(57)【要約】【課題】この発明は、放熱板に固定する際に、セラミックス基材の割れを発生させることなく、セラミックス基材と放熱板との接触熱抵抗を低減できるパワー半導体モジュールおよびその固定方法を得る。【解決手段】パワー半導体モジュール１００は、半導体素子５が搭載された略長方形形状のセラミックス基板１と、半導体素子５の搭載領域を囲むようにセラミックス基板１に装着された外囲樹脂ケース７と、セラミックス基板１を放熱板１０に固定するための固定部７ｃとを備えている。固定部７ｃは、セラミックス基板１の各長辺に沿ってセラミックス基板１の外周部に位置するように外囲樹脂ケース７に設けられ、それぞれの固定部７ｃの長さ方向と直交するする断面積が、該長さ方向の両端部から中央部に向かって漸増するように形成されている。【選択図】        図１
2004253531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体素子が搭載された略長方形形状のセラミックス基板と、上記セラミックス基板に電気的に接続された外部導出端子と、上記半導体素子の搭載領域を囲むように上記セラミックス基板に装着された１つの外囲樹脂ケースと、上記セラミックス基板を放熱板に固定するための固定部とを備えたパワー半導体モジュールにおいて、
上記固定部は、上記セラミックス基板の各長辺に沿って該セラミックス基板の外周部に位置するように上記外囲樹脂ケースに設けられ、それぞれの上記固定部の長さ方向と直交するする断面積が、該長さ方向の両端部から中央部に向かって漸増するように形成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
上記セラミックス基板は、その長辺が互いに隣接するように複数配置され、上記外囲樹脂ケースは、複数の上記セラミックス基板のそれぞれの上記半導体素子の搭載領域を囲むように装着され、上記固定部は、複数の上記セラミックス基板のそれぞれの各長辺に沿って該セラミックス基板の外周部に位置するように上記外囲樹脂ケースに設けられ、それぞれの上記固定部の長さ方向と直交するする断面積が、該長さ方向の両端部から中央部に向かって漸増するように形成されていることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
【請求項３】
上記セラミックス基板の長辺の長さ方向と平行なリブが上記外囲樹脂ケースに一体に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
主回路を形成する金属導体が上記リブに一体に形成されていることを特徴とする請求項３記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
ボスが上記セラミックス基板に接するように上記リブに突設されていることを特徴とする請求項３記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
上記請求項１乃至５のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールが、上記セラミックス基板の上記半導体素子の非搭載面を熱軟化性熱伝導性シートを介在させて上記放熱板に載置され、少なくとも上記固定部の上記断面積の最大となる部位で上記放熱板に締着固定されていることを特徴とするパワー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】
この発明は、パワートランジスタモジュール、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）モジュール、インテリジェントパワーモジュール等のパワー半導体モジュールおよびその固定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパワー半導体モジュールは、導体層および金属層がセラミックス基材の表面に所定のパターンに形成され、金属膜がセラミックス基材の裏面に形成されている。ここで、導体層はセラミックス基材の外周縁部を除く領域に形成されて部品実装部を構成し、金属層はセラミックス基材の外周縁部に島状に形成されて固定部を構成している。そして、半導体素子およびダイオード等の回路部品が導体層に半田付けされ、回路部品間がボンディングワイヤにより電気的に接続されて、電流制御回路がセラミックス基材の表面上に構成されている。また、樹脂製ケースが電流制御回路を覆うようにセラミックス基材の表面に接着固定され、シリコーンゲル等のゲル材が密閉された樹脂製ケース内に充填されている。さらに、外部回路との接続用の電極が電流制御回路と電気的に接続されて設けられている。
このように構成されたパワー半導体モジュールは、セラミックス基材が放熱板上に載置され、金属層を介してボルトで直接固定され、あるいは金属層を介して固定治具で固定されて、放熱板に取り付けられる。そして、セラミックス基材の金属膜と放熱板との界面には、界面での接触熱抵抗を小さくするためのシリコンオイルコンパウンド層が形成されている。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−８２７７４号公報（図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、シリコンオイルコンパウンドの熱伝導率は、１〜３Ｗ／ｍＫ程度であり、他の構成部材に比べると非常に小さいので、パワー半導体モジュールの性能を発揮するためには、セラミックス基材と放熱板との界面での接触熱抵抗をできるだけ小さくする必要がある。そこで、セラミックス基材と放熱板との界面の空隙を小さくして、低熱伝導性のシリコンオイルコンパウンド層を薄く形成する必要がある。
【０００５】
セラミックス基材を放熱板に強く押し付けることで、セラミックス基材と放熱板との界面の空隙を小さくできる。しかし、従来のパワー半導体モジュールにおいては、セラミックス基材が固定治具やボルトにより放熱板に固定されているので、強い締め付け力が固定部に作用すると、セラミックス基材の固定部近傍が変形し、セラミックス基材と放熱板との界面の空隙は固定部近傍のみが小さくなり、その他の空隙は小さくならなくなるという不具合があった。また、セラミックス基材の固定部近傍の変形に起因して、セラミックス基材の中央付近が放熱板から浮き上がってしまうという不具合もあった。さらに、セラミックス基材の固定部を放熱板に強く締め付けることは、セラミックス基材の固定部に大きな応力を発生させ、割れやクラックを引き起こす要因となる。
【０００６】
また、セラミックス基材は、導体層や金属膜を形成する過程、半導体素子等の回路部品を導体層に半田接合する過程、樹脂ケースをセラミックス基材に接着固定する過程等において、その平面度を失い、数μｍ〜数百μｍの返りを生じる。そして、セラミックス基材の返りが大きく、半導体素子側に凸状になっている場合には、セラミックス基材を固定部で放熱板に強く締め付けても、元々セラミックス基材と放熱板との界面の空隙が大きな中央付近では、その空隙は小さくならない。
逆に、セラミックス基材の返りが放熱板側に凸状となっている場合には、セラミックス基材を固定部で放熱板に締め付けることにより、固定部のみならず中央付近におけるセラミックス基材と放熱板との界面の空隙を小さくすることができる。しかしながら、セラミックス基材の反り量が大きいと、セラミックス基材と放熱板との接触点を起点とする大きな曲げモーメントが固定部に作用し、セラミックス基材に割れやクラックを発生させてしまうという不具合が生じる。
【０００７】
さらに、熱伝導率の大きな金属製の介在物やセラミックス製の介在物の充填率を高くして、シリコンオイルコンパウンドの高熱伝導率化を図ることも考えられる。しかし、介在物の充填率を高めることは、コンパウンドの粘性が低下して硬くなり、コンパウンドを薄く塗布することができなくなるとともに、製造コストが高くなってしまうという問題を発生させることから、セラミックス基材と放熱板との界面の接触抵抗を小さくするための有効な手段とはなりえない。
【０００８】
この発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、放熱板に固定する際に、セラミックス基材の割れを発生させることなく、セラミックス基材の反りを吸収してセラミックス基材と放熱板との界面の空隙を小さくし、両者の接触熱抵抗を低減できるパワー半導体モジュールおよびその固定方法を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るパワー半導体モジュールは、複数の半導体素子が搭載された略長方形形状のセラミックス基板と、上記セラミックス基板に電気的に接続された外部導出端子と、上記半導体素子の搭載領域を囲むように上記セラミックス基板に装着された１つの外囲樹脂ケースと、上記セラミックス基板を放熱板に固定するための固定部とを備えたパワー半導体モジュールにおいて、上記固定部は、上記セラミックス基板の各長辺に沿って該セラミックス基板の外周部に位置するように上記外囲樹脂ケースに設けられ、それぞれの上記固定部の長さ方向と直交するする断面積が、該長さ方向の両端部から中央部に向かって漸増するように形成されているものである。
【００１０】
また、この発明に係るパワー半導体モジュールの固定方法は、上記パワー半導体モジュールが、上記セラミックス基板の上記半導体素子の非搭載面を熱軟化性熱伝導性シートを介在させて上記放熱板に載置され、少なくとも上記固定部の上記断面積の最大となる部位で上記放熱板に締着固定されているものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図であり、図１の（ａ）はセラミックス基板の長辺側から見た断面図、図１の（ｂ）はケース蓋の未装着状態を示す上面図である。
【００１２】
図１において、セラミックス基板１は、導体パターン３がセラミックス基材２の表面に形成され、金属膜４がセラミックス基材２の裏面に形成されて構成されている。セラミックス基材２は、例えば窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素等により概略長方形に作製されている。また、導体パターン３および金属層４には、例えば銅、アルミニウム、ニッケルのいずれかを主成分とする金属材料を用いている。そして、導体パターン３は、セラミックス基材２の表面の外周縁部を除く領域を４分割するように形成され、それぞれ後述する部品が実装されるように所定のパターンに形成されている。
【００１３】
そして、パワートランジスタ等の複数の半導体素子５が導体パターン３に半田接合されている。これらの半導体素子５が導体パターン３により電気的に接続され、電流制御回路を構成している。また、複数の外部導出端子６が導体パターン３に半田接合され、電流制御回路と外部回路とを接続できるようになっている。
さらに、外囲樹脂ケース７が、導体パターン３（半導体素子搭載領域）を囲繞するようにセラミックス基板１に装着され、ケース蓋８が外囲樹脂ケース７の開口７ａを塞口するように装着され、その後ゲル状樹脂９が外囲樹脂ケース７の開口７ａ内に充填されて、パワー半導体モジュール１００が構成されている。
【００１４】
この外囲樹脂ケース７は、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂により１つの開口７ａを有する長方形の枠状に形成されている。開口７ａは、セラミックス基板１の外形形状より小さな矩形形状に形成され、セラミックス基材２の外周縁部を収納する凹部７ｂが開口７ａの一端面の内周縁部に全周にわたって形成されている。また、外囲樹脂ケース７の各長辺で構成される固定部７ｃは一定の幅を有し、その他端面の高さ（厚み）が長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次高くなるように形成されている。さらに、穴方向を厚み方向とする貫通穴７ｄが各固定部７ｃを長さ方向に４等分する３箇所に穿設されている。そして、外囲樹脂ケース７が、セラミックス基板１の外周縁部を凹部７ｂに収納するようにセラミックス基板１に載置されて接着固定されている。この時、固定部７ｃはセラミックス基板１の長辺に沿ってセラミックス基板１の外周部に設けられている。また、外囲樹脂ケース７の一端面とセラミックス基板１の金属膜４の表面とがほぼ同一面位置となっている。
【００１５】
このように構成されたパワー半導体モジュール１００は、金属膜４をアルミ合金製の放熱板１０の主面（モジュール取付面）に面するように放熱板１０上に載置され、貫通穴７ｄに通された締結ねじ１１を放熱板１０に締着して取り付けられる。そして、金属膜４と放熱板１０の主面との間には、例えばシリコーン系の放熱グリースからなる中間層１２が介装され、金属膜４と放熱板１０の主面との空隙が中間層１２で埋められている。なお、放熱板１０の裏面には、放熱フィン１０ａが立設されている。
【００１６】
ついで、このように構成されたパワー半導体モジュール１００の動作について説明する。
半導体素子５への通電に伴って、半導体素子５の電極面に多量の熱が発生する。この熱は、導体パターン３、セラミックス基材２、電極膜４および中間層１２を介して放熱板１０に熱伝導され、放熱フィン１０ａから外部に放熱される。これにより、半導体素子５の過度の温度上昇が抑えられ、半導体素子５が安定して動作する。
【００１７】
ついで、この実施の形態１によるパワー半導体モジュール構造の効果について図２および図３を参照しつつ説明する。図２はセラミック板に樹脂ケースを取り付けて荷重を負荷した際に生じる応力分布を示す図であり、図３は樹脂ケースの長さ方向の厚み分布を示す図である。
ここで、セラミック板には、長さ８０ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、ヤング率３５０００ｋｇｆ／ｍｍ２のものを用いた。また、第１および第２樹脂ケースには、長さ８０ｍｍ、幅５ｍｍとするブロック体に形成され、ヤング率３００ｋｇｆ／ｍｍ２のものを用いた。そして、第１樹脂ケースは、図３にＤで示されるように、長辺の厚みが両端から中央部に向かって放物線状に漸増し、両端の厚みを１．５ｍｍとし、中央部の厚みを３ｍｍとし、平均厚さを２ｍｍとしている。一方、第２樹脂ケースは、図３にＥで示されるように、厚み２ｍｍとする一様断面を有している。
【００１８】
図２の曲線Ａは、セラミックス板の中央位置に第１樹脂ケースを取り付け、１．５ｋｇｆの荷重を第１樹脂ケースの長さ方向の中央部に負荷した際に生じる応力分布を測定した結果を示している。また、図２の曲線Ｂは、セラミックス板の中央位置に第２樹脂ケースを取り付け、１．５ｋｇｆの荷重を第２樹脂ケースの長さ方向の中央部に負荷した際に生じる応力分布を測定した結果を示している。さらに、図２の曲線Ｃは、セラミックス板の中央部に１．５ｋｇｆの荷重を負荷した際に生じる応力分布を測定した結果を示している。
【００１９】
図２の曲線Ｃから、１．５ｋｇｆの荷重をセラミックス板の中央部に負荷すると、曲げ応力は端部から中央部に向かって漸次増加する応力勾配となり、最大２５ｋｇｆ／ｍｍ２の曲げ応力が中央部に集中発生していることがわかる。
また、図２の曲線Ｂから、１．５ｋｇｆの荷重を第２樹脂ケースの中央部に負荷すると、曲げ応力は端部から中央部に向かって漸次増加する応力勾配となり、最大１７ｋｇｆ／ｍｍ２の曲げ応力が中央部に集中発生していることがわかる。
さらに、図２の曲線Ａから、１．５ｋｇｆの荷重を第１樹脂ケースの中央部に負荷すると、曲げ応力は端部から中央部に向かって漸次増加し、中央部の４０ｍｍの範囲でほぼ一様となる応力勾配となり、曲げ応力の最大値は、ほぼ１０ｋｇｆ／ｍｍ２となることがわかる。
【００２０】
このように、厚みが長さ方向の両端から中央部に向かって放物線状に漸増する第１樹脂ケースを用いることにより、セラミックス板に生じる曲げ応力を低減できるとともに、長さ方向の応力勾配を低減できることが可能となる。
これは、第１樹脂ケースの長さ方向と直交する断面積が、長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次増加するようになっているので、第１樹脂ケースに作用する曲げモーメントが長さ方向の両端部から中央部に向かって漸増するが、断面二次モーメントも長さ方向の両端部から中央部に向かって漸増して曲げ剛性が大きくなる。その結果、第１樹脂ケースとセラミックス板とに生じる曲げの長さ方向の応力勾配が小さくなったものと推考される。
【００２１】
この実施の形態１では、パワー半導体モジュール１００を放熱板１０に締結ねじ１１を用いて固定する際に、ねじ締め付けによる曲げモーメントが放熱板１０に対して（半導体素子５側に）凸状に反りが生じるようにセラミックス基板１に作用する。この時、外囲樹脂ケース７の長辺で構成される固定部７ｃがセラミックス基板１の長辺に沿った外周部に設けられているので、セラミックス基板１に作用する曲げモーメントは、セラミックス基板１の短辺方向の小さいものとなる。その結果、曲げモーメントに起因してセラミックス基板１に生じる放熱板１０に対して凸状の返りが小さいものとなり、セラミックス基板１と放熱板１０との間に生じる空隙は小さく、セラミックス基板１と放熱板１０との間の中間層１２を介しての接触熱抵抗が小さくなる。これにより、半導体素子５で発生した熱がセラミックス基板１から放熱板１０に速やかに熱伝導され、半導体素子５の過度の温度上昇が抑えられ、パワー半導体モジュール１００の性能が十分に発揮されるようになる。
【００２２】
また、外囲樹脂ケース７のセラミックス基板１の長辺に沿った固定部７ｃの厚さが、長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次増加するようになっている。つまり、外囲樹脂ケース７のセラミックス基板１の長辺に沿った固定部７ｃの長さ方向と直交する断面積が、長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次増加するようになっている。そこで、パワー半導体モジュール１００を放熱板１０に締結ねじ１１を用いて固定した際に、セラミックス基板１の長辺の長さ方向と外囲樹脂ケース７のセラミックス基板１の長辺に沿った固定部７ｃとに生じる曲げ応力の長さ方向における勾配が低減される。その結果、従来装置において固定部に発生していた応力集中を緩和することができ、セラミックス基板１の割れやクラックの発生を回避することができる。
【００２３】
さらに、パワー半導体モジュール１００を放熱板１０に締結ねじ１１を用いて固定した際に、セラミックス基板１に生じる曲げ応力の長さ方向における勾配が低減されるので、仮にセラミックス基板１が放熱板１０に向かって凸状に反っていても、セラミックス基板１の割れやクラックの発生を抑えて、セラミックス基板１と放熱板１０との界面の空隙を小さくできる。
【００２４】
このように、この実施の形態１によれば、セラミックス基板１の反りが放熱板１０に対して凸状あるいは凹状になっていても吸収できるので、使用可能なセラミックス基板１の反り公差が大きくなり、セラミックス基板１の製造歩留まりが上がり、製造コストを低減することができる。
また、従来装置で用いられていた固定治具やボルトを用いることなくパワー半導体モジュール１００を放熱板１０に固定できるので、パワー半導体モジュール１００を放熱板１０に取り付ける際や、パワー半導体モジュール１００の動作時の機械的あるいは熱的な変形によって、セラミックス基板１が固定治具やボルトと接触してセラミックス基板１に割れやクラックが発生するという不具合も未然に防止される。
【００２５】
また、外囲樹脂ケース７に凹部７ｂを設け、セラミックス基板１を凹部７ｂ内に収納させているので、セラミックス基板１と外囲樹脂ケース７との位置決めが容易になる。
また、外囲樹脂ケース７の一端面とセラミックス基板１の金属膜４の表面とがほぼ同一面位置となるように構成されているので、中間層１２を薄くすることができ、セラミックス基板１と放熱板１０との間の接触熱抵抗を低減できる。
【００２６】
なお、上記実施の形態１において、外囲樹脂ケース７の各長辺で構成される固定部７ｃの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次高くなるように形成されていればよく、特に、固定部７ｃの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって放物線状に漸増していることが望ましい。
また、上記実施の形態１では、外囲樹脂ケース７の一端面とセラミックス基板１の金属膜４の表面とがほぼ同一面位置となるように構成するものとして説明しているが、外囲樹脂ケース７の一端面とセラミックス基板１の金属膜４の表面とは必ずしも同一面位置にする必要はなく、中間層１２の厚みの設計値に応じて適宜設定すればよい。
また、上記実施の形態１では、３本の締結ねじ１１を用いて各固定部７ｃを放熱板１０に締着固定するものとして説明しているが、締結ねじ１１の本数は３本に限定されるものではなく、１本でもよい。この場合、締結ねじ１１は、固定部７ｃの長さ方向の中央部、即ち断面積が最大となる部位を放熱板１０に締結固定するようにすればよい。
【００２７】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図であり、図４の（ａ）はセラミックス基板の長辺側から見た断面図、図４の（ｂ）はケース蓋の未装着状態を示す上面図である。
【００２８】
図４において、外囲樹脂ケース１５は、例えばＰＰＳ樹脂により１つの開口１５ａを有する一定厚みの長方形の枠状に形成されている。開口１５ａは、セラミックス基板１の外形形状より小さな矩形形状に形成され、セラミックス基材２の外周縁部を収納する凹部１５ｂが開口１５ａの一端面の内周縁部に全周にわたって形成されている。また、外囲樹脂ケース１５の各長辺で構成される固定部１５ｃは、その幅が長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されている。さらに、穴方向を厚み方向とする貫通穴１５ｄが各固定部１５ｃを長さ方向に４等分する３箇所に穿設されている。そして、外囲樹脂ケース１５が、セラミックス基板１の外周縁部を凹部１５ｂに収納するようにセラミックス基板１に載置されて接着固定されている。この時、固定部１５ｃはセラミックス基板１の長辺に沿ってセラミックス基板１の外周部に設けられている。また、外囲樹脂ケース１５の一端面とセラミックス基板１の金属膜４の表面とがほぼ同一面位置となっている。
なお、この実施の形態２は、外囲樹脂ケース７に代えて外囲樹脂ケース１５を用いている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００２９】
このように構成されたパワー半導体モジュール１０１は、金属膜４をアルミ合金製の放熱板１０の主面（モジュール取付面）に面するように放熱板１０上に載置され、貫通穴１５ｄに通された締結ねじ１１を放熱板１０に締着して取り付けられる。そして、金属膜４と放熱板１０の主面との間には、中間層１２が介装され、金属膜４と放熱板１０の主面との空隙が中間層１２で埋められている。
【００３０】
ついで、このように構成されたパワー半導体モジュール１０１の動作について説明する。
半導体素子５への通電に伴って、半導体素子５の電極面に多量の熱が発生する。この熱は、導体パターン３、セラミックス基材２、電極膜４および中間層１２を介して放熱板１０に熱伝導され、放熱フィン１０ａから外部に放熱される。これにより、半導体素子５の過度の温度上昇が抑えられ、半導体素子５が安定して動作する。
【００３１】
ついで、この実施の形態２によるパワー半導体モジュール構造の効果について図５および図６を参照しつつ説明する。図５はセラミック板に樹脂ケースを取り付けて荷重を負荷した際に生じる応力分布を示す図であり、図６は樹脂ケースの長さ方向の厚み分布を示す図である。
ここで、セラミック板には、長さ８０ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、ヤング率３５０００ｋｇｆ／ｍｍ２のものを用いた。また、第１および第２樹脂ケースには、長さ８０ｍｍ、厚み２ｍｍとするブロック体に形成され、ヤング率３００ｋｇｆ／ｍｍ２のものを用いた。そして、第１樹脂ケースは、図６にＤで示されるように、幅が長さ方向の両端から中央部に向かって放物線状に漸増し、両端の幅を３．５ｍｍとし、中央部の幅を１０ｍｍとし、平均幅を５ｍｍとしている。一方、第２樹脂ケースは、図６にＥで示されるように、幅５ｍｍとする一様断面を有している。
【００３２】
図５の曲線Ａは、セラミックス板の中央部に第１樹脂ケースを取り付け、１．５ｋｇｆの荷重を第１樹脂ケースの長さ方向の中央に負荷した際に生じる応力分布を測定した結果を示している。また、図５の曲線Ｂは、セラミックス板の中央部に第２樹脂ケースを取り付け、１．５ｋｇｆの荷重を第２樹脂ケースの長さ方向の中央に負荷した際に生じる応力分布を測定した結果を示している。さらに、図５の曲線Ｃは、セラミックス板の中央部に１．５ｋｇｆの荷重を負荷した際に生じる応力分布を測定した結果を示している。
【００３３】
図５の曲線Ｃから、１．５ｋｇｆの荷重をセラミックス板の中央部に負荷すると、曲げ応力は端部から中央部に向かって漸次増加する応力勾配となり、最大２５ｋｇｆ／ｍｍ２の曲げ応力が中央部に集中発生していることがわかる。
また、図５の曲線Ｂから、１．５ｋｇｆの荷重を第２樹脂ケースの中央部に負荷すると、曲げ応力は端部から中央部に向かって漸次増加する応力勾配となり、最大１７ｋｇｆ／ｍｍ２の曲げ応力が中央部に集中発生していることがわかる。
さらに、図５の曲線Ａから、１．５ｋｇｆの荷重を第１樹脂ケースの中央部に負荷すると、曲げ応力は端部から中央部に向かって漸次増加し、中央部の２０ｍｍの範囲でほぼ一様となる応力勾配となり、曲げ応力の最大値は、ほぼ１２ｋｇｆ／ｍｍ２となることがわかる。
【００３４】
このように、幅が長さ方向の両端から中央部に向かって放物線状に漸増する第１樹脂ケースを用いることにより、セラミックス板に生じる曲げ応力を低減できるとともに、長さ方向の応力勾配を低減できることが可能となる。
これは、第１樹脂ケースの長さ方向と直交する断面積が、長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次増加するようになっているので、第１樹脂ケースに作用する曲げモーメントが長さ方向の両端部から中央部に向かって漸増するが、断面二次モーメントも長さ方向の両端部から中央部に向かって漸増して曲げ剛性が大きくなる。その結果、第１樹脂ケースとセラミックス板とに生じる曲げの長さ方向の応力勾配が小さくなったものと推考される。
【００３５】
この実施の形態２では、パワー半導体モジュール１０１を放熱板１０に締結ねじ１１を用いて固定する際に、ねじ締め付けによる曲げモーメントが放熱板１０に対して凸状に反りが生じるようにセラミックス基板１に作用する。この時、外囲樹脂ケース１５の長辺で構成される固定部１５ｃがセラミックス基板１の長辺に沿った外周部に設けられているので、セラミックス基板１に作用する曲げモーメントは、セラミックス基板１の短辺方向の小さいものとなる。その結果、曲げモーメントに起因してセラミックス基板１に生じる放熱板１０に対して凸状の返りが小さいものとなり、セラミックス基板１と放熱板１０との間に生じる空隙は小さく、セラミックス基板１と放熱板１０との間の中間層１２を介しての接触熱抵抗が小さくなる。これにより、半導体素子５で発生した熱がセラミックス基板１から放熱板１０に速やかに熱伝導され、半導体素子５の過度の温度上昇が抑えられ、パワー半導体モジュール１０１の性能が十分に発揮されるようになる。
【００３６】
また、外囲樹脂ケース１５の固定部１５ｃの幅が、長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次増加するようになっている。つまり、外囲樹脂ケース１５のセラミックス基板１の長辺に沿った固定部１５ｃの長さ方向と直交する断面積が、長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次増加するようになっている。そこで、パワー半導体モジュール１０１を放熱板１０に締結ねじ１１を用いて固定した際に、セラミックス基板１の長辺の長さ方向と外囲樹脂ケース１５のセラミックス基板１の長辺に沿った固定部１５ｃとに生じる曲げ応力の長さ方向における勾配が低減される。その結果、従来装置において固定部に発生していた応力集中を緩和することができ、セラミックス基板１の割れやクラックの発生を回避することができる。
【００３７】
さらに、パワー半導体モジュール１０１を放熱板１０に締結ねじ１１を用いて固定した際に、セラミックス基板１に生じる曲げ応力の長さ方向における勾配が低減されるので、仮にセラミックス基板１が放熱板１０に向かって凸状に反っていても、セラミックス基板１の割れやクラックの発生を抑えて、セラミックス基板１と放熱板１０との界面の空隙を小さくできる。
【００３８】
このように、この実施の形態２によれば、セラミックス基板１の反りが放熱板１０に対して凸状あるいは凹状になっていても吸収できるので、使用可能なセラミックス基板１の反り公差が大きくなり、セラミックス基板１の製造歩留まりが上がり、製造コストを低減することができる。
また、従来装置で用いられていた固定治具やボルトを用いることなくパワー半導体モジュール１０１を放熱板１０に固定できるので、パワー半導体モジュール１０１を放熱板１０に取り付ける際や、パワー半導体モジュール１０１の動作時の機械的あるいは熱的な変形によって、セラミックス基板１が固定治具やボルトと接触してセラミックス基板１に割れやクラックが発生するという不具合も未然に防止される。
【００３９】
また、外囲樹脂ケース１５に凹部１５ｂを設け、セラミックス基板１を凹部１５ｂ内に収納させているので、セラミックス基板１と外囲樹脂ケース１５との位置決めが容易になる。
また、外囲樹脂ケース１５の一端面とセラミックス基板１の金属膜４の表面とがほぼ同一面位置となるように構成されているので、中間層１２を薄くすることができ、セラミックス基板１と放熱板１０との間の接触熱抵抗を低減できる。
【００４０】
なお、上記実施の形態２において、外囲樹脂ケース１５の各長辺で構成される固定部１５ｃの幅は長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されていればよく、特に、固定部１５ｃの幅は長さ方向の両端部から中央部に向かって放物線状に漸増していることが望ましい。
また、上記実施の形態２では、外囲樹脂ケース１５の一端面とセラミックス基板１の金属膜４の表面とがほぼ同一面位置となるように構成するものとして説明しているが、外囲樹脂ケース１５の一端面とセラミックス基板１の金属膜４の表面とは必ずしも同一面位置にする必要はなく、中間層１２の厚みの設計値に応じて適宜設定すればよい。
また、上記実施の形態２では、３本の締結ねじ１１を用いて各固定部１５ｃを放熱板１０に締着固定するものとして説明しているが、締結ねじ１１の本数は３本に限定されるものではなく、１本でもよい。この場合、締結ねじ１１は、固定部１５ｃの長さ方向の中央部、即ち断面積が最大となる部位を放熱板１０に締結固定するようにすればよい。
【００４１】
実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図であり、図７の（ａ）はケース蓋の未装着状態を示す上面図、図７の（ｂ）はセラミックス基板の長辺側から見た断面図である。
【００４２】
図７において、セラミックス基板１６は、導体パターン１８がセラミックス基材１７の表面に形成され、金属膜１９がセラミックス基材１７の裏面に形成されて構成されている。セラミックス基材１７は、例えば窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素等により概略長方形に作製されている。また、導体パターン１８および金属層１９には、例えば銅、アルミニウム、ニッケルのいずれかを主成分とする金属材料を用いている。そして、導体パターン１８は、セラミックス基材１７の表面の外周縁部を除く領域を２分割するように形成され、それぞれ半導体素子５等の部品が実装されるように所定のパターンに形成されている。
【００４３】
そして、複数の半導体素子５が導体パターン１８に半田接合されている。これらの半導体素子５が導体パターン１８により電気的に接続され、電流制御回路を構成している。また、複数の外部導出端子６が導体パターン１８に半田接合され、電流制御回路と外部回路とを接続できるようになっている。そして、半導体素子５および外部導出端子６が実装された３枚のセラミックス基板１６が長辺を互いに隣接させて１列に配列されている。
さらに、外囲樹脂ケース２０が、３枚のセラミックス基板１６の導体パターン１８（半導体素子搭載領域）を囲繞するように装着され、ケース蓋２１が外囲樹脂ケース２０の開口２０ａを塞口するように装着され、その後ゲル状樹脂９が外囲樹脂ケース２０の開口２０ａ内に充填されて、パワー半導体モジュール１０２が構成されている。
【００４４】
この外囲樹脂ケース２０は、例えばＰＰＳ樹脂により３つの開口２０ａが１列に並んで形成された長方形の枠状に形成されている。各開口２０ａは、セラミックス基板１６の外形形状より小さい矩形形状に形成され、セラミックス基材１７の外周縁部を収納する凹部２０ｂが一端面の内周縁部に全周にわたって形成されている。また、外囲樹脂ケース２０の各固定部２０ｃは一定の幅を有し、その他端面の高さ（厚み）が長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次高くなるように形成されている。さらに、穴方向を厚み方向とする貫通穴２０ｄが各固定部２０ｃの長さ方向の中央部に穿設されている。そして、外囲樹脂ケース２０が、各セラミックス基板１６の外周縁部を凹部２０ｂに収納するように３枚のセラミックス基板１６上に載置されて接着固定されている。この時、固定部２０ｃは、各セラミックス基板１６の長辺に沿ってセラミックス基板１６の外周部に配置されている。また、外囲樹脂ケース２０の一端面とセラミックス基板１の金属膜４の表面とがほぼ同一面位置となっている。
【００４５】
このように構成されたパワー半導体モジュール１０２は、金属膜４をアルミ合金製の放熱板１０の主面（モジュール取付面）に面するように放熱板１０上に載置され、貫通穴２０ｄに通された締結ねじ１１を放熱板１０に締着して取り付けられる。そして、金属膜４と放熱板１０の主面との間には、中間層１２が介装され、金属膜４と放熱板１０の主面との空隙が中間層１２で埋められている。
【００４６】
ついで、このように構成されたパワー半導体モジュール１０２の動作について説明する。
半導体素子５への通電に伴って、半導体素子５の電極面に多量の熱が発生する。この熱は、導体パターン３、セラミックス基材２、電極膜４および中間層１２を介して放熱板１０に熱伝導され、放熱フィン１０ａから外部に放熱される。これにより、半導体素子５の過度の温度上昇が抑えられ、半導体素子５が安定して動作する。
【００４７】
この実施の形態３では、その厚みを長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されている固定部２０ｃが各セラミックス基板１６の長辺に沿ってセラミックス基板１６の外周部に配置されている。また、外囲樹脂ケース２０に凹部２０ｂを設け、セラミックス基板１６を凹部２０ｂ内に収納させている。さらに、外囲樹脂ケース２０の一端面とセラミックス基板１６の金属膜１９の表面とがほぼ同一面位置となるように構成されている。従って、この実施の形態３においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００４８】
この実施の形態３によれば、１つのパワー半導体モジュール１０２に３枚のセラミックス基板１６を実装しているので、各セラミックス基板１６に異なる回路構成を実装し、大型のパワー半導体モジュールや、多機能パワー半導体モジュール（インテリジェントパワーモジュール）を実現できる。
また、セラミックス基板１６を１枚のセラミックス基板を分割した基板構成とすれば、各セラミックス基板１６の面積が小さくなる。そこで、セラミックス基板１６自体の製造歩留まりが向上し、相対的にコストを低減することができる。さらに、セラミックス基板１６が小さくなるので、外囲樹脂ケース２０を放熱板１０に締着固定する際に、各セラミックス基板１６に作用する曲げモーメントが小さくなる。これにより、締結ねじ１１の締め付けに起因するセラミックス基板１６と放熱板１０との接触面間の空隙の増大が抑えられ、両者間の熱抵抗を小さく抑制することができる。
【００４９】
なお、上記実施の形態３において、外囲樹脂ケース２０の固定部２０ｃの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されていればよく、特に、固定部２０ｃの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって放物線状に漸増していることが望ましい。
また、上記実施の形態３では、３枚のセラミックス基板１６を長辺を近接させて１列に配列するものとして説明しているが、セラミックス基板１６の配列数は３枚に限定されるものではなく、２枚でも、４枚以上でもよい。
また、上記実施の形態３では、固定部２０ｃは、幅を一定として厚みを変えて長さ方向と直交する断面積を長さ方向の両端から中央部に向かって漸次増加するように形成されているものとしているが、固定部は、厚みを一定として幅を変えて長さ方向と直交する断面積を長さ方向の両端から中央部に向かって漸次増加するように形成されてもよい。
【００５０】
実施の形態４．
図８はこの発明の実施の形態４に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図であり、図８の（ａ）はセラミックス基板の短辺側から見た断面図、図８の（ｂ）はケース蓋の未装着状態を示す上面図である。
【００５１】
図８において、外囲樹脂ケース２１は、例えばＰＰＳ樹脂により１つの開口２１ａを有する長方形の枠状に形成されている。開口２１ａは、セラミックス基板１の外形形状より小さな矩形形状に形成され、セラミックス基材２の外周縁部を収納する凹部２１ｂが開口２１ａの一端面の内周縁部に全周にわたって形成されている。また、外囲樹脂ケース２１の各長辺で構成される固定部２１ｃは一定の幅を有し、その他端面の高さ（厚み）が長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次高くなるように形成されている。さらに、穴方向を厚み方向とする貫通穴２１ｄが各固定部２１ｃを長さ方向に４等分する３箇所に穿設されている。さらにまた、固定部２１ｃと平行に延びるリブ２１ｅが両短辺の中央部間を連結するように一体に形成されている。そして、外囲樹脂ケース２１が、セラミックス基板１の外周縁部を凹部２１ｂに収納するようにセラミックス基板１に載置されて接着固定されている。この時、固定部２１ｃはセラミックス基板１の長辺に沿ってセラミックス基板１の外周部に設けられている。また、外囲樹脂ケース２１の一端面とセラミックス基板１の金属膜４の表面とがほぼ同一面位置となっている。
なお、外囲樹脂ケース２１は、リブ２１ｅを有している点を除いて、上記外囲樹脂ケース７と同様に構成されている。また、この実施の形態４は、外囲樹脂ケース７に代えて外囲樹脂ケース２１を用いている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００５２】
このように構成されたパワー半導体モジュール１０３は、金属膜４をアルミ合金製の放熱板１０の主面（モジュール取付面）に面するように放熱板１０上に載置され、貫通穴２１ｄに通された締結ねじ１１を放熱板１０に締着して取り付けられる。そして、金属膜４と放熱板１０の主面との間には、中間層１２が介装され、金属膜４と放熱板１０の主面との空隙が中間層１２で埋められている。
【００５３】
ついで、このように構成されたパワー半導体モジュール１０３の動作について説明する。
半導体素子５への通電に伴って、半導体素子５の電極面に多量の熱が発生する。この熱は、導体パターン３、セラミックス基材２、電極膜４および中間層１２を介して放熱板１０に熱伝導され、放熱フィン１０ａから外部に放熱される。これにより、半導体素子５の過度の温度上昇が抑えられ、半導体素子５が安定して動作する。
【００５４】
この実施の形態４では、その厚みを長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されている固定部２１ｃがセラミックス基板１の長辺に沿ってセラミックス基板１の外周部に配置されている。また、外囲樹脂ケース２１に凹部２１ｂを設け、セラミックス基板１の外周縁部を凹部２１ｂ内に収納させている。さらに、外囲樹脂ケース２１の一端面とセラミックス基板１の金属膜４の表面とがほぼ同一面位置となるように構成されている。従って、この実施の形態４においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００５５】
この実施の形態４によれば、固定部２１ｃと平行に延びるリブ２１ｅが外囲樹脂ケース２１の両短辺の中央部間を連結するように一体に形成されている。そこで、外囲樹脂ケース２１を締結ねじ１１により放熱板１０に締め付ける際に外囲樹脂ケース２１の短辺が外側に伸びようとする変形がリブ２１ｅにより抑制され、セラミックス基板１の初期反りによる変形抵抗にも打ち負けることなく、セラミックス基板１と放熱板１０との接触面間の空隙の増大が抑えられる。
【００５６】
なお、上記実施の形態４において、外囲樹脂ケース２１の固定部２１ｃの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されていればよく、特に、固定部２１ｃの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって放物線状に漸増していることが望ましい。
また、上記実施の形態４では、固定部２１ｃと平行に延びる１つのリブ２１ｅを両短辺の中央部間を連結するように設けるものとしているが、複数のリブ２１ｅを平行に設けてもよいし、リブ２１ｅに加えて、リブ２１ｅと直交するリブを固定部２１ｃ間を連結するように設けてもよい。
また、上記実施の形態４では、上記実施の形態１における外囲樹脂ケース７にリブ２１ｅを設けるものとしているが、上記実施の形態２、３における外囲樹脂ケース１５、２０にリブ２１ｅを設けてもよい。
【００５７】
実施の形態５．
図９はこの発明の実施の形態５に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図であり、図９の（ａ）はセラミックス基板の短辺側から見た断面図、図９の（ｂ）はケース蓋の未装着状態を示す上面図である。
【００５８】
図９において、外囲樹脂ケース２２は、例えばＰＰＳ樹脂により１つの開口２２ａを有する長方形の枠状に形成されている。開口２２ａは、セラミックス基板１の外形形状より小さな矩形形状に形成され、セラミックス基材２の外周縁部を収納する凹部２２ｂが開口２２ａの一端面の内周縁部に全周にわたって形成されている。また、外囲樹脂ケース２２の各長辺で構成される固定部２２ｃは一定の幅を有し、その他端面の高さ（厚み）が長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次高くなるように形成されている。さらに、穴方向を厚み方向とする貫通穴２２ｄが各固定部２２ｃを長さ方向に４等分する３箇所に穿設されている。さらにまた、固定部２２ｃと平行に延びるリブ２２ｅが両短辺の中央部間を連結するように一体に形成されている。また、金属導体２３がリブ２２ｅに一体に配設されている。
【００５９】
そして、外囲樹脂ケース２２が、セラミックス基板１の外周縁部を凹部２２ｂに収納するようにセラミックス基板１に載置されて接着固定されている。また、セラミックス基板１の導体パターン３および半導体素子５と金属導体２３とがボンディングワイヤ２４により電気的に接続され、主回路を構成している。この時、固定部２２ｃはセラミックス基板１の長辺に沿ってセラミックス基板１の外周部に設けられている。また、外囲樹脂ケース２２の一端面とセラミックス基板１の金属膜４の表面とがほぼ同一面位置となっている。
なお、外囲樹脂ケース２２は、金属導体２３を有している点を除いて、上記外囲樹脂ケース２１と同様に構成されている。また、この実施の形態５は、外囲樹脂ケース２１に代えて外囲樹脂ケース２２を用いている点を除いて、上記実施の形態４と同様に構成されている。
【００６０】
このように構成されたパワー半導体モジュール１０４は、金属膜４をアルミ合金製の放熱板１０の主面（モジュール取付面）に面するように放熱板１０上に載置され、貫通穴２２ｄに通された締結ねじ１１を放熱板１０に締着して取り付けられる。そして、金属膜４と放熱板１０の主面との間には、中間層１２が介装され、金属膜４と放熱板１０の主面との空隙が中間層１２で埋められている。
【００６１】
ついで、このように構成されたパワー半導体モジュール１０４の動作について説明する。
半導体素子５への通電に伴って、半導体素子５の電極面に多量の熱が発生する。この熱は、導体パターン３、セラミックス基材２、電極膜４および中間層１２を介して放熱板１０に熱伝導され、放熱フィン１０ａから外部に放熱される。これにより、半導体素子５の過度の温度上昇が抑えられ、半導体素子５が安定して動作する。
【００６２】
この実施の形態５では、その厚みを長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されている固定部２２ｃがセラミックス基板１の長辺に沿ってセラミックス基板１の外周部に配置されている。また、外囲樹脂ケース２２に凹部２２ｂを設け、セラミックス基板１の外周縁部を凹部２２ｂ内に収納させている。また、外囲樹脂ケース２２の一端面とセラミックス基板１の金属膜４の表面とがほぼ同一面位置となるように構成されている。さらに、リブ２２ｅが外囲樹脂ケース２１の両短辺の中央部間を連結するように配設されている。従って、この実施の形態５においても、上記実施の形態４と同様の効果が得られる。
【００６３】
この実施の形態５によれば、金属導体２３がリブ２２ｅに一体に配設されているので、外囲樹脂ケース２２を締結ねじ１１により放熱板１０に締め付ける際に外囲樹脂ケース２２の短辺が外側に伸びようとする変形がより抑制され、セラミックス基板１の初期反りによる変形抵抗にも打ち負けることなく、セラミックス基板１と放熱板１０との接触面間の空隙の増大が一層抑えられる。
また、リブ２２ｅに一体に配設された金属導体２３と導体パターン３および半導体素子５とがボンディングワイヤ２４により電気的に接続されているので、金属導体２３が主回路の一部を構成し、主回路を三次元的に構成できる。これにより、セラミックス基板１上の主回路パターン面積が縮小され、セラミックス基板１の面積を小さくでき、材料コストを引き下げることができる。
【００６４】
なお、上記実施の形態５において、外囲樹脂ケース２２の固定部２２ｃの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されていればよく、特に、固定部２２ｃの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって放物線状に漸増していることが望ましい。
また、上記実施の形態５では、固定部２２ｃと平行に延びる１つのリブ２２ｅを両短辺の中央部間を連結するように設けるものとしているが、複数のリブ２２ｅを平行に設けてもよいし、リブ２２ｅに加えて、リブ２２ｅと直交するリブを固定部２２ｃ間を連結するように設けてもよい。
また、上記実施の形態５では、上記実施の形態１における外囲樹脂ケース７にリブ２２ｅおよび金属導体２３を設けるものとしているが、上記実施の形態２、３における外囲樹脂ケース１５、２０にリブ２２ｅおよび金属導体２３を設けてもよい。
【００６５】
実施の形態６．
図１０はこの発明の実施の形態６に係るパワー半導体モジュールをセラミックス基板の短辺側から見た断面図である。
【００６６】
図１０において、外囲樹脂ケース２５は、例えばＰＰＳ樹脂により１つの開口２５ａを有する長方形の枠状に形成されている。開口２５ａは、セラミックス基板１の外形形状より小さな矩形形状に形成され、セラミックス基材２の外周縁部を収納する凹部２５ｂが開口２５ａの一端面の内周縁部に全周にわたって形成されている。また、外囲樹脂ケース２５の各長辺で構成される固定部２５ｃは一定の幅を有し、その他端面の高さ（厚み）が長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次高くなるように形成されている。また、穴方向を厚み方向とする貫通穴２５ｄが各固定部２５ｃを長さ方向に４等分する３箇所に穿設されている。さらに、固定部２５ｃと平行に延びるリブ２５ｅが両短辺の中央部間を連結するように一体に形成されている。さらにまた、ボス２５ｆがセラミックス基板１に接するようにリブ２５ｅから一体に突設されている。
【００６７】
そして、外囲樹脂ケース２５が、セラミックス基板１の外周縁部を凹部２５ｂに収納するようにセラミックス基板１に載置されて接着固定されている。この時、固定部２５ｃはセラミックス基板１の長辺に沿ってセラミックス基板１の外周部に設けられている。また、外囲樹脂ケース２１の一端面とセラミックス基板１の金属膜４の表面とがほぼ同一面位置となっている。
なお、外囲樹脂ケース２５は、ボス２５ｆを有している点を除いて、上記外囲樹脂ケース２１と同様に構成されている。また、この実施の形態６は、外囲樹脂ケース２１に代えて外囲樹脂ケース２５を用いている点を除いて、上記実施の形態４と同様に構成されている。
【００６８】
このように構成されたパワー半導体モジュール１０５は、金属膜４をアルミ合金製の放熱板１０の主面（モジュール取付面）に面するように放熱板１０上に載置され、貫通穴２５ｄに通された締結ねじ１１を放熱板１０に締着して取り付けられる。そして、金属膜４と放熱板１０の主面との間には、中間層１２が介装され、金属膜４と放熱板１０の主面との空隙が中間層１２で埋められている。
【００６９】
ついで、このように構成されたパワー半導体モジュール１０５の動作について説明する。
半導体素子５への通電に伴って、半導体素子５の電極面に多量の熱が発生する。この熱は、導体パターン３、セラミックス基材２、電極膜４および中間層１２を介して放熱板１０に熱伝導され、放熱フィン１０ａから外部に放熱される。これにより、半導体素子５の過度の温度上昇が抑えられ、半導体素子５が安定して動作する。
【００７０】
この実施の形態６では、その厚みを長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されている固定部２５ｃがセラミックス基板１の長辺に沿ってセラミックス基板１の外周部に配置されている。また、外囲樹脂ケース２５に凹部２５ｂを設け、セラミックス基板１の外周縁部を凹部２５ｂ内に収納させている。また、外囲樹脂ケース２５の一端面とセラミックス基板１の金属膜４の表面とがほぼ同一面位置となるように構成されている。さらに、リブ２５ｅが外囲樹脂ケース２５の両短辺の中央部間を連結するように配設されている。従って、この実施の形態６においても、上記実施の形態４と同様の効果が得られる。
【００７１】
この実施の形態６によれば、ボス２５ｆがリブ２５ｅに一体に配設されているので、外囲樹脂ケース２５を締結ねじ１１により放熱板１０に締め付ける際に外囲樹脂ケース２５の短辺が外側に伸びようとする変形がより抑制され、セラミックス基板１の初期反りによる変形抵抗にも打ち負けることなく、セラミックス基板１と放熱板１０との接触面間の空隙の増大が一層抑えられる。
【００７２】
なお、上記実施の形態６において、外囲樹脂ケース２５の固定部２５ｃの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって漸次大きくなるように形成されていればよく、特に、固定部２５ｃの厚みは長さ方向の両端部から中央部に向かって放物線状に漸増していることが望ましい。
また、上記実施の形態６では、固定部２５ｃと平行に延びる１つのリブ２５ｅを両短辺の中央部間を連結するように設けるものとしているが、複数のリブ２５ｅを平行に設けてもよいし、リブ２５ｅに加えて、リブ２５ｅと直交するリブを固定部２５ｃ間を連結するように設けてもよい。
また、上記実施の形態６では、リブ２５ｅに１つのボス２５ｆを一体に突設するものとしているが、ボス２５ｆが一体に設けられたリブ２５ｅを複数設けてもよいし、複数のボス２５ｆをリブ２５ｅに設けてもよい。
また、上記実施の形態６では、上記実施の形態１における外囲樹脂ケース７にリブ２５ｅおよびボス２５ｆを設けるものとしているが、上記実施の形態２、３における外囲樹脂ケース１５、２０にリブ２５ｅおよびボス２５ｆを設けてもよい。
【００７３】
実施の形態７．
図１１はこの発明の実施の形態７に係るパワー半導体モジュールを放熱板に取り付けた状態を示す断面図である。
図１１において、パワー半導体モジュール１００は、中間層２６を介在させて金属膜４（半導体素子５の非搭載面）をアルミ合金製の放熱板１０の主面（モジュール取付面）に面するように放熱板１０上に載置され、貫通穴７ｄに通された締結ねじ１１を放熱板１０に締着して取り付けられる。この中間層２６は、例えばシリコーン系樹脂で作製された熱軟化性熱伝導性シートであり、例えば５０℃を超えると軟化する性質を有している。
なお、この実施の形態７は、中間層１２に代えて中間層２６を用いている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００７４】
この実施の形態７では、半導体素子５への通電に伴って、半導体素子５の電極面に発生した熱は、導体パターン３、セラミックス基材２、電極膜４および中間層２６を介して放熱板１０に熱伝導され、放熱フィン１０ａから外部に放熱される。これにより、半導体素子５の過度の温度上昇が抑えられ、半導体素子５が安定して動作する。
【００７５】
この実施の形態７による固定方法は、熱軟化性熱伝導性シートからなる中間層２６を介在させてセラミックス基板１を放熱板１０に取り付けるものである。この熱軟化性熱伝導性シートからなる中間層２６は、室温付近では固定形状を維持し、一定の温度、例えば５０℃を超えると熱軟化し、流動性を発現する。そこで、モジュール動作時の半導体素子５の発熱に起因してセラミックス基板１が熱変形し、セラミックス基板１と放熱板１０との接触面間の空隙が増大しても、流動性を発現した中間層２６が流動してその空隙を埋める。従って、熱変形の大きな大型半導体モジュールにおいても、安定した動作を確保することができる。
【００７６】
また、中間層２６を構成する熱軟化性熱伝導性シートは、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の厚みを有するように製造することができる。そこで、セラミックス基板１の初期の反り量が大きい場合には、放熱グリースではセラミックス基板１と放熱板１０との接触面間の空隙を十分に埋めることはできないが、この熱軟化性熱伝導性シートを用いることで、そのような大きな空隙も十分に埋めることができるようになる。また、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫの熱軟化性熱伝導性シートであれば、厚みが０．５ｍｍであっても、厚さが０．１５ｍｍの空隙を熱伝導率３Ｗ／ｍＫの放熱グリースで埋めた場合の接触熱抵抗に匹敵する。即ち、放熱グリースに代えて熱軟化性熱伝導性シートを用いることで、セラミックス基板１と放熱板１０との間の接触熱抵抗を小さくすることができる。
【００７７】
また、初期の返り量が大きなセラミックス基板１を外囲樹脂ケース７を介して締結ねじ１１により強制的にセラミックス基板１と放熱板１０との熱接触面間の空隙をなくすように締め付けようとすると、セラミックス基板１の強度を超える曲げ変形を加える必要があり、セラミックス基板１に割れやクラックを発生させることにつながる。この熱軟化性熱伝導性シートを用いると、セラミックス基板１に過度の曲げ変形を加えることなく、熱軟化性熱伝導性シートでセラミックス基板１と放熱板１０との熱接触面間の空隙を埋めることができる。そこで、セラミックス基板１の反り量の使用可能範囲、即ちセラミックス基板１の反り交差を大きくすることができ、セラミックス基板１の歩留まりを向上させ、材料コストを低減させることができる。
【００７８】
なお、上記実施の形態７では、上記実施の形態１によるパワー半導体モジュール１００を放熱板１０に熱軟化性熱伝導性シートを介在させて取り付けるものとして説明しているが、上記実施の形態２〜６によるパワー半導体モジュール１０１〜１０５を放熱板１０に熱軟化性熱伝導性シートを介在させて取り付けても同様の効果が得られる。
【００７９】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、複数の半導体素子が搭載された略長方形形状のセラミックス基板と、上記セラミックス基板に電気的に接続された外部導出端子と、上記半導体素子の搭載領域を囲むように上記セラミックス基板に装着された１つの外囲樹脂ケースと、上記セラミックス基板を放熱板に固定するための固定部とを備えたパワー半導体モジュールにおいて、上記固定部は、上記セラミックス基板の各長辺に沿って該セラミックス基板の外周部に位置するように上記外囲樹脂ケースに設けられ、それぞれの上記固定部の長さ方向と直交するする断面積が、該長さ方向の両端部から中央部に向かって漸増するように形成されている。そこで、セラミックス基板に割れやクラックを生じさせることなく、セラミックス基板の反りを吸収してセラミックス基板と放熱板との接触面間の空隙を小さくできるので、両者の接触熱抵抗が小さくなり、パワー半導体モジュールの性能を十分に発揮することができる。
【００８０】
また、パワー半導体モジュールが、セラミックス基板の半導体素子の非搭載面を熱軟化性熱伝導性シートを介在させて放熱板に載置され、少なくとも固定部の断面積の最大となる部位で放熱板に締着固定されているので、熱軟化性熱伝導性シートが一定温度以上となると熱軟化し、実際に発熱が起こるモジュール動作時の熱変形に起因して生じるセラミックス基板と放熱板との接触面間の空隙の増大に追従し、該空隙を埋めることができる。そこで、熱変形の大きな大型パワー半導体モジュールにおいても、安定した動作を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュール構造におけるセラミック板に樹脂ケースを取り付けて荷重を負荷した際に生じる応力分布を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るパワー半導体モジュール構造における樹脂ケースの長さ方向の厚み分布を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュール構造におけるセラミック板に樹脂ケースを取り付けて荷重を負荷した際に生じる応力分布を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係るパワー半導体モジュール構造における樹脂ケースの長さ方向の厚み分布を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図である。
【図８】この発明の実施の形態４に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図である。
【図９】この発明の実施の形態５に係るパワー半導体モジュールの構成を説明する図である。
【図１０】この発明の実施の形態６に係るパワー半導体モジュールをセラミックス基板の短辺側から見た断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態７に係るパワー半導体モジュールを放熱板に取り付けた状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１、１６  セラミックス基板、５  半導体素子、６  外部導出端子、７、１５、２０、２１、２２、２５  外囲樹脂ケース、７ｃ、１５ｃ、２０ｃ、２１ｃ、２２ｃ、２５ｃ  固定部、１０  放熱板、２１ｅ、２２ｅ、２５ｅ  リブ、２３金属導体、２５ｆ  ボス、２６  中間層（熱軟化性熱伝導性シート）、１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５  パワー半導体モジュール。
【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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