(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１半導体素子と、
前記第１半導体素子の上面に電気的および熱的に接続された第１ピンと、
第１ピン配線用絶縁基板、前記第１ピン配線用絶縁基板の下面に配置した第１金属箔、および前記第１ピン配線用絶縁基板の上面に配置した第２金属箔を備えており、かつ前記第１金属箔と第２金属箔と前記第１ピンとが電気的に接合している第１ピン配線基板と、
第１セラミック絶縁基板、前記第１セラミック絶縁基板の上面に配置した第３金属箔、および前記第１セラミック絶縁基板の下面に配置した第４金属箔を備えており、前記第３金属箔は、前記第１半導体素子の下面に接合されている第１ＤＣＢ基板と、
第２半導体素子と、
前記第２半導体素子の下面に電気的および熱的に接続された第２ピンと、
第２ピン配線用絶縁基板、前記第２ピン配線用絶縁基板の上面に配置した第７金属箔、および前記第２ピン配線用絶縁基板の下面に配置した第８金属箔を備えており、かつ前記第７金属箔と第８金属箔と前記第２ピンとが電気的に接合している第２ピン配線基板と、
第２セラミック絶縁基板、前記第２セラミック絶縁基板の下面に配置した第５金属箔、および前記第２セラミック絶縁基板の上面に配置した第６金属箔を備えており、前記第５金属箔は、前記第２半導体素子の上面に接合されている第２ＤＣＢ基板と、
両端が前記第２金属箔および前記第５金属箔にそれぞれ電気的に接続した接続部材と、
前記第４金属箔に熱的に接続された第１冷却器と、
前記第６金属箔に熱的に接続された第２冷却器と、
を備えることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
前記第１半導体素子と前記第３金属箔との間に第１ヒートスプレッダを配置して電気的および熱的にそれぞれ接続し、かつ、前記第２半導体素子と前記第５金属箔との間に第２ヒートスプレッダを配置して電気的および熱的にそれぞれ接続されていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体モジュールにおいて、
前記第４金属箔と前記第１冷却器との間に第３ヒートスプレッダを配置して熱的にそれぞれ接続し、かつ、前記第６金属箔と前記第２冷却器との間に第４ヒートスプレッダを配置して熱的にそれぞれ接続されていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項４】
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において、
前記第１半導体素子または前記第２半導体素子に電気的に接続された端子を備え、
前記端子が前記第１冷却器と前記第２冷却器との間から外部に導出されていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体モジュールを１単位とする半導体モジュールユニットを複数備え、
前記各端子が出ていない面を対面させて横一列に複数並べられていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体モジュールにおいて、第１冷却器及び第２冷却器はそれぞれ上記半導体モジュールユニットの列の両側の面全体を覆うように、上記半導体モジュールユニットと一体になっていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
前記第１冷却器および前記第１冷却器の第４金属箔との接合面と、
前記第２冷却器および前記第２冷却器の第６金属箔との接合面と、
前記端子の外部に導出される領域と、
を除いて前記半導体モジュールが封止樹脂で封止されていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項８】
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において、
前記端子が一方向に平行な方向で前記半導体モジュール外部へ導出されており、
前記第１冷却器は、冷媒が導入される第１冷媒入口と、冷媒が排出される第１冷媒出口とを備え、
前記第２冷却器は、冷媒が導入される第２冷媒入口と、冷媒が排出される第２冷媒出口とを備え、
前記第１冷媒入口、前記第１冷媒出口、前記第２冷媒入口、および前記第２冷媒出口が、前記端子と直交する方向に離間して導出されていることを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピン接合を利用した半導体モジュールにおいて、冷却能力を向上できる半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
冷却能力を向上した半導体モジュールに関する文献として、次の特許文献１、２の半導体モジュールが知られている。【０００３】
特許文献１には、両面に金属箔が配置された絶縁基板の間に半導体チップと金属板とを備え、各絶縁基板の外側を冷却器と接合させている構造が開示されている。【０００４】
特許文献２には、両面に金属箔が配置された絶縁基板の間に半導体チップとリード電極とを備え、各絶縁基板の外側に銅ベースを配置し、さらに各銅ベース（放熱板）の外側にヒートシンク(冷却器)を配置した構造が開示されている。【０００５】
また、ピン接合を利用した半導体モジュールを開示した文献として、特許文献３が知られている。特許文献３には、半導体チップとプリント基板をインプラントピンで接続した構造が開示されている。【０００６】
特許文献４には、パワー半導体素子の発熱中心が対向しないように、交互にずらして配設されることが記載されている。特許文献４において、この装置は１つのモジュールに1つのチップを配置して、各モジュールの上下面を冷却器で冷却している。【０００７】
特許文献５には、壁面に筒状導通体を備えたモジュールユニットを上下に対向配置して、それぞれを外部端子で接続することが記載されている。【０００８】
特許文献６には、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とＦＷＤ（Ｆｒｅｅ  Ｗｈｅｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）を積層して絶縁基板に搭載したものを対向して配置し、絶縁基板間をコ字形の出力端子を介して接続している電力用半導体装置が記載されている。入力端子と出力端子は、絶縁基板間から外部に引き出されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】ＷＯ２００９/１２５７７９号公報
【特許文献２】特開２００７-２５１０７６号公報
【特許文献３】ＷＯ２０１１/０８３７３７号公報
【特許文献４】特開２００６−２１０６０５号公報
【特許文献５】特開２０１０−１２９８０１号公報
【特許文献６】特開２００４−３１１６８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１は、半導体素子へ通電時にワイヤボンディングされたワイヤと電極との間に熱応力がかかり長期間のオンオフの繰り返しによってワイヤが電極から剥離し易いという問題点があった。【００１１】
特許文献２は、特許文献１のワイヤに相当するものがリード電極に置き換わっているものの、同様に剥離現象が生じる恐れがあった。【００１２】
特許文献３は、上記の剥離現象を抑制する対策として考え出されたピン接合構造の半導体モジュールを開示する文献であるが、該半導体モジュールの構造は、冷却が半導体素子の片面のみから行なわれる構造のため冷却能力が低く、半導体素子の能力を十分に発揮させることが難しいという問題点があった。【００１３】
特許文献４は、１つのモジュールに１つのチップを搭載しているので装置の体積が大きいという問題点があった。【００１４】
特許文献５は、外部端子を筒状導通体に挿入することで電気的に接続しているため、ハンダによる接合に比べて信頼性が低くなる恐れがあった。上下のモジュールユニットを樹脂成型後に複数の外部端子を挿入する構造のため、筒状導通体の位置合わせに精度を要するという問題点があった。【００１５】
特許文献６は、半導体素子とリードフレームとの接触面積が大きいため、オン／オフの繰り返しによって、これらの素材の熱膨張係数の違いによる熱応力が界面に生じ、長期間の使用によって剥離が生じる恐れがあった。【００１６】
上記の課題を解決するべく、本発明は、ピン接合を利用した半導体モジュールにおいて、冷却能力を向上できる半導体モジュール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】
発明者は、ピン接合を利用した半導体モジュールにおいて、第１半導体素子を備えた第１ＤＣＢ基板と、第２半導体素子を備えた第２ＤＣＢ基板とを離間しながら対向して配置し、その際、第１半導体素子と第２半導体素子との位置を各半導体素子の一部が重なるようにずらして配置し、電気的および熱的に第１半導体素子と第２半導体素子を接続することで、半導体モジュールの上下面に配置した両冷却器でこれら半導体素子を冷却するようにし、１つの半導体モジュールの中に２つの半導体素子を備えていても、半導体モジュールの外形を小さくかつ冷却効率の優れた構造にできることを見出し、本発明に至った。【００１８】
上記課題を解決するため、本発明の半導体モジュールの第１の実施例は、第１半導体素子と、前記第１半導体素子の一方の面に電気的および熱的に接続された第１ピンと、第１ピン配線用絶縁基板、前記第１ピン配線用絶縁基板の下面に配置した第１金属箔、および前記第１ピン配線用絶縁基板の上面に配置した第２金属箔を備えており、かつ前記第１金属箔と第２金属箔と前記第１ピンとが電気的に接合している第１ピン配線基板と、第１セラミック絶縁基板、前記第１セラミック絶縁基板の上面に配置した第３金属箔、および前記第１セラミック絶縁基板の下面に配置した第４金属箔を備えており、前記第３金属箔は、前記第１半導体素子の下面に接合されている第１ＤＣＢ基板と、第２半導体素子と、前記第２半導体素子の下面に電気的および熱的に接続された第２ピンと、第２ピン配線用絶縁基板、前記第２ピン配線用絶縁基板の上面に配置した第７金属箔、および前記第２ピン配線用絶縁基板の下面に配置した第８金属箔を備えており、かつ前記第７金属箔と第８金属箔と前記第２ピンとが電気的に接合している第２ピン配線基板と、第２セラミック絶縁基板、前記第２セラミック絶縁基板の下面に配置した第５金属箔、および前記第２セラミック絶縁基板の上面に配置した第６金属箔を備えており、前記第５金属箔は、前記第２半導体素子の上面に接合されている第２ＤＣＢ基板と、両端が前記第２金属箔および前記第５金属箔にそれぞれ電気的に接続した接続部材と、前記第４金属箔に熱的に接続された第１冷却器と、前記第６金属箔に熱的に接続された第２冷却器とを備えることを特徴とする。【００１９】
このような構成によれば、第１半導体素子から発生する熱は、第１半導体素子の下面から第１ＤＣＢ基板を介して第１冷却器へ伝熱されると共に、第１半導体素子の上面に接続されたピンを経由して第１ピン配線基板、接続部材を介して第２冷却器に伝熱される。また、逆に、第２半導体素子から発生する熱は、第２半導体素子の上面から第２ＤＣＢ基板を介して第２冷却器へ伝熱されると共に、第２ＤＣＢ基板、接続部材、第１ピン配線基板、第１ピン、第１半導体素子、第１ＤＣＢ基板を介して第１冷却器へ伝熱される。【００２０】
従って、本発明の半導体モジュールは、ピン配線基板を配線用の基板としてだけなく、伝熱面積を広げるヒートスプレッダとしての役割も担うようにして接続部材を介して第１冷却器および第２冷却器に伝熱しているため、冷却能力を向上できる。【００２１】
また、上記の半導体モジュールにおいて、前記第１半導体素子と前記第３金属箔との間に第１ヒートスプレッダを配置して電気的および熱的にそれぞれ接続し、かつ、前記第２半導体素子と前記第５金属箔との間に第２ヒートスプレッダを配置して電気的および熱的にそれぞれ接続されていることが望ましい。【００２２】
第１セラミック絶縁基板および第２セラミック絶縁基板は、金属に比較して熱伝導率が低い場合があるので、このような構成によれば、第１半導体素子から第１ヒートスプレッダ、および第２半導体素子から第２ヒートスプレッダに速やかに熱が伝達され、伝熱面積の広い第１ヒートスプレッダおよび第２ヒートスプレッダから第１セラミック絶縁基板および第２セラミック絶縁基板へ伝熱されるので、熱の透過面積が広くなる。そのため、半導体モジュールを効率的に冷却できる。ヒートスプレッダの厚さを増すことで、半導体素子の発熱量が急激に増加した時にヒートスプレッダの熱容量による緩衝作用が働き、半導体素子の温度上昇を緩やかにすることができる。【００２３】
また、上記の半導体モジュールにおいて、前記第４金属箔と前記第１冷却器との間に第３ヒートスプレッダを配置して熱的にそれぞれ接続し、かつ、前記第６金属箔と前記第２冷却器との間に第４ヒートスプレッダを配置して熱的にそれぞれ接続されていることが望ましい。このような構成によれば、第１ＤＣＢ基板と第１冷却器の間、および第２ＤＣＢ基板と第２冷却器との間の伝熱を効率化でき、半導体モジュールの冷却能力を向上できる。【００２４】
また、上記の半導体モジュールにおいて、前記第１半導体素子または前記第２半導体素子に電気的に接続された端子を備え、前記端子が前記第１冷却器と前記第２冷却器との間から外部に導出されていることが望ましい。このような構成によれば、第１冷却器および第２冷却器から離れた位置から端子が導出されるので、これらの冷却器と端子との絶縁距離を確保することができる。【００２５】
また、上記の半導体モジュールを１単位とする半導体モジュールユニットを複数備え、前記各端子が出ていない面を対面させて横一列に複数並べられていてもよい。このような構成によれば、複数の半導体モジュールを組み合わせて１つのインバータを構成させることができる。複数の半導体モジュールを最初から一体として製造すると、部品内に不良品が含まれているリスクが高くなるため良品率が低下する。個別の半導体モジュールユニットを検査後に組み合わせれば、不良の半導体モジュールのみを交換すれば良いので、ロスコストを低減できる。【００２６】
また、上記複数の半導体モジュールユニットを横一列に複数並べた半導体モジュールにおいて、第１冷却器及び第２冷却器はそれぞれ上記半導体モジュールユニットの列の両側の面全体を覆うように、上記半導体モジュールユニットと一体になっている構造にしてもよい。このような構成によれば、大きな冷却器を２つ用いればよいので、部品点数を減らすことができ、組み立てコストを低減できる。【００２７】
また、上記の半導体モジュールにおいて、前記半導体モジュールの前記第１冷却器および前記第１冷却器の第４金属箔との接合面と、前記半導体モジュールの前記第２冷却器および前記第２冷却器の第６金属箔との接合面と、前記端子の外部に導出される領域と、を除いて封止樹脂で封止されていることが望ましい。このような構成によれば、封止樹脂によって外部との接触を防止できるので、半導体素子を保護できる。【００２８】
また、上記の半導体モジュールにおいて、前記端子が一方向に平行な方向で前記半導体モジュール外部へ導出されており、前記第１冷却器は、冷媒が導入される第１冷媒入口と、冷媒が排出される第１冷媒出口とを備え、前記第２冷却器は、冷媒が導入される第２冷媒入口と、冷媒が排出される第２冷媒出口とを備え、前記第１冷媒入口、前記第１冷媒出口、前記第２冷媒入口、および前記第２冷媒出口が、前記端子と直交する方向に離間して導出されていることが望ましい。このような構成によれば、端子と冷媒の出入り口が離れているので、組み立ての作業性を向上できる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、ピン接合を利用した半導体モジュールにおいて、冷却能力を向上できる半導体モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体モジュールの断面図である。
【図２】（Ａ）は図１のＡ−Ａ断面を上方向へ見た断面図であり、（Ｂ）は、図１のＡ−Ａ断面を下方向へ見た断面図である。
【図３】図１の上下の冷却器およびハンダを除いた半導体モジュールユニットの鳥瞰図である。
【図４】本発明の第１の実施例に係る半導体モジュールを１単位とする半導体モジュールユニットを横一列に複数並べた半導体モジュールの鳥瞰図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係る半導体モジュールの断面図である。
【図６】本発明の第３の実施例に係る半導体モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図面を参照しながら本発明に係る半導体モジュールの実施形態を説明する。同一の構成要素については、同一の符号を付け、重複する説明は省略する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。
【００３２】
（第１の実施例）
本発明に係る第１の実施例について説明する。図１は、本発明の第１の実施例に係る半導体モジュールの断面図である。図２（Ａ）は、図１のＡ−Ａ断面を上方向へ見た断面図であり、図２（Ｂ）は、図１のＡ−Ａ断面を下方向へ見た断面図である。図３は、図１の上下の冷却器およびハンダを除いた半導体モジュールユニットの鳥瞰図である。図４は、本発明の第１の実施例に係る半導体モジュールを１単位とする半導体モジュールユニットを横一列に複数並べた半導体モジュールの鳥瞰図である。
【００３３】
本発明の第１の実施例に係る半導体モジュール１００は、第１半導体素子１、第１ＤＣＢ基板２、第１セラミック絶縁基板２ａ、第３金属箔２ｂ、第４金属箔２ｃ、ハンダ３ａ、ハンダ３ｂ、ハンダ３ｃ、ハンダ３ｄ、ハンダ３ｅ、ハンダ３ｆ、ハンダ３ｇ、ハンダ３ｈ、第２ＤＣＢ基板４、第２セラミック絶縁基板４ａ、第５金属箔４ｂ、第６金属箔４ｃ、第１ピン配線基板５、第１ピン配線用絶縁基板５ａ、第１金属箔(回路層)５ｂ、第２金属箔５ｃ、第１冷却器６、第１冷媒通路６ａ、第１冷媒入口６ｂ、第１冷媒出口６ｃ、第１フィン６ｄ、分配部６ｅ、集水部６ｆ、第２冷却器７、第２冷媒通路７ａ、第２冷媒入口７ｂ、第２冷媒出口７ｃ、第２フィン７ｄ、分配部７ｅ、集水部７ｆ、第１電力端子８ａ、第２電力端子８ｂ、第３電力端子８ｃ、封止樹脂９、第１ピン１０、第１制御端子１１ａ、第２制御端子１１ｂ、接続部材１２、第２半導体素子１３、第２ピン１４、第２ピン配線基板１５、第２ピン配線用絶縁基板１５ａ、第７金属箔(回路層)１５ｂ、第８金属箔１５ｃを備えている（図１参照）。
【００３４】
第１半導体素子１および第２半導体素子１３は、特に限定されないが、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ    Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＦＷＤ（Ｆｒｅｅ  Ｗｈｅｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）であってもよく、これらを１つの半導体素子の中で縦方向に形成されたＲＢ−ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｂｌｏｃｋｉｎｇ−Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ−Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であってもよい。
【００３５】
第１ピン１０は、第１半導体素子１の上面に電気的および熱的に接続されている。第２ピン１４は、第２半導体素子１３の下面に電気的および熱的に接続されている。第１ピン１０および第２ピン１４の材質は、電気抵抗が低く熱伝導率が高い金属が好適に用いられ、具体的には銅が望ましい。第１ピン１０および第２ピン１４は、１つの半導体素子１に対して複数のピンを配置することが好ましい。こうすることによって、電気抵抗を減らすと共に、熱伝導性能を向上できる。
【００３６】
第１ピン配線基板５は、第１ピン配線用絶縁基板５ａ、第１金属箔(回路層)５ｂ、第２金属箔５ｃからなり、第１ピン配線用絶縁基板５ａの下面に第１金属箔５ｂが配置され、第１ピン配線用絶縁基板５ａの上面に第２金属箔５ｃが配置されている。そして、第１ピン１０は第１ピン配線用絶縁基板５ａを貫通し、第１金属箔(回路層)５ｂと第２金属箔５ｃは第１ピン１０を介して電気的に接続されている。
【００３７】
第１冷却器６は、内部が空洞であり、複数の第１フィン６ｄを備えている。第１フィン６ｄの間が冷媒通路６ａになっている。図４に示した第１冷媒入口６ｂから第１冷却器６に入った冷媒は、分配部６ｅで各冷媒通路６ａに分配され、冷媒が第１冷却器の熱で加熱された後、集水部６ｆで冷媒が集められ、第１冷媒出口６ｃから第１冷却器の外に排出される。冷媒としては、特に限定されないが、例えば、エチレングリコール水溶液や水などの液体冷媒を用いることもできるし、空気のような気体冷媒を用いることもできるし、フロンのように冷却器で蒸発して気化熱で冷却器を冷やす相変化可能な冷媒を用いることもできる。第１冷却器６は、第４金属箔２ｃに熱的に接続されている。
【００３８】
第２冷却器７は、内部が空洞であり、複数の第２フィン７ｄを備えている。第２フィン７ｄの間が冷媒通路７ａになっている。図４に示した第２冷媒入口７ｂから第２冷却器７に入った冷媒は、分配部７ｅで各冷媒通路７ａに分配され、冷媒が第２冷却器の熱で加熱された後、集水部７ｆで冷媒が集められ、第２冷媒出口７ｃから第２冷却器の外に排出される。冷媒としては、特に限定されないが、例えば、エチレングリコール水溶液や水などの液体冷媒を用いることもできるし、空気のような気体冷媒を用いることもできるし、フロンのように冷却器で蒸発して気化熱で冷却器を冷やす相変化可能な冷媒を用いることもできる。第２冷却器７は、第６金属箔４ｃに熱的に接続されている。
【００３９】
第１ＤＣＢ基板２は、第１セラミック絶縁基板２ａと第３金属箔２ｂと第４金属箔２ｃからなり、第１セラミック絶縁基板２ａの上面に第３金属箔２ｂが配置され、第１セラミック絶縁基板２ａの下面に第４金属箔２ｃが配置されている。第１ＤＣＢ基板２の第３金属箔２ｂは、半導体素子１の下面に接合されている。ＤＣＢとは、Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇの略であり、セラミック絶縁基板に銅などの金属箔が直接接合されている。
【００４０】
第２ＤＣＢ基板４は、第２セラミック絶縁基板４ａ、第５金属箔４ｂ、第６金属箔４ｃからなり、第２セラミック絶縁基板４ａの下面に第５金属箔４ｂが配置され、第２セラミック絶縁基板４ａの上面に第６金属箔４ｃが配置されている。第２ＤＣＢ基板４は、第２半導体素子１３と第２冷却器７との間に配置されている。第５金属箔４ｂと第２半導体素子１３との間は、電気的および熱的に接続されている。第６金属箔４ｃと第２冷却器７との間は、熱的に接続されている。第２セラミック絶縁基板４ａが絶縁性のため、第５金属箔４ｂと第６金属箔４ｃとの間は電気が導通しない。
【００４１】
第２ピン配線基板１５は、第２ピン配線用絶縁基板１５ａ、第７金属箔(回路層)１５ｂ、第８金属箔１５ｃからなり、第２ピン配線用絶縁基板１５ａの上面に第７金属箔１５ｂが配置され、第２ピン配線用絶縁基板１５ａの下面に第８金属箔１５ｃが配置されている。そして、第２ピン１４は第２ピン配線用絶縁基板１５ａを貫通し、第７金属箔(回路層)１５ｂと第８金属箔１５ｃは、第２ピン１４を介して電気的に接続されている。
【００４２】
接続部材１２は、第１ピン配線基板５の第２金属箔５ｃと第２ＤＣＢ基板４の第５金属箔４ｂとの間に配置され、電気的および熱的に接続されている。接続部材１２の材質は、電気抵抗が低く熱伝導率が高い金属が好適に用いられ、具体的には銅が望ましい。
【００４３】
第１電力端子８ａは、第１ＤＣＢ基板２の第３金属箔２ｂに電気的に接続されている。第２電力端子８ｂは、第２ＤＣＢ基板４の第５金属箔４ｂに電気的に接続されている。第３電力端子８ｃは、第２ピン配線基板１５の第８金属箔１５ｃに電気的に接続されている。上記の電力端子８ａ、８ｂ、８ｃは、第１冷却器６と第２冷却器７との間から外部に導出されている。図示していないが、各電力端子８ａ、８ｂ、８ｃと各金属箔２ｂ、４ｂ、１５ｃとはハンダでそれぞれ接合されている。
【００４４】
第１制御端子１１ａは、第１半導体素子１を制御するための端子であり、外部から第１半導体素子１が制御される。第２制御端子１１ｂは、第２半導体素子１３を制御するための端子であり、外部から第２半導体素子１３が制御される。
【００４５】
ハンダ３ａは、第１半導体素子１の下面と第３金属箔２ｂを接続して電気的および熱的に接続している。ハンダ３ｂは、第１ＤＣＢ基板２の第４金属箔２ｃと第１冷却器６の外壁とを接続しており、第１半導体素子１から第１ＤＣＢ基板２に伝わった熱を第１冷却器６に伝熱している。ハンダ３ｃは、第１半導体素子１の上面と第１ピン１０との間を電気的および熱的に接続している。ハンダ３ｄは、第１ピン配線基板５の第２金属箔５ｃと接続部材１２との間を電気的および熱的に接続している。ハンダ３ｅは、接続部材１２と第２ＤＣＢ基板４の第５金属箔４ｂとの間を電気的および熱的に接続している。ハンダ３ｆは、第２ＤＣＢ基板４の第６金属箔４ｃと第２冷却器７の外壁とを熱的に接続している。ハンダ３ｇは、第２半導体素子１３と第２ＤＣＢ基板４の第５金属箔４ｂとの間を電気的および熱的に接続している。ハンダ３ｈは、第２半導体素子１３の下面と第２ピン１４との間を電気的および熱的に接続している。
【００４６】
封止樹脂９は、半導体モジュール１００の第１冷却器６および第１冷却器６の第４金属箔２ｃとの接合面と、半導体モジュール１００の第２冷却器７および第２冷却器７の第６金属箔４ｃとの接合面と、第１電力端子８ａ、第２電力端子８ｂ、第３電力端子８ｃ、第１制御端子１１ａ、および第２制御端子１１ｂの外部に導出される領域とを除いて封止樹脂で封止されている。封止樹脂９は、所定の絶縁性能があり、成形性がよいものであれば特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂などが好適に用いられる。図１では、封止樹脂９は、他の部品が見えるように位置を破線で示され、封止樹脂９を除いた状態で示されている。
【００４７】
半導体モジュール１００の第１冷却器６および第２冷却器７に挟まれた中央部分は、第１ＤＣＢ基板２の第１セラミック絶縁基板２ａ、第２ＤＣＢ基板４の第２セラミック絶縁基板４ａ、および封止樹脂９で囲んでいるので、絶縁性能が確保されている。外界への主電力の入出力は、電力端子８ａ、８ｂ、８ｃから行なわれる。図２に示したように、第１電力端子８ａ、第２電力端子８ｂ、第３電力端子８ｃ、第１制御端子１１ａ、および第２制御端子１１ｂは、一方向に平行な方向で前記半導体モジュール外部へ導出されている。
【００４８】
図３に半導体モジュールユニット１００ａを示した。半導体モジュールユニット１００ａは、図１の半導体モジュールから第１冷却器６と第２冷却器７とハンダ３ｂ、ハンダ３ｆを除いた状態を示したものである。
【００４９】
図４は、複数の半導体モジュールユニット１００ａを、端子が出ていない面を対面させて横一列に複数並べ、第１冷却器及び第２冷却器がそれぞれ半導体モジュールユニットの列の両側の面全体を覆うように半導体モジュールユニットと一体になっている半導体モジュールを示したものである。図１および図４のように、半導体モジュールユニット１００ａの数は、１つでも良いし、２つ以上を組み合わせてもよい。
【００５０】
第１冷却器６には、冷媒入口６ｂ、冷媒出口６ｃが備えられている。第２冷却器７には、冷媒入口７ｂ、冷媒出口７ｃが備えられている。第１冷却器６と第２冷却器７の冷媒の流れる方向は、対向する方向に流すことが好ましい。このようにすれば、半導体モジュール１００を効率的に冷却できる。
【００５１】
第１の実施例において、第１半導体素子１、第２半導体素子１３、第１ピン１０、第２ピン１４の組を複数備えている構造にしてもよい。第１半導体素子１および第２半導体素子を複数並列接続で並べることで半導体モジュールの処理できる定格出力を増加できる。また、複数の第１半導体素子１および第２半導体素子１３の種類をそれぞれ異なる種類の半導体素子に変えてもよい。例えば、ＩＧＢＴとＦＷＤを並列接続にする構造としてもよい。
【００５２】
本発明の上記実施例によれば、ピン接合を利用した半導体モジュールにおいて、冷却能力を向上できる半導体モジュールを提供できる。
【００５３】
（第２の実施例）
本発明に係る第２の実施例について説明する。図５は、本発明の第２の実施例に係る半導体モジュールの断面図である。上記第１の実施例との相違点は、半導体モジュール１０１が、第１の実施例の構造に加えて、ハンダ３ｉ、ハンダ３ｊ、第１ヒートスプレッダ１６、第２ヒートスプレッダ１７を備えている点である。
【００５４】
半導体モジュール１０１は、第１半導体素子１と第３金属箔２ｂとの間に第１ヒートスプレッダ１６を配置して電気的および熱的にそれぞれ接続され、かつ、第２半導体素子１３と第５金属箔４ｂとの間に第２ヒートスプレッダ１７を配置して電気的および熱的にそれぞれ接続されている。第１ヒートスプレッダ１６および第２ヒートスプレッダ１７の材質としては、熱伝導率の高い金属が用いられ、例えば、銅を用いることが望ましい。第１ヒートスプレッダ１６および第２ヒートスプレッダ１７の厚さは、第１半導体素子１および第２半導体素子１３の発熱量および過渡的に生じる発熱の増加量と第１冷却器６および第２冷却器７の冷却能力の余裕度に応じて設計される。
【００５５】
第１の実施例の第１電力端子８ａに相当する第１電力端子８ａ１は、第１ヒートスプレッダ１６に電気的に接続されている。第１の実施例の第２電力端子８ｂに相当する第２電力端子８ｂ１は、第２ヒートスプレッダ１７に電気的に接続されている。
【００５６】
（第３の実施例）
本発明に係る第３の実施例について説明する。図６は、本発明の第３の実施例に係る半導体モジュールの断面図である。上記第２の実施例との相違点は、半導体モジュール１０２が、第２の実施例の構造に加えて、ハンダ３ｋ、ハンダ３ｌ、第３ヒートスプレッダ１８、第４ヒートスプレッダ１９を備えている点である。
【００５７】
半導体モジュール１０２は、第４金属箔２ｃと第１冷却器６との間に第３ヒートスプレッダ１８を配置して熱的にそれぞれ接続され、かつ、第６金属箔４ｃと第２冷却器７との間に第４ヒートスプレッダ１９を配置して熱的にそれぞれ接続されている。第３ヒートスプレッダ１８および第４ヒートスプレッダ１９の材質としては、熱伝導率の高い金属が用いられ、例えば、銅を用いることが望ましい。第３ヒートスプレッダ１８および第４ヒートスプレッダ１９の厚さは、第１半導体素子１および第２半導体素子１３の発熱量および過渡的に生じる発熱の増加量と第１冷却器６および第２冷却器７の冷却能力の余裕度に応じて設計される。
【００５８】
第３ヒートスプレッダ１８、第４ヒートスプレッダ１９を備えているので、半導体モジュール１０２の熱拡散が促進され冷却能力を向上できる。
【００５９】
以上のように、本発明のこれら第１、２、３の実施例によれば、ピン接合を利用した半導体モジュールにおいて、冷却能力を向上できる半導体モジュールを提供できる。
【符号の説明】
【００６０】
１ 第１半導体素子
２ 第１ＤＣＢ基板
２ａ 第１セラミック絶縁基板
２ｂ 第３金属箔
２ｃ 第４金属箔
３ａ，３ａ１，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｇ１，３ｈ，３ｉ，３ｊ，３ｋ，３ｌ ハンダ
４ 第２ＤＣＢ基板
４ａ 第２セラミック絶縁基板
４ｂ 第５金属箔
４ｃ 第６金属箔
５ 第１ピン配線基板
５ａ 第１ピン配線用絶縁基板
５ｂ 第１金属箔(回路層)
５ｃ 第２金属箔
６ 第１冷却器
６ａ 第１冷媒通路
６ｂ 第１冷媒入口
６ｃ 第１冷媒出口
６ｄ 第１フィン
６ｅ 分配部
６ｆ 集水部
７   第２冷却器
７ａ 第２冷媒通路
７ｂ 第２冷媒入口
７ｃ 第２冷媒出口
７ｄ 第２フィン
７ｅ 分配部
７ｆ 集水部
８ａ 第１電力端子
８ａ１ 第１電力端子
８ｂ 第２電力端子
８ｂ１ 第２電力端子
８ｃ 第３電力端子
９ 封止樹脂
１０ 第１ピン
１１ａ 第１制御端子
１１ｂ 第２制御端子
１２ 接続部材
１３ 第２半導体素子
１４ 第２ピン
１５ 第２ピン配線基板
１５ａ 第２ピン配線用絶縁基板
１５ｂ 第７金属箔(回路層)
１５ｃ 第８金属箔
１６ 第１ヒートスプレッダ
１７ 第２ヒートスプレッダ
１８ 第３ヒートスプレッダ
１９ 第４ヒートスプレッダ
１００ 半導体モジュール
１００ａ 半導体モジュールユニット
１０１ 半導体モジュール
１０２ 半導体モジュール
【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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