(57)【要約】【課題】信頼性が高く、モジュールユニットの取替えが簡単で補修性に優れ、容易に組立てができ生産性に優れた、モジュールユニットを積層して形成する電力用半導体を得ることである。【解決手段】回路基板の回路パターンに半導体素子が搭載されるとともに、回路パターンに略垂直に接合された筒状導通体を備え、筒状導通体の開口部を露出してトランスファーモールド樹脂で封止されたモジュールユニット同士を対向して重ね、金属導体と絶縁基板の導体とに設けられた外部端子を筒状導通体に挿入接続したものである。【選択図】図１
2010129801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部端子を挿入接続可能な複数の筒状導通体の挿入孔を一面に露出させ、他面に金属放熱面を露出させてトランスファーモールド樹脂で封止されたモジュールユニットを少なくとも２台備えた電力用半導体装置であって、上記モジュールユニットの内の２台を、上記筒状導通体の開口部が露出した面を対向させるとともに、複数の導電性結合部材に設けられた外部端子を、上記複数の筒状導通体の挿入孔に挿入して、上記モジュールユニット同士が接続された電力用半導体装置。
【請求項２】
複数の導電性結合部材のそれぞれは、金属導体または絶縁基板の面に形成した導体のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
モジュールユニットは、高熱伝導絶縁層の一方の面に金属放熱体を設け、上記高熱伝導絶縁層の他方の面に回路パターンが設けられた回路基板と、上記回路パターンに接合された半導体素子と、上記半導体素子間、上記半導体素子と上記回路パターンとの間の各間を電気的に接続する配線材と、上記回路パターンに略垂直に接合された孔を有する筒状導通体と、上記回路基板の金属放熱体面と上記筒状導通体の開口部を露出させて封止したトランスファーモールド樹脂とによって構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
２台のモジュールユニットはインバータであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
回路基板に第１の配線パターンと第２の配線パターンと第３の配線パターンと第４の配線パターンとを設け、上記第１の配線パターンに半導体素子ペアの主回路を配線材で接続し、上記第２の配線パターンに上記半導体素子ペアを搭載し、上記第３の配線パターンと上記第４の配線パターンとに上記半導体素子ペアの制御回路を配線材で接続し、且つ上記第１の配線パターンと上記第２の配線パターンと上記第３の配線パターンと上記第４の配線パターンとに筒状導通体を設けたモジュールユニット同士を対向させたことを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
回路基板に第１の配線パターンと第２の配線パターンと第３の配線パターンと第４の配線パターンと第５の配線パターンと第６の配線パターンと第７の配線パターンとを設け、上記第１の配線パターンに第１の半導体素子ペアの主回路を配線材で接続し、上記第２の配線パターンに上記第１の半導体素子ペアを搭載するとともに、第２の半導体素子ペアの主回路を配線材で接続し、上記第３の配線パターンと上記第４の配線パターンとに上記第１の半導体素子ペアの制御回路を配線材で接続し、上記第５の配線パターンに上記第２の半導体ペアを搭載し、上記第６の配線パターンと上記第７の配線パターンとに上記第２の半導体素子ペアの制御回路を配線材で接続し、且つ上記第１の配線パターンと上記第２の配線パターンと上記第３の配線パターンと上記第４の配線パターンと上記第５の配線パターンと上記第６の配線パターンと上記第７の配線パターンとに筒状導通体を設けたモジュールユニット同士を対向させたことを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
２台のモジュールユニットの内の一方はインバータであり、他方はコンバータであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
回路基板に第１の配線パターンと第２の配線パターンと第３の配線パターンと第４の配線パターンと第５の配線パターンと第６の配線パターンと第７の配線パターンとを設け、上記第１の配線パターンに第１の半導体素子ペアの主回路を配線材で接続し、上記第２の配線パターンに上記第１の半導体素子ペアを搭載するとともに、第２の半導体素子ペアの主回路を配線材で接続し、上記第３の配線パターンと上記第４の配線パターンとに上記第１の半導体素子ペアの制御回路を配線材で接続し、上記第５の配線パターンに上記第２の半導体ペアを搭載し、上記第６の配線パターンと上記第７の配線パターンとに上記第２の半導体素子ペアの制御回路を配線材で接続し、且つ上記第１の配線パターンと上記第２の配線パターンと上記第３の配線パターンと上記第４の配線パターンと上記第５の配線パターンと上記第６の配線パターンと上記第７の配線パターンとに筒状導通体を設けたモジュールユニットと、回路基板に第８の配線パターンと第９の配線パターンと第１０の配線パターンとを設け、上記第８の配線パターンに一方の半導体素子を配線材で接続し、上記第９の配線パターンに上記一方の半導体素子を搭載するとともに、他方の半導体素子を配線材で接続し、上記第１０の配線パターンに上記他方の半導体素子を搭載し、上記第８の配線パターンと上記第９の配線パターンと上記第１０の配線パターンとに筒状導通体を設けたモジュールユニットとを対向させたことを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置。
【請求項９】
回路基板が、金属放熱体である金属板の一方の面に、高熱伝導絶縁層である樹脂絶縁層を介して金属箔の配線パターンが設けられた金属回路基板であることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１０】
回路基板が、高熱伝導絶縁層であるセラミック板の一方の面に金属放熱体である金属箔を接合し他方の面に配線パターンを設けたセラミック回路基板であることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生産性に優れたトランスファーモールドによる樹脂封止型の電力用半導体モジュールを用い、小型化を図った電力用半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、電力用半導体モジュール（半導体モジュールと記す）は、熱伝導性に優れた回路基板に複数の電力用半導体素子（半導体素子と記す）を搭載し、注型やトランスファーモールド等により樹脂封止されている。
例えば、半導体モジュールとして、熱伝導性に優れた回路基板に、半導体素子である、１組のＩＧＢＴチップとダイオードチップとのペア（半導体素子ペアと記す）を搭載し、樹脂封止した半導体モジュールユニット（シングルタイプのモジュールユニットと記す）がある。
このシングルタイプのモジュールユニットで、インバータ装置の１相分に相当する部分を形成する電力用半導体装置にしようとすると、２ユニットを平面的に配置し、ユニット間を導体で接続した構造とする必要がある。
この電力用半導体装置は、２台のシングルタイプのモジュールユニットが平面的に用いられるので、設置する底面積が大きくなる。
【０００３】
また、インバータ装置の１相分に相当する部分を形成する電力用半導体装置を、１台の半導体モジュールで形成するものとして、熱伝導性に優れた回路基板に、２組の半導体素子ペアを搭載し、樹脂封止した半導体モジュールユニット（ツインタイプのモジュールユニットと記す）がある。このツインタイプのモジュールユニットを用いた電力用半導体装置も、１ユニットに２組の半導体素子ペアが回路基板平面に搭載されているので、設置する底面積が大きい。
上記のような、２台のシングルタイプのモジュールユニットで形成された電力用半導体装置やツインタイプのモジュールユニットで形成された電力用半導体装置は、底面積が大きいので、例えば、インバータ装置等に組み込むのに、大きな取り付け面積が必要であり、インバータ装置等が大型化するとの問題があった。
【０００４】
このような問題を解決した電力用半導体装置として、例えば、第１の導体基板に第１のＩＧＢＴチップのコレクタ電極と第１のダイオードチップのカソード電極とを接合し、第１のＩＧＢＴチップのエミッタ電極と第１のダイオードチップのアノード電極とに第２の導体基板の一方の面を接触させ、第２の導体基板の他方面に、第２のＩＧＢＴチップのコレクタ電極と第２のダイオードチップのカソード電極とを接合し、第２のＩＧＢＴチップのエミッタ電極と第２のダイオードチップのアノード電極に第３の導体基板を接触させ、第１の導体基板と第３の導体基板間に樹脂を流しこみ、半導体素子が実装された領域を封止したツインタイプのモジュールユニットがある。
【０００５】
この電力用半導体装置は、インバータ装置の１相分に相当する部分を形成しているが、第１の導体基板に第１のＩＧＢＴチップと第１のダイオードチップとの第１の半導体素子ペアが搭載されたものと第２の導体基板に第２のＩＧＢＴチップと第の２ダイオードチップとの第２の半導体素子ペアが搭載されたものとを積層し、樹脂封止して半導体モジュールユニットとしたものであり、その底面積は小さく、インバータ装置等に組み込むのに、大きな取り付け面積が必要なく、インバータ装置等が大型化するのを防止できる（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１３４９９０号公報（第４〜第６頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の樹脂封止型電力用半導体装置（電力用半導体装置と記す）では、第２の導体基板は、第１の半導体素子ペアに接触しているが接合しておらず、第３の導体基板は、第２の半導体素子ペアに接触しているが接合していない。そのため、第１の導体基板と第３の導体基板との積層方向の内側にかかる封止樹脂の収縮圧力により、第１の半導体素子ペアに対する第２の導体基板の電気的接続と、第２の半導体素子ペアに対する第３の導体基板の電気的接続を保持している。
しかしながら、封止樹脂の収縮圧力がかかる方向は導体基板に平行な向きが大きく、垂直方向は小さい。そのため、導体基板とＩＧＢＴチップやダイオードチップ等の電力用半導体素子との間に接触不良を生じ、接触抵抗や熱抵抗が大きくなり、大電流・高電圧で動作させると発熱が増大し、信頼性が低下するとの問題があった。
【０００８】
また、複数の半導体素子を一括封止した電力用半導体装置では、複数ある半導体素子のうちの１素子に不具合が生じた場合や、素子以外のどこかに問題が生じた場合でも補修できず、電力用半導体装置がまるまる使用できなくなるので、電力用半導体装置製造の歩留まり悪化し、コスト高となるとの問題があった。
【０００９】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、複数の半導体素子ペアが用いられた電力用半導体装置であって、小型化を実現できるとともに、信頼性が高く、生産性が優れた電力用半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係わる電力用半導体装置は、外部端子を挿入接続可能な複数の筒状導通体の挿入孔を一面に露出させ、他面に金属放熱面を露出させてトランスファーモールド樹脂で封止されたモジュールユニットを少なくとも２台備えた電力用半導体装置であって、モジュールユニットの内の２台を、筒状導通体の開口部が露出した面を対向させるとともに、複数の導電性結合部材に設けられた外部端子を、複数の筒状導通体の挿入孔に挿入して、モジュールユニット同士が接続されたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係わる電力用半導体装置は、外部端子を挿入接続可能な複数の筒状導通体の挿入孔を一面に露出させ、他面に金属放熱面を露出させてトランスファーモールド樹脂で封止されたモジュールユニットを少なくとも２台備えた電力用半導体装置であって、モジュールユニットの内の２台を、筒状導通体の開口部が露出した面を対向させるとともに、複数の導電性結合部材に設けられた外部端子を、複数の筒状導通体の挿入孔に挿入して、モジュールユニット同士が接続されたものであり、小型化を実現できるとともに、信頼性が高く、生産性と補修性とに優れている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の横断面模式図である。
図２は、図１に示す電力用半導体装置をＡ方向から見た側面模式図である。
図３は、図１に示す電力用半導体装置の上アームとなるモジュールユニットを構成する部品の配置図（ａ）と下アームとなるモジュールユニットを構成する部品の配置図（ｂ）とである。
図１〜図３に示すように、本実施の形態の電力用半導体装置１００は、２台のモジュールユニットが、導電性結合部材である外部回路につながる導体に設けられた外部端子で接続されている。
【００１３】
本実施の形態では、どちらのモジュールユニットも、回路基板として、金属放熱体である金属板１の一方の面に、高熱伝導絶縁層である樹脂絶縁層２を介して金属箔の配線パターン３を設けた金属回路基板８が用いられている。
本実施の形態のモジュールユニットでは、金属回路基板８に設けられた配線パターン３は、第１〜第４の配線パターン３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄである。
第１の配線パターン３ａは、第１の半導体素子５ａと第２の半導体素子５ｂとからなる半導体素子ペアの主回路に配線材であるワイヤーボンド９で接続され、第２の配線パターン３ｂには、第１の半導体素子５ａと第２の半導体素子５ｂとのペアが搭載されている。第３と第４の配線パターン３ｃ，３ｄとは、第１の半導体素子５ａの制御回路とワイヤーボンド９で接続されている。
【００１４】
そして、第１と第２との配線パターン３ａ，３ｂには、電力用半導体装置１００の主回路と導通する、挿入孔を有する筒状導通体６ａが設けられ、第３と第４との配線パターン３ｃ，３ｄには、制御回路と導通する、挿入孔を有する筒状導通体６ｂが設けられている。これら筒状導通体６ａ，６ｂは、電力用半導体装置１００の端子を構成する。
そして、モジュールユニットは、金属回路基板８とこの金属回路基板８に搭載された部品が、トランスファーモールド樹脂７で封止されている。
しかし、金属回路基板８の他方の面と、筒状導通体６ａ，６ｂの開口がトランスファーモールド樹脂７から露出している。
本実施の形態では、２台のモジュールユニットの構成は、第１の配線パターン３ａに接合される筒状導通体６ａの取り付け位置が異なる以外は同様である。
【００１５】
本実施の形態では、２台のモジュールユニットの内の１台が、電力用半導体装置１００の上アームとなる第１のモジュールユニット３０ａであり、もう１台のモジュールユニットが、電力用半導体装置１００の下アームとなる第２のモジュールユニット３０ｂである。
そして、本実施の形態の電力用半導体装置１００は、第１のモジュールユニット３０ａの筒状導通体の開口が露出した面と、第２のモジュールユニット３０ｂの筒状導通体の開口が露出した面とが対向しており、第１のモジュールユニット３０ａと第２のモジュールユニット３０ｂとが重なった状態で外部端子により接続されている。
第１のモジュールユニット３０ａと第２のモジュールユニット３０ｂとは、図３に示した第１のモジュールユニット３０ａのＦ１の辺と第２のモジュールユニット３０ｂのＦ２の辺が対向するように重ねられる。
図１と図２に示すように、電力用半導体装置１００には、トランスファーモールド樹脂７から露出した金属回路基板８の面に冷却用フィン１８が設けられている。
【００１６】
本実施の形態では、第１のモジュールユニット３０ａの第１の配線パターン３ａに設けられた筒状導通体６ａと第２のモジュールユニット３０ｂの第２の配線パターン３ｂに設けられた筒状導通体６ａとは対向し、金属導体２２の両面に設けられ一体である外部端子２２aで接続されている。
また、第１のモジュールユニット３０ａの第２の配線パターン３ｂに設けられた筒状導通体６ａには、バスバー基板２０の一方の面の第１の導体に設けられた外部端子２０ａが接続され、第２のモジュールユニット３０ｂの第１の配線パターン３ａに設けられた筒状導通体６ａには、バスバー基板２０の他方の面の第２の導体に設けられた外部端子２０ｂが接続されている。
バスバー基板２０は、絶縁板の両面に第１と第２との導体が設けられたものであり、導体間は絶縁板で絶縁されている。
【００１７】
すなわち、金属導体２２は、交流出力部となっており、バスバー基板２０の一方の面の導体が直流入力部の正極で、バスバー基板２０の他方の面の導体が直流入力部の負極となっている。
金属導体２２とバスバー基板２０の導体とは直接外部回路に接続しても良く、また、金属導体２２とバスバー基板２０の導体との端部に取付け孔を設け、これにボルトでケーブルを繋ぎ、このケーブルを外部回路に接続しても良い。
また、第１のモジュールユニット３０ａと第２のモジュールユニット３０ｂとにおいて、第３の配線パターン３ｃと第４の配線パターン３ｄとに設けられた筒状導通体６ｂには、プリント配線板２５の一方の面に設けられた外部端子２５ｂが接続されている。
【００１８】
本実施の形態の金属回路基板８に用いられる金属板１には、熱伝導性に優れた金属、例えば、アルミニウムおよびアルミニウム合金、銅および銅合金、鉄および鉄合金等、あるいは、銅／鉄−ニッケル合金／銅、アルミニウム／鉄−ニッケル合金／アルミニウム等の複合材料を用いることができる。特に、電流容量が大きい半導体素子を用いる場合には電気伝導性に優れた銅を用いるのが好ましい。また、金属板１の厚み、長さ、幅とは、半導体素子の電流容量により、適宜決められる。すなわち、半導体素子の電流容量が大きくなると、金属板１の厚みを厚くし、金属板１の長さと幅とを大きくする。
【００１９】
金属回路基板８に用いられる樹脂絶縁層２には、例えば、各種セラミックスや無機粉末を含有する樹脂絶縁シート、ガラス繊維を含有する樹脂絶縁シートを用いることができる。上記樹脂絶縁層２に含有される無機粉末としては、アルミナ、ベリリヤ、ボロンナイトライド、マグネシア、シリカ、窒化珪素、窒化アルミニウムが挙げられる。そして、樹脂絶縁層２の厚みは、例えば、２０〜４００μｍである。
金属回路基板８に用いられる配線パターン３には、例えば、銅箔が用いられ、銅箔の厚みは、半導体素子の電流容量により、適宜決められる。
【００２０】
本実施の形態では、ワイヤーボンド９には、アルミニウム線が用いられ、アルミニウム線の線径・本数も半導体素子の電流容量により、適宜決められる。
また、筒状導通体６ａ，６ｂには、例えば、金属筒が用いられ、その材質は、熱伝導性と電気伝導性とに優れ、配線パターン３にはんだ４で接合できる金属、例えば、銅および銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金等のめっき品を用いるのが好ましい。筒状導通体６ａ，６ｂの厚みは、トランスファーモールド時の成形圧力により潰れない厚みであれば良く、それは電流容量により適宜決められる。
【００２１】
筒状導通体６ａ，６ｂの高さは、後で挿入接続する外部端子が十分に接続できる高さであれば良い。筒状導通体６ａ，６ｂの内径は、後で挿入接続する外部端子の挿入部の外径から決まり、少なくとも、外部端子を取り付けることができる内径であれば良い。そして、筒状導通体６ａ，６ｂのトランスファーモールド樹脂表面側端部の内径を、中心部の内径以上としても良い。このようにすると、筒状導通体６ａ，６ｂへの外部端子の挿入が容易になる。また、筒状導通体６ａ，６ｂは、貫通孔が開いているため、外部端子を挿入した際に、筒状導通体６ａ，６ｂが接合している配線パターンの上面に外部端子が接触し、電気的な接続が可能である。なお、本実施の形態では、筒状導通体６ａ，６ｂの底部に貫通孔が開いている場合について説明したが、配線パターン３に接合される側に底体を設けてもよい。このような構成によって、筒状導通体６ａ，６ｂの底体が配線パターン３に接合されるので、筒状導通体６ａ，６ｂと配線パターン３との接合面積が大きく、はんだの付きが良くなり、接合信頼性が向上する。
【００２２】
本実施の形態では、トランスファーモールド樹脂７には、例えば、フィラーとしてシリカ粉末が充填されたエポキシ樹脂が用いられる。トランスファーモールド樹脂７において、充填されるシリカ粉末の含有率は、電力用半導体装置１００に用いられる部材の熱膨張係数などを考慮して最適な量が選定される。
例えば、配線パターン３と金属板１とに銅を用いた場合、トランスファーモールド樹脂７の熱膨張係数を，銅の熱膨張係数である１６ｐｐｍ／℃に合わすように、エポキシ樹脂へのシリカ粉末の充填量が設定される。このようにすることにより、反りのない電力用半導体装置が得られる。
また、トランスファーモールド樹脂７の放熱性を向上させる場合は、フィラーとしてシリカ粉末の代わりにアルミナ粉末を用いることが好ましい。
【００２３】
次に、本実施の形態における電力用半導体装置１００の製造方法の一例について説明する。
本実施の形態の電力用半導体装置１００の第１と第２のモジュールユニット３０ａ，３０ｂでは、まず、例えば、厚み３ｍｍのアルミニウム板に、Ｂステージ状態のアルミナ粉末を含有するエポキシ樹脂シートを載せ、その上に厚み０．３mmの銅箔を重ねる。そして、アルミニウム板とアルミナ粉末を含有するエポキシ樹脂シートと銅箔とを積層したものを加熱・加圧して、アルミニウム板と銅箔とをアルミナ粉末を含有するエポキシ樹脂シートで接合する。次に、銅箔をエッチングして第１の配線パターン３ａと第２の配線パターン３ｂと第３の配線パターン３ｃと第４の配線パターン３ｄとを形成して、金属回路基板８とする。
その後、図３には図示していないが、ソルダーレジストを任意の場所に形成するが、必ずしも必須ではない。
【００２４】
次に、第２の配線パターン３ｂ上の素子搭載部に第１の半導体素子５ａと第２の半導体素子５ｂを、第１と第２との配線パターン３ａ，３ｂの所定の場所に設けられた筒状導通体接合部に筒状導通体６ａを、第３と第４との配線パターン３ｃ，３ｄの所定の場所に設けられた筒状導通体接合部に筒状導通体６ｂを、各々はんだ４を用いて接合する。
そして、第１の配線パターン３ａと第２の半導体素子５ｂとの間、第１の半導体素子５ａと第２の半導体素子５ｂとの間、第１の半導体素子５ａと第３と第４との配線パターン３ｃ，３ｄとの間、をアルミニウムのワイヤーボンド９で接続する。また、本実施の形態においては、ワイヤーボンドにより配線しているが、これに限るものではなく、それ以外の電気的接続を行えるものであっても良い。
【００２５】
上記のはんだ付けとワイヤーボンドとの工程は、すべての部品のはんだ接合が終了した後にワイヤーボンドを行うため、筒状導通体が設けられた配線パターンへのワイヤボンディングでは、ワイヤボンディング装置の制約上、筒状導通体の高さが高いと、筒状導通体の近傍にワイヤーボンドを打てない可能性がある。そのため、配線パターンを大きくする必要があり、実装面積が増大する。
そこで、実装面積をさらに縮小する方法として、配線パターンへ半導体素子をはんだ付けした直後にワイヤーボンドを行い、その後筒状導通体を接合する方法である。２回に分けて接合するので、筒状導通体の接合には、低融点はんだを用いるか、もしくははんだ以外の接合方法を用いる。例えば、銀ペーストで接着する方法や、超音波接合による方法が挙げられる。
【００２６】
次に、ワイヤーボンドされた半導体素子と筒状導通体とを搭載した金属回路基板８は、金型にセットされ、トランスファーモールド法により、例えばシリカ粉末が充填されたエポキシ樹脂系トランスファーモールド樹脂７で封止される。
次に、このようにして作製された、第１のモジュールユニット３０ａと第２のモジュールユニット３０ｂとの筒状導通体に各外部端子を挿入して、第１のモジュールユニット３０ａと第２のモジュールユニット３０ｂとを重ねて接続して、電力用半導体装置１００が完成する。
さらに、本実施の形態の電力用半導体装置１００では、トランスファーモールド樹脂７から露出した金属回路基板８の面に冷却用フィン１８を取り付ける。
本実施の形態では、筒状導通体と外部端子との接続は、低コストで接続部の信頼性が高く、工程が容易であるとともに、補修性の観点から、金属間接合であるプレスフィットに代表される圧入接続が用いられる。
【００２７】
本実施の形態の電力用半導体装置１００は、第１と第２との２台のモジュールユニット３０ａ，３０ｂが対向して配置されている。そして、各モジュールユニットの筒状導体６ａ，６ｂが、モジュールユニット同士が対向する面に開口を露出させて設置されており、この筒状導体６ａに金属導体２２やバスバー基板２０の導体に設けられた外部端子が挿入接続されている。すなわち、金属導体２２の両面に設けられた外部端子２２ａと、バスバー基板２０の両面にも設けられた外部端子２０ａ，２０ｂとで、第１のモジュールユニットと第２のモジュールユニットとを重ねて接続固定している。
【００２８】
本実施の形態の電力用半導体装置１００は、第１のモジュールユニット３０ａと第２のモジュールユニット３０ｂとが重ねて接続固定されているので、その底面積が小さく、設置面積が少ない。それと、第１のモジュールユニット３０ａと第２のモジュールユニット３０ｂとを外部端子で挿入接続することによりインバータ装置の１相を形成できるので、本実施の形態の電力用半導体装置１００の３台を用いて簡単にインバータ装置を組み上げることが可能であり、生産性に優れている。
また、補修性にも優れており、１個のモジュールユニットが故障した場合、それを容易に取り替えることができるので、インバータ装置の製造の歩留まりが向上する。それと、モジュールユニット単位でトランスファーモールドにより樹脂封止されているのでモジュールユニットの信頼性が高く、モジュールユニット同士の接続がプレスフィット等の圧入接続であるので、接続信頼性も高い。
また、接続されるバスバー基板２０の一方の面の導体を直流入力部の正極とし、バスバー基板２０の他方の面の導体を直流入力部の負極にできるので、正極導体と負極導体を近接して設けることができ、電力用半導体装置の低インダクタンス化が可能である。
なお、第１のモジュールユニット３０ａが３相インバータの上アームとなり、第２のモジュールユニット３０ｂが３相インバータの下アームとなるように構成してもよい。
【００２９】
図４は、本発明の実施の形態１に係る２台より多いモジュールユニットで構成した電力用半導体装置の斜視模式図である。
図４では、４台のモジュールユニット３０で構成した電力用半導体装置１０１である。これは、例えば、電流容量を大きくするため、上アームとなるモジュールユニット３０を２台並列にして設け、下アームとなるモジュールユニット３０も２台並列にして設けたものである。
重ねて設けるモジュールユニット３０の台数は、電力用半導体装置の回路構成により適宜決められる。
モジュールユニットをバスバー基板２０や金属導体２２に外部端子で接続するので、簡単にモジュールユニット数を増やすことができる。
【００３０】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の横断面模式図である。
図５に示すように、本実施の形態の電力用半導体装置２００は、回路基板が、高熱伝導絶縁層であるセラミック板１２の一方の面に金属放熱体である金属箔１３を接合し、他方の面に配線パターン３を設けたセラミック回路基板１１であり、金属箔１３の面がトランスファーモールド樹脂７から露出した、第１のモジュールユニット４０ａと第２のモジュールユニット４０ｂとを用いた以外、実施の形態１の電力用半導体装置１００と同様である。
本実施の形態の電力用半導体装置２００は、実施の形態１の電力用半導体装置１００と同様な効果があるとともに、セラミック回路基板１１を用いたので、モジュールユニットの更なる低熱抵抗化を実現できる。
【００３１】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の横断面模式図である。
図７は、図６に示す電力用半導体装置の下側のモジュールユニットを構成する部品の配置図（ａ）と上側のモジュールユニットを構成する部品の配置図（ｂ）とである。
図６と図７とに示すように、本実施の形態の電力用半導体装置３００は、２台のモジュールユニットが、外部回路につながる導体に設けられた外部端子で接続されている。
そして、１台のモジュールユニットに上アームと下アームの構成が含まれている。
【００３２】
本実施の形態のモジュールユニットでは、金属回路基板８に設けられた配線パターン３が、第１〜第７の配線パターン３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇである。
第１の配線パターン３ａは、第１の半導体素子５ａと第２の半導体素子５ｂとからなる第１の半導体素子ペアの主回路にワイヤーボンド９で接続され、第２の配線パターン３ｂは、第１の半導体素子５ａと第２の半導体素子５ｂとの第１の半導体素子ペアが搭載されるとともに、第３の半導体素子５ｃと第４の半導体素子５ｄとからなる第２の半導体素子ペアの主回路にワイヤーボンド９で接続されている。
第３と第４との配線パターン３ｃ，３ｄは、第１の半導体素子５ａの制御回路とワイヤーボンド９で接続されている。
第５の配線パターン３ｅは、第３の半導体素子５ｃと第４の半導体素子５ｄとが搭載され、第６と第７との配線パターン３ｆ，３ｇは、第３の半導体素子５ｃの制御回路とワイヤーボンド９で接続されている。
【００３３】
そして、第１と第２と第５との配線パターン３ａ，３ｂ，３ｅには、電力用半導体装置３００の主回路と導通する、筒状導通体６ａが設けられ、第３と第４と第６と第７との配線パターン３ｃ，３ｄ，３ｆ，３ｇには、制御回路と導通する、筒状導通体６ｂが設けられている。これら筒状導通体６ａ，６ｂは、電力用半導体装置３００の端子を構成する。
そして、モジュールユニットは、金属回路基板８とこの金属回路基板８に搭載された部品が、トランスファーモールド樹脂７で封止されている。
しかし、金属回路基板８の他方の面と、筒状導通体６ａ，６ｂの開口がトランスファーモールド樹脂７から露出している。
本実施の形態では、２台のモジュールユニットの構成は、配線パターンの配置が、実像と虚像のとの関係である以外は同様である。
【００３４】
本実施の形態の電力用半導体装置３００は、図６において下側に配置されている第１のモジュールユニット５０ａの筒状導通体の開口が露出した面と、図６において上側に配置されている第２のモジュールユニット５０ｂの筒状導通体の開口が露出した面とが対向しており、第１のモジュールユニット５０ａと第２のモジュールユニット５０ｂとが重なった状態で、外部端子により接続されている。
第１のモジュールユニット５０ａと第２のモジュールユニット５０ｂとは、図７に示した第１のモジュールユニット５０ａのＦ１の辺と第２のモジュールユニット５０ｂのＦ２の辺が対向するように重ねられる。
また、図６に示すように、電力用半導体装置３００にも、トランスファーモールド樹脂７から露出した金属回路基板８の面に冷却用フィン１８が設けられている。
【００３５】
本実施の形態では、第１のモジュールユニット５０ａの各配線パターンに設けられた筒状導通体６ａ，６ｂと第２のモジュールユニット５０ｂの各配線パターンに設けられた筒状導通体６ａ，６ｂとが対向している。
そして、第１のモジュールユニット５０ａの第２の配線パターンに３ｂ設けられた筒状導通体６ａと第２のモジュールユニット５０ｂの第２の配線パターン３ｂに設けられた筒状導通体６ａとが、金属導体２２の両側に一体に設けられた外部端子２２aで接続されている。また、第１のモジュールユニット５０ａの第１の配線パターン３ａに設けられた筒状導通体６ａと第２のモジュールユニット５０ｂの第１の配線パターン３ａに設けられた筒状導通体６ａとが、バスバー基板２０の第１の導体に設けられ、且つバスバー基板２０の両面から突出した外部端子２０aで接続されている。さらに、第１のモジュールユニット５０ａの第５の配線パターン３ｅに設けられた筒状導通体６ａと第２のモジュールユニット５０ｂの第５の配線パターン３ｅに設けられた筒状導通体６ａとが、バスバー基板２０の第２の導体に設けられ、且つバスバー基板２０の両面から突出した外部端子（図示せず）で接続されている。
【００３６】
第１の導体と第２の導体は、バスバー基板２０の同一平面で間隔をあけて設けても良く、また、バスバー基板２０各面に別個に設けても良く、第１の導体と第２の導体間は絶縁されている。
本実施の形態では、金属導体２２は、交流出力部となっており、バスバー基板２０の第１の導体が直流入力部の負極で、バスバー基板２０の第２の導体が直流入力部の正極となっている。
金属導体２２とバスバー基板２０の導体とは直接外部回路に接続しても良く、また、金属導体２２とバスバー基板２０の導体との端部に取付け孔を設け、これにボルトでケーブルを繋ぎ、このケーブルを外部回路に接続しても良い。
【００３７】
また、第１のモジュールユニット５０ａにおいて、第３の配線パターン３ｃと第４の配線パターン３ｄとに設けられた筒状導通体６ｂには、プリント配線板２５の一方の面に設けられた外部端子２５ａが接続されている。さらに、第６の配線パターン３ｆと第７の配線パターン３ｇとに設けられた筒状導通体６ｂにも、プリント配線板（図示せず）の一方の面に設けられた外部端子（図示せず）が接続されている。
また、第２のモジュールユニット５０ｂにおいて、第３の配線パターン３ｃと第４の配線パターン３ｄとに設けられた筒状導通体６ｂには、プリント配線板２５の他方の面に設けられた外部端子２５ｂが接続されている。さらに、第６の配線パターン３ｆと第７の配線パターン３ｇとに設けられた筒状導通体６ｂにも、プリント配線板（図示せず）の他方の面に設けられた外部端子（図示せず）が接続されている。
【００３８】
本実施の形態の電力用半導体装置３００は、実施の形態１の電力用半導体装置１００と同様な効果があるとともに、モジュールユニットが２組の半導体素子ペアを内蔵したツインタイプのモジュールユニットであり、このモジュールユニット同士が外部端子で並列に接続されているので、電力用半導体装置の大電流容量化に有効である。
また、本実施の形態の電力用半導体装置３００も、インバータ装置の１相を形成しているので、３台を用いて簡単にインバータ装置を組み上げることが可能であり、生産性に優れている。
本実施の形態の電力用半導体装置３００においても、回路基板にセラミック回路基板１１を用いても良い。
【００３９】
実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置の横断面模式図である。
図９は、図８に示す電力用半導体装置の下側のモジュールユニットを構成する部品の配置図（ａ）と上側のモジュールユニットを構成する部品の配置図（ｂ）とである。
図６と図７とに示すように、本実施の形態の電力用半導体装置４００も、２つのモジュールユニットが、外部回路につながる導体に設けられた外部端子で接続されている。
本実施の形態では、図９において下側に配置されている第１のモジュールユニット６０ａは、実施の形態３の２組の半導体素子ペアを内蔵し、１個のモジュールユニットに上アームと下アームが形成されたツインタイプのモジュールユニットである。すなわち、第１のモジュールユニット６０ａはインバータの１相分の構成である。
【００４０】
図９において上側に配置されている第２のモジュールユニット６０ｂでは、金属回路基板８の配線パターン３が、第８〜第１０の配線パターン３ｈ，３ｉ，３ｊである。
第８の配線パターン３ｈは、第５の半導体素子５ｅにワイヤーボンド９で接続され、第９の配線パターン３ｉは、第５の半導体素子５ｅが搭載されているとともに、第６の半導体素子５ｆにワイヤーボンド９で接続されている。第１０の配線パターン３ｊは第６の半導体素子５ｆが搭載されている。そして、第８と第９と第１０との配線パターン３ｈ，３ｉ，３ｊには、電力用半導体装置４００の主回路と導通する、筒状導通体６ａが設けられている。
この第２のモジュールユニット６０ｂはコンバータの１相分の構成である。
また、第２のモジュールユニット６０ｂも、金属回路基板８とこの金属回路基板８に搭載された部品が、トランスファーモールド樹脂７で封止されている。
しかし、金属回路基板８の他方の面と、筒状導通体６ａの開口がトランスファーモールド樹脂７から露出している。
なお、第１のモジュールユニット６０ａが３相インバータとなり、第２のモジュールユニット６０ｂが３相コンバータとなるように構成してもよい。
【００４１】
本実施の形態の電力用半導体装置４００は、図８において下側に配置されている第１のモジュールユニット６０ａの筒状導通体の開口が露出した面と、図８において上側に配置されている第２のモジュールユニット６０ｂの筒状導通体の開口が露出した面とが対向しており、第１のモジュールユニット６０ａと第２のモジュールユニット６０ｂとが重なった状態で、外部端子により接続されている。
第１のモジュールユニット６０ａと第２のモジュールユニット６０ｂとは、図９に示した第１のモジュールユニット６０ａのＦ１の辺と第２のモジュールユニット６０ｂのＦ２の辺が対向するように重ねられる。
また、図８に示すように、電力用半導体装置４００にも、トランスファーモールド樹脂７から露出した金属回路基板８の面に冷却用フィン１８が設けられている。
【００４２】
本実施の形態では、第１のモジュールユニット６０ａの各配線パターンに設けられた筒状導通体６ａと第２のモジュールユニット６０ｂの各配線パターンに設けられた筒状導通体６ａとが対向している。
そして、第１のモジュールユニット６０ａの第１の配線パターン３ａ設けられた筒状導通体６ａと第２のモジュールユニット６０ｂの第８の配線パターン３ｈに設けられた筒状導通体６ａとが、バスバー基板２０の第１の導体に設けられバスバー基板２０の両側に突出した外部端子２０aで接続されている。また、第１のモジュールユニット６０ａの第５の配線パターンに３ｅ設けられた筒状導通体６ａと第２のモジュールユニット６０ｂの第１０の配線パターン３ｊに設けられた筒状導通体６ａとが、バスバー基板２０の第２の導体に設けられバスバー基板２０の両側に突出した外部端子（図示せず）で接続されている。
第１の導体と第２の導体とは、バスバー基板２０の同一平面に間隔をあけて設けても良く、バスバー基板２０各面に別個に設けても良く、第１の導体と第２の導体との間は絶縁されている。
【００４３】
第１のモジュールユニット６０ａの第２の配線パターン３ｂに設けられた筒状導通体６ａは、金属導体２２の片側に設けられた外部端子２２ａと接続し、第２のモジュールユニット６０ｂの第９の配線パターン３ｉに設けられた筒状導通体６ａは、外部端子２２ａが接続された金属導体２２とは別の金属導体（図示せず）の片側に設けられた外部端子２２ｂと接続している。
金属導体２２とバスバー基板２０の導体とは直接外部回路に接続しても良く、また、金属板２２とバスバー基板２０の導体との端部に取付け孔を設け、これにボルトでケーブルを繋ぎ、このケーブルを外部回路に接続しても良い。
第１のモジュールユニット６０ａにおいて、第３の配線パターン３ｃと第４の配線パターン３ｄとに設けられた筒状導通体６ｂには、プリント配線板２５の一方の面に設けられた外部端子２５ａが接続されている。
【００４４】
本実施の形態の電力用半導体装置４００は、実施の形態１の電力用半導体装置１００と同様な効果がある。
本実施の形態の電力用半導体装置４００は、１相分の構成であるが、この電力用半導体装置４００の３セットを外部端子とブスバーを用いて繋ぎ合わせて、電力用変換装置全体を簡単に構成することもできる。
本実施の形態の電力用半導体装置４００においても、回路基板にセラミック回路基板１１を用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明に係る電力用半導体装置は、モジュールユニットを重ねて外部端子で接続するものであり、大電流化と設置面積の縮小化とができるので、小型・大電流容量の電力用半導体装置に有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の横断面模式図である。
【図２】図１に示す電力用半導体装置のＡ方向から見た側面模式図である。
【図３】図１に示す電力用半導体装置の上アームとなるモジュールユニットを構成する部品の配置図（ａ）と下アームとなるモジュールユニットを構成する部品の配置図（ｂ）とである。
【図４】本発明の実施の形態１に係る２台より多いモジュールユニットで構成した電力用半導体装置の斜視模式図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の横断面模式図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の横断面模式図である。
【図７】図６に示す電力用半導体装置の下側のモジュールユニットを構成する部品の配置図（ａ）と上側のモジュールユニットを構成する部品の配置図（ｂ）とである。
【図８】本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の横断面模式図である。
【図９】図８に示す電力用半導体装置の下側のモジュールユニットを構成する部品の配置図（ａ）と上側のモジュールユニットを構成する部品の配置図（ｂ）とである。
【符号の説明】
【００４７】
１  金属板、２  樹脂絶縁層、３  配線パターン、３ａ  第１の配線パターン、
３ｂ  第２の配線パターン、３ｃ  第３の配線パターン、３ｄ  第４の配線パターン、
３ｅ  第５の配線パターン、３ｆ  第６の配線パターン、３ｇ  第７の配線パターン、
３ｈ  第８の配線パターン、３ｉ  第９の配線パターン、３ｊ  第１０の配線パターン、
４  はんだ、５ａ  第１の半導体素子、５ｂ  第２の半導体素子、
５ｃ  第３の半導体素子、５ｄ  第４の半導体素子、５ｅ  第５の半導体素子、
５ｆ  第６の半導体素子、６ａ，６ｂ  筒状導通体、７  トランスファーモールド樹脂、
８  金属回路基板、９  ワイヤーボンド、１１  セラミック回路基板、
１２  セラミック板、１３  金属箔、１８  冷却用フィン、２０  バスバー基板、
２２  金属導体、２５  プリント配線板、
２０ａ，２０ｂ，２２ａ，２２ｂ，２５ａ，２５ｂ  外部端子、
３０  モジュールユニット、
３０ａ，４０ａ，５０ａ，６０ａ  第１のモジュールユニット、
３０ｂ，４０ｂ，５０ｂ，６０ｂ  第２のモジュールユニット、
１００，１０１，２００，３００，４００  電力用半導体装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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