JP2013073966A - 半導体ユニット - 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】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。内部にＩＧＢＴなどの半導体素子を収めた素子モジュール１４から電極１４ａが伸びている。半導体ユニット１０はさらに、細長金属板の先端を有しており素子モジュール１４の電極１４ａと外部回路を電気的に接続するバスバー２０を備える。複数のヒートシンク１６と複数の素子モジュール１４は交互に積層している。電極１４ａとバスバー２０の先端同士が重ねられてスペーサ２２を介して両側のヒートシンク１６によって挟持固定されている。
【選択図】図２

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、あるいは単にパワー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（ハイブリッド車を含む電気自動車用の走行駆動用モータ）に電力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。

例えば、特許文献１には、多数の半導体素子（パワー素子）を平板型の筐体（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２０１１−１００７９１号公報

素子モジュールからは、パワー素子の電極が伸びている。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導電部材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導電部材が接続される。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導電部材が接続される。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。従来は、素子モジュールから伸びている電極とバスバーは、半田付けにより接続されていた。このとき、素子モジュールの積層数が多くなるほど、素子モジュールから伸びている電極の位置公差が大きくなる。積層している複数の素子モジュール夫々の位置を正確に管理することが難しいからである。複数の素子モジュールの夫々から電極が伸びており、それら多数の電極の位置公差が大きいと、それぞれの電極とバスバーとの接続作業の効率が悪い。バスバーと電極との接続には、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。

本明細書が開示する技術は、複数の平板型の半導体モジュールと複数の平板型のヒートシンクが積層されていること、及び、半導体モジュールの電極もバスバーも平型の細長金属板であること、を巧みに利用し、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。電極とバスバーが平たい金属板であるから、これらを重ね合わせ、両側をヒートシンクで挟持すれば、溶接することなく電極とバスバーを接続／固定できる。しかも、電極の位置が多少不正確であっても、電極とバスバーをヒートシンクで挟持するので問題とならない。即ち、製造工程において電極の位置公差を精密に管理する経済的時間的コストを省ける。半導体ユニットの組み立て性が向上する。

本明細書が開示する半導体ユニットの一態様は、複数の平板型のヒートシンクと、複数の平板型の素子モジュールと、バスバーを備える。素子モジュールは、半導体素子を収めた平板型の筐体を有しており、その筐体から細長金属板の電極が伸びている。バスバーは、細長金属板の先端を有しており、素子モジュールの電極と接続され、素子モジュールと外部回路を電気的に接続する。半導体ユニットは、複数のヒートシンクと複数の素子モジュールが交互に積層しており、電極とバスバーの先端同士が重ねられてスペーサを介して両側のヒートシンクによって挟持固定されている。

上記半導体ユニットにおけるバスバーは、その先端が二手に分かれており、二手に分かれた先端の間に電極が挟まれているとよい。電極とバスバーを物理的により一層強固に接続できるとともに、電気的にも強固に接続できる。さらに、二手に分かれた先端の外側には絶縁体が貼着あるいは塗布されているとよい。金属板の外側に絶縁体を貼着あるいは塗布することによって、スペーサを導電材料で作ることもできるようになるからである。

一つのバスバーを、積層方向に並んだ複数の電極と接続する場合がある。そのような場合、製造工程において複数の素子モジュールとヒートシンクを積層する際に積層方向に並んだ電極の間隔が狭くなるのでバスバーが圧縮方向の力を受ける。その圧縮方向の力を無理なく逃がすため、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、導電部材に、隣接する金属板の間の位置に屈曲部が設けられていると好適である。圧縮方向の力が加わると、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が防止できる。

本明細書が開示する半導体ユニットの詳細、及び、さらなる改良については発明の実施の形態において説明する。

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。 半導体ユニットの分解斜視図である。 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。

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（ＩＧＢＴと還流ダイオード）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が通っている。バスバー２０は、複数の素子モジュール内のスイッチング素子と基板２上の制御回路（あるいはリアクトル４や平滑化コンデンサ８）とを電気的に接続する。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の分解斜視図を示す。図３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４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、スペーサ２２、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（半導体素子）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おり、ゲート、ソース（ダイオードのカソード）、及び、ドレイン（ダイオードのアノード）の電極が素子モジュールの外部に伸びている。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、その一つの縁から複数の電極１４ａが伸びている。例えば、２個の電極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。電極１４ａは、細長の金属板である。なお、ゲート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２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が設けられている。なお、図３、図４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接続している構造を有している（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構造を有している）。隣接する２枚の金属板１３の間の位置で導電部材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では屈曲部１２ａの図示を省略している。

符号２９が示す部品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。なお、図示を省略しているが、素子モジュール１４の表面には、内部のスイッチング素子の熱を表面に伝えるための金属板（放熱板）が備えられている。

符号２２が示す部品はスペーサである。スペーサ２２は、２枚のヒートシンク１６の間に素子モジュール１４を挟持する際、電極１４ａ（及びバスバーの金属板１３）とヒートシンク１６との間を埋める部材である。別言すれば、スペーサ２２は、電極１４ａの先端とバスバー２０の先端（金属板１３）が重なったものを、２枚のヒートシンク１６で両側から挟持する際、隙間を埋め、電極１４ａと金属板１３をしっかり押し付けて固定する役割を果たす。電極１４ａも金属板１３も平たい金属板であるので、スペーサ２２を介してヒートシンク１６で挟持することによって、強固に固定される。なお、スペーサ２２は、絶縁材料で作られている。

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、スペーサ２２、絶縁シート２９、及び、ブラケット１８と板バネ２１を準備する。次に、図３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の先端が電極１４ａの先端と重なるようにバスバー２０を配置する。次に電極１４ａと金属板１３の両側にスペーサ２２を配置する。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、スペーサ２２、絶縁シート２９で構成される積層体に両側から荷重を加え、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を入れる（図２、図３参照）。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の密着状態が保持される。同時に、バスバーの金属板１３と電極１４ａの密着状態も強固に保持される。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。

以上説明したように、上記の製造工程においては、電極１４ａとバスバー２０（金属板１３）を接合する特別な工程（溶接など）は必要ない。電極１４ａとバスバー２０（金属板１３）は、素子モジュール１４とヒートシンク１６の積層工程において同時に接続／固定される。このとき、電極１４ａの位置が多少不正確であってもかまわない。上記の半導体ユニット１０は、組み立て性が良い。

なお、図４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４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が形成される。この密着部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。

次に、上記した半導体ユニット１０の変形例を説明する。図５は、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５は、半導体ユニット１１０の一部のみを示している。バスバー１２０は、導電部材１１２に接続している（ぶら下がっている）金属板１１３の先端が二手に分かれており、その間に素子モジュール１４の電極１４ａが挟まれる。金属板１１３の外側には絶縁物質が塗布されており、積層したときにスペーサ２２（ヒートシンク１６）との絶縁が保たれる。この変形例の半導体ユニット１１０は、素子モジュール１４の電極１４ａを、バスバー先端の二手に分かれた金属板１１３が挟み込むので、電極１４ａとバスバー１２０がより一層強固に固定されるととともに、接続部における電気抵抗を小さくすることができる。

二手に分かれた金属板の外側に絶縁層を形成することによって、スペーサには導電性の材料を使うことができるようになる。例えば、スペーサにアルミを使うことができる。二手に分かれた金属板の外側に絶縁層を形成することによって、スペーサを作る材料の選択肢が多くなる。

実施例の半導体ユニットに関する留意点を述べる。図２−図４では、理解しやすいように屈曲部１２ａを大きく描いてある。変形例の図５でも屈曲部１１２ａ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。

バスバーは、先端（導電部材に接続している部分の先端）が板状であればよく、金属板を連結する導電部材は板状でなくケーブル状（ワイヤ）であってもよい。また、バスバー先端の金属板と素子モジュールから伸びる電極は、ヒートシンクによって両側から挟持されると同時に、導電性の接着剤で接着されてもよい。

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、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バスバーで繋ぐことも好適である。

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：半導体ユニット
１２：導電部材
１２ａ：屈曲部
１２ｂ：密着部
１３、１１３：金属板
１４：素子モジュール
１４ａ：電極
１６：ヒートシンク
１７：パイプ
１８：ブラケット
２０、１２０：バスバー
２１：板バネ
２２：スペーサ
２９：絶縁シート
９０：モータコントローラ

Claims (3)

1. 冷却器が一体となった半導体ユニットであり、
   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から細長金属板の電極が伸びている複数の素子モジュールと、
   細長金属板の先端を有しており、素子モジュールの電極と外部回路を電気的に接続するバスバーと、
   を備えており、
   複数のヒートシンクと複数の素子モジュールが交互に積層しており、
   電極とバスバーの先端同士が重ねられてスペーサを介して両側のヒートシンクによって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. バスバーの先端が二手に分かれており、その間に電極が挟ま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. 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、導電部材に、隣接する金属板の間の位置に屈曲部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体ユニット。

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