JP2007335426A - 半導体パワーモジュール用のヒートシンク - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体パワーモジュールにおける半導体チップにかかる熱ストレスを緩和する。
【解決手段】ヒートシンクにおいて半導体パワーモジュールが搭載される板状部分が、半導体チップの下部において凸部を有する。
【効果】半導体チップが発生する熱がヒートシンクの板状部分の凸部に吸収されるので、半導体チップの温度上昇が低減される。このため、半導体チップにかかる熱ストレスが緩和される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体パワーモジュール用のヒートシンクに関する。
エレベータ主回路などに用いられる半導体パワーモジュールは、通常、金属製のヒートシンク上に搭載されて冷却される。通電状態の半導体パワーモジュールから発生する熱を効率良く放出するために、ヒートシンクは、半導体パワーモジュールを固定する板状部分と、薄板から成る放熱板をほぼ等間隔に並べた放熱層とを備え、この放熱層の部分に外気を取り込むことにより、薄板の表面部から熱を放出する（例えば、特許文献１参照）。
エレベータなどが断続的に運転されることにより半導体パワーモジュールから発生する熱を放熱層から随時放出することで、ヒートシンクの板状部分の表面を一定温度以下とすることができる。例えばオフィスビルにおける出退勤時などにエレベータが頻繁に運転されると、半導体パワーモジュールが発生する熱エネルギーにより、ヒートシンクの板状部分の表面温度が上昇するが、ヒートシンクの放熱層から放出する熱エネルギーと半導体パワーモジュールが発生する熱エネルギーが均衡すると、板状部分の表面温度は一定温度以上にならない。このようにヒートシンクの表面温度を一定温度以下とすることにより、半導体パワーモジュールが過熱して故障することを未然に防ぐ。一方、エレベータの運転頻度が低いと、ヒートシンクの放熱層から放出する熱量が、パワーモジュールから発生する熱量を上回るため、次第にパワーモジュールの温度は外気の温度に近づく。
特開平１０−２８４６８５号公報
上記のような従来のヒートシンクは、エレベータなどが断続的に運転され、半導体パワーモジュールの温度が比較的ゆっくりとした時間周期で変化する場合にパワーモジュールの温度を一定温度以下に抑制することができる。しかし、他方で、エレベータなどが１回運転する中で、半導体パワーモジュール内部の半導体チップに生じる過渡的な温度上昇を十分低減することができず、温度上昇と冷却の繰り返しによる熱ストレスによって半導体チップが故障するという問題がある。
本発明は、上記の問題を考慮してなされたものであり、半導体パワーモジュールにおける半導体チップにかかる熱ストレスを緩和できるヒートシンクを提供する。
本発明によるヒートシンクでは、半導体パワーモジュールが搭載される板状部分が、半導体チップの下部において凸部を有する。すなわち、半導体チップの下部における板状部分の厚みが、半導体チップの周辺部の下部における板状部分の厚みよりも大きい。
半導体チップが発生する熱がヒートシンクの板状部分の凸部に吸収されるので、半導体チップの温度上昇が低減される。このため、半導体チップにかかる熱ストレスが緩和される。
図１は、本発明の一実施例であるヒートシンクを示す。本図において、半導体パワーモジュール１００については、半導体チップ１１と金属ベース１０のみを記載し、他のモジュール部品は記載を省略している。ヒートシンクの板状部分１の一方の表面ａには、半導体パワーモジュール１００が搭載される。半導体パワーモジュール１００の金属ベース
１０がボルト５０によって板状部分１に固定され、固定された状態で、半導体パワーモジュール１００内部の金属ベース１０上に設けられる複数個の半導体チップ１１は、板状部分１のほぼ中央部に位置している。板状部分１は、そのほぼ中央部すなわち複数の半導体チップ１１のほぼ直下部において、表面ａすなわち半導体パワーモジュール１００の搭載面の裏面側に突出する凸部４を有する。板状部分１は、支持部３によってベース部分２と互いに接続されて、両部分の表面がほぼ平行になるように支持される。板状部分１，ベース部分２および支持部３によって囲まれる空隙ｄに半導体パワーモジュール１００で発生する熱が放出される。この空隙ｄ内、すなわち板状部分１における半導体パワーモジュール１００の搭載面ａの裏面側には、薄板からなる複数の放熱板５がほぼ等間隔に配置される放熱層が設けられている。放熱板５は、板状部分１及びベース部分２に対して表面がほぼ垂直になるように、板状部分１及びベース部分２と接続されている。板状部分１の凸部４も、同じ空隙ｄ内に位置し、凸部４にも放熱板５が同様に接続される。すなわち、放熱板５は凸部４の周辺あるいは両側と、凸部４に設けられる。なお、板状部分１，ベース部分２，支持部３，凸部４および放熱板５の材料はアルミニウムや銅等の金属材料である。また、各部は一体に形成しても良いし、それぞれ別体で形成して組み立てても良い。
板状部分１における表面ａと裏面ｂとの間の厚みは、凸部４において、その両側または周辺部よりも厚くなっている。すなわち、半導体チップ１１のほぼ直下部における厚みが、半導体チップ１１の周辺部のほぼ直下部における厚みよりも大きくなっている。これにより、半導体チップ１１で発生し金属ベース１０を伝わってくる熱量を多く吸収できるため、エレベータなどの１運転における半導体チップ１１の温度上昇が減少する。
図２は、図１における半導体パワーモジュール１００の内部構造の概略を示す。なお、外部配線を接続するための電極端子は記載を省略している。銅などで形成される金属ベース１０上にセラミックスなどで形成される絶縁基板１２が接着される。絶縁基板１２の表面には薄膜電極１３がロウ付けなどにより形成され、この薄膜電極１３にＩＧＢＴ
（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体チップ１１が半田などにより接着される。半導体チップ１１の表面に設けられる電極と、絶縁基板１２上の薄膜電極端子
１４や図示しない電極端子とが、アルミニウムワイヤなどの金属ワイヤ２０によって電気的に接続される。金属ベース１０上は樹脂ケース３０で覆われ、半導体チップ１１や絶縁基板１２などのモジュール部品は樹脂ケース３０内に格納される。図１に示した板状部分１の表面ａは、そのほぼ全面が一様に平坦な平面であるため、金属ベース１０の露出面のほぼ全面が板状部分１と接触する。従って、半導体チップ１１で発生した熱が、絶縁基板１２および金属ベース１０を介して板状部分１に伝わり易くなっている。
図３は、本実施例のヒートシンクと従来のヒートシンクを用いて、エレベータ１運転における半導体チップの温度変化について本発明者が検討した結果を示す。上図が示すようにエレベータを１回運転した場合、すなわち停止状態から加速し、一定速度になった後に減速して停止させた場合の半導体チップの温度変化を検討した結果が下図である。下図に示すように、本実施例によるヒートシンクを用いれば、半導体チップの温度上昇幅を低減することができる。
本実施例によれば、エレベータなどの１運転における半導体チップ１１の温度上昇が減少するので、半導体パワーモジュールの半導体チップにかかる熱ストレスが緩和される。従って、半導体パワーモジュールの故障が抑制されて、半導体パワーモジュール本体並びにこれを適用するインバータなどの電力変換装置の信頼性が向上する。また、半導体パワーモジュールの寿命が延びるので、電力変換装置における半導体パワーモジュールの交換サイクルを減らすことができるので、保守に要する総時間およびコストを低減することができる。
図１の実施例においては、ヒートシンクの板状部分１の裏面ｂのほぼ全面、すなわち凸部４とその両側あるいは周辺部の両方に放熱板５が設けられる。そして、凸部４の両側あるいは周辺部においては、半導体パワーモジュール１００と放熱板５との間における熱流の経路の長さは、増大しないので、凸部４を設けても、エレベータなどが断続的に運転される場合にパワーモジュールの温度を一定温度以下に抑制する機能は保つことができる。また、複数の半導体チップの直下部の全てが凸部４内に位置しているので、凸部４に速やかに熱が吸収され、半導体チップの温度上昇幅の低減効果が大きい。
なお、凸部による熱吸収効果が有れば、複数の半導体チップの直下部の一部が凸部４の外部に位置しても良い。また、放熱板５によって、板状部分１を十分支持できるならば、支持部３を設けなくても良い。さらに、放熱板５の間隔が部分的に異なっていても良い。また、一枚の絶縁基板に接着される半導体チップは、半導体パワーモジュールの定格電圧や定格電流に応じた任意の個数で良い。
図４は、本発明の他の実施例であるヒートシンクを示す。図１と同様に、半導体パワーモジュール１００については、半導体チップ１１と金属ベース１０のみを記載し、他のモジュール部品は記載を省略している。本実施例においては、半導体モジュール１００の金属ベース１０上に２枚の絶縁板（図示せず）が接着され、それぞれの絶縁基板上に複数の半導体チップ１１が接着されている。同じ絶縁基板上に接着される複数の半導体チップ
１１の直下部において、図１の実施例と同様にヒートシンクの板状部分１が凸部４を有する。このため、本実施例においては、板状部分１が、２枚の絶縁基板のそれぞれに対応して２個の凸部を有している。なお、半導体チップが接着される絶縁基板の枚数は２個に限らず、それ以上の複数個でも良く、それに対応して凸部を複数個備えても良い。
なお、上記の実施例に限らず、本発明の技術的思想の範囲内において、種々の変形例が可能である。
本発明の一実施例であるヒートシンク。 図１における半導体パワーモジュール１００の内部構造の概略。 半導体チップの温度変化についての検討結果。 本発明の一実施例であるヒートシンク。
符号の説明
１…板状部分、２…ベース部分、３…支持部、４…凸部、５…放熱板、１０…金属ベース、１１…半導体チップ、１２…絶縁基板、１３…薄膜電極、１４…薄膜電極端子、２０…金属ワイヤ、３０…樹脂ケース、５０…ボルト。

Claims (5)

  1. 半導体パワーモジュールの搭載面を有する板状部分と、前記板状部分の前記搭載面の裏面に設けられる複数の放熱板とを備えるヒートシンクにおいて、
    前記板状部分は、前記半導体パワーモジュールにおける半導体チップの下部において、前記搭載面の前記裏面側に凸部を有することを特徴とするヒートシンク。
  2. 半導体パワーモジュールの搭載面を有する板状部分と、前記板状部分の前記搭載面の裏面に設けられる複数の放熱板とを備えるヒートシンクにおいて、
    前記板状部分は、前記半導体パワーモジュールにおける半導体チップの下部における前記搭載面と前記裏面の間の厚みが、前記半導体チップの周辺部の下部における前記搭載面と前記裏面の間の厚みよりも大きいことを特徴とするヒートシンク。
  3. 請求項１または請求項２において、前記搭載面が略一様な平面であることを特徴とするヒートシンク。
  4. 請求項１において、前記放熱板は、前記凸部及び前記凸部の両側あるいは周辺部に設けられることを特徴とするヒートシンク。
  5. 請求項２において、前記放熱板は、前記半導体パワーモジュールにおける前記半導体チップの下部及び前記半導体チップの周辺部の下部における前記裏面側に設けられることを特徴とするヒートシンク。

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