JP2000091481A

JP2000091481A - 電力用トランジスタケースおよび電力用トランジスタ

Info

Publication number: JP2000091481A
Application number: JP27262298A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Onuma; 智幸大沼; Masataka Tatsuta; 正隆龍田
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1998-09-08
Filing date: 1998-09-08
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】従来技術による上記欠点を除き、必要な熱放
散特性を維持しながら、熱膨張による歪みを最小限に抑
え、しかも安価な電力用トランジスタケース、および電
力用トランジスタを提供すること。【解決手段】電力用トランジスタケースは、半導体チ
ップ３１を搭載する放熱ブロック４１、および、放熱ブ
ロック４１を支持するベース５１から構成され、放熱ブ
ロック４１は、相対する二面のうち一方の面には半導体
チップ３１が搭載され、他の一方の面が空間に面するよ
うに配置され、前記二面を除く他の面を介して、ベース
５１によって支持される構造を有し、さらに、半導体チ
ップ３１が搭載される放熱ブロック４１の面の反対側の
面は、放熱器の取り付けにより、効果的に熱放散がされ
るように構成される。半導体チップ３１が搭載されて、
電力用トランジスタが構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力用トランジス
タケースおよび電力用トランジスタに関し、とくに電力
用トランジスタの放熱特性の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】電力用トランジスタ、とくに大電力用ト
ランジスタの場合、半導体チップは、大きな熱を発生す
る。本来の性能や、信頼性を確保するために、半導体チ
ップから発せされる熱を効率よく放熱し、発熱と放熱の
バランスをとり、半導体チップが過酷な使用条件下で
も、規定以上の温度に上昇しないように設計して使用す
ることが求められる。

【０００３】半導体チップで発生した熱を効率よく外部
に放熱できること、すなわち効率よくトランジスタケー
スの外側の放熱面に伝えることが、その電力用トランジ
スタの内部で許容される電力損失を決定する重要な要素
である。

【０００４】電力用トランジスタに許容される電力、す
なわち許容損失をＰ_Tは、式（１）の関係として表され
る。Ｐ_T（Ｗ）＝［Ｔ_j（℃）−Ｔ_a（℃）］／Ｒ_th（℃／Ｗ）・・・（１）ここで、Ｔ_jは半導体チップ発熱部または半導体チップ
内部接合部の温度、Ｔ_aは外部環境の温度、Ｒ_thは半導
体チップ発熱部からケース放熱部までの熱抵抗である。
式（１）によれば、熱抵抗Ｒ_thを小さくすると許容損失
が大きくなり、その電力用トランジスタで大電力が扱え
ることになる。シリコン基板を使用する半導体チップの
場合、通常、Ｔ_jの上限の温度は１５０℃、Ｔ_aは２５℃
と規定される。

【０００５】図７は、従来技術による電力用トランジス
タの放熱構造を示す図である。図７に示すように、放熱
を促進するために、電力用トランジスタケース１１を放
熱器２１にネジ止め等の方法で取り付けて、ファンを用
い強制空冷を行いながら使用する場合もある。

【０００６】表１は、電力用トランジスタの構成によく
使われる材料の熱特性を示す表である。

【０００７】

【０００８】半導体チップの発熱により、金属から構成
されるトランジスタケースは熱膨張する。シリコンの半
導体チップと、銅を用いたトランジスタケースの組み合
わせのように、熱膨張係数が大きく異なる場合、銅部分
の面積が大きくなると、熱膨張の差が大きくなり無視出
来なくなる。さらには、半導体チップに大きな力が加わ
り、破損することもある。

【０００９】従来は、そのため、熱伝導率よりも、熱膨
張係数への配慮を優先し、トランジスタケースの材料と
して、必ずしも熱伝導率が最適でなくても、シリコンの
熱膨張係数に近いという理由から採用された場合が多い
ことも事実であった。とくに大電流を扱うトランジスタ
の場合には、半導体チップの面積も電流に依存して大き
く、熱膨張の影響を受けやすくなるため、材料の選択が
重要である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図８は、従来技術によ
る電力用トランジスタの構成図である。図８（ａ）は平
面図、図８（ｂ）は断面図である。図８において、電力
用トランジスタケースは、銅製の放熱ブロック４４とモ
リブデン板７１からなっており、前記図７の場合と同様
に、放熱器２２にねじ止めして取り付ける構造になって
いる。銅は、シリコンからなる半導体チップ３１の熱膨
張係数と大幅に異なるため、半導体チップ３１を、直接
銅製の放熱ブロック４４に半田付け等で固定することが
できない。このため、シリコンと熱膨張係数が比較的近
い値を有するモリブデン板７１を半導体チップ３１と銅
の放熱ブロック４４の間に挿入していた。モリブデン板
７１の代わりに、電気的に絶縁を図る目的を兼ねて、窒
化アルミニウム（ＡlＮ）や、酸化ベリリウム（ベリリ
ア；ＢｅＯ）等からなる絶縁板を用いる場合もあった。
この構成では、熱伝導率が小さいモリブデンは、全体の
熱抵抗を大きくしているが、熱膨張係数の差を大きくし
ないために、使用せざるを得ないのが実状であった。

【００１１】図９は、従来技術による他の電力用トラン
ジスタの構成を示す図である。図９において、電力用ト
ランジスタケースの放熱ブロック４６は、銅タングステ
ン（Ｃｕ−Ｗ）合金からなっている。この構成は、高周
波用などの比較的高価な電力用トランジスタケースの場
合に採用されていた。銅タングステン（Ｃｕ−Ｗ）合金
とシリコンの間では、熱膨張係数の差は比較的小さく、
そのため半導体チップ３１が接触する放熱ブロック４６
に第３の材料を配置する必要がなく、放熱ブロック４６
は一体型構造となっている。放熱ブロック４６が一体型
となる分、熱抵抗が小さくなり、熱伝導を改善すること
とはなるものの、材料が非常に高価なこと、材料が硬く
加工が困難なことが難点である。銅タングステン合金の
放熱ブロック４６の場合、銅に比ベて熱伝導率が小さ
く、半導体チップ３１の特性を充分に発揮できる熱放散
特性は期待できない。

【００１２】本発明は、従来技術による上記欠点を除
き、必要な熱放散特性を維持しながら、熱膨張による歪
みを最小限に抑え、しかも安価な電力用トランジスタケ
ース、および電力用トランジスタを提供することを目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の電力用トランジ
スタケースは、半導体チップを搭載する放熱ブロック、
および、放熱ブロックを支持するベースから構成され、
放熱ブロックは、相対する二面のうち一方の面には半導
体チップが搭載され、他の一方の面が空間に面するよう
に配置され、前記二面を除く他の面を介して、ベースに
よって支持される構造を有し、さらに、放熱ブロックの
半導体チップ搭載面に対向する面は、ベースと同一面を
なし、またはベースより空間側にせり出して構成されて
いる。

【００１４】また、放熱ブロックを、異なる２以上の材
料を重ね合わせて一体に構成することもできる。

【００１５】さらに、本発明の電力用トランジスタケー
スは、複数の半導体チップが、１個の放熱ブロックに搭
載される構造、１個の半導体チップが、２個以上の放熱
ブロックにまたがって搭載される構造、あるいは、複数
の半導体チップが、それぞれ個別の放熱ブロックに搭載
される構造をとることができる。

【００１６】さらに、本発明の電力用トランジスタケー
スにおいて、放熱ブロックは、ベースを構成する材料の
熱伝導率よりも大きい値を有する材料、たとえば、銅、
窒化アルミニウム、および酸化ベリリウムの、少なくと
もいずれかから構成されることを特徴とする。

【００１７】これらの構成の電力用トランジスタケース
に、半導体チップを搭載することによって、電力用トラ
ンジスタが得られる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、図面を参照して説明する。

【００１９】図１は、本発明の実施の形態を示す図であ
る。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は断面図である。
図２は、図１をもとにする２種類の電力用トランジスタ
ケースの構造の断面図である。

【００２０】図１において、４角形の放熱ブロック４１
は、熱伝導率が大きい銅からなり、その放熱ブロック４
１の側面が鉄材のベース５１によって支持されている。
そして、半導体チップ３１は、放熱ブロック４１に搭載
され、半田付けされている。銅の放熱ブロック４１のサ
イズに合わせて、鉄材のベース５１をくり抜き、互いに
嵌合させることによって、電力用トランジスタケースが
構成されている。図１示されるように、半導体チップ３
１が搭載された放熱ブロック４１の反対側の面は空間に
露出され、ベース５１の面よりもせり出した状態となっ
ている。このため、電力用トランジスタケースを放熱器
（図示せず）に取り付ける場合には、放熱ブロック４１
の面は放熱器と確実に結合される。

【００２１】放熱ブロックとベースは、図２に示すよう
に、半導体チップ３１が搭載される面が、対向面よりも
狭くなるように加工して結合すると、より実利的であ
る。放熱ブロック４２の主面に対して、嵌合部分となる
側面を斜めに面に形成してもよい［図２（ａ）］。ある
いは、放熱ブロック４３は、嵌合部分となる側面に段差
を付けてもよい［図２（ｂ）］。ベース５２，５３も放
熱ブロック４２，４３の形状に対応して加工され、これ
らは、それぞれ嵌合して一体に形成される。このような
構造にすることにより、ベース５２，５３によって放熱
ブロック４２，４３を、フィンなどを備えた放熱器に押
し付けて伝熱させる場合、放熱ブロック４２，４３と放
熱器との密着が確実になるとともに、放熱ブロック４
２，４３がベース５２，５３から離脱するなどの可能性
も回避される。

【００２２】たとえば、図１において、半導体チップ３
１を、半田付け等によって銅の放熱ブロック４１に固定
することにより、半導体チップ３１で発生した熱は、銅
の放熱ブロック４１に効率よく伝達され、さらに対向す
る面から電力用トランジスタケースの外部に放散され
る。放熱ブロック４１を構成する銅は、べース５１を構
成する鉄に比べて、５倍以上の熱伝導率を有する。した
がって、図１に示す構成の場合、半導体チップ３１から
発生した熱のうち、べース５１に伝導される熱量は、ご
く僅かで、大部分は放熱ブロック４１の対向面に向けて
伝達される。べース５１の主機能は、放熱ブロックの面
を放熱器に確実に固定することである。なお、銅の放熱
ブロック４１や、鉄材等のベース５１の表面を、めっき
等により他の適当な金属被膜で覆うと、半田付け性や防
錆に効果がある。

【００２３】図３は、本発明の他の実施の形態を示す図
である。図３において、半導体チップ３１と銅製の放熱
ブロック４１の間には、絶縁プレート６１が配置されて
いる。つまり、放熱ブロック４５は、銅製の放熱ブロッ
ク４１と絶縁プレート６１から構成される。絶縁プレー
ト６１には、窒化アルミニウム板６２が配置されてい
る。窒化アルミニウムは絶縁材料であって、熱伝導率が
大きく、かつ熱膨張率がシリコンの値に近い。半導体チ
ップ３１を銅の放熱ブロック４１から電気的に絶縁し、
なおかつ放熱を促進する必要がある場合に、このような
構成が有効である。窒化アルミニウム板の代わりにベリ
リア板を用いてもよい。窒化アルミニウム、およびベリ
リアは、ベース５１となる鉄よりも大きい熱伝導率を有
する。図３に示す電力用トランジスタケースの場合、半
導体チップ３１から発生した熱の大部分は、放熱ブロッ
ク４１の対向面に向けて伝導される。実用的には、半田
付けによる固定の必要から、図３に示すように、絶縁プ
レート６１の基体をなす窒化アルミニウム板、あるいは
ベリリア板は、両面を銅板６３，６４で被覆された、い
わゆるクラッド形態として使われる。

【００２４】図４、図５、図６は、それぞれ、本発明の
他の実施の形態を説明する図である。

【００２５】図４は、複数の半導体チップを１個の放熱
ブロックに搭載する電力用トランジスタケース、および
電力用トランジスタの構成図である。図４（ａ）は平面
図、図４（ｂ）は断面図である。各半導体チップ３１で
発生された熱を、共通する１個の放熱ブロック４１によ
って伝達し、さらに空間に露出している対向面から外部
に放散する。この構成は、小型の電力用トランジスタケ
ースとして有用である。

【００２６】図５は、複数の放熱ブロック４１にまたが
って、１個の半導体チップ３２を搭載する電力用トラン
ジスタケースおよび電力用トランジスタの構成図であ
る。図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は断面図である。
図５に示すように、熱伝導率が大きい銅板６５をもって
複数の放熱ブロック４１に予め架橋し、この銅板６５上
に半導体チップ３２を搭載するとよい。本構成により、
熱放散を効果的に行うことが可能なため、大電力用の半
導体チップ３２を搭載することができる。

【００２７】図６は、単一の電力用トランジスタケース
の中に複数の半導体チップを収納しつつも、放熱ブロッ
クは各半導体チップごとに配置されている構成図であ
る。図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は断面図である。
各半導体チップ３１で発生した熱は、それぞれの半導体
チップごとに設けられた放熱ブロック４１を通して、独
立に電力用トランジスタケース外部に伝達され、付加さ
れた放熱器（図示せず）によって放熱される。各半導体
チップ３１間の熱的干渉が回避される特徴がある。

【００２８】本発明では、半導体チップを搭載する放熱
ブロックを、搭載部分に限定して小型にし、かつ、べー
スに比べて熱伝導が大きい銅などを用いることにより、
半導体チップがべースの熱膨張の影響を受けることがな
い。その結果、複数個の半導体チップ、大型の半導体チ
ップに対して、十分な熱放散機能を有し、かつ、廉価な
電力用トランジスタケースが実現する。そして、半導体
チップの搭載によって、電力用トランジスタが実現す
る。

【００２９】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、必要な熱放散特性を維持しながら、熱膨張による歪
みを最小限に抑え、しかも安価な電力用トランジスタケ
ース、および電力用トランジスタが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す図。図１（ａ）は平
面図。図１（ｂ）は断面図。

【図２】図１をもとにする２種類の電力用トランジスタ
ケースの構造の断面図。

【図３】本発明の他の実施の形態を説明する図。

【図４】本発明の実施の形態を説明する図。図４（ａ）
は平面図。図４（ｂ）は断面図。

【図５】本発明の実施の形態を説明する図。図５（ａ）
は平面図。図５（ｂ）は断面図。

【図６】本発明の実施の形態を説明する図。図６（ａ）
は平面図。図６（ｂ）は断面図。

【図７】従来技術による電力用トランジスタの放熱構造
を示す図。

【図８】従来技術による電力用トランジスタの構成図。
図８（ａ）は平面図。図８（ｂ）は断面図。

【図９】従来技術による電力用トランジスタの構成図。

【符号の説明】

１１トランジスタケース２１，２２放熱器３１，３２半導体チップ４１，４２，４３，４４，４５放熱ブロック４６放熱ブロック（銅タングステン合金製）５１，５２，５３ベース６１絶縁プレート６２窒化アルミニウム板６３，６４，６５銅板７１モリブデン板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体チップを搭載する電力用トランジ
スタケースにおいて、該電力用トランジスタケースは、
前記半導体チップを搭載する放熱ブロック、および、該
放熱ブロックを支持するベースから構成され、前記放熱
ブロックは、相対向する二面のうち一方の面には前記半
導体チップが搭載され、他の一方の面が空間に面するよ
うに配置され、前記二面を除く他の面を介して、前記ベ
ースによって支持される構造を有することを特徴とする
電力用トランジスタケース。
【請求項２】前記放熱ブロックの半導体チップ搭載面
に対向する面は、前記ベースと同一面をなし、または該
ベースより前記空間側にせり出して構成されていること
を特徴とする請求項１記載の電力用トランジスタケー
ス。
【請求項３】前記放熱ブロックは、異なる２以上の材
料を重ね合わせて一体に構成されていることを特徴とす
る請求項１または請求項２記載の電力用トランジスタケ
ース。
【請求項４】複数の前記半導体チップが、１個の放熱
ブロックに搭載される構造を有することを特徴とする請
求項１ないし請求項３記載の電力用トランジスタケー
ス。
【請求項５】１個の前記半導体チップが、２個以上の
前記放熱ブロックにまたがって搭載される構造を有する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３記載の電力用
トランジスタケース。
【請求項６】複数の前記半導体チップが、それぞれ個
別の前記放熱ブロックに搭載される構造を有することを
特徴とする請求項１ないし請求項３記載の電力用トラン
ジスタケース。
【請求項７】前記放熱ブロックは、前記ベースを構成
する材料の熱伝導率よりも大きい値を有する材料から構
成されることを特徴とする請求項１ないし請求項６記載
の電力用トランジスタケース。
【請求項８】前記放熱ブロックは、銅、窒化アルミニ
ウム、および酸化ベリリウムの、少なくともいずれかか
ら構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項７
記載の電力用トランジスタケース。
【請求項９】請求項１ないし請求項８記載の電力用ト
ランジスタケースに、前記半導体チップが搭載されたこ
とを特徴とする電力用トランジスタ。