JP6667737B1 - 半導体モジュールおよび電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

半導体チップの制御信号電極と制御信号端子とを確実に接続しつつ小型化を図ることが可能な半導体モジュールおよび電力変換装置が得られる。半導体モジュールは、ベース部材（３１）と、半導体チップ（１）と、位置決め部材（６）と、制御信号端子（４）とを備える。半導体チップ（１）は、ベース部材（３１）上に搭載される。半導体チップ（１）は制御信号電極（３）を含む。位置決め部材（６）は、半導体チップ（１）の外周端部に接触する位置決め部（６ａ）を含む。位置決め部材（６）は、ベース部材（３１）上に配置されている。制御信号端子（４）は、位置決め部材（６）に固定される。制御信号端子（４）は、制御信号電極（３）と接続される。

Description

この発明は、半導体モジュールおよび電力変換装置に関する。
従来、輸送機器などに搭載されるパワー半導体モジュールに代表される半導体モジュールが知られている。このような半導体モジュールは、たとえば電力変換装置の構成部品として用いられる。たとえば、特開２００９−１０５２６７号公報では、半導体モジュールに含まれる半導体チップの主電極上に金属ブロックが接合されている。上記半導体モジュールでは、樹脂ケースと一体化された外部導出端子の先端付近と金属ブロックとを直接接合している。この結果、中継基板をなくし、半導体モジュールの小型化を図っている。
特開２００９−１０５２６７号公報
ここで、上述した半導体モジュールにおいて、半導体チップの動作を制御するための制御信号電極と半導体モジュールの外部とを電気的に接続する信号配線としては、ボンディングワイヤーなどの部材が用いられる。当該ボンディングワイヤを制御信号電極にワイヤボンディング法により接合するため、当該ワイヤボンディング法に用いる接合ツールが可動する領域を半導体モジュール中に確保する必要がある。この結果、半導体モジュールの小型化が不十分であった。
さらに、制御信号電極は、大電流の流れる主電極とは異なり、半導体チップ表面上で占める面積が非常に小さい。そのため、上述した金属ブロックと接合された外部導出端子と同様に、制御信号電極に接合されるべき制御信号端子を樹脂ケースと一体化しても、樹脂ケースと半導体チップとの相対的な位置決め精度が不十分であるため、制御信号電極と制御信号端子とを正確に位置決めして接続することは難しい。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、半導体チップの制御信号電極と制御信号端子とを確実に接続しつつ小型化を図ることが可能な半導体モジュールおよび電力変換装置を提供することである。
本開示に従った半導体モジュールは、ベース部材と、半導体チップと、位置決め部材と、制御信号端子とを備える。半導体チップは、ベース部材上に搭載される。半導体チップは制御信号電極を含む。位置決め部材は、半導体チップの外周端部に接触する位置決め部を含む。位置決め部材は、ベース部材上に配置されている。制御信号端子は、位置決め部材に固定される。制御信号端子は、制御信号電極と接続される。
本開示に従った電力変換装置は、主変換回路と制御回路とを備える。主変換回路は、上記半導体モジュールを有する。主変換回路は、入力される電力を変換して出力する。制御回路は、主変換回路を制御する制御信号を主変換回路に出力する。
上記によれば、半導体チップの制御信号電極に接続される制御信号端子は、位置決め部材に固定される。さらに、当該位置決め部材は半導体チップの外周端部に接触するように配置されている。このため、半導体チップの制御信号端子と制御信号端子とを確実に接続しつつ小型化を図ることが可能な半導体モジュールおよび電力変換装置が得られる。
実施の形態１に係る半導体モジュールを示す上面模式図である。 図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。 図１に示した半導体モジュールの変形例を示す断面模式図である。 実施の形態２に係る半導体モジュールを示す部分上面模式図である。 図４の線分Ｖ−Ｖにおける部分断面模式図である。 実施の形態３に係る半導体モジュールを示す部分断面模式図である。 実施の形態４に係る半導体モジュールを示す部分断面模式図である。 実施の形態５に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
実施の形態１．
＜半導体モジュールの構成＞
図１は、実施の形態１に係る半導体モジュールを示す上面模式図である。図２は、図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。図３は、図１に示した半導体モジュールの変形例を示す断面模式図である。
図１および図２に示す半導体モジュールは、冷却器１８と、ベース部材３１と、半導体チップ１、２と、位置決め部材６と、制御信号端子４と、第１の主端子１０と、第２の主端子１２と、絶縁性の材料からなるケース１４と、封止部材としての封止樹脂１９とを主に備える。冷却器１８の上面上に接合材１７を介してベース部材３１が固定されている。ベース部材３１は、絶縁部材１５と、当該絶縁部材１５の表面に形成された回路パターン９と、絶縁部材１５の裏面に形成された金属層１６とを含む。絶縁部材１５の形状はたとえば板状である。ベース部材３１の平面形状はたとえば四角形状である。
回路パターン９の表面上にチップ接合材８を介して半導体チップ１，２が接合されている。半導体チップ１，２はたとえばパワー半導体チップである。半導体チップ１，２は互いに間隔を隔てて配置されている。半導体チップ１，２の表面には主電極７がそれぞれ形成されている。半導体チップ１，２の主電極７にはそれぞれ第１の主端子１０が接続されている。主電極７と第１の主端子１０とは接合材１１を介して接続されている。第２の主端子１２は接合材１３を介して回路パターン９に接続されている。
第１の主端子１０および第２の主端子１２はそれぞれケース１４に部分的に固定されている。第１の主端子１０および第２の主端子１２における外部接続部となる外周側端部はケース１４より外側に配置されている。
半導体チップ１の外周端部に接触するように位置決め部材６が配置されている。位置決め部材６は、たとえば絶縁性の材料からなるブロックであって、図１および図２に示すように半導体チップ１の外周を囲む側壁部を有する。位置決め部材６には、側壁部の上側に連なる上面側に開口部６ｃが形成されている。位置決め部材６には制御信号端子４が固定されている。半導体チップ１の表面には制御信号電極３が形成されている。制御信号端子４の少なくとも一部は制御信号電極３の上に位置している。制御信号端子４と制御信号電極３とは接合部材５により接続されている。
位置決め部材６の下面は回路パターン９に固定されている。位置決め部材６の内周側の下部、つまり位置決め部材６の側壁部において回路パターン９に隣接する部分には、チップ接合材８から離れるように凹んだ凹部６ｂが形成されている。凹部６ｂ上には、半導体チップ１の第１端部１ａおよび第２端部１ｂと接触することが可能な位置決め部６ａが形成されている。位置決め部６ａは凹部６ｂより半導体チップ１側に位置している。位置決め部６ａは第１端部１ａおよび第２端部１ｂと接触していてもよい。位置決め部６ａより上側に位置する位置決め部材６の側壁部の内周面は、位置決め部６ａより半導体チップ１側に突出している。
第１の主端子１０は、平面視において位置決め部材６と重なる部分では、半導体チップ１から離れるように屈曲した形状となっている。ケース１４はベース部材３１の外周を囲むとともに、冷却器１８の外周部と接続されている。ケース１４の内周側には封止樹脂１９が配置されている。封止樹脂１９は、ベース部材３１と、半導体チップ１，２と、位置決め部材６第１の主端子１０および第２の主端子１２の一部と、制御信号端子４の一部とを埋め込むように形成されている。
パワー半導体チップである半導体チップ１，２は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）、フリーホイールダイオード（ＦＷＤ：Free Wheel Diode）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などである。半導体チップの材料としては、たとえばシリコン(Ｓｉ：Ｓｉｌｉｃｏｎ)、炭化珪素（ＳｉＣ：Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ）、窒化ガリウム（ＧａＮ：Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３：Ｇａｌｌｉｕｍ（III） Ｏｘｉｄｅ）などである。但し、半導体チップ１、２の種類や材料はこれらに限られるものではない。図１および２においては半導体チップ１，２の数は合計２個であるが、半導体チップ１、２の数はこれに限られない。
半導体チップ１は、上述のように表面に制御信号電極３と主電極７が設けられている。ただし、半導体チップ１の表面に形成される電極の種類はこれらに限られるものではない。例えば、半導体チップ２の表面には主電極７のみが形成されている。このように、半導体チップ１，２には、制御信号電極３および主電極７のいずれか一方が形成されていてもよい。制御信号電極３および主電極７としては、電気的特性および機械的特性の観点から、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）およびこれらのうちいずれかを主たる成分とする合金のうちの少なくともいずれか１種が用いられる。図1においては制御信号電極３の数が３個であるが、制御信号電極３の数はこれに限られるものではない。
チップ接合材８は、半導体チップ１の図示しない裏面電極と回路パターン９との間に設けられている。チップ接合材８により、半導体チップ１の裏面電極と回路パターン９とが接合される。チップ接合材８としては、例えば、鉛（Ｐｂ）および錫（Ｓｎ）を含有する高温用はんだを用いてもよい。但し、チップ接合材８に用いられる材料はこれに限定されるものではない。例えば、チップ接合材８の材料として、Ａｇナノ粒子ペーストまたはＣｕナノ粒子ペースト、またはＡｇ粒子やＣｕ粒子およびエポキシ樹脂を含む導電性接着材を用いることもできる。
制御信号端子４は、位置決め部材６に部分的に埋設されて挿入して固定されている。制御信号端子４は、一方の先端が制御信号電極３の直上に配置されるように位置決め部材６から突出する。制御信号端子４は、接合部材５を介して制御信号電極３と接合されている。
制御信号端子４におけるもう一方の先端は、位置決め部材６から半導体チップ１側と反対方向に突出している。制御信号端子４を構成する材料としては、電気伝導性が良い材料であればなんでも良い。当該材料として、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などからなる合金が用いられる。但し、制御信号端子４に用いられる材料はこれに限定されるものではない。
接合部材５を構成する材料としては、例えば、鉛（Ｐｂ）フリーの錫（Ｓｎ）系はんだをはじめとするはんだ材などが用いられる。なお、接合部材５に用いられる材料はこれに限定されない。接合部材５に用いられる材料としては、Ａｇナノ粒子ペーストまたはＣｕナノ粒子ペーストを用いた焼結型接合材、またはＡｇ粒子またはＣｕ粒子およびエポキシ樹脂を含む導電性接着材を用いることもできる。
図２においては、制御信号端子４の幅が制御信号電極３の幅よりも小さくなるように構成されている。しかし、制御信号端子４の構成はこれに限定されない。たとえば制御信号端子４の幅は制御信号電極３の幅と同等でもよく、当該制御信号電極３の幅より大きくてもよい。また、図１においては、制御信号端子４の数が３個であるが、制御信号端子４の数はこれに限定されるものではない。
位置決め部材６は、半導体チップ１を囲むように配置される。位置決め部材６には、半導体チップ１直上が露出される開口部６ｃが形成されている。例えば、位置決め部材６は、図示しない接着剤等によって回路パターン９上に固定されている。図１および図２に示すように、位置決め部材６は回路パターン９上に固定されている。さらに、位置決め部材６には、半導体チップ１の外周端部であるエッジに接触する位置決め部６ａが形成されているので、半導体チップ１に対する位置決め部材６の配置を正確に規定できる。そのため、位置決め部材６に固定された制御信号端子４を制御信号電極３の直上に配置することができる。このように、位置決め部材６は、半導体チップ１の外周端部の全周を覆うように形成され、半導体チップ１の外周端部の４カ所に接触可能な位置決め部６ａを備えていてもよい。なお、位置決め部材６の平面形状をＵ字状とし、半導体チップ１の外周端部に対して３方向から対向するように３つの位置決め部６ａを位置決め部材６において形成してもよい。図３には、上記のように３つの位置決め部６ａを有する位置決め部材の断面図を示している。図３では、半導体チップ１において半導体チップ２側に位置決め部材６が形成されていない。このため、第１の主端子１０は半導体チップ１上から半導体チップ２上に向けて屈曲すること無く直線状に形成されている。
位置決め部材６では、少なくとも半導体チップ１の外周端部における隣り合う２辺に対向するように位置決め部６ａを備えていればよい。なお、位置決め部６ａの数は２つ以上であれば３つ以上の任意の数としてもよい。位置決め部材６を構成する材料としては、射出成型可能で耐熱性の高い絶縁性の材料が用いられる。例えば、当該材料として、ポリフェニレンサルファイド（Polyphenylene Sulfide）、ポリブチレンテレフタレート（Polybutylene Terephthaete）、液晶樹脂、フッ素系樹脂などが用いられる。
ここで、半導体チップ１の上面は、絶縁性を高めるために封止樹脂１９により覆われる必要がある。そのため、位置決め部材６は、半導体チップ１の上面に接触しない形状としている。半導体チップ１の上面と位置決め部材６との間に封止樹脂１９を充填できる程度の隙間を設けることが好ましい。
第１の主端子１０および第２の主端子１２を構成する材料としては、電気伝導性が良い材料を用いることができる。当該材料として、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などからなる合金が用いられる。但し、第１の主端子１０および第２の主端子１２に用いられる材料はこれに限定されるものではない。
接合材１１，１３を構成する材料としては、例えば、鉛（Ｐｂ）および錫（Ｓｎ）を含有する高温用はんだなどが用いられる。但し、接合材１１，１３に用いられる材料はこれに限定されるものではない。接合材１１，１３に用いられる材料としては、例えば、Ａｇナノ粒子ペーストまたはＣｕナノ粒子ペーストを用いた焼結型接合材、あるいはＡｇ粒子またはＣｕ粒子などの粒子とエポキシ樹脂とを含む導電性接着材を用いることもできる。また、図１および２に示した半導体モジュールでは、第１の主端子１０および第２の主端子１２がケース１４の表面上に配置されているが、第１の主端子１０および第２の主端子１２の構成はこれに限られない。第１の主端子１０および第２の主端子１２はケース１４に挿入され固定されていてもよい。
図２に示すように、ケース１４は、冷却器１８の外周端部であるエッジを利用して、水平方向および高さ方向における位置の調整を行っている。しかし、この構成にかぎらず、ケース１４は、図３に示すようにベース部材３１の外周端部、たとえばベース部材３１を構成する絶縁部材１５の外周端部を利用して水平方向および高さ方向における位置の調整を行ってもよい。また、ケース１４は、ベース部材３１の他の部材の外周端部、たとえば回路パターン９の外周端部を利用して水平方向および高さ方向における位置の調整を行ってもよい。
絶縁部材１５は、例えばセラミックス基板である。セラミックス基板の材料としては、例えばアルミナ（Aluminum Oxide）、窒化アルミニウム（Aluminum Nitride）、窒化珪素（Silicon Nitride）を用いることができる。但し、セラミックス基板の材料は、これらに限定されない。
回路パターン９および金属層１６を構成する材料として、例えば銅（Ｃｕ）が用いられる。但し、回路パターン９および金属層１６を構成する材料は、これに限定されない。回路パターン９および金属層１６を構成する材料は、絶縁部材１５と直接接合法または活性金属接合法により接合することが可能な材料であることが好ましい。たとえば、回路パターン９および金属層１６を構成する材料は、高い電気伝導性を有する材料であってもよい。
なお、ここで直接接合法とは、回路パターン９および金属層１６と絶縁部材１５とを直接反応により接合する方法である。また、活性金属接合法とは、回路パターン９および金属層１６と絶縁部材１５とを、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等の活性金属を添加したろう材により接合する方法である。ベース部材３１の金属層１６は接合材１７を介して冷却器１８に接合されている。
絶縁部材１５としては、セラミック基板のみならず、例えばセラミックスフィラーを充填した有機材料からなる部材を用いることも可能である。このような有機材料としては、たとえばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シアネート系樹脂等が用いられる。また、セラミックスフィラーを構成する材料としては、たとえばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素等が用いられる。なお、金属層１６および接合材１７を冷却器１８上に設けず、絶縁部材１５を冷却器１８上に設ける構成としてもよい。
冷却器１８は、半導体モジュールの動作中に発生する熱を、半導体モジュールの外部へ放熱する。そのため、冷却器１８は、熱伝導性の良い材料により構成されている。冷却器１８の材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）のいずれかを主たる成分とする合金を用いてもよい。また、当該材料として、炭化珪素（ＳｉＣ）とＡｌとの複合材（Ａｌ−ＳｉＣ）を用いてもよい。なお、冷却器１８を構成する材料はこれらに限定されない。
冷却器１８には接合材１７を介して金属層１６が接合されている。接合材１７を構成する材料として、例えば、ＰｂおよびＳｎを含有する高温用はんだなどを用いることができる。また、接合材１７を構成する材料として、アンチモン（Ｓｂ）を含有した鉛フリーはんだなどを用いてもよい。なお、接合材１７に用いられる材料はこれに限定されない。接合材１７を構成する材料としては、Ａｇナノ粒子ペーストまたはＣｕナノ粒子ペーストを用いた焼結型接合材、またはＡｇ粒子およびＣｕ粒子などに代表される粒子とエポキシ樹脂とを含む導電性接着材を用いることもできる。図２に示すように、冷却器１８には冷媒を流通させるための流路が形成されている。当該流路には、図示しない冷媒循環装置と、熱交換器とが接続されていてもよい。なお、冷却器１８の構成はこれに限定されるものではない。
封止樹脂１９は、ケース１４および回路パターン９により囲まれる領域、つまり半導体モジュールの筐体の内部に充填されている。封止樹脂１９を構成する材料としては、例えば、シリコーン樹脂が用いられる。なお、封止樹脂１９を構成する材料は、これに限られない。例えば、封止樹脂１９を構成する材料としては、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂、ゴム材などを用いることができる。
また、封止樹脂１９は、複数の封止樹脂により形成されていてもよい。例えば、封止樹脂１９を、狭小な隙間などにも封止樹脂１９を充填する必要がある個所については、封止樹脂１９を構成する材料としてゲル状のシリコーン樹脂を使いる。さらに、ゲル状のシリコーン樹脂内の気泡の発生などを抑えるために、当該シリコーン樹脂の上部にエポキシ樹脂を重ねることにより、封止樹脂１９を形成してもよい。また、半導体チップ１に印加される応力を低減するために、位置決め部材６内の封止樹脂１９をエポキシ樹脂などとする一方、ケース１４内であって位置決め部材６の外部に位置する封止樹脂１９をゴム材としてもよい。このように、それぞれに必要な機能性を持たせた樹脂を複数種類用いて、封止樹脂１９を形成してもよい。
図２においては、ケース１４と冷却器１８とにより囲まれた内部領域に封止樹脂１９が充填されている。一方、図３においては、ケース１４と絶縁部材１５とにより囲まれた内部領域に封止樹脂１９が充填されている。封止樹脂１９が充填される内部領域を規定する部材の構成は、上述した例に限定されない。
＜位置決め部材６を用いた位置決め方法＞
ここで、位置決め部材６を用いた位置決め方法について説明する。位置決め部材６の水平方向における位置は、位置決め部材６の位置決め部６ａと半導体チップ１の外周端部である第１端部１ａおよび第２端部１ｂとを接触させることで決定できる。また、位置決め部材６の高さ方向における位置は、位置決め部材６の底面が回路パターン９の表面に固定されることにより規定される。ここで、図２に示すように、チップ接合材８の平面形状が半導体チップ１の平面形状より大きくなる場合がある。この場合、チップ接合材８の上に位置決め部材６の底面が配置されないように、位置決め部材６の内周側面の下部には凹部６ｂが形成される。ただし、チップ接合材８の平面形状が、半導体チップ１の平面形状と同サイズとなる場合は、凹部６ｂを形成しなくてもよい。たとえば、チップ接合材８として、シート状の導電性接着材を用い、当該導電性接着剤を打ち抜きなどの加工により半導体チップ１と同一サイズに切断することができる。この場合、チップ接合材８の平面サイズが半導体チップ１の平面サイズと同じであるため、凹部６ｂを形成しなくてもよい。
位置決め部材６は、たとえば図示しない接着材により外周側の側面と回路パターン９とを接続することにより固定されている。しかし、位置決め部材６を回路パターン９に対して強固に固定するために、位置決め部材６の下面にも接着材を入れる場合がある。この場合、位置決め部材６の回路パターン９側の面である底面に突起部を形成してもよい。当該突起部の周り、つまり位置決め部材６の底面と回路パターン９との間に接着材を配置してもよい。この場合、突起部により回路パターン９の表面から位置決め部材６の高さ位置を正確に規定できる。
＜半導体モジュールの組立方法＞
次に実施の形態１に係る半導体モジュールの組み立て方法を説明する。回路パターン９と絶縁部材１５と金属層１６との接合体であるベース部材３１を準備する。このベース部材３１を絶縁基板とも称する。絶縁基板であるベース部材３１の回路パターン９上に、半導体チップ１、２をチップ接合材８により接合する。
次に、制御信号端子４が挿入固定された位置決め部材６を半導体チップ１の上からかぶせるように配置する。このとき、半導体チップ１の制御信号電極３上には予め接合部材５を配置しておくことが好ましい。位置決め部材６の位置決め部６ａが半導体チップ１の外周端部である第１端部１ａおよび第２端部１ｂに接触する。さらに、位置決め部材６の底面を回路パターン９に固定する。このようにして、位置決め部材６の水平方向および高さ方向の位置を決定できる。この結果、位置決め部材６に固定されている制御信号端子４の先端が半導体チップ１の制御信号電極３の直上に位置決めされる。
従来のワイヤーボンディングにより制御信号電極３にボンディングワイヤを接続する場合、制御信号電極３のそれぞれにワイヤおよび接合ツールを位置合わせことが必要であった。また、接合ツールの可動する領域を確保する必要もあった。しかし、上述した実施の形態１に係る半導体モジュールの組み立て方法では、上記のようなワイヤおよび接合ツールの位置合わせ、および接合ツールの稼働する領域の確保は必要ない。このため、半導体モジュールの小型化を図ることができる。
この後、冷却器１８とベース部材３１の金属層１６との間に接合材１７を配置する。また、ケース１４を冷却器１８上に配置する。第１の主端子１０、第２の主端子１２、接合材１１、１３をそれぞれの予め決められた位置に配置する。たとえば、接合部材５、接合材１１、１３、１７としてはんだ材などを利用する場合、位置決め部材６の位置決め部６ａにより位置決め部材６の半導体チップ１に対する位置を正確に規定することで、制御信号電極３と制御信号端子４とが重なるように位置合わせできる。また、ケース１４が冷却器１８またはベース部材３１に対して位置決めされることにより、第１の主端子１０および第２の主端子１２の位置を半導体チップ１，２および回路パターン９に対して正確に位置決めできる。この状態でリフロー加熱を行うことで、制御信号端子４，第１の主端子１０，第２の主端子１２のそれぞれについて個別に位置調整をしなくても、一度にこれらの端子を正確に位置決めした状態で固定できる。
また、図示したような半導体チップ１，２が２個の場合だけでなく、２個以上の制御信号端子４を備える半導体モジュールの組立方法にも本実施の形態は適用できる。すなわち、それぞれが制御信号電極を有する複数の半導体チップ１に、それぞれに対応する制御信号端子４を備えた位置決め部材６を配置する。この結果、リフロー加熱などにより複数の制御信号端子４を複数の制御信号電極３にそれぞれ同時に接合することができる。ケース１４と第１の主端子１０および第２の主端子１２をさらに配置することにより、制御信号端子４と同時にこられの主端子を接合することができる。この結果、半導体モジュールの組み立て工程における生産性を向上させることができる。
実施の形態１に係る半導体モジュールの構成においては、制御信号端子４が位置決め部材６に挿入して固定されている。さらに、位置決め部材６には、制御信号端子４の先端が、制御信号電極３の直上に配置されるように、位置決め部６ａが配置されている。そのため、半導体チップ１上の制御信号電極３直上に、制御信号端子４を正確に配置して接合できる。また、パワー半導体モジュールの小型化も図ることができる。
＜作用効果＞
本開示に従った半導体モジュールは、ベース部材３１と、半導体チップ１と、位置決め部材６と、制御信号端子４とを備える。半導体チップ１は、ベース部材３１上に搭載される。半導体チップ１は制御信号電極３を含む。位置決め部材６は、半導体チップ１の外周端部に接触する位置決め部６ａを含む。位置決め部材６は、ベース部材３１上に配置されている。制御信号端子４は、位置決め部材６に固定される。制御信号端子４は、制御信号電極３と接続される。
このようにすれば、位置決め部材６の位置決め部６ａが半導体チップ１の外周端部に接触することで、位置決め部材６の半導体チップ１に対する配置を正確に規定できる。そのため、位置決め部材６に固定された制御信号端子４の半導体チップ１に対する相対的な配置も正確に決定できるため、制御信号端子４を制御信号電極３に確実に接続することができる。さらに、制御信号電極にボンディングワイヤを接続する場合のように、ワイヤボンディングに用いる接合ツールの可動領域を確保する必要が無いため、半導体モジュールの小型化を図ることができる。
上記半導体モジュールでは、位置決め部材６はベース部材３１に固定されている。この場合、位置決め部材６を半導体チップ１に隣接する位置に確実に固定できる。
上記半導体モジュールは、制御信号電極３と制御信号端子４とを接合する接合部材５を備える。この場合、接合部材５により制御信号端子４を制御信号電極３に確実に固定できる。
上記半導体モジュールでは、半導体チップ１の平面視において、半導体チップ１の外周端部の外形は四角形状である。位置決め部６ａは、外周端部の外形における隣り合う２辺以上の辺のそれぞれと接触する。この場合、位置決め部材６の半導体チップ１に対する配置を正確に決定できる。
上記半導体モジュールにおいて、半導体チップ１の外周端部は、第１端部１ａと第２端部１ｂとを含む。半導体チップ１の平面視において、第１端部１ａは、第１の方向に延在する。半導体チップ１の平面視において、第２端部１ｂは、第１端部１ａと交差する方向に延びるとともに第１端部１ａと連なる。位置決め部６ａは、第１端部１ａと接触する第１部分と、第２端部１ｂと接触する第２部分とを含む。この場合、位置決め部材６の半導体チップ１に対する配置を正確に決定できる。
上記半導体モジュールにおいて、位置決め部材６には、半導体チップ１において制御信号電極３が形成された表面を露出させる開口部６ｃが形成されている。この場合、開口部６ｃを介して制御信号電極３と制御信号端子４との接続部の状態を容易に確認できる。
実施の形態２．
＜半導体モジュールの構成＞
図４は、実施の形態２に係る半導体モジュールを示す部分上面模式図である。図５は、図４の線分Ｖ−Ｖにおける部分断面模式図である。
図４および図５に示した半導体モジュールは、基本的には図１および図２に示した半導体モジュールと同様の構成を備えるが、位置決め部材６の構成および制御信号端子４の形状が図１および図２に示した半導体モジュールと異なっている。すなわち、図４および図５に示した半導体モジュールでは、位置決め部材６の平面形状がＵ字状であり、３方向に半導体チップ１の外周端部に接触する３つの位置決め部６ａを有している。さらに、制御信号端子４は屈曲部４ｃを有している。制御信号端子４は、位置決め部材６に挿入して固定されている。制御信号端子４は、位置決め部材６の内部に配置され、位置決め部材６と接続された固定部４ａを有する。固定部４ａは屈曲部４ｃを含む。制御信号端子４は、一方の先端である端子部４ｂを含む。端子部４ｂは、制御信号電極３の直上に配置されるように位置決め部材６から突出している。接合部材５を介して端子部４ｂは制御信号電極３と接合されている。制御信号端子４におけるもう一方の先端は、位置決め部材６から半導体チップ１側と反対側に向けて突出している。
図４の位置決め部材６は、半導体チップ１の第１端部１ａと接触する位置決め部６ａと、半導体チップ１の２つの第２端部１ｂと接触する２つの位置決め部６ａとを含む。位置決め部材６は、平面視において半導体チップ１の外周端部に３方向から対向する３つの位置決め部６ａを有する。なお、図４では位置決め部６ａが３方向に存在しているが、半導体チップ１の隣り合う２辺である第１端部１ａと一方の第２端部１ｂとにそれぞれ接触する２つの位置決め部６ａが形成されていればよい。また、位置決め部材６において、図１および図２に示したように４方向から半導体チップ１の外周端部に面する４つの位置決め部６ａを形成してもよい。
図５に示すように、実施の形態２に係る半導体モジュールでは、位置決め部材６において図１および図２に示した半導体モジュールと同様に半導体チップ１を露出させる開口部６ｃが形成されている。さらに、制御信号端子４が屈曲部４ｃを備えている。このため、制御信号電極３と制御信号端子４との接合部の状態を外観検査で確認できる。
＜作用効果＞
上記半導体モジュールにおいて、半導体チップの１外周端部は、第１端部１ａと第２端部１ｂとを含む。半導体チップ１の平面視において、第１端部１ａは、第１の方向に延在する。半導体チップ１の平面視において、第２端部１ｂは、第１端部１ａと交差する方向に延びるとともに第１端部１ａと連なる。位置決め部６ａは、第１端部１ａと接触する第１部分と、第２端部１ｂと接触する第２部分とを含む。この場合、位置決め部材６の半導体チップ１に対する配置を正確に決定できる。
実施の形態３．
＜半導体モジュールの構成＞
図６は、実施の形態３に係る半導体モジュールを示す部分断面模式図である。図６に示した半導体モジュールは、基本的には図４および図５に示した半導体モジュールと同様の構成を備えるが、制御信号端子４の形状が図４および図５に示した半導体モジュールと異なっている。すなわち、図６に示した半導体モジュールでは、制御信号端子４が位置調整部４ｄを含んでいる。位置調整部４ｄは、位置決め部材６の高さ調整を補う働きがある。位置調整部４ｄは、端子部４ｂと屈曲部４ｃとを接続する接続部４ｅに形成された切り込み部４ｆを含む。接続部４ｅはたとえば半導体チップ１の上面に沿って延びている。接続部４ｅには切り込み部４ｆが形成されている。切り込み部４ｆは、接続部４ｅの上面および下面の両方にそれぞれ形成されている。このような切り込み部４ｆが形成されることにより、結果的に接続部４ｅは、制御信号端子４の他の部分における厚みより薄い厚みを有する部分を含む。この結果、接続部４ｅは制御信号端子４の他の部分より変形しやすくなっている。異なる観点から言えば、接続部４ｅは制御信号端子４の他の部分より剛性が低くなっている。また、接続部４ｅは制御信号端子４の他の部分より弾性変形しやすくなっていてもよい。接続部４ｅが弾性変形しやすくなっていれば、切り込み部４ｆは接続部４ｅの上面および下面のいずれかのみに形成してもよい。このような位置調整部４ｄによって、高さ方向における位置決め部材６の位置調整を補完できる。すなわち、位置調整部４ｄが変形することにより、位置決め部材６の高さ方向の位置がずれた場合であっても、制御信号端子４を制御信号電極３に確実に接触させることができる。
なお、切り込み部４ｆは、接続部４ｅの上面および下面の両方にそれぞれ形成されていたが、接続部４ｅの左右の面の両方に形成されていてもよい。このような位置調整部４ｄによって、左右方向における位置決め部材６の位置調整を補完できる。すなわち、位置調整部４ｄが変形することにより、位置決め部材６の左右方向の位置がずれた場合であっても、制御信号端子４を制御信号電極３に確実に接触させることができる。
なお、位置調整部４ｄとしては、上記のような切り込み部４ｆ以外の構成を採用できる。たとえば、接続部４ｅの厚みを屈曲部４ｃなどより相対的に薄くする、あるいは接続部４ｅを蛇腹状の形状とする、あるいは接続部４ｅを曲線状となするなど、弾性変形可能な形状とする、といった構成により、位置調整部４ｄを実現してもよい。制御信号端子４に位置調整部４ｄがあるため、制御信号電極３に対する制御信号端子４の高精度な位置決めができる。
＜作用効果＞
上記半導体モジュールにおいて、制御信号端子４は、固定部４ａと、端子部４ｂと、位置調整部４ｄとを含む。固定部４ａは、位置決め部材６に固定される。端子部４ｂは、制御信号電極３と接続される。位置調整部４ｄは、制御信号電極３から端子部４ｂに向かう方向において、固定部４ａに対する端子部４ｂの位置を変更する。この場合、制御信号電極３と制御信号端子４とについて、制御信号電極３から端子部４ｂに向かう高さ方向における配置のばらつきを位置調整部４ｄにより吸収できるので、制御信号電極３と制御信号端子４とを確実に接続できる。
上記半導体モジュールにおいて、制御信号端子４は接続部４ｅを含む。接続部４ｅは、固定部４ａと端子部４ｂとを繋ぐ。位置調整部４ｄは、接続部４ｅに形成された切り込み部４ｆを含む。この場合、切り込み部４ｆが形成された接続部４ｅは高さ方向において容易に変形できるため、制御信号電極３と制御信号端子４とについて、高さ方向における配置のばらつきを位置調整部４ｄにより吸収できる。したがって、制御信号電極３と制御信号端子４とを確実に接続できる。
上記半導体モジュールにおいて、位置調整部４ｄは、固定部４ａと端子部４ｂとを繋ぐ接続部４ｅである。接続部４ｅは、制御信号電極３から端子部４ｂに向かう方向において弾性変形可能である。この場合、接続部４ｅは高さ方向において弾性変形できるため、制御信号電極３と制御信号端子４とについて、高さ方向における配置のばらつきを接続部４ｅにより吸収できる。したがって、制御信号電極３と制御信号端子４とを確実に接続できる。
実施の形態４．
＜半導体モジュールの構成＞
図７は、実施の形態４に係る半導体モジュールを示す部分断面模式図である。図７に示した半導体モジュールは、基本的には図４および図５に示した半導体モジュールと同様の構成を備えるが、制御信号端子４と制御信号電極３との接続構造が図４および図５に示した半導体モジュールと異なっている。すなわち、図７に示した半導体モジュールでは、制御信号端子４の端子部４ｂが制御信号電極３に対して直接的に接合されている。接合方法は任意の方法を採用できるが、たとえば超音波接合法により制御信号端子４を制御信号電極３に接合してもよい。
一般的に、電極に配線部材を超音波接合法により接合する場合、配線部材上面から接合ツールを押圧しながら超音波振動を印加する。そのため、図７に示すように制御信号端子４の端子部４ｂにはその上面に凹部２５が形成される。なお、制御信号端子４の構成はこれに限られるものではない。例えば、制御信号端子４の端子部４ｂの上面に凹部２５を形成することなく、制御信号端子４の端子部４ｂと制御信号電極３とを超音波接合してもよい。この場合、実施の形態１から実施の形態３と比較して、制御信号端子４と制御信号電極３との接合部の接合強度を向上させることができる。
＜作用効果＞
上記半導体モジュールにおいて、制御信号電極３と制御信号端子４とは直接接合されている。この場合、制御信号電極３と制御信号端子４との間で高強度な接合部を形成できる。その結果、制御信号電極３と制御信号端子４との接合の信頼性を高めることができる。
実施の形態５．
本実施の形態は、上述した実施の形態１〜実施の形態４に係る半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態５として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
図８は、本実施の形態に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
図８に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図８に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子や各還流ダイオードは、上述した実施の形態１〜実施の形態４のいずれかに相当する半導体モジュール２０２によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体モジュール２０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１〜実施の形態４のいずれかに係る半導体モジュールを適用するため、電力変換装置の小型化を実現することができる。
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態の少なくとも２つを組み合わせてもよい。本発明の範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
１，２ 半導体チップ、１ａ 第１端部、１ｂ 第２端部、３ 制御信号電極、４ 制御信号端子、４ａ 固定部、４ｂ 端子部、４ｃ 屈曲部、４ｄ 位置調整部、４ｅ 接続部、４ｆ 切り込み部、５ 接合部材、６ 位置決め部材、６ａ 位置決め部、６ｂ，２５ 凹部、６ｃ 開口部、７ 主電極、８ チップ接合材、９ 回路パターン、１０ 第１の主端子、１１，１３，１７ 接合材、１２ 第２の主端子、１４ ケース、１５ 絶縁部材、１６ 金属層、１８ 冷却器、１９ 封止樹脂、３１ ベース部材、１００ 電源、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 半導体モジュール、２０３ 制御回路、３００ 負荷。

Claims (11)

  1. ベース部材と、
    前記ベース部材上に搭載され、制御信号電極を含む半導体チップと、
    前記半導体チップの外周端部に接触する位置決め部を含み、前記ベース部材上に配置され、前記半導体チップの上面との間に隙間を設けている位置決め部材と、
    前記位置決め部材に固定されるとともに、前記制御信号電極と接続された制御信号端子とを備える、半導体モジュール。
  2. 前記位置決め部材は前記ベース部材に固定されている、請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記制御信号端子は、
    前記位置決め部材に固定された固定部と、
    前記制御信号電極と接続された端子部と、
    前記制御信号電極から前記端子部に向かう方向において、前記固定部に対する前記端子部の位置を変更する位置調整部とを含む、請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記制御信号端子は、前記固定部と前記端子部とを繋ぐ接続部を含み、
    前記位置調整部は、前記接続部に形成された切り込み部を含む、請求項３に記載の半導体モジュール。
  5. 前記位置調整部は、前記固定部と前記端子部とを繋ぎ、前記制御信号電極から前記端子部に向かう前記方向において弾性変形可能な接続部である、請求項３に記載の半導体モジュール。
  6. 前記制御信号電極と前記制御信号端子とを接合する接合部材を備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  7. 前記制御信号電極と前記制御信号端子とは直接接合されている、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  8. 前記半導体チップの前記外周端部は、前記半導体チップの平面視において、第１の方向に延在する第１端部と、前記第１端部と交差する方向に延びるとともに前記第１端部と連なる第２端部とを含み、
    前記位置決め部は、前記第１端部と接触する第１部分と、前記第２端部と接触する第２部分とを含む、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  9. 前記半導体チップの平面視において、前記半導体チップの前記外周端部の外形は四角形状であり、
    前記位置決め部は、前記外周端部の外形における隣り合う２辺以上の辺と接触する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  10. 前記位置決め部材には、前記半導体チップにおいて前記制御信号電極が形成された表面を露出させる開口部が形成されている、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  11. 請求項１記載の半導体モジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
    前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
    を備えた電力変換装置。
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