JP6043238B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本明細書で開示される技術は、半導体素子と配線層が圧接固定される圧接型の半導体モジュールに関する。

特許文献１〜４に開示されるように、半導体素子と配線層が圧接固定される圧接型の半導体モジュールが開発されている。このような圧接型の半導体モジュールでは、半導体素子と配線層がはんだ等によって固定されていないので、半導体素子と配線層は、両者の接触面に平行な方向に拘束されない。このため、半導体素子が動作したときに発生する熱の影響によって半導体素子と配線層の間に熱膨張差が生じても、半導体素子と配線層の接触面に平行な方向における滑りの効果によって、半導体素子と配線層に加わる応力が緩和される。

特開平５−２１１２５９号公報 特開平７−９９２８４号公報 特開２００５−１０１４８９号公報 特開２０１２−１１９６５１号公報

半導体素子は、素子部と終端部を有している。素子部は、ゲート構造が設けられており、電流が流れる部分である。終端部は、その素子部の周囲に設けられており、横方向の耐圧を向上させるための部分である。

半導体素子が動作したときに発生する熱は、終端部よりも素子部で大きくなる。このため、半導体素子の温度は、素子部で高く、終端部で低い。このような温度分布が形成されると、素子部が終端部よりも大きく熱膨張するので、半導体素子が湾曲するように変形しようとする。しかしながら、圧接型の半導体モジュールでは、半導体素子は、配線層によって圧接方向が拘束されているので、湾曲変形が阻害され、大きな応力が加わる。

本明細書では、半導体素子が動作したときの温度分布に起因する応力を緩和する技術を提供することを目的としている。

本明細書で開示される技術は、半導体素子と配線層が圧接固定される圧接型の半導体モジュールに具現化される。半導体モジュールは、半導体素子と配線層の間に設けられており、圧接方向に直交する面内に配置されている複数の弾性機構を備えている。弾性機構は、半導体素子に接触する導電性の接触体、及び接触体を半導体素子に向けて付勢する弾性体を有している。半導体素子と配線層は、接触体を介して電気的に接続可能に構成されている。

半導体素子が動作して温度分布が形成されると、半導体素子は湾曲するように変形しようとする。半導体モジュールでは、弾性機構の弾性体が圧縮することにより、半導体素子の湾曲変形を許容することができる。このため、半導体素子に加わる応力が緩和される。

図１は、第１実施例の半導体モジュールの一実施形態の要部断面図を模式的に示す。 図２は、第１実施例の弾性機構部の要部拡大断面図を模式的に示す。 図３は、第１実施例の弾性機構部の作用効果を説明する図である。 図４は、第１実施例の弾性機構の一実施形態の断面図を模式的に示す。 図５は、第１実施例の弾性機構の一実施形態の断面図を模式的に示す。 図６は、第２実施例の半導体モジュールの一実施形態の要部断面図を模式的に示す。 図７Ａは、第２実施例の弾性機構の一実施形態の断面図を模式的に示す。 図７Ｂは、第２実施例の弾性機構の一実施形態の断面図を模式的に示す。

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
（特徴１）本明細書で開示される半導体モジュールは、半導体素子と配線層が圧接固定される圧接型である。半導体モジュールは、半導体素子と配線層の間に設けられており、圧接方向に直交する面内に配置されている複数の弾性機構を備えていてもよい。弾性機構は、半導体素子に接触する導電性の接触体、及び接触体を半導体素子に向けて付勢する弾性体を有していてもよい。半導体素子と配線層は、接触体を介して電気的に接続可能に構成されていてもよい。ここで、接触体の材料は、電気抵抗が低く、熱伝導が大きい材料が望ましく、金属であるのが望ましい。接触体の材料は、一例では、銅、アルミ、グラファイト及びその複合材であってもよい。弾性体の形態及び材料は、特に限定されるものではない。弾性体には、圧縮変形後に復元力を有する様々なものが採用可能である。
（特徴２）弾性機構は、接触体と弾性体を収容しており、配線層に接触する導電性の筐体をさらに有していてもよい。接触体は、筐体に対して摺動可能に筐体に収容されていてもよい。半導体素子と配線層は、接触体及び筐体を介して電気的に接続可能に構成されていてもよい。ここで、接触体は、筐体の内壁に当接しながら摺動してもよく、摺動機構（接触体と筐体の間の電気的な接続を許容するガイド機構等）を利用して摺動してもよい。
（特徴３）筐体は、接触体が抜け落ちるのを防止する抜け防止部を有していてもよい。抜け防止部には、様々な形態を採用することができる。一例では、抜け防止部は、筐体の内壁の一部に形成された溝内に接触体の一部が突出するように構成されてもよい。また、抜け防止部は、接触体を横方向から付勢する弾性体によって構成されてもよい。

以下、図面を参照して各実施例を説明する。なお、各実施例において共通する構成要素については共通の符号を付している。

図１に示されるように、圧接型の半導体モジュール１は、冷却器２、絶縁基板３、半導体素子４、弾性機構部５及び配線層６を備えている。冷却器２と配線層６は、図示しない締結具（一例では、ナットとボルト）によって結合されており、絶縁基板３と半導体素子４と弾性機構部５を圧接方向（紙面上下方向）に圧接固定している。

冷却器２には冷媒を流通させる流路が形成されており、半導体素子４で発生した熱はその冷媒を介して外部に放熱される。冷却器１１の材料は、一例ではアルミニウムである。

絶縁基板３は、上側金属層３ａ、絶縁層３ｂ及び下側金属層３ｃを有している。上側金属層３ａは、半導体素子４の裏面電極に電気的に接続されており、配線層として用いられる。絶縁層３ｂは、半導体素子４と冷却器２を電気的に絶縁している。下側金属層３ｃは、冷却器２にろう材あるいはグリースを介して接合している。上側金属層３ａ及び下側金属層３ｃの材料は、一例ではアルミニウムである。絶縁層３ｂの材料は、一例では窒化アルミニウムである。

半導体素子４は、一例では縦型のＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。半導体素子４の裏面電極であるコレクタ電極が絶縁基板３の上側金属層３ａに電気的に接続されており、表面電極であるエミッタ電極が弾性機構部５を介して配線層６に電気的に接続されている。

図２に示されるように、弾性機構部５は、配線層６と半導体素子４の間に設けられており、圧接方向に直交する面内に配置されている複数の弾性機構１０を備えている。弾性機構１０の個数は、後述するように、半導体素子４の湾曲変形に追従できる程度であればよい。例えば、弾性機構１０は、１０ｍｍ×１０ｍｍの半導体素子４に対して５×５個が用いられている。弾性機構１０の各々は、半導体素子４に接触する導電性の接触体１２、接触体１２を半導体素子４に向けて付勢する弾性体１４、及び接触体１２と弾性体１４を収容している導電性の筐体１６を有している。

接触体１２は、一例では概ね円柱状の形態を有しており、一端が半導体素子４に接触しており、他端が弾性体１４に接触している。半導体素子４に接触する側の接触体１２の端部が曲面で構成されており、接触体１２と半導体素子４は点接触している。接触体１２は、筐体１６の内壁に当接しており、筐体１６に当接した状態で筐体１６に対して圧接方向に沿って摺動可能である。接触体１２の材料には、一例では銅が用いられる。接触体１２は、配線層６に筐体１６を接合した後に、筐体１６内に収容される。

弾性体１４は、一例では絶縁性の樹脂ばねであり、一端が接触体１２に接触しており、他端が配線層６に接触している。弾性体１４は、接触体１２を半導体素子４に向けて付勢する。弾性体１４は、配線層６に筐体１６を接合した後に、所定の圧縮荷重が加えられた状態で筐体１６内に収容される。

筐体１６は、一例では筒状の形態を有しており、接触体１２に対応した形態の内壁面を有している。筐体１６は、一端が配線層６に接合されている。筐体１６と配線層６は、例えばエッチング技術を利用して接合されている。筐体１６の材料には、一例では銅が用いられる。

次に、半導体素子４が動作したときに半導体素子４に加わる応力が緩和される作用を説明する。半導体素子４は、素子部と終端部を有している。素子部は、ゲート構造が設けられており、電流が流れる部分である。終端部は、その素子部の周囲に設けられており、横方向の耐圧を向上させるための部分である。例えば、終端部には、ガードリング、リサーフ層等の耐圧構造が設けられている。

半導体素子４が動作したときに発生する熱は、終端部よりも素子部で大きい。特に、半導体素子４の素子部の上面側で多くの熱が発生する。このため、半導体素子４の温度は、素子部の上面側で高くなる分布を有する。図３に示されるように、このような温度分布が形成されると、素子部の上面側が残部よりも大きく熱膨張するので、上に凸となるように湾曲変形する。

弾性機構１０は、弾性体１４が圧縮変形することによって、半導体素子４の湾曲変形に良好に追従することができる。これにより、半導体素子４に加わる応力が緩和される。

また、弾性機構１０では、接触体１２と筐体１６を介して半導体素子４と配線層６の電気的な接続、及び熱伝導の経路が確保されており、低い電気抵抗と高い熱伝導の特性が確保されている。さらに、接触体１２と筐体１６を介して電流が流れるので、弾性体１４のインダクタンス成分の影響が抑えられる。

また、弾性機構１０では、１つの接触体１２に対して１つの弾性体１４が設けられているので、接触体１２の大きさにバラツキがあっても、弾性体１４によってそのバラツキが吸収される。

また、弾性機構１０では、半導体素子４と接触する側の接触体１２の端部が曲面で構成されており、半導体素子４と接触体１２が点接触している。これにより、半導体素子４と接触体１２の接触面に平行な方向における半導体素子４の熱膨張に対して、滑り効果によって半導体素子４に加わる応力が緩和される。

図４に、弾性機構１０の他の例を示す。なお、図４では、図示の明瞭化のために、複数の弾性機構１０のうちの１つのみを示している。この例では、接触体２２がスライド部材２２ａと球状部材２２ｂで構成されている。スライド部材２２ａは、一端が弾性体１４に接触しており、他端が球状部材２２ｂに接触している。スライド部材２２ａはまた、筐体１６の内壁に当接しており、筐体１６に対して圧接方向に沿って摺動可能である。球状部材２２ｂは、一端がスライド部材２２ａに接触しており、他端が半導体素子４（図示省略）に接触している。筐体２６は、内壁面２６ａの一部に凹状の溝が形成されており、その溝内に球状部材２２ｂが収容されている。筐体２６の端部の内径２６Ｗは、球状部材２２ｂの外径２２Ｗよりも小さく構成されている。これにより、球状部材２２ｂが筐体２６から抜け落ちることが防止されている。なお、これらの抜け防止用の構造が、特許請求の範囲に記載されている「抜け防止部」の一例である。このような抜け防止部が設けられていると、弾性機構１０を配線層６に取り付ける作業時にスライド部材２２ａ及び球状部材２２ｂが抜け落ちることが防止され、製造時の作業負担が軽減される。

また、図５に示すように、接触体３２は、スライド部材３２ａと鍔部３２ｂを有していてもよい。なお、スライド部材３２ａは、図２及び図３に示される接触体１２と同一のものであってもよい。鍔部３２ｂは、スライド部材３２ａの側面の一部に設けられている。鍔部３２ｂは、スライド部材３２ａの側面を周方向に一巡するリング状の形態であってもよい。また、鍔部３２ｂは、スライド部材３２ａと一体で構成されていてもよい。この例でも、接触体３２が筐体２６から抜け落ちることが防止されている。

図６に示されるように、弾性体１１４と接触体１１２を有する弾性機構１１０が、配線層６に設けられた溝６ａ内に収容されていてもよい。なお、弾性体１１４と接触体１１２は、図２及び図３に示される弾性体１４と接触体１２と同一のものであってもよい。この例では、図２〜５で例示した筐体１６，２６が不要となり、構成が簡単化される。

図７Ａ，７Ｂに示すように、配線層６の溝６ａ内に抜け防止部材１１６が設けられていてもよい。抜け防止部材１１６は、接触体１１２が配線層６の溝６ａ内に収容されたときに、横方向（紙面左右方向）に沿って接触体１１２を付勢する。これにより、接触体１１２が配線層６の溝６ａから抜け落ちることが防止されている。

本実施例では、弾性機構部５が半導体素子４と配線層６の間にのみ設けられているが、弾性機構部５と同一な構造が半導体素子４と絶縁基板３の間にも設けられていてもよい。この場合、半導体素子４が湾曲変形したときに、半導体素子４の表面と裏面の双方において、電気的な接続と熱伝導の経路が確保されるので、半導体素子４を安定して動作させることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：半導体モジュール
２：冷却器
３：絶縁基板
４：半導体素子
５：弾性機構部
６：配線層
１０，１１０：弾性機構
１１：冷却器
１２，２２，３２：接触体
１４，１１４：弾性体
１６，２６：筐体

Claims (1)

1. 半導体素子と配線層が圧接固定される圧接型の半導体モジュールであって、
   前記半導体素子と前記配線層の間に設けられており、圧接方向に直交する面内に配置されている複数の弾性機構と、
   複数の抜け防止部材と、を備えており、
   前記弾性機構は、
   前記半導体素子に接触する導電性の接触体と、
   前記接触体を前記半導体素子に向けて付勢する弾性体と、を有しており、
   前記配線層には、複数の溝が設けられており、
   前記配線層の複数の前記溝の各々には、前記弾性機構と前記抜け防止部材が収容されており、
   前記抜け防止部材は、前記接触体が前記配線層の溝内に収容されたときに、前記圧接方向に直交する方向に沿って前記接触体を付勢するように構成されており、
   前記半導体素子と前記配線層は、前記接触体を介して電気的に接続可能に構成されている半導体モジュール。

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