CN105308743A - 半导体模块及电驱动车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种冷却能力得到了提高的半导体模块及使用它的电驱动车辆。半导体模块具备：第一半导体元件(1a)；第二半导体元件(1b)；第一散热片(2a)，其电连接且热连接到第一半导体元件(1a)的下表面；第二散热片(2b)，其电连接且热连接到第二半导体元件(1b)的下表面；DCB基板(4)，其在陶瓷绝缘基板(4a1)的上表面具备第一金属箔(4a2)，在下表面具备第二金属箔(4a3)，第一金属箔(4a2)电接合且热接合到第一散热片(2a)的下表面和第二散热片(2b)的下表面；以及冷却器(5)，其热连接到DCB基板(4)的第二金属箔(4a3)；在冷却器的制冷剂的流动方向的上游侧配置上述第一半导体元件(1a)，在下游侧配置上述第二半导体元件(1b)，使第二散热片(2b)的面积比第一散热片(2a)的面积大。

Description

半导体模块及电驱动车辆
技术领域
本发明涉及冷却能力优异的半导体模块及使用该半导体模块的电驱动车辆。
背景技术
作为对多个半导体元件进行冷却的装置，已知有下述专利文献1～6中记载的冷却装置。
在专利文献1中公开了一种逆变电路的冷却装置，其在箱状的壳体的顶面设有由铝等构成的传热板，在其上配置六个功率半导体，壳体内部被具备连通孔的中间板分隔为第一制冷剂室和第二制冷剂室，在第一制冷剂室的一个端部设有制冷剂入口，在第二制冷剂室的另一个端部设有制冷剂出口，上述连通孔在各冷却区域各设置六个，在接近制冷剂入口的上游侧，其开口面积小，在远离制冷剂入口的下游侧，其开口面积变大，六个功率半导体被更均匀地冷却。
在专利文献2中公开了一种半导体冷却器，其以在金属基底的与半导体芯片的搭载面相反侧的一面形成的散热片的密度沿冷却介质的流动方向变高的方式配置多个长度不同的板状翅片来抑制冷却介质和半导体芯片沿其流动方向升温的趋势，能够使配置在冷却介质流动方向上的半导体芯片的温度接近均匀。
在专利文献3、专利文献4中公开了由两个半导体芯片、两个金属块、三个散热板构成、并提高了冷却性能的半导体模块。
在专利文献5中公开了使单元集合体的背面与冷却体的密合性提高、使单元集合体的背面与冷却体的接触热阻得到了降低的半导体装置用单元。
在专利文献6中公开了对具有粘接功率半导体元件的导体层的绝缘基板的种类和材料特性、位于绝缘基板的表面和背面的导体层的材质和厚度进行规定，即使在高温环境下也维持动作稳定性，使组装性提高的功率模块。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-128051号公报
专利文献2：日本特开2010-153785号公报
专利文献3：日本特开2011-211017号公报
专利文献4：日本特开2011-228638号公报
专利文献5：日本特开2013-191806号公报
专利文献6：日本特开2010-10505号公报
发明内容
技术问题
由于专利文献1的冷却装置将壳体分隔为上下两段来设置第一制冷剂室和第二制冷剂室，所以存在装置尺寸变大的问题。
由于专利文献2的半导体冷却器需要采用改变板状翅片的设置密度的复杂结构，所以存在制造成本升高的问题。
在专利文献3和专利文献4的半导体模块中，存在无法将多个半导体元件平面配置在陶瓷基板上的问题。
在专利文献5和专利文献6中虽然记载了改良半导体模块与冷却器的连接部来提高冷却能力的方法，但未公开通过该连接部的改良而降低冷却能力的面内差异的方法。
为了解决上述的课题，本发明的目的在于提供一种降低由在半导体模块的冷却器中流动的制冷剂的流动方向引起的冷却能力的面内差异，且冷却效率良好的半导体模块。
技术方案
发明人发现可限制热扩散的速率的是陶瓷绝缘基板，并发现通过尽量使上游侧的半导体元件与下游侧的半导体元件的温度差均匀化，能够减小半导体模块的大小，从而完成了本发明。
为了解决上述课题，本发明的半导体模块的特征是具备：第一半导体元件；第二半导体元件；第一散热片，其电连接且热连接到上述第一半导体元件的下表面；第二散热片，其电连接且热连接到上述第二半导体元件的下表面；DCB基板，其具备陶瓷绝缘基板、配置在上述陶瓷绝缘基板的上表面的第一金属箔和配置在上述陶瓷绝缘基板的下表面的第二金属箔，上述第一金属箔电接合且热接合到上述第一散热片的下表面和上述第二散热片的下表面；以及冷却器，其热连接到上述DCB基板的上述第二金属箔，在上述冷却器的制冷剂的流动方向的上游侧配置上述第一半导体元件，在下游侧配置上述第二半导体元件，使上述第二散热片的面积比上述第一散热片的面积大。
根据这样的构成，由于制冷剂随着从上游向下游流动而引起温度上升，所以第二散热片与制冷剂的温度差比第一散热片与制冷剂的温度差小，而通过使第二散热片的传热面积比第一散热片的传热面积大，从而传热量变得均等，模块整体的热效率变得良好，并能够缩小半导体模块的外形尺寸。
在本发明的半导体模块中，优选使上述第二散热片的在与上述制冷剂的流动方向正交的方向的长度比上述第一散热片的在与上述制冷剂的流动方向正交的方向的长度长。
在本发明的半导体模块中，优选使第二散热片的在制冷剂的流动方向的长度比第一散热片的在制冷剂的流动方向的长度长。
根据这样的构成，使第二散热片的传热面积比第一散热片的传热面积大，根据与上述相同的理由，模块整体的热效率变得良好，并能够减小半导体模块的外形尺寸。
在本发明的半导体模块中，可以将上述第一金属箔分割为配置在上述第一散热片的下表面的第三金属箔和配置在上述第二散热片的下表面的第四金属箔。
根据这样的构成，由于能够单独设定第一半导体元件和第二半导体元件的背面电极的连接点，所以能够在一个半导体单元中组装多个种类不同的半导体元件。
在本发明的半导体模块中，上述第一半导体元件和/或上述第二半导体元件可以由电并联连接地配置的多个半导体元件形成。
根据这样的构成，第一半导体元件或上述第二半导体元件中的任一方，或者第一半导体元件和上述第二半导体元件的两方可以由电并联连接地配置的多个半导体元件形成，能够使半导体单元大容量化。
在本发明的半导体模块中，上述第一散热片和/或上述第二散热片可以根据上述电并联连接地配置的多个半导体元件的每一个被分割。
根据这样的构成，由于第一散热片或上述第二散热片中的任一方，或者第一散热片和上述第二散热片的两方在电并联连接半导体元件时，散热片根据半导体元件被分割，所以不易引起半导体元件间的热干扰。在此，上述多个半导体元件的并联连接可以是不同种类的半导体元件的并联连接，例如可以采用将IGBT与FWD并联连接的结构。
此外，在本发明的半导体模块中，上述第一金属箔在上述电并联连接的多个半导体元件间的区域具备在从上述制冷剂的流动的下游向上游的方向突出的延伸部。
根据这样的构成，由于在远离散热片的位置延长第一金属箔，所以能够容易地将配线连接到第一金属箔。
在本发明的半导体模块中，可以在上述第一半导体元件与上述第二半导体元件之间的上述陶瓷绝缘基板上配置电极片。
根据这样的构成，由于将电极片配置在为了抑制第一半导体元件与上述第二半导体元件的相互的热干扰而设置的空置区域，所以能够有效利用空间。另外，由于将电极片配置在接近半导体元件的位置，所以能够缩短将信号从电极片取出到外部时的电流路径。
在本发明的半导体模块中，优选上述第一散热片的外形是从上述第一半导体元件端起为2mm以上且10mm以下的范围内的大小，并且第二散热片的外形是上述第二半导体元件端起为2mm以上且10mm以下的范围内的大小。
根据这样的构成，由于通过散热片能够有效地分散热，所以能够减小半导体模块的外形尺寸。
在本发明的半导体模块中，优选从上述陶瓷绝缘基板的上表面到上述第一散热片的上表面之间的距离和从上述陶瓷绝缘基板的上表面到上述第二散热片的上表面之间的距离分别为0.8mm以上且2.5mm以下，上述第一散热片的外形是从上述第一半导体元件端起为2mm以上且5mm以下的大小，并且第二散热片的外形是从上述第二半导体元件端起为2mm以上且5mm以下的大小。
此外，在本发明的半导体模块中，更优选从上述陶瓷绝缘基板的上表面到上述第一散热片的上表面之间的距离和从上述陶瓷绝缘基板的上表面到上述第二散热片的上表面之间的距离为1.5mm以上且2.0mm以下，上述第一散热片的外形是从上述第一半导体元件端起为2mm以上且5mm以下的大小，并且第二散热片的外形是从上述第二半导体元件端起为2mm以上且5mm以下的大小。
根据这样的构成，能够避免因为从陶瓷绝缘基板的上表面到散热片的上表面之间的距离小于0.8mm而导致的电极的电阻升高，通电时的温度上升的问题，以及避免当超过2.5mm时导致的DCB基板的制造变得困难的问题，并且，由于能够使第一散热片的传热量与第二散热片的传热量均等，所以能够使热效率变得良好，能够减小半导体模块的外形尺寸。
在本发明的半导体模块中，优选上述各第一半导体元件的对置的端与端之间的距离以及上述各第二半导体元件的对置的端与端之间的距离分别为1mm以上且13mm以下。
根据这样的构成，能够避免半导体元件的对置的端与端之间的距离小于1mm时导致的半导体元件间的热干扰变大的问题，以及避免超过13mm时导致的难以扩大半导体元件间距，每单位面积的冷却效率变差的问题。
在本发明的半导体模块中，上述第一半导体元件或上述第二半导体元件中的至少一个或两个可以具备测量电流或电压中的任一个的第一传感器和测量温度的第二传感器。
根据这样的构成，能够监控半导体元件的电流、电压、温度。
在本发明的半导体模块中，优选在上述第二散热片的面积与上述第一散热片的面积的比在1.2倍以上且2.4倍以下的范围内增大上述第二散热片的面积。
此外，在本发明的半导体模块中，更优选在上述第二散热片的面积与上述第一散热片的面积的比在1.5倍以上且2.1倍以下的范围内增大上述第二散热片的面积。
在本发明的半导体模块中，特别优选在上述第二散热片的面积与上述第一散热片的面积的比在1.8倍以上且2.0倍以下的范围内增大上述第二散热片的面积。
根据这样的构成，能够使第一散热片和第二散热片的面积最优化，并能够减小半导体模块的外形尺寸。
本发明的电驱动车辆的特征是具备：上述任一项记载的半导体模块；电机，其通过半导体模块输出的电力驱动；中央运算装置，其控制上述半导体模块；泵，其输送对上述半导体模块进行冷却的制冷剂；换热器，其队上述制冷剂进行冷却；以及配管，其将上述半导体模块、上述泵和上述换热器连接为闭合回路状而形成制冷剂流路。
根据这样的构成，由于能够减小半导体模块的外形尺寸，所以能够减小搭载于车辆时所占的体积。
发明效果
根据本发明，由于能够降低在半导体模块的冷却器中流通的制冷剂的流动方向引起的冷却能力的面内差异，对任何半导体元件都能够均等地进行冷却，所以能够使冷却效率变得良好，并进一步减小半导体模块的外形尺寸。因此，在将本发明的半导体模块搭载于车辆时，能够使安装部件的配置设计变得容易，并扩大车辆内的使用空间。
附图说明
图1是表示本发明的半导体模块的简要构成的鸟瞰图。
图2是图1所示的半导体模块的俯视图。
图3是本发明的半导体单元的一个实施例的俯视图。
图4是图3所示的半导体单元的A-A截面的截面图。
图5是本发明的半导体单元的另一个实施例的俯视图。
图6是图5所示的半导体单元的A-A截面、B-B截面的截面图。
图7是本发明的半导体单元的又一实施例的俯视图。
图8是图7所示的半导体单元的A-A截面、B-B截面的截面图。
图9是本发明的半导体单元的又一实施例的俯视图。
图10是图9所示的半导体单元的A-A截面、B-B截面的截面图。
图11是本发明的半导体单元的又一实施例的俯视图。
图12是图11所示的半导体单元的A-A截面、B-B截面的截面图。
图13是表示散热片厚度1mm且扩大了散热片面积而得的仿真结果的图。
图14是表示从陶瓷绝缘基板的上表面到第二散热片的上表面之间的距离与半导体元件的最高温度Tj之间的关系的图。
图15是针对厚度1mm和1.5mm的散热片，扩大了散热片面积而得的仿真结果的图。
图16是表示在与制冷剂的流动方向正交的方向扩大了散热片的宽度而得的仿真结果的图。
图17是表示半导体元件的最高温度Tj的平均温度相对于下游侧的散热片的面积与上游侧的散热片的面积的比的图。
图18是表示在与制冷剂的流动方向正交的方向扩大了半导体元件间隔而得的仿真结果的图。
图19是表示扩大了在与下游侧的散热片的制冷剂的流动方向正交的方向上的半导体元件端与散热片端的距离而得的仿真结果的图。
图20是表示扩大了在下游侧的散热片的制冷剂的流动方向上的半导体元件端与散热片端的距离而得的仿真结果的图。
图21是表示本发明的电驱动车辆的驱动系统的一个实施例的简要构成图。
图22是表示本发明的半导体模块的逆变器的一个实施例的电路图。
符号说明
1a：第一半导体元件
1b：第二半导体元件
1c：第三半导体元件
1d：第四半导体元件
2a：第一散热片
2b：第二散热片
2c：第三散热片
2d：第四散热片
3a1，3a2，3a3，3b1，3b2，3c1，3c2，3d1，3d2：焊料
4：DBC基板
4a1：陶瓷绝缘基板
4a2：第一金属箔(电路层)
4a3：第二金属箔
4a4，4a6：第三金属箔(电路层)
4a5，4a7：第四金属箔(电路层)
4a8，4a9，4a10，4a11：电极片
5：冷却器
5a：顶板
5b：托盘
5c：翅片
5d：制冷剂入口配管
5e：制冷剂出口配管
5f：分配部
5g：制冷剂通路
5h：集合部
7：延伸部
10，10a，10b，10c，10d，10e：第一半导体单元
11：第二半导体单元
12：第三半导体单元
13：制冷剂的导入方向
14：制冷剂的流动方向
15：制冷剂的排出方向
16：车轮
17：电机
18：中央运算装置
19：泵
20：换热器
21：配管
22a，22b：IGBT
23a，23b：FWD
24：电池
25：电容器
26：控制信号输入端子
100：半导体模块
200：电驱动车辆
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的半导体模块的实施方式。对相同的构成要素标注相同的符号，省略重复的说明。应予说明，本发明不受下述实施方式限定，在不改变其主旨的范围内可以进行适当变形而实施。
在本发明的各实施例中，半导体元件1没有特别限定，例如可以是IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor：绝缘栅双极型晶体管)、功率MOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)、FWD(FreeWheelingDiode：续流二极管)，也可以是在一个半导体元件中实现这些的RC-IGBT(ReverseConducting-InsulatedGateBipolarTransistor：反向导通绝缘栅双极型晶体管)。
图1是表示本发明的半导体模块的简要构成的鸟瞰图。另外，图2是其俯视图。另一方面，图4是本发明的半导体单元的一个实施例的截面图。
应予说明，在图1中示出半导体模块100具备三个半导体单元10、11、12的例子。半导体单元可以具备一个，也可以具备两个以上。
如图1、图2和图11所示，冷却器5具备顶板5a、托盘5b、翅片5c、制冷剂入口配管5d、制冷剂通路5g、制冷剂出口配管5e，在冷却器5的顶板5a上配置有半导体单元10、11、12。冷却器5的顶板5a与半导体单元10、11、12的第二金属箔4a3热连接，半导体单元10、11、12的热传导到冷却器5的顶板5a。在顶板5a下配置有托盘5b，在托盘5b中排列有多个翅片5c。翅片5c图示为板状，但不受此限定。例如也可以是波状、格子状、多孔质的翅片。翅片5c与顶板5a和托盘5b连接。在翅片5c的左右端部与托盘5b之间有空间，形成有制冷剂入口配管侧的分配部5f和制冷剂出口配管侧的集合部5h。在冷却器5中，制冷剂通过制冷剂入口配管5d而从制冷剂的导入方向13导入，由制冷剂入口配管侧的分配部向各翅片5c间分配制冷剂，在各翅片5c间的制冷剂通路5g沿制冷剂的流动方向14流动，被顶板5b和/或翅片5c加热，由制冷剂出口配管侧的集合部5h收集从各片间出来的制冷剂，通过制冷剂出口配管5e而向制冷剂的排出方向15排出。制冷剂经由冷却器5的制冷剂出口配管5e、未图示的换热器和泵，沿返回到冷却器5的制冷剂入口配管5d的循环路径流通。作为制冷剂，没有特别限定，例如可以使用乙二醇水溶液和/或水等液体制冷剂，也可以使用空气那样的气体制冷剂，还可以使用像氟利昂那样在冷却器中蒸发、利用气化热使冷却器冷却的能够相变的制冷剂。
应予说明，在图2中示出了在半导体模块100中使用图11的半导体单元10e的例子，但对于半导体单元来说，像下述的各实施例所示那样，存在各种变化。所有的半导体单元在散热片的下侧均具备DCB基板。DCB是DirectCopperBonding(直接铜键合)的简写，是指在陶瓷绝缘基板直接接合有铜等金属箔。陶瓷绝缘基板2a的材质只要是能够确保绝缘性的材料就没有特别限定，例如可以使用氮化铝(AlN)等陶瓷材料。
另外，在下述实施例中，第一半导体单元10、第二半导体单元11和第三半导体单元12被未图示的密封树脂密封。可以对第一半导体单元10、第二半导体单元11和第三半导体单元12单独进行树脂密封，也可以将它们集中地树脂密封成一个。为了降低因制造上的失误而导致的成本损失，更优选单独进行树脂密封。密封树脂只要具有规定的绝缘性能，成型性良好，就没有特别限定，例如优选使用环氧树脂等。
在本发明的半导体模块的各实施例中，具备：第一半导体元件；第二半导体元件；第一散热片，其电连接且热连接到上述第一半导体元件的下表面；第二散热片，其电连接且热连接到上述第二半导体元件的下表面；DCB基板，其具备陶瓷绝缘基板、配置在上述陶瓷绝缘基板的上表面的第一金属箔和配置在上述陶瓷绝缘基板的下表面的第二金属箔，上述第一金属箔电接合且热接合到上述第一散热片的下表面和上述第二散热片的下表面；以及冷却器，其热连接到上述DCB基板的上述第二金属箔，在上述冷却器的制冷剂的流动方向的上游侧配置上述第一半导体元件，在下游侧配置上述第二半导体元件，使上述第二散热片的面积比上述第一散热片的面积大。
在以下的各实施例中，示出第一半导体单元10的各种变形例。使用对剖切第一半导体元件和第二半导体元件而得的A-A截面或B-B截面进行观察的截面图来说明本发明的实施例的半导体模块的结构。第一金属箔、第二金属箔、第三金属箔和第四金属箔使用厚度0.4mm的金属箔。
(实施例一)
对本发明的第一个实施例进行说明。
本发明的第一个实施例的半导体模块100具备第一半导体单元10、第二半导体单元11、第三半导体单元12和冷却器5。第一半导体单元10、第二半导体单元11和第三半导体单元12可使用下述说明的第一半导体单元10a。因为在前文已对冷却器5进行了说明，所以在此省略说明。
在图3中示出本发明的第一个实施例的半导体单元10a的俯视图。另外，在图4中示出图3所示的半导体模块10a和冷却器5的A-A截面的截面图。
第一半导体单元10a具备：第一半导体元件1a、第二半导体元件1b、第一散热片2a、第二散热片2b、焊料3a1、焊料3a2、焊料3a3、焊料3b1、焊料3b2、DBC基板4、陶瓷绝缘基板4a1、第一金属箔(电路层)4a2、第二金属箔4a3、电极片4a8、电极片4a9。
DCB基板4至少由陶瓷绝缘基板4a1、第一金属箔(电路层)4a2和第二金属箔4a3构成，在陶瓷绝缘基板4a1的正面配置有第一金属箔(电路层)4a2，在陶瓷绝缘基板4a1的背面配置有第二金属箔4a3。
第一散热片2a的上表面借由焊料3a1接合到第一半导体元件1a的下表面。第一散热片2a的下表面借由焊料3a2接合到DCB基板4的第一金属箔(电路层)4a2的上表面。
第二散热片2b的上表面借由焊料3b1接合到第二半导体元件1b的下表面。第二散热片2b的下表面借由焊料3b2接合到DCB基板4的第一金属箔(电路层)4a2的上表面。
应予说明，在图3中虽未图示，但就第一半导体单元10a而言，对于半导体元件1a或半导体元件1b中的至少一个或两个，作为内部电路，可以具备测量电流或电压中的任一个的第一传感器或测量温度的第二传感器。可以用导线将上述传感器与竖有用于将信号取出到外部的管脚的电极片4a8、电极片4a9连接。
根据这样的构成，能够监控半导体元件的电流、电压、温度。
(实施例二)
对本发明的第二实施例进行说明。在实施例二中，用实施例一中所说明的方式将半导体单元10b组装到半导体模块。
在图5中示出本发明的第二实施例的半导体单元10b的俯视图。另外，在图6(A)中示出图5所示的半导体单元10b和冷却器5的A-A截面的截面图，在图6(B)中示出B-B截面的截面图。
与实施例一的主要不同之处在于将第一半导体元件1a分割为第一半导体元件1a和第三半导体元件1c；将第二半导体元件1b分割为第二半导体元件1b和第四半导体元件1d；以及增设电极片4a10和电极片4a11。
第一半导体单元10b具备：第一半导体元件1a、第二半导体元件1b、第三半导体元件1c、第四半导体元件1d、第一散热片2a、第二散热片2b、焊料3a1、焊料3a2、焊料3a3、焊料3b1、焊料3b2、焊料3c1、焊料3d1、DBC基板4、陶瓷绝缘基板4a1、第一金属箔(电路层)4a2、第二金属箔4a3、电极片4a8、电极片4a9、电极片4a10、电极片4a11。
DCB基板4至少由陶瓷绝缘基板4a1、第一金属箔(电路层)4a2和第二金属箔4a3构成，在陶瓷绝缘基板4a1的正面配置有第一金属箔(电路层)4a2，在陶瓷绝缘基板4a1的背面配置有第二金属箔4a3。
第一散热片2a的上表面借由焊料3a1接合到第一半导体元件1a的下表面，此外，借由焊料3c1接合到第三半导体元件1c的下表面。第一散热片2a的下表面借由焊料3a2接合到DCB基板4的第一金属箔(电路层)4a2的上表面。
第二散热片2b的上表面借由焊料3b1接合到第二半导体元件1b的下表面，此外，借由焊料3d1接合到第四半导体元件1d的下表面。第二散热片2b的下表面借由焊料3b2接合到DCB基板4的第一金属箔(电路层)4a2的上表面。
应予说明，图5中虽未图示，但就第一半导体单元10b而言，对于第一半导体元件1a、第二半导体元件1b、第三半导体元件1c或第四半导体元件1d中的至少一个或多个以上，作为内部电路，具备测量电流或电压中的任一个的第一传感器和测量温度的第二传感器，借由电极片4a8、电极片4a9、电极片4a10、电极片4a11中的任一个而取出到外部。
(实施例三)
对本发明的第三实施例进行说明。在实施例三中，半导体单元10c以用实施例一说明的方式被组装到半导体模块。
在图7中示出本发明的第三实施例的半导体单元10c的俯视图。在图8(A)中示出图7所示的半导体模块10c和冷却器5的A-A截面的截面图，在图8(B)中示出B-B截面的截面图。
比较图5与图7可知，其与实施例二的不同之处在于图5的第一金属箔(电路层)4a2在图7中被分割为配置在第一散热片2a的下表面的第三金属箔4a4和配置在第二散热片2b的下表面的第四金属箔4a5；在电并联连接的多个半导体元件间的区域具有在从制冷剂的流动的下游向上游的方向突出的延伸部7；以及在第一半导体元件1a与第二半导体元件1b之间和第三半导体元件1c与第四半导体元件1d之间的陶瓷绝缘基板4a1上配置电极片4a9、4a11。
第一半导体单元10c具备：第一半导体元件1a、第二半导体元件1b、第三半导体元件1c、第四半导体元件1d、第一散热片2a、第二散热片2b、焊料3a1、焊料3a2、焊料3a3、焊料3b1、焊料3b2、焊料3c1、焊料3d1、DBC基板4、陶瓷绝缘基板4a1、第二金属箔4a3、第三金属箔(电路层)4a4、第四金属箔(电路层)4a5、电极片4a8、电极片4a9、电极片4a10、电极片4a11。
在配置有第一半导体元件1a和第三半导体元件1c的第三金属箔(电路层)4a4与配置有第二半导体元件1b和第四半导体元件的第四金属箔(电路层)4a5之间的区域，在第四金属箔(电路层)4a5设有在从制冷剂的流动的下游向上游的方向突出的延伸部7，以便能够连接配线。通过将延伸部7设置在该位置，从而能够避免配置在其它地方时的空间的浪费，并且能够适度保持第一半导体元件1a与第二半导体元件1b之间的距离，以及第三半导体元件1c与第四半导体元件之间的距离而实现温度的均匀化。
DCB基板4至少由陶瓷绝缘基板4a1、第三金属箔(电路层)4a4、第四金属箔(电路层)4a5、第二金属箔4a3构成，在陶瓷绝缘基板4a1的正面配置有第三金属箔(电路层)4a4和第四金属箔(电路层)4a5，在陶瓷绝缘基板4a1的背面配置有第二金属箔4a3。
第一散热片2a的上表面借由焊料3a1接合到第一半导体元件1a的下表面。此外，第一散热片2a的上表面借由焊料3c1接合到第三半导体元件1c的下表面。第一散热片2a的下表面借由焊料3a2接合到DCB基板4的第三金属箔(电路层)4a4的上表面。
第二散热片2b的上表面借由焊料3b1接合到第二半导体元件1b的下表面。此外，第二散热片2b的上表面借由焊料3d1接合到第四半导体元件1d的下表面。第二散热片2b的下表面借由焊料3b2接合到DCB基板4的第四金属箔(电路层)4a5的上表面。
应予说明，图7中虽未图示，但对于第一半导体单元10c的第一半导体元件1a、第二半导体元件1b、第三半导体元件1c或第四半导体元件1d中的至少一个或多个以上而言，作为内部电路，具备测量电流或电压中的任一个的第一传感器和测量温度的第二传感器，借由电极片4a8、电极片4a9、电极片4a10、电极片4a11中的任一个而能够取出到外部。
(实施例四)
对本发明的第四实施例进行说明。在实施例四中，半导体单元10d以用实施例一中说明的方式被组装到半导体模块。
在图9中示出本发明的第四实施例的半导体单元10d的俯视图。在图10(A)中示出图9所示的半导体模块10d和冷却器5的A-A截面的截面图，在图10(B)中示出B-B截面的截面图。
比较图7与图9可知，其与实施例三的主要不同之处在于图9的第四金属箔(电路层)4a7的面积比第三金属箔(电路层)4a6的面积大。
由于第二散热片2b的面积比第一散热片2a的面积大，所以为了使散热片中的热的扩散更均等，而使在第二散热片2b下方的第四金属箔(电路层)4a7的面积比在第一散热片2a下方的第三金属箔(电路层)4a6的面积大。
第三金属箔(电路层)4a6和第四金属箔(电路层)4a7配置在陶瓷绝缘基板4a1上。第三金属箔(电路层)4a6的上表面借由焊料3a2连接到第一散热片2a的下表面。第四金属箔(电路层)4a7的上表面借由焊料3b2连接到第二散热片2b的下表面。
其它方面与实施例三相同，因此省略说明。
(实施例5)
对本发明的第5实施例进行说明。在实施例5中，半导体单元10e以用实施例一中说明的方式被组装到半导体模块。
在图11中示出本发明的第5实施例的半导体单元10e的俯视图。在图12(A)中示出本发明的图11所示的半导体模块10e和冷却器5的A-A截面的截面图，在图12(B)中示出B-B截面的截面图。
比较图7与图11可知，与实施例三的主要不同之处在于图7的第一散热片2a在图11中被分割成第一散热片2a和第三散热片2c；以及图7的第二散热片2b在图11中被分割成第二散热片2b和第四散热片2d。
第一散热片2a借由焊料3a2配置在第三金属箔(电路层)4a4上。第一散热片2a的上表面借由焊料3a1连接到第一半导体元件1a。
第二散热片2b借由焊料3b2配置在第四金属箔(电路层)4a5上。第二散热片2b的上表面借由焊料3b1连接到第二半导体元件1b。
第三散热片2c借由焊料3c2配置在第三金属箔(电路层)4a4上。第三散热片2c的上表面借由焊料3c1连接到第三半导体元件1c。
第四散热片2d借由焊料3d2配置在第四金属箔(电路层)4a5上。第四散热片2d的上表面借由焊料3d1连接到第四半导体元件1d。
其它方面与实施例三相同，因此省略说明。
(通过仿真进行的传热分析)
通过仿真来分析本发明的半导体模块的传热特性，对其结果进行说明。
如图2所示，以与制冷剂的流动方向14平行的方式将在一个半导体单元中具备四个半导体元件的半导体单元10、11、12配置在冷却器5上。
在图13中按照每个半导体元件示出半导体元件的最高温度Tj，该最高温度Tj是针对配置在上游侧和下游侧的矩形的散热片，将从各半导体元件端到散热片端的距离变更为1mm、1.5mm、2mm而算出的温度。在图13的仿真中，使散热片的厚度固定在1mm。半导体单元12的四个半导体元件用UP1、UN1、UP2、UN2的符号名表示。UP1和UP2是下游侧的半导体元件，UN1和UN2是上游侧的半导体元件。同样地，半导体单元11的四个半导体元件用VP1、VN1、VP2、VN2的符号名表示。VP1和VP2是下游侧的半导体元件，VN1和VN2是上游侧的半导体元件。半导体单元10的四个半导体元件用WP1、WN1、WP2、WN2的符号名表示。WP1和WP2是下游侧的半导体元件，WN1和WN2是上游侧的半导体元件。从各半导体元件端到散热片端的距离越大，散热片的面积越增大，在所有半导体元件中，最高温度Tj均被降低。上述距离为1mm时，上游侧的半导体元件的平均温度为159.0℃，下游侧的半导体元件的平均温度为161.7℃。上述距离为1.5mm时，上游侧的半导体元件的平均温度为157.5℃，下游侧的半导体元件的平均温度为160.2℃。上述距离为2mm时，上游侧的半导体元件的平均温度为156.5℃，下游侧的半导体元件的平均温度为159.2℃。这样，有下游侧的半导体元件的温度比上游侧的半导体元件的温度高的趋势。
在图14中示出从陶瓷绝缘基板的上表面到第二散热片的上表面之间的距离与半导体元件的最高温度Tj之间的关系。从陶瓷绝缘基板的上表面到第二散热片的上表面的距离越大，越能够使半导体元件的最高温度Tj降低，但散热片的体积变大重量变重，材料费也变高，因此不优选。因此，从陶瓷绝缘基板的上表面到第一散热片的上表面之间的距离以及从陶瓷绝缘基板的上表面到第二散热片的上表面之间的距离优选分别为0.8mm以上且2.5mm以下，更优选分别为1.5mm以上且2.0mm以下。在这次的仿真中，假定的是在金属箔与散热片的接合中使用焊料，但不限定于此。例如，可以在金属箔与散热片之间配置在树脂中含有银的纳米粒子而得的膏体，并用回流焊炉使膏体烧结来接合，也可以进行钎焊或直接接合。
图15是表示对于散热片的厚度1mm和1.5mm的情况，扩大散热片的面积而得的仿真结果的图。如果半导体元件端与散热片的外形的间隔变大，则散热片的大小变大，传热面积也扩大。半导体元件端与散热片的外形的间隔优选为2mm以上且5mm以下。如果小于2mm，则半导体元件的最高温度Tj变高，无法充分冷却半导体元件。如果超过5mm，则散热片变大，因而装置变重，材料费变高，因此不优选。无法以半导体元件端与散热片的外形的间隔每增加1mm而降低1℃的比例低温化时，由于上述的缺点而成为不优选的条件。例如，当以散热片的厚度为参数进行比较时，可知与厚度1mm的情况相比，厚度1.5mm的情况下能够降低温度。从这种观点考虑，能够使散热片的厚度等最优化。
以下，将半导体元件的最高温度Tj的目标温度设为154℃，对得到了最优化的结果进行说明。
在图16中仅示出在与制冷剂的流动方向正交的方向扩展散热片的宽度而得的仿真结果中的下游侧的仿真结果。前例的10*11.6、11*12.6、12*13.6、30.6*13.6表示散热片的(横向长度)*(纵向长度)，(横向长度)是指与制冷剂的流动方向正交的方向的散热片的长度。长度的单位是mm。对于前例的10*11.6、11*12.6、12*13.6而言，在每个散热片配置一个半导体元件。若比较前例的12*13.6、30.6*13.6，则可知与制冷剂的流动方向正交的方向的散热片的长度越长，越能够使半导体元件的最高温度Tj降低。对于前例的30.6*13.6而言，是将半导体元件分割成两个，并列地配置于一个散热片。可知分割成两个而并列地配置，并扩展散热片时，能够有效地扩散热流，能够进一步降低最高温度Tj。
在图17中示出基于图16的数据的下游侧散热片的面积相对于上游侧散热片的面积的比与半导体元件的最高温度Tj的平均温度之间的关系。可知上述面积比优选为1.2倍以上且2.4倍以下，更优选为1.5倍以上2.1倍，特别优选为1.8倍以上且2.0倍以上。在上述面积比小于1.2倍时，无法充分降低下游侧的半导体元件的最高温度Tj的平均值。可知在上述比例超过2.4倍时，由于下游侧的散热片的面积变大，所以装置变大，因此不优选。
在图18中示出在与制冷剂的流动方向正交的方向扩大半导体元件间隔而得的仿真结果。使半导体元件的间隔每增加2mm来进行仿真，可知与设为比12.6mm大的值的情况相比，设为10.6mm～12.6mm时的影响更大。可知由于半导体元件的间隔越小可以使装置的大小越小，所以半导体元件的间隔优选为13mm以下，更优选为12.6mm。
在图19中示出在与下游侧的散热片的制冷剂的流动方向正交的方向，将半导体元件端与散热片端的距离设为1.5mm、2.5mm、3.5mm、4.5mm，即每改变1mm来计算半导体元件的最高温度Tj而得的结果。可知1.5mm和2.5mm的温度变化最大，即使比2.5mm更大，也无法使Tj大幅降低。可知如果过度扩大半导体元件的间隔，则会使半导体模块变大，因此进行权衡后，优选设为2.5mm。
在图20中示出沿下游侧的散热片的制冷剂的流动方向的扩大半导体元件端与散热片端的距离而得的仿真结果。可知使半导体元件端与散热片端的距离越扩大，越能够降低半导体元件的最高温度Tj。可知为了成为目标值以下，优选设为4.5mm。
应予说明，在本发明的实施例中，分开设置散热片与第一金属箔、第三金属箔和第四金属箔，但也可以通过蚀刻对使散热片与各金属箔成为一体的具有厚度的一片金属板进行加工来形成它们。
(实施例6)
接下来，参照图21和图22来说明使用了本发明的半导体模块的电驱动车辆的一个实施方式。
图21是电驱动车辆的驱动系统的简要构成图。电驱动车辆200至少具备：上述的任一个半导体模块100；电机17，其通过半导体模块100输出的电力驱动；中央运算装置18，其控制半导体模块100；泵19，其输送对半导体模块100进行冷却的制冷剂；换热器20，其对制冷剂进行冷却；配管21，其将半导体模块100、泵19和换热器20连接为闭合回路状而形成制冷剂流路。电机17使用机械性地将驱动力传递到车轮16的机构而使车轮16转动。
图22是本发明的实施例6的半导体模块的逆变器的电路图。该电路图涉及图3的半导体模块，表示对半导体元件1a、半导体元件1b使用RC-IGBT的例子。RC-IGBT是在一个半导体元件1a的内部并联连接IGBT22a和FWD23a而制作。半导体元件1b也是同样地在内部并联连接IGBT22b和FWD23b而制作。
半导体元件1a和半导体元件1b以串联的方式连接。半导体元件1a的另一端和半导体元件1b的另一端分别与电池24连接。在电池24的两端子间连接有电容器25。输出配线从半导体元件1a与半导体元件1b之间的配线连接到电机17。将半导体元件1a和半导体元件1b作为一组，总计设置三组，从各组引出的输出配线与三相电机17连接。控制信号输入端子26与各半导体元件的栅极连接，也分别与外部的中央运算装置18连接。在中央运算装置18中，通过切换向各半导体元件的栅极输入的信号，从而将从电池供给的直流电流变换成向电机17输出的三相交流电流。
在上述实施例中，在散热片上配置了一个半导体元件，但作为其它变形例，如图5、图7、图9、图11所示，也可以在散热片上并列配置多个半导体元件。
由于使用了本发明的半导体模块的电驱动车辆是将第一半导体元件配置在冷却器的制冷剂的流动方向的上游侧，将第二半导体元件配置在下游侧，使第二散热片的面积比第一散热片的面积大，所以与现有的半导体模块相比，具有冷却能力高，变得紧凑这样的优异效果。因此，冷却器也变得紧凑，冷却器的刚性提高，能够耐受因电驱动车辆的移动而产生的振动。
如上所述，根据本发明的实施例，能够提供可提高冷却能力的半导体模块及使用该半导体模块的电驱动车辆。

Claims (17)

1.一种半导体模块，其特征在于，具备：
第一半导体元件；
第二半导体元件；
第一散热片，其电连接且热连接到所述第一半导体元件的下表面；
第二散热片，其电连接且热连接到所述第二半导体元件的下表面；
DCB基板，其具备陶瓷绝缘基板、配置在所述陶瓷绝缘基板的上表面的第一金属箔和配置在所述陶瓷绝缘基板的下表面的第二金属箔，所述第一金属箔电接合且热接合到所述第一散热片的下表面和所述第二散热片的下表面；以及
冷却器，其热连接到所述DCB基板的所述第二金属箔，
在所述冷却器的制冷剂的流动方向的上游侧配置所述第一半导体元件，在下游侧配置所述第二半导体元件，
使所述第二散热片的面积比所述第一散热片的面积大。
2.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于，
使所述第二散热片的在与所述制冷剂的流动方向正交的方向的长度比所述第一散热片的在与所述制冷剂的流动方向正交的方向的长度长。
3.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其特征在于，
使所述第二散热片的在所述制冷剂的流动方向的长度比所述第一散热片的在所述制冷剂的流动方向的长度长。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体模块，其特征在于，
所述第一金属箔被分割为配置在所述第一散热片的下表面的第三金属箔和配置在所述第二散热片的下表面的第四金属箔。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体模块，其特征在于，
所述第一半导体元件和/或所述第二半导体元件由电并联连接地配置的多个半导体元件形成。
6.根据权利要求5所述的半导体模块，其特征在于，
所述第一散热片和/或所述第二散热片根据所述电并联连接地配置的多个半导体元件的每一个被分割。
7.根据权利要求5或6所述的半导体模块，其特征在于，
所述第一金属箔在所述电并联连接的多个半导体元件间的区域具备在从所述制冷剂的流动的下游朝向上游的方向突出的延伸部。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的半导体模块，其特征在于，
在所述第一半导体元件与所述第二半导体元件之间的所述陶瓷绝缘基板上配置了电极片。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的半导体模块，其特征在于，
所述第一散热片的外形是从所述第一半导体元件端起2mm以上且10mm以下的范围内的大小，
并且，第二散热片的外形是从所述第二半导体元件端起2mm以上且10mm以下的范围内的大小。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的半导体模块，其特征在于，
从所述陶瓷绝缘基板的上表面到所述第一散热片的上表面之间的距离和从所述陶瓷绝缘基板的上表面到所述第二散热片的上表面之间的距离分别为0.8mm以上且2.5mm以下，
所述第一散热片的外形是从所述第一半导体元件端起2mm以上且5mm以下的大小，
并且，第二散热片的外形是从所述第二半导体元件端起2mm以上且5mm以下的大小。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的半导体模块，其特征在于，
从所述陶瓷绝缘基板的上表面到所述第一散热片的上表面之间的距离和从所述陶瓷绝缘基板的上表面到所述第二散热片的上表面之间的距离分别为1.5mm以上且2.0mm以下，
所述第一散热片的外形是从所述第一半导体元件端起2mm以上且5mm以下的大小，
并且，第二散热片的外形是从所述第二半导体元件端起2mm以上且5mm以下的大小。
12.根据权利要求5所述的半导体模块，其特征在于，
所述各第一半导体元件的对置的端与端之间的距离以及所述各第二半导体元件的对置的端与端之间的距离分别为1mm以上且13mm以下。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的半导体模块，其特征在于，
所述第一半导体元件和所述第二半导体元件中的至少一个或两个具备测量电流和电压中的任一个的第一传感器和测量温度的第二传感器。
14.根据权利要求1～13中任一项所述的半导体模块，其特征在于，
在所述第二散热片的面积与所述第一散热片的面积的比在1.2倍以上且2.4倍以下的范围内增大所述第二散热片的面积。
15.根据权利要求14所述的半导体模块，其特征在于，
在所述第二散热片的面积与所述第一散热片的面积的比在1.5倍以上且2.1倍以下的范围内增大所述第二散热片的面积。
16.根据权利要求15所述的半导体模块，其特征在于，
在所述第二散热片的面积与所述第一散热片的面积的比在1.8倍以上且2.0倍以下的范围内增大所述第二散热片的面积。
17.一种电驱动车辆，其特征在于，具备：
权利要求1～16中任一项所述的半导体模块；
电机，其通过半导体模块输出的电力驱动；
中央运算装置，其控制所述半导体模块；
泵，其输送对所述半导体模块进行冷却的制冷剂；
换热器，其对所述制冷剂进行冷却；以及
配管，其将所述半导体模块、所述泵和所述换热器连接为闭合回路状而形成制冷剂流路。
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