JP2006313848A

JP2006313848A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2006313848A
Application number: JP2005136293A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Masuda; 規行増田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-05-09
Filing date: 2005-05-09
Publication date: 2006-11-16

Abstract

【課題】半導体モジュールと冷却体との密着性が確保され、かつ、組付が容易な半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体モジュール３２〜４２は、インバータケース５６に固設されており、図示されない制御基板６０に対して固定される。冷却用膨張シート４８〜５４は、内部に冷却水が通流される冷却体であり、冷却水路４４から冷却水が供給されると、冷却水の水圧によって膨張する。そうすると、各冷却用膨張シート４８〜５４は、隣接する半導体モジュールまたはインバータケース５６と密着する。
【選択図】図４

Description

この発明は、半導体装置に関し、特に、半導体装置の冷却構造に関する。

近年、環境問題を背景に、ハイブリッド自動車（ＨｙｂｒｉｄＶｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）、および直流電源に燃料電池（ＦｕｅｌＣｅｌｌ）を搭載した燃料電池車が大きく注目されている。これらの車両システムにおいては、車両の駆動力を発生する駆動モータとして交流モータが多用され、直流電源と交流モータとの間で電力変換を行なうインバータ装置が一般に搭載される。

このような車両システムにおいては、高い動力性能を得るために大電力が必要とされ、搭載されるインバータ装置の発熱量も大きい。インバータ装置が過熱すると、効率の低下や半導体素子の破損を招くため、効率性や信頼性が特に要求される上記のような車両システムにおいては、インバータ装置の冷却性向上は重要な課題である。

特開２００２−２６２１５号公報（特許文献１）は、冷却性に優れた半導体装置を開示する。この半導体装置は、両端が一対のヘッダに連結される複数の扁平冷却チューブ（冷却体）と、複数の扁平冷却チューブの間に配設される半導体モジュールとを備える。半導体モジュールおよびそれを両側から挟み込む扁平冷却チューブは、Ｕ字状板ばね部材によって積層方向に狭圧される。そして、扁平冷却チューブが接続されるヘッダの扁平冷却チューブとの接合部は、半導体モジュールの厚さ方向に変形容易とされる。

この半導体装置によれば、扁平冷却チューブと半導体モジュールとの密着性を確保することができ、冷却効果の高い半導体装置が実現される（特許文献１参照）。
特開２００２−２６２１５号公報特開２００４−２９７０３３号公報特開２００１−３０８２４５号公報特開平１０−９８１４０号公報

しかしながら、特開２００２−２６２１５号公報に開示される半導体装置は、積層された半導体モジュールおよび冷却体（以下「積層体」とも称する。）を積層方向の両側からばね部材により狭圧して組付ける構成からなるので、半導体モジュールおよび冷却体の設計公差が累積され、積層方向において半導体モジュールの位置にばらつきが発生し得る。特に、複数の半導体モジュールと複数の冷却体とを交互に積層するスタック構成の半導体装置においては、半導体モジュールの位置に大きなばらつきが発生し得る。

一方、半導体モジュールは、一般に積層方向に沿って積層体に併設される制御基板と信号線を介して接続されるところ、積層体の積層方向両側から狭圧する従来の半導体装置においては、各半導体モジュールの位置が積層方向にばらつくことにより半導体モジュールから延線される信号線と制御基板との間に位置ずれが発生し、組付性が悪化するという問題が発生している。

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、半導体モジュールと冷却体との密着性が確保され、かつ、組付が容易な半導体装置を提供することである。

この発明によれば、半導体装置は、信号線を介して制御基板と接続される半導体モジュールと、制御基板に対して半導体モジュールを固定する固定手段と、膨張可能であって、その膨張性を用いて半導体モジュールの冷却面に密接するように形成された中空の冷却体とを備える。

この発明による半導体装置においては、冷却体の膨張性を利用して半導体モジュールと冷却体との密着性が確保される。そして、半導体モジュールは、固定手段によって制御基板に対して固定されるので、信号線と制御基板との間で位置ずれが発生することはない。

したがって、この発明による半導体装置によれば、冷却効果に優れ、かつ、組付性に優れた半導体装置を実現できる。

好ましくは、半導体モジュールは、厚み方向に互いに対向する両面を冷却面とする両面冷却構造を有する。

この半導体装置においては、半導体モジュールは、冷却体によって両面から冷却される。したがって、この半導体装置によれば、半導体モジュールを効率的に冷却できる。

好ましくは、固定手段は、半導体モジュールおよび冷却体を格納する筐体であり、半導体モジュールおよび制御基板は、筐体に固設される。

この半導体装置においては、半導体モジュールおよび制御基板は、筐体に固設されるので、半導体モジュールと制御基板との間で位置ずれは発生しない。したがって、この半導体装置によれば、簡易な構成で組付性を向上できる。

好ましくは、冷却体は、中空に通流される冷媒による内圧によって膨張し、半導体モジュールの冷却面に密接される。

この半導体装置においては、中空の冷却体に冷媒が通流されると、その冷媒による圧力により冷却体が膨張し、半導体モジュールと冷却体との密着性が確保される。したがって、この半導体装置によれば、冷却体を膨張させるための付勢手段を別途設けることなく、半導体モジュールと冷却体との密着性を確保できる。

さらに好ましくは、半導体装置は、冷却体が半導体モジュールの冷却面との非接触部において膨張するのを抑制する抑制手段をさらに備える。

この半導体装置においては、冷却体と半導体モジュールの冷却面との非接触部において冷却体が不必要に膨張することが防止される。したがって、この半導体装置によれば、冷却体の破損を防止できる。

好ましくは、半導体装置は、冷却体が膨張して半導体モジュールの冷却面に密着している状態で半導体モジュールおよび冷却体を固定封止するモールド部材をさらに備える。

この半導体装置においては、当該半導体装置の製造時に冷却体内に空気を注入するなどして冷却体を膨張させ、冷却体を半導体モジュールの冷却面に密着させた状態でモールド部材により半導体モジュールおよび冷却体を固定封止する。したがって、この半導体装置によれば、製造過程において半導体モジュールと冷却体との密着性が確保され、冷却体を膨張させるための付勢手段を別途設けることなく、半導体モジュールと冷却体との密着性を確保できる。

好ましくは、冷却体は、半導体モジュールから熱を受けると膨張する形状記憶部材からなる。

この半導体装置においては、半導体モジュールが発熱すると、その半導体モジュールからの熱により形状記憶部材が膨張し、半導体モジュールと冷却体との密着性が確保される。したがって、この半導体装置によれば、冷却体を膨張させるための付勢手段を別途設けることなく、半導体モジュールと冷却体との密着性を確保できる。

この発明によれば、半導体モジュールを制御基板に対して相対的に固定されるように配設し、中空の冷却体の膨張性を利用して半導体モジュールと冷却体との密着性を確保するようにしたので、冷却効果に優れ、かつ、組付性に優れた半導体装置を実現することができる。

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。

［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を搭載した電動車両の全体ブロック図である。図１を参照して、この電動車両１００は、バッテリＢと、コンデンサＣと、インバータ装置１０と、モータジェネレータＭＧと、制御装置２０と、電源ラインＰＬと、接地ラインＳＬとを含む。

バッテリＢの正極は、電源ラインＰＬに接続され、バッテリＢの負極は、接地ラインＳＬに接続される。コンデンサＣは、電源ラインＰＬと接地ラインＳＬとの間にバッテリＢに並列に接続される。

インバータ装置１０は、Ｕ相アーム１２、Ｖ相アーム１４およびＷ相アーム１６を含む。Ｕ相アーム１２、Ｖ相アーム１４およびＷ相アーム１６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１２は、直列に接続されたパワートランジスタＱ１，Ｑ２からなり、Ｖ相アーム１４は、直列に接続されたパワートランジスタＱ３，Ｑ４からなり、Ｗ相アーム１６は、直列に接続されたパワートランジスタＱ５，Ｑ６からなる。各パワートランジスタ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る。そして、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相アーム１２，１４，１６における各パワートランジスタの接続点は、モータジェネレータＭＧのＵ，Ｖ，Ｗ各相コイルの中性点と反対側のコイル端にそれぞれ接続される。

モータジェネレータＭＧは、この電動車両１００の駆動輪（図示せず）と連結され、駆動輪を駆動する電動機としてこの電動車両１００に組込まれる。また、電動車両１００の回生制動時、モータジェネレータＭＧは、駆動輪からの回転力を用いて回生発電も行なう。なお、モータジェネレータＭＧは、エンジン（図示せず）と連結されてエンジン始動を行ない得る電動機として動作し、かつ、エンジンによって駆動される発電機として動作するものとして、電動車両としてのハイブリッド自動車に組込まれてもよい。

バッテリＢは、直流電源であって、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池や、燃料電池からなる。バッテリＢは、直流電圧を発生して電源ラインＰＬへ供給する。コンデンサＣは、電源ラインＰＬと接地ラインＳＬとの間の電圧変動を平滑化する。

インバータ装置１０は、制御装置２０からの信号ＰＷＭに基づいて、電源ラインＰＬから供給される直流電圧を３相交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧを駆動する。これにより、モータジェネレータＭＧは、車両の駆動トルクを発生する。

制御装置２０は、電源ラインＰＬと接地ラインＳＬとの間の電圧、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を駆動するための信号ＰＷＭを生成し、その生成した信号ＰＷＭをインバータ装置１０へ出力する。なお、電源ラインＰＬと接地ラインＳＬとの間の電圧およびモータジェネレータＭＧのモータ電流は、それぞれ図示されない電圧センサおよび電流センサによって検出される。また、モータジェネレータＭＧのトルク指令値は、図示されない外部ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）によって車両の運転状態に基づいて算出される。

図２，図３は、図１に示したインバータ装置１０の構造を説明するための図である。図２は、図１に示したインバータ装置１０の平面図であり、図３は、図２に示したインバータ装置１０の断面ＩＩＩ−ＩＩＩの断面図である。なお、図２では、紙面手前方向に制御基板およびケースの上蓋が配設されているが、説明の関係上、それらについては示されていない。制御基板およびケースの上蓋については、図３に示される。

図２，図３を参照して、インバータ装置１０は、半導体モジュール３２〜４２と、冷却水路４４，４６と、冷却用膨張シート４８〜５４と、制御基板６０と、支持部材６２と、信号線６４〜６８と、インバータケース５６とを含む。

半導体モジュール３２〜４２は、図１に示したＵ，Ｖ，Ｗ各相アームの上下各アームにそれぞれ対応する。半導体モジュール３２〜４２は、２列になって冷却用膨張シート４８〜５４と交互に図のＸ軸方向に積層され、Ｚ軸方向の下面においてインバータケース５６に固設される。

冷却用膨張シート４８〜５４は、積層された半導体モジュール３２〜４２間およびＸ軸方向端部の半導体モジュールとインバータケース５６との間に配設され、Ｙ軸方向の端部において冷却水路４４，４６と接続される。そして、各冷却用膨張シート４８〜５４は、冷却水路４４から冷却水の供給を受け、その受けた冷却水を冷却水路４６へ排出する。

各冷却用膨張シート４８〜５４は、内部に冷却水が通流すると水圧により膨張する中空かつ変形可能な部材であって、かつ、伝熱性および耐熱性に優れた高強度の部材からなる。たとえば、各冷却用膨張シート４８〜５４は、シート状のアルミやポリエチレンなどを素材とし、それをパック状に加工して形成される。

制御基板６０は、図１に示した制御装置２０に対応する。制御基板６０は、半導体モジュール３２〜４２のＺ軸方向上部において、半導体モジュール３２〜４２の積層方向に略平行に配設され、支持部材６２によってインバータケース５６に固設される。

信号線６４，６６，６８は、半導体モジュール３２〜４２の積層方向（Ｘ軸方向）と異なる方向（Ｚ軸方向）にそれぞれ半導体モジュール３４，３８，４２から延線され、制御装置６０に接続される。すなわち、信号線６４，６６，６８は、半導体モジュール３２〜４２の冷却面の法線方向と異なる方向に延線される。なお、特に図示しないが、半導体モジュール３２，３６，４０からＺ軸方向に延線され、かつ、制御装置６０に接続される信号線も設けられる。

支持部材６２は、制御基板６０をインバータケース５６に固定するための部材である。インバータケース５６は、強固かつ放熱性に優れた金属性のハードケースであり、たとえばアルミからなる。

この図２においては、冷却水路４４，４６および冷却用膨張シート４８〜５４に冷却水が通流されていないときの様子が示されている。すなわち、冷却水が通流されていないので、各冷却用膨張シート４８〜５４に内圧は発生しておらず、各冷却用膨張シート４８〜５４は、萎んだ状態となっている。

図４は、図２に示した冷却用膨張シート４８〜５４が膨張した状態を示す図である。図４を参照して、冷却水路４４，４６および冷却用膨張シート４８〜５４に冷却水が通流されると、冷却水の水圧によって各冷却用膨張シート４８〜５４が膨張する。そうすると、各冷却用膨張シート４８〜５４は、隣接する半導体モジュールまたはインバータケース５６と密着する。

このように、このインバータ装置１０においては、冷却用膨張シート４８〜５４の膨張性を用いて半導体モジュール３２〜４２と冷却用膨張シート４８〜５４との密着性が確保される。すなわち、このインバータ装置１０においては、組付性向上のために半導体モジュール３２〜４２の各々はインバータケース５６に固設され、各半導体モジュール３２〜４２は制御基板６０に対して相対的に固定される。しかしながら、各半導体モジュール３２〜４２をインバータケース５６に固設すると、半導体モジュールと冷却体との密着性を確保するために半導体モジュール３２〜４２の積層方向両側からばね部材等によって狭圧しても、その狭圧力を半導体モジュールと冷却体との密着性向上に利用できない。そこで、膨張可能な冷却用膨張シート４８〜５４を冷却体として用い、冷却用膨張シート４８〜５４の膨張性を利用して半導体モジュール３２〜４２と冷却用膨張シート４８〜５４との密着性を確保するようにしたものである。

また、このインバータ装置１０においては、冷却水の水圧を用いて冷却用膨張シートを半導体モジュールに押付けるので、半導体モジュール３２〜４２と冷却用膨張シート４８〜５４との接触面における押付力が略均等となる。したがって、半導体モジュール３２〜４２が均等に冷却される。

さらに、このインバータ装置１０においては、インバータ装置１０の使用時に冷却水の水圧により冷却用膨張シート４８〜５４が膨張して半導体モジュール３２〜４２との密着性が確保されるので、インバータ装置の製造時に半導体モジュールと冷却体との間に一旦混入した空気を製造後に抜くことができないという従来の半導体装置に発生していた問題も防止できる。ここで、半導体モジュールと冷却体との間に混入した空気は、半導体モジュールと冷却体との間の伝熱性を低下させ、半導体モジュールの冷却性の低下を招くものである。

以上のように、この実施の形態１によれば、半導体モジュール３２〜４２の各々をインバータケース５６に固設して制御基板６０に対して相対的に固定したので、インバータ装置１０の組付性が向上する。そして、半導体モジュール３２〜４２と冷却体との密着性については、冷却体に冷却用膨張シート４８〜５４を用い、冷却用膨張シート４８〜５４の膨張性を利用して密着性を確保するようにしたので、インバータ装置１０の冷却性を確保することができる。

［実施の形態２］
図５は、この発明の実施の形態２におけるインバータ装置の平面図である。なお、この図５は、図２に対応するものであり、この図５においても、説明の関係上、紙面手前方向に配設されている制御基板およびケースの上蓋については図示していない。

図５を参照して、このインバータ装置１０Ａは、図２に示した実施の形態１におけるインバータ装置１０の構成において、ガイド７０をさらに備える。ガイド７０は、半導体モジュール３２〜４２の冷却面に沿って配設され、冷却用膨張シート４８〜５４が半導体モジュール３２〜４２との接触面以外の部分において不必要に膨張するのを防止する。

すなわち、冷却用膨張シート４８〜５４が半導体モジュール３２〜４２との非接触面において不必要に膨張すると、冷却用膨張シート４８〜５４の変形量が大きくなり、冷却用膨張シート４８〜５４が破損し得る。そこで、ガイド７０を設けてこのような事態を防止するようにしたものである。

以上のように、この実施の形態２によれば、冷却用膨張シート４８〜５４の破損を防止することができる。

［実施の形態３］
実施の形態１，２では、半導体装置の使用時に流される冷却水の水圧を用いて冷却用膨張シート４８〜５４を膨張させ、半導体モジュール３２〜４２と冷却用膨張シート４８〜５４との密着性を確保したが、この実施の形態３では、半導体装置の製造時に冷却用膨張シート４８〜５４を膨張させて半導体モジュール３２〜４２と冷却用膨張シート４８〜５４との密着性を確保する。

図６，図７は、この発明の実施の形態３におけるインバータ装置の製造工程を示すインバータ装置の平面図である。なお、この図６，図７も、図２に対応するものであり、図６，図７においても、説明の関係上、紙面手前方向に配設されている制御基板およびケースの上蓋については図示していない。

図６を参照して、このインバータ装置１０Ｂにおいては、インバータケース５６内に冷却水路４４，４６、半導体モジュール３２〜４２および冷却用膨張シート４８〜５４を組込んだ後、冷却水路４４からエアを供給して冷却用膨張シート４８〜５４を膨張させる。

図７を参照して、冷却用膨張シート４８〜５４を膨張させた状態でインバータケース５６内にモールド樹脂８０を注入し、その注入したモールド樹脂８０を硬化させる。これにより、冷却用膨張シート４８〜５４が膨張した状態で、半導体モジュール３２〜４２および冷却用膨張シート４８〜５４がインバータケース５６内に固定封止される。

以上のように、この実施の形態３によれば、インバータ装置１０Ｂの製造時に冷却用膨張シート４８〜５４の膨張性を利用して半導体モジュール３２〜４２と冷却用膨張シート４８〜５４との密着性を作り込むようにしたので、冷却用膨張シート４８〜５４を十分膨張させるのに必要な冷却水の水圧を確保できない場合であっても、半導体モジュール３２〜４２と冷却用膨張シート４８〜５４との密着性が常時確保され、インバータ装置１０の冷却性を確保することができる。

なお、特に図示しないが、受熱すると膨張する形状記憶部材によって冷却用膨張シート４８〜５４を形成してもよい。すなわち、インバータ装置の組付時においては、冷却用膨張シート４８〜５４を冷却し萎んだ状態にして組付け、インバータ装置の通電時に半導体モジュール３２〜４２が発生する熱を用いて冷却用膨張シート４８〜５４を膨張させる。これによっても、冷却用膨張シート４８〜５４を十分膨張させるのに必要な冷却水の水圧を確保できない場合において、半導体モジュール３２〜４２と冷却用膨張シート４８〜５４との密着性を確保することができる。

なお、上記において、インバータケース５６は、この発明における「固定手段」および「筐体」に対応し、冷却用膨張シート４８〜５４は、この発明における「冷却体」に対応する。また、ガイド７０は、この発明における「抑制手段」に対応し、モールド樹脂８０は、この発明における「モールド部材」に対応する。

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。

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を搭載した電動車両の全体ブロック図である。図１に示すインバータ装置の平面図である。図２に示すインバータ装置の断面ＩＩＩ−ＩＩＩの断面図である。図２に示す冷却用膨張シートが膨張した状態を示す図である。この発明の実施の形態２におけるインバータ装置の平面図である。この発明の実施の形態３におけるインバータ装置の第１の製造工程を示すインバータ装置の平面図である。この発明の実施の形態３におけるインバータ装置の第２の製造工程を示すインバータ装置の平面図である。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂインバータ装置、１２Ｕ相アーム、１４Ｖ相アーム、１６Ｗ相アーム、２０制御装置、３２〜４２半導体モジュール、４４，４６冷却水路、４８〜５４冷却用膨張シート、５６インバータケース、６０制御基板、６２支持部材、６４〜６８信号線、７０ガイド、８０モールド樹脂、１００電動車両、Ｂバッテリ、Ｃコンデンサ、ＰＬ電源ライン、ＳＬ接地ライン、Ｑ１〜Ｑ６パワートランジスタ、Ｄ１〜Ｄ６ダイオード、ＭＧモータジェネレータ。

Claims

信号線を介して制御基板と接続される半導体モジュールと、
前記制御基板に対して前記半導体モジュールを固定する固定手段と、
膨張可能であって、その膨張性を用いて前記半導体モジュールの冷却面に密接するように形成された中空の冷却体とを備える半導体装置。
前記半導体モジュールは、厚み方向に互いに対向する両面を前記冷却面とする両面冷却構造を有する、請求項１に記載の半導体装置。
前記固定手段は、前記半導体モジュールおよび前記冷却体を格納する筐体であり、
前記半導体モジュールおよび前記制御基板は、前記筐体に固設される、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
前記冷却体は、前記中空に通流される冷媒による内圧によって膨張し、前記半導体モジュールの冷却面に密接される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記冷却体が前記半導体モジュールの冷却面との非接触部において膨張するのを抑制する抑制手段をさらに備える、請求項４に記載の半導体装置。
前記冷却体が膨張して前記半導体モジュールの冷却面に密着している状態で前記半導体モジュールおよび前記冷却体を固定封止するモールド部材をさらに備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記冷却体は、前記半導体モジュールから熱を受けると膨張する形状記憶部材からなる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。