JP2011060914A

JP2011060914A - 電力用半導体装置

Info

Publication number: JP2011060914A
Application number: JP2009207447A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Nakajima; 泰中島; Hironori Kuriki; 宏徳栗木; Yohei Omoto; 洋平大本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2011-03-24
Anticipated expiration: 2029-09-08
Also published as: JP5343775B2

Abstract

【課題】本発明は、製造を容易化でき、装置を小型化でき、信頼性を高めることができる電力用半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】モールド樹脂で封止され、該モールド樹脂から露出する放熱面を有する第一パワーモジュールと、モールド樹脂で封止され、該モールド樹脂から露出する放熱面を有する第二パワーモジュールと、該第一パワーモジュールの放熱面にはんだにより固着された第一冷却部と、該第二パワーモジュールの放熱面にはんだにより固着された第二冷却部とを備え、該第一冷却部と該第二冷却部は冷媒通路となる空隙を形成するように固着され冷却器を形成することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はパワーモジュールと冷却器を備える電力用半導体装置に関する。

電力用半導体装置はパワーモジュールと、パワーモジュールに取り付けられた冷却器を備える。パワーモジュールは例えばＩＧＢＴなどのパワー素子をトランスファーモールド法などにより樹脂封止したものである。そしてパワーモジュールは放熱のためにモールド樹脂から露出した放熱面を備える。放熱面はパワー素子の熱をパワーモジュール外部に放出するために設けられ、熱伝導のよい金属を材料とする。このような放熱面と冷却器がはんだ付けで固定される。当該放熱面に冷却器を取り付けることはパワーモジュールの熱抵抗改善に有効である。

ここで、パワーモジュールの放熱面と冷却器の固定には熱伝導グリスが使われる場合もあった。パワーモジュールの熱抵抗を低減するために熱伝導グリスは薄く形成されることが好ましい。ところがパワーモジュールの放熱面および冷却器の平面には一定の凹凸があり、その凹凸の程度によってグリスの最低膜厚が制限される。よって熱伝導グリスを用いた場合に熱抵抗を低減しようとすれば、放熱面および冷却器平面の凹凸を低減することが必要である。さらに、パワーモジュールはパワー素子がシリコンであるのに対し基板や配線にはセラミックや銅、アルミが用いられるため熱膨張が均一でなく温度変化により一定の反りが生じる。そのために前述の凹凸を低減することは困難であった。また、熱伝導グリスの熱伝導率がＣｕやＳｉに比べると著しく低いことから、放熱面と冷却器の固定に熱伝導グリスを用いると熱抵抗の低減が困難であった。

そこで、前述のとおりパワーモジュールの放熱面と冷却器をはんだ付けで固定すると熱伝導グリスを用いた場合と比較して熱抵抗を低減できる。特許文献１−４にはパワーモジュールの放熱に関する技術などについて記載がある。

特開２００４−０２２９７３号公報特開２００７−０９６２５２号公報特開２００７−０４３０４１号公報特開２００１−３０８２６６号公報

パワーモジュールの放熱面と冷却器をはんだ付けするためには、冷却器の熱容量が高いためはんだ材を融点以上の温度に加熱する装置が大掛かりとなる。これにより製造コストが増加する問題があった。特にパワーモジュールに複数のはんだ付け面がある場合には、各はんだ付け面について適切なリフロープロファイルを確保することは困難であるという問題があった。

上述の電力用半導体装置は、製造過程においてパワーモジュールの放熱面と冷却器とのはんだ付け面の接合部にボイドなどの欠陥がないことを保証するためにＸ線検査を行う。ところが、冷却器は通常は内部に空隙を有するためＸ線検査によるボイドなどの発見が困難であるという問題があった。

冷却器の表面と裏面の両面に、冷却器を挟むように複数のパワーモジュールを固着する場合がある。その場合まず冷却器の表面にパワーモジュールを固着し必要なワイヤボンドを行い、その後に電力用半導体装置を反転させて同裏面にも同様の処理を行う。図１２にはそのような電力用半導体装置の一例が記載される。図１２では冷却液の流路５００を有する冷却器５０２の表面に、窒化珪素板５０４が固着される。さらに窒化珪素板５０４の上に金属回路板５０６が配置され、金属回路板５０６上に半導体素子５３０が固着される。半導体素子５３０と金属回路板５０６の所定位置でワイヤボンディングが行われる。これら一連の工程を終えると電力用半導体装置が反転され、同様の処理を冷却器の裏面を上向きにして状態で行う。そして、上述の電力用半導体装置の反転を行うためには特殊な機構を要するため、電力用半導体装置の製造に用いる装置が大型化する問題があった。またこの反転を人手で行うと作業が複雑化する問題があった。

パワーモジュールは、パッケージ内に配置されたパワー素子の近傍をシリコーンゲルで封じて絶縁性を高めることが多い。ところが前述のように冷却器の両面にパワーモジュールを配置する場合、冷却器表面側のパワーモジュールにシリコーンゲルを充填し、硬化させたあとに、電力用半導体装置を反転させ冷却器裏面側のパワーモジュールについても同様の処理を行う。シリコーンゲルの充填、硬化は重力を利用するため、冷却器表面と裏面のパワーモジュールの処理を同時にはできず生産性を阻害する要因となる問題があった。

たとえば、ハイブリット車や電気自動車、電車などの移動体に、電力用半導体装置が取り付けられる場合がある。このとき、冷却器よりも下方に位置するパワーモジュールのシリコーンゲルが振動に対して位相遅れを生じ、パワーモジュールの筐体（パッケージ）と異なる動きを行いパワーモジュールに内蔵したワイヤにダメージを与えることがあった。これにより電力用半導体装置の信頼性を保証できる期間が短くなる問題があった。

この問題を回避するためにシリコーンゲルを利用しないことも考えられる。この場合、沿面絶縁距離を確保するために装置が大型化する問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、製造を容易化でき、装置を小型化でき、信頼性を高めることができる電力用半導体装置を提供することを目的とする。

本願の発明にかかる電力用半導体装置は、モールド樹脂で封止され、該モールド樹脂から露出する放熱面を有する第一パワーモジュールと、モールド樹脂で封止され、該モールド樹脂から露出する放熱面を有する第二パワーモジュールと、該第一パワーモジュールの放熱面にはんだにより固着された第一冷却部と、該第二パワーモジュールの放熱面にはんだにより固着された第二冷却部とを備え、該第一冷却部と該第二冷却部は冷媒通路となる空隙を形成するように固着され冷却器を形成することを特徴とする。

本発明により小型で信頼性の高い電力用半導体装置を容易に製造できる。

実施形態１の電力用半導体装置の外観を説明する図である。電力用半導体装置を製造するフローチャートを説明する図である。第一冷却部の構成を説明する断面図である。第一パワーモジュールの構成を説明する断面図である。第一冷却部と第一パワーモジュールをはんだ付けした状態を説明する断面図である。第二冷却部と第二パワーモジュールをはんだ付けした状態を説明する断面図である。第一冷却部と第二冷却部の固着について説明する断面図である。冷却器の表面および裏面に複数のパワーモジュールが固着された半導体装置を説明する図である。冷却器の表面のパワーモジュールが冷却器の裏面のパワーモジュールに対して半ピッチずつずらして配置された電力用半導体装置を説明する図である。実施形態２の電力用半導体装置の外観を説明する図である。実施形態３の電力用半導体装置の外観を説明する図である。周知な電力用半導体装置の外観について説明する図である。実施形態４の電力用半導体装置を説明する図である。ストレートフィンを説明する図である。第一冷却部と第二冷却部の固着について説明する断面図である。シール部について説明する図である。

実施の形態１
本実施形態は図１−９を参照して説明する。なお、異なる図番であっても同一の又は対応する構成要素には同一の符号を付して複数回の説明を省略する場合がある。他の実施形態でも同様である。

図１は本実施形態の電力用半導体装置１０の外観を説明する図である。電力用半導体装置１０は第一冷却部１８と第二冷却部２８を有する冷却器３０を備える。第一冷却部１８には第一パワーモジュール１２がはんだ付けされる。第二冷却部２８には第二パワーモジュール２２がはんだ付けされる。第一パワーモジュール１２、第二パワーモジュール２２ともに内部にパワー素子を備える。また、第一パワーモジュール１２は主端子１４と制御端子１６を備え、第二パワーモジュール２２は主端子２４と制御端子２６を備える。以後、本実施形態の電力用半導体装置１０の製造方法について説明する。

図２は電力用半導体装置１０の製造方法について説明するフローチャートである。本フローチャートのスタートの時点では冷却器は第一冷却部１８と第二冷却部２８に分割された状態である。まず、ステップ４０では第一冷却部１８と第一パワーモジュール１２がはんだ付けされる。第一冷却部１８の構成について図３を参照して説明する。図３は第一冷却部１８の断面図である。第一冷却部１８はその表面でパワーモジュールと接し、裏面では冷媒が通ることを予定する。第一冷却部１８の裏面にはピンフィン５０が複数配置されている。ピンフィン５０はパワーモジュールから冷媒への放熱面積を増加させるものである。また、冷媒の攪拌作用も有する。さらに、第一冷却部１８の裏面にはシール部５２が配置される。シール部５２は、後述する第二冷却部２８のシール部と固着される部分である。シール部５２はピンフィン５０を囲むように配置される。そして、シール部５２はピンフィン５０側にたとえば角度３０°、幅２ｍｍ程度のテーパ断面を備える。そして、ピンフィン５０と反対側の外周側には凹部を備える。第一冷却部１８は厚さが例えば７ｍｍ程度でありＡｌを材料とするものである。ピンフィン５０が形成された部分においてこの厚さ７ｍｍのうち第一冷却部１８の板状の部分は３ｍｍ程度であり、ピンフィン５０の部分は４ｍｍ弱の厚さで形成される。また、このようなシール部５２の外側には、シール部５２よりは厚い部分が形成される。

図４は、第一パワーモジュール１２の構成について説明する断面図である。本実施形態の第一パワーモジュール１２は、厚みおよそ１ｍｍから３ｍｍのＣｕからなる金属板６４の表面にはんだ６８を介してパワー素子６６が固着されている。パワー素子６６はワイヤ７０によりパワー素子間および主端子１４、制御端子１６と配線される。なお、パワー素子６６は主にシリコンが用いられるが、ＳｉＣやＧａＮなどの化合物半導体であってもよい。さらに、金属板６４の裏面には絶縁層６０を介して金属層６２が形成されている。金属層６２はたとえば厚みが１００μｍから２００μｍ程度のＣｕ箔である。

上述の構成は、主端子１４、制御端子１６、金属層６２を外部に露出するようにしてモールド樹脂７２で覆われる。モールド樹脂７２は線膨張係数がＣｕに近くなるようにフィラーの材料や含有率が調整される。なお、金属層６２としてたとえばＡｌなどの材料を用いてもよいがその場合は、モールド樹脂７２の線膨張係数はＡｌなどに近い値となるようにする。

このように本実施形態の第一パワーモジュール１２は金属層６２が絶縁層６０と固着されている。よってモールド樹脂７２の内部の絶縁は維持され、かつ、金属層６２にてはんだ付けが可能な構成である。

図５は、ステップ４０にて第一冷却部１８と第一パワーモジュール１２がはんだ付けされた状態を説明する断面図である。ステップ４０では第一冷却部１８の表面と第一パワーモジュール１２の金属層６２がはんだ付けされる。このはんだ付けにははんだ８０が用いられる。

ステップ４０を終えるとステップ４２へと処理が進められる。ステップ４２では第二冷却部２８と第二パワーモジュール２２がはんだ付けされる。第二冷却部２８の構成は第一冷却部１８と同様である。また、第二パワーモジュール２２は第一パワーモジュール１２と同様の構成である。

図６はステップ４２を説明する断面図であり、同図に記載の通り第二パワーモジュール２２の金属層６２がはんだ９０により第二冷却部２８と固着される。ステップ４２で行われる第二パワーモジュール２２と第二冷却部２８の固着は、ステップ４０における第一パワーモジュール１２と第一冷却部１８の固着と同様であるから詳細な説明は省略する。

ステップ４２を終えるとステップ４４へと処理が進められる。ステップ４４では第一冷却部１８と第二冷却部２８が冷媒通路となる空隙を形成するように固着される。図７はステップ４４を説明する断面図である。図７に記載の通り、第一冷却部１８と第二冷却部２８は、両者のシール部５２に塗布された液状パッキン１００により一体化されている。第一冷却部１８と第二冷却部２８が液状パッキン１００により固着されると、冷媒の通路である空隙１０２が形成される。また、例えば第一冷却部１８の一部には冷媒の入口、出口を別途固着するポートを備え、その配管継ぎ手を同時に液状パッキン１００で固着することとしてもよい。

前述の液状パッキン１００の供給量は、第一冷却部１８のシール部５２と第二冷却部２８のシール部５２の間隙の体積より少ない。より詳細には以下のとおりである。まず、液状パッキン１００はシール部５２の略中央部に配置される。そして第一冷却部１８と第二冷却部２８を貼り合わせて一体化させる際に、液状パッキン１００はシール部５２の凹部およびテーパ部へと押し出される。しかしながら供給される液状パッキン１００の量は、第一冷却部１８のシール部５２と第二冷却部２８のシール部５２の間隙の体積より少ないため、液状パッキン１００がシール部５２の外へはみ出すことは抑制できる。よって第一冷却部１８と第二冷却部２８を貼り合わせたあとにも冷媒流路の形状を安定化できる。このように第一冷却部１８と第二冷却部２８を一体化させて冷却器３０を形成しステップ４４の処理を終える。以上の工程により電力用半導体装置が完成する。

本実施形態の電力用半導体装置の構成によれば、冷却器３０を構成する前に第一冷却部１８と第一パワーモジュール１２がはんだ付けされる。また、第二冷却器２８と第二パワーモジュール２２がはんだ付けされる。よって、はんだ材を融点以上に加熱する際に、熱容量の高い冷却器が障害となる問題を解消できる。

また、冷却器の表面と裏面にパワーモジュールをはんだ付けする場合は、両面のパワーモジュールを保持してはんだ付けを行うことが困難であった。また各はんだ付け面のリフロープロファイルを適切に保つことが困難であった。そのため電力用半導体装置を製造するための設備が大型化するなどの問題があったが本実施形態の構成によればこれを解消できる。すなわち、本実施形態では冷却器が分割された状態でパワーモジュールとのはんだ付けが行われるため、冷却器の表面および裏面に同時にはんだ付けすることはない。ゆえに本実施形態の電力用半導体装置は通常のアセンブリ装置で製造できるため、コスト面および製造容易化の面で優れる。

本実施形態の電力用半導体装置は、パワーモジュールの放熱面である金属層６２と第一冷却部１８がはんだ付けされた段階でＸ線検査を行い接合部におけるボイドなどの有無を判定できる。つまり、空隙を有しない第一冷却部１８または第二冷却部２８に対してＸ線検査を行うことができるのでボイドなどの欠陥の有無の判定精度を高めることができる。なお好ましくは、Ｘ線検査時に通過したＸ線に対して第一冷却部との合計Ｘ線減衰量が同じとなる厚みをもつ治具（図示せず）を利用するとよい。このような治具は第一冷却部と同じ材質で形を転写させて、組み合わせた時に厚みが一定になるものが簡便であった。

本実施形態の電力用半導体装置は冷却器を反転させる機構を要しない。すなわち、電力用半導体装置の製造過程において、冷却器３０が第一冷却部１８と第二冷却部２８に分割されているから、両者ともにパワーモジュールとはんだ付けされるべき面を上向きにして同一の工程で組み立てることができる。よって、装置を反転させる機構を要しないから製造装置の大型化を回避でき、かつ、重力を利用した簡易な組み立てを行うことができる。

本実施形態の電力用半導体装置はシリコーンゲルを用いないため、シリコーンゲルの振動に起因する電力用半導体装置の信頼性の低下を回避できる。また、冷却器の表面の処理の終了を待って同裏面の処理を行うという生産性を阻害する要因も解消できる。

本実施形態の電力用半導体装置は装置の小型化の観点からも優れる。すなわち、冷却器３０の表面および裏面にパワーモジュールを配置することは電力用半導体装置の小型化に貢献する。また、モールド樹脂でパワー素子などを保護することにより沿面絶縁距離を確保するために装置が大型化することを回避できることも小型化に貢献する。本実施形態では、上述のように小型化を実現しつつ、ピンフィン５０により２００００〜３００００[Ｗ／ｍ^２・Ｋ]程度の熱伝達率を実現できた。
また、ピンフィン５０を用いると後述のストレートフィンを用いた場合と比較して冷却器の剛性を下げることができる。よってはんだ８０、はんだ９０による接続の長期信頼性を高めることができる。

また、第一パワーモジュール１２および第二パワーモジュール２２のモールド樹脂７２は線膨張係数が金属層６２であるＣｕに近くなるようにフィラーの材料や含有率が調整される。そのため熱によるパワーモジュールの反りを抑制して信頼性の高い電力用半導体装置を製造できる。

このように本実施形態の電力用半導体装置は、電力用半導体装置の小型化のために冷却器の表面と裏面にパワーモジュールを取り付ける際の問題を解決しその製造を容易化したものである。具体的には冷却器を分割した状態でパワーモジュールをはんだ付けすることで加熱機構の簡素化などの利益を得るものである。

本実施形態の構成は本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて様々な変形が可能である。たとえば、第一冷却部１８と第二冷却部２８は液状パッキン１００でシールされる構成としたが、液状パッキン１００に代えてガスケットを用いてもよい。その他、第一冷却部１８と第二冷却部２８を、冷媒の通路となる空隙を形成するように固着できる限り他の方法を利用してもよい。

たとえば、図８に記載されるように第一冷却部１８に複数のパワーモジュール（１１２、１１４、１１６）をはんだ１１０によりはんだ付けし、第二冷却部２８に複数のパワーモジュール（１１８、１２０、１２２）をはんだ付けしてもよい。

たとえば、図９に記載されるように冷却器３０の表裏でパワーモジュールを半ピッチずつずらして配置してもよい。このような配列により冷却器３０の表面裏面間の熱干渉を抑制できる。すなわち、冷却器３０のうち最も高温となる場所はパワーモジュールとの接合（固着）部分である。冷却器３０における温度分布は冷却器３０とパワーモジュールの接合部分を中心とした同心半円状の分布となる。そのため、冷却器表面に固着されたパワーモジュールの直下の冷却器裏面にパワーモジュールが固着されるとパワーモジュールに挟まれた領域の冷媒の温度上昇が顕著となりパワーモジュールの冷却が十分行われないことが考えられる。そして、パワーモジュールに挟まれていない領域の冷媒の冷却能力は活用されないこととなるため、冷却器３０の冷却能力を最大限活用できず好ましくない。ところが図９に記載されるように冷却器３０の表裏でパワーモジュールを半ピッチずつずらして配置すれば、冷媒の温度上昇が顕著となる領域は発生せず、冷媒とパワーモジュールの温度差が大きい状態を維持できるためパワーモジュールの冷却効果を高めることができる。よって図９のように冷却器上下のパワーモジュールをずらして配置することで、冷媒とパワーモジュールの温度差が大きい状態を維持でき効率的にパワーモジュールを冷却できる。ゆえに冷却器の大型化や、冷却機能充実化による電力用半導体装置の大型化やコスト増を回避できる。また、冷媒の流路を簡素化でき、冷媒を循環させるポンプの重量を低減できる。

実施の形態２
本実施形態は図１０を参照して説明する。図１０は実施形態１で説明した電力用半導体装置に主配線ブロックなどが付加された電力用半導体装置の外観を説明する図である。

第一パワーモジュール１２の主端子１４と第二パワーモジュール２２の主端子２４は同一方向に伸びる。つまり、パワーモジュールの主端子は冷却器３０の一側面に集中配置される。そして、当該「冷却器３０の一側面」には主配線ブロック２００が固着される。主配線ブロック２００はその内部に所定の配線を備える。主配線ブロック２００からは２本の電極が伸び、接合部２０２、２１２においてそれぞれ主端子１４、主端子２４と接合される。この接合は例えば主端子１４、主端子２４の先端方向からＴＩＧ溶接などの手法により行われるものである。

第一パワーモジュール１２の制御端子１６は制御基板２０６に固着され、必要な電気的接続が行われる。同様に第二パワーモジュール２２の制御端子２６は制御基板２１６に固着され必要な電気的接続が行われる。さらに第一パワーモジュール１２が冷却器３０と固着される面と反対の面にはシールド板２０４が固着される。同様に、第二パワーモジュール２２が冷却器３０と固着される面と反対の面にはシールド板２１４が固着される。シールド板２０４、２１４は主配線の回路ループと制御基板２０６、２１６の間に、両者を遮るように主端子１４、主端子２４の伸びる方向に突き出して配置される。このようにシールド板２０４、２１４が配置されるため、主回路から直線的に制御基板に到達することはできない。

本実施形態の構成によれば主端子１４と主端子２４は同一方向に伸びる。よって複数の主端子について、主配線ブロック２００の電極との溶接を同一方向から行うことができる。故に生産性を向上させることができる。

本実施形態の構成によれば電力用半導体装置を小型化できる。一般に、主端子などの電極露出部分は周囲との絶縁性確保のために絶縁距離を確保することを要する。そして、本実施形態では主配線ブロック２００と主端子１４、２４が近接し、主配線ブロック２００中に必要な配線が収容されているため当該電極露出部分自体が極めて少ない。よって絶縁距離確保のために電力用半導体装置を大型化することを要せず、電力用半導体装置を小型軽量化することができる。

本実施形態の構成によれば制御基板が受けるノイズの影響を低減できる。一般に、電力用半導体装置では高電圧のオンオフを数μｓという短期間で行うため、高いｄＶ／ｄｔや高いｄＩ／ｄｔが生じ周辺回路はノイズの影響を受ける。例えば、主配線部やパワーモジュール内部の閉回路で電圧変化が起こると閉回路に垂直な方向に磁界が発生し、この磁界を横切る回路には電圧変動が生じ誤動作などの悪影響を与えうる。そこで、本実施形態では、磁界が主回路から直線的に制御基板２０６、２１６に到達することができないようにシールド板２０４、２１４を配置した。よってシールド板２０４、２１４の電磁的なシールド効果により制御基板２０６、２１６がノイズの影響を受けづらいため誤動作などの弊害を回避できる。

本実施形態の構成は本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて様々な変形ができる。たとえば、シールド板を任意の保持手段によりパワーモジュールから離間させて配置してもよい。この場合、パワーモジュールの主端子とシールド板の間の沿面距離を長くできるため、電力用半導体装置を大型化することなしに使用電圧の高い電力用半導体装置に対応できる。その他、少なくとも実施形態１相当の変形をなしうる。

実施の形態３
本実施形態は図１１を参照して説明する。図１１は実施形態２で説明した電力用半導体装置に平滑コンデンサなどが付加された電力用半導体装置の外観を説明する図である。

主配線ブロック２００から伸びる電極（主配線ブロックの電極３０６と称する）は、大電流配線部３０２と接続される。大電流配線部３０２とは電力用半導体装置と、後述する平滑コンデンサ３００を接続するものである。そして、平滑コンデンサ３００は、平滑コンデンサ３００から伸びる電極（平滑コンデンサの電極３０４と称する）により大電流配線部３０２と接続される。よって主配線ブロックの電極３０６は大電流配線部３０２を介して平滑コンデンサの電極３０４と接続される。

また、図１１から明らかなように、平滑コンデンサの電極３０４と、主端子１４、２４、主配線ブロックの電極３０６は同一平面に引き出される。つまり、これらは平行平板で配線される。

一般に、パワーモジュールの端子にはＰ端子、Ｎ端子、出力端子（Ｕ端子、Ｖ端子、Ｗ端子）があり、Ｐ端子、Ｎ端子が平滑コンデンサに接続される。そして、パワー素子のオフ動作の際のサージは平滑コンデンサにより吸収される。ここで、サージ電圧が大きいと電力用半導体装置の損失が増大するため、サージ電圧は低減することが好ましい。サージ電圧を低減するためには、Ｐ端子Ｎ端子と平滑コンデンサの閉ループのインダクタンスを低減することが有効である。当該インダクタンス低減のためには、平滑コンデンサ３００を可能な限りＰＮ端子に近接させ、かつその配線は絶縁されつつも空間ギャップを小さくし、かつ表面積を大きくする。このような構成の配線を平行平板という。ここで、平行平板は曲面を構成しても所定の絶縁距離を維持することで、インダクタンス低減効果を得ることができるが、当該曲面の内側と外側の曲面が異なる場合はインダクタンスが増大する。

本実施形態の構成によれば、平行平板は平面を積層した配置であるから、曲面を構成することによる弊害を回避しつつ、インダクタンスを低減しサージの抑制ができる。そして、サージを抑制できるため、エネルギロスを低減し損失を抑制できる。よって冷却器３０への放熱を抑制できるため冷却器３０を小型化でき、電力用半導体装置の小型化が可能となる。

本実施形態の構成は本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて様々な変形ができる。たとえば、ハイブリット車や電気自動車ではバッテリの搭載量が重量、コスト面から制限されることがあり、昇圧回路を併用してバッテリ電圧より高い駆動電圧を利用する場合がある。そのような場合にはリアクトルや昇圧用コンデンサの端子も本実施形態における平滑コンデンサの電極３０４のように配置することで上述の効果を得ることができる。このように大電流が通過する配線経路を同一平面に集約し、平行平板を最大限に活用することで電力用半導体装置の小型軽量化が可能となる。その他、少なくとも実施形態１相当の変形をなしうる。

実施の形態４
本実施形態は図１３−１６を参照して説明する。図１３は本実施形態の電力用半導体装置の外観を説明する図である。ただし説明の便宜上冷却器６００については内部を記載する。第一冷却部６０２は冷媒通路となる空隙を形成するように第二冷却部６０４と固定される。そして、実施形態１のピンフィンに代えて、第一冷却部６０２にはストレートフィン６０６が配置される。同様に第二冷却部６０４にはストレートフィン６０８が配置される。

図１４はストレートフィン６０８の斜視図である。ここで、図１４における両方向矢印は冷媒の流れ方向である。図１４から分かるとおり、ストレートフィン６０８は冷媒の流れ方向と平行に伸びるように形成される。また、ストレートフィン６０８の高さは、第一冷却部６０２と第二冷却部６０４をガスケットやパッキンで固定したときに、ストレートフィン６０６と接触しないように定められる。従って、ストレートフィン６０８とストレートフィン６０６の高さの和は冷媒の通る空隙の高さより小さい。本実施形態では、冷媒の通る空隙の高さは３ｍｍ、ストレートフィン６０８の幅は１．５ｍｍ、ストレートフィンと隣接するストレートフィンの間の間隔は２ｍｍ程度である。このようなストレートフィン６０８は例えばダイキャスト法により形成される。なお、ストレートフィン６０６についても同様に形成される。

図１５、１６は第一冷却部６０２と第二冷却部６０４の接続について説明する図である。図１５にはシール部５２で第一冷却部６０２と第二冷却部６０４が接続される様子が描かれている。また、図１６にはシール部５２に液状パッキン１００が塗布された様子が描かれている。これらについては前の実施形態で説明済みであるから詳細な説明は省略する。本実施形態の電力用半導体装置は上述の構成を備える。本実施形態ではストレートフィン６０６、６０８を用いて、およそ１００００[Ｗ／ｍ^２・Ｋ]程度の熱伝達率を実現できた。

本実施形態の構成によれば、ストレートフィン６０６、およびストレートフィン６０８により冷却器６００の冷却機能を高めることができる。それに加えて、ストレートフィン６０６、およびストレートフィン６０８は冷却器６００の剛性を高めることに寄与する。従って冷却器６００を構成する部材を薄くしても冷却器６００の剛性を確保できる。これにより、例えば冷却器６００の側壁の部材を薄くすることができる。よって冷却器６００を小型軽量化できる。

本実施形態の構成は本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて様々な変形ができる。たとえば、本実施形態のように切れ間のないストレートフィンに代えて、間欠的なストレートフィンを利用してもよい。このような構成であれば、冷却器の剛性を高め、かつ、熱伝達率を高めることができる。その他、少なくとも実施形態１相当の変形をなしうる。

１０電力用半導体装置、１２第一パワーモジュール、１８第一冷却部、２２第二パワーモジュール、２８第二冷却部、３０冷却器、５０ピンフィン、５２シール部、１００液状パッキン、２００主配線ブロック、２０４シールド板、２１４シールド板、２０６制御基板、２１６制御基板、３００平滑コンデンサ、３０２大電流配線部、６０６ストレートフィン、６０８ストレートフィン

Claims

モールド樹脂で封止され、前記モールド樹脂から露出する放熱面を有する第一パワーモジュールと、
モールド樹脂で封止され、前記モールド樹脂から露出する放熱面を有する第二パワーモジュールと、
前記第一パワーモジュールの放熱面にはんだにより固着された第一冷却部と、
前記第二パワーモジュールの放熱面にはんだにより固着された第二冷却部とを備え、
前記第一冷却部と前記第二冷却部は冷媒通路となる空隙を形成するように固着され冷却器を形成することを特徴とする電力用半導体装置。
前記第一冷却部の前記第二冷却部と対向する面に形成された第一ピンフィンと、
前記第一冷却部の前記第二冷却部と対向する面に形成された第一シール部と、
前記第二冷却部の前記第一冷却部と対向する面に形成された第二ピンフィンと、
前記第二冷却部の前記第一冷却部と対向する面に形成された第二シール部と、
前記第一シール部および前記第二シール部に形成された凹部またはテーパと、
前記第一シール部と前記第二シール部を固着する液状パッキンとを備え、
前記第一ピンフィンおよび前記第二ピンフィンは前記空隙に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
前記冷却器のうち前記第一パワーモジュールまたは前記第二パワーモジュールが固着された面以外の面に固着された主配線ブロックと、
前記第一パワーモジュールのモールド樹脂から外部へ伸びる第一主端子と、
前記第二パワーモジュールのモールド樹脂から外部へ伸びる第二主端子とをさらに備え、
前記第一主端子と前記第二主端子は、前記主配線ブロックを挟むように配置され、
前記第一主端子と前記第二主端子は、前記主配線ブロックから前記第一主端子および前記第二主端子と平行方向に伸びる端子と接続されたことを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
前記第一パワーモジュールのモールド樹脂から外部へ伸びる第一制御端子と、
前記第二パワーモジュールのモールド樹脂から外部へ伸びる第二制御端子と、
前記第一制御端子と固着された第一制御基板と、
前記第二制御端子と固着された第二制御基板と、
前記第一主端子と前記第一制御基板の間に配置された第一シールド板と、
前記第二主端子と前記第二制御基板の間に配置された第二シールド板とをさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の電力用半導体装置。
平滑コンデンサをさらに備え、
前記平滑コンデンサの電極と前記第一主端子と前記第二主端子と前記主配線ブロックの端子は同一方向に伸び平行平板を構成することを特徴とする請求項３に記載の電力用半導体装置。
前記第一冷却部には複数のパワーモジュールがはんだにより固着され、
前記第二冷却部には複数のパワーモジュールがはんだにより固着され、
前記第一冷却部に固着されたパワーモジュールは、前記第二冷却器に固着されたパワーモジュールの直上領域からずらして配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
前記第一冷却部の前記第二冷却部と対向する面に形成された第一ピンフィンと、
前記第二冷却部の前記第一冷却部と対向する面に形成された第二ピンフィンとを備え、
前記第一ピンフィンおよび前記第二ピンフィンは前記空隙に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
前記第一冷却部の前記第二冷却部と対向する面に冷媒の流れ方向と平行に伸びるように形成された第一ストレートフィンと、
前記第二冷却部の前記第一冷却部と対向する面に前記冷媒の流れ方向と平行に伸びるように形成された第二ストレートフィンとを備え、
前記第一ストレートフィンおよび前記第二ストレートフィンは前記空隙に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。