JP7564021B2 - 回路基板内に半導体素子を内蔵する半導体モジュール - Google Patents

Description

本明細書に開示される技術は、回路基板内に半導体素子を内蔵する半導体モジュールに関する。

特許文献１に、半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールは、基板本体と、基板本体内に位置する半導体素子とを備える。半導体素子は、パワー半導体素子であり、通電に伴って大きく発熱する。

米国特許第１０，２２９，８９５号明細書

上記した半導体モジュールのように、基板本体内に半導体素子（特に、パワー半導体素子）が配置された構造では、半導体素子で生じた熱を外部へ放散し難く、半導体素子の温度過剰が上昇しやすいという問題がある。

上記を鑑み、本明細書は、回路基板内に半導体素子を内蔵する半導体モジュールにおいて、半導体素子の温度上昇を抑制し得る技術を提供する。

本明細書が開示する半導体モジュール（１０）は、基板本体（１２）と、前記基板本体内に位置する半導体素子（２１－２６）と、前記基板本体内で前記半導体素子が配置されたヒートシンクプレート（３１－３６）とを備える。前記ヒートシンクプレートには、内部に流体（３８）が封入されている。

ヒートシンクプレートの内部に、液体が封入された構造を採用することで、例えば、ヒートシンクプレートの熱伝導性を向上させることや、ヒートシンクプレートの熱伝導性に異方性を与えることが可能となる。これにより、半導体素子で生じた熱を、ヒートシンクプレートを介して、基板本体の広範囲へ拡散させることができ、半導体素子の温度上昇を効果的に抑制することができる。

実施例の半導体モジュール１０を示す平面図。 図１中のＩＩ－ＩＩ線における断面図。図示明瞭化のために、端子４０、４２の位置は変更されている。 実施例の半導体モジュール１０の回路構造を示す回路図。 ヒートシンクプレート３１の斜視図。 図５（Ａ）は、ヒートシンクプレート３１の平面図を示し、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）中のＥ－Ｅ線における断面図を示す。 図６（Ａ）は、一変形例のヒートシンクプレート１３１の平面図を示し、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）中のＦ－Ｆ線における断面図を示す。 図７（Ａ）は、ヒートシンクプレート２３１の平面図を示し、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）中のＧ－Ｇ線における断面図を示す。 第１ヒートシンクプレート３１に複数の第１半導体素子２１を配置した例を示す。

本技術の一実施形態において、前記ヒートシンクプレートの熱伝導率は、平面視において異方性を有してもよい。このような構成によると、ヒートシンクプレートの形状や、基板本体の形状に応じて、半導体素子の熱を効果的に拡散させることができる。

本技術の一実施形態において、前記ヒートシンクプレートは、長方形状の外形を有してもよい。この場合、前記ヒートシンクプレートの長手方向（Ｙ）における熱伝導率は、前記ヒートシンクプレートの短手方向（Ｘ）における熱伝導率よりも高くてもよい。このような構成によると、半導体素子の熱をヒートシンクプレートの全体へ均等に拡散させることができる。

本技術の一実施形態において、前記基板本体の表面に露出するとともに、前記基板本体内で前記半導体素子へ電気的に接続された複数の端子（４０、４２、４４、４６、４８）をさらに備えてもよい。この場合、前記複数の端子は、前記ヒートシンクプレートに対して、前記ヒートシンクプレートの短手方向に位置してもよい。このような構成によると、複数の端子と半導体素子とを接続する電流経路を短くして、電流経路におけるインピーダンスを低減することができる。電流経路のインピーダンスが低減されることで、電流経路における発熱が抑制されて、半導体素子の温度上昇も抑制される。

本技術の一実施形態において、前記ヒートシンクプレートは、ヒートパイプ又はベイパーチャンバーであってよい。ヒートパイプ及びベイパーチャンバーは、内部に流体が封入された伝熱部材の典型例であり、本技術におけるヒートシンクプレートにも、このような伝熱部材を好適に採用することができる。

本技術の一実施形態において、前記ヒートシンクプレートは、金属又はグラファイトを用いて構成されていてもよい。金属及びグラファイトは、熱伝導性に優れた材料であり、本技術におけるヒートシンクプレートにも、このような伝熱部材を好適に採用することができる。

本技術の一実施形態において、半導体モジュールは、前記半導体素子の動作を制御する制御回路（５０）をさらに備えてもよい。本技術に係る構成によると、半導体素子の温度上昇を抑制することができる。従って、基板本体の表面に制御回路を設けたときに、制御回路が過熱されるといった事態を避けることができる。

本開示の他の一側面によると、回路基板内に半導体素子を内蔵する半導体モジュールにおいて、電流経路のインピーダンスを低減し得る技術が提供される。この技術の一実施形態では、半導体モジュールが、基板本体と、前記基板本体内に位置する半導体素子と、前記基板本体内で前記半導体素子が配置されたヒートシンクプレートと、前記基板本体の表面に露出するとともに、前記基板本体内で前記半導体素子へ電気的に接続された複数の端子と、を備えてもよい。

上記した実施形態において、ヒートシンクプレートは、長方形状の外形を有してもよい。この場合、前記複数の端子は、前記ヒートシンクプレートに対して、前記ヒートシンクプレートの短手方向に位置してもよい。このような構成によると、複数の端子と半導体素子とを接続する電流経路を短くして、電流経路におけるインピーダンスを低減することができる。

上記した実施形態において、前記複数の端子の少なくとも一つは、前記ヒートシンクプレートに対して、前記ヒートシンクプレートの短手方向の一方側に位置し、前記複数の端子の他の少なくとも一つは、前記ヒートシンクプレートに対して、前記ヒートシンクプレートの短手方向の他方側に位置してもよい。このような構成によると、複数の端子と半導体素子とを接続する電流経路を効果的に短くして、電流経路におけるインピーダンスをさらに低減することができる。

図面を参照して、実施例の半導体モジュール１０について説明する。本実施例の半導体モジュール１０は、例えば電動車両の電力制御ユニットに採用され、電源と走行用モータとの間で電力変換することができる。ここでいう電動車両とは、車輪を駆動する走行用モータを有する車両を広く意味し、例えば、外部の電力によって充電される電気自動車、走行用モータに加えてエンジンをさらに有するハイブリッド車、及び燃料電池を電源とする燃料電池車等が含まれる。但し、本実施例の半導体モジュール１０の用途は、電動車両に限定されず、各種の電気機器に採用することができる。

図１－図３に示すように、半導体モジュール１０は、基板本体１２と、複数の半導体素子２１－２６と、複数のヒートシンクプレート３１－３６とを備える。基板本体１２は、板状の形状を有しており、上面１２ａと、上面１２ａの反対側に位置する下面１２ｂとを有する。基板本体１２は、例えばエポキシ樹脂又はその他の樹脂材料といった、絶縁体で構成されている。

ここで、図面におけるＸ方向及びＹ方向は、基板本体１２の上面１２ａ及び下面１２ｂに平行な方向であって、互いに垂直な方向である。Ｚ方向は、基板本体１２の上面１２ａ及び下面１２ｂに垂直な方向であって、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれに垂直な方向である。

複数の半導体素子２１－２６は、基板本体１２内に位置しており、基板本体１２によって密封されている。各々の半導体素子２１、２２は、パワー半導体素子であって、特に、スイッチング素子である。このスイッチング素子は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）又はＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であってよい。各々の半導体素子２１－２６は、上面電極２１ａ－２６ａと下面電極２１ｂ－２６ｂとを有しており、上面電極２１ａ－２６ａと下面電極２１ｂ－２６ｂとの間を電気的に導通したり、遮断したりすることができる。

一例ではあるが、本実施例の半導体モジュール１０では、複数の半導体素子２１－２６に、第１半導体素子２１、第２半導体素子２２、第３半導体素子２３、第４半導体素子２４、第５半導体素子２５及び第６半導体素子２６が含まれる。第１半導体素子２１と第２半導体素子２２とは、基板本体１２の内部において、電気的に直列に接続されている。第３半導体素子２３と第４半導体素子２４とは、基板本体１２の内部において、電気的に直列に接続されている。第５半導体素子２５と第６半導体素子２６とは、基板本体１２の内部において、電気的に直列に接続されている。

複数のヒートシンクプレート３１－３６は、基板本体１２内に位置しており、基板本体１２によって密封されている。各々のヒートシンクプレート３１－３６は、それぞれ板状の形状を有しており、基板本体１２と平行な同一平面上に配置されている。即ち、各々のヒートシンクプレート３１－３６は、Ｚ方向に垂直である。各々のヒートシンクプレート３１－３６は、例えば銅又はその他の金属若しくはグラファイトといった導体で構成されている。ヒートシンクプレート３１－３６の構造については、後段において詳細に説明する。

一例ではあるが、本実施例の半導体モジュール１０では、複数のヒートシンクプレート３１－３６に、第１ヒートシンクプレート３１、第２ヒートシンクプレート３２、第３ヒートシンクプレート３３、第４ヒートシンクプレート３４、第５ヒートシンクプレート３５及び第６ヒートシンクプレート３６が含まれる。第１ヒートシンクプレート３１と第２ヒートシンクプレート３２とは、Ｘ方向に沿って配列されており、第３ヒートシンクプレート３３と第４ヒートシンクプレート３４とは、Ｘ方向に沿って配列されており、第５ヒートシンクプレート３５と第６ヒートシンクプレート３６とは、Ｘ方向に沿って配列されている。また、第１ヒートシンクプレート３１と第３ヒートシンクプレート３３と第５ヒートシンクプレート３５とは、Ｙ方向に沿って配列されており、第２ヒートシンクプレート３２と第４ヒートシンクプレート３４と第６ヒートシンクプレート３６とは、Ｙ方向に沿って配列されている。

第１ヒートシンクプレート３１には、第１半導体素子２１が配置されており、第１半導体素子２１の下面電極２１ｂが、第１ヒートシンクプレート３１と電気的に接続されている。同様に、第２ヒートシンクプレート３２から第６ヒートシンクプレート３６には、それぞれ第２半導体素子２２から第６半導体素子２６が配置されている。そして、第２半導体素子２２から第６半導体素子２６の下面電極２２ｂ－２６ｂが、それぞれ第２ヒートシンクプレート３２から第６ヒートシンクプレート３６と電気的に接続されている。

半導体モジュール１０は、複数の端子４０、４２、４４、４６、４８を備える。これらの端子４０－４８は、外部の回路と接続するための外部接続端子である。複数の端子４０－４８は、例えば銅又はその他の金属といった導体で構成されている。一例ではあるが、複数の端子４０－４８には、Ｐ端子４０、Ｎ端子４２、Ｕ端子４４、Ｖ端子４６及びＷ端子４８が含まれる。Ｐ端子４０及びＮ端子４２は、複数のヒートシンクプレート３１－３６に対して、Ｘ方向の一方側に位置している。Ｕ端子４４、Ｖ端子４６及びＷ端子４８は、複数のヒートシンクプレート３１－３６に対して、Ｘ方向の他方側に位置している。複数の端子４０－４８は、基板本体１２の下面１２ｂに設けられている。他の実施形態として、複数の端子４０－４８の一部又は全部が、基板本体１２の上面１２ａに設けられてもよい。

Ｐ端子４０は、基板本体１２の内部において、第１ヒートシンクプレート３１、第３ヒートシンクプレート３３及び第５ヒートシンクプレート３５と電気的に接続されている。これにより、Ｐ端子４０は、いずれか一つのヒートシンクプレート３１、３３、３５を介して、第１半導体素子２１、第３半導体素子２３及び第５半導体素子２５の下面電極２１ｂ、２３ｂ、２５ｂと電気的に接続されている。Ｎ端子４２は、基板本体１２の内部において、第２半導体素子２２、第４半導体素子２４及び第６半導体素子２６の上面電極２２ａ、２４ａ、２６ａと電気的に接続されている。

Ｕ端子４４は、基板本体１２の内部において、第１半導体素子２１の上面電極２１ａと電気的に接続されている。Ｕ端子４４は、第２ヒートシンクプレート３２とも電気的に接続されており、第２ヒートシンクプレート３２を介して、第２半導体素子２２の下面電極２２ｂと電気的に接続されている。同様に、Ｖ端子４６は、第３半導体素子２３の上面電極２３ａと、第４ヒートシンクプレート３４とに電気的に接続されており、第４ヒートシンクプレート３４を介して、第４半導体素子２４の下面電極２４ｂと電気的に接続されている。Ｗ端子４８は、第５半導体素子２５の上面電極２５ａと、第６ヒートシンクプレート３６とに電気的に接続されており、第６ヒートシンクプレート３６を介して、第６半導体素子２６の下面電極２６ｂと電気的に接続されている。

上記した構成により、本実施例の半導体モジュール１０は、直流回路と三相交流回路との間に配置され、三相インバータ回路として機能することができる。この場合、Ｐ端子４０及びＮ端子４２は、直流回路に接続され、Ｕ端子４４、Ｖ端子４６及びＷ端子４８は、三相交流回路に接続される。そして、複数の半導体素子２１－２６が選択的にターンオン及びターンオフされることにより、Ｕ端子４４、Ｖ端子４６及びＷ端子４８のそれぞれは、Ｐ端子４０又はＮ端子４２のいずれかへ電気的に接続される。これにより、半導体モジュール１０は、直流回路から直流電力を交流電力に変換して、三相交流回路へ供給する動作や、三相交流回路から交流電力を直流電力に変換して、直流回路へ供給する動作を実行することができる。前述したように、本実施例の半導体モジュール１０は、例えば電動車両に採用することができる。この場合、半導体モジュール１０は、直流回路である電源装置と、三相交流回路である走行用モータとの間に配置され、電源装置と走行用モータとの間で電力変換を行うことができる。

半導体モジュール１０は、制御回路５０をさらに備える。制御回路５０は、基板本体１２の上面１２ａに設けられている。制御回路５０は、複数の表面電気部品５２を有する。複数の表面電気部品５２には、例えば、複数の半導体素子２１－２６のスイッチングを制御するゲート駆動回路が含まれる。このように、本実施例の半導体モジュール１０は、制御回路５０を有する回路基板内に、複数の半導体素子２１－２６及び複数のヒートシンクプレート３１－３６が内蔵された構造を有する。なお、半導体素子２１－２６及び複数のヒートシンクプレート３１－３６の数については、特に限定されない。半導体モジュール１０は、少なくとも一つの半導体素子とヒートシンクプレートを備えればよい。その場合、半導体素子は、スイッチング素子に限定されず、例えばダイオードといった他の種類の半導体素子であってもよい。

次に、図４、図５を参照して、ヒートシンクプレート３１－３６について説明する。ここで、本実施例における複数のヒートシンクプレート３１－３６は、互いに同一の構成を有している。従って、図４、図５では、第１ヒートシンクプレート３１のみが図示されており、他のヒートシンクプレート３２－３６についての図示は省略する。但し、他の実施形態として、複数のヒートシンクプレート３１－３６の一部又は全部が、互いに異なる構成を有してもよい。

図４に示すように、ヒートシンクプレート３１－３６は、長方形状の外形を有する。ヒートシンクプレート３１－３６の長手方向は、Ｙ方向に平行であり、ヒートシンクプレート３１－３６の短手方向は、Ｘ方向に平行である。この点に関して、本実施例の半導体モジュール１０では、ヒートシンクプレート３１－３６に対して、複数の端子４０－４８が、Ｘ方向に配置されている。即ち、複数の端子４０－４８は、ヒートシンクプレート３１－３６に対して、ヒートシンクプレート３１－３６の短手方向に位置している。このような構成によると、ヒートシンクプレート３１－３６のサイズを大きくしながら、複数の端子４０－４８とヒートシンクプレート３１－３６との間の距離を短くすることができる。

ヒートシンクプレート３１－３６のサイズが大きくなると、半導体素子２１－２６で生じた熱が、基板本体１２内で広範囲に拡散される。これにより、半導体素子２１－２６の温度上昇が効果的に抑制される。一方、複数の端子４０－４８とヒートシンクプレート３１－３６との間の距離を短くなると、基板本体１２内で電流が流れる電流経路を短くすることができ、当該電流経路におけるインピーダンスを低減することができる。このように、ヒートシンクプレート３１－３６を一方向へ長方形状となるように拡大し、当該長方形状の短手方向に端子４０－４８を配置することによって、冷却性能の向上とインピーダンスの低減とを両立させることができる。

図５に示すように、ヒートシンクプレート３１－３６の内部には、複数の空間３１ａが形成されており、その空間３１ａの内部に流体３８が封入されている。流体３８は、ヒートシンクプレート３１－３６の高温部分では加熱されて気化し、ヒートシンクプレート３１－３６の低温部分では凝縮して液化する。このサイクルが繰り返されることで、空間３１ａでは流体３８の対流が形成され、ヒートシンクプレート３１－３６における熱伝導が促進される。これにより、半導体素子２１－２６で生じた熱が、基板本体１２内で広範囲に拡散され、半導体素子２１－２６の温度上昇が効果的に抑制される。

特に限定されないが、本実施例におけるヒートシンクプレート３１－３６は、いわゆるヒートパイプの構造を有する。即ち、ヒートシンクプレート３１－３６内の各空間３１ａは、パイプ状に延びており、各空間３１ａの流体３８は、そのパイプ状の長手方向に沿って対流する。即ち、流体３８は、ヒートシンクプレート３１－３６の長手方向（Ｙ方向）に沿って対流する。ここで、パイプ状の各空間３１ａは、ヒートシンクプレート３１－３６の長手方向に沿って延びている。従って、ヒートシンクプレート３１－３６の熱伝導率は、平面視において異方性を有する。特に、ヒートシンクプレート３１－３６の長手方向における熱伝導率は、ヒートシンクプレート３１－３６の短手方向における熱伝導率よりも高くなっている。このような構成によると、長方形状のヒートシンクプレート３１－３６において、半導体素子２１－２６の熱を、ヒートシンクプレート３１－３６の全体へ均等に拡散させることができる。

図６は、一変形例のヒートシンクプレート１３１を示す。このヒートシンクプレート１３１は、上述した半導体モジュール１０において、第１ヒートシンクプレート３１から第６ヒートシンクプレート３６のいずれにも採用することができる。本変形例のヒートシンクプレート１３１は、いわゆるヒートスプレッダの構造を有する。従って、このヒートシンクプレート１３１の内部にも空間１３１ａが形成されており、その空間１３１ａの内部には流体３８が封入されている。このような構成によっても、ヒートシンクプレート１３１の熱伝導率に異方性を与えることができる。この場合、ヒートシンクプレート３１－３６の長手方向における熱伝導率を、ヒートシンクプレート３１－３６の短手方向における熱伝導率よりも高くしてもよい。

図７は、他の一変形例のヒートシンクプレート２３１を示す。このヒートシンクプレート２３１についても、上述した半導体モジュール１０において、第１ヒートシンクプレート３１から第６ヒートシンクプレート３６のいずれに採用されてもよい。本変形例のヒートシンクプレート２３１は、銅又はその他の金属、若しくはグラファイトといった導体で構成された中実構造を有している。即ち、本変形例のヒートシンクプレート２３１では、その内部に流体は封入されていない。前述したように、本実施例の半導体モジュール１０では、ヒートシンクプレート３１－３６が長方形状の外形を有し、その短手方向に端子４０－４８が配置されることによって、冷却性能の向上とインピーダンスの低減とが両立されている。このような効果は、図７に示すヒートシンクプレート２３１を採用した場合でも、同様に得ることができる。

本実施例の半導体モジュール１０では、各々のヒートシンクプレート３１－３６に、単一の半導体素子２１－２６が配置されている。これに対して、図８に示すように、第１ヒートシンクプレート３１には、複数の第１半導体素子２１が配置されてもよい。この場合、複数の第１半導体素子２１は、ヒートシンクプレート３１－３６の長手方向に沿って配列されるとよい。このような配列によると、複数の第１半導体素子２１の間で生じる電流経路の差を抑制することでき、複数の第１半導体素子２１に流れる電流の均一化を図ることができる。同様に、他のヒートシンクプレート３２－３６についても、複数の半導体素子２１－２６がそれぞれ配置されてもよい。

以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書、又は、図面に説明した技術要素は、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書又は図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：半導体モジュール
１２：基板本体
１２ａ：上面
１２ｂ：下面
２１、２２、２３、２４、２５、２６：半導体素子
３１、３２、３３、３４、３５、３６、１３１、２３１：ヒートシンクプレート
３８：流体
４０、４２、４４、４６、４８：端子
５０：制御回路
５２：表面電気部品

Claims (3)

1. 基板本体（１２）と、
   基板本体内に位置する半導体素子（２１－２６）と、
   前記基板本体内で前記半導体素子が配置されたヒートシンクプレート（３１－３６）と、
   を備え、
   前記ヒートシンクプレートは、内部に流体（３８）が封入されたヒートパイプ又はベイパーチャンバーであるとともに、長方形状の外形を有し、
   前記ヒートシンクプレートの長手方向（Ｙ）における熱伝導率は、前記ヒートシンクプレートの短手方向（Ｘ）における熱伝導率よりも高い、半導体モジュール。
2. 前記基板本体の表面に露出するとともに、前記基板本体内で前記半導体素子へ電気的に接続された複数の端子（４０、４２、４４、４６、４８）をさらに備え、
   前記複数の端子のそれぞれは、前記ヒートシンクプレートに対して、前記ヒートシンクプレートの前記短手方向に位置しており、
   前記ヒートシンクプレートは、金属又はグラファイトを用いて構成されており、
   前記複数の端子の少なくとも一つは、前記ヒートシンクプレートを介して、前記半導体素子へ電気的に接続されている、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記基板本体（１２）の表面に設けられ、前記半導体素子の動作を制御する制御回路（５０）をさらに備える、請求項１または２に記載の電気モジュール。

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