JP2014036558A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液冷冷却器に配した第１の半導体モジュールの端子および第２の半導体モジュールの端子と引出用のバスバーとの組付性に優れた半導体装置を提供する。
【解決手段】液冷冷却器２０の上下面には半導体モジュール３０，３１，３２，４０，４１，４２が配置されている。バスバー５０は、第１の半導体モジュールの端子７０および第２の半導体モジュールの端子７１に接続される一対の締結部５１，５２から等距離で合流する合流部５３が液冷冷却器２０から離間する方向に延びている。止め具６０は、バスバーの締結部５１，５２に配置され、ボルト８０，８１が螺入されて締結部５１，５２と端子７０，７１とを締結している。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷却器と半導体モジュールを備えた半導体装置に関するものである。

特許文献１に開示の電力変換装置においては、複数の半導体モジュールを冷却器の両主面から冷却するとともに半導体モジュールの一方の電極端子が電源部に、他方の電極端子がバスバーを用いて回転電機と接続されている。

特開２００８−１９８７５０号公報

ところで、液冷冷却器を挟んで半導体モジュールを配置した場合、半導体モジュールと外部機器とを接続するためには半導体モジュールの端子を引き出して接続する必要がある。このとき、溶接では組付性が悪く、治具で固定した状態で溶接機によって接合する必要がある。

本発明の目的は、液冷冷却器に配した第１の半導体モジュールの端子および第２の半導体モジュールの端子と引出用のバスバーとの組付性に優れた半導体装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、液冷冷却器と、前記液冷冷却器を挟んで対向する状態で配置される第１および第２の半導体モジュールと、前記第１の半導体モジュールの端子および第２の半導体モジュールの端子に接続される一対の締結部から等距離で合流する合流部が前記液冷冷却器から離間する方向に延びるバスバーと、前記バスバーの締結部に配置され、ネジが螺入されて前記締結部と前記端子とを締結する止め具と、を備えたことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、第１および第２の半導体モジュールが液冷冷却器を挟んで対向する状態で配置され、バスバーにおいて、第１の半導体モジュールの端子および第２の半導体モジュールの端子に接続される一対の締結部から等距離で合流する合流部が液冷冷却器から離間する方向に延びている。止め具がバスバーの締結部に配置され、ネジが螺入されて締結部と端子とが締結される。よって、バスバーと端子とは締結されているので、液冷冷却器に配した第１の半導体モジュールの端子および第２の半導体モジュールの端子と引出用のバスバーとの組付性に優れたものになる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の半導体装置において、前記バスバーは一枚の板を屈曲して形成されていると、部品管理が容易となる。
請求項３に記載のように、請求項２に記載の半導体装置において、前記バスバーの合流部は、折り返されて形成されていると、製造が容易となる。

請求項４に記載のように、請求項２に記載の半導体装置において、前記バスバーの一対の締結部は、切り欠きで２又に分かれて形成されている構成とすることができる。
請求項５に記載のように、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置において、前記バスバーは、前記止め具としてのナットを挟み込む部位を有している構成とすることができる。

請求項６に記載のように、請求項５に記載の半導体装置において、前記バスバーにおける前記ナットを挟み込む部位は１枚のバスバーで形成されているとよい。

本発明によれば、液冷冷却器に配した第１の半導体モジュールの端子および第２の半導体モジュールの端子と引出用のバスバーとの組付性に優れたものとなる。

実施形態における半導体装置の平面図。 図１のＡ−Ａ線での縦断面図。 半導体装置の一部を示す下面図。 バスバーの斜視図。 半導体装置の電気的構成を示す回路図。 （ａ）は別例のバスバーの斜視図、（ｂ）は曲げ加工前のバスバーの斜視図。 別例の半導体装置の一部平面図。 別例の半導体装置の一部下面図。 別例のバスバーの斜視図。 別例のバスバーの斜視図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は別例のバスバーの一部斜視図。 （ａ），（ｂ）は別例のバスバーの展開図。 （ａ）は別例のバスバーの斜視図、（ｂ）はバスバーの展開図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
なお、図面において、水平面（図１の紙面）を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向（図１の紙面と直交する方向）をＺ方向で規定している。

図１，２，３に示すように、半導体装置１０は、液冷冷却器２０を備えている。液冷冷却器２０は、上下方向が薄い扁平な四角箱型をなしている。さらに、液冷冷却器２０において一方の面としての上面に第１の半導体モジュール３０，３１，３２がＹ方向に並べて配置されている。また、液冷冷却器２０において他方の面としての下面に第２の半導体モジュール４０，４１，４２がＹ方向に並べて配置されている。液冷冷却器２０の上下面において半導体モジュール３０と半導体モジュール４０とは対向する位置に配置されている。同様に、液冷冷却器２０の上下面において半導体モジュール３１と半導体モジュール４１とは対向する位置に配置されている。また、液冷冷却器２０の上下面において半導体モジュール３２と半導体モジュール４２とは対向する位置に配置されている。即ち、第１の半導体モジュール３０と第２の半導体モジュール４０とが液冷冷却器２０を挟んで対向する状態で配置されている。同様に、第１の半導体モジュール３１と第２の半導体モジュール４１とが液冷冷却器２０を挟んで対向する状態で配置されている。また、第１の半導体モジュール３２と第２の半導体モジュール４２とが液冷冷却器２０を挟んで対向する状態で配置されている。

図５に示すように、半導体装置１０は、三相インバータであって、直流を入力して三相交流にして出力する。半導体装置（インバータ）１０に備えられた第１の半導体モジュール３０，３１，３２および第２の半導体モジュール４０，４１，４２のうち、半導体モジュール３０，４０によりＵ相における上下のアームを構成している。また、半導体モジュール３１，４１によりＶ相における上下のアームを構成している。さらに、半導体モジュール３２，４２によりＷ相における上下のアームを構成している。

各半導体モジュール３０，３１，３２は、２つのパワートランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ１，Ｑ２を備えている。また、各半導体モジュール４０，４１，４２は、２つのパワートランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ３，Ｑ４を備えている。各半導体モジュール３０，３１，３２の内部において、２つのパワートランジスタＱ１，Ｑ２が直列接続されている。また、各半導体モジュール４０，４１，４２の内部において、２つのパワートランジスタＱ３，Ｑ４が直列接続されている。各パワートランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４にはダイオードＤが並列に接続されている。

半導体モジュール３０において直列接続された２つのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の間の接続点と、半導体モジュール４０において直列接続された２つのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の間の接続点とはＵ相出力端子に接続される。同様に、半導体モジュール３１において直列接続された２つのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の間の接続点と、半導体モジュール４１において直列接続された２つのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の間の接続点とはＶ相出力端子に接続される。また、半導体モジュール３２において直列接続された２つのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の間の接続点と、半導体モジュール４２において直列接続された２つのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の間の接続点とはＷ相出力端子に接続される。

また、半導体モジュール３０でのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の直列回路の一端と、半導体モジュール４０でのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の直列回路の一端とは＋入力端子に接続されるとともに、半導体モジュール３０でのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の直列回路の他端と、半導体モジュール４０でのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の直列回路の他端とは−入力端子に接続される。同様に、半導体モジュール３１でのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の直列回路の一端と、半導体モジュール４１でのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の直列回路の一端とは＋入力端子に接続されるとともに、半導体モジュール３１でのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の直列回路の他端と、半導体モジュール４１でのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の直列回路の他端とは−入力端子に接続される。また、半導体モジュール３２でのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の直列回路の一端と、半導体モジュール４２でのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の直列回路の一端とは＋入力端子に接続されるとともに、半導体モジュール３２でのパワートランジスタＱ１，Ｑ２の直列回路の他端と、半導体モジュール４２でのパワートランジスタＱ３，Ｑ４の直列回路の他端とは−入力端子に接続される。

このように、半導体モジュール３０と半導体モジュール４０とは並列接続される。同様に、半導体モジュール３１と半導体モジュール４１とは並列接続される。また、半導体モジュール３２と半導体モジュール４２とは並列接続される。

図２に示すように、液冷冷却器２０において内部には液体が通る流路２１が形成されている。この流路２１にはフィン２２が配置されている。そして、入口パイプ（図示略）から液体が供給されて液冷冷却器２０の流路２１を通って出口パイプ（図示略）から排出されるようになっている。

図１，２，３に示すように、半導体装置１０は、引出用のバスバー５０と、端子台として機能する止め具６０を備えている。
また、図１，２に示すように、第１の半導体モジュール３０，３１，３２は、各々、Ｘ方向に突出する３本の帯状の端子７０を備えている。図２，３に示すように、第２の半導体モジュール４０，４１，４２は、各々、Ｘ方向に突出する３本の帯状の端子７１を備えている。端子７０と端子７１とは向かい合っている。つまり、液冷冷却器２０の上面に配置された半導体モジュール３０，３１，３２と液冷冷却器２０の下面に配置された半導体モジュール４０，４１，４２とは、向かい合った端子同士がバスバー５０にて導通して並列接続される。

図４に示すように、バスバー５０は、向かい合った端子７０，７１（広義には第１の半導体モジュールの端子７０および第２の半導体モジュールの端子７１）に接続される一対の締結部５１，５２と、外部機器と接続するための合流部５３を備えている。バスバー５０は、一枚の板を屈曲して形成されている。帯板状をなす締結部５１にはボルト８０のネジ部が通る貫通孔（締結用貫通孔）５１ａが形成されている。また、帯板状をなす締結部５２にはボルト８１のネジ部が通る貫通孔（締結用貫通孔）５２ａが形成されている。バスバー５０は、締結部５１，５２の一端から上下方向（Ｚ方向）に互いに接近する方向に延びており、締結部５１，５２に対し等距離で合流し、この合流部５３はＸ方向において液冷冷却器２０から離間する方向に延びている。バスバー５０の合流部５３はＸ方向の先端側で折り返されて重ねた状態で形成されている。

バスバー５０の重ね部（合流部５３）で相手側接続部を構成している。つまり、バスバー５０の合流部５３には貫通孔（締結用貫通孔）５３ａが形成され、図２に２点鎖線で示すように、ボルト８２のネジ部を相手側機器の接続用バスバー８３を貫通するとともに貫通孔５３ａを通してボルト８４に螺入することにより相手側機器と接続することができる。

止め具６０は、上下方向（Ｚ方向）に延びる柱状をなし、バスバー５０の締結部５１と締結部５２との間に配置される。柱状の止め具６０において、上面に開口するネジ孔（雌ネジ部）６０ａが形成されているとともに下面に開口するネジ孔（雌ネジ部）６０ｂが形成されている。そして、ボルト８０のネジ部が端子７０を貫通するとともにバスバー５０の締結部５１の貫通孔５１ａを通して止め具６０のネジ孔６０ａに螺入されている。同様に、ボルト８１が端子７１を貫通するとともにバスバー５０の締結部５２の貫通孔５２ａを通して止め具６０のネジ孔６０ｂに螺入されている。このように、止め具６０が締結部５１，５２に配置され、ネジとしてのボルト８０，８１が螺入されてバスバー５０の締結部５１，５２と端子７０，７１とを締結している。

本実施形態では、外部機器との接続のための部品はバスバー５０と止め具６０の二つであり、部品点数は「２」となっている。
次に、半導体装置１０の作用について説明する。

インバータの駆動に伴い、各相での上下のアームを構成する半導体モジュール３０，３１，３２のパワートランジスタＱ１，Ｑ２および半導体モジュール４０，４１，４２のパワートランジスタＱ３，Ｑ４がスイッチングされる。このスイッチング動作に伴い電流が流れる。例えば、図２，５に示すように、電流ｉ１０，ｉ２０がバスバー５０から端子７０，７１を通して半導体モジュール３０，４０に流れる。

また、パワートランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４のスイッチング動作に伴い、半導体モジュール３０，３１，３２のパワートランジスタＱ１，Ｑ２および半導体モジュール４０，４１，４２のパワートランジスタＱ３，Ｑ４が発熱する。

図１において、液冷冷却器２０の上面において半導体モジュール３０，３１，３２が熱的に結合する状態で配置されている。また、液冷冷却器２０の下面において半導体モジュール４０，４１，４２が熱的に結合する状態で配置されている。半導体モジュール３０，３１，３２のパワートランジスタＱ１，Ｑ２において生じた熱は液冷冷却器２０に伝達し、液冷冷却器２０において内部を流れる冷却液と熱交換される。同様に、半導体モジュール４０，４１，４２のパワートランジスタＱ３，Ｑ４において生じた熱は液冷冷却器２０に伝達し、液冷冷却器２０において内部を流れる冷却液と熱交換される。

また、液冷冷却器２０の上下両面に半導体モジュール３０，３１，３２，４０，４１，４２が配置され、半導体モジュール３０，３１，３２，４０，４１，４２の端子（電極）７０，７１は図２に示す面Ｌｃを中心にして鏡面対称になっている。ここで、向かい合う端子（電極）７０，７１を、バスバー５０を用いて電気的に接続し、単一の端子構造としている。

よって、並列に接続するバスバー５０は、液冷冷却器２０の中心平面（図２の中心面Ｌｃ）で対称形であり、複数の配線間のインダクタンスが均等化される。また、バスバー５０は、平板からプレス加工により作成できる構造であり、費用が低く抑えられる。

このようにして、液冷冷却器２０の両面から半導体モジュール３０，３１，３２，４０，４１，４２を冷却する構造をとることにより、冷却器の片面のみに半導体モジュールを配置する場合に比べ、実装面積を低減することができる。また、バスバー５０での分岐後の締結部５１，５２において、鏡面対称に配置された端子７０，７１を液冷冷却器２０の中心平面で対称な状態で締結することができる。さらに、バスバー５０は単一平板から作成されている。よって、平板を曲げ加工することにより、バスバー５０を容易に作成することができる。その結果、バスバー５０は安価なものであり、液冷冷却器２０の両面に配置された半導体モジュール３０，３１，３２，４０，４１，４２を費用の小さいバスバー５０で電気的に接続することができる。特に、バスバー５０での分岐した締結部５１，５２においては、液冷冷却器２０の中心面で対称なので、電流ｉ１０，ｉ２０の流れる経路は同一長さになる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）半導体装置１０の構成として、液冷冷却器２０と半導体モジュール３０〜３２，４０〜４２とバスバー５０と止め具６０とを備え、バスバー５０は、向かい合った端子７０，７１（広義には第１の半導体モジュールの端子７０および第２の半導体モジュールの端子７１）に接続される一対の締結部５１，５２から等距離で合流する合流部５３が液冷冷却器２０から離間する方向に延びる。止め具６０は、バスバーの締結部５１，５２に配置され、ネジとしてのボルト８０，８１が螺入されて締結部５１，５２と端子７０，７１とを締結する。よって、バスバー５０と端子７０，７１とは締結されているので、液冷冷却器２０に配した第１の半導体モジュールの端子７０および第２の半導体モジュールの端子７１と引出用のバスバー５０との組付性に優れたものになる。また、溶接する場合に比べ、ネジ固定により、電極（端子）の接続不具合に対してやり直し、即ち、ボルトを緩めて外し再びネジ止めすることができる。

（２）バスバー５０は一枚の板を屈曲して形成されているので、部品管理が容易となる。
（３）合流部５３が折り返されて形成されているので、製造が容易となる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・図４に代わり、図６（ａ）に示す構成のバスバー９０を用いてもよい。図６（ａ）において、バスバー９０は、半導体モジュールに接続する部分が横方向（Ｙ方向）にずれた構成となっている。図６（ｂ）に示すように、水平面（Ｘ，Ｙで規定される水平面）に広がる一枚の金属板における一部に、直線的に延びる切り欠き（スリット）９１が形成されている。バスバーの一対の締結部５１，５２は、切り欠き９１で二又に分かれて形成される。つまり、図６（ｂ）における切り欠き９１の右側の部位を上方向に、また、切り欠き９１の左側の部位を下方向に屈曲形成することにより図６（ａ）に示すように形成される。

そして、図７，８に示すように、鏡面対称の半導体モジュール３０〜３２，４０〜４２は少し横（Ｙ方向）にオフセットした状態で配置される。この場合、バスバー９０における最も細い部位でも最大電流を流すことができるようになっている。

このようなバスバーの構成を採用することにより、曲げ加工が容易となる。つまり、曲げ回数は図４の場合は「５」であるが、図６（ａ）の場合は「４」でよい。
・図６（ａ）において、バスバー９０は、途中で二又に分かれる構造になっているため、図９に示すバスバー１００のように、合流部５３（端子の太い部分）は符号１０１の部位で屈曲形成したり、長くしたりといった別の構造をとってもよい。このように、バスバーは半導体モジュールの端子７０，７１から長さが同じ状態を保ちながら、合流部５３（１本になっている部分）では自由な構造をとることが可能となる。

・バスバーの構成として、図１０，１１に示すナット挟み込み構造としてもよい。図１０において、バスバー１２０は、止め具としてのナットＮ１０，Ｎ１１を挟み込む部位１３０，１４０を有している。このバスバー１２０は図１２に示すように１枚の金属板１２１を曲げ加工することにより形成したものであり、バスバー１２０におけるナットＮ１０，Ｎ１１を挟み込む部位１３０，１４０は１枚のバスバーで形成されている。

具体的には、図１２の折線Ｌ１〜Ｌ３３で曲げ加工することにより、ナットＮ１０，Ｎ１１を袋状に囲んだ状態でナットＮ１０，Ｎ１１を挟持し、かつ、ボルト８０，８１のネジ部が通る部位１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃ，１２６ａ，１２６ｂ，１２６ｃが形成される。ナットＮ１０を挟み込む部位１３０は、図１０，１１に示すように、底板部Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３、側板部Ｗ４，Ｗ５，Ｗ６、天板部Ｗ７，Ｗ８，Ｗ９、抜止部Ｗ１０，Ｗ１１で構成されている。底板部Ｗ２は連結板部Ｗ１２，Ｗ１３で連結されているとともに底板部Ｗ３は連結板部Ｗ１４，Ｗ１５で連結されており、連結板部Ｗ１３，Ｗ１５は当接している。天板部Ｗ７には、半円状の部位１２５ａが、天板部Ｗ８には、９０度円弧の部位１２５ｂが、天板部Ｗ９には、９０度円弧の部位１２５ｃが形成されている。ナットＮ１１を挟み込む部位１４０についても、図１０に示すように、ナットＮ１０を挟み込む部位１３０と同様な構成をなしており、天板部Ｗ７には、半円状の部位１２６ａが、天板部Ｗ８には、９０度円弧の部位１２６ｂが、天板部Ｗ９には、９０度円弧の部位１２６ｃが形成されている。

この場合、バスバー１２０とナットＮ１０，Ｎ１１は一体化されているので、部品点数は「１」となり、部品の管理が容易となる。また、ナット挟み込み構成とすることにより電極（端子）を端子台（図２の符号６０）無しでネジ止めすることができる。

・図１０のバスバー１２０に対し、構造を簡素化して図１３（ａ）に示すようにしてもよい。バスバー１５０は、ナットＮ１０，Ｎ１１の周りを簡素な構成にて囲んでいる。つまり、図１３（ｂ）に示すように、一枚の平板を折線Ｌ４１〜Ｌ４８で折り曲げてナットＮ１０を挟み込む部位１６０を形成するとともに、折線Ｌ４９〜Ｌ５６で折り曲げてナットＮ１１を挟み込む部位１７０を形成する。ナットＮ１０を挟み込む部位１６０は、底板部Ｗ２０，Ｗ２１、側板部Ｗ２２，Ｗ２３、天板部Ｗ２４、抜止部Ｗ２５，Ｗ２６で構成されている。天板部Ｗ２４には、貫通孔（ボルト８０のネジ部が通る部位）１６５が形成されている。ナットＮ１１を挟み込む部位１７０についても、ナットＮ１０を挟み込む部位１６０と同様な構成をなしており、天板部Ｗ２４には、貫通孔（ボルト８１のネジ部が通る部位）１７５が形成されている。

・各半導体モジュール３０，３１，３２，４０，４１，４２のパワートランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、ＩＧＢＴ以外にも、例えば、ＭＯＳＦＥＴ等でもよい。
・半導体装置は三相インバータに限ることなく、液冷冷却器の２面（例えば、上下面）に配した半導体モジュールが並列接続されているもの一般に用いることができる。

１０…半導体装置、２０…液冷冷却器、３０…半導体モジュール、３１…半導体モジュール、３２…半導体モジュール、４０…半導体モジュール、４１…半導体モジュール、４２…半導体モジュール、５０…バスバー、５１…締結部、５２…締結部、５３…合流部、６０…止め具、７０…端子、７１…端子、８０…ボルト、８１…ボルト、９１…切り欠き、Ｎ１０…ナット、Ｎ１１…ナット。

Claims (6)

1. 液冷冷却器と、
   前記液冷冷却器を挟んで対向する状態で配置される第１および第２の半導体モジュールと、
   前記第１の半導体モジュールの端子および第２の半導体モジュールの端子に接続される一対の締結部から等距離で合流する合流部が前記液冷冷却器から離間する方向に延びるバスバーと、
   前記バスバーの締結部に配置され、ネジが螺入されて前記締結部と前記端子とを締結する止め具と、
   を備えたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記バスバーは、一枚の板を屈曲して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記バスバーの合流部は、折り返されて形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記バスバーの一対の締結部は、切り欠きで２又に分かれて形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
5. 前記バスバーは、前記止め具としてのナットを挟み込む部位を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記バスバーにおける前記ナットを挟み込む部位は１枚のバスバーで形成されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。