(57)【要約】【課題】パワー半導体モジュールの熱抵抗を低減し、小型化を図る。【解決手段】パワー半導体素子１，２の両面に、電極金属層が被着された絶縁基板９，１８をはんだ付け等により接合する。絶縁基板９，１８は裏面にも金属層１１，２１が被着されており、それら金属層と放熱板１３，２３とがろう接により接合される。少なくとも一方の放熱板の放熱面には放熱フィンが設けられる。放熱板１３，２３は放熱面側にはケース１４，２４で覆われた空間が形成され、当該空間に流れる冷却媒体により、素子から放熱板に伝達された熱を除去する。【選択図】図１
2008124430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子の第１の主面に接合される電極金属層が表面に被着された第１の絶縁基板と、
前記パワー半導体素子の第２の主面に接合される電極金属層が表面に被着された第２の絶縁基板と、
前記第１の絶縁基板の裏面に配設される第１の放熱板と、
前記第２の絶縁基板の裏面に配設される第２の放熱板と、
前記パワー半導体素子、前記第１の絶縁基板及び前記第２の絶縁基板を封止する樹脂部材と、
を有し、
前記第１の絶縁基板及び前記第２の絶縁基板はそれぞれの裏面に被着された裏面金属層を有し、
前記第１の放熱板は、その一方面に前記第１の絶縁基板の裏面金属層とのろう接により前記第１の絶縁基板を接合され、
前記第２の放熱板は、その一方面に前記第２の絶縁基板の裏面金属層とのろう接により前記第２の絶縁基板を接合され、
前記第１の放熱板及び前記第２の放熱板の少なくとも一方は、前記一方面とは反対の放熱面に放熱フィンを備えること、
を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
良電気伝導性材料で形成され、前記パワー半導体素子と２つの前記絶縁基板のいずれか一方との間に挿入されるスペーサを有し、
前記スペーサは、前記パワー半導体素子の両面のうち素子電極の少ない方に配され、当該スペーサの両端に位置する前記パワー半導体素子の前記素子電極及び前記絶縁基板の前記電極金属層それぞれと接合されること、
を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記第１の放熱板の前記放熱面に被せられ、冷却媒体の流通空間を前記放熱面上に形成する第１のケースと、
前記第２の放熱板の前記放熱面に被せられ、冷却媒体の流通空間を前記放熱面上に形成する第２のケースと、
を有し、
前記第１のケースと前記第１の放熱板との接触部及び前記第２のケースと前記第２の放熱板との接触部をそれぞれＯリングによりシールしたこと、
を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項４】
請求項３に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記第１のケース及び前記第２のケースはそれぞれ外面に、前記冷却媒体の入口又は出口となる端子孔を少なくとも２つ備え、
前記第１のケースの一部の前記端子孔と前記第２のケースの一部の前記端子孔とを連結パイプによって接続し、前記第１のケース及び前記第２のケースそれぞれの前記流通空間を互いに直列に接続したこと、を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項５】
請求項３記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記第１のケース及び前記第２のケースの少なくとも一方は、互いに分離された２つ以上の前記流通空間を形成し、それぞれ外面に、前記冷却媒体の入口又は出口となる端子孔を前記流通空間毎に少なくとも２つ備え、前記端子孔に接続する連結パイプにより前記流通空間相互の接続構成を変更可能としたこと、を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項６】
請求項３記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記第１のケース及び前記第２のケースの少なくとも一方は、前記流通空間として屈曲した流路を形成すること、を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項７】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子の第１の主面に接合される電極金属層が表面に被着された第１の絶縁基板と、
前記パワー半導体素子の第２の主面に接合される電極金属層が表面に被着された第２の絶縁基板と、
前記第１の絶縁基板の裏面に配設される第１のヒートシンクと、
前記第２の絶縁基板の裏面に配設される第２のヒートシンクと、
前記パワー半導体素子、前記第１の絶縁基板及び前記第２の絶縁基板を封止する樹脂部材と、
を有し、
前記第１の絶縁基板及び前記第２の絶縁基板はそれぞれの裏面に被着された裏面金属層を有し、
前記第１のヒートシンクは、前記第１の絶縁基板の裏面金属層とのろう接により前記第１の絶縁基板に接合され、
前記第２のヒートシンクは、前記第２の絶縁基板の裏面金属層とのろう接により前記第２の絶縁基板に接合され、
前記第１のヒートシンク及び前記第２のヒートシンクの少なくとも一方は、マイクロチャネル構造を有すること、
を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項８】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子の第１の主面に接合される電極金属層が表面に被着された第１の絶縁基板と、
前記パワー半導体素子の第２の主面に接合される電極金属層が表面に被着された第２の絶縁基板と、
前記第１の絶縁基板の裏面に配設される放熱板と、
一方端を前記第２の絶縁基板の裏面に接続され、他方端を前記放熱板に接続されるヒートパイプと、
前記パワー半導体素子、前記第１の絶縁基板及び前記第２の絶縁基板を封止する樹脂部材と、
を有し、
前記第１の絶縁基板及び前記第２の絶縁基板はそれぞれの裏面に被着された裏面金属層を有し、
前記放熱板は、前記第１の絶縁基板の裏面金属層とのろう接により前記第１の絶縁基板に接合され、
前記ヒートパイプは、前記一方端を前記第２の絶縁基板の裏面金属層とのろう接により前記第２の絶縁基板に接合され、前記他方端をろう接により前記放熱板に接合されること、
を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項９】
請求項８に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記第１の絶縁基板及び前記第２の絶縁基板から前記樹脂部材の外側に引き出される電極の引き出し方向と、前記ヒートパイプを前記第２の絶縁基板から引き出す方向とが異なること、を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記パワー半導体素子は、シリコンカーバイドを主材とした半導体基板を用いて形成されること、を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１１】
請求項７に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記パワー半導体素子は、シリコンカーバイドを主材とした半導体基板を用いて形成されること、を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１２】
請求項８に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記パワー半導体素子は、シリコンカーバイドを主材とした半導体基板を用いて形成されること、を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１３】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記パワー半導体素子は、ガリウムナイトライドを主材とした半導体基板を用いて形成されること、を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１４】
請求項７に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記パワー半導体素子は、ガリウムナイトライドを主材とした半導体基板を用いて形成されること、を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１５】
請求項８に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記パワー半導体素子は、ガリウムナイトライドを主材とした半導体基板を用いて形成されること、を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１６】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記樹脂部は、それぞれ前記パワー半導体素子、前記第１の絶縁基板及び前記第２の絶縁基板を封止する複数の要素樹脂部に分割されていること、
を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１７】
請求項１６に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記第１の放熱板は、それぞれ前記要素樹脂部に対応して配置された複数の第１要素放熱板に分割され、
前記第２の放熱板は、それぞれ前記要素樹脂部に対応して配置された複数の第２要素放熱板に分割されていること、
を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１８】
請求項１７に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記第１要素放熱板及び前記第２要素放熱板は、少なくとも一部の厚みまで前記要素樹脂部に埋没していること、を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１９】
請求項１７に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記複数の第１要素放熱板の前記放熱面に被せられ、前記各第１要素放熱板に共通する冷却媒体の流通空間を前記放熱面上に形成する第１のケースと、
前記複数の第２要素放熱板の前記放熱面に被せられ、前記各第２要素放熱板に共通する冷却媒体の流通空間を前記放熱面上に形成する第２のケースと、
を有し、
前記第１のケースと前記第１要素放熱板との接触部及び前記第２のケースと前記第２要素放熱板との接触部をそれぞれＯリングによりシールしたこと、
を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２０】
請求項１９に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記第１要素放熱板及び前記第２要素放熱板は、予め形成された雌ねじ部を有し、
前記第１要素放熱板と前記第１のケースとは、当該第１のケース側から挿入され前記第１要素放熱板の雌ねじ部に螺合するねじ又はボルトによって結合され、
前記第２要素放熱板と前記第２のケースとは、当該第２のケース側から挿入され前記第２要素放熱板の雌ねじ部に螺合するねじ又はボルトによって結合されること、
を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２１】
請求項１９に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記第１又は第２のケースは、前記第１要素放熱板又は前記第２要素放熱板を取り付けられる内側板と、前記流通空間を挟んで前記内側板に対向配置される外側板とを有し、
前記外側板は、前記流通空間の前記放熱フィンが挿入される位置にて前記流通空間へ向かう凸部を有して当該位置での前記流通空間の厚みを狭め、一方、前記放熱フィンの前後位置にて前記流通空間の厚みを広げること、
を特徴とするパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド自動車などに使われるインバータの出力増加に対する要望は大きくなってきており、インバータを構成するパワーモジュールの高出力化が必要になってきている。一方、自動車においては部品を設置するスペースに制約があり、できるだけ小型化することも要求される。高出力化と小型化を両立させるためには、冷却性能を高めることが重要である。冷却性能を高めるための従来の技術として、下記特許文献１に示されるように、パワー半導体素子の上下に電極、絶縁シート、放熱板及びヒートシンクを設け、上下からパワー半導体素子の冷却を行う構造が見られる。
【特許文献１】特開２００５−１７５１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記構造においては、上下にヒートシンクを設けることにより、冷却性能を向上することができる。しかしながら、上記構造においては、電極と絶縁シートと放熱板とヒートシンクのそれぞれの間には特にはんだ等による接合はされておらず、封止樹脂によって押し付けて固定する方法が取られており、接触熱抵抗が大きくなるという課題があった。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、放熱・冷却性能が向上したパワー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】
【０００５】
本発明に係るパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子の第１の主面に表面が接合される第１の絶縁基板と、前記パワー半導体素子の第２の主面に表面が接合される第２の絶縁基板とを有し、これら第１の絶縁基板及び第２の絶縁基板はそれぞれの裏面に被着された裏面金属層を有する。第１の絶縁基板及び第２の絶縁基板それぞれの裏面には放熱板、ヒートシンク、ヒートパイプといった放熱構造体が配設され、それら放熱構造体は前記各絶縁基板の裏面金属層とのろう接により当該絶縁基板に接合される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、パワー半導体素子の両面に取り付けられる絶縁基板と、放熱板等の冷却手段とがはんだ付けやろう付けといったろう接により接合されることにより、パワー半導体素子と冷却手段間の熱抵抗が大幅に低減され、高い冷却性能が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【０００８】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態であるパワー半導体モジュールの模式的な断面図である。図１に示すパワー半導体モジュールは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor）やフリーホイールダイオードなどのパワー半導体素子１、２を備える。パワー半導体素子１、２の下面はそれぞれ、第１のはんだ等の接合材３、４によってスペーサ５、６に接続されている。
【０００９】
スペーサ５、６はパワー半導体素子１及びパワー半導体素子２の厚みが相違する場合に、高さを調整する役割を持つ。また、パワー半導体素子の上側に設けられた電極２８などと下側に設けられた電極２６との間の距離が近付きすぎて放電が起こるのを防いでいる。スペーサは電気抵抗、熱抵抗ともに小さいことが望ましい。スペーサの材質としては、銅の他に、銅カーボン複合材料、銅とインバーとを接合した金属などを用いることができる。銅カーボン複合材料や銅インバー接合材などは、銅と比較して熱膨張係数が小さいので、はんだにかかる熱変形によるひずみが低減され、信頼性が向上する。具体的には、銅カーボン複合材料の線膨張係数は６×１０−６／Ｋ程度であり、銅の１７×１０−６／Ｋと比較して小さい。
【００１０】
下側絶縁基板９は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）やボロンナイトライド（ＢＮ）等の材料でできており、その両面には、銅箔（またはアルミ箔）１０、１１があらかじめ直接に接合されている。スペーサ５、６の下側は、第２のはんだ等の接合材７、８によって、下側絶縁基板９の上面に被着された電極金属層である銅箔１０と接合されている。例えば、素子１がＩＧＢＴ素子である場合、銅箔１０と素子１のコレクタ電極（図示せず）とは、はんだ７を介して電気的に接続されており、銅箔１０からはリード電極２６が引き出される。下側絶縁基板９の下面に被着された裏面金属層である銅箔１１と下側放熱板１３とは、第３のはんだ等の接合材１２により接合されている。
【００１１】
下側放熱板１３は銅などでつくられる。放熱板１３の下側を向いた放熱面にはフィン１３０が直接設けられている。フィン１３０は、溶接、ろう付け等により取り付けるか、放熱板と一体成形する。放熱板１３の下側面にはケース１４が被せられており、ケース１４は放熱板１３との間に冷却媒体の流通空間を形成する。フィン１３０はケース１４の内側の流通空間に収められ、フィン１３０の間を不凍液等の冷却媒体が流れる。図２は図１において円Ａで囲んだ、放熱板１３とケース１４との当接部の拡大図である。図２に示すように、ケース１４にはＯリング用の溝４０が設けられ、放熱板１３とケース１４との間は、Ｏリング４１によってシールされている。放熱板１３とケース１４とは、ボルト２９およびナット３０によって結合されている。
【００１２】
図１に示す端子台３１は、電極２６等を固定するための部材であり、絶縁性材料からなる。この端子台３１はボルト２９およびナット３０によって放熱板１３及びケース１４と共に固定される。また、端子台３１はリード電極２６等と放熱板１３とが接触することを防止している。
【００１３】
上側絶縁基板１８は下側絶縁基板９と同様の材質で、下側に電極金属層として銅箔１９、２０、上側に裏面電極層として銅箔２１がそれぞれ直接に接合されている。パワー半導体素子１、２の上側は、第４のはんだ等の接合材１５、１６、１７により銅箔１９、２０と接合されている。例えば素子１がＩＧＢＴ素子である場合、銅箔１９と素子１のエミッタ電極（図示せず）とは、はんだ等の接合材１５を介して電気的に接続され、銅箔１９からはリード電極２７が外部に引き出される。また、銅箔２０と素子１のゲート電極（図示せず）とは、はんだ等の接合材１６を介して電気的に接続され、銅箔２０からはリード電極２８が外部に引き出される。上側絶縁基板１８の上側に被着された銅箔２１は、第５のはんだ等の接合材２２によって上側放熱板２３と接合される。
【００１４】
上側放熱板２３は銅などの材質でつくられる。上側放熱板２３にはフィン２３０が設けられている。放熱板２３の上側面にはケース２４が被せられており、放熱板２３との間に冷却媒体の流通空間を形成する。フィン２３０はケース２４の内側の流通空間に収められ、フィン２３０の間を不凍液等の冷却媒体が流れる。放熱板２３とケース２４とはボルト２９及びナット３０により結合され、Ｏリング４１によってシールされる。
【００１５】
パワー半導体素子１、２、絶縁基板９、１８、絶縁基板に接合された銅箔１０、１１、１９、２０、２１及び電極２６、２７、２８の表面や側面の全部または一部にはポリイミド系やポリアミドイミド系等の柔軟な樹脂で薄く被覆する。この柔軟な樹脂の硬化後に、パワー半導体素子１、２及び絶縁基板９、１８の周りをエポキシ系樹脂２５により封止する。樹脂材料による封止は、トランスファーモールド構造にしてもよい。ポリイミド系やポリアミドイミド系等の柔軟な樹脂で薄く被覆することにより、硬いエポキシ系樹脂の変形に伴って素子やはんだにかかる応力を緩和することができる。またポリイミド系などの樹脂は電極間の絶縁を保持する役割も果たしている。封止樹脂２５を低熱膨張化するために、樹脂にＳｉＯ２、ＳｉＣ、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３などをフィラーとして１種類以上混合させてもよい。
【００１６】
各接合材の材質としては、環境問題を考慮して、すべてに鉛フリーの接合材を使用することが望ましい。素子１、２とスペーサ５、６とを接合する第１の接合材３、４、スペーサ５、６と銅箔１０とを接合する第２の接合材７、８、及び素子１、２と銅箔１９、２０とを接合する第４の接合材１５、１６、１７には、例えば銅粒子と錫粒子とを混合した高温接合材料を用いる。素子１、２とスペーサ５、６、スペーサ５、６と下側絶縁基板９、及び素子１、２と上側絶縁基板１８とは、前記接合材をペースト状にしたものを塗って重ね合わせた状態で、同時にもしくは個々に加熱溶融させて接合する。下側絶縁基板９と下側放熱板１３とを接合する第３の接合材１２、及び上側絶縁基板１８と上側放熱板２３を接合する第５の接合材２２には、先の第１、第２、第４の接合材よりも融点が低い接合材、例えばＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ鉛フリーはんだなどを使用する。接合材１２と接合材２２とは、同時にもしくは個々に加熱溶融して接合する。このとき、高温側接合材の錫も溶融させ、ボイドレス化のために真空炉を組み合わせた雰囲気の炉を使用することが望ましい。
【００１７】
また、本パワー半導体モジュールの上述の金属部材間の接合は、各種のろう接により行うことができる。例えば、軟ろうであるはんだを接合材として用いるはんだ付けの他、硬ろうを接合材として用いるろう付けにより接合を行うことができる。
【００１８】
放熱板１３、２３の表面に細孔（ディンプル）を設けることにより、樹脂の剥離を防止するように構成することもできる。その場合、樹脂封止前にディンプルが埋まってしまわないようにするため、放熱板の表面にはポリイミドなどを塗布しないようにする。
【００１９】
次に、本パワー半導体モジュールのパワー半導体素子などの構成要素に関する平面レイアウトを図３を用いて説明する。図３に示すパワー半導体モジュールは、６個のＩＧＢＴを搭載し、例えば、三相交流を生成するインバータ回路の出力段のブリッジ回路を構成するために用いられるものであり、例えば正電圧源に接続されるリード電極Ｐ、例えば接地電位や負電圧源に接続されるリード電極Ｎ、ＩＧＢＴのゲート制御信号の入力端子となるリード電極Ｇ、及び三相交流を構成するＵ、Ｖ、Ｗ各相の出力端子となるリード電極Ｕ、Ｖ、Ｗを有する。図３（ａ）、（ｂ）はそれぞれ素子１、２の部分で水平に切断した断面を下向き及び上向きに見たときの配置を模式的に表している。図３（ａ）は、下側放熱板１３、下側絶縁基板９及びパワー半導体素子１、２などの配置を示し、図３（ｂ）は、上側放熱板２３、上側絶縁基板１８及びパワー半導体素子１、２などの配置を示す。
【００２０】
図３（ａ）、（ｂ）の右端のパワー半導体素子１は、例えばＩＧＢＴ素子であり、図１のリード電極Ｐにつながる下側の銅箔１０からリード電極Ｕにつながる上側の銅箔１９に向かって電流が流れるように配置される。すなわち、下側がコレクタ電極、上側がエミッタ電極となるように配置される。なお、素子１のゲート電極は半導体基板の２つの主面のうち、エミッタ電極と同じ側の主面、すなわち上側に配置される。すなわち、上側の主面にリード電極Ｇが接続される。パワー半導体素子２はＩＧＢＴ素子１に並列に接続されるフリーホイールダイオードであり、アノードはリード電極Ｕにつながる上側の銅箔１９に接続され、カソードはリード電極Ｐにつながる下側の銅箔１０に接続される。
【００２１】
一方、図３（ａ）、（ｂ）の右から２番目のパワー半導体素子１０１は、ＩＧＢＴ素子１に直列に接続され、ＩＧＢＴ素子１と共にＵ相のアーム回路を構成するＩＧＢＴ素子であり、素子１のエミッタと共通のリード電極Ｕにつながる上側の銅箔１９からリード電極Ｎにつながる下側の銅箔１０に向かって電流が流れるように配置される。すなわち、上側がコレクタ電極、下側がエミッタ電極となるように配置される。なお、素子１０１のゲート電極は、エミッタ電極と同じ下側の主面に形成される。すなわち、当該ゲート電極に対するリード電極Ｇは、素子の下側主面に接続される。また、ＩＧＢＴ素子１０１に並列に接続されるダイオード１０２は、アノードをリード電極Ｕにつながる上側の銅箔１９に接続され、カソードをリード電極Ｎにつながる下側の銅箔１０に接続される。
【００２２】
以上、Ｕ相のアーム回路を構成する素子及び電極について説明したが、Ｖ相、Ｗ相のアーム回路についても同様である。三相交流が取り出されるリード電極Ｕ、Ｖ、Ｗには、例えば、モータ結線が接続される。図１におけるスペーサ５は、上述のようなＩＧＢＴ素子の場合は電極の数の少ないコレクタ側に付けるようにする。
【００２３】
このような平面配置を取ることにより、小さなスペースに多くの素子を配置することができるので、パワーモジュールを小型化することができる。
【００２４】
図４〜図６に不凍液などの冷却媒体を流す流路の構成を示す。図４は本パワー半導体モジュールの流路構成を示す模式図であり、図４の左上に示すＡ−Ａ断面は、右側に示す側面図に示した線Ａ−Ａを通る面での下側流路７０の断面図であり、左下に示すＢ−Ｂ断面は、右側に示す側面図に示した線Ｂ−Ｂを通る面での断面図である。図４のＡ−Ａ断面図に示すように、ケース１４は中央のフィン１３０の両端に密接し、当該フィン１３０を隔壁としてケース１４内の空間を二分し、２つの流通空間を形成する。各流通空間において、冷却媒体はフィン１３０の間に形成された流路７０を流れる。Ｂ−Ｂ断面図における上側流路７１の部分の構造もＡ−Ａ断面と同様の構造である。パイプ５０〜５７は、下側ケース１４内の２つの流通空間及び上側ケース２４内の２つの流通空間それぞれについての冷却媒体の出入口となる端子孔であり、外部のパイプとの接続部を構成し、ポンプ等からなる冷却媒体循環システムに接続される。
【００２５】
図５、図６は下側ケース内及び上側ケース内に形成される合計４つの流通空間に接続される外部パイプの構成及び冷却媒体の流れの例を示す模式図である。図５の矢印は、冷却媒体の流れる方向を示す。図５において、パイプ５０から下側の一方の流通空間に供給された冷却媒体は、反対側のパイプ５１、５３間をつなぐ外部接続パイプであるリターンパイプ５９を経由して、下側の他方の流通空間に入る。次に、冷却媒体は、パイプ５２、５６間をつなぐリターンパイプ５８を経由して上側の一方の流通空間に入る。さらに続いて、冷却媒体は、パイプ５７、５５間をつなぐリターンパイプ６０を経由して、上側の他方の流通空間に入り、パイプ５４から排出される。すなわち、この構成は４つの流通空間が外部接続パイプを介して直列に接続される
【００２６】
図６はパイプの接続を変えた別の流路構成であり、図６の矢印は図５と同様、冷却媒体の流れる方向を示す。この構成は、下側の２つのパイプ５０、５２に分岐パイプ６１が接続され、これら２つのパイプ５０、５２が冷却媒体の供給口となる。一方、上側の２つのパイプ５４、５６に合流パイプ６２が接続され、これら２つのパイプ５４、５６が冷却媒体の排出口となる。分岐パイプ６１で分岐した冷却媒体は、下側の２つの流通空間を並行して流れる。次に、冷却媒体は、パイプ５１、５５間をつなぐリターンパイプ６３及びパイプ５３、５７間をつなぐリターンパイプ６４を経由して下側の各流通空間からそれぞれ上側の流通空間に入り、上側の２つの流通空間を並行して流れる。上側の２つの流通空間に入った冷却媒体は、パイプ５４、５６から出て、合流パイプ６２により合流して排出される。すなわち、この構成は、直列接続された２つの流通空間からなる経路が２つ並列接続されたものとなる。
【００２７】
この他、４つの流通空間に並列に冷却媒体を流す構成とすることも可能である。また、上下にそれぞれ形成される流通空間の数も２以外の数とすることもできる。
【００２８】
上述したように、図４に示すパイプ５０〜５７のような外部接続用のパイプを有する構成は、外部に接続されるパイプによる流通空間の接続の仕方によって冷却媒体の流し方を変えることができ、要求される冷却性能や、本モジュールに接続される冷却媒体循環システムに応じた好適な冷却媒体の流し方を選択することが可能である。例えば、流通空間の直列接続により、冷却媒体の流通経路を長くすることで、モジュールへの供給から排出までの冷却媒体の吸熱量の増加を図ることができる。一方、流通空間を並列接続することにより、圧力損失を低減することができる。また、パワー半導体素子からの発熱量が平面内で一様でない場合には、発熱量の多い領域に近い流通空間に対する冷却媒体の流通量を発熱量の少ない領域に近い流通空間よりも多くして、効率的な冷却を図ることもできる。
【００２９】
図７は本パワー半導体モジュールの他の流路構成を示す模式図であり、図７の左上に示すＡ−Ａ断面は、右側に示す側面図に示した線Ａ−Ａを通る面での下側流路７０の断面図であり、左下に示すＢ−Ｂ断面は、右側に示す側面図に示した線Ｂ−Ｂを通る面での断面図である。図７のＡ−Ａ断面図に示すように、ケース１４はフィン１３０に沿った方向の一方端にて、中央のフィン１３０に密接し、この一方端側にパイプ５０、５２が設けられる。これにより、ケース１４内の流通空間に、当該中央のフィン１３０を境として一方側が冷却媒体の往路、他方側が復路が形成される。ケース１４の他方端の内側にはガイド９０、９１が設けられる。ガイド９０は中央のフィン１３０に接続され、中央のフィン１３０を実質的に他のフィン１３０より長くする。ガイド９０はケース１４の内壁面との間に隙間を有しており、この隙間を介して、往路側の流通空間と復路側の流通空間とが連通し、往路から復路へのリターン流路９２が形成される。ガイド９１は、ケース１４の内壁面のコーナー部分に設けられる。ガイド９０、９１は往路から復路へ冷却媒体を円滑に移動させるように形状、配置が工夫されている。例えば、パイプ５０を冷却媒体の供給口、パイプ５２を排出口とすると、図７のＡ−Ａ断面図において、下半分の流通空間が往路、上半分が復路となる。同図において、往路のフィン１３０間から左向きに流出した冷却媒体は、ガイド９０が存在することにより、直ちに復路側へ曲がることを阻止され、その流れの向きを保ちつつ合流する。左下角のガイド９１が形成する壁面は、冷却媒体の流れの向きを左向きから上向き、すなわち復路側のリターン流路９２に向かう向きへ滑らかに変える。往路側のリターン流路９２から復路側のリターン流路９２に流れ込んだ冷却媒体は、左上角のガイド９１が形成する壁面により、流れの向きを上向きから右向きへ滑らかに変え、ガイド９０の上側の領域に移動する。しかる後、冷却媒体は、復路側のフィン１３０間に流入する。ガイド９０、９１によりリターン流路９２にて渦の発生を抑制し冷却媒体を円滑に往路から復路へ移動させることにより、圧力損失の抑制や冷却効率の維持が図られる。
【００３０】
本構成では、ケース１４の内部のリターン流路９２を形成し、流通空間を屈曲した流路に構成している。このような構成とすることにより、外部で接続する部分を減らすことができる。以上、下側のケース１４を例に説明したが、上側のケース２４も同様に構成することができる。
【００３１】
パワー半導体素子はシリコン（Ｓｉ）を主材とした半導体基板を用いて形成することができるが、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）やガリウムナイトライド（ＧａＮ）のようなワイドギャップ半導体からなる基板を用いて形成すれば、より高温での使用が可能であり、素子やモジュールを更に小型化できる。また、温度の上昇による熱暴走を防止するために、温度センサーを例えば絶縁基板上に設けてもよい。
【００３２】
なお、以上の説明において、便宜上、上側、下側という表現を使ったが、本パワー半導体モジュールは横向きやその他の向きに配置してもよく、例えば横向きの場合には上側、下側を右側、左側などと読み替えればよい。
【００３３】
本実施形態の構成によれば、上下に絶縁基板と放熱板を設け、絶縁基板と放熱板とをはんだ付け等のろう接により接合し、さらに放熱板に直接設けられたフィンを冷却媒体で冷却することにより、高い発熱密度の素子に対応した冷却が可能となり、パワー半導体素子、更にはパワー半導体モジュール全体を小型化することができる。
【００３４】
［第２の実施形態］
図８は、本発明の第２の実施形態であるパワー半導体モジュールの模式的な断面図であり、冷却媒体流路内の冷却媒体の流通方向に直行する垂直断面を示している。また、図９は、本実施形態における冷却媒体流路の断面構造を示す模式図であり、冷却媒体の流通方向に平行な垂直断面を示している。
【００３５】
下側絶縁基板９の下に接合されるヒートシンクとして、上記第１の実施形態と同様、フィン１３０を立設した放熱板１３にケース１４を被せ、内部に形成される下側流路７０に冷却媒体を流す構成を有している。
【００３６】
これに対して、上側絶縁基板１８の上に接合されるヒートシンクは、上記第１の実施形態にて示した上側のフィン付放熱板２３の替わりに、流路一体の薄型放熱部７２により構成される。薄型放熱部７２は、予め内部に冷却媒体の流通を可能とする空間が形成され、これが上側流路７３となる。
【００３７】
上側流路７３の上流端及び下流端には、下側流路７０に連通する導入流路７４が設けられている。導入流路７４は、薄型放熱部７２の端部開口と下側放熱板１３に設けられた開口との間を接続する接続部７５により構成される。その他の部分は第１の実施形態と同様なので、説明を省略する。
【００３８】
冷却媒体は、下側ケース１４に設けられたパイプを介して流路に供給され、反対側のパイプを介して流路から排出される。例えば、冷却媒体はパイプ５０から流路へ供給され、パイプ５１から排出される。流路に供給された冷却媒体は、一部が下側流路７０に沿って下流のパイプ５１へ向けて流れ、残りが上流側の導入流路７４から上側流路７３へ導かれる。上側流路７３に導かれた冷却媒体は上側流路７３に沿って下流へ流れ、下流の導入流路７４を介してパイプ５１へ導かれる。
【００３９】
上側のヒートシンクの構造としては、図１０に示すように、ヒートシンク８０に細い流路８１を多数設けた、いわゆるマイクロチャネル構造にしてもよい。なお、図１０は、冷却媒体の流通方向に直行する垂直断面を示している。
【００４０】
このような構造によれば、下に絶縁基板と放熱板とを設け、上に絶縁基板とヒートシンク基板とを設け、放熱板及びヒートシンクをそれぞれ絶縁基板に対してはんだ付け等のろう接により接合し、パワー半導体素子の発熱を高い熱伝導率にて上下両面から放熱する。すなわち、パワー半導体素子を高効率で冷却できるので、高発熱密度に対応でき、パワー半導体素子、更にはパワー半導体モジュール全体を小型化することができる。
【００４１】
［第３の実施形態］
図１１は、本発明の第３の実施形態であるパワー半導体モジュールの模式的な断面図であり、冷却媒体流路内の冷却媒体の流通方向に直行する垂直断面を示している。また、図１２は、本実施形態における冷却媒体流路の断面構造を示す模式図であり、冷却媒体の流通方向に平行な垂直断面を示している。
【００４２】
本実施形態は、上記第２の実施形態とは逆に、下側流路７７を薄型放熱部７６により構成する。すなわち、上記第１の実施形態にて示した下側のフィン付放熱板１３の替わりに、流路一体の薄型放熱部７６がヒートシンクとして設けられる。下側流路７７の上流端及び下流端には、上側流路７１に連通する導入流路７８が設けられている。導入流路７８は、薄型放熱部７６の端部開口と下側放熱板１３に設けられた開口との間を接続する接続部７９により構成される。その他の部分は第１の実施形態と同様なので、説明を省略する。
【００４３】
冷却媒体は、例えば、上側ケース２４に設けられたパイプ５４を介して流路に供給され、反対側のパイプ５５を介して流路から排出される。流路に供給された冷却媒体は、一部が上側流路７１に沿ってパイプ５５へ向けて流れる。残りは上流側の導入流路７８から下側流路７７へ導かれ、下側流路７７に沿って下流へ流れ、下流の導入流路７８を介してパイプ５５へ導かれる。
【００４４】
下側流路の構造としては、図１０に示すような細い流路を多数設けたマイクロチャネル構造にしてもよい。
【００４５】
このような構造によれば、上に絶縁基板と放熱板とを設け、下に絶縁基板とヒートシンク基板とを設け、放熱板及びヒートシンクをそれぞれ絶縁基板に対してはんだ付け等のろう接により接合し、パワー半導体素子の発熱を高い熱伝導率にて上下両面から放熱する。すなわち、パワー半導体素子を高効率で冷却できるので、高発熱密度に対応でき、パワー半導体素子、更にはパワー半導体モジュール全体を小型化することができる。
【００４６】
［第４の実施形態］
図１３は、本発明の第４の実施形態であるパワー半導体モジュールの模式的な垂直断面図である。本実施形態では、上側絶縁基板１８からの放熱をヒートパイプ８２、８３を用いて行う。上側絶縁基板１８に被着された銅箔２１の上面に、はんだ等の接合材８４、８５を用いてヒートパイプ８２及び８３の一方端が接合される。ヒートパイプ８２、８３の他方端は、はんだ等の接合材８６、８７によって下側放熱板１３に接合されている。
【００４７】
本実施形態では、素子の上面からの熱は、上側絶縁基板１８を介してヒートパイプ８２、８３に伝えられ、更にヒートパイプによって下側放熱板１３に放熱される。
【００４８】
本実施形態では、上側絶縁基板１８に一方端を接合されたヒートパイプ８２、８３は、絶縁基板９、１８から引き出すリード電極２６、２７、２８と同じ方向に、上側絶縁基板１８の上から外側へ引き出される。リード電極２６、２７、２８は例えば、図３（ａ）（ｂ）に示すように、本モジュールの長手方向に直交する方向に複数本が並んで引き出される。ヒートパイプ８２、８３は、これらリード電極２６、２７、２８の配列の間隔を通過して、上側絶縁基板１８と下側放熱板１３との間をつなぐ。
【００４９】
ヒートパイプ８２、８３は、横幅を大きくして薄い板形のヒートパイプにすることができる。そうすることで、上側絶縁基板１８や下側放熱板１３とのヒートパイプ８２、８３の接触面積を確保することができ、冷却効率を向上させることが可能である。
【００５０】
上側絶縁基板１８とヒートパイプ８２、８３との接合は上述したようにはんだ等を用いて行うが、下側絶縁基板９と下側放熱板１３との接合も上記第１の実施形態と同様に、はんだ等の接合材１２を用いて行われる。
【００５１】
本実施形態の構造においても、上下の絶縁基板１８、９ははんだ付け等のろう接を用いて高熱伝導率にてヒートパイプや放熱板に接合され、パワー半導体素子の発熱を上下両面から放熱する。すなわち、パワー半導体素子を高効率で冷却できるので、高発熱密度に対応でき、パワー半導体素子、更にはパワー半導体モジュール全体を小型化することができる。
【００５２】
［第５の実施形態］
図１４は、本発明の第５の実施形態であるパワー半導体モジュールの模式的な垂直断面図であり、下側放熱板１３のフィン１３０に沿った下側流路７１に平行な垂直断面を示している。本実施形態は、上述の第４の実施形態と同様、素子上面の冷却に、上側絶縁基板１８にはんだ等を用いて一方端が接合されたヒートパイプ８８、８９を用いる。本実施形態は、ヒートパイプ８８、８９を上側絶縁基板１８の上からその外側へ引き出す方向が、リード電極２６、２７、２８と直交する方向に設定される。例えば、図３（ａ）、（ｂ）において、ヒートパイプ８８、８９は本モジュールの長手方向に延在される。引き延ばされたヒートパイプ８８、８９は、上記第４の実施形態のヒートパイプ８２、８３と同様に、下側放熱板１３に接合される。
【００５３】
ちなみに、下側流路７０の方向もこの長手方向である。その結果、図１４に示すように、ヒートパイプの方向と下側流路７１の方向とが基本的に平行となる。また、下側ケース１４に設けられるパイプ５０、５１も、リード電極２６、２７、２８と直交する方向に設けられることとなる。
【００５４】
このような構造とすることにより、ヒートパイプとリード電極との干渉がなくなるので、構造が単純になる。例えば、リード電極の配列間隔が狭くても、その間をヒートパイプを通す必要がないため、ヒートパイプの配置が容易である。また、ヒートパイプの幅を大きくすることも容易であり、冷却効率を高めることができる。
【００５５】
また、パイプ５０、５１等もリード電極２６等と干渉しない方向に設けられるので、構造の単純化や配線・配管の容易化が図られる。
【００５６】
本実施形態の構造においても、上記第４の実施形態と同様、パワー半導体素子を高効率で冷却できるので、高発熱密度に対応でき、パワー半導体素子、更にはパワー半導体モジュール全体を小型化することができる。
【００５７】
［第６の実施形態］
図１５は、本発明の第６の実施形態であるパワー半導体モジュールの模式的な垂直断面図である。なお、図１５は、図１８に示す線Ａ−Ａに沿った断面図である。また、図１６は本パワー半導体モジュールのパワー半導体素子などの構成要素に関する平面レイアウトである。図１６（ａ）、（ｂ）は、図１５の素子１、２の部分で水平に切断した断面を、それぞれ下向き及び上向きに見たときの配置を模式的に表している。本パワー半導体モジュールは、例えば、三相交流を生成するインバータ回路の出力段のブリッジ回路を構成するために用いられるものであり、図３に示したモジュールと同様に、三相交流を構成するＵ、Ｖ、Ｗ各相毎にまとまったパワー半導体回路を有する。
【００５８】
本実施形態は、封止樹脂を複数のブロック（要素樹脂部）に分割した点に１つの特徴を有する。例えば、Ｕ、Ｖ、Ｗ各相毎のパワー半導体回路に対応して、３つの樹脂ブロック２５０、２５１、２５２に分割される。封止樹脂には、エポキシ樹脂等を用いる。
【００５９】
また、封止樹脂の分割に対応して、下側放熱板及び上側放熱板もそれぞれ、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の各相のパワー半導体回路を含むように３つの部分（要素放熱板）に分割する。図１６（ａ）には、分割された下側放熱板２４０、２４１、２４２が示され、図１６（ｂ）には、分割された上側放熱板３４０、３４１、３４２が示されている。なお、封止樹脂及び各放熱板を分割する位置や分割パターンは、上述のものに限られず、他の態様とすることもできる。
【００６０】
図１７は、冷却媒体流路の流体の流れる方向（図１５において左右方向）に直交する方向に関する本パワー半導体モジュールの模式的な断面図である。本実施形態では、各樹脂ブロック２５０等は、分割された上側放熱板３４０等とこれに対向する分割された下側放熱板２４０等との間を封止する。各樹脂ブロックは、対応する上側放熱板及び下側放熱板の外側まで広がる大きさに形成され、上側放熱板及び下側放熱板はその厚みの少なくとも一部が樹脂ブロックに埋設される。これにより、放熱板の概略全周を封止樹脂が覆う構造となり、分割された各放熱板と封止樹脂との密着性を向上させることができる。
【００６１】
また、樹脂ブロック２５０等が上側放熱板３４０等及び下側放熱板２４０等の外側まで広がる大きさに形成されることにより、上側絶縁基板１８、下側絶縁基板９から外側に引き出される電極２６、２７、２８のうち、上下放熱板間に存在する部分が封止樹脂で固定される。
【００６２】
また、上側放熱板３４０等及び下側放熱板２４０等に、例えば、ヘリサート加工により予め雌ねじ部を形成したり、ナット３０を予め埋め込んでおく。これにより、本モジュールの外側からケース１４、２４の穴３３に挿入したねじやボルト２９を雌ねじ部やナットと螺合させ、ケース１４、２４と放熱板２４０、３４０等とを容易に固定することができる。
【００６３】
さらに、封止樹脂をそれぞれが小型の樹脂ブロックに分割することで、樹脂にかかる熱応力を低減でき、熱応力による樹脂の破損が抑制されるので封止樹脂の信頼性が向上し、ひいては本パワー半導体モジュールの信頼性が向上する。
【００６４】
図１８及び図１９は、本実施形態における冷却媒体流路の構造の一例を示す模式図である。図１８の上側には、下側流路を構成するケース１４を上側から見た平面図を示し、その下側には平面図における線Ａ−Ａに沿ったＡ−Ａ断面図を示している。なお、上側流路を構成するケース２４も基本的に同様の構造であるので、図示を省略している。図１９は、本パワー半導体モジュールを組み立てた状態での流路構成を示す模式図であり、図１９の左に示すＢ−Ｂ断面は、右側に示す側面図に示した線Ｂ−Ｂを通る面（図１８の平面図に示す面と平行な面）での断面図である。
【００６５】
ケース１４は、放熱板を取り付ける側の板（内側板）と、これに対向配置される板（外側板）との間に間隙を有し、これが冷却媒体の流通空間となる。図１８に示すように、ケース１４の内側板には、３分割された放熱板２４０〜２４２（図１５参照）に対応して、３個の穴４２０〜４２２が設けられる。これらの穴４２０〜４２２に、放熱板２４０〜２４２に設けられたフィン２３３〜２３５（図１５、図１９参照）が挿入される。フィンはフィン相互の間隙が流通方向に平行となるように、ケース１４の冷却媒体の流通空間に配置され、ケース１４と一体となって冷却媒体の流通路を構成する。
【００６６】
穴４２０〜４２２の周囲にはＯリング溝４００〜４０２が設けられ、そこに放熱板とケース１４との間をシールするＯリング４１０〜４１２が嵌め込まれる。
【００６７】
ケース１４の外側板は、フィンが配置される部分に対応して流通路側へ凸に形成され、流通路を狭め、一方、フィンが配置されない部分では、流通路が広がるように形成される。これにより、フィン間の位置の外側板は、流通路側から見てくぼみ部分５００が形成される。この構成では、フィンの位置にて外側板がフィンの先端との隙間を狭めることにより、冷却媒体が好適にフィンの間隙を流れ、冷却効率の確保を図ることができる一方、流通路上にてフィンが配置されない位置にて、流路が狭くなって流路抵抗が増加することを防止することができる。冷却媒体流路の接続については、第１の実施形態と同様に、図５、図６に示したような接続の仕方が可能である。
【００６８】
本実施形態に示した構造とすることにより、高い発熱密度の素子に対応した冷却が可能となり、パワー半導体素子、さらにはパワー半導体モジュール全体を小型化することができるとともに、封止樹脂部分に高い信頼性が確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施形態であるパワー半導体モジュールの模式的な垂直断面図である。
【図２】本発明の実施形態のパワー半導体モジュールにおける放熱板とケースとのシール部分の模式的な垂直断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態であるパワー半導体モジュールの模式的な水平断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態であるパワー半導体モジュールにおける冷却媒体流路の構成を表す模式的な断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態であるパワー半導体モジュールの下側ケース内及び上側ケース内に形成される４つの流通空間に接続される外部パイプの構成及び冷却媒体の流れの一例を示す模式図である。
【図６】本発明の第１の実施形態であるパワー半導体モジュールの下側ケース内及び上側ケース内に形成される４つの流通空間に接続される外部パイプの構成及び冷却媒体の流れの他の例を示す模式図である。
【図７】本発明の第１の実施形態であるパワー半導体モジュールにおける冷却媒体流路の他の構成を表す模式的な断面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態であるパワー半導体モジュールの模式的な垂直断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態であるパワー半導体モジュールにおける冷却媒体流路の構造を示す模式的な垂直断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態であるパワー半導体モジュールに用いられるマイクロチャネル構造のヒートシンクの模式的な断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態であるパワー半導体モジュールの模式的な垂直断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態であるパワー半導体モジュールにおける冷却媒体流路の構造を示す模式的な垂直断面図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態であるパワー半導体モジュールの模式的な垂直断面図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態であるパワー半導体モジュールの模式的な垂直断面図である。
【図１５】本発明の第６の実施形態であるパワー半導体モジュールの模式的な垂直断面図である。
【図１６】本発明の第６の実施形態であるパワー半導体モジュールの模式的な水平断面図である。
【図１７】本発明の第６の実施形態であるパワー半導体モジュールの、図１５の左右方向に直交する面での模式的な断面図である。
【図１８】本発明の第６の実施形態であるパワー半導体モジュールの冷却媒体流路を構成するケースの構造の一例を示す模式図である。
【図１９】本発明の第６の実施形態であるパワー半導体モジュールにおける冷却媒体流路の構成を表す模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１，２，１０１，１０２  パワー半導体素子、３，４，７，８，１２，１５，１６，１７，２２，８４〜８７  接合材、５，６  スペーサ、９  下側絶縁基板、１０，１１，１９〜２１  銅箔、１３，２４０〜２４２  下側放熱板、１４  下側ケース、１８  上側絶縁基板、２３，３４０〜３４２  上側放熱板、２４  上側ケース、２５  封止樹脂、２６〜２８  リード電極、２９  ボルト、３０  ナット、３１  端子台、４１，４１０〜４１２  Ｏリング、５０〜５７  パイプ、５８〜６０、６３，６４  リターンパイプ、６１，６２  分岐パイプ、７２，７６  薄型放熱部、８０  ヒートシンク、８２，８３  ヒートパイプ、９０，９１  ガイド、１３０，２３０，２３３〜２３５，３３３〜３３５  フィン、２５０〜２５２  樹脂ブロック、４００〜４０２  Ｏリング溝、４２０〜４２２  穴。
【図１】
2008124430.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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