JP6488390B2 - 構造体 - Google Patents

構造体 Download PDF

Info

Publication number
JP6488390B2
JP6488390B2 JP2017536120A JP2017536120A JP6488390B2 JP 6488390 B2 JP6488390 B2 JP 6488390B2 JP 2017536120 A JP2017536120 A JP 2017536120A JP 2017536120 A JP2017536120 A JP 2017536120A JP 6488390 B2 JP6488390 B2 JP 6488390B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
region
power semiconductor
protrudes
heat
wall
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017536120A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2017033295A1 (ja
Inventor
円丈 露野
円丈 露野
健 徳山
健 徳山
英一 井出
英一 井出
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Astemo Ltd
Original Assignee
Hitachi Automotive Systems Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Automotive Systems Ltd filed Critical Hitachi Automotive Systems Ltd
Publication of JPWO2017033295A1 publication Critical patent/JPWO2017033295A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6488390B2 publication Critical patent/JP6488390B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3675Cooling facilitated by shape of device characterised by the shape of the housing
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/50Assembly of semiconductor devices using processes or apparatus not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326, e.g. sealing of a cap to a base of a container
    • H01L21/56Encapsulations, e.g. encapsulation layers, coatings
    • H01L21/565Moulds
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/02Containers; Seals
    • H01L23/04Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls
    • H01L23/041Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls the container being a hollow construction having no base used as a mounting for the semiconductor body
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/16Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations, e.g. centering rings
    • H01L23/18Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device
    • H01L23/24Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device solid or gel at the normal operating temperature of the device
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/28Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/29Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the material, e.g. carbon
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/28Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/31Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape
    • H01L23/3107Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed
    • H01L23/3121Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed a substrate forming part of the encapsulation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/433Auxiliary members in containers characterised by their shape, e.g. pistons
    • H01L23/4334Auxiliary members in encapsulations
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/072Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/18Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different subgroups of the same main group of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321Disposition
    • H01L2224/32151Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32245Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/33Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of a plurality of layer connectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/34Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/39Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/401Disposition
    • H01L2224/40135Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/40137Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/181Encapsulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

本発明は、放熱板を備えた構造体に関し、特に、パワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュール及び当該パワー半導体モジュールを有する電力変換装置に関する。
パワー半導体素子のスイッチングによる電力変換装置は、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電設備等に幅広く利用されている。このパワー半導体素子は通電により発熱するため、高い放熱性が求められる。また、パワー半導体素子は絶縁性のため樹脂又はゲルで封止される。
パワー半導体素子を樹脂封止する構造として、特許文献1、2が開示されている。
特開2004−303900号公報 特開2013−030649号公報
特許文献1に記載された半導体装置は、平坦な放熱面を形成するもので、表面積が小さく熱交換の効率が悪かった。
特許文献2に記載された半導体モジュールは、片面にヒートシンクを露出した放熱面を形成するもので、ヒートシンクにより気体への放熱性は向上するが、気体より放熱性に優れる液体での冷却に用いる場合は、バイパス流が生じ放熱効率が悪かった。
本発明は、発熱体と熱的に接続される放熱板と、前記発熱体と前記放熱板を封止する封止樹脂材を有する樹脂領域と、を備える構造体において、前記放熱板は、当該放熱板の放熱面から突出し、かつ前記封止樹脂材から露出して形成される複数のフィンを有するフィン部と、前記放熱面から前記フィンと同じ側に突出して形成され、かつ前記フィン部と前記樹脂領域とを隔てる壁部と、前記樹脂領域の一部にシール部を有する事を特徴とする構造体及び、前記構造体を平坦な壁面を有する水路構造体に挿入する事を特徴とする。
本発明によれば、パワー半導体素子等の発熱体を有する構造体を、平坦な壁面を有する水路構造体に挿入する事で、冷却水路に及び流路の形成が容易にでき、かつ、バイパス流を抑制することができるため、効率的にフィンに水流が誘導でき、高放熱化できる。
実施例1のパワー半導体モジュールの斜視図。 実施例1のパワー半導体モジュールの分解斜視図。 放熱部の斜視図。 実施例1のパワー半導体モジュールを水路構造体20に挿入した断面図。 実施例1のコネクタ側セラミックス基板の斜視図。 実施例1のコネクタ側セラミックス基板組みの斜視図。 実施例1のパワー半導体モジュールの製造途中の斜視図。 実施例1のパワー半導体モジュールの製造途中の斜視図。 トランスファーモールド工程の断面図。 トランスファーモールドにおける充填距離と隙間の関係。 実施例1のパワー半導体モジュールの製造途中の斜視図 パワー半導体モジュールの回路図。 電力変換装置の回路図。 電力変換装置の斜視図。 電力変換装置の断面斜視図。 電力変換装置の断面図。 変形例1におけるパワー半導体モジュールの模式図。 変形例1におけるトランスファーモールド工程の断面図。 実施例2の電力変換装置の断面斜視図。 実施例3の電力変換装置の断面斜視図。 比較例の電力変換装置の断面図。
以下、本発明に係る構造体の実施の形態として、車両搭載用の電力変換装置に用いられるパワー半導体モジュールについて説明する。以下に説明するパワー半導体モジュールの実施形態においては、発熱体としてのパワー半導体素子、当該発熱体と熱的に接続される放熱板としてのAlベース板やフィン部、及び当該発熱体と当該放熱板を固定する樹脂材としての封止樹脂等の各構成要素について、図面を参照して説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。
図1は、第1の実施形態のパワー半導体モジュール300の斜視図である。パワー半導体モジュール300は、封止樹脂900と、直流側の端子315B及び319Bと、交流側の端子320Bと、信号用の端子325U、325Lを有する。封止樹脂900は、リードフレームやセラミックス基板配線等の金属導体に搭載したパワー半導体素子を封止する。端子325L、320B、325Uは、パワー半導体モジュール300の封止樹脂900の一面から一列に突出している。また、端子315B、319B、は、パワー半導体モジュール300の封止樹脂900の一面から一列に突出している。直流端子315B、319Bが隣接している事で、入出力の電流を近接させインダクタンスを低減する効果がある。
これらの端子が突出する封止樹脂900には、シール部901が形成される。後述するように、パワー半導体モジュール300は、流路形成体1000に固定される際に、シール部901に配置されたOリング等の部材により、冷却冷媒の液密性を確保する。
また、パワー半導体モジュール300は、フィン部920と封止樹脂900を隔てる壁部800A及び800Bを有する。封止樹脂900は、壁部800Aと同じ高さに形成された樹脂領域900Aと、壁部800Bと同じ高さに形成された樹脂領域900Bとを有する。壁部800Aは、壁部800Bより高さが小さくなるように形成される。
図2は、パワー半導体モジュール300の分解斜視図である。なお、本図においては一部の部品のみを模式的に図示している。
本実施形態のパワー半導体モジュール300は、Alベース版902と、セラミックス絶縁体942と、Al配線911とからなるセラミックス基板(コレクタ側セラミックス基板930およびエミッタ側セラミックス基板931)を有する。コレクタ側セラミックス基板930については後述する。図2においては説明のために分離して図示しているが、Alベース902の上にはセラミックス絶縁体942が連結され、さらにその上に配線パターンとしてAl配線911が形成されている。
図3は、パワー半導体モジュール300のフィン部920の構成の詳細について説明するための図である。フィン部920の外周には、壁部800A及び800Bと、テーパ部800Cが形成される。これらは、Alベース902に連結している。
本実施形態のAlベース902は、略長方形形状の主面を有する。壁部800Aは、Alベース902の横方向側縁部に形成される。壁部800Bは、Alベース902の縦方向側縁部に形成される。言い換えれば、フィン部920は、壁部800Aによって横方向に挟まれるとともに、壁部800Bによって縦方向に挟まれている。壁部800Bは、フィン部920のフィン間を流れる冷媒の流れ方向に沿って形成されている。
壁部800Bは、フィン部920の突出方向に向かう高さが、壁部800Aにおける高さよりも高くなるように、形成される。壁部800Aと壁部800Bとは高さが異なるため、壁部800Aと壁部800Bとを繋ぐ部分(4箇所)には、テーパ部800Cが形成されている。これにより、壁部800Aと壁部800Bとテーパ部800Cの先端面は、段差形状とはならず連続的な面を形成している。本実施形態では、フィン部920のフィンの突出方向の高さは、壁部800Aよりも高くなるように形成されており、壁部800Bとほぼ等しい高さである。
図4は、本実施形態のパワー半導体モジュール300を水路構造体20に挿入した模式図である。水路構造体20は、パワー半導体モジュール300を収納する収納空間を有しており、当該収納空間の内壁面は、平坦な水路壁1001を形成している。
冷却媒体は、フィン部920と平坦な水路壁1001により形成された流路19を流れる。それ以外の領域は、壁部800B及び樹脂領域900Bによって冷却媒体のバイパス流が抑制される。また、壁部800A及び樹脂領域900Aは、流路抵抗を抑制するため、壁部800B等よりも低く形成されている。上記の構成により、低圧力損失で高放熱化されたパワー半導体モジュール(電力変換装置)を得ることができる。
本実施形態のパワー半導体モジュール300の製造手順について、図5から図11を用いて説明する。
図5は、コレクタ側セラミックス基板930を示す斜視図である。フィン部920の外周に壁部800A及び800B及びテーパ部800Cが形成され、Alベース902に連結している。Alベース902の上にはセラミックス絶縁体940が連結している。その上には、Al配線911で配線パターンが形成されている。配線パターンの上において、はんだ接続する領域にはNiめっき941が形成されている。
Al配線911、Alベース902、フィン920、壁部800A、800B、テーパ部800Cは溶融したAlを鋳型に流し込む溶湯により一体形成した後、エッチングや機械加工でパターン間の絶縁やフィン部の形状調整がなされている。
図6は、コレクタ側基板組み950を示す斜視図である。コレクタ側基板組み950は、コレクタ側セラミックス基板930に、上アーム側IGBT155、上アーム側ダイオード156、下アーム側IGBT157、下アーム側ダイオード158並びにリードフレーム510、520がはんだ接続されたものである。ここで、IGBTとは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor)の略である。
リードフレーム510及び520は、タイバー912を有し、後述するトランスファーモールド時に端子部が封止樹脂で埋没するのを防止している。リードフレーム510は、IGBT155、157に近い側の辺に配置され、リードフレーム520は、ダイオード156、158に近い側の辺に配置される。リードフレーム510は、後に交流側端子320B、信号端子325U、325Lとなる端子部を有する。リードフレーム520は、後に直流正極側端子315B及び直流負極側端子329Bとなる端子部を有する。
リードフレーム510は、Alワイヤ530により、IGBT155、157のゲートパッドと電気的に接続される。
図7は、コレクタ側基板組み950及びエミッタ側セラミックス基板940の斜視図を示す。コレクタ側基板組み950に、エミッタ側セラミックス基板940をはんだ接続する。
図8に、基板組み955の斜視図を示す。基板組み955は、エミッタ側セラミックス基板940とコレクタ側基板組み950を組み立てた状態である。
図9に、基板組み955をトランスファーモールド成型する工程を示す模式図を示す。基板組み955は、トランスファーモールド金型960及び961により型締めされる。その際に、壁部800の先端面がトランスファーモールド金型960及び961の内面に押されて、変形する。この変形により、壁部の製造工程で生じた高さばらつきを吸収して、金型に密着できる効果がある。なお、図9においては壁部800Bを通る一段面のみしか図示されていないが、トランスファーモールド金型960及び961は、壁部800Aやテーパ部800Cの先端面とも当接・密着する。
フィン部920の周囲において、壁部800が変形し、製造工程のばらつきを吸収することで金型に密着するため、トランスファーモールド工程においてフィン部への樹脂の流入を防止することができる。上記の工程により、バイパス流を抑制した低圧力損失・高放熱なパワー半導体モジュールを製造することができる。
図10は、封止樹脂の充填距離Lと隙間Hとの関係を示す。グラフは、厚さHの隙間に対し、封止樹脂を隙間の端部から注入した際の充填距離Lを示している。隙間Hが大きくなるほど、充填距離Lが大きくなる傾向が見られる。図10より、隙間Hが40μm以下の場合においては、充填距離Lはほぼゼロとなることが分かる。
したがって、壁部800とトランスファーモールド金型との間の隙間Hを40μm以下にすることで、フィン部への封止樹脂の流入を防止できることが分かる。トランスファーモールド工程は、金型温度175℃、成型圧力5MPaで実施した。
図11にトランスファーモールド後のパワー半導体モジュール300の外観斜視図を示す。トランスファーモールド直後においては、端子同士はタイバー912によって互いに接続された状態である。このタイバー912は、トランスファーモールド後に切断される。これにより、端子同士は、互いに電気的に分離され、図1に示されるパワー半導体モジュール300となる。
図12は、本実施形態のパワー半導体モジュールの回路図である。端子315Bは、上アーム回路のコレクタ側から出力しており、バッテリー又はコンデンサの正極側に接続される。端子325Uは、上アーム回路のIGBT155のゲート及びエミッタセンスから出力している。端子319Bは、下アーム回路のエミッタ側から出力しており、バッテリー若しくはコンデンサの負極側、又はGNDに接続される。端子325Lは、下アーム回路のIGBT157のゲート及びエミッタセンスから出力している。端子320Bは、下アーム回路のコレクタ側から出力しており、モータに接続される。中性点接地をする場合は、下アーム回路は、GNDでなくコンデンサの負極側に接続する。
本実施例のパワー半導体モジュールは、上アーム回路及び下アーム回路の2つのアーム回路を、1つのモジュールに一体化した構造である2in1構造である。2in1構造の他にも、3in1構造、4in1構造、6in1構造等を用いた場合、パワー半導体モジュールからの出力端子の数を低減し小型化することができる。
図13は、本実施形態のパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の回路図である。電力変換装置200は、インバータ回路部140、142と、補機用のインバータ回路部43と、コンデンサモジュール500と、を備えている。インバータ回路部140及び142は、パワー半導体モジュール300を複数備えており、それらを接続することにより3相ブリッジ回路を構成している。電流容量が大きい場合には、更にパワー半導体モジュール300を並列接続し、これら並列接続を3相インバータ回路の各相に対応して行うことにより、電流容量の増大に対応できる。また、パワー半導体モジュール300に内蔵しているパワー半導体素子を並列接続することでも電流容量の増大に対応できる。
インバータ回路部140とインバータ回路部142とは、基本的な回路構成は同じであり、制御方法や動作も基本的には同じである。インバータ回路部140等の回路的な動作の概要は周知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
上述のように、上アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として上アーム用IGBT155と上アーム用ダイオード156とを備えており、下アーム回路は、下アーム用IGBT157と下アーム用ダイオード158とを備えている。IGBT155及び157は、ドライバ回路174を構成する2つのドライバ回路の一方あるいは他方から出力された駆動信号を受けてスイッチング動作し、バッテリー136から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。
上アーム用IGBT155や下アーム用IGBT157は、コレクタ電極、エミッタ電極(信号用エミッタ電極端子)、ゲート電極(ゲート電極端子)を備えている。上アーム用ダイオード156や下アーム用ダイオード158は、カソード電極およびアノード電極の2つの電極を備えている。上アーム用IGBT155や下アーム用IGBT157のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、ダイオード156、158のカソード電極がIGBT155、157のコレクタ電極に、アノード電極がIGBT155、157のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。なお、パワー半導体素子としてはMOSFET(金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ)を用いても良く、この場合は上アーム用ダイオード156、下アーム用ダイオード158は不要となる。
上下アーム直列回路に設けられた温度センサ(不図示)からは、上下アーム直列回路の温度情報がマイコンに入力される。また、マイコンには上下アーム直列回路の直流正極側の電圧情報が入力される。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知および過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全ての上アーム用IGBT155、下アーム用IGBT157のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路を過温度或いは過電圧から保護する。
図14は、電力変換装置200の外観を示す斜視図である。本実施の形態に係る電力変化装置200の外観は、上面あるいは底面が略長方形の筐体12と、筐体12の短辺側の外周の一つに設けられた上部ケース10と、筐体12の下部開口を塞ぐための下部ケース16とを固定して形成されたものである。筐体12の底面図あるいは上面図の形状を略長方形としたことで、車両への取付けが容易となり、また生産しやすい。
図15は、電力変換装置200の断面構造を示す概略図である。パワー半導体モジュール300は、図4に示される設置構造と同様にして、流路形成体1000に設置される。
パワー半導体モジュール300を流路形成体に挿入した後、実装部品を搭載した積層配線板501を組み付け、信号端子と積層配線板501を電気的に接続する。さらに、大電流が流れる端子320B、315B、320Bはバスバー配線を多層積層したプレート1200から突出した端子と溶接する。積層配線板501とプレート1200を立体積層することで、電力変換装置を小型化することができる。
流路形成体1000は、パワー半導体モジュール300を冷却する冷媒を流す冷媒流路を形成する。流路形成体1000は、壁面1001を有する。壁面1001は、パワー半導体モジュール300の放熱部910と当該壁面1001との間に、冷媒が流れる流路を形成する。壁面1001は、パワー半導体モジュール300の封止樹脂面900Bと当該壁面1001との間に冷媒が流れないように、平面構造を有する。流路形成体1000は、互いに対向する壁面1001同士の距離と、パワー半導体モジュール300の一方側の封止樹脂面900Bと他方側の封止樹脂面900Bの間の距離とが、ほぼ等しくなるように、形成される。パワー半導体モジュール300のシール部901には、Oリング等の弾性体が設けられる。
パワー半導体モジュール300は、封止樹脂面900Bが流路形成体1000の壁面1001と接するように、流路形成体1000に対して挿入される。これにより、パワー半導体モジュール300は、封止樹脂面900Bと概略同一面となるように形成されたフィン部920の先端が流路形成体1000の壁面1001と当接するように、配置される。したがって、フィン部920と壁面1001の間に流れる冷媒は、封止樹脂面900Bと壁面1001の間や、フィン先端と壁面1001の間などにバイパス流として流れることが抑制される。放熱部910は、高い熱伝導率である高熱伝導体920で構成されるため、効率的にパワー半導体素子の熱を冷却することができる。したがって、本実施形態のパワー半導体モジュール300は、放熱性に優れる。
また、冷媒が流れる流路は、パワー半導体モジュール300側に形成されたフィン構造と、流路形成体1000側に形成された平面上に壁面1001との組合せによって、構成される。このように構造を簡略化することで、電力変換装置の製造が容易になる。
また、本実施形態における概略同一面とは、同一面となるべく作製した事を意味している。樹脂の硬化収縮や部材間の熱膨張差により生じた段差及び表面粗さ等の100μmを越えない段差は、バイバス流を抑制する上で影響が少ないため、概略同一面に含まれるものとする。
流路形成体1000は、水密構造を有するものであれば特に限定されないが、アルミ、アルミダイキャスト等の金属や、ポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミト、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン等の熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いて作製することができる。
図16は、図14の断面Aにおける断面図である。筐体12は、流路形成体1000を形成する。冷却水入口13から水路19内に流入した冷媒は、水路19を矢印で示すように流れ、冷却水出口14から排出される。本実施形態においては、水路19内に、6つのパワー半導体装置300が冷却水の流れに沿って配置されている。
また、本実施例に限らず、上述の実施形態のパワー半導体モジュール300は、シール部以下の冷却水が接する表面に金属めっきを施される。これにより、封止樹脂が直接冷却水に接するのを防ぎ、封止樹脂の吸水によるチップ絶縁性能の低下を抑制することができる。
図17に本発明のパワー半導体モジュールの変形例である構造を説明する模式図を示す。図17においては、理解をしやすくするため、壁部やフィン部及び応力支持部1300を実線で示し、封止樹脂や端子は破線で示している。特に、ハッチングを施して示す部材が、応力支持部1300である。応力支持部1300は、フィン部920の外周に形成される壁部800の直下に配置される。応力支持部1300は複数個配置される。
図18は、図17に示す変形例に係るパワー半導体モジュールのトランスファーモールド時の模式図である。応力支持部1300は、コレクタ側セラミックス基板とエミッタ側セラミックス基板に設けた配線パターンを、はんだ等の接続材で接続する事で形成している。配線パターンとはんだ等の接続材で応力支持部を形成するため、応力支持部を形成するための追加プロセスや部材が不要で生産性に優れ低コストとなる効果がある。
このように、壁部800と重なるように応力支持部1300を設けることで、応力支持部1300がトランスファーモールド時の金型の型締め力を支持するため、半導体素子に加わる応力を低減し、素子破壊を防止する効果がある。
図19は、第2の実施形態に係る電力変換装置の断面斜視図を示す。第1の実施形態との変化点は、パワー半導体もモジュールの端子が一方向から出ている点である。本実施形態のパワー半導体モジュールは、流路形成体1000への挿入が容易となる効果がある。
図20は、第3の実施形態に係る電力変換装置の断面斜視図を示す。第1の実施形態との変化点は、水路形成体1000が樹脂製である点、パワー半導体モジュールに絶縁層が無い点、及び冷却媒体が絶縁性油である点である。絶縁性油を冷却媒体に用いているため、パワー半導体モジュール内部に絶縁層が不要であり、電力変換装置を小型化することができる。
図21は、比較例に係る電力変換装置の模式図を示す。フィン部920が突出しているため、冷却媒体はフィン部920近傍だけでなく、上下の隙間にも流れ、バイパス流1002が発生してしまう。このような構成では、バイパス流が流れる領域に比べて隙間が狭いフィン部の流量が大きく減少し、放熱性が悪い。
10 上部ケース
12 筺体
13 冷却水入口
14 冷却水出口
16 下部ケース
18 交流ターミナル
19 流路
20 水路構造体
21 コネクタ
43 インバータ回路
136 バッテリ
140 インバータ回路
142 インバータ回路
155 上アーム用IGBT
156 上アーム用ダイオード
157 下アーム用IGBT
158 下アーム用ダイオード
174 ドライバ回路
192 モータジェネレータ
194 モータジェネレータ
200 電力変換装置
300 パワー半導体装置
315B 直流端子(正極)
319B 直流端子(負極)
320B 交流端子
325U 信号端子
325L 信号端子
500 コンデンサモジュール
501 積層配線板
510 リードフレーム
520 リードフレーム
530 Alワイヤ
800 壁部
800A 壁部
800B 壁部
800C テーパ部
900 封止樹脂
900A 樹脂封止領域
900B 樹脂封止領域
901 シール部
902 Alベース板
911 Al配線
912 タイバー
920 フィン部
930 コレクタ側セラミックス基板
931 エミッタ側セラミックス基板
940 エミッタ側基板組み
941 ニッケルめっき
942 セラミックス絶縁体
950 コレクタ側基板組み
955 基板組み
960 トランスファーモールド金型
961 トランスファーモールド金型
965 プランジャー
1000 流路形成体
1001 水路壁
1002 バイパス流
1200 プレート

Claims (10)

  1. 発熱体と熱的に接続される放熱板と、前記発熱体と前記放熱板を固定する封止樹脂材を有する樹脂領域と、を備える構造体において、
    前記放熱板は、当該放熱板の放熱面から突出し、かつ前記封止樹脂材から露出して形成される複数のフィンを有するフィン部と、前記放熱面から前記フィンと同じ側に突出して形成され、かつ前記フィン部と前記樹脂領域とを隔てる壁部と、を有し、
    前記壁部は、前記封止樹脂材から露出する前記壁部と前記樹脂領域との境界に沿って形成される変形部を有する構造体。
  2. 請求項1に記載の構造体であって、
    前記壁部は、前記フィン部の周囲において、第一領域と第二領域とを有し、
    前記第一領域は、当該第一領域が突出する高さが前記第二領域が突出する高さよりも小さくなるように、形成される構造体。
  3. 発熱体と熱的に接続される放熱板と、前記発熱体と前記放熱板を固定する封止樹脂材を有する樹脂領域と、を備える構造体において、
    前記放熱板は、当該放熱板の放熱面から突出し、かつ前記封止樹脂材から露出して形成される複数のフィンを有するフィン部と、前記放熱面から前記フィンと同じ側に突出して形成され、かつ前記フィン部と前記樹脂領域とを隔てる壁部と、を有し、
    前記壁部は、前記フィン部の周囲において、第一領域と第二領域とを有し、
    前記第一領域は、当該第一領域が突出する高さが前記第二領域が突出する高さよりも小さくなるように、形成される構造体。
  4. 請求項2又は3のいずれかに記載の構造体であって、
    前記第一領域は、当該第一領域が突出する高さが前記フィンの突出する高さよりも小さくなるように、形成される構造体。
  5. 請求項2から4のいずれかに記載の構造体であって、
    前記樹脂領域は、前記第一領域に接する表面と、前記第二領域に接する表面との間において、段差を有する構造体。
  6. 請求項2から4のいずれかに記載の構造体であって
    前記壁部は、前記第一領域と前記第二領域の境界部分に、前記第一領域の表面と前記第二領域の表面を繋ぐテーパ部を有する構造体。
  7. 請求項1乃至6のいずれかに記載の構造体であって、
    前記フィンの先端は、前記壁部の先端と同一平面上に形成される構造体。
  8. 請求項1乃至7のいずれかに記載の構造体であって、
    前記発熱体は、スイッチング動作により直流電力を交流電力に変換するパワー半導体素子であり、
    前記パワー半導体素子と電気的に接続され、電流を伝達する電流端子が備えられ、
    前記電流端子は、前記樹脂領域から突出している構造体。
  9. 請求項1乃至8のいずれかに記載の構造体であって、
    前記放熱板は、第1のベース板と、第2のベース板と、を有し、
    前記発熱体は、前記第1のベース板と前記第2のベース板との間に配置される構造体。
  10. 請求項1乃至9のいずれかに記載の構造体と、
    前記構造体が挿入される平坦な壁面を有する水路構造体と、を備え、
    前記平坦な壁面と前記放熱面との間に冷却媒体を流通する水路が形成される組立体。
JP2017536120A 2015-08-26 2015-08-26 構造体 Active JP6488390B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2015/073926 WO2017033295A1 (ja) 2015-08-26 2015-08-26 構造体

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2017033295A1 JPWO2017033295A1 (ja) 2018-07-05
JP6488390B2 true JP6488390B2 (ja) 2019-03-20

Family

ID=58100718

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017536120A Active JP6488390B2 (ja) 2015-08-26 2015-08-26 構造体

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10818573B2 (ja)
EP (1) EP3343603B1 (ja)
JP (1) JP6488390B2 (ja)
CN (1) CN107924885B (ja)
WO (1) WO2017033295A1 (ja)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6922450B2 (ja) * 2017-06-08 2021-08-18 株式会社デンソー 半導体モジュール
JP2019057546A (ja) * 2017-09-19 2019-04-11 東芝メモリ株式会社 半導体記憶装置
JP7046742B2 (ja) * 2018-07-05 2022-04-04 日立Astemo株式会社 パワーモジュール
US20220282933A1 (en) * 2019-10-04 2022-09-08 Mitsui Chemicals, Inc. Heating element accommodation case and structure
DE112020006455T5 (de) * 2020-01-08 2022-10-27 Mitsubishi Electric Corporation Halbleitervorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung
DE102020111528A1 (de) * 2020-04-28 2021-10-28 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg Leistungselektronische Anordnung mit einem Mehrphasen-Leistungshalbleitermodul
JP2022059427A (ja) * 2020-10-01 2022-04-13 株式会社日立製作所 半導体装置およびホイール内蔵システム
FR3115651B1 (fr) * 2020-10-26 2024-01-26 Commissariat A L’Energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Ensemble de modules de puissance à semi-conducteurs
US11658171B2 (en) * 2020-12-23 2023-05-23 Semiconductor Components Industries, Llc Dual cool power module with stress buffer layer
CN115249672A (zh) * 2021-04-28 2022-10-28 比亚迪股份有限公司 Igbt模组、电机控制器和车辆

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10112519A (ja) * 1996-10-08 1998-04-28 Nippon Motorola Ltd 熱放散手段を有する集積回路装置及びその製造方法
EP2234154B1 (en) * 2000-04-19 2016-03-30 Denso Corporation Coolant cooled type semiconductor device
JP4022758B2 (ja) 2003-03-31 2007-12-19 株式会社デンソー 半導体装置
JP4379339B2 (ja) * 2005-01-19 2009-12-09 トヨタ自動車株式会社 半導体冷却装置
JP4958735B2 (ja) * 2007-11-01 2012-06-20 株式会社日立製作所 パワー半導体モジュールの製造方法、パワー半導体モジュールの製造装置、パワー半導体モジュール、及び接合方法
JP4580997B2 (ja) 2008-03-11 2010-11-17 日立オートモティブシステムズ株式会社 電力変換装置
JP5581131B2 (ja) * 2010-06-30 2014-08-27 日立オートモティブシステムズ株式会社 パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置
JP5439309B2 (ja) * 2010-07-28 2014-03-12 日立オートモティブシステムズ株式会社 電力変換装置
JP2012164763A (ja) 2011-02-04 2012-08-30 Toyota Motor Corp ヒートシンク付き半導体パッケージの製造方法及び当該ヒートシンク
JP2013030649A (ja) 2011-07-29 2013-02-07 Mitsubishi Electric Corp 半導体モジュール及びその製造方法
JP5529208B2 (ja) 2011-08-25 2014-06-25 トヨタ自動車株式会社 パワーモジュールの構造及び成形方法
WO2013125474A1 (ja) * 2012-02-24 2013-08-29 三菱電機株式会社 半導体装置とその製造方法
JP5879233B2 (ja) 2012-08-31 2016-03-08 日立オートモティブシステムズ株式会社 パワー半導体モジュール
JP6187222B2 (ja) * 2013-12-13 2017-08-30 トヨタ自動車株式会社 半導体モジュール
US9661738B1 (en) * 2014-09-03 2017-05-23 Flextronics Ap, Llc Embedded coins for HDI or SEQ laminations
CN109637934B (zh) * 2014-10-11 2023-12-22 意法半导体有限公司 电子器件及制造电子器件的方法
JP6349275B2 (ja) * 2015-03-05 2018-06-27 日立オートモティブシステムズ株式会社 電力変換装置
US9659844B2 (en) * 2015-08-31 2017-05-23 Texas Instruments Incorporated Semiconductor die substrate with integral heat sink

Also Published As

Publication number Publication date
EP3343603A1 (en) 2018-07-04
US10818573B2 (en) 2020-10-27
JPWO2017033295A1 (ja) 2018-07-05
US20180254235A1 (en) 2018-09-06
EP3343603B1 (en) 2020-05-20
EP3343603A4 (en) 2019-04-24
CN107924885B (zh) 2020-08-25
WO2017033295A1 (ja) 2017-03-02
CN107924885A (zh) 2018-04-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6488390B2 (ja) 構造体
JP6979864B2 (ja) パワー半導体装置及びその製造方法
JP6302803B2 (ja) パワー半導体モジュール及びその製造方法、電力変換装置
JP7100569B2 (ja) 半導体モジュール、電力変換装置および半導体モジュールの製造方法
CN110506330B (zh) 功率电子模块以及包含该模块的电功率变换器
JP7046742B2 (ja) パワーモジュール
WO2018159209A1 (ja) パワー半導体装置
CN115088065A (zh) 电路体、电力转换装置及电路体的制造方法
CN110771027B (zh) 功率半导体装置及使用该装置的电力转换装置
JP7444711B2 (ja) パワーモジュール及びこれを用いた電力変換装置
CN111587528B (zh) 功率半导体装置
JP2011114308A (ja) パワー半導体ユニット
JP7555261B2 (ja) 電気回路体および電力変換装置
JP7555262B2 (ja) 電気回路体および電力変換装置

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180208

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180208

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20181106

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20181214

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190219

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190225

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6488390

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250