特開 2024-101473 パワー半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024101473

(43)【公開日】2024-07-29

(54)【発明の名称】パワー半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/40 20060101AFI20240722BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20240722BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20240722BHJP

【ＦＩ】

H01L23/40 D

H01L25/04 C

H05K7/20 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023005477

(22)【出願日】2023-01-17

(71)【出願人】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002365

【氏名又は名称】弁理士法人サンネクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】島津 ひろみ

(72)【発明者】

【氏名】露野 円丈

(72)【発明者】

【氏名】平尾 高志

(72)【発明者】

【氏名】金澤 拓朗

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA01

5E322AA05

5E322AA11

5E322AB04

5E322AB08

5E322AB11

5E322FA01

5E322FA04

5F136BC01

5F136BC07

5F136CB07

5F136DA27

5F136EA03

5F136EA36

5F136EA38

5F136FA02

5F136FA03

5F136FA14

5F136FA16

5F136FA18

(57)【要約】

【課題】小型化、部品点数の削減、放熱性の向上、を実現し、効率よく積層方向に加圧可能な信頼性の高いパワー半導体装置を提供する。
【解決手段】
放熱部材を前記パワーモジュールに向かって押圧する弾性変形可能な付勢部材を備えるパワー半導体装置であって、前記付勢部材は、前記放熱部材に当接する一対の加圧部と、前記一対の加圧部の外側に設けられかつ固定部材により荷重を受ける複数の被荷重部と、前記一対の加圧部の間に設けられかつ前記荷重に応じた曲げ応力が生じる中間部と、を有し、前記複数のパワーモジュールは、前記一対の加圧部の延在方向に沿って配置され、前記中間部は、前記付勢部材が前記放熱部材を押圧するときに前記曲げ応力によって前記放熱部材から離れる方向に弾性変形する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体素子と、前記半導体素子と接合される導体板と、をモールド封止して形成されている複数のパワーモジュールと、
前記パワーモジュールの少なくとも一方の面に熱伝導部材を介して接触する放熱部材と、
前記放熱部材を前記パワーモジュールに向かって押圧する弾性変形可能な付勢部材と、を備えるパワー半導体装置であって、
前記付勢部材は、前記放熱部材に当接する一対の加圧部と、前記一対の加圧部の外側に設けられかつ固定部材により荷重を受ける複数の被荷重部と、前記一対の加圧部の間に設けられかつ前記荷重に応じた曲げ応力が生じる中間部と、を有し、
前記複数のパワーモジュールは、前記一対の加圧部の延在方向に沿って配置され、
前記中間部は、前記付勢部材が前記放熱部材を押圧するときに前記曲げ応力によって前記放熱部材から離れる方向に弾性変形する
パワー半導体装置。

【請求項2】

請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記一対の加圧部は、前記付勢部材が前記放熱部材を押圧する方向から見て、前記半導体素子が配置される領域に重なる位置に形成される
パワー半導体装置。

【請求項3】

請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記一対の加圧部は、前記延在方向に対して垂直の断面において、前記熱伝導部材の中心の位置と前記熱伝導部材の両端部との間の位置で、それぞれ前記放熱部材と接触している
パワー半導体装置。

【請求項4】

請求項１に記載されたパワー半導体装置であって、
前記放熱部材は、内部に放熱フィンが配置された中空状の冷媒流路を有し、
前記一対の加圧部は、前記付勢部材が前記放熱部材を押圧する方向から見て、前記放熱フィンが配置される領域内に形成されている
パワー半導体装置。

【請求項5】

請求項１に記載されたパワー半導体装置であって、
前記付勢部材は、前記延在方向に対して垂直の断面において、前記一対の加圧部を基準にして、前記放熱部材から離れる方向に延びて形成されている一対の傾斜部と、前記一対の傾斜部の両端部から外側に向かってそれぞれ延びて形成されている複数のフランジ部と、を有し、
前記複数のフランジ部は、それぞれ前記固定部材が固定され、かつ、前記付勢部材が前記放熱部材を押圧する方向から見て、前記複数のパワーモジュールの配置の間の位置において、前記パワーモジュールから離れる方向に形成されている複数の突出部と、前記傾斜部と前記突出部との間に形成され、かつ前記延在方向に沿って形成されている連結部と、を有し、
前記被荷重部は、前記複数の突出部の先端側に形成されている
パワー半導体装置。

【請求項6】

請求項１に記載されたパワー半導体装置であって、
前記中間部は、平板形状を有し、かつ前記付勢部材が前記荷重を受けて前記放熱部材に押圧される前に前記放熱部材に接触した状態では、前記放熱部材と平行である
パワー半導体装置。

【請求項7】

請求項１に記載されたパワー半導体装置であって、
前記中間部は、前記放熱部材と接触する面とは反対側の面に、複数の凸形状のリブを有している
パワー半導体装置。

【請求項8】

請求項７に記載されたパワー半導体装置であって、
前記リブは、前記加圧部の延在方向に対して垂直方向に形成されている
パワー半導体装置。

【請求項9】

請求項１に記載されたパワー半導体装置であって、
前記付勢部材において、前記中間部の厚さは、その他の部分の厚さよりも厚く形成されている
パワー半導体装置。

【請求項10】

請求項５に記載されたパワー半導体装置であって、
前記付勢部材において、前記放熱部材と接する面とは反対側の面で前記中間部と前記傾斜部が形成する角は、鈍角である
パワー半導体装置。

【請求項11】

請求項１に記載されたパワー半導体装置であって、
複数の前記被荷重部のうち、前記付勢部材の四隅の位置に形成されている前記被荷重部の第１バネ定数は、前記四隅以外の位置に形成されている前記被荷重部における第２バネ定数よりも小さく、
前記第２バネ定数は、前記第１バネ定数の２倍以下である
パワー半導体装置。

【請求項12】

請求項５に記載されたパワー半導体装置であって、
前記フランジ部は、テーパ形状を有している
パワー半導体装置。

【請求項13】

請求項１に記載されたパワー半導体装置であって、
複数の前記被荷重部のうち、前記付勢部材の四隅の位置に形成されている前記被荷重部にかかる前記荷重は、前記四隅以外の位置に形成されている前記被荷重部にかかる前記荷重よりも大きい
パワー半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パワー半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、環境への負荷低減のため、ハイブリッド自動車や電気自動車の普及がすすめられているが、ハイブリッド自動車や電気自動車において搭載される部品について、小型化や低コスト化が重要視されている。その中でも、電力変換装置のパワー半導体装置は、小型化や低コスト化が求められ、かつ電力変換装置を構成する電子部品の中で発熱量が大きいパワー半導体装置を小型化するためには、同時に冷却性能を向上させる必要がある。

【0003】

例えば、特許文献１には、パワーモジュールが熱伝導部材を介して冷却器が設けられ、その外側に板バネを備え、パワーモジュール、熱伝導部材、冷却器が加圧されることで、小型化を実現して部品の搭載性を高めたパワー半導体装置について開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－００５６０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載のパワー半導体装置の板バネ構造の場合、パワーモジュールの外側に形成されている荷重負荷部に荷重が負荷された場合、加圧点が水平方向に変位するため、積層方向に効率よく加圧できない課題が生じる。つまり、従来の構造では、冷却性能を向上するためには、さらに広い放熱面全体的に効率よく加圧する必要があった。これを鑑みて本発明は、小型化、部品点数の削減、放熱性の向上、を実現し、効率よく積層方向に加圧可能な信頼性の高いパワー半導体装置を提供することが目的である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

半導体素子と、前記半導体素子と接合される導体板と、をモールド封止して形成されている複数のパワーモジュールと、前記パワーモジュールの少なくとも一方の面に熱伝導部材を介して接触する放熱部材と、前記放熱部材を前記パワーモジュールに向かって押圧する弾性変形可能な付勢部材と、を備えるパワー半導体装置であって、前記付勢部材は、前記放熱部材に当接する一対の加圧部と、前記一対の加圧部の外側に設けられかつ固定部材により荷重を受ける複数の被荷重部と、前記一対の加圧部の間に設けられかつ前記荷重に応じた曲げ応力が生じる中間部と、を有し、前記複数のパワーモジュールは、前記一対の加圧部の延在方向に沿って配置され、前記中間部は、前記付勢部材が前記放熱部材を押圧するときに前記曲げ応力によって前記放熱部材から離れる方向に弾性変形する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、小型化、部品点数の削減、放熱性の向上、を実現し、効率よく積層方向に加圧可能な信頼性の高いパワー半導体装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】パワー半導体装置の半導体モジュールを示す断面図

【図2】本発明の第１の実施形態に係る、パワー半導体装置の全体斜視図

【図3】図２のパワー半導体装置の断面図

【図4】従来のパワー半導体装置の構造の課題を示す説明図

【図5】本発明を適用したパワー半導体装置の構造を示す説明図

【図6】本発明の第１の実施形態を示すパワー半導体装置の平面図

【図7】図６のＡ－Ａ断面図

【図8】図６のＢ－Ｂ断面図

【図9】本発明の第１の実施形態に係る、付勢部材の平面説明図

【図10】パワー半導体装置をパワーモジュール配列方向から見た断面図

【図11】本発明の第１の実施形態に係る、付勢部材の被荷重部の平面説明図

【図12】本発明の第２の実施形態に係る、パワー半導体装置の断面図

【図13】本発明の第３の実施形態に係る、パワー半導体装置の断面図

【図14】本発明の第４の実施形態に係る、パワー半導体装置の断面図

【図15】本発明の第５の実施形態に係る、付勢部材の平面図

【図16】図１５のＣ－Ｃ断面図

【図17】本発明の第６の実施形態に係る、付勢部材の断面図

【図18】本発明の第７の実施形態に係る、付勢部材の断面図

【図19】本発明の第８の実施形態に係る、付勢部材の平面図

【図20】本発明の第９の実施形態に係る、パワー半導体装置の断面図

【0009】

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

【0010】

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

【0011】

（本発明の第１の実施形態と全体構成）
（図１）
本発明の実施形態に係るパワー半導体装置が有する複数の半導体モジュール１００（パワーモジュール１００）は、パワー半導体素子１と、パワー半導体素子１と接合される導体板である第１の導体３および第２の導体３ｂと、を有している。パワー半導体素子１と第１の導体３および第２の導体３ｂは、互いに接合材２によって接合されている。パワー半導体素子１の表面電極は、接合材２によって第２の導体３ｂと接続されている。第１の導体３および第２の導体３ｂは、例えば、銅、銅合金、あるいはアルミニウム、アルミニウム合金などである。接合材２は、例えば、はんだ材、焼結材などである。

【0012】

第１の導体３は、パワー半導体素子１と接続されている面とは反対の面で、熱伝導性の部材である絶縁層４と接続されている。また同様に、第２の導体３ｂは、パワー半導体素子１と接続されている面とは反対の面で、熱伝導性の部材である絶縁層４と接続されている。絶縁層４は、パワー半導体素子１から発生する熱を、後述する放熱部材７，７ｂに熱伝導させるものであり、熱伝導率が高く、かつ、絶縁耐圧が大きい材料で形成されている。絶縁層４は、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等のセラミックス、あるいは、これらの微粉末を含有する絶縁シートまたは接着剤などである。

【0013】

半導体モジュール１００は、絶縁層４が表面に露出するように封止樹脂１０でモールド封止されて形成されている。封止樹脂１０から露出している絶縁層４の表面は、半導体モジュール１００の放熱面である。半導体モジュール１００は、パワー半導体素子１と外部の配線等を電気的に接続するための外部端子３ｃを有する。外部端子３ｃは、封止樹脂１０から外部に突出している。

【0014】

（図２）
半導体モジュール１００は、少なくとも一方の面において、前述の絶縁層４を介して接触する放熱部材７（７ｂ）を有している。図２では、半導体モジュール１００の両面から半導体モジュール１００を挟むようにして、第１放熱部材７および第２放熱部材７ｂが半導体モジュール１００に接触している様子を図示した。半導体モジュール１００は、第１放熱部材７を間に挟んで固定フランジ８と対向している。また、半導体モジュール１００は、第２放熱部材７ｂを間に挟んでばね板部材９と対向している。ばね板部材９は、半導体モジュール１００に向かって放熱部材７ｂを押圧する弾性変形可能な付勢部材である。なお、図示したような両面冷却の半導体モジュール１００に限らず、片面冷却の半導体モジュール１００にも適用できる。

【0015】

ばね板部材９は、放熱部材７ｂに当接する一対の加圧部９ａ，９ｂを有している。加圧部９ａ，９ｂは、ばね板部材９が放熱部材７ｂを押圧することで発生する。ばね板部材９の複数の端部に形成されている各穴には、第１の固定部材１３が挿入される。固定フランジ８は、各第２固定部材１２と接続されることで、ばね板部材９を固定したときに支持する部材になる。第１の固定部材１３は、ばね板部材９の各穴に対応する第２の固定部材１２に挿入されることで、固定フランジ８と接続される。これにより、ばね板部材９は固定部材１３が挿入される各位置で荷重を受け、これに伴って、ばね板部材９が放熱部材７ｂを押圧している。

【0016】

（図３）
絶縁層４は、第１の導体３および第２の導体２と接触する面とは反対側の面で熱伝導層５と接触している。熱伝導層５は、絶縁層４と接触する面とは反対側の面で放熱部材７，７ｂと接触している。熱伝導層５は、熱伝導グリス、ＴＩＭ（Thermal Interface Material）、あるいは放熱シートなどの熱伝導する部材である。第１放熱部材７および第２放熱部材７ｂは、熱伝導性を有する部材、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ－Ｃ、Ｃｕ－ＣｕＯなどの複合材、あるいはＡｌ、Ａｌ合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ－Ｃなどの複合材などである。

【0017】

一対の加圧部９ａ，９ｂの位置は、図３の断面において、熱伝導層５の中心位置と熱伝導層５の両端部との間の位置であることが好ましい。これにより、ばね板部材９が放熱部材７ｂに対して押圧する際に、熱伝導層５に対して均等かつ全体的に面圧を発生させることができ、半導体モジュール１００と放熱部材７ｂが乖離することなく、放熱性能が高い信頼性のあるパワー半導体装置が実現できる。

【0018】

ばね板部材９は、一対の加圧部９ａ，９ｂ間に中間部９ｃを有する。また、ばね板部材９は、一対の加圧部９ａ，９ｂの外側に設けられかつ固定部材１３により荷重を受ける複数の被荷重部１１を有している。

【0019】

一対の加圧部９ａ，９ｂは、断面上でパワー半導体素子１の配置領域に重なる位置に形成されている。一対の加圧部９ａ，９ｂの位置は、必ずしもパワー半導体素子１の配置領域に重なる位置に形成されている必要はないが、パワー半導体素子１の配置領域に重なる位置に形成されていることにより、放熱部材７ｂの半導体モジュール１００への押圧力がその他の領域に比べて高くなり、最も放熱が必要なパワー半導体素子１の配置領域の放熱性能を向上させることが可能になるため、全体として放熱性能の高いパワー半導体装置が実現できる。

【0020】

（従来の構造と本発明の構造との比較）
（図４、図５）
図４（ａ）は従来のばね板部材５０が放熱部材７ｂを押圧する前の状態を表す図、図４（ｂ）は従来のばね板部材５０が放熱部材７ｂを押圧した状態を表す図である。また、図５（ａ）は本発明のばね板部材９が放熱部材７ｂを押圧する前の状態を表す図、図５（ｂ）は本発明のばね板部材９が放熱部材７ｂを押圧した状態を表す図である。

【0021】

図４（ａ）に示す従来の構造では、従来のばね板部材５０が放熱部材７ｂを押圧する前の状態において、一対の従来の加圧部５０ａ，５０ｂが放熱部材７ｂと断面奥側に向かって線で接触（断面上では点で接触）している。従来の加圧部５０ａ，５０ｂ間は、放熱部材７ｂとの間に所定の空間を有する形状であり、従来の加圧部５０ａ，５０ｂそれぞれから、中心線５０ｃに向かって鋭角θ１が形成されている。

【0022】

このような従来の構造の場合、従来の加圧部５０ａ，５０ｂよりも断面左右方向の外側に形成されている従来の被荷重部５１ａ，５１ｂに対して下向きの力６０を負荷して荷重する場合、従来の加圧部５０ａ，５０ｂの位置は、図４（ｂ）に図示するように、中心線５０ｃに向かって、矢印の水平方向に横ずれが生じる。よって、従来のばね板部材５０は、放熱部材７ｂを効率的に押圧しづらくなる。また、従来の加圧部５０ａ，５０ｂは、放熱部材７ｂと線で接触しているため、放熱部材７ｂの内側にかかる圧縮応力が分布する範囲が狭くなる。

【0023】

これを鑑みて本発明では、図５に示すように、一対の加圧部９ａ，９ｂの間に中間部９ｃを形成する。中間部９ｃは放熱部材７ｂと面で接触する平板形状を有している。図５（ａ）に示すように、ばね板部材９が荷重を受けて放熱部材７ｂに押圧される前に放熱部材７ｂに接触した状態では、放熱部材７ｂと平行である。

【0024】

このようにすることで、ばね板部材９の断面外側に突出した被荷重部１１が荷重を受けたときに、加圧部９ａ，９ｂ間に対して水平方向の力が作用しても、中間部９ｃにより加圧部９ａ，９ｂの横ずれが抑制されるため、放熱部材７ｂへの損傷の防止と、耐振性の向上を実現できる。また、これにより、ばね板部材９にかかる荷重を、中間部９ｃの面接触部分に広げて荷重を分散させていることで、放熱部材７ｂ内の圧縮応力が分布する範囲を広げることができ、放熱部材７ｂの全体に圧縮応力を発生させることができる。

【0025】

一対の加圧部９ａ，９ｂ間の中間部９ｃは、従来構造よりも曲げ剛性が大きい。つまり、加圧部９ａ，９ｂよりも外側に設けられた被荷重部１１が荷重を受けた際に、中間部９ｃには固定部材１３による荷重に応じた曲げ応力が生じる。図５（ｂ）に示すように、中間部９ｃは、この曲げ応力によって放熱部材７ｂの面から離れる方向に弾性変形しようとする。これに伴い、中間部９ｃには、放熱部材７ｂの面から離れる方向に作用する弾性変形する力に対して反対側の方向に反力（復元力）が発生し、中間部９ｃをできるだけ面接触させようとする力が働く。これによって、ばね板部材９は、放熱部材７および半導体モジュール１００に対して効率よく押圧でき、放熱性能が高く信頼性の高いパワー半導体装置が実現できる。

【0026】

なお、本発明の作用効果を実現するため、ばね板部材９において放熱部材７ｂ側とは反対側の中間部９ｃの両端に形成され、かつ、中間部９ｃと被荷重部１１との間に形成されている一対の傾斜部１１ｄと、中間部９ｃと、が形成する角θ２は、鈍角であるほうがよい。また、ばね板部材９において、一対の加圧部９ａ，９ｂ、一対の傾斜部１１ｄ、一対の被荷重部１１について上述で図示したが、生じる作用効果が同様であれば、それぞれ対になっている部分が同一形状であることに限定はされない。

【0027】

（図６）
複数の半導体モジュール１００は、一対の加圧部９ａ，９ｂの延在方向に沿って配置されている。また、一対の加圧部９ａ，９ｂは、ばね板部材９が放熱部材７ｂを押圧する方向から見て（平面図で見て）、半導体素子１が配置される領域に重なる位置に形成されている。

【0028】

ばね板部材９は、３相の半導体モジュール１００にまたがるように、一対の加圧部９ａ，９ｂが形成されている。そして、一対の加圧部９ａ，９ｂの平面図の上下方向の両外側には、一対の被荷重部１１が設けられている。被荷重部１１は、平面上で、半導体モジュール１００の設置位置から離れた位置で、外側に突き出すように形成されている。なお、複数の被荷重部１１のうち、四隅に設けられるものを被荷重部１１ａ、四隅以外に設けられるものを被荷重部１１ｂとした。

【0029】

（図７、図８）
図６のＡ－Ａ断面図である図７と、図６のＢ－Ｂ断面図である図８と、にそれぞれ示されている放熱部材７（７ｂ）の断面図が表すように、放熱部材７，７ｂは、内部に放熱フィン７ｅが配置された中空状の冷媒流路を有している。放熱部材７，７ｂは、フィン７ｅが形成される領域と、フィン７ｅが形成されない中空の領域７ｆと、を有している。フィン７ｅが形成されない中空の領域７ｆには冷媒が流通しているが、同様の効果が得られるのであれば、放熱部材７，７ｂが有する中空状の流路は、空気を流通させる空冷流路であってもよい。

【0030】

加圧部９ａ，９ｂは、図８のような中空の領域７ｆに設けると、ばね板部材９により加圧した場合、第２放熱部材７ｂのカバーがへこむため、熱伝導層５に効率よく圧縮応力を生じさせることができない。そのため、図６に示すように、一対の加圧部９ａ，９ｂは、ばね板部材９が放熱部材７ｂを押圧する方向から見て（平面図で見て）、放熱フィン７ｅが配置される領域であるフィン形成領域７ｄの範囲内に設けられることが好ましい。これにより、熱伝導層５全体に効率よく圧縮応力を発生させることができる。

【0031】

（図９）
一対の傾斜部１１ｄは、加圧部９ａ，９ｂ延在方向に対して垂直の断面（図５参照）において、一対の加圧部９ａ，９ｂを基準にして、放熱部材７ｂから離れる方向に延びて形成されている。ばね板部材９において、中間部９ｃおよび加圧部９ａ，９ｂの平面方向の上下外側には、一対の傾斜部１１ｄの両端部から外側に向かってそれぞれ延びて形成されている複数のフランジ部１１ｆが設けられている。

【0032】

フランジ部１１ｆは、中間部１１ｃから外部方向に突出する複数の突出部１１ｇを有している。複数の突出部１１ｇは、ばね板部材９が放熱部材１１ｂを押圧する方向から見て（平面図で見て）、複数の半導体モジュール１００の配置の間の位置において、半導体モジュール１００から離れる方向に形成されている。また、フランジ部１１ｆは、傾斜部１１ｄと突出部１１ｇとの間に形成され、かつ加圧部９ａ，９ｂの延在方向に沿って形成されている一対の連結部１１ｅを有する。

【0033】

複数の突出部１１ｇは、それぞれ固定部材１３が固定される穴１１ｃを有している。つまり、被荷重部１１ａ，１１ｂは、複数の突出部１１ｇの先端側に形成され、かつ固定部材１３を挿入する穴１１ｃを有している。

【0034】

（図１０）
半導体モジュール１００は、パワー半導体装置に３相分並べて配置されているが、１相ごとに封止樹脂１０で封止されていてもよい。１相ごとに封止樹脂１０で封止された半導体モジュール１００３相分を、まとめて断面上下方向から第１放熱部材７および第２放熱部材７ｂで挟むように押圧して固定することで、半導体モジュール１００の放熱を実現している。なお、半導体モジュール１００の配列数は一例であり、３相に限らず配列個数に限定されない。

【0035】

（図１１）
図１１には、簡易形状にしたばね板部材９を示した。被荷重部１１ａ，１１ｂは、１相分の半導体モジュール１００の配置領域１００ｂの４隅にそれぞれ対応するように形成されている。これにより、被荷重部１１ａ，１１ｂは、半導体モジュール１００の熱伝導層５の全体に圧縮応力を発生させることができる。

【0036】

また、複数の被荷重部１１ａ，１１ｂのうち、ばね板部材９の四隅の位置に形成されている被荷重部１１ａの第１バネ定数は、四隅以外の位置に形成されている被荷重部１１ｂにおける第２バネ定数よりも小さく、かつ第２バネ定数は第１バネ定数の２倍以下である。つまり、ばね板部材９の四隅の位置に形成されている被荷重部１１ａにかかる荷重よりも、四隅以外の位置に形成されている被荷重部１１ｂにかかる荷重の方が大きい。このようにすることで、ばね板部材９が放熱部材７ｂを押圧するときに、各半導体モジュール１００に発生する圧縮応力のばらつきを小さくできる。なお、被荷重部１１ａ，１１ｂの曲げ剛性は互いに近い方が好ましい。

【0037】

（第２の実施形態）
（図１２）
中間部９ｃは、押圧する放熱部材７ｂに対して、直接面接触した場合について示したが、ばね板部材９と放熱部材７ｂの間に中間層１５を設けてもよい。中間層１５の材料は、放熱部材７ｂの材料やばね板部材９の材料よりもヤング率（縦弾性率）の低い材料を用いることで、放熱部材７ｂとばね板部材９の中間部９ｃの表面に微小な凹凸があった場合でも、隙間を埋めることができ、放熱部材７ｂに対してばね板部材９は均等に加圧できるというメリットがある。また、中間層１５の材料が、放熱部材７ｂの材料よりもヤング率の高い材料を用いた場合は、加圧部９ａ，９ｂにより放熱部材７ｂが微小に変形するのを防止するメリットを得られる。

【0038】

また、ばね板部材９を放熱部材７ｂに押圧する前の状態で、ばね板部材９の中間部９ｃの放熱部材７ｂとの接触面の全面が、放熱部材７ｂに接触する場合について上述したが、ばね板部材９に荷重をかけた後に中間部９ｃの平面の一部が放熱部材７ｂから離れている状態（図５参照）であったとしても、中間層１５の材料が配置されていることにより、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

【0039】

（第３の実施形態）
（図１３）
半導体モジュール１００は、一体のモールド封止ではなく、複数の小片のモールド封止体１０１で構成されていてもよく、このような場合であっても同様の効果を得られる。

【0040】

（第４の実施形態）
（図１４）
ばね板部材９と接する放熱部材７ｂの一部に凹み７０がある場合であっても、加圧部９ａ，９ｂ間の中間部９ｃにおける放熱部材７ｂ側の面と、放熱部材７ｂの上面であるばね板部材９側の面とが平行であることにより、上述した実施形態と同様の効果が得られる。

【0041】

（第５の実施形態）
（図１５、図１６）
ばね板部材９において加圧部９ａ，９ｂ間を接続する中間部９ｃは、前述した放熱部材７ｂと接触する面とは反対側の面において、複数の凸状のリブ９ｄを有していてもよい。図１５に図示するように、リブ９ｄは平面図で見て加圧部９ａ，９ｂの形成方向（延在方向）に対して垂直方向に形成されている。これにより、上述の実施形態よりも中間部９ｃの曲げ剛性を増加させることができ、ばね板部材９を押圧したときに、中間部９ｃの中央部が放熱部材７ｂから離れる（図５参照）ことを防ぐことができ、より広い範囲の放熱部材７ｂを押圧できる。

【0042】

（第６の実施形態）
（図１７）
上述の中間部９ｃでは、中間部９ｃの板厚は、被荷重部１１やその他の領域の板厚と一様である場合について示したが、中間部９ｃの板厚Ｔ２が、被荷重部１１やその他の領域の板厚Ｔ１より厚く形成する構成を有していてもよい。このようにすることで、前述の第１の実施形態よりも中間部９ｃの曲げ剛性を増加させることができ、ばね板部材９が放熱部材７ｂを押圧する際に、中間部９ｃの中央部が、放熱部材７ｂから離れることを防ぐことができ、より広い範囲に荷重を負荷することが可能になる。

【0043】

（第７の実施形態）
（図１８）
第７の実施形態は、第６の実施形態とは同様の作用効果を狙ったものではあるが、板厚が厚い中間部９ｃの製造方法が第６の実施形態とは異なり、放熱部材７ｂとは反対側の面に中間部９ｃを厚く形成している構造である。放熱部材７ｂと接する面とは反対側の面に積層されるように板厚が厚くなった中間部９ｃの板厚Ｔ４が、被荷重部１１やその他の領域の板厚Ｔ３よりも厚い様子が図示されている。このようにすることで、前述の第６の実施形態と同様の作用効果を得られる。なお、中間部９ｃを厚くしている部分は、ばね板部材９と同一材料でもよいし、ばね板部材９と異なる材料が積層され接続された構造でもあってもよい。

【0044】

（第８の実施形態）
（図１９）
前述した実施形態では、フランジ部１１ｆの形状が矩形状であって、フランジ形状の付け根の部分と先端の部分がほぼ同じ幅である場合を示したが、このフランジ形状がテーパ形状であってもよい。

【0045】

テーパ形状を有する被荷重部１１は、フランジ部１１ｆの付け根部分の幅Ｗ１が、フランジ部１１ｆの先端部分の幅Ｗ２より大きくなっている。これにより、前述した実施形態と同一の効果が得られるだけでなく、放熱部材７ｂや半導体モジュール１００に負荷する面圧を減少することなく、ばね板部材９の面積をより小さくすることができるため、軽量化を実現できる。また、フランジ部１１ｆのテーパ形状の斜線の延長が半導体モジュール１００の中央付近で重なるようにテーパが形成されていることで、半導体モジュール１００の中央まで面圧をかけることが可能になる。

【0046】

（第９の実施形態）
（図２０）
放熱部材７ｂは、ばね板部材９と接する面に凸部７０ｂを有している。これに伴い、ばね板部材９の中間部９ｃの中央の一部に、凸部７０ｂの形状に合わせるように屈曲部９ｅが設けられている。屈曲部９ｅ部分を除いた中間部９ｃの断面上の幅Ｗ５，Ｗ６は、それぞれ凸部９eの断面上幅Ｗ４に比べて大きい。これにより、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

【0047】

以上説明した実施形態では、封止樹脂１０は半導体モジュール１００において絶縁層４を含んで放熱面以外を封止した例を示したが、絶縁層４，４ｂを封止せずに第１の導体３および第２の導体３ｂまでを封止した半導体モジュール１００にしてもよい。その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で、種々変形して適用することが可能である。

【0048】

以上説明した本発明の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

【0049】

（１）半導体素子１と、半導体素子１と接合される導体板３，３ｂと、をモールド封止して形成されている複数の半導体モジュール１００と、半導体モジュール１００の少なくとも一方の面に熱伝導部材５を介して接触する放熱部材７，７ｂと、放熱部材７，７ｂを半導体モジュール１００に向かって押圧する弾性変形可能な付勢部材９と、を備えるパワー半導体装置であって、付勢部材９は、放熱部材７ｂに当接する一対の加圧部９ａ，９ｂと、一対の加圧部９ａ，９ｂの外側に設けられかつ固定部材１３により荷重を受ける複数の被荷重部１１ａ，１１ｂと、一対の加圧部９ａ，９ｂの間に設けられかつ荷重に応じた曲げ応力が生じる中間部９ｃと、を有する。複数の半導体モジュール１００は、一対の加圧部９ａ，９ｂの延在方向に沿って配置される。中間部９ｃは、付勢部材９が放熱部材７ｂを押圧するときに曲げ応力によって放熱部材７ｂから離れる方向に弾性変形する。このようにしたことで、小型化、部品点数の低減、放熱性の向上、を実現し、効率よく積層方向に加圧可能な信頼性の高いパワー半導体装置を提供できる。

【0050】

（２）一対の加圧部９ａ，９ｂは、付勢部材９が放熱部材７ｂを押圧する方向から見て、半導体素子１が配置される領域に重なる位置に形成される。このようにしたことで、パワー半導体装置の放熱性能をさらに向上させることができる。

【0051】

（３）一対の加圧部９ａ，９ｂは、延在方向に対して垂直の断面において、熱伝導部材５の中心の位置と熱伝導部材５の両端部との間の位置で、それぞれ放熱部材７ｂと接触している。このようにしたことで、熱伝導層５に対して均等かつ全体的に面圧を発生させることができ、放熱性能が高い信頼性のあるパワー半導体装置が実現できる。

【0052】

（４）放熱部材７ｂは、内部に放熱フィン７ｅが配置された中空状の冷媒流路を有し、一対の加圧部９ａ，９ｂは、付勢部材９が放熱部材７ｂを押圧する方向から見て、放熱フィン７ｅが配置される領域内に形成されている。このようにしたことで、熱伝導層５全体に効率よく圧縮応力を発生させることができる。

【0053】

（５）付勢部材９は、延在方向に対して垂直の断面において、一対の加圧部９ａ，９ｂを基準にして、放熱部材７ｂから離れる方向に延びて形成されている一対の傾斜部１１ｄと、一対の傾斜部１１ｄの両端部から外側に向かってそれぞれ延びて形成されている複数のフランジ部１１ｆと、を有する。複数のフランジ部１１ｆは、それぞれ固定部材１３が固定され、かつ、付勢部材９が放熱部材７ｂを押圧する方向から見て、複数の半導体モジュール１００の配置の間の位置において、半導体モジュール１００から離れる方向に形成されている複数の突出部１１ｇと、傾斜部１１ｄと突出部１１ｇとの間に形成され、かつ延在方向に沿って形成されている連結部１１ｅと、を有する。被荷重部１１ａ，１１ｂは、複数の突出部１１ｇの先端側に形成されている。このようにしたことで、荷重を受けることに対する付勢部材９の弾性変形が起こり、小型化、部品点数の削減、放熱性の向上、を実現し、効率よく積層方向に加圧可能になる。

【0054】

（６）中間部９ｃは、平板形状を有し、かつ付勢部材９が荷重を受けて放熱部材７ｂに押圧される前に放熱部材７ｂに接触した状態では、放熱部材７ｂと平行である。このようにしたことで、放熱部材７ｂへの損傷の防止と、耐振性の向上を実現できる。また、放熱部材７ｂの全体に圧縮応力を発生させることができる。

【0055】

（７）中間部９ｃは、放熱部材７ｂと接触する面とは反対側の面に、複数の凸形状のリブ９ｄを有している。このようにしたことで、中間部９ｃの曲げ剛性を増加させることができ、より広い範囲の放熱部材７ｂを押圧できる。

【0056】

（８）リブ９ｄは、加圧部９ａ，９ｂの延在方向に対して垂直方向に形成されている。このようにしたことで、中間部９ｃの曲げ剛性を増加させることができる。

【0057】

（９）付勢部材９において、中間部９ｃの厚さＴ２（Ｔ４）は、その他の部分の厚さＴ１（Ｔ３）よりも厚く形成されている。このようにしたことで、中間部９ｃの曲げ剛性を増加させ、放熱部材７ｂのより広い範囲に荷重を負荷することが可能になる。

【0058】

（１０）付勢部材９において、放熱部材７ｂと接する面とは反対側の面で中間部９ｃと傾斜部１１１ｄが形成する角θ２は、鈍角である。このようにしたことで、放熱部材７および半導体モジュール１００に対して効率よく押圧でき、放熱性能が高く信頼性の高いパワー半導体装置が実現できる。

【0059】

（１１）複数の被荷重部１１ａ，１１ｂのうち、付勢部材９の四隅の位置に形成されている被荷重部１１ａの第１バネ定数は、四隅以外の位置に形成されている被荷重部１１ｂにおける第２バネ定数よりも小さく、第２バネ定数は、第１バネ定数の２倍以下である。このようにしたことで、ばね板部材９が放熱部材７ｂを押圧するときに、各半導体モジュール１００に発生する圧縮応力のばらつきを小さくできる。

【0060】

（１２）フランジ部１１ｆは、テーパ形状を有している。このようにしたことで、軽量化を実現できる。

【0061】

（１３）複数の被荷重部１１ａ，１１ｂのうち、付勢部材の四隅の位置に形成されている被荷重部１１ａにかかる荷重は、四隅以外の位置に形成されている被荷重部１１ｂにかかる荷重よりも大きい。このようにしたことで、ばね板部材９が放熱部材７ｂを押圧するときに、各半導体モジュール１００に発生する圧縮応力のばらつきを小さくできる。

【0062】

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。

【符号の説明】

【0063】

１ パワー半導体素子
２ 接合材
３ 第１の導体
３ｂ 第２の導体
３ｃ 外部端子
４ 絶縁層
５ 熱伝導層
７ 第１放熱部材
７ｂ 第２放熱部材
７ｄ フィン形成領域
７ｅ フィン
７ｆ 中空の領域
８ 固定フランジ
９ ばね板部材
９ａ、９ｂ加圧部
９ｃ 中間部
９ｄ リブ
９ｅ 中間凸部
１０ 封止樹脂
１１ 被荷重部
１１ａ 四隅の被荷重部
１１ｂ 四隅以外の被荷重部
１１ｃ 第１の固定部材を通す穴
１１ｄ 傾斜部
１１ｅ 連結部
１１ｆ フランジ部
１１ｇ 突出部
１２ 第２の固定部材
１３ 第１の固定部材
１５ 中間層
５０ 従来のばね板部材
５０ａ、５０ｂ 従来の加圧部
５０ｃ 中心線
５１ａ、５１ｂ 従来の被荷重部
６０ 荷重方向
７０ 凹部
７０ｂ 凸部
１００ 半導体モジュール
１００ｂ 半導体モジュールの配置領域
１０１ 小片モールド封止体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】