【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の半導体素子を積層した半導体素子積層体と、複数の整流素子を積層した整流素子積層体とが、それぞれ複数配置されるとともに、積層方向に加圧保持される圧接型半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、複数のパワー用半導体素子および整流素子を用いた大電力用半導体装置が採用されている。この種の大電力用半導体装置として、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）モジュールが知られている。
【０００３】
上記のＩＧＢＴモジュールでは、通常、絶縁基板の上に各素子（パワー用半導体素子および整流素子）を複数配置するとともに、各接続端子をワイヤボンディングによって接続し、導通させるように構成されている。ところが、大電力化に伴って、配線抵抗や内部インダクタンスの影響が顕著になるとともに、発熱量が増大してしまい、熱対策が必要となっている。
【０００４】
このため、半導体素子および整流素子を電気的に接続するとともに、前記半導体素子および前記整流素子を電力端子で挟持する圧接型半導体装置が採用されている。これにより、ワイヤボンディング等の配線金属に起因する配線抵抗および内部インダクタンスを低減させることができ、さらに熱放散を良好にすることが可能になる。
【０００５】
この種の半導体装置では、さらなる大容量化が要請されており、半導体素子および整流素子を複数配置する構成が採用されている。ところが、複数の半導体素子および複数の整流素子を備えることにより、発熱量が増大してしまい、冷却効率を一層向上させる必要がある。そこで、例えば、電子パワーデバイスが知られている（特許文献１参照）。
【０００６】
図７に示すように、この電子パワーデバイスを構成する２つのフレーム１には、ＩＧＢＴ等のパワー素子２がろう付けされた支持プレート３が、それぞれ３つずつ配置されている。各フレーム１の対向する２側面には、それぞれエミッタ４とコレクタ５とが突出している。各フレーム１が重ね合わされるとともに、前記フレーム１が一組の冷却ボックス６により挟持されている。
【０００７】
各冷却ボックス６には、パワー素子２の配列方向（矢印Ｘ方向）に延在して２本の冷却管７が設けられている。この冷却管７に冷却液の供給と排除が行われることによって、パワー素子２が冷却されている。
【０００８】
また、例えば、特許文献２に開示されているように、半導体チップおよびダイオードの両面に金属電極を介して絶縁基板が接合されるとともに、前記絶縁基板を挟んで液冷式冷却器が接合されることにより、前記液冷式冷却器を介して前記半導体チップおよび前記ダイオードの両面を冷却する技術が知られている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１６１２６号公報（段落［００２５］、図１）
【特許文献２】
特開２００２−９５２６７号公報（段落［００６０］〜［００６２］、図４）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、各フレーム１に接合される冷却ボックス６が、長手方向に延在してそれぞれ２本の冷却管７を設けており、前記冷却管７を介して冷却液の供給および排除を行うことにより、電子パワーデバイス全体を冷却している。このため、発熱の多い部位であるパワー素子２を含む各フレーム１の全面が冷却されており、前記パワー素子２を良好に冷却するためには、各冷却ボックス６が相当に大型なものとなってしまう。これにより、電子パワーデバイス全体が大型なものとなるという問題がある。
【００１１】
一方、上記の特許文献２では、各絶縁基板を挟んで液冷式冷却器が接合されており、この液冷式冷却器を介してインバータ装置全体の冷却がなされている。従って、特許文献２では、上記の特許文献１と同様に、液冷式冷却器が大型化してしまい、インバータ装置全体が相当に大型なものとなるという問題が指摘されている。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、積層される複数の半導体素子および整流素子を確実に圧接させるとともに、コンパクトな構成でかつ放熱性に優れる圧接型半導体装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧接型半導体装置では、複数の半導体素子を積層した半導体素子積層体および複数の整流素子を積層した整流素子積層体の積層方向両端に、前記半導体素子積層体および前記整流素子積層体に積層方向に均等な荷重を付与するための第１および第２圧接部材が設けられている。このため、半導体素子同士および整流素子同士の圧接状態を良好に維持することができ、大電力化による熱影響を良好に抑止することが可能になる。これにより、半導体素子および整流素子は、熱抵抗や電気抵抗が有効に減少して安定した素子特性が得られ、大電力化が確実に図られる。
【００１４】
さらに、第１および第２圧接部材の内部には、各半導体素子積層体および各整流素子積層体の各圧接部位に対応して冷却媒体を通流させる冷却通路が形成されている。このため、半導体素子積層体および整流素子積層体を積層方向両側から強制的かつ確実に放熱させることができ、放熱性が向上して大電力化による熱影響を良好に抑止することが可能になる。
【００１５】
しかも、第１および第２圧接部材の内部に冷却通路が設けられるとともに、この冷却通路は、最も発熱し易い部位である半導体素子積層体および整流素子積層体の各圧接部位に対応している。従って、冷却効率が向上し、外部に冷却構造が設けられる構成に比べて、冷却構造が一挙に小型化され、圧接型半導体装置全体を有効にコンパクト化することができる。
【００１６】
また、少なくとも第１圧接部材の内部には、各半導体素子積層体および各整流素子積層体の圧接部位に対し、それぞれ積層方向に圧接荷重を付与する複数の加圧体が配設されるとともに、前記加圧体には、冷却通路が配置されている。これにより、複数配置された各半導体素子積層体および各整流素子積層体に対し、それぞれ積層方向に均等な荷重を確実に付与することが可能になる。
【００１７】
しかも、加圧体は、内周面に凹凸形状を有する冷却通路に通流される冷却媒体を介して良好に冷却されるため、各半導体素子積層体および各整流素子積層体の放熱性が確実に向上する。
【００１８】
さらにまた、第１圧接部材は、加圧体と圧接部位との間に介装されて冷却媒体の漏れを阻止するとともに、前記加圧体に当接する部分が変形可能な漏れ防止板を備えている。このため、コンパクトな構成で、冷却媒体の漏れを阻止する機能と、加圧体を介して半導体素子積層体および整流素子積層体を加圧する機能とを有することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態に係る圧接型半導体装置１０の要部概略斜視説明図であり、図２は、前記圧接型半導体装置１０の一部断面側面図であり、図３は、前記圧接型半導体装置１０のモジュール回路図である。
【００２０】
圧接型半導体装置１０は、ＩＧＢＴモジュールを構成しており、複数、例えば、それぞれ２つのＩＧＢＴ（半導体素子）１２ａ、１２ｂを積層した半導体素子積層体１４ａ、１４ｂおよび１４ｃと、複数、例えば、それぞれ２つのダイオード（整流素子）１６ａ、１６ｂを積層した整流素子積層体１８ａ、１８ｂおよび１８ｃとを備える。
【００２１】
半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび整流素子積層体１８ａ〜１８ｃの積層方向（矢印Ａ方向）両端には、絶縁材（Ｓｉ３Ｎ４板やＡｌＮ板）２０ａ、２０ｂを介装して第１冷却機構２２と第２冷却機構２４とが配置される。第１冷却機構２２には、複数配置された各半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび各整流素子積層体１８ａ〜１８ｃに対し、それぞれ積層方向に均等な荷重を付与するための加圧機構２６が設けられる。
【００２２】
半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび整流素子積層体１８ａ〜１８ｃは、基本的には、図３に示すように構成される。半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃでは、ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂが矢印Ａ方向（鉛直方向）に積層されており、前記ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂは、コレクタ２８、エミッタ３０およびゲート３２を備える。ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂは、エミッタ３０を上方にして積層され、ダイオード１６ａ、１６ｂは、アノードを上方にして積層される。
【００２３】
各ＩＧＢＴ１２ａのコレクタ２８と各ダイオード１６ａのカソードとは、第１板状導電部材３４に電気的に接続されるとともに、各ＩＧＢＴ１２ｂのエミッタ３０と各ダイオード１６ｂのアノードとは、第２板状導電部材３６を介して電気的に接続される。矢印Ｂ方向に３列に配置される各ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂ間と、各ダイオード１６ａ、１６ｂ間とには、第３板状導電部材３８ａ、３８ｂおよび３８ｃが電気的に接続される。第３板状導電部材３８ａ〜３８ｃは、例えば、図示しないモータの三相配線（Ｕ、ＶおよびＷ）に接続される。
【００２４】
図２および図４に示すように、ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂの下面（コレクタ面）には、導電性緩衝部材、例えば、モリブデン板４０ａが配置される一方、前記ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂの上面（エミッタ面）には、モリブデン板４０ｂが配置される。同様に、ダイオード１６ａ、１６ｂの下面（カソード側）には、モリブデン板４２ａが配置されるとともに、前記ダイオード１６ａ、１６ｂの上面（アノード側）には、モリブデン板４２ｂが配置される。
【００２５】
モリブデン板４０ａ、４２ａ、４０ｂ、４２ｂは、シリコンで形成された半導体と同一の熱膨張係数を有しており、ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂおよびダイオード１６ａ、１６ｂにクラックが発生することを防止する機能を有する。ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂおよびダイオード１６ａ、１６ｂには、沿面距離や空間距離を得るための絶縁材４４が設けられている。
【００２６】
図４に示すように、第１板状導電部材３４は、矢印Ｂ方向に配置されて各ＩＧＢＴ１２ａのコレクタ面が載置され、前記ＩＧＢＴ１２ａと同一形状の積層部４６ａ、４６ｂおよび４６ｃと、矢印Ｂ方向に配置されて各ダイオード１６ａのカソード面が載置され、前記ダイオード１６ａと同一形状の積層部４８ａ、４８ｂおよび４８ｃと、前記積層部４６ａに矢印Ｂ方向に併設される第１外部電力端子５０とを備える。
【００２７】
積層部４６ａと第１外部電力端子５０、前記積層部４６ａと積層部４６ｂおよび前記積層部４６ｂと積層部４６ｃとは、例えば、Ｓ字状に湾曲する湾曲形状（または屈曲形状）の連結部５２を介して連結される。積層部４６ａと４８ａ、積層部４６ｂと４８ｂおよび積層部４６ｃと４８ｃとは、同様に湾曲形状乃至屈曲形状の連結部５４を介して連結される。
【００２８】
第２板状導電部材３６は、上記の第１板状導電部材３４と同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。この第２板状導電部材３６は、第１外部電力端子５０に対応して第２外部電力端子５６を備える。
【００２９】
第３板状導電部材３８ａ〜３８ｃは、ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂ間に介装されて前記ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂと同一形状の積層部５８と、ダイオード１６ａ、１６ｂ間に介装されて前記ダイオード１６ａ、１６ｂと同一形状の積層部６０と、第３外部電力端子６２とを備える。積層部５８と積層部６０との間および前記積層部６０と第３外部電力端子６２との間は、湾曲形状乃至屈曲形状の連結部６４を介して連結される。
【００３０】
図２に示すように、第２冷却機構２４は、銅材製の本体部（第２圧接部材）６６を備える。この本体部６６の内部には、各ＩＧＢＴ１２ａおよび各ダイオード１６ａの圧接部位に対応して冷却媒体（例えば、冷却水）を通流させるために、内周面に凹凸形状を有する、例えば、スプライン孔部等の冷却通路６８が形成される。この本体部６６の底面側には、ＳＵＳ製の蓋部材７０が配置される。
【００３１】
第１冷却機構２２は、図５に示すように、銅材製の本体部（第１圧接部材）７２を備える。この本体部７２には、半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび整流素子積層体１８ａ〜１８ｃとの接触部位（圧接部位）に対応して矩形状の開口部７４が矢印Ａ方向に貫通形成される。本体部７２内には、この本体部７２の矢印Ｂ方向一端面に設けられたポート７６ａ、７６ｂに連通し、各開口部７４に連通する略Ｕ字状の冷却通路７８が形成される。ポート７６ａおよび７６ｂは、冷却媒体の入口および出口を構成している。
【００３２】
各開口部７４には、各半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび各整流素子積層体１８ａ〜１８ｃに偏荷重が作用することを阻止して積層方向に圧接荷重を付与するために、複数（６つ）の偏荷重吸収部（加圧体）８０が所定角度傾動（揺動）可能に収容される。偏荷重吸収部８０は、略立方体形状を有するとともに、冷却通路７８に連通して冷却媒体を通流させるために、内周面に凹凸形状を有する、例えば、スプライン孔部（冷却通路）８２を設ける。なお、冷却通路７８の屈曲部に対応して配置される２つの偏荷重吸収部８０には、スプライン孔部８２と、このスプライン孔部８２に直交するスプライン孔部８２ａとが形成される。
【００３３】
本体部７２の上下両面に蓋部材（漏れ防止板）８６が取り付けられることにより、冷却通路７８および開口部７４が閉塞されて冷却媒体の漏れを阻止している。蓋部材８６は、変形可能でかつ熱伝導性に優れる部材（例えば、リン青銅の薄板）で構成されており、偏荷重吸収部８０の下部８０ａが下側の蓋部材８６を変形可能に構成している。
【００３４】
加圧機構２６は、図６に示すように、板状の本体部９０を備える。この本体部９０には、半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび整流素子積層体１８ａ〜１８ｃとの圧接部位に対応した形状（矩形状）の加圧部９２が形成される。
【００３５】
この加圧部９２の底面は、相当に肉薄な変形部９４を構成している（例えば、切削による薄肉形成、または薄板の接合による形成）。本体部９０の上面には、各加圧部９２を連通する略Ｕ字状の溝部９６が形成されるとともに、矢印Ｂ１方向先端側の加圧部９２は、前記本体部９０の側面に形成されたポート９８ａ、９８ｂに連通している。本体部９０の上面には、各加圧部９２および溝部９６を囲繞してガスケット用溝部１００ａ、１０２ａが形成される。ガスケット用溝部１００ａ、１０２ａには、ガスケット１００、１０２が配置され、前記ガスケット１００、１０２に積層して蓋部材１０４が配置される。
【００３６】
ポート９８ａまたは９８ｂからは、耐熱性の液状加圧媒体（例えば、圧油）が供給され、前記ポート９８ａ、９８ｂが、例えば、図示しない盲栓により閉塞されることによって、各加圧部９２および溝部９６に前記液状加圧媒体が封入される。本体部９０および蓋部材１０４は、例えば、ＳＵＳ材で形成される。
【００３７】
図１に示すように、第１冷却機構２２、第２冷却機構２４および加圧機構２６には、矢印Ａ方向に貫通して複数のロッド挿入用孔部１０６が形成される。このロッド挿入用孔部１０６は、各半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび各整流素子積層体１８ａ〜１８ｃを避ける位置に設定されており、各ロッド挿入用孔部１０６に締め付け用ロッド１０８が挿入される。各締め付け用ロッド１０８の先端にナット１１０が螺合することにより、圧接型半導体装置１０全体には、矢印Ａ方向に所定の締め付け荷重が付与される。
【００３８】
このように構成される圧接型半導体装置１０の動作について、以下に説明する。
【００３９】
まず、圧接型半導体装置１０を組み付ける作業について説明する。図４に示すように、第１板状導電部材３４の積層部４６ａ〜４６ｃの上面には、ＩＧＢＴ１２ａのコレクタ２８側が載置され、前記第１板状導電部材３４の積層部４８ａ〜４８ｃの上面には、ダイオード１６ａのカソード側が同様に位置決めされて載置される。
【００４０】
矢印Ｂ方向に３列に配列された各ＩＧＢＴ１２ａと各ダイオード１６ａとは、第３板状導電部材３８ａ〜３８ｃを介して接続される。具体的には、矢印Ｂ１方向先端に配置されるＩＧＢＴ１２ａのエミッタ３０側が、第３板状導電部材３８ａの積層部５８の下面に接続されるとともに、ダイオード１６ａのアノード側が積層部６０の下面に接続される。同様に、中央列および矢印Ｂ１方向後端に配置される各ＩＧＢＴ１２ａのエミッタ３０側および各ダイオード１６ａのアノード側は、第３板状導電部材３８ｂ、３８ｃの積層部５８、６０の下面に、それぞれ接続される。
【００４１】
各第３板状導電部材３８ａ〜３８ｃの各積層部５８、６０の上面には、前記下層の組み立てと同様に、各ＩＧＢＴ１２ｂのコレクタ２８側と各ダイオード１６ｂのカソード側とが接合される。さらに、矢印Ｂ方向に配列される各ＩＧＢＴ１２ｂのエミッタ３０側が第２板状導電部材３６の積層部４６ａ〜４６ｃの下面に接合される一方、矢印Ｂ方向に配列される各ダイオード１６ｂのアノード側が前記第２板状導電部材３６の積層部４８ａ〜４８ｃの下面に接合される。
【００４２】
これにより、図１に示すように、矢印Ａ方向に積層された半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび整流素子積層体１８ａ〜１８ｃが、それぞれ矢印Ｂ方向に３列に配列されて固定される。
【００４３】
次いで、半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび整流素子積層体１８ａ〜１８ｃの上方には、絶縁材２０ｂを介装して第１冷却機構２２と加圧機構２６とが配置される。
【００４４】
そこで、第２冷却機構２４、第１冷却機構２２および加圧機構２６に矢印Ａ方向に貫通して形成される複数のロッド挿入用孔部１０６に締め付け用ロッド１０８が挿入され、前記締め付け用ロッド１０８の先端には、前記加圧機構２６側からナット１１０が螺着される。なお、底面の蓋部材７０に予めねじ孔を形成しておき、このねじ孔に締め付け用ロッド１０８の先端を螺着してもよい。
【００４５】
その際、第１冷却機構２２および加圧機構２６と第２冷却機構２４との間には、図示しない締め付け機構を介して所定の締め付け荷重が付与されている。このため、各締め付け用ロッド１０８にナット１１０を螺着することによって、半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび整流素子積層体１８ａ〜１８ｃには、矢印Ａ方向に所定の締め付け荷重が付与される。
【００４６】
このように構成される圧接型半導体装置１０では、第３板状導電部材３８ａ〜３８ｃが、例えば、図示しない電気自動車やハイブリッドカーのモータに三相配線（Ｕ、ＶおよびＷ）されて運転が行われる。
【００４７】
この場合、本実施形態では、半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび整流素子積層体１８ａ〜１８ｃの積層方向両端に、絶縁材２０ａ、２０ｂを介装して第１および第２冷却機構２２、２４を構成する本体部７２、６６が設けられている。このため、本体部７２、６６間に付与される締め付け荷重を介して、半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび整流素子積層体１８ａ〜１８ｃには、積層方向に均等な荷重が付与される。従って、ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂ同士およびダイオード１６ａ、１６ｂ同士の圧接状態を良好に維持することができる。
【００４８】
これにより、大電力化による熱影響を抑止するとともに、ＩＧＢＴ１２ａ、１２ｂおよびダイオード１６ａ、１６ｂは、熱抵抗や電気抵抗が有効に減少して安定した素子特性が得られ、コンパクトな構成で、大電力化が確実に図られるという利点が得られる。
【００４９】
さらに、図２に示すように、本体部６６、７２の内部には、半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび整流素子積層体１８ａ〜１８ｃの各圧接部位に対応して冷却媒体を通流させる冷却通路６８、７８が形成されている。このため、冷却通路６８、７８に冷却媒体が供給されることにより、半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび整流素子積層体１８ａ〜１８ｃは、この冷却媒体を介して強制的かつ確実に冷却され、特に大電力化による熱影響を良好に阻止することができる。従って、放熱性が有効に向上し、電流容量の増大を図ることが可能になるという効果が得られる。
【００５０】
しかも、本体部６６、７２の内部に設けられる冷却通路６８、７８は、最も発熱し易い部位である半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび整流素子積層体１８ａ〜１８ｃの各圧接部位に対応している。従って、効率的な放熱処理が遂行され、例えば、外部に冷却構造が設けられる構成に比べて冷却構造が一挙に小型化され、圧接型半導体装置１０全体を有効にコンパクト化することができるという利点がある。
【００５１】
さらに、第１冷却機構２２には、各加圧部９２と半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび整流素子積層体１８ａ〜１８ｃとの圧接部位に対応して、複数の偏荷重吸収部８０が設けられている。このため、半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび整流素子積層体１８ａ〜１８ｃに対し、積層方向に均等な荷重を確実に付与することができる。
【００５２】
その際、偏荷重吸収部８０には、冷却通路７８の一部としてスプライン孔部８２（８２ａ）が形成されている。従って、各偏荷重吸収部８０は、スプライン孔部８２（８２ａ）に通流される冷却媒体を介して良好に冷却され、半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび整流素子積層体１８ａ〜１８ｃの放熱性が確実に向上するという効果が得られる。
【００５３】
さらにまた、第１冷却機構２２を構成する本体部７２には、冷却通路７８および開口部７４を閉塞して漏れ防止板である蓋部材８６が溶接等によって固着されている。そして、偏荷重吸収部８０の下部８０ａに当接する下側の蓋部材８６は、前記下部８０ａが当接する部分を変形可能に構成している。このため、コンパクトな構成で、冷却媒体の漏れを阻止する機能と、各偏荷重吸収部８０を介して半導体素子積層体１４ａ〜１４ｃおよび整流素子積層体１８ａ〜１８ｃを加圧する機能とを有することができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明に係る圧接型半導体装置では、第１および第２圧接部材の内部に、各半導体素子積層体および各整流素子積層体の各圧接部位に対応して冷却媒体を通流させる冷却通路が形成されている。このため、半導体素子積層体および整流素子積層体を積層方向両側から強制的かつ確実に放熱させることができ、放熱性が向上して大電力化による熱影響を良好に抑止することが可能になる。
【００５５】
しかも、第１および第２圧接部材の内部に冷却通路が設けられるとともに、この冷却通路は、最も発熱し易い部位である半導体素子積層体および整流素子積層体の各圧接部位に対応している。従って、外部に冷却構造が設けられる構成に比べて、冷却構造が一挙に小型化され、圧接型半導体装置全体を有効にコンパクト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る圧接型半導体装置の要部概略斜視説明図である。
【図２】前記圧接型半導体装置の一部断面側面図である。
【図３】前記圧接型半導体装置のモジュール回路図である。
【図４】前記圧接型半導体装置の要部分解斜視図である。
【図５】前記圧接型半導体装置を構成する第１冷却機構の分解斜視説明図である。
【図６】前記圧接型半導体装置を構成する加圧機構の分解斜視説明図である。
【図７】従来技術に係る電子パワーデバイスの分解斜視図である。
【符号の説明】
１０…圧接型半導体装置 １２ａ、１２ｂ…ＩＧＢＴ
１４ａ〜１４ｃ…半導体素子積層体 １６ａ、１６ｂ…ダイオード
１８ａ〜１８ｃ…整流素子積層体 ２０ａ、２０ｂ、４４…絶縁材
２２、２４…冷却機構 ２６…加圧機構
２８…コレクタ ３０…エミッタ
３２…ゲート
３４、３６、３８ａ〜３８ｃ…板状導電部材
４６ａ〜４６ｃ、４８ａ〜４８ｃ、５８、６０…積層部
５０、５６、６２…外部電力端子 ５２、５４、６４…連結部
６６、７２、９０…本体部 ６８、７８…冷却通路
７０、８６、１０４…蓋部材 ７４…開口部
８０…偏荷重吸収部 ８２、８２ａ…スプライン孔部
９２…加圧部 ９６…溝部
１０８…締め付け用ロッド[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a press-contact type semiconductor device in which a plurality of semiconductor element laminates in which a plurality of semiconductor elements are laminated and a plurality of rectifier element laminates in which a plurality of rectifier elements are laminated are arranged and pressed and held in a lamination direction. About.
[0002]
[Prior art]
In general, a high-power semiconductor device using a plurality of power semiconductor elements and a rectifying element is employed. For example, an IGBT (insulated gate bipolar transistor) module is known as this type of high-power semiconductor device.
[0003]
In the above-mentioned IGBT module, usually, a plurality of elements (power semiconductor elements and rectifying elements) are arranged on an insulating substrate, and each connection terminal is connected by wire bonding to conduct. However, with the increase in power, the effects of wiring resistance and internal inductance become remarkable, and the amount of generated heat increases, so that it is necessary to take measures against heat.
[0004]
For this reason, a press-contact type semiconductor device in which the semiconductor element and the rectifying element are electrically connected and the semiconductor element and the rectifying element are sandwiched between power terminals has been adopted. This makes it possible to reduce wiring resistance and internal inductance caused by wiring metal such as wire bonding, and to further improve heat dissipation.
[0005]
In this type of semiconductor device, further increase in capacity is required, and a configuration in which a plurality of semiconductor elements and rectifying elements are arranged is employed. However, by providing a plurality of semiconductor elements and a plurality of rectifying elements, the amount of heat generated increases, and it is necessary to further improve the cooling efficiency. Therefore, for example, an electronic power device is known (see Patent Document 1).
[0006]
As shown in FIG. 7, three support plates 3 to which power elements 2 such as IGBTs are brazed are arranged on two frames 1 constituting the electronic power device. On two opposing side surfaces of each frame 1, an emitter 4 and a collector 5 project, respectively. The frames 1 are superimposed, and the frames 1 are sandwiched by a pair of cooling boxes 6.
[0007]
Each cooling box 6 is provided with two cooling pipes 7 extending in the direction in which the power elements 2 are arranged (the direction of the arrow X). By supplying and removing the cooling liquid to the cooling pipe 7, the power element 2 is cooled.
[0008]
Also, for example, as disclosed in Patent Document 2, an insulating substrate is bonded to both surfaces of a semiconductor chip and a diode via metal electrodes, and a liquid-cooled cooler is bonded across the insulating substrate. Accordingly, a technique for cooling both surfaces of the semiconductor chip and the diode via the liquid-cooled cooler is known.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-16126 (paragraph [0025], FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP-A-2002-95267 (paragraphs [0060] to [0062], FIG. 4)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in Patent Document 1 described above, the cooling box 6 joined to each frame 1 is provided with two cooling pipes 7 each extending in the longitudinal direction, and the cooling pipe 7 is provided through the cooling pipes 7. Supply and rejection cools the entire electronic power device. For this reason, the entire surface of each frame 1 including the power element 2 which is a portion generating much heat is cooled, and in order to cool the power element 2 properly, each cooling box 6 becomes considerably large. Would. This causes a problem that the entire electronic power device becomes large.
[0011]
On the other hand, in Patent Document 2 described above, a liquid-cooled cooler is joined with each insulating substrate interposed therebetween, and the entire inverter device is cooled via the liquid-cooled cooler. Therefore, Patent Document 2 points out a problem that, like Patent Document 1 described above, the size of the liquid-cooled cooler increases, and the entire inverter device becomes considerably large.
[0012]
An object of the present invention is to solve this kind of problem and to provide a press-contact type semiconductor device having a compact structure and excellent heat dissipation while reliably pressing a plurality of stacked semiconductor elements and rectifier elements. And
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In the press-contact type semiconductor device according to the present invention, the semiconductor element stack and the rectifier stack are provided at both ends in the stacking direction of a semiconductor element stack in which a plurality of semiconductor elements are stacked and a rectifier stack in which a plurality of rectifiers are stacked. Are provided with first and second pressure contact members for applying a uniform load in the stacking direction. Therefore, it is possible to favorably maintain the pressure contact state between the semiconductor elements and between the rectifying elements, and it is possible to satisfactorily suppress the thermal effect due to the increase in power. As a result, the semiconductor element and the rectifying element can effectively reduce the thermal resistance and the electric resistance, obtain stable element characteristics, and reliably increase the power consumption.
[0014]
Further, inside the first and second pressure contact members, cooling passages for passing a cooling medium are formed corresponding to the respective pressure contact portions of the semiconductor element laminates and the rectifier element laminates. For this reason, the semiconductor element laminate and the rectifying element laminate can be forcibly and reliably dissipated heat from both sides in the stacking direction, so that the heat dissipating property is improved, and the thermal effect due to the increase in power can be favorably suppressed. .
[0015]
In addition, the cooling passages are provided inside the first and second press contact members, and the cooling passages correspond to the press contact portions of the semiconductor element laminate and the rectifying element laminate, which are the regions where heat is most easily generated. Therefore, the cooling efficiency is improved, and the cooling structure can be reduced in size at once, as compared with a configuration in which a cooling structure is provided outside, and the entire press-contact type semiconductor device can be effectively reduced in size.
[0016]
In addition, at least inside the first press-contact member, a plurality of pressurizing members that apply a press-contact load in the stacking direction to the press-contact portions of each semiconductor element stack and each rectifying element stack are arranged, A cooling passage is arranged in the pressurizing body. This makes it possible to reliably apply a uniform load in the stacking direction to each of the plurality of semiconductor element laminates and the plurality of rectifying element laminates.
[0017]
In addition, since the pressurized body is cooled well through the cooling medium flowing through the cooling passage having the uneven shape on the inner peripheral surface, the heat dissipation of each semiconductor element laminated body and each rectifying element laminated body is ensured. improves.
[0018]
Still further, the first pressure contact member includes a leakage prevention plate interposed between the pressure member and the pressure contact portion to prevent leakage of the cooling medium, and a portion in contact with the pressure member can be deformed. I have. For this reason, it is possible to have a function of preventing leakage of the cooling medium and a function of pressurizing the semiconductor element stack and the rectifying element stack via the pressurizing body with a compact configuration.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic perspective view of a main part of a press-contact type semiconductor device 10 according to the present embodiment, FIG. 2 is a partial cross-sectional side view of the press-contact type semiconductor device 10, and FIG. FIG. 2 is a module circuit diagram of the semiconductor device 10.
[0020]
The pressure-contact type semiconductor device 10 constitutes an IGBT module, and includes a plurality of, for example, two IGBTs (semiconductor elements) 12a and 12b, and a plurality of, for example, two IGBT (semiconductor element stacked bodies) 14a, 14b and 14c. Rectifier element stacks 18a, 18b and 18c in which two diodes (rectifier elements) 16a and 16b are stacked.
[0021]
At both ends of the semiconductor element laminates 14a to 14c and the rectifying element laminates 18a to 18c in the laminating direction (the direction of the arrow A), insulating materials (Si 3 N 4 plates or AlN plates) 20a and 20b are interposed to perform first cooling. The mechanism 22 and the second cooling mechanism 24 are arranged. The first cooling mechanism 22 is provided with a pressing mechanism 26 for applying a uniform load in the stacking direction to each of the plurality of semiconductor element stacks 14a to 14c and each of the rectifying element stacks 18a to 18c. Can be
[0022]
The semiconductor element laminates 14a to 14c and the rectifying element laminates 18a to 18c are basically configured as shown in FIG. In the semiconductor element stacks 14a to 14c, the IGBTs 12a and 12b are stacked in the direction of the arrow A (vertical direction), and the IGBTs 12a and 12b include a collector 28, an emitter 30, and a gate 32. The IGBTs 12a and 12b are stacked with the emitter 30 facing upward, and the diodes 16a and 16b are stacked with the anode facing upward.
[0023]
The collector 28 of each IGBT 12a and the cathode of each diode 16a are electrically connected to a first plate-shaped conductive member 34, and the emitter 30 of each IGBT 12b and the anode of each diode 16b are connected to a second plate-shaped conductive member. 36 and are electrically connected. Third plate-shaped conductive members 38a, 38b and 38c are electrically connected between the IGBTs 12a and 12b arranged in three rows in the direction of arrow B and between the diodes 16a and 16b. The third plate-shaped conductive members 38a to 38c are connected to, for example, three-phase wiring (U, V, and W) of a motor (not shown).
[0024]
As shown in FIGS. 2 and 4, a conductive buffer member, for example, a molybdenum plate 40a is disposed on the lower surfaces (collector surfaces) of the IGBTs 12a and 12b, while the upper surfaces (emitter surfaces) of the IGBTs 12a and 12b are disposed. And a molybdenum plate 40b. Similarly, a molybdenum plate 42a is arranged on the lower surface (cathode side) of the diodes 16a and 16b, and a molybdenum plate 42b is arranged on the upper surface (anode side) of the diodes 16a and 16b.
[0025]
The molybdenum plates 40a, 42a, 40b, and 42b have the same coefficient of thermal expansion as a semiconductor formed of silicon, and have a function of preventing cracks from occurring in the IGBTs 12a and 12b and the diodes 16a and 16b. The IGBTs 12a and 12b and the diodes 16a and 16b are provided with an insulating material 44 for obtaining a creepage distance and a space distance.
[0026]
As shown in FIG. 4, the first plate-shaped conductive member 34 is disposed in the direction of arrow B, the collector surface of each IGBT 12a is placed, and the stacked portions 46a, 46b and 46c having the same shape as the IGBT 12a, The cathode surface of each diode 16a is placed in the same direction, and the stacked portions 48a, 48b and 48c having the same shape as the diode 16a, and the first external power terminal 50 provided in the stacked portion 46a in the direction of arrow B And
[0027]
The stacked portion 46a and the first external power terminal 50, the stacked portion 46a and the stacked portion 46b, and the stacked portion 46b and the stacked portion 46c are connected to each other in, for example, a curved (or bent) connecting portion 52 that is curved in an S shape. Are connected via. Similarly, the stacked portions 46a and 48a, the stacked portions 46b and 48b, and the stacked portions 46c and 48c are connected via a curved or bent connecting portion 54.
[0028]
The second plate-shaped conductive member 36 is configured in the same manner as the above-mentioned first plate-shaped conductive member 34, and the same components are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. The second plate-shaped conductive member 36 has a second external power terminal 56 corresponding to the first external power terminal 50.
[0029]
The third plate-shaped conductive members 38a to 38c are interposed between the IGBTs 12a and 12b and have the same shape as the IGBTs 12a and 12b, and are interposed between the diodes 16a and 16b and are the same as the diodes 16a and 16b. It has a laminated portion 60 having a shape and a third external power terminal 62. The stacked portion 58 and the stacked portion 60 and the stacked portion 60 and the third external power terminal 62 are connected via a curved or bent connecting portion 64.
[0030]
As shown in FIG. 2, the second cooling mechanism 24 includes a main body (second press-contact member) 66 made of a copper material. In order to allow a cooling medium (for example, cooling water) to flow through the inside of the main body 66 corresponding to the press-contact portions of each IGBT 12a and each diode 16a, for example, a spline hole having an uneven shape on the inner peripheral surface is used. A cooling passage 68 such as a part is formed. A SUS lid member 70 is disposed on the bottom side of the main body 66.
[0031]
As shown in FIG. 5, the first cooling mechanism 22 includes a main body (first press-contact member) 72 made of a copper material. A rectangular opening 74 is formed in the main body 72 so as to penetrate in the direction of arrow A so as to correspond to a contact portion (press-contact portion) with the semiconductor element laminates 14a to 14c and the rectifying element laminates 18a to 18c. In the main body 72, a substantially U-shaped cooling passage 78 communicating with the ports 76a and 76b provided on one end surface of the main body 72 in the direction of arrow B and communicating with the respective openings 74 is formed. The ports 76a and 76b constitute a cooling medium inlet and outlet.
[0032]
Each of the openings 74 is provided with a plurality of (six pieces) in order to prevent a bias load from acting on each of the semiconductor element laminates 14a to 14c and each of the rectifying element laminates 18a to 18c and apply a press-contact load in the lamination direction. ) Is accommodated so as to be tiltable (swingable) by a predetermined angle. The unbalanced load absorbing portion 80 has a substantially cubic shape, and has, for example, a spline hole portion (cooling passage) 82 having an uneven shape on the inner peripheral surface to allow the cooling medium to flow through the cooling passage 78. Provide. The two uneven load absorbing portions 80 arranged corresponding to the bent portions of the cooling passage 78 are formed with a spline hole 82 and a spline hole 82a orthogonal to the spline hole 82.
[0033]
By attaching lid members (leakage prevention plates) 86 to both the upper and lower surfaces of the main body 72, the cooling passage 78 and the opening 74 are closed to prevent leakage of the cooling medium. The lid member 86 is made of a deformable member having excellent thermal conductivity (for example, a thin plate of phosphor bronze), and the lower portion 80a of the uneven load absorbing portion 80 is configured so that the lower lid member 86 can be deformed. ing.
[0034]
The pressing mechanism 26 includes a plate-shaped main body 90 as shown in FIG. The main body 90 is formed with a pressing portion 92 having a shape (rectangular shape) corresponding to a pressure contact portion between the semiconductor element laminates 14a to 14c and the rectifying element laminates 18a to 18c.
[0035]
The bottom surface of the pressing portion 92 forms a considerably thin deformed portion 94 (for example, formation of a thin wall by cutting or bonding of a thin plate). On the upper surface of the main body portion 90, a substantially U-shaped groove portion 96 communicating with each pressing portion 92 is formed, and the pressing portion 92 on the tip side in the arrow B1 direction is formed on the side surface of the main body portion 90. Port 98a, 98b. On the upper surface of the main body 90, gasket grooves 100a and 102a are formed so as to surround each pressurizing portion 92 and the groove 96. Gaskets 100 and 102 are disposed in the gasket grooves 100a and 102a, and a lid member 104 is disposed on the gaskets 100 and 102 so as to be laminated thereon.
[0036]
A heat-resistant liquid pressurized medium (for example, pressurized oil) is supplied from the port 98a or 98b, and the ports 98a and 98b are closed by, for example, blind plugs (not shown), so that each pressurizing portion 92 and The liquid pressurized medium is sealed in the groove 96. The main body 90 and the lid member 104 are formed of, for example, a SUS material.
[0037]
As shown in FIG. 1, a plurality of rod insertion holes 106 are formed in the first cooling mechanism 22, the second cooling mechanism 24, and the pressing mechanism 26 so as to penetrate in the direction of arrow A. The rod insertion hole 106 is set at a position avoiding the semiconductor element stacks 14a to 14c and the rectifying element stacks 18a to 18c, and the tightening rod 108 is inserted into each rod insertion hole 106. You. A predetermined tightening load is applied to the entire press-contact type semiconductor device 10 in the direction of arrow A by screwing the nut 110 to the tip of each tightening rod 108.
[0038]
The operation of the press contact type semiconductor device 10 thus configured will be described below.
[0039]
First, an operation of assembling the pressure contact type semiconductor device 10 will be described. As shown in FIG. 4, the collector 28 side of the IGBT 12 a is placed on the upper surfaces of the stacked portions 46 a to 46 c of the first plate-shaped conductive member 34, and the upper surfaces of the stacked portions 48 a to 48 c of the first plate-shaped conductive member 34. , The cathode side of the diode 16a is similarly positioned and mounted.
[0040]
Each IGBT 12a and each diode 16a arranged in three rows in the direction of arrow B are connected via third plate-shaped conductive members 38a to 38c. Specifically, the emitter 30 side of the IGBT 12a disposed at the tip of the arrow B1 direction is connected to the lower surface of the laminated portion 58 of the third plate-shaped conductive member 38a, and the anode side of the diode 16a is connected to the lower surface of the laminated portion 60. Is done. Similarly, the emitter 30 side of each IGBT 12a and the anode side of each diode 16a arranged at the center row and the rear end in the direction of the arrow B1 are respectively provided on the lower surfaces of the laminated portions 58, 60 of the third plate-shaped conductive members 38b, 38c. Connected.
[0041]
The collector 28 side of each IGBT 12b and the cathode side of each diode 16b are joined to the upper surface of each of the laminated portions 58 and 60 of each of the third plate-shaped conductive members 38a to 38c in the same manner as the lower layer assembly. Further, the emitter 30 side of each IGBT 12b arranged in the direction of arrow B is joined to the lower surface of the laminated portions 46a to 46c of the second plate-shaped conductive member 36, while the anode side of each diode 16b arranged in the direction of arrow B is The second plate-shaped conductive member 36 is joined to the lower surfaces of the laminated portions 48a to 48c.
[0042]
Thereby, as shown in FIG. 1, the semiconductor element laminates 14a to 14c and the rectifying element laminates 18a to 18c laminated in the direction of arrow A are arranged and fixed in three rows in the direction of arrow B, respectively.
[0043]
Next, the first cooling mechanism 22 and the pressurizing mechanism 26 are disposed above the semiconductor element stacked bodies 14a to 14c and the rectifying element stacked bodies 18a to 18c with an insulating material 20b interposed therebetween.
[0044]
Then, a fastening rod 108 is inserted into a plurality of rod insertion holes 106 formed through the second cooling mechanism 24, the first cooling mechanism 22, and the pressurizing mechanism 26 in the direction of arrow A, and A nut 110 is screwed into the tip of the nut 108 from the pressure mechanism 26 side. Note that a screw hole may be formed in the lid member 70 on the bottom surface in advance, and the tip of the fastening rod 108 may be screwed into the screw hole.
[0045]
At this time, a predetermined tightening load is applied between the first cooling mechanism 22 and the pressurizing mechanism 26 and the second cooling mechanism 24 via a not-shown tightening mechanism. Therefore, a predetermined tightening load is applied in the direction of arrow A to the semiconductor element laminates 14a to 14c and the rectifying element laminates 18a to 18c by screwing the nuts 110 to the fastening rods 108.
[0046]
In the press-contact type semiconductor device 10 configured as described above, the third plate-shaped conductive members 38a to 38c are operated, for example, by three-phase wiring (U, V, and W) to a motor of an electric vehicle or a hybrid car (not shown). Done.
[0047]
In this case, in the present embodiment, the first and second cooling mechanisms 22 and 24 are provided at both ends in the stacking direction of the semiconductor element stacked bodies 14a to 14c and the rectifying element stacked bodies 18a to 18c with insulating materials 20a and 20b interposed therebetween. The main body parts 72 and 66 which comprise are provided. Therefore, a uniform load is applied to the semiconductor element stacks 14a to 14c and the rectifying element stacks 18a to 18c in the stacking direction via the tightening load applied between the main bodies 72 and 66. Therefore, the IGBTs 12a and 12b and the diodes 16a and 16b can be kept in good pressure contact with each other.
[0048]
As a result, the thermal effect due to the increase in power is suppressed, and the IGBTs 12a and 12b and the diodes 16a and 16b are effectively reduced in thermal resistance and electric resistance, and stable element characteristics are obtained. The advantage is that the conversion can be reliably achieved.
[0049]
Further, as shown in FIG. 2, inside the main body portions 66 and 72, cooling passages through which a cooling medium flows corresponding to the respective press-contact portions of the semiconductor element laminates 14a to 14c and the rectifying element laminates 18a to 18c. 68 and 78 are formed. Therefore, when the cooling medium is supplied to the cooling passages 68 and 78, the semiconductor element stacks 14a to 14c and the rectifying element stacks 18a to 18c are forcibly and reliably cooled through the cooling medium, and in particular, Thermal effects due to the increase in power can be well prevented. Therefore, the heat dissipation can be effectively improved, and the effect that the current capacity can be increased can be obtained.
[0050]
In addition, the cooling passages 68 and 78 provided inside the main body portions 66 and 72 correspond to the press-contact portions of the semiconductor element laminates 14a to 14c and the rectifying element laminates 18a to 18c, which are the sites where heat is most easily generated. . Therefore, an efficient heat radiation process is performed, and the cooling structure is reduced in size at once, for example, as compared with a configuration in which a cooling structure is provided outside, and the entire pressure-contact type semiconductor device 10 can be effectively reduced in size. There is.
[0051]
Further, the first cooling mechanism 22 is provided with a plurality of offset load absorbing portions 80 corresponding to the pressure contact portions between the pressurizing portions 92 and the semiconductor element laminates 14a to 14c and the rectifying element laminates 18a to 18c. ing. Therefore, a uniform load can be reliably applied to the semiconductor element laminates 14a to 14c and the rectifier element laminates 18a to 18c in the laminating direction.
[0052]
At this time, a spline hole 82 (82a) is formed in the offset load absorbing portion 80 as a part of the cooling passage 78. Therefore, each uneven load absorbing portion 80 is cooled well through the cooling medium flowing through the spline hole 82 (82a), and the heat dissipation of the semiconductor element laminates 14a to 14c and the rectifying element laminates 18a to 18c is improved. The effect of surely improving is obtained.
[0053]
Further, a lid member 86 which is a leakage prevention plate that closes the cooling passage 78 and the opening 74 is fixed to the main body 72 constituting the first cooling mechanism 22 by welding or the like. The lower lid member 86 that contacts the lower portion 80a of the offset load absorbing portion 80 is configured so that the portion that the lower portion 80a contacts can be deformed. For this reason, a compact configuration has a function of preventing leakage of the cooling medium and a function of pressing the semiconductor element stacks 14a to 14c and the rectifying element stacks 18a to 18c via the respective offset load absorbing sections 80. Can be.
[0054]
【The invention's effect】
In the press-contact type semiconductor device according to the present invention, a cooling passage through which a cooling medium flows is formed in the first and second press-contact members in correspondence with each press-contact portion of each semiconductor element laminate and each rectifying element laminate. Have been. For this reason, the semiconductor element laminate and the rectifying element laminate can be forcibly and reliably dissipated heat from both sides in the stacking direction, so that the heat dissipating property is improved, and the thermal effect due to the increase in power can be favorably suppressed. .
[0055]
In addition, the cooling passages are provided inside the first and second press contact members, and the cooling passages correspond to the press contact portions of the semiconductor element laminate and the rectifying element laminate, which are the regions where heat is most easily generated. Therefore, as compared with a configuration in which a cooling structure is provided outside, the cooling structure can be reduced in size at once, and the entire pressure-contact type semiconductor device can be effectively reduced in size.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective explanatory view of a main part of a press-contact type semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional side view of the press-contact type semiconductor device.
FIG. 3 is a module circuit diagram of the press contact type semiconductor device.
FIG. 4 is an exploded perspective view of a main part of the press contact type semiconductor device.
FIG. 5 is an exploded perspective view of a first cooling mechanism constituting the press-contact type semiconductor device.
FIG. 6 is an exploded perspective view of a pressurizing mechanism constituting the press-contact type semiconductor device.
FIG. 7 is an exploded perspective view of an electronic power device according to the related art.
[Explanation of symbols]
10 ... Press-contact type semiconductor device 12a, 12b ... IGBT
14a to 14c: Semiconductor element stack 16a, 16b: Diode 18a to 18c: Rectifier stack 20a, 20b, 44: Insulating material 22, 24: Cooling mechanism 26: Pressing mechanism 28: Collector 30: Emitter 32: Gate 34 , 36, 38a to 38c ... plate-shaped conductive members 46a to 46c, 48a to 48c, 58, 60 ... laminated parts 50, 56, 62 ... external power terminals 52, 54, 64 ... connecting parts 66, 72, 90 ... body part 68, 78 ... cooling passages 70, 86, 104 ... lid member 74 ... opening 80 ... uneven load absorbing parts 82, 82a ... spline hole 92 ... pressurizing part 96 ... groove 108 ... fastening rod
