JPWO2016031462A1 - パワー半導体モジュール - Google Patents

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    • H01L2224/16227—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the bump connector connecting to a bond pad of the item
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Abstract

パワー半導体モジュールは、冷却器と、冷却器上に並べて固定された複数のパワー半導体ユニットと、パワー半導体ユニットを電気的に接続するバスバーユニットとを備えている。パワー半導体ユニットは、回路板、絶縁板及び金属板が順次に積層された積層基板と、回路板に固定された半導体素子と、プリント基板と複数の導電ポストを有する配線部材と、回路板に電気的かつ機械的に接続された外部端子と、絶縁性の封止材とを備えている。バスバーユニットは、各パワー半導体ユニットの外部端子を相互に接続する複数のバスバーを備えている。

Description

本発明は、車載用や産業用等に好適なパワー半導体モジュールに関する。
従来のパワー半導体モジュールは、スイッチング素子が１組の１ｉｎ１、２組の２ｉｎ１、６組の６ｉｎ１等があり、それぞれ異なる外形を有している。また、パワー半導体モジュールは、顧客から要求される電流や電圧の定格が様々である。そのため、電流や電圧の定格に応じて個別に製品を設計、製造していた。
従来のパワー半導体モジュールの一例を図１２に断面図で示す。パワー半導体モジュール１０１は、冷却器１１０のフィンベース１１１上に積層基板１２１を備えている。積層基板１２１は、絶縁板１２１ａのおもて面に回路板１２１ｂが固定され、絶縁板１２１ａの裏面に金属板１２１ｃが固定された積層構造を備えている。積層基板１２１は、接合材１２２、例えばはんだによりフィンベース１１１に固定されている。回路板１２１ｂ上には、半導体チップ１２３が、導電性の接合材１２４、例えばはんだにより接合されている。
積層基板１２１の周囲にはケース１２５が設けられ、積層基板１２１及び半導体チップ１２３を収容している。ケース１２５の上端には蓋１２５ａが設けられている。ケース１２５には、一端がケース１２５の内側で露出し、他端がケース１２５の上端から突出する外部端子１２６が一体で取り付けられている。半導体チップ１２３同士及び半導体チップ１２３と外部端子１２６とはボンディングワイヤ１２７により電気的に接続されている。積層基板１２１、半導体チップ１２３及びボンディングワイヤ１２７の絶縁のため、ケース１２５内は例えば絶縁性樹脂よりなる封止材１２８により封止されている。ケース１２５の取り付け手段として、ケース１２５の端部に設けられた貫通孔に金属リング１２９が取り付けられている。そして、金属リング１２９を通してねじ１３０が設けられ、このねじ１３０がフィンベース１１１にねじ結合されている。また、ケース１２５は、その底面とフィンベース１１１との間が接着剤１３１により固着されている。
冷却器１１０は、フィンベース１１１と、フィンベース１１１に取り付けられたフィン１１２と、フィン１１２を収容しフィンベース１１１の周縁で密閉されるケース１１３とを備えている。ケース１１３内には流路が形成されていて、この流路に冷却液を通すことにより、半導体チップ１２３より生じ、積層基板１２１を通してフィン１１２に伝熱された熱を冷却する。
従来のパワー半導体モジュールは、例えば、半導体チップの数や電流や電圧の定格に応じて個別に製品を設計、製造していたため、設計、製造に手間や時間を要していた。また、パワー半導体モジュールは、車載用等の使途において、薄型化、小型化が求められている。
パワー半導体モジュールの小型化に関して、ラミネートバスバーを備え、このラミネートバスバーの両面にそれぞれ半導体モジュールと冷却器を取り付けたものが提案されている（特許文献１）。しかしながら、特許文献１に記載のパワー半導体モジュールは、各半導体モジュールにボンディングワイヤが用いられているために製造に手間や時間を要していた。また、両面にそれぞれ半導体モジュールと冷却器を備えているため、冷却器を含めた外形の薄型化は十分でなかった。
特開２００７−２７３８８４号公報
本発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、回路構成、電流、電圧の規格に応じた複数種類のパワー半導体モジュールの製造の手間や時間を軽減し、迅速かつ低コストに製造することが可能であり、しかも薄型化することができるパワー半導体モジュールを提供することを目的とする。
本発明のパワー半導体モジュールは、冷却器と、該冷却器上に並べて固定された複数のパワー半導体ユニットと、該パワー半導体ユニットを電気的に接続するバスバーユニットとを備えている。そして該パワー半導体ユニットが、回路板、絶縁板及び金属板が順次に積層された積層基板と、おもて面に電極を有し、裏面が該回路板に固定された半導体素子と、プリント基板と複数の導電ポストを有し、該プリント基板は該半導体素子のおもて面及び該回路板に対向し、該導電ポストはその一端が該プリント基板に接続され、他端が該半導体素子の該電極又は該回路板に電気的かつ機械的に接続された配線部材と、該回路板に電気的かつ機械的に接続された外部端子と、該積層基板、半導体素子、配線部材及び外部端子を封止する絶縁性の封止材と、を備えている。さらに該バスバーユニットが、各該パワー半導体ユニットの該外部端子を相互に接続する複数のバスバーを備えている。
本発明のパワー半導体モジュールによれば、複数種類のパワー半導体モジュールの製造の手間や時間を軽減し、迅速かつ低コストに製造することが可能であり、さらに薄型化することができる。
図１は、本発明の一実施形態のパワー半導体モジュールの斜視図である。 図２は、図１のパワー半導体モジュールの分解斜視図である。 図３は、パワー半導体ユニットの断面図である。 図４は、パワー半導体ユニット、冷却器及びバスバーユニットの断面図である。 図５は、バスバーユニットの斜視図である。 図６は、バスバーユニットを下側から見上げた斜視図である。 図７は、パワー半導体ユニット及びバスバーユニットを下側から見上げた斜視図である。 図８は、バスバーユニットの例の斜視図である。 図９は、パワー半導体モジュールの別の実施形態の斜視図である。 図１０は、パワー半導体モジュールの別の実施形態の斜視図である。 図１１は、パワー半導体モジュールの別の実施形態の斜視図である。 図１２は、従来のパワー半導体モジュールの一例の断面図である。
以下、本発明のパワー半導体モジュールの実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。なお、本出願の記載に用いられている「電気的かつ機械的に接続されている」という用語は、対象物同士が直接接合により接続されている場合に限られず、はんだや金属焼結材などの導電性の接合材を介して対象物同士が接続されている場合も含む。
（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態のパワー半導体モジュールの斜視図であり、図２は図１のパワー半導体モジュールの分解斜視図である。本発明の実施形態１のパワー半導体モジュール１は、冷却器１０と、複数のパワー半導体ユニット２０と、バスバーユニット３０を備えている。そして、複数のパワー半導体ユニット２０は、冷却器１０上に並べて設けられており、バスバーユニット３０が各パワー半導体ユニット２０を電気的に接続している。
冷却器１０は、冷却液の入口１４及び出口１５を備え、図示しない冷却システムに接続されて入口１４から冷却液を冷却器１０内に導入し出口１５から排出させる。冷却器１０の内部構造については後述する。
図３に、パワー半導体ユニット２０の断面図を示す。パワー半導体ユニット２０は、いわゆる２ｉｎ１と呼ばれるものであり、スイッチング素子と還流ダイオードが逆並列に接続されて上アーム及び下アームが構成された回路を有している。パワー半導体ユニット２０は、積層基板２１、半導体チップ２２、配線部材２３、外部端子２４、封止材２５を備えている。
積層基板２１は、絶縁板２１ａと、絶縁板２１ａのおもて面に設けられた回路板２１ｂと、絶縁板２１ａの裏面に設けられた金属板２１ｃとで構成されている。すなわち、回路板２１ｂ、絶縁板２１ａ及び金属板２１ｃが順次に積層されてなる。絶縁板２１ａは例えば窒化アルミニウムや窒化珪素、酸化アルミニウム等の絶縁性セラミックスよりなり、回路板２１ｂ、金属板２１ｃは、例えば銅などの金属よりなる。そして回路板２１ｂは、所定の回路パターンが形成されている。積層基板２１は、例えばＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板やＡＭＢ（Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｂｌａｚｉｎｇ）基板等を用いることができる。
半導体チップ２２は、おもて面に図示しない電極を有しており、裏面が回路板２１ｂに図示しない接合材、例えばはんだによって固定されている。本実施例では、半導体チップ２２はおもて面と裏面のそれぞれに電極が配置された縦型の半導体チップであり、裏面の電極が回路板２１ｂに電気的かつ機械的に接続されている。もっとも、半導体チップ２２は縦型に限られず、半導体チップ２２のおもて面に複数種類の電極が配置された横型の半導体チップであってもよい。
半導体チップは、例えばパワーＭＯＳＦＥＴやダイオード、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。半導体チップは、シリコン半導体でもよいし、炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体でもよい。半導体チップ２２がＩＧＢＴの場合では、裏面の電極はコレクタ電極であり、おもて面の電極はエミッタ電極及びゲート電極である。半導体チップ２２がパワーＭＯＳＦＥＴである場合は、裏面の電極はドレイン電極であり、おもて面の電極はソース電極及びゲート電極である。ＳｉＣからなる半導体チップ（例えばＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ）は、シリコンからなる半導体チップに比べて高耐圧で、かつ高周波でのスイッチングが可能である。そのため、本実施形態のパワー半導体モジュールの半導体チップ２２として最適である。もっとも、半導体チップ２２は、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴに限定されず、スイッチングの動作が可能な半導体素子の一個又は複数個の組み合わせであればよい。
配線部材２３は、プリント基板２３ａと、複数の導電ポスト２３ｂを有する。プリント基板２３ａは、金属層及び絶縁層を有し、半導体チップ２２のおもて面電極及び積層基板２１の回路板２１ｂに対向して設けられている。導電ポスト２３ｂは、その一端が半導体チップ２２のおもて面電極又は積層基板２１の回路板２１ｂにはんだやロウ付けにより電気的かつ機械的に接続されている。そして、他端がプリント基板２３ａの金属層とはんだやロウ付け、又はカシメにより電気的かつ機械的に接続されている。
配線部材２３により、例えば半導体チップ２２のおもて面電極と、回路板２１ｂとが電気的に接続される。本実施形態においては、配線部材２３がボンディングワイヤではなく、プリント基板２３ａと導電ポスト２３ｂとにより構成されている。これにより、半導体チップ２２の発熱の繰り返しによる熱サイクルに対する信頼性が高いパワー半導体ユニットとすることができる。また、配線部材２３がプリント基板２３ａと導電ポスト２３ｂとにより構成されることにより、ボンディングワイヤを用いた場合に比べてパワー半導体ユニット２０を薄型化できる。また、導電ポスト２３ｂは、ボンディングワイヤに比べておもて面の電極の面積が小さくても確実に接続できる。また、リードに比べて半導体チップ２２に加わる応力が小さいので信頼性が高く、接合材の厚さを薄くできるので電気伝導、熱伝導に有利である。
プリント基板２３ａは、半導体チップ２２がスイッチング素子である場合に、そのおもて面に配置されたゲート電極およびソース電極に対応して複数層の金属層を有する構成が好ましい。プリント基板２３ａの金属層や導電ポスト２３ｂは、導電性のよい金属、例えば銅よりなる。また、プリント基板２３ａや導電ポスト２３ｂは、必要に応じてめっきを表面に施すことができる。プリント基板２３ａは、その絶縁層はガラスエポキシ材などからなるリジッド基板でもよく、また、絶縁層がポリイミド材などからなるフレキシブル基板でよく、更に、絶縁層がセラミックスからなる基板でもよい。導電ポスト２３ｂの外形は、円柱形状、直方体形状等の形状とすることができるが特に限定されない。導電ポスト２３ｂの底面は、半導体チップ２２のおもて面の電極より小さい大きさである。更に、一つの半導体チップ２２に対する導電ポスト２３ｂの設置数は任意であり、一つのおもて面電極に複数個の導電ポスト２３ｂを接合することも可能である。
プリント基板２３ａと導電ポスト２３ｂとは、パワー半導体ユニット２０の組み立てに当たって、あらかじめ一体化して配線部材２３とすることができる。配線部材２３を用いることにより、ボンディングワイヤに比べてパワー半導体ユニット２０の製造工程を簡素化することができる。
積層基板２１の回路板２１ｂに、外部端子２４の一端が電気的かつ機械的に接続されている。外部端子２４は、銅板などよりなるリードであることが大電流を流せるために好ましい。回路板２１ｂとの外部端子２４との接続は、はんだ等の接合材（図示せず）や超音波接合などを用いることができる。
外部端子２４の他端は、パワー半導体ユニット２０の底面と平行になるように折り曲げられている。図３に示した例では外部端子２４としてＰ端子２４Ａ、Ｎ端子２４Ｂ及びＵ端子（又はＶ端子、Ｗ端子）２４Ｃが設けられている。
パワー半導体ユニット２０の各部材である積層基板２１、半導体チップ２２、配線部材２３、及び外部端子２４は、絶縁性の熱硬化性樹脂よりなる封止材２５により封止されている。なお、積層基板２１の金属板２１ｃの底面、および外部端子２４の他端は、封止材２５から外部に露出している。熱硬化性樹脂よりなる封止材は、ゲルよりなる封止材よりも耐熱性、耐圧性が高いので、封止材２５に用いるのに好ましい。封止材２５は、具体的には、エポキシ樹脂を用いることができる。また、放熱性を高めるために、樹脂中に熱伝導性の高い材料のフィラーを添加した封止材も好ましい。フィラーは、例えば、アルミナや窒化ボロン等が適用できる。
封止材２５のモールド成形により、パワー半導体ユニット２０の外形が形成される。本実施形態では、封止材２５によりパワー半導体ユニット２０の筐体が構成されていて、別途にケースを備えていない。モールド成形は、トランスファーモールド法を用いることができるが、トランスファーモールド法に限られない。例えば樹脂のポッティングにより成形することもできる。また、パワー半導体ユニット２０は、別途ケースを備える構成とすることもできる。
図４に、パワー半導体ユニット２０、冷却器１０及びバスバーユニット３０の断面図を示す。パワー半導体ユニット２０内の金属板２１ｃは、冷却器１０のフィンベース１１に、図示しないはんだ等の接合材により固定されている。また、パワー半導体ユニット２０の封止材２５の底面部分は、冷却器１０のフィンベース１１と図示しない接着剤により固定されている。なお、パワー半導体ユニット２０と冷却器１０との固定は、上述した接合材及び接着剤に限られない。例えば、金属板２１ｃとフィンベース１１との間にサーマルグリス等の放熱材を塗布し、パワー半導体ユニットに別途設けられた貫通孔にねじを通し、パワー半導体ユニットをフィンベース１１にねじ止めすることもできる。放熱性の観点からは接合材及び接着剤により固定することが好ましく、製造コストの観点からはねじ止めにより固定することが好ましい。
冷却器１０は、フィンベース１１と、フィンベース１１に一体的に取り付けられたフィン１２と、フィン１２を収容しフィンベース１１の周縁に配置されるケース１３とを備えている。ケース１３内には流路が構成されていて、この流路に冷却液を通すことにより、半導体チップ２２により生じ、積層基板２１を通してフィン１２に伝熱された熱を放熱する。パワー半導体モジュール１が冷却器１０を備えることにより、パワー半導体ユニット２０が薄型化されても半導体チップ２２を十分に冷却することができる。すなわち、パワー半導体ユニット２０を薄型化することができる。このため、例えば配置する空間に余裕のない車載用途において、パワー半導体モジュールを設置する場所の自由度が増す。また、本発明のパワー半導体モジュール１は、横置きでも縦置きでも使用することができる。
パワー半導体ユニット２０の上側には、外部端子２４であるＰ端子２４Ａ及びＮ端子２４Ｂが露出している。Ｐ端子２４Ａ及びＮ端子２４Ｂは、バスバーユニット３０のバスバーと電気的に接続する。バスバーユニット３０の設置を容易にするために、パワー半導体ユニット２０の上側には、突起２０ａ及び溝２０ｂが設けられている。
バスバーユニット３０は、複数個のパワー半導体ユニット２０のＰ端子２４Ａ及びＮ端子２４Ｂのそれぞれと電気的に接続して、共通するＰ端子及びＮ端子を構成したものである。図５にバスバーユニット３０の斜視図を示す。図５のバスバーユニット３０は、３個の２ｉｎ１のパワー半導体ユニット２０を相互に電気的に接続して、６ｉｎ１のパワー半導体モジュール１を構成することができる。
バスバーユニット３０は、各パワー半導体ユニット２０のＰ端子２４Ａ及びＮ端子２４Ｂの何れかと接続し共通するＰ端子又はＮ端子まで延びる２枚のバスバーを内蔵している。そして、絶縁性樹脂でモールド成形されて図示した外形になっている。バスバーが樹脂で覆われ、モールド成形されていることにより、２枚のバスバー間が所定の間隔で保持されるとともに互いの絶縁が確保される。さらに、バスバーの腐食が防止される。
バスバーユニット３０は一体で形成され、端子接続部３０ａと、連結部３０ｂと、端子台部３０ｃを有している。端子接続部３０ａは、各パワー半導体ユニット２０のＰ端子２４Ａ及びＮ端子２４Ｂと接続している。連結部３０ｂは、各端子接続部を連結している。端子台部３０ｃには、パワー半導体モジュール１の共通端子が設けられている。
端子接続部３０ａでは、バスバーユニット３０内のバスバーとパワー半導体ユニット２０のＰ端子２４Ａ又はＮ端子２４Ｂとが、ねじ結合、ボルト結合、はんだ接合又はレーザー溶接等の手段により固定されている。そしてパワー半導体ユニット２０のＰ端子２４Ａ又はＮ端子２４Ｂと、バスバーユニット３０内のバスバーが電気的に接続されている。パワー半導体ユニット２０の端子との電気的な接続のために、バスバーユニット３０の端子接続部３０ａの裏面には、内蔵されたバスバーが露出している。またねじ結合、ボルト結合又はレーザー溶接を用いる場合は、端子接続部３０ａのおもて面に開口を形成して、バスバーを露出させるとよい。
バスバーユニット３０は、図５に示すように、端子接続部３０ａの幅Ｗ１に比べて、連結部３０ｂの幅Ｗ２が狭い。したがって、隣接する端子接続部３０ａの間には空間が形成されている。そしてこの空間を、パワー半導体モジュール１上に積み重ねて設けられる制御基板（図１１参照）に取り付けられた部品を配置するためのスペースとすることができる。したがって、制御基板がパワー半導体モジュール１上に積み重ねられたときの高さを低くすることができる。そのため、パワー半導体モジュール１に制御基板が必要な場合においても、パワー半導体モジュール全体を薄型化することができる。
バスバーユニット３０は、上面が平坦である。これは、バスバーユニット３０上に制御基板が必要な場合に、制御基板やそれに取り付けられた電子部品にできるだけ物理的に干渉しないようにするためである。このことは制御基板が取りつけられたパワー半導体モジュール全体の薄型化に寄与する。バスバーユニット３０は、端子接続部３０ａの厚さＴ１に比べて、連結部３０ｂの厚さＴ２が大きい。これは、端子接続部３０ａでは１枚のバスバーが内蔵されているのに対して、連結部３０ｂでは２枚のバスバーが重ねて内蔵されているためである。連結部３０ｂにおいて、極性の異なる二枚のバスバーを重ねて内蔵することにより、バスバーによる配線を低インダクタンスにすることができる。
図６にバスバーユニット３０を下側から見上げた斜視図を示す。バスバーユニット３０は、連結部３０ｂが下側に突出している。連結部３０ｂは、パワー半導体ユニット２０の上側に設けられた溝２０ｂと嵌まり合う。また、端子接続部３０ａは、パワー半導体ユニット２０の上側に設けられた突起２０ａと嵌まり合う。このためバスバーユニット３０の連結部３０ｂをパワー半導体ユニット２０の溝２０ｂに合わせ、さらに、端子接続部３０ａを突起２０ａに合わせることで、バスバーユニット３０をパワー半導体ユニット２０に容易に設置することができる。
バスバーユニット３０の端子台部３０ｃには、外部と接続するＰ端子及びＮ端子が設けられている。図５、６に示した例では一個のバスバーユニット３０に、それぞれ２個の端子台部３０ｃが設けられている。これは、１個の端子台部３０ｃに電流が集中するのを避けるためである。２個の端子台部３０ｃが設けられることにより、端子台部３０ｃのＰ端子又はＮ端子に流れる電流は二つに分散される。もっとも端子台部３０ｃの数は１個でもよく、また、３個以上でもよい。
図７に、パワー半導体ユニット２０とバスバーユニット３０を組み合わせた構成を下側から見上げた斜視図を示す。図７に示す通り、バスバーユニット３０の端子台部３０ｃは、隣接するパワー半導体ユニット２０の間に位置するように設けられているのが好ましい。このことにより、端子台部３０ｃを低く配置することができ、よってパワー半導体モジュール１を薄型化することができる。
図８（ａ）〜（ｃ）に、２個の端子台部３０ｃの間隔が異なるバスバーユニット３１〜３３の例を斜視図で示す。図８（ａ）は、基準間隔のバスバーユニット３１、図８（ｂ）は基準間隔よりも間隔が広いバスバーユニット３２、図８（ｃ）は基準間隔よりも間隔が狭いバスバーユニット３３である。このようにバスバーユニットにおける端子台部３０ｃの形状、位置、数等は任意である。そのため、パワー半導体モジュール１のＰ端子及びＮ端子は、バスバーユニット３０のみ変えるだけで、フレキシブルに変更することができる。
本実施形態のパワー半導体モジュール１は、同一形状、同一規格の２ｉｎ１の３個のパワー半導体ユニット２０を冷却器１０上で並べて配置し、バスバーユニット３０で電気的に接続することで６ｉｎ１のパワー半導体モジュールを構成している。したがって、２ｉｎ１のパワー半導体モジュールと６ｉｎ１のパワー半導体モジュールを個別に設計、製造する場合に比べて、設計、製造に手間や時間を要しない。よって複数種類のパワー半導体モジュールを迅速かつ低コストに製造することができる。
上記した６ｉｎ１のパワー半導体モジュールは本発明の例示である。その他の例としては、３個のパワー半導体ユニット２０を電気的に並列に接続するバスバーユニット３０を用いることにより、３個並列の２ｉｎ１のパワー半導体モジュールを製造することができる。このようにして３個のパワー半導体ユニット２０と冷却器１０を組み合わせた場合であっても、バスバーユニット３０を変更することのみで、異なるパワー半導体モジュールを製造することができる。
（実施形態２）
図９に本発明の別の実施形態のパワー半導体モジュール２を斜視図で示す。なお、以下の実施形態においては、実施形態１のパワー半導体モジュール１と同一の部材については同一の符号を付している。したがって、以下の説明では各部材についての重複する説明は省略する。
パワー半導体モジュール２は、冷却器１０上に６個の同じパワー半導体ユニット２０を設け、これらのパワー半導体ユニット２０をバスバーユニット３４により電気的に接続したものである。バスバーユニット３４は、６個のパワー半導体ユニット２０を電気的に並列に接続するバスバーユニットである。上述した２ｉｎ１のパワー半導体ユニット２０を用い、バスバーユニットをパワー半導体ユニット２０の個数に応じた長さを有するバスバーユニット３４に変え、冷却器１０の長さを変えるだけで、６個並列の２ｉｎ１のパワー半導体モジュールを構成している。
図１及び図９から理解されるように、本発明の実施形態によれば、パワー半導体ユニット２０の個数とバスバーユニット３０の構成の変更によって複数種類のパワー半導体モジュールを製造することができる。ひいては顧客のニーズに応じたフレキシブルなパワー半導体モジュールを迅速かつ低コストに製造することができる。
（実施形態３）
パワー半導体モジュールの別の実施形態について説明する。
本実施形態では、バスバーユニット３０が、端子台部３０ｃ又は他の箇所に、コンデンサ等の電子部品を内蔵している。電子部品は、バスバーユニット３０の製造の際に、バスバーと共に絶縁性樹脂で覆われている。
バスバーユニット３０が電子部品を内蔵することにより、従来は制御基板に取り付けられた電子部品の一部又は全部をバスバーユニット３０に設けることができる。よってパワー半導体モジュール１に、制御基板が具備する機能の一部又は全部を兼備させることができる。
（実施形態４）
図１０は、パワー半導体モジュールの別の実施形態の斜視図である。
図１０に示すパワー半導体モジュール３は、バスバーユニット３５が、センサを備えている。より具体的に、バスバーユニット３５の端子台部３０ｃに電流センサ３５ａが取り付けられている。すなわち、パワー半導体モジュール３のバスバーユニットをバスバーユニット３５に変えることで、パワー半導体モジュール３のみで電流を測定することができる。このように、本実施形態により、パワー半導体モジュールに追加機能を付与することできる。
図１０に示した電流センサ３５ａに限られず、センサとして例えば温度センサ、例えばサーミスタをバスバーユニット３０に取り付けることができる。温度センサを取り付ける位置は任意であるが、例えば電流センサ３５ａと同様の位置とすることができる。
（実施形態５）
図１１にパワー半導体モジュールの別の実施形態の斜視図を示す。
本実施形態のパワー半導体モジュール４には、バスバーユニット３０上に制御基板４０が設けられている。この制御基板４０に取り付けられる電子部品は、既に述べたようにバスバーユニット３０の隣接する端子接続部３０ａの間の空間に配置することができる。このため、パワー半導体モジュール全体の薄型化に好適である。
制御基板４０の種類、用途は問わない。例えば、制御基板４０とパワー半導体ユニット２０の制御端子（図示せず）と電気的に接続して、パワー半導体モジュール４をインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）とすることができる。それにより、さらに高度な制御が可能となる。
（実施形態６）
パワー半導体モジュールの別の実施形態として、冷却器１０の両面にそれぞれパワー半導体ユニット２０及びバスバーユニット３０を固定した構成とすることもできる。本発明のパワー半導体モジュールは薄型であるため、冷却器１０の両面にそれぞれパワー半導体ユニット２０及びバスバーユニット３０を固定しても、十分に薄い外形を有している。
以上、本発明のパワー半導体モジュールを図面及び実施形態を用いて具体的に説明したが、本発明のパワー半導体モジュールは、実施形態及び図面の記載に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で幾多の変形が可能である。
１、２、３、４ パワー半導体モジュール
１０ 冷却器
２０ パワー半導体ユニット
２０ａ 突起
２０ｂ 溝
２１ 積層基板
２１ａ 絶縁板
２１ｂ 回路板
２１ｃ 金属板
２２ 半導体チップ
２３ 配線部材
２３ａ プリント基板
２３ｂ 導電ポスト
２４ 外部端子
２５ 封止材
３０、３１、３２、３３、３４、３５ バスバーユニット
３０ａ 端子接続部
３０ｂ 連結部
３０ｃ 端子台部
３５ａ 電流センサ
４０ 制御基板
従来のパワー半導体モジュールは、スイッチング素子が１個の１ｉｎ１、２個の２ｉｎ１、６個の６ｉｎ１等があり、それぞれ異なる外形を有している。また、パワー半導体モジュールは、顧客から要求される電流や電圧の定格が様々である。そのため、電流や電圧の定格に応じて個別に製品を設計、製造していた。
本発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、回路構成、電流、電圧の定格に応じた複数種類のパワー半導体モジュールの製造の手間や時間を軽減し、迅速かつ低コストに製造することが可能であり、しかも薄型化することができるパワー半導体モジュールを提供することを目的とする。
配線部材２３により、例えば半導体チップ２２のおもて面電極と、回路板２１ｂとが電気的に接続される。本実施形態においては、配線部材２３がボンディングワイヤではなく、プリント基板２３ａと導電ポスト２３ｂとにより構成されている。これにより、半導体チップ２２の発熱の繰り返しによる熱サイクルに対する信頼性が高いパワー半導体ユニットとすることができる。また、配線部材２３がプリント基板２３ａと導電ポスト２３ｂとにより構成されることにより、ボンディングワイヤを用いた場合に比べてパワー半導体ユニット２０を薄型化できる。また、導電ポスト２３ｂは、ボンディングワイヤに比べておもて面の電極の面積が小さくても確実に接続できる。また、導電ポスト２３ｂはリードに比べて半導体チップ２２に加わる応力が小さいので信頼性が高く、接合材の厚さを薄くできるので電気伝導、熱伝導に有利である。
積層基板２１の回路板２１ｂに、外部端子２４の一端が電気的かつ機械的に接続されている。外部端子２４は、銅板などよりなるリードであることが大電流を流せるために好ましい。回路板２１ｂと外部端子２４との接続は、はんだ等の接合材（図示せず）や超音波接合などを用いることができる。
本実施形態のパワー半導体モジュール１は、同一形状、同一定格の２ｉｎ１の３個のパワー半導体ユニット２０を冷却器１０上で並べて配置し、バスバーユニット３０で電気的に接続することで６ｉｎ１のパワー半導体モジュールを構成している。したがって、２ｉｎ１のパワー半導体モジュールと６ｉｎ１のパワー半導体モジュールを個別に設計、製造する場合に比べて、設計、製造に手間や時間を要しない。よって複数種類のパワー半導体モジュールを迅速かつ低コストに製造することができる。
（実施形態２）
図９に本発明の別の実施形態のパワー半導体モジュール２を斜視図で示す。なお、以下の実施形態においては、実施形態１のパワー半導体モジュール１と同一の部材については同一の符号を付している。したがって、以下の説明では各部材についての重複する説明は省略する。
パワー半導体モジュール２は、冷却器１０上に６個の同じ種類のパワー半導体ユニット２０を設け、これらのパワー半導体ユニット２０をバスバーユニット３４により電気的に接続したものである。バスバーユニット３４は、６個のパワー半導体ユニット２０を電気的に並列に接続するバスバーユニットである。上述した２ｉｎ１のパワー半導体ユニット２０を用い、既設のバスバーユニットをパワー半導体ユニット２０の個数に応じた長さを有するバスバーユニット３４に変え、冷却器１０の長さを変えるだけで、６個並列の２ｉｎ１のパワー半導体モジュールを構成している。
図１及び図９から理解されるように、本発明の実施形態によれば、パワー半導体ユニット２０の個数とバスバーユニット３０の構成の変更によって複数種類のパワー半導体モジュールを製造することができる。ひいては顧客のニーズに応じてフレキシブルにパワー半導体モジュールを迅速かつ低コストに製造することができる。
（実施形態４）
図１０は、パワー半導体モジュールの別の実施形態の斜視図である。
図１０に示すパワー半導体モジュール３は、バスバーユニット３５が、センサを備えている。より具体的に、バスバーユニット３５の端子台部３０ｃに電流センサ３５ａが取り付けられている。すなわち、パワー半導体モジュール３の既設のバスバーユニットをバスバーユニット３５に変えることで、パワー半導体モジュール３のみで電流を測定することができる。このように、本実施形態により、パワー半導体モジュールに追加機能を付与することができる。

Claims (12)

  1. 冷却器と、前記冷却器上に並べて固定された複数のパワー半導体ユニットと、前記パワー半導体ユニットを電気的に接続するバスバーユニットとを備え、
    前記パワー半導体ユニットが、
    回路板、絶縁板及び金属板が順次に積層された積層基板と、
    おもて面に電極を有し、裏面が前記回路板に固定された半導体素子と、
    プリント基板と複数の導電ポストを有し、前記プリント基板は前記半導体素子のおもて面及び前記回路板に対向し、前記導電ポストはその一端が前記プリント基板に接続され、他端が前記半導体素子の前記電極又は前記回路板に電気的かつ機械的に接続された配線部材と、
    前記回路板に電気的かつ機械的に接続された外部端子と、
    前記積層基板、前記半導体素子、前記配線部材及び前記外部端子を封止する絶縁性の封止材と、を備え、
    前記バスバーユニットが、各前記パワー半導体ユニットの前記外部端子を相互に接続する複数のバスバーを備えるパワー半導体モジュール。
  2. 前記バスバーユニットが、前記パワー半導体ユニットの前記外部端子と接続する端子接続部と、各前記端子接続部を連結する連結部と、共通端子が設けられた端子台部とを備え、
    前記端子接続部の幅よりも前記連結部の幅が狭い請求項１記載のパワー半導体モジュール。
  3. 前記バスバーユニット上に、更に制御基板が設けられた請求項１又は２記載のパワー半導体モジュール。
  4. 前記バスバーユニットは、上面が平坦であり、前記連結部が下側に突出しており、
    前記パワー半導体ユニットは、上側に前記連結部に嵌まり合う溝を有する請求項２記載のパワー半導体モジュール。
  5. 前記バスバーユニットの前記端子台部が、隣り合う前記パワー半導体ユニットの間に位置する請求項２記載のパワー半導体モジュール。
  6. 前記バスバーユニットが、前記パワー半導体ユニットの数に応じた長さを有する請求項１記載のパワー半導体モジュール。
  7. 前記バスバーユニットが、センサを備える請求項１記載のパワー半導体モジュール。
  8. 前記バスバーユニットが、電子部品を内蔵する請求項１記載のパワー半導体モジュール。
  9. 前記パワー半導体ユニットの前記外部端子が、リードよりなる請求項１記載のパワー半導体モジュール。
  10. 前記パワー半導体ユニットの前記外部端子と前記バスバーユニットとがねじ結合、ボルト結合、溶接及び接合材から選ばれる１種の手段により固定されている請求項１記載のパワー半導体モジュール。
  11. 前記パワー半導体ユニットの前記金属板と、前記冷却器とが接合材により固定されている請求項１記載のパワー半導体モジュール。
  12. 前記半導体素子がＳｉＣ半導体よりなる請求項１記載のパワー半導体モジュール。
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