(57)【要約】【課題】圧入嵌合時の半導体チップの曲げストレスを低減し、かつ、モジュールの小型化が可能な圧入固定型半導体モジュール、それを用いた圧入固定型半導体モジュール装置およびその固定方法を提供すること。【解決手段】圧入固定型半導体モジュール１の電極体３は突部３３をもち、この突部３３が導電板９の貫通孔９０に圧入嵌合されて、電極体３と導電板９とが機械的に固定され、電気的に接続され、半導体チップ２の熱が電極体３を通じて導電板９に放散される。この突部３３の形成により、半導体チップ２や接合層５、６に曲げストレスを与えることなく圧入嵌合を強固に行うことができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、前記半導体チップの一主面が固定される平坦な素子実装面を有して金属製の導電板の貫通孔に圧入される金属製の電極体とを備え、前記電極体は前記貫通孔の内周面に密着する嵌合外周面を有する圧入固定型半導体モジュールにおいて、
前記電極体は、
前記素子実装面を有する第一の主面と、前記素子実装面を囲む外側面と、前記第一の主面と略平行に形成された第二の主面とを有する平板状の基板部と、前記基板部の前記第二の主面から突出する突部とを有し、
前記突部は、
前記嵌合外周面を有するとともに、前記基板部よりも前記素子実装面の延在方向において狭小に形成されていることを特徴とする圧入固定型半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１記載の圧入固定型半導体モジュールにおいて、
前記基板部の前記第二の主面は、前記導電板の平坦な主面に密着していることを特徴とする圧入固定型半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１記載の圧入固定型半導体モジュールにおいて、
前記突部は、前記導電板の厚さの１．０〜１．２倍の高さを有することを特徴とする圧入固定型半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１記載の圧入固定型半導体モジュールにおいて、
前記基板部は角板形状を有し、前記突部は円柱形状を有することを特徴とすることを特徴とする圧入固定型半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１記載の圧入固定型半導体モジュールにおいて、
前記突部の頂面から更に突出する引っ張り用棒部を有することを特徴とする圧入固定型半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１記載の圧入固定型半導体モジュールにおいて、
前記突部は、引っ張り用棒部が脱着可能な穴部を有することを特徴とする圧入固定型半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１記載の圧入固定型半導体モジュールにおいて、
前記突部および貫通孔は、複数設けられていることを特徴とする圧入固定型半導体モジュール。
【請求項８】
半導体チップと、前記半導体チップの一主面が固定される平坦な素子実装面を有して金属製の導電板の貫通孔に圧入される金属製の電極体とを備え、前記電極体は前記貫通孔の内周面に密着する嵌合外周面を有する圧入固定型半導体モジュールにおいて、
前記電極体は、
前記素子実装面を有する第一の主面と、前記素子実装面を囲む外側面と、前記第一の主面と略平行に形成された第二の主面とを有する平板状の基板部と、
前記第一の主面の周縁部から前記半導体チップを囲む向きに前記素子実装面と直角に突出する第一の筒壁部と、
前記第二の主面の周縁部から前記半導体チップから遠ざかる向きに前記素子実装面と直角に突出する第二の筒壁部と、
を有し、
前記基板部の前記外側面は、前記嵌合外周面をなすことを特徴とする圧入固定型半導体モジュール。
【請求項９】
請求項５又は６記載の圧入固定型半導体モジュールの固定方法において、
前記引っ張り用棒部を前記素子実装面と直角に引っ張ることにより前記突部を前記貫通孔に圧入することを特徴とする圧入固定型半導体モジュールの固定方法。
【請求項１０】
請求項１又は８記載の圧入固定型半導体モジュールの固定方法において、
前記圧入固定型半導体モジュールを支持し、前記基板部を前記素子実装面と直角に押し込むことにより、前記圧入を行うことを特徴とする圧入固定型半導体モジュールの固定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧入固定型半導体モジュールおよびその固定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車両用回転電機に内蔵されるパワーダイオードやパワートランジスタなどの半導体素子、特に車両用発電機に内蔵される整流用半導体素子の固定は、図９〜図１１に示すように、半導体チップが固定される電極体を導電板の貫通孔に圧入してなされている。図９は従来の半導体モジュールを示す模式断面図、図１０は圧入嵌合中を示す模式断面図、図１１は圧入嵌合完了後を示す模式断面図である。以下、半導体チップとそれが固定される金属製の電極体とを含む装置を半導体モジュールと呼び、電極体を導電板の貫通孔に圧入して半導体モジュールの固定が行なわれる半導体モジュールを圧入固定型半導体モジュールと呼ぶものとする。
【０００３】
このような半導体モジュールの圧入固定方式は、その他の固定方法、たとえば電極体の裏面に雄ねじ部を設け、この雄ねじ部にナットを締め込んで導電板を締結するスタッドボルト固定方式などと比較して、ゆるみが生じにくく、また、厚さ方向の必要寸法を短縮できるため搭載性に優れるため、従来の車両用交流発電機の整流装置などにおいて主流となっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の圧入固定方式では、圧入嵌合後の電極体を導電板に強固に固定し、良好な電気的接続と良好な熱伝達を確保するために基板部の貫通孔の内径と電極体の外径との間の遊びを小さくする必要があるが、その結果として図１０に示す圧入嵌合時に電極体に大きな曲げストレス（電極体をその径方向断面にて湾曲させる）が生じ、この曲げストレスが、電極体から半導体チップに伝達されるという問題が原理的に発生した。
【０００５】
逆に言えば、半導体チップが許容可能な曲げストレスの範囲でしか電極体と導電板との圧入嵌合のための押圧力を導電板にかけることができず、したがってこの押圧力により圧入嵌合を完了できるだけの遊びを基板部の貫通孔と電極体の嵌合外周面との間に確保する必要があった。
【０００６】
つまり、従来の圧入固定型半導体モジュールでは、圧入嵌合時の電極体の曲がりによる上記悪影響を防止する必要性から、電極体と導電板との通電又は放熱のための接触性の改善に限界があった。
【０００７】
また、この問題を解決するために、従来では図９に示すように電極体の幅（主面平行方向の寸法を幅という）を、半導体チップの幅よりも十分大きくして、電極体の上記曲がりの影響が半導体チップに加わるのを軽減するという方法も採用しているが、この方法では、電極体ひいては半導体モジュールがいたずらに大型化してしまい、導電板への搭載性が低下するという不具合が生じた。
【０００８】
更に、従来では、電極体の幅の増大を防止しつつ半導体チップの全周にわたって電極体の幅との半導体チップの幅との差を確保するために半導体チップを円盤状に製造する対策を施していたが、このような半導体チップを円盤形状とすることは、ウエハからの半導体チップの採れ数の減少や製造工程の複雑化にともなうコストアップを招いていた。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、電極体と導電板との優れた接触性により接触電気抵抗および放熱抵抗を低減し、半導体チップの幅の低減が可能な圧入固定型半導体モジュールおよびその固定方法を提供することをその目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第一発明（請求項１）の圧入固定型半導体モジュールは、半導体チップと、前記半導体チップの一主面が固定される平坦な素子実装面を有して金属製の導電板の貫通孔に圧入される金属製の電極体とを備え、前記電極体は前記貫通孔の内周面に密着する嵌合外周面を有する圧入固定型半導体モジュールにおいて、
前記電極体は、前記素子実装面を有する第一の主面と、前記素子実装面を囲む外側面と、前記第一の主面と略平行に形成された第二の主面とを有する平板状の基板部と、前記基板部の前記第二の主面から突出する突部とを有し、前記突部は、前記嵌合外周面を有するとともに、前記基板部よりも前記素子実装面の延在方向において狭小に形成されていることを特徴としている。このようにすれば、電極体と導電板との優れた接触性により接触電気抵抗および放熱抵抗を低減可能な圧入固定型半導体モジュールを実現することができる。
【００１１】
すなわち、この第一発明によれば、電極体のうち素子実装面の延在方向に広く形成されて半導体チップを搭載する基板部ではなく、この基板部から半導体チップと反対側（反半導体チップ側）に突出し、基板部よりも素子実装面の延在方向に狭く形成れた突部を、導電板の貫通孔に圧入する。
【００１２】
このため、導電板の貫通孔の内径と突部の外径との間の遊びを減らして圧入嵌合時の押圧力を従来より格段に増大したとしても、電極体の段差形状により電極体の基板部に曲げストレスが作用することがほとんどなく、電極体と導電板との嵌合面における良好な接触を可能とし、両者間の電気的接触抵抗および伝熱抵抗を低減することができる。
【００１３】
また、電極体の幅を半導体チップのそれよりも十分大きくする必要がないので、半導体モジュール特にその電極体の小型化を実現でき、この電極体が圧入嵌合される導電板の設計が容易となり、導電板への搭載性が向上する。
【００１４】
更に、半導体チップを円盤化する必要性がなく、半導体チップの角板化による製造コスト低減が容易となる。
【００１５】
好適態様（請求項２）において、前記基板部の前記第二の主面は、前記導電板の平坦な主面に密着している。これにより、電極体と導電板とは、嵌合面のみならず、基板部の第二の主面と導電板の平坦な主面との間でも電気的、熱的に接触することができ、電気抵抗および伝熱抵抗の一層の低減を実現することができる。
【００１６】
好適態様（請求項３）において、前記突部は、前記導電板の厚さの１．０〜１．２倍の高さを有する。これにより、半導体モジュールの必要厚さの増大を防止しつつ、良好な嵌合接触を実現することができる。
【００１７】
好適態様（請求項４）において、前記基板部は角板形状を有し、前記突部は円柱形状を有する。これにより、基板部を圧入嵌合のために従来のように円形とする必要がないので、半導体チップを従来のようにそれに合わせてエッチングにより円盤状に形成する必要がなく、通常のディスクカット、スクライビング工程を用いて角形とすることができ、ウエハよりの半導体チップの切り出し工程が簡単となり、ウエハあたりのチップ採取数を増大して半導体チップの大幅なコストダウンも実現することができる。
【００１８】
好適態様（請求項５）において、前記突部の頂面から更に突出する引っ張り用棒部を有する。このようにすれば、圧入嵌合時にこの引っ張り用棒部を引っ張ればよく、このために半導体チップに押圧力を作用させることなく圧入嵌合を簡単に実現することができる。
【００１９】
好適態様（請求項６）において、前記突部は、引っ張り用棒部が脱着可能な穴部を有する。この穴部は、たとえば引っ張り用棒部に螺着される雌ねじ部とすることが好ましいが、引っ張り用棒部が電極体を引っ張るための引っ掛かり部をもつ穴又は溝としてもよい。
【００２０】
このようにすれば、圧入嵌合のために引っ張り用棒部により電極体を引っ張った後で、この引っ張り用棒部を取り外すことができ、半導体モジュールの必要スペースを低減することができる。
【００２１】
好適態様（請求項７）において、前記突部および貫通孔は、複数設けられている。これにより、基板部の曲げ変形を低減し、圧入嵌合面の面積を増大することができる。
【００２２】
第二発明（請求項８）の圧入固定型半導体モジュールは、半導体チップと、前記半導体チップの一主面が固定される平坦な素子実装面を有して金属製の導電板の貫通孔に圧入される金属製の電極体とを備え、前記電極体は前記貫通孔の内周面に密着する嵌合外周面を有する圧入固定型半導体モジュールにおいて、
前記電極体は、前記素子実装面を有する第一の主面と、前記素子実装面を囲む外側面と、前記第一の主面と略平行に形成された第二の主面とを有する平板状の基板部と、前記第一の主面の周縁部から前記半導体チップを囲む向きに前記素子実装面と直角に突出する第一の筒壁部と、前記第二の主面の周縁部から前記半導体チップから遠ざかる向きに前記素子実装面と直角に突出する第二の筒壁部とを有し、前記基板部の前記外側面は、前記嵌合外周面をなすことを特徴としている。
【００２３】
すなわち、この発明の半導体モジュールは、半導体チップが固定される素子実装面を含む電極体の第一の主面を囲む電極体の外側面が嵌合外周面としているが、電極体の周縁部からその厚さ方向両側に筒壁部を突設しているので、電極体の曲げ剛性を向上することができる。なお、従来は電極体の周縁部からその厚さ方向半導体チップ側にだけ筒壁部を突設していた。
【００２４】
これにより、圧入嵌合時の電極体の曲がりを従来より低減できるので、その分だけ圧入嵌合時の導電板の押圧力を増大することができ、その結果として電極体と導電板との優れた接触性により接触電気抵抗および放熱抵抗を低減可能な圧入固定型半導体モジュールを実現することができる。
【００２５】
また、電極体の幅を半導体チップのそれよりも十分大きくする必要がないので、半導体モジュール特にその電極体の小型化を実現でき、この電極体が圧入嵌合される導電板の設計が容易となり、導電板への搭載性が向上する。
【００２６】
なお、電極体を上記第二の筒壁部の突出高さ分だけ電極体の第二の主面の全面にわたって厚く形成することも考えられるが、このような対策は、半導体モジュールの重量のいたずらな増大を招いてしまうために好ましくない。いずれにせよ、上記説明した第一、第二発明は、従来の半導体モジュールの電極体に、半導体チップと反対側へ突出する突部又は筒壁部を突出させているので、電極体をその全面にわたって厚くするのではなく、電極体の重量増加を抑止することができる。
【００２７】
請求項５又は６記載の圧入固定型半導体モジュールの好適な固定方法によれば、引っ張り用棒部を素子実装面と直角に引っ張ることにより前記突部を前記貫通孔に圧入するので、圧入嵌合に際して半導体チップに押圧力を掛けることがなく、その割れなどを防止することができる。また、半導体チップと電極体やリード電極との間の接合層に悪影響を与えるのを抑止することができる。
【００２８】
請求項１又は８記載の圧入固定型半導体モジュールの固定方法によれば、前記圧入固定型半導体モジュールを支持し、前記基板部を前記素子実装面と直角に押し込むことにより、前記圧入を行うので、従来と同じく圧入嵌合に際して半導体チップに押圧力を掛けることがなく、その割れなどを防止することができる。また、半導体チップと電極体やリード電極との間の接合層に悪影響を与えるのを抑止することができる。
【００２９】
【発明を実施するための態様】
本発明の圧入固定型半導体モジュールおよびその固定方法を以下の実施例により具体的に説明する。なお、この半導体モジュールに用いる半導体チップは接合ダイオードが形成されたパワーダイオードチップとするが、ＭＯＳトランジスタ又はバイポーラトランジスタ又はＩＧＢＴが形成されたパワートランジスタチップなどとしてもよい。これらを一括して電力用スイッチング素子と総称するものとする。これらの電力用スイッチング素子が形成された半導体チップでは、その第一の主電極が一主面に、その第二主電極が他主面面に形成される。トランジスタの場合、その制御電極が設けられる。半導体モジュールの内部構造自体は本発明の要旨ではないので、内部構造の説明自体は省略する。以下の実施例において、上記説明した導電板は、車両用交流発電機に内蔵される三相全波整流器の上アーム側のダイオードのカソード電極端子が固定されて図示しないバッテリの＋端子にケーブル接続される＋側直流電極板とするが、これに限定されないことも当然である。
（実施例１）
この実施例における半導体モジュールの模式断面図を図１に、その圧入嵌合中の状態を図２に示す。
【００３０】
図１において、半導体モジュール１は、半導体チップ２、電極体３、リード電極４、接合層５、６、モールド樹脂部７を有している。半導体チップ２の一主面（正確にはカソード電極面）は、銅合金ブロックからなる電極体３の第一の主面３０の中央部からなる素子実装面に接合層５を通じて接合されている。半導体チップ２の他主面（正確にはアノード電極面）２２は、リード電極４に接合層６を通じて接合されている。モールド樹脂部７は電極体３の第一の主面３０上にて半導体チップ２および接合層５、６を囲覆保護し、リード電極４はモールド樹脂部７から突出している。この種の樹脂モールド型の電力用半導体モジュール構造自体は周知であり、これ以上の説明は省略する。
【００３１】
この実施例の特徴をなす電極体３の形状を如何に詳細に説明する。電極体３は、厚板状の基板部３１と、基板部３１の第二の主面３２の中央部から突出する突部３３とからなり、基板部３１および突部３３は一体に形成されている。突部３３の頂面３４には螺子穴（穴部）３５が形成され、螺子穴３５には引っ張り用棒部８の先端部が螺入されている。基板部３１は正方形の平板形状を有し、突部３３は短軸の円柱形状を有している。基板部３１の外側面３６は第一の主面３０を囲む４つの平面からなり、突部３３の外周面３７は本発明で言う嵌合外周面を構成している。この実施例では、突部３３の径は、基板部３１の主面方向の幅（一辺の長さ）の約半分に設定されている。なお、突部３３の頂面３４の周縁部を面取りしてもよい。
【００３２】
半導体モジュール１は、図２に示すように導電板９に設けた貫通孔９０に電極体３の突部３３を圧入嵌合することにより導電板９に固定される。この実施例では、上記圧入嵌合に際して、導電板９を固定しておき、引っ張り用棒部８を図２に示す方向に引っ張ることにより上記圧入嵌合をなす。このようにすると、半導体チップ２に押圧力が掛からないので、その悪影響の発生を防止することができる。
【００３３】
この実施例によれば、突部３３の嵌合外周面３７が導電板９の貫通孔９０の内周面に圧入嵌合される。したがって、この時、突部３３および基板部３１には曲げストレスが加えられるが、それによる電極体３の曲げ変形量は既述した従来技術における基板部３１の外側面３６を圧入嵌合する場合に比較して格段に小さくなる。これは、曲げモーメントが小さくなり、曲げ剛性が大きくなるためである。これにより、接合層５、６や半導体チップ２に悪影響を与えることを防止しつつ、電極体３と導電板９とを強固に圧入嵌合させることができるので、電極体３と導電板９との間の優れた接触性を確保して両者間の接触電気抵抗および放熱抵抗を低減することができる。また、基板部３１を正方形又は長方形に形成することができるので、従来のように半導体チップを円盤化する必要性がなく、半導体チップの角板化による製造コスト低減が容易となる。また、圧入嵌合後、基板部３１の第二の主面３２は導電板９の一主面９１に密着されるので、電極体３と導電板９との電気的、熱的接触性を一層向上することができる。また、突部３３の高さは導電板９の厚さの１．０〜１．２倍とされるので、半導体モジュール１の必要厚さの増大を防止しつつ、良好な嵌合接触を実現することができる。更に、この実施例では、圧入嵌合完了後に、引っ張り用棒部８を螺子穴（本発明で言う穴部）３５から取り外すので、半導体モジュール１の最終的な厚さの増大を防止することができる。また更に、突部３３の分だけ、電極体３のヒートシンク特性を向上することができる。
【００３４】
（変形態様）
この実施例の変形態様を図３に示す。この態様では、引っ張り用棒部８を電極体３と一体化したものである。
【００３５】
この実施例の変形態様を図４に示す。この態様では、引っ張り用棒部８を固定しておき、導電板９を押圧することにより圧入嵌合を行うものであるが、実質的に力学的な作用は同じとなる。
【００３６】
この実施例の変形態様を図５に示す。この態様では、突部３３を２個又はそれ以上設け、それに合わせて導電板９の貫通孔９０も複数設けたものであり、圧入嵌合を強固とし、電極体３と導電板９との電気的、熱的接触性を一層向上することができるとともに、圧入嵌合時の電極体３の曲げ変形を一層低減することができる。もちろん、図５の変形態様でも、上記した引っ張り用棒部８を用いてもよい。
【００３７】
この実施例の変形態様を図６に示す。この態様では、図５と同様に突部３３を２個又はそれ以上設け、それに合わせて導電板９の貫通孔９０も複数設け、更に従来と同じく、電極体３の第一の主面３０の周縁部に周壁部３８を設けたものである。これにより、電極体３の曲げ剛性を一層向上することができる。
【００３８】
この実施例の変形態様を図６に示す。この態様では、導電板９を押圧して上記圧入嵌合を行う際に、半導体モジュール１を支持する治具１０が周壁部３８の頂面に接するリング部１１をもつ点をその特徴としている。このようにすれば、半導体チップ２や接合層５、６に押圧力が加えられるのを防止することができる。なお、周壁部３８を省略して、リング部１１が電極体３の基板部３１の第一の主面３０に直接当接するようにしてもよい
（実施例２）
第二実施例の圧入固定型半導体モジュールおよびその固定方法について以下に説明する。この実施例における半導体モジュールの模式断面図を図７に、その圧入嵌合完了後の状態を図８に示す。ただし、主要機能が同一である構成要素には実施例１の構成要素と同一符号を付すものとする。図１において、半導体モジュール１の形状、構造は電極体３を除いて実施例１の半導体モジュール１と同じである。
【００３９】
この実施例の特徴をなす電極体３の形状を如何に詳細に説明する。電極体３は、円盤状の基板部３１と、基板部３１の第一の主面３０の周縁部から軸方向上方へ突出する周壁部（第二発明で言う第一の筒壁部）３８と、基板部３１の第二の主面３２の周縁部から軸方向下方へ突出する周壁部（第二発明で言う第二の筒壁部）３９とからなり、基板部３１の外周面は、本発明で言う嵌合外周面を構成している。すなわち、この実施例は、図９に示す従来の電極体３において、周壁部３９を追設したものである。このようにすれば、電極体３の重量増加を抑止しつつ、電極体３の曲げ剛性を大幅に増強することができるので、図８に示す圧入嵌合時における電極体３の曲げ変形を低減することができる。
【００４０】
また、この実施例では、図６に示す変形態様と同様に、導電板９を押圧して上記圧入嵌合を行う際に、半導体モジュール１を支持する治具１０が周壁部３８の頂面に接するリング部１１をもつので、圧入嵌合時に半導体チップ２や接合層５、６に押圧力が加えられるのを防止し、電極体３の曲げ変形を一層低減することができる。なお、リング部１１を省略して従来と同
様の方法で半導体モジュール１を支持することもできる。
【００４１】
これにより、圧入嵌合時の電極体の曲がりを従来より低減できるので、その分だけ圧入嵌合時の導電板の押圧力を増大することができ、その結果として電極体と導電板との優れた接触性により接触電気抵抗および放熱抵抗を低減可能な圧入固定型半導体モジュールを実現することができる。
【００４２】
（変形態様）
上記実施例では、導電板９を軸方向上方へ押圧して圧入嵌合を行ったが、導電板９を支持し、リング部１１を降下させて圧入嵌合を行ってもよいこと、リング部１１の降下の代わりに従来同様、半導体モジュール１を下方へ押圧して圧入嵌合を行ってよいことは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における半導体モジュールを示す模式断面図である。
【図２】図１に示す半導体モジュールの圧入嵌合中の状態を示す模式断面図である。
【図３】実施例１の変形態様を示す模式断面図である。
【図４】実施例１の変形態様を示す模式断面図である。
【図５】実施例１の変形態様を示す模式断面図である。
【図６】実施例１の変形態様を示す模式断面図である。
【図７】実施例２における半導体モジュールを示す模式断面図である。
【図８】図７に示す半導体モジュールの圧入嵌合完了状態を示す模式断面図である。
【図９】従来の半導体モジュールの模式断面図である。
【図１０】図９に示す従来の半導体モジュールの圧入嵌合中の状態を示す模式断面図である。
【図１１】図９に示す従来の半導体モジュールの圧入嵌合完了状態を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１  半導体モジュール
２  半導体チップ
３  電極体
４  リード電極
８  引っ張り用棒部
９  導電板
１０  治具
１１  リング部
３０  基板部の第一の主面
３１  基板部
３２  基板部の第二の主面
３３  突部
３４  突部の頂面
３５  螺子穴（穴部）
３６  基板部の外側面
３７  突部の外周面（嵌合外周面）
３８  周壁部（第一の筒壁部）
３９  周壁部（第二の筒壁部）
９０  貫通孔
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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