JP2021005603A - パワーモジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】搭載性の高いパワーモジュールおよびその製造方法を提供すること。【解決手段】パワーモジュール３０において、半導体装置１０は、冷却器４０とともに積層体３５をなしている。挟持部材５０、５１は、湾曲部５０ｂ、５１ｂを有している。挟持部材５０、５１は、積層方向において積層体３５を挟持しつつ、弾性変形の反力により積層体３５を積層方向に加圧している。固定部５２は、積層方向に直交する一方向において積層体３５の両側で挟持部材５０、５１同士を固定し、挟持部材５０、５１による加圧状態を保持している。【選択図】図６

Description

この明細書における開示は、パワーモジュールおよびその製造方法に関する。

特許文献１は、半導体素子を含む半導体装置と冷却器との積層体を備えたパワーモジュールを開示する。先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。

特開２０１７−９３２７２号公報

特許文献１は、積層体の加圧構造を提供する。特許文献１では、板ばね、支持ピン、加圧部材、およびケースを備える。支持ピンは、ケースに固定されており、板ばねを積層体とは反対側から支持する。板ばねは、加圧部材を介して、ケースの壁面との間で積層体を加圧する。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、パワーモジュールにはさらなる改良が求められている。

開示されるひとつの目的は、搭載性の高いパワーモジュールおよびその製造方法を提供することにある。

ここに開示されたパワーモジュールは、
半導体素子（１２Ｈ、１２Ｌ）を含む半導体装置（１０）と、
半導体装置に対して積層され、半導体装置とともに積層体（３５）をなす冷却器（４０）と、
少なくとも一方がばね部（５０ｂ、５１ｂ）を有し、積層方向において積層体を挟持しつつ、ばね部の弾性変形の反力により積層体を積層方向に加圧する一対の挟持部材（５０、５１）と、
積層方向に直交する一方向において積層体の両側で一対の挟持部材同士を固定し、挟持部材を加圧状態で保持する複数の固定部（５２）と、を備える。

開示されたパワーモジュールによると、一対の挟持部材により積層体が加圧される。挟持部材の加圧状態は、積層方向ではなく、一方向において積層体の両側に設けた固定部により保持される。この結果、搭載性の高いパワーモジュールを提供することができる。

ここに開示されたパワーモジュールの製造方法は、
半導体素子（１２Ｈ、１２Ｌ）を含む半導体装置（１０）と冷却器（４０）とを積層して積層体（３５）を形成し、
少なくとも一方がばね部（５０ｂ、５１ｂ）を有する一対の挟持部材（５０、５１）のひとつを、積層方向において積層体の一面側に配置し、他のひとつを一面とは反対の裏面側に配置して、積層体を挟持し、
挟持の状態を維持しつつばね部による積層体を積層方向に加圧する力を高めるように、ばね部を有する挟持部材の固定部位を積層方向と直交する一方向において積層体から遠ざかる側に変位させ、
変位させた状態の挟持部材を保持するように、一方向において積層体の両側で一対の挟持部材の固定部位同士を固定する。

開示されたパワーモジュールの製造方法によると、ばね部を有する挟持部材の固定部位を一方向に変位させることで、ばね部による加圧力を高めることができる。そして、変位状態の固定部位同士を一方向の両側で固定することで、加圧力を高めた状態を保持することができる。この結果、搭載性の高いパワーモジュールを提供することができる。

この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

第１実施形態に係るパワーモジュールの半導体装置が適用される電力変換装置の回路図である。 半導体装置の平面図である。 封止樹脂体の被覆部分の構造を示す平面図である。 図２のIV-IV線に沿う断面図である。 パワーモジュールを示す平面図である。 図５のVI-VI線に沿う断面図である。 パワーモジュールの製造方法を示す断面図である。 パワーモジュールの製造方法を示す断面図である。 パワーモジュールの製造方法を示す断面図である。 変形例を示す図である。 第２実施形態に係るパワーモジュールを示す断面図である。 電力変換装置を示す図である。 第３実施形態に係るパワーモジュールを示す断面図である。

以下、図面に基づいて複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。

（第１実施形態）
先ず、図１に基づき、パワーモジュールの半導体装置が適用される電力変換装置について説明する。

＜電力変換装置＞
図１に示す電力変換装置１は、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される。電力変換装置１は、直流電源２とモータジェネレータ３との間で電力変換を行う。

直流電源２は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの充放電可能な二次電池である。モータジェネレータ３は、三相交流方式の回転電機である。モータジェネレータ３は、車両の走行駆動源、すなわち電動機として機能する。モータジェネレータ３は、回生時に発電機として機能する。

電力変換装置１は、平滑コンデンサ４と、電力変換器であるインバータ５を備えている。平滑コンデンサ４の正極側端子は、直流電源２の高電位側の電極である正極に接続され、負極側端子は、直流電源２の低電位側の電極である負極に接続されている。インバータ５は、入力された直流電力を所定周波数の三相交流に変換し、モータジェネレータ３に出力する。インバータ５は、モータジェネレータ３により発電された交流電力を、直流電力に変換する。インバータ５は、ＤＣ−ＡＣ変換部である。

インバータ５は、三相分の上下アーム回路６を備えて構成されている。各相の上下アーム回路６は、正極側の電源ラインである高電位電源ライン７と、負極側の電源ラインである低電位電源ライン８の間で、２つのアーム６Ｈ、６Ｌが直列に接続されてなる。各相の上下アーム回路６において、上アーム６Ｈと下アーム６Ｌの接続点は、モータジェネレータ３への出力ライン９に接続されている。

本実施形態では、各アームを構成するスイッチング素子として、ｎチャネル型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ６ｉ（以下、ＩＧＢＴ６ｉと示す）を採用している。ＩＧＢＴ６ｉのそれぞれには、還流用のダイオードであるＦＷＤ６ｄが逆並列に接続されている。一相分の上下アーム回路６は、２つのＩＧＢＴ６ｉを有して構成されている。上アーム６Ｈにおいて、ＩＧＢＴ６ｉのコレクタ電極が、高電位電源ライン７に接続されている。下アーム６Ｌにおいて、ＩＧＢＴ６ｉのエミッタ電極が、低電位電源ライン８に接続されている。そして、上アーム６ＨにおけるＩＧＢＴ６ｉのエミッタ電極と、下アーム６ＬにおけるＩＧＢＴ６ｉのコレクタ電極が相互に接続されている。

電力変換装置１は、上記した平滑コンデンサ４およびインバータ５に加えて、インバータ５とは別の電力変換器であるコンバータ、インバータ５やコンバータを構成するスイッチング素子の駆動回路などを備えてもよい。コンバータは、直流電圧を異なる値の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣ変換部である。

＜半導体装置＞
次に、図２、図３、および図４に基づき、半導体装置について説明する。図３では、封止樹脂体に覆われた部分を示すために、図２に対して封止樹脂体を除去した構造を示している。以下において、半導体素子の厚み方向をＺ方向、Ｚ方向に直交する一方向をＸ方向と示す。また、Ｚ方向およびＸ方向の両方向に直交する方向をＹ方向と示す。特に断わりのない限り、上記したＸ方向およびＹ方向により規定されるＸＹ面に沿う形状を平面形状とする。

図２〜図４に示すように、半導体装置１０は、封止樹脂体１１と、半導体素子１２Ｈ、１２Ｌと、ヒートシンク１４Ｈ、１４Ｌと、ターミナル１６Ｈ、１６Ｌと、ヒートシンク１８Ｈ、１８Ｌを備えている。さらに半導体装置１０は、上アーム６Ｈと下アーム６Ｌとをつなぐ継手部２９ａ〜２９ｃと、外部接続端子である主端子２１〜２３および信号端子２５を備えている。半導体装置１０を構成する要素の一部について、符号末尾に上アーム６Ｈ側を示す「Ｈ」を付与し、下アーム６Ｌ側を示す「Ｌ」を付与している。

封止樹脂体１１は、半導体装置１０を構成する他の要素の一部を封止している。他の要素の残りの部分は、封止樹脂体１１の外に露出している。封止樹脂体１１は、たとえばエポキシ系樹脂を材料とする。封止樹脂体１１は、たとえばトランスファモールド法により成形されている。本実施形態の封止樹脂体１１は、平面略矩形状をなしている。封止樹脂体１１は、Ｚ方向において、一面１１ａと、一面１１ａと反対の裏面１１ｂを有している。一面１１ａおよび裏面１１ｂは、たとえば平坦面となっている。

半導体素子１２Ｈ、１２Ｌは、封止樹脂体１１により封止されている。半導体素子１２Ｈ、１２Ｌは、一相分の上下アーム回路６を構成する。半導体素子１２Ｈの半導体基板には、上アーム６Ｈを構成するＩＧＢＴ６ｉおよびＦＷＤ６ｄが形成されている。半導体素子１２Ｌを構成する半導体基板には、下アーム６Ｌを構成するＩＧＢＴ６ｉおよびＦＷＤ６ｄが形成されている。このように、半導体素子１２Ｈ、１２Ｌとして、ＲＣ（Reverse Conducting）−ＩＧＢＴを採用している。半導体素子１２Ｈ、１２Ｌは、図示しないゲート電極を有している。ゲート電極は、たとえばトレンチ構造をなしている。

半導体素子１２Ｈ、１２Ｌは、主電流が流れる主電極を、自身の厚み方向、すなわちＺ方向の両面に有している。半導体素子１２Ｈ、１２Ｌは、主電極として、一面側にコレクタ電極１２ｃ、一面とは反対の面である裏面側にエミッタ電極１２ｅをそれぞれ有している。コレクタ電極１２ｃはＦＷＤ６ｄのカソード電極を兼ね、エミッタ電極１２ｅはアノード電極を兼ねている。コレクタ電極１２ｃは、一面のほぼ全域に形成されている。エミッタ電極１２ｅは、裏面の一部に形成されている。図示を省略するが、裏面には、信号用の電極であるパッドも形成されている。半導体素子１２Ｈ、１２Ｌは、たとえばゲート電極用のパッドを含んでいる。

ヒートシンク１４Ｈは、はんだ１３Ｈを介して、半導体素子１２Ｈのコレクタ電極１２ｃに接続されている。ヒートシンク１４Ｌは、はんだ１３Ｌを介して、半導体素子１２Ｌのコレクタ電極１２ｃに接続されている。ヒートシンク１４Ｈ、１４Ｌは、対応する半導体素子１２Ｈ、１２Ｌの熱を外部に放熱する放熱部材である。ヒートシンク１４Ｈ、１４Ｌは、対応する半導体素子１２Ｈ、１２Ｌのコレクタ電極１２ｃに電気的に接続された配線部材である。ヒートシンク１４Ｈ、１４Ｌとしては、たとえばＣｕなどを材料とする金属板、ＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板などを採用することができる。

ヒートシンク１４Ｈ、１４Ｌは、Ｚ方向からの平面視において、対応する半導体素子１２Ｈ、１２Ｌを内包している。ヒートシンク１４Ｈ、１４Ｌにおいて、それぞれの放熱面１４ａは、封止樹脂体１１から露出している。放熱面１４ａは、半導体素子１２Ｈ、１２Ｌの実装面とは反対の面である。放熱面１４ａは、封止樹脂体１１の一面１１ａと略面一となっている。ヒートシンク１４Ｈ、１４Ｌの放熱面１４ａは、封止樹脂体１１の一面１１ａから露出されるとともに、互いにＸ方向に並んでいる。

ターミナル１６Ｈは、はんだ１５Ｈを介して、半導体素子１２Ｈのエミッタ電極１２ｅに接続されている。ターミナル１６Ｌは、はんだ１５Ｌを介して、半導体素子１２Ｌのエミッタ電極１２ｅに接続されている。ターミナル１６Ｈ、１６Ｌは、対応する半導体素子１２Ｈ、１２Ｌとヒートシンク１８Ｈ，１８Ｌとの熱伝導、電気伝導経路の途中に位置する。ターミナル１６Ｈ、１６Ｌは、Ｃｕなどの金属材料を用いて形成されている。

ヒートシンク１８Ｈは、はんだ１７Ｈを介して、ターミナル１６Ｈに接続されている。ヒートシンク１８Ｌは、はんだ１７Ｌを介して、ターミナル１６Ｌに接続されている。ヒートシンク１８Ｈ、１８Ｌは、対応する半導体素子１２Ｈ、１２Ｌの熱を外部に放熱する放熱部材である。ヒートシンク１８Ｈ、１８Ｌは、対応する半導体素子１２Ｈ、１２Ｌのエミッタ電極１２ｅに電気的に接続された配線部材である。ヒートシンク１８Ｈ、１８Ｌとしては、ヒートシンク１４Ｈ、１４Ｌ同様、金属板、ＤＢＣ基板などを採用することができる。

ヒートシンク１８Ｈ、１８Ｌは、Ｚ方向からの平面視において、対応する半導体素子１２Ｈ、１２Ｌを内包している。ヒートシンク１８Ｈ、１８Ｌにおいて、それぞれの放熱面１８ａは、封止樹脂体１１から露出している。放熱面１８ａは、ターミナル１６Ｈ、１６Ｌの実装面とは反対の面である。放熱面１８ａは、封止樹脂体１１の裏面１１ｂと略面一となっている。ヒートシンク１８Ｈ、１８Ｌの放熱面１８ａは、封止樹脂体１１の裏面１１ｂから露出されるとともに、互いにＸ方向に並んでいる。本実施形態では、ヒートシンク１８Ｈ、１８Ｌを共通部材としており、ヒートシンク１８Ｈ、１８Ｌの配置はＺ軸を回転軸とする２回対称となっている。

継手部１９ａは、ヒートシンク１４Ｌに連なっている。継手部１９ｂは、ヒートシンク１８Ｈに連なっている。継手部１９ａは、はんだ２０を介して継手部１９ｂに接続されている。継手部１９ａ、１９ｂは、ヒートシンク１４Ｌ、１８Ｈを電気的に接続する配線部である。継手部１９ｃは、ヒートシンク１８Ｌに連なっている。継手部１９ａ、１９ｃは、Ｘ方向において半導体素子１２Ｈ側に延びている。継手部１９ｂは、Ｘ方向において半導体素子１２Ｌ側に延びている。

主端子２１は、平滑コンデンサ４の正極端子と電気的に接続される。主端子２２は、平滑コンデンサ４の負極端子と電気的に接続される。このため、主端子２１はＰ端子、主端子２２はＮ端子と称されることがある。主端子２１は、ヒートシンク１４Ｈに連なっている。主端子２１は、ヒートシンク１４ＨにおけるＹ方向の一端に連なっている。主端子２１は、Ｙ方向に延設され、封止樹脂体１１の側面１１ｃから外部に突出している。主端子２２は、図示しないはんだを介して、継手部１９ｃに接続されている。主端子２２は、Ｙ方向に延設されて、主端子２１と同じ側面１１ｃから外部に突出している。

主端子２３は、上アーム６Ｈと下アーム６Ｌとの接続点に接続されている。主端子２３は、モータジェネレータ３の対応する相のコイルと電気的に接続される。主端子２３は、Ｏ端子、交流端子とも称される。主端子２３は、ヒートシンク１４Ｌに連なっている。主端子２３は、Ｙ方向に延設され、主端子２１、２２と同じ側面１１ｃから外部に突出している。なお、主端子２１、２２、２３の側面１１ｃからの突出長さは、図示しないバスバーなどとの接続構造、配線インダクタンスなどを考慮して、適宜設定されている。

信号端子２５は、対応する半導体素子１２Ｈ、１２Ｌのパッドに、ボンディングワイヤ２４を介して電気的に接続されている。信号端子２５は、Ｙ方向に延設されており、封止樹脂体１１において側面１１ｄから外部に突出している。側面１１ｄは、Ｙ方向において側面１１ｃとは反対の面である。本実施形態では、半導体素子１２Ｈ、１２Ｌに対して信号端子２５が５本ずつ設けられている。なお、符号２６は、吊りリードを示している。ヒートシンク１４Ｈ、１４Ｌと、継手部１９ａと、主端子２１、２２、２３と、信号端子２５は、同一の金属板であるリードフレームに構成されている。信号端子２５は、タイバーを介して吊りリード２６接続されている。タイバーなど、リードフレームの不要部分は、封止樹脂体１１の成形後に除去されている。

上記したように、半導体装置１０では、封止樹脂体１１によって一相分の上下アーム回路６を構成する２つの半導体素子１２Ｈ、１２Ｌが封止されている。このため、半導体装置１０は、２ｉｎ１パッケージとも称される。封止樹脂体１１は、半導体素子１２Ｈ、１２Ｌ、ヒートシンク１４Ｈ、１４Ｌ、１８Ｈ、１８Ｌそれぞれの一部、ターミナル１６Ｈ、１６Ｌ、継手部１９ａ〜１９ｃ、主端子２１〜２３および信号端子２５それぞれの一部を、一体的に封止している。

Ｚ方向において、半導体素子１２Ｈの両側に、ヒートシンク１４Ｈ、１８Ｈが配置されている。半導体素子１２Ｌの両側にヒートシンク１４Ｌ、１８Ｌが配置されている。これにより、半導体素子１２Ｈ、１２Ｌの熱を、Ｚ方向において両側に放熱することができる。半導体装置１０は、両面放熱構造をなしている。ヒートシンク１４Ｈ、１４Ｌそれぞれの放熱面１４ａは、封止樹脂体１１の一面１１ａと略面一となっている。ヒートシンク１８Ｈ、１８Ｌそれぞれの放熱面１８ａは、封止樹脂体１１の裏面１１ｂと略面一となっている。放熱面１４ａ、１８ａが露出面であるため、効果的に放熱することができる。

＜パワーモジュール＞
次に、図５および図６に基づき、パワーモジュールについて説明する。図５および図６に示すように、パワーモジュール３０は、上記した半導体装置１０と、冷却器４０と、一対の挟持部材５０、５１と、複数の固定部５２を備えている。このパワーモジュール３０は、ひとつの半導体装置１０を備えている。パワーモジュール３０は、半導体装置１０の冷却構造を提供する。

冷却器４０は、半導体装置１０に対してＺ方向に積層され、半導体装置１０とともに積層体３５を形成している。Ｚ方向が、積層方向に相当する。冷却器４０は、半導体装置１０のヒートシンク１４Ｈ、１４Ｌ側と、ヒートシンク１８Ｈ、１８Ｌ側に、それぞれ配置されている。冷却器４０により、半導体装置１０が挟まれている。冷却器４０は、熱交換部と称されることがある。冷却器４０の内部には、冷媒が流通する流路が形成されている。

冷却器４０には、導入管４１および排出管４２が接続されている。導入管４１および排出管４２は、その内部に流路が形成された筒状の部材である。導入管４１および排出管４２は、Ｚ方向に延設されている。導入管４１および排出管４２は、Ｚ方向に伸縮可能に設けられたベローズである。冷却器４０のそれぞれにおいて、Ｘ方向の一端側に導入管４１が接続され、他端側に排出管４２が接続されている。冷却器４０の流路と、導入管４１および排出管４２の流路は、一体的に連なっている。

冷却器４０のひとつである第１冷却器には、図示しない冷媒導入口および冷媒排出口が設けられている。冷媒導入口から導入された冷媒は、第１冷却器内の流路を流れ、冷媒排出口から外部へ排出される。冷媒導入口から導入された冷媒は、導入管４１を通じて冷却器４０の他のひとつである第２冷却器に供給され、第２冷却器内の流路を流れる。冷媒は、第２冷却器の流路から、排出管４２および冷媒排出口を通じて外部へ排出される。たとえば、Ｙ方向から冷媒導入口に冷媒を導入、および／または、冷媒導入口から冷媒を排出してもよい。また、挟持部材５０、５１の少なくとも一方に設けた貫通部を通じて、冷媒導入口に冷媒を導入、および／または、冷媒導入口から冷媒を排出してもよい。貫通部とは、貫通孔や切り欠きである。

なお、冷媒としては、水やアンモニアなどの相変化する冷媒や、エチレングリコール系などの相変化しない冷媒を用いることができる。冷却器４０は、主として半導体装置１０を冷却するものである。しかしながら、冷却機能に加えて、環境温度が低い場合に温める機能を持たせてもよい。この場合、冷却器４０は温度調節器と称される。また、冷媒は熱媒体と称される。

半導体装置１０と冷却器４０との間には、放熱ゲル４３が介在している。放熱ゲル４３に代えて、放熱グリスや放熱シートを用いてもよい。電気絶縁性を高めたい場合、放熱ゲル４３などとともにセラミクス板を用いてもよい。

挟持部材５０、５１は、基部５０ａ、５１ａと、湾曲部５０ｂ、５１ｂと、延設部５０ｃ、５１ｃと、被挿通部５０ｄ、５１ｄを有している。積層体３５に対し、Ｚ方向の一端側に基部５０ａが配置され、他端側に基部５１ａが配置されている。湾曲部５０ｂ、５１ｂは、基部５０ａ、５１ａに対して局所的に設けられた凸部であり、積層体３５側に突出している。湾曲部５０ｂ、５１ｂは、ＺＸ平面においてＲ形状（曲面形状）をなしている。湾曲部５０ｂ、５１ｂは、Ｙ方向において基部５０ａ、５１ａの一端から他端にわたって設けられた凸条である。

挟持部材５０は、湾曲部５０ｂにおいて積層体３５の一面３５ａに接触している。挟持部材５１は、湾曲部５１ｂにおいて一面３５ａとは反対の裏面３５ｂに接触している。湾曲部５０ｂ、５１ｂは、積層体３５に対し、弾性変形による反力を付与している。基部５０ａには、２つの湾曲部５０ｂが、Ｘ方向に並んで設けられている。基部５１ａには、２つの湾曲部５１ｂが、Ｘ方向に並んで設けられている。湾曲部５０ｂ、５１ｂは基部５０ａ、５１ａの間に設けられている。基部５０ａ、５１ａと湾曲部５０ｂ、５１ｂとは、Ｘ方向において交互に設けられている。湾曲部５０ｂ、５１ｂを２つずつ有することで、上アーム６Ｈ側と、下アーム６Ｌ側をそれぞれ加圧することができる。

延設部５０ｃ、５１ｃは、基部５０ａ、５１ａに連なっている。延設部５０ｃは、基部５０ａのＸ方向両端にそれぞれ設けられている。延設部５１ｃは、基部５１ａのＸ方向両端にそれぞれ設けられている。延設部５０ｃ、５１ｃは、基部５０ａ、５１ａに対して屈曲し、Ｚ方向に延設されている。被挿通部５０ｄ、５１ｄは、延設部５０ｃ、５１ｃの先端に連なっている。被挿通部５０ｄ、５１ｄは、固定ピン５２ａを挿通可能なように、延設部５０ｃ、５１ｃに対して曲げ加工されている。被挿通部５０ｄ、５１ｄは、片側に３箇所ずつ所定ピッチで設けられている。被挿通部５０ｄが第１被挿通部に相当し、被挿通部５１ｄが第２被挿通部に相当する。

固定部５２は、Ｘ方向において積層体３５の両側で、挟持部材５０、５１同士を固定している。Ｘ方向において、固定部５２の間に積層体３５が位置している。Ｘ方向が、積層方向に直交する一方向に相当する。固定部５２は、固定により、挟持部材５０、５１による積層体３５の加圧状態を保持している。本実施形態では、固定部５２が、固定ピン５２ａを含んで構成されている。パワーモジュール３０は、２本の固定ピン５２ａを有している。

加圧状態で、被挿通部５０ｄ、５１ｄは、Ｙ方向に並んで配置される。換言すれば、被挿通部５０ｄ、５１ｄは、同軸上に配置される。本実施形態では、被挿通部５０ｄ、５１ｄが交互に配置される。固定ピン５２ａは、Ｙ方向に並んで配置された被挿通部５０ｄ、５１ｄを挿通している。１つの固定ピン５２ａは、３つの被挿通部５０ｄと３つの被挿通部５１ｄを挿通している。固定ピン５２ａは、積層体３５の一面３５ａと裏面３５ｂとの間に位置に設けられている。固定ピン５２ａは、Ｚ方向において積層体３５の中央付近に設けられている。固定ピン５２ａの挿通により、Ｚ方向およびＸ方向において挟持部材５０、５１が位置決めされている。

＜パワーモジュールの製造方法＞
次に、図７、図８、および図９に基づき、パワーモジュール３０の製造方法の一例について説明する。図７〜図９は、図６に対応している。

先ず、積層体３５を形成する。図７に示すように、半導体装置１０と冷却器４０とをＺ方向に積層して、積層体３５を形成する。このとき、冷却器４０と半導体装置１０との間に、放熱ゲル４３を配置する。

次いで、積層体３５に対して挟持部材５０、５１を配置する。図７に示すように、積層体３５の一面３５ａ側に挟持部材５０を配置し、裏面３５ｂ側に挟持部材５１を配置する。この時点で、湾曲部５０ｂ、５１ｂの先端が積層体３５に接触し、挟持部材５０、５１により積層体３５が挟持される。

次いで、挟持状態を維持しつつ、外力の印加により挟持部材５０、５１を弾性変形させて、積層体３５への加圧力を高める。外力の印加により、湾曲部５０ｂ、５１ｂが弾性変形し、図８に示すように曲面のＲが大きくなる。したがって、弾性変形の反力（図８中の白抜き矢印）により、積層体３５をＺ方向に加圧することができる。また、Ｒが大きくなることで、圧力のばらつきを抑制することができる。図８に示す破線は、外力を印加する前の状態、すなわち図７に示す状態の挟持部材５０、５１の位置を示している。湾曲部５０ｂ、５１ｂのＲが大きくなると、湾曲部５０ｂ、５１ｂのＸ方向に沿う長さが長くなる。よって、外力印加前の状態に対し、被挿通部５０ｄ、５１ｄがＸ方向において積層体３５から遠ざかり、被挿通部５０ｄ、５１ｄの対向距離が長くなる。

したがって、挟持部材５０、５１の固定部位である被挿通部５０ｄ、５１ｄを積層体３５から遠ざかる方向に変位させることで、積層体３５に対する加圧力を高めることができる。加圧力を高めることで、放熱ゲル４３は、半導体装置１０と冷却器４０との間で圧縮され、厚みが薄くなる。これにより、半導体装置１０と冷却器４０との間の熱抵抗が小さくなる。湾曲部５０ｂ、５１ｂのＲが大きくなると、被挿通部５０ｄ、５１ｄは、Ｚ方向において互いに近づく。本実施形態では、被挿通部５０ｄ、５１ｄがＹ方向において並ぶ位置、すなわちＹ方向からの平面視において被挿通部５０ｄ、５１ｄが互いに重なる位置まで変位させる。

上記したように被挿通部５０ｄ、５１ｄを変位させるには、たとえば図８に実線矢印で示すようにＸ方向に外力を印加し、Ｘ方向の両側に挟持部材５０、５１を引っ張るとよい。また、Ｚ方向に外力を印加して湾曲部５０ｂ、５１ｂを積層体３５に押し付け、これにより湾曲部５０ｂ、５１ｂのＲを大きくして、被挿通部５０ｄ、５１ｄを変位させてもよい。

次いで、被挿通部５０ｄ、５１ｄを変位させた状態で、挟持部材５０、５１同士を固定する。両サイドの被挿通部５０ｄ、５１ｄに対して、Ｙ方向の一端側から固定ピン５２ａをそれぞれ通す。固定ピン５２ａが、Ｙ方向に並ぶ被挿通部５０ｄ、５１ｄを挿通することで、挟持部材５０、５１のＺ方向およびＸ方向の位置が保持される。よって、被挿通部５０ｄ、５１ｄの変位状態、すなわち湾曲部５０ｂ、５１ｂの弾性変形による加圧状態が保持される。このようにして、図９に示すように、挟持部材５０、５１の固定部５２が形成される。なお、必要に応じて、かしめ、接合などを行い、Ｙ方向において被挿通部５０ｄ、５１ｄから固定ピン５２ａが抜けるのを防ぐようにしてもよい。

＜第１実施形態のまとめ＞
この実施形態によると、一対の挟持部材５０、５１の少なくとも一方にばね部を設け、挟持部材５０、５１により積層体３５を積層方向（Ｚ方向）に加圧する。このため、積層体３５の加圧に、電力変換装置（たとえばインバータ５）を構成するケースの壁部を用いなくてもよい。よって、Ｚ方向の体格を小型化することができる。たとえばケース内にパワーモジュール３０を配置する構成において、配置自由度を向上できる。

また、挟持部材５０、５１による加圧状態は、Ｚ方向ではなく、Ｘ方向において積層体３５の両サイドに設けた固定部５２により保持される。よって、固定部をＺ方向に設ける構成に較べて、Ｚ方向の体格を小型化できる。たとえばケース内での配置スペースを小さくすることができる。挟持部材５０、５１同士を固定するため、配置自由度を向上することができる。

以上より、搭載性の高いパワーモジュール３０を提供することができる。なお、ばね部を、挟持部材５０、５１の一方のみに設けてもよい。たとえば、挟持部材５１のみに湾曲部５１ｂを設け、挟持部材５０において湾曲部５０ｂを排除した構成としてもよい。本実施形態では、ばね部として、挟持部材５０、５１に湾曲部５０ｂ、５１ｂを設けている。ばね機能を２つの挟持部材５０、５１に分散させるため、一方のみにばね部を設ける構成に較べて、積層体３５に対する挟持部材５０、５１の組み付けが容易である。また、Ｚ方向の体格増大を抑制することが可能である。

本実施形態では、固定部５２を、積層方向において積層体３５の一面３５ａと裏面３５ｂとの間の位置に設けている。固定部５２が、Ｚ方向において積層体３５よりも外側に飛び出していない。よって、Ｚ方向の体格をさらに小型化できる。すなわち、搭載性をより高めることができる。

本実施形態では、固定ピン５２ａが挟持部材５０、５１の被挿通部５０ｄ、５１ｄを挿通することで固定部５２が形成され、挟持部材５０、５１による加圧状態が保持される。よって、短時間で固定部５２を形成することができる。すなわち、所定の加圧状態を形成すると、形成した加圧状態を直ちに保持することができる。また、かしめや接合などによって固定ピン５２ａを固定しない場合、固定ピン５２ａを被挿通部５０ｄ、５１ｄから引き抜くことで、パワーモジュール３０を分解することができる。よって、リペア性を向上することができる。

上記したパワーモジュール３０は、挟持部材５０、５１の固定部位（被挿通部５０ｄ、５１ｄ）をＸ方向に変位させ、この変位状態で挟持部材５０、５１同士を固定することで形成することができる。挟持部材５０、５１の固定部位をＸ方向において積層体３５から遠ざかる側に変位させると、ばね部（湾曲部５０ｂ、５１ｂ）が弾性変形し、積層体３５に対する加圧力を高めることができる。そして、上記のように変位させた固定部位同士をＸ方向の両サイドでそれぞれ固定することで、加圧力を高めた状態を保持することができる。

固定ピン５２ａにより固定部５２を形成する例を示したが、これに限定されない。たとえば締結によって固定部５２を形成してもよい。図１０に示す変形例では、ボルト５２ｂおよびナット５２ｃによって固定部５２が形成されている。ボルト５２ｂが、挟持部材５０、５１の貫通孔５０ｅ、５１ｅを挿通した状態で、締結されている。リベットなどを用いてもよい。固定ピン５２ａ、ボルト５２ｂおよびナット５２ｃなどの固定部材を用いてもよいし、かしめなどにより、固定部材を用いずに固定部５２を形成してもよい。接合により固定部５２を形成してもよい。

（第２実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。

この実施形態では、パワーモジュール３０が、複数の半導体装置１０を備えている。すなわち、半導体装置１０が多層に配置されている。その一例を図１１に示す。図１１に示すパワーモジュール３０は、三相分の上下アーム回路６を構成する３つの半導体装置１０を備えている。よって、ひとつのパワーモジュール３０により、インバータ５が構成される。複数の半導体装置１０と複数の冷却器４０は、積層方向であるＺ方向において交互に配置されている。半導体装置１０のそれぞれは、冷却器４０によって挟まれている。

＜第２実施形態のまとめ＞
この実施形態によると、複数の半導体装置１０と複数の冷却器４０を積層してなる積層体３５を、一対の挟持部材５０、５１により加圧することができる。よって、Ｚ方向の体格をさらに小型化し、搭載性のより高いパワーモジュール３０を提供することができる。

図１２は、電力変換装置１の一例を示している。ケース８０内に、図１１に示したパワーモジュール３０、平滑コンデンサ４などが収容されている。先行実施形態や本実施形態に示した構成によれば、ケース８０におけるパワーモジュール３０の配置自由度が高い。また、パワーモジュール３０の配置スペースが小さい。よって、パワーモジュール３０は、高い搭載性を有している。

（第３実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。

図１３に示すように、この実施形態のパワーモジュール３０は、封止材６０をさらに備えている。封止材６０は、挟持部材５０、５１の対向領域に配置されている。封止材６０は、挟持部材５０、５１によって囲まれた領域内に充填されている。封止材６０は、積層体３５を構成する要素を一体的に封止している。封止材６０としては、たとえばエポキシ樹脂を用いることができる。封止材６０は、挟持部材５０、５１のＹ方向の一方の開口を型により閉塞した状態で、ポッティング等により形成される。それ以外の構成は、図１１と同じである。

＜第３実施形態のまとめ＞
この実施形態によると、ケース８０内に収容しなくても、積層体３５を構成する要素が保護される。換言すれば、挟持部材５０、５１および封止材６０が、積層体３５を保護するケースとして機能する。よって、ケースを別途設けなくてもよいため、構成を簡素化することができる。なお、封止材６０を適用できる構成は、図１１に示した例に限定されない。たとえば図６に示した構成にも適用できる。

（他の実施形態）
この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。

半導体装置１０をインバータ５に適用する例を示したが、これに限定されない。たとえばコンバータに適用することもできる。また、インバータ５およびコンバータの両方に適用することもできる。冷却器４０は、上記した例に限定されない。すなわち、内部の流路に冷媒が流れることで、半導体装置１０を冷却できるものに限定されない。金属板などを冷却器としてもよい。

半導体素子１２Ｈ、１２Ｌに、ＩＧＢＴ６ｉとＦＷＤ６ｄが形成される例を示したが、これに限定されない。同一アームを構成するＩＧＢＴ６ｉとＦＷＤ６ｄとを、別チップとしてもよい。スイッチング素子としてＩＧＢＴ６ｉの例を示したが、これに限定されない。たとえばＭＯＳＦＥＴを採用することもできる。

放熱面１４ａ、１８ａが、封止樹脂体１１から露出される例を示したが、これに限定されない。放熱面１４ａ、１８ａの少なくとも一方が、封止樹脂体１１によって覆われた構成としてもよい。放熱面１４ａ、１８ａが、封止樹脂体１１とは別の図示しない絶縁部材によって覆われた構成としてもよい。半導体装置１０が、ターミナル１６Ｈ、１６Ｌを備える例を示したが、これに限定されない。ターミナル１６Ｈ、１６Ｌに代えて、ヒートシンク１８Ｈ、１８Ｌに凸部を設けてもよい。

半導体装置１０が、一相分の上下アーム回路６を構成する２つの半導体素子１２Ｈ、１２Ｌを備える例を示したが、これに限定されない。ひとつのアームを構成する半導体素子のみを備えてもよい。また、三相分の上下アーム回路６を構成する半導体素子を備えてもよい。

両面放熱構造の半導体装置１０の例を示したが、これに限定されない。半導体素子に対してＺ方向の一方の側のみにヒートシンクが配置された片面放熱構造の半導体装置にも適用できる。積層体３５において、半導体装置１０の両側に冷却器４０を配置する例を示したが、これに限定されない。片側のみに冷却器４０を配置してもよい。

１…電力変換装置、２…直流電源、３…モータジェネレータ、４…平滑コンデンサ、５…インバータ、６…上下アーム回路、６Ｈ…上アーム、６Ｌ…下アーム、７…高電位電源ライン、８…低電位電源ライン、９…出力ライン、１０…半導体装置、１１…封止樹脂体、１１ａ…一面、１１ｂ…裏面、１１ｃ、１１ｄ…側面、１２Ｈ、１２Ｌ…半導体素子、１２ｃ…コレクタ電極、１２ｅ…エミッタ電極、１３Ｈ、１３Ｌ…はんだ、１４Ｈ、１４Ｌ…ヒートシンク、１４ａ…放熱面、１５Ｈ、１５Ｌ…はんだ、１６…ターミナル、１７Ｈ、１７Ｌ…はんだ、１８Ｈ、１８Ｌ…ヒートシンク、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ…継手部、２０…はんだ、２１、２２、２３…主端子、２４…ボンディングワイヤ、２５…信号端子、２６…吊りリード、３０…パワーモジュール、３５…積層体、３５ａ…一面、３５ｂ…裏面、４０…冷却器、４１…導入管、４２…排出管、４３…放熱ゲル、５０、５１…挟持部材、５０ａ、５１ａ…基部、５０ｂ、５１ｂ…湾曲部、５０ｃ、５１ｃ…延設部、５０ｄ、５１ｄ…被挿通部、５０ｅ、５１ｅ…貫通孔、５２…固定部、５２ａ…固定ピン、５２ｂ…ボルト、５２ｃ…ナット、６０…封止材、８０…ケース

Claims (6)

1. 半導体素子（１２Ｈ、１２Ｌ）を含む半導体装置（１０）と、
   前記半導体装置に対して積層され、前記半導体装置とともに積層体（３５）をなす冷却器（４０）と、
   少なくとも一方がばね部（５０ｂ、５１ｂ）を有し、積層方向において前記積層体を挟持しつつ、前記ばね部の弾性変形の反力により前記積層体を前記積層方向に加圧する一対の挟持部材（５０、５１）と、
   前記積層方向に直交する一方向において前記積層体の両側で一対の前記挟持部材同士を固定し、前記挟持部材を加圧状態で保持する複数の固定部（５２）と、
   を備えるパワーモジュール。
2. 前記固定部は、前記積層方向において前記積層体の一面と前記一面とは反対の裏面との間の位置に設けられている請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 一対の前記挟持部材のひとつは第１被挿通部（５０ｄ）を有し、他のひとつは第２被挿通部（５１ｄ）を有し、
   前記加圧状態において、前記第１被挿通部および前記第２被挿通部は、前記積層方向および前記一方向に直交する方向に並んで配置され、
   前記固定部は、並設された前記第１被挿通部および前記第２被挿通部を挿通する固定ピン（５２ａ）を含んでいる請求項２に記載のパワーモジュール。
4. 一対の前記挟持部材は、前記ばね部をそれぞれ含む請求項１〜３いずれか１項に記載のパワーモジュール。
5. 一対の前記挟持部材の対向領域に配置され、前記半導体装置および前記冷却器を一体的に封止する封止材（６０）を、さらに備える請求項１〜４いずれか１項に記載のパワーモジュール。
6. 半導体素子（１２Ｈ、１２Ｌ）を含む半導体装置（１０）と冷却器（４０）とを積層して積層体（３５）を形成し、
   少なくとも一方がばね部（５０ｂ、５１ｂ）を有する一対の挟持部材（５０、５１）のひとつを、積層方向において前記積層体の一面側に配置し、他のひとつを前記一面とは反対の裏面側に配置して、前記積層体を挟持し、
   前記挟持の状態を維持しつつ前記ばね部による前記積層体を前記積層方向に加圧する力を高めるように、前記ばね部を有する前記挟持部材の固定部位を前記積層方向と直交する一方向において前記積層体から遠ざかる側に変位させ、
   変位させた状態の前記挟持部材を保持するように、前記一方向において前記積層体の両側で一対の前記挟持部材の固定部位同士を固定する、
   パワーモジュールの製造方法。

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