(57)【要約】【課題】熱変化に曝されたときに、半導体素子で発生する熱の伝熱経路に存在する部材間に印加される応力を緩和可能な半導体モジュールを提供すること。【解決手段】半導体モジュール１は、半導体素子３４とリード電極板３８と回転部材３６とを備えている。回転部材３６は、半導体素子３４とリード電極板３８の間に設けられており、半導体素子３４とリード電極板３８の間で回転可能に構成されていることを特徴としている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体モジュールであって、
半導体素子で発生する熱の伝熱経路に設けられており、第１熱膨張率を有する第１部材と、
前記半導体素子で発生する熱の伝熱経路に設けられており、前記第１熱膨張率とは異なる第２熱膨張率を有する第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材の間に設けられているとともに、前記第１部材と前記第２部材の間で回転可能に構成されている回転部材と、を備えている半導体モジュール。
【請求項２】
前記回転部材は、少なくとも第１状態から第２状態にまで回転可能となるように、前記第１部材と前記第２部材の間で挟持されており、
前記第１状態では、前記第１部材が前記回転部材を加圧する加圧力の第１作用方向と前記第２部材が前記回転部材を加圧する加圧力の第２作用方向の双方が前記回転部材の回転軸を通っており、
前記第２状態では、前記第１作用方向と前記第２作用方向の少なくともいずれか一方が前記回転部材の回転軸を通らない請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記第１部材の表面のうちの前記第２部材に対向する表面に設けられている包囲壁をさらに備えており、
前記包囲壁は、平面視したときに前記回転部材の周囲を一巡している請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子が搭載される半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ダイオード等のパワーデバイスを含む半導体素子は、絶縁基板を介して冷却器に搭載して用いられることが多い。このような半導体素子と絶縁基板と冷却器で構成される半導体モジュールは、様々な分野で必要とされている。
【０００３】
この種の半導体モジュールでは、搭載される半導体素子がＯＮ・ＯＦＦを繰返すことにより、半導体素子自体が高温の発熱体となる。半導体素子で発生した熱は、絶縁基板を介して冷却器に伝熱され、冷却器によって外部に放熱される。
【０００４】
また、この種の半導体モジュールでは、冷却特性を改善するために、両面冷却方式を採用することがあり、その一例が特許文献１に開示されている。両面冷却方式では、半導体素子の表面に板状のリード電極板が接合されている。両面冷却方式を採用すると、半導体素子で発生した熱は、半導体素子の裏面側の冷却器と半導体素子の表面側のリード電極板の双方を介して外部に放熱される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−８８０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば、両面冷却方式を採用した場合、半導体素子とリード電極板は、はんだ層を介して接合されることが多い。半導体素子に用いられる材料とリード電極板に用いられる材料は異なっており、異なる熱膨張率を有する。このため、半導体素子とリード電極板が熱の変化に曝されると、半導体素子とリード電極板の熱膨張量に相違が生じる。これにより、半導体素子とリード電極板の間のはんだ層には大きな応力が加わり、はんだ層が破損してしまう。はんだ層が破損すると、半導体モジュールの冷却特性が悪化することから、半導体モジュールの信頼性が低下してしまう。特に、半導体素子とリード電極板の間のはんだ層が破損すると、半導体素子とリード電極板の間の電気的なコンタクトも悪化することから、半導体モジュールの電気的特性も悪化し、半導体モジュールの信頼性が低下してしまう。
【０００７】
上記では、半導体素子とリード電極板の間の熱膨張差に起因する課題を説明したが、同様の課題は、半導体素子で発生する熱の伝熱経路に存在する様々な部材間で起こり得る。本明細書では、半導体素子で発生する熱の伝熱経路に存在する部材間に印加される応力を緩和する技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書で開示される技術は、半導体モジュールに具現化される。半導体モジュールは、第１部材と第２部材と回転部材を備えている。第１部材は、半導体素子で発生する熱の伝熱経路に設けられており、第１熱膨張率を有する。第２部材は、半導体素子で発生する熱の伝熱経路に設けられており、第１熱膨張率とは異なる第２熱膨張率を有する。第１部材又は第２部材の一例には、半導体素子も含まれる。回転部材は、第１部材と第２部材の間に設けられているとともに、第１部材と第２部材の間で回転可能に構成されている。この態様の半導体モジュールでは、第１部材と第２部材が異なる熱膨張率を有しており、熱変化に曝されたときに、第１部材と第２部材の熱膨張量に相違が生じる。本明細書で開示される半導体モジュールでは、第１部材と第２部材の間に回転部材が設けられており、その回転部材は第１部材と第２部材の間で回転可能であることを特徴としている。これにより、第１部材と第２部材は、回転部材に対して強固に拘束されないことから、第１部材と第２部材が熱変化に曝されて第１部材と第２部材の熱膨張量に相違が生じたとしても、回転部材が回転することによって第１部材と第２部材の間に加わる応力が緩和される。この結果、第１部材と第２部材が熱変化に曝されたとしても、第１部材と第２部材の間には過大な応力が加わることがないので、信頼性の高い半導体モジュールが得られる。
【０００９】
本明細書で開示される半導体モジュールでは、回転部材は、少なくとも第１状態から第２状態にまで回転可能となるように、第１部材と第２部材の間で挟持されているのが望ましい。すなわち、回転部材は、第１部材と第２部材から加圧力を受けており、その加圧力によって第１部材と第２部材の間で挟持されている。この場合、第１状態では、第１部材が回転部材を加圧する加圧力の第１作用方向と第２部材が回転部材を加圧する加圧力の第２作用方向の双方が回転部材の回転軸を通っている。また、第２状態では、第１作用方向と第２作用方向の少なくともいずれか一方が回転部材の回転軸を通らない。第１状態にある回転部材には、第１部材と第２部材から回転モーメントが加わらないので、回転部材は安定的に第１部材と第２部材の間で挟持されている。すなわち、第１状態の回転部材は、初期状態に対応している。第１部材と第２部材が熱変化に曝されて第１部材と第２部材の熱膨張量に相違が生じると、回転部材が回転して第２状態となる。第２状態にある回転部材には、熱膨張による回転方向とは逆向きの回転モーメントが第１部材と第２部材から加わる。このため、熱変化が終了した後には、その回転モーメントを受けて回転部材が第１状態（初期位置）に復元することができる。
【００１０】
本明細書で開示される半導体モジュールは、第１部材の表面のうちの第２部材に対向する表面に設けられている包囲壁をさらに備えているのが望ましい。包囲壁は、平面視したときに回転部材の周囲を一巡していることを特徴としている。この態様の半導体モジュールでは、回転部材が第１部材に対して所望の位置に位置決めされるので、回転部材を必要な位置に正確に配置することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本明細書で開示される半導体モジュールでは、半導体素子で発生する熱の伝熱経路に存在する部材間に印加される応力が緩和される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】半導体モジュールの構成を示す。
【図２】半導体モジュールの拡大断面図を示す。
【図３】回転部材の配置の一例を示す。
【図４】回転部材の作用効果を説明する図を示す。
【図５】半導体モジュールの変形例の構成を示す。
【図６】回転部材の配置の他の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書で開示される技術の特徴を整理しておく。
（第１特徴）回転部材は、第１部材と第２部材が熱変化に曝されたときに、第１部材と第２部材の面方向の相対変位を許容することができる。より詳細には、回転部材は、常温において垂直方向に対向する第１部材の第１部位と第２部材の第２部位に関し、熱変化に曝されたときに、それら第１部位と第２部位の面方向の相対変位を許容することができる。
（第２特徴）第１部材と第２部材の組合わせには、半導体素子とリード電極板、半導体素子と絶縁基板、絶縁基板と冷却器が含まれる。
（第３特徴）回転部材は、曲面を有しており、その曲面で第１部材と第２部材に対して接触している。
（第４特徴）回転部材には、熱伝導率が高く、硬い材料を用いるのが望ましい。好ましくは、回転部材には金属を用いるのが望ましい。
（第５特徴）冷却器は、ヒートシンクとヒートスプレッダを組合わせた構造であってもよい。
（第６特徴）半導体素子は、ワイドバンドギャップの材料で形成されたパワー半導体素子である。そのようなパワー半導体素子は、２００℃以上の高温動作での使用が想定されていることから、伝熱経路の部材間の応力緩和が重要である。本明細書で開示される技術は、そのようなパワー半導体素子が搭載される半導体モジュールにおいて特に有用である。
【実施例】
【００１４】
図１に、車載用の半導体ジュール１の構成を示す。半導体モジュール１は、直流電源と交流モータの間に接続されるインバータ回路に用いられる。半導体モジュール１は、冷却器１０と絶縁基板２０と半導体素子３４と回転部材３６とリード電極板３８を備えている。
【００１５】
冷却器１０は、半導体素子３４で発生した熱を放熱するために用いられている。冷却器１０は、水冷式であり、冷却水が流動する複数の貫通孔を備えている。一例では、冷却器１０の材料にアルミニウムが用いられている。
【００１６】
絶縁基板２０は、冷却器１０と半導体素子３４の間に設けられており、第１配線層２２と絶縁層２４と第２配線層２６が積層した構造を備えている。第１配線層２２が冷却器１０側に配置されており、第２配線層２６が半導体素子３４側に配置されている。絶縁基板２０と冷却器１０は、図示しないろう材を介してろう付されている。一例では、第１配線層２２と第２配線層２６の材料に銅が用いられている。絶縁層２４の材料にはセラミックが用いられており、一例では窒化ケイ素（Si3N4）が用いられている。
【００１７】
半導体素子３４には、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のパワー半導体素子が用いられている。半導体材料には、ワイドバンドギャップの材料が用いられており、典型的には炭化ケイ素、窒化ガリウムが用いられている。半導体素子３４と絶縁基板２０は、Ｚｎ−Ａｌ系のはんだ層３２を介して接合されている。半導体素子３４の半導体材料が炭化ケイ素の場合、その線膨張係数は約４．２×１０−６／Ｋである。半導体素子３４の半導体材料が窒化ガリウムの場合、その線膨張係数は約５．６×１０−６／Ｋである。
【００１８】
回転部材３６は、半導体素子３４とリード電極板３８の間に設けられており、半導体素子３４とリード電極板３８の間で回転可能に構成されている。回転部材３６は、半導体素子３４に接するとともに、リード電極板３８にも接している。リード電極板３８は、半導体素子３４の表面から側方に向けて伸びている。リード電極板３８は、半導体素子３４の表面の電極（例えば、ゲート電極及びエミッタ電極）に対して外部回路との間の電気的な接続を提供する。また、リード電極板３８は、半導体素子３４と絶縁基板２０を冷却器１０側に向けて加圧している。
【００１９】
図２に示されるように、回転部材３６は、半導体素子３４のエミッタ電極４６に接するとともに、リード電極板３８にも接している。回転部材３６は導電性であり、一例では、その材料に銅が用いられている。このため、半導体素子３４のエミッタ電極４６とリード電極板３８は、回転部材３６を介して電気的に接続されている。回転部材３６は、非円形状であるのが望ましく、一例では、断面楕円形状を有している。
【００２０】
また、リード電極板３８には、回転部材３６の表面形状に対応した凹部３８ａが形成されており、その凹部３８ａ内に回転部材３６が配置されている。具体的には、凹部３８ａの内壁を構成する曲面の曲率半径は、回転部材３６の表面の曲率半径よりも大きく形成されている。このため、回転部材３６は、凹部３８ａの内壁に沿って回転可能である。一例では、リード電極板３８の材料に銅が用いられており、その線膨張率は約１７×１０−６／Ｋである。
【００２１】
半導体モジュール１はさらに、半導体素子３４の表面に形成されている包囲壁４０を備えている。包囲壁４０は、半導体素子３４の表面から突出するように形成されている。包囲壁４０は、多結晶半導体部４２と絶縁部４４を有している。一例では、多結晶半導体部４２の材料に多結晶シリコンが用いられており、絶縁部４４の材料に酸化シリコンが用いられている。例えば、包囲壁４０は、多結晶半導体部４２をパターニングした後に、その多結晶半導体部４２を覆うように絶縁部４４を形成することで形成することができる。包囲壁４０は、平面視したときに、回転部材３６の周囲を一巡して形成されている。このため、回転部材３６は、包囲壁４０で囲まれる溝部５０内に配置されている。包囲壁４０は、回転部材３６が横滑りしてその位置が大幅に変動してしまうのを禁止する。図３に示されるように、一例では、回転部材３６は、半導体素子３４の表面に均一に分散して設けられていてもよい。
【００２２】
次に、半導体モジュール１の特徴を説明する。図２が常温環境下又は半導体素子３４が動作していないときの半導体モジュール１の状態を示しており、図４が高温環境下又は半導体素子が動作しているときの半導体モジュール１の状態を示している。図２の常温環境下又は半導体素子３４が動作していないときの半導体モジュール１では、半導体素子３４が回転部材３６を加圧する加圧力の第１作用方向１Ａ（紙面上下方向）とリード電極板３８が回転部材３６を加圧する加圧力の第２作用方向１Ｂ（紙面上下方向）の双方が回転部材３６の回転軸３６ａを通っている。このため、回転部材３６には回転モーメントが加わらないので、回転部材３６は半導体素子３４とリード電極板３８の間で安定的に挟持されている。
【００２３】
この半導体モジュール１では、例えば、半導体素子３４がＯＮ・ＯＦＦを繰返すことにより、半導体素子３４から熱が発生する。半導体素子３４で発生した熱は、絶縁基板２０を介して冷却器１０に伝熱され、冷却器１０によって外部に放熱される。また、半導体素子３４で発生した熱の一部は、リード電極板３８を介して外部に放熱される。
【００２４】
例えば、半導体素子３４の半導体材料がシリコンの場合、半導体素子３４の線膨張率が約３．０×１０−６／Ｋである。一方、リード電極板３８の線膨張率が約１７×１０−６／Ｋである。このため、半導体素子３４とリード電極板３８が異なる熱膨張率を有している。半導体素子３４で発生した熱によって半導体素子３４とリード電極板３８が高温になると、リード電極板３８が半導体素子３４よりも面方向に大きく熱膨張する。
【００２５】
図４には、リード電極板３８が図示左側に向けて熱膨張する例を示す。リード電極板３８が図示左側に向けて熱膨張すると（矢印１Ｃ参照）、回転部材３６は、リード電極板３８との間の摩擦力、及びリード電極板３８の凹部３８ａの形状により、反時計周りの回転モーメントを受けて回転する。これにより、リード電極板３８が半導体素子３４よりも大きく熱膨張したとしても、回転部材３６が回転することにより、半導体素子３４とリード電極板３８の間の応力が緩和される。半導体素子３４とリード電極板３８が高温になり、リード電極板３８が半導体素子３４に比して面方向に大きく熱膨張しても、回転部材３６が回転することによって半導体素子３４とリード電極板３８の間には過大な応力が加わることがない。
【００２６】
回転部材３６が半導体素子３４とリード電極板３８の間で回転すると、半導体素子３４が回転部材３６を加圧する加圧力の第１作用方向１Ａとリード電極板３８が回転部材３６を加圧する加圧力の第２作用方向１Ｂは、回転部材３６の回転軸３６ａを通らない状態となり、回転部材３６には復元力が加わる。すなわち、回転部材３６には、半導体素子３４とリード電極板３８の間の熱膨張差に起因する反時計回りの回転モーメントと、それに抗する時計周りに回転モーメントが印加される。半導体素子３４とリード電極板３８の間の熱膨張差が大きい場合、その熱膨張差に起因する反時計回りの回転モーメントの方が復元力よりも大きくなり、回転部材３６は回転して半導体素子３４とリード電極板３８の間の応力を緩和する。一方、半導体素子３４とリード電極板３８の間の熱膨張差が小さくなると、熱膨張差に起因する反時計回りの回転モーメントよりも復元力の方が大きくなり、回転部材３６は時計回りの回転モーメントを受けて初期位置に復元される。このように、回転部材３６は、繰り返しの熱変化を受けたとしても、初期位置から大きく移動することがない。
【００２７】
（半導体モジュール１の変形例）
図５に示されるように、半導体モジュール１はさらに、半導体素子３４とリード電極板３８の間に設けられている応力緩和層６０を備えていることを特徴としている。応力緩和層６０の材料には、導電性の液体金属を用いてもよく、あるいは導電性の低融点金属を用いてもよい。液体金属の一例には、ガリスタン（ガリウム：６８．５％，インジウム：２１．５％，錫：１０％）が挙げられる。低融点金属の一例には、共晶系のウッドメタル（ビスマス：５０％，鉛：２６．７％，カドミウム：１０％）が挙げられる。応力緩和層６０は、半導体素子３４が動作しているときに液体状態であり、回転部材３６の回転を妨げることがない。一方で、応力緩和層６０が設けられていると、半導体素子３４とリード電極板３８の間の熱伝導及び電気伝導が向上する。
【００２８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、回転部材３６のレイアウトは、図３に示されるように、包囲壁４０で囲まれる溝部５０に１つの回転部材３６が配置されてもよく、包囲壁４０で囲まれる溝部５０に複数の回転部材３６が配置されてもよい。
また、回転部材３６の形態は、断面楕円形状に限られず、様々な形状を用いることができ、例えば、球体、円柱体、多面体を用いることができる。さらに、図６に示されるように、複数種類の形態の回転部材を組合わせて配置してもよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２９】
１０：冷却器
２０：絶縁基板
３４：半導体素子
３６：回転部材
３８：リード電極板
４０：包囲壁
【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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