JP6569781B2 - パワー半導体モジュール、流路部材、パワー半導体モジュール構造体及び自動車 - Google Patents
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Description
パワー半導体モジュールは、第1面及び第2面を備える金属ベース板と、前記第1面に接合され、第3面及び第4面を備える積層基板と、前記第3面に搭載された半導体素子と、前記金属ベース板の第1面側に配置され、前記積層基板及び前記半導体素子を囲む樹脂ケースと、前記金属ベース板の第2面側に接合され、冷却液を流通可能な空間が形成された冷却ケースと、を備える。冷却ケースは、冷却液の入口部及び出口部を有し、前記入口部の導入口側に第1フランジを備え、前記出口部の排出口側に第2フランジを備える。前記第1フランジの主面が前記金属ベースの第1面に平行であり、前記第2フランジの主面が前記金属ベースの第1面に平行である。
上記パワー半導体モジュールに組み合わされる流路部材である。前記パワー半導体モジュールが、金属ベース板と、前記金属ベース板の裏面に接合され、冷却液を流通可能な空間が形成された冷却ケースとを備える。さらに、前記冷却ケースは、冷却液の入口部及び出口部を有し、前記入口部の導入口側に第1フランジを備え、前記出口部の排出口側に第2フランジを備える。前記流路部材は、前記第1フランジに接続し得る第1接続部と、前記第2フランジに接続し得る第2接続部と、前記第1接続部に接続し前記冷却液を流通可能な第1流路と、前記第2接続部に接続し前記冷却液を流通可能な第2流路とを備え、前記冷却ケースの底面に対向して配置され得る。
前記パワー半導体モジュールと、前記流路部材とを組み合わされてなるパワー半導体モジュール構造体。
図1は本発明のパワー半導体モジュールの一実施形態の外観を示す斜視図である。図2は、図1のパワー半導体モジュールを裏面側から見た斜視図である。図1及び図2に示すパワー半導体モジュール1は、インバータ回路を構成する6in1タイプのパワー半導体モジュールである。パワー半導体モジュール1は、金属ベース板12と、半導体チップ16を収容し、底面が金属ベース板12のおもて面に接着された樹脂ケース11と、金属ベース板12の裏面に接合された冷却ケース13とを備えている。
フランジ13g1は導入口13eに対向する様に配置された第1開口部である開口部13egを備える。フランジ13g2は排出口13fに対向する様に配置された第2開口部である開口部13fgを備える。さらにフランジ13g1は開口部13egを挟んで配置された2つで一組の第1ボルト孔であるボルト孔13hが形成されている。フランジ13g2は開口部13fgを挟んで配置された2つで一組の第2ボルト孔であるボルト孔13hが形成されている。これらのボルト孔13hは、金属ベース板12に形成されたボルト孔12aと同じ間隔で形成され、ボルト孔12aと同じ位置に配置されている。これらのボルト孔13hは、パワー半導体モジュール1を流路部材31(図7参照)に取り付けるためのボルト孔と、パワー半導体モジュールの導入口及び排出口を流路部材31の流路に接続するためのボルト孔とを兼ねる。フランジ13g1、13g2はそれぞれ一組以上のボルト孔13hを備えてもよい。
このようにボルト孔13h、貫通孔11a及びボルト孔12aを配置することにより、ボルトによりパワー半導体モジュールを流路部材31に締結固定するとともに、導入口13e及び排出口13fを流路部材31の流路に接続できるので、取り付け作業の手間を軽減することができ、また、ボルト数も低減できる。また、パワー半導体モジュール1を取り付けたときの剛性を向上させることができる。更に、パワー半導体モジュール1を固定するための領域と流路を接続するための領域とのトータルの領域を削減することができるので、パワー半導体モジュール1を小型化することができる。
実施形態1のパワー半導体モジュール1が取り付けられる流路部材31を、図7を用いて説明する。図7は、パワー半導体モジュール1及び流路部材31の斜視図である。部分的に断面を示している。図7において、パワー半導体モジュール1は、図1〜図6に示したパワー半導体モジュール1と同一とすることができる。したがって、図7ではパワー半導体モジュール1及びその部材について図1〜図6と同一の符号を付しており、以下では重複する説明を省略する。
流路部材31は、実施形態1のパワー半導体モジュール1と組み合わせることにより、パイプを用いることなくパワー半導体モジュール1を取り付けることができ、または取り付け作業の手間を軽減することができる。
実施形態1のパワー半導体モジュール1と実施形態2の流路部材31との組み合わせからなるパワー半導体モジュール構造体3を図8及び図9を用いて説明する。図8はパワー半導体モジュール構造体3の正面図であり、図9は、図8のIX部分の部分拡大図である。なお、図8及び図9ではパワー半導体モジュール1及び流路部材31について図1〜図7と同一の符号を付しており、以下では重複する説明を省略する。
図8及び図9に示したパワー半導体モジュール構造体3は、パワー半導体モジュール1と実施形態2の流路部材31とを、ボルト33により締結固定したものである。図9に示すように、フランジ13g1と凸部31a1の間には、Oリング32が配置されていて、これにより液漏れを防止している。図示していないがフランジ13g2と凸部31a2の間にもOリング32が配置されている。Oリング32は、凸部31a1、31a2の表面に溝を形成して、この溝内に収容することが好ましい。
図10A及び図10Bを用いて、本発明の別の実施形態のパワー半導体モジュール2を説明する。図10Aはパワー半導体モジュール2を斜め上方から見た斜視図であり、図10Bはパワー半導体モジュール2を裏面側から見た斜視図である。
比較のために従来のパワー半導体モジュール100を図11A及び図11Bに示す。図11Aはパワー半導体モジュール100の外観を上方から見た斜視図であり、図11Bはパワー半導体モジュール100の外観を裏面から見た斜視図である。
図11A及び図11Bに示した従来のパワー半導体モジュール100と、前述した本発明の実施形態1、実施形態4のパワー半導体モジュール1、2との対比により本発明の効果は明らかである。
図12に、パワー半導体モジュール4の平面図を示す。なお、この平面図では理解を容易にするために、蓋及び封止材を図示せず樹脂ケース11内に配置された絶縁基板15及び半導体チップ16A1、16A2、16B1、16B2が見えている状態を示している。樹脂ケース11より下方の構造は、図1〜3に示したパワー半導体モジュール1と同様に金属ベース板12及び冷却ケース13を備えることができる。具体的に、樹脂ケース11の底面には、金属ベース板12のおもて面が接着され、金属ベース板12の裏面には、冷却ケース13が接合されている。冷却ケース13に配置されたフィンは薄板形状であり、冷却ケース13の短手方向に沿って複数個がそれぞれ間隔を空けて配置されている構造とすることができる。
また、回路板15bf上の半導体チップ16A1、16A2のおもて面に形成された主電極と、回路板15bbとが、ワイヤ19により接続されている。回路板15bb上の半導体チップ16B1、16B2のおもて面に形成された主電極と、回路板15beとが、ワイヤ19により接続されている。
1個の絶縁基板15に接合された4個の半導体チップ16A1、16A2、16B1、16B2は、一相における一組の上アームAu及び下アームAl、すなわちレグを構成している。より具体的に、図12においては、金属ベース板12の短辺方向に沿って配置された2個の半導体チップ16A1及び半導体チップ16A2がインバータ回路を構成する一相、例えばU相における上アームAuを構成し、半導体チップ16B1及び半導体チップ16B2が下アームAlをそれぞれ構成している。上アームAuに対応する2個の半導体チップ16A1及び半導体チップ16A2が、金属ベース板12の直下でフィン17間を流れる冷却液の移動方向に沿って配置されている。下アームAlに対応する2個の半導体チップ16B1及び半導体チップ16B2も同様に冷却液の移動方向に沿って配置されている。これにより、上アームAuを構成する半導体チップ16A1及び半導体チップ16A2と、下アームAlを構成する半導体チップ16B1及び半導体チップ16B2との冷却効率を等しくすることができる。
U相用プラス端子141D、V相用プラス端子142D及びW相用プラス端子143Dは互いに異なり、独立しており、かつ同じ形状であってもよい。また、U相用マイナス端子141E、V相用マイナス端子142E及びW相用マイナス端子143Eは互いに異なり、独立しており、かつ同じ形状であってもよい。U相用プラス端子141D、V相用プラス端子142D及びW相用プラス端子143Dは同じ寸法であってもよく、また、U相用マイナス端子141E、V相用マイナス端子142E及びW相用マイナス端子143Eは同じ寸法であってもよい。
電源端子の脚部の延在方向がそれぞれ平行であることにより、インダクタンスを低減させることができる。
また、図14に平面図を示すパワー半導体モジュール4は、U相用プラス端子141D及びマイナス端子141Eの間にフィルムコンデンサ25Aが設けられ、V相用プラス端子142D及びマイナス端子142Eにフィルムコンデンサ25Bが設けられ、W相用プラス端子143D及びマイナス端子143Eの間にフィルムコンデンサ25Cが設けられている。図示するフィルムコンデンサ25A、フィルムコンデンサ25B及びフィルムコンデンサ25Cは、それぞれ独立したフィルムコンデンサである。フィルムコンデンサ25A、フィルムコンデンサ25B及びフィルムコンデンサ25Cは、ケース等に収容され一体とされてもよい。なお、図14の平面図は、図12に示したパワー半導体モジュール4の樹脂ケース11内が封止材で封止され、蓋20で樹脂ケース11の開口の上端を覆っている態様を示している。
コンデンサの容量は好ましくは合計で100μF〜3000μF、好ましくは合計で400μF〜600μFである。
11 樹脂ケース
11a 貫通孔
12 金属ベース板
13、23 冷却ケース
13a、23a 底壁
13b、23b 側壁
13c、23c 入口部
13d、23d 出口部
13e、23e 導入口
13f、23f 排出口
13g1、23g1 フランジ(第1フランジ)
13g2、23g2 フランジ(第2フランジ)
13eg、23eg 開口部(第1開口部)
13fg、23fg 開口部(第2開口部)
13h、23h ボルト孔
14D、14E 外部端子
15 絶縁基板
16 半導体チップ(半導体素子)
17 フィン
25 フィルムコンデンサ
31 流路部材
Claims (28)
- 第1面及び第2面を備える金属ベース板と、
前記第1面に接合され、第3面及び第4面を備える積層基板と、
前記第3面に搭載された半導体素子と、
前記金属ベース板の第1面側に配置され、前記積層基板及び前記半導体素子を囲む樹脂ケースと、
前記金属ベース板の第2面側に接合され、冷却液を流通可能な空間が形成された冷却ケースと、
を備え、
前記冷却ケースが、冷却液の入口部及び出口部を有し、前記入口部の導入口側に第1フランジを備え、前記出口部の排出口側に第2フランジを備え、
前記第1フランジの主面が前記金属ベース板の第1面に平行であり、前記第2フランジの主面が前記金属ベース板の第1面に平行であるパワー半導体モジュール。 - 前記入口部及び前記出口部が、前記冷却ケースの長手方向縁部の中央であって、かつ前記金属ベース板の第2面の周縁に配置されている請求項1記載のパワー半導体モジュール。
- 第1面及び第2面を備える金属ベース板と、
前記第1面に接合され、第3面及び第4面を備える積層基板と、
前記第3面に搭載された半導体素子と、
前記金属ベース板の第1面側に配置され、前記積層基板及び前記半導体素子を囲む樹脂ケースと、
前記金属ベース板の第2面側に接合され、冷却液を流通可能な空間が形成された冷却ケースと、
を備え、
前記冷却ケースが、冷却液の入口部及び出口部を有し、前記入口部の導入口側に第1フランジを備え、前記出口部の排出口側に第2フランジを備え、
前記導入口が、前記金属ベース板の第2面に対向する前記入口部の底面に配置され、前記排出口が、前記金属ベース板の第2面に対向する前記出口部の底面に配置されたパワー半導体モジュール。 - 前記冷却ケースが冷却液を入口部の底面側から導入するように前記導入口が形成され、前記第1フランジが前記入口部の底面側に配置された請求項3記載のパワー半導体モジュール。
- 前記入口部及び前記出口部は、前記冷却ケースの側壁に接続されるとともに前記金属ベース板の第2面の周縁に沿って配置されている請求項4記載のパワー半導体モジュール。
- 第1面及び第2面を備える金属ベース板と、
前記第1面に接合され、第3面及び第4面を備える積層基板と、
前記第3面に搭載された半導体素子と、
前記金属ベース板の第1面側に配置され、前記積層基板及び前記半導体素子を囲む樹脂ケースと、
前記金属ベース板の第2面側に接合され、冷却液を流通可能な空間が形成された冷却ケースと、
を備え、
前記冷却ケースが、冷却液の入口部及び出口部を有し、前記入口部の導入口側に第1フランジを備え、前記出口部の排出口側に第2フランジを備え、
前記第1フランジが前記導入口に対向する第1開口部と、前記第1開口部を挟んで配置された2つで一組の第1ボルト孔とを備え、
前記第2フランジが前記排出口に対向する第2開口部と、前記第2開口部を挟んで配置された2つで一組の第2ボルト孔とを備え、
前記樹脂ケースが、前記第1ボルト孔に対応する一組の第1貫通孔と前記第2ボルト孔に対応する一組の第2貫通孔とを備え、前記第1ボルト孔及び第1貫通孔が前記樹脂ケースの厚み方向にボルトを挿入できるように配置され、前記第2ボルト孔及び第2貫通孔が前記樹脂ケースの厚み方向にボルトを挿入できるように配置されているパワー半導体モジュール。 - 前記第1ボルト孔間を結ぶ線分と、前記第2ボルト孔間を結ぶ線分とが、ほぼ平行である請求項6記載のパワー半導体モジュール。
- 前記第1フランジ及び前記第2フランジが、板である請求項6記載のパワー半導体モジュール。
- 前記第1フランジ及び第2フランジのそれぞれの長径方向が金属ベース板の長辺方向に沿って延びている請求項7記載のパワー半導体モジュール。
- 前記第1フランジの長径方向が、前記第1開口部及び前記一組の第1ボルト孔の配列方向と同じであり、前記第2フランジの長径方向が、前記第2開口部及び前記一組の第2ボルト孔の配列方向と同じである請求項9記載のパワー半導体モジュール。
- 前記半導体素子が、インバータ回路の上アームを構成する複数の第1半導体素子及び前記インバータ回路の下アームを構成する複数の第2半導体素子を含み、かつ、複数の前記第1半導体素子が、前記冷却ケースを流通し得る冷却液の移動方向に沿って配置され、複数の前記第2半導体素子が、前記冷却ケースを流通し得る冷却液の移動方向に沿って配置されている請求項1、3、6のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記第1フランジ及び第2フランジが、それぞれ前記冷却ケースにワッシャを介して、ろう付けされてなる請求項1記載のパワー半導体モジュール。
- パワー半導体モジュールと組み合わせて使用され得る流路部材であって、
前記パワー半導体モジュールが、
金属ベース板と、
前記金属ベース板の裏面に接合され、冷却液を流通可能な空間が形成された冷却ケースとを備え、
さらに、前記冷却ケースが、冷却液の入口部及び出口部を有し、前記入口部の導入口側に第1フランジを備え、前記出口部の排出口側に第2フランジを備え、
前記流路部材が、前記第1フランジに接続し得る第1接続部と、前記第2フランジに接続し得る第2接続部と、前記第1接続部に接続し前記冷却液を流通可能な第1流路と、前記第2接続部に接続し前記冷却液を流通可能な第2流路とを備え、前記冷却ケースの底面に対向して配置され得る流路部材。 - 前記第1フランジの主面が前記金属ベース板の第1面に平行であり、前記第2フランジの主面が前記金属ベース板の第1面に平行である請求項13記載の流路部材。
- 前記第1接続部が、前記冷却ケースの第1フランジの主面に当接するために前記冷却ケースの底面に対向する前記流路部材の上面に形成され、
前記流路部材の第2接続部が、前記冷却ケースの第2フランジの主面に当接するために前記流路部材の上面に形成された請求項13記載のパワー半導体モジュール。 - 前記第1フランジが前記導入口に対向する第1開口部と、前記第1開口部を挟んで配置された一組の第1ボルト孔とを備え、
前記第2フランジが前記排出口に対向する第2開口部と、前記第2開口部を挟んで配置された一組の第2ボルト孔とを備え、
前記第1接続部に、前記第1ボルト孔と位置合わせされた雌ねじ孔が形成され、
前記第2接続部に、前記第2ボルト孔と位置合わせされた雌ねじ孔が形成された請求項13記載の流路部材。 - 前記第1接続部及び第2接続部に、それぞれOリングを収容する溝を備える請求項13記載の流路部材。
- パワー半導体モジュールと流路部材とが組み合わされてなり、
前記パワー半導体モジュールが、
第1面及び第2面を備える金属ベース板と、
前記第1面に接合され、第3面及び第4面を備える積層基板と、
前記第3面に搭載された半導体素子と、
前記金属ベース板の第1面側に配置され、前記積層基板及び前記半導体素子を囲む樹脂ケースと、
前記金属ベース板の第2面側に接合され、冷却液を流通可能な空間が形成された冷却ケースと、
を備え、
前記冷却ケースが、冷却液の入口部及び出口部を有し、前記入口部の導入口側に第1フランジを備え、前記出口部の排出口側に第2フランジを備えるものであり、
前記流路部材が、
前記第1フランジに接続される第1接続部と、前記第2フランジに接続される第2接続部と、前記第1接続部に接続され前記冷却液を流通可能な第1流路と、前記第2接続部に接続され前記冷却液を流通可能な第2流路とを備え、前記冷却ケースの底面に対向して配置されるものである、
パワー半導体モジュール構造体。 - 前記第1フランジの主面が前記金属ベース板の第1面に平行であり、前記第2フランジの主面が前記金属ベース板の第1面に平行である請求項18記載のパワー半導体モジュール構造体。
- 前記第1接続部が、前記冷却ケースの第1フランジの主面に当接するために前記冷却ケースの底面に対向する前記流路部材の上面に形成され、
前記流路部材の第2接続部が、前記冷却ケースの第2フランジの主面に当接するために前記流路部材の上面に形成された請求項18記載のパワー半導体モジュール構造体。 - 前記パワー半導体モジュールと前記流路部材とが、複数のボルトにより締結された請求項18記載のパワー半導体モジュール構造体。
- 前記第1接続部及び第2接続部に、それぞれOリングを収容する溝を備え、前記各溝に、Oリングを備える請求項18記載のパワー半導体モジュール構造体。
- 上アーム及び下アームからなる第1の組と、上アーム及び下アームからなる第2の組とを備え、
前記第1の組は、少なくとも、前記積層基板として第1積層基板と、前記半導体素子として前記上アームを構成する第1半導体素子及び下アームを構成する第2半導体素子と、前記第1半導体素子及び第2半導体素子に電源を供給する第1電源端子と、を含み、
前記第2の組は、少なくとも、前記積層基板として第2積層基板と、前記半導体素子として前記上アームを構成する第3半導体素子及び下アームを構成する第4半導体素子と、前記第3半導体素子及び第4半導体素子に電源を供給する第2電源端子と、を含む、請求項1、3、6のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。 - 前記第1電源端子は、電源のプラス側に接続され得る第1プラス端子及び前記電源のマイナス側に接続され得る第1マイナス端子を含み、
前記第2電源端子は、電源のプラス側に接続され得る第2プラス端子及び前記電源のマイナス側に接続され得る第2マイナス端子を含み、
前記第1プラス端子及び前記第2プラス端子は異なる端子であり、かつ同じ形状であり、
前記第1マイナス端子及び前記第2マイナス端子は異なる端子であり、かつ同じ形状である、請求項23記載のパワー半導体モジュール。 - 前記第1プラス端子及び前記第2プラス端子は同じ寸法であり、
前記第1マイナス端子及び前記第2マイナス端子は同じ寸法である、請求項24記載のパワー半導体モジュール。 - 前記第1プラス端子及び前記第2プラス端子はそれぞれ脚部を備え、
前記第1マイナス端子及び前記第2マイナス端子はそれぞれ脚部を備え、
前記第1プラス端子の脚部の延在方向と前記第1マイナス端子の脚部の延在方向が平行であり、
前記第2プラス端子の脚部の延在方向と前記第2マイナス端子の脚部の延在方向が平行であり、かつ、
前記第1プラス端子の脚部の延在方向と前記第2プラス端子の脚部の延在方向が平行である、請求項24記載のパワー半導体モジュール。 - 前記第1プラス端子と前記第1マイナス端子とは、間に第1コンデンサが接続可能に構成され、
前記第2プラス端子と前記第2マイナス端子とは、間に第2コンデンサが接続可能に構成されている請求項24記載のパワー半導体モジュール。 - 請求項18に記載のパワー半導体モジュール構造体と、前記パワー半導体モジュール構造体を利用したモータと、を少なくとも備える自動車。
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