(57)【要約】【課題】半導体素子の発熱による他の電子部品への影響を抑制する技術を提供する。【解決手段】本明細書で開示する半導体ユニット１００は、バスバ３２−３４の熱を冷却プレート２へ移送する伝熱プレート２４が冷却プレート２から伸びており、伝熱プレート２４の先端２４ａが半導体モジュール３の外でバスバ３２−３４に取り付けられている。これにより、スイッチング素子３１の発熱による熱がバスバ３２−３４から伝熱プレート２４を介して冷却プレート２に移送されるため、バスバ３２−３４に接続される電流センサなどの電子部品に、スイッチング素子３１の発熱による影響が及び難くなる。したがって、スイッチング素子３１の発熱による電流センサ４１などの他の電子部品への影響を抑制する。【選択図】図２
2014060304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に半導体素子を収めており、半導体素子に接続するバスバが外部に伸びている平板型の半導体モジュールと、
半導体モジュールに積層される平板型の冷却プレートと、
を備えており、
バスバの熱を冷却プレートへ移送する伝熱板が冷却プレートから伸びており、伝熱板の先端が半導体モジュールの外でバスバに取り付けられていることを特徴とする半導体ユニット。
【請求項２】
冷却プレートと伝熱板は金属製であり、伝熱板の先端が絶縁シートを挟んでバスバに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体ユニット。
【請求項３】
伝熱板は、撓みを許容する屈曲部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体ユニット。
【請求項４】
電流を検出する電流センサがバスバに取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体モジュールユニット。
【請求項５】
複数の前記半導体モジュールと複数の前記冷却プレートが交互に積層されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、内部に半導体素子を収めた平板型の半導体モジュールと平板型の冷却プレートを積層した半導体ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ユニットに関する技術として、例えば、特許文献１に開示されるものがある。この技術では、半導体モジュールと冷却器（冷却プレート）の間に介在する突起形成板を両者の少なくとも一方に接触させることにより、半導体モジュールと冷却器の間の熱伝達率を向上させて半導体モジュールの冷却効率を高める。また、例えば特許文献２に開示されるように、半導体モジュールのパワー端子（バスバ）に流れる電流を検出する電流センサを半導体モジュールの近くに設ける場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−０７６６００号公報
【特許文献２】特開２０１１−１３５７２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種の半導体ユニットは、電力制御用のスイッチング素子を内蔵していることから、発熱量が大きい。そのため、内部に冷媒が流れる冷却プレートで強制的に冷却する。モジュール内のスイッチング素子には、スイッチング素子を他の電子部品と電気的に接続するバスバが接続している。バスバ自体が伝熱路となり、バスバに接続される他の電子部品（例えばバスバに流れる電流を検出する電流センサなど）に熱害を及ぼす虞がある。本明細書は、半導体素子の発熱による他の電子部品への影響を抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体ユニットは、バスバの熱を冷却プレートへ移送する伝熱板が冷却プレートから伸びており、伝熱板の先端が半導体モジュールの外でバスバに取り付けられている。これにより、半導体素子の発熱による熱がバスバから伝熱板を介して冷却プレートに移送されるため、バスバの近傍に位置するか、バスバに接続される他の電子部品に、半導体素子の発熱による影響が及び難くなる。
【０００６】
そのような電子部品の一例は、半導体モジュールの内部でバスバに取り付けられている電流を検出する電流センサである。電流センサは、半導体モジュールの内部または外部でバスバに取り付けられる。また、電子部品はコンデンサでもよい。冷却プレートと伝熱板が金属製である場合には、両者間を電気的に絶縁するため、伝熱板の先端が絶縁シートを挟んでバスバに取り付けられていると好適である。
【０００７】
本明細書が開示する半導体ユニットのさらなる改良として、伝熱板が撓みを許容する屈曲部を有しているとよい。伝熱板が屈曲部で撓むため、半導体モジュールのバスバと冷却プレートの伝熱板の位置関係において公差が存在してもそれを吸収して両者の固定を容易にする。
【０００８】
本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例の半導体ユニットの斜視図である。
【図２】実施例の半導体ユニットの図１に示すII−II線断面図である。
【図３】実施例の半導体ユニットの図１に示すIII−III線断面図である。
【図４】実施例の半導体ユニットの製造工程の説明図である。
【図５】半導体ユニットの他の例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照して実施例の半導体ユニットを説明する。図１に半導体ユニット１００の斜視図を示し、図２に、図１に示すII−II線断面図、図３に、図１に示すIII−III線断面図をそれぞれ示す。但し、図２及び図３は、いずれもＸＺ平面で切断してＹ方向から見た断面図であるが、図２は冷却プレート２の長手方向ほぼ中央の半導体モジュール３が位置しない部位において全ての冷却プレート２について切断した図であるのに対し、図３は半導体モジュール３が位置する部位で一部の冷却プレート２について切断した図である。
【００１１】
半導体ユニット１００は電気自動車のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）に内蔵される部品であり、インバータ回路や電圧コンバータに使用される複数のスイッチング素子などを集約して冷却するデバイスである。スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴであり、半導体モジュール３として樹脂モールド内に封止されている。半導体ユニット１００は、複数の平板型の半導体モジュール３と、複数の平板型の冷却プレート２を交互に積層したもので、図略のケースに収容されている。なお、図では、複数の冷却プレートのうち一部には符号「２」の図示を省略し、複数の半導体モジュールのうち一部には符号「３」の図示を省略している。また、冷却プレート２や半導体モジュール３に付随する部品についても、一部の部品に対する符号の図示を省略する。
【００１２】
冷却プレート２は、外側プレート２１、中間プレート２２、フィン２３及び伝熱プレート２４から構成されている。外側プレート２１は、角を丸めた短冊形状であり、開口側に向かって拡径する長皿状に形成されている。外側プレート２１の両端部には、供給管７や排出管８を接続する貫通孔が形成されている。外側プレート２１を、２枚、互いに開口を塞ぐように接合することで、冷却プレート２の外郭を構成して、内部に流路を形成する。中間プレート２２は、２枚の冷却プレート２により区画形成される流路を冷却プレート２の厚さ方向に二分する板部材である。フィン２３は、放熱能力を高めるため、中間プレート２２により二分された流路内に収容されるもので、例えば、外側プレート２１の長手方向に伸びて短手方向に波打つ波板形状に形成されている。外側プレート２１、中間プレート２２及びフィン２３は、熱伝導率の高いアルミニウムで作られている。
【００１３】
伝熱プレート２４は、冷却プレート２の短手方向一端側に伸びて形成される肉厚の厚い長板状部材である。この伝熱プレート２４は、半導体モジュール３のスイッチング素子３１が発した熱であってスイッチング素子３１からバスバ３２−３４を伝う熱を冷却プレート２に移送するものである。そのため、冷却プレート２に挟まれる半導体モジュール３のバスバ３２−３４の方向に向けて各バスバ３２−３４ごとに、３枚の伝熱プレート２４が外側プレート２１からそれぞれ突出している。伝熱プレート２４は、例えば、外側プレート２１や中間プレート２２などと同種のアルミニウムにより作られており、例えばロウ付けで外側プレート２１と接合されている。伝熱プレート２４はアルミニウムよりも熱伝導率の高い銅などで作られていてもよい。伝熱プレート２４は、中間プレート２１や外側プレート２２、フィン２３などの一部が伸びて形成されるものであってもよい。
【００１４】
伝熱プレート２４は、その先端２４ａが折れ曲がっている。また、先端２４ａから後端２４ｂに向かう途中に屈曲部２４ｃが形成されている。後端２４ｂは、前述したように外側プレート２１に接合されている。屈曲部２４ｃは、円弧状であり、円弧の開口がバスバ３２に対抗するように曲げられている。これにより、屈曲部２４ｃの円弧の両端が近づく方向に伝熱プレート２４を撓ませ、先端２４ａが半導体モジュール３のバスバ３２−３４に近づくように伝熱プレート２４を変形させることで、先端２４ａがバスバ３２−３４とほぼ平行となることを可能にしている。また、後述するように、冷却プレート２と半導体モジュール３の位置関係において存在し得る公差を吸収可能にしている。また、屈曲部２４ｃは応力吸収部としても機能する。なお、図２及び図３では、図面表現の都合上、複数の伝熱プレート２４が重なって描かれていることに注意されたい。
【００１５】
このように構成される複数の冷却プレート２のうち、最も外側に位置する冷却プレート２には、供給管７及び排出管８が接続され、他の冷却プレート２には、接続管５が接続される。なお、供給管７と排出管８が接続される側とは反対側の端部の冷却プレート２の接続管５が接続されない側の外側プレート２１は、両端部の貫通孔が閉塞される。供給管７から供給される冷媒は、一方の貫通孔と接続管５を通じて各冷却プレート内部に流入し、冷却プレート２の内部を横断し、他方の貫通孔と接続管５を通じて排出管８へ至る。なお、冷媒は液体であり、例えばＬＬＣ（Ｌｏｎｇ  Ｌｉｆｅ  Ｃｏｏｌａｎｔ）である。
【００１６】
半導体モジュール３は、スイッチング素子３１や電流センサ４１などの複数の半導体デバイスを樹脂モールド３９内に封止する回路モジュールで、矩形の平板形状に形成されている。実施例では、２つのスイッチング素子３１と夫々のスイッチング素子３１に逆並列に接続するダイオード（図略）が内部で直列に接続されており、入力、出力及びグランドにそれぞれ接続される３本のバスバ３２−３４と、各スイッチング素子３１の制御端子に接続される２本の端子３７が外部に突出している。図３には、このうちの１つのスイッチング素子３１が図示されている。スイッチング素子３１の一端面側にはバスバ３３がはんだ付けにより接合されており、またスイッチング素子３１の他端面側には伝熱特性の良好な導電性のスペーサ３６を介してバスバ３２が熱結合可能に接合されている。さらに端子３７がボンディングワイヤ３８を介してスイッチング素子３１の制御端子に接続されている。
【００１７】
バスバ３２−３４は、端部が外部に突出する平棒状の端子部３２ａ−３４ａと、スイッチング素子３１から発せられる熱を外部に逃がすための平板状の放熱部３２ｂ−３４ｂにより構成されている。端子部３２ａ−３４ａは、入力、出力及びグランドをそれぞれ外部に接続可能にする端子で、例えば、出力に接続される端子部３３ａにはそれに接続される電流センサ４１が近傍に配置されて樹脂モールド３９内に封止されている。なお、「バスバの近傍」は、バスバと電子部品が熱的に結合し得る物理的な範囲である。
【００１８】
放熱部３２ｂ−３４ｂは、その一方の面に、スイッチング素子３１がはんだ接合又はスペーサ３６を介して熱結合され、他方の面は、樹脂モールド３９から露出する。これにより、バスバ３２−３４は、樹脂モールド３９内の熱を外部に移送可能にしている。図３に示す例では、バスバ３３の放熱部３３ｂは絶縁プレート４を介して一方の冷却プレート２に、またバスバ３２の放熱部３２ｂは絶縁プレート４を介して他方の冷却プレート２に、それぞれ接触することによって、スイッチング素子３１を両側から冷却プレート２で挟み込んで、スイッチング素子３１が発する熱を冷却プレート２に放熱可能に構成している。図３には図示されていないが、バスバ３４の放熱部３４ｂも、同様に図略のもう１つのスイッチング素子に接触することにより、冷却プレート２に放熱可能に構成している。
【００１９】
このようにバスバ３２−３４の放熱部３２ｂ−３４ｂは、スイッチング素子３１に直接又は間接的に接触することによりスイッチング素子３１が発する熱を冷却プレート２に逃がす。一方、この熱はバスバ３２−３４の端子部３２ａ−３４ａにも伝わる。そして、この熱は、端子部３３ａの近傍（熱結合して端子部３３ａから熱が伝わる範囲）に配置される電流センサ４１にも伝わる。このため、実施例では、冷却プレート２から伸びる伝熱プレート２４をバスバ３２−３４の端子部３２ａ−３４ａに接続することによって、バスバ３２−３４の放熱部３２ｂ−３４ｂから端子部３２ａ−３４ａに伝わった熱を、伝熱プレート２４を介して冷却プレート２に移送する。
【００２０】
具体的には、バスバ３２−３４の端子部３２ａ−３４ａには、絶縁シート２７を介在させて伝熱プレート２４が接続される。絶縁シート２７は、伝熱特性の良好なシリコンゴムなどで作られており、両面に塗布された接着剤によりバスバ３２−３４と伝熱プレート２４に固定される。バスバ３２−３４と伝熱プレート２４の間において、電気的な絶縁を確保する必要がない場合、絶縁シート２７を省略して両者を直接接合する。この場合の接合は、両者間の熱伝達を妨げないものであればクリップなどにより両者を狭持する機械的な固定でもよい。
【００２１】
なお、図３に示す例は、複数積層される冷却プレート２の最外側の冷却プレートとこれに隣接する冷却プレートにより挟まれる半導体モジュール３に関するものである。説明の便宜のため、積層体の最外側に位置する冷却プレートを符号２ａで表し、冷却プレート２ａに隣接する冷却プレートを符号「２ｂ」で表す。そのため、１つの半導体モジュール３に対して、両側の２個の冷却プレート２ａ、２ｂの夫々から伝熱プレート２４が伸びて半導体モジュール３のバスバ３２−３４に接続されている。これに対して、図２に示すように、他の半導体モジュール３については、一方の側で隣接する一つの冷却プレート２から伝熱プレート２４がバスバ３２−３４にそれぞれ伸びて接続される。即ち、積層構造を採る場合には、最外側の冷却プレート２の伝熱プレート２４は、その１つ前の冷却プレート２とともに冷却する半導体モジュール３のバスバ３２−３４に接続する。
【００２２】
次に、図４を参照して半導体ユニット１００の組み立て方法（製造方法）を説明する。図４に半導体ユニット１００の製造工程の説明図を示す。ここでは、図３を参照して説明した最外側の冷却プレート２ａとこれに隣接する冷却プレート２ｂにより挟まれる半導体モジュール３に伝熱プレート２４を接続する工程を例示して説明する。また、バスバ３２−３４のうち、バスバ３２を代表して説明するが、バスバ３３、３４についても同様に組み付けられる。
【００２３】
まず、伝熱プレート２４の後端２４ｂを冷却プレート２の外側プレート２１にロウ付けをする（図４（Ａ）；ロウ付け工程）。ロウ付け工程で固定された伝熱プレート２４は、屈曲部２４ｃによる曲げはない。このため、次の貼付工程（図４（Ｂ））に示すように、伝熱プレート２４が取り付けられた冷却プレート２ａ、２ｂを対向させても、両方の伝熱プレート２４の先端２４ａが開いている。貼付工程では、伝熱プレート２４の先端２４ａに絶縁シート２７を貼付するとともに、冷却プレート２ａ、２ｂに絶縁プレート４を貼付する。次の挿入工程（図４（Ｃ））では、絶縁プレート４が貼付された冷却プレート２ａ、２ｂの間に半導体モジュール３を挿入する。このとき、半導体モジュール３のバスバ３２には、図略のケースに設けられる端子台との接続バスバなどが接合される。最後に、伝熱プレート２４を屈曲部２４ｃから折り曲げて先端２４ａを半導体モジュール３のバスバ３２に接着して固定する（図４（Ｄ）；折曲工程）。このとき、冷却プレート２ｂ及び冷却プレート２ａとこれらにより挟まれる半導体モジュール３の位置関係において、公差が存在しても、屈曲部２４ｃにより自由度の高い曲げを伝熱プレート２４に許容しているため、このような公差の吸収が可能となる。なお、図２に示す他の冷却プレート２については、上述した各工程において、冷却プレート２ａに対応するものはないため、冷却プレート２ｂにそれぞれ置き換えることで、上述の工程と同様に組み立てられる。
【００２４】
以上説明したように、半導体ユニット１００は、バスバ３２−３４の熱を冷却プレート２へ移送する伝熱プレート２４が冷却プレート２から伸びており、伝熱プレート２４の先端２４ａが半導体モジュール３の外でバスバ３２−３４に取り付けられている。これにより、スイッチング素子３１の発熱による熱がバスバ３２−３４から伝熱プレート２４を介して冷却プレート２に移送されるため、バスバ３２−３４の近傍に位置する電流センサ４１に、スイッチング素子３１の発熱による影響が及び難くなる。したがって、スイッチング素子３１の発熱による電流センサ４１などの他の電子部品への影響を抑制する。なお、他の電子部品には、バスバ３２の端子部３２ａ−３４ａに接続されるコンデンサ（特に、耐熱性の低い電解コンデンサやタンタルコンデンサ）などがある。
【００２５】
なお、図５に示すように、半導体ユニットは、単体の冷却器５１と単体の半導体モジュール３の積層構造であってもよい。そのような構造においても、冷却器５１に伝熱プレート２４を設けることによって、上述と同様の作用及び効果を得ることができる。半導体モジュール３と冷却器５１の間に介在する絶縁プレート４や、バスバ３２−３４と伝熱プレート２４の間に介在する絶縁シート２７は、両者間の電気的な絶縁を確保する場合に設けられる。このため、絶縁する必要がない場合には、絶縁プレート４及び絶縁シート２７を省略できる。
【００２６】
実施例技術に関する留意点を述べる。伝熱プレート２４は、バスバ３２−３４のすべてに対応するように幅広のものを１枚で構成してもよい。バスバ３２−３４は、端子部３２ａ−３４ａと放熱部３２ｂ−３４ｂを別部材で構成してもよい。複数の冷却プレート２のうち、最外側の冷却プレート２ａとこれに隣接する冷却プレート２ｂについては、これらにより狭持される半導体モジュール３のバスバ３２−３４にそれぞれの伝熱プレート２４を接続したが、冷却プレート２ａ、２ｂとは反対側の端部の２個の冷却プレート２により狭持される半導体モジュール３のバスバ３２−３４にそれら２個の冷却プレート２の伝熱プレート２４を接続してもよい。また、電流センサ４１などの他の電子部品は、バスバ３２−３４の近傍に位置するものであれば、半導体モジュール３の外部に存在していてもよい。なお、スイッチング素子３１が半導体素子の一例に相当し、また伝熱プレート２４が伝熱板の一例に相当する。
【００２７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２８】
２：冷却プレート
３：半導体モジュール
４：絶縁プレート
５：接続管
７：供給管
８：排出管
２４：伝熱プレート
２４ａ：先端
２４ｂ：後端
２４ｃ：屈曲部
２７：絶縁シート
３１：スイッチング素子
３２−３４：バスバ
３２ａ−３４ａ：端子部
３２ｂ−３４ｂ：放熱部
３６：絶縁スペーサ
３７：端子
３８：ワイヤ
３９：樹脂モールド
４１：電流センサ
５１：冷却器
５３：ボルト
１００：半導体ユニット
【図１】
2014060304.tif 000003
【図２】
2014060304.tif 000004
【図３】
2014060304.tif 000005
【図４】
2014060304.tif 000006
【図５】
2014060304.tif 000007