JP4575034B2 - インバータ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の電力用半導体装置と、電力用半導体装置を駆動する駆動回路と、電力用半導体装置を制御する制御回路を有するインバータ装置に関し、特に電気自動車に用いて好適な、小型で冷却効率が良く、信頼性の高いインバータ装置に関するものである。
電気自動車では、電力用半導体装置及びそれを用いたインバータ装置の小型化、高信頼性化が要求されている。かかる電力用半導体装置及びインバータ装置の小型化、高信頼性化を図るためには、電力用半導体装置及びインバータ装置について、冷却効率を高めることが必要となる。
以下、従来の一般的なインバータ装置を図７〜図９を用いて説明し、この一般的なインバータ装置に比べて冷却効率を高めた公知のインバータ装置の要部を図１０〜図１１を用いて説明する。
図７は、従来の一般的なインバータ装置の平面断面図であり、図８は、その側面断面図、図９は、そのインバータ装置に電力用半導体装置が取付けられた態様を示す要部断面図である。
図７及び図８において、インバータ装置は、インバータ装置筐体１の底面に対し取付けねじ３により取付けられた電力用半導体装置２、固定台５に固定されている電源平滑用コンデンサであるアルミ電解コンデンサ４、３相出力導体９１〜９３の電流を検出する電流検出器１０１〜１０２及び制御ユニット１１を備えている。
電力用半導体装置２とアルミ電解コンデンサ４は、正極側導体７及び負極側導体８と接続ねじ６により電気的に接続されている。また、インバータ装置筐体１の底面には、流路１３が設けられており、流路１３内部を流れる冷媒１２により電力用半導体装置２は冷却される。冷媒１２は、例えば不凍液などである。
また、電力用半導体装置２は、図９に示すように、流路１３の上部に放熱用金属板１４が取付けられ、この放熱用金属板１４の上部に絶縁基板１５が接合され、この絶縁基板１５の上部に金属電極１６が接合され、この金属電極１６の上部にＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１が接合された積層構造となっている。このＩＧＢＴ１７１、ダイオード１８１、金属電極１６及び絶縁基板１５は、通常、絶縁性を有する樹脂製パッケージに収納されていて、その樹脂製パッケージが放熱用金属板１４と接着されるようになっている。なお、樹脂製パッケージの内部には、絶縁性のゲルが封入されている。
さらに、電力用半導体装置２における放熱用金属板１４の裏面には熱伝導グリース１９が塗布されていて、これにより、流路１３が設けられたインバータ装置筐体１の底面に、電力用半導体装置２が取付けねじ３により取付けられたときの接触熱抵抗を低減している。
このように構成された電力用半導体装置２を動作させると、ＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１が通電されたときに熱損失が発生する。ＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１が収容された樹脂製パッケージの内部には、前述したように断熱材である絶縁性のゲルが封入されているので、ＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１で発生した熱の大部分は、ＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１の下部に設けられた金属電極１６に伝導する。この金属電極１６に伝導した熱は、絶縁基板１５を経て放熱用金属板１４に伝導する。放熱用金属板１４は、既に述べたように図７〜図９に示すように取付けねじ３によりインバータ装置筐体１の底面に熱伝導グリース１９を介して加圧接触されているので、ＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１で発生した熱が冷媒１２により放熱されることになる。
上述した従来のインバータ装置では、以下のような問題点があった。
第１に、従来のインバータ装置では、電力用半導体装置２の周囲にある取付けねじ３を用いて、放熱用金属板１４を、流路１３が構成されているインバータ装置筐体１の底面に加圧接触させているので、加圧力はもっぱら取付けねじ３の周囲にとどまり、放熱用金属板１４全体に均等にはかからない。そのため、放熱用金属板１４の裏面に接触熱抵抗を低減するための熱伝導グリース１９を塗布しているとはいえ、放熱用金属板１４の裏面全体から流路１３に均一に伝熱することができなかった。しかも、ＩＧＢＴ１７１の下部に設けられた絶縁基板１５の厚みが薄いため、ＩＧＢＴ１７１で発生した熱を絶縁基板１５の内部において熱拡散させることが十二分にできない。そのため、放熱用金属板１４とインバータ装置筐体１との間の接触熱抵抗は、電力用半導体装置２内部の熱抵抗とほぼ同等程度に非常に大きくなり冷却効率が悪かった。
第２に、ＩＧＢＴ１７１の下部に設けられた絶縁基板１５の厚みが薄いため、熱時定数（熱容量）が小さい結果、ＩＧＢＴ１７１やダイオード１８１の温度上昇が大きくなるため特に問題となるインバータ起動時において、過渡熱抵抗が大きくなり、温度上昇の大きいことが緩和できなかった。
以上述べたような一般的なインバータ装置の問題点を解決し、冷却効率を高めたインバータ装置が、特許文献１において提案されている。この特許文献１に開示のインバータ装置を、図１０及び図１１を用いて説明する。
図１０は、特許文献１に記載されたインバータ装置の、特に電力用半導体装置内部の半導体チップの実装構造を示す部分縦断面図であり、図１１は、そのインバータ装置の、電力用半導体装置の部分斜視図である。
図１０に示すインバータ装置では、３相インバータの１アームを、半導体チップであるＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１を複数個並列接続して構成し、これらの半導体チップを、平面形状が正方形でその正方形の一辺の長さを１０ｍｍ以下のサイズとし、更に、これらの半導体チップを厚みが１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の導体２０に接合し、前記導体２０を冷却器２２にセラミックスを含有した絶縁樹脂シート２３で接着している。
また、図１１に示すように、前記特許文献１に記載されたインバータ装置では、３相インバータの各アームについて、図１０に示した半導体チップの実装構造を有するようにして、Ｗ相の上側アームを構成する４並列接続されたＩＧＢＴ１７１Ａ〜１７１Ｄ及び２並列接続されたダイオード１８１Ａ〜１８１Ｂを、３相インバータの上側アームを構成する上側アーム導体２５に１列に配置し、同様に３相インバータのＷ相の下側アームを構成する４並列接続されたＩＧＢＴ１７２Ａ〜１７２Ｄ及び２並列接続されたダイオード１８２Ａ〜１８２Ｂを、３相インバータの下側アームを構成する下側アーム導体２６に１列に配置している。さらに、上側アーム導体２５及び下側アーム導体２６の間に、上側アーム導体２５上に配置されたＩＧＢＴ１７１Ａ〜１７１Ｄ及びダイオード１８１Ａ〜１８１Ｂと３相出力端子３２を接続する３相出力導体２７を配置している。図１１に示された例では、下側アーム導体２６と、３相出力導体２７が同一の導体で構成されている。さらに、上側アーム導体２５及び下側アーム導体２６の間に、下側アーム導体２６上に配置されたＩＧＢＴ１７２Ａ〜１７２Ｄ及びダイオード１８２Ａ〜１８２Ｂと負極端子３１を接続する負極導体２８を配置している。ＩＧＢＴ及びダイオードと各導体間は、ボンディングワイヤ２９により電気的に接続されている。
そして、図１０〜図１１に示す特許文献１に記載のインバータ装置では、導体２０や上側アーム導体２５及び下側アーム導体２６に接合されたＩＧＢＴ１７１Ａ〜１７１Ｄ及びダイオード１８１Ａ〜１８１Ｃが冷却器２２に対して絶縁樹脂シート２３を用いて直接的かつ全面的に接着されているので、図９に示した従来の一般的な電力用半導体装置のような冷却器との接触部の接触熱抵抗が無くなり、電力用半導体装置内部のＩＧＢＴ及びダイオードチップの熱抵抗が半減する。更に、ＩＧＢＴ１７１Ａ〜１７１Ｄ及びダイオード１８１Ａ〜１８１Ｃが厚み１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の導体２０や上側アーム導体２５及び下側アーム導体２６に接合されているので、導体２０や上側アーム導体２５及び下側アーム導体２６の熱容量の効果により熱時定数が大きくなり過渡熱抵抗が小さくなり、インバータ起動時の温度上昇が小さくなる。故に、冷却効率が向上し、インバータ装置の小型化を図ることができるとされている。
特開２００３−１５３５５４号公報
特許文献１に記載のインバータ装置では、電力用半導体装置内部のＩＧＢＴ及びダイオードチップの熱抵抗が半減し、インバータ起動時の温度上昇が小さくなるという効果が得られるものの、以下のような他の問題点があった。
まず、複数個並列接続されたＩＧＢＴ又はダイオードチップの主回路配線がワイヤボンディングにより電気的に配線されているので、複数のボンディングワイヤを配線するのに時間がかかり、製造時間が長くなる。
また、更なる冷却効率の向上を図ろうとしても、構造的に限界があり、いっそうの冷却効率の向上が難しい。
そこで、本発明は、上述した問題を有利に解決するもので、電力用半導体装置の冷却効率をさらに向上し、よってインバータ装置の通電容量の向上・小型化に対応し、なおかつ製造性に優れたインバータ装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、インバータの１つの相の上下いずれか１つのアームを構成する複数個の半導体チップであって、それぞれの正極側電極、負極側電極が同じ向きに一面に並べられた半導体チップと、この複数個の半導体チップそれぞれの正極側電極に対して同時に１つの接合面にて接合する第１の導体と、当該複数個の半導体チップそれぞれの負極側電極に対して同時に１つの接合面にて接合する第２の導体と、前記第１の導体及び前記第２の導体それぞれの前記接合面とは別の底面それぞれに対して、１つの表面が同時に接して前記複数個の半導体チップを冷却する冷却器と、前記第１の導体及び前記第２の導体それぞれの前記底面と前記冷却器の前記１つの表面とを接着固定するように両者間に介在する、セラミックスを含有した絶縁樹脂シートとを備え、前記複数個の半導体チップの正極側電極が同時に接合する前記第１の導体の前記１つの接合面及び前記複数個の半導体チップの負極側電極が同時に接合する前記第２の導体の前記１つの接合面が、それぞれ前記冷却器の前記１つの表面及び前記絶縁樹脂シートの表面に対して略垂直となるように、前記第１の導体及び前記第２の導体を前記冷却器上に配置したことを特徴とする。
請求項２の発明は、第１の導体上に、入出力端子絶縁樹脂シートで絶縁した入出端子を設けたことを特徴とする。
請求項３の発明は、前記半導体チップと前記入出力端子とをボンディングワイヤで接続するとともに、前記第２の導体には、前記ボンディングワイヤが配線可能な切り欠き部を設けたことを特徴とする。
請求項４の発明は、前記半導体チップからみて前記冷却器とは反対側になる第１の導体及び第２の導体の直上に制御及び駆動基板を設けたことを特徴とする。
本発明のインバータ装置は、ＩＧＢＴ及びダイオードなどの半導体チップの冷却効率が更に向上しており、熱抵抗が低く、かつ、ワイヤボンディングにより半導体チップと導体とを接続していないので、製造時間が短くかつ製造歩留まりが高く、電力用半導体装置の信頼性が高く、よってインバータ装置の通電容量の向上・小型化・信頼性向上が可能となる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１及び第２の実施の形態）
本発明の第１及び第２の実施の形態について、図１〜図５を用いて説明する。
図１は、本発明の第１及び第２の実施の形態のインバータ装置について、特に３相インバータのＷ相上アームに適用した例につき、電力用半導体装置の実装構造を示す部分斜視図である。図２は図１の分解斜視図である。
図３は、本発明の第１及び第２の実施の形態のインバータ装置について、特に３相インバータのＵ、Ｖ、Ｗ相の電力用半導体装置を、冷却器に実装した構造を示す斜視図である。
図４は、本発明の第１及び第２の実施の形態の形態に係るインバータ装置を通電時に、半導体チップより発生する熱の放熱経路を示す熱流束の解析結果を示す図である。
図５は、本発明の第１及び第２の実施の形態に係るインバータ装置の半導体チップの過渡熱抵抗の解析結果を示すグラフである。
図１及び図２において、インバータ装置は、３相インバータのＷ相の上アームを、平面形状が正方形であってその一辺の長さが１０ｍｍ以下のサイズになる半導体チップであるＩＧＢＴ１７１Ａ〜Ｄ及びダイオード１８１Ａ〜Ｃを並列接続して構成している。図１及び図２においては、ＩＧＢＴが４並列、ダイオードが３並列の場合を例示している。
図２の分解斜視図に示されるように、３相インバータのＷ相上アームを構成する４並列接続されたＩＧＢＴ１７１Ａ〜Ｄ及び３並列接続されたダイオード１８１Ａ〜Ｃを、３相インバータのＷ相上アームを構成する第１のＷ相上アーム導体３３上に１列に配置して、そのコレクタ側（すなわち、正極側）を、熱緩衝板３４を介して接合している。また、ＩＧＢＴ１７１Ａ〜Ｄ及び３並列接続されたダイオード１８１Ａ〜Ｃのエミッタ側（すなわち、負極側）に、熱緩衝板３４を介して第２のＷ相上アーム導体３５を接合している。
第１のＷ相上アーム導体３３及び第２のＷ相上アーム導体３５の材質は、後述する半導体チップの冷却作用の観点からすると銅が望ましいが、アルミニウムなどの他金属や、Ａｌ−ＳｉＣなどの金属基複合材料としても構わない。
熱緩衝板３４の材質は、ＩＧＢＴ１７１Ａ〜Ｄ及びダイオード１８１Ａ〜Ｃの材質であるＳｉと、第１のＷ相上アーム導体３３及び第２のＷ相上アーム導体３５の材質の、おおよそ中間の線膨張係数を持つもの、例えばＭｏなどの低熱膨張金属材料である。熱緩衝板３４は、特に長寿命を必要とする場合に設けることが必要となる。
ＩＧＢＴ１７１Ａ〜Ｄ又はダイオード１８１Ａ〜Ｃと熱緩衝板３４との接合や、第１のＷ相上アーム導体３３又は第２のＷ相上アーム導体３５と熱緩衝板３４との接合は、例えばＳｎ／Ｐｂなどの低融点又は例えばＳｎ／Ａｇ／Ｃｕなどの高融点はんだを用いて接合することができるが、例えば銀ペーストなどの導電性接着剤を用いて接合しても構わない。
さらに、図３に示すように、第１のＷ相上アーム導体３３及び第２のＷ相上アーム導体３５について、ＩＧＢＴ１７１Ａ〜Ｄ及びダイオード１８１Ａ〜Ｃの正極側（コレクタ側）電極及び負極側（エミッタ側）電極との接合面が、冷却器２２の表面に対して垂直となるように、これらの第１のＷ相上アーム導体３３及び第２のＷ相上アーム導体３５の前記接合面に対して垂直な面を（底面）を、冷却器２２に、セラミックスを含有したＷ相絶縁樹脂シート３６を用いて接着している。かくして、ＩＧＢＴ１７１Ａ〜Ｄ及びダイオード１８１Ａ〜Ｃの正極側電極及び負極側電極が設けられた両表面を延長させた面が冷却器２２の表面に対して直交するような状態にて、ＩＧＢＴ１７１Ａ〜Ｄ及びダイオード１８１Ａ〜Ｃを、第１のＷ相上アーム導体３３及び第２のＷ相上アーム導体３５への伝熱により冷却している。
Ｗ相絶縁樹脂シート３６は、例えば絶縁樹脂に窒化ホウ素などのセラミックフィラ−を充填したものであり、熱伝導率は２〜４Ｗ／ｍＫ、厚みは０．０５〜０．１５ｍｍ程度である。
さらに、第２のＷ相上アーム導体３５の隣には、一定の絶縁距離を確保して、Ｗ相の下アームを構成するＩＧＢＴ及びダイオードが接合されている第１のＷ相下アーム導体３７及び第２のＷ相下アーム導体３８が配置され、上アームと同様の構造にてＷ相絶縁樹脂シート３６に接着されている。
第１のＷ相上アーム導体３３にはＷ相正極端子３９が、第２のＷ相上アーム導体３５及び第１のＷ相下アーム導体３７にはＷ相出力端子４１が、第２のＷ相下アーム導体３８にはＷ相負極端子４０が接続されている。
冷却器２２には、Ｖ相絶縁樹脂シート４２及びＵ相絶縁樹脂シート４３も、Ｗ相絶縁樹脂シート３６と一定の距離を離されて接着されており、それぞれの絶縁樹脂シート上の電力用半導体装置の構造はＷ相と全く同一である。
図１及び図２に示したＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１は材質がＳｉであって、これらの半導体チップと接合する第１のＷ相上アーム導体３３及び第２のＷ相上アーム導体３５の材質を銅とした場合には、かかるＩＧＢＴ及びダイオードと導体との線膨張係数に違いがある。この場合、インバータ装置の作動及び停止によりＩＧＢＴから発生する熱の温度サイクルが負荷されることで、ＩＧＢＴ又はダイオードと導体とを熱緩衝板３４を介して接合するはんだに対して、せん断応力が発生し、非線型ひずみが発生する。この非線型ひずみの値が大きくなると、経時的にはんだにクラックなどが発生するおそれがある。信頼性・耐久性を向上させるには、熱緩衝板３４を設けていない場合は特に、また、熱緩衝板３４を設けた場合であっても信頼性・耐久性をいっそう向上させるために、非線型ひずみの値を小さくすることが望まれる。ここにおいて、ＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１のチップサイズが大きくなると、はんだの非線型ひずみが増大する。インバータ装置の信頼性・耐久性を確保するためには、平面的に見たチップサイズを、おおよそ一辺の長さが１０ｍｍ以下とすることが必要になる。
その一方で、ＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１のチップサイズについて上述のように一辺の長さを１０ｍｍ以下にすると、１チップ当たりの通電容量が小さくなるため、電気自動車用としての数１０ｋＷのインバータ装置を単一のチップで構成したのでは容量不足になる。そこで、かような電気自動車用のインバータ装置を構成するためには、複数チップの並列接続が必要となる。
また、特にインバータ起動時の温度上昇を低減し、前記各導体の熱拡散の効果により定常熱抵抗を低減するためには、Ｗ・Ｖ・Ｕ各相に関して第１の導体及び第２の導体における、冷却器２２と接着される面（底面）についての各々の面積は、図１１に示した特許文献１に記載されている上側アーム導体２５及び下側アーム導体２６が冷却器２２と接着される面の面積と同等である必要がある。
第１及び第２の実施の形態に係るインバータ装置の作用効果について以下説明する。
図４は、インバータ装置通電時に、半導体チップであるＩＧＢＴ１７１Ａにおいて発生した熱損失としての熱が、冷却器２２まで熱伝導され冷却されるときの、熱の流れを、定常状態における熱流束の解析結果として示した図であり、図１のＡ−Ａ断面での解析結果である。
また、図５は、図７〜図９に示した従来の一般的な電力用半導体装置と、図１０〜図１１に示した特許文献１に記載されている電力用半導体装置と、本発明のインバータ装置における電力用半導体装置の半導体チップの過渡熱抵抗を比較した解析結果である。なお、図４及び図５の解析においては、第１の導体及び第２の導体の材質は銅である。
特許文献１に記載されている図１１の電力用半導体装置では、ボンディングワイヤが非常に細く熱抵抗が非常に大きいので、ＩＧＢＴ１７２Ａで発生した熱損失は、ほとんど全てが下側アーム導体２６に熱伝導し、冷却器２２に放熱される。
これに対し、本発明のインバータ装置における電力用半導体装置では、図４に示すように、ＩＧＢＴ１７２Ａで発生した熱は、その接合面を通して約半分が第１のＷ相上アーム導体３３に、残りの約半分が第２のＷ相上アーム導体３５に熱伝導し、さらに冷却器２２に熱伝導し冷却されている。図４より分かるように、本実施の形態の構造により、ＩＧＢＴ及びダイオードは正極側の面及び負極側の面の両面から、大きな熱容量を有する導体により冷却されることになる。
かくして、本発明では、ＩＧＢＴが、第１の導体及び第２の導体により両面冷却されているので、冷却効率が高い。これを図５のグラフで示すと、１０〜２０ｓｅｃの定常熱抵抗は、特許文献１に記載されている図１１の電力用半導体装置に比べ約４０％低減される。さらに、インバータ起動時に問題となる０．１〜０．３ｓｅｃの過渡熱抵抗も、第１の導体及び第２の導体による半導体チップの
両面冷却及びこれらの導体の熱容量の効果により、特許文献１に記載されている図１１の電力用半導体装置に比べ約５０％低減する。
また、本発明のインバータ装置に用いられる電力用半導体装置では、ＩＧＢＴ及びダイオードと、第１の導体及び第２の導体とを、各々はんだにより接合すれば、主回路の電気的配線が完成するので、図１１に示した特許文献１に記載の電力用半導体装置のように複数のボンディングワイヤを配線するという工程が必要なくなり、製造時間が短縮される。
さらに、本発明のインバータ装置に用いられる電力用半導体装置では、ＩＧＢＴ及びダイオードが正極側の第１の導体及び負極側の第２の導体により配線されているので、第１の導体及び第２の導体を流れる電流の向きが対向することになり、配線に寄生する配線インダクタンスが従来の一般的な半導体装置及び特許文献１に記載された電力用半導体装置に比べ非常に小さくなる。
以上述べたように、本発明の第１及び第２の実施の形態に係る図１〜図５に示したインバータ装置においては、電力用半導体装置内部のＩＧＢＴ及びダイオードチップの熱抵抗がさらに低減し、インバータ起動時及び定常状態の両方ともで、ＩＧＢＴ及びダイオードチップの温度上昇が低くなり冷却効率が向上する。さらに、電力用半導体装置内部の配線インダクタンスも非常に小さくなる。これにより、インバータ装置の信頼性向上・小型化が図れると共に、電力用半導体装置の製造歩留まりも向上する。
なお、図１〜図５に示したインバータ装置においては、ＩＧＢＴ１７１Ａ〜Ｄ及びダイオード１８１Ａ〜Ｃの正極側（コレクタ側）電極及び負極側（エミッタ側）電極との接合面が、冷却器２２の表面に対して垂直となるように、第１のＷ相上アーム導体３３及び第２のＷ相上アーム導体３５を配置しているが、本発明のインバータ装置は、上記接合面と冷却面の表面とが、垂直方向に配置されるものに限られない。要は、上記接合面と冷却面の表面とが、非平行に配置されるようにして、半導体チップを、第１の導体及び第２の導体により両面冷却できるような方向で配置されるのであれば、特に角度は問われない。
（第３〜４の実施の形態）
次に、本発明の第３〜４の実施の形態について、図２を用いて説明する。
図２に示した電力用半導体装置では、第１のＷ相上アーム導体３３上に、ゲート端子及びセンス端子などの入出力端子４５が、Ｗ相絶縁樹脂シート３６と同様の入出力端子絶縁樹脂シート４４で接着され実装されている。そして、ＩＧＢＴ１７１Ａ〜Ｄと、ゲート端子及びセンス端子などの入出力端子４５が、ボンディングワイヤ２９で接続されている。さらに、第２のＷ相上アーム導体３５には、ボンディングワイヤ２９が配線可能なように、配線用切り欠き部４６が設けられている。
図２に示した電力用半導体装置の製造方法は、最初に第１のＷ相上アーム導体３３に入出力端子４５を、入出力端子絶縁樹脂シート４４で接着し実装する。次に、第１のＷ相上アーム導体３３、及びＩＧＢＴ１７１Ａ〜Ｄ及びダイオード１８１Ａ〜Ｃ、及び熱緩衝板３４及び第２のＷ相上アーム導体３５を、はんだ又は導電性接着剤にて接合する。最後に、図１に示したように、配線用切り欠き部４６のスペースを利用し、入出力端子４５とＩＧＢＴ１７１Ａ〜Ｄを、ボンディングワイヤ２９で接続する。
その他の構成は、第１〜２の実施と同様である。
図２に示したような構造のインバータ装置においては、図１に示した半導体装置の製造が完了した後に、その半導体装置を冷却器に接着する前に、入出力端子を利用して、半導体チップの不良を見分けるための電気的特性検査が可能となり、不良品を製造途中で抜き取ることが可能となり、製造歩留まりが向上する。
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態について、図６を用いて説明する。
図６は、本発明の第５の実施のインバータ装置の、特に電力用半導体装置と制御及び駆動基板との接続を示す図である。
図６において、電力用半導体装置は、半導体チップであるＩＧＢＴ及びダイオードから見て冷却器２２と反対側になる第１のＷ相上アーム導体３３及び第２のＷ相上アーム導体３５の直上に、半導体チップを制御及び駆動するための、制御・駆動基板４７が設けられ、入出力端子４５と接続されている。その他の構成は、第１〜４の実施の形態と同様である。
従来公知の半導体装置において、半導体チップを両面冷却することを試みると、制御・駆動基板と入出力端子の接続が複雑かつ長くなりやすい。しかし、本発明の電力用半導体装置の構造を採用することにより、入出力端子４５が冷却器２２と反対側の上部に最短で出力されているので、半導体チップを両面で効率よく冷却しながら、かつ制御・駆動基板と入出力端子との配線を最短にすることが可能となる。
図６のような構造のインバータ装置においては、制御・駆動基板と入出力端子との配線が最短なので、ノイズによる誤動作などが非常に低減され、信頼性が向上する。
本発明の第１〜２の実施の形態に係るインバータ装置の、特に３相インバータのＷ相上アームの電力用半導体装置の実装構造を示す部分斜視図である。 図１の分解斜視図である。 本発明の第１〜２の実施の形態のインバータ装置について、特に３相インバータのＵ、Ｖ、Ｗ相の電力用半導体装置を冷却器に実装した構造を示す斜視図である。 本発明の第１〜２の実施の形態に係るインバータ装置を通電時に、半導体チップより発生する熱損失の放熱経路を示す熱流束の解析結果を示す図である。 本発明の第１〜２の実施の形態に係るインバータ装置を通電した時の半導体チップの過渡熱抵抗の解析結果を示すグラフである。 ］ 本発明の第５の実施の形態に係るインバータ装置の、特に電力用半導体装置と制御及び駆動基板との接続を示す図である。 従来の一般的なインバータ装置の平面断面図である。 図７のインバータ装置の側面断面図である。 従来のインバータ装置における電力用半導体装置の内部部分断面図である。 特許文献１に記載のインバータ装置の、特に電力用半導体装置内部の半導体チップの実装構造を示す部分縦断面図である。 特許文献１に記載のインバータ装置の、電力用半導体装置の部分斜視図である。
符号の説明
１ インバータ装置筐体
２ 電力用半導体装置
３ 取付けねじ
４ アルミ電解コンデンサ
５ 固定台
６ 接続ねじ
７ 正極側導体
８ 負極側導体
９１〜９３ ３相出力導体
１０１〜１０２ 電流検出器
１１ 制御ユニット
１２ 冷媒
１３ 流路
１４ 放熱用金属板
１５ 絶縁基板
１６ 金属電極
１７１ ＩＧＢＴ
１８１ ダイオード
１９ 熱伝導グリース
２０ 導体
２１ 低融点又は高融点はんだ
２２ 冷却器
２３ 絶縁樹脂シート
２４ メッキ
２５ 上側アーム導体
２６ 下側アーム導体
２７ ３相出力導体
２８ 負極導体
２９ ボンディングワイヤ
３０ 正極端子
３１ 負極端子
３２ ３相出力端子
３３ 第１のＷ相上アーム導体
３４ 熱緩衝板
３５ 第２のＷ相上アーム導体
３６ Ｗ相絶縁樹脂シート
３７ 第１のＷ相下アーム導体
３８ 第２のＷ相下アーム導体
３９ Ｗ相正極端子
４０ Ｗ相負極端子
４１ Ｗ相出力端子
４２ Ｖ相絶縁樹脂シート
４３ Ｕ相絶縁樹脂シート
４４ 入出力端子絶縁樹脂シート
４５ 入出力端子
４６ 配線用切り欠き部

Claims (4)

  1. インバータの１つの相の上下いずれか１つのアームを構成する複数個の半導体チップであって、それぞれの正極側電極、負極側電極が同じ向きに一面に並べられた半導体チップと、
    この複数個の半導体チップそれぞれの正極側電極に対して同時に１つの接合面にて接合する第１の導体と、
    当該複数個の半導体チップそれぞれの負極側電極に対して同時に１つの接合面にて接合する第２の導体と、
    前記第１の導体及び前記第２の導体それぞれの前記接合面とは別の底面それぞれに対して、１つの表面が同時に接して前記複数個の半導体チップを冷却する冷却器と、
    前記第１の導体及び前記第２の導体それぞれの前記底面と前記冷却器の前記１つの表面とを接着固定するように両者間に介在する、セラミックスを含有した絶縁樹脂シートとを備え、
    前記複数個の半導体チップの正極側電極が同時に接合する前記第１の導体の前記１つの接合面及び前記複数個の半導体チップの負極側電極が同時に接合する前記第２の導体の前記１つの接合面が、それぞれ前記冷却器の前記１つの表面及び前記絶縁樹脂シートの表面に対して略垂直となるように、前記第１の導体及び前記第２の導体を前記冷却器上に配置したことを特徴とするインバータ装置。
  2. 前記第１の導体上に、入出力端子絶縁樹脂シートで絶縁した入出端子を設けたことを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
  3. 前記半導体チップと前記入出力端子とをボンディングワイヤで接続するとともに、前記第２の導体には、前記ボンディングワイヤが配線可能な切り欠き部を設けたことを特徴とする請求項２に記載のインバータ装置。
  4. 前記半導体チップからみて前記冷却器とは反対側になる第１の導体及び第２の導体の直上に制御及び駆動基板を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインバータ装置。
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