(57)【要約】【課題】圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールの動作信頼性を向上する。【解決手段】半導体素子２の電極層にＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４を設けた積層体をヒートシンク５，６で圧接する。このヒートシンク５，６の固定をボルト７ａとナット７ｂにより行う。ボルト７ａとナット７ｂを締結した後、ボルト７ａとナット７ｂとを抵抗溶接により溶接する。外装部材１５を挿通して直接ヒートシンク５を押圧する圧接部材８を設ける場合、圧接部材８を固定した後、圧接部材８と外装部材１５とを抵抗溶接により溶接する。【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、
当該半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
前記電極端子を前記半導体素子方向に圧接する放熱器と、
前記放熱器を固定する締結部材と、を備えた半導体モジュールであって、
前記放熱器を固定した締結部材の締結部を抵抗溶接により溶接する
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
半導体素子と、
当該半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
前記電極端子を前記半導体素子方向に圧接する放熱器と、
前記放熱器を固定する締結部材と、を備えた半導体モジュールであって、
前記放熱器と、当該放熱器と接する締結部材とを抵抗溶接により溶接する
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項３】
前記電極端子を前記半導体素子方向に圧接する圧接部材を、前記放熱器に螺挿して設け、
前記放熱器と前記圧接部材との接触部を抵抗溶接により溶接する
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４】
第１主面に第１電極層を有し、前記第１主面とは反対側の第２主面に第２電極層を有する半導体素子と、
前記第１電極層と電気的に接続される第１電極端子と、
前記第２電極層と電気的に接続される第２電極端子と、
前記第１電極端子を前記半導体素子方向に圧接する第１放熱器と、
前記第２電極端子を前記半導体素子方向に圧接する第２放熱器と、
前記第１放熱器と前記第２放熱器とを固定する締結部材と、
を有する半導体モジュールの製造方法であって、
前記半導体素子の第１主面に前記第１電極端子を介して前記第１放熱器を設け、
前記半導体素子の第２主面に前記第２電極端子を介して前記第２放熱器を設け、
前記第１放熱器と前記第２放熱器とを前記締結部材で固定し、
前記締結部材の締結部を抵抗溶接により溶接する
ことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【請求項５】
第１主面に第１電極層を有し、前記第１主面とは反対側の第２主面に第２電極層を有する半導体素子と、
前記第１電極層と電気的に接続される第１電極端子と、
前記第２電極層と電気的に接続される第２電極端子と、
前記第１電極端子を前記半導体素子方向に圧接する第１放熱器と、
前記第２電極端子を前記半導体素子方向に圧接する第２放熱器と、
前記第１放熱器と前記第２放熱器とを固定する締結部材と、
を有する半導体モジュールの製造方法であって、
前記半導体素子の第１主面に前記第１電極端子を介して前記第１放熱器を設け、
前記半導体素子の第２主面に前記第２電極端子を介して前記第２放熱器を設け、
前記第１放熱器と前記第２放熱器とを前記締結部材で固定し、
前記第１放熱器または前記第２放熱器と、当該各放熱器と接触する締結部材と、を抵抗溶接により溶接する
ことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【請求項６】
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を有する
ことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業用・車両用システム、変電設備やインバータなどの電力変換装置の分野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「絶縁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】
一般的な絶縁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やダイオードなどの半導体素子は、半導体素子の下面に設けられた電極層を介してＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板の銅回路箔上にはんだ付けされる（例えば、非特許文献１）。ＤＢＣ基板とは、セラミックスなど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設けられる電極層には、超音波ボンディングなどの方法によりアルミワイヤが接続される。このアルミワイヤは、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や超音波ボンディングにより接続される。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、その中を電気絶縁のためのシリコーンゲルが充填される。
【０００５】
近年、半導体素子の動作温度の高温化が進んでいる。例えば、次世代の半導体素子であるＳｉＣ半導体は、２５０〜３００℃での動作が報告されている。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ナノペースト）などが提案されている。
【０００６】
また、はんだを用いない半導体モジュール構造として平型圧接構造パッケージが提案されている（非特許文献１、２)。平型圧接構造パッケージは、圧接により半導体素子の電極層とコンタクト端子との電気的接続や、半導体素子の電極層と基板との電気的接続を行う。一般的な平型圧接構造パッケージでは、半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ、ダイオード）の端部に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設けられる。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Ｍｏなどの基板上に設けられる。つまり、コンタクト端子と基板とが半導体素子を挟圧した状態で半導体モジュール内に設けられる。
【０００７】
平型圧接構造パッケージは、平型構造であることから半導体素子を両面から冷却することができる。このため、一般的に平型圧接構造パッケージの両端をヒートシンクで圧接することで、平型圧接構造パッケージの両面を冷却するとともに、そのヒートシンクを導電部材として用いる。さらに、平型圧接構造パッケージは、圧接により半導体素子と電極端子などを接続するので、はんだを用いることなく半導体素子が電気的、熱的に外部と接続される。
【０００８】
平型圧接構造の半導体モジュールでは、半導体モジュールを圧接する平型圧接構造パッケージ上下のヒートシンクを電気的に絶縁する必要があり、また、板バネで平型圧接構造パッケージを圧接するがこの設計の圧接力が平型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。これらにはノウハウがあり、圧接が不良であった場合は半導体素子の破壊の原因となるおそれがある。なお、ヒートシンクと平型圧接構造パッケージの圧接は、主にユーザが実施する。また、平型圧接構造の半導体モジュールは、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など、使いこなすのには熟練が要求される。このような理由により、平型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広く使われている。
【０００９】
しかし、パワー半導体モジュールに要求される電力密度は、年々増加する傾向にあり、さらなる小型化、耐高温性が求められている。その結果、現状の構成部材や構造では、小型化、耐高温性を向上させることが困難となってきている。例えば、従来の半導体モジュールでは、ダイボンド（はんだ）で半導体素子を絶縁基板に固定しているが、この固定方法では半導体モジュールが高温になったときに、はんだに亀裂が生じたり、徐々にはんだが劣化したりして、半導体モジュールの熱電気特性が変化してしまうことが知られている。また、従来の半導体モジュールでは、半導体素子表面にワイヤボンディングを行っているため、概ね絶縁基板にダイボンドした側（半導体素子の裏側）からのみの放熱となっている。半導体モジュールの放熱特性を考慮すると、半導体素子の両面から放熱できる構造が望ましいことは明らかである。
【００１０】
これらの問題を解決する一つの方法として、圧接型の半導体モジュール構造が再度注目されている。圧接型の半導体モジュール構造は、はんだを使わず、半導体素子の両面から電気特性、熱伝導性の良い材料で挟むため、はんだ割れを心配する必要もなく、放熱性も良い。
【００１１】
圧接型の半導体モジュール構造について、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を圧接する場合を例にして説明すると、ドレイン電極をＭＯＳＦＥＴのドレイン側（裏面）に形成されたドレイン電極層に接するように配置し、ソースパッド電極をＭＯＳＦＥＴのソース電極層へと接するように配置する。そして、それぞれの電極に熱伝導性の良い絶縁物を介して放熱ブロックを配置する。放熱ブロックとＭＯＳＦＥＴとの間には、それぞれの電極をＭＯＳＦＥＴ方向に圧接する圧接用ばねを設ける。このように、電極が接続されたＭＯＳＦＥＴを放熱ブロックで挟むことで圧接型構造ができる。また、ゲート電極端子もＭＯＳＦＥＴのゲート電極層に圧接して設けることで、完全にはんだを使用しない圧接型の半導体モジュール構造となる。
【００１２】
一般的な圧接型の半導体モジュール構造では、半導体モジュールの外周部にスプリング若しくは板ばねまたはボルトやナットなどの締結部材やねじなどで均一な圧縮応力を作用させる。そして、半導体モジュールの内部の一部では、接着剤、樹脂剤を用いて接合部を形成したり、半導体モジュール内を封止したりすることで、半導体素子を含む各部材にかかる圧接力が適正な範囲に収まり、すべての半導体素子に対する圧接力のばらつきが小さくなるようにしている。
【００１３】
上述のように、近年、電力変換器の電力の高密度化、小型化が進んでおり、電力変換器に設けられる半導体モジュールに対して小型化、耐高温性がさらに求められている。また、ＳｉＣ半導体などの採用により半導体モジュールの高温化（冷却機構の小型化）が進むにつれ、樹脂の接合部や封止材料にも高温（例えば、２００℃以上）への耐性、信頼性が要求されるようになり、材料開発が進んでいる。しかし、高温耐性材料の実装時の信頼性はまだ評価され始めたばかりであり、そのうえ、高温耐性材料は従来接合部に用いられている材料と比較して高コストとなる。
【００１４】
また、これまでの圧接構造では、樹脂層などの接合、封止層を排除した純粋に両面から作用させる圧力のみですべての接合を形成する構造の場合、高温動作時には半導体モジュールを構成する各部材の熱膨張の違いによる応力集中が避けられないことや上下冷却面間で平行度を維持することが困難であり、半導体モジュールを構成する構成部材の特定の界面で接触圧力が過大あるいは過小となるおそれがあった。
【００１５】
そこで、圧接型の半導体モジュールのように、スプリングなどの機械的な機構のみで接合剤、封止剤の使用をできるだけ抑えつつ、同時に信頼性の高い半導体モジュールを構成することができれば、材料面での制約や、信頼性を毀損する要因が減り、高温対応が可能な信頼性の高い半導体モジュールを構築することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平１−１２８４３７号公報
【非特許文献】
【００１７】
【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】
【００１８】
しかしながら、圧接型の半導体モジュールにおいて、半導体素子にかかる圧接力をボルトまたはナット若しくはねじなどの締結部材により作用させる場合、締結部材の緩みにより、半導体モジュールの設計圧力を半導体素子に作用させることが困難となるおそれがある。
【００１９】
上記事情に鑑み、本発明は、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、半導体素子と電極端子とを圧接力を作用させる締結部材の緩みの発生を抑制し、半導体モジュールの動作信頼性の向上に貢献する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの一態様は、半導体素子と、当該半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、前記電極端子を前記半導体素子方向に圧接する放熱器と、前記放熱器を固定する締結部材と、を備えた半導体モジュールであって、前記放熱器を固定した締結部材の締結部を抵抗溶接により溶接することを特徴としている。
【００２１】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、半導体素子と、当該半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、前記電極端子を前記半導体素子方向に圧接する放熱器と、前記放熱器を固定する締結部材と、を備えた半導体モジュールであって、前記放熱器と、当該放熱器と接する締結部材とを抵抗溶接により溶接することを特徴としている。
【００２２】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記電極端子を前記半導体素子方向に圧接する圧接部材を、前記放熱器に螺挿して設け、前記放熱器と前記圧接部材との接触部を抵抗溶接により溶接することを特徴としている。
【００２３】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの製造方法の一態様は、第１主面に第１電極層を有し、前記第１主面とは反対側の第２主面に第２電極層を有する半導体素子と、前記第１電極層と電気的に接続される第１電極端子と、前記第２電極層と電気的に接続される第２電極端子と、前記第１電極端子を前記半導体素子方向に圧接する第１放熱器と、前記第２電極端子を前記半導体素子方向に圧接する第２放熱器と、前記第１放熱器と前記第２放熱器とを固定する締結部材と、を有する半導体モジュールの製造方法であって、前記半導体素子の第１主面に前記第１電極端子を介して前記第１放熱器を設け、前記半導体素子の第２主面に前記第２電極端子を介して前記第２放熱器を設け、前記第１放熱器と前記第２放熱器とを前記締結部材で固定し、前記締結部材の締結部を抵抗溶接により溶接することを特徴としている。
【００２４】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの製造方法の他の態様は、第１主面に第１電極層を有し、前記第１主面とは反対側の第２主面に第２電極層を有する半導体素子と、前記第１電極層と電気的に接続される第１電極端子と、前記第２電極層と電気的に接続される第２電極端子と、前記第１電極端子を前記半導体素子方向に圧接する第１放熱器と、前記第２電極端子を前記半導体素子方向に圧接する第２放熱器と、前記第１放熱器と前記第２放熱器とを固定する締結部材と、を有する半導体モジュールの製造方法であって、前記半導体素子の第１主面に前記第１電極端子を介して前記第１放熱器を設け、前記半導体素子の第２主面に前記第２電極端子を介して前記第２放熱器を設け、前記第１放熱器と前記第２放熱器とを前記締結部材で固定し、前記第１放熱器または前記第２放熱器と、当該各放熱器と接触する締結部材と、を抵抗溶接により溶接することを特徴としている。
【００２５】
また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置は、上記半導体モジュールのいずれか一つを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２６】
以上の発明によれば、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、締結部材の緩みの発生を抑制し、以て、半導体モジュールの動作信頼性の向上に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体モジュールの要部断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体モジュールの外観図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体モジュールの外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の半導体モジュール、半導体モジュールの製造方法及び本発明の半導体モジュールを有する電力変換装置について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、図１に示す断面図及び図２，３に示す外観図は、本発明の実施形態に係る半導体モジュール１を模式的に示したものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致するものではない。
【００２９】
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体モジュール１の要部断面図である。図１に示すように、実施形態に係る半導体モジュール１は、半導体素子２と、ＡＣ電極端子３、ＤＣ電極端子４、ヒートシンク５，６、締結部材７及び圧接部材８を備える。
【００３０】
半導体素子２は、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子と還流用ダイオードで構成される半導体チップである。半導体素子２には、応力緩衝板９を介して、ＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４が設けられる。半導体素子２の各応力緩和板９，９と接触する接触面には、図示省略の電極層（例えば、アルミニウム等）が蒸着等の方法で膜状に形成されている。また、半導体素子２，２間には、樹脂やセラミックスからなる分離部材１０が設けられ、半導体素子２，２間の短絡が防止される。
【００３１】
応力緩和板９は、半導体素子２を構成する材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料から形成される板状部材であり、例えば、タングステン板やモリブデン板などが用いられる。
【００３２】
ＡＣ電極端子３は、応力緩和板９（コンタクト電極）を介して半導体素子２の上面に設けられ、半導体素子２のＰ側電極層（或いは、Ｎ側電極層）と電気的に接続される。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。
【００３３】
ＤＣ電極端子４（Ｎ極またはＰ極）は、応力緩和板９を介して半導体素子２の底面に設けられ、半導体素子２のＮ側電極層（或いは、Ｐ側電極層）と電気的に接続される。
【００３４】
ゲート電極端子１１は、半導体素子２の上面に形成されたゲート電極層（図示省略）に設けられ、ゲート電極層と半導体モジュール１の外部（若しくは、内部）のゲート回路１２とを電気的に接続する。
【００３５】
ヒートシンク５は、ＡＣ電極端子３上に絶縁板１３を介して設けられ、ＡＣ電極端子３を半導体素子２方向に圧接する。また、ヒートシンク６は、ＤＣ電極端子４の下に絶縁板１３を介して設けられ、ＤＣ電極端子４を半導体素子２方向に圧接する。ヒートシンク５，６には、冷媒を流通させる冷却水路５ａ，６ａが形成される。
【００３６】
ヒートシンク５の上面には、外装部材１５が設けられ、この外装部材１５とヒートシンク５との間に、ＡＣ電極端子３を半導体素子２に圧接するばね１４，１４が設けられる。
【００３７】
ばね１４は、半導体素子２と電極端子３，４（及び応力緩和板９）との接触に必要な圧接力を作用させる弾性部材である。ばね１４が弾性変形するように外装部材１５を固定することで、ばね１４の弾性力によってヒートシンク５が半導体素子２方向に圧接され、ＡＣ電極端子３と半導体素子２（及びＤＣ電極端子４と半導体素子２）とに圧接力が作用する。ばね１４は、半導体素子２のＰ側電極層（若しくは、Ｎ側電極層）の電極層面の法線方向延長上に設けられる。なお、ばね１４は、ＡＣ電極端子３を半導体素子２に押圧するように設けても、ＤＣ電極端子４を半導体素子２方向に押圧するように設けても、ＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４を半導体素子２方向に押圧するようにそれぞれ設けてもよい。ばね１４を形成する材料や、ばね１４の形状は特に限定されるものではなく、周知のばね（適宜必要な圧接力を作用させるばね定数を有するばね）が適宜選択して用いられる。
【００３８】
締結部材７は、ボルト７ａとナット７ｂから構成される。ボルト７ａは、ヒートシンク５，６（及び外装部材１５）及び半導体モジュール１の側面に設けられる絶縁ケース１６を挿通して設けられ、このボルト７ａをナット７ｂで締結することで、ヒートシンク５，６及び外装部材１５が固定される。このとき、ボルト７ａとナット７ｂにより、ばね１４の圧接力が予め設計された圧接力となるように、ヒートシンク５，６間（つまりは、外装部材１５とヒートシンク５との間）の距離が調節される。そして、ボルト７ａとナット７ｂによりヒートシンク５，６を固定した後、ボルト７ａとナット７ｂとの間に、例えば、パルス幅５０ｍｓで、１ｋＷ〜１０ｋＷの出力で電流を流し、ボルト７ａとナット７ｂが溶接される。なお、溶接電流源の出力を１ｋＷ以上とすることで十分な固定を行うことができ、溶接電流源の出力を１０ｋＷ以下とすることで、溶接部が異常に変形することなく溶接を行うことができる。
【００３９】
圧接部材８は、外装部材１５に形成された雌ねじ部に螺挿する雄ねじ部が形成されたねじなどであり、ヒートシンク５及びＡＣ電極端子３を半導体素子２方向に圧接する。外装部材１５に螺挿された圧接部材８の端部はヒートシンク５に当接し、半導体素子２やＡＣ電極端子３，４を積層した積層体を直接圧接して、半導体素子２と電極端子３，４（及び応力緩和板９）との接触に必要な圧接力を作用させる。つまり、圧接部材８は、半導体素子２と電極端子３，４（及び応力緩和板９）との接触面の法線方向延長線上に設けられ、ヒートシンク５を直接圧接する。圧接部材８は外装部材１５に螺挿された後、ボルト７ａとナット７ｂと同様に、圧接部材８と外装部材１５との間に電流を流し、圧接部材８と外装部材１５とが溶接される。
【００４０】
次に、本発明の実施形態に係る半導体モジュール１の製造方法について説明する。なお、本発明において、放熱器とは、半導体素子２を冷却する放熱部であって、例えば、ヒートシンク６または、ヒートシンク５と外装部材１５を組み合わせたもののことである。
【００４１】
まず、半導体素子２のＰ側電極層（またはＮ側電極層）に応力緩和板９を介してＡＣ電極端子３を設け、半導体素子２のＮ側電極層（または、Ｐ側電極層）に応力緩和板９を介してＤＣ電極端子４を設ける。次に、半導体素子２のゲート電極層にゲート電極端子の接続部分１１ａが接触するように、ゲート電極端子１１の位置決めをし、ＡＣ電極端子３、ＤＣ電極端子４それぞれに絶縁板１３を介してヒートシンク５，６を設ける。
【００４２】
そして、ヒートシンク５と外装部材１５との間にばね１４，１４を介在させて、ヒートシンク５上に外装部材１５を設け、ヒートシンク５（及び外装部材１５）とヒートシンク６とをボルト７ａとナット７ｂで固定する。その後、外装部材１５に圧接部材８を螺挿する。
【００４３】
最後に、ボルト７ａとナット７ｂの締結部分及び圧接部材８と外装部材１５の接触部を溶接する。図２は、本発明の実施形態に係る半導体モジュール１の外観図である。図２を参照して、ボルト７ａとナット７ｂの締結部分及び圧接部材８と外装部材１５の接触部の溶接方法について説明する。
【００４４】
図２に示すように、半導体素子２やＡＣ電極端子３（及びＤＣ電極端子４）を積層した積層体１７は、放熱器１８（ヒートシンク６）と放熱器１９（ヒートシンク５と外装部材１５）に挟持された状態で、締結部材７（ボルト７ａとナット７ｂ）により固定される。そして、半導体モジュール１の積層体１７を直接圧接するように、圧接部材８が外装部材１５に螺挿される。なお、図２に示す半導体モジュール１では、締結部材７が半導体モジュール１の四隅に設けられているが、締結部材７の配置形態は、実施形態に限定されるものではなく、適宜半導体素子２と電極端子３，４に設計した圧接力を作用させることができるように配置すればよい。また、圧接部材８を用いなくても半導体モジュール１の積層体１７に所定の圧接力を作用させることができる場合は、必ずしも圧接部材８を設ける必要はなく、その場合の半導体モジュールの外観は図３のようになる。
【００４５】
次に、溶接用の電流源２０に接続された一対の溶接用電極の一方の電極をボルト７ａに接触させ、他方の電極をナット７ｂに接触させた状態で、この溶接用電極間に直流の大電流（例えば、電流源２０の出力が、パルス幅５０ｍｓで、１ｋＷ〜１０ｋＷ）を流して、ボルト７ａとナット７ｂとを溶接する。このとき、ボルト７ａの頭部と放熱器１８（または、ナット７ｂと放熱器１９）との接触部を抵抗溶接により溶接すると、放熱器１８，１９の固定がより強固となる。同様にして、電流源２０の一方の電極を圧接部材８に接触させ、他方の電極を外装部材１５に接触させた状態で、この溶接用電極間に直流の大電流を流して、圧接部材８と外装部材１５とを溶接する。なお、溶接方法として、実施形態のような抵抗溶接を用いると、小型の半導体モジュール１において半導体素子２に影響を与えることなく溶接を行うことができるが、溶接方法は、実施形態に限定されることなく、交流電流による抵抗溶接など他の溶融溶接方法を用いてもよい。
【００４６】
以上のように、本発明の半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法によれば、電極端子を半導体素子方向に圧接するヒートシンクの固定に用いられるボルトとナットを溶接することで、ボルトとナットの緩みを防止することができる。その結果、半導体モジュールに振動やヒートサイクルなどが作用しても、予め定められた設計範囲内の圧接力を半導体素子に作用させることができる。なお、半導体モジュールにおいて、溶接を用いる場合、熱の伝達と電流通路の設計が重要となるが、本発明の半導体モジュールの構造によれば、半導体素子などに影響を与えることなく溶接を行うことができる。
【００４７】
このように、半導体素子に作用する圧接力が予め設計された範囲に収まるようにすることで、はんだなどの接合剤を低減しても半導体素子の電極層と電極端子との電気的・機械的な接続状態を良好に維持することができる。したがって、ＳｉＣ半導体やＧａＮ半導体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適用することで、半導体モジュールの温度サイクル、パワーサイクルなどの信頼性が向上する。
【００４８】
そして、溶接による放熱器の固定は、接着剤などの新たな材料を加えることなく、締結部材（ボルトとナット）の緩みを防止することができるので、半導体モジュールのリサイクル性が向上する。
【００４９】
また、本発明の半導体モジュールは、圧接部材を設けることにより、個々の半導体素子に適切な圧接力を作用させることができる。このように半導体素子（半導体チップ）に対して、十分な圧接力を作用させるための機構を設けることで、半導体素子を並列化しても各半導体素子に予め設計された範囲の圧接力を作用させることができる。その結果、半導体素子の数が半導体モジュール全体で多数となる、半導体素子の並列化された大電流モジュールや、最低６個の半導体素子を並列に配置するフルブリッジの３相インバータにおいて、両面から圧接、冷却する半導体モジュールを実現することができる。この場合にも、締結部材と同様に、半導体素子を圧接する圧接部材とこの圧接部材が接触する放熱器（外装部材やヒートシンク）とを溶接することで、圧接部材の緩みを防止して、半導体モジュールの動作信頼性を向上させることができる。
【００５０】
このように、本発明の半導体モジュールは、ヒートサイクルやパワーサイクルを繰り返しても、半導体素子と電極端子との圧接に必要な圧接力を作用させることができるので、この半導体モジュールを産業用・車両用システム、変電設備やインバータなどの電力変換装置に適用することで、電力変換装置の動作信頼性が向上する。
【００５１】
なお、本発明の半導体モジュールは、上述した実施形態に限らず、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に係る半導体モジュールであり、この半導体モジュールを有する電力変換装置も本発明に係る電力変換装置である。
【００５２】
例えば、本発明は、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ので、半導体素子（半導体チップ）の種類や数は、実施形態に限定されるものではない。よって、適宜周知の半導体素子（半導体チップ）を用い、所定の回路を構成するために必要な数の半導素子を用いて半導体モジュールを構成しても、同様の効果を得ることができる。
【００５３】
また、締結部材は、実施形態（ボルトとナット）に限定するものではなく、ヒートシンクの固定に用いられる方法であれば適宜本発明の半導体モジュールに適用することができる。例えば、ねじとナット、ボルトと放熱器、ねじと放熱器、ボルトと外装部材、ねじと外装部材を締結することで、ヒートシンクや外装部材（放熱器）を固定することが挙げられる。この場合、放熱器または外装部材に、予めねじまたはボルトが螺合する雌ねじ部が形成される。ヒートシンクの片側に雌ねじ部を形成しておき、これとボルトまたはねじで外装部材を介して圧接した場合は、ボルトまたはねじと外装部材の間に通電し、ボルトまたはねじと外装部材とを溶接してもよい。また、外装部材でなく、ボルトまたはねじとヒートシンクとを溶接してもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１…半導体モジュール
２…半導体素子
３…ＡＣ電極端子（第１電極端子）
４…ＤＣ電極端子（第２電極端子）
５，６…ヒートシンク
７…締結部材
７ａ…ボルト，７ｂ…ナット
８…圧接部材
９…応力緩和板
１１…ゲート電極端子
１４…ばね
１５…外装部材
１６…ケース
１７…積層体
１８…放熱器（第１放熱器）
１９…放熱器（第２放熱器）
２０…電流源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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