JP2018037452A - パワー半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを低減できるパワー半導体モジュールを提供する。【解決手段】実施形態にかかるパワー半導体モジュールは、互いに対向する第１チップ対向面と、前記第１チップ対向面に非並行な第１接合面と、をそれぞれ有する、第１導電ブロック及び第２導電ブロックと、前記第１導電ブロックと前記第２導電ブロックとの間に挟持される半導体チップと、を備える第１構造部と、第１放熱部と、前記第１放熱部と前記第１構造部との間に配され、前記第１放熱接合面に接合される第１絶縁シートと、前記絶縁シートに接合される複数の第１金属シートと、を備え、前記第１金属シートが、前記第１構造部の第１導電ブロックの前記第１接合面及び前記第２導電ブロックの前記第１接合面に、それぞれ、はんだ材または導電性ペースト材により接合される、第２構造部と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、パワー半導体モジュールに関する。

例えば電気自動車等の分野において、インバータ装置等のパワー半導体モジュールの小型化および信頼性向上が要求されている。パワー半導体モジュールの小型化及び信頼性向上のためには、半導体チップおよび電力変換器について、冷却効率を高めることが必要となる。

パワー半導体モジュールにおいて、例えば、半導体チップと、半導体チップの両面の電極に接合される接合面を有する第１導電ブロック、および第２導電ブロックと、これらの導電ブロックに接合される伝熱面を有する伝熱部材と、を備える構造が知られている。各導電ブロックはブロック状の金属で構成されている。導電ブロックと伝熱部との間の電気的絶縁を確保するために絶縁部が必要となる。一般に、伝熱部材には導電性金属部材が用いられることがあり、その場合、伝熱部材上に樹脂製で接着性を有する絶縁シートを接合し、この絶縁シート上に導電ブロックを接合している。

特開２００７−６７２２０号公報

本発明が解決しようとする課題は、製造コストを低減できるパワー半導体モジュールを提供することである。

実施形態にかかるパワー半導体モジュールは、互いに対向する第１チップ対向面と、前記第１チップ対向面に非並行な第１接合面と、をそれぞれ有する、第１導電ブロック及び第２導電ブロックと、正極側が前記第１導電ブロックの前記第１チップ対向面に電気的に接続され、負極側が前記第２導電ブロックの前記第１チップ対向面に電気的に接続され、前記第１導電ブロックと前記第２導電ブロックとの間に挟持される半導体チップと、を備える第１構造部と、前記第１構造部における前記第１導電ブロックの前記第１接合面及び前記第２導電ブロックの前記第１接合面に対向して配される第１放熱接合面を有する第１放熱部と、前記第１放熱部と前記第１構造部との間に配され、前記第１放熱接合面に接合される第１絶縁シートと、前記絶縁シートに接合される複数の第１金属シートと、を備え、前記第２構造部の複数の前記第１金属シートが、前記第１構造部の第１導電ブロックの前記第１接合面及び前記第２導電ブロックの前記第１接合面に、それぞれ、はんだ材または導電性ペースト材により接合される、第２構造部と、を備える。

第１実施形態に係るインバータモジュールの構成を示す側面図。 同インバータモジュールの構成を示す斜視図。 同インバータモジュールの製造工程を示す説明図。 第２実施形態に係るインバータモジュールの構成を示す斜視図。 同インバータモジュールの構成を示す側面図。 第３実施形態に係るインバータモジュールの構成を示す側面図。 同インバータモジュールの構成を示す分解斜視図。 同インバータモジュールの構成を示す平面図。 同インバータモジュールの構成を示す側面図。 第４実施形態に係るインバータモジュールの構成を示す平面図。 同インバータモジュールの構成を示す側面図。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係るパワー半導体モジュールとしてのインバータモジュール１の構成について、図１および図２を参照して説明する。また、各図において説明の便宜上、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。図中矢印Ｙ、Ｚ、Ｘは互いに直交する３方向をそれぞれ示している。

図１はインバータモジュール１の構造を示す斜視図であり、図２はＹ方向から見た側面図である。
インバータモジュール１は、半導体チップ１２を少なくとも１つ有する半導体チップ群１２Ａと、半導体チップ１２の正極側に接合される第１導電ブロック１５と、半導体チップ１２の負極側に接合される第２導電ブロック１６と、を備える第１構造部Ｓ１と、半導体チップ１２の熱を放熱する放熱部としての冷却部２０と、冷却部２０と第１構造部Ｓ１との間に配される第２構造部Ｓ２と、を備える。

第２構造部Ｓ２は、絶縁シート１８（第１絶縁シート）と、はんだ材または導電性ペースト材である接合部材２５により第１導電ブロック１５及び第２導電ブロック１６にそれぞれ接合される複数の金属シート２７、２８（第１金属シート）と、を備える。インバータモジュール１は、モールド樹脂２１によって封止され、パッケージとして構成される。

具体的には、図１及び図２に示すように、冷却部２０上に絶縁シート１８が接合され、この絶縁シート１８上に一対の金属シート２７、２８が伝熱可能に接合される。各金属シート２７、２８上にブロック状の導電ブロック１５、１６が接合部材２５を介して伝熱可能に接合されている。隣り合う一対の導電ブロック１５、１６間に、導電ブロック１５、１６が対向する接合面にその両面がそれぞれ伝熱可能に接合される一対の半導体チップ１２が配されている。

半導体チップ群１２Ａは、インバータの１つの相の少なくとも１アームの一部を構成する半導体チップ１２としてスイッチング素子であるＩＧＢＴ１３およびダイオード１４を備える。ダイオード１４は、ＩＧＢＴ１３に対して逆並列接続されている。

ＩＧＢＴ１３およびダイオード１４の外形状は、例えば矩形の板状に構成されている。ＩＧＢＴ１３およびダイオード１４は厚さ方向がインバータモジュール１の幅方向に沿う縦型配置である。本実施形態において、ＩＧＢＴ１３およびダイオード１４の両主面には、導電ブロック１５、１６の一部を構成するコレクタ電極板２３およびエミッタ電極板２４がそれぞれ設けられている。

ＩＧＢＴ１３およびダイオード１４は、それぞれの一方の主面がはんだによってコレクタ電極板２３を介して第１導電ブロック１５に接合され、他方の主面がはんだによってエミッタ電極板２４を介して第２導電ブロック１６に接合されている。ここで、エミッタ電極板２４のＩＧＢＴ１３との接合領域は、ＩＧＢＴ１３の信号端子等の引き出し部形成および絶縁等の関係から、ＩＧＢＴ１３の対向する面よりも小さい。すなわち対向するＩＧＢＴ１３の面の一部にのみエミッタ電極板２４が接合されている。

第１導電ブロック１５および第２導電ブロック１６は、導電性金属である銅もしくは銅合金から直方体に形成されたバスバーである。第１導電ブロック１５および第２導電ブロック１６は、それぞれ、半導体チップ１２に対向配置されＩＧＢＴ１３の一方の面に電気的に接続される第１チップ対向面１５ａ、１６ａと、外側面と、底面である第１接合面１５ｂ、１６ｂと、上面と、を有するブロック状に構成されている。第１チップ対向面１５ａ、１６ａ及び外側面と、第１接合面１５ｂ、１６ｂ及び上面とは、非並行であり、例えば直交している。

第１導電ブロック１５および第２導電ブロック１６は、半導体チップ１２を挟んで対向配置され、少なくとも半導体チップ１２と熱伝達可能に接続されている。第１導電ブロック１５には、半導体チップ１２の正極側が電気的かつ機械的に接合されている。第２導電ブロック１６には、半導体チップ１２の負極側が電気的かつ機械的に接合されている。したがって、第１導電ブロック１５は正側導体として正電極を形成し、第２導電ブロック１６は負側導体として負電極を形成する。具体的には、導電ブロック１５、１６は、ＩＧＢＴ１３およびダイオード１４に、コレクタ電極板２３、エミッタ電極板２４を介して接合される。

導電ブロック１５、１６の底面はＸ方向に並んで配置されている。この導電ブロック１５、１６の底面は、導電ブロック１５、１６の下側にそれぞれ配された一対の金属シート２７、２８に接合部材２５を介して、それぞれ接合されている。接合部材２６は変位吸収性や熱伝導性の高い寄与する材料であり、例えば本実施形態においてははんだを用いる。

各金属シート２７、２８は、例えば銅等の金属材料から第１および第２導電ブロック１５、１６のＺ方向端面に対応する矩形の板状に構成されている。金属シート２７、２８の第１の主面は、第１導電ブロック１５または第２導電ブロック１６に対向するブロック対向領域の外方に配される外縁部をそれぞれ有する。すなわち、金属シート２７、２８は、各導電ブロック１５、１６の接合面の外周縁よりも外方に突出する外縁部２７ａを有する。

具体的には、Ｘ方向及びＹ方向において、金属シート２７、２８は導電ブロック１５、１６の下面よりも寸法が大きく構成されている。言い換えれば各導電ブロック１５、１６は金属シート２７の接合面内に収まる構成である。

外縁部２７ａ、２８ａは、導電ブロック１５、１６と半導体チップ１２との接合部材２６であるはんだと絶縁シート１８との間に存在することにより、半導体チップ１２と導電ブロック１５、１６とのはんだ付けのリフロー工程において、はんだが絶縁シート１８に接触することを防止している。各辺における導電ブロック１５、１６と金属シート２７、２８の端面位置の差、すなわち外縁部２７ａ、２８ａの幅は、間に介在する接合部材２６であるはんだ層の厚さ以上とする。

絶縁シート１８は、エポキシ系樹脂等の絶縁材料により構成される。絶縁シート１８は、例えば熱圧着により接合可能に構成されている。絶縁シート１８は、第１および第２導電ブロック１５、１６のＺ方向端面に対応する矩形の板状に構成されている。絶縁シート１８は、冷却部２０と金属シート２７、２８との間に介在することで、電気的な絶縁を確保する。絶縁シート１８の下面は冷却部２０に接合されている。

冷却部２０は、たとえば放熱性の高い銅合金、アルミ合金等の金属シートであり、別に構成されたヒートシンク等の冷却器と接続される。あるいは、冷却部２０はヒートシンク等の冷却器を一体に備える構造であってもよい。冷却部２０は複数の導電ブロック１５、１６の底面に対向配置される冷却接合面２０ａ（第１放熱接合面）を有する。この冷却接合面２０ａに、絶縁シート１８を介して、複数の導電ブロック１５、１６の底面が接合される。すなわち導電ブロック１５、１６の底面が同一の仮想平面上に配置される。

以上の様に構成されたインバータモジュール１の製造方法において、例えば図３に示すように、半導体チップ１２および導電ブロック１５、１６を接合部材２６となるはんだで接合し、別途金属シート２７、２８と絶縁シート１８を接合した冷却部２０に、接合部材２５となるはんだを用いて接合する。

すなわち、インバータモジュール１の製造方法は、半導体チップ１２の一方及び他方の側面に接合部材２６を介して第１導電ブロック１５及び第２導電ブロック１６をそれぞれ接合して第１構造部Ｓ１を構成することと、冷却部２０に第１の絶縁シート１８を介して金属シート２７、２８を接合して第２構造部Ｓ２を構成することと、第１構造部Ｓ１における第１導電ブロック１５及び第２導電ブロック１６の第１接合面と、第２構造部Ｓ２における金属シート２７、２８の上面とを、接合部材２５を介して接合すること、を備える。

この製造方法によれば、一般に流通している伝熱板に絶縁部材を介して金属シートを接合した基板を用いることにより、金属シート２７、２８および絶縁シート１８を冷却部２０に接合する際に必要となる加圧プロセスを削減することができるため、製造プロセスの低コスト化が可能となる。

あるいは本実施形態にかかるインバータモジュール１の製造方法の他の例として、例えば半導体チップ１２および導電ブロック１５、１６と金属シート２７、２８とを、接合部材２５を介して接合した後、別途絶縁シート１８を接合した冷却部２０に接合することもできる。

この製造方法は、第１の半導体チップ１２の正極側及び負極側に、第１導電ブロック１５及び第２導電ブロック１６を、接合部材２６により接合するとともに、第１導電ブロック１５及び第２導電ブロック１６の底面に、第１の金属シート２７、２８を接合部材２５によりそれぞれ接合することと、冷却部２０に絶縁シート１８を接合した構造部を、第１の金属シート２７、２８に接合することと、を備える。

この製造方法によれば、接合部材２５、２６による接合プロセスを１つのプロセスで実現させることができるため、製造プロセスの簡素化が可能となる。

以上のように構成されたインバータモジュール１において、半導体チップ１２により生じた熱は、接合部材２６により半導体チップ１２の両主面に接合された導体１５、１６、接合部材２５、金属シート２７、２８及び絶縁シート１８を介して、冷却部２０に伝達される。

本実施形態かかるインバータモジュール１は以下の効果を奏する。

上記実施形態にかかるインバータモジュール１は、導電ブロック１５、１６と冷却部２０との間に、絶縁シート１８と、金属シート２７、２８と、接合部材２５が介在する構成である。このため、例えば導電ブロック１５、１６が絶縁シート１８に直接接合される構成に比べ、変位吸収量が大きい。すなわち、接合部材２５であるはんだ層によって、接合面における変位を吸収できる。したがって、導電ブロック１５、１６の平面度が低い場合であっても、共通の平面上に、高い熱伝導性を確保して、複数の導電ブロック１５、１６を接合することができる。

ここで、一般的に、平面度吸収のために絶縁部材を厚く設計することは、伝熱経路中に熱抵抗を増加させ、熱的な性能低下を招くことから、絶縁部材は薄く設計することが望ましい。この点、本実施形態においては、金属シート２７、２８を介在させ接合部材２５により変位を吸収できることから、絶縁シート１８を必要以上に厚くすることなく、平面度の制約を緩和できる。なお、一般に接合部材２５にははんだが用いられるが、はんだ材の熱伝導率は一般に樹脂材料で形成される絶縁シート１８よりも高いため、絶縁シート１８よりも厚くしても熱抵抗への影響は少ない。

また、一般的に、複数の導電ブロックを半導体チップの両側面に接合した構造物を、薄い絶縁シートを介して伝熱部材に接合すると、絶縁シートを加熱しながら積層方向であるＺ方向に高い圧力を付与することが必要であり、位置ずれや損傷の原因となる。これに対して、上記本実施形態にかかるインバータモジュール１は、複数の導電ブロック１５、１６を半導体チップ１２の両側面に接合した構造物を、はんだなどの接合部材２５を介して金属シート２７、２８に接合するため、高い負荷をかけずに組付けることができる。したがって、組立性が良く、また応力による破損や位置ずれを抑制できることから、モジュールとしての信頼性を向上できる。

上記実施形態にかかるインバータモジュール１は、金属シート２７、２８の外周が導電ブロック１５、１６と対向するブロック対向領域よりも外方に突出する外縁部２７ａ、２８ａを備える。このため、はんだが絶縁シートに接触して絶縁性能が劣化することを防止できる。また、導電ブロック１５、１６と絶縁シート１８とが直接接触した場合にはＩＧＢＴ１３およびダイオード１４の発熱によって生じる熱変形の応力が直接絶縁シート１８に作用して絶縁シート１８の性能劣化や破損を招く原因となるが、本実施形態においては導電ブロック１５、１６と絶縁シート１８との接触を防止することで、これを回避できる。また、この外縁部２７ａを設けたことにより、絶縁シート１８と接合部材２６との距離を必要以上に大きくとる必要がなく、また接触回避のための別構成が不要であるため、モジュール全体の大型化もしくは加工コストの増大を抑制できる。

また、半導体チップ１２と導電ブロック１５、１６との間の接合部材２６が、製造工程において導電ブロック１５、１６の表面を伝い伸展した場合においても、導電ブロック１５、１６の下端のコーナー部において、導電ブロック１５、１６と金属シート２７、２８との接合面にある接合部材２５と一体化することになる。このため、接合部材２６が絶縁シート１８と直接接触することが防止できる。加えて、金属シート２７、２８の端面は、導電ブロック１５、１６よりも突出した位置にあることから、接合部材２５端部に滑らかなフィレットを形成することが可能となるとともに、接合部材２５が絶縁シート１８と接触しないように抑制する効果を得ることができる。このとき、金属シート２７、２８の外縁部２７ａ、２８ａの突出長さを接合部材２５の厚さと同等以上とすることにより、角度４５度以下の滑らかなフィレットを形成することができ、接合信頼性を確保することができる。したがって、半導体チップ１２の下端と導電ブロック１５、１６の下端の間に距離を確保する必要もなく、かつ導電ブロック１５、１６に加工を施す必要もなくなることから、モジュールの大型化や加工コストの増大を招くことなく、絶縁シート１８が接合部材２５と接触することによって生じる劣化を抑制することができる。

さらに、導電ブロック１５、１６と絶縁シート１８との間に接合部材２５および金属シート２７、２８が介在することにより、導電ブロック１５、１６の熱変形が絶縁シート１８に与える影響を緩和することができる。一般に、絶縁部材が接合される伝熱部材および金属シートは、銅もしくはアルミのような金属が用いられているが、ここで伝熱部材と金属シートの材料が同一の場合には、熱膨張係数が同一となるため、絶縁部材の表裏に作用する熱変形の差は小さく、絶縁部材に作用する応力は低減する。また、導電ブロック１５、１６と金属シート２７、２８との間には接合部材２５が介在しているが、例えば銅やアルミよりも柔らかいはんだを用いることから、導電ブロック１５、１６と金属シート２７、２８との間の熱変形の差異の多くは、接合部材２５であるはんだ層が大きくひずむことによって緩和されることになる。したがって、インバータモジュール１において、絶縁シート１８に作用する応力は、直接導電ブロック１５、１６が接触する構造と比べて小さなものとなり、絶縁シート１８の劣化や破損を回避することができる。

［第２実施形態］
以下、第２実施形態に係るインバータモジュール２について、図４及び図５を参照して説明する。図４は、第２実施形態に係るインバータモジュール２の構成を示す斜視図であり、図５はインバータモジュール２をＹ方向から見た側面図である。

なお、第２実施形態にかかるインバータモジュール２は、Ｘ方向において複数の半導体チップ群１２Ａ、１２Ｂを配置するとともに、第３導電ブロック１９及び金属シート２９を設けた点が、上記第１実施形態と異なる。すなわち、インバータモジュール２において、第１構造部Ｓ１は、正極側が第２導電ブロック１６に接合される第２の半導体チップを有する半導体チップ群１２Ｂと、第２の半導体チップ群１２Ｂの負極側に接合される第３導電ブロック１９と、をさらに備える。また、インバータモジュール２において第２構造部Ｓ２は、はんだ材または導電性ペースト材を含む接合部材２５により第３導電ブロック１９に接合される第１の主面及び絶縁シート１８の他方の主面に接合される第２の主面を有する金属シート２９を、さらに備える。この他は第１実施形態にかかるインバータモジュール１と同様であるため、第２実施形態にかかるインバータモジュール２において、インバータモジュール１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図４および図５に示すように、第２実施形態に係るインバータモジュール２は、冷却部２０上に、絶縁シート１８を介して３つの金属シート２７、２８、２９が配列され、それぞれの金属シート２７、２８、２９上に第１、第２、および第３導電ブロック１５、１６、１９が設けられている。第１及び第２導電ブロック１５、１６間と、第２導電ブロック及び第３導電ブロックの間に、それぞれ半導体チップ群１２Ａ、１２Ｂが配されている。半導体チップ群１２Ａ、１２Ｂは、ＩＧＢＴ１３およびダイオード１４を二組ずつＹ方向に並列して備える。

一方の半導体チップ群１２Ａ（第１半導体チップ群）を構成するＩＧＢＴ１３およびダイオード１４は、第１導電ブロック１５と第２導電ブロック１６に挟持され、他方の半導体チップ群１２Ｂ（第２半導体チップ群）を構成するＩＧＢＴ１３およびダイオード１４は、第２導電ブロック１６と第３導電ブロック１９に挟持される。第１導電ブロック１５は、半導体チップ１２群Ａに対向配置されＩＧＢＴ１３の一方の面に電気的に接続される第１チップ対向面１５ａと、外側面と、底面である第１接合面１５ｂと、上面である第２接合面１５ｄと、を有するブロック状に構成されている。第１チップ対向面１５ａ及び外側面と、第１接合面１５ｂ及び第２接合面１５ｄとは、非並行であり、例えば直交している。

第２導電ブロック１６は、半導体チップ群１２Ａに対向配置されＩＧＢＴ１３の一方の面に電気的に接続される第１チップ対向面１６ａと、底面である第１接合面１６ｂと、外側面であり半導体チップ群１２Ｂに対向する第２チップ対向面１６ｃと、上面である第２接合面１６ｄと、を有するブロック状に構成されている。第１チップ対向面１６ａ及び第２チップ対向面１６ｃと、第１接合面１６ｂ及び第２接合面１６ｄとは、非並行であり、例えば直交している。

第３導電ブロック１９は第１および第２導電ブロック１５、１６と同様に構成されている。第３導電ブロック１９は半導体チップ群１２Ｂに対向する第１チップ対向面１９ａと、第１チップ対向面１９ａと直交する底面である第１接合面１９ａと、第１接合面１９ａの反対側の上面である第２接合面１９ｄと、を有する
第１導電ブロック１５の第１チップ対向面１５ａは、一方の半導体チップ群１２Ａの正極側が電気的かつ機械的に接合されている。第２導電ブロック１６の第１チップ対向面１６ａには一方の半導体チップ群１２Ａの負極側が電気的かつ機械的に接合されている。第２導電ブロックは、第１チップ対向面１６ａとは反対の第２チップ対向面１６ｂを有し、第２チップ対向面１６ｂには他方の半導体チップ群１２Ｂの正極側が、電気的かつ機械的に接合されている。さらに第３導電ブロック１９には、他方の半導体チップ群１２Ｂの負極側が電気的かつ機械的に接合されている。したがって、第１導電ブロック１５は、正側導体として正電極を形成し、第３導電ブロック１９は負側導体として負電極を形成し、第２導電ブロック１６は、出力となる交流側電極を形成する。

また、第１導電ブロック１５、第２導電ブロック１６、第３導電ブロック１９は、それぞれ半導体チップ１２との接合面に直交する端面に、はんだで構成される接合部材２５を介して金属シート２７、２８、２９が接合されている。３つの金属シート２７、２８、２９の下面は電気的な絶縁を確保するための絶縁シート１８が接着され、さらに絶縁シート１８は冷却部２０の冷却接合面に接合されている。

本実施形態において、ＩＧＢＴ１３に接続される複数の信号端子４１が上方、すなわちＺ方向の一方に導出されている。また導電ブロック１５、１９のＹ方向における一方の端面から、電極端子３１、３２がそれぞれ導出されている。導電ブロック１６のＹ方向における他方の端面から電極端子３３が導出されている。

また、第３導電ブロック１９と冷却部２０との間には、電気的な絶縁を確保するための絶縁シート１８と金属シート２９と接合部材２５が介在している。

ここで、第１導電ブロック１５には、半導体チップ１２の正極側が接合されており、第３導電ブロック１９には、もう一方の半導体チップ１２の負極側が接合されているため、第１導電ブロック１５は正側導体として正電極を形成し、第３導電ブロック１９は負側導体として負電極を形成する。さらに第２導電ブロック１６には、一方の半導体チップ１２の負極側と他方の半導体チップ１２の正極側が接合されているため、交流導体として交流電極を形成する。

本実施形態にかかるインバータモジュール２においても、上記第１実施形態と同様の効果を奏する、また、インバータモジュール２においては、１つのパワー半導体モジュールで正負交流の出力を実現する構成とすることができる。

［第３実施形態］
以下、図６乃至８に従って、第３実施形態に係るインバータモジュール３について説明する。図６は第３実施形態に係るインバータモジュール３の構成をＹ軸方向から見た側面図である。図７はインバータモジュール３の斜視図であり、図８はインバータモジュール３をＺ軸方向からみた平面図である。図９は、インバータモジュール３をＸ軸方向からみた側面図である。なお、図８及び図９において冷却部２０及び冷却部１２０を省略して示している。

本実施形態にかかるインバータモジュール３は、互いに離間して配される一対の第３構造部Ｓ３と、一対の第３構造部Ｓ３の下方に配された第１冷却部２０と、一対の第３構造部Ｓ３の上方にそれぞれ配された一対の冷却パーツ１２１を有する第２冷却部１２０と、複数の第３構造部Ｓ３と第１冷却部２０との間に配された第４構造部Ｓ４と、複数の第３構造部Ｓ３と複数の第２冷却部１２０との間にそれぞれ配された複数の第５構造部Ｓ５と、を備える。

第３構造部Ｓ３、上側の第２冷却部１２０、及び第５構造部Ｓ５は、Ｙ方向において２つに分割して配され、下側の第１冷却部２０及び第４構造部Ｓ４は、Ｙ方向に一体に連続して構成されている。

第３構造部Ｓ３は第１実施形態における第１構造部Ｓ１が第２半導体チップ群１２Ｂ及び第３導電ブロック１９をさらに備えた構成であり、第２実施形態における第１構造部Ｓ１と同様に構成されている。第３構造部Ｓ３は、Ｙ方向に並列して配される、ＩＧＢＴ１３及びダイオード１４をそれぞれ有する一対の半導体チップ群１２Ａ、１２Ｂと、３つの導電ブロック１５、１６、１９と、をそれぞれ備える。

第４構造部Ｓ４は、冷却部２０上に接合される１枚の絶縁シート１８と、絶縁シート１８と、一対の第３構造部Ｓ２の導電ブロック１５、１６、１９にそれぞれ接合される複数の金属シート２７、２８、２９と、を備える。第４構造部Ｓ４において、Ｘ方向に３列、各列に２つずつ、合計６つの金属シート２７、２８、２９が配列されている。

一対の第５構造部Ｓ５は、第２冷却部１２０の一対の冷却パーツ１２１の対向面にそれぞれ接合される一対の第２絶縁シート１８と、一対の第２絶縁シート１８と各導電ブロック１５、１６、１９にそれぞれ接合される第２金属シートである金属シート２７、２８、２９と、をそれぞれ備える。
冷却部１２０は、冷却部２０と同様の構成であり、たとえば放熱性の高い銅合金、アルミ合金等の金属シートであり、別に構成されたヒートシンク等の冷却器と接続される。あるいは、冷却部１２０はヒートシンク等の冷却器を一体に備える構造であってもよい。冷却部１２０は複数の導電ブロック１５、１６、１９の上面に対向配置される冷却接合面１２０ａ（第２放熱接合面）を有する。この冷却接合面１２０ａに、絶縁シート１８を介して、複数の導電ブロック１５、１６、１９の上面が接合される。すなわち導電ブロック１５、１６、１９の上面は同一の仮想平面上に配置される。

インバータモジュール３は、下側の第４構造部Ｓ４の絶縁シート１８より上の部材が、Ｙ方向において２つに分割され互いに離間して配置されている。したがって、一対の第３構造部Ｓ３が互いに対向するブロック対向面側に、上端に至る通路が形成されている。

一対の第３構造部Ｓ３において、一対のダイオード１４はブロック対向面側である内方に配され、一対のＩＧＢＴ１３は一対のダイオード１４よりも外方にそれぞれ配される。

また、第３構造部Ｓ３の導電ブロック１５、１６、１９にそれぞれ接続される複数の電極端子１３１ａ〜１３１ｃ、１３２ａ〜１３２ｃは、それぞれの導電ブロック１５、１６、１９のブロック対向面に接続される。電極端子１３１ａ〜１３１ｃ、１３２ａ〜１３２ｃは、Ｙ方向に並ぶ一対の導電ブロック１５、１５間、一対の第２導電ブロック１６、１６間、及び一対の第３導電ブロック１９、１９間、及び一対の冷却パーツ１２１、１２１間に形成される通路を通って上方に向けてそれぞれ導出されている。

すなわち、導電ブロック１５、１６、１９に接続される電極端子１３１ａ〜１３１ｃ、１３２ａ〜１３２ｃ、は一対の第３構造部Ｓ３の間に接続され、上側の一対の第５構造部Ｓ５の間、及び上側の冷却部１２０の一対の冷却パーツ１２１の間を通って、上方に導出される。

ここで、Ｙ方向の一方に配される第１導電ブロック１５、及び第３導電ブロック１９に接続される電極端子１３１ａ、１３１ｃを正電極とし、Ｙ方向他方に配される第１導電ブロック１５、及び第３導電ブロック１９に接続される電極端子１３２ａ、１３２ｃを負電極とする。第２導電ブロック１６にそれぞれ接続される電極端子１３１ｂ及び１３２ｂは、互いに導電位となる交流電極端子とする。したがって、インバータモジュール３はそのＹ方向の中央部に形成された隙間である通路５０において、正電極と負電極が近接して対向する構造となる。

インバータモジュール３のＹ方向両端面付近に配されるＩＧＢＴ１３からゲート端子等の信号端子１４１がＹ方向外方にそれぞれ導出される。信号端子１４１は導電ブロック１５、１６間及び導電ブロック１６、１９間を通って、Ｙ方向両端からＹ方向に外方に導出される。

インバータモジュール３において、半導体チップ１２により生じた熱は、半導体チップ１２の両主面に接合された導電ブロック１５、１６、１９は、接合部材２５、１２５、金属シート２７、２８、２９、１２７、１２８、１２９及び絶縁シート１８、１１８を介して、冷却部２０、１２０にそれぞれ伝達される。

この他、各部の構成は第１または第２実施形態にかかるインバータモジュール１、２と同様であるため、共通する符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態にかかるインバータモジュール３によれば、上下両面を放熱面とすることができるため、放熱性能が向上し、インバータモジュール３の小型化を実現することができる。

また、上下に冷却部２０、１２０を配置する場合に、導電ブロック１５、１６、１９の上下面の平面度の要求が高くなるが、本実施形態にかかるインバータモジュール３においては接合部材２５、１２５を介した積層構造とすることで、接合部材２５、１２５によって変位を吸収できる。このため、面精度の要求を緩和でき、コスト低減効果が高まる。

また、インバータモジュール３においては、Ｙ方向の中央部であるブロック対向面に、電極端子１３１ａ〜１３１ｃ、１３２ａ〜１３２ｃを配置し、かつ電極端子１３１ａ、１３１ｃを正電極とし、電極端子１３２ａ、１３２ｃを負電極とした。このため、正電極と負電極を近接して対向させることが可能となる。したがって、対向する電流が近接して通電する構造となることから、インバータモジュール３を通電動作させる際に生じる回路のインダクタンスが、正負電極が離間している構成よりも低減する。このため、スイッチングの際に生じるサージ電圧を低減することができ、インバータモジュール３の信頼性を向上させることができる。

さらに、インバータモジュール３において、Ｙ方向の両端、すなわち外側に、ＩＧＢＴ１３を配置し、信号端子１４１をインバータモジュール３のＹ方向における両端部に配置することにより、上下に配置された冷却部２０、１２０との干渉を避けつつ、短い経路かつ同一距離における端子接続が可能となる。したがって、信号端子のインダクタンス低減とばらつき低減を実現し、ＩＧＢＴ１３の安定動作を実現することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば他の実施形態として図１０及び図１１に示すように、中央の第２導電ブロック１６の下面に配される金属シート２８はＹ方向において一体に連続する構成としてもよい。なお、図１０において冷却部２０、１２０を省略している。この場合、金属シート２８を導電性材料とすることにより交流電極端子を共通化することができ、一つの交流電極端子を取り出すことで交流出力が可能となるため、端子数を削減することができる。

また上記実施形態において、導電ブロックの一部として、ブロック状の導電ブロック１５、１６、１９と半導体チップ１２との間に電極板２３、２４を介在させたが、これに限られるものではない。例えば電極板を省略してＩＧＢＴやダイオードなどの半導体チップとブロック状の導体とを直接接合させることも可能である。

また、上記実施形態においては半導体チップとしてＩＧＢＴ１３を例示したが、これに限られるものではなく、他の半導体チップと導体を接合する構成においても上記各実施形態と同様の効果を奏する。

半導体チップ１２や導電ブロック１５、１６、１９の数も上記に限られるものではなく、適宜変更して実施可能である。例えば半導体チップ１２は１つであってもよい。

また、接合部材２５、２６ははんだに限られるものではなく、例えば導電性ペーストなどを用いてもよい。

また、図７に示される第３実施形態にかかるインバータモジュール３では、上側の第２冷却部１２０を互いに離間する一対の冷却パーツ１２１、１２１で構成し、これらの冷却パーツ１２１、１２１の間に形成される通路５０を通って電極端子を導出したが、これに限るものではない。例えば冷却部１２０を一体に連続させて構成することも可能であり、例えば冷却部１２０の所定箇所に積層方向に貫通する貫通孔が形成され、これらの貫通孔によって通路５０を構成してもよい。この場合にも上記第３実施形態と同様の効果を奏する。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、２、３…インバータモジュール、１２…半導体チップ、１２Ａ、１２Ｂ…半導体チップ群、１３…ＩＧＢＴ、１４…ダイオード、１５…第１導電ブロック、１６…第２導電ブロック、１８、１１８…絶縁シート、１９…第３導電ブロック、２０、１２０…冷却部、２１…モールド樹脂、２３…コレクタ電極板、２４…エミッタ電極板、２５、１２５…接合部材、２６…接合部材、２７、２８、２９、１２７、１２８、１２９…金属シート、２７ａ…突出部、３１、３２、３３…電極端子、４１…信号端子、１３１ａ〜１３１ｃ…電極端子、１４１…信号端子、Ｓ１…第１構造部、Ｓ２…第２構造部。

Claims (5)

1. 互いに対向する第１チップ対向面と、前記第１チップ対向面に非並行な第１接合面と、をそれぞれ有する、第１導電ブロック及び第２導電ブロックと、
   正極側が前記第１導電ブロックの前記第１チップ対向面に電気的に接続され、負極側が前記第２導電ブロックの前記第１チップ対向面に電気的に接続され、前記第１導電ブロックと前記第２導電ブロックとの間に挟持される半導体チップと、
   を備える第１構造部と、
   前記第１構造部における前記第１導電ブロックの前記第１接合面及び前記第２導電ブロックの前記第１接合面に対向して配される第１放熱接合面を有する第１放熱部と、
   前記第１放熱部と前記第１構造部との間に配され、前記第１放熱接合面に接合される第１絶縁シートと、前記第１絶縁シートに接合される複数の第１金属シートと、を備え、複数の前記第１金属シートが、前記第１構造部の第１導電ブロックの前記第１接合面及び前記第２導電ブロックの前記第１接合面に、それぞれ、はんだ材または導電性ペースト材により接合される、第２構造部と、を備えるパワー半導体モジュール。
2. 複数の前記第１金属シートは、前記第１導電ブロックまたは前記第２導電ブロックに対向するブロック対向領域の外方に配される外縁部を有する、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
3. 前記第１構造部は、正極側が前記第２導電ブロックに接合される第２半導体チップと、前記第２半導体チップの負極側に接合される第１チップ対向面と前記第１チップ対向面とは非並行な第１接合面を有する第３導電ブロック、をさらに備え、
   前記第２構造部は、前記第１絶縁シートと前記第３導電ブロックとの間に配され、はんだ材または導電性ペースト材により前記第３導電ブロックの前記第１接合面に接合される第１の金属シートをさらに備える、請求項１または２記載のパワー半導体モジュール。
4. 互いに対向する第１チップ対向面と前記第１チップ対向面に非並行な第１接合面及び第２接合面と、をそれぞれ有する第１導電ブロック、第２導電ブロック、及び第３導電ブロックと、
   前記第１導電ブロックの前記第１チップ対向面と前記第２導電ブロックの前記第１チップ対向面との間に挟持されるＩＧＢＴ及びダイオードを備える第１半導体チップ群と、
   前記第２導電ブロックの前記第１チップ対向面とは反対側の第２チップ対向面と、前記第３導電ブロックの前記第１チップ対向面との間に挟持されるＩＧＢＴ及びダイオードを備える第２半導体チップ群と、をそれぞれ備えるとともに、互いに離間して配される複数の第３構造部と、
   複数の前記第３構造部の前記第１接合面に対向して配される第１放熱部と、
   複数の前記第３構造部の前記第２接合面に対向して配される第２放熱部と、
   複数の前記第３構造部と前記第１放熱部との間に配され、前記第１放熱部に接合される第１絶縁シートと、前記第１絶縁シートに接合される複数の第１金属シートと、を備え、複数の前記第１金属シートが、前記第３構造部の第１導電ブロック、前記第２導電ブロック、及び前記第３導電ブロックの前記第１接合面に、それぞれ、はんだ材または導電性ペースト材により接合される、第４構造部と、
   複数の前記第３構造部と前記第２放熱部との間にそれぞれ配され、前記第２放熱部にそれぞれ接合される第２絶縁シートと、前記第２絶縁シートにそれぞれ接合される複数の第２金属シートと、をそれぞれ備え、前記第２金属シートが、前記第３構造部の第１導電ブロック、前記第２導電ブロック、及び前記第３導電ブロックの前記第２接合面にそれぞれはんだ材または導電性ペースト材により接合される、複数の第５構造部と、
   を備え、
   複数の第３構造部のうち互いに離間して配される一対の前記第３構造部において、一対の前記ダイオードは一対の前記第３構造部が対向するブロック対向面側である内方に配され、一対の前記ＩＧＢＴは一対の前記ダイオードよりも前記ブロック対向面から離間した外方にそれぞれ配され、
   複数の前記第１導電ブロック、前記第２導電ブロック、及び前記第３導電ブロックにそれぞれ接続される複数の電極端子は、各導電ブロックの前記ブロック対向面に接続され、前記第２放熱部に形成される通路を通って、前記導電ブロックと前記第２放熱部とが積層される方向に導出され、
   前記ＩＧＢＴに接続される信号端子は、前記第１導電ブロックと前記第２導電ブロックとの間及び前記第２導電ブロックと前記第３導電ブロックとの間から、前記外方に向けて導出される、パワー半導体モジュール。
5. 一対の前記第３構造部のうち一方の前記第３構造部における前記第１導電ブロック及び前記第３導電ブロックに接続される前記電極端子は正極であり、
   他方の前記第３構造部における前記第１導電ブロック及び前記第３導電ブロックに接続される前記電極端子は負極であり、
   一対の前記第３構造部の第２導電ブロックにそれぞれ接続される前記電極端子は互いに導電位となる交流電極端子である、請求項４記載のパワー半導体モジュール。