JP2015015807A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーモジュールの端子とバスバーの接続部の断面積を同じにして放熱性を確保しつつ組み立て性を向上させ、組み立て性にすぐれた小型のパワーモジュールを提供すること。
【解決手段】半導体素子（図示せず）を内蔵してなると共にパワー端子４を有する複数の半導体モジュール２を冷却する冷却器３とパワー端子５に接続され電力ラインを構成するバスバー５とを備えたパワーモジュール１。パワー端子４とバスバー５との接続部６のパワー端子４の断面積Ａｐ１とバスバー５の断面積Ａｂ１がＡｐ１＝Ａｂ１の関係を有し、バスバー５の表面積がパワー端子４の表面積よりも大きいことで、パワー端子４とバスバー５で熱容量を同じにして接続部６のハンダ付けを容易にし、且つバスバー５から半導体モジュール２の熱を放熱しやすくできる。
【選択図】図２

Description

本発明は、パワー端子を有する半導体モジュールと、半導体モジュールを冷却する冷却器と、パワー端子に接続されるバスバーとを備えた半導体装置に関するものである。

従来のパワーモジュールとして、複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器と、該半導体モジュールのパワー端子に接続されるバスバーと、を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。図６及び図７は、特許文献１に記載された従来のパワーモジュールの要部の構成を示す図である。

図６において、１０２は半導体モジュール、１０４はパワー端子、１０５はバスバー、１０６は接続部である。また、図７は、接続部１０６を電力経路に垂直に切断する図６のＣ−Ｃ断面を示している。図７において、接続部１０６におけるパワー端子１０４の断面積をＡｐ０とし、接続部１０６におけるバスバー１０５の断面積をＡｂ０としている。半導体モジュール１０２での発熱は、パワー端子１０４を通してバスバー１０５へと伝わる。従来のパワーモジュールは、バスバー１０５の断面積をパワー端子１０４の断面積よりも大きくする（すなわち、Ａｐ０＜Ａｂ０とする）ことで、パワー端子１０４における電流密度よりもバスバー１０５における電流密度を大きくして、熱の逆流を防いでいる。

特開２００５−１８５０６３号公報

しかしながら、従来のパワーモジュールの構成では、熱の逆流を防ぐことはできるが、接続部１０６におけるパワー端子１０４とバスバー１０５との間で熱容量に差ができる。パワー端子１０４とバスバー１０５を、例えばハンダを用いて接合する場合、接続部１０６の熱容量に差があると、ハンダの熱が移動しやすくなり、ハンダ付けが困難になる可能性がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するもので、バスバーからの放熱性を確保しつつ、ハンダ付けが容易な構成の半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、パワー端子を有する半導体モジュールと、上記パワー端子にハンダ付けで接続されたバスバーと、を備え、上記パワー端子と上記バスバーとの接続部において、上記パワー端子の断面積が上記バスバーの断面積と等しく、上記バスバーの表面積が上記パワー端子の表面積よりも大きいことを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、バスバーからの放熱性を確保しつつ、ハンダ付けが容易な構成の半導体装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの概略を示す図 本実施の形態１におけるパワーモジュールの要部斜視図 図２のＡ−Ａ断面図 本発明の実施の形態２におけるパワーモジュールの要部斜視図 図４のＢ−Ｂ断面図 従来のパワーモジュールの要部を示す図 図６のＣ−Ｃ断面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付けて、適宜説明を省略している。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態のパワーモジュールを示す斜視図である。本実施の形態のパワーモジュール１は、半導体装置の一例であり、複数個の半導体モジュール２と、この半導体モジュール２が組み込まれたケース７から少なくとも構成される。具体的には、パワーモジュール１は、半導体素子（図示せず）を内蔵すると共にパワー端子４を有する複数個の半導体モジュール２と、このパワー端子４に接続されて電力経路を構成するバスバー５を備えたケース７から少なくとも構成される。パワーモジュール１は、さらに、半導体モジュール２を冷却する冷却器３を備える場合もある。

図１に示すように、ケース７に設けられたバスバー５と、半導体モジュール２から引き出されたパワー端子４とは、例えばカシメ接合やハンダ接合により接合されている。ケース７は、放熱板などの冷却器３と、ネジ止めやグリース等により熱的に接続されている。パワー端子４及びバスバー５は、例えば銅や銅合金で構成されている。冷却器３は、銅や銅合金、もしくはアルミニウムやアルミニウム合金から構成されている。

図２は、本発明の実施の形態１におけるパワー端子４とバスバー５との接続状態を示す、パワーモジュールの要部斜視図である。本実施の形態１では、図３に示すように、パワー端子４とバスバー５とが接続している領域を、接続部６としている。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。図２では、複数個の半導体モジュール２のうちの一つと、バスバー５と、冷却器３を抜き出して図示している。なお、図２において、半導体モジュール２および冷却器３は、理解を容易にするために、寸法等を調整して図示している。

本実施の形態１では、接続部６におけるパワー端子４の断面積Ａｐ１とバスバー５の断面積Ａｂ１とが等しくなるように構成している。すなわち、接続部６において、断面積Ａｐ１＝Ａｂ１となるように構成している。このように、断面積Ａｐ１＝Ａｂ１となるように構成することで、接続部６において、パワー端子４の熱容量とバスバー５の熱容量とを同じにしている。熱容量が同じであると、ハンダ付け時にハンダの温度が安定し易くなり、高い組み立て性を維持することができる。すなわち、これらの熱容量を同じにすることで、例えば、接続部６をハンダ付けする場合に、熱容量の差に基づくハンダ付け不良の可能性を軽減することができるため、接続部６における接続の信頼性を高めることができる。

さらに、本実施の形態１では、接続部６において、バスバー５の表面積Ｓｂ１がパワー端子４の表面積Ｓｐ１よりも大きくなるように構成している。すなわち、接続部６において、表面積Ｓｐ１＜Ｓｂ１となるように構成している。バスバー５の表面積をパワー端子４の表面積よりも大きくすることで、図３に示すように、バスバー５が空気と接する面積が広くなり、半導体モジュール２で発生した熱がパワー端子４及びバスバー５の表面を通して空気中に伝達される際に、特に、バスバー５表面から積極的に放熱することができるようになる。このように、表面積Ｓｐ１＜Ｓｂ１となるように構成することで、接続部６において、パワー端子４の放熱性よりもバスバー５の放熱性を高くして、バスバー５の表面から積極的に放熱する構成とすることができる。パワー端子４よりもバスバー５の表面から積極的に放熱されることで、半導体モジュール２に距離が近いパワー端子４よりも、半導体モジュール２から距離が遠いバスバー５から積極的に放熱することができ、特に半導体素子を内蔵する半導体モジュール２の放熱特性を良くすることができる。

ここで、発明者らの種々の実験により、バスバー５表面から空気中への放熱性を十分に確保するためには、パワー端子４の幅と比べてバスバー５の幅を２倍以上に広げることが望ましいことが分かった。言い換えれば、パワー端子４の厚さと比べてバスバー５の厚さを１／２以下にすることが望ましいことが分かった。バスバー５の幅をパワー端子４の幅よりも大きくする理由は、図３に示すように、バスバー５の上面も露出させて放熱領域として利用するためである。このようにバスバー５の幅をパワー端子４の幅よりも大きくすると、例えば、冷却器３を小型化することも可能である。その結果、パワーモジュール１全体の小型化も可能になる。すなわち、パワーモジュール１を流れる電流が大きくなると、それに伴い発熱量も大きくなるため、それを冷却する為に冷却器３も大型化させる必要があるが、本実施の形態１のようにバスバー５の表面積を大きくすることで、バスバー５の表面を補助的な冷却器として利用し、大電流に対応する小型のモジュールを提供することができる。発明者らの実験によれば、例えばバスバー５の幅をパワー端子４の２倍にした場合、パワー端子４とバスバー５の幅が同じ場合と比較して、パワー端子４の表面温度で１０℃の温度低減の効果があることが分かっている。

本実施の形態１の半導体装置は、パワー端子４とバスバー５の接続部６において、断面積Ａｐ１＝Ａｂ１とすると共に表面積Ｓｐ１＜Ｓｂ１とすることで、ハンダ付けの信頼性と半導体モジュール２の放熱特性を両立させることを可能としている。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２のパワーモジュールの要部斜視図である。

本実施の形態２では、図３、図４に示すように、パワー端子４とバスバー５ａとの接続部６ａにおける断面積をＡｐ２＝Ａｂ２にしつつ、接続部６ａ以外のバスバー５ａの幅を、パワー端子４の幅よりも広くしている。本実施の形態２では、このようにすることで、バスバー５ａの表面積をパワー端子４の表面積よりも大きくしている。

本実施の形態２は、この構成により、接続部６ａのハンダ組み立て性を確保しつつ、ハンダ接続に寄与しない接続部６ａ以外のバスバー５ａ部分の表面積は大きくなり、パワー端子４からバスバー５ａへの熱伝導量が増え、バスバー５ａでの放熱量を増やすことができる。また、バスバー５ａ表面からの放熱性を確保しつつ、隣り合うパワー端子４とバスバー５ａの接続部６ａが近接して起こる電流の漏れを、省スペースで防ぐことが可能になる。これは複数の半導体モジュール２を隣接配置して使用する場合にも有効であり、パワーモジュール全体の小型化が可能になる。

本発明のパワーモジュールは、組み立て性に優れた小型のモジュールを実現できるので、例えば、電気自動車などの大電流用途の電力変換装置に適用できる。

１ パワーモジュール
２ 半導体モジュール
３ 冷却器
４ パワー端子
５、５ａ バスバー
６、６ａ 接続部
７ ケース

Claims (4)

1. パワー端子を有する半導体モジュールと、
   上記パワー端子にハンダ付けで接続されたバスバーと、を備え、
   上記パワー端子と上記バスバーとの接続部において、上記パワー端子の断面積が上記バスバーの断面積と等しく、上記バスバーの表面積が上記パワー端子の表面積よりも大きい、
   半導体装置。
2. 上記接続部において、上記バスバーの幅が上記パワー端子の幅よりも大きく、上記バスバーの厚さが上記パワー端子の厚さよりも小さい、
   請求項１の半導体装置。
3. 上記接続部において、上記バスバーの幅が上記パワー端子の幅の２倍以上であり、上記バスバーの厚さが上記パワー端子の厚さの１／２以下である、
   請求項２に記載の半導体装置。
4. 上記バスバー及び上記パワー端子が、銅または銅合金である、
   請求項１から３いずれか１項に記載の半導体装置。

Images