JP2013069739A - 半導体ユニットとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】組み立て性の良い半導体ユニットを提供する。
【解決手段】本明細書が開示する半導体ユニット１０は、複数の平板型の素子モジュール１４と冷却器（複数の平板型のヒートシンク１６）が一体となった半導体ユニットである。素子モジュール１４は、内部にＩＧＢＴなどの半導体素子を収めた筐体の表面に半導体素子の端子と接続している放熱板１４ａが露出している。半導体ユニット１０はさらに、複数の金属板１３が所定の距離を隔てて導電部材１２に接続しているバスバー２０を備えており、平行に配置された複数のヒートシンク１６の間に、金属板１３と、放熱板１４ａを金属板側に向けた素子モジュール１４が配置されている積層体が両側から挟持固定されている構造を有している。積層体は、例えば、コの字状のブラケット１８に挟まれて両側から荷重を受けつつ固定される。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体を収めた平板型の複数の素子モジュールと冷却器が一体となった半導体ユニットに関する。

インバータや電圧コンバータで用いられるＩＧＢＴや還流ダイオードなどの半導体素子は、発熱量が大きい。それらの素子は、パワー半導体素子などと呼ばれることがある。発熱量は、流れる電流の大きさに依存する。例えば、大きな出力トルクが要求される走行駆動用のモータ（電気自動車やハイブリッド車の走行駆動用モータ）に電流を供給するインバータや電圧コンバータに用いられるパワー半導体素子では特に発熱量が大きい。また、インバータや電圧コンバータは、多数のパワー素子を使う。他方、車両搭載機器にはコンパクト性も求められる。そこで、電気自動車用に、多数のパワー素子を冷却器と一体化した半導体ユニットが提案されている。特許文献１や特許文献２には、多数の半導体素子（パワー素子）を少数ずつ平板型の筐体（素子モジュール）に収め、複数の素子モジュールと平板型のヒートシンクを交互に積層する構造（半導体ユニット）が提案されている。その半導体ユニットは、素子モジュールを両面から冷却することで、コンパクトで高い冷却能力を確保している。

特開２００８−２５９２６７号公報 特開２００１−３５２０２３号公報

従来の素子モジュールでは、モジュールの縁から電極端子が延設されていた。インバータやコンバータでは、素子モジュール内の素子と外部の回路とを接続するため、それぞれの電極端子に導電部材が接続される。なお、大電流を流す際の電気抵抗を小さくするため、複数のパワー素子に共通に接続される導電部材には細長金属板が用いられることがあり、これはバスバー（母線）と呼ばれることがある。バスバーを接続する際、電極端子の位置が正確でないことがある。これは、各々の電極端子の曲がりや、複数のヒートシンクと複数の素子モジュールを積層する際の位置誤差などが原因である。電極端子の位置が不正確であるとバスバーへの接続作業の効率が悪い。接続には、例えば、溶接や加締めなどの方法が用いられるが、その際、電極一本一本とバスバーとの位置合わせが必要になるからである。そのため、従来は半導体ユニットの組み立てに時間を要していた。本明細書が開示する技術は、組み立て性の良い構造を有する半導体ユニットを提供する。

平板型の素子モジュールは、内部の熱を放熱するため、その表面に露出する放熱板を備えることが多い。放熱板には、熱伝導率の高い金属が用いられる。また、素子モジュール内の素子の熱を放熱板に伝える伝熱経路として、素子の端子（電極端子）が利用される。即ち、素子モジュールの表面に露出する放熱板は、素子の端子と同電位である。本明細書が開示する技術は、素子の端子と同電位の放熱板を、バスバーを接続するための電極として利用する。放熱板が露出する面を含む素子モジュールの両面は、ヒートシンクに挟まれる。本明細書が開示する技術は、バスバーが放熱板に対向するように両者を配置し、素子モジュールとバスバーを共にヒートシンクで挟持固定する。そのような構造を採用することによって、素子の電極の位置を正確に把握することなく電極とバスバーとの接続を可能にし、組み立て性が向上する。

さらに、インバータやコンバータでは、複数の半導体素子に共通のバスバーが接続されることがよくある。例えば、複数のＩＧＢＴのドレインやソースに共通のバスバーが接続される。あるいは、複数の還流ダイオードのアノードやカソードにも共通のバスバーが接続される。従来は、素子モジュールの電極端子が同じ方向で平行となるように素子モジュールを積層し、複数の同種の電極端子に共通のバスバーを接続していた。このとき、平行に伸びている複数の電極端子の先端が正確に一直線に揃わなかったり、隣接する電極端子間の間隔が一定にならなかったりすると、共通のバスバーの接続作業が非常に煩雑となる。そこで、本明細書が開示する技術の他の態様では、複数の金属板が所定の距離を隔てて一本の導電部材に接続しているバスバーを予め用意する。金属板は、その一端で導通部材に接続している。そして、複数のヒートシンクを平行に配置するとともに、隣接するヒートシンクの間に、バスバーの金属板と、表面の放熱板が金属板に面するように素子モジュールを配置し、それらの積層体を両側から挟持固定する。本明細書が開示する技術は、上記の新規な構造のバスバーを導入することによって、素子モジュールから延設された電極端子とバスバーとの溶接などによる接続加工を不要とする。上記の構造によって、半導体ユニットの組み立て性が向上する。積層体は、例えば、コの字状のブラケット（クリップ）に挟まれて両側から荷重を受けつつ固定される。

バスバーの導電部材には、隣接する金属板の間に屈曲部が設けられていると好ましい。上記した積層体は、組み立ての容易さのため、複数の部材をそれらの間に間隙を空けて配置し、全体の配置が終了した後に両側から荷重を加えて密着させる。そのため、バスバーの金属板間は、組み立て前には所定の間隔（第１間隔）で並んでいるが、積層体全体に荷重を加えた状態では金属板の間隔が第１間隔よりも狭くなる。隣接する金属板の間に設けられた屈曲部は、金属板の間隔の調整部分として機能する。即ち、金属板の間隔が狭くなるときに屈曲部がさらに屈曲することによって、導電部材の想定外の他の部分に皺ができたり湾曲したりすることを防止する。

素子モジュールは複数の端子（例えばトランジスタのソース電極とドレイン電極など）を有する場合がある。そこで、複数の端子に応じて素子モジュールの表面に、複数の端子のそれぞれと電気的に接続している複数の放熱板を設けるとよい。さらに、バスバーの金属板は、相互に絶縁されている複数の導電領域を有しており、それぞれの導電領域が、素子モジュールの表面に露出した複数の放熱板のそれぞれに接しているとともに、複数の金属板の対応する導電領域が導電部材によって連結されているとよい。そのような構造を有している半導体ユニットは、複数の端子を有する素子モジュールに対して積層する金属板の数を減らすことができるので、組み立て性がさらに向上する。

半導体ユニットを含むモータコントローラの分解斜視図である。 半導体ユニットの斜視図である。 半導体ユニットの組立斜視図である。 半導体ユニットの組み立て前の各部材の配置を示す側面図である。 組み立て後の半導体ユニットの側面図である。 変形例の半導体ユニットの組み立て前の各部材の配置を示す側面図である。 別の変形例の半導体ユニットの部分組立斜視図である。

まず、半導体ユニットの適用例を説明する。図１は、半導体ユニット１０を含むモータコントローラ９０の分解斜視図である。このモータコントローラ９０は、例えば、電気自動車に搭載され、バッテリに蓄積された直流電力を走行用モータの駆動に適した交流電力に変換する。モータコントローラ９０は、機能的には、バッテリの出力電圧をモータ駆動に適した電圧に変換する電圧コンバータと、直流電力を交流電力に変換するインバータを含む。モータコントローラ９０は、物理的なユニットとして、主に、半導体ユニット１０と、リアクトル４と、複数の平滑化コンデンサ８と、スイッチング素子を制御するための回路３を搭載した基板２を備える。半導体ユニット１０は、電圧コンバータとインバータのスイッチング素子（ＩＧＢＴと還流ダイオード）を内蔵した素子モジュール１４と冷却器（ヒートシンク１６）が一体化したものである。ケース６の中に、半導体ユニット１０とリアクトル４と平滑化コンデンサ８が水平方向に並んで配置され、半導体ユニット１０とリアクトル４の上に基板２が配置される。半導体ユニット１０の上部には２本のバスバー２０が露出しており、バスバー２０は基板２の下部にて制御回路に接続される。ケース６の側面には、半導体ユニット１０の冷却器に冷媒を通す供給口６ａと排出口６ｂが設けられている。

図２に実施例の半導体ユニット１０の斜視図を示し、図３に、半導体ユニット１０の分解斜視図を示す。図４は半導体ユニット１０の組み立て前の各部材の配置を示す側面図であり、図５は組み立て後の半導体ユニット１０の側面図である。半導体ユニット１０は、主として、複数の平板型のヒートシンク１６、スイッチング素子を内蔵した複数の素子モジュール１４、２本のバスバー２０、絶縁シート２９、ブラケット１８、及び、板バネ２１で構成される。

素子モジュール１４は、内部にＩＧＢＴや還流ダイオードなどのスイッチング素子が収められている。例えば、インバータの上アームや下アームを構成するスイッチング回路は、ＩＧＢＴのドレインとソースにダイオード（還流ダイオード）が並列に接続された回路構造を有している。一つの素子モジュール１４には、ＩＧＢＴと還流ダイオードの回路が組み込まれている。回路には、ゲート、ソース（ダイオードのカソード）、及び、ゲート（ダイオードのアノード）の端子がある。素子モジュール１４は平板型（カード型）の筐体を有しており、その表面（平板の表面）に複数の放熱板１４ａが露出している。放熱板１４ａは、素子モジュール１４の内部の素子の端子に電気的に接続している。例えば、２個の放熱板１４ａの一方がソースに通じており、他方がドレインに通じている。なお、ゲートの端子に通じる電極は図示を省略している。

ヒートシンク１６は、平板型であり、内部を冷媒（典型的には水）が流れる。図３に示すように、各ヒートシンク１６の両側に冷媒を通すパイプ１７が延設されている。なお、図４〜図６では、理解を助けるためにパイプ１７の図示は省略している。

半導体ユニット１０は２本のバスバー２０を有している。バスバー２０は、１本の細長金属板である導電部材１２に複数の金属板１３が一定の間隔を隔ててぶら下がっている（接続している）構造を有している。隣接する２枚の金属板１３の間で導電部材１２に屈曲部１２ａが設けられている。後述するように、組み立て後には屈曲部１２ａがさらに屈曲し、金属板の間隔が狭まる。なお、図１と図２では屈曲部１２ａの図示を省略している。

符号２９は絶縁シートであり、熱伝導率の高い材料、例えばシリコンで作られている。絶縁シート２９は、素子モジュール１４とヒートシンク１６の間を絶縁するとともに、素子モジュール１４の熱をヒートシンク１６へ伝える伝熱材の役目も果たす。素子モジュール１４の表面に露出した放熱板１４ａは、熱伝導率の高い金属製であるので、素子モジュール１４内部の素子（ＩＧＢＴやダイオード）の熱を素子モジュール１４の筐体外側へ伝える。本実施例においては、放熱板１４ａは同時に、素子モジュール１４内の素子の電極としても機能する。

半導体ユニット１０の製造工程を説明する。まず、夫々の部品、即ち、複数の素子モジュール１４、複数のヒートシンク１６、バスバー２０、及び、ブラケット１８と板バネ２１を準備する。次に、図３、図４に示されているように、ヒートシンク１６を所定の間隔を隔てて平行に配置し、その間に素子モジュール１４を配置する。さらに、金属板１３が素子モジュール１４の表面の放熱板１４ａと対向するようにバスバー２０を配置する。次に、夫々のヒートシンク１６の両側に絶縁シート２９を配置する。最後に、ヒートシンク１６、素子モジュール１４、金属板１３、絶縁シート２９で構成される積層体を両側から荷重し夫々の部材を密接させてコの字状のブラケット１８に嵌め込む。このとき、ブラケット１８の一端と積層体との間に板バネ２１を嵌挿する（図３、図５参照）。板バネ２１が積層体に荷重を加えるので、ヒートシンク１６と素子モジュール１４と金属板１３（バスバー２０）の密着状態が保持される。こうして、複数の素子モジュール１４と冷却器（ヒートシンク１６）が交互に積層して一体化した半導体ユニット１０が完成する。

なお、図５に示すように、部材同士を密着させて積層状態を密にすると、バスバー２０の屈曲部１２ａが組み立て前よりも強く屈曲する。屈曲部１２ａが金属板間の間隔の短縮分を吸収するので、隣接する金属板１３の間隔が狭くなっても、バスバー２０の導電部材１２に不規則な皺や屈曲部が現出することがない。屈曲部１２ａの長さ（屈曲部分の両端間の長さ）は、積層体がブラケット１８に挟持されたときに、上に凸に折れ曲がった部分の両側がちょうど密着するように定められる。そうすると、図５に示すように、積層体の各部材を密着させるとバスバー２０の一部が凸状に折れ曲がった密着部１２ｂが形成される。この密着部１２ｂを直角に倒すとバスバー２０の上部を平坦にすることができる。バスバー２０の上部を平坦にすれば基板２（図１参照）への接続が容易になる。

上記説明したように、素子モジュール１４の放熱板１４ａ（素子モジュール１４内部の素子の電極に相当する）が素子モジュール１４の筐体表面に露出しており、その上にバスバー２０の導電部材１２に接続している金属板１３が密着する。こうして、素子モジュール１４内の素子と基板２との間にバスバーによる導電経路が確保される。上記の半導体ユニット１０は、素子モジュールの表面に露出している放熱板１４ａを電極として利用し、半導体ユニット１０を組み上げる際にバスバー２０と放熱板１４ａとの間に溶接や加締めなどの特別な接続加工を必要としない。

次に、上記した半導体ユニット１０の変形例を説明する。図６は、第１の変形例における半導体ユニット１１０の組み立て前の各部材の配置を示す側面図である。図６の変形例では、素子モジュール１１４はその両面に放熱板１１４ａ、１１４ｂが露出している。半導体ユニット１１０は、一方の放熱板１１４ａに金属板１３が密着するバスバー１２０と、他方の放熱板１１４ｂに金属板１３が密着するバスバー１２１を備える。バスバー１２０は図６において上側から積層体の間に差し込まれ、バスバー１２１は積層体の下側から積層体の間に差し込まれている。別言すれば、半導体ユニット１１０では、２本のバスバー１２０、１２１の金属板１３が異なる方向から積層体に差し込まれている。

図７は、別の変形例における半導体ユニット２１０の部分組立斜視図である。この変形例では、物理的には一個のバスバー２２０が、電気的には２本のバスバーとして機能する。バスバー２２０は２本の導電部材２１２ａ、２１２ｂと複数の金属板２１３を備える。夫々の金属板２１３は、厳密には１枚の金属板ではなく、２枚の金属板２１３ａと２１３ｂ（複数の導電領域）が絶縁体２１３ｃを介して連結している。即ち、金属板２１３ａと２１３ｂは、一つの部材を構成するが電気的には隔離されている。夫々の金属板２１３ａ、２１３ｂは、上方に伸びており、導電部材２１２ａ、２１２ｂにそれぞれ接続している。バスバー２２０は、２本の導電部材２１２ａ、２１２ｂを有しているが、それらは１枚の金属板２１３にて繋がっている。即ち、バスバー２２０は、電気的には２個のバスバーを構成するが、物理的には一個の部品である。素子モジュール１４の表面には２個の放熱板１４ａ、１４ｂが露出している。放熱板１４ａ、１４ｂは、素子モジュール１４内部の素子の端子と電気的に接続している。２個の放熱板１４ａ、１４ｂは、金属板２１３ａ、２１３ｂに対応する配置にて露出している。半導体ユニット２１０を組み上げる場合、２個の放熱板１４ａ、１４ｂに金属板２１３ａ、２１３ｂがそれぞれ対向するようにバスバー２２０を配置し、ヒートシンク１６と素子モジュール１４の積層体を両側から挟持する。この変形例では、電気的には２個のバスバーを物理的には一つの部品で構成しているので半導体ユニット２１０の組み立て性がさらに向上する。

実施例の半導体ユニットに関する留意点を述べる。図３−図５では、理解しやすいように屈曲部１２ａを大きく描いてある。上述したように、屈曲部１２ａの長さは、積層体がブラケット１８に挟持されたときに、上に凸に折れ曲がった部分の両側がちょうど密着するように定められる。別言すれば、屈曲部の長さは、積層体を密着させたときにバスバーの隣接する金属板の間隔が縮まる分に定められる。例えば、夫々の部品が平行配置されたときの隣接した金属板１３の間の距離が１．０ｃｍであり、積層体を両側から荷重し夫々の部品を密着させたときの隣接した金属板１３の間の距離が０．８ｃｍである場合、屈曲部１２ａの長さは０．２ｃｍ程度でよい。

また、一つの素子モジュールに複数のスイッチング回路が内蔵されていてもよい。また、素子モジュールの電極（例えばトランジスタのゲート、ドレイン、ソース）の全てが、素子モジュールの表面に露出している放熱板と電気的に接続しているとともに上記したバスバーで接続されている必要はない。例えば、比較的に小さい電流が流れる電極であり、インバータではそれぞれのアームごとに異なる信号が印加されるゲートの電極は、従来の結線スタイルで接続され、大電流が流れるソースとドレインに関して、複数の素子モジュールの電極を上記した放熱板とバスバーで繋ぐことも好適である。

上記実施例では、複数の素子モジュールに共通のバスバーが接続されていた。単一の素子モジュールにのみ接続されるバスバーが存在してもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：基板
３：回路
４：リアクトル
６：ケース
８：平滑化コンデンサ
１０、１１０、２１０：半導体ユニット
１２：導電部材
１２ａ：屈曲部
１２ｂ：密着部
１３、２１３：金属板
１４、１１４：素子モジュール
１４ａ：放熱板
１６：ヒートシンク
１７：パイプ
１８：ブラケット
２０、１２０、１２１、２２０：バスバー
２１：板バネ
２９：絶縁シート
９０：モータコントローラ

Claims (6)

1. 冷却器が一体となった半導体ユニットであり、
   ２個の平板型のヒートシンクと、
   半導体素子を収めた平板型の筐体の表面に、半導体素子の端子と電気的に接続している放熱板が露出している複数の素子モジュールと、
   バスバーと、
   を備えており、
   ２枚のヒートシンクの間に、バスバーと、放熱板を金属板側に向けた素子モジュールが挟持固定されていることを特徴とする半導体ユニット。
2. 複数の前記ヒートシンクと、
   複数の前記素子モジュールと、を備えており、
   前記バスバーは、複数の金属板が所定の距離を隔てて導電部材に接続している構造を有しており、
   複数のヒートシンクが平行に配置されているとともに、隣接するヒートシンクの間に、金属板と、放熱板を金属板側に向けた素子モジュールが配置されて積層体が形成されており、その積層体が両側から挟持固定されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体ユニット。
3. 前記導電部材は、隣接する金属板の間に屈曲部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体ユニット。
4. 前記金属板は、相互に絶縁されている複数の導電領域を有しており、それぞれの導電領域が、素子モジュールの表面に露出した複数の放熱板のそれぞれに接しているとともに、複数の金属板の対応する導電領域が導電部材によって連結されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体ユニット。
5. それぞれのヒートシンクがその内部に冷媒が流れることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体ユニット。
6. 複数の平板型のヒートシンクと、半導体素子を収めた平板型の筐体の表面に半導体素子の端子と同電位の放熱板が露出している複数の素子モジュールと、複数の金属板が所定の距離を隔てて導電部材に接続しているバスバーを用意する工程と、
   複数のヒートシンクを平行に配置するとともに、隣接するヒートシンクの間に、バスバーの金属板と、表面の放熱板が金属板に面するように素子モジュールを配置する工程と、
   ヒートシンクと金属板と素子モジュールの積層体を両側から挟持固定する工程と、
   を備えることを特徴とする半導体ユニットの製造方法。

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