JP2007142472A - インバータ - Google Patents
インバータ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007142472A JP2007142472A JP2007044839A JP2007044839A JP2007142472A JP 2007142472 A JP2007142472 A JP 2007142472A JP 2007044839 A JP2007044839 A JP 2007044839A JP 2007044839 A JP2007044839 A JP 2007044839A JP 2007142472 A JP2007142472 A JP 2007142472A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metal base
- insulating substrate
- substrate
- power semiconductor
- cooling water
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
- H01L2224/491—Disposition
- H01L2224/4911—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain
- H01L2224/49111—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain the connectors connecting two common bonding areas, e.g. Litz or braid wires
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
パワー半導体の金属ベースに直線フィンを設ける構造において、信頼性の高い構造を提供する。
【解決手段】
電流をスイッチングするパワー半導体素子,該パワー半導体素子を接着する回路パターン付絶縁基板,該絶縁基板を接着する金属ベース、を有するパワー半導体モジュールの構造において、金属ベースの前記絶縁基板接着面の対向面には、絶縁基板下の領域に直線型のフィンを有し、かつ、絶縁基板の形状は、該直線型フィンのストライプ方向の長さが、垂直方向の長さ以下であることを特徴とするパワー半導体モジュールの構造。
【選択図】図1
Description
BipolarTransistor(IGBT)等のパワー半導体素子を有するパワー半導体モジュールの実装構造に関する。
1)フィンにより金属ベースの剛性が増大しても、その影響を極力受けない基板構造及び基板配置にする、
2)フィンを形成しても、平板と比べて顕著に剛性が増大しないようなフィン形状にする、
3)剛性が増大しても、歪みが増大しない接着層の構造にする、等が考えられる。
(a)のAA,BB断面模式図である。断面模式図において、絶縁基板100表面の回路パターン、及び、接着用の裏面金属パターン、さらに、半導体チップと絶縁基板100の回路パターン,絶縁基板と金属ベースの接着層は省略している。金属ベース101の長手方向に、直線型のフィン114が形成されている。従って、金属ベース長手方向は、梁が形成されたような効果がある。つまり、フィン114のない平板ベースの場合と比べて、剛性が顕著に増大するのは、金属ベース101の長手方向である。短辺方向、つまり、フィン垂直方向は、図1(c)より明らかなように、フィンの存在しない部分で平板と同じように変形できるため、剛性は顕著に増大しない。
図1,図7,図8を使用して第一の実施例について詳細に説明する。50kWクラスの水冷3相インバータに適用される、3相IGBTモジュールの実施例である。
300℃以上の高温はんだで接着されている。はんだ膜厚は0.1mm 程度である。各ペレットの電圧/電流定格は600V/200Aであり、2並列接続されることにより、定格600V/400Aのモジュールとなっている。さらに、窒化アルミ基板100には、
IGBTを並列駆動する場合の共振防止用ゲート抵抗ペレット105,温度検出用サーミスタ109がはんだ接着されている。IGBTペレット103,FWDペレット104と窒化アルミ基板100上の銅パターンである回路パターン122,123との接続は、アルミワイヤ106,108,107で行う。本ワイヤの線経は300μmφである。アルミワイヤ107,108は、全本数でなく、代表的なワイヤのみを表現している。本パワー半導体搭載窒化アルミ基板100と銅ベース101は、融点180℃程度の低融点はんだである共晶はんだで接着されている。はんだ膜厚は約0.15mm である。窒化アルミ基板100と主端子,制御端子用電極パッド112,110との接続も同じくアルミワイヤ113,111で行われる。このワイヤの線経は500μmφである。アルミワイヤ106,108,107は、半導体ペレット表面にボンディングされるため、低ダメージに配慮する必要ある。従って、300μmと比較的細いワイヤを使用している。しかし、アルミワイヤ113,111はダメージに配慮する必要ないため、ボンディング本数の低減、かつ、電気抵抗低減に配慮して、太いワイヤを使用している。
AA断面模式図に水路カバーを取り付けた場合の模式図を示している。フィン114の底面にAlダイカスト製水路カバー801を接触させて水路を構成している。水路カバー
801の肉厚は、強度を考慮し3mmとした。また、図1(a)のBB断面は図示していないが、水路カバーの幅は全体のフィン幅4cmと同程度にしている。以上のように、水路カバー801をフィン114に接触させているのは、フィン間に冷却水を効率良く流し、熱伝達率を可能な限り向上させる為である。形成される冷却水路一本当たりの形状は、高さ5mm,幅2mmであり、流路の本数は、13本である。冷却水のシールは、水路カバー801の取り付けをOリング800で行って実施している。Oリング取り付け用に、Alダイカスト製インバータ筐体802に溝803を設けている。筐体の肉厚は、水路カバーと同様、3mmとした。Oリングの線径は1.9mmφ 、溝深さは1.4mm である。また、モジュールはM6ボルトで取り付け、締付けトルクは2.45N・m とした。このトルクは、通常のモジュール取り付けトルクと同程度である。
4.2m/s である。結果、Rth(j−w)=0.16K/W であった。つまり、フィンを形成することで、冷却性能は30%程度向上することができた。また、給排水管間の圧力損失は、9kPaであり、同じく、フィン無しの場合の11kPaと比べて、こちらも改善することができた。Rth(j−w)を30%低減できたことは、半導体チップの発熱が同じ場合、温度上昇を30%低減できることを意味する。このことは、銅ベース101にフィンを付与することによる剛性増大が、基板100接着はんだ層へ顕著に影響を与えなければ、大幅に寿命が増大することを意味する。はんだ接着層の歪みを実験的に直接測定するのは極めて困難である。
114方向を同じにした場合である。シミュレーション結果、歪みが顕著に発生するのは、いずれの場合も基板100長手方向の基板端である、二つの短辺近傍に集中した。本発明を採用しない(2)の場合、せん断歪み範囲は3.8% であり、(1)の3.5% と比べて10%程度増大した。一方、本発明構造である(3)の場合3.4% であり、基準である(1)の場合と同程度であった。以上より本発明の効果が明らかになり、上記フィン付による熱抵抗低減効果と併せて、大幅なはんだ寿命向上が期待できる。
第二の実施例を、図3を使用して説明する。図3(a)は平面模式図を、同(b)(c)は同(a)のAA,BB断面模式図を表している。基板上の搭載部品を含め、銅貼り窒化アルミ基板100の構造は、実施例1と同じである。また、銅ベース300の形状,平板部の板厚も実施例1と同じである。さらに、銅ベース300上の基板100の配置,基板100接着用はんだの種類,膜厚も全く同じである。実施例1と異なるのは、フィン301の構造である。実施例1は、モジュールの長手方向に直線型のフィン114を配置した場合の実施例であった。この場合の特長は、冷却流路を直線型にでき単純にできるため、圧力損失が小さい等である。しかしながら、IGBTモジュールを水冷インバータに使用する場合、インバータの形状の要求から、給排水管を実施例1のように、IGBTモジュール長手方向両端の位置に配置できるとは限らない。本実施例は、この場合に対処した実施例である。
第三の実施例を、図4,図5を使用して説明する。図4(a)は平面模式図を、同(b)(c)は同(a)のAA,BB断面模式図を表している。また、図5は図4(c)基板接着部の拡大図である。
第四の実施例を、図6を使用して説明する。図6(a)は平面模式図を、同(b)は同(a)のAA断面模式図を表している。これまでの実施例は、3相モジュール一台について、そのモジュール構造、及び、冷却系の実施例であった。水冷インバータの使用される対象、例えば、電気自動車用インバータによっては、二つのインバータ機能を一つのケーシングとすることも要求されることがある。例えば、モータ駆動用と発電機用である。本実施例は、この場合に対応した実施例である。
0.15K/W となり、ΔPは、6kPaと大幅に低減できた。
Claims (6)
- スイッチング動作により電流を制御する複数のパワー半導体素子と、
回路パターンを備え、前記複数のパワー半導体素子が接着された複数の絶縁基板と、
前記絶縁基板が接着された金属ベースと、
前記金属ベースに直接冷却水が当たるように構成され、該金属ベースの向かい合う短辺のうち一辺側に該冷却水を導入するために設けられた給水口、及び、該金属ベースの向かい合う短辺のうち他辺側に該冷却水を排出するために設けられた排水口を備えた冷却水路と、を有し、
前記複数の絶縁基板は全て、前記金属ベースの長辺に沿って一列に並んでおり、
前記金属ベースの長辺方向における前記絶縁基板の長さは、該金属ベースの短辺方向における前記絶縁基板の長さより短いことを特徴とするインバータ。 - 請求項1記載のインバータにおいて、
前記複数のパワー半導体素子は、三相の前記電流を制御するための各アーム毎に一の絶縁基板の上に形成されていることを特徴とするインバータ。 - 請求項2記載のインバータにおいて、
前記パワー半導体素子はIGBTであり、
前記一の絶縁基板の上には複数のIGBTが接着されており、
前記複数のIGBTは、前記金属ベースの短辺方向に配置されていることを特徴とするインバータ。 - 請求項3記載のインバータにおいて、
前記絶縁基板はセラミック基板、前記金属ベースは銅ベースであり、前記パワー半導体素子と前記セラミック基板、前記セラミック基板と前記銅ベースは、各々はんだ接着されることを特徴とするインバータ。 - 請求項4記載のインバータにおいて、
前記セラミック基板は窒化アルミ基板であることを特徴とするインバータ。 - スイッチング動作により三相電流を制御する複数のパワー半導体素子と、
回路パターンを備え、前記複数のパワー半導体素子が接着された複数の絶縁基板と、
前記絶縁基板が接着され、該絶縁基板の接着面とは反対側の面において直線型フィンを備えた金属ベースと、
前記金属ベースに直接冷却水が当たるように構成され、該金属ベースの向かい合う短辺のうち一辺側に該冷却水を導入するために設けられた給水口、及び、該金属ベースの向かい合う短辺のうち他辺側に該冷却水を排出するために設けられた排水口を備えた冷却水路と、を有し、
前記複数の絶縁基板は全て、前記金属ベースの長辺に沿って一列に並んでおり、
前記直線型フィンは、前記絶縁基板の略中央で分割されていることを特徴とするインバータ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007044839A JP4816501B2 (ja) | 2007-02-26 | 2007-02-26 | パワー半導体モジュール及びインバータ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007044839A JP4816501B2 (ja) | 2007-02-26 | 2007-02-26 | パワー半導体モジュール及びインバータ |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003018178A Division JP4063091B2 (ja) | 2003-01-28 | 2003-01-28 | パワー半導体モジュール |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007142472A true JP2007142472A (ja) | 2007-06-07 |
JP4816501B2 JP4816501B2 (ja) | 2011-11-16 |
Family
ID=38204865
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007044839A Expired - Fee Related JP4816501B2 (ja) | 2007-02-26 | 2007-02-26 | パワー半導体モジュール及びインバータ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4816501B2 (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011155188A (ja) * | 2010-01-28 | 2011-08-11 | Konica Minolta Opto Inc | 発光ダイオードユニットの製造方法 |
JP2012079837A (ja) * | 2010-09-30 | 2012-04-19 | Dowa Metaltech Kk | フィン付ベース一体型基板およびフィン付ベース一体型基板装置 |
US9978664B2 (en) | 2015-04-01 | 2018-05-22 | Fuji Electric Co., Ltd. | Semiconductor module |
JP2023102333A (ja) * | 2022-01-12 | 2023-07-25 | 三菱電機株式会社 | 電力変換装置 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH09331150A (ja) * | 1996-06-11 | 1997-12-22 | Toshiba Corp | 半導体装置 |
JPH11340393A (ja) * | 1998-05-27 | 1999-12-10 | Hitachi Ltd | 電力変換装置 |
JP2001339020A (ja) * | 2000-05-26 | 2001-12-07 | Hitachi Ltd | 半導体モジュール |
JP2002315357A (ja) * | 2001-04-16 | 2002-10-25 | Hitachi Ltd | インバータ装置 |
JP2003008264A (ja) * | 2001-06-26 | 2003-01-10 | Nissan Motor Co Ltd | 電子部品の冷却装置 |
-
2007
- 2007-02-26 JP JP2007044839A patent/JP4816501B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH09331150A (ja) * | 1996-06-11 | 1997-12-22 | Toshiba Corp | 半導体装置 |
JPH11340393A (ja) * | 1998-05-27 | 1999-12-10 | Hitachi Ltd | 電力変換装置 |
JP2001339020A (ja) * | 2000-05-26 | 2001-12-07 | Hitachi Ltd | 半導体モジュール |
JP2002315357A (ja) * | 2001-04-16 | 2002-10-25 | Hitachi Ltd | インバータ装置 |
JP2003008264A (ja) * | 2001-06-26 | 2003-01-10 | Nissan Motor Co Ltd | 電子部品の冷却装置 |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011155188A (ja) * | 2010-01-28 | 2011-08-11 | Konica Minolta Opto Inc | 発光ダイオードユニットの製造方法 |
JP2012079837A (ja) * | 2010-09-30 | 2012-04-19 | Dowa Metaltech Kk | フィン付ベース一体型基板およびフィン付ベース一体型基板装置 |
US9978664B2 (en) | 2015-04-01 | 2018-05-22 | Fuji Electric Co., Ltd. | Semiconductor module |
JP2023102333A (ja) * | 2022-01-12 | 2023-07-25 | 三菱電機株式会社 | 電力変換装置 |
JP7321305B2 (ja) | 2022-01-12 | 2023-08-04 | 三菱電機株式会社 | 電力変換装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4816501B2 (ja) | 2011-11-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7813135B2 (en) | Semiconductor device | |
JP4586087B2 (ja) | パワー半導体モジュール | |
JP5627499B2 (ja) | 半導体モジュールを備えた半導体装置 | |
US20090194862A1 (en) | Semiconductor module and method of manufacturing the same | |
JP2008124430A (ja) | パワー半導体モジュール | |
US10064310B2 (en) | Power-module device, power conversion device, and method for manufacturing power-module device | |
JP2010525588A (ja) | 冷却体 | |
CN103988298A (zh) | 半导体装置 | |
JP3646665B2 (ja) | インバータ装置 | |
JP4015060B2 (ja) | 直接水冷型パワー半導体モジュール構造 | |
JP2007109880A (ja) | 半導体装置 | |
KR101461329B1 (ko) | 반도체 유닛 | |
JP4816501B2 (ja) | パワー半導体モジュール及びインバータ | |
JP4063091B2 (ja) | パワー半導体モジュール | |
JP2004128099A (ja) | 水冷インバータ | |
JP2001284513A (ja) | パワー半導体装置 | |
JP4935783B2 (ja) | 半導体装置および複合半導体装置 | |
JP4968150B2 (ja) | 半導体素子冷却装置 | |
JP2006004961A (ja) | 半導体モジュール | |
JP2007173301A (ja) | 半導体素子冷却用放熱器、半導体装置、半導体素子冷却用放熱器の製造方法 | |
JP5402778B2 (ja) | 半導体モジュールを備えた半導体装置 | |
JP2007288044A (ja) | 半導体装置 | |
JP2006066464A (ja) | 半導体装置 | |
JP2004273479A (ja) | 放熱フィン付パワー半導体モジュール | |
JP6953859B2 (ja) | 半導体装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070226 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20091222 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100217 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100921 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20101119 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20110802 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20110815 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140909 Year of fee payment: 3 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 4816501 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140909 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |