WO2019239484A1 - 半導体装置 - Google Patents

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switching element
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俊秀 中野
鈴木　健治
宏輝 中村
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東芝三菱電機産業システム株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device.
  • JP 2012-5194 A discloses a semiconductor element having a switching element and a rectifying element, a cooler for cooling the semiconductor element, and a semiconductor element interposed between the semiconductor element and the cooler.
  • a power converter is disclosed that includes a mounting member that performs the coupling and mutual heat transfer.
  • Patent Document 1 As a countermeasure, in Patent Document 1, at least two filling members having different thermal conductivities are included in the mounting member. A filling member with relatively high thermal conductivity is placed between the element with a large amount of heat generation and the cooler, and a filling member with relatively low heat conductivity is placed between the element with a small amount of heat generation and the cooler. To do.
  • gas for example, air
  • liquid for example, water
  • Patent Document 1 uses a change in gravity due to the running state of the vehicle, there is a concern that power converters to which the technique can be applied are limited. Therefore, a configuration capable of increasing the cooling efficiency of the semiconductor element with a simpler configuration is required.
  • a main object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of improving the cooling efficiency of a semiconductor element with a simple configuration.
  • the semiconductor device includes a semiconductor module, a cooling member, and a heat transfer member.
  • the semiconductor module has a switching element and a diode connected in antiparallel to each other.
  • the cooling member cools the semiconductor module.
  • the heat transfer member is disposed between the semiconductor module and the cooling member, and transfers heat generated by the switching element and the diode to the cooling member.
  • the heat transfer member has a mounting surface on which the switching element and the diode are mounted side by side, and a surface opposite to the mounting surface is in contact with the cooling member. In the heat transfer member, the thermal conductivity in the first direction parallel to the mounting surface is higher than the thermal conductivity in the second direction perpendicular to the mounting surface.
  • the semiconductor device of the present invention it is possible to provide a semiconductor device that can increase the cooling efficiency of the semiconductor module with a simple configuration.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3. It is sectional drawing of the power converter device which concerns on this Embodiment. It is a figure which shows notionally the heat dissipation path
  • FIG. 1 is a circuit block diagram showing a configuration example of a power conversion device to which a semiconductor device according to an embodiment of the present invention can be applied.
  • power converter 10 includes AC input terminals T1 to T3 and DC output terminals T4 and T5.
  • the AC input terminals T1 to T3 receive commercial-phase three-phase AC power from the AC power source 1.
  • the DC output terminals T4 and T5 are connected to the load 2.
  • the load 2 is driven by DC power supplied from the power converter 10.
  • the power conversion device 10 further includes a converter 3, a DC positive bus L1, a DC negative bus L2, a capacitor 4, and a control device 6.
  • Converter 3 is controlled by control device 6, converts three-phase AC power supplied from a commercial AC power source into DC power, and outputs it between DC positive bus L1 and DC negative bus L2.
  • Converter 3 includes three leg circuits 3U, 3V, and 3W.
  • Leg circuits 3U, 3V, 3W are connected in parallel between DC positive bus L1 and DC negative bus L2.
  • Each of the leg circuits 3U, 3V, 3W has two switching elements and two diodes connected in series.
  • the leg circuit 3U includes a switching element Q1 connected between the DC positive bus L1 and the AC input terminal T1, a switching element Q2 connected between the AC input terminal T1 and the DC negative bus L2, and a diode. D1 and D2.
  • Each of the switching elements Q1 to Q6 can be configured by an arbitrary self-extinguishing switching element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a GCT (Gate Commutated Turn-off) thyristor.
  • the diodes D1 and D2 are FWD (Freewheeling Diode) and are connected in antiparallel to the switching elements Q1 and Q2, respectively.
  • Leg circuit 3V has switching element Q3 connected between DC positive bus L1 and AC input terminal T2, switching element Q4 connected between AC input terminal T2 and DC negative bus L2, and diodes D3 and D4.
  • Leg circuit 3W includes switching element Q5 connected between DC positive bus L1 and AC input terminal T3, switching element Q6 connected between AC input terminal T3 and DC negative bus L2, and diodes D5 and D6.
  • the switching elements Q1 to Q6 and the diodes D1 to D6 are collectively described, they are represented as the switching element Q and the diode D, respectively.
  • the control device 6 operates in synchronization with the AC voltage of the AC input terminals T1 to T3, and controls the converter 3 so that the DC voltage VDC between the DC output terminals T4 and T5 becomes the target DC voltage VDCT. That is, the control device 6 controls the six switching elements Q1 to Q6, converts the DC voltage VDC between the DC output terminals T4 and T5 into a three-phase AC voltage, and outputs it between the AC input terminals T1 to T3. At this time, the control device 6 has six switching elements Q1 to Q6 so that the alternating current flowing through the alternating current input terminals T1 to T3 is substantially sinusoidal and in phase with the alternating voltage of the alternating current input terminals T1 to T3. By controlling the power factor, the power factor can be made substantially 1.
  • Each of the three leg circuits 3U, 3V, 3W constituting the converter 3 is composed of one semiconductor module. Next, a configuration example of the semiconductor module will be described in detail.
  • FIG. 2 is a schematic plan view schematically showing a configuration example of the semiconductor module.
  • three semiconductor modules 5U, 5V, and 5W are arranged corresponding to the three leg circuits 3U, 3V, and 3W. Since the configuration of each phase semiconductor module is the same, FIG. 2 illustrates the configuration of the U-phase semiconductor module 5U.
  • the semiconductor module 5U has a configuration in which switching elements Q1, Q2 and diodes D1, D2 are mounted on a planar substrate. Switching elements Q1, Q2 and diodes D1, D2 are electrically connected by a wiring layer made of a bonding wire or a conductor (not shown). Switching elements Q1, Q2 and diodes D1, D2 are sealed with resin together with a substrate, bonding wires, wiring layers, and the like.
  • FIG. 2 shows a configuration in which two switching elements and two diodes are provided for each semiconductor module 5U, but four switching elements and four diodes may be provided. In this configuration, two switching elements and two diodes are connected in parallel.
  • FIG. 3 is a schematic plan view showing the element arrangement of three semiconductor modules 5U, 5V, and 5W. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG.
  • the semiconductor modules 5U, 5V, 5W are mounted side by side on the base portion of the cooling fin 20.
  • a heat transfer member 100 is applied between each of the semiconductor modules 5U, 5V, 5W and the cooling fin 20.
  • the heat transfer member 100 uses an insulating resin such as a silicon-based resin as a filler with a metal having a high thermal conductivity such as silver, copper, or aluminum, or a ceramic having a high thermal conductivity such as alumina, aluminum nitride, silicon carbide, or graphite. It has been added.
  • These heat transfer members 100 are heat transfer grease, heat transfer sheets, or heat conductive adhesives. The heat transfer member 100 can close the gap between the semiconductor module and the cooling fin 20, and can efficiently conduct heat from the semiconductor module 5 to the cooling fin 20.
  • Each of the semiconductor modules 5U, 5V, and 5W generates a loss including conduction loss and switching loss in the switching element Q and the diode D during the operation, and the switching element Q and the diode D generate heat due to the loss.
  • the switching element Q since most of the current flows through the switching element Q during operation, heat is concentrated on the switching element Q. As a result, in each of the semiconductor modules 5U, 5V, and 5W, there is a tendency that the amount of heat generated by the switching element Q is larger than the amount of heat generated by the diode D. If the junction temperature of the switching element Q continues to rise beyond the rated temperature due to this heat generation, the element will be destroyed. Therefore, the switching element Q must be operated while being cooled.
  • the heat generated in the switching element Q is transferred from the semiconductor module to the cooling fin 20 via the heat transfer member 100 and is radiated to the outside from the cooling fin 20.
  • the heat of the switching element Q is conducted through the heat transfer member 100 and the cooling fin 20 located immediately below the switching element Q. Therefore, a vertical heat dissipation path is formed mainly between the switching element and the cooling fin 20.
  • heat is not easily diffused to the heat transfer member 100 and the cooling fins 20 that are located directly under the diode D that generates a small amount of heat or between the two adjacent switching elements Q. There is a concern that the heat dissipation performance of the cooling fin 20 is not effectively utilized.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of power conversion device 10 according to the present embodiment, and is a diagram contrasted with FIG. Since the schematic plan views of power conversion device 10 and semiconductor module 5 according to the present embodiment are the same as those in FIGS. 1 and 2, detailed description thereof will not be repeated.
  • heat transfer member 12 is used instead of heat transfer member 100.
  • the heat transfer member 12 has a mounting surface 12A on which the switching element Q and the diode D are mounted side by side, and a surface opposite to the mounting surface 12A (hereinafter also referred to as a back surface) is in contact with the cooling fin 20. .
  • the heat transfer member 12 is configured such that the thermal conductivity in the first direction parallel to the mounting surface 12A is higher than the thermal conductivity in the second direction perpendicular to the mounting surface 12A.
  • the first direction is a direction parallel to the XY plane
  • the second direction is the Z direction.
  • thermal conductivity ⁇ is defined as the amount of energy transferred as heat that flows in the heat transfer member 12 due to a temperature gradient.
  • the unit of thermal conductivity ⁇ is [W / (m ⁇ K)]. If the thermal conductivity in the first direction is ⁇ h and the thermal conductivity in the second direction is ⁇ v, the heat transfer member 12 has a relationship of ⁇ h> ⁇ v.
  • a graphite sheet can be used as such a heat transfer member 12, for example, a graphite sheet can be used.
  • the graphite sheet is composed of graphite with a layered crystal structure, and the thermal conductivity in the layer direction (direction that travels through the surface) is greater than the thermal conductivity in the layer thickness direction (direction that travels up and down the layer). Is high (about 200 times).
  • the direction of the graphite sheet layer is the first direction of the heat transfer member 12, and the thickness direction of the graphite sheet layer is the second direction of the heat transfer member 12. The relationship between the thermal conductivities ⁇ h and ⁇ v is realized.
  • the size (that is, the area) of the mounting surface 12A of the heat transfer member 12 is usually determined according to the chip area of each of the semiconductor modules 5U, 5V, and 5W. Therefore, in the following examination, the thickness in the second direction of the heat transfer member 12 is mainly examined.
  • FIG. 6 conceptually shows the heat dissipation path of the switching element Q2 in the semiconductor module 5U with broken-line arrows.
  • the heat generated in the switching element Q2 is transferred from the semiconductor module 5U to the cooling fin 20 via the heat transfer member 12, and is radiated from the cooling fin 20 to the outside.
  • the junction temperature of the switching element Q2 is Tj [K]
  • the surface temperature of the cooling fin 20 is Tf [K].
  • the mounting surface temperature of the heat transfer member 12 is Ta [K]
  • the back surface temperature of the heat transfer member 12 is Tb [K].
  • the thermal resistance If the total value ( ⁇ p + ⁇ s + ⁇ f) of the thermal resistance is low, the heat generated in the switching element Q2 is quickly released. On the other hand, if the total value of the thermal resistance is high, heat is generated inside the semiconductor module 5U, so that the temperature of the switching element Q2 rises. If the junction temperature Tj exceeds the upper limit value, the switching element Q2 may not operate normally or the switching element Q2 may be destroyed.
  • a suitable thickness for reducing the thermal resistance ⁇ s between the mounting surface temperature Ta and the back surface temperature Tb is examined.
  • FIG. 7 shows a schematic diagram of the heat transfer member 12 used in the study.
  • the heat transfer member 12 has a rectangular parallelepiped shape.
  • the mounting surface (XY plane) of the heat transfer member 12 is a square with a side length of 2a [mm].
  • the thickness of the heat transfer member 12 in the second direction (Z direction) is b [mm].
  • the thickness b of the heat transfer member 12 is set so that the thermal resistance ⁇ s between the mounting surface temperature Ta and the back surface temperature Tb is minimized. decide.
  • a thermal circuit network model using a resistance ladder as shown in FIG. 8 is created.
  • Qi indicates the amount of heat generated by the switching element Q
  • V1 indicates the temperature difference between the mounting surface temperature Ta and the cooling fin surface temperature Tf.
  • the heat generation is concentrated at one central point (corresponding to the origin in FIG. 7) of the mounting surface of the heat transfer member 12, and only the X direction is considered for heat conduction in the XY directions.
  • the thermal resistance per unit area (1 mm 2 ) in the first direction of the heat transfer member 12 is replaced with a resistance value Rh [K / W ⁇ mm 2 ].
  • the thermal resistance per unit area in the second direction of the heat transfer member 12 is replaced with a resistance value Rv [K / W ⁇ mm 2 ].
  • the thermal resistance per unit area in the second direction of the cooling fin 20 is replaced with a resistance value Rf [K / W ⁇ mm 2 ].
  • the magnitudes of the resistance values Rh and Rv are determined by the material of the heat transfer member 12 (mainly the thermal conductivity ⁇ h and ⁇ v of the heat transfer member 12), and the magnitude of the resistance value Rf is the material of the cooling fin 20 (mainly It is determined by the thermal conductivity of the cooling fin 20.
  • a resistance value Rh is connected in series along each of the positive and negative directions in the X direction.
  • the number a of the resistance value Rh is determined by the size of the mounting surface of the heat transfer member 12.
  • B resistance values Rv are connected in series in the negative direction of the Z direction.
  • the number b of the resistance value Rv represents the thickness b of the heat transfer member 12.
  • a resistance value Rf is further connected in series to the series circuit of the resistance value Rv.
  • the temperature difference V1 between the mounting surface temperature Ta and the cooling fin surface temperature Tf is calculated by deriving a heat conduction equation for this thermal circuit network model.
  • the relationship between the thickness b of the heat transfer member 12 and the temperature difference V1 is derived using b as a variable in the thermal network model.
  • FIG. 9 shows the simulation result.
  • Rf 10 [K / W ⁇ mm 2 ]
  • a 10 mm.
  • the temperature difference V1 was calculated while changing b by 1 mm in the range of 2 mm to 7 mm.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the thickness b of the heat transfer member 12 and the temperature difference V1.
  • the horizontal axis of FIG. 9 shows the thickness b of the heat transfer member 12, and the vertical axis shows the temperature difference V1.
  • the temperature difference V1 As shown in FIG. 9, when the thickness b of the heat transfer member 12 is changed, the temperature difference V1 also changes. In the example of FIG. 9, the temperature difference V1 gradually decreases as the thickness b is increased from 2 mm. This tendency represents the characteristic that the thermal resistance in the XY direction is reduced by increasing the thickness b.
  • FIG. 10 is a flowchart for explaining a method for setting the thickness of the heat transfer member 12.
  • a thermal circuit network model (FIG. 8) of heat transfer member 12 is generated.
  • step S ⁇ b> 10 the resistance values Rh and Rv specific to the heat transfer member 12 and the resistance value Rf specific to the cooling fin 20 are acquired. Based on the shape of the mounting surface of the heat transfer member 12, a resistance ladder circuit having resistance values Rh, Rv, Rf is formed.
  • step S20 a heat conduction equation in the resistance ladder circuit formed in step S10 is derived.
  • step S30 the relationship (graph of FIG. 9) between the thickness b of the heat transfer member 12 and the temperature difference V1 between the mounting surface temperature Ta and the cooling fin surface temperature Tf is derived using the heat conduction equation derived in step S20. To do.
  • step S40 in the relationship derived in step S30, the thickness at which the temperature difference V1 between the mounting surface temperature Ta and the cooling fin surface temperature Tf is minimized is set as the thickness b of the heat transfer member 12.
  • the heat conductivity in the first direction parallel to the mounting surface is higher than the heat conductivity in the second direction perpendicular to the mounting surface.
  • the member 12 heat generated in the semiconductor module is transmitted to the cooling fin. According to this, the heat generated by the switching element inside the semiconductor module can be diffused not only in the second direction but also in the first direction via the heat transfer member 12. As a result, since the heat dissipation performance of the cooling fin can be effectively used, the cooling efficiency of the semiconductor module can be increased.
  • the cooling efficiency of the semiconductor module is further improved by setting the thickness b of the heat transfer member 12 in the second direction based on the thickness that minimizes the thermal resistance ⁇ s between the mounting surface temperature Ta and the back surface temperature Tb. Can be made.

Abstract

この発明に係る半導体装置は、半導体モジュール（５）と、冷却部材（２０）と、伝熱部材（１２）とを備える。半導体モジュール（５）は、互いに逆並列に接続されたスイッチング素子（Ｑ）およびダイオード（Ｄ）を有する。伝熱部材（１２）は、半導体モジュール（５）および冷却部材（２０）の間に配置され、スイッチング素子（Ｑ）およびダイオード（Ｄ）が発生する熱を冷却部材（２０）に伝達する。伝熱部材（１２）は、スイッチング素子（Ｑ）およびダイオード（Ｄ）が並んで搭載される搭載面を有し、搭載面と反対側の面が冷却部材（２０）に接している。伝熱部材（１２）において、搭載面に平行な第１の方向における熱伝導率は、搭載面に垂直な第２の方向における熱伝導率よりも高い。

Description

半導体装置
　この発明は、半導体装置に関する。
　例えば特開２０１２－５１９４号公報（特許文献１）には、スイッチング素子および整流素子を有する半導体素子と、半導体素子を冷却する冷却器と、半導体素子と冷却器との間に介在して、両者の結合と相互の熱伝達とを行なう実装部材とを備える電力変換器が開示される。
　電力変換器においては、動作状態に依存してスイッチング素子の発熱と整流素子の発熱との間に偏りが生じる場合がある。スイッチング素子と整流素子との間の発熱の偏りに対して一定の冷却を保証するためには、各素子の発熱量が最大となった状態でも冷却できるだけの冷却能力が必要となる。そのため、冷却器が大型化するという問題があった。
　この対策として、特許文献１では、実装部材に熱伝導率の異なる少なくとも２つの充填部材を内包する。発熱量の多い素子と冷却器との間に相対的に熱伝導率が高い充填部材を配置し、発熱量の少ない素子と冷却器との間に相対的に熱伝導率が低い充填部材を配置する。
特開２０１２－５１９４号公報
　上記特許文献１では、熱伝導率の異なる２つの充填部材として、気体（例えば空気）および液体（例えば水）を用いており、厚みのある実装部材の内部に形成された密閉空間にこれらの流動体を充填させている。そして、電力変換器が搭載される車両の加減速時の重力によって、密閉空間内でこれらの流動体を移動させることで、上述した充填部材の配置を実現している。
　しかしながら、特許文献１に記載される技術は車両の走行状態による重力の変化を利用したものであるため、当該技術を適用することができる電力変換器が限定されることが懸念される。したがって、より簡素な構成で半導体素子の冷却効率を高めることができる構成が求められる。
　それゆえ、この発明の主たる目的は、簡素な構成で半導体素子の冷却効率を高めることができる半導体装置を提供することである。
　この発明に係る半導体装置は、半導体モジュールと、冷却部材と、伝熱部材とを備える。半導体モジュールは、互いに逆並列に接続されたスイッチング素子およびダイオードを有する。冷却部材は半導体モジュールを冷却する。伝熱部材は、半導体モジュールおよび冷却部材の間に配置され、スイッチング素子およびダイオードが発生する熱を冷却部材に伝達する。伝熱部材は、スイッチング素子およびダイオードが並んで搭載される搭載面を有し、搭載面と反対側の面が冷却部材に接している。伝熱部材において、搭載面に平行な第１の方向における熱伝導率は、搭載面に垂直な第２の方向における熱伝導率よりも高い。
　この発明に係る半導体装置によれば、簡素な構成で半導体モジュールの冷却効率を高めることができる半導体装置を提供することができる。
この発明の実施の形態に係る半導体装置が適用され得る電力変換装置の構成例を示す回路ブロック図である。 半導体モジュールの構成例を模式的に示す概略平面図である。 ３つの半導体モジュールの素子配置を示す概略平面図である。 図３のＩＶ－ＩＶ線における断面図である。 本実施の形態に係る電力変換装置の断面図である。 半導体モジュールにおけるスイッチング素子の放熱経路を概念的に示す図である。 伝熱部材の概略図である。 熱回路網モデルを示す図である。 シミュレーション結果を示す図である。 伝熱部材の厚みの設定方法を説明するためのフローチャートである。
　以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。
　図１は、この発明の実施の形態に係る半導体装置が適用され得る電力変換装置の構成例を示す回路ブロック図である。
　図１を参照して、電力変換装置１０は、交流入力端子Ｔ１～Ｔ３および直流出力端子Ｔ４，Ｔ５を備える。交流入力端子Ｔ１～Ｔ３は、交流電源１から商用周波数の三相交流電力を受ける。直流出力端子Ｔ４，Ｔ５は負荷２に接続される。負荷２は電力変換装置１０から供給される直流電力によって駆動される。
　電力変換装置１０は、さらに、コンバータ３、直流正母線Ｌ１、直流負母線Ｌ２、コンデンサ４および制御装置６を備える。コンバータ３は、制御装置６によって制御され、商用交流電源から供給される三相交流電力を直流電力に変換して直流正母線Ｌ１および直流負母線Ｌ２間に出力する。
　コンバータ３は、３つのレグ回路３Ｕ，３Ｖ，３Ｗを含む。レグ回路３Ｕ，３Ｖ，３Ｗは、直流正母線Ｌ１および直流負母線Ｌ２の間に並列に接続される。レグ回路３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの各々は、直列接続された２つのスイッチング素子と、２つのダイオードとを有する。
　具体的には、レグ回路３Ｕは、直流正母線Ｌ１および交流入力端子Ｔ１の間に接続されたスイッチング素子Ｑ１、交流入力端子Ｔ１および直流負母線Ｌ２の間に接続されたスイッチング素子Ｑ２、およびダイオードＤ１，Ｄ２を有する。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の各々は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＣＴ（Gate Commutated Turn-off）サイリスタ等の任意の自己消弧型のスイッチング素子によって構成することができる。ダイオードＤ１，Ｄ２はＦＷＤ（Freewheeling Diode）であり、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に対してそれぞれ逆並列に接続される。
　レグ回路３Ｖは、直流正母線Ｌ１および交流入力端子Ｔ２の間に接続されたスイッチング素子Ｑ３、交流入力端子Ｔ２および直流負母線Ｌ２の間に接続されたスイッチング素子Ｑ４、およびダイオードＤ３，Ｄ４を有する。レグ回路３Ｗは、直流正母線Ｌ１および交流入力端子Ｔ３の間に接続されたスイッチング素子Ｑ５、交流入力端子Ｔ３および直流負母線Ｌ２の間に接続されたスイッチング素子Ｑ６、およびダイオードＤ５，Ｄ６を有する。以下では、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６およびダイオードＤ１～Ｄ６を総括的に説明する場合、スイッチング素子ＱおよびダイオードＤとそれぞれ表記する。
　制御装置６は、交流入力端子Ｔ１～Ｔ３の交流電圧に同期して動作し、直流出力端子Ｔ４，Ｔ５間の直流電圧ＶＤＣが目標直流電圧ＶＤＣＴになるように、コンバータ３を制御する。すなわち、制御装置６は、６個のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を制御し、直流出力端子Ｔ４，Ｔ５間の直流電圧ＶＤＣを三相交流電圧に変換して交流入力端子Ｔ１～Ｔ３間に出力させる。このとき、制御装置６は、交流入力端子Ｔ１～Ｔ３に流れる交流電流をほぼ正弦波状に、かつ、交流入力端子Ｔ１～Ｔ３の交流電圧と同相になるように、６個のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を制御することによって、力率をほぼ１にすることができる。
　コンバータ３を構成する３つのレグ回路３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの各々は、１つの半導体モジュールで構成されている。次に、半導体モジュールの構成例を詳細に説明する。
　図２は、半導体モジュールの構成例を模式的に示す概略平面図である。
　図１の例では、３つのレグ回路３Ｕ，３Ｖ，３Ｗに対応して、３つの半導体モジュール５Ｕ，５Ｖ，５Ｗが配置されている。各相の半導体モジュールの構成は同一であるため、図２では、Ｕ相の半導体モジュール５Ｕの構成を説明する。
　半導体モジュール５Ｕは、平面状の基板上に、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２が実装された構成を有している。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２は図示しないボンディングワイヤまたは導電体からなる配線層によって電気的に接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２は、基板、ボンディングワイヤおよび配線層などとともに樹脂により封止されている。
　なお、図２の例では、１つの半導体モジュール５Ｕについて、スイッチング素子およびダイオードがそれぞれ２つずつ設ける構成を示しているが、スイッチング素子およびダイオードがそれぞれ４つずつ設ける構成としてもよい。この構成では、２つのスイッチング素子および２つのダイオードがそれぞれ並列に接続されている。
　図３は、３つの半導体モジュール５Ｕ，５Ｖ，５Ｗの素子配置を示す概略平面図である。図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線における断面図である。
　半導体モジュール５Ｕ，５Ｖ，５Ｗは、冷却フィン２０のベース部分に並べて搭載される。半導体モジュール５Ｕ，５Ｖ，５Ｗの各々と冷却フィン２０との間には、伝熱部材１００が塗布されている。伝熱部材１００は、シリコン系樹脂などの絶縁性樹脂に銀、銅、アルミニウムなどの熱伝導率の高い金属、またはアルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、グラファイトなどの熱伝導率の高いセラミックスをフィラーとして添加されたものである。これらの伝熱部材１００としては、伝熱グリス、伝熱シート、または熱伝導性の接着剤である。伝熱部材１００によって半導体モジュールと冷却フィン２０との隙間を塞ぎ、半導体モジュール５から冷却フィン２０に効率良く熱を伝導させることができる。
　半導体モジュール５Ｕ，５Ｖ，５Ｗの各々は、その動作中にスイッチング素子ＱおよびダイオードＤには導通損失およびスイッチング損失からなる損失が発生するため、その損失によりスイッチング素子ＱおよびダイオードＤが発熱する。
　ここで、高力率の電力変換装置１０においては、その動作中、電流の大部分がスイッチング素子Ｑを流れるため、スイッチング素子Ｑに発熱が集中する。その結果、半導体モジュール５Ｕ，５Ｖ，５Ｗの各々において、ダイオードＤの発熱量に比べて、スイッチング素子Ｑの発熱量が多くなる傾向が現れる。この発熱により、スイッチング素子Ｑの接合温度が定格温度を超えて上昇し続けると素子破壊に至るため、スイッチング素子Ｑは冷却しながら動作させなければならない。
　図４の例では、矢印で示すように、スイッチング素子Ｑで発生した熱は、半導体モジュールから伝熱部材１００を経由して冷却フィン２０に伝熱され、冷却フィン２０から外部へ放熱される。このとき、図４に示すように、スイッチング素子Ｑの熱は、スイッチング素子Ｑの直下に位置する伝熱部材１００および冷却フィン２０を伝導する。したがって、主にスイッチング素子および冷却フィン２０の間に垂直方向の放熱経路が形成される。
　その一方で、発熱量が少ないダイオードＤの直下、または、隣接する２個のスイッチング素子Ｑの間に位置する伝熱部材１００および冷却フィン２０には熱が拡散されにくくなっており、結果的に冷却フィン２０の放熱性能が有効に利用されていないことが懸念される。
　次に、図５を用いて、本実施の形態に係る電力変換装置１０の構成について説明する。
　図５は、本実施の形態に係る電力変換装置１０の断面図であり、図４と対比される図である。本実施の形態に係る電力変換装置１０および半導体モジュール５の概略平面図は、図１および図２とそれぞれ同じであるため詳細な説明は繰返さない。
　図５を参照して、本実施の形態に係る電力変換装置１０においては、伝熱部材１００に代えて、伝熱部材１２を用いる。伝熱部材１２は、スイッチング素子ＱおよびダイオードＤが並んで搭載される搭載面１２Ａを有しており、搭載面１２Ａと反対側の面（以下、裏面とも称する）が冷却フィン２０に接している。
　伝熱部材１２は、搭載面１２Ａに平行な第１の方向における熱伝導率が、搭載面１２Ａに垂直な第２の方向における熱伝導率よりも高くなるように構成される。図５の例では、第１の方向はＸ－Ｙ平面に平行な方向であり、第２の方向はＺ方向である。なお、本願明細書において「熱伝導率λ」は、温度勾配によって伝熱部材１２内を流れる、熱としてのエネルギー伝達量として定義される。熱伝導率λの単位は［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］である。第１の方向における熱伝導率をλｈとし、第２の方向における熱伝導率をλｖとすると、伝熱部材１２は、λｈ＞λｖの関係を有している。
　このような伝熱部材１２としては、例えばグラファイトシートを用いることができる。グラファイトシートは、層状の結晶構造を持つグラファイトで構成されており、層の方向（面を伝わる方向）の熱伝導率が、層の厚さ方向（層の上下に伝わる方向）の熱伝導率よりも高い（約２００倍程度）という特性を有している。本実施の形態では、グラファイトシートの層の方向を伝熱部材１２の第１の方向とし、かつ、グラファイトシートの層の厚さ方向を伝熱部材１２の第２の方向とすることで、上述した熱伝導率λｈおよびλｖの関係を実現する。
　このような構成とすることにより、スイッチング素子Ｑで発生した熱は、半導体モジュール５から伝熱部材１２に伝導すると、図中の矢印で示すように、Ｚ方向（第２の方向）に伝導するとともに、Ｘ－Ｙ平面に平行な方向（第１の方向）にも伝導する。したがって、発熱量が少ないダイオードＤの直下、または、隣接する２個のスイッチング素子Ｑの間に位置する伝熱部材１２を経由して冷却フィン２０に熱を拡散することができる。この結果、冷却フィン２０の放熱性能を有効に利用することができるため、半導体モジュール５の冷却効率を高めることができる。
　次に、図５に示した伝熱部材１２の好適な形状について検討する。なお、伝熱部材１２の搭載面１２Ａの大きさ（すなわち、面積）は、通常、半導体モジュール５Ｕ，５Ｖ，５Ｗの各々のチップ面積に応じて決まる。したがって、以下の検討では主に、伝熱部材１２の第２の方向における厚みについて検討する。
　図６には、半導体モジュール５Ｕにおけるスイッチング素子Ｑ２の放熱経路が破線矢印で概念的に示されている。スイッチング素子Ｑ２で発生した熱は、半導体モジュール５Ｕから伝熱部材１２を経由して冷却フィン２０に伝熱され、冷却フィン２０から外部へ放熱される。
　図６において、スイッチング素子Ｑ２の接合温度をＴｊ［Ｋ］、冷却フィン２０の表面温度をＴｆ［Ｋ］とする。伝熱部材１２の搭載面温度をＴａ［Ｋ］、伝熱部材１２の裏面温度をＴｂ［Ｋ］とする。接合温度Ｔｊと冷却フィン表面温度Ｔｆとの間の熱抵抗は、接合温度Ｔｊおよび搭載面温度Ｔａ間の熱抵抗θｐ、搭載面温度Ｔａおよび裏面温度Ｔｂ間の熱抵抗θｓ、および裏面温度Ｔｂおよび冷却フィン表面温度Ｔｆ間の熱抵抗θｆの合計値（＝θｐ＋θｓ＋θｆ）で表すことができる。
　熱抵抗の合計値（θｐ＋θｓ＋θｆ）が低ければ、スイッチング素子Ｑ２で発生した熱は速やかに放出される。一方、熱抵抗の合計値が高ければ、半導体モジュール５Ｕ内部で熱が籠ってしまうため、スイッチング素子Ｑ２の温度が上昇する。接合温度Ｔｊが上限値を超えると、スイッチング素子Ｑ２が正常に動作しなくなる、あるいは、スイッチング素子Ｑ２が破壊するおそれがある。
　そこで、本実施の形態では、上記放熱経路における伝熱部材１２に着目し、搭載面温度Ｔａおよび裏面温度Ｔｂ間の熱抵抗θｓを低減するための好適な厚みを検討する。
　図７には、検討に用いた伝熱部材１２の概略図が示される。簡単のため、伝熱部材１２は直方体の形状を有するものとする。伝熱部材１２の搭載面（Ｘ－Ｙ平面）を一辺の長さが２ａ［ｍｍ］の正方形状とする。伝熱部材１２の第２の方向（Ｚ方向）における厚みをｂ［ｍｍ］とする。
　このような伝熱部材１２において、Ｘ方向における熱抵抗をθｈ［Ｋ／Ｗ］とすると、
θｈは次式（１）で与えられる。
　θｈ＝ａ／（λｈ・２ａ・ｂ）　　…（１）
　また、Ｚ方向における熱抵抗をθｖ［Ｋ／Ｗ］とすると、θｖは次式（２）で与えられる。
　θｖ＝ｂ／（λｖ・ａ・ａ）　　…（２）
　式（１），（２）から分かるように、伝熱部材１２の厚みｂを大きくすれば、Ｘ方向の熱抵抗θｈを下げることができるが、その一方で、Ｚ方向における熱抵抗θｖが大きくなる。すなわち、伝熱部材１２は、Ｚ方向（第２の方向）における厚みｂを大きくするに従って、Ｘ－Ｙ平面に平行な方向（第１の方向）における熱抵抗θｈが小さくなる一方で、第２の方向における熱抵抗θｖが大きくなるというトレードオフ関係を有している。
　これによると、伝熱部材１２の厚みｂを大きくすれば、Ｘ－Ｙ平面に平行な方向により多くの熱を拡散することができるが、Ｚ方向に熱が拡散されにくくなる。したがって、伝熱部材１２の特徴を活かして半導体モジュール５の冷却効率を向上させるために、搭載面温度Ｔａおよび裏面温度Ｔｂ間の熱抵抗θｓが最小となるように伝熱部材１２の厚みｂを決定する。
　伝熱部材１２の最適な厚みｂを導出するために、本実施の形態では、図８に示すような抵抗ラダーによる熱回路網モデルを作成する。この熱回路網モデルでは、Ｑｉはスイッチング素子Ｑの発熱量を示し、Ｖ１は搭載面温度Ｔａと冷却フィン表面温度Ｔｆとの温度差を示す。簡単のため、発熱は、伝熱部材１２の搭載面の中央の１点（図７の原点に相当）に集中させるとともに、Ｘ－Ｙ方向の熱伝導についてＸ方向のみを考慮する。
　図８に示すように、伝熱部材１２の第１の方向における単位面積（１ｍｍ２）当たりの熱抵抗が抵抗値Ｒｈ［Ｋ／Ｗ・ｍｍ２］に置き換えられている。伝熱部材１２の第２の方向における単位面積当たりの熱抵抗が抵抗値Ｒｖ［Ｋ／Ｗ・ｍｍ２］に置き換えられている。冷却フィン２０の第２の方向における単位面積当たりの熱抵抗が抵抗値Ｒｆ［Ｋ／Ｗ・ｍｍ２］に置き換えられている。なお、抵抗値Ｒｈ，Ｒｖの大きさは伝熱部材１２の材質（主に伝熱部材１２の熱伝導率λｈ，λｖ）で決まり、抵抗値Ｒｆの大きさは冷却フィン２０の材質（主に冷却フィン２０の熱伝導率）で決まる。
　図８に示した熱回路網モデルでは、Ｘ方向の正方向および負方向の各々に沿って、ａ個の抵抗値Ｒｈが直列に接続されている。抵抗値Ｒｈの個数ａは伝熱部材１２の搭載面の大きさで決まる。Ｚ方向の負方向にｂ個の抵抗値Ｒｖが直列に接続されている。抵抗値Ｒｖの個数ｂは、伝熱部材１２の厚みｂを表している。抵抗値Ｒｖの直列回路に対して、さらに抵抗値Ｒｆが直列に接続されている。
　この熱回路網モデルについて熱伝導方程式を導出することにより、搭載面温度Ｔａと冷却フィン表面温度Ｔｆとの温度差Ｖ１を演算する。搭載面温度Ｔａと冷却フィン表面温度Ｔｆとの間の熱抵抗が小さくなるほど、温度差Ｖ１も小さくなる。熱回路網モデルにおいてｂを変数として、伝熱部材１２の厚みｂと温度差Ｖ１との関係を導出する。
　図９にシミュレーション結果を示す。シミュレーションでは、Ｒｈ＝Ｒｖ＝１［Ｋ／Ｗ・ｍｍ２］、Ｒｆ＝１０［Ｋ／Ｗ・ｍｍ２］、ａ＝１０ｍｍとした。この条件の下でｂを２ｍｍ～７ｍｍの範囲で１ｍｍずつ変化させながら、温度差Ｖ１を演算した。図９は、伝熱部材１２の厚みｂと温度差Ｖ１との関係を示すグラフである。図９の横軸は伝熱部材１２の厚みｂを示し、縦軸は温度差Ｖ１を示す。
　図９に示すように、伝熱部材１２の厚みｂを変化させると、温度差Ｖ１も変化する。図９の例では、厚みｂを２ｍｍから増やすに従って温度差Ｖ１が徐々に小さくなっている。この傾向は、厚みｂの増加によりＸ－Ｙ方向における熱抵抗が小さくなるという特徴を表している。
　しかしながら、伝熱部材１２の厚みｂが５ｍｍを超えると、温度差Ｖ１は増加に転じている。この傾向は、伝熱部材１２の厚みｂの増加によりＺ方向における熱抵抗が大きくなるという特徴を表している。その結果、図９のグラフでは、特定の厚みｂ＝５ｍｍのときに、温度差Ｖ１が最小となっている。
　図９のシミュレーション結果によれば、伝熱部材１２の厚みｂと温度差Ｖ１との関係を示すグラフには極小点が出現することが分かる。図９の例では、伝熱部材１２の厚みｂ＝５ｍｍに設定したときに、伝熱部材１２の搭載面温度および冷却フィン２０の表面温度間の熱抵抗（θｓ＋θｆ）が最小となる。伝熱部材１２に着目すると、厚みｂ＝５ｍｍのときに、搭載面温度および裏面温度間の熱抵抗θｓを最小にすることができる。
　図１０は、伝熱部材１２の厚みの設定方法を説明するためのフローチャートである。
　図１０を参照して、最初に、ステップＳ１０により、伝熱部材１２の熱回路網モデル（図８）を生成する。ステップＳ１０では、伝熱部材１２に固有の抵抗値Ｒｈ，Ｒｖおよび冷却フィン２０に固有の抵抗値Ｒｆを取得する。伝熱部材１２の搭載面の形状に基づいて、抵抗値Ｒｈ，Ｒｖ，Ｒｆからなる抵抗ラダー回路を形成する。
　次に、ステップＳ２０により、ステップＳ１０で形成した抵抗ラダー回路における熱伝導方程式を導出する。
　ステップＳ３０では、ステップＳ２０で導出した熱伝導方程式を用いて、伝熱部材１２の厚みｂと、搭載面温度Ｔａおよび冷却フィン表面温度Ｔｆの温度差Ｖ１との関係（図９のグラフ）を導出する。
　ステップＳ４０では、ステップＳ３０で導出された関係において、搭載面温度Ｔａおよび冷却フィン表面温度Ｔｆの温度差Ｖ１が最小となる厚みを、伝熱部材１２の厚みｂに設定する。
　以上説明したように、本実施の形態に従う半導体装置では、搭載面に平行な第１の方向における熱伝導率が搭載面に垂直な第２の方向における熱伝導率よりも高い特性を有する伝熱部材１２を用いて、半導体モジュールで発生した熱を冷却フィンに伝達させる。これによると、半導体モジュール内部のスイッチング素子で発生した熱を、第２の方向だけでなく、伝熱部材１２を経由して第１の方向にも拡散させることができる。その結果、冷却フィンの放熱性能を有効に利用できるため、半導体モジュールの冷却効率を高めることができる。
　さらに、伝熱部材１２の第２の方向における厚みｂを、搭載面温度Ｔａおよび裏面温度Ｔｂ間の熱抵抗θｓが最小となる厚みに基づいて設定することで、半導体モジュールの冷却効率をさらに向上させることができる。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　交流電源、２　負荷、３　コンバータ、３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ　レグ回路、４　コンデンサ、５，５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ　半導体モジュール、６　制御装置、１０　電力変換装置、１２，１００　伝熱部材、２０　冷却フィン、Ｑ，Ｑ１～Ｑ６　スイッチング素子、Ｄ１～Ｄ６　ダイオード、Ｔ１～Ｔ３　交流入力端子、Ｔ４，Ｔ５　直流出力端子、Ｌ１　直流正母線、Ｌ２　直流負母線。

Claims (6)

  1. 　互いに逆並列に接続されたスイッチング素子およびダイオードを有する半導体モジュールと、
    　前記半導体モジュールを冷却する冷却部材と、
    　前記半導体モジュールおよび前記冷却部材の間に配置され、前記スイッチング素子および前記ダイオードが発生する熱を前記冷却部材に伝達する伝熱部材とを備え、
    　前記伝熱部材は、前記スイッチング素子および前記ダイオードが並んで搭載される搭載面を有し、前記搭載面と反対側の面が前記冷却部材に接しており、
    　前記伝熱部材において、前記搭載面に平行な第１の方向における熱伝導率は、前記搭載面に垂直な第２の方向における熱伝導率よりも高い、半導体装置。
  2. 　前記伝熱部材は、前記第２の方向における厚みを大きくするに従って、前記第１の方向における熱抵抗が小さくなる一方で、前記第２の方向における熱抵抗が大きくなるという関係を有する、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記伝熱部材の前記第２の方向における厚みは、前記第１の方向における熱抵抗および前記第２の方向における熱抵抗を有する抵抗ラダーによる熱回路網モデルから導出される、前記伝熱部材の前記搭載面の温度および前記冷却部材の表面温度間の温度差と前記厚みとの関係に基づいて設定される、請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 　前記伝熱部材の前記第２の方向における厚みは、導出された前記関係において、前記伝熱部材の前記搭載面の温度および前記冷却部材の表面温度間の温度差が最小となる厚みに設定される、請求項３に記載の半導体装置。
  5. 　前記半導体装置は、前記スイッチング素子をオンオフさせることにより直流電力および交流電力の間で電力変換を行なう電力変換器である、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 　前記伝熱部材は、グラファイトシートである、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置。
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