JP2013080755A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a power conversion apparatus.
従来、トランジスタ、ＩＧＢＴ、サイリスタなどの半導体チップを用いて直流電力を交流電力に変換するインバータや、交流電力を直流電力に変換するコンバータなどを構成している電力変換装置が知られている。これらの電力変換装置では、大電力用の半導体チップを用いると半導体チップからの放熱量が大きくなり、冷却器を具備させて冷却を行う必要がある。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a power conversion device that constitutes an inverter that converts DC power into AC power using a semiconductor chip such as a transistor, IGBT, or thyristor, or a converter that converts AC power into DC power. In these power converters, if a semiconductor chip for high power is used, the amount of heat released from the semiconductor chip becomes large, and it is necessary to cool by providing a cooler.
このように冷却器を備える半導体装置は、バスバーにはんだ付けにより半導体チップが実装されいる。また、バスバーは絶縁シートを介して冷却器に当接するように、設けられている。このため、半導体チップで発生する熱は、バスバーと絶縁シートとを介して冷却器に伝達して、冷却器で放熱されるようになっている。 Thus, a semiconductor device provided with a cooler has a semiconductor chip mounted on a bus bar by soldering. The bus bar is provided so as to contact the cooler via the insulating sheet. For this reason, the heat generated in the semiconductor chip is transmitted to the cooler via the bus bar and the insulating sheet, and is radiated by the cooler.
しかし、従来の電力変換装置では、半導体チップが発熱すると、バスバーと絶縁シートの線膨張係数差があるため、バスバーと絶縁シートとの間に応力がはたらき、クラックが入りやすかった。そのため、半導体チップから発生する熱が放熱しにくくなるため、半導体チップの性能が十分に発揮しにくくなり、また寿命が短くなることから、信頼性が低くなってしまっていた。 However, in the conventional power conversion device, when the semiconductor chip generates heat, there is a difference in linear expansion coefficient between the bus bar and the insulating sheet, so that stress acts between the bus bar and the insulating sheet, and cracks are easily generated. For this reason, the heat generated from the semiconductor chip is difficult to dissipate, so that the performance of the semiconductor chip is not sufficiently exhibited, and the life is shortened, so that the reliability is lowered.
そこで本発明では、より信頼性の高い電力変換装置の提供を目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a more reliable power conversion device.
上記目的を達成するために、実施形態の電力変換装置は、複数の半導体チップと、複数の半導体チップの正極側と負極側に接合し、複数の半導体チップとの接合面と対向する面に接触面が形成された複数のバスバーと、複数のバスバーと接合している絶縁シートと、複数の半導体チップの熱を放熱する放熱手段と、接触面と接する位置決め部材が形成され、放熱手段上に設けられているケースとを有することを特徴としている。 In order to achieve the above object, the power conversion device according to the embodiment is bonded to a plurality of semiconductor chips and a surface facing a bonding surface with the plurality of semiconductor chips, bonded to the positive electrode side and the negative electrode side of the plurality of semiconductor chips. A plurality of bus bars having a surface formed thereon, an insulating sheet bonded to the plurality of bus bars, a heat radiating means for radiating heat from the plurality of semiconductor chips, and a positioning member in contact with the contact surface are formed on the heat radiating means. It is characterized by having a case.
以下、本発明の実施形態に係る電力変換装置を、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, a power converter according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず、本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図１，図２を参照して説明する。図１に示すように、電力変換装置１は、複数の半導体チップ２と、複数のバスバー３と、絶縁シート４と、放熱手段５と、ケース６と、樹脂７とで構成されている。 First, the power converter device which concerns on embodiment of this invention is demonstrated with reference to FIG. 1, FIG. As shown in FIG. 1, the power conversion device 1 includes a plurality of semiconductor chips 2, a plurality of bus bars 3, an insulating sheet 4, a heat radiating means 5, a case 6, and a resin 7.
半導体チップ２は、IGBT、パワーMOSFET、パワーBJT、サイリスタ、GTOサイリスタ、SIサイリスタ、ダイオード等の種々のパワーデバイスが使用可能である。また、半導体チップ２は複数のバスバー３に直接はんだHを介して接合してされるものとしても良いし、端子板や緩衝板等（図示せず）を介してバスバー３に接合されるものとしてもよい。 The semiconductor chip 2 can use various power devices such as IGBT, power MOSFET, power BJT, thyristor, GTO thyristor, SI thyristor, and diode. Further, the semiconductor chip 2 may be directly bonded to the plurality of bus bars 3 via the solder H, or may be bonded to the bus bar 3 via a terminal plate, a buffer plate or the like (not shown). Also good.
バスバー３は、半導体チップ２の正極側と負極側に接合され、電気的に接続されている。バスバー３の材質としては、導電性の金属であればよいが、銅等の金属が好適である。また、表面にニッケル等のメッキ処理が施されていても良い。そして、各導体を更に複数に分割した構成としても良い。 The bus bar 3 is joined to and electrically connected to the positive electrode side and the negative electrode side of the semiconductor chip 2. The material of the bus bar 3 may be a conductive metal, but a metal such as copper is preferable. The surface may be plated with nickel or the like. And it is good also as a structure which divided | segmented each conductor further into plurality.
また、バスバー３は、後述するケース６の位置決め部材６ａと接するため、半導体チップ２とバスバー３との接合面と対向する面側が面取りされており、接触面３ａが形成されている。本実施形態ではこの接触面３ａは、半導体チップ２とバスバー３との接合面と、バスバー３と絶縁シート４との接合面に対して非並行な面になるように形成されている。 Further, since the bus bar 3 is in contact with a positioning member 6a of the case 6 to be described later, the surface side facing the bonding surface between the semiconductor chip 2 and the bus bar 3 is chamfered to form a contact surface 3a. In the present embodiment, the contact surface 3 a is formed so as to be non-parallel to the bonding surface between the semiconductor chip 2 and the bus bar 3 and the bonding surface between the bus bar 3 and the insulating sheet 4.
なお、本実施形態では接触面３ａは、 半導体チップ２とバスバー３との接合面と、バスバー３と絶縁シート４との接合面に対して非並行な面になるように形成されているが、これに限られることはなく、図２（ａ）に示すように接触面３ａの一部が半導体チップ２とバスバー３との接合面に対して平行となる面Ｍ１、もしくは図２（ｂ）に示すようにバスバー３と絶縁シート４との接合面に対して並行となる面Ｍ２が形成されていてもく、また図２（ｃ）に示すようにどちらの接合面に対しても平行となる面が形成されていてもよい。 In the present embodiment, the contact surface 3a is formed so as to be non-parallel to the bonding surface between the semiconductor chip 2 and the bus bar 3 and the bonding surface between the bus bar 3 and the insulating sheet 4. The present invention is not limited to this, and as shown in FIG. 2A, a part of the contact surface 3a is parallel to the bonding surface between the semiconductor chip 2 and the bus bar 3, or in FIG. As shown, a surface M2 parallel to the joint surface between the bus bar 3 and the insulating sheet 4 may be formed, and also parallel to either joint surface as shown in FIG. A surface may be formed.
図３は、バスバー３の断面形状と熱伝導との関係を例示するための模式グラフ図である。なお、図３（ａ）はバスバー３の断面形状が矩形の場合、すなわち接触面３ａが形成されない場合であり、図３（ｂ）はバスバーの断面形状が三角形の場合、すなわち接触面３ａが形成されている場合である。また、図３は、温度分布をモノトーン色の濃淡で表し、温度が高い程濃く、温度が低いほど淡くなるように表示した。 FIG. 3 is a schematic graph for illustrating the relationship between the cross-sectional shape of the bus bar 3 and heat conduction. 3A shows a case where the cross-sectional shape of the bus bar 3 is rectangular, that is, the contact surface 3a is not formed, and FIG. 3B shows a case where the cross-sectional shape of the bus bar is triangular, that is, the contact surface 3a is formed. This is the case. In FIG. 3, the temperature distribution is represented by the shades of a monotone color, and is displayed so that it is darker as the temperature is higher and lighter as the temperature is lower.
図３（ａ）、（ｂ）から分かるように、バスバー３の断面形状を三角形としても温度分布はほぼ同様となっている。この様にバスバー３の場合は、熱伝導に必要な断面積が十分にあるためバスバー３の断面積を減らすようにしても熱伝導への影響は少ない。そのため、例えば、バスバー３の断面形状を三角形にするなどすれば、放熱性を維持したままバスバーの体積を減らすことができるので、低価格化、軽量化などを図ることができる。 As can be seen from FIGS. 3A and 3B, the temperature distribution is substantially the same even when the cross-sectional shape of the bus bar 3 is triangular. As described above, in the case of the bus bar 3, since the cross-sectional area necessary for heat conduction is sufficient, even if the cross-sectional area of the bus bar 3 is reduced, the influence on the heat conduction is small. Therefore, for example, if the cross-sectional shape of the bus bar 3 is a triangle, the volume of the bus bar can be reduced while maintaining heat dissipation, so that the price and weight can be reduced.
図１に示すように、絶縁シート４は、バスバー３と放熱手段５との間に設けられ、例えば熱伝導性のエポキシ樹脂や、分子レベルで有機成分と無機成分が均一に混合されている無機・有機ハイブリッド材料等から形成されたものを用いている。 As shown in FIG. 1, the insulating sheet 4 is provided between the bus bar 3 and the heat radiating means 5, and is, for example, a heat conductive epoxy resin or an inorganic material in which an organic component and an inorganic component are uniformly mixed at a molecular level.・ Uses made of organic hybrid materials.
放熱手段５は、絶縁体シート４ を介して複数バスバー３に接着されている。このとき、放熱手段５は、複数の半導体チップ２と複数のバスバー３との接合面に対して非平行（例えば、略垂直）な面で複数のバスバー３と接着され、複数の半導体チップ２の熱を放熱する。放熱手段５は、例えばアルミニウム等の金属体で形成された空冷や水冷のヒートシンクである。 The heat dissipating means 5 is bonded to the plurality of bus bars 3 via the insulator sheet 4. At this time, the heat dissipating means 5 is bonded to the plurality of bus bars 3 on a surface that is non-parallel (for example, substantially vertical) to the bonding surfaces of the plurality of semiconductor chips 2 and the plurality of bus bars 3. Dissipate heat. The heat dissipating means 5 is an air-cooled or water-cooled heat sink formed of a metal body such as aluminum.
ケース６は、バスバー３と絶縁シート４との間、特に半導体チップ２とバスバー３との接合面に接する所Ｓにはたらく応力を低減させるため、位置決め部材６ａを備えている。 The case 6 is provided with a positioning member 6a in order to reduce the stress acting between the bus bar 3 and the insulating sheet 4, in particular at the place S that contacts the joint surface between the semiconductor chip 2 and the bus bar 3.
位置決め部材６ａは、バスバー３の接触面３ａと接するように形成されている。すなわち、半導体チップ２とバスバー３との接合面と、バスバー３と絶縁シート４との接合面に対して非並行な面となるように形成されている。このような面を形成することにより、熱によりバスバー３が膨張しても、バスバー３を半導体チップ２とバスバー３との接合面方向へと圧縮させることが可能となる。また、同時にバスバー３と絶縁シート４との接合面方向に対しても圧縮させる事が可能となる。その結果、バスバー３と絶縁シート４との間にクラックが入りにくくなる。 The positioning member 6 a is formed so as to contact the contact surface 3 a of the bus bar 3. That is, they are formed so as to be non-parallel to the bonding surface between the semiconductor chip 2 and the bus bar 3 and the bonding surface between the bus bar 3 and the insulating sheet 4. By forming such a surface, even if the bus bar 3 expands due to heat, the bus bar 3 can be compressed in the direction of the bonding surface between the semiconductor chip 2 and the bus bar 3. At the same time, it is possible to compress the bonding direction of the bus bar 3 and the insulating sheet 4. As a result, cracks are less likely to occur between the bus bar 3 and the insulating sheet 4.
なお、本実施形態では位置決め部材６ａは、 半導体チップ２とバスバー３との接合面と、バスバー３と絶縁シート４との接合面に対して非並行な面になるように形成されているが、これに限られることはなく、位置決め部材６ａの一部が 半導体チップ２とバスバー３との接合面、もしくはバスバー３と絶縁シート４との接合面に対して並行となる面が形成されていてもく、どちらに対しても平行となる面が形成されていてもよい。 In this embodiment, the positioning member 6a is formed so as to be non-parallel to the bonding surface between the semiconductor chip 2 and the bus bar 3 and the bonding surface between the bus bar 3 and the insulating sheet 4. The present invention is not limited to this, and even if a part of the positioning member 6a is formed with a joint surface between the semiconductor chip 2 and the bus bar 3, or a surface parallel to the joint surface between the bus bar 3 and the insulating sheet 4. In addition, a plane parallel to both of them may be formed.
また、ケース６は、後述する樹脂７を保持しており、放熱手段５上に設けられ、またバスバー３の高さより高くなるように形成されている。ケース６の材質としては、樹脂から形成されており、例えばガラス繊維入りの強化プラスチック等、強度が高い樹脂材料を用いている。 The case 6 holds a resin 7 described later, is provided on the heat radiating means 5, and is formed to be higher than the height of the bus bar 3. The material of the case 6 is formed from a resin, and a high-strength resin material such as a reinforced plastic with glass fiber is used, for example.
樹脂７は、半導体チップ２、バスバー３、絶縁シート４を覆うように設けられており、熱により膨張する前の位置を固定するために設けられている。そのため、熱によりバスバー３が膨張しても、バスバー３と絶縁シート４との間にクラックが入ることを抑制することができる。 The resin 7 is provided so as to cover the semiconductor chip 2, the bus bar 3, and the insulating sheet 4, and is provided to fix the position before being expanded by heat. Therefore, even if the bus bar 3 expands due to heat, cracks can be prevented from entering between the bus bar 3 and the insulating sheet 4.
また、本発明の実施例に係る電力変換装置は、複数のバスバー３との間に中間バスバー３ｂを配置した構成とすることもできる。図４は複数のバスバー３の間に中間バスバー３ｂを配置した電力変換装置１ａの断面構成図である。この電力変換装置１ａは、半導体チップ２ａの正極側と、半導体チップ２ｂの負極側にバスバー３が接合され、半導体チップ２ａの負極側及び半導体チップ２ｂの正極側に中間バスバー３ｂが接合されている。その他の構成は、図１及び図２に示した電力変換装置１と同様である。 Further, the power conversion device according to the embodiment of the present invention may be configured such that the intermediate bus bar 3 b is disposed between the plurality of bus bars 3. FIG. 4 is a cross-sectional configuration diagram of a power conversion device 1 a in which intermediate bus bars 3 b are arranged between a plurality of bus bars 3. In this power conversion device 1a, the bus bar 3 is joined to the positive side of the semiconductor chip 2a and the negative side of the semiconductor chip 2b, and the intermediate bus bar 3b is joined to the negative side of the semiconductor chip 2a and the positive side of the semiconductor chip 2b. . Other configurations are the same as those of the power conversion apparatus 1 shown in FIGS. 1 and 2.
以上、本実施形態によれば、電力変換装置１は、複数の半導体チップ２と、複数の半導体チップ２の正極側と負極側に接合し、半導体チップ２との接合面と対向する面に接触面３ａが形成された複数のバスバー３と、複数のバスバー３と接合している放熱シート４と、半導体チップ２の熱を放熱する放熱手段５と、接合面３ａと接する位置決め部材６ａが形成され、放熱手段５上にケース６が設けられている。これにより、熱によりバスバー３が膨張しても、バスバー３を半導体チップ２とバスバー３との接合面方向へと圧縮させることが可能となる。また、同時にバスバー３と絶縁シート４との接合面方向に対しても圧縮させる事が可能となる。その結果、バスバー３と絶縁シート４との間にクラックが入りにくくなるため、より信頼性を高くすることが出来る。 As described above, according to the present embodiment, the power conversion device 1 is bonded to the plurality of semiconductor chips 2 and the surfaces facing the bonding surfaces of the semiconductor chips 2 that are bonded to the positive and negative electrode sides of the plurality of semiconductor chips 2. A plurality of bus bars 3 having a surface 3a formed thereon, a heat radiating sheet 4 joined to the plurality of bus bars 3, a heat radiating means 5 for radiating heat of the semiconductor chip 2, and a positioning member 6a in contact with the joint surface 3a are formed. A case 6 is provided on the heat dissipating means 5. Thereby, even if the bus bar 3 expands due to heat, the bus bar 3 can be compressed in the direction of the bonding surface between the semiconductor chip 2 and the bus bar 3. At the same time, it is possible to compress the bonding direction of the bus bar 3 and the insulating sheet 4. As a result, cracks are less likely to occur between the bus bar 3 and the insulating sheet 4, so that the reliability can be further increased.
また、ケース６に保持され、複数の半導体チップ２、複数のバスバー３、絶縁シート４を覆うように樹脂７が設けられている。これにより、熱により膨張する前の位置を固定することが可能となるため、よりクラックが入りにくくなるため、更に信頼性を高くすることが出来る。 A resin 7 is provided so as to be held by the case 6 and cover the plurality of semiconductor chips 2, the plurality of bus bars 3, and the insulating sheet 4. This makes it possible to fix the position before the expansion due to heat, so that cracks are less likely to occur, and the reliability can be further increased.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
１，１ａ…電力変換装置
２，２ａ，２ｂ…半導体チップ
３…バスバー
３ａ…接触面
３ｂ…中間バスバー
４…絶縁シート
５…放熱手段
６…ケース
６ａ…位置決め部材６ａ
７…樹脂
Ｈ…はんだ
Ｍ１，Ｍ２…面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a ... Power converter device 2, 2a, 2b ... Semiconductor chip 3 ... Bus-bar 3a ... Contact surface 3b ... Intermediate bus-bar 4 ... Insulation sheet 5 ... Radiation means 6 ... Case 6a ... Positioning member 6a
7 ... Resin H ... Solder M1, M2 ... Surface
Claims (4)
前記複数の半導体チップの正極側と負極側に接合し、前記複数の半導体チップとの接合面と対向する面に接触面が形成された複数のバスバーと、
前記複数のバスバーと接合している絶縁シートと、
前記複数の半導体チップの熱を放熱する放熱手段と、
前記接触面と接する位置決め部材が形成され、前記放熱手段上に設けられているケースと、
を有する電力変換装置。 A plurality of semiconductor chips;
A plurality of bus bars that are bonded to the positive electrode side and the negative electrode side of the plurality of semiconductor chips, and a contact surface is formed on a surface facing a bonding surface with the plurality of semiconductor chips;
An insulating sheet bonded to the plurality of bus bars;
Heat radiating means for radiating heat of the plurality of semiconductor chips;
A positioning member in contact with the contact surface is formed, and a case provided on the heat dissipation means;
A power conversion device.
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| JP2011218759A JP2013080755A (en) | 2011-09-30 | 2011-09-30 | Power conversion device |
Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013222886A (en) * | 2012-04-18 | 2013-10-28 | Toshiba Corp | Semiconductor module |
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2011
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