JP2012156215A

JP2012156215A - 半導体素子装置

Info

Publication number: JP2012156215A
Application number: JP2011012424A
Authority: JP
Inventors: Kenji Otsuka; 健司大塚
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2012-08-16
Anticipated expiration: 2031-01-24
Also published as: JP5625948B2

Abstract

【課題】半導体素子群からの受熱による基板の損傷の抑止と基板の製造に用いる材料の節約とを図る。
【解決手段】冷却器８０側から順に第１層５２，６２，７２，第２層５４，６４，７４，第３層５６，６６，７６の三層からなる基板５０，６０，７０の第１層５２，６２，７２の厚みを、対応する半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａで想定される最大発熱量が小さいほど薄くなるよう形成する。これにより、半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａからの受熱による基板５０，６０，７０の損傷の抑止と基板５０，６０，７０の製造に用いる材料の節約とを図ることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体素子装置に関し、詳しくは、一以上の半導体素子を有する半導体素子群がｎ（ｎは２以上の整数）個と、ｎ個の半導体素子群の各々が各々の一面側に取り付けられたｎ個の基板と、ｎ個の基板の各々の他面側が取り付けられた冷却器と、を備える半導体素子装置に関する。

従来、この種の半導体素子装置としては、放熱板，絶縁基板，導電基材，ＩＧＢＴの順に積層された第１積層体と、放熱板，絶縁基板，導電基材，ダイオードの順に積層された第２積層体とを、それぞれ冷却器に搭載するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、ＩＧＢＴよりダイオードの方が耐熱性が高い材料で構成され且つＩＧＢＴよりダイオードの方が放熱量の多い動作環境で用いられる仕様の場合に、冷却器内を流れる冷却水の流路の方向でみてＩＧＢＴより下流側にダイオードを配置することにより、ダイオードからＩＧＢＴへの熱伝導を抑制し、ＩＧＢＴを効率的に冷却できるようにしている。

特開２００９−２７２４８２号公報

一以上の半導体素子を有する半導体素子群がｎ（ｎは２以上の整数）個と、各半導体素子群がそれぞれ取り付けられるｎ個の基板と、このｎ個の基板が取り付けられる冷却器とを備える半導体素子装置において、各基板の厚みを最大発熱量が最も大きな半導体素子群の最大発熱量に応じた値に揃えると、各半導体素子群からの受熱による各基板の損傷を抑制することはできるものの、想定される発熱量が比較的小さな半導体素子群を取り付ける基板については、その厚みが必要以上に厚いものとなり、基板の製造に必要以上の材料を要することになる。

本発明の半導体素子装置は、半導体素子群からの受熱による基板の損傷の抑止と基板の製造に用いる材料の節約とを図ることを主目的とする。

本発明の半導体素子装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の半導体素子装置は、
一以上の半導体素子を有する半導体素子群がｎ（ｎは２以上の整数）個と、前記ｎ個の半導体素子群の各々が各々の一面側に取り付けられたｎ個の基板と、前記ｎ個の基板の各々の他面側が取り付けられた冷却器と、を備える半導体素子装置であって、
前記ｎ個の基板の各々の厚みは、取り付けられる半導体素子群である取付半導体素子群で想定される最大発熱量が小さいほど薄くなる傾向に形成されてなる、
ことを特徴とする。

この本発明の半導体素子装置では、ｎ（ｎは２以上の整数）個の一以上の半導体素子を有する半導体素子群の各々が各々の一面側に取り付けられると共に各々の他面側が冷却器に取り付けられたｎ個の基板の各々の厚みは、取り付けられる半導体素子群である取付半導体素子群で想定される最大発熱量が小さいほど薄くなる傾向に形成される。一般に、取付半導体素子群の発熱量が大きいほど基板内で一時的に滞留する熱量が大きくなりやすいから、ｎ個の基板の各々の厚みを取付半導体素子群で想定される最大発熱量に応じた値とすることにより、半導体素子群からの受熱による基板の損傷の抑止と基板の製造に用いる材料の節約とを図ることができる。

こうした本発明の半導体素子装置において、前記ｎ個の基板の各々は、三層の積層体として構成されてなり、該三層のうち最も前記冷却器側の層の厚みが前記取付半導体素子群で想定される最大発熱量が小さいほど薄くなる傾向に形成されてなる、ものとすることもできる。

また、本発明の半導体素子装置において、前記ｎ個の半導体素子群は、第１の電動機を駆動する第１のインバータ回路の半導体素子群と、第２の電動機を駆動する第２のインバータ回路の半導体素子群と、直流電源からの電力を昇圧して前記第１のインバータ回路および前記第２のインバータ回路に供給する昇圧回路の半導体素子群と、を含む、ものとすることもできる。

本発明の一実施例としての半導体素子装置を搭載するハイブリッド自動車２０の構成の概略を示す構成図である。ハイブリッド自動車２０が備える電気系の構成の概略を示す構成図である。インバータ４１，４２や昇圧コンバータ４６の半導体素子群４１ａ，４２ａ４６ａを含む半導体素子装置の断面を示す断面図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての半導体素子装置を搭載するハイブリッド自動車２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、ハイブリッド自動車２０が備える電気系の構成の概略を示す構成図である。実施例のハイブリッド自動車２０は、図１に示すように、ガソリンや軽油などを燃料とするエンジン２２と、エンジン２２のクランクシャフト２６にキャリアが接続されると共に駆動輪３９ａ，３９ｂにデファレンシャルギヤ３８を介して連結された駆動軸３２にリングギヤが接続されたプラネタリギヤ３０と、例えば同期発電電動機として構成されて回転子がプラネタリギヤ３０のサンギヤに接続されたモータＭＧ１と、例えば同期発電電動機として構成されて回転子が駆動軸３２に接続されたモータＭＧ２と、モータＭＧ１，ＭＧ２を駆動するインバータ４１，４２と、例えばリチウムイオン二次電池として構成されたバッテリ４４と、インバータ４１，４２が接続された電力ライン（以下、高電圧系電力ラインという）４７とバッテリ４４が接続された電力ライン（以下、電池電圧系電力ラインという）４８とに接続されて電池電圧系電力ライン４８の電力を昇圧して高電圧系電力ライン４７に供給可能な昇圧コンバータ４６と、を備える。

インバータ４１は、図２に示すように、６個のトランジスタと、各トランジスタに逆方向に並列接続された６個のダイオードと、により構成されている。６個のトランジスタは、モータＭＧ１の三相コイルのＵ相，Ｖ相，Ｗ相からみて高電圧系電力ライン４７の正極母線側と負極母線側とに各々接続されている。インバータ４２は、１２個のトランジスタと、各トランジスタに逆方向に並列接続された１２個のダイオードと、により構成されている。１２個のトランジスタは、モータＭＧ２の三相コイルのＵ相，Ｖ相，Ｗ相からみて高電圧系電力ライン４７の正極母線側と負極母線側とに各々２つずつ並列接続されている。昇圧コンバータ４６は、４個のトランジスタと、各トランジスタに逆方向に並列接続された４個のダイオードと、リアクトルと、により構成されている。４個のトランジスタのうち２個は高電圧系電力ライン４７の正極母線に対して並列接続されており、残余の２個は高電圧系電力ライン４７の負極母線に対して並列接続されており、前者の２個のトランジスタ（上アーム）と後者の２個のトランジスタ（下アーム）との接続点とバッテリ４４の正極端子とにはリアクトルＬが接続されている。

図３は、インバータ４１の半導体素子群４１ａ（６個のトランジスタおよび６個のダイオード）やインバータ４２の半導体素子群４２ａ（１２個のトランジスタおよび１２個のダイオード），昇圧コンバータ４６の半導体素子群４６ａ（４個のトランジスタおよび４個のダイオード）を含む半導体素子装置の断面を示す断面図である。インバータ４１，４２や昇圧コンバータ４６の半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａはそれぞれ基板５０，６０，７０の一面側（図中、上面側）に取り付けられており、これらの基板５０，６０，７０は他面側（図中、下面側）が冷却器８０に取り付けられている。ここで、冷却器８０の内部には、冷却媒体としての冷却水の循環用の循環流路８２の一部が形成されている。したがって、図示しない電動ポンプによって圧送される冷却水がこの循環流路８２内を流れることによって基板５０，６０，７０を介して半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａの冷却が行なわれる。

基板５０，６０，７０は、冷却器８０側から順に、アルミニウムなどの比較的熱伝導性が高い材料によって構成された第１層５２，６２，７２，窒化アルミニウムなどの絶縁材料によって構成された第２層５４，６４，７４，高電圧系電力ライン４７や電池電圧系電力ライン４８の負極母線の一部として機能させるためにアルミニウムなどの導電材料によって構成された第３層５６，６６，７６の三層からなる積層体として構成されている。実施例では、第１層５２，６２，７２の厚みについては半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａで想定される最大発熱量に応じた値に形成されるものとし、第２層５４，６４，７４の厚みについては予め定められた値（例えば、０．６ｍｍや０．６５ｍｍなど）に形成されるものとし、第３層５６，６６，７６の厚みについては予め定められた値（例えば、０．５５ｍｍや０．６ｍｍなど）に形成されるものとした。以下、第１層５２，６２，７２の厚みを半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａで想定される最大発熱量に応じた値とする理由について説明する。

インバータ４１，４２や昇圧コンバータ４６の発熱量が大きくなるとき（例えば、モータＭＧ１，ＭＧ２から出力すべきトルクが急増するときや、高電圧系電力ライン４７の電圧ＶＨを急上昇させる必要があるときなど）には、半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａの温度上昇によって半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａ側と冷却器８０側との温度差（基板５０，６０，７０内での温度勾配）が大きくなり、半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａから基板５０，６０，７０を介して冷却器８０側に伝達される熱量が大きくなるため、その熱量の一部の一時的な滞留に耐えられるように（基板５０，６０，７０内での温度勾配が急峻になり過ぎないように）、基板５０，６０，７０の厚みを設計する必要がある。このため、従来は、半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａのうち最大発熱量が最も大きかったり発熱頻度が最も高かったりする半導体素子群の最大発熱量などに応じて基板５０，６０，７０の厚みの設計が行なわれていた。しかしながら、この場合、最大発熱量が比較的小さな半導体素子群を取り付ける基板については、その厚みが必要以上に厚いものとなり、必要以上の材料を要することになる。実施例では、これらのことと、基板５０，６０，７０の厚みを設計する際には半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａから離れていて冷却器８０に近い（比較的熱量が滞留しやすい）第１層５２，６２，７２の厚みを調整することが好ましいことと踏まえて、基板５０，６０，７０の第１層５２，６２，７２の厚みを、取り付ける半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａで想定される最大発熱量に対応可能な範囲でその最大発熱量が小さいほど薄くなる傾向にするものとした。例えば、最大発熱量が大きい方から順に半導体素子群４６ａ，半導体素子群４１ａ，半導体素子群４２ａとなる仕様で用いる場合には、基板５０，６０，７０の第１層５２，６２，７２の厚みＤ１，Ｄ２，Ｄ３を厚い方から順に厚みＤ３（例えば１．６ｍｍなど），厚みＤ２（例えば１．４ｍｍなど），厚みＤ１（例えば１．３ｍｍなど）などとすることができる。これにより、半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａからの受熱による基板５０，６０，７０の損傷の抑止と基板５０，６０，７０の製造に用いる材料の節約とを図ることができる。なお、基板５０，６０，７０の第２層５４，６４，７４の厚みや第３層５６，６６，７６の厚みはそれぞれ互いに等しいものとしたから、第１層５２，６２，７２の厚みＤ１，Ｄ２，Ｄ３が厚いほど基板５０，６０，７０の厚みが厚くなる。

以上説明した実施例のハイブリッド自動車２０に搭載される半導体素子装置によれば、冷却器８０側から順に第１層５２，６２，７２，第２層５４，６４，７４，第３層５６，６６，７６の三層からなる基板５０，６０，７０の第１層５２，６２，７２の厚みを、取り付けられる（対応する）半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａで想定される最大発熱量が小さいほど薄くなるよう形成するから、半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａからの受熱による基板５０，６０，７０の損傷の抑止と基板５０，６０，７０の製造に用いる材料の節約とを図ることができる。

実施例の半導体素子装置では、基板５０，６０，７０の第１層５２，６２，７２の厚みを半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａで想定される最大発熱量に応じた値に形成するものとし、第３層５６，６６，７６の厚みについては一定としたが、第３層５６，６６，７６の厚みを半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａで想定される最大発熱量に応じた値に形成するものとしてもよい。

実施例の半導体素子装置では、インバータ４１の１２個の半導体素子（６個のトランジスタおよび６個のダイオード）全体を一つの半導体素子群４１ａとして基板５０に取り付けるものとしたが、これらの一部毎に半導体素子群として基板５０に取り付けるものとしてもよく、例えば、１個のトランジスタとそのトランジスタに逆方向に並列接続された１個のダイオードとの組み合わせ毎に半導体素子群として基板に取り付けるものとしたり、１個の半導体素子（トランジスタまたはダイオード）毎に半導体素子群として基板に取り付けるものとしたりしてもよい。インバータ４２の２４個の半導体素子（１２個のトランジスタおよび１２個のダイオード）や昇圧コンバータ４６の８個の半導体素子（４個のトランジスタおよび４個のダイオード）についても同様に考えることができる。

実施例では、インバータ４１，４２や昇圧コンバータ４６の半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａと、これらの半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａが取り付けられる基板５０，６０，７０と、基板５０，６０，７０が取り付けられる冷却器８０と、を備える半導体素子装置について説明したが、ｎ（ｎは２以上の整数）個の半導体素子群と、ｎ個の半導体素子群の各々が取り付けられたｎ個の基板と、冷却器と、を備える半導体素子装置であればよいから、半導体素子群４１ａと基板５０との組み合わせ，半導体素子群４２ａと基板６０との組み合わせ，半導体素子群４６ａと基板７０との組み合わせのうちいずれか一つを含まないものとしてもよいし、これらの組み合わせの一部または全部に加えて、他の半導体素子群と基板との組み合わせを有するものとしてもよい。

また、実施例では、インバータ４２は、２４個の半導体素子（１２個のトランジスタおよび１２個のダイオード）を有するものとしたが、１２個の半導体素子（６個のトランジスタおよび６個のダイオード）を有するものなどとしてもよい。また、昇圧コンバータ４６は、８個の半導体素子（４個のトランジスタおよび４個のダイオード）を有するものとしたが、４個の半導体素子（２個のトランジスタおよび２個のダイオード）を有するものなどとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、モータＭＧ１，ＭＧ２や昇圧コンバータ４６の半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａが「ｎ個の半導体素子群」に相当し、半導体素子群４１ａ，４２ａ，４６ａが取り付けられた基板５０，６０，７０が「ｎ個の基板」に相当し、基板５０，６０，７０が取り付けられた冷却器８０が「冷却器」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、半導体素子装置の製造産業などに利用可能である。

２０ハイブリッド自動車、２２エンジン、２６クランクシャフト、３０プラネタリギヤ、３２駆動軸、３８デファレンシャルギヤ、３９ａ，３９ｂ駆動輪、４１，４２インバータ、４１ａ，４２ａ，４６ａ半導体素子群、４４バッテリ、４６昇圧コンバータ、４７高電圧系電力ライン、４８電池電圧系電力ライン、５０，６０，７０基板、５２，６２，７２第１層、５４，６４，７４第２層、５６，６６，７６第３層、８０冷却器、８２循環流路、ＭＧ１，ＭＧ２モータ。

Claims

一以上の半導体素子を有する半導体素子群がｎ（ｎは２以上の整数）個と、前記ｎ個の半導体素子群の各々が各々の一面側に取り付けられたｎ個の基板と、前記ｎ個の基板の各々の他面側が取り付けられた冷却器と、を備える半導体素子装置であって、
前記ｎ個の基板の各々の厚みは、取り付けられる半導体素子群である取付半導体素子群で想定される最大発熱量が小さいほど薄くなる傾向に形成されてなる、
ことを特徴とする半導体素子装置。
請求項１記載の半導体素子装置であって、
前記ｎ個の基板の各々は、三層の積層体として構成されてなり、該三層のうち最も前記冷却器側の層の厚みが前記取付半導体素子群で想定される最大発熱量が小さいほど薄くなる傾向に形成されてなる、
半導体素子装置。
請求項１または２記載の半導体素子装置であって、
前記ｎ個の半導体素子群は、第１の電動機を駆動する第１のインバータ回路の半導体素子群と、第２の電動機を駆動する第２のインバータ回路の半導体素子群と、直流電源からの電力を昇圧して前記第１のインバータ回路および前記第２のインバータ回路に供給する昇圧回路の半導体素子群と、を含む、
半導体素子装置。