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JP2019067813A - 半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】サージ電圧を低減できる半導体モジュールを提供すること。【解決手段】半導体モジュール１０は、上下アームを構成するＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌと、ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌを封止する封止樹脂体１３と、正極側端子２２ｐ及び負極側端子２２ｎを有する電源端子２２と、出力端子２３を備えている。電源端子及び出力端子は、封止樹脂体の同じ側面１３ｃから突出している。正極側端子、負極側端子、及び出力端子それぞれの突出部分は、出力端子が一方の端部に配置されるように、並んで配置されている。そして、出力端子とは反対の端部に配置された電源端子の突出長さが、真ん中に配置された電源端子の突出長さよりも短くされている。これにより、真ん中に配置された電源端子に連なるバスバーを、端部の電源端子を避けるように配置しなくても、並び方向に延設させることができる。【選択図】図２

Description

この明細書における開示は、半導体モジュールに関する。
特許文献１には、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において、上下アームを構成する複数の半導体素子（ＩＧＢＴ素子）は、封止樹脂体（樹脂部）により封止されている。正極側端子（高電位電源端子）、負極側端子（低電位電源端子）、及び出力端子は、封止樹脂体の同じ面から突出している。端子それぞれの突出部分は、正極側端子、負極側端子、出力端子の順に並んでいる。
特開２０１５−１２６１１９号公報
電源端子である正極側端子及び負極側端子は、バスバーを介して、たとえば平滑コンデンサに接続される。体格の小型化やインダクタンスの低減などのために、正極側端子に連なる正極側バスバー及び負極側端子に連なる負極側バスバーが、端子の並び方向に延設される。
しかしながら、上記した半導体モジュールでは、並び方向の一方の端部に配置された正極側端子の突出長さが、真ん中に配置された負極側端子の突出長さよりも長くされている。このため、正極側端子を迂回して、負極側端子に負極側バスバーを接続しなければならず、寄生インダクタンス、ひいてはサージ電圧が大きくなるという問題がある。
本開示はこのような課題に鑑みてなされたものであり、サージ電圧を低減できる半導体モジュールを提供することを目的とする。
本開示は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、技術的範囲を限定するものではない。
本開示のひとつである半導体モジュールは、
上下アームを構成する複数の半導体素子（１１Ｈ，１１Ｌ）と、
複数の半導体素子を封止する封止樹脂体（１３）と、
複数の半導体素子のいずれかと接続され、封止樹脂体から突出する正極側端子（２２ｐ）と、複数の半導体素子のいずれかと接続され、封止樹脂体から突出する負極側端子（２２ｎ）と、を有する電源端子（２２）と、
複数の半導体素子のいずれかと接続され、封止樹脂体から突出する出力端子（２３）と、
を備え、
正極側端子、負極側端子、及び出力端子は、封止樹脂体の同じ面から突出するとともに、出力端子が一方の端部に配置されるようにそれぞれの突出部分が並んで配置され、
出力端子とは反対の端部に配置された電源端子の突出長さが、真ん中に配置された電源端子の突出長さよりも短くされている。
この半導体モジュールによれば、端部に配置された電源端子の突出長さが短いため、真ん中の電源端子に連なるバスバーを、端部の電源端子を避けるように配置しなくても、並び方向に延設させることができる。このように、バスバーの迂回を抑制することができるため、寄生インダクタンスを低減することができる。また、迂回の抑制により、正極側端子に連なるバスバーと負極側端子に連なるバスバーとの対向配置が可能となり、これによっても寄生インダクタンスを低減することができる。以上により、サージ電圧を低減することができる。
第１実施形態の半導体モジュールが適用される電力変換装置を示す等価回路図である。 半導体モジュールの概略構成を示す平面図である。 封止樹脂体を省略した平面図である。 図２のIV-IV線に沿う断面図である。 比較例を示す平面図である。 第２実施形態の半導体モジュールを示す平面図である。 変形例を示す平面図である。 第３実施形態の半導体モジュールを示す平面図である。 第４実施形態の半導体モジュールを示す平面図である。 第５実施形態の半導体モジュールを示す平面図である。 ＸＩ方向から見た半導体モジュールの平面図である。
図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的に及び／又は構造的に対応する部分には同一の参照符号を付与する。以下において、半導体素子（ＩＧＢＴ）の厚み方向をＺ方向、Ｚ方向に直交し、電源端子及び出力端子の並び方向をＸ方向と示す。また、Ｚ方向及びＸ方向の両方向に直交する方向をＹ方向と示す。特に断わりのない限り、ＸＹ面視したときの形状（ＸＹ平面に沿う形状）を平面形状とする。ＸＹ面視は、Ｚ方向の投影視とも言える。
（第１実施形態）
以下において、符号末尾のＨは、上下アームのうち、上アーム側の要素であることを示し、末尾のＬは、下アーム側の要素であることを示す。要素の一部には、上アーム及び下アームを明確にするために末尾にＨ，Ｌを付与し、別の一部については、上アームと下アームとで共通符号としている。
先ず、図１に基づき、半導体モジュールが適用される電力変換装置について説明する。
図１に示す電力変換装置１は、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される。電力変換装置１は、車両に搭載された直流電源２から供給される直流電圧を、三相交流に変換して、三相交流方式のモータ３に出力するように構成されている。モータ３は、車両の走行駆動源として機能する。電力変換装置１は、モータ３により発電された電力を、直流に変換して直流電源２に充電することもできる。このように、電力変換装置１は、双方向の電力変換が可能となっている。
電力変換装置１は、平滑コンデンサ４及びインバータ５を備えている。平滑コンデンサ４の正極側の端子は、直流電源２の高電位側の電極である正極に接続され、負極側の端子は、直流電源２の低電位側の電極である負極に接続されている。インバータ５は、入力された直流電力を所定周波数の三相交流に変換し、モータ３に出力する。インバータ５は、モータ３により発電された交流電力を、直流電力に変換する。
インバータ５は、６つのアームよりなる。インバータ５は、三相分の上下アームにより構成されている。各相の上下アームは、正極側の電源ラインである正極側ライン６と、負極側の電源ラインである負極側ライン７との間で、２つのアームが直列に接続されてなる。正極側ライン６は高電位電源ライン、負極側ライン７は低電位電源ラインとも称される。各相の上下アームにおいて、上アームと下アームとの接続点は、モータ３への出力ライン８に接続されている。
本実施形態では、各アームを構成する半導体素子として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴと示す）を採用している。半導体モジュール１０は、直列接続された２つのＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌを備えている。ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌのそれぞれには、還流用のダイオードであるＦＷＤ１２Ｈ，１２Ｌが逆並列に接続されている。このように、上下アームは、２つのＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌを有して構成されている。図１に示す符号１１ｇは、ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌのゲート電極である。このように、半導体素子はゲート電極１１ｇを有している。
また、ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌとしてｎチャネル型を採用している。上アームを構成するＩＧＢＴ１１Ｈのコレクタ電極１１ｃが、正極側ライン６と電気的に接続されている。下アームを構成するＩＧＢＴ１１Ｌのエミッタ電極１１ｅが、負極側ライン７と電気的に接続されている。そして、上アーム側のＩＧＢＴ１１Ｈのエミッタ電極１１ｅと、下アーム側のＩＧＢＴ１１Ｌのコレクタ電極１１ｃが相互に接続されている。
電力変換装置１は、上記した平滑コンデンサ４及びインバータ５に加えて、直流電源２から供給される直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ、インバータ５や昇圧コンバータを構成する半導体素子の動作を制御するゲート駆動回路などを備えてもよい。
次に、図２〜図４に基づき、半導体モジュール１０について説明する。
図２〜図４に示すように、半導体モジュール１０は、ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌ、封止樹脂体１３、第１ヒートシンク１４Ｈ，１４Ｌ、ターミナル１６、第２ヒートシンク１８Ｈ，１８Ｌ、継手部２０、電源端子２２、出力端子２３、及び信号端子２４を備えている。本実施形態の半導体モジュール１０は、さらにバスバー２６を備えている。
半導体素子としてのＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌは、シリコンやシリコンカーバイドなどの半導体基板（半導体チップ）に構成されている。本実施形態では、上記したようにＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌがいずれもｎチャネル型とされている。ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌには、ＦＷＤ１２Ｈ，１２Ｌも一体的に形成されている。詳しくは、ＩＧＢＴ１１ＨにＦＷＤ１２Ｈが形成され、ＩＧＢＴ１１ＬにＦＷＤ１２Ｌが形成されている。このように、ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌとして、ＲＣ（Reverse Conducting）−ＩＧＢＴを採用している。
ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌは、Ｚ方向に電流が流れるように縦型構造をなしている。ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌには、上記したゲート電極１１ｇもそれぞれ形成されている。ゲート電極１１ｇはトレンチ構造をなしている。図４に示すように、ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌの板厚方向、すなわちＺ方向において、ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌの一面にコレクタ電極１１ｃがそれぞれ形成され、一面と反対の裏面にエミッタ電極１１ｅがそれぞれ形成されている。コレクタ電極１１ｃはＦＷＤ１２Ｈ，１２Ｌのカソード電極も兼ねており、エミッタ電極１１ｅはＦＷＤ１２Ｈ，１２Ｌのアノード電極も兼ねている。
ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌは、互いにほぼ同じ平面形状、詳しくは平面略矩形状をなすとともに、互いにほぼ同じ大きさとほぼ同じ厚みを有している。ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌは、互いに同じ構成となっている。ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌは、お互いのコレクタ電極１１ｃがＺ方向における同じ側となり、お互いのエミッタ電極１１ｅがＺ方向における同じ側となるように配置されている。ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌは、Ｚ方向においてほぼ同じ高さに位置するとともに、Ｘ方向に横並びで配置されている。
ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌの裏面、すなわちエミッタ電極形成面には、図示を省略するが、信号用の電極であるパッドが形成されている。パッドは、エミッタ電極１１ｅとは別の位置に形成されている。パッドは、エミッタ電極１１ｅと電気的に分離されている。パッドは、Ｙ方向において、エミッタ電極１１ｅの形成領域とは反対側の端部に形成されている。
本実施形態では、各ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌが、それぞれ５つのパッドを有している。詳しくは、５つのパッドとして、ゲート電極用、エミッタ電極１１ｅの電位を検出するケルビンエミッタ用、電流センス用、ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌの温度を検出する温度センサ（感温ダイオード）のアノード電位用、同じくカソード電位用を有している。５つのパッドは、平面略矩形状のＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌにおいて、Ｙ方向の一端側にまとめて形成されるとともに、Ｘ方向に並んで形成されている。
封止樹脂体１３は、ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌを封止している。封止樹脂体１３は、たとえばエポキシ系樹脂からなる。封止樹脂体１３は、たとえばトランスファモールド法により成形されている。封止樹脂体１３は、Ｚ方向に直交する一面１３ａと、一面１３ａと反対の裏面１３ｂと、一面１３ａと裏面１３ｂとをつなぐ側面を有している。一面１３ａ及び裏面１３ｂは、たとえば平坦面となっている。
第１ヒートシンク１４Ｈ，１４Ｌは、対応するＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌの熱を半導体モジュール１０の外部に放熱する機能を果たすとともに、配線としての機能も果たす。このため、熱伝導性及び電気伝導性を確保すべく、少なくとも金属材料を用いて形成されている。本実施形態では、第１ヒートシンク１４Ｈ，１４Ｌが、Ｚ方向からの投影視において、対応するＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌを内包するように設けられている。第１ヒートシンク１４Ｈ，１４Ｌは、対応するＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌに対して、封止樹脂体１３の一面１３ａ側に配置されている。
第１ヒートシンク１４Ｈ，１４Ｌは、対応するＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌのコレクタ電極１１ｃと、はんだ１５を介して接続されている。第１ヒートシンク１４Ｈ，１４Ｌそれぞれの大部分は封止樹脂体１３によって覆われている。第１ヒートシンク１４Ｈ，１４Ｌの表面のうち、ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌとは反対の放熱面１４ａが、封止樹脂体１３から露出されている。放熱面１４ａは、一面１３ａと略面一となっている。第１ヒートシンク１４Ｈ，１４Ｌの表面のうち、はんだ１５との接続部及び放熱面１４ａを除く部分は、封止樹脂体１３によって覆われている。
詳しくは、第１ヒートシンク１４Ｈにおける放熱面１４ａと反対の面には、ＩＧＢＴ１１Ｈのコレクタ電極１１ｃが、はんだ１５を介して接続されている。第１ヒートシンク１４Ｌにおける放熱面１４ａと反対の面には、ＩＧＢＴ１１Ｌのコレクタ電極１１ｃが、はんだ１５を介して接続されている。第１ヒートシンク１４Ｈ，１４Ｌは、Ｘ方向に並んで配置されるとともに、Ｚ方向においてほぼ同じ位置に配置されている。第１ヒートシンク１４Ｈ，１４Ｌの放熱面１４ａは、封止樹脂体１３の一面１３ａから露出されるとともに、互いにＸ方向に並んでいる。
ターミナル１６は、対応するＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌと第２ヒートシンク１８Ｈ，１８Ｌとの間に介在している。ターミナル１６は、ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌと第２ヒートシンク１８Ｈ，１８Ｌとの熱伝導、電気伝導経路の途中に位置するため、熱伝導性及び電気伝導性を確保すべく、少なくとも金属材料を用いて形成されている。ターミナル１６は、エミッタ電極１１ｅに対向配置され、はんだ１７を介してエミッタ電極１１ｅと接続されている。ターミナル１６は、ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌごとに設けられている。
第２ヒートシンク１８Ｈ，１８Ｌも、第１ヒートシンク１４Ｈ，１４Ｌ同様、対応するＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌの熱を半導体モジュール１０の外部に放熱する機能を果たすとともに、配線としての機能も果たす。本実施形態では、第２ヒートシンク１８Ｈ，１８Ｌが、Ｚ方向からの投影視において、対応するＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌを内包するように設けられている。第２ヒートシンク１８Ｈ，１８Ｌは、Ｚ方向において、対応するＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌに対し、封止樹脂体１３の裏面１３ｂ側に配置されている。
第２ヒートシンク１８Ｈ，１８Ｌは、対応するＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌのエミッタ電極１１ｅと電気的に接続されている。詳しくは、第２ヒートシンク１８Ｈ，１８Ｌは、対応するエミッタ電極１１ｅと、はんだ１７、ターミナル１６、及びはんだ１９を介して、電気的に接続されている。第２ヒートシンク１８Ｈ，１８Ｌの大部分は封止樹脂体１３によって覆われている。第２ヒートシンク１８Ｈ，１８Ｌの表面のうち、ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌとは反対の放熱面１８ａが、封止樹脂体１３から露出されている。放熱面１８ａは、裏面１３ｂと略面一となっている。第２ヒートシンク１８Ｈ，１８Ｌの表面のうち、はんだ１９との接続部及び放熱面１８ａを除く部分は、封止樹脂体１３によって覆われている。
詳しくは、第２ヒートシンク１８Ｈにおける放熱面１８ａと反対の面には、ＩＧＢＴ１１Ｈに対応するターミナル１６が、はんだ１９を介して接続されている。第２ヒートシンク１８Ｌにおける放熱面１８ａと反対の面には、ＩＧＢＴ１１Ｌに対応するターミナル１６が、はんだ１９を介して接続されている。第２ヒートシンク１８Ｈ，１８Ｌは、Ｘ方向に並んで配置されるとともに、Ｚ方向においてほぼ同じ位置に配置されている。そして、第２ヒートシンク１８Ｈ，１８Ｌの放熱面１８ａが、封止樹脂体１３の裏面１３ｂから露出されるとともに、互いにＸ方向に並んでいる。
継手部２０は、第１継手部２０ａ、第２継手部２０ｂ、及び第３継手部２０ｃを有している。第１継手部２０ａ及び第２継手部２０ｂは、上アームと下アームとを電気的に中継する。第１継手部２０ａ及び第２継手部２０ｂは、上アーム側の第２ヒートシンク１８Ｈと、下アーム側の第１ヒートシンク１４Ｌとを電気的に接続している。
本実施形態において、第１継手部２０ａは、同一の金属板を加工することで第２ヒートシンク１８Ｈと一体的に設けられている。第１継手部２０ａは、封止樹脂体１３に被覆されるように、第２ヒートシンク１８Ｈよりも薄く設けられている。第１継手部２０ａは、第２ヒートシンク１８ＨにおけるＩＧＢＴ１１Ｈ側の面と略面一となるように、第２ヒートシンク１８Ｈに連なっている。第１継手部２０ａは、薄板状をなしており、第２ヒートシンク１８Ｈにおける第２ヒートシンク１８Ｌ側の側面からＸ方向に延びている。
第２継手部２０ｂも、第１継手部２０ａ同様、同一の金属板を加工することで第１ヒートシンク１４Ｌと一体的に設けられている。第２継手部２０ｂは、封止樹脂体１３に被覆されるように、第１ヒートシンク１４Ｌよりも薄く設けられている。第２継手部２０ｂは、第１ヒートシンク１４ＬにおけるＩＧＢＴ１１Ｌ側の面に略面一で連なっている。第２継手部２０ｂは、第１ヒートシンク１４Ｌにおける第１ヒートシンク１４Ｈ側の側面から、第２ヒートシンク１８Ｈに向けて延設されている。第２継手部２０ｂは、Ｚ方向からの平面視において、Ｘ方向に延設されている。本実施形態では、図４に示すように、第２継手部２０ｂが屈曲部を２箇所有している。第２継手部２０ｂの先端部分は、Ｚ方向からの投影視において、第１継手部２０ａと重なっている。そして、第２継手部２０ｂと第１継手部２０ａとが、はんだ２１を介して接続されている。
第３継手部２０ｃは、図３に示すように、第２ヒートシンク１８Ｌと出力端子２３とを電気的に中継する。第３継手部２０ｃは、第２ヒートシンク１８Ｌに連なっている。本実施形態では、同一の金属板を加工することで、第３継手部２０ｃが第２ヒートシンク１８Ｌと一体的に設けられている。第３継手部２０ｃは、第２ヒートシンク１８Ｌにおける第２ヒートシンク１８Ｈ側の側面からＸ方向に延びている。また、Ｙ方向において、第２継手部２０ｂと横並びとなるように設けられている。
なお、第１継手部２０ａを、第１ヒートシンク１４Ｌとは別部材とし、第１ヒートシンク１４Ｌに接続することで第１ヒートシンク１４Ｌに連なる構成としてもよい。同様に、第２継手部２０ｂを、第２ヒートシンク１８Ｈとは別部材とし、第２ヒートシンク１８Ｈに接続することで第２ヒートシンク１８Ｈに連なる構成としてもよい。第３継手部２０ｃを、第２ヒートシンク１８Ｌとは別部材とし、第２ヒートシンク１８Ｌに接続することで第２ヒートシンク１８Ｌに連なる構成としてもよい。第１継手部２０ａ及び第２継手部２０ｂの一方のみにより、上アームと下アームとを電気的に接続することもできる。
電源端子２２は、正極側端子２２ｐ及び負極側端子２２ｎを有している。正極側端子２２ｐは、平滑コンデンサ４の正極側の端子と電気的に接続される。正極側端子２２ｐは、正極側ライン６と電気的に接続される。正極側端子２２ｐは、主電流が流れる主端子である。正極側端子２２ｐは、高電位電源端子、Ｐ端子とも称される。正極側端子２２ｐは、第１ヒートシンク１４Ｈに連なっており、第１ヒートシンク１４ＨからＹ方向に延設されている。本実施形態では、同一の金属板を加工することで、正極側端子２２ｐが第１ヒートシンク１４Ｈと一体的に設けられている。正極側端子２２ｐは、第１ヒートシンク１４ＨにおけるＹ方向の一端に連なっている。正極側端子２２ｐは、Ｙ方向に延設されて、封止樹脂体１３の側面１３ｃから外部に突出している。
負極側端子２２ｎは、平滑コンデンサ４の負極側の端子と電気的に接続される。負極側端子２２ｎは、負極側ライン７と電気的に接続される。負極側端子２２ｎは、主電流が流れる主端子である。負極側端子２２ｎは、低電位電源端子、Ｎ端子とも称される。負極側端子２２ｎは、その一部が、Ｚ方向からの投影視において第３継手部２０ｃと重なるように配置されている。負極側端子２２ｎは、Ｚ方向において、第３継手部２０ｃに対してＩＧＢＴ１１Ｌ側に配置されている。図示を省略するが、負極側端子２２ｎと第３継手部２０ｃも、はんだを介して接続されている。負極側端子２２ｎは、Ｙ方向に延設されて、正極側端子２２ｐと同じ側面１３ｃから外部に突出している。
出力端子２３は、上下アームの接続点と電気的に接続される。出力端子２３は、主電流が流れる主端子である。出力端子２３は、モータ３の対応する相のコイルと電気的に接続される。出力端子２３は、交流端子、Ｏ端子とも称される。出力端子２３は、第１ヒートシンク１４Ｌに連なっており、第１ヒートシンク１４ＬからＹ方向であって正極側端子２２ｐと同じ側に延設されている。本実施形態では、同一の金属板を加工することで、出力端子２３が第１ヒートシンク１４Ｌと一体的に設けられている。出力端子２３は、第１ヒートシンク１４ＬにおけるＹ方向の一端に連なっている。出力端子２３は、Ｙ方向に延設されて、正極側端子２２ｐ及び負極側端子２２ｎと同じ側面１３ｃから外部に突出している。
正極側端子２２ｐ、負極側端子２２ｎ、及び出力端子２３それぞれの封止樹脂体１３からの突出部分は、Ｚ方向において互いにほぼ同じ位置に配置されている。また、Ｘ方向において、正極側端子２２ｐ、負極側端子２２ｎ、及び出力端子２３の順に並んで配置されている。すなわち、一方の端部に出力端子２３の突出部分が配置され、他方の端部に正極側端子２２ｐの突出部分が配置されている。そして、真ん中に、負極側端子２２ｎの突出部分が配置されている。このように、正極側端子２２ｐの隣りに、負極側端子２２ｎが配置されている。
正極側端子２２ｐ、負極側端子２２ｎ、及び出力端子２３はそれぞれ略平板状とされ、Ｚ方向の厚みが互いに略等しくされている。よって、正極側端子２２ｐ、負極側端子２２ｎ、及び出力端子２３それぞれの突出部分の厚みが、互いに略等しくされている。また、正極側端子２２ｐ、負極側端子２２ｎ、及び出力端子２３それぞれの突出部分の幅が、互いに略等しくされている。ここで、幅とは、側面１３ｃからの突出方向であるＹ方向及び板厚方向であるＺ方向の両方向に直交する方向、すなわちＸ方向の長さである。
また、正極側端子２２ｐの突出長さが、負極側端子２２ｎの突出長さよりも短くされている。ここで、突出長さとは、封止樹脂体１３の側面１３ｃを位置の基準として、外部に延設された長さである。本実施形態では、出力端子２３の突出長さが、負極側端子２２ｎの突出長さよりも長くされている。すなわち、突出長さは、正極側端子２２ｐが最も短くされ、出力端子２３が最も長くされている。負極側端子２２ｎの突出長さは、中間の長さとされている。
なお、正極側端子２２ｐを、第１ヒートシンク１４Ｈとは別部材とし、第１ヒートシンク１４Ｈに接続することで第１ヒートシンク１４Ｈに連なる構成としてもよい。負極側端子２２ｎを、第３継手部２０ｃ、ひいては第２ヒートシンク１８Ｌと一体的に設けてもよい。出力端子２３を、第１ヒートシンク１４Ｌとは別部材とし、第１ヒートシンク１４Ｌに接続することで第１ヒートシンク１４Ｌに連なる構成としてもよい。
信号端子２４は、対応するＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌのパッドに、ボンディングワイヤ２５を介して電気的に接続されている。本実施形態では、アルミニウム系のボンディングワイヤ２５を採用している。信号端子２４は、Ｙ方向に延設されており、封止樹脂体１３の側面１３ｃと反対の面から外部に突出している。
本実施形態では、第１ヒートシンク１４Ｈ，１４Ｌ、第１継手部２０ａ、正極側端子２２ｐ、負極側端子２２ｎ、出力端子２３、及び信号端子３４が、同一の金属板（リードフレーム）から構成されている。
バスバー２６は、上下アームを構成するＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌと外部機器、具体的には平滑コンデンサ４とを電気的に中継する。バスバー２６は、正極側バスバー２６ｐ及び負極側バスバー２６ｎを有している。正極側バスバー２６ｐは、ＩＧＢＴ１１Ｈのコレクタ電極１１ｃと平滑コンデンサ４の正極側の端子とを電気的に中継する。正極側バスバー２６ｐは、正極側ライン６の少なくとも一部を構成している。正極側バスバー２６ｐの一端は、正極側端子２２ｐの突出部分の先端付近に連なっている。
負極側バスバー２６ｎは、ＩＧＢＴ１１Ｌのエミッタ電極１１ｅと平滑コンデンサ４の負極側の端子とを電気的に中継する。負極側バスバー２６ｎは、負極側ライン７の少なくとも一部を構成している。負極側バスバー２６ｎの一端は、負極側端子２２ｎの突出部分の先端付近に連なっている。
正極側バスバー２６ｐ及び負極側バスバー２６ｎは、対応する電源端子２２との連結部分から少なくとも一部において、板厚方向をＹ方向とし、Ｘ方向に延設されている。正極側バスバー２６ｐ及び負極側バスバー２６ｎは、Ｙ方向において所定のギャップ（間隔）を有して対向配置されている。換言すれば、正極側バスバー２６ｐと負極側バスバー２６ｎとが、平行平板配置とされている。正極側バスバー２６ｐにおける板厚方向の面に連なる端面が、正極側端子２２ｐにおける板厚方向の面に接続されている。同様に、負極側バスバー２６ｎにおける板厚方向の面に連なる端面が、負極側端子２２ｎにおける板厚方向の面に接続されている。本実施形態では、レーザ溶接により、電源端子２２と対応するバスバー２６が接続されている。
なお、正極側バスバー２６ｐと負極側バスバー２６ｎとの間に、絶縁紙や絶縁板などの図示しない絶縁体を配置し、正極側バスバー２６ｐ、絶縁体、負極側バスバー２６ｎの積層構造としてもよい。これにより、寄生インダクタンスを低減することができる。
以上のように構成される半導体モジュール１０では、封止樹脂体１３により、ＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌ、第１ヒートシンク１４Ｈ，１４Ｌそれぞれの一部、ターミナル１６、第２ヒートシンク１８Ｈ，１８Ｌそれぞれの一部、電源端子２２それぞれの一部、出力端子の一部、及び信号端子３５の一部が、一体的に封止されている。半導体モジュール１０では、封止樹脂体１３によって、一相分の上下アームを構成する２つのＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌが封止されている。このため、半導体モジュール１０は、２ｉｎ１パッケージとも称される。
第１ヒートシンク１４Ｈ，１４Ｌそれぞれの放熱面１４ａは、同一面内に位置するとともに、封止樹脂体１３の一面１３ａと略面一となっている。同じく、第２ヒートシンク１８Ｈ，１８Ｌそれぞれの放熱面１８ａは、同一面内に位置するとともに、封止樹脂体１３の裏面１３ｂと略面一となっている。このように、半導体モジュール１０は、放熱面１４ａ，１８ａがともに封止樹脂体１３から露出された両面放熱構造をなしている。
次に、半導体モジュール１０及び電力変換装置１の効果について説明する。
図５の比較例は、従来構成の半導体モジュールを示している。図５では、本実施形態の要素と同一又は関連する要素について、本実施形態の符号の末尾にｒを付け加えて示している。
図５に示す半導体モジュール１０ｒでは、正極側端子２２ｐｒの突出長さが、負極側端子２２ｎｒの突出長さよりも長くされている。このため、真ん中に配置された負極側端子２２ｎｒに連なる負極側バスバー２６ｎｒをＸ方向に延設させるには、端部に配置された正極側端子２２ｐｒを避けるように配置しなければならない。このように、正極側端子２２ｐｒを迂回しなければならず、負極側バスバー２６ｎｒの長さが長くなるため、寄生インダクタンス、ひいてはサージ電圧が増大してしまう。
これに対し、本実施形態では、図２に示したように、正極側端子２２ｐの突出長さが負極側端子２２ｎの突出長さよりも短くされている。このため、負極側バスバー２６ｎを、端部に配置された正極側端子２２ｐを避けるように配置しなくても、Ｘ方向に延設させることができる。このように、負極側バスバー２６ｎの迂回を抑制することができるため、電源端子２２に対してＸ方向からバスバー２６が接続される構成において、寄生インダクタンスを低減することができる。また、迂回の抑制により、正極側端子２２ｐに連なる正極側バスバー２６ｐと負極側端子２２ｎに連なる負極側バスバー２６ｎとの対向配置が可能となる。対向配置も寄生インダクタンスの低減に寄与する。以上により、サージ電圧を低減することができる。
特に本実施形態では、主端子である正極側端子２２ｐ、負極側端子２２ｎ、及び出力端子２３それぞれの突出部分において、幅及び厚みがそれぞれ等しくされている。厚みが互いにほぼ等しいため、封止樹脂体１３の成形時に、型との間に隙間が生じるのを抑制することができる。また、型の構成も簡素化することができる。さらには、型によって挟まれることで受ける圧力の偏りを抑制することもできる。また、幅が互いにほぼ等しいため、定格電流密度を確保しつつ、並び方向であるＸ方向の体格を小型化することができる。
なお、本実施形態では、半導体モジュール１０がバスバー２６を備える例を示した。しかしながら、これに限定されない。バスバー２６を備えない構成としてもよい。バスバー２６を備えない構成においても、正極側端子２２ｐの突出長さが負極側端子２２ｎの突出長さよりも短くされる。このため、電源端子２２に対してＸ方向からバスバー２６が接続される構成において、迂回の抑制により寄生インダクタンスを低減し、ひいてはサージ電圧を低減することができる。
また、負極側端子２２ｎの突出部分が真ん中に配置され、正極側端子２２ｐの突出部分が出力端子２３とは反対の端部に配置される例を示した。しかしながら、これに限定されない。真ん中に正極側端子２２ｐが配置され、端部に負極側端子２２ｎが配置される構成において、負極側端子２２ｎの突出長さが正極側端子２２ｐの突出長さよりも短くされてもよい。
（第２実施形態）
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体モジュール１０及び電力変換装置１と共通する部分についての説明は省略する。
本実施形態では、図６に示すように、正極側端子２２ｐ及び負極側端子２２ｎそれぞれの突出部分における幅が、出力端子２３の突出部分における幅よりも広くされている。一方、電源端子２２の突出部分の厚み及び出力端子２３の突出部分の厚みは、互いに略等しくされている。以上により、電源端子２２である正極側端子２２ｐ及び負極側端子２２ｎそれぞれの突出部分の断面積が、出力端子２３の突出部分の断面積よりも大きくされている。断面積とは、突出方向であるＹ方向に直交する面積である。
このように、本実施形態では、電源端子２２である正極側端子２２ｐ及び負極側端子２２ｎそれぞれの突出部分の幅を広くして断面積を大きくしている。これにより、電源端子２２の寄生インダクタンスを低減し、ひいてはサージ電圧を低減することができる。なお、出力端子２３の寄生インダクタンスは、サージ電圧には関係しない。
図７の変形例に示すように、正極側端子２２ｐ及び負極側端子２２ｎそれぞれの突出部分を出力端子２３の突出部分よりも厚くし、これにより断面積を大きくしてもよい。図７では、電源端子２２の突出部分の幅及び出力端子２３の突出部分の幅が、互いに略等しくされている。幅及び板厚の両方を調整することで、断面積を異ならせてもよい。
なお、バスバー２６を備えない構成としてもよい。また、真ん中に正極側端子２２ｐ、端部に負極側端子２２ｎが配置される構成としてもよい。
（第３実施形態）
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体モジュール１０及び電力変換装置１と共通する部分についての説明は省略する。
本実施形態では、図８に示すように、電源端子２２である正極側端子２２ｐ及び負極側端子２２ｎのうち、真ん中に配置された負極側端子２２ｎの突出部分の幅が端部に配置された正極側端子２２ｐの突出部分の幅よりも広くされている。一方、負極側端子２２ｎの突出部分の厚み及び正極側端子２２ｐの突出部分の厚みは、互いに略等しくされている。以上により、負極側端子２２ｎの突出部分の断面積が、正極側端子２２ｐの突出部分の断面積よりも大きくされている。
このように、本実施形態では、隣り合う２つの電源端子２２のうち、真ん中に配置される負極側端子２２ｎの突出部分を広くして断面積を大きくしている。これにより、電源端子２２とバスバー２６を合わせた寄生インダクタンスのバランスを、正極側と負極側で近づける、好ましくは略等しくすることができる。したがって、上下アームを構成するＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌのサージストレスを互いに近づける、好ましくは略等しくすることができる。これにより、たとえば駆動回路や放熱構造の仕様をＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌで合わせることができる。
なお、図示を省略するが、負極側端子２２ｎの突出部分を正極側端子２２ｐの突出部分よりも厚くし、これにより断面積を大きくしてもよい。
また、バスバー２６を備えない構成としてもよい。真ん中に正極側端子２２ｐ、端部に負極側端子２２ｎが配置される構成としてもよい。
（第４実施形態）
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体モジュール１０及び電力変換装置１と共通する部分についての説明は省略する。
本実施形態では、図９に示すように、半導体モジュール１０が、正極側バスバー２６ｐ及び負極側バスバー２６ｎを備えている。そして、真ん中に配置された負極側端子２２ｎに連なる負極側バスバー２６ｎが、端部に配置された正極側端子２２ｐに連なる正極側バスバー２６ｐよりも厚くされている。一方、負極側バスバー２６ｎの幅及び正極側バスバー２６ｐの幅は、互いに略等しくされている。以上により、負極側バスバー２６ｎの断面積が、正極側バスバー２６ｐの断面積よりも大きくされている。なお、断面積とは、延設方向に直交する面積である。幅とは、延設方向及び厚み方向の両方向に直交する方向、すなわちＺ方向の長さである。
このように、バスバー２６のうち、真ん中の負極側端子２２ｎに連なる負極側バスバー２６ｎを厚くして断面積を大きくしている。これにより、第３実施形態同様、電源端子２２とバスバー２６を合わせた寄生インダクタンスのバランスを、正極側と負極側で近づける、好ましくはほぼ等しくすることができる。したがって、上下アームを構成するＩＧＢＴ１１Ｈ，１１Ｌのサージストレスを互いに近づける、好ましくは略等しくすることができる。
なお、図示を省略するが、負極側バスバー２６ｎの幅を広くし、これにより断面積を大きくしてもよい。また、真ん中に正極側端子２２ｐ、端部に負極側端子２２ｎが配置される構成において、正極側バスバー２６ｐの断面積を負極側バスバー２６ｎよりも大きくしてもよい。
（第５実施形態）
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体モジュール１０及び電力変換装置１と共通する部分についての説明は省略する。
本実施形態では、図１０に示すように、出力端子２３とは反対の端部に配置された電源端子２２である正極側端子２２ｐの突出部分に、切り欠き２７が形成されている。切り欠き２７は、正極側端子２２ｐをその板厚方向に貫通している。切り欠き２７は、幅方向であるＹ方向の両端にそれぞれ形成されている。正極側端子２２ｐにおいて、切り欠き２７の形成された部分は、切り欠き２７の形成されていない部分に対して幅の狭い部分とされている。切り欠き２７は、第１切り欠きに相当する。
このように、切り欠き２７を設けることで、正極側端子２２ｐのばね性が高まる。迂回を抑制するために正極側端子２２ｐの長さを短くしながらも、正極側端子２２ｐのばね変形により、車両走行時の振動などの応力を緩和することができる。したがって、正極側端子２２ｐ及び正極側バスバー２６ｐの接続信頼性を向上することができる。
なお、屈曲部を設けてばね性を高めると、正極側端子２２ｐの突出長さが長くなり、寄生インダクタンスが増加してしまう。これに対し、本実施形態では、切り欠き２７によってばね性を高めているため、屈曲部を設ける場合に較べて寄生インダクタンスの増加を抑制しつつ、接続信頼性を向上することができる。
また、本実施形態では、真ん中に配置された電源端子２２である負極側端子２２ｎの突出部分にも、切り欠き２８が形成されている。切り欠き２８は、負極側端子２２ｎをその板厚方向に貫通している。切り欠き２８は、幅方向であるＹ方向の両端にそれぞれ形成されている。負極側端子２２ｎにおいて、切り欠き２８の形成された部分は、切り欠き２８の形成されていない部分に対して幅の狭い部分とされている。切り欠き２８は、第２切り欠きに相当する。
このように、切り欠き２８を設けることで、負極側端子２２ｎのばね性が高まる。寄生インダクタンスを低減するために、出力端子２３よりも突出長さを短くしながらも、負極側端子２２ｎのばね変形により、振動などの応力を緩和することができる。したがって、負極側端子２２ｎ及び負極側バスバー２６ｎの接続信頼性を向上することができる。
なお、屈曲部によりばね性を高めると、負極側端子２２ｎの突出長さが長くなり、寄生インダクタンスが増加してしまう。これに対し、本実施形態では、切り欠き２８によってばね性を高めているため、屈曲部を設ける場合に較べて寄生インダクタンスの増加を抑制しつつ、接続信頼性を向上することができる。
さらに、本実施形態では、突出長さの最も長い出力端子２３にも、切り欠き２９が形成されている。切り欠き２９は、出力端子２３をその板厚方向に貫通している。切り欠き２９は、幅方向であるＹ方向の両端にそれぞれ形成されている。出力端子２３において、切り欠き２９の形成された部分は、切り欠き２９の形成されていない部分に対して幅の狭い部分とされている。そして、出力端子２３における幅の狭い部分に、屈曲部３０が形成されている。屈曲部３０は、図１１に示すように、略半円状をなしている。
このように、屈曲部３０を設けることで出力端子２３のばね性が高まり、振動などの応力を緩和することができる。したがって、上記した出力ライン８を構成する図示しないバスバーと出力端子２３との接続部分の接続信頼性を向上することができる。
なお、屈曲部３０を設けることで、出力端子２３の突出長さを長くしても、サージ電圧には影響がない。屈曲部３０を設けた方が、切り欠きよりもばね性を高めることができる。特に本実施形態では、切り欠き２９により幅の狭い部分に屈曲部３０を設けているため、ばね性をさらに高めることができる。しかしながら、切り欠き２９を有さず、屈曲部３０のみを有する構成としてもよい。
本実施形態では、切り欠き２７〜２９及び屈曲部３０を有する例を示したが、これに限定されない。少なくとも切り欠き２７を有するとよい。好ましくは、切り欠き２７，２８を有するとよい。より好ましくは、切り欠き２７，２８及び屈曲部３０を有するとよい。
この明細書の開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば、開示は、実施形態において示された要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。
ＩＧＢＴ１１ＨとＦＷＤ１２Ｈが同一チップに形成され、ＩＧＢＴ１１ＬとＦＷＤ１２Ｌが同一チップに形成される例を示したが、これに限定されない。別チップとしてもよい。
半導体モジュール１０がターミナル１６を有する例を示したが、これに限定されない。ターミナル１６を有さない構成としてもよい。
放熱面１４ａ，１８ａが、対応する封止樹脂体１３から露出される例を示したが、これに限定されない。放熱面１４ａ，１８ａが露出されない構成としてもよい。
上下アームを構成する半導体素子は、ＩＧＢＴに限定されない。たとえばＭＯＳＦＥＴを採用することもできる。
ひとつのＩＧＢＴ１１Ｈにより上アームが構成され、ひとつのＩＧＢＴ１１Ｌにより下アームが構成される例を示したが、これに限定されない。複数の半導体素子が並列接続されて各アームが構成されてもよい。
１…電力変換装置、２…直流電源、３…モータ、４…平滑コンデンサ、５…インバータ、６…正極側ライン、７…負極側ライン、８…出力ライン、１０…半導体モジュール、１１Ｈ，１１Ｌ…ＩＧＢＴ、１１ｃ…コレクタ電極、１１ｅ…エミッタ電極、１１ｇ…ゲート電極、１２Ｈ，１２Ｌ…ＦＷＤ、１３…封止樹脂体、１３ａ…一面、１３ｂ…裏面、１３ｃ…側面、１４Ｈ，１４Ｌ…第１ヒートシンク、１４ａ…放熱面、１５…はんだ、１６…ターミナル、１７…はんだ、１８Ｈ，１８Ｌ…第２ヒートシンク、１８ａ…放熱面、１９…はんだ、２０…継手部、２０ａ…第１継手部、２０ｂ…第２継手部、２０ｃ…第３継手部、２１…はんだ、２２…電源端子、２２ｐ…正極側端子、２２ｎ…負極側端子、２３…出力端子、２４…信号端子、２５…ボンディングワイヤ、２６…バスバー、２６ｐ…正極側バスバー、２６ｎ…負極側バスバー、２７，２８，２９…切り欠き、３０…屈曲部

Claims (9)

  1. 上下アームを構成する複数の半導体素子（１１Ｈ，１１Ｌ）と、
    前記複数の半導体素子を封止する封止樹脂体（１３）と、
    前記複数の半導体素子のいずれかと接続され、前記封止樹脂体から突出する正極側端子（２２ｐ）と、前記複数の半導体素子のいずれかと接続され、前記封止樹脂体から突出する負極側端子（２２ｎ）と、を有する電源端子（２２）と、
    前記複数の半導体素子のいずれかと接続され、前記封止樹脂体から突出する出力端子（２３）と、
    を備え、
    前記正極側端子、前記負極側端子、及び前記出力端子は、前記封止樹脂体の同じ面から突出するとともに、前記出力端子が一方の端部に配置されるようにそれぞれの突出部分が並んで配置され、
    前記出力端子とは反対の端部に配置された前記電源端子の突出長さが、真ん中に配置された前記電源端子の突出長さよりも短くされている半導体モジュール。
  2. 前記正極側端子、前記負極側端子、及び前記出力端子の突出部分において、幅及び厚みがそれぞれ等しくされている請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記電源端子及び前記出力端子の突出部分において、前記電源端子の突出方向に直交する断面積が、前記出力端子の突出方向に直交する断面積よりも大きくされている請求項１に記載の半導体モジュール。
  4. 前記電源端子の突出部分において、真ん中に配置された前記電源端子の突出方向に直交する断面積が、端部に配置された前記電源端子の突出方向に直交する断面積よりも大きくされている請求項１に記載の半導体モジュール。
  5. 前記正極側端子、前記負極側端子、及び前記出力端子の並び方向に延設されたバスバー（２６）として、前記正極側端子に連なる正極側バスバー（２６ｐ）、及び、前記負極側端子に連なる負極側バスバー（２６ｎ）をさらに備え、
    前記正極側バスバーと前記負極側バスバーとが、それぞれの板厚方向において対向配置されている請求項１〜４いずれか１項に記載の半導体モジュール。
  6. 前記正極側端子、前記負極側端子、及び前記出力端子の並び方向に延設されたバスバー（２６）として、前記正極側端子に連なる正極側バスバー（２６ｐ）、及び、前記負極側端子に連なる負極側バスバー（２６ｎ）をさらに備え、
    前記正極側バスバーと前記負極側バスバーとが、それぞれの板厚方向において対向配置され、
    真ん中に配置された前記電源端子に連なる前記バスバーの延設方向に直交する断面積が、端部に配置された前記電源端子に連なる前記バスバーの延設方向に直交する断面積よりも大きくされている請求項１に記載の半導体モジュール。
  7. 端部に配置された前記電源端子の突出部分に、切り欠き（２７）が形成されている請求項１〜６いずれか１項に記載の半導体モジュール。
  8. 前記出力端子の突出長さが、前記正極側端子及び前記負極側端子それぞれの突出長さよりも長くされ、
    端部に配置された前記電源端子の突出部分に、前記切り欠きとしての第１切り欠きが形成され、
    真ん中に配置された前記電源端子の突出部分に、第２切り欠き（２８）が形成されている請求項７に記載の半導体モジュール。
  9. 前記出力端子の突出部分に、屈曲部（３０）が形成されている請求項８に記載の半導体モジュール。
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