JP5807432B2 - 半導体モジュール及びスペーサ - Google Patents

Description

本発明は、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールに関する。

代表的な絶縁形パワー半導体モジュールとして、インバータ等電力変換装置に用いられるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）モジュールがある。また、このＩＧＢＴモジュールに代表される「絶緑形パワー半導体モジュール」若しくは「Isolated power semiconductor devices」は、それぞれＪＥＣ−２４０７−２００７、ＩＥＣ６０７４７−１５にて規格が制定されている。

一般的な絶緑形パワー半導体モジュールにおいて、スイッチング素子であるＩＧＢＴやダイオード等の半導体素子は、半導体素子の下面に設けられた電極層がＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板（或いはＤＣＢ基板）の銅回路箔上にはんだ付けされ、回路上に設けられる（例えば、非特許文献１）。ＤＢＣ基板とは、セラミックス等からなる絶縁板に銅回路箔を直接接合したものである。

半導体素子の上面に設けられる電極層は、超音波ボンディング等の方法によりアルミワイヤが接続されてＤＢＣ基板上の銅回路箔と電気的に結線される。そして、ＤＢＣ基板の銅回路箔から外部へ電気を接続するための銅端子（リードフレームやブスバー）がはんだ付け等により銅回路箔と接続される。さらに、この周りは（スーパー）エンジニアリングプラスチックのケースで囲まれ、その中を電気絶緑のためのシリコンゲル等が充填される。

近年、半導体素子の動作温度の高温化が進んでいる。動作温度が、１７５℃〜２００℃となると、この温度がはんだ材料の融点に近いため、従来のはんだ材料を用いることができない場合がある。そこで、はんだに置換する材料として、例えば、金属系高温はんだ（Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｕ）、化合物系高温はんだ（Ｓｎ−Ｃｕ）、低温焼結金属（Ａｇ粉、ｎａｎｏＡｇ）等が提案されている。また、次世代の半導体素子であるＳｉＣは、２５０〜３００℃での動作が報告されている。

一方、はんだを用いない半導体モジュール構造として平型圧接構造パッケージが提案されている（非特許文献１、２)。

平型圧接構造パッケージでは、圧接によりコンタクト端子と半導体素子との接続、及び半導体素子と基板との接続が行われる。一般的な平型圧接構造パッケージでは、半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ、ダイオード）の端部に半導体素子及びコンタクト端子の位置決めをするガイドが設けられる。そして、半導体素子の上面電極層がコンタクト端子に接触した状態で半導体素子が基板（Ｍｏ基板やＤＢＣ基板等）上に設けられる。このように、コンタクト端子と基板とが半導体素子を挟圧した状態で半導体モジュール内に備えられる。

平型圧接構造パッケージは、平型構造であることから半導体素子を両面から冷却できる。このため、一般的に平型圧接構造パッケージの両端をヒートシンクで圧接することで、平型圧接構造パッケージの両面を冷却するとともに、そのヒートシンクを導電部材として用いる。さらに、平型圧接構造パッケージは、圧接により半導体素子や電極端子等を接続するので、はんだを用いることなく半導体素子が電気的、熱的に外部と接続される。

平型圧接構造の半導体モジュールでは、圧接力が各半導体素子等に均等にかかるように半導体モジュールを組み立てる必要がある。例えば、圧接は平型圧接構造パッケージの上下のヒートシンクを電気的に絶緑する必要があること、板バネで平型圧接構造パッケージを圧接するがこの設計の圧接力が平型圧接構造パッケージの電極ポストに均等にかかるようにする必要がある。これらにはノウハウがあり、圧接が不良であった場合は半導体素子の破壊の原因となるおそれがある。なお、ヒートシンクと平型圧接構造パッケージの圧接は、主にユーザが実施する。また、回路を構成するのに、このヒートシンクや圧接のための板バネが小型化の妨げとなる等、使いこなすのには熟練が要求される。このことから平型圧接構造パッケージは限られた装置への適用となり、代わりに使い勝手の良い従来型の絶縁形パワー半導体モジュールが広く使われている。

半導体モジュールの温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性を向上させる課題に対して、半導体モジュールを構成する各部材（半導体、金属、セラミックス等）の熱膨張率の違いより生じる課題を改善する必要がある（例えば、特許文献１〜３）。例えば、基板−銅ベース間、基板−銅端子間において、銅とセラミックスの熱膨張係数の違いによって、銅とセラミックスを接続するはんだにせん断応力が働く。このせん断応力により、はんだに亀裂が生じて熱抵抗が増大したり端子が剥離したりするおそれがある。同様にして、半導体素子−基板間のはんだにも亀裂が生じる場合がある。その他、半導体素子上のアルミワイヤの接続部でもアルミニウムと半導体素子の熱膨張の差で応力が発生してアルミワイヤが疲労破断する場合がある。

電力密度の増加に伴い、半導体素子上の電極とアルミワイヤ間等の接合温度が高くなり、はんだのせん断応力、アルミワイヤの応力が大きくなってきている。これに対して熱膨張の影響が半導体モジュールの設計寿命に至るまでの期間に亘って顕在化しないように半導体モジュールの構造を設計する必要がある。ＳｉＣやＧａＮのような高温で使用できるワイドバンドキャップ半導体素子の出現により、さらに熱膨張の影響の低減が要求されている。また、ＳｉＣ、ＧａＮなどの高温で使用可能な半導体素子の性能を活かす半導体モジュールとしても、半導体モジュールの温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性の向上が求められている。

そこで、高信頼性、環境性、利便性を同時に実現するために、はんだ接合やワイヤーボンドを用いず、かつ使い勝手の良い絶縁形パワー半導体モジュールの実現が求められている。

特開平１１−１７０８７号公報 特開２００４−３１９９９１号公報 特開２００２−８３９１５号公報

電気学会高性能高機能パワーデバイス・パワーＩＣ調査専門委員会、「パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック」、コロナ社、１９９６年７月、ｐ２８９、ｐ３３６ 森睦宏、関康和、「大容量ＩＧＢＴの最近の進歩」、電気学会誌、社団法人電気学会、１９９８年５月、Ｖｏｌ．１１８（５）、ｐｐ．２７４−２７７

しかしながら、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールは、半導体モジュールを構成する構成部材間の接触面全体の接触圧力が均一でない場合、接触圧力が良好に保たれている箇所に電流が集中してしまう場合がある。接触面における局所的な電流の集中は、半導体モジュールを構成する部材の局所的な熱膨張や熱変形の原因となり、半導体モジュールの動作信頼性を損なう要因となるおそれがある。

また、半導体モジュールを構成する各構成部材の熱膨張係数が異なるため、半導体モジュールやこの半導体モジュールに設けられる半導体素子の温度変化により、半導体モジュールを構成する各構成部材にかかる圧接力が変化するおそれがある。

上記事情に鑑み、本発明は、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、半導体モジュールの温度によらず、半導体モジュールを構成する構成部材にかかる圧接力が予め定められた範囲となるように維持することに貢献し、以て半導体モジュールの動作信頼性の向上に寄与することを目的としている。

上記目的を達成する本発明の半導体モジュールは、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、半導体素子の電極層に接続される電極端子間に、表面を絶縁被覆された金属からなるスペーサを設けることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールは、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、電極端子と、半導体素子とを積層した積層部の積層方向と平行に、表面を絶縁被覆された金属からなるスペーサを設けることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明のスペーサは、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、前記半導体素子の電極層に接続される電極端子間に設けられるスペーサであって、前記スペーサは、金属部材の表面を絶縁被覆してなることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明のスペーサは、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、前記半導体素子と前記電極端子とを積層した積層部の積層方向と平行に設けられるスペーサであって、前記スペーサは、金属部材の表面を絶縁被覆してなることを特徴としている。

以上の発明によれば、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、半導体モジュールの温度によらず、半導体モジュールを構成する構成部材にかかる圧接力が予め定められた範囲となるように維持することに貢献することができる。

実施形態１に係る半導体モジュールの断面図である。 実施形態１に係る半導体モジュールのＡ−Ａ断面図である。 実施形態１に係る放熱器の拡大断面図である。 積層部材の温度と半導体素子にかかる垂直応力との関係を示す特性図である。 実施形態２に係る半導体モジュールの断面図である。

本発明の実施形態に係る半導体モジュール及びスペーサについて、図を参照して詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１の要部断面図である。本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１は、半導体素子２ａ〜２ｄ、ＡＣ電極端子３、ＤＣ電極端子４，５、スペーサ６を備える。

半導体素子２ａ，２ｂは、ＡＣ電極端子３の下面に応力緩衝板７（コンタクト電極）を介して設けられ、ＡＣ電極端子３と半導体素子２ａ，２ｂのＰ側電極層（或いは、Ｎ側電極層）が電気的に接続される。半導体素子２ｃ，２ｄは、ＡＣ電極端子３の上面に応力緩衝板７を介して設けられ、ＡＣ電極端子３と半導体素子２ｃ，２ｄのＮ側電極層（或いは、Ｐ側電極層）が電気的に接続される。なお、実施形態の説明では、便宜上、上面及び底面とするが、上下方向は、本発明をなんら限定するものではない（後述の実施形態２も同様である）。図示省略するが、応力緩衝板７と接触する半導体素子２ａ〜２ｄの接触面には、電極層（例えば、アルミニウム等）が蒸着等の方法で膜状に形成されている。

半導体素子２ａ，２ｂのＡＣ電極端子３が設けられる面の反対の面には、応力緩衝板７を介してＤＣ電極端子４（−極）が設けられ、ＤＣ電極端子４と半導体素子２ａ，２ｂのＮ側電極層（或いは、Ｐ側電極層）が電気的に接続される。また、半導体素子２ｃ，２ｄのＡＣ電極端子３が設けられる面の反対の面には、応力緩衝板７を介してＤＣ電極端子５（＋極）が設けられ、ＤＣ電極端子５と半導体素子２ｃ，２ｄのＰ側電極層（或いは、Ｎ側電極層）が電気的に接続される。

スペーサ６は、ＡＣ電極端子３とＤＣ電極端子４（若しくは、ＤＣ電極端子５）との間に設けられる。スペーサ６は、金属からなるスペーサ本体の表面に絶縁層を形成して構成される。この絶縁層を形成する絶縁材料としては、例えば、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂、アラミド繊維等が用いられる。また、絶縁層は、上記絶縁材料をスペーサ本体にコーティングする方法やスペーサ本体を上記絶縁材料からなる紙（シート）で被覆する等の方法で形成される。

図２は、図１に示した半導体モジュール１のＡ−Ａ部分の断面図である。以後、半導体素子２ａの近傍の部分について詳細に説明するが、他の半導体素子２ｂ〜２ｆの近傍部分についても同様であり、繰り返しを避けるため詳細な説明を省略する。

図２に示すように、スペーサ６は、半導体素子２ａを囲むように配置される。スペーサ６は、半導体素子２ａにできるだけ近接して設けられる。半導体素子２ａの近傍にスペーサ６を設けることで、半導体素子２ａの任意の発熱条件（または、放熱条件）においても、半導体素子２ａを含む積層部材（半導体素子２ａ、応力緩衝板７、ＡＣ電極端子３、ＤＣ電極端子４）とスペーサ６との温度を略等しくすることができる。

スペーサ６の厚みｄは、厚いほど放熱性が向上するので好ましいが、半導体素子２ａと隣接する半導体素子（例えば、半導体素子２ｂ）との間隔等により制約を受けるので、スペーサ６の厚みｄは、半導体モジュール１に形成される空間（半導体モジュール１の大きさ）に応じて適宜選択される。なお、半導体素子２ａが、スイッチングデバイスの場合、スペーサ６間に間隙を設け、この間隙にゲート配線１４を配設することで、この間隙からゲート信号を取り出すことができる。また、半導体素子２ａがスイッチングデバイスでない場合、半導体素子２ａの周囲を囲むようにスペーサ６を設けてもよい。

スペーサ６の配置形態は、図２に例示したような半導体素子２ａを囲むように配置する形態に限定されるものではなく、複数の半導体素子（例えば、半導体素子２ａと半導体素子２ｂ）を囲むように配置する等、半導体素子２ａと応力緩衝板７との接触面にかかる圧接力が所定の範囲内となり、且つ半導体素子２ａと応力緩衝板７の接触面にかかる圧接力が均一となるように、適宜スペーサ６が半導体モジュール１内に配置される。

スペーサ６を構成する金属（スペーサ本体）は、半導体素子２ａの押圧方向にスペーサ６と並列して積層された半導体モジュール１を構成する各構成部材のうちスペーサ６の高さ分積層された部分（以後、積層部とする）の平均熱膨張係数（線膨張係数）と略同じ熱膨張係数（線膨張係数）を有する部材が選択される。平均膨張係数は、半導体モジュール１を構成する各構成部材の厚さとそれら構成部材の熱膨張係数の積を積層部の高さで割ることで求める。

図１に示す半導体モジュール１において、半導体素子２ａの積層部とは、半導体素子２ａ、応力緩衝板７，７、ＡＣ電極端子３の一部及びＤＣ電極端子４の一部（ＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４のうち後述の嵌合溝９の深さ分）を示す。例えば、半導体モジュール１を構成する構成部材として、半導体素子２ａ（シリコン半導体素子、熱膨張係数：３ｐｐｍ／℃、厚さ：０．３ｍｍ）、応力緩衝板７（タングステン製応力緩衝板、熱膨張係数：７ｐｐｍ／℃、厚さ：０．５ｍｍ）、ＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４（銅製電極端子、熱膨張係数：１６ｐｐｍ／℃、厚さ（嵌合溝９の深さ）：０．５ｍｍ）を用いた場合、半導体素子２ａの積層部の平均熱膨張係数ｋは、（１）式のように算出され、およそ１０．４ｐｐｍ／℃となる。
ｋ＝（３×０．３＋７×０．５＋７×０．５＋１６×０．５＋１６×０．５）／（０．３＋０．５＋０．５＋０．５＋０．５） …（１）
（１）式により算出された平均熱膨張係数ｋに近い熱膨張係数を有する材料として、例えば、フェライト系ステンレス鋼（ＪＩＳ規格 ＳＵＳ４３０）が挙げられる。そこで、実施形態では、スペーサ６の一例として、フェライト系ステンレス鋼の表面をアラミド繊維製の絶縁紙で被覆したものを用いる。なお、スペーサ６の表面に形成される絶縁層は、スペーサ６の高さ（半導体素子２ａが押圧される方向）と比較して小さいので、スペーサ６の熱膨張係数は、スペーサ本体の熱膨張係数で近似できる。

スペーサ６の表面に形成される絶縁層の厚さは、ＡＣ電極端子３とＤＣ電極端子４（若しくは、ＤＣ電極端子５）間に印加される電圧により導通しない（電極端子間の電位差に耐えうる）程度の厚さとする。例えば、ＡＣ電極端子３とＤＣ電極端子４（ＤＣ電極端子５）との間に１０００Ｖの電位差がある場合、絶縁層の厚さを２５０μｍ以上とすると電極端子間の電位差に耐えることができる。

なお、スペーサ６はこの実施形態に限定されるものではなく、スペーサ６は、他のステンレス鋼や銅‐モリブデン系複合材料（ＣｕＭｏ）、アルミニウム‐炭化ケイ素系複合材料（ＡｌＳｉＣ）等、熱伝導性に優れる材料からなるスペーサ本体の表面に絶縁層を形成したものを用いる。ＣｕＭｏは、ＣｕとＭｏの組成比率を変化させることにより、熱膨張係数を７〜１０ｐｐｍ／℃の間で制御することができる。また、ＡｌＳｉＣは、ＡｌとＳｉＣの組成比率を変化させることや、厚み方向におけるＡｌとＳｉＣの組成を徐々に変化させること（組成のグラデーション）により、その熱膨張係数を６〜１５ｐｐｍ／℃の間で制御することができる。

ＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４（若しくは、ＤＣ電極端子５）は、周知の電極材料（銅やアルミニウム等）を用いる。ＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４（若しくは、ＤＣ電極端子５）には、スペーサ６が嵌合する嵌合溝９が形成される。この嵌合溝９の深さは、スペーサ６を保持可能な深さとすればよい。この嵌合溝９の深さを調節することで、半導体素子２ａの積層部の平均熱膨張係数を、スペーサ６の熱膨張係数により近づけることができる。例えば、ＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４（若しくは、ＤＣ電極端子５）を構成する材料が銅の場合（熱膨張係数は１６ｐｐｍ／℃）、銅は、他の半導体モジュール１を構成する構成材料よりも熱膨張係数が大きい。その結果、嵌合溝９の深さを深くするほど、スペーサ６に熱膨張係数が大きい材料を用いることができる。さらに、スペーサ６の端面と嵌合溝９の底部とが面接触するように嵌合溝９を形成すると、ＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４（若しくは、ＤＣ電極端子５）間にかかる圧接力をスペーサ６の端面で支えることができるとともに、ＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４（若しくは、ＤＣ電極端子５）とスペーサ６の接触面が大きくなり、熱伝導効率を向上させることができる。

ＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４（若しくは、ＤＣ電極端子５）のケース１０近傍部分には、半導体素子２ａとケース１０間の温度差による応力を低減するための応力緩衝溝１１が形成される。また、図示省略しているが、ＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４（若しくは、ＤＣ電極端子５）間には、半導体素子２ａの位置決めを行うホルダが形成され、半導体素子２ａの水平方向の位置決め及び固定が行われる。なお、ホルダを形成せず、スペーサ６が半導体素子２ａの位置決めを行う形態としてもよい。

ＤＣ電極端子４の半導体素子２ａ，２ｂが接続される面の反対側の面及び、ＤＣ電極端子５の半導体素子２ｃ，２ｄが接続される面の反対側の面には、それぞれ絶縁板１２を介して放熱器８が設けられる。そして、これら放熱器８，８同士が対向する面の側端部近傍には、それぞれＯリングを設ける溝８ａが形成され、この溝８ａにフッ素ゴム製のＯリングを介してケース１０が設けられる。放熱器８に絶縁板１２やケース１０を直接接合することで、半導体モジュール１の放熱性が向上する。また、放熱器８の側端部間にＯリングを介してケース１０を設けることで、半導体モジュール１の気密性が向上する。なお、Ｏリングを設ける代わりに接着剤等で放熱器８とケース１０間を封止してもよい。また、ケース１０を設けず、スペーサ６の周囲をモールドしてもよい。

図３に半導体モジュール１に設けられる放熱器８の拡大断面図を示す。図３に示すように、放熱器８には溝部８ｂが形成され、この溝部８ｂに絶縁板１２（半導体素子２ａの積層部を構成する各構成部材）を半導体素子２ａ方向に押圧するばね１３（弾性部材）が設けられる。そして、この溝部８ｂにばね１３を設けた状態で放熱器８を固定すると、ばね１３の弾性力により、絶縁板１２、ＤＣ電極端子４（若しくは、ＤＣ電極端子５）、応力緩衝板７が半導体素子２ａ方向に押圧される。図１に示すように、半導体モジュール１の上下に放熱器８を設けた場合、それぞれの放熱器８に溝部８ｂが形成され、この溝部８ｂにばね１３が設けられる。

放熱器８には、冷媒（液体や気体）が流通する冷媒路８ｃが形成されており、この冷媒路８ｃ間に溝部８ｂを形成することで、この溝部８ｂに設けられるばね１３が冷媒により冷却される。その結果、半導体モジュール１の動作条件（半導体モジュール１の動作温度や半導体モジュール１の放熱条件）によらず、ばね１３の温度を比較的低温且つ温度変動幅が小さい状態に保つことができる。よって、ばね１３の熱膨張による弾性力（ばね１３が絶縁板１２を押圧する圧力）の変動や、放熱器８とばね１３の熱膨張の違いにより生じるばね１３の弾性力の変動を小さくすることができる。

上記構成からなる半導体モジュール１において、半導体モジュール１の温度を変化させた場合の半導体素子２ａ表面にかかる圧接力を模擬試験（シミュレーション）した結果を図４に示す。

（実施例１）
実施例１に係る半導体モジュールは、図１に示す半導体モジュール１において、スペーサ６として、スペーサ６の熱膨張係数が、半導体素子２ａの積層部の平均熱膨張係数と１０％の誤差で一致しているものを用いた。なお、実施例１の半導体モジュールは、２０℃において、ばね１３により５ＭＰａの圧接力を半導体素子２ａに加え半導体モジュール１を構成した。ケース１０は、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）製のケース１０を用い、絶縁板１２として、Ｓｉ₃Ｎ₄製セラミック板（厚み、０．３ｍｍ）の両面に０．３ｍｍの銅を張り付けたものを用いた。

そして、半導体素子２ａの積層部及びスペーサ６の温度を任意の温度に上昇させた（最大１８０℃）場合に、半導体素子２ａ表面に作用する圧接力の変化をシミュレーションソフト（ＡＮＳＹＳ）によりシミュレートした。ＡＮＳＹＳによる構造解析において、ケース１０は室温とし、半導体素子２ａの積層部及びスペーサ６は同じ温度と仮定した。

（実施例２）
実施例２に係る半導体モジュールは、図１に示す半導体モジュール１において、スペーサ６として、スペーサ６の熱膨張係数が、半導体素子２ａの積層部の熱膨張係数と２％の誤差で一致しているものを用いた。その他の構成及び条件は、実施例１と同様である。

（比較例１）
比較例１に係る半導体モジュールは、図１に示す半導体モジュール１において、スペーサ６を設けない形態のものを用いた。その他の構成及び条件は、実施例１と同様である。

図４に示す特性図の実施例１，２と比較例１とを比較すると、半導体モジュールにスペーサ６を設けることで、半導体素子２ａ及びスペーサ６の温度上昇に伴う、半導体素子２ａ表面にかかる圧接力の増加が抑制されることがわかる。例えば、半導体素子２ａ表面にかかる圧接力が１００ＭＰａを超えた場合、半導体素子２ａが破損するおそれが生じるが、実施例１，２のように、半導体素子２ａの近傍に本発明の実施形態１に係るスペーサ６を設けることで、半導体素子２ａ（半導体モジュール１）の温度変化に対して、半導体素子２ａの表面にかかる圧接力の増大を低減することができる。

また、図４に示す特性図の実施例１と実施例２とを比較すると、スペーサ６の熱膨張係数の値が、スペーサ６近傍の半導体素子２ａの積層部の平均熱膨張係数と近いほど、半導体素子２ａ（スペーサ６）の温度上昇に伴う半導体素子２ａ表面にかかる押圧力の増大を抑制していることがわかる。

以上より、スペーサ６を構成する金属材料として、スペーサ６近傍の半導体素子２ａの積層部の平均熱膨張係数と誤差１０％以内の範囲で同じ熱膨張係数を有する材料を用いることで、半導体素子２ａの温度上昇に伴う半導体素子２ａ表面に作用する圧接力の上昇を抑制することができる。さらに、スペーサ６を構成する金属材料に、スペーサ６近傍の半導体素子２ａの積層部の平均熱膨張係数と誤差２％以内の範囲で同じ熱膨張係数を有する材料を用いることで、半導体素子２ａ（スペーサ６）の温度上昇に伴う半導体素子２ａ表面に作用する圧接力の上昇が顕著に抑制される。

半導体モジュール１（半導体素子２ａ）の温度が上昇すると、半導体素子２ａの積層部は、その高さ方向（すなわち、積層部の積層方向）に熱膨張する。一方、ケース１０は、半導体素子２ａから離れた位置に設けられており、温度分布も半導体素子２ａとは異なると考えられる。ケース１０の温度が半導体素子２ａ周辺の温度と比較して低い場合、ケース１０の熱膨張量は、半導体素子２ａの積層部の熱膨張量と比較して小さくなる。この場合、放熱器８が変形しないとすると、半導体モジュール１の高さは、ケース１０の高さに制限される。その結果、半導体素子２ａの積層部の厚さがケース１０により制限された状態で、半導体素子２ａの積層部が熱膨張し、半導体モジュール１を形成する各構成部材（特に、半導体素子２ａ表面）間には過大な圧接力がかかることとなる。

そこで、半導体素子２ａの近傍にスペーサ６を設けることで、半導体素子２ａに作用する押圧力をスペーサ６で分担することができ、半導体素子２ａに過大な圧接力がかかることを抑制することができる。半導体素子２ａの積層部の平均熱膨張係数とスペーサ６の熱膨張係数が近いと、積層部の熱膨張に応じてスペーサ６も略同じ量だけ熱膨張して高さが増大するので、半導体モジュール１の温度によらず、スペーサ６に積層部にかかる押圧力を分担させることができる。そして、積層部の平均熱膨張係数とスペーサ６の熱膨張係数の値がより近いほど、半導体素子２ａの積層部の温度（スペーサ６の温度）上昇に伴う半導体素子２ａの積層部とスペーサ６の熱膨張量が略等しくなる。その結果、半導体素子２ａの積層部の温度上昇により生じる、半導体モジュール１を形成する各構成部材間（特に、半導体素子２ａ表面）にかかる圧接力の増大を低減することができる。

（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態２に係る半導体モジュール１５の要部断面図である。本発明の実施形態２に係る半導体モジュール１５は、上記実施形態１に係る半導体モジュール１と比較して、ＤＣ電極端子４，５及びＡＣ電極端子３の配置形態が異なるものである。よって、実施形態１に係る半導体モジュール１と同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

図５に示すように、本発明の実施形態２に係る半導体モジュール１５は、半導体素子２ａ，２ｃ、ＡＣ電極端子３、ＤＣ電極端子４，５、スペーサ６を備える。

半導体素子２ａ，２ｃは、それぞれＡＣ電極端子３の下面に応力緩衝板７（コンタクト電極）を介して設けられ半導体素子２ａ、２ｃのＰ側電極層（或いは、Ｎ側電極層）とＡＣ電極端子３が電気的に接続される。

半導体素子２ａのＡＣ電極端子３が設けられる面の反対の面には、応力緩衝板７を介してＤＣ電極端子４（−極）が設けられ、半導体素子２ａのＮ側電極層（或いは、Ｐ側電極層）とＤＣ電極端子４が電気的に接続される。一方、半導体素子２ｃのＡＣ電極端子３が設けられる面の反対の面には、応力緩衝板７を介してＤＣ電極端子５（＋極）が設けられ、半導体素子２ｃのＰ側電極層（或いは、Ｎ側電極層）とＤＣ電極端子５が電気的に接続される。

スペーサ６は、ＡＣ電極端子３とＤＣ電極端子４（若しくは、ＤＣ電極端子５）との間に設けられる。ＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４（若しくは、ＤＣ電極端子５）には、スペーサ６が嵌合する嵌合溝９が形成され、この嵌合溝９にスペーサ６が嵌合する。

ＡＣ電極端子３及びＤＣ電極端子４（若しくは、ＤＣ電極端子５）のケース１０近傍には、半導体素子２ａ，２ｃとケース１０間の温度差による応力を低減するための応力緩衝溝１１が形成される。

ＡＣ電極端子３の上面及びＤＣ電極端子４，５の下面には、それぞれ絶縁板１２を介して放熱器８が設けられる。これら放熱器８，８同士が対向する面の側端部近傍には、それぞれＯリングを設ける溝８ａが形成され、放熱器８，８の側端部間にＯリングを介してケース１０が設けられる。

放熱器８には、絶縁板１２（及び半導体モジュール１５を構成する各構成部材）を半導体素子２ａ（または、半導体素子２ｃ）方向に押圧するばね１３（弾性部材）が設けられる溝部（図示省略）が形成される。そして、この溝部にばね１３を設け、放熱器８が固定される。その結果、ばね１３の弾性力により、絶縁板１２、ＡＣ電極端子３、ＤＣ電極端子４，５、応力緩衝板７が半導体素子２ａ（または、半導体素子２ｃ）方向に押圧される。放熱器８には、冷媒（液体や気体）が流通する冷媒路８ｃが形成されており、この冷媒路８ｃ間にばね１３を設ける溝部を形成することで、この溝部に設けられるばね１３が冷却される。

実施形態２に係る半導体モジュール１５は、実施形態１に係る半導体モジュール１と同様に、半導体素子２ａ，２ｃの近傍に、絶縁被覆された金属からなるスペーサ６を設けることにより、半導体素子２ａ，２ｃに一定の範囲内の押圧力がかかるようにすることができる。また、ばね１３を放熱器８内に設けることで、半導体モジュール１５の動作条件（半導体素子２ａ，２ｃの温度）がばね１３の弾性力に与える影響を低減することができる。そして、実施形態２に係る半導体モジュール１５は、ＡＣ電極端子３が、放熱器８に近い位置に配設されているので、実施形態１に係る半導体モジュール１の有する効果に加えて、ＡＣ電極端子３の放熱性が向上する。

以上、具体的な実施形態を例示して説明したように、本発明の半導体モジュールによれば、半導体モジュールに表面を絶縁被覆された金属からなるスペーサを設けることにより、半導体素子の温度上昇に伴いスペーサが熱膨張するので、半導体素子に過大な押圧力がかかることを防止することができる。つまり、半導体モジュール内部の温度分布や半導体素子の動作条件または放熱条件によらず、半導体素子の温度上昇に伴う半導体素子の積層部の熱膨張量（積層部の厚み方向）とこの積層部近傍に配置されるスペーサの熱膨張量が略等しいので、半導体素子等の積層部を形成する各構成部材の界面にかかる圧接力を適切な圧力範囲に維持することができる。よって、半導体モジュールの任意の動作環境、動作温度においても、半導体モジュールを構成する各構成部材に大きな局所的な応力がかかることなく、半導体素子に適切な接触圧（圧接力）をかけることができる。その結果、半導体素子の表面を含む、半導体モジュールを構成する各構成部材の界面での接触熱抵抗、接触電気抵抗の増大を招くことなく、異常な熱暴走の発生を防止することができる。

また、本発明のスペーサによれば、半導体素子に適切な圧接力がかかるように設計することが容易になる。すなわち、スペーサに用いる材料として、樹脂やプラスチック材料等を用いた場合、樹脂やプラスチック材料はクリープ特性（一定の荷重のもとで、材料の変形が時間とともに増加していく特性）を有し、ガラス転移温度前後で熱膨張率が大きく変化する。さらに、樹脂やプラスチック材料は、熱膨張係数等の物性に異方性がある等の理由で、温度変化による変形、物性の変化が予測しにくい。そこで、本発明のスペーサのように、スペーサとして表面に絶縁被覆層を形成した金属からなるスペーサを用いることで、圧接型の半導体モジュールにおいて、半導体素子の積層部の厚み方向の高さを保持するスペーサの材料に樹脂やプラスチックを用いた場合と比較して、半導体モジュールの動作条件（特に、高温環境下）に応じて、半導体素子に適切な圧接力がかかるようにスペーサ６を設計することが容易となる。

また、スペーサを構成する金属材料として、金属材料の熱膨張係数が半導体素子の積層部の平均熱膨張係数を略等しい材料を用いると、半導体モジュール（半導体素子）の温度上昇に伴い、半導体素子の積層部とスペーサの熱膨張量が略等しくなり、半導体モジュール（半導体素子）の温度上昇に伴って発生する半導体素子表面にかかる圧接力の増大を低減することができる。すなわち、半導体素子の積層部とスペーサの熱膨張量を略等しくすることで、半導体素子を含む半導体素子の積層部近傍の温度によらず、半導体素子の積層部とスペーサの高さが略等しくなり、半導体モジュールを構成する各構成部材間（特に、半導体素子の表面）にかかる圧接力を所定の設計値の範囲内とすることができる。つまり、半導体モジュールが高温環境で動作する場合においても、半導体素子の表面（電極面）にかかる圧接力を一定の範囲（例えば、５〜１０ＭＰａ）におさめることができる。特に、アルミニウム（Ａｌ）等の電極層が蒸着等により膜付けされている半導体素子の表裏面において適切な接触圧を維持することができる。その結果、半導体素子への圧接力が過大になることによる半導体素子表裏面（電極層）の損傷を防止することができる。さらに、半導体モジュールを構成する各構成部材間の接触面全体に対しできるだけ均一な接触圧力を確保することができるので、半導体モジュールの信頼性が向上する。

また、半導体モジュール内にスペーサを設けることにより、半導体素子の積層部に並行して圧接方向に放熱パスが形成されるので、半導体モジュールの放熱性が向上する。つまり、スペーサを熱伝導率が大きい金属材料で形成することで、半導体モジュールの放熱性が向上する。このスペーサの表面は、絶縁被覆されているのでスペーサによる短絡の懸念がなく、発熱体である半導体素子近傍に設けることができ、万が一スペーサが脱落した際にも、半導体モジュール内での短絡が防止され、半導体モジュールの安全性が向上する。

一般的に、圧接により半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールでは、半導体モジュールを構成する各構成部材間の接触圧力が変化すると半導体モジュールの放熱性が変化しやすい。つまり、接触圧が低い箇所は、電気伝導率が低下し、通電によるジュール熱を放熱するパスが狭くなる。一方、良好な接触が保たれている箇所に電流が集中することでジュール熱が発生する。その結果、特定の部材が局所的に温度上昇する。局所的に部材が熱膨張、または熱変形すると、部材間の接触面において、さらに、均一な接触圧を維持するのが困難となる。

本発明の半導体モジュールは、半導体モジュール内に表面を絶縁被覆した金属からなるスペーサを半導体素子近傍に設けることで、部材間の接触圧力を一定圧力（例えば、１ＭＰａ）以上に確保することができる。その結果、局所的に応力が集中することを防止し、且つ半導体モジュールの放熱性を維持することができるので、半導体モジュールの信頼性が向上する。

また、ＡＣ電極端子（及びＤＣ電極端子）に、スペーサが嵌合する嵌合溝を形成することで、スペーサの横ずれを防止できるとともに、嵌合溝の深さを調節して、半導体素子の積層部の平均熱膨張係数をスペーサの熱膨張係数を略等しくすることができる。積層部の平均熱膨張係数を調節することで、スペーサを構成する材料として、より熱膨張係数大きい材料を用いることができる。その結果、スペーサの材料として、熱伝導性が高く、半導体素子の積層部の実効熱膨張係数に精度よくマッチングする材料を選択することができるので、半導体モジュールの信頼性及び放熱性が向上する。なお、嵌合溝の深さが深いほど、また嵌合溝のスペーサが嵌合する面積（断面積）が大きいほど、ＡＣ電極端子及びＤＣ電極端子の機械的強度や剛性が低下するので、ＡＣ電極端子（若しくはＤＣ電極端子）の機械的強度やスペーサの熱膨張係数を考慮して嵌合溝の深さや断面積の大きさが適宜設定される。

また、ＡＣ電極端子（若しくは、ＤＣ電極端子）のケースと半導体素子の積層部（或いは、スペーサ）間に応力緩衝溝を形成することで、半導体素子の積層部（或いは、スペーサ）とケースとの温度差（及び、熱膨張係数の違い）による熱応力の影響を低減させることができる。つまり、ＡＣ電極端子（及び、ＤＣ電極端子）、ケース、半導体素子等の半導体モジュールを構成する構成部材にかかる応力（せん断応力等）を低減することができる。

また、本発明の半導体モジュールにおいて、絶縁材と放熱器との界面にサーマルグリース等を用いることなく絶縁材と放熱器とを直接接続すると、半導体モジュールの放熱性がより向上する。

また、半導体モジュールに設けられる放熱器に、電極端子を半導体素子方向に押圧する弾性部材（ばね）を設ける溝部を形成することで、半導体モジュール動作中の弾性部材の温度変化（温度上昇）が小さくなり、弾性部材と放熱器の熱膨張係数の差から生じる弾性部材の自然長からの収縮長さ（弾性部材が半導体モジュールを構成する各構成部材に与える押圧力）が半導体モジュールの動作条件により変動することを抑制することができる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形及び修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形及び修正が本発明の半導体モジュール及び本発明のスペーサに属することは当然のことである。

例えば、本発明のスペーサの構造と同様に、半導体モジュールに設けられるケースを、金属で形成し、その表面を絶縁被覆することで、半導体素子の積層部の温度変化に応じて、ケースを熱膨張させることができる。その結果、ケースが熱膨張しない場合は、放熱器やその他半導体モジュールを構成する構成部材の変形により吸収していた、半導体素子の積層部の熱膨張による半導体素子の積層部とケースとの寸法のずれを、ケースの熱膨張により吸収することができる。また、放熱器やその他構成部材の熱膨張による変形差が小さくなるので、半導体モジュールの外部からの異物の侵入を遮断する封止性能が向上する。さらに、半導体素子の積層部の熱膨張をケースの熱膨張により吸収することで、半導体モジュールを構成する各構成部材間の界面にかかる圧接力を所定の範囲とすることができる。つまり、半導体素子の積層部を構成する部材間の界面にかかる圧接力を半導体モジュール内の温度変化にかかわらず所定の範囲とすることができ、半導体モジュールの信頼性が向上する。よって、半導体素子の積層部を構成する部材間の接触圧が低下することによる接触熱抵抗の低下や電気抵抗の増大を防止するとともに、この接触圧が増大することによる、半導体素子表面の損傷を防止することができる。

また、半導体素子の種類や、半導体素子や電極端子の配置形態は適宜半導体モジュールの用途に応じて適宜変更が可能である。半導体モジュールは、インバータやコンバータ等として用いることができ、それぞれの用途に応じて適宜半導体素子（ＩＧＢＴ）、サイリスタ（ＧＴＯサイリスタ等）、トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ等）、ダイオード（ＦＷＤ等））が選択される。例えば、半導体モジュールをインバータとして用いる場合には、スイッチング素子とダイオードが並列に複数組み込まれたインバータ回路が形成される。一方、半導体モジュールをコンバータとして用いる場合には、整流素子（ダイオード）のみでコンバータ回路が構成される。

また、スペーサの配置形態も、実施形態のように電極端子間に設ける形態に限定されるものではなく、例えば、半導体モジュール内であって、半導体素子及び電極端子からなる積層部の積層方向と平行に配置すれば、実施形態と同様の効果を得ることができる。つまり、半導体モジュールにスペーサを設ける目的は、半導体モジュールの厚み方向の機械的強度（振動に対する耐性等）を高めること、隣り合う半導体素子間の水平方向の絶縁を保つこと、半導体モジュールの放熱性を高めること等であるが、いずれの目的で設けられたスペーサであっても、スペーサの熱膨張係数をこのスペーサに近接する箇所に設けられた半導体素子を含む積層部の平均熱膨張係数と略等しくすることで、半導体モジュール（半導体素子）の温度によらず均一な圧接力を半導体素子に与えることができる。

１，１５…半導体モジュール
２ａ〜２ｆ…半導体素子
３…ＡＣ電極端子（第１電極端子）
４…ＤＣ電極端子（−極）（第２電極端子）
５…ＤＣ電極端子（＋極）（第２電極端子）
６…スペーサ
７…応力緩衝板
８…放熱器
８ｂ…溝部
９…嵌合溝
１０…ケース（筺体）
１１…応力緩衝溝
１２…絶縁板
１３…ばね（弾性部材）

Claims (11)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子の電極層と電気的に接続される第１電極端子と、
   前記半導体素子の他の電極層と電気的に接続される第２電極端子と、
   前記第１電極端子と、前記第２電極端子との間に設けられる、表面を絶縁被覆された金属からなるスペーサと、
   を有し、
   前記スペーサの熱膨張係数は、前記スペーサの近傍に設けられる半導体素子の積層部の平均熱膨張係数と略等しい
   ことを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記スペーサの熱膨張係数は、前記スペーサの近傍に設けられる半導体素子の積層部の平均熱膨張係数と誤差１０％以内で等しい
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記第１電極端子及び前記第２電極端子の少なくとも一方の電極端子に前記スペーサが嵌合する嵌合溝を形成する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記嵌合溝の深さを調整して、前記スペーサの熱膨張係数と前記積層部の平均熱膨張係数が略等しくなるように、前記積層部の平均熱膨張係数を調整する
   ことを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。
5. 前記嵌合溝を、当該嵌合溝の底部と前記スペーサの端面とが面接触するように形成する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。
6. 前記第１電極端子及び前記第２電極端子の少なくとも一方の電極端子に絶縁板を介して放熱器を設け、
   前記放熱器に、前記絶縁板を前記半導体素子方向に押圧する弾性部材を設ける溝部を形成する
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
7. 前記放熱器の側端部に、Ｏリングを介して筺体を設ける
   ことを特徴とする請求項６に記載の半導体モジュール。
8. 前記第１電極端子及び前記第２電極端子の少なくとも一方の電極端子に応力緩衝溝を形成する
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
9. 半導体素子と、
   前記半導体素子の電極層と電気的に接続される第１電極端子と、
   前記半導体素子の他の電極層と電気的に接続される第２電極端子と、
   を有する半導体モジュールにおいて、
   前記第１電極端子と、前記半導体素子と、前記第２電極端子とを積層した積層部の積層方向と平行に、表面を絶縁被覆された金属からなるスペーサであって当該スペーサと対向する前記積層部の平均熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有するスペーサを設ける
   ことを特徴とする半導体モジュール。
10. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の半導体モジュールに用いられるスペーサであって、
    前記スペーサは、金属部材の表面を絶縁被覆してなり、
    前記スペーサは、半導体素子の電極層と電気的に接続される第１電極端子と、前記半導体素子の他の電極層と電気的に接続される第２電極端子と、の間に設けられ、
    前記スペーサの熱膨張係数は、前記スペーサの近傍に設けられる半導体素子の積層部の平均熱膨張係数と略等しいことを特徴とするスペーサ。
11. 請求項９に記載の半導体モジュールに用いられるスペーサであって、
    前記スペーサは、金属部材の表面を絶縁被覆してなり、
    前記スペーサは、半導体素子と、当該半導体素子の電極層と電気的に接続される第１電極端子と、前記半導体素子の他の電極層と電気的に接続される第２電極端子と、を積層した積層部の積層方向と平行に設けられ、
    前記スペーサの熱膨張係数は、当該スペーサと対向する前記積層部の平均熱膨張係数と略等しいことを特徴とするスペーサ。

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