JP3851138B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ制御やインバータなどに使用される電力用半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力用半導体装置（以下、「半導体パワーモジュール」という。）は、半導体を利用して直流入力を任意の周波数の交流に変換して出力するもので、モータ制御や各種用途に応じたインバータ、あるいは無停電電源（ＵＰＳ）などに使用されている。図９は、状来の半導体パワーモジュール５０の平面図を示しており、図１０はその内部構造を示す側面断面図である。図９に示すように、通常、半導体パワーモジュールは四辺形に形成され、以下に記す各種機能部品が四辺形の冷却用金属ベース５１上に積み重ねられ、外部を樹脂ケース５８で囲っている。
【０００３】
図１０において、冷却用金属ベース５１に絶縁基板５２が固着され、その表面に回路パターン５３が固着されている。この回路パターン５３には複数の半導体チップ５４が実装されており、各半導体チップ５４のある端子が電極板５６ａに、別の端子が電極板５６ｂに接続され、さらに回路パターン５３が電極板５６ｃに接続されている。これらの各電極板５６ａ、５６ｂ、５６ｃは、相互に絶縁されて樹脂ケース５８の外部に延び、それぞれ外部接続用主回路端子となる直流入力端子のＰ端子６１とＮ端子６２、及び交流端子６３を形成する。樹脂ケース５８の内部はシリコンゲルなどの充填材５９が充填され、半導体チップ５４他を保護している。半導体パワーモジュール５０の四辺形の一辺の縁部には制御端子６４が配列されている。図示の例では、冷却用金属ベース５１の四辺形の各頂点部に、冷却用金属ベース５１を外部にある他の冷却部材にボルトで締め付けるための取付けボルト用穴６６が設けられている。
【０００４】
以上のように構成された半導体パワーモジュール５０の動作時には、Ｐ端子６１からＮ端子６２に流れる直流電流を、制御端子６４からの指令に基づく半導体チップ５４の作用によって交流電流に変換し、この交流電流を交流端子６４から出力する。この際、半導体チップ５４が大量の熱を発生する。この発熱による半導体チップ５４の高温破壊を防ぐため、熱が絶縁基板５２から冷却用金属ベース５１に放熱され、さらに、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた部材で形成される放熱フィン（図示せず）などの外部の冷却部材に逃がされる。この放熱フィンへの放熱を行うため、冷却用金属ベース５１は取付けボルト用穴６６を介してボルトにより前記冷却フィンに取り付けられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来の技術による半導体パワーモジュールには問題があった。まず、図１０に示すように、半導体チップ５４が半導体パワーモジュール５０の略中央部分に配置されているため、半導体チップ５４の発熱が半導体パワーモジュールの中央部分で発生する。この発生した熱は絶縁基板５２から冷却用金属ベース５１に伝わり、さらに冷却用金属ベース５１から前記放熱フィンに伝えられる。冷却用金属ベース５１から放熱フィンへの熱の伝達は、そのほとんどが取付けボルト用穴６６の位置でボルトにより締め付けられて両者が圧着した部位からとなる。取付けボルト用穴６６の位置が前記中央部分にある発熱部位から距離的に離れていれば、十分な放熱を行うことができない。
【０００６】
そのために、半導体パワーモジュール５０の四辺形の各辺に沿って、１つあるいはそれ以上のボルト締め付け部を追加することが考えられる。しかしながらこの場合、上述のように発熱部が半導体パワーモジュール５０の略中央部にあることから、放熱を効果的に行うために、前記追加の取付けボルト用穴６６を前記四辺形の全ての辺に配置せざるを得ないという問題がある。
【０００７】
次に、図９から明らかなように、従来の半導体パワーモジュール５０では、Ｐ端子６１、Ｎ端子６２、交流端子６３が半導体パワーモジュール５０の中央部に１列に配置されている。しかも図１０に示すように、これら各端子６１、６２、６３は、冷却用金属ベース５１を基準にして同じ高さに設けられている。通常は、Ｐ端子６１とＮ端子６２とがバスバーにより接続されるが、このバスバーは、図１１に示すように、２枚の導電板７１、７２とその中間に挟まれる絶縁層７３からなるラミネート構造のバスバー７０が使用される。
【０００８】
図１１に示すような構造のバスバー７０を、同一高さに形成されたＰ端子６１、Ｎ端子６２に接続するには、バスバー７０を加工するなどの手間が必要となる。例えば図１２に示すように、下側にある導電板７２をＮ端子６２に接続するとき、上側にある導電板７１をＰ端子６１に接続するには、下側の導電板７２と絶縁層７３の一部を取り除いて上側の導電板７１を下方へ曲げる必要がある。さらに、通常交流端子６３には個別の導電板７４が接続されるが、交流端子６３とバスバー７０の下側の導電板７２との短絡を回避するには、バスバー７０全体を曲げて交流端子６３から逃がすようにするか、あるいは図１２に示すようにバスバー７０に貫通孔７６を設け、交流端子６３に延長部７７を取り付けて貫通孔７６に貫通させた後、導電板７４に延長部７７を接続する、などの対策が必要である。
【０００９】
すなわち、従来の半導体パワーモジュール５０では、各端子６１、６２、６３への導電板７１、７２、７４の接続に当たっては追加の加工が必要となり、かつ煩雑な接続作業が要求されていた。さらに、バスバー７０、導電板７４を取り付けた半導体パワーモジュール５０は嵩が高く、この半導体パワーモジュール５０を含む装置全体が大きくなるという問題があった。
【００１０】
したがって本発明は、上述のような従来の問題を解消し、放熱性が改善され、外部導電板との接続が容易になり、全体として小型化あるいは高容量化が可能な半導体パワーモジュールを提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる半導体パワーモジュールでは、半導体チップを冷却用金属ベースの四辺形の一対の対向する辺に沿って配列し、当該一対の対向する辺の冷却用金属ベースの縁に冷却用金属ベースと放熱フィンとを締め付けるための取付けボルト用穴を配置して両者をボルトで締結することにより効率的な放熱を可能とし、また、各電極端子を半導体パワーモジュールの外部に突接して設けることによって外部導電板との接続を容易にし、上述した問題を解消するもので、具体的には以下の内容を含む。
【００１２】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、四辺形板状の冷却用金属ベースと、前記冷却用金属ベースに固着された絶縁基板と、前記絶縁基板に形成された回路パターンに実装された複数の半導体チップと、前記回路パターン、及び前記半導体チップの各端子が接続された複数の電極板と、前記絶縁基板、半導体チップ、電極板を囲んで前記冷却用金属ベースに固着されるケースと、前記各電極板から延びる複数の外部接続用主回路端子と、から構成される電力用半導体装置であって、前記複数の半導体チップが、前記冷却用金属ベースの四辺形の一対の対向する辺に沿って当該一対の対向する辺に隣接して配列され、前記冷却用金属ベースを外部の冷却部材に取付けるための取付けボルト用穴が、前記冷却用金属ベースの前記一対の対向する辺に沿った縁部に形成され、前記複数の電極板が、前記一対の対向する辺に沿って配列された前記半導体チップの２つの配列の中間に、前記一対の対向する辺とほぼ平行に延びるよう配置されていることを特徴とする電力用半導体装置に関する。放熱フィンを冷却用金属ベースに取付けるボルト用穴と半導体チップとを隣接して設けることにより、半導体チップの熱を効率よく外部へ放熱させるものである。
【００１４】
請求項２に記載の本発明にかかる電力用半導体装置は、前記複数の電極板が、絶縁層を挟んで各電極板を順次積み重ねたラミネート構造に構成されていることを特徴としている。相互インダクタンスを低減させる効果を得るものである。
【００１５】
請求項３に記載の本発明は、前記複数の外部接続用主回路端子が、前記一対の対向する辺とほぼ平行に延びる前記電極板に沿って前記冷却用金属ベースから外部に突出して設けられていることを特徴とする電力用半導体装置に関する。外部接続用主回路端子を外部に突出し設けることにより、外部導電板との接続を容易にするものである。
【００１６】
請求項４に記載の本発明にかかる電力用半導体装置は、前記複数の外部接続用主回路端子の内、直流用外部接続用主回路端子を構成するＰ端子とＮ端子が前記四辺形の１つの辺に、交流用外部接続主回路端子を構成する交流端子が前記１つの辺に対向する辺にそれぞれ外部に突出して設けられていることを特徴としている。直流入力側の電極端子と交流出力側の電極端子とを分けて配置することにより、入力側と出力側の双方の接続を容易にするものである。
【００１７】
請求項５に記載の本発明にかかる電力用半導体装置は、前記Ｐ端子とＮ端子の各外部導電板取付け面が、一対の導電板とその中間に介在する絶縁層とのラミネート構造からなる外部導電板の内の一方の導電板の取付け面と他方の導電板の取付け面との高さに各々一致させ、前記冷却用金属ベースから前記Ｐ端子とＮ端子の前記各外部導電板取付け面までの高さの間に差を設けて配設されていることを特徴としている。電極端子への外部導電板の接続に当たり、外部導電板の不必要な加工を廃止するものである。
【００１８】
請求項６に記載の本発明にかかる電力用半導体装置は、前記半導体チップを含む回路パターンの動作を制御するための制御端子が、前記四辺形の内前記外部接続用主回路端子が設けられていない辺の縁部に設けられていることを特徴としている。制御端子の配線を容易にするものである。
【００１９】
請求項７に記載の本発明にかかる電力用半導体装置は、前記複数の外部接続用主回路端子の少なくとも１つの電極端子に、外部導電板を取り付ける複数の取付け穴が設けられていることを特徴としている。複数のボルトで取付けることにより、接触面積を高めるものである。
【００２０】
請求項８に記載の本発明にかかる電力用半導体装置は、前記少なくとも１つの電極端子に設けられる複数の取付け穴が、前記冷却用金属ベースを外部の冷却用部材に締結するために使用されるボルトと同一のボルトが使用できる穴に形成されていることを特徴としている。ボルトの共通化により、取付け作業性を改善するものである。
【００２１】
請求項９に記載の本発明にかかる電力用半導体装置は、前記少なくとも１つの電極端子に設けられる複数の取付け穴の内、少なくとも１つの穴の径がその他の穴の径と異なることを特徴としている。他の構成部品、回路を接続する際に利用可能にするものである。
【００２２】
請求項１０に記載の本発明にかかる電力用半導体装置は、前記Ｐ端子とＮ端子にそれぞれ設けられた前記径の異なる穴を使用し、前記Ｐ端子とＮ端子との間にコンデンサを取り付けたことを特徴としている。
【００２４】
請求項１１に記載の本発明は、上述したいずれか一に記載の電力用半導体装置の複数基を並列に配し、各電力用半導体装置の対応する各外部接続用主回路端子どうしをバスバーで接続して組み合わせたことを特徴とする組合せ電力用半導体装置に関する。以上の各請求項に記載の電力用半導体装置は外部導電板との取付けが容易であり、これを利用して複数の電力用半導体装置を効率よく組み合わせるものである。
【００２５】
そして、請求項１２に記載の本発明にかかる組合せ電力用半導体装置は、前記バスバーに単数もしくは複数のコンデンサを取り付けたことを特徴としている。外部接続用主回路端子に隣接してコンデンサを配置し、インダクタンスを低減するものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる半導体パワーモジュールの第１の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール１０の内部構造を示している。図において、本実施の形態に係る半導体パワーモジュール１０は、冷却用金属ベース１に絶縁基板２が固着され、絶縁基板２の表面に回路パターン３が固着されている。回路パターン３には複数の半導体チップ４が半田などで接続され、実装されている。図示のように半導体チップ４は、四辺形形状の冷却用金属ベース１の図の縦方向に延びる一対の対向する辺に沿ってそれぞれ配列されており、積層電極板６が、前記一対の対向する辺と平行に、半導体チップ４の２つの配列の中間に配置されている。
【００２７】
図２は、側方から見た積層電極板６の構造と半導体チップ４との接続状態を示している。積層電極板６は３層の電極板６ａ、６ｂ、６ｃから構成され、各電極板６ａ、６ｂ、６ｃには、半導体チップ４の各端子と、回路パターン３とがそれぞれ接続される。各電極板６ａ、６ｂ、６ｃは、それらの下に配置された絶縁層７ａ、７ｂ、７ｃと共にラミネート構造を形成しており、これら絶縁層７ａ、７ｂ、７ｃによって相互に絶縁されている。
【００２８】
各電極板６ａ、６ｂ、６ｃは樹脂ケース（図示せず）の外部に延び、図９に示すものと同様、例えば半導体パワーモジュール１０の上面でそれぞれ外部接続用主回路端子であるＰ端子、Ｎ端子、交流端子を形成する。なお、樹脂ケースに囲まれた内部の空間はシリコンゲルなどの充填材が充填されており、この点は従来の半導体パワーモジュール５０と同様である。
【００２９】
図１に示す本実施の形態に係る半導体パワーモジュール１０は、図の縦方向に延びる一対の対向する辺の縁部に、冷却用金属ベース１を外部の冷却部材である放熱フィンなどに締め付けるための取付けボルト用穴１６をそれぞれ４つずつ備えている。この取付けボルト用穴１６の数は、半導体チップ４の発熱量ほかの諸条件に応じ、任意に選択することができる。また、前記一対の対向する辺には、制御端子１４も設けられている。
【００３０】
以上のように構成された半導体パワーモジュール１０の動作時は、Ｐ端子６１からＮ端子６２に流れる直流電流が、制御端子１４からの指令に基づく半導体チップ４の作用によって交流電流に変換され、この交流電流が交流端子６３（各端子６１、６２、６３は図９参照）から出力される。この際、半導体チップ４が大量の熱を発生するが、発生した熱は絶縁基板２から冷却用金属ベース１に伝えられ、さらにその熱は取付けボルト用穴１６を介してボルトで締結される放熱フィンなどの外部冷却部材に放熱される。
【００３１】
本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール１０による有利な点は以下の通りである。まず、図１に示す半導体パワーモジュール１０において、発熱の要因となる複数の半導体チップ４が、四辺形からなる冷却用金属ベース１の一対の対向する辺に沿ってこれに隣接して配列され、当該一対の対向する辺の縁部に複数の（図示の例では各４つの）取付けボルト用穴１６が設けられている。上述のように、冷却用金属ベース１を放熱フィンにボルトで締め付けて圧着させる箇所が有効な放熱部位となるが、本実施の形態ではこの取付けボルト用穴１６が熱源である半導体チップ４に沿って隣接して設けられている。このため、放熱効果が高く、必要な取付けボルト用穴１６の数（すなわち、締め付け用ボルトの数）を減らすことができ、また、高い放熱効果を利用して大電流に対応できる半導体パワーモジュールを実現することが可能となる。
【００３２】
加えて、本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール１０では、積層電極板６が、半導体チップ４の２つの配列の中間で前記一対の対向する辺と平行に、半導体パワーモジュール１０の中央部を横切るように配置されている。このため、半導体パワーモジュール１０の中央部分に発熱する部材が存在せず、したがって、中央部分で発生する熱を外部に放出するための取付けボルト用穴１６を半導体パワーモジュールの全辺にわたってほぼ均等に設ける必要がない。この結果、冷却用金属ベース１を放熱フィンに締め付けるための取付けボルト用穴１６を、半導体チップ４の配列に隣接する一対の対向する辺の縁部にのみ必要な数だけ設けることで、十分な放熱が可能となる。このことは、当該一対の対向する辺以外の辺（図１の例では上下に位置する一対の対向する辺）には取付けボルト用穴１６を設ける必要がなくなることを意味し、これら取付けボルト用穴のない辺は、後の実施の形態に示すように他の目的に有効に使用することを可能とする。
【００３３】
なお、冷却用金属ベース１の四辺形の各頂点部には取付けボルト用穴１６がそれぞれ設けられている（図１では１６ｘで示す）。本明細書において、当該頂点部にあるこれら取付けボルト用穴１６ｘは、その他の取付けボルト用穴１６が設けられている一対の対向する辺と同じ辺に属しているものと解釈する。したがって取付けボルト用穴１６が設けられていない辺という場合には、この頂点部にある取付けボルト用穴１６ｘを除いた部分の各辺を意味するものとする。
【００３４】
本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール１０内部構造の更なる利点は、積層電極板６をラミネート構造としたことにより、各電極板６ａ、６ｂ、６ｃ間の相互インダクタンスを極力小さくすることが可能になったことである。この結果、半導体パワーモジュール１０の起動時や遮断時、もしくは電圧変動時における逆誘導起電力に基づく障害を極力抑制する効果を得ることができる。
【００３５】
次に、本発明にかかる第２の実施の形態の半導体パワーモジュールについて図面を参照して説明する。図３は、本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０の平面図を示している。以下、先の実施の形態で使用したものと同一の構成要素に対しては同一の符号を用いるものとする。図３において、本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０は、四辺形の冷却用金属ベース１の一対の対向する辺の縁に取付けボルト用穴１６がそれぞれ４つ設けられ、樹脂ケース８で覆われた内部には、図１に示す構造と同様に積層電極板６、並びに半導体チップ４が配置されている。また、図１に示すような半導体チップ４の２つの配列に隣接した一対の対向する辺の縁部に前記の取付けボルト用穴１６が配置されている。したがって、当該一対の対向する辺を除く四辺形の他の辺には取付けボルト用穴１６を設けるまでもなく十分な放熱効果を得ることができる。
【００３６】
本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０では、上述の取付けボルト用穴１６が設けられていない一対の対向する辺の内、一方の辺に直流用外部接続用主回路端子であるＰ端子２１とＮ端子２２が、また、これと対向する他の辺には交流用外部接続用主回路端子、すなわち交流端子２３が、それぞれ冷却用金属ベース１の外部に突出して設けられている。但し、これら端子２１、２２、２３の配置は単なる１例であり、目的に応じて任意に配置変換できる。取付けボルト用穴１６が設けられた一対の対向する辺には、制御端子１４がそれぞれ設けられている。
【００３７】
図４は、図３に示すように構成された半導体パワーモジュール２０の使用状態を示している。図において、半導体パワーモジュール２０のＰ端子２１には第１の導電板２６が、Ｎ端子２２には第２の導電板２７が、また、交流端子２３には第３の導電板２８が、それぞれボルト３１によって取り付けられている。図示の例では、第１の導電板２６と第２の導電板２７とが個別に設けられているが、図１１に示すようなラミネート構造のバスバー７０がＰ端子２１及びＮ端子２２に接続されてもよい。制御端子１４には制御用配線２９が接続され、また、各取付けボルト用穴１６にはボルト３２が差し込まれ、上述した冷却用金属ベース１を外部の冷却部材である放熱フィンなどに締め付けている。
【００３８】
以上のような構成にかかる半導体パワーモジュール２０の動作は、先の実施の形態に記した内容と同様であり、Ｐ端子２１からＮ端子２２に流れる直流電流が半導体チップ４の作用で任意の周波数の交流電流に変換され、交流端子２３から当該交流電流を導電板２８に出力する。この際に半導体チップ４で発生する熱は、冷却用金属ベース１からボルト３２で締結された冷却部材（放熱フィン）に伝えられ、外部へ放出される。
【００３９】
図３、図４に示すように、本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０では、取付けボルト用穴１６（ボルト３２）が設けられる一対の対向する辺以外の辺を利用して各端子２１、２２、２３を突出して設けることができるため、各端子２１、２２、２３への導電板２６、２７、２８の取付け、接続が極めて容易となる。また、作業性が良好であることから、確実なボルトの締め付け、接続を得ることができる。
【００４０】
従来の半導体パワーモジュール５０（図９参照）でこのような各端子２１、２２、２３の配置をしようとした場合、放熱性を考慮して放熱フィン締め付け用のボルト３２の数を増加するときを想定すると、熱源が中央部にあることから、ボルト３２の取付けボルト用穴１６を例えば図４の破線で示す取付けボルト用穴１６ａの位置を含めた半導体パワーモジュールの全周にわたって設ける必要がある。この状態で取付けボルト用穴１６ａにボルト３２を締結すると、当該ボルト３２が導電板２６、２７に極めて接近するために絶縁距離が不足となり、絶縁破壊するなどの問題が生じ得る。これはラミネート構造のバスバー７０を使用したときも同様で、ボルト３２の直上をバスバー７０が覆うことから絶縁距離が不足し、絶縁破壊が起こり得る。
【００４１】
この場合に必要な絶縁距離は、例えば出力電圧が１２００Ｖの場合、約８ｍｍである。絶縁破壊を避けようとすれば、従来ではＰ端子２１とＮ端子２２との距離を離すこと、導電板２６、２７のサイズを縮小すること、もしくはバスバー７０をボルト３２に対して絶縁距離以上離して配置すること、などの対応が必要があり、結果として設計の自由度を低下させ、半導体パワーモジュールの大型化につながり得た。
【００４２】
本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０では、各端子２１、２２、２３は、取付けボルト用穴１６が設けられた一対の対向する辺以外の辺に配置されていることから、例えば破線で示す取付けボルト用穴１６ａの位置にボルト３２が配置されることはなく、したがって上述のような絶縁破壊の問題がない。
【００４３】
なお、本実施の形態にかかる、半導体パワーモジュールの四辺形の外部に各外部接続用主回路端子２１、２２、２３を突出して設ける構成は、例えば、図９に示すような従来技術による半導体パワーモジュール５０であっても、放熱フィン締結ボルトの取付けボルト用穴６６が四辺形の各頂点部のみに配置されている構造のものに対して全く同様に適用することができる。取付けボルト用穴（１６、６６）が四辺形の各頂点部のみであれば、いずれの辺においても前記各端子２１、２２、２３を突出させるスペースを得ることができ、また、必要な放熱もなされていることから、取付けボルト用穴追加による上述の絶縁破壊の虞がない。
【００４４】
次に、本発明にかかる第３の実施の形態の半導体パワーモジュールについて図面を参照して説明する。図５は、図３に示す構造の半導体パワーモジュール２０のＰ端子２１とＮ端子２２にバスバー７０を取付けた状況を示している。半導体パワーモジュール２０の主要部は図の手前側に位置しており、図面ではＰ端子２１とＮ端子２２以外は省略されている。Ｐ端子２１はバスバー７０の上側の導電板７１に接続され、Ｎ端子２２は絶縁層７３を挟んで下側の導電板７２に接続されている。
【００４５】
図からも明らかなように、本実施の形態にかかるＰ端子２１とＮ端子２２の各外部導電板取付け面は、冷却用金属ベース１からの高さが異なり、それぞれに接続されるバスバー７０の各導電板７１、７２の高さと一致するよう設けられている。具体的に、両端子２１、２２の外部導電板取付け面の高さの差Δｈは、上側の導電板７１の下面と下側の導電板７２の下面との差ｄに一致させている。
【００４６】
半導体パワーモジュール２０のＰ端子２１、Ｎ端子２２をこのように高さを変えて配置することにより、バスバー７０を曲げることなく各端子２１、２２に接続できる。なお、交流端子２３は、冷却用金属ベース１の対向する他の辺に設けられていることから、バスバー７０に貫通孔（図１２に符号７６で示す孔）を設ける必要がなくなり、この観点からも接続作業を容易に行うことができる。
【００４７】
次に、本発明にかかる第４の実施の形態の半導体パワーモジュールについて図面を参照して説明する。図６は、本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０ａを示している。本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０ａは、Ｐ端子２１ａ、Ｎ端子２２ａ、交流端子２３ａのそれぞれに、導電板取付け用の穴が３つあけられている。その他の構成、及び動作は、第２もしくは第３の実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０と同様である。この半導体パワーモジュール２０ａの各端子２１ａ、２２ａ、２３ａに取り付けられる導電板２６ａ、２７ａ、２８ａも同様にそれぞれ３つの穴が空けられており、各端子と導電板とを各３本のボルト３１ａで締結している。図面では、Ｎ端子２２ａに設けられる取付け穴３３が見えるよう、Ｎ端子２２ａに接続される導電板２７ａが省略されている。
【００４８】
以上のように構成された半導体パワーモジュール２０ａでは、各端子２１ａ、２２ａ、２３ａにおいて各３本のボルト３１ａを用いて導電板２６ａ、２７ａ、２８ａを締め付け、接続するため、各端子と導電板との接触面積が大きくなり、接触面での電圧降下が小さく、電圧降下による電送ロスを小さくすることができる。図４に示すような各端子で１本のボルト３１を使用して大電流に対応しようとすると、ボルト３１の径が大きくなり、これに伴って各電極２１、２２、２３も大きくせざるを得ず、結果的に半導体パワーモジュール２０も大型化することとなった。また、ボルト３１を締め付けるためのトルクも増大する。
【００４９】
図６に示すように、３本のボルト３１ａを使用して各導電板を取り付けることにより、各端子２１ａ、２２ａ、２３ａを小型のままで十分な接触面を得ることができ、さらには大径のボルト３１で締結するほどの大トルクを必要としないため、取り付け作業も容易である。また、このとき使用するボルト３１ａを冷却用金属ベース１締結用のボルト３２と共通化できれば、両ボルト３１ａ、３２間での区別の必要がなくなり、締結用のレンチも同一のものを使用できるなど、取り付け作業が効率的となる。
【００５０】
なお、図６では、各電極端子２１ａ、２２ａ、２３ａに３つの取付け穴３３を設けることとしているが、この数は要求に応じて２つ、あるいは任意の数とすることができる。また、この数は使用するボルト３１ａの大きさとの関係で選択することもできる。さらに各電極端子２１ａ、２２ａ、２３ａに設けられる取付け穴３３の数は同一に揃える必然性はなく、必要に応じて電極端子各個に任意の数を選択することができる。
【００５１】
図７は、本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０ａの他の態様を示したもので、ここではＰ端子２１ｂ、Ｎ端子２２ｂに空けられた複数の取付け穴の内、１つの穴の径を変え、その穴を利用してコンデンサ３５をボルト３４で両端子２１ｂ、２２ｂの間に取付けるものとしている。その他の構成は図６に示す半導体パワーモジュール２０ａと同様であり、細部を省略している。
【００５２】
従来の半導体パワーモジュールでは、上面にあるＰ端子、Ｎ端子を覆って導電板もしくはバスバー７０が配置されるためこのようなコンデンサ３５などの他の部品を取り付けるのは極めて困難であった。各端子２１ｂ、２２ｂが冷却用金属ベース１から外部へ突出して設けられる本実施の形態においては、このようなコンデンサなどの小物部品や別の電子回路の取付けを極めて容易となる。
【００５３】
図８は、図６に示す本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０ａを横方向に複数基並列配置し、より大きな電流への対応を可能にする組み合わせ式の半導体パワーモジュールの構成を示している。図において、各半導体パワーモジュール２０ａのＰ端子２１ａ、Ｎ端子２２ａ（それぞれバスバー７０の下側に位置する）には、この複数の半導体パワーモジュール２０ａをつなぐバスバー７０が接続されている。この際、各半導体パワーモジュール２０ａのＰ端子２１ａ、Ｎ端子２２ａとの間には、図５に示すような高さの差を設けることで、バスバー７０の接続部を曲げ加工することなく締め付けが可能となり、効率的な取付けが可能となる。制御端子１４には各半導体パワーモジュール２０ａをまたぐようにして制御用配線２９が接続されている。また、バスバー７０には多数の平滑用コンデンサ３６が取り付けられている。
【００５４】
本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０ａによれば、各端子２１ａ、２２ａ、２３ａが半導体パワーモジュール２０ａの外部に突出して設けてあるため、バスバー７０を半導体パワーモジュール２０ａから離して配置することが可能となり、接続が容易となるほか、コンデンサ３６の取り付けや制御用配線２９の配置も極めて容易となる。また、コンデンサ３６を図示のようにＰ端子２１ａ、Ｎ端子２２ａから近い距離に配置できるため、インダクタンスを低減させる効果を得ることもできる。従来の半導体パワーモジュール５０（図９参照）では、バスバー７０は半導体パワーモジュール５０の上部を覆うように配置する必要があり、このためＰ端子６１、Ｎ端子６２、交流端子６３への接続に煩わしさがあると同時に、複数基配置する場合の制約となっていた。
【００５５】
なお、図８に示す例では、各端子に３つのボルトで締め付ける形式の半導体パワーモジュール２０ａを表示しているが、これは図４に示すような１つのボルト３１で締め付ける形式の半導体パワーモジュール２０であっても勿論同様に複数基の配置が可能である。
【００５６】
また、図では２つの半導体パワーモジュール２０ａをつなぐ状態を示しているが、必要に応じこの半導体パワーモジュールの数をさらに増やすこともできる。交流端子２３ａに対してもバスバーを利用する接続が可能であり、このように交流用外部接続用主回路端子である交流端子２３ａと、直流用外部接続用主回路端子であるＰ端子２１ａ、Ｎ端子２２ａとを互いに異なる辺に配置したことにより、直流入力ばかりでなく交流端子２３ａからの出力の取り出しも容易にすることができる。
【００５７】
【発明の効果】
請求項１から請求項３に記載の本発明によれば、半導体チップで発生する熱を少ないボルト数によっても有効に冷却用金属ベースから外部の冷却部材へ放熱することができる電力用半導体装置を提供することができる。
【００５８】
請求項４から請求項１２に記載の本発明によれば、外部接続用主回路端子を冷却用金属ベースの四辺形の外部に突出して設けることにより、直流入力用導電板、及び交流出力用導電板を効率的に配置することができ、これら導電板の前記各端子への取付けを容易に行うことができる電力用半導体装置を提供することができる。
【００５９】
請求項１３及び請求項１４に記載の本発明によれば、電力用半導体装置を簡単な構成で複数器並列につないだ高容量の組み合わせ電力用半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる１つの実施の形態の半導体パワーモジュールを示す平面図である。
【図２】 図１に示す半導体パワーモジュールの内部構造を示す部分側面断面図である。
【図３】 本発明にかかる他の実施の形態の半導体パワーモジュールを示す平面図である。
【図４】 図３に示す半導体パワーモジュールの使用状態を示す平面図である。
【図５】 本発明にかかる更に他の実施の形態の半導体パワーモジュールとバスバーの接続状態を示す斜視図である。
【図６】 本発明にかかる更に他の実施の形態の半導体パワーモジュールを示す平面図である。
【図７】 図６に示す半導体パワーモジュールの他の態様を示す平面図である。
【図８】 図６に示す半導体パワーモジュールを複数基配置した組合せ半導体パワーモジュールを示す平面図である。
【図９】 従来技術による半導体パワーモジュールを示す平面図である。
【図１０】 従来技術による半導体パワーモジュールの内部構造を示す部分断面図である。
【図１１】 外部導電板（バスバー）のラミネート構造を示す斜視図である。
【図１２】 図１１に示す外部導電板が半導体パワーモジュールに接続された状態を示す断面ずである。
【符号の説明】
１ 冷却用金属ベース、 ２ 絶縁基板、 ３ 回路パターン、 ４ 半導体チップ、 ６ 積層電極板、 ６ａ、６ｂ、６ｃ 電極板、 ７ａ、７ｂ、７ｃ 絶縁層、 ８ 樹脂ケース、 １０ 半導体パワーモジュール、 １４ 制御端子、 １６ 取付けボルト用穴、 ２０、２０ａ 半導体パワーモジュール、 ２１ Ｐ端子、 ２２ Ｎ端子、 ２３ 交流端子、 ３１ ボルト、 ３２ ボルト、 ７０ バスバー。
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ制御やインバータなどに使用される電力用半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力用半導体装置（以下、「半導体パワーモジュール」という。）は、半導体を利用して直流入力を任意の周波数の交流に変換して出力するもので、モータ制御や各種用途に応じたインバータ、あるいは無停電電源（ＵＰＳ）などに使用されている。図９は、状来の半導体パワーモジュール５０の平面図を示しており、図１０はその内部構造を示す側面断面図である。図９に示すように、通常、半導体パワーモジュールは四辺形に形成され、以下に記す各種機能部品が四辺形の冷却用金属ベース５１上に積み重ねられ、外部を樹脂ケース５８で囲っている。
【０００３】
図１０において、冷却用金属ベース５１に絶縁基板５２が固着され、その表面に回路パターン５３が固着されている。この回路パターン５３には複数の半導体チップ５４が実装されており、各半導体チップ５４のある端子が電極板５６ａに、別の端子が電極板５６ｂに接続され、さらに回路パターン５３が電極板５６ｃに接続されている。これらの各電極板５６ａ、５６ｂ、５６ｃは、相互に絶縁されて樹脂ケース５８の外部に延び、それぞれ外部接続用主回路端子となる直流入力端子のＰ端子６１とＮ端子６２、及び交流端子６３を形成する。樹脂ケース５８の内部はシリコンゲルなどの充填材５９が充填され、半導体チップ５４他を保護している。半導体パワーモジュール５０の四辺形の一辺の縁部には制御端子６４が配列されている。図示の例では、冷却用金属ベース５１の四辺形の各頂点部に、冷却用金属ベース５１を外部にある他の冷却部材にボルトで締め付けるための取付けボルト用穴６６が設けられている。
【０００４】
以上のように構成された半導体パワーモジュール５０の動作時には、Ｐ端子６１からＮ端子６２に流れる直流電流を、制御端子６４からの指令に基づく半導体チップ５４の作用によって交流電流に変換し、この交流電流を交流端子６４から出力する。この際、半導体チップ５４が大量の熱を発生する。この発熱による半導体チップ５４の高温破壊を防ぐため、熱が絶縁基板５２から冷却用金属ベース５１に放熱され、さらに、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた部材で形成される放熱フィン（図示せず）などの外部の冷却部材に逃がされる。この放熱フィンへの放熱を行うため、冷却用金属ベース５１は取付けボルト用穴６６を介してボルトにより前記冷却フィンに取り付けられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来の技術による半導体パワーモジュールには問題があった。まず、図１０に示すように、半導体チップ５４が半導体パワーモジュール５０の略中央部分に配置されているため、半導体チップ５４の発熱が半導体パワーモジュールの中央部分で発生する。この発生した熱は絶縁基板５２から冷却用金属ベース５１に伝わり、さらに冷却用金属ベース５１から前記放熱フィンに伝えられる。冷却用金属ベース５１から放熱フィンへの熱の伝達は、そのほとんどが取付けボルト用穴６６の位置でボルトにより締め付けられて両者が圧着した部位からとなる。取付けボルト用穴６６の位置が前記中央部分にある発熱部位から距離的に離れていれば、十分な放熱を行うことができない。
【０００６】
そのために、半導体パワーモジュール５０の四辺形の各辺に沿って、１つあるいはそれ以上のボルト締め付け部を追加することが考えられる。しかしながらこの場合、上述のように発熱部が半導体パワーモジュール５０の略中央部にあることから、放熱を効果的に行うために、前記追加の取付けボルト用穴６６を前記四辺形の全ての辺に配置せざるを得ないという問題がある。
【０００７】
次に、図９から明らかなように、従来の半導体パワーモジュール５０では、Ｐ端子６１、Ｎ端子６２、交流端子６３が半導体パワーモジュール５０の中央部に１列に配置されている。しかも図１０に示すように、これら各端子６１、６２、６３は、冷却用金属ベース５１を基準にして同じ高さに設けられている。通常は、Ｐ端子６１とＮ端子６２とがバスバーにより接続されるが、このバスバーは、図１１に示すように、２枚の導電板７１、７２とその中間に挟まれる絶縁層７３からなるラミネート構造のバスバー７０が使用される。
【０００８】
図１１に示すような構造のバスバー７０を、同一高さに形成されたＰ端子６１、Ｎ端子６２に接続するには、バスバー７０を加工するなどの手間が必要となる。例えば図１２に示すように、下側にある導電板７２をＮ端子６２に接続するとき、上側にある導電板７１をＰ端子６１に接続するには、下側の導電板７２と絶縁層７３の一部を取り除いて上側の導電板７１を下方へ曲げる必要がある。さらに、通常交流端子６３には個別の導電板７４が接続されるが、交流端子６３とバスバー７０の下側の導電板７２との短絡を回避するには、バスバー７０全体を曲げて交流端子６３から逃がすようにするか、あるいは図１２に示すようにバスバー７０に貫通孔７６を設け、交流端子６３に延長部７７を取り付けて貫通孔７６に貫通させた後、導電板７４に延長部７７を接続する、などの対策が必要である。
【０００９】
すなわち、従来の半導体パワーモジュール５０では、各端子６１、６２、６３への導電板７１、７２、７４の接続に当たっては追加の加工が必要となり、かつ煩雑な接続作業が要求されていた。さらに、バスバー７０、導電板７４を取り付けた半導体パワーモジュール５０は嵩が高く、この半導体パワーモジュール５０を含む装置全体が大きくなるという問題があった。
【００１０】
したがって本発明は、上述のような従来の問題を解消し、放熱性が改善され、外部導電板との接続が容易になり、全体として小型化あるいは高容量化が可能な半導体パワーモジュールを提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる半導体パワーモジュールでは、半導体チップを冷却用金属ベースの四辺形の一対の対向する辺に沿って配列し、当該一対の対向する辺の冷却用金属ベースの縁に冷却用金属ベースと放熱フィンとを締め付けるための取付けボルト用穴を配置して両者をボルトで締結することにより効率的な放熱を可能とし、また、各電極端子を半導体パワーモジュールの外部に突接して設けることによって外部導電板との接続を容易にし、上述した問題を解消するもので、具体的には以下の内容を含む。
【００１２】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、四辺形板状の冷却用金属ベースと、前記冷却用金属ベースに固着された絶縁基板と、前記絶縁基板に形成された回路パターンに実装された複数の半導体チップと、前記回路パターン、及び前記半導体チップの各端子が接続された複数の電極板と、前記絶縁基板、半導体チップ、電極板を囲んで前記冷却用金属ベースに固着されるケースと、前記各電極板から延びる複数の外部接続用主回路端子と、から構成される電力用半導体装置であって、前記複数の半導体チップが、前記冷却用金属ベースの四辺形の一対の対向する辺に沿って当該一対の対向する辺に隣接して配列され、前記冷却用金属ベースを外部の冷却部材に取付けるための取付けボルト用穴が、前記冷却用金属ベースの前記一対の対向する辺に沿った縁部に形成され、前記複数の電極板が、前記一対の対向する辺に沿って配列された前記半導体チップの２つの配列の中間に、前記一対の対向する辺とほぼ平行に延びるよう配置されていることを特徴とする電力用半導体装置に関する。放熱フィンを冷却用金属ベースに取付けるボルト用穴と半導体チップとを隣接して設けることにより、半導体チップの熱を効率よく外部へ放熱させるものである。
【００１４】
請求項２に記載の本発明にかかる電力用半導体装置は、前記複数の電極板が、絶縁層を挟んで各電極板を順次積み重ねたラミネート構造に構成されていることを特徴としている。相互インダクタンスを低減させる効果を得るものである。
【００１５】
請求項３に記載の本発明は、前記複数の外部接続用主回路端子が、前記一対の対向する辺とほぼ平行に延びる前記電極板に沿って前記冷却用金属ベースから外部に突出して設けられていることを特徴とする電力用半導体装置に関する。外部接続用主回路端子を外部に突出し設けることにより、外部導電板との接続を容易にするものである。
【００１６】
請求項４に記載の本発明にかかる電力用半導体装置は、前記複数の外部接続用主回路端子の内、直流用外部接続用主回路端子を構成するＰ端子とＮ端子が前記四辺形の１つの辺に、交流用外部接続主回路端子を構成する交流端子が前記１つの辺に対向する辺にそれぞれ外部に突出して設けられていることを特徴としている。直流入力側の電極端子と交流出力側の電極端子とを分けて配置することにより、入力側と出力側の双方の接続を容易にするものである。
【００１７】
請求項５に記載の本発明にかかる電力用半導体装置は、前記Ｐ端子とＮ端子の各外部導電板取付け面が、一対の導電板とその中間に介在する絶縁層とのラミネート構造からなる外部導電板の内の一方の導電板の取付け面と他方の導電板の取付け面との高さに各々一致させ、前記冷却用金属ベースから前記Ｐ端子とＮ端子の前記各外部導電板取付け面までの高さの間に差を設けて配設されていることを特徴としている。電極端子への外部導電板の接続に当たり、外部導電板の不必要な加工を廃止するものである。
【００１８】
請求項６に記載の本発明にかかる電力用半導体装置は、前記半導体チップを含む回路パターンの動作を制御するための制御端子が、前記四辺形の内前記外部接続用主回路端子が設けられていない辺の縁部に設けられていることを特徴としている。制御端子の配線を容易にするものである。
【００１９】
請求項７に記載の本発明にかかる電力用半導体装置は、前記複数の外部接続用主回路端子の少なくとも１つの電極端子に、外部導電板を取り付ける複数の取付け穴が設けられていることを特徴としている。複数のボルトで取付けることにより、接触面積を高めるものである。
【００２０】
請求項８に記載の本発明にかかる電力用半導体装置は、前記少なくとも１つの電極端子に設けられる複数の取付け穴が、前記冷却用金属ベースを外部の冷却用部材に締結するために使用されるボルトと同一のボルトが使用できる穴に形成されていることを特徴としている。ボルトの共通化により、取付け作業性を改善するものである。
【００２１】
請求項９に記載の本発明にかかる電力用半導体装置は、前記少なくとも１つの電極端子に設けられる複数の取付け穴の内、少なくとも１つの穴の径がその他の穴の径と異なることを特徴としている。他の構成部品、回路を接続する際に利用可能にするものである。
【００２２】
請求項１０に記載の本発明にかかる電力用半導体装置は、前記Ｐ端子とＮ端子にそれぞれ設けられた前記径の異なる穴を使用し、前記Ｐ端子とＮ端子との間にコンデンサを取り付けたことを特徴としている。
【００２４】
請求項１１に記載の本発明は、上述したいずれか一に記載の電力用半導体装置の複数基を並列に配し、各電力用半導体装置の対応する各外部接続用主回路端子どうしをバスバーで接続して組み合わせたことを特徴とする組合せ電力用半導体装置に関する。以上の各請求項に記載の電力用半導体装置は外部導電板との取付けが容易であり、これを利用して複数の電力用半導体装置を効率よく組み合わせるものである。
【００２５】
そして、請求項１２に記載の本発明にかかる組合せ電力用半導体装置は、前記バスバーに単数もしくは複数のコンデンサを取り付けたことを特徴としている。外部接続用主回路端子に隣接してコンデンサを配置し、インダクタンスを低減するものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる半導体パワーモジュールの第１の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール１０の内部構造を示している。図において、本実施の形態に係る半導体パワーモジュール１０は、冷却用金属ベース１に絶縁基板２が固着され、絶縁基板２の表面に回路パターン３が固着されている。回路パターン３には複数の半導体チップ４が半田などで接続され、実装されている。図示のように半導体チップ４は、四辺形形状の冷却用金属ベース１の図の縦方向に延びる一対の対向する辺に沿ってそれぞれ配列されており、積層電極板６が、前記一対の対向する辺と平行に、半導体チップ４の２つの配列の中間に配置されている。
【００２７】
図２は、側方から見た積層電極板６の構造と半導体チップ４との接続状態を示している。積層電極板６は３層の電極板６ａ、６ｂ、６ｃから構成され、各電極板６ａ、６ｂ、６ｃには、半導体チップ４の各端子と、回路パターン３とがそれぞれ接続される。各電極板６ａ、６ｂ、６ｃは、それらの下に配置された絶縁層７ａ、７ｂ、７ｃと共にラミネート構造を形成しており、これら絶縁層７ａ、７ｂ、７ｃによって相互に絶縁されている。
【００２８】
各電極板６ａ、６ｂ、６ｃは樹脂ケース（図示せず）の外部に延び、図９に示すものと同様、例えば半導体パワーモジュール１０の上面でそれぞれ外部接続用主回路端子であるＰ端子、Ｎ端子、交流端子を形成する。なお、樹脂ケースに囲まれた内部の空間はシリコンゲルなどの充填材が充填されており、この点は従来の半導体パワーモジュール５０と同様である。
【００２９】
図１に示す本実施の形態に係る半導体パワーモジュール１０は、図の縦方向に延びる一対の対向する辺の縁部に、冷却用金属ベース１を外部の冷却部材である放熱フィンなどに締め付けるための取付けボルト用穴１６をそれぞれ４つずつ備えている。この取付けボルト用穴１６の数は、半導体チップ４の発熱量ほかの諸条件に応じ、任意に選択することができる。また、前記一対の対向する辺には、制御端子１４も設けられている。
【００３０】
以上のように構成された半導体パワーモジュール１０の動作時は、Ｐ端子６１からＮ端子６２に流れる直流電流が、制御端子１４からの指令に基づく半導体チップ４の作用によって交流電流に変換され、この交流電流が交流端子６３（各端子６１、６２、６３は図９参照）から出力される。この際、半導体チップ４が大量の熱を発生するが、発生した熱は絶縁基板２から冷却用金属ベース１に伝えられ、さらにその熱は取付けボルト用穴１６を介してボルトで締結される放熱フィンなどの外部冷却部材に放熱される。
【００３１】
本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール１０による有利な点は以下の通りである。まず、図１に示す半導体パワーモジュール１０において、発熱の要因となる複数の半導体チップ４が、四辺形からなる冷却用金属ベース１の一対の対向する辺に沿ってこれに隣接して配列され、当該一対の対向する辺の縁部に複数の（図示の例では各４つの）取付けボルト用穴１６が設けられている。上述のように、冷却用金属ベース１を放熱フィンにボルトで締め付けて圧着させる箇所が有効な放熱部位となるが、本実施の形態ではこの取付けボルト用穴１６が熱源である半導体チップ４に沿って隣接して設けられている。このため、放熱効果が高く、必要な取付けボルト用穴１６の数（すなわち、締め付け用ボルトの数）を減らすことができ、また、高い放熱効果を利用して大電流に対応できる半導体パワーモジュールを実現することが可能となる。
【００３２】
加えて、本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール１０では、積層電極板６が、半導体チップ４の２つの配列の中間で前記一対の対向する辺と平行に、半導体パワーモジュール１０の中央部を横切るように配置されている。このため、半導体パワーモジュール１０の中央部分に発熱する部材が存在せず、したがって、中央部分で発生する熱を外部に放出するための取付けボルト用穴１６を半導体パワーモジュールの全辺にわたってほぼ均等に設ける必要がない。この結果、冷却用金属ベース１を放熱フィンに締め付けるための取付けボルト用穴１６を、半導体チップ４の配列に隣接する一対の対向する辺の縁部にのみ必要な数だけ設けることで、十分な放熱が可能となる。このことは、当該一対の対向する辺以外の辺（図１の例では上下に位置する一対の対向する辺）には取付けボルト用穴１６を設ける必要がなくなることを意味し、これら取付けボルト用穴のない辺は、後の実施の形態に示すように他の目的に有効に使用することを可能とする。
【００３３】
なお、冷却用金属ベース１の四辺形の各頂点部には取付けボルト用穴１６がそれぞれ設けられている（図１では１６ｘで示す）。本明細書において、当該頂点部にあるこれら取付けボルト用穴１６ｘは、その他の取付けボルト用穴１６が設けられている一対の対向する辺と同じ辺に属しているものと解釈する。したがって取付けボルト用穴１６が設けられていない辺という場合には、この頂点部にある取付けボルト用穴１６ｘを除いた部分の各辺を意味するものとする。
【００３４】
本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール１０内部構造の更なる利点は、積層電極板６をラミネート構造としたことにより、各電極板６ａ、６ｂ、６ｃ間の相互インダクタンスを極力小さくすることが可能になったことである。この結果、半導体パワーモジュール１０の起動時や遮断時、もしくは電圧変動時における逆誘導起電力に基づく障害を極力抑制する効果を得ることができる。
【００３５】
次に、本発明にかかる第２の実施の形態の半導体パワーモジュールについて図面を参照して説明する。図３は、本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０の平面図を示している。以下、先の実施の形態で使用したものと同一の構成要素に対しては同一の符号を用いるものとする。図３において、本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０は、四辺形の冷却用金属ベース１の一対の対向する辺の縁に取付けボルト用穴１６がそれぞれ４つ設けられ、樹脂ケース８で覆われた内部には、図１に示す構造と同様に積層電極板６、並びに半導体チップ４が配置されている。また、図１に示すような半導体チップ４の２つの配列に隣接した一対の対向する辺の縁部に前記の取付けボルト用穴１６が配置されている。したがって、当該一対の対向する辺を除く四辺形の他の辺には取付けボルト用穴１６を設けるまでもなく十分な放熱効果を得ることができる。
【００３６】
本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０では、上述の取付けボルト用穴１６が設けられていない一対の対向する辺の内、一方の辺に直流用外部接続用主回路端子であるＰ端子２１とＮ端子２２が、また、これと対向する他の辺には交流用外部接続用主回路端子、すなわち交流端子２３が、それぞれ冷却用金属ベース１の外部に突出して設けられている。但し、これら端子２１、２２、２３の配置は単なる１例であり、目的に応じて任意に配置変換できる。取付けボルト用穴１６が設けられた一対の対向する辺には、制御端子１４がそれぞれ設けられている。
【００３７】
図４は、図３に示すように構成された半導体パワーモジュール２０の使用状態を示している。図において、半導体パワーモジュール２０のＰ端子２１には第１の導電板２６が、Ｎ端子２２には第２の導電板２７が、また、交流端子２３には第３の導電板２８が、それぞれボルト３１によって取り付けられている。図示の例では、第１の導電板２６と第２の導電板２７とが個別に設けられているが、図１１に示すようなラミネート構造のバスバー７０がＰ端子２１及びＮ端子２２に接続されてもよい。制御端子１４には制御用配線２９が接続され、また、各取付けボルト用穴１６にはボルト３２が差し込まれ、上述した冷却用金属ベース１を外部の冷却部材である放熱フィンなどに締め付けている。
【００３８】
以上のような構成にかかる半導体パワーモジュール２０の動作は、先の実施の形態に記した内容と同様であり、Ｐ端子２１からＮ端子２２に流れる直流電流が半導体チップ４の作用で任意の周波数の交流電流に変換され、交流端子２３から当該交流電流を導電板２８に出力する。この際に半導体チップ４で発生する熱は、冷却用金属ベース１からボルト３２で締結された冷却部材（放熱フィン）に伝えられ、外部へ放出される。
【００３９】
図３、図４に示すように、本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０では、取付けボルト用穴１６（ボルト３２）が設けられる一対の対向する辺以外の辺を利用して各端子２１、２２、２３を突出して設けることができるため、各端子２１、２２、２３への導電板２６、２７、２８の取付け、接続が極めて容易となる。また、作業性が良好であることから、確実なボルトの締め付け、接続を得ることができる。
【００４０】
従来の半導体パワーモジュール５０（図９参照）でこのような各端子２１、２２、２３の配置をしようとした場合、放熱性を考慮して放熱フィン締め付け用のボルト３２の数を増加するときを想定すると、熱源が中央部にあることから、ボルト３２の取付けボルト用穴１６を例えば図４の破線で示す取付けボルト用穴１６ａの位置を含めた半導体パワーモジュールの全周にわたって設ける必要がある。この状態で取付けボルト用穴１６ａにボルト３２を締結すると、当該ボルト３２が導電板２６、２７に極めて接近するために絶縁距離が不足となり、絶縁破壊するなどの問題が生じ得る。これはラミネート構造のバスバー７０を使用したときも同様で、ボルト３２の直上をバスバー７０が覆うことから絶縁距離が不足し、絶縁破壊が起こり得る。
【００４１】
この場合に必要な絶縁距離は、例えば出力電圧が１２００Ｖの場合、約８ｍｍである。絶縁破壊を避けようとすれば、従来ではＰ端子２１とＮ端子２２との距離を離すこと、導電板２６、２７のサイズを縮小すること、もしくはバスバー７０をボルト３２に対して絶縁距離以上離して配置すること、などの対応が必要があり、結果として設計の自由度を低下させ、半導体パワーモジュールの大型化につながり得た。
【００４２】
本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０では、各端子２１、２２、２３は、取付けボルト用穴１６が設けられた一対の対向する辺以外の辺に配置されていることから、例えば破線で示す取付けボルト用穴１６ａの位置にボルト３２が配置されることはなく、したがって上述のような絶縁破壊の問題がない。
【００４３】
なお、本実施の形態にかかる、半導体パワーモジュールの四辺形の外部に各外部接続用主回路端子２１、２２、２３を突出して設ける構成は、例えば、図９に示すような従来技術による半導体パワーモジュール５０であっても、放熱フィン締結ボルトの取付けボルト用穴６６が四辺形の各頂点部のみに配置されている構造のものに対して全く同様に適用することができる。取付けボルト用穴（１６、６６）が四辺形の各頂点部のみであれば、いずれの辺においても前記各端子２１、２２、２３を突出させるスペースを得ることができ、また、必要な放熱もなされていることから、取付けボルト用穴追加による上述の絶縁破壊の虞がない。
【００４４】
次に、本発明にかかる第３の実施の形態の半導体パワーモジュールについて図面を参照して説明する。図５は、図３に示す構造の半導体パワーモジュール２０のＰ端子２１とＮ端子２２にバスバー７０を取付けた状況を示している。半導体パワーモジュール２０の主要部は図の手前側に位置しており、図面ではＰ端子２１とＮ端子２２以外は省略されている。Ｐ端子２１はバスバー７０の上側の導電板７１に接続され、Ｎ端子２２は絶縁層７３を挟んで下側の導電板７２に接続されている。
【００４５】
図からも明らかなように、本実施の形態にかかるＰ端子２１とＮ端子２２の各外部導電板取付け面は、冷却用金属ベース１からの高さが異なり、それぞれに接続されるバスバー７０の各導電板７１、７２の高さと一致するよう設けられている。具体的に、両端子２１、２２の外部導電板取付け面の高さの差Δｈは、上側の導電板７１の下面と下側の導電板７２の下面との差ｄに一致させている。
【００４６】
半導体パワーモジュール２０のＰ端子２１、Ｎ端子２２をこのように高さを変えて配置することにより、バスバー７０を曲げることなく各端子２１、２２に接続できる。なお、交流端子２３は、冷却用金属ベース１の対向する他の辺に設けられていることから、バスバー７０に貫通孔（図１２に符号７６で示す孔）を設ける必要がなくなり、この観点からも接続作業を容易に行うことができる。
【００４７】
次に、本発明にかかる第４の実施の形態の半導体パワーモジュールについて図面を参照して説明する。図６は、本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０ａを示している。本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０ａは、Ｐ端子２１ａ、Ｎ端子２２ａ、交流端子２３ａのそれぞれに、導電板取付け用の穴が３つあけられている。その他の構成、及び動作は、第２もしくは第３の実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０と同様である。この半導体パワーモジュール２０ａの各端子２１ａ、２２ａ、２３ａに取り付けられる導電板２６ａ、２７ａ、２８ａも同様にそれぞれ３つの穴が空けられており、各端子と導電板とを各３本のボルト３１ａで締結している。図面では、Ｎ端子２２ａに設けられる取付け穴３３が見えるよう、Ｎ端子２２ａに接続される導電板２７ａが省略されている。
【００４８】
以上のように構成された半導体パワーモジュール２０ａでは、各端子２１ａ、２２ａ、２３ａにおいて各３本のボルト３１ａを用いて導電板２６ａ、２７ａ、２８ａを締め付け、接続するため、各端子と導電板との接触面積が大きくなり、接触面での電圧降下が小さく、電圧降下による電送ロスを小さくすることができる。図４に示すような各端子で１本のボルト３１を使用して大電流に対応しようとすると、ボルト３１の径が大きくなり、これに伴って各電極２１、２２、２３も大きくせざるを得ず、結果的に半導体パワーモジュール２０も大型化することとなった。また、ボルト３１を締め付けるためのトルクも増大する。
【００４９】
図６に示すように、３本のボルト３１ａを使用して各導電板を取り付けることにより、各端子２１ａ、２２ａ、２３ａを小型のままで十分な接触面を得ることができ、さらには大径のボルト３１で締結するほどの大トルクを必要としないため、取り付け作業も容易である。また、このとき使用するボルト３１ａを冷却用金属ベース１締結用のボルト３２と共通化できれば、両ボルト３１ａ、３２間での区別の必要がなくなり、締結用のレンチも同一のものを使用できるなど、取り付け作業が効率的となる。
【００５０】
なお、図６では、各電極端子２１ａ、２２ａ、２３ａに３つの取付け穴３３を設けることとしているが、この数は要求に応じて２つ、あるいは任意の数とすることができる。また、この数は使用するボルト３１ａの大きさとの関係で選択することもできる。さらに各電極端子２１ａ、２２ａ、２３ａに設けられる取付け穴３３の数は同一に揃える必然性はなく、必要に応じて電極端子各個に任意の数を選択することができる。
【００５１】
図７は、本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０ａの他の態様を示したもので、ここではＰ端子２１ｂ、Ｎ端子２２ｂに空けられた複数の取付け穴の内、１つの穴の径を変え、その穴を利用してコンデンサ３５をボルト３４で両端子２１ｂ、２２ｂの間に取付けるものとしている。その他の構成は図６に示す半導体パワーモジュール２０ａと同様であり、細部を省略している。
【００５２】
従来の半導体パワーモジュールでは、上面にあるＰ端子、Ｎ端子を覆って導電板もしくはバスバー７０が配置されるためこのようなコンデンサ３５などの他の部品を取り付けるのは極めて困難であった。各端子２１ｂ、２２ｂが冷却用金属ベース１から外部へ突出して設けられる本実施の形態においては、このようなコンデンサなどの小物部品や別の電子回路の取付けを極めて容易となる。
【００５３】
図８は、図６に示す本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０ａを横方向に複数基並列配置し、より大きな電流への対応を可能にする組み合わせ式の半導体パワーモジュールの構成を示している。図において、各半導体パワーモジュール２０ａのＰ端子２１ａ、Ｎ端子２２ａ（それぞれバスバー７０の下側に位置する）には、この複数の半導体パワーモジュール２０ａをつなぐバスバー７０が接続されている。この際、各半導体パワーモジュール２０ａのＰ端子２１ａ、Ｎ端子２２ａとの間には、図５に示すような高さの差を設けることで、バスバー７０の接続部を曲げ加工することなく締め付けが可能となり、効率的な取付けが可能となる。制御端子１４には各半導体パワーモジュール２０ａをまたぐようにして制御用配線２９が接続されている。また、バスバー７０には多数の平滑用コンデンサ３６が取り付けられている。
【００５４】
本実施の形態にかかる半導体パワーモジュール２０ａによれば、各端子２１ａ、２２ａ、２３ａが半導体パワーモジュール２０ａの外部に突出して設けてあるため、バスバー７０を半導体パワーモジュール２０ａから離して配置することが可能となり、接続が容易となるほか、コンデンサ３６の取り付けや制御用配線２９の配置も極めて容易となる。また、コンデンサ３６を図示のようにＰ端子２１ａ、Ｎ端子２２ａから近い距離に配置できるため、インダクタンスを低減させる効果を得ることもできる。従来の半導体パワーモジュール５０（図９参照）では、バスバー７０は半導体パワーモジュール５０の上部を覆うように配置する必要があり、このためＰ端子６１、Ｎ端子６２、交流端子６３への接続に煩わしさがあると同時に、複数基配置する場合の制約となっていた。
【００５５】
なお、図８に示す例では、各端子に３つのボルトで締め付ける形式の半導体パワーモジュール２０ａを表示しているが、これは図４に示すような１つのボルト３１で締め付ける形式の半導体パワーモジュール２０であっても勿論同様に複数基の配置が可能である。
【００５６】
また、図では２つの半導体パワーモジュール２０ａをつなぐ状態を示しているが、必要に応じこの半導体パワーモジュールの数をさらに増やすこともできる。交流端子２３ａに対してもバスバーを利用する接続が可能であり、このように交流用外部接続用主回路端子である交流端子２３ａと、直流用外部接続用主回路端子であるＰ端子２１ａ、Ｎ端子２２ａとを互いに異なる辺に配置したことにより、直流入力ばかりでなく交流端子２３ａからの出力の取り出しも容易にすることができる。
【００５７】
【発明の効果】
請求項１から請求項３に記載の本発明によれば、半導体チップで発生する熱を少ないボルト数によっても有効に冷却用金属ベースから外部の冷却部材へ放熱することができる電力用半導体装置を提供することができる。
【００５８】
請求項４から請求項１２に記載の本発明によれば、外部接続用主回路端子を冷却用金属ベースの四辺形の外部に突出して設けることにより、直流入力用導電板、及び交流出力用導電板を効率的に配置することができ、これら導電板の前記各端子への取付けを容易に行うことができる電力用半導体装置を提供することができる。
【００５９】
請求項１３及び請求項１４に記載の本発明によれば、電力用半導体装置を簡単な構成で複数器並列につないだ高容量の組み合わせ電力用半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる１つの実施の形態の半導体パワーモジュールを示す平面図である。
【図２】 図１に示す半導体パワーモジュールの内部構造を示す部分側面断面図である。
【図３】 本発明にかかる他の実施の形態の半導体パワーモジュールを示す平面図である。
【図４】 図３に示す半導体パワーモジュールの使用状態を示す平面図である。
【図５】 本発明にかかる更に他の実施の形態の半導体パワーモジュールとバスバーの接続状態を示す斜視図である。
【図６】 本発明にかかる更に他の実施の形態の半導体パワーモジュールを示す平面図である。
【図７】 図６に示す半導体パワーモジュールの他の態様を示す平面図である。
【図８】 図６に示す半導体パワーモジュールを複数基配置した組合せ半導体パワーモジュールを示す平面図である。
【図９】 従来技術による半導体パワーモジュールを示す平面図である。
【図１０】 従来技術による半導体パワーモジュールの内部構造を示す部分断面図である。
【図１１】 外部導電板（バスバー）のラミネート構造を示す斜視図である。
【図１２】 図１１に示す外部導電板が半導体パワーモジュールに接続された状態を示す断面ずである。
【符号の説明】
１ 冷却用金属ベース、 ２ 絶縁基板、 ３ 回路パターン、 ４ 半導体チップ、 ６ 積層電極板、 ６ａ、６ｂ、６ｃ 電極板、 ７ａ、７ｂ、７ｃ 絶縁層、 ８ 樹脂ケース、 １０ 半導体パワーモジュール、 １４ 制御端子、 １６ 取付けボルト用穴、 ２０、２０ａ 半導体パワーモジュール、 ２１ Ｐ端子、 ２２ Ｎ端子、 ２３ 交流端子、 ３１ ボルト、 ３２ ボルト、 ７０ バスバー。
Claims (12)
- 四辺形板状の冷却用金属ベースと、
前記冷却用金属ベースに固着された絶縁基板と、
前記絶縁基板に形成された回路パターンに実装された複数の半導体チップと、
前記回路パターン、及び前記半導体チップの各端子が接続された複数の電極板と、
前記絶縁基板、半導体チップ、電極板を囲んで前記冷却用金属ベースに固着されるケースと、
前記各電極板から延びる複数の外部接続用主回路端子と、から構成される電力用半導体装置において、
前記複数の半導体チップが、前記冷却用金属ベースの四辺形の一対の対向する辺に沿って当該一対の対向する辺に隣接して配列され、
前記冷却用金属ベースを外部の冷却部材に取付けるための取付けボルト用穴が、前記冷却用金属ベースの前記一対の対向する辺に沿った縁部に形成され、
前記複数の電極板が、前記一対の対向する辺に沿って配列された前記半導体チップの２つの配列の中間に、前記一対の対向する辺とほぼ平行に延びるよう配置されていることを特徴とする電力用半導体装置。 - 前記複数の電極板が、絶縁層を挟んで各電極板を順次積み重ねたラミネート構造に構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電力用半導体装置。
- 前記複数の外部接続用主回路端子が、前記一対の対向する辺とほぼ平行に延びる前記電極板に沿って前記冷却用金属ベースから外部に突出して設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の電力用半導体装置。
- 前記複数の外部接続用主回路端子の内、直流用外部接続用主回路端子を構成するＰ端子とＮ端子が前記四辺形の１つの辺に、交流用外部接続主回路端子を構成する交流端子が前記１つの辺に対向する辺にそれぞれ外部に突出して設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の電力用半導体装置。
- 前記Ｐ端子とＮ端子の各外部導電板取付け面が、一対の導電板とその中間に介在する絶縁層とのラミネート構造からなる外部導電板の内の一方の導電板の取付け面と他方の導電板の取付け面との高さに各々一致させ、前記冷却用金属ベースから前記Ｐ端子とＮ端子の前記各外部導電板取付け面までの高さの間に差を設けて配設されていることを特徴とする、請求項４に記載の電力用半導体装置。
- 前記半導体チップを含む回路パターンの動作を制御するための制御端子が、前記四辺形の内前記外部接続用主回路端子が設けられていない辺の縁部に設けられていることを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の電力用半導体装置。
- 前記複数の外部接続用主回路端子の少なくとも１つの電極端子に、外部導電板を取り付ける複数の取付け穴が設けられていることを特徴とする、請求項３から請求項６のいずれか一に記載の電力用半導体装置。
- 前記少なくとも１つの電極端子に設けられる複数の取付け穴が、前記冷却用金属ベースを外部の冷却用部材に締結するために使用されるボルトと同一のボルトが使用できる穴に形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の電力用半導体装置。
- 前記少なくとも１つの電極端子に設けられる複数の取付け穴の内、少なくとも１つの穴の径がその他の穴の径と異なることを特徴とする、請求項７に記載の電力用半導体装置。
- 前記Ｐ端子とＮ端子にそれぞれ設けられた前記径の異なる穴を使用し、前記Ｐ端子とＮ端子との間にコンデンサを取り付けたことを特徴とする、請求項９に記載の電力用半導体装置。
- 請求項１から請求項１０のいずれか一に記載の電力用半導体装置の複数基を並列に配し、各電力用半導体装置の対応する各外部接続用主回路端子同士をバスバーで接続して組み合わせたことを特徴とする組合せ電力用半導体装置。
- 前記バスバーに単数もしくは複数のコンデンサを取り付けたことを 特徴とする、請求項１１に記載の組合せ電力用半導体装置。
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