JPH1093016A - パワー半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】大容量，高信頼のパワーモジュール半導体装置
を提供する。 【解決手段】底面が金属基板，側面及び上面が有機樹脂
で構成され、前記底面の金属板上とモジュール内に塔載
する半導体素子との間に絶縁板を配置し、前期半導体素
子が２個以上である内部絶縁型のパワー半導体装置にお
いて、側面あるいは上面が一体で形成されたモジュール
の底面金属板が２枚以上で構成する。 【効果】本発明によれば、底面金属ベースを複数枚に分
割したことでモジュール完成時の反り量を低減すること
が出来る。これにより接触熱抵抗を小さくすることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はパワー半導体装置に
係り、特に、大容量かつ高信頼性を達成した高耐圧用半
導体モジュールの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からＩＧＢＴ，ダイオード，ＧＴ
Ｏ，トランジスタ等のパワー半導体素子を絶縁容器内に
密封して構成したパワー半導体モジュールが知られてい
る。これらの素子はその耐圧や電流容量に応じて各種イ
ンバータ装置などに応用されている。中でもＩＧＢＴは
電圧制御型の素子であるので制御が容易であり、大電流
の高周波動作が可能であるなどの利点を有している素子
である。また、モジュール使用上の簡便性の点から多く
の場合はモジュール底面金属板部と電流通電部が電気的
に絶縁された構造となっている。

【０００３】これらの半導体モジュールの電流容量はモ
ジュール内部に搭載する各半導体素子の電流容量と、そ
の素子の並列接続数で決まる。各素子の電流容量は半導
体素子の特性から主に素子面積が支配的な要因となる。
しかし、単位面積当たりの欠陥数が同じであれば素子面
積を大きくすると歩留りが低下するため２０mm角以上の
大きさでは素子を大きくするよりチップに並列数を増や
すほうが有効である。このためモジュールを大電流化す
ると素子数が容量に比例して多くなりその分モジュール
サイズも大きくなる。モジュールが大きくなると底面金
属板とモジュール側面のケース材との膨張係数差により
底面金属板裏面の反りやうねりが大きくなる。また、そ
れに伴ってモジュールを取り付ける放熱フィンとの間の
グリース厚さにもばらつきが生じて接触熱抵抗が不均一
になる問題が生じる。

【０００４】これらの問題に対して従来はベースの厚さ
を厚くしたり、あらかじめケースに組み込んだ後の反り
量を測定し、組立前の金属板に逆の反りを付けておきモ
ジュール完成後の底面金属板裏面の反り量を小さくする
などの方法で対応していた。それでも対応が付かない時
は、低容量のモジュールを複数台実装し、外部で並列接
続することで必要な容量とする方法がとられてきた。こ
の場合はモジュール実装時の配線が複雑になる問題や実
装面積が大きくなる問題が有った。これに対し特開昭57
−15453 号に示すように同一金属ベース上にお互いに独
立した２台の回路を組み更にその上に別の端子を設けて
モジュール間の配線を簡略化する方法があった。また、
モジュールの大容量化に伴いモジュールに充填する樹脂
部分の領域が広くなることで樹脂の硬化中にケースやベ
ースを変形する問題があった。これに対して特開昭62−
61349 号に示すようにケースフタに仕切板を設けモジュ
ール内部に充填する樹脂を分離させることで樹脂硬化，
収縮時の変形を軽減させて対策していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、モジュールの
大容量化、つまり大型化が進むと前記した従来の対策で
は他の副作用により対策できなくなる。例えば底面金属
板を厚くして反りを対策する方法は、底面金属板と絶縁
板、あるいは絶縁板と半導体素子を接合している半田の
寿命に影響を与えるため厚さが制限される。つまり、一
般に底面金属板の材料として使用されるＣｕやＣｕ合金
などは熱膨張係数がモジュール内部で使用する絶縁板
や、半導体素子より大きいため底面金属板の厚さを厚く
するとそれらの部材を接合している半田の寿命が低下し
てしまう問題が生じる。また、底面金属板を厚くすると
モジュールの熱抵抗を増大させるためこの点からも厚さ
が制限される。

【０００６】モジュール組立前の金属板に反り量を付け
ておく方法では、モジュール完成後の反り量は小さくす
ることができるがモジュール稼働時に発生する温度変化
によるモジュールの変形量は対策出来ない。つまり、一
般にモジュールの構成が同じであれば温度変化によるモ
ジュールの変形量はモジュールの容積、あるいは面積に
よって決るため大型化すると変形量が大きくなり、絶縁
板の割れやケースとベース材の剥離が発生する等の問題
が発生する。

【０００７】特開昭57−15453 号の同じベースに複数の
素子を搭載する方法は小容量では効果を発揮するが大容
量ではやはりベースのサイズが大きくなり前記した問題
が同様に生ずる。モジュール充填の樹脂に対してもケー
スフタをケースに固定するエポキシ樹脂領域を分離した
だけでモジュール内部で最も膨張係数の大きいワイヤー
コート用のゲルが分離されてなくゲル膨張によるケース
の変形については考慮されていなかった。

【０００８】本発明の目的は、モジュールの変形量を抑
えて、大容量で高信頼性のパワー半導体モジュールを提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を対策し、大容
量のモジュールを得るために本発明では側面あるいは上
面が一体で形成されたモジュールの底面を独立した二枚
以上の金属板で構成した。また、独立した個々の金属板
に対してそれぞれにモジュールを固定する為の取り付け
穴を配置した。

【００１０】ケースの構造は、モジュールの変形を吸収
するためにモジュール内部に充填したチップをコートす
るゲル状の絶縁材料とケース上面を固定する樹脂の間に
空間を設けた。また、モジュール側面を構成するケース
の一部として形成された仕切り板でモジュール内部に充
填される樹脂を分割した。

【００１１】モジュール内部の配線は、端子とモジュー
ル上面の一部を形成する樹脂が一体で形成された端子ブ
ロックによってモジュールの各底面金属板間も含めてモ
ジュール内部で配線した構造と、各底面金属板の配線を
独立して端子ブロックで配線し、モジュール外部で各端
子間を配線する構造と、モジュールの用途，生産量によ
って使い分ける。また、各底面金属板の配線を独立して
第一の端子ブロックで配線し、次に第二の端子ブロック
により第一の端子ブロック間を配線する構造によりモジ
ュール間配線を内部に取り込むことができる。この時、
各第一の端子ブロックと第二の端子ブロック間の配線を
半田によって接続する構造と機械的にボルトで締め付け
る構造をモジュール内の他の半田の温度階層や、モジュ
ール稼働時の温度条件によって使い分けることが出来
る。

【００１２】独立した底面金属板間の変形を吸収できる
のであれば、複数の底面金属板を第二の底面基板で先に
接続した後、１体のケースに組み込む構造や、底面金属
板の一部を薄く加工して変形を吸収させる構造としても
同じ効果が得られる。

【００１３】また、個別に複数のモジュールを作製した
後、モジュール実装時に一体のケースで外周をカバーし
て取付ける構造。あるいは複数のモジュールを作製した
後一体のケースで外周をカバーし、内部のケースと外周
のケースを接着して一体化させることで底面金属板が複
数枚のモジュールを形成することが出来る。

【００１４】底面の金属板が一枚の板で形成されている
場合でもモジュール側面を形成するケース材でモジュー
ル内部が仕切り板で分割されている構造，仕切り板によ
ってモジュール内部に充填するゲル状の樹脂を分離する
構造，仕切り板によってモジュール内部に充填する樹脂
全体を分割する構造でもモジュールの変形を抑える効果
が得られる。

【００１５】また、モジュールをフィンに組み込む場
合、底面金属板に穴、あるいは溝加工する構造，接合面
が複数に分割されたフィンに底面金属板を固定する構造
であれば底面金属板が分割されている構造ではもちろ
ん、分割されていなくても実装時のグリース厚さ，ボル
トへの応力低減等の効果がある。

【００１６】側面あるいは上面が一体で形成されたモジ
ュールの底面金属板を二枚以上で構成することによりモ
ジュール完成後の反り量を一枚の底面金属板で形成した
時の１／２以下に低減できる。また、モジュール稼働時
の熱変化によるモジュールの変形量も一枚の金属ベース
で形成した時より小さくすることが出来る。さらにモジ
ュール底面金属板材とモジュール側面のケース材との膨
張係数差による底面金属板とケースの剥離の問題も発生
しない。また、基本単位のモジュールを各底面金属板単
位で設計しておけば、半導体素子を底面金属板に固定す
るまでの工程は各機種で共通化でき、ケース工程で基本
単位のモジュールを組合せて組み立てることで各容量の
モジュールを作製することが出来る。これにより部品，
プロセスの共通化が図れ、安価にモジュールを作製する
ことが出来る。

【００１７】各底面金属板には互いに独立した取り付け
穴を形成することで、モジュールを実装する時のモジュ
ールの変形による締け付けのアンバンラスをなくすこと
が出来る。また、モジュールで発生する熱を効率良く放
熱させるためにベースとフィン間には一般的にグリース
が塗布されるが、このグリース厚さを個々のベースで管
理することが出来るのでより均一に薄く塗布することが
出来る。

【００１８】モジュール内部に空間を設けることにより
モジュール内部に充填した樹脂の熱膨張による変形を吸
収することが出来、モジュール全体の変形量を小さくす
ることが出来る。特に本発明の底面金属板を分離した構
造では各底面金属板をケース材により連結した部分の強
度が一枚の底面金属板で形成した場合に比べて弱いので
空間を設けることで全体の変形量を抑えることができれ
ば連結部の破壊を抑え、より大容量のモジュールが組立
可能となる。

【００１９】モジュール内部に充填された樹脂領域を分
離することにより、モジュール組立中の硬化時及びモジ
ュール完成後の稼働時の熱履歴による変形の絶対量を抑
えることができる。特に膨張係数の大きいゲル状の樹脂
でコートしているワイヤーボンディングの信頼性を向上
させることができる。また、モジュール内部に樹脂を注
入する時、注入量を正確に制御でき、全面に効率良く広
がらせることが出来る。さらに、プロセス途中で注入し
た樹脂を硬化する前のモジュールの傾きによる高さのば
らつきを抑えることが出来る。これらの大型化に伴う製
造上の課題が底面金属板を分割している構造ではもちろ
ん、分割されていない構造でも同様に解決することが出
来る。

【００２０】モジュールの内部の配線は、（１）各底面
金属板間を端子とモジュール上面の一部を形成するケー
ス材を一体化させた一台の端子ブロックによって形成し
た場合、各配線の主端子間を極力小さく、平行に配置さ
せることが出来るのでモジュールのインダクタンスを小
さくすることができる。また、モジュール外部の主端子
を各電極で一箇所に、モジュールを駆動させるゲート配
線や、信号検出用の補助端子もベース間で配線し一箇所
にすることが出来るのでモジールの外部配線が容易にな
る。（２）各底面金属板の配線を各底面金属板に対応し
て独立した端子ブロックで形成し、各端子ブロック間を
モジュール外部で配線した場合、モジュール間の配線イ
ンダクタンスは小さくならないが、基本単位の端子ブロ
ックを形成することで組立が可能なので各機種のモジュ
ールの共通化が図れる。（３）各底面金属板の配線をそ
れぞれ底面金属板に対応した独立の第一の端子ブロック
で形成し、次に各第一の端子ブロック間の配線を第二の
端子ブロックで形成する場合、端子の接続箇所が増える
ためプロセス，構造が複雑になるが（１），（２）の長
所を持たせることが出来る。この時第一と第二の端子ブ
ロック間の配線はモジュールを構成する他の半田より低
融点の半田で接合すると、接合処理が一度のプロセスで
出来るため接続数が多い場合有効である。また、半田の
温度階層が取れない場合やモジュール使用時の温度変化
が激しく半田の劣化が問題となる場合はボルト等で機械
的に接続したほうが有効である。

【００２１】独立した各底面金属板の変形を吸収する第
二の底面基板で接合し、モジュールを形成した場合、第
二の底面基板をベロース状の変形を吸収できる構造で接
合することで独立した底面金属板がある構造と同じ効果
が得られる。この時第一の底面金属板と第二の底面基板
の気密性を保てば、まず半導体素子が接合された各金属
ベース間を配線する端子ブロックで配線し、その後、各
底面金属板間を接合するケースを接続する工程が取れ
る。これによりケースと金属ベースの接着に用いる接着
剤が半田プロセス温度の耐熱性を必要としなくなるので
接着剤選択の自由度を広げることが出来る。また、各底
面金属板間を一台の端子ブロックで容易に配線すること
が出来る。さらに、樹脂の耐熱性と、半田接合時に接合
を阻害するガスが発生しないのであれば第二の底面基板
にケースと同じ樹脂を用い、さらに第一の底面金属板と
第二の底面基板の接合にケースと第一底面金属板を接着
した接着剤を用いれば熱履歴による膨張収縮がモジュー
ル外周のケースと第二の底面基板とで等しくなるので耐
熱疲労性を向上させることが出来る。

【００２２】底面金属板の一部を薄くして相互の底面金
属板の変形を薄くした部分の局部変形で吸収できる構造
とすればベースを分離しなくても同様にモジュールの変
形を小さくすることが出来る。また、底面金属板があら
かじめ一枚の板なので第二の底面基板を使用したときと
同様に端子ブロックを接合後、ケース接着が出来るので
第二底面基板を用いなくても同じ効果が得られる。

【００２３】底面金属板を分離しない構造でも、モジュ
ールの外側を形成するフレーム状のケースと一体に形成
されたフレームの各辺間をまたがる張りを設けることで
モジュール内部の樹脂を分離する構造を構成した場合、
底面金属板を分離しない構造でもモジュールの変形を抑
えることが出来る。つまり、これらの構造を適用すれば
一枚の底面金属板の構造でも大容量化（大型化）可能な
領域を増やすことが出来る。

【００２４】モジュールが大型化した時の放熱フィンへ
の実装では、底面金属板を分割した構造は底面金属板と
フィンの間に塗布したグリースの内余分な量をトラップ
させてモジュール全体でのグリース厚さ，グリース広が
りを一定にすることができる。また、モジュール底面金
属板とフィンの材料の違いによる熱膨張係数差によりグ
リースが流動する時もモジュールの外周以外に流動を吸
収することが出来るのでグリースの厚さのばらつきが発
生することがない。底面金属板が一枚の場合でも、底面
金属板の少なくとも半導体素子の直下ではなく、モジュ
ールの放熱には影響を与えない裏面に穴、あるいは溝を
設けることでも同じ効果が得られる。これらの作用によ
り同じ稼働状態でも放熱効果を良くしたことでモジュー
ルを長寿命化出来る。逆に、一枚の金属ベースを放熱フ
ィン側に穴，溝を設けることでも同じ効果が得られる。

【００２５】上記したこれらの構造のモジュールを放熱
フィンに搭載したインバータ装置では大容量の素子を組
み込んでいるのでインバータ装置を小型化することが出
来る。また、モジュールの並列接続数を少なくすること
が出来るので配線回路が単純化できる。これらの効果で
従来より安価なインバータ装置を提供することができ
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を図面を用い
て説明する。

【００２７】図１は本発明を用いて作成したモジュール
の断面図を示す。例えばＣｕあるいはＣｕ合金からなる
１０３ａ，１０５ａとＡｌＮからなる絶縁基板１０４ａ
をＤＢＣ法により接合した複合基板１０６ａに、例えば
1.5Ａｇ−5Ｓｎ−93.5Ｐｂ半田１０７ａによって半導体
素子１０８ａを接合する。その後例えばＡｌからなる金
属ワイヤ１０９により複合基板上で回路を形成する。次
にＣｕあるいはＣｕ合金からなる底面金属ベース１０１
ａ上に例えば４０Ｐｂー６０Ｓｎの共晶半田１０２ａに
よって半導体素子１０８ａを搭載した複合基板１０６ａ
を接合する。次に底面金属ベース１０１ａと同じ工程で
作製した半導体素子１０８ｂを搭載した底面金属ベース
１０１ｂを例えばＰＰＳ樹脂で形成されたケース１１０
に図示していない例えばＳｉ系の接着剤で固定する底面
金属板にケースを接合した時の斜視図を図２に、ケース
１１０の裏面からの斜視図を図３に示す。各底面金属ベ
ース１０１ａ，１０１ｂには各ベースを放熱フィンに取
り付けるための取付穴２０１が各底面金属板に独立して
加工している。また、各底面金属板１０１ａ，１０１ｂ
の間はケースの側面と側面のフレーム内を横切った張り
２０２によって固定される。また、各底面金属板１０１
ａ，１０１ｂは図３の斜線部３０１で示す領域面で接着
剤によって固定密封される。モジュールを実装する場合
には各底面金属板１０１ａ，１０１ｂに対応した取付穴
２０１にボルト２０３を挿入して締め付ける。次に各底
面金属ベース１０１ａ，１０１ｂの間の電極を配線する
主端子１１１,１１２と補助端子１１３,１１４とモジュ
ールのフタの一部を形成する樹脂１１５とが一体になっ
た端子ブロック１１６を例えば４０Ｐｂ−６０Ｓｎの共
晶半田１１７によって複合基板１０６ａ，１０６ｂ上の
回路を形成したＣｕ箔１０５ａ，１０５ｂに接続する。
この後モジュール内の絶縁と半導体素子108a，１０８ｂ
と複合基板１０６ａ，１０６ｂ上の回路を形成したＣｕ
箔１０５ａ，１０５ｂとを接続した金属ワイヤ１０９
ａ，１０９ｂの振動を防止するため例えばゲル状の樹脂
１１８を少なくとも金属ワイヤ１０９の全体が覆われる
まで注入する。最後にモジュールを密封し、外気の影響
をなくすため例えば熱硬化型のエポキシ樹脂１１９を全
面に注入する。

【００２８】図４に組立後のモジュールの斜視図を示
す。図５には本実施例で底面金属板を分割して作製した
モジュールと一枚の底面金属板４０１で作製したモジュ
ールの底面金属板裏面の変形量を各工程で比較して示
す。底面金属板入荷時の反り量は底面金属板面積が大き
くなるに伴いばらつきが大きくなる。その底面金属板に
絶縁基板を接合するとＣｕあるいはＣｕ合金に比べてＡ
ｌＮ絶縁基板の熱膨張係数が小さいためモジュの裏面が
凹の状態の変形する。次にケースで固定するとＣｕある
いはＣｕ合金に比べてＰＰＳ樹脂の膨張係数が大きいた
め逆にモジュールの裏面が凸の状態の変形する。

【００２９】モジュール完成後の変形量は底面金属板を
分割したほうが小さくなる。また、モジュール稼働時の
温度変化による変形の変位量も当然底面金属板を分割し
た方が小さくなる。図１の実施例では底面金属ベースを
２枚に分割した実施例を記載したが図６に示すように容
量によっては３枚，４枚に分割し、分割した形状に合わ
せてケース５０１，５０２で裏面金属板１０１ａ〜ｄを
接着すれば問題ない。同じモジュールの大きさでは分割
数を増やしたほうがモジュール全体の変形量は小さくす
ることができる。しかし、必要以上に小さくするとモジ
ュールをフィンに取り付ける取り付け穴の領域が多くな
り一枚の底面金属板で作製したモジュールより大きくな
る。このことから、一枚の底面金属板モジュールでフィ
ンへの取り付け穴数が６箇所以上のモジュールで底面金
属板を分割した効果が大きい。

【００３０】図１の実施例では絶縁基板にＡｌＮ基板と
したが、底面金属板と絶縁板を接続する半田の信頼性を
向上させるためＣｕあるいはＣｕ合金と熱膨張係数のよ
り近いＡｌ₂Ｏ₃を使用した場合、あるいは底面金属板と
絶縁板を接続する半田と絶縁板と半導体素子を接合する
半田双方の信頼性を向上させるため絶縁基板にＡｌＮ基
板，底面金属板にＭｏあるいはＷなどの低熱膨張の材料
を使用しても同じ効果がある。

【００３１】図７にモジュール内部に空間７０３を設け
たモジュールの断面構造を示す。モジュール内部に空間
を設ける目的はモジュールに充填する樹脂の膨張，収縮
を吸収してモジュール全体の変形を小さくすることにあ
る。特に底面金属板を分割したモジュールでは分割した
各底面金属板間を連結する部分の強度をモジュール側面
のケースで保持するため変形を極力抑えることでより大
容量のモジュールを作成することが可能となる。

【００３２】空間を設けるための方法として、例えば、
底面金属板１０１ａ，１０１ｂに複合基板１０６ａ，１
０６ｂを接合するまでは図１の実施例と同様に作製し、
次に空間構造を設けるためのクランク部７０１を設けた
ケース７０２により底面金属板１０１ａ，１０１ｂを接
着して固定する。その後図１と同様に端子ブロック１１
６を半田で接合後、モジュール内部にゲル状の樹脂１１
８を注入する。この時、ケース７０２側面に設けたクラ
ンク部７０１によりモジュール内部に空間７０３を形成
させる。その後熱硬化型のエポキシ樹脂１１９を注入し
てモジュールを密封するが、温度変化によるゲル状樹脂
１１８の膨張収縮７０４をモジュール内部の空間７０３
により吸収できるのでモジュールの変形を小さくするこ
とができる。

【００３３】また、図８に示すようにモジュール内部に
空間を設けるための構造としてケースフタ８０２に空間
のための仕切り構造８０１を設けたモジュール内部の空
間８０４を形成する。この空間８０４によりゲル状樹脂
１１８の変形８０５を吸収する。ケースとケースフタの
両方に空間を設ける構造を設けるとその効果が大きい。
さらに、モジュールの内部の一部に空間を設けるより全
面に空間を設けたほうがより効果的である。そのために
図９の実施例に示すようにケース９０１とケースフタ９
０４の周辺にクランクの構造９０３にする。モジュール
作製方法は底面金属ベース１０１ａ，１０１ｂに複合基
板１０６ａ，１０６ｂを接合するまでは図１の実施例と
同様に作製し、クランク構造９０３を持ったケース９０
１に各底面金属ベース１０１ａ，１０１ｂを接着する。
次に例えばクランク構造９０３を持ったケースフタ９０
４とモジュールの主端子１１１，１１２と補助端子113,
１１４が一体となった端子ブロック９０２を各複合基板
１０６ａ，１０６ｂ上の電極に半田１１７で接合する。
次にクランク部９０３に例えば熱硬化型のエポキシ樹脂
１１９を注入してケース９０１と端子ブロック９０２を
密封する。次に端子ブロック９０２の一部に設けた注入
穴９０５からモジュール内部にゲル状樹脂１１８を９０
６から注入して硬化した後注入穴９０５に例えばシリコ
ーンゴム製のキャップ９０７を接着してモジュールを完
全に密封する。

【００３４】この実施例ではモジュール内部全面に空間
９０８を設けているため図７，図８，図９の実施例の中
で最も変形量が小さい。また、ゲル状樹脂１１８の変形
によるモジュール内部の他の構造物、例えば金属ワイヤ
１０９や端子接続半田１１７に対する影響がほぼ均一に
なる。これによりケースの強度を保てる他に端子111〜
１１４と複合基板１０６ａ，１０６ｂを接続した半田１
１７、半導体素子108a，１０８ｂと複合基板１０６ａ，
１０６ｂを配線した金属ワイヤー１０９の信頼性も向上
させることができる。

【００３５】図１０にモジュール内部に充填した樹脂を
分割したモジュールの実施例を示す。モジュール内部に
充填した樹脂を分割する目的は樹脂の膨張，収縮によっ
て変動する樹脂の影響を小さくすることである。特にモ
ジュール内部に充填する樹脂のうち最も膨張係数の大き
いゲル状樹脂１１８の影響を小さく抑える必要がある。
これは接合界面の劣化が問題になる金属ワイヤー１０９
のボンディング部と、端子１１１〜１１４の接続部の半
田１１７に対する影響を小さくするためである。

【００３６】特に、大容量のモジュールではモジュール
容積が大きくなり内部に充填する樹脂量が多くなるので
分割等の対策が必須となる。分割するための方法とし
て、例えば、底面金属ベース１０１ａ，１０１ｂに複合
基板１０６ａ，１０６ｂを接合するまでは図１の実施例
と同様に作製し、次に内部を分割するための仕切部分１
００１を高くしたケース１００２により底面金属ベース
１０１ａ，１０１ｂを接着して固定する。その後図１と
同様に端子ブロック１１６を半田１１７で接合後、モジ
ュール内部にゲル状樹脂１１８を注入する。この時、ケ
ース１００２側面に設けた仕切部１００１により注入し
た樹脂が各金属ベース単位に分割118a，１１８ｂするこ
とができる。その後熱硬化型エポキシ樹脂１１９を注入
してモジュールを密封する。

【００３７】仕切り部分１００１で例えばゲル状樹脂１
１８ａ，１１８ｂを２箇所に分離することが出来ればゲ
ル状樹脂１１８ａ，１１８ｂの温度変化による変形を１
／２に抑えることが出来る。さらに、モジュール製造途
中でゲル状樹脂１１８ａ，１１８ｂを硬化する前にモジ
ュールを傾けてしまうとゲル状樹脂１１８ａ，118bの液
面も傾く。しかし、図１０に示すようにゲル状樹脂１１
８ａ，１１８ｂ領域を分離しておけば底面金属板４０１
が１枚の場合の液面の変化量ΔＧ１に比べてΔＧ２と小
さくすることが出来る。ゲル状樹脂１１８ａ，１１８ｂ
の注入量についても分割して個別に注入量を管理するこ
とが出来るので精度が良い。

【００３８】ゲル状樹脂１１８ａ，１１８ｂ注入時のモ
ジュール内での広がりに関しても領域を分離して狭くし
ているので一体の底面金属板の時に比べて均一に広がら
せることが出来る。これにより注入時に空気を取り残し
てボイドを発生させることもない。また、ケース部品の
寸法精度の面でもフレーム状の側面があるだけの構造に
比べ変形量を小さく、精度良く部品を作製することがで
きる。今回の実施例では分離した底面金属ベースに対応
した部分しかケースフレームを分離させていないが、モ
ジュール内部に許容する領域があるのであればそれ以上
に分離したほうが効果が大きい。

【００３９】図１２，図１３にゲル状樹脂１１８だけで
はなくモジュール全体を分離させた実施例の断面図と斜
視図を示す。モジュール全体の樹脂領域を分離させるこ
とによりケース側面と一体で形成したケースの仕切り板
をケース高さまで確保することで底面金属ベース間の連
結部分の強度を向上させモジュール１２０５の変形を小
さくすることが出来る。また、ケース自体も変形量が小
さくなるので精度の良い部品が形成できる。さらに、ゲ
ル状樹脂１１８ａ，１１８ｂの上部に注入する熱硬化型
エポキシ樹脂１１９ａ，１１９ｂの注入量も精度良く管
理することが出来る。

【００４０】図９の実施例で示したモジュール内部全面
で空間９０８を設ける方法では空気層も分離することが
出来るのでゲルの変形量を小さくすることが出来、金属
ワイヤ１０９のボンディング部分の信頼性を向上させる
ことが出来る。さらにケース９０１外周のクランク部分
９０３に注入するエポキシ樹脂の広がる領域を狭くする
ことが出来るので注入不足による欠陥を防止することが
出来る。

【００４１】端子の配線は主端子１１１ａ，１１１ｂ，
１１２ａ，１１２ｂは図１４（ａ）のようにモジュール
外部に引き出した端子間を並列接続してモジュール容量
を向上させることが出来る。また、個々の補助端子１１
３ａ，１１３ｂ，１１４ａ，１１４ｂは自由度のある被
覆線１２０２で配線し、最終の熱硬化型エポキシ樹脂１
１９ａ，１１９ｂで固めることで複数の底面金属ベース
に分離させた場合でもモジュールとしての外部端子１１
３ａ，１１４ａの１箇所にすることが出来る。また、モ
ジュールの使用目的によっては図１４（ｂ）のように補
助端子も各金属ベースで独立させ一台の中でも各素子を
独立させて駆動させて１相分として使用してもよい。こ
の方法では各底面金属ベースつまり、基本単位容量の端
子ブロックを作製し、それを複数組合せて種々の大容量
モジュールを開発することが出来るので部品，プロセス
の共通化によりより安価のモジュールを作製することが
可能になる。

【００４２】図１５に各底面金属板１０１ａ，１０１ｂ
に対応した端子ブロック１５０１ａ，１５０１ｂを組み
立てた後、第二の端子ブロック１５０２で第一の端子ブ
ロック１５０１ａ，１５０１ｂ間を配線した場合のモジ
ュールの実施例を示す。第二の端子ブロック１５０２を
使用することでモジュール内で主端子１１１，１１２を
配線することが出来るのでその主端子１１１，１１２の
間隔をより小さくでき、相互インダクタンス効果により
モジュールインダクタンスを小さくすることができる。
これはモジュールの外部配線が簡易でインバータ駆動時
にモジュールインダクタンスの影響が大きい場合には有
効である。また、各底面金属ベースに対応した第一の端
子ブロック１５０１ａ，１５０１ｂは基本単位で作製
し、第二の端子ブロック１５０２を容量，用途に応じて
使い分ければよいので図１１で説明したケース分離の効
果を大きく損なうことはない。

【００４３】第二の端子ブロック１５０２を用いる方法
として、例えば、底面金属ベース１０１ａ，１０１ｂに
複合基板１０６ａ，１０６ｂを接合するまでは図１の実
施例と同様に作製し、次に内部を分割したケース１５０
３により底面金属ベース１０１ａ，１０１ｂを接着して
固定する。その後各底面金属ベース１０１ａ，１０１ｂ
に対応した端子ブロック１５０１ａ，１５０１ｂを半田
１１７で接合する。次に、各端子ブロック１５０１ａ，
１５０１ｂ間を配線する第二の端子ブロック１５０２を
半田１５０４で接続する。最後に各底面金属板101a，10
1bに対応した領域それぞれにゲル状樹脂１１８ａ，１１
８ｂを注入し、第一の端子ブロック１５０１ａ，１５０
１ｂと第二の端子ブロック１５０２間を熱硬化型エポキ
シ樹脂１１９で充填して硬化する。

【００４４】第一の端子ブロック１５０１ａ，１５０１
ｂと第二の端子ブロック１５０２との接続はモジュール
内部の接合に使用した半田１０２，１０７，１１７と温
度階層が取れることがより望ましいが治具等で他の部分
を固定できていれば第一の端子ブロックを接合した半田
１１７と同じ材質でも問題ない。また、モジュール駆動
時の条件によっては半田の接合よりボルト等で機械的に
接合したほうがより信頼性を向上させることが出来る。
機械的接続をする場合は、第一の端子ブロック１５０１
ａ，１５０１ｂにまず端子１１１，１１２だけを接続さ
せ次にケースのフタ１１５となる部分をはめ込み固定す
る方法で実施できる。この時機械的な接続をするためモ
ジュールの高さが半田での接続に比べ高くなるのでモジ
ュール実装時の高さも考慮して接続方法を選択する必要
がある。

【００４５】図１６は複数の底面金属板１０１ａ，１０
１ｂをあらかじめ第二の底面基板１６０１で固定した実
施例を示す。接続面の気密性が確保できていれば各底面
金属板１０１ａ，１０１ｂ間を一台の端子ブロック１１
６で配線した後モジュール外側のケース１１０を接着す
ることが出来るので底面金属板１０１ａ，１０１ｂに接
続された複合基板１０６ａ，１０６ｂの電極１０５ａ，
１０５ｂと端子ブロック１１６配線との接続を目視で確
認しながら実施できるので位置合わせが容易になる。ま
た、端子高さのアンバランスによって未接続部分が発生
する不良ポテンシャルをなくすことが出来る。

【００４６】底面金属板１０１ａ，１０１ｂをあらかじ
め接合する方法として、例えば、底面金属板１０１ａ，
１０１ｂに複合基板１０６ａ，１０６ｂを接合するまで
は図１の実施例と同様に作製し、各底面金属板１０１
ａ，１０１ｂを接続する第二の底面基板１６０１で連結
する。次に各底面金属板１０１ａ，１０１ｂ間を配線し
た端子ブロック１１６と複合基板１０６ａ，１０６ｂの
電極を半田１１７で接合する。次に各底面金属板１０１
ａ，１０１ｂを接着するケース１１０でモジュール側面
を形成する。その後モジュール内にゲル状樹脂１１８，
熱硬化型エポキシ樹脂１１９を注入して密封する。

【００４７】第二の底面基板１６０１の材料は各底面金
属板１０１ａ，１０１ｂの変形を吸収出来る材料で良い
ので例えば底面金属板１０１ａ，１０１ｂと同じ材料で
その厚さが薄いベース、あるいはベンド構造をもつベー
ス等がよい。また、気密性と変形に耐え強度を持つので
あれば樹脂材料でも問題ない。例えばケース１１０材料
と同じＰＰＳ樹脂で形成し、底面金属板１０１ａ，１０
１ｂとケース１１０を接着する接着剤で固定しておいて
もケース１１０周辺の変形を樹脂，接着剤で吸収できて
いるので問題ない。ＰＰＳ樹脂を選択した場合は特にケ
ース１１０の膨張係数と同じ材料であるので第一の底面
金属板１０１ａ，１０１ｂと第二の底面基板１６０１接
着する部分に掛かる応力を小さく出来る利点がある。

【００４８】また、図１７に示すように各底面金属板１
０１が分割されていなくても底面金属板の一部を変形が
吸収出来る程度に薄くする領域１７０１を設けることで
も同じ効果が得られる。この場合、複数の底面金属ベー
スを使用した場合に配慮しなければならない各ベース間
の連結部分の気密性に関しては全く問題がなくなる。図
１８に底面金属板１０１ａ，１０１ｂが複数枚あるモジ
ュールの別の作製方法の実施例を示す。この方法は独立
して作製したモジュール1801a，1801bを一台のケース１
８０２で一体化させたモジュールである。例えば、底面
金属板101a，１０１ｂに複合基板１０６ａ，１０６ｂを
接合するまでは図１の実施例と同様に作製し、次に各底
面金属板１０１ａ，１０１ｂに対応した端子ブロック18
03a，１８０３ｂを半田で接続する。次に互いに独立し
たケース１８０４ａ、と1804bを接着剤で底面金属板１
０１ａ，１０１ｂに接着する。その後各モジュール１８
０１ａ，１８０１ｂにゲル状樹脂１１８を注入して金属
ワイヤ１０９の保護し、熱硬化型エポキシの樹脂１１９
を注入して互いに独立したモジュール1801a,１８０１ｂ
を完成させる。この後容量に応じて完成したモジュール
を複数台集め、一台のケース１８０２で固定する。この
時の固定方法は例えば互いに独立したモジュールを締め
付ける時第二のケース１８０２を上からかぶせ同時に締
め付ける方法、第一のケース１８０４ａ，１８０４ｂの
一部にくさび状のくぼみを設けておき、対するケース１
８０２にくさび状の突起を設けてはめ込む方法、あるい
は接着剤やエポキシ樹脂で完全に接着してしまう方法が
ある。その後モジュールの用途によって図１４に示した
ように各モジュール間を直列あるいは並列に配線する。

【００４９】これらの方法によりモジュールを用途に合
わせたユニットで配線して提供することで実装時のモジ
ュール間配線を簡略化することが出来る。また、万が一
誤動作や事故によってモジュールが破棄した時も単位ユ
ニットでケースを一体化させているのでゲル状樹脂１１
８の流出等によって他の部品を汚染させる悪影響を最小
限に抑えることが出来る。また、基本単位のユニットモ
ジュールを独立して作製することが出来るので部品，製
作工程の共通化では最も効果が大きい。

【００５０】モジュール間の配線については図１５に示
したようにケース各底面金属板101a，１０１ｂで独立し
た端子ブロック１５０１ａ，１５０１ｂで配線した後第
二の端子ブロック１５０２で各モジュール間を配線しユ
ニットの出力端子を共通化すればモジュール内部のイン
ダクタンスは低減できる。

【００５１】これまでの実施例は底面金属板が一台のモ
ジュールで複数枚に分割された構造の実施例について記
載したが、底面金属板が一枚の場合でもモジュール内部
のゲル領域、あるいはエポキシ樹脂領域を分離する構造
ではモジュールの変形を抑える効果がある。また、充填
する樹脂量の精度向上，樹脂液面の均一化についても充
分効果を発揮する。さらに、図２に示したケースの内部
に張りとなる仕切り板２０２を設けた構造はケースの製
造状の精度を向上させ、熱履歴による変形量を小さく
し、外力に対する耐破壊強度を向上させる効果もある。

【００５２】次にこれらのモジュールを放熱フィンに実
装した場合の実施例を説明する。

【００５３】図１９に底面金属ベースが一台のモジュー
ルで分割されたモジュール１９０１を例えばヒートパイ
プ１９０６で冷却する放熱フィン１９０２に実装した実
施例を示す。通常これらのモジュールを実装する場合は
モジュールで発生する熱を効率良く放熱させるためにモ
ジュールと放熱フィンの間に熱伝導の良いグリース１９
０３を塗布する。しかし、グリース１９０３の熱伝導は
単体の金属に比べ１／１０以下と小さい。そのため、実
装時には極力グリース１９０３の厚さを薄く制御するこ
とが必要になる。

【００５４】図１９（ｂ）に放熱フィン１９０２にグリ
ース１９０３を均一に塗布するための一つの実施例を示
す。放熱フィン１９０２状の底面金属板が位置する領域
1904で半導体素子直下部にグリース１９０３を塗布して
おく。次にモジュール1901を置くとグリース１９０３が
矢印１９０５に沿って広がる。この時底面金属板分割の
モジュールでは底面金属板間に溝があるのであらかじめ
放熱フィン１９０２に塗布しておいたグリース１９０３
の余分な部分は溝に入り込み放熱に重要な半導体素子直
下部分の厚さを薄く、かつ不足なしに制御することがで
きる。これに対し底面金属板を分割しないモジュールで
は余分なグリース１９０３が流出する領域がモジュール
外周に限られているので特に大型のモジュールで効率良
くグリース１９０３を薄くすることが出来ない。また、
薄くしようとしてグリース1903の塗布量を少なくすると
グリース１９０３が広がらない領域が発生する恐れがあ
る。

【００５５】また、モジュールと放熱フィン１９０２を
固定するボルト１９０８に着目すると、まずグリース１
９０３を薄く出来ることから、モジュール１９０１を放
熱フィン１９０２に組み込んだ後稼働条件による温度の
変化でグリース１９０３の変形が少なく締め付けたボル
ト１９０８が緩みにくい効果がある。また、モジュール
１９０１の底面金属板と放熱フィン１９０２の材料の違
いによる膨張係数差により稼働条件による温度の変化で
ボルト１９０８には応力がかかる。モジュールが大型化
すると外周部の応力が大きくなりボルト１９０８の劣化
（金属疲労）につながる。しかし、底面金属板を分割す
ることでその応力も半減させることが出来る。

【００５６】グリース１９０３の厚さ制御に関しては底
面金属板を分割しなくても、例えば図１７の裏面の溝部
分１７０１に余分なグリース１９０３が流入するので同
じ効果が得られる。また、加工形状を特に溝にこだわら
なくて半導体素子直下のように熱伝導に寄与する位置を
除けば穴等の加工によっても同じ効果を得ることが出来
る。

【００５７】図２０にはモジュールではなく放熱フィン
１９０２側に加工した実施例を示す。例えば放熱フィン
のチップ直上以外の部分に溝２００１を加工することで
余分なグリースを流入させれば厚さを均一に保つことが
出来る。また、（ｂ）に示すように溝２００２をある程
度深くして放熱フィン１９０２間の変形を許容するよう
にすれば前記した取付けボルト１９０８への影響もなく
すことが出来る。この効果は特に底面金属ベースを分割
しなくても同じ効果が得られる。

【００５８】底面金属ベースを分割したモジュールをイ
ンバータに組込めば一台のモジュールでの容量が大きい
のでインバータのモジュール取付け部分の大きさを小さ
くすることができる。

【００５９】

【発明の効果】本発明によれば、底面金属ベースを複数
枚に分割したことでモジュール完成時の反り量を低減す
ることが出来る。これによりモジュールを放熱フィンに
取付ける場合にモジュールとフィン間に充填するグリー
スの厚さを均一化でき接触熱抵抗を小さくすることがで
きる。また、モジュール稼働時の熱履歴によりる変形も
小さくすることが出来るのでグリースの流失も最小限に
抑えることが出来る。これらの効果によりモジュールの
冷却効果を向上させることができるのでよりモジュール
を長寿命化させることができる。また、モジュールの変
形を小さく出来ることによりモジュール内部で使用する
絶縁基板の大きさも大きくすることが出来モジュール小
型化の効果もある。機械的強度の弱いＡｌＮ基板や熱伝
導の悪いＭｏなどの材料も選択できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】底面金属板を分割したモジュールの断面図。

【図２】底面金属板を分割したモジュールのケース接着
後の斜視図。

【図３】底面金属板を分割するためのケースの裏面斜視
図。

【図４】底面金属板を分割したモジュールの斜視図。

【図５】底面金属板を分割した場合と分割しない場合の
裏面の反り量比較。

【図６】底面金属板を３，４枚に分割したモジュールの
斜視図。

【図７】底面金属板を分割し、モジュール内部に空間を
設けたモジュールの断面図。

【図８】底面金属板を分割し、モジュール内部に空間を
設けたモジュールの断面図。

【図９】底面金属板を分割し、モジュール内部全面に空
間を設けたモジュールの断面図。

【図１０】底面金属板を分割し、モジュール内部の樹脂
領域を分割したモジュールの断面図。

【図１１】底面金属板を分割し、モジュール内部の樹脂
領域を分割したモジュールの効果。

【図１２】底面金属板を分割し、モジュール内部の樹脂
領域を分割したモジュールの断面図。

【図１３】底面金属板を分割し、モジュール内部の樹脂
領域を分割したモジュールの斜視図。

【図１４】底面金属板を分割したモジュールの内部配線
等価回路図。

【図１５】底面金属板を分割し、第一の端子ブロックと
第二の端子ブロックを使ったモジュールの断面図。

【図１６】底面金属板を分割し、第一底面金属板と第二
の底面基板を使ったモジュールの断面図。

【図１７】底面金属板を分割せず溝を設けたモジュール
の断面図。

【図１８】底面金属板を分割し、第一のケースと第二の
ケースを使ったモジュールの断面図。

【図１９】底面金属板を分割したモジュールの実装方
法。

【図２０】底面金属板を分割しないモジュールで放熱フ
ィンに溝加工した時の実装方法。

【符号の説明】

１０７ａ，１０７ｂ，１０２ａ，１０２ｂ,１１７,１５
０４…半田、１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ
…底面金属板、１０３ａ，１０３ｂ，１０５ａ，１０５
ｂ…Ｃｕ箔、１０４ａ，１０４ｂ…絶縁基板、１０６
ａ，１０６ｂ…複合基板、１０８ａ，１０８ｂ…半導体
素子、１０９…金属ワイヤ、１１０…ケース、１１１
ａ，１１１ｂ…エミッタ端子、１１２ａ，１１２ｂ…コ
レクタ端子、１１３ａ，１１３ｂ…ゲート端子、１１４
ａ，１１４ｂ…エミッタ補助端子、１１５ａ，１１５ｂ
…ケースふた、１１６…端子ブロック、１１８ａ，１１
８ｂ…ゲル状樹脂、１１９ａ，１１９ｂ…熱硬化型エポ
キシ樹脂、２０１…モジュール取付穴、２０２…ケース
仕切板、２０３…モジュール取付ボルト、３０１…底面
金属板接着領域、４０１…底面金属板（分割無し）、５
０１…底面金属板３分割モジュール用ケース、５０２…
底面金属板４分割モジュール用ケース、７０１…モジュ
ール内部空間を構成するための仕切板、７０２…モジュ
ール内部空間を構成するケース、７０３…モジュール内
部空間、７０４…ゲル状樹脂の変形量、８０１…モジュ
ール内部空間を構成するための仕切板、８０２…モジュ
ール内部空間を構成するケースふた、８０３…モジュー
ル内部空間を構成する端子ブロック、８０４…モジュー
ル内部空間、８０５…ゲル状樹脂の変形量、９０１…ク
ランク構造のケース、９０２…クランク構造の端子ブロ
ック、９０３…クランク構造領域、９０４…クランク構
造のケースふた、９０５…ゲル状樹脂注入穴、906…ゲ
ル状樹脂注入方向、９０７…シリコーンゴムキャップ、
９０８…モジュール内部空間、１００１…モジュール内
部充填樹脂仕切板、１００２…モジュール内部樹脂仕切
板構造のケース、１２０１…モジュール内部樹脂仕切板
構造のケース、１２０２…被服線、１２０３…モジュー
ル外部短絡配線、１２０４…端子配線用ボルト、１２０
５…モジュール内部仕切板、１５０１ａ，１５０１ｂ…
第一の端子ブロック、１５０２…第二の端子ブロック、
１５０３…モジュール内部樹脂仕切板構造のケース、１
６０１…第二の底面基板、１７０１…底面金属板溝領
域、１８０１ａ，１８０１ｂ…モジュール、１８０２…
一体ケース、１８０３ａ，１８０３ｂ…端子ブロック、
１８０４ａ，１８０４ｂ…ケース、１９０１…モジュー
ル、１９０２…放熱フィン、１９０３…グリース、１９
０４…底面金属板領域、１９０５…クリース広がり方
向、１９０６…ヒートパイプ、１９０７…底面金属板間
隔（溝）、２００１…放熱フィン溝、２００２…放熱フ
ィン溝。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 隆一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】底面が金属基板，側面及び上面が有機樹脂
   で構成され、前記底面の金属板上とモジュール内に搭載
   する半導体素子との間に絶縁板を配置し、前期半導体素
   子が２個以上である内部絶縁型のパワー半導体装置にお
   いて、側面あるいは上面が一体で形成されたモジュール
   の底面金属板が二枚以上で構成されたことを特徴とする
   パワー半導体装置。
2. 【請求項２】請求項１項に記載の内部絶縁型のパワー半
   導体装置において、二枚以上の底面金属板それぞれにモ
   ジュールを固定するための取り付け穴を有することを特
   徴とするパワー半導体装置。
3. 【請求項３】請求項１項に記載の内部絶縁型のパワー半
   導体装置において、装置内部にモジュールの変形を吸収
   する空間を設けた構造を有することを特徴とするパワー
   半導体装置。
4. 【請求項４】請求項１項に記載の内部絶縁型のパワー半
   導体装置において、モジュール内部に充填された樹脂が
   側面を形成する有機樹脂の一部として構成されたケース
   材で分割された構造を有することを特徴とするパワー半
   導体装置。
5. 【請求項５】請求項１項に記載の内部絶縁型のパワー半
   導体装置において、端子とモジュール上面の一部を形成
   するケース材を一体化させた端子ブロックによって各底
   面金属板上の半導体素子全てをモジュール内部で配線し
   たことを特徴とするパワー半導体装置。
6. 【請求項６】請求項１項に記載の内部絶縁型のパワー半
   導体装置において、端子とモジュール上面の一部を形成
   するケース材を一体化させた端子ブロックを各底面金属
   板に対応して接続し、モジュール外部で各底面金属板間
   を配線したことを特徴とするパワー半導体装置。
7. 【請求項７】請求項１項に記載の内部絶縁型のパワー半
   導体装置において、端子とモジュール上面の一部を形成
   するケース材を一体化させた第一の端子ブロックを各底
   面金属板に対応して接続し、前記第一の端子ブロック上
   に第一の端子ブロックの端子間を配線する端子とモジュ
   ール上面の一部を一体化した第二の端子ブロックを配置
   することで各底面金属板間をモジュール内部で配線した
   ことを特徴とするパワー半導体装置。