(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に半導体素子を封止した半導体モジュールであって、上記半導体素子の入力部および出力部に導電性と熱伝導性の高い金属材料から構成される電極を面接触させ、上記半導体素子並びに上記電極を積層構造とし、積層方向に積層部材相互を圧接するための弾性部材を設けたことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
電極となるコイルバネを上記半導体素子に押圧接触させるとともに、上記コイルバネの一端を制御基板に固着させたことを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
【請求項３】
上記コイルバネの位置決めを行なうための載頭円錐形状を有する案内部材を設けたことを特徴とする請求項２記載の半導体モジュール。
【請求項４】
上記積層部材の位置を決定するための位置決め部材を設けるとともに、各部材間に隙間を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
上記電極に放熱用のフィンを設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
冷却用の冷媒が通過するための貫通穴を上記電極内部に設けるとともに、上記貫通穴の内壁に凹凸形伏のフィンを設けたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
上記電極に空洞を設けるとともに、この空洞内に熱を移動させるための作動液を封入したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は電力変換装置などに用いられる半導体モジュールの構造に関するものであり、特にパワー半導体モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２２は従来のパワー半導体モジュールを示す断面図であり、このパワー半導体モジュールは、冷却装置を備えた汎用のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）モジュールである。
図において、６１はＩＧＢＴモジュール、６２はアルミや銅等からなる放熱用金属ベース板、６３は両面に銅等からなる金属箔が接着されたアルミナや窒化アルミ等からなる絶縁性基板、６４はＩＧＢＴ素子、６５はＩＧＢＴ素子６４のコレクタ電極、６６はＩＧＢＴ素子６４のエミッタ電極である。
【０００３】
また、６７は主回路配線のコレクタ用ブスバー、６８は主回路配線のエミッタ用ブスバー、６９は中継基板、７０はＩＧＢＴ素子６４のエミッタ電極６６と工ミッタ用ブスバー６８を接続するアルミワイヤ、７１は半田、７２はＩＧＢＴモジュール６１の内部を封止するシリコンゲル、７３はヒートシンク等の冷却装置、７４はグリース等のコンパウンドである。
【０００４】
図に示すように、ＩＧＢＴ素子６４のコレクタ電極６５は、絶縁性基板６３の上に半田７１を介して接合され、また絶縁性基板６３は放熱用金属ベース板６２の上に半田７１を介して接合され、ＩＧＢＴモジュール６１は冷却装置７３にコンパウンド７４を介して接続・圧接されている。ＩＧＢＴモジュールの運転時にＩＧＢＴ素子６４から発生する熱は、絶縁性基板６３と放熱用金属べース板６２とを介して冷却装置７３に伝導し、これによりＩＧＢＴ素子６４等が冷却される。
【０００５】
また、パワー半導体モジュールの他の構造としては、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ  Ｔｕｒｎ‐０ｆｆ  Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）等のパワー半導体素子の両面に、モリブデン、タングステン等からなる緩衝用電極と、銅等からなる主電極とが設けられ、パワー半導体モジュールの両面にヒートシンク等の冷却装置が取り付けられ、それぞれの接続部が外部からの圧力で接続されているような圧接スタック型モジュールがある。
【０００６】
これらのパワー半導体モジュールの内部構造においては、使用されている各部材の線膨張係数が互いに異なるので、運転時の温度変化により熱変形が起こり、これにより熱応力が発生する。
また、大容量化に伴って半導体素子での発熱量は増加するとともに、さらに熱サイクル数も増大しているため長期に亘る信頼性に関しても問題がある。
【０００７】
例えばＩＧＢＴモジュール６１では、絶縁性基板６３の線膨張係数が窒化アルミで構成した場合約４×１０-6／Ｋであるのに対して、放熱用金属ベース板６２の線膨張係数は銅で構成した場合約１６×１０-6／Ｋ、アルミで構成した場合約２３×１０-6／Ｋとその差が非常に大きく、このため運転時に生じる温度変化によって、絶縁性基板６３と放熱用金属ベース板６２の接合部には熱応力が発生し、従来の半田７１のような硬い材料で構成した場合は亀裂などが起こりやすく、長期信頼性に問題があった。
さらに、ＩＧＢＴモジュール６１と冷却装置７３の間は、熱伝導率の低いコンパウンド７４で接続・圧接する構造となっているため、熱抵抗が高く、冷却性能が低いという問題もあった。
【０００８】
また、圧接スタック型モジュールでは、パワー半導体素子と主電極の線膨張係数差が大きいため、パワー半導体素子と主電極の間に、パワー半導体素子と主電極材の中間の線膨張係数を持つ材料を緩衝用電極として挿入し、熱応力の緩和をはかり、半導体素子の破損を防止している。
しかしながら、この構造では、熱応力の発生はある程度は緩和できるものの、パワー半導体素子と緩衝用電極の接合部での熱応力が完全になくなるわけではない。
【０００９】
例えば、パワー半導体素子としてＧＴＯ素子を用いた場合、その線膨張係数は約３×１０-6／Ｋであるのに対して、緩衝用電極の線膨張係数はモリプデンで構成した場合約５×１０-6／Ｋであり、タングステンで構成した場合約４×１０-6／Ｋである。
また、モジュール内部の部材間の熱抵抗、あるいはモジュールと冷却装置の間の熱抵抗は、圧接力を大きくしなければ低減できないが、圧接力が大きいとパワー半導体素子が破損することがあるというような問題もあった。
【００１０】
このような温度変化による熱応力を緩和する手段として、例えば特開平１１−２３３６９６号公報には、パワー半導体モジュール内部の熱伝導路となる部材の長期に亘る信頼性と、半導体モジュールの冷却性能を向上させる構造が開示されている。
この構造は、パワー半導体モジュールの内部の熱伝導路となる絶縁基板と放熱用金属ベース板の間に、融点がパワー半導体素子の最高使用温度より低い低融点材が設けられ、かつこの低融点材と接触する絶縁基板および放熱用金属ベース板の表面には各々防食性部材がコーティングされ、その上に低融点材との接触性が良い高接触性部材がさらにコーティングされてなる２層のコーティングが設けられ、これにより部材間の熱応力がなくなり、長期に亘る信頼性が高められ、かつパワー半導体素子の冷却性能が高められるとともに、低融点材の合金化が抑制される。
【００１１】
また、圧接スタック型モジュールについては、例えば特開平５−２６７４９１号公報に圧接型半導体装置及びこれを使用した電力変換装置が開示されている。この公報には、半導体基板と緩衝用電極の間、緩衝用電極と主電極の間、更には半導体基板と主電力の間に軟質材料からなる軟質層を設けることによって熱応力を緩和し、低い圧接力で熱抵抗を低減するものが示されている。
【００１２】
さらに、もうひとつの圧接スタック型モジュールについての先行開示例として、例えば特開平６−３７２１９号公報にパワー半導体の冷却装置が示されている。
この構造によれば、複数個の平形パワー半導体素子を積層して構成したスタック組み立て体に対し、積層するプレート内部に冷媒通路を設けたコールドプレートをパワー半導体素子に重ねて介装し、かつコールドプレートに出入りする冷媒循環路を電気絶縁材料からなるパイプで構成し、冷媒を強制循環させて半導体で発生した熱を放熱器を通じて系外に放熱して冷却するものである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体モジュールは以上のように構成されていたので、特開平１１−２３３６９６号公報に開示された構造では、発熱源のパワー半導体素子の片面から冷却するため、基本的には従来と同様の熱伝導路を構成することになり、さらには、コーティングを複数層に設けることとなり、工数が増加してしまい、コスト的に問題があった。
【００１４】
又、特開平５−２６７４９１号公報に開示された構造では、部材間に軟質層を配置しているが、この構造によって熱応力が完全になくなるわけではないという問題があった。
さらに、特開平６−３７２１９号公報に開示された圧接スタック型の構造では、パワー半導体の電力を導電する部材と、同じくパワー半導体の熱を伝熱する部材とが互いに独立した個々の部材から構成されるため、部品数が増えてしまい構造が複雑になるとともに、組立て工数が増加するという問題があった。
【００１５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、パワー半導体モジュール内部の熱伝導路となる各部材間の熱応力をなくすことにより、パワー半導体モジュールの信頼性を長期に亘って継続させることができ、さらにはパワー半導体モジュール内部の熱伝導路となる各部材間の熱抵抗の低減、及びパワー半導体モジュールと冷却装置の間の熱抵抗の低減をはかることができる半導体モジュールを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項ｌに係る半導体モジュールは、内部に半導体素子を封止したものであって、半導体素子の入力部および出力部に導電性と熱伝導性の高い金属材料から構成される電極を面接触させ、半導体素子並びに電極を積層構造とし、積層方向に積層部材相互を圧接するための弾性部材を設けたものである。
【００１７】
この発明の請求項２に係る半導体モジュールは、電極となるコイルバネを半導体素子に押圧接触させるとともに、コイルバネの一端を制御基板に固着させたものである。
【００１８】
この発明の請求項３に係る半導体モジュールは、コイルバネの位置決めを行なうための截頭円錐形伏を有する案内部材を設けたものである。
【００１９】
この発明の請求項４に係る半導体モジュールは、積層部材の位置を決定するための位置決め部材を設けるとともに、各部材間に隙間を設けたものである。
【００２０】
この発明の請求項５に係る半導体モジュールは、電極に放熱用のフィンを設けたものである。
【００２１】
この発明の請求項６に係る半導体モジュールは、冷却用の冷媒が通過するための貫通穴を電極内部に設けるとともに、貫通穴の内壁に凹凸形状のフィンを設けたものである。
【００２２】
この発明の請求項７に係る半導体モジュールは、電極に空洞を設けるとともに、この空洞内に熱を移動させるための作動液を封入したものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の一実施形態を図に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施の形態１によるＩＧＢＴモジュールを示す平面図、図２は図１のＡ方向から見た側面図、図３は図１のＢ方向から見た正面図である。図において、１はＩＧＢＴモジュール、２は銅やアルミ等からなる一方のＩＧＢＴ素子のコレクタ部に面接触する電極であり、放熱用のフィン３を有している。
【００２４】
４は銅やアルミ等からなる他方のＩＧＢＴ素子に於けるエミッタ部に接する電極で、電極２と同様に放熱用のフィン３を有する。
５は電極２がＩＧＢＴ素子のコレクタ部に接することで、コレクタとして機能する場合には、エミッタ部となり、更には電極４がＩＧＢＴ素子のエミッタ部に接することで、エミッタとして機能する場合にはコレクタ部となる共用電極であり、電極２、４と同様に放熱用のフィン３が設けられている。
【００２５】
又、６は各部品を埋め込んだモジュール本体、７はＩＧＢＴ素子のスイッチ信号を制御する制御基板、８はＩＧＢＴ素子のスイッチ信号をＩＧＢＴ素子のゲート部、あるいはベース部に伝達する電極で、バネ鋼に錫メッキ等を施したコイルバネからできている。
【００２６】
また、図４は図２におけるＣ−Ｃ線断面平面図であり、図において、９はＩＧＢＴ素子、１０はゲート部、１１はフライホイルダイオードであり、ＩＧＢＴ素子９とは対に構成されている。
【００２７】
電極２は、制御の対象となるモータ（図示しない）が電動機として作用する場合に、ＩＧＢＴ素子９のコレクタ部に電池（図示しない）からの正電圧を導く働きを有している。そして電極２が接するＩＧＢＴ素子９のゲート信号がＯＮであれば、エミッタから電池の正電圧が放出され、電極５がこれを導き、モータ（図示しない）の界磁コイル（図示しない）に電流を伝達する。
【００２８】
反対にモータが発電機として作用し、発電機が回生制動の際、電池に蓄電作用する場合には、発電機（図示しない）の界磁コイル（図示しない）で発生した電流を電極５が導くことにより、電極５はＩＧＢＴ素子のコレクタ部として機能し、発電機からの正電圧を供給する。
このとき、電極５に接するＩＧＢＴ素子のゲート信号がＯＮであれば、エミッタから正電位が電極４により通電され、二次電池（図示しない）ヘと電流を伝達する。
【００２９】
図５は図ｌにおけるＤ−Ｄ線側面断面図であり、図において、１２はＩＧＢＴ素子９のゲート部１０の電極となるコイルバネ８を所望の位置に案内するための截頭直円錐形状を有する案内部材である。
そして、制御基板７に固着されたゲート電極となるコイルバネ８が、モジュール本体６に組みつけられるときに、モジュール本体６側に固着された截頭直円錐形状の案内部材１２の斜面に沿いながら、コイルバネ８の中心と、ＩＧＢＴ素子９のゲート部１０の中心が、截頭直円錐形状の案内部材１２の円錐の軸１２ａと同軸となるように自動的に位置合わせされるので、コイルバネ８とゲート部１０との微妙な位置調整が不要となり、しかも簡便で高速かつ確実にゲート部１０にコイルバネ８が接触するよう組み立てることができる。
【００３０】
更に、１３は板バネなどからなるバネであり、ＩＧＢＴ素子９とフライホイルダイオード１１、および電極２、４、５とを積層した状態で押圧力を発生させるもので、これにより、ＩＧＢＴ素子９と電極２、４、５の電気的な導通を可能にするとともに、ＩＧＢＴ素子９とフライホイルダイオード１１で発生する熱を、電極２、４、５に伝えるようにすることができる。
【００３１】
図６は図２におけるＥ−Ｅ線正面断面図であり、図において、１４はパワー半導体モジュール内部の積層構造の各層において、ＩＧＢＴ素子９、フライホイルダイオード１１および電極２、４、５の位置を決定するための位置決め板状部材である。そしてこの位置決め部材１４は上記ＩＧＢＴ素子９等を構成する部材と積層方向の厚みがほぼ等しく構成されており、より正確には若干（１０〜１００μｍ程度）薄くなる寸法を有し、電気的に絶縁され、かつ熱的な伝導性に優れる材料で構成されており、たとえばセラミック（内部抵抗約１０１０Ωｍ、熱伝導率１７０Ｗ／ｍ・Ｋ、線膨張係数約４.５×１０−６／Ｋ）や磁器（内部抵抗約１０１１Ωｍ、熱伝導率１.５Ｗ／ｍ・Ｋ、線膨張係数約４.５×１０−６／Ｋ）からなり、上記ＩＧＢＴ素子９等を構成する部材の周囲を囲むようにして位置決めを行う。
【００３２】
この時、各層においてはＩＧＢＴ素子９等の各機能部材と位置決め部材１４は相互に隙間ｘを有し、隣接して配置される。
この隙間ｘはＩＧＢＴ素子９及びフライホイルダイオード１１の半導体素子を構成する主材料であるシリコンの線膨張係数約２.４×１０−６／Ｋと、板状の位置決め部材１４の線膨張係数約４.５×１０−６／Ｋ、更には電極２、４、５を構成する銅の線膨張係数約１６.７×１０−６／Ｋまたはアルミの線膨張係数約２３×１０−６／Ｋ等、異種材料による膨張差を吸収するための空間を確保する為に設けられたものである。
【００３３】
また、１５はケースであり、板状位置決め部材１４と同様に、電気絶縁性と熱伝導性に優れる材料からなり、パワー半導体モジュール外殻の下部を構成しており、このケース１５と、外殻の上部を構成するカバー１６が、互いに嵌め合わされることでパワー半導体モジュール外殻を構成し、モジュール本体６を形成する。
【００３４】
以上のように、本発明に係るパワー半導体モジュールは、パワー半導体モジュール内部の電力および熱の伝導路となる部材間に、半田等の導電性溶着接合部材を溶着せず、パワー半導体素子のパワー入力部およびパワー出力部に、直接導電性と熱伝導性とに優れる金属材料からなる電極２，４，５を面接触させることにより、導電性と熱伝導性とを発揮させるため、本来の電力の導電機能を確保しながらも、発生する熱による部材間の熱応力が発生せず、パワー半導体モジュールの長期に亘る信頼性を確保することができる。
【００３５】
又、本洗明に係るパワー半導体モジュールは、パワー半導体モジュール内部の電力および熱の伝導路となる部材を積層構造とするとともに、積層方向に積層部材相互を加圧するためのバネ１３等からなる弾性部材を設けたので、所望の導電性と熱伝導性（熱抵抗）、および機械的耐久性を設定し維持できることが可能となり、パワー半導体素子の長寿命化を図るとともに、長期に亘る信頼性を確保することができる。
【００３６】
更に、本発明に係るバワー半導体モジュールは、パワー半導体素子におけるゲート部１０あるいはベース部に、通電と遮断の信号を伝送するための電極として、導電性材料により成形したコイルバネ８を構成し、このコイルバネ８を押圧接触することで電気的な導通を可能としたので、本来の導電機能を確保しながらも、発生する熱による部材間の熱応力が発生せず、パワー半導体素子の長期信頼性が飛躍的に向上する。
さらに、コイルバネ８を制御基板７側に固着させるために、パワー半導体素子に通電と遮断の信号を伝送する電極となる部材を別に設ける必要がなく、構造が簡素化され、パワー半導体素子の製造コストが抑制できる。
【００３７】
又、本発明に係るパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子のゲート部１０あるいはベース部の中心と、その中心軸とが一致し、かつゲート電極あるいはベース電極となるコイルバネ８の形状に応じた截頭直円錐形状の案内部材１２を設けたので、組立て時にパワー半導体素子のゲート部１０あるいはベース部と、電極となるコイルバネ８との位置調整をする必要がなく、組立て性が簡素化されるので、製造コストを抑えることができる。
【００３８】
更に、本発明に係るパワー半導体モジュールは、截頭直円錐形状の案内部材１２が、パワー半導体モジュール本体の積層構造側に固着されるため、截頭直円錐の中心軸１２ａとパワー半導体のゲート部１０あるいはベース部の位置とが合致する構造となるので、組立て時にパワー半導体素子のゲート部１０あるいはベース部と、電極となるコイルバネ８との位置調整をする必要がなくなり、組立てが簡素化されるので、製造コストを抑えることができる。
【００３９】
又、本発明に係るパワー半導体モジュールは、パワー半導体モジュールの積層構造において、同層で隣り合う複数の部材間に隙間ｘを設けたので、熱変化による膨張と収縮による部材間の熱応力が発生せず、パワー半導体モジュールの長期信頼度が向上する。
【００４０】
更に、本発明に係るパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子のパワー入力部とパワー出力部に面接触させる導電性と熱伝導性に優れる金属部材において、この金属部材（電極）に放熱用のフィン３を設けることにより、冷却性能が高まるので、パワー半導体素子の長寿命化を図るとともに、長期に亘る信頼度を確保することができる。
【００４１】
実施の形態２．
上記のような本発明の実施の形態１にかかるＩＧＢＴモジュールの構造では、比較的少ない種類の部材でパワー半導体モジュールの導電機能を確保することができるものの、パワー半導体素子の冷却に関しては、効率が良いものとはいえない。
なぜなら熱源となるパワー半導体素子から伝熱される熱流束は、一旦、電極２，４，５の断面内を通過し、放熱フィン３のある部位にまで移動をすることになる。
【００４２】
この熱流東の移動に際して熱抵抗Ｒｔｈが発生するが、熱抵抗Ｒｔｈは次式で表されるように
Ｒｔｈ＝Ｄ／λ・Ｓ
Ｄ：熱の移動する距離［ｍ］
λ：熱伝導率［Ｗ／ｍ・Ｋ］
Ｓ：熱の移動する経路の断面積［ｍ２］
移動する距離Ｄに比例し、熱流束の通過する部材の断面積Ｓに反比例する。このことは本発明の実施の形態１にかかるＩＧＢＴモジュールの電極２，４，５のように、比較的細長く扁平の形状の部材では、熱の移動距離Ｄが長くなり、しかも断面積Ｓが小さくなるため、抵抗Ｒｔｈの値は高い値にならざるを得ないからである。
【００４３】
また、断面積Ｓを増加させるために単純に部材の寸法を増やすことは、モジュールの本来の目的である小型化と低コスト化に違背することとなる。
熱抵抗Ｒｔｈの値が高くなると、定常状態においては伝達経路の部材の温度が比例して上昇し、熱源となるパワー半導体素子の温度も、この伝達経路部材の温度より高い状態で維持されることになってしまう。
そこで、熱の移動距離Ｄを最小に抑えつつ、できるだけ熱流束が通過できるよう断面積Ｓを広く確保することにより、熱抵抗Ｒｔｈを最小限にするために、実施の形態２においては、電極に付帯する冷却構造を工夫するものである。
【００４４】
図７はこの発明の実施の形態２によるＩＧＢＴモジュールを示す平面図、図８は図７のＦ方向からみた側面図、図９は図７のＧ方向からみた正面図である。
図において、２１はＩＧＢＴモジュール、２２は銅やアルミ等からなるＩＧＢＴ素子のコレクタ部に接する電極であり、冷却のための冷媒を伝送するとともに電気的に絶縁性を有する材料から構成される配管（図示しない）と嵌め合い結合で一体となるニップル２３が、電極２２に圧入されている。
【００４５】
２４は銅やアルミ等からなるＩＧＢＴ素子におけるエミッタ部に接する電極で、電極２２と同様に冷媒用のニップル２３が圧入される。２５は電極２２がＩＧＢＴのコレクタ部に接することでコレクタとして機能する場合にはエミッタ部となり、更には電極２４がＩＧＢＴ素子のエミッタ部に接することで、エミッタとして機能する場合にはコレクタ部となる共用電極であり、電極２２，２４と同様に冷媒用のニップル２３が圧入されている。
【００４６】
又、２６は各部品を埋め込んだモジュール本体、２７はＩＧＢＴ素子のスイッチ信号を制御する制御基板、２８はＩＧＢＴ素子のスイッチ信号をＩＧＢＴのゲート部に伝達する電極で、バネ鋼に錫メッキ等を施したコイルバネからできている。
【００４７】
図１０は図８におけるＨ−Ｈ線断面平面図、図１１は図８におけるＩ−Ｉ線断面平面図であり、図において、２９はＩＧＢＴ素子、３０はゲート部、３１はフライホイルダイオードであり、ＩＧＢＴ素子２９とは対に構成されている。
電極２２は、制御の対象となるモータ（図示しない）が電動機として作用する場合に、ＩＧＢＴ素子のコレクタ部に電池（図示しない）からの正電圧を導く働きを有している。そして、電極２２が接するＩＧＢＴ素子のゲート信号がＯＮであれば、エミッタから電池の正電位が放出され、電極２５がこれを導き、モータ（図示しない）の界磁コイル（図示しない）に電流を伝達する。
【００４８】
反対にモータが発電機として作用し、発電機が回生制動の際、電池に蓄電作用する場合には、図１１に記載されたもう一つのＩＧＢＴ素子２９が機能することになる。
即ち、発電機（図示しない）の界磁コイル（図示しない）で発生した電流を電極２５が導くことにより、電極２５はＩＧＢＴ素子のコレクタ部として機能し、発電機からの正電圧を供給する。
このとき電極２５に接するＩＧＢＴ素子のゲート信号がＯＮであれば、エミッタから正電位が電極２４により通電され、二次電池（図示しない）ヘと電流を伝達し充電する。
【００４９】
図１２は図７におけるＪ−Ｊ線側面断面図であり、図において、３２はＩＧＢＴ素子２９のゲート部３０の電極となるコイルバネ２８を所望の位置に案内するための截頭直円錐形状を有する案内部材である。
これは制御基板２７に固着されたゲート電極となるコイルバネ２８が、モジュール本体２６に組みつけられるときに、モジュール本体２６側に固着された截頭直円錐形状の案内部材３２の斜面に沿いながら、コイル電極のバネ２８の中心と、ＩＧＢＴ素子２９のゲート部３０の中心が、截頭直円錐形状の案内部材３２の円錐の軸３２ａと同軸となるように自動的に位置合わせされるので、コイルバネ２８とゲート部３０との微妙な位置調整が不要となり、しかも簡便で高速かつ確実にゲート部３０にコイルバネ２８が接触するよう組み立てることができる。
【００５０】
更に、３３は板バネ等からなるバネであり、ＩＧＢＴ素子２９とフライホイルダイオード３１、および電極２２，２４，２５とを積層した状態で押圧力を発生させるもので、これにより、ＩＧＢＴ素子２９と電極２２，２４，２５の電気的な導通を可能にするとともに、ＩＧＢＴ素子２９とフライホイルダイオード３１で発生する熱を、電極２２，２４，２５に伝えるようにすることができる。
【００５１】
図１３は図８におけるＫ−Ｋ線正面断面図であり、図において、３４はパワー半導体モジュール内部の積層構造の各層において、ＩＧＢＴ素子２９、フライホイルダイオード３１および電極２２，２４，２５の位置を決定するための位置決め部材である。そして、この位置決め部材３４は上記ＩＧＢＴ素子２９等を構成する部材と積層方向の厚みがほぼ等しく構成されており、より正確には若干（１０〜１００μｍ程度）薄くなる寸法を有し、電気的に絶縁され、かつ熱的な伝導性に優れる材料で構成されており、たとえばセラミック（内部抵抗約１０１０Ωｍ、熱伝導率１７０Ｗ／ｍ・Ｋ、線膨張係数約４.５×１０-6／Ｋ）や磁器（内部抵抗約１０１１Ωｍ、熱伝導率１.５Ｗ／ｍ・Ｋ、線膨張係数約４.５×１０-6／Ｋ）からなり、上記ＩＧＢＴ素子２９等を構成する部材の周囲を囲むようにして位置決めを行う。
【００５２】
この時、各層においてはＩＧＢＴ素子２９等の各機能部材と位置決め部材３４は相互に隙間ｘを有し、隣接して配置される。この隙間ｘはＩＧＢＴ素子２９及びフライホイルダイオード３１の半導体素子を構成する主材料であるシリコンの線膨張係数約２.４×１０-6／Ｋと、板状の位置決め部材３４の線膨張係数約４.５×１０-6／Ｋ、更には電極２２，２４，２５を構成する銅の線膨張係数約１６.７×１０-6／Ｋ、またはアルミの線膨張係数約２３×１０-6／Ｋ等、異種材料による膨張差を吸収するための空間を確保する為に設けられたものである。
【００５３】
又、３５はケースであり、板状位置決め部材３４と同様に、電気絶縁性と熱伝導性に優れる材料からなり、パワー半導体モジュール外殻の下部を構成しており、このケース３５と、外殻の上部を構成するカバー３６が、互いに嵌め合わされることで、パワー半導体モジュール外殻を構成し、モジュール本体２６を形成する。
【００５４】
図１４は図８におけるＬ−Ｌ線正面断面図であり、図において、３７は電極２２，２４，２５の内部を貫通する冷却用の冷媒が通過するための貫通穴である。図１５はこの貫通穴３７の断面形状を示すための拡大図である。図１５に示すように、冷媒との接触面積を広げるために、貫通穴３７の内壁には、凹凸形状のフィン３８が設けられている。この凹凸形状のフィン３８が接触面積を広げ、熱抵抗Ｒｔｈを抑え、熱伝達性能を高めている。このように冷却性能が高まるので、パワー半導体素子の長寿命が図れるとともに、長期に亘って信頼性を確保することができる。
【００５５】
そして、貫通穴３７を通過する冷却用の冷媒として、電気的に絶縁材料となる空気、あるいはフロロカーボン液などを使用することが考えられる。
【００５６】
実施の形態３．
本実施形態は、更に熱の移動を高速に行い、効率的に熱交換を行うため、ヒートパイプを電極に施したものである。
図１６はこの発明の実施の形態３によるＩＧＢＴモジュールを示す平面図、図１７は図１６のＭ方向からみた側面図、図１８は図１６のＮ方向からみた正面図である。図において、４１はＩＧＢＴモジュール、４２は銅により外殻を構成するヒートパイプであり、一方のＩＧＢＴ素子のコレクタ部に接する電極をも兼ねている。
又、このヒートパイプ４２の放熱部には放熱用のフィン４３を有している。
【００５７】
４４は鋼からなるヒートパイプで、他方のＩＧＢＴ素子におけるエミッタ部に接する電極をも兼ねており、ヒートパイプ４２と同様に放熱用のフィン４３を有する。
４５は電極４２がＩＧＢＴ素子のコレクタに接することでコレクタとして機能する場合はエミッタ部となり、更には電極４４がＩＧＢＴ素子のエミッタ部に接することで、エミッタとして機能する場合にはコレクタ部となる共用電極であり、これも銅から構成され、ヒートパイプをも兼用し、放熱用のフィン４３を有している。
【００５８】
又、４６は各部品を埋め込んだモジュール本体、４７はＩＧＢＴ素子のスイッチ信号を制御する制御基板、４８はＩＧＢＴ素子のスイッチ信号をＩＧＢＴ素子のゲート部に伝達する電極で、バネ鋼に錫メッキ等を施したコイルバネからできている。
【００５９】
又、図１９は図１７におけるＯ−Ｏ線断面平面図であり、図において、４９はＩＧＢＴ素子、５０はゲート部、５１はフライホイルダイオードであり、ＩＧＢＴ素子４９とは対に構成されている。
【００６０】
電極４２は、制御の対象となるモータ（図示しない）が電動機として作用する場合に、ＩＧＢＴ素子４９のコレクタ部に電池（図示しない）からの正電圧を導く働きを有している。そして、電極４２が接するＩＧＢＴ素子４９のゲート信号がＯＮであれば、エミッタから電池の正電圧が放出され、電極４５がこれを導き、モータ（図示しない）の界磁コイル（図示しない）に電流を伝達する。
【００６１】
反対にモータが発電機として作用し、発電機が回生制動の際、電池に蓄電作用する場合には、発電機（図示しない）の界磁コイル（図示しない）で発生した電流を電極４５が導くことにより、電極４５はＩＧＢＴ素子４９のコレクタ部として機能し、発電機からの正電圧を供給する。
このとき電極４５に接するＩＧＢＴ素子４９のゲート信号がＯＮであれば、エミッタから正電位が電極４４により通電され、二次電池（図示しない）ヘと電流を伝達する。
【００６２】
図２０は図１６におけるＰ−Ｐ線側面断面図であり、図において、５２はＩＧＢＴ素子４９のゲート部５０の電極となるコイルバネ４８を所望の位置に案内するための截頭直円錐形状を有する案内部材である。
これは制御基板４７に固着されたゲート電極となるコイルバネ４８が、モジュール本体４６に組みつけられるときに、モジュール本体４６側に固着された截頭直円錐形状の案内部材５２の斜面に沿いながら、コイルバネ４８の中心と、ＩＧＢＴ素子４９のゲート部５０の中心が、截頭直円錐形状の案内部材５２の円錐の軸５２ａと同軸となるように自動的に位置合わせされるので、コイルバネ４８とゲート部５０との微妙な位置調整が不要となり、しかも簡便で高速かつ確実にゲート部５０にコイルバネ４８が接触するよう組み立てることができる。
【００６３】
更に、５３は板バネ等からなるバネであり、ＩＧＢＴ素子４９とフライホイルダイオード５１、および電極４２，４４，４５とを積層した状態で押圧力を発生させるもので、これによりＩＧＢＴ素子４９と電極４２，４４，４５の電気的な導通を可能にするとともに、ＩＧＢＴ素子４９とフライホイルダイオード５１で発生する熱を、電極４２，４４，４５に伝えるようにすることができる。
【００６４】
図２１は図１７におけるＱ−Ｑ線正面断面図であり、図において、５４はパワー半導体モジュール内部の積層構造の各層において、ＩＧＢＴ素子４９、フライホイルダイオード５１および電極４２，４４，４５の位置を決定するための位置決め板状部材である。そしてこの位置決め板状部材５４は上記ＩＧＢＴ素子４９等を構成する部材と積層方向の厚みがほぼ等しく構成されており、より正確には若干（１０〜１００μｍ程度）薄くなる寸法を有し、電気的に絶縁され、かつ熱的な伝導性に優れる材料で構成されており、たとえばセラミック（内部抵抗約１０１０Ωｍ、熱伝導率１７０Ｗ／ｍ・Ｋ、線膨張係数約４.５×１０−６／Ｋ）や磁器（内部抵抗約１０１１Ωｍ、熱伝導率ｌ.５Ｗ／ｍ・Ｋ、線膨張係数約４.５×１０−６／Ｋ）からなり、上記ＩＧＢＴ素子４９等を構成する部材の周囲を囲むようにして位置決めを行う。
【００６５】
この時、各層においてはＩＧＢＴ素子４９等の各機能部材と位置決め部材５４は相互に隙間ｘを有し、隣接して配置される。
この隙間ｘはＩＧＢＴ素子４９及びフライホイルダイオード５１の半導体素子を構成する主材料であるシリコンの線膨張係数約２.４×１０−６／Ｋと、板伏の位置決め部材５４の線膨張係数約４.５×１０−６／Ｋ、更には電極４２，４４，４５を構成する銅の線膨張係数約１６.７×１０−６／Ｋまたはアルミの線膨張係数約２３×１０−６／Ｋ等、異種材料による膨張差を吸収するための空間を確保する為に設けられたものである。
【００６６】
又、５５はケースであり、板状位置決め部材５４と同様に、電気絶縁性と熱伝導性に優れる材料からなり、パワー半導体モジュール外殻の下部を構成しており、このケース５５と、外殻の上部を構成するカバー５６が、互いに嵌め含わされることで、パワー半導体モジュール外殻を構成し、モジュール本体４６を形成する。
【００６７】
電極４２，４４，４５は図２０に示すように、内部に空洞５７が設けられており、ウイック（図示しない）とよばれる毛細管組織がこの空洞５７の内壁面に形成され、さらにこの内側の空間に作動液（図示しない）とよばれる、熱を移動させる液体が封入されている。
ＩＧＢＴ素子４９とフライホイルダイオード５１で発生した熱が、熱伝導体であるヒートパイプを兼ねる電極４２，４４，４５に伝達され、ヒートパイプの入熱部の壁に伝達される。
これにより、ヒートパイプの内側の空洞５７に封入されている作動液が加熱され蒸発する。
【００６８】
この気化によって得られた蒸気は、ヒートパイプの入熱部から放熱部に移動し、放熱部で熱を放出して凝縮し再び作動液に戻る。
蒸気から放出された潜熱は、ヒートパイプの放熱部のフィン４３に伝達されて空気中に放出される。
また、作動液はヒートパイプの放熱部から入熱部に還流する。
【００６９】
また、上記各実施の形態で説明したパワー半導体素子は、ＩＧＢＴ素子に限定するものではなく、ＩＧＢＴ素子の他にダイオード、サイリスタ、トライアック、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、ＳＩＴ等を単独、あるいはこれらが混在するものを用いることができる。
【００７０】
上記のように、本発明に係るパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子のパワー入力部とパワー出力部に面接触させる導電性と熱伝導性に優れる金属部材を設け、この金属部材をヒートパイプとしても機能させるので、熱源となるパワー半導体素子を複数の異種部材を介在させて冷却するのではなく、この金属部材（電極）自体で冷却機能を兼ねるため、構成部材の簡素化と組立ての容易化が可能となり、パワー半導体モジュールの製造に関するコストを大幅に下げる効果が得られる。
【００７１】
さらに、この金属部材（電極）に熱を吸熱し移動させる冷媒の通路を構成することにより、熱抵抗を大幅に抑えることが可能となり、パワー半導体素子の長寿命化と長期に亘る信頼性をさらに向上させることが可能となる。
また、金属部材（電極）に放熱用のフィン４３を設けることにより、冷却性能が高まるので、パワー半導体素子の長寿命化と長期に亘る信頼性をさらに向上させることが可能となる。
【００７２】
【発明の効果】
この発明の請求項１に係る半導体モジュールによれば、内部に半導体素子を封止したものであって、半導体素子の入力部および出力部に導電性と熱伝導性の高い金属材料から構成される電極を面接触させ、半導体素子並びに電極を積層構造とし、積層方向に積層部材相互を圧接するための弾性部材を設けたので、発生する熱による部材間の熱応力が発生せず、又、所望の導電性と熱伝導性、並びに機械的耐久性を維持することができ、半導体素子の長寿命化が図れ、長期に亘る信頼性を確保することができる。
【００７３】
この発明の請求項２に係る半導体モジュールによれば、電極となるコイルバネを半導体素子に押圧接触させるとともに、コイルバネの一端を制御基板に固着させたので、構造が簡素化され、製造コストを抑制することができる。
【００７４】
この発明の請求項３に係る半導体モジュールによれば、コイルバネの位置決めを行なうための截頭円錐形状を有する案内部材を設けたので、組立てを容易に行なうことができる。
【００７５】
この発明の請求項４に係る半導体モジュールによれば、積層部材の位置を決定するための位置決め部材を設けるとともに、各部材間に隙間を設けたので、部材間の熱応力が発生しなくなる。
【００７６】
この発明の請求項５に係る半導体モジュールによれば、電極に放熱用のフィンを設けたので、冷却性能を高めることができる。
【００７７】
この発明の請求項６に係る半導体モジュールによれば、冷却用の冷媒が通過するための貫通穴を電極内部に設けるとともに、貫通穴の内壁に凹凸形状のフィンを設けたので、冷却性能を高めることができる。
【００７８】
この発明の請求項７に係る半導体モジュールによれば、電極に空洞を設けるとともに、この空洞内に熱を移動させるための作動液を封入したので、冷却性能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１による半導体モジュールを示す平面図である。
【図２】  図１のＡ方向から見た側面図である。
【図３】  図ｌのＢ方向から見た正面図である。
【図４】  図２におけるＣ−Ｃ線断面平面図である。
【図５】  図１におけるＤ−Ｄ線断面側面図である。
【図６】  図２におけるＥ−Ｅ線断面正面図である。
【図７】  この発明の実施の形態２による半導体モジュールを示す平面図である。
【図８】  図７のＦ方向から見た側面図である。
【図９】  図７のＧ方向から見た正面図である。
【図１０】  図８におけるＨ−Ｈ線断面平面図である。
【図１１】  図８におけるＩ−Ｉ線断面平面図である。
【図１２】  図７におけるＪ−Ｊ線断面側面図である。
【図１３】  図８におけるＫ−Ｋ線断面正面図である。
【図１４】  図８におけるＬ−Ｌ線断面正面図である。
【図１５】  貫通穴部分を示すための拡大図である。
【図１６】  この発明の実施の形態３による半導体モジュールを示す平面図である。
【図１７】  図１６のＭ方向から見た側面図である。
【図１８】  図１６のＮ方向から見た正面図である。
【図１９】  図１７におけるＯ−Ｏ線断面平面図である。
【図２０】  図１６におけるＰ−Ｐ線断面側面図である。
【図２１】  図１７におけるＱ−Ｑ線断面正面図である。
【図２２】  従来の半導体モジュールを示す断面図である。
【符号の説明】
２，４，５，２２，２４，２５，４２，４４，４５  電極、３，４３  フィン、７，２７，４７  制御基板、８，２８，４８  コイルバネ、１２，３２，５２案内部材、１３，３３，５３  弾性部材、１４，３４，５４  位置決め部材、３７  貫通穴、５７  空洞。
【図１】
0003669971.tif 000002
【図２】
0003669971.tif 000003
【図３】
0003669971.tif 000004
【図４】
0003669971.tif 000005
【図５】
0003669971.tif 000006
【図６】
0003669971.tif 000007
【図７】
0003669971.tif 000008
【図８】
0003669971.tif 000009
【図９】
0003669971.tif 000010
【図１０】
0003669971.tif 000011
【図１１】
0003669971.tif 000012
【図１２】
0003669971.tif 000013
【図１３】
0003669971.tif 000014
【図１４】
0003669971.tif 000015
【図１５】
0003669971.tif 000016
【図１６】
0003669971.tif 000017
【図１７】
0003669971.tif 000018
【図１８】
0003669971.tif 000019
【図１９】
0003669971.tif 000020
【図２０】
0003669971.tif 000021
【図２１】
0003669971.tif 000022
【図２２】
0003669971.tif 000023