半導体モジュール
【課題】温度差が生じても従来よりは絶縁部材の剥離を抑止することができる半導体モジュールを提供することである。
【解決手段】複数の半導体素子１６と、各半導体素子１６で生じる熱を放出する放熱部１５と、少なくとも半導体素子１６を覆う絶縁部材１４とを備える半導体モジュール１０において、絶縁部材１４は、半導体モジュール１０の全表面を覆うか、または、複数面を周回して覆うことを特徴とする構成である。この構成によれば、絶縁部材１４は半導体モジュール１０の全表面を覆うか、または、複数面を周回して覆う。放熱部１５と絶縁部材１４との間に生じる温度差に基づく線膨張係数差による応力が発生しても、従来よりは絶縁部材１４の剥離を抑止することができる。
【解決手段】複数の半導体素子１６と、各半導体素子１６で生じる熱を放出する放熱部１５と、少なくとも半導体素子１６を覆う絶縁部材１４とを備える半導体モジュール１０において、絶縁部材１４は、半導体モジュール１０の全表面を覆うか、または、複数面を周回して覆うことを特徴とする構成である。この構成によれば、絶縁部材１４は半導体モジュール１０の全表面を覆うか、または、複数面を周回して覆う。放熱部１５と絶縁部材１４との間に生じる温度差に基づく線膨張係数差による応力が発生しても、従来よりは絶縁部材１４の剥離を抑止することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体素子、放熱部、絶縁部材を備える半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来では、放熱効率に優れ、高い形状精度を有する半導体冷却ユニットに関する技術の一例が開示されている（例えば特許文献１を参照）。この半導体冷却ユニットは、同文献の段落番号［００２０］および図１の記載を参照すると、半導体素子（１１）を挟むように相互に対面する２枚の電極板（１５）を有し、各電極板（１５）に対して絶縁層（３０）を介在させて冷却チューブ（２０）を接合する構成である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−０９３５９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１で開示された半導体冷却ユニットの構成によれば、各電極板（１５）の全面に対して絶縁層（３０）を接着させ、絶縁層（３０）の全面に対して冷却チューブ（２０）を接着させている。一般的に電極板（１５）と冷却チューブ（２０）との間には大きな温度差が生じるので、絶縁層（３０）には線膨張係数差による応力が少なからず発生する。当該応力が接着力を上回る場合には、絶縁層（３０）の一部（多くは端面）から剥離が発生するという問題があった。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、温度差が生じても従来よりは絶縁部材の剥離を抑止することができる半導体モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、複数の半導体素子と、各前記半導体素子で生じる熱を放出する放熱部と、少なくとも前記半導体素子を覆う絶縁部材とを備える半導体モジュールにおいて、前記絶縁部材は、前記半導体モジュールの全表面を覆うか、または、複数面を周回して覆うことを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、絶縁部材は半導体モジュールの全表面を覆うか、または、複数面を周回して覆う。放熱部と絶縁部材との間に生じる温度差に基づく線膨張係数差による応力が発生しても、従来よりは絶縁部材の剥離を抑止することができる。なお周回して覆う場合には、周回数を問わない。
【０００８】
なお「半導体素子」は、通電に伴って発熱する任意の半導体素子が該当する。例えば、半導体チップ、ＦＥＴ（具体的にはＭＯＳＦＥＴ，ＪＦＥＴ，ＭＥＳＦＥＴ等）、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、パワートランジスタ、ダイオード、サイリスタなどが該当する。「放熱部」は、半導体素子で生じる熱を放出可能な任意の部材を適用でき、材質・材料・形状等を問わない。「絶縁部材」は、熱伝導性があり、電気的絶縁性を有すれば任意の部材を適用でき、材質や材料等を問わない。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記絶縁部材は、前記半導体モジュールの複数面を周回して覆う場合、前記外部装置と電気的な接続を行う接続部材を有する面を除いた全ての面を覆うことを特徴とする。この構成によれば、半導体モジュールの表面のうちで接続部材を有する面を除いた全ての面（以下では単に「非接続面」と呼ぶ。）を周回して絶縁部材で覆う。放熱部と絶縁部材との間に生じる温度差に基づく線膨張係数差による応力が発生しても、絶縁部材の剥離をより確実に抑止することができる。なお「接続部材」は、外部装置との間で電気的な接続を行える導電性の部材であれば任意であり、半導体モジュールの表面から突出しているか、当該表面に露出しているかを問わない。例えば、端子、リード、ピン、バスバー等が該当する。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、前記絶縁部材は、前記半導体モジュールにおける前記放熱部を備えない面で少なくとも一部を重ねる重畳部位を有し、前記重畳部位を一体化させることを特徴とする。この構成によれば、絶縁部材の重畳部位を一体化させる。放熱部と絶縁部材との間に生じる温度差に基づく線膨張係数差による応力が発生しても、重畳部位が絶縁部材の剥離をより確実に抑止することができる。なお、重畳部位の固定手段は任意である。例えば、接着剤を用いて重畳部位を着ける接着や、重畳部位を溶かして着ける溶着、重畳部位を圧縮して着ける圧着などが該当する。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、前記重畳部位の一体化は、接着および溶着のうちで一方または双方で行うことを特徴とする。この構成によれば、重畳部位は接着および溶着のうちで一方または双方で確実に一体化されるので、重畳部位が絶縁部材の剥離をより確実に抑止することができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、前記絶縁部材は、前記半導体素子に対向する面とは反対側の面に導体部材を有することを特徴とする。この構成によれば、導体部材は放熱部と同様に放熱作用がある。絶縁部材が受ける熱で線膨張係数差によって応力が生じても導体部材から放熱するので、絶縁部材の剥離をより確実に抑止することができる。なお「導体部材」は絶縁部材よりも熱伝導率が高い材質や材料等であれば任意である。例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等が該当する。導体部材の形状は問わない。すなわち、絶縁部材と関連する形状（例えば同一形状や類似形状等）で形成してもよく、絶縁部材とは無関係な形状で形成してもよい。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、前記導体部材は、予め前記絶縁部材と一体成形されることを特徴とする。この構成によれば、絶縁部材と導体部材とが予め一体成形されているので、あとは半導体素子や放熱部を覆えばよい。絶縁部材と導体部材との接着や接合等を行う工程が不要になるので、半導体モジュールの製造に要する時間を短縮することができる。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、前記絶縁部材は、絶縁フィルムまたは絶縁シートであることを特徴とする。この構成によれば、絶縁部材として用いる絶縁フィルムや絶縁シートは一般的に厚みが薄いので、半導体モジュール全体の体格を小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】半導体モジュールの第１構成例を模式的に示す図である。
【図２】半導体モジュールの第２構成例を模式的に示す図である。
【図３】半導体モジュールの第３構成例を模式的に示す図である。
【図４】半導体モジュールの第４構成例を模式的に示す図である。
【図５】半導体モジュールの第５構成例を模式的に示す図である。
【図６】半導体モジュールの第６構成例を模式的に示す図である。
【図７】半導体モジュールの第７構成例を模式的に示す図である。
【図８】半導体モジュールの第８構成例を模式的に示す図である。
【図９】半導体モジュールで発生する熱を吸収する熱吸収部材（冷却装置）の構成例を模式的に示す斜視図である。
【図１０】半導体モジュールで発生する熱を吸収する熱吸収部材（冷却フィン）の構成例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、特に明示しない限り、「接続する」という場合には電気的に接続することを意味する。各図は、本発明を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示しているとは限らない。上下左右等の方向を言う場合には、図面の記載を基準とする。
【００１７】
〔実施の形態１〕
実施の形態１は、２つの半導体素子を備える半導体モジュール（いわゆる両面モジュール）の第１構成例であって、図１を参照しながら説明する。図１（Ａ）には平面図で示し、図１（Ｂ）には図１（Ａ）に示すIB−IB矢視の断面図を示す。なお、図１（Ａ）で双方を破線で示す放熱部１５と半導体素子１６とは、図１（Ｂ）に示すように平面上は同一形状である。いずれも各要素の存在を明示にするため、便宜的に相似形状で示しているに過ぎない（図２以降についても同様である）。
【００１８】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す半導体モジュール１０は「半導体素子パッケージ」とも呼ばれ、樹脂封止部１１、２つの放熱部１５、２つの半導体素子１６などを有する。樹脂封止部１１は、各放熱部１５および各半導体素子１６を封止して所定形状（例えば直方体等のような多面体）に形成するための封止体である。この封止体は、半導体素子１６を封止可能な絶縁材料であれば任意である。例えば、エポキシ樹脂（ＥＰ）やフェノール樹脂（ＰＦ）等のような各種の樹脂、当該樹脂を主成分としてシリカ充填材等を加えた熱硬化性成形材料、レジン・モールド等のような耐熱樹脂、金属酸化物（例えばアルミナ等）や無機化合物（例えば窒化ケイ素等）などを含むセラミックスなどが該当する。
【００１９】
放熱部１５は、半導体素子１６で生じる熱を放出可能な任意の部材を適用でき、材質・材料・形状等を問わない。本形態の放熱部１５は、半導体素子１６と直接または間接に接して放熱する機能を担い、熱伝導率が高い材料（例えば銅板等のような金属板）で形成したものを用いる。各放熱部１５は、各半導体素子１６の発熱面（図示する上面や下面）に対向して配置される。放熱部１５の形状は任意であり、図示するような平板状でもよく、半導体素子１６の形状や発熱量等に応じて曲面状でもよい。板厚についても均一であると不均一であるとを問わない。
【００２０】
２つの半導体素子１６は、それぞれが目的とする処理を行う電気回路が半導体で形成されている。インバータやコンバータ等の電力変換装置に用いる場合には、一方の半導体素子１６を上アーム側に用い、他方の半導体素子１６を下アーム側に用いる。各半導体素子１６は、半導体チップ、スイッチング素子、当該スイッチング素子を駆動する駆動回路、還流用ダイオードなどが該当する。スイッチング素子は、例えばＦＥＴ（具体的にはＭＯＳＦＥＴ，ＪＦＥＴ，ＭＥＳＦＥＴ等）、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、パワートランジスタ、ダイオード、サイリスタなどが該当する。各半導体素子１６は、端子１２，１７との間でワイヤボンディング等によって予め接続される（図示せず）。
【００２１】
端子１２，１７はそれぞれが「接続部材」に相当し、信号や電力の入出力を行う外部装置を接続する。図１（Ａ）の構成例では、端子１２を上面側に設け、端子１７を下面側に設けている。なお、端子をどの面に設けるのかは任意であり、端子数を幾つに設定するのかも任意である。端子１２に接続する外部装置の一例としては、例えば各半導体素子１６へ個別に信号を入力するコントローラ（例えばＥＣＵやコンピュータ等）が該当する。端子１７に接続する外部装置の一例としては、回転電機（例えば発電機，電動機，電動発電機等）や電力系統等が該当する。図１（Ａ）の構成例では端子１７が３つあるので、各端子は三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の電力を出力する端子に対応する。よって、接続する外部装置の相数に応じて端子１７の数も異なってくる。
【００２２】
絶縁部材１４は、熱伝導性があり、電気的絶縁性を有すれば任意の部材を適用でき、材質や材料等を問わない。本形態の絶縁部材１４は、絶縁性の樹脂で形成される絶縁フィルムを用い、接着・溶着・一体成形等によって固定される。図１（Ｂ）に示すように、半導体モジュール１０の複数面（本例では非接続面の４面）を周回し、放熱部１５を介して半導体素子１６を覆う。図１（Ｂ）の構成例では１周（１層）で形成しているが、２周（２層）以上の数周（数層）で形成してもよい。
【００２３】
導体部材１３は、絶縁部材１４を通じて放熱部１５から伝わる熱を外部に逃がす機能を担い、半導体素子１６に対向する面とは反対側の面（すなわち絶縁部材１４の外面）に備えられる。本形態の導体部材１３は、一面（図１（Ｂ）の上面または下面）における２つの放熱部１５の合計面積よりも広い面積で形成され、接着や溶着等によって予め絶縁部材１４と一体成形される。この導体部材１３は、絶縁部材１４よりも熱伝導率が高い材質や材料等であれば任意である。例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等が該当する。なお、絶縁部材１４と導体部材１３との厚みについては、同一でもよく異なってもよい。
【００２４】
上述した実施の形態１によれば、以下に示す各効果を得ることができる。まず請求項１に対応し、半導体モジュール１０において、絶縁部材１４は、半導体モジュール１０の複数面を周回して覆う構成とした（図１を参照）。この構成によれば、放熱部１５と絶縁部材１４との間に生じる温度差に基づく線膨張係数差による応力が発生しても、従来よりは絶縁部材１４の剥離を抑止することができる。
【００２５】
請求項２に対応し、絶縁部材１４は、半導体モジュール１０の複数面を周回して覆う場合、端子１２，１７（接続部材）を有する面を除いた全ての面、すなわち非接続面を覆う構成とした（図１を参照）。この構成によれば、放熱部１５と絶縁部材１４との間に生じる温度差に基づく線膨張係数差による応力が発生しても、絶縁部材１４の剥離をより確実に抑止することができる。
【００２６】
請求項５に対応し、絶縁部材１４は、半導体素子１６に対向する面とは反対側の面に導体部材１３を有する構成とした（図１を参照）。この構成によれば、絶縁部材１４が受ける熱で線膨張係数差によって応力が生じても導体部材１３から放熱するので、絶縁部材１４の剥離をより確実に抑止することができる。
【００２７】
請求項６に対応し、導体部材１３は、予め絶縁部材１４と一体成形される構成とした（図１を参照）。この構成によれば、絶縁部材１４と導体部材１３とが予め一体成形されているので、あとは半導体素子１６や放熱部１５を覆えばよい。絶縁部材１４と導体部材１３との接着や接合を行う工程が不要になるので、半導体モジュール１０の製造に要する時間を短縮することができる。
【００２８】
請求項７に対応し、絶縁部材１４は絶縁フィルムである構成とした（図１を参照）。この構成によれば、絶縁部材１４として用いる絶縁フィルムは一般的に厚みが薄いので、半導体モジュール１０全体の体格を小さく抑えることができる。なお、絶縁フィルムに代えて絶縁シートを用いる場合でも同様の作用効果を得ることができる。
【００２９】
〔実施の形態２〕
実施の形態２は、実施の形態１と同様に２つの半導体素子を備える半導体モジュールの第２構成例であって、図２を参照しながら説明する。図２（Ａ）には平面図で示し、図２（Ｂ）には図２（Ａ）に示すIIB−IIB矢視の断面図を示す。図示および説明を簡単にするために、実施の形態２では実施の形態１と異なる点について説明する。よって実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３０】
実施の形態２が実施の形態１と異なるのは、絶縁部材１４の構成である。実施の形態１では半導体モジュール１０の複数面（本例では非接続面の４面）を周回する構成であるのに対して（図１（Ｂ）を参照）、実施の形態２では絶縁部材１４に重畳部位をさらに有する点で相違する。図２（Ａ）や図２（Ｂ）の楕円内に示す重畳部位１８を有する。この重畳部位１８は、絶縁部材１４の少なくとも一部を重ねて一体化する部位である。重畳部位１８の配置は、半導体モジュール１０における放熱部１５を備えない面（例えば図２の側面等）に限らず、放熱部１５を備える面であっても当該放熱部１５から所定距離（例えば５[mm]や１０[mm]等）だけ離れた部位などであってもよい。
【００３１】
重畳部位１８（特に接触面）の固定手段は任意である。例えば、接着剤を用いて重畳部位１８を着ける接着、および、重畳部位１８を溶かして着ける溶着のうちで一方または双方が該当する。接着や溶着以外では、重畳部位１８を圧縮して着ける圧着などが該当する。これらのうちで二以上の固定手段を任意に選択して行ってもよい。
【００３２】
上述した実施の形態２によれば、以下に示す各効果を得ることができる。重畳部位１８を除く半導体モジュール１０の構成は実施の形態１と同様であるので、請求項１，２，５，６に対応する効果も実施の形態１と同様である。
【００３３】
請求項３に対応し、絶縁部材１４は、半導体モジュール１０における放熱部１５を備えない面で少なくとも一部を重ねる重畳部位１８を有し、重畳部位１８を一体化させる構成とした（図２を参照）。この構成によれば、放熱部１５と絶縁部材１４との間に生じる温度差に基づく線膨張係数差による応力が発生しても、重畳部位１８が絶縁部材１４の剥離をより確実に抑止することができる。
【００３４】
請求項４に対応し、重畳部位１８の一体化は、接着および溶着のうちで一方または双方で行う構成とした（図２を参照）。この構成によれば、重畳部位１８は接着および溶着のうちで一方または双方で確実に一体化されるので、重畳部位１８が絶縁部材１４の剥離をより確実に抑止することができる。
【００３５】
〔実施の形態３〕
実施の形態３は、実施の形態１と同様に２つの半導体素子を備える半導体モジュールの第３構成例であって、図３を参照しながら説明する。図３（Ａ）には平面図で示し、図３（Ｂ）には図３（Ａ）に示すIIIB−IIIB矢視の断面図を示す。図示および説明を簡単にするために、実施の形態３では実施の形態１と異なる点について説明する。よって実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３６】
実施の形態３が実施の形態１と異なるのは、導体部材１３の構成である。実施の形態１では各導体部材１３が２つの放熱部１５の合計面積よりも広い面積で形成する構成であるのに対して（図１を参照）、実施の形態３では絶縁部材１４と同様に半導体モジュール１０の複数面（本例では非接続面の４面）を周回する点で相違する。すなわち、絶縁部材１４と導体部材１３とを同一形状に形成して覆う。「同一形状」には、所定の許容範囲内（例えば±Ｘ[mm]や±Ｙ[%]の範囲内；ＸとＹは定数である。）で異なる形状を含む。特に導体部材１３を絶縁部材１４と予め一体成形すれば、放熱部１５を介して半導体素子１６を覆うだけでよく、半導体モジュール１０の製造に要する時間を短縮することができる。
【００３７】
上述した実施の形態３によれば、導体部材１３の構成が相違するに過ぎないので、実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。
【００３８】
〔実施の形態４〕
実施の形態４は、実施の形態１と同様に２つの半導体素子を備える半導体モジュールの第４構成例であって、図４を参照しながら説明する。図４（Ａ）には平面図で示し、図４（Ｂ）には図４（Ａ）に示すIVB−IVB矢視の断面図を示す。図示および説明を簡単にするために、実施の形態４では実施の形態１と異なる点について説明する。よって実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３９】
実施の形態４が実施の形態１と異なるのは、絶縁部材１４の構成である。実施の形態１では半導体モジュール１０の複数面（本例では非接続面の４面）を周回する構成であるのに対して（図１を参照）、実施の形態４では半導体モジュール１０における端子１２，１７を除いた全表面を覆う点で相違する。「半導体モジュール１０の全表面を覆う」とは、少なくとも半導体素子１６の全表面を覆うことを意味し、現実的には樹脂封止部１１の全表面を覆う形態である。以下の説明においても同様の意図で用いる。通常は一体成形が可能な成形機（例えば射出成形機や圧縮成形機等）によって絶縁部材１４の形成を行うが、成形機以外の加工機によって絶縁部材１４の形成を行ってもよい。
【００４０】
導体部材１３は、実施の形態１と同様に２つの放熱部１５の合計面積よりも広い面積で形成し、全表面を覆った絶縁部材１４に対して接着や溶着等によって固定する。なお絶縁部材１４と同様にして、半導体モジュール１０における端子１２，１７を除いた全表面を導体部材１３で覆う構成としてもよい。ただし、導体部材１３は導電性であるので、端子１２，１７との間で非接触かつ所要の絶縁抵抗を確保する隙間を設ける必要がある。
【００４１】
上述した実施の形態４によれば、請求項１に対応し、半導体モジュール１０において、絶縁部材１４は、半導体モジュール１０の全表面を覆う構成とした（図４を参照）。この構成によれば、放熱部１５と絶縁部材１４との間に生じる温度差に基づく線膨張係数差による応力が発生しても、従来よりは絶縁部材１４の剥離を抑止することができる。なお請求項２，５，６，７については、絶縁部材１４の構成が相違するに過ぎないので、実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。
【００４２】
〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について実施の形態１〜４に従って説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。
【００４３】
上述した実施の形態１〜４では、半導体モジュール１０内に備える半導体素子１６の素子数を２とした（図１〜図４を参照）。この形態に代えて、所定数で半導体素子１６を備える半導体モジュール１０に適用することも可能である。例えば実施の形態１に対応する構成として、一列にタイル状に並べて３つの半導体素子１６を備える半導体モジュール１０の構成例を図５に示し、二行二列のタイル状に並べて４つの半導体素子１６を備える半導体モジュール１０の構成例を図６に示す。具体的には、図５（Ａ）には平面図を示し、図５（Ｂ）には図５（Ａ）に示すVB−VB矢視の断面図を示し、図６には平面図を示す、なお、図６に示すIB−IB矢視の断面図は図１（Ｂ）と同様の構成になる。半導体素子１６の素子数に関する「所定数」は１以上で任意に設定可能であるが、現実的には数個〜十数個程度になる。図示しないが、実施の形態２〜４に示す半導体モジュール１０についても、図５や図６と同様の構成とすることも可能である。いずれの形態にせよ、半導体素子１６の素子数が相違するに過ぎないので、実施の形態１〜４に示す各請求項に対応して同様の作用効果を得ることができる。
【００４４】
上述した実施の形態１〜４では、両面モジュールとしての半導体モジュール１０を適用した（図１〜図４を参照）。この形態に代えて、片面モジュールとしての半導体モジュール１０に適用することも可能である。例えば図７には、実施の形態１に示す半導体モジュール１０に対応する片面モジュールの構成例を示す。図７（Ａ）には平面図で示し、図７（Ｂ）には図７（Ａ）に示すVIIB−VIIB矢視の断面図を示す。実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４５】
片面モジュールとしての半導体モジュール１０は、実施の形態１に示す両面モジュールとしての半導体モジュール１０と比べて、放熱部１５の数が相違する。実施の形態１では各半導体素子１６の両面側に対応して４つ備えるのに対して、図７の構成例では各半導体素子１６の片面側に対応して２つ備える。絶縁部材１４や導体部材１３の構成は実施の形態１と同等である（図１を参照）。図示しないが、実施の形態２〜４に示す半導体モジュール１０についても、図７と同様の構成とすることも可能である。いずれの形態にせよ、放熱部１５の数が実施の形態１〜４と相違するに過ぎないので、実施の形態１〜４に示す各請求項に対応して同様の作用効果を得ることができる。
【００４６】
上述した実施の形態１〜４では、絶縁部材１４を用いて、半導体モジュール１０の全表面を覆うか（図４を参照）、または、複数面を周回して覆う構成とした（図１，図２，図３，図５を参照）。言い換えれば、絶縁部材１４の被覆面積は導体部材１３の被覆面積よりも広くなるように構成した。ここに言う「被覆面積」は半導体モジュール１０を覆う面積を意味する。この形態に代えて、導体部材１３の被覆面積が絶縁部材１４の被覆面積よりも広く形成し、半導体モジュール１０の全表面を覆うか（図４を参照）、または、複数面を周回して覆う構成としてもよい。
【００４７】
例えば図８（Ａ）および図８（Ｂ）には、複数面を周回して覆う構成である実施の形態１（図１）とは逆に、一面（図８（Ｂ）の上面または下面）における２つの放熱部１５の合計面積よりも広い面積で絶縁部材１４を形成し、半導体モジュール１０の複数面（図８では非接続面の４面）を周回して半導体モジュール１０を覆う構成を示す。図８（Ａ）には平面図で示し、図８（Ｂ）には図８（Ａ）に示すVIIIB−VIIIB矢視の断面図を示す。角部は、図８（Ｂ）に実線で示すような階段形状としてもよく、二点鎖線で示すように丸めてもよい。図示しないが、実施の形態２〜４に示す半導体モジュール１０についても、図８と同様の構成とすることも可能である。なお、絶縁部材１４と導体部材１３とを同一形状（同等の被覆面積）に形成して覆う構成は実施の形態３（図３）に示す通りであり、実施の形態１，２，４も同様に適用することも可能である。いずれの形態にせよ、絶縁部材１４と導体部材１３とにかかる被覆面積が相違するに過ぎないので、実施の形態１〜４に示す各請求項に対応して同様の作用効果を得ることができる。
【００４８】
上述した実施の形態１〜４では、半導体素子１６で発生した熱は、絶縁部材１４を介して導体部材１３に伝え、導体部材１３から外部に放出する構成とした（図１〜図４を参照）。この形態に代えて、導体部材１３に伝わる熱を積極的に吸収する熱吸収部材２０を備える構成としてもよい。熱吸収部材２０の構成例を図９と図１０に示す。以下では、図９と図１０に示す各構成例について説明する。
【００４９】
図９の斜視図に示す熱吸収部材２０は、複数の冷却体２１ａと複数の管路２１ｂとで構成される冷却装置２１である。冷却体２１ａの相互間にそれぞれ半導体モジュール１０を矢印Ｄinで示すように配置し、冷却体２１ａの表面と導体部材１３の表面とを接触させる。接触面積の広さに応じて熱交換が行われる。図９の構成例では冷却体２１ａが５つあるので、４つの半導体モジュール１０からなる半導体モジュール群１０Ｇ（具体的には半導体素子１６）を冷却することができる。２つの管路２１ｂのうちで、一方は流体（例えば水，空気，油等）を流入する流入路であり、他方は当該流体を流出させる流出路である。冷却装置２１を用いることで絶縁部材１４や導体部材１３を積極的に冷却できる。
【００５０】
図１０の断面図に示す熱吸収部材２０は、金属等で形成される冷却フィン２２である。この冷却フィン２２は、図示するように、複数の導体部材１３と接合や接着等させる。冷却フィン２２を用いる場合でも、絶縁部材１４や導体部材１３を積極的に冷却できる。
【００５１】
上述した実施の形態１〜４では、接続部材として端子１２，１７を適用した（図１〜図４を参照）。この形態に代えて、端子１２，１７のうちで一方または双方に他の接続部材を適用してもよい。他の接続部材は、例えばリード、ピン、バスバー等が該当する。外部装置の接続に用いる接続部材の相違に過ぎないので、上述した実施の形態１〜４と同様の作用効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０ 半導体モジュール
１１ 樹脂封止部
１２，１７ 端子（接続部材）
１３ 導体部材
１４ 絶縁部材
１４ａ 第１絶縁部材
１４ｂ 第２絶縁部材
１５ 放熱部
１６ 半導体素子
１８ 重畳部位
２０ 熱吸収部材
２１ 冷却装置
２２ 冷却フィン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体素子、放熱部、絶縁部材を備える半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来では、放熱効率に優れ、高い形状精度を有する半導体冷却ユニットに関する技術の一例が開示されている（例えば特許文献１を参照）。この半導体冷却ユニットは、同文献の段落番号［００２０］および図１の記載を参照すると、半導体素子（１１）を挟むように相互に対面する２枚の電極板（１５）を有し、各電極板（１５）に対して絶縁層（３０）を介在させて冷却チューブ（２０）を接合する構成である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−０９３５９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１で開示された半導体冷却ユニットの構成によれば、各電極板（１５）の全面に対して絶縁層（３０）を接着させ、絶縁層（３０）の全面に対して冷却チューブ（２０）を接着させている。一般的に電極板（１５）と冷却チューブ（２０）との間には大きな温度差が生じるので、絶縁層（３０）には線膨張係数差による応力が少なからず発生する。当該応力が接着力を上回る場合には、絶縁層（３０）の一部（多くは端面）から剥離が発生するという問題があった。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、温度差が生じても従来よりは絶縁部材の剥離を抑止することができる半導体モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、複数の半導体素子と、各前記半導体素子で生じる熱を放出する放熱部と、少なくとも前記半導体素子を覆う絶縁部材とを備える半導体モジュールにおいて、前記絶縁部材は、前記半導体モジュールの全表面を覆うか、または、複数面を周回して覆うことを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、絶縁部材は半導体モジュールの全表面を覆うか、または、複数面を周回して覆う。放熱部と絶縁部材との間に生じる温度差に基づく線膨張係数差による応力が発生しても、従来よりは絶縁部材の剥離を抑止することができる。なお周回して覆う場合には、周回数を問わない。
【０００８】
なお「半導体素子」は、通電に伴って発熱する任意の半導体素子が該当する。例えば、半導体チップ、ＦＥＴ（具体的にはＭＯＳＦＥＴ，ＪＦＥＴ，ＭＥＳＦＥＴ等）、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、パワートランジスタ、ダイオード、サイリスタなどが該当する。「放熱部」は、半導体素子で生じる熱を放出可能な任意の部材を適用でき、材質・材料・形状等を問わない。「絶縁部材」は、熱伝導性があり、電気的絶縁性を有すれば任意の部材を適用でき、材質や材料等を問わない。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記絶縁部材は、前記半導体モジュールの複数面を周回して覆う場合、前記外部装置と電気的な接続を行う接続部材を有する面を除いた全ての面を覆うことを特徴とする。この構成によれば、半導体モジュールの表面のうちで接続部材を有する面を除いた全ての面（以下では単に「非接続面」と呼ぶ。）を周回して絶縁部材で覆う。放熱部と絶縁部材との間に生じる温度差に基づく線膨張係数差による応力が発生しても、絶縁部材の剥離をより確実に抑止することができる。なお「接続部材」は、外部装置との間で電気的な接続を行える導電性の部材であれば任意であり、半導体モジュールの表面から突出しているか、当該表面に露出しているかを問わない。例えば、端子、リード、ピン、バスバー等が該当する。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、前記絶縁部材は、前記半導体モジュールにおける前記放熱部を備えない面で少なくとも一部を重ねる重畳部位を有し、前記重畳部位を一体化させることを特徴とする。この構成によれば、絶縁部材の重畳部位を一体化させる。放熱部と絶縁部材との間に生じる温度差に基づく線膨張係数差による応力が発生しても、重畳部位が絶縁部材の剥離をより確実に抑止することができる。なお、重畳部位の固定手段は任意である。例えば、接着剤を用いて重畳部位を着ける接着や、重畳部位を溶かして着ける溶着、重畳部位を圧縮して着ける圧着などが該当する。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、前記重畳部位の一体化は、接着および溶着のうちで一方または双方で行うことを特徴とする。この構成によれば、重畳部位は接着および溶着のうちで一方または双方で確実に一体化されるので、重畳部位が絶縁部材の剥離をより確実に抑止することができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、前記絶縁部材は、前記半導体素子に対向する面とは反対側の面に導体部材を有することを特徴とする。この構成によれば、導体部材は放熱部と同様に放熱作用がある。絶縁部材が受ける熱で線膨張係数差によって応力が生じても導体部材から放熱するので、絶縁部材の剥離をより確実に抑止することができる。なお「導体部材」は絶縁部材よりも熱伝導率が高い材質や材料等であれば任意である。例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等が該当する。導体部材の形状は問わない。すなわち、絶縁部材と関連する形状（例えば同一形状や類似形状等）で形成してもよく、絶縁部材とは無関係な形状で形成してもよい。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、前記導体部材は、予め前記絶縁部材と一体成形されることを特徴とする。この構成によれば、絶縁部材と導体部材とが予め一体成形されているので、あとは半導体素子や放熱部を覆えばよい。絶縁部材と導体部材との接着や接合等を行う工程が不要になるので、半導体モジュールの製造に要する時間を短縮することができる。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、前記絶縁部材は、絶縁フィルムまたは絶縁シートであることを特徴とする。この構成によれば、絶縁部材として用いる絶縁フィルムや絶縁シートは一般的に厚みが薄いので、半導体モジュール全体の体格を小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】半導体モジュールの第１構成例を模式的に示す図である。
【図２】半導体モジュールの第２構成例を模式的に示す図である。
【図３】半導体モジュールの第３構成例を模式的に示す図である。
【図４】半導体モジュールの第４構成例を模式的に示す図である。
【図５】半導体モジュールの第５構成例を模式的に示す図である。
【図６】半導体モジュールの第６構成例を模式的に示す図である。
【図７】半導体モジュールの第７構成例を模式的に示す図である。
【図８】半導体モジュールの第８構成例を模式的に示す図である。
【図９】半導体モジュールで発生する熱を吸収する熱吸収部材（冷却装置）の構成例を模式的に示す斜視図である。
【図１０】半導体モジュールで発生する熱を吸収する熱吸収部材（冷却フィン）の構成例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、特に明示しない限り、「接続する」という場合には電気的に接続することを意味する。各図は、本発明を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示しているとは限らない。上下左右等の方向を言う場合には、図面の記載を基準とする。
【００１７】
〔実施の形態１〕
実施の形態１は、２つの半導体素子を備える半導体モジュール（いわゆる両面モジュール）の第１構成例であって、図１を参照しながら説明する。図１（Ａ）には平面図で示し、図１（Ｂ）には図１（Ａ）に示すIB−IB矢視の断面図を示す。なお、図１（Ａ）で双方を破線で示す放熱部１５と半導体素子１６とは、図１（Ｂ）に示すように平面上は同一形状である。いずれも各要素の存在を明示にするため、便宜的に相似形状で示しているに過ぎない（図２以降についても同様である）。
【００１８】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す半導体モジュール１０は「半導体素子パッケージ」とも呼ばれ、樹脂封止部１１、２つの放熱部１５、２つの半導体素子１６などを有する。樹脂封止部１１は、各放熱部１５および各半導体素子１６を封止して所定形状（例えば直方体等のような多面体）に形成するための封止体である。この封止体は、半導体素子１６を封止可能な絶縁材料であれば任意である。例えば、エポキシ樹脂（ＥＰ）やフェノール樹脂（ＰＦ）等のような各種の樹脂、当該樹脂を主成分としてシリカ充填材等を加えた熱硬化性成形材料、レジン・モールド等のような耐熱樹脂、金属酸化物（例えばアルミナ等）や無機化合物（例えば窒化ケイ素等）などを含むセラミックスなどが該当する。
【００１９】
放熱部１５は、半導体素子１６で生じる熱を放出可能な任意の部材を適用でき、材質・材料・形状等を問わない。本形態の放熱部１５は、半導体素子１６と直接または間接に接して放熱する機能を担い、熱伝導率が高い材料（例えば銅板等のような金属板）で形成したものを用いる。各放熱部１５は、各半導体素子１６の発熱面（図示する上面や下面）に対向して配置される。放熱部１５の形状は任意であり、図示するような平板状でもよく、半導体素子１６の形状や発熱量等に応じて曲面状でもよい。板厚についても均一であると不均一であるとを問わない。
【００２０】
２つの半導体素子１６は、それぞれが目的とする処理を行う電気回路が半導体で形成されている。インバータやコンバータ等の電力変換装置に用いる場合には、一方の半導体素子１６を上アーム側に用い、他方の半導体素子１６を下アーム側に用いる。各半導体素子１６は、半導体チップ、スイッチング素子、当該スイッチング素子を駆動する駆動回路、還流用ダイオードなどが該当する。スイッチング素子は、例えばＦＥＴ（具体的にはＭＯＳＦＥＴ，ＪＦＥＴ，ＭＥＳＦＥＴ等）、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、パワートランジスタ、ダイオード、サイリスタなどが該当する。各半導体素子１６は、端子１２，１７との間でワイヤボンディング等によって予め接続される（図示せず）。
【００２１】
端子１２，１７はそれぞれが「接続部材」に相当し、信号や電力の入出力を行う外部装置を接続する。図１（Ａ）の構成例では、端子１２を上面側に設け、端子１７を下面側に設けている。なお、端子をどの面に設けるのかは任意であり、端子数を幾つに設定するのかも任意である。端子１２に接続する外部装置の一例としては、例えば各半導体素子１６へ個別に信号を入力するコントローラ（例えばＥＣＵやコンピュータ等）が該当する。端子１７に接続する外部装置の一例としては、回転電機（例えば発電機，電動機，電動発電機等）や電力系統等が該当する。図１（Ａ）の構成例では端子１７が３つあるので、各端子は三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の電力を出力する端子に対応する。よって、接続する外部装置の相数に応じて端子１７の数も異なってくる。
【００２２】
絶縁部材１４は、熱伝導性があり、電気的絶縁性を有すれば任意の部材を適用でき、材質や材料等を問わない。本形態の絶縁部材１４は、絶縁性の樹脂で形成される絶縁フィルムを用い、接着・溶着・一体成形等によって固定される。図１（Ｂ）に示すように、半導体モジュール１０の複数面（本例では非接続面の４面）を周回し、放熱部１５を介して半導体素子１６を覆う。図１（Ｂ）の構成例では１周（１層）で形成しているが、２周（２層）以上の数周（数層）で形成してもよい。
【００２３】
導体部材１３は、絶縁部材１４を通じて放熱部１５から伝わる熱を外部に逃がす機能を担い、半導体素子１６に対向する面とは反対側の面（すなわち絶縁部材１４の外面）に備えられる。本形態の導体部材１３は、一面（図１（Ｂ）の上面または下面）における２つの放熱部１５の合計面積よりも広い面積で形成され、接着や溶着等によって予め絶縁部材１４と一体成形される。この導体部材１３は、絶縁部材１４よりも熱伝導率が高い材質や材料等であれば任意である。例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等が該当する。なお、絶縁部材１４と導体部材１３との厚みについては、同一でもよく異なってもよい。
【００２４】
上述した実施の形態１によれば、以下に示す各効果を得ることができる。まず請求項１に対応し、半導体モジュール１０において、絶縁部材１４は、半導体モジュール１０の複数面を周回して覆う構成とした（図１を参照）。この構成によれば、放熱部１５と絶縁部材１４との間に生じる温度差に基づく線膨張係数差による応力が発生しても、従来よりは絶縁部材１４の剥離を抑止することができる。
【００２５】
請求項２に対応し、絶縁部材１４は、半導体モジュール１０の複数面を周回して覆う場合、端子１２，１７（接続部材）を有する面を除いた全ての面、すなわち非接続面を覆う構成とした（図１を参照）。この構成によれば、放熱部１５と絶縁部材１４との間に生じる温度差に基づく線膨張係数差による応力が発生しても、絶縁部材１４の剥離をより確実に抑止することができる。
【００２６】
請求項５に対応し、絶縁部材１４は、半導体素子１６に対向する面とは反対側の面に導体部材１３を有する構成とした（図１を参照）。この構成によれば、絶縁部材１４が受ける熱で線膨張係数差によって応力が生じても導体部材１３から放熱するので、絶縁部材１４の剥離をより確実に抑止することができる。
【００２７】
請求項６に対応し、導体部材１３は、予め絶縁部材１４と一体成形される構成とした（図１を参照）。この構成によれば、絶縁部材１４と導体部材１３とが予め一体成形されているので、あとは半導体素子１６や放熱部１５を覆えばよい。絶縁部材１４と導体部材１３との接着や接合を行う工程が不要になるので、半導体モジュール１０の製造に要する時間を短縮することができる。
【００２８】
請求項７に対応し、絶縁部材１４は絶縁フィルムである構成とした（図１を参照）。この構成によれば、絶縁部材１４として用いる絶縁フィルムは一般的に厚みが薄いので、半導体モジュール１０全体の体格を小さく抑えることができる。なお、絶縁フィルムに代えて絶縁シートを用いる場合でも同様の作用効果を得ることができる。
【００２９】
〔実施の形態２〕
実施の形態２は、実施の形態１と同様に２つの半導体素子を備える半導体モジュールの第２構成例であって、図２を参照しながら説明する。図２（Ａ）には平面図で示し、図２（Ｂ）には図２（Ａ）に示すIIB−IIB矢視の断面図を示す。図示および説明を簡単にするために、実施の形態２では実施の形態１と異なる点について説明する。よって実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３０】
実施の形態２が実施の形態１と異なるのは、絶縁部材１４の構成である。実施の形態１では半導体モジュール１０の複数面（本例では非接続面の４面）を周回する構成であるのに対して（図１（Ｂ）を参照）、実施の形態２では絶縁部材１４に重畳部位をさらに有する点で相違する。図２（Ａ）や図２（Ｂ）の楕円内に示す重畳部位１８を有する。この重畳部位１８は、絶縁部材１４の少なくとも一部を重ねて一体化する部位である。重畳部位１８の配置は、半導体モジュール１０における放熱部１５を備えない面（例えば図２の側面等）に限らず、放熱部１５を備える面であっても当該放熱部１５から所定距離（例えば５[mm]や１０[mm]等）だけ離れた部位などであってもよい。
【００３１】
重畳部位１８（特に接触面）の固定手段は任意である。例えば、接着剤を用いて重畳部位１８を着ける接着、および、重畳部位１８を溶かして着ける溶着のうちで一方または双方が該当する。接着や溶着以外では、重畳部位１８を圧縮して着ける圧着などが該当する。これらのうちで二以上の固定手段を任意に選択して行ってもよい。
【００３２】
上述した実施の形態２によれば、以下に示す各効果を得ることができる。重畳部位１８を除く半導体モジュール１０の構成は実施の形態１と同様であるので、請求項１，２，５，６に対応する効果も実施の形態１と同様である。
【００３３】
請求項３に対応し、絶縁部材１４は、半導体モジュール１０における放熱部１５を備えない面で少なくとも一部を重ねる重畳部位１８を有し、重畳部位１８を一体化させる構成とした（図２を参照）。この構成によれば、放熱部１５と絶縁部材１４との間に生じる温度差に基づく線膨張係数差による応力が発生しても、重畳部位１８が絶縁部材１４の剥離をより確実に抑止することができる。
【００３４】
請求項４に対応し、重畳部位１８の一体化は、接着および溶着のうちで一方または双方で行う構成とした（図２を参照）。この構成によれば、重畳部位１８は接着および溶着のうちで一方または双方で確実に一体化されるので、重畳部位１８が絶縁部材１４の剥離をより確実に抑止することができる。
【００３５】
〔実施の形態３〕
実施の形態３は、実施の形態１と同様に２つの半導体素子を備える半導体モジュールの第３構成例であって、図３を参照しながら説明する。図３（Ａ）には平面図で示し、図３（Ｂ）には図３（Ａ）に示すIIIB−IIIB矢視の断面図を示す。図示および説明を簡単にするために、実施の形態３では実施の形態１と異なる点について説明する。よって実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３６】
実施の形態３が実施の形態１と異なるのは、導体部材１３の構成である。実施の形態１では各導体部材１３が２つの放熱部１５の合計面積よりも広い面積で形成する構成であるのに対して（図１を参照）、実施の形態３では絶縁部材１４と同様に半導体モジュール１０の複数面（本例では非接続面の４面）を周回する点で相違する。すなわち、絶縁部材１４と導体部材１３とを同一形状に形成して覆う。「同一形状」には、所定の許容範囲内（例えば±Ｘ[mm]や±Ｙ[%]の範囲内；ＸとＹは定数である。）で異なる形状を含む。特に導体部材１３を絶縁部材１４と予め一体成形すれば、放熱部１５を介して半導体素子１６を覆うだけでよく、半導体モジュール１０の製造に要する時間を短縮することができる。
【００３７】
上述した実施の形態３によれば、導体部材１３の構成が相違するに過ぎないので、実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。
【００３８】
〔実施の形態４〕
実施の形態４は、実施の形態１と同様に２つの半導体素子を備える半導体モジュールの第４構成例であって、図４を参照しながら説明する。図４（Ａ）には平面図で示し、図４（Ｂ）には図４（Ａ）に示すIVB−IVB矢視の断面図を示す。図示および説明を簡単にするために、実施の形態４では実施の形態１と異なる点について説明する。よって実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３９】
実施の形態４が実施の形態１と異なるのは、絶縁部材１４の構成である。実施の形態１では半導体モジュール１０の複数面（本例では非接続面の４面）を周回する構成であるのに対して（図１を参照）、実施の形態４では半導体モジュール１０における端子１２，１７を除いた全表面を覆う点で相違する。「半導体モジュール１０の全表面を覆う」とは、少なくとも半導体素子１６の全表面を覆うことを意味し、現実的には樹脂封止部１１の全表面を覆う形態である。以下の説明においても同様の意図で用いる。通常は一体成形が可能な成形機（例えば射出成形機や圧縮成形機等）によって絶縁部材１４の形成を行うが、成形機以外の加工機によって絶縁部材１４の形成を行ってもよい。
【００４０】
導体部材１３は、実施の形態１と同様に２つの放熱部１５の合計面積よりも広い面積で形成し、全表面を覆った絶縁部材１４に対して接着や溶着等によって固定する。なお絶縁部材１４と同様にして、半導体モジュール１０における端子１２，１７を除いた全表面を導体部材１３で覆う構成としてもよい。ただし、導体部材１３は導電性であるので、端子１２，１７との間で非接触かつ所要の絶縁抵抗を確保する隙間を設ける必要がある。
【００４１】
上述した実施の形態４によれば、請求項１に対応し、半導体モジュール１０において、絶縁部材１４は、半導体モジュール１０の全表面を覆う構成とした（図４を参照）。この構成によれば、放熱部１５と絶縁部材１４との間に生じる温度差に基づく線膨張係数差による応力が発生しても、従来よりは絶縁部材１４の剥離を抑止することができる。なお請求項２，５，６，７については、絶縁部材１４の構成が相違するに過ぎないので、実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。
【００４２】
〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について実施の形態１〜４に従って説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。
【００４３】
上述した実施の形態１〜４では、半導体モジュール１０内に備える半導体素子１６の素子数を２とした（図１〜図４を参照）。この形態に代えて、所定数で半導体素子１６を備える半導体モジュール１０に適用することも可能である。例えば実施の形態１に対応する構成として、一列にタイル状に並べて３つの半導体素子１６を備える半導体モジュール１０の構成例を図５に示し、二行二列のタイル状に並べて４つの半導体素子１６を備える半導体モジュール１０の構成例を図６に示す。具体的には、図５（Ａ）には平面図を示し、図５（Ｂ）には図５（Ａ）に示すVB−VB矢視の断面図を示し、図６には平面図を示す、なお、図６に示すIB−IB矢視の断面図は図１（Ｂ）と同様の構成になる。半導体素子１６の素子数に関する「所定数」は１以上で任意に設定可能であるが、現実的には数個〜十数個程度になる。図示しないが、実施の形態２〜４に示す半導体モジュール１０についても、図５や図６と同様の構成とすることも可能である。いずれの形態にせよ、半導体素子１６の素子数が相違するに過ぎないので、実施の形態１〜４に示す各請求項に対応して同様の作用効果を得ることができる。
【００４４】
上述した実施の形態１〜４では、両面モジュールとしての半導体モジュール１０を適用した（図１〜図４を参照）。この形態に代えて、片面モジュールとしての半導体モジュール１０に適用することも可能である。例えば図７には、実施の形態１に示す半導体モジュール１０に対応する片面モジュールの構成例を示す。図７（Ａ）には平面図で示し、図７（Ｂ）には図７（Ａ）に示すVIIB−VIIB矢視の断面図を示す。実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４５】
片面モジュールとしての半導体モジュール１０は、実施の形態１に示す両面モジュールとしての半導体モジュール１０と比べて、放熱部１５の数が相違する。実施の形態１では各半導体素子１６の両面側に対応して４つ備えるのに対して、図７の構成例では各半導体素子１６の片面側に対応して２つ備える。絶縁部材１４や導体部材１３の構成は実施の形態１と同等である（図１を参照）。図示しないが、実施の形態２〜４に示す半導体モジュール１０についても、図７と同様の構成とすることも可能である。いずれの形態にせよ、放熱部１５の数が実施の形態１〜４と相違するに過ぎないので、実施の形態１〜４に示す各請求項に対応して同様の作用効果を得ることができる。
【００４６】
上述した実施の形態１〜４では、絶縁部材１４を用いて、半導体モジュール１０の全表面を覆うか（図４を参照）、または、複数面を周回して覆う構成とした（図１，図２，図３，図５を参照）。言い換えれば、絶縁部材１４の被覆面積は導体部材１３の被覆面積よりも広くなるように構成した。ここに言う「被覆面積」は半導体モジュール１０を覆う面積を意味する。この形態に代えて、導体部材１３の被覆面積が絶縁部材１４の被覆面積よりも広く形成し、半導体モジュール１０の全表面を覆うか（図４を参照）、または、複数面を周回して覆う構成としてもよい。
【００４７】
例えば図８（Ａ）および図８（Ｂ）には、複数面を周回して覆う構成である実施の形態１（図１）とは逆に、一面（図８（Ｂ）の上面または下面）における２つの放熱部１５の合計面積よりも広い面積で絶縁部材１４を形成し、半導体モジュール１０の複数面（図８では非接続面の４面）を周回して半導体モジュール１０を覆う構成を示す。図８（Ａ）には平面図で示し、図８（Ｂ）には図８（Ａ）に示すVIIIB−VIIIB矢視の断面図を示す。角部は、図８（Ｂ）に実線で示すような階段形状としてもよく、二点鎖線で示すように丸めてもよい。図示しないが、実施の形態２〜４に示す半導体モジュール１０についても、図８と同様の構成とすることも可能である。なお、絶縁部材１４と導体部材１３とを同一形状（同等の被覆面積）に形成して覆う構成は実施の形態３（図３）に示す通りであり、実施の形態１，２，４も同様に適用することも可能である。いずれの形態にせよ、絶縁部材１４と導体部材１３とにかかる被覆面積が相違するに過ぎないので、実施の形態１〜４に示す各請求項に対応して同様の作用効果を得ることができる。
【００４８】
上述した実施の形態１〜４では、半導体素子１６で発生した熱は、絶縁部材１４を介して導体部材１３に伝え、導体部材１３から外部に放出する構成とした（図１〜図４を参照）。この形態に代えて、導体部材１３に伝わる熱を積極的に吸収する熱吸収部材２０を備える構成としてもよい。熱吸収部材２０の構成例を図９と図１０に示す。以下では、図９と図１０に示す各構成例について説明する。
【００４９】
図９の斜視図に示す熱吸収部材２０は、複数の冷却体２１ａと複数の管路２１ｂとで構成される冷却装置２１である。冷却体２１ａの相互間にそれぞれ半導体モジュール１０を矢印Ｄinで示すように配置し、冷却体２１ａの表面と導体部材１３の表面とを接触させる。接触面積の広さに応じて熱交換が行われる。図９の構成例では冷却体２１ａが５つあるので、４つの半導体モジュール１０からなる半導体モジュール群１０Ｇ（具体的には半導体素子１６）を冷却することができる。２つの管路２１ｂのうちで、一方は流体（例えば水，空気，油等）を流入する流入路であり、他方は当該流体を流出させる流出路である。冷却装置２１を用いることで絶縁部材１４や導体部材１３を積極的に冷却できる。
【００５０】
図１０の断面図に示す熱吸収部材２０は、金属等で形成される冷却フィン２２である。この冷却フィン２２は、図示するように、複数の導体部材１３と接合や接着等させる。冷却フィン２２を用いる場合でも、絶縁部材１４や導体部材１３を積極的に冷却できる。
【００５１】
上述した実施の形態１〜４では、接続部材として端子１２，１７を適用した（図１〜図４を参照）。この形態に代えて、端子１２，１７のうちで一方または双方に他の接続部材を適用してもよい。他の接続部材は、例えばリード、ピン、バスバー等が該当する。外部装置の接続に用いる接続部材の相違に過ぎないので、上述した実施の形態１〜４と同様の作用効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０ 半導体モジュール
１１ 樹脂封止部
１２，１７ 端子（接続部材）
１３ 導体部材
１４ 絶縁部材
１４ａ 第１絶縁部材
１４ｂ 第２絶縁部材
１５ 放熱部
１６ 半導体素子
１８ 重畳部位
２０ 熱吸収部材
２１ 冷却装置
２２ 冷却フィン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体素子と、各前記半導体素子で生じる熱を放出する放熱部と、少なくとも前記半導体素子を覆う絶縁部材とを備える半導体モジュールにおいて、
前記絶縁部材は、前記半導体モジュールの全表面を覆うか、または、複数面を周回して覆うことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記絶縁部材は、前記半導体モジュールの複数面を周回して覆う場合、前記外部装置と電気的な接続を行う接続部材を有する面を除いた全ての面を覆うことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記絶縁部材は、前記半導体モジュールにおける前記放熱部を備えない面で少なくとも一部を重ねる重畳部位を有し、前記重畳部位を一体化させることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記重畳部位の一体化は、接着および溶着のうちで一方または双方で行うことを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記絶縁部材は、前記半導体素子に対向する面とは反対側の面に導体部材を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記導体部材は、予め前記絶縁部材と一体成形され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。
【請求項７】
前記絶縁部材は、絶縁フィルムまたは絶縁シートであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項１】
複数の半導体素子と、各前記半導体素子で生じる熱を放出する放熱部と、少なくとも前記半導体素子を覆う絶縁部材とを備える半導体モジュールにおいて、
前記絶縁部材は、前記半導体モジュールの全表面を覆うか、または、複数面を周回して覆うことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記絶縁部材は、前記半導体モジュールの複数面を周回して覆う場合、前記外部装置と電気的な接続を行う接続部材を有する面を除いた全ての面を覆うことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記絶縁部材は、前記半導体モジュールにおける前記放熱部を備えない面で少なくとも一部を重ねる重畳部位を有し、前記重畳部位を一体化させることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記重畳部位の一体化は、接着および溶着のうちで一方または双方で行うことを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記絶縁部材は、前記半導体素子に対向する面とは反対側の面に導体部材を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記導体部材は、予め前記絶縁部材と一体成形され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。
【請求項７】
前記絶縁部材は、絶縁フィルムまたは絶縁シートであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−１０５８８４（Ｐ２０１３−１０５８８４Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４８６８２（Ｐ２０１１−２４８６８２）
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]