JP4107310B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数並列接続されたスイッチング素子と複数並列接続された整流素子とを備える半導体モジュールに関するものである。

例えば、回転電機などの駆動用に用いるインバータ装置などにおいて、スイッチング素子及び整流素子からなる半導体モジュールでは、スイッチング素子及び整流素子を、スイッチング素子及び整流素子を複数並列接続することにより、電流容量を増加させている。このような半導体モジュールにおいて、整流素子として温度上昇により順方向抵抗が低下する特性を持つダイオードを並列接続して使用し、各ダイオードの温度に格差があった場合、電流は温度が高いダイオードに多く流れるようになる。その結果、ダイオードは熱暴走し、動作保証温度を超え、焼損することがあった。

このような半導体モジュールを冷却する技術として、半導体モジュールを封止する絶縁性のあるゲル内の半導体素子の上部に放熱部材を配置する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２８９１２４号公報

しかしながら、上述した半導体モジュールを冷却するための方法では、半導体素子と放熱部材間にはゲルが介在し、絶縁性のあるゲルは熱伝導率が低いため放熱効率が悪い問題があった。そのため、この方法を、本発明の対象となる複数並列接続されたスイッチング素子と複数並列接続された整流素子とを備える半導体モジュールに適用することはできなかった。

本発明の目的は上述した問題点を解消して、並列接続される複数の整流素子を電気的にも熱的にも接続するにあたり、各素子の温度格差を抑制することができ、整流素子の焼損等の不具合をなくすことができる半導体モジュールを提供しようとするものである。

本発明の半導体モジュールは、複数並列接続されたスイッチング素子と複数並列接続された整流素子とを備える半導体モジュールにおいて、複数並列接続された整流素子の一方の端子を含む表面上に高熱伝導部材を設けて連結し、整流素子同士を電気的にも熱的にも結合するとともに、前記複数並列接続された整流素子の周囲に、前記高熱伝導部材の位置決めに用いる柱部材を設けたことを特徴とするものである。

本発明の半導体モジュールでは、複数並列接続された整流素子の一方の端子を含む表面上に高熱伝導部材を設けて連結し、整流素子同士を電気的にも熱的にも結合しているため、整流素子の温度を均一に保つことが可能となり、高温動作時に整流素子の焼損を防ぐと共に各素子を効率的に利用することができる。また、高熱伝導部材は整流素子の一方の端子を含む表面上に設けられており、その他の部品には固定されないことから、複雑な素子配置においても簡単に上記効果を得ることができる。

なお、本発明の半導体モジュールの好適例としては、整流素子と高熱伝導部材との間に熱伝導率の高いペーストを配置して、整流素子と高熱伝導部材とを結合させること、がある。このように構成することで、接着が困難である半導体チップに例えば金属製の高熱伝導部材を配置する際にペーストを介して行うことにより、高い熱伝導率を保ちつつ各整流素子を接続することができ、整流素子の温度を均一に保つことができる。

また、本発明の半導体モジュールの好適例としては、複数並列接続されたスイッチング素子の一方の端子を含む表面上に高熱伝導部材を設けて連結し、スイッチング素子同士を電気的にも熱的にも結合すること、がある。このように構成することで、スイッチング素子の温度も均一に保つことができ、上記効果をさらに好適に得ることができる。また、本構成の半導体モジュールを、従来技術のようにゲル中に配置して冷却をした場合、高熱伝導部材がゲルと同様の役割を果たすことにより、使用するゲルの量を低減することが可能となり、半導体モジュールを軽量化することができる。

さらに、本発明の半導体モジュールの好適例としては、高熱伝導部材が金属部材であること、がある。このように構成することで、金属部材を用いたスイッチング素子と整流素子との接続と同様に整流素子間を接続することができ、工程増加を抑えながら上記効果を得ることができる。

さらにまた、本発明の半導体モジュールの好適例としては、複数並列接続された整流素子と高熱伝導部材とを１チップで構成すること、がある。このように構成することで、予め並列に接続する整流素子を電気的の熱的にも接続されたチップを用いて本発明を構成することで、簡単に上記効果を得ることができる。

また、本発明の半導体モジュールの好適例としては、複数並列接続された整流素子の周囲に、前記高熱伝導部材の位置決めに用いる柱部材を設けること、がある。このように構成することで、柱部材により、整流素子上のペーストに高熱伝導部材を設ける際の高さを簡単に均一にすることができ、隣接した整流素子間の熱抵抗を均一にすることが可能となるので、上記効果を効率的に実現することができる。

さらに、本発明の半導体モジュールの好適例としては、絶縁性の基板上に、スイッチング素子の配線パターン及び整流素子の電極面を設け、それらの上に、スイッチング素子及び整流素子を配置し、さらにその上の基板とは反対側の素子電極面に、両素子一体型の高熱伝導部材を設けること、がある。このように構成することで、両素子を両面から電気的及び熱的に接続することにより温度格差を抑制するとともに、冷却効率も向上し、従来使用されていた封止用ゲルも省くことができる。

図１は本発明の対象となる半導体モジュールの一例の構成を説明するための図である。図１に示す例では、回転電機１をインバータ２からの３相交流で駆動する例を示しており、インバータ２のＵ、Ｖ、Ｗ各相を、スイッチング素子（ＩＧＢＴなど）３Ｕ、４Ｕ；３Ｖ、４Ｖ；３Ｗ、４Ｗ及びそれぞれに並列に接続される２つの整流素子（ダイオードなど）５Ｕ、６Ｕ；５Ｖ、６Ｖ；５Ｗ、６Ｗから構成している。

そして、一例として、各相を構成する２つのスイッチング素子のうち３Ｕ、４Ｕ及び整流素子５Ｕ、６Ｕを、複数並列接続されたスイッチング素子、３つ並列タイプではスイッチング素子３Ｕ−１〜３Ｕ−３；４Ｕ−１〜４Ｕ−３、２つ並列タイプではスイッチング素子３Ｕ−１〜３Ｕ−２；４Ｕ−１〜４Ｕ−２と、複数並列接続された整流素子、３つ並列タイプでは整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３；６Ｕ−１〜６Ｕ−３、２つ並列タイプでは整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−２；６Ｕ−１〜６Ｕ−２とから構成して、各相毎に半導体モジュール７Ｕ、７Ｖ、７Ｗとしている。本発明の対象は、これら半導体モジュール７Ｕ、７Ｖ、７Ｗの構成となる。

図２は本発明の半導体モジュールの一例の構成を示す図である。図２に示す例では、基板１１上に、スイッチング素子３Ｕ−１〜３Ｕ−３及び４Ｕ−１〜４Ｕ−３と、整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３と、を配置している。スイッチング素子３Ｕ−１〜３Ｕ−３及び４Ｕ−１〜４Ｕ−３それぞれの一方の端子を含む表面、及び、整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３それぞれの一方の端子を含む表面は、基板１１上に設けられた配線パターン(図示せず）で電気的な接続を行っている。一方、スイッチング素子３Ｕ−１〜３Ｕ−３及び４Ｕ−１〜４Ｕ−３それぞれの他方の端子を含む表面、及び、整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３それぞれの他方の端子を含む表面は、ボンディングワイヤ１２で接続されるとともに、整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３それぞれの他方の端子を含む表面において、高熱伝導部材１３及び１４を設けて接続されている。

高熱伝導部材１３及び１４を、整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３に設けることで、整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３それぞれの他方の端子を含む表面それぞれにおける電気的な接続を達成するとともに、整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３の温度をそれぞれにおいて均一に保っている。なお、高熱伝導部材１３及び１４を構成する材料としては熱伝導率の高い材料であれば何でも使用することができるが、その中でも金属材料を用いることが好ましい。

図３（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の半導体モジュールにおける導電性ペーストの一例を説明するための図である。図３（ａ）、（ｂ）に示す例では、整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３の一方の端子を含む表面（ここでは上側の表面）と高熱伝導部材１３及び１４との間に、熱伝導率の高い導電性ペースト２１を配置している。この導電性ペースト２１を用いることで、接着が難しい整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３の表面と例えば金属製の高熱伝導部材１３及び１４との接合を良好にすることができる。なお、図３（ａ）、（ｂ）に示す例では、整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び高熱伝導部材１３の組と、整流粒子６Ｕ−１〜６Ｕ−３及び高熱伝導部材１４の組とを、図２に示す例と異なり、別の側に配置している。

図４は本発明の半導体モジュールの他の例を説明するための図である。図４に示す例では、半導体モジュール７Ｕにおいて、スイッチング素子３Ｕ−１〜３Ｕ−３；４Ｕ−１〜４Ｕ−３の位置と整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３；６Ｕ−１〜６Ｕ−３の位置とが交互に異なる側にジグザグになるよう配置している。そのため、整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３を結合する高熱伝導部材１３の形状、及び、整流素子６Ｕ−１〜６Ｕ−３を結合する高熱伝導部材１４の形状が、それぞれＶ字形状となっている。

図５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の半導体モジュールのさらに他の例を説明するための図である。図５（ａ）、（ｂ）に示す例では、上述した例と同様に整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３にそれぞれ高熱伝導部材１３及び１４を設けた構成に加えて、スイッチング素子３Ｕ−１〜３Ｕ−３及び４Ｕ−１〜４Ｕ−３にもそれぞれ高熱伝導部材３１及び３２を導電性ペースト２１を介して設けている。そのため、整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３のみならず、スイッチング素子３Ｕ−１〜３Ｕ−３及び４Ｕ−１〜４Ｕ−３の温度も均一に保つことができる。

また、スイッチング素子３Ｕ−１〜３Ｕ−３及び４Ｕ−１〜４Ｕ−３と整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３との間の基板１１に直線上のＶ溝部３３を設けている。そして、このＶ溝部３３に沿ってボンディングワイヤ１２を配置するとともに、このＶ溝部３３にボンディングワイヤ１２を覆うように絶縁性のゲル層３４を設けている。そのため、高熱伝導部材１３、１４、３１、３２がゲルと同様の役割を果たすことにより、従来技術のようにゲル中に配置して冷却をした場合と比べて、使用するゲルの量を低減することが可能となり、半導体モジュールを軽量化することができる。

図６（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の半導体モジュールのさらに他の例を説明するための図である。図６（ａ）、（ｂ）に示す例では、スイッチング素子３Ｕ−１〜３Ｕ−３及び４Ｕ−１〜４Ｕ−３と整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３とを結合するために、ボンディングワイヤ１２に代えてボンディングリボン４１を使用している。本例でも、ボンディングワイヤ１２を使用した例と同様に、各素子の温度均一化の効果を得ることができる。なお、本例では、ボンディングワイヤ１２を一体化したものとしてボンディングリボン４１を用いたが、その他にバスバー等も同様に用いることができる。

図７（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の半導体モジュールのさらに他の例を説明するための図である。図７（ａ）、（ｂ）に示す例では、図５（ａ）、（ｂ）及び図６（ａ）、（ｂ）に示す例と同様に、整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３とスイッチング素子３Ｕ−１〜３Ｕ−３及び４Ｕ−１〜４Ｕ−３とに高熱伝導部材を設ける構成を、高熱伝導部材１３と３１とを一体化した高熱伝導部材５１を用いるとともに、高熱伝導部材１４と３２とを一体化した高熱伝導部材５２を用いて達成している。そのため、本例では、ボンディングワイヤ１２やボンディングリボン４１の役割を高熱伝導部材５１、５２が果たすため、ボンディングワイヤ１２やボンディングリボン４１を設ける必要がない。

図８は本発明の半導体モジュールのさらに他の例を説明するための図である。図８に示す例では、並列接続された整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３それぞれを、高熱伝導部材１３及び１４で結合する代わりに、フィルム状の金属部材であるボンディングリボン６１及び６２で結合している。本例でも、高熱伝導部材１３及び１４を使用した例と同様に、整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３の温度均一化の効果を得ることができる。また、スイッチング素子と整流素子との接続と同様に整流素子間を接続しているため、これらの工程を全て同じ工程とすることができ、工程増加を抑えることができる。なお、本例では、ボンディングリボン６１、６２を使用したが、その他に柔軟なバスバー等も同様に用いることができる。

図９（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の半導体モジュールのさらに他の例を説明するための図である。図９（ａ）、（ｂ）に示す例では、図９（ａ）に示すように、各３つの整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３を高熱伝導部材１３及び１４で結合した構造を得るために、図９（ｂ）に示すように、予め例えば整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３と高熱伝導部材１３とを一体化して１チップで構成した整流素子モジュール７１を用いている。本例では、予め整流素子と高熱伝導部材とをチップ化した整流素子モジュール７１を用いることにより、上述した実施例と比べて、より簡単に整流素子の温度均一化を達成することができる。

図１０は本発明の半導体モジュールのさらに他の例を説明するための図である。図１０に示す例では、上述した各実施例の構成に加えて、整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３の周囲に、ここでは四隅に、高熱伝導部材１３及び１４の位置決めに用いる柱部材８１を設け、これらの柱部材８１を介して、高熱伝導部材１３及び１４を結合させている。柱部材８１の高さは、整流素子とその他の素子を接続する部材、ここではボンディングワイヤ１２の高さより高くする必要がある。このように柱部材８１を備えることにより、整流素子上の導電性ペースト２１に高熱伝導部材１３及び１４を設ける際の高さを簡単に均一にすることができ、隣接した整流素子間の熱抵抗をより均一にすることが可能となる。

図１１（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の半導体モジュールのさらに他の例を説明するための図である。図１１に示す例では、絶縁性の基板１１上に、スイッチング素子３Ｕ−１〜３Ｕ−３及び４Ｕ−１〜４Ｕ−３の配線パターン９１、９２と整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３の電極面９３、９４とを予め設け、それらの上に、スイッチング素子３Ｕ−１〜３Ｕ−３及び４Ｕ−１〜４Ｕ−３と整流素子５Ｕ−１〜５Ｕ−３及び６Ｕ−１〜６Ｕ−３を例えばダイボンディングにより接合し、さらにその上のダイボンディングと反対側の各素子の電極面に、高熱伝導部材として、両素子一体型の電極プレート９５、９６を配置して、半導体モジュール７Ｕを構成している。

図１１（ａ）、（ｂ）に示す例では、各素子の表裏が上述した実施例とは逆向きとなるよう構成されており、上述した実施例におけるボンディングワイヤ１２の役割を、配線パターン９１、９２へのダイボンディングで行っている。そのため、本例では、両素子を両面から電気的及び熱的に接続することとなり、温度格差をさらに抑制できるとともに、冷却効率も向上し、封止用ゲルも省くことができる。

なお、上述した例では、半導体モジュールの説明をＵ相の半導体モジュール７Ｕを例にとって説明したが、図１に示すようにインバータ装置を構成する場合は、半導体モジュール７Ｕの他、半導体モジュール７Ｖ、７Ｗも同様の構成とすることができる。

本発明の半導体モジュールは、複数並列接続されたスイッチング素子と複数並列接続された整流素子とを備える半導体モジュールにおいて、並列接続される複数の整流素子を電気的にも熱的にも接続するにあたり、各素子の温度格差を抑制することができ、整流素子の焼損等の不具合をなくす用途に好適に用いることができる。

本発明の対象となる半導体モジュールの一例の構成を説明するための図である。 本発明の半導体モジュールの一例の構成を示す図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の半導体モジュールにおける導電性ペーストの一例を説明するための図である。 本発明の半導体モジュールの他の例を説明するための図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の半導体モジュールのさらに他の例を説明するための図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の半導体モジュールのさらに他の例を説明するための図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の半導体モジュールのさらに他の例を説明するための図である。 本発明の半導体モジュールのさらに他の例を説明するための図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の半導体モジュールのさらに他の例を説明するための図である。 本発明の半導体モジュールのさらに他の例を説明するための図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の半導体モジュールのさらに他の例を説明するための図である。

符号の説明

１ 回転電機
２ インバータ
３Ｕ−１〜３Ｕ−３、４Ｕ−１〜４Ｕ−３ スイッチング素子
５Ｕ−１〜５Ｕ−３、６Ｕ−１〜６Ｕ−３ 整流素子
７Ｕ、７Ｖ、７Ｗ 半導体モジュール
１１ 基板
１２ ボンディングワイヤ
１３、１４、３１、３２、５１、５２ 高熱伝導部材
２１ 導電性ペースト
３３ Ｖ溝部
３４ ゲル層
４１、６１、６２ ボンディングリボン
７１ 整流素子モジュール
８１ 柱部材
９１、９２ 配線パターン
９３、９４ 電極面
９５、９６ 電極プレート

Claims (6)

1. 複数並列接続されたスイッチング素子と複数並列接続された整流素子とを備える半導体モジュールにおいて、複数並列接続された整流素子の一方の端子を含む表面上に高熱伝導部材を設けて連結し、整流素子同士を電気的にも熱的にも結合するとともに、前記複数並列接続された整流素子の周囲に、前記高熱伝導部材の位置決めに用いる柱部材を設けたことを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記整流素子と前記高熱伝導部材との間に熱伝導率の高いペーストを配置して、整流素子と高熱伝導部材とを結合したことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記複数並列接続されたスイッチング素子の一方の端子を含む表面上に高熱伝導部材を設けて連結し、スイッチング素子同士を電気的にも熱的にも結合したことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
4. 前記高熱伝導部材が金属部材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
5. 前記複数並列接続された整流素子と高熱伝導部材とを１チップで構成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
6. 絶縁性の基板上に、スイッチング素子の配線パターン及び整流素子の電極面を設け、それらの上に、スイッチング素子及び整流素子を配置し、さらにその上の基板とは反対側の素子電極面に、両素子一体型の高熱伝導部材を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

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