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JP7380062B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、半導体モジュールに関する。
半導体装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等の半導体素子が設けられた基板を有し、インバータ装置等に利用されている。
民生・産業用のモータ駆動用等に広く用いられるインバータ装置は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子（スイッチング素子）と、その半導体スイッチング素子を駆動する駆動用集積回路（ＩＣチップ）から構成される。また、機器の小型化と保護回路内蔵のための手段として、上記したスイッチング素子とＩＣチップを１パッケージ化したＩＰＭ（Intelligent Power Module）が用いられる。
従来の半導体装置（半導体モジュール）においては、半導体素子の温度を検出するための温度センサとしてサーミスタが設けられていた。しかしながら、サーミスタは、チップ温度を直接監視することができないため、デバイスの特性バラツキや、パッケージの熱抵抗バラツキといった製品の様々な特定バラツキを考慮して装置の熱設計をする必要があった。そこで、温度センサや電流センサ等の機能を搭載した、いわゆるオンチップセンサ内蔵型の半導体モジュールが提案されている（例えば特許文献１－３参照）。
特許文献１では、絶縁基板の回路板上に複数の半導体チップが配置されている。各半導体チップには、過熱保護用の温度検出ダイオードが内蔵されている。特許文献２では、ドレイン基板上に複数の半導体チップが配置されている。各半導体チップは、センス電流を流すセンスノードを有している。センスノードに流れる電流から、所定の出力電圧を検出可能である。また、特許文献３には、電流センス付ＩＧＢＴについて開示されている。この種のＩＧＢＴは、電流センス部と、温度センスダイオード部と、を備えている。
国際公開第２０１６／１７４８９９号 国際公開第２０１５／１２５２８１号 特開２００７－２８７９８８号公報
ところで、上記のオンチップセンサ内蔵型の半導体素子は高価であるため、モジュール内に配置される全ての半導体素子をオンチップセンサ内蔵型としてしまうとモジュール全体のコストに影響を与えるおそれがある。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、安価な構成で内部の温度をモニターできる半導体モジュールを提供することを目的の１つとする。
本発明の一態様の半導体モジュールは、離れて並列に配置された第１流路及び第２流路と、前記第１流路及び前記第２流路を接続する第３流路と、を有する冷却器と、前記冷却器に搭載され、前記第３流路に交差する方向に並んで設けられた複数の回路板を有する積層基板と、を備え、前記複数の回路板は、Ｐ端子に接続された第１回路板と、Ｎ端子に接続された第２回路板と、Ｍ端子に接続された第３回路板と、を有し、前記第１回路板には、温度を検知するセンス機能を有する第１センスチップと、前記センス機能を有しない第１非センスチップと、が前記第３流路に沿って並んで搭載され、前記第３回路板には、前記センス機能を有する第２センスチップと、前記センス機能を有しない第２非センスチップと、が前記第３流路に沿って並んで搭載され、前記第１センスチップは、前記第２流路側に偏って配置され、前記第２センスチップは、前記第１流路側に偏って配置されている。
本発明によれば、半導体モジュールにおいて、安価な構成で内部の温度をモニターすることができる。
本実施の形態に係る半導体モジュールの一例を示す平面図である。 図１に係る半導体モジュールを下面側からみた図である。 図１の積層基板単位の部分拡大図である。 図３に示す半導体モジュールをＹＺ平面に沿って切断した断面図である。 半導体素子のセンス機能を示す等価回路図である。 参考例に係る半導体モジュールの平面模式図である。 変形例に係る半導体モジュールを示す平面図である。
以下、本発明を適用可能な半導体モジュールについて説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体モジュールの一例を示す平面図である。図２は、図１に係る半導体モジュールを下面側からみた図である。図３は、図１の積層基板単位の部分拡大図である。図４は、図３に示す半導体モジュールをＹＺ平面に沿って切断した断面図である。図５は、半導体素子のセンス機能を示す等価回路図である。なお、以下に示す半導体モジュールはあくまで一例にすぎず、これに限定されることなく適宜変更が可能である。
また、以下の図において、半導体モジュールの長手方向（後述する複数の積層基板が並ぶ方向）をＸ方向、短手方向をＹ方向、高さ方向をＺ方向と定義することにする。図示されたＸ、Ｙ、Ｚの各軸は互いに直交し、右手系をなしている。また、場合によっては、Ｘ方向を左右方向、Ｙ方向を前後方向、Ｚ方向を上下方向と呼ぶことがある。これらの方向（前後左右上下方向）は、説明の便宜上用いる文言であり、半導体モジュールの取付姿勢によっては、ＸＹＺ方向のそれぞれとの対応関係が変わることがある。例えば、半導体モジュールの放熱面側（冷却器側）を下面側とし、その反対側を上面側と呼ぶことにする。また、本明細書において、平面視は、半導体モジュールの上面をＺ方向正側からみた場合を意味する。
半導体モジュール１は、例えばパワーモジュール等の電力変換装置に適用されるものである。本実施の形態に係る半導体モジュール１は、インバータ回路を構成する６ｉｎ１タイプのパワーモジュールである。図１から図４に示すように、半導体モジュール１は、ベース板１０と、ベース板１０上に配置される複数の積層基板２と、積層基板２上に配置される複数の半導体素子３と、複数の積層基板２及び複数の半導体素子３を収容するケース部材１１と、ベース板１０の下面に配置される冷却器１２と、を含んで構成される。
ベース板１０は、上面と下面を有する長方形の板である。ベース板１０は、放熱板として機能する。また、ベース板１０は、Ｘ方向に長い平面視矩形状を有している。ベース板１０は、例えば銅、アルミニウム又はこれらの合金等からなる金属板であり、表面にメッキ処理が施されてもよい。
ベース板１０の上面には、枠状のケース部材１１が配置される。ケース部材１１は、例えば合成樹脂によって成形され、接着剤（不図示）を介してベース板１０の上面に接合される。ケース部材１１は、ベース板１０の外形に沿った矩形状を有し、中央に開口が形成された環状壁部１３を有している。環状壁部１３は、Ｚ方向に立ち上がるように形成されている。環状壁部１３には、複数の端子部材１４が設けられている。端子部材１４については後述する。
また、環状壁部１３の内側において、ベース板１０の上面には、３つの積層基板２がＸ方向に並んで配置されている。これら３つの積層基板２は、インバータ回路のＵ相、Ｖ相及びＷ相を構成する。本実施の形態では、図１の紙面右側からＵ相、Ｖ相、Ｗ相という配置になっている。
積層基板２は、金属層と絶縁層とを積層して形成され、例えば、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板やＡＭＢ（Active Metal Brazing）基板、あるいは金属ベース基板で構成される。具体的に積層基板２は、絶縁板２０と、絶縁板２０の下面に配置された放熱板２１と、絶縁板２０の上面に配置された複数の回路板２２と、を有する。積層基板２は、例えば平面視略方形状に形成される。
絶縁板２０は、Ｚ方向に所定の厚みを有し、上面と下面を有する平板状に形成される。絶縁板２０は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等のセラミックス材料、エポキシ等の樹脂材料、又はセラミックス材料をフィラーとして用いたエポキシ樹脂材料等の絶縁材料によって形成される。なお、絶縁板２０は、絶縁層又は絶縁フィルムと呼ばれてもよい。
放熱板２１は、Ｚ方向に所定の厚みを有し、絶縁板２０の下面全体を覆うように形成される。放熱板２１は、例えば銅やアルミニウム等の熱伝導性の良好な金属板によって形成される。
絶縁板２０の上面（主面）には、複数の回路板２２が、電気的に互いに絶縁された状態で、島状に形成されている。具体的に複数の回路板２２は、正電位点（Ｐ端子）に接続される第１回路板２３と、負電位点（Ｎ端子）に接続される第２回路板２４と、中間電位点（Ｍ端子）に接続される第３回路板２５と、を含んで構成される。これらの回路板２２は、銅箔等によって形成される所定厚みの金属層で構成される。
第１回路板２３は、積層基板２のＸ方向一方側の一辺に沿うようにＹ方向へ延びた平面視矩形状を有している。第１回路板２３は、Ｙ方向の略中央において、Ｘ方向外側から内側に向かって僅かに切欠かれている。切欠かれた部分には、ゲートパッド２６ａ及びエミッタパッド２６ｂがＹ方向に並んで形成されている。ゲートパッド２６ａが上アームの端子部材１４側（Ｙ方向正側）に位置している。
第２回路板２４は、積層基板２のＸ方向略中央において、Ｙ方向へ延びた長尺形状を有している。第２回路板２４の一端はＸ方向へ僅かに屈曲されており、全体として平面視略Ｌ字状を成している。
第３回路板２５は、積層基板２のＸ方向他方側の一辺に沿うようにＹ方向へ延び、第２回路板２４の他端側で折り返すように屈曲した後、第２回路板２４をＹ方向で挟むようにＹ方向に延びた平面視略Ｕ字形状を有している。第３回路板２５は、Ｙ方向の略中央において、Ｘ方向外側から内側に向かって僅かに切欠かれている。切欠かれた部分には、ゲートパッド２７ａ及びエミッタパッド２７ｂがＹ方向に並んで形成されている。ゲートパッド２７ａが下アームの端子部材１４側（Ｙ方向負側）に位置している。これら３つの回路板２２は、後述する冷媒流路の一部を構成する第３流路Ｆ３（図２参照）に交差する方向（Ｘ方向）に並んで設けられている。
回路板２２の上面の所定箇所には、半田等の接合材Ｓ（図４参照）を介して複数の半導体素子３が配置される。半導体素子３は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化けい素（ＳｉＣ）窒化ガリウム（ＧａＮ）等の半導体基板によって平面視方形状に形成される。本実施の形態において、半導体素子３は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子とＦＷＤ（Free Wheeling Diode）素子の機能を一体化したＲＣ（Reverse Conducting）－ＩＧＢＴ素子で構成される。
なお、半導体素子３は、これに限定されず、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＢＪＴ（Bipolar junction transistor）等のスイッチング素子、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等のダイオードを組み合わせて構成されてもよい。また、半導体素子３として、逆バイアスに対して十分な耐圧を有するＲＢ（Reverse Blocking）－ＩＧＢＴ等を用いてもよい。また、半導体素子３の形状、配置数、配置箇所等は適宜変更が可能である。半導体素子３は、第１面および第１面の反対側の第２面を有する半導体基板において、第１面にエミッタ、ソースまたはアノード電極を、第２面にコレクタ、ドレインまたはカソード電極を備えてよい。スイッチング素子である半導体素子３は、半導体基板の第１面にゲート電極を備え、さらにセンス電極を備えてよい。
本実施の形態では、１つの積層基板２につき（１相につき）、４つの半導体素子３が配置されている。具体的に第１回路板２３の上面に配置される２つの半導体素子３ａ、３ｂは、上アームを構成する。また、第３回路板２５の上面に配置される２つの半導体素子３ｃ、３ｄは、下アームを構成する。すなわち、上アームと下アームは、積層基板２の上面にＸ方向で横並びに配置される。回路板２３のチップ搭載部、回路板２５の配線部材接続部、回路板２４、及び回路板２５のチップ搭載部が、Ｘ方向において順に設けられている。
上下の各アームを構成する２つずつの半導体素子は、更に所定のセンス機能を有するセンスチップと、上記センス機能を有しない非センスチップと、に分けられる。具体的に半導体素子３ａ、３ｃは、チップの温度及び電流を検知するセンス機能を有するセンスチップである。一方、半導体素子３ｂ、３ｄは、これらのセンス機能を有しない非センスチップである。すなわち、上下の各アームは、それぞれセンスチップと非センスチップを１つずつ備えている。各アームはそれぞれ、センスチップを少なくとも１つ含む、３以上の半導体素子を有してよい。
上アームにおいて、半導体素子３ａ、３ｂは、並列接続され、Ｙ方向に並んで配置されている。また、下アームにおいて、半導体素子３ｃ、３ｄは、並列接続され、Ｙ方向に並んで配置されている。このように、センスチップと非センスチップは、上アーム及び下アームの並び方向（Ｘ方向）に対して直交する方向（Ｙ方向）に並んで配置されている。詳細は後述するが、上アームと下アームにおいて、センスチップと非センスチップは、逆に配置されている。すなわち、半導体素子３ａ、３ｃは、平面視で斜めに対向する位置に設けられている。半導体素子３ａ、３ｃは、積層基板２において、対角線上に離れて配置されてよい。
ここで、図５を参照して、半導体素子（センスチップ）のセンス機能について説明する。図５に示すように、半導体素子３ａ、３ｃは、半導体基板において、ＩＧＢＴ素子３０と、ＦＷＤ素子３１と、温度センス用ダイオード３２と、を備えている。
ＩＧＢＴ素子３０は、一端側がゲート（Ｇ）に接続され、他端側がコレクタ（Ｃ）、エミッタ（Ｅ）、センスエミッタ（Ｓ）に接続されている。ＦＷＤ素子３１は、ＩＧＢＴ素子３０のエミッタ～コレクタ間で逆並列接続されている。
温度センス用ダイオード３２は、一端がアノード（Ａ）に接続され、他端がカソード（Ｋ）に接続される。温度センス用ダイオード３２は、アノード～カソード間の電圧に基づいてチップ温度を検知する。センスエミッタ（Ｓ）は、ＩＧＢＴに流れる電流の一部を分流して検出できる端子である。センスエミッタ（Ｓ）に、例えば、外部の電流センス用抵抗を接続してその電圧を検出することで、短絡動作が発生した際に短絡保護をかけることが可能である。この電流センス用抵抗は制御回路の設計にて、適宜条件を設定することが可能であり、これにより短絡保護を開始する電圧値を設定できる。
また、積層基板２の上面には、下アームの半導体素子３ｄの近傍に位置する一角部にサーミスタ４が配置されている。サーミスタ４は、積層基板２の下面側に位置する冷却器１２内で流れる冷却水の温度を検知する。なお、サーミスタ４に限らず、他のタイプの測温抵抗体、又は熱電対を配置してもよい。
上記したように、積層基板２の上面には、枠状のケース部材１１が配置される。ケース部材１１は、３つの積層基板２の周囲を囲う環状壁部１３を有している。環状壁部１３の上面の内周側には、一段下がった段部１３ａが形成されている。段部１３ａの上面は、環状壁部１３の上面に対して低い位置に設けられている。
また、図１に示すように、環状壁部１３の短手方向（Ｙ方向）で対向する一対の壁部には、複数の端子部材１４が一体成型により埋め込まれている。端子部材１４は、例えば銅素材、銅合金系素材、アルミニウム合金系素材、鉄合金系素材等の金属素材の板状体を折り曲げて形成される。端子部材１４は、段部１３ａの上面に露出する内側端子部１５と、環状壁部１３の上面に突出する外側端子部１６と、を有している。
複数の端子部材１４は、図３に示すように、センス機能を有する半導体素子３ａ、３ｃの近傍において、各電極に対応してＸ方向に並んで配置されている。具体的に半導体素子３ａの近傍には、５つの端子部材１４がＸ方向に並んで配置されている。また、半導体素子３ｃの近傍にも、５つの端子部材１４がＸ方向に並んで配置されている。これら５つずつ配置される端子部材１４は、図３に示すように、平面視で積層基板２をＹ方向で挟んで斜めに対向する位置関係にある。積層基板２の対角線の方向において、上アーム用の端子部材１４は半導体素子３ａに隣接して、下アーム用の端子部材１４は半導体素子３ｃに隣接して、それぞれ設けられる。半導体素子３ａのセンス電極（Ｓ，Ａ，Ｋ）及び半導体素子３ｃのセンス電極（Ｓ，Ａ，Ｋ）は、積層基板２の対角線の方向において、Ｙ方向に離れて配置されてよい。上アーム用の端子部材１４と半導体素子３ａのセンス電極は配線部材Ｗにより電気的に接続されてよい。下アーム用の端子部材１４と半導体素子３ｃのセンス電極は配線部材Ｗにより電気的に接続されてよい。半導体素子３ａにおいて、ゲート電極はセンス電極の反対側に配置されてよい。半導体素子３ｃにおいて、ゲート電極はセンス電極の反対側に配置されてよい。更に、サーミスタ４の近傍に位置する環状壁部１３にも、端子部材１４が配置されている。これらの端子部材１４は、図１に示すように、各相共に同じように配置されている。
各半導体素子３、回路板２２、及び端子部材１４は、配線部材Ｗによって電気的に接続される。例えば、上アームにおいて、半導体素子３ａと内側端子部１５、半導体素子３ａと第３回路板２５、半導体素子３ａとゲートパッド２６ａ、ゲートパッド２６ａとゲート側の端子部材１４、第３回路板２５とエミッタパッド２６ｂ、エミッタパッド２６ｂとエミッタ側の端子部材１４は、それぞれ配線部材Ｗによって接続される。また、半導体素子３ｂと第３回路板２５、半導体素子３ｂとゲートパッド２６ａも、それぞれ配線部材Ｗによって接続される。半導体素子３ｂのゲート電極は、ゲートパッド２６ａを間において、半導体素子３ａのゲート電極の近くに配置されてよい。半導体素子３ａ，３ｂの間に配置された配線部材Ｗにより第３回路板２５とエミッタパッド２６ｂを接続することにより、並列接続された半導体素子３ａ，３ｂの中間電位を検出してもよい。
下アームにおいて、半導体素子３ｃと内側端子部１５、半導体素子３ｃと第２回路板２４、半導体素子３ｄとゲートパッド２７ａ、ゲートパッド２７ａとゲート側の端子部材１４、第２回路板２４とエミッタパッド２７ｂ、エミッタパッド２７ｂとエミッタ側の端子部材１４は、それぞれ配線部材Ｗによって接続される。また、半導体素子３ｄと第２回路板２４、半導体素子３ｄとゲートパッド２７ａも、それぞれ配線部材Ｗによって接続される。半導体素子３ｄのゲート電極は、ゲートパッド２７ａを間において、半導体素子３ｃのゲート電極の近くに配置されてよい。半導体素子３ｃ，３ｄの間に配置された配線部材Ｗにより第２回路板２４とエミッタパッド２７ｂを接続することにより、並列接続された半導体素子３ｃ，３ｄの中間電位を検出してもよい。
また、サーミスタ４と内側端子部１５も、配線部材Ｗによって接続される。なお、これらの配線部材Ｗには、導体ワイヤ（ボンディングワイヤ）が用いられる。導体ワイヤの材質は、金、銅、アルミニウム、金合金、銅合金、アルミニウム合金のいずれか１つ又はそれらの組み合わせを用いることができる。また、配線部材として導電ワイヤ以外の部材を用いることも可能である。例えば、配線部材としてリボンを用いることができる。
また、環状壁部１３により規定されるケース部材１１の内部空間には、封止樹脂１７が充填される。封止樹脂１７は、上面が例えば環状壁部１３の上面に至るまで充填される。これにより、積層基板２、半導体素子３、内側端子部１５、配線部材Ｗが封止される。なお、封止樹脂１７には、エポキシ樹脂やシリコーンゲルを用いることが可能である。
図２及び図４に示すように、冷却器１２は、上記したベース板１０と、ベース板１０の下面側に設けられる複数のフィン１２ａ（詳細な形状は省略）とを含んで構成される。冷却器１２は、さらに冷却ケース１２ｂを含んでよい。上記したように、ベース板１０は、放熱板として機能し、上面に複数の積層基板２が搭載されている。ベース板１０の下面（放熱面）に設けられた複数のフィン１２ａは、冷却ケース１２ｂに形成された凹部１２ｃに収容される。なお、冷却ケース１２ｂは、冷媒ジャケット又はウォータージャケットと呼ばれてもよい。
複数のフィン１２ａは、ベース板１０の下面に一体的に設けられている。フィン１２ａは、ベース板１０と同一の金属材料で構成されてよい。フィン１２ａは、放熱板、言い換えると、ヒートシンクとして用いられる。例えば、フィン１２ａには、角柱形状のピン（角ピン）を複数個、間隔を空けて所定ピッチで配列されたピンフィンを用いることができる。フィン１２ａの構成については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、角柱形状の代わりに円柱形状のピンを設けることや、Ｙ方向に延在するブレード形状の複数のフィンを互いに平行に配列する構成としてもよい。フィン１２ａは、Ｙ方向に冷媒を流し得るように設けられる。
ベース板１０において、複数のフィン１２ａが設けられる領域は、複数の積層基板２がベース板１０に接合された状態において、積層基板２上の半導体素子３の実装領域の反対側（裏面側）の領域を含むことが好ましい。言い換えると、複数のフィン１２ａがベース板１０に一体的に設けられる領域は、半導体素子３の直下の領域を含む領域であることが好ましい。なお、本実施の形態では、複数の積層基板２の直下の領域を含む領域に、複数のフィン１２ａが配置されている。また、本実施の形態においては、複数のフィン１２ａの集合体が略直方体形状を有している。複数のフィン１２ａの集合体の長手方向は、半導体モジュール１の長手方向（Ｘ方向）と一致している。
冷却ケース１２ｂは、略直方体形状の外形を有し、平面視にて、Ｘ方向に長い長方形状を有している。平面視した場合の冷却ケース１２ｂの外形は、実質的にベース板１０の外形と同一の形状を有している。冷却ケース１２ｂは、上面に凹部１２ｃが形成されている。これにより、冷却ケース１２ｂは、上部が開口した箱型に形成される。凹部１２ｃは、冷却ケース１２ｂの外形と相似形状の平面視長方形状を有している。
凹部１２ｃは、複数のフィン１２ａの集合体の外形よりも大きく形成されている。より具体的に凹部１２ｃのＹ方向の幅は、複数のフィン１２ａの集合体のＹ方向の幅よりも十分に大きく設定されている。また、複数のフィン１２ａの集合体は、凹部１２ｃのＹ方向中央に配置されている。上記したように、凹部１２ｃは、複数のフィン１２ａを収容する。凹部１２ｃと複数のフィン１２ａとの間に設けられる隙間は冷媒流路を画定し、流路を冷媒が流れ得る。
具体的に冷媒流路は、図２に示すように複数のフィン１２ａのＹ方向負側の凹部１２ｃ内に設けられた第１流路Ｆ１と、複数のフィン１２ａのＹ方向正側の凹部１２ｃ内に設けられた第２流路Ｆ２と、複数のフィン１２ａの隙間に設けられた第３流路Ｆ３と、を含んで構成される。第１流路Ｆ１及び第２流路Ｆ２は、Ｙ方向で互いに離れて並列に配置されている。第３流路Ｆ３は、第１流路Ｆ１及び第２流路Ｆ２の間に設けられ、第１流路Ｆ１及び第２流路Ｆ２を接続する。第１流路Ｆ１及び第２流路Ｆ２は、Ｘ方向に延びる一方、第３流路Ｆ３は、Ｙ方向に延びている。ポンプなど外部装置から供給される冷媒は、第１流路Ｆ１、第３流路Ｆ３及び第２流路Ｆ２を通過して、冷却システムを循環し得る。冷媒は、第１流路Ｆ１から第２流路Ｆ２へ向かって第３流路Ｆ３を通過してよい。
また、冷却ケース１２ｂには、冷媒の出入り口となる導入口１２ｄ及び排出口１２ｅが設けられている。図２に示すように、導入口１２ｄは、冷却ケース１２ｂの底壁部分において第１流路Ｆ１のＸ方向正側の端部に連通するように配置されている。排出口１２ｅは、冷却ケース１２ｂの底壁部分において第２流路Ｆ２のＸ方向負側の端部に連通するように配置されている。すなわち、導入口１２ｄ及び排出口１２ｅは、複数のフィン１２ａを挟んで斜めに対向するように配置されている。なお、導入口１２ｄ及び排出口１２ｅは、冷却ケース１２ｂの側壁部分に設けられてもよい。
本実施の形態において、冷媒は、導入口１２ｄから冷却ケース１２ｂ内に導入され、第１流路Ｆ１から第３流路Ｆ３を通じて更に第２流路Ｆ２を流れ、排出口１２ｅから冷却ケース１２ｂの外に排出される。なお、導入口１２ｄ及び排出口１２ｅの配置は、これに限定されず、適宜変更が可能である。例えば、導入口１２ｄ及び排出口１２ｅの位置関係を逆にしてもよい。すなわち、冷媒流路は、冷媒が第２流路Ｆ２から第３流路Ｆ３を通じて更に第１流路Ｆ１を流れるように構成されてもよい。
なお、本実施の形態では、冷却器１２の構成として冷却ケース１２ｂを含むとしたが、冷却ケース１２ｂは任意の構成としてよい。すなわち、ベース板１０及び複数のフィン１２ａのみで冷却器１２を構成してもよい。
ところで、車載用のパワー半導体モジュールにおいては、主として半導体素子、絶縁基板（積層基板）、及び冷却器等を含んで構成される。半導体素子には、ＩＧＢＴ素子とＦＷＤ素子を一体化したＲＣ－ＩＧＢＴが採用される。冷却器をモジュールに組み込むことで、冷却性能を高めつつも、モジュール全体の小型化・軽量化を実現している。また、この種の半導体モジュールでは、大電流を流すため、上下の各アームにおいて２つのチップを並列接続した２並列構造の回路を形成している。２並列のチップのうち、一方のチップは、チップ温度をモニターするための温度センス機能と、電流の異常を検出するための電流センス機能と、を有している。
ここで、参考例を参照して、従来の半導体モジュールの構成について説明する。図６は、参考例に係る半導体モジュールの平面模式図である。図６においては、半導体素子３、端子部材１４、及び一部の回路板２２のレイアウトが図２と相違する。このため、図２と共通する構成は、同じ名称及び符号で示し、適宜説明を省略する。
図６に示すように、上アームにおいて、半導体素子３ａ、３ｂは、並列接続され、Ｙ方向に並んで第１回路板２３の上面に配置されている。また、下アームにおいて、半導体素子３ｃ、３ｄは、並列接続され、Ｙ方向に並んで第３回路板２５の上面に配置されている。このように、センスチップと非センスチップは、上アーム及び下アームの並び方向（Ｘ方向）に対して直交する方向（Ｙ方向）に並んで配置されている。また、上アームと下アームにおいて、センスチップと非センスチップは、Ｙ方向で同じ側に設けられている。すなわち、半導体素子３ａ、３ｃは、積層基板２において一つの辺に沿って、Ｙ方向一方側に偏って配置されており、且つ、Ｘ方向で対向するように配置されている。
また、上アームにおいて、半導体素子３ａ、３ｂの間に位置する積層基板２の上面には、ゲートパッド２６ａ及びエミッタパッド２６ｂがＹ方向に並んで形成されている。同様に、下アームにおいて、半導体素子３ｃ、３ｄの間に位置する積層基板２の上面には、ゲートパッド２７ａ及びエミッタパッド２７ｂがＹ方向に並んで形成されている。図６において、上アーム側のエミッタ電極（Ｅ）は、配線部材Ｗを介して絶縁板２０上のエミッタパッド２６ｂに接続されている。また、下アーム側のエミッタ電極（Ｅ）は、配線部材Ｗを介して絶縁板２０上のエミッタパッド２７ｂに接続されている。
また、積層基板２の上面には、半導体素子３ａ、３ｃのＹ方向外側において、半導体素子３ａ、３ｃの各電極に対応して複数の電極パッド２８が形成されている。具体的に、半導体素子３ａの側方に５つの電極パッド２８がＸ方向に並んで配置され、半導体素子３ｃの側方に５つの電極パッド２８がＸ方向に並んで配置されている。
また、環状壁部１３には、半導体素子３ａ、３ｃの各電極に対応して、複数の端子部材１４が一体成型により埋め込まれている。具体的に複数の端子部材１４は、環状壁部１３の短手方向（Ｙ方向）一方側の壁部に配置されている。半導体素子３ａの側方に配置された５つの電極パッド２８の更に側方に、５つの端子部材１４がＸ方向に並んで配置されている。また、半導体素子３ｃの側方に配置された５つの電極パッド２８の更に側方に、５つの端子部材１４がＸ方向に並んで配置されている。
一般に上下の各アームにおいて、２並列接続された２つの半導体素子のうち、電流が流れる向きに対して手前側（上流側）に位置する半導体素子の方が負荷が大きいとされる。例えば、上アームにおける電流はＰ端子からＭ端子に向かって流れ、下アームにおける電流はＭ端子からＮ端子に向かって流れる。上記の参考例では、センス機能を有する半導体素子３ａ、３ｃがＹ方向一方側に偏って配置されるため、半導体モジュールのＹ方向一方側の温度しか検出することができない。例えば、Ｙ方向他方側に位置し、センス機能を有しない半導体素子３ｂ、３ｄの温度が、上記の半導体素子３ａ、３ｃの温度よりも高くなった場合に適切に温度制御ができなくなってしまうおそれがある。
そこで、本件発明者は、センス機能を有するセンスチップとセンス機能を有しない非センスチップとの位置関係と、モジュールに一体化された冷却器を流れる冷媒（冷却水）の流れ方向に着目し、本発明に想到した。
すなわち、本発明の骨子は、従来に対して下アーム側のセンスチップと非センスチップを逆に配置し、センスチップ及び非センスチップの並び方向と冷媒の流れる方向とを一致させることである。
具体的に本実施の形態では、図３に示すように、積層基板２の上面に横並びで上アーム及び下アームを構成する複数の半導体素子３が配置されている。複数の半導体素子は、温度を検知するセンス機能を有するセンスチップ（半導体素子３ａ、３ｃ）と、センス機能を有しない非センスチップ（半導体素子３ｂ、３ｄ）と、を上アーム及び下アームの並び方向（Ｘ方向）に対して直交する方向（Ｙ方向）に並んで配置して構成される。また、上アームと下アームにおいて、センスチップと非センスチップは、逆に配置されている。すなわち、半導体素子３ａ、３ｃは平面視で斜めに対向するように配置され、積層基板２において対角線上に設けられている。更に、冷却器１２を流れる冷媒の流れ方向は、センスチップと非センスチップの並び方向に一致している。
言い換えると、第１回路板２３には、温度を検知するセンス機能を有する第１センスチップとしての半導体素子３ａと、センス機能を有しない第１非センスチップとしての半導体素子３ｂと、が第３流路Ｆ３に沿って並んで搭載されている。また、第３回路板２５には、センス機能を有する第２センスチップとしての半導体素子３ｃと、センス機能を有しない第２非センスチップとしての半導体素子３ｄと、が第３流路Ｆ３に沿って並んで搭載されている。更に、半導体素子３ａは、第２流路Ｆ２側に偏って配置されており、半導体素子３ｃは、第１流路Ｆ１側に偏って配置されている。また、Ｐ端子は、第１回路板２３において、第１流路Ｆ１側に偏って配置され、Ｍ端子は、第３回路板２５において、第２流路Ｆ２側に偏って配置されている。第１流路Ｆ１は導入口１２ｄを、第２流路Ｆ２は排出口１２ｅを、それぞれ備える。
これらの構成によれば、センスチップと非センスチップを組み合わせたことにより、モジュール内の半導体素子を全てセンスチップで構成した場合に比べて、安価に製造することが可能である。また、上アームと下アームでセンスチップと非センスチップを互い違いに配置したことで、センスチップが半導体モジュール１のＹ方向一方側に偏ることがない。また、冷却器１２を流れる冷媒の流れ方向をセンスチップと非センスチップの並び方向（Ｙ方向）に一致させたことで、冷却器１２の上流側及び下流側の両方において、半導体素子の温度を適切に検出することが可能である。よって、センス機能を有しない非センスチップの温度を近傍のセンスチップから推定することができ、より効果的に温度制御を実現することが可能である。このように、センス機能を有しない半導体素子であっても安価な構成でチップ温度を検出することが可能である。
本実施の形態では、参考例の図６に示すパッド２８に相当する要素がないため、パッド２８のスペースだけ、半導体素子３ａ及び半導体素子３ｄをＹ方向外側にずらして配置することが可能である。すなわち、半導体素子３ａは、半導体素子３ｄよりも第２流路Ｆ２側に寄っており、半導体素子３ｃは、半導体素子３ｂよりも第１流路Ｆ１側に寄っている。これにより、半導体素子３の直下を流れる冷媒の流れ方向（第３流路Ｆ３）において、半導体素子３ａ、３ｃ間の距離を確保することができ、冷媒の温度変化をモニターし易くすることが可能である。
本実施の形態では、センスチップが、温度センス機能だけでなく、電流センス機能も有している。この構成によれば、電流センス機能により、短絡を検知することが可能である。なお、本実施の形態では、センスチップが温度センス機能と電流センス機能の両方を有する構成としたが、この構成に限定されない。電流センス機能は、必ずしも有しなくてよい。
参考例では、端子部材１４と半導体素子３が絶縁板２０上の各電極パッド２８を介して電気的に接続されているのに対し、本実施の形態では、端子部材１４と半導体素子３が配線部材Ｗにより直接接続されている。この構成によれば、各電極パッド２８を省略できるため、積層基板２の面積を小さくすることができ、モジュール全体の小型化及びコスト低減を実現することが可能である。
本実施の形態では、複数の端子部材１４は、上アームと下アームにそれぞれ設けられている。平面視において、複数の端子部材１４は、上アームと下アームとで積層基板２を挟んで斜めに対向するように配置されている。この構成によれば、複数の端子部材１４がＹ方向で斜めに対向していることで、モジュール上面に配置される制御ボード（プリント基板）を実装する場合に、対向する複数の端子部材１４で制御ボードを安定的に保持することが可能である。制御ボードには、スイッチング素子を制御するための駆動用集積回路が実装されてよい。
特に図示はしないが、制御ボードは、半導体モジュール１の外形に対応したＸ方向に長い平面視矩形状のプリント基板で構成される。制御ボードには、例えば各端子部材１４の外側端子部１６に対応したスルーホールが形成されている。スルーホールに外側端子部１６の先端を挿入することで、制御ボードが半導体モジュール１の所定箇所に配置される。
参考例においては、端子部材１４がＹ方向一方側にのみ配置されているため、制御ボードを配置しても、Ｙ方向他方側が支持されない。このため、参考例では、制御ボードを安定的に保持することができない。よって、参考例においては、ケース部材１１（環状壁部１３）に制御ボードを支持するための支持部を別途形成する必要があり、構成が複雑になる。
本実施の形態では、積層基板２（絶縁板２０）の上面にサーミスタ４が配置されている。この構成によれば、サーミスタ４により、積層基板２の下方を流れる冷媒の温度を検出することが可能である。なお、サーミスタ４は、冷媒の流れ方向下流側に配置されることが好ましい。これにより、半導体素子３の熱により温められた冷媒の温度を検出することが可能である。
以上説明したように、本発明によれば、従来に対して下アーム側のセンスチップと非センスチップを逆に配置し、センスチップ及び非センスチップの並び方向と冷媒の流れる方向とを一致させたことで、センス機能を有しない半導体素子であっても安価な構成でチップ温度を検出することができる。
なお、上記実施の形態において、積層基板２に配置される半導体素子３の個数及び配置箇所は、上記構成に限定されず、適宜変更が可能である。
また、上記実施の形態において、回路板２２の個数及びレイアウトは、上記構成に限定されず、適宜変更が可能である。
また、上記実施の形態では、半導体素子３が平面視矩形状に形成される構成としたが、この構成に限定されない。半導体素子３は、矩形以外の多角形状に形成されてもよい。
また、上記実施の形態では、一相分の上アーム及び下アームが、それぞれ２つの半導体素子を並列接続して構成されているが、半導体素子の並列接続数は３個以上であってもよい。また、半導体モジュール１の相数も、単相、三相を問わず、更に多相であってもよい。
また、上記実施の形態では、上アームと下アーム共にセンスチップが非センスチップに対して電流の流れ方向下流側に配置される場合について説明したが、この構成に限定されない。上アームと下アームの両方において、センスチップと非センスチップの位置関係を逆にし、センスチップが非センスチップに対して電流の流れ方向上流側に配置されてもよい。例えば、図７に示す配置が可能である。図７は、変形例に係る半導体モジュールを示す平面図である。図７においては、半導体素子３ａ、３ｂの配置、半導体素子３ｃ、３ｄの配置、及び複数の端子部材１４の配置がそれぞれ逆になっている点で、図３と相違する。このため、主に相違点についてのみ説明し、共通する構成は同一の符号を付して適宜説明を省略する。
図７に示すように、第１回路板２３には、温度を検知するセンス機能を有する第１センスチップとしての半導体素子３ａと、センス機能を有しない第１非センスチップとしての半導体素子３ｂと、が第３流路Ｆ３に沿って並んで搭載されている。また、第３回路板２５には、センス機能を有する第２センスチップとしての半導体素子３ｃと、センス機能を有しない第２非センスチップとしての半導体素子３ｄと、が第３流路Ｆ３に沿って並んで搭載されている。更に、半導体素子３ａは、第１流路Ｆ１側に偏って配置されており、半導体素子３ｃは、第２流路Ｆ２側に偏って配置されている。また、Ｐ端子は、第１回路板２３において、第１流路Ｆ１側に偏って配置され、Ｍ端子は、第３回路板２５において、第２流路Ｆ２側に偏って配置されている。図７に示す実施形態において、第１流路Ｆ１及び第２流路Ｆ２は、第３流路Ｆ３に関して入れ替わってもよい。このとき、第３流路Ｆ３において、冷媒はＭ端子側からＰ端子側へ流れてよい。
これらの構成によれば、図３の構成と同様に、半導体素子３の直下を流れる冷媒の流れ方向（第３流路Ｆ３）において、半導体素子３ａ、３ｃ間の距離を確保することができ、冷媒の温度変化をモニターし易くすることが可能である。特に図７の破線矢印に示す電流の流れ方向に対して、半導体素子３ａ、３ｃを上流側に配置することが可能である。これにより、より負荷が大きいとされる電流方向上流側の半導体素子３ａ、３ｃの温度をモニターすることが可能である。Ｐ端子及びＭ端子の近位に半導体素子３ａ、３ｃを、遠位に半導体素子３ｂ、３ｄを、それぞれ設けてよい。
上記実施の形態では、冷却器１２内を流れる冷媒の流れ方向がＹ方向に向けられている。この場合、冷媒の導入口及び排出口は、Ｙ方向のどちら側であってもよい。すなわち、Ｙ方向のどちら側が上流又は下流であってもよい。例えば、上記したサーミスタ４が配置された側を冷媒の排出側（下流側）としてもよい。
本実施の形態及び変形例を説明したが、他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。
図３及び図７に示した形態において、上アーム用の半導体素子３ａ（センスチップ）と下アーム用の半導体素子３ｃ（センスチップ）は、冷媒の流通方向に離れ、積層基板２の対角に隣接しそれぞれ設けられる。この配置により、冷媒の上流側と下流側に離れたセンスチップによりモジュール内の温度をモニターできる。両形態において、上アーム用の半導体素子３ａに接続される端子部材１４と下アーム用の半導体素子３ｃに接続される端子部材１４も、冷媒の流通方向に離れ、積層基板２の対角に隣接し設けられてよい。これら端子部材１４の配置により、制御ボードを安定的に保持できる。さらに図７に示す形態のように、積層基板２において、上アーム用の半導体素子３ａ及び端子部材１４はＰ端子側に、下アーム用の半導体素子３ｃ及び端子部材１４はＭ端子側に、それぞれ設けられてよい。この配置により、冷媒の流通方向に関わらず、相対的に負荷の大きなセンスチップによりモジュール内の温度をモニターできる。
また、本実施の形態は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。
下記に、上記実施の形態における特徴点を整理する。
上記実施の形態に記載の半導体モジュールは、互いに離れて並列に配置された第１流路及び第２流路と、前記第１流路及び前記第２流路を接続する第３流路と、を有する冷却器と、前記冷却器に搭載され、前記第３流路に交差する方向に並んで設けられた複数の回路板と、を備え、前記複数の回路板は、Ｐ端子に接続された第１回路板と、Ｎ端子に接続された第２回路板と、Ｍ端子に接続された第３回路板と、を有し、前記第１回路板には、温度を検知するセンス機能を有する第１センスチップと、前記センス機能を有しない第１非センスチップと、が前記第３流路に沿って並んで搭載され、前記第３回路板には、前記センス機能を有する第２センスチップと、前記センス機能を有しない第２非センスチップと、が前記第３流路に沿って並んで搭載され、前記第１センスチップは、前記第２流路側に偏って配置され、前記第２センスチップは、前記第１流路側に偏って配置されている。
また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールにおいて、前記第１センスチップ及び第２センスチップは、更に短絡を検知する電流センス機能を有する。
また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールにおいて、前記積層基板を収容し、第１端子部材及び第２端子部材を有するケース部材を更に備え、前記第１センスチップと前記第１端子部材が第１配線部材により接続され、前記第２センスチップと前記第２端子部材が第２配線部材により接続される。
また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールにおいて、前記端子部材は、前記第１センスチップ側と前記第２センスチップ側にそれぞれ設けられ、前記第１センスチップ側に設けられる前記端子部材と前記第２センスチップ側に設けられる前記端子部材とは、平面視において、前記積層基板を挟んで斜めに対向するように配置されている。
また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールにおいて、前記積層基板の上面にサーミスタが配置されている。
また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールにおいて、前記Ｐ端子は、前記第１回路板において、前記第１流路側に偏って配置され、前記Ｍ端子は、前記第３回路板において、前記第２流路側に偏って配置されている。
また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールにおいて、前記Ｐ端子は、前記第１回路板において、前記第２流路側に偏って配置され、前記Ｍ端子は、前記第３回路板において、前記第１流路側に偏って配置されている。
また、上記実施の形態に記載の半導体モジュールにおいて、前記第１流路に導入口が設けられ、前記第２流路に排出口が設けられている。
以上説明したように、本発明は、安価な構成で内部の温度をモニターすることができるという効果を有し、特に、半導体モジュールに有用である。
１ ：半導体モジュール
２ ：積層基板
３ ：半導体素子
３ａ ：半導体素子（第１センスチップ）
３ｂ ：半導体素子（第１非センスチップ）
３ｃ ：半導体素子（第２センスチップ）
３ｄ ：半導体素子（第２非センスチップ）
４ ：サーミスタ
１０ ：ベース板
１１ ：ケース部材
１２ ：冷却器
１２ａ ：フィン
１２ｂ ：冷却ケース
１２ｃ ：凹部
１２ｄ ：導入口
１２ｅ ：排出口
１３ ：環状壁部
１３ａ ：段部
１４ ：端子部材
１５ ：内側端子部
１６ ：外側端子部
１７ ：封止樹脂
２０ ：絶縁板
２１ ：放熱板
２２ ：回路板
２３ ：第１回路板
２４ ：第２回路板
２５ ：第３回路板
２６ａ ：ゲートパッド
２６ｂ ：エミッタパッド
２７ａ ：ゲートパッド
２７ｂ ：エミッタパッド
２８ ：電極パッド
３０ ：ＩＧＢＴ素子
３１ ：ＦＷＤ素子
３２ ：温度センス用ダイオード
Ｆ１ ：第１流路（冷媒流路）
Ｆ２ ：第２流路（冷媒流路）
Ｆ３ ：第３流路（冷媒流路）
Ｓ ：接合材
Ｗ ：配線部材

Claims (8)

  1. 互いに離れて並列に配置された第１流路及び第２流路と、前記第１流路及び前記第２流路を接続する第３流路と、を有する冷却器と、
    前記冷却器に搭載され、前記第３流路に交差する方向に並んで設けられた複数の回路板を有する積層基板と、を備え、
    前記複数の回路板は、
    Ｐ端子に接続された第１回路板と、
    Ｎ端子に接続された第２回路板と、
    Ｍ端子に接続された第３回路板と、を有し、
    前記第１回路板には、温度を検知するセンス機能を有する第１センスチップと、前記センス機能を有しない第１非センスチップと、が前記第３流路に沿って並んで搭載され、
    前記第３回路板には、前記センス機能を有する第２センスチップと、前記センス機能を有しない第２非センスチップと、が前記第３流路に沿って並んで搭載され、
    前記第１センスチップは、前記第２流路側に偏って配置され、
    前記第２センスチップは、前記第１流路側に偏って配置されている半導体モジュール。
  2. 前記第１センスチップ及び第２センスチップは、更に短絡を検知する電流センス機能を有する請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記積層基板を収容し、第１端子部材及び第２端子部材を有するケース部材を更に備え、
    前記第１センスチップと前記第１端子部材が第１配線部材により接続され、前記第２センスチップと前記第２端子部材が第２配線部材により接続される請求項１又は請求項２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記端子部材は、前記第１センスチップ側と前記第２センスチップ側にそれぞれ設けられ、
    前記第１センスチップ側に設けられる前記端子部材と前記第２センスチップ側に設けられる前記端子部材とは、平面視において、前記積層基板を挟んで斜めに対向するように配置されている請求項３に記載の半導体モジュール。
  5. 前記積層基板の上面にサーミスタが配置されている請求項１から請求項４のいずれかに記載の半導体モジュール。
  6. 前記Ｐ端子は、前記第１回路板において、前記第１流路側に偏って配置され、
    前記Ｍ端子は、前記第３回路板において、前記第２流路側に偏って配置されている請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体モジュール。
  7. 前記Ｐ端子は、前記第１回路板において、前記第２流路側に偏って配置され、
    前記Ｍ端子は、前記第３回路板において、前記第１流路側に偏って配置されている請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体モジュール。
  8. 前記第１流路に導入口が設けられ、前記第２流路に排出口が設けられた請求項６又は７記載の半導体モジュール。
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