特許 7183354 半導体モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-25

(45)【発行日】2022-12-05

(54)【発明の名称】半導体モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20221128BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20221128BHJP

   H01L 21/60 20060101ALI20221128BHJP

   H01L 23/48 20060101ALI20221128BHJP

   H02M 7/48 20070101ALN20221128BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

H01L21/60 321Z

H01L23/48 Q

H02M7/48 Z

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021122105

(22)【出願日】2021-07-27

【審査請求日】2021-07-27

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002941

【氏名又は名称】弁理士法人ぱるも特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】八田 英之

(72)【発明者】

【氏名】木ノ内 伸一

(72)【発明者】

【氏名】中田 隼人

【審査官】正山 旭

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－２５２９５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－００４８００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１９５４５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１２０８６４２０（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開平０３－２５７９５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１２５８７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２１／６０

Ｈ０１Ｌ ２３／４８

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子の第一面及び前記第一面とは反対側の第二面の一方または双方に設けられ、前記半導体スイッチング素子の主たる材料の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有し、厚みが前記半導体スイッチング素子よりも厚い応力印加部と、を備え、
前記第一面に、２つ以上の前記応力印加部が設けられ、
前記第二面に、１つ以上の前記応力印加部が設けられ、
前記第一面に設けられた２つ以上の前記応力印加部は、前記第一面に平行な第一方向に並べて配置され、
前記第一面に垂直な方向にみて、前記第二面に設けられた１つ以上の前記応力印加部は、前記第一面に設けられた２つ以上の前記応力印加部における前記第一方向の一方側の端部と前記第一方向の他方側の端部との間に配置され、
前記応力印加部は、温度変化に伴った前記応力印加部の熱収縮または熱膨張により、前記半導体スイッチング素子に圧縮応力または引張応力を生じさせ、
前記半導体スイッチング素子は、前記圧縮応力又は前記引張応力の大きさが増加するに従って、前記半導体スイッチング素子がオンになる閾値電圧が低下する半導体モジュール。

【請求項2】

半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子の第一面及び前記第一面とは反対側の第二面の一方または双方に設けられ、前記半導体スイッチング素子の主たる材料の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有し、厚みが前記半導体スイッチング素子よりも厚い応力印加部と、を備え、
前記第一面に、２つの前記応力印加部が設けられ、
前記第二面に、１つの前記応力印加部が設けられ、
前記第一面に設けられた２つの前記応力印加部は、前記第一面に平行な第一方向に間隔を空けて配置され、
前記第一面に垂直な方向にみて、前記第二面に設けられた１つの前記応力印加部は、前記第一面に設けられた前記第一方向の一方側の前記応力印加部における前記第一方向の一方側の端部と、前記第一面に設けられた前記第一方向の他方側の前記応力印加部における前記第一方向の他方側の端部との間に配置され、
前記応力印加部は、温度変化に伴った前記応力印加部の熱収縮または熱膨張により、前記半導体スイッチング素子に圧縮応力または引張応力を生じさせ、
前記半導体スイッチング素子は、前記圧縮応力又は前記引張応力の大きさが増加するに従って、前記半導体スイッチング素子がオンになる閾値電圧が低下する半導体モジュール。

【請求項3】

半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子の第一面及び前記第一面とは反対側の第二面の一方または双方に設けられ、前記半導体スイッチング素子の主たる材料の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有し、厚みが前記半導体スイッチング素子よりも厚い応力印加部と、を備え、
前記応力印加部は、前記第一面及び前記第二面の双方に設けられ、
前記第一面に設けられた前記応力印加部における、前記半導体スイッチング素子の側とは反対側の部分に接続されたバスバーと、
前記第二面に設けられた前記応力印加部における、前記半導体スイッチング素子の側とは反対側の部分に接続された放熱部材と、を備え、
前記応力印加部は、温度変化に伴った前記応力印加部の熱収縮または熱膨張により、前記半導体スイッチング素子に圧縮応力または引張応力を生じさせ、
前記半導体スイッチング素子は、前記圧縮応力又は前記引張応力の大きさが増加するに従って、前記半導体スイッチング素子がオンになる閾値電圧が低下する半導体モジュール。

【請求項4】

前記第一面に設けられた前記応力印加部と前記バスバーとは同じ材料からなり、前記第一面に設けられた前記応力印加部と前記バスバーとは一体化されている請求項３に記載の半導体モジュール。

【請求項5】

前記第二面に設けられた前記応力印加部における、前記半導体スイッチング素子の側とは反対側の部分に接続された放熱部材を備えた請求項１または２に記載の半導体モジュール。

【請求項6】

前記半導体スイッチング素子と前記応力印加部とは、接合層により互いに滑らないように接合されている請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

【請求項7】

前記半導体スイッチング素子と前記応力印加部とは、当接している請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

【請求項8】

前記半導体スイッチング素子は、主たる材料が珪素よりも硬い化合物半導体である請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

【請求項9】

板状に形成され、主たる材料が炭化珪素からなる半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子の第一面及び前記第一面とは反対側の第二面の一方または双方に設けられ、前記半導体スイッチング素子の主たる材料の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有し、厚みが前記半導体スイッチング素子よりも厚い応力印加部と、
前記半導体スイッチング素子の前記第一面の側に接続されたバスバーと、
板状に形成され、前記半導体スイッチング素子の前記第二面に接合層を介して接合され、銅からなり、板面の外形が前記半導体スイッチング素子よりも大きい放熱部材と、を備え、
前記応力印加部は、温度変化に伴った前記応力印加部の熱収縮または熱膨張により、前記半導体スイッチング素子に圧縮応力または引張応力を生じさせ、
前記半導体スイッチング素子は、前記圧縮応力又は前記引張応力の大きさが増加するに従って、前記半導体スイッチング素子がオンになる閾値電圧が低下し、
前記放熱部材の前記第二面に接合された部分は、前記第二面に設けられた前記応力印加部であり、
前記半導体スイッチング素子の厚みは２００μｍ以下で、前記放熱部材の厚みは１ｍｍ以上である半導体モジュール。

【請求項10】

複数の前記半導体スイッチング素子が、前記接合層を介して前記放熱部材の同じ面に接合されている請求項９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】

本願は、半導体モジュールに関するものである。

【背景技術】

【0002】

パワーエレクトロニクスの分野においては、ＡＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、及びインバータなどの電力変換装置が用いられている。電力変換装置は、半導体スイッチング素子のスイッチング動作により電力を変換する半導体モジュールを備える。パワー半導体からなる半導体スイッチング素子は、例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜型電界効果トランジスタ、Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。これらは、一般的にゲート、ソース、ドレイン（あるいはゲート、エミッタ、コレクタ）の３つの電極を有する。半導体スイッチング素子は、ゲートに印加する電圧であるゲート電圧を変化させることにより、ソース（エミッタ）とドレイン（コレクタ）との間に流れる大電流を制御する。

【0003】

半導体スイッチング素子において、ソース－ドレイン間（エミッタ－コレクタ間）に予め定めた一定値以上の電流を流すために必要なゲート電圧を、閾値電圧（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｖｏｌｔａｇｅ：Ｖｔｈ）と呼ぶ。一般的に、閾値電圧は温度に対して負の依存性を示す。すなわち、半導体スイッチング素子の温度が上昇するにしたがって、閾値電圧は低下する。反対に、半導体スイッチング素子の温度が低下すると、閾値電圧は増大する。閾値電圧が増大すると、半導体スイッチング素子のオン抵抗（チャネル抵抗）が増大するだけでなく、半導体スイッチング素子のスイッチング動作時にターンオフ速度が早くなり、ターンオフサージ電圧も増大する。オン抵抗の増大によって定常損失が増えると、半導体スイッチング素子の発熱が抑えられなくなる。また、ターンオフサージ電圧が増大すると、半導体スイッチング素子の定格電圧を越えることがある。これらを抑制するために、半導体スイッチング素子の設計において、半導体スイッチング素子の通電面積を大きくすること、半導体スイッチング素子の定格電圧を高めに設定することで対処している。

【0004】

半導体スイッチング素子の通電面積を大きくした場合、半導体スイッチング素子１個あたりの材料費が高くなるため、半導体モジュールのコストが増加する。また、内包する半導体スイッチング素子のサイズが大きくなるので、半導体モジュールのサイズが大きくなる。半導体スイッチング素子の定格電圧を高めに設定した場合、耐圧保持層を厚く形成するなど半導体スイッチング素子のプロセスのコストが増加する。また、耐圧保持層の厚みの増大に伴って半導体スイッチング素子のオン抵抗も増大するため、発熱を抑える為に必要な半導体スイッチング素子の面積が大きくなるので、半導体スイッチング素子のコストが増加し、半導体モジュールのサイズが大きくなる。このように、半導体スイッチング素子の閾値電圧が負の温度特性を有することで、半導体モジュールのコストの増加、及びサイズの増大を招くという課題があった。

【0005】

上述した課題に対し、ゲート駆動回路に内蔵されゲート駆動速度に影響する抵抗を、素子温度毎に可変するスイッチング回路を設ける技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。開示された技術では、ゲート駆動回路内の抵抗を切り替えてターンオフサージ電圧の増大を抑制することで、半導体スイッチング素子の定格電圧の増大を抑制できるものとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００２－１９９７００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記特許文献１における半導体電力変換装置の構成では、半導体スイッチング素子の温度によってゲート駆動回路内の抵抗を切り替えられるので、ターンオフサージ電圧の増大を抑制することができる。しかしながら、半導体スイッチング素子の温度によってゲート駆動回路内の抵抗を切り替える場合、半導体スイッチング素子の温度をモニタしてゲート駆動回路の抵抗値を制御する必要があるため、追加する部品が多数必要なので、半導体モジュールのコストが増加すると共に、半導体モジュールが大型化するという課題があった。また、制御の複雑化、及び故障のパターンの増大に対応するために、半導体モジュールの製造に係るコストが増加するという課題があった。

【0008】

そこで、本願は、低温でのオン抵抗の増大及びターンオフサージ電圧の増大を抑制した、小型で安価な半導体モジュールを得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本願に開示される半導体モジュールは、半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子の第一面及び第一面とは反対側の第二面の一方または双方に設けられ、半導体スイッチング素子の主たる材料の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有し、厚みが半導体スイッチング素子よりも厚い応力印加部とを備え、第一面に、２つ以上の応力印加部が設けられ、第二面に、１つ以上の応力印加部が設けられ、第一面に設けられた２つ以上の応力印加部は、第一面に平行な第一方向に並べて配置され、第一面に垂直な方向にみて、第二面に設けられた１つ以上の応力印加部は、第一面に設けられた２つ以上の応力印加部における第一方向の一方側の端部と第一方向の他方側の端部との間に配置され、応力印加部は、温度変化に伴った応力印加部の熱収縮または熱膨張により、半導体スイッチング素子に圧縮応力または引張応力を生じさせ、半導体スイッチング素子は、圧縮応力又は引張応力の大きさが増加するに従って、半導体スイッチング素子がオンになる閾値電圧が低下するものである。

【発明の効果】

【0010】

本願に開示される半導体モジュールによれば、半導体スイッチング素子の第一面及び第一面とは反対側の第二面の一方または双方に設けられ、半導体スイッチング素子の主たる材料の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有し、厚みが半導体スイッチング素子よりも厚い応力印加部を備え、応力印加部は温度変化に伴った応力印加部の熱収縮または熱膨張により、半導体スイッチング素子に圧縮応力または引張応力を生じさせ、半導体スイッチング素子は圧縮応力又は引張応力の大きさが増加するに従って、半導体スイッチング素子がオンになる閾値電圧が低下するため、オン抵抗の増大及びターンオフサージ電圧の増大を抑制できるので、半導体スイッチング素子の面積、及び半導体スイッチング素子の定格電圧を低減でき、小型で安価な半導体モジュールを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態１に係る半導体モジュールの外観の概略を示す平面図である。

【図2】図１のＡ－Ａ断面位置で切断した半導体モジュールの概略を示す断面図である。

【図3】実施の形態１に係る半導体モジュールの要部を示す平面図である。

【図4】実施の形態１に係る半導体モジュールの要部を示す別の平面図である。

【図5】実施の形態１に係る半導体モジュールの半導体スイッチング素子の閾値電圧の温度特性の一例を示す図である。

【図6】実施の形態１に係る半導体モジュールの半導体スイッチング素子に印加される電圧波形の一例を示す図である。

【図7】実施の形態１に係る半導体モジュールの半導体スイッチング素子に生じる圧縮応力を模式的に説明する図である。

【図8】実施の形態１に係る別の半導体モジュールの要部を示す平面図である。

【図9】実施の形態１に係る別の半導体モジュールの要部を示す平面図である。

【図10】実施の形態２に係る半導体モジュールの概略を示す断面図である。

【図11】実施の形態２に係る半導体モジュールの半導体スイッチング素子のターンオフ時を模擬した等価回路を示す図である。

【図12】実施の形態２に係る半導体モジュールの半導体スイッチング素子の閾値電圧の減少量とターンオフ時間の増大量との相関を示す図である。

【図13】実施の形態２に係る半導体モジュールの半導体スイッチング素子表面に生じる歪みと閾値電圧の変動量との相関を示す図である。

【図14】実施の形態２に係る半導体モジュールの応力印加部の厚みと半導体スイッチング素子表面に生じる歪みとの相関を示す図である。

【図15】実施の形態２に係る別の半導体モジュールの概略を示す側面図である。

【図16】実施の形態２に係る別の半導体モジュールの要部を示す平面図である。

【図17】実施の形態２に係る別の半導体モジュールの要部を示す平面図である。

【図18】実施の形態３に係る半導体モジュールの概略を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本願の実施の形態による半導体モジュールを図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

【0013】

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る半導体モジュール１００の外観の概略を示す平面図、図２は図１のＡ－Ａ断面位置で切断した半導体モジュール１００の概略を示す断面図、図３は半導体モジュール１００の要部を示す平面図で、絶縁樹脂材６を取り除いて第一面１ａの側の半導体スイッチング素子１、応力印加部１０ａ、及びバスバー５（破線）の部分を示す図、図４は半導体モジュール１００の要部を示す別の平面図で、絶縁樹脂材６を取り除いて第二面１ｂの側の半導体スイッチング素子１、応力印加部１０ｂ、及び応力印加部１０ａ（破線）の部分を示す図、図５は半導体モジュール１００の半導体スイッチング素子１の閾値電圧の温度特性の一例を示す図、図６は半導体モジュール１００の半導体スイッチング素子１に印加される電圧波形の一例を示す図、図７は半導体モジュール１００の半導体スイッチング素子１に生じる圧縮応力を模式的に説明する図である。電力変換用の半導体モジュール１００は、主に所望の電力を直流ないしは交流電圧に変換する電力変換装置に搭載される。半導体モジュール１００は、内部にＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体スイッチング素子１を有する。半導体スイッチング素子１のスイッチング動作により半導体モジュール１００は電力を変換する。

【0014】

＜半導体モジュール１００＞
半導体モジュール１００は、図２に示すように、半導体スイッチング素子１、応力印加部１０ａ、１０ｂ、放熱部材２、バスバー４、５、及びこれらを覆う絶縁樹脂材６を備える。図２において、絶縁樹脂材６の外形を破線で示す。半導体スイッチング素子１とバスバー５との間に応力印加部１０ａが設けられ、半導体スイッチング素子１と放熱部材２との間に応力印加部１０ｂが設けられる。バスバー４、５の一部は、図１に示すように、絶縁樹脂材６から外部に露出して設けられる。バスバー４、５は、外部に露出した部分において外部の機器に接続される。バスバー４、５は、例えば、電気伝導度が高い銅から作製される。

【0015】

本実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴなどのパワー半導体からなる半導体スイッチング素子１において、チャネル領域が形成され、ソース電極（エミッタ電極）が存在する側を半導体スイッチング素子１の表面である第一面１ａ、ドレイン電極（コレクタ電極）を形成する面を裏面である第二面１ｂと称する。以下、特に断り書きのない限り、半導体モジュール１００の断面図において、半導体スイッチング素子１の第一面１ａを図の上側に、第二面１ｂを図の下側に向けて記載する。半導体スイッチング素子１の主たる材料は、珪素、炭化珪素、もしくは酸化ガリウムなどの半導体材料である。半導体スイッチング素子１には、バンドギャップが珪素よりも広いワイドバンドギャップ半導体である化合物半導体を用いることができる。化合物半導体は、その材料物性に起因して、電力変換装置に使用されるデバイスとして優れていると共に、珪素よりも硬い。また、炭化珪素及び酸化ガリウムからなる半導体スイッチング素子１は、一般的に珪素からなる半導体スイッチング素子１よりも小さい厚みで形成される。

【0016】

バスバー５は、第一面１ａに設けられた応力印加部１０ａにおける、半導体スイッチング素子１の側とは反対側の部分に接続される。図３において、バスバー５の外形は、破線で示された部分である。バスバー５と応力印加部１０ａとは、例えばはんだにより接続される。放熱部材２は、第二面１ｂに設けられた応力印加部１０ｂにおける、半導体スイッチング素子１の側とは反対側の部分に接続される。放熱部材２は、第二面１ｂに接続された電極としての機能を備え、放熱部材２にバスバー４が接続される。放熱部材２は、例えば、銅から矩形板状に形成されるがこれに限るものではなく、ブロック状であっても構わない。放熱部材２は、半導体スイッチング素子１と熱的かつ電気的に接続され、半導体スイッチング素子１に生じた熱を外部に放出する。また、放熱部材２は、半導体スイッチング素子１を介してバスバー５に生じた熱を外部に放出する。放熱部材２と応力印加部１０ｂとは、例えばはんだにより接続される。

【0017】

＜応力印加部１０ａ、１０ｂ＞
応力印加部は、半導体スイッチング素子１の第一面１ａ及び第一面１ａとは反対側の第二面１ｂの一方または双方に設けられる。本実施の形態では、図３に示すように、第一面１ａに２つの応力印加部１０ａが設けられる。また、図４に示すように、第二面１ｂに１つの応力印加部１０ｂが設けられる。第一面１ａに設けられた２つの応力印加部１０ａは、第一面１ａに平行な第一方向（図３に示す矢印Ｂの方向）に間隔を空けて配置される。第一面１ａに垂直な方向にみて、第二面１ｂに設けられた１つの応力印加部１０ｂは、第一面１ａに設けられた第一方向の一方側の応力印加部１０ａにおける第一方向の一方側の端部１０ａ１と、第一面１ａに設けられた第一方向の他方側の応力印加部１０ａにおける第一方向の他方側の端部１０ａ２との間に配置されている。

【0018】

応力印加部１０ａ、１０ｂは、半導体スイッチング素子１の主たる材料の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する。応力印加部１０ａ、１０ｂは、厚みが半導体スイッチング素子１よりも厚い。応力印加部１０ａ、１０ｂは、例えば、１ｍｍ以上の厚みを有した銅から作製される。応力印加部１０ａ、１０ｂは、銅に限るものではなく、アルミニウムなど他の材料であっても構わない。応力印加部１０ａ、１０ｂが銅である場合、銅からなる応力印加部１０ａ、１０ｂは温度の低下に伴い熱収縮する。応力印加部１０ａはバスバー５と接続され、応力印加部１０ｂは電極としての機能を備えた放熱部材２と接続されるため、応力印加部１０ａ、１０ｂは、電気伝導度及び熱伝導度に優れた材料であることが望ましい。しかしながら、応力印加部１０ａ、１０ｂは電気伝導度及び熱伝導度に優れた材料に限るものではなく、応力印加部１０ａ、１０ｂを介さずにバスバー５と放熱部材２とが半導体スイッチング素子１に接続される構成でも構わない。

【0019】

このように構成することで、応力印加部１０ａ、１０ｂは、温度変化に伴った応力印加部１０ａ、１０ｂの熱収縮または熱膨張により、半導体スイッチング素子１に圧縮応力または引張応力を生じさせる。図７に示すように、応力印加部１０ａ、１０ｂが熱収縮した場合、半導体スイッチング素子１における第一面１ａの側に、２つの矢印Ｃで示した方向に圧縮応力が生じる。応力印加部１０ａ、１０ｂが熱膨張する場合、半導体スイッチング素子１における第一面１ａの側に、引張応力が生じる。

【0020】

半導体スイッチング素子１と応力印加部１０ａ、１０ｂとは、接合層（図示せず）により互いに滑らないように接合されている。接合層を介して半導体スイッチング素子１と応力印加部１０ａ、１０ｂとを接続した場合、応力印加部１０a、１０ｂから半導体スイッチング素子１へ効率よく応力を加えることができる。また、半導体スイッチング素子１と応力印加部１０ａ、１０ｂとの剥離が抑制されるので、半導体スイッチング素子１と応力印加部１０ａ、１０ｂとの熱的な信頼性を向上させることができる。接合層は、例えば、銀粒子あるいは銅粒子などの金属粒子であり、はんだよりも固い材料を用いて形成される。接合層に金属粒子を用いた場合、加熱あるいは加圧もしくは加熱と加圧の双方によって、半導体スイッチング素子１と応力印加部１０ａ、１０ｂとは接合される。金属粒子のように固い材料を用いた場合、応力印加部１０a、１０ｂから半導体スイッチング素子１に印加される応力を固い材料を用いない場合と比較して増すことができる。

【0021】

半導体スイッチング素子１と応力印加部１０ａ、１０ｂとは、接合層により接合される構成に限るものではない。半導体スイッチング素子１と応力印加部１０ａ、１０ｂとは、当接している構成でも構わない。例えば圧接により、半導体スイッチング素子１と応力印加部１０ａ、１０ｂとが当接している場合、応力印加部１０ａ、１０ｂは、半導体スイッチング素子１に応力を加える機能と半導体スイッチング素子１と放熱部材２を接合する機能を備える。半導体スイッチング素子１と応力印加部１０ａ、１０ｂとが当接している場合、接合層が不要なため、半導体モジュール１００の生産性を向上させることができる。

【0022】

半導体スイッチング素子１に圧縮応力または引張応力が生じた場合の効果について説明する。半導体スイッチング素子１において、ソース－ドレイン間（エミッタ－コレクタ間）に予め定めた一定値以上の電流を流すために必要なゲート電圧である閾値電圧（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｖｏｌｔａｇｅ：Ｖｔｈ）は、温度に対して負の依存性を示す。図５の実線に示すように、半導体スイッチング素子１の閾値電圧は、温度低下に伴って増大する。閾値電圧が増大すると、半導体スイッチング素子１のオン抵抗（チャネル抵抗）が増大し、ターンオフサージ電圧も増大する。そのため、温度が低下した際の半導体スイッチング素子１に印加される電圧波形は、図６の実線に示すような波形になる。

【0023】

半導体スイッチング素子１は、半導体スイッチング素子１に加わる圧縮応力又は引張応力の大きさが増加するに従って、半導体スイッチング素子１がオンになる閾値電圧が低下する特性を有する。銅からなる応力印加部１０ａ、１０ｂを用いた場合、半導体モジュール１００の温度の低下に伴って、応力印加部１０ａ、１０ｂの熱収縮はより顕著になり、半導体スイッチング素子１に生じる圧縮応力もより強大になる。そのため、半導体モジュール１００の温度の低下に伴って、半導体スイッチング素子１の閾値電圧を低下させる効果がより大きくなる。

【0024】

図５の実線に示した半導体スイッチング素子１の閾値電圧の温度特性に、応力が加わった際に閾値電圧が低下する特性を加えた結果の例を、図５に一点鎖線で示す。一点鎖線で示された閾値電圧の温度特性は、応力が加わらない従来の実線で示した特性と比較して傾きが緩やかになる。図５において注目すべき点は、応力が加わった際に図５の実線が並行移動するのではなく、温度Ｔ２の閾値電圧を起点に温度特性の傾きが小さくなる点である。この特性により、高温時に必要な閾値電圧を保持しつつ、低温での閾値電圧の増大を抑制することができる。

【0025】

図６の実線で示した温度が低下した際の半導体スイッチング素子１に印加される電圧波形に加えて、応力が加わった温度Ｔ１における電圧波形の結果の例を一点鎖線で図６に示す。低温での閾値電圧の増大が抑制されるので、図６の一点鎖線に示すように、時間ｔ１において低温での半導体スイッチング素子１の閾値電圧の増大によるターンオフサージ電圧の増大及びターンオフサージ速度の増大を抑制することができる。また、閾値電圧の増大を抑制できることから、オン抵抗の増大も抑制することができる。よって、半導体スイッチング素子１の設計において、低温でのオン抵抗の増大及びターンオフサージ電圧の増大を回避するために半導体スイッチング素子１の通電面積を大きくすること、及び半導体スイッチング素子１の定格電圧を高めに設定することが不要になり、半導体スイッチング素子１の面積を低減することができ、半導体スイッチング素子１の定格電圧を低減することができる。半導体スイッチング素子１の閾値電圧の温度特性を緩和することで、半導体スイッチング素子１の面積、及び半導体スイッチング素子１の定格電圧を低減できるので、低温でのオン抵抗の増大及びターンオフサージ電圧の増大を抑制した、小型で安価な半導体モジュールを得ることができる。

【0026】

閾値電圧の温度特性は、半導体スイッチング素子１の第二面１ｂではなく、チャネル領域の形成された第一面１ａへの応力印加具合に影響されると考えている。そのため、第一面１ａに応力を生じさせるように、応力印加部１０ａ、１０ｂを配置するのが望ましい。第一面１ａに応力を生じさせる応力印加部１０ａ、１０ｂの配置、大きさ、数は、本実施の形態の構成に限るものではないが、本実施の形態の構成にした場合、少ない個数の応力印加部１０ａ、１０ｂで第一面１ａへ応力を効率よく加えることができる。また、応力印加部１０ａ、１０ｂの個数が少ないので、半導体モジュール１００の生産性を向上させることができる。なお、応力印加部は、第一面１ａまたは第二面１ｂの何れか一方にのみ設けても構わない。第一面１ａまたは第二面１ｂの何れか一方にのみ応力印加部を設けた場合、部品点数が減るため、半導体モジュール１００を小型化でき、半導体モジュール１００の生産性を向上させることができる。

【0027】

また、図８に示すように、さらに複数の応力印加部１０ａを設けても構わない。図８は、実施の形態１に係る別の半導体モジュール１００の要部を示す平面図で、絶縁樹脂材６を取り除いて第一面１ａの側の半導体スイッチング素子１、応力印加部１０ａ、及びバスバー５（破線）の部分を示す図である。このように構成することで、第一面１ａに加わる応力の大きさ、及び応力の加わる領域を変化させることができるので、所望の閾値電圧の温度特性を容易に得ることができる。本実施の形態では、応力印加部１０ａの数を増やす例のみを示したがこれに限るものではなく、応力印加部１０ｂの数を増やして構成しても構わない。また、応力印加部の数だけでなく、応力印加部の配置、及び大きさを変化させることで第一面１ａに加わる応力の大きさ、及び応力の加わる領域を変えても構わない。

【0028】

また、図９に示すように、第一面１ａに設けられた応力印加部１０ａとバスバー５とは同じ材料からなり、第一面１ａに設けられた応力印加部１０ａとバスバー５とは一体化されていても構わない。図９は、実施の形態１に係る別の半導体モジュール１００の要部を示す平面図で、一体化された応力印加部１０ａとバスバー５を半導体スイッチング素子１の側から示した図である。応力印加部１０ａとバスバー５とを形成する材料は、例えば銅である。図９に示した構成では、応力印加部１０ａとバスバー５とを同じ幅で形成している。応力印加部１０ａとバスバー５とを同じ幅で形成することで、一体化した応力印加部１０ａとバスバー５の生産性を向上させることができる。このように応力印加部１０ａとバスバー５とを同じ材料で一体化して設けた場合、半導体モジュール１００を構成する部品数が減り、応力印加部１０ａとバスバー５とを接合する工程が削減されるので、半導体モジュール１００の生産性を向上させることができる。

【0029】

半導体スイッチング素子１には、主たる材料が珪素よりも硬い化合物半導体である炭化珪素、酸化ガリウムなどを用いることができる。化合物半導体は珪素よりも硬いため、半導体スイッチング素子１に応力印加部１０ａ、１０ｂから加わる応力を大きくすることができる。応力印加部１０ａ、１０ｂから半導体スイッチング素子１に加わる応力が大きくなるので、閾値電圧の温度特性が緩やかになる効果をより顕在化することができる。また、炭化珪素及び酸化ガリウムなどの化合物半導体は珪素よりも小さい厚みで形成されるため、半導体スイッチング素子１が化合物半導体である場合、半導体スイッチング素子１に応力印加部１０ａ、１０ｂから加わる応力を大きくすることができる。

【0030】

以上のように、実施の形態１による半導体モジュール１００において、半導体スイッチング素子１の第一面１ａ及び第一面１ａとは反対側の第二面１ｂの一方または双方に設けられ、半導体スイッチング素子１の主たる材料の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有し、厚みが半導体スイッチング素子１よりも厚い応力印加部を備え、応力印加部は温度変化に伴った応力印加部の熱収縮または熱膨張により、半導体スイッチング素子１に圧縮応力または引張応力を生じさせ、半導体スイッチング素子１は圧縮応力又は引張応力の大きさが増加するに従って、半導体スイッチング素子１がオンになる閾値電圧が低下するため、オン抵抗の増大及びターンオフサージ電圧の増大を抑制できるので、半導体スイッチング素子１の面積、及び半導体スイッチング素子１の定格電圧を低減でき、小型で安価な半導体モジュール１００を得ることができる。

【0031】

第一面１ａに２つ以上の応力印加部１０ａが設けられ、第二面１ｂに１つ以上の応力印加部１０ｂが設けられ、第一面１ａに設けられた２つ以上の応力印加部１０ａは第一面に平行な第一方向に並べて配置され、第一面１ａに垂直な方向にみて、第二面１ｂに設けられた１つ以上の応力印加部１０ｂが、第一面１ａに設けられた２つ以上の応力印加部１０ａにおける第一方向の一方側の端部１０ａ１と第一方向の他方側の端部１０ａ２との間に配置されている場合、第一面１ａに応力を生じさせるように応力印加部１０ａ、１０ｂを配置させることができる。また、応力印加部の数、配置、及び大きさを変化させることで第一面１ａに加わる応力の大きさ、及び応力の加わる領域を容易に変えることができるため、所望の閾値電圧の温度特性を容易に得ることができる。

【0032】

第一面１ａに２つの応力印加部１０ａが設けられ、第二面１ｂに１つの応力印加部１０ｂが設けられ、第一面１ａに設けられた２つの応力印加部１０ａは第一面１ａに平行な第一方向に間隔を空けて配置され、第一面１ａに垂直な方向にみて、第二面１ｂに設けられた１つの応力印加部１０ｂが、第一面１ａに設けられた第一方向の一方側の応力印加部１０ａにおける第一方向の一方側の端部１０ａ１と第一面１ａに設けられた第一方向の他方側の応力印加部１０ａにおける第一方向の他方側の端部１０ａ２との間に配置されている場合、少ない個数の応力印加部１０ａ、１０ｂで第一面１ａへ応力を効率よく加えることができる。また、応力印加部１０ａ、１０ｂの個数が少ないので、半導体モジュール１００の生産性を向上させることができる。

【0033】

応力印加部が第一面１ａ及び第二面１ｂの双方に設けられ、第一面１ａに設けられた応力印加部１０ａにおける、半導体スイッチング素子１の側とは反対側の部分に接続されたバスバー５と、第二面１ｂに設けられた応力印加部１０ｂにおける、半導体スイッチング素子１の側とは反対側の部分に接続された放熱部材２とを半導体モジュール１００が備えた場合、放熱部材２はバスバー５及び半導体スイッチング素子１に生じた熱を外部に容易に放出することができる。また、第一面１ａに設けられた応力印加部１０ａとバスバー５とが同じ材料からなり、第一面１ａに設けられた応力印加部１０ａとバスバー５とが一体化されている場合、半導体モジュール１００を構成する部品数が減り、応力印加部１０ａとバスバー５とを接合する工程が削減されるため、半導体モジュール１００の生産性を向上させることができる。

【0034】

半導体スイッチング素子１と応力印加部とが接合層により互いに滑らないように接合されている場合、応力印加部１０a、１０ｂから半導体スイッチング素子１へ効率よく応力を加えることができると共に、半導体スイッチング素子１と応力印加部１０ａ、１０ｂとの熱的な信頼性を向上させることができる。また、接合層がはんだよりも硬い金属粒子を用いて形成されている場合、応力印加部１０a、１０ｂから半導体スイッチング素子１に印加される応力を増すことができる。

【0035】

半導体スイッチング素子１と応力印加部とが当接している場合、接合層が不要なため、半導体モジュール１００の生産性を向上させることができる。また、半導体スイッチング素子１の主たる材料が珪素よりも硬い化合物半導体である場合、半導体スイッチング素子１に応力印加部１０ａ、１０ｂから加わる応力を大きくすることができるので、閾値電圧の温度特性が緩やかになる効果をより顕在化することができる。

【0036】

実施の形態２．
実施の形態２に係る半導体モジュール１００について説明する。図１０は実施の形態２に係る半導体モジュール１００の概略を示す断面図で、図１のＡ－Ａ断面位置と同等の位置で切断した図、図１１は半導体モジュール１００の半導体スイッチング素子１のターンオフ時を模擬した等価回路を示す図、図１２は半導体モジュール１００の半導体スイッチング素子１の閾値電圧の減少量とターンオフ時間の増大量との相関を示す図、図１３は半導体モジュール１００の半導体スイッチング素子１の表面に生じる歪みと閾値電圧の変動量との相関を示す図、図１４は半導体モジュール１００の応力印加部の厚みと半導体スイッチング素子１の表面に生じる歪みとの相関を示す図である。実施の形態２に係る半導体モジュール１００は、実施の形態１とは異なり、放熱部材である放熱板２ａの第二面１ｂに接合された部分が、第二面１ｂに設けられた応力印加部１０ｂとして構成されている。

【0037】

＜半導体モジュール１００＞
半導体モジュール１００は、図１０に示すように、半導体スイッチング素子１、放熱部材である放熱板２ａ、バスバー４、５、半導体スイッチング素子１と放熱板２ａとを接合する接合層３、及びこれらを覆う絶縁樹脂材６を備える。図１０において、絶縁樹脂材６の外形を破線で示す。半導体スイッチング素子１は、板状に形成され、主たる材料が炭化珪素からなるパワー半導体である。バスバー５は、半導体スイッチング素子１の第一面１ａの側に、例えばはんだにより接続される。放熱板２ａは板状に形成され、半導体スイッチング素子１の第二面１ｂに接合層３を介して接合され、銅からなり、板面の外形が半導体スイッチング素子１よりも大きい。放熱板２ａの第二面１ｂに接合された部分は、第二面１ｂに設けられた応力印加部１０ｂである。

【0038】

放熱板２ａは、第二面１ｂに接続された電極としての機能を備え、放熱板２ａにバスバー４が例えばはんだにより接続される。放熱板２ａは、半導体スイッチング素子１と熱的かつ電気的に接続され、半導体スイッチング素子１に生じた熱を外部に放出する。また、放熱板２ａは、半導体スイッチング素子１を介してバスバー５に生じた熱を外部に放出する。バスバー４、５の一部は、絶縁樹脂材６から外部に露出して設けられる。バスバー４、５は、外部に露出した部分において外部の機器に接続される。バスバー４、５は、例えば、電気伝導度が高い銅から作製される。半導体スイッチング素子１の厚みは２００μｍ以下で、放熱板２ａの厚みは１ｍｍ以上である。これらの寸法構成とする理由は後述する。

【0039】

このように構成することで、実施の形態１と同様に、温度の低下に伴った応力印加部１０ｂの熱収縮を利用して半導体スイッチング素子１に圧縮応力（図１０の破線矢印）を印加することができる。圧縮応力の印加により、半導体スイッチング素子１の閾値電圧を低下させることができる。閾値電圧を低下により、オン抵抗の増大及びターンオフサージ電圧の増大を抑制できるので、半導体スイッチング素子１の面積、及び半導体スイッチング素子１の定格電圧を低減でき、小型で安価な半導体モジュールを得ることができる。また、実施の形態１に比べて部品数が少なく済むため、半導体モジュール１００をさらに小型化することができる。また、製造工程が削減されるため、製造に係るコストが低減されるので、半導体モジュール１００の生産性を向上させることができる。

【0040】

＜半導体スイッチング素子１及び放熱板２ａの厚み＞
半導体スイッチング素子１の厚みを２００μｍ以下、放熱板２ａの厚みを１ｍｍ以上にする理由について説明する。近年、半導体スイッチング素子１の主たる材料として、従来の珪素から炭化珪素への置き換えを検討する動きが盛んである。炭化珪素は、熱伝導率、絶縁破壊電界などのパワー半導体材料としての物性値が珪素よりも優れている。そのため、炭化珪素は、より低損失で、小型な電力変換装置の実現に向けて有望視されている半導体材料である。また、半導体スイッチング素子１の厚みは、薄いほど抵抗が小さくなる。そのため、炭化珪素に限らず、電力変換装置の設計において半導体スイッチング素子１の厚みを極力薄くする傾向にある。特に炭化珪素は絶縁破壊電界が珪素よりも高いため、耐圧保持のために必要な層の厚みを珪素に比べて薄くできる。以上のことから、炭化珪素からなる半導体スイッチング素子１の厚みは一般的に２００μｍ以下であることが多い。本実施の形態において、主たる材料が炭化珪素からなる半導体スイッチング素子１の厚みを２００μｍとして構成した場合について述べる。

【0041】

半導体スイッチング素子１の閾値電圧の温度特性が緩和され、低温での閾値電圧の増大が抑制されれば、半導体スイッチング素子１のターンオフ時のスイッチング時間は増大する。そのため、ターンオフ時の電流の時間変化量が低下して、回路の寄生インダクタンスと電流の時間変化量に依存して発生するサージ電圧は低下する。半導体スイッチング素子１の閾値電圧の変動に対するスイッチングターンオフ時間は、図１１に示した等価回路においては、ゲート容量Ｃｇからの放電プロセスと見なせる。図１１において、ゲート抵抗をＲｇ、ゲート容量をＣｇ、放電開始時にコンデンサに印加されている電圧をＶｇｐ、ゲート負バイアスをＶｇｎとした場合、等価回路におけるコンデンサ電圧の時間変化Ｖ（ｔ）は、式（１）で示される。

【数1】

スイッチング時のターンオフ時間は、コンデンサ電圧がミラー期間の終わりの電圧Ｖｍから閾値電圧Ｖｔｈまで落ち込む放電時間なので、式（２）で示される。

【数2】

【0042】

スイッチング時のターンオフ時間は、式（２）から、閾値電圧の変動に対して非線形に変動することが分かる。図１２は、炭化珪素からなる半導体スイッチング素子１の閾値電圧の変化割合に対する、スイッチングターンオフに要する時間の変化割合の関係の例を示している。半導体スイッチング素子１の閾値電圧が１０％以上低下すると、ターンオフ時間が急峻に増大している。すなわち、ターンオフサージ電圧の増大を有意に抑制するためには、閾値電圧を１０％以上低下させることが有効である。

【0043】

図１３は、炭化珪素からなる半導体スイッチング素子１の表面である第一面１ａに生じる歪み量と、半導体スイッチング素子１の閾値電圧の変動割合との関係を示している。半導体スイッチング素子１の第一面１ａとは、上述したように、ＭＯＳＦＥＴにおいてのソース電極、及び閾値電圧を決定する要因となるチャネル領域が形成される側である。筆者らは、図１３に示すように、半導体スイッチング素子の第一面１ａに生じる歪み量が増えるにつれて、半導体スイッチング素子１の閾値電圧が低下することを確認している。半導体スイッチング素子１に炭化珪素を用いた場合、閾値電圧を１０％低下させるためには、半導体スイッチング素子１の第一面１ａに１０００×１０^－６の歪みを発生させる必要があることが図１３よりわかる。

【0044】

図１４は、２００μｍの厚みを有した板状の炭化珪素を銅板の上に接合層を介して高温下で接合し、銅板の側とは反対側の炭化珪素の表面にかかる応力による歪み量を、銅板の厚みを変えて計算した結果である。銅板の厚みが増加するほど、炭化珪素の表面に印加される応力が増し、表面に生じる歪み量が増す。閾値電圧を１０％変動させるべく、半導体スイッチング素子１の表面に１０００×１０^－６の歪みを発生させるためには、１ｍｍ以上の厚みのある銅板を用いて応力印加部１０ｂの部分を有した放熱板２ａを形成すればよいことがわかる。

【0045】

以上の考察から、２００μｍの厚みを有した炭化珪素からなる半導体スイッチング素子１と、銅からなる応力印加部１０ｂの部分を有した放熱板２ａとを備えた半導体モジュール１００において、低温でのスイッチングサージ電圧の増大を効果的に抑制するためには、応力印加部１０ｂの部分の厚みを１ｍｍ以上に形成することが望ましいといえる。なお、放熱板２ａは応力印加部１０ｂの部分が銅であればよく、応力印加部１０ｂの部分を除く他の部分が他の材料で構成されていても構わない。

【0046】

なお、炭化珪素からなる半導体スイッチング素子１の厚みを２００μｍとした場合について述べたが、半導体スイッチング素子１の厚みを２００μｍよりも薄く形成しても構わない。半導体スイッチング素子１の厚みを２００μｍよりも薄く形成した場合、半導体スイッチング素子１の剛性が低下するので、厚みが２００μｍの場合と同じ応力を応力印加部１０ｂから半導体スイッチング素子１が受けた時に、半導体スイッチング素子１の表面に生じる歪み量が増す。その結果、低温で閾値電圧が下がる効果が増すので、スイッチング時のターンオフサージ電圧の増大を抑制する効果、及びオン抵抗の増大を抑制する効果をより大きくすることができる。また、半導体スイッチング素子１の厚みを変えず、応力印加部１０ｂの部分の厚みを１ｍｍより大きくしても構わない。応力印加部１０ｂの部分の厚みを１ｍｍより大きくした場合、半導体スイッチング素子１へ印加される応力が増すので、半導体スイッチング素子１の厚みを薄くした場合と同様の効果を得ることができる。

【0047】

＜接合層３＞
接合層３は、例えば、銀粒子あるいは銅粒子などの金属粒子であり、はんだよりも固い材料を用いて形成される。接合層３に金属粒子のように固い材料を用いた場合、応力印加部１０ｂから半導体スイッチング素子１に印加される応力を、固い材料を用いない場合と比較して増すことができる。接合層３の厚みは、１０μｍから５０μｍ程度である。

【0048】

接合層３の厚みは可能な限り薄く、かつ線膨張係数が半導体スイッチング素子１に近いものが望ましい。接合層３の厚みが厚いと、応力印加部１０ｂの部分から半導体スイッチング素子１へ伝える応力が緩和されてしまうため、半導体スイッチング素子１の閾値電圧の温度特性を緩和する効果が薄れてしまう。同様に、半導体スイッチング素子１と接合層３の線膨張係数に差が生じると、応力印加部１０ｂの部分から半導体スイッチング素子１へ伝わる応力が緩和されてしまうため、半導体スイッチング素子１の閾値電圧の温度特性を緩和する効果が薄れてしまう。接合層３により応力印加部１０ｂの部分から半導体スイッチング素子１へ加わる応力が緩和される場合は、より厚みの厚い放熱板２ａを用いればよい。厚みの厚い放熱板２ａを用いることで、接合層３によって応力が緩和される場合においても、半導体スイッチング素子１に必要量の応力を印加し、所望の閾値電圧の温度特性の緩和効果を得ることができる。

【0049】

半導体スイッチング素子１の第一面１ａに垂直な方向に見て、接合層３の外形は、半導体スイッチング素子１の外形よりも大きい、または半導体スイッチング素子１の外形と同じ大きさであることが望ましい。半導体スイッチング素子１の第一面１ａに垂直な方向に見て、接合層３が半導体スイッチング素子１の外形よりも小さい領域に形成されていても、本願の効果を得ることはできる。しかしながら、半導体スイッチング素子１の外形以上の大きさで接合層３を形成することにより、応力印加部１０ｂの部分から半導体スイッチング素子１の全体の部分に応力を伝えることができる。そのため、半導体スイッチング素子１の外形以上の大きさで接合層３を形成することで、本願の効果を十分に引き出すことができる。

【0050】

＜半導体スイッチング素子１の数＞
複数の半導体スイッチング素子１が、接合層３を介して放熱板２ａの同じ面に接合されている構成でも構わない。本実施の形態では、図１５に示すように、２つの半導体スイッチング素子１が、放熱板２ａの同じ面に接合されている例を示す。図１５は実施の形態２に係る別の半導体モジュール１００の概略を示す側面図で、絶縁樹脂材６を取り除いて示した図である。大電流を扱う電力変換装置では、半導体スイッチング素子１の製造歩留まりとコストを考慮して、複数の半導体スイッチング素子１を並列に配置して電流量を確保する手法が使われることが多い。大電流化に伴って半導体スイッチング素子１を大きくしすぎると、半導体スイッチング素子１の歩留まりが低下する。そのため、ある程度のサイズの半導体スイッチング素子１を並列に数多く並べて接続したほうが、総コストを抑えることができる。矩形に形成された本実施の形態における半導体スイッチング素子１の外形の大きさは、例えば４ｍｍ×４ｍｍである。

【0051】

このように構成することで、一つの放熱板２ａに複数の半導体スイッチング素子１を並列させて配置することができ、必要な電流量を確保する際の半導体スイッチング素子１のコストを低減することができる。また、半導体スイッチング素子１のそれぞれに個別に応力印加部を設けるよりも、一つの放熱板２ａの上に半導体スイッチング素子１を複数並べて一度に接合したほうが製造工程は削減されるので、半導体モジュール１００の生産性を向上させることができる。また、放熱板２ａの半導体スイッチング素子１のそれぞれに接合された部分が応力印加部１０ｂであるため、複数の半導体スイッチング素子１のそれぞれにおいて、複数の半導体スイッチング素子１のそれぞれの閾値電圧の温度特性が緩やかになる効果を得ることができる。なお、接合層３は複数の半導体スイッチング素子１のそれぞれの直下に設けられる。また、バスバー５は、複数の半導体スイッチング素子１のそれぞれの第一面１ａにある電極に接続して設けられる。

【0052】

図１６は実施の形態２に係る別の半導体モジュール１００の要部を示す平面図で、絶縁樹脂材６を取り除いて第一面１ａの側の半導体スイッチング素子１、放熱板２ａ、及び接合層３を示す図である。２つの半導体スイッチング素子１を設ける場合、放熱板２ａの表面に発生する応力が最大になる点、すなわち図１６における放熱板２ａの中心Ｏを原点として、原点対称な位置に２つの半導体スイッチング素子１を配置しても構わない。このように構成することで、それぞれの半導体スイッチング素子１にかかる応力が均一になるため、それぞれの半導体スイッチング素子１における閾値電圧が均一化される。その結果、スイッチング時の電流の偏りを低減することができるので、半導体スイッチング素子１に流れる最大電流が減少し、ターンオフサージ電圧の増大を抑制する効果をさらに高めることができる。

【0053】

図１７は実施の形態２に係る別の半導体モジュール１００の要部を示す平面図で、絶縁樹脂材６を取り除いて第一面１ａの側の半導体スイッチング素子１、放熱板２ａ、及び接合層３を示す図である。図１７は図１６に示した半導体スイッチング素子１の配置とは異なり、放熱板２ａの原点対称な位置ではない位置に半導体スイッチング素子１を配置した例である。半導体モジュール１００におけるバスバー４、５の配線の長さ及び配置などの影響により、それぞれの半導体スイッチング素子１に流れる電流量に偏りが生じることが予め分かっている場合がある。その場合、それぞれの半導体スイッチング素子１に加わる応力を変えることで、それぞれの半導体スイッチング素子１の電流量がバランスするように特定の半導体スイッチング素子１の閾値電圧を多めに低減させる調整が可能になる。これにより、低温でスイッチングした際のターンオフサージ電圧の増大をさらに抑制することができる。

【0054】

以上のように、実施の形態２による半導体モジュール１００において、主たる材料が炭化珪素からなる半導体スイッチング素子１と、バスバー５と、半導体スイッチング素子１の第二面１ｂに接合層３を介して接合され、銅からなり、板面の外形が半導体スイッチング素子１よりも大きい放熱板２ａとを備え、放熱板２ａの第二面１ｂに接合された部分が第二面１ｂに設けられた応力印加部１０ｂであり、半導体スイッチング素子１の厚みが２００μｍ以下で放熱板２ａの厚みが１ｍｍ以上であるため、半導体スイッチング素子１の低温でのスイッチングサージ電圧の増大を効果的に抑制することができる。

【0055】

接合層３がはんだよりも硬い金属粒子を用いて形成され、半導体スイッチング素子１の第一面１ａに垂直な方向に見て、接合層３の外形が半導体スイッチング素子１の外形よりも大きい、または半導体スイッチング素子１の外形と同じ大きさである場合、応力印加部１０ｂの部分から半導体スイッチング素子１の全体の部分に応力を伝えることができるため、半導体スイッチング素子１の低温でのスイッチングサージ電圧の増大をさらに効果的に抑制することができる。

【0056】

複数の半導体スイッチング素子１が、接合層３を介して放熱板２ａの同じ面に接合されている場合、半導体スイッチング素子１のそれぞれに個別に応力印加部を設けるよりも、一つの放熱板２ａの上に半導体スイッチング素子１を複数並べて一度に接合したほうが製造工程は削減されるので、半導体モジュール１００の生産性を向上させることができる。また、放熱板２ａの半導体スイッチング素子１のそれぞれに接合された部分が応力印加部１０ｂであるため、複数の半導体スイッチング素子１のそれぞれにおいて、複数の半導体スイッチング素子１のそれぞれの閾値電圧の温度特性が緩やかになる効果を得ることができる。

【0057】

実施の形態３．
実施の形態３に係る半導体モジュール１００について説明する。図１８は実施の形態３に係る半導体モジュール１００の概略を示す断面図で、図１のＡ－Ａ断面位置と同等の位置で切断した図である。実施の形態３に係る半導体モジュール１００は、応力印加部１０ｂを設けた点が実施の形態２とは異なっている。また、応力印加部として応力印加部１０ａを設けずに応力印加部１０ｂのみを設けた点が実施の形態１とは異なっている。

【0058】

応力印加部１０ｂは、半導体スイッチング素子１の第二面１ｂに１つ以上設けられる。本実施の形態では、１つの応力印加部１０ｂが半導体スイッチング素子１の外形よりも大きい大きさで設けられ、１つの応力印加部１０ｂは１ｍｍ以上の厚みを有した銅から作製される。応力印加部１０ｂの形状、材質、及び数はこれに限るものではなく、半導体スイッチング素子１の所望の位置に応力を加えることができれば、他の形状、材質、及び数であっても構わない。応力印加部１０ｂと半導体スイッチング素子１とは、例えば接合層（図示せず）を介して接合される。

【0059】

半導体モジュール１００は、第二面１ｂに設けられた応力印加部１０ｂにおける、半導体スイッチング素子１の側とは反対側の部分に接続された放熱部材２を備える。放熱部材２と応力印加部１０ｂとは、例えばはんだにより接続される。放熱部材２は、第二面１ｂに接続された電極としての機能を備え、放熱部材２にバスバー４が接続される。バスバー５は、半導体スイッチング素子１の第一面１ａの側に、例えばはんだにより接続される。本実施の形態では、図２に示した実施の形態１の構成と比較して、応力印加部１０ａを設けておらず部品点数が少ないので、半導体モジュール１００を小型化することができる。

【0060】

実施の形態２では放熱板２ａの第二面１ｂに接合された部分が第二面１ｂに設けられた応力印加部１０ｂであったが、実施の形態３に示す構成にすることで、応力印加部１０ｂと放熱部材２とを別の部材として設けることができる。そのため、応力印加部１０ｂにおける半導体スイッチング素子１への応力印加による閾値電圧の調整と、放熱部材２における半導体スイッチング素子１の放熱性能とを切り分けて考えることができるので、実施の形態２と比較して、半導体モジュール１００の構造設計を容易に行うことができる。例えば、放熱性能は十分である場合、半導体スイッチング素子１の閾値電圧をさらに下げたいのであれば、応力印加部１０ｂの材料または厚みを変えればよい。この場合、放熱部材２の設計変更は不要であり、放熱部材２の厚みを必要最低限に抑えることができるので、半導体モジュール１００のコストを下げることができる。

【0061】

本実施の形態において、半導体モジュール１００が複数の半導体スイッチング素子１を備える場合、半導体スイッチング素子１のそれぞれに応力印加部１０ｂを設けることができる。そのため、応力印加部１０ｂの厚み及び材料などを半導体スイッチング素子１ごとに変えることで、半導体スイッチング素子１のそれぞれにおいて閾値電圧の変動量を調整することが可能になる。半導体モジュール１００におけるバスバー４、５の配線の長さ及び配置などの影響により、それぞれの半導体スイッチング素子１に流れる電流量に偏りが生じることが予め分かっている場合がある。その場合、それぞれの半導体スイッチング素子１に加わる応力を変えることで、それぞれの半導体スイッチング素子１の電流量がバランスするように特定の半導体スイッチング素子１の閾値電圧を多めに低減させる調整が可能となる。これにより、低温でスイッチングした際のターンオフサージ電圧の増大をさらに抑制することができる。

【0062】

以上のように、実施の形態３による半導体モジュール１００において、応力印加部１０ｂが第二面１ｂに１つ以上設けられ、第二面１ｂに設けられた応力印加部１０ｂにおける、半導体スイッチング素子１の側とは反対側の部分に接続された放熱板２ａを備えたため、応力印加部１０ａを設けておらず部品点数が少ないので、半導体モジュール１００を小型化することができる。また、応力印加部１０ｂと放熱部材２とを別の部材として設けることができるため、応力印加部１０ｂによる閾値電圧の調整と放熱部材２による放熱性能とを切り分けて考えることができるので、実施の形態２と比較して、半導体モジュール１００の構造設計を容易に行うことができる。

【0063】

また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

【符号の説明】

【0064】

１ 半導体スイッチング素子、１ａ 第一面、１ｂ 第二面、２ 放熱部材、２ａ 放熱板、３ 接合層、４ バスバー、５ バスバー、６ 絶縁樹脂材、１０ａ 応力印加部、１０ａ１ 端部、１０ａ２ 端部、１０ｂ 応力印加部、１００ 半導体モジュール

【要約】

【課題】低温でのオン抵抗の増大及びターンオフサージ電圧の増大を抑制した、小型で安価な半導体モジュールを得ること。
【解決手段】半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子の第一面及び第一面とは反対側の第二面の一方または双方に設けられ、半導体スイッチング素子の主たる材料の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有し、厚みが半導体スイッチング素子よりも厚い応力印加部と、を備え、応力印加部は、温度変化に伴った応力印加部の熱収縮または熱膨張により、半導体スイッチング素子に圧縮応力または引張応力を生じさせ、半導体スイッチング素子は、圧縮応力又は引張応力の大きさが増加するに従って、半導体スイッチング素子がオンになる閾値電圧が低下する。
【選択図】図２

【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】