JP2000156439A - パワー半導体モジュール - Google Patents

パワー半導体モジュール

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JP2000156439A
JP2000156439A JP10331655A JP33165598A JP2000156439A JP 2000156439 A JP2000156439 A JP 2000156439A JP 10331655 A JP10331655 A JP 10331655A JP 33165598 A JP33165598 A JP 33165598A JP 2000156439 A JP2000156439 A JP 2000156439A
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power semiconductor
heat
igbt
heat radiating
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Osamu Usui
修 碓井
Hirotaka Muto
浩隆 武藤
Takeshi Oi
健史 大井
Shinichi Kinouchi
伸一 木ノ内
Goji Horiguchi
剛司 堀口
Toshiyuki Kikunaga
敏之 菊永
Takumi Kikuchi
巧 菊池
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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    • H01L2924/351Thermal stress

Abstract

(57)【要約】 【課題】 IGBT素子16が、その下面が放熱板14
上に搭載されて筐体28内に収納されるIGBTモジュ
ールにおいて、IGBT素子16に発生する熱を放熱板
14に放熱する際の熱伝導路の熱抵抗を低減して、IG
BT素子16の発熱温度を低減させる。 【解決手段】 IGBT素子16の上面のエミッタ電極
17と放熱板14上に設けた絶縁性中継基板23aとを
平板状の金属で構成された放熱部材27で接合し、IG
BT素子16の上面と下面の双方から放熱板14への放
熱を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、電力変換装置な
どに用いられるパワー半導体モジュール、特にパワー半
導体モジュールの冷却構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来のパワー半導体モジュールの一例と
して、汎用のIGBT(Insulated Gate Bipolar Trans
istor)モジュールの主要部の断面図を図9に示す。図
9において、1はアルミニウムや銅等からなる放熱板、
2は両面に銅等からなる金属薄板2a(図示せず)が接
着されたアルミナや窒化アルミニウム等からなる絶縁基
板、3はIGBT素子、4はIGBT素子3のエミッタ
電極、5はIGBT素子3のコレクタ電極である。絶縁
基板2は半田等により放熱板1上に接合され、IGBT
素子3のコレクタ電極5は半田等の導電性材料で、絶縁
基板2上の金属薄板2aに電気的に接続されて、IGB
T素子3は絶縁基板2を介して放熱板1上に搭載され
る。
【0003】また、6、7はそれぞれ主回路配線の主要
部をなすエミッタ用およびコレクタ用ブスバー、8、9
はそれぞれ外部配線と接続するためのエミッタ用および
コレクタ用の外部電極端子、10a、10bは両面に銅
等からなる金属薄板10c(図示せず)が接着されたア
ルミナ等からなる絶縁性中継基板であり、11はアルミ
ニウムワイヤである。エミッタ用およびコレクタ用の外
部電極端子8、9は、エミッタ用およびコレクタ用ブス
バー6、7を介して、エミッタ側およびコレクタ側の中
継基板10a、10bの金属薄板10cにそれぞれ電気
的に接続され、IGBT素子3のエミッタ電極4および
コレクタ電極5と中継基板10a、10bの金属薄板1
0cはアルミニウムワイヤ11により電気的に接続され
ている。さらに、12はIGBT素子3を収納する筐
体、13はシリコンゲルであり、筐体12の内部はシリ
コンゲル13で封止されている。
【0004】IGBTモジュールは、放熱板1下で高熱
伝導性のグリース等によってヒートシンク等の放熱器
(図示せず)に接合されており、IGBTモジュールの
運転時にIGBT素子3で発生する熱は、絶縁基板2と
放熱板1とを介して放熱器に伝導し、これによりIGB
T素子3が冷却される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来のIGBTモジュ
ールは以上のように構成されており、IGBT素子3の
エミッタ電極4側となる上面は、エミッタ電極4への電
気的配線として断面積の小さいアルミニウムワイヤ11
のみが接合され、その他のエミッタ電極4面は熱伝導率
の低いシリコンゲル13で覆われているため、IGBT
素子3で発生する熱は、エミッタ電極4側からほとんど
放熱されない。従って、上記したようにIGBT素子3
で発生する熱は、IGBT素子3のコレクタ電極5面か
ら絶縁基板2と放熱板1を介して放熱器に伝導し、これ
によりIGBT素子3が冷却される。
【0006】近年、パワー半導体モジュールの大容量化
やコンパクト化、高速化にともない、パワー半導体素子
の発熱密度が非常に大きくなってきている。しかしなが
ら上述したような従来のパワー半導体モジュール構造で
は、IGBT素子3で発生する熱はコレクタ電極5面か
ら放熱されるのみで、IGBT素子3のコレクタ電極5
面から放熱器までの熱抵抗を低減させることには限界が
あり、パワー半導体モジュールの冷却性能をある程度以
上に向上させるのは困難であった。IGBTモジュール
内のIGBT素子3の数を増やすことにより、1素子当
たりの発熱量の低減と、発熱源の分散化とを図り、放熱
板1の面積をできる限り熱伝導断面積として有効に利用
して、モジュールの冷却性能を向上させることもできる
が、IGBT素子3の数が増えて、構造が複雑化、大型
化し、コストも増加する等の問題があった。
【0007】この発明は、上記のような問題点を解消す
るために成されたものであって、パワー半導体モジュー
ルにおける筐体内に収納されたパワー半導体素子から放
熱板までの熱抵抗を低減して、パワー半導体モジュール
の冷却性能を向上させることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】この発明に係わる請求項
1記載のパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子
が、その下面が放熱板上に搭載されて筐体内に収納さ
れ、上記パワー半導体素子の上面と上記放熱板上とに接
合される平板状またはブロック状の放熱部材を備え、該
放熱部材を介して上記パワー半導体素子の上面から上記
放熱板に放熱するようにしたものである。
【0009】またこの発明に係わる請求項2記載のパワ
ー半導体モジュールは、請求項1において、放熱板に段
差を設けて、放熱部材が接合される領域の上記放熱板上
面の高さを、該放熱板のパワー半導体素子搭載面の高さ
より高くしたものである。
【0010】またこの発明に係わる請求項3記載のパワ
ー半導体モジュールは、請求項1または2において、パ
ワー半導体素子が、放熱板上に絶縁基板を介して搭載さ
れ、放熱部材が金属で構成されて上記放熱板上には絶縁
性の中継基板を介して接合され、上記パワー半導体素子
の上面には導電性接合部材を介して接合され、しかも、
該放熱部材が、上記パワー半導体素子と上記パワー半導
体モジュールの外部電極端子間を接続する電気的配線を
構成するものである。
【0011】またこの発明に係わる請求項4記載のパワ
ー半導体モジュールは、請求項3において、絶縁性の中
継基板が、パワー半導体素子を搭載する絶縁基板である
ものである。
【0012】またこの発明に係わる請求項5記載のパワ
ー半導体モジュールは、複数のパワー半導体素子が、そ
の下面が放熱板上に搭載されて筐体内に収納されるパワ
ー半導体モジュールにおいて、上記複数のパワー半導体
素子の上面に接合される平板状またはブロック状の放熱
部材を備え、上記パワー半導体素子の上面から上記放熱
部材と他の上記パワー半導体素子を介して、上記放熱板
に放熱するようにしたものである。
【0013】またこの発明に係わる請求項6記載のパワ
ー半導体モジュールは、請求項5において、複数のパワ
ー半導体素子が、放熱板上に絶縁基板を介して搭載さ
れ、放熱部材が金属で構成されて、上記複数のパワー半
導体素子の上面に導電性接合部材を介して接合されたも
のである。
【0014】またこの発明に係わる請求項7記載のパワ
ー半導体モジュールは、請求項6において、放熱部材
が、パワー半導体素子とパワー半導体モジュールの外部
電極端子間を接続する電気的配線を構成するものであ
る。
【0015】またこの発明に係わる請求項8記載のパワ
ー半導体モジュールは、請求項3、4、6または7のい
ずれかにおいて、放熱部材が、少なくとも200W/m
Kの熱伝導率を有する金属材料で構成され、しかも少な
くとも2mm2の熱伝導断面積を有するものである。
【0016】
【発明の実施の形態】実施の形態1.以下、この発明の
実施の形態1を図について説明する。図1は、この発明
の実施の形態1によるIGBTモジュールの主要部の構
造を示す断面図である。図1において、14はアルミニ
ウムや銅等からなる放熱板、15は両面に銅等からなる
金属薄板15a(図示せず)が接着されたアルミナや窒
化アルミニウム等からなる絶縁基板、16はパワー半導
体素子としてのIGBT素子、17はIGBT素子16
のエミッタ電極、18はIGBT素子16のコレクタ電
極である。絶縁基板15は半田等により放熱板14上に
接合され、IGBT素子16のコレクタ電極18は半田
等の導電性材料で、絶縁基板15上の金属薄板15aに
電気的に接続されて、IGBT素子16は絶縁基板15
を介して放熱板14上に搭載される。
【0017】また、19、20はそれぞれ主回路配線の
主要部をなすエミッタ用およびコレクタ用ブスバー、2
1、22はそれぞれ外部配線と接続するためのエミッタ
用およびコレクタ用の外部電極端子、23a、23bは
両面に銅等からなる金属薄板24a、24b(図示せ
ず)が接着されたアルミナ等からなる絶縁性中継基板、
25はアルミニウムワイヤ、26は半田や導電性樹脂等
からなる導電性接合部材であり、27は銅等の金属から
成る平板状の放熱部材である。コレクタ用の外部電極端
子22は、半田等により放熱板14上に接合された中継
基板23bの金属薄板24bに、コレクタ用ブスバー2
0を介して電気的に接続され、IGBT素子16のコレ
クタ電極18と中継基板23bの金属薄板24bはアル
ミニウムワイヤ25により電気的に接続される。一方、
エミッタ用の外部電極端子21は、半田等により放熱板
14上に接合された中継基板23aの金属薄板24a
に、エミッタ用ブスバー19を介して電気的に接続され
る。金属から成る放熱部材27は導電性接合部材26を
介してIGBT素子16のエミッタ電極17に接合さ
れ、さらに半田等により中継基板23aの金属薄板24
aに接合される。このため、エミッタ電極17は放熱部
材27を介して中継基板23aの金属薄板24aに電気
的に接続され、さらにエミッタ用ブスバー19を介して
エミッタ用の外部電極端子21に電気的に接続される。
また、28はIGBT素子16を収納する筐体、29は
シリコンゲルであり、筐体28の内部はシリコンゲル2
9で封止されている。
【0018】IGBTモジュールは、放熱板14下で高
熱伝導性のグリース等によってヒートシンク等の放熱器
(図示せず)に接合されており、IGBTモジュールの
運転時にIGBT素子16で発生する熱を放熱板14を
介して放熱器に伝導して放熱し、これによりIGBT素
子16が冷却される。この様に構成されるIGBTモジ
ュールでは、IGBT素子16で発生する熱は、コレク
タ電極18側のIGBT素子16下面から絶縁基板15
と放熱板14を介して放熱器に伝導される。一方エミッ
タ電極17側のIGBT素子16上面では、放熱部材2
7が導電性接合部材26を介してIGBT素子16のエ
ミッタ電極17に接合され、さらにこの放熱部材27は
半田等により中継基板23aに接合されている。放熱部
材27は断面積の大きな平板状であるため、熱伝導路と
して用いられ、IGBT素子16で発生する熱は、IG
BT素子16のエミッタ電極17側のIGBT素子16
上面からも、導電性接合部材26、放熱部材27、中継
基板23aおよび放熱板14を介して放熱器に伝導され
る。
【0019】この実施の形態では、IGBT素子16で
発生する熱は、IGBT16のエミッタ電極17側、コ
レクタ電極18側の両側から放熱器へ伝導するので、従
来のIGBTモジュールのようにIGBT素子3のコレ
クタ電極5側からのみ放熱器へ伝導するものに比べて、
熱伝導路が増加するため熱抵抗が低減する。これにより
IGBTモジュールの冷却性能が向上し、IGBT素子
16の発熱温度を低減することができる。また、放熱部
材27を金属で構成したため、IGBT素子16からの
放熱を担うだけでなく、IGBT素子16とエミッタ用
の外部電極端子21間を接続する電気的配線の一部を構
成し、電気的配線として用いられる。
【0020】なおこの実施の形態では、放熱部材27を
平板状としたが、図2に示すようにブロック状にするこ
とにより、熱伝導断面積をさらに大きくできて熱抵抗を
より低減化することができる。
【0021】また、大容量IGBTモジュールでは、I
GBT素子16のエミッタ電極17への従来の電気的配
線部材として、直径約0.5mmのアルミニウムワイヤ
を複数本接合していたが、熱伝導断面積の合計が約2m
2を越えることはなかった。従って放熱部材27を、
少なくとも200W/mKの熱伝導率を有する金属材料
で、例えば同程度の熱伝導率のアルミニウムやアルミニ
ウムより熱伝導率の高い銅を使用する場合、断面積が少
なくとも2mm2以上であれば、従来のIGBTモジュ
ールよりIGBT素子16の発熱温度を低減することが
できる。
【0022】また、中継基板23aは熱伝導率の高い材
料が適しているが、さらに絶縁性の材料を使用している
ため、放熱部材27と銅やアルミニウム等の導電性の放
熱板14との間を絶縁することができる。
【0023】また、放熱板14として線膨張係数が小さ
い、例えばモリブデン、銅とモリブデンの複合材、銅と
タングステンの複合材、アルミニウムと炭化珪素の複合
材等を用いることもできる。放熱板14に銅やアルミニ
ウムを用いた場合、絶縁基板15の線膨張係数が窒化ア
ルミニウムで約4×10 6/Kであるのに対して、放
熱板14の線膨張係数は銅で約16×10-6/K、アル
ミニウムで約23×10-6/Kとその差が非常に大きい
ため、運転時に生じる温度変化によって絶縁基板15と
放熱板14との接合部には比較的大きな熱応力が発生す
るものであった。この実施の形態では、熱伝導路を増加
することにより冷却性能を高める構造としたため、銅や
アルミニウムに比べて熱伝導率が小さいが、線膨張係数
が小さい上記のような材料を放熱板14に用いること
で、冷却性能を確保し、しかも絶縁基板15と放熱板1
4間に発生する熱応力が緩和できて、亀裂の発生などが
防止でき信頼性を向上できる。
【0024】また放熱板14の材料に絶縁性のものを用
いても良く、その場合、放熱板14上に絶縁基板15お
よび絶縁性の中継基板23a、23bを設けなくて良
い。
【0025】またこの実施の形態では、放熱部材27は
IGBT素子16のエミッタ電極17上の導電性接合部
材26と中継基板23a間の電気的配線とし、中継基板
23aからエミッタ用外部電極端子21間はエミッタ用
ブスバー19を用いて接続しているが、放熱部材27を
中継基板23aを経由して直接エミッタ用外部電極端子
21に接続してもよい。さらに、放熱部材27の複数箇
所を半田等により中継基板23aに接合してもよく、こ
の場合、熱伝導路がさらに増加するため熱抵抗が低減
し、これによりIGBT素子16の発熱温度をさらに低
減することができる。さらにまた、IGBT素子16の
コレクタ電極18とコレクタ用外部電極端子22の電気
的配線は、アルミニウムワイヤ25およびコレクタ用ブ
スバー20で構成されるものとしたが、これに限定され
るものではない。
【0026】また、パワー半導体素子はIGBT素子1
6に限るものではなく、例えばダイオード素子を用い、
放熱部材27を導電性接合部材26を介してダイオード
素子のアノード電極に接合し、さらにこの放熱部材27
を半田等により中継基板23aに接合しても、同様に、
ダイオード素子の発熱温度を低減することができる。
【0027】実施の形態2.上記実施の形態1では、放
熱板14上でIGBT素子16を搭載する絶縁基板15
と、放熱部材27を接合する中継基板23aとを別々に
設けたが、図3に示すように、絶縁基板15を、中継基
板23aと一体的に構成したものとしても良い。図に示
すように、絶縁基板15上にはエミッタ用金属薄板15
bとコレクタ用絶縁薄板15cとが互いに絶縁されて形
成される。絶縁基板15は半田等により放熱板14上に
接合され、IGBT素子16のコレクタ電極18は半田
等の導電性材料で、絶縁基板15上のコレクタ用金属薄
板15cに電気的に接続される。放熱部材27は導電性
接合部材26を介して、IGBT素子16のエミッタ電
極17に接合され、さらに半田等により絶縁基板15上
のエミッタ用金属薄板15bに接合される。
【0028】このため、上記実施の形態1と同様に、I
GBT素子16で発生する熱は、IGBT素子16のコ
レクタ電極18側からだけでなくエミッタ電極17側か
らも放熱器に伝導され、熱伝導路が増加するため熱抵抗
が低減する。これによりIGBTモジュールの冷却性能
が向上し、IGBT素子16の発熱温度を低減すること
ができる。さらにこの実施の形態では、放熱部材27は
IGBT素子16を搭載した絶縁基板15上のエミッタ
用金属薄板15bに接合されるので、放熱部材27を放
熱板14に接続するための中継基板を設ける必要はな
く、部品点数が低減でき構成が簡単になる。また放熱部
材27の長さは、エミッタ用金属薄板15bとコレクタ
用金属薄板15c間の距離に応じて低減することがで
き、この金属薄板15b、15c間の距離は互いの絶縁
が確保されれば十分である。このため、放熱部材27は
容易にその長さを低減することができ、放熱部材27の
熱抵抗を低減でき、IGBT素子16の発熱温度を一層
低減することができる。
【0029】実施の形態3.図4は、この発明の実施の
形態3によるIGBTモジュールの主要部の構造を示す
断面図である。図に示すように、放熱板14に段差を設
けて、放熱部材27が接合される領域の放熱板14上面
の高さを、IGBT素子16搭載面の高さより高くし
た。絶縁基板15は放熱板14の段差の低い領域14b
(以下、薄肉部14bと称す)上に半田等により接合さ
れ、IGBT素子16のコレクタ電極18は半田等の導
電性材料で、絶縁基板15上の金属薄板15a(図示せ
ず)に電気的に接続されて、IGBT素子16は絶縁基
板15を介して放熱板14の薄肉部14b上に搭載され
る。また放熱部材27は導電性接合部材26を介して、
IGBT素子14のエミッタ電極17に接合され、さら
に放熱板14の段差の高い領域14a(以下、厚肉部1
4aと称す)上に接合された中継基板23aに半田等で
接合される。
【0030】この場合も上記実施の形態1と同様に、I
GBT素子16で発生する熱は、IGBT素子16のコ
レクタ電極18側から絶縁基板15と放熱板14とを介
して放熱器に伝導されるだけでなく、IGBT素子16
のエミッタ電極17側からも、導電性接合部材26、放
熱部材27、中継基板23aおよび放熱板14を介して
放熱器に伝導するので、熱伝導路が増加するため熱抵抗
が低減する。これによりIGBTモジュールの冷却性能
が向上し、IGBT素子16の発熱温度を低減すること
ができる。
【0031】またこの実施の形態では、段差を有した放
熱板14の厚肉部14a上に、エミッタ電極17側の放
熱に用いる中継基板23aを接合した。放熱板14は熱
伝導率の高い材料で構成され、しかも断面積が大きいも
のであり、板厚が大きくなるほど熱伝導断面積は広がっ
ていく。従って、IGBT素子16で発生する熱を放熱
する熱伝導路の熱抵抗を低減するため、熱伝導断面積を
より大きくするには、断面積の大きい放熱板14を有効
に利用することにより、その分、放熱部材27の長さを
短くすることが、放熱部材27の熱伝導断面積を大きく
するよりも効果的である。この様に、段差を有した放熱
板14の厚肉部14b上に中継基板23aを接合し、放
熱部材27の長さを短くして断面積の大きい放熱板14
を利用することによって、IGBT素子16のエミッタ
電極17から放熱器間における、導電性接合部材26、
放熱部材27、中継基板23aおよび放熱板14の総熱
抵抗を低減し、IGBT素子16の発熱温度を一層低減
することができる。
【0032】実施の形態4.上記実施の形態1〜3で
は、放熱部材27は金属で構成され、IGBT素子16
からの放熱を担うだけでなく、IGBT素子16とエミ
ッタ用の外部電極端子21間を接続する電気的配線の一
部を構成し、電気的配線として用いたものであったが、
放熱部材を絶縁性の材料で構成し、配線を別途設けても
良く、図5に基づいて以下に説明する。図に示すよう
に、エミッタ用の外部電極端子21に接続される電気的
配線としてエミッタ用ブスバー19を中継基板23aの
金属薄板24a(図示せず)に電気的に接続し、IGB
T素子16のエミッタ電極17と中継基板23aの金属
薄板24aとをアルミニウムワイヤ25aで電気的に接
続する一方、これらの電気的配線とは別に、絶縁性の材
料から成る放熱部材27a(以下、絶縁性放熱部材27
aと称す)をIGBT素子16のエミッタ電極17と放
熱板14とに接合するものである。
【0033】絶縁性放熱部材27aはIGBT素子16
のエミッタ電極17に接合され、さらに放熱板14に接
合されているので、IGBT素子16で発生する熱は、
IGBT素子16のコレクタ電極18側から絶縁基板1
5および放熱板14を介して放熱器に伝導されるだけで
なく、IGBT素子16のエミッタ電極17側からも、
絶縁性放熱部材27aおよび放熱板14を介して放熱器
に伝導されるため、熱伝導路が増加し熱抵抗が低減す
る。これによりIGBTモジュールの冷却性能が向上
し、IGBT素子16の発熱温度を低減することができ
る。さらにこの実施の形態では、絶縁性放熱部材27a
が絶縁材料で構成されているめ、IGBT素子16のエ
ミッタ電極17、コレクタ電極18および放熱板14に
おける互いの絶縁距離を考慮することなく絶縁性放熱部
材27aを接合することができ、IGBT素子16のエ
ミッタ電極17と放熱板14とに接合する絶縁性放熱部
材27aの長さを、容易に短くできる。これにより熱抵
抗を低減でき、IGBT素子16の発熱温度をさらに低
減できる。
【0034】絶縁性放熱部材27aの絶縁性材料として
は、熱伝導率の高い窒化アルミニウム等が適している。
また、窒化アルミニウムの線膨張係数は約4×10 6
Kであり、線膨張係数が約3×10 6/KであるIGB
T素子16との線膨張係数差が小さくできる。このた
め、IGBT素子16の発熱に伴うIGBT素子16と
絶縁性放熱部材27a間に発生する熱応力が低減でき、
IGBT素子16と絶縁性放熱部材27a間における熱
応力による亀裂の発生を防いで、接触熱抵抗の増加を防
止できる。
【0035】実施の形態5.図6は、この発明の実施の
形態5によるIGBTモジュールの主要部の構造を示す
断面図である。図において、1〜26、28および29
は上記実施の形態1と同じもの、30は他のパワー半導
体素子としてのダイオード素子、31はダイオード素子
30のアノード電極、32はダイオード30素子のカソ
ード電極、33は銅等の金属から成る平板状あるいはブ
ロック状の放熱部材である。ここでは、IGBTモジュ
ールとして、IGBT素子16とダイオード素子30と
が、絶縁基板15を介して放熱板14上に搭載されて、
逆並列、すなわちIGBT素子16のエミッタ電極17
とダイオード素子30のアノード電極31、IGBT素
子16のコレクタ電極18とダイオード素子30のカソ
ード電極32がそれぞれ同電位になるよう接続されたも
のを用いる。図に示すように、IGBT素子16のコレ
クタ電極18とダイオード素子30のカソード電極32
は絶縁基板15上の金属薄板15a(図示せず)に半田
等の導電性材料で電気的に接続され、IGBT素子16
のエミッタ電極17とダイオード素子30のアノード電
極31はそれぞれ導電性接合部材26を介して放熱部材
33で接合されている。さらに放熱部材33は半田等に
より放熱板14上の中継基板23aに接合されている。
また、ダイオード素子30と中継基板23aとはIGB
T素子16に対してその両側に配置される。
【0036】この様なIGBTモジュールは、IGBT
素子16とダイオード素子30との発熱量は、IGBT
素子16の方が大きいものである。IGBT素子とダイ
オード素子とが逆並列に接続された従来のIGBTモジ
ュール構造では、それぞれの素子に発生した熱は、IG
BT素子ではコレクタ電極側からのみ、またダイオード
素子ではカソード電極側からのみ放熱器へ伝導されるも
のであり、IGBT素子の発熱温度はダイオード素子の
それより大きいものであった。
【0037】この実施の形態では、放熱部材33を導電
性接合部材26を介してIGBT素子16のエミッタ電
極17とダイオード素子30のアノード電極31とを接
合し、さらにこの放熱部材33を中継基板23aにも接
合した。このため、IGBT素子16で発生する熱は、
エミッタ電極17側からダイオード素子30と中継基板
23aとに伝わり、ダイオード素子30から絶縁基板1
5を介して放熱板14に、また中継基板23aからも放
熱板14に伝導され、さらに放熱器に伝導される。すな
わち、IGBT素子16で発生する熱は、IGBT素子
16のコレクタ電極18側から絶縁基板15、放熱板1
4を介して放熱器に伝導する他に、IGBT素子16の
エミッタ電極17側から二つの熱伝導路を介して放熱器
へ伝導される。従って、IGBT素子16で発生する熱
を放熱器へ伝導する熱伝導路が増加して熱抵抗が低減
し、これによりIGBT素子16の発熱温度を低減する
ことができる。この際、ダイオード素子30の発熱温度
は、従来のIGBTモジュールに比べて上昇するが、I
GBT素子16の発熱温度を越えることはない。
【0038】また、放熱部材33は金属で構成されるた
め、IGBT素子16からの放熱を担うだけでなく、I
GBT素子16とダイオード素子30間を電気的接続
し、さらにIGBT素子16とエミッタ用の外部電極端
子21間を接続する電気的配線の一部を構成し、電気的
配線として用いられる。
【0039】なお、この実施の形態では、ダイオード素
子30と中継基板23aとはIGBT素子16に対して
その両側に配置されたが、IGBT素子16と中継基板
23aとをダイオード素子30の両側に配置した構造で
もよく、IGBT素子16の発熱温度は従来のパワー半
導体モジュールのものに比べ低減する。この場合、発熱
温度の低減幅は、ダイオード素子30と中継基板23a
とがIGBT素子16に対してその両側に配置されたも
のよりも小さいものである。
【0040】また、放熱部材33は中継基板23aを経
由して直接エミッタ用外部電極端子21に接続していて
もよく、放熱部材33を導電性接合部材26を介してそ
れぞれ複数のIGBT素子16、ダイオード素子30に
接合し、さらに放熱部材33の複数箇所を半田等により
中継基板23aに接合してもよく、同様な効果が得られ
ることはいうまでもない。また、IGBT素子16のコ
レクタ電極18およびダイオード素子30のカソード電
極32とコレクタ用外部電極端子22の電気的配線も、
アルミニウムワイヤ25とコレクタ用ブスバー20の構
成に限定されるものではない。
【0041】実施の形態6.上記実施の形態5では、金
属で構成された放熱部材33を導電性接合部材26を介
して、IGBT素子16のエミッタ電極17とダイオー
ド素子30のアノード電極31とに接合し、さらにこの
放熱部材33を中継基板23aにも接合したが、図7に
示すように、放熱部材33aをIGBT素子16とダイ
オード素子30とを接続する部分のみに配設しても良
い。銅等の金属から成る平板状あるいはブロック状の放
熱部材33aは、導電性接合部材26を介してIGBT
素子16のエミッタ電極17とダイオード素子30のア
ノード電極31とに接合される。一方、放熱部材33a
と中継基板23aの金属薄板24aとはアルミニウムワ
イヤ25aで電気的に接続される。
【0042】この様なIGBTモジュールでは、IGB
T素子16で発生する熱は、エミッタ電極17側から放
熱部材33aを介してダイオード素子30に伝わり、ダ
イオード素子30から絶縁基板15を介して放熱板14
に伝導され、さらに放熱器に伝導される。すなわち、I
GBT素子16で発生する熱は、IGBT素子16のコ
レクタ電極18側から絶縁基板15、放熱板14を介し
て放熱器に伝導する他に、IGBT素子16のエミッタ
電極17側からダイオード素子30を介して放熱器へ伝
導される。従って、IGBT素子16で発生する熱を放
熱器へ伝導する熱伝導路は、上記実施の形態5のものよ
りは少ないものであるが、従来のコレクタ電極18側か
らのみ熱伝導するものに比べ、増加するものである。こ
のため従来のものに比べ熱抵抗が低減し、IGBT素子
16の発熱温度を低減することができる。この際、ダイ
オード素子30の発熱温度は、従来のIGBTモジュー
ルに比べて上昇するが、IGBT素子16の発熱温度を
越えることはない。また、両素子16、30の発熱温度
の差をできる限り小さくできる熱抵抗を有する放熱部材
33aを用いるのが望ましい。また、放熱部材33aは
金属で構成されるため、IGBT素子16からの放熱を
担うだけでなく、IGBT素子16とダイオード素子3
0間を電気的に接続する。
【0043】なお、放熱部材33aとエミッタ用外部電
極端子21間の電気的配線として、放熱部材33aと中
継基板23a間をアルミニウムワイヤ25aで接続し、
中継基板23aからエミッタ用ブスバー19でエミッタ
用外部電極端子21へ接続したが、放熱部材33aを直
接エミッタ用外部電極端子21に接続してもよい。
【0044】実施の形態7.上記実施の形態6におい
て、IGBT素子16とダイオード素子30とを接続す
る放熱部材33aを絶縁材料で構成し、電気的配線を別
途設けても良く、図8に基づいて以下に説明する。図に
示すように、窒化アルミニウム等の絶縁材料から成る絶
縁性放熱部材33bは、IGBT素子16のエミッタ電
極17とダイオード素子30のアノード電極31に接合
され、別途配設されたアルミニウムワイヤ25bによ
り、IGBT素子16のエミッタ電極17とダイオード
素子30のアノード電極31とは電気的にも接続され
る。一方、ダイオード素子30のアノード電極31と中
継基板23aの金属薄板24aとはアルミニウムワイヤ
25aで電気的に接続される。
【0045】この実施の形態においても、上記実施の形
態の形態6と同様に、IGBT素子16で発生する熱
は、絶縁性放熱部材33bを介してダイオード素子30
に伝わり、ダイオード素子30から絶縁基板15を介し
て放熱板14に伝導される。すなわち、IGBT素子1
6で発生する熱は、IGBT素子16のコレクタ電極1
8側から絶縁基板15を介して放熱板14に伝導する他
に、IGBT素子16のエミッタ電極17側からも、ダ
イオード素子30を介して放熱板14に伝導するので、
従来のIGBTモジュールに比べて熱抵抗が低減し、こ
れによりIGBT素子16の発熱温度を低減することが
できる。この際、上述した様にダイオード素子30の発
熱温度は、従来のものに比べて上昇するが、IGBT素
子16の発熱温度を越えることはない。また、両素子1
6、30の発熱温度の差をできる限り小さくできる熱抵
抗を有する絶縁性放熱部材33bを用いるのが望まし
い。
【0046】さらに絶縁性放熱部材33bが絶縁材料で
構成されているため、IGBT素子16のエミッタ電極
17とコレクタ電極18間、ダイオード素子30のアノ
ード電極31とカソード電極32間の絶縁距離を考慮す
ることなく、絶縁性放熱部材33bを接合することがで
き、IGBT素子16のエミッタ電極17とダイオード
素子30のアノード電極31とに接合する絶縁性放熱部
材33bの長さを、容易に短くできる。これにより熱抵
抗を低減でき、IGBT素子16の発熱温度をさらに低
減できる。
【0047】なお、上記実施の形態5〜7ではIGBT
素子16とダイオード素子30とを同一絶縁基板15上
に搭載しているが、それぞれ別々の絶縁基板上に搭載し
ても良い。
【0048】
【発明の効果】以上のようにこの発明に係わる請求項1
記載のパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子
が、その下面が放熱板上に搭載されて筐体内に収納さ
れ、上記パワー半導体素子の上面と上記放熱板上とに接
合される平板状またはブロック状の放熱部材を備え、該
放熱部材を介して上記パワー半導体素子の上面から上記
放熱板に放熱するようにしたため、パワー半導体素子に
発生する熱を放熱する熱伝導路が増加して熱抵抗を低減
でき、パワー半導体素子の発熱温度を低減することがで
きる。
【0049】またこの発明に係わる請求項2記載のパワ
ー半導体モジュールは、請求項1において、放熱板に段
差を設けて、放熱部材が接合される領域の上記放熱板上
面の高さを、該放熱板のパワー半導体素子搭載面の高さ
より高くしたため、パワー半導体素子に発生する熱を放
熱する熱伝導路の熱抵抗を容易で効果的に低減でき、パ
ワー半導体素子の発熱温度を一層低減することができ
る。
【0050】またこの発明に係わる請求項3記載のパワ
ー半導体モジュールは、請求項1または2において、パ
ワー半導体素子が、放熱板上に絶縁基板を介して搭載さ
れ、放熱部材が金属で構成されて上記放熱板上には絶縁
性の中継基板を介して接合され、上記パワー半導体素子
の上面には導電性接合部材を介して接合され、しかも、
該放熱部材が、上記パワー半導体素子と上記パワー半導
体モジュールの外部電極端子間を接続する電気的配線を
構成するため、パワー半導体素子の発熱温度を信頼性良
く確実に低減できるとと共に、放熱部材が電気的配線を
構成することにより装置構成が簡便となる。
【0051】またこの発明に係わる請求項4記載のパワ
ー半導体モジュールは、請求項3において、絶縁性の中
継基板が、パワー半導体素子を搭載する絶縁基板である
ため、装置構成が一層簡便となると共に、放熱部材の長
さを容易に低減することができ、パワー半導体素子の発
熱温度をさらに低減することができる。
【0052】またこの発明に係わる請求項5記載のパワ
ー半導体モジュールは、複数のパワー半導体素子が、そ
の下面が放熱板上に搭載されて筐体内に収納されるパワ
ー半導体モジュールにおいて、上記複数のパワー半導体
素子の上面に接合される平板状またはブロック状の放熱
部材を備え、上記パワー半導体素子の上面から上記放熱
部材と他の上記パワー半導体素子を介して、上記放熱板
に放熱するようにしたため、パワー半導体素子に発生す
る熱を放熱する熱伝導路が増加して熱抵抗を低減でき、
パワー半導体素子の発熱温度を低減することができる。
【0053】またこの発明に係わる請求項6記載のパワ
ー半導体モジュールは、請求項5において、複数のパワ
ー半導体素子が、放熱板上に絶縁基板を介して搭載さ
れ、放熱部材が金属で構成されて、上記複数のパワー半
導体素子の上面に導電性接合部材を介して接合されたた
め、放熱部材が電気的配線を構成し、装置構成が簡便と
なる。
【0054】またこの発明に係わる請求項7記載のパワ
ー半導体モジュールは、請求項6において、放熱部材
が、パワー半導体素子とパワー半導体モジュールの外部
電極端子間を接続する電気的配線を構成するため、一層
簡便な装置構成でパワー半導体素子の発熱温度を低減す
ることができる。
【0055】またこの発明に係わる請求項8記載のパワ
ー半導体モジュールは、請求項3、4、6または7のい
ずれかにおいて、放熱部材が、少なくとも200W/m
Kの熱伝導率を有する金属材料で構成され、しかも少な
くとも2mm2の熱伝導断面積を有するため、パワー半
導体素子に発生する熱を放熱する熱伝導路の熱抵抗を確
実に低減でき、パワー半導体素子の発熱温度を低減する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1によるパワー半導体
モジュールの構造を示す断面図である。
【図2】 この発明の実施の形態1の別例によるパワー
半導体モジュールの構造を示す断面図である。
【図3】 この発明の実施の形態2によるパワー半導体
モジュールの構造を示す断面図である。
【図4】 この発明の実施の形態3によるパワー半導体
モジュールの構造を示す断面図である。
【図5】 この発明の実施の形態4によるパワー半導体
モジュールの構造を示す断面図である。
【図6】 この発明の実施の形態5によるパワー半導体
モジュールの構造を示す断面図である。
【図7】 この発明の実施の形態6によるパワー半導体
モジュールの構造を示す断面図である。
【図8】 この発明の実施の形態7によるパワー半導体
モジュールの構造を示す断面図である。
【図9】 従来のパワー半導体モジュールの構造を示す
断面図である。
【符号の説明】
14 放熱板、14a 段差の高い領域、14b 段差
の低い領域、15 絶縁基板、16 パワー半導体素子
としてのIGBT素子、21 外部電極端子、23a
中継基板、26 導電性接合部材、27 放熱部材、2
7a 絶縁性放熱部材、28 筐体、30 パワー半導
体素子としてのダイオード素子、33,33a 放熱部
材、33b 絶縁性放熱部材。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大井 健史 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 木ノ内 伸一 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 堀口 剛司 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 菊永 敏之 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 菊池 巧 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 Fターム(参考) 5F036 AA01 BB08 BB16 BB21 BB23 BC06 BD01

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 パワー半導体素子が、その下面が放熱板
    上に搭載されて筐体内に収納されるパワー半導体モジュ
    ールにおいて、上記パワー半導体素子の上面と上記放熱
    板上とに接合される平板状またはブロック状の放熱部材
    を備え、該放熱部材を介して上記パワー半導体素子の上
    面から上記放熱板に放熱するようにしたことを特徴とす
    るパワー半導体モジュール。
  2. 【請求項2】 放熱板に段差を設けて、放熱部材が接合
    される領域の上記放熱板上面の高さを、該放熱板のパワ
    ー半導体素子搭載面の高さより高くしたことを特徴とす
    る請求項1記載のパワー半導体モジュール。
  3. 【請求項3】 パワー半導体素子が、放熱板上に絶縁基
    板を介して搭載され、放熱部材が金属で構成されて上記
    放熱板上には絶縁性の中継基板を介して接合され、上記
    パワー半導体素子の上面には導電性接合部材を介して接
    合され、しかも、該放熱部材が、上記パワー半導体素子
    と上記パワー半導体モジュールの外部電極端子間を接続
    する電気的配線を構成することを特徴とする請求項1ま
    たは2記載のパワー半導体モジュール。
  4. 【請求項4】 絶縁性の中継基板が、パワー半導体素子
    を搭載する絶縁基板であることを特徴とする請求項3記
    載のパワー半導体モジュール。
  5. 【請求項5】 複数のパワー半導体素子が、その下面が
    放熱板上に搭載されて筐体内に収納されるパワー半導体
    モジュールにおいて、上記複数のパワー半導体素子の上
    面に接合される平板状またはブロック状の放熱部材を備
    え、上記パワー半導体素子の上面から上記放熱部材と他
    の上記パワー半導体素子を介して、上記放熱板に放熱す
    るようにしたことを特徴とするパワー半導体モジュー
    ル。
  6. 【請求項6】 複数のパワー半導体素子が、放熱板上に
    絶縁基板を介して搭載され、放熱部材が金属で構成され
    て、上記複数のパワー半導体素子の上面に導電性接合部
    材を介して接合されたことを特徴とする請求項5記載の
    パワー半導体モジュール。
  7. 【請求項7】 放熱部材が、パワー半導体素子とパワー
    半導体モジュールの外部電極端子間を接続する電気的配
    線を構成することを特徴とする請求項6記載のパワー半
    導体モジュール。
  8. 【請求項8】 放熱部材が、少なくとも200W/mK
    の熱伝導率を有する金属材料で構成され、しかも少なく
    とも2mm2の熱伝導断面積を有することを特徴とする
    請求項3、4、6または7のいずれかに記載のパワー半
    導体モジュール。
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