(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンカーバイド（ＳｉＣ）を主成分とする半導体素子と、
前記半導体素子と電気的に接続されるコンデンサと、
冷却器と、を備え、
前記半導体素子と前記コンデンサとは、前記冷却器を挟んで積層されており、
積層方向から視て、前記半導体素子は前記コンデンサと重複する位置に配置され、
前記半導体素子と前記コンデンサとの間に前記半導体素子を実装する金属部材が設けられ、
前記コンデンサに設けられた凹部と前記金属部材の対向する部分によって形成された冷媒を導入可能な空間が前記冷却器を構成している半導体モジュール。
【請求項２】
積層方向から視て、前記冷却器内の少なくとも前記半導体素子と重複する領域には冷媒が循環している請求項１記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記半導体素子に積層してリアクトルが設けられている請求項１又は２記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記リアクトルは、前記半導体素子を実装する金属部材を介して、前記冷却器に接している請求項３記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を備えた半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、スイッチング素子等を含む半導体素子とコンデンサとを備えた半導体モジュールが知られている。一例を挙げれば、冷却管と、直流電圧が印加される正極端子及び負極端子と、正極側放熱板と、負極側放熱板と、正極側放熱板と負極側放熱板とに接続された半導体素子と、半導体素子に並列になるように正極側放熱板と負極側放熱板とに電気的に接続されたコンデンサとを備え、正極側放熱板と負極側放熱板とは、通電時に半導体素子から発生する熱を放熱し、冷却管は、正極側放熱板と負極側放熱板とコンデンサとを冷却するよう構成されている半導体モジュール等である（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１５３５２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の半導体モジュールでは、コンデンサと半導体素子とが正極側放熱板及び負極側放熱板を介して接触しており、通電時に半導体素子から発生する熱がコンデンサに伝わるため、半導体素子を高温で動作させることができないという問題があった。
【０００５】
例えば、上記の半導体モジュールに備えられたコンデンサがフィルムコンデンサであれば、耐熱温度は１０５℃程度である。一方、上記の半導体モジュールに備えられた半導体素子がシリコン（Ｓｉ）を主成分とする素子である場合、耐熱温度は１５０℃程度である。又、上記の半導体モジュールに備えられた半導体素子がシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を主成分とする素子である場合、耐熱温度は２５０℃程度である。従って、この例の場合には、半導体素子をコンデンサの耐熱温度である１０５℃を超える高温で動作させることができない。
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、コンデンサを備え、かつ、高温動作が可能な半導体モジュールを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本半導体モジュールは、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）を主成分とする半導体素子と、前記半導体素子と電気的に接続されるコンデンサと、冷却器と、を備え、前記半導体素子と前記コンデンサとは、前記冷却器を挟んで積層されており、積層方向から視て、前記半導体素子は前記コンデンサと重複する位置に配置され、前記半導体素子と前記コンデンサとの間に前記半導体素子を実装する金属部材が設けられ、前記コンデンサに設けられた凹部と前記金属部材の対向する部分によって形成された冷媒を導入可能な空間が前記冷却器を構成していることを要件とする。
【発明の効果】
【０００８】
開示の技術によれば、コンデンサを備え、かつ、高温動作が可能な半導体モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施の形態に係る半導体モジュールを例示する正面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る半導体モジュールを例示する背面図である。
【図３】第１の実施の形態に係る半導体モジュールの一部を例示する正面図である。
【図４】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図５】第１の実施の形態に係る半導体モジュールを含むシステムを例示する回路図である。
【図６】比較例に係る半導体モジュールを例示する断面図である。
【図７】第１の実施の形態の変形例１に係る半導体モジュールを例示する背面図である。
【図８】第１の実施の形態の変形例１に係る半導体モジュールの一部を例示する正面図である。
【図９】第１の実施の形態の変形例１において、第１の実施の形態の図４に相当する断面図である。
【図１０】第１の実施の形態の変形例２において、第１の実施の形態の図４に相当する断面図である。
【図１１】第２の実施の形態に係る半導体モジュールを例示する正面図である。
【図１２】図１１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１１】
〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る半導体モジュールを例示する正面図である。図２は、第１の実施の形態に係る半導体モジュールを例示する背面図である。図３は、第１の実施の形態に係る半導体モジュールの一部を例示する正面図である。図４は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。なお、図３は、図１から後述するバスバー４０及び５０、半導体素子４４及び５４、固定手段６３及び６４を削除した図である。
【００１２】
図１〜図４を参照するに、半導体モジュール１０は、主要な構成要素として、本体２０と、コンデンサ３０と、バスバー４０及び５０と、半導体素子４４及び５４とを有する。なお、バスバー４０及び５０は、それぞれ、電源供給ラインとして使用される金属部材である。
【００１３】
本体２０には、コンデンサ３０が形成されている。コンデンサ３０は模式的に示されているが、コンデンサ３０は、例えば、モールド樹脂等で封止されたフィルムコンデンサや電解コンデンサ等である。本体２０は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）や鉄（Ｆｅ）等の金属又は樹脂から形成することができる。コンデンサ３０は、本体２０内の略全体に形成することができる。本体２０とコンデンサ３０とは、電気的に絶縁されている。
【００１４】
コンデンサ３０は、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属から形成されている端子３１〜３８を有する。端子３１〜３８は、それぞれ、本体２０とは電気的に絶縁されている。端子３１と端子３２とは、コンデンサ３０の反対側の略対向する位置に配置されている。端子３３と端子３４とは、コンデンサ３０の反対側の略対向する位置に配置されている。端子３５と端子３６とは、コンデンサ３０の反対側の略対向する位置に配置されている。端子３７と端子３８とは、コンデンサ３０の反対側の略対向する位置に配置されている。
【００１５】
端子３１と端子３３とは、バスバー４０を介して、電気的に接続されている。端子３５と端子３７とは、バスバー５０を介して、電気的に接続されている。端子３１及び３３は、コンデンサ３０の一方の電極（図示せず）と電気的に接続されており、端子３５及び３７は、コンデンサ３０の他方の電極（図示せず）と電気的に接続されている。
【００１６】
端子３１と端子３２とは電気的に接続されており、端子３２は外部接続端子として使用することができる。又、端子３３と端子３４とは電気的に接続されており、端子３４は外部接続端子として使用することができる。但し、端子３２と端子３４とは同電位であるため、何れか一方のみを外部接続端子として使用してもよい。又、バスバー４０の一部を外部接続端子として使用してもよい。
【００１７】
端子３５と端子３６とは電気的に接続されており、端子３６は外部接続端子として使用することができる。又、端子３７と端子３８とは電気的に接続されており、端子３８は外部接続端子として使用することができる。但し、端子３６と端子３８とは同電位であるため、何れか一方のみを外部接続端子として使用してもよい。又、バスバー５０の一部を外部接続端子として使用してもよい。
【００１８】
コンデンサ３０の一方の面には、凹部３０ｘ及び３０ｙが並設されている。凹部３０ｘ及び３０ｙは、例えば、それぞれ平面形状が略矩形状の穴であり、それぞれバスバー４０及び５０と平面視において重複する位置に設けられている。凹部３０ｘ及び３０ｙは、それぞれ、後述する冷却器６５及び６６の一部を構成する部分である。
【００１９】
バスバー４０の一方の側（コンデンサ３０と対向する側）には、冷却フィン４１が形成されており、更に、冷却フィン４１の表面及びバスバー４０の表面の一部を被覆するように絶縁膜４２が形成されている。バスバー４０と冷却フィン４１とは、一体的に形成されたものでもよいし、別体が接合されたものでもよい。バスバー４０及び冷却フィン４１は、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の熱伝導性に優れた金属から形成することができる。絶縁膜４２は、例えば、ポリアミド等から形成することができる。なお、冷却フィン４１の断面形状は、矩形波状には限定されず、例えば、正弦波状や三角波状等であってもよい。
【００２０】
バスバー４０の他方の側（コンデンサ３０と対向しない側）には、接合部４３を介して、半導体素子４４が実装されている。接合部４３としては、例えば、はんだや導電性接着剤等を用いることができる。半導体素子４４は、例えば、シリコン（Ｓｉ）やシリコンカーバイド（ＳｉＣ）等を主成分とする素子である。半導体素子４４は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）やダイオード、電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等として機能することができる。半導体素子４４の具体的な回路構成例については、後述する。
【００２１】
バスバー４０は、絶縁膜４２に被覆された冷却フィン４１を凹部３０ｘ内に配置した状態で、シール部材６１を介して、コンデンサ３０と対向し、固定手段６３によりコンデンサ３０に固定されている。バスバー４０は、端子３１及び３３と接した状態でコンデンサ３０に固定されるため、バスバー４０と端子３１及び３３とは電気的に接続される。
【００２２】
シール部材６１は、冷媒の漏出を防止する機能を有する部材であり、例えば、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）から形成されたＯリング等を用いることができる。固定手段６３としては、例えば、ねじ等を用いることができる。固定手段６３としてねじ等を用いる場合には、予め端子３１、３３、３５、及び３７に、それぞれ、ねじ穴３１ｘ、３３ｘ、３５ｘ、及び３７ｘを形成してもよい。又、バスバー４０及び５０のねじ穴３１ｘ等に対応する位置に、予めねじ穴を形成してもよい。
【００２３】
固定手段６３として、はんだや導電性接着剤等を用い、固定手段６３をバスバー４０と端子３１及び３３との間に配置してもよい。但し、固定手段６３としてねじを用いた場合の方が、バスバー４０を端子３１及び３３に圧接することができるため、バスバー４０と半導体素子４４との熱膨張係数の差により生じるバスバー４０の反りを矯正でき、好適である。この際、バスバー４０の反りに耐えるため、シール部材６１としては、固い素材を用いることが好ましい。
【００２４】
なお、バスバー４０が例えば銅（Ｃｕ）である場合の熱膨張係数は１７ｐｐｍ／℃程度、アルミニウム（Ａｌ）である場合の熱膨張係数は２３ｐｐｍ／℃程度である。一方、半導体素子４４がシリコン（Ｓｉ）を主成分とする場合の熱膨張係数は３ｐｐｍ／℃程度、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等を主成分とする場合の熱膨張係数は７ｐｐｍ／℃程度である。このような熱膨張係数の差に依存して、半導体素子４４の発熱等により、バスバー４０に反りが生じる場合がある。
【００２５】
表面が絶縁膜４２に被覆された冷却フィン４１、表面が絶縁膜４２に被覆されたバスバー４０の一部、凹部３０ｘ及びその周辺部、及びシール部材６１で形成される空間は、冷却器６５を構成している。半導体素子４４とコンデンサ３０とは、冷却器６５を挟んで積層されており、積層方向（Ｙ方向）から視て、半導体素子４４はコンデンサ３０と重複する位置に配置されている。
【００２６】
冷却器６５は、冷媒流路（図示せず）を介して、冷却器６５に冷却水等の冷媒を導入するための導入口７１、及び冷却器６５から冷却水等の冷媒を導出するための導出口７２と連通している。積層方向（Ｙ方向）から視て、冷却器６５内の少なくとも半導体素子４４と重複する領域には冷媒が循環している。なお、絶縁膜４２は、バスバー４０及び冷却フィン４１と冷却器６５内の冷媒とが直接接する部分がないように、バスバー４０の表面の一部及び冷却フィン４１の表面を被覆する必要がある。
【００２７】
バスバー５０は、所定の間隔を開けて、バスバー４０に並設されている。バスバー５０は、バスバー４０と同様に、一方の側（コンデンサ３０と対向する側）には、冷却フィン５１（図示せず）が形成されており、更に、冷却フィン５１（図示せず）の表面及びバスバー５０の表面の一部を被覆するように絶縁膜５２（図示せず）が形成されている。又、バスバー５０の他方の側（コンデンサ３０と対向しない側）には、バスバー４０と同様に、接合部５３（図示せず）を介して、半導体素子５４が実装されている。
【００２８】
なお、バスバー５０、冷却フィン５１、絶縁膜５２、接合部５３、及び半導体素子５４について、バスバー４０、冷却フィン４１、絶縁膜４２、接合部４３、及び半導体素子４４と同様な部分については、詳細な説明は省略する。
【００２９】
バスバー５０は、絶縁膜５２（図示せず）に被覆された冷却フィン５１（図示せず）を凹部３０ｙ内に配置した状態で、シール部材６２を介して、コンデンサ３０と対向し、固定手段６４によりコンデンサ３０に固定されている。バスバー５０は、端子３５及び３７と接した状態でコンデンサ３０に固定されるため、バスバー５０と端子３５及び３７とは電気的に接続される。シール部材６２や固定手段６４は、それぞれ、シール部材６１や固定手段６３と同様であるため、その説明は省略する。
【００３０】
表面が絶縁膜５２（図示せず）に被覆された冷却フィン５１（図示せず）、表面が絶縁膜５２（図示せず）に被覆されたバスバー５０の一部、凹部３０ｙ及びその周辺部、及びシール部材６２で形成される空間は、冷却器６６を構成している。半導体素子５４とコンデンサ３０とは、冷却器６６を挟んで積層されており、積層方向（Ｙ方向）から視て、半導体素子５４はコンデンサ３０と重複する位置に配置されている。
【００３１】
冷却器６６は、冷却器６５と同様に、導入口７１及び導出口７２と連通している。積層方向（Ｙ方向）から視て、冷却器６６内の少なくとも半導体素子５４と重複する領域には冷媒が循環している。なお、絶縁膜５２（図示せず）は、バスバー５０及び冷却フィン５１（図示せず）と冷却器６６内の冷媒とが直接接する部分がないように、バスバー５０の表面の一部及び冷却フィン５１（図示せず）の表面を被覆する必要がある。
【００３２】
ここで、半導体モジュール１０を含むシステムについて説明する。図５は、第１の実施の形態に係る半導体モジュールを含むシステムを例示する回路図である。図５に示すシステムは、蓄電池１００と、昇降圧コンバータ１１０と、コンデンサ１２０と、インバータ１３０と、モータ１５０とを含む。更に、他のインバータや、他のインバータに駆動される他のモータを備えてもよい。
【００３３】
蓄電池１００は、例えば、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電装置である。
【００３４】
昇降圧コンバータ１１０は、スイッチング素子１１１及び１１２と、ダイオード１１３及び１１４と、リアクトル１１５とを有する。図５の例では、スイッチング素子１１１及び１１２は、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）である。絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）は、ゲートにＭＯＳＦＥＴを組み込んだバイポーラ・トランジスタであり、エミッタ、コレクタ及びゲートの３端子を備えている。ダイオード１１３及び１１４は、フライホイールダイオードである。フライホイールダイオードは、電流を還流させるためのダイオードである。
【００３５】
スイッチング素子１１１とスイッチング素子１１２とは、直列接続されている。スイッチング素子１１１とダイオード１１３とは並列接続されており、スイッチング素子１１２とダイオード１１４とは並列接続されている。スイッチング素子１１１及び１１２の各ゲートは、ＥＣＵ（図示せず）等に接続され、ＥＣＵ（図示せず）等からの駆動信号に基づいてスイッチング動作を行う。
【００３６】
スイッチング素子１１１のエミッタ及びダイオード１１３のアノードと、スイッチング素子１１２のコレクタ及びダイオード１１４のカソードと、リアクトル１１５の一端とは相互に接続されている。リアクトル１１５の他端は、蓄電池１００の正極に接続されている。
【００３７】
スイッチング素子１１１のコレクタ及びダイオード１１３のカソードは、コンデンサ１２０の一端及びインバータ１３０の一端（Ｐ端子）と接続されている。スイッチング素子１１２のエミッタ及びダイオード１１４のアノードは、蓄電池１００の負極、コンデンサ１２０の他端、及びインバータ１３０の他端（Ｎ端子）と接続されている。つまり、コンデンサ１２０は、昇降圧コンバータ１１０に並列接続されており、昇降圧コンバータ１１０の直流電圧を平滑化し、平滑化した直流電圧をインバータ１３０へ供給する。
【００３８】
インバータ１３０は、スイッチング素子１３１〜１３６と、ダイオード１４１〜１４６とを有する。スイッチング素子１３１〜１３６は、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）である。ダイオード１４１〜１４６は、フライホイールダイオードである。スイッチング素子１３１とスイッチング素子１３２、スイッチング素子１３３とスイッチング素子１３４、スイッチング素子１３５とスイッチング素子１３６とは、直列接続されている。スイッチング素子１３１〜１３６と、ダイオード１４１〜１４６とは、それぞれ並列接続されている。スイッチング素子１３１〜１３６の各ゲートは、ＥＣＵ（図示せず）等に接続され、ＥＣＵ（図示せず）等からの駆動信号に基づいてスイッチング動作を行う。
【００３９】
スイッチング素子１３１のコレクタ、ダイオード１４１のカソード、スイッチング素子１３３のコレクタ、ダイオード１４３のカソード、スイッチング素子１３５のコレクタ、及びダイオード１４５のカソードは、相互に接続されている。この部分がＰ端子である。スイッチング素子１３２のエミッタ、ダイオード１４２のアノード、スイッチング素子１３４のエミッタ、ダイオード１４４のアノード、スイッチング素子１３６のエミッタ、及びダイオード１４６のアノードは、相互に接続されている。この部分がＮ端子である。
【００４０】
スイッチング素子１３１のエミッタ、ダイオード１４１のアノード、スイッチング素子１３２のコレクタ、及びダイオード１４２のカソードは、モータ１５０のコイル１５１の一端と接続されている。スイッチング素子１３３のエミッタ、ダイオード１４３のアノード、スイッチング素子１３４のコレクタ、及びダイオード１４４のカソードは、モータ１５０のコイル１５２の一端と接続されている。スイッチング素子１３５のエミッタ、ダイオード１４５のアノード、スイッチング素子１３６のコレクタ、及びダイオード１４６のカソードは、モータ１５０のコイル１５３の一端と接続されている。モータ１５０のコイル１５１、１５２、及び１５３の他端は、接続されている。
【００４１】
モータ１５０は、例えば、車両（ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池車等の電気エネルギーによって車両駆動力を発生する自動車）の駆動輪を駆動するためのトルクを発生するための駆動用電動機であり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つのコイル１５１、１５２、１５３の一端が中性点に共通接続されている。モータ１５０は、電動機の機能と発電機の機能とを併せ持つように構成することができる。
【００４２】
図５に示すシステムは、以下のように動作する。すなわち、昇降圧コンバータ１１０は、ＥＣＵ（図示せず）等からのスイッチング制御信号に応答してスイッチング動作を行い、蓄電池１００の両端の電圧Ｖ１を電圧Ｖ２に昇圧し、コンデンサ１２０の両端に出力する。具体的には、スイッチング素子１１１がオフ状態でスイッチング素子１１２がオン状態になると、蓄電池１００からリアクトル１１５に電流が流れ、リアクトル１１５は電気エネルギーを一時的に蓄積する。次いで、スイッチング素子１１１がオン状態でスイッチング素子１１２がオフ状態になると、リアクトル１１５が一時的に蓄積した電気エネルギーは、ダイオード１１３を経由して出力される。すなわち、蓄電池１００の両端の電圧Ｖ１は、電圧Ｖ２に昇圧されてコンデンサ１２０の両端に出力される。
【００４３】
又、昇降圧コンバータ１１０は、ＥＣＵ（図示せず）等からのスイッチング制御信号に応答してスイッチング動作を行い、コンデンサ１２０の両端の電圧Ｖ２を電圧Ｖ１に降圧し、蓄電池１００の両端に出力する。具体的には、スイッチング素子１１１がオン状態でスイッチング素子１１２がオフ状態になると、コンデンサ１２０からリアクトル１１５に電流が流れ、リアクトル１１５は電気エネルギーを一時的に蓄積する。次いで、スイッチング素子１１１がオフ状態、スイッチング素子１１２がオン状態になると、リアクトル１１５が一時的に蓄積した電気エネルギーは、ダイオード１１４を経由して還流する。すなわち、コンデンサ１２０の両端の電圧Ｖ２は、電圧Ｖ１に降圧され蓄電池１００が充電される。
【００４４】
コンデンサ１２０は、昇降圧コンバータ１１０からの直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ１３０へ供給する。インバータ１３０は、交流電圧と直流電圧とを相互に変換するスイッチング回路であり、コンデンサ１２０から直流電圧が供給されると、ＥＣＵ（図示せず）等からのスイッチング制御信号に応答してスイッチング動作を行い、直流電圧を交流電圧に変換して、モータ１５０を駆動する。
【００４５】
又、インバータ１３０は、車両の回生制動時には、ＥＣＵ（図示せず）等からのスイッチング制御信号に応答してスイッチング動作を行い、モータ１５０が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、変換した直流電圧をコンデンサ１２０を介して昇降圧コンバータ１１０へ供給する。なお、回生制動とは、車両を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。
【００４６】
本実施の形態に係る半導体モジュール１０の半導体素子４４は、例えば、図５のスイッチング素子１１１及びダイオード１１３を含む構成とすることができる。又、半導体素子５４は、例えば、図５のスイッチング素子１１２及びダイオード１１４を含む構成とすることができる。
【００４７】
この際、端子３２及び３４の少なくとも一方は、図５のインバータ１３０のＰ端子と電気的に接続することができる。又、半導体素子４４の接合部４３側の面に、図５のスイッチング素子１１１のコレクタ及びダイオード１１３のカソードに対応する接続端子を設け、接合部４３を介して、バスバー４０と電気的に接続することができる。これにより、端子３２及び３４の少なくとも一方、端子３１及び３３、コンデンサ３０の一方の電極、バスバー４０、及び半導体素子４４の接合部４３側の面に設けた接続端子は、それぞれ図５のＰ端子と電気的に接続される。又、半導体素子４４の接合部４３と反対側の面に、図５のスイッチング素子１１１のエミッタ及びダイオード１１３のアノードに対応する外部接続端子を設けることができる。この外部接続端子は、図５のリアクトル１１５の一端と接続される部分となる。
【００４８】
又、端子３６及び３８の少なくとも一方は、図５のインバータ１３０のＮ端子と電気的に接続することができる。又、半導体素子５４の接合部５３側の面に、図５のスイッチング素子１１２のエミッタ及びダイオード１１４のアノードに対応する接続端子を設け、接合部５３を介して、バスバー５０と電気的に接続することができる。これにより、端子３６及び３８の少なくとも一方、端子３５及び３７、コンデンサ３０の他方の電極、バスバー５０、及び半導体素子５４の接合部５３側の面に設けた接続端子は、それぞれ図５のＮ端子と電気的に接続される。又、半導体素子５４の接合部５３と反対側の面に、図５のスイッチング素子１１２のコレクタ及びダイオード１１３のカソードに対応する外部接続端子を設けることができる。この外部接続端子は、図５のリアクトル１１５の一端と接続される部分となる。
【００４９】
このようにして、半導体素子４４及び５４により、図５のリアクトル１１５を除く部分の昇降圧コンバータ１１０の機能を実現できる。又、コンデンサ３０により、図５のコンデンサ１２０の機能を実現できる。
【００５０】
但し、半導体素子４４の位置に、例えば、図５のスイッチング素子１１１及びダイオード１１３が別々のパッケージとして実装されていてもよい。又、半導体素子５４の位置に、例えば、図５のスイッチング素子１１２及びダイオード１１４が別々のパッケージとして実装されていてもよい。
【００５１】
なお、半導体モジュール１０において、バスバー４０及び５０に、更にバスバーを並設し、各バスバーに実装される半導体素子でインバータ１３０の機能を実現してもよい。或いは、半導体モジュール１０の各半導体素子は、昇降圧コンバータ１１０やインバータ１３０の一部の回路のみを含むように構成してもよい。
【００５２】
次に、比較例を示しながら、本実施の形態に係る半導体モジュール１０の有する特有の効果について説明する。
【００５３】
図６は、比較例に係る半導体モジュールを例示する断面図である。図６を参照するに、半導体モジュール５００において、冷却器５１０上には、金属等からなる放熱板５２０及び樹脂等からなるハウジング５６０が固定されている。放熱板５２０上には、絶縁体５２５を介してセラミック等からなる基板５３０が積層されている。基板５３０上には、はんだ等からなる接合部５４０を介して、半導体素子５５０が実装されている。
【００５４】
ハウジング５６０には金属等からなる端子５７１や５７２が設けられており、金線等からなるボンディング材５７３を介して、半導体素子５５０と電気的に接続されている。バスバー５８１は、端子５７１と端子５７５に挟持されるように設けられており、これらは電気的に接続されている。バスバー５８２は、端子５７２と端子５７６に挟持されるように設けられており、これらは電気的に接続されている。端子５７５や５７６は、外部接続端子となる。
【００５５】
バスバー５８１の一端側には、コンデンサ５９０が設けられている。なお、図６において、コンデンサ５９０は模式的に示されているが、コンデンサ５９０は、例えば、モールド樹脂等で封止されたフィルムコンデンサや電解コンデンサ等である。
【００５６】
このように、比較例に係る半導体モジュール５００では、冷却器５１０とコンデンサ５９０とは一体化されてなく、別体とされている。又、冷却器５１０とコンデンサ５９０とは、半導体素子５５０を挟んだ両側に配置されており、両者は接触していない。このため、半導体素子５５０で発生した熱はコンデンサ５９０に伝わり、コンデンサ５９０も発熱する。従って、コンデンサ５９０の破損を防止するため、コンデンサ５９０の耐熱温度（通常、１００℃程度）を超えない範囲で半導体素子５５０を動作させる必要があり、半導体素子５５０にシリコンカーバイド（ＳｉＣ）等を主成分とする素子を用い、例えば２００℃程度の高温で動作させることは困難である。
【００５７】
又、コンデンサ５９０の発熱を抑える必要性から、コンデンサ５９０を半導体素子５５０に近接して配置することが困難である。そのため、コンデンサ５９０と半導体素子５５０との間の配線長が長くなってインダクタンスが大きくなり、半導体素子５５０の高速動作が困難となる。
【００５８】
一方、第１の実施の形態に係る半導体モジュール１０では、半導体素子４４と、半導体素子４４に電気的に接続されるコンデンサ３０とは、冷却器６５を挟んで積層されており、積層方向（Ｙ方向）から視て、半導体素子４４はコンデンサ３０と重複する位置に配置されている。又、積層方向（Ｙ方向）から視て、冷却器６５内の少なくとも半導体素子４４と重複する領域には冷媒が循環している。このような構成により、絶縁膜４２に被覆された冷却フィン４１は冷却器６５内を循環する冷媒に浸漬されるため、半導体素子４４で発生した熱は、絶縁膜４２に被覆された冷却フィン４１を介して冷媒に伝えられ、半導体モジュール１０の外部に運ばれて放熱される。
【００５９】
同様に、半導体素子５４と、半導体素子５４に電気的に接続されるコンデンサ３０とは、冷却器６６を挟んで積層されており、積層方向（Ｙ方向）から視て、半導体素子５４はコンデンサ３０と重複する位置に配置されている。又、積層方向（Ｙ方向）から視て、冷却器６６内の少なくとも半導体素子５４と重複する領域には冷媒が循環している。このような構成により、絶縁膜５２に被覆された冷却フィン５１は冷却器６６内を循環する冷媒に浸漬されるため、半導体素子５４で発生した熱は、絶縁膜５２に被覆された冷却フィン５１を介して冷媒に伝えられ、半導体モジュール１０の外部に運ばれて放熱される。すなわち、半導体素子４４及び５４で発生した熱は、それぞれ、冷却器６５及び６６により放熱され、コンデンサ３０には伝わり難い。これにより、半導体素子４４及び５４を、より高温で動作させることができる。例えば、コンデンサ３０の耐熱温度が１００℃程度であったとしても、冷却器６５及び６６による放熱のため、コンデンサ３０の温度が１００℃よりも低く維持できれば、半導体素子４４及び５４にシリコンカーバイド（ＳｉＣ）等を主成分とする素子を用い、２００℃程度の高温で動作させることができる。
【００６０】
又、コンデンサ３０自体が発熱した場合にも、冷却器６５及び６６を介して、冷却できる。
【００６１】
又、コンデンサ３０を半導体素子４４及び５４に近接して配置することができるため、コンデンサ３０と半導体素子４４及び５４との間のインダクタンスを低減できる。これにより、スイッチング時の損失やサージ電圧を低減できるため、半導体素子４４及び５４の高速スイッチング動作が可能となる。
【００６２】
又、半導体素子４４及び５４の高速動作が可能となるため、コンデンサ３０の容量を低減でき、半導体モジュール１０の小型化や低価格化が可能となる。
【００６３】
又、半導体素子４４及び５４の大きさに対して十分に大きな冷却フィン４１及び５１を使用することができるため、半導体素子４４及び５４の放熱効率を向上でき、使用温度範囲の異なる部品（半導体素子とコンデンサ等）を共存させることが可能となる。
【００６４】
〈第１の実施の形態の変形例１〉
第１の実施の形態の変形例１では、コンデンサの電極と端子との接続を変更した例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。
【００６５】
第１の実施の形態の変形例１に係る半導体モジュールの正面図は、図１と同様であるため、図示を省略する。図７は、第１の実施の形態の変形例１に係る半導体モジュールを例示する背面図である。図８は、第１の実施の形態の変形例１に係る半導体モジュールの一部を例示する正面図である。図９は、第１の実施の形態の変形例１において、第１の実施の形態の図４に相当する断面図である。
【００６６】
図７〜図９を参照するに、半導体モジュール１０Ａは、コンデンサ３０の各電極と端子との接続が半導体モジュール１０（図２等参照）と相違する。すなわち、半導体モジュール１０（図２等参照）では、端子３１及び３３がコンデンサ３０の一方の電極（図示せず）と電気的に接続されており、端子３５及び３７がコンデンサ３０の他方の電極（図示せず）と電気的に接続されていた。一方、半導体モジュール１０Ａでは、端子３１がコンデンサ３０の一方の電極（図示せず）と電気的に接続されており、端子３７がコンデンサ３０の他方の電極（図示せず）と電気的に接続されている。
【００６７】
又、端子３３及び３５は、それぞれ、バスバー４０及び５０をコンデンサ３０に固定する目的のみに設けられている。そのため、半導体モジュール１０Ａにおいて、半導体モジュール１０（図２等参照）では端子３３に対してコンデンサ３０の反対側の略対向する位置に配置されていた端子３４は設けられていない。又、半導体モジュール１０Ａにおいて、半導体モジュール１０（図２等参照）では端子３５に対してコンデンサ３０の反対側の略対向する位置に配置されていた端子３６は設けられていない。
【００６８】
端子３１と端子３２とは電気的に接続されており、端子３２は外部接続端子として使用することができる。又、バスバー４０の一部を外部接続端子として使用してもよい。端子３７と端子３８とは電気的に接続されており、端子３８は外部接続端子として使用することができる。又、バスバー５０の一部を外部接続端子として使用してもよい。
【００６９】
このように、コンデンサの一方の電極（図示せず）及び他方の電極（図示せず）をどの端子に接続し、どの端子を外部接続端子とするかは、適宜決定できる。第１の実施の形態の変形例１では、第１の実施の形態と同様の効果を奏する。
【００７０】
〈第１の実施の形態の変形例２〉
第１の実施の形態の変形例２では、バスバーと冷却フィンとを別体で形成し、それらを絶縁シートで接合した例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例２において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。
【００７１】
図１０は、第１の実施の形態の変形例２において、第１の実施の形態の図４に相当する断面図である。なお、第１の実施の形態の図１〜図３に相当する図には変更点がないため、図示は省略する。
【００７２】
図１０を参照するに、バスバー４０と冷却フィン４１とは別体で形成されており、それらは粘着性を有する絶縁シート４９により接合されている。又、図１０には図示はされていないが、バスバー５０と冷却フィン５１とは別体で形成されており、それらは粘着性を有する絶縁シート５９で接合されている。冷媒とバスバー４０及び５０とを絶縁する必要があるため、絶縁シート４９及び５９は、少なくともシール部材６１及び６２と接する位置まで設ける必要がある。
【００７３】
このように、冷媒とバスバー４０及び５０が絶縁されていれば、絶縁膜や絶縁シートは任意の位置に設けてよい。第１の実施の形態の変形例２では、第１の実施の形態と同様の効果を奏するが、更に、以下の効果を奏する。すなわち、冷却フィン４１及び５１が冷媒と直接接するため、第１の実施の形態よりも冷却性能を更に向上できる。
【００７４】
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１の実施の形態に係る半導体モジュールにおいて、バスバーにリアクトルを搭載した例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。
【００７５】
図１１は、第２の実施の形態に係る半導体モジュールを例示する正面図である。図１２は、図１１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。なお、第１の実施の形態の図２及び図３に相当する図には変更点がないため、図示は省略する。
【００７６】
図１１及び図１２を参照するに、半導体モジュール８０は、半導体モジュール１０のバスバー４０及び５０上に半導体素子４４及び５４に積層してリアクトル９０が設けられた構造を有する。リアクトル９０の一部は、バスバー４０及び５０を介して、冷却器６５及び６６に接している。なお、図１２において、リアクトル９０は模式的に示されているが、リアクトル９０は、例えば、素子部分をモールド樹脂等で封止したものである。
【００７７】
リアクトル９０は、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属から形成されている端子９１及び９２、並びに、端子９３〜９６を有する。但し、端子９３〜９６は、絶縁体から形成しても構わない。端子９１はリアクトル９０の素子部分の一端と電気的に接続されており、外部接続端子として使用することができる。又、端子９２は、リアクトル９０の素子部分の他端と電気的に接続されている。
【００７８】
又、端子９２は、半導体素子４４の接合部４３と反対側の面に設けられた接続端子（図示せず）、及び半導体素子５４の接合部５３（図示せず）と反対側の面に設けられた接続端子（図示せず）と電気的に接続されている。端子９３〜９６は、リアクトル９０をバスバー４０及び５０上に固定するための端子であり、素子部分とは電気的に絶縁されている。
【００７９】
リアクトル９０には凹部９０ｘが形成されており、リアクトル９０は凹部９０ｘ内に半導体素子４４及び５４を収容した状態でバスバー４０及び５０上に搭載されている。端子９３及び９４は、それぞれ端子３１及び３３に対応する位置に設けられており、固定手段６３によりコンデンサ３０及びバスバー４０に固定されている。端子９５及び９６は、それぞれ端子３５及び３７に対応する位置に設けられており、固定手段６４によりコンデンサ３０及びバスバー５０に固定されている。
【００８０】
本実施の形態に係る半導体モジュール８０の半導体素子４４は、例えば、図５のスイッチング素子１１１及びダイオード１１３を含む構成とすることができる。又、半導体素子５４は、例えば、図５のスイッチング素子１１２及びダイオード１１４を含む構成とすることができる。
【００８１】
この際、端子３２及び３４の少なくとも一方は、図５のインバータ１３０のＰ端子と電気的に接続することができる。又、半導体素子４４の接合部４３側の面に、図５のスイッチング素子１１１のコレクタ及びダイオード１１３のカソードに対応する接続端子を設け、接合部４３を介して、バスバー４０と電気的に接続することができる。これにより、端子３２及び３４の少なくとも一方、端子３１及び３３、コンデンサ３０の一方の電極、バスバー４０、及び半導体素子４４の接合部４３側の面に設けた接続端子は、それぞれ図５のＰ端子と電気的に接続される。又、半導体素子４４の接合部４３と反対側の面に、図５のスイッチング素子１１１のエミッタ及びダイオード１１３のアノードに対応する接続端子を設け、端子９２と電気的に接続することができる。
【００８２】
又、端子３６及び３８の少なくとも一方は、図５のインバータ１３０のＮ端子と電気的に接続することができる。又、半導体素子５４の接合部５３側の面に、図５のスイッチング素子１１２のエミッタ及びダイオード１１４のアノードに対応する接続端子を設け、接合部５３を介して、バスバー５０と電気的に接続することができる。これにより、端子３６及び３８の少なくとも一方、端子３５及び３７、コンデンサ３０の他方の電極、バスバー５０、及び半導体素子５４の接合部５３側の面に設けた接続端子は、それぞれ図５のＮ端子と電気的に接続される。又、半導体素子５４の接合部５３と反対側の面に、図５のスイッチング素子１１２のコレクタ及びダイオード１１３のカソードに対応する接続端子を設け、端子９２と電気的に接続することができる。又、端子９１は、図５の蓄電池１００の正極と電気的に接続することができる。
【００８３】
このようにして、半導体素子４４及び５４並びにリアクトル９０により、図５の昇降圧コンバータ１１０の機能を実現できる。又、コンデンサ３０により、図５のコンデンサ１２０の機能を実現できる。
【００８４】
但し、半導体素子４４の位置に、例えば、図５のスイッチング素子１１１及びダイオード１１３が別々のパッケージとして実装されていてもよい。又、半導体素子５４の位置に、例えば、図５のスイッチング素子１１２及びダイオード１１４が別々のパッケージとして実装されていてもよい。
【００８５】
このような構成により、第１の実施の形態と同様の効果を奏するが、更に、以下の効果を奏する。すなわち、コンデンサ３０と、半導体素子４４及び５４と、リアクトル９０とを一体化（積層）することにより、リアクトル９０を別の場所に固定する構造と比較すると、固定手段の共通化等による半導体モジュール８０の小型化が可能となり、半導体モジュール８０の製造コストを低減できる。
【００８６】
又、リアクトル９０はバスバー４０及び５０に接しているが、バスバー４０及び５０のそれぞれの一方の側（コンデンサ３０と対向する側）には、冷却フィン４１及び５１が形成されているため、リアクトル９０を冷却することができる。
【００８７】
以上、好ましい実施の形態及びその変形例について詳説したが、上述した実施の形態及びその変形例に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及びその変形例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００８８】
例えば、半導体モジュールを使用する際の載置方向は、図４等のＺ方向を重力方向とする方向には限定されず、例えば、図４等のＹ方向を重力方向とする方向や、その他の方向であっても構わない。
【００８９】
又、各実施の形態及びその変形例は、適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００９０】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、８０  半導体モジュール
２０  本体
３０、１２０  コンデンサ
３０ｘ、３０ｙ、９０ｘ  凹部
３１〜３８、９１、９２、９３〜９６、Ｐ、Ｎ  端子
３１ｘ  ねじ穴
４０、５０  バスバー
４１  冷却フィン
４２  絶縁膜
４３  接合部
４４、５４  半導体素子
４９  絶縁シート
６１、６２  シール部材
６３、６４  固定手段
６５、６６  冷却器
７１  導入口
７２  導出口
９０、１１５  リアクトル
１００  蓄電池
１１０  昇降圧コンバータ
１１１、１１２、１３１〜１３６  スイッチング素子
１１３、１１４、１４１〜１４６  ダイオード
１３０  インバータ
１５０  モータ
１５１、１５２、１５３  コイル
Ｖ１、Ｖ２  電圧
【図１】
0005488540.tif 000002
【図２】
0005488540.tif 000003
【図３】
0005488540.tif 000004
【図４】
0005488540.tif 000005
【図５】
0005488540.tif 000006
【図６】
0005488540.tif 000007
【図７】
0005488540.tif 000008
【図８】
0005488540.tif 000009
【図９】
0005488540.tif 000010
【図１０】
0005488540.tif 000011
【図１１】
0005488540.tif 000012
【図１２】
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