(57)【要約】【課題】  半田などの接合材を用いることなくパワー半導体素子と電極との間に十分な接合力を得ることができる半導体モジュールを提供する。【解決手段】  半導体素子部６２およびそれに密接される板ばね電極６４，６６，６８は、セラミック材からなるヒートシンク５２によって封止される。ヒートシンク５２内には、さらにモールド樹脂７０が充填される。ヒートシンク５２は、セラミック材の焼結時あるいは加熱膨張後の冷却時における収縮作用を利用して、板ばね電極６４，６６，６８を半導体素子部６２に押付ける。【選択図】        図３
2005302778.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子の両側に設けられ、各々が前記半導体素子に密接される第１および第２の電極と、
前記半導体素子ならびに前記第１および第２の電極を封止し、前記第１および第２の電極を前記半導体素子に押付けるセラミック材とを備える半導体モジュール。
【請求項２】
前記半導体素子は、耐熱性を有するパワー半導体素子である、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記セラミック材は、前記半導体素子から発生する熱を外部へ放熱するヒートシンクを構成する、請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記セラミック材は、前記第１および第２の電極の耐熱温度よりも低い温度で焼結する低温焼結セラミック材からなる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記半導体素子の動作温度は、前記半導体素子ならびに前記第１および第２の電極が前記セラミック材に組付けられる際の前記セラミック材の加熱温度よりも低い、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記第１および第２の電極の各々は、前記半導体素子を挟み込む方向に伸縮する弾性構造を有する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記セラミック材の内部において前記半導体素子ならびに前記第１および第２の電極のさらに両側に設けられ、前記半導体素子が前記第１および第２の電極によって挟み込まれる方向に各々が伸縮する第１および第２の弾性部材をさらに備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
前記半導体素子から発生する熱を前記セラミック材へ伝熱する絶縁封止材をさらに備える、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項９】
前記半導体素子は、前記第１および第２の電極の位置を拘束する第１のガイド部を有する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１０】
前記セラミック材は、前記第１および第２の電極の位置を拘束する第２のガイド部を有する、請求項１から請求項６および請求項８のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１１】
前記セラミック材は、前記第１および第２の弾性部材の位置を拘束する第２のガイド部を有する、請求項７に記載の半導体モジュール。
【請求項１２】
半導体素子ならびにその両側にそれぞれ密接される第１および第２の電極がセラミック材によって封止される半導体モジュールの製造方法であって、
所定の温度よりも低い焼結温度で焼結する低温焼結セラミック材で焼結前に前記セラミック材を形成する第１のステップと、
密接された前記半導体素子ならびに前記第１および第２の電極を前記セラミック材内部に挿入する第２のステップと、
前記焼結温度に前記セラミック材を加熱して前記セラミック材を焼結させる第３のステップとを備える半導体モジュールの製造方法。
【請求項１３】
前記所定の温度は、前記第１および第２の電極の耐熱温度である、請求項１２に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１４】
半導体素子ならびにその両側にそれぞれ密接される第１および第２の電極がセラミック材によって封止される半導体モジュールの製造方法であって、
前記セラミック材を焼結して形成する第１のステップと、
前記セラミック材を所定の温度に加熱する第２のステップと、
密接された前記半導体素子ならびに前記第１および第２の電極を前記第２のステップにおける加熱によって熱膨張した前記セラミック材内部に挿入する第３のステップと、
前記半導体素子ならびに前記第１および第２の電極が前記セラミック材内部に挿入された後、前記セラミック材を冷却する第４のステップとを備える半導体モジュールの製造方法。
【請求項１５】
前記所定の温度は、前記半導体モジュールの動作温度よりも高い、請求項１４に記載の半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体モジュールおよびその製造方法に関し、特に、電極がパワー半導体素子に圧接される半導体モジュールの構造および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００１−３０８２４５号公報は、パワー半導体素子の両側に電極および冷却体が設けられた両面冷却型の半導体モジュールを開示する。この半導体モジュールにおいては、半田によってパワー半導体素子と接合され、かつ、電極を兼ねる金属放熱板がパワー半導体素子を挟み込むようにしてパワー半導体素子の両側に設けられる。そして、その両側にヒートシンクマスおよび冷却チューブからなる冷却体がさらに設けられ、狭圧部材によってこれらが半導体モジュールの厚さ方向に狭圧される（特許文献１参照）。
【０００３】
この特開２００１−３０８２４５号公報に開示された半導体モジュールによれば、簡単な構造および作業でパワー半導体素子、金属放熱板および冷却体を一体化できる。
【特許文献１】特開２００１−３０８２４５号公報
【特許文献２】特開２００１−３０８２３７号公報
【特許文献３】特開平５−２９９４８３号公報
【特許文献４】特開平１−２４９６７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特開２００１−３０８２４５号公報においても開示されているように、このような半導体モジュールにおいては、パワー半導体素子と電極との接合力を十分に得るために、パワー半導体素子を電極と固設する半田などの接合剤が一般に用いられる。
【０００５】
しかしながら、このような半田などの接合剤が用いられる場合、半導体モジュールが高温条件下で使用されると、接合材が融解するおそれがある。
【０００６】
特に、近年、高耐熱性に優れ、高温動作可能なＳｉＣパワー半導体素子やＧａＮ系のパワー半導体素子が注目されており、これらのパワー半導体素子を用いれば、半導体モジュールの動作温度を６００℃程度まで上昇させることができるが、一方で、半田などの接合材が融解するおそれはさらに高まる。
【０００７】
そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、半田などの接合材を用いることなくパワー半導体素子と電極との間に十分な接合力を得ることができる半導体モジュールを提供することである。
【０００８】
また、この発明の別の目的は、半田などの接合材を用いることなくパワー半導体素子と電極との間に十分な接合力を得ることができる半導体モジュールの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によれば、半導体モジュールは、半導体素子と、半導体素子の両側に設けられ、各々が半導体素子に密接される第１および第２の電極と、半導体素子ならびに第１および第２の電極を封止し、第１および第２の電極を半導体素子に押付けるセラミック材とを備える。
【００１０】
好ましくは、半導体素子は、耐熱性を有するパワー半導体素子である。
【００１１】
好ましくは、セラミック材は、半導体素子から発生する熱を外部へ放熱するヒートシンクを構成する。
【００１２】
好ましくは、セラミック材は、第１および第２の電極の耐熱温度よりも低い温度で焼結する低温焼結セラミック材からなる。
【００１３】
好ましくは、半導体素子の動作温度は、半導体素子ならびに第１および第２の電極がセラミック材に組付けられる際のセラミック材の加熱温度よりも低い。
【００１４】
好ましくは、第１および第２の電極の各々は、半導体素子を挟み込む方向に伸縮する弾性構造を有する。
【００１５】
好ましくは、半導体モジュールは、セラミック材の内部において半導体素子ならびに第１および第２の電極のさらに両側に設けられ、半導体素子が第１および第２の電極によって挟み込まれる方向に各々が伸縮する第１および第２の弾性部材をさらに備える。
【００１６】
好ましくは、半導体モジュールは、半導体素子から発生する熱をセラミック材へ伝熱する絶縁封止材をさらに備える。
【００１７】
好ましくは、半導体素子は、第１および第２の電極の位置を拘束する第１のガイド部を有する。
【００１８】
好ましくは、セラミック材は、第１および第２の電極の位置を拘束する第２のガイド部を有する。
【００１９】
好ましくは、セラミック材は、第１および第２の弾性部材の位置を拘束する第２のガイド部を有する。
【００２０】
また、この発明によれば、半導体モジュールの製造方法は、半導体素子ならびにその両側にそれぞれ密接される第１および第２の電極がセラミック材によって封止される半導体モジュールの製造方法であって、所定の温度よりも低い焼結温度で焼結する低温焼結セラミック材で焼結前にセラミック材を形成する第１のステップと、密接された半導体素子ならびに第１および第２の電極をセラミック材内部に挿入する第２のステップと、焼結温度にセラミック材を加熱してセラミック材を焼結させる第３のステップとを備える。
【００２１】
好ましくは、所定の温度は、第１および第２の電極の耐熱温度である。
【００２２】
また、この発明によれば、半導体モジュールの製造方法は、半導体素子ならびにその両側にそれぞれ密接される第１および第２の電極がセラミック材によって封止される半導体モジュールの製造方法であって、セラミック材を焼結して形成する第１のステップと、セラミック材を所定の温度に加熱する第２のステップと、密接された半導体素子ならびに第１および第２の電極を第２のステップにおける加熱によって熱膨張したセラミック材内部に挿入する第３のステップと、半導体素子ならびに第１および第２の電極がセラミック材内部に挿入された後、セラミック材を冷却する第４のステップとを備える。
【００２３】
好ましくは、所定の温度は、半導体モジュールの動作温度よりも高い。
【発明の効果】
【００２４】
この発明による半導体モジュールにおいては、半導体素子ならびに第１および第２の電極を封止するセラミック材は、その収縮作用によって第１および第２の電極を半導体素子に押付ける。
【００２５】
したがって、この発明によれば、半田などの接合材を用いることなく、半導体素子と第１および第２の電極との間に十分な接合力を得ることができる。その結果、半田などの接合材が融解するおそれのある高温条件下においても、半導体モジュールを動作させることができる。
【００２６】
また、この発明による半導体モジュールにおいては、半導体素子は、耐熱性を有するパワー半導体素子であり、高温で動作することができる。
【００２７】
したがって、この発明によれば、この半導体モジュールを冷却する冷却系統を簡素化することができる。
【００２８】
また、この発明による半導体モジュールにおいては、セラミック材の焼結時における収縮作用によって第１および第２の電極から半導体素子への押付力が発生する。
【００２９】
したがって、この発明によれば、セラミック材の高精度な収縮率に基づいて、第１および第２の電極から半導体素子へ所望の押付力を発生させることができる。
【００３０】
また、この発明による半導体モジュールにおいては、焼結されたセラミック材を加熱して熱膨張させた後の冷却時における収縮作用によって第１および第２の電極から半導体素子への押付力が発生する。
【００３１】
したがって、この発明によれば、一般に高温となる焼結温度に第１および第２の電極および半導体素子がさらされることはない。また、焼結時に製造する場合よりも短時間で半導体モジュールを製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００３３】
［実施の形態１］
図１は、この発明による半導体モジュールが用いられる装置の一例として示されるモータ駆動装置の主要部の構成を示す回路図である。
【００３４】
図１を参照して、モータ駆動装置１は、コンバータ１０と、インバータ２０と、制御装置３０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電源ラインＬ１〜Ｌ３とを含む。コンバータ１０は、バッテリＢとインバータ２０との間に接続され、インバータ２０は、出力ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬを介してモータジェネレータＭＧと接続される。
【００３５】
コンバータ１０と接続されるバッテリＢは、直流電源であって、たとえば、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池からなる。バッテリＢは、直流電圧をモータ駆動装置１に供給し、また、モータ駆動装置１から受ける直流電圧によって充電される。
【００３６】
インバータ２０によって駆動制御されるモータジェネレータＭＧは、３相交流同期電動発電機であって、モータ駆動装置１から受ける交流電力によって駆動力を発生する。また、モータジェネレータＭＧは、回生動作によって交流電力を発電し、その発電した交流電力をモータ駆動装置１に供給する。
【００３７】
コンバータ１０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Ｌ２，Ｌ３の間に直列に接続され、制御装置３０からの制御信号をベースに受ける。各パワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続される。
【００３８】
リアクトルＬは、バッテリＢの正極と接続される電源ラインＬ１に一端が接続され、パワートランジスタＱ１のエミッタとパワートランジスタＱ２のコレクタとの接続点に他端が接続される。そして、リアクトルＬは、パワートランジスタＱ２のスイッチング動作に応じて流される電流を磁場エネルギーとして蓄積することによってバッテリＢからの直流電圧を昇圧し、その昇圧された直流電圧をパワートランジスタＱ２がオフされたタイミングに同期してダイオードＤ１を介して電源ラインＬ２に供給する。
【００３９】
インバータ２０は、Ｕ相アーム２２、Ｖ相アーム２４およびＷ相アーム２６からなる。各相アームは、電源ラインＬ２，Ｌ３の間に並列に接続される。Ｕ相アーム２２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２４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２６は、直列に接続されたパワートランジスタＱ７，Ｑ８からなる。また、各パワートランジスタＱ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。
【００４０】
そして、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、それぞれＵ，Ｖ，Ｗ各相ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬを介してモータジェネレータＭＧにおけるＵ，Ｖ，Ｗ各相コイルの反中性点側に接続されている。
【００４１】
ここで、コンバータ１０およびインバータ２０を構成するパワートランジスタＱ１〜Ｑ８およびダイオードＤ１〜Ｄ８は、高耐熱性のパワー素子であって、たとえば、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）からなるＳｉＣパワー素子からなる。ＳｉＣパワー素子は、近年注目を浴びているパワー半導体素子であって、従来のＳｉ系パワー素子と比較して禁制帯幅や熱伝導度が大きく、高耐熱性のほか、高耐電圧、低損失、低オン抵抗などの特性を備えている。
【００４２】
コンデンサＣ１は、電源ラインＬ１，Ｌ３の間に接続され、電源ラインＬ１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Ｌ２，Ｌ３の間に接続され、電源ラインＬ２の電圧レベルを平滑化する。
【００４３】
制御装置３０は、モータトルク指令値、モータジェネレータＭＧの各相電流値、およびインバータ２０の入力電圧に基づいてモータジェネレータＭＧ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２０へ出力する。
【００４４】
また、制御装置３０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１２０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１０へ出力する。
【００４５】
さらに、制御装置３０は、モータジェネレータＭＧ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Ｂを充電するため、コンバータ１０およびインバータ２０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。
【００４６】
このモータ駆動装置１においては、コンバータ１０は、制御装置３０からのＰＷＭ信号に基づいて、バッテリＢから受ける直流電圧を昇圧して電源ラインＬ２に供給する。そして、インバータ２０は、制御装置３０からのＰＷＭ信号に基づいて、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Ｌ２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ＭＧへ出力する。
【００４７】
また、インバータ２０は、モータジェネレータＭＧの回生動作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Ｌ２へ出力する。そして、コンバータ１０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Ｌ２から受け、その受けた直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。
【００４８】
図２は、図１に示したコンバータ１０およびインバータ２０の各アームを構成する半導体モジュールの外形図である。なお、インバータ２０の各相における上下各アームおよびコンバータ１０の上下各アームの構成は、いずれも同じであるので、以下では、図１に示したインバータ２０のＵ相上アームを構成する半導体モジュールについて代表的に説明する。
【００４９】
図２を参照して、半導体モジュール５０は、ヒートシンク５２によって外周が覆われた本体と、本体から突出した電極５４，５６および信号電極５８とを含む。
【００５０】
ヒートシンク５２は、後述するように、セラミック材からなり、図示されない内部のパワートランジスタＱ３およびダイオードＤ３から発生する熱を外部冷却体（図示せず）へ放熱する。電極５４，５６は、それぞれ図１に示した電源ラインＬ２およびＵ相ラインＵＬに接続される。信号電極５８は、図１に示した制御装置３０に接続され、パワートランジスタＱ３に対するＰＷＭ信号を制御装置３０から受ける。
【００５１】
図３，図４は、図２に示した半導体モジュール５０の構造を示す断面図である。ここで、図３は、図２に示した半導体モジュール５０の断面ＩＩＩ−ＩＩＩの構造を示す断面図であり、図４は、図３に示した半導体モジュール５０の断面ＩＶ−ＩＶの構造を示す断面図である。
【００５２】
図３，図４を参照して、半導体モジュール５０は、半導体素子部６２と、板ばね電極６４，６６，６８と、モールド樹脂７０と、ヒートシンク５２とを含む。半導体素子部６２は、パワートランジスタＱ３と、ダイオードＤ３とを含む。また、半導体素子部６２には、板ばね電極６４，６６，６８の位置を固定するための凸形状のガイド６３が設けられており、ヒートシンク５２にも、板ばね電極６４，６６，６８の位置を固定するための凹形状のガイドが設けられている。
【００５３】
板ばね電極６４，６６，６８の各々は、たとえば銅などの高導電性かつ高伝熱性の部材からなり、半導体素子部６２の厚み方向に弾性力を発生するばね構造を有する。板ばね電極６４は、半導体素子部６２上において、パワートランジスタＱ３のコレクタ部およびダイオードＤ３のカソード部と接合され、また、図２に示した電極５４（図示せず）と接続される。板ばね電極６６は、半導体素子部６２上において、パワートランジスタＱ３のエミッタ部およびダイオードＤ３のアノード部と接合され、また、図２に示した電極５６（図示せず）と接続される。板ばね電極６８は、半導体素子部６２上において、パワートランジスタＱ３のベース部と接合され、また、図２に示した信号電極５８（図示せず）と接続される。なお、板ばね電極６４，６６，６８は、半導体素子部６２に設けられたガイド６３によって半導体素子部６２との接合位置が固定され、ヒートシンク５２の内面側に設けられたガイドによって、ヒートシンク５２との接合位置が固定される。
【００５４】
ヒートシンク５２は、たとえば低温焼結助剤が添加された低温焼結セラミック材からなる。ヒートシンク５２は、半導体素子部６２からの熱を板ばね電極６４，６６，６８およびモールド樹脂７０を介して受け、その受けた熱を外部へ放熱する。また、ヒートシンク５２は、焼結時あるいは加熱膨張後の冷却時の収縮作用によって、板ばね電極６４，６６，６８を半導体素子部６２へ押付けている。
【００５５】
すなわち、セラミック材は、焼結時に収縮し、また、焼結成形後の加熱によって熱膨張するところ、後述するように、ヒートシンク５２の焼結成形前、または焼結成形後の加熱による熱膨張時に半導体素子部６２および板ばね電極６４，６６，６８がヒートシンク５２内に組み込まれ、その後のヒートシンク５２の収縮作用によって、板ばね電極６４，６６，６８と半導体素子部６２との間に押付力が発生する。
【００５６】
モールド樹脂７０は、高伝熱性かつ絶縁性の封止材であって、ヒートシンク５２内における板ばね電極６４，６６，６８の位置ずれを防止するとともに、半導体素子部６２からヒートシンク５２への熱伝導度を向上させ、また、防水材としても機能する。
【００５７】
なお、上記において、モールド樹脂７０は、「絶縁封止材」を構成し、ガイド６３は、「第１のガイド部」を構成し、ヒートシンク５２における凹形状のガイドは、「第２のガイド部」を構成する。
【００５８】
この半導体モジュール５０においては、ヒートシンク５２の収縮作用によって板ばね電極６４，６６，６８から半導体素子部６２への押付力が発生する。そして、この押付力が板ばね電極６４，６６，６８と半導体素子部６２との接合力となり、半田など高温条件下で融解する接合材を用いることなく、板ばね電極６４，６６，６８が半導体素子部６２に固設される。また、板ばね電極６４，６６，６８は、過度の押付力を吸収し、板ばね電極６４，６６，６８と半導体素子部６２との接合面にかかる押付力を均一化するとともに、半導体素子部６２からの熱をヒートシンク５２へ伝熱し、さらには、発熱による熱膨張時の寸法公差を吸収する。
【００５９】
図５〜図８は、図２〜図４に示した半導体モジュール５０の製造方法を説明するための製造工程図である。
【００６０】
図５，図６を参照して、セラミック材の焼結時の収縮率を考慮して、焼結前のヒートシンク５２が形成される。ここで、図５では、図２に示した断面ＩＩＩ−ＩＩＩに対応するヒートシンク５２の断面が示されており、図６では、図３に示した断面ＩＶ−ＩＶに対応するヒートシンク５２の断面が示されている。なお、ヒートシンク５２は、後に半導体素子部６２等を内部に挿入するために一部が開口されている。
【００６１】
図７を参照して、半導体素子部６２および板ばね電極６４，６６，６８（板ばね電極６８は図示せず）が開口部からヒートシンク５２内に挿入される。
【００６２】
図８を参照して、半導体素子部６２および板ばね電極６４，６６，６８がヒートシンク５２内に挿入された後、セラミック材からなるヒートシンク５２が焼結される。ここで、上述したように、ヒートシンク５２は、低温焼結助剤が添加された低温焼結セラミック材からなり、たとえば８５０℃程度での焼結が可能である。一方、板ばね電極６４，６６，６８がたとえば銅からなる場合、融点は１０００℃以上であり、また、上述のように、半導体素子部６２は、高耐熱性のＳｉＣパワー素子からなり、かつ、ヒートシンク５２との間に介在物（板ばね電極６４，６６，６８）を介するので、板ばね電極６４，６６，６８および半導体素子部６２は、ヒートシンク５２の焼結時の加熱によってダメージを受けることはない。
【００６３】
そして、ヒートシンク５２が焼結されると、ヒートシンク５２は収縮し、この収縮作用によって板ばね電極６４，６６，６８から半導体素子部６２への押付力が発生する。その後は、特に図示しないが、ヒートシンク５２内に樹脂モールド７０が充填され、開口部が閉じられて、半導体素子部６２および板ばね電極６４，６６，６８がヒートシンク５２内に封止される。
【００６４】
図９，図１０は、図２〜図４に示した半導体モジュール５０の他の製造方法を説明するための製造工程図である。
【００６５】
図９を参照して、半導体素子部６２および板ばね電極６４，６６，６８がヒートシンク５２内に組込まれる前にヒートシンク５２が焼結形成される。なお、ヒートシンク５２は、半導体素子部６２等を内部に挿入するために一部が開口されている。
【００６６】
図１０を参照して、ヒートシンク５２は、焼結形成後、再度加熱される。そうすると、ヒートシンク５２は熱膨張し、その際に、半導体素子部６２および板ばね電極６４，６６，６８が開口部からヒートシンク５２内に挿入される。
【００６７】
その後、ヒートシンク５２が冷却されると、ヒートシンク５２は収縮し、この収縮作用によって板ばね電極６４，６６，６８から半導体素子部６２への押付力が発生する。そして、その後、特に図示しないが、ヒートシンク５２内に樹脂モールド７０が充填され、開口部が閉じられて、半導体素子部６２および板ばね電極６４，６６，６８がヒートシンク５２内に封止される。
【００６８】
ここで、半導体素子部６２は、上述したように、高温動作可能なＳｉＣパワー素子などからなり、６００℃程度の耐熱性を有する。そこで、上記において、ヒートシンク５２をたとえば６００℃程度に加熱して半導体モジュール５０を作り込み、それよりも低い動作温度（たとえば２５０℃程度）で半導体素子部６２を動作させれば、板ばね電極６４，６６，６８から半導体素子部６２への押付力を確保しつつ、半導体モジュール５０を動作させることができる。
【００６９】
以上のように、この実施の形態１によれば、セラミック材からなるヒートシンク５２の収縮作用によって板ばね電極６４，６６，６８から半導体素子部６２への押付力を発生させるようにしたので、半田などの接合材を用いることなく、半導体素子部６２と板ばね電極６４，６６，６８との間に十分な接合力を得ることができる。したがって、半導体モジュール５０を構成するパワー半導体素子に高温動作可能なＳｉＣパワー素子などを用いることができ、その結果、この半導体モジュール５０を冷却する冷却系統を簡素化することができる。
【００７０】
また、セラミック材からなるヒートシンク５２が半導体モジュール５０内部を外部冷却体と絶縁するので、半導体モジュール５０内部を外部冷却体と絶縁する絶縁体を別途設ける必要はない。
【００７１】
さらに、セラミック材からなるヒートシンク５２の焼結時の収縮作用を利用すれば、セラミック材の高精度な収縮率に基づいて、板ばね電極６４，６６，６８から半導体素子部６２へ所望の押付力を発生させることができる。
【００７２】
また、さらに、ヒートシンク５２を低温焼結セラミック材で構成したので、焼結温度が抑えられる。したがって、ヒートシンク５２の焼結時に板ばね電極６４，６６，６８および半導体素子部６２を組付ける場合、板ばね電極６４，６６，６８および半導体素子部６２が熱によるダメージを受けることはない。
【００７３】
一方、焼結されたヒートシンク５２を加熱して熱膨張させた後の冷却時におけるヒートシンク５２の収縮作用を利用して半導体モジュール５０を製造する場合は、一般に高温となる焼結温度に板ばね電極６４，６６，６８および半導体素子部６２がさらされることはない。また、焼結時に製造する場合よりも短時間で半導体モジュール５０を製造できる。
【００７４】
また、さらに、板ばね電極６４，６６，６８によって、板ばね電極６４，６６，６８と半導体素子部６２との間に作用する押付力が接触面内で均一化されるので、その接触面における局部的な過度の押付力の発生が防止され、半導体素子部６２の破壊を防止できる。
【００７５】
また、さらに、動作中の発熱による熱膨張時の寸法公差を板ばね電極６４，６６，６８が吸収するので、半導体モジュール５０の組付公差を小さくすることができる。また、別途弾性部材を設ける必要がないので、部品数の増加を防止でき、半導体モジュール５０の組付性が阻害されることはない。さらに、板ばね電極６４，６６，６８自体が伝熱体となるので、半導体モジュール５０の放熱性が向上する。
【００７６】
また、さらに、半導体モジュール５０の内部は、半導体素子部６２から発生する熱をヒートシンク５２へ伝熱するモールド樹脂７０によって封止されるので、半導体モジュール５０の放熱性が向上し、かつ、板ばね電極６４，６６，６８および半導体素子部６２の位置ずれを防止できる。
【００７７】
また、さらに、ヒートシンク５２に設けられた凹形状のガイドによってヒートシンク５２上における板ばね電極６４，６６，６８の位置が固定されるので、ヒートシンク５２と板ばね電極６４，６６，６８との位置ずれが防止される。
【００７８】
また、さらに、半導体素子部６２に設けられたガイド部６３によって半導体素子部６２上における板ばね電極６４，６６，６８の位置が固定されるので、半導体素子部６２と板ばね電極６４，６６，６８との位置ずれが防止される。
【００７９】
なお、上記においては、パワートランジスタＱ１〜Ｑ８およびダイオードＤ１〜Ｄ８は、高温動作可能なＳｉＣパワー素子としたが、ＳｉＣパワー素子に代えてＧａＮ系のパワー素子であってもよい。
【００８０】
また、上記においては、板ばね電極６４，６６，６８の形状は、図３，図４等に示された形状のものに限られるものではなく、その他の形状を有していてもよい。
【００８１】
また、上記においては、板ばね電極６４，６６，６８の内部は、空洞としたが、板ばね電極６４，６６，６８の熱抵抗を小さくするため、弾性構造を有する伝熱部材を板ばね電極６４，６６，６８の内部に設けてもよい。
【００８２】
また、上記において、ヒートシンク５２内における力の均衡を図るため、半導体素子部６２を挟んで板ばね電極６８の反対側にダミーの板ばねを設けてもよい。
【００８３】
また、上記においては、半導体素子部６２に設けられるガイド６３は、凸形状のものとしたが、ガイド６３の形状は、これに限られるものではなく、半導体素子部６２上において板ばね電極６４，６６，６８の位置を固定できる形状であればよい。
【００８４】
同様にして、上記においては、ヒートシンク５２に設けられるガイドは、凹形状のものとしたが、ヒートシンク５２に設けられるガイドの形状は、これに限られるものではなく、板ばね電極６４，６６，６８の位置を固定できる形状であればよい。
【００８５】
［実施の形態２］
実施の形態２では、実施の形態１による半導体モジュールを構成する板ばね電極が電極板とばね部とに分離される。
【００８６】
実施の形態２による半導体モジュールが用いられるモータ駆動装置の主要部の構成は、図１に示したモータ駆動装置１の構成と同じであり、また、実施の形態２による半導体モジュールの外形は、図２に示した実施の形態１による半導体モジュールと同じであるので、それらの説明は繰返さない。
【００８７】
図１１は、実施の形態２による半導体モジュール５０Ａの構造を示す断面図である。
【００８８】
図１１を参照して、半導体モジュール５０Ａは、図３に示した実施の形態１による半導体モジュール５０の構成において、板ばね電極６４，６６，６８の代わりに、電極板７２，７４，７６と、ばね部７８，８０，８２とを含む。半導体モジュール５０Ａのその他の構造は、実施の形態１による半導体モジュール５０と同じである。
【００８９】
電極板７２，７４，７６は、たとえば銅などの高導電性材料からなり、それぞればね部７８，８０，８２により半導体素子部６２に押付けられることによって半導体素子部６２と接合される。電極板７２は、半導体素子部６２上において、パワートランジスタのコレクタ部およびダイオードのカソード部と接合され、また、図２に示した電極５４（図示せず）と接続される。電極板７４は、半導体素子部６２上において、パワートランジスタのエミッタ部およびダイオードのアノード部と接合され、また、図２に示した電極５６（図示せず）と接続される。電極板７６は、半導体素子部６２上において、パワートランジスタのベース部と接合され、また、図２に示した信号電極５８（図示せず）と接続される。なお、電極板７２，７４，７６は、半導体素子部６２に設けられたガイド６３によって、半導体素子部６２との接合位置が固定される。
【００９０】
ばね部７８，８０，８２は、たとえば鉄などの高伝熱性部材からなり、半導体素子部６２の厚み方向に弾性力を発生する。ばね部７８，８０，８２は、それぞれヒートシンク５２と電極板７２，７４，７６との間に設けられる。
【００９１】
この半導体モジュール５０Ａにおいては、ヒートシンク５２の収縮作用によってばね部７８，８０，８２から電極板７２，７４，７６への押付力が発生し、その結果、電極板７２，７４，７６は、半導体素子部６２に押付けられる。そして、この押付力が電極板７２，７４，７６と半導体素子部６２との接合力となり、半田など高温条件下で融解する接合材を用いることなく、電極板７２，７４，７６が半導体素子部６２に固設される。また、ばね部７８，８０，８２は、過度の押付力を吸収し、電極板７２，７４，７６と半導体素子部６２との接合面にかかる押付力を均一化するとともに、電極板７２，７４，７６を介して受ける半導体素子部６２からの熱をヒートシンク５２へ伝熱し、さらには、発熱による熱膨張時の寸法公差を吸収する。
【００９２】
以上のように、この実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果を得つつ、ばね部７８，８０，８２を低コストの鉄などで構成することによって、半導体モジュールの低コスト化を図ることができる。
【００９３】
［実施の形態３］
実施の形態１，２では、半導体素子部６２の厚み方向の両側にヒートシンク５２が設けられる両面冷却型の半導体モジュールが示されたが、実施の形態３では、片面冷却型の半導体モジュールが示される。
【００９４】
図１２は、実施の形態３による半導体モジュール５１の構造を示す断面図である。
【００９５】
図１２を参照して、半導体モジュール５１は、半導体素子部９０と、板ばね電極９２と、電極バスバー９４と、ヒートシンク９６と、締結部材９８と、モールド樹脂７０とを含む。
【００９６】
半導体素子部９０は、パワー半導体素子を含む。板ばね電極９２は、たとえば銅などの高導電性かつ高伝熱性の部材からなり、半導体素子部９０の厚み方向に弾性力を発生するばね構造を有する。電極バスバー９４は、外部の電源ラインと半導体素子部９０との間で電力を伝達する電力母線である。
【００９７】
ヒートシンク９６は、たとえば低温焼結助剤が添加された低温焼結セラミック材からなる。ヒートシンク９６は、半導体素子部９０からの熱を冷却体９９へ伝熱するとともに、セラミック材の焼結時あるいは加熱膨張後の冷却時の収縮作用により電極バスバー９４を板ばね電極９２へ押付けることによって、板ばね電極９２を半導体素子部９０へ押付けている。
【００９８】
このような片面冷却型の実施の形態３によっても、両面冷却型の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００９９】
なお、上記の実施の形態３において、実施の形態１に対する実施の形態２と同様に、板ばね電極９２を電極板とばね部とに分離して構成してもよい。
【０１００】
なお、上記の各実施の形態においては、コンバータ１０およびインバータ２０における各アームが１つの半導体モジュールとしてパッケージ化される場合について説明したが、半導体モジュールの構成は、これに限られるものではなく、たとえば、同相の上下アーム毎、あるいはインバータ全体およびコンバータ全体を１つの半導体モジュールとしてパッケージ化してもよい。
【０１０１】
また、この発明による半導体モジュールは、たとえば、近年大きく注目されているハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）や電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）などにおいて好適である。すなわち、このような車両システムにおいては、信頼性、小型化、低コストが強く要求されるところ、この半導体モジュールによれば、高温の動作条件下や車両振動に対しても装置の信頼性を確保できる。また、半導体素子にＳｉＣパワー素子やＧａＮ系パワー素子などの高耐熱性パワー素子を用いることができるので、冷却系統を簡略化でき、その結果、車両の小型化および低コスト化にも寄与する。
【０１０２】
また、上記の各実施の形態においては、半導体モジュールがモータ駆動装置に用いられる場合を代表的に例示して説明したが、この発明による半導体モジュールの適用範囲は、モータ駆動装置に限られるものではなく、たとえば上述の車両システムにおいては、パワー半導体素子が用いられるオルタネータや点火装置、ピエゾ燃料噴射装置にもこの発明を適用することができ、さらには、その他様々な電力システムにおいても適用することができる。
【０１０３】
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、上記した実施の形態の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】
【０１０４】
【図１】この発明による半導体モジュールが用いられる装置の一例として示されるモータ駆動装置の主要部の構成を示す回路図である。
【図２】図１に示すコンバータおよびインバータの各アームを構成する半導体モジュールの外形図である。
【図３】図２に示す半導体モジュールの断面ＩＩＩ−ＩＩＩの構造を示す断面図である。
【図４】図３に示す半導体モジュールの断面ＩＶ−ＩＶの構造を示す断面図である。
【図５】図２〜図４に示す半導体モジュールの製造方法を説明するための第１の製造工程図である。
【図６】図２〜図４に示す半導体モジュールの製造方法を説明するための第２の製造工程図である。
【図７】図２〜図４に示す半導体モジュールの製造方法を説明するための第３の製造工程図である。
【図８】図２〜図４に示す半導体モジュールの製造方法を説明するための第４の製造工程図である。
【図９】図２〜図４に示す半導体モジュールの他の製造方法を説明するための第１の製造工程図である。
【図１０】図２〜図４に示す半導体モジュールの他の製造方法を説明するための第２の製造工程図である。
【図１１】実施の形態２による半導体モジュールの構造を示す断面図である。
【図１２】実施の形態３による半導体モジュールの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１  モータ駆動装置、１０  コンバータ、２０  インバータ、３０  制御装置、２２  Ｕ相アーム、２４  Ｖ相アーム、２６  Ｗ相アーム、５０，５０Ａ，５１  半導体モジュール、５２，９６  ヒートシンク、５４，５６  電極、５８  信号電極、６２，９０  半導体素子部、６４，６６，６８，９２  板ばね電極、７０  モールド樹脂、７２，７４，７６  電極板、７８，８０，８２  ばね部、９４  電極バスバー、９８  締結部材、９９  冷却体、Ｂ  バッテリ、Ｃ１，Ｃ２  コンデンサ、Ｌ１〜Ｌ３  電源ライン、Ｑ１〜Ｑ８  パワートランジスタ、Ｄ１〜Ｄ８  ダイオード、Ｌ  リアクトル、ＵＬ  Ｕ相ライン、ＶＬ  Ｖ相ライン、ＷＬ  Ｗ相ライン、ＭＧ  モータジェネレータ。
【図１】
2005302778.tif 000003
【図２】
2005302778.tif 000004
【図３】
2005302778.tif 000005
【図４】
2005302778.tif 000006
【図５】
2005302778.tif 000007
【図６】
2005302778.tif 000008
【図７】
2005302778.tif 000009
【図８】
2005302778.tif 000010
【図９】
2005302778.tif 000011
【図１０】
2005302778.tif 000012
【図１１】
2005302778.tif 000013
【図１２】
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