JPWO2015093169A1 - 半導体モジュールおよび電気駆動車両 - Google Patents

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Abstract

冷却能力を向上した半導体モジュール及びそれを用いた電気駆動車両を提供する。第１半導体素子１ａと、第２半導体素子１ｂと、第１半導体素子１ａの下面に電気的および熱的に接続された第１ヒートスプレッダ２ａと、第２半導体素子１ｂの下面に電気的および熱的に接続された第２ヒートスプレッダ２ｂと、セラミック絶縁基板４ａ１の上面に第１金属箔４ａ２を備え、下面に第２金属箔４ａ３を備え、第１金属箔４ａ２が第１ヒートスプレッダ２ａの下面および第２ヒートスプレッダ２ｂの下面に電気的および熱的に接合されたＤＣＢ基板４と、ＤＣＢ基板４の第２金属箔４ａ３に熱的に接続された冷却器５とを備え、冷却器の冷媒の流れ方向に対して上流側に前記第１半導体素子１ａを配置し、下流側に前記第２半導体素子１ｂを配置し、第２ヒートスプレッダ２ｂの面積を第１ヒートスプレッダ２ａの面積より大きくした。

Description

本発明は、冷却能力に優れた半導体モジュールおよびそれを用いた電気駆動車両に関する。
複数の半導体素子を冷却する装置として下記特許文献１〜６が知られている。
特許文献１には、箱状のハウジングの頂面にアルミニウム等からなる熱伝達プレートが設けられ、その上に６個のパワー半導体が配置され、ハウジング内部は連通孔を備えた中間プレートによって第１冷媒室と第２冷媒室とに仕切られ、第１冷媒室の一端部に冷媒入口が設けられ、第２冷媒室の他端部に冷媒出口が設けられ、前記連通孔は、各冷却領域に６個ずつ設けられ、冷媒入口に近い上流側ではその開口面積が小さく、冷媒入口から遠い下流側ではその開口面積が大きくなっており、６個のパワー半導体がより均一に冷却されるインバータ回路の冷却装置が開示されている。
特許文献２には、金属ベースの半導体チップの搭載面とは反対側の面に形成される放熱フィンの密度が、冷却媒体の流れ方向に高くなるように長さの異なる複数の板状フィンを配置して、冷却媒体および半導体チップがその流れ方向に沿って昇温する傾向を抑制し、冷却媒体の流れ方向に配置された半導体チップの温度を均一に近づけることが可能な半導体冷却器が開示されている。
特許文献３、４には、２つの半導体チップ、２つの金属ブロック、３つの放熱板からなり、冷却性能を高めた半導体モジュールが開示されている。
特許文献５には、ユニット集合体の裏面と冷却体との密着性を向上させ、ユニット集合体の裏面と冷却体との接触熱抵抗を低減した半導体装置用ユニットが開示されている。
特許文献６には、パワー半導体素子を接着する導体層を有する絶縁基板の種類および材料特性，絶縁基板の表裏面に位置する導体層の材質と厚さを規定し、高温環境下においても動作安定性を維持し、組立性を向上させたパワーモジュールが開示されている。
特開２０１３−１２８０５１号公報 特開２０１０−１５３７８５号公報 特開２０１１−２１１０１７号公報 特開２０１１−２２８６３８号公報 特開２０１３−１９１８０６号公報 特開２０１０−１０５０５号公報
特許文献１の冷却装置は、ハウジングを上下二段に仕切り、第１冷媒室と第２冷媒室を設けていることから、装置寸法が大きくなるという問題点があった。
特許文献２の半導体冷却器は、板状フィンの設置密度を変える複雑な構造を必要とすることから、製造コストが高くなるという問題点があった。
特許文献３および特許文献４の半導体モジュールでは、複数の半導体素子をセラミック基板上に平面配置できないという問題点があった。
特許文献５および特許文献６には、半導体モジュールと冷却器との接続部を改良し冷却能力を向上させる方法は記載されているが、該接続部の改良によって冷却能力の面内差を低減する方法は開示されていなかった。
上記の課題を解決するべく、本発明は、半導体モジュールの冷却器を流れる冷媒の流れ方向に起因する冷却能力の面内差を低減し、冷却効率の良い半導体モジュールを提供することを目的とする。
発明者は、熱の拡散の律速になるものがセラミック絶縁基板であることを見出し、上流側の半導体素子と下流側の半導体素子の温度差をなるべく均一化させることで半導体モジュールの大きさを小さくできることを見出し、本発明に至った。
上記課題を解決するため、本発明の半導体モジュールは、第１半導体素子と、第２半導体素子と、前記第１半導体素子の下面に電気的および熱的に接続された第１ヒートスプレッダと、前記第２半導体素子の下面に電気的および熱的に接続された第２ヒートスプレッダと、セラミック絶縁基板、前記セラミック絶縁基板の上面に配置された第１金属箔、および前記セラミック絶縁基板の下面に配置された第２金属箔を備え、前記第１金属箔が前記第１ヒートスプレッダの下面および前記第２ヒートスプレッダの下面に電気的および熱的に接合されたＤＣＢ基板と、前記ＤＣＢ基板の前記第２金属箔に熱的に接続された冷却器とを備え、前記冷却器の冷媒の流れ方向に対して上流側に前記第１半導体素子を配置し、下流側に前記第２半導体素子を配置し、前記第２ヒートスプレッダの面積を前記第１ヒートスプレッダの面積より大きくしたことを特徴とする。
このような構成によれば、冷媒は上流から下流に向かうにしたがい温度上昇するため、第２ヒートスプレッダと冷媒との温度差は、第１ヒートスプレッダと冷媒との温度差よりも小さくなるが、第２ヒートスプレッダの伝熱面積を、第１ヒートスプレッダの伝熱面積よりも大きくすることによって、伝熱量としては均等になり、モジュール全体の熱効率が良くなって、半導体モジュールの外形サイズを小さくできる。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記第２ヒートスプレッダの前記冷媒の流れに直交する方向の長さを前記第１ヒートスプレッダの前記冷媒の流れに直交する方向の長さより長くすることが好ましい。
本発明の半導体モジュールにおいて、第２ヒートスプレッダの冷媒の流れ方向の長さを第１ヒートスプレッダの冷媒の流れ方向の長さより長くすることが好ましい。
このような構成によれば、第２ヒートスプレッダの伝熱面積を、第１ヒートスプレッダの伝熱面積よりも大きくしたことになり、上記と同じ理由によりモジュール全体の熱効率が良くなって、半導体モジュールの外形サイズを小さくできる。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記第１金属箔は、前記第１ヒートスプレッダの下面に配置した第３金属箔と、前記第２ヒートスプレッダの下面に配置した第４金属箔に分割することができる。
このような構成によれば、第１半導体素子及び第２半導体素子の裏面電極の接続先を個別に設定することができるため、１つの半導体ユニットの中に種類の異なる複数の半導体素子を組み込むことができる。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記第１半導体素子および／または前記第２半導体素子は、電気的に並列接続で配置された複数の半導体素子で形成することができる。
このような構成によれば、第１半導体素子または前記第２半導体素子のどちらか一方、または第１半導体素子と前記第２半導体素子の両方を、電気的に並列接続で配置された複数の半導体素子で形成することができ、半導体ユニットを大容量化できる。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記第１ヒートスプレッダおよび／または前記第２ヒートスプレッダは、前記電気的に並列接続で配置された複数の半導体素子毎に分割することができる。
このような構成によれば、第１ヒートスプレッダまたは前記第２ヒートスプレッダのどちらか一方、もしくは第１ヒートスプレッダ及び前記第２ヒートスプレッダの両方について、半導体素子が電気的には並列接続されている場合であっても、ヒートスプレッダが半導体素毎に分割されているので、半導体素子間の熱干渉が起こり難くなる。ここで、上記複数の半導体素子の並列接続は、異なる種類の半導体素子の並列接続であってもよく、例えば、ＩＧＢＴとＦＷＤを並列接続にする構造としてもよい。
本発明の半導体モジュールにおいて、さらに、前記第１金属箔は、前記電気的に並列接続された複数の半導体素子間の領域に前記冷媒の流れの下流から上流へ向かう方向に突出した延在部を備えることができる。
このような構成によれば、ヒートスプレッダから離れた位置に第１金属箔が延長されるので、第１金属箔に配線を容易に接続できる。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記第１半導体素子と前記第２半導体素子との間の前記セラミック絶縁基板上に電極パッドを配置することができる。
このような構成によれば、電極パッドは、第１半導体素子と前記第２半導体素子との相互の熱干渉を抑制するために設けた空き領域に配置されるので、敷地を有効利用できる。また、電極パッドは、半導体素子に近い位置に配置されるので、電極パッドから外部に信号を取り出す時の電流経路を短くできる。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記第１ヒートスプレッダの外形は、前記第１半導体素子の端から２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内の大きさであり、かつ第２ヒートスプレッダの外形は、前記第２半導体素子の端から２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内の大きさであることが好ましい。
このような構成によれば、ヒートスプレッダによって効率よく熱を分散できるので、半導体モジュールの外形サイズを小さくできる。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記セラミック絶縁基板の上面から前記第１ヒートスプレッダの上面までの間の距離および前記セラミック絶縁基板の上面から前記第２ヒートスプレッダの上面までの間の距離がそれぞれ０．８ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であり、前記第１ヒートスプレッダの外形は、前記第１半導体素子の端から２ｍｍ以上５ｍｍ以下の大きさであり、かつ第２ヒートスプレッダの外形は、前記第２半導体素子の端から２ｍｍ以上５ｍｍ以下の大きさであることが好ましい。
さらには、本発明の半導体モジュールにおいて、前記セラミック絶縁基板の上面から前記第１ヒートスプレッダの上面までの間の距離および前記セラミック絶縁基板の上面から前記第２ヒートスプレッダの上面までの間の距離がそれぞれ１．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、前記第１ヒートスプレッダの外形は、前記第１半導体素子の端から２ｍｍ以上５ｍｍ以下の大きさであり、かつ第２ヒートスプレッダの外形は、前記第２半導体素子の端から２ｍｍ以上５ｍｍ以下の大きさであることがより好ましい。
このような構成によれば、セラミック絶縁基板の上面からヒートスプレッダの上面までの間の距離が０．８ｍｍ未満で電極の電気抵抗が高くなり通電時の温度が上昇するという問題、及び２．５ｍｍを超えたところでＤＣＢ基板の製造が困難になるという問題を避けることができ、かつ第１ヒートスプレッダの伝熱量と第２ヒートスプレッダの伝熱量を均等にすることができるので、熱効率が良くなり、半導体モジュールの外形サイズをより小さくできる。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記各第１半導体素子の対向する端と端との間の距離、および、前記各第２半導体素子の対向する端と端との間の距離は、それぞれ１ｍｍ以上１３ｍｍ以下であることが好ましい。
このような構成によれば、半導体素子の対向する端と端との間の距離が１ｍｍ未満であると半導体素子間の熱干渉が大きくなる問題、１３ｍｍを超えると半導体素子間を広げることが難しくなって面積当たりの冷却効率が悪くなる問題を避けることができる。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記第１半導体素子または前記第２半導体素子の内少なくとも一方若しくは両方について、電流または電圧の内いずれか一方を計測する第１センサと、温度を計測する第２センサとを備えることができる。
このような構成によれば、半導体素子の電流、電圧、温度を監視することができる。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記第２ヒートスプレッダの面積を前記第１ヒートスプレッダの面積より１．２倍以上２．４倍以下の範囲内で大きくすることが好ましい。
さらには、本発明の半導体モジュールにおいて、前記第２ヒートスプレッダの面積を前記第１ヒートスプレッダの面積より１．５倍以上２．１倍以下の範囲内で大きくすることがより好ましい。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記第２ヒートスプレッダの面積を前記第１ヒートスプレッダの面積より１．８倍以上２．０倍以下の範囲内で大きくすることが特に好ましい。
このような構成によれば、第１ヒートスプレッダおよび第２ヒートスプレッダの面積を最適化でき、半導体モジュールの外形サイズを小さくできる。
本発明の電気駆動車両は、上記いずれか一項に記載の半導体モジュールと、半導体モジュールの出力する電力で駆動するモータと、前記半導体モジュールを制御する中央演算装置と、前記半導体モジュールを冷却する冷媒を輸送するポンプと、前記冷媒を冷却する熱交換器と、前記半導体モジュール、前記ポンプおよび前記熱交換器を閉回路状に接続して冷媒流路を形成する配管とを備えていることを特徴とする。
このような構成によれば、半導体モジュールの外形サイズを小さくできるので、車両に搭載する際の占有体積を小さくできる。
本発明によれば、半導体モジュールの冷却器を流れる冷媒の流れ方向に起因する、冷却能力の面内差を低減し、どの半導体素子も均等に冷却することができるため、冷却効率が良く、半導体モジュールの外形をより小さくすることができる。よって、本発明の半導体モジュールを車両に搭載する場合は、実装部品の配置設計が容易になり、車両内の居住空間を広くすることができる。
本発明の半導体モジュールの概略構成を示す鳥瞰図である。 図１に示された半導体モジュールの上面図である。 本発明の半導体ユニットの一実施例に係る上面図である。 図３に示された半導体ユニットのＡ−Ａ断面の断面図である。 本発明の半導体ユニットの他の実施例に係る上面図である。 図５に示された半導体ユニットのＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面の断面図である。 本発明の半導体ユニットの更に他の実施例に係る上面図である。 図７に示された半導体ユニットのＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面の断面図である。 本発明の半導体ユニットの更に他の実施例に係る上面図である。 図９に示された半導体ユニットのＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面の断面図である。 本発明の半導体ユニットの更に他の実施例に係る上面図である。 図１１に示された半導体ユニットのＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面の断面図である。 ヒートスプレッダ厚さ１ｍｍでヒートスプレッダの面積を広げたシミュレーション結果を表した図である。 セラミック絶縁基板の上面から第２ヒートスプレッダの上面までの間の距離と半導体素子の最高温度Ｔｊとの関係を示した図である。 ヒートスプレッダの厚さ１ｍｍと１．５ｍｍについてヒートスプレッダの面積を広げていくシミュレーション結果を表した図である。 冷媒の流れる方向に直交する方向にヒートスプレッダの幅を広げたシミュレーション結果を表した図である。 上流側のヒートスプレッダの面積当たりの下流側のヒートスプレッダの面積の比に対する半導体素子の最高温度Ｔｊの平均温度を示した図である。 冷媒の流れる方向に直交する方向に半導体素子間隔を広げたシミュレーション結果を表した図である。 下流側のヒートスプレッダの冷媒の流れる方向に直交する方向における半導体素子の端とヒートスプレッダの端との距離を広げたシミュレーション結果を表した図である。 下流側のヒートスプレッダの冷媒の流れる方向における、半導体素子の端とヒートスプレッダの端との距離を広げたシミュレーション結果を表した図である。 本発明の電気駆動車両の駆動系の一実施例を示す概略構成図である。 本発明の半導体モジュールのインバータの一実施例を示す回路図である。
以下、図面を参照しながら本発明に係る半導体モジュールの実施形態を説明する。同一の構成要素については、同一の符号を付け、重複する説明は省略する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。
本発明の各実施例において、半導体素子１は、特に限定されないが、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）であってもよく、これらを１つの半導体素子の中で実現したＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ−Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であってもよい。
図１は、本発明の半導体モジュールの概略構成を示す鳥瞰図である。また、図２は、その上面図である。一方、図４は、本発明の半導体ユニットの一実施例に係る断面図である。
なお、図１には、半導体モジュール１００が、３つの半導体ユニット１０，１１，１２を備えた例が示されている。半導体ユニットは、１つでもよく、２つ以上を備えていてもよい。
図１、図２および図１１に示したように、冷却器５は、天板５ａ、トレー５ｂ、フィン５ｃ、冷媒入口配管５ｄ、冷媒通路５ｇ、冷媒出口配管５ｅを備え、冷却器５の天板５ａ上に半導体ユニット１０，１１，１２が配置されている。冷却器５の天板５ａは、半導体ユニット１０，１１，１２の第２金属箔４ａ３に熱的に接続されており、半導体ユニット１０，１１，１２の熱は、冷却器５の天板５ａに伝熱される。天板５ａの下にトレー５ｂが配置され、トレー５ｂの中に複数のフィン５ｃが配列されている。フィン５ｃはプレート状のものが図示されているが、これに限定されない。例えば、波状や格子状や多孔質のものであってもよい。フィン５ｃは、天板５ａとトレー５ｂに接続されている。フィン５ｃの左右の端部とトレー５ｂの間には空間があり、冷媒入口配管側の分配部５ｆと、冷媒出口配管側の集合部５ｈとが形成されている。冷却器５において、冷媒は、冷媒入口配管５ｄを通って冷媒の導入方向１３から導入され、冷媒入口配管側の分配部で各フィン５ｃ間に冷媒が分配され、各フィン５ｃ間の冷媒通路５ｇで冷媒の流れ方向１４に流れて天板５ｂやフィン５ｃで加熱され、冷媒出口配管側の集合部５ｈで各フィン間から出た冷媒が集められ、冷媒出口配管５ｅを通って冷媒の排出方向１５に排出される。冷媒は、冷却器５の冷媒出口配管５ｅ、図示しない熱交換器およびポンプを経由して、冷却器５の冷媒入口配管５ｄに戻る循環経路に通流される。冷媒としては、特に限定されないが、例えば、エチレングリコール水溶液や水などの液体冷媒を用いることもでき、空気のような気体冷媒を用いることもでき、フロンのように冷却器で蒸発して気化熱で冷却器を冷やす相変化可能な冷媒を用いることもできる。
なお、図２には、半導体モジュール１００に、図１１の半導体ユニット１０ｅを用いた例を示したが、半導体ユニットには、下記の各実施例で示すように様々なバリエーションがある。いずれの半導体ユニットもヒートスプレッダの下側にＤＣＢ基板を備えている。ＤＣＢとは、Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇの略であり、セラミック絶縁基板に銅などの金属箔が直接接合されている。セラミック絶縁基板２ａの材質は、絶縁性を確保できる材料であれば特に限定されないが、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミック材料が用いられる。
また、下記実施例では、第１半導体ユニット１０、第２半導体ユニット１１および第３半導体ユニット１２は、図示しない封止樹脂で封止されている。第１半導体ユニット１０、第２半導体ユニット１１および第３半導体ユニット１２は、個々に樹脂封止されてもよく、これらをまとめて１つに樹脂封止してもよい。製造上のミスによるロスコストを低減するには、個々に樹脂封止する方がより望ましい。封止樹脂は、所定の絶縁性能があり、成形性がよいものであれば特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂などが好適に用いられる。
本発明の半導体モジュールの各実施例では、第１半導体素子と、第２半導体素子と、前記第１半導体素子の下面に電気的および熱的に接続された第１ヒートスプレッダと、前記第２半導体素子の下面に電気的および熱的に接続された第２ヒートスプレッダと、セラミック絶縁基板、前記セラミック絶縁基板の上面に配置された第１金属箔、および前記セラミック絶縁基板の下面に配置された第２金属箔を備え、前記第１金属箔が前記第１ヒートスプレッダの下面および前記第２ヒートスプレッダの下面に電気的および熱的に接合されたＤＣＢ基板と、前記ＤＣＢ基板の前記第２金属箔に熱的に接続された冷却器とを備え、前記冷却器の冷媒の流れ方向に対して上流側に前記第１半導体素子を配置し、下流側に前記第２半導体素子を配置し、前記第２ヒートスプレッダの面積を前記第１ヒートスプレッダの面積より大きくした。
以下の各実施例では、第１半導体ユニット１０の様々な変形例を示したものである。第１半導体素子および第２半導体素子を横切るＡ−Ａ断面またはＢ−Ｂ断面を見た断面図を用いて本発明の実施例に係る半導体モジュールの構造を説明している。第１金属箔、第２金属箔、第３金属箔、および第４金属箔は、厚さ０．４ｍｍのものを用いた。
（実施例１）
本発明に係る第１の実施例について説明する。
本発明の第１の実施例に係る半導体モジュール１００は、第１半導体ユニット１０、第２半導体ユニット１１、第３半導体ユニット１２、および冷却器５を備えている。第１半導体ユニット１０、第２半導体ユニット１１、および第３半導体ユニット１２には、下記に説明する第１半導体ユニット１０ａが用いられている。冷却器５については、上記で説明したとおりであるので説明を省略する。
図３には、本発明の第１実施例に係る半導体ユニット１０ａの上面図が示されている。また、図４には、図３に示した半導体モジュール１０ａと冷却器５のＡ−Ａ断面の断面図が示されている。
第１半導体ユニット１０ａは、第１半導体素子１ａ、第２半導体素子１ｂ、第１ヒートスプレッダ２ａ、第２ヒートスプレッダ２ｂ、ハンダ３ａ１、ハンダ３ａ２、ハンダ３ａ３、ハンダ３ｂ１、ハンダ３ｂ２、ＤＢＣ基板４、セラミック絶縁基板４ａ１、第１金属箔（回路層）４ａ２、第２金属箔４ａ３、電極パッド４ａ８、電極パッド４ａ９を備えている。
ＤＣＢ基板４は、少なくともセラミック絶縁基板４ａ１と第１金属箔（回路層）４ａ２と第２金属箔４ａ３からなり、セラミック絶縁基板４ａ１のおもて面に第１金属箔（回路層）４ａ２が配置され、セラミック絶縁基板４ａ１の裏面に第２金属箔４ａ３が配置されている。
第１ヒートスプレッダ２ａの上面は、ハンダ３ａ１を介して第１半導体素子１ａの下面に接合されている。第１ヒートスプレッダ２ａの下面は、ハンダ３ａ２を介してＤＣＢ基板４の第１金属箔（回路層）４ａ２の上面に接合されている。
第２ヒートスプレッダ２ｂの上面は、ハンダ３ｂ１を介して第２半導体素子１ｂの下面に接合されている。第２ヒートスプレッダ２ｂの下面は、ハンダ３ｂ２を介してＤＣＢ基板４の第１金属箔（回路層）４ａ２の上面に接合されている。
なお、図３には図示しないが、第１半導体ユニット１０ａは、半導体素子１ａまたは１ｂの内少なくとも一方もしくは両方について、内部回路として、電流または電圧の内いずれか一方を計測する第１センサ、もしくは温度を計測する第２センサを備えることができる。前記センサは、外部に信号を取り出すためのピンを立てた電極パッド４ａ８、４ａ９にワイヤで接続することができる。
このような構成によれば、半導体素子の電流、電圧、温度を監視することができる。
（実施例２）
本発明に係る第２の実施例について説明する。実施例２では、半導体ユニット１０ｂが実施例１で説明した態様で半導体モジュールに組み付けられている。
図５には、本発明の第２実施例に係る半導体ユニット１０ｂの上面図が示されている。また、図６（Ａ）には図５に示した半導体ユニット１０ｂと冷却器５のＡ−Ａ断面の断面図が、図６（Ｂ）にはＢ−Ｂ断面の断面図が、それぞれ示されている。
実施例１との主な相違点は、第１半導体素子１ａを第１半導体素子１ａと第３半導体素子１ｃに分割した点と、第２半導体素子１ｂを第２半導体素子１ｂと第４半導体素子１ｄに分割した点と、電極パッド４ａ１０および電極パッド４ａ１１を増設した点である。
第１半導体ユニット１０ｂは、第１半導体素子１ａ、第２半導体素子１ｂ、第３半導体素子１ｃ、第４半導体素子１ｄ、第１ヒートスプレッダ２ａ、第２ヒートスプレッダ２ｂ、ハンダ３ａ１、ハンダ３ａ２、ハンダ３ａ３、ハンダ３ｂ１、ハンダ３ｂ２、ハンダ３ｃ１、ハンダ３ｄ１、ＤＢＣ基板４、セラミック絶縁基板４ａ１、第１金属箔（回路層）４ａ２、第２金属箔４ａ３、電極パッド４ａ８、電極パッド４ａ９、電極パッド４ａ１０、電極パッド４ａ１１を備えている。
ＤＣＢ基板４は、少なくともセラミック絶縁基板４ａ１と第１金属箔（回路層）４ａ２と第２金属箔４ａ３からなり、セラミック絶縁基板４ａ１のおもて面に第１金属箔（回路層）４ａ２が配置され、セラミック絶縁基板４ａ１の裏面に第２金属箔４ａ３が配置されている。
第１ヒートスプレッダ２ａの上面は、ハンダ３ａ１を介して第１半導体素子１ａの下面に接合され、さらに、ハンダ３ｃ１を介して第３半導体素子１ｃの下面に接合されている。第１ヒートスプレッダ２ａの下面は、ハンダ３ａ２を介してＤＣＢ基板４の第１金属箔（回路層）４ａ２の上面に接合されている。
第２ヒートスプレッダ２ｂの上面は、ハンダ３ｂ１を介して第２半導体素子１ｂの下面に接合され、さらに、ハンダ３ｄ１を介して第４半導体素子１ｄの下面に接合されている。第２ヒートスプレッダ２ｂの下面は、ハンダ３ｂ２を介してＤＣＢ基板４の第１金属箔（回路層）４ａ２の上面に接合されている。
なお、図５には図示しないが、第１半導体ユニット１０ｂは、第１半導体素子１ａ、第２半導体素子１ｂ、第３半導体素子１ｃ、または第４半導体素子１ｄの内少なくとも一つ、もしくは複数以上に、内部回路として、電流または電圧の内いずれか一方を計測する第１センサと、温度を計測する第２センサを備え、電極パッド４ａ８、電極パッド４ａ９、電極パッド４ａ１０、電極パッド４ａ１１のいずれかを経由して、外部に取り出すことができる。
（実施例３）
本発明に係る第３の実施例について説明する。実施例３では、半導体ユニット１０ｃが実施例１で説明した態様で半導体モジュールに組み付けられている。
図７には、本発明の第３実施例に係る半導体ユニット１０ｃの上面図が示されている。図８（Ａ）には図７に示した半導体モジュール１０ｃと冷却器５のＡ−Ａ断面の断面図が、図８（Ｂ）にはＢ−Ｂ断面の断面図が示されている。
実施例２との主な相違点は、図５と図７を比較すると判るように、図５の第１金属箔（回路層）４ａ２が、図７では第１ヒートスプレッダ２ａの下面に配置した第３金属箔４ａ４と、第２ヒートスプレッダ２ｂの下面に配置した第４金属箔４ａ５に分割されている点と、電気的に並列接続された複数の半導体素子間の領域に冷媒の流れの下流から上流へ向かう方向に突出した延在部７を有する点と、第１半導体素子１ａと第２半導体素子１ｂとの間および第３半導体素子１ｃと第４半導体素子１ｄとの間のセラミック絶縁基板４ａ１上に電極パッド４ａ９，４ａ１１を配置された点である。
第１半導体ユニット１０ｃは、第１半導体素子１ａ、第２半導体素子１ｂ、第３半導体素子１ｃ、第４半導体素子１ｄ、第１ヒートスプレッダ２ａ、第２ヒートスプレッダ２ｂ、ハンダ３ａ１、ハンダ３ａ２、ハンダ３ａ３、ハンダ３ｂ１、ハンダ３ｂ２、ハンダ３ｃ１、ハンダ３ｄ１、ＤＢＣ基板４、セラミック絶縁基板４ａ１、第２金属箔４ａ３、第３金属箔（回路層）４ａ４、第４金属箔（回路層）４ａ５、電極パッド４ａ８、電極パッド４ａ９、電極パッド４ａ１０、電極パッド４ａ１１を備えている。
第１半導体素子１ａ及び第３半導体素子１ｃが配置された第３金属箔（回路層）４ａ４と、第２半導体素子１ｂ及び第４半導体素子が配置された第４金属箔（回路層）４ａ５との間の領域には、第４金属箔（回路層）４ａ５に、冷媒の流れの下流から上流へ向かう方向に突出した延在部７が設けられ、配線が接続できるようになっている。延在部７は、この位置に設けることにより、他所に配置した時のスペースの無駄を避けつつ、第１半導体素子１ａ及び第３半導体素子１ｃと、第２半導体素子１ｂ及び第４半導体素子との距離を適度に保って温度の均一化をはかることができる。
ＤＣＢ基板４は、少なくともセラミック絶縁基板４ａ１と第３金属箔（回路層）４ａ４と第４金属箔（回路層）４ａ５と第２金属箔４ａ３からなり、セラミック絶縁基板４ａ１のおもて面に第３金属箔（回路層）４ａ４と第４金属箔（回路層）４ａ５が配置され、セラミック絶縁基板４ａ１の裏面に第２金属箔４ａ３が配置されている。
第１ヒートスプレッダ２ａの上面は、ハンダ３ａ１を介して第１半導体素子１ａの下面に接合されている。さらに、第１ヒートスプレッダ２ａの上面は、ハンダ３ｃ１を介して第３半導体素子１ｃの下面に接合されている。第１ヒートスプレッダ２ａの下面は、ハンダ３ａ２を介してＤＣＢ基板４の第３金属箔（回路層）４ａ４の上面に接合されている。
第２ヒートスプレッダ２ｂの上面は、ハンダ３ｂ１を介して第２半導体素子１ｂの下面に接合されている。さらに、第２ヒートスプレッダ２ｂの上面は、ハンダ３ｄ１を介して第４半導体素子１ｄの下面に接合されている。第２ヒートスプレッダ２ｂの下面は、ハンダ３ｂ２を介してＤＣＢ基板４の第４金属箔（回路層）４ａ５の上面に接合されている。
なお、図７には図示しないが、第１半導体ユニット１０ｃは、第１半導体素子１ａ、第２半導体素子１ｂ、第３半導体素子１ｃ、または第４半導体素子１ｄの内少なくとも一つ、もしくは複数以上に、内部回路として、電流または電圧の内いずれか一方を計測する第１センサと、温度を計測する第２センサとを備え、電極パッド４ａ８、電極パッド４ａ９、電極パッド４ａ１０、電極パッド４ａ１１のいずれかを経由して、外部に取り出すことができる。
（実施例４）
本発明に係る第４の実施例について説明する。実施例４では、半導体ユニット１０ｄが実施例１で説明した態様で半導体モジュールに組み付けられている。
図９には本発明の第４実施例に係る半導体ユニット１０ｄの上面図が示されている。図１０（Ａ）には、図９に示された半導体モジュール１０ｄと冷却器５のＡ−Ａ断面の断面図が、図１０（Ｂ）にはＢ−Ｂ断面の断面図が、それぞれ示されている。
実施例３との主な相違点は、図７と図９を比較すると判るように、図９の第４金属箔（回路層）４ａ７が、第３金属箔（回路層）４ａ６よりも、面積が大きくなっている点である。
第２ヒートスプレッダ２ｂの面積を第１ヒートスプレッダ２ａの面積よりも大きくしたので、ヒートスプレッダによる熱の広がりをより均等にするため、第２ヒートスプレッダ２ｂの下方にある第４金属箔（回路層）４ａ７を、第１ヒートスプレッダ２ａの下方にある第３金属箔（回路層）４ａ６よりも面積を大きくした。
第３金属箔（回路層）４ａ６および第４金属箔（回路層）４ａ７は、セラミック絶縁基板４ａ１上に配置されている。第３金属箔（回路層）４ａ６の上面は、ハンダ３ａ２を介して第１ヒートスプレッダ２ａの下面に接続されている。第４金属箔（回路層）４ａ７の上面は、ハンダ３ｂ２を介して第２ヒートスプレッダ２ｂの下面に接続されている。
その他の点は、実施例３と同様なので、説明を省略する。
（実施例５）
本発明に係る第５の実施例について説明する。実施例５では、半導体ユニット１０ｅが実施例１で説明した態様で半導体モジュールに組み付けられている。
図１１には、本発明の第５実施例に係る半導体ユニット１０ｅの上面図が示されている。図１２（Ａ）には本発明の図１１に示された半導体モジュー１０ｅと冷却器５のＡ−Ａ断面の断面図が、図１２（Ｂ）にはＢ−Ｂ断面の断面図が、それぞれ示されている。
実施例３との主な相違点は、図７と図１１を比較すると判るように、図７の第１ヒートスプレッダ２ａが、図１１では第１ヒートスプレッダ２ａと第３ヒートスプレッダ２ｃに分割されている点と、および図７の第２ヒートスプレッダ２ｂが、図１１では第２ヒートスプレッダ２ｂと第４ヒートスプレッダ２ｄに分割されている点である。
第１ヒートスプレッダ２ａは、ハンダ３ａ２を介して第３金属箔（回路層）４ａ４上に配置されている。第１ヒートスプレッダ２ａの上面は、ハンダ３ａ１を介して第１半導体素子１ａに接続されている。
第２ヒートスプレッダ２ｂは、ハンダ３ｂ２を介して第４金属箔（回路層）４ａ５上に配置されている。第２ヒートスプレッダ２ｂの上面は、ハンダ３ｂ１を介して第２半導体素子１ｂに接続されている。
第３ヒートスプレッダ２ｃは、ハンダ３ｃ２を介して第３金属箔（回路層）４ａ４上に配置されている。第３ヒートスプレッダ２ｃの上面は、ハンダ３ｃ１を介して第３半導体素子１ｃに接続されている。
第４ヒートスプレッダ２ｄは、ハンダ３ｄ２を介して第４金属箔（回路層）４ａ５上に配置されている。第４ヒートスプレッダ２ｄの上面は、ハンダ３ｄ１を介して第４半導体素子１ｄに接続されている。
その他の点は、実施例３と同様なので、説明を省略する。
（シミュレーションによる伝熱解析）
本発明の半導体モジュールの伝熱特性をシミュレーションによって解析したので、その結果について説明する。
図２に示したように、４個の半導体素子を１つの半導体ユニットに備える半導体ユニット１０，１１，１２を、冷媒の流れ方向１４と平行になるように、冷却器５上に配置した。
図１３には、上流側および下流側に配置された矩形のヒートスプレッダについて、各半導体素子の端からヒートスプレッダの端までの距離を１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍと変更して計算した、半導体素子の最高温度Ｔｊが、半導体素子毎に示されている。図１３のシミュレーションでは、ヒートスプレッダの厚さを１ｍｍで固定している。半導体ユニット１２の４つの半導体素子は、ＵＰ１、ＵＮ１、ＵＰ２、ＵＮ２の記号名で表されている。ＵＰ１とＵＰ２は、下流側の半導体素子であり、ＵＮ１とＵＮ２が上流側の半導体素子である。同様に、半導体ユニット１１の４つの半導体素子は、ＶＰ１、ＶＮ１、ＶＰ２、ＶＮ２の記号名で表されている。ＶＰ１とＶＰ２は、下流側の半導体素子であり、ＶＮ１とＶＮ２が上流側の半導体素子である。半導体ユニット１０の４つの半導体素子は、ＷＰ１、ＷＮ１、ＷＰ２、ＷＮ２の記号名で表されている。ＷＰ１とＷＰ２は、下流側の半導体素子であり、ＷＮ１とＷＮ２が上流側の半導体素子である。各半導体素子の端からヒートスプレッダの端までの距離が大きくなる程、ヒートスプレッダの面積が増えることになり、すべての半導体素子において、最高温度Ｔｊが低減されている。上記距離が１ｍｍの場合、上流側の半導体素子の平均温度は、１５９．０℃であり、下流側の半導体素子の平均温度は、１６１．７℃である。上記距離が１．５ｍｍの場合、上流側の半導体素子の平均温度は、１５７．５℃であり、下流側の半導体素子の平均温度は、１６０．２℃である。上記距離が２ｍｍの場合、上流側の半導体素子の平均温度は、１５６．５℃であり、下流側の半導体素子の平均温度は、１５９．２℃である。このように、下流側の半導体素子の方が、上流側の半導体素子よりも温度が高くなる傾向がある。
図１４には、セラミック絶縁基板の上面から第２ヒートスプレッダの上面までの間の距離と半導体素子の最高温度Ｔｊとの関係が示されている。セラミック絶縁基板の上面から第２ヒートスプレッダの上面までの距離が大きくする程、半導体素子の最高温度Ｔｊが低減できるが、ヒートスプレッダの体積が大きくなって重量が重くなり、材料費も高くなるので好ましくない。よって、セラミック絶縁基板の上面から第１ヒートスプレッダの上面までの間の距離、およびセラミック絶縁基板の上面から第２ヒートスプレッダの上面までの間の距離は、それぞれ０．８ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることが望ましく、それぞれ１．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることがより望ましい。今回のシミュレーションでは、金属箔とヒートスプレッダとの接合にハンダを用いることを仮定したが、これに限定されない。例えば、金属箔とヒートスプレッダの間に樹脂中に銀のナノ粒子を含有したペーストを配置しリフロー炉でペーストを焼結させて接合してもよく、ロウ付けまたは直接接合させてもよい。
図１５は、ヒートスプレッダの厚さ１ｍｍと１．５ｍｍについてヒートスプレッダの面積を広げていくシミュレーション結果を表した図である。半導体素子の端とヒートスプレッダの外形との間隔が大きくすると、ヒートスプレッダの大きさが大きくなり、伝熱面積も広がる。半導体素子の端とヒートスプレッダの外形との間隔は、２ｍｍ以上５ｍｍ以下が望ましい。２ｍｍ未満では、半導体素子の最高温度Ｔｊが高くなり、半導体素子を十分に冷却できない。５ｍｍを超えるとヒートスプレッダが大きくなるため装置が重くなり、材料費が高くなるので好ましくない。半導体素子の端とヒートスプレッダの外形との間隔１ｍｍ当たり１℃の割合で低温化できない場合は、上記のデメリットのため望ましくない条件である。例えば、ヒートスプレッダの厚さをパラメータとして比較すると、厚さ１ｍｍの場合より、厚さ１．５ｍｍの方が温度を低下できることが分かる。このような視点で、ヒートスプレッダの厚さ等を最適化することができる。
以下、半導体素子の最高温度Ｔｊに目標温度を１５４℃として、最適化した結果について説明する。
図１６には、冷媒の流れる方向に直行する方向にヒートスプレッダの幅を広げたシミュレーション結果のうち、下流側のシミュレーション結果のみが示されている。凡例の１０＊１１．６、１１＊１２．６、１２＊１３．６、３０．６＊１３．６は、ヒートスプレッダの（横の長さ）＊（縦の長さ）を表しており、（横の長さ）とは冷媒の流れる方向に直交する方向のヒートスプレッダの長さを意味する。長さの単位は、ｍｍである。凡例の１０＊１１．６、１１＊１２．６、１２＊１３．６については、ヒートスプレッダ１個につき半導体素子１個が配置されている。凡例の１２＊１３．６、３０．６＊１３．６を比較すると、冷媒の流れる方向に直交する方向のヒートスプレッダの長さが長くなる程、半導体素子の最高温度Ｔｊを低減できることが分かる。凡例の３０．６＊１３．６については、ヒートスプレッダ１個につき半導体素子を２個に分割して並列に配置されている。２個に分割して並列に配置し、ヒートスプレッダを拡げた場合は、熱流を効率的に広げることができ、最高温度Ｔｊを、さらに低減できることが分かる。
図１７には、図１６のデータに基づく、上流側ヒートスプレッダの面積に対する下流側ヒートスプレッダの面積比と、半導体素子の最高温度Ｔｊの平均温度との関係が示されている。前記面積比は、１．２倍以上２．４倍以下が望ましく、１．５倍以上２．１倍がより望ましく、１．８倍以上２．０倍以上が特に望ましいことが分かる。前記面積比が、１．２倍未満の場合は、下流側の半導体素子の最高温度Ｔｊの平均値を十分に低下させることができない。前記比が、２．４倍を超える場合は、下流側のヒートスプレッダの面積が大きくなるため、装置が大きくなるので好ましくないことが分かる。
図１８には、冷媒の流れる方向に直交する方向に半導体素子間隔を広げたシミュレーション結果が示されている。半導体素子の間隔を２ｍｍずつ増やしてシミュレーションを行なっているが、１０．６ｍｍから１２．６ｍｍにした場合の方が、１２．６ｍｍより大きい値にした場合よりも影響が大きいことが分かる。半導体素子の間隔が小さいほど装置の大きさを小さくできるので、半導体素子の間隔は、１３ｍｍ以下が望ましく、１２．６ｍｍとすることがより望ましいことが分かる。
図１９には、下流側のヒートスプレッダの冷媒の流れる方向に直交する方向に、半導体素子の端とヒートスプレッダの端との距離を１．５ｍｍ、２．５ｍｍ、３．５ｍｍ、４．５ｍｍと、１ｍｍずつ変更して、半導体素子の最高温度Ｔｊを計算した結果が示されている。１．５ｍｍと２．５ｍｍとの温度変化が最も大きく、２．５ｍｍよりもさらに大きくしても、Ｔｊは大きくは低減できないことが分かる。半導体素子の間隔を拡げ過ぎると、半導体モジュールが大きくなってしまうので、トレードオフを考えると、２．５ｍｍとすることが望ましいことが分かる。
図２０には、下流側のヒートスプレッダの冷媒の流れる方向における、半導体素子の端とヒートスプレッダの端との距離を広げたシミュレーション結果が示されている。半導体素子の端とヒートスプレッダの端との距離を広げる程、半導体素子の最高温度Ｔｊを低減できることが分かる。目標値以下にするには、４．５ｍｍにすることが望ましいことが分かる。
なお、本発明の実施例では、ヒートスプレッダと、第１金属箔、第３金属箔、および第４金属箔とを別々に設けているが、ヒートスプレッダと各金属箔を一体とした厚さのある１枚の金属板をエッチングで加工してこれらを形成してもよい。
（実施例６）
次に、本発明の半導体モジュールを用いた電気駆動車両の一実施形態を、図２１と図２２を参照して説明する。
図２１は、電気駆動車両の駆動系の概略構成図である。電気駆動車両２００は、少なくとも、上記で述べたいずれか１つの半導体モジュール１００と、半導体モジュール１００の出力する電力で駆動するモータ１７と、半導体モジュール１００を制御する中央演算装置１８と、半導体モジュール１００を冷却する冷媒を輸送するポンプ１９と、冷媒を冷却する熱交換器２０と、半導体モジュール１００、ポンプ１９および熱交換器２０を閉回路状に接続して冷媒流路を形成する配管２１とを備えている。モータ１７は、機械的に駆動力を車輪１６に伝達させる機構を用いて車輪１６を回転させている。
図２２は、本発明の実施例６に係る半導体モジュールのインバータの回路図である。この回路図では、図３の半導体モジュールに関して、半導体素子１ａ、半導体素子１ｂにＲＣ−ＩＧＢＴを使用した例を示している。ＲＣ−ＩＧＢＴは、１つの半導体素子１ａの内部にＩＧＢＴ２２ａとＦＷＤ２３ａが並列接続で作りこまれている。半導体素子１ｂも同様に内部にＩＧＢＴ２２ｂとＦＷＤ２３ｂが並列接続で作りこまれている。
半導体素子１ａと半導体素子１ｂは、直列に接続されている。半導体素子１ａの他端と半導体素子１ｂの他端は、バッテリー２４にそれぞれ接続されている。バッテリー２４の両端子間には、コンデンサ２５が接続されている。半導体素子１ａと半導体素子１ｂとの間の配線からモータ１７へ出力配線が接続されている。半導体素子１ａと半導体素子１ｂをセットとして、合計３セット設置され、各セットから出た出力配線が３相のモータ１７
へ接続されている。制御信号入力端子２６は、各半導体素子のゲートに接続しており、外部の中央演算装置１８ともそれぞれ接続されている。中央演算装置１８で各半導体素子のゲートに入力される信号を切り替えることで、バッテリーから供給される直流電流をモータ１７へ出力される３相交流電流に変換している。
上記実施例では、ヒートスプレッタ上に半導体素子を１個配置したが、他の変形例として、図５，図７，図９，図１１に示すように、ヒートスプレッタ上に半導体素子を複数並列に配置してもよい。
本発明の半導体モジュールを用いた電気駆動車両は、冷却器の冷媒の流れ方向に対して上流側に第１半導体素子を配置し、下流側に第２半導体素子を配置し、第２ヒートスプレッダの面積を第１ヒートスプレッダの面積より大きくしたため、従来の半導体モジュールよりも冷却能力が高く、コンパクトであるという優れた効果がある。よって、冷却器もコンパクトになり、冷却器の剛性が上がり、電気駆動車両の移動によって生じる振動に耐えることができる。
以上のように、本発明の実施例によれば、冷却能力を向上できる半導体モジュールおよびそれを用いた電気駆動車両を提供できる。
１ａ 第１半導体素子
１ｂ 第２半導体素子
１ｃ 第３半導体素子
１ｄ 第４半導体素子
２ａ 第１ヒートスプレッダ
２ｂ 第２ヒートスプレッダ
２ｃ 第３ヒートスプレッダ
２ｄ 第４ヒートスプレッダ
３ａ１，３ａ２，３ａ３，３ｂ１，３ｂ２，３ｃ１，３ｃ２，３ｄ１，３ｄ２ ハンダ
４ ＤＢＣ基板
４ａ１ セラミック絶縁基板
４ａ２ 第１金属箔（回路層）
４ａ３ 第２金属箔
４ａ４，４ａ６ 第３金属箔（回路層）
４ａ５，４ａ７ 第４金属箔（回路層）
４ａ８，４ａ９，４ａ１０，４ａ１１ 電極パッド
５ 冷却器
５ａ 天板
５ｂ トレー
５ｃ フィン
５ｄ 冷媒入口配管
５ｅ 冷媒出口配管
５ｆ 分配部
５ｇ 冷媒通路
５ｈ 集合部
７ 延在部
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ 第１半導体ユニット
１１ 第２半導体ユニット
１２ 第３半導体ユニット
１３ 冷媒の導入方向
１４ 冷媒の流れ方向
１５ 冷媒の排出方向
１６ 車輪
１７ モータ
１８ 中央演算装置
１９ ポンプ
２０ 熱交換器
２１ 配管
２２ａ，２２ｂ ＩＧＢＴ
２３ａ，２３ｂ ＦＷＤ
２４ バッテリー
２５ コンデンサ
２６ 制御信号入力端子
１００ 半導体モジュール
２００ 電気駆動車両
本発明の半導体モジュールにおいて、前記第１ヒートスプレッダは、該第１ヒートスプレッダの端の各々が、それぞれに同じ側の前記第１半導体素子の端から２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内になる外形を有し、前記第２ヒートスプレッダは、該第２ヒートスプレッダの端の各々が、それぞれに同じ側の前記第２半導体素子の端から２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内になる外形を有することが好ましい。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記セラミック絶縁基板の上面から前記第１ヒートスプレッダの上面までの間の距離および前記セラミック絶縁基板の上面から前記第２ヒートスプレッダの上面までの間の距離がそれぞれ０．８ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であり、前記第１ヒートスプレッダは、該第１ヒートスプレッダの端の各々が、それぞれに同じ側の前記第１半導体素子の端から２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内になる外形を有し、かつ第２ヒートスプレッダは、該第２ヒートスプレッダの端の各々が、それぞれに同じ側の前記第２半導体素子の端から２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内になる外形を有することが好ましい。
さらには、本発明の半導体モジュールにおいて、前記セラミック絶縁基板の上面から前記第１ヒートスプレッダの上面までの間の距離および前記セラミック絶縁基板の上面から前記第２ヒートスプレッダの上面までの間の距離がそれぞれ１．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、前記第１ヒートスプレッダは、該第１ヒートスプレッダの端の各々が、それぞれに同じ側の前記第１半導体素子の端から２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内になる外形を有し、前記第２ヒートスプレッダは、該第２ヒートスプレッダの端の各々が、それぞれに同じ側の前記第２半導体素子の端から２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内になる外形を有することがより好ましい。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記各第１半導体素子を形成する複数の半導体素子の間の距離、および、前記各第２半導体素子を形成する複数の半導体素子の間の距離は、それぞれ１ｍｍ以上１３ｍｍ以下であることが好ましい。
このような構成によれば、半導体素子を形成する複数の半導体素子の間の距離が１ｍｍ未満であると半導体素子間の熱干渉が大きくなる問題、１３ｍｍを超えると半導体素子間を広げることが難しくなって面積当たりの冷却効率が悪くなる問題を避けることができる。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記第１半導体素子または前記第２半導体素子の内の一方若しくは両方について、電流または電圧の内いずれか一方を計測する第１センサと、温度を計測する第２センサとを備えることができる。
図１、図２および図４に示したように、冷却器５は、天板５ａ、トレー５ｂ、フィン５ｃ、冷媒入口配管５ｄ、冷媒通路５ｇ、冷媒出口配管５ｅを備え、冷却器５の天板５ａ上に半導体ユニット１０，１１，１２が配置されている。冷却器５の天板５ａは、半導体ユニット１０，１１，１２の第２金属箔４ａ３に熱的に接続されており、半導体ユニット１０，１１，１２の熱は、冷却器５の天板５ａに伝熱される。天板５ａの下にトレー５ｂが配置され、トレー５ｂの中に複数のフィン５ｃが配列されている。フィン５ｃはプレート状のものが図示されているが、これに限定されない。例えば、波状や格子状や多孔質のものであってもよい。フィン５ｃは、天板５ａとトレー５ｂに接続されている。フィン５ｃの左右の端部とトレー５ｂの間には空間があり、冷媒入口配管側の分配部５ｆと、冷媒出口配管側の集合部５ｈとが形成されている。冷却器５において、冷媒は、冷媒入口配管５ｄを通って冷媒の導入方向１３から導入され、冷媒入口配管側の分配部で各フィン５ｃ間に冷媒が分配され、各フィン５ｃ間の冷媒通路５ｇで冷媒の流れ方向１４に流れて天板５ｂやフィン５ｃで加熱され、冷媒出口配管側の集合部５ｈで各フィン間から出た冷媒が集められ、冷媒出口配管５ｅを通って冷媒の排出方向１５に排出される。冷媒は、冷却器５の冷媒出口配管５ｅ、図示しない熱交換器およびポンプを経由して、冷却器５の冷媒入口配管５ｄに戻る循環経路に通流される。冷媒としては、特に限定されないが、例えば、エチレングリコール水溶液や水などの液体冷媒を用いることもでき、空気のような気体冷媒を用いることもでき、フロンのように冷却器で蒸発して気化熱で冷却器を冷やす相変化可能な冷媒を用いることもできる。
図３には、本発明の第１実施例に係る半導体ユニット１０ａの上面図が示されている。また、図４には、図３に示した半導体ユニット１０ａと冷却器５のＡ−Ａ断面の断面図が示されている。
第１半導体ユニット１０ａは、第１半導体素子１ａ、第２半導体素子１ｂ、第１ヒートスプレッダ２ａ、第２ヒートスプレッダ２ｂ、ハンダ３ａ１、ハンダ３ａ２、ハンダ３ａ３、ハンダ３ｂ１、ハンダ３ｂ２、ＤＣＢ基板４、セラミック絶縁基板４ａ１、第１金属箔（回路層）４ａ２、第２金属箔４ａ３、電極パッド４ａ８、電極パッド４ａ９を備えている。
なお、図３には図示しないが、第１半導体ユニット１０ａは、半導体素子１ａまたは１ｂの内の一方もしくは両方について、内部回路として、電流または電圧の内いずれか一方を計測する第１センサ、もしくは温度を計測する第２センサを備えることができる。前記センサは、外部に信号を取り出すためのピンを立てた電極パッド４ａ８、４ａ９にワイヤで接続することができる。
第１半導体ユニット１０ｂは、第１半導体素子１ａ、第２半導体素子１ｂ、第３半導体素子１ｃ、第４半導体素子１ｄ、第１ヒートスプレッダ２ａ、第２ヒートスプレッダ２ｂ、ハンダ３ａ１、ハンダ３ａ２、ハンダ３ａ３、ハンダ３ｂ１、ハンダ３ｂ２、ハンダ３ｃ１、ハンダ３ｄ１、ＤＣＢ基板４、セラミック絶縁基板４ａ１、第１金属箔（回路層）４ａ２、第２金属箔４ａ３、電極パッド４ａ８、電極パッド４ａ９、電極パッド４ａ１０、電極パッド４ａ１１を備えている。
なお、図５には図示しないが、第１半導体ユニット１０ｂは、第１半導体素子１ａ、第２半導体素子１ｂ、第３半導体素子１ｃ、または第４半導体素子１ｄの内の一つ、もしくは二つ以上に、内部回路として、電流または電圧の内いずれか一方を計測する第１センサと、温度を計測する第２センサを備え、センサからの信号が電極パッド４ａ８、電極パッド４ａ９、電極パッド４ａ１０、電極パッド４ａ１１のいずれかを経由して、外部に取り出すことができる。
図７には、本発明の第３実施例に係る半導体ユニット１０ｃの上面図が示されている。図８（Ａ）には図７に示した半導体ユニット１０ｃと冷却器５のＡ−Ａ断面の断面図が、図８（Ｂ）にはＢ−Ｂ断面の断面図が示されている。
第１半導体ユニット１０ｃは、第１半導体素子１ａ、第２半導体素子１ｂ、第３半導体素子１ｃ、第４半導体素子１ｄ、第１ヒートスプレッダ２ａ、第２ヒートスプレッダ２ｂ、ハンダ３ａ１、ハンダ３ａ２、ハンダ３ａ３、ハンダ３ｂ１、ハンダ３ｂ２、ハンダ３ｃ１、ハンダ３ｄ１、ＤＣＢ基板４、セラミック絶縁基板４ａ１、第２金属箔４ａ３、第３金属箔（回路層）４ａ４、第４金属箔（回路層）４ａ５、電極パッド４ａ８、電極パッド４ａ９、電極パッド４ａ１０、電極パッド４ａ１１を備えている。
第１半導体素子１ａ及び第３半導体素子１ｃが配置された第３金属箔（回路層）４ａ４と、第２半導体素子１ｂ及び第４半導体素子１ｄが配置された第４金属箔（回路層）４ａ５との間の領域には、第４金属箔（回路層）４ａ５に、冷媒の流れの下流から上流へ向かう方向に突出した延在部７が設けられ、配線が接続できるようになっている。延在部７は、この位置に設けることにより、他所に配置した時のスペースの無駄を避けつつ、第１半導体素子１ａと第２半導体素子１ｂとの距離、及び第３半導体素子１ｃと第４半導体素子１ｄとの距離を適度に保って温度の均一化をはかることができる。
なお、図７には図示しないが、第１半導体ユニット１０ｃは、第１半導体素子１ａ、第２半導体素子１ｂ、第３半導体素子１ｃ、または第４半導体素子１ｄの内の一つ、もしくは二つ以上に、内部回路として、電流または電圧の内いずれか一方を計測する第１センサと、温度を計測する第２センサとを備え、センサからの信号が電極パッド４ａ８、電極パッド４ａ９、電極パッド４ａ１０、電極パッド４ａ１１のいずれかを経由して、外部に取り出すことができる。
図９には本発明の第４実施例に係る半導体ユニット１０ｄの上面図が示されている。図１０（Ａ）には、図９に示された半導体ユニット１０ｄと冷却器５のＡ−Ａ断面の断面図が、図１０（Ｂ）にはＢ−Ｂ断面の断面図が、それぞれ示されている。
図１１には、本発明の第５実施例に係る半導体ユニット１０ｅの上面図が示されている。図１２（Ａ）には本発明の図１１に示された半導体ユニット１０ｅと冷却器５のＡ−Ａ断面の断面図が、図１２（Ｂ）にはＢ−Ｂ断面の断面図が、それぞれ示されている。
図１６には、冷媒の流れる方向に直交する方向にヒートスプレッダの幅を広げたシミュレーション結果のうち、下流側のシミュレーション結果のみが示されている。凡例の１０＊１１．６、１１＊１２．６、１２＊１３．６、３０．６＊１３．６は、ヒートスプレッダの（横の長さ）＊（縦の長さ）を表しており、（横の長さ）とは冷媒の流れる方向に直交する方向のヒートスプレッダの長さを意味する。長さの単位は、ｍｍである。凡例の１０＊１１．６、１１＊１２．６、１２＊１３．６については、ヒートスプレッダ１個につき半導体素子１個が配置されている。凡例の１２＊１３．６、３０．６＊１３．６を比較すると、冷媒の流れる方向に直交する方向のヒートスプレッダの長さが長くなる程、半導体素子の最高温度Ｔｊを低減できることが分かる。凡例の３０．６＊１３．６については、ヒートスプレッダ１個につき半導体素子を２個に分割して並列に配置されている。半導体素子を２個に分割して並列に配置し、ヒートスプレッダを拡げた場合は、熱流を効率的に広げることができ、最高温度Ｔｊを、さらに低減できることが分かる。
図１７には、図１６のデータに基づく、上流側ヒートスプレッダの面積に対する下流側ヒートスプレッダの面積比と、半導体素子の最高温度Ｔｊの平均温度との関係が示されている。前記面積比は、１．２倍以上２．４倍以下が望ましく、１．５倍以上２．１倍以下がより望ましく、１．８倍以上２．０倍以下が特に望ましいことが分かる。前記面積比が、１．２倍未満の場合は、下流側の半導体素子の最高温度Ｔｊの平均値を十分に低下させることができない。前記比が、２．４倍を超える場合は、下流側のヒートスプレッダの面積が大きくなるため、装置が大きくなるので好ましくないことが分かる。
半導体素子１ａと半導体素子１ｂは、直列に接続されている。半導体素子１ａの他端と半導体素子１ｂの他端は、バッテリー２４にそれぞれ接続されている。バッテリー２４の両端子間には、コンデンサ２５が接続されている。半導体素子１ａと半導体素子１ｂとの間の配線からモータ１７へ出力配線が接続されている。半導体素子１ａと半導体素子１ｂをセットとして、合計３セット設置され、各セットから出た出力配線が３相のモータ１７へ接続されている。制御信号入力端子２６は、各半導体素子のゲートに接続しており、外部の中央演算装置１８ともそれぞれ接続されている。中央演算装置１８で各半導体素子のゲートに入力される信号を切り替えることで、バッテリー２４から供給される直流電流をモータ１７へ出力される３相交流電流に変換している。
１ａ 第１半導体素子
１ｂ 第２半導体素子
１ｃ 第３半導体素子
１ｄ 第４半導体素子
２ａ 第１ヒートスプレッダ
２ｂ 第２ヒートスプレッダ
２ｃ 第３ヒートスプレッダ
２ｄ 第４ヒートスプレッダ
３ａ１，３ａ２，３ａ３，３ｂ１，３ｂ２，３ｃ１，３ｃ２，３ｄ１，３ｄ２ハンダ
４ ＤＣＢ基板
４ａ１ セラミック絶縁基板
４ａ２ 第１金属箔（回路層）
４ａ３ 第２金属箔
４ａ４，４ａ６ 第３金属箔（回路層）
４ａ５，４ａ７ 第４金属箔（回路層）
４ａ８，４ａ９，４ａ１０，４ａ１１ 電極パッド
５ 冷却器
５ａ 天板
５ｂ トレー
５ｃ フィン
５ｄ 冷媒入口配管
５ｅ 冷媒出口配管
５ｆ 分配部
５ｇ 冷媒通路
５ｈ 集合部
７ 延在部
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ 第１半導体ユニット
１１ 第２半導体ユニット
１２ 第３半導体ユニット
１３ 冷媒の導入方向
１４ 冷媒の流れ方向
１５ 冷媒の排出方向
１６ 車輪
１７ モータ
１８ 中央演算装置
１９ ポンプ
２０ 熱交換器
２１ 配管
２２ａ，２２ｂ ＩＧＢＴ
２３ａ，２３ｂ ＦＷＤ
２４ バッテリー
２５ コンデンサ
２６ 制御信号入力端子
１００ 半導体モジュール
２００ 電気駆動車両

Claims (17)

  1. 第１半導体素子と、
    第２半導体素子と、
    前記第１半導体素子の下面に電気的および熱的に接続された第１ヒートスプレッダと、
    前記第２半導体素子の下面に電気的および熱的に接続された第２ヒートスプレッダと、
    セラミック絶縁基板、前記セラミック絶縁基板の上面に配置された第１金属箔、および前記セラミック絶縁基板の下面に配置された第２金属箔を備え、前記第１金属箔が前記第１ヒートスプレッダの下面および前記第２ヒートスプレッダの下面に電気的および熱的に接合されたＤＣＢ基板と、
    前記ＤＣＢ基板の前記第２金属箔に熱的に接続された冷却器とを備え、
    前記冷却器の冷媒の流れ方向に対して上流側に前記第１半導体素子を配置し、下流側に前記第２半導体素子を配置し、
    前記第２ヒートスプレッダの面積を前記第１ヒートスプレッダの面積より大きくしたことを特徴とする半導体モジュール。
  2. 請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記第２ヒートスプレッダの前記冷媒の流れに直交する方向の長さを前記第１ヒートスプレッダの前記冷媒の流れに直交する方向の長さより長くしたことを特徴とする半導体モジュール。
  3. 請求項１または２に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記第２ヒートスプレッダの前記冷媒の流れ方向の長さを前記第１ヒートスプレッダの前記冷媒の流れ方向の長さより長くしたことを特徴とする半導体モジュール。
  4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記第１金属箔は、前記第１ヒートスプレッダの下面に配置した第３金属箔と、前記第２ヒートスプレッダの下面に配置した第４金属箔に分割されていることを特徴とする半導体モジュール。
  5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記第１半導体素子および／または前記第２半導体素子は、電気的に並列接続で配置された複数の半導体素子で形成されたことを特徴とする半導体モジュール。
  6. 請求項５に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記第１ヒートスプレッダおよび／または前記第２ヒートスプレッダは、前記電気的に並列接続で配置された複数の半導体素子毎に分割されていることを特徴とする半導体モジュール。
  7. 請求項５または６に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記第１金属箔は、前記電気的に並列接続された複数の半導体素子間の領域に前記冷媒の流れの下流から上流へ向かう方向に突出した延在部を備えることを特徴とする半導体モジュール。
  8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記第１半導体素子と前記第２半導体素子との間の前記セラミック絶縁基板上に電極パッドを配置したことを特徴とする半導体モジュール。
  9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記第１ヒートスプレッダの外形は、前記第１半導体素子の端から２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内の大きさであり、
    かつ第２ヒートスプレッダの外形は、前記第２半導体素子の端から２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内の大きさであることを特徴とする半導体モジュール。
  10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記セラミック絶縁基板の上面から前記第１ヒートスプレッダの上面までの間の距離および前記セラミック絶縁基板の上面から前記第２ヒートスプレッダの上面までの間の距離がそれぞれ０．８ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であり、
    前記第１ヒートスプレッダの外形は、前記第１半導体素子の端から２ｍｍ以上５ｍｍ以下の大きさであり、
    かつ第２ヒートスプレッダの外形は、前記第２半導体素子の端から２ｍｍ以上５ｍｍ以下の大きさであることを特徴とする半導体モジュール。
  11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記セラミック絶縁基板の上面から前記第１ヒートスプレッダの上面までの間の距離および前記セラミック絶縁基板の上面から前記第２ヒートスプレッダの上面までの間の距離がそれぞれ１．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、
    前記第１ヒートスプレッダの外形は、前記第１半導体素子の端から２ｍｍ以上５ｍｍ以下の大きさであり、
    かつ第２ヒートスプレッダの外形は、前記第２半導体素子の端から２ｍｍ以上５ｍｍ以下の大きさであることを特徴とする半導体モジュール。
  12. 請求項５に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記各第１半導体素子の対向する端と端との間の距離、および、前記各第２半導体素子の対向する端と端との間の距離は、それぞれ１ｍｍ以上１３ｍｍ以下であることを特徴とする半導体モジュール。
  13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記第１半導体素子または前記第２半導体素子の内少なくとも一方若しくは両方について、電流または電圧の内いずれか一方を計測する第１センサと、温度を計測する第２センサとを備えたことを特徴とする半導体モジュール。
  14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記第２ヒートスプレッダの面積を前記第１ヒートスプレッダの面積より１．２倍以上２．４倍以下の範囲内で大きくしたことを特徴とする半導体モジュール。
  15. 請求項１４に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記第２ヒートスプレッダの面積を前記第１ヒートスプレッダの面積より１．５倍以上２．１倍以下の範囲内で大きくしたことを特徴とする半導体モジュール。
  16. 請求項１５に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記第２ヒートスプレッダの面積を前記第１ヒートスプレッダの面積より１．８倍以上２．０倍以下の範囲内で大きくしたことを特徴とする半導体モジュール。
  17. 請求項１から１６のいずれか一項に記載の半導体モジュールと、
    半導体モジュールの出力する電力で駆動するモータと、
    前記半導体モジュールを制御する中央演算装置と、
    前記半導体モジュールを冷却する冷媒を輸送するポンプと、
    前記冷媒を冷却する熱交換器と、
    前記半導体モジュール、前記ポンプおよび前記熱交換器を閉回路状に接続して冷媒流路を形成する配管とを備えていることを特徴とする電気駆動車両。
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