JP6647479B1 - 通電構造およびパワー半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

通電構造（１）は、第１通電ブロック（１１）と、第２通電ブロック（１２）と、複数の針金状部材（５３）とを備えている。一対の針金状部材（５３）の各々は、第１固定部（Ｆ１）と、第２固定部（Ｆ２）とを含んでいる。第１固定部（Ｆ１）と第２固定部（Ｆ２）との間の直線距離は、一対の針金状部材（５３）の各々の第１固定部（Ｆ１）と第２固定部（Ｆ２）との間の部分（Ｆ３）の長さよりも短い。

Description

本発明は通電構造およびパワー半導体モジュールに関するものである。
電力変換器等で用いられるパワー半導体モジュールの通電構造の一つとして、ベースプレートと、カバープレートと、圧接ユニットと、半導体チップとで構成された通電構造がある。この通電構造では、ベースプレートとカバープレートとで圧接ユニットおよび半導体チップが圧接されて通電経路が構成されている。
上記通電構造は、例えば、特開２０１８−５６２４４号公報（特許文献１）に記載されている。この公報には、導電性を有する板状部材（電極）と、板状部材に固定されかつ板状部材への接続方向に沿って伸縮自在な複数の圧接部材とを備えた圧接ユニットが記載されている。
圧接部材は、圧接部材の伸縮方向に沿って延びる導電性の第１通電部と、第１通電部の表面に対して摺動自在に接触するとともに板状部材に固定された第２通電部と、第１通電部に保持されており伸縮方向に沿って伸縮自在な一つまたは複数のばね部材とを備える。
特開２０１８−５６２４４号公報
上記公報に記載された圧接ユニットでは、複数の半導体チップが電力を供給する。一部の半導体チップが誤動作した場合、パワー半導体モジュールに大電流（数１００ｋＡ）が流れるおそれがある。大電流が流れた場合、大電流は減衰振動波形となるため、第１通電部および第２通電部では表皮効果により局所的に発熱密度が高くなる。この結果、第１通電部および第２通電部が溶解することによりアークが発生するおそれがある。そして、このアークによりパワー半導体モジュールが破壊されるおそれがある。
また、第１通電部および第２通電部に電流が流れた場合には、第１通電部および第２通電部に磁気吸引力が発生する。大電流が流れた場合、磁気吸引力が増大する。このため、増大した磁気吸引力により第１通電部および第２通電部が変形して破壊されるおそれがある。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流に依存した局所的な発熱を抑制でき、かつ磁気吸引力により変形して破壊されることを抑制できる通電構造およびそれを備えたパワー半導体モジュールを提供することである。
本発明の通電構造は、第１通電ブロックと、第２通電ブロックと、複数の針金状部材とを備えている。第２通電ブロックは、第１通電ブロックに対向する。複数の針金状部材は、第１通電ブロックと第２通電ブロックとに接続され、かつ導電性を有し非直線形状である。複数の針金状部材は、第１通電ブロックおよび第２通電ブロックを挟んで向かい合うように配置された一対の針金状部材を含んでいる。一対の針金状部材の各々は、第１通電ブロックに固定された第１固定部と、第２通電ブロックに固定された第２固定部とを含んでいる。第１固定部と第２固定部との間の直線距離は、一対の針金状部材の各々の第１固定部と第２固定部との間の部分の長さよりも短い。一対の針金状部材の各々の第１固定部と第２固定部との間の部分は、第１通電ブロックと第２通電ブロックとの間に突き出すように変形した状態で、直接または間接に互いに接するように構成されており、高さ方向に連続して接する連続部分を有している。
本発明の通電構造によれば、複数の針金状部材により表皮効果を緩和して局所的に発熱密度が高くなることを抑制することができる。また、第１固定部と第２固定部との間の直線距離は、一対の針金状部材の各々の第１固定部と第２固定部との間の部分の長さよりも短いため、磁気吸引力により一対の針金状部材の各々が変形して破壊されることを抑制できる。
実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの構成を概略的に示す斜視図である。 実施の形態１に係るチップユニットの構成を概略的に示す斜視図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 図２のチップユニットの端子が短絡した状態を示す断面図である。 実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの構成を概略的に示す斜視図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。 図７のチップユニットの端子が短絡した状態を示す断面図である。 実施の形態２に係るチップユニットの変形例１を示す図６のＩＸ−ＩＸ線に沿う位置での断面図である。 実施の形態２に係るチップユニットの変形例２を示す図９に対応する位置での断面図である。 実施の形態２に係るチップユニットの変形例３を示す図９に対応する位置での断面図である。 実施の形態２に係るチップユニットの変形例４の針金状部材の一例を概略的に示す斜視図である。 実施の形態２に係るチップユニットの変形例４の針金状部材の別例に示す斜視図である。
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下においては、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。
実施の形態１．
図１〜図４は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの構成を示す図である。図１は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの構成を示すための外観斜視図である。図２は、実施の形態１に係るチップユニットの構成を示すための斜視図である。図３は、実施の形態１に係るチップユニットの構成を示すための図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図４は、実施の形態１に係るチップユニットの構成を示すための図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
以下、図の説明を容易にするためにＸＹＺ座標を用いて説明する。図１のパワー半導体モジュールのＸ軸の矢印方向を＋Ｘ方向、反対を−Ｘ方向とし、Ｙ軸の矢印方向を＋Ｙ方向、反対を−Ｙ方向とし、Ｚ軸の矢印方向を＋Ｚ方向、反対を−Ｚ方向とする。
図１を参照して、本実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１００の構成について説明する。なお、図１では、説明の便宜のため、導電性カバープレート３の一部が図示されておらず、第１通電ブロックの孔部も図示されていない。パワー半導体モジュール１００は、縦方向および横方向にそれぞれサブモジュール１０１が２個ずつ配置されている。ただし、実施の形態１において、サブモジュール１０１の数は、４個に限定されるものではなく、その他の個数であっても良い。
サブモジュール１０１には、スイッチングチップ、フリーホイールダイオードチップ、ワイドバンドギャップチップなどの複数種の電力用半導体チップが使用されている。これらの電力用半導体チップを総称して半導体チップとする。
サブモジュール１０１には、チップユニット１０が９個格納されている。サブモジュール１０１には、９個のチップユニット１０を合成する通電経路が形成される。
図２および図３を参照して、サブモジュール１０１は、導電性ベースプレート２と、導電性カバープレート３と、チップユニット１０と、金属板６とを備えている。導電性ベースプレート２は、略平板状に構成されている。導電性カバープレート３は、略平板状に構成されている。導電性ベースプレート２と導電性カバープレート３とは上下に配置されている。導電性カバープレート３は、導電性ベースプレート２の上に配置されている。チップユニット１０は、導電性ベースプレート２と導電性カバープレート３の間に配置されている。チップユニット１０は、半導体チップ４を含んでいる。半導体チップ４は、チップユニット１０の下部に位置する。金属板６は、半導体チップ４の下に位置する。
また、サブモジュール１０１は、樹脂フレーム５を備えている。樹脂フレーム５は、導電性ベースプレート２と導電性カバープレート３とを位置決めする効果を有する。また、樹脂フレーム５は、導電性ベースプレート２と導電性カバープレート３との間のスペーサの効果を有する。実施の形態１において、図１に示すパワー半導体モジュール１００は４個のサブモジュール１０１を合成する通電経路を構成している。
チップユニット１０は、導電性ベースプレート２と導電性カバープレート３の間の通電経路を構成するものである。チップユニット１０は、導電性カバープレート３からの圧接力により導電性ベースプレート２と導電性カバープレート３とを電気的に接続するものである。チップユニット１０とともに半導体チップ４としてスイッチングチップおよびワイドギャップチップを用いたサブモジュール１０１およびパワー半導体モジュール１００においては、例えば、サブモジュール内部に圧接部材以外に非図示の信号用の接続部材が配置されている。その接続部材の一端は半導体チップ４の信号端子、他端はエミッタ信号基板に接続される。
導電性ベースプレート２に金属板６を介して半導体チップ４が配置されている。半導体チップ４は、平板状に構成されている。半導体チップ４の＋Ｚ方向側の面には電極４ａが設けられている。電極４ａは第２通電ブロック１２と電気的に接続されている。導電性ベースプレート２および導電性カバープレート３の各々は、例えば、表面処理を施した純銅を用いて形成される。導電性カバープレート３の＋Ｚ方向側の面には−Ｚ方向に圧力がかかっている。この圧力によってチップユニット１０は導電性ベースプレート２に圧接される。これにより、導電性ベースプレート２はチップユニット１０を介して導電性カバープレート３と電気的に接続される。
チップユニット１０の構成について詳しく説明する。チップユニット１０は、通電構造１と、半導体チップ４とを含んでいる。半導体チップ４は、通電構造１に電気的に接続されている。通電構造１は、第１通電ブロック１１と、第２通電ブロック１２と、複数の針金状部材５３とを含んでいる。通電構造１は、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２とが近づくように圧力が加えられた状態で通電を維持するように構成されている。
第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２は、導電性を有している。第２通電ブロック１２は、第１通電ブロック１１に対向する。複数の針金状部材５３は、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２とに接続されている。複数の針金状部材５３は、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２とが対向する方向に延在している。複数の針金状部材は、導電性を有している。複数の針金状部材５３は、低抵抗導体である。複数の針金状部材５３は、針金状部材５３ａ〜５３ｆを含んでいる。以下、適宜、針金状部材５３ａ〜５３ｆを第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆという。第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆはそれぞれ同一の形状に構成されている。
第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２ならびに複数の針金状部材５３は、例えば表面処理を施した純銅を用いて形成される。複数の針金状部材５３の各々の厚みは、第１通電ブロック１１の厚みよりも薄い。第１通電ブロック１１は、正六角柱状に構成されている。第１通電ブロック１１は、−Ｚ方向から見て正六角形状に構成されている。第１通電ブロック１１は、板状に構成されている。第１通電ブロック１１には孔部１１ａが設けられている。孔部１１ａは円形に構成されている。孔部１１ａは、第２通電ブロック１２が第１通電ブロック１１に対向する方向（−Ｚ方向）に、第１通電ブロック１１を貫通している。孔部１１ａは、−Ｚ方向から見て第１通電ブロック１１の中央に配置されている。
第２通電ブロック１２は、段付き形状に構成されている。第２通電ブロック１２は、根元部１２ａと、張出部１２ｂとを含んでいる。根元部１２ａは、第２通電ブロック１２の−Ｚ方向側に配置されている。根元部１２ａは、四角柱状に構成されている。根元部１２ａは板状に構成されている。張出部１２ｂは、第２通電ブロック１２の＋Ｚ方向側に配置されている。張出部１２ｂは、正六角柱状に構成されている。第２通電ブロック１２は、−Ｚ方向から見て正六角形状に構成されている。第２通電ブロック１２は、板状に構成されている。
第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の張出部１２ｂの各々の正六角形は、合同である。これらの正六角形のそれぞれの辺は、互いに平行になるように配置されている。また、−Ｚ方向から見て第１通電ブロック１１の中心ＣＰと第２通電ブロック１２の中心ＣＰとを結んだ線分（中心線ＣＬ）は、Ｚ軸と略平行になるように配置される。
図３および図４を参照して、複数の針金状部材５３の形状について説明する。複数の針金状部材５３は、非直線形状である。つまり、複数の針金状部材５３の各々は、直線形状ではなく、屈曲または湾曲している。複数の針金状部材５３は、第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２を挟んで向かい合うように配置された一対の針金状部材５３を含んでいる。一対の針金状部材５３は、例えば、第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄである。複数の針金状部材５３の形状について、主に第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄを用いて説明する。第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄの各々の一端は、第１通電ブロック１１に固定されている。第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄの各々の他端は、第２通電ブロック１２に固定されている。
一対の針金状部材５３の各々は、第１通電ブロック１１に固定された第１固定部Ｆ１と、第２通電ブロック１２に固定された第２固定部Ｆ２とを含んでいる。一対の針金状部材５３の各々は、第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３を含んでいる。第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の直線距離は、一対の針金状部材５３の各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３の長さよりも短い。一対の針金状部材５３の各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３は、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２との間に突き出すように変形した状態で、直接または間接に互いに接するように構成されており、高さ方向に連続して接する連続部分を有している。つまり、一対の針金状部材５３の各々は、磁気吸引力により変形した際に、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２との間で、高さ方向（第２通電ブロック１２が第１通電ブロック１１に対向する方向）に連続して互いに接する部分である連続部分を有する長さで構成されている。本実施の形態では、一対の針金状部材５３の各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３は、直接に互いに接するように構成されている。一対の針金状部材５３の各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３は、磁気吸引力により第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２との間に突き出して互いに接続されるように構成されている。一対の針金状部材５３の各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３の幅は、第１固定部Ｆ１および第２固定部Ｆ２の各々の幅よりも狭い。
複数の針金状部材５３の各々は、第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の各々の中心ＣＰを通る中心線ＣＬを中心とする同一円ＶＣ上に配置されている。つまり、複数の針金状部材５３の各々と中心線ＣＬとの同一円ＶＣの径方向の距離は互いに等しい。複数の針金状部材５３の各々は、同一円ＶＣ上において中心線ＣＬに対して均等の角度で配置されている。複数の針金状部材５３が６本の場合には、複数の針金状部材５３の各々は、中心線ＣＬに対して均等に６０度の角度で配置されている。
複数の針金状部材５３の各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３の断面は、長方形である。この長方形の長辺は、同一円ＶＣ上に配置されている。この長方形の長辺は、同一円ＶＣの接線に沿って配置されている。なお、第２通電ブロック１２の中心ＣＰは、＋Ｚ方向において第１通電ブロック１１の中心ＣＰに重なっている。この長方形の短辺は、同一円ＶＣの中心と接点とを結ぶ線に沿って配置されている。この長方形の短辺は、長辺に直交するように配置されている。長辺は、短辺に対して４倍以上８倍以下程度の長さとなるように構成されている。複数の針金状部材５３の各々が短辺方向に弾性を有するように、短辺は２ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がさらに好ましい。
第１針金状部材５３ａは、第１通電ブロック１１の側面に固定された第１固定部Ｆ１から−Ｚ方向に延伸し、略９０度の角度で＋Ｘ方向に折り曲げられて延伸する。その後、第１針金状部材５３ａは、略９０度の角度で−Ｚ方向に折り曲げられて延伸し、略９０度の角度で−Ｘ方向に折り曲げられて延伸する。その後、略９０度の角度で−Ｚ方向に折り曲げられて延伸し、第２固定部Ｆ２で第２通電ブロック１２の側面に固定される。第１針金状部材５３ａの第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３の形状は、＋Ｚ方向における当該部分の形状の中心を通る線ＶＬに対して線対称に構成されている。この線ＶＬは、第１通電ブロック１１の−Ｚ方向側の面および第２通電ブロック１２の＋Ｚ方向側の面の各々に等距離かつ平行に配置されている。
第４針金状部材５３ｄは、第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の各々の正六角形の中心ＣＰを通る中心線ＣＬに対して、第１針金状部材５３ａと点対称に配置されている。
第１針金状部材５３ａの第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３における折り曲げ形状の合計長さの寸法は、第１通電ブロック１１の側面から第１通電ブロック１１の中心ＣＰまでの距離の２倍の寸法と、第１通電ブロック１１から第２通電ブロック１２までの＋Ｚ軸方向の距離の寸法との和と等しいか、もしくは和よりも僅かに長くなるように設けられている。なお、第１通電ブロック１１から第２通電ブロック１２までの＋Ｚ軸方向の距離の寸法は、パワー半導体モジュール１００が組み立てられた時の寸法である。
第２針金状部材５３ｂ、第３針金状部材５３ｃ、第５針金状部材５３ｅおよび第６針金状部材５３ｆについて説明する。第２針金状部材５３ｂと第５針金状部材５３ｅとは一対になっている。第２針金状部材５３ｂおよび第５針金状部材５３ｅの形状および位置関係は、第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄの形状および位置関係と同様の関係となる。第３針金状部材５３ｃと第６針金状部材５３ｆとは一対になっている。第３針金状部材５３ｃおよび第６針金状部材５３ｆの形状および位置関係は、第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄの形状および位置関係と同様の関係となる。第２通電ブロック１２の根元部１２ａが半導体チップ４の電極４ａに当接することにより、第２通電ブロック１２は半導体チップ４と電気的に接続されている。
実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１００の動作について説明する。実施の形態１に係るパワー半導体モジュール１００は、半導体チップ４が故障したときに高い信頼性を備えるためのものである。例えば、半導体チップ４が故障して、１つの半導体チップ４のみが短絡されたときについて考える。
パワー半導体モジュール１００は電力変換器等のシステムで使用される。パワー半導体モジュール１００を単なる抵抗と見立てたとき、パワー半導体モジュール１００が使用されたシステムは単純なＲＬＣ直列回路と等価となる。パワー半導体モジュール１００には複数の半導体チップ４が並列に組み込まれている。
半導体チップ４の１素子のみが短絡され、短絡された半導体チップ４に高電圧が印加された場合、ＲＬＣ回路の電流波形は減衰振動波形となることが想定され、一時的に高周波の電流が流れることとなる。
チップユニット１０に使用される第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆは、表面処理を施した銅で形成されている。交流電流が導体に流れるとき、電流密度が導体表面では高くなり、表面から離れ内側になるほど低くなるという表皮効果という現象が知られている。電流が導体表面に流れる電流の１／ｅになる距離を表皮深さという。例えば、銅線の場合、交流電流４〜５ｋＨｚに対して、表皮深さは１ｍｍ程度となる。
図５は、半導体チップ４の１素子のみが短絡したときの図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図５を参照して、例えば、一対となる第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄには、同方向の大電流が流れるため、それぞれに大きな吸引力が働く。そのため、第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄは、第１通電ブロック１１の中心方向に大きく変形する。第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄはそれぞれ導電性ベースプレート２、互いに対向する第４針金状部材（第１針金状部材５３ａに対しては第４針金状部材５３ｄ）、導電性カバープレート３に沿って、張り付くように変形する。変形した第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆはそれぞれ変形した形状を保ちチップユニット１０の通電を維持する。第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄは、磁気吸引力により変形した際に、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２との間で、高さ方向（第２通電ブロック１２が第１通電ブロック１１に対向する方向）に連続して互いに接する。第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄの連続部分の長さは、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２との間での第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄの長さの大部分を占めている。
次に、実施の形態１の作用効果について説明する。
実施の形態１に係る通電構造１によれば、複数の針金状部材５３により表皮効果を緩和して局所的に発熱が高くなることを抑制することができる。つまり、パワー半導体モジュール１００に搭載される複数の半導体チップ４の内、１つの半導体チップ４のみが故障のために短絡してチップユニット１０に大電流が発生した場合でも、チップユニット１０は第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆのように断面の小さい複数の通電経路を備えるため、表皮効果を抑制することが可能となる。したがって、電流密度分布の顕著な粗密が発生することにより局所的に発熱密度が高くなる現象を抑制することが可能となる。局所的に発熱密度が高くなる現象を抑制することにより、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの温度上昇を抑制することが可能となる。
仮に第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの温度上昇により第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆが溶解して断線した場合、通電経路に隙間が発生することとなる。微小な隙間に高い電位差が生じた場合、アークが発生する。アークが発生するとパワー半導体モジュール１００が破壊される可能性がある。第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの溶解を抑制することは、パワー半導体モジュール１００の破壊を抑制することにつながる。このため、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの溶解を抑制することにより高い信頼性を備える通電構造１を備えたパワー半導体モジュール１００が可能となる。
また、第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の直線距離は、一対の針金状部材５３の各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３の長さよりも短いため、磁気吸引力により一対の針金状部材５３の各々が変形して破壊されることを抑制できる。
一対の針金状部材５３の各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３は、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２との間に突き出して変形した状態で、直接に互いに接するように構成されており、高さ方向に連続して接する連続部分を有している。このため、磁気吸引力により一対の針金状部材５３の各々が変形して破壊されることを抑制できる。
例えば、一対となる第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄの各々では、第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３は、互いに中心線ＣＬに対して点対称に配置されている。さらに、第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３における折り曲げ形状の合計長さの寸法は、第１通電ブロック１１の側面から第１通電ブロック１１の中心ＣＰまでの距離の２倍の寸法と、第１通電ブロック１１から第２通電ブロック１２までの＋Ｚ軸方向の距離の寸法との和と等しいか、もしくは和よりも僅かに長くなるように設けられている。
第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄには、同方向に電流が流れるため、互いに引き付け合う方向に力が働く。第１針金状部材５３ａには−Ｘ方向に力が働き、第４針金状部材５３ｄには＋Ｘ方向に力が働くことになる。このとき、第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄは、点対称かつ磁気吸引力に対する変形に十分な長さを備えているため、互いに接触することにより直接接続される。これにより、第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄに発生する応力を緩和することが可能となる。
それぞれ一対となる第２針金状部材５３ｂおよび第５針金状部材５３ｅならびに第３針金状部材５３ｃおよび第６針金状部材５３ｆの形状についても同様にそれぞれに磁気吸引力が発生する。第２針金状部材５３ｂおよび第５針金状部材５３ｅならびに第３針金状部材５３ｃおよび第６針金状部材５３ｆは、点対称かつ磁気吸引力に対する変形に対して十分な長さを備えている。このため、変形してもそれぞれの第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆが第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の中心ＣＰに向かって変位して、お互いが干渉して変形が抑制される。
第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３の断面は長方形であり、長方形の長辺は、第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の中心ＣＰを通る中心線ＣＬを中心とする同一円ＶＣ上に配置される。例えば、長方形断面の板バネ形状について考える。長方形断面において、断面二次モーメントの関係から短辺側に比べて、長辺側のほうが変形しにくい。従って、長辺側を同一円ＶＣ上に配置することにより、隣接する針金状部材５３の影響を抑制しつつ、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの各々は、第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の中心側に変位することが可能となる。このため、長辺方向の不要な変位を抑制することが可能となる。
複数の針金状部材５３は偶数本の第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆを含んでいる。第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆが偶数本で構成されることにより、第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の中心ＣＰを通る中心線ＣＬに対して、対向する位置に対となる針金状部材５３を配置することが可能となるため、変位の方向を一方向に抑制できる。
また、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆは、第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の中心ＣＰを通る中心線ＣＬを中心とする同一円ＶＣ上に配置され、かつ同一円ＶＣ上において中心線ＣＬに対して均等の角度で配置されている。このため、隣接する針金状部材５３から受ける影響を減少することが可能となる。
なお、実施の形態１では、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆが第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の中心ＣＰを通る中心線ＣＬから離れる方向に突き出した例を示した。しかし、後述するように、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆが、複数の曲げ部かつ複数の曲率を備えており、かつ第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の中心ＣＰを通る中心線ＣＬに向けて突き出した形状を備えることにより、同様の効果を得ることが可能である。
第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆが第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の中心ＣＰを通る中心線ＣＬに向けて突き出した方が、通電時の変位量を抑制することが可能となるため、針金状部材５３が通電時に変形する際に発生する応力を減少させることが可能となる。このため、より信頼性の高いパワー半導体モジュール１００が可能となる。さらに、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆが第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の中心ＣＰを通る中心線ＣＬに向けて突き出す形状であれば、チップユニット１０の小型化も可能となる。
実施の形態１では、複数の針金状部材が６本で構成される例を示した。しかしながら、偶数かつ均等であれば本数が多いほうが表皮効果を抑制することが可能であるため、局所的に発熱密度が高くなる現象を抑制することが可能となる。現実的な設計の上では針金状部材の本数は１６本以下が妥当であるが、チップユニット１０の大きさ次第では、更に本数を増やすことも可能である。針金状部材は、奇数でも可能であるが、偶数の方が望ましい。針金状部材が奇数であっても均等配置されていれば合力で中央に均等に力が作用する。
実施の形態１では、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２は、正六角形で構成されているが、針金状部材５３の本数が例えば１６本の場合には、正１６角形とすることが望ましい。すなわち、針金状部材の本数と同数の正多角形とすることが望ましい。
なお、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２とは、正多角形であることが望ましいが、必ずしも正多角形である必要はない。ただし、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２との対向する辺は平行であることが望ましい。
なお、本実施の形態では、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆはそれぞれ独立して形成され、第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２にそれぞれ固定される例を示した。しかし、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆは必ずしも独立した形状である必要はなく、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの各々の第１固定部Ｆ１および第２固定部Ｆ２の少なくともいずれかが一体で形成されていてもよい。これにより、第１固定部Ｆ１および第２固定部Ｆ２の少なくともいずれかの部品点数を削減できる。この場合、第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の第１固定部Ｆ１および第２固定部Ｆ２の少なくともいずれかを円筒形状とすることでも可能である。このような構成であれば、例えば正六角形の筒形状に比べて形状が単純であるため加工し易い。そのため、加工費が安くなる。したがって、低コストなパワー半導体モジュール１００の実現が可能となる。
実施の形態２．
パワー半導体モジュール１００の別構成について説明する。実施の形態２で記載されていない構成は実施の形態１と同様とし、実施の形態１と同様の構成には実施の形態１と同じ符号を付すこととする。実施の形態２では、特に言及しない限り、実施の形態１のパワー半導体モジュール１００と同様の部分については説明を繰り返さず、主として異なる点を説明する。
図６〜図８は、実施の形態２に係るチップユニット１０の構成を示す図である。図６はチップユニット１０の構成を示す斜視図である。図７は、チップユニット１０の構成を示す図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。
図６および図７を参照して、チップユニット１０の構成について説明する。チップユニット１０は、通電構造１と、半導体チップ４とを含んでいる。通電構造１は、第１通電ブロック１１と、第２通電ブロック１２と、複数の針金状部材５３とを含んでいる。複数の針金状部材５３は、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆを含んでいる。
第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２ならびに複数の針金状部材５３は、例えば表面処理を施した純銅を用いて形成される。第１通電ブロック１１は、正六角柱状に構成されている。第１通電ブロック１１は、板状に構成されている。第１通電ブロック１１には孔部１１ａが設けられている。
第２通電ブロック１２は、段付き形状に構成されている。第２通電ブロック１２は、根元部１２ａと、張出部１２ｂとを含んでいる。根元部１２ａは、第２通電ブロック１２の−Ｚ方向側に配置されている。根元部１２ａは、四角柱状に構成されている。根元部１２ａは板状に構成されている。張出部１２ｂは、第２通電ブロック１２の＋Ｚ方向側に配置されている。張出部１２ｂは、正六角柱状に構成されている。第２通電ブロック１２は、−Ｚ方向から見て正六角形状に構成されている。第２通電ブロック１２は、板状に構成されている。
第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の張出部１２ｂの各々の正六角形は、合同である。これらの正六角形のそれぞれの辺は、互いに平行になるように配置されている。また、−Ｚ方向から見て第１通電ブロック１１の中心ＣＰと第２通電ブロック１２の中心ＣＰとを結んだ線分（中心線ＣＬ）は、Ｚ軸と略平行になるように配置される。
第１針金状部材５３ａは、第１通電ブロック１１の側面に固定された第１固定部Ｆ１から−Ｚ方向に延伸し、略１００度の角度で−Ｘ方向に折り曲げられて延伸する。その後、第１針金状部材５３ａは、略１００度の角度で−Ｚ方向に折り曲げられて延伸し、略１００度の角度で＋Ｘ方向に折り曲げられて延伸する。その後、略１００度の角度で−Ｚ方向に折り曲げられて延伸し、第２固定部Ｆ２で第２通電ブロック１２の側面に固定される。第１針金状部材５３ａの第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３の形状は、＋Ｚ方向における当該部分の形状の中心を通る線ＶＬに対して線対称に構成されている。線ＶＬは、第１通電ブロック１１の−Ｚ方向側の面および第２通電ブロック１２の＋Ｚ方向側の面の各々に等距離かつ平行に配置されている。
実施の形態２に係る通電構造１は、ブロック部材１４を備えている。ブロック部材１４は、一対の針金状部材５３の各々の間に配置されている。ブロック部材１４は、第１通電ブロック１１との間に隙間をあけて配置されており、かつ第２通電ブロック１２に接触している。ブロック部材１４と一対の針金状部材５３の各々との距離はそれぞれ等しい。
第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの内側には、外周が正六角柱状のブロック部材１４が配置される。ブロック部材１４の内周には、円形の孔部１４ａが設けられている。孔部１４ａは、第１通電ブロック１１に設けられた孔部１１ａと同軸かつ同径である。
ブロック部材１４の孔部１４ａおよび第１通電ブロック１１の孔部１１ａに連続してバネ部材１５が配置されている。ブロック部材１４の底部にバネ部材１５が載置されている。バネ部材１５は、第１通電ブロック１１を貫通して導電性カバープレート３に接している。このため、バネ部材１５は、導電性カバープレート３を付勢する付勢力を発生させる。
ブロック部材１４は、例えば銅で構成されている。ブロック部材１４は、第２通電ブロック１２に対して、位置決め溝等を介してＸＹ面内方向の変位を抑制するように保持されている。さらに、組み立て時（通電時）にはブロック部材１４と第１通電ブロック１１とは、接触しないように、Ｚ軸方向に僅かな隙間をあけて配置されている。ブロック部材１４は、組み立て時に第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆにも接触しないように、隙間をあけて配置されている。
ブロック部材１４は、テーパ部１４ｂ、１４ｃを含んでいる。テーパ部１４ｂ、１４ｃは、第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の少なくともいずれかの側の端部に設けられている。実施の形態２では、ブロック部材１４の側面に＋Ｚ方向側および−Ｚ方向側に対称形状のテーパ部１４ｂ、１４ｃが設けられている。テーパ部１４ｂ、１４ｃは、Ｚ軸方向における端部に近づくに従って広がるように構成されている。テーパ部１４ｂ、１４ｃは、ブロック部材１４の側面の直線部の両端から、それぞれ第１通電ブロック１１の−Ｚ方向側端部および第２通電ブロック１２の＋Ｚ方向側端部を結んだ線分上に配置されている。テーパ部１４ｂ、１４ｃは、Ｚ軸に対して第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの曲げ角度よりも大きな角度を形成するように構成されている。
第４針金状部材５３ｄは、第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の各々の正六角形の中心ＣＰを通る中心線ＣＬに対して、第１針金状部材５３ａと点対称に配置されている。
本実施の形態では、一対の針金状部材５３の各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３は、間接に互いに接するように構成されている。つまり、一対の針金状部材５３の各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３は、ブロック部材１４を介して互いに接するように構成されている。第１針金状部材５３ａの第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２との間の部分Ｆ３における折り曲げ形状の合計長さの寸法は、第１通電ブロック１１の−Ｚ方向側の側面端部からブロック部材１４の側面の直線部の＋Ｚ方向側端部までの距離の２倍の寸法と、ブロック部材１４の側面の直線部の＋Ｚ軸方向の長さの寸法との和と等しいか、もしくは和よりも僅かに長くなるように設けられている。
第２針金状部材５３ｂ、第３針金状部材５３ｃ、第５針金状部材５３ｅおよび第６針金状部材５３ｆについて説明する。第２針金状部材５３ｂと第５針金状部材５３ｅとは一対になっている。第２針金状部材５３ｂおよび第５針金状部材５３ｅの形状および位置関係は、第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄの形状および位置関係と同様の関係となる。第３針金状部材５３ｃと第６針金状部材５３ｆとは一対になっている。第３針金状部材５３ｃおよび第６針金状部材５３ｆの形状および位置関係は、第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄの形状および位置関係と同様の関係となる。第２通電ブロック１２の根元部１２ａが半導体チップ４の電極４ａに当接することにより、第２通電ブロック１２は半導体チップ４と電気的に接続されている。
実施の形態２に係るパワー半導体モジュール１００の動作について説明する。実施の形態２に係るパワー半導体モジュール１００は、半導体チップ４が故障したときに高い信頼性を備えるためのものである。例えば、半導体チップ４が故障して、１つの半導体チップ４のみが短絡されたときについて考える。
図８は、半導体チップ４の１素子のみが短絡したときの図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。図８を参照して、例えば、一対となる第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄには、同方向の大電流が流れるため、それぞれに大きな吸引力が働く。そのため、第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄは、第１通電ブロック１１の中心方向に大きく変形する。第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄは、ブロック部材１４の側面形状に沿って、張り付くように変形する。変形した第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆはそれぞれ変形した形状を保ちチップユニット１０の通電を維持する。第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄは、磁気吸引力により変形した際に、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２との間で、ブロック部材１４を介して、高さ方向（第２通電ブロック１２が第１通電ブロック１１に対向する方向）に連続して互いに接する。第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄの連続部分の長さは、磁気吸引力により変形した際に、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２との間でブロック部材１４に張り付く長さである。具体的には、第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄは、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２との間で、ブロック部材１４に高さ方向に連続して接し、かつ第１通電ブロック１１とブロック部材１４とが形成する仮想平面に対して接する長さに構成されている。
次に、実施の形態２の作用効果について説明する。
実施の形態２に係る通電構造１によれば、複数の針金状部材５３により表皮効果を緩和して局所的に発熱が高くなることを抑制することができる。つまり、パワー半導体モジュール１００に搭載される複数の半導体チップ４の内、１つの半導体チップ４のみが故障のために短絡してチップユニット１０に大電流が発生した場合でも、チップユニット１０は第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆのように断面の小さい複数の通電経路を備えるため、表皮効果を抑制することが可能となる。したがって、電流密度分布の顕著な粗密が発生することにより局所的に発熱密度が高くなる現象を抑制することが可能となる。局所的に発熱密度が高くなる現象を抑制することにより、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの温度上昇を抑制することが可能となる。
仮に第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの温度上昇により第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆが溶解して断線した場合、通電経路に隙間が発生することとなる。微小な隙間に高い電位差が生じた場合、アークが発生する。アークが発生するとパワー半導体モジュール１００が破壊される可能性がある。第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの溶解を抑制することは、パワー半導体モジュール１００の破壊を抑制することにつながる。このため、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの溶解を抑制することにより高い信頼性を備える通電構造１を備えたパワー半導体モジュール１００が可能となる。
また、第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の直線距離は、一対の針金状部材５３の各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３の長さよりも短いため、磁気吸引力により一対の針金状部材５３の各々が変形して破壊されることを抑制できる。
一対の針金状部材５３の各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３は、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２との間に突き出して変形した状態で、ブロック部材１３を介して間接に互いに接するように構成されており、高さ方向に連続して接する連続部分を有している。このため、磁気吸引力により一対の針金状部材５３の各々が変形して破壊されることを抑制できる。
例えば、一対となる第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄの各々では、第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３は、互いに中心線ＣＬに対して点対称に構成されている。さらに、通電構造１はブロック部材１４を備えている。第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３における折り曲げ形状の合計長さの寸法は、第１通電ブロック１１の−Ｚ方向側の側面端部からブロック部材１４の側面の直線部の＋Ｚ方向側端部までの距離の２倍の寸法と、ブロック部材１４の側面の直線部の＋Ｚ軸方向の長さの寸法との和と等しいか、もしくは和よりも僅かに長くなるように設けられている。
第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄには、同方向に電流が流れるため、互いに引き付け合う方向に力が働く。第１針金状部材５３ａには−Ｘ方向に力が働き、第４針金状部材５３ｄには＋Ｘ方向に力が働くことになる。このとき、第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄは、点対称かつ磁気吸引力に対する変形に十分な長さを備えており、かつブロック部材１４で変形が抑制される。これにより、第１針金状部材５３ａおよび第４針金状部材５３ｄに発生する応力を緩和することが可能となる。
それぞれ一対となる第２針金状部材５３ｂおよび第５針金状部材５３ｅならびに第３針金状部材５３ｃおよび第６針金状部材５３ｆの形状についても同様にそれぞれに磁気吸引力が発生する。第２針金状部材５３ｂおよび第５針金状部材５３ｅならびに第３針金状部材５３ｃおよび第６針金状部材５３ｆは、点対称かつ磁気吸引力に対する変形に対して十分な長さを備えている。このため、変形してもそれぞれの第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆが第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の中心に向かって変位して、ブロック部材１４により変形が抑制される。
ブロック部材１４はテーパ部１４ｂ、１４ｃを含んでいる。テーパ部１４ｂ、１４ｃは、ブロック部材１４の上下の端部に設けられている。テーパ部１４ｂ、１４ｃにより、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの必要な長さを削減できる。さらに故障通電時の変形量を抑制できるため、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの応力を緩和することが可能となる。したがって、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆが応力で破断し難い構成となるため、低コストで信頼性の高いパワー半導体モジュール１００の実現が可能となる。
バネ部材１５は、導電性カバープレート３とブロック部材１４との間に作用する付勢力（反発力）を備えている。したがって、導電性カバープレート３は、組み立て時には組み立て前に対して−Ｚ方向に圧接して保持されるため、ブロック部材１４の安定した保持が可能となるとともに、チップユニット１０が半導体チップ４を圧接する力を補助することが可能となる。
第１通電ブロック１１とブロック部材１４との間には隙間があるため、ブロック部材１４は、通常、通電経路として使用されない。しかし、故障通電時に第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆが破断した状態で、ブロック部材１４に張り付いたときには、ブロック部材１４を非常通電経路として使用することが可能となる。これにより、信頼性が向上する。
第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３の断面は長方形であり、長方形の長辺は第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の中心ＣＰを通る中心線ＣＬを中心とする同一円ＶＣ上に配置される。例えば、長方形断面の板バネ形状について考える。長方形断面において、断面二次モーメントの関係から短辺側に比べて、長辺側のほうが変形しにくい。従って、長辺側を同一円ＶＣ上に配置することにより、隣接する針金状部材５３の影響を抑制しつつ、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの各々は、第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の中心側に変位することが可能となる。このため、長辺方向の不要な変位を抑制することが可能となる。
複数の針金状部材５３は偶数本の第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆを含んでいる。第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆが偶数本で構成されることにより、第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の中心ＣＰを通る中心線ＣＬに対して、対向する位置に対となる針金状部材５３を配置することが可能となるため、変位の方向を一方向に抑制できる。また、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆが第１通電ブロック１１の中心に対して同一円ＶＣ上に均等に配置されるため、隣接する針金状部材５３から受ける影響を減少することが可能となる。
なお、実施の形態２では、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆが第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の中心ＣＰを通る中心線ＣＬから離れる方向に突き出した例を示した。しかし、後述するように、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆが、複数の曲げ部かつ複数の曲率を備えており、かつ第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の中心ＣＰを通る中心線ＣＬに向けて突き出した形状を備えることにより、同様の効果を得ることが可能である。
本実施の形態では、複数の針金状部材が６本で構成される例を示した。しかしながら、偶数かつ均等であれば本数が多いほうが表皮効果を抑制することが可能であるため、局所的に発熱密度が高くなる現象を抑制することが可能となる。現実的な設計の上では針金状部材の本数は１６本以下が妥当であるが、チップユニット１０の大きさ次第では、更に本数を増やすことも可能である。針金状部材は、奇数でも可能であるが、偶数の方が望ましい。針金状部材が奇数であっても均等配置されていれば合力で中央に均等に力が作用する。
実施の形態２では、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２は、正六角形で構成されているが、針金状部材の本数が例えば１６本の場合には、正１６角形とすることが望ましい。すなわち、針金状部材の本数と同数の正多角形とすることが望ましい。
なお、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２とは、正多角形であることが望ましいが、必ずしも正多角形である必要はない。ただし、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２との対向する辺は平行であることが望ましい。
なお、本実施の形態では、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆはそれぞれ独立して形成され、第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２にそれぞれ固定される例を示した。しかし、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆは必ずしも独立した形状である必要はなく、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの各々の第１固定部Ｆ１および第２固定部Ｆ２の少なくともいずれかが一体で形成されていてもよい。これにより、第１固定部Ｆ１および第２固定部Ｆ２の少なくともいずれかの部品点数を削減できる。この場合、第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の第１固定部Ｆ１および第２固定部Ｆ２の少なくともいずれかを円筒形状とすることでも可能である。このような構成であれば、例えば正六角形の筒形状に比べて形状が単純であるため加工し易い。そのため、加工費が安くなる。したがって、低コストなパワー半導体モジュール１００の実現が可能となる。
なお、実施の形態２では、ブロック部材１４は銅で構成する例を示したが、高剛性材料であれば同様の効果を得ることは可能であり、樹脂の場合は非常通電経路としての機能は失うが、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの変形を抑制する機能を備えることが可能である。
次に、実施の形態２の変形例１〜４について説明する。実施の形態の２の変形例１〜４では、特に言及しない限り、実施の形態２のパワー半導体モジュール１００と同様の部分については説明を繰り返さず、主として異なる点を説明する。
図９を参照して、実施の形態２の変形例１について説明する。図９は、実施の形態２の変形例１を示すための図６のＩＸ−ＩＸ線に沿う断面位置での断面図である。図９は、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの断面形状の変形例を示すための断面図である。
実施の形態２の変形例１では、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３の断面は、円である。この円の半径は、想定されるシステムにおいて発生する故障モードの電流波形に対する表皮深さと同等あるいはそれ以上とすることが望ましい。
以上の構成により、実施の形態２の変形例１では、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３の断面は、円である。円形の断面は表皮効果に対して最も効果的な形状であるため、最も少ない断面積で高い発熱密度抑制効果を備えることが可能となる。
図１０を参照して、実施の形態２の変形例２について説明する。図１０は、実施の形態２の変形例２を示すための図６のＩＸ−ＩＸに沿う断面位置での断面図である。図１０は、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの断面形状の変形例を示すための図である。
実施の形態２の変形例２では、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３の断面は、楕円である。この楕円の長軸は、想定されるシステムにおいて発生する故障モードの電流波形に対する表皮深さと同等あるいはそれ以上とすることが望ましい。第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの各々における楕円の長軸は、第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の中心ＣＰを通る中心線ＣＬを中心とする同一円ＶＣ上に配置される。
以上の構成により、実施の形態２の変形例２では、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３の断面は、楕円である。楕円の断面は矩形に比べて表皮効果に対して効果的な形状であるため、矩形に比べて少ない断面積で高い発熱密度抑制効果を備えることが可能となる。
第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの各々における楕円の長軸は、第１通電ブロック１１および第２通電ブロック１２の中心ＣＰを通る中心線ＣＬを中心とする同一円ＶＣ上に配置される。このため、隣り合う針金状部材５３方向の影響を緩和することが可能となる。
図１１を参照して、実施の形態２の変形例３について説明する。図１１は、実施の形態２の変形例３を示すための図６のＩＸ−ＩＸに沿う断面位置での断面図である。図１１は、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆおよび第７針金状部材５４ａ〜第１２針金状部材５４ｆの断面形状の変形例を示すための図である。
実施の形態３の変形例３では、複数の針金状部材５３は、同一円ＶＣの半径方向に重ねて配置された一組の針金状部材５３を含んでいる。複数の針金状部材５３は、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆおよび第７針金状部材５４ａ〜第１２針金状部材５４ｆを含んでいる。第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの各々は、第７針金状部材５４ａ〜第１２針金状部材５４ｆの各々とそれぞれ一組に構成されている。第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの各々は、第７針金状部材５４ａ〜第１２針金状部材５４ｆの各々とそれぞれ同一円ＶＣの半径方向に重ねて配置されている。
第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３の断面は、長方形である。この長方形の長辺は、同一円ＶＣ上に配置されている。この長方形の長辺は、同一円ＶＣの接線に沿って配置されている。この長方形の短辺は、同一円ＶＣの中心と接点とを結ぶ線に沿って配置されている。長辺は短辺に対して４倍以上８倍以下程度の長さとなるように構成されている。複数の針金状部材５３の各々が短辺方向に弾性を有するように、短辺は２ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がさらに好ましい。
第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆの外側の側面には、同一形状の断面を有する第７針金状部材５４ａ〜第１２針金状部材５４ｆがそれぞれ配置される。第７針金状部材５４ａ〜第１２針金状部材５４ｆの各々の第１固定部Ｆ１と第２固定部Ｆ２との間の部分Ｆ３の断面は、長方形である。この長方形の長辺は、同一円ＶＣ上に配置されている。この長方形の長辺は、同一円ＶＣの接線に沿って配置されている。
以上の構成により、実施の形態２の変形例３によれば、パワー半導体モジュール１００に搭載される複数の半導体チップ４の内、１つの半導体チップ４のみが故障のために短絡してチップユニット１０に大電流が発生した場合でも、チップユニット１０は第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆおよび第７針金状部材５４ａ〜第１２針金状部材５４ｆのように断面の小さい複数の通電経路を備えるため、表皮効果を抑制することが可能となる。したがって、電流密度分布の顕著な粗密が発生することにより局所的に発熱密度が高くなる現象を抑制することが可能となる。局所的に発熱密度が高くなる現象を抑制することにより、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆおよび第７針金状部材５４ａ〜第１２針金状部材５４ｆの温度上昇を抑制することが可能となる。
また、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆおよび第７針金状部材５４ａ〜第１２針金状部材５４ｆのそれぞれに電流が流れる。このため、例えば、一組の第１針金状部材５３ａと第７針金状部材５４ａとを合成した形状に対して、発熱密度分布を抑制することが可能となる。これにより、温度上昇を抑制することが可能となる。
また、第１針金状部材５３ａ〜第６針金状部材５３ｆおよび第７針金状部材５４ａ〜第１２針金状部材５４ｆの断面の長方形の長辺は、同一円ＶＣ上に配置される。このため、隣り合う針金状部材５３方向の影響を緩和することが可能となる。
図１２および図１３を参照して、実施の形態２の変形例４について説明する。図１２は、実施の形態２の変形例４の一例を示すための針金状部材の斜視図である。図１３は、実施の形態２の変形例の別例を示すための針金状部材の斜視図である。図１２および図１３は、針金状部材の曲げ形状の変形例を示すための斜視図である。なお、針金状部は、実施の形態２と同様に、１個のチップユニット１０に対して６個使用される。
図１２を参照して、実施の形態２の変形例４の一例における針金状部材６３について説明する。針金状部材６３は、複数の曲げ部６３ａ〜６３ｅを含んでいる。具体的には、針金状部材６３は、５箇所の曲げ部６３ａ〜６３ｅを備えている。複数の曲げ部６３ａ〜６３ｅの各々は、一対の針金状部材５３が向かい合う方向に曲げられている。複数の曲げ部６３ａ〜６３ｅの少なくとも１つは、第１通電ブロック１１と第２通電ブロック１２との間に突き出すように構成されている。曲げ部６３ａ、６３ｅはそれぞれ同じ角度で曲げられている。曲げ部６３ｂ、６３ｃ、６３ｄはそれぞれ同じ角度で曲げられている。曲げ部６３ｂ、６３ｃ、６３ｄは曲げ部６３ａ、６３ｅよりも小さい曲率を備える。
図１３を参照して、実施の形態２の変形例４の別例における針金状部材７３について説明する。針金状部材７３は、５箇所の曲げ部７３ａ〜７３ｅを備えている。曲げ部７３ａ、７３ｅはそれぞれ同じ角度で曲げられている。曲げ部７３ｂ、７３ｄはそれぞれ同じ角度で曲げられている。また、曲げ部７３ｃは第１通電ブロックの外周方向に大きなＲ形状を備えている。曲げ部７３ｃはＣ字状に曲げられている。曲げ部７３ｂ、７ｄは曲げ部７３ａ、７３ｅよりも小さい曲率を備えている。曲げ部７３ａ、７３ｅは曲げ部７３ｃよりも小さい曲率を備えている。
針金状部材６３および針金状部材７３に共通している点は、複数の曲率を備えた曲げ部６３ａ〜６３ｅ、７３ａ〜７３ｅを備えている点である。曲げ部６３ａ〜６３ｅ、７３ａ〜７３ｅの長さは、第１通電ブロック１１の−Ｚ方向側の側面端部からブロック部材１４の側面の直線部の＋Ｚ方向側端部までの距離の２倍と、ブロック部材１４の側面の直線部の長さの和と等しいか、もしくは僅かに長くなる。
以上の構成により、実施の形態２の変形例４によれば、パワー半導体モジュール１００に搭載される複数の半導体チップ４の内、１つの半導体チップ４のみが故障のために短絡してチップユニット１０に大電流が発生した場合でも、針金状部材６３および針金状部材７３は、磁気吸引力に対する変形に十分な長さを備えている。変形した針金状部材６３および針金状部材７３は、ブロック部材１４で変位が抑制されるため、針金状部材６３および針金状部材７３に発生する応力を緩和することが可能となる。
また、複数の曲げ部６３ａ〜６３ｅ、７３ａ〜７３ｅにより針金状部材６３および針金状部材７３の全長が長くなる。このため、Ｘ方向への曲げ部６３ａ〜６３ｅ、７３ａ〜７３ｅの構成に必要な長さを低減することが可能となる。つまり、針金状部材６３および針金状部材７３のＸ方向に突き出す量を低減することが可能となる。このため、小型のチップユニット１０を実現することが可能となる。したがって、小型のパワー半導体モジュール１００を実現することが可能となる。
今回開示された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と考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、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が含まれることが意図される。
１ 通電構造、２ 導電性ベースプレート、３ 導電性カバープレート、４ 半導体チップ、４ａ 電極、５ 樹脂フレーム、６ 金属板、１０ チップユニット、１１ 第１通電ブロック、１１ａ，１４ａ 孔部、１２ 第２通電ブロック、１２ａ 根元部、１２ｂ 張出部、１４ ブロック部材、１４ａ，１４ｂ テーパ部、１５ バネ部材、５３，６３，７３ 針金状部材、６３ａ〜６３ｅ，７３ａ〜７３ｅ 曲げ部、１００ パワー半導体モジュール、Ｆ１ 第１固定部、Ｆ２ 第２固定部、Ｆ３ 部分、ＶＣ 同一円、ＶＬ 線。

Claims (15)

  1. 第１通電ブロックと、
    前記第１通電ブロックに対向する第２通電ブロックと、
    前記第１通電ブロックと前記第２通電ブロックとに接続され、かつ導電性を有し非直線形状の複数の針金状部材とを備え、
    前記複数の針金状部材は、前記第１通電ブロックおよび前記第２通電ブロックを挟んで向かい合うように配置された一対の針金状部材を含み、
    前記一対の針金状部材の各々は、前記第１通電ブロックに固定された第１固定部と、前記第２通電ブロックに固定された第２固定部とを含み、
    前記第１固定部と前記第２固定部との間の直線距離は、前記一対の針金状部材の各々の前記第１固定部と前記第２固定部との間の部分の長さよりも短く、
    前記一対の針金状部材の各々の前記第１固定部と前記第２固定部との間の前記部分は、前記第１通電ブロックと前記第２通電ブロックとの間に突き出すように変形した状態で、直接または間接に互いに接するように構成されており、高さ方向に連続して接する連続部分を有している、通電構造。
  2. 前記一対の針金状部材の各々の間に配置されたブロック部材をさらに備え、
    前記ブロック部材は、前記第１通電ブロックとの間に隙間をあけて配置されており、かつ前記第２通電ブロックに接触している、請求項１に記載の通電構造。
  3. 前記ブロック部材と前記一対の針金状部材の各々との距離はそれぞれ等しい、請求項２に記載の通電構造。
  4. 前記ブロック部材は、前記第１通電ブロックおよび前記第２通電ブロックの少なくともいずれかの側の端部に設けられたテーパ部を含み、
    前記テーパ部は、前記端部に近づくに従って広がるように構成されている、請求項２または３に記載の通電構造。
  5. 前記複数の針金状部材の各々の厚みは、前記第１通電ブロックの厚みよりも薄い、請求項１〜４のいずれか１項に記載の通電構造。
  6. 前記第１通電ブロックには孔部が設けられており、
    前記孔部は、前記第２通電ブロックが前記第１通電ブロックに対向する方向に、前記第１通電ブロックを貫通している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の通電構造。
  7. 前記一対の針金状部材の各々の前記第１固定部と前記第２固定部との間の前記部分の幅は、前記第１固定部および前記第２固定部の各々の幅よりも狭い、請求項１〜６のいずれか１項に記載の通電構造。
  8. 前記複数の針金状部材の各々の前記第１固定部と前記第２固定部との間の前記部分の断面は、円である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の通電構造。
  9. 前記複数の針金状部材の各々は、前記第１通電ブロックおよび前記第２通電ブロックの各々の中心を通る中心線を中心とする同一円上に配置され、かつ前記同一円上において前記中心線に対して均等の角度で配置されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の通電構造。
  10. 前記複数の針金状部材の各々の前記第１固定部と前記第２固定部との間の前記部分の断面は、長方形であり、
    前記長方形の長辺が前記同一円上に配置されている、請求項９に記載の通電構造。
  11. 前記複数の針金状部材は、前記同一円の半径方向に重ねて配置された一組の針金状部材を含む、請求項９または１０に記載の通電構造。
  12. 前記複数の針金状部材の各々の前記第１固定部と前記第２固定部との間の前記部分の断面は、楕円であり、
    前記楕円の長軸が前記同一円上に配置されている、請求項９に記載の通電構造。
  13. 前記複数の針金状部材の各々は複数の曲げ部を含み、
    前記複数の曲げ部の各々は、前記一対の針金状部材が向かい合う方向に曲げられており、
    前記複数の曲げ部の少なくとも１つは、前記第１通電ブロックと前記第２通電ブロックとの間に突き出すように構成されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の通電構造。
  14. 前記第１通電ブロックと前記第２通電ブロックとが近づくように圧力が加えられた状態で通電を維持するように構成された、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の通電構造。
  15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の通電構造と、
    前記通電構造に電気的に接続された電力用半導体チップとを備えた、パワー半導体モジュール。
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