特開 2024-31678 半導体モジュール、電力変換装置及び電力変換装置の製造方法

(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】P2024031678

(43)【公開日】2024-03-07

(54)【発明の名称】半導体モジュール、電力変換装置及び電力変換装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20240229BHJP

   H01L 23/40 20060101ALI20240229BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20240229BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 D

H01L23/40 E

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 2022135375

(22)【出願日】2022-08-26

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002918

【氏名又は名称】弁理士法人扶桑国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】磯 亜紀良

【テーマコード（参考）】

5F136

【Ｆターム（参考）】

5F136BA30

5F136BC06

5F136DA27

5F136EA03

5F136FA02

5F136FA03

5F136FA14

5F136FA16

5F136FA18

(57)【要約】

【課題】冷却モジュールとの締結の緩みが防止可能となる。
【解決手段】半導体モジュール１０は、放熱ベース３０の裏面３２ｂの基板領域の反対側の放熱領域に設けられた相変化型の固形状の放熱部材３３と、放熱ベース３０の裏面３２ｂの、締結孔及び放熱領域を取り囲む環状領域上に設けられた弾性部材３４と、を含む。このような半導体モジュール１０を冷却モジュール９０に配置してねじ３５で螺合して取り付けて、放熱部材３３を溶融しても、弾性部材３４により放熱ベース３０と冷却モジュール９０との隙間が維持される。このため、放熱ベース３０とねじ３５との間に隙間が生じず、ねじ３５による半導体モジュール１０の冷却モジュール９０に対する締め付け強さの低下が防止される。
【選択図】図９

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体チップと、
前記半導体チップが接合された配線板をおもて面に含む絶縁回路基板と、
前記絶縁回路基板がおもて面の基板領域に接合され、締結部材が挿通される締結孔が平面視で前記基板領域を挟んで前記基板領域の外側に形成された放熱ベースと、
前記放熱ベースの裏面の前記基板領域の反対側の放熱領域に設けられた相変化型の固形状の放熱部材と、
前記放熱ベースの前記裏面の、前記締結孔及び前記放熱領域を取り囲む環状領域上に設けられた弾性部材と、
を含む半導体モジュール。

【請求項2】

前記弾性部材は、シリコーンを主成分として構成されている、
請求項１に記載の半導体モジュール。

【請求項3】

前記弾性部材は、前記放熱ベースの前記環状領域に、前記放熱領域を取り囲んで環状に連続的に形成されている、
請求項１に記載の半導体モジュール。

【請求項4】

環状に形成されている前記弾性部材に切断部分が形成されている、
請求項３に記載の半導体モジュール。

【請求項5】

前記弾性部材は、前記放熱ベースの前記環状領域に、前記放熱領域を取り囲んで環状に不連続に形成されている、
請求項１に記載の半導体モジュール。

【請求項6】

前記放熱ベースは平面視で矩形状を成し、
前記弾性部材は、前記放熱ベースの外周に沿って設けられた前記環状領域の四隅にそれぞれ形成されている、
請求項５に記載の半導体モジュール。

【請求項7】

前記放熱ベースは平面視で矩形状を成し、
前記弾性部材は、前記放熱ベースの外周に沿って設けられた前記環状領域に対して、前記放熱ベースの一対の長辺及び一対の短辺にそれぞれ平行に形成されている、
請求項５に記載の半導体モジュール。

【請求項8】

前記放熱ベースは平面視で矩形状を成し、
前記弾性部材は、前記放熱ベースの外周に沿って設けられた前記環状領域に対して、前記環状領域の隣り合う一対の角部と前記一対の角部の間の第１辺から前記放熱領域を挟んで対向する第２辺に沿ってそれぞれ形成されている、
請求項５に記載の半導体モジュール。

【請求項9】

前記弾性部材の前記放熱ベースの前記裏面からの高さは、前記放熱部材の前記放熱ベースの前記裏面からの高さと略等しい、または、前記放熱部材の前記放熱ベースの前記裏面からの高さよりも高い、
請求項１に記載の半導体モジュール。

【請求項10】

前記放熱部材は、前記放熱領域に行列状に複数設けられている、
請求項１に記載の半導体モジュール。

【請求項11】

半導体モジュールと冷却モジュールとを含み、
前記半導体モジュールは、
半導体チップと、
前記半導体チップが接合された配線板をおもて面に含む絶縁回路基板と、
前記絶縁回路基板がおもて面の基板領域に接合され、締結孔が平面視で前記基板領域を挟んで前記基板領域の外側に形成された放熱ベースと、
前記放熱ベースの裏面の、前記締結孔及び前記基板領域の反対側の放熱領域を取り囲む環状領域上に設けられた弾性部材と、
を含み、
前記冷却モジュールは、
前記放熱ベースの前記裏面に前記弾性部材を介して設けられ、前記締結孔を挿通する締結部材により前記放熱ベースが締結されることで、前記放熱ベースと共に前記弾性部材を挟む冷却面を備え、
前記放熱ベースの前記裏面と前記冷却面との間であって、前記弾性部材の内側に放熱部材が挟持されている、
電力変換装置。

【請求項12】

半導体チップと、前記半導体チップが接合された配線板をおもて面に含む絶縁回路基板と、前記絶縁回路基板がおもて面の基板領域に接合され、締結孔が平面視で前記基板領域を挟んで前記基板領域の外側に形成された放熱ベースと、前記放熱ベースの裏面の前記基板領域の反対側の放熱領域に設けられた相変化型の固形状の放熱部材と、前記放熱ベースの前記裏面の、前記締結孔及び前記放熱領域を取り囲む環状領域上に設けられた弾性部材と、を含む半導体モジュールと、冷却面を含む冷却モジュールとを用意する用意工程と、
前記放熱ベースの前記冷却面を、前記放熱ベースの前記裏面に前記弾性部材及び前記放熱部材を介して設け、前記締結孔を挿通する締結部材により締結する取り付け工程と、
前記放熱部材を溶融させる溶融工程と、
を含む電力変換装置の製造方法。

【請求項13】

前記溶融工程において、前記半導体チップを動作させて発熱させ、前記放熱部材を溶融させる、
請求項１２に記載の電力変換装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体モジュール、電力変換装置及び電力変換装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体モジュールは、パワーデバイスを含み、例えば、インバータを構成する。このような半導体モジュールが電力変換装置に含まれる。パワーデバイスは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。半導体モジュールは、パワーデバイスを含む半導体チップと絶縁回路基板と放熱ベースとが積層されて構成されている。

【0003】

このような電力変換装置に含まれる半導体モジュールは、放熱ベースの裏面にサーマルグリースを介して冷却モジュールが設けられる。冷却モジュールは、例えば、冷却フィン、冷媒による冷却装置が挙げられる。半導体モジュールの放熱ベースと冷却モジュールとがねじで螺合される。

【0004】

一方、事前に半導体モジュールの放熱ベースにサーマルグリースを塗布した状態で出荷し、出荷先で冷却モジュールを取り付けることが行われることがある。この場合、出荷のための輸送を伴うために、ペースト状のサーマルグリースでは周囲を汚してしまうおそれがある。そこで、サーマルグリースに代わり、フェイズチェンジサーマルグリースが用いられる。フェイズチェンジサーマルグリースは、常温では固相を維持し、加熱されるとペースト状に変位する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００６－３３２４７９号公報

【特許文献2】特開２０１３－２５１４７３号公報

【特許文献3】国際公開第２０１９／２３９９９７号

【特許文献4】特開２０２２－０７３４７８号公報

【特許文献5】特開２００９－２７７９７６号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】「富士時報」 Ｖｏｌ.８２ Ｎｏ．６ ２００９ Ｐ．６７－７１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記の電力変換装置に含まれる半導体モジュールでは、出荷先で冷却モジュールを取り付けてねじで螺合し、フェイズチェンジサーマルグリースをペースト状に変位させる。フェイズチェンジサーマルグリースが固相から液相に変位するに伴い、放熱ベースと冷却モジュールとの隙間が狭くなる。このため、放熱ベースとねじとに隙間が生じ、半導体モジュールと冷却モジュールとの締め付け強さが低下してしまうおそれがある。

【0008】

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、冷却モジュールとの締結の緩みが防止可能な半導体モジュール、電力変換装置及び電力変換装置の製造方法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】

【0009】

本発明の一観点によれば、半導体チップと、前記半導体チップが接合された配線板をおもて面に含む絶縁回路基板と、前記絶縁回路基板がおもて面の基板領域に接合され、締結部材が挿通される締結孔が平面視で前記基板領域を挟んで前記基板領域の外側に形成された放熱ベースと、前記放熱ベースの裏面の前記基板領域の反対側の放熱領域に設けられた相変化型の固形状の放熱部材と、前記放熱ベースの前記裏面の、前記締結孔及び前記放熱領域を取り囲む環状領域上に設けられた弾性部材と、を含む半導体モジュールが提供される。

【0010】

また、本発明の一観点によれば、半導体モジュールと冷却モジュールとを含み、前記半導体モジュールは、半導体チップと、前記半導体チップが接合された配線板をおもて面に含む絶縁回路基板と、前記絶縁回路基板がおもて面の基板領域に接合され、締結孔が平面視で前記基板領域を挟んで前記基板領域の外側に形成された放熱ベースと、前記放熱ベースの裏面の、前記締結孔及び前記基板領域の反対側の放熱領域を取り囲む環状領域上に設けられた弾性部材と、を含み、前記冷却モジュールは、前記放熱ベースの前記裏面に前記弾性部材を介して設けられ、前記締結孔を挿通する締結部材により前記放熱ベースが締結されることで、前記放熱ベースと共に前記弾性部材を挟む冷却面を備え、前記放熱ベースの前記裏面と前記冷却面との間であって、前記弾性部材の内側に放熱部材が挟持されている、電力変換装置が提供される。

【0011】

また、本発明の一観点によれば、半導体チップと、前記半導体チップが接合された配線板をおもて面に含む絶縁回路基板と、前記絶縁回路基板がおもて面の基板領域に接合され、締結孔が平面視で前記基板領域を挟んで前記基板領域の外側に形成された放熱ベースと、前記放熱ベースの裏面の前記基板領域の反対側の放熱領域に設けられた相変化型の固形状の放熱部材と、前記放熱ベースの前記裏面の、前記締結孔及び前記放熱領域を取り囲む環状領域上に設けられた弾性部材と、を含む半導体モジュールと、冷却面を含む冷却モジュールとを用意する用意工程と、前記放熱ベースの前記冷却面を、前記放熱ベースの前記裏面に前記弾性部材及び前記放熱部材を介して設け、前記締結孔を挿通する締結部材により締結する取り付け工程と、前記放熱部材を溶融させる溶融工程と、を含む電力変換装置の製造方法が提供される。

【発明の効果】

【0012】

開示の技術によれば、冷却モジュールとの締結の緩みが防止され、冷却性の低下が抑制され、半導体モジュール及び電力変換装置の信頼性の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１の実施の形態の電力変換システムの基本構成を示す図である。

【図2】第１の実施の形態の半導体モジュールの外観図である。

【図3】第１の実施の形態の半導体モジュールの側断面図である。

【図4】第１の実施の形態の半導体モジュールの平面図（ケース無し）である。

【図5】第１の実施の形態の半導体モジュールの平面図（ケース及び端子無し）である。

【図6】第１の実施の形態の半導体モジュールの裏面図である。

【図7】第１の実施の形態の半導体モジュールの機能を表す等価回路図である。

【図8】第１の実施の形態の電力変換装置の製造方法を示すフローチャートである。

【図9】第１の実施の形態の電力変換装置の製造方法に含まれる冷却モジュール取り付け工程を示す図である。

【図10】第１の実施の形態の電力変換装置の製造方法に含まれる溶融工程を示す図である。

【図11】参考例の電力変換装置の製造方法に含まれる冷却モジュール取り付け工程を示す図である。

【図12】参考例の電力装置の製造方法に含まれる溶融工程を示す図である。

【図13】第１の実施の形態（変形例）の半導体モジュールの裏面図である。

【図14】第２の実施の形態の半導体モジュールの裏面図である。

【図15】第３の実施の形態の半導体モジュールの裏面図である。

【図16】第４の実施の形態の半導体モジュールの裏面図である。

【図17】第４の実施の形態（変形例）の半導体モジュールの裏面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、「おもて面」及び「上面」とは、図の半導体モジュール１０において、上側（＋Ｚ方向）を向いたＸ－Ｙ面を表す。同様に、「上」とは、図の半導体モジュール１０において、上側（＋Ｚ方向）の方向を表す。「裏面」及び「下面」とは、図の半導体モジュール１０において、下側（－Ｚ方向）を向いたＸ－Ｙ面を表す。同様に、「下」とは、図の半導体モジュール１０において、下側（－Ｚ方向）の方向を表す。必要に応じて他の図面でも同様の方向性を意味する。「おもて面」、「上面」、「上」、「裏面」、「下面」、「下」、「側面」は、相対的な位置関係を特定する便宜的な表現に過ぎず、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、「上」及び「下」は、必ずしも地面に対する鉛直方向を意味しない。つまり、「上」及び「下」の方向は、重力方向に限定されない。また、以下の説明において「主成分」とは、８０ｖｏｌ％以上含む場合を表す。

【0015】

［第１の実施の形態］
電力変換システムの基本構成について、図１を用いて説明する。図１は、第１の実施の形態の電力変換システムの基本構成を示す図である。電力変換システム１は、電力変換装置２と電源３と負荷４とを含む。

【0016】

電力変換装置２は、電源３から供給される直流電力を負荷４に供給する交流電力に変換する。このような電力変換装置２は、電圧平滑部２ａとインバータ部２ｂと冷却部２ｃとを含む。電圧平滑部２ａは、電源３から供給される直流電圧を平滑する。電圧平滑部２ａは、このような機能を有する平滑回路を含んでよい。インバータ部２ｂは、電圧平滑部２ａにより平滑された直流電圧を、負荷４に印加する交流電圧に変換する。インバータ部２ｂは、このような機能を有するインバータ回路を含んでよい。インバータ部２ｂは、後に説明する半導体モジュール１０を含む。それ以外にインバータ部２ａは半導体モジュール１０を制御する制御駆動回路等を含む。なお、負荷４は、例えば、モータが挙げられる。冷却部２ｃは、電圧平滑部２ａ及びインバータ部２ｂを冷却する。冷却部２ｃは、例えば、冷却フィン、内部で冷媒の循環により冷却する冷却装置が挙げられる。冷却部２ｃは、後に説明する冷却モジュール９０に対応する。

【0017】

次に、電力変換装置２に含まれるインバータ部２ｂの半導体モジュール１０について、図２を用いて説明する。図２は、第１の実施の形態の半導体モジュールの外観図である。半導体モジュール１０は、後述する構成部品が、図２に示されるように、ケース６０に覆われている。なお、半導体モジュール１０の裏面（ケース６０の裏面側）には、平面視で矩形状の放熱ベース３０が設けられている（図３及び４を参照）。

【0018】

ケース６０は、蓋部６１と側壁部６２ａ～６２ｄと端子口６３，６４とを含んでいる。蓋部６１は、さらに、中心部に長手方向に沿って端子台６１ａ，６１ｂ，６１ｃが形成されている。端子台６１ａ，６１ｂ，６１ｃのおもて面にはねじ孔６１ａ１，６１ｂ１，６１ｃ１が形成されている。端子台６１ａ，６１ｂ，６１ｃは、第１～第３配線部材７１，７２，７４が上方に延伸している。なお、図２では、第１～第３配線部材７１，７２，７４が上方（＋Ｚ方向）に延伸している場合を示している。延伸している第１～第３配線部材７１，７２，７４は端子台６１ａ，６１ｂ，６１ｃのおもて面側に折り曲げられて、第１～第３配線部材７１，７２，７４に形成されている開口孔がねじ孔６１ａ１，６１ｂ１，６１ｃ１に対応して、それぞれの開口孔を通じて、ねじ孔６１ａ１，６１ｂ１，６１ｃ１がねじ留めされる。また、ケース６０は、放熱ベース３０の締結孔３１ａ～３１ｄの周囲を覆い、締結孔３１ａ～３１ｄに対向して開口されている固定孔６５を平面視で四隅にそれぞれ含んでいる。

【0019】

側壁部６２ａ～６２ｄは、放熱ベース３０の四方を順に囲んでいる。すなわち、側壁部６２ａ～６２ｄは放熱ベース３０上に配置された構成部品を囲む（図３を参照）。なお、側壁部６２ａ～６２ｄは放熱ベース３０に対して接着剤により固着される。端子口６３，６４は、側壁部６２ｄに設けられている。端子口６３，６４から制御端子７５，７６がそれぞれ表出されている。なお、側壁部６２ａ～６２ｄで囲まれる領域の角部近傍には固定孔６５がそれぞれ形成されている。半導体モジュール１０を後述する冷却モジュールに取り付ける際に固定孔６５を介してねじ留めすることができる。

【0020】

このようなケース６０に含まれる側壁部６２ａ～６２ｄと端子口６３，６４と固定孔６５とは、樹脂を用いて一体成形により形成されている。また、蓋部６１もまた、樹脂を用いて一体成形により形成されている。このような樹脂は、熱可塑性樹脂を主成分として構成されている。熱可塑性樹脂は、例えば、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンサクシネート樹脂、ポリアミド樹脂、または、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂である。ケース６０は、別途形成された蓋部６１が側壁部６２ａ～６２ｄの開口に接着剤により取り付けられてよい。

【0021】

次いで、半導体モジュール１０に収納されている構成部品について、図３～図６を用いて説明する。図３は、第１の実施の形態の半導体モジュールの側断面図である。図４は、第１の実施の形態の半導体モジュールの平面図（ケース無し）である。図５は、第１の実施の形態の半導体モジュールの平面図（ケース及び端子無し）である。図６は、第１の実施の形態の半導体モジュールの裏面図である。なお、図３は、図２の一点鎖線Ｙ－Ｙの断面図である。図４は、図２の半導体モジュール１０のケース６０を除いた平面図である。図５は、図２の半導体モジュール１０のケース６０及び第１～第３配線部材７１，７２，７４を除いた平面図である。

【0022】

図３～図５に示されるように、半導体モジュール１０は、絶縁回路基板２０ａ，２０ｂと、絶縁回路基板２０ａ，２０ｂがおもて面に設けられた放熱ベース３０と、を有している。半導体モジュール１０は、これらがケース６０で覆われている。絶縁回路基板２０ａ，２０ｂには、半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂがそれぞれ配置されている。また、半導体モジュール１０は、第１～第３配線部材７１，７２，７４を備えている。第１～第３配線部材７１，７２，７４は、例えば、板状のリードフレームである。

【0023】

ケース６０は、放熱ベース３０の周縁部に設けられている。このようなケース６０は、絶縁回路基板２０ａ，２０ｂを取り囲む側壁部６２ａ～６２ｄと、側壁部６２ａ～６２ｄの開口上部に設けられた蓋部６１と、を有している。ケース６０及び放熱ベース３０で取り囲まれる内部に、半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂ、絶縁回路基板２０ａ，２０ｂ（及びボンディングワイヤ５１ａ～５５ａ，５１ｂ～５６ｂ，５７～５９）が収納されている。さらに、半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂ、絶縁回路基板２０ａ，２０ｂ（及びボンディングワイヤ５１ａ～５５ａ，５１ｂ～５６ｂ，５７～５９）は、封止部材８０により封止されてよい。なお、封止部材８０は、例えば、シリコーンである。また、蓋部６１には、外部機器との電気接続を行う第１～第３配線部材７１，７２，７４の端部が表出している。なお、図３～図５では、図２に示す制御端子７５，７６は図示を省略している。

【0024】

第１～第３配線部材７１，７２，７４は、それぞれの一端部がケース６０の内部で絶縁回路基板２０ａまたは絶縁回路基板２０ｂに接続されている。また、それぞれの他端部が蓋部６１から外部に表出している。他端部は、図示しない電源３、負荷４に接続されていてよい。

【0025】

具体的には、第１配線部材７１の一端部は、絶縁回路基板２０ａの配線板２３ａ３，２３ａ５に電気的及び機械的に接続されている。第１配線部材７１の一端部は、配線板２３ａ３，２３ａ５及びボンディングワイヤ５３ａ，５４ａを介して、半導体チップ４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａと電気的に接続されている。第１配線部材７１の他端部（第１外部接続部７１ｄ）は、蓋部６１から表出されて、蓋部６１のおもて面に折り曲げられている。

【0026】

第２配線部材７２の一端部は、絶縁回路基板２０ｂの配線板２３ｂ２に電気的及び機械的に接続されている。第２配線部材７２の一端部は、配線板２３ｂ２を介して半導体チップ４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ，４４ｂと電気的に接続されている。第２配線部材７２の他端部（第２外部接続部７２ｄ）は、蓋部６１から表出されて、蓋部６１のおもて面に折り曲げられている。

【0027】

第３配線部材７４の一端部は、絶縁回路基板２０ａの配線板２３ａ２に電気的及び機械的に接続されている。第３配線部材７４の一端部は、配線板２３ａ２を介して半導体チップ４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａと電気的に接続されている。第３配線部材７４の他端部（第３外部接続部７４ｄ）は、蓋部６１から表出されて、蓋部６１のおもて面に折り曲げられている。

【0028】

また、配線ユニット７０は、上記の第１，第２配線部材７１，７２及び配線保持部７３を含む。配線ユニット７０は、第１，第２配線部材７１，７２の一部が配線保持部７３に一体成形されている。また、この際、第１，第２配線部材７１，７２の間は、配線保持部７３により絶縁性が保たれている。

【0029】

絶縁回路基板２０ａ，２０ｂは、絶縁板２１ａ，２１ｂと、絶縁板２１ａ，２１ｂの裏面に形成された金属板２２ａ，２２ｂと、絶縁板２１ａ，２１ｂのおもて面に形成された配線板２３ａ１～２３ａ５，２３ｂ１～２３ｂ５と、を有している。なお、絶縁板２１ａ，２１ｂ及び金属板２２ａ，２２ｂは、平面視で矩形状である。また、絶縁板２１ａ，２１ｂ及び金属板２２ａ，２２ｂは、角部がＲ面取り、Ｃ面取りされていてもよい。金属板２２ａ，２２ｂのサイズは、平面視で、絶縁板２１ａ，２１ｂのサイズより小さく、絶縁板２１ａ，２１ｂの内側に形成されている。

【0030】

絶縁板２１ａ，２１ｂは、熱伝導性のよいセラミックスを主成分として構成されている。当該セラミックスは、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、または、窒化珪素を主成分とする材料により構成されている。

【0031】

金属板２２ａ，２２ｂは、熱伝導性に優れた金属を主成分として構成されている。このような金属は、例えば、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの一種を含む合金である。金属板の表面に対して、耐食性を向上させるために、めっき処理を行ってもよい。この際、用いられるめっき材は、例えば、ニッケル、ニッケル－リン合金、ニッケル－ボロン合金が挙げられる。

【0032】

配線板２３ａ１～２３ａ５，２３ｂ１～２３ｂ５は、導電性に優れた金属を主成分として構成されている。このような金属は、例えば、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの一種を含む合金が挙げられる。配線板２３ａ１～２３ａ５，２３ｂ１～２３ｂ５の表面に対して、耐食性を向上させるために、めっき処理を行ってもよい。この際、用いられるめっき材は、例えば、ニッケル、ニッケル－リン合金、ニッケル－ボロン合金が挙げられる。

【0033】

このような配線板２３ａ１～２３ａ５，２３ｂ１～２３ｂ５は、例えば、絶縁板２１ａ，２１ｂのおもて面に金属層を形成し、この金属層に対してエッチング等の処理を行って得られる。または、あらかじめ金属層から切り出した配線板２３ａ１～２３ａ５，２３ｂ１～２３ｂ５を絶縁板２１ａ，２１ｂのおもて面に圧着させてもよい。なお、図３～図５に示す配線板２３ａ１～２３ａ５，２３ｂ１～２３ｂ５の形状、個数は一例である。

【0034】

このような構成を有する絶縁回路基板２０ａ，２０ｂとして、例えば、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板、ＡＭＢ（Active Metal Brazed）基板を用いてよい。絶縁回路基板２０ａ，２０ｂは、半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂで発生した熱を配線板２３ａ２，２３ｂ２、絶縁板２１ａ，２１ｂ及び金属板２２ａ，２２ｂを介して、外側に伝導させることができる。

【0035】

また、このような絶縁回路基板２０ａの配線板２３ａ３，２３ａ５には、第１配線部材７１の一端部（第１脚部７１ａ（図３を参照））がはんだ（図示を省略）を介して接続されている。絶縁回路基板２０ｂの配線板２３ｂ２には、第２配線部材７２の一端部（第２脚部７２ａ（図３を参照））がはんだ（図示を省略）を介して接続されている。絶縁回路基板２０ａの配線板２３ａ２には、第３配線部材７４の一端部（第３脚部７４ａ（図３を参照））がはんだ（図示を省略）を介して接続されている。はんだは、鉛フリーはんだが用いられる。鉛フリーはんだは、例えば、錫－銀－銅からなる合金、錫－亜鉛－ビスマスからなる合金、錫－銅からなる合金、錫－銀－インジウム－ビスマスからなる合金のうち少なくともいずれかの合金を主成分とする。さらに、はんだには、添加物が含まれてもよい。添加物は、例えば、ニッケル、ゲルマニウム、コバルト、アンチモンまたはシリコンである。はんだは、添加物が含まれることで、濡れ性、光沢、結合強度が向上し、信頼性の向上を図ることができる。なお、配線板２３ａ２，２３ａ３，２３ａ５，２３ｂ２に示されている四角は、第３，第１，第２配線部材７４，７１，７２の接合領域をそれぞれ表している。また、これらは、はんだに代わり、例えば、超音波接合により接合してもよい。

【0036】

半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂは、シリコンを主成分として構成されている。半導体チップ４１ａ，４２ａ，４１ｂ，４２ｂは、スイッチング素子である。スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴである。このような半導体チップ４１ａ，４２ａ，４１ｂ，４２ｂは、裏面に入力電極（主電極）としてドレイン電極またはコレクタ電極を備えている。また、半導体チップ４１ａ，４２ａ，４１ｂ，４２ｂは、おもて面に、制御電極としてゲート電極４１ａ１，４２ａ１，４１ｂ１，４２ｂ１及び出力電極（主電極）としてソース電極またはエミッタ電極をそれぞれ備えている。上記の半導体チップ４１ａ，４２ａ，４１ｂ，４２ｂは、その裏面側が配線板２３ａ２，２３ｂ２上に既述のはんだ（図示を省略）により接合されている。また、はんだに代わり、金属焼結体を用いてもよい。金属焼結体の材料は、銀または銀合金を主成分とする。また、このようなはんだ及び金属焼結体は、半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂと配線板２３ａ２，２３ｂ２との接合に限らず、第１～第３配線部材７１，７２，７４の配線板２３ａ３，２３ａ５，２３ｂ２，２３ａ２に対する接合にも用いてもよい。

【0037】

半導体チップ４３ａ，４４ａ，４３ｂ，４４ｂは、ダイオード素子である。ダイオード素子は、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）である。このようなダイオード素子は、例えば、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）、ＰＮ接合ダイオードを含んでいる。このような半導体チップ４３ａ，４４ａ，４３ｂ，４４ｂは、裏面に出力電極（主電極）としてカソード電極を、おもて面に入力電極（主電極）として、アノード電極をそれぞれ備えている。上記の半導体チップ４３ａ，４４ａ，４３ｂ，４４ｂは、その裏面側が配線板２３ａ２，２３ｂ３上にはんだ（図示を省略）により接合されている。

【0038】

なお、半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂは、スイッチング素子とダイオード素子を一つの半導体チップとしたＲＣ（Reverse Conductive）－ＩＧＢＴ素子であってもよい。または、半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂに代わり、炭化シリコンを主成分とするパワーＭＯＳＦＥＴである半導体チップを用いてよい。この半導体チップは、パワーＭＯＳＦＥＴと共にＦＷＤを備えている。

【0039】

このような絶縁回路基板２０ａ，２０ｂ及び半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂに対して以下のようなボンディングワイヤ５１ａ～５５ａ，５１ｂ～５６ｂ，５７～５９が配線されている。

【0040】

制御用配線であるボンディングワイヤ５１ａ，５２ａは、配線板２３ａ１と半導体チップ４１ａ，４２ａのゲート電極４１ａ１，４２ａ１とにそれぞれ電気的に接続している。ボンディングワイヤ５３ａ，５４ａは、配線板２３ａ３，２３ａ５と半導体チップ４１ａ，４２ａの主電極と半導体チップ４３ａ，４４ａの主電極をそれぞれ電気的に接続している。

【0041】

制御用配線であるボンディングワイヤ５１ｂ，５２ｂは、配線板２３ｂ１と半導体チップ４１ｂ，４２ｂのゲート電極４１ｂ１，４２ｂ１にそれぞれ電気的に接続している。ボンディングワイヤ５３ｂ，５４ｂは、配線板２３ｂ５，２３ｂ３と半導体チップ４１ｂ，４２ｂの主電極と半導体チップ４３ｂ，４４ｂの主電極をそれぞれ電気的に接続している。ボンディングワイヤ５５ｂ，５６ｂは、配線板２３ｂ４と半導体チップ４１ｂ，４２ｂの主電極と半導体チップ４３ｂ，４４ｂの主電極をそれぞれ電気的に接続している。

【0042】

そして、ボンディングワイヤ５７，５８は、絶縁回路基板２０ａの配線板２３ａ２と絶縁回路基板２０ｂの配線板２３ｂ３，２３ｂ５とをそれぞれ電気的に接続している。ボンディングワイヤ５９は、絶縁回路基板２０ａの配線板２３ａ４と絶縁回路基板２０ｂの配線板２３ｂ４とを電気的に接続している。

【0043】

なお、ボンディングワイヤ５１ａ～５５ａ，５１ｂ～５６ｂ，５７～５９は、導電性に優れたアルミニウム、銅の金属、または、少なくともこれらの一種を含む合金により構成されている。

【0044】

配線ユニット７０は、図３に示されるように、上記の第１，第２配線部材７１，７２と第１，第２配線部材７１，７２を包含して保持する配線保持部７３とを有している。第１，第２配線部材７１，７２は、板状のリードフレームである。配線保持部７３は、絶縁性を有する樹脂であり、例えば、熱可塑性樹脂により構成されている。このような樹脂は、例えば、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンサクシネート樹脂、ポリアミド樹脂、または、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂である。また、このような樹脂に、絶縁性のセラミックスフィラーが添加されていてもよい。このようなセラミックスフィラーは、例えば、酸化物、窒化物、炭化物である。この具体例としては、シリコン、アルミニウム、ボロンが挙げられる。

【0045】

第１配線部材７１は、第１脚部７１ａと第１垂直部７１ｂと第１外部接続部７１ｄとを含む。第１配線部材７１の第１脚部７１ａの一端部は、絶縁回路基板２０ａの配線板２３ａ３，２３ａ５上に接合されている。第１垂直部７１ｂは第１脚部７１ａの他端部に接続されて鉛直上方（＋Ｚ方向）に延伸している。第１外部接続部７１ｄは第１垂直部７１ｂに接続されて、蓋部６１から外部に表出して蓋部６１のおもて面に折れ曲がっている。配線板２３ａ３，２３ａ５は、ボンディングワイヤ５３ａ，５４ａを経由して半導体チップ４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａのおもて面の主電極に接合されている。そのため、第１配線部材７１は、半導体チップ４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａのおもて面の主電極と電気的に接続され、主電流が流れる。

【0046】

また、第２配線部材７２は、第２脚部７２ａと第２垂直部７２ｂと第２水平部７２ｃと第２外部接続部７２ｄとを含む。第２配線部材７２の第２脚部７２ａの一端部は、絶縁回路基板２０ｂの配線板２３ｂ２上に接合されている。第２垂直部７２ｂは第２脚部７２ａの他端部に接続されて鉛直上方（＋Ｚ方向）に延伸している。第２水平部７２ｃは第２垂直部７２ｂから＋Ｘ方向に延伸している。第２外部接続部７２ｄは第２水平部７２ｃに接続されて、蓋部６１から外部に表出して蓋部６１のおもて面に折れ曲がっている。配線板２３ｂ２は、半導体チップ４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ，４４ｂの裏面の主電極と電気的に接続されている。そのため、第２配線部材７２は、半導体チップ４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ，４４ｂの裏面の主電極と電気的に接続され、主電流が流れる。

【0047】

また、第３配線部材７４もまた、板状のリードフレームである。このような第３配線部材７４は、第３脚部７４ａと第３水平部７４ｃと第３外部接続部７４ｄとを含む。第３配線部材７４の第３脚部７４ａの一端部は、絶縁回路基板２０ａの配線板２３ａ２上に接合されている。第３水平部７４ｃは第３脚部７４ａの他端部に接続されて＋Ｘ方向に延伸している。第３外部接続部７４ｄは第３水平部７４ｃに接続されて、蓋部６１から外部に表出して蓋部６１のおもて面に折れ曲がっている。配線板２３ａ２は、半導体チップ４１ａ～４４ａの裏面の主電極と電気的に接続されている。そのため、第３配線部材７４は、半導体チップ４１ａ～４４ａの裏面の主電極と電気的に接続され、主電流が流れる。

【0048】

なお、詳細な図示を省略するものの、制御端子７５，７６は、配線板２３ａ１，２３ｂ１にそれぞれ電気的に接続されている。外部から入力された制御信号は、制御端子７５，７６、配線板２３ａ１，２３ｂ１、ボンディングワイヤ５１ａ，５２ａ，５１ｂ，５２ｂを経由して、半導体チップ４１ａ，４２ａ，４１ｂ，４２ｂのゲート電極４１ａ１，４２ａ１，４１ｂ１，４２ｂ１に入力される。

【0049】

第１～第３配線部材７１，７２，７４及び制御端子７５，７６は、導電性に優れた金属を主成分として構成されている。このような金属は、例えば、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、または、少なくともこれらの一種を含む合金が挙げられる。第１～第３配線部材７１，７２，７４の表面に対しても、耐食性を向上させるために、めっき処理を行ってもよい。この際、用いられるめっき材は、例えば、ニッケル、ニッケル－リン合金、ニッケル－ボロン合金が挙げられる。また、第１～第３配線部材７１，７２，７４と配線板２３ａ３，２３ａ５，２３ｂ２，２３ａ２との接合は、半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂの接合と同様にはんだ並びに金属焼結体が用いられる。また、第１～第３配線部材７１，７２，７４と配線板２３ａ３，２３ａ５，２３ｂ２，２３ａ２との接合は、超音波、レーザを用いて直接接合してもよい。

【0050】

放熱ベース３０は、板状であって、平面視で、矩形状を成している。放熱ベース３０は、おもて面３２ａ及び裏面３２ｂの四方を長辺３０ａ、短辺３０ｂ、長辺３０ｃ、短辺３０ｄにより順に囲まれている。放熱ベース３０は、おもて面３２ａの中央部に絶縁回路基板２０ａ，２０ｂが配置される基板領域３２ａ１が設定されている。放熱ベース３０は、各角部に平面視で基板領域３２ａ１を挟んで、おもて面３２ａ及び裏面３２ｂを貫通する締結孔３１ａ～３１ｄが順に形成されている。例えば、締結孔３１ａ，３１ｃは、対角線上に基板領域３２ａ１を挟んでいる。

【0051】

このような放熱ベース３０は、熱伝導性に優れた金属を主成分として構成されている。このような金属は、例えば、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの一種を含む合金である。金属板の表面に対して、耐食性を向上させるために、めっき処理を行ってもよい。この際、用いられるめっき材は、例えば、ニッケル、ニッケル－リン合金、ニッケル－ボロン合金が挙げられる。

【0052】

また、放熱ベース３０の裏面３２ｂの中央部に放熱領域３２ｂ１が設定されている。放熱領域３２ｂ１は、おもて面３２ａの絶縁回路基板２０ａ，２０ｂが配置されている基板領域３２ａ１の裏面に設定されている。このような放熱領域３２ｂ１には、相変化型の固形状の放熱部材３３が複数設けられている。放熱部材３３は、フェイズチェンジサーマルグリースである。すなわち、放熱部材３３は、固形状を成しており、加熱されると溶融してペースト状に変化する相変化材料で構成されている。このような材料は、例えば、熱可塑性樹脂を主成分として、バインダーとして相転移材料が添加されている。熱可塑性樹脂は、例えば、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンサクシネート樹脂、ポリアミド樹脂、または、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂である。放熱部材３３は、常温時には固体を成しており、４０℃以上、６０℃以下で軟化する（ペースト状となる）。図６の場合には、固形状の放熱部材３３が平面視で円形のタブレット状を成し、放熱領域３２ｂ１に対して縦横に複数設けられて行列状に配置されている。なお、図６の放熱部材３３の配置は一例である。放熱部材３３の平面視の形状は、円形に限らず、例えば、矩形状、三角形状であってよい。または、放熱部材３３は、放熱領域３２ｂ１の角部には、三角形状のものを配置し、内側には円形状のものといった配置をしてもよい。

【0053】

また、放熱ベース３０の裏面３２ｂに環状領域３２ｂ２が設定されている。環状領域３２ｂ２は、締結孔３１ａ～３１ｄ及び放熱領域３２ｂ１を取り囲む領域である。環状領域３２ｂ２は、図６の場合、放熱ベース３０の裏面３２ｂの外周部に対応し、長辺３０ａ、短辺３０ｂ、長辺３０ｃ、短辺３０ｄにそれぞれ平行な領域を含み、角部がＲ形状を成している。放熱ベース３０の環状領域３２ｂ２には、弾性部材３４が設けられている。弾性部材３４は、放熱性を有する低硬度の材料を主成分とする。このような材料は、例えば、シリコーンである。弾性部材３４の放熱ベース３０の裏面３２ｂからの高さは、放熱部材３３と略等しい、または、放熱部材３３よりも高くてよい。また、このように弾性部材３４が設けられる環状領域３２ｂ２の幅は、後述するように放熱ベース３０の裏面３２ｂと冷却モジュール９０の冷却面９１とに弾性部材３４が挟持されても、弾性部材３４が崩れずに維持される長さであればよい。

【0054】

また、図６の場合、弾性部材３４は、環状領域３２ｂ２の四隅にそれぞれ設けられている。弾性部材３４は、平面視で、Ｌ字状を成している。図６の弾性部材３４は、後述するように放熱ベース３０の裏面３２ｂと冷却モジュール９０の冷却面９１との隙間を安定して維持するために、例えば、少なくとも、締結孔３１ａの長辺３０ａ及び短辺３０ｂに最も接近する箇所まで延伸して形成されている。他の弾性部材３４も同様である。

【0055】

次に、半導体モジュール１０に含まれる機能を表す等価回路について、図７を用いて説明する。図７は、第１の実施の形態の半導体モジュールの機能を表す等価回路図である。半導体モジュール１０は、図７に示されるように、上アーム部Ａ及び下アーム部Ｂを含むハーフブリッジ回路を構成する。半導体モジュール１０の上アーム部Ａは、絶縁回路基板２０ｂ及び絶縁回路基板２０ｂ上に配置されたボンディングワイヤ５１ｂ～５６ｂ、半導体チップ４１ｂ～４４ｂ、第２配線部材７２を含む。上アーム部Ａは、さらに、ボンディングワイヤ５７～５９、絶縁回路基板２０ａの配線板２３ａ２及び配線板２３ａ２上に配置された第３配線部材７４を含む。

【0056】

半導体モジュール１０の下アーム部Ｂは、絶縁回路基板２０ａ及び絶縁回路基板２０ａ上に配置されたボンディングワイヤ５１ａ～５６ａ、半導体チップ４１ａ～４４ａ、第１配線部材７２を含む。下アーム部Ｂは、さらに、第３配線部材７４を含む。そして、２つの絶縁回路基板２０ａ，２０ｂ間は、ボンディングワイヤ５７～５９により接続されている。これにより、上アーム部Ａと下アーム部Ｂとが接続される。こうすることで、半導体モジュール１０は、上アーム部Ａ及び下アーム部Ｂを含むハーフブリッジ回路として機能する。

【0057】

この場合の半導体モジュール１０では、電源３（図１を参照）の正極に接続される接続点Ｐと半導体チップ４１ｂ，４２ｂの入力電極側の接続点Ｃ１とを繋ぐ配線が、第２配線部材７２に対応する。つまり、第２配線部材７２は、ハーフブリッジ回路で正極側の入力端子を構成するＰ端子である。負荷４（図１を参照）の端子に接続される接続点Ｍと半導体チップ４１ｂ，４２ｂの出力電極側及び半導体チップ４１ａ，４２ａの入力電極側の接続点Ｅ１Ｃ２とを繋ぐ配線が、第３配線部材７４に対応する。つまり、第３配線部材７４は、ハーフブリッジ回路で出力端子を構成するＭ端子である。電源３の負極に接続される接続点Ｎと半導体チップ４１ａ，４２ａの出力電極側の接続点Ｅ２とを繋ぐ配線が、第１配線部材７１に対応する。つまり、第１配線部材７１は、ハーフブリッジ回路で負極側の入力端子を構成するＮ端子である。

【0058】

次に、このような半導体モジュール１０を含む電力変換装置２の製造方法について図８を用いて説明する。図８は、第１の実施の形態の電力変換装置の製造方法を示すフローチャートである。図９は、第１の実施の形態の電力変換装置の製造方法に含まれる冷却モジュール取り付け工程を示す図である。図１０は、第１の実施の形態の電力変換装置の製造方法に含まれる溶融工程を示す図である。

【0059】

まず、半導体モジュール１０を製造する半導体モジュール製造工程を行う（ステップＳ１）。電力変換装置２の含まれる半導体モジュール１０を製造するに当たり、まず、半導体モジュール１０を構成する部品を用意する用意工程を行う（ステップＳ１ａ）。このような構成は、例えば、半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂ、絶縁回路基板２０ａ，２０ｂ、放熱ベース３０、配線ユニット７０、第３配線部材７４、ケース６０、放熱部材３３及び弾性部材３４の原料が挙げられる。これらの部品以外にも、半導体モジュール１０の製造に必要な部品並びに製造装置が用意される。

【0060】

次いで、半導体モジュール１０を組み立てる組み立て工程を行う（ステップＳ１ｂ）。放熱ベース３０のおもて面３２ａの基板領域３２ａ１にはんだ板を介して絶縁回路基板２０ａ，２０ｂを配置する。絶縁回路基板２０ａの配線板２３ａ２及び絶縁回路基板２０ｂの配線板２３ｂ２に半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂをはんだ板を介して配置する。そして、加熱してはんだ板から溶融されたはんだを固化することで、放熱ベース３０、絶縁回路基板２０ａ，２０ｂ、半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂを順にそれぞれ接合させる。ボンディングワイヤ５１ａ～５５ａ，５１ｂ～５６ｂ，５７，５８，５９により図５に示されるように配線を行う。また、第１～第３配線部材７１，７２，７４を絶縁回路基板２０ａ，２０ｂの所定箇所に接合する。そして、ケース６０を放熱ベース３０の外周部に接着剤により取り付ける。なお、ケース６０内には、封止部材８０を充填する。

【0061】

次いで、このような半導体モジュール１０の放熱ベース３０の裏面３２ｂに複数の放熱部材３３を塗布する放熱部材配置工程を行う（ステップＳ１ｃ）。放熱ベース３０の裏面３２ｂの放熱領域３２ｂ１に、固形状の複数の放熱部材３３を配置する。この際の配置方法は、例えば、ディスペンス、または、印刷が用いられる。

【0062】

次いで、放熱ベース３０の裏面３２ｂの環状領域３２ｂ２に弾性部材３４を塗布する弾性部材塗布工程を行う（ステップＳ１ｄ）。放熱ベース３０の裏面３２ｂの環状領域３２ｂ２の角部にディスペンサにより弾性部材３４を塗布する。以上により、図２～図６に示した半導体モジュール１０が製造される。

【0063】

このようにして製造された半導体モジュール１０は、例えば、電力変換装置２として別途組み立てられるところに出荷されてよい。出荷のため、移送される半導体モジュール１０の放熱部材３３は、ペースト状ではなく、固形状を成しているため、放熱部材３３が周囲に付着することがない。このため、周辺を汚すことなく、また、放熱部材３３の分量が減少することなく、確実に半導体モジュール１０を移送することができる。なお、ステップＳ１ｃとステップＳ１ｄの順番は同時または互いに逆でもよい。

【0064】

次いで、このようにして製造された半導体モジュール１０を冷却モジュールに取り付ける冷却モジュール取り付け工程を行う（ステップＳ２）。ここでは、冷却モジュール９０の冷却面９１に半導体モジュール１０を配置する。この際、冷却モジュール９０の締結孔（図示を省略）に半導体モジュール１０の締結孔３１ａ～３１ｄを位置合わせして配置する。なお、冷却モジュール９０は、例えば、冷却フィン、冷媒の循環により冷却する冷却装置であってよい。第１の実施の形態の冷却モジュール９０は冷却フィンである場合を例に挙げている。冷却モジュール９０の冷却面９１は略平坦であってよい。

【0065】

半導体モジュール１０の締結孔３１ａ～３１ｄにねじ３５をそれぞれ取り付けて、ねじ３５を冷却モジュール９０の締結孔に螺合する。すると、図９に示されるように、ねじ３５の螺合により、放熱部材３３が放熱ベース３０の裏面３２ｂと冷却モジュール９０の冷却面９１とにより挟持される。さらに、弾性部材３４が放熱ベース３０の裏面３２ｂと冷却モジュール９０の冷却面９１とにより挟持される。このようにして、半導体モジュール１０に冷却モジュール９０が取り付けられて電力変換装置２が構成される。

【0066】

次いで、放熱部材３３を溶融する溶融工程を行う（ステップＳ３）。放熱部材３３は加熱されると固形状からペースト状（液体状）に変化する。この際の加熱は、例えば、ステップＳ２で構成された電力変換装置２の半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂに制御信号を入力して動作させる。半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂは通電すると加熱する。半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂからの発熱が放熱ベース３０から放熱部材３３に伝導して、放熱部材３３が溶融する。この際、図１０に示されるように、放熱部材３３は溶融するものの、冷却モジュール９０の冷却面９１と放熱ベース３０の裏面３２ｂとの隙間は弾性部材３４により維持される。このため、当該隙間が狭まることなく、当該隙間に溶融した放熱部材３３が広がる。

【0067】

ここで、参考例として、半導体モジュール１０の放熱ベース３０の裏面３２ｄに弾性部材３４を設けない場合について、図１１及び図１２を用いて説明する。図１１は、参考例の電力変換装置の製造方法に含まれる冷却モジュール取り付け工程を示す図である。図１２は、参考例の電力装置の製造方法に含まれる溶融工程を示す図である。

【0068】

参考例の場合も、図８に示したフローチャートに沿って半導体モジュール１００が製造され、電力変換装置２が製造される。但し、参考例の半導体モジュール１００では、放熱ベース３０の裏面３２ｂに放熱部材３３のみを設け、弾性部材３４は設けていない。それ以外の構成については、半導体モジュール１０と同様である。

【0069】

このような半導体モジュール１００を冷却モジュール９０に取り付ける冷却モジュール取り付け工程を行う（ステップＳ２）。冷却モジュール９０の冷却面９１に半導体モジュール１００を配置する。この際、冷却モジュール９０の締結孔（図示を省略）に半導体モジュール１００の締結孔３１ａ～３１ｄを位置合わせして配置する。そして、半導体モジュール１００の締結孔３１ａ～３１ｄを挿通させたねじ３５を冷却モジュール９０の締結孔に螺合する。すると、図１１に示されるように、ねじ３５の螺合により、放熱部材３３が放熱ベース３０の裏面３２ｂと冷却モジュール９０の冷却面９１とにより挟持される。このようにして、半導体モジュール１００に冷却モジュール９０が取り付けられて電力変換装置２が構成される。

【0070】

次いで、放熱部材３３を溶融する溶融工程を行う（ステップＳ３）。この際の溶融のための加熱は、第１の実施の形態の場合と同様である。放熱部材３３が溶融すると、図１２に示されるように、溶融された放熱部材３３は冷却モジュール９０の冷却面９１と放熱ベース３０の裏面３２ｂとに挟持されて厚さが薄くなる。また、溶融された放熱部材３３が冷却モジュール９０の冷却面９１上に広がる。これにより、放熱ベース３０のおもて面３２ａとねじ３５との間に隙間Ｇが生じてしまう。したがって、ねじ３５による半導体モジュール１００の冷却モジュール９０に対する締め付け強さが低下してしまう。これは、半導体モジュール１００の放熱性の低下に繋がり、電力変換装置２の信頼性が低下してしまうおそれがある。

【0071】

上記の半導体モジュール１０は、半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂと、半導体チップ４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂが接合された配線板２３ａ２，２３ｂ２をおもて面に含む絶縁回路基板２０ａ，２０ｂと、絶縁回路基板２０ａ，２０ｂがおもて面３２ａの基板領域３２ａ１に接合され、ねじ３５が挿通される締結孔３１ａ～３１ｄが平面視で基板領域３２ａ１を挟んで基板領域３２ａ１の外側に形成された放熱ベース３０と、を含む。さらに、放熱ベース３０の裏面３２ｂの基板領域３２ａ１の反対側の放熱領域３２ｂ１に設けられた相変化型の固形状の放熱部材３３と、放熱ベース３０の裏面３２ｂの、締結孔３１ａ～３１ｄ及び放熱領域３２ｂ１を取り囲む環状領域３２ｂ２上に設けられた弾性部材３４と、を含む。

【0072】

このような半導体モジュール１０を冷却モジュール９０に配置してねじ３５を螺合して取り付ける。この際の冷却モジュール９０は、冷却面９１を備える。冷却面９１は、放熱ベース３０の裏面３２ｂに弾性部材３４を介して設けられ、締結孔３１ａ～３１ｄを挿通するねじ３５により放熱ベース３０が締結されることで、放熱ベース３０と共に弾性部材３４を挟む。放熱ベース３０の裏面３２ｂと冷却面９１との間であって、弾性部材３４の内側に放熱部材３３が挟持されている。

【0073】

この場合、放熱部材３３が溶融しても、弾性部材３４により放熱ベース３０と冷却モジュール９０との隙間が維持される。このため、放熱ベース３０とねじ３５との間に隙間が生じず、ねじ３５による半導体モジュール１０の冷却モジュール９０に対する締め付け強さの低下が防止される。また、放熱ベース３０と冷却モジュール９０との隙間が維持されるため、溶融された放熱部材３３は当該隙間に十分に広がる。このため、半導体モジュール１０の放熱性の低下が抑制され、電力変換装置２の信頼性の低下が防止される。

【0074】

なお、上記では、半導体モジュール１０の放熱ベース３０の四隅に締結孔３１ａ～３１ｄがそれぞれ形成されている場合を例に挙げて説明している。締結孔３１ａ～３１ｄは、半導体モジュール１０の放熱ベース３０の四隅に限らない。例えば、締結孔は、半導体モジュール１０の放熱ベース３０の短辺３０ｂ，３０ｄの中央部に形成してもよい。この場合について、図１３を用いて説明する。図１３は、第１の実施の形態（変形例）の半導体モジュールの裏面図である。

【0075】

図１３の半導体モジュール１０の放熱ベース３０の短辺３０ｂ，３０ｄの中央部に締結孔３１ｅ，３１ｆが形成されている。なお、図示は省略するものの、冷却モジュール９０もまた締結孔３１ｅ，３１ｆに対向するように締結孔が形成されている。また、締結孔３１ｅ，３１ｆは平面視で基板領域３２ａ１（その反対側の放熱領域３２ｂ１）を挟んで放熱ベース３０に形成されている。

【0076】

この場合の環状領域３２ｂ２もまた、放熱ベース３０の裏面３２ｂの締結孔３１ｅ，３１ｆ及び放熱領域３２ｂ１を取り囲んでいればよい。環状領域３２ｂ２は、図１３の場合には、図６の場合と同様に、放熱ベース３０の裏面３２ｂの外周部に対応し、長辺３０ａ、短辺３０ｂ、長辺３０ｃ、短辺３０ｄにそれぞれ平行な領域を含み、角部がＲ形状を成している。

【0077】

このような場合でも、放熱ベース３０の環状領域３２ｂ２に設けられた弾性部材３４により、放熱部材３３を溶融しても、弾性部材３４により放熱ベース３０と冷却モジュール９０との隙間が維持される。このため、放熱ベース３０とねじ３５との間に隙間が生じず、ねじ３５による半導体モジュール１０の冷却モジュール９０に対する締め付け強さの低下が防止される。また、放熱ベース３０と冷却モジュール９０との隙間が維持されるため、溶融された放熱部材３３は当該隙間に十分に広がる。このため、半導体モジュール１０の放熱性の低下が抑制され、電力変換装置２の信頼性の低下が防止される。

【0078】

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態以降では、放熱ベース３０の環状領域３２ｂ２に形成される弾性部材３４の様々な形態について説明する。なお、第２の実施の形態以降の弾性部材３４の様々な形態は、図６の場合に限らず、図１３の場合にも適用可能である。

【0079】

まず、第２の実施の形態では、弾性部材３４を放熱ベース３０の各辺に沿って設けた場合について図１４を用いて説明する。図１４は、第２の実施の形態の半導体モジュールの裏面図である。

【0080】

半導体モジュール１０ａでは、弾性部材３４は、放熱ベース３０の環状領域３２ｂ２の長辺３０ａ、短辺３０ｂ、長辺３０ｃ、短辺３０ｄに平行な領域の中心部を含んでそれぞれ設けられている。

【0081】

このように弾性部材３４が設けられることで、半導体モジュール１０ａを冷却モジュール９０に配置してねじ３５で螺合して取り付けて、放熱部材３３を溶融しても、弾性部材３４により放熱ベース３０と冷却モジュール９０との隙間が維持される。このため、ねじ３５による半導体モジュール１０ａの冷却モジュール９０に対する締め付け強さの低下が防止される。また、放熱ベース３０と冷却モジュール９０との隙間が維持されるため、溶融された放熱部材３３は当該隙間に十分に広がる。このため、半導体モジュール１０ａの放熱性の低下が抑制され、電力変換装置２の信頼性の低下が防止される。

【0082】

この場合の弾性部材３４は、放熱ベース３０と冷却モジュール９０との隙間が維持される長さであればよい。なお、この際の弾性部材３４の長さとは、環状領域３２ｂ２の長辺３０ａ，３０ｃに平行な領域に形成される場合には、Ｘ方向の長さである。環状領域３２ｂ２の短辺３０ｂ，３０ｄに平行な領域に形成される場合には、Ｙ方向の長さである。弾性部材３４が短すぎると放熱ベース３０を支持できずに、放熱ベース３０と冷却モジュール９０との隙間を維持できなくなるおそれがある。

【0083】

［第３の実施の形態］
第３の実施の形態について、図１５を用いて説明する。図１５は、第３の実施の形態の半導体モジュールの裏面図である。半導体モジュール１０ｂでは、弾性部材３４は、放熱ベース３０の環状領域３２ｂ２の短辺３０ｄの両側の角部領域と短辺３０ｄに対向する短辺３０ｂの中央を含む領域との三か所にそれぞれ設けられている。

【0084】

このように弾性部材３４が設けられることで、半導体モジュール１０ｂを冷却モジュール９０に配置してねじ３５で螺合して取り付けて、放熱部材３３を溶融しても、弾性部材３４により放熱ベース３０と冷却モジュール９０との隙間が維持される。このため、ねじ３５による半導体モジュール１０ｂの冷却モジュール９０に対する締め付け強さの低下が防止される。また、放熱ベース３０と冷却モジュール９０との隙間が維持されるため、溶融された放熱部材３３は当該隙間に十分に広がる。このため、半導体モジュール１０ｂの放熱性の低下が抑制され、電力変換装置２の信頼性の低下が防止される。

【0085】

この場合の弾性部材３４もまた、第２の実施の形態と同様に、放熱ベース３０と冷却モジュール９０との隙間が維持される長さであればよい。弾性部材３４が短すぎると放熱ベース３０の裏面３２ｂと冷却モジュール９０の冷却面９１とに挟持されると崩れてしまうおそれがある。

【0086】

第２，第３の実施の形態を踏まえると、放熱ベース３０と冷却モジュール９０との隙間が維持されるように環状領域３２ｂ２に弾性部材３４が環状に不連続に、適切な長さで設けられればよい。第２，第３の実施の形態の弾性部材３４の配置箇所、個数、並びに、弾性部材３４の長さは一例である。

【0087】

例えば、図１４において、弾性部材３４を、放熱ベース３０の環状領域３２ｂ２の長辺３０ａ、短辺３０ｂ、長辺３０ｃ、短辺３０ｄに平行な領域にそれぞれ複数配置してもよい。それぞれの弾性部材３４の長さが異なっていてもよい。または、長めの弾性部材３４を、放熱ベース３０の環状領域３２ｂ２の長辺３０ａ，３０ｃ（または、短辺３０ｂ，３０ｄ）に平行な領域のみにそれぞれ配置してもよい。

【0088】

また、弾性部材３４は、図１５の場合以外でも、放熱ベース３０の環状領域３２ｂ２の隣り合う一対の角部と一対の角部の間の長辺３０ａ，３０ｃ、短辺３０ｂのいずれかの放熱領域３２ｂ１を挟んで対向するに長辺３０ｃ，３０ａ、短辺３０ｄに沿ってそれぞれ３か所に形成されてよい。または、図１５において、弾性部材３４は、必ずしも、角部に形成しなくてもよい。例えば、弾性部材３４を長辺３０ａに平行な環状領域３２ｂ２の両端部、長辺３０ｃに平行な環状領域３２ｂ２の中央部にそれぞれ形成してもよい。

【0089】

［第４の実施の形態］
第４の実施の形態について、図１６及び図１７を用いて説明する。図１６は、第４の実施の形態の半導体モジュールの裏面図である。図１７は、第４の実施の形態（変形例）の半導体モジュールの裏面図である。半導体モジュール１０ｃでは、弾性部材３４は、放熱ベース３０の環状領域３２ｂ２に沿って連続して環状に設けられている。

【0090】

このように弾性部材３４が設けられることで、半導体モジュール１０ｃを冷却モジュール９０に配置してねじ３５で螺合して取り付けて、放熱部材３３を溶融しても、弾性部材３４により放熱ベース３０と冷却モジュール９０との隙間が維持される。このため、ねじ３５による半導体モジュール１０ｃの冷却モジュール９０に対する締め付け強さの低下が防止される。また、放熱ベース３０と冷却モジュール９０との隙間が維持されると共に、この隙間の周りが弾性部材３４により囲まれるため、溶融された放熱部材３３は当該隙間に十分に広がりつつ、当該隙間から外側に広がることがない。このため、半導体モジュール１０ｃの周囲を汚すことがなく、放熱部材３３の体積が減少することもない。そして、半導体モジュール１０ｃの放熱性の低下が抑制され、電力変換装置２の信頼性の低下が防止される。

【0091】

このように溶融した放熱部材３３は放熱ベース３０と冷却モジュール９０と弾性部材３４との間に閉じられることになる。溶融した放熱部材３３は、加熱され続けると発泡しガスを出すことがある。放熱部材３３が放熱ベース３０と冷却モジュール９０と弾性部材３４との間に閉じられていると、ガスが内部に溜まり、暴発してしまうおそれがある。そこで、図１７に示されるように、放熱ベース３０の弾性部材３４に切断部分３４ａが複数形成されている。切断部分３４ａは、弾性部材３４の内側から外側に通じている。このため、放熱ベース３０と冷却モジュール９０と弾性部材３４との間に閉じられた放熱部材３３から放出されたガスは切断部分３４ａから弾性部材３４の外側に出力される。したがって、放熱ベース３０と冷却モジュール９０と弾性部材３４との間にガスは溜まらず、暴発が防止される。切断部分３４ａは、ガスが放出されればよく、必ずしも、図１７のような位地、幅でなくてもよい。

【符号の説明】

【0092】

１ 電力変換システム
２ 電力変換装置
２ａ 電圧平滑部
２ｂ インバータ部
２ｃ 冷却部
３ 電源
４ 負荷
１０，１０ａ 半導体モジュール
２０ａ，２０ｂ 絶縁回路基板
２１ａ，２１ｂ 絶縁板
２２ａ，２２ｂ 金属板
２３ａ１～２３ａ５，２３ｂ１～２３ｂ５ 配線板
３０ 放熱ベース
３０ａ，３０ｃ 長辺
３０ｂ，３０ｄ 短辺
３１ａ～３１ｆ 締結孔
３２ａ おもて面
３２ａ１ 基板領域
３２ｂ 裏面
３２ｂ１ 放熱領域
３２ｂ２ 環状領域
３３ 放熱部材
３４ 弾性部材
３４ａ 切断部分
３５ ねじ
４１ａ～４４ａ，４１ｂ～４４ｂ 半導体チップ
４１ａ１，４２ａ１，４１ｂ１，４２ｂ１ 制御電極
５１ａ～５５ａ，５１ｂ～５６ｂ，５７，５８，５９ ボンディングワイヤ
６０ ケース
６１ 蓋部
６１ａ，６１ｂ，６１ｃ 端子台
６１ａ１，６１ｂ１，６１ｃ１ ねじ孔
６２ａ～６２ｄ 側壁部
６３，６４ 端子口
６５ 固定孔
７０ 配線ユニット
７１ 第１配線部材
７１ａ 第１脚部
７１ｂ 第１垂直部
７１ｄ 第１外部接続部
７２ 第２配線部材
７２ａ 第２脚部
７２ｂ 第２垂直部
７２ｃ 第２水平部
７２ｄ 第２外部接続部
７３ 配線保持部
７４ 第３配線部材
７４ａ 第３脚部
７４ｃ 第３水平部
７４ｄ 第３外部接続部
７５，７６ 制御端子
８０ 封止部材
９０ 冷却モジュール
９１ 冷却面

【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】