(57)【要約】【課題】半導体素子の電極層と電極端子とを圧接により電気的に接続する半導体モジュールにおいて、各半導体素子にかかる圧接力の差を低減する。【解決手段】半導体素子を有する単相の１アームのスイッチ２ａ、２ｂ、ＡＣ電極端子５、ＤＣ電極端子（Ｐ端子６、Ｎ端子７）を積層した積層部２〜４と、皿ばね８を有する半導体モジュール１である。積層部２〜４を、半導体モジュール１の中心軸Ｂを中心とした同一円周上に設ける。積層部２（または、積層部３，４）の上面には、絶縁板１０を介して力伝達ブロック１１を設ける。力伝達ブロック１１の上面に溝１１ａを形成し、この溝１１ａに皿ばね８を設ける。皿ばね８は、中心軸Ｂと同軸に設ける。積層部２〜４を、皿ばね８の下端円周部８ｂが力伝達ブロック１１と接する部分から中心軸Ｂの軸方向延長上に設ける。【選択図】図２
2013120756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、前記半導体素子と電気的に接続される電極端子と、を含む積層部が複数配置された
半導体モジュールであって、
前記積層部を同一円周上に配置する
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記積層部を等間隔に配置し、
前記積層部を圧接する弾性部材を、前記積層部の前記円周の中心軸方向の延長上に設ける
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】
前記弾性部材は、皿ばねであり、
当該皿ばねを前記中心軸と同軸に設ける
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】
前記積層部を、前記皿ばねに蓄積された弾性力がかかる箇所の前記中心軸方向延長上に設ける
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記積層部と前記皿ばねとの間に弾性力伝達部材を設ける
ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記弾性力伝達部材をヒートシンクとして用いる
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記皿ばねと前記弾性力伝達部材との間にへこみ防止部材を設ける
ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
前記積層部を固定する固定部材を、前記中心軸対称、且つ、前記皿ばねの外周より外側及び前記皿ばねの内周より内側にそれぞれ設ける
ことを特徴とする請求項３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】
前記中心軸と同軸に前記半導体モジュールを貫通する貫通孔を形成する
ことを特徴とする請求項２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】
前記貫通孔に、ヒートシンクを設ける
ことを特徴とする請求項９に記載の半導体モジュール。
【請求項１１】
前記半導体モジュールを、円柱状に形成する
ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項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、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】
代表的な絶縁形パワー半導体モジュールとして、インバータ等電力変換装置に用いられるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）モジュールがある。また、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設けられた電極層がＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板（或いは、ＤＣＢ基板）の銅回路箔上にはんだ付けされ、回路上に設けられる（例えば、非特許文献１）。ここで、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設けられる電極層は、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て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）がはんだ付け等により銅回路箔と接続される。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ーンゲル等が充填される。
【０００５】
近年、半導体素子の動作温度の高温化が進んでいる。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）等が提案されている。また、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】
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)。
【０００７】
平型圧接構造パッケージは、圧接によりコンタクト端子と半導体素子の電極層との接続や半導体素子と基板との接続を行う。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基板（Ｍｏ基板やＤＢＣ基板等）上に設けられる。このように、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。
【０００８】
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等を接続するので、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。
【０００９】
平型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。例えば、圧接は平型圧接構造パッケージの上下のヒートシンクを電気的に絶緑する必要があり、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、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。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。
【００１０】
この半導体モジュールの温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性を向上させるためには、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。例えば、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が異なるので、半導体モジュールの温度が上昇すると銅とセラミックスを接続するはんだにせん断応力が働く。このせん断応力により、はんだに亀裂が生じて熱抵抗が増大したり電極端子が剥離したりするおそれがある。同様に、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。
【００１１】
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半導体モジュールを構成する各部材の接合温度が高くなることで、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。また、ＳｉＣ、ＧａＮなどの高温で使用可能な半導体素子の性能を活かす半導体モジュールとしても、半導体モジュールの温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性のさらなる向上が求められている。
【００１２】
そこで、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ために、はんだ接合、あるいはワイヤーボンドを用いず、かつ両面冷却が容易に実現可能であり、放熱性の面で有利な圧接型絶縁形パワー半導体モジュールが再び脚光を浴びている。
【００１３】
図４に示すように、両面冷却方式の圧接型半導体モジュール１８は、半導体モジュール１８の外周部に（ケース１７を挿通して）ボルト１５が設けられる。このボルト１５は、ヒートシンク１２，１４を半導体素子から構成される単相の１アームのスイッチ２ａ，２ｂ方向に押圧するようにナット（図示省略）で締結される。このように、ヒートシンク１２，１４をボルト１５とナットで固定することにより、半導体モジュール１８を構成する構成部材（ＡＣ電極端子５、ＤＣ電極端子６，７、及び単相の１アームのスイッチ２ａ，２ｂ等）を圧接する圧接力が加わる。また、半導体モジュール１８の内部では、単相の１アームのスイッチ２ａとＡＣ電極端子５（及び、ＤＣ電極端子６）との接合部にはんだ１９（あるいは、接着剤や樹脂等）層を設け、単相の１アームのスイッチ２ａとＡＣ電極端子５（及び、ＤＣ電極端子６）の電気的な接続が行われる。つまり、はんだ１９を用いることで、半導体モジュール１８を構成する構成部材を接着（または、封止）して、各構成部材にかかる圧接力が適正な範囲に収まり、また、すべての単相の１アームのスイッチ２ａ，２ｂに対する圧接力のばらつきが大きくならないようにしている。このように、圧接型半導体モジュール１８では、機械的に圧接力を加える手段とともに、はんだ１９等による界面接合形成技術や樹脂等による封止技術を併用することで、各構成部材（特に、単相の１アームのスイッチ２ａ，２ｂ）にかかる圧接力が適正な範囲に収まるように制御し、半導体モジュール１８の信頼性を確保している。
【００１４】
ところが、近年、電力変換器における電力の高密度化、小型化、ＳｉＣ素子等の採用により、電力変換器のさらなる高温化（冷却機構の小型化）が進むにつれ、はんだや樹脂の接合、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、そのための材料開発が進んでいる。しかし、高温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、また高温材料は、従来の材料より高コストとなる。
【００１５】
これまでの両面冷却圧接構造は、はんだ層、樹脂層等の接合、封止層を排除した純粋に両面から加える圧力のみですべての接合を形成する場合、高温動作時には、熱膨張の違いによる応力集中が避けられないこと、上下冷却面間で平行度を維持することが困難であり、結果モジュール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問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平９−１３９３９５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】
上述のように、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、半導体モジュールの動作信頼性の向上のために、半導体モジュールに設けられる各半導体素子に所定の圧接力を作用させることが求められている。例えば、各半導体素子に作用する圧接力の大きさの違いにより、半導体素子と電極端子との熱抵抗や接触抵抗にも差が生じ、その結果として半導体素子の動作に差が生じるおそれがある。
【００１９】
上記事情に鑑み、本発明は、半導体素子の電極層と電極端子とを圧接して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、各半導体素子に作用する圧接力の差を低減することに貢献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】
【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、前記半導体素子と電気的に接続される電極端子と、を含む積層部が複数配置された半導体モジュールであって、前記積層部を同一円周上に配置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、上記半導体モジュールにおいて、前記積層部を等間隔に配置し、前記積層部を圧接する弾性部材を、前記積層部の前記円周の中心軸方向の延長上に設け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、前記弾性部材は、皿ばねであり、当該皿ばねを前記中心軸と同軸に設け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他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記積層部を、前記皿ばねに蓄積された弾性力がかかる箇所の前記中心軸方向延長上に設け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他の態様は、上記半導体モジュールにおいて、前記積層部と前記皿ばねとの間に弾性力伝達部材を設け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、前記弾性力伝達部材をヒートシンクとして用いることを特徴としている。
【００２６】
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、前記皿ばねと前記弾性力伝達部材との間にへこみ防止部材を設けることを特徴としている。
【００２７】
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、前記積層部を固定する固定部材を、前記中心軸対称、且つ、前記皿ばねの外周より外側及び前記皿ばねの内周より内側にそれぞれ設けることを特徴としている。
【００２８】
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、前記中心軸と同軸に前記半導体モジュールを貫通する貫通孔を形成することを特徴としている。
【００２９】
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、前記貫通孔に、ヒートシンクを設けることを特徴としている。
【００３０】
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、前記半導体モジュールを、円柱状に形成することを特徴としている。
【発明の効果】
【００３１】
以上の発明によれば、半導体素子の電極層と電極端子とを押圧して、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、各半導体素子に作用する圧接力の差を低減することに貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体モジュールの上面透視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体モジュールの要部断面図である。
【図３】（ａ）本発明の実施形態に皿ばねの断面図、（ｂ）本発明の実施形態に係る皿ばねの上面図である。
【図４】従来技術に係る半導体モジュールの要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の実施形態に係る半導体モジュールについて、図を参照して詳細に説明する。なお、以下の各図面において示される上面透視図並び断面図は、いずれも本発明の実施形態に係る半導体モジュール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。
【００３４】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体モジュール１の上面透視図であり、図２は、本発明の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。なお、図２に示す半導体モジュール１の断面図は、図１に示した半導体モジュール１のＡ−Ａ断面図である。
【００３５】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る半導体モジュール１は、単相の１アームのスイッチ（スイッチング素子であるＩＧＢＴと整流素子であるＦＷＤ（Free Wheeling Diode）の組合せ）２ａ，２ｂを２ｉｎ１で構成した積層部２〜４を１２０°おきに３箇所配置することで６ｉｎ１の３相ブリッジインバータを構成するモジュールである。それぞれの積層部２〜４は、各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の交流電流を出力するＡＣ電極端子５、ＤＣ電源に接続されるＤＣ電極端子（Ｐ端子６、Ｎ端子７）を有し、それぞれの電極端子は、半導体モジュール１の外周側面（ケース１７）を貫通して外部の回路と接続される。
【００３６】
図２に示すように、本発明の実施形態に係る半導体モジュール１は、積層部２〜４と、皿ばね８とを備える。半導体モジュール１の外形は、円柱状であり、円柱の軸（以後、半導体モジュール１の中心軸Ｂとする）と同軸に、半導体モジュール１を貫通する貫通穴９が形成される。
【００３７】
積層部２は、単相の１アームのスイッチ２ａ、２ｂと、ＡＣ電極端子５と、ＤＣ電極端子（Ｐ端子６、Ｎ端子７）とから構成される。以下、積層部２について詳細に説明するが、積層部２と同一円周上に等間隔に配置される他の積層部３，４ついても同様であるので、同じものには同じ符号を付し、繰り返しを避けるため説明を省略する。
【００３８】
単相の１アームのスイッチ２ａのスイッチング素子上面には、エミッタ電極層が形成され、単相の１アームのスイッチ２ａのスイッチング素子底面には、コレクタ電極層が形成される（図示せず）。一方、単相の１アームのスイッチ２ｂのスイッチング素子上面には、コレクタ電極層が形成され、単相の１アームのスイッチ２ｂのスイッチング素子下面には、エミッタ電極層が形成される（図示せず）。なお、実施形態の説明では、便宜上、上面及び下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。
【００３９】
Ｐ端子６は、単相の１アームのスイッチ２ａの下面に設けられ、スイッチング素子のコレクタ及び整流素子のカソードと電気的に接続される。また、単相の１アームのスイッチ２ａの上面には、ＡＣ電極端子５が設けられ、スイッチング素子のエミッタ及び整流素子のアノードとＡＣ電極端子５が電気的に接続される。
【００４０】
Ｎ端子７は、単相の１アームのスイッチ２ｂの下面に設けられ、スイッチング素子のエミッタ及び整流素子のアノードと電気的に接続される。また、単相の１アームのスイッチ２ｂの上面には、ＡＣ電極端子５が設けられ、スイッチング素子のコレクタ及び整流素子のカソードとＡＣ電極端子５が電気的に接続される。
【００４１】
これらＡＣ電極端子５及びＤＣ電極端子（Ｐ端子６、Ｎ端子７）は、半導体モジュール１の外周側面から取り出され、ＡＣ電極端子５は回転機などのＡＣ負荷へ、ＤＣ電極端子（Ｐ端子６、Ｎ端子７）はバッテリー等のＤＣ電源側へそれぞれ接続される。なお、各Ｐ端子６、Ｎ端子７にバッテリー等のＤＣ電源のリップル（直流の中に含まれている脈動成分）を抑える目的で平滑コンデンサを配置してもよい。
【００４２】
ＡＣ電極端子５の上面には、絶縁板１０を介して力伝達ブロック１１が設けられる。力伝達ブロック１１の上面には、皿ばね８等の弾性部材が設けられる溝１１ａが形成されており、この溝１１ａに皿ばね８が設けられる。力伝達ブロック１１は、例えば、アルミニウム（より好ましくは、純度が９９．９９％以上）若しくはアルミニウム合金により形成される。力伝達ブロック１１を、半導体モジュール１を構成する他の部材より剛性の低い材料を用いることで、力伝達ブロック１１が応力緩和部材として機能する。その結果、皿ばね８の弾性力をより均一に積層部２〜４に作用させることができる。
【００４３】
皿ばね８は、積層部２〜４が設けられる同一円周の中心軸Ｃ（半導体モジュール１の中心軸Ｂ）と同軸に設けられる。図３（ａ）に示すように、皿ばね８は、一般的に中央部に穴が空いた形状を有し、皿ばね８の上端円周部８ａと下端円周部８ｂ間の距離が短くなることで弾性力が蓄積される。また、図３（ｂ）に示すように、皿ばね８に蓄積された弾性力がかかる箇所は、上端円周部８ａ及び下端円周部８ｂであり、この上端円周部８ａ若しくは下端円周部８ｂと接する部分に皿ばね８に蓄積された弾性力が作用する。
【００４４】
図２に示すように、積層部２〜４を半導体モジュール１の中心軸Ｂの軸方向に積層し、皿ばね８の下端円周部８ｂが力伝達ブロック１１と接する部分から半導体モジュール１の中心軸Ｂの軸方向延長上に積層部２〜４が位置するように皿ばね８を設けると、皿ばね８の弾性力を積層部２〜４に直接作用させることができる。よって、皿ばね８の弾性力を拡散させて積層部２〜４に均一に作用させるために必要な物理的距離を短くすることができる。その結果、積層部２〜４と皿ばね８との間の距離を短くすることができ、各積層部２〜４にかかる皿ばね８の弾性力を均一化するだけでなく、半導体モジュール１を小型化することができる。
【００４５】
なお、皿ばね８と力伝達ブロック１１との間、若しくは、皿ばね１１と後述するヒートシンク１２との間にへこみ防止部材（図示省略）を設けることで、力伝達ブロック１１やヒートシンク１２が、皿ばね８の弾性力により変形することを防止できる。へこみ防止部材は、ステンレス鋼からなるワッシャー状や円盤状の板など、皿ばね８と同程度（または、それ以上）の強度を有する材料からなる厚さ０．５ｍｍ以上の板であればよい。へこみ防止部材の厚さが０．５ｍｍ以上であれば、このへこみ防止部材で皿ばね８の弾性力が分散され、力伝達ブロック１１やヒートシンク１２が変形しない圧力を力伝達ブロック１１やヒートシンク１２に作用させることができる。
【００４６】
そして、ＤＣ電極端子（Ｐ端子６、Ｎ端子７）には、絶縁板１３を介してヒートシンク１４が設けられ、力伝達ブロック１１上にはヒートシンク１２が設けられる。このヒートシンク１２，１４は、フィン形状（空冷）を有するものでもよいし、冷媒を循環させる機構（液冷）を設けたものでも構わない。そして、ヒートシンク１２，１４（及び、力伝達ブロック１１等）の端部（外周端または内周端）に雄ねじ部が形成されたボルト１５（固定部材）が挿通され、ボルト１５の雄ねじ部がヒートシンク１４に形成された雌ねじ部１４ａに螺合される。
【００４７】
このボルト１５により、半導体モジュール１の上下の厚み方向（ヒートシンク１２，１４間）の距離を保って半導体モジュール１を構成する各部材が固定されるとともに、皿ばね８に所定の圧縮変位が与えられる。ヒートシンク１２，１４に挟持された積層部２〜４や皿ばね８等を押圧するように、ヒートシンク１２，１４がボルト１５で固定されることで、皿ばね８に弾性力が蓄積される。この弾性力により、積層部２（及び、積層部３，４）に圧接力が作用する。つまり、半導体モジュール１の中心軸Ｂ方向に積層部２（及び、積層部３，４）を積層し、この積層部２を圧接するように皿ばね８を設けることで、ＡＣ電極端子５、Ｐ端子６が単相の１アームのスイッチ２ａに押圧され（または、ＡＣ電極端子５、Ｎ端子７が単相の１アームのスイッチ２ｂに押圧され）、ＡＣ電極端子５、Ｐ端子６と単相の１アームのスイッチ２ａ（または、ＡＣ電極端子５、Ｎ端子７と単相の１アームのスイッチ２ｂ）との電気的接続が行われる。また、半導体モジュール１の両端にヒートシンク１２，１４を設け、両面冷却構造とすることで、積層部２〜４（つまり、単相の１アームのスイッチ２ａ，２ｂ）を半導体モジュール１の両面から冷却することができる。
【００４８】
図１に示すように、ボルト１５は、皿ばね８より内側（つまり、溝部１１ａの最内周側より内側）と、皿ばね８より外側（つまり、溝部１１ａの最外周より外側）の位置に数か所設けられる。さらに、ボルト１５に隣接する積層部２〜４からの距離が等しくなるようにボルト１５を設けることで、ボルト１５によって締め付けられる力がそれぞれの積層部２〜４に対して均等にかかるようになる。ボルト１５は、例えば、１２０°間隔で３箇所、あるいは６０°間隔で６箇所等、同心円上に均等に配置することでそれぞれの積層部２〜４にかかる圧接力を均等にすることができる。
【００４９】
図２に示すように、半導体モジュール１の中心軸Ｂと同軸に形成された貫通穴９の内周側面には、ヒートシンク１２，１４あるいは力伝達ブロック１１と機械的に接続されたヒートシンク１６が設けられる。このヒートシンク１６は、フィン形状（空冷）を有するものでもよいし、冷媒を循環させる機構（液冷）を設けたものでも構わない。このヒートシンク１６により、半導体モジュール１内部で発生した熱の放熱が促進されるとともに、半導体モジュール１の内周面の側面から大気への熱伝達が促進される。その結果、半導体モジュール１の放熱性が向上する。
【００５０】
以上、具体的な実施形態を示して説明したように、本発明に係る半導体モジュールによれば、半導体素子を含む積層部を同一円周上に配置することで、それぞれの積層部の放熱条件が同じになり、各積層部を均一に冷却することができる。その結果、各積層部の熱膨張の影響による圧接力の変化を抑制し、各積層部に作用する圧接力が均一となる。
【００５１】
また、複数の積層部を一つの皿ばねで押圧する際に、積層部を皿ばねの中心軸を中心とする同一円周上に配置することで、複数の積層部に均一な圧接力を加えることができる。その結果、積層部を並列に動作させる半導体モジュールにおいて、それぞれの積層部（つまりは、半導体素子）にかかる圧接力が均一となり、特定の積層部（または、半導体素子）に電流が集中するなどの不具合を防止することができる。また、半導体モジュールを構成する構成部材点数が低減し、半導体モジュールの組立て利便性が向上する。
【００５２】
また、皿ばねに蓄積された弾性力が作用する箇所から半導体モジュールの中心軸の延長上（例えば、皿ばねの下端円周部の直下）に積層部を設けることにより、積層部と皿ばねとの間に弾性力を拡散するための物理的距離を確保しない場合でも、より均一な圧接力を積層部に作用させることができる。つまり、皿ばねを上下からボルト等の固定部材により垂直に押し付けた場合、皿ばねの弾性力は皿ばねの下端円周部（または上端円周部）では位置に依らず一定となる。そこで、皿ばねの弾性力が作用する場所の直下に積層部を配置することで、力伝達ブロックの厚さ（中心軸方向の厚さ）を薄くして、皿ばねと積層部との距離が短い場合でも、すべての積層部に均一な圧接力を与えることができる。よって、力伝達ブロックの厚みを薄くすることができ、半導体モジュールの小型化（特に、半導体モジュールの積層方向のサイズを小さくすること）ができる。さらに、半導体モジュールのサイズを小さくすることで、ヒートシンクと半導体素子との距離が短くなり、半導体モジュールの放熱性が向上する。
【００５３】
また、力伝達ブロックに皿ばね等の弾性部材を設けるための溝部を形成することにより、皿ばねの位置決めが容易になるとともに、皿ばねの弾性力を各積層部に均一に作用させることができる。なお、この力伝達ブロックを当該力伝達ブロックに設けられるヒートシンクと一体に用いる（若しくは、力伝達ブロックをヒートシンクとして用いる）ことにより半導体モジュールの放熱性が向上するとともに、力伝達ブロックに設けられる皿ばねが常に冷却され、皿ばねの温度変化による弾性力の変化を低減することができる。さらに、皿ばねと力伝達ブロック間にへこみ防止部材を設けると、皿ばねの弾性力による力伝達ブロックの変形（へこみ）を防止して、皿ばねの弾性力がより均一に積層部に作用する。
【００５４】
半導体素子を半導体モジュールの両面から圧接、冷却する半導体モジュールを実現する場合、大電流モジュールを実現するために半導体素子を含む積層部の並列化が必要であること、また、フルブリッジの３相インバータを実現するために２ｉｎ１の単相インバータを３個並列に配置する必要があること等の理由から、半導体モジュール全体では部品点数が多数となる。そのため、それぞれの積層部に対し１：１で圧接するような構成と、圧接力を付加するための機構（例えば、ねじやばね）が多数必要となり、部品点数が増加する。そして、部品点数の増加により、半導体モジュールの信頼性の低下や半導体モジュールの大型化、高コスト化が懸念される。
【００５５】
これらの懸念を避けるために、複数の積層部をできるだけ少ない機械的機構（ばねやねじ）で行う場合、それぞれの積層部にかかる圧接力のばらつきを抑えるためには、ばねを配置する場所、ばねのばね定数、ねじで締め付ける場所、締め付ける力等、精密な機械的な設計が必要となる。また、１つのばねが発する力を複数の積層部に均一に伝えるためには、ばねの直下で発生する局所的な強い力を複数の積層部に均一に分散して伝達させる必要があるため、その力を圧接方向に対して垂直な方向に広げるために一定の物理的な距離が必要となる。
【００５６】
上記課題に対して、本発明に係る半導体モジュールは、一つの皿ばねで各積層部を押圧するので、半導体モジュールを構成する部品点数を少なくすることができる。さらに、各積層部は、皿ばねの圧接力がかかる部分の圧接方向の延長上に設けられることとなるので、皿ばねと積層部との間の距離を短くした場合でも、各積層部にかかる圧接力が等しくなる。その結果、皿ばねと積層部との距離を短くして、全体の半導体モジュールを小型化することができる。すなわち、半導体モジュールの小型化と半導体素子の均一圧接とを同時に実現することができる。
【００５７】
また、半導体モジュールの外形を円柱状とすることにより、同じく円柱形の回転機やモーターにそのまま直付けできる。その結果、駆動装置と電力変換装置を一体に構成することによる装置の小型化や駆動装置に近接して電力変換装置を設けることによる半導体モジュールの低インダクタンス化を実現することができる。半導体モジュールの低インダクタンス化は、スイッチング時のサージ電圧の低減につながる。なお、半導体モジュールの外形は、必ずしも円柱状に限定されるものではなく、外形の形状は角柱状に形成する等適宜設計変更が可能である。
【００５８】
また、本発明の半導体モジュールは、ＳｉＣチップのように１チップ当たりの大きさが小さく複数の半導体素子を含む積層部を並列して電力変換器を構成するパワーモジュールにおいて、モジュールサイズを大きくすることなく、すべての半導体素子（積層部）を均一に圧接することができる。さらに、各積層部（及び各半導体素子）にかかる圧接力のばらつきが小さくなることで、半導体素子とヒートシンクとの間の熱抵抗（及び接触抵抗）が略等しくなり、半導体素子のスイッチング動作時や定常動作時の動作特性を等しくすることができる。
【００５９】
また、半導体モジュールの放熱性だけでなく組立て利便性も向上するので、半導体モジュールの高信頼性、利便性を同時に実現することができる。また、皿ばね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。よって、ＳｉＣ、ＧａＮ等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。
【００６０】
また、本発明の半導体モジュールは、ばね等の機械的な機構のみで、接合剤、封止材の使用をできるだけ抑えつつ、同時に信頼性のあるモジュールを構成できるので、材料面での制約や半導体モジュールの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モジュールを構成することができる。
【００６１】
本発明の半導体モジュールは、半導体モジュールの放熱性を向上させることができるので、この半導体モジュールを高温動作が要求される絶縁形パワー半導体モジュール、インバータ等の電力変換装置に用いることで、絶縁形パワー半導体モジュールの放熱性を向上させることができる。
【００６２】
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る。
【００６３】
例えば、実施形態に係る半導体モジュールの説明では、本発明に係る半導体モジュールの技術的特徴を複数組み合わせて形成される半導体モジュールを例示して説明したが、本発明の技術的特徴の一部を備えた半導体モジュールであっても、本発明の効果を部分的に得ることができる。
【００６４】
また、実施形態ではスイッチング素子と整流素子を１つずつ設けた単相の１アームのスイッチを２つ備えた積層部を例示して説明したが、半導体素子の種類や数（及び、積層部の数や積層部の構成）は適宜半導体モジュールの用途に応じて適宜変更が可能である。つまり、半導体モジュールは、インバータやコンバータ等の電力変換装置として用いることができ、それぞれの用途に応じて適宜半導体素子、例えば、ＩＧＢＴ、サイリスタ（ＧＴＯサイリスタ等）、トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ等）、ダイオード（ＦＷＤ等）が選択される。具体的には、半導体モジュールをインバータとして用いる場合には、スイッチング素子とダイオードが並列に複数組み込まれたインバータ回路が形成される。一方、半導体モジュールをコンバータとして用いる場合には、整流素子（ダイオード）のみでコンバータ回路が構成される。
【００６５】
また、実施形態の説明では、単相の１アームのスイッチを２つ用いて２ｉｎ１の積層部を構成し、この積層部を１２０°おきに３箇所配置して６ｉｎ１の３相ブリッジインバータになる構成を例示して説明したが、本発明の半導体モジュールはこの例に限定されるものではなく、例えば、インバータの電流容量を稼ぐために、６０°おきに同定格の積層部を６個並列化して半導体モジュールを構成する等、積層部の数は半導体モジュールの用途に応じて設定することができる。すなわち、各相（例えば、Ｕ，Ｖ，Ｗ）に対応する積層部が等間隔で配置されていればよい。
【００６６】
また、積層部の隙間や積層部とケースとの間の空間に樹脂等の封止材を充填すると、積層部を構成する部材の相互位置関係を一定に保つことができるとともに、各電極端子及びヒートシンク間の電位差を確保することができる。また、積層部（積層部を構成する各部材）、絶縁板、ヒートシンク、力伝達ブロック等の半導体モジュールを構成する各部材の表面に凹凸面を形成してもよい。この場合、お互いに接触する部材表面に形成された凹凸面同士が機械的に嵌合することで、モジュール全体に振動負荷がかかった場合においても、半導体モジュールを構成する各部材の相互の位置関係の過大な変位や半導体モジュール内での電気的なショートを防止することができる。
【００６７】
また、実施形態の説明では、皿ばねの下端円周部の下方に半導体チップを設ける形態を例示したが、皿ばねの上端円周部が電極端子を単相の１アームのスイッチ（半導体素子）方向に押圧する形態であってもよい。また、皿ばねが好ましいが、波板ばね、凸ばね、メッシュばね等の弾性部材を用いて積層部を圧接してもよい。なお、弾性部材を設ける位置は、実施形態に限定されるものではなく、ＤＣ電極端子を半導体素子方向に押圧するように設ける（例えば、図２の半導体モジュール１において、絶縁板１３とヒートシンク１４との間に設ける）等、積層部に圧接力を作用させることができる箇所に設ければよい。
【００６８】
また、単相の１アームのスイッチの配置方向は、図１に示した半導体モジュールのように、同一円周の接線に対して直交するように単相の１アームのスイッチを配置する形態の他に、例えば、同一円周の接線方向に単相の１アームのスイッチが並ぶように配置する形態であってもよい。
【００６９】
また、積層部を、圧接力発生源である弾性部材の真下（若しくは、真上）に配置すると、積層部と弾性部材との距離を短くすることができるので好ましいが、積層部は、必ずしも、弾性部材の真下に配置する必要はなく、弾性部材の弾性力が各積層部に均一にかかるのであれば、弾性部材の真下でない部分の同一円周上に配置する形態であってもよい。
【００７０】
また、固定部材は、ボルトをヒートシンクに螺合させることに限定されるものではなく、ボルトとナットで締結する等、適宜弾性部材の上下面間の距離が所定の値となるように締結できるものであればよく周知の固定方法を用いればよい。そして、固定部材の本数や、配置は、それぞれの積層部にかかる圧接力が等しくなる形態であれば、任意に設定可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１…半導体モジュール
２〜４…積層部
２ａ，２ｂ…単相の１アームのスイッチ
５…ＡＣ電極端子
６…ＤＣ電極端子（Ｐ端子）
７…ＤＣ電極端子（Ｎ端子）
８…皿ばね（弾性部材）
８ａ…上端円周部
８ｂ…下端円周部
９…貫通孔
１０，１３…絶縁板
１１…力伝達ブロック（弾性力伝達部材）
１２，１４，１６…ヒートシンク
１５…ボルト（固定部材）
１７…ケース
【図１】
2013120756.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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