JP2002270748A - 半導体モジュール及び電力変換装置 - Google Patents

半導体モジュール及び電力変換装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却能力が高く、且つ、製造時、運転時の熱
応力による絶縁破壊の虞のない、高信頼性の半導体モジ
ュールと、それを用いた電力変換装置を提供すること。 【解決手段】 ベース板１０１に、樹脂絶縁層１０２を
介して、内部に流通路１０６を有する導体部材１０３を
接合させ、この導体部材１０３を回路パターンの導体と
して、これにパワー半導体素子１０４を半田接合する。
そして、各導体部材１０３の流通路１０６を絶縁配管１
０５で連結し、冷却水を流すようにしたもの。パワー半
導体素子１０４と導体部材１０３の間には、半田接合層
１０７があるだけなので、冷却能力が高く、且つ、製造
時、運転時の熱応力による絶縁破壊の虞れがないので、
高信頼性のパワー半導体モジュールが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ベース部材の表面
に、絶縁層を介して形成した回路パターン用導体部材を
備え、該回路パターン用導体部材の表面に半導体チップ
をろう付け接合する方式の半導体モジュールに係り、特
に電力変換用スイッチング素子に好適なパワー半導体モ
ジュールと、それを用いた電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】スイッチング素子を内蔵したパワー半導
体モジュールや、これに制御回路を内蔵したＩＰＭ(Int
eligent Power Module)は、近年、自動車や鉄道車両な
ど高信頼性が要求される分野で大きく用途が拡がり、こ
の結果、信頼性の向上が特に要求されている。
【０００３】そして、このとき、ＩＧＢＴ(絶縁ゲート
バイポーラトランジスタ)などのスイッチング素子も大
容量化され、これに伴い、半導体素子(半導体チップ)の
発熱量が多くなるので、冷却能力の向上が強く要求され
るようになっている。また、近年、ハイブリッド自動車
の実用化が進んでいるが、ここで、発進時、主としてモ
ータ(電動機)により走行する方式のハイブリッド自動車
の場合、パワー半導体素子は発進毎に短時間だけ大きく
発熱する。
【０００４】従って、この様な用途では、パワー半導体
素子の接合温度の最大値は低いが、パワー半導体素子の
発熱変化幅が大きくなり、この結果、熱膨張と熱収縮に
よる応力変化、いわゆる熱揺動も大きくなり、且つ、そ
の回数も多くなる。そして、この熱揺動は、特に半田な
どによるろう付接合部に熱疲労を与えるので、高信頼性
の付与と保持には、効果的な冷却が必要になる。
【０００５】ところで、このようなパワー半導体モジュ
ールやＩＰＭでは、搭載されているパワー半導体素子の
発熱量の多さを考慮し、通常、高熱伝導性の金属などか
らなるベースと、高熱伝導性で且つ高電気絶縁性の材料
からなる絶縁基板と、回路パターンが形成された導電層
とで構成されるのが一般的であり、このとき、搭載部品
の発熱量に応じて絶縁基板の材料が選択されるのが通例
である。
【０００６】そして、発熱量が大きな中容量から大容量
の製品では、絶縁基板として、高価ではあるが、熱伝導
率の大きいアルミナセラミックス、窒化アルミニウムセ
ラミックスなどのセラミックスが主として用いられてい
る。ここで、図２３と図２４に、従来技術によるパワー
半導体モジュールの一例を示す。
【０００７】このモジュールは、図示のように、例えば
銅などのベース板１０１の一方の面(図では上側の面)
に、絶縁基板となるセラミック板２１０１を張り合わ
せ、このセラミック板２１０１に形成してある回路パタ
ーン２１０２ａ上に、半田付接合されたパワー半導体素
子１０４を設けたものである。このとき、セラミック板
２１０１は、裏面の銅パターン２１０２ｂを用いてベー
ス板１０１に半田付接合されている。
【０００８】そして、この回路パターン２１０２ａに金
属線３０４による接続が施され、更にパワー用外部接続
端子３０２ａと信号用外部接続端子３０２ｂに対する配
線が施された上でケース３０３内に納められ、樹脂３０
１により封止される。なお、ここで、樹脂とは合成樹
脂、いわゆるプラスチックのことである。
【０００９】次に、ベース板１０１は、グリース２１０
５を介在させて、冷却部材に取り付けられるが、ここ
で、図２３は、水冷式の冷却部材２１０４に取り付けた
場合で、図２４はフィンを有する空冷式の冷却部材２２
０１に取り付けた場合であり、このとき、いずれも取付
ボルト２１０３により冷却部材に固定される。
【００１０】ところで、パワー半導体モジュールは、線
膨張係数が異なる種々の材料が用いられているので、ベ
ース板１０１に反りがあるのが一般的である。ここで、
この反りの方向は、部品及び製造工程により、ベース板
１０１の冷却部材に対する接合面の中央が窪んでいる凹
方向と、接合面の中央が膨らんでいる凸方向の双方の場
合がある。
【００１１】反りが凹方向の場合、ベースと冷却部材間
にあるグリース２１０５の層厚が増してしまうので、ベ
ースと冷却部材間の接触熱抵抗が大きくなり、冷却能力
が低下し、動作時、パワー半導体素子１０４の温度上昇
が抑えられず、性能が低下し破壊してしまう虞れもあ
り、また、熱揺動も大きくなるので、半田接合層１０７
などによる接合部の寿命が低下してしまう。
【００１２】一方、反りが凸方向の場合、取付用のボル
ト２１０３を締め付けた際に、セラミック基板２１０１
に大きな曲げモーメントが現われ、しばしば割れが生じ
てしまう。ここで、割れが生じたセラミック基板２１０
１は、絶縁耐量が失われてしまうので、このような半導
体モジュールは使用不能になってしまう。
【００１３】このように、セラミック基板２１０１は高
熱伝導で高絶縁であるが、脆く割れ易く、従って、図２
３と図２４に示すセラミック基板２１０１を用いたパワ
ー半導体モジュールは、冷却能力には特に問題はない
が、セラミック基板２１０１の割れによる絶縁破壊とい
う致命的な不良を生じる危険性があり、取付けに際して
は細心の注意が必要である。
【００１４】一方、発熱量が比較的少ない小容量のパワ
ー半導体モジュールでは、絶縁基板として、熱伝導率は
あまり高くないが、かなり安価な樹脂製の絶縁層が用い
られている。図２５は、従来技術による小容量パワー半
導体モジュールの一例で、この場合絶縁基板の代りに樹
脂絶縁層１０２が用いられている。
【００１５】そして、この樹脂絶縁層１０２に回路パタ
ーンとなる導電層３０６を設け、この導電層３０６上に
パワー半導体素子１０４が半田接合されているものであ
り、その他の構成は、図２４の場合と同じである。とこ
ろで、この樹脂絶縁層１０２を用いた場合も、セラミッ
ク基板２１０１を用いた場合と同様に反りが生じる。
【００１６】ここで、反りが凹方向の場合は、同様に接
触熱抵抗が増大し、冷却能力が低下する。一方、反りが
凸方向の場合、樹脂絶縁層１０２は、セラミック基板２
１０１と比較して縦弾性係数が小さく延びが大きいの
で、割れる虞はない。
【００１７】以上の様に、樹脂絶縁層１０２は縦弾性係
数が小さく、延びも大きいが、熱伝導率が小さく、従っ
て、この図２５の樹脂絶縁板１０２を用いたパワー半導
体モジュールは、取付けの際に絶縁基板が割れる虞れは
ないが、冷却能力に問題がある。
【００１８】ところで、以上の半導体モジュールでは、
いずれもグリース２１０５が用いられている。ここで、
このグリース２１０５は、シリコン樹脂とセラッミク粉
末の複合材料なので、熱伝導率はあまり高くない。
【００１９】このため、無いよりは数段優れてはいるも
のの、このグリース２１０５があるため、ベースと冷却
部材間の熱抵抗が、パワー半導体素子１０４と冷却部材
の間の熱抵抗の数割程度までを占めてしまうことにな
り、従って、この間の接触熱抵抗が低減できれば、冷却
能力の向上に大きく寄与できることになる。
【００２０】そこで、この接触熱抵抗による冷却能力の
低下と、絶縁基板の割れによる絶縁破壊の対策として、
図２６に示すパワー半導体モジュールがある。この図２
６に示すモジュールは、セラミック基板２１０１を直
接、ろう付により冷却部材２２０１に接合したものであ
り、従って、例えば図２４に示した半導体モジュールに
おけるベース板１０１と冷却部材２２０１間の接合部
は、最初から存在しない。
【００２１】従って、このモジュールの場合、勿論、接
合部に介在すべきグリースの層も無く、接触熱抵抗は本
質的に存在しないので、冷却能力は飛躍的に向上する。
また、この結果、ベース板１０１のねじ締めによる取付
けも無いので、締め付けによる割れが発生する虞れも少
ない。
【００２２】しかも、このとき、冷却部材２２０１をＡ
ｌ−ＳｉＣなどの線膨張係数の小さい材料で構成するこ
とにより、セラミック基板２１０１との接合時の温度変
化による残留応力と、運転時での熱応力が低減され、こ
の結果、セラミック基板２１０１に発生する割れの虞れ
を更に小さく抑えることができる。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、半導
体素子の冷却能力向上に限度がある点に配慮がされてお
らず、半導体モジュールの大容量化と高信頼性の保持に
問題があった。まず、図２３乃至図２５に示した従来技
術は、上記したように、絶縁基板の割れの問題があり、
高信頼性が要求される用途への適用に不安があった。
【００２４】また、これらの従来技術は、取付けにも細
心の注意が必要であり、更に、グリースが低熱伝導であ
るため、これを用いてもフィンとベース間の接触熱抵抗
を小さく抑えるのが困難で、冷却能力の向上に問題があ
った。
【００２５】一方、図２６に示した従来技術では、上記
したように、冷却部材に線膨張係数の小さい材料を用い
ることにより、セラミック基板接合時の温度変化による
残留応力と運転時での熱応力が低減でき、この結果、セ
ラミック基板が割れる虞れは少ない。
【００２６】しかし、セラミックスは本質的に脆い材料
であるから、大容量化によりセラミック基板の面積が大
きくなった場合には、熱応力も大きくなるので、絶縁基
板が割れる虞がある。また、自動車など、振動が厳しい
用途に適用した場合には、セラミック基板に割れが生じ
てしまう虞れがあり、セラミック基板を用いた場合、パ
ワー半導体モジュールの取り扱いには細心の注意が必要
で、保守に際しても充分な注意を払う必要がある。
【００２７】本発明の目的は、冷却能力に優れ、絶縁基
板の割れによる絶縁破壊の危険性の小さい、高信頼性の
パワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置
を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】上記目的は、ベース部材
の表面に、絶縁層を介して形成した回路パターン用導体
を備え、該回路パターン用導体の表面に半導体素子をろ
う付け接合する方式の半導体モジュールにおいて、前記
回路パターン用導体の、少なくとも前記半導体素子が接
合される部分を、内部に流体の流通路となる孔が貫通さ
れている導体部材で形成し、前記半導体素子の放熱が、
前記流通路に通流される流体により与えられるようにし
て達成される。
【００２９】このとき、前記流通路を有する導体部材が
２個以上で、これら導体部材の中の少なくとも２個につ
いては、それらの流通路の出口と入口が同一直線上に位
置するようにして、前記ベース部材に配置されていても
よく、前記流通路に通流される流体を冷却する熱交換装
置からなる循環系統と、前記循環系統に冷媒を流すポン
プと、前記ポンプを駆動する電気回路を備え、前記電気
回路が、前記ベース部材に設置されているようにしても
よい。
【００３０】また、このとき、前記熱交換装置が風冷式
であり、その冷却風により前記ベース部材が冷却される
ようにしてもよく、或いは、前記ベース部材が内部に流
通路を有し、該流通路に、前記熱交換装置で冷却された
流体が通流されるようにしてもよい。
【００３１】更には、前記流通路を有する導体部材の当
該流通路に対する前記流体の通流が絶縁配管を介して行
なわれ、この絶縁配管の融点が、前記ろう付け接合に使
用されるろう材の融点よりも高くなるように構成しても
よく、前記流体が、別途設置されているエアコン装置か
ら分岐された冷媒であるようにしてもよい。
【００３２】同じく上記目的は、前記いずれかに記載の
半導体モジュールを主回路のスイッチング素子として用
い、電力変換装置を構成することによっても達成され
る。
【００３３】
【発明の実施の形態】まず、本発明の実施の形態につい
て具体的に説明する前に、ここで、この実施形態の基本
的な構成について、図１の平面図と図２の側面図によ
り、簡単に説明する。これら図１と図２において、ま
ず、１０１はベース板で、このベース板１０１の一方の
面に樹脂絶縁層１０２が設けてある。次に、１０３は導
体部材で、図示のように、幾つかの部分に分かれてい
て、これにより、半導体素子が接合される回路パターン
導体を形成するようになっている。
【００３４】そして、各導体部材１０３は、樹脂絶縁層
１０２を介して、ベース板１０１の上に配列され、樹脂
絶縁層１０２によりベース板１０１に接合されていて、
これら各導体部材１０３の露出面に、各々のパワー半導
体素子１０４が半田接合層１０７により接合されてい
る。
【００３５】ここで、各導体部材１０３は、例えば銅な
どの導電材料で作られ、図２に表わされているように、
所定の厚さを持ち、その内部に、夫々厚み方向と直角
に、冷却用流体の通路となる孔が、往復２本の流通路１
０６として形成してある。
【００３６】そして、これらの流通路１０６は、絶縁材
で作られている配管、つまり絶縁配管１０５により相互
に連通され、各導体部材１０３の往復２本の流通路１０
６を通って、一連の冷却用流体通路が折り返えされた経
路として形成されるように作られている。
【００３７】そこで、配管１０５を介して、各導体部材
１０３の流通路１０６に、所定の冷却材となる流体、例
えば所定の温度の水を通流させてやれば、各導体部材１
０３は、それぞれに接合されている各々のパワー半導体
素子１０４に対する回路パターン導体を形成すると共
に、各パワー半導体素子１０４を冷却する部材としても
働くことになる。
【００３８】ここで、これら図１と図２の構成によれ
ば、各導体部材１０３とパワー半導体素子１０４間の伝
熱経路には、半田接合層１０７が介在しているだけであ
り、絶縁物は一切ないから、流通路１０６内の冷却水と
パワー半導体素子１０４の間の熱抵抗は極めて小さく、
従来の絶縁基板が介在していた場合と比較して大幅に低
減されているので、高い冷却性能が容易に得られる。
【００３９】また、このとき、配管１０５が絶縁配管に
してあるので、異った電位にある各導体部材１０３の間
で必要とする絶縁が容易に得られ、導体部材１０３によ
る回路パターンの形成も容易になる。また、このとき、
各導体部材１０３は、ベース板１０１上に複数個並べて
配置される。
【００４０】そこで、各導体部材１０３の流通路１０６
の入口と出口は、同一直線上に配置する。これにより、
各流通路１０６の入口と出口が直線上に向き合って配置
させることができ、容易に配管の接続ができ、簡潔な配
管が形成できる。
【００４１】ところで、各導体部材１０３は、その中に
流通路１０６が形成されるので、一般の回路パターンに
おける導体層に比して遥かに厚くする必要がある。ここ
で、この導体部材１０３の厚みが増すと、ベース板１０
１との線膨張係数の差により、加工時及び運転時に発生
する熱応力が大きくなる。
【００４２】しかし、ここでは、樹脂絶縁層１０２に、
縦弾性係数が小さく、延びが大きい材料を適用すること
により、厚さが大きな導体部材１０３をベース板１０１
に接合しても、熱応力による樹脂絶縁層１０２に割れ
や、割れによる絶縁低下を招く虞れがない。
【００４３】このとき、パワー半導体素子１０４の放熱
は、導体部材１０３の流通路１０６内を流れる冷却水の
熱伝達によるので、樹脂絶縁層１０２の熱伝導の値は全
く問題にならないから、上記したように、割れの発生が
起こらない材質が任意に選べることになる。
【００４４】次に、本発明によるパワー半導体モジュー
ルについて、図示の実施の形態により、具体的に説明す
る。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態に限
られるものではない。
【００４５】まず、図３、図４、図５は、本発明を３相
パワー回路を含むパワー半導体モジュールに適用した場
合の一実施の形態で、ここで、図３は平面構造を表わ
し、図４は、図３のＡ−Ａ断面を、そして、図５は、図
３のＢ−Ｂ‘断面を表わす。
【００４６】また、図６は、この３相パワー回路の等価
回路で、各端子部分の符号は、図３の端子における符号
と同じである。なお、この等価回路は、例えば３相のイ
ンバータとして使用されるものである。
【００４７】これらの図において、この実施形態による
パワー半導体モジュールは、ベース板１０１の一方の面
(図４では上側になっている方の面)に絶縁基板となる樹
脂絶縁層１０２を設け、その上に流通路１０６を有する
導体部材１０３と、他の回路パターンとなる導電層３０
６を接合し、この導体部材１０３上の所定の位置にパワ
ー半導体素子１０４を、半田接合層１０７により接合さ
せたものである。
【００４８】そして、各導体部材１０３の流通路１０６
は、相互に絶縁配管１０５ａにより連通され、外部に引
き出されている。また、各導体部材１０３上には、絶縁
層４０１を介して、別の回路パターン３０５が、接合さ
れている。
【００４９】更に、パワー半導体素子１０４と導体部材
１０３、回路パターン３０５、それに導電層３０６は、
それぞれ金属細線３０４により接続されている(図４で
は省略されている)。ここで、これらの金属細線３０４
には、３００〜５００μｍφ程度のアルミニウム合金の
ワイヤが用いられている。
【００５０】また、導体部材１０３、回路パターン３０
５、及び導電層３０６には、適宜、内部接続端子３０８
と外部接続端子３０２が設けてあり、内部接続端子３０
８にはプリント基板３０７が接続されていて(図３には
プリント基板３０７の外形のみ破線で示している)、更
に、このリント基板３０７には外部接続端子３０２ｂが
適宜設けられている。
【００５１】ここで、この実施形態では、ケース３０３
が樹脂絶縁層１０２を介してベース板１０１に接着され
ている(図３にはケースの外形のみ破線で示している)
が、このとき、ケース３０３の材料として、耐熱性を有
するＰＰＳ(ポリフェニレンサルファイド)樹脂を用いる
ことにより、パワー半導体素子１０４と導体部材１０３
の半田による接合と同時に、ケース３０３を樹脂絶縁層
１０２に接着することができる。
【００５２】そして、これら導体部材１０３、絶縁配管
１０５の一部、導電層３０５、回路パターン３０５、パ
ワー半導体素子１０４、金属細線３０４、内部配線３０
８、それに外部接続端子３０２の一部は、熱伝導率の高
い樹脂３０１によって封止され、パワー半導体モジュー
ルとして完成される。
【００５３】このとき、この封止用の樹脂３０１には、
エポキシ樹脂などの比較的硬い熱硬化性樹脂を使用する
のが一般的であるが、封止の際や、使用時に封止樹脂が
金属細線や素子に悪影響を与えることを防止するため
に、シリコンゲルなどの比較的柔らかい材料を用いるよ
うにしてもよい。
【００５４】更に具体的に説明すると、まず、ベース板
１０１は、軽量で安価なアルミニウム若しくはアルミニ
ウム合金で作られている。これは、このベース板１０１
が、パワー半導体モジュール内で比較的大きな体積を有
するので、銅と比較して、安価で軽量にできるアルミニ
ウムがパワー半導体モジュールを作製するのに適してい
るからである。
【００５５】一方、冷却性能が重視される場合は、更に
熱伝導率の高い銅を用いる。このとき、ベース板１０１
は、内部での熱の広がりによる熱抵抗の低減が充分に得
られるように、少なくとも２ｍｍの厚さにしてあり、３
０ｍｍ程度の厚さにすることもある。ここで、このベー
ス板１０１に、更に強制空冷用のフィン、又は水冷用の
水冷管を設けても良い。
【００５６】次に、絶縁基板となる樹脂絶縁層１０２に
は、高絶縁性が要求されるので、このため、フィラーが
分散されたエポキシ樹脂を用いるようになっている。な
お、これにより低熱抵抗性も与えられる。
【００５７】そして、このフィラーが分散されたエポキ
シ樹脂による樹脂絶縁層１０２は、セラミック板と比較
して縦弾性率が小さく、延びが大きいので、接合時と運
転時の熱応力によっても、割れる虞れがない。
【００５８】ここで、フィラーには、例えば酸化珪素、
酸化アルミニウムなどの高熱伝導性の無機化合物で作ら
れたものを用いればよく、このとき、フィラーの含有率
を増すほど、樹脂絶縁層１０２の熱抵抗が低減できる。
【００５９】しかし、エポキシ樹脂中に分散可能なフィ
ラー量には限界があるので、通常はフィラーの含有率を
７５〜９５％の範囲にすると良く、この場合、樹脂絶縁
層１０２の熱伝導率は２〜５Ｗ／ｍＫの範囲となる。
【００６０】一方、樹脂絶縁層１０２の熱抵抗を低減す
るのに有効な別の方法は、それを薄くすることである。
しかし、樹脂絶縁層１０２を薄くすると、その分、絶縁
耐圧が低下してしまう上、樹脂絶縁層にピンホールなど
が発生し易くなって、信頼性が低下する虞れがあり、従
って、樹脂絶縁層１０２の厚さの下限には限界があり、
要求される絶縁耐圧にもよるが、５０〜２５０μｍ程度
が下限になる。
【００６１】ここで、本発明の場合、この樹脂絶縁層に
ついては、熱抵抗の低減よりも、加工時及び運転時の熱
応力の緩和が要求されるので、従来のパワー半導体モジ
ュールの場合よりも厚めの方がよい。
【００６２】また、この樹脂絶縁層１０２は、導体部材
１０３及び導電層３０６をベース板１０１から絶縁する
ものであるから、これらの周囲にも絶縁耐圧に相当する
沿面距離が必要であり、このため、足りない分は、ベー
ス板１０１の表面を絶縁層で覆うことで補う必要があ
る。
【００６３】そこで、この実施形態では、図示のよう
に、この樹脂絶縁層１０２をベース板１０１の導体部材
１０３側の全面に設けてある。次に、導体部材１０３の
材料としては、熱伝導を優先する場合は、銅若しくはア
ルミニウムの合金が選択される。
【００６４】このとき、アルミニウムは軽量であるとい
う利点があるが、線膨張係数が大きいので、パワー半導
体素子１０４を接合する半田接合層１０７の信頼性に問
題があり、高信頼性を要求される用途には向かない。一
方、銅はアルミニウムと比較して、低熱膨張性且つ高熱
伝導性であり、従って、導体部材１０３に適している。
【００６５】また、パワー半導体素子１０４と導体部材
１０３を接合する半田接合層１０７の信頼性を考慮する
場合は、導体部材１０３として、線膨張係数がパワー半
導体素子１０４を形成するシリコンに比較的近く、且
つ、熱伝導率が高い材料を選択する。
【００６６】このとき該当する材料としては、モリブデ
ン、アルミニウム・シリコンカーバイド(Ａl−ＳiＣ)、
銅と銅酸化物の複合材料などがあるが、この導体部材１
０３には流通路１０６を設ける必要があるので、加工性
を考慮し、銅と銅酸化物の複合材料が最適であるといえ
る。
【００６７】この銅と銅酸化物の複合材料は、銅と銅酸
化物の比率により、線膨張係数、熱伝導率を変えること
ができ、ここで銅酸化物の比率が３０％のとき、線膨張
係数が１３.５×１０-6／Ｋで、熱伝導率が２４０Ｗ/ｍ
Ｋとなり、これが導体部材１０３に適している。
【００６８】次に、各導体部材１０３は流通路１０６の
入口と出口が直線上にあるようにする。入口と出口が直
線上にあるようにすると、同一部品で構成でき、容易に
配管接続できるという利点がある。
【００６９】ここで、図３の実施形態では、１個の導体
部材１０３ａの他に、同一形状の導体部材１０３ｂが３
個並んで配置されているが、このとき、図示のように、
入口と出口が直線上に並んでいると、同一部品を並べて
配置した場合、それぞれの入口と出口をそのまま配管接
続できる。
【００７０】次に、このときの配管接続方法について説
明する。図３の実施形態では、配管接続した後で導電層
３０６及び導体部材１０３を樹脂絶縁層１０２に接合す
るようになっており、このときの配管接続の手順を図７
から図９により説明する。
【００７１】これらの図は配管接続順序を示したもの
で、矢印方向に配管１０５と導体部材１０３を移動させ
ることにより、配管の接続を行なう。ここで、効率的な
組立てのためには、各導体部材１０３ｂにおける流通路
１０６の入口と出口が直線上にあることと、配管接続方
向の反対側に十分なスペースを設けることが要件とな
り、更に、配管経路が図示のように、一筆書きになるよ
うにするとよい。
【００７２】ところで、各導体部材１０３は回路パター
ンを形成する導体であり、図６に示す回路の一部の配線
になっているので、導体部材１０３同士が異なる電位と
なる場合があり、この場合、導体部材１０３の流通路１
０６をつなぐのに絶縁配管を使用する必要がある。
【００７３】図３の実施形態では、導電部材１０３がそ
れぞれ電位を異にするので、絶縁配管１０５ａにより配
管している。しかし、同電位になる導体部材同士の配管
は絶縁配管である必要はない。ここで、図３の配管１０
５ｂは絶縁配管でない。
【００７４】一方、外部にある冷却水循環用のポンプに
接続する配管と、パワー半導体素子の発熱により温度上
昇した水の冷却用熱交換器に接続する配管には、一部、
絶縁配管１０５ａを設け、ポンプや熱交換器から絶縁さ
れるようにする。
【００７５】ここで、絶縁配管１０５ａは、例えばテフ
ロン(商品名)製とすれば良い。テフロンは高絶縁性であ
る上、可撓性に富み容易に曲げられるので、配管接続が
容易になり、化学的にも安定しているので、高信頼性が
得られる。
【００７６】次に、導体部材１０３に設ける流通路１０
６は、導体部材１０３の熱抵抗が小さくなるように、パ
ワー半導体素子１０４に近い部分に設ける。このとき、
複数の流通路１０６を設けると、熱伝達面積が増すので
冷却効率が向上する。
【００７７】一方、熱伝達面積を増すためには、図１０
(a)に示すように、流通路１０６を折り曲げて渦巻状に
しても良く、同じく、図１０(b)に示すように、流通路
１０６の内面にひれを設けるようにしても良い。
【００７８】次に、流通路１０６を設ける方法について
説明する。まず、第一の方法は、ドリルなどの穿孔工具
により、そのまま導体部材１０３に孔を開けて流通路１
０６を形成する方法である。
【００７９】また、第二の方法は、予め導体部材１０３
を、その厚み方向に分割された状態の２枚の部材として
おき、双方の向かい合う面を切削加工て溝を形成する方
法であり、この場合は、切削した面をろう付け等により
貼り合わせることにより流通路１０６が得られる。
【００８０】ここで、第一の方法は、工程は少ないが、
形状に制約があり、流通路の形状は直線になった単純な
ものに限られる。一方、第二の方法は、工程は多くなる
が、図１０に示したように、曲がった複雑な形状や、複
雑の断面の通路が作成可能である。ここで、上記した銅
と銅酸化物の複合材料は、切削加工が可能なので、導体
部材に向いている。
【００８１】次に、導電層３０６は、電気伝導を考慮し
て、銅若しくはアルミニウムの合金で作られ、樹脂絶縁
層１０２の表面に張り合わせてある。ここで、アルミニ
ウムは軽量、安価であると共に、前述のように、ベース
板１０１と同じ材料であり、このため、加工時、樹脂絶
縁層１０２に生じる熱応力が小さくなるので、導電層を
構成する材料として適している。
【００８２】次に、導体部材１０３と導電層３０６を樹
脂絶縁層１０２に接合する方法について説明すると、こ
れは、樹脂絶縁層１０２上の所定の位置に接着材を塗布
し、各々所定の位置に導体部材１０３と導電層３０６を
載置した後、加熱、加圧することにより接合するのであ
る。
【００８３】従って、ここで導体部材１０３と導電層３
０６の厚さが概ね等しければ、加圧したとき、導体部材
１０３及び導電層３０６と樹脂絶縁層１０２の接合面に
均一な圧力が掛かるので、良好な接合を得ることができ
る。
【００８４】一方、回路パターン３０５は、絶縁層４０
１を介して導体部材１０３に接合されているが、このと
きの絶縁層４０１の形成方法には、まず第一の方法とし
て樹脂を用いる方法がある。この場合、シリコン樹脂系
の接着剤を絶縁層４０１に用いることにより、回路パタ
ーン３０５の導体部材１０３に対する接合と絶縁が同時
に達成できることになる。
【００８５】ここで、回路パターン３０５と、この回路
パターンに適宜に設ける内部配線は抵抗が低く、運転時
に生じる発熱は少ないから、それらについては冷却の必
要はなく、従って、シリコン樹脂の低熱伝導性は問題と
ならない。
【００８６】一方、接着剤塗布時の気泡などにより絶縁
層４０１にピンホールが形成されていると、絶縁強度が
落ちてしまうので、このときの接着剤は１００μｍから
６００μｍ程度の厚さに塗るのが望ましい。また、回路
パターン３０５の接着は、パワー半導体素子１０４の半
田接合のための加熱と同時に行なうとよい。
【００８７】絶縁層４０１の形成方法の第二は、セラミ
ック基板を用いる方法で、この方法の場合、銀を表面と
裏面に蒸着したアルミナ板を用いる。そして、まず、こ
のアルミナ板の一方の面を、半田を介して導体部材１０
３と導電層３０６に接合し、その他方の面に、回路パタ
ーン３０５を半田接合するのである。
【００８８】このとき使用する半田の融点は、導体部材
１０３とパワー半導体素子１０４を接合する半田接合層
１０７の融点と概ね同等とするのが望ましい。こうする
ことにより、パワー半導体素子１０４と導体部材１０３
の半田接合と同時に、半田接合が得られるからである。
【００８９】パワー半導体素子１０４には、スイッチン
グ素子としてＭＯＳＦＥＴ、又はＩＧＢＴを用いる。こ
こで、低耐圧の場合にはＭＯＳＦＥＴを用い、高耐圧が
必要な場合にはＩＧＢＴを用いるといった選択が可能で
ある。この実施形態は、図６から明らかなように、ＭＯ
ＳＦＥＴが用いられており、ここで、フリーホイールダ
イオードには、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを用いて
いる。
【００９０】他方、スイッチング素子としてＩＧＢＴを
用いる場合には、別途、ＩＧＢＴと逆並列接続したフリ
ーホイールダイオードを搭載する。また、この実施形態
は、ベアチップを実装した構成について示しているが、
導体部材１０３上にトランスファーモールドされたディ
スクリートデバイスを実装しても、ベアチップの場合と
同様に実施可能で、導体部材１０３により効果的に冷却
される 次に、各導体部材１０３と導電層３０６には、図示のよ
うに、外部接続端子が適宜設けてある。ここで、まず、
外部接続端子３０２ａは外部パワー回路に接続される。
このため、この外部接続端子３０２ａは、ケース３０３
に予めインサート形成しておき、パワー半導体素子１０
４を導体部材１０３に半田付けするとき、及びケース３
０３をベース板１０１に接着するとき、これと同時に、
導体部材１０３と導電層３０６に半田接合するとよい。
【００９１】次に、回路パターン３０５には、内部接続
端子３０８が適宜設けてある。このため、内部接続端子
３０８は、プリント基板３０７に半田接合されるが、こ
のプリント基板３０７には、パワー半導体素子１０４を
駆動するドライバＩＣと、このドライバＩＣ及びパワー
半導体素子で構成されるパワー回路を制御するマイコ
ン、ゲート抵抗、サージ吸収用のコンデンサ等の電子部
品を搭載してもよい。
【００９２】また、このプリント基板３０７には、更に
外部接続端子３０２ｂが適宜設けてあり、これにより、
外部信号系回路に接続できるようになっている。ところ
で、上記実施形態において、導体部材１０３の表面に、
半田濡れ性が良好な、例えばＮi、Ａg、Ｐt、Ｓn、Ｓ
b、Ｃu、Ｚn、Ｐd の群から選択された少なくとも１種
の金属、又は、これらの群から選択された少なくとも２
種の金属を含む合金を被覆するようにしてもよい。
【００９３】ここで、、上記した金属又は合金は、良好
な半田濡れ性を備えているので、これらで導体部材１０
３の表面を覆うことにより、パワー半導体素子１０４の
半田付け性が大きく改善され、この結果、良好な接合が
確実に得られることになり、より一層の信頼性向上を得
ることができる。ここで、図３に示した実施形態では、
導体部材１０３の表面をＮi でメッキしたものである。
【００９４】次に、この実施形態において、上記した良
好な半田濡れ性を備えている金属若しくは合金を導体部
材１０３の表面に被覆する範囲について説明する。ま
ず、本発明の実施形態としては、この被覆範囲は、導体
部材１０３の全表面であっても良いが、一部でもよい。
すなわち少なくとも一部であれば良い。
【００９５】ここで、まず、導体部材１０３の表面の一
部に被覆したとすると、この場合、以下の効果が得られ
る。例えば、Ａg など、半田濡れは良好だが、アルミニ
ウムとの接合性が乏しい材料を用いる場合、一部にだけ
被覆することにより、パワー半導体素子１０４の半田接
合部ではＡg メッキによる良好な半田接合が得られる。
【００９６】他方、アルミニウムの金属細線３０４が接
続される部分にはＡg メッキが無いので、パワー半導体
素子１０４と金属細線３０４の双方共に良好な接合を得
ることができる。次に、一部だけの被覆により、半田接
合時でのパワー半導体素子１０４の位置ずれを抑えるこ
とができる。
【００９７】このとき、被覆した材料の半田濡れ性が良
好な場合には、接合時に半田が溶融したとき、パワー半
導体素子１０４が浮いて所定の位置から動いてしまうこ
とがあるが、このとき、予め、パワー半導体素子１０４
が半田接合される部分にのみ半田濡れ性が良好な材料で
被覆しておけば、この部分の外には溶融した半田が流れ
出さないので、パワー半導体１０４が動く虞れはなく、
従って、所定の位置に半田接合することができるのであ
る。
【００９８】この場合、半田のフィレット(流れ面)がパ
ワー半導体素子１０４の周囲に綺麗に形成されるように
するためには、このときの半田の厚さ(後述)と同じか、
数倍分程度、パワー半導体１０４の接合面より広い大き
さの範囲を半田濡れが良好な材料で被覆すればよい。
【００９９】このときの半田接合層１０７の厚さとして
は、半田接合部に発生する熱歪みの低減の見地から、５
０μｍ以上になるようにするのが望ましい。従って、上
記した被覆処理部がパワー半導体１０４の周囲からはみ
出してしまう範囲は、５０μｍから数１００μｍ程度と
なる。
【０１００】このときのパワー半導体素子１０４と導電
層１０３の接合に使用する半田接合層１０７の材質とし
ては、プロセス温度が低い点からみると、６３％Ｓn−
３７％Ｐb などの錫と鉛の共晶組成に近い合金が望まし
いが、鉛を含有していない半田が要求される場合には、
Ｓｎ-Ａｇ、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ、Ｓn−Ａg−Ｂi(ビスマス)
系の半田を使用すればよい。
【０１０１】ここで、半田の選定の際、半田の接合時の
最高温度を、前期絶縁配管の耐熱温度よりも低くするこ
とにより、配管接続後の半田接合が可能となる。このと
き、半田接合は、一般的に融点より５０℃程度高い温度
で行なうので、半田の融点を、絶縁配管１０５の耐熱温
度より５０℃以上低くするとよい。
【０１０２】一方、半田接合の最高温度を、絶縁配管１
０５の耐熱温度より高くする必要がある場合には、半田
接合の後で配管を接続してやれば良い。ここで、導体部
材１０３を樹脂絶縁層１０２に接合する際は、前述のよ
うに、加圧を要する。従って、半田接合は、導体部材１
０３を樹脂絶縁層１０２に接合する工程よりも後の工程
となるので、半田接合後に配管接続する際には、導体部
材１０３は既にベース板１０１上に固定されている。
【０１０３】このような場合には、図１１に示すよう
に、導体部材１０３に形成してある流通路１０６の入口
と出口が外側を向いている構成とすることにより、半田
接合後での配管接続を可能にすることができる。
【０１０４】次に、パワー半導体素子１０４を導体部材
１０３に接合するための半田接合層１０７について、図
１２と図１３により説明する。ここで、図１３は、図１
２のＡ部の拡大図であり、これらの図から明らかなよう
に、この半田接合層１０７には、その層の間に応力緩衝
板１００１が設けてある。
【０１０５】そこで、この応力緩衝板１００１の材料と
して、その線膨張係数の値が、パワー半導体素子１０４
を構成するシリコンと導体部材１０３を構成する材料の
間にある材料を用いることにより、半田接合層１０７に
生じる熱ひずみを低減させることができる。
【０１０６】そして、このような応力緩衝板１００１の
材料としては、比較的、線膨張係数が低いにもかかわら
ず、熱伝導率が高く、しかも半田濡れ性が良好なことか
ら、ニッケル若しくはニッケル合金が適している。
【０１０７】このとき、半田接合層１０７に、予めこの
半田接合層１０７の厚さと同等の直径のニッケルのボー
ルを混入しておくことにより、応力緩衝板１００１が半
田接合層１０７の層中で傾くのが防止でき、半田接合層
１０７の層厚の均一性が保持されるので、更に高信頼性
が得られる。
【０１０８】従って、以上に説明した実施形態によれ
ば、冷却能力に優れ、絶縁基板の割れによる絶縁破壊の
危険性が少なく、高信頼性のパワー半導体モジュールを
容易に得ることができる。また、この結果、この実施形
態に係るパワー半導体モジュールを用いることにより、
高信頼性の電力変換装置を容易に得ることができる。
【０１０９】次に、本発明の他の実施形態に係る半導体
モジュールついて、図１４〜図１７により説明する。こ
のとき、図１４は平面構造を表わし、図１５は図１３の
Ａ−Ａ’断面、図１６は図１３のＢ−Ｂ’断面を表わ
す。一方、図１７は、図１４における配管接続方法を説
明するため、導体部材１０３と配管１０５、流通路１０
６、樹脂絶縁層１０２、それにパワー半導体素子１０４
だけを抜き出して示したものである。
【０１１０】ここで、まず、これらの図１４〜図１７に
示した実施形態が、図３〜図５で説明した実施形態と異
なる点は、図１４と図３を比較すれぱ明らかなように、
主として導体部材間の配管の接続形式にある。なお、そ
の他の点では、ほとんど共通しているので、同じ構成に
ついては同じ符号を付すだけで、詳しい説明は割愛す
る。
【０１１１】すなわち、図３の実施形態では、各導体部
材１０３の流通路１０６が、図では横方向になってい
て、一連の冷却用流体通路の最後で折り返えされた経路
として形成されているのに対して、この図１４の実施形
態では、流通路１０６が縦方向になっていて、一連の冷
却用流体通路が、各導体部材１０３を順次往復して通過
して行く経路として形成されている。
【０１１２】また、この結果、これらの実施形態の間の
大きな相違点は、一連の冷却用流体通路における絶縁配
管１０５ａの適用個所にもある。つまり、外部との接続
部に絶縁配管１０５ａが設けてある点は、図３の実施形
態と同様であるが、この図１４の実施形態では、導体部
材１０３間の配管については、絶縁配管１０５ａが長さ
の短い個所で、且つ曲がりの無い個所にだけに設けられ
ているからである。
【０１１３】詳しく説明すると、この図１４の実施形態
では、図１７を見れば更に明らかなように、絶縁配管１
０５ａは、図で上側にある１個の導体部材１０３ｅと、
下側にある３個の導体部材１０３ｆの間の直線部分にだ
け設けられている。ここで、金属の配管と異なり、絶縁
配管１０５ａには大きな曲率を設けない方が、絶縁劣化
の虞れがない点で優れていることは言うまでもない。
【０１１４】そこで、この図１４〜図１７に示した実施
形態では、配管に曲がりが必要な個所については、配管
の入口と出口が同電位となるように、導体部材１０３を
配置し、これにより、導体部材１０３ｅと導体部材１０
３ｆ間の配管にだけ絶縁配管１０５ａを用いれば済むよ
うにしてある。
【０１１５】そして、この結果、導体部材１０３ｅ同仕
と、導体部材１０３ｆ同士の配管には、成型が容易な金
属など、導電材料の配管１０５ｂを用いることができ、
配管を曲げたことによる信頼性の低下が起こらないよう
にすることができる。
【０１１６】従って、この実施形態によれば、絶縁配管
１０５ａは直線に限られ、絶縁配管１０５ａを曲げる必
要がなく、従って、曲げによる絶縁配管の劣化の虞れは
極めて少なく、高信頼性である。また、この結果、高価
な絶縁配管１０５ａの使用量が少なくて済み、低価格化
が図れることになる。
【０１１７】次に、この図１３の実施形態では、上記の
配管配置を可能にするため、回路パターンとなる導電層
３０６が絶縁層４０１を介して、導体部材１０３ｅの上
に設けてあり、この点でも、図３の実施形態とは異なっ
ている。
【０１１８】そして、この導電層３０６が導体部材１０
３ｅ上に設けられた結果、導体部材１０３ｅと導体部材
１０３ｆの間が空間になり、曲がりの無い管路で配管す
ることができ、且つ配管距離が小さくなるので、絶縁配
管１０５ａの寸法を短くすることができる。
【０１１９】このとき、この導体層３０６は、銅、アル
ミニウムなどの良導体で形成できるので、図３の実施形
態における導電層３０６のように、厚さを大にする必要
はない。しかも、この導電層３０６には、導体部材１０
３ｅと対向する電流が流れるので、相対的にインダクタ
ンスが低下される。
【０１２０】そして、このインダクタンスの低下によ
り、パワー半導体素子１０４がオフしたときの電圧の跳
ね上がりが小さくなり、過電圧によるパワー半導体素子
１０４の破壊の虞れが少なくできる。
【０１２１】次に、図１８と図１９は、図３に示したパ
ワー半導体モジュールに、熱交換器１８０２と冷却水循
環用のポンプ１８０１、ファン１８０３、それに、これ
らポンプとファンなどからなる補機駆動用の電気回路を
設けた場合の本発明の一実施形態で、図１８は平面構造
を示し、図１９は、図１８のＡ−Ａ’断面を示したもの
である。
【０１２２】ここで、図３〜図５で説明した実施形態と
同じ構成については、同一の符号を付してあり、従っ
て、これらの部分についての詳しい説明は割愛する。こ
れら図１８と図１９において、補機を駆動する電気回路
は、補機用のパワー半導体素子１７０１と、このパワー
半導体素子１７０１を搭載するための導電層からなる第
１のプリント基板１７０２、それに第２のプリント基板
１７０３で構成されている。
【０１２３】そして、まずプリント基板１７０２は、導
体部材１０３と同時に加熱、加圧により樹脂絶縁層１０
２に接合してある。ここで、このプリント基板１７０２
は、導体部材１０３より薄いが、厚さの差が生じる部分
に治具等を挿入することにより、導体部材１０３と同一
の面圧で接合させることができるようにする。
【０１２４】次に、第２のプリント基板１７０３も、プ
リント基板１７０２と同時に樹脂絶縁層１０２に接合す
る。そして、この後、プリント基板１７０２にパワー半
導体素子１７０１を半田接合するのであるが、このとき
の半田接合は、主機を駆動するパワー半導体素子１０４
と同時に行なう。
【０１２５】第２のプリント基板１７０３には、補機の
駆動を制御する回路と、その他の電子部品が搭載される
が、更に、主機の駆動を制御する回路と電子部品を搭載
しても良い。そして、このプリント基板１７０３は、適
宜、内部接続端子３０８を介してプリント基板３０７と
電気的に接続される。
【０１２６】各導電部材１０３の流通路１０６は、絶縁
配管１０５ａを介して熱交換器１８０２とポンプ１８０
１に連接され、冷却水１８０４がポンプ１８０１により
循環され、パワー半導体素子１０３で発生した熱によ
り、温度が上昇した冷却水１８０４は、熱交換器１８０
２の中で、ファン１８０３から供給される冷却風１８０
５により強制空冷される。
【０１２７】このとき、ベース板１０１の下面にもファ
ン１８０３から供給される冷却風１８０５を誘導させる
ことにより、このベース板１０１からの放熱が促進され
るようにする。これにより、プリント基板１７０２上に
搭載してある補機用のパワー半導体素子１７０１と第２
のプリント基板１７０３に搭載されている回路素子の冷
却が図れることになる。
【０１２８】このとき、主機の駆動回路は流通路１０６
を設けた導体部材１０３により冷却されるが、補機の駆
動回路は、ベース板１０１下面からの熱伝達だけで放熱
される。従って、第１のプリント基板１７０２と第２の
プリント基板１７０３は、図示のように、冷却風１８０
５の流れの上流側に位置するようにしてある。
【０１２９】但し、補機に対して主機の電力が大きく、
主機の下部のベース下面の方が補機の下部のベース下面
の温度より高いくなる場合には、主機の駆動回路が冷却
風１８０５の風上になるように配置してもよい。
【０１３０】次に、図２０は、ベース板１０１も水冷式
にした場合の本発明の一実施形態であり、このため、図
示のように、ベース板１０１にも流通路１０６を設ける
と共に、ポンプ１８０１も２台設け、熱交換器１８０１
で放熱された冷却水１８０４ｂが、ベース板１０１に設
けた流通路１０６を循環するように構成してある。
【０１３１】従って、この図２０の実施形態によれば、
補機用駆動回路の発熱量が多くなっても容易に対応し
て、常に効率よく冷却することができ、高信頼性が図れ
ることになる。
【０１３２】次に、図２１は、本発明に係る半導体モジ
ュールを、エアコン(エアコンデショナ：空気調和装置)
が装備されている自動車の電子部品に適用した場合の一
実施形態で、ここに示した自動車用のエアコンは、主要
部が圧縮機２００１と凝縮器２００２、膨張弁２００
３、それに蒸発器２００４で構成され、これらの内部と
配管内には、例えば代替フロンなどの所定の冷媒が封入
されている。
【０１３３】圧縮機２００１は、図示してない自動車の
エンジンで駆動され、これにより、圧縮機２００１は、
蒸発器２００４からガス状の冷媒を吸入して圧縮し、温
度が常温以上の高温に上昇したガス状の冷媒を凝縮器２
００２に供給する動作を行ない、結果として、凝縮器２
００２の内部は高温高圧状態になり、蒸発器２００４の
内部は低圧状態になるように動作する。
【０１３４】このとき、膨張弁２００３は、液化された
冷媒だけを通過させる働きをし、これにより、凝縮器２
００２側での高圧状態と、蒸発器２００４側での低圧状
態が破られないで保持されるようにする。
【０１３５】そこで、図示してないファンなどにより、
凝縮器２００２を常温の大気に曝された状態にし、自動
車の車室内の空気が蒸発器２００４に曝されるようにし
ておくと、凝縮器２００２の中の高温にあるガス状の冷
媒は、常温の大気により熱を奪われて温度が低下し、液
化する。
【０１３６】そこで、この液化した冷媒が膨張弁２００
３を通過して蒸発器２００４に供給されると、ここは低
圧状態にあるので、ここで液体の冷媒は、車室内の空気
から気化潜熱を奪って急激に蒸発沸騰し、ガス化して急
激に温度が低下する。
【０１３７】このとき、蒸発器２００４内でガス化した
冷媒は、次々と圧縮機２００１に吸入されるので、蒸発
器２００４内が高圧になることはなく、冷媒の連続した
蒸発が維持され、この結果、凝縮器２００２が曝されて
いる車室内の空気が冷され、エアコンとしての働きが得
られることになる。
【０１３８】そこで、この図２１の実施形態では、この
エアコンに上記した本発明の実施形態による半導体モジ
ュールの何れかを適用し、蒸発器２００４から圧縮機２
００１に至る冷媒の経路に、半導体モジュールの導体部
材１０３を通る一連の冷却用流体通路が含まれるように
構成したものである。
【０１３９】ここで、蒸発器２００４から出てくるガス
状の冷媒は、エアコンにより冷されてる車室内の空気と
ほぼ同じ温度で、常温よりもかなり低温にあり、従っ
て、この実施形態によれば、パワー半導体素子１０３を
更に効果的に冷却することができる。
【０１４０】次に、図２２は、図２１の実施形態におい
て、半導体モジュールの導体部材１０３を通る一連の冷
却用流体通路に、制御弁２００５を備えた分岐配管２０
０６を設けたものである。従って、この実施形態の場
合、制御弁２００５があるので、半導体モジュールの使
用状況に応じて、そこに通流される冷媒の流量を変える
ことができる。
【０１４１】上記実施形態によるパワー半導体モジュー
ルを自動車に適用した場合、対象となる負荷にスタータ
ジェネレータがある。このスタータジェネレータは、発
進時に電動機で走行する方式のハイブリッド自動車に備
えられているものであり、従って、その制御に適用した
パワー半導体モジュールは、発進時に短時間使用され
る。
【０１４２】つまり、この場合、パワー半導体モジュー
ルの発熱は短時間であり、従って、図２２の実施形態に
よれば、パワー半導体素子が発熱するときだけ制御弁２
００５をを開き、エアコンの冷媒を導体部材１０３に循
環させることにより、パワー半導体素子を効果的に冷却
できる。
【０１４３】
【発明の効果】本発明によれば、冷却能力に優れ、絶縁
基板の割れによる絶縁破壊の虞れが少なく、高信頼性の
パワー半導体モジュールと、それを用いた電力変換装置
を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体モジュールの一概要を示す
平面図である。
【図２】本発明による半導体モジュールの一概要を示す
正面図である。
【図３】本発明による半導体モジュールの第１の実施形
態を示す平面図である。
【図４】本発明による半導体モジュールの第１の横実施
形態を示す断面図である。
【図５】本発明による半導体モジュールの第１の縦実施
形態を示す断面図である。
【図６】本発明による半導体モジュールの第１実施形態
の等価回路である。
【図７】本発明による半導体モジュールの第１の実施形
態の配管接続方法の説明図である。
【図８】本発明による半導体モジュールの第１の実施形
態の配管接続方法の説明図である。
【図９】本発明による半導体モジュールの第１の実施形
態の配管接続方法の説明図である。
【図１０】本発明の実施形態における導体部材の一例を
示す説明図である。
【図１１】本発明による半導体モジュールの第１の実施
形態における変形例の説明図である。
【図１２】本発明による半導体モジュールの第１の実施
形態における接合部の説明図である。
【図１３】本発明による半導体モジュールの第１の実施
形態における接合部の拡大説明図である。
【図１４】本発明による半導体モジュールの第２の実施
形態を示す平面図である。
【図１５】本発明による半導体モジュールの第２の実施
形態を示す断面図である。
【図１６】本発明による半導体モジュールの第２の実施
形態を示す断面図である。
【図１７】本発明による半導体モジュールの第２の実施
形態の配管接続方法を示す平面図である。
【図１８】本発明による半導体モジュールの第３の実施
形態を示す平面図である。
【図１９】本発明による半導体モジュールの第３の実施
形態を示す断面図である。
【図２０】本発明による半導体モジュールの第４の実施
形態を示す断面図である。
【図２１】本発明による半導体モジュールの第５の実施
形態を示す構成図である。
【図２２】本発明による半導体モジュールの第５の実施
形態を示す構成図である。
【図２３】従来技術による半導体モジュールの第１の例
を示す断面図である。
【図２４】従来技術による半導体モジュールの第２の例
を示す断面図である。
【図２５】従来技術による半導体モジュールの第３の例
を示す断面図である。
【図２６】従来技術による半導体モジュールの第４の例
を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１ ベース板 １０２ 樹脂絶縁層 １０３ 導体部材 １０４ パワー半導体素子 １０５、１０５ａ 絶縁配管 １０５ｂ 配管(導体) １０６ 流通路 １０７ 半田接合層 ３０１ 樹脂(封止用) ３０２ 外部接続端子 ３０３ ケース ３０４ 金属細線 ３０５ 回路パターン ３０６ 導電層 ３０７ プリント基板 ３０８ 内部接続端子 ４０１ 絶縁層 １００１ 応力緩衝板 １７０１ 補機用パワー半導体素子 １７０２ 第１のプリント基板(補機用パワー半導体素
子を搭載する導電層) １７０３ 第２のプリント基板 １８０１ ポンプ １８０２ 熱交換器 １８０３ ファン １８０４ 冷却水 １８０５ 冷却風 ２００１ 圧縮機 ２００２ 凝縮器 ２００３ 膨張弁 ２００４ 蒸発器 ２００５ 制御弁 ２００６ 分岐配管 ２１０１ セラミック基板 ２１０２ 回路パターン ２１０３ 取付ボルト ２１０４ 水冷フィン ２１０５ グリース ２２０１ 空冷フィン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 真田 和昭 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 谷江 尚史 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 羽二生 倫之 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 3L044 AA04 BA06 CA14 DA01 DB02 DD07 FA02 FA04 KA04 KA05 3L045 AA04 AA07 BA07 CA00 DA02 PA04 PA05 5F036 AA01 BA10 BB43 BB44 5H007 AA17 BB06 CA02 CB02 CB05 DB03 DB07 HA04 HA06 5H740 BA11 BA12 BB05 BB09 BB10 BC01 BC02 MM08 PP01 PP02 PP03 PP06

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ベース部材の表面に、絶縁層を介して形
    成した回路パターン用導体を備え、該回路パターン用導
    体の表面に半導体素子をろう付け接合する方式の半導体
    モジュールにおいて、 前記回路パターン用導体の、少なくとも前記半導体素子
    が接合される部分を、内部に流体の流通路となる孔が貫
    通されている導体部材で形成し、 前記半導体素子の放熱が、前記流通路に通流される流体
    により与えられるように構成したことを特徴とする半導
    体モジュール。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の発明において、 前記流通路を有する導体部材が２個以上で、これら導体
    部材の中の少なくとも２個については、それらの流通路
    の出口と入口が同一直線上に位置するようにして、前記
    ベース部材に配置されていることを特徴とする半導体モ
    ジュール。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の発明において、 前記流通路に通流される流体を冷却する熱交換装置から
    なる循環系統と、 前記循環系統に冷媒を流すポンプと、 前記ポンプを駆動する電気回路を備え、 前記電気回路は、前記ベース部材に設置されていること
    を特徴とする半導体モジュール。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の発明において、 前記熱交換装置が風冷式であり、その冷却風により前記
    ベース部材が冷却されるように構成したことを特徴とす
    る半導体モジュール。
  5. 【請求項５】 請求項３に記載の発明において、 前記ベース部材が内部に流通路を有し、 該流通路に、前記熱交換装置で冷却された流体が通流さ
    れるように構成したことを特徴とした半導体モジュー
    ル。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載の発明において、 前記流通路を有する導体部材の当該流通路に対する前記
    流体の通流が、絶縁配管を介して行なわれ、 この絶縁配管の融点が、前記ろう付け接合に使用される
    ろう材の融点よりも高くなるように構成されていること
    を特徴とする半導体モジュール。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載の発明において、 前記流体が、別途設置されているエアコン装置から分岐
    された冷媒であることを特徴とする半導体モジュール。
  8. 【請求項８】 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載
    の半導体モジュールを主回路のスイッチング素子として
    用いたことを特徴とする電力変換装置。
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