JP7334485B2 - 半導体モジュールの外部接続部、半導体モジュールの外部接続部の製造方法、半導体モジュール、車両、及び外部接続部とバスバーとの接続方法 - Google Patents

半導体モジュールの外部接続部、半導体モジュールの外部接続部の製造方法、半導体モジュール、車両、及び外部接続部とバスバーとの接続方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体モジュールの外部接続部、半導体モジュールの外部接続部の製造方法、半導体モジュール、車両、及び外部接続部とバスバーとの接続方法に関する。
従来、半導体モジュールは、外部接続端子を通して外部と接続され、主電力を入力又は出力することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２０１０－０９８０３６号公報
本発明の実施形態により、外部接続の確実性を向上させた半導体モジュールの外部接続部を提供する。
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、半導体モジュールの外部接続部を提供する。外部接続部は、外部接続端子と、外部接続端子の下面側に設けられたナットとを備える半導体モジュールの外部接続部であって、外部接続端子は、導体と、導体の上面上に設けられた第１金属層と、第１金属層上に設けられた第２金属層と、導体の下面上に設けられた下面金属層とを有する。
第１金属層は、第２金属層より高い硬度を有してよい。
第１金属層は、下面金属層と同じ材料から形成されてよい。
導体は、１．０ｍｍ以上７．０ｍｍ以下の厚さを有し、第１金属層は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有し、第２金属層は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有し、下面金属層は、第１金属層と同じである又はそれより大きい厚さを有してよい。
導体は、銅又は銅合金から形成され、第１金属層及び下面金属層は、光沢ニッケル層であり、第２金属層は、金層、無光沢ニッケル層、銅スズ合金層又は銀層である。
第２金属層は、第１金属層の一部を覆うように設けられてよい。
ナットの外径は、ナットに対応するネジの最大径と同じである又はそれより小さくてよい。
ナットは、半導体モジュールの筐体と一体化されてよい。
ナットは、外部接続端子側にフランジを有するフランジ形ナットであってよい。
本発明の第２の態様においては、半導体モジュールの外部接続部の製造方法を提供する。製造方法は、外部接続端子を提供する段階と、外部接続端子の下面側にナットを設ける段階とを備える半導体モジュールの外部接続部の製造方法であって、外部接続端子を提供する段階は、導体を設ける段階と、導体の上面上に第１金属層を設ける段階と、第１金属層上に第２金属層を設ける段階と、導体の下面上に下面金属層を設ける段階とを含む。
外部接続端子を提供する段階は、上面側に向かって凸形状を有する外部接続端子を形成する段階を含んでよい。
本発明の第３の態様においては、半導体モジュールを提供する。半導体モジュールは、本発明の第１の態様に係る外部接続部を備える。
本発明の第４の態様においては、車両を提供する。車両は、本発明の第３の態様に係る半導体モジュールを備える。
本発明の第５の態様においては、外部接続部とバスバーとの接続方法を提供する。接続方法は、バスバーを外部接続端子の上面側に配置する段階と、バスバーの穴及び外部接続端子のネジ穴にネジのネジ部を挿入する段階と、ネジの締め込みにより、ナットの端部を下面金属層に食い込ませる段階と、を備える。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本発明の実施形態に係る半導体モジュール１００の上面の概略図である。 本発明の実施形態に係る外部接続部２０の拡大上面図である。 本発明の実施形態に係る外部接続部２０の分解断面図である。 本発明の実施形態に係る外部接続部２０の断面図である。 参考例に係る外部接続部３２０の断面図である。 本発明の実施形態に係る外部接続部２０の別の例を示す上面図である。 本発明の実施形態に係る外部接続部２０のさらに別の例を示す分解断面図である。 本発明の実施形態に係る外部接続部２０の製造方法を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る車両２００の概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体モジュール１００の主回路図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
本明細書においては半導体モジュールの深さ方向と平行な方向における一方の側を「上」、他方の側を「下」と称する。基板、層又はその他の部材の２つの主面のうち、一方の面を上面、他方の面を下面と称する。「上」、「下」の方向は重力方向、又は、半導体チップの実装時における基板等への取り付け方向に限定されない。
図１Ａは、本発明の実施形態に係る半導体モジュール１００の上面の概略図を示す。半導体モジュール１００は、筐体５０、筐体５０内に収容された半導体セル１０、及び外部接続部２０を有する。本明細書において、図１Ａの上面視における矩形状の筐体５０の長辺方向をＸ軸とし、短辺方向をＹ軸とする。例えば、半導体モジュール１００は、インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）である。また、Ｘ軸方向とＹ軸方向に対し、右手系をなす方向であって、半導体モジュール１００において、半導体セル１０を有する側の方向をＺ軸方向とする。また、上面視とは、Ｚ軸の正の方向から半導体モジュール１００を見ることを意味する。
半導体セル１０は、絶縁基板と、絶縁基板の上方に配置された複数個の半導体チップ１２を含む組立品（アセンブリ）である。絶縁基板は、絶縁板９２及び回路層９４を含んでよい。半導体セル１０は、さらに導電部材９３を有してよい。導電部材９３は、例えばワイヤ、リボンやクリップなどである。絶縁板９２、回路層９４及び半導体チップ１２はＺ軸方向に順に配置されてよい。半導体チップ１２は、金属酸化物電界効果トランジスタ（ＭＯＳ－ＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、逆導通ＩＧＢＴ（ＲＣ－ＩＧＢＴ：Ｒｅｖｅｒｓｅ－ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＩＧＢＴ）等のスイッチング素子を有する。ＲＣ－ＩＧＢＴは、ＩＧＢＴ及び還流ダイオード（ＦＷＤ：Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌ Ｄｉｏｄｅ）を同一のチップに含む素子である。また、半導体モジュール１００は、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相を有する三相インバータモジュールであってもよい。半導体セル１０における、回路層９４、半導体チップ１２及び導電部材９３は電気的に接続され、ハーフブリッジ回路を構成してよい。回路層９４は、外部接続部２０と電気的に接続されてよい。
外部接続部２０は、半導体モジュール１００の主電流が入力又は出力される。外部接続部２０は、半導体チップ１２と電気的に接続される。外部接続部２０に、電流が出力されるか入力されるかは、対応する半導体モジュール１００の使用目的に応じて設定され、いずれかに限定されるものではない。半導体モジュール１００が三相インバータモジュールである場合、外部接続部２０には、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相をそれぞれ駆動するための電流が入出力される。外部接続部２０は、電源端子あるいは負荷端子として機能してよい。電源端子としての外部接続部２０と、負荷端子としての外部接続部２０とは大きさや形状が異なってもよい。
筐体５０は、射出成形により形成可能な熱硬化型樹脂、又は、ＵＶ成形により形成可能な紫外線硬化型樹脂等の樹脂、等の樹脂により成形される。筐体５０を成形する樹脂は、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）樹脂及びアクリル樹脂等から選択される１又は複数の高分子材料を含む。
底板９０は、半導体チップ１２が設置される絶縁基板の下方に設けられる。底板９０は、ＸＹ面と平行な平面を有する板状の金属板であってよい。一例として、底板９０は、アルミニウム、銅などを含む金属で形成される。
絶縁基板は、一例として、上面と下面を有する絶縁板９２と、絶縁板９２の上面に設けられた回路層９４と、下面に設けられた金属層（図示せず）とを順に含む積層基板であってよい。絶縁基板は、例えば、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板やＡＭＢ（Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｂｒａｚｉｎｇ）基板であってよい。絶縁板９２は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等のセラミックス材料を用いて形成されてよい。回路層９４及び金属層は、銅あるいは銅合金などの導電材料を含む板材であってよい。
図１Ｂは、本発明の実施形態に係る外部接続部２０の拡大上面図である。具体的には、図１Ｂは、外部接続時における外部接続部２０を示す。外部接続部２０は、バスバー３０により外部接続され、外部との間で電流を入出力する。外部接続時とは、外部接続部２０と、外部接続部２０上に重ねられたバスバー３０とが、ネジ３２で共締めされている状態を指す。外部接続部２０の周囲は筐体５０で囲まれている。
バスバー３０は、板状の導体である。バスバー３０は、導電性を有する、銅あるいは銅合金などの金属からなる板状部材であってよい。本例のバスバー３０は、上面視において外部接続部２０の全体を覆うようなサイズに形成される。バスバー３０の上面視におけるサイズは、ネジ３２により共締めできるものであればこれに限定されない。
一例として、バスバー３０は、５ｍｍ以上の厚さを有する。このような厚さを有するバスバー３０は、半導体モジュール１００が１２００Ａ以上の大電流を使用するパワーモジュールである場合にも電力を供給できる。
ネジ３２は、外部接続部２０とバスバー３０とを共締めする。ネジ３２は、ネジ頭３４及びネジ部３６を有する。一例として、ネジ頭３４は、上面視において円形の形状を有する。但し、ネジ頭３４の形状は円形に限定されるものでなく、六角形などの多角形構造であってよい。ネジ頭３４には、十字穴が設けられている。ネジ頭３４に設けられる穴の種類は十字穴に限定されない。一例として、ネジ３２は、Ｍ４ネジからＭ６ネジであってよい。ネジ３２は、鉄、銅、アルミニウムなどの合金から選択される金属により形成されるほか、強化プラスチックから形成されてもよい。
図１Ｃは、本発明の実施形態に係る外部接続部２０の分解断面図である。図１Ｃは、外部接続部２０と併せて、バスバー３０及びネジ３２も示す。
外部接続部２０は、外部接続端子２５と、外部接続端子２５の下面側に設けられたナット４０とを有する。外部接続端子２５は、導体６０と、導体６０の上面６２上に設けられた第１金属層７１と、第１金属層７１上に設けられた第２金属層７２と、導体６０の下面６４上に設けられた下面金属層７３とを有する。換言すると、外部接続端子２５において、第２金属層７２の外面がバスバー３０との締結面に相当し、下面金属層７３の外面がナット面に相当する。また、外部接続端子２５は、外部接続端子２５を貫通して設けられたネジ穴２８を有する。
本例の外部接続端子２５は、Ｘ－Ｙ平面において、平坦であってもよく、また外部接続端子２５の上面側に向かって凸形状を有してもよい。外部接続端子２５が凸形状であると、バスバー３０は、外部接続時に、ネジ穴２８周辺領域において第２金属層７２と接触し、ナット４０は、後述する端部４４において下面金属層７３に接触する。例えば凸形状の外部接続端子２５は、最大で２００μｍの曲率半径を有する。
導体６０は、導電性の材料で形成される。例えば、導体６０は、銅あるいは銅合金を含む。導体６０は、銅あるいは銅合金を含む板材から形成されてよい。
導体６０は、ナット４０及びネジ頭３４からの締め付けトルクによる座屈に対し、十分な耐性を有する厚さに設定される。また、導体６０は、外部接続端子２５から半導体モジュール１００への電流が十分に送電可能な厚さに設定される。一例として、導体６０の上面６２から下面６４までの厚さは、１．０ｍｍ以上７．０ｍｍ以下である。
以上のように、導体６０の厚さは、導体６０として選択される材料の剛性及び導電性等に応じて設定される。導体６０に別の材料が使用される場合には、導体６０は、使用される材料の物性に応じて、異なる厚さに設定されてよい。
第１金属層７１は、硬度の高い材料で形成される。第１金属層７１は、第２金属層７２より高い硬度を有する。一例として、第１金属層７１は、主にニッケルから形成される光沢ニッケルメッキ層である。ニッケルメッキを用いる場合、汚れに強く、元素的に安定で腐食にも強く、硬度が高く傷がつきにくいメッキを、低廉なコストで提供できる。本例の第１金属層７１は、導体６０の上面６２を全体的に覆っている。一例として、第１金属層７１は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有する。
第２金属層７２は、外部接続端子２５の上面側でバスバー３０との締結面を構成する。本例の第２金属層７２は、第１金属層７１より硬度の低い材料で形成される。一例として、第２金属層７２は、金層、無光沢ニッケル層、銅スズ合金層又は銀層である。これにより、外部接続時に、外部接続端子２５とバスバー３０との間の接触抵抗を低くすることができる。本例の第２金属層７２は、第１金属層７１の上面を全体的に覆っている。一例として、第２金属層７２は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有する。
下面金属層７３は、外部接続端子２５の下面側でナット面を構成する。下面金属層７３は、第１金属層７１と同じ材料から形成される。従って、下面金属層７３は、第２金属層７２より高い硬度を有する。本例の下面金属層７３は、導体６０の下面６４を全体的に覆っている。一例として、下面金属層７３は、主にニッケルから形成される光沢ニッケルメッキ層である。
下面金属層７３は、外部接続時に、ナット４０の食い込みを受容できる厚さに設定される。下面金属層７３は、第１金属層と同じである又はそれより大きい厚さを有する。一例として、下面金属層７３は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有する。好ましくは、下面金属層７３は、１μｍ以上３μｍ以下の厚さを有する。
以下、第１金属層７１、第２金属層７２及び下面金属層７３に適用可能な金属層について説明する。各金属層は公知のメッキ法により成膜することができる。各金属層は、後述する添加剤のほか、不可避的な不純物を含んでいてもよい。
（１）光沢ニッケル層
本例の光沢ニッケル層は、光沢ニッケルメッキ層であってよい。例えば光沢ニッケルメッキ層は、電解メッキで形成される。電解メッキは、洗浄工程、膜厚０．５μｍ以下の下地メッキ工程、メッキ工程、及び洗浄工程を順に含む。
一例として、メッキ液は、主成分として硫酸ニッケル、塩化ニッケル、ホウ酸を含み、添加剤として、サッカリン、ナフタレンジスルホン酸ナトリウムなどの硫黄系成分を含む１次光沢剤、及びブチンジオール、プロパルギルアルコール、クマリンなどの不飽和アルコール成分を含む２次光沢剤を含む。膜の硬さは光沢剤によって調整でき、ＨＶ（ビッカース硬さ）値４００～６００である。
（２）無光沢ニッケル層
本例の無光沢ニッケル層は、無光沢ニッケルメッキ層であってよい。一般的に、無光沢ニッケルメッキ層は、光沢剤を含まないメッキ液で成膜される点で光沢ニッケルメッキ層と相違する。なお、一般的な無光沢ニッケル層に代えて、少量の光沢剤を含むメッキ液で成膜される半光沢ニッケルメッキ層が適用されてもよい。この場合、膜の硬さは光沢剤によってＨＶ（ビッカース硬さ）値２００～３００に調整できる。
（３）銅スズ合金層
本例の銅スズ合金層は、積層された銅層及びスズ層の加熱処理により形成されてよい。銅層及びスズ層は、母材側から順に、無光沢ニッケルメッキ層の上に形成されてよい。下地の無光沢ニッケルメッキ層は、上述の通りに形成される。銅メッキ層は、シアン化銅、硫酸銅又はピロリン酸銅のメッキ層である。スズメッキ層は、アルカリ性浴、メタンスルホン酸浴、硫酸浴、中性浴（カルボン酸浴）で形成される。
メッキ後、１５０～２００℃で１時間の加熱処理を行い、銅スズ合金メッキ層を形成する。膜の硬さは、ＨＶ値３００～６００であり、最大膜厚は無光沢ニッケル／銅／スズ＝２μｍ／０．３μｍ／０．５μｍである。
（４）金層
本例の金層は、金メッキ層であってよい。例えば金メッキ層は、無電解メッキで形成される。メッキ液は、金イオンの供給源としてシアン化金カリウムを主成分としたアルカリ性浴である。あるいは、メッキ液は、クエン酸又はリン酸を主成分とした酸性浴であってもよい。メッキ液には、被膜調整添加剤として微量のコバルトが添加される。金メッキ層の下地として、光沢ニッケルメッキ層が用いられてもよい。
膜の硬さは、ＨＶ値７０～２００であり、最大膜厚は光沢ニッケル／金＝３．０μｍ／０．１μｍである。
（５）銀層
本例の銀層は、銀メッキ層であってよい。例えば銀メッキ層は、無電解メッキで形成される。メッキ液は、シアン化銀カリウムＫＡｇ（ＣＮ）２を主成分とし、他に遊離シアン化カリウムＫＣＮ又はシアン化ナトリウムＮａＣＮ、炭酸カリウムＫ２ＣＯ３、水酸化カリウムＫＯＨ、光沢剤及び硬化剤を含む。
成膜工程は、アルカリ脱脂、水洗、化学研磨、水洗、酸洗、水洗、中和、水洗、銅ストライク、水洗、銀ストライク、水洗（省略される場合あり）、銀メッキ、水洗、変色防止（省略される場合あり）、熱風乾燥の工程を順に含む。
膜の硬さは、ＨＶ値７０～２００であり、最大膜厚は光沢Ｎｉ／銀＝３．０μｍ／２．０μｍである。
なお、本例の金属層の硬度（ビッカース硬さ）は、各金属層を銅板の導体６０に成膜した後（Ｃｕ－Ｓｎ合金層は熱処理後）、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に規定される測定条件により測定される。
第１金属層７１（下面金属層７３）と第２金属層７２との好適な組み合わせの例は以下のとおりである。
・光沢ニッケル層及び無光沢ニッケル層
・光沢ニッケル層及び金層
・光沢ニッケル層及び銀層
・光沢ニッケル層及びスズ層（スズ層のＨＶ値＝約１０）
ナット４０は、外部接続端子２５の下面側に設けられている。ナット４０は、ナット穴４２を有する。ナット４０は、筐体５０に設けられた開口を有する収容部５１内に予め収容されている。ナット４０は、鉄、銅、アルミニウムなどの合金から選択される金属により形成されるほか、強化プラスチックから形成されてもよい。
またナット４０は、外部接続端子２５側の上面に、端部４４を有する。ナット４０は、端部４４において外部接続端子２５の下面金属層７３と接触する。ナット４０と下面金属層７３との間に他の金属層が設けられることなく、ナット４０と下面金属層７３とは直接接触することが好ましい。
ナット４０の外径Ｄｎは、ネジ３２の最大径Ｄｓと同じである又はそれより小さい。例えばナット４０の外径Ｄｎは、外部接続時に外部接続端子２５と接触する上面における外径である。例えばナット４０の外径Ｄｎは、ネジ頭３４の外径と同じである又はそれより小さい。換言すると、外部接続時に、上面視において、ナット４０は、ネジ３２によって全体的に覆われている。
図１Ｄは、本発明の実施形態に係る外部接続部２０の断面図である。図１Ｃは、図１ＢのＡ－Ａ'断面図（Ｙ－Ｚ平面断面図）の一例である。
外部接続時、外部接続端子２５がナット４０の上面側に配置され、次に、バスバー３０が外部接続端子２５の上面側に配置される。ここで、外部接続端子２５及びバスバー３０は、バスバー３０の穴と外部接続端子２５のネジ穴２８とナット４０のナット穴４２とが上面視で同心円状となるように配置される。
なお、本例のナット４０は、樹脂５５により樹脂封止され、筐体５０の収容部５１に固定される。樹脂５５は、常温で固化しナット４０の位置を固定可能な材料であれば、材料は限定されない。ナット４０は、樹脂５５を設けることなく、ナット４０が回転しないように収容部５１に嵌合又は埋設されてもよい。
また、ナット４０は、筐体５０と一体化されていてよい。一例として、ナット４０は、筐体５０と一体成形（インサート成形）される。ナット４０の固定位置の深さは、ネジ３２の長さ等、半導体モジュール１００全体の設計に応じて決定される。
ネジ３２のネジ部３６がバスバー３０及び外部接続端子２５のネジ穴２８を貫通し、ナット４０のナット穴４２に締め込まれることにより、ネジ３２がバスバー３０と外部接続部２０とを共締めする。
外部接続端子２５及びバスバー３０の配置後、ネジ３２が締め込まれて、バスバー３０と外部接続部２０とが共締めされる。ネジ３２が締め込まれると、バスバー３０と第２金属層７２とが接触する。本例の第２金属層７２は、無光沢ニッケルのような硬度の低い材料で形成されている。そのため、外部接続端子２５のバスバー３０締結面は接触抵抗が低く、ネジ３２の締め込み時にバスバー３０との間に隙間が生じない。その結果、外部接続時に、バスバー３０と外部接続端子２５とを十分に密着させることができる。
一方、ネジ３２が締め込まれると、ナット４０に締めトルクがかかる。ここで、下面金属層が柔らかいと、ナット４０の端部４４は下面金属層上を滑って外部接続端子２５に十分に支持されず、ナット４０による締めトルクの負担が大きくなる。その結果、ナット４０を保持する樹脂５５にかかる締めトルクも大きくなり、亀裂を生じさせることがある。
本例の下面金属層７３は、ニッケルのような硬度の高い材料で形成されている。そのため、ネジ３２の締め込み時にナット４０の端部４４が下面金属層７３に食い込み、ナット４０及び外部接続端子２５によって締めトルクを受けることができるので、ナット４０の回転を防止することができる。
また、上述したように、本例の外部接続端子２５は、外部接続端子２５の上面側に向かって凸形状を有してもよく、凸形状の外部接続端子２５に対し、ナット４０の端部４４は下面金属層７３に接触しやすい。さらに、ナット４０の外径Ｄｎは、ネジ３２の最大径Ｄｓと同じである又はそれより小さい。そのため、ネジ３２の締め込み時に、ナット４０の上面全体がネジ頭３４によって押圧され、ナット４０の端部４４を確実に下面金属層７３に食い込ませることができる。
図２は、参考例に係る外部接続部３２０の分解断面図である。なお、図２において、図１Ａから図１Ｄで説明した外部接続部２０と共通する構成要素には、同じである又は類似の符号が付されている。
図２において、外部接続端子３２５は、Ｘ－Ｙ平面において、外部接続端子３２５の上面側に向かって凹形状を有する。そのため、外部接続時に、バスバー３０は、上面側に突出する第２金属層７２の外延と接触し、ナット４０は、ネジ穴２８周辺領域において下面金属層７３に接触する。従って、ナット４０の端部４４は、外部接続端子３２５と十分に接触していない又は外部接続端子３２５から離間していることがある。
上述のように、下面金属層７３は、硬度の高い材料で形成されている。そのため、ナット４０の端部４４と下面金属層７３との接触が不十分であると、ネジ３２の締め込み時に、ナット４０の端部４４は下面金属層７３に十分に食い込み難い。その結果、ナット４０を保持する樹脂５５に締めトルクがかかり、亀裂を生じさせることがある。
以上のように、参考例に係る外部接続部３２０は、本発明の実施形態に係る外部接続部２０のようにバスバー３０と外部接続端子２５とを密着させることができず、十分に外部接続をすることができない。
図３は、本発明の実施形態に係る外部接続部２０の別の例を示す上面図である。具体的には、図３は、外部接続部２５の上面図である。なお、図３において、図１Ａから図１Ｄで説明した外部接続部２０と共通する構成要素には、同じである又は類似の符号が付されている。
図３において、第１金属層７１は、導体６０の上面６２を全体的に覆うように設けられているが、第２金属層７２は、第１金属層７１の一部を覆うように設けられている。本例の第２金属層７２は、第１金属層７１のネジ穴２８周辺領域を、ネジ穴２８と同心円状に覆っている。
第２金属層７２を設ける領域は、外部接続時にバスバー３０と外部接続部２５とが十分に密着するように、第２金属層７２に使用される材料の剛性等に応じて設定される。一例として、第２金属層７２は、外部接続時に、上面視においてネジ頭３４が占める範囲に対応する領域に設けられてよい。
第２金属層７２を第１金属層７１の一部のみを覆うように設けることにより、第１金属層７１を全体的に覆う場合と比較して、コストを抑制することができる。
図４は、本発明の実施形態に係る外部接続部２０のさらに別の例を示す分解断面図である。なお、図４において、図１Ａから図１Ｄで説明した外部接続部２０と共通する構成要素には、同じである又は類似の符号が付されている。
図４に示すように、本例のナット４０は、外部接続端子２５側にフランジを有するフランジ形ナットである。この場合、ナット４０の外径Ｄｎはフランジの外径に相当し、フランジの外径は、ネジ頭３４の外径と同じである又はそれより小さい。ナット４０としてフランジ形ナットを用いることにより、ネジ３２の締め込み時に、ナット４０にトルクをかけやすくなる。そのため、ナット４０の回転を確実に防止することができる。
図５は、本発明の実施形態に係る外部接続部２０の製造方法を示す説明図である。本例の製造方法は、Ｓ１０２からＳ１１０までの段階を有する。
Ｓ１０２で、上面６２及び下面６４を有する導体６０が提供される。一例として、導体６０は、銅から形成される。
Ｓ１０４において、導体６０の上面６２上に第１金属層７１が設けられる。また、導体６０の下面６４に下面金属層７３が設けられる。例えば、導体６０をメッキ液に浸漬することにより、第１金属層７１及び下面金属層７３が同時に設けられる。第１金属層７１及び下面金属層７３は、ニッケルメッキであってよい。
Ｓ１０６において、第１金属層７１上に第２金属層７２が設けられる。例えば、導体６０の下面６４をマスクし、導体６０をメッキ液に浸漬することにより、第１金属層７１上に第２金属層７２が設けられる。第２金属層７２は、金、無光沢ニッケル、銅スズ合金メッキ、又は銀のいずれかのメッキであってよい。
Ｓ１０２～Ｓ１０６により、外部接続端子２５が提供される。
Ｓ１０８において、外部接続端子２５は、上面側に向かって凸形状に加工される。本例の外部接続端子２５は、金型に配置され、図５において黒矢印で示す方向、すなわちＸ－Ｙ平面における外延を上方から下方へ、中心を下方から上方へとプレスされることにより、凸形状に加工される。さらにＳ１１０において、外部接続端子２５に穴抜き及び外形抜きを同時に行うことにより、ネジ穴２８が形成される。
Ｓ１１０において、外部接続端子２５の下面側にナット４０が設けられる。例えば外部接続端子２５は、予め筐体５０の収容部５１に収容されたナット４０の上に、ネジ穴２８とナット穴４２とが同心円状になるように配置される。
図６は、本発明の実施形態に係る車両２００の概略図である。車両２００は、少なくとも一部の推進力を、電力を用いて発生する車両である。一例として車両２００は、全ての推進力をモーター等の電力駆動機器で発生させる電気自動車、又は、モーター等の電力駆動機器と、ガソリン等の燃料で駆動する内燃機関とを併用するハイブリッド車である。
車両２００は、モーター等の電力駆動機器を制御する制御装置２１０（外部装置）を備える。制御装置２１０には、半導体モジュール１００が設けられている。半導体モジュール１００は、電力駆動機器に供給する電力を制御してよい。
図７は、本発明の実施形態に係る半導体モジュール１００の主回路図である。半導体モジュール１００は、車両のモーターを駆動する車載用ユニットの一部であってよい。半導体モジュール１００は、入力端子Ｐ及びＮ、出力端子Ｕ、Ｖ及びＷを有する三相交流インバータ回路として機能してよい。
第１半導体チップ７８と第２半導体チップ７９とが並列に接続された半導体チップを、半導体チップ８０とする。半導体チップ８０－１、半導体チップ８０－２及び半導体チップ８０－３は、半導体モジュール１００における下アームを構成してよい。半導体チップ８０－４、半導体チップ８０－５及び半導体チップ８０－６は、半導体モジュール１００における上アームを構成してよい。一組の半導体チップ８０－１及び半導体チップ８０－４は、レグを構成してよい。一組の半導体チップ８０－２及び半導体チップ８０－５は、レグを構成してよい。一組の半導体チップ８０－３及び半導体チップ８０－６は、レグを構成してよい。
半導体チップ８０－１においては、第１半導体チップ７８－２及び第２半導体チップ７９－２のエミッタ電極が入力端子Ｎ１に、第１半導体チップ７８－２及び第２半導体チップ７９－２のコレクタ電極が出力端子Ｕに、それぞれ電気的に接続されてよい。半導体チップ８０－４においては、第１半導体チップ７８－１及び第２半導体チップ７９－１のエミッタ電極が出力端子Ｕに、第１半導体チップ７８－１及び第２半導体チップ７９－１のコレクタ電極が入力端子Ｐ１に、それぞれ電気的に接続されてよい。
半導体チップ８０－２においては、第１半導体チップ７８－２及び第２半導体チップ７９－２のエミッタ電極が入力端子Ｎ２に、第１半導体チップ７８－２及び第２半導体チップ７９－２のコレクタ電極が出力端子Ｖに、それぞれ電気的に接続されてよい。半導体チップ８０－５においては、第１半導体チップ７８－１及び第２半導体チップ７９－１のエミッタ電極が出力端子Ｖに、第１半導体チップ７８－１及び第２半導体チップ７９－１のコレクタ電極が入力端子Ｐ２に、それぞれ電気的に接続されてよい。
半導体チップ８０－３においては、第１半導体チップ７８－２及び第２半導体チップ７９－２のエミッタ電極が入力端子Ｎ３に、第１半導体チップ７８－２及び第２半導体チップ７９－２のコレクタ電極が出力端子Ｗに、それぞれ電気的に接続されてよい。半導体チップ８０－６においては、第１半導体チップ７８－１及び第２半導体チップ７９－１のエミッタ電極が出力端子Ｗに、第１半導体チップ７８－１及び第２半導体チップ７９－１のコレクタ電極が入力端子Ｐ３に、それぞれ電気的に接続されてよい。
半導体チップ８０－１から半導体チップ８０－６は、第１半導体チップ７８及び第２半導体チップ７９の制御電極パッドに入力される信号により、交互にスイッチングされてよい。本例において、第１半導体チップ７８及び第２半導体チップ７９は、スイッチング時に発熱してよい。
入力端子Ｐ１、Ｐ２及びＰ３は、外部電源の正極にバスバー３０を介して接続されてよい。入力端子Ｎ１、Ｎ２及びＮ３は、外部電源の負極にバスバー３０を介して接続されてよい。入力端子Ｐ１、Ｐ２及びＰ３は、互いに電気的に接続されてよい。入力端子Ｎ１、Ｎ２及びＮ３は、互いに電気的に接続されてよい。出力端子Ｕ、Ｖ及びＷは、それぞれ負荷にバスバー３０を介して接続されてよい。
半導体モジュール１００において、第１半導体チップ７８及び第２半導体チップ７９は、それぞれＲＣ‐ＩＧＢＴ（逆導通ＩＧＢＴ）半導体チップであってよい。ＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップにおいて、ＩＧＢＴ及びＦＷＤは、逆並列に接続されてよい。第１半導体チップ７８及び第２半導体チップ７９は、それぞれＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のトランジスタとダイオードとの組み合わせを含んでよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置、システム、プログラム、及び方法における動作、手順、ステップ、及び段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
１０・・半導体セル、１２・・半導体チップ、２０・・外部接続部、２５・・外部接続端子、２８・・ネジ穴、３０・・バスバー、３２・・ネジ、３４・・ネジ頭、３６・・ネジ部、４０・・ナット、４２・・ナット穴、４４・・端部、５０・・筐体、５１・・収容部、５５・・樹脂、６０・・導体、６２・・上面、６４・・下面、７１・・第１金属層、７２・・第２金属層、７３・・下面金属層、７８・・第１半導体チップ、７９・・第２半導体チップ、８０・・半導体チップ、９０・・底板、９２・・絶縁板、９４・・回路層、９３・・導電部材、１００・・半導体モジュール、２００・・車両、２１０・・制御装置、３２０・・外部接続部、３２５・・外部接続端子

Claims (12)

  1. 外部接続端子と、
    前記外部接続端子の下面側に設けられたナットと
    を備える半導体モジュールの外部接続部であって、
    前記外部接続端子は、
    導体と、
    前記導体の上面上に設けられた第１金属層と、
    前記第１金属層上に設けられた第２金属層と、
    前記導体の下面上に設けられた下面金属層と
    を有し、
    前記第１金属層は、前記第２金属層より高い硬度を有し、
    前記第１金属層は、前記下面金属層と同じ材料から形成され、
    前記下面金属層は、前記ナットと直接接触する、外部接続部。
  2. 前記導体は、１．０ｍｍ以上７．０ｍｍ以下の厚さを有し、
    前記第１金属層は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有し、
    前記第２金属層は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有し、
    前記下面金属層は、前記第１金属層と同じである又はそれより大きい厚さを有する、請求項１に記載の外部接続部。
  3. 前記導体は、銅又は銅合金から形成され、
    前記第１金属層及び前記下面金属層は、光沢ニッケル層であり、
    前記第２金属層は、金層、無光沢ニッケル層、銅スズ合金層又は銀層である、請求項１又は２に記載の外部接続部。
  4. 前記第２金属層は、前記第１金属層の一部を覆うように設けられる、請求項１から３のいずれか１項に記載の外部接続部。
  5. 前記ナットの外径は、前記ナットに対応するネジの最大径と同じである又はそれより小さい、請求項１から４のいずれか１項に記載の外部接続部。
  6. 前記ナットは、前記半導体モジュールの筐体と一体化されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の外部接続部。
  7. 前記ナットは、前記外部接続端子側にフランジを有するフランジ形ナットである、請求項１から６のいずれか１項に記載の外部接続部。
  8. 外部接続端子を提供する段階と、
    前記外部接続端子の下面側にナットを設ける段階と
    を備える半導体モジュールの外部接続部の製造方法であって、
    前記外部接続端子を提供する段階は、
    導体を設ける段階と、
    前記導体の上面上に第１金属層を設ける段階と、
    前記第１金属層上に第２金属層を設ける段階と、
    前記導体の下面上に下面金属層を設ける段階と
    を含み、
    前記第１金属層は、前記第２金属層より高い硬度を有し、
    前記第１金属層は、前記下面金属層と同じ材料から形成され、
    前記下面金属層は、前記ナットと直接接触する、製造方法。
  9. 前記外部接続端子を提供する段階は、上面側に向かって凸形状を有する外部接続端子を形成する段階を含む、請求項８に記載の製造方法。
  10. 請求項１から７のいずれか１項に記載の外部接続部を備える半導体モジュール。
  11. 請求項１０に記載の半導体モジュールを備える車両。
  12. 請求項１に記載の外部接続部とバスバーとの接続方法であって、
    前記バスバーを前記外部接続端子の上面側に配置する段階と、
    前記バスバーの穴及び前記外部接続端子のネジ穴にネジのネジ部を挿入する段階と、
    前記ネジの締め込みにより、前記ナットの端部を前記下面金属層に食い込ませる段階と
    を備える接続方法。
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