(57)【要約】【課題】  複数のパワーモジュールを含むパワー半導体装置において、サージ電圧が小さくかつ小型化が可能なパワー半導体装置を提供する。【課題手段】  パワー半導体装置が、略平行に配置された２つの冷却面を備えた冷却ブロックと、冷却ブロックを挟むようにそれぞれの冷却面上に１つずつ配置されたパワーモジュールと、冷却ブロックとパワーモジュールとを挟むようにそれぞれのパワーモジュール上に１つずつ配置された固定ブロックと、冷却ブロックの冷却面に対して略垂直な方向に冷却ブロックを挟んで対向配置された１対の主回路基板と制御基板であって、冷却ブロックの一方に配置された主回路基板と冷却ブロックの他方に配置された制御基板とを含む。固定ブロックが冷却ブロックに対してパワーモジュールを押圧するように、固定ブロックが主回路基板に固定される。【選択図】図１
2006156476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略平行に配置された２つの冷却面を備えた冷却ブロックと、
該冷却ブロックを挟むようにそれぞれの該冷却面上に１つずつ配置されたパワーモジュールと、
該冷却ブロックと該パワーモジュールとを挟むようにそれぞれの該パワーモジュール上に１つずつ配置された固定ブロックと、
該冷却ブロックの冷却面に対して略垂直な方向に該冷却ブロックを挟んで対向配置された１対の主回路基板と制御基板であって、該冷却ブロックの一方に配置された該主回路基板と該冷却ブロックの他方に配置された該制御基板とを含み、
該固定ブロックが該冷却ブロックに対して該パワーモジュールを押圧するように、該固定ブロックが該主回路基板に固定されたことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項２】
上記冷却ブロックがそれぞれの冷却面に冷媒流路を備え、上記パワーモジュールが該冷媒流路に接するように配置されたことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項３】
上記パワーモジュールの主端子が上記主回路基板に沿うように曲げられ、該主端子と該主回路基板とがこれらを貫通する固定具で固定されたことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項４】
上記主回路基板が、絶縁板の両面に配線層を設けたバスバー基板からなることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項５】
更に、上記主回路基板と上記制御基板との間に、上記固定ブロックに固定されたコンデンサを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のパワー半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパワー半導体装置に関し、特に、冷却ブロック一体型のパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のパワーモジュールを含むパワー半導体装置では、平坦な冷却板の上に複数のパワーモジュールを並置するとともに、各パワーモジュールに、制御基板、主回路基板を接続していた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１２８０９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、例えば１０個のパワーモジュールを使用する場合のようにパワーモジュールが多くなると、パワーモジュールが配置される冷却板の面積が大きくなるとともに、制御基板、主回路基板も大きくなり、パワー半導体装置が大型化するという問題があった。
【０００４】
また、制御基板、主回路基板が大きくなることは、それぞれの基板に設けられた配線の引回し距離の増大につながり、特に、主回路基板に形成された閉回路では、配線の引回し距離が大きくなると閉回路のインダクタンスが大きくなり、パワー半導体装置のスイッチング時に大きなサージ電圧が発生し、パワー半導体装置のスイッチング損失が増えたり、耐電圧の高いパワーチップを用いる必要が生じていた。
【０００５】
そこで、本発明は、複数のパワーモジュールを含むパワー半導体装置において、サージ電圧が小さくかつ小型化が可能なパワー半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、略平行に配置された２つの冷却面を備えた冷却ブロックと、冷却ブロックを挟むようにそれぞれの冷却面上に１つずつ配置されたパワーモジュールと、冷却ブロックとパワーモジュールとを挟むようにそれぞれのパワーモジュール上に１つずつ配置された固定ブロックと、冷却ブロックの冷却面に対して略垂直な方向に冷却ブロックを挟んで対向配置された１対の主回路基板と制御基板であって、冷却ブロックの一方に配置された主回路基板と冷却ブロックの他方に配置された制御基板とを含み、固定ブロックが冷却ブロックに対してパワーモジュールを押圧するように、固定ブロックが主回路基板に固定されたことを特徴とするパワー半導体装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明にかかるパワー半導体装置では、パワーモジュールを積層構造とし、それを主回路基板と制御基板で挟むことにより、小型でサージ電圧を低く抑えたパワー半導体装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。
【０００９】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態１にかかるパワー半導体装置の断面図である。また、図２は、図１をＩ−Ｉ方向に見た場合の断面図である。
パワー半導体装置１００は、略平行に配置された２つの冷却面１０を上下に備えた冷却ブロック１を含む。冷却ブロック１は、例えば銅からなり、冷却面１０には冷媒流路２が設けられている。
それぞれの冷却面１０上には、冷却ブロック１を挟むようにパワーモジュール３が配置され、冷却ブロック１とパワーモジュール３とでサブモジュールを構成している。
【００１０】
図３は、パワーモジュール３の断面図である。パワーモジュール３は、例えば銅や窒化アルミニウム、アルミナ等からなる放熱板３１を含む。放熱板３１の上には、例えば半田３２によりパワー半導体素子３３が固定されている。パワー半導体素子３３は、例えば、ＩＧＢＴ、パワーＦＥＴ、ダイオード等からなる。更にパワーモジュール３は、パワー半導体素子３３とアルミニウムワイヤ３４で接続された主端子３５および制御端子３６を含む。主端子３５、制御端子３６は、例えば銅からなる。主端子３５は、図３に示すように、上下方向にほぼ直角に曲げられている。パワー半導体素子３３等は、例えばエポキシ樹脂からなる封止樹脂３７により封止されている。
【００１１】
図４は、他のパワーモジュールの断面図であり、パワーモジュール３は、図４のような構造であっても良い。図４中、図３と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。図４のパワーモジュールでは、放熱板３の裏面に、例えばアルミナ等のフィラーを含んだエポキシ樹脂からなる絶縁層３８と、例えば厚さ１００μｍの銅箔からなる保護層３９が設けられている。他の構造は、図３のパワーモジュールと同じである。
【００１２】
パワー半導体装置１００は、更に、冷却ブロック１およびパワーモジュール３を上下から挟むように配置された固定ブロック４を含む。固定ブロック４は、例えばＰＰＳ（Polyphenylene Sulfide）のケースからなる。
【００１３】
固定ブロック４の上には、必要に応じて、平滑コンデンサ等のコンデンサ５が、例えば接着剤により取り付けられる。
【００１４】
更に、１対の主回路基板６と制御基板７とが、冷却ブロック１の左には主回路基板６、冷却ブロック１の右には制御基板７がそれぞれ位置するように、冷却ブロック１の冷却面１０に対して略垂直に配置されている。主回路基板６と制御基板７とは、冷却ブロック１を挟んで対向している。主回路基板６は、絶縁板の両面に銅合金の配線を設けたバスバー基板であることが好ましい。制御基板７は、プリント基板からなる。
【００１５】
パワーモジュール３の左面に設けられた主端子は、主回路基板６に沿うように、上下方向に曲げられ、主端子と主回路基板６とを貫通する固定具８で、固定ブロック４に固定されている。固定具８は、例えばボルトと固定ブロック４に取り付けられたナットからなる。ボルトとナットは、冷却ブロック１の冷媒流路２と干渉しない位置に配置される。
一方、パワーモジュール３の右面に設けられた制御端子は、制御基板７を貫通するように、半田等で制御基板７に接続されている。
【００１６】
パワー半導体装置１００では、固定ブロック４を固定具８で主回路基板６に固定することにより、固定ブロック４が水冷ブロック２の２つの冷却面１０に対して、パワーモジュール３を上下方向に押圧するようになっている。このため、固定ブロック４を主回路基板６に固定することにより、冷媒流路２がパワーモジュール３により封止される。
【００１７】
本実施の形態１にかかるパワー半導体装置１００は、このような構造を有することにより小型化が可能となるとともに、サージ電圧を小さく抑えることができる。かかる内容について、以下に詳しく述べる。
【００１８】
パワー半導体装置１００では大電流をスイッチングするが、回路のインダクタンスが大きいと、スイッチング時のサージ電圧が大きくなり、パワー半導体素子の破壊原因になる。従って、パワー半導体素子の破壊を防止するには、パワー半導体素子の耐電圧レベルを大きくする必要が生じ、その結果、ガードリングの幅やチップの厚みを大きくする必要が生じ、パワー半導体装置が大型化するという問題が生じる。
また、サージ電圧が大きいと、スイッチング時の損失が大きくなり、冷却性能を高める必要が生じるなどの問題も生じる。
【００１９】
このため、パワー半導体装置１００では、回路のインダクタンスを小さくし、サージ電圧が小さくなるような構成としている。具体的には、パワーモジュールの主端子のうち、Ｐ端子とＮ端子から平滑コンデンサまでの距離（主回路基板の配線距離）が大きいとインダクタンスが大きくなるため、かかる距離を短くしている。
【００２０】
即ち、本実施の形態１にかかるパワー半導体装置１００では、図１に示すように、パワーモジュール３やコンデンサ５を挟むように、主回路基板６と制御基板７が配置されている。この結果、パワーモジュール３のＰ端子、Ｎ端子とコンデンサ５の電極が、非常に近い位置に配置され、これらを接続する主回路基板６の配線を短くすることができ、インダクタンスが小さくなる。
【００２１】
なお、図２からわかるように、複数の半導体モジュール３やコンデンサ５を含む場合も、それぞれの半導体モジュール３とコンデンサ５は固定ブロック４を挟んで配置され、主回路基板６がその横に配置されている。このため、それぞれの半導体モジュール３とコンデンサ５とを接続する主回路基板６の配線は略直線となり、配線距離を短くできる。
【００２２】
また、本実施の形態１にかかるパワー半導体装置１００では、図２に示すように、冷媒流路に、パワーモジュール３の裏面を冷却水等の冷媒で直接冷却するため、高い冷却効率を得ることができる。
【００２３】
特に、図２のパワー半導体装置１００では、パワーモジュール３を冷却ブロック１の２つの冷却面にそれぞれ配置することで、パワーモジュール３を冷却ブロック１の片面に配置した場合に比べて、パワー半導体装置１００の小型化が可能となる。
【００２４】
また、コンデンサ５は、例えば接着剤で固定ブロック４に固定されているが、パワーモジュール３の発熱量が大きいため、固定ブロック４の熱伝導率を小さくしたほうが、コンデンサ５の温度上昇を抑制できて好ましい。この場合、固定ブロック４の熱伝導率を、例えば０．１Ｗ／ｍＫ程度とすれば、数十℃／Ｗの熱抵抗が得られ、コンデンサ５の温度上昇を十分に抑えることができる。
【００２５】
次に、図５は、本実施の形態１にかかるパワー半導体装置１００に含まれる主回路基板６の一例であるバスバー基板である。バスバー基板では、主に銅合金やアルミ合金からなるバスバーとよばれる金属配線が絶縁板の両面に形成され、かかる金属配線を、例えば、数百アンペアの電流が、数百Ｖ〜数千Ｖの電位差で流れる。具体的には、バスバー基板は、厚さ１ｍｍの銅合金をプレス加工で打ち抜いて作製されたバスバーを、マイカシート、絶縁シート、絶縁紙等の絶縁板の両面に、例えば接着剤で固定して作製する。
なお、図５のバスバー基板は、絶縁板上に、Ｐバスバー、Ｎバスバー、Ｕ配線、Ｖ配線、およびＷ配線を２組有する構造となっている。
【００２６】
バスバー基板を、パワー半導体装置１００の主回路基板として用いる場合、バスバー基板は以下のように形成されることが好ましい。例えば、バッテリー（電源）のＰ端子からＰバスバー、パワーモジュール、Ｎバスバーを経てバッテリーのＮ端子に至る閉回路はインダクタンスとして作用する。このインダクタンスが大きいと、パワーモジュールのスイッチング時に高いサージ電圧が生じ、パワー半導体素子の破壊につながる。このため、パワーモジュールやパワー半導体素子の耐電圧特性を高くする必要があり、パワーモジュールやパワーチップが大型化するという問題があった。
【００２７】
また、この閉回路にスナバコンデンサと呼ばれるサージ吸収回路を取り付けたり、平滑コンデンサを取り付けることでサージ電圧が抑制される。このようなコンデンサを用いた場合は、コンデンサのＰ、Ｎ電極とパワーモジュールのＰ、Ｎ電極とを接続するバスバーが閉回路となり、インダクタンス成分を有する。このインダクタンスの大きさは、閉回路に囲まれた面積に比例するため、この面積を小さくすることがインダクタンスを小さくするために有効である。即ち、パワーモジュールのＰ、Ｎ電極間の距離を小さくし、またＰバスバーとＮバスバーを接近させることでインダクタンスが小さくなる。
【００２８】
なお、バスバーは立体形状とし、低コスト化を図ることもできるが、この場合、バスバー間の絶縁工程が煩雑となるため、少なくともバッテリーや電源、コンデンサ、パワーモジュール等との接続部分は平面形状であることが望ましい。また、バッテリーや電源、コンデンサの電極は、バスバーと略同一平面上に位置するように配置することが望ましい。
【００２９】
図６は、図５のバスバー基板が用いられるインバータの回路図であり、２つの３層インバータ回路Ａ、Ｂを含む。
パワーモジュールが、いわゆる２ｉｎ１構成（１つの冷却ブロックと２つのパワーモジュールで、サブモジュールを構成する）の場合、図６に点線で表した部分が１つのサブモジュールとなる。そして、３個のサブモジュールを組み合わせることにより、１つの３相インバーター回路が構成できる。冷却ブロックの２つの冷却面にそれぞれ３相インバーター回路を形成することで、ほぼ一個分の冷却ブロックの幅で、２個のインバーター回路とすることができる。
【００３０】
実施の形態２．
図７は、全体が２００で表される、本実施の形態２にかかるパワー半導体装置の断面図である。図７中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
パワー半導体装置２００では、冷却ブロック１中に冷媒水路２が埋め込まれた構造となっており、他の構造はパワー半導体装置１００と同様である。
【００３１】
かかる冷媒流路２を用いたパワー半導体装置２００においても、上述のパワー半導体装置１００と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体装置の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールの断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる他のパワーモジュールの断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかるバスバー基板の平面図である。
【図６】本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体装置の回路図である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかるパワー半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  冷却ブロック、２  冷媒流路、３  パワーモジュール、４  固定ブロック、５  コンデンサ、６  主回路基板、７  制御基板、８  固定具、９  接着剤、１０  冷却面、１００  パワー半導体装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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