JP2021082804A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】小型で放熱性能の高い半導体モジュールを提供する。【解決手段】半導体モジュール１０１は、互いに平行な２つの放熱面１ａ，１ｂを有する半導体素子１と、半導体素子１の第１放熱面１ａに対向して設けられ第１放熱面１ａ側に配置された冷却部としての冷却器１３０に第１放熱面１ａの熱を放熱するための下部放熱部材１１０と、半導体素子１の第２放熱面１ｂの熱を冷却部１３０に放熱するための上部放熱部材１２０と、を備え、上部放熱部材１２０は、第１方向Ｙについて半導体素子１と対向するように設けられた第１熱伝導部１２１と、第２方向Ｚについて半導体素子１と対向するように設けられた第２熱伝導部１２２と、を有し、第１熱伝導部１２１を通る第１放熱経路Ｒ１と第２熱伝導部１２２を通る第２放熱経路Ｒ２のそれぞれを通じて半導体素子１の第２放熱面１ｂの熱を冷却部１３０まで伝えるように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールに関する。

従来、電気自動車やハイブリッド自動車等には、車両走行用のモータを駆動させるために、バッテリからの直流電力を交流電力に変換する電力変換装置が搭載されている。下記特許文献１には、この種の電力変換装置を構成する半導体モジュールが開示されている。

この半導体モジュールは、半導体チップである半導体素子の放熱のために、半導体素子の下面側に設けられた下側部材と、半導体素子の上面側に下側部材を跨ぐように設けられた上側部材と、を備えている。この半導体モジュールは、下側部材及び上側部材のそれぞれを介して半導体素子の下方に配置された放熱部材まで放熱経路が形成されるように構成されている。本構成によれば、半導体素子で生じた熱は、下側部材の放熱経路を放熱部材に向けて下向きに流れる一方で、上側部材の放熱経路を側方に流れたのち方向を変えて放熱部材に向けて下向きに流れる。

特開２００４−４０８９９号公報

上記半導体モジュールにおいて、上側部材のうち放熱部材に向けて下向きの放熱経路を形成する熱伝導部は、半導体素子の平面の法線方向に垂直な一方向である幅方向に設けられている。即ち、上側部材の熱伝導部は、半導体素子の幅方向の両側にのみ設けられている。このため、半導体素子の放熱性能を高めるべく上側部材の熱伝導部を幅方向に拡張すると、幅方向の寸法の増加よって半導体モジュールが大型化する要因に成り得る。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、小型で放熱性能の高い半導体モジュールを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
互いに平行な２つの放熱面（１ａ，１ｂ）を有する半導体素子（１）と、
上記半導体素子の第１放熱面（１ａ）に対向して設けられ上記第１放熱面側に配置された冷却部（１３０）に上記第１放熱面の熱を放熱するための第１放熱部材（１１０）と、
上記半導体素子の第２放熱面（１ｂ）の熱を上記冷却部に放熱するための第２放熱部材（１２０，２２０，３２０，４２０，５２０，６２０，７２０，８２０，９２０）と、
を備え、
上記第２放熱部材は、上記半導体素子の上記２つの放熱面の法線方向（Ｘ）に直交する方向であって互いに交差する方向を第１方向（Ｙ）及び第２方向（Ｚ）としたとき、上記第１方向について上記半導体素子と対向するように設けられた第１熱伝導部（１２１）と、上記第２方向について上記半導体素子と対向するように設けられた第２熱伝導部（１２２）と、を有し、上記第１熱伝導部を通る第１放熱経路（Ｒ１）と上記第２熱伝導部を通る第２放熱経路（Ｒ２）のそれぞれを通じて上記半導体素子の上記第２放熱面の熱を上記冷却部まで伝えるように構成されている、半導体モジュール（１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１，８０１，９０１）、
にある。

上記態様の半導体モジュールにおいて、半導体素子の第１放熱面の熱は第１放熱部材を第１放熱面に対向する冷却部に向けて流れることによって放熱され、半導体素子の第２放熱面の熱は第２放熱部材を冷却部に向けて流れることによって放熱される。第２放熱部材は、半導体素子の放熱面の法線方向に直交する第１方向について半導体素子と対向するように設けられた第１熱伝導部と、半導体素子の放熱面の法線方向に直交し且つ第１方向と交差する第２方向について半導体素子と対向するように設けられた第２熱伝導部と、を有する。即ち、第２放熱部材において冷却部に熱を伝えるための熱伝導部が半導体素子に対して少なくとも二方向に設けられている。

このとき、半導体素子の第１放熱面の熱は、第１放熱部材を通り形成される放熱経路を通じて冷却器まで伝わる。これに対して、半導体素子の第２放熱面の熱は、第２放熱部材の第１熱伝導部を通り形成される第１放熱経路を通じて冷却部まで伝わり、且つ第２放熱部材のうち第１熱伝導部とは別位置にある第２熱伝導部を通り形成される第２放熱経路を通じて冷却部まで伝わる。これにより、半導体素子を両面から冷却することができ、第２放熱部材が第１熱伝導部と第２熱伝導部のいずれか一方のみを有する場合に比べて、放熱経路が形成される領域を増やすことができる。その結果、第２放熱部材を第１方向または第２方向に拡張して半導体モジュールを大型化することなく半導体素子の放熱性能を高めることが可能になる。

以上のごとく、上記態様によれば、小型で放熱性能の高い半導体モジュールを提供することができる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１の半導体モジュールの平面図。 図１のII-II線矢視断面図。 図１のIII-III線矢視断面図。 図１中の上部放熱部材の斜視図。 実施形態１にかかる電力変換装置のインバータ回路図。 実施形態２の半導体モジュールの平面図。 図６中の上部放熱部材の斜視図。 実施形態３の半導体モジュールの平面図。 図８中の上部放熱部材の斜視図。 実施形態４の半導体モジュールの平面図。 図１０中の上部放熱部材の斜視図。 実施形態５の半導体モジュールについて図２に対応した断面図。 実施形態６の半導体モジュールの平面図。 図１３のXIV-XIV線矢視断面図。 図１３のXV-XV線矢視断面図。 図１３中の上部放熱部材の斜視図。 実施形態６にかかる電力変換装置のインバータ回路図。 実施形態７の半導体モジュールの平面図。 図１８中の上部放熱部材の斜視図。 実施形態８の半導体モジュールの平面図。 図２０中の上部放熱部材の斜視図。 実施形態９の半導体モジュールについて図１４に対応した断面図。 実施形態９の半導体モジュールについて図１５に対応した断面図。 実施形態１０の半導体モジュールを上方からみた平面図。 図２４のXXV-XXV線矢視断面図。 図２５中の上部放熱部材の斜視図。 実施形態１１の半導体モジュールを上方からみた平面図。 図２７のXXVIII-XXVIII線矢視断面図。 図２７のXXIX-XXIX線矢視断面図。 図２７のXXX-XXX線矢視断面図。 図２７のXXXI-XXXI線矢視断面図。

以下、電力変換装置を構成する半導体モジュールの実施形態について、図面を参照しつつ説明する。この電力変換装置は、典型的には、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載され、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う車載用電力変換装置として構成される。

なお、本明細書では、特に断わらない限り、半導体モジュールの厚み方向を矢印Ｘで示し、厚み方向と直交する第１方向を矢印Ｙで示し、厚み方向Ｘ及び第１方向Ｙの双方に直交する第２方向を矢印Ｚで示すものとする。

また、電力変換装置はその搭載位置等に影響に応じて姿勢が変化するため、電力変換装置の上下については特に限定されないが、以下では、説明の便宜上、図２及び図３の上方を電力変換装置の上方とし、図２及び図３の下方を電力変換装置の下方とする。

（実施形態１）
図１〜図３に示されるように、電力変換装置１００は、実施形態１の半導体モジュール１０１と、冷却部としての冷却器１３０と、を含む複数の要素を備え、これら複数の要素をケース（図示省略）の内部空間に収容するように構成されている。

半導体モジュール１０１は、半導体素子１と、本体部２と、正極端子３Ｐと、負極端子３Ｎと、制御端子４と、第１放熱部材としての下部放熱部材１１０と、第２放熱部材としての上部放熱部材１２０と、を備えている。この半導体モジュール１０１において、半導体素子１と、２つの放熱部材１１０，１２０は、樹脂材料からなる本体部２に封止されている。

半導体素子１は、矢印Ｘで示される方向を厚み方向とした略平板状であり、厚み方向Ｘから見たときの形状が略矩形をなすように構成されている。この半導体素子１は、互いに平行な２つの放熱面１ａ，１ｂを有する。この半導体素子１は「スイッチング素子」、「半導体チップ」とも称呼される。この半導体素子１として典型的には、ＩＧＢＴ（すなわち、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（すなわち、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）等の任意の半導体素子が使用される。

ここで、半導体素子１の厚み方向Ｘは、２つの放熱面１ａ，１ｂの法線方向でもある。また、第１方向Ｙ及び第２方向Ｚはいずれも厚み方向Ｘに直交する方向であり、これら第１方向Ｙ及び第２方向Ｚは互いに直交する（交差する）方向である。

正極端子３Ｐは、半導体素子１を後述の電源（図５中の「電源Ｂ」を参照）の正極側に電気的に接続するために本体部２から突出した金属製の端子であり、負極端子３Ｎは、半導体素子１をこの電源の負極側に電気的に接続するために本体部２から突出した金属製の端子である。制御端子４は、半導体素子１を制御回路基板（図示省略）に電気的に接続するために本体部２から突出した金属製の端子である。

冷却器１３０は、半導体素子１の第１放熱面１ａに対向して設けられている。この冷却器１３０は、熱伝導性の高い金属部材によって構成されており、複数の放熱フィン１３１（図２及び図３を参照）を備えている。なお、必要に応じて冷却器１３０に冷媒流路を設け、この冷媒流路を流れる冷媒を利用して冷却性能を強化するようにしてもよい。

下部放熱部材１１０は、半導体素子１の第１放熱面１ａに対向して設けられ、第１放熱面１ａ側に配置された冷却器１３０に第１放熱面１ａの熱を放熱する機能を果たす部材である。上部放熱部材１２０は、半導体素子１の第２放熱面１ｂの熱を冷却器１３０に放熱する機能を果たす部材である。これら２つの放熱部材１１０，１２０は、熱伝導性の高いアルムニウム等の金属材料によって構成されており、「ヒートシンク」とも称呼される。

図２及び図３に示されるように、半導体素子１の第１放熱面１ａと下部放熱部材１１０との間には、両者を接合するはんだ５が介在している。同様に、半導体素子１の第２放熱面１ｂと上部放熱部材１２０との間には、両者を接合するはんだ５が介在している。また、２つの放熱部材１１０，１２０と冷却器１３０との間には共通の放熱面を構成する電気絶縁板６が介装されている。これにより、２つの放熱部材１１０，１２０は、冷却器１３０に対する電気絶縁が担保されている。この場合、２つの放熱部材１１０，１２０は、電気絶縁板６を隔てて冷却器１３０に間接的に接合されている。電気絶縁板６として、典型的には、熱伝導性を有し且つ電気絶縁性を有するセラミック等の素材からなる部材を採用することができる。

図１に示されるように、上部放熱部材１２０は、半導体素子１の第２放熱面１ｂに対向してこの第２放熱面１ｂに沿って延在する天板部１２０ａと、第１方向Ｙについて半導体素子１と対向するように設けられた２つの第１熱伝導部１２１と、第２方向Ｚについて半導体素子１と対向するように設けられた１つの第２熱伝導部１２２と、を有する。天板部１２０ａは、厚み方向Ｘから見たとき半導体素子１と重なるように配置されている。２つの第１熱伝導部１２１と１つの第２熱伝導部１２２の３つは互いに離間して配置されている。本実施形態では、上部放熱部材１２０は、これら第１熱伝導部１２１及び第２熱伝導部１２２が天板部１２０ａを介して一体化された一部品として構成されている。

上部放熱部材１２０の天板部１２０ａは、半導体素子１の第２放熱面１ｂからの受熱を効率よく行うために、第１方向Ｙ及び第２方向Ｚのいずれについてもその寸法が半導体素子１の寸法以上であるのが好ましい。また、上部放熱部材１２０における放熱性能の向上のために、第１熱伝導部１２１の第２方向Ｚの寸法が半導体素子１の第２方向Ｚの寸法以上であり、第２熱伝導部１２２の第１方向Ｙの寸法が半導体素子１の第１方向Ｙの寸法以上であるのが好ましい。

なお、必要に応じて、第１熱伝導部１２１及び第２熱伝導部１２２を天板部１２０ａとは別体とし、組付け時に天板部１２０ａに熱伝導可能に接合されるようにしてもよい。或いは、天板部１２０ａの一部を第１熱伝導部１２１及び第２熱伝導部１２２のそれぞれに統合することによって、上部放熱部材１２０が第１熱伝導部１２１及び第２熱伝導部１２２のみからなるようしてもよい。

この上部放熱部材１２０は、天板部１２０ａから各第１熱伝導部１２１を通る第１放熱経路Ｒ１と天板部１２０ａから第２熱伝導部１２２を通る第２放熱経路Ｒ２のそれぞれを通じて半導体素子１の第２放熱面１ｂの熱を冷却器３０まで伝えるように構成されている。半導体素子１の発熱時に第１放熱経路Ｒ１及び第２放熱経路Ｒ２のそれぞれに冷却器３０に向かう熱流れが生じる。

図２及び図４に示されるように、第１放熱経路Ｒ１は、上部放熱部材１２０の天板部１２０ａを第１方向Ｙへ移動した熱が方向転換して各第１熱伝導部１２１を冷却器３０に向けて下向きに流れる放熱経路である。これに対して、図３及び図４に示されるように、第２放熱経路Ｒ２は、上部放熱部材１２０の天板部１２０ａを第２方向Ｚへ移動した熱が方向転換して各第１熱伝導部１２１を冷却器３０に向けて下向きに流れる放熱経路である。このように、第１放熱経路Ｒ１及び第２放熱経路Ｒ２はいずれも、半導体素子１の第２放熱面１ｂから熱がＵターンするようにして逆方向に流れる経路であり、この点で、後述する、直線状に延びる放熱経路Ｓと相違している。

図２及び図３に示されるように、下部放熱部材１１０は、厚み方向Ｘから見たとき半導体素子１と重なるように配置されており、冷却器３０に向かう放熱経路Ｓを通じて半導体素子１の第１放熱面１ａの熱を冷却器３０まで伝えるように構成されている。放熱経路Ｓは、下部放熱部材１１０を冷却器３０に向けて下向きに直線状に流れる放熱経路である。下部放熱部材１１０は、半導体素子１の第１放熱面１ａからの受熱を効率よく行うために、第１方向Ｙ及び第２方向Ｚのいずれについてもその寸法が半導体素子１の寸法以上であるのが好ましい。

なお、本明細書の説明のための図面では、説明の便宜上、上記の放熱経路Ｒ１，Ｒ２，Ｓを１つの線で示している。実際には、放熱経路Ｒ１，Ｒ２，Ｓの熱流れは各放熱部材の広範囲にわたり生じ得る。例えば、上部放熱部材１２０において、第１放熱経路Ｒ１は第１熱伝導部１２１に第２方向Ｚへ広がるように形成され、第２放熱経路Ｒ２は第２熱伝導部１２２に第１方向Ｙへ広がるように形成される。

図５に示されるように、電力変換装置１００のインバータ回路は、電源Ｂの正極側と負極側との間に並列接続された３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のレグを備える。各レグにおいて、２つの半導体モジュール１０１のうちの一方の半導体モジュール１０１の半導体素子１が上アーム半導体素子１ｕとなり、他方の半導体モジュール１０１の半導体素子１が下アーム半導体素子１ｄとなる。上アーム半導体素子１ｕと下アーム半導体素子１ｄが互いに直列接続されている。

上アーム半導体素子１１ｕは、電源Ｂの高電位側端子に電気的に接続されている。下アーム半導体素子１１ｄは、電源Ｂの低電位側端子に電気的に接続されている。上アーム半導体素子１１ｕと下アーム半導体素子１１ｄとの接続点は電力機器としてのモータＭの３つの電極に接続されている。また、各半導体素子１１には、フライホイールダイオードが逆並列接続されている。

次に、上述の実施形態１の作用効果について説明する。

上記半導体モジュール１０１において、半導体素子１の第１放熱面１ａの熱は下部放熱部材１１０を第１放熱面１ａに対向する冷却器１３０に向けて流れることによって放熱され、半導体素子１の第２放熱面１ｂの熱は上部放熱部材１２０を冷却器１３０に向けて流れることによって放熱される。上部放熱部材１２０は、半導体素子１の放熱面１ａ，１ｂの法線方向Ｘに直交する第１方向Ｙについて半導体素子１と対向するように設けられた２つの第１熱伝導部１２１と、半導体素子１の放熱面１ａ，１ｂの法線方向Ｘに直交し且つ第１方向Ｙと交差する第２方向Ｚについて半導体素子１と対向するように設けられた第２熱伝導部１２２と、を有する。即ち、上部放熱部材１２０において冷却器１３０に熱を伝えるための熱伝導部１２１，１２２が半導体素子１に対して少なくとも二方向に設けられている。

このとき、半導体素子１の第１放熱面１ａの熱は、下部放熱部材１１０を通り形成される放熱経路Ｓを通じて冷却器１３０まで伝わる。これに対して、半導体素子１の第２放熱面１ｂの熱は、上部放熱部材１２０の第１熱伝導部１２１を通り形成される第１放熱経路Ｒ１を通じて冷却器１３０まで伝わり、且つ上部放熱部材１２０のうち第１熱伝導部１２１とは別位置にある第２熱伝導部１２２を通り形成される第２放熱経路Ｒ２を通じて冷却器１３０まで伝わる。これにより、半導体素子１を両面から冷却することができ、上部放熱部材１２０が第１熱伝導部１２１と第２熱伝導部１２２のいずれか一方のみを有する場合に比べて、放熱経路が形成される領域を増やすことができる。その結果、上部放熱部材１２０を第１方向Ｙまたは第２方向Ｚに拡張して半導体モジュール１０１を大型化することなく半導体素子１の放熱性能を高めることが可能になる。

以上のごとく、上述の実施形態１によれば、小型で放熱性能の高い半導体モジュール１０１を提供することができる。

上記の半導体モジュール１０１によれば、上部放熱部材１２０を第１熱伝導部１２１及び第２熱伝導部１２２が一体化された一部品として構成することによって、部品点数を少なくでき低コスト化を図ることができる。

以下、上記の実施形態１に関連する他の実施形態について図面を参照しつつ説明する。他の実施形態において、実施形態１の要素と同一の要素には同一の符号を付しており、当該同一の要素についての説明を省略する。

（実施形態２）
図６に示される電力変換装置２００は、実施形態２の半導体モジュール２０１を備えている。この半導体モジュール２０１は、上部放熱部材２２０の構成が実施形態１のものと相違している。

図６及び図７に示されるように、上部放熱部材２２０は、１つの第１熱伝導部１２１と、１つの第２熱伝導部１２２と、を有し、これらの第１熱伝導部１２１と第２熱伝導部１２２が互いに離間して配置されている。即ち、第１熱伝導部１２１と第２熱伝導部１２２との間に隙間が形成されている。

その他は、実施形態１と同様である。

実施形態２の半導体モジュール２０１によれば、実施形態１の半導体モジュール１０１に比べて、上部放熱部材２２０の構造を簡素化できる。

その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態３）
図８に示される電力変換装置３００は、実施形態３の半導体モジュール３０１を備えている。この半導体モジュール３０１は、上部放熱部材３２０の構成が実施形態１のものと相違している。

図８及び図９に示されるように、上部放熱部材３２０は、１つの第１熱伝導部１２１と、１つの第２熱伝導部１２２と、を有し、これらの第１熱伝導部１２１と第２熱伝導部１２２が接合されて一体化されている。即ち、第１熱伝導部１２１と第２熱伝導部１２２は隙間なく繋がっている。

その他は、実施形態１と同様である。

実施形態３の半導体モジュール３０１によれば、実施形態１の半導体モジュール１０１に比べて、上部放熱部材３２０の構造を簡素化できる。

その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態４）
図１０に示される電力変換装置４００は、実施形態４の半導体モジュール４０１を備えている。この半導体モジュール４０１は、上部放熱部材４２０の構成が実施形態１のものと相違している。

図１０及び図１１に示されるように、上部放熱部材４２０は、２つの第１熱伝導部１２１と、１つの第２熱伝導部１２２と、を有し、２つの第１熱伝導部１２１のうちの一方と１つの第２熱伝導部１２２が接合されて一体化され、残りの第１熱伝導部１２１が離間して配置されている。

その他は、実施形態１と同様である。

実施形態４の半導体モジュール４０１によれば、実施形態１の半導体モジュール１０１に比べて、上部放熱部材４２０の構造を簡素化できる。

その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

なお、実施形態４に特に関連する変更例として、２つの第１熱伝導部１２１と１つの第２熱伝導部１２２との３つが一体化された構造を採用することもできる。

（実施形態５）
図１２に示される電力変換装置５００は、実施形態５の半導体モジュール５０１を備えている。この半導体モジュール５０１は、上部放熱部材５２０の構成、および冷却器１３０との接合構造が実施形態１のものと相違している。

図１２に示されるように、半導体モジュール５０１において、下部放熱部材１１０及び上部放熱部材５２０のそれぞれが厚み方向Ｘについて複数に分割され、分割された箇所に共通の電気絶縁板１２３が介装されている。これにより、下部放熱部材１１０及び上部放熱部材５２０は、冷却器１３０に対する電気絶縁が担保されている。この電気絶縁板１２３として、典型的には、熱伝導性を有し且つ電気絶縁性を有するセラミック等の素材からなる部材を採用することができる。

下部放熱部材１１０及び上部放熱部材５２０はいずれも、冷却器１３０に界面密着用の介装材７を介して接合されている。介装材７として、典型的には、放熱シートやグリースなどを使用するのが好ましい。なお、必要に応じて介装材７を２つに分離して、下部放熱部材１１０と上部放熱部材５２０のそれぞれに割り当てるようにしてもよい。

その他は、実施形態１と同様である。

実施形態５の半導体モジュール５０１によれば、介装材７を使用することによって、冷却器１３０に対する取外しが容易になる。

実施形態５の半導体モジュール５０１によれば、下部放熱部材１１０及び上部放熱部材５２０はいずれも、冷却器１３０に電気絶縁された状態で接合されるため、熱の伝えにくさの指標となる熱抵抗を小さく抑えることができ、放熱性能を向上させることができる。

このとき、下部放熱部材１１０及び上部放熱部材１２０が押付部材８によって冷却器１３０に押し付けられるのが好ましい。これにより、上記熱抵抗を更に小さくして放熱性能の更なる向上を図ることができる。押付部材８として、典型的には、ばね等の弾性部材を使用するのが好ましい。所望の放熱性能が得られる場合には、この押付部材８を省略してもよい。

その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

なお、実施形態５に特に関連する変更例として、金属材料を含む導電性の介装材７を使用することによって、或いは介装材７自体を省略することによって、下部放熱部材１１０及び上部放熱部材５２０が冷却器１３０に直に金属接合される構造を採用することもできる。これにより、下部放熱部材１１０及び上部放熱部材５２０と冷却器１３０との間の熱抵抗を低く抑えることができる。また、介装材７自体を省略した場合には、部品点数を削減する効果が得られる。

（実施形態６）
図１３に示される電力変換装置６００は、実施形態６の半導体モジュール６０１を備えている。この半導体モジュール６０１は、半導体素子１及び上部放熱部材６２０の構成が実施形態１のものと相違している。

図１３に示されるように、半導体モジュール６０１は、２つの半導体素子１（第１半導体素子１Ａ及び第２半導体素子１Ｂ）と、本体部２と、正極端子３Ｐと、負極端子３Ｎと、出力端子３Ｏと、制御端子４と、２つの下部放熱部材１１０と、１つの上部放熱部材６２０と、を備えている。出力端子３Ｏは、各半導体素子１を電力機器（図１７中の「モータＭ」を参照）に電気的に接続するための金属製の端子である。制御端子４は、各半導体素子１に対して設けられている。

上部放熱部材６２０は、天板部１２０ａと、第１方向Ｙについて各半導体素子１と対向するように設けられた３つの第１熱伝導部１２１（図１４及び図１６を参照）と、第２方向Ｚについて半導体素子１と対向するように設けられた２つの第２熱伝導部１２２（図１５及び図１６を参照）と、を有する。この上部放熱部材６２０は、これら第１熱伝導部１２１及び第２熱伝導部１２２が天板部１２０ａを介して一体化された一部品として構成されている。

図１６に示されるように、３つの第１熱伝導部１２１のうちの真ん中の１つは、互いに隣接する２つの半導体素子１の間に設けられた中間熱伝導部１２１Ａとして構成されている。２つの第２熱伝導部１２２のそれぞれが、２つの半導体素子１のそれぞれに対向するように構成されている。これにより、各半導体素子１の第２放熱面１ｂの熱は、第１方向Ｙの両側の２つの第１熱伝導部１２１を通る第１放熱経路Ｒ１を通じて冷却器３０まで伝わり、且つ１つの第２熱伝導部１２２を通る第２放熱経路Ｒ２を通じて冷却器３０まで伝わる。

図１７に示されるように、各半導体モジュール６０１において、２つの半導体素子１の一方である第１半導体素子１Ａは、３相のレグのいずれかの上アーム半導体素子１ｕとなり、２つの半導体素子１の他方である第２半導体素子１Ｂは、３相のレグのいずれかの下アーム半導体素子１ｄとなる。

実施形態６の半導体モジュール６０１によれば、互いに隣接する２つの半導体素子１の間に上部放熱部材６２０の中間熱伝導部１２１Ａを介在させることによって、第１放熱経路Ｒ１を形成する第２熱伝導部１２２の数を増やすことができる。また、中間熱伝導部１２１Ａを、２つの半導体素子１のための共通の第２熱伝導部１２２として兼用できる。
なお、この半導体モジュール６０１の上部放熱部材６２０は、第１半導体素子１Ａと第２半導体素子１Ｂを電気的に直列につなぐものである。この場合、図１４において、例えば、第１半導体素子１Ａはその上部がエミッタであり、第２半導体素子１Ｂはその上部がコレクタである。

実施形態６の半導体モジュール６０１によれば、２つの半導体素子１を共通の本体部２に封止することができる。

その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

なお、実施形態６に特に関連する変更例として、３つの第１熱伝導部１２１と２つの第２熱伝導部１２２との５つのうちの少なくとも２つが一体化された構造を採用することもできる。また、第１方向Ｙに並置される半導体素子１の数を必要に応じて３つ以上に増やすこともできる。

（実施形態７）
図１８に示される電力変換装置７００は、実施形態７の半導体モジュール７０１を備えている。この半導体モジュール７０１は、上部放熱部材７２０の構成が実施形態６のものと相違している。

図１８及び図１９に示されるように、上部放熱部材７２０は、２つの第１熱伝導部１２１と、２つの第２熱伝導部１２２と、を有しており、２つの半導体素子１の間に実施形態６の中間熱伝導部１２１Ａに相当する第１熱伝導部１２１が設けられていない。

その他は、実施形態６と同様である。

実施形態７の半導体モジュール７０１によれば、実施形態６の半導体モジュール６０１に比べて、上部放熱部材７２０の構造を簡素化できる。また、中間熱伝導部１２１Ａを省略することによって、互いに隣接する２つの半導体素子１の間の中間領域が本体部２による樹脂部によって埋められる。このため、中間熱伝導部１２１Ａがある場合に比べて２つの半導体素子１の間で熱が移動しにくくなり、各半導体素子１が受熱する影響を防ぐことができる。

その他、実施形態６と同様の作用効果を有する。

なお、実施形態７に特に関連する変更例として、２つの第１熱伝導部１２１と２つの第２熱伝導部１２２との４つのうちの少なくとも２つが一体化された構造を採用することもできる。

（実施形態８）
図２０に示される電力変換装置８００は、実施形態８の半導体モジュール８０１を備えている。この半導体モジュール８０１は、上部放熱部材８２０の構成が実施形態６のものと相違している。

図２０及び図２１に示されるように、上部放熱部材７２０は、１つの第１熱伝導部１２１（中間熱伝導部１２１Ａ）と、２つの第２熱伝導部１２２と、を有しており、第１方向Ｙの両側に第１熱伝導部１２１が設けられていない。

その他は、実施形態６と同様である。

実施形態８の半導体モジュール８０１によれば、実施形態６の半導体モジュール６０１に比べて、上部放熱部材８２０の構造を簡素化できる。

その他、実施形態６と同様の作用効果を有する。

なお、実施形態８に特に関連する変更例として、１つの中間熱伝導部１２１Ａと２つの第２熱伝導部１２２との３つのうちの少なくとも２つが一体化された構造を採用することもできる。

（実施形態９）
図２２に示される電力変換装置９００は、実施形態９の半導体モジュール９０１を備えている。この半導体モジュール９０１は、下部放熱部材１１０の構成、上部放熱部材９２０の構成、および冷却器１３０との接合構造が実施形態６のものと相違している。

図２２及び図２３に示されるように、各下部放熱部材１１０は、厚み方向Ｘについて複数に分割され、分割された箇所に電気絶縁板１２４が介装されている。電気絶縁板１２４は、厚み方向Ｘから見たとき、各下部放熱部材１１０を完全に覆うような形状を有する。このとき、電気絶縁板１２４は、各下部放熱部材１１０を冷却器１３０に対して電気的に絶縁する機能を果たす。これにより、各下部放熱部材１１０は、冷却器１３０に対する電気絶縁が担保されている。

上部放熱部材９２０は、各半導体素子１のそれぞれの第２放熱面２ｂに対向して設けられた２つの対向部１２０ｂを備えている。各対向部１２０ｂは、天板部１２０ａの一部を分割することによって構成され、分割された箇所に絶縁部としての電気絶縁板１２５が介装されている。電気絶縁板１２５は、厚み方向Ｘから見たとき、各対向部１２０ｂを完全に覆うような形状を有する。このとき、電気絶縁板１２５は、各対向部１２０ｂと第１熱伝導部１２１及び第２熱伝導部１２２との間を電気的に絶縁する機能を果たす。これにより、上部放熱部材９２０は、冷却器１３０に対する電気絶縁が担保されている。

電気絶縁板１２４，１２５として、典型的には、熱伝導性を有し且つ電気絶縁性を有するセラミック等の素材からなる部材を採用することができる。

下部放熱部材１１０及び上部放熱部材９２０はいずれも、冷却器１３０に電気絶縁された状態で、実施形態５と同様の介装材７を介して接合されている。介装材７として、典型的には、放熱シートやグリースなどを使用するのが好ましい。なお、必要に応じて介装材７を３つに分離して、２つの下部放熱部材１１０と１つの上部放熱部材９２０のそれぞれに割り当てるようにしてもよい。

その他は、実施形態６と同様である。

実施形態９の半導体モジュール９０１によれば、介装材７を使用することによって、冷却器１３０に対する取外しが容易になる。

実施形態９の半導体モジュール９０１によれば、下部放熱部材１１０及び上部放熱部材９２０はいずれも、冷却器１３０に電気絶縁された状態で接合されるため、熱の伝えにくさの指標となる熱抵抗を小さく抑えることができ、放熱性能を向上させることができる。

このとき、実施形態５の場合と同様の押付部材８によって、下部放熱部材１１０及び上部放熱部材９２０が冷却器１３０に押し付けられるのが好ましい。これにより、上記熱抵抗を更に小さくして放熱性能の更なる向上を図ることができる。

その他、実施形態６と同様の作用効果を有する。

なお、実施形態９に特に関連する変更例として、金属材料を含む導電性の介装材７を使用することによって、或いは介装材７自体を省略することによって、下部放熱部材１１０及び上部放熱部材９２０が冷却器１３０に直に金属接合される構造を採用することもできる。これにより、下部放熱部材１１０及び上部放熱部材９２０と冷却器１３０との間の熱抵抗を低く抑えることができる。また、介装材７自体を省略した場合には、部品点数を削減する効果が得られる。

（実施形態１０）
図２４及び図２５に示される電力変換装置１０００は、実施形態１０の半導体モジュール１００１を備えている。この半導体モジュール１００１は、実施形態６の半導体モジュール６０１に対して、２つの半導体素子１Ａ，１Ｂを有する点で一致する一方で、上部放熱部材１０２０の構成について相違している。

図２４〜図２６に示されるように、下部放熱部材１１０は、２つの半導体素子１Ａ，１Ｂのそれぞれに対して設けられている。これに対して、上部放熱部材１０２０は、２つの半導体素子１Ａ，１Ｂに共通で設けられている。

上部放熱部材１０２０は、４つの熱伝導部（３つの第１熱伝導部１２１と１つの第２熱伝導部１２２）を有する。これら第１熱伝導部１２１及び第２熱伝導部１２２のそれぞれは、上部放熱部材１０２０を冷却器１３０側の電気絶縁板６に対する接地足として構成されている。この場合、各第１熱伝導部１２１及び第２熱伝導部１２２のそれぞれの底面が接地足の接地面となる。従って、上部放熱部材１０２０の第１熱伝導部１２１及び第２熱伝導部１２２は、冷却器１３０側の電気絶縁板６に４つの接地足による４面で接地するように構成されている。ここでいう「接地」を「接触」或いは「当接」ということもできる。

本構成によれば、上部放熱部材１０２０の冷却器１３０側の接地面の数を増やすことによって、上部放熱部材１０２０の熱拡散性能を高めて半導体素子１の冷却性能を向上させることができる。

なお、上部放熱部材１０２０の接地面の数は特に限定されないが、制御端子４のような信号線の取り回しを阻害しないことを条件に、冷却器１３０側の電気絶縁板６に３面以上で接地するように構成するのが好ましい。この半導体モジュール１００１では、本実施形態では、制御端子４が第２方向Ｚの片側から突出するように構成されている。

上部放熱部材１０２０は、下部放熱部材１１０に比べて冷却器１３０から遠い範囲まで配置されている。そこで、本実施形態では、上部放熱部材１０２０の熱拡散性能を高めるために、半導体モジュール１００１は、上部放熱部材１０２０の厚み方向Ｘの寸法ｄ２，ｄ３が下部放熱部材１１０の厚み方向Ｘの寸法ｄ１を上回るように構成されるのが好ましい（図２５を参照）。ここで、寸法ｄ２は、天板部１２０ａの厚み寸法であり、寸法ｄ３は、天板部１２０ａと第１熱伝導部１２１及び第２熱伝導部１２２を合わせた状態での厚み寸法である。本構成によれば、天板部１２０ａの寸法ｄ２が下部放熱部材１１０の寸法ｄ１以下である場合に比べて、上部放熱部材１０２０による半導体素子１の冷却性能を向上させることができる。

半導体モジュール１００１は、冷却器１３０に対する上部放熱部材１０２０の接地面積が冷却器１３０に対する下部放熱部材１１０の接地面積を上回るように構成されるのが好ましい。ここで、上部放熱部材１０２０の接地面積は、４つの接地足の底面の面積を合わせた面積であり、下部放熱部材１１０の接地面積は、２つの下部放熱部材１１０の底面の面積を合わせた面積である。本構成によれば、上部放熱部材１０２０による半導体素子１の冷却性能を向上させることができる。

上部放熱部材１０２０は、同一平面で接合された複数の接合部品からなるのが好ましい。本実施形態では、同一平面である天板部１２０ａの下面Ｐに、接合部品としての４つの接地足（３つの第１熱伝導部１２１と１つの第２熱伝導部１２２）が接合されている（図２５を参照）。これにより、上部放熱部材１０２０の製造を簡素化することができ、また上部放熱部材１０２０の寸法のばらつきを吸収できるという作用効果が得られる。

半導体モジュール１００１は、上部放熱部材１０２０の熱伝導率が下部放熱部材１１０の熱伝導率を上回るように構成されるのが好ましい。典型的には、材質や形状を適宜に選択することによって本構成を実現できる。本構成によれば、上部放熱部材１０２０による半導体素子１の冷却性能を向上させることができる。

その他、実施形態６と同様の構成を有し、実施形態６と同様の作用効果を奏する。

なお、必要に応じて、実施形態１０の半導体モジュール１００１の特徴的な構成を、実施形態１〜９のそれぞれに適用することもできる。

（実施形態１１）
図２７〜図３１に示される電力変換装置１１００は、実施形態１１の半導体モジュール１１０１を備えている。この半導体モジュール１１０１は、実施形態１０の半導体モジュール１００１に対して、下部放熱部材１１０が２つの半導体素子１Ａ，１Ｂのそれぞれに対して設けられている点で一致する一方で、上部放熱部材１１２０が２つの半導体素子１Ａ，１Ｂのそれぞれに対して設けられている点で相違している。また、この半導体モジュール１１０１では、制御端子４が第１方向Ｙの両側から突出するように構成されている。

２つの半導体素子１Ａ，１Ｂのうちの一方を半導体素子１Ａとし、他方を半導体素子１Ｂとしたとき、一方の半導体素子１Ａに対して下部放熱部材１１０Ａ及び上部放熱部材１１２０Ａが設けられ、他方の半導体素子１Ｂに対して下部放熱部材１１０Ｂ及び上部放熱部材１１２０Ｂが設けられている。

図２７に示されるように、半導体モジュール１１０１は、下部放熱部材１１０Ｂが半導体素子１Ｂの第１放熱面１ａ（図２８を参照）に対向する対向面積が、下部放熱部材１１０Ａが半導体素子１Ａの第１放熱面１ａに対向する対向面積を上回るように構成されている。また、下部放熱部材１１０Ｂは、第１熱伝導部１２１を介して上部放熱部材１１２０Ａと接続されるように構成されている。本構成によれば、半導体素子１Ｂの冷却性能の向上と半導体モジュール１１０１の小型化を両立するのに有効である。

図２７に示されるように、半導体モジュール１１０１は、上部放熱部材１１２０Ａと上部放熱部材１１２０Ｂは、厚み方向Ｘについて互いに上下に重なるように配置されるのが好ましい。上部放熱部材１１２０Ｂの一部は、上部放熱部材１１２０Ａの上方に隙間を隔てて対向配置されている。これにより、半導体モジュール１１０１とコンデンサ（例えば、図１７のインバータ回路に示すコンデンサ（符号なし））との間の寄生インダクタンスを低減しつつ半導体素子１Ａ，１Ｂの冷却性能を確保した上で、半導体モジュール１１０１を小型化するのに有効である。

上部放熱部材１１２０Ａは、冷却器３０に対する接地足として、第１熱伝導部１２１と下部放熱部材１１０Ａの一部とからなる１つの接地足（図２７及び図３０を参照）と、２つの第２熱伝導部１２２からなる２つの接地足（図２７及び図２９を参照）と、を有する。これに対して、上部放熱部材１１２０Ｂは、冷却器３０に対する接地足として、２つの第２熱伝導部１２２からなる２つの接地足（図２７及び図３１を参照）を有する。即ち、半導体素子１Ａに対して設けられている上部放熱部材１１２０Ａの接地足の数が３つであり、半導体素子１Ｂに対して設けられている上部放熱部材１１２０Ｂの接地足の数である２つを上回るようになっている。これらの接地足はいずれも、制御端子４の取り出しを邪魔しない位置に設けられている。これにより、制御端子４の取り出しスペースを確保しつつ、半導体素子１Ｂに比べて半導体素子１Ａの冷却性能を向上させることができる。また、半導体モジュール１１０１を小型化するのに有効である。

また、半導体モジュール１１０１は、冷却器３０に対する上部放熱部材１１２０Ａの接地面積が、冷却器３０に対する上部放熱部材１１２０Ｂの接地面積を上回るように構成されるのが好ましい。即ち、上部放熱部材１１２０Ａの３つの接地足を合わせた接地面積の方が、上部放熱部材１１２０Ｂの２つの接地足を合わせた接地面積よりも大きくなるように構成されている。これにより、半導体素子１Ｂに比べて半導体素子１Ａの冷却性能を向上させることができる。

その他、実施形態１０と同様の構成を有し、実施形態１０と同様の作用効果を奏する。

なお、必要に応じて、実施形態１１の半導体モジュール１１０１の特徴的な構成を、実施形態１〜１０のそれぞれに適用することもできる。

本発明は、上記の典型的な実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の応用や変形が考えられる。例えば、上記の実施形態を応用した次の各形態を実施することもできる。

上述の実施形態では、各半導体モジュールの半導体素子１に対して第２方向Ｚの一方側のみに第２熱熱伝導部１２２を設ける場合について例示したが、これに代えて、第２方向Ｚの両側に第２熱熱伝導部１２２を設ける構造を採用することもできる。

上述の実施形態では、第１方向Ｙと第２方向Ｚが互いに直交する場合について例示したが、第１方向Ｙと第２方向Ｚは、互いに交差していれば直交していることを問わない。

上述の実施形態では、半導体モジュールの本体部２に１つ或いは２つの半導体素子１が内蔵される場合について例示したが、本体部２に内蔵される半導体素子１の数は特に限定されるものではなく、例えば、３つ以上の半導体素子１が本体部２に内蔵される構造を採用することもできる。

上述の実施形態では、車載用電力変換装置に使用する半導体モジュールについて例示したが、この半導体モジュールの用途は車載用電力変換装置のみに限定されるものではなく、車両以外の機器に搭載される電力変換装置に使用できることは勿論である。

１，１Ａ，１Ｂ…半導体素子、１ａ…第１放熱面、１ｂ…第２放熱面、７…介装材、８…押付部材、１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１，８０１，９０１，１００１，１１０１…半導体モジュール、１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ…下部放熱部材（第１放熱部材）、１２０，２２０，３２０，４２０，５２０，６２０，７２０，８２０，９２０，１０２０，１１２０，１１２０Ａ，１１２０Ｂ…上部放熱部材（第２放熱部材）、１２０ｂ…対向部、１２１…第１熱伝導部（接地足）、１２２…第２熱伝導部（接地足）、１２５…電気絶縁板（絶縁部）、１３０…冷却器（冷却部）、ｄ１，ｄ２…寸法、Ｐ…天板部の下面（同一平面）、Ｒ１…第１放熱経路、Ｒ２…第２放熱経路、Ｘ…厚み方向（法線方向）、Ｙ…第１方向、Ｚ…第２方向

Claims (17)

1. 互いに平行な２つの放熱面（１ａ，１ｂ）を有する半導体素子（１）と、
   上記半導体素子の第１放熱面（１ａ）に対向して設けられ上記第１放熱面側に配置された冷却部（１３０）に上記第１放熱面の熱を放熱するための第１放熱部材（１１０）と、
   上記半導体素子の第２放熱面（１ｂ）の熱を上記冷却部に放熱するための第２放熱部材（１２０，２２０，３２０，４２０，５２０，６２０，７２０，８２０，９２０，１０２０，１１２０）と、
   を備え、
   上記第２放熱部材は、上記半導体素子の上記２つの放熱面の法線方向（Ｘ）に直交する方向であって互いに交差する方向を第１方向（Ｙ）及び第２方向（Ｚ）としたとき、上記第１方向について上記半導体素子と対向するように設けられた第１熱伝導部（１２１）と、上記第２方向について上記半導体素子と対向するように設けられた第２熱伝導部（１２２）と、を有し、上記第１熱伝導部を通る第１放熱経路（Ｒ１）と上記第２熱伝導部を通る第２放熱経路（Ｒ２）のそれぞれを通じて上記半導体素子の上記第２放熱面の熱を上記冷却部まで伝えるように構成されている、半導体モジュール（１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１，８０１，９０１，１００１，１１０１）。
2. 上記第２放熱部材において上記第１熱伝導部と上記第２熱伝導部が一体化されている、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 複数の上記半導体素子が上記第１方向に並置されており、互いに隣接する２つの上記半導体素子の間に上記第２放熱部材の上記第１熱伝導部が設けられている、請求項１または２に記載の半導体モジュール。
4. 上記第２放熱部材は、複数の上記半導体素子のそれぞれの上記第２放熱面に対向して設けられた対向部（１２０ｂ）と、上記対向部と上記第１熱伝導部及び上記第２熱伝導部との間を電気的に絶縁する絶縁部（１２５）と、を有する、請求項３に記載の半導体モジュール。
5. 複数の上記半導体素子が上記第１方向に並置されており、互いに隣接する２つの上記半導体素子の間に上記第２放熱部材の上記第１熱伝導部が設けられていない、請求項１または２に記載の半導体モジュール。
6. 上記第１放熱部材及び上記第２放熱部材はいずれも、上記冷却部に金属接合されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
7. 上記第１放熱部材及び上記第２放熱部材はいずれも、上記冷却部に界面密着用の介装材（７）を介して接合されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
8. 上記第１放熱部材及び上記第２放熱部材が押付部材（８）によって上記冷却部に押し付けられる、請求項７に記載の半導体モジュール。
9. 上記第２放熱部材の上記第１熱伝導部及び上記第２熱伝導部は、上記冷却部に３面以上で接地するように構成されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
10. 上記第２放熱部材の上記法線方向の寸法（ｄ２）が上記第１放熱部材の上記法線方向の寸法（ｄ１）を上回る、請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
11. 上記冷却部に対する上記第２放熱部材の接地面積が上記冷却部に対する上記第１放熱部材の接地面積を上回る、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
12. 少なくとも２つの上記半導体素子（１Ａ，１Ｂ）を備え、上記第１放熱部材が２つの上記半導体素子のそれぞれに対して設けられており、
    ２つの上記半導体素子のいずれか一方に対して設けられている上記第１放熱部材が当該半導体素子の上記第１放熱面に対向する対向面積が、２つの上記半導体素子のいずれか他方に対して設けられている上記第１放熱部材が半導体素子の上記第１放熱面に対向する対向面積を上回る、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
13. 少なくとも２つの上記半導体素子（１Ａ，１Ｂ）を備え、上記第２放熱部材が２つの上記半導体素子のそれぞれに対して設けられており、
    ２つの上記半導体素子のいずれか一方に対して設けられている上記第２放熱部材の上記冷却部に対する接地面積が、２つの上記半導体素子のいずれか他方に対して設けられている上記第２放熱部材の上記冷却部に対する接地面積を上回る、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
14. 少なくとも２つの上記半導体素子（１Ａ，１Ｂ）を備え、上記第２放熱部材が２つの上記半導体素子のそれぞれに対して設けられ、上記第１熱伝導部及び上記第２熱伝導部が上記冷却部に対する接地足として設けられており、
    ２つの上記半導体素子のいずれか一方に対して設けられている上記第２放熱部材の上記接地足の数が、２つの上記半導体素子のいずれか他方に対して設けられている上記第２放熱部材の上記接地足の数を上回る、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
15. 少なくとも２つの上記半導体素子（１Ａ，１Ｂ）を備え、
    ２つの上記半導体素子のいずれか一方に対して設けられている上記第２放熱部材と、２つの上記半導体素子のいずれか他方に対して設けられている上記第２放熱部材が、上記法線方向について互いに重なるように配置されている、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
16. 上記第２放熱部材は、同一平面（Ｐ）で接合された複数の接合部品からなる、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
17. 上記第２放熱部材の熱伝導率が上記第１放熱部材の熱伝導率を上回る、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の半導体モジュール。

Images