JPWO2015107870A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

半導体モジュールの発熱に起因する他の電子デバイスの温度上昇を抑えた半導体装置を提供する。本開示に係る半導体装置は、半導体素子を有する半導体モジュール（１）と、受動素子（４）と、半導体モジュール（１）と受動素子（４）との間に配置された冷却部材（２）と、半導体モジュール（１）と受動素子（４）とを電気的に接続する第１の導電部材（５ａ）及び第２の導電部材（５ｂ）と、を備えている。また、第１の導電部材（５ａ）及び第２の導電部材（５ｂ）の少なくとも１つは、２面以上において冷却部材（２）と対向している。

Description

本発明は、インバータ装置等の電力変換に用いる半導体装置に関する。
近年、電気自動車やハイブリッド自動車等の電気モータ駆動用にＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子等を内蔵した半導体モジュールによるインバータ回路が使われている。しかし、これらの半導体モジュールは大電流で作動させるため、発熱が大きく、近接して設置するキャパシタや制御回路などが高温になり、動作不良となるといった問題を生じる可能性がある。
特許文献１には、半導体モジュールとコンデンサとの間に冷却器を配置し、コンデンサと半導体素子を接続するコンデンサ端子を冷却器に熱的に接触させ、コンデンサ端子を冷却する電力変換装置が開示されている。これにより、半導体モジュールからコンデンサへの熱の伝導を抑制し、コンデンサの温度上昇を低減させる。
また、特許文献２には、半導体モジュールを冷媒チューブで挟み込み、半導体モジュールを冷却することにより、他のデバイスへの熱による悪影響等を低減させる電力変換装置が開示されている。
特開２０１０−２５２４６１号公報 特開２００５−７３３７４号公報
本開示に係る第１の半導体装置は、半導体素子を有する半導体モジュールと、受動素子と、半導体モジュールと受動素子との間に配置された冷却部材と、半導体モジュールと受動素子とを電気的に接続する第１の導電部材及び第２の導電部材と、を備えている。また、第１の導電部材及び第２の導電部材の少なくとも１つは、２面以上において冷却部材と対向している。
この構成によれば、半導体モジュールと受動素子とを電気的に接続する導電部材について、導電部材の１面のみが冷却部材に対向している場合に比べ、導電部材から冷却部材への放熱が促進され、導電部材を介して、半導体モジュールから受動素子に伝わる熱を抑制することができる。これにより、半導体モジュールからの熱による受動素子の温度上昇を抑えることができる。
また、本開示に係る第２の半導体装置は、半導体素子を有する半導体モジュールと、受動素子と、半導体モジュールと受動素子との間に配置された冷却部材と、半導体モジュールと受動素子とを電気的に接続する第１の導電部材及び第２の導電部材と、を備え、第１の導電部材と第２の導電部材の間に、冷却部材及び半導体モジュールが配置される。
この構成によれば、２つの導電部材の間に配置された冷却部材によって、半導体モジュールと受動素子とを接続する導電部材が冷却され、半導体モジュールからの熱による受動素子の温度上昇が抑制される。さらに、２つの導電部材が冷却部材の両側に分かれて、半導体モジュールと受動素子との間を接続するため、導電部材を冷却部材と受動素子との間を通して迂回させる必要がなく、導電部材の長さを短くすることができる。これにより、インダクタンスの増加を抑えることができる。
また、本開示に係る第３の半導体装置は、第１の半導体素子を有する第１の半導体モジュールと、第２の半導体素子を有する第２の半導体モジュールと、第１の半導体モジュール及び第２の半導体モジュールが設置された冷却部材と、を備え、第１の半導体モジュール及び第２の半導体モジュールは、冷却部材の側面に設置されている。第１の半導体モジュールは、第１の半導体素子と電気的に接続し、第１の半導体モジュールから突出した第１の電力用端子及び第２の電力用端子を有し、第２の半導体モジュールは、第２の半導体素子と電気的に接続し、第２の半導体モジュールから突出した第３の電力用端子及び第４の電力用端子を有している。第１の半導体モジュールの第２の電力用端子は、第２の半導体モジュールの第３の電力用端子と接続され、第２の半導体モジュールの第３の電力用端子は、冷却部材の側面と対向する位置において、第２の半導体モジュールから突出している。
この構成によれば、半導体モジュールから冷却部材の側面と対向する位置において突出する電力用端子からも冷却できるため、互いに接続される複数の半導体モジュールを十分に冷却できると共に、各半導体モジュール間を短い距離で電気的に接続することができるため、インダクタンスの増加を抑えることができる。
図１Ａは、第１の実施形態に係る半導体装置の斜視模式図である。 図１Ｂは、第１の実施形態に係る半導体装置の側面模式図である。 図１Ｃは、第１の実施形態に係る半導体装置の第１のバスバーの斜視模式図である。 図１Ｄは、第１の実施形態に係る半導体装置の第２のバスバーの斜視模式図である。 図２Ａは、第１の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線での断面模式図である。 図２Ｂは、第１の実施形態に係る半導体装置における図２ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。 図３は、第１の実施形態に係る半導体装置の回路を示す図である。 図４は、バスバーの配置を変えた場合の第１の実施形態に係る半導体装置における図２ＡのＢ−Ｂ線に相当する位置での断面模式図である。 図５Ａは、第２の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図である。 図５Ｂは、第２の実施形態に係る半導体装置における図５ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。 図６Ａは、第３の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図である。 図６Ｂは、第３の実施形態に係る半導体装置における図６ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。 図７Ａは、第４の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図である。 図７Ｂは、第４の実施形態に係る半導体装置における図７ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。 図８Ａは、第５の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図である。 図８Ｂは、第５の実施形態に係る半導体装置における図８ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。 図９Ａは、第６の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図である。 図９Ｂは、第６の実施形態に係る半導体装置における図９ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。 図１０は、第７の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図である。 図１１Ａは、第８の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図である。 図１１Ｂは、第８の実施形態に係る半導体装置における図１１ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。 図１２Ａは、第９の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図である。 図１２Ｂは、第９の実施形態に係る半導体装置における図１２ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。 図１３Ａは、第１０の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図である。 図１３Ｂは、第１０の実施形態に係る半導体装置における図１３ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。 図１４Ａは、第１の変形例に係るキャパシタの模式図である。 図１４Ｂは、第１の変形例に係るキャパシタの構造説明図である。 図１５Ａは、第２の変形例に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図である。 図１５Ｂは、第２の変形例に係る半導体装置の半導体素子近傍の局所拡大模式図である。 図１６Ａは、第１１の実施形態に係る半導体装置の上方からの斜視模式図である。 図１６Ｂは、第１１の実施形態に係る半導体装置の下方からの斜視模式図である。 図１７は、第１１の実施形態に係る半導体モジュールの斜視模式図である。 図１８は、第１１の実施形態に係る半導体装置モジュール間の接続を説明する模式図である。 図１９は、第１１の実施形態に係る半導体装置の回路を示す図である。 図２０は、第１２の実施形態に係る半導体装置モジュール間の接続を説明する模式図である。 図２１Ａは、第１３の実施形態に係る半導体装置の側面模式図である。 図２１Ｂは、第１３の実施形態に係る半導体装置の下面模式図である。 図２２Ａは、第１４の実施形態に係る半導体装置の側面模式図である。 図２２Ｂは、第１４の実施形態に係る半導体装置の下面模式図である。 図２３は、第１５の実施形態に係る半導体装置の側面模式図である。
まず、従来技術における課題について述べる。
特許文献１の電力変換装置では、２本のコンデンサ端子の内、１方のコンデンサ端子のみ半導体モジュールとコンデンサとの間に配置しており、もう一方のコンデンサ端子は、十分に冷却できなかった。また、コンデンサ端子と冷却器との熱的な接触面積を増加させるため、半導体モジュールとコンデンサとの間でコンデンサ端子を長く延ばしていた。その結果、コンデンサ端子の長さが大きくなり、インダクタンスが増加してしまうという新たな問題が生じていた。
一方、特許文献２の電力変換装置では、冷媒チューブの間から突出した半導体モジュールの端子をその上部に配置したパワー配線部で配線しているため、端子から冷却チューブへの放熱が十分ではなかった。また、配線長が長くなり、インダクタンスが増加する原因となっていた。
本開示は、このような従来の課題を解決するものであり、半導体モジュールの発熱に起因するキャパシタ等の他の電子デバイスの温度上昇を抑えた半導体装置を提供する。また、半導体モジュール間の導電部材の長さに起因するインダクタンスの増加を抑えた半導体装置を提供する。ここで、本開示の半導体装置は、インバータ回路等の電力変換用に好適に用いることができる。
以下、各実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る半導体装置の構成について、図１Ａ〜図４を用いて説明する。
図１Ａは、第１の実施形態に係る半導体装置の斜視図であり、図１Ｂは、第１の実施形態に係る半導体装置の側面図である。ここで、説明を容易にするため、パッケージ６内の構造が見えるように表示している。また、各図には、座標軸を記載している。ここで、図１Ａの図面の下から上に向かう方向をＺ方向とし、Ｚ方向と垂直で半導体装置の長手方向をＹ方向、幅方向をＸ方向とした。図１Ｃは、第１の実施形態に係る半導体装置の第１のバスバーの斜視模式図であり、図１Ｄは、第１の実施形態に係る半導体装置の第２のバスバーの斜視模式図である。図２Ａは、第１の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線での断面模式図であり、図２Ｂは、第１の実施形態に係る半導体装置における図２ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。図２Ｂでは、説明を容易にするため、半導体モジュール１及び半導体素子１６ａ、１６ｂの位置を点線で示している。図３は、第１の実施形態に係る半導体装置の回路を示す図である。図４は、バスバーの配置を変えた場合の第１の実施形態に係る半導体装置における図２ＡのＢ−Ｂ線に相当する位置での断面模式図である。
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本実施形態の半導体装置は、半導体モジュール１とバッテリーからの電力を一時的に蓄えるキャパシタ４とをそれぞれＹ方向に３つずつ並べて配置している。半導体モジュール１とキャパシタ４との間には冷却部材２が配置され、その内部には流路３を有している。半導体モジュール１は、内部に半導体素子１６ａ、１６ｂ（図示せず）を有し、モータ等を駆動する際に発熱するため、周りの電子部品に熱による悪影響を与える。そのため、本実施形態による半導体装置では、半導体モジュール１とキャパシタ４との間に冷却部材２を設けることにより、半導体モジュール１からの熱が冷却部材２で吸収され、キャパシタ４が高温にならないようにしている。なお、半導体モジュール１、キャパシタ４及び冷却部材２は、パッケージ６により覆われている。パッケージ６は、半導体モジュール１、キャパシタ４及び冷却部材２等を封入する封止樹脂とこの封止樹脂を囲むケースにより構成される。封止樹脂としては、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂等が用いられ、ケースとしては、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）樹脂やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂を成形したものが用いられる。なお、パッケージ６としては、ケースを用いず、封止樹脂のみを用いる構成や、ケースをアルミニウム（Ａｌ）等の金属材料から形成した構成としてもよい。
半導体モジュール１は、図３に示すモータを駆動するインバータ回路を構成するものであり、ＩＧＢＴ素子等のトランジスタとダイオードから構成される半導体素子１６ａ、１６ｂを有している。モータへの配線との結線を挟んで、負極側と正極側に半導体素子１６ａ、１６ｂが接続されており、負極側をローサイド、正極側をハイサイドと呼ぶ。ハイサイドの半導体素子１６ａとローサイドの半導体素子１６ｂで１対となる。ここで、モータを駆動させる際に、ハイサイドの半導体素子１６ａから電力を供給するため、ローサイドの半導体素子１６ｂに比べて、ハイサイドの半導体素子１６ａの方が、発熱量が大きく、高温となる。図１Ａに示すように、各半導体モジュール１からは、ハイサイドの半導体素子１６ａに接続される電力用端子（Ｐ端子）２１ａと、ローサイドの半導体素子１６ｂに接続される電力用端子（Ｎ端子）２１ｂと、モータに接続される電力用端子２１ｃの３本の電力用端子が出ている。
図１Ａ及び図２Ａに示すように、半導体モジュール１とキャパシタ４とは、帯状の導電部材からなる第１のバスバー５ａ及び第２のバスバー５ｂによって電気的に接続されている。第１のバスバー５ａは、ハイサイドの半導体素子１６ａに接続されるＰ端子２１ａと接続され、第２のバスバー５ｂは、ローサイドの半導体素子１６ｂに接続されるＮ端子２１ｂと接続されている。また、キャパシタ４は、上面と下面にそれぞれ電極を有しており、キャパシタ４の上面の電極は、第１のバスバー５ａに接続され、キャパシタ４の下面の電極は第２のバスバー５ｂに接続されている。ここで、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂを総称してバスバーと呼ぶ。
また、第１のバスバー５ａ及び第２のバスバー５ｂは、冷却部材２の貫通穴２ａを通って延在し、キャパシタ４と半導体モジュール１とを接続している。即ち、第１のバスバー５ａ及び第２のバスバー５ｂは、貫通穴２ａ内において、冷却部材２によって囲まれており、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂの４つの側面の全てにおいて冷却部材２に対向している。これにより、バスバーから冷却部材２への放熱量を増加させることができる。
図１Ａ及び図２Ａに示すように、第１のバスバー５ａは、冷却部材２とキャパシタ４との間に配置され、キャパシタ４の上面の端近傍から直角に屈曲し、上方に延びて冷却部材２の貫通穴２ａを通過後、半導体モジュール１のＰ端子２１ａと接続されている。また、第１のバスバー５ａは、図１Ｃに示すように、Ｗ１の幅の部分と、Ｗ１よりも大きいＷ２の幅の部分を有している。図１Ｂに示すように、第１のバスバー５ａは、半導体モジュール１のＰ端子２１ａと接続される部分や冷却部材２の貫通穴２ａ内では、Ｗ１の幅を有しているが、冷却部材２とキャパシタ４との間では、Ｗ１よりも大きいＷ２の幅を有している。このため、第１のバスバー５ａが冷却部材２と対向する面積が増大し、第１のバスバー５ａから冷却部材２への放熱量を増加させることができる。
また、図１Ａ及び図２Ａに示すように、第２のバスバー５ｂは、キャパシタ４の下面の端近傍から直角に屈曲し、上方に延びて冷却部材２の貫通穴２ａを通過後、半導体モジュール１のＮ端子２１ｂと接続されている。また、第２のバスバー５ｂは、図１Ｄに示すように、Ｗ３の幅の部分と、Ｗ３よりも大きいＷ４の幅の部分を有している。図１Ｂに示すように、第２のバスバー５ｂは、半導体モジュール１のＮ端子２１ｂと接続される部分や冷却部材２の貫通穴２ａ内では、Ｗ３の幅を有しているが、キャパシタ４の下面近傍での屈曲部から冷却部材２の貫通穴２ａまでの間では、Ｗ３よりも大きいＷ４の幅を有している。即ち、第２のバスバー５ｂは、半導体モジュール１とキャパシタ４との間において、第３の幅（Ｗ３）と、第３の幅（Ｗ３）よりも大きい第４の幅（Ｗ４）を有している。このため、第２のバスバー５ｂの幅の広い部分において放熱面積が拡大し、第２のバスバー５ｂからパッケージ６等への放熱量を増加させることができる。
ここで、本実施形態における第１のバスバー５ａは、本願における「第１の導電部材」の一例であり、第２のバスバー５ｂは、本願における「第２の導電部材」の一例である。また、本実施形態におけるＷ１は、本願における「第１の幅」の一例であり、Ｗ２は、本願における「第２の幅」の一例である。
次に、図２Ａ及び図２Ｂを用いて、本実施形態の半導体装置の内部構造について詳しく説明する。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、半導体モジュール１は、内部にハイサイドの半導体素子１６ａとローサイドの半導体素子１６ｂを有している。半導体モジュール１から出た電力用のＰ端子２１ａとＮ端子２１ｂは、それぞれ第１のバスバー５ａ及び第２のバスバー５ｂに接続されている。
第１のバスバー５ａはキャパシタ４と冷却部材２との間に配置され、キャパシタの上面の電極に接続している。また、第１のバスバー５ａは、キャパシタの上面の電極から離れた所で直角に屈曲し、冷却部材２の貫通穴２ａを通過して、半導体モジュール１から出たＰ端子２１ａと接続している。また、第２のバスバー５ｂは、キャパシタの下面の電極に接続し、キャパシタの下面の電極から離れた所で直角に屈曲し、冷却部材２の貫通穴２ａを通過して、半導体モジュール１から出たＮ端子２１ｂと接続している。
また、冷却部材２には、水、エチレングリコール、ガス冷媒等の冷却媒体を通すための流路３が形成されている。流路３は冷却部材２内部で湾曲しており、冷却部材２の同じ側面に流入口３ａと流出口３ｂを備えている。ここで、半導体モジュール１は、流路３の上方に位置するように、冷却部材２の上面に配置されている。これにより、半導体モジュール１からの流路３への放熱量を増加させることができる。また、流入口３ａに近い側の流路３の上方にハイサイドの半導体素子１６ａが配置されている。流路３中を流れる冷却媒体は、流入口３ａから流出口３ｂに向かう間に熱を吸収し、温度が上昇する。そのため、流入口３ａに近い冷却媒体の方が、温度が低く、多くの熱を吸収することができる。上述のように、ハイサイドの半導体素子１６ａの発熱量の方が多いので、流入口３ａに近い側の流路３の上方にハイサイドの半導体素子１６ａを配置することにより、半導体モジュール１の温度上昇を抑制することができる。
上述のように、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂは、冷却部材２の貫通穴２ａを通過して、半導体モジュール１とキャパシタ４とを接続している。このように、バスバーが冷却部材２の近傍を通過するように構成することにより、バスバーから冷却部材２への放熱が促進され、バスバーを介して、半導体モジュール１からキャパシタ４へ伝導される熱を低減させることができる。
図２Ｂに示すように、第１のバスバー５ａ及び第２のバスバー５ｂの断面は、長方形形状をしており、長方形の長辺に対応する第１側面と長方形の短辺に対応する第２側面とを有している。第１側面の面積の方が大きいため、冷却部材２の流路３が設けられた部分に第１側面を対向させて、第１のバスバー５ａ及び第２のバスバー５ｂを配置する。これにより、狭い面積の第２側面を冷却部材２の流路３が設けられた部分に対向させた場合に比べて、第１のバスバー５ａ及び第２のバスバー５ｂから冷却部材２への放熱量が大きくなる。ここで、第１のバスバー５ａ及び第２のバスバー５ｂは、流路３の方向と平行な方向に並んで配置される。このように配置することにより、第１のバスバー５ａ及び第２のバスバー５ｂは、冷却部材２との間に他のものを介在させることなく、冷却部材２の流路３が設けられた部分に対向させることができるので、より多くの熱を冷却部材２に放熱させることができる。
一方、図４に示すように、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂを、第１側面が重なるように配置してもよい。このように配置することにより、第１のバスバー５ａ及び第２のバスバー５ｂは、流路３の方向と平行な方向に並んで配置する場合に比べて、冷却効果は劣るものの、インダクタンスの増加を抑制することができる。隣接している電流路の相互インダクタンスは、レンツの法則によって示され、電流の向きが互いに逆方向となる第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂは、インダクタンスを打ち消し合う関係となる。本実施形態では、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂの広い方の第１側面が互いに対向しているため、打ち消し合うインダクタンスが大きくなり、半導体装置全体のインダクタンスの増加を抑制することができる。
上述のように、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂを、冷却部材２の貫通穴２ａに通すことにより、半導体モジュール１からキャパシタ４への熱の伝導を抑え、キャパシタ４の温度上昇を抑えることができる。加えて、発熱量の大きいハイサイドの半導体素子１６ａに接続される第１のバスバー５ａに対して、幅の広い部分を設け、その幅の広い部分を、冷却部材２とキャパシタ４との間に配置することにより、冷却部材２への放熱量を大きくすることができる。また、冷却部材２とキャパシタ４との間に配置されない第２のバスバー５ｂについては、幅の広い部分を設けることにより、放熱面積を拡大し、第２のバスバー５ｂからパッケージ６等への放熱量を増加させることができる。以上により、キャパシタ４の温度上昇をさらに抑制することができる。
なお、本実施形態におけるキャパシタ４としては、絶縁性の高いフィルムキャパシタを用いることができる。フィルムキャパシタとは、プラスチックフィルム等に陰極、陽極となる金属箔を形成し、巻き取った構造である。
ここで、本実施形態におけるキャパシタ４は、本願における「受動素子」の一例である。なお、本願における「受動素子」としては、キャパシタ４以外に、リアクトル等が含まれる。
以上のように、本実施形態に係る半導体装置は、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂを、冷却部材２の貫通穴２ａに通すと共に、第１のバスバー５ａを冷却部材２とキャパシタ４との間に配置し、第２のバスバー５ｂに幅の広い部分を設けることにより、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂからの放熱量を増加させることができる。このため、半導体モジュール１からキャパシタ４への熱の伝導を抑え、半導体モジュール１の発熱に起因するキャパシタ４の温度上昇を抑えることができる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る半導体装置の構成について、図５Ａ〜図５Ｂを用いて説明する。図５Ａは、第２の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図であり、図５Ｂは、第２の実施形態に係る半導体装置における図５ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第２の実施形態に係る半導体装置では、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂが共に冷却部材２に設けられた切り欠き部２ｂを通って延在している。その他の構成については、第１の実施形態と同様である。
本実施形態では、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂは、切り欠き部２ｂの開口方向以外の３つの側面において、冷却部材２に対向している。これにより、バスバーからの放熱量を増加させることができると共に、冷却部材２に貫通穴２ａを形成する場合に比べて、冷却部材２の幅を小さくすることができ、半導体装置を小型化することができる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る半導体装置の構成について、図６Ａ〜図６Ｂを用いて説明する。図６Ａは、第３の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図であり、図６Ｂは、第３の実施形態に係る半導体装置における図６ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、第３の実施形態に係る半導体装置では、冷却部材２に貫通穴２ａは形成されておらず、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂは、冷却部材２の貫通穴２ａの中を通っていない。一方、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂに隣接して、別の冷却部材２が設けられており、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂは、２つの冷却部材２によって挟まれるように配置されている。その他の構成については、第１の実施形態と同様である。
本実施形態では、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂは、その両側に配置された２つの冷却部材２の両方に広い面積の第１側面を対向させている。即ち、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂは、２つの側面において冷却部材２と対向している。このため、バスバーを冷却部材２の貫通穴２ａ内に配置した場合と同様にバスバーから冷却部材２へ放熱量を増加させることができる。また、バスバーの両側の冷却部材２は、共に冷却媒体を流すための流路３を有している。このため、バスバーの両側の冷却部材２を低温に保つことが可能となり、バスバーから冷却部材２へ放熱量をより増加させることができる。これにより、キャパシタ４の温度上昇を抑えることができる。
（第４の実施形態）
第４の実施形態に係る半導体装置の構成について、図７Ａ〜図７Ｂを用いて説明する。図７Ａは、第４の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図であり、図７Ｂは、第４の実施形態に係る半導体装置における図７ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。図７Ａ及び図７Ｂに示すように、第４の実施形態に係る半導体装置では、冷却部材２内の流路３は、冷却部材２内で湾曲しておらず、冷却部材２の一方の側面に流入口３ａを有し、反対側の側面に流出口３ｂを有している。即ち、冷却媒体は、冷却部材２の内部を一方向に流れ、流入口３ａのある側面に戻ってこない。また、半導体モジュール１内のハイサイドの半導体素子１６ａとローサイドの半導体素子１６ｂの下側にそれぞれ流路３が設けられている。その他の構成については、第１の実施形態と同様である。
本実施形態では、冷却部材２に複数の流路３が形成されているため、冷却能力が高く、半導体モジュール１、バスバー、キャパシタ４からの放熱量を増加させることができる。また、半導体モジュール１内のハイサイドの半導体素子１６ａとローサイドの半導体素子１６ｂの下側にそれぞれ流路３が設けられているため、ローサイドの半導体素子１６ｂの下側に流れる冷却媒体の温度を低くすることでき、半導体モジュール１からの放熱量を増加させることができる。
（第５の実施形態）
第５の実施形態に係る半導体装置の構成について、図８Ａ〜図８Ｂを用いて説明する。図８Ａは、第５の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図であり、図８Ｂは、第５の実施形態に係る半導体装置における図８ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、第５の実施形態に係る半導体装置では、冷却部材２の流路３内に放熱面積を増加させるためのフィン７が設けられている。フィン７は、半導体モジュール１の下側に設けられている。その他の構成については、第１の実施形態と同様である。
本実施形態では、フィン７により冷却部材２から冷却媒体への放熱量が増加する。さらに、フィン７が半導体モジュール１の下側に設けられているため、特に半導体モジュール１からの放熱を促進することができる。
（第６の実施形態）
第６の実施形態に係る半導体装置の構成について、図９Ａ〜図９Ｂを用いて説明する。図９Ａは、第６の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図であり、図９Ｂは、第６の実施形態に係る半導体装置における図９ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。図９Ａ及び図９Ｂに示すように、第６の実施形態に係る半導体装置では、冷却部材２の流路３内に、流路３の湾曲部近傍において、冷却媒体の流れの方向を湾曲の中心側へ寄せるように設けられた流れの方向を制御するフィン７を有している。その他の構成については、第１の実施形態と同様である。
冷却部材２の流路３内で、冷却媒体が湾曲部を流れる際には、遠心力により湾曲の内側で水圧が低下して、気泡が発生する。気泡が発生すると冷却部材２から冷却媒体への伝熱が抑制されるため、放熱効果が低下する。
本実施形態では、フィン７により冷却媒体の流れの方向を湾曲の中心側へ寄せることができるため、冷却媒体が湾曲部を流れる際の気泡を抑制することができる。そのため、冷却部材２から冷却媒体への放熱量の低下を抑制することができる。
（第７の実施形態）
第７の実施形態に係る半導体装置の構成について、図１０を用いて説明する。図１０は、第７の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図である。図１０に示すように、第７の実施形態に係る半導体装置では、冷却部材２内に２つの流路３（図示せず）が設けられ、各流路の流入口３ａと流出口３ｂとがＺ方向に並んで配置されている。即ち、第７の実施形態に係る半導体装置では、第１の実施形態と異なり、冷却部材２に設けられた流路３は縦方向に（Ｙ−Ｚ面内で）湾曲している。冷却媒体は、冷却部材２の側面に設けられた流入口３ａから冷却部材２の上面（半導体モジュール１が配置された面）側の流路３へ流入し、冷却部材２の湾曲部で冷却部材２の下面側の流路３に入った後、冷却部材２の同じ側面に設けられた流出口３ｂまで戻ってくる。また、半導体モジュール１内のハイサイドの半導体素子１６ａとローサイドの半導体素子１６ｂの下方にそれぞれ流路３が設けられている。その他の構成については、第１の実施形態と同様である。
本実施形態では、冷却部材２に複数の流路３が形成されているため、冷却能力が高く、半導体モジュール１、バスバー、キャパシタ４からの放熱量を増加させることができる。また、流入口３ａに近い流路３を半導体モジュール１の配置された面に近い側に配置しているので、半導体モジュール１からの放熱量を増加させることができる。
（第８の実施形態）
第８の実施形態に係る半導体装置の構成について、図１１Ａ〜図１１Ｂを用いて説明する。図１１Ａは、第８の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図であり、図１１Ｂは、第８の実施形態に係る半導体装置における図１１ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、第８の実施形態に係る半導体装置では、キャパシタ４の電極が両側面に位置するようにキャパシタ４を配置している。また、キャパシタ４の各電極に接続する第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂが冷却部材２の両側に分かれて、キャパシタ４と半導体モジュール１とを接続している。即ち、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂとの間に、冷却部材２及び半導体モジュール１が配置されている。冷却部材２は貫通穴２ａを有していない。その他の構成については、第１の実施形態と同様である。
本実施形態では、キャパシタ４の両側に接続された第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂが共にキャパシタ４と冷却部材２との間を通ることなく、半導体モジュール１へ接続されている。そのため、キャパシタ４と半導体モジュール１との間のバスバーの長さを短くすることができ、導電部材の長さによるインダクタンスの増加を最小限に抑えることができる。また、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂの外側には、冷却部材２が配置されないため、半導体装置を小型化することができる。
また、本実施形態では、発熱量が多いハイサイドの半導体素子１６ａに接続している第１のバスバー５ａは、冷却部材２の流入口３ａ側の流路３近くに配置されている。即ち、温度の高くなる第１のバスバー５ａを、冷却媒体の温度の低い流入口３ａ側の流路３近くにおいて、冷却部材２に対向させている。これにより、バスバーからの放熱量を増加させることができ、キャパシタ４の温度上昇を抑制することができる。
なお、本実施形態において、第１のバスバー５ａと第２のバスバー５ｂが、第１の実施形態と同様に、キャパシタ４と半導体モジュール１との間の任意の部分において、幅の広い部分を有してもよく、キャパシタ４と半導体モジュール１との間のすべてにおいて広い幅を有していてもよい。これにより、バスバーからの放熱量を増加させることができる。
（第９の実施形態）
第９の実施形態に係る半導体装置の構成について、図１２Ａ〜図１２Ｂを用いて説明する。図１２Ａは、第９の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図であり、図１２Ｂは、第９の実施形態に係る半導体装置における図１２ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、第９の実施形態に係る半導体装置では、冷却部材２に貫通穴２ａが設けられ、第１のバスバー５ａは、冷却部材２の貫通穴２ａを通って延在し、キャパシタ４と半導体モジュール１とを接続している。また、第８の実施形態と同様に、第１のバスバー５ａは、冷却部材２の流入口３ａ側の流路３近くに配置されている。その他の構成については、第８の実施形態と同様である。
本実施形態において、第１のバスバー５ａは、より高温となるハイサイドの半導体素子１６ａからのＰ端子２１ａに接続するものであるため、半導体モジュール１からキャパシタ４への伝熱を抑制するためには、第１のバスバー５ａからの放熱量を増加させる方が好ましい。一方、第２のバスバー５ｂは、ハイサイドの半導体素子１６ａよりも低温となるローサイドの半導体素子１６ｂからのＮ端子２１ｂに接続するものであるため、放熱量は少なくてもよい。
そのため、本実施形態では、第１のバスバー５ａを冷却部材２の貫通穴２ａ内に通すことにより、発熱量の多いハイサイドの半導体素子１６ａからのＰ端子２１ａに接続する第１のバスバー５ａからの放熱量を増加させることができる。
（第１０の実施形態）
第１０の実施形態に係る半導体装置の構成について、図１３Ａ〜図１３Ｂを用いて説明する。図１３Ａは、第１０の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図であり、図１３Ｂは、第１０の実施形態に係る半導体装置における図１３ＡのＢ−Ｂ線での断面模式図である。図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、第１０の実施形態に係る半導体装置では、冷却部材２の両側に貫通穴２ａが設けられ、第１のバスバー５ａ及び第２のバスバー５ｂは、冷却部材２の貫通穴２ａを通って延在し、キャパシタ４と半導体モジュール１とを接続している。また、第８の実施形態と同様に、第１のバスバー５ａは、冷却部材２の流入口３ａ側の流路３近くに配置されている。その他の構成については、第８の実施形態と同様である。
本実施形態では、第１のバスバー５ａ及び第２のバスバー５ｂがそれぞれ冷却部材２の貫通穴２ａにおいて冷却されるため、バスバーからの放熱量を増加させることができる。
上述の第１〜第１０の実施形態における構成に対して、種々の変形を行うことができる。この変形例について、以下に説明する。
（第１の変形例）
第１の変形例に係る半導体装置の構成について、図１４Ａ〜図１４Ｂを用いて説明する。図１４Ａは、第１の変形例に係るキャパシタの模式図であり、図１４Ｂは、第１の変形例に係るキャパシタの構造説明図である。第１の実施形態において説明したように、上述の実施形態では、キャパシタ４として、フィルムキャパシタを用いている。上述の実施形態のキャパシタ４では、中心に巻き取り軸は設けられていないが、本実施形態では、図１４Ａに示すように、キャパシタ４からの放熱性を向上させるため、高熱伝導性の材料からなる棒を心棒１０として用いた。心棒１０の材料としては、アルミニウム等の金属材料やセラミックス材料等を用いることができる。
次に、図１４Ｂを用いて、本実施形態のキャパシタ４（フィルムキャパシタ）の構造について説明する。本実施形態のキャパシタ４は、図１４Ｂに示すように、プラスチック等の絶縁性フィルム１３の片側の面にアルミニウム等の金属薄膜１４が形成されている。また、放熱性を向上させるために、金属薄膜１４の上に熱伝導性の高いカーボンシート１５を配置している。これらの絶縁性フィルム１３、金属薄膜１４及びカーボンシート１５の積層体を２つ重ねて、心棒１０の周りに巻きつけていくことにより、図１４Ａに示すキャパシタ４を形成する。ここで、絶縁性フィルム１３、金属薄膜１４及びカーボンシート１５の積層体をずらして重ねており、飛び出た側の金属薄膜１４をそれぞれ陽極取り出し電極１１と陰極取り出し電極１２に接続している。これにより、陽極取り出し電極１１に接続された金属薄膜１４と陰極取り出し電極１２に接続された金属薄膜１４との間に絶縁性フィルム１３が介在することとなり、キャパシタとして機能する。
本実施形態では、高熱伝導性の心棒１０及びカーボンシート１５を用いているため、キャパシタ４からの伝熱が容易となり、キャパシタ４の温度上昇を防ぐことができる。
（第２の変形例）
第２の変形例に係る半導体装置の構成について、図１５Ａ〜図１５Ｂを用いて説明する。図１５Ａは、第２の変形例に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図であり、図１５Ｂは、半導体素子近傍（図１５ＡのＡ部分）の局所拡大模式図である。図１５Ｂに示すように、第２の変形例に係る半導体装置では、半導体モジュール１は、半導体素子１６ａ、１６ｂとベース基板１７を有しており、半導体素子１６ａ、１６ｂはベース基板１７上に固定されている。半導体素子１６ａ、１６ｂとベース基板１７は、冷却部材２上に配置されており、ベース基板１７の冷却部材２側の面には凹凸が形成されている。また、ベース基板１７と冷却部材２の間には、熱伝導性の高いグリースや接着剤、あるいは高熱伝導シート等の熱伝導部材１８が挿入されている。その他の構成については、第１の実施形態と同様である。
半導体素子１６ａ、１６ｂの発熱は、ベース基板１７及び熱伝導部材１８を介して、冷却部材２に伝えられる。
本実施形態では、ベース基板１７と冷却部材２の間には、熱伝導部材１８が挿入されているため、ベース基板１７と冷却部材２の間に生じる空気層が減少し、ベース基板１７から冷却部材２への放熱量が増加する。さらに、ベース基板１７の冷却部材２側の面には凹凸が形成されているため、熱伝導部材１８への放熱量がより増加し、冷却部材２へ多くの熱を流すことができる。
（第１１の実施形態）
第１１の実施形態に係る半導体装置の構成について、図１６Ａ〜図１９を用いて説明する。図１６Ａは、第１１の実施形態に係る半導体装置の上方からの斜視図であり、図１６Ｂは、第１１の実施形態に係る半導体装置の下方からの斜視図である。図１７は、第１１の実施形態に係る半導体モジュールの斜視図である。また、図１８は、第１１の実施形態に係る半導体装置モジュール間の接続を説明する図であり、図１９は、第１１の実施形態に係る半導体装置の回路を示す図である。
本実施形態では、ハイサイドの半導体素子１６ａとローサイドの半導体素子１６ｂをそれぞれ別のモジュールとして形成する。即ち、本実施形態の半導体装置は、ハイサイドの半導体素子１６ａが内蔵された半導体モジュール１（以後、ハイサイドの半導体モジュール１ａと記載する。）とローサイドの半導体素子１６ｂが内蔵された半導体モジュール１（以後、ローサイドの半導体モジュール１ｂと記載する。）を有する。これにより、半導体装置内での半導体モジュール１の配置や回路構成に対する自由度が向上する。ここで、本実施形態におけるハイサイドの半導体素子１６ａは、本願における「第１の半導体素子」の一例であり、ハイサイドの半導体モジュール１ａは、本願における「第１の半導体素子モジュール」の一例である。また、本実施形態におけるローサイドの半導体素子１６ｂは、本願における「第２の半導体素子」の一例であり、ローサイドの半導体モジュール１ｂは、本願における「第２の半導体素子モジュール」の一例である。
図１６Ａに示すように、ハイサイドの半導体モジュール１ａとローサイドの半導体モジュール１ｂは、冷却部材２の側面上に横（Ｘ方向）に並んで設置されている。また、１組のハイサイドの半導体モジュール１ａとローサイドの半導体モジュール１ｂが、冷却部材２と交互に３組配置されている。また、すべてのハイサイドの半導体モジュール１ａは、ローサイドの半導体モジュール１ｂに対して同じ方向（左方向）に配置されている。
本実施形態の冷却部材２は、第１の実施形態等に記載された冷却部材２と同様に、内部に冷却媒体を流すための流路３（図示せず）が形成されている。冷却媒体は、冷却部材２の側面に形成された流入口３ａから流入し、内部の流路３を通って、冷却部材２の反対側の側面に形成された流出口３ｂから流出する。冷却媒体の流入口３ａは、ハイサイドの半導体モジュール１ａに近い方の冷却部材２の側面に設けられる。本実施形態の冷却部材２の流路３の形状は、第４の実施形態のように直線形状であるが、第１の実施形態のように流路３が湾曲部を持つ形状であってもよい。
また、図１６Ｂに示すように、ハイサイドの半導体モジュール１ａとローサイドの半導体モジュール１ｂは、各半導体モジュール１から突出したＰ端子２１ａ、Ｎ端子２１ｂにより互いに電気的に接続されている。
図１７を用いて、半導体モジュール１から突出するＰ端子２１ａ、Ｎ端子２１ｂについて説明する。ここでは、説明のため、ハイサイドの半導体モジュール１ａを例にとって説明する。図１７に示すように、ハイサイドの半導体モジュール１ａの側面から、内部のハイサイドの半導体素子１６ａに接続される金属板状のＰ端子２１ａとＮ端子２１ｂが２つ突出している。その他に制御用の信号端子２２も側面から突出している。Ｐ端子２１ａとＮ端子２１ｂの内、正極側に接続されるＰ端子２１ａは、信号端子２２が突出している方向と直交する方向に突出しており、負極側に接続されるＮ端子２１ｂは、信号端子２２が突出している方向と反対方向に突出している。Ｐ端子２１ａは、信号端子２２が突出している方向と直交する方向に突出した後、直角に湾曲し、Ｎ端子２１ｂが突出している方向に延びている。一方、Ｎ端子２１ｂは、信号端子２２が突出している方向と反対方向に突出した後、直角に湾曲し、Ｐ端子２１ａが突出している方向と反対方向に延びている。
Ｐ端子２１ａとＮ端子２１ｂを上述のような形状とすることにより、図１６Ｂに示すように、ハイサイドの半導体モジュール１ａとローサイドの半導体モジュール１ｂを並べて配置し、冷却部材２の間から出たところでＰ端子２１ａとＮ端子２１ｂの先端を重なり合わせることができる。Ｐ端子２１ａとＮ端子２１ｂの先端には貫通穴が形成されているため、これらの貫通穴に金属棒などを通して電気的に接続することにより、図１９に示すようなモータを駆動するための回路を形成することができる。また、上述のように端子同士を直接接続することができるため、半導体モジュール１の間をつなぐ配線によるインダクタンスの増加を抑制することができる。
ここで、本実施形態におけるＰ端子２１ａは、本願における「第１の電力用端子」、「第３の電力用端子」の一例であり、Ｎ端子２１ｂは、本願における「第２の電力用端子」、「第４の電力用端子」の一例である。
図１８を用いて、ハイサイドの半導体モジュール１ａとローサイドの半導体モジュール１ｂとの接続について、詳しく説明する。上述のように、冷却部材２の側面上において、横（Ｘ方向）に並ぶようにハイサイドの半導体モジュール１ａとローサイドの半導体モジュール１ｂが設置されている。ここで、ハイサイドの半導体モジュール１ａ及びローサイドの半導体モジュール１ｂの広い表面（上面及び下面）が冷却部材２に接するように設置されている。これにより、半導体モジュール１から冷却部材２への放熱量が増加し、半導体モジュール１の温度上昇を抑えることができる。
ハイサイドの半導体モジュール１ａのＮ端子２１ｂは、ローサイドの半導体モジュール１ｂの方に屈曲している。一方、ローサイドの半導体モジュール１ｂのＰ端子２１ａは、ハイサイドの半導体モジュール１ａの方に突出し、下（Ｚ方向の矢印の反対方向）に屈曲している。このため、ハイサイドの半導体モジュール１ａのＮ端子２１ｂの先端と、ローサイドの半導体モジュール１ｂのＰ端子２１ａの先端を重ねるように配置することができる。
ここで、Ｐ端子２１ａは、半導体モジュール１が並んでいる方向（Ｘ方向）と平行に半導体モジュール１から突出している。即ち、Ｐ端子２１ａは、冷却部材２の側面と対向する位置において突出している。これにより、Ｐ端子２１ａの突出部から冷却部材２への放熱量が増加し、半導体モジュール１の温度上昇を抑制することができる。
以上のように、本実施形態に係る半導体装置は、冷却部材２に複数の半導体モジュール１を設置し、各半導体モジュール１の電力用端子（Ｐ端子２１ａ、Ｎ端子２１ｂ）を直接接続することにより、配線によるインダクタンスの増加を抑制すると共に、半導体モジュール１の温度上昇を抑えることができる。
（第１２の実施形態）
第１２の実施形態に係る半導体装置の構成について、図２０を用いて説明する。図２０は、第１２の実施形態に係る半導体装置モジュール間の接続を説明する図である。図２０に示すように、第１２の実施形態に係る半導体モジュール１は、第１１の実施形態に係る半導体モジュール１と比べて、Ｎ端子２１ｂの形状が異なる。本実施形態における半導体モジュール１では、Ｎ端子２１ｂは、信号端子２２の突出する方向（Ｚ方向）と直交し、Ｐ端子２１ａの突出する方向と反対方向（Ｘ方向）に突出している。その他の構成については、第１１の実施形態と同様である。
このように構成することにより、ハイサイドの半導体モジュール１ａとローサイドの半導体モジュール１ｂを所定の位置に配置することにより、Ｐ端子２１ａの屈曲部とＮ端子２１ｂの先端を重ねることができる。そのため、Ｐ端子２１ａとＮ端子２１ｂとを重なった部分で電気的に接続することで、容易に接続することができる。
また、第１３の実施形態に係る半導体モジュール１と比べて、より半導体モジュール１を接続するための配線を短くすることができる。これにより、配線によるインダクタンスの増加をさらに抑制することができる。
また、Ｎ端子２１ｂは、半導体モジュール１が並んでいる方向と平行に半導体モジュール１から突出している。このため、Ｎ端子２１ｂの突出部は、冷却部材２の側面と対向して配置されている。これにより、Ｎ端子２１ｂの突出部から冷却部材２への放熱量を増加させることができる。
なお、ハイサイドの半導体モジュール１ａ同士の電気的な接続は、冷却部材２の間から外に出ているＰ端子２１ａの先端を第１３の実施形態と同様に接続することにより可能となる。
（第１３の実施形態）
第１３の実施形態に係る半導体装置の構成について、図２１Ａ〜図２１Ｂを用いて説明する。図２１Ａは、第１３の実施形態に係る半導体装置の側面模式図であり、図２１Ｂは、第１３の実施形態に係る半導体装置の下面模式図である。図２１Ａ及び図２１Ｂに示すように、第１３の実施形態に係る半導体装置では、ハイサイドの半導体モジュール１ａとローサイドの半導体モジュール１ｂとが冷却部材２を挟んで対向するように配置されている。即ち、冷却部材２の一方の側面にハイサイドの半導体モジュール１ａが配置され、冷却部材２の他方の側面（一方の側面の反対側）にローサイドの半導体モジュール１ｂが配置されている。
また、ハイサイドの半導体モジュール１ａとローサイドの半導体モジュール１ｂは、Ｐ端子２１ａの突出する方向が互いに逆になるように配置されている。即ち、ハイサイドの半導体モジュール１ａのＰ端子２１ａが、図の左側に突出しているのに対し、ローサイドの半導体モジュール１ｂのＰ端子２１ａは、図の右側に突出している。このため、図２１Ｂに示すように、ハイサイドの半導体モジュール１ａのＮ端子２１ｂとローサイドの半導体モジュール１ｂのＰ端子２１ａとを導電性の端子接続ロッド２３により電気的に接続することができる。
さらに、図２１Ｂに示すように、冷却部材２の内部に形成された流路３は、ハイサイドの半導体モジュール１ａが配置された側面の方に流入口３ａを有し、内部で湾曲した後、ローサイドの半導体モジュール１ｂが配置された側面の方に流出口３ｂを有する。これにより、発熱量の大きいハイサイドの半導体モジュール１ａに近い流路３に流入口３ａから入ってきた低温の冷却媒体を流すことができ、ハイサイドの半導体モジュール１ａからの放熱量を増加させることができる。
以上のように、本実施形態の半導体装置では、１組のハイサイドの半導体モジュール１ａとローサイドの半導体モジュール１ｂを、冷却部材２と共にコンパクトに一体化したものであり、これらを組み合わせて、モータ駆動用のインバータ回路等を構成することができる。
（第１４の実施形態）
第１４の実施形態に係る半導体装置の構成について、図２２Ａ〜図２２Ｂを用いて説明する。図２２Ａは、第１４の実施形態に係る半導体装置の側面模式図であり、図２２Ｂは、第１４の実施形態に係る半導体装置の下面模式図である。図２２Ｂに示すように、第１４の実施形態に係る半導体装置では、冷却部材２に形成される流路３は、湾曲部を持たず、直線状に冷却部材２の一方の側面から他方の側面へ一方向に流れる。その他の構成については、第１３の実施形態と同様である。
また、ハイサイドの半導体モジュール１ａが配置された側面に近い流路３とローサイドの半導体モジュール１ｂが配置された側面に近い流路３とは冷却媒体の流れる方向が異なる。
本実施形態では、冷却部材２に複数の流路３が形成されているため、冷却能力が高く、半導体モジュール１からの放熱量を増加させることができる。冷却媒体の温度が高くなる１つの流路の下流側において、もう１つの流路は上流側となるため、冷却部材２の流路３の上流側と下流側の両方で高い冷却能力を有することができる。
（第１５の実施形態）
第１５の実施形態に係る半導体装置の構成について、図２３を用いて説明する。図２３は、第１５の実施形態に係る半導体装置の側面模式図である。図２３に示すように、第１５の実施形態に係る半導体装置では、第１３の実施形態での１組のハイサイドの半導体モジュール１ａとローサイドの半導体モジュール１ｂ（図示せず）を、共通の冷却部材２に対して３組横（Ｘ方向）に並べた構成を有している。
本実施形態では、第１３の実施形態の半導体装置を３つ繋げる場合に比べて、１つの冷却部材２によって半導体モジュール１を冷却できるので、構造が簡単になると共に、半導体モジュール１の間の電気的接続も容易となる。
なお、第１３の実施形態と同様に、ハイサイドの半導体モジュール１ａの外側とローサイドの半導体モジュール１ｂの外側にそれぞれ別の冷却部材２を配置してもよい。これにより、半導体モジュール１からの放熱量をさらに増加させることができ、半導体モジュール１の温度上昇を抑えることができる。
以上、本発明に係る半導体装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明における技術は、各実施形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、各実施形態に対して、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る半導体装置を内蔵した各種機器、各種システムとして適用することができる。
例えば、第１４〜第１７の実施形態において、冷却部材２の流路３の構成を、第１３の実施形態のように、上下に２本形成する構成としてもよい。
本開示による半導体装置は、主に電気自動車やハイブリッド自動車の電気モータ駆動用等の大電力用半導体装置として有用である。
１ 半導体モジュール
１ａ ハイサイドの半導体モジュール
１ｂ ローサイドの半導体モジュール
２ 冷却部材
２ａ 貫通穴
２ｂ 切り欠き部
３ 流路
３ａ 流入口
３ｂ 流出口
４ キャパシタ
５ａ 第１のバスバー（第１の導電部材）
５ｂ 第２のバスバー（第２の導電部材）
６ パッケージ
７ フィン
１０ 心棒
１１ 陽極取り出し電極
１２ 陰極取り出し電極
１３ 絶縁性フィルム
１４ 金属薄膜
１５ カーボンシート
１６ａ ハイサイドの半導体素子
１６ｂ ローサイドの半導体素子
１７ ベース基板
１８ 熱伝導部材
２１ａ 電力用端子（Ｐ端子）
２１ｂ 電力用端子（Ｎ端子）
２２ 信号端子
２３ 端子接続ロッド
一方、特許文献２の電力変換装置では、冷媒チューブの間から突出した半導体モジュールの端子をその上部に配置したパワー配線部で配線しているため、端子から冷媒チューブへの放熱が十分ではなかった。また、配線長が長くなり、インダクタンスが増加する原因となっていた。
第１のバスバー５ａはキャパシタ４と冷却部材２との間に配置され、キャパシタ４の上面の電極に接続している。また、第１のバスバー５ａは、キャパシタ４の上面の電極から離れた所で直角に屈曲し、冷却部材２の貫通穴２ａを通過して、半導体モジュール１から出たＰ端子２１ａと接続している。また、第２のバスバー５ｂは、キャパシタ４の下面の電極に接続し、キャパシタ４の下面の電極から離れた所で直角に屈曲し、冷却部材２の貫通穴２ａを通過して、半導体モジュール１から出たＮ端子２１ｂと接続している。
（第７の実施形態）
第７の実施形態に係る半導体装置の構成について、図１０を用いて説明する。図１０は、第７の実施形態に係る半導体装置における図１ＢのＡ−Ａ線に相当する位置での断面模式図である。図１０に示すように、第７の実施形態に係る半導体装置では、冷却部材２内に２つの流路３（図示せず）が設けられ、各流路の流入口３ａと流出口３ｂとがＺ方向に並んで配置されている。即ち、第７の実施形態に係る半導体装置では、第１の実施形態と異なり、冷却部材２に設けられた流路３は縦方向に（Ｙ−Ｚ面内で）湾曲している。冷却媒体は、冷却部材２の側面に設けられた流入口３ａから冷却部材２の上面（半導体モジュール１が配置された面）側の流路３へ流入し、流路３の湾曲部で冷却部材２の下面側の流路３に入った後、冷却部材２の同じ側面に設けられた流出口３ｂまで戻ってくる。また、半導体モジュール１内のハイサイドの半導体素子１６ａとローサイドの半導体素子１６ｂの下方にそれぞれ流路３が設けられている。その他の構成については、第１の実施形態と同様である。
第１の変形例に係る半導体装置の構成について、図１４Ａ〜図１４Ｂを用いて説明する。図１４Ａは、第１の変形例に係るキャパシタの模式図であり、図１４Ｂは、第１の変形例に係るキャパシタの構造説明図である。第１の実施形態において説明したように、上述の実施形態では、キャパシタ４として、フィルムキャパシタを用いている。上述の実施形態のキャパシタ４では、中心に巻き取り軸は設けられていないが、本変形例では、図１４Ａに示すように、キャパシタ４からの放熱性を向上させるため、高熱伝導性の材料からなる棒を心棒１０として用いた。心棒１０の材料としては、アルミニウム等の金属材料やセラミックス材料等を用いることができる。
次に、図１４Ｂを用いて、本変形例のキャパシタ４（フィルムキャパシタ）の構造について説明する。本変形例のキャパシタ４は、図１４Ｂに示すように、プラスチック等の絶縁性フィルム１３の片側の面にアルミニウム等の金属薄膜１４が形成されている。また、放熱性を向上させるために、金属薄膜１４の上に熱伝導性の高いカーボンシート１５を配置している。これらの絶縁性フィルム１３、金属薄膜１４及びカーボンシート１５の積層体を２つ重ねて、心棒１０の周りに巻きつけていくことにより、図１４Ａに示すキャパシタ４を形成する。ここで、絶縁性フィルム１３、金属薄膜１４及びカーボンシート１５の積層体をずらして重ねており、飛び出た側の金属薄膜１４をそれぞれ陽極取り出し電極１１と陰極取り出し電極１２に接続している。これにより、陽極取り出し電極１１に接続された金属薄膜１４と陰極取り出し電極１２に接続された金属薄膜１４との間に絶縁性フィルム１３が介在することとなり、キャパシタとして機能する。
また、第１１の実施形態に係る半導体モジュール１と比べて、より半導体モジュール１を接続するための配線を短くすることができる。これにより、配線によるインダクタンスの増加をさらに抑制することができる。
なお、ハイサイドの半導体モジュール１ａ同士の電気的な接続は、冷却部材２の間から外に出ているＰ端子２１ａの先端を第１１の実施形態と同様に接続することにより可能となる。
例えば、第１３〜第１５の実施形態において、冷却部材２の流路３の構成を、第１１の実施形態のように、上下に２本形成する構成としてもよい。

Claims (20)

  1. 半導体素子を有する半導体モジュールと、
    受動素子と、
    前記半導体モジュールと前記受動素子との間に配置された冷却部材と、
    前記半導体モジュールと前記受動素子とを電気的に接続する第１の導電部材及び第２の導電部材と、を備え、
    前記第１の導電部材及び前記第２の導電部材の少なくとも１つは、２面以上において前記冷却部材と対向している、半導体装置。
  2. 前記冷却部材は、貫通穴を有し、
    前記第１の導電部材及び前記第２の導電部材の少なくとも１つは、前記冷却部材の前記貫通穴を通って延在する、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記冷却部材は、切り欠き部を有し、
    前記第１の導電部材及び前記第２の導電部材の少なくとも１つは、前記冷却部材の前記切り欠き部を通って延在する、請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記冷却部材は、第１の冷却部材と第２の冷却部材によって構成され、
    前記第１の導電部材及び前記第２の導電部材の少なくとも１つは、前記第１の冷却部材と前記第２の冷却部材との間に配置される、請求項１に記載の半導体装置。
  5. 前記第１の導電部材は、第１の幅を有する部分と、前記冷却部材と前記受動素子との間に配置され、前記第１の幅よりも広い第２の幅を有する部分とを少なくとも備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記冷却部材は、冷却媒体を流すための流路を有し、
    前記流路は、湾曲部を有しており、
    前記流路の流入口と前記流路の流出口は、共に前記冷却部材の一方側面に配置されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記冷却部材は、冷却媒体を流すための流路を有し、
    前記流路の流入口は、前記冷却部材の一方側面に配置され、
    前記流路の流出口は、前記冷却部材の前記一方側面の反対側である他方側面に配置されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記受動素子は、フィルムキャパシタであり、
    前記フィルムキャパシタは、高熱伝導性材料からなる心棒を有している、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
  9. 前記受動素子は、フィルムキャパシタであり、
    前記フィルムキャパシタは、カーボンシートを有している、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
  10. 前記半導体素子は、ベース基板上に配置されており、
    前記ベース基板と前記冷却部材とは、熱伝導部材を介して配置されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
  11. 半導体素子を有する半導体モジュールと、
    受動素子と、
    前記半導体モジュールと前記受動素子との間に配置された冷却部材と、
    前記半導体モジュールと前記受動素子とを電気的に接続する第１の導電部材及び第２の導電部材と、を備え、
    前記第１の導電部材は、第１の幅を有する部分と、前記冷却部材と前記受動素子との間に配置され、前記第１の幅よりも広い第２の幅を有する部分とを少なくとも備える、半導体装置。
  12. 半導体素子を有する半導体モジュールと、
    受動素子と、
    前記半導体モジュールと前記受動素子との間に配置された冷却部材と、
    前記半導体モジュールと前記受動素子とを電気的に接続する第１の導電部材及び第２の導電部材と、を備え、
    前記第１の導電部材と前記第２の導電部材の間に、前記冷却部材及び前記半導体モジュールが配置される、半導体装置。
  13. 前記第１の導電部材及び前記第２の導電部材の少なくとも１つは、２方向以上において前記冷却部材と対向している、請求項１２に記載の半導体装置。
  14. 前記冷却部材は、貫通穴を有し、
    前記第１の導電部材及び前記第２の導電部材の少なくとも１つは、前記冷却部材の前記貫通穴を通って延在する、請求項１２又は１３に記載の半導体装置。
  15. 前記第１の導電部材及び前記第２の導電部材は、それぞれ異なる前記貫通穴を通って延在する、請求項１４に記載の半導体装置。
  16. 第１の半導体素子を有する第１の半導体モジュールと、
    第２の半導体素子を有する第２の半導体モジュールと、
    前記第１の半導体モジュール及び前記第２の半導体モジュールが設置された冷却部材と、を備え、
    前記第１の半導体モジュール及び前記第２の半導体モジュールは、前記冷却部材の側面に設置され、
    前記第１の半導体モジュールは、前記第１の半導体素子と電気的に接続し、前記第１の半導体モジュールから突出した第１の電力用端子及び第２の電力用端子を有し、
    前記第２の半導体モジュールは、前記第２の半導体素子と電気的に接続し、前記第２の半導体モジュールから突出した第３の電力用端子及び第４の電力用端子を有し、
    前記第１の半導体モジュールの前記第２の電力用端子は、前記第２の半導体モジュールの前記第３の電力用端子と接続され、
    前記第２の半導体モジュールの前記第３の電力用端子は、前記冷却部材の前記側面と対向する位置において、前記第２の半導体モジュールから突出している、半導体装置。
  17. 前記第１の半導体モジュールと前記第２の半導体モジュールは、前記冷却部材の前記側面に並んで設置されている、請求項１６に記載の半導体装置。
  18. 前記第１の半導体モジュールは、前記冷却部材を介して前記第２の半導体モジュールと対向する位置に設置されている、請求項１６に記載の半導体装置。
  19. 前記第１の半導体モジュールの前記第２の電力用端子は、前記冷却部材の前記側面と対向する位置において、前記第１の半導体モジュールから突出しており、
    前記第１の半導体モジュールの前記第２の電力用端子は、前記第２の半導体モジュールの前記第３の電力用端子と、前記冷却部材の前記側面と対向する位置において、接続されている、請求項１７に記載の半導体装置。
  20. 前記冷却部材は、冷却媒体を流すための流路を有し、
    前記流路の流入口は、前記冷却部材の前記第１の半導体モジュールが設置された前記側面に近い方に片寄って配置されている、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の半導体装置。
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