JP2005136264A - 電力用半導体装置及び電力用半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】電力用半導体チップの動作時に発生する熱の放熱効果が高い電力用半導体装置及び電力用半導体モジュールを実現する。
【解決手段】複数の電力用半導体チップ4a,4b(電力用トランジスタ等)の各々の間に端子板1の空きスペース1cを介して電力用半導体チップ4a,4bの各々を互いに離隔して配設する。そしてさらに、チップ各々の配設領域下及びチップ間領域下において放熱ブロックを絶縁層(端子板1下のパッケージ及びグリス)に当接させることにより放熱効果を高める。
【選択図】図1

Description

この発明は、電力用半導体チップを含む電力用半導体装置、及び、電力用半導体装置を搭載した電力用半導体モジュールに関する。
サイリスタやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等として機能する電力用半導体チップは、半導体基板内にp形やn形の不純物領域を選択的に形成することにより得られる。そのようにして得られた電力用半導体チップは、リード部の付いた端子板等に接続され、端子板等とともに樹脂封止パッケージで覆われることにより、電力用半導体装置として形成される。
なお、そのような電力用半導体装置に関連する先行技術文献情報としては次のものがある。
特開昭60−224256号公報 特開平2−78265号公報 特開平8−191130号公報 特開平10−116959号公報
例えば上記特許文献1においては、その第1図及び第2図においてサイリスタチップ3及び4が示されている。サイリスタチップ3及び4のような電力用半導体チップは、その動作時に発熱を伴うが、上記特許文献1においては、そのような動作時に発する熱の放熱性については考慮されてはいない。
また、上記特許文献2においても、その第1図及び第2図において回路部品搭載部25上には2つ一組で四ないし六組の複数の電力用半導体チップが搭載されている。しかし、2つ一組の電力用半導体チップの各々同士が互いに近接配置されており、両チップ間で互いからの放出熱の影響を受けやすい。具体的には例えば2つ一組の電力用半導体チップのうち一方の発熱量が大きい場合に、その発熱により他方の動作温度を高めてしまう可能性がある。よって、やはり動作時の放熱性についての考慮がなされてはいない。
また、上記特許文献1ないし4のいずれにおいても、電力用半導体チップを搭載した電力用半導体装置を複数、集めてモジュール化したときの放熱処理については、記述されていない。
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、電力用半導体チップの動作時に発生する熱の放熱効果が高い電力用半導体装置、及び、電力用半導体モジュールを提供することにある。
請求項1に記載の発明は、表面および裏面を有する導電性の端子板と、前記端子板の前記表面に配設された複数の電力用半導体チップと、前記端子板の前記裏面に配設された絶縁層と、前記絶縁層に当接し、前記絶縁層を介して前記端子板とは絶縁された放熱ブロックとを備え、前記複数の電力用半導体チップの各々は、前記各々の間に前記端子板の空きスペースを介して互いに離隔して配設され、少なくとも前記複数の電力用半導体チップの各々の配設領域下及び前記複数の電力用半導体チップ間の領域下において、前記放熱ブロックは前記絶縁層に当接し、前記絶縁層は前記端子板の前記裏面に当接する電力用半導体装置である。
請求項5に記載の発明は、表面を有する放熱ブロックと、少なくとも一つの電力用半導体チップ及び前記少なくとも一つの電力用半導体チップを覆うパッケージを各々が含む複数の電力用半導体装置とを備え、前記複数の電力用半導体装置がいずれも同一の前記放熱ブロックの前記表面に配設された電力用半導体モジュールである。
請求項1に記載の発明によれば、複数の電力用半導体チップの各々は、各々の間に端子板の空きスペースを介して互いに離隔して配設される。よって、端子板のうち、各電力用半導体チップの配設領域下の部分だけでなく、各電力用半導体チップ間に挟まれた部分においても、各電力用半導体チップから発せられる熱を端子板が吸収して、電力用半導体チップの放熱性を高められる。また、互いに離隔して配設されるので、複数の電力用半導体チップ間で互いからの放出熱の影響を受けにくい。さらに、少なくとも複数の電力用半導体チップの各々の配設領域下及び複数の電力用半導体チップ間の領域下において、放熱ブロックは絶縁層に当接し、絶縁層は端子板の裏面に当接する。よって、各電力用半導体チップ間に挟まれた部分においても放熱ブロックが絶縁層を介して端子板の熱を吸収するため、より放熱効果が高い。
請求項5に記載の発明によれば、複数の電力用半導体装置のいずれをも同一の放熱ブロックの表面に配設する。よって、複数の電力用半導体装置から発せられる熱を一つの放熱ブロックで効率よく放熱することが可能である。この場合、複数の電力用半導体装置を近接配置して電力用半導体モジュール全体の小型化を図ることも可能であるし、複数の電力用半導体装置を離隔配置して複数の電力用半導体装置間において互いからの放出熱の影響を受けにくくすることも可能である。また、複数の電力用半導体装置を一つの放熱ブロック上に配設するので、複数の電力用半導体装置の各々ごとに放熱ブロックを固着して、それらを結合する場合に比べて、複数の電力用半導体装置の放熱ブロックへの取り付け作業が短くて済む。
<実施の形態1>
本実施の形態は、複数の電力用半導体チップを、その各々の間に端子板の空きスペースを介して互いに離隔するよう配設し、チップ各々の配設領域下及びチップ間領域下において放熱ブロックを絶縁層に当接させ、絶縁層を端子板の裏面に当接させることにより放熱効果を高めた電力用半導体装置である。
図1は、本実施の形態に係る半導体装置D1を示す上面図である。また、図2は図1における切断線II−IIにおける断面図であり、図3は図1における切断線III−IIIにおける断面図である。
図1に示すように、この半導体装置D1は、電力用トランジスタ等の複数の電力用半導体チップ4a,4bを備えている。図1の半導体装置D1においては例えば、電力用半導体チップ4a,4bの表面にその主電流電極たる電力用トランジスタのエミッタが設けられ、裏面に他方の主電流電極たる電力用トランジスタのコレクタが設けられる。また、表面のうちエミッタとは別の領域にその制御電極たる電力用トランジスタのベースが設けられる。
そして、この半導体装置D1は、アルミニウム等で形成された導電性の端子板1および2を備えている。端子板1及び2は平坦な板状体である。
端子板1は略コ字形をしており、外部との電気的接続を行うためのリード部1a,1e、コ字屈曲部1b,1d、および、コ字底辺部1cを有している。リード部1a,1eには、それぞれ外部との電気的接続用の接続孔7a,7cが設けられている。そして、電力用半導体チップ4a,4bはそれぞれ、端子板1のコ字屈曲部1b,1d近傍に配設されている。すなわち、電力用半導体チップ4a,4bは、両者間に端子板1のコ字底辺部1cを端子板1の空きスペースとして介して互いに離隔して配設されている。なお、端子板1への電力用半導体チップ4a,4bの配設は、電力用半導体チップ4a,4bの裏面(例えば電力用トランジスタのコレクタ)が、ハンダ(図示せず)等の導電性材料により端子板1の表面に接着されることにより行われる。
また、端子板2はI字形をしており、端子板1のリード部1a,1e間に端子板1から離隔して配置される。端子板2にも外部との電気的接続用の接続孔7bが設けられている。なお、電力用半導体チップ4a,4bの表面の主電流電極(例えば電力用トランジスタのエミッタ)と端子板2の表面とは、それぞれボンディングワイヤ6a,6c等の導電性材料により電気的に接続される。
また、この半導体装置D1は、アルミニウム等で形成された導電性の制御信号用端子5a,5bを備えている。電力用半導体チップ4a,4bの表面の制御電極(例えば電力用トランジスタのベース)と制御信号用端子5a,5bの表面とは、それぞれボンディングワイヤ6b,6d等の導電性材料により電気的に接続される。
さらに、この半導体装置D1は、端子板1,2の一部、電力用半導体チップ4a,4b、制御信号用端子5a,5bの一部およびボンディングワイヤ6a〜6dを覆う、絶縁性の樹脂封止パッケージ3をも備える。
そして、図2および図3に示すように、樹脂封止パッケージ3の下面は、絶縁性のグリス8を介して放熱ブロック9a,9bに接着されている。放熱ブロック9a,9bは、複数のスリットを有するスリット部9aと蓋部9bとが接合されて構成されている。
なお、本実施の形態では、樹脂封止パッケージ3の下面側領域とグリス8とが、端子板1及び2並びに制御信号用端子5a,5bと放熱ブロック9a,9bとの絶縁層として機能する。すなわち、本実施の形態においては、端子板1及び2並びに制御信号用端子5a,5bの裏面に、樹脂封止パッケージ3の下面側領域とグリス8とで構成される絶縁層が配設され、その絶縁層を介して端子板1及び2並びに制御信号用端子5a,5bと放熱ブロック9a,9bとは絶縁されていると言える。
そして、電力用半導体チップ4a,4bの各々の配設領域下、及び、電力用半導体チップ4a,4b間の領域(コ字底辺部1c)下、及び、端子板1のリード部1a,1eへと延伸する領域下において、放熱ブロック9a,9bは、樹脂封止パッケージ3の下面側領域とグリス8とで構成される上記絶縁層に当接し、上記絶縁層は端子板1及び2並びに制御信号用端子5a,5bの裏面に当接する。
本実施の形態に係る電力用半導体装置によれば、複数の電力用半導体チップ4a,4bは、それらの間に端子板1のコ字底辺部1cを空きスペースとして介して互いに離隔して配設される。よって、端子板1のうち、各電力用半導体チップ4a,4bの配設領域下の部分だけでなく、各電力用半導体チップ4a,4b間に挟まれた部分においても、各電力用半導体チップ4a,4bから発せられる熱を端子板1が吸収して、電力用半導体チップ4a,4bの放熱性を高められる。
また、互いに離隔して配設されるので、複数の電力用半導体チップ4a,4b間で互いからの放出熱の影響を受けにくい。さらに、少なくとも電力用半導体チップ4a,4bの配設領域下及び電力用半導体チップ4a,4b間の領域下において、放熱ブロック9a,9bが樹脂封止パッケージ3の下面側領域とグリス8とで構成される絶縁層に当接し、その絶縁層は端子板1の裏面に当接する。よって、電力用半導体チップ4a,4b間に挟まれた部分においても放熱ブロック9a,9bが樹脂封止パッケージ3の下面側領域とグリス8とで構成される絶縁層を介して端子板1の熱を吸収するため、より放熱効果が高い。
なお、ここでは電力用半導体チップ4a,4bを2個設ける例を示したが、より多数の電力用半導体チップを設ける場合は、各々の電力用半導体チップの間に端子板1の空きスペースを介して互いに離隔して各チップを配設すればよい。そして、複数の電力用半導体チップの配設領域下及び各電力用半導体チップ間の領域下において、放熱ブロック9a,9bを樹脂封止パッケージ3の下面側領域とグリス8とで構成される絶縁層に当接させ、その絶縁層を端子板1の裏面に当接させればよい。
また、本実施の形態に係る電力用半導体装置によれば、端子板1は、外部との電気的接続を行うためのリード部1a,1eを含み、リード部1a,1eへと延伸する領域下においても放熱ブロック9a,9bが樹脂封止パッケージ3の下面側領域とグリス8とで構成される絶縁層に当接し、その絶縁層は端子板1の裏面に当接する。よって、リード部1a,1eへと延伸する領域下においても放熱ブロック9a,9bが樹脂封止パッケージ3の下面側領域とグリス8とで構成される絶縁層を介して端子板1の熱を吸収するため、より放熱効果が高い。
また、本実施の形態に係る電力用半導体装置によれば、端子板1は平坦な板状体である。よって、放熱ブロック9a,9bを有していても、電力用半導体装置の厚みを抑制することが可能である。
<実施の形態2>
本実施の形態は、実施の形態1に係る電力用半導体装置の変形例であって、実施の形態1における端子板1,2の代わりにT字形の端子板とI字形の端子板とを採用するものである。
図4は、本実施の形態に係る半導体装置D2を示す上面図である。また、図5は図4における切断線V−Vにおける断面図であり、図6は図4における切断線VI−VIにおける断面図である。
図4に示すように、この半導体装置D2は、アルミニウム等で形成された導電性の端子板10および2a,2bを備えている。端子板10及び2a,2bも端子板1,2と同様、平坦な板状体である。
端子板10はT字形をしており、外部との電気的接続を行うためのリード部10a、T字両翼部10b,10d、および、T字結合部10cを有している。リード部10aには、外部との電気的接続用の接続孔7eが設けられている。そして、電力用半導体チップ4a,4bはそれぞれ、端子板10のT字両翼部10b,10d近傍に配設されている。すなわち、電力用半導体チップ4a,4bは、両者間に端子板10のT字結合部10cを空きスペースとして介して互いに離隔して配設されている。なお、端子板10への電力用半導体チップ4a,4bの配設は、電力用半導体チップ4a,4bの裏面(例えば電力用トランジスタのコレクタ)が、ハンダ(図示せず)等の導電性材料により端子板10の表面に接着されることにより行われる。
また、端子板2a,2bはともにI字形をしており、端子板10のリード部10aを挟むように端子板10から離隔して配置される。端子板2a,2bにもそれぞれ、外部との電気的接続用の接続孔7d,7fが設けられている。なお、電力用半導体チップ4a,4bの表面の主電流電極(例えば電力用トランジスタのエミッタ)と端子板2a,2bの表面とは、それぞれボンディングワイヤ6a,6c等の導電性材料により電気的に接続される。
その他の構成については、実施の形態1に係る電力用半導体装置と同じであるため、説明を省略する。
本実施の形態によれば、端子板10のリード部10aは、電力用半導体チップ4a,4b間の領域から外方に延在する。よって、リード部10aは、その両脇の電力用半導体チップ4a,4bで発生した熱を吸収して外方に放出することができ、放熱効果が高い。また、リード部10aがその両脇の電力用半導体チップ4a,4bで発生した熱を吸収するため、その両脇の電力用半導体チップ4a,4b間で互いの放出熱の影響を受けにくい。
なお、ここでは電力用半導体チップ4a,4bを2個設ける例を示したが、より多数の電力用半導体チップを設ける場合は、各々の電力用半導体チップの領域から端子板10のリード部を外方に延在させればよい。
<実施の形態3>
本実施の形態は、実施の形態1及び2に係る電力用半導体装置を用いて電力用半導体モジュールを構成したものである。
図7は、本実施の形態に係る電力用半導体モジュールD3の回路図である。また、図8は、本実施の形態に係る半導体モジュールD3を示す上面図である。また、図9は図8における切断線IX−IXにおける断面図である。
図7に示すように、本実施の形態に係る電力用半導体モジュールD3は、6個の電力用トランジスタT1〜T6を用いて三相インバータを構成したものである。電力用トランジスタT1,T3,T5のコレクタは共通して端子Pに接続され、電力用トランジスタT2,T4,T6のエミッタは共通して端子Nに接続される。また、電力用トランジスタT1のエミッタと電力用トランジスタT2のコレクタとが共通して端子Uに接続される。そして、電力用トランジスタT3のエミッタと電力用トランジスタT4のコレクタとは共通して端子Vに接続され、電力用トランジスタT5のエミッタと電力用トランジスタT6のコレクタとは共通して端子Wに接続される。
本実施の形態に係る電力用半導体モジュールD3は、図8及び図9に示すように、電力用トランジスタT1〜T6として、実施の形態1に係る電力用半導体装置と略同様の構造の電力用半導体装置D1a〜D1c、及び、実施の形態2に係る電力用半導体装置と略同様の構造の電力用半導体装置D2a〜D2cを備える。
ただし、電力用半導体装置D1a〜D1c,D2a〜D2cは、個別には放熱ブロック9a,9bを備えておらず、いずれもグリス8を介して共通の放熱ブロック9c,9dの表面に配設されている。放熱ブロック9c,9dは、複数のスリットを有するスリット部9cと蓋部9dとが接合されて構成されている。なお、スリット部9cにおいて、電力用半導体装置D1a〜D1cの並ぶ列と電力用半導体装置D2a〜D2cの並ぶ列との間には、空隙部9eが設けられている。
また、電力用半導体モジュールD3は、図9に示すように制御信号用端子に制御信号を与えるための制御基板11をも備えている(ただし、図8では電力用半導体装置D1a〜D1c,D2a〜D2cを明示するために、制御基板11の図示を省略)。
また、電力用半導体装置D1a〜D1cについては、そのリード部に段差1a1,1e1が設けられている。また、電力用半導体装置D2a〜D2cについては、両端のリード部が延在部2a1,2b1を有しており、中央のリード部よりも両端のリード部が長くなっている。そして、向かい合う電力用半導体装置D1a及びD2a、D1b及びD2b、D1c及びD2cのそれぞれにおいて、図9に示すように段差1a1,1e1より外方の部分と延在部2b1,2a1とがそれぞれ当接している。
その他の構造については、実施の形態1に係る電力用半導体装置及び実施の形態2に係る電力用半導体装置と同様のため、説明を省略する。
なお、電力用半導体装置D1a〜D1cの中央のリード部が図7における端子Nに相当し、電力用半導体装置D2a〜D2cの中央のリード部が図7における端子Pに相当する。また、電力用半導体装置D1a,D2aの両端のリード部が図7における端子Uに相当し、電力用半導体装置D1b,D2bの両端のリード部が図7における端子Vに相当し、電力用半導体装置D1c,D2cの両端のリード部が図7における端子Wに相当する。
本実施の形態に係る電力用半導体モジュールD3は、放熱ブロック9c,9dと、少なくとも一つの電力用半導体チップ及びそれを覆うパッケージを各々が含む複数の電力用半導体装置D1a〜D1c,D2a〜D2cとを備え、電力用半導体装置D1a〜D1c,D2a〜D2cがいずれも放熱ブロック9c,9dの表面に配設されている。よって、複数の電力用半導体装置D1a〜D1c,D2a〜D2cから発せられる熱を一つの放熱ブロック9c,9dで効率よく放熱することが可能である。
この場合、電力用半導体装置D1a〜D1c(または電力用半導体装置D2a〜D2c)のように複数の電力用半導体装置を近接配置して電力用半導体モジュール全体の小型化を図ることも可能であるし、電力用半導体装置D1aとD2a(または電力用半導体装置D1bとD2bもしくはD1cとD2c)のように複数の電力用半導体装置を離隔配置して各電力用半導体装置間において互いからの放出熱の影響を受けにくくすることも可能である。
また、複数の電力用半導体装置D1a〜D1c,D2a〜D2cを一つの放熱ブロック9c,9d上に配設するので、複数の電力用半導体装置の各々ごとに放熱ブロックを固着して、それらを結合する場合に比べて、複数の電力用半導体装置の放熱ブロックへの取り付け作業が短くて済む。
また、本実施の形態に係る電力用半導体モジュールD3においては、電力用半導体装置D1a〜D1cを放熱ブロック9c,9dの表面上において、直線C2に沿って並ぶよう配置し、電力用半導体装置D2a〜D2cを放熱ブロック9c,9dの表面上において、直線C2に並列する直線C1に沿って並ぶよう配置している。
このような直線的配置を採用すれば、電力用半導体装置D1a〜D1c,D2a〜D2c上に冷媒管路(例えば水冷用の水流管)を直線C1,C2に沿って設けた場合に、冷媒管路の曲がり部(カーブする部分)を少なくすることができる。よって、冷媒を冷媒管路内に流したときに冷媒管路内の曲がり部における摩擦損失の総量を少なくすることができる。よって、エネルギー効率よく複数の電力用半導体装置を冷却することが可能となる。
また、本実施の形態に係る電力用半導体モジュールD3においては、複数の電力用半導体装置の一部たる電力用半導体装置D1a〜D1cを直線C2に沿って並ぶよう配置し、他の一部たる電力用半導体装置D2a〜D2cを直線C2に並列する直線C1に沿って並ぶよう配置している。
よって、複数の電力用半導体装置の一部たる電力用半導体装置D1a〜D1cと他の一部たる電力用半導体装置D2a〜D2cとの間の間隔を広く設けることにより、電力用半導体装置D1a〜D1cと電力用半導体装置D2a〜D2cとの間において互いからの放出熱の影響を受けにくくすることが可能である。
また、本実施の形態に係る電力用半導体モジュールD3においては、放熱ブロック9c,9dは、電力用半導体装置D1a〜D1cと電力用半導体装置D2a〜D2cとの間に挟まれた領域下において、空隙部9eを有する。
よって、放熱ブロック9c,9dの軽量化および材料費低減によるコストダウンを図ることが可能となる。
実施の形態1に係る電力用半導体装置を示す上面図である。 実施の形態1に係る電力用半導体装置を示す断面図である。 実施の形態1に係る電力用半導体装置を示す断面図である。 実施の形態2に係る電力用半導体装置を示す上面図である。 実施の形態2に係る電力用半導体装置を示す断面図である。 実施の形態2に係る電力用半導体装置を示す断面図である。 実施の形態3に係る電力用半導体モジュールの回路図である。 実施の形態3に係る電力用半導体モジュールを示す上面図である。 実施の形態3に係る電力用半導体モジュールを示す断面図である。
符号の説明
1,2,2a,2b,10 端子板、3 樹脂封止パッケージ、4a,4b 電力用半導体チップ、5a,5b 制御用端子、6a〜6d ボンディングワイヤ、7a〜7f 接続孔、8 グリス、9a〜9d 放熱ブロック、9e 空隙部、11 制御基板。

Claims (8)

  1. 表面および裏面を有する導電性の端子板と、
    前記端子板の前記表面に配設された複数の電力用半導体チップと、
    前記端子板の前記裏面に配設された絶縁層と、
    前記絶縁層に当接し、前記絶縁層を介して前記端子板とは絶縁された放熱ブロックと
    を備え、
    前記複数の電力用半導体チップの各々は、前記各々の間に前記端子板の空きスペースを介して互いに離隔して配設され、
    少なくとも前記複数の電力用半導体チップの各々の配設領域下及び前記複数の電力用半導体チップ間の領域下において、前記放熱ブロックは前記絶縁層に当接し、前記絶縁層は前記端子板の前記裏面に当接する
    電力用半導体装置。
  2. 請求項1に記載の電力用半導体装置であって、
    前記端子板は、外部との電気的接続を行うためのリード部を含み、
    前記リード部へと延伸する領域下においても、前記放熱ブロックは前記絶縁層に当接し、前記絶縁層は前記端子板の前記裏面に当接する
    電力用半導体装置。
  3. 請求項2に記載の電力用半導体装置であって、
    前記リード部は、前記複数の電力用半導体チップ間の領域から外方に延在する
    電力用半導体装置。
  4. 請求項1に記載の電力用半導体装置であって、
    前記端子板は平坦な板状体である
    電力用半導体装置。
  5. 表面を有する放熱ブロックと、
    少なくとも一つの電力用半導体チップ及び前記少なくとも一つの電力用半導体チップを覆うパッケージを各々が含む複数の電力用半導体装置と
    を備え、
    前記複数の電力用半導体装置がいずれも同一の前記放熱ブロックの前記表面に配設された
    電力用半導体モジュール。
  6. 請求項5に記載の電力用半導体モジュールであって、
    前記複数の電力用半導体装置は前記放熱ブロックの前記表面上において、少なくとも一つの直線に沿って並ぶよう配置された
    電力用半導体モジュール。
  7. 請求項6に記載の電力用半導体モジュールであって、
    前記少なくとも一つの直線は複数の並列する直線を含み、
    前記複数の電力用半導体装置の一部が前記複数の並列する直線の一つに沿って並ぶよう配置され、
    前記複数の電力用半導体装置の他の一部は前記複数の並列する直線の他の一つに沿って並ぶよう配置された
    電力用半導体モジュール。
  8. 請求項7に記載の電力用半導体モジュールであって、
    前記放熱ブロックは、前記複数の電力用半導体装置の前記一部と前記他の一部との間に挟まれた領域下において、空隙部を有する
    電力用半導体モジュール。
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