(57)【要約】【課題】簡素な構造の半導体モジュール装置。【解決手段】第１型半導体１と第２型半導体２を含む複数電極が接合してなる半導体モジュール１１を導電性の筐体に固定する半導体モジュール１１の構造であって、半導体モジュール１１のうち接地電極１Ｅまたはベースプレート８を筐体に直付けする。前記筐体は放熱部材３を兼用しており、その放熱部材３はアルミニウムまたは銅を含む金属である。この半導体モジュール１１以外で熱により品質性能が劣化する平滑コンデンサ等の熱劣化部品に接地電極Ｎまたはベースプレート８があれば、それも放熱部材３に直付けする。また、半導体モジュールによるスイッチ素子Ｔｒを含んでインバータ回路を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１型半導体と第２型半導体を含む複数電極が接合してなる半導体モジュールを導電性の筐体に固定する半導体モジュールの構造であって、
前記半導体モジュールのうち接地電極またはベースプレートを前記筐体に直付けすること特徴とする半導体モジュールの構造。
【請求項２】
前記筐体は放熱部材を兼用しており、
前記放熱部材はアルミニウムまたは銅を含む金属であることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュールの構造。
【請求項３】
前記半導体モジュール以外で熱により品質性能が劣化する熱劣化部品の接地電極またはベースプレートを前記放熱部材に直付けして熱的結合させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体モジュールの構造。
【請求項４】
前記半導体モジュールによるスイッチ素子を含んでインバータ回路を構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の半導体モジュールの構造。
【請求項５】
前記熱劣化部品はコンデンサであることを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュールの構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、半導体モジュール及び半導体装置として、モジュール本体の小型化を実現できる半導体モジュールの構造が開示されている。具体的には、半導体モジュール及び半導体装置が、支持基板上に実装された複数個の半導体チップが１つのパッケージ内に収納され、該半導体チップと電気的に接続された電極端子の少なくとも一部が外部に露出されて、該半導体チップから電極が取り出される構造を備える。この半導体モジュール及び半導体装置において、エミッタ電極端子が、その一端側で上記半導体チップのエミッタ電極に接続される一方、その他端側でモジュール本体上側に露出される。そして、支持基板が導電体からなり、それ自体で、その上面側で半導体チップが直接に接合されて半導体チップと電気的に接続される一方、その下面側で本体底面をなして外部に露出するコレクタ電極端子をなしている、というものである。
【０００３】
下記特許文献２には、ヒートシンクへの取り付け作業を簡単にした非絶縁型の半導体パワーモジュールの取り付け方法が開示されており、具体的には、以下のようなものである。最初に、絶縁シートをヒートシンクの上面に貼り付ける。次に、絶縁シートで囲まれる内周面に、熱伝導性と絶縁性を有するシリコン系の接着剤を塗布する。パワーモジュールを接着剤の上に載せ、約１４０度の雰囲気で加熱して接着剤を硬化させる。これにより、パワーモジュール（以下、「半導体モジュール」ともいう）とヒートシンク（以下、「放熱部材」ともいう）を一定の間隔を保った状態で接着剤により固定する、というものである。
【０００４】
下記特許文献３には、外部電極部材をベース板に容易に固定することができる非絶縁型半導体装置が開示されており、具体的には、以下のようなものである。外部電極部材をベース板へ固定する際には、皿ネジをベース板の裏面からこのベース板の第１貫通孔に通すと、この第１貫通孔の円錐台形状の部分に皿ネジの頭部が嵌合する。さらに皿ネジの先端を外部電極部材の第２貫通孔に通した後、皿ネジの先端をナットで締め付け、これにより外部電極部材をベース板の表面に固定する。このとき、皿ネジの頭部がベース板の第１貫通孔下部に形成された円錐台状の部分に収容される。
【０００５】
下記特許文献４には、省スペース化および省コスト化を阻害することなく、筐体とその筐体に収納されるパワーモジュールとの絶縁を確保することができる半導体装置が開示されており、具体的には、以下のようなものである。インバータケース内において、インテリジェントパワーモジュール（以下、「ＩＰＭ」ともいう）のバスバーと、それに近接するケースとの間に配設した絶縁部材によって、ケースをＩＰＭのバスバーと絶縁する。絶縁が必要な部分の上方には、被支持部材を支持するために設けられるブラケットがケースに固定されている。そして、絶縁部材は、その既設部品であるブラケットの下部に取付けられる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２４３６１１号公報
【特許文献２】特開２００４−２９６９７６号公報
【特許文献３】特開２００４−３４９４８６号公報
【特許文献４】特開２００６−２６１３８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１〜４の技術では、さらなる簡素な構造という課題において改善余地が残されていた。本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであり、半導体モジュール装置において、必要最小限の構成部材のみによる簡素な構造の実現を目的とするものである。特に、車載電装品の電気回路のグランド端子を、筐体シャーシ（車体金属部）にマイナス接地された自動車等に組み込まれる応用製品において、絶縁材料を必要最小限に減らすことによって、簡素な半導体モジュールの構造を実現することを可能とする目的、そして、加工性、品質、コストの点で最適な半導体モジュールの構造を提供すること、さらに、使用温度で寿命が定められる性質の電気部品、例えば電解コンデンサ等の劣化を防いで寿命を延ばすこと目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、第１の発明に係る半導体モジュールの構造は、下記第１の手段を採用する。
すなわち、第１型半導体と第２型半導体を含む複数電極が接合してなる半導体モジュールを導電性の筐体に固定する半導体モジュールの構造であって、前記半導体モジュールのうち接地電極またはベースプレートを前記筐体に直付けする手段を採用する。
【０００９】
第１の発明に係る半導体モジュールの構造によれば、絶縁材料を不要とするため必要最小限の構成部材のみによる簡素な構造を実現することが可能となる。すなわち、半導体モジュールを構成する複数電極のうち接地電極が一体に接合されたベースプレートおよび筐体と同電位の状態を維持するので該当する端子および絶縁部材を省略できる。また、一般的に熱に対しても絶縁性のある絶縁材料を介在させないことで、半導体モジュールと放熱部材との熱的結合がより高くなる。したがって、半導体モジュールと放熱部材との間に絶縁材料を介在させる従来構造の製品に比べ、同一出力／同一発熱量ならば、より小さな放熱部材で冷却能力をまかなえる。このようなわけで、第１の発明に係る半導体モジュールの構造を採用した製品は、よりコンパクトにまとめられ、かつ、コストダウンすることが可能となる。
【００１０】
また、第２の発明は、前記第１の発明に係る半導体モジュールの構造において、前記筐体は放熱部材を兼用しており、前記放熱部材はアルミニウムまたは銅を含む金属を採用する。これにより、良導体であり熱伝導性および加工性が良好なアルミニウムまたは銅を含む金属を放熱部材に採用し、半導体モジュールのうち接地電極またはベースプレートを放熱部材に直付けして熱的結合させることによって、筐体シャーシに電気回路をマイナス接地された自動車等に、加工性、品質、コストの点で最適な半導体モジュールの構造を提供できる。
【００１１】
また、第３の発明は、前記第１または第２の発明に係る半導体モジュールの構造において、前記半導体モジュール以外で熱により品質性能が劣化する熱劣化部品の接地電極またはベースプレートを前記放熱部材に直付けして熱的結合させる手段を採用する。このことにより、かさばる絶縁・耐熱部品等を省略して簡素化されるので、部品配置の効率が良くなると共に、装置全体の小型軽量化およびコストダウンが総合的に可能となる。
【００１２】
また、第４の発明は、前記第１ないし第３の何れかの発明に係る半導体モジュールの構造において、前記半導体モジュールによるスイッチ素子を含んでインバータ回路の構成を採用する。これにより、自動車等の駆動力をまかなう程度に相当する大容量のインバータ回路を、大量生産が前提である自動車等に車載することに最適な半導体モジュールの構造を提供できる。
【００１３】
また、第５の発明は、前記第３の発明に係る半導体モジュールの構造において、前記熱劣化部品はコンデンサである。その前提として、一般的にインバータ回路やコンバータ回路等の電力変換回路に重要な平滑コンデンサは大容量の電解コンデンサである。
【００１４】
第５の発明に係る半導体モジュールの構造によれば、平滑コンデンサを組み込んだ製品が使用中であれば、該当する電気回路に常時無効電流が流れている。ここで、平滑コンデンサに含まれている抵抗Ｒ成分に流れる無効電流によってジュール熱が発生する。この発熱を原因とする電解コンデンサの劣化を防ぐために、平滑コンデンサの接地電極またはベースプレートから直付けされた放熱部材へ良好に熱伝導して放熱させる。
【００１５】
このようなわけで、平滑コンデンサと放熱部材との間に絶縁材料を介在させる従来構造の製品に比べ、同一出力／同一発熱量ならば、より小さな放熱部材で冷却能力をまかなえる。このようなわけで、第５の発明に係る半導体モジュールの構造を採用した製品は、よりコンパクトにまとめられ、かつ、コストダウンすることが可能となる。あるいは、構造を採用しない平滑コンデンサに比べて、より長寿命にすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、筐体シャーシに電気回路をマイナス接地された自動車等に組み込まれる応用製品において、絶縁材料を必要最小限に減らすことによって簡素な半導体モジュールの構造を実現することが可能となる。また、加工性、品質、コストの点で最適な半導体モジュールの構造を提供できる。さらに、使用温度で寿命が定められる性質の電気部品、例えば電解コンデンサ等の劣化を防いで寿命を延ばすことが可能である。特に、以下の点で効果的である。
１）電極や電路とインバータ装置の筐体間の絶縁を確保する必要がなくなり、装置全体が小型・軽量・簡素化される。
２）半導体モジュールの接地端子がなくなるので半導体モジュールが小型化される。
３）半導体チップとベースプレート間の電気的絶縁が不要になるので、半導体チップの放熱性が向上する。
４）グランド電位が安定すると共に、インバータ回路とグランド間のインピーダンスが低減するため、電磁シールド（ＥＭＣ）性能が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態（以下、「本実施形態」という）について説明する。なお、各図に亘り、同一機能には同一符号を付して説明の重複を避ける。
【００１８】
図１は本実施形態に係る半導体モジュール１１の構造の説明図であり、（ａ）主要構成を示すブロック図、（ｂ）応用製品の縦断面図である。図１（ａ）に示すように、半導体モジュール１１は、筐体シャーシに電気回路をマイナス接地された自動車等（図示せず）に組み込まれる応用製品の一種であり、インバータのパワー回路を例示している。このパワー回路が、本実施形態における半導体モジュール１１，１２（図２（ｂ））の最適な応用例である。
【００１９】
周知のように、自動車等の電装機器は車載されたバッテリ４によって、ほぼ安定した電力の供給を受ける。このバッテリ４は、マイナス極Ｎを放熱部材３および筐体シャーシ（以下、「筐体アース」ともいう）に接地する一方、プラス極Ｐに接続された絶縁電線による単極の配線（以下、「プラス配線」ともいう）だけでほぼ全ての電装機器への配電をまかなえる。すなわち、マイナス極の配線（以下、「マイナス配線」ともいう）は筐体シャーシで代用されるので、バッテリ４から電装機器までの配線は不要である。
【００２０】
図１（ａ）において、半導体モジュール１１は、第１型（Ｎ型）半導体１と第２型（Ｐ型）半導体２を含む複数電極が接合してなるＮＰＮ型パワートランジスタＴｒ（以下、「スイッチ素子Ｔｒ」または単に「Ｔｒ」という）を２直列×３並列＝６個使いしてインバータ回路（以下、「三相インバータ」ともいう）を構成している。詳しくは、プラス極Ｐから筐体アース３（符号兼用）にかけて２直列のＴｒ、すなわち、プラス極Ｐにプラス側Ｔｒのコレクタが接続され、そのエミッタがマイナス側Ｔｒのコレクタに接続され、そのエミッタ１Ｅが筐体アース３に接続されてＵ，Ｖ，Ｗでなる三相交流の何れか１相に対するスイッチ素子Ｔｒを構成している。
【００２１】
なお、全図に亘って接地したエミッタのみを他から区別してエミッタ１Ｅとの符号を付し、後述する接地電極１Ｅまたはベースプレート８と同一の意味であるものとする。また、前述した第１型（Ｎ型）半導体１と第２型（Ｐ型）半導体２に関しては、Ｎ型とＰ型を入れ換えて第１型半導体１をＰ型、第２型半導体２をＮ型としても良く、その場合はＰＮＰ型Ｔｒを用いたことになる。さらに、スイッチ素子はＴｒに限定するものでなく、図示せぬＦＥＴ、ＳＣＲ（サイリスタ）等、類似目的のパワー制御素子であれば、他のものでも構わない。
【００２２】
前記２直列のＴｒの接続点から１相を取り出すようにしてＵ，Ｖ，Ｗの３回路を並列接続して三相インバータが構成されている。また、三相インバータを構成する６個使いのＴｒのスイッチタイミングに関しては、図示せぬ制御回路によって生成された三相交流用のスイッチングパルスが、各Ｔｒのベースに印加されているが、三相インバータとして周知技術なのでさらなる図解説明は省略する。
【００２３】
図１（ｂ）に示すように、半導体モジュール１１は、放熱部材３にエミッタ１Ｅまたはベースプレート８を密着するように貼着固定して熱的結合させる構造の上部に、ある程度の空間距離をもって制御回路等の基板６が配設され、これらを２００度Ｃ以上の耐熱性樹脂であるＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）その他の樹脂材料による耐熱絶縁カバー７で覆われている。
【００２４】
放熱部材３は、良導体であり熱伝導性および加工性が良好なアルミニウムまたは銅を含む金属が用いられており、半導体モジュール１１のうち接地電極１Ｅまたはベースプレート８を放熱部材３に直付けして熱的結合させることによって、筐体シャーシ３に電気回路をマイナス接地された自動車等に、加工性、品質、コストの点で最適な半導体モジュール１１の構造を提供できる。
【００２５】
この半導体モジュール１１の構造によれば、接地電極１Ｅまたはベースプレート８と放熱部材３に介在させる絶縁材料を不要とするため、必要最小限の構成部材のみによる簡素な構造を実現することが可能となる。また、一般的に熱に対しても絶縁性のある絶縁材料を介在させないことで、半導体モジュール１１と放熱部材３との熱的結合がより良好になる。したがって、半導体モジュール１１と放熱部材３との間に絶縁材料を介在させる従来構造の製品に比べ、同一出力／同一発熱量ならば、より小さな放熱部材３で冷却能力をまかなえる。このようなわけで、本発明に係る半導体モジュール１１の構造を採用した製品は、よりコンパクトにまとめられ、かつ、コストダウンすることが可能となる。
【００２６】
また、本発明に係る半導体モジュール１１の構造によるスイッチ素子Ｔｒを含むインバータ回路の構成を採用することにより、自動車等の駆動力をまかなう程度に相当する大容量のインバータ回路を、大量生産が前提である自動車等に車載することに最適な半導体モジュール１１の構造を提供できる。
【００２７】
図２は本実施形態に係る半導体モジュール１１，１２の構造を採用した製品の電気回路であり、（ａ）最も簡素なインバータの回路図、（ｂ）平滑コンデンサ５を付設したインバータの回路図である。図２（ａ）に示す半導体モジュール１１は、図１に沿って説明したとおりである。また、図２（ｂ）に示す半導体モジュール１２は、平滑コンデンサ５のうちマイナス極Ｎを接地電極ＮまたはベースプレートＮ（符号兼用）として放熱部材３′に直付けして熱的結合させるように構成されている。
【００２８】
この半導体モジュール１２の構造によれば、平滑コンデンサ５を組み込んだ製品が使用中であれば、該当する電気回路に常時無効電流が流れている。ここで、平滑コンデンサ５に含まれている抵抗Ｒ成分に流れる無効電流によってジュール熱が発生する。この発熱を原因とする電解コンデンサの劣化を防ぐために、平滑コンデンサ５の接地電極ＮまたはベースプレートＮから直付けされた放熱部材３′へ良好に熱伝導して放熱させる。
【００２９】
このようなわけで、平滑コンデンサ５と放熱部材３′との間にもセラミック等の絶縁材料（図示せず）を介在させる従来構造の製品に比べ、同一出力／同一発熱量ならば、より小さな放熱部材３′で冷却能力をまかなえる。したがって、本発明に係る半導体モジュールの構造を採用した製品は、よりコンパクトにまとめられ、かつ、コストダウンすることが可能となる。あるいは、本発明による構造を採用しない平滑コンデンサ５に比べて、より長寿命にすることも可能となる。なお、放熱部材３′は一体構造でも分割構造でも構わないが、平滑コンデンサ５を長寿命にする観点からは、平滑コンデンサ５に対して半導体モジュール１２から発熱の影響を受けにくい構造であることが好ましい。
【００３０】
本発明によれば、筐体シャーシ３，３′（符号兼用）に電気回路をマイナス接地された自動車等に組み込まれる応用製品において、絶縁材料を必要最小限に減らすことによって、簡素な半導体モジュール１１，１２の構造を実現することが可能となる。また、加工性、品質、コストの点で最適な半導体モジュール１１，１２の構造を提供できる。さらに、使用温度で寿命が定められる性質の電気部品、例えば電解コンデンサ５（符号兼用）等の劣化を防いで寿命を延ばすことが可能である。
特に、以下の点で効果的である。
１）電極や電路とインバータ装置の筐体間の絶縁を確保する必要がなくなり、装置全体が小型・軽量・簡素化される。
２）半導体モジュールの接地端子がなくなるので半導体モジュールが小型化される。
３）半導体チップとベースプレート間の電気的絶縁が不要になるので、半導体チップの放熱性が向上する。
４）グランド電位が安定すると共に、インバータ回路とグランド間のインピーダンスが低減するため、電磁シールド（ＥＭＣ）性能が向上する。
【００３１】
なお、上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。例えば、本発明にいう「半導体モジュール」、「放熱部材」、「接地電極」、「ベースプレート」、「スイッチ素子」、「インバータ回路」、あるいは、「パワーモジュール」、「半導体装置」、「インテリジェントパワーモジュール」、「ＩＰＭ」等の呼称にかかわりなく、図１（ｂ）に示したように、半導体モジュール１１のうち接地電極１Ｅまたはベースプレート８を放熱部材３に直付けして熱的結合させる半導体モジュール１１の構造であれば、何れを用いても構わない。なお、ベースプレート８，Ｎの厳密な定義はなく、本発明においては、接地電極１Ｅ，Ｎに該当する半導体チップその他の電子部品等を保持する導電性の金具の意味で用いている。
【００３２】
また、図１（ｂ）は半導体モジュールの構造の一例について、その特徴を誇張して説明するための模式説明図に過ぎない。したがって、半導体モジュール１１の周辺構造も図１（ｂ）に示した実施形態に限定することなく自由である。すなわち、インバータケースとして耐熱絶縁カバー７の有無、あるいは絶縁が必要な部分の周辺に、被支持部材を支持するために設けられるブラケットまたはバスバー等の有無に関しても自由である。さらに、ベースプレート８と放熱部材３に区別がなく、接地電極１Ｅが何らかの導電性部材に保持されて、絶縁部材を介することなく筐体に取付けられた構造でも構わない。
【００３３】
そして、本発明にいう熱劣化部品として例示した電解コンデンサは一例にすぎない。すなわち、半導体モジュール１１，１２以外で、熱により品質性能が劣化する熱劣化部品を用いており、その熱劣化部品に接地電極ＮまたはベースプレートＮがあれば、その接地電極ＮまたはベースプレートＮに対する絶縁・耐熱部品等を省略することにより簡素化できるので、部品配置の効率が良くなると共に、装置全体の小型軽量化およびコストダウンが総合的に可能となる。
【００３４】
要するに、絶縁部材を必要最小限に減らすように接地電極１Ｅまたはベースプレート８を放熱部材３に直付けして熱的結合を良好にすると共に、放熱部材３まで小型軽量化した半導体モジュール１１，１２の構造に関する技術はすべて本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態（本実施形態）に係る半導体モジュールの構造の説明図であり、（ａ）主要構成を示すブロック図、（ｂ）応用製品の縦断面図である。
【図２】本実施形態に係る半導体モジュールの構造を採用した製品の電気回路であり、（ａ）最も簡素なインバータの回路図、（ｂ）平滑コンデンサを付設したインバータの回路図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…第１型半導体、  １Ｅ…接地電極、  ２…第２型半導体、  ３，３′…放熱部材、
５…平滑コンデンサ（電解コンデンサ）  ８…ベースプレート
１１，１２…半導体モジュール、
Ｔｒ…スイッチ素子（トランジスタ）
Ｎ…マイナス極（接地電極またはベースプレート）
【図１】
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【図２】
2008270528.tif 000004