JP3449217B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、大電流の制御に使
用される非絶縁型半導体モジュールにおいて、機能的な
バス・バー取り付け構造および放熱部材取り付け構造お
よびベース基板構造および絶縁ケース構造を備える半導
体モジュールに関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、バッテリー・フォークリフト等の
電気モータ駆動の車両に使用されるモータ・コントロー
ル装置において、制御回路の最終段には走行用のメイン
モータに直接電力を供給するバッテリーのスイッチング
デバイスとして、特に電流容量の大きい半導体モジュー
ルが使用される。半導体モジュールは複数個のパワー半
導体チップを１つの絶縁パッケージに組み込んだもので
あり、同じチップを単に並列に組み込んで電流容量を大
きくしたもの、何種類かのチップで簡単な回路を構成し
たもの、半導体チップのドライブ回路を内蔵したものな
ど多様な内部構成のものがある。パッケージは普通プラ
スチックで構成されており、さらにパッケージ内部の空
洞部には下からゲル、およびエポキシ絶縁がチップ周辺
回路の酸化防止用に充填されている。 【０００３】また、半導体モジュールは大電流を制御す
る用途の性質上発熱が非常に大きく、そのため発熱源の
電流制御回路本体である半導体チップを、熱容量が大き
く放熱効果の高い（熱伝導率の高い）放熱基板上に直接
設置し、またその放熱基板自体を１つの電極として構成
した非絶縁型のものが一般的に使用されている。そして
上記のような構成にある半導体モジュールの放熱板に
は、通常さらに効率のよい放熱が行えるよう放熱部材と
して熱伝導率の高いアルミ材等で形成されたヒートシン
ク等が半導体モジュール自身の固定も兼ねて取り付けら
れる。 【０００４】このように構成される半導体モジュール
で、例えば上述した電気自動車等で通常使用されるスイ
ッチング周波数は約１０ｋＨｚ程度となる。 【０００５】以上説明したように構成される半導体モジ
ュールを実際に上記スイッチング周波数で使用する場
合、内部回路の配線中および半導体モジュールを外部に
接続する配線中には大きなインダクタンスの発生が不可
避なものとなり、その影響によってスイッチング素子の
ターンオフ時にはかなり大きなスイッチング電力のロス
（以下スイッチングロスという）が発生し、また一方ス
イッチング素子のターンオフ時にはかなり高いサージ電
圧を発生させ、内部回路を電気的に損傷させる大きな要
因となっている。 【０００６】このスイッチングロスとは、前記半導体ス
イッチのような制御電極を持つデバイスがスイッチング
を行うときに内部で発生する電力損失のことであり、前
記モータコントロール装置中には通常多数（５〜６個程
度）の半導体スイッチが使用されるためこれらに発生す
るスイッチングロスは累計すると多大なものとなってい
た。そしてこの大きな損失分は例えば前記電気自動車等
の駆動・操作に大きな影響を与えると共に、損失分の電
力が発熱に変わり半導体スイッチの熱損傷の原因となっ
ていた。 【０００７】そして従来よりこのスイッチングロスとサ
ージ電圧の低減を図ることを目的として、大電流が逆向
きに流れて半導体モジュールに対する入出力を行う２つ
の主電流用電極配線（例えばＭＯＳ ＦＥＴの場合にお
けるソース電極配線とドレイン電極配線）をできるだけ
相互に平行に近接した位置に配置し、これにより相互イ
ンダクタンスにより自己インダクタンスを相殺する（打
ち消し合う）といった電磁気的効果が生じ、これを利用
することによる配線インダクタンスの低減、ひいてはス
イッチングロスおよびサージ電圧の低減を図っていた。 【０００８】また導体配線の電流路中においても電極接
続部等に内在している接触抵抗に大電流がかかる場合に
は、かなりの高温で発熱することになり、これもまた内
部回路を熱損傷させる要因の１つとなっていた。そして
この接触抵抗は導体配線中においての接触箇所の数に比
例し、それぞれの接触面積に反比例するものである。 【０００９】ここで図３は従来の半導体モジュールにお
いての外部回路との接続配線であるバス・バーの取り付
け構造を示す側断面図である。 【００１０】この図において従来のバス・バーの接続構
成は、具体的には特開平９−３０５３０に開示されたも
のであり、半導体モジュール１のベース基板２上に導体
電極である円筒形ターミナル３が溶接やろうづけ等によ
り止着接続しており、ベース基板２上に積層する絶縁ケ
ース４の上面まで貫通立設し、その絶縁ケース４上面に
貫通露出した頂部に外部回路との接続配線であるバス・
バー５がバネワッシャー６と平ワッシャー７とを介して
止着ネジ８により止着されている構成となる。 【００１１】次に図４は従来の半導体モジュールにおけ
る絶縁ケースの取り付け構造を示す側断面図である。 【００１２】実際の電気駆動車両等に組み込む場合、半
導体モジュール１の設置基板と放熱部材とを兼用するヒ
ートシンク９とベース基板２との間には電気的絶縁を確
保する必要があるためその接触面の間には絶縁シート１
０を狭着しており、そのためベース基板２を貫通してヒ
ートシンク９に螺着結合する導電金属製の止着ネジ８
も、同様にベース基板２と充分な絶縁性を確保しておく
必要がある。 【００１３】それによりベース基板２に穿孔する止着穴
の内周はその中心を貫通する止着ネジ８の外周との間で
前記絶縁シート１０表面上において充分な沿面絶縁距離
・空間絶縁距離を確保する必要があるため、図に示すよ
うにネジの外径Ｄ_S よりも必要沿面絶縁距離の２倍の距
離分以上大きい径Ｄ_H で穿孔される。 【００１４】ここで実際の電気駆動車両中の回路で必要
とされる空間・沿面絶縁距離は、具体的に電気式産業車
両規格ＵＬ５８３によると、最小許容距離（称呼電圧＞
２４Ｖの場合）が空間絶縁距離で３．２ｍｍ、沿面絶縁
距離で６．４ｍｍとなる。 【００１５】つまり止着するネジの外径が例えば５ｍｍ
である場合、ベース基板２に穿孔する止着穴の内周の径
Ｄ_H は５＋６．４×２＝１７．８ｍｍ以上でなければ実
用に適さないことになる。 【００１６】そして絶縁ケース４を導電金属製の止着ネ
ジ８でベース基板２上に固定する上で、上記絶縁性を確
保するために、ベース基板２に穿孔されている止着穴と
嵌合一致する円筒形状部１１を絶縁ケース４は一体に形
成しており、その上で該止着ネジ８が該円筒形状部１１
の中心軸を絶縁ケース４の上面から貫通してヒートシン
ク９に螺着結合する構成となる。この状態で止着ネジ８
のヘッドが 図中に示すバネワッシャー６、平ワッシャ
ー７を介して絶縁ケース４、ベース基板２、絶縁シート
１０をヒートシンク９に押圧止着することになる。 【００１７】次に放熱板であるベース基板２にヒートシ
ンク９を取り付ける構造としては、図５の正面図が示す
ように、通常ほぼ直方体の形状にある半導体モジュール
１の底面に備えるベース基板２をヒートシンク９の平面
側に効率よく熱伝達できるよう熱伝導性の高い絶縁シー
ト１０を挟持させた上で密接に接触させ、そして長手方
向の両端位置を止着ネジ８により取り付けていた。 【００１８】そして次に図６に示すように、上述した相
互インダクタンス効果を利用した配線インダクタンスの
低減を図ることを目的として、半導体モジュール１本体
の側面に一方の主電流用電極に接続するバス・バー５を
半導体モジュール１上面より高い位置にまで立設し、半
導体モジュール１本体内部に上下方向に配置されている
他方の主電流用電極の配線板１２と図中Ａ₁ に示す範囲
で電流が相互に逆方向に流れ（ドレイン電流Ｉ_D 、ソー
ス電流Ｉ_S ）、また部分的に平行かつ近接する形態とな
る構成がよく用いられる。そしてこの構成において、両
配線板（バス・バー５、配線板１２）が挟持する絶縁ケ
ース４の一部分（範囲Ａ₁ ）は、電気的には絶縁を行う
ものの、磁気的には上記相互インダクタンス効果が得ら
れるよう磁力を透過する材質となる。 【００１９】そして前記半導体モジュール１内部に配置
されている主電力用電極の配線板１２は、従来より通常
半導体モジュール１上面上に露出して、外部からの配線
板（不図示）を接続するための止着ネジ８（およびバネ
ワッシャー６、平ワッシャー７）が螺着している構成と
なる。 【００２０】 【発明が解決しようとする課題】そして以上のような構
成にある従来の半導体モジュールにおいて、以下のよう
な問題点があった。 【００２１】まず図３に示す円筒形ターミナル３を使用
した電極接続構成においては、１つの電流路中でありな
がらバス・バー５と円筒形ターミナル３の頂部、および
ベース基板２と円筒形ターミナル３の底部のそれぞれが
接触抵抗を内在する接触部となり、計２ヶ所備える構成
となる。つまり上述したように２ヶ所の発熱源を近接し
て備える構成となるため大電流がかかる場合かなり高温
の発熱が発生することになっていた。そしてその熱は半
導体モジュール１の内部回路を熱損傷させる大きな原因
となっていた。 【００２２】 【００２３】 【００２４】 【００２５】よって本発明は上記問題点に鑑み、電気的
絶縁性（沿面絶縁距離、空間絶縁距離）を充分確保し、
さらに電流路上における接触抵抗の低減（接触部分の減
少、削減）を図ることによって、発熱の抑制・損失電力
の低減を可能とする半導体モジュールの提供を課題とす
る。 【００２６】 【課題を解決するための手段】本発明は、主に上記ＭＯ
Ｓ ＦＥＴからなる半導体スイッチの課題を解決するも
のであるが、これに限らず同様な課題を有するバイポー
ラトランジスタやサイリスタ等その他の半導体スイッチ
にも適用可能である。なお、半導体スイッチの種類で各
電極の呼称が異なるため、便宜上、各電極の機能を考慮
して”主電流入力用電極”、”主電流出力用電極”、”
制御電極”という呼称を使用する。例えばＭＯＳ ＦＥ
Ｔの場合は、ドレイン電極が主電流入力用電極に、ソー
ス電極が主電流出力用電極に、ゲート電極が制御電極
に、それぞれ相当する。 【００２７】そして上記課題を解決するために、まず本
発明はベース基板上に主電流用電極の１つを直接接続し
ている非絶縁型の半導体モジュールに適用されるものと
なり、さらに絶縁ケース外部に延長してその表面上にバ
ス・バーを直接接続可能に形成したベース基板と、該バ
ス・バーを該ベース基板上に止着させるバス・バー止着
部材とで構成するバス・バー取り付け構造を備えるもの
となる。 【００２８】このように構成することにより、主電流の
電流路中における接触箇所を削減することになり、接触
抵抗を総体的に低減させ、ひいては発熱の抑制、損失電
力の低減に効果を発揮するものとなる。 【００２９】次に本発明は放熱部材表面上に順に絶縁シ
ート、ベース基板、絶縁ケースを積層し、該絶縁ケース
上面から貫通して放熱部材に螺着挟持するネジおよびワ
ッシャーよりなる止着部材と、該ネジが貫通可能であ
り、該ワッシャー以下の径であり、その長さがベース基
板の厚さ以下である円筒形状部をベース基板の止着穴に
嵌挿可能に形成した絶縁ケースと、放熱部材側を該ネジ
の径より必要とする沿面絶縁距離の２倍以上大きい径
で、絶縁ケース側を該絶縁ケースの円筒形状部が嵌挿可
能な径で止着穴を穿孔したベース基板と、絶縁シート
と、で構成される放熱部材取り付け構造を備えるものと
なる。 【００３０】このように構成することにより、ワッシャ
ーからの押圧力は絶縁ケースを挟持して強固な材質のベ
ース基板に伝えられることになるため、弾性材料の絶縁
ケースをたわませることなく圧着止着することになり、
かつ放熱部材に螺着する止着ネジとベース基板との間の
充分な絶縁性の確保が可能となる。 【００３１】次に本発明はベース基板のネジ止着位置間
方向と平行にアングル形状部を形成するベース基板構造
を備えるものとなる。 【００３２】このように構成することにより、放熱板の
変形を防ぎ、放熱板と放熱部材との間に生じる隙間を最
小限にできると構成となるため、放熱板から放熱部材へ
の高い熱伝達効果を機構的に、またそれにより半永久的
に（非経時的に）維持可能となる。 【００３３】そして特に前記アングル形状部がベース基
板上に直接着設されるブロック体で構成されるものとな
る。 【００３４】これによりベース基板にアングルを形成す
るよう加工するよりも容易にかつ自由度の高いレイアウ
トで放熱板の変形を防ぎ、放熱板と放熱部材との間に生
じる隙間を最小限にできる構成となる。 【００３５】また特に前記アングル形状部が他の主電流
用電極と部分的に平行かつ近接する形状のものとなる。 【００３６】このように構成することによりこの平行近
接部分において、相互インダクタンス効果が生じ、配線
インダクタンスの低減が可能となる。 【００３７】次に本発明は、一方の主電流用電極に接続
された電流路（配線板）に対し、他方の主電流用電極お
よびそれに接続される電流路（配線板）を電気遮へいす
るよう形成した絶縁ケース構造を備えるものとなる。 【００３８】これにより両主電流電極間における沿面絶
縁距離を長く形成することが可能となり、高周波の高い
サージ電圧に対しての絶縁性が確保される。 【００３９】また本発明は、一方の主電流用電極に接続
された電流路（配線板）に対し、他方の主電流用電極お
よびそれに他の電流路（配線板）を止着するための止着
部材（ネジ、ワッシャー等）を電気遮へいするよう形成
した絶縁ケース構造を備えるものとなる。 【００４０】これにより前記配線板間における電気遮へ
いと同様に両主電流電極間における沿面絶縁距離を長く
形成することが可能となり、高周波の高いサージ電圧に
対しての絶縁性が確保される。 【００４１】 【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図を
参照して説明する。 【００４２】また前述の通り、本発明はＭＯＳ ＦＥＴ
からなる半導体モジュールを例に説明するが、これに限
らず同様な課題を有するバイポーラトランジスタやサイ
リスタ等その他の半導体スイッチにも適用可能である。 【００４３】まず図１は本発明のバス・バー取り付け構
造と、放熱部材取り付け構造と、ベース基板構造と、絶
縁ケース構造を備えた半導体モジュール２１が放熱部材
であるヒートシンク２９を取り付けている実施形態の側
断面図である。そして半導体モジュール２１は強固な導
電金属を材質とするベース基板２２をドレイン電極とし
て兼用した非絶縁型のものとなる。この図において、半
導体モジュール２１は該ベース基板２２上に不図示の半
導体チップを直接載置し、そのソース電極が配線板３２
に接続されている。そして該ベース基板２２上には合成
樹脂よりなる絶縁ケース２４で覆われ、配線板３２が側
面に沿って上方に延び絶縁ケース２４上面に露出し、止
着ネジ２８がバネワッシャー２６と平ワッシャー２７を
介して螺着されている。 【００４４】またベース基板２２が絶縁ケース２４の一
方の側面に密接するよう直角に曲がったアングル形状部
３４を形成しており、その上端は絶縁ケース２４内部の
配線板３２と近接かつ平行となるよう絶縁ケース側面に
沿って絶縁ケース上面まで立設し、そして密接面と反対
の開放面にドレイン電極用の配線板となるバス・バー２
５が止着ネジ２８、バネワッシャー２６、平ワッシャー
２７により直接接続されている。このアングル形状部３
４は紙面直交方向となる半導体モジュール長手方向のほ
ぼ全長に渡って形成されるものとなる。 【００４５】そして絶縁ケース２４上面に露出している
配線板３２とアングル形状部３４との間に遮へい板３５
が絶縁ケース２４に一体に立設している。そして止着ネ
ジ２８がバネワッシャー２６および後述する外径の大き
い平ワッシャー３３を介して絶縁ケース２４、ベース基
板２２、絶縁シート３０、ヒートシンク２９を挟持して
螺着固定している。また絶縁ケース２４下部においては
外径が平ワッシャー３３の外径と同じかまたは小さく、
長さがベース基板２２の厚さと同じかまたは短く、そし
て該止着ネジ２８が貫通可能な構成となる円筒形状部３
１がベース基板２２の止着穴に挿設するよう絶縁ケース
２４と一体に設けられている。またベース基板２２にお
ける該止着ネジ２８の止着穴の径は、ヒートシンク２９
側が該止着ネジ２８の外径よりも絶縁シート３０上にお
ける必要沿面絶縁距離の２倍以上大きい径となり、絶縁
ケース２４側が平ワッシャー３３の外径以下で前記円筒
形状部３１を嵌挿可能な径となる。 【００４６】このような構成において、まずバス・バー
２５はベース基板２２（アングル形状部３４）に直接接
続されていることにより接触抵抗を内在する接触部は１
ヶ所のみとなり、従来の接触部を２ヶ所所有する接続タ
ーミナルを使用した場合と比較して電流通電時において
の発熱を抑制する構成となる。 【００４７】またベース基板２２の一部であるアングル
形状部３４はドレイン電極としても機能しているため、
ソース配線板として絶縁ケース２４内部に配置接続され
ている配線板３２と範囲Ａ₂ において近接かつ平行の配
置状態にあり、この範囲Ａ₂において相互インダクタン
ス効果が生じることで配線インダクタンスが相殺される
ことになる。これにより半導体モジュール２１作動時に
おけるスイッチング・ロスおよびサージ電圧の低減が図
られることになる。そしてこの構成において、アングル
形状部３４と配線板３２が挟持する絶縁ケースの一部分
（範囲Ａ₂ ）は、電気的には絶縁を行うものの、磁気的
には上記相互インダクタンス効果が得られるよう磁力を
透過する材質となる。 【００４８】またアングル形状部３４が半導体モジュー
ル２１の長手方向全長に渡って形成されていることによ
り、長手方向の両端でヒートシンク２９を止着ネジで止
着した場合でも、従来の取り付け時において不可避であ
ったベース基板２２の反りの発生を防ぐことが可能とな
る。そのためベース基板２２底面全面に渡っての密着し
た取り付けが可能となり、それによりベース基板２２か
らヒートシンク２９への効率の高い熱伝達が可能とな
る。 【００４９】また絶縁ケース２４上面において露出した
配線板３２（止着ネジ２８がバネワッシャー２６と平ワ
ッシャー２７を介して螺着されている）とアングル形状
部３４との間に絶縁ケース２４と同材質の遮へい板３５
が立設していることにより配線板３２（および該止着部
材２６，２７，２８）とアングル形状部３４の間の沿面
絶縁距離を図中Ｌ₂ にまで延長でき、図６中に示す従来
の沿面絶縁距離Ｌ₁ と比較して充分な長さに設けて絶縁
性を確保した構成となる。 【００５０】またヒートシンク２９に螺着して同電位と
なる止着ネジ２８、バネワッシャー２６、平ワッシャー
３３は絶縁シート３０上面においてベース基板２２と充
分な沿面絶縁距離を設け、また絶縁ケース２４と同材質
の円筒形状部３１を貫通していることによりドレイン電
極と兼用となるベース基板２２と充分な絶縁性を確保し
つつ、さらに平ワッシャー３３が弾性を有する材質の絶
縁ケース２４を強固なベース基板２２に直接押圧するた
め絶縁ケース２４、ベース基板２２、絶縁シート３０、
ヒートシンク２９の４つの部材を強固に挟持固定するも
のとなる。 【００５１】また図２は上記実施形態と同じ効果を得る
ベース基板構造の他の実施形態を示す側面図である。 【００５２】この図において、ベース基板２２上の絶縁
ケース２４側面には導電金属製で略角柱型のブロック体
３６が半導体モジュール長手方向両端のネジ止着位置間
に渡って着設している構成となる。 【００５３】そしてこのブロック体３６が上記実施形態
におけるアングル形状部３４と同じ作用により、ヒート
シンク２９取り付け時におけるベース基板２２の反りを
防ぐ構成となる。そして同様にベース基板２２底面全面
に渡っての密着した取り付けが可能となり、それにより
ベース基板２２からヒートシンク２９への効率の高い熱
伝達が可能となる。 【００５４】またブロック体３６は導電金属製であるた
め、同図に示すように直接バス・バー２５を止着ネジ２
８で接続する構成も可能である。しかしこの構成に限定
せず、ブロック体３６を強固な材質の絶縁体とすること
も可能であり、その場合バス・バー２５はベース基板２
２に直接接続する構成となる。 【００５５】また上記２つの実施形態にあるアングル形
状部３４およびブロック体３６は絶縁ケース２４の一方
の側面のみでなく両側面に形成、着設してチャネル形状
として構成することも可能である。 【００５６】 【発明の効果】以上説明した通り本発明によれば発熱の
抑制・放熱効果の向上およびサージ電圧・損失電力の低
減を可能とし、ベース基板やヒートシンクに対しての絶
縁ケースの固定を確実にする止着構造を備えた半導体モ
ジュールの提供が達成される。さらに上記効果によりヒ
ートシンクの小形化、スナバレス化、またはディレーテ
ィングを小さくできるための半導体チップ数の削減が実
現され、その結果半導体スイッチの信頼性向上と共に製
造コストの削減をも可能となる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の第１の実施形態にある半導体モジュー
ルの側断面図である。 【図２】本発明の第２の実施形態にある半導体モジュー
ルの側断面図である。 【図３】従来の半導体モジュールにおいてのバス・バー
の取り付け構造の側断面図である。 【図４】従来の半導体モジュールにおける絶縁ケースの
取り付け構造を示す側断面図である。 【図５】従来の半導体モジュールにおけるヒートシンク
取り付け構造を示す側断面図である。 【図６】従来の半導体モジュールにおける相互インダク
タンス効果を目的とした両配線板の配置を示す側断面図
である。 【符号の説明】 ２１ 半導体モジュール ２２ ベース基板 ２３ 円筒形ターミナル ２４ 絶縁ケース ２５ バス・バー（ドレイン電極用） ２６ バネ・ワッシャー ２７ 平ワッシャー ２８ 止着ネジ ２９ ヒートシンク ３０ 絶縁シート ３１ 円筒形状部 ３２ 配線板（ソース電極用） ３３ 平ワッシャー（大径） ３４ アングル形状部 ３５ 遮へい板 ３６ ブロック体 Ａ₁ 、Ａ₂ 相互インダクタンス効果の有効範囲 Ｌ₁ 、Ｌ₂ バス・バー、配線板間の沿面絶縁距離 Ｉ_D ドレイン電流 Ｉ_S ソース電流 Ｄ_H ベース基板の止着穴径 Ｄ_W 平ワッシャー外径 Ｄ_S 止着ネジのネジ外径 Ｓ ベース基板とヒートシンクとの間隙

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 ベース基板上に主電流用電極の１つを直
   接接続する非絶縁型半導体モジュールにおいて、 絶縁ケース外部に延長してその表面上にバス・バーを直
   接接続可能に形成したベース基板と、 該バス・バーを該ベース基板上に止着させるバス・バー
   止着部材と、 で構成するバス・バー取り付け構造を備えることを特徴
   とする半導体モジュール。