JPH10200048A

JPH10200048A - 電力用半導体モジュール

Info

Publication number: JPH10200048A
Application number: JP358797A
Authority: JP
Inventors: Koichi Inoue; 広一井上; Akira Tanaka; 明田中; Yoshihiko Koike; 義彦小池
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-01-13
Filing date: 1997-01-13
Publication date: 1998-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】電力用のモジュール型半導体装置で、樹脂に代
表される高熱膨張部材とシリコンに代表される低熱膨張
部材の熱膨張ギャップを吸収する構造を提供する。【解決手段】モジュール内を高熱膨張ブロックと低熱膨
張ブロックに分け、両者の接点をねじ止めする構造。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電力用半導体モジュ
ールに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体を搭載したモジュールでは、構成
部材間の熱膨張係数差をどのように吸収するかが重要で
ある。とくに、外壁を構成する材料として絶縁性の有機
樹脂を使用したモジュールでは、モジュール全体の熱膨
張が樹脂の熱膨張で規定されるため、樹脂とその他の構
成部材との熱膨張係数の整合が課題となる。樹脂の熱膨
張係数は、一般に金属より大きい。ただし、低熱膨張係
数の充填材を含有させることによって銅並み程度までに
は下げることができる。しかし、それでも半導体素子の
素材であるシリコンとの熱膨張係数差は大きい。とく
に、電力用の半導体モジュールでは、寸法が大きい上に
発熱量が大きいため、この問題は深刻である。

【０００３】一般に、シリコンの熱膨張係数に近い素材
を半導体素子の近くに配置する部材に使用し、樹脂の近
くに配置する部材には、樹脂に近い熱膨張係数の素材を
使用する。

【０００４】しかし、熱膨張係数差がある以上、熱応力
の発生は避けられない。どの部材とどの部材の間で、ど
の程度熱応力を分担するかが、モジュールの信頼性を左
右する。

【０００５】電力用半導体モジュールでは発熱量及び電
流密度がいずれも大きいため、電流及び熱の流れる部分
には、金属接着が採用される。したがって、熱膨張係数
の差に基づく相対変位を金属（一般的には、はんだ）が
受け持つことになる。柔らかい材料を選んでも、金属で
あるから熱応力は大きい。そこで、はんだ付けの面積を
小さくして、相対変位を小さくする工夫が見られる。特
開昭61−6849号公報，特開平5−175384 号公報、及び特
開平5−29492号公報にその例が認められる。

【０００６】一方、発熱及び電流の小さい用途では、樹
脂による接着が多用されている。たとえば、特開平7−7
4282号公報，特開平6−342860号公報、及び特開平3−13
1056号公報が、その例である。樹脂では、同じ変形に対
して発生する応力が金属に比べて小さいので、熱応力緩
和には有利である。しかし、一般的に（１）電気絶縁性
である、（２）熱伝導率が小さいという問題を抱えてい
る。特開平7−74282号公報及び特開平6−342860 号公報
では、樹脂に電流を流さない構造であるが、特開平3−1
31056 号公報では導電性ペーストを使用して、樹脂に通
電している。導電性ペーストは、導電性の粉末を樹脂に
混ぜたものであり、無垢の金属に比べると電気伝導度が
小さく、電流を導く部材としては電力用には使えない。

【０００７】電力用の用途で、伝熱部材として樹脂のよ
うな、柔軟性の高い素材を効果的に使用し、熱応力緩和
を実現した例は、見当たらない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来技術
には、大型の電力用半導体モジュールであって、伝熱部
材に金属より柔軟性の高い素材或いは金属接着より柔軟
な構造を採用した熱応力緩和構造に関する提案がない。

【０００９】本発明の目的は、シリコンの熱膨張係数と
外壁を構成する樹脂の熱膨張係数との差を吸収する、柔
軟構造を有するモジュール構造を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】図２は典型的な電力用半
導体モジュールの断面を模式的に示している。ここで、
説明に直接関係のない、モジュール内の配線部材（半導
体素子２０１上部に接続するワイヤ，外部に導くための
端子類等）及び、モジュール外部（上部）の外部端子類
の表示を省略している。セラミック基板２０３は、半導
体素子２０１に近い熱膨張係数を有する、例えば、窒化
アルミニウムのような素材で構成されている。同様に、
低熱膨張金属ベース２０５は、半導体素子２０１に近い
熱膨張係数を有する、例えば、タングステン，モリブデ
ンのような素材で構成されている。半導体素子２０１と
セラミック基板２０３との間には、はんだ２０２が、セ
ラミック基板２０３と低熱膨張金属ベース２０５との間
には、はんだ２０４がある。半導体素子２０１から低熱
膨張金属ベース２０５まで、比較的強固に結合してい
る。熱膨張係数が近いので、大きな熱応力が発生するこ
ともなく、信頼性も良好である。ところが、この構造で
は、唯一樹脂ケース２０６の熱膨張係数が他の部材より
大きい。したがって、低熱膨張金属ベース２０５と樹脂
ケース２０６との接着部である、ケース接着部２０７に
大きな熱応力が発生する。すなわち、この構造では、半
導体素子２０１と樹脂ケース２０６との熱膨張係数の相
違のほとんどをケース接着部２０７が分担している。

【００１１】一方、図３は図２とほぼ同じ構成である
が、金属ベースの素材が異なっている。すなわち、樹脂
ケース２０６の熱膨張係数に近い銅を素材とした高熱膨
張金属ベース３０１とした。その結果、ケース接着部２
０７にかかる熱応力は小さくなった。その反面、はんだ
２０４に大きな熱応力がかかることになった。

【００１２】以上、二つのケースを説明したが、その他
のケース（セラミック基板の熱膨張係数を大きくする
等）を採用しても、どこかで熱膨張係数の差による熱応
力が発生する。ようするに、モジュールの構成部材の中
で最小の熱膨張係数を有するもの（一般的には、半導体
素子）と、最大の熱膨張係数を有するもの（一般的に
は、外壁を構成する樹脂）の間の熱膨張係数差を、複数
の部材間の接着部で分担しなければならないわけで、か
ならず、どこかに熱応力が発生するのである。

【００１３】本発明による電力用半導体モジュールで
は、以下に示す項目が満足されるような構造になってい
る。

【００１４】（１）部材間で熱膨張係数の相違する部分
を１個所に集中させ、その他の部材間では、できるだけ
熱膨張係数を合わせる。すなわち、モジュール内を、高
熱膨張ブロックと低熱膨張ブロックに分ける。

【００１５】（２）熱膨張係数の相違する部材間（すな
わち、両ブロック間）では、お互いが接する寸法を小さ
くして、熱膨張差による相対変位を極力小さくする。

【００１６】（３）熱膨張係数の相違する部材どうし
が、熱膨張方向に、お互いにできるだけ自由に動けるよ
うに、部材間の構造に柔軟性を持たせる。

【００１７】（４）熱膨張係数の異なる部材どうしの接
する部分では、両部材の面どうしの距離が大きくならな
いように、熱膨張方向に垂直な方向で固定する。

【００１８】図４は本発明による電力用半導体モジュー
ルの基本的な構成を示した断面図である。本発明による
電力用半導体モジュールでは、モジュール内を、低熱膨
張ブロックと高熱膨張ブロックに分けた。低熱膨張ブロ
ックでは、いちばん下に低熱膨張金属サブベース４０２
があり、その上に１枚のセラミック基板２０３が載って
いる。その上には、複数の半導体素子２０１が載ってい
る。このブロックの構成部材は、いずれも半導体素子２
０１の素材である、シリコンに近い熱膨張係数を有して
いる。一方、高熱膨張金属ベース４０１と樹脂ケース２
０６で高熱膨張ブロックを構成している。これらは、お
互いに近い熱膨張係数を有している。

【００１９】両者の接点が、本発明のポイントである。
すなわち、高熱伝導軟質材４０３及び、ねじ４０４であ
る。高熱伝導軟質材４０３は、低熱膨張金属サブベース
402と高熱膨張金属ベース４０１を接着する機能を有す
る必要はない。例えば、熱伝導グリースのようなもので
も良い。低熱膨張金属サブベース４０２と高熱膨張金属
ベース４０１との固定は、ねじ４０４が分担するためで
ある。

【００２０】この部分では、熱膨張方向、すなわち、図
の横方向及び紙面に垂直な方向は、できるだけ自由に相
対変位が発生するようになっている。その結果、熱応力
の発生が小さい。しかも、図２のケース接着部２０７で
は、相対変位にかかわる寸法が、モジュールの寸法であ
るために、相対変位が大きくなっていたが、本発明によ
る構造では、低熱膨張ブロックがモジュール内に複数個
搭載されているサブモジュールを構成し、その大きさも
１枚のセラミック基板２０３のサイズに限定されている
ため、高熱伝導軟質材４０３における、相対変位にかか
わる寸法が小さく、熱応力の発生がさらに小さく抑えら
れる。

【００２１】また、電力用で問題になる熱抵抗について
は、ねじ４０４によって高熱伝導軟質材４０３の厚さを
小さく保っているため、金属に比べると熱伝導率の小さ
い材料を使用しても、熱抵抗は小さく抑えられている。

【００２２】部材間で熱を伝える個所には、電力用半導
体では金属（一般には、はんだ）を用いる。本発明で
は、この部分に必ずしも金属を使用しない構造を提供す
る。その理由を、半定量的に述べることにする。図５は
部材間のギャップに対する熱抵抗と熱応力の関係を、相
対的に示したものである。熱抵抗はギャップに比例して
増大する。これに対して、熱応力はギャップに反比例し
て小さくなる。絶対値は異なるが、ギャップに対する比
例とか反比例というこれらの関係は、部材の違い，ギャ
ップに充填される物質の違い（金属か樹脂か、等）によ
らない。

【００２３】まず、熱抵抗について検討する。図の直線
Ａは、金属の場合の熱抵抗を、また、直線Ｂは、樹脂の
場合の熱抵抗を示す。また、図の曲線Ｃは、金属の場合
の熱応力、曲線Ｄは、樹脂の場合の熱応力である。図中
の水平に引いた二点鎖線は、熱抵抗及び熱応力の許容値
を示す。すなわち、熱抵抗も熱応力も、この線より下に
なるように、ギャップを定める必要がある。金属は熱伝
導率が大きいが、反面弾性係数も大きいので、適正ギャ
ップの範囲が、図中のＧｍとなる。これに対して、熱伝
導率が小さいが、弾性係数も小さい樹脂では、適正ギャ
ップ範囲が図中のＧｒと、金属の場合より小さい値にな
る。

【００２４】代表的な金属であるはんだは、高熱伝導シ
リコーングリースの熱伝導率の４０倍くらいである。し
たがって、同じギャップでは、シリコーングリースを使
うと、はんだを使う場合に比べて、熱抵抗が４０倍程度
になる。つぎに、熱応力について、はんだと樹脂を比較
してみる。シリコーングリースでは、接着ではないの
で、応力の発生はほとんどない。これでは、比較ができ
ないので、応力を発生する材料として高熱伝導シリコー
ンゴムを選び、はんだと比較した。はんだの弾性係数
は、シリコーンゴムの約一万倍である。したがって、同
じギャップでは、シリコーンゴムを使用すると熱応力が
約一万分の一になる。

【００２５】以上の事実から、金属接着の部分を樹脂で
置き換える場合、ギャップを４０分の１程度にすること
で、熱抵抗が同等、熱応力が約２５０分の１（グリース
使用時には、もっと小さい）の伝熱接続部を得ることが
できるわけである。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、実施例によりさ
らに具体的に説明する。なお、本発明はこれら実施例に
限定されない。

【００２７】本発明の実施例１ないし４を、図１及び図
６ないし図１１に従って説明する。（実施例１）本発明の第１の実施例について、図１，図
６及び図７を参照して説明する。

【００２８】図１は本発明の第１の実施例による電力用
半導体モジュールを斜めから眺めたところである。同図
は、内部が見えるように、樹脂ケース１１６の手前側を
切断してある。それに伴って、モジュール上面に電流及
び電圧を導くための端子足群、すなわちコレクタ端子足
１０９，エミッタ端子足１１０、及びゲート端子足１１
１の上部を切断した形になっている。モジュール内には
シリコーンゲルが充填されているが、見づらくなるので
これも省略してある。

【００２９】モジュールを全体として眺めると、底面が
銅ベース１１５，上面が樹脂蓋（図示せず）、そして側
面が樹脂ケース１１６で構成されている。図では表示し
ていないが、外部との電気的な接続のための端子は、上
面に配置されている。

【００３０】モジュール内には、まったく同じ形状をし
た構成物が二つ並んでいる。これらが、サブモジュール
である。これらのサブモジュールが、本発明によるモジ
ュール内の低熱膨張ブロックに相当する。一方、高熱膨
張ブロックは、銅ベース115,樹脂ケース１１６，樹脂蓋
（図示せず）、及び端子足群（一部図示）で構成されて
いる。

【００３１】各サブモジュールについて説明する。サブ
モジュールの底面は、ニッケルめっきされたモリブデン
サブベース１１３である。モリブデンサブベース１１３
上には、窒化アルミニウム基板１１２がはんだ付けされ
ている。窒化アルミニウム基板１１２の両面には、ニッ
ケルめっきされた銅箔がろう付けされており、裏面（図
では見えない）の銅箔とモリブデンサブベース１１３の
間をはんだで接着している。窒化アルミニウム基板１１
２表面の銅箔には、分割したパターンが施されている。
すなわち、コレクタパターン１０６，エミッタパターン
１０７、及びゲートパターン１０８である。コレクタパ
ターン１０６上には、シリコンチップがはんだ付けされ
ている。図の上から二つがＩＧＢＴチップ１０１，下の
一つがフリーホイールダイオードチップ１０２である。
なお、ＩＧＢＴチップ１０１とフリーホイールダイオー
ドチップ１０２とは、逆並列に接続されるように配置さ
れている。すなわち、ＩＧＢＴチップ１０１のはんだ付
け面は、コレクタ電極であり、フリーホイールダイオー
ドチップ１０２のはんだ付け面は、カソード電極であ
る。エミッタパターン１０７は、エミッタワイヤ１０３
を経由してＩＧＢＴチップ１０１のエミッタ電極に接続
されている。同時に、フリーホイールダイオードチップ
１０２のアノード電極には、アノードワイヤ１０５で接
続されている。ゲートパターン１０８は、ゲートワイヤ
１０４を経由してＩＧＢＴチップ101のゲート電極に接
続されている。以上が、サブモジュールの構成要素であ
る。なお、コレクタ端子足１０９，エミッタ端子足１１
０、及びゲート端子足１１１は、樹脂蓋と一体に成形さ
れ、サブモジュールが銅ベース１１５上に搭載されたあ
とではんだ付けされるものであり、サブモジュールの構
成要素ではない。

【００３２】サブモジュールを構成する材料は、いずれ
もＩＧＢＴチップ１０１或いはフリーホイールダイオー
ドチップ１０２を構成するシリコンの熱膨張係数（約３
ppm／℃）に近い。窒化アルミニウム基板１１２が約４p
pm ／℃、モリブデンサブベース１１３が約５ppm ／℃
である。ここで、銅箔について述べる。銅は、熱膨張係
数が約１８ppm ／℃であり、高熱膨張の物質である。し
かし、熱膨張係数の小さい窒化アルミニウム基板１１２
に強固なろう材でろう付けされているため、熱膨張が抑
制され、アルミナ（７ppm ／℃）程度或いはそれ以下の
小さな熱膨張係数になっている。

【００３３】つぎに、高熱膨張ブロックについて説明す
る。高熱膨張ブロックは、銅ベース１１５，樹脂ケース
１１６，樹脂蓋（図示せず）、及び端子足群（一部図
示）で構成されている。銅ベース１１５の熱膨張係数
は、約１８ppm ／℃であり、樹脂ケース１１６及び樹脂
蓋の熱膨張係数は、約２０ppm ／℃である。また、端子
足群は銅を素材とし、表面にニッケルめっきを施してあ
るため、熱膨張係数は銅ベース１１５とほぼ同じであ
る。銅ベース１１５と樹脂ケース１１６の間は、樹脂に
よる接着，樹脂ケース１１６と樹脂蓋との間も、樹脂に
よる接着，樹脂蓋と端子足群との間も、樹脂による接着
である。すなわち、高熱膨張ブロック内では、すべて樹
脂による接着でお互いが固定されている。

【００３４】ここで、本発明のポイントである、低熱膨
張ブロックと高熱膨張ブロックの接点について説明す
る。図１では、モリブデンサブベース１１３の四隅にね
じ114があることが、この部分の特徴だと分かる。図６
を使用して、さらに説明する。図６では、説明に直接関
係のない、窒化アルミニウム基板１１２から上の部分を
省略した。また、ねじ部を詳しく表示するため、モリブ
デンサブベース１１３のねじ部以外の横方向を縮めて表
示した。モリブデンサブベース１１３には、貫通孔６０
２が開いていて、ねじ１１４が通っている。一方、銅ベ
ース１１５には、ねじ穴６０３が開いていて、ねじ１１
４を固定している。熱伝導グリース６０１がモリブデン
サブベース１１３と銅ベース１１５の間に充填されてい
る。ギャップ（図中のＧ）は、平均で５μｍ，最大で１
０μｍである。このように、小さいギャップを満足させ
るため、ねじ１１４を１０kgｆ・cmで締め付けた。さら
に、熱伝導グリース６０１中の、熱伝導率を上げるため
の充填材の粒径を平均で２μｍ，最大で５μｍとした。
調整溝６０４は、グリースのはみ出し防止用である。塗
布量を精密に調整しても、締め付け時にモリブデンサブ
ベース１１３と銅ベース１１５の間からグリースがはみ
出す場合がある。モジュール内は寸法の余裕がほとんど
ないので、グリースのはみ出しを極力抑えなければなら
ない。そのために、モリブデンサブベース１１３の周辺
部に相当する銅ベース１１５表面に、四角いリング状の
調整溝６０４を掘った。調整溝６０４の第二の働きは、
使用中の温度変化でモリブデンサブベース１１３と銅ベ
ース１１５が相対的に動くことによって、熱伝導グリー
ス６０１のギャップから徐々に流出する現象を抑制する
ことである。

【００３５】本実施例の製造方法を図７に従って説明す
る。図は、左半分が製造工程、右半分が各工程終了後
（次の工程開始前）の状態を断面で示している。

【００３６】（１）サブモジュール作製ＩＧＢＴチップ１０１及びフリーホイールダイオードチ
ップ１０２を窒化アルミニウム基板１１２の上にはんだ
付けする。図では、簡略化のため、フリーホイールダイ
オードチップ１０２の表示を省略している。

【００３７】つぎに、ＩＧＢＴチップ１０１及びフリー
ホイールダイオードチップ１０２とエミッタパターン１
０７及びゲートパターン１０８とをワイヤボンディング
する。図では、簡略化のため、ワイヤの表示及び窒化ア
ルミニウム基板１１２上のパターンの表示を省略してい
る。

【００３８】さらに、窒化アルミニウム基板１１２をモ
リブデンサブベース１１３上にはんだ付けする。

【００３９】（２）サブモジュール仮固定サブモジュールの最下層のモリブデンサブベース１１３
を銅ベース１１５に、ねじ１１４で固定する。

【００４０】（３）端子足はんだ付けコレクタ端子足１０９，エミッタ端子足１１０、及びゲ
ート端子足１１１を固定し、一体とした樹脂蓋７０１を
サブモジュール上に下ろし、コレクタ端子足１０９，エ
ミッタ端子足１１０、及びゲート端子足１１１の先端
を、対応する窒化アルミニウム基板１１２上の銅箔パタ
ーンにはんだ付けする。ここで、コレクタ端子足１０９
は、ＩＧＢＴチップ１０１の手前になり、ＩＧＢＴチッ
プ１０１を隠すので、表示を省略した。また、樹脂蓋７
０１内部或いは樹脂蓋７０１下部でサブモジュールどう
しの並列接続を実現するために、端子足どうしの接続が
行われるが、簡略化のため、表示を省略した。

【００４１】（４）グリース塗布ねじ１１４を外して、サブモジュールを接着した樹脂蓋
７０１を取り除き、モリブデンサブベース１１３の底に
グリースを塗布する。ここで、塗布量を厳密に調整する
必要がある。手段の項で述べたが、グリースのギャップ
をできるだけ小さく保つためである。そのために、厚さ
０.１mm のステンレスの穴開き板をモリブデンサブベー
ス１１３上に載せ、板の穴を通してグリース７０２を塗
布する。（５）サブモジュール固定再度、ねじ１１４を締め付けて樹脂蓋７０１とサブモジ
ュールが一体になったものを銅ベース１１５に固定す
る。締め付けのトルクを１０kgｆ・cmとし、グリース７
０３の厚さのギャップを、平均で５μｍ，最大で１０μ
ｍにする。

【００４２】（６）ケース接着樹脂ケース１１６を銅ベース１１５に接着する。接着剤
７０４の厚さとして０.３mm 以上を確保するため、接着
剤が塗布される場所の樹脂ケース１１６に０.３mm の突
起を数個所設ける。

【００４３】（７）ゲル注入シリコーンゲル７０５を注入する。本実施例では、シリ
コーンゲル７０５の内部応力を緩和するため、シリコー
ンゲル７０５上部に空気層を残した。

【００４４】本実施例では、ねじ１１４をモリブデンサ
ブベース１１３側から挿入するため、銅ベース１１５に
貫通孔が開いていないことが、特徴である。モジュール
内に湿気が入り込むのを防ぐため、モジュールにはでき
るだけ開口部を設けないことが望ましい。その点、後に
述べる実施例２或いは実施例３では、モジュール底面に
ねじ止めのための開口部があるので、本実施例は、性能
上有利である。

【００４５】（実施例２）本発明の第２の実施例につい
て、図８及び図９を参照して説明する。

【００４６】図８は本発明の第２の実施例による電力用
半導体モジュールを斜めから眺めたところである。同図
は、内部が見えるように、樹脂ケース８１５の手前側を
切断してある。それに伴って、モジュール上面に電流及
び電圧を導くための端子足群、すなわちコレクタ端子足
８０９，エミッタ端子足８１０、及びゲート端子足８１
１の上部を切断した形になっている。モジュール内には
シリコーンゲルが充填されているが、見づらくなるので
これも省略してある。

【００４７】本実施例は、第１の実施例と搭載されてい
る半導体素子の種類及び数は同じである。しかし、モジ
ュール全体の寸法は、小さい。その原因は、窒化アルミ
ニウム基板８１２とアルミニウム炭化珪素サブベース８
１３の寸法が同じであるためである。第１の実施例で四
隅にあったねじがないために、アルミニウム炭化珪素サ
ブベース８１３を小さくできたのである。ねじは、ない
のではなく、この図では見えないだけである。

【００４８】材質的にも、第１の実施例と異なる部分が
ある。アルミニウム炭化珪素サブベース８１３である。
この材料は、炭化珪素の繊維に金属アルミニウムを含浸
させたものであり、熱伝導率が金属アルミニウムに近
く、しかも、熱膨張係数がアルミナ並みで、モリブデン
よりは大きいが、シリコンに近い。

【００４９】図９を使用して、低熱膨張ブロックと高熱
膨張ブロックの接点について説明する。図９では、説明
に直接関係のない、窒化アルミニウム基板８１２から上
の部分を省略した。また、ねじ部を詳しく表示するた
め、アルミニウム炭化珪素サブベース８１３のねじ部以
外の横方向を縮めて表示した。銅ベース８１４には、貫
通孔９０３が開いていて、ねじ９０２が通っている。一
方、アルミニウム炭化珪素サブベース８１３には、非貫
通ねじ穴９０４が開いていて、ねじ９０２を固定してい
る。

【００５０】ここで、本実施例の特徴として、シリコー
ンゲル９０１がアルミニウム炭化珪素サブベース８１３
と銅ベース８１４の間に充填されていることを挙げるこ
とができる。第１の実施例のようにグリースを使うと、
接着されないので熱応力の発生はほとんどなくなる。と
ころが、調整溝を作ったことから明らかなように、グリ
ースは使用中にギャップの間で流動する。これが、モジ
ュール内の他の構成材料に悪影響を与える可能性がゼロ
とは言えない。そこで、本実施例では、サブモジュール
を囲む形で存在するシリコーンゲルをこのギャップに入
れることにした。シリコーンゲル９０１の硬化について
は、第１の実施例に於けるゲル注入工程のあとで、周囲
のシリコーンゲルと同時に硬化させる方法を採用した。

【００５１】本実施例では、ねじ９０２を銅ベース８１
４の底面から挿入する形を採った。本実施例では、ねじ
９０２は、アルミニウム炭化珪素サブベース８１３につ
いて１本である。アルミニウム炭化珪素サブベース８１
３の中央部を締め付けることにした。トルクは３０kgｆ
・cmである。モジュールを使う際に、底面からねじの頭
がはみ出していると支障がある。そこで、図にあるよう
に皿ねじとして、モジュール底面からねじの頭が出ない
ようにした。

【００５２】製造方法は、第１の実施例とほぼ同じであ
るので、説明を省略する。

【００５３】（実施例３）本発明の第３の実施例につい
て、図１０を参照して説明する。なお、本実施例を斜め
上から眺めると、図１と同じになるので、斜視図を省略
した。材質的には、サブモジュールの底面であるサブベ
ースに、第１の実施例と同じモリブデンを使用し、サブ
モジュールとモジュールのベースの間に接着剤を入れた
点が特徴である。

【００５４】サブベースとモジュールのベースの部分を
断面で、図１０に示す。図１０では、説明に直接関係の
ない、モリブデンサブベース１００１上に接着されてい
る窒化アルミニウム基板から上の部分を省略した。ま
た、ねじ部を詳しく表示するため、モリブデンサブベー
ス１００１のねじ部以外の横方向を縮めて表示した。モ
リブデンサブベース１００１には、第１の実施例と同じ
く、四隅に貫通孔1005が４個開けられている。同時に、
第２の実施例と同じく、中央に非貫通ねじ穴1010が開け
られている。一方、銅ベース１００３には、四隅に非貫
通ねじ穴１００６が、また、中央には貫通孔１００９が
開いている。四隅には、モリブデンサブベース１００１
側から、ねじ１００２が差し込まれている。さらに、中
央には、銅ベース１００３側から、ねじ１００８が差し
込まれている。ねじ１００２は、中央が凸になった、い
わゆるなべねじ、ねじ１００８は、上部が平面になっ
た、いわゆる皿ねじである。モリブデンサブベース１０
０１と銅ベース１００３の間に充填されているのは、接
着剤１００４である。ここでも、第１の実施例と同じ
く、調整溝１００７が、モリブデンサブベース１００１
の四辺に相当する部分の銅ベース１００３表面に掘られ
ている。

【００５５】接着剤としては、他の接着個所にも使用さ
れている材質のシリコーン樹脂を使用した。ただし、小
さいギャップを実現するため、粘度の小さい材料を選定
した。接着剤はグリースと異なり硬化するので、使用中
に流れ出すとか、周囲を覆っているシリコーングリース
（図示なし）との反応も起こらないというメリットがあ
る。その反面、粘度の小さい材料を使用しても、第１の
実施例のグリースや第２の実施例のシリコーンゲルより
小さいギャップを実現するのが難しい。そこで、両面か
ら締め付ける構造として、他の実施例と同等のギャップ
を実現した。

【００５６】さらに、両面締め付けでは、片面からのみ
の締め付けに比べて、中央部も周辺部も均等に小さいギ
ャップを実現できるメリットがある。すなわち、第１の
実施例のように、周辺のみの締め付けでは、中央部のギ
ャップが大きくなりやすい。それに対して、第２の実施
例のように、中央のみの締め付けでは、周辺のギャップ
が大きくなりやすい。本実施例は、両者の欠点をカバー
するものである。

【００５７】（実施例４）本発明の第４の実施例につい
て、図１１を参照して説明する。

【００５８】本実施例は、本発明による電力用半導体モ
ジュールを、直流電源から三相交流を発生するインバー
タに適用した例である。入力は、直流プラス側入力１１
０１及び直流マイナス側入力１１０２である。出力は、
Ｕ相１１０３，Ｖ相１１０４及びＷ相１１０５である。
モジュールは、水冷によるヒートシンク１１０６上にボ
ルトで固定してある。モジュールは、底面が銅ベース１
１１３，側面が樹脂ケース１１１１，上面が樹脂蓋１１
１２で構成されている。上面には、四つの端子が配置さ
れている。主電流を流すためのコレクタ端子１１０７が
奥に、エミッタ端子１１０８が手前に配置され、中央の
左側がゲート端子１１０９，右側が補助エミッタ端子１
１１０である。なお、補助エミッタ端子１１１０は、モ
ジュール内部でエミッタ端子１１０８と接続している。
主端子に流れる大電流による電圧変動を避けるための配
線である。また、本実施例では、モジュールの形態が、
いままでの実施例と異なり、縦長になっている。後程述
べるが、利用形態が２モジュールのパラ接続（並列接
続）のため、縦長の方が使い勝手が良いためであり、本
質的な問題ではない。さらに、モジュールをボルトで固
定するために、モジュールの四隅の樹脂ケース１１１１
を丸く抉ってある点も、他の実施例と異なる。単一のモ
ジュールでは電流容量が不足するので、２モジュールを
左右に並べて並列に接続している。また、本インバータ
は２レベルである。したがって、左右２個奥と手前２個
の、合計４個のモジュールで交流１相分を分担すること
になる。左のモジュール４個がＵ相用，まん中の４個が
Ｖ相用，右の４個がＷ相用である。

【００５９】インバータの動作を簡単に説明する。電源
は、１５００Ｖの直流である。プラス側を直流プラス側
入力１１０１に、マイナス側を直流マイナス側入力１１
０２に接続する。出力は、奥側のモジュールのエミッタ
端子１１０８と手前側のモジュールのコレクタ端子１１
０７を接続したブスバー１１１６上の端子である。適当
なタイミングで、ゲート端子１１０９と補助エミッタ端
子１１１０に直流の電圧をかけると、それぞれのモジュ
ールが通電したり切れたりする。ゲート端子１１０９に
補助エミッタ端子１１１０より１５Ｖ高い電圧を加える
と、モジュールがオンする。また、逆に１５Ｖ低い電圧
を加えると、モジュールがオフする。奥側のモジュール
が通電すると、Ｕ相１１０３，Ｖ相１１０４、及びＷ相
1105の出力端子に１５００Ｖが現れ、逆に手前側のモジ
ュールが通電すると、出力端子に０Ｖが現れる。１秒間
に１０００回くらい、オン／オフを繰り返して、１２０
度ずつずれた、三相の交流波形を作り出すのである。

【００６０】本発明のモジュールでは、モジュール外部
には高熱膨張の部材のみが現れ、低熱膨張の部材が内部
に隠れているため、銅でできたブスバー１１１６及びア
ルミニウム製のヒートシンク１１０６との熱膨張のミス
マッチが少なく、信頼性の高い、良好な実装が行われて
いる。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば、熱膨張係数の小さい半
導体素子，セラミック基板と、熱膨張の大きい樹脂ケー
スの両方と熱膨張のミスマッチが少ない電力用半導体モ
ジュールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す斜視図。

【図２】本発明の手段を示す断面図。

【図３】本発明の手段を示す断面図。

【図４】本発明の手段を示す断面図。

【図５】本発明の手段を示すグラフ。

【図６】本発明の第１の実施例を示す断面図。

【図７】本発明の第１の実施例の工程を示す断面図。

【図８】本発明の第２の実施例を示す斜視図。

【図９】本発明の第２の実施例を示す断面図。

【図１０】本発明の第３の実施例を示す断面図。

【図１１】本発明の第４の実施例を示す斜視図。

【符号の説明】

１０１…ＩＧＢＴチップ、１０２…フリーホイールダイ
オードチップ、１０３…エミッタワイヤ、１０４…ゲー
トワイヤ、１０５…アノードワイヤ、１０６…コレクタ
パターン、１０７…エミッタパターン、１０８…ゲート
パターン、109…コレクタ端子足、１１０…エミッタ端
子足、１１１…ゲート端子足、１１２…窒化アルミニウ
ム基板、１１３…モリブデンサブベース、１１４…ね
じ、１１５…銅ベース、１１６…樹脂ケース。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個の半導体素子を内蔵し、底面が熱伝
導の良好な金属で構成され、上面に上記半導体素子と電
気的に接続した外部端子群を備え、上記外部端子群を除
く上面及び全側面が電気絶縁性の有機樹脂で構成された
電力用半導体モジュールに於いて、上記底面の上記電力
用半導体モジュールの内側に、金属製のサブベースを最
下層部材とし、最上層部材である上記半導体素子と上記
サブベースの間にセラミック絶縁基板が挿入されている
複数のお互いに分離したサブモジュールが搭載され、上
記サブベースと上記底面との相対する表面どうしの間隔
を小さく保ちつつ、上記サブベースが、接触面に於いて
上記底面に対して面に平行な方向で自由に相対変位する
ことができる構造であることを特徴とする電力用半導体
モジュール。
【請求項２】上記サブベースと上記底面との相対する表
面どうしの間隔を小さく保つための固定手段を備えてい
る請求項１に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項３】上記サブベースの固定手段が、上記底面内
に設けられたねじ穴に、上記サブベースを貫通して挿入
されたねじである請求項２に記載の電力用半導体モジュ
ール。
【請求項４】上記サブベースの固定手段が、上記サブベ
ース中央部に設けられたねじ穴に、上記底面の上記モジ
ュール外側から挿入されたねじである請求項２に記載の
電力用半導体モジュール。
【請求項５】上記サブベースと上記底面との間に樹脂を
挿入する請求項１に記載の電力用半導体モジュール。