WO2015140944A1 - パワーモジュール - Google Patents

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誉大 佐竹
佐々木　康二
谷江　尚史
ひろみ 島津
英一 井出
円丈 露野
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株式会社日立製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a power module, and more particularly, to a resin-sealed power module in which a heat radiation path is encapsulated in a sealing resin.
  • a semiconductor element such as an IGBT, MOSFET, or diode
  • a connection member such as solder
  • holes are provided in the resin that insulates and seals the power semiconductor circuit in which the lead frame is connected to both sides of the semiconductor element, and cooling is performed on both sides by passing a coolant through the holes provided on both sides of the power semiconductor circuit.
  • Power modules are known. In such a power module, heat generated mainly by the semiconductor element during operation of the power module due to conduction loss and switching loss is transferred to the refrigerant in the pores through the lead frame connected to both sides of the semiconductor element and the insulating sealing resin. Communicated and cooled. By providing cooling means on both sides of the semiconductor element, efficient cooling and low thermal resistance can be achieved, and the power module can be miniaturized.
  • Such power modules are disclosed in Patent Documents 1 to 3, for example.
  • An object of the present invention is to provide a power module capable of efficiently radiating heat.
  • a power module includes a semiconductor element, a first conductor plate disposed on one surface side of the semiconductor element, and a second surface side of the semiconductor element.
  • the second conductor plate is disposed on the first conductor plate side, the forward path through which the coolant flows, and the second conductor plate is disposed on the second conductor plate side, and the coolant flows in the interior.
  • a refrigerant flow path having a return path and a connecting portion communicating with each of the forward path and the return path; and a resin covering the semiconductor element, the first conductive plate, the second conductive plate, and the refrigerant flow path. It is characterized by that.
  • the power module according to the present invention can realize efficient heat dissipation.
  • FIG. 1 Schematic diagram of power module cross section (Example 1) Arrangement perspective view of power semiconductor circuit and hollow member before resin sealing (Example 1) Sectional view of a power module in which a plurality of power semiconductor circuits are integrally molded (Example 2) Sectional view of a hollow member arrangement example when integrally molding a plurality of power semiconductor circuits (Example 3) Example of terminal arrangement when taking out input / output terminals from different surfaces of sealing resin (Example 4) Schematic diagram of a cross section of a power module having resin protrusions that serve as positioning and heat flow paths for adjacent structures (Example 5) Conceptual diagram of uniform cooling by a hollow member integrated with the return path
  • the power module which concerns on embodiment of this invention is applicable to the power converter device mounted in a DC / AC converter and an uninterruptible power supply.
  • this embodiment is liquid cooling, air cooling can be achieved by replacing the hollow members 1, 1a, 1b, and 1c with heat pipes.
  • the configuration in the present embodiment is optimal for a DC / AC converter used for electric power business or industrial use, but is applicable to other power converters.
  • it is used in power converters for trains, ships, airplanes, etc., power converters for driving vehicles such as cars and trucks, or control devices for motors that drive household solar power generation systems and household appliances.
  • the present invention is also applicable to household power conversion devices.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the power module 100 of the present embodiment
  • FIG. 2 is a perspective view showing the internal structure of the insulating sealing resin 4 in a more specific structure.
  • the semiconductor elements 3a and 3b arranged side by side are fixed by being sandwiched from both sides by lead frames and heat spreaders 2a and 2b which are conductor plates, and further, control terminals 5a and 5b for transmitting control signals are attached, and the power semiconductor circuit is mounted.
  • the insulating sealing resin 4 is used for sealing.
  • the lead frame / heat spreader 2a is disposed in contact with one surface of the semiconductor elements 3a, 3b, and the lead frame / heat spreader 2b is disposed in contact with the other surface of the semiconductor elements 3a, 3b.
  • a positive bus bar for supplying DC power is connected to one of the lead frame / heat spreaders 2a, 2b, and a negative bus bar for supplying DC power is connected to the other of the lead frame / heat spreaders 2a, 2b.
  • an integral hollow member 1 is disposed in the insulating sealing resin 4 so as to sandwich the power semiconductor circuit, and the hollow member forward path 1a and the hollow member return path 1b are formed in the insulating sealing resin. Connected by 1c.
  • the hollow member is preferably a metal.
  • the hollow member connecting portion 1c is preferably a flexible member.
  • coolant flows through the inside of the refrigerant
  • the refrigerant flow path is provided along the lead frame / heat spreaders 2a and 2b for efficient cooling.
  • the refrigerant flow path is arranged substantially in parallel with the lead frame / heat spreaders 2a and 2b in order to cool more efficiently.
  • the lead frame / heat spreader 2a and the hollow member forward path 1a disposed outside the lead frame / heat spreader 2b, and the lead frame / heat spreader 2b and the hollow member return path disposed outside the lead frame / heat spreader 2a are preferably substantially parallel to each other.
  • the entire power semiconductor circuit is uniformly cooled by the temperature balance of the refrigerant as shown in FIG.
  • the cooling mechanism will be described with reference to FIG.
  • the refrigerant 9a that flows in at a low temperature in the hollow member forward path 1a is heated by the heat generated by the semiconductor element 3b, so that the semiconductor element 3a disposed on the back side (opposite the entrance) of the hollow member forward path 1a is then cooled. In some cases, it is 9b.
  • the refrigerant further warmed by the semiconductor element 3a becomes a medium-high temperature 9c and is sent to the hollow member return path 1b through the hollow member connecting portion 1c to cool the semiconductor element 3a again.
  • the temperature becomes high 9d.
  • the refrigerant flowing through the refrigerant flow path is only in a high temperature state, and does not necessarily become hotter than the semiconductor element that is the heating element itself that takes heat away, and continues to contribute to cooling. Can do.
  • the semiconductor element 3a is cooled at a medium low temperature 9b and a medium high temperature 9c, and the semiconductor element 3b is cooled at a low temperature 9a and a high temperature 9d, so that the cooling balance of both the semiconductor element 3a and the semiconductor element 3b is achieved, and the entire power module 100 is It will be cooled evenly.
  • the portion connecting the forward path and the return path of the hollow member has a flexible structure, and the hollow member forward path and the return path, which are cooling structures, can follow the inclination generated when the semiconductor and the lead frame are fixed. Is possible.
  • the embedded hollow member is embedded in the insulating sealing resin 4, so that the power semiconductor circuit in which the lead frames are connected to both sides of the semiconductor element is insulated and sealed even under a long-term specification environment. It is possible to prevent the infiltration of the refrigerant from the holes provided in the resin into the insulating sealing resin, and the reliability deterioration due to the infiltration. As a result, the hollow member can be brought close to the power semiconductor circuit, the lead frame can be effectively used as a heat spreader for efficiently radiating the heat generated by the semiconductor element, and the power module can be downsized. Furthermore, it is possible to reduce the thermal resistance between the lead frame and the hollow member by using a resin having high thermal conductivity as the resin interposed between the lead frame and the hollow member. In this embodiment, the entire power module can be uniformly cooled by the double-sided cooling structure integrated with the forward path and the backward path.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the 6in1 power module 102.
  • the characteristic that the power semiconductor circuits are uniformly cooled is the same as that of the power module 100 shown in FIG.
  • the present embodiment is different from the first embodiment in that a plurality of power semiconductor circuits and a hollow member are integrally sealed. By comprising in this way, the assembly of the power converter device which uses this power module can be improved.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the 6in1 power module 103.
  • the characteristic that the power semiconductor circuits are uniformly cooled is the same as that of the power module 100 shown in FIG.
  • the return path and the forward path of the hollow member overlap each other as shown in FIG. 3, but according to the present embodiment shown in FIG.
  • the refrigerant flow paths sandwiched between adjacent semiconductor devices are concentrated in one path, and the overlapping hollow members are omitted.
  • the size can be reduced, the inductance can be reduced, and high-density mounting can be achieved.
  • the assembly of the power converter using this power module is also improved.
  • FIG. 5 is a front view of the power module 104.
  • a semiconductor element is fixed by being sandwiched from both sides with a lead frame and heat spreader, or a control terminal is attached, and a power semiconductor circuit is configured and then sealed with an insulating sealing resin 4, and within the insulating sealing resin
  • the power module 100 shown in FIG. 1 is that the integral hollow member is disposed so as to sandwich the power semiconductor circuit, and the hollow member forward path 1a and the hollow member return path 1b are connected by the hollow member connecting portion in the insulating sealing resin. It is the same.
  • the coolant outlets of the input bus bars 8a and 8b, the output bus bars 7a and 7b, the control terminal 5, and the hollow member forward path 1a and the hollow member return path 1b are respectively connected from different surfaces of the insulating sealing resin 4. It has been taken out.
  • the feature that the entire module is uniformly cooled is the same as that of the power module 100.
  • the entire module is further miniaturized to enable high-density mounting while ensuring creepage distances between electrodes such as bus bars and control terminals.
  • the input and output bus bars 8a and 8b, the output bus bars 7a and 7b, the control terminals 5, and the coolant outlets of the hollow member forward path 1a and the hollow member return path 1b are respectively separated from the insulating sealing resin 4. It is better to be taken out from the surface, but it is not necessary that both are taken out from different surfaces, and at least two are taken out from different directions of the resin material for sealing the power module. It ’s fine.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the power module 105.
  • the basic configuration is the same as that of the power module 100 of FIG. 1, but is different in that a projection 4a for positioning with an adjacent structure is provided on a part of the insulating sealing resin.
  • the positioning projection 4a also functions as a heat channel.
  • the protrusion is connected to a power board or the like incorporated in a power converter using the power module and is used for positioning thereof, but also functions as a heat flow path for cooling.

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Abstract

　効率良く放熱できるパワーモジュールを提供することを目的とする。　上記の課題を解決するために、半導体素子３ａ、３ｂと、半導体素子３ａ、３ｂの一方の面側に配置された第一の導体板２ａと、半導体素子３ａ、３ｂの他方の面側に配置された第二の導体板２ｂと、第一の導体板２ａの側に配置されると共に、内部を冷媒が流れる往路１ａと、第二の導体板２ｂの側に配置されると共に、内部を冷媒が流れる復路１ｂと、往路１ａ及び復路１ｂのそれぞれに連通する接続部１ｃとを有する冷媒流路と、半導体素子３ａ、３ｂ、第一の導体板２ａ、第二の導体板２ｂおよび冷媒流路を覆う樹脂４を備えることを特徴とする。

Description

パワーモジュール
　本発明は、パワーモジュールに関するものであり、特に、放熱路を封止樹脂内に内包する樹脂封止型パワーモジュールに関する。
　ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ、ダイオードなどの半導体素子を、はんだなどの接続部材を用いて金属箔やリードフレーム、金属ワイヤなどに接続し構成したパワー半導体回路をケースなどに収めて絶縁し、パッケージ化したパワーモジュールは、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車などに搭載される電力変換装置に組み込まれ、ブラシレスモータや発電機の制御に用いられる。
　特に、半導体素子の両面にリードフレームを接続したパワー半導体回路を絶縁封止する樹脂内に空孔を設け、パワー半導体回路の両面側に各々設けられた空孔内に冷媒を通し両面冷却を行うパワーモジュールが知られている。このようなパワーモジュールにおいて、パワーモジュールの動作時に主に半導体素子で発生する導通損失やスイッチング損失による発熱は、半導体素子の両面に接続されたリードフレームと絶縁封止樹脂を通じて空孔内の冷媒に伝えられ、冷却される。半導体素子の両面に冷却手段を設けることにより、効率的な冷却と低熱抵抗化が可能となり、パワーモジュールの小型化が可能となる。このようなパワーモジュールは、例えば特許文献１乃至特許文献３に示されている。
特開2012-015240号公報 特開2005-228976号公報 特開平2-202043号公報
　近年、パワーモジュールはモジュール間のパワー配線の低インダクタンス化、高パワー密度化、低コスト化の要求から、いっそうの小型化による高密度実装の要求がある。このためにはモジュール同士を接近させる必要があり、その上で放熱性、絶縁性を確保する必要がある。
　放熱性を確保するためには、放熱路と発熱部の熱抵抗を低下させるため放熱路と発熱部を接近させる必要がある。しかし、封止樹脂に設ける空孔をパワー半導体回路に接近させると、パワー半導体回路と樹脂空孔間の樹脂の薄肉化により、長期使用時の冷媒の浸潤に関する詳細な信頼性評価が必要となる。また、パワー半導体回路の両面各々に空孔を設けることは、パワーモジュール外部の冷媒配管の取回しが複雑化し製造コストの増大につながる上、漏水などを未然に防止する対策も煩雑となる。
　本発明は効率良く放熱できるパワーモジュールを提供することを目的とする。
　上記の課題を解決するために、本発明に係るパワーモジュールは、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面側に配置された第一の導体板と、前記半導体素子の他方の面側に配置された第二の導体板と、前記第一の導体板の側に配置されると共に、内部を冷媒が流れる往路と、前記第二の導体板の側に配置されると共に、内部を冷媒が流れる復路と、前記往路及び前記復路のそれぞれに連通する接続部とを有する冷媒流路と、前記半導体素子、前記第一の導体板、前記第二の導体板および前記冷媒流路を覆う樹脂を備えることを特徴とする。
　本発明にかかるパワーモジュールによれば、効率良く放熱することが実現できる。
パワーモジュール断面の模式図（実施例１） 樹脂封止前のパワー半導体回路と中空部材の配置斜視図（実施例１） 複数のパワー半導体回路を一体モールドしたパワーモジュールの断面図（実施例２） 複数のパワー半導体回路を一体モールドする際の中空部材配置例の断面図（実施例３） 入出力端子等を封止樹脂の異なる面から取り出す際の端子配置例正面図（実施例４） 隣接構造物との位置決め兼熱流路となる樹脂突起を持ったパワーモジュールの断面の模式図（実施例５） 往路復路一体の中空部材による均一冷却の概念図
　以下，本発明の実施の形態について図を参照して説明する。本発明の実施形態に係るパワーモジュールは、直流交流変換装置や無停電電源装置に搭載される電力変換装置に適用可能である。尚、本実施形態は液冷であるが、中空部材1、1a、1b、1cをヒートパイプに置き換えることで空冷化も可能である。
　また、本実施形態における構成は電力事業用や産業用に用いる直流交流変換装置に最適であるが、これら以外の電力変換装置にも適用可能である。例えば、電車や船舶、航空機などの電力変換装置や、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置、あるいは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする、家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
　図1と図2を用いてパワーモジュール100の構成を説明する。図1は本実施の形態のパワーモジュール100の断面図であり、図2はより具体的な構造において絶縁封止樹脂4の内部構造を示した斜視図である。並んで配置される半導体素子3aや3bが導体板であるリードフレーム兼ヒートスプレッダ2aや2bで両面から挟んで固着され、更には制御信号を伝送する制御端子5aや5bが取り付けられ、パワー半導体回路が構成された上で絶縁封止樹脂4を用いて封止される。リードフレーム兼ヒートスプレッダ2aが半導体素子3a, 3bの一方の面側に接して配置され、リードフレーム兼ヒートスプレッダ2bが半導体素子3a, 3bの他方の面側に接して配置される。リードフレーム兼ヒートスプレッダ2a, 2bの一方には直流電力を供給するための正極バスバーが接続され、リードフレーム兼ヒートスプレッダ2a, 2bの他方には直流電力を供給するための負極バスバーが接続される。
　そして本実施例では、絶縁封止樹脂４内には一体の中空部材1がパワー半導体回路を挟むように配置され、中空部材往路1aと中空部材復路1bは絶縁封止樹脂内で中空部材接続部1cによって接続されている。中空部材は金属であることが望ましい。また、中空部材接続部1cはフレキシブル部材とすることが好ましい。そして、往路と復路と接続部を接続させた中空部材で構成される冷媒流路の内部を冷媒が流れる。冷媒流路は効率良く冷却するためにリードフレーム兼ヒートスプレッダ2a, 2bに沿って設けられる。さらに、冷媒流路は一層効率良く冷却するためにリードフレーム兼ヒートスプレッダ2a, 2bと略平行に配置されることが好ましい。または、リードフレーム兼ヒートスプレッダ2aとその外側に配置される中空部材往路1a、リードフレーム兼ヒートスプレッダ2bとその外側に配置される中空部材復路は各々略平行であることが好ましい。
　中空部材往路1aから中空部材接続部1cを介して中空部材1bに冷媒を流すことで、図7に示すように冷媒の温度バランスによりパワー半導体回路全体が均一に冷却される。また、中空部材の冷却液流入路と流出路をパワーモジュールの同一面から取り出すことが可能であり、配管の取回しが簡略化でき、本パワーモジュールを使用する電力変換装置の組立性も向上する。
　図7を用いて冷却のメカニズムについて説明する。中空部材往路1aにおいて低温で流入した冷媒9aは、半導体素子3bの発熱により温められるので、次に中空部材往路1aの奥側（入り口とは反対側）に配置される半導体素子3aの冷却を行う際には中低温9bとなっている。半導体素子3aで更に温められた冷媒は中高温9cとなって中空部材接続部1cを介し中空部材復路1bへと送られ、再び半導体素子3aを冷却する。冷媒が復路をさらに進んで半導体素子3bを再び冷却する際には高温9dとなっている。尚、高温とは言うものの冷媒流路を流れる冷媒のうちでは高温状態にあるに過ぎず、熱を奪う対象となる発熱体そのものである半導体素子より高温になる訳ではなく、引き続き冷却には寄与し得る。
　すなわち、半導体素子3aは中低温9bと中高温9cで、半導体素子3bは低温9aと高温9dで冷却されることとなり、半導体素子3aと半導体素子3b両者の冷却バランスがとれ、パワーモジュール100全体が均等に冷却されることとなる。
　また、本実施例では中空部材の往路および復路を接続する部分をフレキシブルな構造としており、半導体とリードフレームを固着させる際に生じた傾きに冷却構造である中空部材往路および復路が追随することも可能である。
　本実施例に依れば、一体となった中空部材を絶縁封止樹脂4に埋設することにより、長期仕様環境下でも、半導体素子の両面にリードフレームを接続したパワー半導体回路を絶縁封止する樹脂内に設けた空孔から絶縁封止樹脂への冷媒の浸潤と、それによる信頼性低下を防止することができる。これにより、中空部材をパワー半導体回路に接近させることが可能となり、リードフレームを半導体素子の発熱を効率的に放散するためのヒートスプレッダとして有効活用することが可能となり、パワーモジュールを小型化できる。さらに、リードフレームと中空部材の間に介在する樹脂を高熱伝導性の絶縁樹脂とすることでリードフレームと中空部材間の熱抵抗を低減することが可能となる。また本実施例では、往路および復路一体の両面冷却構造によりパワーモジュール全体を均一に冷却することが可能となる。
　実施例２について図3を用いて説明する。尚、実施例１と重複する個所についてはその説明を省略する。図3は6in1パワーモジュール102の断面図である。パワー半導体回路が各々均一に冷却される特徴は図1に示したパワーモジュール100と同様である。本実施例では、複数のパワー半導体回路と中空部材を一体で封止している点で実施例１と相違する。この様に構成することにより、本パワーモジュールを使用する電力変換装置の組立製を向上させることができる。
　実施例３について図4を用いて説明する。尚、実施例２と重複する個所についてはその説明を省略する。図4は6in1パワーモジュール103の断面図である。パワー半導体回路が各々均一に冷却される特徴は図1に示したパワーモジュール100と同様である。図1に示したパワーモジュール100を3つ並べて一体封止すると、図3のように各々の回路間で中空部材の復路と往路が重複することになるが、図4に示す本実施例に係る6in1パワーモジュール103では隣接する半導体装置間に挟まれる冷媒流路は一経路に集約しており、重複する中空部材を省略している。これにより小型化が図れ、かつインダクタンスを下げるとともに高密度実装を可能となる。また、本パワーモジュールを使用する電力変換装置の組立製も向上する。
　実施例４について図5を用いて説明する。図5はパワーモジュール104の正面図である。半導体素子がリードフレーム兼ヒートスプレッダで両面から挟んで固着され、あるいは制御端子が取り付けられ、パワー半導体回路が構成された上で絶縁封止樹脂4を用いて封止され、絶縁封止樹脂内には一体の中空部材がパワー半導体回路を挟むように配置され、中空部材往路1aと中空部材復路1bは絶縁封止樹脂内で中空部材接続部によって接続されていることは図1に示したパワーモジュール100と同様である。その上で、入力バスバー8aや8bと、出力バスバー7aや7bと、制御端子5と、中空部材往路1aや中空部材復路1bの冷却液流出入口が、絶縁封止樹脂4の各々別々の面から取り出されている。モジュール全体が均一に冷却される特徴もパワーモジュール100と同様である。その上で、各バスバーや制御端子等の電極間の沿面距離を確保しつつ、モジュール全体をさらに小型化して高密度実装を可能としている。この様に、好ましくは入力バスバー8aや8bと、出力バスバー7aや7bと、制御端子5と、中空部材往路1aや中空部材復路1bの冷却液流出入口が、絶縁封止樹脂4の各々別々の面から取り出されている方が良いが、いずれもが別々の面から取り出されていなければならないものではなく、少なくとも２つが、パワーモジュールを封止する樹脂材の各々別の方向から取り出されていれば良い。
　実施例５について図6を用いて説明する。尚、実施例１と重複する個所についてはその説明を省略する。図6はパワーモジュール105の断面図である。基本的な構成は図1のパワーモジュール100と同じであるが、絶縁封止樹脂の一部に隣接構造物との位置決め用の突起4aを設けている点で相違する。該位置決め用の突起4aは熱流路としても働く。この突起は、具体的には本パワーモジュールを用いる電力変換装置に組み込まれるパワーボードなどと接続され、その位置決めに用いられるが、併せて冷却の為の熱流路としても機能する。
　上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
1：中空部材
1a：中空部材往路
1b：中空部材復路
1c：中空部材接続部
2a：リードフレーム兼ヒートスプレッダ(1)
2b：リードフレーム兼ヒートスプレッダ(2)
3a：半導体(1)
3b：半導体(2)
4：絶縁封止樹脂
4a：絶縁封止樹脂突起
5：制御端子
5a：制御端子(1)
5b：制御端子(2)
6a：バスバー(1)
6b：バスバー(2)
7a：出力バスバー(1)
7b：出力バスバー(2)
8a：入力バスバー(1)
8b：入力バスバー(2)
9：冷媒
9a：冷媒低温部
9b：冷媒中低温部
9c：冷媒中高温部
9d：冷媒高温部
100：パワーモジュール
102：6in1パワーモジュール
103：6in1パワーモジュール
104：パワーモジュール
105：パワーモジュール

Claims (11)

  1. 　半導体素子と、
    　前記半導体素子の一方の面側に配置された第一の導体板と、
    　前記半導体素子の他方の面側に配置された第二の導体板と、
    　前記第一の導体板の側に配置されると共に、内部を冷媒が流れる往路と、前記第二の導体板の側に配置されると共に、内部を冷媒が流れる復路と、前記往路及び前記復路のそれぞれに連通する接続部とを有する冷媒流路と、
    　前記半導体素子、前記第一の導体板、前記第二の導体板および前記冷媒流路を覆う樹脂を備えることを特徴とするパワーモジュール。
  2. 　請求項１に記載のパワーモジュールであって、
    　前記第一の導体板に電気的に接続された正極バスバーと、
    　前記第二の導体板に電気的に接続された負極バスバーと、
    　前記第一の導体板と前記中空部材の間および前記第二の導体板と前記中空部材の間の絶縁を確保する樹脂材を備え、
    　前記往路は前記第一の導体板の側に隣接して配置され、
    　前記復路は前記第二の導体板の側に隣接して配置され、
    　該往路及び該復路は一体の中空部材で形成され、
    　前記半導体素子、前記第一の導体板、前記第二の導体板および前記中空部材は、前記正極バスバー、前記負極バスバーおよび前記中空部材の各端部を露出して前記樹脂材と同一の材料により封止されることを特徴とするパワーモジュール。
  3. 　請求項２に記載のパワーモジュールであって、
    　前記半導体素子を制御する制御信号を伝えるための信号線を備え、
    　前記半導体素子、前記第一の導体板、前記第二の導体板、前記信号線および前記中空部材は、前記正極バスバー、前記負極バスバーおよび前記中空部材の各端部を露出して前記樹脂材と同一の材料により封止されることを特徴とするパワーモジュール。
  4. 　請求項３に記載のパワーモジュールであって、
    　前記正極バスバー、前記負極バスバー、前記信号線、前記中空部材の端部または電力を出力するためのバスバーの内で、少なくとも２つは、パワーモジュールを封止する樹脂材の各々別の方向から取り出されていることを特徴とするパワーモジュール。
  5. 　請求項１ないし４のいずれか一つに記載のパワーモジュールであって、
    　前記冷媒流路は前記第一の導体板および前記第二の導体板に沿って設けられることを特徴とするパワーモジュール。
  6. 　請求項５に記載のパワーモジュールであって、
    　前記冷媒流路は前記第一の導体板および前記第二の導体板の外側に設けられ、更に、前記第一の導体板と前記往路、前記第二の導体板と前記復路は各々略平行であることを特徴とするパワーモジュール。
  7. 　請求項１ないし請求項６のいずれか一つに記載のパワーモジュールであって、
    　複数の前記半導体装置および複数の前記冷媒流路が一体で封止形成されることを特徴とするパワーモジュール。
  8. 　請求項７に記載のパワーモジュールであって、
    　複数の前記冷媒流路は前記樹脂材の外部で互いに連通されていることを特徴とするパワーモジュール。
  9. 　請求項７または８に記載のパワーモジュールであって、
    　隣接する前記半導体装置間に挟まれる前記冷媒流路は一経路に集約されることを特徴とするパワーモジュール。
  10. 　請求項１ないし請求項９のいずれか一つに記載のパワーモジュールであって、
    　前記接続部はフレキシブルな配管で形成されることを特徴とするパワーモジュール。
  11. 　請求項１ないし請求項１０のいずれか一つに記載のパワーモジュールであって、
    　該パワーモジュールの隣接構造物との間における位置決め用突起を該パワーモジュール表面に有することを特徴とするパワーモジュール。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08148635A (ja) * 1994-11-21 1996-06-07 Fujitsu Ltd 半導体装置
JP2005093593A (ja) * 2003-09-16 2005-04-07 Denso Corp 半導体冷却ユニット
JP2008124430A (ja) * 2006-10-18 2008-05-29 Hitachi Ltd パワー半導体モジュール
JP2012178513A (ja) * 2011-02-28 2012-09-13 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュールユニット及びパワーモジュールユニットの製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08148635A (ja) * 1994-11-21 1996-06-07 Fujitsu Ltd 半導体装置
JP2005093593A (ja) * 2003-09-16 2005-04-07 Denso Corp 半導体冷却ユニット
JP2008124430A (ja) * 2006-10-18 2008-05-29 Hitachi Ltd パワー半導体モジュール
JP2012178513A (ja) * 2011-02-28 2012-09-13 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュールユニット及びパワーモジュールユニットの製造方法

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