JP6266544B2 - Inverter module - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、インバータモジュールに関する。 Embodiments described herein relate generally to an inverter module.
例えば電気自動車等の分野において、インバータ装置(インバータモジュール)の小型化及び信頼性向上が要求されている。インバータジュールの小型化、信頼性向上のためには、半導体チップおよび電力変換器について、冷却効率を高めることが必要となる。 For example, in the field of electric vehicles and the like, downsizing and improving reliability of an inverter device (inverter module) are required. In order to reduce the size and reliability of the inverter module, it is necessary to increase the cooling efficiency of the semiconductor chip and the power converter.
インバータ装置において、例えば、半導体チップであるIGBT(Insulated gate bipolar transistor)及びダイオードと、半導体チップの両面の電極に接合される接合面を有する第1導体、第2導体、及び第3導体と、これらの導体に接合される伝熱面を有する冷却器と、を備える構造が知られている。 In the inverter device, for example, an IGBT (Insulated gate bipolar transistor) and a diode, which are semiconductor chips, a first conductor, a second conductor, and a third conductor having joint surfaces joined to electrodes on both surfaces of the semiconductor chip, and these And a cooler having a heat transfer surface joined to the other conductor.
たとえば、第1導体には1相の上アームを構成するIGBTおよびダイオードの正極側が接合される。第2導体には1相の下アームを構成するIGBTおよびダイオードの負極側が接合される。第3導体は、第1導体と第2導体の間に配される。第3導体には、上アームを構成するIGBTおよびダイオードの負極側と、下アームを構成するIGBTおよびダイオードの正極側が接合される。導体と半導体素子との接合面は、冷却器と導体との接合面である伝熱面に対して垂直に配置されている。また、冷却部との接合面積のさらなる向上を図るために、例えば各導体の上下両面に冷却器を配置する構成のインバータモジュールも提案されている。 For example, the first conductor is joined to the IGBT constituting the upper arm of one phase and the positive side of the diode. The second conductor is joined to the IGBT constituting the lower arm of one phase and the negative electrode side of the diode. The third conductor is disposed between the first conductor and the second conductor. The third conductor is joined to the negative electrode side of the IGBT and the diode constituting the upper arm and the positive electrode side of the IGBT and the diode constituting the lower arm. The joint surface between the conductor and the semiconductor element is disposed perpendicular to the heat transfer surface that is the joint surface between the cooler and the conductor. Further, in order to further improve the joint area with the cooling unit, for example, an inverter module having a configuration in which coolers are arranged on both upper and lower surfaces of each conductor has been proposed.
各導体はブロック状の金属で構成され、大きな熱容量を有するため、半導体チップの短時間発熱時における温度上昇を抑制することが可能となる。 Since each conductor is made of a block-like metal and has a large heat capacity, it is possible to suppress an increase in temperature when the semiconductor chip generates heat for a short time.
インバータモジュールにおいて、冷却効率向上のために冷却面積を拡大すると、体積増加に直結することになる。また、冷却面積を拡大するために導体の半導体チップとの接合面に垂直な辺の長さ(導体幅)を長くすると、冷却器に至るまでの伝熱経路が長くなる。 In the inverter module, if the cooling area is increased in order to improve the cooling efficiency, the volume directly increases. Further, if the length of the side perpendicular to the joint surface of the conductor with the semiconductor chip (conductor width) is increased in order to increase the cooling area, the heat transfer path to the cooler becomes longer.
本発明が解決しようとする課題は、過渡温度特性を低く抑えながら体積を削減することができるインバータモジュールを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide an inverter module capable of reducing the volume while keeping the transient temperature characteristic low.
実施形態にかかるインバータモジュールは、一対の冷却部と、一対の冷却部の間に配置される第1及び第2の導体と、第1及び第2の導体の間に配置される半導体チップと、を備える。前記第1及び第2の導体の前記第2方向における長さが4mm以上20mm以下である。前記第1の導体及び前記第2の導体は、一対の前記伝熱面を通る最小の断面の面積が240mm2以下に構成される。前記第1及び第2の導体は、一対の前記伝熱面の間の長さが、前記半導体チップの長さよりも長い。一対の前記伝熱面の間の長さと、前記半導体チップの長さとの差が1mm以上15mm以下の範囲である。 The inverter module according to the embodiment includes a pair of cooling units, a first and second conductors disposed between the pair of cooling units, and a semiconductor chip disposed between the first and second conductors, Is provided. The length of the first and second conductors in the second direction is not less than 4 mm and not more than 20 mm. The first conductor and the second conductor are configured such that an area of a minimum cross section passing through the pair of heat transfer surfaces is 240 mm 2 or less. In the first and second conductors, a length between the pair of heat transfer surfaces is longer than a length of the semiconductor chip. The difference between the length between the pair of heat transfer surfaces and the length of the semiconductor chip is in the range of 1 mm to 15 mm.
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態に係るインバータモジュール1の構成について、図1乃至図12を参照して説明する。また、各図において説明の便宜上、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。図中矢印Y,Z,Xは互いに直交する3方向をそれぞれ示している。ここで、半導体チップ群12と導体15,16との接合面に垂直なY方向を幅方向、冷却部17,18と導体15,16との接合面である伝熱面に垂直なZ方向を高さ方向、とし、導体のY方向の長さを導体幅W、Z方向の長さを導体高さH1と定義する。
[First embodiment]
Hereinafter, the configuration of the inverter module 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 12. Further, in each drawing, for convenience of explanation, the configuration is appropriately enlarged, reduced, or omitted. In the figure, arrows Y, Z, and X indicate three directions orthogonal to each other. Here, the Y direction perpendicular to the joint surface between the
図1はインバータモジュール1の構造を示す斜視図であり、図2は分解斜視図、図3は正面図である。 1 is a perspective view showing the structure of the inverter module 1, FIG. 2 is an exploded perspective view, and FIG. 3 is a front view.
インバータモジュール1は、少なくとも1つの半導体チップを有する半導体チップ群12と、半導体チップ群12の両側に配される第1及び第2の導体15,16と、第1及び第2の導体15,16の上下に配される第1及び第2の冷却部17,18と、を備える。
The inverter module 1 includes a
半導体チップ群12は、スイッチング素子であるIGBT13およびダイオード14を備える。ダイオード14は、IGBT13に対して逆並列接続されている。IGBT13およびダイオード14の外形状は、例えば4辺の長さが約10mm程度、厚さ0.1mm〜0.2mm程度の矩形の板状に構成されている。IGBT13およびダイオード14は厚さ方向がインバータモジュール1の幅方向に沿う縦型配置であり、両主面に電極を有している。Y方向一方の主面は第1の導体15にはんだによって接合され、他方の主面は第2の導体16にはんだによって接合されている。
The
第1の導体15および第2の導体16は、導電性金属である銅もしくは銅合金から直方体の形成されたバスバーである。第1の導体15及び第2の導体16は、同形状に構成される。
The
第1の導体15及び第2の導体16は、半導体チップ群12を挟んで対向配置され、半導体チップ群12の両面に接合され、少なくとも伝熱可能に接続されている。第1の導体15には、半導体チップ群12の正極側が電気的かつ機械的に接合されている。第2の導体16には、半導体チップ群12の負極側が電気的かつ機械的に接合されている。したがって、第1の導体15は正側導体として正電極を形成し、第2の導体16は負側導体として負電極を形成する。
The
第1の導体15と第2の導体16の上下面に、第1の冷却部17及び第2の冷却部18がそれぞれ当接し、熱的に接続されている。
The
第1の冷却部17と、第2の冷却部は上下に対向配置され、対向する伝熱面を有している。第1の冷却部17及び第2の冷却部18の両伝熱面の間に、第1の導体15及び第2の導体16が設けられている。
The
第1の冷却部17及び第2の冷却部18は、放熱器20と、電気的な絶縁を確保するための絶縁部21と、ベース部22と、を備えて構成される。
The
放熱器20は、たとえばアルミ合金により形成され、複数の放熱フィンを有する。
The
絶縁部21は、エポキシ系樹脂等の絶縁材料により、第1及び第2の導体15,16のZ方向端面に対応する矩形の板状に構成されている。ベース部22は例えば銅合金若しくはアルミ合金等の材料から絶縁部21と同様に第1及び第2の導体15,16のZ方向端面に対応する矩形の板状に構成されている。
The
第1の導体15及び第2の導体16のZ方向両端面にそれぞれ絶縁部21が接合される。図中上側の絶縁部21の上面及び下側の絶縁部21の下面にベース部22がそれぞれ接合される。上側のベース部22の上面及び下側のベース部22の下面に放熱器20がそれぞれ接合される。
Insulating
半導体チップ群12により生じた熱は、両主面に接合された第1の導体15および第2の導体16を介して、それぞれ各導体15,16のZ方向両側の2面に接合された絶縁部21、ベース部22、を介して、放熱器20に伝達され、半導体チップ群12が冷却される。
The heat generated by the
図4乃至図11を参照して、本実施形態にかかるインバータモジュール1の特性及び寸法設定について、説明する。 With reference to FIG. 4 thru | or FIG. 11, the characteristic and dimension setting of the inverter module 1 concerning this embodiment are demonstrated.
図3に示すように、導体高さ差H3は導体高さH1から半導体チップ群12の同方向の長さH2を引いた差としている。導体高さH1は、一対の伝熱面17a,18aの間の長さである。導体高さ差H3は、半導体チップ群12と伝熱面17aとの間の間隙H4と、半導体チップ群12と伝熱面18aとの間の間隙H5の合計である。また、導体の断面積とは、奥行き方向(X)に直交する面、すなわち、上下の伝熱面を通り断面積が最小になる導体15,16の断面(YZ平面)の、面積を示す。
As shown in FIG. 3, the conductor height difference H3 is a difference obtained by subtracting the length H2 of the
図4は、第1の導体15及び第2の導体16の両側に冷却部17,18をそれぞれ配置した構成のインバータモジュール1と、一対の導体の1面(下面)にのみ冷却部を配置した比較例1に係るインバータモジュール1Aと、冷却部を2面に配するとともに比較例1と同等の定常上昇温度にするために導体幅を短くした比較例2にかかるインバータモジュール1Bの、半導体チップ群12の発熱時の上昇温度における時間応答を示すグラフである。
In FIG. 4, the inverter module 1 having a configuration in which the
図4は、半導体チップ群12が一定熱量で発熱した際の、時間と半導体チップ群12の上昇温度の関係を示しており、発熱後数秒時点での上昇温度である過渡上昇温度、及び発熱後一定時間経過後の最終的な上昇温度である定常上昇温度を表している。
FIG. 4 shows the relationship between time and the rising temperature of the
ここで、例えば対象を電気自動車等のモータ駆動に用いるインバータにインバータモジュール1を適用した場合を考えると、アクセルペダルを踏んでから数秒程度の短時間での温度上昇が低い方が加速を大きくすることができる。また、モータの加速および高トルク出力時間として3秒程度が必要となることから、半導体チップ群12の発熱から3秒時点での上昇温度である過渡上昇温度を低く抑えることが望ましい。したがって、過渡上昇温度と定常上昇温度との比を指標とする。
Here, for example, when considering the case where the inverter module 1 is applied to an inverter used for driving a motor of an electric vehicle or the like, the acceleration is increased when the temperature rise in a short time of about several seconds after the accelerator pedal is depressed is low. be able to. Further, since about 3 seconds are required for the motor acceleration and the high torque output time, it is desirable to keep the transient rise temperature, which is the rise temperature at 3 seconds from the heat generation of the
図4に示すように、インバータモジュール1,比較例1及び比較例2のいずれにおいても、発熱後数秒(ここでは約3秒)まで緩やかに温度上昇し、その後急激に温度上昇し、一定時間経過後に温度が安定する特性を示している。 As shown in FIG. 4, in any of the inverter module 1, comparative example 1 and comparative example 2, the temperature gradually rises to several seconds (here, about 3 seconds) after the heat generation, and then suddenly rises, and a certain time has elapsed. It shows the characteristic that the temperature stabilizes later.
一定時間経過後の最終的な上昇温度である定常上昇温度については、比較例1では30K程度上昇しているのに対し、インバータモジュール1では15K程度と約半分に抑えられている。 The steady rise temperature, which is the final rise temperature after the elapse of a certain time, is increased by about 30 K in Comparative Example 1, whereas it is suppressed to about 15 K in the inverter module 1 and about half.
すなわち、インバータモジュール1では導体15,16のZ方向における両側の表面に冷却部17,18を配置する構成とすることで、冷却面積を大きく確保することができ、かつ、半導体チップ群12からそれぞれの冷却部までの伝熱経路を短くすることで、上昇温度を半分程度にまで抑えることができ、冷却効率を向上させることができることがわかる。
That is, in the inverter module 1, the cooling
なお、冷却部を2面に配するとともに比較例1と同等の定常上昇温度にすべく導体幅を半分程度に短くした比較例2の場合、図4の一点鎖線のような特性となる。比較例2では、半導体チップ群12の発熱後数秒時点における上昇温度である過渡上昇温度が高くなるという傾向が見られる。これは、導体の体積削減によって熱容量が十分ではなくなり過渡的な発熱を吸収できなくなるためである。
In the case of the comparative example 2 in which the cooling parts are arranged on two surfaces and the conductor width is shortened to about half to obtain a steady rise temperature equivalent to that of the comparative example 1, the characteristics are as shown by a one-dot chain line in FIG. In Comparative Example 2, there is a tendency that the transient rise temperature, which is the rise temperature at a few seconds after the heat generation of the
本実施形態では、電気自動車等のモータ駆動に用いるインバータにインバータモジュール1を適用した場合を考え、モータの加速および高トルク出力時間として3秒程度が必要となることから、半導体チップ群12の発熱から3秒時点での上昇温度と定常上昇温度との比を指標とする。 In the present embodiment, considering the case where the inverter module 1 is applied to an inverter used for driving a motor of an electric vehicle or the like, about 3 seconds are required for motor acceleration and high torque output time. The ratio of the rising temperature at 3 seconds to the steady rising temperature is used as an index.
本実施形態では、温度特性の指標を次の式(1)で規定する。この値が大きいほど定常上昇温度と過渡上昇温度の差が大きく、過渡的に温度上昇がしにくいインバータモジュール1ということができる。 In the present embodiment, the temperature characteristic index is defined by the following equation (1). The larger this value, the greater the difference between the steady rise temperature and the transient rise temperature, and it can be said that the inverter module 1 is unlikely to rise in temperature transiently.
過渡温度特性指標=1−(過渡上昇温度/定常上昇温度) …(1)
なお、ここで3秒時点での上昇温度を過渡上昇温度と規定したが、この時間は限定されるものではなく、定常上昇温度に達する前の時点であれば任意の時間をとってもよい。
Transient temperature characteristic index = 1- (transient rise temperature / steady rise temperature) (1)
Here, the temperature rise at the time of 3 seconds is defined as the transient temperature rise, but this time is not limited, and any time may be taken as long as it is before reaching the steady temperature rise.
図5に、本実施形態にかかるインバータモジュール1と、比較例1に係るインバータモジュールにおいて、第1の導体15および第2の導体16の導体幅と半導体チップ群12の定常上昇温度を示したグラフを示す。ここでは、各導体の他辺の長さが異なる複数の例の平均を代表として相関関数を導出することにより、導体幅の必要長さについての指針を得る。図5に示すように、全体として導体幅と定常上昇温度には、負の相関があることがわかる。
FIG. 5 is a graph showing the conductor widths of the
一般に、インバータモジュールを電気自動車等のインバータに適用する場合には、半導体チップの上昇温度は20K〜40Kの範囲で設計することが望ましい。その条件に照らし合わせると、図5より、比較例1の構成のインバータモジュール1Aにおいては、導体幅は8mm〜18mm程度以上の範囲で設計することが望ましいことがわかる。 In general, when the inverter module is applied to an inverter such as an electric vehicle, it is desirable to design the rising temperature of the semiconductor chip in the range of 20K to 40K. In light of the conditions, it can be seen from FIG. 5 that in the inverter module 1A having the configuration of Comparative Example 1, it is desirable to design the conductor width in a range of about 8 mm to 18 mm or more.
本実施形態にかかるインバータモジュール1の構成では、20K〜40Kの範囲で設計する場合、冷却効率が向上することから、定常上昇温度のみを考慮すると、導体幅は4mm〜9mm程度以上の範囲で設計することが可能となり、比較例1の約半分の幅で構成することができる。 In the configuration of the inverter module 1 according to the present embodiment, when designing in the range of 20K to 40K, the cooling efficiency is improved. Therefore, considering only the steady rise temperature, the conductor width is designed in the range of about 4 mm to 9 mm or more. Therefore, the width can be approximately half that of Comparative Example 1.
図6に、本実施形態にかかるインバータモジュール1において、導体高さと定常上昇温度の関係を示す。図7は、インバータモジュール1の導体高さ差H3と過渡上昇温度の関係を示すグラフである。図8はインバータモジュール1の導体高さ差H3と過渡温度特性指標の関係を示すグラフである。図6において、導体幅Wをそれぞれ4mm、8mm、12mm、とした場合の他辺の長さが異なる複数の例の平均値を破線で示す。図7は導体幅をそれぞれ4mm、8mm、12mm、とした場合の平均値である。図8は導体幅の長さが異なる複数の例の平均値である。 FIG. 6 shows the relationship between the conductor height and the steady rise temperature in the inverter module 1 according to the present embodiment. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the conductor height difference H3 of the inverter module 1 and the transient rise temperature. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the conductor height difference H3 of the inverter module 1 and the transient temperature characteristic index. In FIG. 6, the average values of a plurality of examples having different lengths on the other sides when the conductor width W is 4 mm, 8 mm, and 12 mm are indicated by broken lines. FIG. 7 shows average values when the conductor widths are 4 mm, 8 mm, and 12 mm, respectively. FIG. 8 shows average values of a plurality of examples having different conductor widths.
図6より、各導体幅Wにおいて、導体高さ差H3と定常上昇温度はほぼ一定の値を示すこととなり、導体高さ差H3と定常上昇温度の値には、強い相関はないことがわかる。 FIG. 6 shows that the conductor height difference H3 and the steady rise temperature have almost constant values at each conductor width W, and there is no strong correlation between the conductor height difference H3 and the steady rise temperature. .
図7に示すように、一方で、導体高さ差H3と過渡上昇温度の関係に関しては負の相関があり、導体高さ差H3を長くすることによって、過渡上昇温度を抑制することができることがわかる。 As shown in FIG. 7, on the other hand, there is a negative correlation with respect to the relationship between the conductor height difference H3 and the transient rise temperature, and the transient rise temperature can be suppressed by increasing the conductor height difference H3. Recognize.
図8に示すように、これらの結果から、導体高さ差H3と、半導体チップ群12の定常上昇温度と過渡上昇温度の比である過渡温度特性指標の関係においては、導体高さ差H3が大きくなるにつれて過渡温度特性指標が大きくなる傾向はある一方で、導体高さ差H3がある程度より大きくなるとその増加割合は低下することがわかる。また、導体高さ差H3はインバータモジュール1の体積と直接関係があり、ある範囲を超えるとインバータモジュール1の体積の増加に対して、過渡温度特性指標の増加割合が小さくなるため、導体高さ差H3の値には、適正な設計範囲があることがわかる。
As shown in FIG. 8, from these results, in the relationship between the conductor height difference H3 and the transient temperature characteristic index which is the ratio of the steady rise temperature and the transient rise temperature of the
図9に、導体高さ差H3を横軸として、過渡温度特性指標と導体高さの比を実線で、各導体幅Wにおける導体15,16の断面積について破線で示す。図9では、導体幅Wがそれぞれ4mm、8mm、12mmのときの特性を示している。図9から、導体高さ差H3が3mm〜5mmの範囲において、過渡温度特性指標と導体高さの比が最も大きな値を示しており、この範囲で導体15,16を構成することによって、インバータモジュール1の断面積に比較して最も効率的に定常上昇温度と過渡上昇温度の比を大きくとることができることがわかる。ただし、導体幅Wが12mmの条件においては、導体高さ差H3が10mm以上において、比較例1による導体断面積を超える範囲となることから、インバータモジュール1の小型化という観点から効果が見出せなくなる。
In FIG. 9, the ratio of the transient temperature characteristic index and the conductor height is indicated by a solid line with the conductor height difference H3 as a horizontal axis, and the cross-sectional areas of the
図10は、インバータモジュール1における過渡温度特性指標と導体高さの比を示す。図10に示すように、導体高さ差H3を15mm以上に大きくしたところで、過渡温度特性指標と導体高さの比が最大値に対して90%程度以下となる。このことから、導体高さ差H3を15mm以上に大きくすると、インバータモジュール1の体積と過渡温度特性指標の比が良好な領域から外れ、定常上昇温度と過渡上昇温度の比が十分に確保できない範囲となる。 FIG. 10 shows the ratio between the transient temperature characteristic index and the conductor height in the inverter module 1. As shown in FIG. 10, when the conductor height difference H3 is increased to 15 mm or more, the ratio between the transient temperature characteristic index and the conductor height is about 90% or less with respect to the maximum value. For this reason, when the conductor height difference H3 is increased to 15 mm or more, the ratio of the volume of the inverter module 1 to the transient temperature characteristic index deviates from a favorable range, and the ratio between the steady rise temperature and the transient rise temperature cannot be secured sufficiently. It becomes.
図10に示すように、導体高さ差H3が15mm以内で特性最大値の90%範囲となり、15mm以上の導体高さで設計すると、改善効果よりも体積の増加の割合が増加することがわかる。 As shown in FIG. 10, it can be seen that the conductor height difference H3 is within 90% of the maximum characteristic value within 15 mm, and if the design is made with a conductor height of 15 mm or more, the rate of increase in volume increases rather than the improvement effect. .
図11に、第1の導体15及び第2の導体16の導体高さH1と、半導体チップ群12のチップ高さH2との差である高さ差H3が1mm以上15mm以下とする範囲をA3として示す。
FIG. 11 shows a range in which the height difference H3, which is the difference between the conductor height H1 of the
図10に示されるように、導体高さ差H3が0mm(チップ長さと同じ)ところが理論上の最小高さとなるため、その値と同等の特性を示す範囲については、導体高さH1をチップよりも高くすることにより、改善効果が得られている範囲とみなすことができる。したがって、好ましい条件として、導体高さ差H3が0mmと同等の特性を示す、高さ差H3が9mm以下の範囲を、A2として図11に示す。 As shown in FIG. 10, where the conductor height difference H3 is 0 mm (same as the chip length), the theoretical minimum height is obtained. Can be regarded as a range in which an improvement effect is obtained. Therefore, as a preferable condition, a range where the height difference H3 is equal to or less than 0 mm and the height difference H3 is 9 mm or less is shown as A2 in FIG.
図10より、導体高さ差H3が4mmのところで、「過渡温度特性指標/導体高さ比」が最大値を示している。このことから、より好ましい条件として、高さ差H3が4mm以下の範囲をA1として図11に示す。 From FIG. 10, when the conductor height difference H3 is 4 mm, the “transient temperature characteristic index / conductor height ratio” shows the maximum value. Therefore, as a more preferable condition, a range where the height difference H3 is 4 mm or less is shown as A1 in FIG.
ここで、例えば従来のインバータモジュールを、導体幅は20mm、導体高さはチップ高さ(10mmと仮定)より2mm高い導体で設計されるものとすれば、断面積は20mm×12mmで240mm2となる。したがって、従来構成よりも小型化することを条件とすると、導体幅と導体高さの積を240mm2以下とする必要があり、寸法の条件は次の式(2)で表せる。 Here, for example, if a conventional inverter module is designed with a conductor having a conductor width of 20 mm and a conductor height 2 mm higher than the chip height (assumed to be 10 mm), the cross-sectional area is 20 mm × 12 mm and 240 mm 2 . Become. Therefore, if the size is smaller than the conventional configuration, the product of the conductor width and the conductor height needs to be 240 mm 2 or less, and the dimensional condition can be expressed by the following equation (2).
導体幅[mm]=240[mm2]/(導体高さ差[mm]+10[mm])…式(2)
図11に示す式2の曲線は導体幅Wと導体高さ差H3から、冷却部を片面にのみ配置する比較例1の構成よりもYZ平面の導体断面積を小さくすることができる範囲を示している。
Conductor width [mm] = 240 [mm 2 ] / (Conductor height difference [mm] +10 [mm]) (2)
The curve of Formula 2 shown in FIG. 11 shows the range in which the conductor cross-sectional area of the YZ plane can be made smaller than the configuration of Comparative Example 1 in which the cooling part is arranged only on one side, from the conductor width W and the conductor height difference H3. ing.
また、従来構成の導体幅Wについて20mmを基準とすれば、第1の導体15や第2の導体16の導体幅Wはそれぞれ20mm以下とすることが望ましく、この範囲を図11に示す。
In addition, if the conductor width W of the conventional configuration is based on 20 mm, the conductor widths W of the
さらに、図第1の導体15及び第2の導体16の導体幅Wは、図5で説明した定常上昇温度の条件を考慮すると4mm以上が望ましい。このため、導体幅Wが4mm以上の範囲を図11に示す。
Further, the conductor width W of the
また、チップを冷却部17の伝熱面に対して垂直に配置する構造では、半導体チップ群12に導体15,16を接合し、かつ半導体チップ群12が他の部品と干渉しないように、間隙を設ける必要がある。したがって、導体高さH1は、半導体チップ群12のチップ高さH2、すなわちZ方向の長さよりも長く構成される。また、設計上、各部品との干渉を回避するため半導体チップと他の部品との間隔は0.5mm以上設けることが望ましいため、導体高さ差の下限値は1mmとして図11に示す。
Further, in the structure in which the chips are arranged perpendicular to the heat transfer surface of the cooling
以上の結果から、インバータモジュール1の体積と過渡温度特性指標の比を高く得られる範囲は、図11の導体高さ差H3と導体幅Wを軸に取ったそれぞれの線に囲まれた斜線の範囲と言うことができ、この範囲において導体を設計することにより、定常上昇温度と過渡上昇温度の比を高く保ちながら、インバータモジュール1の小型化を図ることが可能となる。 From the above results, the range in which the ratio of the volume of the inverter module 1 and the transient temperature characteristic index can be obtained is high in the hatched lines surrounded by the respective lines with the conductor height difference H3 and the conductor width W as axes. By designing the conductor in this range, it is possible to reduce the size of the inverter module 1 while keeping the ratio of the steady rise temperature and the transient rise temperature high.
導体高さ差H3が15mmの線で囲まれるA3は、過渡温度特性指標が高い範囲すなわち、特性最大値の90%を確保できる範囲であって、体積の増加よりも改善効果の高い一定の範囲を示している。 A3 surrounded by a line having a conductor height difference H3 of 15 mm is a range in which the transient temperature characteristic index is high, that is, a range in which 90% of the maximum characteristic value can be secured, and a certain range in which an improvement effect is higher than an increase in volume. Is shown.
導体高さ差H3が9mmの線で囲まれるA2は、導体高さを半導体チップ群12の長さと同じとする場合と同等の特性を確保できる範囲であって、導体高さを半導体チップ群12の長さよりも長くすることにより、改善効果が得られている範囲を示している。
A2 surrounded by a line having a conductor height difference H3 of 9 mm is a range in which characteristics equivalent to those when the conductor height is made equal to the length of the
導体高さ差H3が4mmの線で囲まれるA1は、「過渡温度特性指標/導体高さ比」が最大値を示している範囲を示している。 A1 surrounded by a line having a conductor height difference H3 of 4 mm indicates a range where the “transient temperature characteristic index / conductor height ratio” shows the maximum value.
図12は、比較例1の構成における導体高さ差に対する過渡温度特性指標と導体高さの比を示す。この図12に示すように、導体15,16の一方側にのみ冷却部を有する比較例1の構成では、導体高さ差に対する過渡温度特性指標と導体高さの比の最大値は、導体高さ差が負となる領域でしか取り得ないことがわかる。これは、導体高さが半導体チップ群12の同方向の長さよりも短い領域において最適値となるということを示しており、インバータモジュール1の体積と、定常・過渡上昇温度比の関係において、最適な範囲で設計することができないことを示している。
FIG. 12 shows the ratio of the transient temperature characteristic index and the conductor height with respect to the conductor height difference in the configuration of Comparative Example 1. As shown in FIG. 12, in the configuration of Comparative Example 1 having the cooling part only on one side of the
本実施形態にかかるインバータモジュール1は、導体15,16の両面に冷却部17,18を設けることによって、片面のみの構成よりも高い冷却性能を確保することができるとともに、図11に示す一定の範囲で寸法を設計することにより、定常上昇温度と過渡上昇温度の比を高く保ちながら、インバータモジュール1の小型化を図ることが可能となる。
In the inverter module 1 according to the present embodiment, by providing the cooling
すなわち、一般的に過渡温度特性を向上させるためには、導体の体積を増加させて熱容量を大きくする必要があるが、導体幅を長くしても、あるいは冷却部の接合面に垂直な辺の長さ(導体高さ)を長くしても、半導体チップから冷却部までの伝熱経路が長くなり、体積の増加に比べて冷却効率が向上しにくいという傾向があり、全体として冷却効率を高めることが難しい。このため、冷却性能と小型化を両立することが困難であるが、本実施形態では、導体幅Wを4mm以上とすることで、定常上昇温度を一定以下に抑え、また、導体幅Wを20mm以下とし、断面積を240mm2以下としたことで、従来構造よりも小型とすることができる。さらに、導体高さ差H3は1mm以上15m以下とすることにより、過渡温度特性指標が高く、特性最大値の90%を確保できる。例えば電気自動車のインバータ装置に適用した場合には、アクセルペダルを踏んでから数秒程度の短時間での温度上昇が低く、加速を大きくすることができる。また、導体高さ差H3を9mm以下とした場合、導体高さH1を半導体チップ群12と同じとする場合と同等の特性を確保できる。さらに、導体高さ差H3を4mm以下とした場合、より高い「過渡温度特性指標/導体高さ比」を得られる。
[第2実施形態]
図13乃至図15に従って、第2実施形態に係るインバータモジュール2について、説明する。なお、第2実施形態にかかるインバータモジュール2は、複数の半導体チップ群12を幅方向に並列に配置するとともに、複数の半導体チップ群12間に第3の導体19を設けた点が、上記第1実施形態と異なる。この他は第1実施形態にかかるインバータモジュール1と同様であるため、第2実施形態にかかるインバータモジュール2において、インバータモジュール1と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
That is, in order to generally improve the transient temperature characteristics, it is necessary to increase the heat capacity by increasing the volume of the conductor. However, even if the conductor width is increased or the side perpendicular to the joint surface of the cooling portion is increased. Even if the length (conductor height) is lengthened, the heat transfer path from the semiconductor chip to the cooling part becomes longer, and it tends to be difficult to improve the cooling efficiency compared to the increase in volume. It is difficult. For this reason, it is difficult to achieve both cooling performance and downsizing, but in this embodiment, by setting the conductor width W to 4 mm or more, the steady rise temperature is suppressed to a certain level or less, and the conductor width W is set to 20 mm. By making the following and the cross-sectional area 240mm 2 or less, it can be made smaller than the conventional structure. Furthermore, by setting the conductor height difference H3 to 1 mm or more and 15 m or less, the transient temperature characteristic index is high, and 90% of the maximum characteristic value can be secured. For example, when applied to an inverter device of an electric vehicle, the temperature rise in a short time of about several seconds after the accelerator pedal is depressed is low, and acceleration can be increased. Further, when the conductor height difference H3 is set to 9 mm or less, the same characteristics as when the conductor height H1 is the same as that of the
[Second Embodiment]
The inverter module 2 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. In the inverter module 2 according to the second embodiment, the plurality of
図13は、第2実施形態のインバータモジュール2の実装構造を示す斜視図であり、図14は正面図、図15は上側の冷却部を省略して上から見た平面図である。 FIG. 13 is a perspective view showing the mounting structure of the inverter module 2 of the second embodiment, FIG. 14 is a front view, and FIG. 15 is a plan view seen from above with the upper cooling part omitted.
図13乃至図15に示すように、第2実施形態に係るインバータモジュール2は、冷却部17,18間に幅方向に並ぶ第1、第2、及び第3の導体15,16,19を備え、インバータモジュール2の幅方向に並列に半導体チップ群12を2つ有している。
As shown in FIGS. 13 to 15, the inverter module 2 according to the second embodiment includes first, second, and
一方の半導体チップ群12を構成するIGBT13及びダイオード14は、それぞれ一方の主面が第1の導体15に接合され、他方の主面は第2の導体16に接合される。他方の半導体チップ群12を構成するIGBT13及びダイオード14は、それぞれ一方の主面が第2の導体16に接合され、他方の主面は第3の導体19に接合される。第3の導体19は第1及び第2の導体15,16と同様に構成されている。
As for IGBT13 and
第1の導体15には、一方の半導体チップ群12の正極側が電気的かつ機械的に接合されており、第2の導体16には一方の面に一方の半導体チップ群12の負極側、他方の面に他方の半導体チップ群12の正極側が電気的かつ機械的に接合されている。さらに第3の導体19には、他方の半導体チップ群12の負極側が電気的かつ機械的に接合されている。したがって、第1の導体15は、正側導体として正電極を形成し、第3の導体19は負側導体として負電極を形成し、第2の導体16は、出力となる交流側電極を形成する。
The positive electrode side of one
また、第1の導体15、第2の導体16、第3の導体19は、それぞれ半導体チップ群12との接合面に垂直な両端面に、電気的な絶縁を確保するための絶縁部21が接合され、さらに絶縁部21はベース部22を介して放熱器20に接続されている。すなわち、半導体チップ群12との接合面に垂直な両端面が冷却部17,18との接合面である伝熱面を構成する。
The
図15に示すように、第1の導体15に接合された一方のIGBT13は、第2の導体16に接合された他方のIGBT13に対して、インバータモジュール1の長手方向(X方向)にずれた位置に配設されている。すなわち、図15に示すように、第1及び第2のIGBT13はそれぞれ向かい合うことなく、インバータモジュール2の幅方向において互いに重ならないように、配置されている。一方のIGBT13と他方のダイオード14とが第2の導体16を介して向かい合って配置され、一方のダイオード14と他方のIGBT13とが第2の導体16を介して向い合って配置されている。
As shown in FIG. 15, one
一般に、電力半導体モジュールにおいて、ダイオード14に比較してIGBT13の方が、発熱量が大きいため、一対のIGBT13は、互いに向かい合うことなく、第3の導体の長手方向に対して互いにずれた位置に配設することによって、IGBT13によって生じた熱に起因する、第2の導体16における伝熱の干渉が低減され、全体として熱をこもりにくくすることが可能となる。
In general, in a power semiconductor module, the
インバータモジュール2において、第1の導体15、第2の導体16、第3の導体19を第1の実施形態に係る導体15,16と同様の寸法設定として構成する。すなわち、各導体15,16,19は、導体幅4mm以上、20mm以下とする。また、各導体15,16,19の導体高さH1は、チップ部の高さH2よりも大きく、導体高さ差H3は1mm以上15mm以下とする。また、好ましくは、導体高さ差H3は9mm以下に構成する。より好ましくは、導体高さ差H3は4mm以下とする。
In the inverter module 2, the
また、導体15,16,19の断面積は240mm2以下に構成される。
The cross-sectional areas of the
本実施形態にかかるインバータモジュール2においても、上記第1実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、両面に冷却部17,18を設けることによって、片面のみの構成よりも高い冷却性能を確保することができるとともに、図11に示す一定の範囲で寸法を設計することにより、定常上昇温度と過渡上昇温度の比を高く保ちながら、インバータモジュール1の小型化を図ることが可能となる。
Also in the inverter module 2 according to the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained. That is, by providing the cooling
さらに、本実施形態にかかるインバータモジュール2は、IGBT13とダイオード14とが第2の導体16を挟んで対向するように配置し、特に発熱の多いIGBT13,13の位置をずらして配置する。このため、発熱部位が分散することで、第2の導体16を第1及び第3の導体15,19と同様に構成しても、所望の冷却性能を確保できる。また、第2の導体16を挟んで2つの半導体チップ群12、12を配置し、1つのインバータモジュール2によって正側電極、負側電極、交流電極を備えることができ、かつ熱による干渉が少ないために、第1の導体15、第2の導体16、第3の導体19の導体幅を第1形態で示した設計範囲において任意に設定することができる。したがって、全体として小型で、かつ定常上昇温度と過渡上昇温度の比が大きく過渡温度特性の良好なインバータモジュール2を構成することができる。
[第3実施形態]
図16に従って、第3実施形態に係るインバータモジュール5について説明する。
Furthermore, the inverter module 2 according to the present embodiment is arranged such that the
[Third embodiment]
The
図16に示すように、インバータモジュール3はIGBT13、13およびダイオード14、14を、第2実施形態のようにずらして配置せずに、それぞれ互いのIGBT13同士、及びダイオード14同士が、第2の導体16を挟んで対向する位置に配設している。また、第2の導体16の幅寸法は第1及び第3の導体15,19の2倍とした。この他は第2実施形態にかかるインバータモジュール1、2と同様であるため、インバータモジュール4において、第1実施形態や第2実施形態に係るインバータモジュール1,2と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
As shown in FIG. 16, in the
このような構成においては、IGBT13の運用条件によっては第2の導体16に熱が集中するため上述のインバータモジュール2に比べて冷却特性が確保し難いが、このようにIGBT13同士を対向する位置に配設する場合には、両半導体チップ群12が接合される第2の導体16の導体幅の最小値を第1実施形態で示される設計範囲の2倍に設定し、8mm〜20mmの範囲で設計する。すなわち、第2の導体16の導体幅は、第1の導体15の導体幅または第3の導体19の導体幅より大きく設定される。また、本実施形態においては、第2の導体16の導体幅は、第1の導体15の導体幅と第3の導体19の導体幅の合計以下に設定される。
In such a configuration, depending on the operating conditions of the
本実施形態によれば、上記のように導体15,16、19を設計することで、第1の実施形態と同様にインバータモジュールの体積増加を抑えつつ、定常上昇温度と過渡上昇温度の比を大きくする構成とすることができる。
According to the present embodiment, by designing the
また、他の実施形態として、出力を確保するために、半導体チップ群12を奥行き方向に複数並列に配置してもよい。さらに、例えば幅方向及び奥行き方向にそれぞれ複数のチップ組12A,12Bを並列してもよい。例えば、幅方向に並列するチップ組12A,12Bの間に第3の導体19を挟む場合、第3の導体19を挟んでIGBTが対向する配置とした場合でも、インバータモジュール5と同様に、第2の導体16の導体幅の最小値を、第1及び第3導体の導体幅の設計範囲の合計に設定し、8mm〜20mmの範囲で設計することで、上記第2実施形態と同じ効果を得ることができる。
As another embodiment, a plurality of
なお、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、その他の様々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。 In addition, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of 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、2,3,…インバータモジュール、12…半導体チップ群、13…IGBT、14…ダイオード、15…第1の導体、16…第2の導体、17…冷却部、18…冷却部、19…第3の導体、20…放熱器、21…絶縁部、22…ベース部。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
一対の前記冷却部の間において、前記第1方向と交差する第2方向に並んで配置され、一対の前記冷却部に熱伝達可能に接続される一対の伝熱面をそれぞれ有する第1及び第2の導体と、
前記第1及び第2の導体の間に配置され、前記第1及び第2の導体に少なくとも熱伝達可能に接続される面を有する半導体チップと、を備え、
前記第1及び第2の導体の前記第2方向における長さが4mm以上20mm以下であり、前記第1の導体及び前記第2の導体は、一対の前記伝熱面を通る最小の断面の面積が240mm2以下に構成され、
前記第1及び第2の導体は、一対の前記伝熱面の間の長さが、前記半導体チップの長さよりも長く、
一対の前記伝熱面の間の長さと、前記半導体チップの長さとの差が1mm以上15mm以下の範囲である、ことを特徴とするインバータモジュール。 A pair of cooling parts having surfaces facing each other in the first direction;
Between the pair of cooling units, the first and first units are arranged side by side in a second direction intersecting the first direction and each have a pair of heat transfer surfaces connected to the pair of cooling units so as to be able to transfer heat. Two conductors,
A semiconductor chip that is disposed between the first and second conductors and has a surface that is connected to the first and second conductors so that at least heat transfer is possible, and
The length of the first and second conductors in the second direction is not less than 4 mm and not more than 20 mm, and the first conductor and the second conductor have a minimum cross-sectional area passing through the pair of heat transfer surfaces. Is configured to be 240 mm 2 or less,
In the first and second conductors, the length between the pair of heat transfer surfaces is longer than the length of the semiconductor chip,
An inverter module, wherein a difference between a length between the pair of heat transfer surfaces and a length of the semiconductor chip is in a range of 1 mm to 15 mm.
前記第2の導体の、前記半導体チップとの接合面とは反対側の面に、その一方の面が伝熱可能に接続されたスイッチング素子を有する第2の半導体チップと、
一対の前記冷却部の間において、一対の前記冷却部に熱伝達可能に接続される一対の伝熱面をそれぞれ有し、前記第2の半導体チップの他方の面に伝熱可能に接続された第3の導体と、をさらに備え、
前記第1の導体と前記第2の導体との間に配される前記半導体チップのスイッチング素子と、前記第2の導体と前記第3の導体との間の配される前記第2の半導体チップのスイッチング素子とは、前記第2方向において、互いに重ならない位置に配され、
前記第3の導体の前記第2方向における長さが4mm以上20mm以下であり、前記第3の導体は、一対の前記伝熱面を通る最小の断面の面積が240mm2以下に構成され、
前記第3の導体は、一対の前記伝熱面の間の長さが、前記半導体チップの長さよりも長く、
一対の前記伝熱面の間の長さと、前記半導体チップの長さとの差が1mm以上15mm以下の範囲である、ことを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか記載のインバータモジュール。 The semiconductor chip has a switching element,
A second semiconductor chip having a switching element whose one surface is connected to the surface opposite to the bonding surface with the semiconductor chip of the second conductor so that heat transfer is possible;
Between the pair of cooling units, each of the pair of cooling units has a pair of heat transfer surfaces connected to be able to transfer heat, and is connected to the other surface of the second semiconductor chip so as to be able to transfer heat. A third conductor; and
The semiconductor chip switching element disposed between the first conductor and the second conductor, and the second semiconductor chip disposed between the second conductor and the third conductor. The switching element is arranged in a position not overlapping each other in the second direction,
The length of the third conductor in the second direction is 4 mm or more and 20 mm or less, and the third conductor is configured such that the area of the minimum cross section passing through the pair of heat transfer surfaces is 240 mm 2 or less,
In the third conductor, the length between the pair of heat transfer surfaces is longer than the length of the semiconductor chip,
The inverter module according to any one of claims 1 to 3, wherein a difference between a length between the pair of heat transfer surfaces and a length of the semiconductor chip is in a range of 1 mm or more and 15 mm or less.
一対の前記冷却部の間において、前記第1方向と交差する第2方向に並んで配置され、前記一対の冷却部に伝熱可能に接続される一対の伝熱面をそれぞれ有する第1、第2、及び第3の導体と、
前記第1及び第2の導体の間に配置され、前記第1及び第2の導体に少なくとも伝熱可能に接続される面を有するスイッチング素子を備える第1の半導体チップと、
前記第2及び第3の導体の間に配置され、前記第2及び第3の導体に少なくとも伝熱可能に接続される面を有するスイッチング素子を備える第2の半導体チップと、を備え、
前記第1及び第3の導体の前記第2方向における長さが4mm以上20mm以下であり、
前記第1の導体及び前記第3の導体は、一対の前記伝熱面を通る最小の断面積が240mm2以下に構成され、
前記第2の導体の前記第2方向における長さが8mm以上40mm以下であり、前記第2の導体は、一対の前記伝熱面を通る最小の断面の面積が480mm2以下に構成され、
前記第1、第2、及び第3の導体は、一対の前記伝熱面の間の長さが、前記半導体チップの長さよりも長く、一対の前記伝熱面の間の長さと前記半導体チップの長さとの差が1mm以上15mm以下の範囲であり、
複数の前記スイッチング素子が、前記第2方向において、前記第2の導体を挟んで並んで配置され、前記2の導体は、前記第2方向における長さが、前記第1の導体の長さまたは前記第3の導体の長さより大きく、前記第1の導体及び前記第3の導体の長さの合計以下である、ことを特徴とする請求項4に記載のインバータモジュール。 A pair of cooling parts having surfaces facing each other in the first direction;
Between the pair of cooling units, the first and first units are arranged side by side in a second direction intersecting the first direction and each have a pair of heat transfer surfaces connected to the pair of cooling units so as to be capable of transferring heat. 2 and a third conductor;
A first semiconductor chip comprising a switching element disposed between the first and second conductors and having a surface connected to the first and second conductors so as to be capable of at least heat transfer;
A second semiconductor chip including a switching element disposed between the second and third conductors and having a surface connected to the second and third conductors so as to be capable of at least heat transfer;
The length in the second direction of the first and third conductors is 4 mm or more and 20 mm or less,
The first conductor and the third conductor are configured so that a minimum cross-sectional area passing through the pair of heat transfer surfaces is 240 mm 2 or less,
The length of the second conductor in the second direction is 8 mm or more and 40 mm or less, and the second conductor is configured such that the area of the minimum cross section passing through the pair of heat transfer surfaces is 480 mm 2 or less,
In the first, second, and third conductors, the length between the pair of heat transfer surfaces is longer than the length of the semiconductor chip, and the length between the pair of heat transfer surfaces and the semiconductor chip The difference with the length of 1 mm or more and 15 mm or less,
A plurality of the switching elements are arranged side by side with the second conductor in the second direction, and the length of the second conductor in the second direction is equal to the length of the first conductor or 5. The inverter module according to claim 4, wherein the inverter module is larger than a length of the third conductor and equal to or less than a total length of the first conductor and the third conductor.
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