(57)【要約】【課題】少ない種類の半導体モジュールにより多くの種類の半導体電力変換装置を構成することができ、かつ装置を小形化することのできる半導体モジュールを提供する。【解決手段】属製のベース板上に熱伝導性絶縁材を介して複数の半導体チップを載置し、前記ベース板一部を露出させて周囲を絶縁物で封止してなる半導体モジュールおいて、前記半導体チップが１チップまたは複数チップ単位ごとに独立して外部へ引き出された接続端子を有すると共に、前記絶縁材が２チップ直列分の定格電圧以上の電圧に耐える絶縁耐圧を有する構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製のベース板上に熱伝導性絶縁材を介して複数の半導体チップを載置し、前記ベース板を一部を露出させて周囲を絶縁物で封止してなる半導体モジュールおいて、前記半導体チップが１チップまたは複数チップ単位ごとに独立して外部へ引き出された接続端子を設けると共に、前記絶縁材が全チップ直列分の定格電圧以上の電圧に耐える絶縁耐圧を有する構成としたことを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子で構成する電力変換装置等を小型化するために使用される複数の直並列接続される半導体素子を一体化した半導体モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インバータ装置をはじめとする半導体電力変換装置は、電圧定格が高電圧から低電圧まで広範囲に選ばれ、また電流定格も大電流から小電流まで広範囲に選ばれているので、実に多種、多様の電圧、電流定格をもった製品が生産、使用されているのが現状である。さらに、その種類は、装置の大容量化、高電圧化が要求されているので今なお拡大傾向にある。
【０００３】
このため、半導体電力変換装置の主幹部分を担うパワー半導体素子にも、様々な電圧、電流容量の素子が求められている。半導体電力変換装置に要求される特に高電圧、大電流仕様を満たさない半導体素子を使用する場合は、複数の素子を直並列接続することが必要となる。
【０００４】
前記要求に応えるためのＩＧＢＴモジュールおよびこれを多直列接続して構成した高電圧インバータの従来例が特許文献１に示されている。
【０００５】
図５は、特許文献１に示された従来のＩＧＢＴモジュールの構成を示すものである。
【０００６】
この図５において、101ａはコレクタ外部電極端子、101ｂはエミッタ外部電極端子である。102は絶縁樹脂で構成した筐体、103は同様に絶縁樹脂からなる絶縁部材、104は冷却体に取り付けるための金属製のベース板である。105ａはコレクタ側導電部材、105ｂはエミッタ側導電部材、106ａはコレクタ側中継基板、106ｂはエミッタ側中継基板である。107はＩＧＢＴチップ、108ａはコレクタ内部電極、109は高熱伝導性のセラミック絶縁板、110はボンディングワイヤである。
【０００７】
このようなＩＧＢＴモジュール内で、ＩＧＢＴチップ107は通電により発熱する。これを放置すると、チップの焼損等の故障が生じるので、冷却を行う必要がある。そこで、この従来例で用いる半導体モジュールでは、金属製のベース板104をここには図示しない冷却体に結合して、半導体チップを積極的に冷却するようにしている。
【０００８】
また、電気絶縁技術的な観点に立つと、大地電位におかれた冷却体と、主回路電位にあるＩＧＢＴチップ107とは電気的に絶縁されている必要がある。この従来の半導体モジュールにおいては、ＩＧＢＴ（半導体）チップ107とベース板104との間に熱伝導性の高いセラミック絶縁板106を挟んで両者間を絶縁し、ベース板107と冷却体とを同電位におくことを可能としている。
【０００９】
図６は、前記のように構成されたＩＧＢＴモジュールを２直列接続して構成した２レベルインバータ回路の１相分の構成を示す。破線枠の100はＩＧＢＴモジュールを示すもので、破線枠内の104は、金属製のベース板、109は、このベース板104とＩＧＢＴチップ107との間で熱伝導を行なうセラミック絶縁板、220はベース板104と結合されて、ＩＧＢＴチップ107等が発生する熱を大気中へ放熱するための冷却体である。
【００１０】
一般にインバータ回路では、Ｐ端子と出力端子Ｒとの間に接続された接続された半導体回路を上アーム、出力端子ＲとのＮ端子との間に接続された半導体回路を下アームと呼んでいる。この図６の例では、上下アームにはそれぞれ２直列接続されたＩＧＢＴモジュール郡を１郡ずつ用いている。また下アームのＮ端子に接続されたＥ４端子と冷却体220が接地されるため、Ｎ端子および冷却体２２０が大地電位に固定される。さらに、図示を省略しているが、Ｐ端子とＮ端子との間に直流電力を供給する直流電源が接続され直流電圧Ｅｄが加わる。そして出力端子Ｒに交流負荷装置がそれぞれ接続される。
【００１１】
直流電源の電圧Ｅｄの定格電圧は、定格電圧が１．２ｋＶのＩＧＢＴモジュールを２個直列接続したＩＧＢＴモジュール郡を用いる場合は、１．２×２＝２．４ｋＶとなる。
【００１２】
図６から明らかなように、Ｃ１端子と冷却体220との間には直流電源の定格電圧Ｅｄ（例えば、２．４ｋＶ）と同じ電圧が印加されるが、１個のＩＧＢＴモジュール100の定格電圧は直流電源の定格電圧の１／２（例えば１．２ｋＶ）であるにもかかわらず、ここでは特に絶縁耐圧強化のための対策は何もとられていない。このため、このような従来の半導体電力変換装置では、半導体モジュールを２直列接続した構成であっても、絶縁耐圧を高めることができず、１つの半導体モジュールの絶縁耐圧不足を招く不都合がある。
【００１３】
このような、不都合を解決するために、従来から図７に示すような手段が提案されている。
【００１４】
この図７において、４個のＩＧＢＴモジュール100は、それぞれ図５に示すＩＧＢＴモジュールと同じ構造を有し、２個ずつ直列接続され、図６に示すインバータ回路と同じ回路を構成する。そして、絶縁シート230が追加され、この絶縁シートを介して冷却体220に結合される。この絶縁シート230も、ＩＧＢＴモジュール内に使用されているセラミック絶縁板と同様に熱伝導性の高い絶縁材料で構成されている。また、この絶縁シート230は、図６の回路において、１個のＩＧＢＴモジュールの絶縁耐圧不足分（１．２ｋＶ）を補うために不足分（１．２ｋＶ）以上の絶縁耐圧を備えるようにしている。
【００１５】
したがって、この図７の装置は、図６に示す装置において、各ＩＧＢＴモジュールのベース板104と冷却体220との間、新たな絶縁シート230を介装したのと同じである。新たに加わった絶縁シート230によって、図６の装置において不足した絶縁耐圧１．２ｋＶを補うことができ、直流電源電圧の定格を下げる必要がなくなる。
【特許文献１】特開２００３-１７４７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
前記図７の従来の装置においては、ＩＧＢＴモジュールの絶縁耐圧不足を解消することができるが、以下のような問題がある。
【００１７】
第１に、新たに絶縁シートが必要になるため、部品点数の増加によりコストが上昇すること、並びに、ＩＧＢＴモジュールと放熱体の間の熱抵抗が増大するため、冷却性能が低下し装置の定格容量が低下することである。
【００１８】
第２に、従来装置においては、半導体チップを１チップずつ納めてモジュール化しているため、多直列接続の場合は、半導体モジュールを多数並べる必要があることから、設置スペースが大きくなり装置が大形になることである。
【００１９】
この発明は、このような問題を解消するために、少ない種類の半導体モジュールにより多くの種類の半導体電力変換装置を構成することができ、かつ装置を小形化することのできる半導体モジュールを提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記課題を解決するために、この発明は、金属製のベース板上に熱伝導性絶縁材を介して複数の半導体チップを載置し、前記ベース板一部を露出させて周囲を絶縁物で封止してなる半導体モジュールおいて、前記半導体チップが１チップまたは複数チップ単位ごとに独立して外部へ引き出された接続端子を有すると共に、前記絶縁材が２チップ直列分の定格電圧以上の電圧に耐える絶縁耐圧を有する構成としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によれば、複数の半導体チップを１つのモジュールに組み込みそれぞれの接続端子を外部へ引き出しているので、所望する回路構成に応じて自由に直並列接続数を変更することができる。このため、１つのモジュールを定格電圧、電流の異なる多くの種類の電力変換装置に適用可能となるとともに、複数のモジュールを組み合わせた場合に比べてモジュールの接地スペースを低減することができ、装置の小型化が可能となるなどの効果が得られる。
【００２２】
また、この発明においては、モジュール内の絶縁材が２チップを組み合わせた定格電圧以上の電圧に耐える絶縁耐圧を備えるように耐電圧が強化されてので、外部端子をどのように接続しても耐圧不足が生じることがなく、追加の絶縁材が不要となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
この発明の実施の態様を図に示す実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【００２４】
図１はこの発明の第１の実施例を示すものである。
【００２５】
この図１において、１０は半導体モジュール、２０はこのモジュールに取り付けられた冷却体である。半導体モジュール１０は、４個の半導体チップ１３−１〜１３−４を１つのモジュールに組み込んだものである。半導体チップ１３−１〜１３−４は、冷却体２０に結合するための銅等の高熱伝導性金属製のベース板１８上に、熱伝導性の高いセラッミク板等で構成した電気的絶縁板１６を介して所定の間隔で載置される。これらのチップは絶縁ケース１５により取り囲まれ、その中に充填されたゲル状のシリコーン樹脂等の絶縁封止材１１により封止されている。そして、各チップの外部接続端子１４ｃ−１、１４ｅ−１〜１４ｃ−４、１４ｅ−４はそれぞれケース１５の外まで引き出され、外部回路との接続が可能とされている。ベース板１８を取付けねじ１７により冷却体２０に締め付けて半導体モジュール１０を冷却体２０に結合する。
【００２６】
なお、前記の各半導体チップとベース板１８との間に挿入される絶縁板１６は、その厚さを厚くする等して、４個の半導体チップを直列接続したときの４個分の定格電圧以上の電圧に耐える絶縁耐圧を有するように構成されている。
【００２７】
このように構成した半導体モジュールは、実際の半導体電力変換装置に使用するときは、図２または図３に示すように接続を変更することによって定格電圧を変えて使用することができる。
【００２８】
まず、図２は、４個の半導体チップを４個直列接続して使用する例を示している。各半導体チップの中間の隣り合う外部接続端子を相互に外部接続導体１９により接続し、両端の端子１４ｃ−１と１４ｅ−４との間に直流電源電圧を印加するようにする。これによりモジュールとしての定格電圧は、チップ１個の定格電圧が１ｋＶであれば、４個分の４ｋＶとなり、４ｋＶの直流電源のもとで使用することができる。このとき、冷却体２０が大地に接地されていると、正の電源電圧の印加されるチップ１３−１の外部端子１４ｃ−１と冷却体２０との間に直流電源の電圧４ｋＶが加わることになるが、絶縁板１６は、チップ４直列接続分の定格電圧以上の電圧に耐えるような絶縁耐圧を有する構成とされているため、チップ１３−１はこの４ｋＶの電圧を担うことができる。
【００２９】
図３は４この半導体チップを、２個直列接続した回路を２回路並列接続して使用する例を示している。端子１４ｅ−１と１４ｃ−２および１４ｅ−３と１４ｃ−４をそれぞれ外部接続導体により接続することにより、チップ１３−１と１３−２および１３−３と１３−４をそれぞれ直列接続する。そして端子１４ｃ−１と１４ｃ−３および１４ｅ−２と１４ｅ−４をそれぞれ外部接続導体により接続することによりチップを２個ずつ直列接続した回路が並列に接続される。
【００３０】
このように接続することによりモジュールの定格電圧および定格電流は、半導体チップ１個の定格電圧が１ｋＶ、定格電流が１００Ａの場合、それぞれ２ｋＶおよび２００Ａとなる。直流電源の正電圧の加わる半導体チップ１３−１および１３−３には冷却体２０との間に２ｋＶの電圧が加わるが、絶縁板１６は、チップ４直列分の電圧に耐える絶縁耐圧を有するように構成されているため、十分これを担うことができる。
【実施例２】
【００３１】
図４にこの発明の第２の実施例を示す。この実施例では、絶縁ケース１５内に納められた４個の半導体チップがケース内で２個ずつ直列接続されている。これら２組の２チップ直列接続回路の両端から接続端子１４ｃ−１、１４ｅ−２および１４ｃ−３、１４ｅ−４がそれぞれ外部に引き出されている。その他の構成は、実施例１の場合と同じである。
【００３２】
このような半導体モジュールにおいては、２組の２チップ直列接続回路の外部接続端子を使用して直列に接続することにより４チップ直列接続回路が１回路形成される。これによりモジュールの定格電圧を１チップの定格電圧の４直列接続分の電圧まで高めることができる。この場合、各半導体チップとベース板１８との間に介装した絶縁板１６は４直列接続分の電圧以上の電圧に耐えられる絶縁耐圧を有するように構成されているため、絶縁耐圧が不足することはない。
【００３３】
また、２チップ直列接続回路の外部端子を並列に接続して使用する場合は、２チップ直列回路が２回路並列接続されるので、使用電圧を２直列分の電圧まで高めることができ、使用電流を１チップ分の２倍の電流まで増やすことができる。この場合の絶縁板１６への印加電圧は絶縁耐圧は以下であるので全く問題がない。
【００３４】
前記実施例の説明から明らかなように、この発明によれば、絶縁ケース１５内に配置された複数の半導体チップは絶縁封止材１１により封止されているので間隔を狭めて配設しても十分に絶縁を保つことができるうえ、従来の１チップ単位でジュール化した場合は必要となる各チップごとの絶縁ケース１５や、取付け部のほとんどをなくすことができることにより、１チップ単位のモジュールを使用した場合に比べ、モジュールの設置スペースを小さくすることができる。
【００３５】
また、モジュール内に設ける高熱伝導性の絶縁板を、モジュール内に納める半導体チップの個数の直列接続分の電圧以上の電圧に耐える絶縁耐圧を有する構成としているため、モジュールの取り付けられる冷却体が接地された場合でも絶縁耐圧が不足することがないので、絶縁部材の追加が必要がなく、安価に構成できる。
【００３６】
さらにこの発明による半導体モジュールは、内蔵された複数の半導体チップの直並列接続を外部に引き出した端子によりかなり自由に変更することができるので、少ない種類の半導体モジュールによりより多種類の半導体電力変換装置を構成できる効果が得られる。
【００３７】
前記においてｈじゃ、半導体チップを４個用いた実施例について説明したが、この発明は、半導体チップの個数はこれに限られるものでなく、任意の個数使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の実施例１の構成を示す縦断面図である。
【図２】この発明の実施例１の半導体モジュールの使用例を示す縦断面図である。
【図３】この発明の実施例１に半導体モジュールの他の使用例を示す縦断面図である。
【図４】この発明の実施例２の構成を示す縦断面図である。
【図５】従来の半導体モジュールの構成を示す縦断面図である。
【図６】従来の半導体モジュールの使用例を示す構成図である。
【図７】従来の半導体モジュールの使用例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０：半導体モジュール
１１：絶縁封止材
１３-１〜１３-４：半導体チップ
１４：外部接続端子
１５：絶縁ケース
１６：高熱伝導性絶縁板
１８：ベース板
２０：放熱体
【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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