JP2003179205A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放熱効果の向上を確実にする構成の半導体モ
ジュールを提供するものである。 【解決手段】 ベース基板２２上は絶縁ケース２４で覆
われ、配線板３２がケース側面に沿って上方に延び絶縁
ケース２４上面に露出している。ベース基板２２が絶縁
ケース２４の一方の側面に密接するよう直角に曲がった
アングル形状部３４を形成しており、その上端は絶縁ケ
ース２４内部の配線板３２と近接かつ平行となるよう立
設し、ドレイン電極バス・バー２５が直接ベース基板２
２に接続している。アングル形状部３４は半導体モジュ
ール長手方向全長に渡って形成している。配線板３２と
アングル形状部３４との間に遮へい板３５が立設してい
る。止着ネジ２８が外径の大きい平ワッシャー３３を介
し、径の小さいベース基板２２のネジ穴を貫通して半導
体モジュール１をヒートシンク２９に螺着固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大電流の制御に使
用される非絶縁型半導体モジュールにおいて、機能的な
放熱部材取り付け構造及びベース基板構造を備える半導
体モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、バッテリー・フォークリフト等の
電気モータ駆動の車両に使用されるモータ・コントロー
ル装置において、制御回路の最終段には走行用のメイン
モータに直接電力を供給するバッテリーのスイッチング
デバイスとして、特に電流容量の大きい半導体モジュー
ルが使用される。半導体モジュールは複数個のパワー半
導体チップを１つの絶縁パッケージに組み込んだもので
あり、同じチップを単に並列に組み込んで電流容量を大
きくしたもの、何種類かのチップで簡単な回路を構成し
たもの、半導体チップのドライブ回路を内蔵したものな
ど多様な内部構成のものがある。パッケージは普通プラ
スチックで構成されており、さらにパッケージ内部の空
洞部には下からゲル、およびエポキシ絶縁がチップ周辺
回路の酸化防止用に充填されている。

【０００３】また、半導体モジュールは大電流を制御す
る用途の性質上発熱が非常に大きく、そのため発熱源の
電流制御回路本体である半導体チップを、熱容量が大き
く放熱効果の高い（熱伝導率の高い）放熱基板上に直接
設置し、またその放熱基板自体を１つの電極として構成
した非絶縁型のものが一般的に使用されている。そして
上記のような構成にある半導体モジュールの放熱板に
は、通常さらに効率のよい放熱が行えるよう放熱部材と
して熱伝導率の高いアルミ材等で形成されたヒートシン
ク等が半導体モジュール自身の固定も兼ねて取り付けら
れる。

【０００４】このように構成される半導体モジュール
で、例えば上述した電気自動車等で通常使用されるスイ
ッチング周波数は約１０ｋＨｚ程度となる。以上説明し
たように構成される半導体モジュールを実際に上記スイ
ッチング周波数で使用する場合、内部回路の配線中およ
び半導体モジュールを外部に接続する配線中には大きな
インダクタンスの発生が不可避なものとなり、その影響
によってスイッチング素子のターンオフ時にはかなり大
きなスイッチング電力のロス（以下スイッチングロスと
いう）が発生し、また一方スイッチング素子のターンオ
フ時にはかなり高いサージ電圧を発生させ、内部回路を
電気的に損傷させる大きな要因となっている。

【０００５】このスイッチングロスとは、前記半導体ス
イッチのような制御電極を持つデバイスがスイッチング
を行うときに内部で発生する電力損失のことであり、前
記モータコントロール装置中には通常多数（５〜６個程
度）の半導体スイッチが使用されるためこれらに発生す
るスイッチングロスは累計すると多大なものとなってい
た。そしてこの大きな損失分は例えば前記電気自動車等
の駆動・操作に大きな影響を与えると共に、損失分の電
力が発熱に変わり半導体スイッチの熱損傷の原因となっ
ていた。

【０００６】そして従来よりこのスイッチングロスとサ
ージ電圧の低減を図ることを目的として、大電流が逆向
きに流れて半導体モジュールに対する入出力を行う２つ
の主電流用電極配線（例えばＭＯＳ ＦＥＴの場合にお
けるソース電極配線とドレイン電極配線）をできるだけ
相互に平行に近接した位置に配置し、これにより相互イ
ンダクタンスにより自己インダクタンスを相殺する（打
ち消し合う）といった電磁気的効果が生じ、これを利用
することによる配線インダクタンスの低減、ひいてはス
イッチングロスおよびサージ電圧の低減を図っていた。

【０００７】また、導体配線の電流路中においても電極
接続部等に内在している接触抵抗に大電流がかかる場合
には、かなりの高温で発熱することになり、これもまた
内部回路を熱損傷させる要因の１つとなっていた。そし
てこの接触抵抗は導体配線中においての接触箇所の数に
比例し、それぞれの接触面積に反比例するものである。

【０００８】ここで、図３は放熱板であるベース基板２
にヒートシンク９を取り付ける構造の例を示すものであ
る。同図において、通常ほぼ直方体の形状にある半導体
モジュール１の底面に備えるベース基板２をヒートシン
ク９の平面側に効率よく熱伝達できるよう熱伝導性の高
い絶縁シート１０を挟持させた上で密接に接触させ、長
手方向の両端位置を止着ネジ８により取り付けている。

【０００９】尚、従来の半導体モジュールにおける外部
回路との接続配線の構造として特許文献１がある。

【００１０】

【特許文献１】 特開平９−３０５３０号公報

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
半導体モジュールにおいて、以下のような問題点があ
る。すなわち、図３に示すような従来のヒートシンク９
の取り付け構造では半導体モジュール１のベース基板２
側の接触面とヒートシンク９側の接触面の両面共に通常
製作時の平面度を維持したまま両接触面全面に渡って密
接に取り付けることは難しく、組立時においてベース基
板２とヒートシンク９との両接触面の間に、特に通常直
方体の形状にある半導体モジュール１の長手方向両端の
ネジ止着位置の間に渡って必然的に隙間（図中Ｓ）が生
じる結果となっていた。

【００１２】そして、この隙間Ｓがベース基板２からヒ
ートシンク９への熱伝達、つまり半導体モジュール１の
放熱効率を極端に低下させる結果となり、ひいては半導
体モジュール１の内部回路を熱損傷させる大きな原因と
なっていた。よって本発明は上記問題点に鑑み、放熱効
果の向上を可能とし、ベース基板やヒートシンクに対し
ての絶縁ケースの固定を確実にする止着構造を備えた半
導体モジュールの提供を課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、主に上記ＭＯ
Ｓ ＦＥＴからなる半導体スイッチの課題を解決するも
のであるが、これに限らず同様な課題を有するバイポー
ラトランジスタやサイリスタ等その他の半導体スイッチ
にも適用可能である。

【００１４】尚、半導体スイッチの種類で各電極の呼称
が異なるため、便宜上、各電極の機能を考慮して”主電
流入力用電極”、”主電流出力用電極”、”制御電極”
という呼称を使用する。例えば、ＭＯＳ ＦＥＴの場合
は、ドレイン電極が主電流入力用電極に、ソース電極が
主電流出力用電極に、ゲート電極が制御電極に、それぞ
れ相当する。

【００１５】そして上記課題を解決するために、本発明
はベース基板のネジ止着位置間方向と平行にアングル形
状部を形成するベース基板構造を備えるものとなる。こ
のように構成することにより、放熱板の変形を防ぎ、放
熱板と放熱部材との間に生じる隙間を最小限にできると
構成となるため、放熱板から放熱部材への高い熱伝達効
果を機構的に、またそれにより半永久的に（非経時的
に）維持可能となる。

【００１６】そして特に前記アングル形状部がベース基
板上に直接着設されるブロック体で構成されるものとな
る。これによりベース基板にアングルを形成するよう加
工するよりも容易にかつ自由度の高いレイアウトで放熱
板の変形を防ぎ、放熱板と放熱部材との間に生じる隙間
を最小限にできる構成となる。

【００１７】また特に前記アングル形状部が他の主電流
用電極と部分的に平行かつ近接する形状のものとなる。
このように構成することによりこの平行近接部分におい
て、相互インダクタンス効果が生じ、配線インダクタン
スの低減が可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。また、本発明はＭＯＳ ＦＥＴか
らなる半導体モジュールを例に説明するが、これに限ら
ず同様な課題を有するバイポーラトランジスタやサイリ
スタ等その他の半導体スイッチにも適用可能である。

【００１９】先ず、図１は本発明のバス・バー取り付け
構造と、放熱部材取り付け構造と、ベース基板構造と、
絶縁ケース構造を備えた半導体モジュール２１が放熱部
材であるヒートシンク２９を取り付けている実施形態の
側断面図である。そして、半導体モジュール２１は強固
な導電金属を材質とするベース基板２２をドレイン電極
として兼用した非絶縁型のものである。この図におい
て、半導体モジュール２１は該ベース基板２２上に不図
示の半導体チップを直接載置し、そのソース電極が配線
板３２に接続されている。そして、該ベース基板２２上
には合成樹脂よりなる絶縁ケース２４で覆われ、配線板
３２が側面に沿って上方に延び絶縁ケース２４上面に露
出し、止着ネジ２８がバネワッシャー２６と平ワッシャ
ー２７を介して螺着されている。

【００２０】またベース基板２２が絶縁ケース２４の一
方の側面に密接するよう直角に曲がったアングル形状部
３４を形成しており、その上端は絶縁ケース２４内部の
配線板３２と近接かつ平行となるよう絶縁ケース側面に
沿って絶縁ケース上面まで立設し、そして密接面と反対
の開放面にドレイン電極用の配線板となるバス・バー２
５が止着ネジ２８、バネワッシャー２６、平ワッシャー
２７により直接接続されている。このアングル形状部３
４は紙面直交方向となる半導体モジュール長手方向のほ
ぼ全長に渡って形成されるものとなる。

【００２１】そして絶縁ケース２４上面に露出している
配線板３２とアングル形状部３４との間に遮へい板３５
が絶縁ケース２４に一体に立設している。そして止着ネ
ジ２８がバネワッシャー２６および後述する外径の大き
い平ワッシャー３３を介して絶縁ケース２４、ベース基
板２２、絶縁シート３０、ヒートシンク２９を挟持して
螺着固定している。また絶縁ケース２４下部においては
外径が平ワッシャー３３の外径と同じかまたは小さく、
長さがベース基板２２の厚さと同じかまたは短く、そし
て該止着ネジ２８が貫通可能な構成となる円筒形状部３
１がベース基板２２の止着穴に挿設するよう絶縁ケース
２４と一体に設けられている。またベース基板２２にお
ける該止着ネジ２８の止着穴の径は、ヒートシンク２９
側が該止着ネジ２８の外径よりも絶縁シート３０上にお
ける必要沿面絶縁距離の２倍以上大きい径となり、絶縁
ケース２４側が平ワッシャー３３の外径以下で前記円筒
形状部３１を嵌挿可能な径となる。

【００２２】このような構成において、まずバス・バー
２５はベース基板２２（アングル形状部３４）に直接接
続されていることにより接触抵抗を内在する接触部は１
ヶ所のみとなり、従来の接触部を２ヶ所所有する接続タ
ーミナルを使用した場合と比較して電流通電時において
の発熱を抑制する構成となる。

【００２３】またベース基板２２の一部であるアングル
形状部３４はドレイン電極としても機能しているため、
ソース配線板として絶縁ケース２４内部に配置接続され
ている配線板３２と範囲Ａ２ において近接かつ平行の
配置状態にあり、この範囲Ａ２において相互インダクタ
ンス効果が生じることで配線インダクタンスが相殺され
ることになる。これにより半導体モジュール２１作動時
におけるスイッチング・ロスおよびサージ電圧の低減が
図られることになる。そしてこの構成において、アング
ル形状部３４と配線板３２が挟持する絶縁ケースの一部
分（範囲Ａ２）は、電気的には絶縁を行うものの、磁気
的には上記相互インダクタンス効果が得られるよう磁力
を透過する材質となる。

【００２４】またアングル形状部３４が半導体モジュー
ル２１の長手方向全長に渡って形成されていることによ
り、長手方向の両端でヒートシンク２９を止着ネジで止
着した場合でも、従来の取り付け時において不可避であ
ったベース基板２２の反りの発生を防ぐことが可能とな
る。そのためベース基板２２底面全面に渡っての密着し
た取り付けが可能となり、それによりベース基板２２か
らヒートシンク２９への効率の高い熱伝達が可能とな
る。

【００２５】また絶縁ケース２４上面において露出した
配線板３２（止着ネジ２８がバネワッシャー２６と平ワ
ッシャー２７を介して螺着されている）とアングル形状
部３４との間に絶縁ケース２４と同材質の遮へい板３５
が立設していることにより配線板３２（および該止着部
材２６，２７，２８）とアングル形状部３４の間の沿面
絶縁距離を図中Ｌ２ にまで延長でき、絶縁性を確保し
た構成となる。

【００２６】またヒートシンク２９に螺着して同電位と
なる止着ネジ２８、バネワッシャー２６、平ワッシャー
３３は絶縁シート３０上面においてベース基板２２と充
分な沿面絶縁距離を設け、また絶縁ケース２４と同材質
の円筒形状部３１を貫通していることによりドレイン電
極と兼用となるベース基板２２と充分な絶縁性を確保し
つつ、さらに平ワッシャー３３が弾性を有する材質の絶
縁ケース２４を強固なベース基板２２に直接押圧するた
め絶縁ケース２４、ベース基板２２、絶縁シート３０、
ヒートシンク２９の４つの部材を強固に挟持固定するも
のとなる。

【００２７】また図２は上記実施形態と同じ効果を得る
ベース基板構造の他の実施形態を示す側面図である。こ
の図において、ベース基板２２上の絶縁ケース２４側面
には導電金属製で略角柱型のブロック体３６が半導体モ
ジュール長手方向両端のネジ止着位置間に渡って着設し
ている構成となる。

【００２８】そしてこのブロック体３６が上記実施形態
におけるアングル形状部３４と同じ作用により、ヒート
シンク２９取り付け時におけるベース基板２２の反りを
防ぐ構成となる。そして同様にベース基板２２底面全面
に渡っての密着した取り付けが可能となり、それにより
ベース基板２２からヒートシンク２９への効率の高い熱
伝達が可能となる。

【００２９】またブロック体３６は導電金属製であるた
め、同図に示すように直接バス・バー２５を止着ネジ２
８で接続する構成も可能である。しかしこの構成に限定
せず、ブロック体３６を強固な材質の絶縁体とすること
も可能であり、その場合バス・バー２５はベース基板２
２に直接接続する構成となる。

【００３０】また上記２つの実施形態にあるアングル形
状部３４およびブロック体３６は絶縁ケース２４の一方
の側面のみでなく両側面に形成、着設してチャネル形状
として構成することも可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明した通り本発明によれば、ベー
ス基板やヒートシンクに対しての絶縁ケースの固定を確
実にする止着構造を備えた半導体モジュールの提供が達
成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態にある半導体モジュー
ルの側断面図である。

【図２】本発明の第２の実施形態にある半導体モジュー
ルの側断面図である。

【図３】従来の半導体モジュールにおけるヒートシンク
取り付け構造を示す側断面図である。

【符号の説明】

２１ 半導体モジュール ２２ ベース基板 ２３ 円筒形ターミナル ２４ 絶縁ケース ２５ バス・バー（ドレイン電極用） ２６ バネ・ワッシャー ２７ 平ワッシャー ２８ 止着ネジ ２９ ヒートシンク ３０ 絶縁シート ３１ 円筒形状部 ３２ 配線板（ソース電極用） ３３ 平ワッシャー（大径） ３４ アングル形状部 ３５ 遮へい板 ３６ ブロック体 Ａ１ 、Ａ２ 相互インダクタンス効果の有効範囲 Ｌ１ 、Ｌ２ バス・バー、配線板間の沿面絶縁距離 ＩＤ ドレイン電流 ＩＳ ソース電流 ＤＨ ベース基板の止着穴径 ＤＷ 平ワッシャー外径 ＤＳ 止着ネジのネジ外径 Ｓ ベース基板とヒートシンクとの間隙

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ベース基板上に主電流用電極の１つを直
   接接続する非絶縁型半導体モジュールにおいて、 ベース基板のネジ止着位置間方向と平行にアングル形状
   部を形成するベース基板構造を備えることを特徴とする
   半導体モジュール。
2. 【請求項２】 前記アングル形状部がベース基板上に直
   接着設されるブロック体で構成されることを特徴とする
   請求項１記載の半導体モジュール。
3. 【請求項３】 前記アングル形状部が他の主電流用電極
   と部分的に平行かつ近接する形状にあることを特徴とす
   る請求項１、又は２記載の半導体モジュール。