(57)【要約】【課題】圧接により半導体素子と電極端子を接続する半導体モジュールの内部状態を検出する。【解決手段】スイッチング素子２、ＡＣ電極端子３、ＤＣ電極端子４、偏荷重抑制部材５、ひずみゲージ６を備える半導体モジュール１である。ＡＣ電極端子３を、スイッチング素子２の上面に設け、ＤＣ電極端子４を、偏荷重抑制部材５を介してスイッチング素子２の下面に設ける。ＡＣ電極端子３の上面に絶縁板７を介して冷却器８を設け、ＤＣ電極端子４の下面に絶縁板７を介して冷却器１０を設け、冷却器８，１０間をボルト１１で締結する。冷却器８，１０間であって、半導体モジュール１の側面にケース１２を設け、このケース１２の外側面にひずみゲージ６を設ける。このひずみゲージ６で、ケース１２にかかる圧接方向の圧縮応力を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、前記半導体素子に形成された電極層と電気的に接続される電極端子と、を有し、前記半導体素子と前記電極端子が圧接により接続される半導体モジュールであって、
前記半導体素子と前記電極端子を積層した積層体を収納し、前記電極端子を前記半導体素子に圧接する圧接力の一部を分担する筺体と、
前記筐体に設けられ、当該筐体にかかる圧接方向の圧縮応力を計測する圧縮応力計測手段と、を有する
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記半導体素子と前記電極端子の間に圧接時の荷重により塑性変形する偏荷重抑制部材を設ける
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記半導体モジュール内部に不活性ガスを充填する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
半導体素子と、
前記半導体素子に形成された電極層と電気的に接続される電極端子と、
前記半導体素子を前記電極端子を介して冷却する冷却器と、
前記冷却器を半導体素子方向に圧接する複数の締結部材と、
前記電極端子と前記冷却器との間または前記半導体素子と前記電極端子との間に設けられ、圧接時の荷重により塑性変形する偏荷重抑制部材と、
前記冷却器に設けられ、前記半導体素子、前記電極端子及び前記偏荷重抑制部材を積層した積層体を収納する筐体と、
を有する半導体モジュールの製造方法であって、
前記電極端子を前記半導体素子方向に圧接する圧接力の一部を前記筐体に分担させ、
前記筺体にかかる圧接方向の圧縮応力を計測し、
前記筐体にかかる圧縮応力の変化に基づいて前記偏荷重抑制部材の塑性変形量を検出して、前記締結部材による圧接を行う
ことを特徴とする半導体モジュール製造方法。
【請求項５】
半導体素子と、前記半導体素子に形成された電極層と電気的に接続される電極端子と、前記半導体素子と前記電極端子を積層した積層体を収納する筐体を有し、前記半導体素子と前記電極端子が圧接により接続される半導体モジュールの異常検出方法であって、
前記電極端子を前記半導体素子方向に圧接する圧接力の一部を前記筐体に分担させ、
前記筺体にかかる圧接方向の圧縮応力を計測し、
前記筐体にかかる圧縮応力の変化に基づいて前記半導体モジュール内部の異常の発生を判断する
ことを特徴とする半導体モジュールの異常検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業用・車両用システム、変電設備やインバータ等の電力変換装置の分野に用いられる絶縁形パワー半導体モジュールに対して、高耐圧、大容量のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の適用が行われている。このＩＧＢＴモジュールに代表される「絶縁形パワー半導体モジュール」若しくは「Isolated power semiconductor devices」は、それぞれＪＥＣ−２４０７−２００７、ＩＥＣ６０７４７−１５にて規格が制定されている。
【０００３】
一般的な絶縁形パワー半導体モジュールにおいて、ＩＧＢＴやダイオード等の半導体素子は、半導体素子の下面に設けられた電極層を介してＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板の銅回路箔上にはんだ付けされる（例えば、非特許文献１）。ＤＢＣ基板は、セラミックス等の絶縁板に銅回路箔を直接接合したものである。
【０００４】
半導体素子の上面に設けられる電極層には、超音波ボンディング等の方法によりアルミワイヤが接続される。このアルミワイヤは、例えば、ＤＢＣ基板上の銅回路箔に結線される。そして、ＤＢＣ基板の銅回路箔から外部へ接続するための銅端子（リードフレームやブスバー）は、銅回路箔とはんだ付けや超音波ボンディングにより接続される。さらに、この周りは（スーパー）エンジニアリングプラスチックのケースで囲まれ、その中を電気絶縁のためのシリコーンゲルが充填される。
【０００５】
近年、半導体素子の動作温度の高温化が進んでいる。次世代の半導体素子であるＳｉＣ半導体は、２５０〜３００℃での動作が報告されている。動作温度が１７５〜２００℃となると、この動作温度がはんだの融点に近く、従来のはんだ材料を用いることができなくなることが考えられる。そこで、従来のはんだ材料に置換する材料として、金属系高温はんだ（Ｂｉ，Ｚｎ，Ａｕ）、化合物系高温はんだ（Ｓｎ−Ｃｕ）、低温焼結金属（Ａｇナノペースト）等が提案されている。
【０００６】
また、はんだを用いない半導体モジュール構造として平型圧接構造パッケージが提案されている（例えば、非特許文献１、２)。平型圧接構造パッケージは、圧接により半導体素子の電極層とコンタクト端子との電気的接続や、半導体素子の電極層と基板との電気的接続を行う。一般的な平型圧接構造パッケージでは、半導体素子の端部に半導体素子及びコンタクト端子の位置決めをするガイドが設けられる。そして、半導体素子の上面電極層がコンタクト端子に接触した状態で半導体素子がＭｏ等の基板上に設けられる。つまり、コンタクト端子と基板とが半導体素子を挟圧した状態で半導体モジュール内に設けられる。
【０００７】
平型圧接構造パッケージは、平型構造であることから半導体素子を両面から冷却することができる。このため、一般的に平型圧接構造パッケージの両端をヒートシンクで圧接することで、平型圧接構造パッケージの両面を冷却するとともに、そのヒートシンクを導電部材として用いる。さらに、平型圧接構造パッケージは、圧接により半導体素子と電極端子等を接続するので、はんだを用いることなく半導体素子が電気的、熱的に外部と接続される。
【０００８】
ヒートシンクと平型圧接構造パッケージの圧接は、主にユーザが実施する。平型圧接構造パッケージでは、平型圧接構造パッケージ上下のヒートシンクを電気的に絶縁したり、板バネで平型圧接構造パッケージを圧接するときに、この設計の圧接力が平型圧接構造パッケージの電極ポストに均等にかかるようにしたりする必要がある。これらにはノウハウがあり、圧接が不良であった場合は半導体素子の破壊の原因となるおそれがある。また、平型圧接構造の半導体モジュールは、回路を構成するのに、このヒートシンクや圧接のための板バネが小型化の妨げとなる等、使いこなすのには熟練が要求される。このような理由により、平型圧接構造パッケージは限られた装置への適用となり、代わりに使い勝手の良い従来型の絶縁形パワー半導体モジュールが広く使われている。
【０００９】
近年、電力密度の増加や半導体素子内部の接合温度の上昇により、はんだのせん断応力やアルミワイヤにかかる応力が年々大きくなってきている。そこで、熱膨張の影響が半導体モジュールの設計寿命に至るまでの期間に顕在化しないようにする必要がある。ＳｉＣ半導体や、ＧａＮ半導体のような高温で使用することができるワイドギャップ半導体素子の出現により、さらに熱膨張の低減が要求されている。また、ＳｉＣ半導体、ＧａＮ半導体等の高温で使用可能な半導体素子の性能を活かす半導体モジュールとしても、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性の向上が求められている。
【００１０】
そこで、半導体モジュールの高信頼性、環境性、利便性を同時に実現するために、はんだ接合、あるいはワイヤーボンドを用いず、かつ両面冷却が容易に実現可能であり、放熱性の面で有利な圧接型絶縁形パワーモジュールが再び脚光を浴びてきた。
【００１１】
図４（ａ），（ｂ）に示すように、両面冷却方式の半導体モジュール１４は、半導体モジュール１４の外周部をボルト１１とねじ（あるいはスプリング等）で締結して、半導体素子２とＡＣ電極端子３（またはＤＣ電極端子４）との接合部に均一な圧縮応力を作用させる。さらに、半導体モジュール１４内部では、はんだ１５（または、接着剤や樹脂材）を用いてＡＣ電極端子３（またはＤＣ電極端子４）と半導体素子２とを接合するとともに、冷却器８，１０とケース１２で形成された空間を樹脂等で封止する。このようにして、半導体素子２を含む各部材にかかる応力が適正な範囲に収まり、すべての半導体素子２に対する圧接力のばらつきが大きくならないようにしている。つまり、機械的に圧接力を作用させる手段とは別に、はんだ１５等による界面接合形成技術、さらに樹脂等による封止技術を併用して、半導体モジュール１４の信頼性を確保している。
【００１２】
近年さらなる電力変換器の電力の高密度化、小型化、ＳｉＣ半導体等の採用により変換器の高温動作化が進み、はんだや樹脂の接合、封止材料にも高温（例えば、２００℃以上）への耐性、信頼性が要求され、そのための材料開発が進んでいる。しかし、高温材料の実装時の信頼性はまだ評価され始めたばかりであり、また、高温材料は従来用いられる材料より高コストとなる。そこで、はんだ層、樹脂層等の接合、封止層を排除し、純粋な機械的機構のみで、モジュールを構成する複数の部材間の電気的、熱的接触を確保する完全圧接の半導体モジュールが求められている。半導体モジュールを完全圧接（界面接合部を有さない構造）にすると、半導体モジュールの寿命を決定する要因であったはんだがないため、半導体モジュールの信頼性を向上させることができる。また、半導体モジュールを構成する各部材間の接触熱を低減することができれば、冷却器までの熱抵抗をさらに低減することができる。その結果、半導体モジュールに大電流を流すことができ、半導体モジュールの電力変換密度を増大させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１０−１６２７４号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】電気学会高性能高機能パワーデバイス・パワーＩＣ調査専門委員会、「パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック」、コロナ社、１９９６年７月、ｐ２８９、ｐ３３６
【非特許文献２】森睦宏，関康和、「大容量ＩＧＢＴの最近の進歩」、電気学会誌、社団法人電気学会、１９９８年５月、Ｖｏｌ．１１８（５）、ｐｐ．２７４−２７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、圧接型の半導体モジュールは、内部部品の保護（酸化、吸湿による材料特性の変動、接触抵抗の変動の抑制）のために、気密封止を行う場合が多い。その結果、半導体モジュールの製造時に、適切な圧接力が半導体素子の電極端子にかかった状態に圧接できているかを把握したり、半導体モジュールの動作時に半導体モジュール内の異常を検出したりすることが困難となるおそれがあった。
【００１６】
上記事情に鑑み、本発明は、圧接型半導体モジュールの内部状態を検出する技術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】
【００１７】
上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの一態様は、半導体素子と、前記半導体素子に形成された電極層と電気的に接続される電極端子と、を有し、前記半導体素子と前記電極端子が圧接により接続される半導体モジュールであって、前記半導体素子と前記電極端子を積層した積層体を収納し、前記電極端子を前記半導体素子に圧接する圧接力の一部を分担する筺体と、前記筐体に設けられ、当該筐体にかかる圧接方向の圧縮応力を計測する圧縮応力計測手段と、を有することを特徴としている。
【００１８】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、前記半導体モジュールにおいて、前記半導体素子と前記電極端子の間に圧接時の荷重により塑性変形する偏荷重抑制部材を設けることを特徴としている。
【００１９】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、前記半導体モジュールにおいて、前記半導体モジュール内部に不活性ガスを充填することを特徴としている。
【００２０】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの製造方法は、半導体素子と、前記半導体素子に形成された電極層と電気的に接続される電極端子と、前記半導体素子を前記電極端子を介して冷却する冷却器と、前記冷却器を半導体素子方向に圧接する複数の締結部材と、前記電極端子と前記冷却器との間または前記半導体素子と前記電極端子との間に設けられ、圧接時の荷重により塑性変形する偏荷重抑制部材と、前記冷却器に設けられ、前記半導体素子、前記電極端子及び前記偏荷重抑制部材を積層した積層体を収納する筐体と、を有する半導体モジュールの製造方法であって、前記電極端子を前記半導体素子方向に圧接する圧接力の一部を前記筐体に分担させ、前記筺体にかかる圧接方向の圧縮応力を計測し、前記筐体にかかる圧縮応力の変化に基づいて前記偏荷重抑制部材の塑性変形量を検出して、前記締結部材による圧接を行うことを特徴としている。
【００２１】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの異常検出方法は、半導体素子と、前記半導体素子に形成された電極層と電気的に接続される電極端子と、前記半導体素子と前記電極端子を積層した積層体を収納する筐体を有し、前記半導体素子と前記電極端子が圧接により接続される半導体モジュールの異常検出方法であって、前記電極端子を前記半導体素子方向に圧接する圧接力の一部を前記筐体に分担させ、前記筺体にかかる圧接方向の圧縮応力を計測し、前記筐体にかかる圧縮応力の変化に基づいて前記半導体モジュール内部の異常の発生を判断することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
以上の発明によれば、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールの内部状態を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体モジュールの要部断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体モジュールの製造時において、ケースの圧縮方向にかかる圧縮応力の時間変化を示す特性図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体モジュールの動作時において、異常発生時にケースの圧縮方向にかかる圧縮応力の時間変化を示す特性図である。
【図４】（ａ）従来技術に係る半導体モジュールの上面図、（ｂ）従来技術に係る半導体モジュールの要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の半導体モジュール及び半導体モジュール製造方法並びに半導体モジュールの異常検出方法について、図を参照して詳細に説明する。なお、半導体モジュールを説明する説明図（断面図）は、本発明の実施形態に係る半導体モジュールを模式的に示したものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致するものではない。
【００２５】
［半導体モジュール］
図１は、本発明の実施形態に係る半導体モジュール１の要部断面図である。図１に示すように、実施形態に係る半導体モジュール１は、スイッチング素子２、ＡＣ電極端子３、ＤＣ電極端子４、偏荷重抑制部材５及び、ひずみゲージ６を備える。
【００２６】
スイッチング素子２は、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の半導体素子である。スイッチング素子２の上面には、ＡＣ電極端子３と電気的に接続されるソース電極層及びゲート電極端子（図示せず）と電気的に接続されるゲート電極層（図示せず）が設けられる。また、スイッチング素子２の下面には、ＤＣ電極端子４と電気的に接続されるドレイン電極層（図示せず）が設けられる。なお、実施形態の説明では、便宜上、上面及び下面とするが、上下方向は、本発明をなんら限定するものではない。
【００２７】
ＡＣ電極端子３は、導電性の板状部材であり、スイッチング素子２のソース電極層と電気的に接続される。ＡＣ電極端子３の上面には絶縁板７を介して冷却器８が設けられ、冷却器８によりＡＣ電極端子３がスイッチング素子２方向に押圧される。冷却器８の内部には、スイッチング素子２を一定の圧力範囲で圧接するための皿ばね９が設けられる。さらに、この皿ばね９を直接押圧するボルト１３が冷却器８に螺挿され、スイッチング素子２にかかる圧接力を調節する。
【００２８】
ＤＣ電極端子４は、導電性の板状部材であり、スイッチング素子２のドレイン電極層と電気的に接続される。ＤＣ電極端子４の下面には絶縁板７を介して冷却器１０が設けられ、冷却器１０によりＤＣ電極端子４がスイッチング素子２方向に押圧される。
【００２９】
冷却器８，１０は、ボルト１１により固定される。ボルト１１は、半導体モジュール１の側部であって冷却器８，１０間に設けられるケース１２を貫通して設けられる。つまり、ボルト１１を締結することで、冷却器８がＡＣ電極端子３をスイッチング素子２方向に圧接し、冷却器１０がＤＣ電極端子４をスイッチング素子２方向に圧接する。このとき、冷却器８，１０間にケース１２が設けられているので、ボルト１１による圧接力の一部がケース１２にもかかることとなる。なお、ＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４は、ケース１２を貫通して外部回路と接続される。
【００３０】
ケース１２は、半導体モジュール１の側部であって、冷却器８，１０間に設けられる。ケース１２は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂等の絶縁体で形成され、冷却器８，１０（及びＡＣ電極端子３とＤＣ電極端子４）の絶縁信頼性を確保し、半導体モジュール１内部に設けられるスイッチング素子２等の内部部品をほこり等から保護する。ケース１２のＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４が貫通する部位はろう材等の封止材１２ａにより封止され、封止された空間内には窒素ガス等の不活性ガスが充填される。ケース１２の圧接方向の高さは、例えば、室温において、スイッチング素子２、ＡＣ電極端子３、ＤＣ電極端子４、絶縁板７及び偏荷重抑制部材５を積層した積層部（以後、積層体と称する）の厚さとほぼ同じ高さに形成される。ケース１２の冷却器８（または、冷却器１０）と接触する接触部には、図示省略の封止部材（フッ素ゴム（商品名バイトン）製のＯリングやメタルＯリング等の金属シール）が嵌合する溝（図示せず）が形成され、この溝に封止部材が嵌合される。このように、ケース１２に封止部材を介して冷却器８（または、冷却器１０）を設けることで、ケース１２と冷却器８（または、冷却器１０）の気密性が確保される。なお、ケース１２と冷却器８（または、冷却器１０）とを電子ビームやレーザーを用いて溶接することで、両部材間の気密封止を行ってもよい。
【００３１】
偏荷重抑制部材５は、ＤＣ電極端子４とスイッチング素子２との間に設けられる。偏荷重抑制部材５は、例えば、高純度（９９．９％（３Ｎ）以上、より好ましくは９９．９９％（４Ｎ）以上）のアルミニウム板である。偏荷重抑制部材５に高純度のアルミニウムを用いることで、偏荷重抑制部材５が低応力から塑性変形し、半導体モジュール１を構成する積層体の厚み誤差を吸収する。例えば、アルミニウムの純度が９９％以下である３０００番系（ＪＩＳ規格（日本工業規格）では、アルミニウム合金を、Ａという材料記号の次に組成に応じて４桁の数字を付して分類している）のアルミニウム合金では、０．２％耐力（塑性変形が始まる応力）が４０ＭＰａ、５０００番系では、１００ＭＰａ以上となる。これに対して、純度が９９％以上である１０００番系のアルミニウムは、０．２％耐力が２０ＭＰａ程度と低い特性を示すため、厚み誤差吸収材として用いることができる。
【００３２】
ひずみゲージ６は、ケース１２の外側面に設けられ、ケース１２にかかる圧縮応力を測定する。ひずみゲージ６は、測定対象物のひずみを抵抗体（線や箔）で検出し、発生したひずみに対応した抵抗体の抵抗変化に基づいてひずみを算出する計測器であり、その場測定が可能且つ、簡便にケース１２に生じるひずみを測定することができる。なお、ひずみゲージ６を用いず、Ｘ線等を用いて光学的にケース１２にかかる圧縮応力を検出することもできる。
【００３３】
［半導体モジュール製造方法］
本発明の実施形態に係る半導体モジュール１の製造方法について図１、図２を参照して説明する。
【００３４】
まず、スイッチング素子２の上面にＡＣ電極端子３に設け、スイッチング素子２の下面に偏荷重抑制部材５を介してＤＣ電極端子４を設ける。さらに、ＡＣ電極端子３の上面に絶縁板７を介して冷却器８を設け、ＤＣ電極端子４の下面に絶縁板７を介して冷却器１０を設ける。そして、冷却器８，１０間であって、スイッチング素子２の周囲にケース１２を設ける。
【００３５】
次に、冷却器８，１０及びケース１２にボルト１１を挿通し、ひずみゲージ６でケース１２にかかる圧縮応力を検出した状態で、ボルト１１を締結して、冷却器８，１０を固定する。そして、半導体モジュール１を偏荷重抑制部材５が塑性変形する温度に保持する（エイジング処理を行う）。エイジング処理における保持温度は、例えば、半導体モジュール１の動作温度範囲が−４０〜１６０℃の範囲である場合、半導体モジュール１を高温槽やホットプレート等により加熱し、動作させる最高温度（１６０℃）に維持する。
【００３６】
そして、偏荷重抑制部材５が塑性変形して、半導体モジュール１を構成する内部の積層体の厚みが一定となったところで、エイジング処理を終了する。
【００３７】
図２に、半導体モジュール１のエイジング処理時の、ケース１２にかかる圧縮応力（ボルト１１による圧接方向の圧縮応力）の時間変化を示す。
【００３８】
図２に示すように、半導体モジュール１のエイジング処理時間（高温保持時間）の経過とともに、ケース１２にかかる圧縮応力が増加するが、所定の時間経過すると、圧縮応力が飽和する傾向（ある値以上増加しない傾向）が確認された。
【００３９】
半導体モジュール１の組立て直後は、スイッチング素子２等の厚さの誤差を吸収するために設けられる偏荷重抑制部材５が塑性変形する前であるので、積層体の厚さがケース１２の高さと比較して高くなる。したがって、ボルト１１により加えられる圧接力は主として積層体にかかることとなり、ケース１２にかかる圧縮応力が小さい値となると考えられる。一方で、半導体モジュール１を高温で保持することで、偏荷重抑制部材５が塑性変形し、積層体の厚さのばらつきが低減される。このとき、局所的に圧縮応力がかかっていた場所に設けられた偏荷重抑制部材５が大きく塑性変形するので、ボルト１１により加えられる圧接力が次第にケース１２にかかるようになる。そして、偏荷重抑制部材５が十分塑性変形して積層体の厚みの変化が少なくなると、ケース１２にかかる圧縮応力の変化も少なくなる。
【００４０】
このように、ケース１２にかかる圧縮応力をモニタリングすることで、偏荷重抑制部材５の塑性変形が十分行われたかどうかを確認することができる。つまり、半導体モジュール１の特性を安定させるために必要なエイジング時間（高温処理時間）の終了時期を把握することができる。
【００４１】
［半導体モジュールの異常検出方法］
次に、図３を参照して本発明の実施形態に係る半導体モジュール１の異常検出方法について説明する。
【００４２】
図３は、半導体モジュール１動作時に、異常（内部の積層体の温度上昇）が起こった場合の、ケース１２にかかる圧縮応力（ボルト１１による圧接方向の圧縮応力）の時間変化を示した図である。
【００４３】
図３に示すように、半導体モジュール１を構成する内部部品（スイッチング素子２、ＡＣ電極端子３、ＤＣ電極端子４等）に温度上昇が起こると、ケース１２にかかる圧縮応力が低下する。
【００４４】
これは、内部部品の熱膨張により内部部品の厚さが増大することで、ボルト１１による圧接力がより内部部品にかかるようになり、その結果として、ケース１２にかかる圧縮応力が低下するためであると考えられる。つまり、ケース１２の圧縮応力をモニタリングすることにより、内部部品の厚さを変化させる異常である、内部部品間の接触熱抵抗の増大や、接触電気抵抗の増大、あるいは、スイッチング素子２の温度が正常時の動作温度より上昇した等の異常を検出することができる。
【００４５】
なお、ケース１２にかかる圧縮応力をモニタリングすることで、半導体モジュール１の気密性の監視を行うこともできる。例えば、ケース１２と冷却器８，１０の間に設けられたシール材（Ｏリングやガスケット）あるいは、溶接箇所の気密封止の信頼性が確保されるためには、ケース１２に所定の圧縮応力がかかっている必要がある。そこで、冷却器８，１０とケース１２との間にかかっている圧縮応力が一定の範囲を逸脱した場合に、半導体モジュール１の気密性が低下するおそれがあると判断することで、半導体モジュール１の気密性の異常を検出することができる。
【００４６】
以上のように、本発明の半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法によれば、半導体モジュールのケースにかかる圧縮応力を計測する手段を設けることで、半導体モジュール組立時に、半導体モジュールの特性が安定した状態（部材間の接触抵抗が十分低減された状態）となっているかどうかの判断を行うことができる。つまり、半導体モジュールの出荷前の安定化やエイジング処理の完了具合の判断を行うことができる。
【００４７】
また、本発明の半導体モジュール及び半導体モジュールの異常検出方法によれば、半導体モジュールの動作時に、ケースにかかる圧縮応力の変化に基づいて内部部品の想定外の膨張や収縮等の異常を検知することができる。例えば、半導体モジュールの電気的特性、放熱特性が安定しているかを判断することができる。
【００４８】
また、ケースにかかる圧縮応力の変化に基づいて半導体モジュールの気密封止部における気密状態の監視や、気密封止部に過剰な応力（若しくは、不足した応力）がかかっているかどうかを、半導体モジュールを動作させた状態で検出することができる。
【００４９】
一般的に圧接型の半導体モジュールは、内部部品の保護（酸化、吸湿による材料特性の変動、接触抵抗の変動の防止）のため、気密封止を行う。そこで、半導体モジュールの組立時及び動作時に半導体モジュールの気密状態を検出し、半導体モジュールの気密性が確保されていることを保証することで、半導体モジュールの信頼性が向上する。
【００５０】
なお、圧接型の半導体モジュールでは、両面に設けられる冷却器間に高い平行度が求められる。また、内部に配置する複数の半導体素子間において、その厚みにばらつきが存在した場合には、特定の半導体素子に荷重が集中するおそれや、荷重が十分にかからないおそれがある。荷重が十分にかからないと、その接触部において接触電気抵抗が増大し、電流が十分に流れないおそれがある。また、局所的に界面で発熱が発生するおそれがある。
【００５１】
その解決方法として、半導体モジュールを構成する他の材料と比較してヤング率の小さい（例えば、ヤング率が数ＧＰａ以下）低弾性率材料を、半導体素子毎に１：１で配置し、厚みのばらつきを吸収する方法がある。この低弾性率材料としては、ばね、ゴム、アモルファスカーボン等アモルファス材料が用いられる。しかしながら、このように、半導体素子毎に低弾性率材料を設けることは、部品点数の増加をまねき、半導体モジュールの信頼性を低下させるおそれがある。また、低弾性率材料は一般的に熱伝導率が低いため、半導体モジュールの放熱性が低下するおそれがある。
【００５２】
これに対して、本発明の半導体モジュールによれば、半導体モジュールの圧接時に、偏荷重抑制部材が塑性変形することでスイッチング素子を含む積層体の厚さの誤差を吸収することができる。また、半導体モジュールの動作時に、偏荷重抑制部材が動作温度に応じて弾性変形することで、半導体モジュールを構成する各部材の接触面に必要十分な接触圧を与えることができる。その結果、半導体モジュールの任意の使用環境及びその経時変化に対しても、初期に存在した積層体間の厚みの誤差を吸収したまま、任意の温度での均一圧接、均一電流分担動作が可能となる。すなわち、半導体モジュールの部品点数の増大、動作信頼性の低下、放熱性の低下を起こすことなく、厚みが完全には一致しない複数のスイッチング素子を同時に圧接し、バランスのとれた電流分担を実現することができる。
【００５３】
この偏荷重抑制部材としては、例えば、高純度（４Ｎ＝９９．９９％以上）のアルミニウム板が用いられる。高純度アルミニウムは、比較的低い応力（〜２０ＭＰａ）から塑性変形する（１％以上の変形をする）という特徴があり、また高温になるほど低い応力から塑性変形をするという特徴があるため、パワーモジュールの動作温度領域の最高温度にて半導体チップを含む圧接部に圧力を加えること（ボルトを締め付ける等）で、チップ間の厚みに応じてアルミニウム板が変形し、チップ間の厚みのバラつきを吸収する役割を担うことができる。その結果、半導体モジュールの両面に設けられる冷却器間の平行度を向上させることができる。また、半導体モジュール内部に配置する複数の半導体チップ間に厚みのバラつきが存在することによって生じる、特定の半導体素子に荷重が集中することや、特定の半導体素子に荷重が十分にかからないことを抑制することができる。これにより、半導体モジュールを構成する内部部品間における接触電気抵抗の増大や、接触不十分なために電流が十分に流れないこと、さらに、界面で発生する局所的な発熱を抑制することができる。
【００５４】
以上、本発明の半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法並び半導体モジュールの異常検出方法について、具体例を示して詳細に説明したが、本発明の半導体モジュール及半導体モジュール製造方法並び半導体モジュールの異常検出方法は、上述した実施形態に限らず、本発明の特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、そのように変更された形態も本発明に技術的範囲に属する。
【００５５】
例えば、本発明は、半導体モジュールのケースに半導体モジュールの内部の状態を検出するセンサを設けたことを特徴とする発明であるので、半導体素子（スイッチング素子）の種類や数は、実施形態に限定されるものではない。よって、適宜周知の半導体素子を用い、所定の回路を構成するために必要な数の半導素子を用いて半導体モジュールを構成しても、同様の効果を得ることができる。
【００５６】
また、偏荷重抑制部材の配置位置は、半導体素子と電極端子との間に限定するものではない。例えば、電極端子と絶縁板との間に設ける形態や、半導体モジュール内に応力緩和部材を設けた場合には応力緩和部材と電極端子との間に設ける形態等、半導体素子にかかる偏荷重を抑制できる位置であればその配置形態は適宜設定可能である。さらに、一枚の偏荷重抑制部材で、同一平面上のすべての半導体素子の偏荷重を抑制する形態でもよい。
【００５７】
偏荷重抑制部材は、半導体素子の表裏両面あるいはどちらかの面に配置することで、半導体素子を含む積層体に所定の圧接力を作用させることができる。なお、半導体素子がＭＯＳＦＥＴ素子等のスイッチング素子の場合、ゲートパッドや微細表面トレンチ構造が形成されるソース電極面ではなく、ほぼチップ全面に均一な厚みの電極パットが形成されているドレイン側面とそこに接触する電極（ドレイン電極）の間に配置することで、半導体モジュールの各構成部材にかかる偏荷重をより抑制することができる。
【００５８】
また、半導体モジュールの圧接方法は、締結部材（締結部材と弾性部材）による圧接に限定されるものではなく、適宜周知の圧接方法で固定した場合においても、本発明の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１，１４…半導体モジュール
２…スイッチング素子（半導体素子）
３…ＡＣ電極端子
４…ＤＣ電極端子
５…偏荷重抑制部材
６…ひずみゲージ（圧縮応力計測手段）
７…絶縁板
８，１０…冷却器
９…皿ばね
１１…ボルト（締結部材）
１２…ケース（筐体）
１３…ボルト
１５…はんだ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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