JP2016100442A - 半導体モジュール及び半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】素子間又は素子内の温度バラツキを抑制する半導体モジュール及び半導体装置を提供する。【解決手段】 一対の主面を有する半導体素子11、12と、半導体素子11、12に接続された接続面13aを有する第1主電極と、半導体素子11、12に接続された第2主電極と、第2主電極に接続された端子とを備え、接続面13aは、一対の主面のうち一方の主面と対向し、第2主電極は、一対の主面のうち他方の主面と接続し、接続面13aの外縁に位置する複数の端部のうち端子の最も近くに位置する第1端部から半導体素子11までの距離を第1距離とし、かつ、複数の端部のうち第1端部以外の少なくとも1つの端部から半導体素子12までの距離を他の距離とした場合に、他の距離が第1距離よりも長い。【選択図】 図1
Description
本発明は、半導体モジュール及び半導体装置に関するものである。
従来の半導体装置は、ダイパットの上にIGBTを形成した半導体チップとダイオードを形成した半導体チップとをクリップを用いて接続する。このクリップは、半田を介して外部接続用エミッタ電極に接続されている。また外部接続用エミッタ電極は、外部接続用コレクタ電極が形成されているダイパッドの第2辺側と対向する第1辺側に形成されている(特許文献1)。
しかしながら、上記の半導体装置では、ダイオードとIGBTがダイパット上で均等に並んで配置されており、第1辺側のダイパットの縁からIGBTまでの距離と、第2辺側のダイパットの縁からダイオードまでの距離が等しくなっている。そのため、ダイオードの熱はクリップを介してエミッタ電極側には効率よく伝わるが、IGBTの熱はクリップを介してエミッタ電力側に伝わりにくく、ダイオードとIGBTとの間、又は、半導体チップの素子内で温度バラツキが生じる、という問題があった。
本発明が解決しようとする課題は、素子間又は素子内の温度バラツキを抑制する半導体モジュール及び半導体装置を提供することである。
本発明は、半導体素子に接続された接続面を有する第1主電極と、第2主電極と、第2主電極に接続された端子とを備え、接続面の外縁に位置する複数の端部のうち端子の最も近くに位置する第1端部から半導体素子までの距離を第1距離とし、かつ、複数の端部のうち第1端部以外の少なくとも1つの端部から半導体素子までの距離を他の距離とした場合に、他の距離が第1距離よりも長いことによって上記課題を解決する。
本発明によれば、接続面において、上記他の距離を確保した部分の放熱面積が広くなり、半導体素子から端子に伝わり難い熱を当該放熱面積の部分からの放熱により逃がすことができる。その結果として、素子間又は素子内の温度バラツキを抑制できる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第1実施形態》
図1は、本発明の実施形態に係る半導体モジュールの平面図を示す。図2は、図1のII−II線に沿う断面図である。本実施形態に係る半導体モジュール10は、インバータ等のスイッチング回路に用いられるスイッチング素子をモジュール化したデバイスである。例えば、半導体モジュール10をインバータ回路に適用する場合に、半導体モジュール10は、上下アーム回路のいずれか一方の回路に相当する。なお、半導体モジュール10は、スイッチング回路に限らず、他の回路又は他装置用のデバイスとして用いられてもよい。
図1は、本発明の実施形態に係る半導体モジュールの平面図を示す。図2は、図1のII−II線に沿う断面図である。本実施形態に係る半導体モジュール10は、インバータ等のスイッチング回路に用いられるスイッチング素子をモジュール化したデバイスである。例えば、半導体モジュール10をインバータ回路に適用する場合に、半導体モジュール10は、上下アーム回路のいずれか一方の回路に相当する。なお、半導体モジュール10は、スイッチング回路に限らず、他の回路又は他装置用のデバイスとして用いられてもよい。
図1、図2に示すように、半導体モジュール10は、1in1タイプのモジュールである。半導体モジュール10は、半導体素子11、12、主電極13、14、端子15、16、接合部17、樹脂部18を備えている。
なお、半導体モジュール10をz方向からみたときに、樹脂部18により封止された半導体素子11の構成をみることはできないが、図1において、樹脂部18は点線で描かれており、半導体素子11の構成が適宜図示されている。また、半導体モジュール10をz方向からみたときに、半導体素子11、12の一部は、主電極14により隠れているが、図1では、便宜上、半導体素子11、12を見えるように描いている。以下の説明において、図1に限らず、他の平面図も同様に描かれている。
半導体素子11、12は、炭化珪素により形成されたMOSFETである。MOSFETは、ユニポーラダイオードを内蔵した素子でもよい。例えば誘導性負荷に接続されるインバータ回路に、半導体モジュール10を適用した場合には、半導体素子11、12がMOSFETであれば、半導体素子11、12がスイッチング動作と還流動作を兼ね備えるため、FWDなどの単体ダイオードが不要になる。そのため、素子数を減らし、インバータ回路を小型化できる。
半導体素子11、12は、板状に形成されている。半導体素子11は、一対の主面を有している。一対の主面は、図1、2のxy平面に沿った面である。半導体素子11の一対の主面のうち上側の面は、接合部17を介して主電極14に電気的に接続されている。また、半導体素子11の一対の主面のうち下側の面(底面)は、接合部17を介して主電極13に電気的に接続されている。半導体素子12は、半導体素子11と同様に、一対の主面を有している。また半導体素子12の両主面は、半導体素子11と同様に、主電極13、14にそれぞれ電気的に接続されている。これにより、半導体素子11、12は、主電極13、14との間に狭持されている。
主電極13、14は、半導体素子11、12と端子15、16との間を電気的に接続する部材である。主電極13、14は、例えば銅又はアルミニウム等を主成分とした金属に形成されており、主電極13、14は、複数の種類の金属を組み合わせることで形成されてもよい。
後述するように、主電極14は端子16に接続されることで、半導体素子11の熱を端子16に伝導するための部材である。そのため、主電極14は、比較的入手が容易で、かつ、高熱伝導率をもつ材料として、銅を含んだ金属材料により形成するとよい。これにより、半導体素子11の熱を電極16に効率よく伝導できる。
主電極13、14は、金属ブロックや、加工しやすい薄板で板状に形成されている。主電極13の一対の主面のうち上側の面は、半導体素子11、12を接続する接続面13aである。接続面13aは、半導体素子11、12の主面と平行な面である。また接続面13aは、半導体素子11、12の底面と対向している。接続面13a上には、半導体素子11、12が接合部17を介して接続されている。
主電極13の底面は露出しており、絶縁材(図示しない)を介して冷却器(図示しない)に固定されている。この絶縁材は、シリコンシートやセラミック等である。絶縁材は、グリースやはんだ材等で、半導体モジュール10と冷却器との間を接続する。なお、セラミック基板両面に金属板を実装した絶縁部材を、半導体素子11、12の下面に接続することで、主電極13を構成してもよい。
主電極14の主面のうち、下側の面には、半導体素子11、12の上面が接合部17を介して電気的に接続されている。
端子15、16は、配線を接続するための電子部品であって、半導体モジュール10を、配線を介して他の回路素子に接続するための部品である。端子15、16は、主電極13、14と同様に、金属により形成されている。また端子15、16は板状に形成されている。端子15の一端は主電極13に接続されており、端子16の一端は主電極14に接続されている。端子15は主電極13に接続された一方の端部から、半導体モジュール10の外部に向けて延在し、端子15の他方の端部は半導体モジュール10から露出している。同様に、端子16は主電極14に接続された一方の端部から、半導体モジュール10の外部に向けて延在し、端子16の他方の端部は半導体モジュール10から露出している。
主電極13と端子15、及び、主電極14と端子16は、はんだなどの接合材により電気的に接続されている。また、主電極13と端子15、及び、主電極14と端子16は、型抜き等で電極と端子を1つの部材で構成されてもよい。端子15、16には、ねじ穴151、161がそれぞれ設けられている。ねじ穴151、161は、出力バスバやPNバスバ等をネジにより締結するための孔である。なお、端子15、16とバスバを溶接で接続する場合には、ねじ穴151、161は不要である。
接合部17は、半導体素子11、12と主電極13、14とを接合する部材であり、ハンダ、ろう材等により形成されている。また接合部17は、固相拡散接合又は液相拡散接合に適した材料で形成されてもよい。主電極13、14の表面は、接合方法や電極の材料に応じて、表面にNi、Au、Agなどのメッキ処理を施してもよい。なお、主電極13、14と端子15、16との間を、接合部17で接合してもよい。このとき、端子15、16にメッキ処理を施してもよい。
樹脂部18は、半導体素子11、12、主電極13の接続面13a、主電極14、接合部17、端子15、16の一部を樹脂により封止する場合である。主電極13の底面、及び端子15、16の一部は、樹脂部18から露出している。樹脂部18は、ポッティング材、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、FRP、PPSなどのプラスチック材料、又は、これらを組み合わせた材料に形成されている。樹脂部18の成形方法は、金型を使ったトランスファーモールド(トランスファー成形)を用いることで、汎用性・量産性を向上させることができる。
半導体素子11、12等が樹脂部18で封止されることで、例えばゲル封止に比べて、半導体素子11、12、接合部17、及び電極と15、16の熱膨張係数差による部材の伸び縮みを抑制できる。その結果として、部材のクラックや剥がれ等を防ぎ、素子としての信頼性を向上させることができる。
なお、図1、図2では省略されているが、半導体モジュール10は信号端子も備えている。
次に、半導体素子11、12、主電極13、14、及び端子15、16の配置について説明する。
半導体素子11、12は、主電極13の接続面13a上で、接続面13aの長手方向(x方向)に沿って、一列に並んで配置されている。また、接続面13a上で、端子15、16に近い方に配置された素子が半導体素子11である。半導体素子12は、接続面13a上で、端子15、16に対して半導体素子11よりも離れた位置に設けられている。
端子15及び端子16は、半導体モジュール10を形成する複数面のうち一面から露出している。本実施形態では、半導体モジュール10は直方体になるよう構成されており、端子15及び端子16は、yz面と平行な二面のうち一方の面から露出している。この二面は、半導体モジュール10の側面である。また、z方向の高さについて、電極16は、端子15よりも高い位置に設けられている。そのため、z方向でみたときに、電極16は、冷却器の位置に対して端子15よりも離れた位置にある。同様に、主電極14は、冷却器の位置に対して主電極13よりも離れた位置にある。
接続面13aは、z方向を法線方向とする矩形状の面であり、x軸方向の長辺とy軸方向の短辺に囲われている。そして、接続面13aの長手方向(x方向)が、半導体素子11、12の配列方向となり、かつ、端子15、16の延在方向となる。
ここで、z方向(接続面13aの法線方向)からみたときの、半導体素子11、12と端子16との位置関係について、説明する。接続面13aの外縁に位置する4つの辺のうち、最も端子16に近い短辺を辺13bとする。辺13bとは半導体素子11、12を挟んで反対側に位置する辺を短辺13cとする。また、接続面13aの外縁に位置する4つの辺のうち、一方の長辺を長辺13dとし、他方の長辺を13eとする。なお、短辺13b、短辺13c、長辺13d、及び長辺13eは、接続面13aの外縁に位置する複数の端部に相当する。そして、短辺13bが、複数の端部のうち、端子16に最も近い端部となる。
x軸方向(半導体素子11、12の配列方向)について、辺13bから半導体素子11までの距離を距離aとし、辺13cから半導体素子12までの距離を距離bとし、半導体素子11と半導体素子12との間の距離を距離cとする。距離bは、距離aよりも長い。また距離cは、距離aよりも長く、距離bよりも長い。このような距離の条件を満たすように、半導体素子11、12は接続面13a上に配置されている。
y軸方向(接続面aにおいて、半導体素子11、12の配列方向に対して垂直な方向)について、辺13dから半導体素子12までの距離を距離dとし、辺13eから半導体素子12までの距離を距離eとする。距離d及び距離eは、距離aよりも長い。
次に、半導体素子11、12で発生した熱の伝導について、図3を用いて説明する。図3は、図2と同様な半導体モジュール10の断面図である。ただし、図3の矢印は、半導体素子11、12で発生した熱のうち、主電極14及び端子16に伝わる熱の流れを表している。
半導体素子11、12の底面は主電極13を介して冷却器に接続されており、半導体素子11、12の底面側は放熱性が高い。そのため、半導体素子11、12が発熱した場合に、半導体素子11、12の底面に近い部分は、冷却器よって冷やされる。一方、半導体素子11、12の上面側は、冷却器から遠い位置にあるため、底面側と比べると、冷却器による放熱性は劣る。
半導体素子11で発生した熱のうち、主電極14に伝わった熱は、主電極14の主面に沿って伝導する。半導体素子11の近くには電極16が配置されている。そのため、半導体素子11の熱は、主電極14の面に沿う方向で、電極16に向かって伝わり、電極16から半導体モジュール10の外側に向かって伝わる。すなわち、半導体素子11から主電極14を介して電極16には熱が伝わりやすい。
また半導体素子12で発生した熱のうち主電極14に伝わった熱は主電極14の主面に沿って伝導する。半導体素子12から主電極14の主面に沿って、半導体素子11に向かう熱は、半導体素子11から主電極14を伝って半導体素子12に伝わる熱と干渉する。そのため、半導体素子12から主電極14を伝って、半導体素子11に向かう方向の熱は伝わり難い。また、半導体素子12から主電極14の主面に沿って、半導体素子11と反対側に向かう熱は、主電極14の先端部分に向かって伝導する。主電極14の先端部分には電極16が接続されておらず、先端部分は樹脂部18により覆われている。そのため、半導体素子12から主電極14の主面に沿って主電極14の先端部分へは、熱が伝わり難い。
半導体素子11、12で発生した熱は、樹脂部18にも伝わる。しかしながら、樹脂の熱伝導率は金属の熱伝導率と比較して、1桁以上低い。そのため、半導体素子11、12の熱は樹脂部18に放熱し難い。
本実施形態では、半導体素子12と短辺13cとの間の距離bが、半導体素子11と短辺13bの距離aよりも長い。そのため、接続面13aのうち、距離bで規定される部分の面積(放熱面積)が、距離aで規定される部分の面積(放熱面積)よりも広くなる。これにより、半導体素子12で発生した熱は、主電極13に伝わり、距離bで規定される部分で放熱され易くなるため、各半導体素子11、12の放熱のバランスをとることができる。その結果として、半導体素子11と半導体素子12との間の温度バラツキを抑制できる。
また本実施形態では、半導体素子11と半導体素子12との間の距離cが、半導体素子11と短辺13bの距離aよりも長い。そのため、接続面13aのうち、距離cで規定される部分の面積(放熱面積)が、距離aで規定される部分の面積(放熱面積)よりも広くなる。また、半導体素子11と半導体素子12との間の距離cが、半導体素子12と短辺13cとの間の距離bよりも長い。そのため、接続面13aのうち、距離cで規定される部分の面積(放熱面積)が、距離bで規定される部分の面積(放熱面積)よりも広くなる。これにより、半導体素子11、12との間の熱干渉により放熱性が劣る部分では、熱干渉がない部分と比較して、放熱面積を広げることができるため、熱干渉による局所的な温度上昇を抑制できる。また半導体モジュール10の熱抵抗を下げることもできる。
また本実施形態では、接続面13aの外縁に位置する4辺(端部)のうち、端子16に近い短辺13b以外の全ての辺13c、13d、13eから半導体素子12までのそれぞれの距離b、d、eが、距離aよりも長い。そのため、接続面13aのうち、半導体素子12の周囲の部分の放熱面積が広くなり、半導体素子12からの熱が、接続面13aを沿って、各辺13c、13d、13eに向かって広がりやすくなる。これにより、半導体モジュール10の熱抵抗を下げることができる。
また本実施形態では、端子15、16が半導体モジュール10を形成する同一の面から露出している。これにより、端子15、16の出ている部分が、1つの面に纏まっているため、他の部品への接続を容易にできる。また、半導体モジュール10を、インバータ回路又は上下アーム回路に設けた場合には、半導体モジュール10を一列に並べることができるため、レイアウトの自由度を向上できる。
また本実施形態では、接続面13a上における半導体素子11、12の配列方向と、端子15、16の延在方向を同一方向にしている。これにより、配列方向及び延在方向を長手方向とする形状で、半導体モジュール10を構成することができる。そのため、複数の半導体モジュール10を長手方向に対して垂直方向に並べた場合に、モジュール間の距離が短くなり、モジュールの全体がコンパクトになる。また、端子15、16の取り出し方向を同一にすることもできる。
また本実施形態では、主電極13、14は板状に形成されている。これにより、加工費を抑えつつ、コンパクトで低抵抗のモジュールを実現できる。
また本実施形態では、複数の半導体素子11、12を接続面上に並べた状態で、半導体素子11、12間の熱のバラツキを抑制できる。すなわち、熱源が分散されるため、半導体素子11、12の熱が、効率よく主電極13に伝わり、冷却器へ効率よく伝えることができる。
また本実施形態では、半導体素子11、12間の温度バラツキが軽減されるため、ユニポーラゆえに温度特性が大きいMOSFETを、半導体素子11、12に適用できる。また、MOSFETに内蔵されたPNダイオードを半導体素子11、12に用いることもできるため、別体のダイオードを不要にできる。
半導体素子11、12として、ユニポーラダイオードを内蔵するMOSFETが適用されれば、低損失な還流動作を実現できる。
なお本実施形態では、半導体素子11、12は複数の限らず、1つの半導体素子でもよい。すなわち、半導体モジュール10は、1つの半導体素子を備えている。端子16の最も近くに位置する端部(辺13b)から当該1つの半導体素子までの距離を、距離aとする。当該端部以外の端部(辺13c)から当該1つの半導体素子までの距離を、距離bとする。当該端部以外の端部(辺13d)から当該1つの半導体素子までの距離を、距離dとする。当該端部以外の端部(辺13e)から当該1つの半導体素子までの距離を、距離eとする。そして、距離b、距離d、又は距離eのいずれか一つの距離が、距離aよりも長い。これにより、半導体素子で発生した熱は、主電極13に伝わり、距離aよりも長い距離で規定される部分で放熱され易くなるため、半導体素子内の放熱のバランスをとることができる。その結果として、半導体素子内の温度バラツキを抑制できる。
半導体モジュール10が1つの半導体素子を備えており、距離b、距離d及び距離eが距離aよりも長い場合には、より素子内の温度バランスを抑制できる。
なお、半導体素子11、12としてMOSFETを用いた場合に、MOSFETの信号端子は、半導体素子11、12と主電極14との重なり部分以外の部分から出せばよい。また、z方向からみた場合に、主電極14が半導体素子11、12を覆う場合には、信号端子をワイヤボンディングなどで引き出してから、電気的に導通が取れる柱を間に挟んで主電極14との高さを調整すればよい。
なお、半導体素子11、12にはSiC−MOSFET(SiC素子)を用いてもよい。SiC−MOSFETは、Siよりも熱伝導率が高く、低損失の素子であるため、EV・HEV用の強電系の用途に用いることができる。現状ではSiCを使った半導体素子は基板の結晶欠陥が多く、前工程の歩留まりがSiに比べて低い。そのため、小サイズのSiC半導体素子を多数、半導体素子11、12に適用することで、コストを抑えることができる。
なお、主電極14は、銅やCuMoなどの金属材料で形成するとよい。例えば、本実施形態に係る半導体モジュール10を、モータ用のインバータ回路に適用した場合には、インバータのロック時に、アームが固定されて大電流が半導体モジュール10に流れる可能性がある。このような場合に、半導体モジュール10は、熱伝導性が高く熱容量も高いため、半導体素子11、12における急な温度上昇を軽減できる。その結果として、半導体モジュール10の小型化及び低熱抵抗下を実現できる。
なお、主電極13、14の形状は図1、2に示した形に限定されず、また主電極13、14に孔が空いていてもよい。主電極13、14に孔を空けた場合には、金型に樹脂を流して封止することで樹脂部18を形成する際に、樹脂を回り込みやすくすることができる。また、主電極13、14と半導体素子11、12との間のハンダ実装を考慮し、主電極13、14に孔を空けたり、主電極13、14を加工したりしてもよい。
なお、本実施形態に係る半導体モジュール10の変形例として、図4に示すように、z方向からみたときに、端子16は、x方向からy方向に向けて屈曲した形状になるよう、構成されていてもよい。なお、屈曲する際の角度は90度に限らず、他のモジュールとのレイアウト等により適宜、変更すればよい。
なお、本実施形態に係る半導体モジュール10の変形例として、図5に示すように、半導体モジュール10は、3つの半導体素子11、12、19を備えている。半導体素子11、12、19は、接続面13aの長手方向を配列方向としつつ、接続面13a上で一列に並んで配置されている。
半導体モジュール10をz方向からみたときの、位置関係について説明する。x軸方向について、短辺13bから半導体素子11までの距離を距離aとし、短辺13cから半導体素子12までの距離を距離bとし、半導体素子11と半導体素子19との間の距離を距離fとし、半導体素子12と半導体素子19との間の距離を距離gとする。
距離bは距離aよりも長い。また、距離g及び距離fは、距離aよりも長く、距離bよりも長い。距離g及び距離fは好ましくは等しくするとよい。
これにより、半導体素子12で発生した熱は、主電極13に伝わり、距離bで規定される部分で放熱され易くなるため、各半導体素子11、12、19の放熱のバランスをとることができる。その結果として、半導体素子11、12、19間での温度バラツキを抑制できる。
また、半導体素子12と半導体素子19との間、及び、半導体素子11と半導体素子19との間では、熱干渉によって、熱が主電極14を伝導しにくい。変形例では、主電極13の接続面13a上で、半導体素子12と半導体素子19との間の放熱面積、及び、半導体素子11と半導体素子19との間の放熱面積が、距離aで定まる放熱面積、及び、距離bで定まる放熱面積よりも広い。そのため、熱干渉による局所的な温度上昇を抑制できる。また半導体モジュール10の熱抵抗を下げることもできる。
なお、本実施形態に係る半導体モジュール10の変形例として、図6に示すように、主電極14の幅は主電極13の幅よりも大きくしてもよい。主電極13、14の幅は、接続面13aの短辺に沿う方向(y方向)の長さである。また、図6に示す変形例では、半導体素子11はFWDであり、半導体素子12はIGBT等のトランジスタである。半導体素子11と半導体素子12は、電流の導通方向が互いに逆向きにして、並列に接続されている。半導体素子11は、還流ダイオードとして機能し、半導体素子12はスイッチング素子として機能する。
主電極14は、半導体素子12の信号端子用のパッドに覆い被さらないように、半導体素子12の上面の一部を覆っている。半導体素子11はダイオードであるため、信号端子を有さない。そのため、主電極14は半導体素子11の上面の全部を覆っている。これにより、主電極14の加工を容易にすることができる。また半導体素子11と電極16との間の熱伝導率がよくなるため、半導体素子11と電極16との間を短くすることができる。そして、半導体素子11と電極16との間の距離が短くなる分、接続面13aの短辺13cと半導体素子12との間の放熱面積を広げることができるため、半導体モジュール10の熱抵抗を下げることができる。
さらに、主電極14の幅が主電極13の幅より大きいため、半導体素子11、12から主電極14に伝わる熱を、主電極13の主面上に効率よく広げることができる。その結果として、半導体モジュール10の熱抵抗を下げることができる。なお、IGBTとFWDの位置は、必ずしも図6に示した位置に限らず、図6に示した位置に対して互いに逆の位置にしてもよい。また、接続面13aの長手方向において、主電極14の幅が主電極13の幅よりも大きくてもよい。
なお、半導体素子11と半導体素子12との間の温度バラツキを抑制するためには、参考例として、半導体モジュール10は、z方向の厚みの異なる主電極14を備えていてもよい。図7は、参考例に係る半導体モジュール10の断面図である。参考例において、主電極14の上面は、半導体素子12の上部に位置する部分から、半導体素子11の上部に位置する部分に向けて傾斜している。主電極14の上面は、主電極14の表面のうち、接合部17を介して半導体素子11、12と接着する面(主電極14の下面に相当)と反対側に位置する面である。主電極14のxz面の断面は、略直角三角形の形状になっており、三角形の直角部分が、半導体素子12の上部に位置する。
ただし、変形例の半導体モジュール10は、本発明のような距離の条件を満たしておらず、辺13bから半導体素子11までの距離a、辺13cから半導体素子12までの距離b、及び、半導体素子11と半導体素子12との間の距離を距離cは等しい。
参考例に係る半導体モジュール10において、主電極14のz方向の厚みが増すことで、熱容量が高くなる。そのため、半導体素子12で発生した熱が主電極14に伝わり易くなり、半導体素子11と半導体素子12との間の温度バラツキを抑制できる。しかしながら、主電極14のように厚みを増す場合には、接合部17の接合強度に留意する必要がある。特に、厚みの大きい主電極14が半導体素子12の上部に設けられる場合には、主電極14と半導体素子12との間を接合する接合部17の接合強度を高めるために、当該接合部17の厚みを厚くしたり、接合強度を高めるための金属製の柱を別途設けたりしてもよい。金属製の柱は、銅、CuMo等の金属材料で形成される。このように、参考例に係る半導体モジュール10においても、素子間の温度バラツキを抑制できるが、主電極14の加工費の増加によるコストアップとなり、またモジュール自体の厚みが増すことで、汎用性及び量産性が劣ってしまう。ゆえに、参考例と比較した場合に、本発明に係る半導体モジュールは、コストを抑制し、かつ、汎用性、量産性を向上しつつ、素子間又は素子内の温度バランスを抑制できる。
なお、半導体モジュール10において、距離bは距離aより長く、又は、距離cが距離aより長ければよい。
なお本発明の変形例として、半導体素子11及び半導体素子12は同種類の素子でもよい。これにより、同一方向に流れる半導体素子が2つ以上あっても、各素子の温度ばらつきを抑制できる。また、主電極13上に複数の素子を分散して配置できるので、効率よく熱を広げる・拡散することができる。その結果として、半導体モジュール10の熱抵抗を下げることができる。
上記の主電極13が本発明の「第1主電極」に相当し、主電極14が本発明の「第2主電極」に相当し、端子15が本発明の「第1主電極に接続された端子」に相当し、電極16が本発明の「第2主電極に接続された端子」に相当する。
《第2実施形態》
図8は、発明の他の実施形態に係る半導体モジュールの平面図である。図9は、図8のIX−IX線に沿う断面図である。本実施形態では上述した第1実施形態に対して、端子15の露出する方向(端子15を樹脂部18から引き出す方向)が異なる。これ以外の構成は上述した第1実施形態と同じであり、その記載を援用する。
図8は、発明の他の実施形態に係る半導体モジュールの平面図である。図9は、図8のIX−IX線に沿う断面図である。本実施形態では上述した第1実施形態に対して、端子15の露出する方向(端子15を樹脂部18から引き出す方向)が異なる。これ以外の構成は上述した第1実施形態と同じであり、その記載を援用する。
半導体モジュール10は、半導体素子11、12の配列方向を法線方向とする一対の面18a、18bを有している。面18bは、面18aに対して、半導体素子11、12を介した反対側に位置する面である。言い替えると、面18a及び面18bは、半導体素子11、12を間に挟みつつ、対向するように設けられている。面18aは、半導体素子12よりも半導体素子11と近い位置に設けられている。
電極16は面18aから露出し、端子15は面18bから露出する。端子15が樹脂部18から延在する方向(x軸の負方向)と、電極16が樹脂部18から延在する方向(x軸の正方向)とは互いに反対向きになる。
本実施形態では、電極16は面18aから露出し、端子15は面18bから露出しているため、例えば複数の半導体モジュール10で上下アーム回路を形成する場合には、モジュール間で端子を近づけることができるため、レイアウトの自由度を高めることができる。
第1実施形態では、端子15及び電極16が、y軸方向に並んで配置されているため、半導体モジュール10のy軸方向の幅は、少なくとも、2つ端子15、16の幅よりも大きくなる。一方、本実施形態では、半導体素子11、12及び端子15、16がx軸方向に一列で並んでいるため、半導体モジュール10のy軸方向の幅は、第1実施形態よりも短くなる。例えば、複数の半導体モジュール10によりインバータ回路を構成する場合には、半導体モジュール10を、y方向に隣接して並べることで、半導体モジュール10の専有面積を狭くすることができる。また、インバータ回路において、各半導体モジュール10のP側端子同士、N側端子同士を近づけることができるため、モジュールのレイアウトが容易になる。
また、本実施形態においても、距離bは距離aよりも長い。また距離cは、距離aよりも長く、距離bよりも長い。これにより、半導体素子11と半導体素子12との間の温度バラツキを抑制できる。また、熱干渉による局所的な温度上昇を抑制できる。
なお、本実施形態の変形例として、図10に示すように、端子15は、端子152を介して、主電極13に接続されてもよい。端子152は、端子15と電極16の高さを揃えるための部材である。端子15、16の高さは、図10に示すz方向の高さである。また端子152は、端子15と同材料で形成されている。端子15は端子152と一体化されてもよい。端子15の高さと電極16の高さが揃うことで、端子形成用のリードフレームを使うことができるので。トランスファーモールドで樹脂封止する際にさらに量産性を向上させることができる。
《第3実施形態》
図11は、発明の他の実施形態に係る半導体モジュール10の平面図である。本実施形態に係る半導体モジュール10は、1つのパッケージとして樹脂封止された2in1のモジュールである。なお、半導体モジュール10の各構成について、第1実施形態又は第2実施形態の記載を適宜、援用する。
図11は、発明の他の実施形態に係る半導体モジュール10の平面図である。本実施形態に係る半導体モジュール10は、1つのパッケージとして樹脂封止された2in1のモジュールである。なお、半導体モジュール10の各構成について、第1実施形態又は第2実施形態の記載を適宜、援用する。
半導体モジュール10は、半導体素子11、12、21、22、主電極13、14、23、24、端子15、16、26、接合部、樹脂部18を備えている。なお、図11では接合部が図示されていないが、接合部は、半導体素子11、12、21、22と電極13、14、23、24とを接合する部材であって、第1又は第2実施形態に示した接合部17と同様の構成である。
半導体モジュール10のうち、xy平面で一方の領域(図11の下側)に位置する構成を、第1モジュール部10Aとし、xy平面で他方の領域(図11の上側)に位置する構成を、第2モジュール部10Bとする。第1モジュール部10Aは、半導体素子11、12、主端子15、16、接合部、及び樹脂部18を備えている。また、第2モジュール部10Bは、半導体素子21、22、端子26、接合部、及び樹脂部18を備えている。
半導体モジュール10は、インバータ回路のU相の上下アーム回路を構成しており、第1モジュール部10Aが上アームに相当し、第2モジュール部10Bが下アームに相当する。
第1モジュール部10Aは、第2実施形態に係る半導体モジュール10に対して、端子15の位置が異なる。端子15は上下アームのP側の端子となり、電極16が上下アーム回路の出力端子となる。距離a、距離b、及び距離cの関係は、第2実施形態と同様である。
第2モジュール部10Bは、第1モジュール部10Aに対して、端子15を備えていない点が異なる。第1モジュール部10Aの各構成と、第2モジュール部10Bの各構成の対応関係を説明する。半導体素子21は半導体素子11に対応し、半導体素子22は半導体素子21に対応し、主電極23は主電極13に対応し、主電極24は主電極14に対応し、端子26は端子16に対応する。また、半導体素子21、22、主電極23、24、及び端子26の位置関係は、半導体素子11、12、主電極13、14、及び端子16の位置関係と同様である。
主電極14と主電極23との間はボンディングワイヤにより電気的に接続されている。樹脂部18は、半導体素子11、12、21、22、主電極14、24を封止する。また樹脂部18は、主電極13、23の底面を露出させた状態で、主電極13、23を封止し、端子15、16、26の一部を露出させた状態で、端子15、16、26を封止している。
半導体モジュール10は、半導体素子11、12の配列方向、又は、半導体素子11、12の配列方向を法線方向とする一対の面18a、18bを有している。面18bは、面18aに対して、半導体素子11、12を介した反対側に位置する面である。面18aは、半導体素子12よりも半導体素子11と近い位置に、かつ、半導体素子21よりも半導体素子22と近い位置に設けられている。
端子16は面18aから露出し、端子15、26は面18bから露出する。これにより、端子15、26が樹脂部18から延在する方向(x軸の正方向)と、端子16が樹脂部18から延在する方向(x軸の負方向)とは互いに反対向きになる。
本実施形態では、第1モジュール部10A及び第2モジュール部10Bにおいて、距離a、距離b、及び距離cの関係は、第1又は第2実施形態で示した条件を満たしている。これにより、半導体素子11と半導体素子12との間、又は、半導体素子21と半導体素子22との間の温度バラツキを抑制できる。また、熱干渉による局所的な温度上昇を抑制できる。
また本実施形態では、樹脂部18から引き出される端子16の方向(端子16の延在方向)と、樹脂部18から引き出される端子26の方向(端子16の延在方向)が互いに逆向きになっている。これにより、半導体素子11の熱が端子16から放出し、半導体素子21の熱が端子26から放出する場合に、端子16と端子26との間の熱干渉を抑制できる。
《第4実施形態》
図12は、本発明の第1実施形態における半導体装置1のレイアウトを示す図である。図13は、図1に示された点線XIII−XIIIにおける半導体装置1の断面を示す図である。図14は、図1に示された点線XIV−XIVにおける半導体装置1の断面を示す図である。
図12は、本発明の第1実施形態における半導体装置1のレイアウトを示す図である。図13は、図1に示された点線XIII−XIIIにおける半導体装置1の断面を示す図である。図14は、図1に示された点線XIV−XIVにおける半導体装置1の断面を示す図である。
半導体装置1は、本実施形態では、直流電源から供給される直流電流を、電動モータへ出力される交流電流に変換するインバータ装置である。このインバータ装置は、3相の交流電力によって駆動する電動モータに用いられる3相インバータである。図12では、インバータ装置を構成する3相の上下アームのうち、1相分の上下アームが示されている
半導体装置1は、冷却器100と、半導体モジュール10と、半導体モジュール20と、を含む。
図12に示すように、半導体モジュール10と半導体モジュール20とが冷却器100に一列に並べて設けられる。
本実施形態では、半導体モジュール10及び20は、インバータ回路を構成する上アーム及び下アームのうち一方のアームとして基板上に形成される。半導体モジュール10が上アームとして用いられ、半導体モジュール20は、下アームとして用いられる。半導体モジュール10及び20は、いわゆる1in1(ワンインワン)モジュールである。
半導体モジュール10は、半導体素子11、12、と、主電極13、14と、端子15、16と、接合部17と、樹脂部18とを備える。半導体モジュール20は、半導体素子21、22、と、主電極23、24と、端子25、26と、接合部27と、樹脂部28とを備える。
図13に示すように、半導体モジュール10では、電極13Bの表面に絶縁基板13Cが形成される。絶縁基板13Bの表面に電極13Aが形成される。そして、電極13A、電極13B、及び、電極13Aと電極13Bで狭持された絶縁基板13Cが、第1、第2実施形態の主電極13に相当する。そして、電極13Aの表面には、半導体素子11及び半導体素子12が形成される。また端子15はドレイン端子であり、端子16はソース端子である。
半導体素子11及び半導体素子12は、インバータ回路を構成するパワーデバイスである。
半導体素子11は、半導体モジュール10内の上側(図12のy軸方向で上側)に位置する半導体素子である。半導体素子11では、裏面に形成されたドレイン部が、電極13Aを介して端子(ドレイン端子)15と電気的に接続されるとともに、表面に形成されたソース部が端子(ソース端子)16と電気的に接続される。
半導体素子12は、半導体モジュール10内の下側(図12のy軸方向で下側)に位置する半導体素子である。半導体素子12としては、環流動作を実現するための整流ダイオードが形成される。半導体素子12は、MOSFETのドレイン部からソース部へ電流が流れる方向に対して整流ダイオードの順方向が逆向きとなるように半導体素子11に接続される。半導体素子12は、例えば、PNダイオードや、FWD(FreeWheelingDiode)ダイオードなどにより実現される。
半導体素子12では、裏面に形成されたカソード部が、電極13Aを介して端子(ドレイン端子)15と電気的に接続されるとともに、表面に形成されたアノード部が、ソース部が端子(ソース端子)16と電気的に接続される。
電極13Aには、半導体素子11のドレイン部、及び、半導体素子12のカソード部がそれぞれ接続される。電極13Aは、例えばアルミニウムによって形成される。
端子(ドレイン端子)15には、電極13Aが接続されるとともに、不図示の直流電源が接続される。直流電源は、例えば、リチウムイオンバッテリにより実現される。
ソース端子16には、主電極14を介して、半導体素子11のソース部、及び半導体素子12のアノード部がそれぞれ電気的に接続される。またソース端子16は、電極13Aから絶縁された状態である。
絶縁基板13Cは、半導体素子11及び半導体素子12を冷却器100と絶縁するために設けられる。絶縁基板13Bは、例えば、窒化アルミニウムや、窒化珪素、アルミナなどによって形成される。なお、絶縁基板13Bの代わりに樹脂などで形成された絶縁シートを用いてもよい。絶縁シートと電極13Aとは、蝋付けや圧着などによって接合される。
電極13Bは、絶縁基板や絶縁シートなどを用いて冷却器100から絶縁される。電極13Bを冷却器100に接続する手法としては、はんだや蝋材などを用いて直接的に接合する手法や、グリースなどを用いて間接的に接合する手法が用いられる。電極13Bは、例えばアルミニウムなどによって形成される。
樹脂部18は、半導体素子11、半導体素子12、電極13A、端子15、端子16、絶縁基板13C、及び電極13Bを封止するために形成される。
このように、上アームとして用いられる半導体モジュール10には、半導体素子11及び半導体素子12が形成される。そして半導体モジュール10は樹脂部18によって封止される。これにより、炭化ケイ素で形成された半導体素子11及び半導体素子12や、実装に使用されるはんだ部材などにおいて生じる熱歪みを緩和することができる。
また、図1に示すように、半導体モジュール20は、半導体モジュール10と同一構造であり、半導体素子11、12の配列方向において半導体モジュール10に対して上下を反転させて配置される。
図3に示すように、半導体モジュール20では、電極23Bの表面に絶縁基板23Cが形成される。絶縁基板23Cの表面に電極23Aが形成される。そして電極23Aの表面には、半導体素子21及び半導体素子22が形成される。
半導体素子21は、半導体モジュール20内の上側に形成される半導体素子である。半導体素子21としては、図1に示した半導体素子12と同じ整流ダイオードが形成される。
半導体素子21では、裏面に形成されたドレイン部が、電極23Aを介して端子(ドレイン端子)25と電気的に接続されるとともに、表面に形成されたソース部が端子(ソース端子)26と電気的に接続される。
半導体素子22は、半導体モジュール20内の下側に形成される半導体素子である。半導体素子22としては、図2に示した半導体素子11と同じ電界効果トランジスタが形成される。
半導体素子22では、裏面に形成せれたカソード部が、電極23Aを介して端子(ドレイン端子)25と電気的に接続されるとともに、表面に形成されたアノード部が、はんだ接合によって端子(ソース端子)26と電気的に接続される。
電極23Aには、半導体素子21のドレイン部、及び、半導体素子22のカソード部がそれぞれ接続される。電極23Aは、例えばアルミニウムにより形成される。
端子(ドレイン端子)25には、電極23Aが接続されるとともに、半導体モジュール10の端子16が接続される。
端子(ソース端子)26には、半導体素子21のソース部、及び半導体素子22のアノード部がそれぞれ接続される。また端子26は、電極23Aから絶縁された状態であり、接地される。
絶縁基板23Cは、半導体素子21及び半導体素子22を冷却器100と絶縁するために設けられる。絶縁基板23Cは、例えば窒化アルミニウムや、窒化珪素、アルミナなどによって形成される。
電極23Bは、絶縁基板や絶縁シートなどを用いて冷却器100から絶縁される。電極23Bを冷却器100と接続する手法としては、はんだや蝋材などを用いて直接的に接合する手法や、グリースなどを用いて間接的に接合する手法が用いられる。
樹脂部28は、半導体素子21、半導体素子22、電極23A、端子25、端子26、絶縁基板23C、及び電極23Bを封止するために形成される。
このように、下アームとして用いられる半導体モジュール20には、半導体素子21及び半導体素子22が形成される。そして半導体モジュール20は樹脂部28によって封止される。
また、1in1の半導体モジュール10、20を用いることにより、半導体装置1の構造がシンプルになると共に、半導体モジュール10と半導体モジュール20との距離を容易に変更できるので半導体装置1についての設計の自由度が向上する。
半導体装置1では、半導体モジュール10の端子16と半導体モジュール20の端子15とを接続した上下アームを3つ並べて一列に配置することに、3相インバータが構成される。
図13及び図14に示すように、半導体モジュール10、20の下には冷却器100が配置される。この冷却器100によって、半導体素子11、12に発生する熱と、半導体素子21、22に発生する熱とを冷やすことができる。
冷却器100の内部には、半導体素子11、12と、半導体素子21、22とを冷却するための流体を通す複数の通路(流路)が形成される。流体としては、例えば、水やLLC(LongLifeCoolant)などの冷却水が用いられる。なお、空気を用いてもよい。
冷却器100に形成される内部通路は、多穴管であり、例えばアルミニウムなどの金属部材を押し出して製造される。金属部材が押し出されて開いた穴の部分が通路となる。
本実施形態では、半導体素子11、12の配列方向において上から、第1の内部通路101、第2の内部通路102、第3の内部通路103及び第4の内部通路104が、半導体モジュール10及び20の底面の面に沿う方向に並べて冷却器100に形成される。
冷却器100に形成される内部通路101〜104の入口には、不図示の接続通路を介して冷却水を送る冷却ポンプが接続される。
冷却器100に関して、内部通路101〜104の幅を狭くするほど、冷却水の圧力損失が大きくなり、内部通路101〜104を流れる冷却水の流速を大きくすることができる。このため、内部通路101〜104の幅を狭くすることが望ましい。内部通路101〜104の幅を狭くすることにより、冷却性能の高い冷却ポンプを用いることなく、半導体モジュール10、20に対する冷却性能を高めることができる。
また、冷却器100の厚みを薄くすることによっても、冷却水の圧力損失が大きくなり、内部通路101〜104を流れる冷却水の流速を大きくすることができる。
このように、内部通路101〜104は、ピンフィンや、四角フィンなどの冷却フィンに比べて、冷却器100の厚みや幅などの微細な加工をしやすいので、加工やシーリングに要するコストを抑えることができる。
図12に点線で示したように、内部通路101、内部通路102、内部通路103及び内部通路104は、それぞれ同一平面上において交わらず真っ直ぐに形成される。すなわち互いに平行に形成される。なお、平面方向において通路が波打つように、内部通路101、内部通路102、内部通路103及び内部通路104を形成してもよい。
そして、内部通路101、内部通路102、内部通路103及び内部通路104には、半導体モジュール10(左)から半導体モジュール20(右)に向かって冷却水が流れる。
なお、冷却水を半導体モジュール20から半導体モジュール10に向かって流すようにしてもよい。また、内部通路101及び内部通路103を流れる冷却水の流通方向と、内部通路102及び内部通路104を流れる冷却水の流通方向とが逆向きとなるようにしてもよい。あるいは、内部通路101から冷却水を内部通路102に折り返し、内部通路103から冷却水を内部通路104に折り返すようにしてもよい。
また、内部通路101、内部通路102、内部通路103及び内部通路104の流通方向、すなわち延在方向に対して直交するように、半導体モジュール10が配置される。すなわち、半導体モジュール10は、半導体素子11と半導体素子12との配列方向に対して、内部通路101、内部通路102、内部通路103及び内部通路104の延在方向が直交するように配置される。
同様に半導体モジュール20は、半導体素子21と半導体素子22との配列方向に対して、内部通路101、内部通路102、内部通路103及び内部通路104の流通方向が直交するように配置される。
また、半導体モジュール10に形成される半導体素子11は、他の半導体素子21が配置される内部通路102とは異なる内部通路101に配置される。そして、半導体素子12は、他の半導体素子22が配置される内部通路104とは異なり、かつ、半導体素子11が配置される内部通路101とは異なり、半導体素子21が配置される内部通路104とは異なる内部通路103に配置される。
すなわち、半導体モジュール10に形成される半導体素子11及び半導体素子12と、半導体モジュール20に形成される半導体素子21及び半導体素子22とは、内部通路101〜104のうち、互いに異なる内部通路に配置される。
これにより、同一通路に複数の半導体素子が配置される場合に比べて、内部通路101〜104の各々に流れる冷却水の温度上昇が抑制されるので、半導体モジュール10及び20に形成された半導体素子間の温度差を小さくすることができる。例えば、半導体素子11と半導体素子21との温度差や、半導体素子12と半導体素子22との温度差などを小さくすることができる。
また、半導体モジュール10に形成される半導体素子11及び半導体素子12と、半導体モジュール20に形成される半導体素子21及び半導体素子22は、内部通路101〜104の流通方向に対して直交するように形成される。
これにより、半導体モジュール10及び20の幅を狭めることができるので、半導体装置1の集積密度を高めることができる。したがって、半導体装置1の集積密度を高くしつつ、半導体素子11、12、21、22の温度上昇を抑制することができる。
さらに、半導体モジュール10、20の各々について、半導体素子11、12及び半導体素子21、22が、半導体モジュールの中心から非対称となるように配置される。そして半導体モジュール20が、半導体モジュール10に対して半導体モジュール20の中心位置から180度回転させて配置される。
これにより、半導体モジュール10及び20を互いに異なる構造に変えずに、半導体素子11、12と、半導体素子21、22とを同一の内部通路ではなく互いに異なる内部通路に配置することができる。したがって、半導体モジュール10及び20の冷却性能と汎用性の両立を図ることができる。
なお、本実施形態では、半導体モジュールに2個の半導体素子が形成される例について説明したが、1個のみ又は3個以上の半導体素子を形成した複数の半導体モジュールを一列に並べた半導体装置についても、本実施形態と同様の作用効果が得られる。
例えば、半導体モジュール10に形成される1個の半導体素子は、冷却器100の内部通路101に配置され、他の半導体モジュール20に形成される1個の半導体素子は、内部通路101とは異なる内部通路102に配置される。このような場合にも、1本の内部通路に配置される半導体素子の数が減るので、内部通路に流れる冷却水の温度の上昇が抑制され、冷却器100の上流側に位置する半導体素子と、冷却器100の下流側に位置する半導体素子との温度差を小さくできる。
また、本実施形態では半導体モジュール10及び半導体モジュール20を並べて配置した半導体装置について説明したが、3つ以上の半導体モジュールを一列に並べるようにしてもよい。例えば、3相インバータのように、6つの半導体モジュールが一列に並べて配置される半導体装置についても、本実施形態と同様の作用効果が得られる。
例えば、少なくともひとつの半導体素子が内部通路101に配置され、他の半導体素子の各々が内部通路102とは異なる内部通路101に配置される。また、少なくともひとつの半導体素子が、他の半導体素子の各々が配置される内部通路104とは異なる内部通路103に配置される。
これにより、全ての半導体素子を同一通路上に配置した場合に比べて、冷却器100の内部通路101及び内部通路102を流れる冷却水の温度上昇を抑制すると共に、内部通路103及び内部通路104を流れる冷却水の温度上昇についても抑制できる。このため、冷却器100に配列された各半導体モジュールに形成された半導体素子間の温度差を小さくすることができる。
また、冷却器100の流通方向に向かって複数の半導体モジュールを複数列、例えば3列に並べる場合には、冷却器100において冷却水を各内部通路に分散させる入口部分が広がってしまい、圧力損失を稼ぐことができなくなる。また、各内部通路の流れが不均一になりやすいため、この対策に伴って入口部分のバジル構造が複雑になる場合や、構造が大きくなる場合がある。
これに対して、6つの半導体モジュールを一列に並べることにより、各内部通路に共通する入口部分を広げずに済むので、冷却水の流速を制御しやすくなり、冷却器100に形成される内部通路の出入り口を簡素なバジル構造にすることができる。このため、冷却器100を小型にすることができる。したがって、多数の半導体モジュールを冷却器100の流通方向に向かって一列に並べることにより、半導体素子間の温度差を低減しつつ、半導体モジュールを小さくすることができる。
本実施形態によれば、半導体装置1は、半導体素子11、12を冷却するための流体を通す複数の内部通路101〜104が形成された冷却器100と、冷却器100に設けられ、半導体素子11、12が形成される複数の半導体モジュール10、20とを含む。
そして、複数の半導体モジュール10、20は、冷却器100に形成された内部通路101〜104の延在方向に向かって並べて配置される。これと共に、半導体モジュールの各々に形成される半導体素子のうち、少なくともひとつの半導体素子は、他の半導体素子が配置される通路とは異なる通路に配置される。
これにより、少なくともひとつの半導体素子が、他の半導体素子が配置される冷却器100の内部通路とは異なる内部通路に配置されるので、同一通路に対し全ての半導体素子を配列した場合に比べて、冷却器100を流れる流体の温度上昇を抑制できる。したがって、冷却器100の上流側に位置する半導体素子と、冷却器100の下流側に位置する半導体素子との間の温度差を小さくすることができる。
また、本実施形態では、インバータ回路を構成する上アームに用いられる半導体素子として、半導体素子11と半導体素子12とが半導体モジュール10に形成される。さらにインバータ回路を構成する下アームに用いられる半導体素子として、半導体素子21と半導体素子22とが半導体モジュール20に形成される。すなわち、半導体モジュール10、20は、1in1モジュールである。
そして、半導体モジュール10に形成される半導体素子11が冷却器100の内部通路101の上に配置され、他の半導体モジュール20に形成される半導体素子21が冷却器100の内部通路101とは異なる内部通路102の上に配置される。すなわち、半導体素子11は、他の半導体素子21が配置される内部通路102とは異なる内部通路101に配置される。
これと共に、半導体モジュール10に形成される半導体素子12が、内部通路103の上に配置され、他の半導体モジュール20に形成される半導体素子22が、内部通路103とは異なる内部通路104の上に配置される。すなわち、半導体素子12は、他の半導体素子22が配置される内部通路104とは異なり、かつ、半導体素子11が配置される内部通路101とは異なり、半導体素子12が配置される内部通路102とも異なる内部通路103に配置される。
これにより、内部通路101から内部通路104までの各通路上には、1個の半導体素子だけが配置されることになるので、同一通路に複数の半導体素子を配置した場合に比べて、各通路を流れる冷却水の温度のバラツキを抑制することができる。したがって、半導体素子間の温度差を小さくすることができる。
また、半導体モジュール10、20を1in1モジュールで形成することにより、上下アームを1つにパッケージした2in1(ツーインワン)や、3組の上下アームを1つにパッケージした6in1(シックスインワン)などに比べて部品点数が少なくなるので、歩留まりを向上させることができる。さらに半導体モジュール内の構造や配置の自由度が向上し、ひいては汎用性を上げることができる。
また、本実施形態では、半導体モジュール10において、半導体素子11と半導体素子12とが、内部通路101の延在方向に対して直交するように並べて配置される。同様に半導体モジュール20において、半導体素子21と半導体素子22とが、内部通路101の延在方向に対して直交するように並べて配置される。そして半導体モジュール10について、半導体素子11と半導体素子12とが直列に並べられ、半導体モジュール20について、半導体素子21と半導体素子22とが直列に並べられる。
これにより、各半導体モジュール内の構造や配置の自由度が増すと共に、樹脂成型しやすくなるので汎用性を高めることができる。さらに、冷却器100に対して半導体モジュール10、20を接続する際に精度良く配置することができる。
また、内部通路101の延在方向に直交するように半導体素子を配置することにより、電極13A、23A及び電極13B、23Bの幅と、半導体モジュール10、20の幅とを狭めることができるので、半導体装置1を小型にすることができる。
また、本実施形態では、半導体モジュール10の中心位置から、半導体素子11と半導体素子12との配列方向に対して直交する方向に折り返したときに、半導体素子11と半導体素子12とが非対称となるように配置される。同様に、半導体モジュール20の中心位置から、半導体素子21と半導体素子22との配列方向に対して直交する方向に折り返したときに、半導体素子21と半導体素子22とが非対称となるように配置される。
一般に、半導体モジュール10、20との接続に用いられるクリップやワイヤボンディングの形状や、半導体素子11、12を配置する面の形状、端子15、25及び端子16、26の形状などによって熱抵抗は変化する。
このため、半導体モジュール内の複数の半導体素子を非対称に配置することにより、半導体モジュールにおいて半導体素子を自由に配置することが可能となるので、半導体モジュールの熱抵抗に合わせて半導体素子を配置することができる。これにより、半導体装置1の熱性能を向上させることができる。
また、本実施形態では、冷却器100に形成される内部通路101〜104までの各通路は、互いに平行に形成される。これにより、各通路を流れる冷却水が直線上に一様に流れるようになるので、冷却器100の構造を簡素にすることができる。
また、本実施形態では、冷却器100内の内部通路101〜104として多穴管が形成される。多穴管は、金属部材を押し出して作り上げられるので、冷却器100を簡素な構造にすることができる。したがって、製造コストが低く量産性の高い冷却器100を実現することができる。
また、本実施形態では、冷却器100に形成される内部通路の数は、上下アームを構成する半導体モジュール10、20の各々に形成された全ての半導体素子の数と同数である。このため、1個の半導体素子に対して1つの内部通路を割り当てることができるので、半導体素子11、12、並びに半導体素子21、22の各半導体素子を効率良く冷却することができる。
なお、冷却器100には、半導体モジュール10、20に形成される半導体素子の数よりも多くの数の内部通路を形成してもよい。この場合には、内部通路の圧損や流速を調整することができる。したがって、内部通路に冷却水を送る冷却ポンプの性能に合わせて冷却器を設計することができる。
また、本実施形態では、半導体モジュール10、20に形成される各半導体素子11、12は、半導体素子の中心が、冷却器100に形成された複数の内部通路のうち、少なくともひとつの内部通路の真上に位置するように配置される。このように、各半導体素子11、12の中心位置の直下に1つ以上の内部通路を設けることにより、半導体素子11、12の発熱を最も近い距離で冷却水に伝えることができるので、半導体素子11、12をより効率良く冷却することができる。
また、半導体素子11及び半導体素子22としては、電界効果トランジスタであるMOSFETが形成され、半導体素子12及び半導体素子21としては、PNダイオードが形成される。
この場合には、MOSFETに流れる電流の方向がPNダイオードの順方向に対して反対方向となるように、MOSFETとPNダイオードとが接続される。これにより、半導体モジュール10、20において、MOSFETによるスイッチング動作と、PNダイオードによる環流動作とを実現できる。またMOSFETを用いることにより、単体のダイオードを半導体モジュールに設ける必要がなく、半導体モジュール内にダイオードを内蔵させることができる。
また、PNダイオードの代わりにFWDダイオードを用いることにより、PNダイオードを用いる場合に比べて、電力損失が小さいインバータ回路を実現することができる。
また、半導体素子11、12と半導体素子21、22とは、インバータ装置のパワーデバイスとして、炭化ケイ素SiCによって形成される。このため、ケイ素Siによって形成されるデバイスに比べて、半導体モジュール10、20の電力損失を小さくでき、かつ小型化できるので、インバータ回路を小さくすることができる。
なお、本実施形態では半導体モジュール10に設けられる端子15と端子16を、半導体モジュール10の上端と下端とに配置する例について説明したが、これに限られるものではない。
図15は、半導体モジュール10に設けられた端子15及び端子16と、半導体モジュール20に設けられた端子25及び端子26との配置例を示す図である。
図15に示すように、端子15及び端子16は、共に半導体モジュール10における長手方向(配列方向)の下端側に設けられている。一方、端子25及び端子26は、共に半導体モジュール20における長手方向の上端側に設けられている。
図16は、端子15及び端子16と、端子25及び端子26との他の配置例を示す図である。
図16に示すように、端子15及び端子16は、共に半導体モジュール10の短手方向(流通方向)の左端側に設けられている。一方、端子25及び端子26は、共に半導体モジュール20の短手方向の右端側に設けられている。
このように、半導体モジュール10、20の各々について、半導体素子11、12及び半導体素子21、22が非対称に配置されているので、ドレイン端子及びソース端子のレイアウトをインバータ回路の要求に合わせて変えることができる。
また、半導体モジュール10及び半導体モジュール20の上下を互い違いに入れ替えるように配置することで、同一通路に対して複数の半導体素子11、12が重複しないように配置することができる。例えば、半導体素子11と半導体素子21とは、一列に配置されずに、互いに異なる内部通路に配置される。
なお、本実施形態では冷却器100に複数の内部通路101〜104を形成する例について説明したが、これに限られるものではない。例えば、冷却器100の内部通路に冷却フィンを形成するようにしてもよい。冷却フィンの構造としては、コルゲートフィン構造が挙げられる。また他の例について図17を参照して簡単に説明する。
《第5実施形態》
図17は、本発明の第5実施形態における内部通路210の形状を示す図である。他の構成は、第4実施形態と同じ構成である。
図17は、本発明の第5実施形態における内部通路210の形状を示す図である。他の構成は、第4実施形態と同じ構成である。
図17に示すように、内部通路210には、第1の溝通路211、第2の溝通路212、第3の溝通路213及び第4の溝通路214が形成され、溝通路211〜214の底部が互いに連通している。内部通路21に設けられたひとつの凸部によって溝通路211及び溝通路212が形成され、もうひとつの凸部によって溝通路213及び溝通路214が形成されている。
なお、本実施形態では、1本の内部通路210に設けられた2つの凸部によって、4本の溝通路211〜214が形成されているが、2本の内部通路に1つの凸部を設けて4本の溝通路を形成してもよい。このように少なくとも1つの凸部によって複数の溝通路が形成される。
内部通路210の形状は、いわゆるクシ歯形状である。溝通路211、溝通路212、溝通路213及び溝通路214は、それぞれ第1実施形態における内部通路101、内部通路102、内部通路103及び内部通路104に対応している。
このように、内部通路210の形状をクシ歯形状にすることにより、第1実施形態と同様の効果が得られる。また、クシ歯形状の通路や、ピンフィン、四角フィンなどの構造を採用することにより、各溝通路の底部に形成された連通部を介して、各溝通路を流れる冷却水が互いに行き来しやすくなる。このため、各溝通路を流れる冷却水の温度差が小さくなりやすくなるので、冷却器100に内部通路101〜104を形成する場合に比べて、半導体素子1の冷却性能を高めることができる。
例えば、半導体モジュール10に形成される半導体素子11が、溝通路211の上に配置され、他の半導体モジュール20に形成される半導体素子21が、溝通路211とは異なる溝通路212の上に配置される。すなわち、半導体素子11は、他の半導体素子21が配置される溝通路212とは異なる溝通路211に配置される。
これと共に、半導体モジュール10に形成される半導体素子12が、溝通路213の上に配置され、他の半導体モジュール20に形成される半導体素子22が、溝通路213とは異なる溝通路214の上に配置される。すなわち、半導体素子12は、他の半導体素子22が配置される溝通路214とは異なり、かつ、半導体素子11、12が配置される溝通路211及び212とも異なる溝通路213に配置される。
これにより、溝通路211から溝通路214までの各溝通路の上には、1個の半導体素子だけが配置されることになるので、同一通路に複数の半導体素子を配置する場合に比べて、各通路を流れる冷却水の温度のバラツキを抑制することができる。したがって、半導体素子間の温度差を小さくすることができる。
なお、上記実施形態では1つのアームを樹脂で封止した1in1モジュールを形成してインバータ回路を構成する例について説明したが、本発明は、上下アームの両方を樹脂で封止した2in1モジュールについても適用することができる。以下に本発明を第5実施形態として2in1モジュールに適用した例について説明する。
《第6実施形態》
図18は、本発明の第6実施形態における半導体装置1のレイアウトを示す図である。
図18は、本発明の第6実施形態における半導体装置1のレイアウトを示す図である。
半導体装置1は、図1に示した半導体装置1と基本構造は同じであり、上アームを構成する半導体モジュール10と下アームを構成する半導体モジュール20とが、内部通路101〜104の流通方向に向かって並べて配置されている。また主電極14と主電極23はボンディングワイヤにより接続されている。
半導体装置1は、半導体モジュール10と半導体モジュール20との両者が樹脂部18によって1つにパッケージされている。さらに両者は共通する端子(ソース端子)16を有している。半導体装置200は、いわゆる2in1モジュールにより構成されている。
図18に示すように、半導体素子11は、他の半導体素子22が配置される内部通路102とは異なる内部通路101に配置され、半導体素子12は、他の半導体素子21が配置される内部通路104とは異なる内部通路103に配置されている。
これにより、半導体装置1では、同一通路に複数の半導体素子が配置される場合に比べて、内部通路101〜104の各々に流れる冷却水の温度上昇を抑えられるので、半導体素子間の温度差を小さくすることができる。
また、図1に示した半導体モジュール10と半導体モジュール20との間は、所定の絶縁距離だけ離す必要があるが、本実施形態では、半導体モジュール10、20を樹脂部18でパッケージするので、電極15と電極25との距離を縮めることができる。
《第7実施形態》
図19は、本発明の第7実施形態における半導体装置1のレイアウトを示す図である。
図19は、本発明の第7実施形態における半導体装置1のレイアウトを示す図である。
半導体装置1は、3相インバータであり、図12に示した半導体モジュール10、20の組合せが3つ並べて配置されている。また、冷却器100には内部通路101、内部通路102及び内部通路103が形成されている。
半導体装置1では、半導体素子11が内部通路101に配置され、半導体素子12が内部通路102に配置される。また、半導体素子21が内部通路103に配置され、半導体素子22が内部通路102に配置される。
これにより、内部通路101から内部通路103までの各通路上には、同一通路に配置される半導体素子が減るので、半導体素子間の温度差をすることができる。また、上記実施形態に比べて冷却器100の入口部分のバジル構造を簡素化できる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
以上、実施形態4〜7においては、接続面13a上における距離a、距離b、及び距離cについては、詳述していないが、実施形態4〜7においても、実施形態1〜3で示した距離の関係を満たしている。
例えば、本実施形態では半導体素子21として整流ダイオードが形成され、半導体素子22としてMOSFETが形成される例について説明したが、半導体素子21としてMOSFETを形成し、半導体素子22として整流ダイオードを形成するようにしてもよい。
また、本実施形態では半導体装置の一例としてインバータを例にして説明したが、これに限られるものではなく、冷却器の上に半導体モジュールが一列に並べられる半導体装置であればよく、例えば、DC/DCコンバータ等にも適用することができる。
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
10…半導体モジュール
10A…第1モジュール部
10B…第2モジュール部
11、12、19、21、22…半導体素子
13、14、23、24…主電極
13a…接続面
15、16、25、26…端子
17…接合部
18…樹脂部
151、161 穴
10A…第1モジュール部
10B…第2モジュール部
11、12、19、21、22…半導体素子
13、14、23、24…主電極
13a…接続面
15、16、25、26…端子
17…接合部
18…樹脂部
151、161 穴
Claims (20)
- 一対の主面を有する半導体素子と、
前記半導体素子に接続された接続面を有する第1主電極と、
前記半導体素子に接続された第2主電極と、
前記第2主電極に接続された端子とを備え、
前記接続面は、前記一対の主面のうち一方の主面と対向し、
前記第2主電極は、前記一対の主面のうち他方の主面と接続し、
前記接続面の外縁に位置する複数の端部のうち前記端子の最も近くに位置する第1端部から前記半導体素子までの距離を第1距離とし、かつ、前記複数の端部のうち前記第1端部以外の少なくとも1つの端部から前記半導体素子までの距離を他の距離とした場合に、
前記他の距離が前記第1距離よりも長い
ことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1記載の半導体モジュールにおいて、
複数の前記半導体素子を備え、
前記複数の半導体素子は第1半導体素子及び第2半導体素子を含み、
前記第1端部から前記第1半導体素子までの距離を前記第1距離とし、かつ、前記複数の端部のうち、前記接続面上で前記第1端部と反対側に位置する第2端部から、前記第2半導体素子までの距離を第2距離とした場合に、
前記第2距離が前記第1距離よりも長い
ことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1記載の半導体モジュールにおいて、
複数の前記半導体素子を備え、
前記複数の半導体素子は第1半導体素子及び第2半導体素子を含み、
前記第1端部から前記第1半導体素子までの距離を前記第1距離とし、かつ、前記接続面上で前記第1半導体素子と前記第2半導体素子との間の距離を第3距離とした場合に、
前記第3距離は前記第1距離より長い
ことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項2記載の半導体モジュールにおいて、
前記接続面上で前記第1半導体素子と前記第2半導体素子との間の距離を第3距離とした場合に、
前記第3距離は、前記第1距離及び前記第2距離の少なくともいずれか一方の距離より長い
ことを特徴とする半導体モジュール。 - 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、
前記複数の端部のうち前記第1端部以外の全ての端部から前記半導体素子までのそれぞれの距離を前記他の距離とした場合に、
前記他の距離が前記第1距離よりも短い
ことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
前記第1主電極に接続された端子を備え、
前記第1主電極に接続された端子及び前記第2主電極に接続された端子は、前記半導体モジュールを形成する同一の面から露出している
ことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
前記第1主電極に接続された端子を備え、
前記第1主電極に接続された端子は、前記半導体モジュールを形成する複数面のうち一面から露出し、
前記第2主電極に接続された端子は、前記複数面のうち他面から露出し、
前記他面は、前記一面に対して、前記半導体素子を介した反対側に位置する面である
ことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
前記第1主電極に接続された端子と、
複数の前記半導体素子を備え、
前記複数の半導体素子は第1半導体素子及び第2半導体素子を含み、
前記第1半導体素子及び前記第2半導体素子は前記接続面上で所定の方向に沿って並んで配置され、
前記第1主電極に接続された端子は前記第1主電極から延在し、
前記第2主電極に接続された端子は前記第2主電極から延在し、
前記第1主電極に接続された端子の延在方向、及び、前記第2主電極に接続された端子の延在方向は、前記所定の方向と同じである
ことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
前記第2主電極は板状に形成されている
ことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
前記第2主電極は銅を含む
ことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
前記接続面に沿う方向において、前記第2主電極の幅が前記半導体素子の幅より大きい
ことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
前記半導体素子、前記第2主電極、及び前記端子の一部を封止した樹脂部を備え、
前記樹脂部はトランスファーモールドにより成形されている
ことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1〜12のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
複数の前記半導体素子を備え、
前記複数の半導体素子は同種類の素子である
ことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1〜13のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
前記半導体素子はMOSFETである
ことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1〜13のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
前記半導体素子はSiC素子である
ことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1〜12のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
複数の前記半導体素子を備え、
前記複数の半導体素子は第1半導体素子及び第2半導体素子を含み、
前記第1半導体素子は還流ダイオードであり、前記第2半導体素子はトランジスタである
ことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1〜16のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
前記接続面に沿う方向において、前記第2主電極の幅が前記第1主電極の幅より大きい
ことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1〜17のいずれか一項に記載の複数の半導体モジュールと、
前記半導体素子を冷却するための流体を通す複数の通路が形成された冷却器とを備え、
前記複数の半導体モジュールは、前記冷却器に設けられ、かつ、前記冷却器に形成された通路の延在方向に向かって並べて配置され、
前記半導体モジュールの各々に形成される半導体素子のうち、少なくともひとつの半導体素子は、他の半導体素子が配置される通路とは異なる通路に配置される
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項18に記載の半導体装置において、
前記半導体モジュールに形成される半導体素子は、インバータを構成する第1半導体素子と第2半導体素子とを含み、
前記少なくともひとつの第1半導体素子は、他の第1半導体素子が配置される通路とは異なる通路に配置され、
前記少なくともひとつの第2半導体素子は、他の第2半導体素子が配置される通路とは異なる通路に配置される
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項19に記載の半導体装置において、
前記少なくともひとつの第1半導体素子は、前記他の第1半導体素子、及び、前記第2半導体素子の各々が配置される通路とは異なる通路に配置される
ことを特徴とする半導体装置。
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