JP3760915B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

【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、機能的な放熱部材取り付け構造及びベース基板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。
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
ここで、図３は放熱板であるベース基板２にヒートシンク９を取り付ける構造の例を示すものである。同図において、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、長手方向の両端位置を止着ネジ８により取り付けている。
【０００９】
尚、従来の半導体モジュールにおける外部回路との接続配線の構造として特許文献１がある。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１０−２２９１４９号公報（特願平９−３０５３０号）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、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る。
すなわち、図３に示すような従来のヒートシンク９の取り付け構造では半導体モジュール１のベース基板２側の接触面とヒートシンク９側の接触面の両面共に通常製作時の平面度を維持したまま両接触面全面に渡って密接に取り付けることは難しく、組立時においてベース基板２とヒートシンク９との両接触面の間に、特に通常直方体の形状にある半導体モジュール１の長手方向両端のネジ止着位置の間に渡って必然的に隙間（図中Ｓ）が生じる結果となっていた。
【００１２】
そして、この隙間Ｓがベース基板２からヒートシンク９への熱伝達、つまり半導体モジュール１の放熱効率を極端に低下させる結果となり、ひいて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。
よって本発明は上記問題点に鑑み、放熱効果の向上を可能とし、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を課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、主に上記ＭＯＳ 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。
【００１４】
尚、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 ＦＥＴ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。
【００１５】
そして上記課題を解決するために、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。
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。
【００１６】
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。
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。
【００１７】
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。
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。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
また、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。
【００１９】
先ず、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である。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。
【００２０】
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２５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３４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。
【００２１】
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３１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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、絶縁性を確保した構成となる。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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２８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２２に直接接続する構成となる。
【００３０】
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。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明によれば、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。
【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けるヒートシンク取り付け構造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
ＩＤ ドレイン電流
ＩＳ ソース電流
ＤＨ ベース基板の止着穴径
ＤＷ 平ワッシャー外径
ＤＳ 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 (3)

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、
   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ことを特徴とする半導体モジュール。
2. 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ことを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
3. 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にあることを特徴とする請求項１、又は２記載の半導体モジュール。

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