(57)【要約】【課題】ケースを大型化することなく、電気導通部の絶縁距離を確保できる半導体モジュールを提供する。【解決手段】基部（１３０）と、半導体素子が実装される平板状の電気導通部（１４０）と、基部に固定するための取付部品が配置される取付部を備えるケース（１１０）と、を備え、基部とケースとによって電気導通部を挟持して、電気導通部を電気的に絶縁した状態で固定する半導体モジュールのケース構造であって、取付部（１１１、１３１）は、取付部品（１６０）による固定を補強するための補強部材（１２０）を内装すると共に、基部側に突設される凸部（１７０）が形成され、基部は、ケース側の面から後退した凹部（１８０）を備え、取付部品は、凸部が凹部の内部に配置された状態で、ケースと基部とを固定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、半導体素子が実装される平板状の電気導通部と、前記基部に固定するための取付部品が配置される取付部を備えるケースと、を備え、前記基部と前記ケースとによって前記電気導通部を挟持して、前記電気導通部を電気的に絶縁した状態で固定する半導体モジュールのケース構造であって、
前記取付部は、前記取付部品による固定を補強するための補強部材を内装すると共に、前記基部側に突設される凸部が形成され、
前記基部は、前記ケース側の面から後退した凹部を備え、
前記取付部品は、前記凸部が前記凹部の内部に配置された状態で、前記ケースと前記基部とを固定することを特徴とする半導体モジュールのケース構造。
【請求項２】
前記電気導通部と前記基部との間に平板状の絶縁部を備え、
前記凸部の高さが前記凹部の深さよりも高い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ケース構造。
【請求項３】
前記凹部と前記凸部の外周と前記凹部の内周との間に、絶縁性の材料からなる円環状の支持部材が備えられることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体モジュールのケース構造。
【請求項４】
前記取付部材はボルトであって、前記取付部は前記ボルトが貫通する構造であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の半導体モジュールのケース構造。
【請求項５】
前記補強部材は、前記ボルトが螺合するナットであることを特徴とする請求項４に記載の半導体モジュールのケース構造。
【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ケース構造に関し、省スペース化が可能な半導体モジュールのケース構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機等の制御に用いられるインバータは、サイリスタ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ等の半導体素子を基板上に実装し、これを樹脂等のケースに組み込んだ半導体モジュールとして実用化されている。
【０００３】
このような半導体モジュールとして、半導体チップと半導体チップが実装されるチップ実装金属電極と外部バスバーと接続される電極端子とを備えるパワーモジュール、半導体チップを冷却するためのヒートシンク、パワーモジュールとヒートシンクとを絶縁する絶縁シート、及び、絶縁シートを介して固定されるモジュールケース、を有する半導体装置が（特許文献１参照。）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７７４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の半導体モジュールは、半導体素子を収容する樹脂製のモジュールケースを、絶縁シートを介してネジによりヒートシンクに固定していた。モジュールケースは樹脂製であるので、固定ボルトの締結力を向上するために、モジュールケースの締結部位にカラー等の金属製の補強部材を設けることが一般的である。
【０００６】
一方、半導体モジュールには高周波高電圧の電流が導通するため、補強部材と半導体素子の通電部分との間またはヒートシンクと導通部分の間を、相応の絶縁距離とする必要がある。絶縁距離を確保するためにはモジュールケースが大型化するという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ケースを大型化することなく、電気導通部の絶縁距離を確保できる半導体モジュールのケース構造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】
【０００８】
本発明の一実施態様によると、基部と、半導体素子が実装される平板状の電気導通部と、基部に固定するための取付部品が配置される取付部を備えるケースと、を備え、基部とケースとによって電気導通部を挟持して、電気導通部を電気的に絶縁した状態で固定する半導体モジュールのケース構造である。取付部は、取付部品による固定を補強するための補強部材を内装すると共に、基部側に突設される凸部が形成される。基部は、ケース側の面から後退した凹部を備える。取付部品は、凸部が凹部の内部に配置された状態で、ケースと基部とを固定する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、ケースの凸部が基部の凹部に配置された状態で、ケースと基部とを固定することで、電気導通部と取付部品との間の延面距離が、凸部の高さを合わせた距離となる。これによって、ケースを大型化することなく、導通部の絶縁距離を確保することができる。従って半導体モジュールを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態の半導体モジュールを含む駆動システムの説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の半導体モジュールの断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の半導体モジュールの要部の断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の半導体モジュールの要部の断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態の半導体モジュールの要部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施形態の半導体モジュール１００を含む駆動システム１の説明図である。
【００１３】
駆動システム１は、制御装置１０、バッテリ２０、駆動用モータＭ及び半導体モジュール１００によって構成され、制御装置１０の制御によって駆動用モータＭを制御する。
【００１４】
制御装置１０は、半導体モジュール１００を制御して、駆動用モータＭの出力を制御する。
【００１５】
バッテリ２０は駆動用モータＭに電力を供給するとともに、駆動用モータＭの回生電力をを蓄電する。バッテリ２０は、例えば、鉛電池、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池等の二次電池が複数直列又は並列に接続されたバッテリモジュールとして構成されている。
【００１６】
半導体モジュール１００は、非絶縁型のパワーモジュールであり、複数のパワー半導体６１０及び環流ダイオード６１１から構成される。パワー半導体６１０は、例えば、サイリスタ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ等の半導体素子によって構成される。
【００１７】
制御装置１０は、例えば駆動用モータＭの出力を上昇させるときは、半導体モジュール１００の各パワー半導体６１０にゲート電流を印可する。これにより、半導体モジュール１００が、バッテリ２０からの高電流を駆動用モータに供給する。
【００１８】
制御装置１０は、このゲート電流をデューティ比等によって制御することで、駆動用モータＭの出力を制御する。また、駆動用モータＭの回生時には、半導体モジュール１００を介して電力をバッテリ２０へと回生する。
【００１９】
次に、本実施形態の半導体モジュール１００の構成を説明する。
【００２０】
図２は、半導体モジュール１００の断面図である。
【００２１】
半導体モジュール１００は、樹脂ケース１１０内部にインサート成形された金属製の導通部（バスバー）１４０と、このバスバー１４０上に実装される複数のパワー半導体６１０と、パワー半導体６１０を冷却する目的で備えられる冷却器１３０と、から構成される。なお、冷却器１３０は、樹脂ケース１１０とでバスバー１４０を電気的に絶縁した状態で固定する基部である。
【００２２】
パワー半導体６１０は、はんだ付け等によってバスバー１４０上に電気的に導通可能に実装される。パワー半導体６１０は、お互いが直接、又はアイランド６２０を介して、ボンディングワイヤ６３０によって電気的に導通可能に接続されている。
【００２３】
また、ボンディングワイヤ６３０は、樹脂ケース１１０に備えられる外部電極６４０に接続されており、外部電極６４０とパワー半導体６１０とが電気的に接続される。
【００２４】
半導体モジュール１００の底側には、冷却器１３０が固定される。冷却器１３０とバスバー１４０との間には、これらを電気的に絶縁するための絶縁シート１５０が挟み込まれている。絶縁シート１５０は、絶縁を確保しつつ熱導電性を高めるためのグリースが塗布又は含浸されている。
【００２５】
樹脂ケース１１０と冷却器１３０とは、取付部材であるボルト１６０及びナット１６１によって固定される。すなわち、樹脂ケース１１０と冷却器１３０とによってバスバー１４０及び絶縁シート１５０を挟持し、これをボルト１６０及びナット１６１によって共締めする。これにより半導体モジュール１００の各部品が固定される。
【００２６】
なお、後述するように、樹脂ケース１１０において、ボルト１６０が貫通する貫通孔には、補強の目的で金属製のカラー１２０が挿入されている。
【００２７】
パワー半導体６１０は、電流の導通時に内部損失等によって熱が発生する。この熱を放熱しなければパワー半導体６１０の劣化を招くばかりか、最悪の場合は破壊に至る可能性がある。これを防止するために、パワー半導体６１０が実装されるバスバー１４０と冷却器１３０とを密接させて、この冷却器３０によって熱を放出する。
【００２８】
冷却器１３０は、例えば金属やセラミックス等の熱伝導性の高い材質によって構成され、その表面積を拡大させて熱を放出する。
【００２９】
冷却器１３０は、パワー半導体６１０が発生した熱を外部に伝達することによって、パワー半導体６１０が発生した熱を放熱させる。なお、冷却器１３０とバスバー１４０との間の接触熱抵抗を低減するために、これらに挟持される絶縁シート１５０の表面にはグリースが塗布されている。
【００３０】
冷却器１３０は、例えば車輌のメンバに固定され、車輌の走行風で冷却されるとともに熱をメンバを伝えることによって、パワー半導体６１０を冷却する。
【００３１】
ところで、半導体モジュール１００は、バスバー１４０に高電圧かつ高周波の電流が印可されているので、この電流が外部に伝達しないように、バスバー１４０と冷却器１３０とを電気的に絶縁させる必要がある。
【００３２】
バスバー１４０と冷却器１３０との間は絶縁シート１５０によって絶縁されている。一方、樹脂ケース１１０と冷却器とを固定するボルト１６０付近は、ボルト１６０やカラー１２０等の金属製の部品が冷却器１３０に直接接する。そのため、これらボルト１６０及びカラー１２０とバスバー１４０との間は、電気的な絶縁を確保するための距離（以下、絶縁距離と呼ぶ）をとる必要がある。
【００３３】
また、従来の半導体モジュールは、バスバー１４０と冷却器１３０との間に絶縁シート１５０を挟持して固定していた。このような構成では、樹脂ケース１１０と冷却器１３０との締結力と、絶縁シート１５０のグリースを挟み込む荷重とが同一となるので、これら締結力と荷重とを適正な範囲にするためには制約があった。
【００３４】
そこで、本実施形態では、以下に説明するような構成によって、バスバー１４０と冷却器１３０との間に絶縁距離を確保するように構成した。
【００３５】
図３は、第１の実施形態の半導体モジュール１００のボルト１６０付近の断面図である。なお、この図３は、前述の図２とは切断方向が異なる。
【００３６】
前述のように、半導体モジュール１００は、樹脂ケース１１０と冷却器１３０とでバスバー１４０を挟持し、これらをボルト１６０によって締結されて構成される。
【００３７】
樹脂ケース１１０は、ボルト１６０が貫通する貫通孔１１１が貫通して設けられている。この貫通孔１１１の内周には、円筒形状の金属製のカラー１２０がインサートされている。ボルト１６０は、カラー１２０を貫通して、冷却器１３０側に締結される。
【００３８】
カラー１２０は、ボルト１６０の締結によって樹脂ケース１１０が破損することを防ぐための補強部材である。
【００３９】
また、樹脂ケース１１０の冷却器１３０側の面において、貫通孔１１１の周囲に凸形状１７０が冷却器１３０側に突設されている。カラー１２０は、樹脂ケース１１０の貫通孔１１１の上端部分から凸形状１７０の下端部分に達するような形状となっている。
【００４０】
冷却器１３０は、ボルト１６０が貫通する貫通孔１３１が貫通して設けられている。また、樹脂ケース１１０から突設する凸形状１７０を収容する凹形状１８０が、貫通孔１３１の周囲に穿設されている。
【００４１】
樹脂ケース１１０を冷却器１３０へと固定する場合は、まず、樹脂ケース１１０の凸形状１７０が、冷却器１３０の凹形状１８０へと配置する。そして、これら凸形状１７０及び凹形状１８０の略中心部分をそれぞれ貫通する貫通孔１１１及び１３１にボルト１６０を貫通させる。
【００４２】
貫通したボルト１６０は、冷却器１３０の貫通孔１３１を貫通して突出する長さに設定されているので、この突出部分にナット１６１を螺合する。これにより、ボルト１６０及びナット１６１によって樹脂ケース１１０と冷却器１３０とが固定されるとともに、バスバー１４０及び絶縁シート１５０が、樹脂ケース１１０及び冷却器１３０に挟持される。すなわち、貫通孔１１１及び貫通孔１３１が、取付部品であるボルト１６０及びナット１６１が配置される取付部である。
【００４３】
このとき、バスバー１４０と冷却器１３０との間は、図３に示すように、バスバー１４０の端部から凸形状１７０までの距離Ｌ１１０と、樹脂ケース１１０の下端面から冷却器１３０までの距離Ｚ１１０と、の和（Ｌ１１０＋Ｚ１１０）となる。
【００４４】
従って、電流が印可されるバスバー１４０と冷却器１３０との間は、この（Ｌ１１０＋Ｚ１１０）の距離だけ絶縁距離を確保することができる。
【００４５】
これにより、ボルト１６０の周囲に補強の目的でカラー１２０を備えたとしても、貫通孔１１１の周囲とバスバー１４０の端面との直線距離を絶縁距離とする必要がなくなる。これにより、ボルト１６０周辺からバスバー１４０を遠ざけるために樹脂ケース１１０が大型化することがない。
【００４６】
なお、図３において、樹脂ケース１１０の下端面から冷却器１３０までの距離Ｚ１１０を、冷却器１３０の上端面から凹形状の底部までの距離Ｚ１２０よりも大きくすることが好適である。
【００４７】
すなわち、凸形状１７０の高さを凹形状１８０の深さよりも大きくし、この大きさを調整することによって、樹脂ケース１１０と冷却器１３０とに挟持される絶縁シート１５０のつぶし代を設定することができる。
【００４８】
絶縁シート１５０は、樹脂やゴム等の絶縁性の素材からなり、その表面にグリースが塗布されている。絶縁シート１５０は、バスバー１４０と冷却器１３０とを絶縁しつつ、バスバー１４０の熱を冷却器１３０に伝達する働きをもつので、適切な荷重でこれらに挟持される必要がある。
【００４９】
すなわち、過度に高い荷重で挟持した場合はグリースが漏出したり絶縁シートが破損したりすることによる絶縁破壊の慮がある。一方、荷重が小さい場合は接触熱抵抗が増加して、バスバー１４０を冷却する効率が低下する。
【００５０】
これに対して、本実施の形態では、凸形状１７０の高さを凹形状１８０の深さよりも大きくし、この大きさを調整することにより、絶縁シート１５０を適切な荷重で挟持することができる。
【００５１】
また、凸形状１７０の高さと凹形状１８０の深さとを調節することで、絶縁シート１５０を挟持する荷重と、樹脂ケース１１０と冷却器１３０との締結力とを個別に管理することができるので、半導体モジュール１００の形状やパワー半導体６１０が発生する熱容量に応じて、調節することができる。
【００５２】
以上のように本発明の第１の実施形態の半導体モジュール１００は、樹脂ケース１１０と冷却器１３０とによってバスバー１４０を、ボルト１６０及びナット１６１によって挟持する構造である。そして、樹脂ケース１１０に突設するとともに内部にカラー１２０を内装した凸形状１７０を冷却器１３０に穿設した凹形状１８０の内部に位置させ、これらの間をボルト１６０で固定した。
【００５３】
このような構成により、電流が印可されるバスバー１４０と非絶縁性の冷却器１３０との間の絶縁距離を確保できるとともに樹脂ケース１１０を小型化でき、冷却器１３０の放熱面積を縮小することなく半導体モジュール１００を小型化することができる。
【００５４】
また、凹形状１８０の深さ（Ｚ１２０）よりも凸形状１７０の突設高さ（Ｚ１１０）を大きくしたので、樹脂ケース１１０と冷却器１３０とを固定する締結力と、絶縁シート１５０のグリースを挟持する荷重をと各々独立して適切に管理できる。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施形態の半導体モジュール１００について説明する。なお、第２の実施形態の基本構成は、図１及び図２と同様である。
【００５６】
図４は、第２の実施形態の半導体モジュール１００のボルト１６０付近の断面図である。
【００５７】
第２の実施形態では、前述の第１の実施形態と同様に、樹脂ケース１１０が、下端側に凸形状が突設されるとともに、冷却器１３０が、樹脂ケース１１０の凸形状１７０を収容する凹形状１８０が穿設されている。
【００５８】
そして、第２の実施形態では、冷却器１３０が、この凹形状１８０の内部に、絶縁素材からなる円環状の絶縁リング２１０を挿設する。
【００５９】
絶縁リング２１０は、その外形が凹形状１８０の内径（Ｌ２２０）よりも小さく、その内径が、凸形状１７０の外形（Ｌ２１０）よりも大きい形状に設定される。そして、絶縁リング２１０は、凹形状１８０の底部から冷却器１３０の上端部まで略同じ高さに設定される。
【００６０】
樹脂ケース１１０と冷却器１３０とに挟持される絶縁シート１５０は、ボルト１６０付近では余裕を持って凹形状１８０の径よりも小さく形成される。これにより絶縁シート１５０は、凹形状１８０の内側に張出した状態で固定される。
【００６１】
そのため、経時変化により絶縁シート１５０が凹形状１８０の内部に倒れ込むと、バスバー１４０と冷却器１３０との間の絶縁距離が変化する可能性がある。
【００６２】
第２の実施形態では、凹形状１８０に絶縁リング２１０を備え、絶縁リング２１０の上面が絶縁シート１５０の端部を支持する構造とした。これにより、絶縁シート１５０が経時変化により変形することを防ぎ、絶縁シート１５０を高寿命化させることができる。すなわち、絶縁リング２１０が、絶縁シート１５０の支持部材として構成されている。
【００６３】
また、絶縁リング２１０の内部空洞部分が、凸形状１７０の位置決め穴となるので、半導体モジュール１００の組立て時の作業性が向上する。
【００６４】
次に、本発明の第３の実施形態の半導体モジュール１００について説明する。なお、第３の実施形態の基本構成は、図１及び図２と同様である。
【００６５】
図５は、第３の実施形態の半導体モジュール１００のボルト１６０付近の断面図である。なお、図５は、前述の図３及び図４とは上下が倒立して描写されていることに留意されたい。
【００６６】
第３の実施形態の半導体モジュール１００は、前述の第１及び第２の実施形態とは異なり、樹脂ケース１１０は、ボルト１６０が螺合するナット３１０が、インサート又は圧入によって固定されている。
【００６７】
ボルト１６０は、冷却器１３０側から挿入され、貫通孔１３１を貫通して樹脂ケース１１０のナット３１０に螺合する。
【００６８】
なお、凸形状１７０及び凹形状１８０は、前述の第１の実施形態と同様である。すなわち、バスバー１４０の端部から凸形状１７０までの距離Ｌ１１０と、樹脂ケース１１０の下端面から冷却器１３０までの距離Ｚ１１０と、の和（Ｌ１１０＋Ｚ１１０）によって、絶縁距離を確保することができる。
【００６９】
また、凸形状１７０の高さを凹形状１８０の深さよりも大きくし、この大きさを調整することにより、絶縁シート１５０を適切な圧力で挟持することができる。
【００７０】
このように、第３の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果を奏するとともに、樹脂ケース１１０に埋め込まれたナット３１０によって、ボルトの固定強度を高めることができるので、部品点数を削減することができる。
【００７１】
なお、以上説明した本発明の第１乃至第３の実施形態では、パワー半導体６１０を備える半導体モジュール１００について説明したが、この構成に限られるものではない。電流が導通する金属導通部を樹脂製のケースと非絶縁性の固定部材とで挟持して、これらを取付部品によって固定するものに適用することができる。
【００７２】
また、冷却器１３０は、非絶縁性の材質ではなく、絶縁性の材質であってもよい。この場合は絶縁シート１５０は無くてもよい。この場合は、バスバー１４０とボルト１６０及びナット１６１との間の絶縁距離を、前述のような構成によって確保することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１００  半導体モジュール
１１０  樹脂ケース
１２０  カラー（補強部材）
１３０  冷却器（基部）
１４０  バスバー（電気導通部）
１５０  絶縁シート
１６０  ボルト（取付部品）
１６１  ナット
１７０  凸形状
１８０  凹形状
２１０  絶縁リング（支持部材）
３１０  ナット
６１０  パワー半導体
【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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