(57)【要約】【課題】半導体モジュールの放熱性、及び動作安定性を向上させる。【解決手段】ＩＧＢＴ素子２と、このＩＧＢＴ素子２の電極層と電気的に接続されるコレクタ電極端子３及びエミッタ電極端子７とを備えた半導体モジュール１において、ＩＧＢＴ素子２とエミッタ電極端子７との間にばね電極６を備える。ばね電極６は、導電板部材８を折り返し、この折り返した導電板部材８間にばね部材９を設けて構成する。ばね部材９の形状としては、皿ばね、波板ばね、凸ばね、メッシュばね等が例示される。導電板部材８に備えられるばね部材９の自然長は０．１〜２ｍｍ程度に設定する。さらに、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子７のそれぞれに絶縁板１０、１０を介して冷却板１１、１２を設ける。コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子７をＩＧＢＴ素子２方向に押圧した状態で冷却板１１、１２を固定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子とを備えた半導体モジュールであって、
前記半導体素子と前記電極端子間に、導体平板を折り返し、この折り返した導体平板間に弾性部材を設けて構成される電極部材を備える
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記導体平板を折り返すことで形成される折り返し部の可撓性を、前記導体平板の前記弾性部材を挟持する平板部より向上させる
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記折り返し部の厚さを、前記平板部の厚さより薄く形成する
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記導体平板を、前記弾性部材が備えられる方向に凸となるように屈曲させる
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記導体平板の前記折り返し部を、前記弾性部材が備えられる方向に凸となるように屈曲させる
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記導体平板の前記電極端子と接触する側の前記平板部を前記弾性部材が備えられる方向に凸となるように屈曲させる
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記折り返した導体平板間に前記弾性部材を複数備える
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
前記弾性部材はばね部材であって、前記ばね部材の自然長は、０．１ｍｍ〜２ｍｍである
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項９】
前記弾性部材の圧接力は、１〜１０ＭＰａである
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項１０】
前記弾性部材は、皿ばね、波板ばね、凸ばね、メッシュばねのいずれかである
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項１１】
前記弾性部材と前記導体平板間に、前記弾性部材の圧力を分散させる板部材を備える
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項１２】
筺体内部に半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子とを備えた半導体モジュールであって、
前記筺体と前記電極端子間に、導体平板を折り返し、この折り返した導体平板間に弾性部材を設けて構成される電極部材を備えた
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項１３】
平型半導体モジュールに備えられる半導体素子の電極層と、この電極層に電気的に接続される電極端子との間に設けられる電極部材であって、
前記電極部材は、導体平板を折り返し、前記折り返した導体平板間に弾性部材を設けてなる
ことを特徴とする電極部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子とこの半導体素子の電極層に圧接により電気的に接続される電極端子とを備えた半導体モジュール及びこの半導体モジュールに備えられる電極部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業用・車両用システムや変電設備、インバータ等電力変換装置といった分野等に用いられる絶縁形パワー半導体モジュールに対して、高耐圧、大容量のＩＧＢT（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の適用が行われている。このＩＧＢＴモジュールに代表される「絶緑形パワー半導体モジュール」若しくは「Isolated power semiconductor devices」は、それぞれＪＥＣ−２４０７−２００７、ＩＥＣ６０７４７−１５にて規格が制定されている。
【０００３】
一般的な絶緑形パワー半導体モジュールにおいて、スイッチング素子であるＩＧＢＴやダイオード等の半導体素子は、半導体素子の下面に備えられた電極層をＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板（或いはＤＣＢ基板）の銅回路箔上にはんだ付けすることにより備えられる（例えば、非特許文献１）。ＤＢＣ基板とは、セラミックス等からなる絶縁板に銅回路箔を直接接合したものである。
【０００４】
半導体素子の上面に備えられる電極層には、超音波ボンディング等の方法によりアルミワイヤが接続され、例えば、ＤＢＣ基板上の銅回路箔と電気的に結線される。そして、ＤＢＣ基板の銅回路箔から外部へ電気を接続するための銅端子（リードフレームやブスバー）は、銅回路箔とはんだ付けにより接続される。さらに、この周りは（スーパー）エンジニアリングプラスチックのケースで囲まれ、その中を電気絶緑のためのシリコンゲル等が充填される。
【０００５】
年々電力密度の増加に伴い半導体素子上の電極とアルミワイヤ間等の接合温度が高くなり、はんだのせん断応力、アルミワイヤの応力が大きくなってきている。これに対して熱膨張の影響が半導体モジュールの設計寿命に至るまでの期間に亘って顕在化しないように半導体モジュールの構造を設計する必要がある。ＳｉＣやＧａＮのような高温で使用できるワイドバンドキャップ半導体素子の出現により、さらに熱膨張の影響の低減が要求されている。このように、半導体素子の動作温度の高温化が進んでおり、動作温度が１７５℃〜２００℃となると、この温度がはんだ材料の融点に近いため、従来のはんだ材料を用いることができない場合がある。そこで、はんだに置換する材料として、例えば、金属系高温はんだ（Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｕ）、化合物系高温はんだ（Ｓｎ−Ｃｕ）、低温焼結金属（Ａｇ粉、ｎａｎｏＡｇ）等が提案されている。なお、次世代の半導体素子であるＳｉＣは、２５０〜３００℃での動作が報告されている。
【０００６】
はんだを用いた絶緑形パワー半導体モジュールには、以下の２つの課題がある。
１．ＲｏＨＳ（Restriction of Hazardous Substances）に対応するため、はんだの鉛フリー化
２．温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性の向上
はんだの鉛フリー化の課題に対して、鉛フリーはんだを用いることやはんだを用いない半導体モジュール構造が検討されている。例えば、鉛フリーはんだ材料として、上述のようなＳｎ−Ａｇ系やＳｎ−Ｃｕ系のものが検討されている。
【０００７】
一方、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性を向上させる課題に対しては、半導体モジュールを構成する各部材（半導体、金属、セラミックス等）の熱膨張率の違いより生じる課題を改善する必要がある。すなわち、基板−銅ベース間、基板−銅端子間において、銅とセラミックスの熱膨張係数の差から間のはんだにせん断応力が働き、はんだに亀裂が生じて熱抵抗が増大したり端子が剥離したりするおそれがある。さらに、半導体素子−基板間のはんだにも亀裂が生じる場合がある。その他、半導体素子上のアルミワイヤの接続部でもアルミニウムと半導体素子の熱膨張の差で応力が発生してアルミワイヤが疲労破断する場合がある。
【０００８】
この２つの課題を解決する半導体モジュールとして、はんだを用いない半導体モジュール構造である、平型圧接構造パッケージが提案されている（特許文献１、非特許文献１、２)。
【０００９】
この平型圧接構造パッケージにおいて、一般的に半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ、ダイオード等）の端部には、半導体素子及びコンタクト端子の位置決めをするガイドが備えられる。そして、半導体素子の上面電極層がコンタクト端子に接触した状態で半導体素子が基板（Ｍｏ基板やＤＢＣ基板等）上に備えられる。そして、これらコンタクト端子と基板が半導体素子を挟持するように押圧された状態で半導体モジュールの筺体内に備えられる。平型圧接構造パッケージでは、各部材は圧接により接続されるため、はんだを用いることがなく、さらに、各部材の熱膨張率の違いによる応力を緩和することができる。
【００１０】
このような平型圧接構造パッケージでは、圧接によりコンタクト端子と半導体素子との接続、及び半導体素子と基板との接続が行われる。よって、この平型圧接構造パッケージを使用するためには、半導体モジュールの外部から半導体モジュール内に備えられる両端の電極部（コンタクト端子及び外部接続端子）に力を加えて電極部と半導体素子の電極層との圧接を行う必要がある。
【００１１】
図８に示すように、一般的に平型の半導体モジュール１９には、半導体モジュール１９を圧接するようにヒートシンク２０、２０が備えられる。このような半導体モジュール１９では、例えば、半導体モジュール１９を挟持したヒートシンク２０、２０に連結棒２１、２１が貫設され、この連結棒２１の少なくとも一端部に絶縁ブロック２２、ばね２３を介して締結ナット２４が備えられる。そして、この締結ナット２４を締めることで、ヒートシンク２０、２０が半導体モジュール１９を押圧し、半導体モジュール１９内の各部材の圧接が行われる。このような半導体モジュール１９は、半導体素子を両面から冷却できるとともに、はんだを用いることなく電気的、熱的に外部と接続できる。なお、このヒートシンク２０、２０と平型圧接構造パッケージ１９の圧接は、主にユーザが実施する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第６３２０２６８号明細書
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】電気学会高性能高機能パワーデバイス・パワーＩＣ調査専門委員会、「パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック」、コロナ社、１９９６年７月、ｐ２８９、ｐ３３６
【非特許文献２】森睦宏、関康和、「大容量ＩＧＢＴの最近の進歩」、電気学会誌、社団法人電気学会、１９９８年５月、Ｖｏｌ．１１８（５）、ｐｐ．２７４−２７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、この圧接構造の半導体モジュールでは、圧接力が各半導体素子等に均等にかかるように半導体モジュールを組み立てる必要がある。つまり、圧接は圧接構造パッケージの上下の電極端子間とを電気的に絶緑する必要があること、板バネで圧接構造パッケージを圧接するがこの設計の圧接力が圧接構造パッケージの電極ポストに均等にかかるようにする必要がある。例えば、図８に示す半導体モジュール１９では上記条件を満たすように組立て時に締結ナット２４を均等に締め付ける必要があり、圧接が不良であった場合にはオン抵抗の増加や半導体素子温度の上昇等により半導体素子の破壊の原因となるおそれがある。
【００１５】
また、回路を構成するのに、このヒートシンクや圧接のための板バネが小型化の妨げとなる等、使いこなすのには熟練が要求される場合がある。このことから圧接構造パッケージは限られた装置への適用となり、代わりに使い勝手の良い従来型の絶縁形パワー半導体モジュールが使われる場合が少なくない。
【００１６】
また、特許文献１のように、半導体モジュールの内部にばね部材を備えた場合には、ばねの高さにより熱伝導の経路が長くなる。つまり、熱抵抗は経路の長さに大幅に変化するものであり、熱伝導の経路が長くなると熱抵抗が大きくなり熱伝導が悪くなる。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決する本発明の半導体モジュールは、半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子とを備えた半導体モジュールであって、前記半導体素子と前記電極端子間に、導体平板を折り返し、この折り返した導体平板間に弾性部材を備えて構成される電極部材を備えたことを特徴としている。すなわち、半導体モジュールに備えられる弾性部材の長さ及び弾性部材が備えられる場所での熱抵抗を制御する電極部材を備えることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明の半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記導体平板を折り返すことで形成される折り返し部の可撓性を、前記導体平板の前記弾性部材を挟持する平板部より向上させることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明の半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記折り返し部の厚さを、前記平板部の厚さより薄く形成することを特徴としている。
【００２０】
また、本発明の半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記導体平板を、前記弾性部材が備えられる方向に凸となるように屈曲させることを特徴としている。
【００２１】
また、半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記導体平板の前記折り返し部を、前記弾性部材が備えられる方向に凸となるように屈曲させることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明の半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記導体平板の前記電極端子と接触する側の前記平板部を前記弾性部材が備えられる方向に凸となるように屈曲させることを特徴としている。
【００２３】
また、本発明の半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記折り返した導体平板間に前記弾性部材を複数備えることを特徴としている。
【００２４】
また、本発明の半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記弾性部材はばね部材であって、前記ばね部材の自然長が、０．１ｍｍ〜２ｍｍであることを特徴としている。
【００２５】
また、本発明の半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記弾性部材の圧接力が、１〜１０ＭＰａであることを特徴としている。
【００２６】
また、本発明の半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記弾性部材は、皿ばね、波板ばね、凸ばね、メッシュばねのいずれかであることを特徴としている。
【００２７】
また、本発明の半導体モジュールは、上記半導体モジュールにおいて、前記弾性部材と前記導体平板間に、前記弾性部材の圧力を分散させる板部材を備えることを特徴としている。
【００２８】
また、上記課題を解決する本発明の半導体モジュールは、筺体内部に半導体素子と、前記半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子とを備えた半導体モジュールであって、前記筺体と前記電極端子間に、導体平板を折り返し、この折り返した導体平板間に弾性部材を備えて構成される電極部材を備えたことを特徴としている。
【００２９】
また、上記課題を解決する本発明の電極部材は、平型半導体モジュールに備えられる半導体素子の電極層と、この電極層に電気的に接続される電極端子との間に備えられる電極部材であって、前記電極部材は、導体平板を折り返し、前記折り返した導体平板間に弾性部材を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００３０】
以上の発明によれば、半導体モジュールの放熱性の向上に貢献する。そして、半導体モジュールの動作安定性の向上に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態１に係る半導体モジュールの要部断面図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る半導体モジュールの要部断面図であり、モジュール内で生じる圧接力を示す図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る半導体モジュールの要部断面図である。
【図４】本発明の実施形態３に係る半導体モジュールに備えられる電極部材の断面図である。
【図５】折り返し部での抗力が無視できない場合の電極部材の変形状態を示した模式図である。
【図６】本発明の実施形態４に係る半導体モジュールに備えられる電極部材の断面図である。
【図７】本発明の実施形態５に係る半導体モジュールに備えられる電極部材の断面図である。
【図８】従来技術に係る平型圧接構造を有する半導体モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る半導体モジュール及び電極部材について、図を参照して詳細に説明する。実施形態１ではＩＧＢＴ素子を備えた平型圧接構造の半導体モジュールを例示して説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、圧接により半導体素子の電極層と外部（若しくは、内部の別の回路）に接続するための電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールに適用可能である。
【００３３】
図１に示すように、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１の内部にはＩＧＢＴ素子２（半導体素子）が少なくとも１つ備えられる。ＩＧＢＴ素子２には、図示省略するが、上面にエミッタ、ゲート（制御電極）が形成され、底面にコレクタが形成されている。なお、実施形態の説明では、便宜上、上面及び底面とするが上下方向は、本発明をなんら限定するものではない。また、ゲート（制御電極）と制御回路との接続については、従来の接続方法を用いればよいので図示省略する。
【００３４】
ＩＧＢＴ素子２は、例えば、コレクタ（カソード）電極端子３上にモリブデン製コンタクト電極４を介して備えられる。コレクタ電極端子３は、コンタクト電極４を介してＩＧＢＴ素子２のコレクタと電気的に接続される。
【００３５】
コレクタ電極端子３（及び、後述のエミッタ電極端子７）を構成する材料は適宜周知の電極材料を用いることができる。例えば、コレクタ電極端子３（及び、後述のエミッタ電極端子７）の材料に銅等の熱伝導性の良い金属を用いると半導体モジュール１（ＩＧＢＴ素子２）の放熱性が向上する。
【００３６】
コンタクト電極４（及び、後述のコンタクト電極５）の材料にＩＧＢＴ素子２を構成する材料（例えば、ＳｉやＳｉＣ、ＧａＮ）に比較的熱膨張係数が近い材料（例えば、ＭｏやＷ、その他化合物等）を用いることで、コンタクト電極４（コンタクト電極５）がＩＧＢＴ素子２とコレクタ電極端子３（ばね電極６）との熱応力の緩衝板として作用し、温度サイクルにおける半導体モジュール１の信頼性を高めることができる。
【００３７】
ＩＧＢＴ素子２のエミッタには、コンタクト電極５、ばね電極６を介してエミッタ電極端子７が備えられる。エミッタ電極端子７は、コンタクト電極５、ばね電極６を介してＩＧＢＴ素子２のエミッタと電気的に接続される。
【００３８】
ばね電極６は、導電板部材８を折り返し、この折り返した導電板部材８間にばね部材９を挟持して構成される。なお、この導電板部材８とばね部材９との間に分散板（図示省略）を備えると、ばね部材９の弾性力が導電板部材８の一部に集中せず、ばね電極６とエミッタ電極端子７（またはコンタクト電極５）との接続面で押圧する力がより均一になる。
【００３９】
導電板部材８は、銅、アルミニウム等の導電材料より構成される。そして、この導電板部材８の折り返し部分は図１に記載のようにＵ字状に折り返す形態の他に、導電板部材８の両端を折り返す形態等ばね部材９を挟持できる形態であればどのように折り返してもよい。
【００４０】
ばね部材９の形状としては、皿ばね、波板ばね、凸ばね、メッシュばね等が例示される。ばね部材９の形状をこれらの形状とすることで、導電板部材８間に備えられるばね部材９の自然長を０．１〜２ｍｍとした場合においても半導体モジュール１内に備えられるＩＧＢＴ素子２に適切な圧接力が働くようにばね電極６を半導体モジュール１に備えることができる。また、ばね部材９の自然長を、０．１〜２ｍｍ程度に設定するとばね電極６の高さ（後述の冷却板１２とＩＧＢＴ素子２との間）の熱抵抗が小さくなり、ＩＧＢＴ素子２の冷却効率が向上するとともに、半導体モジュールが小型化できる。また、ばね電極６に備えられた際、ばね部材９の圧接力は１〜１０ＭＰａとすると、絶縁形パワー半導体モジュール１を構成した際に、絶縁形パワー半導体の保管及び動作時に半導体モジュール１に備えられる各部材（例えば、ＩＧＢＴ素子２等）に適切な圧接力がかかるように半導体モジュール１を構成することができる。ばね部材９を構成する材料は、例えば、ステンレス、インコネル（登録商標）等既知のばね材料を用いればよい。
【００４１】
さらに、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子７をＩＧＢＴ素子２方向に押圧するように、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子７のそれぞれに絶縁板１０、１０を介して冷却板１１、１２が備えられる。すなわち、冷却板１１、１２は、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子７をＩＧＢＴ素子２方向に押圧した状態で固定される。
【００４２】
冷却板１１、１２は、銅、アルミニウム等の金属板や熱伝導性の高いセラミックス板が用いられる。この冷却板１１、１２にヒートシンクを接続したり、冷却板１１、１２に直接冷却媒体（気体または液体）を接触させたりすることで半導体モジュール１を冷却する。この冷却板１１、１２を半導体モジュール１の筺体として用いることができるが、さらに図示省略の筺体に冷却板１１、１２に挟持されたＩＧＢＴ素子２を収納してもよい。なお、絶縁板１０、１０を備えず、冷却板１１、１２を半導体モジュール１の外部回路と接続される外部接続用電極として用いることも可能である。
【００４３】
図２に示すように、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子７をＩＧＢＴ素子２方向に押圧するように冷却板１１、１２を固定して備えると、ばね電極６のばね部材９に弾性エネルギーが蓄積される。ばね電極６は、ばね部材９の弾性力により、エミッタ電極端子７と絶縁板１０とを冷却板１２方向に押圧し（矢印ａ）、コンタクト電極５をＩＧＢＴ素子２（ＩＧＢＴ素子２のエミッタ）方向に押圧する（矢印ｂ）。また、ばね電極６の押圧により、コレクタ電極端子３及び絶縁板１０は冷却板１１方向に押圧され（矢印ｃ）、この押圧する力の反力によりコレクタ電極端子３がコンタクト電極４をＩＧＢＴ素子２（ＩＧＢＴ素子２のコレクタ）方向に押圧する（矢印ｄ）。このように、半導体モジュール１内部で各部材を押圧する力のバランスが保たれ、各部材間に適当な圧接力が働く。
【００４４】
以上の構成からなる本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１によれば、半導体モジュール１にばね電極６を備えるだけで、半導体モジュール１に備えられる各部材に適切な圧接力を加えることができる。よって、半導体モジュール１の組立て作業が容易になり、不適切な組立てによる半導体モジュール１の性能低下や半導体素子の破壊の発生を防止することができる。さらに、半導体モジュール１を構成する各部材が圧接により接続されるため、はんだフリーな半導体モジュール１を得ることができる。
【００４５】
また、半導体モジュール１の保管または動作時において、半導体モジュール１の温度が低下または上昇した場合、内部部品の熱収縮や熱膨張による各部材間距離の変動幅をばね部材９（ばね電極６）の形状変化によって緩和することができ、各部材間に働く圧接力を所定の圧接力に維持することができる。すなわち、ＩＧＢＴ素子２と各電極端子３、７との電気的な接続が良好に保たれることで半導体モジュール１の動作安定性が向上し、各電極端子３、７と冷却部材１１、１２との密着性が確保できるので半導体モジュール１の放熱性が向上する。
【００４６】
そして、ばね電極６は、ばね部材９が導電板部材８に包まれるように形成され、この導電板部材８が熱拡散板として作用するので、半導体モジュール１の放熱性が向上する。
【００４７】
（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る半導体モジュール及び電極部材について、図を参照して詳細に説明する。実施形態２に係る半導体モジュール１５及びばね電極１４（電極部材）は、ばね電極１４がばね部材９、１６を複数備えること以外は、実施形態１に係る半導体モジュール１及びばね電極６（電極部材）と同じである。よって、実施形態１に係る半導体モジュール１及びばね電極６と同様の構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４８】
図３に示すように、本発明の実施形態２に係る半導体モジュール１５は、半導体モジュール１５の内部にＩＧＢＴ素子２及びＦＷＤ（Free Wheeling Diode）素子１７（半導体素子）が少なくとも１つずつ備えられる。
【００４９】
ＩＧＢＴ素子２及びＦＷＤ素子１７は、例えば、コレクタ（カソード）電極端子３上にモリブデン製コンタクト電極４を介して備えられる。コレクタ（カソード）電極端子３は、コンタクト電極４を介して、ＩＧＢＴ素子２のコレクタ及びＦＷＤ素子１７のアノードと電気的に接続される。
【００５０】
ＩＧＢＴ素子２のエミッタ及びＦＷＤ素子１７のカソードには、コンタクト電極５、１８、ばね電極１４を介してエミッタ電極端子７が備えられる。エミッタ電極端子７は、コンタクト電極５、１８、ばね電極１４を介して、ＩＧＢＴ素子２のエミッタ及びＦＷＤ素子１７のカソードそれぞれと電気的に接続される。
【００５１】
ばね電極１４は、導電板部材８を折り返し、この折り返した導電板部材８間にばね部材９、１６を挟持して構成される。なお、この導電板部材８とばね部材９、１６との間に図示省略の分散板を備えると、ばね部材９、１６の弾性力が導電板部材８の一部に集中することがないので、ばね電極１４がエミッタ電極端子７（またはコンタクト電極５、１８）をより均一に押圧できる。
【００５２】
導電板部材８は、銅、アルミニウム等の導電材料より構成される。そして、この導電板部材８の折り返し部分は図３に記載のようにＵ字状に折り返す形態の他に、導電板部材８の両端を折り返す形態等、ばね部材９、１６を挟持できる形態であればどのように折り返してもよい。
【００５３】
ばね部材９、１６の形状としては、皿ばね、波板ばね、凸ばね、メッシュばね等が例示される。実施形態１に係る半導体モジュール１のばね部材９と同様に、ばね部材９、１６の形状をこれらの形状とすることで、導電板部材８間に備えられるばね部材９、１６の自然長を０．１〜２ｍｍとした場合においても半導体モジュール１内に備えられるＩＧＢＴ素子２に適切な圧接力が働くようにばね電極１４を半導体モジュール１５に備えることができる。導電板部材８にばね部材９、１６を複数備える場合は、ばね部材９、１６が接続される各半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ素子２やＦＷＤ素子１７）に所定の圧接力が作用するように、ばね部材９、１６の高さや、材質、形状等を各々適宜調節する。
【００５４】
さらに、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子７をＩＧＢＴ素子２（及びＦＷＤ素子１７）方向に押圧するように、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子７のそれぞれに絶縁板１０、１０を介して冷却板１１、１２を備える。
【００５５】
以上の構成からなる本発明の実施形態２に係る半導体モジュール１５によれば、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１の効果に加えて、半導体モジュール１５内に備えられる半導体素子２、１７毎に適切な圧接力を設定することができる。導電板部材８間に異なる種類のばね部材９、１６を複数備えることにより、各半導体素子２、１７に作用させる圧接力を個別に設定できるとともに、異なる種類の半導体素子２、１７を一つのばね電極１４に接続する場合において各半導体素子２、１７の高さの違いによる圧接力の不一致を緩和することができる。
【００５６】
（実施形態３）
本発明の実施形態３に係る半導体モジュール及び電極部材について、図４を参照して詳細に説明する。実施形態３に係る半導体モジュールは、半導体モジュールに備えられるばね電極２５の形状が実施形態１に係る半導体モジュール１に備えられるばね電極６と異なること以外は、図１を例示して説明した実施形態１に係る半導体モジュール１と同様である。よって、実施形態の説明では、ばね電極２５について詳細に説明し、実施形態１と同様の構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５７】
図４（ａ）に示すように、本発明の実施形態３に係る半導体モジュールに備えられるばね電極２５は、導電板部材８を折り返し、この折り返した導電板部材８間にばね部材９を挟持して構成される。
【００５８】
ばね電極２５は、導電板部材８を折り返すことで、Ｕ字状の折り返し部８ａと、ばね部材９挟持する平板部８ｂ，８ｃが形成される。また、折り返し部８ａの他端は、平板部８ｂ，８ｃにより開口部８ｄが形成される。そして、折り返し部８ａの厚さは、平板部８ｂ，８ｃよりも薄く形成される。
【００５９】
なお、実施形態では、図１に示した半導体モジュールにおいて、ばね電極２５の平板部８ｂはエミッタ電極端子７と接し、平板部８ｃはコンタクト電極５と接するものとして説明する（実施形態４，５も同様である）。
【００６０】
図４（ｂ）に示すように、ばね電極２５を押圧する力が作用した場合、折り返し部８ａが撓むことで、平板部８ｂと平板部８ｃとが略平行状態を維持して、平板部８ｂ，８ｃの間隔が狭くなるようにばね電極２５が変形する。その結果、ばね電極２５に設けられたばね部材９の変位もばね電極２５に設けられる位置にかかわらず略一定となり、平板部８ｂ，８ｃがコンタクト電極５及びエミッタ電極端子７をそれぞれ均一に押圧することができる。
【００６１】
つまり、ばね電極２５に挟持されるばね部材９の反発力に対して、折り返し部８ａの反発力（抗力）が無視できない場合、図５に示すように、開口部８ｄ近傍における平板部８ｂ（若しくは、平板部８ｃ）の変位が折り返し部８ａ近傍における変位より大きくなるおそれがある。もし、開口部８ｄ近傍と折り返し部８ａ近傍に設けられるばね部材９の変形量の不均一が生じると、ばね電極２５に設けられる位置によって、ばね部材９が平板部８ｂ，８ｃを押圧する力が異なり、ばね電極２５が各部材（コンタクト電極５やエミッタ電極端子７等）を均一に押圧することができなくなる。
【００６２】
また、図５に示すように、開口部８ｄ近傍で平板部８ｂ，８ｃが変形してしまうと、ばね電極２５とコンタクト電極５（若しくは、エミッタ電極端子７）との接触状態が悪くなり、部材間の熱伝導性が低下するとともに、電流が接触している箇所のみに集中することで局所的なジュール熱が発生するおそれが生じる。
【００６３】
そこで、本発明の実施形態３に係るばね電極２５は、折り返し部８ａの厚さを平板部８ｂ，８ｃよりも薄くすることで、折り返し部８ａの可撓性を向上させる。その結果、ばね電極２５を押圧する力がばね電極２５に作用した場合に、折り返し部８ａでの抗力を低減させ、平板部８ｂと平板部８ｃとが略平行な状態を維持して、ばね電極２５を変位させることができる。よって、ばね電極２５に設けられるばね部材９の変形量がばね電極２５に設けられる位置にかかわらず略均一となり、ばね電極２５が、半導体モジュールに備えられる各部材（例えば、コンタクト電極５やエミッタ電極端子７）をより均一に押圧することができる。
【００６４】
なお、本発明の実施形態３に係るばね電極２５は、折り返し部８ａ全体が弾性変形する形態であるので、局所的な変形による金属疲労や機械的劣化を低減することができる。
【００６５】
以上のように、本発明の実施形態３に係るばね電極２５によれば、折り返し部８ａの可撓性を向上させることで、ばね電極２５が各部材（コンタクト電極５またはエミッタ電極端子７）をより均一に押圧することができる。よって、本発明の実施形態３に係るばね電極２５を備えた半導体モジュールは、実施形態１に係る半導体モジュール１の奏する効果に加えて、各部材により均一な圧接力を加えることができる。
【００６６】
（実施形態４）
本発明の実施形態４に係る半導体モジュール及び電極部材について、図６を参照して詳細に説明する。実施形態４に係る半導体モジュールは、半導体モジュールに備えられるばね電極２６の形状が実施形態１に係る半導体モジュール１に備えられるばね電極６と異なること以外は、図１を例示して説明した実施形態１に係る半導体モジュール１と同様である。よって、実施形態の説明では、ばね電極２６について詳細に説明し、実施形態１と同様の構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６７】
図６（ａ）に示すように、本発明の実施形態４に係る半導体モジュールに備えられるばね電極２６は、導電板部材８を折り返し、この折り返した導電板部材８間にばね部材９を挟持して構成される。
【００６８】
ばね電極２６は、導電板部材８を折り返すことで、Ｕ字状の折り返し部８ａと、ばね部材９挟持する平板部８ｂ，８ｃが形成される。そして、折り返し部８ａの導電板部材８をばね部材９が設けられる方向に凸となるようにさらに屈曲させて屈曲部８ｅが形成される。
【００６９】
図６（ｂ）に示すように、ばね電極２６を押圧する力が作用した場合、屈曲部８ｅが弾性変形することにより、平板部８ｂと平板部８ｃとが略平行な状態を維持して、平板部８ｂと平板部８ｃとの間隔が狭くなるようにばね電極２６が変形する。よって、ばね電極２６に挟持されるばね部材９の変位がばね電極２６に設けられる位置にかかわらず略均一となるので、平板部８ｂ，８ｃがコンタクト電極５及びエミッタ電極端子７をそれぞれ均一に押圧することができる。
【００７０】
また、この屈曲部８ｅは、導電板部材８を屈曲させて形成するので、屈曲部８ｅの厚さは、折り返し部８ａ（及び平板部８ｂ，８ｃ）と同じである。よって、屈曲部８ｅにおいて、ばね電極２６の熱伝導が妨げられることがないので、半導体モジュールにばね電極２６を備えることにより、半導体モジュールの冷却能力を損なうことなく、ばね電極２６が各部材を押圧する圧力を略均一にすることができる。
【００７１】
なお、屈曲部８ｅを複数形成し、折り返し部８ａをベローズ状に形成すると、より折り返し部８ａでの反発力を低減させることができる。
【００７２】
以上のように、本発明の実施形態４に係るばね電極２６によれば、屈曲部８ｅが弾性変形することにより、折り返し部８ａ近傍における抗力を低減させることができる。その結果、平板部８ｂと平板部８ｃとが略平行な状態で、平板部８ｂと平板部８ｃとの間の距離が短くなるようにばね電極２６が変形するので、ばね電極２６に挟持されたばね部材９の変位が略等しくなる。よって、ばね電極２６が各部材（コンタクト電極５またはエミッタ電極端子７）をより均一に押圧することができる。
【００７３】
よって、本発明の実施形態４に係るばね電極２６を備えた半導体モジュールは、実施形態１に係る半導体モジュール１の奏する効果に加えて、各部材により均一な圧接力を加えることができる。
【００７４】
（実施形態５）
本発明の実施形態５に係る半導体モジュール及び電極部材について、図７を参照して詳細に説明する。実施形態５に係る半導体モジュールは、半導体モジュールに備えられるばね電極２７の形状が実施形態１に係る半導体モジュール１に備えられるばね電極６と異なること以外は、図１を例示して説明した実施形態１に係る半導体モジュール１と同様である。よって、実施形態の説明では、ばね電極２７について詳細に説明し、実施形態１と同様の構成については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００７５】
図７（ａ）に示すように、本発明の実施形態５に係る半導体モジュールに備えられるばね電極２７は、導電板部材８を折り返し、この折り返した導電板部材８間にばね部材９を挟持して構成される。
【００７６】
ばね電極２７は、導電板部材８を折り返すことで、Ｕ字状の折り返し部８ａと、ばね部材９挟持する平板部８ｂ，８ｃが形成される。そして、折り返し部８ａの近傍の平板部８ｂをばね部材９が設けられる方向に凸となるように屈曲させて屈曲部８ｆが形成される。
【００７７】
図７（ｂ）に示すように、ばね電極２７を押圧する力が作用した場合、屈曲部８ｆが弾性変形することにより、平板部８ｂと平板部８ｃとが略平行の状態を維持して、平板部８ｂと平板部８ｃとの間隔が狭くなるようにばね電極２７が変形する。よって、ばね電極２７に挟持されるばね部材９の変位がばね電極２７に設けられる位置にかかわらず略均一となるので、平板部８ｂ，８ｃがコンタクト電極５及びエミッタ電極端子７をそれぞれ均一に押圧することができる。
【００７８】
本発明の実施形態５に係るばね電極２７は、屈曲部８ｆが弾性変形する場合、コンタクト電極５と接する平板部８ｃ、折り返し部８ａ、ばね部材９の相対的な位置は変化しない。つまり、屈曲部８ｆが弾性変形することにより、エミッタ電極端子７と接する平板部８ｂが移動することで、折り返し部８ａ近傍の抗力の影響を緩和している。よって、コンタクト電極５とばね電極２７間に発生する接触面と平行方向の応力の発生を抑制することができる。その結果、ばね電極２７の横滑りを防止することができる。
【００７９】
また、この屈曲部８ｆは、導電板部材８を屈曲させて形成するので、屈曲部８ｆの厚さは、折り返し部８ａ（及び平板部８ｂ，８ｃ）と同じである。よって、屈曲部８ｆにおいて、ばね電極２７の熱伝導が妨げられることがないので、半導体モジュールに本発明のばね電極２７を備えることにより、半導体モジュールの冷却能力を損なうことなく、ばね電極２７が各部材を押圧する圧力を略均一にすることができる。
【００８０】
以上のように、本発明の実施形態５に係るばね電極２７によれば、屈曲部８ｆが弾性変形することにより、折り返し部８ａ近傍における抗力の影響を低減させることができる。その結果、平板部８ｂと平板部８ｃとが略平行な状態で、平板部８ｂ，８ｃ間の距離が短くなるようにばね電極２７が変形するので、ばね電極２７に挟持されたばね部材９の変位が、ばね電極２７に設けられる位置にかかわらず略等しくなる。よって、ばね電極２７が各部材（コンタクト電極５またはエミッタ電極端子７）をより均一に押圧することができる。
【００８１】
よって、本発明の実施形態５に係るばね電極２７を備えた半導体モジュールは、実施形態１に係る半導体モジュール１の奏する効果に加えて、各部材により均一な圧接力を加えることができる。
【００８２】
なお、本発明の半導体モジュール及び電極部材は、上述した実施形態１〜５に限らず、本発明の特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、そのように変更された形態も本発明の実施形態に係る半導体モジュール及び電極部材である。
【００８３】
例えば、半導体素子が備えられるコレクタ電極端子は、既知の電極を構成する材料（例えば、銅、アルミニウム）を用いることができる。また、基板（例えば、ＤＢＣ基板等）上に半導体素子を備えてもよい。そして、半導体素子のエミッタと接続されるエミッタ電極端子も、既知の電極端子を構成する材料（例えば、銅、アルミニウム）で形成することができる。
【００８４】
なお、本発明に係るばね電極をコレクタ電極端子と半導体素子との間若しくは、冷却板とエミッタ電極端子（コレクタ電極端子）間に設けることで、電極端子に係る圧力を略等しくすることができる。また、エミッタ電極端子（またはコレクタ電極端子）、ばね電極、及びコンタクト電極を一体に形成することもできる。さらに、コレクタ電極端子とエミッタ電極端子とを半導体素子方向に押圧する押圧部材を備え、この押圧部材によりコレクタ電極端子（及びエミッタ電極端子）を半導体素子方向に押圧してもよい。
【００８５】
また、半導体モジュールに備えられる半導体素子は、ＩＧＢＴ素子やＦＷＤ素子に限定されるものでなく、サイリスタ（ＧＴＯサイリスタ等）、トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ等）等の半導体素子を適宜選択して用いることができる。そして、ばね電極にばね部材を複数備える場合において、接続される半導体素子の数は特に限定するものではなく、接続される半導体素子の数に応じてばね電極に備えられるばね部材の数を適宜設定する。
【００８６】
また、折り返し部での抗力の影響を低減させる方法は、実施形態３〜５に限定されるものではなく、例えば、折り返し部に切れ込みを入れることでも折り返し部での抗力の影響を低減させることができる。
【００８７】
以上のように、本発明の半導体モジュール及び電極部材によれば、半導体モジュールの高信頼性、環境性、利便性を同時に実現することができる。すなわち、ばね電極の弾性力により半導体モジュールに備えられる各部材を接続するので、はんだ接合あるいはワイヤーボンドを用いず、かつ使い勝手の良い絶縁形パワー半導体モジュールを得ることができる。さらに、ばね電極がばね部材を導電板部材で包んで構成されるため、半導体モジュールの放熱性が向上する。よって、ＳｉＣ、ＧａＮなどの高温で使用可能な半導体素子の性能を生かす半導体モジュールにおいて、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性が向上する。
【００８８】
特に、本発明の半導体モジュール及び電極部材を、高耐圧、大容量のＩＧＢＴ素子が備えられた平型圧接構造の半導体モジュールに適用すると、半導体モジュール（半導体素子）をエミッタ、コレクタ両電極から冷却可能であり、半導体モジュールの放熱性が向上する。
【符号の説明】
【００８９】
１，１５…半導体モジュール
２，１７…半導体素子
３…コレクタ電極端子（電極端子）
６，２５，２６，２７…ばね電極（電極部材）
７…エミッタ電極端子（電極端子）
８…導電板部材（導体平板）
８ａ…折り返し部
８ｂ，８ｃ…平板部
８ｅ，８ｆ…屈曲部
９，１６…ばね部材（弾性部材）
１１，１２…冷却板（筺体）
【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】
2012119651.tif 000008
【図７】
2012119651.tif 000009
【図８】
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