(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の開口部を有する板状の金属枠と、
この金属枠の前記開口部に取り付けられる半導体モジュールと、
前記半導体モジュールが取り付けられた金属枠の一方の面を覆うプラスチック製のカバーと、
このカバー内に充填される樹脂と
を備えたことを特徴とする大型半導体モジュール。
【請求項２】
前記金属枠に取り付けられた半導体モジュールの各電極は並列接続又は直列接続されて前記カバーの上面に突設されている電極に接続されることを特徴とする請求項１記載の大型半導体モジュール。
【請求項３】
前記半導体モジュールが取り付けられた金属枠の前記カバーに覆われている面と反対の面をヒートシンクに取り付けることを特徴とする請求項１記載の大型半導体モジュール。
【請求項４】
前記半導体モジュールは、表面にロー付けにて金属板を結合したセラミック製の基板と、
この基板の外周部で前記金属板の外側の表面にロー付けにより気密的に結合した円筒形の金属製フランジと、
この金属製フランジの開口部を気密的に塞ぐセラミック製の円板状のハウンジング部と、
前記セラミック製の基板表面の金属板に半田付けされた少なくとも１個以上の半導体チップとを有することを特徴とする請求項１記載の大型半導体モジュール。
【請求項５】
前記半導体モジュールは、表面にロー付けにて金属板を結合したセラミック製の基板と、
この基板の外周部で前記金属板の表面にロー付けにより気密的に結合した円筒形の金属製フランジと、
この金属製フランジの開口部を気密的に塞ぐセラミック製の円板状のハウンジング部と、
前記セラミック製の基板表面の金属板に半田付けされた少なくとも１個以上の半導体チップとを有することを特徴とする請求項１記載の大型半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電鉄、車両用のパワーデバイスとして使用されるＩＧＢＴの半導体モジュールを複数個集合して構成される大型半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来のプラスチックモジュール型ＩＧＢＴモジュールの内部構造例を示した断面図である。冷却用金属板１の端部にプラスチック製の側壁２が接着されており、このプラスチックの側壁２の上面をプラスチック製の端子キャップ３が覆っている。冷却用金属板１の上には、セラミック基板４の下面にダイレクトボンド又は銀ロー付けしてある銅板５が半田６により半田付けされている。セラミック基板４の上面には配線パターンを形成する銅板７が張り付けてあり、この銅板７にＩＧＢＴ等の半導体チップ８が半田１３により半田付けされている。
【０００３】
半導体チップ８はアルミワイヤー９をワイヤーボンディングすることにより銅板７の配線パターンに電気的に接続されている。又、この銅板７の配線パターンには、銅製のエミッタターミナル１０、コレクターターミナル１１、ゲートターミナル１２がそれぞれ半田１３により半田付で立設され、頭部は端子キャップ３の外部に露出し、又、端子キャップ３はこれらエミッタターミナル１０、コレクターターミナル１１、ゲートターミナル１２を支持している。更に、半導体チップ８を外気から遮断するために、内部にはシリコン樹脂１４が充填され、このシリコン樹脂１４の上方にはエポキシ系の樹脂１５が充填されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のプラスチックモジュール型ＩＧＢＴモジュールでは、シリコン樹脂１４やエポキシ系の樹脂１５による樹脂封止された構造を有しているが、この樹脂封止は半気密構造であるため、従来のプラスチックモジュール型ＩＧＢＴモジュールは半気密構造である。
【０００５】
従って、耐湿性に弱く、高温高湿環境下において、水分がモジュール内部に進入し、半導体チップ８の特性劣化を引き起こすという問題があった。また、樹脂封止に使用するシリコン樹脂には不純物（ナトリウム、クローム等）が混入する可能性があり、この不純物が半導体チップ８を侵し、その信頼性を損ねる恐れがあるという問題があった。
【０００６】
更に、モジュールを構成する外郭部材はプラスチックであるため、機械的強度も弱く、半導体チップ８が短絡事故などにより爆発する際の防爆耐量がほとんど無いという問題があった。又、半導体チップ８と銅板７の配線パターンはアルミワイヤボンディング接続により接続されているため、パワーサイクル耐量が低い（例えば１００万回程度のパワーサイクル耐量の要求に対して例えば１０万回程度しかない）という問題があった。更に、冷却用金属板１とセラミック４の熱膨張差が大きく、これにより生じる熱応力によるクラックが半田６に発生し、モジュールのＴＣＴ信頼性を損ねるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述の如き従来の課題を解決するためになされたもので、その目的は、耐湿性に強く、防爆耐量が大きく、ＴＣＴ信頼性が高く、パワ一サイクル耐量の優れた半導体モジュールを集合させて構成される大型半導体モジュールを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、複数の開口部を有する板状の金属枠と、この金属枠の開口部に取り付けられる半導体モジュールと、半導体モジュールが取り付けられた金属枠の一方の面を覆うプラスチック製のカバーと、このカバー内に充填される樹脂とを備えたことにある。
【０００９】
本発明の特徴によれば、金属枠に所望の個数の開口部を設けておけば、金属枠に所望の個数の例えばＩＧＢＴなどの半導体モジュールが取り付けられ、ユーザーの各種仕様に容易に対応することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態に係る大型半導体モジュールに用いる半導体モジュールを示した断面図である。セラミック基板３１の上面には銅板３３が銀ロー付けにより結合している。セラミック基板３１の銅板の外側には円形の低膨張金属製のフランジ３２が銀ロー付けにより結合している。
【００１１】
銅板３３の上に半田３４により半導体チップ３５が半田付けされている。
【００１２】
半導体チップ３５の主面にはモリブデン製のエミッタ電極部材３６がバネ３７により押圧され、エミッタ電極部材３６が半導体チップ３５のエミッタ電極に圧接して、エミッタ電極経路が形成されている。バネ３７はセラミックハウジング３８により上から押しつけられて、押圧力を発生している。セラミックハウジング３８の端部は円環状の低膨張金属製部材３９が銀ロー付けされていて、この円環状の部材３９の上部がフランジ３２の上端部と溶接されている。
【００１３】
銅板３３には半導体チップ３５のコレクタである底面が半田付けされているため、銅板３３はコレクタとなっている。この銅板３３の中央付近から銅のコレクタ導電部材４０が半田付けにより立設され、これがエミッタ電極部材３６を貫通し、更にセラミックハウジング３８を貫通して外部に突出している。
【００１４】
又、エミッタ電極部材３６の上に銅のエミッタ導電部材４１が立設され、これがセラミックハウジング３８を貫通して外部に突出している。コレクタ導電部材４０はセラミックハウジング３８に銀ロー付けにより立設された銅のキャップ形状のコレクタ電極４２によりカシメにより結合され、エミッタ導電部材４１はセラミックハウジング３８に銀ロー付けにより立設された銅のキャップ形状のエミッタ電極４３によりカシメにより結合されている。尚、本例では４個の半導体チップ３５が上記した半導体モジュール内に収容されている。
【００１５】
図１に示した半導体モジュールによれば、低膨張金属製のフランジ３２の円形の上下の開口部をセラミック基板３１とセラミックハウジング３８で銀ロー付けや溶接などにより気密的に塞いで、密閉容器を形成し、更に、セラミックハウジング３８の上に突出しているコレクタ導電部材４０、エミッタ導電部材４１の貫通口をキャップ形状のコレクタ電極４２、キャップ形状のエミッタ電極４１により銀ロー付けにより気密的に塞いでいるため、容器は極めて高い気密性（１０-9ｔｏｒｒ）を有している。これによって、耐湿性を極めて高くすることができ、内部に湿気や腐食性ガスなどの侵入を完全に防止して、半導体チップ３５の故障を防止し、その信頼性を著しく高めることができる。
【００１６】
又、金属とセラミックを溶接と銀ローで接合して半導体チップ３５の密閉容器を形成しているため、機械的強度がプラスチックなどに比べて極めて大きく、半導体チップ３５が短絡などで爆発しても、十分な防爆耐量があり、密閉容器が破壊されることはなく、安全性が向上している。
【００１７】
更に、半導体チップ３５は、アルミワイヤーなどを用いずにエミッタ電極部材３６などの圧接や、銅板３３への半田付けによりエミッタ電極４３やコレクタ電極４２と接続され、通電容量の大きな導電部材により電極経路が形成されているため、パワーサイクル耐量（１００万回以上）を著しく向上させることができる。
【００１８】
又、冷却用金属板１を使用せずとも良くなるので、セラミック基板３１と銅板３３の熱膨張率が異なっていても、クラックが入ったりせず、ＴＣＴ耐量を向上させることができる。
【００１９】
また、モジュールの寸法などは従来例と同一にできるため、同様の寸法仕様にて使用することができる。
【００２０】
図２は本発明の実施の形態に係る大型半導体モジュールに用いる半導体モジュールの他の例を示した断面図である。
【００２１】
セラミック基板３１の上部に銀ロー付けにて結合している銅板３３上に筒型の低膨張金属製のフランジ３２が銀ロー付けにより結合している。この銅板３３に半導体チップ３５の底面が半田３４により半田付けされ、半導体チップ３５の底面はコレクタになっているため、銅板３３はコレクタに接続されている。しかも、低膨張金属製のフランジ３２は銅板３３に電気的に結合しているため、フランジ３２はコレクタ電極を兼ねていることになる。
【００２２】
従って、本例ではセラミックハウジング３８の上には、エミッタ電極部材３６に立設されたエミッタ電極部材４１にカシメにより結合しているキャップ形状のエミッタ電極４３のみが銀ロー付けにより立設している。他の構成は図１に示した例と同様である。
【００２３】
図２に示す半導体モジュールによれば、銅板３３の上に低膨張金属製のフランジ３２が銀ロー付けにより結合しているため、銅板３３の熱膨張が抑えられ、その分、図１に示す半導体モジュールよりもＴＣＴ耐量を向上させることができる。
【００２４】
又、パワーサイクル耐量を損なうことなく、フランジ３２がコレクタ電極を兼ねているため、コレクタ電極をセラミックハウジング３８の上に設ける必要がなく、この分、装置を小型にできると共に、その組み立て性を向上させることができる。他の構成は図１に示した半導体モジュールと同様で、同様の効果がある。
【００２５】
図３は本発明の大型半導体モジュールの一実施の形態を示した縦断面図である。図４は同大型の半導体モジュールの横断面図である。大型半導体モジュールの外郭を構成するネジ止めフランジ（金属枠）５１はその平面が四角形状を有し、小型の半導体モジュール８０を収容する複数の円形の開口部５２（この例では円形だがくけいでも良い）を有している。これら開口部５２にはシーリングラバー５３を介して円形の小型の半導体モジュール８０が図示されないネジにより取り付けてある。この小型の半導体モジュール８０は例えば図２に示したものである。
【００２６】
ネジ止めフランジ５１の上部はプラスチックのカバー５４が接着結合され、小型の半導体モジュール８０を覆っている。これら半導体モジュール８０のエミッタ電極３６やコレクタ電極３２は導電材５５、５６により並列接続され、これら導電材５５、５６はプラスチックのカバー５４の上部に大型半導体モジュールの電極として配置されているエミッタ電極５７やコレクタ電極５８に接続されている。更に、プラスチックのカバー５４の内部は、機械的強度、絶縁強度を高めるためのゲル状のシリコン樹脂５９もしくはエポキシ樹脂などにより充填されている。
【００２７】
尚、上記のような大型半導体モジュールの下部は図３に示すように大型のヒートシンク６０に図示されないネジ止めにより密着されて使用される。
【００２８】
本実施の形態によれば、所望の容量が得られる個数（本例では４個）の半導体モジュール８０をネジ止めフランジ５１に取り付けることにより、大型半導体モジュールを構成することができるため、ユーザーの要求する電力仕様に迅速且つ容易に対応することができる。尚、上記実施の形態にて、半導体モジュール８０は電気的に並列接続されているが、直列接続されていてもよく、この場合は、ユーザーの要求する耐圧モジュール回路仕様に迅速且つ容易に対応することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の大型半導体モジュールによれば、金属枠に取り付ける半導体チップの数を調整することにより、半導体チップの電力容量を迅速且つ容易に変更でき、ユーザーの各種仕様に迅速且つ安価に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る大型半導体モジュールに用いる半導体モジュールの例を示した断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る大型半導体モジュールに用いる半導体モジュールの他の例を示した断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る大型半導体モジュールを示した断面図である。
【図４】図３に示した大型半導体モジュールの横断面図である。
【図５】従来の半導体モジュールの構成例を示した断面図である。
【符号の説明】
３１  セラミック基板
３２  フランジ
３３  銅板
３４  半田
３５  半導体チップ
３６  エミッタ電極部材
３７  バネ
３８  セラミックハウジング
３９  低膨張金属製部材
４０  コレクタ導電部材  ４１  エミッタ導電部材
４２、５８  コレクタ電極
４３、５７  エミッタ電極
５１  ネジ止めフランジ
５２  開口部
５３  シーリンクバラバー
５４  カバー
５５、５６  導電材
５９  シリコン樹脂
６０  ヒートシンク
８０  半導体モジュール
【図１】
0003830919.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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