JP7788965B2 - Semiconductor Module - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、半導体モジュールに関する。 An embodiment of the present invention relates to a semiconductor module.
例えば、耐圧数kVでMW級の電力変換器を構築するためには、半導体素子の電流容量を大きくすることが求められる。そのために、複数の半導体素子を並列実装した半導体モジュールが提案されている。高圧大電流を許容するためには、半導体素子の故障時に半導体モジュールの運転継続性や安全性を確保することが必要である。そのような観点から、大エネルギー破壊時に電気導通を維持することが求められる。 For example, to build a MW-class power converter with a breakdown voltage of several kV, it is necessary to increase the current capacity of the semiconductor elements. To achieve this, semiconductor modules with multiple semiconductor elements mounted in parallel have been proposed. To tolerate high voltages and currents, it is necessary to ensure the continued operation and safety of the semiconductor module in the event of a semiconductor element failure. From this perspective, it is necessary to maintain electrical continuity in the event of a large-energy breakdown.
本発明が解決しようとする課題は、大エネルギー破壊時に電気導通を維持できる半導体モジュールを提供することである。 The problem that this invention aims to solve is to provide a semiconductor module that can maintain electrical continuity even during high-energy breakdown.
実施形態の半導体モジュールは、第1金属部材と、第2金属部材と、第1半導体パッケージと、第2半導体パッケージと、を持つ。第1金属部材及び第2金属部材は、互いに対向して配置される。第1半導体パッケージ及び第2半導体パッケージは、前記第1金属部材と前記第2金属部材との間に配置される。前記第1半導体パッケージ及び前記第2半導体パッケージのそれぞれは、第1導電部材と、第2導電部材と、半導体素子と、を備える。第1導電部材は、前記第1金属部材に接続される。第2導電部材は、前記第2金属部材に接続される。半導体素子は、前記第1導電部材と前記第2導電部材との間に配置される。半導体素子は、前記第1導電部材及び前記第2導電部材に接続される。前記第1導電部材及び前記第2導電部材の少なくとも一方は、屈曲形状を有する。前記第1導電部材及び前記第2導電部材の少なくとも一方は、前記第1金属部材及び前記第2金属部材の一方から他方へ通電した場合に反発電磁力を発生させる。反発電磁力は、前記第1金属部材及び前記第2金属部材の少なくとも一方を前記半導体素子とは反対側に押し上げる力である。 The semiconductor module of the embodiment has a first metal member, a second metal member, a first semiconductor package, and a second semiconductor package. The first metal member and the second metal member are arranged facing each other. The first semiconductor package and the second semiconductor package are arranged between the first metal member and the second metal member. Each of the first semiconductor package and the second semiconductor package includes a first conductive member, a second conductive member, and a semiconductor element. The first conductive member is connected to the first metal member. The second conductive member is connected to the second metal member. The semiconductor element is arranged between the first conductive member and the second conductive member. The semiconductor element is connected to the first conductive member and the second conductive member. At least one of the first conductive member and the second conductive member has a bent shape. At least one of the first conductive member and the second conductive member generates a repulsive electromagnetic force when current is passed from one of the first metal member and the second metal member to the other. The repulsive electromagnetic force is a force that pushes at least one of the first metal member and the second metal member toward the opposite side from the semiconductor element.
以下、実施形態の半導体モジュールを、図面を参照して説明する。 The semiconductor module of the embodiment will be described below with reference to the drawings.
図1は、第1実施形態の半導体モジュール1の側断面図である。図2は、第1実施形態の半導体パッケージPの側断面図である。
実施形態の半導体モジュール1は、底板2(第1金属部材の一例)と、天板3(第2金属部材の一例)と、絶縁ケース4と、第1半導体パッケージPAと、第2半導体パッケージPBと、を備える。
Fig. 1 is a side cross-sectional view of a semiconductor module 1 according to the first embodiment. Fig. 2 is a side cross-sectional view of a semiconductor package P according to the first embodiment.
The semiconductor module 1 of the embodiment comprises a bottom plate 2 (an example of a first metal member), a top plate 3 (an example of a second metal member), an insulating case 4, a first semiconductor package PA, and a second semiconductor package PB.
底板2及び天板3は、互いに対向して配置される。例えば、底板2及び天板3は、電気伝導性及び熱伝導性に優れた材料で形成される。例えば、底板2及び天板3は、銅又はアルミニウムを主成分に含む。例えば、底板2及び天板3は、銅、銅合金、アルミニウム、又はアルミニウム合金などの金属で形成される。 The bottom plate 2 and the top plate 3 are arranged opposite each other. For example, the bottom plate 2 and the top plate 3 are made of a material with excellent electrical and thermal conductivity. For example, the bottom plate 2 and the top plate 3 contain copper or aluminum as a main component. For example, the bottom plate 2 and the top plate 3 are made of a metal such as copper, a copper alloy, aluminum, or an aluminum alloy.
底板2及び天板3は、水平面に沿う板状に形成される。天板3は、底板2の上方に配置される。天板3は、水平面に沿って一様な厚さ(上下方向の長さ)を有する。例えば、天板3の厚さは、2mm以上12以下である。例えば、天板3の厚さは、4mm以上10mm以下であることがより好ましい。 The bottom plate 2 and top plate 3 are formed into plates that extend along a horizontal plane. The top plate 3 is positioned above the bottom plate 2. The top plate 3 has a uniform thickness (length in the vertical direction) along the horizontal plane. For example, the thickness of the top plate 3 is 2 mm or more and 12 mm or less. For example, it is more preferable that the thickness of the top plate 3 is 4 mm or more and 10 mm or less.
底板2は、天板3と絶縁ケース4を介して接続される。例えば、絶縁ケース4は、接着剤又は締結部材により、底板2及び天板3と接続されている。例えば、絶縁ケース4は、樹脂などの電気絶縁性を有する絶縁材料で形成される。絶縁ケース4の上端は、天板3の下面に接続される。絶縁ケース4の下端は、底板2の上面に接続される。これにより、底板2、天板3及び絶縁ケース4で囲まれる空間は、密閉空間とされる。 The bottom plate 2 is connected to the top plate 3 via the insulating case 4. For example, the insulating case 4 is connected to the bottom plate 2 and top plate 3 with an adhesive or fastening member. For example, the insulating case 4 is formed from an electrically insulating material such as resin. The upper end of the insulating case 4 is connected to the underside of the top plate 3. The lower end of the insulating case 4 is connected to the upper surface of the bottom plate 2. As a result, the space surrounded by the bottom plate 2, top plate 3, and insulating case 4 is an airtight space.
底板2は、絶縁ケース4よりも側方に突出した下側接続端子5(第1接続端子の一例)を有する。天板3は、絶縁ケース4よりも側方に突出した上側接続端子6(第2接続端子の一例)を有する。実施形態では、下側接続端子5から上側接続端子6へ通電される。 The bottom plate 2 has a lower connection terminal 5 (an example of a first connection terminal) that protrudes laterally beyond the insulating case 4. The top plate 3 has an upper connection terminal 6 (an example of a second connection terminal) that protrudes laterally beyond the insulating case 4. In this embodiment, electricity is conducted from the lower connection terminal 5 to the upper connection terminal 6.
第1半導体パッケージPA及び第2半導体パッケージPBは、底板2と天板3との間に配置される。半導体モジュール1は、第1半導体パッケージPA及び第2半導体パッケージPB以外にも複数の半導体パッケージPを備える。これら複数の半導体パッケージPは、半導体モジュール1内に並列実装される。 The first semiconductor package PA and the second semiconductor package PB are arranged between the bottom plate 2 and the top plate 3. The semiconductor module 1 also includes multiple semiconductor packages P in addition to the first semiconductor package PA and the second semiconductor package PB. These multiple semiconductor packages P are mounted in parallel within the semiconductor module 1.
第1半導体パッケージPA及び第2半導体パッケージPBのそれぞれは、下電極10(第1導電部材の一例)と、上電極20(第2導電部材の一例)と、半導体素子30と、金属ケース40と、封止部材50(第1絶縁部材の一例)と、を備える。以下、第1半導体パッケージPA及び第2半導体パッケージPBを区別する場合を除き、第1半導体パッケージPA及び第2半導体パッケージPBを含む複数の半導体パッケージPを単に「半導体パッケージP」と称することがある。 Each of the first semiconductor package PA and the second semiconductor package PB includes a lower electrode 10 (an example of a first conductive member), an upper electrode 20 (an example of a second conductive member), a semiconductor element 30, a metal case 40, and a sealing member 50 (an example of a first insulating member). Hereinafter, except when distinguishing between the first semiconductor package PA and the second semiconductor package PB, the multiple semiconductor packages P including the first semiconductor package PA and the second semiconductor package PB may be simply referred to as the "semiconductor package P."
例えば、下電極10及び上電極20は、銅などの電気抵抗が小さい金属材料で形成されている。下電極10は、底板2に接続される。上電極20は、天板3に接続される。半導体素子30は、下電極10と上電極20との間に配置される。半導体素子30は、下電極10及び上電極20に接続される。例えば、半導体素子30は、電力変換に用いられるパワー半導体素子である。例えば、半導体素子30は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等の制御電極を有するスイッチング素子である。例えば、半導体素子30は、FRD(Fast Recovery Diode)等のダイオードであってもよい。 For example, the lower electrode 10 and the upper electrode 20 are formed of a metal material with low electrical resistance, such as copper. The lower electrode 10 is connected to the bottom plate 2. The upper electrode 20 is connected to the top plate 3. The semiconductor element 30 is disposed between the lower electrode 10 and the upper electrode 20. The semiconductor element 30 is connected to the lower electrode 10 and the upper electrode 20. For example, the semiconductor element 30 is a power semiconductor element used for power conversion. For example, the semiconductor element 30 is a switching element having a control electrode, such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). For example, the semiconductor element 30 may be a diode, such as an FRD (Fast Recovery Diode).
半導体パッケージPは、1つ又は複数の半導体素子30を備える。例えば、1つの半導体パッケージPに複数の半導体素子30が搭載された場合、複数の半導体素子30はすべて同一でなくてもよい。例えば、1つの半導体パッケージP内にIGBT等のスイッチング素子とFRD等のダイオードとが混在していてもよい。 A semiconductor package P includes one or more semiconductor elements 30. For example, if multiple semiconductor elements 30 are mounted on one semiconductor package P, the multiple semiconductor elements 30 do not all need to be identical. For example, a single semiconductor package P may contain a mixture of switching elements such as IGBTs and diodes such as FRDs.
例えば、半導体素子30の一方の面(下面)には、コレクタ電極、ドレイン電極、アノード電極が形成される。これらの電極は、接合材31によって下電極10に接続される。例えば、接合材31は、はんだ、導電性接着剤、銀ペースト等である。 For example, a collector electrode, a drain electrode, and an anode electrode are formed on one surface (bottom surface) of the semiconductor element 30. These electrodes are connected to the lower electrode 10 by a bonding material 31. For example, the bonding material 31 is solder, a conductive adhesive, silver paste, etc.
例えば、半導体素子30の他方の面(上面)には、エミッタ電極、ソース電極、カソード電極が形成される。これらの電極は、接合材32によってスペーサ15に接続される。例えば、スペーサ15は、銅、銅合金、アルミニウム、又はアルミニウム合金などの金属で形成される。スペーサ15は、接合材33によって上電極20に接続される。例えば、接合材33は、はんだ、導電性接着剤、銀ペースト等である。 For example, an emitter electrode, a source electrode, and a cathode electrode are formed on the other surface (top surface) of the semiconductor element 30. These electrodes are connected to the spacer 15 by a bonding material 32. For example, the spacer 15 is made of a metal such as copper, a copper alloy, aluminum, or an aluminum alloy. The spacer 15 is connected to the upper electrode 20 by a bonding material 33. For example, the bonding material 33 is solder, a conductive adhesive, silver paste, etc.
半導体素子30は、金属ケース40に収納される。例えば、金属ケース40は、ステンレス、アルミニウム、鉄などの金属で形成される。例えば、金属ケース40は、半導体素子30等の収納空間を有する直方体箱状に形成される。 The semiconductor element 30 is housed in a metal case 40. For example, the metal case 40 is made of a metal such as stainless steel, aluminum, or iron. For example, the metal case 40 is shaped like a rectangular box having a storage space for the semiconductor element 30, etc.
金属ケース40は、下部開口41と、側部開口42と、を有する。
下部開口41は、下電極10における下面(半導体素子30に接続している面の反対側の面の一例)を露出させる。下部開口41は、金属ケース40の下面に形成される。
側部開口42は、下部開口41に対して交差するように半導体素子30の側方に開口する。側部開口42は、金属ケース40の一側面に形成される。側部開口42は、下部開口41に対して略垂直な位置にある。
The metal case 40 has a bottom opening 41 and a side opening 42 .
The lower opening 41 exposes the lower surface of the lower electrode 10 (an example of the surface opposite to the surface connected to the semiconductor element 30). The lower opening 41 is formed in the lower surface of the metal case 40.
The side opening 42 opens to the side of the semiconductor element 30 so as to intersect with the lower opening 41. The side opening 42 is formed on one side surface of the metal case 40. The side opening 42 is positioned approximately perpendicular to the lower opening 41.
下電極10は、下部開口41を通じて底板2に接続される。下電極10は、接合材34によって底板2の上面に接続される。例えば、接合材34は、はんだ、導電性接着剤、銀ペースト等である。 The lower electrode 10 is connected to the bottom plate 2 through the lower opening 41. The lower electrode 10 is connected to the upper surface of the bottom plate 2 by a bonding material 34. For example, the bonding material 34 is solder, a conductive adhesive, silver paste, etc.
上電極20は、側部開口42を通じて天板3に接続される。上電極20は、屈曲形状を有する。実施形態において、上電極20は、クランク形状を有する。上電極20は、板状部材をクランク形状に折り曲げて形成されている。上電極20は、半導体素子30から側方へ延びた後に屈曲して上方へ延び、その後、更に屈曲して側方へ延びている。上電極20は、第1延在部21と、第2延在部22と、第3延在部23と、を備える。第1延在部21、第2延在部22及び第3延在部23は、同一の金属部材で一体に形成されている。 The upper electrode 20 is connected to the top plate 3 through the side opening 42. The upper electrode 20 has a bent shape. In this embodiment, the upper electrode 20 has a crank shape. The upper electrode 20 is formed by bending a plate-shaped member into a crank shape. The upper electrode 20 extends laterally from the semiconductor element 30, then bends and extends upward, and then bends again and extends laterally. The upper electrode 20 includes a first extension portion 21, a second extension portion 22, and a third extension portion 23. The first extension portion 21, the second extension portion 22, and the third extension portion 23 are integrally formed from the same metal member.
第1延在部21は、半導体素子30の上面(半導体素子30に接続している面の一例)に沿って延びる。第1延在部21は、側部開口42から金属ケース40の外へ突出する。
第2延在部22は、第1延在部21の突出端から天板3に向けて上方へ延びる。
第3延在部23は、第2延在部22の上端から水平面に沿って延びる。第3延在部23は、第2延在部22の上端から隣の半導体パッケージが有する第3延在部23に向けて側方へ延びる。
The first extending portion 21 extends along the upper surface of the semiconductor element 30 (an example of the surface connected to the semiconductor element 30). The first extending portion 21 protrudes from the side opening 42 to the outside of the metal case 40.
The second extending portion 22 extends upward from the protruding end of the first extending portion 21 toward the top plate 3 .
The third extending portion 23 extends along the horizontal plane from the upper end of the second extending portion 22. The third extending portion 23 extends laterally from the upper end of the second extending portion 22 toward the third extending portion 23 of the adjacent semiconductor package.
金属ケース40は、半導体素子30と電気的に絶縁するための封止部材50で覆われる。例えば、封止部材50は、樹脂などの電気絶縁性を有する絶縁材料で形成される。封止部材50は、金属ケース40において下部開口41から下電極10が延びる部分及び側部開口42から上電極20が延びる部分以外を覆っている。下電極10のうち下部(底板2に接続される部分)は、封止部材50で覆われずに露出している。上電極20のうち第1延在部21の突出端よりも上部(第2延在部22及び第3延在部23)は、封止部材50で覆われずに露出している。 The metal case 40 is covered with a sealing member 50 to electrically insulate it from the semiconductor element 30. For example, the sealing member 50 is formed of an electrically insulating material such as resin. The sealing member 50 covers the metal case 40 except for the portion where the lower electrode 10 extends from the lower opening 41 and the portion where the upper electrode 20 extends from the side opening 42. The lower portion of the lower electrode 10 (the portion connected to the bottom plate 2) is exposed and not covered by the sealing member 50. The portion of the upper electrode 20 above the protruding end of the first extension portion 21 (the second extension portion 22 and third extension portion 23) is exposed and not covered by the sealing member 50.
上電極20は、上電極20が延びる方向に沿って一様な厚さを有する。上電極20のうち第1延在部21及び第3延在部23は、水平面に沿って一様な厚さ(上下方向の長さ)を有する。第2延在部22は、鉛直面に沿って一様な厚さ(紙面左右方向の長さ)を有する。例えば、上電極20の厚さは、3mm以上10以下である。 The upper electrode 20 has a uniform thickness along the direction in which the upper electrode 20 extends. The first extension portion 21 and the third extension portion 23 of the upper electrode 20 have a uniform thickness (length in the vertical direction) along the horizontal plane. The second extension portion 22 has a uniform thickness (length in the horizontal direction on the paper) along the vertical plane. For example, the thickness of the upper electrode 20 is 3 mm or more and 10 mm or less.
上電極20の上端は、絶縁ケース4の上端よりも低い位置にある。実施形態において、上電極20の上端は、第3延在部23の上面に相当する。絶縁ケース4の上端は、絶縁ケース4において天板3の下面に接続される側の端部である。第3延在部23の上面は、水平面に沿う平面である。上電極20は、締結部材60,61を介して天板3に接続される。 The upper end of the upper electrode 20 is located lower than the upper end of the insulating case 4. In this embodiment, the upper end of the upper electrode 20 corresponds to the upper surface of the third extension portion 23. The upper end of the insulating case 4 is the end of the insulating case 4 that is connected to the lower surface of the top plate 3. The upper surface of the third extension portion 23 is a flat surface that lies along a horizontal plane. The upper electrode 20 is connected to the top plate 3 via fastening members 60 and 61.
実施形態において、上電極20には、ナット60(締結部材の一例)が一体化されている。ナット60は、第3延在部23の下面に接続されている。天板3及び第3延在部23のそれぞれは、ボルト61(締結部材の一例)を挿通可能な貫通孔(ボルト通し孔)を有する。例えば、天板3の上方からボルト61を各貫通孔に挿通し、ナット60に螺合する。これにより、ボルト61等の締結部材を介して上電極20を天板3に接続することができる。上電極20は、ボルト61によって天板3の向き(上方)へ荷重がかかった状態となる。この荷重は、半導体素子30に初期応力を発生させる。 In this embodiment, a nut 60 (an example of a fastening member) is integrated with the upper electrode 20. The nut 60 is connected to the underside of the third extension portion 23. The top plate 3 and the third extension portion 23 each have a through-hole (bolt-through hole) through which a bolt 61 (an example of a fastening member) can be inserted. For example, the bolts 61 are inserted into each through-hole from above the top plate 3 and screwed into the nuts 60. This allows the upper electrode 20 to be connected to the top plate 3 via a fastening member such as the bolts 61. The upper electrode 20 is placed in a state where a load is applied by the bolts 61 toward the top plate 3 (upward). This load generates initial stress in the semiconductor element 30.
半導体パッケージPは、下電極10及び上電極20によって底板2及び天板3と電気的に接続されている。複数の半導体パッケージPは、下電極10及び上電極20を介して、底板2と天板3との間に、電気的に並列接続されている。実施形態においては、下側接続端子5から通電される。電流は、半導体パッケージPの上下方向を流れる。 The semiconductor package P is electrically connected to the bottom plate 2 and top plate 3 via the lower electrode 10 and upper electrode 20. Multiple semiconductor packages P are electrically connected in parallel between the bottom plate 2 and top plate 3 via the lower electrode 10 and upper electrode 20. In this embodiment, electricity is applied from the lower connection terminal 5. The current flows vertically through the semiconductor package P.
通常動作(正常動作)時、各半導体パッケージPが有する下電極10に電流が分流する。図の例では、通常動作時において第1半導体パッケージPA及び第2半導体パッケージPBのそれぞれに電流が分流する。その後、電流は天板3に沿って上側接続端子6に向けて流れる。 During normal operation (normal operation), current is divided into the lower electrodes 10 of each semiconductor package P. In the example shown in the figure, during normal operation, current is divided into the first semiconductor package PA and the second semiconductor package PB. The current then flows along the top plate 3 toward the upper connection terminals 6.
例えば、通常動作時に半導体素子30が発生した熱は、半導体モジュール1の両側にある底板2及び天板3に熱伝導する。このため、半導体素子30を冷却することができる。例えば、半導体パッケージPの一方側のみを金属部材と接続した構成と比較して、冷却性能を向上させることができる。例えば、底板2は冷却器を兼ねていてもよい。 For example, heat generated by the semiconductor element 30 during normal operation is conducted to the bottom plate 2 and top plate 3 on both sides of the semiconductor module 1. This allows the semiconductor element 30 to be cooled. For example, compared to a configuration in which only one side of the semiconductor package P is connected to a metal member, cooling performance can be improved. For example, the bottom plate 2 may also function as a cooler.
図3は、第1実施形態の半導体モジュール1の反発電磁力MFの説明図である。図4は、半導体モジュール1内の半導体素子30が故障したときの電流及び電圧の関係を示す図である。
例えば、半導体モジュール1内のいずれか1つ又は複数の半導体素子30が故障すると、半導体素子30のコレクタとエミッタとの電極間が短絡する。すると、故障した半導体素子30(以下「故障チップ」ともいう。)を経路として、図4に示すような数百kAピークの大電流が流れる。実施形態では、上電極20が略直角に曲がっていることで、通電時に反発電磁力MFを発生させる。反発電磁力MFは、天板3を半導体素子30とは反対側に押し上げる力である。本実施形態では、上電極20において第1延在部21を流れる電流の向きVA(横向き)と第2延在部22を流れる電流の向きVB(縦向き)とは互いに異なる。そのため、上電極20を天板3側に押し上げる反発電磁力MF(ローレンツ力)が発生する。
Fig. 3 is an explanatory diagram of the repulsive electromagnetic force MF of the semiconductor module 1 of the first embodiment. Fig. 4 is a diagram showing the relationship between current and voltage when a semiconductor element 30 in the semiconductor module 1 fails.
For example, if one or more semiconductor elements 30 in the semiconductor module 1 fail, a short circuit occurs between the collector and emitter electrodes of the semiconductor element 30. As a result, a large current of several hundred kA peaks, as shown in FIG. 4 , flows through the failed semiconductor element 30 (hereinafter also referred to as the "failed chip") as a path. In this embodiment, the upper electrode 20 is bent at a substantially right angle, generating a repulsive electromagnetic force MF when current is applied. The repulsive electromagnetic force MF is a force that pushes the top plate 3 toward the side opposite the semiconductor element 30. In this embodiment, the direction of current flowing through the first extension portion 21 of the upper electrode 20 is VA (horizontal) and the direction of current flowing through the second extension portion 22 is VB (vertical). Therefore, a repulsive electromagnetic force MF (Lorentz force) that pushes the upper electrode 20 toward the top plate 3 is generated.
大電流が流れると、故障チップがジュール発熱する。すると、故障チップの構成材料(例えば半導体材料のシリコン)が溶融し、気化することがある。すると、半導体パッケージ内の圧力が数百MPa上昇する。半導体パッケージ内の圧力上昇により、上電極20が天板3側に押し上げられる。天板3は、反発電磁力MFと圧力上昇による上電極20の押し上げにより、上方向へ数mm変形する。天板3の変形により、故障した半導体パッケージと並列接続された他の半導体パッケージの上電極20が天板3側に引き上げられる。上電極20が引き上げられることで、はんだ等で接続された半導体素子30に追加応力が発生する。初期応力と追加応力とにより、半導体素子30にクラックが発生する。すると、図4に示すピーク電流に遅れて発生する数百Vの電圧印加で半導体素子30のコレクタとエミッタとの電極間が短絡する(短絡故障)。以下、初期故障した半導体素子30以外の半導体素子30が、追加応力の発生によって短絡故障することを「伴連れ短絡故障」という。 When a large current flows, the faulty chip generates Joule heat. This can cause the constituent materials of the faulty chip (e.g., silicon, a semiconductor material) to melt and vaporize. This causes the pressure inside the semiconductor package to rise by several hundred MPa. The increased pressure inside the semiconductor package pushes the upper electrode 20 toward the top plate 3. The top plate 3 deforms upward by several millimeters due to the repulsive electromagnetic force MF and the upward pressure pushing up the upper electrode 20. The deformation of the top plate 3 pulls the upper electrodes 20 of other semiconductor packages connected in parallel to the faulty semiconductor package toward the top plate 3. As the upper electrodes 20 are pulled up, additional stress is generated in the semiconductor elements 30 connected by solder or the like. The initial stress and additional stress cause cracks in the semiconductor elements 30. This causes a short circuit between the collector and emitter electrodes of the semiconductor element 30 (short-circuit failure) due to the application of a voltage of several hundred volts that occurs after the peak current, as shown in Figure 4. Hereinafter, a short circuit failure in a semiconductor element 30 other than the semiconductor element 30 that has initially failed due to the occurrence of additional stress will be referred to as a "concomitant short circuit failure."
図5は、チップ応力増加倍率と短絡故障発生確率との関係を示す図である。
チップ応力増加倍率は、半導体素子30にクラックが発生する応力を1とした場合の応力増加倍率である。半導体素子30に発生する応力が基準値より小さいとクラックが発生しない。半導体素子30に発生する応力が基準値を超えて大きいほどクラックが発生しやすい。例えば、図5に示す特性を利用して、半導体モジュール1内に並列した半導体素子30を伴連れ短絡故障させる。例えば、初期応力が基準値1を超えないこと、かつ、初期応力と追加応力との合計が基準値1を超えるように設計する。これにより、通常時は短絡故障を起こさず、故障時に伴連れ短絡故障を起こすことができる。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the chip stress increase factor and the probability of short circuit failure.
The chip stress increase factor is the stress increase factor when the stress at which a crack occurs in the semiconductor element 30 is set to 1. If the stress occurring in the semiconductor element 30 is smaller than a reference value, no crack will occur. The greater the stress occurring in the semiconductor element 30 exceeds the reference value, the more likely it is that a crack will occur. For example, by utilizing the characteristics shown in FIG. 5, the semiconductor elements 30 arranged in parallel within the semiconductor module 1 are caused to suffer a concomitant short-circuit failure. For example, the design is such that the initial stress does not exceed the reference value 1, and the sum of the initial stress and the additional stress exceeds the reference value 1. This prevents short-circuit failures under normal circumstances, but allows concomitant short-circuit failures to occur in the event of a failure.
図6は、上電極20の厚さとチップ応力増加倍率との関係を示す図である。
上電極20の厚さが厚いほど半導体素子30へ荷重を伝えやすいため、チップ応力増加倍率が大きくなる。一方、上電極20の厚さが厚いほど剛性が上がり天板3が変形しにくくなるため、チップ応力増加倍率が大きくなりにくくなるという特性がある。そのため、上電極20の厚さは厚すぎないことが望ましい。例えば、上電極20の厚さを3mm以上とすることで、チップ応力増加倍率が1以上となる。これにより、伴連れ短絡故障に必要な基準値以上の応力を発生させることができる。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the thickness of the upper electrode 20 and the chip stress increase factor.
The thicker the upper electrode 20, the easier it is to transmit the load to the semiconductor element 30, and therefore the larger the chip stress increase factor. On the other hand, the thicker the upper electrode 20, the more rigid it becomes, making it harder for the top plate 3 to deform, and therefore the larger the chip stress increase factor becomes. Therefore, it is desirable that the thickness of the upper electrode 20 is not too thick. For example, by making the thickness of the upper electrode 20 3 mm or more, the chip stress increase factor becomes 1 or more. This makes it possible to generate stress above the reference value required for concomitant short circuit failure.
図7は、天板厚さとチップ応力増加倍率との関係を示す図である。
チップ応力増加倍率は、天板厚さがある厚さのときに極大値となる特徴がある。この理由は、天板厚さが薄すぎると初期故障した半導体素子30直上の天板3しか変形できず、天板厚さが厚すぎると天板3そのものが変形しにくくなるためである。例えば、天板厚さを2mm以上12mm以下とする。これにより、半導体素子30にクラックが発生しやすくなる。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the thickness of the top plate and the chip stress increase factor.
The chip stress increase factor has the characteristic of reaching a maximum value when the top plate thickness is a certain thickness. The reason for this is that if the top plate thickness is too thin, only the top plate 3 directly above the semiconductor element 30 that has experienced an initial failure can deform, while if the top plate thickness is too thick, the top plate 3 itself becomes difficult to deform. For example, the top plate thickness is set to 2 mm or more and 12 mm or less. This makes it easier for cracks to occur in the semiconductor element 30.
以上に説明されたように、本実施形態の半導体モジュール1は、底板2と、天板3と、第1半導体パッケージPAと、第2半導体パッケージPBと、を持つ。底板2及び天板3は、互いに対向して配置される。第1半導体パッケージPA及び第2半導体パッケージPBは、底板2と天板3との間に配置される。第1半導体パッケージPA及び第2半導体パッケージPBのそれぞれは、下電極10と、上電極20と、半導体素子30と、を備える。下電極10は、底板2に接続される。上電極20は、天板3に接続される。半導体素子30は、下電極10と上電極20との間に配置される。半導体素子30は、下電極10及び上電極20に接続される。上電極20は、屈曲形状を有する。上電極20は、底板2から天板3へ通電した場合に反発電磁力MFを発生させる。反発電磁力MFは、上電極20を半導体素子30とは反対側に押し上げる力である。以上の構成によって、以下の効果を奏する。
第1半導体モジュール1内の半導体素子30が故障すると、半導体素子30のコレクタとエミッタとの電極間が短絡する。すると、故障した半導体素子30(故障チップ)を経路として、数百kAピークの大電流が流れる。本実施形態では、上電極20が屈曲形状を有することで、通電時に反発電磁力MFを発生させ、天板3が押し上げられる。天板3は、上電極20の押し上げにより、上方向へ変形する。天板3の変形により、故障した第1半導体パッケージPAと並列接続された第2半導体パッケージPBの上電極20が天板3側に引き上げられる。第2半導体パッケージPBの上電極20が引き上げられることで、第2半導体パッケージPB内の半導体素子30に追加応力が発生する。初期応力と追加応力とにより、第2半導体パッケージPB内の半導体素子30にクラックが発生する。これにより、初期故障した第1半導体パッケージPA以外の第2半導体パッケージPBを機械的破壊により短絡させることが可能となる。
加えて、第1半導体パッケージPA及び第2半導体パッケージPBが壊れても、他の半導体パッケージPで電気導通を維持することができる。したがって、大エネルギー破壊時に電気導通を維持できる半導体モジュール1を提供することができる。
As described above, the semiconductor module 1 of this embodiment includes a bottom plate 2, a top plate 3, a first semiconductor package PA, and a second semiconductor package PB. The bottom plate 2 and the top plate 3 are disposed opposite each other. The first semiconductor package PA and the second semiconductor package PB are disposed between the bottom plate 2 and the top plate 3. Each of the first semiconductor package PA and the second semiconductor package PB includes a lower electrode 10, an upper electrode 20, and a semiconductor element 30. The lower electrode 10 is connected to the bottom plate 2. The upper electrode 20 is connected to the top plate 3. The semiconductor element 30 is disposed between the lower electrode 10 and the upper electrode 20. The semiconductor element 30 is connected to the lower electrode 10 and the upper electrode 20. The upper electrode 20 has a curved shape. The upper electrode 20 generates a repulsive electromagnetic force MF when current is applied from the bottom plate 2 to the top plate 3. The repulsive electromagnetic force MF pushes the upper electrode 20 in the direction opposite the semiconductor element 30. The above configuration provides the following effects.
When the semiconductor element 30 in the first semiconductor module 1 fails, a short circuit occurs between the collector and emitter electrodes of the semiconductor element 30. This causes a large current, peaking at several hundred kA, to flow through the failed semiconductor element 30 (failed chip). In this embodiment, the upper electrode 20 has a curved shape, which generates a repulsive electromagnetic force MF when current is applied, pushing up the top plate 3. The top plate 3 is deformed upward by the upward pushing of the upper electrode 20. The deformation of the top plate 3 pulls up the upper electrode 20 of the second semiconductor package PB, which is connected in parallel with the failed first semiconductor package PA, toward the top plate 3. Pulling up the upper electrode 20 of the second semiconductor package PB generates additional stress on the semiconductor element 30 in the second semiconductor package PB. The initial stress and the additional stress cause cracks to form in the semiconductor element 30 in the second semiconductor package PB. This makes it possible to short-circuit the second semiconductor packages PB other than the initially failed first semiconductor package PA by mechanical destruction.
In addition, even if the first semiconductor package PA and the second semiconductor package PB are broken, electrical continuity can be maintained in the other semiconductor packages P. Therefore, it is possible to provide a semiconductor module 1 that can maintain electrical continuity even in the event of a large-energy breakdown.
例えば、半導体パッケージ単体では短絡故障時に電気導通維持可能なエネルギーには限界がある。これに対し本実施形態では、半導体モジュール1内に並列された第2半導体パッケージPBを機械的破壊で短絡故障させることで、半導体モジュール1として電気導通維持可能なエネルギーを半導体パッケージ単体の2倍以上にすることができる。 For example, a semiconductor package alone has a limit to the amount of energy that can maintain electrical continuity in the event of a short-circuit failure. In contrast, in this embodiment, by mechanically destroying the second semiconductor package PB arranged in parallel within the semiconductor module 1, a short-circuit failure occurs, making it possible to increase the amount of energy that can maintain electrical continuity for the semiconductor module 1 to more than twice that of a single semiconductor package.
例えば、大エネルギーに耐えるための構造として、半導体素子の電流経路に高電気抵抗を持つ抵抗端子を配置した構造がある。この構造は、大電流通電時には抵抗端子でエネルギーを消費する構造である。しかし、抵抗端子を配置することで半導体モジュールが大型化してしまう問題がある。これに対し本実施形態では、短絡故障が発生した半導体素子30(故障チップ)以外の半導体素子30(健全チップ)を積極的に伴連れで破壊し、半導体モジュール1として電気導通を維持する構造である。このため、本実施形態では抵抗端子は不要である。抵抗端子を削減することで、小型化及び低コスト化を図ることができる。したがって、半導体モジュール1を大型化することなく、故障時電気導通維持の許容エネルギーを2倍以上に向上することができる。 For example, one structure for withstanding large amounts of energy is to place a resistive terminal with high electrical resistance in the current path of a semiconductor element. This structure dissipates energy at the resistive terminal when a large current is passing through it. However, the placement of the resistive terminal results in an increase in the size of the semiconductor module. In contrast, this embodiment is designed to actively destroy semiconductor elements 30 (healthy chips) other than the semiconductor element 30 (faulty chip) in which a short circuit has occurred, thereby maintaining electrical continuity as a semiconductor module 1. For this reason, resistive terminals are not necessary in this embodiment. Removing the resistive terminals enables smaller size and lower costs. Therefore, the allowable energy required to maintain electrical continuity in the event of a fault can be more than doubled without increasing the size of the semiconductor module 1.
本実施形態の天板3は、底板2の上方に配置される。半導体素子30は、金属ケース40に収納される。金属ケース40は、下電極10の下面を露出させる下部開口41と、下部開口41に対して交差するように半導体素子30の側方を開口する側部開口42と、を有する。下電極10は、下部開口41を通じて底板2に接続される。上電極20は、側部開口42を通じて天板3に接続される。以上の構成によって、以下の効果を奏する。
金属ケース40により半導体素子30を外的要因から保護することができる。加えて、上電極20が側部開口42を通じて天板3に接続されることで、通電時に、より大きな反発電磁力MFを発生させることができる。このため、上電極20の押し上げ力がより大きくなり、天板3を上方向へより大きく変形させることができる。これにより、第1半導体パッケージPAと並列接続された第2半導体パッケージPBの上電極20の引き上げ力がより大きくなる。このため、第2半導体パッケージPB内の半導体素子30に発生する追加応力がより大きくなる。したがって、初期故障した第1半導体パッケージPA以外の第2半導体パッケージPBを機械的破壊により短絡させる上で好適である。
In this embodiment, the top plate 3 is disposed above the bottom plate 2. The semiconductor element 30 is housed in a metal case 40. The metal case 40 has a lower opening 41 that exposes the lower surface of the lower electrode 10, and a side opening 42 that opens to the side of the semiconductor element 30 and intersects with the lower opening 41. The lower electrode 10 is connected to the bottom plate 2 through the lower opening 41. The upper electrode 20 is connected to the top plate 3 through the side opening 42. The above configuration provides the following effects.
The metal case 40 can protect the semiconductor element 30 from external factors. In addition, since the upper electrode 20 is connected to the top plate 3 through the side opening 42, a larger repulsive electromagnetic force MF can be generated when current is applied. This increases the upward force of the upper electrode 20, allowing the top plate 3 to deform upward to a greater extent. This increases the pulling force of the upper electrode 20 of the second semiconductor package PB connected in parallel with the first semiconductor package PA. This increases the additional stress generated in the semiconductor element 30 in the second semiconductor package PB. This is therefore suitable for short-circuiting, by mechanical destruction, the second semiconductor package PB other than the first semiconductor package PA that has experienced an initial failure.
本実施形態の上電極20は、第1延在部21及び第2延在部22を備える。第1延在部21は、半導体素子30の上面に沿って延びるとともに側部開口42から金属ケース40の外へ突出する。第2延在部22は、第1延在部21の突出端から天板3に向けて上方へ延びる。以上の構成によって、以下の効果を奏する。
上電極20において第1延在部21と第2延在部22とが略直角になることで、通電時に反発電磁力MFを発生させる上で好適である。
The upper electrode 20 of this embodiment includes a first extension portion 21 and a second extension portion 22. The first extension portion 21 extends along the upper surface of the semiconductor element 30 and protrudes out of the metal case 40 through a side opening 42. The second extension portion 22 extends upward from the protruding end of the first extension portion 21 toward the top plate 3. The above-described configuration provides the following effects.
In the upper electrode 20, the first extension portion 21 and the second extension portion 22 are arranged at a substantially right angle, which is suitable for generating a repulsive electromagnetic force MF when current is applied.
本実施形態の金属ケース40は、半導体素子30と電気的に絶縁するための封止部材50で覆われることで、以下の効果を奏する。
金属ケース40及び封止部材50により半導体素子30を外的要因から保護することができる。加えて、封止部材50により金属ケース40と半導体素子30とを電気的に絶縁することができる。
The metal case 40 of this embodiment is covered with the sealing member 50 for electrical insulation from the semiconductor element 30, and thereby provides the following effects.
The metal case 40 and the sealing member 50 can protect the semiconductor element 30 from external factors. In addition, the sealing member 50 can electrically insulate the metal case 40 and the semiconductor element 30 from each other.
底板2は、天板3と絶縁ケース4を介して接続される。上電極20の上端は、絶縁ケース4の上端よりも低い位置にある。上電極20は、締結部材60,61を介して天板3に接続される。以上の構成によって、以下の効果を奏する。
上電極20は締結部材60,61によって天板3の向きに荷重がかかった状態となる。この荷重は、半導体素子30に初期応力を発生させる。したがって、締結部材60,61を備えた簡単な構成で、半導体素子30に初期応力を発生させることができる。
加えて、絶縁ケース4の上端を高くすることで、組み立て時に上電極20に予荷重をかけてあそびを無くすことができる。
The bottom plate 2 is connected to the top plate 3 via the insulating case 4. The upper end of the upper electrode 20 is located lower than the upper end of the insulating case 4. The upper electrode 20 is connected to the top plate 3 via fastening members 60 and 61. The above-described configuration provides the following effects.
The upper electrode 20 is placed in a state where a load is applied in the direction of the top plate 3 by the fastening members 60 and 61. This load generates an initial stress in the semiconductor element 30. Therefore, with a simple configuration including the fastening members 60 and 61, the initial stress can be generated in the semiconductor element 30.
In addition, by raising the upper end of the insulating case 4, a preload can be applied to the upper electrode 20 during assembly to eliminate play.
本実施形態の半導体モジュール1は、第1半導体パッケージPA及び第2半導体パッケージPBのそれぞれの上電極20が締結部材60,61を介して天板3に接続される。それぞれの上電極20が締結部材60,61を介して天板3に接続される部分は、互いに隣り合う位置にある。以上の構成によって、以下の効果を奏する。
通電時の反発電磁力MFにより、それぞれの上電極20が締結部材を介して天板3に接続される部分(天板3の一部)を山なりに大きく変形させることができる。したがって、初期故障した第1半導体パッケージPA以外の第2半導体パッケージPBを機械的破壊により短絡させる上で好適である。
In the semiconductor module 1 of this embodiment, the upper electrodes 20 of the first semiconductor package PA and the second semiconductor package PB are connected to the top plate 3 via fastening members 60, 61. The portions of the upper electrodes 20 connected to the top plate 3 via the fastening members 60, 61 are located adjacent to each other. The above configuration provides the following effects.
The repulsive electromagnetic force MF when current is applied can cause the portions (parts of the top plate 3) where the upper electrodes 20 are connected to the top plate 3 via the fastening members to be largely deformed into an arch shape, which is therefore suitable for short-circuiting the second semiconductor packages PB other than the first semiconductor package PA that has experienced an initial failure through mechanical destruction.
本実施形態の上電極20の厚さは、3mm以上であることで、以下の効果を奏する。
チップ応力増加倍率が1以上となるため、伴連れ短絡故障に必要な基準値以上の応力を発生させることができる。
In this embodiment, the thickness of the upper electrode 20 is 3 mm or more, which provides the following effects.
Since the chip stress increase factor is 1 or more, it is possible to generate stress exceeding the reference value required for concomitant short circuit failure.
本実施形態の天板3の厚さは、2mm以上12mm以下であることで、以下の効果を奏する。
例えば、天板3の厚さが2mm未満であると薄すぎ、初期故障した半導体素子30直上の天板3しか変形できない可能性が高い。例えば、天板3の厚さが12mmを超えると厚すぎ、天板3そのものが変形しにくくなる可能性が高い。これに対し本実施形態では、天板3の厚さが2mm以上12mm以下であることで、半導体素子30にクラックが発生しやすくなる。
The thickness of the top plate 3 in this embodiment is 2 mm or more and 12 mm or less, which provides the following effects.
For example, if the thickness of the top plate 3 is less than 2 mm, it is too thin, and there is a high possibility that only the top plate 3 directly above the semiconductor element 30 that has experienced an initial failure can deform. For example, if the thickness of the top plate 3 exceeds 12 mm, it is too thick, and there is a high possibility that the top plate 3 itself will not deform easily. In contrast, in this embodiment, the thickness of the top plate 3 is 2 mm or more and 12 mm or less, which makes it easier for cracks to occur in the semiconductor element 30.
本実施形態の底板2は、天板3と絶縁ケース4を介して接続される。底板2は、絶縁ケース4よりも側方に突出した下側接続端子5を有する。天板3は、絶縁ケース4よりも側方に突出した上側接続端子6を有する。以上の構成によって、以下の効果を奏する。
下側接続端子5及び上側接続端子6が絶縁ケース4よりも内側に位置する場合と比較して、接続端子5,6に電源等を接続しやすいため、好適である。
In this embodiment, the bottom plate 2 is connected to the top plate 3 via the insulating case 4. The bottom plate 2 has a lower connection terminal 5 that protrudes laterally beyond the insulating case 4. The top plate 3 has an upper connection terminal 6 that protrudes laterally beyond the insulating case 4. The above-described configuration provides the following effects.
This is preferable because it is easier to connect a power source or the like to the connection terminals 5 and 6 compared to when the lower connection terminal 5 and the upper connection terminal 6 are located inside the insulating case 4 .
これまで説明した第1実施形態は、上電極20が締結部材60,61を介して天板3に接続される例である。しかしながら、半導体パッケージPは半導体素子30や電極10,20を積み重ねた構造であるため、上電極20の高さ位置にばらつきが生じる。半導体モジュール1内に複数の半導体パッケージPを並列し、上電極20と天板3との接触電気抵抗を悪化させないことが重要である。そのためには、高さにばらつきがある上電極20すべての接触圧力を確保する必要がある。以下の実施形態では、弾性部材の弾性力により、高さにばらつきがある上電極20すべての接触圧力を確保する例を説明する。 The first embodiment described so far is an example in which the upper electrode 20 is connected to the top plate 3 via fastening members 60, 61. However, because the semiconductor package P has a structure in which the semiconductor elements 30 and electrodes 10, 20 are stacked, variations in the height position of the upper electrodes 20 occur. It is important to arrange multiple semiconductor packages P in parallel within the semiconductor module 1 and not deteriorate the contact electrical resistance between the upper electrodes 20 and the top plate 3. To do this, it is necessary to ensure contact pressure for all upper electrodes 20 that vary in height. In the following embodiment, an example will be described in which the elastic force of an elastic member is used to ensure contact pressure for all upper electrodes 20 that vary in height.
次に、半導体モジュールの一例として第2実施形態について説明する。第2実施形態において、第1実施形態と同様の構成については説明を省略する。第2実施形態は、ばね構造270(弾性部材の一例)を備える点が第1実施形態と異なる。
図8は、第2実施形態の半導体モジュール201の側断面図である。
上電極20は、締結部材61と並んで配置されたばね構造270を介して天板3に接続される。
Next, a second embodiment will be described as an example of a semiconductor module. In the second embodiment, a description of the same configuration as in the first embodiment will be omitted. The second embodiment differs from the first embodiment in that it includes a spring structure 270 (an example of an elastic member).
FIG. 8 is a side cross-sectional view of a semiconductor module 201 according to the second embodiment.
The upper electrode 20 is connected to the top plate 3 via a spring structure 270 arranged alongside the fastening member 61 .
ばね構造270は、複数の皿バネ271を積み重ねた構造である。複数の皿バネ271において上下方向に隣り合う2つの皿バネ271は、互いに面接触しておらず、皿バネ271の端部で線接触又は点接触している。例えば、皿バネ271は、導電性の金属材料で形成される。複数の皿バネ271の中心孔には、ボルト61が挿通されている。ばね構造270は、天板3をボルト61で締結することで圧縮状態となる初期長さを有する。 The spring structure 270 is a structure in which multiple disc springs 271 are stacked. Two adjacent disc springs 271 in the vertical direction do not make surface contact with each other, but make line or point contact at the ends of the disc springs 271. For example, the disc springs 271 are made of a conductive metal material. A bolt 61 is inserted through the center hole of the multiple disc springs 271. The spring structure 270 has an initial length that allows it to be compressed when the top plate 3 is fastened with the bolt 61.
ばね構造270において半導体素子30の側の端部は、上電極20において天板3の側に突出した部分よりもボルト61(締結部材の一例)の側にずれた位置にある。ここで、ばね構造270において半導体素子30の側の端部は、複数の皿バネ271のうち最も下側に位置する皿バネ271において半導体素子30に最も近い端部である。上電極20において天板3の側に突出した部分は、第3延在部23において半導体素子30に最も近い端部である。 The end of the spring structure 270 on the semiconductor element 30 side is positioned closer to the bolt 61 (an example of a fastening member) than the portion of the upper electrode 20 that protrudes toward the top plate 3. Here, the end of the spring structure 270 on the semiconductor element 30 side is the end of the lowest of the multiple disc springs 271 that is closest to the semiconductor element 30. The portion of the upper electrode 20 that protrudes toward the top plate 3 is the end of the third extension 23 that is closest to the semiconductor element 30.
図9は、第2実施形態の半導体モジュール201のアーク発生の説明図である。
本実施形態では、ばね構造270がボルト61の方向にずれている。図中のずれSは、最も下側に位置する皿バネ271において半導体素子30に最も近い端部と第3延在部23において半導体素子30に最も近い端部との水平方向の間隔である。
FIG. 9 is an explanatory diagram of arc generation in the semiconductor module 201 of the second embodiment.
In this embodiment, the spring structure 270 is offset toward the bolt 61. The offset S in the drawing is the horizontal distance between the end of the lowest disc spring 271 closest to the semiconductor element 30 and the end of the third extension portion 23 closest to the semiconductor element 30.
例えば、短絡故障時の圧力上昇により上向き荷重(上向き矢印方向の力)が作用すると、てこの原理でボルト61を引き伸ばす荷重が作用する。すなわち、ボルト61には支点FPを介して作用する下向き荷重(下向き矢印方向の力)が作用する。短絡故障によって大電流が流れている場合にボルト61が破断すると、天板3と上電極20とが非接触状態となる。すると、天板3と上電極20との間にアークが発生する。アークによる圧力によって、天板3は上へ押し上げられる。すると、並列した半導体パッケージPの上電極20が引き上げられる。これにより、他の半導体パッケージPを伴連れ短絡故障させやすくなる。 For example, when an upward load (force in the direction of the upward arrow) is applied due to a pressure increase during a short-circuit fault, a load that stretches the bolt 61 acts on it using the principle of leverage. In other words, a downward load (force in the direction of the downward arrow) acts on the bolt 61 via the fulcrum FP. If the bolt 61 breaks when a large current is flowing due to a short-circuit fault, the top plate 3 and upper electrode 20 will no longer be in contact. This will cause an arc to occur between the top plate 3 and the upper electrode 20. The pressure from the arc will push the top plate 3 upward. This will pull up the upper electrode 20 of the semiconductor package P that is arranged in parallel. This will make it more likely that other semiconductor packages P will also suffer a short-circuit fault.
以上に説明されたように、第2実施形態では、上電極20は、ボルト61と並んで配置されたばね構造270を介して天板3に接続されることで、以下の効果を奏する。
高さにばらつきのある上電極20すべての接触圧力を確保することができる。このため、上電極20の高さ位置にばらつきが生じた場合でも、各上電極20と天板3との間に電気導通経路を形成することができる。さらに、各上電極20と天板3との間の接触熱抵抗を低減することができる。
加えて、組み立て時に、上電極20の上端高さ公差をばね構造270で吸収することができる。
As described above, in the second embodiment, the upper electrode 20 is connected to the top plate 3 via the spring structure 270 arranged alongside the bolt 61, thereby achieving the following effects.
It is possible to ensure contact pressure for all upper electrodes 20 that vary in height. Therefore, even if there is variation in the height position of the upper electrodes 20, an electrical conduction path can be formed between each upper electrode 20 and the top plate 3. Furthermore, it is possible to reduce the contact thermal resistance between each upper electrode 20 and the top plate 3.
In addition, the spring structure 270 can absorb the tolerance in the height of the top end of the upper electrode 20 during assembly.
第2実施形態では、ばね構造270において半導体素子30の側の端部は、上電極20において天板3の側に突出した部分よりもボルト61の側にずれた位置にあることで、以下の効果を奏する。
てこの原理でボルト61を引き伸ばす荷重が作用する。短絡故障によって大電流が流れている場合にボルト61が破断すると、アークが発生する。アークの発生により、天板3は上へ押し上げられる。すると、並列した半導体パッケージPの上電極20が引き上げられる。したがって、アークが発生しない構造と比較して、伴連れ短絡故障が発生しやすくなる。
In the second embodiment, the end of the spring structure 270 on the semiconductor element 30 side is positioned closer to the bolt 61 than the portion of the upper electrode 20 that protrudes toward the top plate 3, thereby achieving the following effects.
A load acts on the bolt 61, stretching it using the principle of leverage. If the bolt 61 breaks when a large current flows due to a short-circuit fault, an arc occurs. The arc pushes the top plate 3 upward, which in turn pulls up the upper electrodes 20 of the parallel-arranged semiconductor packages P. Therefore, compared to a structure in which no arc occurs, a concomitant short-circuit fault is more likely to occur.
これまで説明した第2実施形態は、上電極20が締結部材60,61及びばね構造270を介して天板3に接続される例である。しかしながら、短絡故障時の電流通電の大きさ等によっては、さらに電気抵抗を低減する必要がある。以下の実施形態では、導通部材により、さらに電気抵抗を低減する例を説明する。 The second embodiment described above is an example in which the upper electrode 20 is connected to the top plate 3 via fastening members 60, 61 and a spring structure 270. However, depending on factors such as the magnitude of the current flowing during a short-circuit fault, it may be necessary to further reduce electrical resistance. In the following embodiment, an example in which electrical resistance is further reduced using a conductive member will be described.
次に、半導体モジュールの一例として第3実施形態について説明する。第3実施形態において、第1実施形態及び第2実施形態と同様の構成については説明を省略する。第3実施形態は、導通部材380を備える点が第2実施形態と異なる。
図10は、第3実施形態の半導体モジュール301の側断面図である。
上電極20は、ばね構造270(弾性部材の一例)と並んで配置された導通部材380を介して天板3に接続される。
Next, a third embodiment will be described as an example of a semiconductor module. In the third embodiment, a description of the same configuration as in the first and second embodiments will be omitted. The third embodiment differs from the second embodiment in that a conductive member 380 is provided.
FIG. 10 is a side cross-sectional view of a semiconductor module 301 according to the third embodiment.
The upper electrode 20 is connected to the top plate 3 via a conductive member 380 arranged alongside a spring structure 270 (an example of an elastic member).
例えば、導通部材380は、銅などの電気抵抗が小さい金属材料で形成されている。導通部材380は、ばね構造270よりも電気抵抗の小さい金属材料で形成されている。導通部材380は、U字形状を有する。導通部材380は、板状部材をU字形状に折り曲げて形成されている。導通部材380の一方の端部は、上電極20とばね構造270下端との間にある。導通部材380の他方の端部は、天板3とばね構造270上端との間にある。導通部材380は、想定される電流が流れた場合でもジュール発熱で溶断しないよう、十分な断面積を有する。 For example, the conductive member 380 is made of a metal material with low electrical resistance, such as copper. The conductive member 380 is made of a metal material with lower electrical resistance than the spring structure 270. The conductive member 380 has a U-shape. The conductive member 380 is formed by bending a plate-shaped member into a U-shape. One end of the conductive member 380 is located between the upper electrode 20 and the lower end of the spring structure 270. The other end of the conductive member 380 is located between the top plate 3 and the upper end of the spring structure 270. The conductive member 380 has a sufficient cross-sectional area so that it will not melt due to Joule heating even when an expected current flows through it.
図11は、導通部材の変形例を示す側断面図である。図12は、導通部材の変形例を示す斜視図である。
例えば、導電部材480の長さL(図11の左右方向の長さ)は、上電極20の第3延在部23の長さ(図11の左右方向の長さ)よりも長くてもよい。導電部材480がターンする構造であるため、導電部材480には逆向き(図11の右方向の矢印、図11の左方向の矢印)の電流が流れる。逆向きの電流の作用により、反発電磁力MFが発生する。これにより、導電部材480が上電極20や天板3に押し付けられる向きの電磁力が発生する。したがって、接触圧力の向上を図り、かつ、接触電気抵抗の悪化を防ぐ上で好適である。
11 and 12 are side cross-sectional and perspective views showing modified examples of the conductive member.
For example, the length L of the conductive member 480 (the length in the left-right direction in FIG. 11 ) may be longer than the length of the third extension portion 23 of the upper electrode 20 (the length in the left-right direction in FIG. 11 ). Because the conductive member 480 has a turning structure, current flows in the conductive member 480 in opposite directions (the rightward arrow in FIG. 11 and the leftward arrow in FIG. 11 ). The action of the opposite current generates a repulsive electromagnetic force MF. This generates an electromagnetic force in a direction that presses the conductive member 480 against the upper electrode 20 and the top plate 3. This is therefore advantageous for improving the contact pressure and preventing a deterioration in the contact electrical resistance.
例えば、導通部材480は、複数の貫通孔481(ボルト通し孔)を有してもよい。例えば、貫通孔481は、導通部材480の幅方向に一対配置されていてもよい。これにより、各貫通孔481にボルト61を挿通することで、組み立て時の予荷重などを調整することが可能となる。加えて、上電極20及び天板3に対する導通部材480の接触圧力の更なる向上を図り、かつ、接触電気抵抗の悪化を防ぐ上で好適である。 For example, the conductive member 480 may have multiple through holes 481 (bolt holes). For example, the through holes 481 may be arranged in pairs in the width direction of the conductive member 480. This makes it possible to adjust the preload during assembly by inserting a bolt 61 into each through hole 481. In addition, this is advantageous for further improving the contact pressure of the conductive member 480 with the upper electrode 20 and top plate 3 and preventing a deterioration in contact electrical resistance.
例えば、導通部材480は、以下のように設計してもよい。導通部材480の材料は、銅(電気抵抗率1.78×10-8Ω・m、融点1084.5℃)としてもよい。導通部材480の寸法は、厚さt=1mm、幅w=28mm、長さL=15mmとしてもよい。 For example, the conductive member 480 may be designed as follows: The material of the conductive member 480 may be copper (electrical resistivity 1.78×10 −8 Ω·m, melting point 1084.5° C.). The dimensions of the conductive member 480 may be thickness t=1 mm, width w=28 mm, and length L=15 mm.
図13は、想定電流と導通部材温度との計算結果を示す図である。
図13の例では、導通部材の最高温度は840℃である。
例えば、短絡故障時に想定される電流通電により発生するジュール発熱に対して、温度上昇を融点よりも小さくする。これにより、導通部材の溶断を防ぎ、半導体モジュールの電気導通を維持することが可能となる。
FIG. 13 is a diagram showing the calculation results of the assumed current and the temperature of the conducting member.
In the example of FIG. 13, the maximum temperature of the conductive member is 840°C.
For example, in the event of a short circuit, the temperature rise caused by Joule heat generated by the current flow is made smaller than the melting point, thereby preventing the melting of conductive members and maintaining electrical continuity in the semiconductor module.
以上に説明されたように、第3実施形態では、上電極20は、ばね構造270と並んで配置された導通部材380を介して天板3に接続されることで、以下の効果を奏する。
ボルト61及びばね構造270に加えて導通部材380にも電流が流れる構造となるため、半導体モジュール301の電気抵抗を低減することが可能となる。
As described above, in the third embodiment, the upper electrode 20 is connected to the top plate 3 via the conductive member 380 arranged alongside the spring structure 270, thereby achieving the following effects.
Since the current flows through the conductive member 380 in addition to the bolt 61 and the spring structure 270, the electrical resistance of the semiconductor module 301 can be reduced.
第2実施形態及び第3実施形態では、ばね構造270(弾性部材)が複数の皿バネ271を積み重ねた構造(皿バネ271を含む構成)である。これに対して、弾性部材は皿バネ271を含む構成でなくてもよい。例えば、弾性部材は、コイルバネ又は板バネ、薄板であってもよい。例えば、弾性部材の態様は、設計仕様に応じて変更することができる。 In the second and third embodiments, the spring structure 270 (elastic member) is a structure in which multiple disc springs 271 are stacked (a configuration including disc springs 271). In contrast, the elastic member does not have to be a configuration including disc springs 271. For example, the elastic member may be a coil spring, a leaf spring, or a thin plate. For example, the form of the elastic member can be changed depending on the design specifications.
次に、半導体モジュールの一例として第4実施形態について説明する。第4実施形態において、第1実施形態と同様の構成については説明を省略する。第4実施形態は、半導体モジュール内で対になる半導体パッケージの配置が第1実施形態と異なる。
図14は、第4実施形態の半導体モジュール401の上面図である。図15は、第4実施形態の半導体モジュール401の側断面図である。
上電極20は、上面視で側部開口42の片側に寄った位置から突出する。第1半導体パッケージPA及び第2半導体パッケージPBは、互いに対向して配置される。
Next, a fourth embodiment will be described as an example of a semiconductor module. In the fourth embodiment, a description of the same configuration as in the first embodiment will be omitted. The fourth embodiment differs from the first embodiment in the arrangement of paired semiconductor packages in the semiconductor module.
Fig. 14 is a top view of a semiconductor module 401 according to the fourth embodiment. Fig. 15 is a side cross-sectional view of the semiconductor module 401 according to the fourth embodiment.
The upper electrode 20 protrudes from a position closer to one side of the side opening 42 in a top view. The first semiconductor package PA and the second semiconductor package PB are disposed opposite each other.
第1半導体パッケージPAの上電極20は、上面視で側部開口42の一方側に寄った位置から突出する。第2半導体パッケージPBの上電極20は、上面視で側部開口42の他方側に寄った位置から突出する。第2半導体パッケージPBの上電極20は、上面視で、第1半導体パッケージPAの側部開口42の他方側に向けて突出する。第1半導体パッケージPA及び第2半導体パッケージPBは、上面視で互いにクランク形状の隙間をあけて、それぞれL字形状に設けられている。第1半導体パッケージPA及び第2半導体パッケージPBは、上面視で互い違いに並ぶ配置となる。 The upper electrode 20 of the first semiconductor package PA protrudes from a position closer to one side of the side opening 42 in a top view. The upper electrode 20 of the second semiconductor package PB protrudes from a position closer to the other side of the side opening 42 in a top view. The upper electrode 20 of the second semiconductor package PB protrudes toward the other side of the side opening 42 of the first semiconductor package PA in a top view. The first semiconductor package PA and the second semiconductor package PB are each L-shaped with a crank-shaped gap between them in a top view. The first semiconductor package PA and the second semiconductor package PB are arranged alternately in a top view.
第1半導体パッケージPA及び第2半導体パッケージPBは、それぞれの上電極20の第3延在部23が紙面奥行き方向に並んで配置されている。第1半導体パッケージPA及び第2半導体パッケージPBは、それぞれの上電極20の貫通孔(ボルト通し孔)が紙面奥行き方向に重なる位置にある。 The first semiconductor package PA and the second semiconductor package PB are arranged so that the third extension portions 23 of their respective upper electrodes 20 are aligned in the depth direction of the page. The first semiconductor package PA and the second semiconductor package PB are positioned so that the through holes (bolt holes) of their respective upper electrodes 20 overlap in the depth direction of the page.
以上に説明されたように、第4実施形態では、上電極20は、上面視で側部開口42の片側に寄った位置から突出する。第1半導体パッケージPA及び第2半導体パッケージPBは、互いに対向して配置される。以上の構成によって、以下の効果を奏する。
第1半導体パッケージPA及び第2半導体パッケージPBが上面視で互い違いに並ぶ配置となるため、並列する上電極20の間隔が近くなる。これにより、故障した半導体パッケージと並列接続された他の半導体パッケージの上電極20を天板3方向へ引き上げやすくなる。このため、他の半導体パッケージの機械的破壊が発生しやすくなる。加えて、小さなスペースにより多くの半導体パッケージを配置することができる。
As described above, in the fourth embodiment, the upper electrode 20 protrudes from a position closer to one side of the side opening 42 in a top view. The first semiconductor package PA and the second semiconductor package PB are disposed opposite each other. The above configuration provides the following effects.
Since the first semiconductor package PA and the second semiconductor package PB are arranged alternately in a top view, the spacing between the parallel upper electrodes 20 becomes closer. This makes it easier to pull up the upper electrodes 20 of other semiconductor packages connected in parallel to the faulty semiconductor package toward the top plate 3. This makes it easier for mechanical damage to occur in the other semiconductor packages. In addition, more semiconductor packages can be arranged in a small space.
次に、半導体モジュールの一例として第5実施形態について説明する。第5実施形態において、第1実施形態と同様の構成については説明を省略する。第5実施形態は、半導体モジュール内のコレクタ電位露出面が無い点が第1実施形態と異なる。
図16は、第5実施形態の半導体モジュール501の側断面図である。
底板2において下電極10に接続される部分は、上電極20と電気的に絶縁するための下部封止部材590(第2絶縁部材の一例)で覆われる。
Next, a fifth embodiment will be described as an example of a semiconductor module. In the fifth embodiment, a description of the same configuration as the first embodiment will be omitted. The fifth embodiment differs from the first embodiment in that there is no collector potential exposed surface in the semiconductor module.
FIG. 16 is a side cross-sectional view of a semiconductor module 501 according to the fifth embodiment.
The portion of the bottom plate 2 that is connected to the lower electrode 10 is covered with a lower sealing member 590 (an example of a second insulating member) for electrical insulation from the upper electrode 20 .
例えば、下部封止部材590は、樹脂などの電気絶縁性を有する絶縁材料で形成される。例えば、樹脂は、エポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂である。例えば、流動性が高い状態の下部封止部材590を半導体モジュール501内に注入し、硬化させる。これにより、下電極10と底板2とを樹脂封止してもよい。 For example, the lower sealing member 590 may be formed from an electrically insulating material such as resin. For example, the resin may be a thermosetting resin such as epoxy resin. For example, the lower sealing member 590 in a highly fluid state may be injected into the semiconductor module 501 and allowed to harden. This may result in the resin sealing of the lower electrode 10 and the bottom plate 2.
下部封止部材590は、半導体モジュール501内において絶縁ケース4の下部と底板2の上面とで囲まれる部分に設けられる。下部封止部材590は、半導体モジュール501内の底板2上面と半導体パッケージPの下電極10(コレクタ側金属部分)を覆っている。半導体モジュール501内の半導体パッケージPの上部(天板3に接続される部分)は、下部封止部材590で覆われずに露出している。 The lower sealing member 590 is provided in the portion of the semiconductor module 501 that is surrounded by the lower portion of the insulating case 4 and the upper surface of the bottom plate 2. The lower sealing member 590 covers the upper surface of the bottom plate 2 and the lower electrode 10 (collector-side metal portion) of the semiconductor package P in the semiconductor module 501. The upper portion of the semiconductor package P (the portion connected to the top plate 3) in the semiconductor module 501 is exposed and not covered by the lower sealing member 590.
以上に説明されたように、第5実施形態では、底板2において下電極10に接続される部分は、上電極20と電気的に絶縁するための下部封止部材590で覆われることで、以下の効果を奏する。
上電極20側電位の部材と下電極10側電位の部材とを電気的に絶縁することができる。したがって、半導体モジュール501の高耐圧化や小型化が可能となる。
As described above, in the fifth embodiment, the portion of the bottom plate 2 connected to the lower electrode 10 is covered with a lower sealing member 590 for electrical insulation from the upper electrode 20, thereby achieving the following effects.
It is possible to electrically insulate the member at the potential on the upper electrode 20 side from the member at the potential on the lower electrode 10 side, thereby enabling the semiconductor module 501 to have a high breakdown voltage and be miniaturized.
次に、実施形態の変形例について説明する。
実施形態の上電極は、第1延在部及び第2延在部を備える。これに対して、上電極は、第2延在部を有しなくてもよい。例えば、図17に示すように、上電極1020は、半導体素子30の上面に沿って延びるとともに側部開口42から金属ケース40の外へ突出していてもよい。ボルト61は、上電極1020の突出端と天板3とにわたって上下方向に沿って延びていてもよい。例えば、上電極1020とボルト61とにより、反発電磁力を発生させるための屈曲形状を有していてもよい。例えば、上電極の態様は、設計仕様に応じて変更することができる。
Next, a modification of the embodiment will be described.
The upper electrode of the embodiment includes a first extension portion and a second extension portion. Alternatively, the upper electrode may not include a second extension portion. For example, as shown in FIG. 17 , the upper electrode 1020 may extend along the top surface of the semiconductor element 30 and protrude from the side opening 42 to the outside of the metal case 40. The bolt 61 may extend in the vertical direction from the protruding end of the upper electrode 1020 to the top plate 3. For example, the upper electrode 1020 and the bolt 61 may have a bent shape to generate a repulsive electromagnetic force. For example, the configuration of the upper electrode can be changed according to design specifications.
実施形態の上電極は、クランク形状を有する。これに対して、上電極は、他の形状(例えばJ字形状)を有していてもよい。例えば、図18に示すように、上電極1120は、第1延在部21と、第2延在部22と、第3延在部23と、第4延在部1124と、を備えていてもよい。第3延在部23及び第4延在部1124は、水平面に沿って互いに反対方向に延びていてもよい。例えば、第3延在部23の端部と第4延在部1124の端部とをそれぞれ天板3にボルト61で締結してもよい。例えば、上電極と天板との締結態様は、設計仕様に応じて変更することができる。 The upper electrode in this embodiment has a crank shape. However, the upper electrode may have other shapes (e.g., a J-shape). For example, as shown in FIG. 18 , the upper electrode 1120 may include a first extension portion 21, a second extension portion 22, a third extension portion 23, and a fourth extension portion 1124. The third extension portion 23 and the fourth extension portion 1124 may extend in opposite directions along a horizontal plane. For example, the end of the third extension portion 23 and the end of the fourth extension portion 1124 may each be fastened to the top plate 3 with bolts 61. For example, the fastening manner between the upper electrode and the top plate can be changed according to design specifications.
実施形態の上電極は、天板にボルトで締結される。これに対して、上電極は、天板にボルト締結されなくてもよい。例えば、図19に示すように、上電極1220は、半導体素子30から一側方(紙面右方)へ延びた後に屈曲して上方へ延び、その後、更に屈曲して他側方(紙面左方)へ延び、その後、更に屈曲して上方へ延びていてもよい。例えば、上電極1220の上端は、天板3の下面にはんだ等で接続されていてもよい。例えば、上電極と天板との接続態様は、設計仕様に応じて変更することができる。 In the embodiment, the upper electrode is fastened to the top plate with bolts. However, the upper electrode does not have to be fastened to the top plate with bolts. For example, as shown in FIG. 19 , the upper electrode 1220 may extend from the semiconductor element 30 to one side (to the right on the paper), then bend and extend upward, then bend again and extend to the other side (to the left on the paper), then bend again and extend upward. For example, the upper end of the upper electrode 1220 may be connected to the underside of the top plate 3 with solder or the like. For example, the connection between the upper electrode and the top plate can be changed according to design specifications.
実施形態の上電極は、クランク形状を有する。これに対して、上電極は、他の形状(例えばS字形状)を有していてもよい。例えば、図20に示すように、上電極1320は、半導体素子30から一側方(紙面右方)へ延びた後に屈曲して上方へ延び、その後、更に屈曲して他側方(紙面左方)へ延び、その後、更に屈曲して上方へ延びた後に屈曲して一側方(紙面右方)へ延びていてもよい。例えば、上電極の形状は、設計仕様に応じて変更することができる。 The upper electrode in this embodiment has a crank shape. However, the upper electrode may have other shapes (e.g., an S-shape). For example, as shown in FIG. 20 , the upper electrode 1320 may extend from the semiconductor element 30 to one side (to the right on the paper), then bend and extend upward, then bend again and extend to the other side (to the left on the paper), then bend again and extend upward, then bend again and extend to one side (to the right on the paper). For example, the shape of the upper electrode can be changed according to design specifications.
実施形態の上電極は、天板の上方からボルトで締結される。これに対して、上電極は、天板の上方からボルトで締結されなくてもよい。例えば、図21に示すように、上電極20は、天板3の下方(上電極20の下方)からボルト61で締結されてもよい。例えば、ナット60は、天板3の上面に設けられていてもよい。例えば、上電極の締結態様は、設計仕様に応じて変更することができる。 In the embodiment, the upper electrode is fastened with bolts from above the top plate. However, the upper electrode does not have to be fastened with bolts from above the top plate. For example, as shown in FIG. 21 , the upper electrode 20 may be fastened with bolts 61 from below the top plate 3 (below the upper electrode 20). For example, the nut 60 may be provided on the top surface of the top plate 3. For example, the fastening mode of the upper electrode can be changed according to the design specifications.
実施形態の天板(第2金属部材)は、底板(第1金属部材)の上方に配置される。これに対して、天板(第2金属部材)は、底板(第1金属部材)の上方に配置されなくてもよい。例えば、第2金属部材は、第1金属部材の下方又は左右側方に配置されてもよい。例えば、各金属部材は、板状でなく、ブロック形状であってもよい。例えば、各金属部材の配置及び形状等の態様は、設計仕様に応じて変更することができる。 In this embodiment, the top plate (second metal member) is positioned above the bottom plate (first metal member). However, the top plate (second metal member) does not have to be positioned above the bottom plate (first metal member). For example, the second metal member may be positioned below the first metal member or to the left or right of the first metal member. For example, each metal member may be block-shaped rather than plate-shaped. For example, the arrangement and shape of each metal member can be changed according to design specifications.
実施形態の半導体モジュールは、底板(第1金属部材)から天板(第2金属部材)へ通電される。これに対して、底板(第1金属部材)から天板(第2金属部材)へ通電されなくてもよい。例えば、天板(第2金属部材)から底板(第1金属部材)へ通電されてもよい。例えば、半導体モジュールにおける通電方向は、設計仕様に応じて変更することができる。 In the semiconductor module of the embodiment, current flows from the bottom plate (first metal member) to the top plate (second metal member). However, current does not have to flow from the bottom plate (first metal member) to the top plate (second metal member). For example, current may flow from the top plate (second metal member) to the bottom plate (first metal member). For example, the direction of current flow in the semiconductor module can be changed depending on the design specifications.
実施形態の半導体素子は、金属ケースに収納される。これに対して、半導体素子は、金属ケースに収納されなくてもよい。例えば、半導体素子は、金属ケースを介さずに樹脂などで覆われてもよい。例えば、金属ケースの設置態様は、設計仕様に応じて変更することができる。 In the embodiment, the semiconductor element is housed in a metal case. However, the semiconductor element does not have to be housed in a metal case. For example, the semiconductor element may be covered with resin or the like without a metal case. For example, the installation form of the metal case can be changed depending on the design specifications.
実施形態の金属ケースは、封止部材(第1絶縁部材)で覆われる。これに対して、金属ケースは、封止部材(第1絶縁部材)で覆われなくてもよい。例えば、金属ケースの封止態様は、設計仕様に応じて変更することができる。 In the embodiment, the metal case is covered with a sealing member (first insulating member). However, the metal case does not have to be covered with a sealing member (first insulating member). For example, the sealing aspect of the metal case can be changed depending on the design specifications.
実施形態の上電極は、屈曲形状を有するとともに、底板から天板へ通電した場合に反発電磁力を発生させる。これに対して、上電極は、屈曲形状を有しなくてもよい。例えば、下電極は、屈曲形状を有するとともに、天板から底板へ通電した場合に反発電磁力を発生させてもよい。例えば、下電極及び上電極の少なくとも一方は、屈曲形状を有するとともに、底板及び天板の一方から他方へ通電した場合に底板及び天板の少なくとも一方を半導体素子とは反対側に押し上げる反発電磁力を発生させてもよい。例えば、下電極及び上電極の態様は、設計仕様に応じて変更することができる。 The upper electrode in the embodiment has a curved shape and generates a repulsive electromagnetic force when current is passed from the bottom plate to the top plate. In contrast, the upper electrode does not have to have a curved shape. For example, the lower electrode may have a curved shape and generate a repulsive electromagnetic force when current is passed from the top plate to the bottom plate. For example, at least one of the lower electrode and the upper electrode may have a curved shape and generate a repulsive electromagnetic force that pushes at least one of the bottom plate and the top plate toward the side opposite the semiconductor element when current is passed from one of the bottom plate and the top plate to the other. For example, the configuration of the lower electrode and the upper electrode can be changed according to design specifications.
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、第1導電部材及び第2導電部材の少なくとも一方は、屈曲形状を有するとともに、第1金属部材及び第2金属部材の一方から他方へ通電した場合に第1金属部材及び第2金属部材の少なくとも一方を半導体素子とは反対側に押し上げる反発電磁力を発生させる。これにより、大エネルギー破壊時に電気導通を維持できる半導体モジュールを提供することができる。 In at least one of the embodiments described above, at least one of the first conductive member and the second conductive member has a bent shape, and when current is passed from one of the first metal member and the second metal member to the other, a repulsive electromagnetic force is generated that pushes at least one of the first metal member and the second metal member toward the side opposite the semiconductor element. This makes it possible to provide a semiconductor module that can maintain electrical continuity even in the event of a large-energy breakdown.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 While several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments may be embodied in a variety of other forms, and various omissions, substitutions, and modifications may be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their variations are within the scope of the invention and its equivalents as defined in the claims, as well as the scope and spirit of the invention.
(付記1)
互いに対向して配置された第1金属部材及び第2金属部材と、
前記第1金属部材と前記第2金属部材との間に配置された第1半導体パッケージ及び第2半導体パッケージと、を備え、
前記第1半導体パッケージ及び前記第2半導体パッケージのそれぞれは、
前記第1金属部材に接続された第1導電部材と、
前記第2金属部材に接続された第2導電部材と、
前記第1導電部材と前記第2導電部材との間に配置され、前記第1導電部材及び前記第2導電部材に接続された半導体素子と、を備え、
前記第1導電部材及び前記第2導電部材の少なくとも一方は、屈曲形状を有するとともに、前記第1金属部材及び前記第2金属部材の一方から他方へ通電した場合に前記第1金属部材及び前記第2金属部材の少なくとも一方を前記半導体素子とは反対側に押し上げる反発電磁力を発生させる、
半導体モジュール。
(Appendix 1)
a first metal member and a second metal member arranged opposite to each other;
a first semiconductor package and a second semiconductor package disposed between the first metal member and the second metal member,
Each of the first semiconductor package and the second semiconductor package includes:
a first conductive member connected to the first metal member;
a second conductive member connected to the second metal member;
a semiconductor element disposed between the first conductive member and the second conductive member and connected to the first conductive member and the second conductive member,
At least one of the first conductive member and the second conductive member has a bent shape, and generates a repulsive electromagnetic force that pushes up at least one of the first metal member and the second metal member toward an opposite side to the semiconductor element when current is passed from one of the first metal member and the second metal member to the other.
Semiconductor module.
(付記2)
前記第2金属部材は、前記第1金属部材の上方に配置され、
前記半導体素子は、金属ケースに収納され、
前記金属ケースは、
前記第1導電部材における前記半導体素子に接続している面の反対側の面を露出させる下部開口と、
前記下部開口に対して交差するように前記半導体素子の側方を開口する側部開口と、を有し、
前記第1導電部材は、前記下部開口を通じて前記第1金属部材に接続され、
前記第2導電部材は、前記側部開口を通じて前記第2金属部材に接続される、
付記1に記載の半導体モジュール。
(Appendix 2)
the second metal member is disposed above the first metal member,
The semiconductor element is housed in a metal case,
The metal case is
a lower opening exposing a surface of the first conductive member opposite to a surface connected to the semiconductor element;
a side opening that opens to a side of the semiconductor element so as to intersect with the lower opening,
the first conductive member is connected to the first metal member through the lower opening;
the second conductive member is connected to the second metal member through the side opening;
2. The semiconductor module of claim 1.
(付記3)
前記第2導電部材は、
前記半導体素子に接続している面に沿って延びるとともに前記側部開口から前記金属ケースの外へ突出する第1延在部と、
前記第1延在部の突出端から前記第2金属部材に向けて上方へ延びる第2延在部と、を備える、
付記2に記載の半導体モジュール。
(Appendix 3)
The second conductive member is
a first extension portion extending along a surface connected to the semiconductor element and protruding from the side opening to the outside of the metal case;
a second extending portion extending upward from the protruding end of the first extending portion toward the second metal member,
3. The semiconductor module of claim 2.
(付記4)
前記金属ケースは、前記半導体素子と電気的に絶縁するための第1絶縁部材で覆われる、
付記2又は3に記載の半導体モジュール。
(Appendix 4)
The metal case is covered with a first insulating member for electrically insulating the metal case from the semiconductor element.
4. The semiconductor module according to claim 2 or 3.
(付記5)
前記第1金属部材は、前記第2金属部材と絶縁ケースを介して接続され、
前記第2導電部材の上端は、前記絶縁ケースの上端よりも低い位置にあり、
前記第2導電部材は、締結部材を介して前記第2金属部材に接続される、
付記2から4の何れか一つに記載の半導体モジュール。
(Appendix 5)
the first metal member is connected to the second metal member via an insulating case,
an upper end of the second conductive member is located lower than an upper end of the insulating case;
the second conductive member is connected to the second metal member via a fastening member;
5. The semiconductor module according to claim 2,
(付記6)
前記第2導電部材は、前記締結部材と並んで配置された弾性部材を介して前記第2金属部材に接続される、
付記5に記載の半導体モジュール。
(Appendix 6)
the second conductive member is connected to the second metal member via an elastic member arranged alongside the fastening member;
6. The semiconductor module of claim 5.
(付記7)
前記第2導電部材は、前記弾性部材と並んで配置された導通部材を介して前記第2金属部材に接続される、
付記6に記載の半導体モジュール。
(Appendix 7)
the second conductive member is connected to the second metal member via a conductive member arranged alongside the elastic member;
7. The semiconductor module of claim 6.
(付記8)
前記弾性部材において前記半導体素子の側の端部は、前記第2導電部材において前記第2金属部材の側に突出した部分よりも前記締結部材の側にずれた位置にある、
付記6又は7に記載の半導体モジュール。
(Appendix 8)
an end of the elastic member on the semiconductor element side is positioned more toward the fastening member than a portion of the second conductive member that protrudes toward the second metal member;
8. The semiconductor module according to claim 6 or 7.
(付記9)
前記第2導電部材は、上面視で前記側部開口の片側に寄った位置から突出し、
前記第1半導体パッケージ及び前記第2半導体パッケージは、互いに対向して配置される、
付記2から8の何れか一つに記載の半導体モジュール。
(Appendix 9)
the second conductive member protrudes from a position closer to one side of the side opening in a top view,
the first semiconductor package and the second semiconductor package are disposed opposite to each other;
9. The semiconductor module of claim 2.
(付記10)
前記第2導電部材の厚さは、3mm以上である、
付記1から9の何れか一つに記載の半導体モジュール。
(Appendix 10)
The thickness of the second conductive member is 3 mm or more.
10. The semiconductor module of claim 1.
(付記11)
前記第2金属部材の厚さは、2mm以上12mm以下である、
付記1から10の何れか一つに記載の半導体モジュール。
(Appendix 11)
The thickness of the second metal member is 2 mm or more and 12 mm or less.
11. The semiconductor module of claim 1.
(付記12)
前記第1金属部材は、前記第2金属部材と絶縁ケースを介して接続され、
前記第1金属部材は、前記絶縁ケースよりも側方に突出した第1接続端子を有し、
前記第2金属部材は、前記絶縁ケースよりも側方に突出した第2接続端子を有する、
付記1から11の何れか一つに記載の半導体モジュール。
(Appendix 12)
the first metal member is connected to the second metal member via an insulating case,
the first metal member has a first connection terminal that protrudes laterally beyond the insulating case,
The second metal member has a second connection terminal that protrudes laterally beyond the insulating case.
12. The semiconductor module of claim 1.
(付記13)
前記第1金属部材において前記第1導電部材に接続される部分は、前記第2導電部材と電気的に絶縁するための第2絶縁部材で覆われる、
付記1から12の何れか一つに記載の半導体モジュール。
(Appendix 13)
a portion of the first metal member connected to the first conductive member being covered with a second insulating member for electrically insulating the first metal member from the second conductive member;
13. The semiconductor module of any one of claims 1 to 12.
1,201,301,401,501…半導体モジュール、2…底板(第1金属部材)、3…天板(第2金属部材)、4…絶縁ケース、5…下側接続端子(第1接続端子)、6…上側接続端子(第2接続端子)、10…下電極(第1導電部材)、20,1020,1120,1220,1320…上電極(第2導電部材)、21…第1延在部、22…第2延在部、30…半導体素子、40…金属ケース、41…下部開口、42…側部開口、50…封止部材(第1絶縁部材)、60…ナット(締結部材)、61…ボルト(締結部材)、270…ばね構造(弾性部材)、380,480…導通部材、590…下部封止部材(第2絶縁部材)、MF…反発電磁力、P…半導体パッケージ、PA…第1半導体パッケージ、PB…第2半導体パッケージ 1, 201, 301, 401, 501...Semiconductor module, 2...Bottom plate (first metal member), 3...Top plate (second metal member), 4...Insulating case, 5...Lower connection terminal (first connection terminal), 6...Upper connection terminal (second connection terminal), 10...Lower electrode (first conductive member), 20, 1020, 1120, 1220, 1320...Upper electrode (second conductive member), 21...First extension portion, 22...Second extension portion, 30...Semiconductor element, 40...Metal case, 41...Lower opening, 42...Side opening, 50...Sealing member (first insulating member), 60...Nut (fastening member), 61...Bolt (fastening member), 270...Spring structure (elastic member), 380, 480...Conductive member, 590...Lower sealing member (second insulating member), MF...Repulsive electromagnetic force, P...Semiconductor package, PA...First semiconductor package, PB...Second semiconductor package
Claims (13)
前記第1金属部材と前記第2金属部材との間に配置された第1半導体パッケージ及び第2半導体パッケージと、を備え、
前記第1半導体パッケージ及び前記第2半導体パッケージのそれぞれは、
前記第1金属部材に接続された第1導電部材と、
前記第2金属部材に接続された第2導電部材と、
前記第1導電部材と前記第2導電部材との間に配置され、前記第1導電部材及び前記第2導電部材に接続された半導体素子と、を備え、
前記第1導電部材及び前記第2導電部材の少なくとも一方は、屈曲形状を有するとともに、前記第1金属部材及び前記第2金属部材の一方から他方へ通電した場合に前記第1金属部材及び前記第2金属部材の少なくとも一方を前記半導体素子とは反対側に押し上げる反発電磁力を発生させる、
半導体モジュール。 a first metal member and a second metal member arranged opposite to each other;
a first semiconductor package and a second semiconductor package disposed between the first metal member and the second metal member,
Each of the first semiconductor package and the second semiconductor package includes:
a first conductive member connected to the first metal member;
a second conductive member connected to the second metal member;
a semiconductor element disposed between the first conductive member and the second conductive member and connected to the first conductive member and the second conductive member,
At least one of the first conductive member and the second conductive member has a bent shape, and generates a repulsive electromagnetic force that pushes up at least one of the first metal member and the second metal member toward an opposite side to the semiconductor element when current is passed from one of the first metal member and the second metal member to the other.
Semiconductor module.
前記半導体素子は、金属ケースに収納され、
前記金属ケースは、
前記第1導電部材における前記半導体素子に接続している面の反対側の面を露出させる下部開口と、
前記下部開口に対して交差するように前記半導体素子の側方を開口する側部開口と、を有し、
前記第1導電部材は、前記下部開口を通じて前記第1金属部材に接続され、
前記第2導電部材は、前記側部開口を通じて前記第2金属部材に接続される、
請求項1に記載の半導体モジュール。 the second metal member is disposed above the first metal member,
The semiconductor element is housed in a metal case,
The metal case is
a lower opening exposing a surface of the first conductive member opposite to a surface connected to the semiconductor element;
a side opening that opens to a side of the semiconductor element so as to intersect with the lower opening,
the first conductive member is connected to the first metal member through the lower opening;
the second conductive member is connected to the second metal member through the side opening;
The semiconductor module according to claim 1 .
前記半導体素子に接続している面に沿って延びるとともに前記側部開口から前記金属ケースの外へ突出する第1延在部と、
前記第1延在部の突出端から前記第2金属部材に向けて上方へ延びる第2延在部と、を備える、
請求項2に記載の半導体モジュール。 The second conductive member is
a first extension portion extending along a surface connected to the semiconductor element and protruding from the side opening to the outside of the metal case;
a second extending portion extending upward from the protruding end of the first extending portion toward the second metal member,
The semiconductor module according to claim 2 .
請求項2に記載の半導体モジュール。 The metal case is covered with a first insulating member for electrically insulating the metal case from the semiconductor element.
The semiconductor module according to claim 2 .
前記第2導電部材の上端は、前記絶縁ケースの上端よりも低い位置にあり、
前記第2導電部材は、締結部材を介して前記第2金属部材に接続される、
請求項2に記載の半導体モジュール。 the first metal member is connected to the second metal member via an insulating case,
an upper end of the second conductive member is located lower than an upper end of the insulating case;
the second conductive member is connected to the second metal member via a fastening member;
The semiconductor module according to claim 2 .
請求項5に記載の半導体モジュール。 the second conductive member is connected to the second metal member via an elastic member arranged alongside the fastening member;
The semiconductor module according to claim 5 .
請求項6に記載の半導体モジュール。 the second conductive member is connected to the second metal member via a conductive member arranged alongside the elastic member;
The semiconductor module according to claim 6 .
請求項6に記載の半導体モジュール。 an end of the elastic member on the semiconductor element side is positioned more toward the fastening member than a portion of the second conductive member that protrudes toward the second metal member;
The semiconductor module according to claim 6 .
前記第1半導体パッケージ及び前記第2半導体パッケージは、互いに対向して配置される、
請求項2に記載の半導体モジュール。 the second conductive member protrudes from a position closer to one side of the side opening in a top view,
the first semiconductor package and the second semiconductor package are disposed opposite to each other;
The semiconductor module according to claim 2 .
請求項1に記載の半導体モジュール。 The thickness of the second conductive member is 3 mm or more.
The semiconductor module according to claim 1 .
請求項1に記載の半導体モジュール。 The thickness of the second metal member is 2 mm or more and 12 mm or less.
The semiconductor module according to claim 1 .
前記第1金属部材は、前記絶縁ケースよりも側方に突出した第1接続端子を有し、
前記第2金属部材は、前記絶縁ケースよりも側方に突出した第2接続端子を有する、
請求項1に記載の半導体モジュール。 the first metal member is connected to the second metal member via an insulating case,
the first metal member has a first connection terminal that protrudes laterally beyond the insulating case,
The second metal member has a second connection terminal that protrudes laterally beyond the insulating case.
The semiconductor module according to claim 1 .
請求項1に記載の半導体モジュール。 a portion of the first metal member connected to the first conductive member being covered with a second insulating member for electrically insulating the first metal member from the second conductive member;
The semiconductor module according to claim 1 .
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