(57)【要約】【課題】厚さ方向の寸法精度を向上させることができる半導体素子のモジュール構造を提供する。【解決手段】モジュール構造は、互いに対向する上部電極１０４０および下部電極１０３０と、上部電極１０４０および下部電極１０３０間に配置されたインバータ８２０と、上部電極１０４０および下部電極１０３０間に介在して上部電極１０４０および下部電極１０３０間に隙間を形成する櫛歯状の第一セラミックススペーサ１０１０および第二セラミックススペーサ１０２０と、上部電極１０４０および下部電極１０３０間の隙間を充填して櫛歯に入り込む封止樹脂１０５０とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向するように配置される第一および第二電極と、
前記第一および第二電極間に配置された半導体素子と、
前記第一および第二電極間に介在して前記第一および第二電極間に隙間を形成する櫛歯状の絶縁スペーサと、
前記第一および第二電極間の隙間を充填し前記櫛歯の間に入り込む封止樹脂とを備えた、半導体素子のモジュール構造。
【請求項２】
前記第一および第二電極の少なくとも一方には前記半導体素子に向かって配置された凹凸が設けられ、前記凹凸部に沿って前記封止樹脂が充填されている、請求項１に記載の半導体素子のモジュール構造。
【請求項３】
前記半導体素子直上に前記凸部が設けられる、請求項２に記載の半導体素子のモジュール構造。
【請求項４】
前記第一および第二電極のいずれか一方と前記半導体素子とを接続するはんだをさらに備え、前記第一および第二電極のいずれかにはその第一および第二電極を貫通して前記はんだに達するはんだレベル調整用穴が設けられている、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体素子のモジュール構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は半導体素子のモジュール構造に関し、より特定的には、厚さ方向の寸法精度を向上させることが可能な半導体素子のモジュール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子のモジュール構造は、たとえば特開２００５−１２３２３３号公報（特許文献１）、特開２００６−１３０８０号公報（特許文献２）、特開平５−３３５４７８号公報（特許文献３）、特開２００６−１６５５３４号公報（特許文献４）および特開平６−２１２７８号公報（特許文献５）に開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１２３２３３号公報
【特許文献２】特開２００６−１３０８０号公報
【特許文献３】特開平５−３３５４７８号公報
【特許文献４】特開２００６−１６５５３４号公報
【特許文献５】特開平６−２１２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の技術では、半導体素子のモジュール構造の厚さ方向の精度を高めることができないという問題があった。
【０００４】
そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、半導体素子のモジュール構造において、厚み方向の精度を高めることが可能な半導体素子のモジュール構造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】
【０００５】
この発明に従った半導体素子のモジュール構造は、互いに対向するように配置される第一および第二電極と、第一および第二電極間に配置された半導体素子と、第一および第二電極間に介在して第一および第二電極間に隙間を形成する櫛歯状の絶縁スペーサと、第一および第二電極間の隙間を充填して櫛歯の間に入り込む封止樹脂とを備える。
【０００６】
このように構成された半導体素子のモジュール構造では、絶縁スペーサにより、第一および第二電極間の厚さ方向の位置決め精度を高めることができる。また、その絶縁スペーサの形状は封止樹脂の肉厚を均一化するために櫛歯状とされている。その結果、厚さ方向の寸法精度を向上させることができる。
【０００７】
好ましくは、第一および第二電極の少なくとも一部には樹脂に向かって凹凸部が設けられ、凹凸部に沿って封止樹脂が充填されている。
【０００８】
好ましくは、半導体素子直上に凸部が設けられる。
好ましくは、半導体素子のモジュール構造は、第一および第二電極と半導体素子とを接続するはんだをさらに備える。はんだで接続された電極にはその電極を厚み方向に貫通するはんだレベル調整用穴が設けられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰り返さない。また、各実施の形態を組合せることも可能である。
【００１０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の１つの実施の形態に係る発熱素子を含む駆動ユニットの構造の一例を概略的に示す図である。図１に示される例では、駆動ユニット１は、ハイブリッド車両に搭載される駆動ユニットであり、モータジェネレータ１００と、レゾルバ２００と、減速機構３００と、ディファレンシャル機構４００と、ドライブシャフト受け部５００と、ハウジング６００と、端子台７００とを含んで構成される。
【００１１】
モータジェネレータ１００は、電動機または発電機として機能を有する回転電機であり、軸受１２０を介してハウジング６００に回転可能に取付けられた回転シャフト１１０と、回転シャフト１１０に取付けられたロータ１３０と、ステータ１４０とを有する。
【００１２】
ロータ１３０は、鉄または鉄合金などの板状の磁性体を積層することにより構成されたロータコアと、該ロータコアに埋設された永久磁石とを有する。永久磁石は、たとえば、ロータコアの外周近傍にほぼ等間隔を隔てて配置される。
【００１３】
ステータ１４０は、リング状のステータコア１４１と、ステータコア１４１に巻回されるステータコイル１４２と、ステータコイル１４２に接続されるバスバー１４３とを有する。バスバー１４３は、ハウジング６００に設けられた端子台７００および給電ケーブル８００Ａを介してＰＣＵ（Power Control Unit）８００とに接続される。また、ＰＣＵ８００は、給電ケーブル９００Ａを介してバッテリ９００に接続される。これにより、バッテリ９００とステータコイル１４２とが電気的に接続される。
【００１４】
ステータコア１４１は、鉄または鉄合金などの板状の磁性体を積層することにより構成される。ステータコア１４１の内周面上には複数のティース部（図示せず）および該ティース部間に形成される凹部としてのスロット部（図示せず）が形成されている。スロット部は、ステータコア１４１の内周側に開口するように設けられる。
【００１５】
３つの巻線相であるＵ相、Ｖ相およびＷ相を含むステータコイル１４２は、スロット部に嵌り合うようにティース部に巻き付けられる。ステータコイル１４２のＵ相、Ｖ相およびＷ相は、互いに円周上でずれるように巻き付けられる。バスバー１４３は、それぞれステータコイル１４２のＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応するＵ相、Ｖ相およびＷ相を含む。
【００１６】
給電ケーブル８００Ａは、Ｕ相ケーブルと、Ｖ相ケーブルと、Ｗ相ケーブルとからなる３相ケーブルである。バスバー１４３のＵ相、Ｖ相およびＷ相がそれぞれ給電ケーブル８００ＡにおけるＵ相ケーブル、Ｖ相ケーブルおよびＷ相ケーブルに接続される。
【００１７】
モータジェネレータ１００から出力された動力は、減速機構３００からディファレンシャル機構４００を介してドライブシャフト受け部５００に伝達される。ドライブシャフト受け部５００に伝達された駆動力は、ドライブシャフト（図示せず）を介して車輪（図示せず）に回転力として伝達されて車両を走行させる。
【００１８】
一方、ハイブリッド車両の回生制動時には、車輪は車体の慣性力により回転させられる。車輪からの回転力によりドライブシャフト受け部５００、ディファレンシャル機構４００および減速機構３００を介してモータジェネレータ１００が駆動される。このとき、モータジェネレータ１００が発電機として作用する。モータジェネレータ１００により発電された電力は、ＰＣＵ８００におけるインバータを介してバッテリ９００に蓄えられる。
【００１９】
レゾルバ２００は、レゾルバロータ２１０と、レゾルバステータ２２０とを有する。レゾルバロータ２１０は、モータジェネレータ１００の回転シャフト１１０に接続されている。また、レゾルバステータ２２０は、レゾルバステータコア２２１と、該コアに巻回されたレゾルバステータコイル２２２とを有する。上記レゾルバ２００によりモータジェネレータ１００のロータ１３０の回転角度が検出される。検出された回転角度は、コネクタ１０を介してＰＣＵ８００へ伝達される。ＰＣＵ８００は、検出されたロータ１３０の回転角度と、外部ＥＣＵ（Electrical Control Unit）からのトルク指令値とを用いてモータジェネレータ１００を駆動するための駆動信号を生成し、その生成した駆動信号をモータジェネレータ１００へ出力する。
【００２０】
図２は、ＰＣＵ８００の主要部の構成を示す回路図である。図２を参照して、ＰＣＵ８００は、コンバータ８１０と、インバータ８２０と、制御装置８３０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電源ラインＰＬ１、ＰＬ３と、出力ライン８４０Ｕ，８４０Ｖ，８４０Ｗとを含む。コンバータ８１０は、バッテリ９００とインバータ８２０との間に接続され、インバータ８２０は、出力ライン８４０Ｕ，８４０Ｖ，８４０Ｗを介してモータジェネレータ１００と接続される。
【００２１】
コンバータ８１０に接続されるバッテリ９００は、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の２次電池である。
【００２２】
バッテリ９００は、発生した直流電圧をコンバータ８１０に供給し、また、コンバータ８１０から受ける直流電圧によって充電される。
【００２３】
コンバータ８１０は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬとからなる。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続され、制御装置８３０からの信号をベースに受ける。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれパワートランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ側からコレクタ側に電流を流すようにパワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトルＬは、バッテリ９００の正極と接続される電源ラインＰＬ１に一端が接続され、パワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に他端が接続される。
【００２４】
このコンバータ８１０は、リアクトルＬを用いてバッテリ９００から受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。またコンバータ８１０は、インバータ８２０から受ける直流電圧を降圧してバッテリ９００を充電する。
【００２５】
インバータ８２０は、Ｕ相アーム８５０Ｕ、Ｖ相アーム８５０ＶおよびＷ相アーム８５０Ｗからなる。各相アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に並列に接続される。Ｕ相アーム８５０Ｕは、直列に接続されたパワートランジスタＱ３，Ｑ４からなり、Ｖ相アーム８５０Ｖは、直列に接続されたパワートランジスタＱ５，Ｑ６からなり、Ｗ相アーム８５０Ｗは、直列に接続されたパワートランジスタＱ７，Ｑ８からなる。ダイオードＤ３〜Ｄ８は、それぞれパワートランジスタＱ３〜Ｑ８のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。そして、各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、出力ライン８４０Ｕ，８４０Ｖ，８４０Ｗを介してモータジェネレータ１００の各相コイルの反中性点側にそれぞれ接続されている。
【００２６】
このインバータ８２０は、制御装置８３０からの制御信号に基づいて、電源ラインＰＬ２から受ける直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１００へ出力する。また、インバータ８２０は、モータジェネレータ１００によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインＰＬ２に供給する。
【００２７】
コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。また、コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。
【００２８】
レゾルバ２００は、モータジェネレータ１００の回転子の回転角度を検出して制御装置８３０へ出力する。ここで、制御装置８３０への出力は、配線１３，１４およびコネクタ１０を介して行なわれる。
【００２９】
制御装置８３０は、モータジェネレータ１００の回転子の回転角度を、モータトルク指令値、モータジェネレータ１００の各相電流値、およびインバータ８２０の入力電圧に基づいてモータジェネレータ１００の各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成してインバータ８２０へ出力する。
【００３０】
また、制御装置８３０は、上述したモータトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ８２０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ８１０へ出力する。
【００３１】
さらに、制御装置８３０は、モータジェネレータ１００によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ９００を充電するため、コンバータ８１０およびインバータ８２０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ８のスイッチング動作を制御する。
【００３２】
このＣＰＵ８００においては、コンバータ８１０は、制御装置８３０からの制御信号に基づいて、バッテリ８００から受ける直流電圧を昇圧して電源ラインＰＬ２に供給する。そして、インバータ８２０は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＰＬ２から受け、その受けた直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１００へ出力する。
【００３３】
また、インバータ８２０は、モータジェネレータ１００の回生動作によって発電された交流電圧を直流電圧に変換して電源ラインＰＬ２へ出力する。そして、コンバータ８１０は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＰＬ２から受け、その受けた直流電圧を降圧してバッテリ９００を充電する。
【００３４】
このような回路において、コンバータ８１０、インバータ８２０、コンデンサＣ１，Ｃ２などは発熱素子であるため、この発熱素子を冷却する必要がある。
【００３５】
図３は、この発明に従った半導体素子のモジュール構造の断面図である。図３を参照して、半導体素子のモジュール構造１０００は、互いに対向するように配置される第一および第二電極としての上部電極１０４０および下部電極１０３０と、上部電極１０４０および下部電極１０３０間に配置された半導体素子（パワー素子）としてのインバータ８２０と、上部電極１０４０および下部電極１０３０間に介在して上部電極１０４０および下部電極１０３０間に隙間を形成する、櫛歯状の絶縁スペーサとしての第一セラミックススペーサ１０１０および第二セラミックススペーサ１０２０と、上部電極１０４０および下部電極１０３０間の隙間を充填して櫛歯の間に入り込む封止樹脂１０５０とを備える。インバータ８２０は、コンバータ８１０またはコンデンサＣ１，Ｃ２に置き換えられてもよい。
【００３６】
上部電極１０４０には、インバータ８２０に向かって凹部１０４７，１０４８，１０４９と凸部１０４２，１０４３が配置されている。その凹凸に沿って封止樹脂１０５０が充填されている。インバータ８２０直上に凸部１０４２，１０４３が設けられる。インバータ８２０と上部電極１０４０とを接続するはんだ１０７０が設けられ、上部電極１０４０にははんだ１０７０を調整するためのはんだレベル調整用穴１０４１が設けられている。はんだレベル調整用穴１０４１は上部電極１０４０を厚み方向に貫通する。
【００３７】
上部電極１０４０および下部電極１０３０は、たとえば金属などの導電体により構成される。具体的には、電気抵抗の小さい銅またはアルミニウムなどで構成される。上部電極１０４０および下部電極１０３０は、パワー素子としてのインバータ８２０に電力を供給するための電極である。上部電極１０４０には、凹部１０４７，１０４８，１０４９と、その間に凸部１０４２，１０４３が設けられる。このような凹凸は上部電極１０４０だけでなく下部電極１０３０に設けてもよい。また、上部電極１０４０および下部電極１０３０のいずれにも凹凸を設けなくてもよい。
【００３８】
上部電極１０４０および下部電極１０３０の間の隙間は第一セラミックススペーサ１０１０および第二セラミックススペーサ１０２０により保持されている。第一セラミックススペーサ１０１０および第二セラミックススペーサ１０２０はともに上部電極１０４０と下部電極１０３０とに接触する。第一セラミックススペーサ１０１０および第二セラミックススペーサ１０２０は、必ずしもセラミックスである必要はなく、たとえば絶縁性を有する他の有機物で構成することも可能である。
【００３９】
第一セラミックススペーサ１０１０および第二セラミックススペーサ１０２０は、ともに芯部１０１３，１０２３と、芯部１０１３，１０２３から上下方向へ突出する櫛歯部１０１１，１０２１とを有する。複数の櫛歯部１０１１，１０２１の間が凹部１０１２，１０２２である。凹部１０１２，１０２２に封止樹脂１０５０が入り込んでおり、封止樹脂１０５０と第一セラミックススペーサ１０１０および第二セラミックススペーサ１０２０とは密着している。
【００４０】
はんだ１０６０，１０７０が下部電極１０３０および上部電極１０４０と接触している。はんだ１０６０，１０７０は、上部電極１０４０および下部電極１０３０と、半導体素子としてのインバータ８２０とを電気的に接続し、かつ、インバータ８２０を位置決めする働きがある。パワー素子であるインバータ８２０の上下面には電極１０８０，１０９０が設けられており、この電極１０８０，１０９０にはんだ１０６０，１０７０が接触している。
【００４１】
この実施の形態では、上部電極１０４０側にはんだ１０７０のレベルを調整するためのはんだレベル調整用穴１０４１が設けられている。すなわち、第一および第二セラミックススペーサ１０１０，１０２０と銅からなる上部電極１０４０，下部電極１０３０の形状の工夫により厚さ方向の寸法精度向上と熱ストレスに対する信頼性を高めた両面冷却ＩＧＢＴモジュールの構造を提供できる。
【００４２】
第一セラミックススペーサ１０１０および第二セラミックススペーサ１０２０により、上部電極１０４０および下部電極１０３０の電極間の厚さ方向の位置決め精度を高める。また、その形状として封止樹脂１０５０に肉厚均一化を図るため櫛歯状としている。さらに、上部電極１０４０の素子接続部にははんだレベル調整用穴１０４１を設ける。これにより素子厚さやはんだ量に限らず一定のはんだフィレット形状を得ることができる。
【００４３】
インバータ８２０直上部の上部電極１０４０の厚さを、絶縁距離を確保して適切に厚くし、良好な放熱効果を得る。
【００４４】
これにより、封止樹脂１０５０の肉厚が均一化される。また、放熱性レベルがアップする。さらに、はんだフィレット形状均質化により熱ストレスに対する耐久性が大幅に向上する。また、半導体素子のモジュール構造１０００の厚さ方向寸法精度が向上し、冷却器への熱伝達性能が向上する。
【００４５】
インバータ８２０を構成するＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)モジュール構造では、第一および第二セラミックススペーサ１０１０，１０２０により上下要素の位置決めを行なう。上下間の中空部分が発生するので、位置決め強化のために耐熱性の封止樹脂１０５０を封入している。ＩＧＢＴの熱発生量は急速かつ強力なものであり、封入された樹脂層も肉厚が異なるため、素子が発熱することに伴い、樹脂層の各エッジ部分において不均衡な応力を発生させることとなる。そして強い熱応力が発生した箇所ではモジュール要素と樹脂との剥離が発生し、位置決めの役割を果たさなくなる。
【００４６】
この発明では、第一および第二セラミックススペーサ櫛歯状にし、封止樹脂１０５０の肉厚の均一化を行った。これにより、封止樹脂１０５０エッジに発生する熱応力の均一化、分散化、弱小化を図るものであり、これによりモジュール要素と封止樹脂１０５０との間の剥離を防止している。
【００４７】
なお、第一および第二セラミックススペーサが櫛歯状であるため、樹脂内に発生した熱を効率よく樹脂の内部まで放熱することが可能となった。また、上部および下部電極１０４０，１０３０に凹凸を設けてヒートシンク機能を持たせてもよい。
【００４８】
（実施の形態２）
図４は、この発明の実施の形態２に従った半導体素子のモジュール構造の断面図である。図４を参照して、この発明の実施の形態２に従った半導体素子のモジュール構造１０００では、上部電極１０４０にはんだレベル調整用穴１０４１が設けられていない点で、実施の形態１に従った半導体素子のモジュール構造１０００と異なる。このように構成されたモジュール構造でも、実施の形態１と同様の効果がある。
【００４９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の１つの実施の形態に係る発熱素子を含む駆動ユニットの構造の一例を概略的に示す図である。
【図２】ＰＣＵ８００の主要部の構成を示す回路図である。
【図３】この発明の実施の形態１に従った半導体素子のモジュール構造の断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２に従った半導体素子のモジュール構造の断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
８２０  インバータ、１０００  半導体素子のモジュール構造、１０１０  第一セラミックススペーサ、１０１１，１０２１  櫛歯部、１０３０  下部電極、１０４０  上部電極、１０４１  はんだレベル調整用穴、１０５０  封止樹脂、１０６０，１０７０  はんだ。
【図１】
2008283062.tif 000003
【図２】
2008283062.tif 000004
【図３】
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【図４】
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