WO2014181426A1 - 半導体モジュール及び半導体装置 - Google Patents

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semiconductor
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達也 川瀬
三紀夫 石原
宮本　昇
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三菱電機株式会社
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    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
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    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/181—Encapsulation

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor module and a semiconductor device used, for example, for on-vehicle motor control.
  • a semiconductor module has been attached to a radiator via grease in order to improve adhesion and heat dissipation.
  • the semiconductor module is attached to the radiator using a pressing plate and screws in order to suppress warpage and secure adhesion with grease.
  • a technique is disclosed in which a through hole is provided in the center of a semiconductor module, and a screw is passed through the through hole to hold the semiconductor module with a plate-shaped spring plate (see Patent Document 1).
  • the radiator is often attached to the cooling jacket using screws.
  • a semiconductor module is disclosed in which an insulating substrate is soldered to a radiator, a semiconductor chip is fixed to the insulating substrate, and a case is bonded to the periphery of the radiator (see Patent Document 2).
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to ensure heat dissipation, improve the degree of freedom of layout inside the module, and suppress module deformation and destruction.
  • a semiconductor module and a semiconductor device are obtained.
  • the semiconductor module according to the present invention includes a radiator having a fixed surface and a heat radiating surface opposite to the fixed surface, a fin provided at a central portion of the heat radiating surface, and the fixing surface of the heat radiator. Insulating material provided on top, conductive material provided on the insulating material, a semiconductor chip provided on the conductive material, a metal frame connected to the semiconductor chip, and the fin exposed to the outside.
  • heat dissipation can be ensured, the degree of freedom of layout inside the module can be improved, and deformation and destruction of the module can be suppressed.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a semiconductor module according to Embodiment 1 of the present invention. It is sectional drawing which shows the state which fixed the semiconductor module of FIG. 1 to the cooling jacket which is a flow path of a refrigerant
  • FIG. 1 is a sectional view showing a semiconductor module according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the semiconductor module 1 has a radiator 2.
  • the radiator 2 has a size of about 80 mm ⁇ 80 mm, a thickness of about 3 mm, and is made of Al or Cu.
  • the radiator 2 has a fixed surface 2a (upper surface) and a heat radiating surface 2b (lower surface) which is the surface opposite to the fixed surface 2a.
  • the fin 3 is provided in the center part of the heat radiating surface 2b.
  • the insulating material 4 is provided on the fixed surface 2a of the radiator 2 without a soldering material such as solder.
  • the insulating material 4 is an insulating substrate made of, for example, AlN or Si 3 N 4 .
  • the thickness of the insulating material 4 is desirably a minimum thickness, for example, 0.635 mm.
  • a conductive material 5 that is a metal pattern is provided on an insulating material 4 that is an insulating substrate.
  • the thickness of the conductive material 5 is about 1 to 1.5 times the thickness of the radiator 2. However, in order to improve heat dissipation, it is desirable that the thickness of the insulating material 4 is smaller than the thickness of the conductive material 5 and the radiator 2.
  • the semiconductor chip 6 is provided on the conductive material 5, and the lower surface electrode of the semiconductor chip 6 is bonded to the conductive material 5 by a conductive bonding material 7 such as solder.
  • a metal frame 9 is connected to the upper surface electrode of the semiconductor chip 6 by a conductive bonding material 8 such as solder.
  • the mold resin 10 covers the radiator 2, the insulating material 4, the conductive material 5, the semiconductor chip 6, the conductive bonding materials 7 and 8, and the metal frame 9 so that the fins 3 are exposed to the outside.
  • a hole 11 penetrating the outer periphery of the radiator 2 and the outer periphery of the mold resin 10 is provided.
  • the height of the upper surface of the mold resin 10 is constant.
  • FIG. 2 is a view showing a heat radiating surface of the radiator of the semiconductor module of FIG.
  • the fin 3 is provided in the center part of the heat radiating surface 2b.
  • the outer peripheral portion of the radiator 2 is a sealing portion that is sealed with the mold resin 10.
  • a hole 11 is provided in the sealing portion.
  • the material of the radiator 2 and the fin 3 may be the same or different. For example, in order to improve heat dissipation, a material having higher thermal conductivity than the radiator 2 may be used as the material of the fin 3.
  • FIG. 4, and FIG. 5 are a top view, an internal view, and a circuit diagram of the semiconductor module according to the first embodiment of the present invention.
  • the mold resin 10 is omitted.
  • the semiconductor module has a 6-in-1 structure, that is, a structure in which six switching elements are mounted on one module.
  • the IGBTs 12a to 12f and the forward diodes 13a to 13f correspond to the semiconductor chip 6 in FIG.
  • the metal frames 9a to 9e correspond to the U electrode, the V electrode, the W electrode, the P electrode, and the N electrode, respectively.
  • the lower surfaces of the IGBTs 12a to 12c and the forward diodes 13a to 13c are connected to the conductive material 5a.
  • the lower surfaces of the IGBTs 12d to 12f and the forward diodes 13d to 13f are connected to the conductive materials 5b to 5d.
  • Metal frames 9a to 9c are connected to the upper surfaces of the IGBTs 12a to 12c and the forward diodes 13a to 13c, respectively, and are connected to the conductive materials 5b to 5d, respectively.
  • a metal frame 9d is connected to the conductive material 5a.
  • a metal frame 9e is connected to the upper surfaces of the IGBTs 12d to 12f and the forward diodes 13d to 13f.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in which the semiconductor module of FIG. 1 is fixed to a cooling jacket that is a refrigerant flow path.
  • the semiconductor module 1 is attached to the cooling jacket 15 by inserting the screw 14 through the hole 11 of the semiconductor module 1 and inserting it into the screw hole of the cooling jacket 15.
  • a sealing material 17 such as an O-ring is disposed in the groove 16 of the cooling jacket 15.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a metal pattern of the semiconductor module of FIG. 1 and a method of manufacturing a radiator.
  • the molten metal can be poured into the mold 18 in a state where the insulating material 4 is held in the mold 18 so that the two can be manufactured integrally.
  • the ratio of the thickness of the conductive material 5 and the radiator 2 can be freely changed by arbitrarily setting the position of the insulating material 4.
  • FIG. In that case, each metal is poured into the upper and lower surfaces of the insulating material 4 using different molds in different steps.
  • the semiconductor chip 6 and the radiator 2 are sealed and fixed with the mold resin 10, so that the screws used for fixing both of them, the plate material for suppressing warpage of the module, Inclusions such as grease become unnecessary, and the number of members can be reduced.
  • the mounting holes 11 are provided in the outer periphery of the module, the degree of freedom in the layout inside the module can be improved. Since there are no holes 11 in the center of the semiconductor module 1, six or more switching elements can be arranged, so that a three-phase inverter capable of driving a motor can be realized with one semiconductor module.
  • the radiator 2 is sealed with the mold resin 10 including the periphery of the hole 11 which is a screw fastening portion where stress is easily concentrated, the strength of the entire module is increased, and deformation and destruction of the module are suppressed. Can do.
  • the radiator 2 and the insulating material 4 are directly joined, the heat radiation performance is improved as compared with the structure in which both are joined by the conductive joining material. Furthermore, since there is no fear of occurrence of cracks in the conductive bonding material, the life of the heat cycle and power cycle is improved. Further, since the joining step using the joining material can be omitted, the assembly cost can be reduced.
  • the strength of the semiconductor module is improved by using an insulating substrate having a high yield strength as the insulating material 4.
  • the insulating substrate is preferably made of a ceramic material. Since the ceramic material has high thermal conductivity, the heat dissipation of the semiconductor module is improved.
  • a sheet-like resin such as an epoxy material may be coated on the fixed surface 2a. Since the sheet-like resin is flexible, brittle fracture of the insulating material 4 hardly occurs, and the life of the power cycle and heat cycle is improved. Moreover, since the insulating sheet is thinner than the insulating substrate, the thickness of the entire semiconductor module can be reduced.
  • a heat spreader such as Cu is provided as the conductive material 5 on the insulating sheet, and the semiconductor chip 6 is mounted thereon. Since the heat generated by the semiconductor chip 6 can be efficiently diffused by the heat spreader, the temperature rise of the entire semiconductor module can be suppressed.
  • the conductive material 5 and the semiconductor chip 6 are bonded by the conductive bonding material 7, it is preferable that a plating process is performed on the surface of the conductive material 5 where the semiconductor chip 6 is mounted. By performing the plating process, the wettability of the conductive bonding material 7 between the conductive material 5 and the semiconductor chip 6 is improved.
  • the material of the radiator 2 and the conductive material 5 are the same.
  • the radiator 2 and the conductive material 5 can be simultaneously formed by a molten metal method or the like, so that the manufacturing process can be reduced.
  • the material of the radiator 2 and the conductive material 5 is preferably Al or an Al alloy. Since Al or Al alloy is lightweight, the weight of the entire semiconductor module can be reduced.
  • FIG. 8 is a diagram showing a simulation analysis result of the amount of warpage of the radiator due to heating when the ratio of the thickness of the conductive material to the thickness of the radiator is changed. Heated from 25 ° C to 250 ° C. All of the heat sink 2, the fin 3, and the conductive material 5 were made of Al. The insulating material 4 was an AlN plate having a thickness of 0.635 mm. The amount of warpage on the vertical axis takes a positive value when it is convex along the fin side of the radiator.
  • the warpage is preferably within 230 ⁇ m. From the analysis results, it was found that if the thickness of the conductive material 5 is 1.15 times or more and 1.45 times or less of the thickness of the radiator 2, the absolute value of the warp due to heat of the radiator 2 is within 230 ⁇ m. .
  • the warpage can be suppressed to about 120 ⁇ m or less, which is more desirable.
  • the reason why the thickness ratio at which the amount of warpage is smaller is larger than 1 is that the radiator 2 covers (is in close contact with) the entire lower surface of the insulating material 4 whereas the conductive material 5 is on the upper surface of the insulating material 4. If the thermal expansion coefficient of the radiator 2 and the conductive material 5 is the same (same material) when they do not occupy the entire surface, in order to generate the same stress on the upper and lower surfaces of the insulating material 4 when the temperature changes, This is because the material 5 needs to be thicker.
  • the range of the thickness ratio in which the amount of warpage is small does not depend on the shape (height, diameter) of the fin 3.
  • the area of the conductive material 5 is usually about 60 to 80% of the area of the radiator 2, and the thickness ratio is 1.2 to 1.4 times in the range of the area ratio (60 to 80%).
  • the absolute value of the warp amount becomes smaller in the range, and the absolute value of the warp amount becomes minimum at about 1.3 times.
  • the thickness and material of the mold resin 10 is necessary to design the thickness and material of the mold resin 10 in consideration of the resistance to mechanical stress of the radiator 2 (stress when a specified permanent elongation occurs). This design is particularly important when a material having a low proof stress such as Al is selected as the material of the radiator 2 for weight reduction. For example, if the thickness of the radiator 2 is 3 mm and the material is Al with low yield strength, when it is attached to the cooling jacket and water cooling is started, the hydrostatic pressure (0.5 to 1.0 MPa) and the reaction force of the sealing material ( 1.0 to 10.0 N / mm), the stress generated in the vicinity of the screw fastening portion exceeds the proof stress and causes plastic deformation. If the stress exceeds the proof stress, the deformation proceeds and there is a concern about water leakage.
  • a material having a low proof stress such as Al
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the thickness of the mold resin and the generated stress. It can be seen that as the mold resin 10 is thicker, the generated stress can be reduced.
  • FIG. 10 and 11 are a sectional view and a top view showing the semiconductor module according to the second embodiment of the present invention.
  • the stress generated when the semiconductor module 1 is attached to the cooling jacket 15 and used increases near the hole 11. Therefore, in the present embodiment, a protruding portion 10a protruding upward is provided on the outer peripheral portion of the mold resin 10, and the height of the upper surface of the mold resin 10 in the vicinity of the hole 11 is set to be higher than the height of the upper surface of the mold resin 10 in the module central portion. Make it high.
  • the strength of the module can be improved.
  • the amount of the mold resin 10 can be reduced as compared with the case where the whole mold resin 10 is thickened.
  • FIG. 12 and 13 are a top view and an internal view showing a semiconductor module according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the radiator 2 has a protruding portion 19 protruding outward.
  • the hole 11 is provided in the protrusion 19.
  • Mold resin 10 is formed in the same shape as that of radiator 2. Thereby, the material usage-amount of the heat radiator 2 and the mold resin 10 can be reduced.
  • the metal frames 9d and 9e between the protrusions 19 the floor area of the semiconductor module can be reduced.
  • FIG. 14 is a top view showing Modification 1 of the semiconductor module according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the planar shape of the mold resin 10 is a square, and a notch 10b is provided between the metal frames 9d and 9e. Accordingly, the distance between the metal frames can be reduced by obtaining the creepage distance with the mold resin 10.
  • FIG. 15 is a top view showing a second modification example of the semiconductor module according to the third embodiment of the present invention.
  • Modification 2 is a combination of Embodiments 2 and 3, and the effects of both can be obtained.
  • FIG. FIG. 16 is a cross-sectional view showing a semiconductor module according to Embodiment 4 of the present invention.
  • An insulating material 4 whose rear surface is metallized is bonded to a fixed surface 2 a of the radiator 2 via a bonding material 20.
  • the bonding material 20 is, for example, solder that is a conductive bonding material.
  • the semiconductor module can be miniaturized. Also, when the heat radiator 2 or the semiconductor chip 6 on the insulating material 4 is replaced after the heat radiator 2 is joined to the insulating material 4, the heat radiator 2 can be easily removed and replaced.
  • the upper surface of the insulating material 4 and the conductive material 5 can be bonded with a bonding material such as solder. Also in this case, the insulating material 4 and the conductive material 5 can be formed separately and then joined together.
  • FIG. 17 and 18 are a sectional view and a top view showing the semiconductor module according to the fifth embodiment of the present invention.
  • a collar 21 made of a material (Fe or the like) having higher yield strength than the radiator 2 is inserted into the hole 11 of the mold resin 10. Since the reaction force caused by tightening the screw 14 is received by the collar 21 having a high yield strength, deformation of the radiator 2 and the mold resin 10 around the hole 11 can be suppressed.
  • the collar 21 is penetrated to the lower surface of the radiator 2, the deformation of the radiator 2 can be suppressed, and the axial force can be maintained. Moreover, it is preferable that at least one unevenness is provided on the outer surface of the collar 21 (for example, knurling). Thereby, the adhesiveness of the mold resin 10 and the collar 21 is improved, and peeling of both can be suppressed.
  • FIG. 19 and 20 are a sectional view and a top view showing a semiconductor module according to the sixth embodiment of the present invention.
  • a plate member 22 made of a material (Fe or the like) having higher proof strength than the radiator 2 is provided around the hole 11 of the radiator 2.
  • thread 14 can be suppressed. Therefore, warpage of the entire module is suppressed, and sealing performance with the cooling jacket 15 can be ensured.
  • a knurling process may be provided on the surface of the plate material 22.
  • adhesiveness with the heat radiator 2 is securable.
  • the radiator 2 and the plate material 22 are alloyed at the interface by selecting a material that diffuses the material of the plate material 22 into the heat radiator 2.
  • characteristics, such as heat conductivity and yield strength of the heat radiator 2 can be locally changed. For example, if the material of the radiator 2 is Al, the material of the plate 22 is Fe.
  • FIG. FIG. 21 is a cross-sectional view showing a semiconductor module according to Embodiment 7 of the present invention.
  • a step 23 is provided on the heat radiating surface 2 b of the radiator 2, and the center portion protrudes. Thereby, it becomes easy for a refrigerant
  • coolant to hit the root of the fin 3, and heat dissipation performance improves. Furthermore, since the thickness of the radiator 2 increases by the height of the step 23, the strength of the module is also improved.
  • FIG. 22 and 23 are a sectional view and an internal view showing a semiconductor module according to Embodiment 8 of the present invention.
  • a guide 24 is provided on the outer peripheral portion of the fixed surface 2 a of the radiator 2. This guide 24 fixes the end of the insulating material 4. Thereby, since the function as an aggregate can be given to the insulating material 4, the intensity
  • FIG. 24 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the metal pattern and the radiator of the semiconductor module of FIG.
  • the radiator 2, the conductive material 5, and the guide 24 can be manufactured at the same time by pouring molten metal while holding the insulating material 4 in the mold 18.
  • FIG. FIG. 25 is an internal view showing a semiconductor module according to Embodiment 9 of the present invention.
  • the planar shape of the conductive material 5 is a comb tooth shape.
  • FIG. 26 and 27 are a sectional view and a top view showing the semiconductor device according to the tenth embodiment of the present invention.
  • the semiconductor module 1 is pressed by an external plate member 25 and fixed to the cooling jacket 15.
  • the plate member 25 is in contact with the semiconductor module 1 and is attached to the cooling jacket 15 with screws 14.
  • the material of the plate member 25 is preferably a material having high yield strength and low magnetic permeability (for example, Cu).
  • the warp of the semiconductor module 1 can be suppressed by pressing with the plate member 25 having high yield strength, and the sealing performance with the cooling jacket 15 can be maintained.
  • a material having high yield strength can be used for the fastening portion of the screw 14, deformation of the semiconductor module 1 can be suppressed.
  • a material having a low magnetic permeability it is possible to prevent the magnetic field generated when a current flows through the semiconductor chip 6 from diffusing to the outside. Thereby, even if a control board etc. are set

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Abstract

　放熱器（２）は、固定面（２ａ）と、固定面（２ａ）と反対の面である放熱面（２ｂ）とを有する。フィン（３）が放熱面（２ｂ）の中央部に設けられている。絶縁材（４）が放熱器（２）の固定面（２ａ）上に設けられている。導電材（５）が絶縁材（４）上に設けられている。半導体チップ（６）が導電材（５）上に設けられている。金属フレーム（９）が半導体チップ（６）に接続されている。モールド樹脂（１０）は、フィン（３）を外部に露出させるように、放熱器（２）、絶縁材（４）、導電材（５）、半導体チップ（６）、及び金属フレーム（９）を覆う。放熱器（２）の外周部とモールド樹脂（１０）の外周部を貫通する穴（１１）が設けられている。半導体モジュール１は、穴（１１）にネジ（１４）を通して冷却ジャケット（１５）に取り付けられる。

Description

半導体モジュール及び半導体装置
　本発明は、例えば車載用のモーター制御に使用される半導体モジュール及び半導体装置に関する。
　従来は、接着性と放熱性を上げるために半導体モジュールをグリスを介して放熱器に取り付けていた。このとき、反り抑制やグリスとの密着性確保のため、押さえ板やネジを用いて半導体モジュールを放熱器へ取り付ける。例えば、半導体モジュールの中央部に貫通穴を設け、貫通孔にネジを通して皿状のバネ板で半導体モジュールを押えて固定する技術が開示されている（特許文献１参照）。
　また、放熱器はネジを用いて冷却ジャケットに取り付けられることが多い。例えば、放熱器に絶縁基板が半田付けされ、その絶縁基板に半導体チップが固定され、放熱器の周辺部にケースが接着された半導体モジュールが開示されている（特許文献２参照）。
日本特開２００８－１９８６４４号公報 日本特開２００９－１８８１７６号公報
　しかし、グリスの熱伝導率は低く、放熱性が悪いという問題があった。また、安定した放熱を行うためには、半導体モジュールの反りを矯正して放熱器に固定する必要があり、部材の点数が多くなってしまう。さらに、特許文献１では、半導体モジュールの中央部に貫通穴を設けなければならず、モジュール内部のレイアウトの自由度が下がってしまう。
　また、特許文献２のように絶縁基板と放熱器を一体化させればグリスが不要であるが、樹脂ケースを放熱器に接着剤で止めているため、大型化してしまう。さらに、ケース内部に軟らかいゲルを使用するため、放熱器を厚くする、材質を高強度なもの（例えばＣｕ）にするなどの対策を行わなければ、モジュールが変形・破壊される。
　本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は放熱性を確保し、モジュール内部のレイアウトの自由度を向上させ、モジュールの変形・破壊を抑制することができる半導体モジュール及び半導体装置を得るものである。
　本発明に係る半導体モジュールは、固定面と、前記固定面と反対の面である放熱面とを有する放熱器と、前記放熱面の中央部に設けられたフィンと、前記放熱器の前記固定面上に設けられた絶縁材と、前記絶縁材上に設けられた導電材と、前記導電材上に設けられた半導体チップと、前記半導体チップに接続された金属フレームと、前記フィンを外部に露出させるように、前記放熱器、前記絶縁材、前記導電材、前記半導体チップ、及び前記金属フレームを覆うモールド樹脂とを備え、前記放熱器の外周部と前記モールド樹脂の外周部を貫通する穴が設けられ、前記穴にネジを通して冷却ジャケットに取り付けられることを特徴とする。
　本発明により、放熱性を確保し、モジュール内部のレイアウトの自由度を向上させ、モジュールの変形・破壊を抑制することができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールを示す断面図である。 図１の半導体モジュールの放熱器の放熱面を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの上面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの内部図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの回路図である。 図１の半導体モジュールを冷媒の流路である冷却ジャケットに固定した状態を示す断面図である。 図１の半導体モジュールの金属パターンと放熱器の製造方法を示す断面図である。 放熱器の厚みに対する導電材の厚みの比率を変化させた時の加熱による放熱器の反り量のシミュレーション解析結果を示す図である。 モールド樹脂の厚みと発生応力の関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールを示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールを示す上面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールを示す上面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールを示す内部図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールの変形例１を示す上面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールの変形例２を示す上面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体モジュールを示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体モジュールを示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体モジュールを示す上面図である。 本発明の実施の形態６に係る半導体モジュールを示す断面図である。 本発明の実施の形態６に係る半導体モジュールを示す上面図である。 本発明の実施の形態７に係る半導体モジュールを示す断面図である。 本発明の実施の形態８に係る半導体モジュールを示す断面図である。 本発明の実施の形態８に係る半導体モジュールを示す内部図である。 図２２の半導体モジュールの金属パターンと放熱器の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態９に係る半導体モジュールを示す内部図である。 本発明の実施の形態１０に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態１０に係る半導体装置を示す上面図である。
　本発明の実施の形態に係る半導体モジュールについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールを示す断面図である。半導体モジュール１は放熱器２を有する。放熱器２は、大きさは約８０ｍｍ×８０ｍｍ程度、厚みは３ｍｍ程度であり、ＡｌやＣｕからなる。放熱器２は、固定面２ａ（上面）と、固定面２ａと反対の面である放熱面２ｂ（下面）とを有する。フィン３が放熱面２ｂの中央部に設けられている。
　絶縁材４が半田などのろう材を介さずに放熱器２の固定面２ａ上に設けられている。絶縁材４は例えばＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４からなる絶縁基板である。熱抵抗を低減するため、絶縁材４の厚みは最小限の厚みとすることが望ましく、例えば０．６３５ｍｍである。
　絶縁基板である絶縁材４上に金属パターンである導電材５が設けられている。導電材５の厚みは放熱器２の厚みの１倍～１．５倍程度とする。ただし、放熱性向上のため、絶縁材４の厚みは、導電材５と放熱器２の厚みよりも薄くすることが望ましい。
　半導体チップ６が導電材５上に設けられ、半導体チップ６の下面電極が半田などの導電性接合材７により導電材５に接合されている。半導体チップ６の上面電極には半田などの導電性接合材８により金属フレーム９が接続されている。
　モールド樹脂１０が、フィン３を外部に露出させるように、放熱器２、絶縁材４、導電材５、半導体チップ６、導電性接合材７，８、及び金属フレーム９を覆う。放熱器２の外周部とモールド樹脂１０の外周部を貫通する穴１１が設けられている。本実施の形態ではモールド樹脂１０の上面の高さは一定である。
　図２は、図１の半導体モジュールの放熱器の放熱面を示す図である。フィン３が放熱面２ｂの中央部に設けられている。放熱器２の外周部はモールド樹脂１０で封止される封止部となっている。この封止部に穴１１が設けられている。放熱器２とフィン３の材質は同じでも異なっていてもよい。例えば、放熱性を上げるため、フィン３の材質として放熱器２よりも熱伝導率が高いものを使用してもよい。
　図３、図４、及び図５は、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの上面図、内部図、及び回路図である。内部図ではモールド樹脂１０を省略している。半導体モジュールは６ｉｎ１構造、即ち６つのスイッチング素子を１つのモジュールに実装した構造である。
　ＩＧＢＴ１２ａ～１２ｆとフォワードダイオード１３ａ～１３ｆは図１の半導体チップ６に該当する。金属フレーム９ａ～ｅがそれぞれＵ電極、Ｖ電極、Ｗ電極、Ｐ電極、Ｎ電極に該当する。
　ＩＧＢＴ１２ａ～１２ｃとフォワードダイオード１３ａ～１３ｃの下面は導電材５ａに接続されている。ＩＧＢＴ１２ｄ～１２ｆとフォワードダイオード１３ｄ～１３ｆの下面は導電材５ｂ～５ｄに接続されている。金属フレーム９ａ～ｃがそれぞれＩＧＢＴ１２ａ～１２ｃとフォワードダイオード１３ａ～１３ｃの上面にそれぞれ接続され、かつ導電材５ｂ～５ｄにそれぞれ接続されている。金属フレーム９ｄが導電材５ａに接続されている。金属フレーム９ｅがＩＧＢＴ１２ｄ～１２ｆとフォワードダイオード１３ｄ～１３ｆの上面に接続されている。
　図６は、図１の半導体モジュールを冷媒の流路である冷却ジャケットに固定した状態を示す断面図である。半導体モジュール１の穴１１にネジ１４を通して冷却ジャケット１５のネジ穴に挿入することで、半導体モジュール１は冷却ジャケット１５に取り付けられる。冷却ジャケット１５の溝１６に、Ｏリングなどの封止材１７が配置されている。
　図７は、図１の半導体モジュールの金属パターンと放熱器の製造方法を示す断面図である。導電材５と放熱器２の材質が同じ場合、鋳型１８の中に絶縁材４を保持した状態で、溶融した金属を流し込むことで両者を一体的に製造することができる。このとき、絶縁材４の位置を任意に設定することで、導電材５と放熱器２の厚みの比率を自由に変更できる。なお、導電材５の材料として放熱器２と異なるものを使用してもよい。その場合には、絶縁材４の上面および下面に対して、工程を分けて異なる鋳型を用いて、それぞれの金属を流し込む。
　以上説明したように、本実施の形態では半導体チップ６と放熱器２をモールド樹脂１０で封止して固定することで、両者の固定に使用していたネジ、モジュールの反り抑制用の板材、グリスなどの介在物が不要となり、部材点数を削減することができる。
　また、半導体チップ６と放熱器２の間にグリスを挟む必要が無いので放熱性を確保することができる。従って、半導体チップ６の通電による発熱を効果的に放熱することができる。
　また、取り付け用の穴１１をモジュール外周部に設けているため、モジュール内部のレイアウトの自由度を向上させることができる。半導体モジュール１の中央に穴１１がないことでスイッチング素子を６個以上配置することができるため、モーターを駆動可能な３相用のインバータを１個の半導体モジュールで実現することができる。
　また、応力の集中しやすいネジ締結部である穴１１の周辺も含めて放熱器２をモールド樹脂１０で封止しているため、モジュール全体の強度が増し、モジュールの変形・破壊を抑制することができる。
　また、放熱器２と絶縁材４が直に接合されているため、両者を導電性接合材で接合する構造よりも放熱性が向上する。さらに、導電性接合材のクラック発生などの恐れがないため、ヒートサイクルやパワーサイクルの寿命が向上する。また、接合材による接合工程も省略できるため、アッセンブリコストを低減することができる。
　また、絶縁材４として耐力の高い絶縁基板を用いることにより半導体モジュールの強度が向上する。特に、絶縁基板がセラミック材料からなることが好ましい。セラミック材料は熱伝導性が高いため、半導体モジュールの放熱性が向上する。
　なお、絶縁材４として、絶縁基板の代わりに、エポキシ材などのシート状の樹脂を固定面２ａの上に塗工してもよい。シート状の樹脂は柔軟であるため、絶縁材４の脆性破壊が起こりにくくなり、パワーサイクルやヒートサイクルの寿命が向上する。また、絶縁基板よりも絶縁シートの方が薄いため、半導体モジュール全体の厚みも低減できる。絶縁シートの上に導電材５としてＣｕなどのヒートスプレッダを設け、その上に半導体チップ６を実装する。ヒートスプレッダにより、半導体チップ６で発生した熱を効率的に拡散できるため、半導体モジュール全体の温度上昇を抑制することができる。
　また、導電材５と半導体チップ６が導電性接合材７により接合される場合には、導電材５の表面のうち半導体チップ６を実装する領域にめっき処理が施されていることが好ましい。めっき処理を施すことで導電材５と半導体チップ６との間の導電性接合材７の濡れ性が向上する。
　また、放熱器２と導電材５の材料が同じであることが好ましい。この場合には金属の溶湯法などにより放熱器２と導電材５を同時に形成できるため、製造工程を削減することができる。特に、放熱器２と導電材５の材料がＡｌ又はＡｌ合金であることが好ましい。Ａｌ又はＡｌ合金は軽量であるため、半導体モジュール全体の重量を低減できる。
　図８は、放熱器の厚みに対する導電材の厚みの比率を変化させた時の加熱による放熱器の反り量のシミュレーション解析結果を示す図である。２５℃から２５０℃に加熱した。放熱板２、フィン３、及び導電材５は何れもＡｌとした。絶縁材４は０．６３５ｍｍ厚のＡｌＮ板とした。縦軸の反り量は放熱器のフィン側へ凸に沿った場合に正の値を取る。
　熱による反りは半田付け工程（２５０℃程度）やモールド封止工程（１８０℃程度）で組立上問題となるため、反り量は２３０ｕｍ以内が好ましい。解析結果から、導電材５の厚みは放熱器２の厚みの１．１５倍以上、１．４５倍以下であれば、放熱器２の熱による反りの絶対値が２３０ｕｍ以内となることが分かった。
　さらに、導電材５の厚みを放熱器２の厚みの１．２～１．４倍にすると、反りが１２０ｕｍ程度以下まで抑制でき、より望ましい。反り量が小さくなる厚み比率が１より大きい理由は、放熱器２が絶縁材４の下面の全面を覆っている（密着している）のに対して、導電材５は絶縁材４の上面の全面を占めておらず、放熱器２と導電材５の熱膨張係数が同じ（同じ材質）であれば、温度変化時に絶縁材４の上下面それぞれに対して同等の応力を生じるには、導電材５の方を厚くする必要があるためである。
　また、反り量が小さくなる厚み比率の範囲は、フィン３の形状（高さ、直径）にはほとんど依存しない。６ｉｎ１構造では導電材５の面積は通常、放熱器２の面積の６０～８０％程度であり、その面積比率の範囲（６０～８０％）では、厚み比率が１．２～１．４倍の範囲で反り量の絶対値が小さくなり、約１．３倍で反り量の絶対値が最小となる。
　モールド樹脂１０の厚みと材質は、放熱器２の機械的な応力に対する耐力（規定の永久伸びを生じるときの応力）を考慮して設計する必要がある。この設計は特に放熱器２の材質として、軽量化のためにＡｌなどの低耐力の材質を選択した際に重要となる。例えば、放熱器２の厚みを３ｍｍとし、材質を耐力の低いＡｌとした場合、冷却ジャケットへ取り付けて水冷を開始すると、静水圧（０．５～１．０ＭＰａ）と封止材の反力（１．０～１０．０Ｎ／ｍｍ）により、ネジ締結部付近に発生する応力は耐力を超え、塑性変形を引き起こす。応力が耐力を超えたままでは、変形が進行して、水漏れなどが懸念される。そこで、モールド樹脂１０の厚みを増加させることで、放熱器２の変形を抑え込み、放熱器２のネジ締結部周辺に集中する応力を低減することができる。図９は、モールド樹脂の厚みと発生応力の関係を示す図である。モールド樹脂１０が厚いほど発生応力が低減できることが分かる。
実施の形態２．
　図１０及び図１１は、本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールを示す断面図及び上面図である。半導体モジュール１を冷却ジャケット１５に取り付けて使用した場合に発生する応力は穴１１付近で高くなる。そこで、本実施の形態ではモールド樹脂１０の外周部に上側に突出した突出部１０ａを設けて、穴１１付近におけるモールド樹脂１０の上面の高さをモジュール中央部におけるモールド樹脂１０の上面の高さより高くする。機械的な応力の集中しやすい穴１１付近のモールド樹脂１０を厚くすることでモジュールの強度を向上することができる。また、モールド樹脂１０の一部を厚くするので、モールド樹脂１０の全体を厚くするよりもモールド樹脂１０の量を削減することができる。
実施の形態３．
　図１２及び図１３は、本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールを示す上面図及び内部図である。放熱器２は外側に突出した突出部１９を有する。穴１１は突出部１９に設けられている。その放熱器２と同形状でモールド樹脂１０を形成する。これにより、放熱器２とモールド樹脂１０の材料使用量を削減することができる。また、突出部１９間に金属フレーム９ｄ，９ｅを配置することで、半導体モジュールの床面積を低減することもできる。
　図１４は、本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールの変形例１を示す上面図である。モールド樹脂１０の平面形状は四角とし、さらに金属フレーム９ｄ，９ｅの間に切り欠き部１０ｂを設けている。これにより、モールド樹脂１０で沿面距離を得ることで金属フレーム間の距離を縮小することができる。図１５は、本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールの変形例２を示す上面図である。変形例２は実施の形態２，３を組み合わせたものであり、両者の効果を得ることができる。
実施の形態４．
　図１６は、本発明の実施の形態４に係る半導体モジュールを示す断面図である。放熱器２の固定面２ａに、裏面をメタライズした絶縁材４が接合材２０を介して接合されている。接合材２０は例えば導電性接合材である半田である。半田などの熱伝導性のよい材料を接合材２０に用いることで、半導体モジュール１の放熱性は実施の形態１の半導体モジュールに若干劣るものの、グリスを用いた従来技術より格段に高い放熱性を安定して得ることができる。
　放熱器２と絶縁材４を別々に作成した後にこれらを接合することができるため、半導体モジュールの小型化が可能である。また、一旦放熱器２を絶縁材４に接合した後に、放熱器２、又は絶縁材４の上の半導体チップ６を交換する場合にも、放熱器２を容易に取り外しして交換ができる。
　なお、絶縁材４の上面にメタライズすることで、絶縁材４の上面と導電材５を半田などの接合材で接合することもできる。この場合にも、絶縁材４と導電材５を別々に作成した後にこれらを接合することができる。
実施の形態５．
　図１７及び図１８は、本発明の実施の形態５に係る半導体モジュールを示す断面図及び上面図である。放熱器２より耐力の高い材質（Ｆｅなど）からなるカラー２１がモールド樹脂１０の穴１１に挿入されている。ネジ１４の締め付けによる反力を耐力の高いカラー２１で受けるため、穴１１周辺の放熱器２とモールド樹脂１０の変形を抑制することができる。
　また、カラー２１を放熱器２の下面まで貫通させれば、放熱器２の変形も抑制でき、更に軸力を保持することができる。また、カラー２１の外側面に少なくとも１つの凹凸が設けられていることが好ましい（例えばローレット加工）。これにより、モールド樹脂１０とカラー２１の密着性が向上し、両者の剥離を抑制することができる。
実施の形態６．
　図１９及び図２０は、本発明の実施の形態６に係る半導体モジュールを示す断面図及び上面図である。放熱器２より耐力の高い材質（Ｆｅなど）からなる板材２２が放熱器２の穴１１の周辺に設けられている。これにより、ネジ１４の締付に対する穴１１周辺の放熱器２の変形を抑制することができる。従って、モジュール全体の反りが抑制され、冷却ジャケット１５との封止性を確保することができる。
　また、板材２２の表面にローレット加工を設けてもよい。これにより、放熱器２との接着性を確保できる。さらに、板材２２の材質を放熱器２へ拡散するような材質を選択することで放熱器２と板材２２が界面で合金化されていることが好ましい。これにより放熱器２の熱伝導性や耐力などの特性を一局所的に部変化させることができる。例えば、放熱器２の材質がＡｌならば板材２２の材質をＦｅにする。
実施の形態７．
　図２１は、本発明の実施の形態７に係る半導体モジュールを示す断面図である。放熱器２の放熱面２ｂに段差２３が設けられ、中央部が突出している。これにより、冷媒がフィン３の根元に当たりやすくなり放熱性能が向上する。さらに、放熱器２の厚みが段差２３の高さ分だけ増加するため、モジュールの強度も向上する。
実施の形態８．
　図２２及び図２３は、本発明の実施の形態８に係る半導体モジュールを示す断面図及び内部図である。放熱器２の固定面２ａの外周部にガイド２４が設けられている。このガイド２４が絶縁材４の端部を固定する。これにより、絶縁材４に骨材としての機能を持たせることができるため、放熱器２の強度を向上させることができる。
　図２４は、図２２の半導体モジュールの金属パターンと放熱器の製造方法を示す断面図である。鋳型１８の中に絶縁材４を保持した状態で、溶融した金属を流し込むことで放熱器２と導電材５とガイド２４を同時に製造することができる。
実施の形態９．
　図２５は、本発明の実施の形態９に係る半導体モジュールを示す内部図である。導電材５の平面形状は櫛の歯状である。これにより、絶縁材４の上面のうち導電材５が無い非パターン部が蛇行するため、非パターン部が直線のモジュールと比較して曲げに対する強度が高くなる。
実施の形態１０．
　図２６及び図２７は、本発明の実施の形態１０に係る半導体装置を示す断面図及び上面図である。半導体モジュール１を外付けの板材２５で押さえつけて冷却ジャケット１５に固定する。板材２５は半導体モジュール１と接触しており、ネジ１４により冷却ジャケット１５へ取り付けられている。板材２５の材質は、耐力が高く透磁率の低いもの（例えばＣｕ）がよい。
　耐力の高い板材２５で押さえつけることで半導体モジュール１の反りを抑制することができ、冷却ジャケット１５との封止性を保つことができる。また、ネジ１４の締結部に耐力の高い材質を使用できるため、半導体モジュール１の変形を抑制することができる。また、透磁率の低い材質を使用することで、半導体チップ６に電流が流れたときに発生する磁場が外部へ拡散するのを防ぐことができる。これにより、板材２５の上に制御基板などを置いても、磁場の影響を受けずに、正常な動作を得ることができる。
１　半導体モジュール、２　放熱器、２ａ　固定面、２ｂ　放熱面、３　フィン、４　絶縁材、５　導電材、６　半導体チップ、９　金属フレーム、１０　モールド樹脂、１１　穴、１４　ネジ、１５　冷却ジャケット、１９　突出部、２１　カラー、２２　板材、２４　ガイド、２５　板材

Claims (20)

  1. 　固定面と、前記固定面と反対の面である放熱面とを有する放熱器と、
    　前記放熱面の中央部に設けられたフィンと、
    　前記放熱器の前記固定面上に設けられた絶縁材と、
    　前記絶縁材上に設けられた導電材と、
    　前記導電材上に設けられた半導体チップと、
    　前記半導体チップに接続された金属フレームと、
    　前記フィンを外部に露出させるように、前記放熱器、前記絶縁材、前記導電材、前記半導体チップ、及び前記金属フレームを覆うモールド樹脂とを備え、
    　前記放熱器の外周部と前記モールド樹脂の外周部を貫通する穴が設けられ、
    　前記穴にネジを通して冷却ジャケットに取り付けられることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 　前記穴付近における前記モールド樹脂の上面の高さをモジュール中央部における前記モールド樹脂の上面の高さより高くする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. 　前記放熱器は外側に突出した突出部を有し、
    　前記穴は前記突出部に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
  4. 　前記モールド樹脂の平面形状は四角であ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. 　前記モールド樹脂の前記穴に挿入され、前記放熱器より耐力の高い材質からなるカラーを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  6. 　前記カラーの外側面に凹凸が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の半導体モジュール。
  7. 　前記放熱器の前記穴の周辺に設けられ、前記放熱器より耐力の高い材質からなる板材を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  8. 　前記放熱器と前記板材が界面で合金化されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体モジュール。
  9. 　前記放熱面に段差が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  10. 　前記放熱器は、前記固定面の外周部に設けられたガイドを有し、
    　前記ガイドが前記絶縁材の端部を固定することを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  11. 　前記導電材の平面形状は櫛の歯状であることを特徴とする請求項１～１０の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  12. 　前記絶縁材は絶縁基板であることを特徴とする請求項１～１１の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  13. 　前記絶縁基板はセラミック材料からなることを特徴とする請求項１２に記載の半導体モジュール。
  14. 　前記絶縁材はシート状の樹脂であることを特徴とする請求項１～１１の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  15. 　前記導電材の表面のうち前記半導体チップを実装する領域にめっき処理が施され、
    　前記導電材と前記半導体チップが導電性接合材により接合されていることを特徴とする請求項１～１４の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  16. 　前記放熱器と前記導電材の材料が同じであることを特徴とする請求項１～１５の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  17. 　前記放熱器と前記導電材の材料がＡｌ又はＡｌ合金であることを特徴とする請求項１６に記載の半導体モジュール。
  18. 　前記導電材の厚みは前記放熱器の厚みの１．１５倍以上、１．４５倍以下であることを特徴とする請求項１～１７の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  19. 　前記半導体チップは、インバータを構成する複数のスイッチング素子を有することを特徴とする請求項１～１８の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  20. 　半導体モジュールと、
    　前記半導体モジュールを押さえつけて冷却ジャケットに固定する板材とを備え、
    　前記半導体モジュールは、
    　固定面と、前記固定面と反対の面である放熱面とを有する放熱器と、
    　前記放熱面の中央部に設けられたフィンと、
    　前記放熱器の前記固定面上に設けられた絶縁材と、
    　前記絶縁材上に設けられた導電材と
    　前記導電材上に設けられた半導体チップと、
    　前記半導体チップに接続された金属フレームと、
    　前記フィンを外部に露出させるように、前記放熱器、前記絶縁材、前記導電材、前記半導体チップ、及び前記金属フレームを覆うモールド樹脂とを有することを特徴とする半導体装置。
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