(57)【要約】【課題】急激な温度変化を繰り返す動作モードで半導体素子を駆動しても冷却器を小型化することが可能な半導体モジュールを提供する。【解決手段】一実施形態によれば半導体モジュールは、半導体素子および蓄熱器を備える。半導体素子は、基板上に設けられている。蓄熱器は、半導体素子の近傍に設置され、予め設定された半導体素子の上限温度以下で固体状態を保持したまま相変化する素材を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた半導体素子と、
前記半導体素子の近傍に設置され、予め設定された前記半導体素子の上限温度以下で固体状態を保持したまま相変化する素材を含む蓄熱器と、
を備える半導体モジュール。
【請求項２】
前記素材は、５０℃〜２００℃の範囲内に保持温度を有するバナジウム酸化物、または、前記バナジウム酸化物の一部を、前記保持温度を前記範囲内に設定するための他の元素に置換した相変化材料である、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記半導体素子および前記蓄熱器を収容するケースをさらに備え、
複数の前記蓄熱器が、前記ケース内に設置されている、請求項１または２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記ケース内で前記半導体素子と電気的に接続される電子部品をさらに備え、
前記複数の蓄熱器は、前記半導体素子および前記電子部品に対して個別に設置されている、請求項３に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記複数の蓄熱器は、前記半導体素子および前記電子部品の各々の前記上限温度に基づいて、異なる前記保持温度に設定されている、請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記半導体素子と前記電子部品の少なくとも一方と前記蓄熱器との間に設けられた伝熱部材をさらに備える、請求項４または５に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記半導体素子と前記電子部品の少なくとも一方と前記蓄熱器との間に設置された金属部材をさらに備える、請求項４または５に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、コンバータやインバータ等に代表される電力変換装置には、複数の半導体素子を備える半導体モジュールが使用されている。また、このような電力変換装置には、上記半導体素子の温度上昇を抑制するために冷却器が取り付けられている。
【０００３】
また、所定温度で固体から液体に相変化する相変化材料を素材とする蓄熱器を半導体モジュール内に設置する技術が提案されている。この蓄熱器によれば、半導体素子の温度上昇を抑制できるので、冷却器を小型化することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２７０７６５号公報
【特許文献２】特開２００８−２２７３４２号公報
【特許文献３】特許第５３９７３４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
固体から液体に相変化する相変化材料は、一旦相変化すると、元の状態に戻るまでにある程度の時間を要する。そのため、電力変換装置の用途が、急激な温度変化を繰り返す動作モードで半導体素子を駆動する場合、対処が困難になる。
【０００６】
そこで、本実施形態は、急激な温度変化を繰り返す動作モードで半導体素子を駆動しても冷却器を小型化することが可能な半導体モジュール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】
一実施形態に係る半導体モジュールは、半導体素子および蓄熱器を備える。半導体素子は、基板上に設けられている。蓄熱器は、半導体素子の近傍に設置され、予め設定された半導体素子の上限温度以下で固体状態を保持したまま相変化する素材を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る半導体モジュールの一部を露出した外形図である。
【図２】図１に示す半導体モジュールの内部構造を示す断面図である。
【図３】第２実施形態に係る半導体モジュールの一部を露出した外形図である。
【図４】図３に示す半導体モジュールの内部構造を示す断面図である。
【図５】第３実施形態に係る半導体モジュールの一部を露出した外形図である。
【図６】図５に示す半導体モジュールの内部構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体モジュールの一部を露出した外形図である。また、図２は、図１に示す半導体モジュールの内部構造を示す断面図である。図１および図２に示す半導体モジュール１は、複数の半導体素子１０と、基板２０と、放熱板３０と、蓄熱器４０と、伝熱部材５０と、ケース６０と、を備える。この半導体モジュール１は、例えば、鉄道車両の駆動に用いる電力変換装置内に設置されている。
【００１１】
複数の半導体素子１０は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、サイリスタ等に代表されるパワー半導体素子である。
【００１２】
基板２０は、金属基板２１と、絶縁基板２２と、金属基板２３と、を有する。金属基板２１は、絶縁基板２２の表面に設けられ、接合材７０によって各半導体素子１０に接合されている。金属基板２３は、絶縁基板２２の裏面に設けられ、接合材７１によって放熱板３０に接合されている。接合材７０および接合材７１は、例えばはんだである。
【００１３】
金属基板２１および金属基板２３は、例えば銅（Ｃｕ）に代表される熱伝導性の高い金属を含んでいることが望ましい。また、絶縁基板２２は、金属基板２１と金属基板２３とを電気的に絶縁しつつ、半導体素子１０で発生した熱を高効率に逃がすために高熱伝導性の絶縁材料を含んでいることが望ましい。
【００１４】
放熱板３０は、熱伝導部材８０を介して冷却器１００と熱的に接続されている。放熱板３０は、例えば銅に代表される熱伝導性の高い金属を含んでいることが望ましい。冷却器１００は、例えば冷却フィンである。
【００１５】
蓄熱器４０は、半導体素子１０に対向する位置に設置されている。なお、蓄熱器４０は、半導体素子１０で発生した熱をより多く吸収するため半導体素子１０の近傍に設置されていることが望ましい。さらに、蓄熱器４０は、半導体素子１０と接触していてもよい。
【００１６】
蓄熱器４０は、半導体素子１０の使用に関して予め設定された上限温度か、上限温度よりも少し低い温度で固体状態を保持したまま相変化する素材を含む。本実施形態では、蓄熱器４０の素材は、例えば５０℃〜２００℃の範囲内に保持温度を有するバナジウム酸化物である。このバナジウム酸化物の結晶構造は、上記温度以下で単斜晶から正方晶に変化する。なお、蓄熱器４０の素材は、バナジウム酸化物に限定されず、バナジウム酸化物の一部を、上記範囲内に保持温度を設定するための他の元素に置換した相変化材料であってもよい。
【００１７】
伝熱部材５０は、半導体素子１０と蓄熱器４０との間に設けられている。伝熱部材５０は、半導体素子１０で発生した熱を蓄熱器４０に伝熱する。半導体素子１０が蓄熱器４０と電気的に絶縁する必要がある場合、伝熱部材５０は、絶縁部材で構成される。
【００１８】
ケース６０は、半導体素子１０、基板２０、および蓄熱器４０を収容する。ケース６０内には、封止材９０が充填されている。
【００１９】
上記のように構成された半導体モジュール１では、半導体素子１０が通常の動作モードで駆動する場合、半導体素子１０で発生した熱は、基板２０および放熱板３０に順次に伝わり、その後、冷却器１００で放熱される。
【００２０】
一方、半導体素子１０が、急激な温度変化を繰り返す動作モードで駆動する場合、半導体素子１０で発生した熱は、伝熱部材５０を介して蓄熱器４０に吸熱される。蓄熱器４０の素材は、上述したように、半導体素子１０の上限温度以下で固体状態を保持したまま相変化する。そのため、固体から液体に相変化する素材に比べて体積や形状の変化量が小さくなるので、温度が低下するとすぐに元の状態に戻る。これにより、蓄熱器４０は、上限値を超えないように半導体素子１０の温度上昇を抑制できる。その結果、冷却器１００の冷却能力は、半導体素子１０の温度の急上昇を見込んで大きくする必要はなく、必要最低限であればよい。
【００２１】
したがって、本実施形態によれば、急激な温度変化を繰り返す動作モードで半導体素子を駆動しても冷却器を小型化することが可能となる。
【００２２】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る半導体モジュールの一部を露出した外形図である。また、図４は、図３に示す半導体モジュールの内部構造を示す断面図である。第１実施形態で説明した構成要素には、同じ符号を付し詳細な説明を省略する。図３および図４に示す半導体モジュール２は、第１実施形態に係る半導体モジュール１の構成要素に加えて、電子部品１１および蓄熱器４１をさらに備える。
【００２３】
電子部品１１は、半導体素子１０と同様に、接合材７０で金属基板２１に接合されている。電子部品１１は、例えば、半導体素子１０と電気的に接続されるダイオードや抵抗素子である。
【００２４】
蓄熱器４１は、電子部品１１と対向する位置に設置されている。蓄熱器４１の素材は、蓄熱器４０と同様に、バナジウム酸化物、またはバナジウム酸化物の一部を他の元素に置換した相変化材料である。また、蓄熱器４１の保持温度は、電子部品１１の上限温度に基づいて設定されている。
【００２５】
上記のように構成された半導体モジュール２では、半導体素子１０が急激な温度変化を繰り返す動作モードで駆動する場合、半導体素子１０で発生した熱は、蓄熱器４０に吸熱され、電子部品１１で発生した熱は蓄熱器４１に吸熱される。このとき、蓄熱器４０は、半導体素子１０の上限温度近傍で固体状態を保持したまま相変化する。一方、蓄熱器４１は、電子部品１１の上限温度近傍で固体状態を保持したまま相変化する。そのため、冷却器１００の冷却能力を大きくすることなく、半導体素子１０および電子部品１１の温度上昇を抑制できる。
【００２６】
したがって、本実施形態も第１実施形態と同様に、急激な温度変化を繰り返す動作モードで半導体素子を駆動しても冷却器を小型化することが可能となる。さらに、本実施形態では、複数の蓄熱器が半導体素子１０および電子部品１１ごとに設けられている。また、各蓄熱器の保持温度が半導体素子１０および電子部品１１の上限温度に基づいて個別に設定されている。そのため、例えば電子部品１１の上限温度が半導体素子１０の上限温度よりも低くても、電子部品１１の温度上昇を抑制することができる。
【００２７】
(第３実施形態)
図５は、第３実施形態に係る半導体モジュールの一部を露出した外形図である。また、図６は、図４に示す半導体モジュールの内部構造を示す断面図である。第１実施形態で説明した構成要素には、同じ符号を付し詳細な説明を省略する。
【００２８】
図４および図５に示す半導体モジュール３には、金属部材５１が伝熱部材５０の代わりに半導体素子１０と蓄熱器４０との間に設けられている。金属部材５１は、例えば銅、アルミニウム等の熱伝導性および電気伝導性の高い金属を含んでいる。また、金属部材５１は蓄熱器４０を支持している。
【００２９】
上記のように構成された半導体モジュール３では、半導体素子１０が急激な温度変化を繰り返す動作モードで駆動する場合、半導体素子１０で発生した熱は、蓄熱器４０に吸熱される。このとき、金属部材５１が半導体素子１０と蓄熱器４０との間に介在しているので、伝熱特性が向上する。これにより、半導体素子１０の温度上昇がさらに抑制される。
【００３０】
また、蓄熱器４０は、半導体素子１０の上限温度近傍で固体状態を保持したまま相変化するので、冷却器１００の冷却能力を大きくすることなく、半導体素子１０の温度上昇を抑制できる。
【００３１】
したがって、本実施形態も第１実施形態と同様に、急激な温度変化を繰り返す動作モードで半導体素子を駆動しても冷却器を小型化することが可能となる。さらに、本実施形態では、金属部材５１を配線として使用することもできる。
【００３２】
なお、本実施形態に係る金属部材５１は、上述した第２実施形態に係る半導体モジュール２に設けられていてもよい。この場合、半導体素子１０から蓄熱器４０までの伝熱特性だけでなく、電子部品１１から蓄熱器４１までの伝熱特性も向上する。これにより、電子部品１１の温度上昇もさらに抑制することができる。
【００３３】
以上本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３４】
１、２、３  半導体モジュール、１０  半導体素子、１１  電子部品、２０  基板、４０  蓄熱器、５０  伝熱部材、５１  金属部材、６０  ケース
【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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