JP2006351933A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュール等の半導体素子を間に熱伝導性電気絶縁シートを挟んで冷却体に取り付けた半導体装置における半導体素子の設置スペースを小さくし、かつ絶縁耐圧性能を向上させる。
【解決手段】半導体モジュール等の半導体素子を間に熱伝導性電気絶縁シートを挟んで冷却体に取り付けた半導体装置において、前記絶縁シートの半導体素子の外周から張出した張出し部分の裏面を直接冷却体表面に接触させないようにして、この絶縁シートの張出し部分による絶縁沿面距離を拡大する。
【選択図】図１

Description

この発明は、高電圧化のために複数の半導体素子を直列接続して共通の導電性基板上に載置して構成した半導体装置に関する。

近年は、半導体電力変換装置が高電圧化され、そのために、半導体電力変換装置を構成する半導体素子が高電圧化されているが、それでも耐電圧が不足する場合には、特許文献１に記載されるように半導体素子を複数個直列接続してこれを半導体素子郡とし、この半導体素子郡を１つのスイッチとして機能させるようにしている。

複数個直列接続に用いられる半導体素子にはＩＧＢＴモジュール、ダイオードモジュール、サイリスタなどがある。

図７は、ＩＧＢＴモジュールの内部構造の１例を示す断面図である。この図において、101ａはコレクタ外部電極端子、101ｂはエミッタ外部電極端子である。102は絶縁樹脂で構成した筐体、103は同様に絶縁樹脂からなる絶縁部材、104は冷却体に取り付けるための金属製のベース板である。105ａはコレクタ側導電部材、105ｂはエミッタ側導電部材、106ａはコレクタ側中継基板、106ｂはエミッタ側中継基板である。107はＩＧＢＴチップ、108ａはコレクタ内部電極、109はセラミック絶縁基板、110はボンディングワイヤである。

このようなＩＧＢＴモジュール内で、ＩＧＢＴチップ107は通電により発熱する。これを放置すると、チップの焼損等の故障が生じるので、冷却を行う必要がある。そこで、この従来例で用いる半導体モジュールでは、金属性のベース板104をここにはここには図示しない冷却体に結合して、半導体チップを積極的に冷却するようにしている。

また、電気絶縁技術的な観点に立つと、大地電位に置かれた冷却体と、主回路電位にあるＩＧＢＴチップ107とは電気的に絶縁されている必要がある。この従来の半導体モジュールにおいては、ＩＧＢＴ（半導体）チップ107とベース板104の間に熱伝導性の高いセラミック絶縁板106を挟んで両者間の絶縁耐圧を得て、ベース板107と冷却体とを同電位に置くようにしている。

図８は、前記のような半導体モジュールを複数個直列接続して構成した半導体素子郡を用いた半導体電力変換装置の従来例である。この図は、全体で２直列接続の素子郡を用いてインバータ回路１相分を示している。破線枠で示される210は例えば１．２ｋＶの定格電圧を有する1個のＩＧＢＴモジュール、破線枠内の104は金属ベース板、211はセラミックなどで構成した絶縁物を示す。そして220は、ＩＧＢＴチップが発生する熱を大気などへ放熱するための冷却体を示している。一般にインバータ回路では、Ｐ端子と出力端子Ｒ間の半導体素子を上アーム、出力端子ＲとＮ端子との間の半導体素子を下アームと呼ぶ。図８の例では、上、下アームにはそれぞれ２個直列接続されたＩＧＢＴモジュール郡が１郡ずつ用いられている。また、接地がＥ４端子と冷却体220に対して行われており、電源に接続されるＮ端子および冷却体220が大地電位に固定されている。また図では省略したが、Ｐ−Ｎ端子間に直流電源が、出力端子Ｒに交流負荷がそれぞれ接続される。直流電源の電圧Ｅｄの定格電圧は、定格電圧が１．２ｋＶのＩＧＢＴモジュールを２個直列接続したＩＧＢＴモジュール郡を用いる場合は、１．２×２＝２．４ｋＶとなる。

図８から明らかなように、Ｃ１端子と冷却体220との間には直流電源の定格電圧Ｅｄ（例えば、２．４ｋＶ）と同じ電圧が印加されるが、１個のＩＧＢＴモジュール220の定格電圧は直流電源の定格電圧の１／２（例えば１．２ｋＶ）であるにもかかわらず、ここでは特に絶縁耐圧強化のための対策は何もとられていない。このため、このような従来の半導体装置では、半導体モジュールを２個直列接続した構成であっても、絶縁耐圧を高めることができず、直流電源電圧Ｅｄは、１つの半導体モジュールの絶縁耐圧以下となるように設定する必要がある。

このような問題に対する１つの対策として図９に示すように、上アームと、下アームを構成するＩＧＢＴモジュール郡を各別の冷却体230、240に取付け、これら冷却体をそれぞれのアームの２つのＩＧＢＴモジュールの中間接続点のE1C2およびE3C4端子に接続し、異なる電位におくようにすることが提案されている（特許文献１参照）。

この方法によると、冷却体を大地電位におくことができないので、電力変換装置の筐体内に収める際に、筐体に対して必ず絶縁して取付ける必要があり、コストの上昇や、サイズが大きくなる問題が生じる。

また、このような問題の解決のために、図１０に示すように、半導体モジュール210と冷却体220の間に熱伝導性の絶縁シート290を挟むようにした対策も考えられている（特許文献２参照）。このように絶縁シート290を挟むことにより、各半導体モジュール210の内部の絶縁構造211による絶縁体圧の不足をこの絶縁シート290によって補うことができ、絶縁耐圧性能を向上できる。
特開平２００３−１７４７８２号公報 実開平５-７３９５９号公報

しかしながら、前記のように半導体モジュールと冷却体の間に単純に絶縁シートを挟んだだけでは、半導体モジュール210と冷却体220の間の絶縁シートが所定の絶縁沿面距離２ａを必要とするため、図１０に示すように絶縁シート290を半導体モジュール210の外側に絶縁沿面距離２ａ相当の長さ以上に張出す必要がある。このため、1つの冷却体上に、複数の半導体モジュールを載置する場合は、相互の間隔を図１０に示すように所定の絶縁沿面距離２ａの２倍の４ａ以上離して配置する必要があり、半導体素子の設置スペースが大きくなる問題が生じる。

この発明は、このような問題を解決して、設置スペースが小さく、かつ絶縁耐圧性能の高い半導体装置を提供することを課題とするものである。

このような課題を解決するため、この発明は、半導体モジュール等の半導体素子を間に熱伝導性電気絶縁シートを挟んで冷却体に取り付けた半導体装置において、前記絶縁シートの半導体素子の外側へ張出した張出し部分を冷却体の表面に接触させないようにしたことを特徴とする。

この発明において、前記絶縁シートの半導体素子の外側へ張出した張出し部分をほぼ直角またはこれより小さな任意の角度で折り曲げて冷却体上に垂直または斜めに立ち上げることにより張出し部分を冷却体の表面に接触させないようにすることができる。

また、前記絶縁シートの半導体素子から張出した部分を冷却体表面に接触させないようにする手段としては、絶縁シートの半導体素子から張出した部分を別の絶縁シートを介して冷却体上に載置する手段を用いることができる。

この発明のように半導体素子と冷却体の間に挟まれた熱伝導性電気絶縁シートの半導体素子の外側へ張出した張出し部分を冷却体表面に接触させないようにすることにより、この絶縁シートの表面側（冷却体と対向しない側の面）だけでなく、裏面側（冷却体と対向する側の面）の先端部から半導体素子の端部までの長さを有効な絶縁沿面距離とすることができるので、この絶縁シートの半導体素子外側に張出した張り出し部分の有効絶縁沿面距離を張出し長さの２倍とすることができ、複数の半導体素子を共通の冷却体上に取付ける際の素子間の間隔を必要な間隔の半分以下にすることができ、半導体装置を小形化できる。

以下にこの発明の実施の態様を図に示す実施例について説明する。

図１および図２は、この発明の第１の実施例の構成を示すものである。図１は正面断面図、図２は平面図である。

これらの図において、１は冷却体、２はIGBT素子とダイオード素子をモジュール化した半導体モジュールである。半導体モジュール２は、それぞれ熱伝導性絶縁シート３を介して冷却体１に取り付けられる。絶縁シート３は所要の絶縁沿面距離を確保するために、半導体モジュール２の基板の面積より広く形成され、この半導体モジュール２の外側に張出している。各半導体モジュールは、接続導体４により相互間および外部と接続される。

この実施例においては、絶縁シート３の半導体モジュール２の外側に張出した張出し部分３１は、ほぼ直角に折り曲げられて半導体モジュール２の周囲に垂直に立ち上げて、冷却体１と接触しないようにしている。

そして、この絶縁シート３の張出し部分３１の長さは、所要の絶縁沿面距離が２ａである場合には、その１／２のａに選ぶ。絶縁シート３の張出し部分３１は冷却体１に接触されないので、この張出し部分の半導体モジュール２から冷却体１までの絶縁沿面距離には、図１に点線矢印で示すように絶縁シート３の張出し部分３１の表裏両面の距離を合算したものとなるので、２ａを確保できる。

このため、２個の半導体モジュール２は、絶縁シートの張出し部分３１が相互に接触しない程度に接近させて冷却体上１に配置しても、各モジュール２の冷却体１に対する絶縁沿面距離は２ａとなり、所要の距離を確保できる。

図３および図４にこの発明の第２の実施例を示す。

この第２の実施例は、絶縁シート３の張出し部分３１が冷却体１に接触されないように、張出し部分３１を直角より小さい角度で折り曲げて立ち上げている。

この立ち上げられた絶縁シートの張出し部分３１の支持機構として、図３の実施例は、枕部材１１を用いている。この枕部材１１は、絶縁シートの張出し部分３１と冷却体１との間に挟まれる。

図４の実施例は、冷却体１に半導体モジュール２を収容するための凹穴１２を設け、この凹穴１２の中に、半導体モジュール２を収容し、凹穴１２の段差を形成する外周縁部１３により半導体モジュール２の外側に張出した絶縁シートの張出し部分３１を支持するようにしている。

図３および図４の何れのものも絶縁シート３の半導体モジュール２の外側へ張出した張出し部分３１が冷却体１と接触することなく、枕部材１１の直径および凹穴１２の深さなどによって決まる傾斜角度をもって立ち上げられるため、実施例１の場合と同様に、絶縁シートの張出し部分３１の表裏両面の沿面が絶縁距離として有効となる。この結果、張出し部分３１の長さをａに選んで場合、半導体モジュール２から冷却体１までの絶縁沿面距離は２ａとなり、所要の距離を確保できる。

また、複数の半導体モジュール２を共通の冷却体１上に配置する場合は、相互の間隔を２ａ以下に減じることができる。

図５はこの発明の第３の実施例を示すものである。この実施例では、半導体モジュール２と冷却体１の間に挟んだ熱伝導性絶縁シート３の半導体モジュール２の外周に張出した張出し部分３１の下に他の絶縁部材５を挟むことによって、この張出し部分３１が冷却体１に接触しないようにしている。

このような構成によっても、絶縁シート３の張出し部分３１は直接冷却体１に接触することがないので、半導体モジュール２から冷却体１の間の絶縁距離には張出し部分３１の表裏両面の沿面が絶縁距離として有効となり、長さａの張出し部分３１によって所要の絶縁沿面距離２ａを確保することができる。このため、複数の半導体モジュール２を共通の冷却体１上に配置する場合、相互の距離をほぼ２ａまで縮めて配置することができる。

図６はこの実施例の変形例を示すものである。この例においては、半導体モジュール２と２Ａのそれぞれと冷却体１との間に絶縁シート３と３Ａが挟まれている。半導体モジュール２側の絶縁シート３の半導体モジュール２の外周に張出し部分３１は前記図４の実施例の場合と同じように長さをａにされているが、半導体モジュール２Ａ側の絶縁シート３Ａの張出し部分３１Ａは長さを２ａとして、冷却体１に直接接触させている。

半導体モジュール２側の絶縁シート３の張出し部分３１は、冷却体１に接触されないようにするため、隣の半導体モジュール２Ａ側の絶縁シート３Ａの張出し部分３１Ａ上に重ね合わせている。これによって、半導体モジュール２と２Ａのそれぞれにおいてモジュールから冷却体までの絶縁沿面距離を所要の２ａとすることができ、相互間の配置間隔を２ａとすることができる。

なお、図５および図６において、左側の半導体モジュール２の絶縁シートの張出し部分３１の左半部と冷却体１との間は空間で示されているが、これは、絶縁沿面距離の理解を容易にするためであり、実際にはこの空間に他の絶縁シートが介設される。

以上説明したようにこの発明によれば、半導体モジュール等の半導体素子を間に熱伝導性絶縁シート挟んで冷却体に取り付ける際に、前記絶縁シートの半導体素子の外側に張出した張出し部分を冷却体に接触させないようにしているので、この絶縁シートの張出し部部の表裏両面の沿面が半導体素子と冷却体との間の絶縁距離を担うので、所要の絶縁沿面距離２ａを、その半分の長さａの張出し部分で確保することができることにより、複数の半導体素子を共通の冷却体上に配置する際に、各素子間の間隔を所要の絶縁沿面距離２ａ以下に縮めることが可能となり、複数の半導体素子を共通の冷却体上に搭載して構成した半導体装置を小形にすることができる。

この発明の実施例１による半導体装置の構成を示す正面断面図ある。 この発明の実施例１による半導体装置の構成を示す平面図ある。 この発明の実施例２による半導体装置の構成を示す正面断面図ある。 この発明の実施例２による他の半導体装置の構成を示す正面断面図ある。 この発明の実施例３による半導体装置の構成を示す正面断面図ある。 この発明の実施例３の変形例を示す正面断面図ある。 一般的な半導体モジュールの形成を示す正面断面図である。 従来の半導体装置を模式的に示す構成図である。 従来の他の半導体装置を模式的に示す構成図である。 従来のさらに他の半導体装置の構成を示す正面断面図である。

符号の説明

１：冷却体
１１：枕部材
１２：凹穴
２、２Ａ：半導体モジュール
３、３Ａ：熱伝導性絶縁シート
３１：張出し部分
４：接続導体

Claims (3)

1. 半導体モジュール等の半導体素子を間に熱伝導性電気絶縁シートを挟んで冷却体に取り付けた半導体装置において、前記絶縁シートの半導体素子の外側へ張出した張出し部分を冷却体の表面に接触させないようにしたことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１記載の半導体装置において、前記絶縁シートの半導体素子の外側へ張出した張出し部分をほぼ直角またはこれより小さな任意の角度で折り曲げて冷却体上に垂直または斜めに立ち上げることにより張出し部分を冷却体の表面に接触させないようにしたことを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１記載の半導体装置において、前記絶縁シートの半導体素子から張出した部分を別の絶縁シートを介して冷却体上に載置したことを特徴とする半導体装置。

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