JP6699494B2 - 半導体積層ユニット - Google Patents

Description

本明細書は、半導体素子を収容した半導体モジュールと冷却器が交互に積層された半導体積層ユニットを開示する。

上記した半導体積層ユニットが例えば特許文献１−３に開示されている。半導体積層ユニットでは、平板状の半導体モジュールの両側に冷却器が隣接する。冷却器の内部を液体冷媒が通過し、隣接する半導体モジュールを冷却する。そのような半導体積層ユニットは、たとえば、電気自動車の走行モータ用のインバータに用いられる。特許文献１−３の半導体積層ユニットの冷却器は、いずれも、フランジを有する一対のお盆形状の金属板のフランジ面同士を接合した中空形状をなしている。複数の冷却器は、フランジ面が、冷却器と半導体モジュールの積層方向を向くように配置されている。積層方向と平行な半導体モジュールの側面からは、内部の半導体素子と導通する端子が延びている。特許文献２の半導体積層ユニットでは、冷却器から、上記端子に接触する伝熱プレートが延びている。特許文献３の半導体積層ユニットでは、冷却器を形成する一対の金属板のフランジの縁部が互いに離れる方向に屈曲している。

特開２０１６−０９２２２２号公報 特開２０１４−０６０３０４号公報 特開２０１２−２３８６８１号公報

ところで、半導体素子を収容する半導体モジュールでは、端子のインダクタンスは小さい方が望ましい。端子で生じる電力ロスを小さくすることができるからである。本明細書は、半導体モジュールと冷却器が積層された半導体積層ユニットに関し、冷却器の構造的特徴を活用し、半導体モジュールから延びる端子のインダクタンスの低減を安価に実現する技術を提供する。

本明細書が開示する半導体積層ユニットは、トランジスタチップを収容した平板型の半導体モジュールの両面に冷却器が接するように半導体モジュールと冷却器が交互に積層されているデバイスである。半導体モジュールでは、冷却器との積層方向に平行な一側面から、内部のトランジスタチップの高電位側電極または低電位側電極と導通しているパワー端子が延びている。半導体モジュールの反対側の側面からは、トランジスタチップのゲートと導通している制御端子が延びている。制御端子はトランジスタチップを制御する制御基板に接続されている。冷却器は、フランジを有する一対のお盆形状の金属板のフランジ面同士を接合した中空形状をなしており、フランジ面が積層方向を向くように配置されている。そして、半導体モジュールの上記した一側面（端子が延びている側面）と同じ側のフランジ部分に、パワー端子と対向するように、フランジを延長した延長部が設けられている。半導体モジュールの端子に流れる電流に起因して端子の周囲に磁界（磁束）が生じる。端子を流れる電流と磁束は比例し、その比例係数がインダクタンスに相当する。冷却器のフランジに延長部を設け、その延長部が端子と対向する。そうすると、パワー端子が発する磁界により延長部に渦電流が生じ、それによって端子が発する磁界（磁束）が小さくなる。従って、パワー端子を流れる電流と磁束の比例係数であるインダクタンスが下がる。本明細書が開示する技術は、半導体積層ユニットの冷却器がもともと有していたフランジを延長するだけでよいので、安価に実現することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の半導体積層ユニットの斜視図である。 実施例の半導体積層ユニットが組み込まれたインバータの正面図である。 図中のＸＺ平面で半導体積層ユニットをカットした断面図である。 変形例の半導体積層ユニットを含むインバータの正面図である。

図面を参照して実施例の半導体積層ユニット２０を説明する。図１に、半導体積層ユニット２０と、それに接続されるコンデンサ８のアセンブリの斜視図を示す。半導体積層ユニット２０は、複数の半導体モジュール３と複数の冷却器４が一つずつ交互に積層されたデバイスである。半導体積層ユニット２０は、電気自動車においてバッテリの直流電力を、走行用モータを駆動するための交流電力に変換するインバータの主要部品として用いられる。図１では、左端の半導体モジュールにのみ符号を付し、他の半導体モジュールには符号を省略した。説明の便宜上、図中の座標系のＺ軸正方向を「上」と称し、Ｚ軸負方向を「下」と称する。また、図中のＸ軸方向が半導体モジュール３と冷却器４の積層方向に相当する。以降の図でも、図中の座標系の意味は同じである。

半導体モジュール３は、内部に２個のトランジスタチップを収容している。半導体モジュール３の本体の上面から、３個のパワー端子（正極端子３ａ、負極端子３ｂ、中点端子３ｃ）が延びている。パワー端子３ａ−３ｃは、いずれも平板状であり、その幅広面が積層方向を向いている。なお、半導体モジュール３の上面は、半導体モジュール３と冷却器４の積層方向と平行な一側面である。半導体モジュール３の内部で２個のトランジスタチップは直列に接続されており、その高電位側と低電位側と中点が、夫々、正極端子３ａ、負極端子３ｂ、中点端子３ｃと接続されている。トランジスタチップの直列接続は、それらのパワー端子３ａ−３ｃを通じて外部の回路と接続される。半導体モジュール３の下面から複数の制御端子５１が延びている。複数の制御端子５１は、夫々のトランジスタチップのゲートと導通している端子、センスエミッタと接続している端子、半導体モジュール３に内蔵されている温度センサと導通している端子などである。

図１では、複数の半導体モジュール３の正極端子３ａが、バスバ７に接続されており、バスバ７を介してコンデンサ８と接続されている。図示を省略しているが、負極端子３ｂは、別のバスバを介してコンデンサ８と接続されている。即ち、複数の半導体モジュール３の内部の２個のトランジスタチップの直列接続は、全てコンデンサ８と並列に接続されることになる。図１では、中点端子３ｃの接続先も図示を省略している。

半導体積層ユニット２０では、平板型の複数の冷却器４は、その幅広面を対向させて配置されている。隣り合う冷却器４の間に平板型の半導体モジュール３が挟まれている。図示は省略しているが、半導体積層ユニット２０は、その積層方向に加圧されている。積層方向の加圧により、隣接する半導体モジュール３と冷却器４が密着し、両者の間の熱伝達効率を高めている。

半導体モジュール３を挟んで隣り合う冷却器４は、２個の連結管５、６で連結される。複数の冷却器４の一方の連結管５は、積層方向（図中のＸ軸方向）に一列に並んでおり、他方の連結管６も、積層方向に一列に並んでいる。冷却器４の本体の内部は空洞であり、その空洞を液体の冷媒が流れる。半導体積層ユニット２０の右端の冷却器４の連結管５を通じて外部から液体の冷媒が供給される。液体の冷媒は、積層方向に一列に並んだ複数の連結管５を通じて全ての冷却器４に分配される。冷媒は冷却器４を通過する間に隣接する半導体モジュール３から熱を吸収する。半導体モジュール３から熱を吸収した冷媒は、積層方向に一例に並んだ複数の連結管６を通じ、半導体積層ユニット２０の外部に排出される。冷媒は、典型的には、水、あるいは、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。

詳しくは後述するが、冷却器４は、フランジを有する一対のお盆形状の金属板のフランジ面同士を接合した中空形状をなしている。図１では、右端の冷却器４にのみ、フランジに符号４ａを付している。複数の冷却器４は、そのフランジ面が積層方向を向くように配置されている。各冷却器４のフランジ４ａには、半導体モジュール３の上面（パワー端子３ａ−３ｃが設けられている一側面）と同じ側のフランジ部分に、フランジ４ａを延長した延長部４ｂが設けられている。延長部４ｂは、パワー端子３ａ−３ｃの夫々の一部と対向する。先に述べたように、パワー端子３ａ−３ｃは、平板状であり、延長部４ｂは、パワー端子３ａ−３ｂの幅広面と対向する。なお、フランジ４ａと延長部４ｂは、一続きの部材であるが、図１と図２では、延長部４ｂを理解し易くするために、フランジ４ａと延長部４ｂの境界を破線で示してある。

図２に、半導体積層ユニット２０を組み込んだインバータ１００の正面図を示す。図２は、インバータ１００の図面手前側の筐体壁をカットした図である。半導体積層ユニット２０とコンデンサ８は、筐体５２に収容されている。半導体モジュール３の正極端子３ａがバスバ７を介してコンデンサ８と接続され、負極端子３ｂがバスバ９を介してコンデンサ８と接続されている。中点端子３ｃの接続先は図示を省略している。

半導体積層ユニット２０の下側にて、制御基板５０が筐体５２に固定されている。その制御基板５０に半導体モジュール３の制御端子５１が接続されている。制御基板５０は、各半導体モジュール３の内部のトランジスタチップのゲートに加える駆動信号を生成し、制御端子５１を介して駆動信号をゲートに伝達する。

図２に示されているように、冷却器４のフランジ４ａの延長部４ｂは、パワー端子３ａ−３ｃの夫々の一部と対向する。

図３に、半導体積層ユニット２０を図中のＸＺ平面でカットした断面図を示す。図３は、正極端子３ａを横断する断面である。半導体積層ユニット２０は、冷却器４と半導体モジュール３がＸ方向に交互に並んでいる。それゆえ、図３では、４個の冷却器と３個の半導体モジュールを示し、積層方向の両側の冷却器と半導体モジュールは図示を省略した。半導体モジュール３には、２個のトランジスタチップが収容されているが、図３には、一つのトランジスタチップ３３のみが現れている。もう一つのトランジスタチップは、紙面奥側に位置している。

半導体モジュール３の本体は、射出成形にて樹脂を固めた樹脂パッケージ３５であり、その樹脂パッケージ３５の中に、トランジスタチップ３３（及び、もうひとつのトランジスタチップ）が埋設されている。トランジスタチップ３３は平板型のチップであり、一方の幅広面にコレクタ電極が露出しており、他方の幅広面にエミッタ電極とゲート電極が露出している。トランジスタチップ３３のコレクタ電極にスペーサ３４が接続されている。スペーサ３４のトランジスタチップ３３とは反対側に放熱板３２ａが接続されている。放熱板３２ａの一方の面は、樹脂パッケージ３５の表面に露出している。トランジスタチップ３３のエミッタ電極に放熱板３２ｂが接続されている。放熱板３２ｂの一方の面は、樹脂パッケージ３５の表面に露出している。紙面の奥側で、放熱板３２ｂにもう一つのトランジスタチップのコレクタ電極が接続している。もう一つのトランジスタチップのエミッタ電極には、別のスペーサが接続されており、その別のスペーサに、別の放熱板が接続されている。別の放熱板の一面も樹脂パッケージ３５から露出している。

上記の接続構造により、放熱板３２ｂを介して２個のトランジスタチップが直列に接続される。図３に示されているように、放熱板３２ａの上側の縁から正極端子３ａが延びており、正極端子３ａの上部は樹脂パッケージ３５から上方へ延びている。図３には表れていないが、放熱板３２ｂの上側の縁から中点端子３ｃが延びており、先に述べた別の放熱板の上側の縁から負極端子３ｂが上方へ延びている。放熱板３２ａ、３２ｂ、及び、別の放熱板は、トランジスタチップの熱を樹脂パッケージ３５の表面に伝達する放熱板としての機能のほか、トランジスタチップの電極（コレクタ電極とエミッタ電極）を、樹脂パッケージ３５の外へ延びているパワー端子３ａ−３ｃの夫々と接続する導電部材としての機能を有している。

図３によく示されているように、冷却器４は、フランジ４ａを有する一対のお盆形状の金属板のフランジ面同士を接合した中空形状をなしている。冷却器４の幅広面の裏面には複数のピンフィン４４が設けられている。図３にも示されているように、冷却器４のフランジ４ａの延長部４ｂは、正極端子３ａの一部と対向する。図２を参照して説明したように、負極端子３ｂ、中点端子３ｃも同様に、その一部が延長部４ｂと対向する。

フランジ４ａの延長部４ｂの効果を説明する。正極端子３ａに電流が流れると、その電流に起因して正極端子３ａを囲むように磁界（磁束）が発生する。磁束は電流に比例し、その比例定数がインダクタンスに相当する。インダクタンスは、また、正極端子３ａにおける電力損失と正の相関がある。従って、インダクタンスが小さいほど、正極端子３ａで生じる損失が小さくなる。正極端子３ａを囲むように発生した磁界（磁束）は、正極端子３ａの両側で対向する延長部４ｂを貫く。延長部４ｂを含め、冷却器４は、導電性のアルミニウムで作られており、延長部４ｂには、それを貫く磁束によって渦電流が発生する。渦電流の発生により、正極端子３ａを囲む磁界（磁束）は小さくなる。その結果、インダクタンスも小さくなり、正極端子３ａで生じる損失も小さくなる。負極端子３ｂ、中点端子３ｃでも同様の現象が生じ、延長部４ｂによってそれらパワー端子３ａ−３ｃのインダクタンスが小さくなり、損失も小さくなる。

冷却器４のフランジ４ａは、一対のお盆形状の金属板を接合するためにもともと必要な部分であり、その一部を延長するのは少ないコストで実現できる。延長部４ｂは、長いほどよいが、図２に示すように、パワー端子３ａ−３ｃの先端にはバスバ７、９が接続されるため、延長部４ｂの長さ（図中のＺ方向の長さ）は、バスバ７、９との絶縁が確保できる範囲で定められる。冷却器４のフランジ４ａの延長部４ｂは、パワー端子３ａ−３ｃのごく一部と対向するのみであるが、延長部４ｂを設けるためのコストは小さいため、相応の費用対効果が期待できる。

変形例の半導体積層ユニットを説明する。図４は、変形例の半導体積層ユニット２０ａが組み込まれたインバータの正面図である。変形例の半導体積層ユニット２０ａの冷却器４は、２個の延長部４ｂ、４ｃを有している。延長部４ｃは、冷却器４のフランジ４ａにおいて、延長部４ｂと反対側のフランジ部分に設けられている。即ち、冷却器４は、図のＺ方向を上下として、上下対称の形状を有している。冷却器４が上下対称の形状であると、製造工程において、冷却器４の上下を考慮する必要がなくなる。変形例の半導体積層ユニット２０ａでは、全ての冷却器４が、２個の延長部４ｂ、４ｃを備えている。

実施例のトランジスタチップ３３が請求項の「半導体素子」の一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。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し得るものであり、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。

３：半導体モジュール
３ａ：正極端子（パワー端子）
３ｂ：負極端子（パワー端子）
３ｃ：中点端子（パワー端子）
４：冷却器
４ａ：フランジ
４ｂ、４ｃ：延長部
５、６：連結管
７、９：バスバ
８：コンデンサ
２０、２０ａ：半導体積層ユニット
３２ａ、３２ｂ：放熱板
３３：トランジスタチップ
３４：スペーサ
３５：樹脂パッケージ
４３：金属板
４４：ピンフィン
５０：制御基板
５１：制御端子
５２：筐体
１００：インバータ

Claims (2)

1. 高電位側電極と低電位側電極とゲートを有するトランジスタチップを収容した平板型の半導体モジュールの両面に冷却器が接するように前記半導体モジュールと前記冷却器が交互に積層されている半導体積層ユニットであり、
   前記半導体モジュールは、前記冷却器との積層方向に平行な一側面から、内部の前記トランジスタチップの前記高電位側電極または前記低電位側電極と導通しているパワー端子が延びているとともに、反対側の側面から、前記ゲートと導通している制御端子が延びており、
   前記制御端子は前記トランジスタチップを制御する制御基板に接続されており、
   前記冷却器は、フランジを有する一対のお盆形状の金属板のフランジ面同士を接合した中空形状をなしており、前記フランジ面が前記積層方向を向くように配置されており、
   前記半導体モジュールの前記一側面と同じ側のフランジ部分に、前記パワー端子と対向するように、当該フランジを延長した延長部が設けられている、半導体積層ユニット。
2. 前記冷却器には、前記半導体モジュールの前記一側面とは反対側のフランジ部分にも、当該フランジを延長した延長部が設けられており、
   前記冷却器は、前記一側面とその反対側とで対称形状である、請求項１に記載の半導体積層ユニット。

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