JP3673776B2 - 半導体モジュール及び電力変換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置は、チップ状の半導体素子がパッケージで包まれてＩＣ化されたものを実装した半導体モジュールから構成される場合もあるが、大半はチップ状の半導体素子をそのまま実装した半導体モジュールから構成される。これは、半導体素子の発熱を直接放熱し、半導体モジュールの冷却効果を向上させるためである。
【０００３】
従来、この種の半導体モジュールとしては、例えば特開平１０−５６１３１号公報に記載されたものが知られている。この公報では、半導体チップの発熱を半導体チップの２つの主面から放熱するようにしたものが種々提案されている。例えば半導体チップを絶縁基板で挟み込み、これをさらに銅板で挟み込み、半導体チップの発熱を半導体チップの２つの主面から放熱するようにしたものが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
熱サイクルの厳しい環境の下で使用される電力変換装置、例えば自動車に搭載される電力変換装置では、電源の高規格化に伴って半導体素子に流れる電流が大きくなり、半導体素子の発熱が増加し、さらに熱サイクルが厳しくなる。このため、電力変換装置を構成する半導体モジュールの冷却性能を従来のものよりもさらに向上させることが要求されている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冷却性能を向上させることができる半導体モジュールを提供するものである。また、本発明は、熱サイクルの厳しい環境の下で使用されても正常に動作を維持できる信頼性の高い、しかも小型で低コストな電力変換装置を提供するものである。
【０００６】
このため、本発明は、半導体素子の両面にそれぞれ接合された絶縁基板の半導体素子側とは反対側に接合される熱伝導性部材の一方を、半導体素子と絶縁基板との積層体を跨ぐように熱伝導性部材の他方に接合した半導体モジュールを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、半導体素子の両面にそれぞれ接合された導電性部材の半導体素子側とは反対側に絶縁性部材を介して接合される熱伝導性部材の一方を、半導体素子と導電性部材と絶縁性部材との積層体を跨ぐように熱伝導性部材の他方に接合した半導体モジュールを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施例を図１乃至図８に基づいて説明する。図８は本実施例の電力変換装置の回路構成を示す。本実施例では電力変換装置として、自動車の電動機駆動システム（例えば電気自動車やハイブリッド自動車を駆動する電動機の駆動システム，自動車の電動負荷（例えばエアコンやブレーキなど）を駆動する電動機の駆動システムなど）に搭載されるものであり、車載の直流電源であるバッテリ２００（例えば充電電圧４２Ｖ）からの直流電力を三相交流電力に変換して交流電動機３００（例えば同期電動機，誘導電動機など）に供給するインバータ装置１００を例にとり説明する。
【０００９】
インバータ装置１００は、正極側直流ＢＵＳ１１０と負極側直流ＢＵＳ１２０を介して供給されたバッテリ２００の直流電力を、制御回路部１５０からのゲート制御信号１５１によって制御されるＭＯＳ−ＦＥＴ１７１〜１７２，１８１〜１８３のスイッチング動作で各相毎に交流電力に変換し、各相に対応する交流出力ＢＵＳ１６１〜１６３を介して交流電動機３００に供給するように構成されている。具体的には、上アーム１４１を構成するＭＯＳ−ＦＥＴ１７１〜１７３及び下アーム１４２を構成するＭＯＳ−ＦＥＴ１８１〜１８３で変換回路１３１〜１３３が構成されている。
【００１０】
ｕ相の変換回路１３１は、上アーム１４１のＭＯＳ−ＦＥＴ１７１と下アーム１４２のＭＯＳ−ＦＥＴ１８１から構成されている。ＭＯＳ−ＦＥＴ１７１のドレイン側は正極側直流ＢＵＳ１１０に接続されており、そのソース側は交流出力ＢＵＳ１６１に接続されている。ＭＯＳ−ＦＥＴ１８１のソース側は負極側直流ＢＵＳ１２０に接続されており、そのドレイン側は交流出力ＢＵＳ１６１に接続されている。
【００１１】
ｖ相の変換回路１３２は、上アーム１４１のＭＯＳ−ＦＥＴ１７２と下アーム１４２のＭＯＳ−ＦＥＴ１８２から構成されている。ＭＯＳ−ＦＥＴ１７２のドレイン側は正極側直流ＢＵＳ１１０に接続されており、そのソース側は交流出力ＢＵＳ１６２に接続されている。ＭＯＳ−ＦＥＴ１８２のソース側は負極側直流ＢＵＳ１２０に接続されており、そのドレイン側は交流出力ＢＵＳ１６２に接続されている。
【００１２】
ｗ相の変換回路１３３は、上アーム１４１のＭＯＳ−ＦＥＴ１７３と下アーム１４２のＭＯＳ−ＦＥＴ１８３から構成されている。ＭＯＳ−ＦＥＴ１７３のドレイン側は正極側直流ＢＵＳ１１０に接続されており、そのソース側は交流出力ＢＵＳ１６３に接続されている。ＭＯＳ−ＦＥＴ１８３のソース側は負極側直流ＢＵＳ１２０に接続されており、そのドレイン側は交流出力ＢＵＳ１６３に接続されている。
【００１３】
尚、本実施例では、変換回路を構成する半導体素子としてＭＯＳ−ＦＥＴを用いた例を説明したが、ＩＧＢＴやバイポーラトランジスタなど他のスイッチング素子を用いて変換回路を構成してもよい。
【００１４】
図１乃至図５は、図８の回路構成を有する実際のインバータ装置１００の構成を示す。インバータ装置１００は、上アーム１４１を構成する正極側半導体モジュール１０と、下アーム１４２を構成する負極側半導体モジュール２０と、正極側直流ＢＵＳ１１０，負極側直流ＢＵＳ１２０，交流出力ＢＵＳ１６１〜１６３を構成するＢＵＳバー３０と、ベース５０と、放熱部材６０とを備えて構成されている。尚、インバータ装置１００には、図８で述べた制御回路部１５０が備わっているが、本図においては図示省略している。正極側半導体モジュール１０，負極側半導体モジュール２０及びＢＵＳバー３０は、正極側半導体モジュール
１０と負極側半導体モジュール２０との間にＢＵＳバー３０が配置されるように、ベース５０上に並設されている。ベース４０の下面には放熱部材６０が接合されている。放熱部材６０は金属製（例えばアルミニウム製）のフィン状の熱伝導性部材である。
【００１５】
正極側半導体モジュール１０は、図８で述べたＭＯＳ−ＦＥＴ１７１〜１７３を構成する半導体チップ１１を３つ有する。負極側半導体モジュール２０は、図８で述べたＭＯＳ−ＦＥＴ１８１〜１８３を構成する半導体チップ２１を３つ有する。正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０において半導体チップ１１，２１は、正極側半導体モジュール１０，負極側半導体モジュール２０及びＢＵＳバー３０の配列方向（以下、「第１方向」と称する）に対して直角な方向（ＢＵＳバー３０の延伸方向と同方向であり、以下、「第２方向」と称する）に並設されている。また、正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０において、同相の変換回路を構成する半導体チップ１１，２１は、第１方向に対向する位置関係にある。
【００１６】
半導体チップ１１は、上面と下面と４つの側面とで構成された平板状のものであって、ソース電極２，ゲート電極６（制御電極）及びガードリング７を上面に有すると共に、ドレイン電極５を下面に有するシリコンチップ１と、ソース電極２に半田３によって接合されたソース電極接続部材４とを備えて構成された構造体である。半導体チップ２１は、半導体チップ１１と同一構造でその上下を逆転させて実装されたもの（図５の上下方向を軸として１８０度回転させたもの）であり、シリコンチップの上面にドレイン電極が、下面にソース電極，ゲート電極及びガードリングが位置する。ソース電極接続部材４は平板状の導電性部材であり、金属製（例えば銅製）のものである。ガードリング７はシリコンチップ１の上面或いは下面の周縁部に設けられたものであり、シリコンチップ１の上面側と下面側の電位領域の境界を形成するものである。
【００１７】
半導体チップ１１（２１）は、その両面（シリコンチップ１の上面と下面）と対向する側に配置されて接合された絶縁基板１２，１３（２２，２３）によってその両面と対向する側から挟み込まれている。絶縁基板１２，１３，２２，２３は、熱伝導率の高い窒化アルミ材などから形成されたセラミック製の平板部材である。
【００１８】
半導体チップ１１（２１）の上面（シリコンチップ１の上面）と対向する絶縁基板１２（２２）の対向面（半導体チップ１１（２１）との接合面）には配線パターン８がメタライズ加工或いはメッキ加工によって形成されている。半導体チップ１１の上面と対向する絶縁基板１２の対向面は、配線パターン８がソース電極接続部材４と電気的に接続されるように、半導体チップ１１の上面側（ソース電極接続部材４）に半田１６によって接合されている。半導体チップ２１の上面と対向する絶縁基板２２の対向面は、配線パターン８がドレイン電極５と電気的に接続されるように、半導体チップ２１の上面側（シリコンチップ１の上面）に半田２６によって接合されている。配線パターン８は金属製（例えば銅製）の薄板状或いはシート状の導電性部材である。
【００１９】
半導体チップ１１（２１）の下面（シリコンチップ１の下面）と対向する絶縁基板１３（２３）の対向面（半導体チップ１１（２１）との接合面）には配線パターン９がメタライズ加工或いはメッキ加工によって形成されている。半導体チップ１１の下面と対向する絶縁基板１２の対向面は、配線パターン９がドレイン電極５と電気的に接続されるように、半導体チップ１１の下面側（シリコンチップ１の下面）に半田１７によって接合されている。半導体チップ２１の下面と対向する絶縁基板２３の対向面は、配線パターン９がソース電極接続部材４と電気的に接続されるように、半導体チップ２１の下面側（ソース電極接続部材４）に半田１６によって接合されている。配線パターン９は金属製（例えば銅製）の薄板状或いはシート状の導電性部材である。
【００２０】
このように本実施例では、メタライズ加工或いはメッキ加工によって形成された配線パターン８，９を有する絶縁基板１２，１３（２２，２３）で半導体チップ１１（２１）をその上下両面側から挟み込んで両面配線構造を実現し、正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０における構成部品点数の削減及びワイヤレスボンディングレス化を図っている。これにより、本実施例では、正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０の電流経路を構成する部品間の配線接続点が削減され、破断などに対するリスクが大幅に減少する。従って、本実施例によれば、インバータ装置１００の信頼性を向上させることができる。
【００２１】
絶縁基板１３（２３）の半導体チップ１１（２１）側とは反対側にはブロック部材１５（２５）が配置されている。ブロック部材１５，２５は、正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０に共通に形成された１枚の金属製（例えば銅製）の熱伝導性平板であり、ベース５０を構成するものである。ブロック部材１５(２５）の絶縁基板１３(２３）との対向面は絶縁基板１３(２３)の半導体チップ１１（２１）側とは反対側の面に導電性接着剤１９（２９）によって接合されている。
【００２２】
尚、本実施例では、ブロック部材１５，２５を１枚の平板で正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０に共通に形成した例について説明したが、ブロック部材１５，２５を、対応する半導体モジュール毎に別々に形成してもよい。
【００２３】
絶縁基板１２（２２）の半導体チップ１１（２１）側とは反対側にはブロック部材１４（２４）が配置されている。ブロック部材１４，２４は金属製（例えば銅製）の熱伝導性部材であり、絶縁基板１２(２２）の半導体チップ１１(２１）側とは反対側の面に絶縁基板１２(２２）との対向面が導電性接着剤１８(２８）によって接合されている。
【００２４】
ブロック部材１４（２４）には、第１方向に貫通した貫通孔を３つ並行に形成されている。貫通孔の第１方向中央部分には半導体チップ１１（２１）と絶縁基板１２，１３（２２，２３）との積層体が接合されている。すなわちブロック部材１４（２４）は、上壁部，上壁部の第２方向両端部に設けられた側壁部，上壁部の下部に設けられ、側壁部間の空間を第２方向に３等分する２つの支柱壁部から、半導体チップ１１（２１）と絶縁基板１２，１３（２２，２３）との積層体のそれぞれを跨ぐように、ブリッジ状或いはアーチ状に一体形成されたものである。ブロック部材１４（２４）の側壁部及び支柱壁部のそれぞれはブロック部材１５（２５）に接合されている。ブロック部材１４（２４）の３等分された各空間には、半導体チップ１１（２１）と絶縁基板１２，１３（２２，２３）との積層体がその積層方向両側からブロック部材１４，１５（２４，２５）によって挟み込まれるように収納されている。ブロック部材１４（２４）の板厚は、半導体チップ１１（２１）及び絶縁基板１２，１３（２２，２３）の積層体の積層方向の厚みより大きい。
【００２５】
導電性接着剤１８，１９，２８，２９は金属片（金属フィラー）或いは金属粒子が樹脂に混合されたものである。図６は、塗布されて硬化された本実施例の導電性接着剤１８，１９，２８，２９の断面構造を示す。本実施例では導電性接着剤１８，１９，２８，２９として、針状の突起物を有する銀粒子５００がエポキシ樹脂４００に混合されたものを用いている。図から明らかなように、本実施例の導電性接着剤１８，１９，２８，２９ではエポキシ樹脂４００中において、隣り合う銀粒子５００同士が緊密に組み合わさり、かつ銀粒子５００の突起物の中にエポキシ樹脂４００が隙間無く回り込んでいる。
【００２６】
このような本実施例の導電性接着剤１８，１９，２８，２９では、球形の金属フィラーを樹脂に混合された導電性接着剤に比べて、少量の金属片或いは金属粒子で良好な導電性を実現することができると共に、機械的強度が強い。すなわち球形の金属フィラー７００を樹脂６００に混合させた導電性接着剤（図７参照）において、本実施例と同様の導電率を達成するためには、隙間無く金属フィラーを埋める必要がある。しかし、樹脂量が少なくなるので、機械的強度が弱くなる。従って、少量の金属片或いは金属粒子で良好な導電性を実現し、かつ強い機械強度を得るためには、本実施例のような導電性接着剤１８，１９，２８，２９を用いることが好ましい。
【００２７】
尚、このような針状の突起物を有する金属フィラーを混合した導電性接着剤としては、電子材料，２００１年７月，８９頁〜９６頁，導電性接着剤に記載されている。
【００２８】
積層構造の２部材間の接合に一般的に用いられている半田は、低インピーダンスで熱抵抗が小さいので、導電性及び熱伝導性に優れている。また、半導体チップの両面から熱放熱するものでは、熱応力分担によって半田の接合沿面にかかる熱疲労が軽減される。
【００２９】
しかし、本実施例のように、自動車に搭載されて熱サイクルの厳しい条件の下で使用され、電源の高規格化に伴って半導体素子に流れる電流がさらに大きくなるインバータ装置の２部材間接合であって、セラミックス製の絶縁基板と銅製のブロック部材との接合においては、両者の大きい線膨張率差によって半田接合沿面に熱疲労がかかり、そこから破断する懸念がある。このため、半田の代替接合剤として、半田のように低インピーダンスで熱抵抗が小さく、かつ半田よりも機械的強度の強い接合剤が必要になる。
【００３０】
そこで、本実施例では、上述のような導電性接着剤を２部材間接合に用いている。従って、本実施例では、自動車に搭載されて熱サイクルの厳しい条件の下で使用され、電源の高規格化に伴って半導体素子に流れる電流がさらに大きくなるインバータ装置の線膨張率差の大きい２部材間接合であっても、接合沿面にかかる熱疲労を軽減し、インバータ装置を熱サイクルの厳しい条件の下で安定に作動させることができる。よって、本実施例では、インバータ装置の信頼性を向上させることができる。また、本実施例では、半導体チップの両面から熱放熱するように構成しているので、接合沿面にかかる熱疲労をさらに軽減し、インバータ装置の信頼性をさらに向上させることができる。
【００３１】
尚、本実施例では、導電性接着剤を絶縁基板１２，１３，２２，２３とブロック部材１４，１５，２４，２５との間の接合に用いた例について説明したが、絶縁基板１２，２２（１３，２３）と配線パターン８（９）との間の接合や、シリコンリップ１のソース電極２とソース電極接続部材４との間の接合などに用いることもできる。これにより、インバータ装置の信頼性をさらに向上させることができる。
【００３２】
ＢＵＳバー３０は、下から正極側直流ＢＵＳバー３１，負極側直流ＢＵＳバー３２，ｗ相交流ＢＵＳバー３３，ｖ相交流ＢＵＳバー３４，ｕ相交流ＢＵＳバー３５の順に、正極側半導体モジュール１０と負極側半導体モジュール２０との間かつベース５０の中央に積層されている。ベース５０とＢＵＳバー３０との間及び各ＢＵＳバー間には、それらの間を電気的に絶縁する絶縁部材３６が設けられている。正極側直流ＢＵＳバー３１及び負極側直流ＢＵＳバー３２は入力配線に相当する。ｗ相交流ＢＵＳバー３３，ｖ相交流ＢＵＳバー３４，ｕ相交流ＢＵＳバー３５は出力配線に相当する。
【００３３】
正極側直流ＢＵＳバー３１の第２方向一方端には外部接続端子部３１ａが形成されている。負極側直流ＢＵＳバー３２の第２方向一方端には外部接続端子部
３２ａが形成されている。ｕ相交流ＢＵＳバー３５の第２方向他方端には外部接続端子部３５ａが形成されている。ｖ相交流ＢＵＳバー３４の第２方向他方端には外部接続端子部３４ａが形成されている。ｗ相交流ＢＵＳバー３３の第２方向他方端には外部接続端子部３３ａが形成されている。
【００３４】
本実施例のように積層構造で構成されたＢＵＳバー３０では、インバータ回路に流れる電流が交互に流れ、交互に流れる電流によって発生する磁界がお互いに相殺し合う。これにより、本実施例では、インバータ回路に寄生するリアクタンスが小さくなり、大電流スイッチング時に半導体チップ１１，２１にかかる過電圧が抑制される。従って、本実施例によれば、インバータ装置１００の信頼性を向上させることができる。
【００３５】
尚、本実施例では、上述のような順番でＢＵＳバーを積層する例について説明したが、ＢＵＳバーの積層は上述のような順番に限定されることはなく、下からｗ相交流ＢＵＳバー３３，ｖ相交流ＢＵＳバー３４，ｕ相交流ＢＵＳバー３５，負極側直流ＢＵＳバー３２，正極側直流ＢＵＳバー３１の順に積層しても何ら構わない。この場合、後述する接続部材同士の交差を防止するために、正極側半導体モジュール１０における半導体チップ１１（シリコンチップ１）の上下面及び負極側半導体モジュール２０における半導体チップ２１（シリコンチップ１）の上下面を逆転させることが好ましい。
【００３６】
図１に示す３つの半導体チップ１１のうち、第２方向左側に位置する半導体チップ１１の下面側に接合された絶縁基板１３の配線パターン９には接続導体３７の一端側が半田によって接合されている。この接続導体３７の他端側は正極側直流ＢＵＳバー３１に半田によって接合されている。これらの接合により、当該半導体チップ１１のドレイン電極５と正極側直流ＢＵＳバー３１は電気的に接続される。当該半導体チップ１１の上面側に接合された絶縁基板１２の配線パターン８には接続導体３８の一端側が半田によって接合されている。この接続導体３８の他端側はｕ相交流ＢＵＳバー３５に半田によって接合されている。これらの接合により、当該半導体チップ１１のベース電極２とｕ相交流ＢＵＳバー３５は電気的に接続される。接続導体３７，３８は金属製（例えば銅製）の平板状の導電性部材である。
【００３７】
図１に示す３つの半導体チップ２１のうち、第２方向左側に位置する半導体チップ２１の下面側に接合された絶縁基板２３の配線パターン９には接続導体３９の一端側が半田によって接合されている。この接続導体３９の他端側は負極側直流ＢＵＳバー３２に半田によって接合されている。これらの接合により、当該半導体チップ２１のベース電極２と負極側直流ＢＵＳバー３２は電気的に接続される。当該半導体チップ２１の上面側に接合された絶縁基板２２の配線パターン８には接続導体４０の一端側が半田によって接合されている。この接続導体４０の他端側はｕ相交流ＢＵＳバー３５に半田によって接合されている。これらの接合により、当該半導体チップ２１のドレイン電極５とｕ相交流ＢＵＳバー３５は電気的に接続される。接続導体３９，４０は金属製（例えば銅製）の平板状の導電性部材である。
【００３８】
図１に示す３つの半導体チップ１１のうち、第２方向中央に位置する半導体チップ１１の下面側に接合された絶縁基板１３の配線パターン９には接続導体４１の一端側が半田によって接合されている。この接続導体４１の他端側は正極側直流ＢＵＳバー３１に半田によって接合されている。これらの接合により、当該半導体チップ１１のドレイン電極５と正極側直流ＢＵＳバー３１は電気的に接続される。当該半導体チップ１１の上面側に接合された絶縁基板１２の配線パターン８には接続導体４２の一端側が半田によって接合されている。この接続導体４２の他端側はｖ相交流ＢＵＳバー３４に半田によって接合されている。これらの接合により、当該半導体チップ１１のベース電極２とｖ相交流ＢＵＳバー３４は電気的に接続される。接続導体４１，４２は金属製（例えば銅製）の平板状の導電性部材である。
【００３９】
図１に示す３つの半導体チップ２１のうち、第２方向中央に位置する半導体チップ２１の下面側に接合された絶縁基板２３の配線パターン９には接続導体４３の一端側が半田によって接合されている。この接続導体４３の他端側は負極側直流ＢＵＳバー３２に半田によって接合されている。これらの接合により、当該半導体チップ２１のベース電極２と負極側直流ＢＵＳバー３２は電気的に接続される。当該半導体チップ２１の上面側に接合された絶縁基板２２の配線パターン８には接続導体４４の一端側が半田によって接合されている。この接続導体４４の他端側はｖ相交流ＢＵＳバー３４に半田によって接合されている。これらの接合により、当該半導体チップ２１のドレイン電極５とｖ相交流ＢＵＳバー３４は電気的に接続される。接続導体４３，４４は金属製（例えば銅製）の平板状の導電性部材である。
【００４０】
図１に示す３つの半導体チップ１１のうち、第２方向右側に位置する半導体チップ１１の下面側に接合された絶縁基板１３の配線パターン９には接続導体４５の一端側が半田によって接合されている。この接続導体４５の他端側は正極側直流ＢＵＳバー３１に半田によって接合されている。これらの接合により、当該半導体チップ１１のドレイン電極５と正極側直流ＢＵＳバー３１は電気的に接続される。当該半導体チップ１１の上面側に接合された絶縁基板１２の配線パターン８には接続導体４６の一端側が半田によって接合されている。この接続導体４６の他端側はｗ相交流ＢＵＳバー３３に半田によって接合されている。これらの接合により、当該半導体チップ１１のベース電極２とｗ相交流ＢＵＳバー３３は電気的に接続される。接続導体４５，４６は金属製（例えば銅製）の平板状の導電性部材である。
【００４１】
図１に示す３つの半導体チップ２１のうち、第２方向右側に位置する半導体チップ２１の下面側に接合された絶縁基板２３の配線パターン９には接続導体４７の一端側が半田によって接合されている。この接続導体４７の他端側は負極側直流ＢＵＳバー３２に半田によって接合されている。これらの接合により、当該半導体チップ２１のベース電極２と負極側直流ＢＵＳバー３２は電気的に接続される。当該半導体チップ２１の上面側に接合された絶縁基板２２の配線パターン８には接続導体４８の一端側が半田によって接合されている。この接続導体４８の他端側はｗ相交流ＢＵＳバー３３に半田によって接合されている。これらの接合により、当該半導体チップ２１のドレイン電極５とｗ相交流ＢＵＳバー３３は電気的に接続される。接続導体４７，４８は金属製（例えば銅製）の平板状の導電性部材である。
【００４２】
前述のように本実施例では、ＢＵＳバー３０が正極側半導体モジュール１０と負極側半導体モジュール２０との間に配置されるように、正極側半導体モジュール１０，負極側半導体モジュール２０及びＢＵＳバー３０が並設されている。このような構成によれば、正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０とＢＵＳバー３０との間の電気的な接続を接続導体３７〜４８によって簡単に行える。これにより、本実施例では、インバータ装置１００の構成部品点数が削減され、インバータ装置１００の構成が簡単なものとなる。従って、本実施例によれば、インバータ装置１００の小型化及び低コスト化を図ることができる。
【００４３】
しかも、本実施例によれば、正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０の構成に対応させて、ＢＵＳバー３０を構成する各ＢＵＳバーの積層順番を工夫しているので、正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０とＢＵＳバー３０との間で接続導体３７〜４８同士が交差するようなことはない。
【００４４】
半導体チップ１１（２１）のゲート電極６には、ブロック部材１４，２４の第１方向に開口した開口部でＢＵＳバー３０側とは反対側に開口した開口部から内部に挿入された配線部材７０が金属ボール７１によって接合されている。これにより、配線部材７０はゲート電極６と電気的に接続される。配線部材７０は、制御回路部１５０からＭＯＳ−ＦＥＴ１７１〜１７３，１８１〜１８３のゲートにゲート制御信号１５１（ＭＯＳ−ＦＥＴをオン・オフさせるスイッチング制御信号）を印加する薄板状或いはシート状の信号伝送部材であり、導電性部材が樹脂フィルムによって覆われたもの或いは導電性部材が樹脂フィルムの片面に貼り付けられたものである。樹脂フィルムは、絶縁性樹脂から形成されたフレキシブル性のあるものである。金属ボール７１は、半田から形成された球形状の導電性接着部材である。
【００４５】
ゲート電極６と配線部材７０とを接合するために本実施例では上述のような配線接合を用いている。これは、シリコンチップ１の上面或いは下面の片面に設けられたガードリング７で囲われた領域内でソース電極２よりも外側にゲート電極６があり、ガードリング７の電界設計に影響を与えることのない必要距離を確保しながらゲート電極６との配線接合を行う必要があるからである。また、本実施例では、上述のような配線接合を実施可能にするために、ソース電極２と絶縁基板１２，２３の配線パターン８，９との電気的な接続を、次のような方法により実施している。
【００４６】
すなわちソース電極２と絶縁基板１２，２３の配線パターン８，９とをソース電極接続部材４を介して電気的に接続している。そして、配線部材７０とゲート電極６との配線接合スペースが得られるようにソース電極接続部材４の接合面のサイズをソース電極２の電極面サイズに限定している。また、ガードリング７と配線部材７０との間で必要な隔離距離が得られるようにソース電極接続部材４を板厚としている。これにより、シリコンチップ１と絶縁基板１２，２３との間には配線接合に必要なスペースが確保される。
【００４７】
尚、本実施例では、ゲート電極６と配線部材７０との接合を上述のような配線接合で行う場合について説明した。しかし、ゲート電極６がガードリング７で囲われた領域内でソース電極２よりも内側にある場合、ソース電極接続部材４を用いることなく絶縁基板１２，２３の配線パターン８，９とソース電極２とを接合させる場合なども考えられる。このような場合は、ソース電極２に一端側が接合された引出線（導電性のワイヤー線）の他端側を、ソース電極接続部材４或いは絶縁基板１２，２３に設けた切欠や孔を介して引き出すと共に、ガードリング７との必要距離を取りながら引き出して配線部材７０に接合するような方法を用いるのが好ましい。
【００４８】
以上説明した本実施例によれば、半導体チップ１１（２１）をその両面側から絶縁基板１２，１３（２２，２３）及びブロック部材１４，１５（２４，２５）で挟み込んで半導体チップ１１（２１）の両面に放熱路を形成し、半導体チップ１１（２１）及び絶縁基板１２，１３（２２，２３）の積層体を跨ぐようにブロック部材１４（２４）をブロック部材１５（２５）に接合して放熱路の熱流路断面積を拡大したので、半導体チップ１１（２１）の上面側から放熱されて積層体の積層方向上側の一方向に流れる熱流８０は、積層体の積層方向に垂直な面に対して四方八方の流れ（図では、積層体の積層方向に対して直角横方向の流れのみ示す）の熱流８１に拡散されてブロック部材１５（２５）に熱伝達され、半導体チップ１１（２１）の下面側から放熱されて積層体の積層方向の下側に流れる熱流８２と共に放熱体６０から外部に放熱される。
【００４９】
これにより、本実施例では、正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０の熱抵抗を大幅に低減し、正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０の温度上昇を大幅に低減することができる。本願発明者によれば、正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０の熱抵抗を従来の１／２程度に低減することができ、正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０の温度上昇を従来の１／２程度に低減する（冷却性能を従来の２倍程度に向上させる）ことができることを実験によって確認することができた。
【００５０】
従って、本実施例によれば、より小型な半導体チップ１１，２１を採用して正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０を小型化することができると共に、自動車の車載電源であるバッテリ２００の高規格化に伴って半導体チップ１１，２１に流れる電流が増加しても、正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０の温度上昇を半導体チップ１１，２１の許容温度範囲内に抑えることができる。
【００５１】
よって、本実施例では、熱サイクルの厳しい環境の下で使用されても正常に動作を維持することができる信頼性の高い、しかも小型で低コストなインバータ装置１００を提供することができる。
【００５２】
しかも、本実施例によれば、ブロック部材１４（２４）の形状をブリッジ形状或いはアーチ形状にしているので、半導体チップ１１（２１）と絶縁基板１２，１３（２２，２３）との積層体の積層方向やその直角方向に必要以上に大きくすることなく、インバータ装置１００の自動車搭載寸法を満足する範囲内で熱流断面積を拡大することができる。
【００５３】
尚、本実施例では、放熱体６０をベース５０の下面に接合した場合について説明したが、さらに放熱体をブロック部材１４，２４の上面にも接合することによって、さらに正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０の熱抵抗を１／２程度低減することができる。
【００５４】
次に、本発明の第２実施例を図９乃至図１２に基づいて説明する。図９乃至図１２は、図８の回路構成を有する実際のインバータ装置１００の構成を示す。本実施例では、正極側半導体モジュール１０（負極側半導体モジュール２０）においてブロック部材１４，１５（２４，２５）の間に挟み込まれる積層体の構成が、前例の構成と比較して異なる。本実施例では、半導体チップ１１（２１）と導電性部材７３，７４（８３，８４）と絶縁部材７５，７６（８５，８６）との積層体が前例と同様の位置関係でブロック部材１４，１５（２４，２５）に挟み込まれている。導電性部材７３，７４，８３，８４は金属製（例えば銅製）の平板状の部材である。絶縁部材７５，７６，８５，８６は、熱伝導率の高い窒化アルミ材などから形成されたセラミック製の平板部材である。
【００５５】
半導体チップ１１の上面と対向する導電性部材７３の対向面は、ソース電極接続部材４と電気的に接続されるように半導体チップ１１の上面側（ソース電極接続部材４）に半田１６によって接合されている。半導体チップ１１の下面と対向する導電性部材７４の対向面は、ドレイン電極５と電気的に接続されるように半導体チップ１１の下面側（シリコンチップ１の下面）に半田１７によって接合されている。
【００５６】
半導体チップ２１の上面と対向する導電性部材８３の対向面は、ドレイン電極５と電気的に接続されるように半導体チップ２１の上面側（シリコンチップ１の上面）に半田２６によって接合されている。半導体チップ２１の下面と対向する導電性部材８４の対向面は、ソース電極接続部材４と電気的に接続されるように半導体チップ２１の下面側（ソース電極接続部材４）に半田２７によって接合されている。
【００５７】
導電性部材７３（８３）の半導体チップ１１（２１）側とは反対側の面と対向する絶縁部材７５（８５）の対向面は、導電性部材７３（８３）の半導体チップ１１（２１）側とは反対側の面に導電性接着剤９０（９１）を介して接合されている。導電性部材７４（８４）の半導体チップ１１（２１）側とは反対側の面と対向する絶縁部材７６（８６）の対向面は、導電性部材７４（８４）の半導体チップ１１（２１）側とは反対側の面に導電性接着剤９２（９３）によって接合されている。導電性接着剤９０〜９３は、前例と同様の材料から前例と同様の構造を有するように作られたものである。
【００５８】
絶縁部材７５（８５）の導電性部材７３（８３）側とは反対側の面と対向するブロック部材１４（２４）の対向面は、絶縁部材７５（８５）の半導体チップ
１１（２１）側とは反対側の面に導電性接着剤９４（９５）によって接合されている。絶縁部材７６（８６）の導電性部材７４（８４）側とは反対側の面に対向するブロック部材１５（２５）の対向面は、絶縁部材７６（８６）の半導体チップ１１（２１）側とは反対側の面に導電性接着剤９６（９７）によって接合されている。導電性接着剤９４〜９７は、前例と同様の材料から前例と同様の構造を有するように作られたものである。
【００５９】
また、本実施例では、ＢＵＳバーの構成が前例と比較して異なる。本実施例では、ＢＵＳバーを入力配線を構成する直流用ＢＵＳバー５１と出力配線を構成する交流用ＢＵＳバー５２とに分け、お互いに直交するように配置している。直流用ＢＵＳバー５１は正極側直流ＢＵＳバー５３と負極側直流ＢＵＳバー５４から構成され、正極側半導体モジュール１０と負極側半導体モジュール２０との並設体の間に配置されている。
【００６０】
正極側直流ＢＵＳバー５３は導電性部材７３から構成されており、正極側半導体モジュール１０と負極側半導体モジュール２０との配列方向（以下、「第３方向」と称する）を正極側半導体モジュール１０から負極側半導体モジュール２０側に向かってそれぞれ延びる平板状の第１部位と、正極側半導体モジュール１０と負極側半導体モジュール２０との並設体の間（ブロック部材１４，２４の間）において、第１部位の延びる方向に対して直角で正極側半導体モジュール１０と負極側半導体モジュール２０との配列方向に対して直角な方向（以下、「第４方向」と称する）に伸びる平板状の第２部位から、第４方向断面形状がＬ字状になるように形成されている。正極側直流ＢＵＳバー５３の第４方向一方端には外部接続端子部５３ａが形成されている。
【００６１】
負極側直流ＢＵＳバー５４は導電性部材８３から構成されており、第３方向を負極側半導体モジュール２０から正極側半導体モジュール１０側に向かってそれぞれ延びる平板状の第１部位と、正極側半導体モジュール１０と負極側半導体モジュール２０との並設体の間（ブロック部材１４，２４の間）において、第１部位の延びる方向に対して直角で第４方向に伸びる平板状の第２部位から、第４方向の断面形状がＬ字状になるように形成されている。正極側直流ＢＵＳバー５３の第２部位と負極側直流ＢＵＳバー５４の第２部位は絶縁部材５５を介して第３方向に重なり合っている。負極側直流ＢＵＳバー５４の第４方向一方端には外部接続端子部５４ａが形成されている。
【００６２】
交流用ＢＵＳバー５２は、ｕ相交流ＢＵＳバー５６，ｖ相交流ＢＵＳバー５７及びｗ相交流ＢＵＳバー５８から構成されている。ｕ相交流ＢＵＳバー５６，ｖ相交流ＢＵＳバー５７及びｗ相交流ＢＵＳバー５８は、正極側半導体モジュール１０の導電性部材７４と負極側半導体モジュール２０の導電性部材８４が、対応する相毎に一体化して形成されたものであり、それぞれ第３方向を負極側半導体モジュール２０から正極側半導体モジュール１０に延び、正極側半導体モジュール１０から負極側半導体モジュール２０側とは反対側に突出した平板状のものである。
【００６３】
ｕ相交流ＢＵＳバー５６の正極側半導体モジュール１０から負極側半導体モジュール２０側とは反対側に突出した部分には外部接続端子部５６ａが形成されている。ｖ相交流ＢＵＳバー５７の正極側半導体モジュール１０から負極側半導体モジュール２０側とは反対側に突出した部分には外部接続端子部５７ａが形成されている。ｗ相交流ＢＵＳバー５８の正極側半導体モジュール１０から負極側半導体モジュール２０側とは反対側に突出した部分には外部接続端子部５８ａが形成されている。
【００６４】
尚、この他の構成は前例と同様であり、前例と同様の符号を付してその説明は省略する。
【００６５】
以上説明した本実施例によれば、前例と同様に、両面放熱路を形成し、その熱流断面積を拡大しているので、前例と同様に、正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０の熱抵抗を従来の１／２程度に低減し、正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０の温度上昇を従来の１／２程度に低減することができ、前例と同様に、正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０の小型化，正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０の温度上昇の抑制を図ることができる。従って、本実施例においても、熱サイクルの厳しい環境の下で使用されても正常に動作を維持することができる信頼性の高い、しかも小型で低コストなインバータ装置１００を提供することができる。
【００６６】
また、本実施例によれば、正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０を構成する導電性部材７３，８３を用いて直流用ＢＵＳバー５１を構成し、正極側半導体モジュール１０及び負極側半導体モジュール２０を構成する導電性部材７４，８４を用いて交流用ＢＵＳバー５２を構成しているので、前例よりも構成部品点数を減らし、インバータ装置１００の構成をより簡単にすることができる。従って、本実施例によれば、前例よりもさらに小型で低コストなインバータ装置１００を提供することができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、冷却性能を向上させることができる半導体モジュールを提供することができる。また、本発明によれば、熱サイクルの厳しい環境の下で使用されても正常に動作を維持できる信頼性の高い、しかも小型で低コストな電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例であるインバータ装置の構成を示す上平面図である。
【図２】図１のII−II矢視断面図である。
【図３】図１のIII−III矢視断面図である。
【図４】図２の１相分の構成を拡大して示す拡大断面図である。
【図５】図４の半導体チップの構成を拡大して示す拡大断面図である。
【図６】図１のインバータ装置の２部品間の接合に用いられる導電性接着剤の材料構成を示す断面図である。
【図７】図６の比較例であって、導電性接着剤の材料構成を示す断面図である。
【図８】図１のインバータ装置の回路構成を示す回路図である。
【図９】本発明の第２実施例であるインバータ装置の構成を示す上平面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ矢視断面図である。
【図１１】図９のXI−XI矢視断面図である。
【図１２】図１０の１相分の構成を拡大して示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１０…正極側半導体モジュール、１１，２１…半導体チップ、１２，１３，２２，２３…絶縁基板、１４，１５，２４，２５…ブロック部材、２０…負極側半導体モジュール、３０…ＢＵＳバー、５１…直流用ＢＵＳバー、５２…交流用ＢＵＳバー、６０…放熱部材、７３，７４，８３，８４…導電性部材、７５，７６，８５，８６…絶縁部材。

Claims (12)

1. 半導体素子、該半導体素子の両面側にそれぞれ接合された絶縁基板及び該絶縁基板の前記半導体素子側とは反対側に接合された熱伝導性部材の積層体で構成され、前記熱伝導性部材の一方が、前記半導体素子と前記絶縁基板との積層体を跨ぐように前記熱伝導性部材の他方に接合された正極側及び負極側半導体モジュールと、
   前記半導体素子と電気的に接続された入出力配線と、
   前記熱伝導性部材に熱伝達された熱を外部に放熱する放熱体とを有し、
   前記入出力配線は、前記半導体素子に電気的に接続された複数の導電性部材が絶縁部材を介して積層されたものであり、
   前記正極側及び負極側半導体モジュール並びに前記入出力配線は、前記入出力配線が前記正極側半導体モジュールと前記負極側半導体モジュールとの間に配置されるように並設されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 半導体素子、該半導体素子の両面側にそれぞれ接合され、前記半導体素子と電気的に接続された導電性部材、該導電性部材の前記半導体素子側とは反対側に接合された絶縁部材及び該絶縁部材の前記導電性部材側とは反対側に接合された熱伝導性部材の積層体で構成され、前記熱伝導性部材の一方が、前記半導体素子と前記導電性部材と前記絶縁部材との積層体を跨ぐように前記熱伝導性部材の他方に接合された正極側及び負極側半導体モジュールと、
   前記半導体素子に電気的に接続された入力配線及び出力配線と、
   前記熱伝導性部材に熱伝達された熱を外部に放熱する放熱体とを有し、
   前記入力配線は、前記正極側半導体モジュールの前記導電性部材の一方と前記負極側半導体モジュールの前記導電性部材の一方とが電気的に絶縁されて重なり、前記正極側半導体モジュールと前記負極側半導体モジュールとの並設体の間に配置されたものであり、
   前記出力配線は、前記正極側半導体モジュールの前記導電性部材の他方と前記負極側半導体モジュールの前記導電性部材の他方とが電気的に接続されて構成されたものであることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２において、
   前記入力配線は、正極側直流電流の配線と負極側直流電流の配線とが互いに絶縁されて積層されており、
   前記出力配線は、Ｕ相交流電流の配線，Ｖ相交流電流の配線、及び、Ｗ相交流電流の配線が、それぞれ絶縁されて積層されており、
   前記入力配線及び前記出力配線は、互いに絶縁されて積層されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１において、前記絶縁基板と前記熱伝導性部材は、金属片或いは金属粒子が樹脂に混合された導電性接着剤によって接合されていることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項２において、前記導電性部材と前記絶縁性部材或いは前記絶縁性部材と前記熱伝導性部材は、金属片或いは金属粒子が樹脂に混合された導電性接着剤によって接合されていることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項４又は５において、前記金属片或いは前記金属粒子は、針状或いは花弁状の突起物を有するものであり、前記突起物同士は緊密に接触していることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１において、前記正極側及び前記負極側半導体モジュールは、前記半導体素子と前記絶縁基板との積層体を複数有し、該複数の積層体の積層方向両側に前記熱伝導性部材が接合されたものであることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項２において、前記正極側及び前記負極側半導体モジュールは、前記半導体素子と前記導電性部材と前記絶縁部材との積層体を複数有し、該複数の積層体の積層方向両側に前記熱伝導性部材が接合されたものであることを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項１又は２において、前記半導体素子に制御信号を印加する制御信号配線部材を有し、該制御信号配線部材は球状の導電性接着剤によって前記半導体素子に接合されていることを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項１において、前記半導体素子に制御信号を印加する制御信号配線部材を有し、該制御信号用配線部材は、前記絶縁基板に設けられた切欠或いは貫通孔を通して外部に引き出された引出配線を介して前記半導体素子に電気的に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項２において、前記半導体素子に制御信号を印加する制御信号配線部材を有し、該制御信号用配線部材は、前記導電性部材に設けられた切欠或いは貫通孔を通して外部に引き出された引出配線を介して前記半導体素子に電気的に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
12. 請求項１又は２において、前記放熱体は、前記熱伝導性部材の一方或いは両方に接合されていることを特徴とする電力変換装置。

Images