(57)【要約】【課題】部分放電の発生を抑制できる半導体モジュールおよび半導体装置を提供する。【解決手段】半導体モジュール１０は、内部に半導体素子２４、及び半導体素子２１が配置された積層基板２０を備える。また、半導体モジュール１０は、例えば導電性の放熱フィンや水冷ジャケット等の冷却器４２と締結するための締結部１２を筐体に備える。このような半導体モジュール１０において、積層基板２０の裏面側に形成された放熱板２３の側面と、筐体の締結部１２とが導電性の接続部材３１により電気的に接続されている。【選択図】図１Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁板と、絶縁板のおもて面に形成された導電板と、絶縁板の裏面に形成された放熱板とを有する積層基板と、
前記導電板に配置された半導体素子と、
少なくとも前記半導体素子と前記積層基板のおもて面とを内包し、締結部を備える筐体と、
前記放熱板の側面と前記締結部とを電気的に接続している接続部材と、
を備える半導体モジュール。
【請求項２】
前記接続部材は、前記放熱板の側面と前記締結部とに電気的かつ機械的に接続している、
請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記接続部材は、弾性体である
請求項１または２のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記放熱板の裏面は前記筐体の底面から露出している、
請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記放熱板の裏面は前記筐体の底面から延出し、前記放熱板の側面の少なくとも一部は前記筐体から露出している、
請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記筐体の底面には、前記放熱板と前記締結部との間に、前記接続部材を配置する溝が形成され、前記放熱板の側面の一部は前記溝で前記筐体から露出している、
請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記接続部材は、前記筐体から露出した前記放熱板の側面と前記締結部とに電気的かつ機械的に接続している、
請求項５または６のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
前記放熱板の側面に、前記接続部材が配置される切欠きが形成されている、
請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項９】
前記締結部には、上面から底面に渡って貫通孔が形成されており、
前記接続部材は、前記放熱板の側面と前記締結部の貫通孔の内面と電気的に接続する、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項１０】
前記貫通孔の内周に、導電性のリングを備え、
前記接続部材は、前記放熱板の側面と前記締結部の前記リングとを電気的かつ機械的に接続している、
請求項９に記載の半導体モジュール。
【請求項１１】
分離された複数の前記放熱板を備え、前記放熱板の側面で前記放熱板同士を電気的に接続している接続部材をさらに備える、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項１２】
前記筐体は、一端が前記締結部において前記接続部材と接続され、他端が前記締結部において前記筐体から延出された接点端子を備える、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項１３】
絶縁板と、絶縁板のおもて面に形成された導電板と、絶縁板の裏面に形成された放熱板とを有する積層基板と、
前記導電板に配置された半導体素子と、
少なくとも前記半導体素子と前記積層基板のおもて面とを内包し、締結部を備える筐体と、
前記放熱板の側面と前記締結部とを電気的に接続する接続部材と、
を備える半導体モジュールと、
前記半導体モジュールの底面に配置された絶縁性の熱伝導部材と、
前記半導体モジュールの底面側に絶縁性の熱伝導部材を介して配置された冷却器と、
前記半導体モジュールと前記冷却器とを固定する導電性の締結部材と
を備え、
前記放熱板が、前記接続部材および前記締結部材を介して、前記冷却器に電気的に接続されることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
前記接続部材は、前記放熱板の側面と前記締結部とに電気的かつ機械的に接続している、
請求項１３に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記締結部材は、ねじである
請求項１３または１４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記締結部材は、クランプである
請求項１３または１４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールおよびそれを用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体モジュールは、半導体素子と、半導体素子を搭載した積層基板とを備える。積層基板は、絶縁板と、絶縁板のおもて面に形成され、半導体素子が配置された導電板と、絶縁板の裏面に形成される放熱板とを有する。このような半導体モジュールは、例えば、冷却器と共に半導体装置として利用されている。半導体装置は、導電性の放熱フィンや水冷ジャケット等の冷却器が絶縁性の熱伝導ペーストや熱伝導シートを介して半導体モジュールの放熱板に取付けられた構成をしている。そうすることで、動作時に半導体モジュール内部の半導体素子などから生じる発熱を冷却器に伝熱し、半導体モジュールの過熱が防がれている。例えば、特許文献１。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−４０５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような半導体装置は、動作時に積層基板、特に放熱板と冷却器との間で、部分放電が発生することがあった。これは、放熱板と冷却器との間が絶縁されていることにより、放熱板と冷却器との間に生じてしまう電位差に起因する。放熱板と冷却器との間に電位差が生じる、特に高電圧で動作させた時には大きな電位差が生じ、絶縁性の熱伝導ペーストや熱伝導シートにおいて部分放電が発生することがある。部分放電が発生すると、電磁ノイズにより、半導体装置が誤作動する恐れがあり、信頼性の低下につながる。
【０００５】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、部分放電の発生を抑制できる半導体モジュールおよび半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様においては、半導体モジュールを提供する。半導体モジュールは、絶縁板と、絶縁板のおもて面に形成された導電板と、絶縁板の裏面に形成された放熱板とを有する積層基板と、導電板に配置された半導体素子と、少なくとも半導体素子と積層基板のおもて面とを内包し、締結部を備える筐体と、放熱板の側面と締結部とを電気的に接続する接続部材と、を備えてよい。
【０００７】
接続部材は、放熱板の側面と締結部とに接していてよい。また、接続部材は、弾性体であってよい。
【０００８】
放熱板の裏面は筐体の底面から露出していてよい。また、放熱板の裏面は筐体の底面から延出し、放熱板の側面の少なくとも一部は筐体から露出していてよい。
【０００９】
筐体の底面には、放熱板と締結部との間に、接続部材を配置する溝が形成され、放熱板の側面の一部は溝で筐体から露出していてよい。
【００１０】
接続部材は、筐体から露出した放熱板の側面と締結部とに接していてよい。また、放熱板の側面に、接続部材が配置される切欠きが形成されていてよい。
【００１１】
締結部には、上面から底面に渡って貫通孔が形成されており、接続部材は、放熱板の側面と締結部の貫通孔の内面と電気的に接続してよい。さらに、貫通孔の内周に、導電性のリングを備え、接続部材は、放熱板の側面と締結部のリングとを電気的に接続してよい。
【００１２】
分離された複数の放熱板を備え、放熱板の側面で放熱板同士を電気的に接続している接続部材をさらに備えてよい。
【００１３】
筐体は、一端が締結部において接続部材と接続され、他端が締結部において筐体から延出された接点端子を備えてよい。
【００１４】
本発明の第２の態様においては、半導体装置を提供する。半導体装置は、絶縁板と、絶縁板のおもて面に形成された導電板と、絶縁板の裏面に形成された放熱板とを有する積層基板と、導電板に配置された半導体素子と、少なくとも半導体素子と積層基板のおもて面とを内包し、締結部を備える筐体と、放熱板の側面と締結部とを電気的に接続する接続部材と、を備える半導体モジュールと、半導体モジュールの底面に配置された絶縁性の熱伝導部材と、半導体モジュールの底面側に絶縁性の熱伝導部材を介して配置された冷却器と、半導体モジュールと冷却器とを固定する導電性の締結部材とを備え、放熱板が、接続部材および締結部材を介して、冷却器に電気的に接合されていてよい。
【００１５】
接続部材は、放熱板の側面と締結部とに電気的かつ機械的に接続していてよい。締結部材は、ねじでよい。また、締結部材は、クランプでよい。
【００１６】
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。
【発明の効果】
【００１７】
開示の技術によれば、部分放電の発生を抑制して、信頼性の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】本発明の第１の実施の形態の半導体モジュールの斜め上方向から見た斜視図である。
【図１Ｂ】本発明の第１の実施の形態の半導体モジュールの斜め下方向から見た斜視図である。
【図１Ｃ】本発明の第１の実施の形態の半導体モジュールの断面図である。
【図２Ａ】弾性を有する接続部材の形状の例を示す図である。
【図２Ｂ】弾性を有する接続部材の形状の例を示す図である。
【図２Ｃ】弾性を有する接続部材の形状の例を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の半導体装置の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の半導体モジュールの部分断面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態の半導体モジュールの斜め下方向から見た斜視図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態の半導体装置の断面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態の変形例の半導体装置の断面図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態の半導体モジュールの斜め下方向から見た斜視図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態の半導体装置の断面図である。
【図１０】本発明の第５の実施の形態の変形例の半導体装置の断面図である。
【図１１】本発明の第６の実施の形態の半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各装置や各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判定すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００２０】
以下の図面の記載では、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向を用いて、方向を示す場合がある。例えば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、後述する半導体モジュール１０の底面に平行な方向である。Ｚ軸方向は、後述する半導体モジュール１０の底面に垂直な方向である。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は、互いに直交する。
【００２１】
以下の説明において、Ｚ軸の正方向を「上」と称し、Ｚ軸の負方向を「下」と称する場合がある。「上」及び「下」は、必ずしも地面に対する鉛直方向を意味しない。つまり、「上」及び「下」の方向は、重力方向に限定されない。「上」及び「下」は、相対的な位置関係を特定する便宜的な表現に過ぎず、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、紙面を１８０度回転すれば「上」が「下」に、「下」が「上」になることは勿論である。
【００２２】
また、以下の説明において、おもて面、裏面、上面、底面という表現を用いて技術的事項を説明する場合がある。Ｚ軸の正方向にある面をおもて面や上面と称し、Ｚ軸の負方向にある面を裏面や底面と称することがある。また、以下の説明において、「側面」という用語は、おもて面と裏面を繋ぐ面を意味する。「側面」は、Ｚ軸に平行な面に限られず、傾斜面や凹凸面も含めて側面と称することがある。
【００２３】
また、以下の説明において、「平面視」とは、半導体モジュール１０の底面の法線方向（すなわち、Ｚ軸方向）から見ることを意味する。「断面視」とは、半導体モジュール１０の底面に平行方向（すなわち、Ｚ軸の垂直方向）から見ることを意味する。
【００２４】
また、以下の説明において、「電気的に接続されている」とは、対象物同士が直に接続し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、及び、その他の導電性の部材を介して対象物同士が接続されている場合も含むものとする。「電気的かつ機械的に接続されている」とは、対象物同士が直に接続し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ものとする。
【００２５】
（第１の実施の形態）
以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。本実施の形態の半導体モジュールについて、図１Ａ〜Ｃを用いて説明する。図１Ａ、図１Ｂは、半導体モジュール１０の斜視図である。図１Ａは、半導体モジュール１０を斜め上方向から見たものであり、半導体モジュール１０の上面と側面を示す。図１Ｂは、半導体モジュール１０を斜め下方向から見たものであり、半導体モジュール１０の底面と側面を示す。図１Ｃは、図１ＡのＡ−Ａ断面図である。なお、図１Ｃでは、主要部を模式的に示し、外部接続端子や内部の配線は示していない。
【００２６】
半導体モジュール１０は、概略直方体形状を有している。半導体モジュール１０の外形は、大方が筐体１１によって形成されている。図１Ａに示すように、半導体モジュール１０の上面には、筐体１１から外部接続端子１３の先端が突出していてよい。また、図１Ｂに示すように、半導体モジュール１０の底面には、筐体１１から放熱板２３が露出していてよい。
【００２７】
半導体モジュール１０は、図１ＡのＸ軸方向の両端部近傍に、締結部１２を備える。締結部１２は、半導体モジュール１０を冷却器等（図示せず）と締結するための、締結部材が配置される部分である。詳細については後述する。本例では、締結部１２は、半導体モジュール１０を構成する筐体１１の長手方向の両端部近傍に合計２箇所備えられている。      
【００２８】
しかし、締結部１２の位置及び数は、これに限らない。例えば、締結部１２は、半導体モジュール１０を上から見たときの矩形の四隅にそれぞれあり、合計４箇所であってもよい。また、例えば、締結部１２は、半導体モジュール１０を上から見たときの矩形の対辺に沿ってあり、合計２箇所であってもよい。締結部１２は、半導体モジュール１０の外縁に形成されていることが好ましい。半導体モジュール１０の外縁に形成されることで、半導体モジュール１０の底面に反りやうねりがあっても、冷却器等をしっかり固定することができる。また、締結部１２は、平面視で、後述する積層基板２０の外側に形成されることが好ましい。締結部１２が、積層基板２０の外側にあることで、積層基板２０への過剰な応力を抑えて、積層基板２０の破損を抑制できる。
【００２９】
それぞれの締結部１２には、取り付け孔１４が設けられている。取り付け孔１４は、締結部１２において、半導体モジュール１０を上下方向に貫通する孔である。取り付け孔１４は、後述する冷却器（図示せず）を半導体モジュール１０の底面に締結するために、締結部材としてねじ（図示せず）等が挿入される。本例では、取り付け孔１４は、それぞれの締結部１２に、１つずつ、合計２箇所備えられている。しかし、取り付け孔１４の位置及び数は、これに限らない。例えば、締結部１２が、半導体モジュール１０を上から見たときの矩形の対辺に沿ってあり、合計２箇所ある場合、取り付け孔１４は、それぞれの辺に２箇所ずつあり、合計４箇所であってもよい。半導体モジュール１０の外縁に形成されることで、半導体モジュール１０の底面に反りやうねりがあっても、冷却器等をしっかり固定することができる。また、取り付け孔１４は、平面視で、後述する積層基板２０の外側に形成されることが好ましい。取り付け孔１４が積層基板２０の外側にあることで、積層基板２０への過剰な応力を抑えて、積層基板２０の破損を抑制できる。
【００３０】
半導体モジュール１０は、図１Ｃに示すように、筐体１１内部に、半導体素子２４、積層基板２０と接続部材３１を備える。積層基板２０は、半導体モジュール１０の底面（Ｚ軸方向負側に位置する面）から裏面が露出している。
【００３１】
接続部材３１は、積層基板２０の放熱板２３の側面と締結部１２と電気的かつ機械的に接続されている。図１Ｃでは、接続部材３１は、一部が筐体１１に埋め込まれ、一部が筐体１１の締結部１２に形成された取り付け孔１４で露出している。接続部材３１の一端は、筐体１１の内部で放熱板２３の側面と接続されている。接続部材３１の他端は、締結部１２に形成された取り付け孔１４の内面から露出している。接続部材３１の露出部は、取り付け孔１４の内面と略面一であってもよいし、取り付け孔１４の内面から延出していてもよい。接続部材３１は、板状、棒状、あるいはワイヤ状であってよい。接続部材３１は、導電性の材料である。さらに、接続部材３１は、弾性体であることが好ましい。好ましくは、接続部材３１は、ヤング率５０Ｅ／ＧＰａ以上、２００Ｅ／ＧＰａ以下である。このような接続部材３１は、鉄、銅、ニッケル、チタン、または、少なくともこれらの一種を含む合金等により構成されていることが好ましい。また、好ましくは、接続部材３１の厚さは、放熱板２３より薄く、０．１ｍｍ以上、５ｍｍ以下である。このような接続部材３１は、放熱板２３の側面と締結部１２との間に圧縮変形した状態で嵌め込むことができる。接続部材３１は、圧縮応力がかかっているため、半導体モジュール１０の製造時や、半導体モジュール１０を冷却器に取り付ける時にずれることがない。そのため、接続箇所に間隙が生じる懸念が少なく、簡便に電気的な接続を維持することができる。
【００３２】
本例では、接続部材３１は、取り付け孔１４で露出している部分を除き、筐体１１内部に埋め込まれている。また、接続部材３１は、１つの積層基板２０に対して１つである。しかし、接続部材３１の位置及び数は、これに限らない。例えば、接続部材３１は、筐体１１から裏面（Ｚ軸方向負側に位置する面）が露出していてもよい。また、後述するように、例えば、接続部材３１は、筐体１１の裏面（Ｚ軸方向負側に位置する面）側の外部にあってもよい。
【００３３】
図２Ａ〜Ｃに、接続部材３１の形状の例を示す。図２Ａ〜Ｃは、図１ＣのＢ−Ｂの断面図である。図２Ａ、図２Ｂは板状の接続部材３１ａ、ｂであり、板状主面が、放熱板２３の裏面と平行（ＸＹ面）に配置されている。図２Ａ〜Ｃは、板状の接続部材３１ａの一端が放熱板２３の側面と電気的かつ機械的に接続され、板状の接続部材３１ａの他端が締結部１２に電気的かつ機械的に接続されている。図２Ａにおいて、板状の接続部材３１ａの他端は、締結部１２の取り付け孔１４の内周に応じて湾曲しており、取り付け孔１４の内周から露出している。図２Ｂにおいて板状の接続部材３１ａの他端は、締結部１２の取り付け孔１４の内周に応じた貫通孔を備え、貫通孔の内周が取り付け孔１４の内周から露出している。また、図２Ａ、図２Ｂの板状の接続部材３１ａ、ｂは、放熱板２３と取り付け孔１４との間に屈曲部を備える板ばねであってもよい。例えば、Ｚ軸の方向に波打った板ばねであって良い。そうすることで、放熱板２３と取り付け孔１４とを結ぶ方向（Ｘ方向）に弾性を持つ。板状の接続部材３１ａ、ｂは、一方の端部が放熱板２３の取り付け孔１４側の側面に押し付けられて配置されることで、接触不良が起きにくくなる。図２Ｃの線状の接続部材３１ｃは、放熱板２３と取り付け孔１７との間に配置されたＷ字形状の線ばねである。線状の接続部材３１ｃは、放熱板２３と取り付け孔１４とを結ぶ方向（Ｘ方向）に弾性を持ち、Ｗ字形状の２箇所が放熱板２３の取り付け孔１４側の側面に押し付けられ、別の１箇所が取り付け孔１４の内周から露出している。接続部材３１は、上記に限らず圧縮コイルばね、ねじりコイルばね等を用いることもできる。
【００３４】
筐体１１は、半導体素子２４と積層基板２０のおもて面（Ｚ軸方向正側に位置する面）を内包し、半導体モジュール１０の外形を構成する。筐体１１は、半導体素子２４と積層基板２０のおもて面の封止を兼ねたモールド構造であってもよい。このような筐体１１は、例えば、熱硬化性樹脂を用いたモールド成形により形成されている。このような樹脂として、無機フィラーを混合したエポキシ樹脂等がある。
【００３５】
また、例えば、筐体１１は、内部に収納領域を備える枠状または箱状をなす絶縁樹脂を備えるケースであってもよい。ケースは、収納領域において、半導体素子２４と積層基板２０のおもて面を内包する。また、ケースには、一端がケースの収納領域に延出し、他端が半導体モジュール１１の外部に延出する外部接続端子１３が備えられていても良い。このようなケースは、例えば、熱可塑性樹脂を用いた射出成形により形成されている。このような樹脂として、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、または、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）樹脂等がある。なお、ケースの収納領域に封止部材を充填して、収納領域内の半導体素子を封止することができる。このような封止部材は、例えば、エポキシ樹脂やシリコーンゲル等がある。
【００３６】
積層基板２０は、絶縁板２２と、絶縁板２２の裏面（Ｚ軸負側の面）に形成された放熱板２３と、絶縁板２２のおもて面（Ｚ軸正側の面）に形成された導電板２１とを有している。導電板２１、絶縁板２２と放熱板２３は、概略板形状であり、積層基板２０も板形状である。平面視で、絶縁板２２の外形は、放熱板２３の外形及び導電板２１の外形より大きい。そのため、絶縁板２２の縁部は、放熱板２３及び導電板２１より張り出している。放熱板２３のおもて面（Ｚ軸正側の面）は、絶縁板２２に接合され、放熱板２３の裏面（Ｚ軸負側の面）は、半導体モジュール１０の底面から露出している。なお、図１Ａ〜Ｃにおける積層基板２０および積層基板２０上の導電板２１の枚数及び形状は一例であり、別の枚数及び形状であってもよい。例えば、積層基板２０は、１つの半導体モジュール１０に対して、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。
【００３７】
放熱板２３は、おもて面と裏面の間に側面を有する。放熱板２３の側面は、板形状の放熱板の対抗する２つの主面の間に形成された全ての面を称する。図１Ｃでは、放熱板２３の側面は、放熱板２３のおもて面及び裏面の端辺同士を結び、放熱板２３のおもて面及び裏面（ＸＹ面）に対して垂直な面（ＹＺ面）である。しかし、放熱板２３の側面の方向は、これに限らない。放熱板２３の側面は、おもて面及び裏面（ＸＹ面）に対して傾斜した面、例えばミラー指数で（１０１）面であっても良い。放熱板２３の側面は、曲面であってもよい。また、放熱板２３の側面に窪みや突出があってもよい。この場合、側面に形成された窪みや突出における全ての面を側面と称する。
【００３８】
放熱板２３の裏面は、筐体１１の底面と略面一か、もしくは筐体１１の底面から外方（Ｚ軸の負方向）に延出している。放熱板２３の裏面が筐体１１の底面から外方に延出している場合、放熱板２３の側面の一部も露出し、半導体モジュール底面に段差を有する。放熱板２３は、平面視で、取り付け孔１４と重ならない位置で、複数の取り付け孔１４に挟まれた位置に設けられている。
【００３９】
絶縁板２２は、熱伝導性に優れた絶縁材である。絶縁板２２は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素等の高熱伝導性のセラミックスにより構成されていることが好ましい。絶縁板２２の厚さは、０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下が好ましい。放熱板２３と導電板２１とは、絶縁板２２により電気的に絶縁されている。放熱板２３は、熱伝導性に優れた導電材である。放熱板２３は、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの一種を含む合金等により構成されていることが好ましい。また、放熱板２３は、表面にニッケルや金などのめっき膜が形成されていてもよい。放熱板２３の厚さは、０．１ｍｍ以上、５ｍｍ以下が好ましい。導電板２１は、導電材である。導電板２１は、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの一種を含む合金等により構成されていることが好ましい。また、導電板２１は、表面にニッケルや金などのめっき膜が形成されていてもよい。導電板２１の厚さは、０．１ｍｍ以上、５ｍｍ以下が好ましい。
【００４０】
このような構成を有する積層基板２０として、例えば、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板、ＡＭＢ（Active Metal Brazed）基板を用いることができる。積層基板２０は、運転時に半導体素子２４で発生した熱を放熱板２３を介して、図示しない冷却器に伝導させることができる。
【００４１】
半導体素子２４は、積層基板２０の導電板２１のおもて面にはんだ２５を介して、接合されている。半導体素子２４は、その裏面が導電板２１と電気的に接続され、そのおもて面が導電ワイヤなどの配線部材（図示せず）により別の導電板２１（図示せず）や外部接続端子１３に電気的に接続される。図１Ｃでは、外部接続端子および半導体モジュール内部の導電ワイヤなどの配線部材を省略している。半導体素子２４は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のスイッチング素子を含んでいる。また、半導体素子２４は、必要に応じて、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等のダイオードを含んでいる。また、半導体素子２４は、ＩＧＢＴとＦＷＤとを組み合わせた単一素子である、ＲＣ（Reverse Conducting）−ＩＧＢＴを含んでもよい。半導体素子２４は、シリコン半導体でもよいし、シリコンカーバイド半導体であってもよい。なお、図１Ｃでは、半導体素子２４が２つ含む場合を例に挙げて説明している。この場合に限らず、半導体素子２４は、１つでもよいし、３つ以上あっても構わない。
【００４２】
本実施の形態の半導体モジュール１０の製造方法について説明する。まず、半導体素子２４、及びワイヤや外部接続端子等の配線部材（図示せず）が積層基板２０に実装される。次に、実装された積層基板２０、及び接続部材３１が成形金型内にセットされる。この時、積層基板２０は放熱板２３の底面を成形金型面に押し付けてセットされる。接続部材３１は、積層基板２０の放熱板２３の側面と、取り付け孔１４となる成形金型のピンとの間に、嵌め込まれる。次に、トランスファー成形によりモールド成形が行われる。こうすることで、接続部材３１を備えた半導体モジュール１０が製造される。なお、接続部材３１が弾性体であることが好ましい。弾性体の場合、放熱板２３の側面と取り付け孔１４との間に圧縮変形した状態で嵌め込まれることができ、モールド成形時の樹脂流動による接続箇所の間隙の懸念が少なく、簡便に電気的な接続を行うことができる。
【００４３】
本実施の形態の半導体モジュール１０の別の製造方法について説明する。まず、接続部材３１が成形金型内にセットされる。必要に応じて、外部接続端子１３が成形金型内にセットされていてもよい。このような成形金型は、枠形状に樹脂が流れ込む空間を有する。つまり、このような成形金型は、枠形状の内側に、積層基板等が配置される収納領域を形成するため、樹脂が入り込まない内ブロックを備える。この時、接続部材３１は、一方が、後に放熱板が取り付けられる成形金型の内ブロックと接触し、他方が取り付け孔１４となる成形金型のピンと接触される。次に、射出成形によりインサート成形が行われる。こうすることで、接続部材３１が埋め込まれたケースが製造される。なお、接続部材３１は、放熱板２３の側面と接続される一端、及び後述する締結部材と接続される他端がケースから露出し、その他の部分がケースに埋め込まれている。次に、半導体素子２４、及びワイヤ等の配線部材（図示せず）が実装された積層基板２０をケースの収納領域に接着剤などを用いて接合する。この時、ケースから露出した接続部材３１の一端が、放熱板２３の側面に電気的かつ機械的に接続される。さらに、筐体１１の収納領域には、封止部材が充填されてもよい。こうすることで、接続部材３１を備えた半導体モジュール１０が製造される。
【００４４】
本実施の形態の半導体モジュール１０は、導電性の放熱板２３の側面と筐体１１の締結部１２とを電気的かつ機械的に接続する接続部材３１を備える。そのため、放熱板２３は、締結部１２を介して、冷却器等の外部部材と電気的に接続することができる。従って、放熱板２３と冷却器等の外部部材との間に電位差が生じるのを防ぎ、部分放電の発生を抑制することができる。
【００４５】
（第２の実施の形態）
図３に、本実施形態の半導体装置４０の模式的な断面図を示す。半導体装置４０は、半導体モジュール１０と、半導体モジュール１０の底面（Ｚ軸方向負側のＸＹ面）に熱伝導部材４１を介して配置された導電性の冷却器４２とを備える。半導体装置４０は、導電性の締結部材であるねじ４４が筐体１１の締結部１２に形成された取り付け孔１４に挿入され、導電性の冷却器４２のねじ穴４３に締め込まれている。そうすることで、冷却器４２は半導体モジュール１０に締結されている。また、半導体モジュール１０は、放熱板２３の側面及び締結部１２に対して電気的かつ機械的に接続された接続部材３１を備える。接続部材３１の一端は、筐体１１の内部から露出し放熱板２３の側面と電気的かつ機械的に接続されている。接続部材３１の他端は、締結部１２に形成された取り付け孔１４の内周から露出し締結部材であるねじ４４と電気的かつ機械的に接続されている。ねじ４４は、冷却器４２のねじ穴４３に締め込まれていることで、冷却器４２と電気的かつ機械的に接続している。このように、放熱板２３は、接続部材３１およびねじ４４を介して、冷却器４２と電気的に接続されている。一方、半導体装置４０において、熱伝導部材４１は絶縁性であり、放熱板２３と冷却器４２との熱伝導部材４１を介する電気的な接続はない。
【００４６】
ねじ４４は、頭部座面が筐体１１の取り付け部１２のおもて面に当接し、胴部が筐体１１の取り付け孔１４に挿入され、冷却器４２のねじ穴４３に締め込まれている。このようなねじ４４は、導電性を有する。ねじ４４は、好ましくは、鉄、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの一種を含む合金等により構成されている。ねじ４４が導電性を有することで、ねじ４４を介して、放熱板２３と冷却器４２を電気的に接続することができる。
【００４７】
冷却器４２は、例えば、複数の放熱フィンを有する冷却器や、水などの冷媒が流れる流路が形成された冷却器等を適用することができる。冷却器４２は、導電性を有する。冷却器４２は、例えば、熱伝導性に優れたアルミニウム、銅、鉄、または、少なくともこれらの一種を含む合金等により構成されていることが好ましい。そして、耐食性を向上させるために、例えば、ニッケル等の材料がめっき処理等により表面に形成されていてもよい。具体的には、ニッケルの他に、ニッケル−リン合金、ニッケル−ボロン合金等がある。
【００４８】
熱伝導部材４１は、半導体モジュール１０の底面と冷却器４２の上面との間に配置される。熱伝導部材４１は、平面視で、少なくとも放熱板２３の裏面にあればよい。半導体モジュール１０の底面の全面に渡って配置されてもよい。熱伝導部材４１は、例えば、柔軟性を有するグリスや樹脂に、高熱伝導のフィラーを混合させたペースト状の熱伝導グリスであってもよい。また、熱伝導部材４１は、例えば、高熱伝導のフィラーを分散させたシート状の樹脂からなる熱伝導シートであってもよい。熱伝導部材４１は、半導体装置４０外部へ飛散した場合に備えて絶縁性の材料からなる。熱伝導グリスは、変性シリコーン等のグリスと、熱伝導性に優れた酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素などのフィラーにより構成することができる。熱伝導シートは、シリコーンやエポキシ等の樹脂と、熱伝導性に優れた酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素等のフィラーにより構成することができる。
【００４９】
次に、本実施の形態の半導体装置４０の製造方法ついて説明する。まず、半導体モジュール１０の底面、または、冷却器４２の上面に、熱伝導グリスからなる熱伝導部材４１が、スクリーン印刷などで塗工される。次に、冷却器４２が、半導体モジュール１０の底面に熱伝導部材４１を介して配置される。次に、ねじ４４が、半導体モジュール１０の取り付け孔１４に挿入され、冷却器４２のねじ穴４３に所定の締め付けトルクになるまで締め込まれる。このようにして、熱伝導部材４１を介して半導体モジュール１０と冷却器４２が締結された半導体装置４０を製造することができる。なお、熱伝導グリスを塗工するのではなく、半導体モジュール１０の底面と冷却器４２の上面との間に熱伝導シートを挟み込んだ構成であってもよい。
【００５０】
本実施の形態の半導体装置４０は、放熱板２３と締結部１２とを電気的に接続する接続部材３１を備える半導体モジュール１０と、導電性の放熱板２３の裏面に絶縁性の熱伝導部材４１を介して導電性の締結部材（ねじ４４）により固定された導電性の冷却器とを備える。そのため、放熱板２３は、接続部材３１およびねじ４４を介して、冷却器４２と電気的に接続される。従って、放熱板２３と冷却器４２との間に電位差が生じるのを防ぎ、部分放電の発生を抑制することができる。
【００５１】
（第３の実施の形態）
本実施の形態の半導体モジュール１０について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態の半導体モジュール１０の締結部１２付近の部分断面図である。本実施の形態の半導体モジュール１０は、取り付け孔１４の内面に導電性のリング１５を備える。締結部１２においてリングは、全ての締結部１２の取り付け孔１４に形成されていてよい。リング１５には、放熱フィン等の冷却器４２を半導体モジュール１０の底面側に締結するための締結部材であるねじ４４等が挿入される。リング１５は、外周面で接続部材３１と電気的かつ機械的に接続されている。つまり、接続部材３１は、一端が放熱板２３の側面と電気的かつ機械的に接続され、他端がリング１５の外周面と電気的かつ機械的に接続されている。リング１５は、内周面や開口端面で締結部材であるねじ４４と電気的かつ機械的に接続されている。
【００５２】
リング１５は、貫通孔を有する円筒形状であってよい。リング１５は、図４のように、円筒形状の開口部にフランジ部を有してもよい。フランジ部は、２つの開口部の両方に有していてもよいし、片側に有していてもよい。リング１５の外周側面は筐体１１を構成する樹脂と接し、内周側面は露出している。リング１５の長さ（Ｚ軸方向の位置）は、取り付け孔１４の長さ（Ｚ軸方向の長さ）より、長くても、短くても、同じでもよい。好ましくは、取り付け孔１４の長さは、取り付け孔１４と同じ長さ以上で、後述するフランジ部の厚さを取り付け孔１４の長さに足した長さ以下である。リング１５の位置（Ｚ軸方向の位置）は、取り付け孔１４内周における接続部材３１の露出部を覆う位置にあればよい。好ましくは、リング１５は、取り付け孔１４の一方の開口部から他方の開口部までに渡って形成されている。そうすることで、リング１５は、ねじ締め付け時の筐体１１の補強材としても機能し、半導体モジュール１０の機械的な信頼性を向上させることができる。リング１５の上端（Ｚ軸正方向の端部）は、筐体１１の上面から上方（Ｚ軸正方向）に延出していてよい。好ましくは、リング１５の延出量は１ｍｍ以下である。そうすることで、リング１５と締結部材であるねじ４４とが電気的に接続し易くなる。リング１５の下端（Ｚ軸負方向の端部）は、筐体１１の底面から下方（Ｚ軸負方向）に延出していてよい。その際、リング１５の延出量は、熱伝導部材４１の厚さより大きくてもよい。好ましくは、リング１５の延出量は０．０５ｍｍ以上、１ｍｍ以下である。そうすることで、リング１５が熱伝導部材４１よりも冷却器４２側に延出し、リング１５と冷却器４２とが電気的に接続し易くなる。
【００５３】
リング１５は、導電性の材料であってよい。リング１５としては、鉄、銅、ニッケル、チタン、または、少なくともこれらの一種を含む合金等により構成されていることが好ましい。
【００５４】
本実施の形態の半導体モジュール１０は、導電性のねじがリング１５の貫通孔に挿入されて、冷却器に固定される。その時に、導電性のねじとリング１５とが電気的に接続される。例えば、リング１５の貫通孔の内面とねじの軸部の外面との間や、リング１５の開口部とねじの頭部との間で電気的に接続される。そのため、放熱板２３と冷却器等の外部部材との電気的接続を容易に行うことができる。従って、より簡便に放熱板２３と冷却器等の外部部材との間に電位差が生じるのを防ぎ、部分放電の発生を抑制することができる。さらに、締結部１２にリング１５があることで、リング１５は、ねじ締め付け時の筐体１１の補強材としても機能し、半導体モジュール１０の機械的な信頼性を向上させることができる。
【００５５】
（第４の実施の形態）
本実施の形態の半導体モジュールについて、図５〜７を用いて説明する。本実施の形態の半導体モジュール１０は、半導体モジュール１０の底面において、放熱板２３及びリング１５が筐体１１から下方（Ｚ軸の負方向）に延出し、筐体１１の外部で接続部材３１が取り付けられている。
【００５６】
図５は、本実施形態の半導体モジュール１０を斜め下方向から見た半導体モジュール１０であり、半導体モジュール１０の底面と側面を示す。図６は、本実施形態の半導体装置４０の模式的な断面図である。本実施形態の半導体モジュール１０は、筐体１１の底面において、放熱板２３と取り付け孔１４との間に接続部材３１が取り付けられている。取り付け孔１４は、筐体１１の締結部１２に形成され、取り付け孔１４の内部にリング１５を備える。リング１５は、半導体モジュール１０の底面において、筐体１１の底面よりも外方に延出している。好ましくは、リング１５の露出量は０．１ｍｍ以上、５ｍｍ以下である。また、放熱板２３は、半導体モジュール１０の底面において、筐体１１の底面よりも外方に延出している。好ましくは、放熱板２３の露出量は０．１ｍｍ以上、５ｍｍ以下である。そして、外方に延出した放熱板２３の側面とリング１５の側面との間に接続部材３１が取り付けられている。
【００５７】
図７は、本実施形態の変形例としての半導体装置４０の模式的な断面図である。この半導体モジュール１０は、放熱板２３の取り付け孔１４側の側面と下面とのなす角部に切欠き部２３ａを備える。切欠き部２３ａは、平面視で、接続部材３１と接する部分にあればよい。そして、放熱板２３の切欠き部２３ａとリング１５との間に接続部材３１が取り付けられている。切欠き部２３ａの放熱板２３下面からの深さは、接続部材３１厚さの１．０倍以上、放熱板厚さの０．５倍以下であることが好ましい。また、切欠き部２３ａの高さ（Ｚ軸方向の上端）は、筐体１１の底面よりもわずかに上方（Ｚ軸の正方向）にあり、切欠き部の２３ａの上側の面が、樹脂に覆われていていることが好ましい。そうすることで、筐体１１に積層基板２０を強固に固定することができる。切欠き部２３ａの放熱板２３の側面からの長さは、０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下であることが好ましい。半導体モジュール１０の底面において、放熱板２３の下面は、筐体１１の底面よりも下方（Ｚ軸方向）に延出している。接続部材３１は、放熱板２３側面とリング１５の外周面と電気的かつ機械的に接続されている。
【００５８】
（第５の実施の形態）
本実施の形態の半導体モジュールについて、図８〜１０を用いて説明する。本実施の形態の半導体モジュール１０は、半導体モジュール１０の底面において、筐体１１の底面に溝１６があり、溝１６の中に接続部材３１が取り付けられている。
【００５９】
図８は、本実施形態の半導体モジュール１０を斜め下方向から見た半導体モジュール１０であり、半導体モジュール１０の底面と側面を示す。図９は、本実施形態の半導体装置４０の模式的な断面図である。本実施形態の半導体モジュール１０は、筐体１１の底面において、放熱板２３と取り付け孔１４との間に溝１６を有し、溝１６の中で接続部材３１が取り付けられている。この半導体モジュール１０は、半導体モジュール１０の底面において、放熱板２３の下面およびリング１５の底部が筐体１１の底面と略面一である。筐体１１の底面において、放熱板２３の側面と取り付け孔１４とを結ぶ領域に溝１６が形成され、半導体モジュール１０の底面において、放熱板２３の下面は、溝１６の下面よりも下方（Ｚ軸方向）に位置する。放熱板２３の側面とリング１５の側面が溝１６により露出されている。そして、溝１６により露出された放熱板２３の側面とリング１５の側面の間に接続部材３１が取り付けられている。溝１６の深さは、接続部材３１が半導体モジュール１０の底面からはみ出さない深さであればよい。好ましくは、０．１ｍｍ以上、５ｍｍ以下である。溝１６の幅は、接続部材３１の幅と同じかより大きければよい。好ましくは、接続部材３１の幅の１．０倍以上、１．２倍以下である。
【００６０】
図１０は、本実施形態の変形例としての半導体装置４０の模式的な断面図である。この半導体モジュール１０は、筐体１１の底面に溝１６を有する。さらに、放熱板２３に切欠き部２３ａを有する。溝１６の中で放熱板の切欠き部２３ａの側面と接するように接続部材３１が嵌め込まれていてよい。放熱板２３の取り付け孔１４側の側面と下面とのなす角に切欠き部２３ａを備える。切欠き部２３ａは、平面視で、溝３１と連なる部分にあればよい。切欠き部２３ａの放熱板２３の下面からの深さは、接続部材３１の厚さの１．０倍以上０．５倍以上、放熱板の厚さの０．５倍以下であることが好ましい。また、切欠き部２３ａの高さ（Ｚ軸方向の上端）は、溝１６の下面よりも上方（Ｚ軸の正方向）にあり、切欠き部の２３ａの上側の面が、樹脂に覆われていていることが好ましい。そうすることで、筐体１１に積層基板２０を強固に固定することができる。切欠き部２３ａの放熱板２３の側面からの長さは、０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下であることが好ましい。半導体モジュール１０の底面において、放熱板２３の下面は、溝１６の下面よりも下方（Ｚ軸方向）に位置する。接続部材３１が、溝１６で、放熱板２３側面とリング１５の外周面とに電気的かつ機械的に接続されている。
【００６１】
第３〜５の実施の形態では、リング１５がある場合について示した。しかしながら、リング１５がない場合でも、接続部材３１を取り付け孔１４の内面に電気的に接続できる。      
【００６２】
例えば、筐体１１底面の取り付け孔１４近傍に、接続部材３１を留めるフックを設けることで、放熱板２３の側面と取り付け孔１４の内面との間に接続部材３１を取り付け、取り付け孔１４の内面に接続部材の一部を露出して形成することができる。
【００６３】
第３〜５の実施の形態の半導体モジュール１０においても、第２の実施の形態と同様に、熱伝導部材４１を介して冷却器４２が締結された半導体装置４０を製造することができる。そうして、本実施の形態の半導体装置４０においても、放熱板２３と冷却器４２とを電気的に接続させることができる。
【００６４】
（第６の実施の形態）
本実施の形態の半導体装置４０について、図１１を用いて説明する。図１１は、本実施形態の半導体装置４０の模式的な断面図を示す。半導体装置４０は、半導体素子２４と、積層基板２０と筐体１１を有する半導体モジュール１０と、半導体モジュール１０の底面に熱伝導部材４１を介して配置された冷却器４２と、締結部材としてクランプ４５とを備える。筐体１１は、側部に突出した庇状の締結部１２を有す。また、冷却器４２にも、筐体１１と対向した位置に、冷却器４２の側部に突出した庇状の締結部を有する。
【００６５】
半導体モジュール１０は、接点端子１７と接続部材３１を備える。接点端子１７は、筐体１１の側部に突出した庇状の締結部１２に埋め込まれ、接点部分が締結部１２において筐体１１の上面側に延出している。接点端子１７は、円柱形状であって良い。さらに、接点端子１７は、延出部分の先端が半球状になっていてよい。このような、接点端子１７は、導電性を有する鉄、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの一種を含む合金等により構成されていることが好ましい。金やニッケルなどで表面をめっきされていてもよい。接続部材３１は、一端が放熱板２３の側面と電気的かつ機械的に接続され、他端が接点端子１７と電気的かつ機械的に接続されている。
【００６６】
本実施の形態の半導体モジュール１０においても、第１の実施の形態と同様に、熱伝導部材４１を介して冷却器４２が締結された半導体装置４０を製造することができる。放熱板２３と冷却器４２とを電気的に接続させうる半導体モジュール１０を提供することができる。
【００６７】
半導体装置４０は、クランプ４５により、筐体１１の締結部と冷却器４２の締結部とが挟み込まれている。そうすることで、冷却器４２が半導体モジュール１０に固定されている。同時に、半導体装置４０は、筐体１１の締結部１２において接点端子１７とクランプ４５が電気的かつ機械的に接続され、冷却器４２の締結部においてクランプ４５と冷却器４２が電気的かつ機械的に接続されている。そのため、放熱板２３と冷却器４２とが電気的に接続されている。
【００６８】
冷却器４２の締結部には、接点端子１７からＺ軸の負方向に対応する位置に、冷却器４２側の接点となる突起があってよい。冷却器４２側の接点となる突起は、先端が半球状であってよい。冷却器４２側にも接点があることで、クランプ４５による締結時の片荷重を抑制し、半導体モジュール１０と冷却器４２とがより密接に固定される。
【００６９】
クランプ４５は、導電性を有する鉄、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの一種を含む合金等により構成されていることが好ましい。また、クランプ４５は、接点端子１７および冷却器４２側の接点に対応する位置に、窪みがあってよい。クランプ４５に窪みがあることで、クランプ４５が外れ難くなる。
【００７０】
図１１では、半導体モジュール１０は、接点端子１７と接続部材３１を備える例を示したが、これに限らない。例えば、接続部材３１の一端が放熱板２３と電気的かつ機械的に接続し、接続部材３１の他端が、筐体１１の締結部から露出し、クランプ４５と電気的かつ機械的に接続した構成でも構わない。
【００７１】
本実施の形態の半導体装置４０においても、第１の実施の形態と同様に、放熱板２３と冷却器４２とを電気的に接続させることができる。従って、放熱板２３と冷却器４２等の外部部材との間に電位差が生じるのを防ぎ、部分放電の発生を抑制することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１０  半導体モジュール
１１  筐体
１２  締結部
１３  外部接続端子
１４  取り付け孔
１５  リング
１６  溝
１７  接点端子
２０  積層基板
２１  導電板
２２  絶縁板
２３  放熱板
２３ａ  切欠き部
２４  半導体素子
２５  はんだ
３１  接続部材
３１ａ  板状の接続部材
３１ｂ  板状の接続部材
３１ｃ  線状の接続部材
４０  半導体装置
４１  熱伝導部材
４２  冷却器
４３  ねじ穴
４４  ねじ
４５  クランプ
【図１Ａ】
2020087966.tif 000003
【図１Ｂ】
2020087966.tif 000004
【図１Ｃ】
2020087966.tif 000005
【図２Ａ】
2020087966.tif 000006
【図２Ｂ】
2020087966.tif 000007
【図２Ｃ】
2020087966.tif 000008
【図３】
2020087966.tif 000009
【図４】
2020087966.tif 000010
【図５】
2020087966.tif 000011
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2020087966.tif 000016
【図１１】
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