JP2021019487A - 半導体モジュール構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】バスバーを効果的に冷却しつつ小型化が可能な半導体モジュール構造を提供する。【解決手段】半導体モジュール構造は、半導体素子部５と、半導体素子部を挟持すると共に半導体素子部と電気的に接続された正極バスバーＬ１と、負極バスバーをＬ２介して正極バスバーと電気的に接続されたコンデンサ素子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３と、を備える。半導体素子部を挟持している位置に対応するバスバーの表面には導電性の冷却フィン４が形成され、冷却フィンの内部には絶縁性の冷媒が供給されている。半導体素子部は、半導体素子を内部に収容するパッケージ構造を有し、パッケージ構造の内部空間Ｓには樹脂モールドが充填されている。バスバーは、円環状の部材によって形成されており、半導体素子部及びコンデンサ素子の組がバスバーの周方向に沿って複数配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体モジュール構造に関する。
特許文献１には、スイッチング素子と、コンデンサと、スイッチング素子とコンデンサとを電気的に接続するバスバーと、スイッチング素子とコンデンサとを同一平面上に配置して冷却する冷却器と、を備え、バスバーを冷却するためにバスバーが電気絶縁性熱伝導材を介して冷却器に接触している構造が記載されている。
特開２０１７−１８８９９８号公報
特許文献１に記載の構造では、バスバーを冷却するためにバスバーを電気絶縁性熱伝導材に接触させる必要があるので、バスバーの長さが長くなり、構造の小型化を図ることが困難になる。さらに、特許文献１に記載の構造では、バスバーは電気絶縁性熱伝導材を介して冷却器に接触しているので、バスバーの冷却性能が不足する可能性がある。結果、バスバーが発熱し、バスバーに接続されているスイッチング素子やコンデンサ等の素子が高温になるおそれがある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、バスバーを効果的に冷却しつつ小型化が可能な半導体モジュール構造を提供することにある。
本発明に係る半導体モジュール構造は、半導体素子部と、前記半導体素子部を挟持すると共に該半導体素子部と電気的に接続された第１バスバーと、第２バスバーを介して前記第１バスバーと電気的に接続されたコンデンサ素子と、を備え、前記半導体素子部を挟持している位置に対応する前記第１バスバーの表面には導電性の冷却フィンが形成され、該冷却フィンの内部には絶縁性の冷媒が供給されていることを特徴とする。
半導体素子部は、半導体素子を内部に収容するパッケージ構造を有し、パッケージ構造内の空間には樹脂モールドが充填されているとよい。
第１バスバーは円環状の部材によって形成されており、半導体素子部及びコンデンサ素子の組が第１バスバーの周方向に沿って複数配置されているとよい。
本発明に係る半導体モジュール構造によれば、冷却フィンが冷却機能とバスバーの機能とを併せ持つので、バスバーを効果的に冷却しつつ小型化することができる。
図１は、本発明の一実施形態である半導体モジュール構造によって形成される電子回路の構成を示す図である。 図２は、本発明の一実施形態である半導体モジュール構造の構成を示す平面図及び断面図である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である半導体モジュール構造について説明する。
〔回路構成〕
まず、図１を参照して、本発明の一実施形態である半導体モジュール構造によって形成される電子回路の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態である半導体モジュール構造によって形成される電子回路の構成を示す図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である半導体モジュール構造によって形成される電子回路１は、複数のスイッチング素子をスイッチング動作させることにより、バッテリ等の電源Ｂから出力される直流電力を三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電力に変換して端子Ｔ１，Ｔ２から出力する電子回路であり、車両に搭載されている。なお、スイッチング動作とは、制御対象となるスイッチング素子のオン／オフが切り替わる動作のことを意味する。
本実施形態では、電子回路１は、スイッチング素子Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ、スイッチング素子Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ、スイッチング素子Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ、及びコンデンサ素子Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を備えている。
各スイッチング素子は、半導体スイッチング素子によって構成されている。半導体スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられる。ＩＧＢＴのコレクタ端子とエミッタ端子との間には、エミッタ端子に接続される側をアノードとしてダイオード（整流素子）が接続されている。半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ以外のものを用いる場合、スイッチング素子が導通したときに流れる電流とは逆向きの電流が流れるように半導体スイッチング素子にダイオードを並列に接続する。ダイオードは、半導体スイッチング素子に伴う寄生ダイオードであってもよい。本明細書では、半導体スイッチング素子とダイオードとを併せたものをスイッチング素子という。
スイッチング素子Ｓ１ａとスイッチング素子Ｓ１ｂの組は、ノードＮ１及びノードＮ１２において、電源Ｂの正極に電気的に接続された正極バスバー（Ｐバスバー）Ｌ１と電源Ｂの負極に電気的に接続された負極バスバー（Ｎバスバー）Ｌ２との間に直列に接続されている。また、コンデンサ素子Ｃ１は、スイッチング素子Ｓ１ａとスイッチング素子Ｓ１ｂに対して並列に接続されるように、ノードＮ２及びノードＮ１１において、それぞれコンデンサバスバーＬ５ａ及びコンデンサバスバーＬ５ｂを介して正極バスバーＬ１及び負極バスバーＬ２に接続されている。コンデンサ素子Ｃ１は、スイッチング素子Ｓ１ａ，Ｓ１ｂのスイッチング動作によって出力されるＵ相の交流電力を平滑化する平滑コンデンサとして機能する。
スイッチング素子Ｓ２ａとスイッチング素子Ｓ２ｂの組は、ノードＮ３及びノードＮ１０において、正極バスバーＬ１と負極バスバーＬ２との間に直列に接続されている。また、コンデンサ素子Ｃ２は、スイッチング素子Ｓ２ａとスイッチング素子Ｓ２ｂに対して並列に接続されるように、ノードＮ４及びノードＮ９において、それぞれコンデンサバスバーＬ６ａ及びコンデンサバスバーＬ６ｂを介して正極バスバーＬ１及び負極バスバーＬ２に接続されている。コンデンサ素子Ｃ２は、スイッチング素子Ｓ２ａ，Ｓ２ｂのスイッチング動作によって出力されるＶ相の交流電力を平滑化する平滑コンデンサとして機能する。
スイッチング素子Ｓ３ａとスイッチング素子Ｓ３ｂの組は、ノードＮ５及びノードＮ８において、正極バスバーＬ１と負極バスバーＬ２との間に直列に接続されている。また、コンデンサ素子Ｃ３は、スイッチング素子Ｓ３ａとスイッチング素子Ｓ３ｂに対して並列に接続されるように、ノードＮ６及びノードＮ７において、それぞれコンデンサバスバーＬ７ａ及びコンデンサバスバーＬ７ｂを介して正極バスバーＬ１及び負極バスバーＬ２に接続されている。コンデンサ素子Ｃ３は、スイッチング素子Ｓ３ａ，Ｓ３ｂのスイッチング動作によって出力されるＷ相の交流電力を平滑化する平滑コンデンサとして機能する。
〔構造〕
次に、図２（ａ），（ｂ）を参照して、本発明の一実施形態である半導体モジュール構造について説明する。
図２（ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態である半導体モジュール構造の構成を示す平面図及び図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図２（ａ），（ｂ）に示すように、本発明の一実施形態である半導体モジュール構造は、導電性の冷却フィン４を備える円環状の正極バスバーＬ１及び負極バスバーＬ２と、正極バスバーＬ１と負極バスバーＬ２とによって挟持された複数の半導体素子部５と、コンデンサバスバーＬ５ａ，Ｌ５ｂ，Ｌ６ａ，Ｌ６ｂ，Ｌ７ａ，Ｌ７ｂを介して正極バスバーＬ１及び負極バスバーＬ２に接続されたコンデンサ素子Ｃ１〜Ｃ３を備えている。なお、図２（ａ）では、コンデンサバスバーＬ５ｂ，Ｌ６ｂ，Ｌ７ｂの図示は省略している。
半導体素子部５は、銅製のヒートシンク６によって挟持されたスイッチング素子の組（本例はスイッチング素子Ｓ１ａとスイッチング素子Ｓ１ｂの組）を内部に収容したパッケージ構造を有しており、正極バスバーＬ１及び負極バスバーＬ２の周方向に沿って所定間隔を空けて配置されている。半導体素子部５内のスイッチング素子の組は、正極バスバーＬ１と負極バスバーＬ２と電気的に接続され、図１に示す電子回路１を形成している。また、半導体素子部５を形成するパッケージ構造の内部空間Ｓは樹脂モールドで充填されている。
半導体素子部５を挟持している位置に対応する正極バスバーＬ１及び負極バスバーＬ２の表面には導電性の冷却フィン４が形成され、冷却フィン４の内部には絶縁性の冷媒が供給されている。半導体素子部５を挟持している位置に導電性の冷却フィン４を設けることにより、正極バスバーＬ１及び負極バスバーＬ２と半導体素子部５との双方を冷却することができる。また、冷却フィン４を導電性とすることにより冷却フィン４にバスバーの機能を持たせることができる。但し、冷却フィン４を導電性とした場合には、正極バスバーＬ１と負極バスバーＬ２との間に絶縁性の冷媒を介在させ、絶縁性の冷媒によって正極バスバーＬ１と負極バスバーＬ２との間の絶縁性を確保することが望ましい。
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である半導体モジュール構造は、半導体素子部５と、半導体素子部５を挟持すると共に半導体素子部５と電気的に接続された正極バスバーＬ１及び負極バスバーＬ２と、コンデンサバスバーＬ５ａ，Ｌ５ｂ，Ｌ６ａ，Ｌ６ｂ，Ｌ７ａ，Ｌ７ｂを介して正極バスバーＬ１及び負極バスバーＬ２と電気的に接続されたコンデンサ素子Ｃ１〜Ｃ３と、を備え、半導体素子部５を挟持している位置に対応する正極バスバーＬ１及び負極バスバーＬ２の表面には導電性の冷却フィン４が形成され、冷却フィン４の内部には絶縁性の冷媒が供給されている。そして、このような構成によれば、冷却フィン４が冷却機能とバスバーの機能とを併せ持つので、バスバーを効果的に冷却しつつ小型化することができる。
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
１ 電子回路
４ 冷却フィン
５ 半導体素子部
６ ヒートシンク
Ｂ 電源
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ コンデンサ素子
Ｌ１ 正極バスバー
Ｌ２ 負極バスバー
Ｌ５ａ，Ｌ５ｂ，Ｌ６ａ，Ｌ６ｂ，Ｌ７ａ，Ｌ７ｂ コンデンサバスバー
Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ａ，Ｓ３ｂ スイッチング素子
Ｔ１，Ｔ２ 端子

Claims (3)

  1. 半導体素子部と、
    前記半導体素子部を挟持すると共に該半導体素子部と電気的に接続された第１バスバーと、
    第２バスバーを介して前記第１バスバーと電気的に接続されたコンデンサ素子と、
    を備え、
    前記半導体素子部を挟持している位置に対応する前記第１バスバーの表面には導電性の冷却フィンが形成され、該冷却フィンの内部には絶縁性の冷媒が供給されていることを特徴とする半導体モジュール構造。
  2. 前記半導体素子部は、半導体素子を内部に収容するパッケージ構造を有し、該パッケージ構造内の空間には樹脂モールドが充填されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール構造。
  3. 前記第１バスバーは円環状の部材によって形成されており、前記半導体素子部及び前記コンデンサ素子の組が前記第１バスバーの周方向に沿って複数配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体モジュール構造。
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