JP3578335B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力用半導体装置に関し、特に少なくともヒートシンク及び半導体モジュールを有する電力用半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッド車、燃料電池車、純二次電池車など電力を用いて走行する電気自動車では、構成が堅牢、簡素で制御が容易な交流モータを用いるために、直流電力と交流電力との間で双方向変換するインバータ装置特に三相インバータ装置が採用されている。ここで、モータの用途は走行に限らず、発電、エンジン始動、Ａ／Ｃコンプレッサなどの補機駆動などがあり、用途に応じて複数のモータを積む場合もある。その場合はインバータも複数積むことになる。
【０００３】
特開平１１ー３４６４８０号公報は、ヒートシンクに半田接合された絶縁基板と、この絶縁基板上に接合された半導体素子とを有する半導体スイッチングモジュールを含むインバータ装置を提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体スイッチングモジュールの絶縁基板をヒートシンクに半田接合してなる上記公報記載のインバータ装置は、電気自動車用などの大熱容量のヒートシンクを用いる場合、絶縁基板の半田付けに半田溶融用の加熱炉を必要とするため生産性が低下するという不具合がある他、絶縁基板（通常はメタライズされたＡｌＮ）と近似する熱膨張率をもつＡｌーＳｉＣ、Ｃｕ／Ｍｏなどの高価な材料でヒートシンクを構成する必要があるため実用性に問題があった。また、絶縁基板が半田接合されたヒートシンクはリサイクル性に劣るという問題を内包していた。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、ヒートシンク材料の選択範囲が広く、製造が容易なために実用性に優れ、その上、リサイクル性に優れるにもかかわらず、優れた放熱特性を実現可能な電力用半導体装置を提供することをその目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
各発明の電力用半導体装置は、電力用半導体素子チップを挟んで金属放熱板が両面に配設されてなる半導体モジュールと、前記半導体モジュールの前記金属放熱板に接して配置されたヒートシンクと、前記半導体モジュールの反ヒートシンク側の前記金属放熱板を付勢して前記半導体モジュールのヒートシンク側の前記金属放熱板を前記ヒートシンクの表面に押しつけるとともに前記反ヒートシンク側の前記金属放熱板から吸熱する良熱伝導性の付勢保持部材とを備えることを特徴としている。
【０００７】
本構成によれば、付勢保持部材が、両面放熱型の半導体モジュールをヒートシンクに押しつけて保持する構成を採用しているので、半導体モジュールとヒートシンクとの間の良好な接触を実現でき、半導体モジュールからヒートシンクへ良好に放熱することができる。同時に、半導体モジュールと付勢保持部材との間の良好な接触を実現することができるので、半導体モジュールから付勢保持部材へ良好に放熱することができる。すなわち、付勢保持部材により半導体モジュールをヒートシンクに押し付ける構造により、半導体モジュールの両主面の放熱を良好に確保することができる。
【０００８】
また、半導体モジュールをヒートシンクに固定するのに半田接合を採用していないので、組み付け工程が簡素となり、熱ストレス（いわゆる温度膨張率差に起因して生じる力）により半田接合の信頼性が低下することがない。
【０００９】
本構成において、付勢保持部材は熱伝導性向上のために金属製とされることが好ましいが、それに限定されるものではない。また、付勢保持部材は、半導体モジュールの反ヒートシンク側の金属放熱板に直接接触させることが好ましいが、中間部材を介在させてもよい。電気伝導性を有する付勢保持部材と半導体モジュールの反ヒートシンク側の金属放熱板とを電気伝導可能に接触させることもでき、この場合は、付勢保持部材を配線部材として機能させることもできる。
【００１０】
好適には、前記付勢保持部材は、前記ヒートシンクに固定されることを特徴としている。本構成によれば、付勢保持部材の固定が簡単容易とすることができるので、全体構造を簡素化することができる上、付勢保持部材からヒートシンクへ放熱することができるので、ヒートシンク自体は単なる伝熱部材とすることができ、ヒートシンクの冷却を簡素かつ容易に実現することができる。
【００１１】
発明１では更に、前記付勢保持部材は、前記半導体モジュールを押圧付勢する梁部と、前記梁部の両端からヒートシンク側に突出する少なくとも一対の脚部とを有することを特徴としている。これにより、半導体モジュールを接触圧が均等分散できる両端挟圧構造で保持できるので、半導体モジュールと付勢保持部材及びヒートシンクとの接触面において局部的に応力が集中することがなく、接触面各部の熱抵抗を均一に低減することができる。
【００１２】
好適には、前記付勢保持部材の前記脚部のうち、前記半導体モジュールの厚さに等しい部分の熱膨張率は、前記電力用半導体素子チップの両側の前記金属放熱板及び前記電力用半導体素子チップの平均熱膨張率に所定誤差範囲内で一致することを特徴としている。本構成によれば、付勢保持部材の脚部とそれに隣接する半導体モジュールとが、半導体モジュールの厚さ方向において許容可能な所定誤差範囲（この明細書は１％未満とする）に設定しているので、両者の熱膨張率の差に基づく熱ストレスを使用温度範囲内で許容範囲内に保つことができ、この熱ストレスにより電力用半導体素子チップが破損するのを防止することができるという優れた効果を奏することができる。
【００１３】
なお、電力用半導体素子チップよりも金属放熱板の方が通常は熱膨張率が大きいので、付勢保持部材の少なくとも脚部は、電力用半導体素子チップの熱膨張率と金属放熱板の熱膨張率との中間の熱膨張率をもつ。この種の熱膨張率（線膨張率）の調整は、金属放熱板や脚部を構成する素材及びその厚さ（半導体モジュールの厚さ方向長）の組み合わせにより容易に実施することができる。
【００１４】
また、金属放熱板の部位における半導体モジュールの厚さはできるだけ薄い方が、上記熱膨張率差による脚部と半導体モジュールとの膨張距離の差が小さくなり好都合である。
【００１５】
好適には、前記付勢保持部材と前記ヒートシンクとの間に介設される軟質かつ良熱伝導性の軟質伝熱部材を有することを特徴としている。この種の軟質伝熱部材としてはたとえば半田などを挙げることができる。本構成によれば、付勢保持部材をヒートシンクに固定するに際し、両者の接触面を上記軟質伝熱部材の塑性変形によりなじませることができ、両者間の熱抵抗を低減することができる。
【００１６】
好適には、前記付勢保持部材と前記ヒートシンクとの間に介設される薄肉の絶縁部材を有することを特徴としている。本構成によれば、半導体モジュールのヒートシンク側の金属放熱板をヒートシンク電位から独立に設定することができる。
【００１７】
好適には、前記半導体モジュールの前記反ヒートシンク側の金属放熱板と前記付勢保持部材との間、及び、前記半導体モジュールの前記ヒートシンク側の金属放熱板と前記付勢保持部材との間に介設される薄肉の絶縁部材を有することを特徴としている。本構成によれば、付勢保持部材が電気伝導性であっても付勢保持部材と半導体モジュールの反ヒートシンク側の金属放熱板との間、及び、前記半導体モジュールの前記ヒートシンク側の金属放熱板と前記付勢保持部材との間に電気絶縁を確保することができる。
【００１８】
好適には、前記ヒートシンクは、内部に冷却流体通路を有し、前記付勢保持部材は、前記ヒートシンクの前記冷却流体通路に連通する内部冷却通路を有することを特徴としている。
これにより、簡素な構造で半導体モジュールの両側から流体冷却することができる。
【００１９】
好適には、前記半導体モジュール上に重ねられた回路部品を有し、前記付勢保持部材は、前記半導体モジュール及び回路部品をまとめて前記ヒートシンクに押し付けることを特徴としている。これにより、高密度実装を簡素な組み付け構造で実施することができる。また、この回路部品を半導体モジュールの反ヒートシンク側のヒートシンクマスとして機能させることもできる。
【００２０】
好適には、前記半導体モジュールの反ヒートシンク側の前記金属放熱板は、前記回路部品の端子に直接接することを特徴としている。これにより、配線構造を簡素化することができるとともに、両者間の配線距離が短く、配線抵抗及び配線インダクタンスの悪影響を防止することができる。
【００２１】
好適には、前記付勢保持部材の前記脚部のうち、前記半導体モジュール及び前記回路部品の厚さの合計に等しい部分の熱膨張率は、前記電力用半導体素子チップの両側の前記金属放熱板、前記電力用半導体素子チップ及び前記回路部品の前記厚さ方向の平均熱膨張率に所定誤差範囲内で一致することを特徴としている。これにより、請求項４と同様に、所定の押圧力を確保して熱抵抗を低減できるとともに、電力用半導体素子チップに作用する熱ストレスを軽減することができる。
【００２２】
好適には、前記半導体モジュールの反ヒートシンク側の前記金属放熱板と前記回路部品の端子との間に端子部材が介設されることを特徴としている。本構成によれば、金属放熱板と回路部品と端子部材とを、金属放熱板及び回路部品の保持と同時に実現することができ、簡素で高密度の回路構造を実現することができる。
【００２３】
好適には、前記半導体モジュールは、インバータ回路の一部又は全部を構成し、前記回路部品は前記インバータ回路の正負直流端子間に並列接続される平滑コンデンサからなり、前記端子部材は、直流電源接続用のブスバーからなることを特徴としている。これにより、インバータ回路装置で問題となるインバータ回路と平滑コンデンサとの間の配線インダクタンスによる大サージ電圧が発生するという問題を解決することができ、平滑コンデンサを小型軽量化することができる。
【００２４】
好適には、前記付勢保持部材の前記脚部のうち、前記半導体モジュール、端子部材及び前記回路部品の厚さの合計に等しい部分の熱膨張率は、前記電力用半導体素子チップの両側の前記金属放熱板、前記電力用半導体素子チップ、前記端子部材及び前記回路部品の前記厚さ方向の平均熱膨張率に所定誤差範囲内で一致することを特徴としている。
これにより、上記と同様に、所定の押圧力を確保して熱抵抗を低減できるとともに、電力用半導体素子チップに作用する熱ストレスを軽減することができる。
【００２５】
好適には、前記付勢保持部材は、互いに近接して配設された複数の前記半導体モジュールを一括付勢保持することを特徴としている。これにより、部品点数及び組み付け工数を低減することができる。
【００２６】
好適には、前記付勢保持部材の前記脚部は、湾曲形状を有し、前記半導体モジュールの厚さ方向の弾性率が前記付勢保持部材の素材の弾性率より増大されていることを特徴としている。これにより、半導体モジュールとヒートシンク又は付勢保持部材との熱的又は電気的結合性能を悪化させることなく、脚部と半導体モジュールとの厚さ方向への熱膨張率差に起因する熱ストレスを格段に低減することができる。
【００２７】
発明２では更に、前記ヒートシンクは、前記半導体モジュールの両側に隣接して突出する側壁部を有し、前記付勢保持部材は、金属薄板により形成されるとともに両端部が前記側壁部に固定されることを特徴としている。
【００２８】
本構成によれば、付勢保持部材の構造を簡素化することができる上、付勢保持部材が、半導体モジュール１００の厚さ方向に弾性変形容易な金属薄板からなるので、上記熱ストレスの吸収が容易となる。
【００３８】
発明３では更に、同相の上、下のアームをなす一対の前記半導体モジュールが隣接配置されるとともに６個の半導体モジュールが各アームをなす三相インバータ回路を有し、前記電力用半導体素子チップの一対の主面の一方は、第一の前記金属放熱板を兼ねる第一の主電極端子に接続される領域と、信号端子に接続される領域とを有し、前記一対の主面の他方は、第二の前記金属放熱板を兼ねる第二の主電極端子に接続される領域とを有し、前記両主電極端子は、前記半導体モジュールの互いに平行な二辺の互いに対角をなす一半部から個別に前記半導体モジュールの側方へ突出し、前記信号端子は、前記二辺の互いに対角をなす他半部の一方から前記半導体モジュールの側方へ突出することを特徴としている。
【００３９】
ＭＯＳトランジスタモジュールを例とし、第一の主電極端子をソース電極端子、第二の主電極端子をドレイン電極端子と呼称して、更に説明する。
【００４０】
本構成によれば、ソース電極端子とドレイン電極端子を互いに平行な二辺の互いに対角となる一対の一半部から半導体モジュールの側方へ互いに逆むきに突出させる。これにより、ソース電極端子とドレイン電極端子とは、互いに点対称（回転対称）の位置をもつ。そして信号端子は上記二辺の互いに対角となる一対の他半部の一方から半導体モジュールの側方へ突出させる。
【００４１】
これにより、同相の上下アームをなす一対の半導体モジュールは、一方のアームをなす半導体モジュールのソース電極端子と、他方のアームをなす半導体モジュールのソース電極端子とを互い違いに挟んで配置できるので、高密度に配置することができる。もちろん、両半導体モジュールのドレイン電極端子同士を互い違いに噛みあわせてもよい。また、これら６個の半導体モジュールを一種類の半導体モジュールで構成することができ、部品点数を減らすことができ、保守管理が容易となる。
【００４２】
発明４では更に、前記付勢保持部材の両端部は、前記ヒートシンクに圧入されて固定されていることを特徴としている。
【００４３】
これにより、付勢保持部材とヒートシンクとの結合が容易となり、両者間の熱抵抗が低減されるので、半導体モジュールの冷却効果を向上することができる。
【００４４】
好適には、前記付勢保持部材の両端部は、前記ヒートシンク内の冷却液通路に露出していることを特徴としているので、一層の冷却効果向上を図ることができる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な態様を以下の実施例を参照して説明する。
【００４６】
【実施例】
本発明の電力用半導体装置の実施例を図面を参照して説明する。
（全体構成）
図１は、電気自動車の走行モータ駆動制御用の三相インバータ回路装置の回路図である。
【００４７】
２１は電池（直流電源）、２２〜２７はそれぞれ、その寄生ダイオ−ドをフライホイールダイオ−ドとして利用するＮＭＯＳトランジスタからなる半導体素子である。
【００４８】
半導体素子２２は、Ｕ相上アームを構成し、半導体素子２３はＵ相下アームを構成し、半導体素子２４はＶ相上アームを構成し、半導体素子２５はＶ相下アームを構成し、半導体素子２６はＷ相上アームを構成し、半導体素子２７はＷ相下アームを構成しており、それぞれ半導体モジュール１００〜６００として個別に実装されている。
【００４９】
１０１はＵ相上アームの正の直流電源端子（ドレイン側）、１０２はＵ相上アームの交流出力端子（ソース側）、２０１はＵ相下アームの交流出力端子（ドレイン側）、２０２はＵ相下アームの負の直流端子（ソース側）である。３０１はＶ相上アームの正の直流電源端子（ドレイン側）、３０２はＶ相上アームの交流出力端子（ソース側）、４０１はＶ相下アームの交流出力端子（ドレイン側）、４０２はＶ相下アームの負の直流端子（ソース側）である。５０１はＷ相上アームの正の直流電源端子（ドレイン側）、５０２はＷ相上アームの交流出力端子（ソース側）、６０１はＷ相下アームの交流出力端子（ドレイン側）、６０２はＷ相下アームの負の直流端子（ソース側）である。
【００５０】
各正の直流電源端子１０１、３０１、５０１は、平滑コンデンサ２８の正極端子とともに電池２１の正極端子に接続され、各負の直流電源端子２０２、４０２、６０２は、平滑コンデンサ２８の負極端子ともに電池２１の負極端子に接続されている。Ｕ相交流出力端子１０２、２０１は接続点１０３で接続され、Ｖ相交流出力端子３０２、４０１は接続点３０３で接続され、Ｗ相交流出力端子５０２、６０１は接続点５０３で接続されて三相交流モータ２９の電機子巻線（図示せず）に給電している。
【００５１】
３０はコントローラであり、各半導体素子のゲート電極に制御電圧を出力するとともに、各半導体素子の温度検出などを行っている。上記三相インバータ回路及び平滑コンデンサ２８の動作自体は周知であり、更に詳細な説明を省略する。（半導体モジュール）
Ｕ相上アームの半導体モジュール１００を図２（ａ）、図２（ｂ）を参照して以下に説明する。図２（ａ）は分解斜視図、図２（ｂ）は全体斜視図を示す。
【００５２】
１０５は、正の直流電源端子１０１を有する金属伝熱板、１０６は交流出力端子１０２を有する金属伝熱板、１０８は半導体素子（電力用半導体素子チップ）２２の信号端子（制御電極端子ともいう）である。信号端子１０８は、ＮＭＯＳトランジスタのゲート電極制御用の端子や、半導体素子２２の内部モニタ用の信号端子を含み、図２では５本設けられている。
【００５３】
半導体素子２２は金属伝熱板１０５上にハンダ付けされ、金属伝熱板１０６が半導体素子２２の上面にハンダ付けされている。これらは、金属伝熱板１０５、１０６の外主面を露出させ、端子１０１、１０２、１０８を突出させた状態で樹脂１０９により封止されて半導体モジュール１００を構成している。
【００５４】
この実施例では特に、信号端子１０８と正の直流電源端子（ドレイン電極端子ともいう）１０１とを、長方形の半導体モジュール１００の同一の辺（特にここでは長辺）上に配置している。信号端子１０８はこの辺の一半側に配置され、正の直流電源端子（ドレイン電極端子）１０１はこの辺の他半側に配置されている。交流出力端子（ソース電極端子ともいう）１０２は、端子１０８、１０１をもつ辺の対辺の信号端子１０８側の半部に配置されている。
【００５５】
ここで、半導体モジュール１００における半導体素子（ＮＭＯＳトランジスタ）２２のジャンクション部からドレイン側の金属伝熱板１０５までの熱抵抗をＲ１とし、半導体素子２２のジャンクション部からソース側の金属伝熱板１０６までの熱抵抗をＲ２とし、仮に両金属伝熱板１０５、１０６の厚さは等しいとした場合、Ｒ１＜Ｒ２となる。
【００５６】
理由は、半導体素子２２のドレイン領域側の主面は、その全面にわたって金属伝熱板１０５と接合されているのに対し、半導体素子２２のソース領域側の主面は、各信号端子１０８とワイヤボンディング接続するための三次元スペースを確保するために、この三次元スペースを避けてソース側の金属伝熱板１０６の一部を半導体素子２２に向けて突出させる必要があるため、半導体素子２２のソース領域側の主面から上記三次元スペースを差し引いた残部しか金属伝熱板１０６と接合できないためである。 他の上アームの半導体モジュール３００、５００については全く同じ構成である。下アームの半導体モジュール２００、４００、６００も上アームの半導体モジュール１００、３００、５００と全く同じ構成である。ただし、上アームの半導体モジュールの正の直流電源端子を、下アームの半導体モジュールでは交流出力端子に置換し、上アームの半導体モジュールの交流出力端子を、下アームの半導体モジュールでは負の直流電源端子に読み替えれば良い。
【００５７】
なお、半導体素子２２としてＩＧＢＴを採用する場合は、別途のフライホイールダイオ−ドが必要となるが、これは図２（ａ）において半導体素子２２の左側に並置して構成すれば良い。この場合、フライホイールダイオ−ドのカソード側を正の直流電源端子１０１を有する金属伝熱板１０５に向けた形で実装することになる。
【００５８】
（半導体モジュール）
図３は半導体モジュール２００を示す。
【００５９】
２０５は、交流出力端子２０１を有する金属放熱板、２０６は負の直流電源端子２０２を有する金属放熱板、２０８は半導体素子２３の制御電極端子、２０９はモールド樹脂である。
【００６０】
図４、図５に半導体モジュール２００を用いたインバータ装置を示す。図５にその側面図を示す。図４はＵ相部分の部分平面図であり、図５は図４のＡ視側面図である。
【００６１】
ヒートシンク１１０は、内部に冷却流路が形成された水冷構造の金属板からなり、たとえばアルミダイカスト法により形成されている。ヒートシンク１１０は、水冷に限らず例えば自動車用エアコンの冷媒を封止できるだけの強度と気密性とを兼ね備えたＡｌの押し出しまたは引き抜きで形成された偏平状のチューブでも構わないし、周知の沸騰冷却型冷媒槽としても良い。
【００６２】
１００及び２００は半導体モジュール（以下、カード型半導体モジュールともいう）、１１２は固定部材（本発明でいう付勢保持部材）である。一対の固定部材１１２は、スクリュ１１３によりヒートシンク１１０に半導体モジュール１００，２００の上から取り外し可能に固定されており、半導体モジュール１００，２００を個別にヒートシンク１１０の上面へ押し付けている。
【００６３】
平滑コンデンサ２８は、半導体モジュール１００，２００に隣接してヒートシンク１１上にその底面が接触する姿勢で固定されている。１１１＋は、正の直流入力バスバー、１１１−は、負の直流入力バスバーであり、半導体モジュール１００及び２００の直流入力端子１０１、２０１と平滑コンデンサ２８の正および負の電極を兼ねている。
【００６４】
１１１１は、正、負の直流入力バスバー１１１＋、１１１−を電気的に絶縁するために介設されたインシュレータである。１２１はＵ相の交流出力バスバーであり、半導体モジュール１００、２００の交流出力端子１０２、２０１と３相交流モータ２９とを接続している。Ｖ相、Ｗ相についてもＵ相と同様であるので説明は省略する。
【００６５】
コントローラ３０は、ここでは図示していないが、半導体モジュール１００、２００の上方にヒートシンク１１０と平行に配置され、各半導体モジュール１００、２００の制御電極端子１０８、２０８などと接続されている。
【００６６】
半導体モジュール１００、２００とヒートシンク１１０との接触面１１５、半導体モジュール１００、２００と固定部材１１２との接触面１１６には、熱伝導性が良くかつ電気絶縁可能な部材、例えばシリコン系の絶縁放熱シートが挟設されているが、この絶縁放熱シートを、セラミックなどの絶縁基板とその両面の放熱グリスで置換することも可能である。 また、固定部材１１２とヒートシンク１１０の接触面１１７にも、熱伝導性が良いシリコン系の放熱シートや熱伝導性グリスなどが介設されている。固定部材が樹脂などの絶縁部材であれば、接触面１１６にはさむ熱伝導部材は電気絶縁性を必要としない。
【００６７】
上記実施例によれば、半導体モジュール１００はヒートシンク１１０に半田接合を用いることなく安定に保持されるので、半田寿命を考えなくても良く、装置全体の長寿命化が可能となる。また、半田接合を用いないためにヒートシンク１１０にＡｌーＳｉＣなどの高価な材料を用いる必要がなく、装置全体を低価格とできる。
【００６８】
また、ヒートシンク１１０の大熱容量にも無関係に組みつけを簡素製造設備で実現することができる。また、機械的に取り外し可能なように構成しているので、リサイクル性に優れ、交換も容易である。
【００６９】
更に、固定部材１１２を良熱伝導性の金属材料例えばＣｕやアルミ製とすることにより、半導体モジュール内部の半導体素子を両面からヒートシンク１１０に放熱することが可能となり、片面から放熱する場合に比べて、放熱性能を大幅に向上できる。その結果、半導体素子を小型化することも可能となり、装置の小型、低価格化が可能となる。固定部材１１２は、半導体モジュール毎に１個用意しても良いし、複数の半導体モジュールを１個の固定部材で固定しても構わない。
【００７０】
（固定部材）
固定部材１１２について図６を参照して更に説明する。図６はこの装置の要部側面図である。
【００７１】
固定部材１１２は、半導体モジュールを押圧付勢する梁部１１２１と、梁部１１２１の両端からヒートシンク１１０側に突出する一対の脚部１１２２とを有している。両脚部１１２２には半導体モジュール１００の厚さ方向に貫通する孔（図示せず）が設けられており、この孔を通じてスクリュ１１３をヒートシンク１１０に締結することにより、固定部材１１２はヒートシンク１１０に固定され、半導体モジュール１００がヒートシンク１１０と固定部材１１２の梁部１１２１とで挟圧されている。
【００７２】
１２０は、半導体モジュール１００のヒートシンク側の金属放熱板（図示せず）とヒートシンク１１０の上面との間、並びに、半導体モジュール１００の反ヒートシンク側の金属放熱板（図示せず）と固定部材１１２の梁部１１２１の下面との間に介設される絶縁熱伝導部材である。１２１は、固定部材１１２の脚部１１２２の下面とヒートシンク１１０の上面との間に介設される熱伝導部材である。この実施例では、熱伝導部材１２１は、軟質かつ良熱伝導性を有する素材により構成され、絶縁熱伝導部材１２０より軟質とされている。
【００７３】
このようにすれば、スクリュー１１３で固定部材１２０をヒートシンク１１０に締め込んだとき、硬度のある熱伝導部材１２０にて半導体モジュール１００をヒートシンク１１０に強く押し当てることができ、半導体モジュール１００の下側面からヒートシンク１１０に良好に放熱させることができる。また、熱伝導部材１２１に絶縁熱伝導部材１２０より軟質の素材を用いているので、絶縁熱伝導部材１２０が脚部１１２２の下面及びヒートシンク１１０の上面によくなじみ、熱抵抗を低減することができる。
【００７４】
絶縁熱伝導部材１２０としてはたとえば窒化アルミニウムや高硬度シリコンゴムシートを採用することができ、熱伝導部材１２１としてはたとえば半田や熱伝導グリスやグラファイトシートを採用することができる。なお、熱伝導部材１２１として、電気絶縁性を有する材料たとえば低硬度シリコンゴムシートを採用してもよい。スクリュー１１３は金属製としてもよく電気絶縁性を有する樹脂製としてもよい。
【００７５】
（変形態様）
上記実施例では、絶縁熱伝導部材１２０を半導体モジュール１００と固定部材１１２の梁部１１２１との間に挟んだが、熱伝導部材１２１を電気絶縁性を有する絶縁熱伝導部材に変更し、絶縁熱伝導部材１２０を電気伝導性を有する伝導部材としてもよい。また、半導体モジュール１００と固定部材１１２の梁部１１２１とを直接接触させても良い。スクリュー１１３は樹脂製のものが用いられる。このようにすれば、固定部材１１２を、半導体モジュール１００の反ヒートシンク側の金属放熱板に接続される配線部材又は端子として用いることができる。
【００７６】
【実施例２】
他の実施例を図６を参照して以下に説明する。
【００７７】
この実施例では、固定部材１１２の脚部１１２２と熱伝導部材１２１との平均熱膨張率ｋｍ１は、一対の金属放熱面間の半導体モジュール１００と２つの絶縁熱伝導部材１２０との平均熱膨張率ｋｍ２と一致（誤差１％以内）に設定される。なお、この明細書でいう複数の部材Ａ，Ｂの平均熱膨張率ｋｍとは、次の式で規定されるものとする。
【００７８】
ｋｍ＝（ｋ１・ｔ１＋ｋ２・ｔ２）／（ｔ１＋ｔ２）
ｋ１は部材Ａの熱膨張率（線膨張率）、ｔ１は部材Ａの厚さ、ｋ２は部材Ｂの熱膨張率（線膨張率）、ｔ２は部材Ｂの厚さである。
【００７９】
このようにすれば、半導体モジュール１００と脚部１１２２との熱膨張率の差に起因する熱ストレスを解消することができ、経時的信頼性を向上することができる。なお、上記熱膨張率の差は最高使用温度又は最低使用温度で半導体モジュールの各部に悪影響が生じない範囲であれば許容される。
【００８０】
（変形態様）
なお、この平均膨張率を一致させる設定において、固定部材１１２の脚部１１２２と熱伝導部材１２１と半導体モジュール１００と２つの絶縁熱伝導部材１２０とは、それぞれ温度が異なるため、それぞれの厚さ方向の膨張量は異なる。この各部品間の温度差による膨張量差を補償するために、膨張量が最も大きくなっる最高使用温度において、上記固定部材１１２の脚部１１２２と熱伝導部材１２１との厚さ方向膨張量の合計が、半導体モジュール１００と２つの絶縁熱伝導部材１２０との厚さ方向膨張量の合計に一致するように、
脚部１１２２などの材質などを選定することができる。
その他、半導体モジュール１００の各使用温度において、上記膨張量の差が許容範囲となるように脚部１１２２などの材質などを選定することができる。
【００８１】
【実施例３】
他の実施例を図７を参照して以下に説明する。
【００８２】
この実施例では、ヒートシンク１１０の内部にはメイン冷却流体通路Ｍが形成され、冷却流体が流れている。固定部材１１２にもサブ冷却流体通路Ｓが形成され、固定部材１１２のサブ冷却流体通路Ｓの両端開口はヒートシンク１１０のメイン冷却流体通路Ｍと連通し、両通路Ｍ、Ｓは実質的に直列又は並列に連結されている。これにより、半導体モジュール１００を更に良好に冷却することができる。
【００８３】
３００はパッキンであり、このパッキン３００は固定部材１１２と半導体モジュール１００との半導体モジュール１００の厚さ方向の熱膨張率差による熱ストレスを弾性的に吸収する機能も奏することができる。
１２０は、半導体モジュール１００の金属放熱板とヒートシンク１１０及び固定部材１１２とを電気絶縁する絶縁熱伝導部材である。
【００８４】
なお、この実施例では、固定部材に冷却流体を長すように説明したが、固定部材をヒートパイプで構成し、ヒートシンクに固定するよう構成してもよい。
【００８５】
【実施例４】
他の実施例を図８を参照して以下に説明する。
【００８６】
この実施例では、半導体モジュール１００、２００上にブスバー１０１、２０２を介して他の回路部品（この実施例では平滑コンデンサ）が重ねて配設され、固定部材１１２は平滑コンデンサ２８を介して半導体モジュール１００、２００をヒートシンク１１０に押し付けている。
【００８７】
このようにすれば、回路実装密度を向上でき、インバータ回路を構成する半導体モジュール１００とその一対の直流端間のスイッチングサージ電圧を吸収する平滑コンデンサ２８との間の配線距離を短縮することができ、配線抵抗による電力損失、発熱も低減することができる。また、平滑コンデンサ２８及びブスバー１０１、２０２は、半導体モジュール１００のヒートシンク機能ももつことができる。
【００８８】
半導体モジュール１００、２００の反ヒートシンク側の金属放熱板はインバータ回路の＋直流端又はー直流端を構成しており、半導体モジュール１００、２００のヒートシンク側の金属放熱板（図示せず）は交流出力端を構成し、一つの固定部材１１２により２つの半導体モジュール１００、２００を挟圧している。
【００８９】
ブスバー１０１、２０２は平滑コンデンサ２８の＋直流端子２８１及びー入力端子２８２が嵌入する凹部ｃを有する。これにより、平滑コンデンサ２８の横ずれを防止することができ、平滑コンデンサ実装時の位置合わせが容易となる。なお、この凹部ｃの側面は底が狭くなるテーパー面として、平滑コンデンサ２８の両直流端子２８１、２８２の嵌入、位置合わせが容易となっている。平滑コンデンサ２８はそれぞれ複数の＋直流端子２８１、ー直流端子２８２をもつことができ、この場合には、これらと嵌合する上記凹部ｃは複数設けられる。
【００９０】
（変形態様）
更に、この実施例では、半導体モジュール１００、２００と平滑コンデンサ２８とブスバー１０１、２０２との半導体モジュール１００の厚さ方向の平均膨張率ｋｍ３は、固定部材１１２の脚部１１２２の厚さ方向の平均膨張率ｋｍ４に一致するように、脚部１１２２の素材などが選定される。
【００９１】
なお、平均膨張率ｋｍ３、ｋｍ４は、前述の式の思想と同様に、構成する複数の部材の単位温度上昇当たりの膨張量の合計を、これら複数の部材の厚さ方向の距離の合計で割算した値として定義される。もしくは、上述の変形態様と同様に、半導体モジュール１００、２００の所定温度（通常は最高使用温度）における温度分布を加味して実際の各部の厚さ方向膨張量を設け、脚部１１２２側と半導体モジュール１００、２００側とで厚さ方向膨張量の一致を図ってもよい。どちらにせよ、これにより、本構成の挟圧式半導体モジュール固定方式における大きな問題である熱ストレス問題を実用可能なレベルに解決することができる。
【００９２】
【実施例５】
他の実施例を図８を参照して以下に説明する。
【００９３】
この実施例は、図８に示す実施例４の二階建て回路構造において、ブスバー１０１、２０２を半導体モジュール１００の反ヒートシンク側の金属放熱板としたものである。したがって、この実施例では、半導体モジュール１００、２００の反ヒートシンク側の金属放熱板１０１、２０２が、平滑コンデンサ２８の＋直流端子２８１及びー入力端子２８２が嵌入する凹部ｃを有する。これにより、平滑コンデンサ２８の横ずれを防止することができ、平滑コンデンサ実装時の位置合わせが容易となる。他の効果は実施例４と同じである。
【００９４】
（変形態様）
更に、この実施例では、半導体モジュール１００、２００と平滑コンデンサ２８との半導体モジュール１００の厚さ方向の平均膨張率ｋｍ５は、固定部材１１２の脚部１１２２の厚さ方向の平均膨張率ｋｍ６に一致するように、脚部１１２２の素材などが選定される。なお、平均膨張率ｋｍ５、ｋｍ６は、説明を省略するが前述の式の思想により算出される。また、上述の変形態様と同様に、半導体モジュール１００、２００の所定温度（通常は最高使用温度）における温度分布を加味して実際の各部の厚さ方向膨張量を設け、脚部１１２２側と半導体モジュール１００、２００側とで厚さ方向膨張量の一致を図ってもよい。どちらにせよ、これにより、本構成の挟圧式半導体モジュール固定方式における大きな問題である熱ストレス問題を実用可能なレベルに解決することができる。
【００９５】
【実施例６】
他の実施例を図９を参照して以下に説明する。
【００９６】
この実施例では、固定部材１１２は、梁部１１２１が半導体モジュール１００の厚さ方向へ向けて特に大きい弾性率を有する湾曲形状の弾性変形部１１２３を有する。このようにすれば、既述した半導体モジュール１００と脚部１１２２との半導体モジュール１００の厚さ方向への熱膨張率差に起因する熱ストレスを格段に低減することができる。
【００９７】
【実施例７】
他の実施例を図１０を参照して以下に説明する。
【００９８】
この実施例では、ヒートシンク１１０は、半導体モジュール１００の両側に突出する一対の側壁部１１１をもち、固定部材１１２は金属薄板により形成されて両端部が側壁部に樹脂製のスクリュー１１３で固定されている。
【００９９】
本構成によれば、固定部材１１２が半導体モジュール１００の厚さ方向へ容易に弾性変形することができるので、上記熱ストレスを良好に吸収することができ、更に、半導体モジュール１００の反ヒートシンク側の金属放熱板とヒートシンク１１０との間の放熱距離が短くなるので、固定部材１１２を薄肉化するにもかかわらず、放熱性の低下を抑止することができる。
【０１００】
【実施例８】
他の実施例を図１１を参照して以下に説明する。
【０１０１】
この実施例では、半導体モジュール１００の反ヒートシンク側の金属放熱板１０６は凹凸部１０６１をもち、この凹凸構成は固定部材１１２の梁部１１２１の凹凸部１１２１１と嵌合している。半導体モジュール１００のヒートシンク側の金属放熱板（図示せず）及び固定部材１１２の脚部１１２２はそれぞれ電気絶縁性の絶縁熱伝導部材を通じてヒートシンク１１０に密着している。スクリュー１１３は樹脂製である。凹凸部の側面は嵌合位置決めが容易なテーパ面となっている。これにより、半導体モジュール１００に対する固定部材１１２の位置決めが容易となり、半導体モジュール１００の横ずれを防止することができ、半導体モジュール１００と固定部材１１２との間の熱抵抗を低減することができる。固定部材１１２は半導体モジュール１００の反ヒートシンク側の金属放熱板１０６の端子を兼ねることもできる。
【０１０２】
なお、半導体モジュール１００のヒートシンク側の金属放熱板とヒートシンク１１０との接触にもこの凹凸嵌合構造を用いることができる。ただし、この場合には、半導体モジュール１００のヒートシンク側の金属放熱板はヒートシンクと同一電位（通常は接地電位）とされることが好ましい。
【０１０３】
【実施例９】
他の実施例を図１２を参照して以下に説明する。
【０１０４】
この実施例では、ヒートシンク１１０は半導体モジュール１００の樹脂モールド部１０９に接して半導体モジュール１００の横ずれを規制するストッパ１１０１が設けられている。これにより、電気自動車のような高振動環境においても半導体モジュールがヒートシンク又は付勢保持部材に対して横ずれすることがなく、信頼性を向上することができる。また、このストッパ１１０１の側面をテーパ面（斜面）としているので、半導体モジュール１００の位置決めが容易となる。
【０１０５】
（変形態様）
上記変形態様では、ヒートシンク１１０にストッパを設けたが、固定部材１１２にストッパを設けて半導体モジュール１００の横ずれを防止してもよい。この場合、ストッパの側面をテーパ面（斜面）とすることにより、半導体モジュール１００の位置決めが容易となる。
【０１０６】
【実施例１０】
本発明のインバータ装置の他の実施例を図１３、図１４を参照して説明する。図１３はＵ相部分の部分平面図であり、図１４は図１３のＡ視側面図である。
【０１０７】
ヒートシンク１１０は、内部に冷却流路が形成された水冷構造の金属板からなり、たとえば、ダイカスト法などで形成されている。１００はカード型半導体モジュールである。カード型半導体モジュール１００の構造は実施例１で説明したとおりである。
【０１０８】
カード型半導体モジュール（半導体モジュールともいう）１００は、固定部材（付勢保持部材）１１２の上からスクリュ１１３を締結することにより取り外し可能に固定されており、固定部材（付勢保持部材）１１２は半導体モジュール１００をヒートシンク１１０の上面へ押し付けている。下アームの半導体モジュール２００は、半導体モジュール１００と全く同一構成の半導体モジュールであり、図１３において半導体モジュール１００に対し水平に１８０度回転させた状態で、半導体モジュール１００と同じくヒートシンク１１０に押し付けられるように固定されている。
【０１０９】
平滑コンデンサ２８は、半導体モジュール１００、２００に隣接してヒートシンク１１０上にその底面を接触させるように固定されている。１１１＋は正の直流入力バスバー、１１１−は負の直流入力バスバーであり、半導体モジュール１００及び２００の直流入力端子１０１、２０２と平滑コンデンサ２８の正および負とそれぞれ電極を接続している。１１１１は正と負の直流入力バスバ１１１＋と１１１−を電気的に絶縁するために挟んでいるインシュレータである。また、１２１はＵ相の交流出力バスバーであり、半導体モジュール１００、２００の交流出力端子１０２、２０１と３相交流モータ２９を接続している。Ｖ相、Ｗ相についてもＵ相と同様であるので説明は省略する。
【０１１０】
コントローラ３０は、ここでは図示していないが、半導体モジュールの上方にヒートシンクと略平行に配置され、各半導体モジュールの信号電極１０８や２０８などと接続されている。
【０１１１】
半導体モジュール１００、２００とヒートシンク１１０の接触面１１５、半導体モジュール１００、２００と付勢保持部材１１２の接触面１１６は、熱伝導性が良くかつ電気絶縁可能な部材、例えばシリコン系の放熱シートを挟んでいる。また、付勢保持部材１１２とヒートシンク１１０の接触面１１７にも熱伝導性の良い部材、例えばシリコン系の放熱シート、グリスなどを挟んでいる。付勢保持部材が熱伝導性の良い樹脂などの絶縁部材であれば、接触面１１６にはさむ熱伝導部材に電気絶縁性は必要ない。コンデンサの底面とヒートシンクの接触面についても同様に熱伝導性の良い部材を挟んでも良い。
【０１１２】
図１３ではＵ相しか図示していないが、Ｖ相、Ｗ相もこの図の横に同様構成で並置することで簡単に三相インバータを構成できる。
【０１１３】
その他の構成は実施例１と同じである。この実施例によれば、次に作用効果を奏することができる。
【０１１４】
まず、半導体モジュール１００〜６００の２つの主面のうち、熱抵抗の小さいドレイン領域側の主面を冷却性能の高いヒートシンク１１０へ向けて押し付ける姿勢で、半導体モジュール１００〜６００をヒートシンク１１０に実装しているため、放熱性が向上し、半導体素子の一層の冷却性向上を図ることができる。
【０１１５】
次に、図２、図１３に示すように、半導体モジュール１００のドレイン電極端子（正の直流電源端子）１０１を、そのソース電極端子（交流出力端子）１０２と長方形の平行二辺の対角方向の一対の一半部に略回転対称に配置し、信号端子１０８をこの平行二辺の対角方向の一対の他半部の一方（図２では、ドレイン電極端子１０１側の辺の他半部）に配置しているので、三相インバータの６つのアームのスイッチング素子を１種類のカードモジュールによって無理なく高密度に配置することができ、インバータをコンパクト化することができる。
【０１１６】
図１３を参照して更に詳しく説明すると、Ｕ相の上アームの半導体モジュール１００と下アームの半導体モジュール２００とは、半導体モジュール１００に対して半導体モジュール２００を同一平面にて１８０度回転させて半導体モジュール１００に隣接させれば実現することができる。この半導体モジュール１００，２００のペアの互いに対面する互いに平行な一対の長辺では、図１３中下半分に半導体モジュール１００から端子１０２が突出し、図１３中上半分に半導体モジュール２００から端子２０２が突出している。これらはソース電極端子である。これら端子１０２，２０２は重ならないので、両半導体モジュール１００，２００間の距離を短縮することができ、高密度実装できるわけである。これらは、他の相の半導体モジュール３００と４００のペア、５００と６００のペアでも同じである。
【０１１７】
また、正の直流入力バスバー１１１＋と負の直流入力バスバー１１１−とを、半導体モジュール１００の正の直流電源端子１０１、負の直流電源端子２０２まで互いに重ねて延設することができるので、両バスバー１１１＋、１１１−間の配線インダクタンスを相互誘導効果により低減できる。その結果、半導体素子２２、２３のスイッチングに応じてバスバー１１１＋、１１１−に重畳するサージ電圧を低減することができる。
【０１１８】
次に、この実施例では、図１５に示すように、ヒートシンク１１０の内部に水冷冷却流路１５０が設けられている。１２０は例えばシリコン系の電気絶縁性が高い良熱伝導部材である。付勢保持部材１１２の脚部１１２２の先端には、柱状の突部１１２３が突設されており、突部１１２３は、ヒートシンク１１０の上面に開口されて水冷冷却流路１５０に達する孔に圧入されている。
【０１１９】
水冷冷却流路１５０内に突出する突部１１２３の先端の長さを長くすることで、水冷冷却流路１５０の冷却水がこの突部１１２３を良好に冷却することができる。その結果、ヒートシンク１１０と付勢保持部材１１２との間の熱抵抗を小さくできる。また、スクリュ１１３を省略することもできる。ただしこの場合は機械的に取り外し可能である特徴は失われる。
【０１２０】
また、図１６に示すように、突部１１２３の先端を水冷冷却流路１５０内に突出しない長さに設定しても良い。この場合、図５に比べて若干ヒートシンク１１０と付勢保持部材１１２間の熱抵抗は増加するが、圧入部の隙間から冷却水が漏出する可能性も排除できる利点がある。 その他、付勢保持部材１１２の両側の突部１１２３間を連通する冷却水通路を、付勢保持部材１１２内に設けても良い。このようにすれば、冷却水は半導体モジュール１００の両側を流れることができ、優れた冷却効果を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電力用半導体装置を適用した電気自動車の走行モータ駆動制御用の三相インバータ回路装置の回路図である。
【図２】（ａ）は図１に示す半導体モジュールの分解斜視図である。（ｂ）は図１に示す半導体モジュールの斜視図である。
【図３】図１に示す半導体モジュールの斜視図である。
【図４】図１に示すインバータ回路装置の要部平面図である。
【図５】図４に示すインバータ回路装置の側面図である。
【図６】図１に示す半導体モジュールの挟圧固定構造を示す側面図である。
【図７】本発明の他実施例としての実施例３の半導体モジュール挟圧固定構造を示す側面図である。
【図８】本発明の他実施例としての実施例４の半導体モジュール挟圧固定構造を示す側面図である。
【図９】本発明の他実施例としての実施例６の半導体モジュール挟圧固定構造を示す側面図である。
【図１０】本発明の他実施例としての実施例７の半導体モジュール挟圧固定構造を示す側面図である。
【図１１】本発明の他実施例としての実施例８の半導体モジュール挟圧固定構造を示す側面図である。
【図１２】本発明の他実施例としての実施例９の半導体モジュール挟圧固定構造の一部を示す側面図である。
【図１３】本発明の他実施例としての実施例１０のインバータ回路装置の要部平面図である。
【図１４】図１３に示すインバータ回路装置の側面図である。
【図１５】図１３に示す半導体モジュールの挟圧固定構造を示す側面図である。
【図１６】図１５の変形態様を示す側面図である。
【符号の説明】
１００ 半導体モジュール
１１０ ヒートシンク
１１２ 固定部材（付勢保持部材）
２００ 半導体モジュール
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力用半導体装置に関し、特に少なくともヒートシンク及び半導体モジュールを有する電力用半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッド車、燃料電池車、純二次電池車など電力を用いて走行する電気自動車では、構成が堅牢、簡素で制御が容易な交流モータを用いるために、直流電力と交流電力との間で双方向変換するインバータ装置特に三相インバータ装置が採用されている。ここで、モータの用途は走行に限らず、発電、エンジン始動、Ａ／Ｃコンプレッサなどの補機駆動などがあり、用途に応じて複数のモータを積む場合もある。その場合はインバータも複数積むことになる。
【０００３】
特開平１１ー３４６４８０号公報は、ヒートシンクに半田接合された絶縁基板と、この絶縁基板上に接合された半導体素子とを有する半導体スイッチングモジュールを含むインバータ装置を提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体スイッチングモジュールの絶縁基板をヒートシンクに半田接合してなる上記公報記載のインバータ装置は、電気自動車用などの大熱容量のヒートシンクを用いる場合、絶縁基板の半田付けに半田溶融用の加熱炉を必要とするため生産性が低下するという不具合がある他、絶縁基板（通常はメタライズされたＡｌＮ）と近似する熱膨張率をもつＡｌーＳｉＣ、Ｃｕ／Ｍｏなどの高価な材料でヒートシンクを構成する必要があるため実用性に問題があった。また、絶縁基板が半田接合されたヒートシンクはリサイクル性に劣るという問題を内包していた。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、ヒートシンク材料の選択範囲が広く、製造が容易なために実用性に優れ、その上、リサイクル性に優れるにもかかわらず、優れた放熱特性を実現可能な電力用半導体装置を提供することをその目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
各発明の電力用半導体装置は、電力用半導体素子チップを挟んで金属放熱板が両面に配設されてなる半導体モジュールと、前記半導体モジュールの前記金属放熱板に接して配置されたヒートシンクと、前記半導体モジュールの反ヒートシンク側の前記金属放熱板を付勢して前記半導体モジュールのヒートシンク側の前記金属放熱板を前記ヒートシンクの表面に押しつけるとともに前記反ヒートシンク側の前記金属放熱板から吸熱する良熱伝導性の付勢保持部材とを備えることを特徴としている。
【０００７】
本構成によれば、付勢保持部材が、両面放熱型の半導体モジュールをヒートシンクに押しつけて保持する構成を採用しているので、半導体モジュールとヒートシンクとの間の良好な接触を実現でき、半導体モジュールからヒートシンクへ良好に放熱することができる。同時に、半導体モジュールと付勢保持部材との間の良好な接触を実現することができるので、半導体モジュールから付勢保持部材へ良好に放熱することができる。すなわち、付勢保持部材により半導体モジュールをヒートシンクに押し付ける構造により、半導体モジュールの両主面の放熱を良好に確保することができる。
【０００８】
また、半導体モジュールをヒートシンクに固定するのに半田接合を採用していないので、組み付け工程が簡素となり、熱ストレス（いわゆる温度膨張率差に起因して生じる力）により半田接合の信頼性が低下することがない。
【０００９】
本構成において、付勢保持部材は熱伝導性向上のために金属製とされることが好ましいが、それに限定されるものではない。また、付勢保持部材は、半導体モジュールの反ヒートシンク側の金属放熱板に直接接触させることが好ましいが、中間部材を介在させてもよい。電気伝導性を有する付勢保持部材と半導体モジュールの反ヒートシンク側の金属放熱板とを電気伝導可能に接触させることもでき、この場合は、付勢保持部材を配線部材として機能させることもできる。
【００１０】
好適には、前記付勢保持部材は、前記ヒートシンクに固定されることを特徴としている。本構成によれば、付勢保持部材の固定が簡単容易とすることができるので、全体構造を簡素化することができる上、付勢保持部材からヒートシンクへ放熱することができるので、ヒートシンク自体は単なる伝熱部材とすることができ、ヒートシンクの冷却を簡素かつ容易に実現することができる。
【００１１】
発明１では更に、前記付勢保持部材は、前記半導体モジュールを押圧付勢する梁部と、前記梁部の両端からヒートシンク側に突出する少なくとも一対の脚部とを有することを特徴としている。これにより、半導体モジュールを接触圧が均等分散できる両端挟圧構造で保持できるので、半導体モジュールと付勢保持部材及びヒートシンクとの接触面において局部的に応力が集中することがなく、接触面各部の熱抵抗を均一に低減することができる。
【００１２】
好適には、前記付勢保持部材の前記脚部のうち、前記半導体モジュールの厚さに等しい部分の熱膨張率は、前記電力用半導体素子チップの両側の前記金属放熱板及び前記電力用半導体素子チップの平均熱膨張率に所定誤差範囲内で一致することを特徴としている。本構成によれば、付勢保持部材の脚部とそれに隣接する半導体モジュールとが、半導体モジュールの厚さ方向において許容可能な所定誤差範囲（この明細書は１％未満とする）に設定しているので、両者の熱膨張率の差に基づく熱ストレスを使用温度範囲内で許容範囲内に保つことができ、この熱ストレスにより電力用半導体素子チップが破損するのを防止することができるという優れた効果を奏することができる。
【００１３】
なお、電力用半導体素子チップよりも金属放熱板の方が通常は熱膨張率が大きいので、付勢保持部材の少なくとも脚部は、電力用半導体素子チップの熱膨張率と金属放熱板の熱膨張率との中間の熱膨張率をもつ。この種の熱膨張率（線膨張率）の調整は、金属放熱板や脚部を構成する素材及びその厚さ（半導体モジュールの厚さ方向長）の組み合わせにより容易に実施することができる。
【００１４】
また、金属放熱板の部位における半導体モジュールの厚さはできるだけ薄い方が、上記熱膨張率差による脚部と半導体モジュールとの膨張距離の差が小さくなり好都合である。
【００１５】
好適には、前記付勢保持部材と前記ヒートシンクとの間に介設される軟質かつ良熱伝導性の軟質伝熱部材を有することを特徴としている。この種の軟質伝熱部材としてはたとえば半田などを挙げることができる。本構成によれば、付勢保持部材をヒートシンクに固定するに際し、両者の接触面を上記軟質伝熱部材の塑性変形によりなじませることができ、両者間の熱抵抗を低減することができる。
【００１６】
好適には、前記付勢保持部材と前記ヒートシンクとの間に介設される薄肉の絶縁部材を有することを特徴としている。本構成によれば、半導体モジュールのヒートシンク側の金属放熱板をヒートシンク電位から独立に設定することができる。
【００１７】
好適には、前記半導体モジュールの前記反ヒートシンク側の金属放熱板と前記付勢保持部材との間、及び、前記半導体モジュールの前記ヒートシンク側の金属放熱板と前記付勢保持部材との間に介設される薄肉の絶縁部材を有することを特徴としている。本構成によれば、付勢保持部材が電気伝導性であっても付勢保持部材と半導体モジュールの反ヒートシンク側の金属放熱板との間、及び、前記半導体モジュールの前記ヒートシンク側の金属放熱板と前記付勢保持部材との間に電気絶縁を確保することができる。
【００１８】
好適には、前記ヒートシンクは、内部に冷却流体通路を有し、前記付勢保持部材は、前記ヒートシンクの前記冷却流体通路に連通する内部冷却通路を有することを特徴としている。
これにより、簡素な構造で半導体モジュールの両側から流体冷却することができる。
【００１９】
好適には、前記半導体モジュール上に重ねられた回路部品を有し、前記付勢保持部材は、前記半導体モジュール及び回路部品をまとめて前記ヒートシンクに押し付けることを特徴としている。これにより、高密度実装を簡素な組み付け構造で実施することができる。また、この回路部品を半導体モジュールの反ヒートシンク側のヒートシンクマスとして機能させることもできる。
【００２０】
好適には、前記半導体モジュールの反ヒートシンク側の前記金属放熱板は、前記回路部品の端子に直接接することを特徴としている。これにより、配線構造を簡素化することができるとともに、両者間の配線距離が短く、配線抵抗及び配線インダクタンスの悪影響を防止することができる。
【００２１】
好適には、前記付勢保持部材の前記脚部のうち、前記半導体モジュール及び前記回路部品の厚さの合計に等しい部分の熱膨張率は、前記電力用半導体素子チップの両側の前記金属放熱板、前記電力用半導体素子チップ及び前記回路部品の前記厚さ方向の平均熱膨張率に所定誤差範囲内で一致することを特徴としている。これにより、請求項４と同様に、所定の押圧力を確保して熱抵抗を低減できるとともに、電力用半導体素子チップに作用する熱ストレスを軽減することができる。
【００２２】
好適には、前記半導体モジュールの反ヒートシンク側の前記金属放熱板と前記回路部品の端子との間に端子部材が介設されることを特徴としている。本構成によれば、金属放熱板と回路部品と端子部材とを、金属放熱板及び回路部品の保持と同時に実現することができ、簡素で高密度の回路構造を実現することができる。
【００２３】
好適には、前記半導体モジュールは、インバータ回路の一部又は全部を構成し、前記回路部品は前記インバータ回路の正負直流端子間に並列接続される平滑コンデンサからなり、前記端子部材は、直流電源接続用のブスバーからなることを特徴としている。これにより、インバータ回路装置で問題となるインバータ回路と平滑コンデンサとの間の配線インダクタンスによる大サージ電圧が発生するという問題を解決することができ、平滑コンデンサを小型軽量化することができる。
【００２４】
好適には、前記付勢保持部材の前記脚部のうち、前記半導体モジュール、端子部材及び前記回路部品の厚さの合計に等しい部分の熱膨張率は、前記電力用半導体素子チップの両側の前記金属放熱板、前記電力用半導体素子チップ、前記端子部材及び前記回路部品の前記厚さ方向の平均熱膨張率に所定誤差範囲内で一致することを特徴としている。
これにより、上記と同様に、所定の押圧力を確保して熱抵抗を低減できるとともに、電力用半導体素子チップに作用する熱ストレスを軽減することができる。
【００２５】
好適には、前記付勢保持部材は、互いに近接して配設された複数の前記半導体モジュールを一括付勢保持することを特徴としている。これにより、部品点数及び組み付け工数を低減することができる。
【００２６】
好適には、前記付勢保持部材の前記脚部は、湾曲形状を有し、前記半導体モジュールの厚さ方向の弾性率が前記付勢保持部材の素材の弾性率より増大されていることを特徴としている。これにより、半導体モジュールとヒートシンク又は付勢保持部材との熱的又は電気的結合性能を悪化させることなく、脚部と半導体モジュールとの厚さ方向への熱膨張率差に起因する熱ストレスを格段に低減することができる。
【００２７】
発明２では更に、前記ヒートシンクは、前記半導体モジュールの両側に隣接して突出する側壁部を有し、前記付勢保持部材は、金属薄板により形成されるとともに両端部が前記側壁部に固定されることを特徴としている。
【００２８】
本構成によれば、付勢保持部材の構造を簡素化することができる上、付勢保持部材が、半導体モジュール１００の厚さ方向に弾性変形容易な金属薄板からなるので、上記熱ストレスの吸収が容易となる。
【００３８】
発明３では更に、同相の上、下のアームをなす一対の前記半導体モジュールが隣接配置されるとともに６個の半導体モジュールが各アームをなす三相インバータ回路を有し、前記電力用半導体素子チップの一対の主面の一方は、第一の前記金属放熱板を兼ねる第一の主電極端子に接続される領域と、信号端子に接続される領域とを有し、前記一対の主面の他方は、第二の前記金属放熱板を兼ねる第二の主電極端子に接続される領域とを有し、前記両主電極端子は、前記半導体モジュールの互いに平行な二辺の互いに対角をなす一半部から個別に前記半導体モジュールの側方へ突出し、前記信号端子は、前記二辺の互いに対角をなす他半部の一方から前記半導体モジュールの側方へ突出することを特徴としている。
【００３９】
ＭＯＳトランジスタモジュールを例とし、第一の主電極端子をソース電極端子、第二の主電極端子をドレイン電極端子と呼称して、更に説明する。
【００４０】
本構成によれば、ソース電極端子とドレイン電極端子を互いに平行な二辺の互いに対角となる一対の一半部から半導体モジュールの側方へ互いに逆むきに突出させる。これにより、ソース電極端子とドレイン電極端子とは、互いに点対称（回転対称）の位置をもつ。そして信号端子は上記二辺の互いに対角となる一対の他半部の一方から半導体モジュールの側方へ突出させる。
【００４１】
これにより、同相の上下アームをなす一対の半導体モジュールは、一方のアームをなす半導体モジュールのソース電極端子と、他方のアームをなす半導体モジュールのソース電極端子とを互い違いに挟んで配置できるので、高密度に配置することができる。もちろん、両半導体モジュールのドレイン電極端子同士を互い違いに噛みあわせてもよい。また、これら６個の半導体モジュールを一種類の半導体モジュールで構成することができ、部品点数を減らすことができ、保守管理が容易となる。
【００４２】
発明４では更に、前記付勢保持部材の両端部は、前記ヒートシンクに圧入されて固定されていることを特徴としている。
【００４３】
これにより、付勢保持部材とヒートシンクとの結合が容易となり、両者間の熱抵抗が低減されるので、半導体モジュールの冷却効果を向上することができる。
【００４４】
好適には、前記付勢保持部材の両端部は、前記ヒートシンク内の冷却液通路に露出していることを特徴としているので、一層の冷却効果向上を図ることができる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な態様を以下の実施例を参照して説明する。
【００４６】
【実施例】
本発明の電力用半導体装置の実施例を図面を参照して説明する。
（全体構成）
図１は、電気自動車の走行モータ駆動制御用の三相インバータ回路装置の回路図である。
【００４７】
２１は電池（直流電源）、２２〜２７はそれぞれ、その寄生ダイオ−ドをフライホイールダイオ−ドとして利用するＮＭＯＳトランジスタからなる半導体素子である。
【００４８】
半導体素子２２は、Ｕ相上アームを構成し、半導体素子２３はＵ相下アームを構成し、半導体素子２４はＶ相上アームを構成し、半導体素子２５はＶ相下アームを構成し、半導体素子２６はＷ相上アームを構成し、半導体素子２７はＷ相下アームを構成しており、それぞれ半導体モジュール１００〜６００として個別に実装されている。
【００４９】
１０１はＵ相上アームの正の直流電源端子（ドレイン側）、１０２はＵ相上アームの交流出力端子（ソース側）、２０１はＵ相下アームの交流出力端子（ドレイン側）、２０２はＵ相下アームの負の直流端子（ソース側）である。３０１はＶ相上アームの正の直流電源端子（ドレイン側）、３０２はＶ相上アームの交流出力端子（ソース側）、４０１はＶ相下アームの交流出力端子（ドレイン側）、４０２はＶ相下アームの負の直流端子（ソース側）である。５０１はＷ相上アームの正の直流電源端子（ドレイン側）、５０２はＷ相上アームの交流出力端子（ソース側）、６０１はＷ相下アームの交流出力端子（ドレイン側）、６０２はＷ相下アームの負の直流端子（ソース側）である。
【００５０】
各正の直流電源端子１０１、３０１、５０１は、平滑コンデンサ２８の正極端子とともに電池２１の正極端子に接続され、各負の直流電源端子２０２、４０２、６０２は、平滑コンデンサ２８の負極端子ともに電池２１の負極端子に接続されている。Ｕ相交流出力端子１０２、２０１は接続点１０３で接続され、Ｖ相交流出力端子３０２、４０１は接続点３０３で接続され、Ｗ相交流出力端子５０２、６０１は接続点５０３で接続されて三相交流モータ２９の電機子巻線（図示せず）に給電している。
【００５１】
３０はコントローラであり、各半導体素子のゲート電極に制御電圧を出力するとともに、各半導体素子の温度検出などを行っている。上記三相インバータ回路及び平滑コンデンサ２８の動作自体は周知であり、更に詳細な説明を省略する。（半導体モジュール）
Ｕ相上アームの半導体モジュール１００を図２（ａ）、図２（ｂ）を参照して以下に説明する。図２（ａ）は分解斜視図、図２（ｂ）は全体斜視図を示す。
【００５２】
１０５は、正の直流電源端子１０１を有する金属伝熱板、１０６は交流出力端子１０２を有する金属伝熱板、１０８は半導体素子（電力用半導体素子チップ）２２の信号端子（制御電極端子ともいう）である。信号端子１０８は、ＮＭＯＳトランジスタのゲート電極制御用の端子や、半導体素子２２の内部モニタ用の信号端子を含み、図２では５本設けられている。
【００５３】
半導体素子２２は金属伝熱板１０５上にハンダ付けされ、金属伝熱板１０６が半導体素子２２の上面にハンダ付けされている。これらは、金属伝熱板１０５、１０６の外主面を露出させ、端子１０１、１０２、１０８を突出させた状態で樹脂１０９により封止されて半導体モジュール１００を構成している。
【００５４】
この実施例では特に、信号端子１０８と正の直流電源端子（ドレイン電極端子ともいう）１０１とを、長方形の半導体モジュール１００の同一の辺（特にここでは長辺）上に配置している。信号端子１０８はこの辺の一半側に配置され、正の直流電源端子（ドレイン電極端子）１０１はこの辺の他半側に配置されている。交流出力端子（ソース電極端子ともいう）１０２は、端子１０８、１０１をもつ辺の対辺の信号端子１０８側の半部に配置されている。
【００５５】
ここで、半導体モジュール１００における半導体素子（ＮＭＯＳトランジスタ）２２のジャンクション部からドレイン側の金属伝熱板１０５までの熱抵抗をＲ１とし、半導体素子２２のジャンクション部からソース側の金属伝熱板１０６までの熱抵抗をＲ２とし、仮に両金属伝熱板１０５、１０６の厚さは等しいとした場合、Ｒ１＜Ｒ２となる。
【００５６】
理由は、半導体素子２２のドレイン領域側の主面は、その全面にわたって金属伝熱板１０５と接合されているのに対し、半導体素子２２のソース領域側の主面は、各信号端子１０８とワイヤボンディング接続するための三次元スペースを確保するために、この三次元スペースを避けてソース側の金属伝熱板１０６の一部を半導体素子２２に向けて突出させる必要があるため、半導体素子２２のソース領域側の主面から上記三次元スペースを差し引いた残部しか金属伝熱板１０６と接合できないためである。 他の上アームの半導体モジュール３００、５００については全く同じ構成である。下アームの半導体モジュール２００、４００、６００も上アームの半導体モジュール１００、３００、５００と全く同じ構成である。ただし、上アームの半導体モジュールの正の直流電源端子を、下アームの半導体モジュールでは交流出力端子に置換し、上アームの半導体モジュールの交流出力端子を、下アームの半導体モジュールでは負の直流電源端子に読み替えれば良い。
【００５７】
なお、半導体素子２２としてＩＧＢＴを採用する場合は、別途のフライホイールダイオ−ドが必要となるが、これは図２（ａ）において半導体素子２２の左側に並置して構成すれば良い。この場合、フライホイールダイオ−ドのカソード側を正の直流電源端子１０１を有する金属伝熱板１０５に向けた形で実装することになる。
【００５８】
（半導体モジュール）
図３は半導体モジュール２００を示す。
【００５９】
２０５は、交流出力端子２０１を有する金属放熱板、２０６は負の直流電源端子２０２を有する金属放熱板、２０８は半導体素子２３の制御電極端子、２０９はモールド樹脂である。
【００６０】
図４、図５に半導体モジュール２００を用いたインバータ装置を示す。図５にその側面図を示す。図４はＵ相部分の部分平面図であり、図５は図４のＡ視側面図である。
【００６１】
ヒートシンク１１０は、内部に冷却流路が形成された水冷構造の金属板からなり、たとえばアルミダイカスト法により形成されている。ヒートシンク１１０は、水冷に限らず例えば自動車用エアコンの冷媒を封止できるだけの強度と気密性とを兼ね備えたＡｌの押し出しまたは引き抜きで形成された偏平状のチューブでも構わないし、周知の沸騰冷却型冷媒槽としても良い。
【００６２】
１００及び２００は半導体モジュール（以下、カード型半導体モジュールともいう）、１１２は固定部材（本発明でいう付勢保持部材）である。一対の固定部材１１２は、スクリュ１１３によりヒートシンク１１０に半導体モジュール１００，２００の上から取り外し可能に固定されており、半導体モジュール１００，２００を個別にヒートシンク１１０の上面へ押し付けている。
【００６３】
平滑コンデンサ２８は、半導体モジュール１００，２００に隣接してヒートシンク１１上にその底面が接触する姿勢で固定されている。１１１＋は、正の直流入力バスバー、１１１−は、負の直流入力バスバーであり、半導体モジュール１００及び２００の直流入力端子１０１、２０１と平滑コンデンサ２８の正および負の電極を兼ねている。
【００６４】
１１１１は、正、負の直流入力バスバー１１１＋、１１１−を電気的に絶縁するために介設されたインシュレータである。１２１はＵ相の交流出力バスバーであり、半導体モジュール１００、２００の交流出力端子１０２、２０１と３相交流モータ２９とを接続している。Ｖ相、Ｗ相についてもＵ相と同様であるので説明は省略する。
【００６５】
コントローラ３０は、ここでは図示していないが、半導体モジュール１００、２００の上方にヒートシンク１１０と平行に配置され、各半導体モジュール１００、２００の制御電極端子１０８、２０８などと接続されている。
【００６６】
半導体モジュール１００、２００とヒートシンク１１０との接触面１１５、半導体モジュール１００、２００と固定部材１１２との接触面１１６には、熱伝導性が良くかつ電気絶縁可能な部材、例えばシリコン系の絶縁放熱シートが挟設されているが、この絶縁放熱シートを、セラミックなどの絶縁基板とその両面の放熱グリスで置換することも可能である。 また、固定部材１１２とヒートシンク１１０の接触面１１７にも、熱伝導性が良いシリコン系の放熱シートや熱伝導性グリスなどが介設されている。固定部材が樹脂などの絶縁部材であれば、接触面１１６にはさむ熱伝導部材は電気絶縁性を必要としない。
【００６７】
上記実施例によれば、半導体モジュール１００はヒートシンク１１０に半田接合を用いることなく安定に保持されるので、半田寿命を考えなくても良く、装置全体の長寿命化が可能となる。また、半田接合を用いないためにヒートシンク１１０にＡｌーＳｉＣなどの高価な材料を用いる必要がなく、装置全体を低価格とできる。
【００６８】
また、ヒートシンク１１０の大熱容量にも無関係に組みつけを簡素製造設備で実現することができる。また、機械的に取り外し可能なように構成しているので、リサイクル性に優れ、交換も容易である。
【００６９】
更に、固定部材１１２を良熱伝導性の金属材料例えばＣｕやアルミ製とすることにより、半導体モジュール内部の半導体素子を両面からヒートシンク１１０に放熱することが可能となり、片面から放熱する場合に比べて、放熱性能を大幅に向上できる。その結果、半導体素子を小型化することも可能となり、装置の小型、低価格化が可能となる。固定部材１１２は、半導体モジュール毎に１個用意しても良いし、複数の半導体モジュールを１個の固定部材で固定しても構わない。
【００７０】
（固定部材）
固定部材１１２について図６を参照して更に説明する。図６はこの装置の要部側面図である。
【００７１】
固定部材１１２は、半導体モジュールを押圧付勢する梁部１１２１と、梁部１１２１の両端からヒートシンク１１０側に突出する一対の脚部１１２２とを有している。両脚部１１２２には半導体モジュール１００の厚さ方向に貫通する孔（図示せず）が設けられており、この孔を通じてスクリュ１１３をヒートシンク１１０に締結することにより、固定部材１１２はヒートシンク１１０に固定され、半導体モジュール１００がヒートシンク１１０と固定部材１１２の梁部１１２１とで挟圧されている。
【００７２】
１２０は、半導体モジュール１００のヒートシンク側の金属放熱板（図示せず）とヒートシンク１１０の上面との間、並びに、半導体モジュール１００の反ヒートシンク側の金属放熱板（図示せず）と固定部材１１２の梁部１１２１の下面との間に介設される絶縁熱伝導部材である。１２１は、固定部材１１２の脚部１１２２の下面とヒートシンク１１０の上面との間に介設される熱伝導部材である。この実施例では、熱伝導部材１２１は、軟質かつ良熱伝導性を有する素材により構成され、絶縁熱伝導部材１２０より軟質とされている。
【００７３】
このようにすれば、スクリュー１１３で固定部材１２０をヒートシンク１１０に締め込んだとき、硬度のある熱伝導部材１２０にて半導体モジュール１００をヒートシンク１１０に強く押し当てることができ、半導体モジュール１００の下側面からヒートシンク１１０に良好に放熱させることができる。また、熱伝導部材１２１に絶縁熱伝導部材１２０より軟質の素材を用いているので、絶縁熱伝導部材１２０が脚部１１２２の下面及びヒートシンク１１０の上面によくなじみ、熱抵抗を低減することができる。
【００７４】
絶縁熱伝導部材１２０としてはたとえば窒化アルミニウムや高硬度シリコンゴムシートを採用することができ、熱伝導部材１２１としてはたとえば半田や熱伝導グリスやグラファイトシートを採用することができる。なお、熱伝導部材１２１として、電気絶縁性を有する材料たとえば低硬度シリコンゴムシートを採用してもよい。スクリュー１１３は金属製としてもよく電気絶縁性を有する樹脂製としてもよい。
【００７５】
（変形態様）
上記実施例では、絶縁熱伝導部材１２０を半導体モジュール１００と固定部材１１２の梁部１１２１との間に挟んだが、熱伝導部材１２１を電気絶縁性を有する絶縁熱伝導部材に変更し、絶縁熱伝導部材１２０を電気伝導性を有する伝導部材としてもよい。また、半導体モジュール１００と固定部材１１２の梁部１１２１とを直接接触させても良い。スクリュー１１３は樹脂製のものが用いられる。このようにすれば、固定部材１１２を、半導体モジュール１００の反ヒートシンク側の金属放熱板に接続される配線部材又は端子として用いることができる。
【００７６】
【実施例２】
他の実施例を図６を参照して以下に説明する。
【００７７】
この実施例では、固定部材１１２の脚部１１２２と熱伝導部材１２１との平均熱膨張率ｋｍ１は、一対の金属放熱面間の半導体モジュール１００と２つの絶縁熱伝導部材１２０との平均熱膨張率ｋｍ２と一致（誤差１％以内）に設定される。なお、この明細書でいう複数の部材Ａ，Ｂの平均熱膨張率ｋｍとは、次の式で規定されるものとする。
【００７８】
ｋｍ＝（ｋ１・ｔ１＋ｋ２・ｔ２）／（ｔ１＋ｔ２）
ｋ１は部材Ａの熱膨張率（線膨張率）、ｔ１は部材Ａの厚さ、ｋ２は部材Ｂの熱膨張率（線膨張率）、ｔ２は部材Ｂの厚さである。
【００７９】
このようにすれば、半導体モジュール１００と脚部１１２２との熱膨張率の差に起因する熱ストレスを解消することができ、経時的信頼性を向上することができる。なお、上記熱膨張率の差は最高使用温度又は最低使用温度で半導体モジュールの各部に悪影響が生じない範囲であれば許容される。
【００８０】
（変形態様）
なお、この平均膨張率を一致させる設定において、固定部材１１２の脚部１１２２と熱伝導部材１２１と半導体モジュール１００と２つの絶縁熱伝導部材１２０とは、それぞれ温度が異なるため、それぞれの厚さ方向の膨張量は異なる。この各部品間の温度差による膨張量差を補償するために、膨張量が最も大きくなっる最高使用温度において、上記固定部材１１２の脚部１１２２と熱伝導部材１２１との厚さ方向膨張量の合計が、半導体モジュール１００と２つの絶縁熱伝導部材１２０との厚さ方向膨張量の合計に一致するように、
脚部１１２２などの材質などを選定することができる。
その他、半導体モジュール１００の各使用温度において、上記膨張量の差が許容範囲となるように脚部１１２２などの材質などを選定することができる。
【００８１】
【実施例３】
他の実施例を図７を参照して以下に説明する。
【００８２】
この実施例では、ヒートシンク１１０の内部にはメイン冷却流体通路Ｍが形成され、冷却流体が流れている。固定部材１１２にもサブ冷却流体通路Ｓが形成され、固定部材１１２のサブ冷却流体通路Ｓの両端開口はヒートシンク１１０のメイン冷却流体通路Ｍと連通し、両通路Ｍ、Ｓは実質的に直列又は並列に連結されている。これにより、半導体モジュール１００を更に良好に冷却することができる。
【００８３】
３００はパッキンであり、このパッキン３００は固定部材１１２と半導体モジュール１００との半導体モジュール１００の厚さ方向の熱膨張率差による熱ストレスを弾性的に吸収する機能も奏することができる。
１２０は、半導体モジュール１００の金属放熱板とヒートシンク１１０及び固定部材１１２とを電気絶縁する絶縁熱伝導部材である。
【００８４】
なお、この実施例では、固定部材に冷却流体を長すように説明したが、固定部材をヒートパイプで構成し、ヒートシンクに固定するよう構成してもよい。
【００８５】
【実施例４】
他の実施例を図８を参照して以下に説明する。
【００８６】
この実施例では、半導体モジュール１００、２００上にブスバー１０１、２０２を介して他の回路部品（この実施例では平滑コンデンサ）が重ねて配設され、固定部材１１２は平滑コンデンサ２８を介して半導体モジュール１００、２００をヒートシンク１１０に押し付けている。
【００８７】
このようにすれば、回路実装密度を向上でき、インバータ回路を構成する半導体モジュール１００とその一対の直流端間のスイッチングサージ電圧を吸収する平滑コンデンサ２８との間の配線距離を短縮することができ、配線抵抗による電力損失、発熱も低減することができる。また、平滑コンデンサ２８及びブスバー１０１、２０２は、半導体モジュール１００のヒートシンク機能ももつことができる。
【００８８】
半導体モジュール１００、２００の反ヒートシンク側の金属放熱板はインバータ回路の＋直流端又はー直流端を構成しており、半導体モジュール１００、２００のヒートシンク側の金属放熱板（図示せず）は交流出力端を構成し、一つの固定部材１１２により２つの半導体モジュール１００、２００を挟圧している。
【００８９】
ブスバー１０１、２０２は平滑コンデンサ２８の＋直流端子２８１及びー入力端子２８２が嵌入する凹部ｃを有する。これにより、平滑コンデンサ２８の横ずれを防止することができ、平滑コンデンサ実装時の位置合わせが容易となる。なお、この凹部ｃの側面は底が狭くなるテーパー面として、平滑コンデンサ２８の両直流端子２８１、２８２の嵌入、位置合わせが容易となっている。平滑コンデンサ２８はそれぞれ複数の＋直流端子２８１、ー直流端子２８２をもつことができ、この場合には、これらと嵌合する上記凹部ｃは複数設けられる。
【００９０】
（変形態様）
更に、この実施例では、半導体モジュール１００、２００と平滑コンデンサ２８とブスバー１０１、２０２との半導体モジュール１００の厚さ方向の平均膨張率ｋｍ３は、固定部材１１２の脚部１１２２の厚さ方向の平均膨張率ｋｍ４に一致するように、脚部１１２２の素材などが選定される。
【００９１】
なお、平均膨張率ｋｍ３、ｋｍ４は、前述の式の思想と同様に、構成する複数の部材の単位温度上昇当たりの膨張量の合計を、これら複数の部材の厚さ方向の距離の合計で割算した値として定義される。もしくは、上述の変形態様と同様に、半導体モジュール１００、２００の所定温度（通常は最高使用温度）における温度分布を加味して実際の各部の厚さ方向膨張量を設け、脚部１１２２側と半導体モジュール１００、２００側とで厚さ方向膨張量の一致を図ってもよい。どちらにせよ、これにより、本構成の挟圧式半導体モジュール固定方式における大きな問題である熱ストレス問題を実用可能なレベルに解決することができる。
【００９２】
【実施例５】
他の実施例を図８を参照して以下に説明する。
【００９３】
この実施例は、図８に示す実施例４の二階建て回路構造において、ブスバー１０１、２０２を半導体モジュール１００の反ヒートシンク側の金属放熱板としたものである。したがって、この実施例では、半導体モジュール１００、２００の反ヒートシンク側の金属放熱板１０１、２０２が、平滑コンデンサ２８の＋直流端子２８１及びー入力端子２８２が嵌入する凹部ｃを有する。これにより、平滑コンデンサ２８の横ずれを防止することができ、平滑コンデンサ実装時の位置合わせが容易となる。他の効果は実施例４と同じである。
【００９４】
（変形態様）
更に、この実施例では、半導体モジュール１００、２００と平滑コンデンサ２８との半導体モジュール１００の厚さ方向の平均膨張率ｋｍ５は、固定部材１１２の脚部１１２２の厚さ方向の平均膨張率ｋｍ６に一致するように、脚部１１２２の素材などが選定される。なお、平均膨張率ｋｍ５、ｋｍ６は、説明を省略するが前述の式の思想により算出される。また、上述の変形態様と同様に、半導体モジュール１００、２００の所定温度（通常は最高使用温度）における温度分布を加味して実際の各部の厚さ方向膨張量を設け、脚部１１２２側と半導体モジュール１００、２００側とで厚さ方向膨張量の一致を図ってもよい。どちらにせよ、これにより、本構成の挟圧式半導体モジュール固定方式における大きな問題である熱ストレス問題を実用可能なレベルに解決することができる。
【００９５】
【実施例６】
他の実施例を図９を参照して以下に説明する。
【００９６】
この実施例では、固定部材１１２は、梁部１１２１が半導体モジュール１００の厚さ方向へ向けて特に大きい弾性率を有する湾曲形状の弾性変形部１１２３を有する。このようにすれば、既述した半導体モジュール１００と脚部１１２２との半導体モジュール１００の厚さ方向への熱膨張率差に起因する熱ストレスを格段に低減することができる。
【００９７】
【実施例７】
他の実施例を図１０を参照して以下に説明する。
【００９８】
この実施例では、ヒートシンク１１０は、半導体モジュール１００の両側に突出する一対の側壁部１１１をもち、固定部材１１２は金属薄板により形成されて両端部が側壁部に樹脂製のスクリュー１１３で固定されている。
【００９９】
本構成によれば、固定部材１１２が半導体モジュール１００の厚さ方向へ容易に弾性変形することができるので、上記熱ストレスを良好に吸収することができ、更に、半導体モジュール１００の反ヒートシンク側の金属放熱板とヒートシンク１１０との間の放熱距離が短くなるので、固定部材１１２を薄肉化するにもかかわらず、放熱性の低下を抑止することができる。
【０１００】
【実施例８】
他の実施例を図１１を参照して以下に説明する。
【０１０１】
この実施例では、半導体モジュール１００の反ヒートシンク側の金属放熱板１０６は凹凸部１０６１をもち、この凹凸構成は固定部材１１２の梁部１１２１の凹凸部１１２１１と嵌合している。半導体モジュール１００のヒートシンク側の金属放熱板（図示せず）及び固定部材１１２の脚部１１２２はそれぞれ電気絶縁性の絶縁熱伝導部材を通じてヒートシンク１１０に密着している。スクリュー１１３は樹脂製である。凹凸部の側面は嵌合位置決めが容易なテーパ面となっている。これにより、半導体モジュール１００に対する固定部材１１２の位置決めが容易となり、半導体モジュール１００の横ずれを防止することができ、半導体モジュール１００と固定部材１１２との間の熱抵抗を低減することができる。固定部材１１２は半導体モジュール１００の反ヒートシンク側の金属放熱板１０６の端子を兼ねることもできる。
【０１０２】
なお、半導体モジュール１００のヒートシンク側の金属放熱板とヒートシンク１１０との接触にもこの凹凸嵌合構造を用いることができる。ただし、この場合には、半導体モジュール１００のヒートシンク側の金属放熱板はヒートシンクと同一電位（通常は接地電位）とされることが好ましい。
【０１０３】
【実施例９】
他の実施例を図１２を参照して以下に説明する。
【０１０４】
この実施例では、ヒートシンク１１０は半導体モジュール１００の樹脂モールド部１０９に接して半導体モジュール１００の横ずれを規制するストッパ１１０１が設けられている。これにより、電気自動車のような高振動環境においても半導体モジュールがヒートシンク又は付勢保持部材に対して横ずれすることがなく、信頼性を向上することができる。また、このストッパ１１０１の側面をテーパ面（斜面）としているので、半導体モジュール１００の位置決めが容易となる。
【０１０５】
（変形態様）
上記変形態様では、ヒートシンク１１０にストッパを設けたが、固定部材１１２にストッパを設けて半導体モジュール１００の横ずれを防止してもよい。この場合、ストッパの側面をテーパ面（斜面）とすることにより、半導体モジュール１００の位置決めが容易となる。
【０１０６】
【実施例１０】
本発明のインバータ装置の他の実施例を図１３、図１４を参照して説明する。図１３はＵ相部分の部分平面図であり、図１４は図１３のＡ視側面図である。
【０１０７】
ヒートシンク１１０は、内部に冷却流路が形成された水冷構造の金属板からなり、たとえば、ダイカスト法などで形成されている。１００はカード型半導体モジュールである。カード型半導体モジュール１００の構造は実施例１で説明したとおりである。
【０１０８】
カード型半導体モジュール（半導体モジュールともいう）１００は、固定部材（付勢保持部材）１１２の上からスクリュ１１３を締結することにより取り外し可能に固定されており、固定部材（付勢保持部材）１１２は半導体モジュール１００をヒートシンク１１０の上面へ押し付けている。下アームの半導体モジュール２００は、半導体モジュール１００と全く同一構成の半導体モジュールであり、図１３において半導体モジュール１００に対し水平に１８０度回転させた状態で、半導体モジュール１００と同じくヒートシンク１１０に押し付けられるように固定されている。
【０１０９】
平滑コンデンサ２８は、半導体モジュール１００、２００に隣接してヒートシンク１１０上にその底面を接触させるように固定されている。１１１＋は正の直流入力バスバー、１１１−は負の直流入力バスバーであり、半導体モジュール１００及び２００の直流入力端子１０１、２０２と平滑コンデンサ２８の正および負とそれぞれ電極を接続している。１１１１は正と負の直流入力バスバ１１１＋と１１１−を電気的に絶縁するために挟んでいるインシュレータである。また、１２１はＵ相の交流出力バスバーであり、半導体モジュール１００、２００の交流出力端子１０２、２０１と３相交流モータ２９を接続している。Ｖ相、Ｗ相についてもＵ相と同様であるので説明は省略する。
【０１１０】
コントローラ３０は、ここでは図示していないが、半導体モジュールの上方にヒートシンクと略平行に配置され、各半導体モジュールの信号電極１０８や２０８などと接続されている。
【０１１１】
半導体モジュール１００、２００とヒートシンク１１０の接触面１１５、半導体モジュール１００、２００と付勢保持部材１１２の接触面１１６は、熱伝導性が良くかつ電気絶縁可能な部材、例えばシリコン系の放熱シートを挟んでいる。また、付勢保持部材１１２とヒートシンク１１０の接触面１１７にも熱伝導性の良い部材、例えばシリコン系の放熱シート、グリスなどを挟んでいる。付勢保持部材が熱伝導性の良い樹脂などの絶縁部材であれば、接触面１１６にはさむ熱伝導部材に電気絶縁性は必要ない。コンデンサの底面とヒートシンクの接触面についても同様に熱伝導性の良い部材を挟んでも良い。
【０１１２】
図１３ではＵ相しか図示していないが、Ｖ相、Ｗ相もこの図の横に同様構成で並置することで簡単に三相インバータを構成できる。
【０１１３】
その他の構成は実施例１と同じである。この実施例によれば、次に作用効果を奏することができる。
【０１１４】
まず、半導体モジュール１００〜６００の２つの主面のうち、熱抵抗の小さいドレイン領域側の主面を冷却性能の高いヒートシンク１１０へ向けて押し付ける姿勢で、半導体モジュール１００〜６００をヒートシンク１１０に実装しているため、放熱性が向上し、半導体素子の一層の冷却性向上を図ることができる。
【０１１５】
次に、図２、図１３に示すように、半導体モジュール１００のドレイン電極端子（正の直流電源端子）１０１を、そのソース電極端子（交流出力端子）１０２と長方形の平行二辺の対角方向の一対の一半部に略回転対称に配置し、信号端子１０８をこの平行二辺の対角方向の一対の他半部の一方（図２では、ドレイン電極端子１０１側の辺の他半部）に配置しているので、三相インバータの６つのアームのスイッチング素子を１種類のカードモジュールによって無理なく高密度に配置することができ、インバータをコンパクト化することができる。
【０１１６】
図１３を参照して更に詳しく説明すると、Ｕ相の上アームの半導体モジュール１００と下アームの半導体モジュール２００とは、半導体モジュール１００に対して半導体モジュール２００を同一平面にて１８０度回転させて半導体モジュール１００に隣接させれば実現することができる。この半導体モジュール１００，２００のペアの互いに対面する互いに平行な一対の長辺では、図１３中下半分に半導体モジュール１００から端子１０２が突出し、図１３中上半分に半導体モジュール２００から端子２０２が突出している。これらはソース電極端子である。これら端子１０２，２０２は重ならないので、両半導体モジュール１００，２００間の距離を短縮することができ、高密度実装できるわけである。これらは、他の相の半導体モジュール３００と４００のペア、５００と６００のペアでも同じである。
【０１１７】
また、正の直流入力バスバー１１１＋と負の直流入力バスバー１１１−とを、半導体モジュール１００の正の直流電源端子１０１、負の直流電源端子２０２まで互いに重ねて延設することができるので、両バスバー１１１＋、１１１−間の配線インダクタンスを相互誘導効果により低減できる。その結果、半導体素子２２、２３のスイッチングに応じてバスバー１１１＋、１１１−に重畳するサージ電圧を低減することができる。
【０１１８】
次に、この実施例では、図１５に示すように、ヒートシンク１１０の内部に水冷冷却流路１５０が設けられている。１２０は例えばシリコン系の電気絶縁性が高い良熱伝導部材である。付勢保持部材１１２の脚部１１２２の先端には、柱状の突部１１２３が突設されており、突部１１２３は、ヒートシンク１１０の上面に開口されて水冷冷却流路１５０に達する孔に圧入されている。
【０１１９】
水冷冷却流路１５０内に突出する突部１１２３の先端の長さを長くすることで、水冷冷却流路１５０の冷却水がこの突部１１２３を良好に冷却することができる。その結果、ヒートシンク１１０と付勢保持部材１１２との間の熱抵抗を小さくできる。また、スクリュ１１３を省略することもできる。ただしこの場合は機械的に取り外し可能である特徴は失われる。
【０１２０】
また、図１６に示すように、突部１１２３の先端を水冷冷却流路１５０内に突出しない長さに設定しても良い。この場合、図５に比べて若干ヒートシンク１１０と付勢保持部材１１２間の熱抵抗は増加するが、圧入部の隙間から冷却水が漏出する可能性も排除できる利点がある。 その他、付勢保持部材１１２の両側の突部１１２３間を連通する冷却水通路を、付勢保持部材１１２内に設けても良い。このようにすれば、冷却水は半導体モジュール１００の両側を流れることができ、優れた冷却効果を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電力用半導体装置を適用した電気自動車の走行モータ駆動制御用の三相インバータ回路装置の回路図である。
【図２】（ａ）は図１に示す半導体モジュールの分解斜視図である。（ｂ）は図１に示す半導体モジュールの斜視図である。
【図３】図１に示す半導体モジュールの斜視図である。
【図４】図１に示すインバータ回路装置の要部平面図である。
【図５】図４に示すインバータ回路装置の側面図である。
【図６】図１に示す半導体モジュールの挟圧固定構造を示す側面図である。
【図７】本発明の他実施例としての実施例３の半導体モジュール挟圧固定構造を示す側面図である。
【図８】本発明の他実施例としての実施例４の半導体モジュール挟圧固定構造を示す側面図である。
【図９】本発明の他実施例としての実施例６の半導体モジュール挟圧固定構造を示す側面図である。
【図１０】本発明の他実施例としての実施例７の半導体モジュール挟圧固定構造を示す側面図である。
【図１１】本発明の他実施例としての実施例８の半導体モジュール挟圧固定構造を示す側面図である。
【図１２】本発明の他実施例としての実施例９の半導体モジュール挟圧固定構造の一部を示す側面図である。
【図１３】本発明の他実施例としての実施例１０のインバータ回路装置の要部平面図である。
【図１４】図１３に示すインバータ回路装置の側面図である。
【図１５】図１３に示す半導体モジュールの挟圧固定構造を示す側面図である。
【図１６】図１５の変形態様を示す側面図である。
【符号の説明】
１００ 半導体モジュール
１１０ ヒートシンク
１１２ 固定部材（付勢保持部材）
２００ 半導体モジュール
Claims (18)
- 電力用半導体素子チップを挟んで金属放熱板が両面に配設されてなる半導体モジュールと、
前記半導体モジュールの前記金属放熱板に接して配置されたヒートシンクと、
前記半導体モジュールの反ヒートシンク側の前記金属放熱板を付勢して前記半導体モジュールのヒートシンク側の前記金属放熱板を前記ヒートシンクの表面に押しつけるとともに前記反ヒートシンク側の前記金属放熱板から吸熱する良熱伝導性の付勢保持部材と、
を備え、
前記付勢保持部材は、前記半導体モジュールを押圧付勢する梁部と、前記梁部の両端からヒートシンク側に突出する少なくとも一対の脚部とを有することを特徴とする電力用半導体装置。 - 請求項１記載の電力用半導体装置において、
前記付勢保持部材の前記脚部のうち、前記半導体モジュールの厚さに等しい部分の熱膨張率は、前記電力用半導体素子チップの両側の前記金属放熱板及び前記電力用半導体素子チップの平均熱膨張率に所定誤差範囲内で一致することを特徴とする電力用半導体装置。 - 請求項１又は２記載の電力用半導体装置において、
前記付勢保持部材と前記ヒートシンクとの間に介設される軟質かつ良熱伝導性の軟質伝熱部材を有することを特徴とする電力用半導体装置。 - 請求項１乃至３のいずれか記載の電力用半導体装置において、
前記付勢保持部材と前記ヒートシンクとの間に介設される薄肉の絶縁部材を有することを特徴とする電力用半導体装置。 - 請求項１乃至４のいずれか記載の電力用半導体装置において、
前記半導体モジュールの前記反ヒートシンク側の金属放熱板と前記付勢保持部材との間、及び、前記半導体モジュールの前記ヒートシンク側の金属放熱板と前記ヒートシンクとの間に介設される薄肉の絶縁部材を有することを特徴とする電力用半導体装置。 - 請求項１乃至５のいずれか記載の電力用半導体装置において、
前記ヒートシンクは、内部に冷却流体通路を有し、
前記付勢保持部材は、前記ヒートシンクの前記冷却流体通路に連通する内部冷却通路を有することを特徴とする電力用半導体装置。 - 請求項１記載の電力用半導体装置において、
前記半導体モジュール上に重ねられた回路部品を有し、
前記付勢保持部材は、前記半導体モジュール及び回路部品をまとめて前記ヒートシンクに押し付けることを特徴とする電力用半導体装置。 - 請求項７記載の電力用半導体装置において、
前記半導体モジュールの反ヒートシンク側の前記金属放熱板は、前記回路部品の端子に直接接することを特徴とする電力用半導体装置。 - 請求項７又は８記載の電力用半導体装置において、
前記付勢保持部材の前記脚部のうち、前記半導体モジュール及び前記回路部品の厚さの合計に等しい部分の熱膨張率は、前記電力用半導体素子チップの両側の前記金属放熱板、前記電力用半導体素子チップ及び前記回路部品の前記厚さ方向の平均熱膨張率に所定誤差範囲内で一致することを特徴とする電力用半導体装置。 - 請求項７記載の電力用半導体装置において、
前記半導体モジュールの反ヒートシンク側の前記金属放熱板と前記回路部品の端子との間に端子部材が介設されることを特徴とする電力用半導体装置。 - 請求項１０記載の電力用半導体装置において、
前記半導体モジュールは、インバータ回路の一部又は全部を構成し、
前記回路部品は前記インバータ回路の正負直流端子間に並列接続される平滑コンデンサからなり、
前記端子部材は、直流電源接続用のブスバーからなることを特徴とする電力用半導体装置。 - 請求項１０又は１１記載の電力用半導体装置において、
前記付勢保持部材の前記脚部のうち、前記半導体モジュール、端子部材及び前記回路部品の厚さの合計に等しい部分の熱膨張率は、前記電力用半導体素子チップの両側の前記金属放熱板、前記電力用半導体素子チップ、前記端子部材及び前記回路部品の前記厚さ方向の平均熱膨張率に所定誤差範囲内で一致することを特徴とする電力用半導体装置。 - 請求項１記載の電力用半導体装置において、
前記付勢保持部材は、互いに近接して配設された複数の前記半導体モジュールを一括付勢保持することを特徴とする電力用半導体装置。 - 請求項１記載の電力用半導体装置において、
前記付勢保持部材の前記脚部は、湾曲形状を有し、前記半導体モジュールの厚さ方向の弾性率が前記付勢保持部材の素材の弾性率より増大されていることを特徴とする電力用半導体装置。 - 電力用半導体素子チップを挟んで金属放熱板が両面に配設されてなる半導体モジュールと、
前記半導体モジュールの前記金属放熱板に接して配置されたヒートシンクと、
前記半導体モジュールの反ヒートシンク側の前記金属放熱板を付勢して前記半導体モジュールのヒートシンク側の前記金属放熱板を前記ヒートシンクの表面に押しつけるとともに前記反ヒートシンク側の前記金属放熱板から吸熱する良熱伝導性の付勢保持部材と、
を備え、
前記ヒートシンクは、前記半導体モジュールの両側に隣接して突出する側壁部を有し、前記付勢保持部材は、金属薄板により形成されるとともに両端部が前記側壁部に固定されることを特徴とする電力用半導体装置。 - 電力用半導体素子チップを挟んで金属放熱板が両面に配設されてなる半導体モジュールと、
前記半導体モジュールの前記金属放熱板に接して配置されたヒートシンクと、
前記半導体モジュールの反ヒートシンク側の前記金属放熱板を付勢して前記半導体モジュールのヒートシンク側の前記金属放熱板を前記ヒートシンクの表面に押しつけるとともに前記反ヒートシンク側の前記金属放熱板から吸熱する良熱伝導性の付勢保持部材と、
を備え、
同相の上、下のアームをなす一対の前記半導体モジュールが隣接配置されるとともに６個の半導体モジュールが各アームをなす三相インバータ回路を有し、
前記電力用半導体素子チップの一対の主面の一方は、第一の前記金属放熱板を兼ねる第一の主電極端子に接続される領域と、信号端子に接続される領域とを有し、前記一対の主面の他方は、第二の前記金属放熱板を兼ねる第二の主電極端子に接続される領域とを有し、
前記両主電極端子は、前記半導体モジュールの互いに平行な二辺の互いに対角をなす一半部から個別に前記半導体モジュールの側方へ突出し、前記信号端子は、前記二辺の互いに対角をなす他半部の一方から前記半導体モジュールの側方へ突出することを特徴とする電力用半導体装置。 - 電力用半導体素子チップを挟んで金属放熱板が両面に配設されてなる半導体モジュールと、
前記半導体モジュールの前記金属放熱板に接して配置されたヒートシンクと、
前記半導体モジュールの反ヒートシンク側の前記金属放熱板を付勢して前記半導体モジュールのヒートシンク側の前記金属放熱板を前記ヒートシンクの表面に押しつけるとともに前記反ヒートシンク側の前記金属放熱板から吸熱する良熱伝導性の付勢保持部材と、
を備え、
前記付勢保持部材の両端部は、前記ヒートシンクに圧入されて固定されていることを特徴とする電力用半導体装置。 - 請求項１７記載の電力用半導体装置において、
前記付勢保持部材の両端部は、前記ヒートシンク内の冷却液通路に露出していることを特徴とする電力用半導体装置。
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