２導電体３６１は、第２接合面３６１ａ及び第２放熱面３６１ｃと直行する平坦な矩形状の面３６１ｂ、面３６１ｂと対向するとともに第２接合面３６１ａ及び第２放熱面３６１ｃと直交する平坦な矩形状の面３６１ｄ、第２接合面３６１ａ及び第２放熱面３６１ｃと直交する平坦な矩形状の面３６１ｅ、面３６１ｅと対向するとともに第２接合面３６１ａ及び第２放熱面３６１ｃと直交する平坦な矩形状の面３６１ｆを有している。第２接合面３６１ａは、第１接合面３４１ａと略平行に対向している。第２放熱面３６１ｃは、第１放熱面３４１ｃと略平行に対向している。第２接合面３６１ａから第２放熱面３６１ｃまでの幅は、第１接合面３４１ａから第１放熱面３４１ｃまでの幅と略同じである。
なお、第２導電体３６１は、第２接合面３６１ａ及び第２放熱面３６１ｃを有していればよく、略直方体形状以外の形状であってもよい。第２接合面３６１ａの形状は、矩形状以外の形状であってもよい。第２放熱面３６１ｃの形状は、矩形状以外の形状であってもよい。
第１半導体素子３８１は、上述の第１半導体素子３８と同様に構成されている。第１半導体素子３８１は、第１導電体３４１と第２導電体３６１との間に挟まれて、これらの導電体に接合されている。第１半導体素子３８１は、第１電極３８１ａ及び第２電極３８１ｂを有している。第１半導体素子３８１は、第１面に第１電極３８１ａ、第１面と対向する第２面に第１電極３８１ａと異なる第２電極３８１ｂを有している。第１半導体素子３８１の第２面に、複数、例えば、４つの接続端子３８１ｃが形成されている。
第１半導体素子３８１は、第１導電体３４１の第１接合面３４１ａと平行に配置され、第１電極３８１ａ（コレクタ）が第１接続体、例えば、矩形状の半田シート４２１ａにより第１導電体３４１の第１接合面３４１ａに接合されている。
第２半導体素子４０１は、上述の第２半導体４０と同様に構成されている。第２半導体素子４０１は、第１導電体３４１と第２導電体３６１との間に挟まれて、第１導電体３４１と第２導電体３６１とに接合されている。第２半導体素子４０１は、第１面に第１電極４０１ａ、第１面と対向する第２面に第１電極４０１ａと異なる第２電極４０１ｂを有している。
第２半導体素子４０１は、第１電極４０１ａが第２接続体、例えば、矩形状の半田シート４２１ｂにより第１導電体３４１の第１接合面３４１ａに接合されている。
第１凸型導電体４４１ａは、上述の第１凸型導電体４４ａと同様に構成されている。第１凸型導電体４４１ａは、第１半導体素子３８１の第２電極３８１ｂ上に第３接続体、例えば、矩形状の半田シート４２１ｃにより接合されている。
第１凸型導電体４４１ａは、上述の凸部４５ａと同様に構成された凸部４５１ａを一体に有している。第１凸型導電体４４１ａは、本体の平坦な主面側が半田シート４２１ｃにより第１半導体素子３８１の第２電極３８１ｂに電気的かつ機械的に接合されている。
第２凸型導電体４４１ｂは、上述の第２凸型導電体４４ｂと同様に構成されている。第２凸型導電体４４１ｂは、第２半導体素子４０１の他方の電極上に第４接続体、例えば、矩形状の半田シート４２１ｄにより接合されている。第２凸型導電体４４１ｂは、上述の凸部４５ｂと同様に構成された凸部４５１ｂを一体に有している。そして、第２凸型導電体４４１ｂは、本体の平坦な主面側が半田シート４２１ｄにより第２半導体素子４０１の第２電極４０１ｂに電気的かつ機械的に接合されている。
第１電力端子４６１ａは、独立して形成され、その基端部が第５接続体、例えば、矩形状の半田シート４２１ｅにより第１導電体３４１の第１接合面３４１ａに接合されている。第１電力端子４６１ａは、第１導電体３４１及び第２導電体３６１と対向しない位置まで延出する。
第２電力端子４６１ｂは、その基端部が接続部４８１に連結されている。第２電力端子４６１ｂは、第１導電体３４１及び第２導電体３６１と対向しない位置まで延出する。
接続部４８１は、上述の接続部４８と同様に構成されている。この接続部４８１には、上述の第１開口５１ａ及び第２開口５１ｂそれぞれと同様に構成された第１開口５１１ａおよび第２開口５１１ｂが並んで形成されている。接続部４８１の第２導電体３６１側の表面には、上述の凹所５６と同様に構成された凹所５６１が形成されている。
接続部４８１及び第２電力端子４６１ｂは、第１及び第２凸型導電体４４１ａ、４４１ｂの凸部４５１ａ、４５１ｂが第１開口５１１ａ、第２開口５１１ｂにそれぞれ係合した状態で、第１及び第２凸型導電体４４１ａ、４４１ｂに接合されている。
更に、接続部４８１、第１及び第２凸型導電体４４１ａ、４４１ｂの凸部４５１ａ、４５１ｂは、接続部４８１の凹所５６１内に配置された第６接続体、例えば、矩形状の半田シート４２１ｆにより、第２導電体３６１の第２接合面３６１ａに電気的および機械的に接合されている。すなわち、接続部４８１、第１及び第２凸型導電体４４１ａ、４４１ｂ、及び第２導電体３６１の３部材は、半田シート４２１ｆにより相互に接合されている。
以上により、第１半導体素子３８１及び第２半導体素子４０１は、第１導電体３４１と第２導電体３６１との間に挟まれ配置されている。第１半導体素子３８１の第１電極３８１ａは、第１導電体３４１の第１接合面３４１ａと電気的に接続し、第１半導体素子３８１の第２電極３８１ｂは、第２導電体３６１の第２接合面３６１ａと電気的に接合している。同様に、第２半導体素子４０１の第１電極４０１ａは、第１導電体３４１の第１接合面３４１ａと電気的に接続し、第２半導体素子４０１の第２電極４０１ｂは、第２導電体３６１の第２接合面３６１ａと電気的に接合している。例えば、第１半導体素子３８１及び第２半導体素子４０１は、第１接合面３４１ａ及び第１放熱面３４１ｃ、及び、第２接合面３６１ａ及び第２放熱面３６１ｃに対して平行に配置されている。
信号端子５０１は、上述の信号端子５０と同様に構成されている。信号端子５０１は、第１導電体３４１の第１接合面３４１ａと平行に延びている。信号端子５０１のうちの４本の基端は、ボンディングワイヤ（図示せず）により、第１半導体素子３８１の接続端子３８１ｃに接続されている。
図１０は、半導体モジュール１６１の一例を示す斜視図である。
半導体モジュール１６１は、第１絶縁体５２１と、第２絶縁体６２１と第３絶縁体６２２をさらに有している。ここでは、第１導電体３４１の面３４１ｂ（または第２導電体３６１の面３６１ｂ）と直交する方向（以降、方向Ａという）において、複数の信号端子５０１側の外面を半導体モジュール１６１の上面、面３４１ｂ及び面３６１ｂ側の外面を半導体モジュール１６１の底面というものとする。第１接合面３４１ａ（または第２接合面３６１ａ）と直交する方向を方向Ｂという。
第１絶縁体５２１は、半導体モジュール１６１の構成部材を絶縁する絶縁層である。第１絶縁体５２１は、第１半導体素子３８１及び第２半導体素子４０１を封止している。さらに、第１絶縁体５２１は、第１導電体３４１のうちの第１放熱面３４１ｃ以外の面（図９に示す例では第１接合面３４１ａ、面３４１ｂ、面３４１ｄ、面３４１ｅ、面３４１ｆ）及び第２導電体３６１のうちの第２放熱面３６１ｃ以外の面（図９に示す例では第２接合面３６１ａ、面３６１ｂ、面３６１ｄ、面３６１ｅ、面３６１ｆ）を被覆している。さらに、第１凸型導電体４４１ａ、第２凸型導電体４４１ｂ、接続部４８１、第１電力端子４６１ａの基端部、第２電力端子４６１ｂの基端部、及び信号端子５０１の基端部を被覆している。第１絶縁体５２１は、例えば、シリカフィラーを樹脂に混ぜた安価な絶縁性を有する材料で構成されている。樹脂は、例えば、エポキシ樹脂などが用いられるが、これに限定されない。
第１絶縁体５２１は、底面５２１ａと、底面５２１ａに対向する上面５２１ｂと、端面５２１ｃ及び端面５２１ｄと、パーティングライン５４１を有している。このパーティングライン５４１は、リードフレームの接続部４８１、第１電力端子４６１ａ及び第２電力端子４６１ｂを含む平面内に位置し、第１絶縁体５２１の底面５２１ａ、上面５２１ｂ、端面５２１ｃ及び端面５２１ｄに沿って残っている。
第１電力端子４６１ａは、パーティングライン５４１の位置で第１絶縁体５２１の底面５２１ａから第１絶縁体５２１の外方に延出している。同様に、第２電力端子４６１ｂは、パーティングライン５４１の位置で第１絶縁体５２１の底面５２１ａから第１絶縁体５２１の外方に延出している。なお、第１電力端子４６１ａ及び第２電力端子４６１ｂの少なくとも１つは、端面５２１ｃまたは端面５２１ｄから第１絶縁体５２１の外方に延出していてもよい。５本の信号端子５０１は、パーティングライン５４１の位置で第１絶縁体５２１の上面５２１ｂから方向Ａに沿って突出している。
第２絶縁体６２１は、半導体モジュール１６１の構成部材を絶縁する絶縁層である。第２絶縁体６２１は、第１放熱面３４１ｃを被覆している。第２絶縁体６２１は、第１放熱面３４１ｃを被覆する平坦な矩形状の第１面６２１ａ（図１１参照）、及び、第１面６２１ａと対向し第１放熱面３４１ｃと平行な第２面６２１ｂ（図１１参照）を有している。第２面６２１ｂは平坦な矩形状である。第２絶縁体６２１は、方向Ｂにおいて均一の厚さで形成された平板形状である。第２絶縁体６２１の第２面６２１ｂは、冷却器の平坦な受熱面に接着させるために平坦面で構成されている。なお、第２絶縁体６２１の第１面６２１ａ及び第２面６２１ｂの形状は、矩形状以外の形状であってもよい。
第２絶縁体６２１は、第１絶縁体５２１よりも高い熱伝導性（熱伝導率）を有した絶縁材料で構成されている。第２絶縁体６２１は、例えば、熱伝導性かつ絶縁性を有しているフィラーを樹脂に混ぜた材料で構成されている。樹脂は、例えば、エポキシ樹脂や、ポリイミド樹脂などが用いられるが、これに限定されない。フィラーは、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）フィラー、アルミナフィラーなどが用いられるが、これに限定されない。
第３絶縁体６２２は、半導体モジュール１６１の構成部材を絶縁する絶縁層である。第３絶縁体６２２は、第２放熱面３６１ｃを被覆している。第３絶縁体６２２は、第２放熱面３６１ｃを被覆する平坦な矩形状の第１面６２２ａ（図１１参照）、及び、第１面６２２ａ（図１１参照）と対向し第２放熱面３６１ｃと平行な第２面６２２ｂ（図１１参照）を有している。第２面６２２ｂは平坦な矩形状である。第３絶縁体６２２は、方向Ｂにおいて均一の厚さで形成された平板形状である。第３絶縁体６２２の方向Ｂにおける厚さは第２絶縁体６２１の方向Ｂにおける厚さと略同一である。第３絶縁体６２２の第２面６２２ｂは、冷却器の平坦な受熱面に接着させるために平坦面で構成されている。なお、第３絶縁体６２２の第１面６２２ａ及び第２面６２２ｂの形状は、矩形状以外の形状であってもよい。第３絶縁体６２２は、第２絶縁体６２１と同様の材料で構成されている。つまり、第３絶縁体６２２は、第１絶縁体５２１よりも高い熱伝導性（熱伝導率）を有した絶縁材料で構成されている。なお、第２絶縁体６２１及び第３絶縁体６２２が含むフィラーは、第２絶縁材料（上述したような樹脂など）よりも熱伝導率が高い。
以上により、第１導電体３４１は、第１絶縁体５２１または第２絶縁体６２１の何れかによって、露出することなく被覆されることで絶縁されている。同様に、第２導電体３６１は、第１絶縁体５２１または第３絶縁体６２２の何れかによって、露出することなく被覆されることで絶縁されている。
上述した半導体モジュール１６１は、以下のように構成される。第１半導体素子３８１は、第１電極３８１ａと、第１電極３８１ａと対向する面に形成されている第２電極３８１ｂとを有する。第２半導体素子４０１についても同様である。第１導電体３４１は、第１電極３８１ａ及び第１電極４０１ａと電気的に接続する第１接合面３４１ａ、及び、第１放熱面３４１ｃを有する。第２導電体３６１は、第２電極３８１ｂ及び第２電極４０１ｂと電気的に接続する第２接合面３６１ａ、及び、第２放熱面３６１ｃを有する。第１絶縁体５２１は、第１絶縁材料で構成され第１半導体素子３８１及び第２半導体素子４０１を封止するように形成されている。第１絶縁体５２１は、第１外囲部分ということもできる。第２絶縁体６２１は、第１絶縁材料よりも熱伝導率が高い第２絶縁材料で構成され第１放熱面３４１ｃに接するように形成されている。第３絶縁体６２２は、第１絶縁材料よりも熱伝導率が高い第２絶縁材料で構成され第２放熱面３６１ｃに接するように形成されている。第２絶縁体６２１及び第３絶縁体６２２は、第２外囲部分ということもできる。半導体モジュール１６１の外囲器７１１は、第１絶縁体５２１、第２絶縁体６２１及び第３絶縁体６２２で構成されている。
さらに、第１放熱面３４１ｃは第１接合面３４１ａと対向し、第２放熱面３６１ｃは第２接合面３６１ａと対向する。第２絶縁体６２１は、第１放熱面３４１ｃと接する領域を含む第１面６２１ａ及び第１面６２１ａに平行な第２面６２１ｂを有する。第３絶縁体６２２は、第２放熱面３６１ｃと接する領域を含む第１面６２２ａ及び第１面６２２ａに平行な第２面６２２ｂを有する。
上述のように構成されている半導体モジュール１６１は、冷却器を備える半導体電力変換装置に搭載される。半導体モジュール１６１は、冷却器が備える平坦な２つの受熱面によって第２絶縁体６２１側及び第３絶縁体６２２側から挟まれた状態で半導体電力変換装置に搭載される。第２絶縁体６２１の第２面６２１ｂ及び第３絶縁体６２２の第２面６２２ｂは、冷却器の受熱面と接する。つまり、第１半導体素子３８１は、第１電極３８１ａと対向する受熱面及び第２電極３８１ｂと対向する受熱面の両側から冷却される。第２半導体素子４０１は、第１電極４０１ａと対向する受熱面及び第２電極４０１ｂと対向する受熱面の両側から冷却される。半導体モジュール１６１は、第２絶縁体６２１及び第３絶縁体６２２を介して放熱する。
このように半導体素子を両側から冷却可能な半導体モジュールの例としては、絶縁材料で構成された基板を備える半導体モジュールがある。このような半導体モジュールでは、基板が冷却器の受熱面に直接接触する。このような半導体モジュールは基板を介して冷却される。しかしながら、絶縁材料で構成される基板は高コストである。これに対して、半導体モジュール１６１は、絶縁材料の基板の代わりに、絶縁性及び放熱性を備える第２絶縁体６２１及び第３絶縁体６２２を備えている。このような半導体モジュール１６１は、絶縁材料の基板を備える半導体モジュールと比較して低コストで製造可能である。
半導体モジュール１６１を冷却器に配置した際に、第２絶縁体６２１は、第１放熱面３４１ｃと受熱面の間に存在する。同様に、第３絶縁体６２２は、第２放熱面３６１ｃと受熱面の間に存在する。第２絶縁体６２１は、第１放熱面３４１ｃから受熱面までの最短の放熱経路に位置している。同様に、第３絶縁体６２２は、第２放熱面３６１ｃから受熱面までの最短の放熱経路に位置している。第２絶縁体６２１及び第３絶縁体６２２が上述のような高熱伝導性を有する材料で構成されているので、第１導電体３４１及び第２導電体３６１の放熱性は高まる。
さらに、半導体モジュール１６１は、上述したように第１放熱面３４１ｃ及び第２放熱面３６１ｃが既に第２絶縁体６２１及び第３絶縁体６２２で被覆されている。半導体モジュール１６１は、冷却器に配置される際に、受熱面に対する更なる絶縁処理を必要としない。
さらに、半導体モジュール１６１は、冷却器に配置される際に、第１放熱面３４１ｃから受熱面までの間隔及び第２放熱面３６１ｃから受熱面までの間隔を第２絶縁体６２１及び第３絶縁体６２２によって管理できる。第２絶縁体６２１及び第３絶縁体６２２の方向Ｂにおける厚さは、受熱面に対する絶縁性、及び、第１導電体３４１及び第２導電体３６１の放熱性のバランスを考慮して略同一の所定の厚さに決定されている。半導体モジュール１６１が冷却器に配置されるだけで、第１放熱面３４１ｃから受熱面までの距離及び第２放熱面３６１ｃから受熱面までの距離は、第２絶縁体６２１及び第３絶縁体６２２で規定された所定の間隔になる。そのため、半導体モジュール１６１は、冷却器に配置後のさらなる間隔調整を必要としない。
さらに、冷却器に複数の半導体モジュール１６１を配置する場合であっても、各半導体モジュール１６１は、受熱面に対する上述の絶縁処理及び間隔調整を必要としない。そのため、各半導体モジュール１６１の放熱性、及び、放熱性に起因する性能がばらつくことはない。
以上により、半導体モジュール１６１を冷却器に複数個配置する場合であっても、放熱性を損わせることなく冷却器の受熱面上に半導体モジュール１６１を容易に固定することができる。結果として、半導体モジュール１６１の配置不良に起因する半導体電力変換装置の性能の低下を防ぐことができる。
なお、第２絶縁体６２１の第２面６２１ｂ及び第３絶縁体６２２の第２面６２２ｂは切削加工が施されていてもよい。切削加工は、例えば、ダイヤモンドチップを用いたフライス加工によって行われる。第２絶縁体６２１の第２面６２１ｂ及び第３絶縁体６２２の第２面６２２ｂは、切削加工によってフィラーが微細な凹凸として表れ、荒れた状態の切削面となる。半導体モジュール１６１を冷却器の受熱面上に例えばシリコーン接着剤で接着する際、シリコーン接着剤は、第２絶縁体６２１の第２面６２１ｂ及び第３絶縁体６２２の第２面６２２ｂの凹凸部分に入り込み硬化する。凹凸部分よるアンカー効果により、半導体モジュール１６１と冷却器との接合強度は大きくなる。
図１１は、半導体モジュール１６１の製造方法の一例を説明するための図である。なお、図１１は、第１接合面３４１ａ及び第２接合面３６１ａに直交する平面における半導体モジュール１６１の断面の一例を示す図である。なお、図１１には、半導体モジュール１６１における第１電力端子４６１ａ及び第２電力端子４６１ｂの位置を示すために便宜的にこれらを示している。断面の位置によっては、第１電力端子４６１ａ及び第２電力端子４６１ｂのうちの少なくとも１つが現れないこともありうる。半導体モジュール１６１の製造方法は、例えば、リフロー工程と、１次モールド工程と、１次切削工程と、２次モールド工程と、２次切削工程とを有している。
図１１の（ａ）は、半導体モジュール１６１のリフロー工程後の状態を示す図である。リフロー工程は、半導体モジュール１６１の構成部材を半田で接合する工程である。
リフロー工程では、第１導電体３４１と、第２導電体３６１と、第１半導体素子３８１と、第２半導体素子４０１と、第１凸型導電体４４１ａと、第２凸型導電体４４１ｂと、第１電力端子４６１ａと、接続部４８１と、信号端子５０１を、図９を用いて説明したように接合する。
リフロー工程では、第１半導体素子３８１が有する第１電極３８１ａを第１導電体３４１が有する第１接合面３４１ａに電気的に接続し、第１半導体素子３８１が有する第２電極３８１ｂを第１接合面３４１ａと対向した第２導電体３６１が有する第２接合面３６１ａに電気的に接続する。同様に、第２半導体素子４０１が有する第１電極４０１ａを第１導電体３４１が有する第１接合面３４１ａに電気的に接続し、第２半導体素子４０１が有する第２電極４０１ｂを第１接合面３４１ａと対向した第２導電体３６１が有する第２接合面３６１ａに電気的に接続する。なお、リフロー工程時における第１導電体３４１は、第１接合面３４１ａと対向する平坦な矩形状の面３４１ｇを有している。リフロー工程時において、第１導電体３４１の方向Ｂにおける幅は、図９を用いて説明した第１導電体３４１の方向Ｂにおける幅よりも大きく形成されている。同様に、リフロー工程時における第２導電体３６１は、第２接合面３６１ａと対向する平坦な矩形状の面３６１ｇを有している。リフロー工程時において、第２導電体３６１の方向Ｂにおける幅は、図９を用いて説明した第２導電体３６１の方向Ｂにおける幅よりも大きく形成されている。その理由は、後述する１次切削工程により第１導電体３４１の面３４１ｇ及び第２導電体３６１の面３６１ｇを切削し、第１導電体３４１の方向Ｂにおける幅と第２導電体３６１の方向Ｂにおける幅とを略同一にするためである。
図１１の（ｂ）は、半導体モジュール１６１の１次モールド工程後の状態を示す図である。１次モールド工程は、第１絶縁体５２１を用いて、第１半導体素子３８１及び第２半導体素子４０１を封止し、第１導電体３４１、第２導電体３６１、第１凸型導電体４４１ａ、第２凸型導電体４４１ｂ、第１電力端子４６１ａの基端部、第２電力端子４６１ｂの基端部、接続部４８１、及び信号端子５０１の基端部を被覆する工程である。１次モールド工程は、例えば、図示しない金型に第１樹脂材料を注入するトランスファーモールドで行われる。第１樹脂材料は、第１絶縁体５２１を形成する。第１樹脂材料を注入するためのゲート位置は、第１導電体３４１の面３４１ｂ近傍または第２導電体３６１の面３６１ｂ近傍に設置される。１次モールド工程は、既存のモールド装置で行うことができる。金型温度は、例えば、１８０℃、成形圧力は、例えば、１５ＭＰａ程度である。１次モールド工程により、第１絶縁体５２１は、第１導電体３４１の全面および第２導電体３６１の全面を被覆する。
図１１の（ｃ）は、半導体モジュール１６１の１次切削工程後の状態を示す図である。１次切削工程は、第１絶縁体５２１、第１導電体３４１及び第２導電体３６１の一部を切削することで、第１接合面３４１ａと対向し、第１絶縁体５２１から露出した第１放熱面３４１ｃを第１導電体３４１に形成するとともに、第２接合面３６１ａと対向し、第１絶縁体５２１から露出した第２放熱面３６１ｃを第２導電体３６１に形成する工程である。なお、切削加工以外にも、研削、研磨、切り落としでもよい。そのため、本明細書における切削加工は、これらの総称となる除去加工とすることができる。
第１切削工程は、方向Ｂに沿って面３４１ｇ近傍の第１絶縁体５２１の外面から行われる。同様に、第１切削工程は、方向Ｂに沿って面３６１ｇ近傍の第１絶縁体５２１の外面からも行われる。
第１切削工程により、面３４１ｇを被覆していた第１絶縁体５２１は切削される。面３４１ｇが露出した後、第１導電体３４１が面３４１ｇ側からさらに方向Ｂに沿って切削されると、第１導電体３４１には、第１接合面３４１ａと平行な第１導電体３４１から露出した第１放熱面３４１ｃが形成される。なお、第１導電体３４１の切削に伴い、第１導電体３４１の面３４１ｂ、面３４１ｄ、面３４１ｅ及び面３４１ｆを被覆していた第１絶縁体５２１の一部も切削される。同様に、第１切削工程により、面３６１ｇを被覆していた第１絶縁体５２１は切削される。面３６１ｇが露出した後、第２導電体３６１が面３６１ｇ側からさらに方向Ｂに沿って切削されると、第２導電体３６１には、第２接合面３６１ａと平行な第２導電体３６１から露出した第２放熱面３６１ｃが形成される。なお、第２導電体３６１の切削に伴い、第２導電体３６１の面３６１ｂ、面３６１ｄ、面３６１ｅ及び面３６１ｆを被覆していた第１絶縁体５２１の一部も切削される。なお、第１切削工程による切削量により、面３４１ｇが第１放熱面３４１ｃに対応し、面３６１ｇが第２放熱面３６１ｃに対応することもある。１次切削工程は、例えば、ダイヤモンドチップを用いたフライス加工によって行われる。
図１１の（ｄ）は、半導体モジュール１６１の２次モールド工程後の状態を示す図である。２次モールド工程は、第２絶縁体６２１で第１放熱面３４１ｃを被覆し、第３絶縁体６２２で第２放熱面３６１ｃを被覆する工程である。２次モールド工程は、例えば、図示しない金型に第２絶縁体６２１及び第３絶縁体６２２を形成するための第２樹脂材料を注入するトランスファーモールドで行われる。第２樹脂材料を注入するためのゲート位置は、第１放熱面３４１ｃと対向する位置及び第２放熱面３６１ｃと対向する位置に設置される。金型温度は、例えば、１８０℃、成形圧力は、例えば、１５ＭＰａ程度である。２次モールド工程により、第２絶縁体６２１は第１放熱面３４１ｃを被覆するように形成され、第３絶縁体６２２は第２放熱面３６１ｃを被覆するように形成される。
第２絶縁体６２１は、第１放熱面３４１ｃを被覆する平坦な第１面６２１ａを有している。さらに、第２絶縁体６２１は、第１面６２１ａと対向する面を有している。この面には、２次モールド工程に起因するゲート跡、パーティングライン、パーティング部の段差ができることがある。第１面６２１ａと対向する面は、上述したように冷却器の平坦な受熱面に接触させるため、ゲート跡等を切削した平坦面で構成される必要がある。第１面６２１ａと対向する面は、後述する２次切削工程によって第１放熱面３４１ｃと平行な平坦面に加工される。そのため、２次モールド工程では、第２絶縁体６２１は、方向Ｂにおける厚さが後述する２次切削工程後に予め定められた所定の厚さになるように、この所定の厚さよりも厚く半導体モジュール１６１に形成される。
第３絶縁体６２２は、第２放熱面３６１ｃを被覆する平坦な第１面６２２ａを有している。さらに、第３絶縁体６２２は、第１面６２２ａと対向する面を有している。この面には、２次モールド工程に起因するゲート跡、パーティングライン、パーティング部の段差ができることがある。第１面６２２ａと対向する面は、上述したように冷却器の平坦な受熱面に接触させるため、ゲート跡等を切削した平坦面で構成される必要がある。第１面６２２ａと対向する面は、後述する２次切削工程によって第２放熱面３６１ｃと平行な平坦面に加工される。そのため、２次モールド工程では、第３絶縁体６２２は、方向Ｂにおける厚さが後述する２次切削工程後に予め定められた所定の厚さになるように、この所定の厚さよりも厚く半導体モジュール１６１に形成される。
図１１の（ｅ）は、半導体モジュール１６１の２次切削工程後の状態を示す図である。２次切削工程は、第１導電体３４１の第１放熱面３４１ｃが露出しない範囲内で、第１放熱面３４１ｃを被覆する第１面６２１ａと対向し第１放熱面３４１ｃと平行な第２面６２１ｂを第２絶縁体６２１に形成する工程である。第２絶縁体６２１は、方向Ｂに沿って、第１面６２１ａと対向する面から第１面６２１ａ側に向けて切削される。第２絶縁体６２１は、第１導電体３４１の第１放熱面３４１ｃが露出しない範囲内、かつ、方向Ｂにおいて予め定められた所定の厚さになるまで切削加工される。
同様に、２次切削工程は、第２導電体３６１の第２放熱面３６１ｃが露出しない範囲内で、第２放熱面３６１ｃを被覆する第１面６２２ａと対向し第２放熱面３６１ｃと平行な第２面６２２ｂを第３絶縁体６２２に形成する工程である。第３絶縁体６２２は、方向Ｂに沿って、第１面６２２ａと対向する面から第１面６２２ａ側に向けて切削される。第３絶縁体６２２は、第２導電体３６１の第２放熱面３６１ｃが露出しない範囲内、かつ、方向Ｂにおいて予め定められた所定の厚さになるまで切削加工される。
２次切削工程後、第２絶縁体６２１には、第１面６２１ａと対向し第１放熱面３４１ｃと平行な第２面６２１ｂが形成される。第２絶縁体６２１は、方向Ｂにおいて予め定められた所定の均一の厚さで形成される。１次モールド工程で第２絶縁体６２１にできたゲート跡、パーティングライン、パーティング部の段差は、２次切削工程により、第２絶縁体６２１から取り除かれる。同様に、２次切削工程後、第３絶縁体６２２には、第１面６２２ａと対向し第２放熱面３６１ｃと平行な第２面６２２ｂが形成される。第３絶縁体６２２は、方向Ｂにおいて予め定められた所定の均一の厚さで形成される。１次モールド工程で第３絶縁体６２２にできたゲート跡、パーティングライン、パーティング部の段差は、２次切削工程により、第３絶縁体６２２から取り除かれる。
２次切削工程は、１次切削工程と同様に、例えば、ダイヤモンドチップを用いたフライス加工によって行われる。２次切削工程の精度は機械加工精度のみで決まる。
本実施形態の半導体モジュール１６１の製造方法によれば、モールド装置や切削装置のような既存の装置を用いるだけで、半導体モジュール１６１に取り付けた第２絶縁体６２１及び第３絶縁体６２２の方向Ｂにおける厚さを予め定められた所定の厚さに高精度で加工することができる。さらに、第２絶縁体６２１の第２面６２１ｂが第１放熱面３４１ｃと平行になるように、及び、第３絶縁体６２２の第２面６２２ｂが第２放熱面３６１ｃと平行になるように、高精度で加工することができる。
以上により、放熱性を損わせることなく冷却器の受熱面上に容易に固定することができる半導体モジュール１６１を製造することができる。
上述した半導体モジュール１６１の製造方法の各工程は、以下のように行われる。上述のリフロー工程は、第１半導体素子３８１が有する第１電極３８１ａを第１導電体３４１が有する第１接合面３４１ａに電気的に接続し、第１半導体素子３８１が有する第１電極３８１ａと対向する面に形成されている第２電極３８１ｂを第２導電体３６１が有する第２接合面３６１ａに電気的に接続する工程である。第２半導体素子４０１についても同様である。
上述の１次モールド工程は、第１絶縁材料を用いて、第１半導体素子３８１及び第２半導体素子４０１を封止して第１絶縁体５２１を形成する工程である。
上述の１次切削工程は、第１絶縁体５２１の一部、第１導電体３４１の一部及び第２導電体３６１の一部を除去加工し、第１導電体３４１に第１放熱面３４１ｃを形成し、第２導電体３６１に第２放熱面３６１ｃを形成する工程である。
上述の２次モールド工程は、第１絶縁材料よりも熱伝導率が高い第２絶縁材料を用いて、第１放熱面３４１ｃと第２放熱面３６１ｃに接するように第２絶縁体６２１及び第３絶縁体６２２を含む第２外囲部分を形成する工程である。
上述の２次切削工程は、第２外囲部分の一部を除去加工し、第１放熱面３４１ｃに平行な面を第２外囲部分に形成する工程である。
さらに、上述の２次切削工程は、第２外囲部分の一部を除去加工し、第２放熱面３６１ｃに平行な面を第２外囲部分に形成する工程でもある。
さらに、１次切削工程における第１導電体３４１に第１放熱面３４１ｃを形成する工程は、第１導電体３４１に第１接合面３４１ａと対向する第１放熱面３４１ｃを形成する工程である。１次切削工程における第２導電体３６１に第２放熱面３６１ｃを形成する工程は、第２導電体３６１に第２接合面３６１ａと対向する第２放熱面３６１ｃを形成する工程である。
なお、上記実施形態では、第１接合面３４１ａ及び第２接合面３６１ａ（これらに接合される第１半導体素子３８１および第２半導体素子４０１）が冷却器の受熱面に対して水平となる半導体モジュール１６１の例を説明したが、受熱面に対する角度は水平以外であってもよく、特に限定されない。
なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその
要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に
開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例
えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、
異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、半導体モジュールおよび電力変換装置の構成部材の寸法、形状等は、前述した
実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］第１電極と、前記第１電極と対向する面に形成されている第２電極とを有する半導体素子と、
前記第１電極と電気的に接続する第１接合面、及び、第１放熱面を有する第１導電体と、
前記第２電極と電気的に接続する第２接合面、及び、第２放熱面を有する第２導電体と、
第１絶縁材料で構成され前記半導体素子を封止するように形成されている第１外囲部分と、前記第１絶縁材料よりも熱伝導率が高い第２絶縁材料で構成され前記第１放熱面と前記第２放熱面に接するように形成されている第２外囲部分とを有する外囲器と、
を備える、半導体モジュール。
［２］前記第２放熱面は前記第１放熱面を含む仮想平面上に位置し、
前記第２外囲部分は、前記第１放熱面と接する領域と前記第２放熱面と接する領域とを含む第１面、及び、前記第１面に平行な第２面を有する、
［１］に記載の半導体モジュール。
［３］前記第１放熱面は前記第１接合面と対向し、
前記第２放熱面は前記第２接合面と対向し、
前記第２外囲部分は、前記第１放熱面と接する領域を含む第１面及び前記第１面に平行な第２面を有し、前記第２放熱面と接する領域を含む第３面及び前記第３面に平行な第４面を有する、［１］に記載の半導体モジュール。
［４］前記第２外囲部分は、前記第２絶縁材料よりも熱伝導率が高いフィラーを含む、［１］から［３］のうちの何れか１項に記載の半導体モジュール。
［５］［１］から［４］のうちの何れか１項に記載の半導体モジュールと、
冷却器と、
を備える半導体電力変換装置。
［６］半導体素子が有する第１電極を第１導電体が有する第１接合面に電気的に接続し、前記半導体素子が有する前記第１電極と対向する面に形成されている第２電極を第２導電体が有する第２接合面に電気的に接続する工程と、
第１絶縁材料を用いて、前記半導体素子を封止して第１外囲部分を形成する工程と、
前記第１外囲部分の一部、前記第１導電体の一部及び前記第２導電体の一部を除去加工し、前記第１導電体に第１放熱面を形成し、前記第２導電体に第２放熱面を形成する工程と、
前記第１絶縁材料よりも熱伝導率が高い第２絶縁材料を用いて、前記第１放熱面と前記第２放熱面に接するように第２外囲部分を形成する工程と、
前記第２外囲部分の一部を除去加工し、前記第１放熱面に平行な面を前記第２外囲部分に形成する工程と、
を備える半導体モジュールの製造方法。
１０…半導体電力変換装置、１２…冷却器、１４…支持フレーム、１６…半導体モジュール、１８…冷却ブロック、１８ａ…受熱面、２０…冷媒流路、２２…設置空間部、２４…接続端子、２６…バスバー、２８…入力端子、３０…出力端子、３２…制御回路基板、３４…第１導電体、３４ａ…第１接合面、３４ｂ…第１放熱面、３６…第２導電体、３６ａ…第２接合面、３６ｂ…第２放熱面、３８…第１半導体素子、３８ａ…第１電極、３８ｂ…第２電極、３８ｃ…接続端子、４０…第２半導体素子、４０ａ…第１電極、４０ｂ…第２電極、４２ａ〜４２ｆ…接合体（半田シート）、４４ａ…第１凸型導電体、４４ｂ…第２凸型導電体、４５ａ…凸部、４５ｂ…凸部、４６ａ…電力端子、４６ｂ…電力端子、４７ａ…接触部、４７ｂ…接触部、４８…接続部、５０…信号端子、５０ａ…エミッタ分岐端子、５０ｂ…電流モニタ端子、５０ｃ…ゲート端子、５０ｄ…チップ温度モニタ端子、５０ｅ…チップ温度モニタ端子、５１ａ…開口、５１ｂ…開口、５２…第１絶縁体、５２ａ…側面、５２ｂ…側面、５２ｃ…底面、５２ｄ…上面、５２ｅ…端面、５３ａ…端部、５４…パーティングライン、５６…凹所、６２…第２絶縁体、７１…外囲器、１６１…半導体モジュール、３４１…第１導電体、３４１ａ…第１接合面、３４１ｃ…第１放熱面、３６１…第２導電体、３６１ａ…第２接合面、３６１ｃ…第２放熱面、３８１…第１半導体素子、３８１ａ…第１電極、３８１ｂ…第２電極、４０１…第２半導体素子、４０１ａ…第１電極、４０１ｂ…第２電極、４６１ａ…第１電力端子、４６１ｂ…第２電力端子、５０１…信号端子、５２１…第１絶縁体、５４１…パーティングライン、６２１…第２絶縁体、６２１ａ…第１面、６２１ｂ…第２面、６２２…第３絶縁体、６２２ａ…第１面、６２２ｂ…第２面、７１１…外囲器。

Claims (1)

  1. 半導体素子が有する第１電極を第１導電体が有する第１接合面に電気的に接続し、前記半導体素子が有する前記第１電極と対向する面に形成されている第２電極を第２導電体が有する第２接合面に電気的に接続する工程と、
    第１絶縁材料を用いて、前記半導体素子を封止して第１外囲部分を形成する工程と、
    前記第１外囲部分の一部、前記第１導電体の一部及び前記第２導電体の一部を除去加工し、前記第１導電体に第１放熱面を形成し、前記第２導電体に第２放熱面を形成する工程と、
    前記第１絶縁材料よりも熱伝導率が高い第２絶縁材料を用いて、前記第１放熱面と前記第２放熱面に接するように第２外囲部分を形成する工程と、
    前記第２外囲部分の一部を除去加工し、前記第１放熱面に平行な面を前記第２外囲部分に形成する工程と、
    を備える半導体モジュールの製造方法。
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