半導體模塊的制作方法
【專利摘要】本發明涉及半導體模塊。一種半導體模塊，其被安裝在安裝對象上并且通過被供給冷卻介質的冷卻器而被冷卻，該半導體模塊包括：封裝體；多個半導體元件，其被設置在所述封裝體內；以及溫度傳感器，其被設置在所述多個半導體元件的一部分中。具有所述溫度傳感器的所述半導體元件被配置為比其它半導體元件更鄰近所述封裝體的一個邊緣部。具有所述溫度傳感器的所述半導體模塊被安裝在所述安裝對象上，以使得具有所述溫度傳感器的所述半導體元件位于所述多個半導體元件中最上面的位置處。
【專利說明】
半導體模塊
技術領域
[0001]本發明涉及半導體模塊，其包括多個半導體元件，被安裝在安裝對象上，并且由被供給冷卻介質的冷卻器冷卻。
【背景技術】
[0002]傳統上，作為此類半導體模塊，已知用于半橋電路的半導體模塊，該模塊包括構成上臂側半導體芯片的晶體管芯片和二極管芯片以及構成下臂元件側半導體芯片的晶體管芯片和二極管芯片(例如，公開號為2004-208411的日本專利申請(JP 2004-208411 A))。在該半導體模塊中，兩個晶體管芯片和兩個二極管芯片在中間側板的長邊方向上排列成一列。構成上臂側半導體芯片的晶體管芯片和二極管芯片沿中間側板的長邊方向彼此相鄰，構成下臂元件側半導體芯片的晶體管芯片和二極管芯片沿長邊方向彼此相鄰。
[0003]—般地，上述半導體模塊通過將冷卻介質供給到冷卻器中而被冷卻，該冷卻器被設置為與模塊接觸。然而，在半導體模塊中，當被供給到冷卻器的冷卻介質的量因某些原因而減少，冷卻器內的液位下降時，半導體模塊中所包括的所有半導體元件的溫度因為冷卻性能的劣化而升高。因此，即使在多個半導體元件的一部分中設置溫度傳感器，檢測冷卻器的冷卻性能劣化的時間也會延遲，這可導致所述多個半導體元件過熱。
【發明內容】
[0004]因此，本發明提供一種半導體模塊，以使得即使當冷卻半導體模塊的冷卻器的冷卻性能劣化，也能夠抑制該半導體模塊中所包括的多個半導體元件的過熱。
[0005]本發明的一方面涉及一種半導體模塊。所述半導體模塊被安裝在安裝對象上，并且通過被供給冷卻介質的冷卻器而被冷卻。所述半導體模塊包括:封裝體；多個半導體元件，其被設置在所述封裝體內；以及溫度傳感器，其被設置在所述多個半導體元件的一部分中。具有所述溫度傳感器的所述半導體元件被構造為比其它半導體元件更鄰近所述封裝體的一個邊緣部，并且所述半導體模塊被安裝在所述安裝對象上，以使得具有所述溫度傳感器的所述半導體元件位于所述多個半導體元件中最上面的位置處。
[0006]該半導體模塊包括封裝體和設置在封裝體內的多個半導體元件，并且所述多個半導體元件中的一部分具有溫度傳感器。進一步地，具有溫度傳感器的半導體元件比其它半導體元件更鄰近封裝體的一個邊緣部。此外，該半導體模塊被安裝在安裝對象上，以使得具有溫度傳感器的半導體元件位于所述多個半導體元件中最上面的位置處，并且該半導體模塊通過被供給冷卻介質的冷卻器而被冷卻。因此，當被供給到冷卻器的冷卻介質的量減少，冷卻器內的液位下降時，位于所述多個半導體元件中的最上面位置的半導體元件(即，具有溫度傳感器的半導體元件)的溫度隨著冷卻器的冷卻性能的劣化而最早升高。因此，通過監視被設置在位于最上面位置處的半導體元件中的溫度傳感器的檢測值，可以立即檢測到冷卻器的冷卻性能的劣化，并且可以立即執行用于保護所述多個半導體元件的處理。因此，即使冷卻半導體模塊的冷卻器的冷卻性能劣化，也可抑制半導體模塊中包括的多個半導體元件的過熱。
[0007]所述多個半導體元件可以包括具有所述溫度傳感器的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和不具有所述溫度傳感器的二極管。因此，即使冷卻器的冷卻性能劣化，也可通過在IGBT的溫度傳感器的檢測值超過閾值時關斷IGBT，有利地抑制IGBT和二極管兩者的過熱。
[0008]進一步地，所述半導體模塊可以構造驅動電動機的逆變器，并且可以被安裝在具有由所述逆變器驅動的所述電動機的車輛上。因此，通過構造上述驅動車輛的電動機的逆變器的半導體模塊，可以抑制逆變器的過熱，并且提高逆變器的耐久性。
[0009]另外，上述車輛可以具有:多個所述冷卻器，這些冷卻器被設置為與所述半導體模塊的兩面都接觸;儲液罐，其存儲冷卻介質;栗，其從所述儲液罐吸入所述冷卻介質，并且在壓力下將所述冷卻介質供給到所述冷卻器；以及散熱器，其冷卻從所述冷卻器返回到所述儲液罐的所述冷卻介質。
【附圖說明】
[0010]下面將參考附圖描述本發明的示例性實施例的特征、優點，以及技術和工業意義，在所述附圖中，相同的參考標號表示相同的部件，其中:
[0011]圖1是其上安裝有包括根據本發明的半導體模塊的電力控制單元的電動車輛的示意性配置；
[0012]圖2是根據本發明的半導體模塊的示意性配置；
[0013]圖3是被安裝在圖1所示的電動車輛上的冷卻系統的示意性配置；
[0014]圖4是被安裝在圖1所示的電動車輛上的構成冷卻系統的冷卻器、以及半導體模塊的示意性配置；
[0015]圖5是被安裝在圖1所示的電動車輛上的構成冷卻系統的冷卻器、以及半導體模塊的局部截面圖。
【具體實施方式】
[0016]接下來參考附圖解釋用于實施本發明的模式。
[0017]圖1是其上安裝有包括根據本發明的半導體模塊的電力控制單元的電動車輛I的示意性配置。圖中所示的電動車輛I包括:電動機MG，其通過差動齒輪等與左右驅動輪DW相連；電池2;電力控制單元(下文稱為“PCU”)4，其通過系統主繼電器3與電池2相連，并且驅動電動機MG;以及電子控制單元(下文稱為“ECU”)，其控制整個電動車輛I。
[0018]電動機MG被配置為三相同步電動機，并且通過PCU 4與電池2交換電力。電動機MG通過來自電池2的電力而被驅動，并且向驅動輪DW輸出行駛轉矩。進一步地，電動機MG在電動車輛I制動時向驅動輪DW輸出再生制動轉矩。另外，在電動機MG中設置用于檢測轉子的旋轉角Θ (旋轉位置)的旋轉角傳感器(解角器)6。電池2為鋰離子二次電池或鎳氫二次電池。如圖所示，系統主繼電器3具有與正電極側的電力線PL相連的正電極側繼電器，以及與負電極側的電力線NL相連的負電極側繼電器。
[0019]P⑶4包括逆變器40，其驅動電動機MG;升壓轉換器(電壓轉換單元)45，其升高來自電池2的電力的電壓；以及平滑電容器46和47。逆變器40包括:六個晶體管(開關元件)1>1、1>2、1>3、1>4、1>5和1^6，其為例如絕緣柵雙極型晶體管(1681');以及六個二極管01、D2、D3、D4、D5和D6，其分別與晶體管Trl到Tr6反并聯連接。六個晶體管Trl到Tr6形成對，以使得相對于正電極側的電力線PL和負電極側的電力線NL，每個對中的一個晶體管位于源側，另一晶體管位于漏(s ink)側。進一步地，電動機MG的三相線圈的任一對應相(U相、V相和W相)與形成對的兩個晶體管之間的連接點中的每一個電連接。
[0020]在該實施例中，如圖2所示，與電動機MG的U相對應的晶體管Trl、Tr2以及二極管Dl和D2被設置(掩埋)在通過樹脂成型制成的封裝體P中，由此將單個半導體模塊Mu與封裝體P配置在一起。與電動機MG的V相對應的晶體管Tr3、Tr4和二極管D3、D4被設置(掩埋)在通過樹脂成型制成的封裝體P中，由此將單個半導體模塊Mv與封裝體P配置在一起。進一步地，與電動機MG的W相對應的晶體管Tr5、Tr6和二極管D5、D6被設置(掩埋)在通過樹脂成型制成的封裝體P中，從而將單個半導體模塊Mw與封裝體P配置在一起。在該實施例中，半導體模塊Mu、Mv、Mw每一個的封裝體P被形成為如圖2所示的矩形板形狀，并且在封裝體殼的正面和背面(除窄邊表面之外的兩面)上設置熱沉(未示出)。晶體管Trl到Tr6被設置有溫度傳感器80，所述溫度傳感器80分別檢測晶體管Trl到Tr6的溫度(在圖1中，僅示出用于晶體管Tr5的溫度傳感器80)。
[0021]進一步地，逆變器40包括自保護電路44，其用于保護晶體管Trl到Tr6和二極管Dl至IJD6，并且晶體管Trl到Tr6的溫度傳感器80與自保護電路44相連。自保護電路44將晶體管Trl到Tr6的溫度傳感器80檢測到的溫度與預定的閾值溫度進行比較，并且在被設置于晶體管Trl到Tr6任一者內的溫度傳感器80的檢測值超過閾值溫度時，輸出異常檢測信號。在該實施例中，當電流傳感器(未示出)檢測到的在電動機MG的每個相中流動的電流(相電流)超過預定的閾值電流時，自保護電路44也輸出異常檢測信號。
[0022]升壓轉換器45包括:兩個晶體管Tr7、Tr8，其為例如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT);兩個二極管D7、D8，其分別與晶體管Tr7、Tr8反并聯連接；以及電抗器L。電抗器L的一端通過系統主繼電器3與電池2的正電極端子電連接，并且，其中一個晶體管Tr7(上臂)的發射極和另一晶體管Tr8(下臂)的集電極與電抗器L的另一端電連接。晶體管Tr7的集電極與正電極側的電力線PL電連接，晶體管Tr8的發射極與負電極側的電力線NL電連接。在該實施例中，升壓轉換器45的晶體管Tr7、Tr8和二極管D7、D8也被設置(掩埋)在通過樹脂成型制成的封裝體中，由此將單個半導體模塊Mc與封裝體配置在一起。
[0023]平滑電容器46被設置在系統主繼電器3與升壓轉換器45之間，并且執行對升壓轉換器45的電池2側的電壓(S卩，升壓前的電壓VL)的平滑處理。進一步地，平滑電容器47被設置在升壓轉換器45與逆變器40之間，并且執行對升壓之后的電壓VH(被升壓轉換器45升壓)的平滑處理。
[0024]E⑶10被配置為包括CPU(未示出)的微計算機，并且輸入來自啟動開關(點火開關)(未示出)的系統啟動指令和系統停止指令、旋轉角傳感器6所檢測到的電動機MG的旋轉角Θ、電壓傳感器(未示出)所檢測到的升壓前電壓VL和升壓后電壓VH、來自電流傳感器(未示出)的相位電流值、來自自保護電路44的異常檢測信號等等。ECU 10基于這些輸入信號產生逆變器40和升壓轉換器45的晶體管中每一個的開關控制信號，并且執行逆變器40和升壓轉換器45的開關控制。
[0025]進一步地，在接收到來自逆變器40的自保護電路44的異常檢測信號時，E⑶10停止上述開關控制并且關斷晶體管Trl到Tr8，以關閉逆變器40和升壓轉換器45。因此，可以抑制晶體管Trl到Tr8和二極管Dl到D8的過熱，并且抑制過量電流在晶體管Trl到Tr8和二極管Dl到D8中的流動。進一步地，E⑶10執行打開和閉合系統主繼電器3的控制。E⑶10的上述功能可以分布到多個電子控制單元中。
[0026]圖3是用于冷卻P⑶4(8卩，逆變器40、升壓轉換器45等等)的冷卻系統5的示意性配置。如圖所示，冷卻系統5包括多個冷卻器50、存儲諸如LLC(長壽命冷卻劑)的冷卻介質(冷卻液)的儲液罐53、制冷栗55、以及散熱器57。
[0027]如圖3和圖4所示，多個冷卻器50被設置為交替地與配置逆變器40的多個半導體模塊Mu、Mv、Mw，以及配置升壓轉換器45的半導體模塊Mc對齊。換言之，為半導體模塊中的一個設置兩個冷卻器50，以使冷卻器50分別與該模塊的正面和背面接觸。進一步地，彼此相鄰的冷卻器50通過連通管51在內部彼此相通。制冷栗55從儲液罐53中吸入冷卻介質，并且在壓力下將冷卻介質供給到位于距離制冷栗55最近的一端側的冷卻器50。被供給到冷卻器50的冷卻介質連續地流入彼此相鄰的冷卻器50，在每個冷卻器50內部流動的冷卻介質從與冷卻器50接觸的半導體模塊Mu等帶走熱量，由此冷卻介質的溫度升高。從每個冷卻器50流出的冷卻介質流入散熱器57的熱交換部，被散熱器57冷卻，然后返回到儲液罐53。由此，每個冷卻器50可以通過在多個冷卻器50內部供給和循環冷卻介質來冷卻半導體模塊Mu、Mv、Mw、Mc0
[0028]在此，當電動車輛I行駛時，由于例如飛濺的礫石等擊中散熱器57而可能發生冷卻介質的泄漏。當發生此類冷卻介質泄漏時，儲液罐53的液位下降，由此導致制冷栗55吸入空氣，或者使得制冷栗55無法在壓力下供給冷卻介質。進一步地，當從制冷栗55供給到每個冷卻器50的冷卻介質的量減少時，每個冷卻器50內的液位下降，冷卻性能劣化。由此，使配置逆變器40的半導體模塊Mu、Mv、Mw的溫度，以及配置升壓轉換器45的半導體模塊Mc中所包括的晶體管Trl到Tr8和二極管Dl到D8的溫度升高。
[0029]基于此，如圖2和圖5所示，逆變器40的半導體模塊Mu被制造(配置)為使得:作為具有溫度傳感器80的半導體元件的晶體管Trl和Tr2比沒有溫度傳感器80的二極管Dl和D2更鄰近由樹脂制成的封裝體P的任一個邊緣部Pe(—個邊緣部)(參見圖2和4，圖中的上邊緣部)，并且沿著該邊緣部Pe排列成一列。類似地，逆變器40的半導體模塊Mv被制造(配置)為使得:具有溫度傳感器80的晶體管Tr3和Tr4比二極管D3和D4更鄰近封裝體P的任一個邊緣部Pe，并且沿著該邊緣部Pe排列成一列。逆變器40的半導體模塊Mw被制造(配置)為使得:具有溫度傳感器80的晶體管Tr5和Tr6比二極管D5和D6更鄰近封裝體P的任一個邊緣部Pe，并且沿著該邊緣部Pe排列成一列。
[0030]進一步地，半導體模塊Mu、Mv、Mw被設置在K:U4的殼400(參見圖3)內，以使得:半導體模塊Mu、Mv、Mw與冷卻器50交替地排列，并且封裝體P的邊緣部Pe(S卩，晶體管Trl到Tr6)位于殼400的頂板側。然后，PCU 4被安裝在電動車輛I上，以使得半導體模塊Mu、Mv、Mw的封裝體P的邊緣部Pe(S卩，晶體管Trl到Tr6)位于鉛垂上側。由此，當PCU 4安裝在電動車輛I上時，具有溫度傳感器80的晶體管Trl和Tr2位于半導體模塊Mu中所有元件當中的最上面位置處，具有溫度傳感器80的晶體管Tr3和Tr4位于半導體模塊Mv中所有元件當中的最上面位置處，并且具有溫度傳感器80的晶體管Tr5和Tr6位于半導體模塊Mw中所有元件當中的最上面位置處。
[0031]因此，當在電動車輛I正在行駛等的同時，從制冷栗55供給到每個冷卻器50的冷卻介質的量減少并且至少任一個冷卻器50(例如，離制冷栗55最遠的冷卻器50)內的液位(參見圖5中交替的一長兩短虛線)下降時，位于與冷卻器50接觸的半導體模塊Mu、Mv、Mw的任一個中的最上面位置處的晶體管Trl到Tr6中的至少任一個的溫度隨著冷卻器50的冷卻性能的劣化而最早升高。因此，通過監視設置在晶體管Tr I到Tr6中的溫度傳感器80的檢測值，可以立即檢測到冷卻器50的冷卻性能的劣化，并且可以立即執行用于保護半導體模塊Mu、Mv、Mw (逆變器40)的晶體管Tr I到Tr6和二極管Dl到D6、以及半導體模塊Mc (升壓轉換器45)的晶體管Tr7、Tr8和二極管D7、D8的處理。
[0032]由此，在電動車輛I中，當來自設置在晶體管TrI到Tr6任一者內的溫度傳感器80的檢測值超過上述閾值溫度時，逆變器40的自保護電路44輸出異常檢測信號，并且已經接收到該異常檢測信號的ECU 10關斷晶體管Trl到Tr8，由此關閉逆變器40和升壓轉換器45。因此，即使冷卻器50中任一個的冷卻性能劣化，也可有利地抑制半導體模塊Mu、Mv、Mw、Mc中所包括的晶體管Trl到Tr8和二極管Dl到D8的過熱。因此，在電動車輛I中，逆變器40和升壓轉換器45的過熱得到抑制，從而可以提高逆變器40和升壓轉換器45的耐久性。
[0033]如至此所解釋的，配置PCU 4逆變器40的半導體模塊Mu、Mv、Mw包括封裝體P、以及分別被設置在封裝體P內的晶體管Trl、Tr2和二極管Dl和D2、晶體管Tr3、Tr4和二極管D3、D4、晶體管Tr5、Tr6和二極管D5、D6。晶體管Trl到Tr6分別具有溫度傳感器80。進一步地，晶體管Trl、Tr2比二極管Dl和D2更鄰近封裝體P的邊緣部Pe，晶體管Tr3、Tr4比二極管D3、D4更鄰近封裝體P的邊緣部Pe，并且晶體管Tr5、Tr6比二極管D5、D6更鄰近封裝體P的邊緣部Pe。然后，半導體模塊Mu、Mv和Mw被安裝在電動車輛I上，以使得:晶體管TrI和Tr2、晶體管Tr3和Tr4以及晶體管Tr5和Tr6位于被包括在半導體模塊Mu、Mv和Mw每一者內的所有半導體元件當中的最上面位置處，并且通過被供給冷卻介質的冷卻器50而被冷卻。由此，通過監視設置在晶體管Trl到Tr6中的溫度傳感器80的檢測值，可以立即檢測到冷卻器50的冷卻性能的劣化，并且可以立即執行用于保護晶體管Trl到Tr6和二極管Dl到D6的處理。因此，即使冷卻器50的冷卻性能劣化，也可有利地抑制被包括在半導體模塊Mu、Mv和Mw中的晶體管Trl到Tr6和二極管Dl到D6的過熱。
[0034]并非總是需要在配置逆變器40的所有晶體管Trl到Tr6中都設置溫度傳感器80。這意味著，考慮到PCU 4在電動車輛I上的安裝狀態(例如，PCU 4相對于車體稍微傾斜地安裝)以及電動車輛I正在行駛(包括上坡和下坡行駛)時PCU 4的姿勢，溫度傳感器80可以被設置于在所有元件當中可位于鉛垂最上面位置處的至少一個晶體管中。進一步地，自保護電路可以內置于逆變器40的晶體管Trl到Tr6的至少任一個中。進一步地，配置升壓轉換器45的半導體模塊Mc可以配置為類似于逆變器40的半導體模塊Mu、Mv和Mw，與上述自保護電路44類似的自保護電路可以被設置在升壓轉換器45或晶體管Tr7、Tr8中。另外，不用說，上述電動車輛I的結構可適用于包括兩個或更多個電動機(逆變器)的混合動力車輛(可以包括，或者可以不包括用于電力分配的行星齒輪)，以及所謂的單電動機型混合動力車輛、串聯式混合動力車輛等等。
[0035]本發明不限于上述實施例，不用說，可以在本發明的寬度范圍內做出多種更改。進一步地，用于實施上述發明的模式只是在“
【發明內容】
”中描述的發明的一個具體模式，并不限制在“
【發明內容】
，，中描述的發明的要素。
[0036]本發明可用于制造包括半導體模塊和配備有半導體模塊的逆變器等的電力控制單元的領域。
【主權項】
1.一種半導體模塊，其被安裝在安裝對象上并且通過被供給冷卻介質的冷卻器而被冷卻，所述半導體模塊的特征在于包括: 封裝體； 多個半導體元件，其被設置在所述封裝體內；以及 溫度傳感器，其被設置在所述多個半導體元件的一部分中，其中 具有所述溫度傳感器的所述半導體元件被配置為比其它半導體元件更鄰近所述封裝體的一個邊緣部，并且 具有所述溫度傳感器的所述半導體模塊被安裝在所述安裝對象上，以使得具有所述溫度傳感器的所述半導體元件位于所述多個半導體元件中最上面的位置處。2.根據權利要求1所述的半導體模塊，其特征在于 所述多個半導體元件包括具有所述溫度傳感器的絕緣柵雙極型晶體管和不具有所述溫度傳感器的二極管。3.根據權利要求1或2所述的半導體模塊，其特征在于 所述安裝對象是車輛，所述車輛包括用于驅動電動機的逆變器并且具有由所述逆變器驅動的所述電動機。4.根據權利要求3所述的半導體模塊，其特征在于 所述車輛具有:多個所述冷卻器，這些冷卻器被設置為與所述半導體模塊的兩面都接觸;儲液罐，其存儲冷卻介質;栗，其從所述儲液罐吸入所述冷卻介質，并且在壓力下將所述冷卻介質供給到所述冷卻器；以及散熱器，其冷卻從所述冷卻器返回到所述儲液罐的所述冷卻介質。
【文檔編號】H02M1/00GK105938819SQ201610121591
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月3日
【發明人】田口悅司
【申請人】豐田自動車株式會社