JP2020113607A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の半導体モジュールと、内部に冷媒が流れる複数の冷却器が積層されている半導体装置において、冷媒の流量の減少やモータロック時においても十分な冷却性能を確保する。【解決手段】複数の半導体モジュール８と複数の冷却器２３の積層方向でそれぞれの半導体モジュール８の両側に冷却器２３が配置されている。隣り合う冷却器８の間にグリスが満たされている。冷却器間にグリスが満たされていることにより、半導体モジュールから発生した熱はその半導体モジュールの両側に配置された冷却器だけでなく、グリスを通じてその隣の冷却器にも排熱される。その結果、冷媒の流量の減少やモータロック時などにおいても十分な冷却性能を確保することができる。【選択図】図４

Description

本明細書は、複数の半導体モジュールと、内部に冷媒が流れる複数の冷却器が積層されている半導体装置に関する。

複数の半導体モジュールと、内部に冷媒が流れる複数の冷却器が積層されている半導体装置が知られている。特許文献１、２にそのような半導体装置の一例が開示されている。特許文献１、２に開示されている半導体装置では、複数の半導体モジュールと複数の冷却器に加えて、熱を発しない複数のダミー半導体モジュールが積層されている。特許文献１の半導体装置では、半導体モジュールとダミー半導体モジュールは交互に積層されている。各半導体モジュールとダミー半導体モジュールの間に冷却器が配置されている。

特開２００５−３３２８６３号公報 特開２０１１−１２５０８３号公報

冷却器を流れる冷媒の流量が多ければ冷却性能は保持される。しかしながら、低温などの影響で冷媒の粘度が上昇し冷媒の流量が減少することにより、冷却性能は低下してしまう。また、モータロック中は特定の１つの半導体モジュールの発熱量が通常よりも大きくなる可能性がある。その場合は特定の半導体モジュールに接している冷却器のみで排熱を行わなければならず、冷媒の局所的な温度の上昇により発熱量の大きい半導体モジュールに対する冷却効率が低下してしまうおそれがある。本明細書は、冷媒の流量の減少やモータロック時においても十分な冷却性能を確保することができる技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、複数の半導体モジュールと、内部に冷媒が流れる複数の冷却器が積層されているデバイスである。複数の半導体モジュールと複数の冷却器の積層方向でそれぞれの半導体モジュールの両側に冷却器が配置されている。半導体モジュールを挟まずに隣り合っている冷却器の間にはグリスが満たされている。

冷却器間にグリスが満たされていることにより、半導体モジュールから発生した熱はその半導体モジュールの両側に配置された冷却器だけでなく、グリスを通じてその隣の冷却器にも排熱される。その結果、冷媒の流量の減少やモータロック時などにおいても十分な冷却性能を確保することができる。

また、本明細書が開示する半導体装置は接する冷却器間にグリスを満たして圧縮するため、半導体モジュールとダミー半導体モジュールを隔段に配置して構成された半導体装置よりも小型化することができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

第１実施例の半導体装置を含む電気自動車の電力系のブロック図である。 半導体モジュールの斜視図である。 第１実施例の半導体装置（積層ユニット）の平面図と正面図である。 第１実施例の積層ユニットをＸＹ平面と平行な面でカットした断面図である。 第２実施例の積層ユニットをＸＹ平面と平行な面でカットした断面図である。

（第１実施例）図１から図４を参照して第１実施例の半導体装置を説明する。第１実施例の半導体装置は、電気自動車１００の電力変換器に用いられる積層ユニットである。積層ユニットを説明する前に、積層ユニットが用いられている電力変換器２の全体の回路構成を説明する。図１に、電力変換器２を含む電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。電気自動車１００は、走行用のモータ９３ａ、９３ｂを備えている。電力変換器２は、バッテリ９１の直流電力を走行用のモータ９３ａ、９３ｂの駆動電力に変換するデバイスである。２個の走行用モータ９３ａ、９３ｂの出力は、ギアボックス９５で合成されて車軸９６（即ち駆動輪）へと伝達される。

電力変換器２は、システムメインリレー９２を介してバッテリ９１と接続されている。電力変換器２は、バッテリ９１の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路１２と、昇圧後の直流電力を交流に変換する２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂを備えている。第１インバータ回路１３ａがモータ９３ａの駆動電力を生成し、第２インバータ回路１３ｂがモータ９３ｂの駆動電力を生成する。

電圧コンバータ回路１２は、バッテリ側の端子に印加された電圧を昇圧してインバータ側の端子に出力する昇圧動作と、インバータ側の端子に印加された電圧を降圧してバッテリ側の端子に出力する降圧動作の双方を行うことが可能な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。説明の便宜上、以下では、バッテリ側（低電圧側）の端子を入力端１８と称し、インバータ側（高電圧側）の端子を出力端１９と称する。また、入力端１８の正極と負極をそれぞれ、入力正極端１８ａと入力負極端１８ｂと称する。出力端１９の正極と負極をそれぞれ、出力正極端１９ａと出力負極端１９ｂと称する。「入力端１８」、「出力端１９」との表記は説明の便宜を図るためのものであり、先に述べたように、電圧コンバータ回路１２は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであるので、出力端１９から入力端１８へ電力が流れる場合がある。

電圧コンバータ回路１２は、２個のスイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路、リアクトル７、フィルタコンデンサ５、各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードで構成されている。リアクトル７は、一端が入力正極端１８ａに接続されており、他端は直列回路の中点に接続されている。フィルタコンデンサ５は、入力正極端１８ａと入力負極端１８ｂの間に接続されている。入力負極端１８ｂは、出力負極端１９ｂと直接に接続されている。スイッチング素子９ｂが主に昇圧動作に関与し、スイッチング素子９ａが主に降圧動作に関与する。図１の電圧コンバータ回路１２はよく知られているので詳細な説明は省略する。なお、符号８ａが示す破線矩形の範囲の回路が、後述する半導体モジュール８ａに対応する。符号１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、半導体モジュール８ａから延出している端子を示している。符号１１ａは、スイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路の正極側と導通している端子（正極端子１１ａ）を示している。符号１１ｂは、スイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路の負極側と導通している端子（負極端子１１ｂ）を示している。符号１１ｃは、スイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路の中点と導通している端子（中点端子１１ｃ）を示している。

第１インバータ回路１３ａは、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。スイッチング素子９ｃと９ｄ、スイッチング素子９ｅと９ｆ、スイッチング素子９ｇと９ｈがそれぞれ直列回路を構成している。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。符号８ｂ−８ｄが示す破線矩形の範囲は、半導体モジュール８ａと同じ構造を有している半導体モジュールである。すなわち、３セットの直列回路のそれぞれが、半導体モジュール８ａと同じ構造を有している半導体モジュールで実現される。３セットの直列回路の正極側の端子（正極端子１１ａ）が電圧コンバータ回路１２の出力正極端１９ａに接続されており、３セットの直列回路の負極側の端子（負極端子１１ｂ）が電圧コンバータ回路１２の出力負極端１９ｂに接続されている。３セットの直列回路の中点端子から３相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が出力される。

第２インバータ回路１３ｂの構成は第１インバータ回路１３ａと同じであるため、図１では具体的な回路の図示を省略している。第２インバータ回路１３ｂも第１インバータ回路１３ａと同様に、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。３セットの直列回路の正極側の端子が電圧コンバータ回路１２の出力正極端１９ａに接続されており、３セットの直列回路の負極側の端子が電圧コンバータ回路１２の出力負極端１９ｂに接続されている。各直列回路に対応するハードウエアを半導体モジュール８ｅ、８ｆ、８ｇと称する。

インバータ回路１３ａ、１３ｂの入力端に平滑コンデンサ６が並列に接続されている。平滑コンデンサ６は、別言すれば、電圧コンバータ回路１２の出力端１９に並列に接続されている。平滑コンデンサ６は、電圧コンバータ回路１２とインバータ回路１３ａ、１３ｂの間を流れる電流の脈動を除去する。

スイッチング素子９ａ−９ｈは、トランジスタであり、典型的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるが、他のトランジスタ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。また、ここでいうスイッチング素子は、電力変換に用いられるものであり、パワー半導体素子と呼ばれることもある。半導体モジュール８ｅ−８ｇに含まれているスイッチング素子も同様である。

図１において、破線８ａ−８ｇのそれぞれが半導体モジュールに相当する。電力変換器２は、２個のスイッチング素子の直列回路を７セット備えている。ハードウエアとしては、直列回路を構成する２個のスイッチング素子、および各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードが一つのパッケージ（半導体モジュール）に収容されている。

７個の半導体モジュール（７セットの直列回路）の正極側の端子（正極端子１１ａ）が平滑コンデンサ６の正極電極に接続され、負極側の端子（負極端子１１ｂ）が平滑コンデンサ６の負極電極に接続される。

半導体モジュール８ｂ−８ｄのそれぞれの中点端子がモータ９３ａと接続されており、半導体モジュール８ｅ−８ｇのそれぞれの中点端子がモータ９３ｂと接続されている。６個の半導体モジュール８ｂ−８ｇの中点端子は、モータ９３ａ、９３ｂから延びているパワーケーブル９７に接続される。

電力変換器２は、制御回路３を備えている。制御回路３は、不図示の上位制御装置からの指令を受け、半導体モジュール８ａ−８ｇのスイッチング素子を制御する。

図２に、半導体モジュール８ａの斜視図を示す。半導体モジュール８ａは、樹脂製のパッケージ８１の内部に２個の半導体チップ８２ａ、８２ｂが埋設されたデバイスである。パッケージ８１は扁平であり、幅広面８１１と幅狭面８１２を有している。幅狭面８１２は、幅広面８１１と交差する面である。半導体チップ８２ａは、図１のスイッチング素子９ａとこれに逆並列に接続されているダイオードを実現している。半導体チップ８２ｂは、図１のスイッチング素子９ｂとこれに逆並列に接続されているダイオードを実現している。半導体チップ８２ａ、８２ｂはパッケージ８１の内部で直列に接続されており、直列接続の正極側と負極側は、それぞれ、正極端子１１ａ、負極端子１１ｂと導通している。２個の半導体チップ８２ａ、８２ｂの直列接続の中点が中点端子１１ｃと導通している。別言すれば、半導体モジュール８ａは、パッケージ８１の内部に２個のスイッチング素子９ａ、９ｂの直列接続を収容しているとともに、直列接続の正極側と導通している正極端子１１ａ、負極側と導通している負極端子１１ｂ、直列接続の中点と導通している中点端子１１ｃを備えている。３個の端子１１ａ−１１ｃは、幅狭面８１２から延びている。端子１１ａ−１１ｃが設けられている幅狭面８１２とは反対側の幅狭面から制御端子８４ａ、８４ｂが延びている。制御端子８４ａは、半導体チップ８２ａのスイッチング素子９ａのゲートや温度センサと導通する端子群であり、制御端子８４ｂは、半導体チップ８２ｂのスイッチング素子９ｂのゲートや温度センサと導通する端子群である。他の半導体モジュール８ｂ−８ｇも同様の構造である。

電力変換用のスイッチング素子は発熱量が大きい。すなわち、半導体モジュール８ａ−８ｇは発熱量が大きい。電力変換器２では、７個の半導体モジュール８ａ−８ｇを効率よく冷却するために、それら半導体モジュール８ａ−８ｇを集約した積層ユニット２０を備えている。積層ユニット２０が第１実施例の半導体装置に相当する。以下では、半導体モジュール８ａ−８ｇのいずれか１個を区別なく示すときには半導体モジュール８と称する。

積層ユニット２０は、複数の半導体モジュール８と複数の冷却器２３が積層されたデバイスである。図３（Ａ）に、積層ユニット２０の平面図を示し、図３（Ｂ）に積層ユニット２０の正面図を示す。複数の半導体モジュール８と複数の冷却器２３は、図中の座標系のＸ方向に積層されている。以下では、図中の座標系のＸ方向を積層方向と称する場合がある。

積層ユニット２０では、複数の半導体モジュール８のそれぞれの両側の幅広面に冷却器２３が接しており、２個の冷却器２３と１個の半導体モジュール８の組が複数構成されており、複数の組が積層されている構造を有している。図３（Ａ）では、積層ユニット２０の途中を省略してあり、半導体モジュール８ｂ、８ｃ、８ｄとそれらに隣接する冷却器２３の図示が省略されている。

積層ユニット２０は冷媒供給管２１と冷媒排出管２２を備えている。冷媒供給管２１は、複数の冷却器２３を積層方向に貫通しているとともに、それぞれの冷却器２３と連通している。冷媒排出管２２も複数の冷却器２３を積層方向に貫通しているとともに、それぞれの冷却器２３と連通している。冷媒供給管２１と冷媒排出管２２は、積層方向からみて半導体モジュール８の両側に位置している。

冷媒が冷媒供給管２１を通じてそれぞれの冷却器２３へ供給され、それぞれの冷却器２３の内部を通り、冷媒排出管２２から排出される。冷却器２３は扁平であり、半導体モジュール８の一方の幅広面８１１（図２参照）とその反対側の幅広面に、２つの冷却器２３のそれぞれの幅広面が向かい合うように配置されている。すなわち、２つの冷却器２３が半導体モジュール８の両側に接するように配置されている。以下では、上記半導体モジュール８とその両側に配置された２つの冷却器２３を冷却器セットと称することにする。複数の半導体モジュール８と複数の冷却器２３は、上記の冷却器セットが図中の座標系のＸ方向（すなわち積層方向）に並ぶように配置される。２つの冷却器セットが接する部分、すなわち、１つの冷却器セットの冷却器の幅広面で半導体モジュール８に接していない面と、もう１つの冷却器セットの冷却器の幅広面で半導体モジュール８に接していない面との間にグリス２４が満たされている。

図４に、積層ユニット２０を図中の座標系のＸＹ平面と平行な面でカットした断面図を示す。図４の符号２５が冷却器セットを示している。また、図４において、冷媒の流れを太矢印で示す。さらに、図４では、半導体モジュール８ａ、８ｃ、８ｇ以外の半導体モジュールには、「８ｂ」等の符号を省略した。半導体モジュール８ｇのみ、内部の半導体チップに符号８２ａ、８８ｂを付し、他の半導体モジュールでは半導体チップへの符号を省略した。さらにまた、半導体モジュール８ｃの近傍の冷却器を他の冷却器と区別するため、符号２３ａ−２３ｄを付した。

冷媒供給管２１から冷媒が供給される。供給された冷媒は各冷却器２３へ流入する。冷媒は冷却器２３を通り半導体モジュール８で発生する熱を吸収し、冷媒排出管２２へ排出される。

冷却器２３を流れる冷媒の流量が多ければ冷却性能は保持される。しかしながら、低温などの影響で冷媒の粘度が上昇し冷媒の流量が減少することによって冷却性能が低下してしまうおそれがある。

図４において、半導体モジュール８ｃで発生した熱の排熱経路を破線矢印で示す。半導体モジュール８ｃで発生した熱は、幅広面８１１とその反対側の幅広面に向かい合って配置された２つの冷却器２３ａ、２３ｂへ排熱される。さらに、冷却器２３ａとこれに接している冷却器２３ｃの間、冷却器２３ｂとこれに接している冷却器２３ｄの間にはグリス２４が満たされている。半導体モジュール８ｃの熱は、グリス２４を通じて冷却器２３ｃ、２３ｄへも排熱される。このように、より多くの冷却器２３が半導体モジュール８ｃで発生した熱を吸収する役割を担うことで冷媒の温度上昇は緩やかになる。すなわち、低温などの影響で冷媒の粘度が上昇し冷媒の流量が減少した場合においても、積層ユニット２０は十分な冷却性能を確保することができる。

第１実施例の積層ユニット２０はモータロック時においても十分な冷却性能を確保することができる。モータロックは、モータがトルクを出力しているにもかかわらずに車輪が回転しない状況を意味する。モータロックは、例えば車輪が車輪止めに乗り上げかかっている状況で発生する。インバータ回路１３ａ、１３ｂは、走行中は三相交流電力を出力する。しかしながら、モータロック中は、モータが回転しないので、三相のそれぞれが一定電流となる。従ってモータロック中は、三相のいずれかが高い一定電流となり得る。すなわち、モータロック中は積層された複数の半導体モジュール８のうちいずれか１つの発熱量が通常よりも大きくなるおそれがあるこの場合、過熱するいずれか１つの半導体モジュール８に接している２つの冷却器２３を流れる冷媒の温度上昇が著しく、他の冷却器２３を流れる冷媒の温度はほとんど変化しない。すなわち、冷媒の局所的な温度の上昇によって冷却効率が低下してしまうおそれがある。

例えば半導体モジュール８ｃの発熱量が局所的に大きくなった場合、先に述べたように、半導体モジュール８ｃの熱は、両隣の冷却器２３ａ、２３ｂだけでなく、グリス２４を通じてさらにそれらの隣の冷却器２３ｃ、２３ｄにも排熱される。このように、より多くの冷却器２３が半導体モジュール８ｃで発生した熱を吸収することができるので、モータロック時においても積層ユニット２０は十分な冷却性能を確保することができる。

（第２実施例）図５を用いて第２実施例の積層ユニット２０ａを説明する。図５に、積層ユニット２０ａの断面図を示す。図５は、図４と同じく、積層ユニット２０ａを図中の座標系のＸＹ平面と平行な面でカットした断面図である。第２実施例における積層ユニット２０ａも電気自動車１００の電力変換器２の一部として用いられる。ただし、第２実施例の場合、電力変換器２では、インバータ回路１３ａに接続されているモータ９３ａは、モータ９３ｂよりも出力が小さい。電力変換器２では、インバータ回路１３ｂに用いられている半導体モジュール８ｅ−８ｇの出力が最も大きく、次に電圧コンバータ回路１２に用いられる半導体モジュール８ａの出力が大きく、インバータ回路１３ａに用いられる半導体モジュール８ｂ−８ｄの出力が最も小さい。すなわち、半導体モジュール８ｅ−８ｇの発熱量が他の半導体モジュール８ａ−８ｄの発熱量よりも大きい。また、半導体モジュール８ｂ−８ｄの発熱量は他の半導体モジュール８ａ、８ｅ−８ｇよりも小さい。

図５では、複数の冷却器２３を個別に区別するためにそれぞれに符号２３ａ−２３lを付している。積層ユニット２０では、最も発熱量の大きい第２インバータ回路１３ｂに用いられる半導体モジュール８ｅ−８ｇが積層方向（図中の座標系のＸ方向）の一方の端に配置されている。積層ユニット２０ａでは、次に発熱量の大きい電圧コンバータ回路１２に用いられる半導体モジュール８ａが積層方向の他端に配置されている。積層ユニット２０ａでは、最も発熱量の小さい第１インバータ回路１３ａに用いられる半導体モジュール８ｂ−８ｄは、積層方向の中央部分に配置されている。

電圧コンバータ回路１２、および第２インバータ回路１３ｂに用いられる半導体モジュール８ａ、８ｅ−８ｇについては、第１実施例の積層ユニット２０と同様に各半導体モジュール８の幅広面８１１とその反対側の幅広面に、冷却器２３の幅広面と向かい合わせて配置する。ここでも、半導体モジュール８とその両側に配置された２つの冷却器２３を冷却器セット２５と称する。積層ユニット２０ａでは、４個の半導体モジュール８ａ、８ｅ、８ｆ、８ｇのそれぞれに対して冷却器セット２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄが構成される。隣り合う冷却器セットの間はグリス２４が満たされている。

冷却器セット２５ａと冷却器セット２５ｂの間では、半導体モジュール８ｂ−８ｄと冷却器２３ｃ−２３ｆが１個ずつ交互に積層されている。発熱量の小さい半導体モジュール８ｂ−８ｄに対しては、冷却器セットを組むことなく、冷却器の両側に半導体モジュール８が隣接する。ただし、冷却器２３ｃの隣には冷却器セット２５ａが隣接するので、それらの間にはグリス２４が満たされる。同様に、冷却器２３ｆの隣には冷却器セット２５ｂが隣接するのでそれらの間にはグリス２４が満たされる。

積層ユニット２０ａでは、発熱量の大きい半導体モジュール８ａ、８ｅ−８ｇに対しては冷却器セット２５を構成して大きな冷却能力を確保し、発熱量の小さい半導体モジュール８ｂ−８ｄに対しては冷却器２３を交互にする。

このように複数の半導体モジュール８の間で発熱量に差がある場合、半導体モジュール８の配置や冷却器２３の配置を工夫することで、発熱量の大きい半導体モジュールに対しては十分な冷却性能を確保しつつ、冷却器２３の数を減らすことができる。すなわち、積層ユニットの小型化やコスト削減を実現できる。

以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力変換器
３：制御回路
５、６：コンデンサ
７：リアクトル
８、８ａ−８ｇ：半導体モジュール
９ａ−９ｈ：スイッチング素子
１２：電圧コンバータ回路
１３ａ、１３ｂ：インバータ回路
２０、２０ａ：積層ユニット（半導体装置）
２１：冷媒供給管
２２：冷媒排出管
２３：冷却器
２４：グリス
２５：冷却器セット
８１：パッケージ
８２ａ、８２ｂ：半導体チップ
８４ａ、８４ｂ：制御端子
１００：電気自動車

Claims (1)

1. 複数の半導体モジュールと、内部に冷媒が流れる複数の冷却器が積層されている半導体装置であり、
   複数の前記半導体モジュールと複数の前記冷却器の積層方向でそれぞれの前記半導体モジュールの両側に前記冷却器が配置されており、
   隣り合う前記冷却器の間にグリスが満たされている、
   半導体装置。

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