(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極及び負極と、
電極厚さ方向において対向するよう設けられた前記正極と前記負極との間に、挟まれるように配置される出力電極と、
前記正極と前記出力電極とに接合材を介して接続される正側スイッチング素子と、
前記正極と前記出力電極とに接合材を介して接続され、前記正側スイッチング素子とは電流を逆方向に流す正側ダイオードと、
前記負極と前記出力電極とに接合材を介して接続される負側スイッチング素子と、
前記負極と前記出力電極とに接合材を介して接続され、前記負側スイッチング素子とは電流を逆方向に流す負側ダイオードと、を備え、
前記正極及び前記負極の電極厚さは、前記出力電極の電極厚さよりも薄く設定される半導体装置。
【請求項２】
前記正極及び前記負極の少なくとも一方は、前記正側スイッチング素子又は前記負側スイッチング素子と前記正側ダイオード又は前記負側ダイオードとの間に位置するように、電極厚さ方向に突出する屈曲部を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記正極及び前記負極の少なくとも一方は、前記正側スイッチング素子又は前記負側スイッチング素子と前記正側ダイオード又は前記負側ダイオードとの間に位置するように、電極厚さ方向に貫通する貫通孔を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記正極及び前記負極の少なくとも一方は、
前記正側スイッチング素子又は前記負側スイッチング素子を介して前記出力電極と接続する第１電極と、
前記正側ダイオード又は前記負側ダイオードを介して前記出力電極と接続する第２電極と、
前記第１電極及び前記第２電極よりも薄く形成され、前記第１電極と前記第２電極を連結する連結部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記連結部は、前記第１電極と前記第２電極の隙間に臨むように湾曲形成される、ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記出力電極は、前記正側スイッチング素子及び前記負側スイッチング素子と、前記正側ダイオード及び前記負側ダイオードとを冷却するための冷却機構を備える、
ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器等に用いられる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、正極と負極の間に出力電極を配置し、正極側のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールによって正極と出力電極を直接接続し、負極側のＩＧＢＴモジュールによって負極と出力電極を直接接続する半導体装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２６２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような半導体装置では、通電時にＩＧＢＴモジュールが発熱するので、ＩＧＢＴモジュールの温度上昇を抑制するために、正極及び負極の外側に冷却器が設けられることが多い。
【０００５】
しかしながら、正極と負極の間に設けられた出力電極は冷却器によって冷却され難いので、出力電極の温度は正極及び負極よりも高くなる。そのため、ＩＧＢＴモジュールの発熱時に、出力電極は正極及び負極よりも熱膨張しやすくなる。このように出力電極と正極及び負極との間に熱膨張差が生じると、熱膨張によって出力電極が電極厚さ方向や電極面方向に変形した時にＩＧＢＴモジュールに応力が生じ、ＩＧＢＴモジュールが劣化しやすくなるという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、半導体素子の劣化を抑制可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００８】
本発明の半導体装置は、正極及び負極と、電極厚さ方向において対向するよう設けられた前記正極と前記負極との間に、挟まれるように配置される出力電極と、正極と出力電極とに接合材を介して接続される正側スイッチング素子と、正極と出力電極とに接合材を介して接続され、正側スイッチング素子とは電流を逆方向に流す正側ダイオードと、負極と出力電極とに接合材を介して接続される負側スイッチング素子と、負極と出力電極とに接合材を介して接続され、負側スイッチング素子とは電流を逆方向に流す負側ダイオードと、を備える。そして、正極及び負極の電極厚さは、出力電極の電極厚さよりも薄く設定される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、正極及び負極の電極厚さが出力電極の厚さよりも薄く設定されるので、出力電極が電極厚さ方向や電極面方向に熱膨張した場合に、出力電極の変形に応じて正極及び負極が変形しやすくなる。正極及び負極は出力電極の熱膨張に追従して弾性変形するので、正側及び負側スイッチング素子や正側及び負側ダイオードに応力が生じるのを抑制することができる。これにより、正側及び負側スイッチング素子や正側及び負側ダイオードの劣化を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による半導体装置を適用可能なモータ制御装置の回路図である。
【図２】（Ａ）は第１実施形態による半導体装置の斜視図であり、（Ｂ）は半導体装置の縦断面図である。
【図３】（Ａ）は第２実施形態による半導体装置の平面図であり、（Ｂ）は半導体装置の縦断面図である。
【図４】第３実施形態による半導体装置の縦断面図である。
【図５】第４実施形態による半導体装置の縦断面図である。
【図６】第５実施形態による半導体装置の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による半導体装置を適用可能な電動車両用モータ制御装置の回路図である。ここで、電動車両とは、電気自動車やハイブリッド自動車、燃料電池自動車等である。
【００１３】
電動車両は、バッテリ１０と永久磁石型三相交流モータ（以下「駆動モータ」という）２０との間にインバータ３０を備える。
【００１４】
インバータ３０は、バッテリ１０の正側電力線１１と負側電力線１２との間に並列に設けられる３つの半導体装置４０から構成されている。半導体装置４０は、スイッチング素子であるＩＧＢＴ素子５１、６１と、ＩＧＢＴ素子５１、６１に並列接続され、ＩＧＢＴ素子５１、６１とは電流を逆方向に流す整流ダイオード５２、６２とからなる正側ＩＧＢＴモジュール５０及び負側ＩＧＢＴモジュール６０を有している。各半導体装置４０の出力電極は、電力線を介して、駆動モータ２０の各相（Ｕ相〜Ｗ相）に接続する。
【００１５】
インバータ３０は、半導体装置４０のＩＧＢＴ素子５１、６１をオンオフ制御することによって、バッテリ１０の直流電力を交流電力に変換し、交流電力を電動車両の車軸に結合する駆動モータ２０に供給する。
【００１６】
次に、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を参照して、半導体装置４０の構成について説明する。図２（Ａ）は半導体装置４０の斜視図であり、図２（Ｂ）は半導体装置４０の縦断面図である。
【００１７】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、半導体装置４０は、バッテリ１０の正側に接続する正極４１と、バッテリ１０の負側に接続する負極４２と、正極４１と負極４２の間に配置され、駆動モータ２０に接続する出力電極４３とを備える。これら電極４１〜４３は、略矩形状のバスバーであって、弾性変形しやすいアルミニウムやアルミニウム合金によって形成される。
【００１８】
正極４１と出力電極４３は、正側ＩＧＢＴモジュール５０を介して接続される。正側ＩＧＢＴモジュール５０は、ＩＧＢＴ素子５１と整流ダイオード５２とを有している。
【００１９】
ＩＧＢＴ素子５１のコレクタ側は、接合材４４を介して、正極４１に電気的に接続する。ＩＧＢＴ素子５１のエミッタ側は、接合材４４を介して、出力電極４３に電気的に接続する。
【００２０】
整流ダイオード５２は、ＩＧＢＴ素子５１に隣接するように設けられる。整流ダイオード５２のカソード側は、接合材４５を介して、正極４１に電気的に接続する。整流ダイオード５２のアノード側は、接合材４５を介して、出力電極４３に電気的に接続する。
【００２１】
負極４２と出力電極４３は、負側ＩＧＢＴモジュール６０を介して接続される。負側ＩＧＢＴモジュール６０は、ＩＧＢＴ素子６１と整流ダイオード６２とを有している。
【００２２】
ＩＧＢＴ素子６１のコレクタ側は、接合材４６を介して、出力電極４３に電気的に接続する。ＩＧＢＴ素子６１のエミッタ側は、接合材４６を介して、負極４２に電気的に接続する。
【００２３】
整流ダイオード６２は、ＩＧＢＴ素子６１に隣接するように設けられる。整流ダイオード６２のカソード側は、接合材４７を介して、出力電極４３に電気的に接続する。整流ダイオード６２のアノード側は、接合材４７を介して、負極４２に電気的に接続する。
【００２４】
正極４１及び負極４２の外側には、冷却器７１、７２が設置される。冷却器７１、７２は、内部を流れる冷却用作動流体を利用して、通電時の正側ＩＧＢＴモジュール５０及び負側ＩＧＢＴモジュール６０を冷却する。
【００２５】
正極４１と負極４２の間に設けられる出力電極４３は冷却器７１、７２によって冷却され難いので、通電時の正側ＩＧＢＴモジュール５０及び負側ＩＧＢＴモジュール６０の発熱によって、出力電極４３の温度は正極４１及び負極４２の温度よりも高くなる。そのため、出力電極４３は電極厚さ方向や電極面方向に熱膨張する。出力電極４３が電極厚さ方向に熱膨張すると、出力電極４３が湾曲する等して、ＩＧＢＴ素子５１、６１や整流ダイオード５２、６２の内部に応力が生じる。また、出力電極４３が電極面方向に熱膨張すると、比較的温度の高い出力電極４３と、冷却されている正極４１及び負極４２との熱膨張差によって、ＩＧＢＴ素子５１、６１や整流ダイオード５２、６２の各電極４１〜４３との接合界面に応力が生じる。
【００２６】
従来の半導体装置では、これら応力に起因してＩＧＢＴモジュールが劣化しやすいという問題があった。
【００２７】
そこで、半導体装置４０では、正側ＩＧＢＴモジュール５０及び負側ＩＧＢＴモジュール６０の発熱によって出力電極４３が熱膨張して変形した場合に、その変形に応じて正極４１及び負極４２が変形可能なように、正極４１及び負極４２の電極厚さを出力電極４３の厚さよりも薄く設定する。
【００２８】
上記した第１実施形態の半導体装置４０によれば、以下の効果を得ることができる。
【００２９】
半導体装置４０では、正極４１及び負極４２の電極厚さが出力電極４３の厚さよりも薄く設定されるので、出力電極４３が電極厚さ方向や電極面方向に熱膨張した場合に、出力電極４３の変形に応じて正極４１及び負極４２が変形しやすくなる。正極４１及び負極４２は出力電極４３の熱膨張に追従して弾性変形するので、ＩＧＢＴ素子５１、６１及び整流ダイオード５２、６２に応力が生じるのを抑制することができる。したがって、正側ＩＧＢＴモジュール５０及び負側ＩＧＢＴモジュール６０の劣化を抑制することが可能となる。
【００３０】
（第２実施形態）
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を参照して、第２実施形態による半導体装置４０について説明する。図３（Ａ）は半導体装置４０の平面図であり、図３（Ｂ）は半導体装置４０の縦断面図である。
【００３１】
第２実施形態による半導体装置４０は、第１実施形態とほぼ同様の構成であるが、正極４１及び負極４２の構成において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００３２】
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、半導体装置４０の負極４２には、電極厚さ方向に貫通する貫通孔４２Ａが形成される。貫通孔４２Ａは、負側ＩＧＢＴモジュール６０のＩＧＢＴ素子６１と整流ダイオード６２の間に位置するように形成される。貫通孔４２Ａは、負極４２の電極幅方向に所定の間隔を空けて複数設けられる。
【００３３】
なお、貫通孔４２Ａは、負極４２の電極幅方向に亘って設けられる一つの開口部として形成してもよい。
【００３４】
正極４１にも、負極４２と同様に、貫通孔４１Ａが正側ＩＧＢＴモジュール５０のＩＧＢＴ素子５１と整流ダイオード５２の間に位置するように形成される。貫通孔４１Ａは、正極４１の電極幅方向に所定の間隔を空けて複数設けられる。
【００３５】
なお、貫通孔４１Ａは、正極４１の電極幅方向に亘って設けられる一つの開口部として形成してもよい。
【００３６】
上記した半導体装置４０によれば、以下の効果を得ることができる。
【００３７】
正極４１及び負極４２には、ＩＧＢＴ素子５１、６１と整流ダイオード５２、６２の間に位置するように貫通孔４１Ａ及び貫通孔４２Ａが形成されるので、正極４１及び負極４２は、電極面方向に変形しやすくなるとともに、貫通孔形成位置を中心に電極厚さ方向に湾曲しやすくなる。そのため、正極４１及び負極４２は出力電極４３の熱膨張に応じて変形しやすくなり、ＩＧＢＴ素子５１、６１及び整流ダイオード５２、６２に生じる応力をより低減することができる。これにより、正側ＩＧＢＴモジュール５０及び負側ＩＧＢＴモジュール６０の劣化抑制効果を向上させることが可能となる。
【００３８】
なお、半導体装置４０では、正極４１と出力電極４３の隙間及び負極４２と出力電極４３の隙間内にモールド樹脂を充填することがある。通電時の正側及び負側ＩＧＢＴモジュール５０、６０によってモールド樹脂が加熱され、モールド樹脂が熱膨張しても、モールド樹脂の熱膨張による変形を貫通孔４１Ａ、４２Ａ内に逃がすことができる。したがって、モールド樹脂の熱膨張に起因して正側及び負側ＩＧＢＴモジュール５０、６０に生じる応力を低減でき、正側及び負側ＩＧＢＴモジュール５０、６０の劣化を抑制することが可能となる。
【００３９】
また、半導体装置４０では、正極４１及び負極４２の両方に貫通孔４１Ａ、４２Ａを形成したが、正極４１及び負極４２のいずれか一方のみに貫通孔４１Ａ、４２Ａを形成するようにしてもよい。
【００４０】
（第３実施形態）
図４を参照して、第３実施形態による半導体装置４０について説明する。図４は、半導体装置４０の縦断面図である。
【００４１】
第３実施形態による半導体装置４０は、第１実施形態とほぼ同様の構成であるが、正極４１及び負極４２の構成において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００４２】
図４に示すように、半導体装置４０の正極４１は、第１正極４１Ｂと第２正極４１Ｃとに分割されている。
【００４３】
第１正極４１Ｂと出力電極４３の間には、正側ＩＧＢＴモジュール５０のＩＧＢＴ素子５１が設けられる。また、第２正極４１Ｃと出力電極４３の間には、正側ＩＧＢＴモジュール５０の整流ダイオード５２が設けられる。第１正極４１Ｂと第２正極４１Ｃは、所定の隙間を空けて配置されており、連結部４１Ｄを介して電気的に接続される。
【００４４】
連結部４１Ｄは、導電性部材であって、第１正極４１Ｂ及び第２正極４１Ｃよりも厚さが薄く形成されている。連結部４１Ｄの両端は第１正極４１Ｂと第２正極４１Ｃの上面にそれぞれ接続しており、連結部４１Ｄの中央部分は第１正極４１Ｂと第２正極４１Ｃの隙間内に臨むように湾曲形成されている。
【００４５】
半導体装置４０の負極４２も、正極４１と同様に構成されており、第１負極４２Ｂと第２負極４２Ｃとに分割されている。
【００４６】
第１負極４２Ｂと出力電極４３の間には、負側ＩＧＢＴモジュール６０のＩＧＢＴ素子６１が設けられる。また、第２負極４２Ｃと出力電極４３の間には、負側ＩＧＢＴモジュール６０の整流ダイオード６２が設けられる。第１負極４２Ｂと第２負極４２Ｃは、所定の隙間を空けて配置されており、連結部４２Ｄを介して電気的に接続される。
【００４７】
連結部４２Ｄは、導電性部材であって、第１負極４２Ｂ及び第２負極４２Ｃよりも厚さが薄く形成されている。連結部４２Ｄの両端は第１負極４２Ｂと第２負極４２Ｃの上面にそれぞれ接続しており、連結部４２Ｄの中央部分は第１負極４２Ｂと第２負極４２Ｃの隙間内に臨むように湾曲形成されている。
【００４８】
上記した半導体装置４０によれば、以下の効果を得ることができる。
【００４９】
半導体装置４０では、第１正極４１Ｂと第２正極４１Ｃを薄い連結部４１Ｄを介して連結し、第１負極４２Ｂと第２負極４２Ｃを薄い連結部４２Ｄを介して連結するので、正極４１及び負極４２は、電極面方向に変形しやすくなるとともに、連結部設置位置を中心に電極厚さ方向に湾曲しやすくなる。これにより、正極４１及び負極４２は出力電極４３の熱膨張に応じて変形しやすくなるので、正側及び負側ＩＧＢＴモジュール５０、６０の劣化抑制効果を向上させることが可能となる。
【００５０】
また、連結部４１Ｄは第１正極４１Ｂと第２正極４１Ｃの隙間内に臨むように湾曲形成され、連結部４２Ｄは第１負極４２Ｂと第２負極４２Ｃの隙間内に臨むように湾曲形成されるので、正極４１及び負極４２の変形性を高めることができる。
【００５１】
なお、半導体装置４０では、正極４１及び負極４２の両方を二分割構造として連結部４１Ｄ、４２Ｄを設けたが、正極４１及び負極４２のいずれか一方のみを二分割構造として連結部４１Ｄ、４２Ｄを設けるようにしてもよい。
【００５２】
（第４実施形態）
図５を参照して、第４実施形態による半導体装置４０について説明する。図５は、半導体装置４０の縦断面図である。
【００５３】
第４実施形態による半導体装置４０は、第１実施形態とほぼ同様の構成であるが、正極４１及び負極４２の構成において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００５４】
図５に示すように、半導体装置４０の正極４１には、電極厚さ方向に突出するように屈曲する屈曲部４１Ｅが形成される。屈曲部４１Ｅは、正側ＩＧＢＴモジュール５０のＩＧＢＴ素子５１と整流ダイオード５２の間に位置するように設けられる。
【００５５】
半導体装置４０の負極４２にも、正極４１と同様に、電極厚さ方向に突出するように屈曲する屈曲部４２Ｅが形成される。屈曲部４２Ｅは、負側ＩＧＢＴモジュール６０のＩＧＢＴ素子６１と整流ダイオード６２の間に位置するように設けられる。
【００５６】
上記した第４実施形態の半導体装置４０によれば、以下の効果を得ることができる。
【００５７】
正極４１及び負極４２にはＩＧＢＴ素子５１、６１と整流ダイオード５２、６２の間に位置するように屈曲部４１Ｅ及び屈曲部４２Ｅが形成されるので、正極４１及び負極４２は、電極面方向に変形しやすくなるとともに、湾曲部形成位置を中心に電極厚さ方向に湾曲しやすくなる。そのため、正極４１及び負極４２は出力電極４３の熱膨張に応じて変形しやすくなり、ＩＧＢＴ素子５１、６１及び整流ダイオード５２、６２に生じる応力をより低減でき、正側及び負側ＩＧＢＴモジュール５０、６０の劣化抑制効果を高めることが可能となる。
【００５８】
なお、半導体装置４０では、ＩＧＢＴ素子５１、６１のエミッタ面にガードリング５３、６３を設け、整流ダイオード５２、６２のアノード面にガードリング５４、６４を設けることがある。これらガードリング５３、５４、６３、６４は、半導体素子の両面に生じる電界を緩和し、半導体素子の絶縁性を確保する。ガードリング５３、６３はエミッタ面の外縁に沿って設けられ、ガードリング５４、６４はアノード面の外縁に沿って設けられる。ガードリング５３、５４、６３、６４は各電極４１〜４３等と接触しないように配置する必要がある。第４実施形態の半導体装置４０では、負極４２の屈曲部４２Ｅは外側に突出するように形成されているので、屈曲部４２Ｅを利用して負極４２とガードリング６３、６４の距離をできる限り離すことが可能となる。
【００５９】
また、半導体装置４０では、正極４１及び負極４２の両方に屈曲部４１Ｅ、４２Ｅを形成したが、正極４１及び負極４２のいずれか一方のみに屈曲部４１Ｅ、４２Ｅを形成するようにしてもよい。
【００６０】
（第５実施形態）
図６を参照して、第５実施形態による半導体装置４０について説明する。図６は、半導体装置４０の縦断面図である。
【００６１】
第４実施形態による半導体装置４０は、第１実施形態とほぼ同様の構成であるが、出力電極４３の構成において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００６２】
半導体装置４０では、正極４１及び負極４２の電極厚さを薄くするため、正極４１及び負極４２の放熱特性を改善でき、図２に示した冷却器７１、７２を省略できる可能性がある。このような場合には、図６に示すように、出力電極４３に正側及び負側ＩＧＢＴモジュール５０、６０を冷却するための冷却機構を設ける。
【００６３】
半導体装置４０の出力電極４３の内部には、作動流体を流すための内部通路４３Ａが形成される。出力電極４３は、内部通路４３Ａを流れる作動流体を利用して、通電時の正側及び負側ＩＧＢＴモジュール５０、６０を冷却する。
【００６４】
上記した半導体装置４０によれば、以下の効果を得ることができる。
【００６５】
半導体装置４０では、出力電極４３に冷却用の作動流体を流す内部通路４３Ａを形成し、出力電極４３を用いて正側及び負側ＩＧＢＴモジュール５０、６０を冷却する。出力電極４３自体に冷却機構を設けるので、出力電極４３の温度上昇が抑制される。これにより、出力電極４３が熱膨張によって変形するのを抑制することができ、ＩＧＢＴ素子５１、６１及び整流ダイオード５２、６２に生じる応力をより低減することができる。したがって、正側及び負側ＩＧＢＴモジュール５０、６０の劣化抑制効果を高めることが可能となる。
【００６６】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００６７】
第１から第５実施形態の半導体装置４０では、各電極４１〜４３を、アルミニウムやアルミニウム系合金によって形成したが、弾性変形しやすく、かつ高熱伝導率の銅や銅合金によって形成してもよい。例えば、出力電極４３を銅等によって形成すれば、正側及び負側ＩＧＢＴモジュール５０、６０からの熱を電極端部に速やかに伝えることができ、出力電極４３の温度上昇を抑制することができる。これにより出力電極４３の熱膨張を抑制でき、正側及び負側ＩＧＢＴモジュール５０、６０の劣化抑制効果を向上させることが可能となる。
【００６８】
また、第５実施形態の半導体装置４０では、冷却器７１、７２を省略するようにしたが、冷却器７１、７２を設置してもよい。
【符号の説明】
【００６９】
４０    半導体装置
４１    正極
４１Ａ  貫通孔
４１Ｂ  第１正極（第１電極）
４１Ｃ  第２正極（第２電極）
４１Ｄ  連結部
４１Ｅ  屈曲部
４２    負極
４２Ａ  貫通孔
４２Ｂ  第１負極（第１電極）
４２Ｃ  第２負極（第２電極）
４２Ｄ  連結部
４２Ｅ  屈曲部
４３    出力電極
４３Ａ  内部通路（冷却機構）
５０    正側ＩＧＢＴモジュール
５１    ＩＧＢＴ素子（正側スイッチング素子）
５２    整流ダイオード（正側ダイオード）
６０    負側ＩＧＢＴモジュール
６１    ＩＧＢＴ素子（負側スイッチング素子）
６２    整流ダイオード（負側ダイオード）
【図１】
0005581822.tif 000002
【図２】
0005581822.tif 000003
【図３】
0005581822.tif 000004
【図４】
0005581822.tif 000005
【図５】
0005581822.tif 000006
【図６】
0005581822.tif 000007