(57)【要約】【課題】大電力化に対応しうる，安価なパワーモジュールの接続構造を提供する。【解決手段】パワーモジュール１０は、導電部材としての上面電極１１を有する半導体チップ１１と、導電部材（上部金属層２３ａ）を有するＤＢＡ基板２３と、ヒートシンク２１などを備えている。パワーモジュール１０は、容器の天板５０ａに取り付けられた樹脂ケース５３の開口部に収納されている。樹脂ケース５３には、外部機器に接続される配線部材（電極端子層５６）が設けられている。そして、基端部３１ａが配線部材につながり、先端部３１ｂが、弾性変形によりパワーモジュール１０の導電部材に押し付けられて導通可能に接触する金属配線板３１が設けられている。金属配線板３１は、大きな断面積によって大電流を流すことができ、製造コストも安価である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーモジュールの一部につながる導電部材と、外部機器に接続される配線部材とを電気的に接続するためのパワーモジュールの接続構造であって、
基部が前記配線部材に接続され、先端部が、弾性変形により前記導電部材に押し付けられて導通可能に接触する金属配線板を備えている、パワーモジュールの接続構造。
【請求項２】
請求項１記載のパワーモジュールの接続構造において、
前記金属配線板の先端部と前記導電部材とを互いに接合する半田部材をさらに備えているパワーモジュールの接続構造。
【請求項３】
請求項１記載のパワーモジュールの接続構造において、
前記金属配線板の先端部と前記導電部材とを互いに固着する接着剤層をさらに備えているパワーモジュールの接続構造。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュールの接続構造において、
前記金属配線板の前記導電部材との接触面は、なし地加工されている、パワーモジュールの接続構造。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュールの接続構造において、
前記金属配線板の前記導電部材との接触面に凸部が設けられている、パワーモジュールの接続構造。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のパワーモジュールの接続構造において、
前記先端部は、自然状態では、前記基部または基部につながる中間部に交差しており、取り付け状態では、前記基部または前記中間部に直交する位置に近づくように強制的に変形させられる、パワーモジュールの接続構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体パワーデバイスを搭載したパワーモジュールの接続構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車やハイブリッド車、燃料電池など、モータ駆動用のスイッチング素子などを備えたパワーモジュール（半導体装置）として、ＩＧＢＴやＦＥＴを用いたモジュールが用いられている。特に、車載用の半導体装置においては、大電力化かつ小型化が必要となっている。
【０００３】
かかる要求に応えるべく、パワーモジュールと外部の端子とを接続する配線部材についても、種々の提案が成されている。特許文献１には、パッケージに組み込まれた半導体チップと外部機器との電気的接続を行う接続導体の構造として、アルミニウムのワイヤを多数本ボンディングする代わりに、束線，撚線，編組線を用いることにより、大電力の伝達を可能としつつ、はんだ接続工程で発生する熱収縮などに起因する引張応力を接続導体により吸収し、はんだ連結部の剥離，チップ割れなどのダメージの発生を防止しようとする技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３１９７４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
パワーモジュールがますます大電力化されると、単線のボンディングワイヤを狭い領域に形成することが困難となるが、特許文献１の技術では、単線のボンディングワイヤに比べ、大電力を伝達することができる。しかしながら、束線等がバラバラになるのを防ぎ、各線に確実に電流を流すための構造が複雑になり、製造コストが増大する。また、たとえば同公報の図２に拡大詳示されているように、各線に確実に電流を流すために接続導体と半導体チップとの接続部に端子を設けているが、熱サイクルを受けたときなどに、確実に各線に電流を流すためには端子の構造を強固なものにする必要がある。しかし、端子の構造を強固にすると、全体構造の小型化が困難となり、かつ、熱サイクルやはんだ付け時の応力によるはんだ連結部の剥離，チップ割れなどを生じるおそれがあるので、信頼性も低下するおそれがある。
【０００５】
本発明の目的は、大電力の伝達が可能で、製造コストの安価なパワーモジュールの接続構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のパワーモジュールの接続構造は、外部機器に接続される配線部材に基部がつながり、先端部が弾性変形によって導電部材に押し付けられて、導通可能に接触する金属配線板を備えている。
【０００７】
これにより、金属配線板の先端部の弾性変形により、接触部を介して金属配線板−導電部材が確実に導通する。そして、多数のワイヤを接続する必要がないので、製造コストも安価である。また、金属配線板を介して大電流を流すことが容易になり、パワーモジュールの大電力化にも対応することができる。
【０００８】
金属配線板の先端部と導電部材とを接合する半田部材をさらに備えることにより、接合の信頼性が向上する。
【０００９】
金属配線板の先端部と導電部材とを互いに固着する接着剤層をさらに備えることにより、弾性部材の先端部と導電部材との接触状態をより確実に維持することができる。
【００１０】
金属配線板の導電部材との接触面が、なし地加工されていることにより、金属配線板と導電部材とが強固に接触することになる。
【００１１】
金属配線板の導電部材との接触面に凸部が形成されていることにより、金属配線板と導電部材との接触面に自然酸化膜が破壊された新生面が露出するので、金属配線板と導電部材との接触抵抗が低減される。
【００１２】
金属配線板の具体的な構造として、自然状態では、基部または基部につながる中間部に交差しており、取り付け状態では、基部または中間部に直交する位置に近づくように強制的に変形させられるように設けることにより、基端部をボルト等で固定するだけで、先端部を弾性変形させることができるので、接続構造が簡素になる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のパワーモジュールの接続構造によると、大電力の伝達が可能で、安価なパワーモジュールの接続構造の提供を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るパワーユニットの構造を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態のパワーユニットは、放熱器５０の上にパワーモジュール１０を接合して構成されている。放熱器５０は、天板５０ａと天板５０ａに接合された容器５０ｂとからなり、天板５０ａには、パワーモジュール１０を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。放熱器５０を構成する天板５０ａと容器５０ｂとは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ダイキャスト，押し出し，鍛造，鋳造，機械加工等によって製造することができる。放熱器５０の天板５０ａと容器５０ｂとの間の流路５１には、熱交換媒体としての冷却水が図１の紙面に直交する方向に流れている。
【００１５】
本実施の形態の組み立て工程においては、放熱器５０の天板５０ａにパワーモジュール１０（パワーモジュール）が実装された後、天板５０ａが容器５０ｂに接合されるが、天板５０ａと容器５０ｂとを接合した後、パワーモジュール１０を実装してもよい。この接合は、機械かしめ等によって行われてもよい。また、本実施の形態では、放熱器５０は天板５０ａと容器５０ｂを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。
【００１６】
パワーモジュール１０は、主要部材として、ＩＧＢＴなどの半導体素子が形成された半導体チップ１１と、半導体チップ１１内の半導体素子と外部部材とを電気的に接続するためのＤＢＡ基板２３とを備えている。ＤＢＡ基板２３は、ＡｌまたはＡｌ合金からなる上部金属層２３ａと、絶縁体であるＡＬＮ層２３ｂと、ＡｌまたはＡｌ合金からなる下部金属層２３ｃとを積層した構造を有している。また、パワーモジュール１０は、上部金属層２３ａと半導体チップ１１とを互いに接合する上層半田層１４と、半導体チップ１１で発生した熱を外方に放出するためのヒートシンク２１と、下部金属層２３ｃとヒートシンク２１とを接合する下層半田層２６とを備えている。ＤＢＡ基板２３の上部金属層２３ａは、半導体チップ１１の裏面電極（図示せず）に、上層半田層１４によって接合されて、電気的に接続されている。つまり、上部金属層２３ａは、パワーモジュール１０の配線であって、導電部材の１つである。
【００１７】
ヒートシンク部材２１は、平板部２１ａと、平板部２１ａから熱交換媒体である冷却水が流れる領域（流路５１）に向かって突出し、冷却水にさらされるフィン部２１ｂとからなっている。また、天板５０ａには、開口部を囲む溝が形成されていて、溝内にＯリング２５が装着されている。ヒートシンク部材２１の平板部２１ａは、Ｏリング２５を押圧していて、Ｏリング２５により、流路５１が外部空間から遮断されている。これにより、冷却水が外部に漏れないように流路５１が密閉されている。
【００１８】
天板５０ａの上には、ボルト５４により樹脂ケース５３が取り付けられていて、樹脂ケース５３の開口部に、パワーモジュール１０が配置されている。樹脂ケース５３には、外部機器に接続される配線部材である電極端子層５６が形成されている。そして、電極端子層５６と、パワーモジュール１０の導電部材とを接続する板バネ状の金属配線板３１が設けられている。本実施の形態においては、パワーモジュール１０の導電部材は、半導体チップ１１の上面電極１２（図２（ｂ）参照）や、ＤＢＡ基板２３の上部金属層２３ａ（金属配線）であるが、本発明の導電部材はこれらに限定されるものではない。
【００１９】
図２（ａ），（ｂ）は、順に、実施の形態１における金属配線板の取付前の自然状態の断面図、および取付後の接続構造を示す図である。図２（ａ）に示すように、金属配線板３１は、２箇所で折り曲げられた平板であって、パワーモジュール１０の導電部材に接触する先端部３１ａと、外部機器に接続される配線部材に接続される基部３１ｂと、先端部３１ａと基部３１ｂとの中間に位置する中間部３１ｃとを有している。そして、取付前の自然状態においては、先端部３１ａは、中間部３１ｃに角度αで交差する方向に延びており、この角度αは直角よりも角度βだけ大きく設定されている。一方、基端部３１ｂは、中間部３１ｃからほぼ直角に曲げられてほぼ水平に延びている。
【００２０】
そして、図２（ｂ）に示すように、金属配線板３１の基部３１ｂを電極端子層５６上に載置して、先端部３１ａをパワーモジュール１０の導電部材（この図では、半導体チップ１１の上面電極１２）に接触させておいて、複数箇所でネジ３２を樹脂ケース５３に取り付ける。これにより、金属配線板３１の先端部３１ａがほぼ水平位置まで曲げられて半導体チップ１１の上面電極１２（導電部材）に押し付けられる。すなわち、金属配線板３１の先端部３１ａは、自然状態から角度βだけ上方に曲げられて中間部３１ｃに直交する位置に近づくことにより、自然状態に復元しようとする力（下方への付勢力）を生じ、この復元力によって、先端部３１ａと上面電極１２とが互いに押し付けられて、安定して導通可能に接触する。図２（ｂ）は、電極端子層５６と半導体チップ１１の上面電極１２との接続状態を示しているが、電極端子層５６とＤＢＡ基板２３の上部金属層２３ａ（パワーモジュールの導電部材）との接続部（図１参照）も同様の構造になっている。
なお、弾性変形をできるだけ先端部３１ａのみに生じさせるために、金属配線板３１の基部３１ｂを先端部よりも厚くするか、基部３１ｂに沿った補強板を設けることができる。
【００２１】
本実施の形態に係るパワーモジュールの接続構造によると、先端部３１ａが板バネとなる金属配線板３１を用い、パワーモジュール１０の導電部材と、外部機器につながる配線部材とを接続しているので、多数のボンディングワイヤを用いる場合のごとく、煩雑な作業を必要とせず、製造コストの削減を図ることができる。また、金属配線板３１によって大電流を流すことができるので、パワーモジュール１０の大電力化にも容易に対応することができる。たとえば、ボンディングワイヤの径は約０．４ｍｍ（断面積約０．１３ｍｍ２）であるが、金属配線板３１の厚みは０．５ｍｍ〜１ｍｍで幅５〜２０ｍｍである。したがって、１本の金属配線板３１により、数十本〜百数十本のボンディングワイヤに匹敵する電流を流すことができる。
よって、本実施の形態のパワーモジュールの接続構造により、パワーモジュールの大電力化に対応しつつ、安価なパワーモジュールの提供を図ることができる。
【００２２】
本発明の金属配線板３１の構成材料は、本実施の形態のＡｌまたはＡｌ合金に限定されるものではない。たとえば、より電気抵抗の小さいＣｕまたはＣｕ合金を用いてもよいが、同じ断面積で比較すると、ＡｌまたはＡｌ合金の方が変形によって生じる付勢力が小さいので、先端部３１ａが押し付ける導電部材の損傷を確実に回避できる点で好ましい。
【００２３】
本発明の金属配線板３１の形状は、図２（ａ）に示す構造に限定されるものではない。たとえば、自然状態でほぼ平板状であっても、取り付けた状態で自然状態から変形して、自然状態に復元しようとする力によって、金属配線板３１の先端部３１ａを導電部材に押し付ける構造になっていればよい。ただし、先端部３１ａの導電部材とは、取付状態でほぼ平面的に接触することが好ましい。
【００２４】
（変形例１）
図３（ａ），（ｂ）は、順に、実施の形態１の変形例１における金属配線板の取付前の自然状態の断面図、および取付後の接続構造を示す図である。この変形例では、パワーモジュール１０の導電部材は、ＤＢＡ基板２３の上部金属層２３ａである。図３（ｂ）において、図１に示す符号と同じ符号で示されている部材は、図１について説明した通りの構造を有している。
【００２５】
図３（ａ）に示すように、本変形例に係る金属配線板３１の先端部３１ａの下面には、凸部３１ｄが設けられている。そして、図３（ｂ）に示すように、ＡｌまたはＡｌ合金からなる金属配線板３１を取り付けると、先端部３１ａの凸部３１ｄが、ＡｌまたはＡｌ合金からなる上部金属層２３ａに食い込んで、上部金属層２３ａが変形すると同時に、凸部３１ｄがつぶれるので、両者の表面上の自然酸化膜が破壊されて新生面が露出した状態で接触し、両者間の接触抵抗が低減される。
【００２６】
なお、図３（ａ）に示す凸部３１ｄに代えて、なし地加工面を設けることも好ましい。その場合には、金属配線板３１の先端部３１ａのなし地加工された面と、パワーモジュール１０の導電部材の接触部の面とが強固に接触するからである。
【００２７】
（変形例２，３）
図４（ａ），（ｂ）は、順に、実施の形態１の変形例２，３における金属配線板の取付後の接続構造を示す図である。これらの変形例においては、パワーモジュール１０の導電部材は、半導体チップ１１の上面電極１２である。
【００２８】
図４（ａ）に示すように、変形例２においては、金属配線板３１の先端部３１ａと導電部材（上面電極１２）とは、半田層３４によって、互いに接合されている。この半田層３４により、先端部３１ａと導電部材（上面電極１２）との接合（電気的接続）の信頼性が向上する。
【００２９】
なお、図４（ａ）に示す構造では、半田層３４が上面電極１２の上面と金属配線板３１の先端部３１ａの側面とだけに接触しているが、半田層３４が上面電極１２と先端部３１ａの間に入り込んでいる構造も採りうる。半田層３４が上面電極１２と先端部３１ａの間に入り込んでいる場合の方が、接合強度がより向上する。
【００３０】
図４（ｂ）に示すように、変形例３においては、金属配線板３１の先端部３１ａと導電部材（上面電極１２）とは、エポキシ樹脂などの接着剤層３５によって、互いに固着されている。この接着剤層３５により、先端部３１ａと導電部材（上面電極１２）との接触状態をより確実に維持することができる。
【００３１】
（実施の形態２）
図５（ａ），（ｂ）は、順に、 実施の形態２における金属配線板の取付前の自然状態の断面図、およびパワーモジュールの配線構造を示す図である。本実施の形態では、パワーモジュール１０の導電部材は、半導体チップ１１の上面電極１２である。本実施の形態においては、接続構造以外の部分は、実施の形態１と同様の部材を備えている（図１参照）。
【００３２】
図５（ａ）に示すように、本変形例では、金属配線板３１の自然状態においては、先端部３１ａと中間部３１ｃとは、直角よりもβだけ小さい角度αで交差している。そして、図５（ｂ）に示すように、金属配線板３１が取り付けられると、先端部３１ａが中間部３１ｃに直交する位置に近づくよう上方に曲げられ（強制的に弾性変形させられて）、先端部３１ａの下面と上面電極１２の上面とが、平面的に接触する。
【００３３】
本実施の形態は、実施の形態１とは逆に、外部機器に接続される配線部材（端子電極層５６）が、パワーモジュールの導電部材（半導体チップ１１の上面電極１２）よりも下方に位置している場合であり、実施の形態１と同じ効果を発揮することができる。また、本実施の形態においても、実施の形態１の各変形例１〜４の構造を採ることができる。
【００３４】
（他の実施の形態）
図６は、実施の形態１，２とは異なり、金属配線板３１が先端部３１ａと基部３１ｂだけによって構成されている構造例を示す断面図である。同図に示すように、基端部３１ｂがネジ３２によって、外部機器に接続される配線部材の上に取り付けられている。そして、面３１Ｌでパワーモジュール１０の導電部材に接続される場合には、自然状態でＬ側に位置している。一方、面３１Ｒでパワーモジュール１０の導電部材に接続される場合には、先端部３１ａは自然状態でＲ側に位置している。そして、取り付けられると、先端部３１ａが基部３１ｂに直交する位置に近づくように強制的に弾性変形させられて、導電部材に接触する。
この例は、パワーモジュール１０の導電部材が、縦方向に延びている場合の構造を示している。逆に、パワーモジュール１０の導電部材が横方向に延びている場合には、先端部３１ａが横方向に延びており、図６を時計回りまたは反時計回りに９０°回転させた構造を採ることになる。
金属配線板３１が図６に示す構造であっても、先端部３１ａが弾性変形によって導電部材を押し付けて接触する作用を生じるので、実施の形態１と同じ効果を発揮することができる。また、実施の形態１の変形例１〜４の構造を採ることもできる。
【００３５】
上記各実施の形態では、パワーモジュール１０にＤＢＡ基板２３が配置されているが、ＤＢＡ基板２３に代えて、ＣｕまたはＣｕ合金，あるいはＡｌまたはＡｌ合金などからなる単層の配線を設けてもよい。
【００３６】
ヒートシンク部材２４との熱交換を行う熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、フロリナートや水などの液体であることが好ましい。ただし、ヘリウム，アルゴン，窒素，空気などの気体であってもよい。
【００３７】
上記実施の形態では、天板５０ａに多数のパワーモジュール１０を取り付ける構造を採ったが、天板を兼ねる単一のヒートシンク部材２４上に多数の半導体チップを搭載してもよい。
【００３８】
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明のパワーモジュールの接続構造は、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ダイオード，ＪＦＥＴ等を搭載した各種機器に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施の形態１に係るパワーユニットの構造を示す断面図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、順に、実施の形態１における金属配線板の取付前の自然状態の断面図、および取付後の接続構造を示す図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、順に、実施の形態１の変形例１における金属配線板の取付前の自然状態の断面図、および取付後の接続構造を示す図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、順に、実施の形態１の変形例２，３における金属配線板の取付後の接続構造を示す図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、順に、 実施の形態２における金属配線板の取付前の自然状態の断面図、およびパワーモジュールの配線構造を示す図である。
【図６】金属配線板が先端部と基部だけによって構成されている構造例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０    パワーモジュール
１１    半導体チップ
１２    上面電極
１４    上層半田層
２１    ヒートシンク部材
２１ａ  平板部
２１ｂ  フィン部
２３    ＤＢＡ基板
２３ａ  上部金属層
２３ｂ  ＡｌＮ層
２３ｃ  下部金属層
２５    Ｏリング
２６    下層半田層
３１    金属配線板
３１ａ  先端部
３１ｂ  基端部
３１ｃ  中間部
３１ｄ  凸部
３１Ｒ，３１Ｌ  面
３２    ネジ
５０    放熱器
５０ａ  天板
５０ｂ  容器
５１    流路
５３    樹脂ケース
５６    電極端子層
【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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