JP5253430B2 - パワーモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、パワーモジュールに関する。
従来のパワーモジュールの一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されているパワーモジュールは、板状の出力電極を挟んで積層されている一対のパワーデバイスと、一対のパワーデバイスを挟んで積層されているＮ電極とＰ電極を備えている。
特許文献１のパワーモジュールは、Ｎ電極と第１のパワーデバイスと出力電極と第２のパワーデバイスとＰ電極を上下に段積みした構成であるために、パワーモジュールの全体を小型化できるという利点がある。
特開２００２−２６２５１号公報
一対のパワーデバイスの間に位置している出力電極が、一対のパワーデバイスの積層範囲から直交方向（一対のパワーデバイスが積層されている方向に直交する方向）に伸びている部分を備えていれば、すなわち、一対のパワーデバイスに覆われないで露出している部分を備えていれば、その露出部分から放熱することができる。
従来のパワーモジュールの場合、一対のパワーデバイスの間に位置している出力電極が、銅や銅合金といった部材で形成されている。これらの部材は、熱伝導率が等方性である。すなわち、積層方向における熱伝導率と、直交方向における熱伝導率が等しい。
上記の露出部分からの放熱量を増加させる（露出部分による冷却量を増加させる）ためには、熱伝導率の高い材質で出力電極を形成するのが有利である。しかしながら、通常の材料は等方性の熱伝導率を備えており、熱伝導率の高い材質で出力電極を形成すると、一対のパワーデバイス間でも大きな熱量が伝達されるようになる。結果、一対のパワーデバイスの間で熱干渉が起こりやすく、パワーデバイスが過熱されやすくなる。
一方、一対のパワーデバイスの間での熱干渉を防止しようとするためには、熱伝導率の低い材質で出力電極を形成するのが有利である。しかしながら、上記と同様に出力電極が等方性の熱伝導率を備えるため、出力電極の露出部分からの放熱量が減少してしまう。
本発明は、従来の技術では出力電極の露出部分での放熱量を増加することと一対のパワーデバイスの間での熱干渉の発生を防止することの両者を満足させることができないという課題を解決する。すなわち、本発明は、出力電極の露出部分での放熱量を増加させながら、一対のパワーデバイスの間での熱干渉の発生を防止できる技術を提供する。
本発明のパワーモジュールは、板状の出力電極と、出力電極を挟んで積層されている一対のパワーデバイスと、一対のパワーデバイスのうちの一方と積層されているＮ電極と、他方と積層されているＰ電極と、を備えている。
本発明の場合、出力電極が、積層方向への熱伝導率よりも積層方向に直交する直交方向への熱伝導率の方が大きいという異方性を備えている。また出力電極は、一対のパワーデバイスの積層範囲から直交方向に伸びている。Ｎ電極とＰ電極は、対向する位置関係を維持して直交方向に伸びている。
このパワーモジュールは、一対のパワーデバイスの間に配置される出力電極の積層方向への熱伝導率が低いために、一対のパワーデバイスの間での熱干渉の発生を防止しやすい。一方において、一対のパワーデバイスの間に配置される出力電極の直交方向への熱伝導率が高いために、出力電極の露出部分での放熱量を増加させることができる。両者があいまって、パワーデバイスが過熱しづらいパワーモジュールが構成される。
本発明のパワーモジュールは、出力電極が、一対のパワーデバイスの積層範囲の一部において一対のパワーデバイスと積層されている。その場合、Ｎ電極とＰ電極とは、一対のパワーデバイスが対向する側の面であって、積層範囲のうちの出力電極とは積層されていない範囲において一対のパワーデバイスと積層されている。
このパワーモジュールでは、Ｎ電極とＰ電極とが、一対のパワーデバイスが対向する側の面において一対のパワーデバイスと積層されている。即ち、このパワーモジュールでは、出力電極とＮ電極（又はＰ電極）とがパワーデバイスの同一表面に積層される横型のパワーデバイスが使用される。このパワーモジュールでは、横型のパワーデバイスを使用するため、一対のパワーデバイスが対向する側の面において一対のパワーデバイスと積層されるＮ電極とＰ電極とが、近接して対向する位置関係を維持することとなる。近接して対向するＮ電極とＰ電極に逆向きに電流が流れ、互いに逆向きの磁界が生じ、それら逆向きの磁界が互いに打ち消しあうことによって、寄生インダクタンスを減少させる相互インダクタンスが最大限に発生される。結果、寄生インダクタンスの低減を図ることができる。さらに、このパワーモジュールでは、出力電極とＮ電極（又はＰ電極）とがパワーデバイスの同一表面に積層されるため、パワーデバイスの出力電極等が積層されていない側の面の全面を放熱面として利用することができる。そのため、パワーデバイスがより過熱しづらいパワーモジュールが構成される。
さらに、本発明のパワーモジュールは、Ｎ電極とＰ電極の少なくとも一方が、積層方向への熱伝導率よりも直交方向への熱伝導率の方が大きいという異方性を備えていてもよい。
このパワーモジュールでは、一対のパワーデバイスの間に配置されるＮ電極とＰ電極の少なくとも一方の積層方向への熱伝導率が低いために、一対のパワーデバイスの間での熱干渉の発生をより防止しやすくなる。一方において、一対のパワーデバイスの間に配置されるＮ電極とＰ電極の少なくとも一方の直交方向への熱伝導率が高いために、Ｎ電極とＰ電極の少なくとも一方の露出部分での放熱量を増加させることができる。パワーデバイスがより過熱しづらいパワーモジュールが構成される。
本発明のパワーモジュールは、積層範囲から直交方向に伸びている範囲の出力電極に冷却器を取り付けることが好ましい。
このパワーモジュールでは、出力電極のうち、一対のパワーデバイスの積層範囲から直交方向に伸びている範囲に冷却器を取り付け、出力電極の露出部分を冷却可能とした。そのため、出力電極の露出部分での放熱量を更に増加させることができる。出力電極が冷却されるため、パワーモジュールを長時間使用したとしても、出力電極の除熱能力が低下することがない。従って、パワーデバイスがより過熱しづらいパワーモジュールが構成される。
本発明のパワーモジュールは、Ｎ電極とＰ電極の直交方向に伸びる部分の間にコンデンサが接続されていることが好ましい。
このパワーモジュールは、Ｎ電極とＰ電極の直交方向に伸びる部分の間にコンデンサが接続されている。そのため、パワーデバイスのスイッチング動作時に発生するサージ電圧を低減することができる。
特に、上述したような、Ｎ電極とＰ電極とが、一対のパワーデバイスを挟んで積層される構造のパワーモジュールでは、Ｎ電極とＰ電極が、一対のパワーデバイスを挟んで積層されている部分から積層方向に伸びてＮ電極とＰ電極間の間隔を縮める部分と、縮められた間隔を維持して前記直交方向に伸びる部分を備え、縮められた間隔を維持して直交方向に伸びる部分におけるＮ電極とＰ電極の間にコンデンサが接続されていることが好ましい。
その場合、Ｎ電極とＰ電極が、縮められた間隔を維持して直交方向に伸びる部分を備える。そのため、Ｎ電極とＰ電極に逆向きに電流が流れることによって、上述した相互インダクタンスが発生する。結果、寄生インダクタンスの低減を図ることができる。
本発明のパワーモジュールは、一対のパワーデバイスのうちの少なくとも一方の、出力電極と積層されている面と反対面側に、熱電変換素子が組み込まれていてもよい。
このパワーモジュールは、一対のパワーデバイスのうちの少なくとも一方の、出力電極と積層されている面と反対面側に、熱電変換素子が組み込まれている。このパワーモジュールは、熱電変換素子に電流が流されることによって、熱電変換素子はパワーデバイス側に配置された一面から吸熱を行い、他方の面からその熱を放散する。これをペルチェ効果という（ペルティエ効果とも言う）。そのペルチェ効果により、パワーデバイスが冷却される。この熱電変換素子に予め電流を流しておくことで、パワーデバイスを予冷しておくこともできる。パワーデバイスを予冷しておけば、パワーデバイスから瞬間的に大きな発熱があった場合であっても、パワーデバイスが過熱されてしまうことがない。従って、パワーデバイスの冷却能力が向上し、パワーデバイスがより過熱しづらいパワーモジュールが構成される。
本発明によると、一対のパワーデバイスが過熱しづらい、耐熱性に優れるパワーモジュールを提供することができる。
参考例を模式的に示す要部断面図。 実施例を模式的に示す要部断面図。 実施例の変形例の一つを模式的に示す平面図。 実施例の変形例の他の一つを模式的に示す要部断面図。
以下に説明する実施例の技術的特徴を列挙する。
（形態１） パワーデバイスには縦型のＩＧＢＴまたはＦＥＴが使用されている。
（形態２） 出力電極には、平板状の自励式ヒートパイプ又はグラファイト材料が用いられる。
（形態３） 出力電極用冷却器はシリコン製のものを用いている。
（形態４） Ｎ電極とＰ電極は、互いに平行に対向配置させることが、寄生インダクタンスを減少させる相互インダクタンスを効果的に発生させるうえで好ましい。
（形態５） Ｎ電極とＰ電極の対向長ができるだけ長いほうが寄生インダクタンスを減少させる相互インダクタンスを得られる部分が長くなるため、両電極は、パワーデバイスのできるだけ近傍から近接させて対向させることが好ましい。
（形態６） 互いに近接させて対向配置したＮ電極とＰ電極の間に備えられるコンデンサは、SrTiO3を主成分とする薄板状のものを用いている。
（形態７） 熱電変換素子の周囲は熱マス部材で囲まれており、その熱マス部材には冷却器が備え付けられている。
（形態８） パワーデバイスに横型のＩＧＢＴまたはＦＥＴが使用されていてもよい。
（形態９） Ｎ電極とＰ電極に、平板状の自励式ヒートパイプ又はグラファイト材料を用いてもよい。
（形態１０） Ｎ電極とＰ電極が、絶縁層を挟んで積層されていてもよい。また、コンデンサが絶縁層に埋め込まれていてもよい。
（参考例） 本発明のパワーモジュールの参考例について説明する。本参考例のパワーモジュールの要部断面図を図１に模式的に示す。本参考例のパワーモジュールは、三相（Ｕ、Ｗ、Ｖ）分備えることで三相インバータを構成するパワーモジュールである。
図１に示すように、本参考例のパワーモジュール１は、板状の出力電極１０を挟んで積層されている一対のパワーデバイス１２、１４と、その一対のパワーデバイス１２、１４を挟んで積層されているＮ電極１６とＰ電極１８を備えている。出力電極１０は、パワーデバイス１２、１４の積層範囲から、その積層方向（図１中縦方向）に直交する直交方向（図１中横方向）に伸びている。上記の積層範囲から直交方向に伸びた出力電極１０の露出部分１０ａには、出力電極用冷却器２０が取り付けられている。
また、Ｎ電極１６のうちのパワーデバイス１２と積層されている部分１６ａの上方と、Ｐ電極１８のうちのパワーデバイス１４と積層されている部分１８ａの下方には、夫々熱電変換素子２２、２４が組み込まれている。さらにそれらの熱電変換素子２２、２４の周囲が熱マス部材２６、２８で囲まれている。それら熱マス部材２６、２８の上方と下方には、それぞれ冷却器３０、３２が取り付けられている。
Ｎ電極１６とＰ電極１８は、図１に示すように、一対のパワーデバイス１２、１４を挟んで積層されている部分（以下「積層部分」とする）１６ａ、１８ａから積層方向に伸びて両電極間の間隔を縮める部分（以下「間隔変更部分」とする）１６ｂ、１８ｂと、縮められた間隔を維持して上記の直交方向に伸びる部分（以下「近接対向部分」とする）１６ｃ、１８ｃを備えている。Ｎ電極１６とＰ電極１８のうち、上記の近接対向部分１６ｃ、１８ｃの間にはコンデンサ３４が接続されている。
なお、本参考例のパワーモジュール１全体の厚さは、約２０ｍｍである。
本参考例では、パワーデバイス１２、１４としてＩＧＢＴが使用されている。パワーデバイス１２、１４には、ＩＧＢＴのほかにパワーＭＯＳＦＥＴなどの他の半導体素子を使用することもできる。このパワーデバイス１２、１４の厚さは、コンマ数ｍｍ〜１ｍｍ程度である。
出力電極１０は、平板状の自励式ヒートパイプで構成される。この自励式ヒートパイプは、内部に熱伝達用の液体１１が封入された管状部材である。この自励式ヒートパイプは、積層方向（縦方向）への熱伝導率よりも直交方向（横方向）への熱伝導率の方が大きいという異方性を備えている。具体的には、例えば直交方向の熱伝導率が積層方向への熱伝導率の５倍以上になるように構成されている。本参考例では、このような熱伝導特性を備えた自励式ヒートパイプを出力電極１０としている。
本参考例では、図１のように、この出力電極１０の長手方向一端側の上下面に、はんだなどの接合層４０、４２を介してパワーデバイス１２、１４を積層配置している。従って、上下のパワーデバイス１２、１４から発生した熱が出力電極１０に伝わると、その熱は直交方向へ速やかに移動し、積層方向へは殆ど移動しない。本参考例の出力電極１０は、積層方向への熱伝導率が低いために、一対のパワーデバイス１２、１４間での熱干渉が起こりにくくなる。また、直交方向への熱伝導率が高いために、出力電極１０の露出部分１０ａでの放熱量が大きくなる。この両者があいまって、パワーデバイス１２、１４が過熱しにくくなる。このような働きを行う出力電極１０は上下のパワーデバイス１２、１４間の断熱材としても機能する。上記の出力電極１０に用いるヒートパイプの厚みは約２ｍｍ程度であり、接合層４０、４２の厚みはコンマ数ｍｍ〜１ｍｍ程度である。
出力電極１０の他端側の露出部分１０ａには、電気を絶縁する絶縁層４４を介して、出力電極１０を冷却するための出力電極用冷却器２０が取り付けられている。
本参考例では、出力電極用冷却器２０にはシリコン製のものを用いる。冷却器の材料としてシリコンを用いるのは、シリコンは熱膨張係数が半導体材料にほぼ等しく、異方性のウェットエッチングによって深い溝を形成し易く、フィンを多数備えた冷却器を構成し易いためである。図１に示すように、出力電極用冷却器２０には水などの冷媒を供給するための供給路２０ａと、熱を回収した冷媒を排出するための排出路２０ｂが接続されている。この出力電極用冷却器２０の厚みは約３ｍｍ程度である。なお、出力用冷却器２０に使用する冷却器は、上述した水冷式のものには限られず、空冷式のものであってもよい。
この出力電極用冷却器２０によって出力電極１０の露出部分１０ａが冷やされることによって、出力電極の露出部分１０ａでの放熱量が増加し、発熱するパワーデバイス１２、１４によって挟まれた他端側からの熱伝導が促進される。この出力電極用冷却器２０によってパワーデバイス１２、１４から出力電極１０に伝達された熱が随時除熱されるため、出力電極１０の除熱能力を高く保つことができ、パワーデバイス１２、１４で発生した熱を連続して吸熱できるようになる。その結果、パワーデバイス１２、１４が過熱しづらいパワーモジュール１が構成される。
出力電極用冷却器２０には、従来知られているアルミ製のものを用いることもできる。また、上記の絶縁層４４は、電気を通さない絶縁材料で形成されており、例えば、AlN、Si3N4などのセラミック材料のほか、エポキシのような樹脂材料を用いることもできる。
図１に示すように、パワーデバイス１２の上面には、接合層５０を介してＮ電極１６が備えられている。同様に、パワーデバイス１４の下面には、接合層５２を介してＰ電極１８が備えられている。Ｎ電極１６及びＰ電極１８は、夫々電力端子として機能する。Ｎ電極１６及びＰ電極１８は、例えば銅等、低膨張係数の導電性部材を平板状に形成してなるものである。Ｎ電極１６及びＰ電極１８の厚みは、コンマ数ｍｍ〜１ｍｍ程度である。
このＮ電極１６とＰ電極１８は、上述のように、積層部分１６ａ、１８ｂ、間隔変更部分１６ｂ、１８ｂ、近接対向部分１６ｃ、１８ｃを備える。図１に示すように、Ｎ電極１６とＰ電極１８は、いずれの部分においても、対向する位置関係を維持している。上記の近接対向部分１６ｃ、１８ｃでは、両電極１６、１８に逆向きに電流が流れ、互いに逆向きの磁界が生じ、それら逆向きの磁界が互いに打ち消しあうことによって、寄生インダクタンスを減少させる相互インダクタンスが発生する。結果、寄生インダクタンスの低減を図ることができる。
Ｎ電極１６とＰ電極１８の間の相互インダクタンスは、近接対向部分１６ｃ、１８ｃ同士の対向間隔が小さいほど大きくなる。また、近接対向部分１６ｃ、１８ｃの距離が長くなるほど大きくなる。そのため、近接対向部分１６ｃ、１８ｃ同士を互いにできるだけ近接させて対向させ、また、近接対向部分１６ｃ、１８ｃの長さをできるだけ長くし、且つ、両電極１６、１８の間隔が拡がる間隔変更部分１６ｂ、１８ｂ及び積層部分１６ａ、１８ａの長さをできるだけ短くすることが好ましい。
また、図１に示すように、Ｎ電極１６とＰ電極１８のうち、両電極１６、１８の間隔が拡がる間隔変更部分１６ｂ、１８ｂ及び積層部分１６ａ、１８ａの長さは互いに同一長になるように構成される。また、図示しないが、Ｎ電極１６とＰ電極１８の他端側、モータ等に接続される側においても、近接対向部分１６ｃ、１８ｃから分離した後の、互いの間隔が拡げられた部分の長さは互いに同一長となる。従って、Ｎ電極１６とＰ電極１８の長さが同じとなるため、Ｎ電極１６とＰ電極１８間のバランスがよくなり、相互インダクタンスを効果的に発生させることができる。
図１に示すように、近接対向部分１６ｃ、１８ｃの間であって、パワーデバイス１２、１４に近い位置に、接合層４６、４８を介して薄板状のコンデンサ３４が接続されている。本参考例では、コンデンサ３４は、SrTiO3を主成分とする薄板状のものを用いている。コンデンサ３４の厚みはコンマ数ｍｍ〜１ｍｍ程度である。近接対向部分１６ｃ、１８ｃの間にこのコンデンサ３４を接続することにより、パワーデバイス１２、１４のスイッチング動作時に発生するサージ電圧を低減することができる。また、コンデンサ３４の接続位置は、上述のように、近接対向部分１６ｃ、１８ｃの間であって、パワーデバイス１２、１４にできるだけ近い位置であることが、コンデンサの機能を最大限発揮させる上で好ましい。
Ｎ電極１６の積層部分１６ａの上方とＰ電極１８の積層部分１８ａの下方には、夫々熱電変換素子２２、２４が組み込まれ、その周囲が熱マス部材２６、２８で囲まれている。図１に示すように、Ｎ電極１６と熱電変換素子２２及び熱マス部材２６の間には電気を絶縁する絶縁層５４が形成されている。同様に、Ｐ電極１８と熱電変換素子２４及び熱マス部材２８の間には、電気を絶縁する絶縁層５６が形成されている。本参考例の熱電変換素子２２、２４は、BiTeの薄膜からなるものであって、その厚さは２ｍｍ以下のものが用いられる。熱電変換素子２２、２４には、図示しない配電経路が設けられ、熱電変換素子２２、２４に電流を流せるようにしてある。熱電変換素子２２、２４は、電流を流すことによって、Ｎ電極１６、Ｐ電極１８側の熱を吸熱し、熱マス部材２６、２８側へと放熱する。上記の絶縁層５４、５６は、電気を通さない絶縁材料で形成されており、例えば、AlN、Si3N4などのセラミック材料のほか、エポキシのような樹脂材料を用いることができる。
熱電変換素子２２は、パワーデバイス１２の略中央部の直上位置に組み込まれる。同様に、熱電変換素子２４は、パワーデバイス１４の略中央部分の直下位置に組み込まれる。パワーデバイス１２、１４の発熱時には、その中央部周辺が最も高温になるため、その部分の熱を効果的に吸熱するためである。
本参考例では、熱電変換素子２２、２４に予め電流を流しておいて、Ｎ電極１６やＰ電極１８の熱を吸熱しておき、パワーデバイス１２、１４が発熱する前にパワーデバイス１２、１４を予め低温にしておくことができる。このように、パワーデバイス１２、１４を予冷しておけば、パワーデバイス１２、１４から短時間で大きな発熱があった場合にも、パワーデバイス１２、１４の過加熱を防ぐことができる。パワーデバイス１２、１４の耐熱性がより向上し、パワーモジュール１がより破損しにくくなる。
熱マス部材２６、２８は、Si-SiC等の薄板によって形成され、上記の熱電変換素子２２、２４から放熱された熱を引き受ける熱の受容体として機能する部材である。熱電変換素子２２、２４とその周囲の熱マス部材２６、２８を合わせた厚さは、約３ｍｍ程度である。
図１に示すように、熱マス部材２６の上方には、冷却器３０が取り付けられ、熱マス部材２８の下方には、冷却器３２が取り付けられている。これら冷却器３０、３２には、上記の出力電極用冷却器２０と同様の構成の冷却器が用いられる。これら冷却器３０、３２にも、水などの冷媒を供給するための供給路３０ａ、３２ａと、熱を回収した冷媒を排出するための排出路３０ｂ、３２ｂが接続されている。これら冷却器３０、３２の厚さは夫々約３ｍｍ程度である。なお、冷却器３０、３２に使用する冷却器も、水冷式のものには限られず、空冷式のものであってもよい。
上記構成を有する本参考例のパワーモジュール１は、出力電極１０を挟んで積層した一対のパワーデバイス１２、１４の間で互いに熱干渉が起こらず、パワーデバイス１２、１４が過熱されにくいため、耐熱性に優れる。
（試験） 上記構成を有する本参考例のパワーモジュール１を三相分準備し、配線や配管が三相間で均等になるように構成し、それをインバータ動作させて損失、サージ電圧、及びパワーデバイスの最高温度を測定した。
キャリア周波数を変えて損失を測定した結果、５ｋＨｚでの定常損失とスイッチング損失の比は１：０．２であった。また、オフ時のサージ電圧は、電源電圧に対して３０Ｖであった。また、熱電変換素子２２、２４を動作させて、例えばモータ始動時のように、急激にパワーデバイス１２、１４が最高温度になるときの温度を測定したところ１２０℃であった。
これに対する参考例として、これまで広く一般的に作られてきた、一つの冷却器上に平面状に２つのパワーデバイスを並べて形成する構造の従来のパワーモジュールを準備して同様の測定を行った。その結果、定常損失とスイッチング損失の比は１：１、サージ電圧は１００Ｖであり、上記の同条件のデバイスの温度は１４０℃であった。
以上の結果から、本参考例のパワーモジュールは、一般的な従来のパワーモジュールに比べ、スイッチング損失及びサージ電圧が低く、また、パワーデバイスの温度も通常より格段に低減されていることが明らかとなった。
（実施例） 本発明のパワーモジュールの実施例について説明する。本実施例のパワーモジュールの要部断面図を図２に模式的に示す。本実施例のパワーモジュールも、第１実施例と同様に、三相（Ｕ、Ｗ、Ｖ）分備えることで三相インバータを構成するパワーモジュールである。
図２に示すように、本実施例のパワーモジュール１００は、板状の出力電極１１０と、電極ユニット１９０と、出力電極１１０及び電極ユニット１９０を挟んで積層されている一対のパワーデバイス１１２、１１４と、を備えている。出力電極１１０は、パワーデバイス１１２、１１４の積層範囲の一部においてパワーデバイス１１２、１１４と積層されている。出力電極１１０は、パワーデバイス１１２、１１４の積層範囲から、その積層方向（図２中縦方向）に直交する直交方向に伸びている。上記の積層範囲から直交方向に伸びた出力電極１１０の露出部分１１０ａには、出力電極用冷却器１２０が取り付けられている。
電極ユニット１９０は、板状の絶縁層１６０と、絶縁層１６０を挟んで積層されているＮ電極１１６と、Ｐ電極１１８と、を備えている。電極ユニット１９０は、上記の積層範囲のうちの出力電極１１０とは積層されていない範囲において、パワーデバイス１１２、１１４と積層されている。電極ユニット１９０は、上記の積層範囲から直交方向に伸びている。電極ユニット１９０が伸びている方向は、出力電極１１０が伸びている方向と反対方向である。Ｎ電極１１６、Ｐ電極１１８は、それぞれ、パワーデバイス１１２、１１４と積層されている。Ｎ電極１１６は、パワーデバイス１１４と対向する側の面であって、出力電極１１０と積層されていない範囲においてパワーデバイス１１２と積層されている。同様に、Ｐ電極１１８は、パワーデバイス１１２と対向する側の面であって、出力電極１１０と積層されていない範囲においてパワーデバイス１１４と積層されている。直交方向に伸びたＮ電極１１６の露出部分１１６ａには、Ｎ電極用冷却器１７０が取り付けられている。同様に、直交方向に伸びたＰ電極１１８の露出部分１１８ａには、Ｐ電極用冷却器１８０が取り付けられている。また、絶縁層１６０の、直交方向に伸びている部分のうち積層範囲に近接する部分には、コンデンサ１３４が埋め込まれている。このコンデンサ１３４は、上方のＮ電極１１６、下方のＰ電極１１８と接続されている。
パワーデバイス１１２の上方と、パワーデバイス１１４の下方には、それぞれ熱電変換素子１２２、１２４が組み込まれている。さらにそれらの熱電変換素子１２２、１２４の周囲が熱マス部材１２６、１２８で囲まれている。それら熱マス部材１２６、１２８の上方と下方には、それぞれ冷却器１３０、１３２が取り付けられている。
なお、本実施例のパワーモジュール１００全体の厚さは、約２０ｍｍである。
本実施例では、パワーデバイス１１２、１１４として横型のパワーＭＯＳＦＥＴが使用されている。即ち、パワーデバイス１１２、１１４は、基板の一方の面にすべての電極を備えている。図２では、パワーデバイス１１２のドレイン電極１１２ｄ、ソース電極１１２ｓ、ゲート電極１１２ｇの３つの電極は、すべてパワーデバイス１１２の基板の一方の面（図２中下面）に形成されている。同様に、パワーデバイス１１４のドレイン電極１１４ｄ、ソース電極１１４ｓ、ゲート電極１１４ｇの３つの電極も、すべてパワーデバイス１１４の基板の一方の面（図２中上面）に形成されている。以下、本実施例では、パワーデバイス１１２、１１４のうち、電極が形成されている側の面を電極形成面、電極が形成されていない側の面を裏面、と呼ぶ。本実施例では、一対のパワーデバイス１１２、１１４は、互いの電極形成面を対向させて配置されている。図１では、ドレイン電極１１２ｄとソース電極１１４ｓ、ソース電極１１２ｓとドレイン電極１１４ｄ、ゲート電極１１２ｇとゲート電極１１４ｇ、がそれぞれ対向している。本実施例のパワーデバイス１１２、１１４には、上記の横型パワーＭＯＳＦＥＴのほかに横型ＩＧＢＴなど他の横型の半導体素子を使用することもできる。このパワーデバイス１１２、１１４の厚さは、コンマ数ｍｍ〜１ｍｍ程度である。
出力電極１１０は、平板状の自励式ヒートパイプで構成される。この自励式ヒートパイプは、上述の第１実施例の出力電極１０に用いられる自励式ヒートパイプと同様のものである。出力電極１１０にも、内部に熱伝達用の液体１１１が封入されている。この自励式ヒートパイプも、積層方向（縦方向）への熱伝導率よりも直交方向（横方向）への熱伝導率の方が大きいという異方性を備えている。出力電極１１０に用いるヒートパイプの厚さは約２ｍｍ〜５ｍｍ程度である。
本実施例では、この出力電極１１０の長手方向一端側の上面に、はんだ等の接合層１４０を介してパワーデバイス１１２が積層配置されている。これによって、出力電極１１０の長手方向一端側の上面と、パワーデバイス１１２のドレイン電極１１２ｄとが接続される。また、出力電極１１０の長手方向一端側の下面に、接合層１４２を介してパワーデバイス１１４が積層配置されている。これによって、出力電極１１０の長手方向一端側の下面と、パワーデバイス１１４のソース電極１１４ｓとが接続される。本実施例では、出力電極１１０の長手方向一端側は、パワーデバイス１１２、１１４の積層範囲のうち、ドレイン電極１１２ｄとソース電極１１４ｓとが対向している部分においてパワーデバイス１１２、１１４と積層されている。接合層１４０、１４２の厚さはコンマ数ｍｍ〜１ｍｍ程度である。
電極ユニット１９０は、板状の絶縁層１６０と、その絶縁層１６０を挟んで積層されているＮ電極１１６と、Ｐ電極１１８と、を備えている。本実施例では、Ｎ電極１１６とＰ電極１１８とは、上記の出力電極１１０と同様の平板状の自励式ヒートパイプで構成される。従って、Ｎ電極１１６、Ｐ電極１１８の内部にも、熱伝達用の液体１１７、１１９が封入されている。なお、Ｎ電極１１６及びＰ電極１１８は、自励式ヒートパイプに代えて、例えば銅等、低膨張係数の導電性部材を平板状に形成してなるものとすることもできる。
絶縁層１６０は、電気を通さない絶縁材料を板状に形成してなるものである。絶縁層１６０としては、例えば、AlN、Si3N4などのセラミック材料のほか、エポキシのような樹脂材料を用いることもできる。Ｎ電極１１６及びＰ電極１１８の厚さは、コンマ数ｍｍ〜２ｍｍ程度である。絶縁層１６０の厚さは、コンマ数ｍｍ〜１ｍｍ程度である。電極ユニット１９０全体の厚さは、約２ｍｍ〜５ｍｍ程度である。本実施例では、電極ユニット１９０全体の厚さが、上記の出力電極１１０の厚さとほぼ等しくなるようにしてある。
本実施例では、Ｎ電極１１６の長手方向一端側の上面に、接合層１４６を介してパワーデバイス１１２が積層配置されている。これによって、Ｎ電極１１６の長手方向一端側の上面と、パワーデバイス１１２のソース電極１１２ｓとが接続される。同様に、Ｐ電極１１８の長手方向一端側の下面に、接合層１５２を介してパワーデバイス１１４が積層配置されている。これによって、Ｐ電極１１８の長手方向一端側の下面と、パワーデバイス１１４のドレイン電極１１４ｄとが接続される。本実施例では、Ｎ電極１１６、Ｐ電極１１８の長手方向一端側は、パワーデバイス１１２、１１４の積層範囲のうち、ソース電極１１２ｓとドレイン電極１１４ｄとが対向している部分において、パワーデバイス１１２、１１４と積層されている。接合層１４６、１５２の厚さはコンマ数ｍｍ〜１ｍｍ程度である。
なお、パワーデバイス１１２、１１４のゲート電極１１２ｇ、１１４ｇには、図示しないゲート配線がそれぞれ接続されている。
本実施例のパワーモジュール１００は、一対のパワーデバイス１１２、１１４と、出力電極１１０と、Ｎ電極１１６と、Ｐ電極１１８とを、上述のように積層配置している。従って、上下のパワーデバイス１１２、１１４から発生した熱が出力電極１１０、Ｎ電極１１６、及び、Ｐ電極１１８に伝わると、それらの熱は直交方向へ速やかに移動し、積層方向へは殆ど移動しない。本実施例の出力電極１１０、Ｎ電極１１６、及びＰ電極１１８は、積層方向への熱伝導率が低いために、一対のパワーデバイス１１２、１１４間での熱干渉が起こりにくくなる。また、直交方向への熱伝導率が高いために、出力電極１１０の露出部分１１０ａ、Ｎ電極１１６の露出部分１１６ａ、及び、Ｐ電極１１８の露出部分１１８ａでの放熱量が大きくなる。この両者があいまって、パワーデバイス１１２、１１４が過熱しにくくなる。このような働きを行う出力電極１１０、Ｎ電極１１６、及びＰ電極１１８は上下のパワーデバイス１１２、１１４間の断熱材としても機能する。
出力電極１１０の他端側の露出部分１１０ａには、電気を絶縁する絶縁層１４４を介して、出力電極１１０を冷却するための出力電極用冷却器１２０が取り付けられている。また、同様に、Ｎ電極１１６の露出部分１１６ａには、電気を絶縁する絶縁層１７２を介してＮ電極用冷却器１７０が取り付けられている。Ｐ電極１１８の露出部分１１８ａには、電気を絶縁する絶縁層１８２を介してＰ電極用冷却器１８０が取り付けられている。本実施例でも、各冷却器１２０、１７０、１８０は、第１実施例の冷却器２０と同様のシリコン製のものを使用する。各冷却器１２０には、水などの冷媒を供給する供給路１２０ａ、１７０ａ、１８０ａ、熱を回収した冷媒を排出するための排出路１２０ｂ、１７０ｂ、１８０ｂ、がそれぞれ設けられている。各冷却器１２０、１７０、１８０の厚さはいずれも約３ｍｍ程度である。また、上記の各絶縁層１４４、１７２、１８２は、上記の絶縁層１６０と同様の絶縁材料で形成されている。
上記の各冷却器１２０、１７０、１８０によって、出力電極１１０の露出部分１１０ａ、Ｎ電極１１６の露出部分１１６ａ、Ｐ電極１１８の露出部分１１８ａが冷やされることによって、各露出部分１１０ａ、１１６ａ、１１８ａでの放熱量が増加し、発熱するパワーデバイス１１２、１１４から出力電極１１０、Ｎ電極１１６、Ｐ電極１１８に伝達された熱が随時除熱されるため、出力電極１１０、Ｎ電極１１６、Ｐ電極１１８の除熱能力を高く保つことができ、パワーデバイス１１２、１１４で発生した熱を連続して吸熱できるようになる。その結果、パワーデバイス１１２、１１４が過熱しづらいパワーモジュール１００が構成される。
なお、上記の各冷却器１２０、１７０、１８０に使用する冷却器は、上記の水冷式のものには限られず、空冷式のものであってもよい。また、各冷却器１２０、１７０、１８０には、従来知られているアルミ製のものを用いることもできる。また、本実施例では、各冷却器１２０、１７０、１８０に代えて、他の冷却手段によって出力電極１１０を冷却するようにしてもよい。従って、例えば、出力電極１０、Ｎ電極１１６、Ｐ電極１１８を、電気を絶縁する絶縁部材を介してパワーモジュール１００を装着するための筐体（図示省略）と接触させ、出力電極１１０、Ｎ電極１１６、Ｐ電極１１８に伝達された熱を筐体に放熱することで、出力電極１１０、Ｎ電極１１６、Ｐ電極１１８を冷却するようにしてもよい。
本実施例では、Ｎ電極１１６とＰ電極１１８とは、絶縁層１６０を挟んで対向する位置関係を維持している。この両電極１１６、１１８に逆向きに電流が流れ、互いに逆向きの磁界が生じ、それら逆向きの磁界が互いに打ち消しあうことによって、寄生インダクタンスを減少させる相互インダクタンスが発生する。結果、寄生インダクタンスの低減を図ることができる。Ｎ電極１１６とＰ電極１１８の間の相互インダクタンスは、両電極１１６、１１８の対向間隔が小さいほど大きくなる。また、互いに近接して対向する距離が長いほど大きくなる。本実施例では、絶縁層１６０の厚さがコンマ数ｍｍ〜１ｍｍ程度であるため、Ｎ電極１１６とＰ電極１１８の対向間隔は、両電極１１６、１１８のほぼ全長に渡って、コンマ数ｍｍ〜１ｍｍ程度の小さい間隔で維持されることとなる。従って、本実施例のパワーモジュール１は、Ｎ電極１１６とＰ電極１１８の間の相互インダクタンスを最大限に発生させることができる。
本実施例では、Ｎ電極１１６とＰ電極１１８とが、絶縁層１６０を挟んで対向する長さが互いに同一長になるように構成されている。また、図示しないが、Ｎ電極１１６とＰ電極１１８の他端側、即ちモータ等に接続される側において、両電極１１６、１１８が分離した後の、互いの間隔が拡げられた部分の長さも互いに同一長となる。Ｎ電極１１６とＰ電極１１８の長さが同じとなるため、Ｎ電極１１６とＰ電極１１８の間のバランスがよくなり、相互インダクタンスを効果的に発生させることができる。
図２に示すように、絶縁層１６０の、パワーデバイス１１２、１１４の積層範囲に近い位置には、薄板状のコンデンサ１３４が埋め込まれている。コンデンサ１３４は、接合層１４８、１５０を介して、Ｎ電極１１６の露出部分１１６ａ及びＰ電極１１８の露出部分１１８ａと接続されている。本実施例のコンデンサ１３４も、第１実施例のコンデンサ３４と同様に、SrTiO3を主成分とする薄板状のものを用いている。コンデンサ１３４の厚みはコンマ数ｍｍ〜１ｍｍ程度である。Ｎ電極１１６、Ｐ電極１１８の間にコンデンサ１３４を接続することにより、パワーデバイス１１２、１１４のスイッチング動作時に発生するサージ電圧を低減することができる。また、コンデンサ１３４の接続位置は、パワーデバイス１１２、１１４にできるだけ近い位置であることが、コンデンサの機能を最大限発揮させる上で好ましい。なお、コンデンサ１３４は、絶縁層１６０のパワーデバイス１１２、１１４の積層範囲の絶縁層１６０内に埋め込まれていてもよい。
パワーデバイス１１２の裏面の上方と、パワーデバイス１１４の裏面の下方には、それぞれ熱電変換素子１２２、１２４が組み込まれ、その周囲が熱マス部材１２６、１２８で囲まれている。図２に示すように、パワーデバイス１１２の裏面と熱電変換素子１２２及び熱マス部材１２６の間には電気を絶縁する絶縁層１５４が形成されている。同様に、パワーデバイス１１４の裏面と熱電変換素子１２４及び熱マス部材１２８の間には、電気を絶縁する絶縁層１５６が形成されている。
本実施例の熱電変換素子１２２、１２４も、第１実施例と同様に、BiTeの薄膜からなるものであって、その厚さは２ｍｍ以下のものが用いられる。熱電変換素子１２２、１２４には、図示しない配電経路が設けられ、熱電変換素子１２２、１２４に電流を流せるようにしてある。熱電変換素子１２２、１２４は、電流を流すことによって、パワーデバイス１１２、１１４側の熱を吸熱し、熱マス部材１２６、１２８側へと放熱する。熱電変換素子１２２は、パワーデバイス１１２の裏面の略中央部の直上位置に組み込まれる。同様に、熱電変換素子１２４は、パワーデバイス１１４の裏面の略中央部分の直下位置に組み込まれる。パワーデバイス１１２、１１４の発熱時には、その中央部周辺が最も高温になるため、その部分の熱を効果的に吸熱するためである。なお、上記の絶縁層１５４、１５６は、電気を通さない絶縁材料で形成されており、例えば、AlN、Si3N4などのセラミック材料のほか、エポキシのような樹脂材料を用いることができる。
本実施例では、熱電変換素子１２２、１２４に予め電流を流しておいて、パワーデバイス１１２、１１４の熱を吸熱しておき、パワーデバイス１１２、１１４が発熱する前にパワーデバイス１１２、１１４を予め低温にしておくことができる。このように、パワーデバイス１１２、１１４を予冷しておけば、パワーデバイス１１２、１１４から短時間で大きな発熱があった場合にも、パワーデバイス１１２、１１４の過加熱を防ぐことができる。パワーデバイス１１２、１１４の耐熱性がより向上し、パワーモジュール１００がより破損しにくくなる。
熱マス部材１２６、１２８は、Si-SiC等の薄板によって形成され、上記の熱電変換素子１２２、１２４から放熱された熱を引き受ける熱の受容体として機能する部材である。熱電変換素子１２２、１２４とその周囲の熱マス部材１２６、１２８を合わせた厚さは、約３ｍｍ程度である。
図２に示すように、熱マス部材１２６の上方には、冷却器１３０が取り付けられ、熱マス部材１２８の下方には、冷却器１３２が取り付けられている。これら冷却器１３０、１３２には、上述した出力電極用冷却器１２０と同様の構成の冷却器が用いられる。これら冷却器１３０、１３２にも、供給路１３０ａ、１３２ａと、排出路１３０ｂ、１３２ｂが接続されている。これら冷却器１３０、１３２の厚さは夫々約３ｍｍ程度である。なお、冷却器１３０、１３２に使用する冷却器も、水冷式のものには限られず、空冷式のものであってもよい。
本実施例では、パワーデバイス１１２、１１４の裏面には電極が形成されていないため、パワーデバイス１１２、１１４の裏面全面を放熱面として利用することができる。本実施例では、パワーデバイス１１２、１１４の裏面全面と絶縁層１５４、１５６とを接触させている。従って、パワーデバイス１１２、１１４の裏面全面から熱マス部材１２６、１２８方向への吸熱を行うことができるため、パワーデバイス１１２、１１４を効率よく冷却することができる。その結果、パワーデバイス１１２、１１４が過熱しづらいパワーモジュール１００が構成される。
上記構成を有する本実施例のパワーモジュール１００は、出力電極１１０及び電極ユニット１９０を挟んで積層した一対のパワーデバイス１１２、１１４の間で互いに熱干渉が起こらず、パワーデバイス１１２、１１４が過熱されにくいため、耐熱性に優れる。
（試験） 上記構成を有する本実施例のパワーモジュール１００を三相分準備し、配線や配管が三相間で均等になるように構成し、それをインバータ動作させて損失、サージ電圧、及びパワーデバイスの最高温度を測定した。
キャリア周波数を変えて損失を測定した結果、５ｋＨｚでの定常損失とスイッチング損失の比は１：０．１であった。また、オフ時のサージ電圧は、電源電圧に対して１５Ｖであった。また、熱電変換素子１２２、１２４を動作させて、例えばモータ始動時のように、急激にパワーデバイス１１２、１１４が最高温度になるときの温度を測定したところ１１５℃であった。また、パワーデバイス１１２、１１４を試験用金属チップに差替えた上で、Ｎ電極１１６とＰ電極１１８の間の寄生インダクタンスを測定した結果、寄生インダクタンスは５ｎＨであった。
これに対する参考例として、これまで広く一般的に作られてきた、一つの冷却器上に平面状に２つのパワーデバイスを並べて形成する構造の従来のパワーモジュールを準備して同様の測定を行った。その結果、定常損失とスイッチング損失の比は１：１、サージ電圧は１００Ｖであり、上記の同条件のデバイスの温度は１４０℃であった。また、上記と同様に寄生インダクタンスを測定した結果、寄生インダクタンスは５０ｎＨであった。
以上の結果から、本実施例のパワーモジュールは、一般的な従来のパワーモジュールに比べ、スイッチング損失及びサージ電圧が低く、また、パワーデバイスの温度も通常より格段に低減されていることが明らかとなった。さらに、寄生インダクタンスも通常より格段に低減されていることも明らかとなった。
本実施例の変形例を以下に列挙する。
（１）図３は、本実施例のパワーモジュールの第１の変形例の平面図を模式的に示すものである。なお、図３では各冷却器１２０、１３０、１３２、１７０、１８０の表示を省略している。上記の第２実施例では、図３の二点鎖線部に示すように、出力電極１１０と電極ユニット１９０は、パワーデバイス１１２、１１４の積層範囲から、パワーデバイス１１２の長手方向に向けて伸ばされるように配置されている。しかしながら、出力電極１１０と電極ユニット１９０の配置は、これに限られるものではない。従って、例えば、図３の実線部に示すように、出力電極１１０と電極ユニット１９０は、パワーデバイス１１２、１１４の積層範囲から、パワーデバイス１１２の幅方向に向けて伸ばされるように配置してもよい。
（２）上記の実施例では、図２に示すように、出力電極１１０と、電極ユニット１９０とが別個に設けられている。電極ユニット１９０は、板状の絶縁層１６０を挟んで積層されているＮ電極１１６とＰ電極１１８によって形成されていた。しかしながら、出力電極１１０、Ｎ電極１１６、Ｐ電極１１８の配置構造はこれには限られない。ここで、本実施例のパワーモジュールの第２の変形例の要部断面図を図４に模式的に示す。図４に示すように、板状の絶縁層１６０を出力電極１１０側まで伸ばし、出力電極１１０が絶縁層１６０内に埋め込まれるように構成することもできる。この場合、直交方向に長く形成された一枚の板状の絶縁層１６０に、出力電極１１０、Ｎ電極１１６、Ｐ電極１１８、の全てが組み付けられた一つの電極ユニット２００が形成される。このような電極ユニット２００を用いる場合、電極ユニット２００の両面にパワーデバイス１１２、１１４を貼り合わせるだけで、パワーデバイス１１２、１１４と、出力電極１１０、Ｎ電極１１６、及び、Ｐ電極１１８とを、図４に示す構成で積層することができる。即ち、本変形例では、パワーデバイス１１２、１１４と、出力電極１１０、Ｎ電極１１６、及び、Ｐ電極１１８と、の積層に要する工程を少なくすることができる。パワーモジュール１００をより容易に製造することができるという利点がある。
（３）上記の変形例（２）とは逆に、板状の絶縁層１６０を省略してもよい。その場合も、Ｎ電極１１６とＰ電極１１８とは、互いに接触せず、対向する位置関係を維持したまま直交方向に伸びるように配置する。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
１、１００ パワーモジュール
１０、１１０ 出力電極
１２、１４、１１２、１１４ パワーデバイス
１６、１１６ Ｎ電極
１８、１１８ Ｐ電極
１６ａ、１８ａ 積層部分
１６ｂ、１８ｂ 間隔変更部分
１６ｃ、１８ｃ 近接対向部分
２０、１２０ 出力電極用冷却器
２２、２４、１２２、１２４ 熱電変換素子
３４、１３４ コンデンサ
４０、４２、１４０、１４２ 接合層
４４、１４４ 絶縁層
４６、４８、１４６、１４８ 接合層
５０、５２、１５０、１５２ 接合層
５４、５６、１５４、１５６ 絶縁層
１６０ 絶縁層
１７０ Ｎ電極用冷却器
１８０ Ｐ電極用冷却器
１９０ 電極ユニット
２００ 電極ユニット

Claims (5)

  1. 板状の出力電極と、
    前記出力電極を挟んで積層されている一対のパワーデバイスと、
    前記一対のパワーデバイスのうちの一方と積層されているＮ電極と、他方と積層されているＰ電極と、を備えており、
    前記出力電極は、前記一対のパワーデバイスの積層範囲の一部において前記一対のパワーデバイスと積層され、
    前記Ｎ電極とＰ電極とは、前記一対のパワーデバイスが対向する側の面であって、前記積層範囲のうちの前記出力電極とは積層されていない範囲において前記一対のパワーデバイスと積層されており、
    前記出力電極が、積層方向への熱伝導率よりも積層方向に直交する直交方向への熱伝導率の方が大きいという異方性を備えており、前記一対のパワーデバイスの積層範囲から前記直交方向に伸びており、
    前記Ｎ電極とＰ電極が、対向する位置関係を維持して前記直交方向に伸びていることを特徴とするパワーモジュール。
  2. 前記Ｎ電極とＰ電極の少なくとも一方が、前記積層方向への熱伝導率よりも前記直交方向への熱伝導率の方が大きいという異方性を備えている、ことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール
  3. 前記積層範囲から前記直交方向に伸びている範囲の出力電極に冷却器が取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール。
  4. 前記Ｎ電極とＰ電極の前記直交方向に伸びる部分の間にコンデンサが接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  5. 前記一対のパワーデバイスのうちの少なくとも一方の、出力電極と積層されている面と反対面側に、熱電変換素子が組み込まれていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
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