JP2007012721A - パワー半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 内部での不均一な熱分布や温度勾配を低減でき、半導体素子間の配線によるインダクタンス成分を低減することができ、パワー半導体素子の発熱条件に応じて効率よく冷却することができ、パワー半導体モジュールを提供する。
【解決手段】 冷却用基体２３と、この基体２３の表裏の面の各々に実装される少なくとも２つのパワー半導体素子１５，２８とから構成されるパワー半導体モジュール１０であって、パワー半導体素子１５，２８はＩＧＢＴ１５とダイオード２８を含み、ＩＧＢＴ１５は基体２３の表裏の面の一方または他方に実装され、ダイオード２８は基体２３の表裏の面の一方または他方であって、基体２３を間に介してＩＧＢＴ１５の実装位置に一致する位置に実装される。
【選択図】 図９

Description

本発明はパワー半導体モジュールに関し、特に、冷却能力が高く車載用に好適なパワー半導体モジュールに関するものである。

図１３を参照して従来のパワー半導体モジュールの実装構造の代表例を説明する。この実装構造では、図１３中上下の両面に金属箔１０１，１０２を取り付けた絶縁基板１００の上面にＩＧＢＴやダイオードなどのパワー半導体素子１０３，１０４を半田１０５，１０６により半田付けし、その下面に銅板からなるヒートスプレッダ１０７を半田１０８により半田付けする。ヒートスプレッダ１０７は、さらにサーマルグリス１０９を介してヒートシンク１１０にビス止めされる。このような実装構造のパワー半導体モジュールでは、ヒートシンク１１０とパワー半導体素子１０３，１０４とが電気的に絶縁され、パワー半導体素子１０３，１０４での発熱はヒートシンク１１０の側に伝えられる。パワー半導体モジュールが電気的に動作すると、ヒートシンク１１０によってパワー半導体素子１０３，１０４の放熱が行われる。

上記のパワー半導体モジュールの構造において、ヒートスプレッダ１０７は、パワー半導体素子１０３，１０４からの発熱を均一に拡散させ、均一な熱伝導を促進する作用がある。ヒートシンク１１０は、通常、平板形状部分の本体部分から空冷用フィン１１１が突出している。フィン１１１のあるヒートシンク１１０の本体部分は、熱抵抗が低く、すばやく熱引きが起こる。一方、フィン１１１のないヒートシンク１１０の本体部分は、熱が逃げにくいために温度が高くなる。上記のようなヒートシンク１１０に対して、ヒートスプレッダ１０７を用いないで直接に絶縁基板１００を設置すると、ヒートシンク１１０の本体部分に温度差が生じ、絶縁基板１００やパワー半導体素子１０３，１０４が歪んだり、破壊する可能性がある。

また、上記のような絶縁基板１００の片面にパワー半導体素子１０３，１０４を配置する実装構造では、例えば、それぞれコレクタ・エミッタ間に転流ダイオードが付設された４つのＩＧＢＴをスイッチ素子として用いてブリッジ形インバータのごときパワー半導体モジュールを形成する場合、そのパワー半導体モジュール内で各半導体素子を接続する配線が必要である。そのようなパワー半導体モジュールを用いて電流をオン・オフするとき、パワー半導体モジュール内の配線が持つインダクタンス成分を無視することができなくなってくる。上記インバータに対して平滑用コンデンサが接続されている場合には、上記インダクタンス成分が大きくなると、平滑用コンデンサの容量を大きくする必要がある。小さな容量の平滑用コンデンサを利用することができるようにするためには、パワー半導体モジュール内での配線の長さを短くし、配線によるインダクタンス成分を低減することが望まれる。

パワー半導体モジュール内の配線に起因するインダクタンス成分を低減した大電力用半導体装置が特許文献１に開示されている。この大電力用半導体装置は、少なくとも３つ以上の互いに相重なった電力端子を有し、電力端子のうち所定の２つの電力端子間に少なくとも一つの半導体チップが挟まれる形で電気的に接続されている。また、相重なった電力端子のうち一方の端にある電力端子と他方の端にある電力端子とが同一方向に引き出されている。これにより、半導体チップと電力端子との接続が短距離かつ面で接続されるため、配線によるインダクタンス成分が低減される。また、電力端子を放熱板として機能させている。

一方、パワー半導体モジュールは、大電力で用いられるため、パワー半導体素子に流れる電流により発生するジュール熱により内部で発熱する。そのような内部発熱によりパワー半導体モジュール内の温度が高くなり、種々の材質を接合して形成している部材は、それらの熱膨張係数の違いにより、各部材に応力が発生し、変形することがある。また、パワー半導体素子自体が熱により機能しなくなる。そのため、パワー半導体モジュールでは、高い放熱能力と均等な熱分布を持つ構造が必要不可欠となる。このため、パワー半導体モジュールは、一般的に、パワー半導体素子の寸法よりはるかに大きい寸法となり、重量も重くなるという傾向がある。

上記のような問題に対応するため、特許文献２では、パワー半導体モジュールの小型化、冷却性能の向上を図った装置が開示されている。特許文献２で開示されるパワーモジュールは、ヒートシンクと、ヒートシンク上に直に配置された第１の電力用半導体素子と、ヒートシンク上に直に配置されたキャパシタとを備え、ヒートシンクは冷媒の流路を有している。これにより、ヒートシンクの流路に冷媒を流し、ヒートシンクの冷却能力を向上させている。

ここで特に電気自動車の走行用三相交流モータの駆動用のインバータの場合を考える。このインバータは、それぞれコレクタ・エミッタ間に転流ダイオードが付設された６つのＩＧＢＴをスイッチ素子として用いてブリッジ形回路を形成するように結線して成るパワー半導体モジュールである。このインバータは、各相ごとに直流電流をオン・オフしてパルス状の交流電流に変換して走行用モータに供給する。

上記の電気自動車の走行用モータのインバータによる駆動制御において、当該モータは、発進時には大きなトルクを発生させ、回転数は低く、その誘起電圧は低くなる。何故なら当該誘起電圧はモータの回転数に比例するからである。そのため、インバータすなわちパワー半導体モジュールから出力される電圧も低い状態に設定される。すなわち、インバータに含まれるスイッチ素子として機能するＩＧＢＴにおいてオン状態の時間が短く、オフ状態の時間が長く設定されている。換言すれば、電気自動車の発進時には、走行モータ駆動用の三相交流用インバータでＩＧＢＴがオン時間が短くなっている。ＩＧＢＴがオフ動作するときにはＩＧＢＴには電流が流れない。

上記ＩＧＢＴがオフ状態になるとき、走行用モータは本来的にはトルクモータとして機能すべきところ、或る程度電圧が高くなって回転状態を維持しているので、発電機として機能することになる。そのため、モータからインバータのＩＧＢＴに向かって電流が流れることになる。この場合に、電流は、ＩＧＢＴはオフしているので、転流ダイオード側に流れる。この結果、電気自動車の発進時には、インバータのＩＧＢＴがオフ状態になる時間が長く、その転流ダイオードに電流が流れる割合が高くなり、転流ダイオードがそのジュール熱により発熱する。他方、そのときＩＧＢＴに流れる電流は少なく、発熱量はそれほど大きくならない。

また、電気自動車の走行速度が低速域から高速域になるとき、ＩＧＢＴのオン時間が長くなるので、ＩＧＢＴ側に流れる電流は徐々に増加する。その結果、インバータにおけるパワー半導素子の発熱状態としては発進時での発熱状態とは逆になる。つまり、ＩＧＢＴの方がそのジュール熱により発熱し、転流ダイオードの方は、流れる電流が少なくなって発熱量はそれほど大きくならない。

以上のごとく、電気自動車の走行用三相交流モータの駆動用のインバータを形成するパワー半導体モジュールでは、パワー半導体モジュール内で電気自動車の走行速度に応じて不均一な熱分布や温度勾配が発生し、パワー半導体素子や接合部材に歪みが生じるおそれがある。

特許文献３では、２つのＩＧＢＴ間の熱干渉を減少させる構造として、端子部材を間に介して、ＩＧＢＴの反対側にはダイオードを配置するような構造を開示している。
特開２００２−２６２５１号公報 特開２００１−３３２６７９号公報 特開２００４−４７８５０号公報

特許文献１に記載される従来のパワー半導体モジュールでは、インダクタンス成分を低減することはできるが、電力端子を放熱板として用いているため、冷却能力に劣るという問題を有する。特許文献２に記載されたパワーモジュールでは、ヒートシンクの片側に半導体素子を配置しているため、配線が長くなり、冷却能力は高いが、インダクタンスが大きくなるという問題を有する。特許文献３に記載されたパワー半導体装置では、温度勾配は低減できるが、端子部材で半導体素子を挟み込んでいるため、冷却能力に劣るという問題を有している。

本発明の目的は、上記の課題を鑑み、複数のパワー半導体素子で構成されるブリッジ形回路のパワー半導体モジュールで、パワー半導体素子が実装される冷却用基体の両面を利用しかつパワー半導体素子の種類に応じてその実装位置を適切に定めることにより、電気自動車の車速に応じた内部での不均一な熱分布や温度勾配を低減でき、半導体素子間の配線によるインダクタンス成分を低減することができ、パワー半導体素子の発熱条件に応じて効率よく冷却することができ、高い放熱能力を有することができ、さらに小型に製作することができるパワー半導体モジュールを提供することにある。

本発明に係るパワー半導体モジュールは、上記の目的を達成するために、次のように構成される。

第１のパワー半導体モジュール（請求項１に対応）は、冷却用基体と、この基体の表裏の面の各々に実装される少なくとも２つのパワー半導体素子とから構成されるパワー半導体モジュールであって、パワー半導体素子は、スイッチング機能を備えるスイッチング半導体素子と、ダイオードとを含み、スイッチング半導体素子は基体の表裏の面の一方または他方に実装され、ダイオードは基体の表裏の面の一方または他方であって、基体を間に介してスイッチング半導体素子の実装位置に一致する位置に実装される、ことで特徴づけられる。

上記の構成では、電気自動車の走行用モータに対して給電を行うインバータ等を構成するスイッチング半導体素子やダイオードのパワー半導体素子を、冷却用基体を挟んでその表裏の両面に実装する。特に、一方の面のスイッチング半導体素子の実装位置と他方の面のダイオードの実装位置が表裏関係で一致させるため、電気自動車の車速に応じて発熱時期が異なるスイッチング半導体素子とダイオードの発熱が冷却用基体上で時間的に分離され、基体における不均一な熱分布や温度勾配を低減することが可能となる。具体的には、基体の表面の或る位置にスイッチング半導体素子を実装しかつその裏面の同じ位置に転流ダイオードを実装することにより、実質的に同時に発熱することがないスイッチング半導体素子と転流ダイオードのそれぞれを効率よく冷却することが可能となる。これにより、冷却用基体において、同時に発熱する可能性のある複数のスイッチング半導体素子、または複数の転流ダイオードを基体の表裏の位置で局在させることを避けることが可能となる。上記のスイッチング半導体素子は、トランジスタであり、例えば、バイポーラトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、ＭＯＳＦＥＴ、接合型ＦＥＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）等である。

また冷却用基体の両面を利用してパワー半導体素子を実装するようにすることにより、投影面積または実装面積が小さいパワー半導体モジュール構造にすることができ、コンパクトな立体構造をとることができる。さらに基体の表裏の両面から接触受熱を行うことで冷却用基体の伝熱面を小容積で得られるため、冷却用基体の容積は小さくできる。上記のことから車載しても設置スペースが減少する。さらに基体における熱応力による変形はバランスされ、パワー半導体モジュール内部の変形（歪み）を抑えることができる。

第２のパワー半導体モジュール（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは少なくとも４つのスイッチング半導体素子と少なくとも４つのダイオードはインバータ回路を形成し、基体の表裏の面のうち、その一方の面にインバータ回路の高電位側のスイッチング半導体素子とダイオードを実装し、その他方の面にインバータ回路の低電位側のスイッチング半導体素子とダイオードを実装し、基体の表裏の面の間でスイッチング半導体素子の実装位置とダイオードの実装位置を一致させる、ことで特徴づけられる。

上記の構成では、基体の表裏面の一方の面にインバータを形成するブリッジ形回路の高電圧側回路部分を実装しかつ他方の面に低電圧側回路部分を実装し、基体の表裏面のスイッチング半導体素子とダイオードを接続したため、素子間の配線を短くでき、インダクタンス成分を低減することが可能となる。

第３のパワー半導体モジュール（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくはダイオードはスイッチング半導体素子に付加される転流ダイオードであることで特徴づけられる。

第４のパワー半導体モジュール（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは基体の表裏の面の一方に実装された高電位側のスイッチング半導体素子とダイオードに基づく電気回路で流れる電流の向きと、基体の表裏の面の他方に実装された低電位側のスイッチング半導体素子とダイオードに基づく電気回路で流れる電流の向きとが反対になるように配線経路が形成されることで特徴づけられる。

上記の構成では、基体の表裏面の一方の面にインバータを形成するブリッジ形回路の高電圧側回路部分を実装しかつ他方の面に低電圧側回路部分を実装し、基体の表裏で電流の流れる方向が反対になるように素子配置および配線を行ったため、配線を流れる電流で生じる磁気を互いに打ち消し合い、相殺する。

第５のパワー半導体モジュール（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは冷却用基体は冷却液が流通するマイクロチャンネルを有するヒートシンクであることで特徴づけられる。この構成では、冷却用基体として強制冷却機構を備えたヒートシンクが使用される。

第６のパワー半導体モジュール（請求項６に対応）は、上記の構成において、好ましくはヒートシンクは、基体の表裏の面のそれぞれに対応して個別にマイクロチャンネルを有することで特徴づけられる。

第７のパワー半導体モジュール（請求項７に対応）は、上記の構成において、好ましくはスイッチング半導体素子とダイオードはマイクロチャンネルにおける冷却液の流通方向に沿って並べて配置することで特徴づけられる。この構成では、パワー半導体素子を、常に使用する前の冷却液で冷却出きるため、パワー半導体素子を効率よく冷却することが可能となる。

第８のパワー半導体モジュール（請求項８に対応）は、上記の構成において、好ましくは冷却用基体は、電気絶縁性を有する基板であることで特徴づけられる。この構成では、冷却用基体として自然冷却作用を有する基板が使用される。

第９のパワー半導体モジュール（請求項９に対応）は、上記の第８の構成において、好ましくはスイッチング半導体素子はＳｉＣ半導体で形成されることで特徴づけられる。ＳｉＣ半導体は耐熱特性の高い半導体素子であるので、強制冷却機構を備えない基板に最適である。

第１０のパワー半導体モジュール（請求項１０に対応）は、上記の構成において、好ましくはパワー半導体素子からの入出力端子は表裏の面の一方または他方のいずれか片面側に集約したことで特徴づけられる。この構成では、外部との配線が容易になる。

第１１のパワー半導体モジュール（請求項１１に対応）は、上記の構成において、好ましくは 基体の表裏の面の間で実装位置が一致するスイッチング半導体素子とダイオードを配線で接続するようにしたことで特徴づけられる。

本発明によれば、次の効果を奏する。
第１に、インバータ等を構成するスイッチング半導体素子（ＩＧＢＴ等）やダイオードのパワー半導体素子を冷却用基体を挟んでその表裏の両面に実装し、一方の面のスイッチング半導体素子の実装位置と他方の面のダイオードの実装位置が表裏関係で一致させたため、電気自動車の車速に応じて発熱時期が異なるスイッチング半導体素子とダイオードの発熱を冷却用基体上で時間的に分離し、基体における不均一な熱分布や温度勾配を低減することができる。
第２に、パワー半導体素子は、冷却用基体を挟んでその両面に実装されるため、投影面積が小さいパワー半導体モジュール構造にすることができる。
第３に、ヒートシンクまたは絶縁基板に両面実装を行うので立体構造をとることができ、さらに両面から接触受熱を行うことでヒートシンクの伝熱面を小容積で得ることができ、ヒートシンク等の容積は小さくできる。これにより、車載しても設置スペースを減少させることができる。
第４に、液冷式の薄型のマイクロチャンネル型ヒートシンクを使用し、高電圧側回路と低電圧側回路を冷却用基体を間に介して配置しかつ電流の流れる向きを反対にすることで磁気的な相殺が生じ、さらに表裏の面に実装されたパワー半導体素子を接続することで素子間の配線を短くでき、インダクタンス成分を低減することができる。なおインダクタンス成分の低減化は、パワー半導体素子の発熱量が低減されてヒートシンクが不要の場合であっても、パワー半導体素子の配置関係に対して適用することができる。
第５に、ノイズ特性も良好となり、サージ電圧等の問題も発生しなくなる。
第６に、発熱体であるパワー半導体素子が冷却用基体の表裏の両面に実装されているため、熱応力による変形はバランスされ、パワー半導体モジュール内部の変形（歪み）を抑えることができる。
第７に、従来のパワー半導体モジュールの実装構造からヒートスプレッダやサーマルグリスを除いた部品で構成することができるため、冷却器込みのパワー半導体モジュールとして低コスト化、小容量化、軽量化ができる。
第８に、ヒートシンク等の冷却用基体に到るまでの部品の点数を削減できるので、内部熱抵抗を減少し、放熱性を向上することができる。
第９に、樹脂モールド化したケースにすることで接続端子の取出し面を片側に集約できるため、組立性を向上し、組立時間を短縮することができる。また接続端子位置が片側なので容易に接続を行うことができ、パワー半導体モジュールに対する配線によるアクセススペースを削減することができる。
以上の各効果については、単相用電気回路または三相用電気回路に用いられるパワー半導体モジュールのそれぞれに対して発揮される。

以下、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図１０を参照して本発明に係るパワー半導体モジュールの第１実施形態を説明する。最初に図１〜図４を参照してパワー半導体モジュールの外観を説明する。図１は第１実施形態によるパワー半導体モジュールの外観を示す斜視図、図２は同モジュールの平面図、図３は同モジュールの裏面図、図４は同モジュールの側面図である。また、本実施形態では、スイッチング半導体素子としてＩＧＢＴを用いて説明する。

パワー半導体モジュール１０では、パワー半導体ユニット１１がケース１２の内部に収納されている。パワー半導体モジュール１０の表面側には、図２等に示されるごとく、パワー半導体ユニット１１の他に、パワー半導体ユニット１１の表面に設けられた電極パターン１３と配線（図示しない）により接続される配線基板１４と、パワー半導体ユニット１１の表面に並べて設けられた３つのＩＧＢＴ１５の各々のゲート電極との間で配線（図示せず）により接続されるゲート配線基板１７ａおよびゲート外部接続端子１７とが設けられている。ゲート配線基板１７ａおよびゲート外部接続端子１７は、それぞれ、３つのＩＧＢＴ１５の各々に対応して３組分設けられている。

さらにパワー半導体モジュール１０の表面側には、図２に示すごとく、３つの上記ＩＧＢＴ１５の各々のコレクタ電極と配線（図示せず）により接続されるコレクタ配線基板１８と、それと一体的に形成されるコレクタ外部接続端子としてのバスバー１９が設けられる。コレクタ配線基板１８およびバスバー１９は、それぞれ、３つのＩＧＢＴ１５の各々に対応して３つ設けられている。

また、パワー半導体モジュール１０の表面側には、パワー半導体ユニット１１の裏面側に設けられた３つのＩＧＢＴ２０の各々のエミッタ電極に接続された３つのバスバー２１が、上記３つのバスバー１９の各々と接触した状態で設けられている。さらに同じく裏面側の３つのＩＧＢＴ２０の各々のゲート外部接続端子２２が設けられている。

上記のバスバー２１，２２の取付け関係については図５と図９に示されている。またパワー半導体ユニット１１の裏面側に設けられた３つのＩＧＢＴ２０の各々は図３に示されている。

パワー半導体ユニット１１は冷却用基体の一例であるヒートシンク２３を備える。ヒートシンク２３は、液冷式のマイクロチャンネル型ヒートシンクであり、内部に多数の平行なマイクロチャンネルが形成された矩形の平板形状を有している。パワー半導体ユニット１１では、ヒートシンク２３の表裏の面のそれぞれに上記ＩＧＢＴ１５，２０等から成る電気回路部分を搭載している。

詳しくは、パワー半導体ユニット１１のヒートシンク２３の表裏面では、当該ヒートシンク２３の両面に半田により接合された金属箔（図１と図２では図示せず）と、この金属箔に接合された絶縁基板２４，２５と、絶縁基板２４，２５に接合された金属箔２６，２７を備えている。さらにパワー半導体ユニット１１の表面側では、金属箔２６上に半田により接合された３つのＩＧＢＴ１５と、同じく金属箔２６上に半田により接合された３つのダイオード２８を備えている。また金属箔２６上には前述した電極パターン１３が設けられている。他方、パワー半導体ユニット１１の裏面側では、上記金属箔２７上に半田により接合された３つのＩＧＢＴ２０と、同じく金属箔２７上に半田により接合された３つのダイオード３０を備えている。また金属箔２７上には電極パターン３１が設けられている。

パワー半導体モジュール１０では、その表面側に、ヒートシンク２３の表裏面に各々に設けられたそれぞれ３つのＩＧＢＴ１５，２０とダイオード２８，３０からの入出力端子が集約されている。

また図１および図２に示された符号３２，３３は、それぞれ、ヒートシンク２３の内部の多数のマイクロチャンネルに冷却液を流すための冷却液の供給口と排出口を示している。さらに符号３４はヒートシンク２３をボルトでケース１２に取り付けるための孔を示し、符号３５はパワー半導体モジュール１０を車体に取り付けるためのボルト等を挿入する孔を示している。

パワー半導体モジュール１０の裏面側についてさらに詳述すると、図３で示されるように、３つの金属箔２７の各々には、裏面側のＩＧＢＴ２０のエミッタ電極とダイオード３０のアノード電極が接合されており、各金属箔２７には電極パターン３１が形成されている。さらにパワー半導体モジュール１０の裏面側には、３つの電極パターン３１の各々と配線（図示せず）により接続される３つの配線基板３６と、３つのＩＧＢＴ２０の各々のゲート電極と配線（図示せず）により接続される３つのゲート配線基板３７とが設けられている。またパワー半導体モジュール１０の裏面側には、３つのＩＧＢＴ２０の各々のコレクタ電極と配線（図示せず）により接続される配線基板３８が形成されている。

パワー半導体モジュール１０に設けられる上記のパワー半導体ユニット１１において、ヒートシンク２３の表裏の面でのパワー半導体素子の実装位置の関係については、表面側のダイオード２８の実装位置と裏面側のＩＧＢＴ２０の実装位置とが一致し、かつ、裏面側のダイオード３０の実装位置と表面側のＩＧＢＴ１５の実装位置とが一致するように設定されている。

図４に示されたパワー半導体モジュール１０の側面図において、初期の段階では、バスバー１９，２１はその幅方向で重なるように立設して配置されている。バスバー１９，２１のそれぞれは、その上部の位置に孔３９，４０が形成されており、さらに折曲げ部４１，４２により折り曲げ可能となっている。バスバー１９，２０の孔３９，４０は立設状態において、上下で位置をずらせて形成されている。次の段階で、バスバー１９，２１の上部を折曲げ部４１，４２で矢印Ａ１のごとく９０°で折り曲げて水平にしたとき、図５に示すように、バスバー１９，２０の孔３９，４０が略一致して重なり共通の孔となるように形成される。折り曲げられたバスバー１９，２０において、形成位置が一致した孔３９，４０は、共通の孔として、図示しない端子部とボルト・ナットを利用して接続される。なお図５は図４におけるＡ方向矢視図であり、バスバー１９とバスバー２０の位置関係だけを示し、その他の要素の図示は省略している。

次に図６を参照して上記のパワー半導体ユニット１１を説明する。図６はパワー半導体ユニット１１の縦断面図を示し、パワー半導体ユニット１１の積層構造を示している。パワー半導体ユニット１１は、ヒートシンク２３の上下の両面に、それぞれ、半田４３，４４により接合された金属箔４５，４６と、金属箔４５，４６に接合された絶縁基板２４，２５と、絶縁基板２４，２５に接合された金属箔２６，２７とを備えている。

パワー半導体ユニット１１の表面側には、金属箔２６上に半田４７により接合されたＩＧＢＴ１５と、半田４８により接合されたダイオード２８とを備えている。さらに金属箔２６上には電極パターン１３が設けられている。またパワー半導体ユニット１１の裏面側には、金属箔２７に半田４９により接合されたＩＧＢＴ２０と、半田５０により接合されたダイオード３０とを備えている。さらに金属箔２７上には電極パターン３１が設けられている。

図６に示されるごとく、パワー半導体ユニット１１では、ヒートシンク２３の表面（上面）側と裏面（下面）側で、表面側のＩＧＢＴ１５の実装位置と裏面側のダイオード３０の実装位置、表面側のダイオード２８の実装位置と裏面側のＩＧＢＴ２０の実装位置が、それぞれ、一致している。またヒートシンク２３の表裏の各面に設けられた３つのＩＧＢＴと３つのダイオードで形成される電気回路は、後述するごとく三相交流用モータのインバータを構成するブリッジ形回路である。このブリッジ形回路において、高電位側電気回路部分がヒートシンク２３の表面側に設けられ、低電位側電気回路部がヒートシンク２３の裏面側に設けられている。

次に、図７と図８を参照してヒートシンク２３について説明する。図７はヒートシンク２３のパワー半導体素子の配置状態と内部のマイクロチャンネルの形成状態を示す平面図であり、図８は図７におけるＢ−Ｂ線断面図である。

ヒートシンク２３は、本体内に水などの冷却液が流通する多数のマイクロチャンネル５１が、冷却液供給流路５２および冷却液排出流路５３と共に、形成されている。多数のマイクロチャンネル５１は、平面形状が略長方形であるヒートシンク２３の短辺に平行に形成されている。ヒートシンク２３の表面にはＩＧＢＴ１５とダイオード２８がマイクロチャネル５１の冷却液の流通方向に沿って並べて配置されている。ヒートシンク２３の裏側のＩＧＢＴ２０とダイオード３０も同様に配置されている。

図８に示すごとく、ヒートシンク２３の内部には表面側と裏面側のそれぞれに対応してマイクロチャンネル５１が形成されている。ヒートシンク２３の表裏の面のそれぞれを冷却するように上部マイクロチャンネル５１と下部マイクロチャンネル５１の２種類が個別に形成されている。なお図８において、図１〜図７で説明した要素と同一の要素には同一の符合を付している。

以上のように、パワー半導体素子（ＩＧＢＴとダイオード）は、ヒートシンク２３を挟んで両面に実装されるため、投影面積が小さいパワー半導体モジュール構造にすることができる。また、ヒートシンク２３に両面実装を行うので立体構造をとることができ、さらに、上下面から接触受熱を行うことでヒートシンク２３の伝熱面を小容積で得られるため、ヒートシンク２３の容積は小さくできる。上記のことから、車載しても設置スペースを減少させることができる。

図９は図２におけるＣ−Ｃ線断面図を示す。この図はパワー半導体モジュール１０の内部構造および配線構造を示している。また図１０は、６つのＩＧＢＴと６つの転流ダイオードを用いて構成され、三相交流モータに駆動電流を供給するインバータの電気回路図を示す。図１０に示したインバータは、パワー半導体モジュール１０によって実現される電気回路である。図１０の電気回路図と対応させながら、図９に示したパワー半導体モジュール１０での配線構造について説明する。なお図９では、ケース１２の表蓋部１２ａと裏蓋部１２ｂが図示されている。

図１０で示されるように、表面側の３つのＩＧＢＴ１５および裏面側の３つのＩＧＢＴ２０と、表面側の３つのダイオード２８および裏面側の３つのダイオード３０とは、インバータ回路６０を形成するようにブリッジ形回路で接続されている。ダイオード２８，３０はそれぞれＩＧＢＴ１５，２０に付加される転流ダイオードである。ヒートシンク２３の表面にインバータ回路６０の高電位側のＩＧＢＴ１５とダイオード２８を実装し、裏面にインバータ回路６０の低電位側のＩＧＢＴ２０とダイオード３０を実装している。ヒートシンク２３の表裏の面の間で、前述した通り、ＩＧＢＴ１５の実装位置とダイオード３０の実装位置を一致させ、ＩＧＢＴ２０の実装位置とダイオード２８の実装位置を一致させる。図１０で符号Ｍは三相交流モータを表す。このモータＭは、例えば電気自動車の走行用モータである。

高電圧側の配線Ｌ１０は電極パターン１３から高電圧側端子に接続される。配線Ｌ１１は、ＩＧＢＴ１５のコレクタ電極からバスバー１９に接続される。ＩＧＢＴ１５のゲート電極からの配線Ｌ１２はゲート端子１７に接続される。配線Ｌ１３は、ダイオード２８の電極からバスバー１９に接続されている。

他方、低電圧側の配線Ｌ１８では、配線Ｌ１４は電極パターン３１からバスバー２１に接続されている。配線Ｌ１５は、配線基板３８に接続される。配線Ｌ１６はダイオード３０から配線基板３８に接続される。ＩＧＢＴ１５のゲート電極からの配線Ｌ１７はゲート配線基板３７に接続されている。

以上の配線構造によって、冷却用基体であるヒートシンク２３の表面側に実装された高電位側のＩＧＢＴおよびダイオードに基づく電気回路で流れる電流の向き（ヒートシンク２３の表面に平行な向き）と、裏面側に実装された低電位側のＩＧＢＴおよびダイオードに基づく電気回路で流れる電流の向き（ヒートシンク２３の裏面に平行な向き）とが反対になるように、配線経路が形成される。これにより、配線によって生じるインダクタンス成分を表裏で打ち消し合って、相殺することができる。

またヒートシンク２３の両面にパワー半導体素子を配置する実装構造で６つのＩＧＢＴと６つのダイオードを用いて構成されるインバータを形成するパワー半導体モジュール１０をしたので、そのパワー半導体モジュール１０内で各パワー半導体素子を接続する配線を短くすることができる。そのため、さらに配線によるインダクタンス成分を低減することができる。

また、高電圧側電気回路と低電圧側電気回路の間で、ヒートシンク２３を間に介してＩＧＢＴの実装位置とダイオードの実装位置が一致するように配置することで、発熱時が時間的に異なる発熱体の実装位置を表裏で一致させ、ヒートシンク２３での発熱状態の発生を時間的に分離している。またヒートシンク２３の上下面のＩＧＢＴとダイオードを接続することで間の配線を短くでき、低インダクタンス化が可能となる。さらにノイズ特性も良好となり、サージ電圧等の問題も発生しなくなる。

さらに、発熱部であるパワー半導体素子がヒートシンク２３の表裏の両面に実装されているため、熱応力による変形はバランスされ、パワー半導体モジュールの内部の変形（歪み）を抑えることができる。さらに従来の構造に比して、ヒートスプレッダ、サーマルグリスを除いた部品で構成するため、冷却器込みのパワー半導体モジュールとして低コスト化、小容量化、軽量化を図ることができる。

次に、図１１を参照して本発明に係るパワー半導体モジュールの第２実施形態を説明する。第２実施形態では、ヒートシンク２３に実装されたパワー半導体素子のヒートシンク２３の面に設けた電極端子からの電気的接続をワイヤによる配線ではなく、直接に電極パターンをバスバー１９，２１またはに接続するようにしている。その他の構成は、第１実施形態で説明した構成と実質的に同一である。従って図１１では、バスバー１９，２１，６３，６４の配置位置と接続関係だけを示している。図１１に示すように、例えば、ヒートシンク２３の裏面側に設けた電極６１をバスバー２１に直接に接続し、ヒートシンク２３の表面側の電極６２をバスバー６３に直接に接続している。このように接続を行った後に樹脂モールドを行ってケース１２を形成する。なおその他の配線は第１実施形態で説明した配線と同様であるので、配線の図示を省略し、その説明を省略する。また、その他のパワー半導体モジュールの構成要素は第１の実施形態と同じであるので、その説明を省略する。

上記の構成により、配線がよりいっそう短くなり、配線によるインダクタンス成分をより低減することができる。

次に、図１２を参照して本発明の第３実施形態に係るパワー半導体モジュールを説明する。第３実施形態では、冷却用基体が電気絶縁性を有する基板であり、基板としてはセラミックス材料が好適である。セラミックス材料のうち、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＳｉＣ（炭化珪素）が用いられる。ＩＧＢＴはＳｉＣ半導体で形成される。

図１２はパワー半導体ユニット７０の縦断面図である。パワー半導体ユニット７０は、絶縁基板７１の表面側で、絶縁基板７１に接合された金属箔７２と、この金属箔７２に半田７４により接合されたＩＧＢＴ７５と、金属箔７２に半田７６により接合されたダイオード７７とを備えている。さらに金属箔７２上には電極パターン７８が設けられている。またパワー半導体ユニット７０は、絶縁基板７１の裏面側で、絶縁基板７１に接合された金属箔７３と、この金属箔７３に半田７９により接合されたＩＧＢＴ８０と、金属箔７３に半田８１により接合されたダイオード８２とを備えている。さらに金属箔７３上には電極パターン８３が設けられている。

この実施形態のパワー半導体ユニット７０において、ＩＧＢＴの実装位置とダイオードの実装位置は、表裏の面で一致しており、この実装位置の配置関係は第１実施形態の場合と同じである。ＩＧＢＴ７５，８０には、好ましくは、耐熱性の高いＳｉＣ半導体で形成されたものを用いている。

第３実施形態に係るパワー半導体モジュールは、第１実施形態で説明したパワー半導体モジュール１０において、パワー半導体ユニット１１の代わりに上記のパワー半導体ユニット７０を用いる。パワー半導体モジュールにおけるその他の構成は、第１実施形態と同じであるので、その説明を省略する。

第３実施形態のパワー半導体モジュールではＳｉＣ半導体を用いたＩＧＢＴを利用している。ＳｉＣ半導体によるＩＧＢＴは高耐圧・低損失であり、高温動作可能であるため、第３実施形態のパワー半導体モジュールによれば、液冷式のヒートシンクを用いる必要がなく、より構造が簡単で、小型のパワー半導体モジュールを実現することができる。またその他の構造は、第１実施形態と同様なので、第１実施形態と同様の効果が得られる。

第１〜第３の実施形態においては、６つのＩＧＢＴと６つのダイオードを用いたパワー半導体モジュールで説明したが、それに限らず、４つのＩＧＢＴと４つのダイオードを用いて形成されるＨ字型の形状に結線されたブリッジ形回路によって構成されるパワー半導体モジュールにも適応できる。また、スイッチング半導体素子としてＩＧＢＴを用いて説明したが、それに限らず、他のトランジスタ、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、ＭＯＳＦＥＴ、接合型ＦＥＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）等を用いることもできる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、各構成の組成（材質）については例示にすぎない。特に積層構造を示した図は、層の厚みやパワー半導体素子の厚み等は誇張して示している。本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、電気自動車の走行用の三相交流モータ等の駆動電流供給用インバータのパワー半導体モジュールとして利用される。

本発明に第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの外観を示す斜視図である。 第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの平面図である。 第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの裏面図である。 第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの側面図である。 図４におけるＡ方向矢視図であり、バスバーを折り曲げたときの状態を示す側面図である。 第１実施形態に係るパワー半導体モジュール内のパワー半導体ユニットの縦断面図である。 第１実施形態に係るパワー半導体モジュールのヒートシンクの内部構造とパワー半導体素子の配置を示す平面図である。 図７におけるＢ−Ｂ線断面図である。 図２におけるＣ−Ｃ線断面図である。 ６つのＩＧＢＴと６つの転流ダイオードを用いたインバータの電気回路図である。 本発明の第２実施形態に係るパワー半導体モジュールの要部構造を示す縦断面図である。 本発明の第３実施形態によるパワー半導体モジュール内のパワー半導体ユニットの要部構造を示す縦断面図である。 従来のパワー半導体モジュールの積層構造を示す縦断面図である。

符号の説明

１０ パワー半導体モジュール
１１ パワー半導体ユニット
１２ ケース
１３ 電極パターン
１４ 配線基板
１５ ＩＧＢＴ
１６ ゲート配線基板
１７ ゲート外部接続端子
１８ コレクタ配線基板
１９ バスバー
２０ ＩＧＢＴ
２１ バスバー
２２ ゲート外部接続端子
２３ ヒートシンク（冷却用基体）
２４ 絶縁基板
２５ 絶縁基板
２６ 金属箔
２７ 金属箔
２８ ダイオード
２９ 電極パターン
３０ ダイオード
３１ 電極パターン

Claims (11)

1. 冷却用基体と、この基体の表裏の面の各々に実装される少なくとも２つのパワー半導体素子とから構成されるパワー半導体モジュールであって、
   前記パワー半導体素子は、スイッチ機能を備えるスイッチング半導体素子と、ダイオードとを含み、
   前記スイッチング半導体素子は前記基体の前記表裏の面の一方または他方に実装され、
   前記ダイオードは前記基体の前記表裏の面の一方または他方であって、前記基体を間に介して前記スイッチング半導体素子の実装位置に一致する位置に実装される、
   ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
2. 少なくとも４つの前記スイッチング半導体素子と少なくとも４つの前記ダイオードはインバータ回路を形成し、
   前記基体の表裏の面のうち、その一方の面に前記インバータ回路の高電位側の前記スイッチング半導体素子と前記ダイオードを実装し、その他方の面に前記インバータ回路の低電位側の前記スイッチング半導体素子と前記ダイオードを実装し、
   前記基体の表裏の面の間で前記スイッチング半導体素子の実装位置と前記ダイオードの実装位置を一致させる、
   ことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
3. 前記ダイオードは前記スイッチング半導体素子に付加される転流ダイオードであることを特徴とする請求項１または２記載のパワー半導体モジュール。
4. 前記基体の表裏の面の一方に実装された高電位側の前記スイッチング半導体素子と前記ダイオードに基づく電気回路で流れる電流の向きと、前記基体の表裏の面の他方に実装された低電位側の前記スイッチング半導体素子と前記ダイオードに基づく電気回路で流れる電流の向きとが反対になるように配線経路が形成されることを特徴とする請求項２または３記載のパワー半導体モジュール。
5. 前記冷却用基体は冷却液が流通するマイクロチャンネルを有するヒートシンクであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
6. 前記ヒートシンクは、前記基体の表裏の面のそれぞれに対応して個別にマイクロチャンネルを有することを特徴とする請求項５記載のパワー半導体モジュール。
7. 前記スイッチング半導体素子と前記ダイオードは前記マイクロチャンネルにおける前記冷却液の流通方向に沿って並べて配置することを特徴とする請求項５記載のパワー半導体モジュール。
8. 前記冷却用基体は、電気絶縁性を有する基板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
9. 前記スイッチング半導体素子はＳｉＣ半導体で形成されることを特徴とする請求項８記載のパワー半導体モジュール。
10. 前記パワー半導体素子からの入出力端子は前記表裏の面の一方または他方のいずれか片面側に集約したことを特徴とする請求項５または８記載のパワー半導体モジュール。
11. 前記基体の表裏の面の間で実装位置が一致する前記スイッチング半導体素子と前記ダイオードを配線で接続するようにしたことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
    

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