JP3978424B2 - 半導体モジュール、半導体装置および負荷駆動装置 - Google Patents

半導体モジュール、半導体装置および負荷駆動装置 Download PDF

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Description

この発明は、半導体モジュール、半導体装置および負荷駆動装置に関し、特に、パワー半導体素子が電極基板上に搭載された半導体モジュール、半導体装置および負荷駆動装置に関する。
パワー半導体素子が電極基板上に搭載された半導体装置として、特開２００３−１６８７６９号公報では、上部に電力用半導体素子が搭載された導電性基板の下部に、絶縁シート、放熱板および外部放熱器を備え、少なくとも導電性基板および電力用半導体素子が樹脂封止される電力用半導体装置の構成が開示されている（特許文献１参照）。
この特開２００３−１６８７６９号公報に開示された発明によると、導電性基板と同等以上の熱伝導率を有する材質で形成された放熱板において熱が放熱板の平面方向に拡散し、放熱板が取付けられる外部放熱器において熱の集中部が発生せず、放熱性に優れた電力用半導体装置を得ることができるとされる。
特開２００３−１６８７６９号公報
パワー半導体素子が電極基板上に搭載される場合、パワー半導体素子と電極基板との熱膨張係数は一般的に異なり、パワー半導体素子と電極基板との接合部において、パワー半導体素子と電極基板との熱膨張差による歪みが発生する。そして、この歪みが大きくなると、たとえば、パワー半導体素子を電極基板と接続する半田層などの導電性接合材にクラックが生じ、パワー半導体素子と電極基板との接合不良が発生するため、この歪みを適切に抑制する必要がある。
上述した特開２００３−１６８７６９号公報に記載された電力用半導体装置は、パワー半導体素子の放熱性に優れるものとして有用ではあるが、パワー半導体素子と電極基板（導電性基板）との接合部において発生する歪みを抑制できる構造を有しておらず、上記の課題を解決することはできない。
そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、パワー半導体素子と電極基板との熱膨張差により発生する歪みを抑制することができる半導体モジュールを提供することである。
また、この発明の別の目的は、パワー半導体素子と電極基板との熱膨張差により発生する歪みを抑制することができる半導体装置を提供することである。
また、この発明の別の目的は、パワー半導体素子と電極基板との熱膨張差により発生する歪みを抑制することができる負荷駆動装置を提供することである。
この発明によれば、半導体モジュールは、半導体素子と、半導体素子を両側から挟み込むように設けられる第１および第２の電極基板と、第１および第２の電極基板を半導体素子に押付ける押付手段とを備える。
好ましくは、押付手段は、半導体素子ならびに第１および第２の電極基板を封止する樹脂モールド材である。
好ましくは、半導体モジュールは、連設される第１の電極基板、半導体素子、および第２の電極基板をさらに両側から挟み込むように設けられる第１および第２の放熱板をさらに備え、第１および第２の電極基板における第１および第２の放熱板とそれぞれ対向する第１の面の外形寸法は、第１および第２の放熱板における第１および第２の電極基板とそれぞれ対向する第２の面の外形寸法よりも大きく、樹脂モールド材は、第１および第２の放熱板をさらに封止し、第１および第２の面の外形寸法差により第１および第２の電極基板における半導体素子の実装面と対向する非実装面側に回り込むことによって、第１および第２の電極基板を半導体素子に押付ける。
好ましくは、第１および第２の放熱板における第２の面と対向する第３の面の外形寸法は、第２の面の外形寸法よりも大きい。
好ましくは、半導体モジュールは、連設される第１の電極基板、半導体素子、および第２の電極基板をさらに両側から挟み込むように設けられる第１および第２の放熱板をさらに備え、押付手段は、第１および第２の放熱板をそれぞれ第１および第２の電極基板に押付けることによって第１および第２の電極基板を半導体素子に押付ける。
好ましくは、押付手段は、半導体素子、第１および第２の電極基板、ならびに第１および第２の放熱板を封止する樹脂モールド材である。
好ましくは、第１および第２の放熱板における第１および第２の電極基板とそれぞれ対向する第１の面の外形寸法は、第１および第２の放熱板における第１の面と対向する第２の面の外形寸法よりも大きく、樹脂モールド材は、第１および第２の面の外形寸法差により生じる領域に回り込むことによって、第１および第２の放熱板をそれぞれ第１および第２の電極基板に押付ける。
また、この発明によれば、半導体装置は、上述したいずれかの半導体モジュールと、半導体モジュールを両側から挟み込むように設けられる第１および第２の冷却器とを備え、第１および第２の冷却器は、それぞれ第１および第２の放熱板と密接する。
また、この発明によれば、負荷駆動装置は、直流電源と、直流電源から直流電力を受け、電気負荷を駆動するインバータ装置とを備え、インバータ装置を構成する複数のアームの各々は、半導体素子と、半導体素子を両側から挟み込むように設けられる第１および第２の電極基板と、連設される第１の電極基板、半導体素子、および第２の電極基板をさらに両側から挟み込むように設けられる第１および第２の放熱板と、連設される第１の放熱板、第１の電極基板、半導体素子、第２の電極基板、および第２の放熱板をさらに両側から挟み込むように設けられる第１および第２の冷却器と、半導体素子、第１および第２の電極基板、ならびに第１および第２の放熱板を封止する樹脂モールド材とを含み、樹脂モールド材は、第１および第２の電極基板を半導体素子に押付ける。
この発明による半導体モジュールにおいては、半導体素子の発熱による熱膨張時、押付手段によって第１および第２の電極基板から半導体素子へ押付力が発生する。
したがって、この発明によれば、半導体素子と第１および第２の電極基板との接合部における歪みが抑制される。その結果、半導体素子を第１および第２の電極基板と接合する半田などの接合材におけるクラックの発生を防止でき、半導体装置の信頼性が向上する。
また、この発明による半導体モジュールにおいては、半導体素子ならびに第１および第２の電極基板を封止する樹脂モールド材によって第１および第２の電極基板から半導体素子へ押付力が発生する。
したがって、この発明によれば、押付力を発生させるための部材を別途設けることなく、半導体素子の発熱によって発生する、半導体素子と第１および第２の電極基板との接合部における歪みを抑制することができる。
また、この発明による半導体モジュールにおいては、第１および第２の電極基板における第１および第２の放熱板とそれぞれ対向する第１の面の外形寸法を、第１および第２の放熱板における第１および第２の電極基板とそれぞれ対向する第２の面の外形寸法よりも大きくすることによって、第１および第２の電極基板における非素子実装面側に樹脂モールド材が回り込み、これによって第１および第２の電極基板から半導体素子へ押付力が発生する。
したがって、この発明によれば、簡単な構成で、樹脂モールド材により第１および第２の電極基板から半導体素子へ押付力を発生させることができる。
また、この発明による半導体モジュールにおいては、第１および第２の放熱板における上記第２の面と対向する第３の面の外形寸法を第２の面の外形寸法よりも大きくすることによって、樹脂モールド材による第１および第２の電極基板から半導体素子への押付力を確保しつつ、放熱板において平面方向のより広い範囲に熱が拡散する。
したがって、この発明によれば、より効率的に第１および第２の放熱板から外部へ熱を放熱させることができる。
また、この発明による半導体モジュールにおいては、押付手段によって、第１および第２の放熱板からそれぞれ第１および第２の電極基板へ押付力が発生し、その結果、第１および第２の電極基板から半導体素子へ押付力が発生する。
したがって、この発明によれば、第１の電極基板と第１の放熱板との接合部および第２の電極基板と第２の放熱板との接合部における各接合面の密着性が向上し、各接合面における接触熱抵抗が低減され、放熱性が向上する。
また、この発明による半導体モジュールにおいては、半導体素子、第１および第２の電極基板、ならびに第１および第２の放熱板を封止する樹脂モールド材によって、第１および第２の放熱板からそれぞれ第１および第２の電極基板へ押付力が発生し、その結果、第１および第２の電極基板から半導体素子へ押付力が発生する。
したがって、この発明によれば、押付力を発生させるための部材を別途設けることなく、半導体素子と第１および第２の電極基板との接合部における歪みを抑制することができ、さらに、第１の電極基板と第１の放熱板との接合部および第２の電極基板と第２の放熱板との接合部における各接合面の密着性を向上させることができる。
また、この発明による半導体モジュールにおいては、第１および第２の放熱板における第１および第２の電極基板とそれぞれ対向する第１の面の外形寸法を、第１および第２の放熱板におけるその第１の面に対向する第２の面の外形寸法よりも大きくすることによって、第１および第２の放熱板に樹脂モールド材が回り込み、これによって第１および第２の放熱板からそれぞれ第１および第２の電極基板へ押付力が発生し、その結果、第１および第２の電極基板から半導体素子へ押付力が発生する。
したがって、この発明によれば、簡単な構成で、樹脂モールド材により第１および第２の放熱板からそれぞれ第１および第２の電極基板へ押付力を発生させ、第１および第２の電極基板から半導体素子へ押付力を発生させることができる。
また、この発明による半導体装置においては、樹脂モールド材に妨げられることなく、半導体モジュールの両側に設けられた第１および第２の冷却器がそれぞれ第１および第２の放熱板に密接することによって、第１および第２の放熱板からそれぞれ第１および第２の冷却器へ放熱される。
したがって、この発明によれば、樹脂モールド材によって放熱性が阻害されることはなく、また、半導体モジュールの両面から放熱されるので放熱性に優れる。
また、この発明による負荷駆動装置においては、インバータ装置における各アームの構成において、半導体素子、第１および第２の電極基板、ならびに第１および第２の放熱板を封止する樹脂モールド材によって、第１および第２の電極基板から半導体素子へ押付力が発生する。
したがって、この発明によれば、半導体素子の発熱による熱膨張によって発生する、半導体素子と第１および第２の電極基板との接合部における歪みが抑制される。その結果、半導体素子を第１および第２の電極基板と接合する半田などの接合材におけるクラックの発生を防止でき、負荷駆動装置の信頼性が向上する。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
［実施の形態１］
図１は、この発明による負荷駆動装置の主要部の構成を示す回路図である。
図１を参照して、負荷駆動装置１００は、コンバータ２１０と、インバータ２２０と、信号生成回路２３０，２４０と、制御回路２５０と、電流センサ２６０と、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２とを含む。コンバータ２１０は、リアクトルＬ１と、パワートランジスタＱ１，Ｑ２と、ドライバ２７１，２７２と、逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２とからなる。インバータ２２０は、パワートランジスタＱ３〜Ｑ８と、ドライバ２７３〜２７８と、逆並列ダイオードＤ３〜Ｄ８とからなる。
直流電源であるバッテリ２００は、たとえば、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池からなり、直流電圧を負荷駆動装置１００へ供給するとともに、負荷駆動装置１００からの直流電圧によって充電される。
回転機Ｍ１は、３相交流同期回転機もしくは誘導回転機であって、インバータ２２０から交流電力を受けて回転駆動力を発生する。また、回転機Ｍ１は、発電機としても使用され、減速時の発電作用（回生発電）により発電された電圧は、コンバータ２１０を用いて降圧され、バッテリ２００に供給される。
コンバータ２１０を構成するパワートランジスタＱ１，Ｑ２は、たとえば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）からなる。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は、電源ライン２９２と接地ライン２９３との間に直列に接続される。また、各パワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すように逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続されている。
ドライバ２７１，２７２は、信号生成回路２３０からＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ受け、そのＰＷＭ信号Ｓ１，Ｓ２に基づいてそれぞれパワートランジスタＱ１，Ｑ２のスイッチング動作を行なう。
コンバータ２１０においては、リアクトルＬ１は、パワートランジスタＱ２のスイッチング動作に応じてコイルに流される電流を磁場エネルギーとして蓄積することによってバッテリ２００からの直流電圧を昇圧し、その昇圧された直流電圧をパワートランジスタＱ２がオフされたタイミングに同期して逆並列ダイオードＤ１を介して電源ライン２９２に供給する。
平滑コンデンサＣ１は、電源ライン２９１と接地ライン２９３との間に接続され、電圧変動に起因するバッテリ２００およびコンバータ２１０に対しての影響を低減する。
インバータ２２０を構成するパワートランジスタＱ３〜Ｑ８は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２と同様に、たとえば、ＩＧＢＴからなる。パワートランジスタＱ３，Ｑ４は、Ｕ相アーム２８１を構成し、パワートランジスタＱ５，Ｑ６は、Ｖ相アーム２８２を構成し、パワートランジスタＱ７，Ｑ８は、Ｗ相アーム２８３を構成し、Ｕ相アーム２８１、Ｖ相アーム２８２およびＷ相アーム２８３は、電源ライン２９２と接地ライン２９３との間に並列に接続される。また、各パワートランジスタＱ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流す逆並列ダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。
ドライバ２７３〜２７８は、信号生成回路２４０からＰＷＭ信号Ｓ３〜Ｓ８をそれぞれ受け、そのＰＷＭ信号Ｓ３〜Ｓ８に基づいてそれぞれパワートランジスタＱ３〜Ｑ８のスイッチング動作を行なう。
そして、各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、回転機Ｍ１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、回転機Ｍ１は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成され、パワートランジスタＱ３，Ｑ４の接続点にＵ相コイルの他端が接続され、パワートランジスタＱ５，Ｑ６の接続点にＶ相コイルの他端が接続され、パワートランジスタＱ７，Ｑ８の接続点にＷ相コイルの他端が接続されている。
平滑コンデンサＣ２は、電源ライン２９２と接地ライン２９３との間に接続され、電圧変動に起因するインバータ２２０およびコンバータ２１０に対しての影響を低減する。
信号生成回路２３０は、制御回路２５０によって算出されたパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比の演算結果を制御回路２５０から受け、パワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号Ｓ１，Ｓ２を生成してそれぞれコンバータ２１０のドライバ２７１，２７２へ出力する。
信号生成回路２４０は、制御回路２５０によって算出された各相の電圧演算結果を制御回路２５０から受け、パワートランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするＰＷＭ信号Ｓ３〜Ｓ８を生成してそれぞれインバータ２２０のドライバ２７３〜２７８へ出力する。
制御回路２５０は、モータトルク指令値、回転機Ｍ１の各相の電流値、およびインバータ２２０の入力電圧を入力して回転機Ｍ１の各相コイルの電圧を演算し、その演算結果を信号生成回路２４０へ出力する。回転機Ｍ１の各相の電流値は、電流センサ２６０により検出され、インバータ２２０の入力電圧は、図示されない電圧センサにより検出される。
また、制御回路２５０は、上述したモータトルク指令値およびモータ回転数を入力してインバータ２２０の入力電圧の最適値（目標値）を演算する。そして、制御回路２５０は、この入力電圧の目標値、インバータ２２０の入力電圧、およびバッテリ２００の電圧に基づいて、インバータ２２０の入力電圧をその目標値にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算し、その演算結果を信号生成回路２３０へ出力する。
この負荷駆動装置１００においては、チョッパ式のコンバータ２１０は、信号生成回路２３０からの指令に基づいて、バッテリ２００から受ける直流電圧を昇圧して電源ライン２９２に供給する。そして、インバータ２２０は、平滑コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ライン２９２から受け、その受けた直流電圧を交流電圧に変換して回転機Ｍ１へ出力する。
また、インバータ２２０は、回転機Ｍ１によって発電された交流電圧を直流電圧に変換して電源ライン２９２へ出力する。そして、コンバータ２１０は、平滑コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ライン２９２から受け、その受けた直流電圧を降圧してバッテリ２００へ供給する。
このように、負荷駆動装置１００は、バッテリ２００からの直流電圧を昇圧して回転機Ｍ１を駆動するとともに、回転機Ｍ１によって発電された電力をバッテリ２００へ供給する。
図２は、図１に示された実施の形態１におけるインバータ２２０のＵ相上アームの構造を示す断面図である。なお、図１に示されたインバータ２２０の各相における上下各アームおよびコンバータ２１０の上下各アームの構造も、図２に示すアームの構造と同じであるので、説明は繰り返さない。
図２を参照して、このＵ相上アームは、上述したパワートランジスタＱ３および逆並列ダイオードＤ３と、スペーサ３２２，３２４と、電極基板３０２，３０４と、絶縁シート３０８，３１０と、放熱板３１２，３１４と、冷却器３１６，３１８と、モールド樹脂３２０と、信号電極板３０６と、ワイヤ３２８とを備える。
パワートランジスタＱ３は、半田などの導電性接合材３２６によってエミッタ側が電極基板３０２上に固設され、電極基板３０２と電気的に接続される。スペーサ３２２は、ワイヤ３２８が電極基板３０４と接触するのを防止するために電極基板３０２，３０４の間隔を確保する。スペーサ３２２は、導電体からなり、導電性接合材３２６によってパワートランジスタＱ３上のコレクタ部に固設され、その接合部と対向する側が導電性接合材３２６によって電極基板３０４に固設される。したがって、パワートランジスタＱ３は、電極基板３０４とも電気的に接続される。
逆並列ダイオードＤ３は、導電性接合材３２６によってアノード側が電極基板３０２上に固設され、電極基板３０２と電気的に接続される。スペーサ３２４は、電極基板３０２，３０４の平衡状態を保つためにスペーサ３２２に対応して設けられる。スペーサ３２４も、スペーサ３２２と同様に導電体からなり、導電性接合材３２６によって逆並列ダイオードＤ３上のカソード側に固設され、その接合部と対向する側が導電性接合材３２６によって電極基板３０４に固設される。したがって、逆並列ダイオードＤ３は、電極基板３０４とも電気的に接続される。
電極基板３０２，３０４は、たとえば銅などからなる導電性基板であって、パワートランジスタＱ３およびスペーサ３２２ならびに逆並列ダイオードＤ３およびスペーサ３２４を挟み込むように平行に設けられる。電極基板３０２，３０４は、外部へ突出した接続部を有しており、この接続部を介して図１に示したＵ相出力ライン２９４および電源ライン２９２とそれぞれ接続される。
絶縁シート３０８，３１０は、それぞれ電極基板３０２，３０４における素子実装面と対向する面を被うように設けられ、電極基板３０２，３０４を放熱板３１２，３１４とそれぞれ電気的に絶縁する。一方、絶縁シート３０８，３１０は、たとえばアルミナなどの高熱伝導率を有するフィラーを含有しており、パワートランジスタＱ３および逆並列ダイオードＤ３から電極基板３０２，３０４に伝わった熱をそれぞれ放熱板３１２，３１４へ伝熱する。
放熱板３１２，３１４は、たとえば、高熱伝導性を有する銅などからなり、それぞれ絶縁シート３０８，３１０に密接して設けられる。放熱板３１２，３１４は、それぞれ電極基板３０２，３０４から絶縁シート３０８，３１０を介して受けた熱を放熱板３１２，３１４の平面方向に拡散させて冷却器３１６，３１８へ放熱する。これによって、放熱板３１２，３１４からそれぞれに対応する冷却器３１６，３１８へ伝熱する際に熱の集中部の発生が抑制され、冷却器３１６，３１８へ効率的に放熱される。
冷却器３１６，３１８は、放熱板３１２，３１４における絶縁シート３０８，３１０との接合面と対向する面に密接して設けられ、それぞれ内部に複数の冷媒路３１７，３１９を含む。放熱板３１２，３１４とそれぞれに対応する冷却器３１６，３１８との各接合面には、接触熱抵抗を低減するためにグリスが塗布される。
信号電極板３０６は、導電性のワイヤ３２８を介してパワートランジスタＱ３のベース部と電気的に接続される。また、信号電極板３０６は、外部へ突出しており、図１に示したドライバ２７３と接続される。
モールド樹脂３２０は、たとえば、エポキシ樹脂などであって、パワートランジスタＱ３、逆並列ダイオードＤ３、電極基板３０２，３０４、絶縁シート３０８，３１０、放熱板３１２，３１４、信号電極板３０６、およびワイヤ３２８を冷却板３１６，３１８で挟み込まれる領域内で封止する。
なお、このモールド樹脂３２０は、「樹脂モールド材」を構成し、図２に示される冷却器３１６，３１８を除く部分は、「半導体モジュール」を構成する。
ここで、この実施の形態１においては、電極基板３０２，３０４における絶縁シート３０８，３１０との接合面の外形寸法は、放熱板３１２，３１４における絶縁シート３０８，３１０との接合面の外形寸法よりも大きく設計されている。したがって、図に示されるように、電極基板３０２，３０４における素子実装面と対向する非実装面側にモールド樹脂３２０が回り込んだ構成となっている。
これによって、発熱により各部が熱膨張したとき、図中の矢印で示されるように、モールド樹脂３２０が電極基板３０２，３０４を押付け、パワートランジスタＱ３、逆並列ダイオードＤ３、および導電性接合材３２６からなる素子部を電極基板３０２，３０４が両側から押付ける。したがって、この押付力により、パワートランジスタＱ３および逆並列ダイオードＤ３と電極基板３０２，３０４との熱膨張差により発生する歪みが抑制される。
また、この実施の形態１においては、パワー半導体素子、電極基板３０２，３０４および放熱板３１２，３１４の連設方向におけるモールド樹脂３２０の端面は、それぞれ放熱板３１２，３１４における冷却器３１６，３１８との接合面よりも少なくとも突出しないように構成されている。
これにより、放熱板３１２，３１４における冷却器３１６，３１８と対向する面が露出し、放熱板３１２，３１４とそれぞれに対応する冷却器３１６，３１８との接触が確保され、その接合部における熱抵抗の増大が防止される。
以上のように、この実施の形態１によれば、電極基板３０２，３０４と放熱板３１２，３１４との接合部において、電極基板３０２，３０４の外形寸法を放熱板３１２，３１４の外形寸法よりも大きくすることによって電極基板３０２，３０４における非素子実装面側にモールド樹脂３２０を回り込ませ、これによって電極基板３０２，３０４からパワートランジスタおよび逆並列ダイオードへ押付力が発生するようにしたので、パワートランジスタおよび逆並列ダイオードと電極基板３０２，３０４との各接合部における歪みが抑制される。したがって、導電性接合材３２６におけるクラックの発生を防止でき、負荷駆動装置１００の信頼性が向上する。
また、この実施の形態１によれば、放熱板３１２，３１４とそれぞれに対応する冷却器３１６，３１８との接触をモールド樹脂３２０が阻害しないようにしたので、放熱板３１２，３１４からそれぞれに対応する冷却器３１６，３１８への放熱性が確保される。さらに、パワートランジスタおよび逆並列ダイオードの両面から放熱されるので、放熱性がさらに向上する。
［実施の形態２］
実施の形態２における負荷駆動装置の主要部の回路構成は、図１に示した構成と同じである。
図３は、実施の形態２におけるインバータのＵ相上アームの構造を示す断面図である。なお、負荷駆動装置におけるインバータおよびコンバータを構成するその他の上下各アームの構造も、図３に示すアームの構造と同じであるので、説明は繰り返さない。
図３を参照して、実施の形態２におけるＵ相上アームは、実施の形態１における各アームの構成において、電極基板３０２，３０４に代えて電極基板３０２Ａ，３０４Ａを備える。実施の形態２におけるＵ相上アームのその他の構成は、実施の形態１における各アームの構成と同じである。
電極基板３０２Ａ，３０４Ａは、たとえば銅などからなる導電性基板であって、パワートランジスタＱ３およびスペーサ３２２ならびに逆並列ダイオードＤ３およびスペーサ３２４を挟み込むように平行に設けられる。電極基板３０２Ａ，３０４Ａは、外部へ突出しており、図示されないＵ相出力ラインおよび電源ラインとそれぞれ接続される。
この実施の形態２においても、電極基板３０２Ａ，３０４Ａにおける素子実装面と対向する非実装面側にモールド樹脂３２０が回り込む構成となっているので、発熱により各部が熱膨張したとき、図中の矢印で示されるように、モールド樹脂３２０が電極基板３０２Ａ，３０４Ａを押付け、パワートランジスタＱ３、逆並列ダイオードＤ３、および導電性接合材３２６からなる素子部を電極基板３０２Ａ，３０４Ａが両側から押付ける。したがって、この実施の形態２によっても、この押付力により、パワートランジスタＱ３および逆並列ダイオードＤ３と電極基板３０２Ａ，３０４Ａとの熱膨張差により発生する歪みが抑制される。
ここで、この実施の形態２における電極基板３０２Ａ，３０４Ａは、図２に示した実施の形態１における電極基板３０２，３０４のような厚みを有しておらず、パワートランジスタＱ３および逆並列ダイオードＤ３からの熱は、電極基板３０２Ａ，３０４Ａにおいて平面方向に十分に拡散されずに絶縁シート３０８，３１０へ伝達される。
しかしながら、絶縁シート３０８，３１０と冷却器３１６，３１８との間にはそれぞれ放熱板３１２，３１４が設けられ、この放熱板３１２，３１４において平面方向に熱が拡散するので、冷却器３１６，３１８への伝熱の際に熱の集中部が発生することはない。したがって、電極基板３０２Ａ，３０４Ａを薄板で構成しても、放熱性が低下することはなく、その一方で、電極基板３０２Ａ，３０４Ａを薄板で構成することによる装置の小型化という効果が得られる。
以上のように、この実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果が得られるほか、電極基板３０２Ａ，３０４Ａを薄板化することによって装置を小型化できる。
［実施の形態３］
実施の形態３における負荷駆動装置の主要部の回路構成も、図１に示した構成と同じである。
図４は、実施の形態３におけるインバータのＵ相上アームの構造を示す断面図である。なお、負荷駆動装置におけるインバータおよびコンバータを構成するその他の上下各アームの構造も、図４に示すアームの構造と同じであるので、説明は繰り返さない。
図４を参照して、実施の形態３におけるＵ相上アームは、実施の形態１における各アームの構成において、放熱板３１２，３１４に代えて放熱板３１２Ａ，３１４Ａを備える。実施の形態３におけるＵ相上アームのその他の構成は、実施の形態１における各アームの構成と同じである。
放熱板３１２Ａ，３１４Ａは、たとえば、高熱伝導性を有する銅などからなり、それぞれ絶縁シート３０８，３１０に密接して設けられる。そして、この放熱板３１２Ａ，３１４Ａも、放熱板３１２，３１４と同様に、それぞれ電極基板３０２，３０４から絶縁シート３０８，３１０を介して受けた熱を放熱板３１２Ａ，３１４Ａの平面方向に拡散させて冷却器３１６，３１８へ放熱する。これによって、放熱板３１２Ａ，３１４Ａからそれぞれに対応する冷却器３１６，３１８へ伝熱する際に熱の集中部の発生が抑制され、冷却器３１６，３１８へ効率的に放熱される。
この実施の形態３における放熱板３１２Ａ，３１４Ａが実施の形態１における放熱板３１２，３１４と異なる点は、放熱板３１２Ａ，３１４Ａにおける絶縁シート３０８，３１０との接合面の外形寸法が冷却器３１６，３１８との接合面の外形寸法よりも大きく、たとえば、図に示されるように、絶縁シート３０８，３１０の外形寸法すなわち電極基板３０２，３０４の外形寸法と同じ外形寸法を有することである。
したがって、この実施の形態３によれば、放熱板３１２Ａ，３１４Ａとそれぞれに対応する絶縁シート３０８，３１０との接合面、および絶縁シート３０８，３１０とそれぞれに対応する電極基板３０２，３０４との接合面にもモールド樹脂３２０による押付力が発生し、これらの各接合面の密着性が向上する。その結果、これらの各接合面における接触熱抵抗が低減され、放熱性が向上する。
［実施の形態４］
実施の形態４における負荷駆動装置の主要部の回路構成も、図１に示した構成と同じである。
図５は、実施の形態４におけるインバータのＵ相上アームの構造を示す断面図である。なお、負荷駆動装置におけるインバータおよびコンバータを構成するその他の上下各アームの構造も、図５に示すアームの構造と同じであるので、説明は繰り返さない。
図５を参照して、実施の形態４におけるＵ相上アームは、実施の形態１における各アームの構成において、放熱板３１２，３１４に代えて放熱板３１２Ｂ，３１４Ｂを備える。実施の形態４におけるＵ相上アームのその他の構成は、実施の形態１における各アームの構成と同じである。
放熱板３１２Ｂ，３１４Ｂも、たとえば、高熱伝導性を有する銅などからなり、それぞれ絶縁シート３０８，３１０に密接して設けられる。そして、この放熱板３１２Ｂ，３１４Ｂも、それぞれ電極基板３０２，３０４から絶縁シート３０８，３１０を介して受けた熱を放熱板３１２Ｂ，３１４Ｂの平面方向に拡散させて冷却器３１６，３１８へ放熱する。これによって、放熱板３１２Ｂ，３１４Ｂからそれぞれに対応する冷却器３１６，３１８へ伝熱する際に熱の集中部の発生が抑制され、冷却器３１６，３１８へ効率的に放熱される。
この実施の形態４における放熱板３１２Ｂ，３１４Ｂにおいては、実施の形態３における放熱板３１２Ａ，３１４Ａの構造とは反対に、放熱板３１２Ｂ，３１４Ｂにおける冷却器３１６，３１８との接合面の外形寸法が絶縁シート３０８，３１０との接合面の外形寸法よりも大きく、かつ、電極基板３０２，３０４における絶縁シート３０８，３１０との接合面の外形寸法が放熱板３１２Ｂ，３１４Ｂにおける絶縁シート３０８，３１０との接合面の外形寸法よりも大きい。
したがって、この実施の形態４によれば、電極基板３０２，３０４からパワートランジスタおよび逆並列ダイオードへ押付力を確保しつつ、放熱板３１２Ｂ，３１４Ｂにおける冷却器３１６，３１８との接合部側の面積を実施の形態１に比べて大きくしたので、放熱板３１２Ｂ，３１４Ｂにおいて平面方向のより広い範囲に熱が拡散し、放熱板３１２Ｂ，３１４Ｂからそれぞれに対応する冷却器３１６，３１８へより効率的に放熱することができる。
なお、上記の各実施の形態においては、モールド樹脂３２０として熱硬化性のエポキシ樹脂が用いられる場合を代表的に説明したが、モールド樹脂３２０は、エポキシ樹脂に限定されるものではなく、その他の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂であってもよい。
また、上記の各実施の形態においては、いずれもモールド樹脂３２０が「押付手段」を構成するものとしたが、押付手段として電極基板３０２，３０４（３０２Ａ，３０４Ａ）を固定または狭圧する部材を別途設けてもよい。なお、この場合は、歪みを抑制できるという効果の反面、その部材分および組付工数分のコスト増加を招くため、上記の各実施の形態のように、押付手段としてモールド樹脂３２０を利用するのが好ましい。
また、上記の各実施の形態においては、インバータ２２０およびコンバータ２１０における各アームを構成するパワートランジスタおよび逆並列ダイオードは、モールド樹脂３２０によって各アーム毎に樹脂パッケージ化されるものとして説明したが、たとえば、同相の上下アーム毎、あるいはインバータ全体およびコンバータ全体をそれぞれ共通のモールド樹脂によって樹脂パッケージ化してもよい。
また、この発明による負荷駆動装置は、たとえば、近年大きく注目されているハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）や電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などにおいて好適である。すなわち、このような車両システムにおいては、信頼性、小型化、低コストが強く要求されるところ、この負荷駆動装置によれば、上述のように装置の信頼性が向上し、また、小型化によりパワー半導体素子の放熱面積を十分に確保しずらい環境のもとでも高い放熱性を有する。さらに、パワー半導体素子と電極基板との接合部における歪みを抑制するための押付力を発生させる押付手段としてモールド樹脂を用いるので、別途部材を設ける必要はなく、その分のコストの増加はない。
また、上記の各実施の形態においては、負荷駆動装置を代表的に例示して説明したが、この発明の適用範囲は、負荷駆動装置に限られるものではなく、たとえば上述の車両システムにおいては、パワー半導体素子が用いられるオルタネータや点火装置、ピエゾ燃料噴射装置にもこの発明を適用することができ、さらには、その他様々な電力システムにおいても適用することができる。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
この発明による負荷駆動装置の主要部の構成を示す回路図である。 図１に示された実施の形態１におけるインバータのＵ相上アームの構造を示す断面図である。 実施の形態２におけるインバータのＵ相上アームの構造を示す断面図である。 実施の形態３におけるインバータのＵ相上アームの構造を示す断面図である。 実施の形態４におけるインバータのＵ相上アームの構造を示す断面図である。
符号の説明
１００ 負荷駆動装置、２００ バッテリ、２１０ コンバータ、２２０ インバータ、２３０，２４０ 信号生成回路、２５０ 制御回路、２６０ 電流センサ、２７１〜２７８ ドライバ、２８１ Ｕ相アーム、２８２ Ｖ相アーム、２８３ Ｗ相アーム、２９１，２９２ 電源ライン、２９３ 接地ライン、２９４ Ｕ相出力ライン、２９５ Ｖ相出力ライン、２９６ Ｗ相出力ライン、３０２，３０４，３０２Ａ，３０４Ａ 電極基板、３０６ 信号電極板、３０８，３１０ 絶縁シート、３１２，３１４，３１２Ａ，３１４Ａ，３１２Ｂ，３１４Ｂ 放熱板、３１６，３１８ 冷却器、３１７，３１９ 冷媒路、３２０ モールド樹脂、３２２，３２４ スペーサ、３２６ 導電性接合材、３２８ ワイヤ、Ｃ１，Ｃ２ 平滑コンデンサ、Ｌ１ リアクトル、Ｑ１〜Ｑ８ パワートランジスタ、Ｄ１〜Ｄ８ 逆並列ダイオード、Ｍ１ 回転機。

Claims (5)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子を両側から挟み込むように設けられる第１および第２の電極基板と、
    前記第１および第２の電極基板を前記半導体素子に押付ける押付手段と、
    連設される前記第１の電極基板、前記半導体素子、および前記第２の電極基板をさらに両側から挟み込むように設けられる第１および第２の放熱板とを備え、
    前記押付手段は、前記半導体素子、前記第１および第２の電極基板、ならびに前記第１および第２の放熱板を封止する樹脂モールド材であり、
    前記第１および第２の電極基板における前記第１および第２の放熱板とそれぞれ対向する第１の面の外形寸法は、前記第１および第２の放熱板における前記第１および第２の電極基板とそれぞれ対向する第２の面の外形寸法よりも大きく、
    前記樹脂モールド材は、前記第１および第２の面の外形寸法差により前記第１および第２の電極基板における前記半導体素子の実装面と対向する非実装面側に回り込むことによって、前記第１および第２の電極基板を前記半導体素子に押付ける、半導体モジュール。
  2. 前記第１および第２の放熱板における前記第２の面と対向する第３の面の外形寸法は、前記第２の面の外形寸法よりも大きい、請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 半導体素子と、
    前記半導体素子を両側から挟み込むように設けられる第１および第２の電極基板と、
    前記第１および第２の電極基板を前記半導体素子に押付ける押付手段と、
    連設される前記第１の電極基板、前記半導体素子、および前記第２の電極基板をさらに両側から挟み込むように設けられる第１および第２の放熱板とを備え、
    前記押付手段は、前記半導体素子、前記第１および第２の電極基板、ならびに前記第１および第２の放熱板を封止する樹脂モールド材であり、
    前記第１および第２の放熱板における前記第１および第２の電極基板とそれぞれ対向する第１の面の外形寸法は、前記第１および第２の放熱板における前記第１の面と対向する第２の面の外形寸法よりも大きく、
    前記樹脂モールド材は、前記第１および第２の面の外形寸法差により生じる領域に回り込むことによって、前記第１および第２の放熱板をそれぞれ前記第１および第２の電極基板に押付けることにより前記第１および第２の電極基板を前記半導体素子に押付ける、半導体モジュール。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体モジュールと、
    前記半導体モジュールを両側から挟み込むように設けられる第１および第２の冷却器とを備え、
    前記第１および第２の冷却器は、それぞれ前記第１および第２の放熱板と密接する、半導体装置。
  5. 直流電源と、
    前記直流電源から直流電力を受け、電気負荷を駆動するインバータ装置とを備え、
    前記インバータ装置を構成する複数のアームの各々は、
    半導体素子と、
    前記半導体素子を両側から挟み込むように設けられる第１および第２の電極基板と、
    連設される前記第１の電極基板、前記半導体素子、および前記第２の電極基板をさらに両側から挟み込むように設けられる第１および第２の放熱板と、
    連設される前記第１の放熱板、前記第１の電極基板、前記半導体素子、前記第２の電極基板、および前記第２の放熱板をさらに両側から挟み込むように設けられる第１および第２の冷却器と、
    前記半導体素子、前記第１および第２の電極基板、ならびに前記第１および第２の放熱板を封止する樹脂モールド材とを含み、
    前記第１および第２の電極基板における前記第１および第２の放熱板とそれぞれ対向する第１の面の外形寸法は、前記第１および第２の放熱板における前記第１および第２の電極基板とそれぞれ対向する第２の面の外形寸法よりも大きく、
    前記樹脂モールド材は、前記第１および第２の面の外形寸法差により前記第１および第２の電極基板における前記半導体素子の実装面と対向する非実装面側に回り込むことによって、前記第１および第２の電極基板を前記半導体素子に押付ける、負荷駆動装置。
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