JP4729443B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールおよび半導体装置に関する。

サイリスタやパワートランジスタなどの半導体素子を含む半導体装置は、駆動するとともに発熱する。半導体装置の温度が上昇すると、半導体装置の性能に影響を与えたり、半導体装置自体が破損したりする場合がある。または、半導体装置の周りに配置された部品や機器に悪影響を及ぼす場合がある。このため、発熱を伴う半導体装置は冷却器を備えるものがある。

たとえば、直流の電気を交流の電気に変換するインバータは、ハイブリッド自動車または燃料電池自動車などの電気自動車、エレベータ、または電車などの駆動源として用いられる。このようなインバータは、たとえば、直流の電気を三相の交流に変換して、駆動装置となるモータに電気を供給する。

特開２００５−８５９９８号公報においては、扁平フィンチューブに冷却水を分配する分配管と、複数の扁平チューブと、扁平チューブから冷却水を回収する集合管とを備える電子部品の冷却装置が開示されている。扁平チューブ同士の間には、被冷却物である両面冷却用半導体モジュールと、コルゲートフィンとを含む。扁平フィンチューブおよびコルゲートフィンは、扁平フィンチューブを両面冷却用半導体モジュールに密着させる弾性力および扁平チューブをコルゲートフィンに密着させる弾性力を有することが開示されている。この冷却装置によれば、簡単な装置構成で放熱効率に優れた電子部品の冷却装置を提供することができると開示されている。

特開２００５−２２８９７６号公報においては、半導体素子部および冷却器が樹脂モードによって一体成形された半導体モジュールが積層された半導体装置が開示されている。この積層された半導体モジュールからなる半導体モジュールアセンブリが、ハウジングに挿入されて固定されている。冷却媒体タンクは、半導体モジュールアセンブリを両側から挟み込むようにしてそれぞれハウジングに接続されている。この半導体装置においては、耐震性に優れた半導体装置を提供することができると開示されている。
特開２００５−８５９９８号公報 特開２００５−２２８９７６号公報

従来の技術における半導体装置においては、基板を含み、基板の表面に複数の半導体素子が配置されている。たとえば、半導体装置がインバータの場合には、１枚の基板の表面に、複数のトランジスタや複数のダイオードなどが配置されている。この基板は、冷却器の表面に配置される。基板の一方の表面には半導体素子が配置されているため、基板の他方の表面が冷却器に接合される。

冷却器の内部においては、たとえば、半導体素子が配置された基板の表面に沿って冷却媒体が流される。冷却媒体の上流側においては冷却媒体の温度が低いために大きな冷却効果を有するが、下流に向かうにつれて冷却媒体の温度が上昇するため、冷却能力が劣ってしまう。このため、基板の表面に配置される半導体素子の位置によって冷却に分布（むら）が生じる。

また、冷却器の表面に半導体素子を含む基板を配置する場合においては、冷却器と半導体素子とを含む基板との間にセラミックなどの絶縁部材を配置する必要がある。このため、半導体素子と冷却器との距離が長く、冷却効率に改善の余地があった。また、半導体素子から冷却器に熱が伝達するときの熱抵抗が大きく、改善の余地があった。

冷却器に放熱のためのフィンが形成されている場合には、冷却器の表裏の表面のうち、一方の表面に基板が配置され、他方の表面にフィンが形成される。この場合に、放熱を行なうフィンと半導体素子との距離が長くなってしまい熱抵抗が大きくなっていた。

また、複数の半導体素子が基板の表面に配置された半導体装置においては、半導体装置の入力端から半導体素子までの距離や電気回路の形状がそれぞれ異なる。電気回路に生じる寄生インダクタンスは、電気回路の形状や長さ等に依存して生じる。このため、半導体素子の出力に影響を与える寄生インダクタンスが、それぞれの半導体素子ごとに異なる場合があった。この結果、半導体装置の出力特性に悪影響を与える場合があった。

本発明は、冷却性能の優れた半導体モジュールおよび半導体装置を提供することを目的とする。また、寄生インダクタンスの小さな半導体モジュールおよび半導体装置を提供することを目的とする。

本発明に基づく半導体装置は、冷却媒体を流すための円筒状の冷却通路と、複数の半導体モジュールとを備える。上記半導体モジュールは、樹脂によって封止された少なくとも１個の半導体素子を含む。複数の上記半導体モジュールは、上記冷却通路に配置され、円筒の端面に冷却媒体を供給するための入口部が配置され、円筒の側面に冷却媒体を排出するための出口部が配置されている。複数の上記半導体モジュールは、円筒の軸方向に対して垂直な方向に沿った冷却通路の同一断面上に配置されている。

上記発明において好ましくは、絶縁性を有する上記冷却媒体を流すように形成されている。

上記発明において好ましくは、上記半導体モジュールは、上記冷却媒体に接触するように形成された冷却フィンを含む。

上記発明において好ましくは、複数の上記半導体モジュールは、直流の電気から三相交流のそれぞれの相の電気を形成するための３個の上記半導体モジュールを含む。

上記発明において好ましくは、上記半導体モジュールは、円筒の軸方向である一の方向に延びるように形成されている。複数の上記半導体モジュールは、上記一の方向が互いに平行になるように配置さている。複数の上記半導体モジュールは、上記一の方向の一方の側から見たときに、放射状に配置されている。複数の上記半導体モジュールは、上記一の方向の一方の側から見たときに、周方向に沿って均等に配置されている。

上記発明において好ましくは、複数の上記半導体モジュールのそれぞれに配置された複数の上記半導体素子は、上記一の方向に対して同じ位置に配置されている。

上記発明において好ましくは、ケースを備える。複数の上記半導体モジュールは、上記ケースの内部に配置されている。上記ケースは、駆動装置の入力端子が形成されている部分に取り付けることができるように形成されている。

上記発明において好ましくは、ケースを備える。複数の上記半導体モジュールは、上記ケースの内部に配置されている。上記ケースは、冷却媒体の入口部および出口部を有する。上記入口部および上記出口部は、上記冷却媒体の流れ方向と上記半導体モジュールの上記一の方向とが平行になるように形成されている。

上記発明において好ましくは、半導体モジュールは、第１の板状部材を備える。上記第１の板状部材に対向するように配置された第２の板状部材を備える。上記第１の板状部材と上記第２の板状部材との間に配置された第３の板状部材を備える。上記第１の板状部材と上記第３の板状部材との間に配置された第１の半導体素子を備える。上記第２の板状部材と上記第３の板状部材との間に配置された第２の半導体素子を備える。上記第１の板状部材、上記第２の板状部材および上記第３の板状部材は、それぞれの主面同士が平行になるように配置されている。上記第１の板状部材、上記第２の板状部材および上記第３の板状部材は、それぞれが導電性を有する。上記第１の半導体素子および上記第２の半導体素子は、上記第３の板状部材を介して互いに対向するように配置されている。

上記発明において好ましくは、半導体モジュールは、冷却フィンを備える。上記冷却フィンは、上記第１の板状部材および上記第２の板状部材のうち少なくとも一方に接合されている。
上記発明において好ましくは、半導体装置は、円筒の軸方向に並び、半導体モジュールを各々複数含む第１半導体モジュール群および第２半導体モジュール群を備える。

本発明によれば、冷却性能の優れた半導体モジュールおよび半導体装置を提供することができる。また、寄生インダクタンスの小さな半導体モジュールおよび半導体装置を提供することができる。

（実施の形態１）
図１から図１１を参照して、本発明に基づく実施の形態１における半導体モジュールおよび半導体装置について説明する。本実施の形態における半導体装置は、直流の電気を三相の交流の電気に変換するためのインバータである。本実施の形態におけるインバータは、駆動装置としてのモータに電気を供給するためのインバータである。

図１に、本実施の形態における半導体装置およびモータの概略斜視図を示す。本実施の形態における半導体装置は、複数の半導体モジュール１〜３を備える。半導体装置は、第１の半導体モジュールとしての半導体モジュール１、第２の半導体モジュールとしての半導体モジュール２および第３の半導体モジュールとしての半導体モジュール３を含む。

半導体モジュール１は、直流の電気から三相交流のＵ相の電気を形成するための半導体モジュールである。半導体モジュール２は、直流の電気から三相交流のＶ相の電気を形成するための半導体モジュールである。半導体モジュール３は、直流の電気から三相交流のＷ相の電気を形成するための半導体モジュールである。それぞれの半導体モジュール１〜３は、少なくとも１個の半導体素子を含む。

複数の半導体モジュール１〜３は、それぞれが平面的に形成されている。複数の半導体モジュール１〜３は、長手方向を有する。それぞれの半導体モジュール１〜３は、矢印１１２の延びる一の方向を有する。本実施の形態における延びる一の方向は、半導体モジュールの長手方向である。複数の半導体モジュール１〜３は、延びる一の方向が互いにほぼ平行になるように配置されている。半導体モジュールの延びる一の方向としては、長手方向に限られず、たとえば、長手方向に垂直な方向であっても構わない。

本実施の形態における半導体装置は、ケース６１を備える。本実施の形態におけるケース６１は、円筒形に形成されている。ケース６１の内部は、空洞が形成されている。ケース６１の内部は、冷却媒体を流すための冷却通路になる。半導体モジュール１〜３は、ケース６１の内部に配置されている。半導体モジュール１〜３は、冷却通路に配置されている。

ケース６１は、冷却媒体を供給するための供給管６１ａを含む。ケース６１は、冷却媒体を排出するための排出管６１ｂを含む。冷却通路の入口部としての供給管６１ａは、ケース６１の円筒形状の端面に配置されている。冷却通路の出口部としての排出管６１ｂは、ケース６１の円筒形状の側面に接続されている。ケース６１の内部においては、矢印１１１に示す方向が冷却媒体の流れ方向になる。

本実施の形態における半導体モジュール１〜３は、矢印１１１に示す冷却媒体の流れ方向と、矢印１１２に示す半導体モジュール１の延びる一の方向とがほぼ平行になるように配置されている。半導体モジュール１〜３は、矢印１１１に示す冷却媒体の流れ方向に沿って配置されている。

本実施の形態における半導体装置は、直流の電気の入力端子として、電源側入力端子４１ａおよび接地側入力端子４１ｂを備える。電源側入力端子４１ａおよび接地側入力端子４１ｂは、平板状に形成されている。電源側入力端子４１ａおよび接地側入力端子４１ｂは、主面同士が互いに平行になるように配置されている。すなわち、本実施の形態においては、入力端子が平行平板の形態になるように形成されている。

本実施の形態におけるケース６１は、モータ８１の入力端子が形成されている部分に取り付けられている。ケース６１は、円筒形に形成されている。本実施の形態におけるモータ８１は、シャフト８１ａが配置されている端面と反対側の端面に入力端子が形成されている。モータ８１は、前側の端面に入力端子が形成されている。ケース６１は、モータ８１の前側の端面に取り付けられている。ケース６１の前側の端面には、コンデンサ８２が配置されている。

図２に、本実施の形態におけるインバータ、バッテリおよびモータの電気的な接続のブロック図を示す。直流の電気から三相交流のＵ相を形成するための半導体モジュール１は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２を含む。直流の電気から三相交流のＶ相を形成するための半導体モジュール２は、パワートランジスタＱ３，Ｑ４およびダイオードＤ３，Ｄ４を含む。直流の電気から三相交流のＷ相を形成するための半導体モジュール３は、パワートランジスタＱ５，Ｑ６およびダイオードＤ５，Ｄ６を含む。

それぞれのパワートランジスタＱ１〜Ｑ６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ダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ接続されている。Ｕ相出力バスバー１２、Ｖ相出力バスバー２２およびＷ相出力バスバー３２は、モータ８１のＵ相、Ｖ相、またはＷ相の各相のコイルの中性点と反対側のコイル端にそれぞれ接続されている。

バッテリＢの正極は電源ラインＰＬに接続され、バッテリＢの負極は接地ラインＳＬに接続されている。コンデンサ８２は、電源ラインＰＬと接地ラインＳＬとの間にバッテリＢに並列に接続されている。電源ラインＰＬは、インバータの電源側入力端子４１ａに接続されている。接地ラインＳＬは、インバータの接地側入力端子４１ｂに接続されている。

本発明における半導体装置が、たとえば電気自動車に搭載される場合には、モータ８１は、自動車の駆動輪と連結される。また、回生制動時には、モータ８１は、駆動輪からの回転力を得て回生発電を行なう。

バッテリＢは、直流電源である。バッテリＢは、直流電圧を発生して電源ラインＰＬへ電気を供給する。バッテリＢは、たとえば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池や燃料電池を含む。コンデンサ８２は、電源ラインＰＬと接地ラインＳＬとの間の電圧変動を平滑化する。

本実施の形態におけるインバータは、電源ラインＰＬと接地ラインＳＬとの間の電圧およびモータ８１のモータ電流を検出するための電圧センサおよび電流センサを含む（図示せず）。インバータは、制御装置５１からの信号ＰＷＭに基づいて、電源ラインＰＬから供給される直流電圧を三相交流電圧に変換してモータ８１に電気を供給する。

図３に、本実施の形態における半導体モジュールの概略斜視図を示す。図３は、本実施の形態における第１の半導体モジュールの概略斜視図である。第２の半導体モジュールおよび第３の半導体モジュールは、第１の半導体モジュールとほぼ同じ構成を有する。

第１の半導体モジュールとしての半導体モジュール１は、第１の板状部材としての電源バスバー１１ａを備える。半導体モジュール１は、第２の板状部材としての接地バスバー１１ｂを備える。電源バスバー１１ａおよび接地バスバー１１ｂは、それぞれが板状に形成されている。電源バスバー１１ａと接地バスバー１１ｂとは、主面同士が対向するように配置されている。電源バスバー１１ａと接地バスバー１１ｂとは主面同士がほぼ平行になるように形成されている。電源バスバー１１ａおよび接地バスバー１１ｂは、平行平板電極になるように形成されている。電源バスバー１１ａと接地バスバー１１ｂとの間には、第３の板状部材としてのＵ相出力バスバー１２が配置されている。Ｕ相出力バスバー１２は、板状に形成されている。

本実施の形態においては、電源バスバー１１ａ、接地バスバー１１ｂおよびＵ相出力バスバー１２は、導電性を有する材料で形成されている。電源バスバー１１ａおよび接地バスバー１１ｂは、半導体モジュール１の入力端子の機能を有する。また、Ｕ相出力バスバー１２は、半導体モジュール１の出力端子の機能を有する。

電源バスバー１１ａの外側の主面には、フィン１３が接合されている。フィン１３は、板状に形成されている。フィン１３は、外側に飛び出すように形成されている。フィン１３は、電源バスバー１１ａの主面から立設するように形成されている。接地バスバー１１ｂの外側の主面には、フィン１３が配置されている。接地バスバー１１ｂに接合されたフィン１３は、電源バスバー１１ａの主面に接合されたフィン１３と同様の構成を有する。

図４に、本実施の形態における第１の半導体モジュールの概略断面図を示す。図４は、図３におけるＩＶ−ＩＶ線に関する矢視断面図である。Ｕ相出力バスバー１２は、電源バスバー１１ａと接地バスバー１１ｂとに挟まれる領域に配置されている。Ｕ相出力バスバー１２は、電源バスバー１１ａおよび接地バスバー１１ｂと、主面同士が互いにほぼ平行になるように配置されている。

電源バスバー１１ａとＵ相出力バスバー１２との間には、第１の半導体素子としてのパワートランジスタＱ１が配置されている。接地バスバー１１ｂおよびＵ相出力バスバー１２との間には、第２の半導体素子としてのパワートランジスタＱ２が配置されている。

本実施の形態における半導体モジュール１は、Ｕ相出力バスバー１２の厚さ方向の中心を通る面を対称面にして、電源バスバー１１ａの側と接地バスバー１１ｂの側とがほぼ対称になるように形成されている。

図５に、本実施の形態における半導体モジュールの第２の概略断面図を示す。図５は、図４におけるＶ−Ｖ線に関する矢視断面図である。接地バスバー１１ｂとＵ相出力バスバー１２との間には、ダイオードＤ２が配置されている。同様に、電源バスバー１１ａとＵ相出力バスバー１２との間には、ダイオードＤ１が配置されている。

パワートランジスタＱ２とダイオードＤ２とは、互いに並んで配置されている。同様に、パワートランジスタＱ１とダイオードＤ１とは、互いに並んで配置されている。本実施の形態においては、パワートランジスタと、該パワートランジスタに対応するダイオードとが並んで配置され、入力側のバスバーと出力側のバスバーとに挟持されることにより、電気的に並列に接続されている。

それぞれのパワートランジスタＱ１，Ｑ２は、矢印１１２に示す半導体モジュール１が延びる一の方向に対してほぼ同じ位置に配置されている。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は、それぞれがＵ相出力バスバー１２の表裏の主面のほぼ同じ領域に配置されている。パワートランジスタＱ１とパワートランジスタＱ２とは、Ｕ相出力バスバー１２を介して互いに対向するように配置されている。同様に、ダイオードＤ１とダイオードＤ２とは、Ｕ相出力バスバー１２を介して互いに対向するように配置されている。

パワートランジスタＱ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２は、樹脂１５によって封止されている。また、電源バスバー１１ａおよび接地バスバー１１ｂに接合されたそれぞれのフィン１３の表面には、電気的な絶縁性を有する絶縁膜が形成されている。

図１および図３を参照して、電源側入力端子４１ａは、それぞれの半導体モジュール１〜３の電源バスバー１１ａ，２１ａ，３１ａに接続されている。接地側入力端子４１ｂは、それぞれの半導体モジュール１〜３の接地バスバー１１ｂ，２１ｂ，３１ｂに接続されている。本実施の形態においては、電源側入力端子４１ａと接地側入力端子４１ｂとは、主面同士がほぼ平行な状態を維持するように、それぞれの半導体モジュール１〜３に接続されている。すなわち、それぞれの接続においては、平行平板の形態で入力端子と半導体モジュールの入力側のバスバーとが接続されている（図示せず）。

半導体モジュール１〜３のそれぞれのＵ相出力バスバー１２などの出力バスバーは、モータ８１のそれぞれの相の入力端子に接続されている（図示せず）。たとえば、第１の半導体モジュール１のＵ相出力バスバー１２は、モータ８１のＵ相の入力端子に接続されている。

図６に、本実施の形態における半導体装置の概略断面図を示す。図６は、図１におけるＶＩ−ＶＩ線に関する矢視断面図である。図６は、それぞれの半導体モジュールの延びる一の方向に垂直な面で切断したときに概略断面図である。それぞれの半導体モジュール１〜３は、一の方向から見たときに板状に形成され、側方に向かってフィン１３，２３，３３が飛び出すように形成されている。

図１および図６を参照して、本実施の形態における半導体装置においては、半導体モジュール１〜３の一の方向の一方の側から見たときに、半導体モジュール１〜３のそれぞれが放射状に配置されている。複数の半導体モジュール１〜３は、矢印１１１に示す冷却媒体の流れ方向の上流側から見たときに放射状に配置されている。

複数の半導体モジュール１〜３は、周方向に沿ってほぼ均等に配置されている。複数の半導体モジュール１〜３は、それぞれの出力バスバーが径方向に沿うように配置されている。複数の半導体モジュール１〜３は、それぞれの対称面が径方向に沿うように配置されている。

半導体モジュール１〜３は、延びる一の方向の一方の側から見たときに、複数の半導体モジュールの対称面が互いになす角度がほぼ同じになるように形成されている。半導体モジュール１の対称面と半導体モジュール２の対称面とは角度θ１をなすように配置されている。半導体モジュール２の対称面と半導体モジュール３の対称面とは角度θ２をなすように配置されている。半導体モジュール３の対称面と半導体モジュール１の対称面とは角度θ３をなすように配置されている。本実施の形態におけるそれぞれの角度θ１〜θ３は、ほぼ１２０°である。電源側入力端子４１ａおよび接地側入力端子４１ｂは、半導体モジュールの延びる一の方向の一方の側からみたときに、中央部分に配置されている。

図７に、本実施の形態における半導体装置およびモータの概略断面図を示す。図７は、図１における半導体モジュールが延びる一の方向に平行な面で切断したときの概略断面図である。

本実施の形態においては、それぞれの半導体モジュール１〜３は、矢印１１１に示す冷却媒体の流れ方向に対して、ほぼ同じ位置に配置されている。本実施の形態においては、それぞれの半導体モジュール１〜３が同様の構成を有するため、側方から見たときに電源バスバー１１ａ，２１ａ，３１ａのそれぞれの端面が一の面上に配置されるように形成されている。

また、本実施の形態におけるそれぞれのパワートランジスタＱ１〜Ｑ６は、矢印１１１に示す冷却媒体の流れ方向に対して、ほぼ同じ位置に配置されている。すなわち、本実施の形態においては、矢印１１１に示す冷却媒体の流れ方向に垂直な面１０６上に、それぞれのパワートランジスタＱ１〜Ｑ６が配置されている。

次に、本実施の形態における半導体モジュールおよび半導体装置の効果について説明する。本実施の形態における半導体装置は、それぞれの半導体素子を、ほぼ均一に冷却することができる。また、それぞれの半導体素子の冷却効率を向上させることができる。または、それぞれの半導体装置に影響を与える寄生インダクタンスの分布を小さくすることができる。また、寄生インダクタンスを小さくすることができる。

図８に、本実施の形態における比較例の半導体装置の概略平面図を示す。比較例の半導体装置は、交流の電気を直流の電気に変換するためのインバータである。比較例の半導体装置は、平面的な構造を有する。

比較例の半導体装置は、基板９０を備える。基板９０の表面には、半導体素子９３〜９５が配置されている。それぞれの半導体素子９３〜９５は、パワートランジスタおよびダイオードを含む。それぞれの半導体素子９３〜９５は、電源ライン９１および接地ライン９２に接続されている。電源ライン９１および接地ライン９２は、図示しないバッテリに接続されている。

半導体素子９３は、出力線としてのＵ相ライン９６が接続されている。半導体素子９４には、Ｖ相ライン９７が接続されている。半導体素子９５には、Ｗ相ライン９８が接続されている。

図９に、本実施の形態における比較例の半導体装置の概略断面図を示す。比較例の半導体装置は、冷却器１００を備える。基板９０は、冷却器１００に固定されている。

冷却器１００は、フィン１０５を備える。半導体素子９３〜９５が配置された基板９０は、冷却器１００の表面のうち、フィン１０５が形成されている側と反対側の表面に固定されている。冷却器１００の内部においては、矢印１１３に示す向きに冷却媒体が流れる。冷却器１００の表面には、はんだ層１０４、金属板１０３およびセラミック基板１０２を介して基板９０が固定されている。

冷却媒体は、熱交換を行なうために進行方向に沿って徐々に温度が高くなる。たとえば、比較例の半導体装置のように、それぞれの半導体素子９３〜９５が、矢印１１３に示す冷却媒体の流れ方向に沿って配置されている場合においては、それぞれの半導体素子９３〜９５の冷却効果が異なる。すなわち、冷却媒体の上流側に配置された半導体素子９３がよく冷却され、半導体素子９５の冷却が劣ることが生じていた。このように、比較例の半導体装置においては、冷媒の上流側と下流側とで冷却にむらが生じていた。

図９に示すように、半導体素子９３〜９５が配置された基板９０は、はんだ層１０４、セラミック基板１０２および金属板１０３などを介して、冷却器１００に固定されている。冷却器１００と基板９０との間に、複数の部材やはんだ層などが配置されるため、基板９０が冷却器１００から遠くなってしまい、冷却器１００から半導体素子９５までの熱抵抗が大きくなっていた。

または、放熱を行なうためのフィン１０５は、冷却器１００の表面のうち基板９０が配置されている側と反対側の表面に形成されている。このため、フィン１０５と基板９０との距離が大きくなってしまい、冷却効率に改善の余地があった。特に、半導体素子９３〜９５と冷却器１００との間には、熱伝導の悪い絶縁性を有する基板９０やセラミック基板１０２が配置されるため、冷却効率が悪くなっていた。

また、図８を参照して、比較例の半導体装置においては、半導体装置の入力部からそれぞれの半導体素子９３〜９５までの電気回路の形状や距離が異なる。このため、半導体装置の入力部から半導体素子９３〜９５に到達するまでに生じる寄生インダクタンスに差異が生じていた。たとえば、比較例の半導体装置においては、半導体素子９３に影響を与える寄生インダクタンスよりも半導体素子９５に影響を与える寄生インダクタンスの方が大きくなっていた。

このように、平面構造の半導体装置においては、寄生インダクタンスに分布があった。この結果、これらの寄生インダクタンスが、それぞれの半導体素子から出力されるそれぞれの電気特性に悪影響を与えることがあった。

一方で、寄生インダクタンスは、相互インダクタンス効果を得ることにより、小さくすることが可能である。たとえば、直流の電気を導く電気回路を平行平板の形態にすることにより、正側または負側の電気回路で生じる寄生インダクタンスが互いに打消される。しかしながら、比較例の半導体装置においては、それぞれの電気回路を平行平板の形態にすることが困難であり、寄生インダクタンスを減少させることが困難であった。

図１を参照して、本実施の形態における半導体装置は、複数の半導体モジュールが、冷却媒体の流れ方向に対してほぼ同じ位置に配置されている。この構成により、一の半導体モジュールが、他の半導体モジュールの上流側や下流側に配置されていることを回避でき、複数の半導体モジュールをほぼ均一に冷却することができる。

本実施の形態における半導体モジュールは、冷却媒体に接触するように形成された冷却フィンを含む。この構成により、冷却フィンで効果的に冷却媒体との熱交換を行なうことができ、冷却効率が向上する。

本実施の形態においては、冷却媒体として液体を用いている。半導体装置は、冷却媒体として、絶縁性を有する冷却媒体を流すことができるように形成されることが好ましい。本実施の形態においてはフィンが絶縁性を有する絶縁膜で被膜されているが、絶縁性を有する冷却媒体を用いることにより、フィンの表面の絶縁膜が不要になる。また、フィンが直接的に冷却媒体に接するため冷却効率が向上する。

本実施の形態における半導体装置は、三相交流のそれぞれの相を形成するために、第１の半導体モジュール、第２の半導体モジュールおよび第３の半導体モジュールを備える。それぞれの相毎に、半導体モジュールが形成されていることにより、それぞれの半導体モジュールの冷却通路における位置を容易に調整することができる。または、半導体モジュールに形成された半導体素子の位置を容易に調整することができる。たとえば、冷却媒体の流れ方向における同じ位置に、それぞれの半導体モジュールまたはそれぞれの半導体素子を容易に配置することができる。

本実施の形態における半導体モジュールは、電源バスバーなどの板状部材の一の主面にパワートランジスタなどの半導体素子が配置され、他の主面にフィンが接合されている。フィンは、冷却媒体と接触する。本実施の形態における半導体モジュールは、発熱体である半導体素子と冷媒との間に介在する部材を少ない。このため、半導体素子から冷媒までの熱抵抗が小さく、効果的に半導体素子を冷却することができる。また、セラミック絶縁基板のような熱伝導の悪い部材が介在しないため、高い冷却効果を得ることができる。

本実施の形態においては、複数の半導体モジュールは、延びる一の方向が互いにほぼ平行になるように配置され、延びる一の方向の一方の側から見たときに放射状に配置され、さらに、周方向に沿ってほぼ均等に配置されている。この構成により、半導体装置の入力端子から半導体モジュールに配置された半導体素子までの距離をほぼ同じにすることができる。また、半導体装置の入力端子から半導体素子までの電気回路の構成をほぼ対称にすることができる。この結果、それぞれの半導体モジュールに影響を与える寄生インダクタンスをほぼ均一にすることができる。

寄生インダクタンスを均一にすることにより、半導体装置の出力特性を安定化させることができる。本実施の形態においては、インバータにより形成される三相交流の特性を優れたものにすることができる。

本実施の形態においては、バッテリに接続された電源側入力端子および接地側入力端子は、主面同士がほぼ平行な状態のまま、それぞれの半導体モジュールの電源バスバーおよび接地バスバーに接続されている（図示せず）。この構成により、接続部分における寄生インダクタンスを相互インダクタンス効果で小さくすることができる。

本実施の形態において、複数の半導体モジュールに配置されたそれぞれの半導体素子は、半導体モジュールの延びる一の方向に対して、ほぼ同じ位置に配置されている。この構成により、半導体モジュール内に生じる寄生インダクタンスをさらに均一にすることができる。

本実施の形態における半導体モジュールは、電源バスバーと接地バスバーとが板状に形成され、電源バスバーと接地バスバーとの間に、出力バスバーが配置されている。電源バスバーと出力バスバーとの間および接地バスバーと出力バスバーとの間に半導体素子が配置されている。この構成により、半導体モジュールの構造を対称にすることができ、半導体モジュールの内部で生じるそれぞれの半導体素子に対する寄生インダクタンスをほぼ均一にすることができる。

また、本実施の形態における半導体モジュールは、電源バスバーと接地バスバーとが板状に形成され、それぞれの主面同士が、ほぼ平行になるように配置されている。この構成により、相互インダクタンス効果が生じて、入力側のバスバーに生じる寄生インダクタンスが互いに打消される。この結果、半導体モジュールの内部で生じる寄生インダクタンスを小さくすることができる。

本実施の形態における半導体装置は、ケースの内部に半導体モジュールが配置され、ケースが冷却媒体の入口部および出口部を有する。ケースは、冷却媒体の流れ方向と半導体モジュールの延びる一の方向とがほぼ平行になるように形成されている。この構成により、複数の半導体モジュールをほぼ均一に冷却することができる。

また、本実施の形態におけるケースは、駆動装置としてのモータの入力端子が形成されている部分に取り付けることができるように形成されている。この構成により本実施の形態における半導体装置と駆動装置とを一体化することができる。

図１０に、本実施の形態における他の半導体モジュールの第１の概略断面図を示す。図１１に、本実施の形態における他の半導体モジュールの第２の概略断面図を示す。図１１は、図１０におけるＸＩ−ＸＩ線に関する矢視断面図である。

本実施の形態における他の半導体モジュールは、電源バスバー１１ａとＵ相出力バスバー１２との間に、複数のパワートランジスタＱ１，Ｑ１１が配置されている。また、接地バスバー１１ｂとＵ相出力バスバー１２との間には、複数のパワートランジスタＱ２，Ｑ１２が配置されている。さらに、本実施の形態における他の半導体モジュールは、パワートランジスタＱ２，Ｑ１２に対応するように、ダイオードＤ２，Ｄ１２が配置されている。

このように、半導体モジュールにおいては、電気回路が並列に接続されるように、同じ機能を有する半導体素子が複数配置されていても構わない。または、異なる機能を有する半導体素子が、複数配置されていても構わない。

本実施の形態における半導体装置は、交流の電気を直流に変換するインバータを例に取上げて説明したが、この形態に限られず、任意の半導体素子を含む半導体装置に本発明を適用することができる。

本実施の形態における半導体装置は、三相の交流の電気を形成するために３個の半導体モジュールが配置されているが、この形態に限られず、任意の数の半導体モジュールを含む半導体装置に本発明を適用することができる。

（実施の形態２）
図１２から図１４を参照して、本発明に基づく実施の形態２における半導体モジュールおよび半導体装置について説明する。本実施の形態における半導体装置は、直流の電気を三相の交流に変換するインバータである。本実施の形態における半導体装置は、複数の半導体モジュールを含む半導体モジュール群を複数備える。

図１２に、本実施の形態における第１の半導体装置の概略断面図を示す。第１の半導体装置は、半導体モジュール１〜６を備える。それぞれの半導体モジュール１〜６は、実施の形態１における半導体モジュールと同様の構成を有する。

半導体モジュール１，４は、三相交流のうちＵ相を形成するための半導体モジュールである。半導体モジュール２，５は、三相交流のうちＶ相を形成するための半導体モジュールである。半導体モジュール３，６は、三相交流のうち、Ｗ相を形成するための半導体モジュールである。

それぞれの半導体モジュール１〜６は、ケース６２の内部に配置され、冷却媒体の流れ方向に対してほぼ同じ位置に配置されている。それぞれの半導体モジュール１〜６は、半導体モジュールの延びる一の方向の一方の側から見たときに、放射状に配置され、周方向に沿ってほぼ均等に配置されている。

本実施の形態においては、それぞれの半導体モジュール１〜６の対称面の互いになす角度が、ほぼ６０°になるように配置されている。半導体モジュール１〜６は、角度θ４〜θ６のそれぞれがほぼ６０°になるように配置されている。

本実施の形態における半導体装置は、第１の半導体モジュール群と第２の半導体モジュール群とを備える。第１の半導体モジュール群は、半導体モジュール１〜３を含む。第１の半導体モジュール群において、それぞれの半導体モジュール１〜３の対称面のなす角度は、ほぼ１２０°になるように配置されている。第２の半導体モジュール群は、半導体モジュール４〜６を含む。第２の半導体モジュール群において、それぞれの半導体モジュール４〜６の対称面のなす角度は、ほぼ１２０°になるように配置されている。

本実施の形態における第１の半導体装置においては、周方向に沿って、Ｕ相を形成する半導体モジュール１，４、Ｖ相を形成する半導体モジュール２，５、およびＷ相を形成する半導体モジュール３，６がこの順に配置されている。それぞれの半導体モジュール群は、単独で三相交流を形成できるように形成されている。本実施の形態においては、２組の半導体モジュール群が並列に接続されている。

図１３に、本実施の形態における第２の半導体装置の概略断面図を示す。第２の半導体装置においては、半導体モジュール１〜３を含む第１の半導体モジュール群と半導体モジュール４〜６を含む第２の半導体モジュール群とが周方向に沿って並ぶように配置されている。第２の半導体装置においては、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電気を形成するための半導体モジュールが、周方向に沿ってこの順に繰り返し配置されている。

図１４に、本実施の形態における第３の半導体装置の概略斜視図を示す。第３の半導体装置においては、２個の半導体モジュール群が直列に並ぶように配置されている。第３の半導体装置は、第１の半導体モジュール群を備え、第１の半導体モジュール群は、半導体モジュール１〜３を含む。また、第３の半導体装置は、第２の半導体モジュール群を備え、第２の半導体モジュール群は半導体モジュール４〜６を含む。

第３の半導体装置は、ケース６２を備える。ケース６２は円筒状に形成されている。ケース６２は、冷却媒体の入口部である供給管６２ａを含む。ケース６２は、冷却媒体の出口部である排出管６２ｂを含む。第１の半導体モジュール群および第２の半導体モジュール群は、ケース６２の内部に配置されている。

ケース６２の内部においては、矢印１１１に示す向きに、冷却媒体が流れる。それぞれの半導体モジュール１〜３は、矢印１１１に示す冷却媒体の流れ方向に沿って延びるように配置されている。また、半導体モジュール４〜６は、矢印１１１に示す冷却媒体の流れ方向に沿って延びるように配置されている。

半導体モジュール１〜３は、冷却媒体の流れる方向に対してほぼ同じ位置に配置されている。半導体モジュール４〜６は、冷却媒体の流れる方向に対してほぼ同じ位置に配置されている。第３の半導体装置においては、第２の半導体モジュール群が第１の半導体モジュール群よりも下流側に配置されている。

図１５に、本実施の形態における第３の半導体装置の概略断面図を示す。図１５は、図１４におけるＸＶ−ＸＶ線に関する矢視断面図である。半導体モジュールの延びる一の方向の一方の側から見たときに、半導体モジュール１〜６は、放射状に配置されている。半導体モジュール１〜３は、対称面の互いになす角度がほぼ同じになるように形成されている。半導体モジュール４〜６は、対称面の互いになす角度がほぼ同じになるように形成されている。Ｕ相を形成する半導体モジュール１と半導体モジュール４とは、対称面同士がほぼ６０°の角度をなすように配置されている。

本実施の形態における半導体装置においても、それぞれの半導体モジュールを、ほぼ均一に冷却することができ、また、寄生インダクタンスをほぼ均一にすることができる。本実施の形態のように、半導体装置が複数の半導体モジュール群を備えることにより、出力を大きくすることができる。または、大きな電気を処理することができる。

本実施の形態においては、２個の半導体モジュール群が形成されているが、この形態に限られず、任意の個数の半導体モジュール群を配置することができる。

その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるのでここでは説明を繰返さない。

上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には、同一の符号を付している。

なお、今回開示した上記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。本発明の範囲は上記した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を含むものである。

本発明に基づく実施の形態１における半導体装置およびモータの概略斜視図である。 本発明に基づく実施の形態１における半導体装置およびモータの電気回路を説明するブロック図である。 本発明に基づく実施の形態１における半導体モジュールの概略斜視図である。 本発明に基づく実施の形態１における半導体モジュールの第１の概略断面図である。 本発明に基づく実施の形態１における半導体モジュールの第２の概略断面図である。 本発明に基づく実施の形態１における半導体装置の第１の概略断面図である。 本発明に基づく実施の形態１における半導体装置の第２の概略断面図である。 実施の形態１における比較例の半導体装置の概略平面図である。 実施の形態１における比較例の半導体装置の概略断面図である。 本発明に基づく実施の形態１における他の半導体モジュールの第１の概略断面図である。 本発明に基づく実施の形態１における他の半導体モジュールの第２の概略断面図である。 本発明に基づく実施の形態２における第１の半導体装置の概略断面図である。 本発明に基づく実施の形態２における第２の半導体装置の概略断面図である。 本発明に基づく実施の形態２における第３の半導体装置の概略斜視図である。 本発明に基づく実施の形態２における第３の半導体装置の概略断面図である。

符号の説明

１〜６ 半導体モジュール、１１ａ 電源バスバー、１１ｂ 接地バスバー、１２ Ｕ相出力バスバー、１３ フィン、１５ 樹脂、２１ａ 電源バスバー、２１ｂ 接地バスバー、２２ Ｖ相出力バスバー、２３ フィン、３１ａ 電源バスバー、３１ｂ 接地バスバー、３２ Ｗ相出力バスバー、３３ フィン、４１ａ 電源側入力端子、４１ｂ 接地側入力端子、５１ 制御装置、６１，６２ ケース、６１ａ，６２ａ 供給管、６１ｂ，６２ｂ 排出管、８１ モータ、８１ａ シャフト、８２ コンデンサ、９０ 基板、９１ 電源ライン、９２ 接地ライン、９３〜９５ 半導体素子、９６ Ｕ相ライン、９７ Ｖ相ライン、９８ Ｗ相ライン、１００ 冷却器、１０２ セラミック基板、１０３ 金属板、１０４ はんだ層、１０５ フィン、１０６ 面、１１１〜１１３ 矢印、Ｂ バッテリ、ＰＬ 電源ライン、ＳＬ 接地ライン、Ｑ１〜Ｑ６，Ｑ１１〜Ｑ１２ パワートランジスタ、Ｄ１〜Ｄ６，Ｄ１２ ダイオード、θ１〜θ６ 角度。

Claims (11)

1. 冷却媒体を流すための円筒状の冷却通路と、
   複数の半導体モジュールと
   を備え、
   前記半導体モジュールは、樹脂によって封止された少なくとも１個の半導体素子を含み、
   複数の前記半導体モジュールは、前記冷却通路に配置され、
   前記円筒の端面に冷却媒体を供給するための入口部が配置され、前記円筒の側面に前記冷却媒体を排出するための出口部が配置され、
   複数の前記半導体モジュールは、前記円筒の軸方向に対して垂直な方向に沿った前記冷却通路の同一断面上に配置された、半導体装置。
2. 絶縁性を有する前記冷却媒体を流すように形成された、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体モジュールは、前記冷却媒体に接触するように形成された冷却フィンを含む、請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 複数の前記半導体モジュールは、直流の電気から三相交流のそれぞれの相の電気を形成するための３個の前記半導体モジュールを含む、請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 前記半導体モジュールは、前記円筒の軸方向である一の方向に延びるように形成され、
   複数の前記半導体モジュールは、前記一の方向が互いに平行になるように配置され、
   複数の前記半導体モジュールは、前記一の方向の一方の側から見たときに、放射状に配
   置され、
   複数の前記半導体モジュールは、前記一の方向の一方の側から見たときに、周方向に沿って均等に配置された、請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 複数の前記半導体モジュールのそれぞれに配置された複数の前記半導体素子は、前記一の方向に対して同じ位置に配置された、請求項５に記載の半導体装置。
7. ケースを備え、
   複数の前記半導体モジュールは、前記ケースの内部に配置され、
   前記ケースは、駆動装置の入力端子が形成されている部分に取り付けることができるように形成された、請求項５または６に記載の半導体装置。
8. ケースを備え、
   複数の前記半導体モジュールは、前記ケースの内部に配置され、
   前記ケースは、冷却媒体の入口部および出口部を有し、
   前記入口部および前記出口部は、前記冷却媒体の流れ方向と前記半導体モジュールの前記一の方向とが平行になるように形成された、請求項５または６に記載の半導体装置。
9. 前記半導体モジュールは、
   第１の板状部材と、
   前記第１の板状部材に対向するように配置された第２の板状部材と、
   前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との間に配置された第３の板状部材と、
   前記第１の板状部材と前記第３の板状部材との間に配置された第１の半導体素子と、
   前記第２の板状部材と前記第３の板状部材との間に配置された第２の半導体素子と
   を備え、
   前記第１の板状部材、前記第２の板状部材および前記第３の板状部材は、それぞれの主面同士が平行になるように配置され、
   前記第１の板状部材、前記第２の板状部材および前記第３の板状部材は、それぞれが導電性を有し、
   前記第１の半導体素子および前記第２の半導体素子は、前記第３の板状部材を介して互いに対向するように配置された、請求項１から８のいずれかに記載の半導体装置。
10. 前記半導体モジュールは、冷却フィンを備え、
    前記冷却フィンは、前記第１の板状部材および前記第２の板状部材のうち少なくとも一方に接合された、請求項９に記載の半導体装置。
11. 前記円筒の軸方向に並び、前記半導体モジュールを各々複数含む第１半導体モジュール群および第２半導体モジュール群を備えた、請求項１から１０のいずれかに記載の半導体装置。

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