JP6884241B1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型で耐振性が高く、電磁ノイズに対する耐性も高い半導体装置を低コストで提供する。【解決手段】半導体装置１００は、支持部材１に冷却板２を介して配置された半導体モジュール３ａ、３ｂ、３ｃと、半導体モジュール３ａ、３ｂ、３ｃを制御するための制御基板５を支える金属板４と、を備える。金属板４は、支持部材１によって支持されて半導体モジュール３ａ、３ｂ、３ｃを覆うとともに、半導体モジュール３ａ、３ｂ、３ｃの設置面に対向して制御基板５を固定する。【選択図】図２

Description

本願は、半導体装置に関するものである。
電気モータにより駆動される電気自動車またはハイブリッド自動車ではパワーモジュール等の半導体モジュールを搭載した半導体装置が用いられている。車両に搭載される半導体装置は車両のスペース効率が要求され、電動化により搭載機器が増加し配置スペースが減少したため、半導体装置自身の小型化、およびモータまたはトランスミッションへの直接搭載が求められるようになってきている。モータまたはトランスミッションは駆動時に強烈な振動を発するため、半導体装置には非常に高い耐振性が求められる。
このような車両に搭載される半導体装置の半導体モジュールは配線電極への接続端子および制御基板との接続端子を備えている。通常、半導体モジュールの信号端子と制御基板は直接接続され、はんだ付け等で電気的接続を得る。半導体モジュールとの接続のために前記制御基板は半導体モジュールと対向するように配置され、半導体モジュールに垂直な方向で半導体モジュールの大部分あるいは全体と重なっている。
半導体装置を構成する部品のうち、制御基板は薄い基材に電子部品を実装した構成であるため耐振性が低く、耐振性の向上の為に固定点を多く設ける必要がある。しかし半導体モジュールと対向している範囲については、半導体モジュールの製造工程の制約上、半導体モジュール自体に固定点を設けることが困難なため、別の部材を使用して基板を固定する必要がある。
また、近年、電動化車両の高出力化も求められているが、半導体装置を高出力化すると半導体モジュールが発する電磁ノイズが大きくなり、制御基板に誤作動などの悪影響を及ぼすことが知られている。
耐振性向上の対策として、例えば特許文献１には、半導体モジュールに接続される配線電極を樹脂で封止し、樹脂に制御基板の支持部を設けられているものが示されている。
また、特許文献２には、半導体装置内に外構ケースと共に固定される金属板を配置し、前記金属板に制御基板が固定されているものが示されている。
国際公開第２０１６／１３２８５１号公報 特開２０１０−０３５３４７号公報
上述した従来の半導体装置においては、耐振性向上のため半導体モジュールと対向する範囲に制御基板の固定点を設ける目的は達成できるものの、次に挙げる問題点が残る。特許文献１では樹脂で封止した配線電極を制御基板近くに配置するが、樹脂には電磁シールドの機能は無く、また配線電極自身はグランド電位に接続されるものではないため、電磁シールドとしての機能を持たず半導体モジュールからの電磁ノイズを防ぐことができない。また、配線電極は電圧の変動により電磁ノイズを発する上、配線電極が制御基板近くに配置されることから制御基板への電磁ノイズの影響はむしろ大きくなってしまう。
特許文献２では、制御基板を固定する金属板が外構ケースに取り付けられている。外構ケースは、通常車両のフレーム等グランド電位の部材に取り付けられるため、金属板は電磁シールドとしての役目を果たすものの、金属板を外構ケースと固定するために金属板自体が非常に大きく、半導体装置の大型化およびコストアップにつながってしまう。また、電力変換装置内に制御回路基板と駆動回路基板の２枚の基板が備わっているが、金属板上に配置された制御回路基板に対しては電磁シールドの効果が得られるものの、金属板とパワーモジュール間に配置された駆動回路基板に対しては電磁シールドの効果が得られないという問題が残る。
本願は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは小型で耐振性が高く、電磁ノイズに対する耐性も高い半導体装置を低コストで提供することである。
本願に係わる半導体装置は、グランド電位に保たれた支持部材に冷却板を介して配置された半導体モジュールと、前記半導体モジュールを制御するための制御基板を支える金属板と、を備え、前記金属板は、前記支持部材に前記冷却板と共締めされ、前記支持部材によって支持されて前記半導体モジュールを覆うとともに、前記半導体モジュールの対向範囲に前記制御基板を固定するものである。
上記のように構成したので、本願の半導体装置によれば、グランド電位に保たれた前記支持部材を通して前記金属板は電磁シールドとしての効果を有する。こうして前記金属板により前記半導体モジュールから発生する電磁ノイズから前記制御基板を保護することができる。また、前記金属板は前記支持部材によって支持されており、その上に前記制御基板を固定するようにしたので、半導体装置全体をコンパクトに収めることができる。さらに、前記金属板により半導体モジュールの対向範囲内に制御基板を固定することができるので、耐振性を強化することができる。
以上のように、本願によれば、小型で耐振性が高く、電磁ノイズに対する耐性も高い半導体装置を低コストで提供することが可能である。
実施の形態１に係わる半導体装置の外観を示す斜視図である。 実施の形態１に係わる半導体装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。 実施の形態１に係わる半導体装置から制御基板を外した平面図である。 実施の形態１に係わる半導体装置の金属板形状を示す斜視図である。 実施の形態１に係わる半導体装置の全体を示す平面図である。 実施の形態１に係わる半導体装置の断面図である。 実施の形態１に係わる半導体装置の断面図の部分拡大図である。 実施の形態１に係わる半導体装置の金属板形状の変形例を示す平面図である。 実施の形態２に係わる半導体装置の断面図である。
実施の形態１．
以下、本願の実施の形態１の構成について、図１から図４に従って説明する。図１に実施の形態１に係わる半導体装置１００の外観を示す。また、図２にこの装置の全体構成を各構成要素に展開した斜視図を示す。図１および図２において、支持部材１に冷却板２を介して電力変換を行う半導体モジュール３ａ、３ｂ、３ｃ（以降複数ある場合は３ａ〜３ｃのように記載）が配置される。半導体モジュール３ａ〜３ｃは金属板４によって覆われ、その上に半導体モジュール３ａ〜３ｃの電力変換を制御するための制御基板５が設けられている。制御基板５は金属板４に設けられた制御基板固定部６ａ〜６ｇによって固定される。制御基板固定部６ａは半導体モジュール３ａ〜３ｃの配置面に対向して設けられ、制御基板５の固定強度を向上させている。なお、金属板４以外の箇所に設けられる制御基板固定部６ｈ〜６ｋもあり、制御基板５の端部を固定している。
本願で説明する固定部は、締結ネジ、支持ボス、タップ穴またはナットで構成されており、同一箇所に固定されているものは同じ符号で示す。
半導体モジュール３ａ、３ｂ、３ｃの出力端子はそれぞれ対応する配線電極７ａ、７ｂ、７ｃに接続される。本願の図では省略しているが半導体装置１００は高電圧バッテリーに接続され、バッテリーからの電力は、同様に図示を省略している平滑コンデンサを介して半導体モジュール３ａ〜３ｃに供給され、配線電極７ａ〜７ｃを介して３相交流モータに供給される。
支持部材１には下板８が設けられており、下板８にある給水パイプ９ａから冷却水を引き込み、排水パイプ９ｂに冷却水を流すように構成される。この冷却水が半導体モジュール３ａ〜３ｃの配置面の反対側から冷却板２の冷却フィンを冷却し、半導体モジュール３ａ〜３ｃから発生する熱を吸収する。
図３は半導体装置１００の制御基板５を外した状態を示す平面図であり、支持部材１の上に冷却板２、半導体モジュール３ａ〜３ｃ、を挟んで、図４にその形状を示す金属板４を取り付けたものである。図２および図３において、金属板４は制御基板５と冷却板２の間に配置され、さらに半導体モジュール３ａ〜３ｃに垂直な方向で半導体モジュール３ａ〜３ｃの大部分に重なって覆っている。金属板４は冷却板固定部１０ａ〜１０ｈにて、冷却板２と支持部材１に共締めでネジ固定される。なお、金属板４の共締め固定とは別に冷却板固定部１０ｍ〜１０ｎ、１０ｉ〜１０ｋが設けられ、冷却板２を支持部材１に固定している。
図４に示すように、金属板４は半導体モジュール３ａ〜３ｃを覆う架橋部と、その端に複数の突出部が設けられ、冷却板２と共締めとなる冷却板固定部１０ａ〜１０ｈと、制御基板５を固定する制御基板固定部６ａ〜６ｇを有する。金属板４は、例えばアルミ、銅、鉄などの金属素材でできており、ダイキャスト加工等によって所定の形状に加工されて製造される。
なお、実施の形態１ではダイキャスト加工された金属板４の構造で説明するが、金属板を加工したものでも可能であり、制御基板固定部６ａ〜６ｇはバーリング加工で成形したものであってもよい。また、金属板４に固着されたナットで構成したものでもよい。
次に図５から図８について実施の形態１についての詳細な説明を行う。図５に半導体装置１００の平面図を示す。この図の断面ＡＡを図６に示す。図５では、制御基板５に覆われて切り口が判りにくいので、図３上での切り口を断面ＡＡとして参考までに示す。図６の断面図において、半導体装置１００は、支持部材１、冷却板２、半導体モジュール３ａ〜３ｃ、金属板４、制御基板５という順に積層構造でできている。これらを固定するものとして、冷却板固定部１０ｃ、１０ｇがあり、締結ネジによって、支持部材１に対して冷却板２と金属板４を共締めで固定している。また、金属板４には制御基板固定部６ａ、６ｃ、６ｆがあり、半導体モジュール３ａ〜３ｃの設置面に対向して制御基板５を固定している。
また、半導体モジュール３ａ〜３ｃから信号端子ピン１１ａ〜１１ｃが伸びて制御基板５に接続されている。半導体モジュール３ａ〜３ｃの高電圧部および信号端子ピン１１ａ〜１１ｃを避けるため、金属板４の形状は半導体モジュール３ａ〜３ｃの設置面上の架橋部で幅が抑えられている。そのため、図６では金属板４の両端にある突出部のみが断面として見えており、金属板４の架橋部はその側面が現れた状態となっている。
なお、図示はしていないが、半導体モジュール３ａ〜３ｃ高電圧部および信号端子ピン１１ａ〜１１ｃに対向する部分に、絶縁シートなどの絶縁部材を設けてもよい。
また、詳細説明は省くが、冷却板２の下には下板８があり、給水パイプ９ａから入ってくる冷却水により冷却板２の放熱フィンを冷却している。本図では冷却水流路が支持部材１、冷却板２、下板８で構成された例を示しているが、支持部材１と下板８を一体化してもよい。
図６の金属板４と冷却板２の共締め固定部分Ｂを拡大した断面図を図７に示す。図７に示すように冷却板固定部１０ｇの締結ネジにより支持部材１、冷却板２、金属板４とは共締めにて固定される。支持部材１は車両のフレームおよびトランスミッションあるいはモータに直接、あるいはさらに別部材を介して搭載されるが、これらの部品は車両のグランド電位であるため、支持部材１に共締めされた金属板４もグランド電位に保たれている。このため、金属板４は半導体モジュール３ａ〜３ｃが発する電磁ノイズに対する電磁シールドとしての効果を持ち合わせている。
図７において、冷却板固定部１０ｇの締結ネジの頭部座面は金属板４の上面よりも１段下がった、冷却板２に近い位置に設けられている。このような構造とすることにより、締結ネジの長さを短くすることができ、周囲温度によってネジの膨張または収縮が起こり、締め付けが緩んだりネジが破断したりすることを防いでいる。
また、図３および図６から分かるように、金属板４と冷却板２は支持部材１に共締め固定されるため、別々に固定するよりも固定部面積を減らすことができると共に、図４に示すように金属板４そのものを小型化することが可能となっている。金属板４の上には制御基板固定部６ａ〜６ｇを設けてあり、制御基板の固定に使用される。金属板４により半導体モジュール３ａ〜３ｃとの対向範囲に制御基板固定部６ａが追加されるため、制御基板の固定点を増やすことができ、制御基板の耐振性を高めることができる。さらにこの構成によると、制御基板５を保持する金属板４と冷却板２が締結ネジによって共締めされているため、締結ネジを介して基板を冷却する効果が得られる。
なお、半導体モジュール３ａ〜３ｃとの対向範囲に制御基板固定部６ａが１つの場合を示したが、金属板４上に複数設けることが可能である。その場合、制御基板５の耐振性をさらに高めることができる。
また、金属板４と半導体モジュール３ａ〜３ｃを接触させることで半導体モジュールの冷却を促進させることも可能である。その際、金属板４と半導体モジュール３ａ〜３ｃは直接接触させても、熱伝導グリスまたは熱伝導シート等の熱伝導媒体を介して接触させてもよい。さらに、金属板４の剛性により、半導体モジュール３ａ〜３ｃを冷却板２に押し付ける構造を持つことによって、半導体モジュール３ａ〜３ｃを固定することが可能である。その場合、冷却板２に半導体モジュール３ａ〜３ｃを固定する固定部材が不要となり、コスト低減が可能である。
本実施の形態では金属板４と支持部材１の固定点をすべて冷却板２との共締めとしているが、一部のみを共締めとした場合でも同様の効果を得ることが可能である。さらに、各図では半導体モジュールを３つ搭載した半導体装置１００としているが、本願の効果は半導体モジュールの数および配置方法（直列配置、並列配置、千鳥状の配置等）によらず、効果を得ることができる。
以上のように実施の形態１によれば、グランド電位に保たれた支持部材１に冷却板２と共に共締めされた金属板４が半導体モジュール３ａ〜３ｃに垂直な方向で半導体モジュール３ａ〜３ｃを覆うため、制御基板５に対して電磁シールドとしての機能を持つことができる。さらに半導体モジュール３ａ〜３ｃの対向範囲に制御基板５の固定点を持つことができ耐振性を高めることができる。また、金属板４と冷却板２を共締め固定とすることで、金属板４が半導体モジュール３ａ〜３ｃの上を覆う必要最小限の大きさにとどめることができると共に、金属板４と冷却板２を別々に固定するよりも固定部を小型簡略化できる。本実施の形態により装置の小型化が達成でき、さらに部品の小型化と固定部の簡略化によるコスト低減を達成することができる。
なお、図４に示す金属板４は、半導体モジュール３ａ〜３ｃの高電圧部を避けるためＨ形の形状を有しているが、図８に示すように金属板４ａにより、半導体モジュール３ａ〜３ｃの全体を覆うような板形状にしてもよい。その場合、金属板４ａは貫通孔を有し、これらの貫通孔を通して半導体モジュール３ａ〜３ｃの信号端子ピン１１ａ〜１１ｆが制御基板５に接続されることになる。
このように構成することで、半導体モジュール３ａ〜３ｃから発生する電磁ノイズに対する電磁シールド効果をより高めることができる。
実施の形態２．
以下、本願の実施の形態２について図９に基づいて説明する。図９は図６と同様の主要部断面図である。図９に示すように、本実施の形態の半導体装置は支持部材１と、冷却板２と、冷却板２に取り付けられ電力変換を行う半導体モジュール３ａ〜３ｃと、冷却板２上に配置される第一の金属板４ｂと、第一の金属板４ｂの上に取り付けられた第一の制御基板５ａと、第一の金属板４ｂ上に取り付けられる第二の金属板４ｃと第二の金属板４ｃ上に配置される第二の制御基板５ｂと、冷却水流路を構成する下板８からなる。本図では省略しているが通常、第一の制御基板５ａと第二の制御基板５ｂはＦＰＣまたはハーネス、あるいは基板間コネクタ等を使い接続されている。
第一の制御基板５ａには、半導体モジュール３ａ〜３ｃの信号端子ピン１１ａ〜１１ｆが接続され、半導体モジュール３ａ〜３ｃの駆動回路が設けられ、第二の制御基板５ｂにはコンピュータ、メモリなど半導体モジュール３ａ〜３ｃを制御するロジック回路が組みこまれる。このように、制御基板を階層状に設けることにより、電磁ノイズの影響を受け易い第二の制御基板５ｂを電磁ノイズ源である半導体モジュール３ａ〜３ｃから離すことができる。
第一の金属板４ｂは半導体モジュール３ａ〜３ｃに垂直な方向で半導体モジュール３ａ〜３ｃの大部分に重なって覆うとともに半導体モジュール３ａ〜３ｃの設置面に対向して第一の制御基板５ａを固定している。また、第二の金属板４ｃは半導体モジュール３ａ〜３ｃに垂直な方向で第一の制御基板５ａの部品搭載面を覆っているとともに第一の制御基板５ａの部品搭載面に対向して第二の制御基板５ｂを固定している。第一の金属板４ｂと第二の金属板４ｃは冷却板２と共に支持部材１に共締めされている。第一の金属板４ｂと第二の金属板４ｃは共に金属でできており、例えばアルミ、銅、鉄などの素材が使用される。
支持部材１は車両のグランド電位に接続されている。このため、第一の金属板４ｂと第二の金属板４ｃは半導体モジュール３ａ〜３ｃが発する電磁ノイズに対する電磁シールドとしての効果を持ち合わせている。第一の金属板４ｂと第二の金属板４ｃおよび冷却板２は支持部材１に共締め固定されるため、別々に固定するよりも固定部を簡略化できると共に、第一の金属板４ｂおよび第二の金属板４ｃそのものを小型化することが可能となっている。第一の金属板４ｂと第二の金属板４ｃの上には制御基板固定部６ｐ〜６ｕを設けてあり、制御基板５ａ、５ｂの固定に使用される。半導体モジュール３ａ〜３ｃと制御基板５ａの対向範囲に制御基板固定部６ｐ〜６ｒ、６ｔが追加されるため、第一の制御基板５ａおよび第二の制御基板５ｂの固定点を増やすことができ、制御基板の耐振性を高めることができる。本図では冷却水流路が支持部材１、冷却板２、下板８で構成された例を示しているが、支持部材１と下板８を一体化してもよい。
以上のように実施の形態２によれば、制御基板５ａ、５ｂが２枚になった場合でも実施の形態１と同じように、小型で耐振性が高く、電磁ノイズに対する耐性も高い半導体装置を低コストで提供することが可能である。また、第一の制御基板５ａを駆動回路用に第二の制御基板をロジック回路用に使い分けることにより、電磁ノイズに対する半導体装置１００の耐性をより高めることができる。
本願の実施の形態では、電気モータにより駆動される電気自動車またはハイブリッド自動車で使用される半導体装置を説明したが、小型で低コストかつ耐振性の高い半導体装置としての利用であれば他の用途に用いることが可能である。
本願は、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１ 支持部材、２ 冷却板、３ａ，３ｂ，３ｃ 半導体モジュール、４，４ａ 金属板、４ｂ 第一の金属板、４ｃ 第二の金属板、５ 制御基板、５ａ 第一の制御基板、５ｂ 第二の制御基板、６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈ，６ｉ，６ｊ，６ｋ，６ｐ，６ｑ，６ｒ，６ｓ，６ｔ，６ｕ 制御基板固定部、７ａ，７ｂ，７ｃ 配線電極、８ 下板、９ａ 給水パイプ、９ｂ 排水パイプ、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇ，１０ｈ，１０ｉ，１０ｊ，１０ｋ，１０ｍ，１０ｎ，１０ｐ，１０ｑ 冷却板固定部、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ 信号端子ピン

Claims (10)

  1. グランド電位に保たれた支持部材に冷却板を介して配置された半導体モジュールと、
    前記半導体モジュールを制御するための制御基板を支える金属板と、を備え、
    前記金属板は、前記支持部材に前記冷却板と共締めされ、前記支持部材によって支持されて前記半導体モジュールを覆うとともに、
    前記半導体モジュールの対向範囲に前記制御基板を固定していることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記支持部材に前記冷却板と前記金属板はネジで共締めされており、前記ネジの頭部座面は、前記金属板の上面より１段下がった前記冷却板に近い位置に設けられている請求項１記載の半導体装置
  3. 前記金属板は、前記半導体モジュールに接触している請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記金属板は剛性を有し、前記半導体モジュールを前記冷却板に押し付ける構造を有する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記金属板は貫通孔を有し、前記貫通孔を通して前記半導体モジュールの信号端子ピンが前記制御基板に接続されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記金属板には前記制御基板を固定する固定部があり、前記固定部はバーリング加工で成形されている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記金属板には前記制御基板を固定する固定部があり、前記固定部は前記金属板に固着されたナットで構成されている請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記金属板には、前記半導体モジュールの高電圧部に対向して絶縁部材が設けられている請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。
  9. 前記金属板には、前記半導体モジュールを覆う架橋部と前記架橋部の端に複数の突出部とが設けられた請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の半導体装置。
  10. グランド電位に保たれた支持部材に冷却板を介して配置された半導体モジュールと、
    前記半導体モジュールを制御するための第一の制御基板を支える第一の金属板と、
    さらに第二の制御基板を支える第二の金属板と、を備え、
    前記第一の金属板は前記支持部材によって支持されて前記半導体モジュールを覆うとともに、前記半導体モジュールの対向範囲に前記第一の制御基板を固定しており、
    前記第二の金属板は前記支持部材に前記冷却板と前記第一の金属板と共締めされ、前記第一の制御基板の部品搭載面を覆うとともに、前記第一の制御基板の対向範囲に前記第二の制御基板を固定していることを特徴とする半導体装置。
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