JP2006141096A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体装置に関し、特に、半導体素子と半導体素子を両面から冷却する冷却器とが積層された半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device in which a semiconductor element and a cooler that cools the semiconductor element from both sides are stacked.
特開平11−18429号公報(特許文献1)は、電力回路とそれを制御する制御回路とを内蔵した制御モジュールを開示する。この制御モジュールにおいては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)チップ、電解コンデンサチップ、マイクロコンベアチップおよび制御電源回路チップが1つの水冷ヒートシンクの上にマウントされる。そして、この制御モジュールによれば、マイクロコンベアチップや制御電源回路チップなどの制御回路は、IGBTチップや電解コンデンサチップなどの電力回路とともに水冷ヒートシンクによって冷却される(特許文献1参照)。
しかしながら、上述した特開平11−18429号公報に開示された制御モジュールでは、1つの水冷ヒートシンクの同一平面上に制御回路と電力回路とがマウントされるので、搭載面積が大きくなり、必ずしも装置の小型化を十分に図ることはできない。 However, in the control module disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-18429, the control circuit and the power circuit are mounted on the same plane of one water-cooled heat sink. It is not possible to fully plan.
そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電力回路とともに制御回路も十分に冷却でき、かつ、小型の半導体装置を提供することである。 Accordingly, the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a small-sized semiconductor device that can sufficiently cool a control circuit as well as a power circuit.
この発明によれば、半導体装置は、半導体素子部と、半導体素子部を両側から挟み込むように設けられる第1および第2の冷却体と、半導体素子部の動作を制御する制御装置とを備え、制御装置は、第1および第2の冷却体の少なくとも一方の冷却体の冷却面であって、かつ、半導体素子部と接する第1の冷却面と異なる第2の冷却面を用いて冷却される。 According to this invention, the semiconductor device includes a semiconductor element portion, first and second cooling bodies provided so as to sandwich the semiconductor element portion from both sides, and a control device that controls the operation of the semiconductor element portion, The control device is cooled using a second cooling surface that is a cooling surface of at least one of the first and second cooling bodies and is different from the first cooling surface in contact with the semiconductor element portion. .
好ましくは、第2の冷却面は、第1の冷却面と対向する面である。 Preferably, the second cooling surface is a surface facing the first cooling surface.
好ましくは、半導体装置は、第2の冷却面と制御装置との間に配設され、かつ、制御装置からの熱を第2の冷却面へ伝熱する熱伝導部材をさらに備える。 Preferably, the semiconductor device further includes a heat conducting member that is disposed between the second cooling surface and the control device and that transfers heat from the control device to the second cooling surface.
好ましくは、制御装置は、熱伝導部材と接続される制御基板と、制御基板上に搭載される制御回路とを含み、制御装置は、制御基板の法線方向が半導体素子部ならびに第1および第2の冷却体からなる積層体の積層方向と略垂直になるように積層体に沿って配設される。 Preferably, the control device includes a control board connected to the heat conducting member, and a control circuit mounted on the control board. The control device has a normal direction of the control board in which the semiconductor element portion and the first and first It arrange | positions along a laminated body so that it may become substantially perpendicular | vertical to the lamination direction of the laminated body which consists of 2 cooling bodies.
好ましくは、制御基板は、熱伝導部材と接続される金属基板と、金属基板と制御回路との間に設けられる絶縁層とからなる。 Preferably, the control board includes a metal board connected to the heat conducting member and an insulating layer provided between the metal board and the control circuit.
好ましくは、半導体装置は、半導体素子部の電力端子が接続される電力端子台をさらに備え、制御装置は、積層体を挟んで電力端子台の反対側に配設される。 Preferably, the semiconductor device further includes a power terminal block to which a power terminal of the semiconductor element portion is connected, and the control device is disposed on the opposite side of the power terminal block across the stacked body.
好ましくは、制御装置は、第1または第2の冷却体における第2の冷却面上に搭載される。 Preferably, the control device is mounted on the second cooling surface in the first or second cooling body.
好ましくは、制御装置は、第2の冷却面上に搭載される制御基板と、制御基板上に搭載される制御回路とを含み、制御基板は、第2の冷却面に密接する金属基板と、金属基板と制御回路との間に設けられる絶縁層とからなる。 Preferably, the control device includes a control board mounted on the second cooling surface and a control circuit mounted on the control board, the control board being a metal substrate in close contact with the second cooling surface; It consists of an insulating layer provided between the metal substrate and the control circuit.
また、この発明によれば、半導体装置は、複数の半導体素子部と、複数の半導体素子部と交互に積層され、複数の半導体素子部の各々を両側から挟み込むように設けられる複数の冷却体と、複数の半導体素子部の動作を制御する制御装置とを備え、制御装置は、複数の半導体素子部および複数の冷却体の積層方向における端部に配設される冷却体の少なくとも一方の冷却体の冷却面であって、かつ、隣接する半導体素子部と接する第1の冷却面と対向する第2の冷却面を用いて冷却される。 Further, according to the present invention, a semiconductor device includes a plurality of semiconductor element portions and a plurality of cooling bodies that are alternately stacked with the plurality of semiconductor element portions and are provided so as to sandwich each of the plurality of semiconductor element portions from both sides. And a control device that controls the operation of the plurality of semiconductor element portions, and the control device includes at least one cooling body disposed at an end portion in the stacking direction of the plurality of semiconductor element portions and the plurality of cooling bodies. And a second cooling surface that is opposed to the first cooling surface that is in contact with the adjacent semiconductor element portion.
また、この発明によれば、半導体装置は、積層される複数の半導体モジュールと、複数の半導体モジュールの動作を制御する制御装置とを備え、複数の半導体モジュールの各々は、半導体素子部と、半導体素子部を両側から挟み込むように設けられる第1および第2の冷却体を含み、制御装置は、複数の半導体モジュールの少なくとも1つにおける第1および第2の冷却体の少なくとも一方の冷却体の冷却面であって、かつ、半導体素子部と接する第1の冷却面と対向する第2の冷却面を用いて冷却される。 According to the invention, the semiconductor device includes a plurality of stacked semiconductor modules and a control device that controls operations of the plurality of semiconductor modules, and each of the plurality of semiconductor modules includes a semiconductor element portion, a semiconductor The control device includes first and second cooling bodies provided to sandwich the element portion from both sides, and the control device cools at least one of the first and second cooling bodies in at least one of the plurality of semiconductor modules. Cooling is performed using a second cooling surface that is a surface and faces the first cooling surface in contact with the semiconductor element portion.
この発明による半導体装置においては、半導体素子部を両側から挟み込むように第1および第2の冷却体が設けられる。そして、制御装置は、第1および第2の冷却体の少なくとも一方の冷却体の冷却面であって、かつ、半導体素子部と接する第1の冷却面と異なる第2の冷却面を用いて冷却される。すなわち、第1または/および第2の冷却体の半導体素子部と接していない冷却面が制御装置の冷却に使用される。 In the semiconductor device according to the present invention, the first and second cooling bodies are provided so as to sandwich the semiconductor element portion from both sides. The control device cools using a second cooling surface that is a cooling surface of at least one of the first and second cooling bodies and is different from the first cooling surface in contact with the semiconductor element portion. Is done. That is, the cooling surface that is not in contact with the semiconductor element portion of the first or / and second cooling body is used for cooling the control device.
したがって、この発明によれば、第1および第2の冷却体を効率的に利用して制御装置を冷却することができる。また、制御装置と熱交換を行なうための領域を確保するために第1および第2の冷却体を大型化する必要がなく、コンパクトな構成で半導体素子部および制御装置を冷却することができる。 Therefore, according to the present invention, the control device can be cooled by efficiently using the first and second cooling bodies. Further, it is not necessary to increase the size of the first and second cooling bodies in order to secure a region for heat exchange with the control device, and the semiconductor element portion and the control device can be cooled with a compact configuration.
また、この発明による半導体装置においては、第2の冷却面と制御装置との間に配設され、かつ、制御装置からの熱を第2の冷却面へ伝熱する熱伝導部材が備えられるので、制御装置が冷却体と直接接していなくても、制御装置からの熱が熱伝導部材を介して冷却体へ伝熱される。したがって、この発明によれば、制御装置の設置場所の自由度が向上する。 Further, in the semiconductor device according to the present invention, a heat conduction member is provided between the second cooling surface and the control device and transfers heat from the control device to the second cooling surface. Even if the control device is not in direct contact with the cooling body, the heat from the control device is transferred to the cooling body through the heat conducting member. Therefore, according to this invention, the freedom degree of the installation place of a control apparatus improves.
また、この発明による半導体装置によれば、制御装置は、制御基板の法線方向が半導体素子部ならびに第1および第2の冷却体からなる積層体の積層方向と略垂直になるように積層体に沿って配設されるので、制御装置と半導体素子部との間に設けられる制御信号線の長さを短くすることができる。 Further, according to the semiconductor device of the present invention, the control device is configured such that the normal direction of the control substrate is substantially perpendicular to the stacking direction of the stack including the semiconductor element portion and the first and second cooling bodies. Therefore, the length of the control signal line provided between the control device and the semiconductor element portion can be shortened.
また、この発明による半導体装置においては、制御基板は、熱伝導部材と接続される金属基板と、金属基板と制御回路との間に設けられる絶縁層とからなるので、制御基板の熱抵抗が低い。したがって、この発明によれば、制御回路からの熱を制御基板および熱伝導部材を介して冷却体へ効果的に放熱することができる。 In the semiconductor device according to the present invention, since the control board includes a metal board connected to the heat conducting member and an insulating layer provided between the metal board and the control circuit, the thermal resistance of the control board is low. . Therefore, according to the present invention, heat from the control circuit can be effectively radiated to the cooling body via the control board and the heat conducting member.
また、この発明による半導体装置においては、半導体素子部の電力端子が接続される電力端子台が備えられ、制御装置は、積層体を挟んで電力端子台の反対側に配設されるので、電力端子台からの発熱に対して積層体が制御装置の防熱壁となる。したがって、この発明によれば、制御装置が高温にさらされることがない。 Further, in the semiconductor device according to the present invention, the power terminal block to which the power terminal of the semiconductor element portion is connected is provided, and the control device is disposed on the opposite side of the power terminal block across the stacked body. The laminated body serves as a heat barrier for the control device against heat generated from the terminal block. Therefore, according to the present invention, the control device is not exposed to high temperatures.
また、この発明による半導体装置においては、制御装置は、第1または第2の冷却体における第2の冷却面上に搭載され、第1または第2の冷却体によって直接冷却される。したがって、この発明によれば、制御装置を効率的かつ効果的に冷却することができる。 In the semiconductor device according to the present invention, the control device is mounted on the second cooling surface of the first or second cooling body and is directly cooled by the first or second cooling body. Therefore, according to the present invention, the control device can be efficiently and effectively cooled.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1による半導体装置の一例として示されるインバータ装置の電気回路図である。図1を参照して、このインバータ装置10は、インバータ20と、制御装置30と、コンデンサCと、電源ラインPLと、接地ラインSLと、出力ラインUL,VL,WLとを備える。インバータ20は、電源ラインPLおよび接地ラインSLを介してバッテリBと接続される。また、インバータ20は、出力ラインUL,VL,WLを介して電気負荷であるモータジェネレータMGと接続される。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is an electric circuit diagram of an inverter device shown as an example of a semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. Referring to FIG. 1, this
このインバータ装置10によって駆動されるモータジェネレータMGは、たとえば3相交流同期電動機であって、インバータ20から出力ラインUL,VL,WLを介して受ける交流電力によって駆動力を発生する。また、モータジェネレータMGは、回生制動時に交流電力を発電し、その発電した交流電力を出力ラインUL,VL,WLを介してインバータ20へ出力する。
Motor generator MG driven by
バッテリBは、直流電源であって、たとえば、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池からなる。バッテリBは、発生した直流電圧を電源ラインPLを介してインバータ20へ供給するとともに、電源ラインPLを介してインバータ20からの直流電圧によって充電される。コンデンサCは、電源ラインPLと接地ラインSLとの間に接続され、電圧変動に起因するバッテリBおよびインバータ20への影響を低減する。
The battery B is a direct current power source, and is composed of, for example, a secondary battery such as nickel metal hydride or lithium ion. Battery B supplies the generated DC voltage to inverter 20 through power supply line PL, and is charged by the DC voltage from
インバータ20は、U相アーム22、V相アーム24およびW相アーム26を含む。U相アーム22、V相アーム24およびW相アーム26は、電源ラインPLと接地ラインSLとの間に並列に接続される。U相アーム22は、直列に接続されたnpn型トランジスタQ1,Q2からなり、V相アーム24は、直列に接続されたnpn型トランジスタQ3,Q4からなり、W相アーム26は、直列に接続されたnpn型トランジスタQ5,Q6からなる。各npn型トランジスタQ1〜Q6は、たとえばIGBTからなる。また、npn型トランジスタQ1〜Q6のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードD1〜D6がそれぞれ接続されている。
そして、各相アームにおける各npn型トランジスタの接続点は、出力ラインUL,VL,WLを介してモータジェネレータMGのU,V,W各相コイルの反中性点側にそれぞれ接続される。 A connection point of each npn transistor in each phase arm is connected to an anti-neutral point side of each U, V, W phase coil of motor generator MG via output lines UL, VL, WL.
このインバータ20は、制御装置30からの制御信号に基づいて、電源ラインPLから受ける直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータMGへ出力する。これにより、モータジェネレータMGは、所望のトルクを発生するように駆動される。また、インバータ20は、制御装置30からの制御信号に基づいて、モータジェネレータMGによって発電された交流電圧を直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を電源ラインPLへ出力する。
制御装置30は、インバータ20の入力電圧ならびにモータジェネレータMGのモータ電流およびトルク指令値に基づいて、モータジェネレータMGを駆動するための制御信号を生成し、その生成した制御信号をインバータ20へ出力する。なお、インバータ20の入力電圧およびモータジェネレータMGのモータ電流は、図示されないセンサーによって検出される。
このインバータ装置10においては、インバータ20は、バッテリBから電源ラインPLおよび接地ラインSLを介して直流電力を受け、その受けた直流電力を交流電力に変換し、出力ラインUL,VL,WLを介してその交流電力をモータジェネレータMGへ出力する。また、インバータ20は、モータジェネレータMGによって発電された交流電力を出力ラインUL,VL,WLを介して受け、その受けた交流電力を直流電力に変換し、電源ラインPLおよび接地ラインSLを介してバッテリBを充電する。
In this
図2は、図1に示したインバータ装置10の構造を示す断面図である。図2を参照して、インバータ装置10は、半導体素子部42,44,46と、冷却器52,54,56,58と、熱伝導部材60と、モールド樹脂62と、制御装置30と、制御信号線64,66,68と、電力バスバー70,72,74と、電力端子台76と、コンデンサCと、ケース78とを備える。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the
半導体素子部42,44,46は、それぞれ図1に示したインバータ20のU相アーム22、V相アーム24およびW相アーム26を構成する。すなわち、半導体素子部42は、npn型トランジスタQ1,Q2およびダイオードD1,D2とこれらに電力を供給するための複数の電極板とを含み、半導体素子部44は、npn型トランジスタQ3,Q4およびダイオードD3,D4とこれらに電力を供給するための複数の電極板とを含み、半導体素子部46は、npn型トランジスタQ5,Q6およびダイオードD5,D6とこれらに電力を供給するための複数の電極板とを含む。
冷却器52,54,56,58は、たとえばアルミからなり、内部に冷媒路を有する。冷却器52,54,56,58は、半導体素子部42,44,46と交互に積層され、半導体素子部42,44,46を両側から冷却する。すなわち、冷却器52,54は、半導体素子部42を両側から挟み込むように設けられ、冷却器54,56は、半導体素子部44を両側から挟み込むように設けられ、冷却器56,58は、半導体素子部46を両側から挟み込むように設けられる。
The
熱伝導部材60は、たとえば、熱伝導率の大きいグラファイトシートからなる。熱伝導部材60は、半導体素子部42,44,46および冷却器52,54,56,58からなる積層体(以下、単に「積層体」と称する。)の最上面、すなわち冷却器52の上面に接合される。そして、熱伝導部材60は、積層体の側方に配設される制御装置30にその端部が接続される。
The
モールド樹脂62は、たとえば、エポキシ樹脂などであって、積層体および積層体最上部の冷却器52の上面に接合される熱伝導部材60を一体的に固定封止する。
The
制御装置30は、積層体の側面に沿って、この積層体を挟んで電力端子台76と反対側に配設される。すなわち、制御装置30は、その法線方向が積層体の積層方向と垂直になるように積層体の側方に配設され、かつ、電力端子台76からの発熱に対して積層体が制御装置30の防熱体となるように、積層体を挟んで電力端子台76と反対側に配設される。そして、制御装置30は、上述のように熱伝導部材60と接続され、制御装置30において発生した熱は、熱伝導部材60を介して冷却器52へ放熱される。
The
制御信号線64,66,68は、制御装置30と半導体素子部42,44,46との間に配線され、制御装置30と半導体素子部42,44,46との間でそれぞれ制御信号のやり取りを行なう。ここで、制御装置30は、その法線方向が積層体の積層方向と垂直になるように積層体の側方に配設されているので、制御信号線64,66,68の配線長をいずれも短くすることができる。
The
電力端子台76は、半導体素子部42,44,46から引出される電力バスバー70,72,74、図示されないモータジェネレータMGと接続される出力ラインUL,VL,WL、ならびに図示されないバッテリBと接続される電源ラインPLおよび接地ラインSLを装置レイアウトを考慮して配線するための配線ケースであって、積層体とコンデンサCとの間に配設される。そして、電力端子台76を挟んで積層体の反対側には、コンデンサCが配設され、コンデンサCの上方には、電源ラインPLおよび接地ラインSLが配設される。
The
このインバータ装置10においては、熱伝導部材60は、最上段の冷却器52において半導体素子部42と接していない面に接合される。すなわち、このインバータ装置10においては、半導体素子部42,44,46の冷却性を確保するため、半導体素子部42,44,46および冷却器52,54,56,58を交互に積層することによって、半導体素子部42,44,46の各々は、両面から冷却される。
In the
ここで、中段の冷却器54,56は、上下両面において半導体素子部と接し、効率的に冷却機能を果たしているところ、最上段の冷却器52および最下段の冷却器58は、それぞれ下面および上面のみにおいて半導体素子部と接しており、冷却能力が有効に利用されていない。
Here, the middle-
そこで、このインバータ装置10では、最上段の冷却器52の半導体素子部42と接していない面を熱伝導部材60を用いて制御装置30と接続し、最上段の冷却器52において半導体素子部42の冷却に直接使用されていない冷却面を用いて制御装置30を冷却するようにしたものである。
Therefore, in this
図3は、図2に示した制御装置30の基板の構成を示す断面図である。図3を参照して、制御装置30の基板は、金属基板80と、絶縁層82と、導体回路84,86とを含む。金属基板80は、たとえばアルミニウムからなり、金属基板80には、図2に示した熱伝導部材60(図示せず)が接続される。絶縁層82は、導体回路84,86を導体である金属基板80と絶縁するとともに、導体回路84,86上の制御回路から発生した熱を金属基板80へ伝熱する。導体回路84,86は、たとえば銅箔からなり、この導体回路84,86の上部に制御回路が実装される。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the substrate of the
この基板は、金属基板80が用いられているので、一般的なガラスエポキシ基板などに比べて熱抵抗が小さい。したがって、この制御装置30において発生した熱は、熱抵抗の低い金属基板80およびそれに接続される熱伝導部材60を介して冷却器52に積極的に放熱される。
Since the
以上のように、この実施の形態1によれば、積層体の最上部の冷却器52において半導体素子部42,44,46の冷却に供していない上面側を用いて制御装置30を冷却するようにしたので、コンパクトな構成で制御装置30および積層体を効率的に冷却することができる。
As described above, according to the first embodiment, the
また、制御装置30を積層体に沿って積層体の側方に配設したので、制御信号線64,66,68の配線長をいずれも短くすることができる。
Further, since the
さらに、制御装置30は、積層体を挟んで電力端子台76の反対側に配設されるので、積層体が電力端子台76からの熱の防熱体となり、制御装置30が電力端子台76からの熱にさらされることはない。
Further, since the
また、さらに、制御装置30を金属基板80で構成したので、基板の熱抵抗を低く抑えることができ、その結果、制御回路からの熱を効果的に冷却体52へ放熱させることができる。
Furthermore, since the
なお、この実施の形態1においては、最上段の冷却器52の半導体素子部42と接していない面に熱伝導部材60を接合させたが、最下段の冷却器58の半導体素子部46と接していない面に熱伝導部材を接合させてもよい。また、図4に示すインバータ装置10Aのように、最上段の冷却器52の半導体素子部42と接していない面に熱伝導部材60を接合させ、かつ、最下段の冷却器58の半導体素子部46と接していない面に熱伝導部材61を接合させてもよい。これにより、制御装置30の冷却性をさらに高めることができる。
In the first embodiment, the
[実施の形態2]
図5は、この発明の実施の形態2による半導体装置の一例として示されるインバータ装置10Bの構造を示す断面図である。図5を参照して、インバータ装置10Bは、図2に示したインバータ装置10の構造において、半導体素子部42,44,46および冷却器52,54,56,58に代えて半導体モジュール92,94,96を備える。インバータ装置10Bのその他の構造は、インバータ装置10の構造と同じである。なお、このインバータ装置10Bの回路構成は、図1に示したインバータ装置10の回路構成と同じである。
[Embodiment 2]
FIG. 5 is a cross sectional view showing a structure of an
半導体モジュール92,94,96は、それぞれ図1に示したインバータ20のU相アーム22、V相アーム24およびW相アーム26を構成する。そして、半導体モジュール92,94,96の各々は、後述するように、半導体素子部と半導体素子部を両側から挟み込むように設けられる冷却器とをモールド封止して構成される。
ここで、半導体モジュール92には、熱伝導部材60が組込まれ、半導体モジュール92から突出した熱伝導部材60は、制御装置30と接続される。そして、制御装置30からの熱は、熱伝導部材60を介して半導体モジュール92内に設けられる冷却器に放熱される。
Here, the
図6〜図8は、図5に示した半導体モジュール92の構造を説明するための図である。図6は、図5に示した半導体モジュール92の斜視図であり、図7は、図6に示す半導体モジュール92の長手方向に沿った垂直断面VII−VIIの断面図である。図8は、図7に示す半導体モジュール92の断面VIII−VIIIの断面図である。なお、図5に示した半導体モジュール94,96は、図6〜図8に示す半導体モジュール92において熱伝導部材60を除く部分の構成と同じであるので、以下では、半導体モジュール92の構成についてのみ説明する。
6 to 8 are views for explaining the structure of the
図6〜図8を参照して、半導体モジュール92は、npn型トランジスタQ1,Q2と、ダイオードD1,D2と、正極導体112と、出力導体114,116と、負極導体118と、絶縁シート120,122と、冷却器102,104と、熱伝導部材60と、モールド樹脂106と、電力バスバー70.1〜70.4と、制御信号線64.1,64.2とを含む。
6-8, the
npn型トランジスタQ1およびダイオードD1は、正極導体112と出力導体114との間に設けられ、半田などの導電性接合材によって正極導体112および出力導体114に固設される。npn型トランジスタQ2およびダイオードD2は、出力導体116と負極導体118との間に設けられ、半田などの導電性接合材によって出力導体116および負極導体118に固設される。
The npn transistor Q1 and the diode D1 are provided between the
正極導体112、負極導体118、および出力導体114,116の各々は、たとえば銅板からなる。正極導体112および負極導体118は、それぞれ電力バスバー70.1,70.2と接続される。出力導体114,116は、それぞれ電力バスバー70.3,70.4と接続される。電力バスバー70.1,70.2は、電力端子台76(図示せず、以下同じ。)内でそれぞれ電源ラインPLおよび接地ラインSLに接続され、電力バスバー70.3,70.4は、電力端子台76内で共通の出力ラインULに接続される。
Each of
制御信号線64.1,64.2は、電力バスバー70.1〜70.4が引出される面と対向する面から外部に引出され、制御装置30(図示せず、以下同じ。)に接続される。 Control signal lines 64.1 and 64.2 are drawn to the outside from the surface opposite to the surface from which power bus bars 70.1 to 70.4 are drawn, and connected to control device 30 (not shown, the same applies hereinafter). Is done.
絶縁シート120,122は、npn型トランジスタQ1,Q2、ダイオードD1,D2、正極導体112、負極導体118、および出力導体114,116(以下では、これらをまとめて「半導体素子部」と称する。)を両側から挟み込むように平行に設けられる。絶縁シート120,122は、半導体素子部を冷却器104,102と電気的に絶縁する。一方、絶縁シート120,122は、たとえばアルミナなどの高熱伝導率を有するフィラーを含有しており、半導体素子部から発生する熱をそれぞれ冷却器104,102へ伝熱する。
The insulating
冷却器102,104は、たとえばアルミニウムからなる。冷却器102,104は、それぞれ絶縁シート122,120における上記半導体素子部との接合面と対向する面に密接して設けられ、それぞれ内部に複数の冷媒路を有する。絶縁シート122,120とそれぞれに対応する冷却器102,104との各接合面には、接触熱抵抗を低減するためにグリスが塗布される。
The
熱伝導部材60は、冷却器102における絶縁シート122との接合面と対向する面に密接して設けられる。この熱伝導部材60と冷却器102との接合面にも、接触熱抵抗を低減するためにグリスが塗布される。そして、この熱伝導部材60は、制御信号線64.1,64.2が引出される面と同じ面から外部に引出され、制御装置30にその端部が接続される。
The heat
モールド樹脂106は、たとえば、エポキシ樹脂などであって、半導体素子部、絶縁シート120,122、冷却器102,104、および熱伝導部材60を一体的に固定封止する。すなわち、半導体素子部、絶縁シート120,122、冷却器102,104、および熱伝導部材60がモールド樹脂106によってパッケージ化される。ただし、上述のように、熱伝導部材60は、モールド樹脂106の外部へ突出し、また、冷却器102,104の長手方向の端面においては、冷媒の通流口を確保する必要があるので、モールド樹脂106によって覆われていない。
The
再び図5を参照して、このインバータ装置10Bにおいては、半導体モジュール92,94,96が積層され、その積層された半導体モジュール92,94,96が図示されないハウジングなどによって固定される。したがって、このインバータ装置10Bは、組付性に優れ、また、耐震性にも優れる。
Referring to FIG. 5 again, in this
なお、上記においては、最上段の半導体モジュール92における冷却器102の絶縁シート122と接していない面に熱伝導部材60を接合させたが、冷却器104の絶縁シート120と接していない面に熱伝導部材60を接合させてもよい。また、最上段の半導体モジュール92における冷却器102,104の双方に熱伝導部材を接合させてもよい。さらに、他の半導体モジュール94,96においても、半導体モジュール92と同様に、制御装置30からの熱を受ける熱伝導部材を設けてもよい。
In the above description, the
以上のように、この実施の形態2によれば、両面冷却型の半導体モジュール内において半導体素子部の冷却に供していない冷却面を用いて制御装置30を冷却するようにしたので、コンパクトな構成で制御装置30を効率的に冷却することができる。
As described above, according to the second embodiment, the
また、この半導体装置は、半導体モジュールを積層することによって構成されるので、半導体装置の組付性に優れ、また、耐震性にも優れる。 In addition, since this semiconductor device is configured by stacking semiconductor modules, the semiconductor device is excellent in assembling property and is excellent in earthquake resistance.
[実施の形態3]
図9は、この発明の実施の形態3による半導体装置の一例として示されるインバータ装置10Cの構造を示す断面図である。図9を参照して、インバータ装置10Cは、図2に示したインバータ装置10において半導体素子部42,44,46および冷却器52,54,56,58からなる積層体の側方に配設されていた制御装置30が最上段の冷却器52の上面に配設される。インバータ装置10Cのその他の構造は、インバータ装置10の構成と同じである。なお、このインバータ装置10Cの回路構成は、図1に示したインバータ装置10の回路構成と同じである。
[Embodiment 3]
FIG. 9 is a cross sectional view showing a structure of an inverter device 10C shown as an example of a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. Referring to FIG. 9,
このインバータ装置10Cにおいては、制御装置30は、積層体の最上段の冷却器52の上面、すなわち、冷却器52の半導体素子部42と接していない面上に搭載される。実施の形態1,2では、半導体素子部42,44,46と制御装置30との間に設けられる制御信号線64,66,68を最短にするために制御装置30を積層体の側方に配設し、制御装置30は、熱伝導部材60によって冷却器52と接続されるものとしたが、この実施の形態3では、制御装置30は、冷却器52上に直接搭載される。したがって、この実施の形態3では、制御信号線132,134,136が実施の形態1,2と比べて長くなるが、実施の形態1,2において設けられていた熱伝導部材60が不要となる。
In the inverter device 10C, the
以上のように、この実施の形態3によれば、冷却器52の半導体素子部42と接していない面に制御装置30を直接搭載したので、制御装置30は、効率的かつ効果的に冷却器52によって冷却される。
As described above, according to the third embodiment, since the
なお、上記の実施の形態3においては、最上段の冷却器52の半導体素子部42と接していない面に制御装置30を搭載するものとしたが、最下段の冷却器58の半導体素子部46と接していない面に制御装置30を搭載してもよい。
In the third embodiment, the
また、上記の実施の形態3においても、実施の形態1に対応する実施の形態2のように、半導体素子部および冷却器をモジュール化してもよい。この場合、制御装置30が冷却器に搭載される半導体モジュールにおいては、半導体素子部、半導体素子部を両側から挟み込む冷却器、および冷却器の半導体素子部と接していない面上に搭載される制御装置30をモールド樹脂で一体的に固定封止する。
Also in the above-described third embodiment, the semiconductor element portion and the cooler may be modularized as in the second embodiment corresponding to the first embodiment. In this case, in the semiconductor module in which the
なお、上記の各実施の形態1〜3においては、半導体素子部および冷却器をモールド樹脂によって固定封止したが、半導体素子部および冷却器からなる積層体をその積層方向の両側からネジやばねによって狭圧して固定するようにしてもよい。 In each of the above first to third embodiments, the semiconductor element portion and the cooler are fixed and sealed with mold resin. However, the laminated body composed of the semiconductor element portion and the cooler is screwed or springed from both sides in the stacking direction. You may make it fix by narrowing by.
また、上記の各実施の形態1,2においては、熱伝導部材60は、グラファイトシートからなるものとしたが、銅板やアルミニウム板など熱伝導率の高い金属などを用いてもよい。
In the first and second embodiments, the
また、上記においては、半導体素子部または半導体モジュールは、3段からなるものとしたが、半導体素子部または半導体モジュールの構成は、3段のものに限られるものではない。たとえば、2つのインバータを含むインバータ装置であって、半導体素子部または半導体モジュールが6段からなるものであってもよい。 In the above description, the semiconductor element portion or the semiconductor module has three stages. However, the configuration of the semiconductor element part or the semiconductor module is not limited to the three-stage structure. For example, the inverter device may include two inverters, and the semiconductor element unit or the semiconductor module may be composed of six stages.
また、上記においては、この発明による半導体装置の一例としてインバータ装置の場合が示されたが、この発明の適用範囲は、インバータ装置に限られるものではなく、半導体素子部とそれを両側から冷却する冷却器とを備えるその他の半導体装置一般に及ぶものである。 In the above, the case of the inverter device is shown as an example of the semiconductor device according to the present invention. However, the scope of application of the present invention is not limited to the inverter device, and the semiconductor element portion and the semiconductor element portion are cooled from both sides. Other semiconductor devices including a cooler are generally included.
また、この発明による半導体装置は、ハイブリッド自動車(Hybrid Vehicle)および電気自動車(Electric Vehicle)に好適である。ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、バッテリとインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。また、電気自動車は、バッテリとインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。 The semiconductor device according to the present invention is suitable for a hybrid vehicle and an electric vehicle. A hybrid vehicle is a vehicle that uses a battery, an inverter, and a motor driven by the inverter as a power source in addition to a conventional engine. An electric vehicle is a vehicle that uses a battery, an inverter, and a motor driven by the inverter as a power source.
このようなハイブリッド自動車や電気自動車においては、インバータやコンバータなどの電子部品において多数のパワー半導体素子が用いられる。そして、ハイブリッド自動車や電気自動車においては、装置の小型化や、高効率化、高信頼性などが強く要求されるところ、この発明による半導体装置によれば、パワー半導体素子および冷却器が積層され、かつ、パワー半導体素子の冷却に供していない冷却面を有効利用して制御装置を冷却するので、装置の小型化、冷却効率の向上、高い冷却性による制御装置の高信頼性などを実現することができる。 In such hybrid vehicles and electric vehicles, a large number of power semiconductor elements are used in electronic components such as inverters and converters. And in hybrid vehicles and electric vehicles, where downsizing of the device, high efficiency, high reliability, etc. are strongly required, according to the semiconductor device according to the present invention, the power semiconductor element and the cooler are laminated, In addition, the control device is cooled by effectively using the cooling surface that is not used to cool the power semiconductor element, so that the device can be downsized, the cooling efficiency can be improved, and the control device can be highly reliable due to high cooling performance. Can do.
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims for patent and all modifications within the scope.
10,10A〜10C インバータ装置、20 インバータ、22 U相アーム、24 V相アーム、26 W相アーム、30 制御装置、42,44,46 半導体素子部、52,54,56,58,102,104 冷却器、60,61 熱伝導部材、62,106 モールド樹脂、64,64.1,64.2,66,68,132,134,136 制御信号線、70,70.1〜70.4,72,74 電力バスバー、76 電力端子台、78 ケース、80 金属基板、82 絶縁層、84,86 導体回路、92,94,96 半導体モジュール、112 正極導体、114,116 出力導体、118 負極導体、120,122 絶縁シート、B バッテリ、C コンデンサ、MG モータジェネレータ、PL 電源ライン、SL 接地ライン、UL,VL,WL 出力ライン、Q1〜Q6 npn型トランジスタ、D1〜D6 ダイオード。 10, 10A to 10C Inverter device, 20 Inverter, 22 U-phase arm, 24 V-phase arm, 26 W-phase arm, 30 Control device, 42, 44, 46 Semiconductor element part, 52, 54, 56, 58, 102, 104 Cooler, 60, 61 Heat conduction member, 62, 106 Mold resin, 64, 64.1, 64.2, 66, 68, 132, 134, 136 Control signal line, 70, 70.1-70.4, 72 74 Power bus bar, 76 Power terminal block, 78 Case, 80 Metal substrate, 82 Insulating layer, 84, 86 Conductor circuit, 92, 94, 96 Semiconductor module, 112 Positive conductor, 114, 116 Output conductor, 118 Negative conductor, 120 , 122 Insulation sheet, B battery, C capacitor, MG motor generator, PL power supply line, SL ground line UL, VL, WL output line, Q1 to Q6 npn-type transistors, D1 to D6 diode.
Claims (10)
前記半導体素子部を両側から挟み込むように設けられる第1および第2の冷却体と、
前記半導体素子部の動作を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記第1および第2の冷却体の少なくとも一方の冷却体の冷却面であって、かつ、前記半導体素子部と接する第1の冷却面と異なる第2の冷却面を用いて冷却される、半導体装置。 A semiconductor element section;
First and second cooling bodies provided to sandwich the semiconductor element portion from both sides;
A control device for controlling the operation of the semiconductor element unit,
The control device uses a second cooling surface that is a cooling surface of at least one of the first and second cooling bodies and is different from the first cooling surface in contact with the semiconductor element portion. A semiconductor device to be cooled.
前記熱伝導部材と接続される制御基板と、
前記制御基板上に搭載される制御回路とを含み、
前記制御装置は、前記制御基板の法線方向が前記半導体素子部ならびに前記第1および第2の冷却体からなる積層体の積層方向と略垂直になるように前記積層体に沿って配設される、請求項3に記載の半導体装置。 The controller is
A control board connected to the heat conducting member;
A control circuit mounted on the control board,
The control device is disposed along the stacked body so that a normal direction of the control substrate is substantially perpendicular to a stacking direction of the stacked body including the semiconductor element portion and the first and second cooling bodies. The semiconductor device according to claim 3.
前記熱伝導部材と接続される金属基板と、
前記金属基板と前記制御回路との間に設けられる絶縁層とからなる、請求項4に記載の半導体装置。 The control board is
A metal substrate connected to the heat conducting member;
The semiconductor device according to claim 4, comprising an insulating layer provided between the metal substrate and the control circuit.
前記制御装置は、前記積層体を挟んで前記電力端子台の反対側に配設される、請求項4または請求項5に記載の半導体装置。 A power terminal block to which a power terminal of the semiconductor element unit is connected;
The semiconductor device according to claim 4, wherein the control device is disposed on the opposite side of the power terminal block with the stacked body interposed therebetween.
前記第2の冷却面上に搭載される制御基板と、
前記制御基板上に搭載される制御回路とを含み、
前記制御基板は、
前記第2の冷却面に密接する金属基板と、
前記金属基板と前記制御回路との間に設けられる絶縁層とからなる、請求項7に記載の半導体装置。 The controller is
A control board mounted on the second cooling surface;
A control circuit mounted on the control board,
The control board is
A metal substrate in intimate contact with the second cooling surface;
The semiconductor device according to claim 7, comprising an insulating layer provided between the metal substrate and the control circuit.
前記複数の半導体素子部と交互に積層され、前記複数の半導体素子部の各々を両側から挟み込むように設けられる複数の冷却体と、
前記複数の半導体素子部の動作を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記複数の半導体素子部および前記複数の冷却体の積層方向における端部に配設される冷却体の少なくとも一方の冷却体の冷却面であって、かつ、隣接する半導体素子部と接する第1の冷却面と対向する第2の冷却面を用いて冷却される、半導体装置。 A plurality of semiconductor element portions;
A plurality of cooling elements that are alternately stacked with the plurality of semiconductor element portions, and are provided so as to sandwich each of the plurality of semiconductor element portions from both sides;
A control device for controlling operations of the plurality of semiconductor element units,
The control device is a cooling surface of at least one cooling body of the cooling body disposed at an end portion in the stacking direction of the plurality of semiconductor element portions and the plurality of cooling bodies, and adjacent semiconductor element portions The semiconductor device is cooled using a second cooling surface facing the first cooling surface in contact with the first cooling surface.
前記複数の半導体モジュールの動作を制御する制御装置とを備え、
前記複数の半導体モジュールの各々は、
半導体素子部と、
前記半導体素子部を両側から挟み込むように設けられる第1および第2の冷却体を含み、
前記制御装置は、前記複数の半導体モジュールの少なくとも1つにおける前記第1および第2の冷却体の少なくとも一方の冷却体の冷却面であって、かつ、前記半導体素子部と接する第1の冷却面と対向する第2の冷却面を用いて冷却される、半導体装置。 A plurality of stacked semiconductor modules; and
A control device for controlling operations of the plurality of semiconductor modules;
Each of the plurality of semiconductor modules includes:
A semiconductor element section;
Including first and second cooling bodies provided to sandwich the semiconductor element portion from both sides;
The control device is a cooling surface of at least one of the first and second cooling bodies in at least one of the plurality of semiconductor modules and is in contact with the semiconductor element portion The semiconductor device cooled using the 2nd cooling surface which opposes.
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