(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属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けられ、前記半導体素子の熱を一時的に吸収して、その後放出する温度検出器を備えた蓄熱器と、
を有することを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
半導体素子および／または半導体モジュールを取り付ける取付部と、
前記取付部に取り付けられた半導体素子および／または半導体モジュールを冷却する冷却部と、
前記冷却部に設けられ、前記取付部に取り付けられる半導体素子および／または半導体モジュールの熱を一時的に吸収して、その後放出する温度検出器を備えた蓄熱器と、
を有することを特徴とする冷却器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体モジュール、半導体素子や半導体モジュールを冷却するための冷却器、および半導体モジュールと冷却器が用いられている電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電力変換装置の多くは、サイリスタやＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、パワーＭＯＳＦＥＴ（静電誘導形トランジスタ）などのパワー半導体素子を周辺回路と共に一つのパッケージに収納した半導体モジュールを使用している。
【０００３】
このような半導体モジュールは、通常、半導体素子の温度上昇による誤動作や損傷を防止するために、冷却器が取り付けられている。
【０００４】
ところで、電力変換装置では、過負荷などで半導体素子の損失が急激に増大することがあり、このような場合には素子温度が急上昇するが、冷却器の熱時定数が大きいため、半導体素子の急激な温度上昇に対応できないことがある。
【０００５】
このため、従来の電力変換装置では、このような半導体素子の急激な温度上昇に対応するために、半導体素子の通常動作時における発熱分より冷却能力の大きな冷却器を用いて急激な温度上昇にも対応できるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように半導体素子の急激な温度上昇分まで見込んで冷却能力の大きな冷却器を用いることは、冷却器が大きくなってしまうといった問題があった。また冷却器の大型化は、それを用いている電力変換装置の大型化を招いているといった問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、過負荷によって起こる半導体素子の急激な温度上昇を抑制することのできる半導体モジュールを提供することである。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、過負荷によって起こる半導体素子や半導体モジュールの急激な温度上昇を抑制することができ、従来よりも小型化した冷却器を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、金属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けられ、前記半導体素子の熱を一時的に吸収して、その後放出する温度検出器を備えた蓄熱器と、を有することを要旨とする半導体モジュールである。
【００１１】
この発明は、半導体素子の近傍に半導体素子の熱を一時的に吸収し、その後その熱を放出する蓄熱器を設けることで、半導体素子が過負荷などにより発熱して、急激に温度上昇した場合に、その熱を蓄熱器が一時的に吸収することで、半導体素子の急激な温度上昇を抑制して、その後にこの熱を放出することで、温度の急激な変化を抑えようとするものである。なお、ここで、金属基板上に設けられた半導体素子とは、金属基板に直接接合されたものはもとより、金属基板の上に絶縁基板を介して接合されたもののように、金属基板と半導体素子の間に他の物質が介在した構成を含む。また特に、蓄熱器自体に温度検出器を備えたことで、半導体素子の温度を検出する場合に、蓄熱器が一時的に半導体素子の熱を吸収している間の半導体素子の温度を正確に検出できるようにしようとするものである。
【００２４】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、半導体素子および／または半導体モジュールを取り付ける取付部と、前記取付部に取り付けられた半導体素子および／または半導体モジュールを冷却する冷却部と、前記冷却部に設けられ、前記取付部に取り付けられる半導体素子および／または半導体モジュールの熱を一時的に吸収して、その後放出する温度検出器を備えた蓄熱器と、を有することを要旨とする冷却器である。
【００２５】
この発明は、半導体素子および／または半導体モジュールの取付部がある冷却部に半導体素子および／または半導体モジュールの熱を一時的に吸収し、その後その熱を放出する蓄熱器を設けることで、半導体素子や半導体モジュールが過負荷などにより発熱し、急激に温度上昇した場合に、その熱を蓄熱器が一時的に吸収することで、半導体素子や半導体モジュールの急激な温度上昇を抑制して、その後にこの熱を放出することで、温度の急激な変化を抑えようとするものである。また、特に蓄熱器自体に温度検出器を備えたことで、半導体素子および／または半導体モジュールの温度を検出する場合に、蓄熱器が一時的に半導体素子および／または半導体モジュールの熱を吸収している間の半導体素子および／または半導体モジュールの温度を正確に検出できるようにしようとするものである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００４１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明を適用した第１の実施の形態によるパワー半導体モジュールを示す概略図である。
【００４２】
このパワー半導体モジュール１は、パワー半導体素子１１と、このパワー半導体素子１１が絶縁基板１３を介して取り付けられた金属基板１５と、パワー半導体素子１１上および、その近傍に設けられた蓄熱器１７と、金属基板１５に接合されたケース１９とからなる。
【００４３】
パワー半導体素子１１は、たとえばサイリスタ、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、パワーＭＯＳＦＥＴ（静電誘導形トランジスタ）などの半導体素子である。
【００４４】
絶縁基板１３は、たとえばフェノール基板、エポキシ基板、ポリエステル基板、ガラスエポキシ基板、ポリイミド基板、ガラスポリイミド基板、ガラステフロン基板、ポリエーテルイミド基板などであり、パワー半導体素子１１と金属基板１５とを電気的に絶縁した上で、パワー半導体素子１１の熱を金属基板１５に効率よく逃がすために熱伝導性の良い絶縁性素材が好ましい。
【００４５】
金属基板１５は、たとえばアルミニウム、銅、ステンレス、マグネシウム、ニッケルまたはこれらの合金など熱伝導性のよい金属素材が用いられる。そして、この金属基板１５は、図示しない冷却器に接合され、パワー半導体素子１１からの熱を冷却器へ伝達する。
【００４６】
蓄熱器１７は、半導体素子の熱を一時的に吸収して、その後放出するものであり、ここでは、パワー半導体素子１１の使用可能温度の上限よりわずかに低い温度で固体から液体に相変化する素材によって形成されたものを用いている。このような蓄熱器１７の素材としては、たとえば融点８０〜１８０℃の低融点金属が好ましく、たとえば鉛、カドミウム、スズ、ビスマスよりなる群から選択された少なくとも一つの金属を含むなどからなる合金を用いることができる。なお、この融点の範囲（８０〜１８０℃）は、電力変換装置に使用されている半導体素子の使用可能温度の上限温度を元にしたものである。したがって、当然に使用可能温度の上限がこの範囲外の半導体素子を用いる場合には、それらの半導体素子の使用可能温度の上限値未満で相変化する素材よりなる蓄熱器とする必要がある。
【００４７】
ケース１９は、たとえばアルミニウム、銅、ステンレス、マグネシウム、ニッケルまたはこれらの合金などであり、金属基板１５と接合され、パワー半導体素子１１とともにパワー半導体モジュールの回路を構成する各種部品を収納して、封止するものである。
【００４８】
以下、本第１の実施の形態における作用を説明する。
【００４９】
パワー半導体素子１１で発生する損失は、そのほとんどが熱となって放出される。この熱は、通常、パワー半導体素子１１から、絶縁基板１３および金属基板１５を通して冷却器へと伝わる。また、本第１の実施の形態ではパワー半導体素子１１からの熱は蓄熱器１７へも伝わっている。そして、パワー半導体素子１１で大きな損失が発生した場合は、その温度が蓄熱器１７の融点を越えると、蓄熱器１７が固体から液体への相変化を起こし、これによりパワー半導体素子１１で発生した熱が、蓄熱器１７によって一時的に吸収され、その後放出される。
【００５０】
蓄熱器１７が固体から液体へ相変化するときの熱時定数は、冷却器の熱時定数よりも非常に短いため、パワー半導体素子１１が急に温度上昇した場合でも、この蓄熱器１７によって一時的に熱が吸収されて、その後放出されるため、冷却器へ伝わる熱は急激に変化することはない。したがって、冷却器は、半導体素子の通常動作時の使用に耐えうる程度の冷却能力のものでよいので、小型化することができる。
【００５１】
なお、蓄熱器１７は、パワー半導体素子１１の急激な温度上昇を一時的に蓄える働きをさせるために、パワー半導体素子１１の近傍、たとえば素子の直上または素子近くの絶縁基板１３上や金属基板１５上に配置されることが好ましい。また、蓄熱器１７はパワー半導体素子１１の使用可能な温度上限とほぼ同じか、少し低めの融点でなければ、有効に作用することができない。
【００５２】
図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は半導体素子の損失が大幅に増加した場合のシミュレーション結果である。ここで図２（ａ）は、半導体素子において急激な損失発生した時点を示す図面であり、図２（ｂ）は、蓄熱器１７がない場合の半導体素子の温度変化を示した図面であり、図２（ｃ）は蓄熱器１７を設けた場合の半導体素子の温度変化を示した図面である。
【００５３】
図からわかるように、蓄熱器１７のないものでは、損失の発生とほぼ同時に急激に温度が上昇しているが、蓄熱器１７のあるものでは同時に温度が上昇するものの、その温度上昇が抑制されている。したがって、このシミュレーションの結果からもパワー半導体素子１１の近傍に蓄熱器１７を設けることで、パワー半導体素子１１の損失による急激な温度上昇を十分抑制できることがわかる。
【００５４】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明を適用した第２の実施の形態によるパワー半導体モジュールを示す概略図である。なお、図１に示した各部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付した。以下各実施の形態において同様である。
【００５５】
本第２の実施の形態におけるパワー半導体モジュール１は、蓄熱器１７に、直接熱交換を促進するための放熱フィン２１を設けたものである。その他の構成は、前述した第１の実施の形態と同様であるので、それらの説明は省略する。
【００５６】
このように蓄熱器１７に直接放熱フィン２１を設けることで、より一層パワー半導体素子１１の温度上昇を抑制することができる。
【００５７】
なお、放熱フィン２１は、蓄熱器１７と別の部材からなる放熱フィンを蓄熱器１７に接合するほか、たとえば蓄熱器自体の形状をフィン構造としてもよい。
【００５８】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明を適用した第３の実施の形態によるパワー半導体モジュールを示す概略図である。
【００５９】
本第３の実施の形態におけるパワー半導体モジュール３は、圧接型半導体素子２３を用いた半導体モジュールである。
【００６０】
このパワー半導体モジュール３は、圧接型半導体素子２３が絶縁基板１３を介して金属基板１５の上に設けられており、さらに金属基板１５に接合されたケース１９に覆われている。そして、圧接型半導体素子２３の周囲に蓄熱器１７が設けられている。
【００６１】
このように圧接型半導体素子２３を用いたパワー半導体モジュール３であっても、上述した第１の実施の形態と同様に、圧接型半導体素子２３の損失による急激な温度上昇に対応することができ、冷却器としては、圧接型半導体素子２３の通常の放熱に対応するだけの冷却能力があればよいので、小型化することができる。
【００６２】
（第４の実施の形態）
図５は、本発明を適用した第４の実施の形態による冷却器を示す概略図である。
【００６３】
本第４の実施の形態による冷却器５は、冷却器５の半導体モジュール取付部５１のある面に、蓄熱器５７を設けたものである。
【００６４】
蓄熱器５７は、この冷却器５に取り付けられる半導体モジュールに使用されている半導体素子の使用可能温度上限よりわずかに低い融点の金属よりなるものであり、たとえば、融点８０〜１８０℃の低融点金属であり、このような金属としては、たとえば鉛、カドミウム、スズ、ビスマスよりなる群から選択された少なくとも一つの金属を含むなどからなる合金を用いることができる。
【００６５】
また、この冷却器５は、半導体モジュール取付部５１のある面が冷却部であり、その反対側の面に放熱部である放熱フィン５３が設けられた空冷式である。
【００６６】
以下、本第４の実施の形態における作用を説明する。
【００６７】
パワー半導体素子で発生する損失は、パワー半導体素子から、半導体モジュールを構成する絶縁基板および金属基板を通して冷却器５へ伝達される。したがって、冷却器５に蓄熱器５７を設けることで、パワー半導体素子で大きな損失が発生した場合には、パワー半導体素子からの熱が冷却器５に伝わり、その温度が蓄熱器５７の融点を越えると、蓄熱器５７が固体から液体への相変化を起こして、蓄熱器５７によって一時的に吸収され、その後放出される。このため、半導体素子の損失による急激な温度上昇を抑制することができ、冷却器５としては半導体素子の通常の放熱に対応するだけの冷却能力があればよく、小型化することができる。
【００６８】
また、本第４の実施の形態では、何らかの理由により、冷却器５の熱輸送能力が変動し、冷却器５が局所的に高温となった場合にも、冷却器５に設けた蓄熱器５７が固体から液体に相変化して、局所的な熱の集中を防止する効果がある。
【００６９】
（第５の実施の形態）
図６は、本発明を適用した第５の実施の形態による冷却器を示す概略図である。
【００７０】
本第５の実施の形態は、水冷式冷却器７に、前述した第４の実施の形態と同様に蓄熱器５７を設けたものである。ここで半導体モジュール７０は、図示するように、水冷式冷却器７の外側の半導体モジュール取付部５１に設けられる。
【００７１】
なお、その他の構成は、前述した第４の実施の形態と同様であるので、それらの説明は省略する。
【００７２】
このように、水冷式冷却器７であっても、本発明を適用することで、パワー半導体素子の損失による急激な温度上昇に対応することができ、水冷式冷却器７としてはパワー半導体素子の通常の放熱に対応するだけの冷却能力があればよい。
【００７３】
（第６の実施の形態）
図７は、本発明を適用した第６の実施の形態による冷却器を示す概略図である。
【００７４】
本第６の実施の形態は、沸騰式冷却器９に、前述した第４の実施の形態と同様に蓄熱器５７を設けたものである。沸騰式冷却器９は、半導体モジュール取付部５１がある冷却部９１と、放熱部９３とからなり、蓄熱器５７は半導体モジュール取付部５１がある冷却部９１の内部に設けている。
【００７５】
このように、沸騰式冷却器９であっても、本発明を適用することで、パワー半導体素子の損失による急激な温度上昇に対応することができ、沸騰式冷却器９としてはパワー半導体素子の通常の放熱に対応するだけの冷却能力があればよいので、小型化することができる。
【００７６】
（第７の実施の形態）
第７の実施の形態は、本発明を適用した電力変換装置である。
【００７７】
図８は、本発明の第７の実施の形態による電力変換装置を示す概略図である。
【００７８】
この電力変換装置１００は、前述した第３の実施の形態による圧接型半導体素子を用いたパワー半導体モジュール３を、前述した第６の実施の形態による沸騰式冷却器９の両面に設けたものである。
【００７９】
このように、電力変換装置１００として、内部に蓄熱器を設けた半導体モジュール３と、同様に蓄熱器を設けた冷却器９を用いることで、電力変換装置１００において、半導体素子や半導体モジュールの温度が急激に上昇した場合でも効果的に温度上昇を抑制することができ、素子温度の急激な上昇に伴う電力変換効率の低下や異常停止を防止することが可能となる。
【００８０】
なお、このような電力変換装置としては、この他に、たとえば前述した第１または第２の実施の形態によるパワー半導体モジュールと、前述した第４または第５の実施の形態による冷却器を組み合わせて電力変換装置を構成してもよい。
【００８１】
（他の実施の形態）
以上本発明を適用した様々な実施の形態を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。したがって、本発明は、上述した各実施の形態において図示した形態の半導体モジュール、冷却器、電力変換装置に限定されるものではない。
【００８２】
たとえば各実施の形態において蓄熱器は、相変化により一時的に熱を吸収するように金属素材としたが、この他に、酸化アルミニウムなどを主成分とするセラミックなどを用いることができる。
【００８３】
また、冷却器にあっては、半導体ジュールを取り付けるものに限定されず、半導体素子を直接あるいは、間接的に取り付けるような冷却器にも適用することができる。
【００８４】
また、電力変換装置にあっては、本発明を適用した半導体モジュールと、通常の冷却器と使用して電力変換装置を構成することでも冷却器や電力変換装置の構成を小型化することができる。逆に、従来の半導体モジュールに本発明による冷却器を用いて電力変換装置を構成しても、冷却器の小型化により、電力変換装置も小型化することができる。
【００８５】
さらに、半導体モジュールや電力変換装置において、半導体素子の温度を検出することで素子が異常高温となった場合に、電力変換動作を一時的に切るようなスナバ回路を設けている場合には、半導体素子の温度検出のための温度検出器を本発明に用いている蓄熱器に設けることが好ましい。これにより、蓄熱器が一時的に半導体素子の熱を吸収している間の半導体素子の温度を正確に検出することができて、たとえば蓄熱器が相変化を起こしている間は、半導体素子の温度上昇が抑制されているため、その間電力変換動作を継続することが可能となり、それ以上さらに異常な高温となった場合にのみ、電力変換動作を中断する、などといった制御が可能となる。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体モジュールによれば、半導体素子の急激な温度上昇を抑制することができ、これにより半導体モジュールを取り付ける冷却器の小型化を図ることができる。
【００８７】
また、本発明の冷却器によれば、そこに取り付けられる半導体素子や半導体モジュールの急激な温度上昇を抑制することができるので、冷却器の小型化を図ることができる。
【００８８】
さらに、本発明による電力変換装置は、半導体素子の急激な温度上昇を抑制した半導体モジュールや冷却器を用いているので、電力変換装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施の形態のパワー半導体モジュールを示す概略図である。
【図２】本発明を適用して蓄熱器を設けた場合と、従来の蓄熱器を設けない場合における半導体素子の温度変化のシミュレーション結果を示す図面である。
【図３】本発明を適用した第２の実施の形態のパワー半導体モジュールを示す概略図である。
【図４】本発明を適用した第３の実施の形態のパワー半導体モジュールを示す概略図である。
【図５】本発明を適用した第４の実施の形態の冷却器を示す概略図である。
【図６】本発明を適用した第５の実施の形態の冷却器を示す概略図である。
【図７】本発明を適用した第６の実施の形態の冷却器を示す概略図である。
【図８】本発明を適用した第７の実施の形態の電力変換装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１、３  パワー半導体モジュール
５  冷却器
７  水冷式冷却器
９  沸騰式冷却器
１１  パワー半導体素子
１３  絶縁基板
１５  金属基板
１７、５７  蓄熱器
１９  ケース
２１、５３  放熱フィン
２３  圧接型半導体素子
５１  半導体モジュール取付部
７０  半導体モジュール
９１  冷却部
９３  放熱部
１００  電力変換装置
【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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【図８】
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