JP5423811B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、半導体モジュールに関し、特に電気自動車やハイブリッド車等の車両に用いられる半導体モジュールに関するものである。
従来、車両に用いられる半導体モジュールとして、例えば特開２００９−１５９８１５号公報に記載されるように、内部に上アーム及び下アームを備えた直列回路を内蔵し、同アーム中の半導体素子とダイオードとを重ね合わせるものが知られている。そして、モジュールの両側に冷却金属を設置し、ダイオード側に折り返される冷却水路を設けることにより、該半導体モジュールを冷却する。
特開２００９−１５９８１５号公報
しかしながら、上記従来の半導体モジュールには、以下のような問題点があった。すなわち、ダイオードと半導体素子とはそれぞれ面積が異なるので、面積が異なるもの同士が重ね合わされる場合、面積が小さい方の面（主にダイオード側の面）では冷却金属（放熱部材）への接触面積が減り、放熱が十分に行われない。また、モータロック時のように、特定のスイッチング素子のみが発熱する状態が考慮されておらず、上記の冷却構造のみで対応しきれない。
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、放熱効率の向上を図ることができる半導体モジュールを提供することを目的とする。
本発明に係る半導体モジュールは、それぞれスイッチング素子及び整流素子を有する上アームと下アームとを備えた半導体モジュールであって、上アームと下アームとのスイッチング素子同士を重ね合わせ、且つ上アームと下アームとの整流素子同士を重ね合わせるように、上アームと下アームとが積層されていることを特徴とする。
本発明に係る半導体モジュールでは、上下アームのスイッチング素子同士を重ね合わせ、且つ整流素子同士を重ね合わせるように、上アームと下アームとが対向して積層されているので、上下アームのスイッチング素子同士、整流素子同士が積層構造となる。このため、上下面で放熱部材への接触面積が同一になり、熱が均等に拡散することが可能となる。その結果、放熱効率を向上することができる。
本発明に係る半導体モジュールは、それぞれスイッチング素子及び整流素子を有する上アームと下アームとを備えた半導体モジュールであって、上アームと下アームとのスイッチング素子同士を重ね合わせたスイッチング素子積層部と、上アームと下アームとの整流素子同士を重ね合わせた整流素子積層部と、少なくともスイッチング素子同士及び整流素子同士の積層方向の両側に設けられ、スイッチング素子積層部及び整流素子積層部を冷却する冷却部と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る半導体モジュールでは、上下アームのスイッチング素子同士を重ね合わせたスイッチング積層部と、上下アームの整流素子同士を重ね合わせた整流素子積層部とを備えるので、上下面で放熱部材への接触面積が均一になる。これによって、熱が均等に拡散することが可能となり、放熱の効率を向上することができる。また、冷却部が少なくともスイッチング素子同士及び整流素子同士の積層方向の両側に設けられているので、モータロック時に上下アームが同時に発熱することがないことを利用し、発熱が起こらない側のアームを放熱領域として用いることができる。従って、モータロック時の冷却性能を向上させることができ、モジュール全体の放熱効率を向上することができる。
本発明に係る半導体モジュールにおいて、冷却部は、冷媒と冷媒を流通させるための冷媒流路とを有し、冷媒流路は、スイッチング素子同士及び整流素子同士の積層方向の両側に沿ってそれぞれ設けられ、整流素子積層部側で折り返されていることが好適である。この場合にあっては、上下アームが積層され、冷媒流路が折り返されているので、モジュール全体の小型化を図ることができる。また、発熱が起こらない側整流素子側に冷媒流路を折り返すことにより、スイッチング素子積層部では冷媒の温度が低温に保たれるので、冷却機能を向上することが可能となる。
本発明によれば、放熱効率の向上を図ることができる半導体モジュールを提供できる。
実施形態に係る半導体モジュールを示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 半導体モジュールを用いたパワーコントロールユニットの構成を示す回路図である。 （ａ）力行時における昇圧コンバータの電流流れを示す回路図であり、（ｂ）回生時における昇圧コンバータの電流流れを示す回路図である。 モータロック時における電流の流れを示す回路図である。 半導体モジュールの変形例を示す部分断面図である。 半導体モジュールの変形例を示す部分断面図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った概略断面図である。 突起部の変形例を示す概略断面図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は実施形態に係る半導体モジュールを示す平面図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。本実施形態に係る半導体モジュール１は、インバータ回路の上アーム２と下アーム３とを備えている。上アーム２と下アーム３とは、同じ構造を有し、その間に配置されたバスバー１０に対して上下対称に配置されて、積層されている。そして、上アーム２と下アーム３との積層体の両側には、冷却器４Ａ，４Ｂが設けられている。
上アーム２は、複数のスイッチング素子５Ａ、整流素子６Ａ、スイッチング素子５Ａと整流素子６Ａとが実装される絶縁基板７Ａを有している。図２に示すように、スイッチング素子５Ａの表面側に位置するエミッタは、半田層８Ａを介してバスバー１０に電気的接続されている。スイッチング素子５Ａの裏面側に位置するコレクタは、半田層９Ａによって絶縁基板７Ａに固定されている。また、図３に示すように、整流素子（例えばダイオード）６Ａの表面側に位置するアノードは、半田層８Ａを介してバスバー１０に電気的接続されている。整流素子６Ａの裏面側に位置するカソードは、半田層９Ａによって絶縁基板７Ａに固定されている。
絶縁基板７Ａは、ＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板であり、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる上部金属層１１と、窒化アルミニウムからなる絶縁層１２と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる下部金属層１３とを積層した構造を有している。上部金属層１１は、半田層９Ａを介してスイッチング素子５Ａと整流素子６Ａに電気的に接続されている。下部金属層１３は、ロウ付けで冷却器４Ａと接合されている。また、上部金属層１１は、ボンディングワイヤ１４を介してバスバー１５に電気的に接続されている。
下アーム３は、複数のスイッチング素子５Ｂ、整流素子６Ｂ、スイッチング素子５Ｂと整流素子６Ｂとが実装される絶縁基板７Ｂを有している。図２に示すように、スイッチング素子５Ｂの表面側に位置するエミッタは、半田層８Ｂを介してバスバー１０に電気的接続されている。スイッチング素子５Ｂの裏面側に位置するコレクタは、半田層９Ｂによって絶縁基板７Ｂに固定されている。
また、図３に示すように、整流素子（例えばダイオード）６Ｂの表面側に位置するアノードは、半田層８Ｂを介してバスバー１０に電気的接続されている。整流素子６Ｂの裏面側に位置するカソードは、半田層９Ｂによって絶縁基板７Ｂに固定されている。絶縁基板７Ｂは絶縁基板７Ａと同様な構造を有している。絶縁基板７Ｂの上部金属層１１は、ボンディングワイヤ１６を介してバスバー１７に電気的に接続されている。下アーム３は、ロウ付けで冷却器４Ｂと接合されている。
上アーム２と下アーム３とを積層することにより、スイッチング素子５Ａ，５Ｂ同士を重ね合わせたスイッチング素子積層部１Ａと、整流素子６Ａ，６Ｂ同士を重ね合わせた整流素子積層部１Ｂとがそれぞれ形成されている。
冷却器４Ａ，４Ｂは、上アーム２と下アーム３との積層方向の両側にそれぞれ設けられており、スイッチング素子積層部１Ａ及び整流素子積層部１Ｂを冷却する。これらの冷却器４Ａ，４Ｂは、それぞれ波状に成形された冷却フィン１８と、冷却フィン１８を挟んで固定する天板１９及び底板２０とを有している。
天板１９は、上アーム２又は下アーム３に隣接する側に配置され、ロウ付けで絶縁基板７Ａ，７Ｂの下部金属層１３に固定されている。一方、底板２０は、天板１９と対向してモジュールの外側に配置されている。冷却フィン１８、天板１９及び底板２０は、高熱伝導性の高いアルミニウムや銅などの材料により構成されている。冷却器４Ａ，４Ｂの内部の冷却フィン１８によって区画された中空部分は、冷媒を流通させるための冷媒流路２１を形成する。
図３に示すように、整流素子積層部１Ｂ側において、上アーム２と下アーム３との積層方向に沿って延在し、冷却器４Ａと冷却器４Ｂとを連結する連結部４Ｃが設置されている。このように連結部４Ｃを設けることにより、冷媒流路２１は整流素子積層部１Ｂ側で折り返される。そして、冷媒が矢印Ｆ１方向に沿って導入口２２から導入され、冷却器４Ａ内の冷媒流路２１を経由し、整流素子積層部１Ｂ側で折り返され、冷却器４Ｂ内の冷媒流路２１を流れて、排出口２２を経由して外部に排出される。これによって、冷媒がスイッチング素子積層部１Ａ及び整流素子積層部１Ｂからの発熱を吸収して、スイッチング素子積層部１Ａ及び整流素子積層部１Ｂを効率良く冷却する。
図４は、半導体モジュールを用いたパワーコントロールユニットの構成を示す回路図である。このパワーコントロールユニットは、例えばハイブリッド車に搭載されており、昇圧コンバータ２４と、インバータ２５と、モータジェネレータ２６とを備えている。昇圧コンバータ２４は、蓄電池２７の充電及び放電を行うための直流電圧変換器であって、コンデンサ２８，２９と、リアクトル３０と、トランジスタ（スイッチング素子）３１，３２と、ダイオード（整流素子）３３，３４とを有している。
コンデンサ２８は、電源ラインＬ１と接地ラインＬ２との間に蓄電池２７に並列に接続されており、蓄電池２７の充放電電圧を平滑化する。リアクトル３０は、その一端が電源ラインＬ１に接続され、他端がトランジスタ３１，３２の接続点に接続されている。トランジスタ３１，３２は、電源ラインＬ３と接地ラインＬ２との間に直列に接続されている。そして、各トランジスタ３１，３２のコレクターエミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオード３３，３４がそれぞれ接続されている。
トランジスタ３１，３２は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）によって構成されている。コンデンサ２９は、電源ラインＬ３と接地ラインＬ２との間に接続され、電力バッファとして機能している。
インバータ２５は、昇圧コンバータ２４とモータジェネレータ２６との間で電力変換を行う。すなわち、インバータ２５は、蓄電池２７から供給される直流電力を３個の相電圧（Ｕ相電圧、Ｖ相電圧、Ｗ相電圧）を有する三相交流電力に変換可能であると共に、モータジェネレータ２６から供給される三相交流電力を直流電力に変換可能である。
このインバータ２５は、Ｕ相アーム３５、Ｖ相アーム３６、Ｗ相アーム３７を有している。Ｕ相アーム３５、Ｖ相アーム３６及びＷ相アーム３７は、電源ラインＬ３と接地ラインＬ２との間に並列に接続されている。Ｕ相アーム３５、Ｖ相アーム３６、Ｗ相アーム３７は、それぞれ直列に接続されたスイッチング素子５Ａ，５Ｂと、各スイッチング素子５Ａ，５Ｂと並列に接続された整流素子（ダイオード）６Ａ，６Ｂとを備えている。
そして、Ｕ相アーム３５、Ｖ相アーム３６、Ｗ相アーム３７は、出力ラインＬ４，Ｌ５，Ｌ６を介してモータジェネレータ２６の各相コイルの中性点と反対側のコイル端にそれぞれ接続されている。モータジェネレータ２６は、例えば三相交流同期電動発電機からなり、インバータ２５からの三相交流電圧によって駆動力を発生する。また、このモータジェネレータ２６は、エンジンの出力を用いて三相交流電圧を発生し、その発生した三相交流電圧をインバータ２５に出力する。
図５（ａ）力行時における昇圧コンバータの電流流れを示す回路図であり、（ｂ）回生時における昇圧コンバータの電流流れを示す回路図である。図５（ａ）に示すように、力行時において蓄電池２７から供給される電流が、リアクトル３０を経由し、それぞれトランジスタ３２とダイオード３３に流れる（矢印Ｆ２参照）。一方、図５（ｂ）に示すように回生時では、三相交流電流がトランジスタ３１とダイオード３４を経由し、リアクトル３０に流れる（矢印Ｆ３参照）。
図６はモータロック時における電流の流れを示す回路図である。図６において、Ｕ相上アーム２Ｕが最大電流になった場合（すなわち、インバータ熱律速となるロックの場合）、Ｕ相電流の流れを破線で示し、Ｖ相電流の流れを一点鎖線で示し、Ｗ相電流の流れを二点鎖線で示す。
図５及び図６により、上下アーム２，３のスイッチング素子５Ａ，５Ｂ同士と整流素子６Ａ，６Ｂ同士とが同時に電流を流さないことが明らかである。すなわち、この場合には、スイッチング素子５Ａ，５Ｂ同士と整流素子６Ａ，６Ｂ同士とが同時に発熱しない。従って、上下アーム２，３のスイッチング素子５Ａ，５Ｂ同士、整流素子６Ａ，６Ｂ同士を積層することによって、電流が流れない（すなわち、発熱しない）アームから熱を逃がすことが可能となる。このように同時に発熱しないスイッチング素子５Ａ，５Ｂ同士、整流素子６Ａ，６Ｂ同士の積層構造をすることにより、熱を逃がすルートを増やすことで、放熱効率の向上を図ることができ、冷却機能を向上することができる。
上述のように構成された半導体モジュール１では、上下アーム２，３のスイッチング素子５Ａ，５Ｂ同士と、整流素子６Ａ，６Ｂ同士を重ね合わせているため、上下面で冷却器４Ａ，４Ｂへの接触面積が均一になる。これによって、熱が均等に拡散することが可能となり、放熱効率を向上することができる。しかも、上アーム２と下アーム３とを積層することにより、半導体モジュール１の小型化を図り易くなる。
また、冷却器４Ａ，４Ｂがスイッチング素子５Ａ，５Ｂ同士及び整流素子６Ａ，６Ｂ同士の積層方向の両側に設けられているので、モータロック時にスイッチング素子５Ａ，５Ｂ同士、整流素子６Ａ，６Ｂ同士が同時に発熱することがないことを利用し、発熱が起こらない側のアームを放熱領域として用いることができる。従って、モータロック時のように特定のスイッチング素子５Ａ，５Ｂや整流素子６Ａ，６Ｂのみが発熱する状況であっても、冷却能力を十分に確保することができる。その結果、半導体モジュール１全体の放熱効率を向上することができる。
更に、冷媒流路２１が整流素子積層部１Ｂ側で折り返されているので、モジュール全体の小型化を図り易くなる。また、整流素子６Ａ，６Ｂの発熱量がスイッチング素子５Ａ，５Ｂより比較的に低いため、整流素子積層部１Ｂ側で冷媒流路２１を折り返すことにで、スイッチング素子５Ａ，５Ｂを冷やす必要となる圧損を確保することが可能となる。しかも、スイッチング素子積層部１Ａでは冷媒の温度が低温に保たれるので、スイッチング素子５Ａ，５Ｂを冷却する冷却性能を向上することができる。
以下、図７及び図８を参照して半導体モジュールの変形例を説明する。
図７に示す変形例では、冷却器４Ａ，４Ｂの内部であってスイッチング素子５Ａ，５Ｂの直下位置に、冷媒流路２１の一部である空間３８が形成されている。この空間３８は、底板２０と絶縁基板７Ａ，７Ｂの絶縁層１２との間に延びている。このようにすれば、冷媒が矢印Ｆ４に示すように直接絶縁層１２を冷やすことができるので、より熱を効率よく吸収して、冷却性能を向上することが可能となる。また、このように空間３８を設けることによって、パンチングメタルの役目のような応力緩和材としての効果も期待でき、応力を緩和することができる。
図８に示す変形例では、絶縁基板７Ａ，７Ｂの絶縁層１２に空間３８に突出する突起部１２ａが設けられている。この突起部１２ａは、冷媒との接触面積をより多く増やすため、フィン状に形成されている。図９は図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った概略断面図である。図９において（ａ）はスイッチング素子５Ａ，５Ｂの直下位置に形成される空間３８を示し、（ｂ）は整流素子６Ａ，６Ｂの直下位置に形成される空間３９を示す。
図９（ａ）に示すように、スイッチング素子５Ａ，５Ｂの直下位置に配置された空間３８は断面円形状に形成されており、絶縁層１２の突起部１２ａが円柱形状に形成されている。一方、整流素子６Ａ，６Ｂの直下位置に配置された空間３９は断面楕円形状に形成されており、突起部１２ｂは楕円柱状に形成されている（図９（ｂ）参照）。
図８に示すように、この場合にあっては、冷媒が矢印Ｆ５に示すように下方のみならず突起部１２ａの周囲からも直接絶縁層１２と接触して、突起部１２ａを冷やすことができる。これによって、熱を吸収する効果を一層に高めることができ、冷却性能を向上することができる。
なお、突起部の形状や配置等は上述の内容に限らない。例えば図１０（ａ）に示すように、突起部１２ａ，１２ｂは平板状に形成され、空間３８，３９のスペースに合わせて複数に並列に設置されてもよく、あるいは図１０（ｂ）に示すように突起部１２ａ，１２ｂは棒状に形成され、空間３８，３９のスペースに合わせて配列されてもよい。この場合にあっては、突起部１２ａ，１２ｂと冷媒との接触面積を更に増やすことができ、熱を吸収する効果を更に高めることができる。
上述した実施形態は本発明に係る半導体モジュールの一例を示すものである。本発明に係る半導体モジュールは上述の実施形態に記載したものに限定されるものではない。本発明に係る半導体モジュールは、各請求項に記載した要旨を変更しないように実施形態に係る半導体モジュールを変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
１ 半導体モジュール
１Ａ スイッチング素子積層部
１Ｂ 整流素子積層部
２ 上アーム
３ 下アーム

４Ａ，４Ｂ 冷却器
５Ａ，５Ｂ スイッチング素子
６Ａ，６Ｂ 整流素子
２１ 冷媒流路。

Claims (2)

  1. それぞれスイッチング素子及び整流素子を有する上アームと下アームとを備えた半導体モジュールであって、
    前記上アームと前記下アームとの前記スイッチング素子同士を重ね合わせたスイッチング素子積層部と、
    前記上アームと前記下アームとの前記整流素子同士を重ね合わせた整流素子積層部と、
    少なくとも前記スイッチング素子同士及び前記整流素子同士の積層方向の両側に設けられ、前記スイッチング素子積層部及び前記整流素子積層部を冷却する冷却部と、を備え、
    前記冷却部は、冷媒と前記冷媒を流通させるための冷媒流路とを有し、
    前記冷媒流路は、前記スイッチング素子同士及び前記整流素子同士の積層方向の両側にそれぞれ設けられ、前記整流素子積層部側で折り返されていることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記冷却部の内部であって前記スイッチング素子又は前記整流素子の直下位置には、前記冷媒流路の一部である空間が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
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