CN109844941B - 半导体模块以及电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

在导电性基座板(1)的上表面隔着绝缘基板(2)以及导电性图案(3a～3d)设置有多个半导体元件(4a～4f、5a～5f)。在导电性基座板(1)的下表面设置有多个鳍片(6)。散热性基座板(7)设置于多个鳍片(6)的前端。在底面具有流入口(9a)和流出口(9b)的冷却器(8)包围散热性基座板(7)以及多个鳍片(6)。分隔部(10)将由冷却器(8)和散热性基座板(7)包围的空间分离成与流入口(19a)相连的流入侧空间(11a)和与流出口(9b)相连的流出侧空间(11b)。在散热性基座板(7)的中央部设置有第1狭缝(12a)，在散热性基座板(7)的沿着从流入侧朝向流出侧的方向的两条边分别设置有第2以及第3狭缝(12b、12c)。第1狭缝(12a)与第2以及第3狭缝(12b、12c)的一者是与流入侧空间(11a)连接的流入侧狭缝，另一者是与流出侧空间(11b)连接的流出侧狭缝。

Description

半导体模块以及电力变换装置
技术领域
本发明涉及冷却器一体型的半导体模块以及电力变换装置。
背景技术
半导体模块用于车载用电动机控制等，通常谋求小型、轻量化。为了实现小型化，对半导体元件进行高效冷却的构造是不可欠缺的。因此，正在推进将半导体元件直接接合在冷却鳍片之上而直接进行冷却的直冷构造的开发。
提出了将半导体元件通过鳍片进行直冷的半导体模块(例如，参照专利文献1)。但是，由于有2个流入口和1个流出口，合计3个连接口，因此安装工序有可能变得繁琐。另外，在连接从流入口到流出口的路径中进行鳍片的冷却，但冷却水难以流入该路径的外侧，冷却性能下降，因此无法得到更加均匀的冷却性能。
另外，提出了冷却器一体型的半导体模块(例如，参照专利文献2)。但是，由于冷却水未进行分流就碰撞鳍片，因此成为一个方向的长流路，上游侧的元件与下游侧的元件的冷却性能产生大的差异。
另外，还提出了对冷却水进行分流的冷却器一体型模块(例如，参照专利文献3)。但是，冷却水的喷流直接碰撞鳍片而产生动压，鳍片受到大的应力。因此，鳍片要求高的强度。还担忧由动压的产生引起的压损变差。并且，由于水从多个喷流口喷出，从而在流路内水流大幅度紊乱，因此难以控制，结果，在流入侧和流出侧，冷却性能会产生大的差异。
专利文献1：日本特开2016-6826号公报
专利文献2：日本特开昭64-71156号公报
专利文献3：日本特开2014-82311号公报
发明内容
就以往的冷却器一体型模块而言，相对于鳍片的流入、流出时的分流不充分，无法对多个半导体元件均匀地进行冷却。因此，在上游和下游，冷却性能产生差异，模块的热设计受到配置于下游的半导体元件的温度的限制。另外，水流的控制也困难，压损也变高，因此模块的每单位体积的发热容许量小。另外，构造也复杂，难以将流入口和流出口设置于底面，难以减小占用面积。
本发明就是为了解决上述这样的课题而提出的，其目的在于得到以下这样的半导体模块以及电力变换装置，即，能够对多个半导体元件均匀地进行冷却，能够提高模块的每单位体积的发热容许量，构造简单且能够减小占用面积。
本发明涉及的半导体模块，其特征在于，具有：导电性基座板；绝缘基板，其设置于所述导电性基座板的上表面；导电性图案，其设置于所述绝缘基板之上；多个半导体元件，它们设置于所述导电性图案之上；多个鳍片，它们设置于所述导电性基座板的下表面；散热性基座板，其设置于所述多个鳍片的前端；冷却器，其以包围所述多个鳍片以及所述散热性基座板的方式设置，该冷却器在底面具有流入口和流出口；以及分隔部，其将由所述冷却器和所述散热性基座板包围的空间分离成与所述流入口相连的流入侧空间和与所述流出口相连的流出侧空间，在所述散热性基座板的中央部设置有第1狭缝，在所述散热性基座板的沿着从流入侧朝向流出侧的方向的两条边分别设置有第2以及第3狭缝，所述第1狭缝与所述第2以及第3狭缝的一者是与所述流入侧空间连接的流入侧狭缝，另一者是与所述流出侧空间连接的流出侧狭缝。
发明的效果
在本发明中，通过第1狭缝和第2以及第3狭缝而对冷却水相对于多个鳍片的流入或者流出进行分流。因此，与一个方向的冷却相比较，能够对多个半导体元件均匀地进行冷却。并且，能够提高模块的每单位体积的发热容许量。另外，流入口和流出口分别为1个，构造简单，与泵之间的连接变得容易。另外，能够将流入口和流出口设置于冷却器的底面，能够减小占用面积。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1涉及的半导体模块的斜视图。
图2是表示将本发明的实施方式1涉及的半导体模块分解后的状态的斜视图。
图3是本发明的实施方式1涉及的半导体模块的导电性基座板的俯视图。
图4是本发明的实施方式1涉及的半导体模块的导电性基座板的仰视图。
图5是本发明的实施方式1涉及的半导体模块的散热性基座板的俯视图。
图6是本发明的实施方式1涉及的半导体模块的冷却器的俯视图。
图7是沿着图1的I-II的剖面图。
图8是沿着图1的III-IV的剖面图。
图9是表示本发明的实施方式1涉及的半导体模块的冷却水的流动的图。
图10是表示本发明的实施方式1涉及的半导体模块的冷却水的流动的图。
图11是表示本发明的实施方式1涉及的半导体模块的冷却水的流动的图。
图12是表示本发明的实施方式1涉及的半导体模块的冷却水的流动的图。
图13是表示本发明的实施方式1涉及的半导体模块的冷却水的流动的图。
图14是用于对冷却水的流路的不同进行说明的俯视图。
图15是用于对冷却水的流路的不同进行说明的俯视图。
图16是用于对冷却水的流路的不同进行说明的俯视图。
图17是本发明的实施方式2涉及的半导体模块的导电性基座板的仰视图。
图18是本发明的实施方式3涉及的半导体模块的导电性基座板的仰视图。
图19是表示本发明的实施方式4涉及的半导体模块的斜视图。
图20是沿着图19的I-II的剖面图。
图21是沿着图19的III-IV的剖面图。
图22是表示电力变换***的框图，在该电力变换***中应用了本发明的实施方式5涉及的电力变换装置。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式涉及的半导体模块以及电力变换装置进行说明。对相同或相应的结构要素标注相同的标号，有时省略重复说明。
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式1涉及的半导体模块的斜视图。图2是表示将本发明的实施方式1涉及的半导体模块分解后的状态的斜视图。图3是本发明的实施方式1涉及的半导体模块的导电性基座板的俯视图。图4是本发明的实施方式1涉及的半导体模块的导电性基座板的仰视图。图5是本发明的实施方式1涉及的半导体模块的散热性基座板的俯视图。图6是本发明的实施方式1涉及的半导体模块的冷却器的俯视图。图7是沿着图1的I-II的剖面图。图8是沿着图1的III-IV的剖面图。该半导体模块是冷却器一体型模块。
导电性基座板1由Al或者Cu构成，大小约为80mm×80mm、厚度为2～4mm左右。绝缘基板2经由焊料或者钎料等接合材料与导电性基座板1的上表面接合，在该绝缘基板2的双面贴有由Al或者Cu构成的导电图案。绝缘基板2由AlN或者Si3N4构成，厚度是0.32～1mm左右。为了降低热阻，优选将绝缘基板2的厚度设为最小限度。
在绝缘基板2的上表面设置有导电性图案3a～3d，在该导电性图案3a～3d的上表面经由接合材料接合有半导体元件4a～4f、5a～5f。这里，在导电性图案3a之上设置有半导体元件4a～4c、5a～5c，在导电性图案3b之上设置有半导体元件4d、5d，在导电性图案3c之上设置有半导体元件4e、5e，在导电性图案3d之上设置有半导体元件4f、5f。例如，半导体元件4a～4f是IGBT或者功率MOSFET等开关元件，半导体元件5a～5f是续流二极管。为了保护半导体元件4a～4f、5a～5f，优选将导电性基座板1的上表面由壳体或者模塑树脂覆盖。
为了提高冷却性能，在导电性基座板1的下表面设置有多个鳍片6。多个鳍片6是针式鳍片、平直鳍片或者锥形鳍片。在多个鳍片6的前端钎焊有散热性基座板7。
冷却器8以包围多个鳍片6以及散热性基座板7的方式设置。在冷却器8的底面设置有流入口9a和流出口9b。分隔部10将由冷却器8和散热性基座板7包围的空间分离成与流入口9a相连的流入侧空间11a和与流出口9b相连的流出侧空间11b。
在散热性基座板7的中央部设置有沿着从流入侧朝向流出侧的方向延伸的第1狭缝12a。在散热性基座板7的沿着从流入侧朝向流出侧的方向的两条边分别设置有第2以及第3狭缝12b、12c。第2以及第3狭缝12b、12c是与流入侧空间11a连接的流入侧狭缝，第1狭缝12a是与流出侧空间11b连接的流出侧狭缝。
图9到图13是表示本发明的实施方式1涉及的半导体模块的冷却水的流动的图。图9以及图13与图6的俯视图相对应，图10与图7的剖面图相对应，图11以及图12与图8的剖面图相对应。图中的箭头示出冷却水的流动。
首先，如图9所示，从流入口9a流入的冷却水充满流入侧空间11a。接下来，如图10所示，冷却水通过第2以及第3狭缝12b、12c而向散热性基座板7的上侧流入。这时，通过2个狭缝而将水流向彼此相反的方向进行分流。接下来，如图11所示，水流对多个鳍片6以从外侧到中央的顺序进行冷却。接下来，如图12所示，冷却水通过中央的第1狭缝12a而向流出侧空间11b流入。接下来，如图13所示，冷却水通过流出口9b而排出。
如以上所说明的这样，在本实施方式中，通过第1狭缝12a和第2以及第3狭缝12b、12c而对冷却水向多个鳍片6的流入进行分流。从流入口9a流入的冷却水由第2以及第3狭缝12b、12c进行分流，对多个鳍片6从两侧进行冷却。因此，与一个方向的冷却相比较，能够对多个半导体元件4a～4f、5a～5f均匀地进行冷却。并且，能够提高模块的每单位体积的发热容许量。另外，流入口9a和流出口9b分别是1个，构造简单，与泵之间的连接变得容易。另外，能够将流入口和流出口设置于冷却器8的底面，能够减小占用面积。
另外，流入冷却水的流入侧狭缝之上的元件被优先冷却。因此，将与半导体元件5a～5f相比发热量大的半导体元件4a～4f配置为与半导体元件5a～5f相比更靠近流入侧狭缝。即，将半导体元件4a～4f配置于位于散热性基座板7外侧的第2以及第3狭缝12b、12c的上方。由此，能够对发热量大的半导体元件4a～4f优先进行冷却，因此能够对模块整体有效地进行冷却，抑制温度上升。
图14到图16是用于对冷却水的流路的不同进行说明的俯视图。在如图14所示从一端向另一端在一个方向流过冷却水的情况下，发热量大的半导体元件4a～4c这一组被优先且均匀地冷却，但发热量大的半导体元件4d～4f这一组没有被优先冷却。在如图15所示流过冷却水的情况下，两个元件组都既没有被优先地冷却又没有被均匀地冷却。在本实施方式中，如图16所示从两端朝向中央流过冷却水，因此两个元件组都被优先且均匀地冷却。
此外，也可以为，第1狭缝12a是流入侧狭缝，第2以及第3狭缝12b、12c是流出侧狭缝。在这种情况下，从冷却器8的流入口9a流入的冷却水通过1个第1狭缝12a而向多个鳍片6导入，通过第2以及第3狭缝12b、12c而从多个鳍片6向冷却器8排出。因此，通过将发热量大的半导体元件4a～4f配置于位于散热性基座板7中央的第1狭缝12a的上方，从而能够优先进行冷却。
实施方式2.
图17是本发明的实施方式2涉及的半导体模块的导电性基座板的仰视图。多个鳍片6中的流入侧的鳍片与流出侧的鳍片相比鳍片密度高。因此，水流强的流入侧的鳍片成为与水流弱的流出侧的鳍片相比冷却水难以通过的形状。由此，能够对冷却水向流入侧的鳍片集中这一情况进行抑制，使向流出侧的鳍片的流入增加，使冷却水通过量相对于鳍片整体是均匀的，均匀地进行冷却。
实施方式3.
图18是本发明的实施方式3涉及的半导体模块的导电性基座板的仰视图。多个鳍片6的形状是在流入侧具有中心的放射状的椭圆弧。在这种情况下，流入侧的鳍片也成为与流出侧的鳍片相比冷却水难以通过的形状，因此能够得到与实施方式2同样的效果。
实施方式4.
图19是表示本发明的实施方式4涉及的半导体模块的斜视图。图20是沿着图19的I-II的剖面图。图21是沿着图19的III-IV的剖面图。在流入口9a以及流出口9b的上方设置有不具有多个鳍片6以及散热性基座板7的泄流(blow-by)构造13。由于泄流构造13，流入口9a以及流出口9b周围的空间体积增加而成为蓄水部，因此能够使模块的压损降低。
此外，在实施方式1～4中，半导体元件4a～4f、5a～5f不限于由硅形成，也可以由与硅相比带隙大的宽带隙半导体形成。宽带隙半导体例如是碳化硅、氮化镓类材料或者金刚石。由上述宽带隙半导体形成的功率半导体元件，由于耐电压性、容许电流密度高，所以能够小型化。通过使用该小型化的元件，从而能够使组装有该元件的半导体模块也小型化。另外，由于元件的耐热性高，所以能够使散热器的散热鳍片小型化，能够将水冷部空冷化，因此能够进一步将半导体模块小型化。另外，由于元件的电力损耗低且高效，因此能够使半导体模块高效化。
实施方式5.
本实施方式是将上述实施方式1～4所涉及的半导体模块应用于电力变换装置。本发明不限定于特定的电力变换装置，但以下对应用于三相逆变器的情况进行说明。
图22是表示电力变换***的框图，在该电力变换***中应用了本发明的实施方式5涉及的电力变换装置。电力变换***具有电源100、电力变换装置200、负载300。电源100是直流电源，向电力变换装置200供给直流电力。电源100能够由各种电源构成，例如，能够由直流***、太阳能电池、蓄电池构成。也可以由与交流***连接的整流电路或AC/DC转换器构成。另外，也可以使电源100由将从直流***输出的直流电力变换为规定的电力的DC/DC转换器构成。
电力变换装置200是连接在电源100和负载300之间的三相逆变器，将从电源100供给的直流电力变换为交流电力，向负载300供给交流电力。电力变换装置200具有：主变换电路201，其将输入来的直流电力变换为交流电力而输出；以及控制电路203，其将对主变换电路201进行控制的控制信号输出至主变换电路201。
负载300是由从电力变换装置200供给的交流电力进行驱动的三相电动机。此外，负载300不限定于特定的用途，是搭载于各种电气设备的电动机，例如，用作面向混合动力汽车或电动汽车、铁道车辆、电梯或者空调设备的电动机。
以下，对电力变换装置200的详细情况进行说明。主变换电路201具有开关元件和续流二极管(未图示)，通过开关元件进行通断，从而将从电源100供给的直流电力变换为交流电力，供给至负载300。主变换电路201的具体的电路结构存在各种结构，但本实施方式涉及的主变换电路201是两电平的三相全桥电路，能够由6个开关元件和与各个开关元件逆并联的6个续流二极管构成。主变换电路201的各开关元件和各续流二极管由与上述实施方式1～4的半导体模块的任意者相当的半导体装置202构成。6个开关元件两个两个地串联连接而构成上下桥臂，各上下桥臂构成全桥电路的U相、V相、W相。并且，各上下桥臂的输出端子即主变换电路201的3个输出端子与负载300连接。
另外，主变换电路201具有对各开关元件进行驱动的驱动电路(未图示)，但驱动电路既可以内置于半导体装置202，也可以是独立于半导体装置202而另外具有驱动电路的结构。驱动电路生成对主变换电路201的开关元件进行驱动的驱动信号，供给至主变换电路201的开关元件的控制电极。具体地说，按照来自后述的控制电路203的控制信号，向各开关元件的控制电极输出将开关元件设为接通状态的驱动信号和将开关元件设为断开状态的驱动信号。在将开关元件维持为接通状态的情况下，驱动信号是大于或等于开关元件的阈值电压的接通信号，在将开关元件维持为断开状态的情况下，驱动信号成为小于或等于开关元件的阈值电压的断开信号。
控制电路203对主变换电路201的开关元件进行控制，以向负载300供给期望的电力。具体地说，基于应向负载300供给的电力，对主变换电路201的各开关元件应成为接通状态的接通时间进行计算。例如，能够通过与应输出的电压相对应地对开关元件的接通时间进行调制的PWM控制，对主变换电路201进行控制。并且，向主变换电路201所具有的驱动电路输出控制信号，以在各时刻向应成为接通状态的开关元件输出接通信号，向应成为断开状态的开关元件输出断开信号。驱动电路按照该控制信号，将接通信号或者断开信号作为驱动信号而输出至各开关元件的控制电极。
在本实施方式涉及的电力变换装置中，作为主变换电路201的开关元件和续流二极管而应用实施方式1～4涉及的半导体模块，因此能够实现小型化。
在本实施方式中，对将本发明应用于两电平的三相逆变器的例子进行了说明，但本发明不限定于此，能够应用于各种电力变换装置。在本实施方式中，采用了两电平的电力变换装置，但也可以是三电平或多电平的电力变换装置，在向单相负载供给电力的情况下，也可以将本发明应用于单相逆变器。另外，在向直流负载等供给电力的情况下，也能够将本发明应用于DC/DC转换器或AC/DC转换器。
另外，应用了本发明的电力变换装置不限定于上述的负载为电动机的情况，例如，还能够用作放电加工机或激光加工机、或者感应加热烹调器、非接触器供电***的电源装置，并且也能够用作太阳能发电***以及蓄电***等的功率调节器。
标号的说明
1导电性基座板，2绝缘基板，3a～3d导电性图案，4a～4f、5a～5f半导体元件，6鳍片，7散热性基座板，8冷却器，9a流入口，9b流出口，10分隔部，11a流入侧空间，11b流出侧空间，12a第1狭缝，12b第2狭缝，12c第3狭缝，13泄流构造，201主变换电路，203控制电路。

Claims (10)

1.一种半导体模块，其特征在于，具有：
导电性基座板；
绝缘基板，其设置于所述导电性基座板的上表面；
导电性图案，其设置于所述绝缘基板之上；
多个半导体元件，它们设置于所述导电性图案之上；
多个鳍片，它们设置于所述导电性基座板的下表面；
散热性基座板，其设置于所述多个鳍片的前端；
冷却器，其以包围所述多个鳍片以及所述散热性基座板的方式设置，该冷却器在底面具有流入口和流出口；以及
分隔部，其将由所述冷却器和所述散热性基座板包围的空间分离成与所述流入口相连的流入侧空间和与所述流出口相连的流出侧空间，
在所述散热性基座板的中央部设置有第1狭缝，
在所述散热性基座板的沿着从流入侧朝向流出侧的方向的两条边分别设置有第2以及第3狭缝，
所述第1狭缝与所述第2以及第3狭缝的一者是与所述流入侧空间连接的流入侧狭缝，另一者是与所述流出侧空间连接的流出侧狭缝。
2.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于，
所述多个半导体元件具有第1半导体元件和与所述第1半导体元件相比发热量大的第2半导体元件，
所述第2半导体元件配置为与所述第1半导体元件相比更靠近所述流入侧狭缝。
3.根据权利要求2所述的半导体模块，其特征在于，
所述第2以及第3狭缝是所述流入侧狭缝，
所述第2半导体元件配置于所述第2以及第3狭缝的上方。
4.根据权利要求2所述的半导体模块，其特征在于，
所述第1狭缝是所述流入侧狭缝，
所述第2半导体元件配置于所述第1狭缝的上方。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体模块，其特征在于，
所述多个鳍片中的流入侧的鳍片为与流出侧的鳍片相比冷却水难以通过的形状。
6.根据权利要求5所述的半导体模块，其特征在于，
所述流入侧的鳍片与所述流出侧的鳍片相比鳍片密度高。
7.根据权利要求5所述的半导体模块，其特征在于，
所述多个鳍片的形状是在所述流入侧具有中心的放射状的椭圆弧。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体模块，其特征在于，
在所述流入口以及所述流出口的上方设置有不具有所述多个鳍片以及所述散热性基座板的泄流构造。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体模块，其特征在于，
所述多个半导体元件由宽带隙半导体形成。
10.一种电力变换装置，其特征在于，具有：
主变换电路，其具有权利要求1至9中任一项所述的半导体模块，该主变换电路对被输入来的电力进行变换而输出；以及
控制电路，其将对所述主变换电路进行控制的控制信号输出至所述主变换电路。
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