(57)【要約】      （修正有）【課題】ベースプレートとケース部材との連結強度を確保しながらも、従来技術における半導体モジュールの大型化を回避する技術を提供する。【解決手段】半導体モジュール１は、フィン７を設けたフィン領域を一方の面に形成したベースプレート２と、ベースプレートの他方の面に載置された基板３と、内部空間４０を有するとともにベースプレートの一方の面より小さくフィン領域より大きな開口４３を一方の壁４１に設けているケース部材４とを備えている。ベースプレートはケース部材の開口を通じてフィンを内部空間側から外部に突出させるとともに、ベースプレートがケース部材の内部空間側の面に密封接着され、内部空間に樹脂が充填されることでケース部材と基板とベースプレートとが固定される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却用のフィンを設けたフィン領域を一方の面に形成したベースプレートと、
前記ベースプレートの他方の面に載置されるとともにスイッチング素子を設けた基板と、
内部空間を有するとともに前記ベースプレートの前記一方の面より小さく前記フィン領域より大きな開口を一方の壁に設けているケース部材とを備え、
前記ベースプレートは前記ケース部材の前記開口を通じて前記フィンを前記内部空間側から外部に突出させるとともに、前記ベースプレートの前記一方の面が前記一方の壁の前記内部空間側の面に密封接着されており、かつ
前記ケース部材の前記内部空間に樹脂が充填されることで前記ケース部材と前記基板と前記ベースプレートとが固定されている半導体モジュール。
【請求項２】
前記ケース部材が樹脂製である請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記ベースプレートが金属製であり、前記ベースプレートと前記ケース部材とが金属・樹脂接着剤によって密封接着される請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記ケース部材の底壁の前記内部空間とは反対側の面に金属ケースが密封接着されている請求項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】
前記金属ケースの壁面に凹凸が設けられ、前記ケース部材を射出成形する際に射出成形樹脂と前記凹凸との間で実現する樹脂と金属を一体化する接合によって前記金属ケースと前記ケース部材とが密封接着される請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記ケース部材の前記一方の壁に貫通孔が設けられ、前記金属ケースの前記貫通孔に対応する壁面に前記貫通孔と連通して楔形状を作り出す凹部が設けられ、前記貫通孔と前記楔状凹部とへの樹脂充填を通じて作り出される楔形状結合によって前記ケース部材と前記金属ケースとが密封接着される請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記金属ケースに貫通孔が設けられ、前記ケース部材の前記貫通孔に対応する壁面にねじ穴が設けられ、前記金属ケースと前記ケース部材とがシール材とねじ締結によって密封接着される請求項４に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベースプレートと、このベースプレートの一方の面に載置されスイッチング素子を設けた基板と、ケース部材とを備えた半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような半導体モジュールとして、ベースプレートと、このベースプレートの一方の面に載置されスイッチング素子を設けた基板と、この基板を囲むようにベースプレート上に設けられたケースと、ベースプレートの他方の面に接するように設けられた冷媒流路とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１）。この半導体モジュールでは、ケースの四隅にはボルト締結孔が設けられており、ここにボルトを挿通してネジ締めすることによってベースプレート上にケースが固定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２９４０６９号公報（段落番号〔００２５〕，〔００２６〕，〔００４２〕、図８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示されたような従来の半導体モジュールでは、ベースプレートにケース部材がボルト締結によって固定されていたので、ボルト頭部の分だけ横方向に半導体モジュールが大型化するのが避けられなかった。
【０００５】
本発明の目的は、ベースプレートとケース部材との連結強度を確保しながらも、従来技術における半導体モジュールの大型化を回避する技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係わる半導体モジュールは、冷却用のフィンを設けたフィン領域を一方の面に形成したベースプレートと、前記ベースプレートの他方の面に載置されるとともにスイッチング素子を設けた基板と、内部空間を有するとともに前記ベースプレートの前記一方の面より小さく前記フィン領域より大きな開口を一方の壁に設けているケース部材とを備え、前記ベースプレートは前記ケース部材の前記開口を通じて前記フィンを前記内部空間側から外部に突出させるとともに、前記ベースプレートの前記一方の面が前記一方の壁の前記内部空間側の面に密封接着されており、かつ前記ケース部材の前記内部空間に樹脂が充填されることで前記ケース部材と前記基板と前記ベースプレートとが固定されている。
【０００７】
この構成によると、ケース部材にボルト締結用の貫通孔を形成する必要がなく、貫通孔に挿通されたボルトの頭部が占めるスペースによって横方向に半導体モジュールが大型化することが回避されている。また、ケース部材の内部空間側からフィン領域だけを突出させた状態でベースプレートがケース部材に接着固定されている。従って、このケース部材の内部空間に樹脂を充填して固めておくと、ベースプレートに対しケース部材の外部方向から力が加わった場合にケース部材がその力を受け止め、その反対方向の力は充填された樹脂が受け止めるので、ケース部材とベースプレートとの間の接着強度は十分に強いものとなる。なお、内部空間への樹脂の充填は、スイッチング素子の耐振性の向上や絶縁性の向上のために行われるものであり、本発明の構造においてのみ必要とされるものではなく、これによるコストアップを考慮する必要がない。
【０００８】
本発明の好適な実施形態の１つでは、前記ケース部材が樹脂製であり、これにより内部空間へ充填される樹脂との接着強度が向上し、半導体モジュール全体の強度も向上する。さらには、基板との絶縁性能も向上するので、ケース部材自体を小型化することも可能となる。また、前記ケース部材を樹脂製とし、前記ベースプレートを金属製とした構成を採用する場合、前記ベースプレートと前記ケース部材とが金属・樹脂接着剤によって密封接着するとよい。これにより、ベースプレートを金属製とすることによる強度強化や冷却性の向上が得られる。
【０００９】
ベースプレートに形成されたフィンを効果的に冷却するための冷媒通路等を作り出すために、前記ケース部材の底壁の前記内部空間とは反対側の面に金属ケースを連結することになるが、この金属ケースとケース部材の底壁との連結も密封接着によって行われることが好ましい。これにより、ベースプレートとケース部材と金属ケースとが密封接着によって一体化されるので、この本発明による、ベースプレートとケース部材と金属ケースとからなる半導体モジュールにおいても上述した従来技術の問題点が解消される。
【００１０】
ベースプレートとケース部材と金属ケースとからなる半導体モジュールにおける好適な実施形態の１つでは、前記金属ケースの壁面に凹凸が設けられ、前記ケース部材を射出成形する際に射出成形樹脂と前記凹凸との間で実現する樹脂と金属を一体化する接合によって前記金属ケースと前記ケース部材とが密封接着されている。この一体化接合としては、特に金属にアルミニウムを用いる場合には、ＮＭＴ（ナノ・モールディング・テクノロジー）と呼ばれる一体化接合を採用することができる。ＮＭＴは、アルミニウムの表面を特殊処理により改質し、ナノレベルの表面凹凸に硬質樹脂を入れ込むことで、アルミニウムと樹脂を一体化する。これにより、金属ケースの凹凸面に直接樹脂を射出成形することで金属ケース上にケース部材が成形され、一体化したケース部材と金属ケースが作り出される。ケース部材と金属ケースとの間は完全に密封状態となり、かつその接合強度は半導体モジュールにとって十分なものとなる。
【００１１】
ベースプレートとケース部材と金属ケースとからなる半導体モジュールにおける、別な好適な実施形態の１つでは、前記ケース部材の前記一方の壁に貫通孔が設けられ、前記金属ケースの前記貫通孔に対応する壁面に前記貫通孔と連通して楔形状を作り出す凹部が設けられ、前記貫通孔と前記楔状凹部とへの樹脂充填を通じて作り出される楔形状結合体によって前記ケース部材と前記金属ケースとが密封接着されている。この形態では、充填された樹脂がケース部材と金属ケースとの接合領域で楔形状となることで、接合強度が強化される。さらにこの樹脂充填は、内部空間の樹脂充填と兼用して行うことができるので、コスト的かつ製造技術的にも有利である。
【００１２】
ベースプレートとケース部材と金属ケースとからなる半導体モジュールにおける、さらに別な好適な実施形態の１つでは、前記金属ケースに貫通孔が設けられ、前記ケース部材の前記貫通孔に対応する壁面にねじ穴が備えられ、前記金属ケースと前記ケース部材とがシール材とねじ締結によって密封接着される。この形態では、ねじ締結を用いることで金属ケースとケース部材との間の接合強度を従来のボルト連結と実質的に同一にしながらも、金属ケース側からねじ連結することで、ボルトの頭部による、ケース部材の横方向の大型化が回避される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態の１つに係る半導体モジュールの要部の構成を模式的に示す平面図である。
【図２】図１のII-II断面図である。
【図３】図１のIII-III断面図である。
【図４】図１の半導体モジュールに組み込まれているインバータ回路の配線図である。
【図５】本発明の別な実施形態に係る半導体モジュールの要部の構成を模式的に示す、図３に対応する断面図である。
【図６】本発明のさらに別な実施形態に係る半導体モジュールの要部の構成を模式的に示す、図３に対応する断面図である。
【図７】本発明のさらに別な実施形態に係る半導体モジュールの要部の構成を模式的に示す、図３に対応する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態の１つについて図面に基づいて説明する。本実施形態においては、本発明を三相交流用のインバータ回路を構成するインバータ装置としての半導体モジュール１に適用した例について説明する。図１は、本実施形態に係る半導体モジュール１の要部の構成を模式的に示す平面図である。図２は、図１のII-II断面図、図３は、図１のIII-III断面図、図４は、半導体モジュールに組み込まれているインバータ回路の配線図である。
【００１５】
図２と３に示すように、この半導体モジュール１は、ベースプレート２と、ベースプレート２の上面２Ａに載置された基板３と、基板３を囲む周壁４１とベースプレート２の下面２Ｂを支持する底壁４２とを有するケース部材４と、ケース部材４の底壁の下面に配置された金属ケース５を備えている。後で詳しく説明するが、ベースプレート２の接合下面部２ｂとケース部材４の接合上面４ａ、及びケース部材４の接合下面４ｂと金属ケース５の接合上面５ａは密封接着されている。なお、本実施形態においては、ベースプレート２の下面２Ｂが本発明における一方の面に相当し、上面２Ａが本発明における他方の面に相当する。
【００１６】
図４に示すように、この半導体モジュール１は、三相交流電動機３１の駆動用のインバータ回路１０を構成するため、図１に示すように、スイッチング素子１１及びダイオード素子１２をそれぞれ備えた６つの基板３を、ベースプレート２の上面２Ａに載置している。なお、この半導体モジュール１では、各基板３上のスイッチング素子１１の動作制御等を行うための制御基板が基板３の上方に配置されケース部材４によって支持されているが、ここではその図示は省略されている。
【００１７】
この半導体モジュール１は、特に最も発熱量が多いスイッチング素子１１の冷却を行うための冷媒流路６を形成している。この冷媒流路６は、金属ケース５に設けられた冷媒チャンバとしての冷媒流通用凹部５０に、複数のフィン７が配置されることにより形成され、そこに所定方向の平行な冷媒の流れを作り出している。複数のフィン７は、ベースプレート２の下面２Ｂに沿って互いに平行に配置されている。ここでは、各フィン７は、ベースプレート２の下面２Ｂに対して垂直に立設された所定厚さの板状に形成されており、ベースプレート２の下面２Ｂの切削加工等によってベースプレート２と一体的に形成されている。また、複数のフィン７の間隔はほぼ一定とされ、複数のフィン７の高さも一定とされている。
【００１８】
図１と図２と図３とに示すように、ベースプレート２は、ケース部材４の底壁４２を介して金属ケース５に支持されている。ケース部材４の底壁４２の中央領域には複数のフィン７が形成されているフィン領域がちょうど入り込むことができる大きさを有する開口４３が形成されており、この開口が底壁４２と周壁４１によって境界づけられた内部空間４０と通じている。ベースプレート２のフィン７がこの内部空間４０側から開口４３に入り込むことで、開口４３と金属ケース５の冷媒流通用凹部５０とによって形成された冷媒チャンバに複数の平行な冷媒の流れが作り出される。なお、図２や図３では、フィン７と冷媒流通用凹部５０の底面との間に空間があいているが、フィン７の先端と冷媒流通用凹部５０の底面との隙間をほぼゼロ、つまりフィン７の先端と冷媒流通用凹部５０の底面を接当するまで接近させた構造を採用してもよい。なお、この冷媒チャンバへの冷媒の流入通路と冷媒チャンバからの冷媒の流出通路は金属ケース５に形成されるが、その図示は省略されている。
【００１９】
次に、この実施形態の半導体モジュール１に組み込まれたインバータ回路１０の電気的な構成について説明する。図４に示すように、このインバータ回路１０は、三相交流電動機３１の駆動用の回路となっている。すなわち、このインバータ回路１０は、三相交流電動機３１のＵ相コイル３１ｕ、Ｖ相コイル３１ｖ、及びＷ相コイル３１ｗのそれぞれに対応して設けられた（Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各相に対応する）Ｕ相アーム３２ｕ、Ｖ相アーム３２ｖ、及びＷ相アーム３２ｗを備えている。そして、これらの各相用のアーム３２ｕ、３２ｖ、３２ｗは、それぞれ相補的に動作可能な一対の下アーム３３及び上アーム３４を有して構成されている。ここで、下アーム３３は、ｎｐｎ型のＩＧＢＴ素子でなる下アーム用スイッチング素子１１Ａと、この下アーム用スイッチング素子１１Ａのエミッタ−コレクタ間に並列に接続されたダイオード素子１２とを有している。同様に、上アーム３４は、ｎｐｎ型のＩＧＢＴ素子でなる上アーム用スイッチング素子１１Ｂと、この上アーム用スイッチング素子１１Ｂのエミッタ−コレクタ間に並列に接続されたダイオード素子１２とを有して構成されている。ここで、ダイオード素子１２は、アノードがスイッチング素子１１Ａ、４Ｂのエミッタに接続され、カソードがスイッチング素子１１Ａ、４Ｂのコレクタに接続されている。
【００２０】
また、各相用の一対の下アーム３３と上アーム３４とは、下アーム３３がグランドとなる負極Ｎ側となり、上アーム３４が電源電圧となる正極Ｐ側となるように直列に接続されている。具体的には、下アーム用スイッチング素子１１Ａのエミッタが負極Ｎに接続され、上アーム用スイッチング素子１１Ｂのコレクタが正極Ｐに接続されている。すなわち、下アーム用スイッチング素子１１Ａがロアサイドスイッチとなり、上アーム用スイッチング素子１１Ｂがハイサイドスイッチとなる。そして、下アーム用スイッチング素子１１Ａのコレクタと上アーム用スイッチング素子１１Ｂのエミッタとが、各アーム３２ｕ、３２ｖ、３２ｗが対応する電動機３１のＵ相コイル３１ｕ、Ｖ相コイル３１ｖ、及びＷ相コイル３１ｗのそれぞれに接続されている。
【００２１】
ケース部材４は、平面形状が金属ケース５と同一サイズの矩形状の底壁４２と、その全周にわたって立設された周壁４１とから構成されており、その内側に内部空間４０が形成されている。この内部空間４０の横断面形状はベースプレート２の横断面形状より大きく設計されており、前述したように、底壁４２に形成されている開口４３の横断面形状はベースプレート２の横断面形状よりは小さいが、ベースプレート２の下面２Ｂに形成された複数のフィン７によって規定されるフィン領域の平面形状よりは大きくなるように設計されている。これにより、ベースプレート２は、ケース部材４の開口４３を通じてフィン７を内部空間側から外部に突出させることができる。ケース部材４の底壁４２は、これに向き合っているベースプレート２の接合下面部２ｂと密封接着されている。この実施形態では、ケース部材４は樹脂製であり、ベースプレート２は銅製であることから、この密封接着は、銅と樹脂とを接着させる金属・樹脂接着剤によって行われる。図番８は、金属・樹脂接着剤によって形成された接着剤層を示しており、図ではわかりやすさのために誇張して示されている。
【００２２】
なお、ケース部材４には樹脂としてはＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド；Polyphenylenesulfide）やＣＶ（架橋ポリエチレン；Crosslinked polyethylene）などが用いられるが、いずれにせよここで使用される金属・樹脂接着剤としては、シリコン系、アクリル系、エポキシ系の各種の接着剤で、硬化された段階でシール材としても機能するものが適している。特に、ケース部材４とベースプレート２との熱膨張係数の違いに追従できる特性を有するものが好ましく、この点ではシリコン系が特に適している。最終的には、内部空間４０内には、エポキシ樹脂等の充填材が充填されて硬化され、これにより、ベースプレート２上に載置された６つの基板３とケース部材４とは一体化される。
【００２３】
なお、この実施形態では、金属ケース５がアルミニウム製であることから、ケース部材４はＮＭＴ（ナノ・モールディング・テクノロジー）を用いて金属ケース５上に形成される。つまり、金属ケース５の表面を特殊処理によりナノレベルの表面凹凸に改質し、そこに直接樹脂を射出成形することで、アルミニウム製の金属ケース５と樹脂製のケース部材４を一体化する。
【００２４】
もちろん、ケース部材４をあらかじめ樹脂で成形しておき、このケース部材４と金属ケース５との密封接着を、図５に示すように、ベースプレート２とケース部材４との接着と同様に、金属・樹脂接着剤を用いて行ってもよい。ここでも、金属ケース５とケース部材４との間に形成される接着剤層８は、わかりやすさのために誇張して示されている。また、この金属ケース５とケース部材４との接着に用いられる接着剤としては、ケース部材４とベースプレート２との密封接着に用いたものと同一のものを用いてもよいし、異なるものを用いてもよい。異なる接着剤を用いることによる利点は、その接着剤の熱膨張係数をケース部材４と金属ケース５との中間ととすることで、両者の熱膨張係数の違いに適合させることができるからである。
〔別実施の形態〕
（１）
ケース部材４と金属ケース５の密封接着は、上述したような、ＮＭＴを用いた樹脂と金属（アルミニウム）を一体化する接合や、金属・樹脂接着剤を用いた接着に限定されるわけではない。例えば、図６に示すように、ケース部材４と金属ケース５の接合領域に楔状に樹脂を充填することで幾何学的な形状による係止構造を採用してもよい。つまり、ケース部材４の底壁４２に貫通孔４４を設けけるとともに、この貫通孔４４に対応する金属ケース５の周壁上面５Ａに、貫通孔４４と連通することで楔形状となるように貫通孔４４の横断面より大きな横断面を有する楔用凹部５２を設けておく。周壁上面５Ａとケース部材４の底壁４２の下面を金属・樹脂接着剤を用いて接着するとともに、この貫通孔４４と楔用凹部５２に樹脂を充填することにより楔形状の樹脂体ＲＷが形成され、接着剤層８との相互効果もあり、その接着強度が強化される。なお、この貫通孔４４と楔用凹部５２とへの樹脂の充填が、基板３とケース部材４とを一体化するための樹脂充填とともに行われるようにすると、製造工程的に有利である。
【００２５】
ケース部材４と金属ケース５のさらに別な密封接着構造が、図７に示されている。この密封接着構造では、金属ケース５の周壁領域に楔用貫通孔５１が設けられ、ケース部材の４の底壁４２の下面側に当該楔用貫通孔５１に対応するねじ穴部４５が備えられている。この楔用貫通孔５１とねじ穴部４５にボルト９を挿入ねじ込みすることで、ケース部材４と金属ケース５をねじ締結する。このネジ締結の際に、周壁上面５Ａとケース部材４の底壁４２の下面を金属・樹脂接着剤を用いて接着しておくことで、その間の密封性を高めることができる。あるいは、金属・樹脂接着剤に代えて、Ｏリングを用いて密封性を保持するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、ベースプレートと、このベースプレートの一方の面に載置された基板と、その基板を囲むケース部材とを備えた半導体モジュールに好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１：半導体モジュール
２：ベースプレート
２Ａ：ベースプレートの上面（一方の面）
２Ｂ：ベースプレートの下面（他方の面）
３：基板
３Ａ：下アーム用基板
３Ｂ：上アーム用基板
４：ケース部材
４０：内部空間
４１：周壁
４２：底壁
４３：開口
４４：貫通孔
４５：ねじ穴部
５：金属ケース
５１：楔用貫通孔
５２：楔用凹部
６：冷媒流路
７：フィン
８：接着剤層
９：ボルト
１０インバータ回路
１１スイッチング素子
１２ダイオード素子
【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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