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(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】P2024022217
(43)【公開日】2024-02-16
(54)【発明の名称】半導体モジュール
(51)【国際特許分類】
H01L 25/07 20060101AFI20240208BHJP
【ＦＩ】
H01L25/04 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022125638
(22)【出願日】2022-08-05
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【識別番号】317015294
【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001634
【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】市倉 優太
(72)【発明者】
【氏名】伊東 弘晃
(72)【発明者】
【氏名】渡邉 尚威
(72)【発明者】
【氏名】田多 伸光
(72)【発明者】
【氏名】田代 匠太
(72)【発明者】
【氏名】奥野 公晴
(72)【発明者】
【氏名】大部 利春
(72)【発明者】
【氏名】丸山 裕
(72)【発明者】
【氏名】田中 翔
(72)【発明者】
【氏名】飯尾 尚隆
(72)【発明者】
【氏名】石黒 崇裕
(57)【要約】
【課題】大エネルギー破壊時に電気導通を維持できる半導体モジュールを提供することである。
【解決手段】実施形態の半導体モジュールは、第１金属部材と、第２金属部材と、第１半導体パッケージと、第２半導体パッケージと、を持つ。前記第１半導体パッケージ及び前記第２半導体パッケージのそれぞれは、第１導電部材と、第２導電部材と、半導体素子と、を備える。半導体素子は、前記第１導電部材及び前記第２導電部材に接続される。前記第１導電部材及び前記第２導電部材の少なくとも一方は、屈曲形状を有する。前記第１導電部材及び前記第２導電部材の少なくとも一方は、前記第１金属部材及び前記第２金属部材の一方から他方へ通電した場合に反発電磁力を発生させる。反発電磁力は、前記第１金属部材及び前記第２金属部材の少なくとも一方を前記半導体素子とは反対側に押し上げる力である。
【選択図】図１
【解決手段】実施形態の半導体モジュールは、第１金属部材と、第２金属部材と、第１半導体パッケージと、第２半導体パッケージと、を持つ。前記第１半導体パッケージ及び前記第２半導体パッケージのそれぞれは、第１導電部材と、第２導電部材と、半導体素子と、を備える。半導体素子は、前記第１導電部材及び前記第２導電部材に接続される。前記第１導電部材及び前記第２導電部材の少なくとも一方は、屈曲形状を有する。前記第１導電部材及び前記第２導電部材の少なくとも一方は、前記第１金属部材及び前記第２金属部材の一方から他方へ通電した場合に反発電磁力を発生させる。反発電磁力は、前記第１金属部材及び前記第２金属部材の少なくとも一方を前記半導体素子とは反対側に押し上げる力である。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに対向して配置された第１金属部材及び第２金属部材と、
前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に配置された第１半導体パッケージ及び第２半導体パッケージと、を備え、
前記第１半導体パッケージ及び前記第２半導体パッケージのそれぞれは、
前記第１金属部材に接続された第１導電部材と、
前記第２金属部材に接続された第２導電部材と、
前記第１導電部材と前記第２導電部材との間に配置され、前記第１導電部材及び前記第２導電部材に接続された半導体素子と、を備え、
前記第１導電部材及び前記第２導電部材の少なくとも一方は、屈曲形状を有するとともに、前記第１金属部材及び前記第２金属部材の一方から他方へ通電した場合に前記第１金属部材及び前記第２金属部材の少なくとも一方を前記半導体素子とは反対側に押し上げる反発電磁力を発生させる、
半導体モジュール。
前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に配置された第１半導体パッケージ及び第２半導体パッケージと、を備え、
前記第１半導体パッケージ及び前記第２半導体パッケージのそれぞれは、
前記第１金属部材に接続された第１導電部材と、
前記第２金属部材に接続された第２導電部材と、
前記第１導電部材と前記第２導電部材との間に配置され、前記第１導電部材及び前記第２導電部材に接続された半導体素子と、を備え、
前記第１導電部材及び前記第２導電部材の少なくとも一方は、屈曲形状を有するとともに、前記第１金属部材及び前記第２金属部材の一方から他方へ通電した場合に前記第１金属部材及び前記第２金属部材の少なくとも一方を前記半導体素子とは反対側に押し上げる反発電磁力を発生させる、
半導体モジュール。
【請求項2】
前記第２金属部材は、前記第１金属部材の上方に配置され、
前記半導体素子は、金属ケースに収納され、
前記金属ケースは、
前記第１導電部材における前記半導体素子に接続している面の反対側の面を露出させる下部開口と、
前記下部開口に対して交差するように前記半導体素子の側方を開口する側部開口と、を有し、
前記第１導電部材は、前記下部開口を通じて前記第１金属部材に接続され、
前記第２導電部材は、前記側部開口を通じて前記第２金属部材に接続される、
請求項１に記載の半導体モジュール。
前記半導体素子は、金属ケースに収納され、
前記金属ケースは、
前記第１導電部材における前記半導体素子に接続している面の反対側の面を露出させる下部開口と、
前記下部開口に対して交差するように前記半導体素子の側方を開口する側部開口と、を有し、
前記第１導電部材は、前記下部開口を通じて前記第１金属部材に接続され、
前記第２導電部材は、前記側部開口を通じて前記第２金属部材に接続される、
請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項3】
前記第２導電部材は、
前記半導体素子に接続している面に沿って延びるとともに前記側部開口から前記金属ケースの外へ突出する第１延在部と、
前記第１延在部の突出端から前記第２金属部材に向けて上方へ延びる第２延在部と、を備える、
請求項２に記載の半導体モジュール。
前記半導体素子に接続している面に沿って延びるとともに前記側部開口から前記金属ケースの外へ突出する第１延在部と、
前記第１延在部の突出端から前記第２金属部材に向けて上方へ延びる第２延在部と、を備える、
請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項4】
前記金属ケースは、前記半導体素子と電気的に絶縁するための第１絶縁部材で覆われる、
請求項２に記載の半導体モジュール。
請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項5】
前記第１金属部材は、前記第２金属部材と絶縁ケースを介して接続され、
前記第２導電部材の上端は、前記絶縁ケースの上端よりも低い位置にあり、
前記第２導電部材は、締結部材を介して前記第２金属部材に接続される、
請求項２に記載の半導体モジュール。
前記第２導電部材の上端は、前記絶縁ケースの上端よりも低い位置にあり、
前記第２導電部材は、締結部材を介して前記第２金属部材に接続される、
請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項6】
前記第２導電部材は、前記締結部材と並んで配置された弾性部材を介して前記第２金属部材に接続される、
請求項５に記載の半導体モジュール。
請求項５に記載の半導体モジュール。
【請求項7】
前記第２導電部材は、前記弾性部材と並んで配置された導通部材を介して前記第２金属部材に接続される、
請求項６に記載の半導体モジュール。
請求項６に記載の半導体モジュール。
【請求項8】
前記弾性部材において前記半導体素子の側の端部は、前記第２導電部材において前記第２金属部材の側に突出した部分よりも前記締結部材の側にずれた位置にある、
請求項６に記載の半導体モジュール。
請求項６に記載の半導体モジュール。
【請求項9】
前記第２導電部材は、上面視で前記側部開口の片側に寄った位置から突出し、
前記第１半導体パッケージ及び前記第２半導体パッケージは、互いに対向して配置される、
請求項２に記載の半導体モジュール。
前記第１半導体パッケージ及び前記第２半導体パッケージは、互いに対向して配置される、
請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項10】
前記第２導電部材の厚さは、３ｍｍ以上である、
請求項１に記載の半導体モジュール。
請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項11】
前記第２金属部材の厚さは、２ｍｍ以上１２ｍｍ以下である、
請求項１に記載の半導体モジュール。
請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項12】
前記第１金属部材は、前記第２金属部材と絶縁ケースを介して接続され、
前記第１金属部材は、前記絶縁ケースよりも側方に突出した第１接続端子を有し、
前記第２金属部材は、前記絶縁ケースよりも側方に突出した第２接続端子を有する、
請求項１に記載の半導体モジュール。
前記第１金属部材は、前記絶縁ケースよりも側方に突出した第１接続端子を有し、
前記第２金属部材は、前記絶縁ケースよりも側方に突出した第２接続端子を有する、
請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項13】
前記第１金属部材において前記第１導電部材に接続される部分は、前記第２導電部材と電気的に絶縁するための第２絶縁部材で覆われる、
請求項１に記載の半導体モジュール。
請求項１に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、耐圧数ｋＶでＭＷ級の電力変換器を構築するためには、半導体素子の電流容量を大きくすることが求められる。そのために、複数の半導体素子を並列実装した半導体モジュールが提案されている。高圧大電流を許容するためには、半導体素子の故障時に半導体モジュールの運転継続性や安全性を確保することが必要である。そのような観点から、大エネルギー破壊時に電気導通を維持することが求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第６８６０４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明が解決しようとする課題は、大エネルギー破壊時に電気導通を維持できる半導体モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
実施形態の半導体モジュールは、第１金属部材と、第２金属部材と、第１半導体パッケージと、第２半導体パッケージと、を持つ。第１金属部材及び第２金属部材は、互いに対向して配置される。第１半導体パッケージ及び第２半導体パッケージは、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に配置される。前記第１半導体パッケージ及び前記第２半導体パッケージのそれぞれは、第１導電部材と、第２導電部材と、半導体素子と、を備える。第１導電部材は、前記第１金属部材に接続される。第２導電部材は、前記第２金属部材に接続される。半導体素子は、前記第１導電部材と前記第２導電部材との間に配置される。半導体素子は、前記第１導電部材及び前記第２導電部材に接続される。前記第１導電部材及び前記第２導電部材の少なくとも一方は、屈曲形状を有する。前記第１導電部材及び前記第２導電部材の少なくとも一方は、前記第１金属部材及び前記第２金属部材の一方から他方へ通電した場合に反発電磁力を発生させる。反発電磁力は、前記第１金属部材及び前記第２金属部材の少なくとも一方を前記半導体素子とは反対側に押し上げる力である。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】第１実施形態の半導体モジュールの側断面図。
【図2】第１実施形態の半導体パッケージの側断面図。
【図3】第１実施形態の半導体モジュールの反発電磁力の説明図。
【図4】半導体モジュール内の半導体素子が故障したときの電流及び電圧の関係を示す図。
【図5】チップ応力増加倍率と短絡故障発生確率との関係を示す図。
【図6】上電極の厚さとチップ応力増加倍率との関係を示す図。
【図7】天板厚さとチップ応力増加倍率との関係を示す図。
【図8】第２実施形態の半導体モジュールの側断面図。
【図9】第２実施形態の半導体モジュールのアーク発生の説明図。
【図10】第３実施形態の半導体モジュールの側断面図。
【図11】導通部材の変形例を示す側断面図。
【図12】導通部材の変形例を示す斜視図。
【図13】想定電流と導通部材温度との計算結果を示す図。
【図14】第４実施形態の半導体モジュールの上面図。
【図15】第４実施形態の半導体モジュールの側断面図。
【図16】第５実施形態の半導体モジュールの側断面図。
【図17】第１変形例の半導体モジュールの側断面図。
【図18】第２変形例の半導体モジュールの側断面図。
【図19】第３変形例の半導体モジュールの側断面図。
【図20】第４変形例の半導体モジュールの側断面図。
【図21】第５変形例の半導体モジュールの側断面図。
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下、実施形態の半導体モジュールを、図面を参照して説明する。
【0008】
図１は、第１実施形態の半導体モジュール１の側断面図である。図２は、第１実施形態の半導体パッケージＰの側断面図である。
実施形態の半導体モジュール１は、底板２（第１金属部材の一例）と、天板３（第２金属部材の一例）と、絶縁ケース４と、第１半導体パッケージＰＡと、第２半導体パッケージＰＢと、を備える。
実施形態の半導体モジュール１は、底板２（第１金属部材の一例）と、天板３（第２金属部材の一例）と、絶縁ケース４と、第１半導体パッケージＰＡと、第２半導体パッケージＰＢと、を備える。
【0009】
底板２及び天板３は、互いに対向して配置される。例えば、底板２及び天板３は、電気伝導性及び熱伝導性に優れた材料で形成される。例えば、底板２及び天板３は、銅又はアルミニウムを主成分に含む。例えば、底板２及び天板３は、銅、銅合金、アルミニウム、又はアルミニウム合金などの金属で形成される。
【0010】
底板２及び天板３は、水平面に沿う板状に形成される。天板３は、底板２の上方に配置される。天板３は、水平面に沿って一様な厚さ（上下方向の長さ）を有する。例えば、天板３の厚さは、２ｍｍ以上１２以下である。例えば、天板３の厚さは、４ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることがより好ましい。
【0011】
底板２は、天板３と絶縁ケース４を介して接続される。例えば、絶縁ケース４は、接着剤又は締結部材により、底板２及び天板３と接続されている。例えば、絶縁ケース４は、樹脂などの電気絶縁性を有する絶縁材料で形成される。絶縁ケース４の上端は、天板３の下面に接続される。絶縁ケース４の下端は、底板２の上面に接続される。これにより、底板２、天板３及び絶縁ケース４で囲まれる空間は、密閉空間とされる。
【0012】
底板２は、絶縁ケース４よりも側方に突出した下側接続端子５（第１接続端子の一例）を有する。天板３は、絶縁ケース４よりも側方に突出した上側接続端子６（第２接続端子の一例）を有する。実施形態では、下側接続端子５から上側接続端子６へ通電される。
【0013】
第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢは、底板２と天板３との間に配置される。半導体モジュール１は、第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢ以外にも複数の半導体パッケージＰを備える。これら複数の半導体パッケージＰは、半導体モジュール１内に並列実装される。
【0014】
第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢのそれぞれは、下電極１０（第１導電部材の一例）と、上電極２０（第２導電部材の一例）と、半導体素子３０と、金属ケース４０と、封止部材５０（第１絶縁部材の一例）と、を備える。以下、第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢを区別する場合を除き、第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢを含む複数の半導体パッケージＰを単に「半導体パッケージＰ」と称することがある。
【0015】
例えば、下電極１０及び上電極２０は、銅などの電気抵抗が小さい金属材料で形成されている。下電極１０は、底板２に接続される。上電極２０は、天板３に接続される。半導体素子３０は、下電極１０と上電極２０との間に配置される。半導体素子３０は、下電極１０及び上電極２０に接続される。例えば、半導体素子３０は、電力変換に用いられるパワー半導体素子である。例えば、半導体素子３０は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等の制御電極を有するスイッチング素子である。例えば、半導体素子３０は、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode）等のダイオードであってもよい。
【0016】
半導体パッケージＰは、１つ又は複数の半導体素子３０を備える。例えば、１つの半導体パッケージＰに複数の半導体素子３０が搭載された場合、複数の半導体素子３０はすべて同一でなくてもよい。例えば、１つの半導体パッケージＰ内にＩＧＢＴ等のスイッチング素子とＦＲＤ等のダイオードとが混在していてもよい。
【0017】
例えば、半導体素子３０の一方の面（下面）には、コレクタ電極、ドレイン電極、アノード電極が形成される。これらの電極は、接合材３１によって下電極１０に接続される。例えば、接合材３１は、はんだ、導電性接着剤、銀ペースト等である。
【0018】
例えば、半導体素子３０の他方の面（上面）には、エミッタ電極、ソース電極、カソード電極が形成される。これらの電極は、接合材３２によってスペーサ１５に接続される。例えば、スペーサ１５は、銅、銅合金、アルミニウム、又はアルミニウム合金などの金属で形成される。スペーサ１５は、接合材３３によって上電極２０に接続される。例えば、接合材３３は、はんだ、導電性接着剤、銀ペースト等である。
【0019】
半導体素子３０は、金属ケース４０に収納される。例えば、金属ケース４０は、ステンレス、アルミニウム、鉄などの金属で形成される。例えば、金属ケース４０は、半導体素子３０等の収納空間を有する直方体箱状に形成される。
【0020】
金属ケース４０は、下部開口４１と、側部開口４２と、を有する。
下部開口４１は、下電極１０における下面（半導体素子３０に接続している面の反対側の面の一例）を露出させる。下部開口４１は、金属ケース４０の下面に形成される。
側部開口４２は、下部開口４１に対して交差するように半導体素子３０の側方に開口する。側部開口４２は、金属ケース４０の一側面に形成される。側部開口４２は、下部開口４１に対して略垂直な位置にある。
下部開口４１は、下電極１０における下面（半導体素子３０に接続している面の反対側の面の一例）を露出させる。下部開口４１は、金属ケース４０の下面に形成される。
側部開口４２は、下部開口４１に対して交差するように半導体素子３０の側方に開口する。側部開口４２は、金属ケース４０の一側面に形成される。側部開口４２は、下部開口４１に対して略垂直な位置にある。
【0021】
下電極１０は、下部開口４１を通じて底板２に接続される。下電極１０は、接合材３４によって底板２の上面に接続される。例えば、接合材３４は、はんだ、導電性接着剤、銀ペースト等である。
【0022】
上電極２０は、側部開口４２を通じて天板３に接続される。上電極２０は、屈曲形状を有する。実施形態において、上電極２０は、クランク形状を有する。上電極２０は、板状部材をクランク形状に折り曲げて形成されている。上電極２０は、半導体素子３０から側方へ延びた後に屈曲して上方へ延び、その後、更に屈曲して側方へ延びている。上電極２０は、第１延在部２１と、第２延在部２２と、第３延在部２３と、を備える。第１延在部２１、第２延在部２２及び第３延在部２３は、同一の金属部材で一体に形成されている。
【0023】
第１延在部２１は、半導体素子３０の上面（半導体素子３０に接続している面の一例）に沿って延びる。第１延在部２１は、側部開口４２から金属ケース４０の外へ突出する。
第２延在部２２は、第１延在部２１の突出端から天板３に向けて上方へ延びる。
第３延在部２３は、第２延在部２２の上端から水平面に沿って延びる。第３延在部２３は、第２延在部２２の上端から隣の半導体パッケージが有する第３延在部２３に向けて側方へ延びる。
第２延在部２２は、第１延在部２１の突出端から天板３に向けて上方へ延びる。
第３延在部２３は、第２延在部２２の上端から水平面に沿って延びる。第３延在部２３は、第２延在部２２の上端から隣の半導体パッケージが有する第３延在部２３に向けて側方へ延びる。
【0024】
金属ケース４０は、半導体素子３０と電気的に絶縁するための封止部材５０で覆われる。例えば、封止部材５０は、樹脂などの電気絶縁性を有する絶縁材料で形成される。封止部材５０は、金属ケース４０において下部開口４１から下電極１０が延びる部分及び側部開口４２から上電極２０が延びる部分以外を覆っている。下電極１０のうち下部（底板２に接続される部分）は、封止部材５０で覆われずに露出している。上電極２０のうち第１延在部２１の突出端よりも上部（第２延在部２２及び第３延在部２３）は、封止部材５０で覆われずに露出している。
【0025】
上電極２０は、上電極２０が延びる方向に沿って一様な厚さを有する。上電極２０のうち第１延在部２１及び第３延在部２３は、水平面に沿って一様な厚さ（上下方向の長さ）を有する。第２延在部２２は、鉛直面に沿って一様な厚さ（紙面左右方向の長さ）を有する。例えば、上電極２０の厚さは、３ｍｍ以上１０以下である。
【0026】
上電極２０の上端は、絶縁ケース４の上端よりも低い位置にある。実施形態において、上電極２０の上端は、第３延在部２３の上面に相当する。絶縁ケース４の上端は、絶縁ケース４において天板３の下面に接続される側の端部である。第３延在部２３の上面は、水平面に沿う平面である。上電極２０は、締結部材６０，６１を介して天板３に接続される。
【0027】
実施形態において、上電極２０には、ナット６０（締結部材の一例）が一体化されている。ナット６０は、第３延在部２３の下面に接続されている。天板３及び第３延在部２３のそれぞれは、ボルト６１（締結部材の一例）を挿通可能な貫通孔（ボルト通し孔）を有する。例えば、天板３の上方からボルト６１を各貫通孔に挿通し、ナット６０に螺合する。これにより、ボルト６１等の締結部材を介して上電極２０を天板３に接続することができる。上電極２０は、ボルト６１によって天板３の向き（上方）へ荷重がかかった状態となる。この荷重は、半導体素子３０に初期応力を発生させる。
【0028】
半導体パッケージＰは、下電極１０及び上電極２０によって底板２及び天板３と電気的に接続されている。複数の半導体パッケージＰは、下電極１０及び上電極２０を介して、底板２と天板３との間に、電気的に並列接続されている。実施形態においては、下側接続端子５から通電される。電流は、半導体パッケージＰの上下方向を流れる。
【0029】
通常動作（正常動作）時、各半導体パッケージＰが有する下電極１０に電流が分流する。図の例では、通常動作時において第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢのそれぞれに電流が分流する。その後、電流は天板３に沿って上側接続端子６に向けて流れる。
【0030】
例えば、通常動作時に半導体素子３０が発生した熱は、半導体モジュール１の両側にある底板２及び天板３に熱伝導する。このため、半導体素子３０を冷却することができる。例えば、半導体パッケージＰの一方側のみを金属部材と接続した構成と比較して、冷却性能を向上させることができる。例えば、底板２は冷却器を兼ねていてもよい。
【0031】
図３は、第１実施形態の半導体モジュール１の反発電磁力ＭＦの説明図である。図４は、半導体モジュール１内の半導体素子３０が故障したときの電流及び電圧の関係を示す図である。
例えば、半導体モジュール１内のいずれか１つ又は複数の半導体素子３０が故障すると、半導体素子３０のコレクタとエミッタとの電極間が短絡する。すると、故障した半導体素子３０（以下「故障チップ」ともいう。）を経路として、図４に示すような数百ｋＡピークの大電流が流れる。実施形態では、上電極２０が略直角に曲がっていることで、通電時に反発電磁力ＭＦを発生させる。反発電磁力ＭＦは、天板３を半導体素子３０とは反対側に押し上げる力である。本実施形態では、上電極２０において第１延在部２１を流れる電流の向きＶＡ（横向き）と第２延在部２２を流れる電流の向きＶＢ（縦向き）とは互いに異なる。そのため、上電極２０を天板３側に押し上げる反発電磁力ＭＦ（ローレンツ力）が発生する。
例えば、半導体モジュール１内のいずれか１つ又は複数の半導体素子３０が故障すると、半導体素子３０のコレクタとエミッタとの電極間が短絡する。すると、故障した半導体素子３０（以下「故障チップ」ともいう。）を経路として、図４に示すような数百ｋＡピークの大電流が流れる。実施形態では、上電極２０が略直角に曲がっていることで、通電時に反発電磁力ＭＦを発生させる。反発電磁力ＭＦは、天板３を半導体素子３０とは反対側に押し上げる力である。本実施形態では、上電極２０において第１延在部２１を流れる電流の向きＶＡ（横向き）と第２延在部２２を流れる電流の向きＶＢ（縦向き）とは互いに異なる。そのため、上電極２０を天板３側に押し上げる反発電磁力ＭＦ（ローレンツ力）が発生する。
【0032】
大電流が流れると、故障チップがジュール発熱する。すると、故障チップの構成材料（例えば半導体材料のシリコン）が溶融し、気化することがある。すると、半導体パッケージ内の圧力が数百ＭＰａ上昇する。半導体パッケージ内の圧力上昇により、上電極２０が天板３側に押し上げられる。天板３は、反発電磁力ＭＦと圧力上昇による上電極２０の押し上げにより、上方向へ数ｍｍ変形する。天板３の変形により、故障した半導体パッケージと並列接続された他の半導体パッケージの上電極２０が天板３側に引き上げられる。上電極２０が引き上げられることで、はんだ等で接続された半導体素子３０に追加応力が発生する。初期応力と追加応力とにより、半導体素子３０にクラックが発生する。すると、図４に示すピーク電流に遅れて発生する数百Ｖの電圧印加で半導体素子３０のコレクタとエミッタとの電極間が短絡する（短絡故障）。以下、初期故障した半導体素子３０以外の半導体素子３０が、追加応力の発生によって短絡故障することを「伴連れ短絡故障」という。
【0033】
図５は、チップ応力増加倍率と短絡故障発生確率との関係を示す図である。
チップ応力増加倍率は、半導体素子３０にクラックが発生する応力を１とした場合の応力増加倍率である。半導体素子３０に発生する応力が基準値より小さいとクラックが発生しない。半導体素子３０に発生する応力が基準値を超えて大きいほどクラックが発生しやすい。例えば、図５に示す特性を利用して、半導体モジュール１内に並列した半導体素子３０を伴連れ短絡故障させる。例えば、初期応力が基準値１を超えないこと、かつ、初期応力と追加応力との合計が基準値１を超えるように設計する。これにより、通常時は短絡故障を起こさず、故障時に伴連れ短絡故障を起こすことができる。
チップ応力増加倍率は、半導体素子３０にクラックが発生する応力を１とした場合の応力増加倍率である。半導体素子３０に発生する応力が基準値より小さいとクラックが発生しない。半導体素子３０に発生する応力が基準値を超えて大きいほどクラックが発生しやすい。例えば、図５に示す特性を利用して、半導体モジュール１内に並列した半導体素子３０を伴連れ短絡故障させる。例えば、初期応力が基準値１を超えないこと、かつ、初期応力と追加応力との合計が基準値１を超えるように設計する。これにより、通常時は短絡故障を起こさず、故障時に伴連れ短絡故障を起こすことができる。
【0034】
図６は、上電極２０の厚さとチップ応力増加倍率との関係を示す図である。
上電極２０の厚さが厚いほど半導体素子３０へ荷重を伝えやすいため、チップ応力増加倍率が大きくなる。一方、上電極２０の厚さが厚いほど剛性が上がり天板３が変形しにくくなるため、チップ応力増加倍率が大きくなりにくくなるという特性がある。そのため、上電極２０の厚さは厚すぎないことが望ましい。例えば、上電極２０の厚さを３ｍｍ以上とすることで、チップ応力増加倍率が１以上となる。これにより、伴連れ短絡故障に必要な基準値以上の応力を発生させることができる。
上電極２０の厚さが厚いほど半導体素子３０へ荷重を伝えやすいため、チップ応力増加倍率が大きくなる。一方、上電極２０の厚さが厚いほど剛性が上がり天板３が変形しにくくなるため、チップ応力増加倍率が大きくなりにくくなるという特性がある。そのため、上電極２０の厚さは厚すぎないことが望ましい。例えば、上電極２０の厚さを３ｍｍ以上とすることで、チップ応力増加倍率が１以上となる。これにより、伴連れ短絡故障に必要な基準値以上の応力を発生させることができる。
【0035】
図７は、天板厚さとチップ応力増加倍率との関係を示す図である。
チップ応力増加倍率は、天板厚さがある厚さのときに極大値となる特徴がある。この理由は、天板厚さが薄すぎると初期故障した半導体素子３０直上の天板３しか変形できず、天板厚さが厚すぎると天板３そのものが変形しにくくなるためである。例えば、天板厚さを２ｍｍ以上１２ｍｍ以下とする。これにより、半導体素子３０にクラックが発生しやすくなる。
チップ応力増加倍率は、天板厚さがある厚さのときに極大値となる特徴がある。この理由は、天板厚さが薄すぎると初期故障した半導体素子３０直上の天板３しか変形できず、天板厚さが厚すぎると天板３そのものが変形しにくくなるためである。例えば、天板厚さを２ｍｍ以上１２ｍｍ以下とする。これにより、半導体素子３０にクラックが発生しやすくなる。
【0036】
以上に説明されたように、本実施形態の半導体モジュール１は、底板２と、天板３と、第１半導体パッケージＰＡと、第２半導体パッケージＰＢと、を持つ。底板２及び天板３は、互いに対向して配置される。第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢは、底板２と天板３との間に配置される。第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢのそれぞれは、下電極１０と、上電極２０と、半導体素子３０と、を備える。下電極１０は、底板２に接続される。上電極２０は、天板３に接続される。半導体素子３０は、下電極１０と上電極２０との間に配置される。半導体素子３０は、下電極１０及び上電極２０に接続される。上電極２０は、屈曲形状を有する。上電極２０は、底板２から天板３へ通電した場合に反発電磁力ＭＦを発生させる。反発電磁力ＭＦは、上電極２０を半導体素子３０とは反対側に押し上げる力である。以上の構成によって、以下の効果を奏する。
第１半導体モジュール１内の半導体素子３０が故障すると、半導体素子３０のコレクタとエミッタとの電極間が短絡する。すると、故障した半導体素子３０（故障チップ）を経路として、数百ｋＡピークの大電流が流れる。本実施形態では、上電極２０が屈曲形状を有することで、通電時に反発電磁力ＭＦを発生させ、天板３が押し上げられる。天板３は、上電極２０の押し上げにより、上方向へ変形する。天板３の変形により、故障した第１半導体パッケージＰＡと並列接続された第２半導体パッケージＰＢの上電極２０が天板３側に引き上げられる。第２半導体パッケージＰＢの上電極２０が引き上げられることで、第２半導体パッケージＰＢ内の半導体素子３０に追加応力が発生する。初期応力と追加応力とにより、第２半導体パッケージＰＢ内の半導体素子３０にクラックが発生する。これにより、初期故障した第１半導体パッケージＰＡ以外の第２半導体パッケージＰＢを機械的破壊により短絡させることが可能となる。
加えて、第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢが壊れても、他の半導体パッケージＰで電気導通を維持することができる。したがって、大エネルギー破壊時に電気導通を維持できる半導体モジュール１を提供することができる。
第１半導体モジュール１内の半導体素子３０が故障すると、半導体素子３０のコレクタとエミッタとの電極間が短絡する。すると、故障した半導体素子３０（故障チップ）を経路として、数百ｋＡピークの大電流が流れる。本実施形態では、上電極２０が屈曲形状を有することで、通電時に反発電磁力ＭＦを発生させ、天板３が押し上げられる。天板３は、上電極２０の押し上げにより、上方向へ変形する。天板３の変形により、故障した第１半導体パッケージＰＡと並列接続された第２半導体パッケージＰＢの上電極２０が天板３側に引き上げられる。第２半導体パッケージＰＢの上電極２０が引き上げられることで、第２半導体パッケージＰＢ内の半導体素子３０に追加応力が発生する。初期応力と追加応力とにより、第２半導体パッケージＰＢ内の半導体素子３０にクラックが発生する。これにより、初期故障した第１半導体パッケージＰＡ以外の第２半導体パッケージＰＢを機械的破壊により短絡させることが可能となる。
加えて、第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢが壊れても、他の半導体パッケージＰで電気導通を維持することができる。したがって、大エネルギー破壊時に電気導通を維持できる半導体モジュール１を提供することができる。
【0037】
例えば、半導体パッケージ単体では短絡故障時に電気導通維持可能なエネルギーには限界がある。これに対し本実施形態では、半導体モジュール１内に並列された第２半導体パッケージＰＢを機械的破壊で短絡故障させることで、半導体モジュール１として電気導通維持可能なエネルギーを半導体パッケージ単体の２倍以上にすることができる。
【0038】
例えば、大エネルギーに耐えるための構造として、半導体素子の電流経路に高電気抵抗を持つ抵抗端子を配置した構造がある。この構造は、大電流通電時には抵抗端子でエネルギーを消費する構造である。しかし、抵抗端子を配置することで半導体モジュールが大型化してしまう問題がある。これに対し本実施形態では、短絡故障が発生した半導体素子３０（故障チップ）以外の半導体素子３０（健全チップ）を積極的に伴連れで破壊し、半導体モジュール１として電気導通を維持する構造である。このため、本実施形態では抵抗端子は不要である。抵抗端子を削減することで、小型化及び低コスト化を図ることができる。したがって、半導体モジュール１を大型化することなく、故障時電気導通維持の許容エネルギーを２倍以上に向上することができる。
【0039】
本実施形態の天板３は、底板２の上方に配置される。半導体素子３０は、金属ケース４０に収納される。金属ケース４０は、下電極１０の下面を露出させる下部開口４１と、下部開口４１に対して交差するように半導体素子３０の側方を開口する側部開口４２と、を有する。下電極１０は、下部開口４１を通じて底板２に接続される。上電極２０は、側部開口４２を通じて天板３に接続される。以上の構成によって、以下の効果を奏する。
金属ケース４０により半導体素子３０を外的要因から保護することができる。加えて、上電極２０が側部開口４２を通じて天板３に接続されることで、通電時に、より大きな反発電磁力ＭＦを発生させることができる。このため、上電極２０の押し上げ力がより大きくなり、天板３を上方向へより大きく変形させることができる。これにより、第１半導体パッケージＰＡと並列接続された第２半導体パッケージＰＢの上電極２０の引き上げ力がより大きくなる。このため、第２半導体パッケージＰＢ内の半導体素子３０に発生する追加応力がより大きくなる。したがって、初期故障した第１半導体パッケージＰＡ以外の第２半導体パッケージＰＢを機械的破壊により短絡させる上で好適である。
金属ケース４０により半導体素子３０を外的要因から保護することができる。加えて、上電極２０が側部開口４２を通じて天板３に接続されることで、通電時に、より大きな反発電磁力ＭＦを発生させることができる。このため、上電極２０の押し上げ力がより大きくなり、天板３を上方向へより大きく変形させることができる。これにより、第１半導体パッケージＰＡと並列接続された第２半導体パッケージＰＢの上電極２０の引き上げ力がより大きくなる。このため、第２半導体パッケージＰＢ内の半導体素子３０に発生する追加応力がより大きくなる。したがって、初期故障した第１半導体パッケージＰＡ以外の第２半導体パッケージＰＢを機械的破壊により短絡させる上で好適である。
【0040】
本実施形態の上電極２０は、第１延在部２１及び第２延在部２２を備える。第１延在部２１は、半導体素子３０の上面に沿って延びるとともに側部開口４２から金属ケース４０の外へ突出する。第２延在部２２は、第１延在部２１の突出端から天板３に向けて上方へ延びる。以上の構成によって、以下の効果を奏する。
上電極２０において第１延在部２１と第２延在部２２とが略直角になることで、通電時に反発電磁力ＭＦを発生させる上で好適である。
上電極２０において第１延在部２１と第２延在部２２とが略直角になることで、通電時に反発電磁力ＭＦを発生させる上で好適である。
【0041】
本実施形態の金属ケース４０は、半導体素子３０と電気的に絶縁するための封止部材５０で覆われることで、以下の効果を奏する。
金属ケース４０及び封止部材５０により半導体素子３０を外的要因から保護することができる。加えて、封止部材５０により金属ケース４０と半導体素子３０とを電気的に絶縁することができる。
金属ケース４０及び封止部材５０により半導体素子３０を外的要因から保護することができる。加えて、封止部材５０により金属ケース４０と半導体素子３０とを電気的に絶縁することができる。
【0042】
底板２は、天板３と絶縁ケース４を介して接続される。上電極２０の上端は、絶縁ケース４の上端よりも低い位置にある。上電極２０は、締結部材６０，６１を介して天板３に接続される。以上の構成によって、以下の効果を奏する。
上電極２０は締結部材６０，６１によって天板３の向きに荷重がかかった状態となる。この荷重は、半導体素子３０に初期応力を発生させる。したがって、締結部材６０，６１を備えた簡単な構成で、半導体素子３０に初期応力を発生させることができる。
加えて、絶縁ケース４の上端を高くすることで、組み立て時に上電極２０に予荷重をかけてあそびを無くすことができる。
上電極２０は締結部材６０，６１によって天板３の向きに荷重がかかった状態となる。この荷重は、半導体素子３０に初期応力を発生させる。したがって、締結部材６０，６１を備えた簡単な構成で、半導体素子３０に初期応力を発生させることができる。
加えて、絶縁ケース４の上端を高くすることで、組み立て時に上電極２０に予荷重をかけてあそびを無くすことができる。
【0043】
本実施形態の半導体モジュール１は、第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢのそれぞれの上電極２０が締結部材６０，６１を介して天板３に接続される。それぞれの上電極２０が締結部材６０，６１を介して天板３に接続される部分は、互いに隣り合う位置にある。以上の構成によって、以下の効果を奏する。
通電時の反発電磁力ＭＦにより、それぞれの上電極２０が締結部材を介して天板３に接続される部分（天板３の一部）を山なりに大きく変形させることができる。したがって、初期故障した第１半導体パッケージＰＡ以外の第２半導体パッケージＰＢを機械的破壊により短絡させる上で好適である。
通電時の反発電磁力ＭＦにより、それぞれの上電極２０が締結部材を介して天板３に接続される部分（天板３の一部）を山なりに大きく変形させることができる。したがって、初期故障した第１半導体パッケージＰＡ以外の第２半導体パッケージＰＢを機械的破壊により短絡させる上で好適である。
【0044】
本実施形態の上電極２０の厚さは、３ｍｍ以上であることで、以下の効果を奏する。
チップ応力増加倍率が１以上となるため、伴連れ短絡故障に必要な基準値以上の応力を発生させることができる。
チップ応力増加倍率が１以上となるため、伴連れ短絡故障に必要な基準値以上の応力を発生させることができる。
【0045】
本実施形態の天板３の厚さは、２ｍｍ以上１２ｍｍ以下であることで、以下の効果を奏する。
例えば、天板３の厚さが２ｍｍ未満であると薄すぎ、初期故障した半導体素子３０直上の天板３しか変形できない可能性が高い。例えば、天板３の厚さが１２ｍｍを超えると厚すぎ、天板３そのものが変形しにくくなる可能性が高い。これに対し本実施形態では、天板３の厚さが２ｍｍ以上１２ｍｍ以下であることで、半導体素子３０にクラックが発生しやすくなる。
例えば、天板３の厚さが２ｍｍ未満であると薄すぎ、初期故障した半導体素子３０直上の天板３しか変形できない可能性が高い。例えば、天板３の厚さが１２ｍｍを超えると厚すぎ、天板３そのものが変形しにくくなる可能性が高い。これに対し本実施形態では、天板３の厚さが２ｍｍ以上１２ｍｍ以下であることで、半導体素子３０にクラックが発生しやすくなる。
【0046】
本実施形態の底板２は、天板３と絶縁ケース４を介して接続される。底板２は、絶縁ケース４よりも側方に突出した下側接続端子５を有する。天板３は、絶縁ケース４よりも側方に突出した上側接続端子６を有する。以上の構成によって、以下の効果を奏する。
下側接続端子５及び上側接続端子６が絶縁ケース４よりも内側に位置する場合と比較して、接続端子５，６に電源等を接続しやすいため、好適である。
下側接続端子５及び上側接続端子６が絶縁ケース４よりも内側に位置する場合と比較して、接続端子５，６に電源等を接続しやすいため、好適である。
【0047】
これまで説明した第１実施形態は、上電極２０が締結部材６０，６１を介して天板３に接続される例である。しかしながら、半導体パッケージＰは半導体素子３０や電極１０，２０を積み重ねた構造であるため、上電極２０の高さ位置にばらつきが生じる。半導体モジュール１内に複数の半導体パッケージＰを並列し、上電極２０と天板３との接触電気抵抗を悪化させないことが重要である。そのためには、高さにばらつきがある上電極２０すべての接触圧力を確保する必要がある。以下の実施形態では、弾性部材の弾性力により、高さにばらつきがある上電極２０すべての接触圧力を確保する例を説明する。
【0048】
次に、半導体モジュールの一例として第２実施形態について説明する。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。第２実施形態は、ばね構造２７０（弾性部材の一例）を備える点が第１実施形態と異なる。
図８は、第２実施形態の半導体モジュール２０１の側断面図である。
上電極２０は、締結部材６１と並んで配置されたばね構造２７０を介して天板３に接続される。
図８は、第２実施形態の半導体モジュール２０１の側断面図である。
上電極２０は、締結部材６１と並んで配置されたばね構造２７０を介して天板３に接続される。
【0049】
ばね構造２７０は、複数の皿バネ２７１を積み重ねた構造である。複数の皿バネ２７１において上下方向に隣り合う２つの皿バネ２７１は、互いに面接触しておらず、皿バネ２７１の端部で線接触又は点接触している。例えば、皿バネ２７１は、導電性の金属材料で形成される。複数の皿バネ２７１の中心孔には、ボルト６１が挿通されている。ばね構造２７０は、天板３をボルト６１で締結することで圧縮状態となる初期長さを有する。
【0050】
ばね構造２７０において半導体素子３０の側の端部は、上電極２０において天板３の側に突出した部分よりもボルト６１（締結部材の一例）の側にずれた位置にある。ここで、ばね構造２７０において半導体素子３０の側の端部は、複数の皿バネ２７１のうち最も下側に位置する皿バネ２７１において半導体素子３０に最も近い端部である。上電極２０において天板３の側に突出した部分は、第３延在部２３において半導体素子３０に最も近い端部である。
【0051】
図９は、第２実施形態の半導体モジュール２０１のアーク発生の説明図である。
本実施形態では、ばね構造２７０がボルト６１の方向にずれている。図中のずれＳは、最も下側に位置する皿バネ２７１において半導体素子３０に最も近い端部と第３延在部２３において半導体素子３０に最も近い端部との水平方向の間隔である。
本実施形態では、ばね構造２７０がボルト６１の方向にずれている。図中のずれＳは、最も下側に位置する皿バネ２７１において半導体素子３０に最も近い端部と第３延在部２３において半導体素子３０に最も近い端部との水平方向の間隔である。
【0052】
例えば、短絡故障時の圧力上昇により上向き荷重（上向き矢印方向の力）が作用すると、てこの原理でボルト６１を引き伸ばす荷重が作用する。すなわち、ボルト６１には支点ＦＰを介して作用する下向き荷重（下向き矢印方向の力）が作用する。短絡故障によって大電流が流れている場合にボルト６１が破断すると、天板３と上電極２０とが非接触状態となる。すると、天板３と上電極２０との間にアークが発生する。アークによる圧力によって、天板３は上へ押し上げられる。すると、並列した半導体パッケージＰの上電極２０が引き上げられる。これにより、他の半導体パッケージＰを伴連れ短絡故障させやすくなる。
【0053】
以上に説明されたように、第２実施形態では、上電極２０は、ボルト６１と並んで配置されたばね構造２７０を介して天板３に接続されることで、以下の効果を奏する。
高さにばらつきのある上電極２０すべての接触圧力を確保することができる。このため、上電極２０の高さ位置にばらつきが生じた場合でも、各上電極２０と天板３との間に電気導通経路を形成することができる。さらに、各上電極２０と天板３との間の接触熱抵抗を低減することができる。
加えて、組み立て時に、上電極２０の上端高さ公差をばね構造２７０で吸収することができる。
高さにばらつきのある上電極２０すべての接触圧力を確保することができる。このため、上電極２０の高さ位置にばらつきが生じた場合でも、各上電極２０と天板３との間に電気導通経路を形成することができる。さらに、各上電極２０と天板３との間の接触熱抵抗を低減することができる。
加えて、組み立て時に、上電極２０の上端高さ公差をばね構造２７０で吸収することができる。
【0054】
第２実施形態では、ばね構造２７０において半導体素子３０の側の端部は、上電極２０において天板３の側に突出した部分よりもボルト６１の側にずれた位置にあることで、以下の効果を奏する。
てこの原理でボルト６１を引き伸ばす荷重が作用する。短絡故障によって大電流が流れている場合にボルト６１が破断すると、アークが発生する。アークの発生により、天板３は上へ押し上げられる。すると、並列した半導体パッケージＰの上電極２０が引き上げられる。したがって、アークが発生しない構造と比較して、伴連れ短絡故障が発生しやすくなる。
てこの原理でボルト６１を引き伸ばす荷重が作用する。短絡故障によって大電流が流れている場合にボルト６１が破断すると、アークが発生する。アークの発生により、天板３は上へ押し上げられる。すると、並列した半導体パッケージＰの上電極２０が引き上げられる。したがって、アークが発生しない構造と比較して、伴連れ短絡故障が発生しやすくなる。
【0055】
これまで説明した第２実施形態は、上電極２０が締結部材６０，６１及びばね構造２７０を介して天板３に接続される例である。しかしながら、短絡故障時の電流通電の大きさ等によっては、さらに電気抵抗を低減する必要がある。以下の実施形態では、導通部材により、さらに電気抵抗を低減する例を説明する。
【0056】
次に、半導体モジュールの一例として第３実施形態について説明する。第３実施形態において、第１実施形態及び第２実施形態と同様の構成については説明を省略する。第３実施形態は、導通部材３８０を備える点が第２実施形態と異なる。
図１０は、第３実施形態の半導体モジュール３０１の側断面図である。
上電極２０は、ばね構造２７０（弾性部材の一例）と並んで配置された導通部材３８０を介して天板３に接続される。
図１０は、第３実施形態の半導体モジュール３０１の側断面図である。
上電極２０は、ばね構造２７０（弾性部材の一例）と並んで配置された導通部材３８０を介して天板３に接続される。
【0057】
例えば、導通部材３８０は、銅などの電気抵抗が小さい金属材料で形成されている。導通部材３８０は、ばね構造２７０よりも電気抵抗の小さい金属材料で形成されている。導通部材３８０は、Ｕ字形状を有する。導通部材３８０は、板状部材をＵ字形状に折り曲げて形成されている。導通部材３８０の一方の端部は、上電極２０とばね構造２７０下端との間にある。導通部材３８０の他方の端部は、天板３とばね構造２７０上端との間にある。導通部材３８０は、想定される電流が流れた場合でもジュール発熱で溶断しないよう、十分な断面積を有する。
【0058】
図１１は、導通部材の変形例を示す側断面図である。図１２は、導通部材の変形例を示す斜視図である。
例えば、導電部材４８０の長さＬ（図１１の左右方向の長さ）は、上電極２０の第３延在部２３の長さ（図１１の左右方向の長さ）よりも長くてもよい。導電部材４８０がターンする構造であるため、導電部材４８０には逆向き（図１１の右方向の矢印、図１１の左方向の矢印）の電流が流れる。逆向きの電流の作用により、反発電磁力ＭＦが発生する。これにより、導電部材４８０が上電極２０や天板３に押し付けられる向きの電磁力が発生する。したがって、接触圧力の向上を図り、かつ、接触電気抵抗の悪化を防ぐ上で好適である。
例えば、導電部材４８０の長さＬ（図１１の左右方向の長さ）は、上電極２０の第３延在部２３の長さ（図１１の左右方向の長さ）よりも長くてもよい。導電部材４８０がターンする構造であるため、導電部材４８０には逆向き（図１１の右方向の矢印、図１１の左方向の矢印）の電流が流れる。逆向きの電流の作用により、反発電磁力ＭＦが発生する。これにより、導電部材４８０が上電極２０や天板３に押し付けられる向きの電磁力が発生する。したがって、接触圧力の向上を図り、かつ、接触電気抵抗の悪化を防ぐ上で好適である。
【0059】
例えば、導通部材４８０は、複数の貫通孔４８１（ボルト通し孔）を有してもよい。例えば、貫通孔４８１は、導通部材４８０の幅方向に一対配置されていてもよい。これにより、各貫通孔４８１にボルト６１を挿通することで、組み立て時の予荷重などを調整することが可能となる。加えて、上電極２０及び天板３に対する導通部材４８０の接触圧力の更なる向上を図り、かつ、接触電気抵抗の悪化を防ぐ上で好適である。
【0060】
例えば、導通部材４８０は、以下のように設計してもよい。導通部材４８０の材料は、銅（電気抵抗率１．７８×１０－８Ω・ｍ、融点１０８４．５℃）としてもよい。導通部材４８０の寸法は、厚さｔ＝１ｍｍ、幅ｗ＝２８ｍｍ、長さＬ＝１５ｍｍとしてもよい。
【0061】
図１３は、想定電流と導通部材温度との計算結果を示す図である。
図１３の例では、導通部材の最高温度は８４０℃である。
例えば、短絡故障時に想定される電流通電により発生するジュール発熱に対して、温度上昇を融点よりも小さくする。これにより、導通部材の溶断を防ぎ、半導体モジュールの電気導通を維持することが可能となる。
図１３の例では、導通部材の最高温度は８４０℃である。
例えば、短絡故障時に想定される電流通電により発生するジュール発熱に対して、温度上昇を融点よりも小さくする。これにより、導通部材の溶断を防ぎ、半導体モジュールの電気導通を維持することが可能となる。
【0062】
以上に説明されたように、第３実施形態では、上電極２０は、ばね構造２７０と並んで配置された導通部材３８０を介して天板３に接続されることで、以下の効果を奏する。
ボルト６１及びばね構造２７０に加えて導通部材３８０にも電流が流れる構造となるため、半導体モジュール３０１の電気抵抗を低減することが可能となる。
ボルト６１及びばね構造２７０に加えて導通部材３８０にも電流が流れる構造となるため、半導体モジュール３０１の電気抵抗を低減することが可能となる。
【0063】
第２実施形態及び第３実施形態では、ばね構造２７０（弾性部材）が複数の皿バネ２７１を積み重ねた構造（皿バネ２７１を含む構成）である。これに対して、弾性部材は皿バネ２７１を含む構成でなくてもよい。例えば、弾性部材は、コイルバネ又は板バネ、薄板であってもよい。例えば、弾性部材の態様は、設計仕様に応じて変更することができる。
【0064】
次に、半導体モジュールの一例として第４実施形態について説明する。第４実施形態において、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。第４実施形態は、半導体モジュール内で対になる半導体パッケージの配置が第１実施形態と異なる。
図１４は、第４実施形態の半導体モジュール４０１の上面図である。図１５は、第４実施形態の半導体モジュール４０１の側断面図である。
上電極２０は、上面視で側部開口４２の片側に寄った位置から突出する。第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢは、互いに対向して配置される。
図１４は、第４実施形態の半導体モジュール４０１の上面図である。図１５は、第４実施形態の半導体モジュール４０１の側断面図である。
上電極２０は、上面視で側部開口４２の片側に寄った位置から突出する。第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢは、互いに対向して配置される。
【0065】
第１半導体パッケージＰＡの上電極２０は、上面視で側部開口４２の一方側に寄った位置から突出する。第２半導体パッケージＰＢの上電極２０は、上面視で側部開口４２の他方側に寄った位置から突出する。第２半導体パッケージＰＢの上電極２０は、上面視で、第１半導体パッケージＰＡの側部開口４２の他方側に向けて突出する。第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢは、上面視で互いにクランク形状の隙間をあけて、それぞれＬ字形状に設けられている。第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢは、上面視で互い違いに並ぶ配置となる。
【0066】
第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢは、それぞれの上電極２０の第３延在部２３が紙面奥行き方向に並んで配置されている。第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢは、それぞれの上電極２０の貫通孔（ボルト通し孔）が紙面奥行き方向に重なる位置にある。
【0067】
以上に説明されたように、第４実施形態では、上電極２０は、上面視で側部開口４２の片側に寄った位置から突出する。第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢは、互いに対向して配置される。以上の構成によって、以下の効果を奏する。
第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢが上面視で互い違いに並ぶ配置となるため、並列する上電極２０の間隔が近くなる。これにより、故障した半導体パッケージと並列接続された他の半導体パッケージの上電極２０を天板３方向へ引き上げやすくなる。このため、他の半導体パッケージの機械的破壊が発生しやすくなる。加えて、小さなスペースにより多くの半導体パッケージを配置することができる。
第１半導体パッケージＰＡ及び第２半導体パッケージＰＢが上面視で互い違いに並ぶ配置となるため、並列する上電極２０の間隔が近くなる。これにより、故障した半導体パッケージと並列接続された他の半導体パッケージの上電極２０を天板３方向へ引き上げやすくなる。このため、他の半導体パッケージの機械的破壊が発生しやすくなる。加えて、小さなスペースにより多くの半導体パッケージを配置することができる。
【0068】
次に、半導体モジュールの一例として第５実施形態について説明する。第５実施形態において、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。第５実施形態は、半導体モジュール内のコレクタ電位露出面が無い点が第１実施形態と異なる。
図１６は、第５実施形態の半導体モジュール５０１の側断面図である。
底板２において下電極１０に接続される部分は、上電極２０と電気的に絶縁するための下部封止部材５９０（第２絶縁部材の一例）で覆われる。
図１６は、第５実施形態の半導体モジュール５０１の側断面図である。
底板２において下電極１０に接続される部分は、上電極２０と電気的に絶縁するための下部封止部材５９０（第２絶縁部材の一例）で覆われる。
【0069】
例えば、下部封止部材５９０は、樹脂などの電気絶縁性を有する絶縁材料で形成される。例えば、樹脂は、エポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂である。例えば、流動性が高い状態の下部封止部材５９０を半導体モジュール５０１内に注入し、硬化させる。これにより、下電極１０と底板２とを樹脂封止してもよい。
【0070】
下部封止部材５９０は、半導体モジュール５０１内において絶縁ケース４の下部と底板２の上面とで囲まれる部分に設けられる。下部封止部材５９０は、半導体モジュール５０１内の底板２上面と半導体パッケージＰの下電極１０（コレクタ側金属部分）を覆っている。半導体モジュール５０１内の半導体パッケージＰの上部（天板３に接続される部分）は、下部封止部材５９０で覆われずに露出している。
【0071】
以上に説明されたように、第５実施形態では、底板２において下電極１０に接続される部分は、上電極２０と電気的に絶縁するための下部封止部材５９０で覆われることで、以下の効果を奏する。
上電極２０側電位の部材と下電極１０側電位の部材とを電気的に絶縁することができる。したがって、半導体モジュール５０１の高耐圧化や小型化が可能となる。
上電極２０側電位の部材と下電極１０側電位の部材とを電気的に絶縁することができる。したがって、半導体モジュール５０１の高耐圧化や小型化が可能となる。
【0072】
次に、実施形態の変形例について説明する。
実施形態の上電極は、第１延在部及び第２延在部を備える。これに対して、上電極は、第２延在部を有しなくてもよい。例えば、図１７に示すように、上電極１０２０は、半導体素子３０の上面に沿って延びるとともに側部開口４２から金属ケース４０の外へ突出していてもよい。ボルト６１は、上電極１０２０の突出端と天板３とにわたって上下方向に沿って延びていてもよい。例えば、上電極１０２０とボルト６１とにより、反発電磁力を発生させるための屈曲形状を有していてもよい。例えば、上電極の態様は、設計仕様に応じて変更することができる。
実施形態の上電極は、第１延在部及び第２延在部を備える。これに対して、上電極は、第２延在部を有しなくてもよい。例えば、図１７に示すように、上電極１０２０は、半導体素子３０の上面に沿って延びるとともに側部開口４２から金属ケース４０の外へ突出していてもよい。ボルト６１は、上電極１０２０の突出端と天板３とにわたって上下方向に沿って延びていてもよい。例えば、上電極１０２０とボルト６１とにより、反発電磁力を発生させるための屈曲形状を有していてもよい。例えば、上電極の態様は、設計仕様に応じて変更することができる。
【0073】
実施形態の上電極は、クランク形状を有する。これに対して、上電極は、他の形状（例えばＪ字形状）を有していてもよい。例えば、図１８に示すように、上電極１１２０は、第１延在部２１と、第２延在部２２と、第３延在部２３と、第４延在部１１２４と、を備えていてもよい。第３延在部２３及び第４延在部１１２４は、水平面に沿って互いに反対方向に延びていてもよい。例えば、第３延在部２３の端部と第４延在部１１２４の端部とをそれぞれ天板３にボルト６１で締結してもよい。例えば、上電極と天板との締結態様は、設計仕様に応じて変更することができる。
【0074】
実施形態の上電極は、天板にボルトで締結される。これに対して、上電極は、天板にボルト締結されなくてもよい。例えば、図１９に示すように、上電極１２２０は、半導体素子３０から一側方（紙面右方）へ延びた後に屈曲して上方へ延び、その後、更に屈曲して他側方（紙面左方）へ延び、その後、更に屈曲して上方へ延びていてもよい。例えば、上電極１２２０の上端は、天板３の下面にはんだ等で接続されていてもよい。例えば、上電極と天板との接続態様は、設計仕様に応じて変更することができる。
【0075】
実施形態の上電極は、クランク形状を有する。これに対して、上電極は、他の形状（例えばＳ字形状）を有していてもよい。例えば、図２０に示すように、上電極１３２０は、半導体素子３０から一側方（紙面右方）へ延びた後に屈曲して上方へ延び、その後、更に屈曲して他側方（紙面左方）へ延び、その後、更に屈曲して上方へ延びた後に屈曲して一側方（紙面右方）へ延びていてもよい。例えば、上電極の形状は、設計仕様に応じて変更することができる。
【0076】
実施形態の上電極は、天板の上方からボルトで締結される。これに対して、上電極は、天板の上方からボルトで締結されなくてもよい。例えば、図２１に示すように、上電極２０は、天板３の下方（上電極２０の下方）からボルト６１で締結されてもよい。例えば、ナット６０は、天板３の上面に設けられていてもよい。例えば、上電極の締結態様は、設計仕様に応じて変更することができる。
【0077】
実施形態の天板（第２金属部材）は、底板（第１金属部材）の上方に配置される。これに対して、天板（第２金属部材）は、底板（第１金属部材）の上方に配置されなくてもよい。例えば、第２金属部材は、第１金属部材の下方又は左右側方に配置されてもよい。例えば、各金属部材は、板状でなく、ブロック形状であってもよい。例えば、各金属部材の配置及び形状等の態様は、設計仕様に応じて変更することができる。
【0078】
実施形態の半導体モジュールは、底板（第１金属部材）から天板（第２金属部材）へ通電される。これに対して、底板（第１金属部材）から天板（第２金属部材）へ通電されなくてもよい。例えば、天板（第２金属部材）から底板（第１金属部材）へ通電されてもよい。例えば、半導体モジュールにおける通電方向は、設計仕様に応じて変更することができる。
【0079】
実施形態の半導体素子は、金属ケースに収納される。これに対して、半導体素子は、金属ケースに収納されなくてもよい。例えば、半導体素子は、金属ケースを介さずに樹脂などで覆われてもよい。例えば、金属ケースの設置態様は、設計仕様に応じて変更することができる。
【0080】
実施形態の金属ケースは、封止部材（第１絶縁部材）で覆われる。これに対して、金属ケースは、封止部材（第１絶縁部材）で覆われなくてもよい。例えば、金属ケースの封止態様は、設計仕様に応じて変更することができる。
【0081】
実施形態の上電極は、屈曲形状を有するとともに、底板から天板へ通電した場合に反発電磁力を発生させる。これに対して、上電極は、屈曲形状を有しなくてもよい。例えば、下電極は、屈曲形状を有するとともに、天板から底板へ通電した場合に反発電磁力を発生させてもよい。例えば、下電極及び上電極の少なくとも一方は、屈曲形状を有するとともに、底板及び天板の一方から他方へ通電した場合に底板及び天板の少なくとも一方を半導体素子とは反対側に押し上げる反発電磁力を発生させてもよい。例えば、下電極及び上電極の態様は、設計仕様に応じて変更することができる。
【0082】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、第１導電部材及び第２導電部材の少なくとも一方は、屈曲形状を有するとともに、第１金属部材及び第２金属部材の一方から他方へ通電した場合に第１金属部材及び第２金属部材の少なくとも一方を半導体素子とは反対側に押し上げる反発電磁力を発生させる。これにより、大エネルギー破壊時に電気導通を維持できる半導体モジュールを提供することができる。
【0083】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【0084】
（付記１）
互いに対向して配置された第１金属部材及び第２金属部材と、
前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に配置された第１半導体パッケージ及び第２半導体パッケージと、を備え、
前記第１半導体パッケージ及び前記第２半導体パッケージのそれぞれは、
前記第１金属部材に接続された第１導電部材と、
前記第２金属部材に接続された第２導電部材と、
前記第１導電部材と前記第２導電部材との間に配置され、前記第１導電部材及び前記第２導電部材に接続された半導体素子と、を備え、
前記第１導電部材及び前記第２導電部材の少なくとも一方は、屈曲形状を有するとともに、前記第１金属部材及び前記第２金属部材の一方から他方へ通電した場合に前記第１金属部材及び前記第２金属部材の少なくとも一方を前記半導体素子とは反対側に押し上げる反発電磁力を発生させる、
半導体モジュール。
互いに対向して配置された第１金属部材及び第２金属部材と、
前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に配置された第１半導体パッケージ及び第２半導体パッケージと、を備え、
前記第１半導体パッケージ及び前記第２半導体パッケージのそれぞれは、
前記第１金属部材に接続された第１導電部材と、
前記第２金属部材に接続された第２導電部材と、
前記第１導電部材と前記第２導電部材との間に配置され、前記第１導電部材及び前記第２導電部材に接続された半導体素子と、を備え、
前記第１導電部材及び前記第２導電部材の少なくとも一方は、屈曲形状を有するとともに、前記第１金属部材及び前記第２金属部材の一方から他方へ通電した場合に前記第１金属部材及び前記第２金属部材の少なくとも一方を前記半導体素子とは反対側に押し上げる反発電磁力を発生させる、
半導体モジュール。
【0085】
（付記２）
前記第２金属部材は、前記第１金属部材の上方に配置され、
前記半導体素子は、金属ケースに収納され、
前記金属ケースは、
前記第１導電部材における前記半導体素子に接続している面の反対側の面を露出させる下部開口と、
前記下部開口に対して交差するように前記半導体素子の側方を開口する側部開口と、を有し、
前記第１導電部材は、前記下部開口を通じて前記第１金属部材に接続され、
前記第２導電部材は、前記側部開口を通じて前記第２金属部材に接続される、
付記１に記載の半導体モジュール。
前記第２金属部材は、前記第１金属部材の上方に配置され、
前記半導体素子は、金属ケースに収納され、
前記金属ケースは、
前記第１導電部材における前記半導体素子に接続している面の反対側の面を露出させる下部開口と、
前記下部開口に対して交差するように前記半導体素子の側方を開口する側部開口と、を有し、
前記第１導電部材は、前記下部開口を通じて前記第１金属部材に接続され、
前記第２導電部材は、前記側部開口を通じて前記第２金属部材に接続される、
付記１に記載の半導体モジュール。
【0086】
（付記３）
前記第２導電部材は、
前記半導体素子に接続している面に沿って延びるとともに前記側部開口から前記金属ケースの外へ突出する第１延在部と、
前記第１延在部の突出端から前記第２金属部材に向けて上方へ延びる第２延在部と、を備える、
付記２に記載の半導体モジュール。
前記第２導電部材は、
前記半導体素子に接続している面に沿って延びるとともに前記側部開口から前記金属ケースの外へ突出する第１延在部と、
前記第１延在部の突出端から前記第２金属部材に向けて上方へ延びる第２延在部と、を備える、
付記２に記載の半導体モジュール。
【0087】
（付記４）
前記金属ケースは、前記半導体素子と電気的に絶縁するための第１絶縁部材で覆われる、
付記２又は３に記載の半導体モジュール。
前記金属ケースは、前記半導体素子と電気的に絶縁するための第１絶縁部材で覆われる、
付記２又は３に記載の半導体モジュール。
【0088】
（付記５）
前記第１金属部材は、前記第２金属部材と絶縁ケースを介して接続され、
前記第２導電部材の上端は、前記絶縁ケースの上端よりも低い位置にあり、
前記第２導電部材は、締結部材を介して前記第２金属部材に接続される、
付記２から４の何れか一つに記載の半導体モジュール。
前記第１金属部材は、前記第２金属部材と絶縁ケースを介して接続され、
前記第２導電部材の上端は、前記絶縁ケースの上端よりも低い位置にあり、
前記第２導電部材は、締結部材を介して前記第２金属部材に接続される、
付記２から４の何れか一つに記載の半導体モジュール。
【0089】
（付記６）
前記第２導電部材は、前記締結部材と並んで配置された弾性部材を介して前記第２金属部材に接続される、
付記５に記載の半導体モジュール。
前記第２導電部材は、前記締結部材と並んで配置された弾性部材を介して前記第２金属部材に接続される、
付記５に記載の半導体モジュール。
【0090】
（付記７）
前記第２導電部材は、前記弾性部材と並んで配置された導通部材を介して前記第２金属部材に接続される、
付記６に記載の半導体モジュール。
前記第２導電部材は、前記弾性部材と並んで配置された導通部材を介して前記第２金属部材に接続される、
付記６に記載の半導体モジュール。
【0091】
（付記８）
前記弾性部材において前記半導体素子の側の端部は、前記第２導電部材において前記第２金属部材の側に突出した部分よりも前記締結部材の側にずれた位置にある、
付記６又は７に記載の半導体モジュール。
前記弾性部材において前記半導体素子の側の端部は、前記第２導電部材において前記第２金属部材の側に突出した部分よりも前記締結部材の側にずれた位置にある、
付記６又は７に記載の半導体モジュール。
【0092】
（付記９）
前記第２導電部材は、上面視で前記側部開口の片側に寄った位置から突出し、
前記第１半導体パッケージ及び前記第２半導体パッケージは、互いに対向して配置される、
付記２から８の何れか一つに記載の半導体モジュール。
前記第２導電部材は、上面視で前記側部開口の片側に寄った位置から突出し、
前記第１半導体パッケージ及び前記第２半導体パッケージは、互いに対向して配置される、
付記２から８の何れか一つに記載の半導体モジュール。
【0093】
（付記１０）
前記第２導電部材の厚さは、３ｍｍ以上である、
付記１から９の何れか一つに記載の半導体モジュール。
前記第２導電部材の厚さは、３ｍｍ以上である、
付記１から９の何れか一つに記載の半導体モジュール。
【0094】
（付記１１）
前記第２金属部材の厚さは、２ｍｍ以上１２ｍｍ以下である、
付記１から１０の何れか一つに記載の半導体モジュール。
前記第２金属部材の厚さは、２ｍｍ以上１２ｍｍ以下である、
付記１から１０の何れか一つに記載の半導体モジュール。
【0095】
（付記１２）
前記第１金属部材は、前記第２金属部材と絶縁ケースを介して接続され、
前記第１金属部材は、前記絶縁ケースよりも側方に突出した第１接続端子を有し、
前記第２金属部材は、前記絶縁ケースよりも側方に突出した第２接続端子を有する、
付記１から１１の何れか一つに記載の半導体モジュール。
前記第１金属部材は、前記第２金属部材と絶縁ケースを介して接続され、
前記第１金属部材は、前記絶縁ケースよりも側方に突出した第１接続端子を有し、
前記第２金属部材は、前記絶縁ケースよりも側方に突出した第２接続端子を有する、
付記１から１１の何れか一つに記載の半導体モジュール。
【0096】
（付記１３）
前記第１金属部材において前記第１導電部材に接続される部分は、前記第２導電部材と電気的に絶縁するための第２絶縁部材で覆われる、
付記１から１２の何れか一つに記載の半導体モジュール。
前記第１金属部材において前記第１導電部材に接続される部分は、前記第２導電部材と電気的に絶縁するための第２絶縁部材で覆われる、
付記１から１２の何れか一つに記載の半導体モジュール。
【符号の説明】
【0097】
１，２０１，３０１，４０１，５０１…半導体モジュール、２…底板（第１金属部材）、３…天板（第２金属部材）、４…絶縁ケース、５…下側接続端子（第１接続端子）、６…上側接続端子（第２接続端子）、１０…下電極（第１導電部材）、２０，１０２０，１１２０，１２２０，１３２０…上電極（第２導電部材）、２１…第１延在部、２２…第２延在部、３０…半導体素子、４０…金属ケース、４１…下部開口、４２…側部開口、５０…封止部材（第１絶縁部材）、６０…ナット（締結部材）、６１…ボルト（締結部材）、２７０…ばね構造（弾性部材）、３８０，４８０…導通部材、５９０…下部封止部材（第２絶縁部材）、ＭＦ…反発電磁力、Ｐ…半導体パッケージ、ＰＡ…第１半導体パッケージ、ＰＢ…第２半導体パッケージ
【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】
【図21】