WO2024070883A1 - 半導体モジュールおよび半導体モジュールユニット - Google Patents

半導体モジュールおよび半導体モジュールユニット Download PDF

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Definitions

  • This disclosure relates to a semiconductor module and a semiconductor module unit.
  • This application claims priority to Japanese Patent Application No. 2022-158798, filed in Japan on September 30, 2022, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • the present disclosure provides a semiconductor module and a semiconductor module unit that can improve cooling efficiency.
  • a semiconductor module includes a first substrate, a second substrate, and a third heat dissipation member.
  • the first substrate has a first semiconductor element provided on one main surface and a first heat dissipation member provided on the other main surface.
  • the second substrate is disposed opposite the first substrate, has a second semiconductor element provided on one main surface facing the one main surface of the first substrate, and a second heat dissipation member provided on the other main surface. At least a portion of the third heat dissipation member is sandwiched between a first electrode provided on the main surface of the first semiconductor element facing the second semiconductor element, and a second electrode provided on the main surface of the second semiconductor element facing the first semiconductor element.
  • This disclosure provides a semiconductor module that can improve cooling efficiency.
  • FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a semiconductor module according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view of the semiconductor module unit according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor module unit according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor module according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a semiconductor module unit according to a first modified example of the embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor module unit according to a second modification of the embodiment.
  • drawings referenced below may show an orthogonal coordinate system that defines the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions that are mutually perpendicular, with the positive Z-axis direction being the vertically upward direction.
  • Fig. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a semiconductor module 1 according to a first embodiment.
  • the semiconductor module 1 constitutes part of a power conversion device that converts DC power supplied from a DC power source into AC power.
  • the semiconductor module 1 includes a power supply terminal 3, a circuit section 5, and an input/output terminal 7.
  • the power supply terminal 3 is a terminal that is connected to a DC power supply (not shown). Specifically, the power supply terminal 3 includes a positive terminal 31 that is connected to the positive side of the DC power supply, and a negative terminal 32 that is connected to the negative side.
  • the circuit section 5 includes transistors 51 and 52, which are an example of semiconductor elements, and diodes 53 and 54.
  • the two transistors 51 and 52 are connected in series between the positive terminal 31 and the negative terminal 32.
  • the diode 53 is connected in anti-parallel to the transistor 51.
  • the diode 54 is connected in anti-parallel to the transistor 52.
  • Transistors 51 and 52 are, for example, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). Diodes 53 and 54 are reflux diodes for protecting the IGBTs. Transistors 51 and 52 may also be power MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) or GTO (Gate Turn-Off) thyristors.
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • Diodes 53 and 54 are reflux diodes for protecting the IGBTs.
  • Transistors 51 and 52 may also be power MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) or GTO (Gate Turn-Off) thyristors.
  • the input/output terminals 7 include a load terminal 71 and a control terminal 72.
  • the load terminal 71 is an output terminal for outputting AC power to a load such as a motor.
  • the load terminal 71 is connected to the connection node between the two transistors 51 and 52.
  • the control terminal 72 is an input terminal to which a drive signal for driving the transistors 51 and 52 is input.
  • the semiconductor module 1 configured as described above converts DC power input between the positive terminal 31 and the negative terminal 32 into AC power and outputs it from the load terminal 71 by alternately turning on the two transistors 51, 52 in accordance with a drive signal input from the control terminal 72.
  • the semiconductor module 1 configured as described above converts DC power input between the positive terminal 31 and the negative terminal 32 into AC power and outputs it from the load terminal 71 by alternately turning on the two transistors 51, 52 in accordance with a drive signal input from the control terminal 72.
  • the semiconductor module 1 needs to dissipate heat generated by the operation of the transistors 51, 52 and the diodes 53, 54.
  • the heat sources, the transistors 51, 52 and the diodes 53, 54 are generally thin plates diced from a wafer, with electrodes on both sides and electrically connected by conductors.
  • the electrically connected conductor of the semiconductor module 1 is also used as a heat sink and is thermally connected to the substrate.
  • the heat transferred to the conductor is dissipated via the insulating substrate.
  • the reduction in size leads to high productivity.
  • the component area can be made more compact and costs can be reduced, and in the case of molded parts, the productivity can be increased by reducing the mold dimensions and increasing the number of parts that can be produced.
  • the semiconductor module 1 When the size of the semiconductor module 1 is reduced, the thermal density inside increases. For this reason, in order to improve the productivity of the semiconductor module 1, it is necessary to improve heat dissipation in addition to reducing the size. Therefore, the semiconductor module 1 according to the embodiment has a structure that can improve heat dissipation while suppressing the occupied area.
  • Fig. 2 is a perspective view of the semiconductor module unit 100 according to an embodiment.
  • Fig. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor module unit 100 according to an embodiment.
  • the semiconductor module unit 100 includes three semiconductor modules 1 arranged in a row, and a flow path forming member 20 that houses the three semiconductor modules 1 and forms a flow path for a refrigerant that cools the semiconductor modules 1.
  • Each semiconductor module 1 is housed in the flow path forming member 20 with the positive terminal 31, the negative terminal 32, and a portion of the load terminal 71 protruding outside the flow path forming member 20.
  • the number of semiconductor modules 1 housed in the flow path forming member 20 may be two or less, or may be four or more.
  • the flow path forming member 20 has a coolant inlet section 21 and a coolant outlet section 22.
  • the inlet section 21 is provided on the underside of one end of the row of semiconductor modules 1 arranged in a line within the flow path forming member 20.
  • the outlet section 22 is provided on the underside of the other end of the row of semiconductor modules 1 arranged in a line within the flow path forming member 20.
  • the semiconductor module 1 includes a first substrate 40 and a second substrate 60.
  • the first substrate 40 has a first semiconductor element 5A provided on one main surface (here, the top surface).
  • the first semiconductor element 5A includes, for example, a transistor 51 and a diode 53.
  • the first substrate 40 has a first heat dissipation member 81 provided on the other main surface (here, the bottom surface).
  • the first heat dissipation member 81 has heat dissipation pins 86. Note that the first substrate 40 may be provided with heat dissipation fins instead of the heat dissipation pins 86.
  • the second substrate 60 is disposed so as to face the first substrate 40.
  • the second substrate 60 has a second semiconductor element 5B provided on one of its main surfaces (here, the bottom surface) that faces one of the main surfaces (here, the top surface) of the first substrate 40.
  • the second substrate 60 has a second heat dissipation member 82 provided on the other main surface (here, the top surface).
  • the second heat dissipation member 82 has heat dissipation pins. Note that the second substrate 60 may be provided with heat dissipation fins instead of the heat dissipation pins 86.
  • the flow path forming member 20 can be divided into a lower member 23, a connecting member 24, and an upper member 25.
  • the lower member 23 forms a refrigerant flow path with its internal upper surface and the lower surface of the semiconductor module 1.
  • the upper member 25 forms a refrigerant flow path with its internal lower surface and the upper surface of the semiconductor module 1.
  • the connecting member 24 connects the upper and lower refrigerant flow paths.
  • the refrigerant flows into the flow path forming member 20 from the inlet 21, as shown by the white arrow in FIG. 3.
  • the refrigerant then passes through the refrigerant flow path formed by the upper surface of the inside of the lower member 23 of the flow path forming member 20 and the lower surface of the semiconductor module 1, and flows out of the flow path forming member 20 from the outlet 22.
  • the refrigerant also flows into the flow path forming member 20 from the inlet 21, as shown by the white arrow in FIG. 3.
  • the refrigerant then passes through the connecting member 24, passes through the refrigerant flow path formed by the inner lower surface of the upper member 25 of the flow path forming member 20 and the upper surface of the semiconductor module 1, and flows out of the flow path forming member 20 from the outlet 22 via the connecting member 24.
  • the semiconductor module 1 is cooled from both the surface of the flow path forming member 20 facing the lower member 23 and the surface of the flow path forming member 20 facing the upper member 25, thereby improving cooling efficiency.
  • the semiconductor module 1 is provided with heat dissipation pins 86 on the surface of the flow path forming member 20 facing the lower member 23 and the surface of the flow path forming member 20 facing the lower member 23, the contact area with the refrigerant is increased. This allows the semiconductor module 1 to further improve its cooling efficiency. Note that the semiconductor module 1 can also be provided with heat dissipation fins instead of the heat dissipation pins 86, and the cooling efficiency can be similarly further improved.
  • the semiconductor module 1 includes a third heat dissipation member 83 between the first semiconductor element 5A and the second semiconductor element 5B.
  • the third heat dissipation member 83 is thermally connected to the first heat dissipation member 81 by a heat conductive member 84.
  • the third heat dissipation member 83 is also thermally connected to the second heat dissipation member 82 by a heat conductive member 85.
  • the semiconductor module 1 can transfer heat that tends to build up between the first semiconductor element 5A and the second semiconductor element 5B to the first heat dissipation member 81 via the third heat dissipation member 83 and the heat conduction member 84.
  • the semiconductor module 1 can transfer heat that tends to build up between the first semiconductor element 5A and the second semiconductor element 5B to the second heat dissipation member 82 via the third heat dissipation member 83 and the heat conduction member 85.
  • the heat dissipation efficiency can be improved by the three-layer cooling structure of the first heat dissipation member 81, the second heat dissipation member 82, and the third heat dissipation member 83.
  • Fig. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor module 1 according to the embodiment. Note that Fig. 4 omits the illustration of the flow path forming member 20 and the heat dissipation pins 86 shown in Fig. 3.
  • the semiconductor module 1 includes a first substrate 40, a second substrate 60, a first semiconductor element 5A, a second semiconductor element 5B, a first heat dissipation member 81, a second heat dissipation member 82, a third heat dissipation member 83, and a thermal conduction member 84.
  • the first substrate 40 includes an insulating substrate 41, a conductive layer 42 bonded to one main surface (here, the upper surface) of the insulating substrate 41, and a conductive layer 43 bonded to the other main surface (here, the lower surface) of the insulating substrate 41.
  • the insulating substrate 41 is, for example, a substrate made of ceramics.
  • the conductive layers 42, 43 contain, for example, Cu (copper).
  • the conductive layers 42, 43 may contain a metal other than Cu.
  • the insulating substrate 41 and the conductive layers 42, 43 are bonded, for example, by active metal brazing (AMB) or direct copper bonding (DCB).
  • AMB active metal brazing
  • DCB direct copper bonding
  • the conductive layer 42 which is attached to one of the main surfaces (here, the upper surface) of the insulating substrate 41, is patterned with an electrical circuit.
  • the first substrate 40 has a first semiconductor element 5A provided on one of its main surfaces (here, the top surface).
  • the thermal conductivity of the first semiconductor element 5A is preferably 100 W/m ⁇ K or more.
  • the material of the first semiconductor element 5A is Si (silicon) or SiC (silicon carbide).
  • the first semiconductor element 5A includes a transistor 51 and a diode 53.
  • the first semiconductor element 5A has a first electrode 55 provided on a main surface opposite to the main surface that abuts the conductive layer 42 of the first substrate 40.
  • the first electrode 55 is, for example, a bus bar.
  • the first electrode 55 connects a terminal provided on the first semiconductor element 5A to an electrical circuit patterned on the conductive layer 42.
  • the first semiconductor element 5A and the members located above and below the first semiconductor element 5A are bonded by a sintered material.
  • the sintered material is preferably, for example, Ag (silver) or Cu. This provides the bonded portions between the first semiconductor element 5A and the members located above and below the first semiconductor element 5A with improved heat resistance and heat dissipation, compared to solder.
  • the first substrate 40 has a first heat dissipation member 81 provided on the other main surface.
  • the first heat dissipation member 81 includes a flat heat dissipation plate 81A and a heat dissipation pin 86 (see FIG. 3).
  • the heat dissipation plate 81A and the heat dissipation pin 86 are preferably made of a metal whose main component is, for example, Cu or Al (aluminum).
  • the first heat dissipation member 81 has a main surface 81B opposite to the main surface facing the first substrate 40 in the heat dissipation plate 81A, which constitutes part of the inner surface of the refrigerant flow path.
  • the heat dissipation pins 86 or heat dissipation fins are provided so as to protrude into the refrigerant flow path from the main surface 81B, which constitutes part of the inner surface of the refrigerant flow path in the heat dissipation plate 81A. Note that the first heat dissipation member 81 does not necessarily have to be provided with the heat dissipation pins 86 or heat dissipation fins.
  • the second substrate 60 includes an insulating substrate 61, a conductive layer 62 bonded to one main surface (here, the bottom surface) of the insulating substrate 61, and a conductive layer 63 bonded to the other main surface (here, the top surface) of the insulating substrate 61.
  • the insulating substrate 61 is, for example, a substrate made of ceramics.
  • the conductive layers 62, 63 contain, for example, Cu.
  • the conductive layers 62, 63 may contain a metal other than Cu.
  • the insulating substrate 61 and the conductive layers 62, 63 are bonded, for example, by AMB or DCB.
  • the conductive layer 62 which is attached to one of the main surfaces (here, the lower surface) of the insulating substrate 61, is patterned with an electrical circuit.
  • the second substrate 60 has a second semiconductor element 5B provided on one of its main surfaces (here, the bottom surface).
  • the thermal conductivity of the second semiconductor element 5B is preferably 100 W/m ⁇ K or more.
  • the material of the second semiconductor element 5B is Si or SiC.
  • the second semiconductor element 5B includes a transistor 52 and a diode 54.
  • the second semiconductor element 5B has a second electrode 56 provided on a main surface opposite to the main surface that abuts the conductive layer 62 of the second substrate 60.
  • the second electrode 56 is, for example, a bus bar.
  • the second electrode 56 connects a terminal provided on the second semiconductor element 5B to an electrical circuit patterned on the conductive layer 62.
  • the first semiconductor element 5A and the second semiconductor element 5B and the members located above and below the first semiconductor element 5A and the second semiconductor element 5B are bonded with a sintered material. This allows the second semiconductor element 5B and the members located above and below the second semiconductor element 5B to be stacked without gaps, compared to wire bonding.
  • the sintered material is preferably, for example, Ag or Cu. This improves the heat resistance and heat dissipation of the joint between the second semiconductor element 5B and the members located above and below the second semiconductor element 5B compared to solder.
  • the second substrate 60 has a second heat dissipation member 82 provided on the other main surface.
  • the second heat dissipation member 82 includes a flat heat dissipation plate 82A and a heat dissipation pin 86 (see FIG. 3).
  • the heat dissipation plate 82A and the heat dissipation pin 86 are preferably made of a metal whose main component is, for example, Cu or Al.
  • the second heat dissipation member 82 has a main surface 82B opposite to the main surface of the heat dissipation plate 82A that faces the second substrate 60, which forms part of the inner surface of the refrigerant flow path.
  • the heat dissipation pins 86 or heat dissipation fins are provided so as to protrude into the refrigerant flow path from the main surface 82B that forms part of the inner surface of the refrigerant flow path in the heat dissipation plate 82A. Note that the second heat dissipation member 82 does not necessarily have to be provided with the heat dissipation pins 86 or heat dissipation fins.
  • the third heat dissipation member 83 is at least partially sandwiched between the first electrode 55 and the second electrode 56. In other words, it is disposed between the first semiconductor element 5A and the second semiconductor element 5B. There are no particular limitations on the thickness of the third heat dissipation member 83, but a thickness of 0.01 to 5 mm is preferable.
  • the third heat dissipation member 83 is preferably a metal whose main component is Cu or Al.
  • the third heat dissipation member 83 may be a metal other than Cu or Al, or a conductive member.
  • the third heat dissipation member 83 may also be a metal spacer, or a structure in which solder is connected to a metal spacer.
  • the insulating material may be a high heat resistant resin, an inorganic insulating material, or an insulating material that is a composite of an inorganic insulating material and a resin.
  • the thermal conductivity of the insulating material is not particularly limited when the thickness is 0.5 mm or less, but is preferably 1 W/m ⁇ K or more. Inorganic insulating materials are more preferable because they provide high heat resistance and high thermal conductivity. If the surface of the third heat dissipation member 83 is made of Al, an anodized aluminum coating produced by anodizing may be used as the insulating material.
  • the third heat dissipation member 83 includes a heat dissipation plate 83A.
  • the end surface 83B of the heat dissipation plate 83A in the planar direction of the third heat dissipation member 83 constitutes part of the inner surface of the refrigerant flow path.
  • the third heat dissipation member 83 includes a heat dissipation plate 83A including a clamped portion that is clamped by the first electrode 55 and the second electrode 56, and an extension portion that extends from the clamped portion to the connecting member 24 of the flow path forming member 20 (see FIG. 3).
  • the third heat dissipation member 83 may form part of the refrigerant flow path by the end face 83B in the planar direction of the heat dissipation plate 83A, in other words, the end face 83B at the tip of the extension portion of the heat dissipation plate 83A, and the inner surface of the connecting member 24.
  • the third heat dissipation member 83 is thermally connected to at least one of the first heat dissipation member 81 and the second heat dissipation member 82 by a heat conductive member.
  • the heat conduction member 84 thermally connects the third heat dissipation member 83 and the first heat dissipation member 81.
  • the heat conduction member 85 thermally connects the third heat dissipation member 83 and the second heat dissipation member 82.
  • the heat conduction members 84 and 85 are preferably made of a metal mainly composed of, for example, Cu or Al.
  • the heat conduction members 84 and 85 may be joined to the first heat dissipation member 81, the second heat dissipation member 82, and the third heat dissipation member 83 by a joining member such as solder.
  • the semiconductor module 1 includes the first heat dissipation member 81, the second heat dissipation member 82, the third heat dissipation member 83, and the thermal conduction members 84 and 85, and therefore the three-layer cooling structure of the first heat dissipation member 81, the second heat dissipation member 82, and the third heat dissipation member 83 can improve heat dissipation efficiency.
  • heat generated from the first semiconductor element 5A is transferred to the refrigerant in the refrigerant flow path via paths L1, L2, and L3 indicated by thick arrows in FIG. 4, and path L4 indicated by thick dotted arrow, and is then dissipated.
  • the heat generated by the first semiconductor element 5A is transferred to the refrigerant in the refrigerant flow path via path L1 that passes through the third heat dissipation member 83, the second semiconductor element 5B, the second substrate 60, and the second heat dissipation member 82, and is then dissipated.
  • the heat generated from the first semiconductor element 5A is transferred to the refrigerant in the refrigerant flow path via path L2, which passes through the first substrate 40 and the first heat dissipation member 81, and dissipated.
  • the heat generated from the first semiconductor element 5A is transferred to the refrigerant in the refrigerant flow path via path L3, which passes through the third heat dissipation member 83, the thermal conduction members 84 and 85, the first heat dissipation member 81, and the second heat dissipation member 82, and dissipated.
  • the heat generated from the first semiconductor element 5A is transferred to the refrigerant in the refrigerant flow path via the path L4 that transmits the heat from the third heat dissipation member 83 to the connecting member 24, and is dissipated.
  • heat generated from the second semiconductor element 5B is transferred to the refrigerant in the refrigerant flow path via paths L1, L2, L3, and L4 and dissipated.
  • the three-layer cooling structure of the first heat dissipation member 81, the second heat dissipation member 82, and the third heat dissipation member 83 can improve heat dissipation efficiency.
  • the first heat dissipation member 81, the first substrate 40, the first semiconductor element 5A, the third heat dissipation member 83, the second semiconductor element 5B, the second substrate 60, and at least a portion of the second heat dissipation member 82 are stacked in the thickness direction.
  • the semiconductor module 1 can reduce the occupied area while improving heat dissipation efficiency compared to when the first heat dissipation member 81, the first substrate 40, the first semiconductor element 5A, the third heat dissipation member 83, the second semiconductor element 5B, the second substrate 60, and the second heat dissipation member 82 are arranged flat.
  • the third heat dissipation member 83 is a flat plate, it is preferable for the insulating material of the third heat dissipation member 83 to be in surface contact with the first electrode 55 of the first semiconductor element 5A and the second electrode 56 of the second semiconductor element 5B, as this promotes heat dissipation.
  • the first electrode 55 and the second electrode 56 are generally flat, and flat electrodes mainly composed of Cu or Al may be used. Flat electrodes may be provided with bent portions to adjust the height and may be connected to a DBC substrate or the like.
  • the third heat dissipation member 83 extends to the portion that is not sandwiched between the first semiconductor element 5A and the second semiconductor element 5B, and is thermally connected to the first heat dissipation member 81, the second heat dissipation member 82, and the refrigerant flow path.
  • the bent portions of the first electrode 55 and the second electrode 56 are provided in areas other than the area where the third heat dissipation member 83 contacts.
  • the insulating material of the third heat dissipation member 83 may not cover some parts of the heat dissipation plate 83A so that there is no interference between the third heat dissipation member 83 and the sensing terminal extraction portions from the first semiconductor element 5A and the second semiconductor element 5B.
  • the third heat dissipation member 83 may also have the necessary thickness to prevent interference between the lead wires of the first semiconductor element 5A and the second semiconductor element 5B, and may also have the role of forming a desired gap between the first semiconductor element 5A and the second semiconductor element 5B.
  • extension portion of the third heat dissipation member 83 to the portion not sandwiched between the first semiconductor element 5A and the second semiconductor element 5B may be provided with an extended, non-flat, three-dimensional shape for thermally connecting to the first heat dissipation member 81, the second heat dissipation member 82, and the refrigerant flow path.
  • the three-dimensional shape of the extension can be formed by processing the heat dissipation member itself.
  • the heat dissipation member can be a flat plate, and a component that can be thermally connected to the first heat dissipation member 81, the second heat dissipation member 82, and the refrigerant flow path can be prepared later.
  • the insulating material of the third heat dissipation member 83 may be provided at the locations that contact the first electrodes 55 and second electrodes 56 on the first semiconductor element 5A and the second semiconductor element 5B, but may also be provided on the entire surface of the heat dissipation plate 83A.
  • the thermal impact is minor even if it is on the surface where the third heat dissipation member 83 is thermally connected to the first heat dissipation member 81, the second heat dissipation member 82, and the refrigerant flow path.
  • Fig. 5 is a cross-sectional view of a semiconductor module unit 100A according to a first modification of the embodiment.
  • Fig. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor module unit 100B according to a second modification of the embodiment.
  • the flow path forming member 20 of the semiconductor module units 100A, 100B shown in Figures 5 and 6 is the same as the flow path forming member shown in Figure 3. For this reason, the flow path forming member is not shown in Figures 5 and 6.
  • the heat conduction members 84, 85 connect the end portions in the planar direction of the heat sinks 81A, 82A of the first heat dissipation member 81 and the second heat dissipation member 82 to the end portion in the planar direction of the heat sink 83A of the third heat dissipation member 83.
  • thermal conduction members 84, 85 connect the inner portions of the ends of the heat dissipation plates 81A, 82A of the first heat dissipation member 81 and the second heat dissipation member 82 in the planar direction to the inner portions of the ends of the heat dissipation plate 83A of the third heat dissipation member 83 in the planar direction.
  • the configuration of the heat conduction members 84, 85 according to the embodiment is not limited to the configuration shown in FIG. 3.
  • the heat conduction members 84, 85 may connect the heat dissipation plates 81A, 82A of the first heat dissipation member 81 and the second heat dissipation member 82 to the heat dissipation plate 83A of the third heat dissipation member 83 only at their ends in the planar direction.
  • the heat conduction members 84, 85 that connect the portions of the heat dissipation plates 81A, 82A of the first heat dissipation member 81 and the second heat dissipation member 82 that are inward from the ends in the planar direction and the heat dissipation plate 83A of the third heat dissipation member 83 that are inward from the ends in the planar direction may be omitted. Also, either one of the heat conduction members 84, 85 shown in FIG. 5 may be omitted.
  • the semiconductor module 1A can achieve a three-layer cooling structure while reducing the material costs of the heat conduction members 84 and 85, thereby improving cooling efficiency compared to a semiconductor module that does not have the third heat dissipation member 83 and the heat conduction members 84 and 85.
  • the semiconductor module 1B may be configured by omitting the heat dissipation pins 86 from the semiconductor module 1 shown in FIG. 3. This allows the semiconductor module 1B to reduce the material cost of the heat dissipation pins 86, and thus realizes a three-layer cooling structure while keeping costs down, thereby improving cooling efficiency compared to a semiconductor module that does not include the third heat dissipation member 83 and the thermal conduction members 84, 85.
  • first heat dissipation member 81 the second heat dissipation member 82, the third heat dissipation member 83, the heat conduction members 84 and 85, and the heat dissipation pins 86 described in this embodiment can be combined in any manner.
  • the heat dissipation pin 86 may not be provided, may be provided on both the first heat dissipation member 81 and the second heat dissipation member 82, or may be provided on at least one of the first heat dissipation member 81 and the second heat dissipation member 82.
  • heat conduction members 84 and 85 do not have to be provided, or only one of them may be provided, as long as at least the end in the planar direction of the third heat dissipation member 83 is thermally connected to the connecting member 24 of the flow path forming member 20.
  • the present technology can be configured as follows. (1) a first substrate having a first semiconductor element provided on one main surface and a first heat dissipation member provided on the other main surface; a second substrate disposed opposite to the first substrate, the second substrate having a second semiconductor element provided on one main surface facing the one main surface of the first substrate and a second heat dissipation member provided on the other main surface; a third heat dissipation member at least a portion of which is sandwiched between a first electrode provided on a main surface of the first semiconductor element facing the second semiconductor element and a second electrode provided on a main surface of the second semiconductor element facing the first semiconductor element; Semiconductor module.
  • the third heat dissipation member is At least a surface of a portion sandwiched between the first electrode and the second electrode is covered with an insulating material.
  • the first heat dissipation member is a flat heat sink, the main surface of the heat sink opposite to the main surface facing the first substrate forming a part of an inner surface of the coolant flow path;
  • the first heat dissipation member is a heat dissipation pin or a heat dissipation fin protruding from a main surface of the heat dissipation plate that constitutes a part of the inner surface of the refrigerant flow path toward the inside of the refrigerant flow path;
  • the second heat dissipation member is a flat heat sink, the main surface of the heat sink opposite to the main surface facing the second substrate forming a part of an inner surface of the coolant flow path; A semiconductor module according to any one of (1) to (4).
  • the second heat dissipation member is a heat dissipation pin or a heat dissipation fin protruding from a main surface of the heat dissipation plate that constitutes a part of the inner surface of the refrigerant flow path toward the inside of the refrigerant flow path; A semiconductor module according to (5).
  • the third heat dissipation member is A flat heat sink is provided, and an end surface of the heat sink in a planar direction constitutes a part of an inner surface of the refrigerant flow path.
  • the first heat dissipation member, the second heat dissipation member, and the third heat dissipation member are A flat heat sink is included.
  • the thermal conductive member is an end portion of at least one of the first heat dissipation member and the second heat dissipation member in a surface direction of the heat dissipation plate is connected to an end portion of the third heat dissipation member in a surface direction of the heat dissipation plate;
  • the thermal conductive member is a portion of at least one of the first heat dissipation member and the second heat dissipation member that is located inward from an end portion in a surface direction of the heat dissipation plate and a portion of the third heat dissipation member that is located inward from an end portion in a surface direction of the heat dissipation plate;
  • At least a portion of the first heat dissipation member, the first substrate, the first semiconductor element, the third heat dissipation member, the second semiconductor element, the second substrate, and the second heat dissipation member are stacked in a thickness direction.
  • (12) The first semiconductor element and the second semiconductor element are joined to members located above and below the first semiconductor element and the second semiconductor element by a sintered material.
  • a semiconductor module according to any one of (1) to (11). (13) The sintered material is silver or copper;

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Abstract

本開示の一態様による半導体モジュールは、第１基板と、第２基板と、第３放熱部材とを備える。第１基板は、一方の主面に第１の半導体素子が設けられ、他方の主面に第１放熱部材が設けられる。第２基板は、第１基板に対して対向するように配置され、第１基板の一方の主面に面する一方の主面に第２の半導体素子が設けられ、他方の主面に第２放熱部材が設けられる。第３放熱部材は、第１の半導体素子における第２の半導体素子に面する側の主面に設けられる第１電極と、第２の半導体素子における第１の半導体素子に面する側の主面に設けられる第２電極とによって、少なくとも一部が挟持される。

Description

半導体モジュールおよび半導体モジュールユニット
　本開示は、半導体モジュールおよび半導体モジュールユニットに関する。本願は、２０２２年９月３０日に日本に出願された特願２０２２－１５８７９８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来、半導体チップを挟むように、半導体チップの表裏両面に放熱板となる高熱伝導性絶縁基板が熱的に接続されることによって、半導体チップから発せられる熱を放熱させるように構成される半導体装置がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６－０９３７３３号公報
　しかしながら、上述した従来技術には、冷却効率の観点において改善の余地がある。本開示は、冷却効率を向上できる半導体モジュールおよび半導体モジュールユニットを提供する。
　本開示の一態様による半導体モジュールは、第１基板と、第２基板と、第３放熱部材とを備える。第１基板は、一方の主面に第１の半導体素子が設けられ、他方の主面に第１放熱部材が設けられる。第２基板は、前記第１基板に対して対向するように配置され、前記第１基板の前記一方の主面に面する一方の主面に第２の半導体素子が設けられ、他方の主面に第２放熱部材が設けられる。第３放熱部材は、前記第１の半導体素子における前記第２の半導体素子に面する側の主面に設けられる第１電極と、前記第２の半導体素子における前記第１の半導体素子に面する側の主面に設けられる第２電極とによって、少なくとも一部が挟持される。
　本開示によれば、冷却効率を向上できる半導体モジュールを提供できる。
図１は、実施形態に係る半導体モジュールの回路構成を示す図である。 図２は、実施形態に係る半導体モジュールユニットの透視斜視図である。 図３は、実施形態に係る半導体モジュールユニットの断面図である。 図４は、実施形態に係る半導体モジュールの構造を示す断面図である。 図５は、実施形態の第１変形例に係る半導体モジュールユニットの断面図である。 図６は、実施形態の第２変形例に係る半導体モジュールユニットの断面図である。
　以下に、本開示による半導体モジュールおよび半導体モジュールユニットを実施するための形態（以下、「実施形態」と記載する）について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではない。また、各実施形態は、処理内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態において、同一の機能を担う構成要素については、同一の符号を付することにより、重複する説明を省略する。
　また、以下に示す実施形態では、「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」といった表現が用いられる場合があるが、これらの表現は、厳密に「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」であることを要しない。すなわち、上記した各表現は、例えば製造精度、設置精度などのずれを許容するものとする。
　また、以下参照する各図面では、説明を分かりやすくするために、互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向を規定し、Ｚ軸正方向を鉛直上向き方向とする直交座標系を示す場合がある。
［１．実施形態に係る半導体モジュールの回路構成］
　まず、実施形態に係る半導体モジュールの回路構成について図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る半導体モジュール１の回路構成を示す図である。
　実施形態に係る半導体モジュール１は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置の一部を構成する。
　図１に示すように、実施形態に係る半導体モジュール１は、電源端子３と、回路部５と、入出力端子７とを備える。
　電源端子３は、図示しない直流電源に接続される端子である。具体的には、電源端子３は、直流電源の正極側に接続される正極端子３１と負極側に接続される負極端子３２とを備える。
　回路部５は、半導体素子の一例であるトランジスタ５１，５２、および、ダイオード５３，５４を含む。２つのトランジスタ５１，５２は、正極端子３１と負極端子３２との間に直列に接続される。ダイオード５３は、トランジスタ５１に逆並列に接続される。ダイオード５４は、トランジスタ５２に逆並列に接続される。
　トランジスタ５１，５２は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）である。また、ダイオード５３，５４は、ＩＧＢＴを保護するための還流ダイオードである。なお、トランジスタ５１，５２は、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal　Oxide　Semiconductor　Field　Effect　Transistor）またはＧＴＯ（Gate　Turn-Off）サイリスタなどであってもよい。
　入出力端子７は、負荷端子７１と、制御端子７２とを含む。負荷端子７１は、モータ等の負荷に対して交流電力を出力するための出力端子である。負荷端子７１は、２つのトランジスタ５１，５２の間の接続ノードに接続される。制御端子７２は、トランジスタ５１，５２を駆動させるための駆動信号が入力される入力端子である。
　上記のように構成された半導体モジュール１は、制御端子７２から入力される駆動信号に従って２つのトランジスタ５１，５２を交互にオンすることにより、正極端子３１と負極端子３２との間に入力された直流電力を交流電力に変換して負荷端子７１から出力する。なお、２つの半導体モジュール１を並列に接続した場合、単相交流電力を生成することができ、３つの半導体モジュール１を並列に接続した場合には、３相交流電力を生成することができる。
　半導体モジュール１は、電力変換動作中に、トランジスタ５１，５２およびダイオード５３，５４の駆動による発熱を放熱する必要がある。発熱元となるトランジスタ５１，５２やダイオード５３，５４は、一般にウェハからダイシングした薄板形状をしていて、両面に電極が設けられ、電気的に導体で接続されている。
　併せて、半導体モジュール１は、放熱のため、電気的に接続された導体が、放熱材としても使われ基板に熱的に接続されている。導体へ移動した熱は、絶縁基板を介し、放熱される。
　半導体モジュール１は、サイズの縮小が高い生産性につながる。半導体モジュールは、縮小によって、部材面積のコンパクト化とコストの削減がすすみ、成型部品においては、金型寸法の縮小や取り数の増加がすすむことで、生産性が増す。
　半導体モジュール１は、サイズが縮小されると、内部において熱的密度が増大する。このため、半導体モジュール１の生産性を向上させるためには、サイズの縮小と併せて、放熱性の向上が必要になる。そこで、実施形態に係る半導体モジュール１は、占有面積を抑制しつつ、放熱性を向上できる構造を備える。
［２．実施形態に係る半導体モジュールユニット］
　まず、実施形態に係る半導体モジュールユニット１００の構成について、図１および図２を参照して説明する。図２は、実施形態に係る半導体モジュールユニット１００の透視斜視図である。図３は、実施形態に係る半導体モジュールユニット１００の断面図である。
　図２示すように、実施形態に係る半導体モジュールユニット１００は、一列に配置される３個の半導体モジュール１と、３個の半導体モジュール１を収納し、半導体モジュール１を冷却する冷媒の流路を形成する流路形成部材２０とを含む。
　各半導体モジュール１は、正極端子３１、負極端子３２、および負荷端子７１の一部が流路形成部材２０の外部に突出する状態で流路形成部材２０に収納される。流路形成部材２０に収納される半導体モジュール１の個数は、２個以下であってもよく、４個以上であってもよい。
　流路形成部材２０は、冷媒の流入部２１と、冷媒の流出部２２とを備える。流入部２１は、流路形成部材２０内において、一列に配置される半導体モジュール１の列の一端側端部下面に設けられる。流出部２２は、流路形成部材２０内において、一列に配置される半導体モジュール１の列の他端側端部下面に設けられる。
　図３に示すように、半導体モジュール１は、第１基板４０と、第２基板６０とを備える。第１基板４０は、一方の主面（ここでは、上面）に第１の半導体素子５Ａが設けられる。第１の半導体素子５Ａは、例えば、トランジスタ５１と、ダイオード５３とを含む。
　第１基板４０は、他方の主面（ここでは、下面）に第１放熱部材８１が設けられる。第１放熱部材８１は、放熱ピン８６を備える。なお、第１基板４０は、放熱ピン８６に替えて、放熱フィンが設けられてもよい。
　第２基板６０は、第１基板４０に対して対向するように配置される。第２基板６０は、第１基板４０の一方の主面（ここでは、上面）に面する一方の主面（ここでは、下面）に第２の半導体素子５Ｂが設けられる。
　第２基板６０は、他方の主面（ここでは、上面）に、第２放熱部材８２が設けられる。第２放熱部材８２は、放熱ピンを備える。なお、第２基板６０は、放熱ピン８６に替えて、放熱フィンが設けられてもよい。
　一方、図３に示すように、流路形成部材２０は、下部材２３と、連結部材２４と、上部材２５とに分割可能である。下部材２３は、内部の上面と半導体モジュール１の下面とによって、冷媒流路を形成する。上部材２５は、内部の下面と半導体モジュール１の上面とによって、冷媒流路を形成する。連結部材２４は、上下の冷媒流路を連結する。
　冷媒は、図３に白抜矢印で示すように、流入部２１から流路形成部材２０の内部に流入する。そして、冷媒は、流路形成部材２０の下部材２３における内部の上面と半導体モジュール１の下面とによって形成される冷媒流路を通過し、流出部２２から流路形成部材２０の外部に流出する。
　また、冷媒は、図３に白抜矢印で示すように、流入部２１から流路形成部材２０の内部に流入する。そして、冷媒は、連結部材２４を経由し、流路形成部材２０の上部材２５における内部の下面と半導体モジュール１の上面とによって形成される冷媒流路を通過し、連結部材２４を経由して流出部２２から流路形成部材２０の外部に流出する。
　これにより、半導体モジュール１は、流路形成部材２０の下部材２３に面する面と、流路形成部材２０の上部材２５に面する面との両面から冷却されるので、冷却効率を向上できる。
　しかも、半導体モジュール１は、流路形成部材２０の下部材２３に面する面と、流路形成部材２０の下部材２３に面する面とには、放熱ピン８６が設けられるので、冷媒との接触面積が増大する。これにより、半導体モジュール１は、冷却効率をさらに向上できる。なお、半導体モジュール１は、放熱ピン８６に替えて、放熱フィンが設けられても、同様に冷却効率をさらに向上できる。
　さらに、半導体モジュール１は、第１の半導体素子５Ａと、第２の半導体素子５Ｂとの間に第３放熱部材８３を備える。第３放熱部材８３は、熱伝導部材８４によって第１放熱部材８１と熱的に接続される。また、第３放熱部材８３は、熱伝導部材８５によって第２放熱部材８２と熱的に接続される。
　これにより、半導体モジュール１は、第１の半導体素子５Ａと第２の半導体素子５Ｂとの間にこもりがちな熱を、第３放熱部材８３と熱伝導部材８４とを介して、第１放熱部材８１へ伝達できる。また、半導体モジュール１は、第１の半導体素子５Ａと第２の半導体素子５Ｂとの間にこもりがちな熱を、第３放熱部材８３と熱伝導部材８５とを介して、第２放熱部材８２へ伝達できる。
　したがって、半導体モジュール１は、第１の半導体素子５Ａと第２の半導体素子５Ｂとが平面視において重畳配置されて占有面積が低減されても、第１放熱部材８１、第２放熱部材８２、および第３放熱部材８３の３層冷却構造により放熱効率を向上できる。
［３．実施形態に係る半導体モジュールの構造］
　次に、実施形態に係る半導体モジュール１の構造について、図４を参照して説明する。図４は、実施形態に係る半導体モジュール１の構造を示す断面図である。なお、図４では、図３に示す流路形成部材２０および放熱ピン８６の図示が省略されている。
　図４に示すように、半導体モジュール１は、第１基板４０と、第２基板６０と、第１の半導体素子５Ａと、第２の半導体素子５Ｂと、第１放熱部材８１と、第２放熱部材８２と、第３放熱部材８３と、熱伝導部材８４とを備える。
　第１基板４０は、絶縁基板４１と、絶縁基板４１の一方の主面（ここでは、上面）に貼合される導電層４２と、絶縁基板４１の他方の主面（ここでは、下面）に貼合される導電層４３とを含む。
　絶縁基板４１は、例えば、セラミックス製の基板である。導電層４２，４３は、例えば、Ｃｕ（銅）を含む。導電層４２，４３は、Ｃｕ以外の金属を含んでもよい。絶縁基板４１と導電層４２，４３とは、例えば、活性金属接合法（ＡＭＢ：Active　Metal　Brazing）、または、直接接合法（ＤＣＢ：Direct　Copper　Bonding）によって接合される。絶縁基板４１の一方の主面（ここでは、上面）に貼合される導電層４２は、電気回路がパターニングされる。
　第１基板４０は、一方の主面（ここでは、上面）に第１の半導体素子５Ａが設けられる。第１の半導体素子５Ａの熱伝導率は、好ましくは１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。第１の半導体素子５Ａの材料は、Ｓｉ（シリコン）またはＳｉＣ（シリコンカーバイド）である。
　第１の半導体素子５Ａは、トランジスタ５１およびダイオード５３を含む。第１の半導体素子５Ａは、第１基板４０の導電層４２に当接する主面とは反対側の主面に、第１電極５５が設けられる。第１電極５５は、例えば、バスバである。第１電極５５は、第１の半導体素子５Ａに設けられる端子と、導電層４２にパターニングされた電気回路とを接続する。
　第１の半導体素子５Ａと、第１の半導体素子５Ａの上下に位置する部材とは、焼結材によって接合される。これにより、第１の半導体素子５Ａと、第１の半導体素子５Ａの上下に位置する部材とは、ワイヤボンドに比べて、隙間なく積層を実現できる。焼結材は、例えば、Ａｇ（銀）またはＣｕであることが望ましい。これにより、第１の半導体素子５Ａと、第１の半導体素子５Ａの上下に位置する部材との接合部分は、半田に比べて、耐熱性および放熱性が向上する。
　第１基板４０は、他方の主面に第１放熱部材８１が設けられる。第１放熱部材８１は、平板状の放熱板８１Ａと、放熱ピン８６（図３参照）とを含む。放熱板８１Ａおよび放熱ピン８６は、例えば、ＣｕまたはＡｌ（アルミニウム）を主成分とする金属が望ましい。
　第１放熱部材８１は、放熱板８１Ａにおける第１基板４０に面する側の主面とは反対側の主面８１Ｂが冷媒流路の内側面の一部を構成する。放熱ピン８６または放熱フィンは、放熱板８１Ａにおける冷媒流路の内側面の一部を構成する主面８１Ｂから冷媒流路内へ向けて突出するように設けられる。なお、第１放熱部材８１は、必ずしも放熱ピン８６または放熱フィンが設けられなくてもよい。
　第２基板６０は、絶縁基板６１と、絶縁基板６１の一方の主面（ここでは、下面）に貼合される導電層６２と、絶縁基板６１の他方の主面（ここでは、上面）に貼合される導電層６３とを含む。
　絶縁基板６１は、例えば、セラミックス製の基板である。導電層６２，６３は、例えば、Ｃｕを含む。導電層６２，６３は、Ｃｕ以外の金属を含んでもよい。絶縁基板６１と導電層６２，６３とは、例えば、ＡＭＢ、または、ＤＣＢによって接合される。絶縁基板６１の一方の主面（ここでは、下面）に貼合される導電層６２は、電気回路がパターニングされる。
　第２基板６０は、一方の主面（ここでは、下面）に第２の半導体素子５Ｂが設けられる。第２の半導体素子５Ｂの熱伝導率は、好ましくは１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。第２の半導体素子５Ｂの材料は、ＳｉまたはＳｉＣである。
　第２の半導体素子５Ｂは、トランジスタ５２およびダイオード５４を含む。第２の半導体素子５Ｂは、第２基板６０の導電層６２に当接する主面とは反対側の主面に、第２電極５６が設けられる。第２電極５６は、例えば、バスバである。第２電極５６は、第２の半導体素子５Ｂに設けられる端子と、導電層６２にパターニングされた電気回路とを接続する。
　第１の半導体素子５Ａおよび第２の半導体素子５Ｂと、第１の半導体素子５Ａおよび第２の半導体素子５Ｂの上下に位置する部材とは、焼結材によって接合される。これにより、第２の半導体素子５Ｂと、第２の半導体素子５Ｂの上下に位置する部材とは、ワイヤボンドに比べて、隙間なく積層を実現できる。
　焼結材は、例えば、ＡｇまたはＣｕであることが望ましい。これにより、第２の半導体素子５Ｂと、第２の半導体素子５Ｂの上下に位置する部材との接合部分は、半田に比べて、耐熱性および放熱性が向上する。
　第２基板６０は、他方の主面に第２放熱部材８２が設けられる。第２放熱部材８２は、平板状の放熱板８２Ａと、放熱ピン８６（図３参照）とを含む。放熱板８２Ａおよび放熱ピン８６は、例えば、ＣｕまたはＡｌを主成分とする金属が望ましい。
　第２放熱部材８２は、放熱板８２Ａにおける第２基板６０に面する側の主面とは反対側の主面８２Ｂが冷媒流路の内側面の一部を構成する。放熱ピン８６または放熱フィンは、放熱板８２Ａにおける冷媒流路の内側面の一部を構成する主面８２Ｂから冷媒流路内へ向けて突出するように設けられる。なお、第２放熱部材８２は、必ずしも放熱ピン８６または放熱フィンが設けられなくてもよい。
　第３放熱部材８３は、第１電極５５と、第２電極５６とによって、少なくとも一部が挟持される。つまり、第１の半導体素子５Ａと、第２の半導体素子５Ｂとの間に配置される。第３放熱部材８３の厚さは、特に限定しないが、０．０１～５ｍｍが好ましい。
　第３放熱部材８３は、ＣｕまたはＡｌを主成分とする金属が好ましい。第３放熱部材８３は、ＣｕまたはＡｌ以外の金属または導電性を有する部材であってもよい。また、第３放熱部材８３は、金属スペーサ、または、半田と金属スペーサとを接続した構造体であってもよい。
　第３放熱部材８３は、導電性を有する場合、少なくとも第１電極５５および第２電極によって挟持される部分の表面が絶縁材８３Ｃによって被覆される。絶縁材は、高耐熱樹脂、無機絶縁材、無機絶縁材と樹脂とを複合した絶縁材であってもよい。
　絶縁材の熱伝導率は、厚みが０．５ｍｍ以下の場合、特に限定しないが、１Ｗ／ｍ・Ｋ以上が好ましい。絶縁材は、無機絶縁材であれば、高耐熱と高熱伝導を得られるので、より好ましい。第３放熱部材８３の表面がＡｌである場合には、陽極酸化に依るアルマイト被覆を絶縁材としてもよい。
　第３放熱部材８３は、放熱板８３Ａを含む。第３放熱部材８３は、放熱板８３Ａにおける面方向の端面８３Ｂが冷媒流路の内側面の一部を構成する。例えば、第３放熱部材８３は、第１電極５５および第２電極５６によって挟持される被挟持部と、被挟持部から流路形成部材２０の連結部材２４（図３参照）まで延伸する延伸部を含む放熱板８３Ａを備える。
　第３放熱部材８３は、放熱板８３Ａにおける面方向の端面８３Ｂ、換言すれば、放熱板８３Ａの延伸部における先端の端面８３Ｂと、連結部材２４の内側面とによって冷媒流路の一部を構成してもよい。また、第３放熱部材８３は、第１放熱部材８１および第２放熱部材８２のうち少なくともいずれか一方と、熱伝導部材によって、熱的に接続される。
　例えば、熱伝導部材８４は、第３放熱部材８３と第１放熱部材８１と熱的に接続する。例えば、熱伝導部材８５は、第３放熱部材８３と第２放熱部材８２と熱的に接続する。熱伝導部材８４，８５は、例えば、ＣｕまたはＡｌを主成分とする金属が好ましい。熱伝導部材８４，８５と、第１放熱部材８１、第２放熱部材８２、および第３放熱部材８３とは、例えば、半田などの接合部材によって接合されてもよい。
　このように、半導体モジュール１は、第１放熱部材８１、第２放熱部材８２、第３放熱部材８３、および、熱伝導部材８４，８５を備えるので、第１放熱部材８１、第２放熱部材８２、および第３放熱部材８３の３層冷却構造により放熱効率を向上できる。
　例えば、第１の半導体素子５Ａから発せられる熱は、図４に太線矢印で示す経路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３、および太点線矢印で示す経路Ｌ４を介して、冷媒流路内の冷媒に伝達されて放熱される。
　具体的には、第１の半導体素子５Ａから発せられる熱は、第３放熱部材８３、第２の半導体素子５Ｂ、第２基板６０、および第２放熱部材８２を通る経路Ｌ１を介して、冷媒流路内の冷媒に伝達されて放熱される。
　また、第１の半導体素子５Ａから発せられる熱は、第１基板４０および第１放熱部材８１を通る経路Ｌ２を介して、冷媒流路内の冷媒に伝達されて放熱される。また、第１の半導体素子５Ａから発せられる熱は、第３放熱部材８３、熱伝導部材８４，８５、第１放熱部材８１、および、第２放熱部材８２を通る経路Ｌ３を介して、冷媒流路内の冷媒に伝達されて放熱される。
　また、第１の半導体素子５Ａから発せられる熱は、第３放熱部材８３が流路形成部材２０の連結部材２４と熱的に接続される場合には、第３放熱部材８３から連結部材２４へ伝達される経路Ｌ４を介して、冷媒流路内の冷媒に伝達されて放熱される。
　第２の半導体素子５Ｂから発生される熱についても、同様に、経路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を介して、冷媒流路内の冷媒に伝達されて放熱される。これにより、半導体モジュール１は、第１の半導体素子５Ａと第２の半導体素子５Ｂとが平面視において重畳配置されて占有面積が低減されても、第１放熱部材８１、第２放熱部材８２、および第３放熱部材８３の３層冷却構造により放熱効率を向上できる。
　また、半導体モジュール１は、第１放熱部材８１、第１基板４０、第１の半導体素子５Ａ、第３放熱部材８３、第２の半導体素子５Ｂ、第２基板６０、および、第２放熱部材８２の少なくとも一部が、厚さ方向に積層される。
　これにより、半導体モジュール１では、第１の半導体素子５Ａから発せられる熱の一部が、第２の半導体素子５Ｂを介して放熱される。また、半導体モジュール１では、第２の半導体素子５Ｂから発せられる熱の一部が、第１の半導体素子５Ａを介して放熱される。
　さらに、半導体モジュール１は、第１放熱部材８１、第１基板４０、第１の半導体素子５Ａ、第３放熱部材８３、第２の半導体素子５Ｂ、第２基板６０、および、第２放熱部材８２が平置き配置される場合に比べて放熱効率を向上しつつ占有面積を低減できる。
　また、第３放熱部材８３が平板である場合、第３放熱部材８３の絶縁材は、第１の半導体素子５Ａの第１電極５５、および、第２の半導体素子５Ｂの第２電極５６に面で接すると放熱が促進され好ましい。
　このため、第１電極５５および第２電極５６は、概ね平面であることが好ましく、ＣｕまたはＡｌを主成分とする平板状の電極が使われてもよい。平板状の電極は、高さを合わせるための屈曲部が設けられてＤＢＣ基板等とも接続される場合がある。
　一方、第３放熱部材８３は、第１の半導体素子５Ａおよび第２の半導体素子５Ｂによって挟持されていない部分まで延伸され、第１放熱部材８１、第２放熱部材８２、および冷媒流路に、熱的に接続される。
　この場合、第１電極５５および第２電極５６と第３放熱部材８３とが干渉することなく積層されるために、第１電極５５および第２電極５６の屈曲部を第３放熱部材８３が接する域以外に設ける。
　また、第３放熱部材８３と第１の半導体素子５Ａおよび第２の半導体素子５Ｂからのセンシング端子の取り出し部が、干渉することが無いように、第３放熱部材８３の絶縁材は、放熱板８３Ａを一部覆わない箇所があってもよい。
　また、第３放熱部材８３は、第１の半導体素子５Ａおよび第２の半導体素子５Ｂの取り出し線が干渉しないように、必要な厚みを備え、第１の半導体素子５Ａおよび第２の半導体素子５Ｂ間に、所望の間隙を形成する役割を備えてもよい。
　また、第３放熱部材８３の第１の半導体素子５Ａおよび第２の半導体素子５Ｂによって挟持されていない部分への延伸部には、第１放熱部材８１、第２放熱部材８２、および冷媒流路に、熱的に接続するための、延伸された平板でない立体形状が設けられてもよい。
　延伸部の立体形状は、放熱部材そのものに加工を施して形成すればよい。また、放熱部材を平板として、後付けにて、第１放熱部材８１、第２放熱部材８２、および冷媒流路に、熱的に接続できる部品を用意してもよい。
　第３放熱部材８３の絶縁材は、第１の半導体素子５Ａおよび第２の半導体素子５Ｂ上の第１電極５５および第２電極５６に接する箇所に設けてあればよいが、放熱板８３Ａの全面にあってもよい。
　なお、絶縁材は、厚みが０．５ｍｍ以下の場合、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であれば、第３放熱部材８３と、第１放熱部材８１、第２放熱部材８２、および冷媒流路とが、熱的に接続する面にあっても、熱的影響は、軽微である。
［４．実施形態の変形例に係る半導体モジュールの構造］
　次に、実施形態の変形例に係る半導体モジュールユニット１００Ａ，１００Ｂの構成について、図５および図６を参照して説明図する。図５は、実施形態の第１変形例に係る半導体モジュールユニット１００Ａの断面図である。図６は、実施形態の第２変形例に係る半導体モジュールユニット１００Ｂの断面図である。
　図５および図６に示す半導体モジュールユニット１００Ａ，１００Ｂの流路形成部材２０は、図３に示す流路形成部材と同一である。このため、図５および図６では、流路形成部材の図示を省略している。
　図３に示した半導体モジュール１では、熱伝導部材８４，８５は、第１放熱部材８１および第２放熱部材８２の放熱板８１Ａ，８２Ａの面方向における端部と、第３放熱部材８３の放熱板８３Ａの面方向における端部とを接続している。
　さらに、熱伝導部材８４，８５は、第１放熱部材８１および第２放熱部材８２の放熱板８１Ａ，８２Ａの面方向における端部よりも内側の部分と、第３放熱部材８３の放熱板８３Ａの面方向における端部よりも内側の部分とを接続している。
　ただし、実施形態に係る熱伝導部材８４，８５の構成は、図３に示す構成に限定されない。例えば、図５に示される半導体モジュール１Ａのように、熱伝導部材８４，８５は、第１放熱部材８１および第２放熱部材８２の放熱板８１Ａ，８２Ａと、第３放熱部材８３の放熱板８３Ａとを、面方向における端部だけで接続してもよい。
　つまり、第１放熱部材８１および第２放熱部材８２の放熱板８１Ａ，８２Ａの面方向における端部よりも内側の部分と、第３放熱部材８３の放熱板８３Ａの面方向における端部よりも内側の部分とを接続する熱伝導部材８４，８５は、省略されてもよい。また、図５に示す熱伝導部材８４，８５は、いずれか一方が省略されてもよい。
　これにより、半導体モジュール１Ａは、熱伝導部材８４，８５の材料費を低減しつつ、３層冷却構造を実現できるので、第３放熱部材８３および熱伝導部材８４，８５を備えない半導体モジュールに比べて、冷却効率を向上できる。
　また、図６に示すように、半導体モジュール１Ｂは、図３に示す半導体モジュール１から放熱ピン８６が省略された構成であってもよい。これにより、半導体モジュール１Ｂは、放熱ピン８６の分の材料費を削減できるので、コストを抑えつつ３層冷却構造を実現することで、第３放熱部材８３および熱伝導部材８４，８５を備えない半導体モジュールに比べて、冷却効率を向上できる。
　また、本実施形態に記載された第１放熱部材８１、第２放熱部材８２、第３放熱部材８３、熱伝導部材８４，８５、および放熱ピン８６の構成は、任意に組み合わせが可能である。
　例えば、放熱ピン８６は、設けられなくてもよく、第１放熱部材８１および第２放熱部材８２の双方に設けられてもよく、第１放熱部材８１および第２放熱部材８２のうち、少なくともいずれか一方に設けられてもよい。
　また、熱伝導部材８４，８５は、少なくとも第３放熱部材８３の面方向における端部が、流路形成部材２０の連結部材２４と熱的に接続されていれば、設けられなくてもよく、いずれか一方が設けられてもよい。
　なお、本技術は以下のような構成をとることが可能である。
（１）
　一方の主面に第１の半導体素子が設けられ、他方の主面に第１放熱部材が設けられる第１基板と、
　前記第１基板に対して対向するように配置され、前記第１基板の前記一方の主面に面する一方の主面に第２の半導体素子が設けられ、他方の主面に第２放熱部材が設けられる第２基板と、
　前記第１の半導体素子における前記第２の半導体素子に面する側の主面に設けられる第１電極と、前記第２の半導体素子における前記第１の半導体素子に面する側の主面に設けられる第２電極とによって、少なくとも一部が挟持される第３放熱部材と、を備える、
　半導体モジュール。
（２）
　前記第３放熱部材は、
　少なくとも前記第１電極および前記第２電極によって挟持される部分の表面が絶縁材によって被覆される、
　（１）に記載の半導体モジュール。
（３）
　前記第１放熱部材は、
　平板状の放熱板を含み、前記放熱板における前記第１基板に面する側の主面とは反対側の主面が冷媒流路の内側面の一部を構成する、
　（１）または（２）に記載の半導体モジュール。
（４）
　前記第１放熱部材は、
　前記放熱板における前記冷媒流路の内側面の一部を構成する主面から前記冷媒流路内へ向けて突出する放熱ピンまたは放熱フィンを備える、
　（３）に記載の半導体モジュール。
（５）
　前記第２放熱部材は、
　平板状の放熱板を含み、前記放熱板における前記第２基板に面する側の主面とは反対側の主面が冷媒流路の内側面の一部を構成する、
　（１）から（４）のいずれか一つに記載の半導体モジュール。
（６）
　前記第２放熱部材は、
　前記放熱板における前記冷媒流路の内側面の一部を構成する主面から前記冷媒流路内へ向けて突出する放熱ピンまたは放熱フィンを備える、
　（５）に記載の半導体モジュール。
（７）
　前記第３放熱部材は、
　平板状の放熱板を含み、前記放熱板における面方向の端面が冷媒流路の内側面の一部を構成する、
　（１）から（６）のいずれか一つに記載の半導体モジュール。
（８）
　前記第１放熱部材および前記第２放熱部材のうち少なくともいずれか一方と前記第３放熱部材とを接続する熱伝導部材、を備える、
　（１）から（７）のいずれか一つに記載の半導体モジュール。
（９）
　前記第１放熱部材、前記第２放熱部材、および、前記第３放熱部材は、
　平板状の放熱板を含み、
　前記熱伝導部材は、
　前記第１放熱部材および前記第２放熱部材のうち少なくともいずれか一方の前記放熱板の面方向における端部と、前記第３放熱部材の前記放熱板の面方向における端部とを接続する、
　（８）に記載の半導体モジュール。
（１０）
　前記熱伝導部材は、
　前記第１放熱部材および前記第２放熱部材のうち少なくともいずれか一方の前記放熱板の面方向における端部よりも内側の部分と、前記第３放熱部材の前記放熱板の面方向における端部よりも内側の部分とを接続する、
　（９）に記載の半導体モジュール。
（１１）
　前記第１放熱部材、前記第１基板、前記第１の半導体素子、前記第３放熱部材、前記第２の半導体素子、前記第２基板、および、前記第２放熱部材の少なくとも一部が、厚さ方向に積層される、
　（１）から（１０）のいずれか一つに記載の半導体モジュール。
（１２）
　前記第１の半導体素子および前記第２の半導体素子と、前記第１の半導体素子および前記第２の半導体素子の上下に位置する部材とが、焼結材によって接合される、
　（１）から（１１）のいずれか一つに記載の半導体モジュール。
（１３）
　前記焼結材は、銀または銅である、
　（１２）に記載の半導体モジュール。
（１４）
　一列に配置される複数個の（１）から（１３）のいずれか一つに記載の半導体モジュールと、
　複数個の前記半導体モジュールを収納し、複数個の前記半導体モジュールを冷却する冷媒の流路を形成する流路形成部材とを含む、半導体モジュールユニット。
　１，１Ａ，１Ｂ　半導体モジュール
　２０　流路形成部材
　２１　流入部
　２２　流出部
　２３　下部材
　２４　連結部材
　２５　上部材
　３　電源端子
　３１　正極端子
　３２　負極端子
　４０　第１基板
　４１　絶縁基板
　４２，４３　導電層
　５　回路部
　５Ａ　第１の半導体素子
　５Ｂ　第２の半導体素子
　５１，５２　トランジスタ
　５３，５４　ダイオード
　５５　第１電極
　５６　第２電極
　６０　第２基板
　６１　絶縁基板
　６２，６３　導電層
　７　入出力端子
　７１　負荷端子
　７２　制御端子
　８１　第１放熱部材
　８１Ａ　放熱板
　８１Ｂ　主面
　８２　第２放熱部材
　８２Ａ　放熱板
　８２Ｂ　主面
　８３　第３放熱部材
　８３Ａ　放熱板
　８３Ｂ　端面
　８３Ｃ　絶縁材
　８４，８５　熱伝導部材
　８６　放熱ピン
　１００，１００Ａ，１００Ｂ　半導体モジュールユニット
　Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４　経路

 

Claims (14)

  1. 　一方の主面に第１の半導体素子が設けられ、他方の主面に第１放熱部材が設けられる第１基板と、
    　前記第１基板に対して対向するように配置され、前記第１基板の前記一方の主面に面する一方の主面に第２の半導体素子が設けられ、他方の主面に第２放熱部材が設けられる第２基板と、
    　前記第１の半導体素子における前記第２の半導体素子に面する側の主面に設けられる第１電極と、前記第２の半導体素子における前記第１の半導体素子に面する側の主面に設けられる第２電極とによって、少なくとも一部が挟持される第３放熱部材と、を備える、
    　半導体モジュール。
  2. 　前記第３放熱部材は、
    　少なくとも前記第１電極および前記第２電極によって挟持される部分の表面が絶縁材によって被覆される、
    　請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 　前記第１放熱部材は、
    　平板状の放熱板を含み、前記放熱板における前記第１基板に面する側の主面とは反対側の主面が冷媒流路の内側面の一部を構成する、
    　請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
  4. 　前記第１放熱部材は、
    　前記放熱板における前記冷媒流路の内側面の一部を構成する主面から前記冷媒流路内へ向けて突出する放熱ピンまたは放熱フィンを備える、
    　請求項３に記載の半導体モジュール。
  5. 　前記第２放熱部材は、
    　平板状の放熱板を含み、前記放熱板における前記第２基板に面する側の主面とは反対側の主面が冷媒流路の内側面の一部を構成する、
    　請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
  6. 　前記第２放熱部材は、
    　前記放熱板における前記冷媒流路の内側面の一部を構成する主面から前記冷媒流路内へ向けて突出する放熱ピンまたは放熱フィンを備える、
    　請求項５に記載の半導体モジュール。
  7. 　前記第３放熱部材は、
    　平板状の放熱板を含み、前記放熱板における面方向の端面が冷媒流路の内側面の一部を構成する、
    　請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
  8. 　前記第１放熱部材および前記第２放熱部材のうち少なくともいずれか一方と前記第３放熱部材とを接続する熱伝導部材、を備える、
    　請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
  9. 　前記第１放熱部材、前記第２放熱部材、および、前記第３放熱部材は、
    　平板状の放熱板を含み、
    　前記熱伝導部材は、
    　前記第１放熱部材および前記第２放熱部材のうち少なくともいずれか一方の前記放熱板の面方向における端部と、前記第３放熱部材の前記放熱板の面方向における端部とを接続する、
    　請求項８に記載の半導体モジュール。
  10. 　前記熱伝導部材は、
    　前記第１放熱部材および前記第２放熱部材のうち少なくともいずれか一方の前記放熱板の面方向における端部よりも内側の部分と、前記第３放熱部材の前記放熱板の面方向における端部よりも内側の部分とを接続する、
    　請求項９に記載の半導体モジュール。
  11. 　前記第１放熱部材、前記第１基板、前記第１の半導体素子、前記第３放熱部材、前記第２の半導体素子、前記第２基板、および、前記第２放熱部材の少なくとも一部が、厚さ方向に積層される、
    　請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
  12. 　前記第１の半導体素子および前記第２の半導体素子と、前記第１の半導体素子および前記第２の半導体素子の上下に位置する部材とが、焼結材によって接合される、
    　請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
  13. 　前記焼結材は、銀または銅である、
    　請求項１２に記載の半導体モジュール。
  14. 　一列に配置される複数個の請求項１または請求項２に記載の半導体モジュールと、
    　複数個の前記半導体モジュールを収納し、複数個の前記半導体モジュールを冷却する冷媒の流路を形成する流路形成部材とを含む、半導体モジュールユニット。
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