(57)【要約】【課題】パワー半導体の金属ベースを直接水冷する構造において、小型、及び、高信頼な構造を提供する。【解決手段】筐体底面に、パワー半導体モジュールの金属ベースを直接水冷するための開口部を設け、この開口部に、パワー半導体モジュールを筐体底面の外側から実装して直接水冷する構造において、パワー半導体モジュールの主端子をボルト締めする領域を、モジュールと別の端子部品とする。この端子部品を、パワー半導体モジュール周囲の筐体上に配置し、パワー半導体モジュールの主端子はこの端子部品上に、パワー半導体モジュールの外側へ向かって折り曲げられ、主配線とともにボルト締めされる。このことで、モジュール取付け部と、主端子取付け部は概略同一線上に形成され、大幅な小型化と漏水の筐体中への浸水を防止できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流をスイッチングするパワー半導体素子と、該パワー半導体素子のスイッチングされる電流を通電する主端子と、該パワー半導体素子を搭載し該パワー半導体素子の発熱を放熱する金属ベースとを有するパワー半導体モジュールであって、該パワー半導体モジュールが搭載される筐体底面には、該パワー半導体モジュールを直接水冷する開口部が設けられ、該開口部周囲の裏面は、前記パワー半導体モジュールの前記金属ベース表面の周囲に固着されるパワー半導体モジュールにおいて、
前記パワー半導体モジュールの前記主端子と、該主端子へ接続される主配線をボルト締めするための端子部品が、前記パワー半導体モジュール周囲の前記筐体上に配置され、前記主端子は、前記パワー半導体モジュールの外側へ向かって前記端子部品上へ折り曲げられ、前記主配線とともにボルト締め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２】
請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記パワー半導体モジュールの外側へ向かって折り曲げられた前記主端子は、前記主配線の上に重ねられ、前記端子部品とともにボルト締め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記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記端子部品と前記主配線は、樹脂等で一体成型された一体部品となっ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４】
請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記パワー半導体モジュールは少なくとも２台あり、筐体の前記開口部も少なくとも２箇所あり、前記端子部品の中で、前記パワー半導体モジュールの電源端子、及び、グランド端子と、該電源端子、及び、グランド端子へ接続される主配線を接続するための前記端子部品は、前記少なくとも２台のパワー半導体モジュールで共通化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５】
電流をスイッチングするパワー半導体素子と、該パワー半導体素子のスイッチングされる電流を通電する主端子と、該パワー半導体素子を搭載し該パワー半導体素子の発熱を放熱する金属ベースとを有するパワー半導体モジュールであって、該パワー半導体モジュールが搭載される筐体底面には、該パワー半導体モジュールを水冷する開口部が設けられ、該開口部周囲の裏面は、前記パワー半導体モジュールの前記金属ベース表面の周囲に固着される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を樹脂封止するための樹脂ケースは、前記金属ベース上に接着され、前記パワー半導体モジュール全周に渡って前記金属ベースは前記樹脂ケースよりも外側に張り出し、かつ、全周に渡って樹脂ケースには突起、金属ベースには窪みが形成されてい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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＢＴ）等のパワー半導体素子を有するパワー半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特開２００２−３１４０３７号公報に記載されている様に、ハイブリッド電気自動車用モータ等、大出力モータを制御するインバータには、ＩＧＢＴモジュール等のパワー半導体モジュールが使用される。この自動車用インバータ中のＩＧＢＴモジュールの冷却は、水冷が一般的である。高発熱であるため大きな冷却能力が必要であるにもかかわらず、車載のため、インバータ体積の小さいことが要求されるためである。インバータ筐体底面の一部にフィンを形成し、筐体中、このフィンが形成されている領域にＩＧＢＴモジュールの金属ベースを高熱伝導性グリースで固着し、ＩＧＢＴモジュールの発熱を放熱する（間接水冷）。
【０００３】
また、特開平１１−１６３５７２号公報に記載の様に、冷却性能を向上させるため、パワー半導体モジュールの金属ベースにフィンを設け、フィン付金属ベースに直接冷却水を当てる構造（直接水冷）も提案されている。直接水冷の欠点は、冷却水のシールが破られた場合、インバータ中の高電圧を含む回路が被水し、感電の危険性があることである。このことに対処するため、特開平１１−１６３５７２号公報では、ＩＧＢＴモジュール冷却用に開口されたインバータ筐体の底面を
ＩＧＢＴモジュールの銅ベースの表面に銅ベースの周囲を取り囲んで固着している。水路カバーは銅ベースの裏面全体のみを覆い、冷却水路を形成することで、万が一Ｏリングの劣化等により冷却水が漏水しても、インバータ筐体中に浸入することはない。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３１４０３７号公報
【特許文献２】
特開平１１−１６３５７２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術で記載した直接水冷用ＩＧＢＴモジュールでは、ＩＧＢＴモジュールの小型化、及び、その実装スペースの省スペース化の面で以下の問題がある。
【０００６】
間接水冷、他に使用される、一般のＩＧＢＴモジュールにおいて、主端子取付けボルト位置と、銅ベース取付けボルト位置は、ほぼ同一線上にあるか、もしくは、銅ベース取付けボルト位置の方が内側、つまり、よりモジュール中央よりに存在する。従って、主端子領域よりも、銅ベース取付け領域が内側に存在するため、モジュール取付け領域が、モジュールの実装スペースを増大させることはない。しかしながら、従来の技術で記載した直接水冷構造において、前述のように、インバータ筐体は、ＩＧＢＴモジュール銅ベース表面の周囲に固着している。
すなわち、銅ベース取付け領域は、必ず主端子の外側としなければならない。そのため、銅ベースは、取付け領域の幅だけ、一般のＩＧＢＴモジュールよりも大きくなってしまう。すなわち、幅が、増大してしまう。また、ＩＧＢＴモジュール冷却用のインバータ筐体開口部もモジュールよりも大きくしなければならないため、幅は大きくなってしまう。自動車用インバータは小型化が極めて重要であるため、開口部の幅の増大はインバータ体格増大につながるため不可である。また、ＩＧＢＴモジュールの大型化は、モジュール反りの増大等を引き起こし、取付け（冷却水シール）性低下，歩留まり低下をもたらすため不可である。
【０００７】
以上、従来構造の問題点を鑑みて、本発明は、冷却水漏水時にインバータ筐体中への漏水浸入が起こらない直接水冷型パワー半導体モジュールの構造、及び、その実装構造において、モジュールの小型化、及び、その実装スペースの低減を実現できる構造を提供することが目的である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明では、電流をスイッチングするパワー半導体素子と、該パワー半導体素子のスイッチングされる電流を通電する主端子と、該パワー半導体素子を搭載し該パワー半導体素子の発熱を放熱する金属ベースとを有するパワー半導体モジュールであって、該パワー半導体モジュールが搭載される筐体底面には、該パワー半導体モジュールを直接水冷する開口部が設けられ、該開口部周囲の裏面は、前記パワー半導体モジュールの前記金属ベース表面の周囲に固着されるパワー半導体モジュールにおいて、前記パワー半導体モジュールの前記主端子と、該主端子へ接続される主配線をボルト締めするための端子部品が、前記パワー半導体モジュール周囲の前記筐体上に配置され、前記主端子は、前記パワー半導体モジュールの外側へ向かって前記端子部品上へ折り曲げられ、前記主配線とともにボルト締めされるように構成するものである。
【０００９】
つまり、ＩＧＢＴモジュールの主端子を外部バスバーへボルト締めする領域は、必ずしもＩＧＢＴモジュールと一体である必要は無い。ＩＧＢＴモジュールをインバータ筐体へ取付けた後に、主端子とバスバーのボルト締め領域を形成すれば、モジュール取付け部と、主端子のボルト締め部を概略同一線上に配置できる為、モジュール銅ベース，冷却用開口部は大きくなることはない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明実施例を、以下図面を使用して詳細に説明する。
【００１１】
（実施例１）
図１，図２，図３，図５，図６を使用して第一の実施例について詳細に説明する。モジュール定格電圧／電流＝６００Ｖ／４００Ａクラスの直接水冷型フィン付銅ベースを有する３相ＩＧＢＴモジュール、及び、その筐体への取付け構造の実施例である。
【００１２】
図１はインバータ筐体１１５に取付けた場合のＩＧＢＴモジュール主端子部、かつ、パワー半導体チップ搭載部の断面構造模式図、図２はモジュール取付け部の断面構造模式図、図３は取付け前のＩＧＢＴモジュール断面模式図（主端子、かつ、パワー半導体チップ搭載部）、図５はＩＧＢＴモジュール６０外観の平面模式図であり、制御端子は省略している。図６はＩＧＢＴモジュール６０を筐体１１５に取付けた平面模式図である。図１，図３において、窒化アルミ基板１４表面の銅製回路パタン、及び、はんだ接着用の裏面銅パタン，ＩＧＢＴチップ
１２のペレット，ＦＷＤチップ１３のペレットと窒化アルミ基板１４上銅パタンを接続するアルミワイヤは省略している。また、図５，図６において、モジュール６０表面に垂直ピンとして露出される制御端子は省略している。
【００１３】
窒化アルミ基板１４の大きさは２．６ｃｍ×５ｃｍ  で、チップサイズ１１ｍｍ□の
ＩＧＢＴチップ１２のペレット，チップサイズ６ｍｍ×９ｍｍのＦＷＤチップ１３のペレット各２チップが、融点３００℃以上の高温パワーチップ接着はんだ１５で接着されている。窒化アルミの厚さは０．６３５ｍｍ  であり、表裏面銅パタンの厚さは各々０．３，０．２ｍｍである。はんだ厚さは誇張して表現されており、はんだ膜厚は０．１ｍｍ  程度である。各ペレットの電圧／電流定格は６００Ｖ／２００Ａであり、２並列接続されることにより、定格６００Ｖ／４００Ａのモジュールとなっている。また、図１で示す断面には表現されていないが、ＩＧＢＴを並列駆動する際の共振防止のために、ゲートに接続されるＳｉチップ抵抗も同じく高温はんだで接着されている。ＩＧＢＴチップ１２のペレット，ＦＷＤチップ１３のペレットと窒化アルミ基板１４上銅パタンを接続するアルミワイヤの線経は３００μｍφである。パワー半導体搭載窒化アルミ基板１４とフィン付銅ベース１０は、融点１９０℃程度の窒化アルミ基板接着はんだ１６で接着されている。はんだ膜厚は約０．１５ｍｍ  である（パワーチップ接着はんだ１５と同様、誇張して表現されている）。窒化アルミ基板１４と主端子１９との接続も同じくアルミワイヤ１７で行われる。このワイヤの線経は５００μｍφである。半導体ペレット上のアルミワイヤは、低ダメージに配慮する必要があるため３００μｍと比較的細いワイヤを使用している。しかし、アルミワイヤ１７はダメージに配慮する必要ないため、ボンディング本数の低減、かつ、電気抵抗低減に配慮して、太いワイヤを使用している。３相モジュールの各アームは、一枚の窒化アルミ基板１４から構成され、合計６枚の基板１４がモジュールケース１２０中に搭載されている。
モジュールケース１２０は、主端子１９，制御端子を熱可塑性樹脂であるポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）で一体成型した、いわゆる端子インサートケースである。ケース１２０中は、シリコーンゲル１８で封止され、同じく熱可塑性樹脂製のモジュールカバー１１９（厚さ１．５ｍｍ）で覆われる。フィン部を除くモジュールの高さは約１５ｍｍである。フィン付銅ベース１０の材質はタフピッチ銅であり、窒化アルミ基板１４がはんだ接着されている平板部の厚さは３ｍｍである。形成されているフィン１１の高さ，幅，間隔は各々５，１．５，２．５ｍｍである。この形状のフィンが計１６本設けられており、アルミダイカスト製の厚さ３ｍｍの水路カバー１１６とで冷却水路１２１が形成される。全体の水路幅１２４は５ｃｍである。水路カバー１１６にはＯリング１１８を挿入するための、深さ１．４ｍｍ，幅２．５ｍｍの溝が形成されており、１．９ｍｍφ  のＯリング１１８で銅ベース１０と水路カバー１１６はシールされている。
【００１４】
端子部品１１４と主端子１９，バスバー１１０の取付け方が本発明の特徴である。端子部品１１４は熱可塑性樹脂である、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）で形成されており、Ｍ６ボルト１１１取付け用ナット１１２が一体成型され、ボルト逃がし用空隙１１３が設けられている。端子部品１１４の大きさは、幅，長さ，高さが各々１５，１５，１５ｍｍである。高さは、モジュールケース１２０の高さとほぼ一致している。この端子部品１１４は、モジュールケース１２０の近傍に配置され、本実施例では、端子部品１１４が配置される領域のアルミダイカスト製筐体１１５の肉厚を薄くして窪み１２５を形成し、配置し易いようにしている。筐体１１５の厚さは３ｍｍで、窪み１２５部では、１ｍｍ薄くして、厚さを２ｍｍとしている。端子部品１１４上へ、パスバー１１０，主端子１９の順で配置され、Ｍ６ボルト１１１で取付けられている。Ｍ６ボルト１１１の締付けトルクは、一般のＩＧＢＴモジュールの主端子締付けトルクと同じ２．４５Ｎ・ｍ  である。前述の窪み１２５は、このトルクに耐えて固定する目的もある。
【００１５】
図２は前述の通り、モジュール取付け部の断面模式図である。この領域に、端子部品１１４は存在せず、銅ベース１０のモジュール取付け穴（６．５φ  ）３２部で、銅ベース１０，筐体１１５，水路カバー１１６がＭ６ボルト３０でとも締めされている。締付けトルクは主端子と同じ２．４５Ｎ・ｍ  である。水路カバー１１６の肉厚は３ｍｍと薄い為、ボルト取付け部３３のボルト取付け領域のように十分厚くしている。本構造で、冷却水シールが万が一破られても、漏水は筐体
１１５内部に浸入することはない。しかし、Ｍ６ボルト３０のネジ穴からしみ込む可能性は残されている。そこで、本実施例ではシールワッシャ３１を使用して、このことを防止している。また、本実施例では、筐体１１５と銅ベース１０間にガスケット，Ｏリング等のシール手段を設けていないが、必要に応じ設置する場合もある。
【００１６】
図３は筐体へ実装前の本発明ＩＧＢＴモジュールの断面模式図である。主端子１９は、まだ折り曲げられておらず、垂直に立っている状態である。この構造とすることで、筐体１１５の開口部の下方から実装可能となる。つまり、図１に示した実装状態では、筐体の開口部は、主端子１９と銅ベース１０に挟み込まれる構造になっている。モジュールの特性検査は、検査用の治具等を使用してこの形態で行われる。
【００１７】
図５は、筐体への実装前の本発明モジュール６０、つまり、図３の平面外観模式図である。銅ベース１０の大きさは９ｃｍ×２２ｃｍであり、長手方向に電源（Ｐ）端子６１，グランド（Ｎ）端子６２が各３セット設けられている。端子の材質はタフピッチ銅で、厚さ１．５ｍｍ  、モジュール外へ露出している部分の幅は１５ｍｍ，長さ２０ｍｍである。さらに、Ｐ，Ｎ端子の対向面には、Ｕ，Ｖ，Ｗ端子である端子６３が配置されている。形状，材質はＰ，Ｎ端子と同様である。６．５φ  のモジュール取付け穴３２は８箇所であり、Ｏリングのごく近傍に配置されるように設計されている。
【００１８】
図６は、ＩＧＢＴモジュール６０を実装した状態の平面模式図、つまり、図５に筐体１１５等を加えて表現した模式図である。筐体１１５の下方からＩＧＢＴモジュール６０は搭載される為、銅ベース１０が表面にはほとんど現れない。Ｐ，Ｎバスバー７０，７１は一部のみを表現しており、また、Ｐ，Ｎ間を絶縁するシートも省略している。図示されているように、モジュール取付けボルト３０との絶縁距離に配慮しながら、Ｐ，Ｎバスバー７０，７１とＰ，Ｎ端子６１，６２は端子部品１１４を使用してＭ６ボルト１１１で締め付けられている。Ｕ，Ｖ，Ｗ配線７２も全く同様である。なお、耐漏水性能は０．５Ｍｐａ  以上あることを確認した。電気自動車に搭載される、冷却水を循環させる電動ポンプは、小型化が要求される為、一般に、５０ｋＰａ程度の能力である為、十分な耐漏水性能を確認できた。
【００１９】
以上、示してきた構造で、図１のモジュール幅１２２は９ｃｍで、筐体の開口部幅１２３は７ｃｍとすることができた。従来構造の場合、図１の幅１２２に相当する幅２４は１１ｃｍ、同じく幅１２３に相当する幅２６は９ｃｍと本発明により大幅に縮小していることが分かる。これは、これまで説明してきたように、従来構造の場合に必要であった幅約１ｃｍのＴＧＢＴモジュール取付け領域幅２７が削除された効果である。
【００２０】
（実施例２）
第二の実施例を、図４を使用して説明する。図４は、図３と同様に、断面構造模式図を示している。
【００２１】
実施例１の場合、ＩＧＢＴモジュールの低熱抵抗化を最優先として、銅ベース１０にフィン１１を設けた場合であった。しかしながら、銅ベースにフィンを設けることは、フィン製造のために高コストになる、フィンの剛性が窒化アルミ基板下はんだ歪みを増大させる懸念がある、等の副作用がある。そこで、本実施例では、銅ベース５０を厚さ３ｍｍの平板銅ベースとしている。また、本発明構造では、これまで述べてきたように、モジュールの周囲全周に渡って銅ベースは露出させなければならない。つまり、一般のモジュールのように銅ベースの側面にケース樹脂を配置させることはできない。この構造の副作用は、銅ベース５０とケース５２の接着信頼性を確保しにくいことである。そこで、本実施例では、銅ベース５０の全周に深さ１．５ｍｍ  ，幅２ｍｍの溝を設け、ケース５２に突起５１を設けて、この溝中に挿入することにより接着信頼性を確保している。
【００２２】
ＩＧＢＴチップジャンクションから冷却水までの熱抵抗，Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）は、冷却水をエチレングリコール５０ｖｏｌ．％水溶液，流量１０Ｌ／ｍｉｎ  とした場合、０．１９Ｋ／Ｗ  であった。実施例１の場合、同じ条件で、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）＝
０．１３Ｋ／Ｗ  であり、熱抵抗は約４０％増大してしまうことが分かった。しかしながら、運転条件，最大通電電流の制限，パワーチップサイズの増大等で、本実施例を選択することも可能である。
【００２３】
（実施例３）
第三の実施例を、図７を使用して説明する。図７は、図１と同様に、断面構造模式図を示している。
【００２４】
実施例１，２は筐体にＩＧＢＴモジュールを一台搭載した場合の実施例であった。しかしながら、例えば、ハイブリッド車等、自動車用インバータの場合、インバータは、駆動用モータ、及び、ジェネレータを制御する２インバータ構成の場合がほとんどである。つまり、インバータ筐体には、２台のＩＧＢＴモジュールが搭載される。本実施例は、２インバータに対処した場合の実施例である。
【００２５】
インバータ筐体８０に、モジュール搭載用の２つの開口部を設け、ＩＧＢＴモジュール２台を搭載している。その搭載構造，方法はこれまでの実施例と同じである。本実施例の特徴は、Ｐ，Ｎ配線用端子部品８５を２台のＩＧＢＴモジュールで共通化している点である。端子部品１１４と同様、Ｍ６ボルト用ナット１１２，ボルト逃がし用空隙８４がＰＢＴ樹脂で一体成型されている。Ｐ，Ｎ配線であるバスバー８１は、２台のモジュールの主端子８２，８３とともにＭ６ボルト
１１１で取付けられている。本構造で、従来のモジュールでは各モジュールに主端子取付け領域が設けれている為、必然的に取付け部は２箇所となってしまい、主端子取付け領域の共通化によっても大幅な小型化が達成される。
【００２６】
【発明の効果】
従来、ＩＧＢＴモジュール中に一体で含まれている主端子取付け（ボルト締め）部をモジュールと別部品とし、モジュール外に配置することは、ＩＧＢＴモジュールを筐体へ取付けた（ボルト締めした）後に主端子取付け部をモジュール近傍に配置できる効果がある。
【００２７】
冷却水漏水時に、筐体中への漏水の浸水が問題とならない直接水冷用ＩＧＢＴモジュールのように、モジュール周囲の銅ベース表面と、筐体底面のモジュール取付け用開口部周囲の底面を固着する必要がある場合には、従来構造の場合、主端子取付け部の外側まで銅ベースを設け、前記モジュール取付け用開口部を固着する必要がある為、モジュールは大型してしまう。
【００２８】
本発明によれば、主端子取付け部は前記モジュール取付け用開口部周囲に配置することができる為、モジュールの大きさ、及び、モジュール取付け用筐体開口部の大きさを大幅に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構造を示す断面模式図（主端子部）。
【図２】本発明の基本構造を示す断面模式図（モジュール取付け部）。
【図３】本発明モジュールの断面模式図（取付け前）。
【図４】本発明の一実施例の断面模式図。
【図５】本発明モジュールの平面模式図。
【図６】本発明モジュールの取付け状態の平面模式図。
【図７】本発明モジュールを２台実装した場合の実施例。
【符号の説明】
１０，２５…フィン付銅ベース、１１…フィン、１２…ＩＧＢＴチップ、１３…ＦＷＤチップ、１４…窒化アルミ基板、１５…パワーチップ接着はんだ、１６…窒化アルミ基板接着はんだ、１７…Ａｌワイヤ、１８…ゲル、１９，８２，
８３…主端子、２０，１２０…モジュールケース、２１，１１６…水路カバー、２２，８０，１１５…インバータ筐体、２３，８４，１１３…ボルト逃がし用空隙、２４，１２２…ＩＧＢＴモジュール取付け幅、２６，１２３…ＩＧＢＴモジュール冷却用開口部幅、２７…ＩＧＢＴモジュール取付け領域幅、３０…ＩＧＢＴモジュール取付けボルト、３１…シールワッシャ、３２…ＩＧＢＴモジュール取付け穴、３３…水路カバーのボルト取付け部、５０…銅ベース、５１…銅ベース／ケース接着用突起、５２…ＩＧＢＴモジュールケース、６０…ＩＧＢＴモジュール、６１…Ｐ端子、６２…Ｎ端子、６３…出力端子、７０…Ｐバスバー、７１…Ｎバスバー、７２…出力配線、８１，１１０…バスバー、８５，１１４…主配線取付け用端子部品、１１１…主配線取付けボルト、１１２…ナット、１１７…Ｏリング用溝、１１８…Ｏリング、１１９…モジュールカバー、１２１…冷却水路、１２４…冷却水路全体の幅、１２５…端子部品配置用窪み。
【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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