JP2016197677A - パワー半導体装置および車載用回転電機の駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】パワー半導体モジュールを設置する床面積を削減し、小型なパワー半導体装置を得ること。
【解決手段】２つの主電極間に流れる電流をスイッチングする第１のパワー半導体素子が第１のモールド樹脂で覆われ、一方の主電極から第１のモールド樹脂外部に引き出された正極側電極と他方の主電極から第１のモールド樹脂外部に引き出された第１の中間電極とを備えた第１のパワー半導体モジュールと、２つの主電極間に流れる電流をスイッチングする第２のパワー半導体素子が第２のモールド樹脂で覆われ、一方の主電極から第２のモールド樹脂外部に引き出された負極側電極と他方の主電極から第２のモールド樹脂外部に引き出された第２の中間電極とを備えた第２のパワー半導体モジュールと、ヒートシンクとを順に積層するようにした。
【選択図】図１
【解決手段】２つの主電極間に流れる電流をスイッチングする第１のパワー半導体素子が第１のモールド樹脂で覆われ、一方の主電極から第１のモールド樹脂外部に引き出された正極側電極と他方の主電極から第１のモールド樹脂外部に引き出された第１の中間電極とを備えた第１のパワー半導体モジュールと、２つの主電極間に流れる電流をスイッチングする第２のパワー半導体素子が第２のモールド樹脂で覆われ、一方の主電極から第２のモールド樹脂外部に引き出された負極側電極と他方の主電極から第２のモールド樹脂外部に引き出された第２の中間電極とを備えた第２のパワー半導体モジュールと、ヒートシンクとを順に積層するようにした。
【選択図】図１
Description
この発明は、モールド樹脂封止型のパワー半導体モジュールをヒートシンクに搭載したパワー半導体装置に関するものである。
近年パワーエレクトロニクス装置は、小型、低コスト、高効率、高性能および高信頼性が望まれている。それに伴って、電力変換用のパワー半導体装置についても小型化、高信頼性が求められている。
パワー半導体装置は、パワー半導体モジュールとヒートシンクとが一体化されたものであって、パワー半導体モジュールは、スイッチング可能なパワー半導体素子と、パワー半導体素子に接続された配線部材とを絶縁樹脂で封止することによって製造されている。
パワー半導体装置の配線やパワー半導体素子のサイズは、通電する電流の大きさや接続される電源の電圧の高さによって制約される。このとき、配線やパワー半導体素子のサイズは、パワー半導体装置の高性能化に向けた大電流化や高電圧化の要求に対して、面積を大きくする必要が生じる。また、配線は、通電する電流が大きくなるほど必要となる断面積が増加し、大型化する。これらの理由により、パワー半導体装置の小型化と高性能化を両立することは容易ではない。
パワー半導体装置の小型化と高性能化の両方を満足させるために様々な検討が行われており、例えば、ヒートシンクの上に放熱板を配置し、その上部にろう付けされた絶縁基板に、外部接続用の端子２本と、パワー半導体素子２個を交互に積層するように配置することで、大電流の通電とパワー半導体モジュールを小型にすることが提案されている。（特許文献１）。
また、パワー半導体モジュールの内部にパワー半導体素子と電極を積層し、中間電極と信号電極以外をモジュール上下面に露出することで、小型化と大電流化に対応するとともに、上下面に冷却器を接続することで高い放熱性も備える構造も提案されている（特許文献２）。
特許文献１および特許文献２に示された構成のパワー半導体モジュールでは、配線の簡略化と、放熱性の向上により配線とパワー半導体素子サイズを小型化することが可能となる。これにより、パワー半導体モジュールそのものの小型化は可能となるものの、複数個のパワー半導体素子が近距離に配置されるために、それぞれのパワー半導体素子の発熱が干渉し発熱の密度が高まる。このように構成された場合、通電により高い発熱密度で生じた熱により、２つのパワー半導体素子は、１つのみのパワー半導体素子が発熱する場合と比較して、温度上昇が急になる。これに対応するため、ヒートシンクなどの冷却器は高い冷却性能が必要となり、冷却器が大型化もしくは、空冷のみならず水冷方式を適用する必要が生じる場合がある。すなわち、パワー半導体素子に機能上の最大電流が通電した時に
生じるパワー半導体素子の急な温度上昇に対処できるように冷却器を選定する必要があり、最大電流が通電する使用時以外は過剰な冷却性能を備えたパワー半導体装置になる。これにより、パワー半導体モジュールとヒートシンクを一体化させた状態であるパワー半導体装置が大型化する。また、小型化の制約のため冷却性能が不足するすると、容易にパワー半導体素子が許容上限温度に達して機能が制限されるだけにとどまらず、通電毎のパワー半導体素子近傍の温度変動が大きくなり、チップと配線を接合する部材における疲労の進行が加速され保証寿命が短くなる。これらの理由により、パワー半導体モジュールとヒートシンクを合わせた状態であるパワー半導体装置の小型化と、高性能化の両立が課題として残る。
生じるパワー半導体素子の急な温度上昇に対処できるように冷却器を選定する必要があり、最大電流が通電する使用時以外は過剰な冷却性能を備えたパワー半導体装置になる。これにより、パワー半導体モジュールとヒートシンクを一体化させた状態であるパワー半導体装置が大型化する。また、小型化の制約のため冷却性能が不足するすると、容易にパワー半導体素子が許容上限温度に達して機能が制限されるだけにとどまらず、通電毎のパワー半導体素子近傍の温度変動が大きくなり、チップと配線を接合する部材における疲労の進行が加速され保証寿命が短くなる。これらの理由により、パワー半導体モジュールとヒートシンクを合わせた状態であるパワー半導体装置の小型化と、高性能化の両立が課題として残る。
この発明は、前述のような従来の課題を解消するためになされたものであり、パワー半導体装置に搭載される複数のパワー半導体素子の発熱密度が高まるのを防止しつつ、パワー半導体モジュールを設置する床面積を削減し、小型なパワー半導体装置を得ることを可能にすることを目的としたものである。
本発明は、２つの主電極間に流れる電流をスイッチングする第１のパワー半導体素子が第１のモールド樹脂で覆われ、第１のパワー半導体素子の一方の主電極から第１のモールド樹脂外部に引き出された正極側電極と第１のパワー半導体素子の他方の主電極から第１のモールド樹脂外部に引き出された第１の中間電極とを備えた第１のパワー半導体モジュールと、２つの主電極間に流れる電流をスイッチングする第２のパワー半導体素子が第２のモールド樹脂で覆われ、第２のパワー半導体素子の一方の主電極から第２のモールド樹脂外部に引き出された負極側電極と第２のパワー半導体素子の他方の主電極から第２のモールド樹脂外部に引き出された第２の中間電極とを備えた第２のパワー半導体モジュールと、ヒートシンクを備え、第１のパワー半導体モジュール、第２のパワー半導体モジュール、ヒートシンクの順に積層するようにした。
この発明によるパワー半導体装置によれば、第１のパワー半導体モジュール、第２のパワー半導体モジュール、ヒートシンクの順に積層するようにしたので、パワー半導体モジュールを設置する床面積を削減し、小型なパワー半導体装置を得ることができる。
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は、実施の形態１によるパワー半導体装置３０の構成を模式的に示す断面図である。このパワー半導体装置３０は、第１のパワー半導体モジュール１と第２のパワー半導体モジュール２とヒートシンク３を備える。
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は、実施の形態１によるパワー半導体装置３０の構成を模式的に示す断面図である。このパワー半導体装置３０は、第１のパワー半導体モジュール１と第２のパワー半導体モジュール２とヒートシンク３を備える。
第１のパワー半導体モジュール１は、２つの主電極（ＭＯＳＦＥＴであればソースとドレイン、ＩＧＢＴであればコレクタとエミッタなど）間に流れる電流をスイッチング可能な第１のパワー半導体素子４１と、第１のパワー半導体素子４１の一方の主電極である下面電極と電気的に接続するＰ電極（正極側電極とも称する）５と、第１のパワー半導体素子４１の他方の主電極である上面電極と配線部材６１を介して接続する第１の中間電極７１と、ゲート信号用の信号電極とを備え、これらを第１のモールド樹脂８１により封止したものである。また、第２のパワー半導体モジュール２は、２つの主電極間に流れる電流をスイッチング可能な第２のパワー半導体素子４２と、第２のパワー半導体素子４２の一方の主電極である下面電極と電気的に接続する第２の中間電極７２と、第２のパワー半導体素子４２の他方の主電極である上面電極と配線部材６２を介して接続するＮ電極（負極側電極とも称する）９と、ゲート信号用の信号電極とを備え、これらを第２のモールド樹脂８２により封止したものである。
パワー半導体装置３０は、第１のパワー半導体モジュール１、第２のパワー半導体モジュール２、ヒートシンク３の順になるように積層して配置されたものである。すなわち、第１のパワー半導体モジュール１の第１のパワー半導体素子４１と第２のパワー半導体モジュール２の第２のパワー半導体素子４２の間は、第２のパワー半導体モジュール２の第２のモールド樹脂８２が介在している。また、第１のパワー半導体モジュール１の第１の中間電極７１と第２のパワー半導体モジュール２の第２の中間電極７２はパワー半導体装置外部で電気的に接続され、このパワー半導体装置は３相交流のインバータ回路の少なくとも１相分を構成する。
この構成を備えることで、ヒートシンク３上のパワー半導体モジュールを設置するときに必要となる床面積を省略でき、パワー半導体装置の小型化が可能となる。また、第１のパワー半導体素子４１と第２のパワー半導体素子４２とが第２のモールド樹脂８２を介して接続しているため、お互いの熱が干渉して発熱密度が高まることがない。これにより、通電時に第１のパワー半導体素子４１、および第２のパワー半導体素子４２近傍で生じる発熱は、個々のパワー半導体素子４１、４２および配線部材６１、６２の電気抵抗に由来するものとなり、パワー半導体素子４１、４２同士の発熱が干渉することによる温度変動幅の増大を防止する。この結果、第１のパワー半導体素子４１および第２のパワー半導体素子４２近傍の接合部材や配線部材６１、６２の保証寿命が制限されることがない。また、発熱位置が離れていることで、第１のパワー半導体素子４１および第２のパワー半導体素子４２の急激な温度上昇が生じず、冷却器の大型化や複数個配置、もしくは空冷から水冷にするなどの冷却効率を向上する必要が生じずヒートシンク３の大型化を回避できる。この結果、パワー半導体装置の小型化が可能となる。
第１のパワー半導体モジュール１は、Ｐ電極５上に第１のパワー半導体素子４１が接合部材１１を介して接続される。第１のパワー半導体素子４１上面は配線部材６１、もしくは接合部材１１を介して配線部材６１と接続され、配線部材６１は第１の中間電極７１と接続される。Ｐ電極５と第１の中間電極７１は、片側が第１のモールド樹脂８１の外部に引き出され、外部配線と電気的に接続される。第２のパワー半導体モジュール２は、第２の中間電極７２上に第２のパワー半導体素子４２が接合部材１１を介して接続される。第２のパワー半導体素子４２の上面側の主電極は配線部材６２、もしくは接合部材１１を介して配線部材６２と接続され、配線部材６２はＮ電極９と接続される。第２の中間電極７２とＮ電極９は、片側が第２のモールド樹脂８２の外部に引き出され、外部配線と電気的に接続される。第１のパワー半導体モジュール１の第１の中間電極７１と第２のパワー半導体モジュール２の第２の中間電極７２は、同電位になるようにそれぞれの第１のモールド樹脂８１、第２のモールド樹脂８２の外部で電気的に接続される。また、第２のパワー半導体モジュール２のＮ電極９は、ヒートシンク３と接続することで電気回路が構成される場合は、直接接続してもよい。
なお、Ｐ電極５、第１の中間電極７１、第２の中間電極７２、Ｎ電極９、信号電極のそれぞれは、一般的には、帯状の薄い金属板に所定のパターンで打ち抜かれたリードフレームとして供給され、必要な加工処理後、フレームから切り離されて構成されるものである。このリードフレームは、金属製であり、たとえば、銅やアルミニウムを基材とした合金を用いる。リードフレームは、板状の材料をエッチング加工や、プレス加工で配線パターン状に成型されている。リードフレーム表面に基材の金属が露出しているものも使用可能であるが、少なくとも一部にめっき処理をされているものも使用可能である。リードフレームは、片側にパワー半導体素子、導電性部材、配線部材などが搭載され、モールド樹脂で包み込まれるように封止された後に、電気配線上不要な部分を除去される。これにより、パワー半導体モジュールに回路を構成されている。
第１のパワー半導体素子４１、および第２のパワー半導体素子４２は、スイッチング可能な半導体素子であり、主にＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴが適用可能である。ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴは、スイッチング動作を制御するため、パワー半導体素子チップの上面に上面電極とは別の、ゲート部とゲート電極を備える。また、温度を検知する場合には、パワー半導体素子の上面電極およびゲート電極とは別の検温ダイオード部と検温ダイオード電極を設ける。搭載するパワー半導体素子にゲート電極や検温ダイオード電極を搭載するとき、パワー半導体装置は、ゲート電極と電気的に接続するリードフレームの一部で構成されたゲート端子や、検温ダイオード電極に電気的に接続するリードフレームの一部で構成された検温ダイオード端子を備えている。ゲート電極、検温ダイオード電極は、それぞれリードフレームのゲート端子と検温ダイオード端子などの信号端子にワイヤボンドで接続される。ゲート端子にゲート電圧が印加されることにより、パワー半導体素子のターンオン、ターンオフのスイッチング動作が可能となる。また、検温ダイオード電極はパワー半導体素子の上面電極パターンで構成されたダイオードに微弱な電流を通電し、ダイオードの電圧降下量の変化によって、チップの温度を測定することが可能となる。これらの信号端子は、後述の図２〜４に第１のパワー半導体モジュール１の信号端子２１、第２のパワー半導体モジュール２の信号端子２２として示している。
第１のパワー半導体モジュール１では、配線部材６１により第１のパワー半導体素子４１の上面電極と第１の中間電極７１が接続される。図１に図示した様に、金属板状の配線部材６１を用いる場合は、配線部材６１と第１のパワー半導体素子４１の上面電極の間、配線部材６１と第１の中間電極７１の間は、導電性の接合部材１１を介して接合される。金属板状の配線部材６１を使用する場合は、第１のモールド樹脂８１内部に包括されるように配置されており、製造時に外部から配線部材６１を支える部分をもたない。導電性部材を介して接続される部分同士をつなぐ配線部材６１の胴体部は、接続される部分よりもリードフレームから離れる方向に変形している。配線部材６１の胴体部の断面積は、通電する電流の量によって決められる。また、実施の形態１では、配線部材の例として金属板状の配線部材６１を示したが、ワイヤボンドなどの金属線材を用いても良い。
接合部材１１は、パワー半導体素子上面と配線部材６１の間、パワー半導体素子下面とＰ電極５もしくはＮ電極９の間に配置される。チップ上面の配線部材６１、６２がワイヤボンドなどの金属線材を用いる場合は、接合部材１１は不要となる。接合部材１１に金属板状のものを使用する場合は、はんだ合金、もしくは導電性の樹脂ペーストを使用する。チップ下面の接合部材は、はんだ合金、もしくは導電性の樹脂ペーストを使用する。
図２は、この発明の実施の形態１に係るパワー半導体装置の第１のパワー半導体モジュール１（図２（Ａ））および第２のパワー半導体モジュール２（図２（Ｂ））の構成を模式的に示す上面図である。第１のモールド樹脂８１が、Ｐ電極５、信号端子、第１のパワー半導体素子４１、接合部材１１、配線部材６１を略包み込むように配置されることで実装面を封止する。同様に、第２のモールド樹脂８２が、第２のパワー半導体素子４２、Ｎ電極９、接合部材１１、配線部材６２を略包み込むように配置されることで実装面を封止する。第１のモールド樹脂８１および第２のモールド樹脂８２は、配線パターン状に形成されたリードフレーム上に各種構成部材を実装した後に、トランスファー成形により設置される。第１のパワー半導体素子４１を覆う第１のモールド樹脂８１、および第２のパワー半導体素子４２を覆う第２のモールド樹脂８２は、絶縁性のフィラーを含んでおり、それぞれ第１のパワー半導体素子４１および第２のパワー半導体素子４２で生じた発熱を外部に熱伝導により伝達する。封止後に、リードフレームの不要な部分を切り落とし、リードフレームの第１のモールド樹脂８１、第２のモールド樹脂８２からの延出部を曲げることによってパワー半導体モジュール１およびパワー半導体モジュール２が構成される。
第１のパワー半導体モジュール１と第２のパワー半導体モジュール２は、Ｐ電極５もしくはＮ電極９、信号端子２１、２２の非実装側の面の外周部に第１のモールド樹脂８１で形成された凸部１２、および第２のモールド樹脂８２で形成された凸部２２を備える。また、第２のパワー半導体モジュール２は、積層する際に第１のパワー半導体モジュール１との対向面の外周部に第１のモールド樹脂８１の凸部１２に嵌め合う凹部１３を備える。これにより、モジュールの外部に露出した電極の接合を可能とする第１のパワー半導体モジュール１と第２のパワー半導体モジュール２との高精度な位置決めが可能となる。また、第１のパワー半導体モジュール１の凸部１２の高さ寸法を、第２のパワー半導体モジュール２の凹部１３の深さ寸法より若干大きくすることで、第１のモールド樹脂に形成された凸部１２と第２のモールド樹脂の凹部１３が接触することで、第１のパワー半導体モジュール１と第２のパワー半導体モジュール２の対向面に微小なクリアランスが形成される。これにより、第１のパワー半導体モジュール１と第２のパワー半導体モジュール２の対向面の反り形状が異なっている場合でも、絶縁接着剤１１１により安定した固定状態を実現できる。また、対向面のクリアランスが最小限となるため、絶縁接着剤１１１の層が薄く、対向面の熱抵抗のばらつきを抑制できる。また、第２のパワー半導体モジュール２のヒートシンク３との対向面の周辺部に凸部２２を備え、ヒートシンク３に第２のパワー半導体モジュール２の凸部２２に嵌る凹部を形成することで、第２の中間電極７２およびＮ電極９とヒートシンク３との絶縁距離を確保できる。ただし、これらの凸部や凹部は必ずしも必須ではなく、無くても良いのは言うまでもない。
第１のパワー半導体モジュール１と第２のパワー半導体モジュール２の間と、第２のパワー半導体モジュール２とヒートシンク３との間は、絶縁接着剤１１１で接続固定することが望ましい。これにより改めて固定部を設ける必要がなくなり、さらなる小型化が可能となる。また、絶縁接着剤１１１には、熱伝導率が０．２〜５．０Ｗ／ｍＫものを使用し、リードフレーム露出面に接触することでヒートマスとなり過渡熱上昇を低減するとともに、熱引けを良くする。
ヒートシンク３は、アルミニウムもしくは銅などの金属を基材にした合金を、鋳造、鍛造、板金加工、切削加工、押出し加工などで加工して構成される。ヒートシンク３は、強制空冷用であり、パワー半導体モジュールの搭載面の反対側には図示しない放熱フィンなどの面積拡大機構を備える。パワー半導体モジュールの搭載部は、第２のパワー半導体モジュールの第２のモールド樹脂８２で形成された凸部２２と適合するように第２のパワー半導体モジュールの放熱面に合せた形状を備える。第２のパワー半導体モジュール凸部２２が、ヒートシンク３と嵌ることでパワー半導体モジュールの位置決め効果も得られる。
図３は、この発明の実施の形態１によるパワー半導体装置の第１のパワー半導体モジュール１（図３（Ａ））および第２のパワー半導体モジュール２（図３（Ｂ））の構成を透視して模式的に示す上面図である。図４は、この発明の実施の形態１によるパワー半導体装置の第１のパワー半導体モジュール１と第２のパワー半導体モジュールとを積層した状態を、第１のパワー半導体素子４１と第２のパワー半導体素子４２とを透視して示す上面図である。図３（Ａ）で示す第１のパワー半導体モジュール１と図３（Ｂ）で示す第２のパワー半導体モジュール２を積層した時に、図４で示すように、第１のパワー半導体モジュール１のパワー半導体素子４１と第２のパワー半導体モジュール２の第２のパワー半導体素子４２のヒートシンク３への投影が重ならないように配置している。このため、通電による発熱の干渉がさらに防止され、パワー半導体素子近傍の温度変動幅が増大しない。また、製造時の接合部材の状態や異物の検査などに使用されるＸ線検査などの工程で、パワー半導体素子が重ならないため、容易に検査可能となる。
図５は、この発明の実施の形態１によるパワー半導体装置を用いたモーターや発電機などの回転電機５０を駆動する駆動装置の構成を示す回路図である。図１に示したパワー半導体装置３０は、電力変換回路１００である三相交流回路の少なくとも１つの相を構成する。第１のパワー半導体モジュール１は、Ｐ電極５と第１の中間電極７１をそれぞれ反対側の側面から延出させる構造により、電流の経路を直線状にすることで低インダクタンス化できる。積層した第１のパワー半導体モジュール１と第２のパワー半導体モジュール２とで、三相交流のインバータ回路１相分を構成しているため、複数個組み合わせることで三相交流回路を容易に構成できるとともに、製造面でも同じパワー半導体モジュールの組み合わせを複数個製造すればよく、製造コストが低減できる。また、三相交流回路を複数回路並列接続する回路を構成する場合、２相分もしくは３相分をパワー半導体モジュール内部に設けることで、同じモジュールを複数個組み合わせることで、容易に回路を構成できるとともに、製造コストを低減できる。
以上のように構成することで、本発明の実施の形態１によるパワー半導体装置は、パワー半導体モジュールを積層したときに、発熱密度の増大を防止し、温度変動の増大と冷却器の大型化を防止し、小型化が実現される。
実施の形態２．
つぎに、本発明の実施の形態２によるパワー半導体装置を説明する。実施の形態２によるパワー半導体装置の断面図は図１と同じである。第１のパワー半導体素子４１および第２のパワー半導体素子４２としては種々の半導体素子を用いることができる。本実施の形態２では、少なくとも第１のパワー半導体モジュール１の第１のパワー半導体素子４１として、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＧａＮなどの窒化ガリウム系材料、ダイアモンドなど、Ｓｉよりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体により形成されたパワー半導体素子を搭載することを特徴とする。
つぎに、本発明の実施の形態２によるパワー半導体装置を説明する。実施の形態２によるパワー半導体装置の断面図は図１と同じである。第１のパワー半導体素子４１および第２のパワー半導体素子４２としては種々の半導体素子を用いることができる。本実施の形態２では、少なくとも第１のパワー半導体モジュール１の第１のパワー半導体素子４１として、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＧａＮなどの窒化ガリウム系材料、ダイアモンドなど、Ｓｉよりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体により形成されたパワー半導体素子を搭載することを特徴とする。
ヒートシンク３と第２のパワー半導体素子４２の間の熱抵抗が小さい状態で設置されている第２のパワー半導体モジュール２よりも、第１のパワー半導体モジュール１は放熱しにくい。そこで、高温での動作が可能なワイドバンドギャップ半導体により形成されたパワー半導体素子をヒートシンク３から遠い側の第１のパワー半導体モジュール１の第１のパワー半導体素子４１に使用する。これにより第１のパワー半導体素子４１が高温状態まで使用可能となる。これにより、第２のパワー半導体モジュール２に搭載されるＳｉを基材とした第２のパワー半導体素子４２の許容温度に達するまでの大電流化もしくは高温雰囲気下の使用が可能となる。また、さらなる大電流通電や高温雰囲気下での使用が要求される場合は、第２のパワー半導体モジュール２の第２のパワー半導体素子４２もワイドバンドギャップ半導体により形成されたパワー半導体素子を使用しても良い。
高温での動作が可能なワイドバンドギャップ半導体材料により形成されたパワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールでは、チップ下面、もしくはチップ上面およびチップ下面を接合する接合部材１１として、銀ナノ粒子などを焼成した銀を主な材料とした接合材を用いても良い。これにより、はんだ合金で接合した場合よりも、接合部材１１の耐熱性と信頼性を向上でき、より大電流を通電が可能となる。もしくは、さらなる高温雰囲気での使用が可能になる。
実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３によるパワー半導体装置の第１のパワー半導体モジュール１の構成の一部を模式的に示す断面図である。第１のパワー半導体モジュール１の第１のパワー半導体素子４１は、接合部材１１を介して配線部材６１もしくＰ電極５と接続されており、第１のパワー半導体素子４１と配線部材６１もしくはＰ電極５の間、またはその両方に、部材同士の線膨張係数の間の線膨張係数となる歪緩衝部材１４を備える。高い温度で使用されることとなる第１のパワー半導体モジュール１の接合信頼性が上がり、製品の保証寿命をより向上する。
図６は、この発明の実施の形態３によるパワー半導体装置の第１のパワー半導体モジュール１の構成の一部を模式的に示す断面図である。第１のパワー半導体モジュール１の第１のパワー半導体素子４１は、接合部材１１を介して配線部材６１もしくＰ電極５と接続されており、第１のパワー半導体素子４１と配線部材６１もしくはＰ電極５の間、またはその両方に、部材同士の線膨張係数の間の線膨張係数となる歪緩衝部材１４を備える。高い温度で使用されることとなる第１のパワー半導体モジュール１の接合信頼性が上がり、製品の保証寿命をより向上する。
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４による車載用回転電機の駆動装置の概略構成を示す回路図である。図８は本発明の実施の形態４によるパワー半導体装置の概略構成を示す断面図である。発電機やモーター、あるいは発電機とモーターを兼ねた車載用回転電機には、各相の巻線として複数の巻線を備えているものがある。例えば、図７に示すように、車載用回転電機５１が各相にそれぞれ第一の巻線（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）および第二の巻線（Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）を備えている場合、各相の第一の巻線に電流を供給するための第一の電力変換回路１００および各相の第二の巻線に電流を供給するための第二の電力変換回路２００を備える必要がある。このような場合、図８に示す、第１のパワー半導体モジュール１と第２のパワー半導体モジュール２の組み合わせをヒートシンク３上に２個配置したパワー半導体装置３１で一つの相を構成することにより第一の電力変換回路１００と第二の電力変換回路２００を構成する。あるいは、第１のパワー半導体モジュール１と第２とのパワー半導体モジュール２とヒートシンク３を組み合わせた、図１に示すパワー半導体装置３０を２個組み合わせることで一つの相を構成し、第一の電力変換回路１００と第二の電力変換回路２００を構成してもよい。各相の巻線がさらに３以上備えられている場合は、巻線の数に応じてインバータ回路の個数を増やせば良い。
図７は、本発明の実施の形態４による車載用回転電機の駆動装置の概略構成を示す回路図である。図８は本発明の実施の形態４によるパワー半導体装置の概略構成を示す断面図である。発電機やモーター、あるいは発電機とモーターを兼ねた車載用回転電機には、各相の巻線として複数の巻線を備えているものがある。例えば、図７に示すように、車載用回転電機５１が各相にそれぞれ第一の巻線（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）および第二の巻線（Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）を備えている場合、各相の第一の巻線に電流を供給するための第一の電力変換回路１００および各相の第二の巻線に電流を供給するための第二の電力変換回路２００を備える必要がある。このような場合、図８に示す、第１のパワー半導体モジュール１と第２のパワー半導体モジュール２の組み合わせをヒートシンク３上に２個配置したパワー半導体装置３１で一つの相を構成することにより第一の電力変換回路１００と第二の電力変換回路２００を構成する。あるいは、第１のパワー半導体モジュール１と第２とのパワー半導体モジュール２とヒートシンク３を組み合わせた、図１に示すパワー半導体装置３０を２個組み合わせることで一つの相を構成し、第一の電力変換回路１００と第二の電力変換回路２００を構成してもよい。各相の巻線がさらに３以上備えられている場合は、巻線の数に応じてインバータ回路の個数を増やせば良い。
車載用回転電機は、車のエンジンルーム内に搭載されるため、製品サイズの制約が厳しい。本構成を適用することで、電力変換回路の床面積の縮小が可能となる。１相あたりの床面積が小さいので、３相交流のインバータ回路を２個以上並列に配置することができるようになり、各相に複数の巻線を備えたモーターの発電電流のリップルや、駆動トルクのリップルを低減できる。特に、モータージェネレータのような車載用回転電機では、運転時の発電に加え、エンジンの駆動や、減速時の回生発電などを行うため、大電流が通電される。また、長時間の運転時には、エンジンルーム内の雰囲気温度の上昇と、自己発熱による製品温度の上昇などにより高温雰囲気下での使用が求められる。このような製品においても、本構成による小型なパワー半導体モジュールを搭載することで、製品の小型化および、大電流対応による高性能化が実現できる。
なお、以上の実施の形態１〜４に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
１ 第１のパワー半導体モジュール、２ 第２のパワー半導体モジュール、３ ヒートシンク、４１ 第１のパワー半導体素子、４２ 第２のパワー半導体素子、５ Ｐ電極（正極側電極）、９ Ｎ電極（負極側電極）、７ 中間電極、７１ 第１の中間電極、７２ 第２の中間電極、８１ 第１のモールド樹脂、８２ 第２のモールド樹脂、５０、５１ 回転電機、１００、２００ 電力変換回路
本発明は、２つの主電極間に流れる電流をスイッチングする第１のパワー半導体素子が第１のモールド樹脂で覆われ、第１のパワー半導体素子の一方の主電極から第１のモールド樹脂外部に引き出された正極側電極と第１のパワー半導体素子の他方の主電極から第１のモールド樹脂外部に引き出された第１の中間電極とを備えた第１のパワー半導体モジュールと、２つの主電極間に流れる電流をスイッチングする第２のパワー半導体素子が第２のモールド樹脂で覆われ、第２のパワー半導体素子の一方の主電極から第２のモールド樹脂外部に引き出された負極側電極と第２のパワー半導体素子の他方の主電極から第２のモールド樹脂外部に引き出された第２の中間電極とを備えた第２のパワー半導体モジュールと、ヒートシンクを備え、第１のパワー半導体モジュール、第２のパワー半導体モジュール、ヒートシンクの順に積層するとともに、第１の中間電極と第２の中間電極とが同じ側に引き出されて互いに電気接続され、正極側電極および負極側電極は前記第１の電極と第２の中間電極が引き出された側とは反対側に引き出されて、第１のパワー半導体素子と第２のパワー半導体素子とで３相交流インバータ回路の１相分を構成するようにした。
Claims (13)
- ２つの主電極間に流れる電流をスイッチングする第１のパワー半導体素子が第１のモールド樹脂で覆われ、前記第１のパワー半導体素子の一方の主電極から前記第１のモールド樹脂外部に引き出された正極側電極と前記第１のパワー半導体素子の他方の主電極から前記第１のモールド樹脂外部に引き出された第１の中間電極とを備えた第１のパワー半導体モジュールと、
２つの主電極間に流れる電流をスイッチングする第２のパワー半導体素子が第２のモールド樹脂で覆われ、前記第２のパワー半導体素子の一方の主電極から前記第２のモールド樹脂外部に引き出された負極側電極と前記第２のパワー半導体素子の他方の主電極から前記第２のモールド樹脂外部に引き出された第２の中間電極とを備えた第２のパワー半導体モジュールと、
ヒートシンクを備え、
前記第１のパワー半導体モジュール、前記第２のパワー半導体モジュール、前記ヒートシンクの順に積層されたことを特徴とするパワー半導体装置。 - 前記第１のパワー半導体素子と前記第２のパワー半導体素子の、前記ヒートシンクへの投影が重ならないことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
- 前記第１のパワー半導体モジュールと前記第２のパワー半導体モジュールとが絶縁接着剤で接合されていることを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
- 前記第２のパワー半導体モジュールと前記ヒートシンクとが絶縁接着剤で接合されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
- 前記第１のモールド樹脂の前記第２のパワー半導体モジュールに接する側の周辺部には凸部が形成され、前記第２のモールド樹脂には前記第１のモールド樹脂の凸部に嵌め合う凹部が形成されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
- 前記第１のモールド樹脂の凸部の高さ寸法が、前記第２のモールド樹脂の凹部の深さ寸法よりも大きいことを特徴とする請求項５に記載のパワー半導体装置。
- 前記第２のモールド樹脂の前記ヒートシンクに接する側の周辺部には凸部が形成され、前記ヒートシンクの前記第２のモールド樹脂と接する側の形状が前記第２のモールド樹脂の凸部に適合する形状に形成されたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
- 前記第１のパワー半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体により形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイアモンドの半導体であることを特徴とする請求項８に記載のパワー半導体装置。
- 前記第１のパワー半導体素子の主電極と電気接続される部材との接合材は、銀を主な材料とした接合材であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
- 前記第１のパワー半導体素子の主電極と電気接続される部材との間に前記主電極の線膨張係数と前記電気接続される部材の線膨張係数との間の線膨張係数を有する材料の歪緩衝
部材を備えたことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。 - 前記第１のパワー半導体モジュールと前記第２のパワー半導体モジュールの積層体が複数、前記ヒートシンクに接合されたことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
- 請求項１から１２のいずれか１項に記載のパワー半導体装置により構成される電力変換回路により車載用回転電機を駆動することを特徴とする車載用回転電機の駆動装置。
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