(57)【要約】      （修正有）【課題】圧接を用いない構造で、短絡電流時の破裂防止性能が優れた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、並列接続された複数の半導体素子モジュールを備える。半導体素子モジュールＳＭ１ａ、ＳＭ１ｂは、板状の半導体素子４０を少なくとも１つ備える。半導体素子４０の一面と接する金属部材２０と半導体素子４０の他面と接する第２金属部材３０と半導体素子４０とを積層する。金属強化部材５０は、積層される金属部材２０、半導体素子４０及び金属部材３０の積層方向の上下を囲むように設けられる。金属部材３０と金属強化部材５０とは、接続導体９０を介して接続される。接続導体９０は、第２金属部材３０ないし金属強化部材５０より電気抵抗率の大きい。金属強化部材５０に接続される第２接続導体９５は、金属部材２０ないし第２金属部材３０よりも電気抵抗率が大きい。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列接続された複数の半導体素子ユニットを備える半導体装置であって、
前記半導体素子ユニットは、
板状の半導体素子を少なくとも１つ備え、
前記半導体素子の一方の面と接する板状の第１金属部材と、
前記半導体素子の他方の面と接し、前記半導体素子を介して前記第１金属部材と対向する第２金属部材と、
積層される前記第１金属部材、前記半導体素子、及び前記第２金属部材の積層方向の上下を囲むように設けられる金属強化部材と、
前記第２金属部材と前記金属強化部材とに接続され、前記第１金属部材ないし第２金属部材より電気抵抗率の大きい第１の接続導体と、
片端を前記金属強化部材に接続され、前記第１ないし第２金属部材より電気抵抗率の大きい第２の接続導体と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記金属強化部材と前記第２接続導体とは、一続きの部材であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２金属部材と前記第１接続導体とは、一続きの部材であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１接続導体は板状部材であり、前記板状部材の一部に略Ｕ字状の湾曲部を有し、
前記板状部材は、その厚さに対して幅が大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２接続導体は、中央部に配置される母材と、前記母材の表面を覆う被膜層からなり、
前記母材を体積抵抗率の大きい材料で形成し、前記被膜層を前記母材と比較して体積抵抗率の小さい材料で形成したことを特徴とする請求項１乃至４の半導体装置。
【請求項６】
前記第１接続導体は、母材を体積抵抗率の大きい材料で形成し、体積抵抗率の小さい材料で導体表面にメッキ層を形成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の半導体素子を並列接続することにより、数キロアンペア（ｋＡ）の大電流のスイッチングを可能とした半導体装置がある。このような半導体装置では、複数の半導体装置を直列接続することにより、数キロボルト（ｋＶ）の高電圧下で動作する電力変換装置を構成できる。
【０００３】
また、電力変換装置においては、直列接続された半導体装置の１つが短絡故障しても残る半導体装置により動作を継続できる冗長性を有することが好ましい。そのために、半導体装置の短絡時における爆発的破損を回避できる防爆構造を採用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３８５３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体装置の短絡時における爆発的破損を回避するために、半導体素子を導体で挟み、セラミック製の外囲器で封止する圧接型半導体が知られている。しかしながら、圧接型半導体では、全半導体素子を均等に圧接することが求められる。それ故、部品の加工精度やスタック構造の組立精度が高水準で求められ、コストが高くなる。
【０００６】
一方で、圧接を用いない半導体装置も提案されているが、故障時に短絡電流が流れた際の破裂防止性能が劣るという問題点がある。
【０００７】
本実施形態の半導体装置は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、圧接を用いない構造で、短絡電流時の破裂防止性能が優れた半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施形態に係る半導体装置は、並列接続された複数の半導体素子ユニットを備える半導体装置であって、前記半導体素子ユニットは、板状の半導体素子を少なくとも１つ備え、前記半導体素子の一方の面と接する板状の第１金属部材と、前記半導体素子の他方の面と接し、前記半導体素子を介して前記第１金属部材と対向する第２金属部材と、積層される前記第１金属部材、前記半導体素子、及び前記第２金属部材の積層方向の上下を囲むように設けられる金属強化部材と、前記第２金属部材と前記金属強化部材とに接続され、前記第１金属部材ないし第２金属部材より電気抵抗率の大きい第１の接続導体と、片端を前記金属強化部材に接続され、前記第１ないし第２金属部材より電気抵抗率の大きい第２の接続導体と、を備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。
【図３】第１実施形態に係る半導体素子モジュールを模式的に示す斜視図である。
【図４】第１実施形態に係る半導体素子モジュールの分解構成を示す斜視図である。
【図５】第１実施形態に係る半導体素子モジュールを示す模式断面図である。
【図６】第１実施形態に係る半導体素子モジュールを示す別座標平面の模式断面図である。
【図７】第１実施形態に係る半導体素子モジュールを示す別座標平面の模式断面図である。
【図８】第１実施形態に係る半導体装置を示す三面図である。
【図９】第１実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図１０】第２実施形態に係る半導体素子モジュールの構成部品を示す斜視図である。
【図１１】第３実施形態に係る半導体素子モジュールの構成部品を示す斜視図である。
【図１２】第３実施形態に係る半導体素子モジュールの組立方法の一部を示す斜視図である。
【図１３】第４実施形態に係る半導体素子モジュールの構成部品を示す三面図である。
【図１４】第４実施形態に係る半導体素子モジュールの組立方法の一部を示す斜視図である。
【図１５】第５実施形態に係る半導体素子モジュールの構成部品を示す断面図である。
【図１６】第５実施形態に係る半導体素子モジュールの構成部品における電気抵抗の解析値を示す図である。
【図１７】比較例に係る半導体素子モジュールを示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。また、説明の便宜上、あえて厳密な断面図とせず、部分的に簡略な表現方法を用いる場合もある。
【００１１】
さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
【００１２】
［１．第１実施形態］
［１−１．概略構成］
図１は、第１実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。図２は、第１実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。
【００１３】
図１及び図２に示すように、本実施形態の半導体装置１は、２個の半導体素子モジュールＳＭ１ａ、ＳＭ１ｂが、冷却部材１０に搭載されている。２個の半導体モジュールＳＭ１ａ、ＳＭ１ｂが電気的に並列接続されている。半導体装置１は、半導体素子モジュールＳＭ１ａ、ＳＭ１ｂ、冷却部材１０、エミッタ導体１００から構成される。
【００１４】
冷却部材１０は、直方体形状の部材であり、底面、及び天面が長方形である。底面及び天面は、ＸＹ座標面上に位置する。冷却部材１０は、鉄、ステンレス鋼、またはアルミニウムを主成分として含む。冷却部材１０の天面には、コレクタ端子接続部１０Ｔと、凸部が所定の間隔で２か所設けられている。
【００１５】
コレクタ端子接続部１０Ｔは、モジュールＳＭ１ａ、ＳＭ１ｂに共通の端子である。
【００１６】
凸部は直方体であり、凸部の底面が冷却部材１０の天面と接し、凸部の側面が冷却部材１０の天面に対して垂直に立設している。凸部の天面は、半導体モジュールＳＭ１ａ、ＳＭ１ｂのそれぞれの金属部材と接触した際に、凸部の天面と金属部材との間に隙間が生じないように平滑である。凸部は、冷却部材１０と一体に成形されていても良い。
【００１７】
冷却部材１０は、内部に空隙１３を有する。冷却部材１０の底面及び天面と直交する空隙１３の断面において、空隙１３は略長方形である。空隙１３の冷却部材１０の天面側には、冷却フィン１５が設けられる。冷却フィン１５は、伝熱面積を広げるために設けられる突起である。例えば、空隙１３内部に、純水などの冷却液を循環させることで、半導体素子モジュールＳＭ１から熱を放散させる。
【００１８】
半導体素子モジュールＳＭ１ａ、ＳＭ１ｂは、少なくとも１つの半導体素子４０、金属部材２０、金属部材３０、第２接続導体９５を含むモジュールである。半導体素子４０は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等のトランジスタ素子、または、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode）等のダイオード素子である。１つの半導体素子モジュールＳＭ１が、トランジスタ素子とダイオード素子の両方を含んでもよい。
【００１９】
金属部材２０及び金属部材３０は、板状の部材である。半導体素子４０の一方の面は金属部材２０と接し、半導体素子４０の他方の面は金属部材３０と接する。換言すれば、金属部材２０、金属部材３０及び半導体素子４０は、金属部材３０、半導体素子４０、金属部材２０の順に積層している。
【００２０】
半導体素子モジュールＳＭ１ａ、ＳＭ１ｂは、６つ面のうち２つの面が開口している直方体である。冷却部材に配置された場合に側面に位置する１つの開口面からは、第２接続導体９５が突出する。また、冷却部材に配置された場合に冷却部材の天面と対向する位置に開口する開口面からは、金属部材２０が露出している。金属部材２０が露出する開口面の形状は、凸部が挿入可能な形状である。
【００２１】
第２接続導体９５は、四角柱の形状をした部材である。開口面から突出した第２接続導体９５の端部は、エミッタ導体１００が接続される。エミッタ導体１００は、長辺部と、長辺部の端部より垂直に延びる短辺部からなる、所謂Ｌ字形状である。エミッタ導体１００は銅やアルミニウムなどの良電気伝導性材料で形成される。エミッタ導体の長辺部は、半導体素子モジュールＳＭ１ａ、ＳＭ１ｂから突出する第２接続導体９５と接続し、エミッタ導体１００の短辺部には、共通のエミッタ端子接続部１００Ｔが形成される。
【００２２】
このような構成とすることにより、２個の半導体モジュールＳＭ１ａ、ＳＭ１ｂが電気的に並列接続されている。
【００２３】
［１−２．  半導体素子モジュールの構成］
図３は、第１実施形態に係る半導体素子モジュールＳＭ１を模式的に示す斜視図である。図３では、半導体素子モジュールＳＭ１の構造を示すために樹脂部材７０を省略している。
【００２４】
図３に示すように、半導体素子モジュールＳＭ１には、第２接続導体９５が設置される。第２接続導体９５の片側の端部は強化部材７０に接合され、反対側の端部はケース６０の解放部から外部へ延出されている。図３では、第２接続導体９５は、正方形断面を有する四角棒状として示しているが、断面は正方形さらには四角形に限定されない。また、断面形状は一定でなく、途中で変化しても良い。さらに、形状も直線の棒状に限定されず、円弧状の曲線部を有していても、また途中で折り曲がった箇所があっても構わない。
【００２５】
図４は、第１実施形態に係る半導体素子モジュールＳＭ１の、主要構成部品の分解状態を模式的に示す斜視図である。図４では、半導体素子モジュールＳＭ１の構造を示すために樹脂部材７０を省略している。
【００２６】
図４に示すように、金属部材３０と強化部材５０との間に第１接続導体９０が設置されており、片端は金属部材３０に接合され、反対側の端部はケース５０の内側に接合されている。
【００２７】
半導体素子モジュールＳＭ１は、その下面に金属部材２０の一部を露出させるため開口ＯＰを有する。強化部材５０は開口ＯＰに対応する開口部ＯＰ５０を有し、ケース６０は開口ＯＰに対応する開口部ＯＰ６０を有する。開口部ＯＰ５０および開口部ＯＰ６０は、具体的には略四角形の貫通穴である。金属部材２０は、開口ＯＰ５０を介して冷却部材１０に接続される（図１参照）。
【００２８】
図５、図６、図７は半導体素子モジュールＳＭ１の断面を示す模式図であり、各図は３つの座標軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の内、２つの軸で定義づけられる平面に対応している。例えば、図５はＸＺ座標平面に対応する断面図である。ただし、図６に示したＣ矢視方向に概ね対応しており、各図は相関関係にある(上記のとおり、厳密な断面図ではない)。
【００２９】
半導体素子モジュールＳＭ１は、強化部材５０と、ケース６０と、樹脂部材７０と、樹脂部材７５と、をさらに含む。
【００３０】
強化部材５０は、金属部材２０および３０を囲むように設けられる。強化部材５０は、例えば、金属部材である。ケース６０は、例えば、樹脂部材からなり、金属部材２０、３０、半導体素子４０および強化部材５０をその内部に収容する。
【００３１】
図５に示すように、金属部材３０は、その下面に突出部３０ａを有する。
【００３２】
半導体素子４０は、金属部材２０と突出部３０ａとの間に配置される。突出部３０ａは、金属部材３０と半導体素子４０との間に配置される。突出部３０ａは、金属部材３０と一体に設けられても良いし、金属部材３０の下面に付設された導電部材であっても良い。金属部材３０の下面には、半導体素子４０と同数の突出部３０ａが設けられる。
【００３３】
半導体素子４０の表面４０Ｔには、例えば、エミッタ電極、ソース電極、もしくはカソード電極である第１電極（図示しない）が設けられる。第１電極は、図示しない導電性接合材により突出部３０ａに接続される。突出部３０ａは、Ｚ方向に見て、例えば、第１電極にフィットする形状を有する。
【００３４】
一方、半導体素子４０の裏面４０Ｂには、例えば、コレクタ電極、ドレイン電極もしくはアノード電極である第２電極（図示しない）が設けられる。第２電極は、図示しない導電性接合材を介して金属部材２０に接続される。
【００３５】
樹脂部材７０は、強化部材５０の内部空間を充填するように設けられる。樹脂部材７０の一部は、金属部材２０と金属部材３０との間に半導体素子４０を封じる。また、樹脂部材７０の一部は、金属部材２０と強化部材５０との間、および、金属部材３０と強化部材５０との間に充填される。
【００３６】
樹脂部材７５は、強化部材５０とケース６０との間に充填される。樹脂部材７０および７５は、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂であり、真空成形を用いて形成される。
【００３７】
図６はＸＹ座標平面に対応する半導体モジュールＳＭ１の別の断面を示す模式図である。同時に、図７に示したＢ−Ｂ断面に概ね対応している。図６は、金属部材２０の上に配置された半導体素子４０を示す断面図である。半導体素子４０は、例えば、トランジスタ素子であり、ゲート電極４５を有する。
【００３８】
図６に示すように、金属部材２０の上に２つの半導体素子４０が配置される。半導体素子４０は、その表面４０Ｔに設けられたエミッタ電極４３（もしくはソース電極）と、ゲート電極４５と、を有する。ゲート電極４５には、ゲート端子８０が接続される。ゲート端子８０は、樹脂部材７０から半導体素子モジュールＳＭ１の外側へ延出される。ゲート端子８０は、例えば、銅またはアルミニウムを主成分として含む金属材料からなり、図示しない制御回路に接続される。
【００３９】
金属部材２０、３０および半導体素子４０は、例えば、一面が開放された箱状の強化部材５０の内部に収納される。また、強化部材５０を覆うケース６０も一面が開放された箱状の形状を有する。ゲート端子８０は、強化部材５０およびケース６０の開放部から外部へ延出される。
【００４０】
図７はＹＺ座標平面に対応する半導体モジュールＳＭ１の別の断面を示す模式図である。同時に、図６に示したＡ−Ａ断面に概ね対応している。図７は、金属部材３０と、強化部材５０に関わる構成を示す断面図である。金属部材３０と強化部材５０との間に第１接続導体９０が設置されている。第１接続導体９０は、例えば、ニッケルとクロムの合金(ニクロム材)または、ニッケルと鉄の合金（４２アロイ）などを主成分として含む金属部からなり、片端は金属部材３０に接合され、反対側の端部はケース５０に接合されている。
【００４１】
また、ケース５０の端部には第２接続導体９５が設置されている。第２接続導体９５は同様に、例えばニッケルとクロムの合金(ニクロム材)または、ニッケルと鉄の合金（４２アロイ）などを主成分として含む金属部からなり、片端はケース５０に接合され、反対側の端部はケース６０の解放部から外部へ延出されている。
【００４２】
図８は、第１実施形態に係る半導体装置を示す三面図である。本実施形態の半導体装置におけるコレクタ側電流経路を簡易的にＩＣで示す。コレクタ側電流ＩＣは、コレクタ端子接続部１０Ｔ→冷却部材１０→金属部材２０→半導体素子４０、という経路を経る。
【００４３】
半導体モジュールＳＭ１は、半導体モジュールＳＭ１ａを経由する場合と、半導体モジュールＳＭ１ｂを経由する場合があり、冷却部材１０の中で、電流が分配される。なお、実際は、各構成部品内で三次元的な拡がりを持った電流が発生するが、特にその点に関して簡易的に表現したものである。
【００４４】
また、図９は、図８内に示した断面図を単独で示した図である。本実施形態の半導体装置におけるエミッタ側電流経路を簡易的にＩＥで示す。エミッタ側電流ＩＥは、半導体素子４０→金属部材３０→第１接続導体９０→強化部材５０→第２接続導体９５→エミッタ導体１００→エミッタ端子接続部１００Ｔ、という経路を経る。
【００４５】
コレクタ側と同様に、半導体モジュールＳＭ１は、半導体モジュールＳＭ１ａを経由する場合と、半導体モジュールＳＭ１ｂを経由する場合がある。エミッタ側においては、エミッタ導体１００の中で、半導体モジュールＳＭ１ａを経由する電流と、半導体モジュールＳＭ１ｂを経由する電流が合流し、並列回路が構成される。また、コレクタ側と同様に、実際は、各構成部品内で三次元的な拡がりを持った電流が発生するが、特にその点に関して簡易的に表現したものである。
【００４６】
［１−３．作用効果］
以上のような本実施形態の半導体装置では、金属部材２０及び金属部材３０を囲む強化部材５０を設ける。強化部材５０は、半導体素子４０ａの故障時に、金属部材２０と金属部材３０とが、上下に離間する方向に変位もしくは変形しようとした場合、その変位及び変形を抑制する。
【００４７】
図１７は、比較例に係る半導体素子モジュールＳＭ２を示す模式断面図である。半導体素子モジュールＳＭ２は、ケース６０に収容された金属部材２０、３０、半導体素子４０ａおよび４０ｂを含む。半導体素子４０ａおよび４０ｂは、金属部材２０と金属部材３０との間に配置される。ケース６０の内部には、樹脂部材７０が充填され、半導体素子４０ａおよび４０ｂは、金属部材２０と金属部材３０との間に封じられる。また、図１７に示すように、半導体素子モジュールＳＭ２は、強化部材５０を含まない。また、強化部材５０に接合される第１接続導体９０を含まない。同じく強化部材５０に接合される第２接続導体も９５も含まない。
【００４８】
図１７において、例えば、半導体素子４０のうちの１つが短絡故障すると、金属部材２０と金属部材３０との間が導通状態となる。例えば、半導体素子４０ａが短絡故障したとすれば、他の正常な半導体素子４０ｂが電流遮断した際に、半導体素子モジュールＳＭ２に流れる電流は、半導体素子４０ａに集中する。または、半導体素子４０ａの導通抵抗が、他の正常な半導体素子４０ｂの導通抵抗（チャネル抵抗）よりも低くなるため、半導体素子モジュールＳＭ２に流れる電流は、半導体素子４０ａに集中する。いずれの場合でも、半導体素子４０ａに過電流が流れ、例えば、半導体素子４０ａと金属部材２０もしくは３０との間に設けられた接合部材、および、半導体素子４０ａの一部がジュール熱により溶融され、気化する。これにより、半導体素子４０ａを封じた樹脂部材７０の内圧が上昇する。
【００４９】
この結果、樹脂部材７０は、例えば、金属部材２０および３０を上下に分離する方向に働く圧力により破断され、例えば、き裂ＣＲが横方向に延びる。そして、き裂ＣＲがケース６０に達すると、ケース６０に圧力が加わる。ケース６０がその圧力に耐える強度を有しない場合、半導体素子モジュールＳＭ２の爆発的破損に至ることがある。
【００５０】
これに対し、実施形態に係る半導体素子モジュールＳＭ１は、金属部材２０および３０を囲む強化部材５０を有する。強化部材５０には、ケース６０および樹脂部材７０よりも高い強度の材料が用いられる。ここで、強度とは、例えば、材料破断時の引張荷重を材料の断面積（初期断面積または破断時の断面積）で割った値である。また、材料の引張強度もしくは圧縮強度であっても良い。強化部材５０には、例えば、樹脂部材よりも高強度の金属材料を用いる。
【００５１】
さらに、強化部材５０は、樹脂部材７０よりも靱性が高いことが望ましい。「靱性が高い」とは、材料の強さ（引張強度）と延性が共に大きいことを意味し、靱性が高い材料の例として、金属材料を挙げることができる。強化部材５０は、例えば、鉄、ステンレス鋼、またはアルミニウムを主成分として含む。
【００５２】
例えば、強化部材５０に金属部材を用いた場合、その靱性はケース６０よりも高く、高い延性を有する。このため、内圧を受けた強化部材５０は、き裂ＣＲを起点として上下に延びるように変形する。すなわち、強化部材５０は、その延性によって破断することなく柔軟に変形する。このため、き裂ＣＲが、ケース６０に達することを防ぎ、強化部材５０の外側を覆う樹脂部材７５およびケース６０に加わる力が低減される。
【００５３】
さらに、強化部材５０を箱形状とすることにより、金属部材２０と金属部材３０とが、上下に離間する方向に変位もしくは変形しようとした場合、その変位および変形を抑制することができる。
【００５４】
このように、強化部材５０には、故障時の樹脂部材７０の内圧に耐える材料を用いるため、半導体素子４０の短絡故障に起因する爆発的な破損を回避することが可能となる。
【００５５】
なお、強化部材５０は、その一部がケース６０の内面に接するように配置されても良い。すなわち、強化部材５０とケース６０との間に設けられる樹脂部材７５を省略しても良い。強化部材５０は、例えば、ケース６０に対して相対的に移動可能に配置される。これにより、強化部材５０の変形に起因する応力がケース６０に加わることを回避できる。すなわち、強化部材５０がケース６０の内面に接していても、強化部材５０がケース６０の内面に沿って変形可能な構造にすることにより、ケースに加わる応力を吸収させることができる。
【００５６】
さらに、樹脂部材７０および樹脂部材７５が、強化部材５０を完全に封止しており、電気的絶縁性を確保できていれば、外側の樹脂部材７５を最外周として、ケース６０を省略することもできる。
【００５７】
このような防爆構造は、例えば、半導体装置１の全体を覆う防爆構造に比べて簡素化され、低コストで実現可能である。また、半導体装置１の小型化にも寄与する。
【００５８】
次に、本実施形態の半導体装置内における電流通電時の作用について説明する。前述の通り、エミッタ側電流ＩＥは、半導体素子４０→金属部材３０→第１接続導体９０→強化部材５０→第２接続導体９５→エミッタ導体１００→エミッタ端子接続部１００Ｔ、という経路を経る。
【００５９】
エミッタ側電流ＩＥの経路構成部材の内、第１接続導体９０と第２接続導体９５は、ニクロム材または４２アロイなどを用いて形成されている。これらの材料は、銅やアルミニウムなどの良電気伝導性材料と比較すると、体積抵抗率が格段に大きい。逆に言えば、導電率が格段に小さい。
【００６０】
一般に、導体の電流が流れる方向に垂直な断面の断面積Ｓ［ｍ２］と、長さ（電流経路長）Ｌ［ｍ］を有する導体の直流抵抗Ｒｄｃ［Ω］は、概略次の式で決定される。  
Ｒｄｃ＝ρ0×Ｌ／Ｓ［Ω］（ρ0：体積抵抗率［Ω・ｍ］）
【００６１】
第１接続導体９０と第２接続導体９５は、体積抵抗率が大きいので、直流抵抗も大きい値となる。図９において、第１接続導体９０と第２接続導体９５は電気回路的に直列接続されている。短絡時の半導体素子４０は、単純に抵抗体４０Ｓと見なすことができる。短絡時の電気回路は、第１接続導体９０、第２接続導体９５、および見なし抵抗体４０Ｓによる直列回路と考えられる。
【００６２】
直列回路の合成抵抗は、第１接続導体９０、第２接続導体９５、および見なし抵抗体４０Ｓの各々の抵抗の合算値となる。その結果、第１接続導体９０、第２接続導体９５、各々の抵抗値が、見なし抵抗体４０Ｓの抵抗値に対して相対的に大きくなると、合成抵抗も大きくなる。
【００６３】
半導体素子４０が短絡した際の発生電流は、回路抵抗値に逆比例するため、回路の合成抵抗が増大すると、短絡電流が減少する。
【００６４】
一般に、直流抵抗Ｒｄｃ［Ω］を有する導体に電流Ｉ（Ａ）が流れた場合、通電時間ｔ（ｓ）における発生エネルギー（ジュール熱）は、概略次の式で決定される。  
Ｑ＝Ｒｄｃ×Ｉ２×ｔ［Ｊ］
【００６５】
そのため、短絡電流Ｉが減少すると、発生エネルギーＱも小さくなる。本実施形態における第１接続導体９０と第２接続導体９５は、回路の電流制限抵抗として作用し、短絡時の電流制限により発生エネルギー軽減効果が期待できる。
【００６６】
第１接続導体９０および第２接続導体９５による、半導体素子４０の発生ジュール熱抑制効果は、前述の強化部材５０による、半導体素子４０の破損回避効果と、同時に作用する。すなわち相乗効果が期待できる。どちらか一方のみが存在する場合と比較して、より大きな短絡エネルギーが発生した場合も、破損回避が可能になる。
【００６７】
本実施形態の第１接続導体９０および第２接続導体９５について、形状寸法を仮想的に設定して、直流電気抵抗Ｒｄｃを試算する。同時に両導体が有する熱容量Ｃｐ（Ｊ／Ｋ）も試算する。試算した条件と結果は以下の通りである。
【００６８】
［共通項目］
・使用材料：ニッケルクロム合金、第１種
・体積抵抗率：ρ０＝１０８（μΩ・ｃｍ）
・比熱容量  ：Ｃｐ＝０．５０３（Ｊ／ｇＫ）
・密度      ：γ  ＝８．１４（ｇ／ｃｍ３）
【００６９】
［第１接続導体９０］
・断面形状  ：直径０．８（ｃｍ）の円形
・長さ      ：０．６（ｃｍ）
・直流抵抗  ：Ｒｄｃ＝０．１３（ｍΩ）
・質量      ：ｗ    ＝２．４５（ｇ）
・熱容量    ：Ｃ    ＝１．２３（Ｊ／Ｋ）
【００７０】
［第２接続導体９５］
・断面形状  ：一辺０．４（ｃｍ）の正方形
・長さ      ：２（ｃｍ）
・直流抵抗  ：Ｒｄｃ＝１．３５（ｍΩ）
・質量      ：ｗ    ＝２．６（ｇ）
・熱容量    ：Ｃ    ＝１．３１（Ｊ／Ｋ）
【００７１】
第１接続導体９０と第２接続導体９５は、電気回路的には直列接続された抵抗と見ることができ、直流抵抗および熱容量は合算値として扱うことができる。合算値は以下になる。
［第１接続導体９０と第２接続導体９５の合算値］
・直流抵抗  ：Ｒｄｃ＝１．４８（ｍΩ）
・熱容量    ：Ｃ    ＝２．５４（Ｊ／Ｋ）
【００７２】
直流抵抗について、第１接続導体９０と第２接続導体９５の合算値は約１．５ｍΩである。短絡時の半導体素子４０を、単純にみなし抵抗体４０Ｓと見なすことができる。短絡時、見なし抵抗体４０Ｓと、第１接続導体９０および第２接続導体９５が、直列回路を形成する。見なし抵抗体４０Ｓの直流抵抗を１ｍΩオーダと仮定すると、第１接続導体９０と第２接続導体９５の合算抵抗は、見なし抵抗体４０Ｓの直流抵抗と同程度のオーダが望ましい。
【００７３】
第１接続導体９０と第２接続導体９５の合算抵抗が、見なし抵抗体４０Ｓに対して格段に小さいと、合成抵抗もさほど大きくならず、電流制限効果によるジュール熱抑制効果が十分に期待できなくなる。
【００７４】
逆に、第１接続導体９０と第２接続導体９５の合算抵抗が、見なし抵抗体４０Ｓに対して格段に大きいと、電流制限効果によるジュール熱抑制効果は大きくなるものの、このジュール熱は通常運転時でも発生することが問題となる。この場合、通常運転時においても、エミッタ電流ＩＥは、第１接続導体９０と第２接続導体９５の合算抵抗により、大きなジュール熱を発生させる。このことは、装置の効率低下につながり、場合によっては熱放散の機構を付加する必要も生じる。
【００７５】
本実施形態の第１接続導体９０と第２接続導体９５の合算抵抗は、約１．５ｍΩと試算され、見なし抵抗体４０Ｓの想定直流抵抗１ｍΩと同じオーダとなっている。なお、導体使用材料、断面形状、長さを変化させれば、直流抵抗を自在に設定できるのは述べるまでもない。ただし、使用材料として銅やアルミニウムなどの良導体材料を使用すると、目標抵抗値を達成するには、導体の断面積を格段に小さくする、導体の長さを格段に大きくするなどの施策が必要となる。その場合、寄生インダクタンスの増加や強度の不足などの別の問題が浮上するので、好ましくない。
【００７６】
前述において、直流抵抗とともに熱容量の試算結果を示した。短絡時の大電流により発生するジュール熱は、第１接続導体９０と第２接続導体９５、各々の温度上昇を招く。
【００７７】
第１接続導体９０と第２接続導体９５、各々の熱容量が極端に小さいと、発生ジュール熱に伴う温度上昇により、導体の温度特性に起因する諸特性へ影響を及ぼしたり、極端な場合焼損につながるおそれもある。
【００７８】
前述の通り、第１接続導体９０の熱容量は、１．２３（Ｊ／Ｋ）、第２接続導体９５の熱容量は１．３１（Ｊ／Ｋ）と試算された。直流抵抗と同様に、導体使用材料、断面形状、長さを変化させれば、熱容量を自在に設定できるのは述べるまでもない。
【００７９】
第１接続導体９０と第２接続導体９５について、直流抵抗は導体断面積に逆比例し、熱容量は導体断面積に比例するので、両者はトレードオフ関係にあると言える。しかし、材料と形状を適切に設定することで、直流抵抗と熱容量を目標とする値に設定することは十分可能である。
【００８０】
本実施形態により、強化部材５０による半導体素子４０の破損回避効果と、第１接続導体９０および第２接続導体９５の電流制限によるジュール熱低減効果の相乗効果により、半導体モジュールＳＭ１の短絡時に大きなエネルギーが発生した場合も、破損回避が可能になる。
【００８１】
［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
以下では、図１０を参照しつつ本実施形態に係る半導体装置について説明する。図１０は、第２実施形態に係る半導体装置の構成部材である強化部材５０Ａを示す斜視図である。図示しない強化部材５０Ａ以外の部分は第１実施形態と同等にため、説明を省略する。
【００８２】
本実施形態において、強化部材５０Ａの開口部付近に突起部５０Ｔが形成されている。強化部材５０Ａの突起部５０Ｔは、第１実施形態における第２接続導体９５と同等の形状を有する。第１実施形態においては、強化部材５０と第２接続導体９５は別個の部品として構成していたが、本実施形態では第２接続導体９５は強化部材５０と一体に形成されている。
【００８３】
［２−２．作用効果］
このように構成することで、半導体モジュールＳＭ１の構成部品点数を削減できる。さらに、半導体モジュールＳＭ１の組立段階で、強化部材５０と第２接続導体９５とを接合する工程が不要になるので、半導体モジュールＳＭ１をより簡素に構成できる。
【００８４】
本実施形態において、強化部材５０Ａに突起部５０Ｔを一体で形成することで、強化部材５０Ａと突起部５０Ｔは同一の材料で構成されることになる。強化部材５０Ａをステンレス鋼を使用して構成した場合、突起部５０Ｔもステンレス鋼で形成される。
【００８５】
ステンレス鋼の体積抵抗率は、７１（μΩ・ｃｍ）である。（ＳＵＳ３０４合金）前述のニッケルクロム合金第１種と比較すると小さいものの、銅やアルミニウムに対しては格段に大きい。そのため、本実施形態において、例えばステンレス鋼で強化部材５０Ａを構成した場合でも、突起部５０Ｔの直流抵抗値の電流制限効果による短絡エネルギー軽減が期待できる。
【００８６】
［３．第３実施形態］
［３−１．構成］
以下では、図１１を参照しつつ本実施形態に係る半導体装置について説明する。図１１は、第３実施形態に係る半導体素子モジュールの構成部材である第２金属部材３０Ａを示す斜視図である。図示しない第２金属部材３０Ａ以外の部分は第１実施形態と同等のため、説明を省略する。
【００８７】
本実施形態において、第２金属部材３０Ａの端面中央部付近に突起部３０Ｔが形成されている。第２金属部材３０Ａの突起部３０Ｔは、第１実施形態における第１接続導体９０と同等の形状を有する。第１実施形態において、第２金属部材３０と第１接続導体９０は、別個の部品として構成し、組立段階で接合していた。本実施形態における第２金属部材３０Ａは、第１実施形態の第２金属部材３０と第１接続導体９０を一体化して１個の部品として形成したものということができる。
【００８８】
［３−２．作用効果］
このように構成することで、半導体モジュールＳＭ１の構成部品点数を削減できる。さらに、半導体モジュールＳＭ１の組立段階で、第２金属部材３０と第１接続導体９０とを接合する工程が不要になるので、半導体モジュールＳＭ１をより簡素に構成できる。
【００８９】
本実施形態において、第２金属部材３０Ａに突起部３０Ｔを一体で形成することで、第２金属部材３０Ａと突起部３０Ｔは同一の材料で構成することになる。突起部３０Ｔをニッケルクロム合金を使用して構成する場合、第２金属部材３０Ａ全体をニッケルクロム合金で形成することになる。
【００９０】
半導体素子４０からの発生熱量の大部分は、第１金属部材２０を経由して冷却部材１０に伝熱される。半導体素子４０から第２金属部材３０Ａを経由して外部に放熱される熱量はわずかであるので、第２金属部材３０Ａを熱伝導率の大きい銅やアルミニウムを使用せずに構成しても、放熱特性に係わる影響はわずかである。
【００９１】
本実施形態において、例えばニッケルクロム合金のかわりにステンレス鋼で第２金属部材３０Ａを構成することも可能である。第２実施形態についての説明と同様に、第２金属部材３０Ａを、ニッケルクロム合金やステンレス鋼などで構成することにより、突起部３０Ｔの直流抵抗値の電流制限効果による短絡エネルギー軽減が期待できる。
【００９２】
図１２は、第３実施形態の半導体モジュールの組立手順の一部を示した図である。まず、第１金属部材２０と第２金属部材３０Ａにはさまれて構成される部品群を、一括で接合してサブアセンブリＳＡ１を組立てる。この際の接合方法は例えばハンダ接合である。
【００９３】
サブアセンブリＳＡ１を、貫通穴５０Ｈを有する強化部材５０Ｂに挿入する。この際、サブアセンブリＳＡ１の第２金属部材３０Ａに形成された突起部３０Ｔの先端を、強化部材５０Ｂの貫通穴５０Ｈに挿入し、挿入部を接合する。この際の接合方法は、例えば溶接であり、溶接の場合、溶接電極を強化部材５０Ｂの外側から当接して施工する。
【００９４】
サブアセンブリＳＡ１の第２金属部材３０Ａと強化部材５０Ｂとを同じ材料、例えばステンレス鋼で構成した場合、同種の材料同士の接合となり、異種材料間を接合する場合と比較して、より確実に接合できる。最後にケース６０を装着し、さらに図示を省略した樹脂部材を施工して、サブモジュールの組立が完了する。
【００９５】
［４．第４実施形態］
以下では、図１３を参照しつつ本実施形態に係る半導体装置について説明する。図１３は、第４実施形態に係る半導体素子モジュールの、構成部材である第２金属部材３０Ｂを示す三面図である。図示しない第２金属部材３０Ｂ以外の部分は第３実施形態と同等のため、説明を省略する。
【００９６】
本実施形態では、第３実施形態において第２金属部材３０Ａに突起部３０Ｔを一体で形成したことと同様に、第２金属部材３０Ｂに突起部３０Ｕを一体で形成している。本実施形態の突起部３０Ｕは、厚さに対して幅の大きい帯状で、長さ方向は単純な直線状ではなく、略Ｕ字状の湾曲部を有する形状としている。
【００９７】
本実施形態では、第３実施形態と同様に、突起部３０Ｕの直流抵抗値による電流制限効果による短絡エネルギー軽減が期待できる。本実施形態では、突起部３０Ｕの形状を、長さ方向に略Ｕ字状の湾曲部を設けたことで、実効的な経路長を大きくでき、その結果、突起部の直流抵抗値がより大きくなり、電流制限と短絡エネルギー軽減効果をさらに増大することができる。
【００９８】
突起部３０Ｕに、長さ方向に略Ｕ字状の湾曲部を設けた形状としたことで、短絡時に第２電極部材３０Ｂに大きな応力が発生し、応力は突起部３０Ｕにも伝わる。特に突起先端は、強化部材５０に接合され、接合部にも大きな応力が生じる。
【００９９】
本実施形態においては、突起部３０Ｕの略Ｕ字状湾曲部に、応力緩和効果が期待できる。その結果、突起部３０Ｕ先端の強化部材５０との接合部の発生応力も軽減でき、接合部の信頼性がより向上する。
【０１００】
図１４は、第４実施形態の半導体モジュールの組立手順の一部を示した図である。まず、第１金属部材２０と第２金属部材３０Ｂにはさまれて構成される部品群を、一括で接合してサブアセンブリＳＡ２を組立する。この際の接合方法は例えばハンダ接合である。
【０１０１】
サブアセンブリＳＡ２を、角型の貫通穴５０Ｋを有する強化部材５０Ｃに挿入する。この際、サブアセンブリＳＡ２の第２金属部材３０Ｂに形成された突起部３０Ｕの先端を、強化部材５０Ｃの貫通穴５０Ｋに挿入し、挿入部を接合する。この際の接合方法は、例えば溶接などであり、溶接の場合、溶接電極を強化部材５０Ｃの外側から当接して施工する。
【０１０２】
サブアセンブリＳＡ２の金属部材３０Ｂと強化部材５０Ｃとを同じ材料、例えばステンレス鋼で構成した場合、同種の材料同士の接合となり、異種材料間を接合する場合と比較して、より確実に接合できる。最後にケース６０を装着し、さらに図示を省略した樹脂部材を施工して、サブモジュールの組立が完了する。
【０１０３】
［５．第５実施形態］
以下では、図１５を参照しつつ本実施形態に係る半導体装置について説明する。図１５は、第１実施形態に示した半導体モジュールＳＭ１の構成部材である第１接続導体部を示した図である。本実施形態において、第１接続導体９０Ｐは、円形断面を有する直線状の導体で、母材９０Ｂに表面処理などによりメッキ層９０Ｓを施した構成である。図示していないが、導体の両端面にもメッキ層９０Ｓを設けても良い。
【０１０４】
図１５において、母材９０Ｂは、ニッケルクロム合金などの体積抵抗率の大きい材料で構成される。一方メッキ層９０Ｓは銅などの体積抵抗率の小さい材料で構成される。
【０１０５】
このように構成した第１接続導体９０Ｐに電流が流れた場合の電気抵抗値は、電流の周波数により異なった傾向を示す。直流もしくは低周波数の場合、母材９０Ｂとメッキ層９０Ｓ双方に電流が流れる。メッキ層９０Ｓは母材９０Ｂに対して断面積が格段に小さいため、母材９０Ｂの抵抗が支配的となる。交流電流の場合、表皮効果により電流が導体表面に集中する傾向があるものの、低周波数の場合は、その影響が小さい。
【０１０６】
周波数が大きくなるに従い、表皮効果の影響が増大する。メッキ層９０Ｓは断面積が小さく導体の厚さも小さいため、表皮効果の影響は小さい。一方、母材９０Ｂは断面積が大きいため、表皮効果の影響が顕著になり、周波数の増大に対応して母材９０Ｂの抵抗が増大していく。
【０１０７】
第１実施形態の第１接続導体９０は、本来、体積抵抗率の大きい材料を使用しており、直流抵抗が大きく、周波数増大に従い、抵抗値が増大していく。本実施形態における第１接続導体９０Ｐは、直流抵抗が大きい点は第１実施形態と同様である。周波数増大に対応して母材９０Ｂの抵抗は増大するものの、周波数が増大しても顕著に抵抗が増大しないメッキ層９０Ｓが存在するため、周波数が大きい領域における、第１接続導体９０Ｐの抵抗値増大は、第１実施形態の場合より小さい。
【０１０８】
図１６は本実施形態の第１接続導体の、抵抗値の解析結果である。直径が０．８ｃｍで導体長さが５ｃｍの導体について、周波数と抵抗値の関係を示す。母材９０Ｂをニッケルクロム合金、メッキ層９０Ｓを厚さ０．０５ｍｍの銅とした場合（△）を基本に、比較として母材９０Ｂをニッケルクロム合金とし、メッキ層が無い場合（■）、および母材９０Ｂを銅とし、メッキ層が無い場合（●）も解析した。
【０１０９】
直流から周波数１０ｋＨｚあたりまで、本実施形態の構成は、母材９０Ｂをメッキなしニッケルクロム合金母材とした場合の抵抗値とほぼ同じである。本実施形態の構成は、１０ｋＨｚを超えると、メッキなしニッケルクロム合金母材と比較して、抵抗値の上昇度合いが小さくなり、さらに１００ＭＨｚを超えると、メッキ無銅母材の導体と近い値になる。
【０１１０】
本実施形態における構成の第１接続導体９０Ｂを半導体モジュールＳＭ１に適用した場合、第１接続導体９０Ｂの抵抗値により、短絡時の電流制限と短絡エネルギー軽減が期待できる。短絡時電流の周波数は１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚと想定しているためである。
【０１１１】
前述の通り、第１接続導体には通常運転時も電流が発生している。通常運転時の電流は矩形状の波形となり、半導体素子４０のスイッチングに伴うターンオンとターンオフの際、電流変化率の大きい電流が発生し、その際の電流の周波数は１ＭＨｚ以上に相当する。
【０１１２】
図１６に示すように、本実施形態の構成は、１ＭＨｚ付近の領域で、メッキなしニッケルクロム合金母材の導体よりも抵抗値を小さくすることができる。このことにより、通常運転時のターンオンとターンオフの際の、導体に生じるジュール熱を、相対的に抑制することが可能になる。
【０１１３】
本実施形態では、第１実施形態の第１接続導体９０を対象に説明したが、第２接続導体９５、さらには強化部材５０についても、同等の構成を適用することができ、そのようにした場合、半導体モジュールＳＭにおける、通常運転時の導体に生じるジュール熱抑制効果がより大きくなる。
【０１１４】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１１５】
１…半導体装置
１０…冷却部材
１０Ｔ…コレクタ端子接続部
１３…空隙
１５…冷却フィン
２０、３０、３０Ａ、３０Ｂ…金属部材
３０ａ…突出部
３０Ｔ、３０Ｕ…突起部
４０、４０ａ、４０ｂ…半導体素子
４０Ｂ…裏面
４０Ｔ…表面
４０Ｓ…見なし抵抗体
４３…エミッタ電極
４５…ゲート電極
５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ…強化部材
５０Ｈ、５０Ｋ…貫通穴
５０Ｔ…突起部
６０…ケース
７０、７５…樹脂部材
８０…ゲート端子
９０、９０Ｂ…第１接続導体
９０Ｂ…母材部
９０Ｓ…メッキ層
９５…第２接続導体
１００…エミッタ導体
１００Ｔ…エミッタ端子接続部
ＣＲ…き裂
ＯＰ、ＯＰ５０、ＯＰ６０…開口
ＳＭ１、ＳＭ２…半導体モジュール
ＩＣ…コレクタ電流
ＩＥ…エミッタ電流
【図１】
2020038893.tif 000003
【図２】
2020038893.tif 000004
【図３】
2020038893.tif 000005
【図４】
2020038893.tif 000006
【図５】
2020038893.tif 000007
【図６】
2020038893.tif 000008
【図７】
2020038893.tif 000009
【図８】
2020038893.tif 000010
【図９】
2020038893.tif 000011
【図１０】
2020038893.tif 000012
【図１１】
2020038893.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2020038893.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2020038893.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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