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JP-2026077118-A - 半導体モジュール

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Abstract

【課題】変形に対応する半導体モジュールを提供する。 【解決手段】実施形態の態様１の半導体モジュール２０は、一対の導電部材２１，２２と、半導体パッケージと、導通端子３０、３１、３２と、を持つ。一対の導電部材は、第１方向に並んで配置される。半導体パッケージは、一対の導電部材の第１方向の内側に配置され、一対の導電部材と導通する。導通端子は、一対の導電部材の第１方向の外側に配置され、一対の導電部材より前記第１方向の厚さが小さく、一対の導電部材のうち対応する導電部材を外部に対して電気的に接続する。導通端子は、固定部３４と、接続部３６と、変形部３５と、を有する。固定部は、対応する導電部材に固定される。接続部は、固定部の第１方向の外側に配置され、外部に接続される。変形部は、固定部と接続部との間にあり、変形が可能である。 【選択図】図１

Inventors

  • 池田 幸穂
  • 市倉 優太
  • 伊東 弘晃
  • 渡邉 尚威
  • 田多 伸光
  • 田代 匠太
  • 田中 翔
  • 大部 利春
  • 飯尾 尚隆

Assignees

  • 株式会社東芝
  • 東芝エネルギーシステムズ株式会社

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20241025

Claims (6)

  1. 第１方向に並んで配置される一対の導電部材と、 前記一対の導電部材の前記第１方向の内側に配置され、前記一対の導電部材と導通する半導体パッケージと、 前記一対の導電部材の前記第１方向の外側に配置され、前記一対の導電部材より前記第１方向の厚さが小さく、前記一対の導電部材のうち対応する前記導電部材を外部に対して電気的に接続する導通端子と、を有し、 前記導通端子は、 前記対応する導電部材に固定される固定部と、 前記固定部の前記第１方向の外側に配置され、前記外部に接続される接続部と、 前記固定部と前記接続部との間にあり、変形が可能な変形部と、を有する、 半導体モジュール。
  2. 前記第１方向に直交する方向を第２方向としたとき、 前記接続部は、前記一対の導電部材の前記第２方向の外側に配置される、 請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記導通端子は、前記固定部、前記接続部および前記変形部が一体に形成された金属板を有する、 請求項１または２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記導通端子は、単数または複数の前記金属板を前記第１方向に重ねて形成される、 請求項３に記載の半導体モジュール。
  5. 前記一対の導電部材のうち一方のみが、外部に対して機械的に接続される取付部を有する、 請求項１または２に記載の半導体モジュール。
  6. 複数の前記導通端子が、前記一対の導電部材の端辺に沿って配置される、 請求項１または２に記載の半導体モジュール。

Description

本発明の実施形態は、半導体モジュールに関する。 電力変換装置は、複数の半導体モジュールを接続して形成される。半導体モジュールは、半導体チップを有する。半導体チップは、通電により発熱する。半導体チップは、短絡により周辺に衝撃を与える。発熱時および短絡時の変形に対応することができる半導体モジュールが求められる。 特開２０１９－４７５９１号公報特開２０２４－２２２１７号公報 実施形態における半導体モジュールの正面断面図。半導体モジュールの底面図。サブモジュールの周辺の正面断面図。実施形態の変形例における半導体モジュールの正面図。電力変換装置のレグの回路図。実施形態における半導体モジュールの接続状態を示す正面図。半導体モジュールの取付状態を示す正面図。半導体モジュールの取付状態を示す底面図。 以下、実施形態の半導体モジュールを、図面を参照して説明する。 図１は、第１実施形態における半導体モジュール２０の正面断面図である。図１は、図２のＩ－Ｉ線における断面図である。図２は、半導体モジュール２０の底面図である。図１に示すように、半導体モジュール２０は、天板（導電部材）２１と、ヒートシンク（導電部材）２２と、サブモジュール１０と、を有する。図２に示すように、天板２１およびヒートシンク２２は、正方形または長方形の板状に形成される。 本願において、直交座標系のＺ方向（第１方向）、Ｘ方向（第２方向）およびＹ方向（第２方向）が、以下のように定義される。Ｚ方向は、天板２１およびヒートシンク２２が並ぶ方向である。＋Ｚ側はサブモジュール１０の天板２１側であり、－Ｚ側はサブモジュール１０のヒートシンク２２側である。例えば、Ｚ方向は鉛直方向であり、＋Ｚ側は上側であり、－Ｚ側は下側である。Ｚ方向において、サブモジュール１０に接近する側を内側と呼び、サブモジュール１０から離反する側を外側と呼ぶ場合がある。Ｘ方向およびＹ方向は、天板２１およびヒートシンク２２の端辺が伸びる方向である。例えば、Ｘ方向およびＹ方向は水平方向である。Ｘ方向およびＹ方向において、天板２１およびヒートシンク２２の中央に接近する側を内側と呼び、中央から離反する側を外側と呼ぶ場合がある。 図３は、サブモジュール１０の周辺の正面断面図である。サブモジュール１０は、半導体パッケージ１５と、第１電極１１と、第２電極１２と、を有する。 半導体パッケージ１５は、Ｚ方向を厚さ方向とする板状に形成される。半導体パッケージ１５は、半導体チップを内蔵している。半導体チップは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等のトランジスタ素子、または、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode）等のダイオード素子である。１つのサブモジュール１０に、複数の半導体チップが含まれてもよい。 第１電極１１および第２電極１２は、高い導電性および熱伝導率を有する金属材料（例えば、銅またはアルミニウムなど）で形成される。半導体パッケージ１５の＋Ｚ側に第１電極１１が配置され、－Ｚ側に第２電極１２が配置される。第１電極１１および第２電極１２は、半導体パッケージ１５と導通する。図３の例では、第１電極の＋Ｚ側に、電極導体１４が装着される。 天板２１およびヒートシンク２２は、高い導電性および熱伝導率を有する金属材料（例えば、銅またはアルミニウムなど）で形成される。サブモジュール１０の＋Ｚ側に天板２１が配置され、－Ｚ側にヒートシンク２２が配置される。天板２１およびヒートシンク２２は、サブモジュール１０の第１電極１１および第２電極１２を介して、半導体パッケージ１５と導通する。 天板２１の＋Ｚ側から、天板２１に形成された貫通孔に、ボルト２４が挿入される。ボルト２４の先端は、サブモジュール１０の電極導体１４に形成された雌ネジに螺号する。 ヒートシンク２２は、サブモジュール１０の第２電極１２に対して、ボルト等（不図示）により固定される。 ヒートシンク２２は、ヒートシンク本体２２ａおよびヒートシンク蓋２２ｂを有する。ヒートシンク本体２２ａの－Ｚ側の表面には、溝（不図示）が形成される。ヒートシンク蓋２２ｂは、ヒートシンク本体２２ａの－Ｚ側に配置され、溝を閉塞する。ヒートシンク２２の外部と溝の内部との間を、冷却流体が循環する。冷却流体が溝の内部を流通することにより、半導体パッケージ１５が冷却される。 図１に示すように、半導体モジュール２０は、複数のサブモジュール１０を有する。複数のサブモジュール１０は、天板２１およびヒートシンク２２により並列に接続される。天板２１およびヒートシンク２２のＺ方向の内側における複数のサブモジュール１０の間には、電気絶縁性を有する樹脂部材２５が充填される。天板２１およびヒートシンク２２のＺ方向の内側において、Ｘ方向およびＹ方向の周囲には、電気絶縁性を有する樹脂材料等からなる側壁（不図示）が形成される。 半導体モジュール２０に含まれる複数のサブモジュール１０のうち一つが短絡故障する場合がある。半導体モジュール２０に流れる電流は、短絡故障したサブモジュール１０の半導体パッケージ１５に集中する。半導体パッケージ１５に過電流が流れると、ジュール熱により半導体パッケージ１５の一部が溶融して気化する。これにより、半導体パッケージ１５の近傍の圧力が上昇し、サブモジュール１０がＺ方向に破断する。 実施形態の半導体モジュール２０は、特許文献２に記載された発明と同じ原理により、半導体モジュール２０の導通を維持する。すなわち半導体モジュール２０は、短絡故障したサブモジュール１０以外のサブモジュール１０を伴連れ短絡故障させる。さらに半導体モジュール２０は、破断したサブモジュール１０のＺ方向への離間を抑制する。これにより、サブモジュール１０が短絡故障した場合でも、半導体モジュール２０の導通経路が確保される。その結果、複数の半導体モジュール２０を接続した電力変換装置の運転が継続可能になる。破断したサブモジュール１０のＺ方向への離間を抑制するための圧接機構が不要であり、半導体モジュール２０のコストが抑制される。 半導体モジュール２０の電気的な接続について説明する。 半導体モジュール２０は、導通端子３０を有する。導通端子３０は、高い導電性および熱伝導率を有する金属材料（例えば、銅またはアルミニウムなど）で形成される。導通端子３０は、天板２１およびヒートシンク２２のＺ方向の外側に配置される。導通端子３０は、対応する天板２１またはヒートシンク２２を外部に対して電気的に接続する。 単数または複数の導通端子３０が、天板２１およびヒートシンク２２の端辺に沿って配置される。実施形態では、天板２１およびヒートシンク２２のＸ方向およびＹ方向の全ての端辺に沿って、導通端子３０が配置される。導通端子３０は、天板２１に固定される第１導通端子３１と、ヒートシンク２２に固定される第２導通端子３２と、を有する。第１導通端子３１および第２導通端子３２は同形状であり、導通端子３０の製造コストが抑制される。 導通端子３０は、固定部３４と、接続部３６と、変形部３５と、を有する。固定部３４、変形部３５および接続部３６は、金属板により一体に形成される。金属板の厚さは、天板２１およびヒートシンク２２の厚さより小さい。 固定部３４は、ＸＹ平面と平行であり、天板２１またはヒートシンク２２の表面に沿って配置される。固定部３４は、天板２１またはヒートシンク２２に対して、ロウ付け、溶接若しくは摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding：ＦＳＷ）などの金属接合、またはボルトなどの締結部材等により固定される。 接続部３６は、ＸＹ平面と平行である。接続部３６は、固定部３４のＺ方向の外側に配置される。第１導通端子３１の接続部３６から第２導通端子３２の接続部３６までのＺ方向の高さは、天板２１からヒートシンク２２までのＺ方向の高さより大きい。接続部３６は、天板２１またはヒートシンク２２のＸ方向またはＹ方向の外側に配置される。接続部３６は、後述する締結部材６８により外部に対して接続される。 変形部３５は、固定部３４と接続部３６との間にあり、両者を連結する。変形部３５は、ＸＹ平面に対して傾斜した状態である。変形部３５は変形が可能である。導通端子３０が薄い金属板で形成されることにより、変形部３５の変形が容易になる。変形部３５は、自身が変形することにより、接続部３６の各方向への移動を許容する。 図４は、実施形態の変形例における半導体モジュールの正面図である。変形例の導通端子３０は、複数の金属板３０ａ，３０ｂを重ねて形成される。複数の金属板は、第１金属板３０ａおよび第２金属板３０ｂである。第１金属板３０ａは、実施形態における導通端子３０の金属板（図１参照）と同じである。第２金属板３０ｂは、第１金属板３０ａと略同形状であり、第１金属板３０ａのＺ方向の外側に配置される。第２金属板３０ｂは、第１金属板３０ａに対して、金属接合または締結部材等により固定される。 変形例の導通端子３０は、複数の金属板３０ａ，３０ｂを重ねて形成されるので、断面積が大きくなる。これにより、半導体モジュール２０の電気容量（電流容量）を増加させることができる。また、短絡時の電流容量を許容することができる。 図５は、電力変換装置のレグ６０の回路図である。電力変換装置は、複数のレグ６０を接続して構成される。レグ６０は、電力変換装置の構成単位である。レグ６０では、第１ユニット６１および第２ユニット６２が直列に接続されている。第１ユニット６１では、トランジスタ素子１５ａおよびダイオード素子１５ｂが並列に接続されている。第２ユニット６２では、トランジスタ素子１５ｃおよびダイオード素子１５ｄが並列に接続されている。 図６は、実施形態における半導体モジュール２０の接続状態を示す正面図である。図６では、複数の半導体モジュール２０が接続されて、レグ６０が構成される。複数の半導体モジュール２０は、＋Ｚ側から－Ｚ側にかけて、第１半導体モジュール２０ａ、第２半導体モジュール２０ｂ、第３半導体モジュール２０ｃおよび第４半導体モジュール２０ｄである。第１半導体モジュール２０ａの半導体チップは、第１ユニット６１のトランジスタ素子１５ａである。第２半導体モジュール２０ｂの半導体チップは、第１ユニット６１のダイオード素子１５ｂである。第３半導体モジュール２０ｃの半導体チップは、第２ユニット６２のトランジスタ素子１５ｃである。第４半導体モジュール２０ｄの半導体チップは、第２ユニット６２のダイオード素子１５ｄである。 レグ６０は、バスバー６６，６７を有する。バスバー６６，６７は、高い導電性および熱伝導率を有する金属材料（例えば、銅またはアルミニウムなど）で形成される。バスバー６６，６７は、複数の半導体モジュール２０のＸ方向またはＹ方向の外側に配置される。バスバー６６，６７はＵ字状に形成される。バスバー６６，６７は、第１バスバー６６および第２バスバー６７である。第１バスバー６６は、Ｕ字の開口を第１半導体モジュール２０ａおよび第２半導体モジュール２０ｂに向けて配置される。第２バスバー６７は、Ｕ字の開口を第３半導体モジュール２０ｃおよび第４半導体モジュール２０ｄに向けて配置される。 第１半導体モジュール２０ａおよび第２半導体モジュール２０ｂが、それぞれの天板２１を向かい合わせて配置される。第１半導体モジュール２０ａの第１導通端子３１の接続部３６と、第２半導体モジュール２０ｂの第１導通端子３１の接続部３６とが当接する。両者が締結部材６８により接続される。 第１バスバー６６の＋Ｚ側の端部と、第１半導体モジュール２０ａの第２導通端子３２の接続部３６とが当接する。両者が締結部材６８により接続される。第１バスバー６６