JP2011142124A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【目的】低コストで任意の回路を構成でき、冷却体への密着性と熱放散性を向上できる半導体モジュールを提供する。
【解決手段】半導体装置２００は、半導体チップを封止した半導体装置用ユニット１０１、配線基板２８およびボルト締めユニット２６を備える。少なくともユニット１０１とボルト締めユニット２６は弾性接着剤により固着されている。ユニット１０１は、銅ブロック、導電パターン付絶縁基板、ＩＧＢＴチップ、ダイオードチップ、コレクタ端子ピン１５、インプラントピンが固着したプリント基板、エミッタ端子ピン１９、制御端子ピン２０、コレクタ端子ピン１５および、これらを封止する樹脂ケースとから構成される。
【選択図】 図４

Description

この発明は、半導体チップを封止した半導体装置用ユニットにより構成される半導体モジュール等の半導体装置に関する。

例えば、電気自動車などの駆動源には通常モータが用いられ、このモータはインバータ装置によって制御されている。このようなインバータ装置の主回路にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などの電力用半導体素子が用いられている。この電力用半導体素子を複数個結線して三相インバータブリッジを構成したインバータブリッジモジュールが特許文献１に開示されている。

図１６は、特許文献１に示されている従来のインバータブリッジモジュールの構成図であり、同図（ａ）はインバータブリッジモジュールの斜視図、同図（ｂ）はＩＧＢＴユニットの斜視図である。

このインバータブリッジモジュールは、封止されたＩＧＢＴユニット５４ａから５４ｆをヒートシンク５３上に３個づつ２列に並べ、Ｐバスバー５１とＮバスバー５２に接続することで形成され、ユニットの側面からはＰ端子５１ａとＮ端子５２ａが露出し飛び出している。

このインバータブリッジモジュールは、Ｐバスバー５１とＮバスバー５２を平行に配置することで、配線インダクタンスを低減している。
尚、図中の符号で、５５は第１のコレクタ端子、５６は第１のエミッタ端子、５７は第２のコレクタ端子、５９は筺体である。

特許文献２は、２個組の半導体モジュールのディスクリート製品を所用台数向きを揃えて一括収容して一つの集合ユニット体を構成する上面開放型の組立てケースを開示している。

また、特許文献３には、主スイッチング素子に重ね合わせて組み立てられているプリント基板が開示されている。
また、特許文献４には、半導体モジュールは、補強梁側から補強梁と押え用板状バネを介して半導体モジュールのネジ貫通孔に挿入されたネジによってヒートシンクまたは放熱板に固定される構成が開示されている。

特開２００７−２３６０４４号公報 特開２００１−３６００５号公報 特許３４３０１９２号公報 特許４１２９０２７号公報

上述のように、ＩＧＢＴユニットやディスクリート製品を組み合わせて、様々な容量の半導体モジュールを構成できれば、部品の在庫数を減らすことができ、低コストで半導体モジュールを提供できるようになる。

しかし、特許文献１では、各ＩＧＢＴユニットを個々にバスバーに取り付けて配線するので、取り付けが煩雑になり製造コストが増大する。
また、ＩＧＢＴユニットの複数の端子の内一つの端子のみでヒートシンクにボルト締めされるため、ヒートシンクへの密着力の分布が不均一となり、放熱性が不十分となる。

また、ＩＧＢＴユニットのコレクタ側にヒートスプレッダが配置されていないので、ＩＧＢＴユニットからヒートシンク（冷却体）への均一な熱放散が得られにくい。
また、特許文献２〜特許文献４には、本発明のようにユニットを一括集合させてヒートシンクへの密着性と熱放散性を向上させた半導体装置については記載されていない。

半導体モジュールには大電流が流れるため、その冷却方法が重要であるが、半導体装置のユニットから構成される半導体モジュールと冷却体を密着させ、各ユニットを等しく冷却する構成についてはこれまで検討されてこなかった。

この発明の目的は、上述の課題を解決して、冷却体への密着性と熱放散性を向上でき、さらに低コストで任意の回路を構成できる半導体モジュールを提供することにある。

上記の課題を解決するため、請求項１の半導体装置は、（１）その一方の面に第１導電パターンが、他方の面に第２導電パターンが、夫々形成された絶縁基板と、該第１導電パターンにはんだで固着された第１導電ブロックと、前記第２導電パターンにはんだで固着された第２導電ブロックと、該第２導電ブロック上にはんだでその一方の面が固着された半導体チップと、該半導体チップの他方の面にはんだを介して固着された複数のインプラントピンと、第３導電パターンが形成され、かつ、該第３導電パターンに前記インプラントピンが固着されたプリント基板と、前記第３導電パターンに固着され、前記インプラントピンと電気的に接続された第１外部導出端子と、前記第２導電ブロックに固着された第２外部導出端子と、前記第１導電ブロックを、その一の面から露出させるよう、かつ、前記第１外部導出端子および第２外部導出端子を、夫々の端部を前記一の面に対向する面から突出させるよう、封止している樹脂ケースと、を具備している、複数の半導体装置用ユニットと、（２）前記半導体装置用ユニットの集合体の一の側に配置され、前記第１外部導出端子および前記第２外部導出端子と電気的に接続し、前記半導体装置用ユニット同士を配線する配線パターンが形成された配線基板と、（３）前記半導体装置用ユニットの集合体を両側面から挟み、前記配線基板と共に前記半導体装置用ユニットの集合体を冷却体に固定するためのボルト用の貫通孔が設けられた取り付け部材と、（４）前記半導体装置用ユニット間、および、前記半導体装置用ユニットと前記取り付け部材の間をそれぞれ固着している弾性接着剤と、を具備していることを特徴とする。

したがって、本発明の半導体装置において、複数の半導体装置用ユニットおよび取り付け部材は弾性接着剤により一体化されている。
また、請求項２の発明は、請求項１に記載された半導体装置において、前記弾性接着剤の熱変形温度が−１０℃以下であることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１に記載された半導体装置において、前記弾性接着剤がシリコーンゴム系接着剤であることを特徴とする。
さらに、請求項４の発明は、請求項１に記載された半導体装置において、前記半導体装置用ユニットと配線基板の間を固着している弾性接着剤を具備することを特徴とする。

したがって、本発明の半導体装置において、好ましくは複数の半導体装置用ユニット、取り付け部材に加えて配線基板も弾性接着剤により一体化されている。
さらに、請求項５の発明は、請求項１に記載された半導体装置において、前記半導体装置用ユニットと配線基板の間に挟まれた弾性シートを具備することを特徴とする。

したがって、本発明の半導体装置において、複数の半導体装置用ユニットおよび取り付け部材は、弾性接着剤により一体化され、好ましくは弾性シートを介して配置される配線基板とともに使用される。

また、請求項６の発明は、請求項５に記載された半導体装置において、前記弾性シートの熱変形温度が−１０℃以下であることを特徴とする。
また、請求項７の発明は、請求項５に記載された半導体装置において、前記弾性シートがシリコーンゴムシートとフッ素ゴムシートのいずれか一方を少なくとも含むことを特徴とする。

この発明によれば、半導体チップを封止した半導体装置をユニットとして、これを組み合わせることにより、様々な容量の半導体装置を構成でき、部品を共通化して在庫数を減らすことができるので、低コストで半導体装置を提供できる。さらに、半導体装置用ユニット間、および、半導体装置用ユニットと取り付け部材の間を弾性接着剤により固着しているので、使用中を通じて冷却体との間の熱抵抗が小さく、信頼性の高い半導体装置を提供できる。

さらに、半導体装置用ユニットと配線基板の間を固着している弾性接着剤を具備する、または、半導体装置用ユニットと配線基板の間に挟まれた弾性シートを具備することにより、ボルト締めによって配線基板に加えられる圧力が各半導体装置用ユニットに等しく作用し、各第１導電ブロックと冷却体の密着性に優れた半導体装置を提供できる。

この発明の第１実施例の半導体装置用ユニットの構成図であり、（ａ）は要部斜視図、（ｂ）は概念断面図である。 図１の半導体装置用ユニットの製造工程を示す要部断面図である。 図２に続く、図１の半導体装置用ユニットの製造工程を示す要部断面図である。 この発明の第１実施例の半導体装置の要部斜視図である。 三相インバータ回路図である。 この発明の第１実施例の半導体装置の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は要部断面図である。 図４で示す半導体装置の製造工程を示す要部斜視図である。 図７に続く、図４で示す半導体装置の製造工程を示す要部斜視図である。 図８に続く、図４で示す半導体装置の製造工程を示す要部斜視図である。 冷却体に取り付けた第１実施例の半導体装置を示す要部斜視図である。 この発明の第２実施例の半導体装置の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は要部断面図である。 この発明の第３実施例の半導体装置の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は要部断面図である。 第１実施例の半導体装置の倍の電流容量を有するインバータの回路図である（図中「Ｍ」は負荷（電動機）を表す。以下、同じ。）。 ３レベルインバータの回路図である。 ＰＷＭコンバータを含むインバータの回路図である。 特許文献１に示されている従来のインバータブリッジモジュールの構成図であり、（ａ）はインバータブリッジモジュールの斜視図、（ｂ）はＩＧＢＴユニットの斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照し説明する。

（半導体装置用ユニットの構成）
図１は、この発明の半導体装置を構成する半導体装置用ユニットの構成図であり、同図（ａ）は要部斜視図、同図（ｂ）は要部断面図である。同図（ｂ）の要部断面図は、同図（ａ）の特定の切断線で切断した断面を示すものではなく、また同図（ａ）において示した制御端子ピン２０を図示していない。この実施例で示す半導体装置用ユニット１０１（以下「ユニット１０１」等と略称する。）は、例えば樹脂ケース２１内に１個のＩＧＢＴチップ１０と１個のフリーホイーリングダイオードチップ（以下、単にダイオードチップ１３と称する。）が封止され、収納された半導体装置１００である。

このユニット１０１は、絶縁基板４の下面に導電パターン３が、上面に導電パターン５が形成された導電パターン付絶縁基板６と、導電パターン３にはんだ２で固着され、図示しない冷却体に接触する第１銅ブロック１と、導電パターン５にはんだ７で固着された第２銅ブロック８と、第２銅ブロック８上にはんだ９で固着されたＩＧＢＴチップ１０と、同様にはんだ１２で固着されたダイオードチップ１３と、これらのチップ１０、１３にはんだ１１，１４で固着されたインプラントピン１７と、このインプラントピン１７が固着されたインプラントピン方式のプリント基板（以下、単にプリント基板１６と称す）と、このプリント基板１６に固着された、図示しないエミッタ電極と電気的に接続する第１外部導出端子であるエミッタ端子ピン１９、および図示しないゲート電極と電気的に接続する制御端子ピン２０と、第２銅ブロック８に固着された第２外部導出端子であるコレクタ端子ピン１５と、コレクタ端子ピン１５の端部、エミッタ端子ピン１９の端部および第１銅ブロック１の裏面１ａがそれぞれ露出するように、導電パターン付絶縁基板６、プリント基板１６、ＩＧＢＴチップ１０、ダイオードチップ１３およびインプラントピン１７を封止する樹脂ケース２１と、から構成される。ここで、ＩＧＢＴチップ１０とダイオードチップ１３は、第２銅ブロック８およびプリント基板１６を介して電気的に逆並列接続され、１アームを構成している。
（半導体装置用ユニットの製造方法）
図２および図３は、図１の半導体装置用ユニットの製造方法を工程順に示した要部断面図である。

まず、図２（ａ）に示すように、第１銅ブロック１と、絶縁基板４の両面に導電パターン３，５が形成された導電パターン付絶縁基板６（例えば、Direct Bonding Copper基板など）とを用意し、第１銅ブロック１上に、導電パターン３が面するようにはんだ板２ａを介して導電パターン付絶縁基板６を載置し、導電パターン５上に、コレクタ端子ピン１５が固着された第２銅ブロック８をはんだ板７ａを介して載置する。

コレクタ端子ピン１５の固着は、例えば、第２銅ブロック８に図示しない凹部を形成し、この凹部にコレクタ端子ピン１５を差し込んで、その後はんだ接合することで行われる。

つぎに、図２（ｂ）の破線で示すように、表側にエミッタ端子ピン１９および制御端子ピン２０が、また、裏側に複数のインプラントピン１７が、それぞれ固着されたプリント基板１６を用意する。続いて、第２銅ブロック８上に、１枚のはんだ板９ａを介して、図示しないコレクタ電極を下にしてＩＧＢＴチップ１０を載置し、また、１枚のはんだ板１２ａを介して、図示しないカソード電極を下にしてダイオードチップ１３を載置する。さらに、ＩＧＢＴチップ１０上の図示しないエミッタ電極からゲート電極に渡って１枚のはんだ板１１ａを載置し、ダイオードチップ１３の図示しないアノード電極上に１枚のはんだ板１４ａを載置する。続いて、同図の実線で示すように、プリント基板１６に形成した貫通孔１６ａに前記したコレクタ端子ピン１５を通し、プリント基板１６を降下させてインプラントピン１７の先端をはんだ板１１ａ、１４ａに接触させる。このプリント基板１６に固着されたインプラントピン１７を介してＩＧＢＴチップ１０のエミッタ電極とエミッタ端子ピン１９が接続し、同時にダイオードチップ１３のアノード電極とエミッタ端子ピン１９がインプラントピン１７を介して接続する。

プリント基板１６にはエミッタ端子ピン１９、制御端子ピン２０およびインプラントピン１７と接続する図示しない導電パターン（回路パターン）が形成されている。また、エミッタ端子ピン１９、制御端子ピン２０およびインプラントピン１７のそれぞれの先端は、プリント基板１６の導電パターン内に形成された図示しない貫通孔に差し込まれた後、はんだで固着される。また、コレクタ端子ピン１５が通る貫通孔１６ａは導電パターンと離してプリント基板１６に形成される。

つぎに、図３（ｃ）に示すように、第１銅ブロック１、はんだ板２ａ、導電パターン付絶縁基板６、はんだ板７ａ、第２銅ブロック８、はんだ板９ａ、１２ａ、ＩＧＢＴチップ１０、ダイオードチップ１３、はんだ板１１ａ、１４ａと、各端子ピン１５、１９，２０および各インプラントピン１７が固着したプリント基板１６とを積層した積層体１０１ａをリフロー炉２２に入れて、はんだ板２ａ、７ａ、９ａ、１１ａ、１２ａ、１４ａを溶融させる。溶融後冷却して、第１銅ブロック１、導電パターン付絶縁基板６、第２銅ブロック８、ＩＧＢＴチップ１０およびダイオードチップ１３の各接触面を固着する。このときＩＧＢＴチップ１０のエミッタ電極からゲート電極に渡って配置されるはんだ板１１ａは、溶融することにより、エミッタ電極とゲート電極の間を被覆している図示しない表面保護膜、例えばポリイミド膜によって分断され、冷却後それぞれの電極上にはんだが載る。

つぎに、図３（ｄ）に示すように、はんだ付けされ、一体化された積層体１０１ａをリフロー炉２２から取り出し、第１銅ブロック１の裏面１ａと、エミッタ端子ピン１９、コレクタ端子ピン１５および制御端子ピン２０の端部を露出させ、樹脂で封止する。樹脂は、例えばフェノール・ノボラック系のエポキシ樹脂と酸無水物硬化剤の２液混合型封止材が好ましく、シリカ充填材を７５ｗｔ％配合して用いられる。フェノール・ノボラック系のエポキシ樹脂と酸無水物硬化剤は所定量計量したのち７０℃に加熱して充分に混合し、１３．３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）の真空状態で１０分間１次脱泡して用いられる。積層体１０１ａを図示しない金型内に置いたら、樹脂を注型し、１３．３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）の真空状態で１０分間２次脱泡し、１００℃１時間加熱して硬化させる。離型後、樹脂ケース２１で被覆された略直方体のユニット１０１が完成する。なお、上述の２液混合型封止材の場合、硬化後の樹脂の熱膨張係数は約１．７×１０^-5／℃、銅ベース基板に対する接着強さは約２３ＭＰａ、熱変形温度は約２００℃である。

このように、導電パターン付絶縁基板６の上下面に第１銅ブロック１と第２銅ブロック８をはんだ２、７で固着することで、ＩＧＢＴチップ１０とダイオードチップ１３から発生する熱を、銅ブロック１、８中を下方へ広がるように伝達させ、図示しない冷却体へ効率的に放散させることができる。

また、導電パターン付絶縁基板６の両側に同一寸法の銅ブロック１，８を固着することで、チップ１０、１３で発熱した熱により導電パターン付絶縁基板６が反るのを防止できる。その結果、チップ割れなどを防止でき、また、第１銅ブロック１と図示しない冷却体との密着性を向上させ、放熱効率を高めることができる。

また、第１銅ブロック１の露出面（裏面１ａ）を研削し、平坦化すれば、冷却体との接触熱抵抗を減少させることができる。
また、複数のインプラントピン１７を有するプリント基板１６が介在することで、外部導出端子（エミッタ端子ピン１９や制御端子ピン２０など）とチップ電極（エミッタ電極やゲート電極）とが複数のインプラントピン１７を介して接続する。その結果、外部導出端子をチップ電極に直接固着する場合に比べて、熱応力に対する耐量、例えばヒートサイクル耐量や温度サイクル耐量など、を大きくし、はんだ１１，１４の熱疲労を低減できるので、半導体装置用ユニットの信頼性を向上することができる。

また、プリント基板１６を用いることで、チップ電極と接続する外部導出端子の配置をプリント基板１６に形成される導電パターンを変えるだけで容易に変更でき、半導体装置用ユニットの低コスト化を図ることができる。

また、導電パターン付絶縁基板６において、絶縁基板４の上下の両面に導電パターン３、５を形成したことで、導電パターン付絶縁基板６が熱で反ることを防止できる。このとき、表側の導電パターン５の図形と裏面側の導電パターン３の形状をそれぞれ投影された、鏡像関係の形状にするとよい。

尚、第１実施例では、ユニット１０１に収納される半導体チップの例として１組のＩＧＢＴチップ１０とダイオードチップ１３を挙げたが、これに限るものではない。ＩＧＢＴチップ１０のみもしくはダイオードチップ１３のみ、またはＩＧＢＴチップ１０やダイオードチップ１３以外のチップ、例えばパワーＭＯＳＦＥＴチップ、パワーバイポーラトランジスタチップもしくはサイリスタチップなどを単数または複数収納するユニットとして、半導体装置用ユニットを構成しても構わない。これらは、使用目的に合わせて決めればよい。

また、ダイオードチップ１３のみでユニットを形成する場合は、前記した制御端子ピン２０は不要となる。
（半導体装置の構成）
図４は、この発明の半導体装置の要部斜視図である。この半導体装置２００はパワーＩＧＢＴモジュールであり、例えば、このモジュール１個が図５で示すような三相インバータ回路を構成する。さらに、図６は、この発明の半導体装置の構成を示し、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は要部断面図である。

図４，６に示すように、この半導体装置２００は、図１のユニット１０１を集合したユニット集合体２０１、配線基板２８およびユニット集合体２０１を両側から挟みこむボルト締めユニット２６（締め付け部材）で構成される。ユニット１０１、配線基板２８およびボルト締めユニット２６の間は弾性接着剤４７で固着されている。

配線基板２８は、絶縁基板上に導電膜により回路、例えばインバータ回路を構成する配線パターン２９が形成された導電パターン付絶縁基板であり、加えてユニット集合体２０１を図示しない冷却体に押さえつける働きもするので、剛性を備える必要がある。

各端子ピン１５，１９，２０は配線基板２８に形成された貫通孔３１に挿入され、配線パターン２９や絶縁基板の貫通孔の側壁に形成された図示しない導電膜に固着されている。

前記した内容を図４、６を用いてさらに具体的に説明する。
ユニット集合体２０１はユニット１０１を６個並べて構成され、このユニット集合体２０１上に、ユニット１０１間を配線する配線基板２８が配置されている。前記エミッタ端子ピン１９、コレクタ端子ピン１５および制御端子ピン２０は配線基板２８の貫通孔３１を通り、はんだで固着されている。配線基板２８には、図５に示す三相インバータ回路の配線であるＰ配線、Ｎ配線、Ｕ配線、Ｖ配線、Ｗ配線などの配線パターン２９が導電膜で形成され、これらの配線パターン２９内の貫通孔３１を通る前記のエミッタ端子ピン１９、コレクタ端子ピン１５がはんだで固着されている。また、制御端子ピン２０はこれらの配線パターン２９と絶縁され、配線基板２８の絶縁基板に形成された他の貫通孔３１に通され、貫通孔３１の内壁に形成された導電膜にはんだにより固定されている。

尚、好ましくは各端子ピン１５、１９、２０の先端を図示しないクワ型の接続部やバナナ型の接続部（banana plug）にして、これを配線基板２８の貫通孔３１に差し込んで固定するとよい。差し込んだ後、はんだ付けするとさらに強固に固定することができる。

６個のユニット１０１は２行３列に配置され、弾性接着剤４７で固着されてユニット集合体２０１を形成している。このユニット集合体２０１の両側面には取り付け部材であるボルト締めユニット２６が、やはり弾性接着剤４７により固着され、配置されている。さらに、ユニット集合体２０１とボルト締めユニット２６の上部には、ボルト締めユニット２６に形成された貫通孔２７とその四隅に形成された貫通孔３０が重なるように配線基板２８が弾性接着剤４７により固着されている。ユニット集合体２０１、ボルト締めユニット２６および配線基板２８は、これらの貫通孔２７、３０に挿入される図示しないボルトにより冷却体に固定される。
（半導体装置の製造方法）
図７〜図９は、図４で示す半導体装置の製造方法を工程順に示した要部斜視図である。

図７に示すように、６個のユニット１０１（半導体装置１００）、２個のボルト締めユニット２６および１個の配線基板２８を準備する。
図８に示すように、６個のユニット１０１を２行３列に並べてユニット集合体２０１を作り、ユニット集合体２０１を長手方向の両側から挟みこむようにボルト締めユニット２６を配置し、図示しない金型内で組み合わせる。このときユニット１０１同士およびユニット１０１とボルト締めユニット２６のそれぞれの接着面に必要量の弾性接着剤を塗布する。弾性接着剤として加熱硬化型の１液性シリコーンゴム接着剤、反応硬化型の２液性シリコーンゴム接着剤や湿気硬化型の１液性シリコーンゴム接着剤を用いることができる。特に、熱変形温度−１０℃以下の加熱硬化型の１液性シリコーンゴム接着剤が好ましく、その硬化条件は、例えば１５０℃１時間である。

続いて、ユニット集合体２０１とボルト締めユニット２６の上部の接着面に必要量の弾性接着剤を塗布し、ここに各端子ピン１５、１９、２０が貫通孔３１を貫通するように配線基板２８を重ね合わせ、図示しない治具を用いて組み合わせて、接着剤を硬化させる。この場合も弾性接着剤として加熱硬化型の１液性シリコーンゴム接着剤が好ましく、その硬化条件は、例えば１５０℃１時間である。

次に図９に示すように、上方の配線基板２８を下方に下ろして、各端子ピン１５、１９、２０を配線基板２８の貫通孔３１に貫通させたら、はんだで貫通孔３１を塞ぎ、各端子ピン１５、１９，２０と配線基板２８を固着する。こうしてユニット集合体２０１と配線基板２８が電気的、機械的に接続する。その後、ユニット１０１から露出している第１銅ブロック１の裏面１ａを研削研磨して、６個の第１銅ブロック１の裏面１ａが同一の高さになるようにしてユニット集合体２０１、配線基板２８およびボルト締めユニット２６からなる半導体装置２００が完成する。

図１０は冷却体（冷却フィン）に取り付けた半導体装置２００を示す要部斜視図である。半導体装置２００は、同軸の配線基板２８の貫通孔３０とボルト締めユニット２６の貫通孔２７に挿入されたボルト３２により冷却体４８に固定されている。冷却体４８の半導体装置２００に対向する面には、好ましくは熱伝導ペーストが塗布される。ボルト３２を締め付けるトルクは配線基板２８から各ユニット１０１へ弾性接着剤４７および各端子ピン１５、１９、２０を介して圧接力として伝達され、その圧接力により各ユニット１０１は冷却体４８に押さえつけられ、各第１銅ブロック１の裏面１ａが冷却体４８に密着して固定される。

このように配線基板２８は、所望の回路を構成するためにユニット１０１間を配線するとともに、各ユニット１０１を冷却体４８に密着させる働きをする。
また、弾性接着剤４７を用いることにより、ユニット１０１間の相対的な変位は接着剤により吸収されるので、第１銅ブロック１と冷却体４８の間に隙間が生じることがない。さらに、上述のとおり配線基板２８とユニット集合体２０１の間に弾性接着剤４７を用いることにより、半導体装置２００を使用する間、ボルト３２を締め付けたトルクは配線基板２８と接着剤を介して各第１銅ブロック１に作用し続ける。

加えて、熱変形温度−１０℃以下の弾性接着剤を用いることにより、半導体装置２００を使用する際の温度、すなわち室温から１７５℃の範囲において、上述の効果が持続し、熱抵抗の増加を防止して信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

特に、弾性接着剤としてシリコーンゴム系接着剤を用いることにより、耐熱性が高く信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
また、略直方体のユニット１０１の一の面から第１銅ブロックを露出させ、これに対向する他の面からコレクタ端子ピン１５、エミッタ端子ピン１９および制御端子ピン２０を突出させることにより、各ユニット１０１の側面同士を固着させ、任意の組み合わせのユニット集合体を形成することができ、これと配線基板２８を組み合わせることで任意の回路構成（インバータ回路、コンバータ回路やチョッパー回路など所望の回路）を有する半導体装置２００を低コストで提供できる。

図１１は、第２実施例に係る半導体装置の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は要部断面図である。本実施例に係るパワー半導体装置は第１実施例の変形例であり、共通するところが多いので、以下、共通部分については説明を省略し、異なる部分について説明する。なお、第１実施例に示した要素と同じ要素には同じ符号を付している。

本実施例の半導体装置３００は、半導体装置１００と配線基板２８の間を固着する第１実施例の弾性接着剤４７に代えて、図１１に示すように、半導体装置１００（ユニット１０１）と配線基板２８の間に挟まれた弾性シート４９を具備している。弾性シート４９は、その熱変形温度が−１０℃以下であることが好ましく、例えばシリコーンゴムシート、フッ素ゴムシートまたはこれらを複合したシートである。弾性シート４９を配線基板２８とユニット集合体３０１の間に挟むことにより、ボルトを締めて半導体装置３００を冷却体に固定したとき、各ユニット１０１から露出している第１銅ブロック１の裏面１ａを冷却体４８に均一に密着させることができる。

図１２は、第３実施例に係る半導体装置の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は要部断面図である。本実施例に係るパワー半導体装置は第１実施例の変形例であり、共通するところが多いので、以下、共通部分については説明を省略し、異なる部分について説明する。なお、第１実施例に示した要素と同じ要素には同じ符号を付している。

本実施例の半導体装置４００は、三相インバータ回路を構成する第１実施例の６個（２行３列）組みのユニット集合体２０１に代えて、図１２に示すように、１２個（３行４列）組みのユニット集合体４０１を具備している。半導体装置４００では、配線基板２８ａとボルト締めユニット２６ａが第１実施例のものと異なるが、ユニット１０１は同じものである。

３行４列に配置された１２個組みのユニット集合体４０１は、弾性接着剤４７で固着されている。このユニット集合体４０１の両側面には取り付け部材であるボルト締めユニット２６ａが、やはり弾性接着剤４７により固着され、配置されている。さらに、ユニット集合体４０１とボルト締めユニット２６ａの上部には、配線基板２８ａの四隅に形成された貫通孔３０ａとボルト締めユニット２６ａに形成された貫通孔２７ａが合うように配線基板２８ａが弾性接着剤４７により固着されている。ユニット集合体４０１、ボルト締めユニット２６ａおよび配線基板２８ａは、これらの貫通孔２７ａ、３０ａに挿入される図示しないボルトにより冷却体に固定されている。

半導体装置４００は、第１実施例の半導体装置２００が三相インバータ回路を構成したのに対し、ユニット１０１を複数並列接続したり、直列接続したり、またハイサイド素子とローサイド素子を直列接続した１本のアームを形成したり、単相インバータ回路を形成したりして様々な回路を構成することができる。

例えば配線基板２８ａの配線パターンを種々変更し、コンデンサ、リアクトル等を接続することにより、次の回路を構成することができる。
（ａ）図１３に示す、第１実施例の半導体装置の倍の電流容量を有するインバータ回路
（ｂ）図１４に示す３レベルインバータ回路
（ｃ）図１５に示すＰＷＭコンバータを含むインバータ回路
このように本発明によれば、同じ半導体装置１００（ユニット１０１）を共用できるので、第１実施例で示したインバータ用半導体装置のほか、様々な半導体装置を低コストで提供することができる。また、ユニット１０１の数が増え、半導体装置の面積が大きくなっても、ユニット１０１同士が弾性接着剤４７で固着されているので、図示しない冷却体に密着性良好な半導体装置４００を提供することができる。

１ 第１銅ブロック
１ａ 裏面
２、７、９、１１、１２、１４ はんだ
２ａ、７ａ、９ａ、１１ａ、１２ａ、１４ａ はんだ板
３ 導電パターン
４ 絶縁基板
５ 導電パターン
６ 導電パターン付絶縁基板
８ 第２銅ブロック
１０ ＩＧＢＴチップ
１３ ダイオードチップ
１５ コレクタ端子ピン
１６ プリント基板
１６ａ 貫通孔
１７ インプラントピン
１９ エミッタ端子ピン
２０ 制御端子ピン
２１ 樹脂ケース
２２ リフロー炉
２６、２６ａ ボルト締めユニット
２７、２７ａ、３０、３０ａ、３１ 貫通孔
２８、２８ａ 配線基板
２９ 配線パターン
３２ ボルト
４７ 弾性接着剤
４８ 冷却体
４９ 弾性シート
１００ 半導体装置
２００、３００、４００ 半導体装置
１０１ 半導体装置用ユニット
１０１ａ 積層体
２０１、３０１、４０１ ユニット集合体

Claims (7)

1. その一方の面に第１導電パターンが、他方の面に第２導電パターンが、夫々形成された絶縁基板と、該第１導電パターンにはんだで固着された第１導電ブロックと、前記第２導電パターンにはんだで固着された第２導電ブロックと、該第２導電ブロック上にはんだでその一方の面が固着された半導体チップと、該半導体チップの他方の面にはんだを介して固着された複数のインプラントピンと、第３導電パターンが形成され、かつ、該第３導電パターンに前記インプラントピンが固着されたプリント基板と、前記第３導電パターンに固着され、前記インプラントピンと電気的に接続された第１外部導出端子と、前記第２導電ブロックに固着された第２外部導出端子と、前記第１導電ブロックを、その一の面から露出させるよう、かつ、前記第１外部導出端子および第２外部導出端子を、夫々の端部を前記一の面に対向する面から突出させるよう、封止している樹脂ケースと、を具備している、複数の半導体装置用ユニットと、
   前記半導体装置用ユニットの集合体の一の側に配置され、前記第１外部導出端子および前記第２外部導出端子と電気的に接続し、前記半導体装置用ユニット同士を配線する配線パターンが形成された配線基板と、
   前記半導体装置用ユニットの集合体を両側面から挟み、前記配線基板と共に前記半導体装置用ユニットの集合体を冷却体に固定するためのボルト用の貫通孔が設けられた取り付け部材と、
   前記半導体装置用ユニット間、および、前記半導体装置用ユニットと前記取り付け部材の間をそれぞれ固着している弾性接着剤と、
   を具備していることを特徴とする半導体装置。
2. 前記弾性接着剤の熱変形温度が−１０℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記弾性接着剤がシリコーンゴム系接着剤であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. さらに、前記半導体装置用ユニットと配線基板の間を固着している弾性接着剤を具備することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. さらに、前記半導体装置用ユニットと配線基板の間に挟まれた弾性シートを具備することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
6. 前記弾性シートの熱変形温度が−１０℃以下であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記弾性シートがシリコーンゴムシートとフッ素ゴムシートのいずれか一方を少なくとも含むことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
   

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