(57)【要約】  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。  半導体素子１と、半導体素子１の上面に電気的および熱的に接続されたピン１０と、ピン配線用絶縁基板５ａの裏面に第１金属箔５ｂ、おもて面に 第２金属箔５ｃを備え、かつ第１金属箔５ｂとピン１０とが接合しているピン配線基板５と、第１セラミック絶縁基板２ａのおもて面に第３金属箔２ｂ、裏面に 第４金属箔２ｃを備え、かつ、第３金属箔２ｂが半導体素子１の下面に接合されている第１ＤＣＢ基板２と、第４金属箔２ｃに熱的に接続された第１冷却器６ と、第２金属箔５ｃに熱的に接続された第２冷却器７とを備える。
2015064232.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子の上面に電気的および熱的に接続されたピンと、
ピン配線用絶縁基板、前記ピン配線用絶縁基板の裏面に配置した第１金属箔、および前記ピン配線用絶縁基板のおもて面に配置した第２金属箔を備えており、かつ前記第１金属箔と前記ピンとが接合しているピン配線基板と、
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おもて面に配置した第３金属箔、および前記第１セラミック絶縁基板の裏面に配置した第４金属箔を備えており、前記第３金属箔は、前記半導体素子の下面に接合されている第１ＤＣＢ基板と、
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２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】
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裏面に配置した第５金属箔、および前記第２セラミック絶縁基板のおもて面に配置した第６金属箔を備えた第２ＤＣＢ基板を備え、
前記第２金属箔と前記第２冷却器との間に第２ＤＣＢ基板を配置して熱的に接続されている請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記第２金属箔と前記第２冷却器との間にヒートスプレッダを配置して熱的に接続されてい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４】
前記半導体素子および前記ピンの組を複数備えている請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記半導体素子の入力端子および出力端子は、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請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１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が、前記半導体素子の入力端子および出力端子が出ていない側面を対面させて、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７】
前記第１冷却器および第２冷却器はそれぞれ前記モジュールユニットの列全体を覆うように一体になっていることを特徴とする請求項６に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
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冷却器に熱的に接続される面と、
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冷却器に熱的に接続される面と、
を除いて封止樹脂で封止されている請求項１〜７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】
【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、冷却能力を向上させた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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の発明には、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る。【０００８】
特許文献２の発明は、特許文献１のワイヤに相当するものをリード電極に置き換えているものの、同様に剥離現象が生じる恐れがある。【０００９】
特許文献３には、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が開示されている。しかしながら、該半導体モジュールにおいて半導体素子の冷却面は片面のみであり、冷却能力が低く、大電力化することが難しいという問題点がある。【００１０】
したがって、本発明の目的は、ピン接合を利用した半導体モジュールにおいて、冷却能力を向上させた半導体モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の半導体モジュールは、半導体素子と、前記半導体素子の上面に電気的および熱的に接続されたピンと、ピン配線用絶縁基板、前記ピン配線用絶縁基板の裏面に配置した第１金属箔、および前記ピン配線用絶縁基板のおもて面に配置した第２金属箔を備えており、かつ前記第１金属箔と前記ピンとが接合しているピン配線基板と、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おもて面に配置した第３金属箔、および前記第１セラミック 絶縁基板の裏面に配置した第４金属箔を備えており、前記第３金属箔は、前記半導体素子の下面に接合されている第１ＤＣＢ基板と、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２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。【００１２】
本発明の半導体モジュールの一実施形態において、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裏面に配置した第５金属箔、および前記第２セラミック絶縁基板のおもて面に配置した第６金属箔を備えた第２ＤＣＢ基板を備え、前記第２金属箔と前記第２冷却器との間に第２ＤＣＢ基板を配置して熱的に接続されていることが好ましい。【００１３】
本発明の半導体モジュールの他の実施形態において、前記第２金属箔と前記第２冷却器との間にヒートスプレッダを配置して熱的に接続されていることが好ましい。【００１４】
本発明の上記の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、前記半導体素子および前記ピンの組は複数を備えることができる。【００１５】
本発明の上記の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、前記半導体素子の入力端子および出力端子は、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することができる。【００１６】
本発明の半導体モジュールの別の実施形態においては、前記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が、前記半導体素子の入力端子および出力端子が出ていない側面を対面させて、横一列に複数並べられていることを特徴とする。【００１７】
本発明の上記半導体モジュールにおいては、前記第１冷却器および第２冷却器はそれぞれ前記モジュールユニットの列全体を覆うように一体となっていることが好ましい。【００１８】
本発明の半導体モジュールにおいては、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冷却器に熱的に接続される面と、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冷却器に熱的に接続される面とを除いて封止樹脂で封止されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、半導体素子表面にピンを介して電気的に接続されているピン配線基板は、半導体素子に熱的にも接続されていることから、伝熱面積を広げるヒートスプレッダとして機能し、半導体モジュールの上面からも多くの熱を伝熱することができる。２つの冷却器を用い、半導体モジュールを上面及び下面から冷却することによって、冷却能力を高め、大出力の半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体モジュールの断面模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体モジュールにおいて、２個以上の半導体素子を備える半導体モジュールの断面模式図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る半導体モジュールの断面模式図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る半導体モジュールの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
（本発明の第１の実施形態）
まず、本発明に係る第１の実施形態について説明する。
【００２３】
図１には、本発明の第１の実施形態に係る半導体モジュール１００の断面模式図が示されている。半導体モジュール１００は、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、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、ピン配線基板５、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、冷媒通路６ａ、第２冷却器７、冷媒通路７ａ、端子８ａ、端子８ｂ、端子８ｃ、封止樹脂９、ピン１０を備えている。
【００２４】
半導体素子１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。
【００２５】
ピン配線基板５は、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金属箔（回路層）５ｂが半導体素子１に対向するように配置されている。ピン配線用絶縁基板５ａは、特に限定されないが、誘電率が低く、熱伝導率の高い材料が好ましく、例えばＳｉ３Ｎ４，ＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３を使用することができる。第１金属箔（回路層）５ｂと第２金属箔５ｃは、特に限定されないが、電気抵抗が低く、熱伝導率の高い材料が好ましく、例えば銅を使用することができる。
【００２６】
ピン１０は、特に限定されないが、電気抵抗が低く熱伝導率が高い金属、具体的には銅が好ましい。ピン１０の一端はハンダ３ｃによって半導体素子１の上面にハンダ接合され、他端は第１金属箔(回路層)５ｂに接合されている。上記構造によれば、半導体素子１で発生する熱はピン１０を介して第１金属箔５ｂ、ピン配線用絶縁基板５ａ、第１金属箔５ｃに伝えることができ、ピン配線基板５は伝熱面積を広げるヒートスプレッダとして機能し、半導体モジュール１００の冷却効率を高めることができる。また、ピン１０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。
【００２７】
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のおもて面に第３金属箔２ｂが配置され、第１セラミック絶縁基板２ａの裏面に第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。セラミック絶縁基板２ａが絶縁性のため、第３金属箔２ｂと第４金属箔２ｃとは電気的に絶縁されている。なお、セラミック絶縁基板２ａの材質は、特に限定されないが、熱伝導率の高い材料であることが好ましく、例えばＡｌＮを用いることができる。
【００２８】
半導体素子１の下面と第３金属箔２ｂとはハンダ３ａによって電気的および熱的に接続されている。第３金属箔２ｂと第４金属箔２ｃは第１セラミック絶縁基板２ａによって電気的に絶縁されているが、この間の熱伝導は良い。第１ＤＣＢ基板２の第４金属箔２ｃと第１冷却器６の外壁とはハンダ３ｂによって接続されている。
【００２９】
ピン配線基板５と第２冷却器７との間には、第２ＤＣＢ基板４が配置されている。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の裏面に第５金属箔４ｂが配置され、第２セラミック絶縁基板４ａのおもて面に第６金属箔が配置されている。ピン配線基板５の第２金属箔５ｃは、ハンダ３ｄによって、第２ＤＣＢ基板４の第５金属箔４ｂと電気的および熱的に接続されている。第２ＤＣＢ基板４の第５金属箔４ｂと第６金属箔４ｃは第２セラミック絶縁基板４ａによって電気的に絶縁されているが、この間の熱伝導はよい。第２ＤＣＢ基板４の第６金属箔４ｃと第２冷却器７の外壁とはハンダ３ｅによって接続されている。
【００３０】
このような構成によれば、半導体素子から発生する熱を、半導体素子１の下面から第１ＤＣＢ基板２を介して第１冷却器６へ伝熱すると共に、半導体素子１の上面に接続されたピン１０を経由してピン配線用基板５へ伝熱し、次に第２ＤＣＢ基板４へ伝熱し、さらに第２冷却器７伝熱することができる。ピン配線基板５は、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が、第２ＤＣＢ基板４は熱流をさらに分散させてホットスポットの発生を防止することができる。
【００３１】
なお、半導体モジュールは、半導体素子１を１個備えるものに限らず、半導体素子１およびピン１０の組を複数備えている構造にしてもよい。
【００３２】
図２には、本発明の第２の実施形態による縦構造で、半導体素子１を２個備える半導体モジュール１０１の断面模式図が示されている。半導体モジュールは半導体素子１を並列接続で並べることで半導体モジュールの定格出力を倍増することができる。また、複数の半導体素子１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を並列接続にして、逆起電力に対する保護効果を付与することができる。
【００３３】
（本発明の第２の実施形態）
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。
【００３４】
図３には、本発明の第２の実施形態に係る半導体モジュール１０２の断面模式図が示されている。半導体モジュール１０２は、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、ヒートスプレッダ１１、第６金属箔４ｃ、ピン配線基板５、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、冷媒通路６ａ、第２冷却器７、冷媒通路７ａ、端子８ａ、端子８ｂ、端子８ｃ、封止樹脂９、ピン１０を備えている。
【００３５】
本発明の第２の実施形態において、ピン配線基板５と第２冷却器７との間には、ヒートスプレッダ１１が配置されている。ヒートスプレッダ１１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。ヒートスプレッダ１１の厚さは、半導体素子１の発熱量および過渡的に生じる発熱の増加量と第２冷却器７の冷却能力の余裕度に応じて設計される。
【００３６】
ピン配線基板５の第２金属箔５ｃは、ハンダ３ｄによって、ヒートスプレッダ１１と電気的および熱的に接続されている。さらにヒートスプレッダ１１と第２冷却器７の外壁とはハンダ３ｅによって接続されている。
【００３７】
このような構成によれば、半導体素子から発生する熱を、半導体素子１の下面から第１ＤＣＢ基板２を介して第１冷却器６へ伝熱すると共に、半導体素子１の上面に接続されたピン１０を経由してピン配線用基板５へ伝熱し、次にヒートスプレッダ１１へ伝熱し、さらに第２冷却器７へ伝熱することができる。ピン配線基板５は、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が、ヒートスプレッダ１１は熱伝導のよい金属を使用しているために、熱流をさらに分散させてホットスポットの発生を防止することができる。
【００３８】
なお、半導体モジュール１０２の出力が低く、半導体モジュール１０２の発熱温度に対する融点と絶縁性能を満足できると判断される場合は、ガラス繊維入りエポキシ樹脂製などのプリント基板を用いてもよい
【００３９】
また、ヒートスプレッダ１１を厚くし熱容量を増やすことで、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。
【００４０】
第２実施形態は、半導体素子１から第２冷却器７に至る伝熱経路の熱抵抗が低く、ヒートスプレッダの熱容量による緩衝作用によって過渡熱による温度上昇も抑制しているため、冷却能力に非常に優れている。
【００４１】
（本発明の第３の実施形態）
次に、本発明に係る第３の実施形態について説明する。
【００４２】
本発明の第３の実施形態に係る半導体モジュールでは、実施形態１〜２に記載された半導体モジュールの複数個を、入力端子および出力端子が出ていない側面を対面させて横一列に複数並べた構造にすることができる。そして、第１冷却器６および第２冷却器７は前記半導体モジュールの列全体を被覆するように、それぞれを一体化することができる。
【００４３】
図４には、半導体モジュール３個を横一列に複数並べた本発明の第４の実施形態に係る半導体モジュール１０３の斜視図が示されている。第１冷却器６および第２冷却器７はそれぞれ一体になっている。
【００４４】
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１０３を効率的に冷却できる。
【００４５】
以上のように、本発明の実施例によれば、ピン接合を利用した半導体モジュールにおいて、冷却能力を高めた半導体モジュールを提供できる。
【符号の説明】
【００４６】
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 ハンダ
３ｂ ハンダ
３ｃ ハンダ
３ｄ ハンダ
３ｅ 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 ピン配線基板
５ａ 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 冷媒通路
６ｂ 冷媒入口
６ｃ 冷媒出口
７ 第２冷却器
７ａ 冷媒通路
７ｂ 冷媒入口
７ｃ 冷媒出口
８ａ 端子
８ａ１ 端子
８ｂ 端子
８ｃ 端子
９ 封止樹脂
１０ ピン
１１ ヒートスプレッダ
１００ 半導体モジュール
１０１ 半導体モジュール
１０２ 半導体モジュール
１０３ 半導体モジュール
【図１】
2015064232.tif 000003
【図２】
2015064232.tif 000004
【図３】
2015064232.tif 000005
【図４】
2015064232.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成27年2月27日(2015.2.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子の上面に電気的および熱的に接続されたピンと、
ピン配線用絶縁基板、前記ピン配線用絶縁基板の裏面に配置した第１金属箔、および前記ピン配線用絶縁基板のおもて面に配置した第２金属箔を備えており、かつ前記第１金属箔と前記ピンとが接合しているピン配線基板と、
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おもて面に配置した第３金属箔、および前記第１セラミック絶縁基板の裏面に配置した第４金属箔を備えており、前記第３金属箔は、前記半導体素子の下面に接合されている第１ＤＣＢ基板と、
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２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】
前記ピン配線用絶縁基板は、Ｓｉ３Ｎ４，ＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３から選ばれるいずれかの材料を使用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】
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裏面に配置した第５金属箔、および前記第２セラミック絶縁基板のおもて面に配置した第６金属箔を備えた第２ＤＣＢ基板を備え、
前記第２金属箔と前記第２冷却器との間に第２ＤＣＢ基板を配置して熱的に接続されている請求項１又は２に記載の半導体モジュール
【請求項４】
前記第２金属箔と前記第２冷却器との間にヒートスプレッダを配置して熱的に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記半導体素子および前記ピンの組を複数備えている請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記半導体素子の入力端子および出力端子は、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請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１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が、前記半導体素子の入力端子および出力端子が出ていない側面を対面させて、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８】
前記第１冷却器および第２冷却器はそれぞれ前記モジュールユニットの列全体を覆うように一体になっていることを特徴とする請求項７に記載の半導体モジュール。
【請求項９】
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冷却器に熱的に接続される面と、
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冷却器に熱的に接続される面と、
を除いて封止樹脂で封止されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【手続補正書】
【提出日】平成27年11月6日(2015.11.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子の上面に電気的および熱的に接続されたピンと、
ピン配線用絶縁基板、前記ピン配線用絶縁基板の裏面に配置した第１金属箔、および前記ピン配線用絶縁基板のおもて面に配置した第２金属箔を備えており、かつ前記第１金属箔と前記ピンとが接合しているピン配線基板と、
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おもて面に配置した第３金属箔、および前記第１セラミック絶縁基板の裏面に配置した第４金属箔を備えており、前記第３金属箔は、前記半導体素子の下面に接合されている第１ＤＣＢ基板と、
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２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】
前記ピン配線用絶縁基板は、Ｓｉ３Ｎ４，ＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３から選ばれるいずれかの材料を使用されている請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
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裏面に配置した第５金属箔、および前記第２セラミック絶縁基板のおもて面に配置した第６金属箔を備えた第２ＤＣＢ基板を備え、
前記第２金属箔と前記第２冷却器との間に第２ＤＣＢ基板を配置して熱的に接続されている請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記第２金属箔と前記第２冷却器との間にヒートスプレッダを配置して熱的に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記半導体素子および前記ピンの組を複数備えている請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記半導体素子の入力端子および出力端子は、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請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１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が、前記半導体素子の入力端子および出力端子が出ていない側面を対面させて、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８】
前記第１冷却器および第２冷却器はそれぞれ前記半導体モジュールユニットの列全体を覆うように一体になっている請求項７に記載の半導体モジュール。
【請求項９】
前記半導体モジュールは、前記第１冷却器と、前記第１冷却器に熱的に接続される面と、前記第２冷却器と、前記第２冷却器に熱的に接続される面とを除いて封止樹脂で封止されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体モジュールの断面模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体モジュールの変形例としての、２個以上の半導体素子を備える半導体モジュールの断面模式図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る半導体モジュールの断面模式図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る半導体モジュールの斜視図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
ピン１０は、特に限定されないが、電気抵抗が低く熱伝導率が高い金属、具体的には銅が好ましい。ピン１０の一端はハンダ３ｃによって半導体素子１の上面にハンダ接合され、他端は第１金属箔(回路層)５ｂに接合されている。上記構造によれば、半導体素子１で発生する熱はピン１０を介して第１金属箔５ｂ、ピン配線用絶縁基板５ａ、第２金属箔５ｃに伝えることができ、ピン配線基板５は伝熱面積を広げるヒートスプレッダとして機能し、半導体モジュール１００の冷却効率を高めることができる。また、ピン１０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。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
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のおもて面に第３金属箔２ｂが配置され、第１セラミック絶縁基板２ａの裏面に第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。第１セラミック絶縁基板２ａが絶縁性のため、第３金属箔２ｂと第４金属箔２ｃとは電気的に絶縁されている。なお、第１セラミック絶縁基板２ａの材質は、特に限定されないが、熱伝導率の高い材料であることが好ましく、例えばＡｌＮを用いることができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
なお、半導体モジュール１０２の出力が低く、半導体モジュール１０２の発熱温度に対する融点と絶縁性能を満足できると判断される場合は、ガラス繊維入りエポキシ樹脂製などのプリント基板を用いてもよい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
図４には、半導体モジュール３個を横一列に複数並べた本発明の第３の実施形態に係る半導体モジュール１０３の斜視図が示されている。第１冷却器６および第２冷却器７はそれぞれ一体になっている。
【手続補正書】
【提出日】平成28年8月26日(2016.8.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子の上面に電気的および熱的に接続されたピンと、
ピン配線用絶縁基板、前記ピン配線用絶縁基板の裏面に配置した第１金属箔、および前記ピン配線用絶縁基板のおもて面に配置した第２金属箔を備えており、かつ前記第１金属箔と前記ピンとが接合しているピン配線基板と、
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おもて面に配置した第３金属箔、および前記第１セラミック絶縁基板の裏面に配置した第４金属箔を備えており、前記第３金属箔は、前記半導体素子の下面に接合されている第１ＤＣＢ基板と、
外壁に設けられたハンダによって前記第４金属箔と接続された第１冷却器と、
外壁に設けられたハンダを介して前記第２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】
半導体素子と、
前記半導体素子の上面に電気的および熱的に接続されたピンと、
ピン配線用絶縁基板、前記ピン配線用絶縁基板の裏面に配置した第１金属箔、および前記ピン配線用絶縁基板のおもて面に配置した第２金属箔を備えており、かつ前記第１金属箔と前記ピンとが接合しているピン配線基板と、
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おもて面に配置した第３金属箔、および前記第１セラミック絶縁基板の裏面に配置した第４金属箔を備えており、前記第３金属箔は、前記半導体素子の下面に接合されている第１ＤＣＢ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裏面に配置した第５金属箔、および前記第２セラミック絶縁基板のおもて面に配置した第６金属箔を備えており、前記第５金属箔は、前記第２金属箔とハンダにより接続されている第２ＤＣＢ基板と、
外壁に設けられたハンダによって前記第４金属箔と接続された第１冷却器と、
外壁に設けられたハンダによって前記第６金属箔と接続された第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３】
半導体素子と、
前記半導体素子の上面に電気的および熱的に接続されたピンと、
ピン配線用絶縁基板、前記ピン配線用絶縁基板の裏面に配置した第１金属箔、および前記ピン配線用絶縁基板のおもて面に配置した第２金属箔を備えており、かつ前記第１金属箔と前記ピンとが接合しているピン配線基板と、
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おもて面に配置した第３金属箔、および前記第１セラミック絶縁基板の裏面に配置した第４金属箔を備えており、前記第３金属箔は、前記半導体素子の下面に接合されている第１ＤＣＢ基板と、
外壁に設けられたハンダによって前記第４金属箔と接続された第１冷却器と、
前記第２金属箔とハンダにより接続されたヒートスプレッダと、
外壁に設けられたハンダによって前記ヒートスプレッダと接続された第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４】
前記第１冷却器および前記第２冷却器は、それぞれ内部に冷媒が流れるように構成され、
前記第１冷却器の冷媒の流れ方向と、前記第２冷却器の冷媒の流れ方向とが対向する方向とされている請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記ピン配線用絶縁基板は、Ｓｉ3Ｎ4，ＡｌＮ，Ａｌ2Ｏ3から選ばれるいずれかの材料を使用されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記半導体素子および前記ピンの組を複数備えている請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記半導体素子の入力端子および出力端子は、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請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１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が、前記半導体素子の入力端子および出力端子が出ていない側面を対面させて、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９】
前記第１冷却器および第２冷却器はそれぞれ前記半導体モジュールユニットの列全体を覆うように一体になっている請求項８に記載の半導体モジュール。
【請求項１０】
前記半導体モジュールは、前記第１冷却器と、前記第１冷却器に熱的に接続される面と、前記第２冷却器と、前記第２冷却器に熱的に接続される面とを除いて封止樹脂で封止されている請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の半導体モジュールは、半導体素子と、前記半導体素子の上面に電気的および熱的に接続されたピンと、ピン配線用絶縁基板、前記ピン配線用絶縁基板の裏面に配置した第１金属箔、および前記ピン配線用絶縁基板のおもて面に配置した第２金属箔を備えており、かつ前記第１金属箔と前記ピンとが接合しているピン配線基板と、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おもて面に配置した第３金属箔、および前記第１セラミック絶縁基板の裏面に配置した第４金属箔を備えており、前記第３金属箔は、前記半導体素子の下面に接合されている第１ＤＣＢ基板と、外壁に設けられたハンダによって前記第４金属箔と接続された第１冷却器と、外壁に設けられたハンダを介して前記第２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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明の半導体モジュールの他の実施形態は、半導体素子と、前記半導体素子の上面に電気的および熱的に接続されたピンと、ピン配線用絶縁基板、前記ピン配線用絶縁基板の裏面に配置した第１金属箔、および前記ピン配線用絶縁基板のおもて面に配置した第２金属箔を備えており、かつ前記第１金属箔と前記ピンとが接合しているピン配線基板と、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おもて面に配置した第３金属箔、および前記第１セラミック絶縁基板の裏面に配置した第４金属箔を備えており、前記第３金属箔は、前記半導体素子の下面に接合されている第１ＤＣＢ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裏面に配置した第５金属箔、および前記第２セラミック絶縁基板のおもて面に配置した第６金属箔を備えており、前記第５金属箔は、前記第２金属箔とハンダにより接続されている第２ＤＣＢ基板と、外壁に設けられたハンダによって前記第４金属箔と接続された第１冷却器と、外壁に設けられたハンダによって前記第６金属箔と接続された第２冷却器と、を備えることを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明の半導体モジュールの他の実施形態は、半導体素子と、前記半導体素子の上面に電気的および熱的に接続されたピンと、ピン配線用絶縁基板、前記ピン配線用絶縁基板の裏面に配置した第１金属箔、および前記ピン配線用絶縁基板のおもて面に配置した第２金属箔を備えており、かつ前記第１金属箔と前記ピンとが接合しているピン配線基板と、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おもて面に配置した第３金属箔、および前記第１セラミック絶縁基板の裏面に配置した第４金属箔を備えており、前記第３金属箔は、前記半導体素子の下面に接合されている第１ＤＣＢ基板と、外壁に設けられたハンダによって前記第４金属箔と接続された第１冷却器と、前記第２金属箔とハンダにより接続されたヒートスプレッダと、外壁に設けられたハンダによって前記ヒートスプレッダと接続された第２冷却器と、を備えることを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明の上記の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、前記第１冷却器および前記第２冷却器は、それぞれ内部に冷媒が流れるように構成され、前記第１冷却器の冷媒の流れ方向と、前記第２冷却器の冷媒の流れ方向とが対向する方向とすることができる。
また、本発明の上記の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、前記ピン配線用絶縁基板は、Ｓｉ3Ｎ4，ＡｌＮ，Ａｌ2Ｏ3から選ばれるいずれかの材料を使用できる。
本発明の上記の実施形態に係る半導体モジュールにおいては、前記半導体
素子および前記ピンの組は複数を備えることができる。
【国際調査報告】
2015064232.tif 000007
2015064232.tif 000008