JP2013080843A - 半導体モジュール及びその配設構造 - Google Patents

Abstract

【課題】バスバーと主電極端子との接続のしやすさを向上させることができる半導体モジュール及びその配設構造を提供すること。
【解決手段】半導体モジュール１は、平板形状を有し、両側の板面２１が冷却器によって冷やされる冷却面として機能する半導体本体部２と、半導体本体部２における一側面２２Ａから引き出され、電源に導通されるバスバー４が接続される複数の主電極端子３とを備えている。複数の主電極端子３は、一側面２２Ａの長辺方向に並んで配置されており、かつ、バスバー４と対面する接続面３２１が、半導体本体部２における板面２１に対して垂直に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体本体部から複数の主電極端子を引き出して構成された半導体モジュール及びその配設構造に関する。

半導体モジュールは、電気自動車、ハイブリッド自動車等に搭載されるインバータ等の電力変換装置として用いられ、トランジスタ等の半導体素子を樹脂内に配置してモールド成形し、半導体素子から導通用の端子を外部に引き出して形成されている。
例えば、特許文献１の端子接続構造においては、電子部品における主電極端子と、電気回路に接続される外部接続部材とを接続する構造が開示されている。この端子接続構造においては、主電極端子及び外部接続部材に、留め具を挿通することができる貫通孔が形成されている。そして、留め具によって主電極端子と外部接続部材とを留め付けるとともに、これらを溶接している。

特開２００５−４５１８５号公報

しかしながら、特許文献１の端子接続構造に示されるように、複数の電子部品（半導体モジュール）を冷却器等に配設する際には、複数の電子部品は、その板面（冷却面）が向き合う方向に並べられる。このとき、留め具によって外部接続部材（バスバー）に留め付ける主電極端子の位置が互いに対向する位置に重なり、留め具を主電極端子及び外部接続部材に形成された貫通孔に挿通させることが困難になる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、バスバーと主電極端子との接続のしやすさを向上させることができる半導体モジュール及びその配設構造を提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、平板形状を有し、両側の板面が冷却器によって冷やされる冷却面として機能する半導体本体部と、
該半導体本体部における一側面から引き出され、電源に導通されるバスバーが接続される複数の主電極端子と、を備えており、
該複数の主電極端子は、上記一側面の長辺方向に並んで配置されており、かつ、上記バスバーと対面する接続面が、上記半導体本体部における板面に対して垂直に形成されていることを特徴とする半導体モジュールにある（請求項１）。

本発明の他の態様は、上記半導体モジュールを、冷却器によって上記板面の方向に挟持してなる構造であって、
上記複数の半導体モジュールは、上記半導体本体部における板面を同一方向に向けるとともに上記主電極端子を同一方向に引き出して、上記一側面に直交する左右側面同士が向き合う横方向と、上記板面同士が向き合う縦方向とに並んで配設されており、
上記複数の半導体モジュールにおける上記主電極端子の上記接続面の全体が、同一方向に向けられていることを特徴とする半導体モジュールの配設構造にある（請求項６）。

上記半導体モジュールにおいては、半導体本体部から引き出された主電極端子における接続面が、半導体本体部における板面に対して垂直に形成されている。
これにより、冷却器において、複数の半導体モジュールを、板面が互いに向き合うように配設して用いる際には、複数の主電極端子の接続面が、互いに対向してしまうことを防止することができる。これにより、複数の主電極端子の接続面をバスバーに接続する際に、接続面に対向する位置に、容易に作業用のスペースを確保することができる。
それ故、上記半導体モジュールによれば、バスバーと主電極端子との接続のしやすさを向上させることができる。

また、上記半導体モジュールの配設構造においては、複数の半導体モジュールを冷却器における横方向及び縦方向に並べて配設する際に、各半導体モジュールの主電極端子の接続面に対向する位置に、容易に作業用のスペースを確保することができる。
これにより、バスバーの接続作業性に優れた、半導体モジュールの配設構造を形成することができる。

実施例にかかる、半導体モジュールを示す斜視図。 実施例にかかる、半導体モジュールを冷却器に配置して形成した電力変換装置を示す平面図。 実施例にかかる、他の半導体モジュールを示す斜視図。 実施例にかかる、他の半導体モジュールを示す斜視図。 実施例にかかる、他の半導体モジュールを冷却器に配置して形成した電力変換装置を示す平面図。 実施例にかかる、他の半導体モジュールを示す斜視図。 実施例にかかる、他の半導体モジュールを示す斜視図。 実施例にかかる、２つの半導体モジュールを、端子台によって接続する状態を示す説明図。 実施例にかかる、２つの半導体モジュールを、バスバー部を一体化した端子台によって接続する状態を示す平面図。

上述した半導体モジュールにおける好ましい実施の形態につき説明する。
上記半導体モジュールにおいては、上記複数の主電極端子は、上記一側面から起立する起立部と、該起立部に対して折り曲げられ、上記接続面が形成された端子先端部とからなっていてもよい（請求項２）。
この場合には、簡単な形状の主電極端子によって、半導体本体部における板面に対して垂直な接続面を形成することができる。
また、起立部は一側面から垂直に起立させることができ、端子先端部は、起立部に対して直角に折り曲げて形成することができる。

また、上記端子先端部には、上記バスバーを接続するための接続孔が形成されていてもよい（請求項３）。
この場合には、接続孔によって、主電極端子の端子先端部をバスバーに安定して接続することができる。

また、上記接続孔は、ビスが挿通される貫通孔又は切欠であってもよい（請求項４）。
この場合には、貫通孔又は切欠に挿通したビスによって、主電極端子の端子先端部をバスバーに安定して接続することができる。

また、上記一側面又は該一側面の反対側に位置する他側面から引き出され、制御回路に導通される複数の制御端子を、上記半導体モジュールは備えており、該複数の制御端子は、上記一側面又は上記他側面の長辺方向に並んで配置されていてもよい（請求項５）。
この場合には、半導体モジュールは、複数の主電極端子を電源に導通させるとともに、複数の制御端子を制御回路に導通させて用いることができる。

上記半導体モジュールの配設構造においては、上記縦方向に並ぶ複数の半導体モジュールは、一方の半導体モジュールにおける上記主電極端子の上記横方向における位置と、他方の半導体モジュールにおける上記主電極端子の上記横方向における位置とが互いにずれており、上記複数の半導体モジュールにおける上記主電極端子の上記接続面の全体が、千鳥状に配置されていてもよい（請求項７）。
この場合には、各半導体モジュールの主電極端子における接続面同士の配置間隔を、適切に確保することができ、接続面へのバスバーの接続作業性をさらに向上させることができる。

以下に、半導体モジュール及びその配設構造にかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
（実施例１）
図１は、本例の半導体モジュール１を示す。同図に示すごとく、本例の半導体モジュール１は、平板形状を有し、両側の板面２１が冷却器５によって冷やされる冷却面として機能する半導体本体部２と、半導体本体部２における一側面２２Ａから引き出され、電源に導通されるバスバー（銅材料等を用いた板状の導体）４が接続される複数の主電極端子３とを備えている。
複数の主電極端子３は、一側面２２Ａの長辺方向に並んで配置されており、かつ、バスバー４と対面する接続面３２１が、半導体本体部２における板面２１に対して垂直に形成されている。

以下に、本例の半導体モジュール１及びその配設構造につき、図１〜図７を参照して詳説する。
図２は、本例の半導体モジュール１を冷却器５に配置して形成した電力変換装置１０を示す。同図に示すごとく、本例の半導体モジュール１は、その板面２１の方向に冷却器５によって挟持されて、半導体モジュール１の配設構造としての電力変換装置１０を構成する。半導体モジュール１は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のパワー素子（半導体素子）を、絶縁樹脂によって覆って形成したものである。
図１に示すごとく、半導体モジュール１の半導体本体部２は、平板形状であるとともに略直方体形状を有している。一側面２２Ａ及び他側面２２Ｂの長辺方向とは、最も面積が広い略四角形の板面２１の周囲に位置する辺のことをいう。
主電極端子３は、パワー素子から引き出され、絶縁樹脂の外部に引き出されている。また、半導体モジュール１の一側面２２Ａとは反対側の他側面２２Ｂにおいては、他側面２２Ｂの長辺方向に並ぶ位置に、複数の制御端子３５が配置されている。各制御端子３５は、制御回路（制御基板）に直接接続される。

図１に示すごとく、半導体モジュール１においては、複数の主電極端子３は、帯板形状を有しており、一側面２２Ａから垂直に起立する起立部３１と、起立部３１に対して直角に折り曲げられ、接続面３２１が形成された端子先端部３２とから構成されている。本例の接続面３２１は、端子先端部３２の外側表面（半導体本体部２から離れた側の表面）とする。なお、接続面３２１は、端子先端部３２の内側表面とすることもできる。
主電極端子３は、半導体本体部２から２本引き出されており、いずれの主電極端子３の端子先端部３２も、同じ方向に折り曲げられている。主電極端子３は、パワー素子のコレクタ部とエミッタ部（ＦＥＴの場合には、ドレイン部とソース部）とに該当する部分から引き出されている。

端子先端部３２には、バスバー４を接続するための接続孔３２２が形成されている。この接続孔３２２は、ビス（ネジ）４２が挿通される貫通孔３２２として形成することができる。端子先端部３２に形成された接続孔３２２と、バスバー４に形成された接続孔４１とにビス４２を挿通させ、このビス４２をナット４３を用いて締め付けることにより、主電極端子３の端子先端部３２をバスバー４に安定して接続することができる。
ナット４３は、治具等を用いて端子先端部３２の下側面（接続面３２１とは反対側の面）に配置することができる。また、ナット４３は、端子先端部３２の下側面に溶接しておくこともできる。
また、端子先端部３２における接続孔３２２は、貫通孔とする以外にも、図３に示すごとく、端子先端部３２の一方向（本例では端子先端部３２の折曲先端側）に向けて、端子先端部３２の一部を切り欠いた切欠３２２Ａとすることもできる。

また、主電極端子３は、図４に示すごとく、ブロック形状によって形成することもできる。この場合には、ブロック形状の主電極端子３の先端面を接続面３２１として、この接続面３２１には、バスバー４（図１参照）を留め付ける際に用いるビス４２を螺合するネジ穴３２２Ｂを形成することができる。そして、バスバー４と主電極端子３の接続面３２１とを対面させ、バスバー４に形成された接続孔４１にビス４２を挿通し、このビス４２をネジ穴３２２Ｂに螺合することができる（図１参照）。

図２に示すごとく、冷却器５は、半導体モジュール１を挟持する複数の挟持プレート部５１と、各挟持プレート部５１の両端部に位置して、各挟持プレート部５１へ冷却水Ｗを導く配管部５２とによって構成されている。各挟持プレート部５１は、その内部に、冷却水Ｗを通過させる冷却通路５１１を形成して構成されている。
電力変換装置１０を構成する複数の半導体モジュール１は、半導体本体部２における板面２１を同一方向に向けるとともに主電極端子３を同一方向に引き出して、一側面２２Ａに直交する左右側面２３同士が向き合う横方向Ｂと、板面２１同士が向き合う縦方向Ｈとに並んで配設されている。
複数の半導体モジュール１は、横方向Ｂに２つ並ぶ状態で、冷却器５の挟持プレート部５１に挟持されている。挟持プレート部５１と２つの半導体モジュール１とを複数段に積層して、電力変換装置１０が形成される。

電力変換装置１０においては、半導体モジュール１の配列の縦方向Ｈ及び横方向Ｂに直交する方向である奥行方向に、複数の半導体モジュール１における主電極端子３の接続面３２１の全体が向けられている。そして、各接続面３２１に対して、奥行方向の外方からバスバー４を対面させることができ、この奥行方向の外方から、バスバー４及び端子先端部３２に形成された接続孔４１，３２２にビス４２を挿通させて、このビス４２をナット４３に対して締め付けることができる。

図２に示すごとく、電力変換装置１０においては、縦方向Ｈに並ぶ複数の半導体モジュール１は、一方の半導体モジュール１Ａにおける主電極端子３の横方向Ｂにおける位置と、他方の半導体モジュール１Ｂにおける主電極端子３の横方向Ｂにおける位置とが互いにずれている。縦方向Ｈに並ぶ複数の半導体モジュール１において、一方の半導体モジュール１Ａと他方の半導体モジュール１Ｂとの横方向Ｂの位置は、互いにずれている。そして、電力変換装置１０においては、縦方向Ｈに並ぶ複数の半導体モジュール１の全体において、各半導体モジュール１の主電極端子３における端子先端部３２の接続面３２１が、千鳥状に配置されている。

本例においては、同図に示すごとく、半導体本体部２から主電極端子３を引き出した構成の半導体モジュール１の種類は１種類である。そして、第１の層Ｘ１において、横方向Ｂに並ぶ２つの半導体モジュール１に対し、第２の層Ｘ２において、横方向Ｂに並ぶ２つの半導体モジュール１の位置が横方向Ｂに所定の距離だけずれている。第３の層Ｘ３において、横方向Ｂに並ぶ２つの半導体モジュール１は、第１の層Ｘ１において、横方向Ｂに並ぶ２つの半導体モジュール１の横方向Ｂの位置と同じ横方向Ｂの位置にある。また、第４の層Ｘ４において、横方向Ｂに並ぶ２つの半導体モジュール１は、第２の層Ｘ２において、横方向Ｂに並ぶ２つの半導体モジュール１の横方向Ｂの位置と同じ横方向Ｂの位置にある。
以降、横方向Ｂに並ぶ２つの半導体モジュール１における各主電極端子３の接続面３２１の横方向Ｂの位置が、積層する層ごとに交互に位置ずれして、複数の半導体モジュール１が冷却器５に挟持される。

図５に示すごとく、複数の半導体モジュール１は、複数の主電極端子３が横方向Ｂの一方側にずれた第１の半導体モジュール１Ｃと、複数の主電極端子３が横方向Ｂの他方側にずれた第２の半導体モジュール１Ｄとの２種類を準備することができる。この場合には、第１の層Ｘ１において、横方向Ｂに２つ並ぶ半導体モジュール１には第１の半導体モジュール１Ｃを用い、第２の層Ｘ２において、横方向Ｂに２つ並ぶ半導体モジュール１には第２の半導体モジュール１Ｄを用いる。これにより、各層における半導体モジュール１の横方向Ｂの位置は同じ位置にしたままで、第１の層Ｘ１における、各主電極端子３の接続面３２１が配置される横方向Ｂの位置と、第２の層Ｘ２における、各主電極端子３の接続面３２１が配置される横方向Ｂの位置とを互いにずらすことができる。
そして、積層する層の数に合わせて、各層に、第１の半導体モジュール１Ｃと第２の半導体モジュール１Ｄとを交互に配置することができる。

本例の半導体モジュール１においては、半導体本体部２から引き出された主電極端子３における接続面３２１が、半導体本体部２における板面２１に対して垂直に形成されている。そして、複数の半導体モジュール１における主電極端子３の接続面３２１の全体は、半導体モジュール１の奥行方向に向けられている。
これにより、冷却器５において、複数の半導体モジュール１を、板面２１が互いに向き合うように配設して用いる際には、複数の主電極端子３の接続面３２１が、互いに対向してしまうことを防止することができる。そのため、複数の主電極端子３の接続面３２１とバスバー４とを接続する際に、接続面３２１の全体に対する上方（奥行方向の外方）に、容易に作業用のスペースを確保することができる。
それ故、本例の半導体モジュール１及びその配設構造によれば、バスバー４と主電極端子３との接続のしやすさを向上させることができる。

なお、図６に示すごとく、半導体モジュール１において、制御端子３５は、主電極端子３を引き出した一側面２２Ａにおいて、主電極端子３の横方向Ｂに並んで配置することもできる。
また、図７に示すごとく、半導体モジュール１は、２つのパワー素子を一体的に組み込んで形成することもできる。この場合には、主電極端子３は、一方のパワー素子のコレクタ部から引き出されたものと、一方のパワー素子のエミッタ部と他方のパワー素子のコレクタ部とが内部で一体化されて引き出されたものと、他方のパワー素子のエミッタ部から引き出されたものとの３つが、横方向Ｂに並んで配置される。

（実施例２）
本例は、半導体モジュール１の主電極端子３とバスバー４とを接続する方法について、上記実施例１と異なる場合を示す例である。
図８に示すごとく、各主電極端子３の端子先端部３２とバスバー４とを接続する際には、ネジ穴４５１を形成した端子台４５を端子先端部３２の下側面（半導体本体部２の側）に配置することができる。そして、端子台４５に対して端子先端部３２とバスバー４とを重ねて配置し、端子先端部３２及びバスバー４に形成された接続孔４１にビス４２を挿通して、このビス４２を端子台４５のネジ穴４５１に螺合することができる。端子台４５には、ネジ穴４５１が形成されたインサートナットを埋設しておくことができる。
この場合には、ナット４３の代わりに端子台４５を用いることにより、各主電極端子３の端子先端部３２とバスバー４との接続を容易に行うことができる。

また、図９に示すごとく、端子台４５を用いる代わりに、バスバー部４６２を一体化した端子台４６を用いることもできる。この場合には、絶縁性の端子台本体部４６１に対して、銅材料等による導通性のバスバー部４６２を、導通の必要性に応じて形成することができる。また、端子台本体部４６１において、主電極端子３の端子先端部３２を取り付ける位置に合わせて、ビス４２（図８等参照）を螺合するネジ穴４６３を形成することができる。そして、端子台４６を端子先端部３２の下側面（半導体本体部２に近い側）に配置し、端子先端部３２の接続孔３２２に挿通したビス４２を、端子台４６のネジ穴４６３に螺合することができる。

この場合には、端子台４６のバスバー部４６２によって、隣接する半導体モジュール１Ｅ，１Ｆにおける一方の半導体モジュール１Ｅの主電極端子３の端子先端部３２と、他方の半導体モジュール１Ｆの主電極端子３の端子先端部３２とを導通させることができる。 本例においても、その他の構成は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

１ 半導体モジュール
１０ 電力変換装置
２ 半導体本体部
２１ 板面
２２Ａ 一側面
２２Ｂ 他側面
３ 主電極端子
３１ 起立部
３２ 端子先端部
３２１ 接続面
３２２ 接続孔
４ バスバー
４２ ビス
５ 冷却器

Claims (7)

1. 平板形状を有し、両側の板面が冷却器によって冷やされる冷却面として機能する半導体本体部と、
   該半導体本体部における一側面から引き出され、電源に導通されるバスバーが接続される複数の主電極端子と、を備えており、
   該複数の主電極端子は、上記一側面の長辺方向に並んで配置されており、かつ、上記バスバーと対面する接続面が、上記半導体本体部における板面に対して垂直に形成されていることを特徴とする半導体モジュール。
2. 請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、上記複数の主電極端子は、上記一側面から起立する起立部と、該起立部に対して折り曲げられ、上記接続面が形成された端子先端部とからなることを特徴とする半導体モジュール。
3. 請求項２に記載の半導体モジュールにおいて、上記端子先端部には、上記バスバーを接続するための接続孔が形成されていることを特徴とする半導体モジュール。
4. 請求項３に記載の半導体モジュールにおいて、上記接続孔は、ビスが挿通される貫通孔又は切欠であることを特徴とする半導体モジュール。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、上記一側面又は該一側面の反対側に位置する他側面から引き出され、制御回路に導通される複数の制御端子を備えており、
   該複数の制御端子は、上記一側面又は上記他側面の長辺方向に並んで配置されていることを特徴とする半導体モジュール。
6. 請求項１〜５に記載の半導体モジュールを、冷却器によって上記板面の方向に挟持してなる構造であって、
   上記複数の半導体モジュールは、上記半導体本体部における板面を同一方向に向けるとともに上記主電極端子を同一方向に引き出して、上記一側面に直交する左右側面同士が向き合う横方向と、上記板面同士が向き合う縦方向とに並んで配設されており、
   上記複数の半導体モジュールにおける上記主電極端子の上記接続面の全体が、同一方向に向けられていることを特徴とする半導体モジュールの配設構造。
7. 請求項６に記載の半導体モジュールの配設構造において、上記縦方向に並ぶ複数の半導体モジュールは、一方の半導体モジュールにおける上記主電極端子の上記横方向における位置と、他方の半導体モジュールにおける上記主電極端子の上記横方向における位置とが互いにずれており、
   上記複数の半導体モジュールにおける上記主電極端子の上記接続面の全体が、千鳥状に配置されていることを特徴とする半導体モジュールの配設構造。

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