CN101622709B - 半导体模块及逆变器装置 - Google Patents

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Abstract

关于底板的一面上载置多个基板、冷却剂流路被设置成与另一面接触的构成中，本发明提供一种具备了能够适当地冷却全部基板的开关元件的构成的半导体模块。在冷却剂流路(7)内具备形成平行的冷却剂流的平行流形成单元(8)，各基板(3)的开关元件(4)和二极管元件(5)被排列配置在与冷却剂的流动方向(D)垂直的垂直方向(C)上，以分别具备了一对下臂用开关元件(4A)及上臂用开关元件(4B)之一的一对基板(3)为一组，在垂直方向(C)上排列配置多组，且构成各组的一对基板(3)在冷却剂的流动方向(D)上被串联配置，在一个基板(3)上在垂直方向(C)的一侧配置开关元件(4)，在另一个基板(3)上在垂直方向(C)的一侧配置二极管元件(5)。

Description

半导体模块及逆变器装置
技术领域
本发明涉及具备底板；载置在该底板的一面上、并分别具备了开关元件、二极管元件及连接端子区域的多个基板；及被设置成与上述底板的另一面接触的冷却剂流路的半导体模块及逆变器装置。
背景技术
例如，在用于驱动如混合动力车辆、电动车辆等中所采用的大功率输出的电动机的逆变器电路中，具备用于构成该逆变器电路的开关元件的半导体模块，其发热量多，还被要求小型化。因此，作为半导体模块的冷却构造，多采用水冷方式。作为这样的水冷方式的半导体模块的构成，例如下述的专利文献1中公开的图15所示的构成。在此图中，(a)为俯视图、(b)为侧视图、(c)为主视图。此图所示的半导体模块101，具备了内面形成了条纹状的散热片103的底板102和载置在此底板102的上面的6个基板104。另外，在底板102的下面，未图示的水槽罩被设置成与散热片103的底面(图15(b)中的散热片103的下侧面)接触，由此，在多个散热片103间分别形成了冷却剂流路105。因此，在此半导体模块101上，冷却剂的流动方向D变为底板102的长度方向(图15的左右方向)。而且，载置在底板102上的6个基板104，在冷却剂的流动方向D上被串联配置。
另外，在各基板104上，逐一地配置了2个作为开关元件106的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)元件和二极管元件107。另外，与各基板104邻接地配置了进行引线焊接的连接端子区域108，该引线焊接用于各基板104上的元件106、107和未图示的控制基板电连接。而且，在此基板104上，2个开关元件106和2个二极管元件107，在与冷却剂的流动方向D垂直的垂直方向上一个一个地被交替排列配置。另外，连接端子区域108，在冷却剂的流动方向D上被配置成一对基板104A、104B所对置一侧的相反侧。
专利文献1：日本特开2004-349324号公报(第6-7页、第5图)
在上述图14所示的半导体模块的构成中，6个基板104全部被串联配置在冷却剂的流动方向D上。因此，在多个的散热片103间所形成的各冷却剂流路105中所流动的相同的冷却剂流，变成了顺次冷却多个(至少3个)开关元件106的构成。因此，存在流过各冷却剂流路105的冷却剂的温度逐渐上升，下游侧的开关元件106的冷却性能降低的问题。
发明内容
本发明正是鉴于上述的课题而做出的，其目的在于关于在底板的一面上被载置多个基板、冷却剂流路被设置成与另一面接触的构成中，提供一种具备了能够适当地冷却全部基板的开关元件的构成。
为了达到上述目的的本发明的半导体模块，具备：底板；载置在该底板的一面上、并分别具备了开关元件、二极管元件的多个基板；及被设置成与上述底板的另一面接触的冷却剂流路，该半导体模块的特征构成在于，具备平行流形成单元，该平行流形成单元在上述冷却剂流路内形成在规定方向平行的冷却剂流，上述各基板的上述开关元件和上述二极管元件，在与上述冷却剂的流动方向垂直的垂直方向上排列配置，上述多个基板，以分别具备了一对下臂用开关元件及上臂用开关元件任一方的一对基板为一组，在上述垂直方向上被排列配置多组，并且构成上述各组的上述一对基板，在上述冷却剂的流动方向上被串联配置，在构成上述各组的上述一对基板的一个基板上在上述垂直方向的一侧被配置上述开关元件，在另一个基板上在上述垂直方向的一侧被配置上述二极管元件。
根据此特征构成，被载置在底板的一面上的多个基板各自的开关元件和二极管元件，与在底板的另一面上所设置的冷却剂流路内的冷却剂的流动方向垂直的垂直方向上排列串联配置的构成中，构成各组的在冷却剂的流动方向串联配置的一对基板的各开关元件互相被配置在与冷却剂的流动方向垂直的垂直方向几乎不同的位置。根据该技术特征，由于以分别具备了一对下臂用开关元件及上臂用开关元件任一方的一对上述基板作为一组，多组在上述垂直方向上被排列配置，所以即使是在底板上配置了多组基板时，也不存在构成一组的一对基板以上的多个基板在冷却剂的流动方向D上被配置的情况。
因此，当沿着冷却剂流路内的平行的冷却剂流进行观察时，形成了相同的冷却剂流基本上只冷却一对基板任一方的开关元件的构成。因此，能够分别适当地冷却一对基板双方的开关元件。换而言之，能够抑制在冷却剂的流动方向的上游侧进行一个基板的开关元件的冷却并温度上升后的相同的冷却剂流在下游侧再进行另一个基板的开关元件的冷却的构成中所产生的、下游侧的开关元件的冷却性能的下降。因此，能够适当地冷却被载置在底板的一个面上的全部基板的开关元件。
这里，优选上述一对基板相互具有同一构成，并被配置成点对称。
通过此构成，如上述那样，在冷却剂的流动方向上被串联配置的一对基板的各自的开关元件，相互被配置在与冷却剂的流动方向垂直的垂直方向几乎不同的位置上，而且能够使这些一对基板共通化。因此，在冷却剂的流动方向上被串联配置的一对基板的各自的开关元件，由于相互被配置在与冷却剂的流动方向垂直的方向几乎不同的位置上，所以不需要采用元件等的配置不同的多种基板，能够抑制半导体模块制造成本的上升。
另外，优选上述各基板具备连接端子区域，该连接端子区域相对于上述开关元件在上述冷却剂的流动方向配置在不同的位置，上述一对基板的一方或双方的上述连接端子区域配置成比各基板的上述开关元件靠近另一个基板侧。
通过此构成，一对基板各自具有的2个开关元件在冷却剂的流动方向上、至少隔着双方的基板的连接端子区域进行配置。由此，能够在一对基板间相互分离的位置上配置最发热的开关元件，抑制由一对基板的开关元件各自传送的热量引起的在底板上产生的热干涉。因此，能够适当地冷却全部基板的开关元件。
另外，上述各基板具备多个上述开关元件，且具备与上述开关元件相同数量的上述二极管元件及连接端子区域，优选上述多个连接端子区域相对于上述开关元件及上述二极管元件，被配置在上述垂直方向的任一侧，且在上述冷却剂的流动方向上被串联配置。
通过此构成，当各基板分别具备多个开关元件、二极管元件及连接端子区域时，多个连接端子区域在垂直方向的相同侧、在冷却剂的流动方向上被串联配置，所以能够使被各基板的连接端子区域固定的导线引脚等的端子在冷却剂的流动方向上统一配置成一列。还有，以冷却剂的流动方向上被串联配置的一对基板为一组时、具备了邻接的一个组的下臂用开关元件的基板的连接端子区域和具备了另一组的上臂用开关元件的基板的连接端子区域，由于在邻接的2个组间对置地配置，所以能够使被这2个基板的连接端子区域固定的导线引脚等的端子，也在冷却剂的流动方向上统一配置成一列。因此，能够简略化配置在多个基板上方的、连接导线引脚等端子的控制基板的布线图形等的构成，使该端子和控制基板的焊接等的连接工序容易。
另外，优选上述平行流形成单元，是沿着底板的另一面相互平行地配置的多个散热片。
通过此构成，能够在冷却剂流路内适当地形成沿着多个散热片方向平行的冷却剂流。另外，通过设置多个散热片，能够加宽冷却剂流路的表面积，因此能够有效地使基板向底板传送的热量散热。
另外，优选对上述冷却剂的流动方向的下游侧所配置的上述基板的上述开关元件设置温度检测单元，采用该温度检测单元进行温度检测，该温度检测用于构成上述各组的上述一对基板双方的开关元件的温度管理。
通过此构成，能够省略针对冷却剂的流动方向的上游侧配置的基板的开关元件的温度检测单元。因此，能够简化温度检测单元的构成，降低半导体模块的制造成本。另外，通常相比冷却剂的流动方向的上游侧，下游侧冷却剂的温度高，被配置在下游侧的基板的开关元件，比配置在上游侧的基板的开关元件变成高温的可能性高。因此，即使只利用被配置在下游侧的基板的开关元件的温度检测结果进行温度管理，被配置在上游侧的基板的开关元件的温度也不会超过规定的动作保障温度范围，不会产生问题。
另外，优选对接地的上述下臂用开关元件设置温度检测单元，采用该温度检测单元进行温度检测，该温度检测用于上述一对基板双方的开关元件的温度管理。
通过此构成，能够以地电位为基准构成温度检测单元。因此，与以电源电位为基准的温度检测单元相比，能够简化构成，降低半导体模块的制作成本。
另外，优选在上述底板的一面上载置6个基板，该6个基板作为上述多个基板，分别具备用于构成三相交流用逆变器电路的各相下臂用开关元件及上臂用开关元件中的任一方。
通过此构成，由于在底板上一体地具备用于构成三相交流用逆变器电路的全部的开关元件，所以利用此半导体模块，能够很容易地构成小型、轻量的三相交流用逆变器电路。
另外，优选通过构成上述的三相交流用逆变器电路的半导体模块，构成逆变器装置。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的半导体模块的主要部分的构成的俯视图。
图2是图1的II-II截面图。
图3是图1的III-III截面图。
图4是图2的IV-IV截面图。
图5是本发明的第一实施方式的半导体模块的截面立体图。
图6是本发明的第一实施方式的逆变器电路的布线图。
图7是表示本发明的第一实施方式的半导体模块的全部构成的俯视图。
图8是图7的VIII-VIII截面图。
图9是表示本发明的第二实施方式的半导体模块的主要部分的构成的俯视图。
图10是表示本发明的第三实施方式的半导体模块的主要部分的构成的俯视图。
图11是表示本发明的第四实施方式的半导体模块的主要部分的构成的俯视图。
图12是表示本发明其他实施方式的、在冷却剂的流动方向上串联配置了发热量不同的2个半导体模块的例子的图。
图13是表示本发明的其他实施方式的2个半导体模块的配置例子的图。
图14是表示有关背景技术的半导体模块构成的图。
具体实施方式
1.第一实施方式
根据附图对于本发明的第一实施方式进行说明。在本实施方式中，对将本发明适用在作为构成三相交流用逆变器电路的逆变器装置的半导体模块1中的例子进行说明。图1～图8是用于说明本实施方式的半导体模块1的构成的图。还有，在图1～图5中，省略表示了在底板2以上的基板3以外的构成。
如这些图所示，此半导体模块1具备包含冷却剂流路7的冷却构造，该冷却构造用于对载置在底板2的上面2A上的基板3的、特别是发热量最多的开关元件4进行冷却。另外，如图6所示，此半导体模块1，构成三相交流电动机31的驱动用的逆变器电路11。因此，如图1所示，构成为将分别具备开关元件4及二极管元件5的6个基板3载置在底板2的上面2A上。还有，如图7及图8所示，在此半导体模块1中，在底板2上以包围6个基板3的方式载置外壳41，通过此外壳41支持控制基板9，该控制基板9用于进行各基板3上的开关元件4的动作控制等。以下、对此半导体模块1的各部分的构成进行详细的说明。
1-1.基板的冷却构造
首先，根据图1～图5，对半导体模块1中的基板3的冷却构造进行说明。如图1所示，此半导体模块1具备底板2、在此底板2的上面2A上载置的6个基板3及被设置成与底板2的下面2B接触的冷却剂流路7。这里，在冷却剂流路7内设置了作为平行流形成单元的多个散热片8，用于形成在规定方向平行的冷却剂流。如图2～图5所示，多个散热片8沿着底板2的下面2B被相互平行地配置。这里，各散热片8形成为相对于底板2的下面2B垂直设立的规定厚度的板状，通过对底板2的下面2B进行切削加工等与底板2一体地形成。另外，多个散热片8的间隔几乎一定，多个散热片8的高度也一定。通过设置这样的散热片8，被导入到冷却剂流路7内的冷却剂流，变为平行流形成单元所规定的方向，即成为沿着散热片8的方向平行流动的平行流。在图示的例子中，多个散热片8间形成了相互平行的冷却剂流。而且，如图1所示，平行于多个散热片8的方向(图1中从下向上的方向)变为冷却剂的流动方向D。另外，与此冷却剂的流动方向D垂直的方向，变为相对冷却剂的流动方向垂直的垂直方向C(图1中的左右方向、以下仅称为“垂直方向C”)。还有，在本实施方式中，底板2的上面2A相当于本发明的一面，下面2B相当于本发明的另一面。
如图2、图3及图5所示，底板2被水路形成部件12支持。另外，以覆盖水路形成部件12的底面的方式，设置了平板状的底板部件13。这里，水路形成部件12平面形状为与底板2几乎相同的形状，具有长方体状的外形。而且，水路形成部件12，具有包围其外周的周壁12a和形成在此周壁12a的内侧的抵接板部12b及分隔壁部12c。而且，周壁12a的上面抵接于底板2的下面2B，周壁12a的下面抵接于底板部件13。抵接板部12b是被设置成与散热片8的底面(图2及图3的下面)接触的板状部。因此，通过多个散热片8和被抵接板部12b包围的多个细长空间的各个空间，形成冷却剂流路7。因此，由流过被多个散热片8分隔的多个冷却剂流路7的每一个中的冷却剂，形成了多个平行的冷却剂流。另外，分隔壁部12c被沿着垂直方向C设置，是将抵接板部12b的下方的空间分隔成2块的壁状部件。这里，图3及图5中的分隔壁部12c的右侧的空间成为流入侧冷却剂积存处14A，左侧的空间成为流出侧冷却剂积存处14B。
而且，流入侧冷却剂积存处14A，通过流入侧节流部15A与冷却剂流路7连通，流出侧冷却剂积存处14B，通过流出侧节流部15B与冷却剂流路7连通。流入侧节流部15A及流出侧节流部15B，由水路形成部件12的周壁12a和抵接板部12b间的间隙构成。如图4所示，流入侧节流部15A及流出侧节流部15B全都形成为在垂直方向C长的狭缝状的开口部。另外，流入侧冷却剂积存处14A、流出侧冷却剂积存处14B、流入侧节流部15A及流出侧节流部15B全都具有与冷却剂流路7的整体宽度W相同的在垂直方向C的长度。
而且，冷却剂象下述那样流动。也就是说如图4所示，冷却剂通过未图示的泵的喷出压力等，从流入路16A流入，被送入流入侧冷却剂积存处14A中。而且，充满了此流入侧冷却剂积存处14A的冷却剂如图3～图5所示，通过流入侧节流部15A，流入到多个散热片8间的冷却剂流路7中。而且，通过冷却剂流路7内时，冷却剂在底板2及散热片8间进行热交换，进行底板2上的基板3的冷却。而且，通过了冷却剂流路7的冷却剂，经由流出侧节流部15B，被送入流出侧冷却剂积存处14B中。之后，充满流出侧冷却剂积存处14B的冷却剂，通过流出路16B排出。按照以上的说明，冷却剂流路7内的冷却剂的流动方向D变为平行于多个散热片8的方向。为了底板2及散热片8与冷却剂间有效地进行热交换，底板2及散热片8，优选由热传导性高的金属(例如铜等)构成。还有，在本实施方式中，作为冷却剂，采用被用于车辆等的向水中添加了乙二醇等的冷却液。
1-2.基板的配置构成
下面，根据图1对作为本发明的主要部分的半导体模块1上的基板3的配置构成进行说明。在本实施方式中，在底板2的上面2A上，6个基板3配置成在冷却剂的流动方向D上排列2排，并在垂直方向C上排列3排。而且，通过这些6个基板3，如后所述，构成逆变器电路11。
基板3具有下臂用基板3A和上臂用基板3B，该下臂用基板3A构成逆变器电路11(参照图6)的下臂33，并具备下臂用开关元件4A；该上臂用基板3B构成上臂34，并具备上臂用开关元件4B。这里，6个基板3中，以冷却剂的流动方向D的下游侧(图1中的上侧)配置的3个基板作为下臂用基板3A，以冷却剂的流动方向D的上游侧(图1中的下侧)配置3个基板作为上臂用基板3B。而且，6个基板3，形成以冷却剂的流动方向D上被串联(按图1中的上下方向排列)配置的成对(一对)的下臂用基板3A和上臂用基板3B作为一组，3组基板3在垂直方向C上被排列配置。这样，一对基板3A、3B被分别配置在上游侧和下游侧，在冷却构造上也成对。还有，对于下臂及上臂的概念，后面根据图6进行说明。另外，在以下的说明中，仅称“基板3”时，认为统称下臂用基板3A及上臂用基板3B，仅称“开关元件4”时，认为统称下臂用开关元件4A及上臂用开关元件4B。
各基板3，具备一个开关元件4、一个二极管元件5及一个连接端子区域6。具体的说，基板3在用绝缘基板构成的基板本体21的上下两面上设置铜箔10，将下侧的铜箔10用未图示的焊锡固定在底板2上，同时在上侧的铜箔10上，通过未图示的焊锡固定开关元件4及二极管元件5。这里开关元件4具体的为IGBT元件(Insulated Gate Bipolar Transistor)，二极管元件5具体的为FWD元件(Free Wheel Diode)。因此，在基板3中，开关元件4的发热量最多。另外，在还未设置上侧的铜箔10的区域上，连接端子区域6被设置成直接载置在基板本体21上。还有，在图1中省略，用于电连接开关元件4和控制基板9的导线引脚22(参照图7及图8)通过焊锡被固定在连接端子区域6上。另外，在连接端子区域6上也进行用于电连接开关元件4和导线引脚22的引线焊接。
另外，在各基板3上的开关元件4、二极管元件5及连接端子区域6的配置如以下进行。也就是说，如图1所示，开关元件4和二极管元件5，在垂直方向C(图1中的左右方向)上被排列配置。在图示的例子中，开关元件4比二极管元件5具有稍稍大的外形。而且，二极管元件5的冷却剂的流动方向D的中心位置被配置在相对于开关元件4的冷却剂的流动方向D的中心位置在冷却剂的流动方向D的一侧(离开连接端子区域6的侧)错开的位置上，开关元件4和二极管元件5的在上述冷却剂的流动方向D的一侧的边缘成为同一直线状。这里，在图1所示的例子中，“冷却剂的流动方向D的一侧”是指在下臂用基板3A中冷却剂的流动方向D的上游侧(图1中的下侧)，在上臂用基板3B中冷却剂的流动方向D的下游侧(图1中的上侧)。另外，开关元件4和连接端子区域6，在冷却剂的流动方向D上配置在不同的位置。具体地说，连接端子区域6相对于开关元件4，在垂直方向C上配置在几乎相同的位置，即与冷却剂的流动方向D的另一侧邻接地配置。这里在图1所示的例子中，“冷却剂的流动方向D的另一侧”，是指在下臂用基板3A中冷却剂的流动方向D的下游侧(图1中的上侧)，在上臂用基板3B中冷却剂的流动方向D的上游侧(图1中的下侧)。配合这样的各元件等的配置，在图示的例子中，各基板3的基板本体21，形成了具有在垂直方向C长的长方形平面形状的板状。
另外，按照上述说明，在冷却剂的流动方向D上被串联(按图1中的上下方向排列)配置的一对下臂用基板3A和上臂用基板3B的关系，即构成各组的一对基板3的关系中，在一个基板3上垂直方向C的一侧配置开关元件4，在另一个的基板3上垂直方向C的一侧配置二极管元件5。具体的，在下臂用基板3A上垂直方向C的左侧(图1中的左侧)配置开关元件4，在垂直方向C的右侧(图1中的右侧)配置二极管元件5。另一方面，在上臂用基板3B中，与下臂用基板3A相反，在垂直方向C的左侧配置二极管元件5，在垂直方向C的右侧配置开关元件4。在本实施方式中，为了实现满足这样关系的一对下臂用基板3A和上臂用基板3B的配置，一对基板3A、3B相互具有同一构成，且将这一对的基板3A、3B配置成点对称。此时，以一对基板3A、3B间的冷却剂的流动方向D及垂直方向C双方的中央位置作为基准，使一对基板3A、3B配置成点对称。
对于在冷却剂的流动方向D上被串联配置的一对基板3A、3B，通过上述那样的配置构成，一对基板3A、3B的下臂用开关元件4A和上臂用开关元件4B，在垂直方向C上几乎不同的位置上被错开配置。因此，对于流过散热片8间所形成的多个冷却剂流路7中的多个平行冷却剂流分别进行观察时，流过一个冷却剂流路7中的相同冷却剂流，形成了基本上只进行上臂用开关元件4B和下臂用开关元件4A中任一方的冷却的构成。因此，可分别适当地冷却一对基板3A、3B双方的开关元件4A、4B。换而言之，能够抑制在冷却剂的流动方向D的上游侧进行上臂用开关元件4B的冷却而温度已上升后的相同冷却剂流，在下游侧再进行下臂用开关元件4A的冷却的构成中所产生的、下游侧的下臂用开关元件4A的冷却性能的降低。
另外，在本实施方式中，如上所述，由于连接端子区域6在垂直方向C上被配置在与开关元件4几乎相同的位置上，所以一对基板3A、3B的各自的连接端子区域6，与一对基板3A、3B各自的开关元件4相同，在一个基板3上被配置在垂直方向C的一侧，在另一个基板3上被配置在垂直方向C的另一侧上。具体地说，连接端子区域6在下臂用基板3A上、被配置在垂直方向C的左侧(图1中的左侧)，在上臂用基板3B上、被配置在垂直方向C的右侧(图1中的右侧)。
1-3.逆变器电路的构成
下面，对由本实施方式的半导体模块1构成的逆变器电路11的电气构成进行说明。如图6所示，此逆变器电路11为三相交流电动机31的驱动用电路。也就是说，此逆变器电路11具备分别对应三相交流电动机31的U相线圈31u、V相线圈31v、及W相线圈31w而设置的(对应U相、V相、及W相的各相)U相臂32u、V相臂32v、及W相臂32w。而且，这些各相用的臂32u、32v、32w、其构成分别具有可相辅动作的一对下臂33及上臂34。这里，下臂33，其构成具有IGBT元件组成的下臂用开关元件4A和在此下臂用开关元件4A的发射极-集电极间并联连接的二极管元件5。同样，上臂34，其构成具有IGBT元件组成的上臂用开关元件4B和在此上臂用开关元件4B的发射极-集电极间并联连接的二极管元件5。这里，二极管元件5其阳极连接于开关元件4A、4B的发射极，阴极连接于开关元件4A、4B的集电极。
另外，各相用的一对下臂33和上臂34，按照下臂33为接地的负极N侧，上臂34为电源电压的正极P侧的方式串联连接。具体的说，下臂用开关元件4A的发射极连接于负极N、上臂用开关元件4B的集电极连接于正极P。也就是说，下臂用开关元件4A成为低侧开关，上臂用开关元件4B成为高侧开关。而且，下臂用开关元件4A的集电极和上臂用开关元件4B的发射极，分别连接到与各臂32u、32v、32w对应的电动机31的U相线圈31u、V相线圈31v、及W相线圈31w。
此逆变器电路11，在与半导体模块1的各基板3的关系中，下臂用基板3A的下臂用开关元件4A及二极管元件5构成了下臂32，上臂用基板3B的上臂用开关元件4B及二极管元件5构成了上臂33。也就是说，配置在底板2上的6个基板3中、冷却剂的流动方向D的下游侧(图1中的上侧)所配置的3个下臂用基板3A分别构成U相臂32u、V相臂32v及W相臂32w的下臂32，冷却剂的流动方向D的上游侧(图1中的下侧)所配置的3个上臂用基板3B分别构成U相臂32u、V相臂32v及W相臂32w的上臂33。另外，在底板2上，在冷却剂的流动方向D上被串联(按图1中的上下方向排列)配置的一对(一组)下臂用基板3A和上臂用基板3B，分别构成U相臂32u、V相臂32v及W相臂32w中任一方。因此，例如垂直方向C左侧(图1中的左侧)的一对基板3A、3B构成U相臂32u，垂直方向C的中央的一对基板3A、3B构成V相臂32v，垂直方向C右侧(图1中的右侧)的一对基板3A、3B构成W相臂32w。
1-4.半导体模块的上部构成
下面对比底板2靠近上侧设置的半导体模块1的上部构成进行说明。如图7及图8所示，此半导体模块1，作为这样的上部构成，具有被载置在底板2上、以包围上述6个基板3的方式设置的树脂制外壳41和通过此外壳41被支持在6个基板3的上方的控制基板9。
这里，外壳41其平面形状具有比底板2稍稍大些的矩形状、长方体状的外形。此外壳41形成收纳空间42，用于收纳被配置在底板2上的6个基板3，并构成为具有包围在此收纳空间42的周围的周壁部41a。还有，在收纳空间42内，填充环氧树脂等的填充材料进行固化。因此，最终底板2上被配置的6个基板3和外壳41被一体化。另外，如图7所示，在外壳41的四角，被设置了用于使外壳41固定在底板2上的可插入螺栓等连接机构的连接孔43。
另外，周壁部41a的上面，用高度不同的第一上面41c和第二上面41d的2个面构成。这里，第一上面41c是在冷却剂的流动方向D的上游侧和下游侧(图7的上侧和下侧)上分别设置的在垂直方向C上长的矩形面。另外，第二上面41d是比第一面41c低一级的面。在外壳41的第一上面41c上、设置了作为配置在外壳41内的用于电连接各基板3的未图示的导线架的外部导出端子的正极端子44a、负极端子44b及输出端子44c。这里，每一个正极端子44a及负极端子44b都被设置在图7的下侧的第一上面41c上，同时3个输出端子44c被设置在图7的上侧的第一上面41c上。正极端子44a电连接于正极P，负极端子44b电连接于负极N(参照图6)。另外，3个输出端子44c，分别电连接于三相交流电动机31的U相线圈31u、V相线圈31v及W相线圈31w(参照图6)。
在外壳41的第二上面41d的上方，配置了控制基板9。因此，在第二上面41d的垂直方向C的两侧边缘附近的多个位置，形成与控制基板9的固定用的螺栓45旋合的未图示的螺母部，通过该多个螺栓45，控制基板9被连接固定在外壳41上。另外，控制基板9，通过与第二上面41d的上面间配置的垫片46，被配置成相对这些面具有一定间隔地平行。
另外，被各基板3的连接端子区域6固定的多个导线引脚22，贯通控制基板9，被焊接固定在控制基板9的上面所设置的未图示的布线图形上。在本实施方式中，下臂用基板3A的导线引脚22沿着在控制基板9中的冷却剂的流动方向D的下游侧端部附近(图7中的控制基板9的下端部附近)在垂直方向C上被配置排列成一列。通过这样配置导线引脚22，能够简化控制基板9的布线图形，同时能够使导线引脚22和控制基板9的焊接工序容易。控制基板9是形成了用于驱动逆变器电路11的控制电路的基板，由在印刷基板上实装规定的电路部件而构成。而且，此控制基板9和底板2上被配置的多个基板3间，通过导线引脚22电连接。
另外，在此控制基板9上安装了温度检测电路9a，该温度检测电路9a发挥温度检测单元的功能，用于检测各基板3的开关元件4的温度。这里，温度检测电路9a，为通过检测被设置在开关元件4上的未图示的温度检测用二极管的阳极-阴极间的电压并进行规定的运算，来检测各开关元件4的温度的运算电路。在本实施方式中，在一对基板3A、3B的各个开关元件4A、4B中，只对在冷却剂的流动方向D的下游侧配置的下臂用基板3A的下臂用开关元件4A设置温度检测电路9a。换而言之，对于冷却剂的流动方向D的上游侧配置的上臂用基板3B的上臂用开关元件4B省略温度检测电路9a。因此，此半导体模块1，变成了由对冷却剂的流动方向D的下游侧配置的下臂用开关元件4A所设置的温度检测电路9a进行温度检测，用于一对基板3A、3B双方的开关元件4A、4B的温度管理。还有，控制基板9，作为开关元件4A、4B的温度管理，例如监视开关元件4A、4B的温度是否在规定的动作保障温度范围内，当超过该温度范围时，进行停止开关元件4A、4B的动作的控制等。
这样，通过只对冷却剂的流动方向D的下游侧配置的下臂用开关元件4A设置温度检测电路9a的构成，与对上臂用开关元件4B同时设置温度检测电路9a的情况相比较，温度检测电路9a的数目减为一半。另外，通常，相比冷却剂的流动方向D的上游侧，下游侧冷却剂的温度高，被配置在下游侧的下臂用开关元件4A比被配置在上游侧的上臂用开关元件4B变为高温的可能性大。因此，即使只利用下臂用开关元件4A的温度检测结果进行温度管理，上臂用开关元件4B的温度也不会超过规定的动作保障温度范围，不会产生问题。还有，在本实施方式中，由于以冷却剂的流动方向D的下游侧配置的元件作为下臂用开关元件4A，所以能够简化温度检测电路9a的构成。也就是说，通过使全部的温度检测电路9a作为下臂用开关元件4A的温度检测用，各温度检测电路9a能够成为以负极N(地)的电位为基准的运算电路。因此，与以正极P的电位为基准的温度检测电路9a相比，能够简化温度检测电路9a的构成。因此，可谋求半导体模块1的低成本化。
2.第二实施方式
对本发明的第二实施方式，根据附图进行说明。图9是表示本实施方式的半导体模块1的主要部分的构成的俯视图。如此图所示，本实施方式的半导体模块1，一对基板3A、3B双方的连接端子区域6配置成比各基板3的开关元件4靠近另一个基板3侧。也就是说，本实施方式的半导体模块1，在冷却剂的流动方向D上被串联(按图1中的上下方向排列)配置的一对下臂用基板3A和上臂用基板3B的关系即构成各组的一对基板3的关系中，对于连接于各基板3的开关元件4的连接端子区域6的配置，与上述第一实施方式不同。还有，对本实施方式中未特别说明的点，可与上述第一实施方式的构成相同。
具体地说，在本实施方式的半导体模块1中，在下臂用基板3A上、连接端子区域6配置成比下臂用开关元件4A靠近上臂用基板3B侧。另外，在上臂用基板3B上，连接端子区域6配置成比上臂用开关元件4B靠近下臂用基板3A侧。由此，下臂用开关元件4A和上臂用开关元件4B，在冷却剂的流动方向D上，隔着一对基板3A、3B双方的连接端子区域6配置，所以能够使最发热的开关元件4A、4B配置在一对基板3A、3B间相互远离的位置上。因此，能够抑制由一对基板3A、3B的开关元件4A、4B分别传送的热量引起的在底板2上产生热干涉。还有，图示省略，但一对基板3A、3B的一个连接端子区域6配置成比各基板3的开关元件4还靠近另一个基板3侧的构成，也是本发明的优选实施方式之一。
3.第三实施方式
根据附图对本发明的第三实施方式进行说明。图10是表示本实施方式的半导体模块1的主要部分的构成的俯视图。本实施方式的半导体模块1，主要是各基板3分别具备了2个开关元件4、2个二极管元件5及2个连接端子区域6这一点上，与上述第一及第二实施方式不同。还有，对于本实施方式中未特别说明的点，可采用与上述第一实施方式或第二实施方式相同的构成。
在本实施方式的半导体模块1中，各基板3中的开关元件4、二极管元件5及连接端子区域6的配置如下。也就是说，2个开关元件4在冷却剂的流动方向D上相互邻接地串联配置。另外，2个二极管元件5也在冷却剂的流动方向D上相互邻接串联配置。而且，这2个开关元件4和2个二极管元件5，在垂直方向C上被排列配置。这2个开关元件4及2个二极管元件5，被配置在相同的铜箔10上。在图示的例子中，开关元件4比二极管元件5具有稍大的外形。而且，二极管元件5的冷却剂的流动方向D的中心位置配置在相对于开关元件4的冷却剂的流动方向D的中心位置错向2个二极管元件5所对置的一侧的位置上，2个开关元件4及2个二极管元件5相互对置的一侧的边缘，分别为同一直线状。另外，连接端子区域6，被配置成在垂直方向C上与2个开关元件4在几乎相同的位置上、隔着该2个开关元件4，分别邻接配置在冷却剂的流动方向D的两侧(上游侧及下游侧)。
另外，在冷却剂的流动方向D上被串联(按图10中的上下方向排列)配置的一对下臂用基板3A和上臂用基板3B的关系中，在一个基板3上垂直方向C的一侧配置2个开关元件4，在另一个基板3上垂直方向C的一侧配置2个二极管元件5。具体地说，在下臂用基板3A上、在垂直方向C的左侧(图10中的左侧)配置2个开关元件4，在垂直方向C的右侧(图10中的右侧)配置2个二极管元件5。另一方面，在上臂用基板3B上、与下臂用基板3A相反，在垂直方向C的左侧配置2个二极管元件5，在垂直方向C的右侧配置2个开关元件4。还有，连接端子区域6与开关元件4相同，在下臂用基板3A上、被配置在垂直方向C的左侧(图10中的左侧)，在上臂用基板3B上、被配置在垂直方向C的右侧。在本实施方式中，为了实现满足这样的关系的一对下臂用基板3A和上臂用基板3B的配置，一对基板3A、3B相互具有同一构成，且将这一对的基板3A、3B配置成点对称。此时，将一对基板3A、3B间的冷却剂的流动方向D及垂直方向C双方的中央位置作为基准，使一对基板3A、3B配置成点对称。
另外，在本实施方式中，被各基板3的连接端子区域6固定的多个导线引脚22，在冷却剂的流动方向D的下游侧、上游侧及其中央的3个地方，在垂直方向C上被配置排列成一列。具体的，下臂用基板3A的下游侧的导线引脚22，沿着各下臂用基板3A的冷却剂的流动方向D的下游侧端部附近(图10中的下臂用基板3A的上端部附近)、在垂直方向C上被配置排列成一列。另外，上臂用基板3B的上游侧的导线引脚22，沿着各上臂用基板3B的冷却剂的流动方向D的上游侧端部附近(图10中的上臂用基板3B的下端部附近)、在垂直方向C上被配置排成一列。还有，下臂用基板3A的上游侧的导线引脚22及上臂用基板3B的下游侧的导线引脚22交互地沿着一对基板3A、3B间的区域，在垂直方向C上被配置排成一列。通过这样的构成，能够使被各基板3的连接端子区域6固定的多个导线引脚22配置排列成在垂直方向C上3列。通过这样配置导线引脚22，能够简化控制基板9的布线图形，且能够使导线引脚22和控制基板9的焊接工序容易。
4.第四实施方式
根据附图对发明的第四实施方式进行说明。图11是本实施方式的半导体模块1的主要部分的构成的俯视图。本实施方式的半导体模块1，在各基板3分别具备2个开关元件4、2个二极管元件5及2个连接端子区域6这一点上，与上述第三实施方式相同，而主要连接端子区域6的配置构成与上述的三实施方式不同。还有，对在本实施方式中未特别说明的点，可采用与上述第三实施方式相同的构成。
在本实施方式的半导体模块1中，各基板3上的开关元件4、二极管元件5及连接端子区域6的配置如下。也就是说，2个开关元件4及2个二极管元件5，分别在冷却剂的流动方向D上相互邻接地被串联配置，且这2个开关元件4和2个二极管元件5，在垂直方向C上被排列配置。这样的开关元件4及二极管元件5的配置与上述第三实施方式相同。另一方面，与上述第三实施方式不同，开关元件4和连接端子区域6，在垂直方向C上被配置在不同的位置。具体地说，连接端子区域6，相对于开关元件4处于与冷却剂的流动方向D几乎相同的位置上，在垂直方向C上被邻接配置在二极管元件5的相反侧。
另外，在冷却剂的流动方向D上被串联(按图11中的上下方向排列)配置的一对下臂用基板3A和上臂用基板3B的开关元件4和二极管元件5的关系中，在一个基板3上垂直方向C的一侧配置2个开关元件4，在另一个基板3上垂直方向C的一侧配置2个二极管元件5。具体地说，在下臂用基板3A上、在垂直方向C的左侧(图11中的左侧)配置2个开关元件4，在垂直方向C的右侧(图11中的右侧)配置2个二极管元件5。另一方面，在上臂用基板3B上、与下臂用基板3A相反，在垂直方向C的左侧配置2个二极管元件5，在垂直方向C的右侧配置2个开关元件4。还有，连接端子区域6按照上述，隔着开关元件4，由于被配置在与二极管元件5相反的一侧，所以在下臂用基板3A上相对于开关元件4，被配置成垂直方向C的左侧，在上臂用基板3B上、相对于开关元件4，被配置在垂直方向C的右侧。在本实施方式中，为了实现满足这样的关系的一对下臂用基板3A和上臂用基板3B的配置，一对基板3A、3B相互具有同一构成，且将这一对的基板3A、3B配置成点对称。此时，将一对基板3A、3B间的冷却剂的流动方向D及垂直方向C双方的中央位置作为基准，使一对基板3A、3B配置成点对称。
另外，在本实施方式中，被各基板3的连接端子区域6固定的多个导线引脚22，分别在垂直方向C的两侧及由一对基板3A、3B构成的各组间，在冷却剂的流动方向D上被配置排列成一列。具体地说，下臂用基板3A的导线引脚22，沿着各下臂用基板3A的垂直方向C的左侧端部附近、在冷却剂的流动方向D上被配置排成一列。另外，上臂用基板3B的导线引脚22，沿着各上臂用基板3B的垂直方向C的右侧端部附近、在冷却剂的流动方向D上被配置排成一列。而且，在以一对基板3A、3B为一组时的相互邻接的2个组间，一个组的下臂用基板3A的导线引脚22和另一个组的上臂用基板3A的导线引脚22，在冷却剂的流动方向D上被配置排成一列。通过这样的构成，能够使被各基板3的连接端子区域6固定的多个导线引脚22在冷却剂的流动方向D上配置排列成4列。通过这样配置导线引脚22，能够简化控制基板9的布线图形，同时能够使引脚22和控制基板9的焊接工序容易。
其他实施方式
(1)在将多个上述各实施方式中已说明的半导体模块1组合使用的情况下，当各半导体模块1的发热量不同时，优选按照发热量越大的半导体模块1越靠近冷却剂的流动方向D的下游上游侧的方式顺次配置。图13表示将发热量不同的2个半导体模块1A、1B串联配置在冷却剂的流动方向D上的例子。在此例中，各半导体模块1的构成与上述第一实施方式的构成相同。而且、在冷却剂的流动方向D的上游侧配置的第一半导体模块1A，比冷却剂的流动方向D的下游侧配置的第二半导体模块1B发热量大。在本例中，冷却剂沿着流动方向D通过第一半导体模块1A的冷却剂流路7后，通过第二半导体模块1B的冷却剂流路7。通过这样的构成，能够谋求随着向流动方向D的下游侧的流动、温度逐渐上升的冷却剂引起的冷却性能的下降和各半导体模块1的发热量的均衡。还有，作为这样多个半导体模块1的发热量不同的情况，例如成为由各半导体模块1所构成的逆变器电路11驱动各种不同输出的电动机的构成，存在流过各半导体模块1的开关元件4的电流量不同等的情况。
(2)在组合多个上述各实施方式中已说明的半导体模块1而使用的情况下，优选按照2个半导体模块1的正极端子44a及负极端子44b位于相互邻接的其他半导体模块1的附近侧的方式，配置2个半导体模块1。图14表示了这样的2个半导体模块1A、1B的配置的例子。在此例子中，各半导体模块1的构成与上述第一实施方式的构成相同。而且，图13的下侧配置的第一半导体模块1A，被配置在邻接的第二半导体模块1B侧，并在正极端子44a及负极端子44b所位于的方向上。另外，被配置在图13的上侧的第二半导体模块1B，被配置在邻接的第一半导体模块1A侧，并在正极端子44a及负极端子44b所位于的方向上。通过这样配置2个半导体模块1A、1B，如图13所示，能够分别使2个半导体模块1A、1B的正极汇流排48A及负极汇流排48B共用，还能够并联配置正极汇流排48A和负极汇流排48B。而且，通过这样并联配置正极汇流排48A和负极汇流排48B，由于分别向相反方向流过正极汇流排48A及负极汇流排48B的平行电流的影响，能够抵消正极汇流排48A及负极汇流排48B的周围产生的磁场，降低正极汇流排48A及负极汇流排48B的电感。
(3)在上述各实施方式中，作为冷却剂，采用水中添加乙二醇等的冷却液的情况为例进行了说明，但本发明中的冷却剂并不限定于此。也就是说，本发明的半导体模块1，可适宜地采用公知的液体或气体等的各种冷却剂。
(4)在上述的各实施方式中，作为“在冷却剂的流动方向D上串联配置”的构成的具体例，以连接多个元件或基板的中心位置的方向，被配置成与冷却剂的流动方向D大略平行那样的构成为例进行了说明。但是，相当于“在冷却剂的流动方向D上串联配置”的构成的范围并不限定于此。也就是说，即使连接多个元件或基板的中心位置的方向，被配置在与冷却剂的流动方向D交差的方向上时，在元件或基板的至少一部分处于与垂直方向C相互重复的位置关系的情况下，也相当于“在冷却剂的流动方向D上串联配置”的构成，可成为本发明的优选实施方式之一。
(5)同样在上述的各实施方式中，作为“在相对于冷却剂的流动方向D的垂直方向C上排列配置”的构成的具体例，以连接多个元件或基板的中心位置的方向，被配置成与垂直方向C大致平行那样的构成为例进行了说明。但是，相当于“在垂直方向C上排列配置”的构成的范围并不限定于此。也就是说，即使连接多个元件或基板的中心位置的方向被配置在与垂直方向C交差的方向上时，只要元件或基板的至少一部分处于冷却剂的流动方向D上相互重复的位置关系时，也相当于“在垂直方向C上排列配置”的构成，也可成为本发明的优选实施方式之一。
(6)在上述各实施方式中，作为平行流形成单元，对底板2的下面2B上设置多个平行散热片8的例子进行了说明。但平行流形成单元的具体的构成并不限定于此。因此，例如在与底板2的不同体的水路形成部件12侧上形成多个平行的散热片8，各散热片8的上面抵接于底板2的构成，也是本发明的优选实施方式之一。另外，对于散热片8的数目、间隔等也可任意地决定。另外，也可通过散热片8以外的部件构成平行流形成单元。例如、也可通过底板2上所设置的细长的多个贯通孔、槽等，同样也可以形成规定方向平行的冷却剂流，此时这些贯通孔、槽等为平行流形成单元。
(7)另外，优选散热片8的前端，对于对置的板状部件来说为具有规定的间隙的构成。也就是说，在上述的各实施方式中，作为平行流形成单元的散热片8的底面(图2及图3的下面)，以接连水路形成部件12的抵接板部12b那样设置的情况为例进行了说明，优选散热片8的底面对于抵接板部来说为具有规定间隙的构成。同样，在水路形成部件12侧形成散热片8时，优选散热片8的上面对底板2的下面2B来说为具有规定的间隙的构成。
(8)另外，在上述各实施方式中，对通过平行流形成单元形成的平行的冷却剂流分别为直线状的例子进行了说明。但是，通过平行流形成单元形成的平行的冷却剂流，不限定为直线状，也可以具有波形等弯曲部的曲线状，这也是本发明的优选实施方式之一。此种情况例如平行流形成单元为散热片8时，各散热片8在俯视图中，被形成为弯曲的波形等曲线状。
(9)在上述各实施方式中，对具备了下臂用开关元件4A的下臂用基板3A，被配置成比上臂用基板3B靠近冷却剂的流动方向D的下游侧时的例子进行了说明。但是，使下臂用基板3A配置成比上臂用基板3B靠近冷却剂的流动方向D的上游侧的构成，也是本发明的优选实施方式之一。此种情况下，考虑温度管理的可靠性，省略对于下臂用开关元件4A的温度检测电路9a，而对在冷却剂的流动方向D的下游侧设置被配置的上臂用开关元件4B设置温度检测电路9a。但是，并不排除对冷却剂的流动方向D的下游侧配置的上臂用开关元件4B省略温度检测电路9a，而对在冷却剂的流动方向D的上游侧配置的下臂用开关元件4A设置了温度检测电路9a的构成。另外，也可形成在下臂用开关元件4A和上臂用开关元件4B的双方均设置温度检测电路9a的构成。
(10)在上述的各实施方式中，以底板2的上面2A被配置了多个基板3、底板2的下面2B被设置了冷却剂电路7的构成为例进行了说明，但本发明的实施方式并不限定于此。也就是说，底板2的配置方向是任意的，以配置了多个基板3的面为下向或侧方向也是本发明的优选实施方式之一。
(11)在上述各实施方式中，对一对基板3A、3B相互具有完全相同构成时的例子进行了说明。但是，为实现上述那样的一对基板3A、3B的配置，未必需要一对基板3A、3B具有完全相同的构成，至少各基板3的开关元件4、二极管元件5及连接端子区域6的配置相同即可。因此，下臂用基板3A和上臂用基板3B，其开关元件4、二极管元件5及连接端子区域6的配置可以相同，也可以是其他不同的构成，将基板3A、3B配置成点对称的构成，也是本发明的优选实施方式之一。
(12)在上述的各实施方式中，以一个底板2上一对下臂用基板3A和上臂用基板3B为一组，3组基板3在垂直方向C上被排列配置的构成为例进行了说明。但是，本发明的实施方式并不限定于此。将一个底板2上、一对下臂用基板3A和上臂用基板3B构成的组在垂直方向C上排列配置2组或4组以上，构成半导体模块1也是本发明的优选实施方式之一。例如，构成单相交流用逆变器电路时等，优选在一个底板2上，载置2组由一对的下臂用基板3A和上臂用基板3B构成的组的构成。另外，本发明的半导体模块1的用途，并不限定为逆变器电路，也可适当地利用于需要开关元件4的适当冷却的各种半导体模块1中。
本发明能够适当地利用在具备了底板；载置在该底板的一面上、分别具备了开关元件、二极管元件及连接端子区域的多个基板；及被设置成与上述底板的另一面接触的冷却剂流路的半导体模块中。

Claims (9)

1.一种半导体模块，具备：底板；载置在该底板的一面上、并分别具备了开关元件和二极管元件的多个基板；及被设置成与上述底板的另一面接触的冷却剂流路，
并具备平行流形成单元，该平行流形成单元在上述冷却剂流路内形成在规定方向平行的冷却剂流，
上述各基板的上述开关元件和上述二极管元件在与上述冷却剂的流动方向垂直的垂直方向上排列配置，
上述多个基板，以分别具备了下臂用开关元件及上臂用开关元件中任一方的一对基板为一组，在上述垂直方向上排列配置多组，且构成上述各组的上述一对基板在上述冷却剂的流动方向上串联配置，
在构成上述各组的上述一对基板的一个基板中在上述垂直方向的一侧配置上述开关元件，在另一个基板中在上述垂直方向的一侧配置上述二极管元件。
2.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于，
上述一对基板相互具有相同的构成，被配置成点对称。
3.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其特征在于，
上述各基板具备连接端子区域，该连接端子区域相对于上述开关元件在上述冷却剂的流动方向上配置在不同的位置，
上述一对基板的一方或双方的上述连接端子区域配置成比各基板的上述开关元件靠近另一个基板侧。
4.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其特征在于，
上述各基板具备多个上述开关元件，且还具备与上述开关元件相同数量的上述二极管元件和连接端子区域，
上述多个连接端子区域相对于上述开关元件和上述二极管元件配置在上述垂直方向的任一方侧，且在上述冷却剂的流动方向上串联配置。
5.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其特征在于，
上述平行流形成单元，是沿着上述底板的另一面互相平行地配置的多个散热片。
6.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其特征在于，
对上述各组中的上述冷却剂的流动方向的下游侧所配置的上述基板的上述开关元件设置温度检测单元，采用该温度检测单元进行温度检测，该温度检测用于构成上述多组的上述一对基板双方的开关元件的温度管理。
7.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其特征在于，
对接地的上述下臂用开关元件设置温度检测单元，采用该温度检测单元进行温度检测，该温度检测用于构成上述各组的上述一对基板双方的开关元件的温度管理。
8.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其特征在于，
在上述底板的一面上载置6个基板，该6个基板作为上述多个基板，分别具备用于构成三相交流用逆变器电路的各相下臂用开关元件及上臂用开关元件中的任一方。
9.一种逆变器装置，具备权利要求8所述的半导体模块。
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