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JP6604184B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、半導体モジュールに関する。
半導体モジュールは、複数のパワー半導体素子を含み、電力変換装置、または、スイッチング装置として利用されている。例えば、半導体装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等を含む半導体素子が並列接続されて、スイッチング装置として機能することができる。
具体例として、絶縁板と当該絶縁板のおもて面及び裏面にそれぞれ形成された銅箔とを備え、おもて面の銅箔上に半導体素子が配置された絶縁基板が複数樹脂で封止された半導体装置がある（例えば、特許文献１参照）。
当該半導体装置を複数接続することで、より大きな出力を得ることが可能となる。
特開２００９−６０７４６号公報
このように半導体モジュールを複数接続する際には、半導体モジュール間をより容易に接続できるようにすることが望まれる。
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、容易に複数接続可能である半導体モジュールを提供することを目的とする。
本発明においては、絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に形成された金属板とを有する絶縁基板と、前記金属板上に裏面が固定され、おもて面に主電極を有する半導体素子と、前記半導体素子の前記主電極に電気的に接続される配線基板と、前記配線基板を経由して、前記主電極に電気的に接続される主端子と、前記主端子が突出し、前記絶縁基板と、前記半導体素子と、前記配線基板と、を封止して、前記主端子近傍に開口穴及び前記開口穴に対応する箇所に凸部を有する封止部材と、前記開口穴に配置されたナットと、前記主端子が電気的に接続され、前記ナットと対向する挿入孔を有し、前記凸部に支持されている接続端子と、を有する半導体モジュールを提供する。
本発明においては、絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に形成された金属板とを有する絶縁基板と、前記金属板上に裏面が固定され、おもて面に主電極を有する半導体素子と、前記半導体素子の前記主電極に電気的に接続される配線基板と、前記配線基板を経由して、前記主電極に電気的に接続される主端子と、前記主端子が突出し、前記絶縁基板と、前記半導体素子と、前記配線基板と、を封止して、前記主端子近傍に開口穴を有する封止部材と、前記開口穴に配置されたナットと、前記主端子が電気的に接続され、前記ナットと対向する挿入孔を有し、前記主端子との接続箇所に段差部が形成されている接続端子と、を有する半導体モジュールを提供する。
本発明においては、絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に形成された金属板とを有する絶縁基板と、前記金属板上に裏面が固定され、おもて面に主電極を有する半導体素子と、前記半導体素子の前記主電極に電気的に接続される配線基板と、前記配線基板を経由して、前記主電極に電気的に接続される主端子と、前記主端子が突出し、前記絶縁基板と、前記半導体素子と、前記配線基板と、を封止して、前記主端子近傍に開口穴を有する封止部材と、前記開口穴に配置されたナットと、前記主端子が電気的に接続され、前記ナットと対向する挿入孔を有し、前記ナットの高さに応じて、前記挿入孔が形成されている箇所の高さが変化する接続端子と、を有する半導体モジュールを提供する。
開示の技術によれば、半導体モジュール間を接続して、より大きな出力を得ることができる。
第１の実施の形態の半導体モジュールを示す図である。 第１の実施の形態の半導体モジュールにより構成される回路構成を示す等価回路図である。 第１の実施の形態の半導体モジュール（バスバー端子付き）を示す図である。 第１の実施の形態の２つの半導体モジュールを連結させた場合を示す図である。 第２の実施の形態の半導体モジュール（バスバー端子付き）を示す図である。
以下、実施の形態について図面を用いて説明する。
なお、実施の形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明されている特徴の組み合わせのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態の半導体モジュールについて、図１及び図２を用いて説明する。
図１は、第１の実施の形態の半導体モジュールを示す図である。
但し、図１（Ａ）は、半導体モジュール１００の上面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）における一点鎖線Ａ−Ａにおける半導体モジュール１００の断面図である。
また、図２は、第１の実施の形態の半導体モジュールにより構成される回路構成を示す等価回路図である。
半導体モジュール１００は、半導体素子１０４，１１４を絶縁基板１０３上にはんだ１０５ａ，１１５ａを介して搭載して構成される２組の半導体回路と、それらの上方で共通の配線回路を構成する配線基板１２１とを備えている。なお、半導体素子１０４，１１４と、配線基板１２１とは、導電ポスト１２２，１２３により電気的に接続されている。また、導電ポスト１２２，１２３は、半導体素子１０４，１１４にはんだ１０５ｂ，１１５ｂを介して電気的に接続されている。これらの半導体回路は、それぞれ半導体素子１０４，１１４がＩＧＢＴまたはパワーＭＯＳＦＥＴやＦＷＤ等のパワーデバイスにより構成されている。なお、図１においては、一つの絶縁基板１０３に一つの半導体素子１０４，１１４のみを表示している。実際は、一つの絶縁基板１０３のおもて面側の金属板１０２ａ上に、ＩＧＢＴ等のスイッチングデバイスとＦＷＤをそれぞれ配置して、図２に示す等価回路に示すように接続している。
なお、これらの半導体素子１０４，１１４は、シリコン基板上に形成したものでもよいし、炭化シリコン基板上に形成したものでもよい。
絶縁基板１０３は、伝熱性の良いアルミナ等のセラミックスで構成された絶縁板１０１と、絶縁板１０１の表裏面には導体層を構成する金属板１０２ａ，１０２ｂが貼り付けられている。おもて面側の導体層（金属板１０２ａ）には、導体層上に配置された複数のパワーデバイスの間を接続するための所定の回路パターンが形成されている。
図２に示されるように、絶縁基板１０３の金属板１０２ａには、スイッチングデバイス（以下、単にトランジスタという）Ｑ１とＦＷＤ（以下、ダイオードという）Ｄ１の逆並列接続回路と、トランジスタＱ２とダイオードＤ２との逆並列回路とが、直列に接続されている。
ここで、一つの絶縁基板１０３上に配置される半導体素子（パワーデバイス）は、図２に示すトランジスタとダイオードの逆並列回路を等価的に構成すればよい。このため、トランジスタとダイオードは、どちらかあるいは双方が同定格の複数個の半導体素子を搭載するようにしてもよい。
図１では、絶縁基板１０３の金属板１０２ａ上で、トランジスタＱ１を構成する半導体素子１０４と、その背後にダイオードＤ１を構成する半導体素子（図示せず）が前後方向に配置された状態を示している。同様に、（他方の）絶縁基板１０３の金属板１０２ａ上では、トランジスタＱ２を構成する半導体素子１１４と、その背後にダイオードＤ２を構成する半導体素子とが、前後して並んでいる。すなわち、絶縁基板１０３上のトランジスタＱ１とダイオードＤ１、絶縁基板１０３上のトランジスタＱ２とダイオードＤ２は、絶縁基板１０３上の金属板１０２ａと配線基板１２１とによって、それぞれ逆並列に接続されている。そして、一対のトランジスタＱ１，Ｑ２と一対のダイオードＤ１，Ｄ２からなる２組の逆並列回路は、さらに上面に配置された配線基板１２１とポスト状の導電ポスト１２２，１２３を介して直列に接続される。
なお、一方の半導体素子１０４の下面にはトランジスタＱ１のコレクタ電極が形成され、金属板１０２ａを介して半導体モジュール１００の外部入力用端子（コレクタ端子Ｃ１）を構成する主端子１２７に接続されている。他方の半導体素子１１４の裏面に形成されたトランジスタＱ２のコレクタ電極も、金属板１０２ａを介して外部出力用端子（コレクタ兼エミッタ端子Ｃ２／Ｅ１）を構成する主端子１２５に接続されている。また、半導体素子１０４，１１４のおもて面にはエミッタ電極及びゲート電極が形成され、それぞれ導電ポスト１２２，１２３を介して配線基板１２１に接続される。このうち半導体素子１０４（トランジスタＱ１）のエミッタ電極は、配線基板１２１を介して主端子１２５と接続され、半導体素子１１４（トランジスタＱ２）のエミッタ電極は配線基板１２１を介して外部入力用端子（エミッタ端子Ｅ２）を構成する主端子１２６に接続されている。
これらの主端子１２５〜１２７は、図１（Ａ）に示すように半導体モジュール１００の中心線に対して対称の位置に３本ずつ、合計、１８本形成されている。また、半導体モジュール１００は２本の制御端子１２８と２本のエミッタ信号端子１２９とをさらに有している。制御端子１２８は配線基板１２１に接続されて、ハーフブリッジ回路のトランジスタＱ１，Ｑ２のゲート電極にゲート制御信号を供給するゲート端子Ｇ１，Ｇ２を構成している。また、エミッタ信号端子１２９は補助端子であって、各トランジスタのコレクタ−エミッタ間に流れる電流をセンシングするセンス信号を出力する検査端子Ｃ１Ａｕｘ，Ｅ２Ａｕｘ等を構成している。
半導体モジュール１００の各構成要素は、例えば、熱硬化性樹脂のエポキシ樹脂材料により構成される封止樹脂１３０によりモールドされ、保護される。その結果、半導体モジュール１００の外形は、全体として平面視で矩形形状をなす直方体に形成される。１８本の主端子１２５〜１２７と制御端子１２８とエミッタ信号端子１２９とは、その端部が半導体モジュール１００の上面から突出している。半導体モジュール１００の底面には、各絶縁基板１０３の底面側の金属板１０２ｂがそれぞれ面一となるように配置されている。また、半導体モジュール１００の上面には、ナット（後述）が収納されるナット収納部１３１，１３２，１３３が凸状に形成されている。
なお、上記の例では、主端子１２５〜１２７に、それぞれ、コレクタ兼エミッタ端子Ｃ２／Ｅ１、エミッタ端子Ｅ２、コレクタ端子Ｃ１を対応させているが、これに限定されない。主端子１２５〜１２７に、絶縁基板１０３の金属板１０２ａ及び配線基板１２１の配線に応じて、コレクタ端子Ｃ１、コレクタ兼エミッタ端子Ｃ２／Ｅ１、エミッタ端子Ｅ２を任意に対応付けることができる。
次に、このような半導体モジュール１００の主端子１２５〜１２７にバスバー端子（接続端子）１４０をそれぞれ取り付けた場合について、図３を用いて説明する。
図３は、第１の実施の形態の半導体モジュール（バスバー端子付き）を示す図である。
なお、図３（Ａ）は、バスバー端子１４０が取り付けられた半導体モジュール１００の上面図である。また、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の一点鎖線Ｂ−Ｂによる半導体モジュール１００の断面図、図３（Ｃ）は、図３（Ａ）の一点鎖線Ｃ−Ｃによる半導体モジュール１００の断面図である。
半導体モジュール１００の主端子１２５〜１２７にそれぞれ取り付けられているバスバー端子１４０は、平板状かつ矩形状であって、長手方向の両端に段差部１４１がそれぞれ設けられ、中央部に挿入孔１４２が形成されている。
このようなバスバー端子１４０は、段差部１４１に主端子１２５〜１２７の先端部が取り付けられ、レーザー溶接、はんだ接合等により主端子１２５〜１２７が段差部１４１に接合される。この際、主端子１２５〜１２７の先端部は、段差部１４１の高さを超えない範囲で突出して、バスバー端子１４０の段差部１４１に接合される。すなわち、バスバー端子１４０の上面からは主端子１２５〜１２７の先端部が突出することがない。特に段差部１４１の厚みは、０．５ｍｍから２ｍｍの範囲が望ましい。このため、半導体モジュール１００を積層し、また、半導体モジュール１００上に物品を配置する場合等において、適切に積層または配置を行うことができるようになる。また、バスバー端子１４０は段差部１４１で局所的に変形が可能となるため、バスバー端子１４０に引張力が加わる場合でも、主端子１２５〜１２７に加わる引張力が低減される。
また、半導体モジュール１００の封止樹脂１３０には、中心線（一点鎖線Ｂ−Ｂ）上であって、各主端子１２５，１２６，１２７の間にナット１４３が収納されるナット収納部１３１，１３２，１３３が設けられている。ナット収納部１３１，１３２，１３３は、図に示されるように、半導体モジュール１００の封止樹脂１３０の上面から突出しており、また、ナット１４３が収納される開口穴１３１ａ，１３２ａ，１３３ａが内部に形成されている。
また、バスバー端子１４０は、その裏面側がナット収納部１３１，１３２，１３３に支持されている。これにより、バスバー端子１４０を浮かせることができ、バスバー端子１４０の段差部１４１と主端子１２５〜１２７との接合を容易に行うことができる。
さらに、このようにして主端子１２５，１２６，１２７に取り付けられたバスバー端子１４０は、その挿入孔１４２がナット収納部１３１，１３２，１３３の開口穴１３１ａ，１３２ａ，１３３ａに位置合わせされている。
次に、このようなバスバー端子１４０が取り付けらえた半導体モジュール１００を２つ連結する場合について、図４を用いて説明する。
図４は、第１の実施の形態の２つの半導体モジュールを連結させた場合を示す図である。
なお、図４は、図３（Ｃ）と同様に、連結バスバーで連結した２つの半導体モジュール１００の断面図を表している。
また、図４において、半導体モジュール１００は、図中左側を半導体モジュール１００ａ、図中右側を半導体モジュール１００ｂとする。但し、半導体モジュール１００ａ，１００ｂの構成は、半導体モジュール１００と同じ構成を成している。
半導体モジュール１００ａ（図中左側）では、連結バスバー２００の連結孔２０１ａと、バスバー端子１４０の挿入孔１４２と、半導体モジュール１００ａ内に収納されたナット１４３とが位置合わせされている。さらに、ボルト２０３ａを連結孔２０１ａと、挿入孔１４２とに挿通させて、ナット１４３に嵌め合せている。
また、半導体モジュール１００ｂ（図中右側）でも同様に、連結バスバー２００の連結孔２０１ｂと、バスバー端子１４０の挿入孔１４２と、半導体モジュール１００ｂ内に収納されたナット１４３とが位置合わせされている。さらに、ボルト２０３ｂを連結孔２０１ｂと、挿入孔１４２とに挿通させて、ナット１４３に嵌め合せている。
このようにして連結バスバー２００により、２つの半導体モジュール１００ａ，１００ｂを電気的に接続することができる。そして、連結バスバー２００の接続孔２０２に外部端子を接続することで、２つの半導体モジュール１００ａ，１００ｂに対する入出力を行うことができるようになる。
このように、上記半導体モジュール１００，１００ａ，１００ｂは、絶縁板１０１と、絶縁板１０１のおもて面に形成された金属板１０２ａとを有する絶縁基板１０３と、金属板１０２ａ上に裏面が固定され、おもて面に主電極を有する半導体素子１０４，１１４と、半導体素子１０４，１１４の主電極に電気的に接続される配線基板１２１と、配線基板１２１を経由して、半導体素子１０４，１１４の主電極に電気的に接続される主端子１２５〜１２７とを有する。また、半導体モジュール１００，１００ａ，１００ｂは、主端子１２５〜１２７が突出し、絶縁基板１０３と、半導体素子１０４，１１４と、配線基板１２１と、を封止して、ナット収納部１３１〜１３３を有する封止樹脂１３０と、ナット収納部１３１〜１３３に配置されたナット１４３と、を有する。さらに、このような半導体モジュール１００は、封止樹脂１３０から突出する主端子１２５〜１２７が電気的に接続され、ナット１４３と対向する挿入孔１４２を有するバスバー端子１４０を有する。これにより、半導体モジュール１００，１００ａ，１００ｂのバスバー端子１４０を連結バスバー２００で接続するだけで、２つの半導体モジュール１００，１００ａ，１００ｂを容易に連結することができるようになる。
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態では、半導体モジュール１００に配置されるナットの高さが第１の実施の形態と異なる場合について図５を用いて説明する。
図５は、第２の実施の形態の半導体モジュール（バスバー端子付き）を示す図である。
なお、図５は、第２の実施の形態の半導体モジュールに対して図３の一点鎖線Ｃ−Ｃでの断面に相当する図である。
図５に示す第２の実施の形態の半導体モジュール１００は、図１に示した第１の実施の形態の半導体モジュール１００と同じ構成を成している。但し、ナット３０３は、その高さが、第１の実施の形態のナット１４３の高さよりも高くなっている。
ナット３０３の高さに伴って、図５の半導体モジュール１００の主端子１２６に取り付けられているバスバー端子３００は、中央部が突出して高い位置に構成されており、その中央部に設けられた挿入孔３０２がナット３０３に位置合わせされている。
このように第２の実施の形態の半導体モジュール１００では、ナット３０３の高さに応じて、バスバー端子３００は、挿入孔３０２が形成されたその中央部の高さも変化して、ナット３０３の高さに合わせたものが選択される。これにより、複数の半導体モジュール１００が、例えば、種類の相違により高さが異なる場合でも、任意の高さのナット３０３とバスバー端子３００とを選択することで、高さを揃えて電気的に接続することができるようになる。
１００，１００ａ，１００ｂ 半導体モジュール
１０１ 絶縁板
１０２ａ，１０２ｂ 金属板
１０３ 絶縁基板
１０４，１１４ 半導体素子
１０５ａ，１０５ｂ，１１５ａ，１１５ｂ はんだ
１２１ 配線基板
１２２，１２３ 導電ポスト
１２５，１２６，１２７ 主端子
１２８ 制御端子
１２９ エミッタ信号端子
１３０ 封止樹脂
１３１，１３２，１３３ ナット収納部

Claims (4)

  1. 絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に形成された金属板とを有する絶縁基板と、
    前記金属板上に裏面が固定され、おもて面に主電極を有する半導体素子と、
    前記半導体素子の前記主電極に電気的に接続される配線基板と、
    前記配線基板を経由して、前記主電極に電気的に接続される主端子と、
    前記主端子が突出し、前記絶縁基板と、前記半導体素子と、前記配線基板と、を封止して、前記主端子近傍に開口穴及び前記開口穴に対応する箇所に凸部を有する封止部材と、
    前記開口穴に配置されたナットと、
    前記主端子が電気的に接続され、前記ナットと対向する挿入孔を有し、前記凸部に支持されている接続端子と、
    を有する半導体モジュール。
  2. 絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に形成された金属板とを有する絶縁基板と、
    前記金属板上に裏面が固定され、おもて面に主電極を有する半導体素子と、
    前記半導体素子の前記主電極に電気的に接続される配線基板と、
    前記配線基板を経由して、前記主電極に電気的に接続される主端子と、
    前記主端子が突出し、前記絶縁基板と、前記半導体素子と、前記配線基板と、を封止して、前記主端子近傍に開口穴を有する封止部材と、
    前記開口穴に配置されたナットと、
    前記主端子が電気的に接続され、前記ナットと対向する挿入孔を有し、前記主端子との接続箇所に段差部が形成されている接続端子と、
    を有する半導体モジュール。
  3. 絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に形成された金属板とを有する絶縁基板と、
    前記金属板上に裏面が固定され、おもて面に主電極を有する半導体素子と、
    前記半導体素子の前記主電極に電気的に接続される配線基板と、
    前記配線基板を経由して、前記主電極に電気的に接続される主端子と、
    前記主端子が突出し、前記絶縁基板と、前記半導体素子と、前記配線基板と、を封止して、前記主端子近傍に開口穴を有する封止部材と、
    前記開口穴に配置されたナットと、
    前記主端子が電気的に接続され、前記ナットと対向する挿入孔を有し、前記ナットの高さに応じて、前記挿入孔が形成されている箇所の高さが変化する接続端子と、
    を有する半導体モジュール。
  4. 前記ナットと、前記挿入孔とが位置合わせされている、
    請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体モジュール。
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