(57)【要約】  絶縁基板に搭載された半導体素子の電極に長手方向の一端が接合され、長手方向の他端が電極とは異なる部品に接合される導電部材を備えた半導体モジュールであって、導電部材は、金属板で構成され、一端と他端に屈曲部を有し、一端に設けられた屈曲部は、先端部分の長手方向に切れ目を有し、切れ目が存在しない端部接合部が半導体素子の電極と接合される。この結果、電流容量の増大と、信頼性向上の両立を図った半導体モジュールを実現できる。
2016071982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板に搭載された半導体素子の電極に長手方向の一端が接合され、前記長手方向の他端が前記電極とは異なる部品に接合される導電部材を備えた半導体モジュールであって、
前記導電部材は、
金属板で構成され、
前記一端と前記他端に屈曲部を有し、
前記一端に設けられた前記屈曲部は、先端部分の前記長手方向に切れ目を有し、前記切れ目が存在しない端部接合部が前記半導体素子の電極と接合される
半導体モジュール。
【請求項２】
前記導電部材は、長方形状を有する前記端部接合部の対角長さが１０ｍｍ以下となるように、前記切れ目が設けられている
請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記導電部材は、２つ以上の別部材として構成され、前記半導体素子の前記電極に個別に接合されている
請求項１または２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記導電部材は、前記他端が、他回路を構成する電子部品から配線された外部導電部材に接続されている
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記導電部材に形成された前記切れ目は、前記切れ目の前記長手方向の長さが、前記一端に設けられた前記屈曲部の前記長手方向の長さを超える範囲で設けられている
請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記導電部材に形成された前記切れ目は、前記切れ目の前記長手方向の長さが、前記一端に設けられた前記屈曲部の前記長手方向の長さを超えない範囲で設けられている
請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記導電部材は、前記一端における前記屈曲部に形成された前記切れ目により露出した部分にレジストが塗布されている
請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
前記導電部材は、銅またはアルミニウムの板金として構成されている
請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項９】
前記導電部材は、ハンダ接合、金属粒子焼結接合、導電性接着剤による接合、超音波接合のいずれかを用いて、前記半導体素子の電極と接合されている
請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１０】
半導体モジュールにおいて適用され、前記半導体モジュール内の絶縁基板に搭載された半導体素子の電極に長手方向の一端が接合され、前記長手方向の他端が前記電極とは異なる部品に接合される導電部材であって、
金属板で構成され、
前記一端と前記他端に屈曲部を有し、
前記一端に設けられた前記屈曲部は、先端部分の前記長手方向に切れ目を有し、前記切れ目が存在しない端部接合部が前記半導体素子の電極と接合される
半導体モジュール用の導電部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流容量の増大と信頼性向上の両立を実現するための半導体モジュールおよび半導体モジュール用の導電部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
電流をスイッチング制御するＩＧＢＴあるいはＭＯＳ−ＦＥＴから構成される半導体モジュールは、インバータ、充電器などの電力変換装置の主要構成部品である。車両の電動化が進む中で、電力変換装置の高出力化が求められており、半導体モジュールの電流容量は、増大する傾向にある。【０００３】
さらに、ＳｉＣ等の半導体素子の進化に伴い、半導体素子は、２００℃付近の高温環境下で動作可能になっており、冷熱サイクルにおける構造信頼性については、従来と比べて非常に厳しくなっている。したがって、半導体モジュールは、高出力化による電流容量増大と、高温環境で長期間に渡り正常動作できる信頼性確保との両立が求められる。【０００４】
大電流容量化のためには、通電部材の電気抵抗値の低減が必須である。さらに、低温から高温の環境において信頼性を確保するためには、半導体モジュール内部の構成部材の接合部における冷熱ストレスの低減、およびこの接合部における残留応力の低減、が必要不可欠である。【０００５】
そして、従来の半導体モジュールでは、電流容量を増大させるために、半導体素子の電極に導電部材を直接接合しているものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−５５９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
この特許文献１に開示された従来の半導体モジュールは、電流容量に応じて銅材を用いることになる。しかしながら、大出力用としてこのような銅材を用いることになると、断面積が増大し、剛性が大きくなる場合が多い。【０００８】
さらに、特許文献１における配線構造は、半導体素子の電極と導電部材との熱膨張差が大きい。このため、それらの接合面において歪みが発生し、冷熱ストレスが発生する。その結果、半導体素子の電極と導電部材との接合面において、剥離やクラックが発生するといった問題が生じる。【０００９】
また、半導体モジュールにおける構成部材の寸法公差を吸収できず、半導体素子の電極と導電部材との接合面に残留応力が発生する。この残留応力は、上述した剥離やクラックの不具合の原因となり、信頼性に関する問題が生じる。【００１０】
さらに、特許文献１に開示された従来の半導体モジュールは、高周波成分の電気抵抗値が高く、大電流容量化には限界がある。【００１１】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、電流容量の増大と、信頼性向上の両立を図ることのできる半導体モジュールおよび半導体モジュール用の導電部材を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る半導体モジュールは、絶縁基板に搭載された半導体素子の電極に長手方向の一端が接合され、長手方向の他端が電極とは異なる部品に接合される導電部材を備えた半導体モジュールであって、導電部材は、金属板で構成され、一端と他端に屈曲部を有し、一端に設けられた屈曲部は、先端部分の長手方向に切れ目を有し、切れ目が存在しない端部接合部が半導体素子の電極と接合されるものである。【００１３】
また、本発明に係る半導体モジュール用の導電部材は、半導体モジュールにおいて適用され、半導体モジュール内の絶縁基板に搭載された半導体素子の電極に長手方向の一端が接合され、長手方向の他端が電極とは異なる部品に接合される導電部材であって、金属板で構成され、一端と他端に屈曲部を有し、一端に設けられた屈曲部は、先端部分の長手方向に切れ目を有し、切れ目が存在しない端部接合部が半導体素子の電極と接合されるものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、半導体素子の電極に直接接続される配線材料として、長手方向の両端部に屈曲部を有し、電極と接合される屈曲部に切れ目を形成した導電部材を採用し、半導体モジュールを構成している。この結果、電流容量の増大と、信頼性向上の両立を図ることのできる半導体モジュールおよび半導体モジュール用の導電部材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体モジュールの斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態２におけ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】
【００１６】
以下、本発明の半導体モジュールおよび半導体モジュール用の導電部材の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における半導体モジュールの斜視図である。本実施の形態１における半導体モジュール１は、絶縁基板１０、絶縁基板１０の電極１１上に配置された半導体素子２０、絶縁基板１０に配置された端子１２と半導体素子２０の電極２１とを接続する導電部材３０を備えて構成されている。
【００１８】
ここで、導電部材３０は、銅、アルミニウムなどの導電率が高い板金として構成されている。なお、図１では、導電部材３０を３つ用いている場合を例示している。このように、導電部材３０の数を増やすことで、電気配線部の大電流容量化が可能となる。従って、電流容量に応じて導電部材３０の数を適切に設定できる。
【００１９】
なお、導電部材３０を１つだけ用いる場合でも、電流容量の増大と、信頼性向上の両立を図ることが可能である。ただし、電流値が大きい主回路は、少なくとも２つ以上の導電部材３０を用いて構成することが望ましい。
【００２０】
また、接合方法としては、超音波接合、はんだ接合、金属粒子焼結接合、導電接着剤による接合、はもちろんのこと、その他の接合方法を採用しても問題はない。
【００２１】
本実施の形態１では、主回路の構成に用いられる導電部材３０は、例えば、厚み０．６４ｍｍといった厚みが薄い銅板が用いられている。そして、この銅板からなる導電部材３０の長手方向の先端部の２箇所には、図１に示すように、屈曲部３１ａ、３１ｂが設けられている。
【００２２】
さらに、これら屈曲部３１ａ、３１ｂのそれぞれの先端部分は、長手方向に切れ目３２ａ、３２ｂが形成されている、そして、切れ目３２ａが形成された屈曲部３１ａの先端は、半導体素子２０の電極２１に接合されている。また、切れ目３２ｂが形成された屈曲部３１ｂの先端は、絶縁基板１０上に配置された端子１２に接合されている。
【００２３】
導電部材３０は、厚みが薄い板金で構成されているため、剛性が低いとともに、長手方向に切れ目３２ａ、３２ｂが形成されているため、柔軟性を有する。これらの結果、本実施の形態１における導電部材３０は、絶縁基板１０の熱膨張に追従して変形することができる。
【００２４】
また、半導体素子２０の電極２１と導電部材３０との接合部の面積は、従来構造の切れ目がない場合と比べて、小さくなる。このため、接合部における歪みが小さくなる。この結果、導電部材３０と半導体素子２０の電極２１との接合面３３ａにおける歪みを抑制することができ、冷熱ストレスの発生を抑えることができる。絶縁基板１０に配置された端子１２と導電部材３０との接合面３３ｂについても、切れ目３２ｂを有することで、同様の効果を得ることができる。
【００２５】
なお、種々の形状で切れ目３２ａ、３２ｂを形成した導電部材３０を試作してデータを収集した結果、長方形を有する接合部における対角長さが１０ｍｍ以下となるように、導電部材３０の端部に切れ目３２ａ、３２ｂを設けることで、望ましい歪みの低減効果が認められた。
【００２６】
導電部材３０の屈曲部３１ａの先端と半導体素子２０の電極２１とをハンダ接合する場合には、先端部の切れ目３２ａにはんだが埋まると、柔軟性を失い、信頼性が低減することとなる。そこで、切れ目３２ａを形成することで露出した部分にレジストを塗布し、切れ目３２ａがはんだで埋まることを防止することで、柔軟性を保つことが可能となる。切れ目３２ｂに関しても、レジストを塗布することで、切れ目３２ａと同様の効果を得ることができる。
【００２７】
さらに、図１に例示しているように、半導体素子２０の電極２１と、絶縁基板１０に配置された端子１２との高さ方向に段差がある場合にも、導電部材３０が柔軟性を有することで、段差の寸法公差を吸収することが可能となる。この結果、接合面３３ａおよび接合面３３ｂにおける残留応力をなくすことができる。
【００２８】
また、図１に例示しているように、切れ目３２ａ、３２ｂの高さ（長手方向の長さ）が、屈曲部３１ａ、３１ｂの高さを越えない範囲で設けられた場合には、接合面３３ａ、３３ｂの面内方向に柔軟性を有し、熱応力による信頼性が向上する。
【００２９】
一方、図示していないが、切れ目３２ａ、３２ｂの高さが、屈曲部３１ａ、３１ｂの高さを超える範囲で設けられた場合には、面内方向への柔軟性はもちろんのこと、垂直方向への柔軟性が増す。この結果、段差の寸法公差を吸収し、残留応力における信頼性向上に効果的である。
【００３０】
また、高周波電流は、表皮効果によって導電部材３０の表面近くを流れる。このため、高周波成分の電気抵抗は、高くなる傾向にある。これに対して、本実施の形態１では、導電部材３０を薄い板金として構成することで、従来の導電部材と比べて、表面積を増大させることが可能となる。この結果、高周波成分の電気抵抗が低減され、接合面３３ａ、３３ｂにおける温度が低減するため、信頼性向上に寄与する。
【００３１】
以上のように、実施の形態１によれば、導電率が高い金属板を屈曲させ、屈曲させた先端部分に切り目を形成した導電部材を、半導体素子の電極に接続している。この結果、以下のような効果を得ることができる。
（効果１）電流の大容量化
導電部材として、導電率が高い金属板を採用することで、大電流容量化が可能となる。そして、必要に応じて、導電部材の数を増やすことで、さらなる大電流容量化も可能となる。
【００３２】
（効果２）信頼性向上
導電部材として、板金を採用することで、導電部材の剛性が下がり、柔軟性を持たせることができる。さらに、切れ目を形成することで、半導体素子の電極部における接合面積を小さくすることができる。この結果、導電部材と半導体素子の電極との線膨張差による接合部におけるひずみが低減され、熱応力に対する信頼性が向上する。また、半導体モジュールの寸法公差が原因で発生する残留応力を低減することもできる。さらに、導電部材として板金を使用することで、表面積を増大させることができ、高周波成分の電気抵抗を低減し、表皮効果を抑制することができる。この結果、温度上昇を抑制でき、信頼性の向上に寄与することとなる。
【００３３】
したがって、実施の形態１によれば、柔軟性を有し、接合部の接触面積が小さく、表面積を増大させた導電部材を適用することができ、電気配線部における大電流容量化を図るとともに、冷熱ストレスによる接合部の剥離を防止し、半導体モジュールの信頼性向上を実現できる。
【００３４】
実施の形態２．
先の実施の形態１では、半導体素子２０に一端が接続された本発明に係る導電部材３０が、同じ半導体モジュール内の絶縁基板１０に配置された端子１２に他端が接続される場合について説明した。これに対して、本実施の形態２では、半導体素子２０に一端が接続された本発明に係る導電部材３０が、他回路を構成している電子部品と他端が接続される場合の端子構造について説明する。
【００３５】
図２は、本発明の実施の形態２における半導体モジュールの断面図である。先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、図２の構造は、導電部材３０の他端が外部の電子部品と接続されるため、導電部材３０の他端における端子構造が異なっている。そこで、この異なる構造を中心に、以下に説明する。
【００３６】
図２に示すように、本実施の形態２における導電部材３０は、他回路を構成する電子部品から配線された外部導電部材４０に対して、ネジ４１を用いて接続される構造を有している。このような構造とすることで、外部導電部材４０の寸法バラつきを吸収することができる。この結果、本発明に係る導電部材３０を備えた半導体モジュールを、他の電子部品との接続に適用できるとともに、他の電子部品との接合部における信頼性を向上させることが可能となる。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
2016071982.tif 000005
2016071982.tif 000006