JP4699820B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明はパワー半導体モジュールに関し、特に、液冷式冷却器上に配置される複数の冷却対象の位置関係を冷却液の流れを考慮して最適に設計して冷却性能を高めた車載用のパワー半導体モジュールに関するものである。

パワー半導体素子を実装してパワー半導体モジュールを構成するとき、パワー半導体素子が発熱するため、通常、パワー半導体素子の温度上昇を抑えるため放熱用のヒートシンクが必要である。以前は、ヒートシンクとして空冷式のものを主に用いていた。しかし近年では、放熱をより効率的に行うため、特許文献１に開示されるようにヒートシンクの表面にパワー半導体素子を取り付けかつヒートシンクの裏側に冷却水路を形成し、その冷却水路によって冷却する構造のパワー半導体モジュールや、特許文献２〜４に開示されるようにヒートシンクの内部に冷却水の流路を設けた構造のパワー半導体モジュールが提案されている。

上記特許文献２〜４についてさらに説明を加える。特許文献２で開示されるパワー半導体モジュールでは、冷却水の流路を設けたヒートシンクの片面にすべてのパワー半導体素子とキャパシタを実装した構造をとっている。また特許文献３で開示されるパワー半導体モジュールでは、ヒートシンクの表面に、ヒートシンクの内部の冷却水の配管の上流側から下流側に沿ってパワー半導体素子を配置する構造をとっている。さらに特許文献４で開示されるパワー半導体モジュールでは、ヒートシンク（導電部材）の表面に、ヒートシンク内の冷却水配管の上流側から下流側に沿ってパワー半導体素子を配置し、かつヒートシンク内を貫通する配管をＵターンさせて上流側と下流側を同一方向に取り出した構造にしている。配管をＵターンさせたことにより形成された２本の配管に沿って、それらの配管の上側にパワー半導体素子は配置されている。

ここで、冷却対象であるパワー半導体モジュールの一例として、電気自動車における走行用三相交流モータの駆動用インバータとして用いられるパワー半導体モジュールを挙げる。上記のインバータ用パワー半導体モジュールは、それぞれコレクタ・エミッタ間に転流ダイオードが付設された６つのＩＧＢＴをスイッチ素子として用いてブリッジ形回路を形成するように結線して構成される。このインバータ用パワー半導体モジュールは、各相ごとに直流電流をオン・オフしてパルス状の交流電流に変換して走行用モータに供給する。電気自動車の走行用三相交流モータの駆動用のインバータを形成するパワー半導体モジュールでは、パワー半導体モジュール内で電気自動車の走行速度に応じて不均一な熱分布や温度勾配が発生するという特性を有しており、それ故に、６つのＩＧＢＴおよび転流ダイオードを、内部に冷却液流路を有する液冷式のヒートシンク（冷却器）上に最適な位置関係で配置し、効率よく冷却することが要望される。
特開平１１−３４６４８０号公報 特開２００１−３３２６７９号公報 特開２００２−９３９７４号公報 特許第３５５６１７５号公報

前述した特許文献３および特許文献４等で開示されるパワー半導体モジュールでは、ヒートシンクの表面にヒートシンクの内部の冷却水配管の上流側から下流側に沿って複数のパワー半導体素子を配置する構造を採用している。このため、配管中を流れる冷却水の温度は、上流側が低温、下流側が高温になり、上流側と下流側では冷却性能が大いに異なる。下流側では、上流側の吸熱で冷却液温度が上昇するため、冷却能力が非常に低下することになる。その結果、ヒートシンクにおいて、上流側に対応する表面箇所に配置されたパワー半導体素子と、下流側に対応する表面箇所に配置されたパワー半導体素子との間において、冷却効率に大きな違いが生じる。特に、冷却液流路の下流側に対応するヒートシンク表面上に配置されたパワー半導体素子での冷却能力は低減するという不具合が生じる。

本発明の目的は、上記の課題を鑑み、冷却液流路を有するヒートシンク等の冷却用基体とその上に実装される複数のパワー半導体素子とで構成されるパワー半導体モジュールであり、ヒートシンク等の表面上でパワー半導体素子の実装位置を最適に定めることにより冷却液の温度上昇を適切化して各パワー半導体素子の冷却効率を高めることを企図したパワー半導体モジュールを提供することにある。

本発明に係るパワー半導体モジュールは、上記の目的を達成するために、次のように構成される。

第１のパワー半導体モジュール（請求項１に対応）は、冷却液を流す冷却用流路を有する冷却用基体と、冷却用基体の表裏に実装される少なくとも４つのパワー半導体素子とから構成されるパワー半導体モジュールであって、冷却用基体は冷却液供給流路と冷却液排出流路を有し、冷却用流路は、冷却液供給流路と冷却液排出流路との間に複数、それぞれ平行な位置関係で配置され、パワー半導体素子は、スイッチ機能を備えるスイッチング半導体素子と、ダイオードとから成るインバータ回路を形成し、１つのスイッチング半導体素子と１つのダイオードとを冷却用流路における冷却液の流通方向に沿って直列に配置すると共に、冷却用基体の一方の面にインバータ回路の高電位側のスイッチング半導体素子とダイオードを実装し、他方の面にインバータ回路の低電位側のスイッチング半導体素子とダイオードを実装し、冷却用基体の表裏の面の間で前記スイッチング半導体素子の実装位置と前記ダイオードの実装位置を一致させる、ことで特徴づけられる。

上記の構成では、１つのスイッチング半導体素子と１つのダイオードとを好ましくは直線状の冷却用流路における冷却液の流通方向に沿って直列に配置し、これにより発熱したスイッチング半導体素子またはダイオードが常に冷却液供給流路の側からの十分に冷却された状態の温度上昇をしていない冷却液により冷却される。このため、パワー半導体素子を効率よく冷却することが可能となり、冷却能力を高めることが可能となる。

第２のパワー半導体モジュール（請求項２に対応）は、冷却液を流す冷却用流路を有する冷却用基体と、前記冷却用基体の表裏に実装される少なくとも４つのパワー半導体素子とから構成されるパワー半導体モジュールであって、前記冷却用基体は冷却液供給流路と冷却液排出流路を有し、前記冷却用流路は、前記冷却液供給流路と前記冷却液排出流路との間に複数、それぞれ平行な位置関係で配置され、各冷却用流水路は、一つの前記冷却用流路は１つの前記パワー半導体素子だけから吸熱し、パワー半導体素子は、スイッチ機能を備えるスイッチング半導体素子と、ダイオードとから成るインバータ回路を形成し、冷却用基体の一方の面にインバータ回路の高電位側の前記スイッチング半導体素子とダイオードを実装し、他方の面にインバータ回路の低電位側の前記スイッチング半導体素子とダイオードを実装し、冷却用基体の表裏の面の間でスイッチング半導体素子の実装位置とダイオードの実装位置を一致させることで特徴づけられる。

上記の第２のパワー半導体モジュールの構成では、各冷却用流路は１つのパワー半導体素子のみを冷却するようにし、これにより十分に冷却された冷却液を用いてパワー半導体素子を効率よく冷却することが可能となる。

上記の構成では、電気自動車の走行用モータに対して給電を行うインバータ等を構成するスイッチング半導体素子やダイオードのパワー半導体素子を、冷却用基体を挟んでその表裏の両面に実装する。特に、一方の面のスイッチング半導体素子の実装位置と他方の面のダイオードの実装位置が表裏関係で一致させるため、電気自動車の車速に応じて発熱時期が異なるスイッチング半導体素子とダイオードの発熱が冷却用基体上で時間的に分離され、基体における不均一な熱分布や温度勾配を低減することが可能となる。具体的には、基体の表面の或る位置にスイッチング半導体素子を実装しかつその裏面の同じ位置に転流ダイオードを実装することにより、実質的に同時に発熱することがないスイッチング半導体素子と転流ダイオードのそれぞれを効率よく冷却することが可能となる。これにより、冷却用基体において、同時に発熱する可能性のある複数のスイッチング半導体素子、または複数の転流ダイオードを基体の表裏の位置で局在させることを避けることが可能となる。上記のスイッチング半導体素子は、トランジスタであり、例えば、バイポーラトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、ＭＯＳＦＥＴ、接合型ＦＥＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）等である。

また冷却用基体の両面を利用してパワー半導体素子を実装するようにすることにより、投影面積または実装面積が小さいパワー半導体モジュール構造にすることができ、コンパクトな立体構造をとることができる。さらに基体の表裏の両面から接触受熱を行うことで冷却用基体の伝熱面を小容積で得られるため、冷却用基体の容積は小さくできる。上記のことから車載しても設置スペースが減少する。さらに冷却用基体における熱応力による変形はバランスされ、パワー半導体モジュール内部の変形（歪み）を抑えることができる。

更に、冷却用基体の表裏面の一方の面にインバータを形成するブリッジ形回路の高電圧側回路部分を実装しかつ他方の面に低電圧側回路部分を実装し、冷却用基体の表裏面のスイッチング半導体素子とダイオードを接続したため、素子間の配線を短くでき、インダクタンス成分を低減することが可能となる。

第３のパワー半導体モジュール（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、ダイオードはスイッチング半導体素子に付加される転流ダイオードであることで特徴づけられる。

第４のパワー半導体モジュール（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは、冷却用流路はマイクロチャンネルであることを特徴とする。

第５のパワー半導体モジュール（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは、マイクロチャンネルは、冷却用基体の表裏の面のそれぞれに対応して個別に設けられることを特徴とする。

本発明によれば、次の効果を奏する。
第１に、１つのスイッチング半導体素子と１つのダイオードとを冷却用流路における冷却液の流通方向に沿って直列に配置したため、あるいは、１つの冷却用流路は１つのパワー半導体素子だけから吸熱するようにしたため、発熱したスイッチング半導体素子またはダイオードを常に冷却液供給流路側から供給される十分に温度上昇をしていない冷却液により冷却することができ、これにより、各パワー半導体素子を効率よく冷却することができ、高い冷却性能で冷却することができる。さらに、パワー半導体素子の熱の影響を軽減し、信頼性を向上することができ、パワー半導体モジュールの信頼性を向上することができる。
また１つのスイッチング半導体素子と１つのダイオードとを冷却用流路における冷却液の流通方向に沿って直列に配置した実装上のレイアウト構成は、他の観点から見ると、インバータの電気回路での１ブロック（１つのスイッチング半導体素子と１つのダイオードから成る部分）ごとに冷却液が流れる構造となるため、冷却液が流れる１つの共通の冷却用流路上には、ダイオードの上流にはスイッチング半導体素子が１個のみの発熱の状態、またはその反対の状態、が形成される。そのため、冷却用流路を流れる冷却液の温度上昇は、例えば、上流に存するＩＧＢＴ等の１個分に抑制することができる。
さらに隣り合う上記ブロックの間の熱の影響は、冷却液が同じ冷却用流路を流通しないため、極めて少ない。加えて冷却用流路の部分、すなわちマイクロチャンネル等の流路部分（直線部分）を短くすることができるため、冷却用基体すなわちヒートシンクの内部の圧力損失を低減することができる。
第２に、インバータ等を構成するスイッチング半導体素子（ＩＧＢＴ等）やダイオードのパワー半導体素子を冷却用基体を挟んでその表裏の両面に実装し、一方の面のスイッチング半導体素子の実装位置と他方の面のダイオードの実装位置が表裏関係で一致させたため、電気自動車の車速（始動発進時の低速域、低速域から高速域の車速域）に応じて発熱時期が異なるスイッチング半導体素子とダイオードの発熱を冷却用基体上で時間的に分離し、基体における不均一な熱分布や温度勾配を低減することができる。
第３に、パワー半導体素子は、冷却用基体を挟んでその両面に実装されるため、投影面積が小さいパワー半導体モジュール構造にすることができる。
第４に、冷却用基体であるヒートシンクに両面実装を行うので立体構造をとることができ、さらに両面から接触受熱を行うことでヒートシンクの伝熱面を小容積で得ることができ、ヒートシンク等の容積は小さくできる。これにより、車載しても設置スペースを減少させることができる。
第５に、液冷式の薄型のマイクロチャンネル型ヒートシンクを使用し、高電圧側回路と低電圧側回路を冷却用基体を間に介して配置しかつ電流の流れる向きを反対にすることで磁気的な相殺が生じ、さらに表裏の面に実装されたパワー半導体素子を接続することで素子間の配線を短くでき、インダクタンス成分を低減することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図１０を参照して本発明に係るパワー半導体モジュールの第１実施形態を説明する。最初に図１〜図４を参照してパワー半導体モジュールの外観を説明する。図１は第１実施形態によるパワー半導体モジュールの外観を示す斜視図、図２は同モジュールの平面図、図３は同モジュールの裏面図、図４は同モジュールの側面図である。また、本実施形態では、スイッチング半導体素子としてＩＧＢＴを用いて説明する。

パワー半導体モジュール１０では、パワー半導体ユニット１１がケース１２の内部に収納されている。パワー半導体モジュール１０の表面側には、図２等に示されるごとく、パワー半導体ユニット１１の他に、パワー半導体ユニット１１の表面に設けられた電極パターン１３と配線（図示しない）により接続される配線基板１４と、パワー半導体ユニット１１の表面に並べて設けられた３つのＩＧＢＴ１５の各々のゲート電極との間で配線（図示せず）により接続されるゲート配線基板１７ａおよびゲート外部接続端子１７とが設けられている。ゲート配線基板１７ａおよびゲート外部接続端子１７は、それぞれ、３つのＩＧＢＴ１５の各々に対応して３組分設けられている。

さらにパワー半導体モジュール１０の表面側には、図２に示すごとく、３つの上記ＩＧＢＴ１５の各々のコレクタ電極と配線（図示せず）により接続されるコレクタ配線基板１８と、それと一体的に形成されるコレクタ外部接続端子としてのバスバー１９が設けられる。コレクタ配線基板１８およびバスバー１９は、それぞれ、３つのＩＧＢＴ１５の各々に対応して３つ設けられている。

また、パワー半導体モジュール１０の表面側には、パワー半導体ユニット１１の裏面側に設けられた３つのＩＧＢＴ２０の各々のエミッタ電極に接続された３つのバスバー２１が、上記３つのバスバー１９の各々と接触した状態で設けられている。さらに同じく裏面側の３つのＩＧＢＴ２０の各々のゲート外部接続端子２２が設けられている。

上記のバスバー２１，２２の取付け関係については図５と図９に示されている。またパワー半導体ユニット１１の裏面側に設けられた３つのＩＧＢＴ２０の各々は図３に示されている。

パワー半導体ユニット１１は、冷却用基体の一例であるヒートシンク２３を備える。ヒートシンク２３は、液冷式のマイクロチャンネル型ヒートシンクであり、内部に多数の平行な位置関係にあるマイクロチャンネルが形成された矩形の平板形状を有している。パワー半導体ユニット１１では、ヒートシンク２３の表裏の面のそれぞれに上記ＩＧＢＴ１５，２０等から成る電気回路部分を搭載している。

詳しくは、パワー半導体ユニット１１のヒートシンク２３の表裏面では、当該ヒートシンク２３の両面に半田により接合された金属箔（図１と図２では図示せず）と、この金属箔に接合された絶縁基板２４，２５と、絶縁基板２４，２５に接合された金属箔２６，２７を備えている。さらにパワー半導体ユニット１１の表面側では、金属箔２６上に半田により接合された３つのＩＧＢＴ１５と、同じく金属箔２６上に半田により接合された３つのダイオード２８を備えている。また金属箔２６上には前述した電極パターン１３が設けられている。他方、パワー半導体ユニット１１の裏面側では、上記金属箔２７上に半田により接合された３つのＩＧＢＴ２０と、同じく金属箔２７上に半田により接合された３つのダイオード３０を備えている。また金属箔２７上には電極パターン３１が設けられている。

パワー半導体モジュール１０では、その表面側に、ヒートシンク２３の表裏面に各々に設けられたそれぞれ３つのＩＧＢＴ１５，２０とダイオード２８，３０からの入出力端子が集約されている。

また図１および図２に示された符号３２，３３は、それぞれ、ヒートシンク２３の内部の多数のマイクロチャンネルに冷却液を流すための冷却液の供給口と排出口を示している。さらに符号３４はヒートシンク２３をボルトでケース１２に取り付けるための孔を示し、符号３５はパワー半導体モジュール１０を車体に取り付けるためのボルト等を挿入する孔を示している。

パワー半導体モジュール１０の裏面側についてさらに詳述すると、図３で示されるように、３つの金属箔２７の各々には、裏面側のＩＧＢＴ２０のエミッタ電極とダイオード３０のアノード電極が接合されており、各金属箔２７には電極パターン３１が形成されている。さらにパワー半導体モジュール１０の裏面側には、３つの電極パターン３１の各々と配線（図示せず）により接続される３つの配線基板３６と、３つのＩＧＢＴ２０の各々のゲート電極と配線（図示せず）により接続される３つのゲート配線基板３７とが設けられている。またパワー半導体モジュール１０の裏面側には、３つのＩＧＢＴ２０の各々のコレクタ電極と配線（図示せず）により接続される配線基板３８が形成されている。

パワー半導体モジュール１０に設けられる上記のパワー半導体ユニット１１において、ヒートシンク２３の表裏の面でのパワー半導体素子の実装位置の関係については、表面側のダイオード２８の実装位置と裏面側のＩＧＢＴ２０の実装位置とが一致し、かつ、裏面側のダイオード３０の実装位置と表面側のＩＧＢＴ１５の実装位置とが一致するように設定されている。

図４に示されたパワー半導体モジュール１０の側面図において、初期の段階では、バスバー１９，２１はその幅方向で重なるように立設して配置されている。バスバー１９，２１のそれぞれは、その上部の位置に孔３９，４０が形成されており、さらに折曲げ部４１，４２により折り曲げ可能となっている。バスバー１９，２０の孔３９，４０は立設状態において、上下で位置をずらせて形成されている。次の段階で、バスバー１９，２１の上部を折曲げ部４１，４２で矢印Ａ１のごとく９０°で折り曲げて水平にしたとき、図５に示すように、バスバー１９，２０の孔３９，４０が略一致して重なり共通の孔となるように形成される。折り曲げられたバスバー１９，２０において、形成位置が一致した孔３９，４０は、共通の孔として、図示しない端子部とボルト・ナットを利用して接続される。なお図５は図４におけるＡ方向矢視図であり、バスバー１９とバスバー２０の位置関係だけを示し、その他の要素の図示は省略している。

次に図６を参照して上記のパワー半導体ユニット１１を説明する。図６はパワー半導体ユニット１１の縦断面図を示し、パワー半導体ユニット１１の積層構造を示している。パワー半導体ユニット１１は、ヒートシンク２３の上下の両面に、それぞれ、半田４３，４４により接合された金属箔４５，４６と、金属箔４５，４６に接合された絶縁基板２４，２５と、絶縁基板２４，２５に接合された金属箔２６，２７とを備えている。

パワー半導体ユニット１１の表面側には、金属箔２６上に半田４７により接合されたＩＧＢＴ１５と、半田４８により接合されたダイオード２８とを備えている。さらに金属箔２６上には電極パターン１３が設けられている。またパワー半導体ユニット１１の裏面側には、金属箔２７に半田４９により接合されたＩＧＢＴ２０と、半田５０により接合されたダイオード３０とを備えている。さらに金属箔２７上には電極パターン３１が設けられている。

図６に示されるごとく、パワー半導体ユニット１１では、ヒートシンク２３の表面（上面）側と裏面（下面）側で、表面側のＩＧＢＴ１５の実装位置と裏面側のダイオード３０の実装位置、表面側のダイオード２８の実装位置と裏面側のＩＧＢＴ２０の実装位置が、それぞれ、一致している。またヒートシンク２３の表裏の各面に設けられた３つのＩＧＢＴと３つのダイオードで形成される電気回路は、後述するごとく三相交流用モータのインバータを構成するブリッジ形回路である。このブリッジ形回路において、高電位側電気回路部分がヒートシンク２３の表面側に設けられ、低電位側電気回路部がヒートシンク２３の裏面側に設けられている。

次に、図７と図８を参照してヒートシンク２３について説明する。図７はヒートシンク２３のパワー半導体素子の配置状態と内部のマイクロチャンネルの形成状態を示す平面図であり、図８は図７におけるＢ−Ｂ線断面図である。

ヒートシンク２３は、本体内に水などの冷却液が流通する冷却用流路である多数のマイクロチャンネル（微小流路）５１が、冷却液供給流路５２および冷却液排出流路５３と共に、形成されている。多数のマイクロチャンネル５１は、平面形状が略長方形であるヒートシンク２３の短辺に平行に形成されている。ヒートシンク２３の表面にはＩＧＢＴ１５とダイオード２８がマイクロチャネル５１の冷却液の流通方向に沿って直列に並べて配置されている。ヒートシンク２３の裏側のＩＧＢＴ２０とダイオード３０も同様に配置されている。

上記において、冷却器として機能するヒートシンク５３は長方形の板状形状を有し、寸法的には、例えば、長辺が８０ｍｍ程度、短辺が５０ｍｍ程度、厚みが略５ｍｍ程度のものである。またマイクロチャンネル５１の寸法は、例えば、流路幅が０．１ｍｍ、深さが０．３ｍｍ、ピッチが０．２ｍｍである。マイクロチャンネル５１の本数は代表的に例えば３０３本である。なお、図７のマイクロチャンネル５１の図示例では、マイクロチャンネルの本数は簡略して概念的に描いている。

図８に示すごとく、ヒートシンク２３の内部には表面側と裏面側のそれぞれに対応してマイクロチャンネル５１が形成されている。ヒートシンク２３の表裏の面のそれぞれを冷却するように上部マイクロチャンネル５１と下部マイクロチャンネル５１の２種類が個別に形成されている。なお図８において、図１〜図７で説明した要素と同一の要素には同一の符合を付している。

以上のように、パワー半導体素子（ＩＧＢＴとダイオード）は、１つのスイッチング半導体素子と１つのダイオードとを冷却用流路（代表的にマイクロチャンネル）における冷却液の流通方向に対して直列に配置したため、発熱したスイッチング半導体素子あるいは発熱したダイオードが常に供給流路側からの熱による温度上昇をしていない冷却液により冷却されるので、複数のパワー半導体素子のそれぞれを効率よく冷却することができ、高い冷却能力を発揮して冷却することができる。

また、ヒートシンク２３を挟んでパワー半導体素子を両面に実装することができるため、投影面積が小さいパワー半導体モジュール構造にすることができる。さらにヒートシンク２３に両面実装を行うことで立体構造をとることができ、加えて、上下面から接触受熱を行うことでヒートシンク２３の伝熱面を小容積で得られるため、ヒートシンク２３の容積は小さくできる。上記のことから車載しても設置スペースを減少させることができる。

次に、図９と図１０を参照して、上記パワー半導体モジュール１０の配線構造と電気回路構成とを説明する。

図９は図２におけるＣ−Ｃ線断面図を示す。この図はパワー半導体モジュール１０の内部構造および配線構造を示している。また図１０は、６つのＩＧＢＴと６つの転流ダイオードを用いて構成され、三相交流モータに駆動電流を供給するインバータの電気回路図を示す。図１０に示したインバータは、パワー半導体モジュール１０によって実現される電気回路である。図１０の電気回路図と対応させながら、図９に示したパワー半導体モジュール１０での配線構造について説明する。なお図９では、ケース１２の表蓋部１２ａと裏蓋部１２ｂが図示されている。

図１０で示されるように、表面側の３つのＩＧＢＴ１５および裏面側の３つのＩＧＢＴ２０と、表面側の３つのダイオード２８および裏面側の３つのダイオード３０とは、インバータ回路６０を形成するようにブリッジ形回路で接続されている。ダイオード２８，３０はそれぞれＩＧＢＴ１５，２０に付加される転流ダイオードである。ヒートシンク２３の表面にインバータ回路６０の高電位側のＩＧＢＴ１５とダイオード２８を実装し、裏面にインバータ回路６０の低電位側のＩＧＢＴ２０とダイオード３０を実装している。ヒートシンク２３の表裏の面の間で、前述した通り、ＩＧＢＴ１５の実装位置とダイオード３０の実装位置を一致させ、ＩＧＢＴ２０の実装位置とダイオード２８の実装位置を一致させる。図１０で符号Ｍは三相交流モータを表す。このモータＭは、例えば電気自動車の走行用モータである。

高電圧側の配線Ｌ１０は電極パターン１３から高電圧側端子に接続される。配線Ｌ１１は、ＩＧＢＴ１５のコレクタ電極からバスバー１９に接続される。ＩＧＢＴ１５のゲート電極からの配線Ｌ１２はゲート端子１７に接続される。配線Ｌ１３は、ダイオード２８の電極からバスバー１９に接続されている。

他方、低電圧側の配線Ｌ１８では、配線Ｌ１４は電極パターン３１からバスバー２１に接続されている。配線Ｌ１５は、配線基板３８に接続される。配線Ｌ１６はダイオード３０から配線基板３８に接続される。ＩＧＢＴ１５のゲート電極からの配線Ｌ１７はゲート配線基板３７に接続されている。

以上の配線構造によって、冷却用基体であるヒートシンク２３の表面側に実装された高電位側のＩＧＢＴおよびダイオードに基づく電気回路で流れる電流の向き（ヒートシンク２３の表面に平行な向き）と、裏面側に実装された低電位側のＩＧＢＴおよびダイオードに基づく電気回路で流れる電流の向き（ヒートシンク２３の裏面に平行な向き）とが反対になるように、配線経路が形成される。これにより、配線によって生じるインダクタンス成分を表裏で打ち消し合って、相殺することができる。

またヒートシンク２３の両面にパワー半導体素子を配置する実装構造で６つのＩＧＢＴと６つのダイオードを用いて構成されるインバータを形成するパワー半導体モジュール１０としたので、そのパワー半導体モジュール１０内で各パワー半導体素子を接続する配線を短くすることができる。そのため、さらに配線によるインダクタンス成分を低減することができる。

また、高電圧側電気回路と低電圧側電気回路の間で、ヒートシンク２３を間に介してＩＧＢＴの実装位置とダイオードの実装位置が一致するように配置することで、発熱時が時間的に異なる発熱体の実装位置を表裏で一致させ、ヒートシンク２３での発熱状態の発生を時間的に分離している。またヒートシンク２３の上下面のＩＧＢＴとダイオードを接続することで間の配線を短くでき、低インダクタンス化が可能となる。さらにノイズ特性も良好となり、サージ電圧等の問題も発生しなくなる。

さらに、発熱部であるパワー半導体素子がヒートシンク２３の表裏の両面に実装されているため、熱応力による変形はバランスされ、パワー半導体モジュールの内部の変形（歪み）を抑えることができる。さらに従来の構造に比して、ヒートスプレッダ、サーマルグリスを除いた部品で構成するため、冷却器込みのパワー半導体モジュールとして低コスト化、小容量化、軽量化を図ることができる。

次に、図１１を参照して本発明に係るパワー半導体モジュールの第２実施形態を説明する。図１１では、パワー半導体モジュールの要部であるヒートシンク２３の平面図のみを示している。

第２実施形態によるパワー半導体モジュールでは、ヒートシンク２３への実装時に冷却液供給流路５２と冷却液排出流路５３の間に、流路５２，５３に対して並列に、少なくとも２種類のパワー半導体素子を例えば一列状態で配置する。その他の構成は、第１実施形態で説明した構成と実質的に同一である。図１１では、ヒートシンク２３上のパワー半導体素子の配置位置と流路との関係だけを示している。図１１に示すように、例えば、ヒートシンク２３の表面側に供給流路５２と排出流路５３の間にＩＧＢＴ１５とダイオード２８を交互に並列に配置する。またヒートシンク２３の裏面には、表面のＩＧＢＴ１５に対応する位置にはダイオード３０を配置し、表面のダイオード２８に対応する位置にはＩＧＢＴ２０を配置する。

上記の構成により、発熱したＩＧＢＴ１５またはダイオード２８等のパワー半導体素子が常に供給流路５２側からの温度上昇をしていない低温の冷却液により冷却されるので、これらのパワー半導体素子を効率よく冷却することができる。それにより、パワー半導体素子の誤動作を防止することができ、パワー半導体モジュールの信頼性を向上することができる。

次に、図１２を参照して本発明に係るパワー半導体モジュールの第３実施形態を説明する。第３実施形態では、第１実施形態でのヒートシンク２３の代わりにヒートシンク６０を用いる。このヒートシンク６０における冷却液が流通する流路は、図１２に示すように、中央に位置する冷却液供給流路６１からの両側に分流した冷却液が２方向のマイクロチャンネル６２，６３を流れる。マイクロチャンネル６２からの冷却液は、排出流路６４へ流れ込み、マイクロチャンネル６３からの冷却液は、排出流路６５へ流れ込むようになっている。

ヒートシンク６０への実装時に、冷却液供給流路６１と２つの冷却液排出流路６４，６５との間に少なくとも２種類のパワー半導体素子を並列に配置する。その他の構成は、第１実施形態で説明した構成と実質的に同一である。従って図１２では、ヒートシンク６０上におけるパワー半導体素子の配置位置、マイクロチャンネル、冷却液の供給流路および排出流路の関係だけを示している。図１２に示すように、例えば、ヒートシンク６０の表面側に供給流路６１と一方の排出流路６４の間にダイオード２８を並列に配置し、供給流路６１と他方の排出流路６５の間にＩＧＢＴ１５を例えば直線状に並列に配置する。ヒートシンク６０の裏面には、表面のＩＧＢＴ１５に対応する位置にはダイオード３０を配置し、表面のダイオード２８に対応する位置にはＩＧＢＴ２０を配置する。

上記の構成により、発熱したＩＧＢＴ１５またはダイオード２８等のパワー半導体素子が常に供給流路６１側からの温度上昇していない冷却液により冷却されるので、パワー半導体素子を効率よく冷却することができる。それにより、パワー半導体素子の誤動作を防止することができ、パワー半導体モジュールの信頼性を向上することができる。

第１〜第３の実施形態においては、６つのＩＧＢＴと６つのダイオードを用いたパワー半導体モジュールで説明したが、それに限らず、４つのＩＧＢＴと４つのダイオードを用いて形成されるＨ字型の形状に結線されたブリッジ形回路によって構成されるパワー半導体モジュールにも適応できる。また、スイッチング半導体素子としてＩＧＢＴを用いて説明したが、それに限らず、他のトランジスタ、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、ＭＯＳＦＥＴ、接合型ＦＥＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）等を用いることもできる。

また上記の実施形態では、ヒートシンク内に形成される冷却用流路はマイクロチャンネルであったが、冷却用流路はこれに限定されない。マイクロチャンネルに類似した冷却用流路、またはその他の一般的な冷却用流路（別途に設けられた管路等を含む）であってもよい。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、各構成の組成（材質）については例示にすぎない。特に積層構造を示した図は、層の厚みやパワー半導体素子の厚み等は誇張して示している。本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、電気自動車の走行用の三相交流モータ等の駆動電流供給用インバータのパワー半導体モジュールとして利用される。

本発明に第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの外観を示す斜視図である。 第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの平面図である。 第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの裏面図である。 第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの側面図である。 図４におけるＡ方向矢視図であり、バスバーを折り曲げたときの状態を示す側面図である。 第１実施形態に係るパワー半導体モジュール内のパワー半導体ユニットの縦断面図である。 第１実施形態に係るパワー半導体モジュールのヒートシンクの内部構造とパワー半導体素子の配置を示す平面図である。 図７におけるＢ−Ｂ線断面図である。 図２におけるＣ−Ｃ線断面図である。 ６つのＩＧＢＴと６つの転流ダイオードを用いたインバータの電気回路図である。 本発明の第２実施形態に係るパワー半導体モジュールのヒートシンクの内部構造とパワー半導体素子の配置を示す平面図である。 本発明の第３実施形態によるパワー半導体モジュールのヒートシンクの内部構造とパワー半導体素子の配置を示す平面図である。

符号の説明

１０ パワー半導体モジュール
１１ パワー半導体ユニット
１２ ケース
１３ 電極パターン
１４ 配線基板
１５ ＩＧＢＴ
１６ ゲート配線基板
１７ ゲート外部接続端子
１８ コレクタ配線基板
１９ バスバー
２０ ＩＧＢＴ
２１ バスバー
２２ ゲート外部接続端子
２３ ヒートシンク（冷却用基体）
２４ 絶縁基板
２５ 絶縁基板
２６ 金属箔
２７ 金属箔
２８ ダイオード
２９ 電極パターン
３０ ダイオード
３１ 電極パターン
５１ マイクロチャンネル（冷却用流路）
５２ 冷却液供給流路
５３ 冷却液排出流路

Claims (5)

1. 冷却液を流す冷却用流路を有する冷却用基体と、前記冷却用基体の表裏に実装される少なくとも４つのパワー半導体素子とから構成されるパワー半導体モジュールであって、
   前記冷却用基体は冷却液供給流路と冷却液排出流路を有し、
   前記冷却用流路は、前記冷却液供給流路と前記冷却液排出流路との間に複数、それぞれ平行な位置関係で配置され、
   前記パワー半導体素子は、スイッチ機能を備えるスイッチング半導体素子と、ダイオードとから成るインバータ回路を形成し、
   １つの前記スイッチング半導体素子と１つの前記ダイオードとを前記冷却用流路における前記冷却液の流通方向に沿って直列に配置すると共に、
   前記冷却用基体の一方の面に前記インバータ回路の高電位側の前記スイッチング半導体素子と前記ダイオードを実装し、他方の面に前記インバータ回路の低電位側の前記スイッチング半導体素子と前記ダイオードを実装し、
   前記冷却用基体の表裏の面の間で前記スイッチング半導体素子の実装位置と前記ダイオードの実装位置を一致させる、
   ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
2. 冷却液を流す冷却用流路を有する冷却用基体と、前記冷却用基体の表裏に実装される少なくとも４つのパワー半導体素子とから構成されるパワー半導体モジュールであって、
   前記冷却用基体は冷却液供給流路と冷却液排出流路を有し、
   前記冷却用流路は、前記冷却液供給流路と前記冷却液排出流路との間に複数、それぞれ平行な位置関係で配置され、各冷却用流水路は、１つの前記パワー半導体素子だけから吸熱し、
   前記パワー半導体素子は、スイッチ機能を備えるスイッチング半導体素子と、ダイオードとから成るインバータ回路を形成し、
   前記冷却用基体の一方の面に前記インバータ回路の高電位側の前記スイッチング半導体素子と前記ダイオードを実装し、他方の面に前記インバータ回路の低電位側の前記スイッチング半導体素子と前記ダイオードを実装し、
   前記冷却用基体の表裏の面の間で前記スイッチング半導体素子の実装位置と前記ダイオードの実装位置を一致させる、
   ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
3. 前記ダイオードは前記スイッチング半導体素子に付加される転流ダイオードであることを特徴とする請求項１または２記載のパワー半導体モジュール。
4. 前記冷却用流路はマイクロチャンネルであることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
5. 前記マイクロチャンネルは、前記冷却用基体の表裏の面のそれぞれに対応して個別に設けられることを特徴とする請求項４記載のパワー半導体モジュール。

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