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JP3919398B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、パワー素子等の半導体素子が搭載された電力用半導体モジュールに関し、特に、該半導体モジュールを外部放熱板に圧接するための取り付け枠の構造にするものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来の半導体モジュール１１８を、外部放熱板１１１に取り付けられた状態で示す断面図である。半導体モジュール１１８は、セラミック板１０１、第１の金属板１０２、及び第２の金属板１０３を有する絶縁基板１１７と、半田１０６によって第１の金属板１０２上に搭載された、パワー素子等の半導体素子１０５と、配線１０７によって半導体素子１０５あるいは第１の金属板１０２に接続された電極１０９が内部に配置され、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の熱可塑性樹脂を材質として成形されたケース１０４と、ケース１０４内に封入・硬化された樹脂１０８と、ケース１０４のフタ１１０とを備えている。
【０００３】
絶縁基板１１７は、放熱性向上のために第２の金属板１０３の表面にシリコングリスが塗布された後、ネジ１１２によってケース１０４と外部放熱板１１１とをネジ止めすることにより、ケース１０４の押圧力によって外部放熱板１１１に圧接される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の半導体モジュールによると、絶縁基板はケースの押圧力によって外部放熱板に圧接されており、しかも、ケースの材質として熱可塑性樹脂が使用されている。このため、特に高温環境下で継続的に使用された場合に、クリープ現象によって徐々にケースが変形し、絶縁基板に対するケースの押圧力が時間の経過とともに低下する。その結果、第２の金属板と外部放熱板との接触が悪くなって放熱性が悪化するという問題がある。
【０００５】
本発明はかかる問題を解決するために成されたものであり、変形に起因する押圧力の低下の問題を回避することにより、長期に渡って良好な放熱性を確保し得る半導体モジュール及び半導体モジュール用絶縁基板を得ることを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の主題は、外部放熱体に取り付けられる半導体モジュールであって、基板と、前記外部放熱体とは反対側の前記基板の第１主面上に形成された第１の導電性パターンと、前記外部放熱体側の前記基板の第２主面上に形成され、前記外部放熱体に接触する第２の導電性パターンとを有する半導体モジュール用絶縁基板と、前記外部放熱体に接触する取り付け面を有し、前記半導体モジュール用絶縁基板の周縁部に前記第１主面側から係合する鍔部を周縁に沿って有し、前記鍔部によって前記半導体モジュール用絶縁基板の前記周縁部を前記外部放熱体方向に加圧することにより、前記半導体モジュール用絶縁基板を前記外部放熱体に圧接する、金属製の取り付け枠と、前記基板の周縁部において、前記第１主面上に形成された第３の導電性パターンとを備え、前記鍔部と前記半導体モジュール用絶縁基板とは、前記第３の導電性パターンを介して互いに接触しており、前記第３の導電性パターンは、前記鍔部の一部が前記第３の導電性パターンに接触するように部分的に形成されており、前記取り付け枠と前記半導体モジュール用絶縁基板とは、前記第３の導電性パターンに接触しない部分の前記鍔部と前記第１主面との隙間に設けられた接着剤によって互いに接着されていることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュール１８を、外部放熱板１１に取り付けられた状態で示す断面図である。半導体モジュール１８は、セラミック板１と、外部放熱板１１とは反対側のセラミック板１の第１主面上に形成された第１の金属板２と、外部放熱板１１側のセラミック板１の第２主面上に形成され、外部放熱板１１に接触する第２の金属板３とを有する半導体モジュール用絶縁基板１７を備えている。
【００１６】
また、半導体モジュール１８は、外部放熱板１１の上面に接触する底面を取り付け面として有し、セラミック板１の第１主面側から絶縁基板１７の周縁部に係合する鍔部２０を自身の周縁に沿って有する、リング状の金属枠１３を備えている。金属枠１３はネジ１２によって外部放熱板１１にネジ止めされ、あるいは接着剤によって外部放熱板１１に接着されている。外部放熱板１１にネジ止めあるいは接着された金属枠１３は、鍔部２０によって絶縁基板１７の周縁部を外部放熱板１１の方向に押圧する。絶縁基板１７は、この押圧力によって外部放熱板１１に圧接されている。
【００１７】
また、半導体モジュール１８は、半田６を介して第１の金属板２上に搭載された、パワー素子等の半導体素子５と、外部放熱板１１とは反対側の金属枠１３の主面上に接着又はネジ止めされた、中空円筒状のケース４を備えている。ケース４はＰＰＳやＰＢＴ等の熱可塑性樹脂を材質として成形されており、その内部には電極９が配置されている。電極９は、アルミ製の細線等の配線７によって半導体素子５あるいは第１の金属板２に接続されている。
【００１８】
ケース４の側面は、金属枠１３の鍔部２０の側面及び絶縁基板１７の上面とともに、半導体素子５を取り囲む空間を構成している。そして、この空間内には、少なくとも半導体素子５と配線７とを埋設するように、絶縁性を有する封止材８が充填されている。これにより、機械的強度が付与されるとともに、金属枠１３、半導体素子５、及び配線７の相互間の絶縁性が確保される。封止材８としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性を有する樹脂を使用することができる。あるいは、機械的強度が十分である場合は、シリコンゲル等を使用してもよい。フタ１０は、必要に応じてケース４に接着あるいはネジ止めされる。
【００１９】
このように本実施の形態１に係る半導体モジュール１８によれば、絶縁基板１７は、熱可塑性樹脂から成る従来のケース１０４ではなく、金属枠１３の押圧力によって外部放熱板１１に圧接される。従って、クリープ現象の発生がなく、たとえ高温環境下で継続的に使用された場合であっても、金属枠１３の変形に起因して押圧力が低下するという問題を回避することができる。その結果、長期に渡って良好な放熱性を確保することができる。
【００２０】
また、熱可塑性樹脂から成る従来のケース１０４に比べて金属枠１３は放熱性に優れているため、半導体モジュールの小型化を図ることもできる。
【００２１】
さらに、封止材８として熱硬化性樹脂を使用した場合は、半導体モジュール１８を外部放熱板１１に取り付ける前の段階において、第２の金属板３側からの外力による絶縁基板１７の折れ破損を防止することもできる。
【００２２】
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２に係る半導体モジュール１９を、外部放熱板１１に取り付けられた状態で示す断面図である。半導体モジュール１９は、図１に示した金属枠１３の代わりに、外部放熱板１１に接触する取り付け面を有する下側金属板１３ａと、下側金属板１３ａ上に固着された上側金属板１３ｂとの２層構造を備えている。上側金属板１３ｂの半導体素子５側の周端部は、下側金属板１３ａの半導体素子５側の周端部から突出しており、図１に示した鍔部２０に相当する突出部２１を構成している。
【００２３】
下側金属板１３ａの板厚は、セラミック板１の板厚と第２の金属板３の板厚との合計の板厚に等しい。上側金属板１３ｂの板厚は任意であるが、製造管理の容易化を考慮すると、下側金属板１３ａの板厚に等しくするのが望ましい。本実施の形態２に係る半導体モジュール１９のその他の構造は、図１に示した上記実施の形態１に係る半導体モジュール１８の構造と同一である。
【００２４】
このように本実施の形態２に係る半導体モジュール１９は、図１に示した金属枠１３の代わりに、下側金属板１３ａと上側金属板１３ｂとの２層構造を備える。図１に示した金属枠１３の鍔部２０をプレス成形によって作製する場合は、プレスの成形公差の管理や金属枠１３の平面度の管理等の種々の製造管理が必要となる。これに対し本実施の形態２に係る半導体モジュール１９によれば、下側金属板１３ａの板厚公差のみを管理すればよく、製造管理の容易化を図ることができる。
【００２５】
また、プレス成形による鍔部２０の加工が不要となるため、生産性が向上してコストの低減を図ることもできる。
【００２６】
実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールの構造の一部を、外部放熱板１１に取り付けられた状態で部分的に拡大して示す断面図である。図３に示した本実施の形態３に係る半導体モジュールは、セラミック板１の周縁に沿ってセラミック板１の第１主面上に形成された第３の金属板２５を備えている。金属枠１３の鍔部２０とセラミック板１とは、この第３の金属板２５を介して互いに接触している。
【００２７】
また、第３の金属板２５は、鍔部２０の一部が第３の金属板２５に接触するように部分的に形成されており、金属枠１３と絶縁基板１７とは、鍔部２０とセラミック板１との隙間を埋める接着剤１４によって互いに接着されている。
【００２８】
以上の説明では、上記実施の形態１に係る半導体モジュール１８を基礎として本実施の形態３に係る発明を適用する場合について述べたが、図４に示すように、上記実施の形態２に係る半導体モジュール１９を基礎として本実施の形態３に係る発明を適用することもできる。本実施の形態３に係る半導体モジュールのその他の構造は、上記半導体モジュール１８，１９の構造と同一である。
【００２９】
このように本実施の形態３に係る半導体モジュールによれば、金属枠１３あるいは上側金属板１３ｂとセラミック板１とが第３の金属板２５を介して互いに接触するため、放熱性がさらに向上し、半導体モジュールのさらなる小型化を図ることができる。
【００３０】
また、鍔部２０あるいは突出部２１から第３の金属板２５を介してセラミック板１に加わる応力の均一化を図ることができ、セラミック板１の割れ破損を適切に防止することもできる。
【００３１】
さらに、接着剤１４の厚みを、第３の金属板２５の板厚相当に厚くすることができるため、たとえ封止材８としてゲル状の樹脂を使用した場合であっても、封止材８の流出が接着剤１４によって防止され、信頼性の高い半導体モジュールを得ることができる。
【００３２】
実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４に係る半導体モジュール１８ａを、外部放熱板１１に取り付けられた状態で示す断面図である。例えば図１に示した半導体モジュール１８では、金属枠１３の鍔部２０と絶縁基板１７の第１の金属板２とが互いに接触しないように、セラミック板１はその周縁部に、第１の金属板２の周縁部よりも外側に張り出す張り出し部を有していた。これに対して本実施の形態４に係る半導体モジュール１８ａでは、第１の金属板２及びセラミック板１の各周縁部が揃うように、セラミック板１の上記張り出し部を無くした。また、第２の金属板３の周縁部をセラミック板１の周縁部に揃えた。
【００３３】
そして、金属枠１３と第１の金属板２及び第２の金属板３とが互いに接触しないように、金属枠１３と絶縁基板１７ａとの間に隙間４０を設け、この隙間４０内にも絶縁性の封止材８が流れ込むようにした。その結果、外部放熱板１１にネジ止めされた金属枠１３は、鍔部２０によって第１の金属板２の周縁部を封止材８を介して外部放熱板１１の方向に押圧し、絶縁基板１７ａはその押圧力によって外部放熱板１１に圧接されている。
【００３４】
なお、以上の説明では、上記実施の形態１に係る半導体モジュール１８を基礎として本実施の形態４に係る発明を適用する場合について述べたが、上記実施の形態２に係る半導体モジュール１９を基礎として本実施の形態４に係る発明を適用することもできる。
【００３５】
このように本実施の形態４に係る半導体モジュール１８ａによれば、セラミック板１及び第２の金属板３の各周縁部を、第１の金属板２の周縁部に揃えた。このため、上記張り出し部を無くした分だけ絶縁基板１７ａを小型化することができ、これに伴い、半導体モジュール１８ａ自体の幅Ｗも縮小することができる。
【００３６】
実施の形態５．
図６は、本発明の実施の形態５に係る半導体モジュール用絶縁基板１５の構造を示す断面図である。絶縁基板１５は、図１，２に示した絶縁基板１７を基礎として、外部放熱板１１に接触する取り付け面の周縁部が中央部に対して外部放熱板１１から遠ざかる方向に距離Ｌ（Ｌ：０〜３００μｍ）だけ反り上がるように、セラミック板１、第１の金属板２、及び第２の金属板３を、外部放熱板１１に対してそれぞれ凸状に湾曲させたものである。
【００３７】
また、図７は、本発明の実施の形態５の変形例に係る半導体モジュール用絶縁基板１６の構造を示す断面図である。絶縁基板１６は、図３，４に示した絶縁基板１７を基礎として、絶縁基板１５と同様に、セラミック板１、第１の金属板２、第２の金属板３、及び第３の金属板２５を、外部放熱板１１に対してそれぞれ凸状に湾曲させたものである。
【００３８】
なお、以上の説明では、セラミック板１、第１の金属板２、第２の金属板３、及び第３の金属板２５の全てを湾曲させる例について説明したが、図８に示す絶縁基板４１のように、第２の金属板３の底面のみを凸状に湾曲させてもよい。また、上記実施の形態４に係る絶縁基板１７ａを基礎として、本実施の形態５に係る発明を適用することもできる。
【００３９】
以上のように本実施の形態５に係る半導体モジュール用絶縁基板１５，１６，４１においては、外部放熱板１１へ取り付けるよりも前の段階において、取り付け面の周縁部が中央部に対して外部放熱板１１とは反対側に反り上がっている。従って、半導体モジュールを外部放熱板１１に取り付けるために、鍔部２０あるいは突出部２１による押圧によって取り付け面の周縁部を外部放熱板１１に圧接すると、必然的に取り付け面の中央部も外部放熱板１１に圧接されることになる。このように本実施の形態５に係る絶縁基板１５，１６，４１によれば、上記実施の形態１〜４に係る絶縁基板１６，１７，１７ａと比較して、特に取り付け面の中央部において外部放熱板１１との接触性をより確保することができ、放熱性のさらなる向上を図ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
この発明のうち請求項１に係るものによれば、半導体モジュール用絶縁基板は、熱可塑性樹脂から成る従来のケースではなく、金属製の取り付け枠の押圧力によって外部放熱体に圧接される。従って、クリープ現象の発生がなく、たとえ高温環境下で継続的に使用された場合であっても、枠の変形に起因して押圧力が低下するという問題を回避することができる。その結果、長期に渡って良好な放熱性を確保することができる。
【００４１】
また、熱可塑性樹脂から成る従来のケースに比べて金属製の枠は放熱性に優れているため、半導体モジュールの小型化を図ることもできる。
【００４５】
また、請求項１に係る発明によれば、鍔部と半導体モジュール用絶縁基板とが第３の導電性パターンを介して互いに接触するため、放熱性がさらに向上し、半導体モジュールのさらなる小型化を図ることができる。
【００４６】
また、鍔部から第３の導電性パターンを介して基板に加わる応力の均一化を図ることができ、基板の割れ破損を適切に防止することもできる。
【００４７】
また、請求項１に係る発明によれば、接着剤の厚みを、第３の導電性パターンの厚み相当に厚くすることができるため、たとえ半導体素子を覆う封止材としてゲル状の材質を使用した場合であっても、接着剤によって封止材の流出が防止され、信頼性の高い半導体モジュールを得ることができる。
【００４９】
また、請求項２に係る発明によれば、空間内を充填する絶縁性の封止材によって、機械的強度が付与されるとともに、金属製の取り付け枠と半導体素子との間の絶縁性を確保することができる。
【００５０】
また、請求項３に係る発明によれば、半導体モジュールを外部放熱体に取り付ける前の段階において、第２の導電性パターン側からの外力による半導体モジュール用絶縁基板の折れ破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールを、外部放熱板に取り付けられた状態で示す断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールを、外部放熱板に取り付けられた状態で示す断面図である。
【図３】 本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールの構造の一部を、外部放熱板に取り付けられた状態で部分的に拡大して示す断面図である。
【図４】 本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールの他の構造の一部を、外部放熱板に取り付けられた状態で部分的に拡大して示す断面図である。
【図５】 本発明の実施の形態４に係る半導体モジュールを、外部放熱板に取り付けられた状態で示す断面図である。
【図６】 本発明の実施の形態５に係る半導体モジュール用絶縁基板の構造を示す断面図である。
【図７】 本発明の実施の形態５の第１の変形例に係る半導体モジュール用絶縁基板の構造を示す断面図である。
【図８】 本発明の実施の形態５の第２の変形例に係る半導体モジュール用絶縁基板の構造を示す断面図である。
【図９】 従来の半導体モジュールを、外部放熱板に取り付けられた状態で示す断面図である。
【符号の説明】
１ セラミック板、２ 第１の金属板、３ 第２の金属板、４ ケース、５ 半導体素子、８ 封止材、１１ 外部放熱板、１３ 金属枠、１３ａ 下側金属板、１３ｂ 上側金属板、１４ 接着剤、１５〜１７，１７ａ，４１ 絶縁基板、１８，１８ａ，１９ 半導体モジュール、２０ 鍔部、２１ 突出部、２５ 第３の金属板。

Claims (3)

  1. 外部放熱体に取り付けられる半導体モジュールであって、
    基板と、前記外部放熱体とは反対側の前記基板の第１主面上に形成された第１の導電性パターンと、前記外部放熱体側の前記基板の第２主面上に形成され、前記外部放熱体に接触する第２の導電性パターンとを有する半導体モジュール用絶縁基板と、
    前記外部放熱体に接触する取り付け面を有し、前記半導体モジュール用絶縁基板の周縁部に前記第１主面側から係合する鍔部を周縁に沿って有し、前記鍔部によって前記半導体モジュール用絶縁基板の前記周縁部を前記外部放熱体方向に加圧することにより、前記半導体モジュール用絶縁基板を前記外部放熱体に圧接する、金属製の取り付け枠と、
    前記基板の周縁部において、前記第１主面上に形成された第３の導電性パターンとを備え、
    前記鍔部と前記半導体モジュール用絶縁基板とは、前記第３の導電性パターンを介して互いに接触しており、
    前記第３の導電性パターンは、前記鍔部の一部が前記第３の導電性パターンに接触するように部分的に形成されており、
    前記取り付け枠と前記半導体モジュール用絶縁基板とは、前記第３の導電性パターンに接触しない部分の前記鍔部と前記第１主面との隙間に設けられた接着剤によって互いに接着されていることを特徴とする、
    半導体モジュール。
  2. 請求項１に記載の半導体モジュールであって、
    前記第１の導電性パターン上に搭載された半導体素子と、
    前記外部放熱体とは反対側の前記取り付け枠の主面上に配置され、前記取り付け枠及び前記半導体モジュール用絶縁基板とともに、前記半導体素子を取り囲む空間を構成する筒状のケースと、
    前記空間内に充填された絶縁性の封止材とを更に更に備えることを特徴とする、
    半導体モジュール。
  3. 請求項２に記載の半導体モジュールであって、
    前記封止材は熱硬化性を有する樹脂であることを特徴とする、
    半導体モジュール。
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