JP2008103623A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却効率の高い冷却構造を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１００は、パワーモールド１０とその両側のセラミックチューブ２１，２２とからなる。パワーモールド１０は、パワー素子１５と、パワー素子を挟む一対のリードフレーム１２、１３とを有し、リードフレーム１２、１３の外側表面を露出して、樹脂１８によりモールドされている。セラミックチューブ２１、２２は、冷媒が流れる冷媒通路２３、２４を有し、リードフレーム１２、１３の外側表面に、接合用金属２５、２６を介して接合されている。セラミックチューブ２１、２２の冷媒通路２３、２４の対向する一対の壁の肉厚は異なっており、肉厚の薄い壁がリードフレーム１２、１３の外側表面に接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却構造を有する半導体装置に関する。

電力用スイッチング素子であるパワー素子あるいはパワー半導体素子は、各種電力デバイスに広く用いられている。近年、電気モーターを動力源の一つとするハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）が実用化され、これまで以上に多くの大電力のパワー素子が使用されている。

ハイブリッド車用のパワー素子部品として、パワーカードあるいはパワーモールドが知られている。パワーモールドは、負荷電流のオン・オフのためのトランジスタであるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と、負荷電流を転流させるためのＦＷＤ（Free Wheeling Diode）と、負荷電流の入出力のための一対のリードフレームとを、樹脂によりモールドして構成する（特許文献１、２参照）。

ＩＧＢＴのようなパワー素子は、スイッチングロスあるいは導通ロスによる発熱量が大きい。したがって、パワー素子と接続する一対のリードフレームが、パワー素子の放熱あるいは冷却のためのヒートシンクを兼用し、リードフレームの外面がモールド樹脂から露出している。リードフレームの露出面を使用して放熱させるために、リードフレームの露出面を、絶縁基板を介して、放熱用金属部材に接触させる。このように一対のリードフレームの露出面から冷却することにより、パワー素子が効率よく冷却される。しかし、リードフレームと絶縁基板と放熱用金属部材とは、グリスを介して接触しているので、放熱経路の熱抵抗が大きいという問題点があった。

図８を参照して、従来の大電力を制御する半導体装置の冷却構造を具体的に説明する。図８は、従来の半導体装置の冷却構造を示す概略断面図である。半導体装置５００は、パワーモールド５０とその両側に配置されたアルミ製の冷却器７２、７６からなる。

パワーモールド５０は、パワー素子であるトランジスタ５１などの構成部材が、エポキシ樹脂５７によりモールドされて構成される。パワーモールド５０は、トランジスタ５１とこのトランジスタに並列に接続されたダイオード（図示せず）とを備える。トランジスタ５１の一方の端子は、はんだ６１によりコレクタ側リードフレーム５２に接続される。トランジスタ５１の他方の端子は、はんだ６２、銅（Ｃｕ）ブロック５５、はんだ６３を介して、エミッタ側リードフレーム５３に接続される。さらに、トランジスタの信号端子は、ワイヤボンディング５６により信号線５４と接続される。

一対のリードフレーム５２、５３のトランジスタ５１の端子に接続される側とは反対の面、すなわち外面は、モールドされた樹脂から露出している。したがって、コレクタ側リードフレーム５２は、コレクタ側のヒートシンクとして動作する。コレクタ側リードフレーム５２の外面は、グリス６６を介して絶縁基板７１に接着される。絶縁基板７１には、グリス６５を介してアルミ製の冷却器７２に接着される。冷却器７２には、冷却水が流れる冷却水路７３が形成されている。

また、エミッタ側リードフレーム５３は、エミッタ側のヒートシンクとして動作する。エミッタ側リードフレーム５３の外面は、グリス６７を介して絶縁基板７５に接触している。絶縁基板７５には、グリス６８を介してアルミ製の冷却器７６が接触している。冷却器７６には、冷媒が流れる冷却水路７７が形成されている。

なお、アルミ製の冷却器７２、７６が絶縁基板７１、７５を介してヒートシンクであるリードフレーム５２、５３に接着されているのは、電気的端子であるリードフレームをアルミ製の冷却器と絶縁する必要があることによる。

従来の半導体装置５００は、トランジスタ５１の冷却を両面から行うもので、トランジスタ５１の熱は、リードフレーム５２、５３から、それぞれ冷却器７２、７６に流れて放熱される。しかしながら、リードフレーム５２、５３から冷却器７２、７６までの経路には、絶縁基板７１、７５と２層のグリス６５，６６、６７、６８が介在して、熱抵抗を大きくしている。

なお、冷却水路を有するセラミックに回路素子を結合して回路素子の冷却を行うことが知られているが、セラミックに形成される水路の肉厚が厚く、さらに従来のものは片面放熱構造のため、熱抵抗が大きい（特許文献３参照）。

特開２００１−１５６２２５号公報 特開平１０−５６１３１号公報 特開２００２−３２９９３８号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、放熱経路の熱抵抗を小さくして、冷却効率の高い冷却構造を有する半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の半導体装置は、少なくとも１つの半導体素子（１１、１６）と、該半導体素子（１１、１６）を挟む一対のリードフレーム（１２、１３）とを有し、該リードフレーム（１２、１３）の外側表面を露出して、樹脂（１８）によりモールドされた半導体コンポーネント（１０）と、前記一対のリードフレーム（１２、１３）の外側表面にそれぞれ接合用金属（２５、２６）で接合された、冷媒通路（２３、２４）を有するセラミックチューブ（２１、２２）とを備え、前記セラミックチューブ（２１、２２）の前記リードフレーム（１２、１３）に接合される側の前記冷媒通路（２３，２４）の第１の壁（２１ａ、２２ａ）の肉厚は、前記第１の壁に対向する前記冷媒通路（２３，２４）の第２の壁（２１ｂ、２２ｂ）の肉厚より小であることを特徴とする。

請求項１に記載の発明においては、冷却のためのセラミックチューブをリードフレームに接合用金属により接合させるので、熱抵抗を下げることができる。また、セラミックチューブの冷媒通路の肉厚の厚い第２の壁を外側表面にすることで、セラミックチューブの機械的強度を保持し、同時にセラミックチューブの冷媒通路は、肉厚の薄い第１の壁を介して、リードフレームに接合しているので、より熱抵抗を小さくできる。このように、冷却効率を上げることができるので、使用する半導体素子の数を削減することも可能になる。

本発明の請求項２に記載の半導体装置では、前記セラミックチューブ（２１、２２）の前記第１の壁（２１ａ，２２ａ）の肉厚は、０．５ｍｍ未満であり、前記第２の壁の肉厚（２１ｂ，２２ｂ）は、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする。この壁の肉厚の条件により、冷却効率を上げるとともに、機械的強度を保持することができる。

本発明の請求項３に記載の半導体装置は、前記セラミックチューブ（２１、２２）の前記第１の壁（２１ａ，２２ａ）の肉厚は、０．２ｍｍ以下であり、前記第２の壁（２１ｂ，２２ｂ）の肉厚は、０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする。この壁の肉厚の条件により、より一層冷却効率を高めることができる。

本発明の請求項４に記載の半導体装置では、前記セラミックチューブ（２１、２２）は、窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、又は炭化珪素のうち少なくとも１つを主成分とする。これにより、冷却効率および機械的強度が高いセラミックチューブを得ることができる。

本発明の請求項５に記載の半導体装置では、前記セラミックチューブ（２１、２２）の前記リードフレームに接合される面にはメタライズ処理がされている。これにより、セラミックチューブとリードフレームの接合がより強固になる。

本発明の請求項６に記載の半導体装置では、前記接合用金属（２５、２６）として、Ａｇの焼結体を主成分とするものを用いる。これにより、熱抵抗の低い接合を得ることができる。

本発明の請求項８に記載の半導体装置では、前記リードフレーム（１２、１３）の厚さをｄとし、前記半導体素子（１５）の辺の長さをＬとするとき、該半導体素子（１５）の辺と平行な前記リードフレーム（１２、１３）の辺の長さは、（Ｌ＋ｄ）以上である。これにより、リードフレームを通過する熱が拡散して、セラミックチューブに伝わるようにできる。

本発明の請求項９に記載の半導体装置では、前記半導体素子（１５）の辺と平行な前記リードフレーム（１２、１３）の辺の長さは、（Ｌ＋２ｄ）以上である。これにより、熱の拡散経路を確保し、さらにセラミックチューブによる冷却効率を高めることができる。

本発明の請求項１０に記載の半導体装置では、前記リードフレーム（１２、１３）は、銅からなり、前記リードフレーム（１２、１３）の厚さｄは、３ｍｍ≦ｄ≦５ｍｍである。これにより、銅のリードフレームの熱抵抗をほぼ最小値とすることができる。

本発明の請求項１１に記載の半導体装置では、前記セラミックチューブ（２１、２２）は、その周囲にメタライズ処理部（２８）を有し、該メタライズ処理部（２８）に、冷媒の熱を排出する熱交換器との接続部が連結されている。これにより、セラミックチューブと熱交換器のパイプとを強固に結合させることができる。

本発明の請求項１２に記載の半導体装置では、前記セラミックチューブ（２１、２２）の少なくともメタライズ処理部の外形が丸みを帯びている。これにより、熱交換器に接続するパイプとのろう付けの耐久信頼性を向上させることができる。

本発明の請求項１３に記載の半導体装置は、前記セラミックチューブ（２１、２２）の流路（２３、２４）の最小断面積は１ｍｍ^２以上である。これにより、流路による圧力損失を高めることのないようにできる。

本発明の請求項１４に記載の半導体装置は、前記セラミックチューブ（２１、２２）は、前記半導体素子（１１、１６）に対応する流路部分に、乱流を形成する突起部を有する。これにより、さらに半導体素子に対する冷却効果を高めることができる。

本発明の請求項１５に記載の半導体装置は、前記セラミックチューブ（２１、２２）の冷媒通路（２３、２４）は、前記リードフレーム（１２、１３）の露出表面より広い範囲にわたって配置される。これにより、ヒートシンクであるリードフレームをさらに効率よく冷却させることができる。

本発明の請求項１６に記載の半導体装置は、前記半導体素子（１１、１６）を複数個備え、該複数個の半導体素子のうち発熱量の大きい半導体素子を、前記セラミックチューブ（２１、２２）の冷媒通路（２３，２４）を流れる冷媒の上流側に配置する。これにより、発熱量の大きい半導体素子をより低温の冷媒で冷却することができ、冷却効率を高めることができる。

本発明の請求項１７に記載の半導体装置は、前記リードフレーム（１２、１３）の側面は、前記モールド樹脂（１８）より露出して、前記セラミックチューブ（２１、２２）は、前記リードフレーム（１２、１３）を埋め込む凹部を有する。これにより、セラミックチューブによるリードフレームの冷却効果をより高めることができる。

なお、上記各構成要素に付したカッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、図１〜図７を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態である半導体装置の概略断面図を示し、図２（ａ）は、本発明の実施形態に使用するパワーモールドの構成部品の組み立て工程を説明する図であり、図２（ｂ）は、樹脂モールドされたパワーモールドの斜視図である。

図１に示す、本発明の一実施形態である半導体装置１００は、パワー素子をエポキシ樹脂１８によりモールドしたパワーモールド１０と、その両面に配置された冷却用セラミックチューブ２１、２２からなる。

パワーモールド１０のパワー素子であるトランジスタ１１（ＩＧＢＴ）のコレクタは、接合用金属であるＡｇ焼結体３１を介して、必要に応じてＡｕメッキを施したＣｕからなるリードフレーム１２に接合されている。トランジスタ１１のエミッタは、Ａｇ焼結体３２を介して必要に応じてＡｕメッキを施したＣｕブロック１５に接合され、さらにＡｇ焼結体３３を介して、必要に応じてＡｕメッキを施したＣｕからなるリードフレーム１３に接合される。

図１には示されてないが、パワーモールド１０には、トランジスタ１１に並列にダイオード１６（図２（ａ））が接続されており、ダイオード１６の端子も、トランジスタ１１と同様に、リードフレーム１２、１３に接合されている。

また、トランジスタ１１のゲートは、ワイヤボンディング１９により、信号線１４に接続される。Ｃｕブロック１５は、ワイヤボンディング１９がトランジスタ１１と接続可能なように、その接続部上部に空間を確保するよう構成されている。Ａｇ焼結体３１、３２、３３は、Ａｇの焼結体を主成分とする接合用金属であり、低温で接合ができるので、トランジスタ１１、ダイオード１６等の半導体素子に悪影響を与える可能性は少ない。リードフレーム１２、１３の外面は、エポキシ樹脂１８から露出して、リードフレーム１２，１３がヒートシンクとしても機能するようになっている。

ここで、図２（ａ）（ｂ）を参照して、パワーモールドの構造をさらに説明する。図２（ａ）には、リードフレーム１２上に、トランジスタ１１とダイオード（ＦＷＤ）１６とが載置されている状態が示されている。トランジスタ１１上には、ワイヤボンディングのための空間を確保するようＣｕブロック１５が載置される。ダイオード１６は、２端子素子であるので、ワイヤボンディングにより接続する必要はないが、パワーモールド１０の厚みを等しくするために、ダイオード１６上にもＣｕブロック１７が載置される。さらに、リードフレーム１３が載置される。

最終的には、エポキシ樹脂１８を用いてモールドされ、図２（ｂ）に示すパワーモールドが完成する。もちろん、樹脂モールドされる前に、リードフレーム１２から延びる信号端子１４は切り離され、さらに図１に見られるように、トランジスタ１１のゲートとワイヤボンディング１９によって電気的接続が行われる。

完成したパワーモールド１０は、エポキシ樹脂１８によりモールドされているが、リードフレーム１２、１３の外表面は大きく露出して、ヒートシンクとして機能する。

図１に示すように、エポキシ樹脂１８より露出するリードフレーム１２の外表面には、冷媒通路２３が形成されたセラミックチューブ２１が、Ａｇ焼結体２５を介して接合される。同様にエポキシ樹脂１８より露出するリードフレーム１３の外表面には、冷媒通路２４が形成されたセラミックチューブ２２が、Ａｇ焼結体２６を介して接合される。セラミックチューブ２１、２２のＡｇ焼結体と接する面を、あらかじめＮｉ、Ａｇなどを用いるメッキによりメタライズ処理をしておけば、さらにリードフレーム１２、１３とセラミックチューブ２１、２２との接合が確実に行える。また、Ａｇ焼結体２５、２６に含まれるＡｇの持つやわらかいという特性により、セラミックチューブ２１，２２との接合部に加わる応力を緩和でき耐久信頼性を高めることができる。

本実施形態では、セラミックチューブ２１、２２の主成分は、窒化珪素である。窒化珪素は、機械的な強度があり、熱伝導度、化学的な安定度も高い。ただし、窒化珪素に代えて、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素のうちの少なくとも１つを主成分とするものを使用することもできる。

セラミックチューブ２１、２２の、リードフレーム１２、１３に接合する側の冷媒通路２１、２２の壁２１ａ、２２ａの肉厚は、その反対側であるリードフレーム１２、１３の外面側の冷媒通路２１、２２の壁２１ｂ、２２ｂの肉厚より薄く形成されている。これにより、リードフレーム１２、１３からの熱をできるだけ速やかに伝達することができる。また、リードフレーム１２、１３の外面側の壁２１ｂ、２２ｂの肉厚は十分大きくすることにより、セラミックチューブ２１、２２の強度を確保することができる。

セラミックチューブ２１、２２の冷媒通路２３、２４は、セラミックチューブ２１，２２の強度と信頼性を確保するために、複数の通路で構成される。冷媒通路２３、２４の断面形状は、必ずしも矩形状とする必要はなく、円、楕円等の曲線形状でもよいが、本実施形態では、冷媒通路２３、２４の製造の容易性を考慮して矩形状としている。冷媒通路２３、２４は、冷媒を循環させるポンプ（図示せず）に接続されるとともに、温められた冷媒の熱を放熱するための熱交換器のパイプ（図示せず）と接続される。

本実施形態のパワーモールド１０は、トランジスタ（ＩＧＢＴ）１１とダイオード１６を有するが、トランジスタ１１の発熱が、ダイオード１６の発熱より大きいので、冷媒通路２３、２４の上流側に発熱の大きなトランジスタ１１を配置し、下流側に発熱の小さなダイオード１６を配置するほうが好ましい。

本実施形態では、冷媒としては、水を使用する。ただし、半導体装置を車両に搭載する場合は、エンジンの冷却のための、例えばロング・ライフ・クーラント（ＬＬＣ）などの不凍液を混合した冷却水を、冷媒として用いることもできる。さらに、空調用冷媒を用いることもできる。また、冷媒通路２３、２４に接続される熱交換器として、エンジン冷却水の熱を放熱するためのラジエータを用いることもできる。

本実施形態のセラミックチューブ２５，２６内の流路２３、２４の断面積は、１ｍｍ^２程度に形成されている。しかし、流路断面積は、１ｍｍ^２程度に限定されない。ただし、圧力損失が大きくならないようにするために、最小断面積０．１ｍｍ^２以上の流路で構成するのがよい。

図３に、セラミックチューブの外形の一例を示す。図２に示すセラミックチューブ２１は、リードフレーム１２に接合されるもので、上述のように、リードフレーム１２に接する部分の冷媒通路の壁２１ａの肉厚ｔ１は、その反対側の壁２２ｂの肉厚ｔ２より薄く形成される。肉厚ｔ１、ｔ２の具体的な値としては、使用される冷媒の圧力、使用環境あるいは設計上の要請等の条件から決定される。例えば、自動車内に搭載される場合、肉厚ｔ１は０．５ｍｍ未満であり、肉厚ｔ２を０．５ｍｍから３ｍｍの範囲とするのがよい。肉厚ｔ１は可能な限り薄いほうがよいので、肉厚ｔ１を０．２ｍｍ以下とし、ｔ２を０．３ｍｍから３ｍｍの範囲としてもよい。

セラミックチューブ２２についても、リードフレーム１３に接する部分の冷媒通路の壁の肉厚ｔ１と、その反対側の肉厚ｔ２に関しても、ｔ１＜ｔ２とし、セラミックチューブ２１と同様の条件とするのがよい。

なお、肉厚ｔ１が０．２ｍｍ以下のセラミックチューブを得るためには、例えば０．３ｍｍの肉厚のセラミックチューブを形成し、このセラミックチューブのリードフレームに接する面を切削することによっても製造できる。

セラミックチューブ２１、２２の下流端部の近傍には、例えばニッケルなどによりセラミックをメタライズしてなるメタライズ部２８を有している。メタライズ部２８を用いて、冷媒の熱を放熱するための熱交換器の金属パイプとろう付けされる。

この場合、図４の分解斜視図に示すように、セラミックチューブ２１のメタライズ部２８と、熱交換器の金属パイプ４５との間に金属ヘッダ４１のような部材を介在させるようにしてもよい。図４に示す金属ヘッダ４１は、一端から他端へ冷媒を通過させる中空の金属パイプとして構成されている。金属ヘッダ４１の一端側は、セラミックチューブ２１の端部が挿入されると、金属ヘッダの内壁が、セラミックチューブ２１のメタライズ部２８と接触するように構成されている。そして、金属ヘッダ４１の他端側には、熱交換器の金属パイプ４５に挿入される挿入部４２が形成されている。挿入部４２の外周にはバルジ加工による突部４３が形成され、挿入部４２と金属パイプ４５とをシールするＯリングを支持できるようになっている。

セラミックチューブ２１と、熱交換器の金属パイプ４５とを接続するためには、まずセラミックチューブ２１の端部が、金属ヘッダ４１の一端側に挿入され、セラミックチューブ２１の端部に設けられたメタライズ部２８が、金属ヘッダ４１の内周面と接触し、ろう付けされる。次に、金属ヘッダ４１の他端の挿入部４２は、その外周にＯリング４４を配置して、熱交換器の金属パイプ４５に挿入される。Ｏリング４４は、挿入部４２の突部４３に押し付けられて、挿入部４２とパイプ４５とが確実にシールされるようになる。このように、セラミックチューブ２１と、熱交換器の金属パイプ４５とを連結する金属ヘッダ４１を用いると、設計の自由度を増すことができる。

なお、メタライズ部によるろう付けの耐久性および信頼性を向上させるために、直方体の外形をもつセラミックチューブの角を丸くしてある。もちろん、セラミックチューブ全体にわたって角を丸くすることなく、メタライズ部のみの角を丸くすることもできる。

図５（ａ）〜（ｃ）は、セラミックチューブの冷媒通路の構造の一例を示す説明図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面の概略を示し、図５（ｃ）は、図５（ｂ）とは異なる他の例を示す。なお、図５（ａ）〜（ｃ）は、冷媒通路２３の構造を説明するものであるので、冷媒通路２３以外は簡略化して記載している。

図５（ａ）は、セラミックチューブ２１が、リードフレーム１２を介して、トランジスタ１１とダイオード１６とを冷却する様子を示している。図示の矢印は、冷媒の流れの方向を示している。発熱量の大きなトランジスタ１１が、ダイオード１６より上流側に配置されている。図に見られるように、トランジスタ１１およびダイオード１６に対応する冷媒通路の部分には、冷媒の流れを乱すための突起２８が、多数形成されている。この多数の突起は、冷媒に乱流を生ぜしめ、発熱する半導体素子（トランジスタ１１、ダイオード１６等）から発生する熱を、より速やかに放熱させる役割を果たしている。

また、発熱素子に対応する部分以外に突起を設けていないのは、冷媒の圧力損失が大きくなることを防ぐためである。乱流発生用の多数の突起は、図５（ｂ）に示すように、整列して形成してもよく、また、図５（ｃ）に示すように、突起の形成位置を冷媒通路の幅方向にずらすようにしてもよい。乱流を形成するためには、図５（ｃ）に示す突起の位置のオフセットを行うほうが、図５（ｂ）に示すものより効果的である。

多数の突起を形成した冷媒通路を有するセラミックチューブを得るためには、例えば、底面に突起を形成した、断面凹状の多数の通路をもつ２つのセラミック部材を、冷媒通路を形成するように組み合わせる方法などがある。

次に、本実施形態の熱伝達経路について説明する。トランジスタ１１で発生した熱は、一方で、Ａｇ焼結体３１、リードフレーム１２、Ａｇ焼結体２５、およびセラミックチューブ２１の経路で、放熱する。また、他方、トランジスタ１１で発生した熱は、Ａｇ焼結体３２、Ｃｕブロック１５、Ａｇ焼結体３３、リードフレーム１３、Ａｇ焼結体２６、およびセラミックチューブ２２の経路で、放熱する。

トランジスタ１１と、リードフレーム１２と、セラミックチューブ２１とはそれぞれＡｇ焼結体３１、２５を介して接合され、また、トランジスタ１１と、Ｃｕブロック１５と、リードフレーム１３と、セラミックチューブ２２とは、同様にそれぞれＡｇ焼結体３２、３３、２６を介して接合されている。したがって、接合部の熱抵抗を小さくすることができ、トランジスタ１１から発生した熱の伝達経路の熱抵抗を減少させることができる。また、Ａｇ焼結体による接合は、低温で接合できるので、素子に対する悪影響を避けることができるので好適である。なお、Ａｇの焼結体３１、２５、２６、３２、３３に代えて、Ａｇのナノ粒子自体を使用することもできる。

また、接合用金属としては、各種金属を使用することができる。例えば、金属繊維、金属細線、金属箔などの熱伝導性の高い材料の集合体を使用してもよい。また、金属繊維、金属細線又は金属箔からなる集合体の空隙部に樹脂をマトリックスとして充填したものを使用してもよい。また、一般に金属の不織布焼結体を用いることもでき、スポンジ状金属シートあるいはスポンジ状焼成金属板を用いることもできる。なお、接合用金属として、一般的なはんだあるいは各種ろう材を用いることもできる。

以上のように、従来例では、リードフレームと金属冷却器との間に、グリスを介して絶縁基板を挿入していたが、本実施形態では、絶縁体で冷却器を形成し、リードフレームと絶縁体の冷却器とを金属接合体により接合することにより、低熱抵抗を実現している。この結果、冷却効率を上げることができ、使用するパワー素子の数を減らしてコストダウンを図る可能性が高くなる。

図６（ａ）〜（ｃ）は、熱を発生する素子、この素子に接して発生する熱を運ぶＣｕからなるヒートシンクと、ヒートシンクに接する熱交換器との関係を説明する図である。図６（ａ）に示す、熱を発生する素子８１、銅製ヒートシンク８３、熱交換器８５は、本実施形態の、トランジスタ１１と、リードフレーム１２、セラミックチューブ２１に対応している。熱の経路は、素子８１から熱交換器８５へ向かう経路で、ヒートシンク８３の厚み方向にある。

素子８１の形状は、辺の長さをＬ１、Ｌ２とする矩形であり、ヒートシンク８３は厚みｄをもっている。後に説明するが、ヒートシンク８３の辺の長さ（Ｌ１＋２ｄ）、（Ｌ２＋２ｄ）は、素子８１の辺の長さとヒートシンク８３の厚みから導かれる。

図６（ｂ）は、図６（ａ）の素子８１とヒートシンク８３の上面図である。図６（ｃ）は、ヒートシンクとして用いられるＣｕの厚みと熱抵抗との関係を示すグラフである。図６（ｃ）のグラフによると、ヒートシンクとして用いられるＣｕの熱抵抗は、Ｃｕの厚みｄの関数であり、Ｃｕの厚みｄが約３〜５ｍｍの範囲に最小値をとる。これは、Ｃｕの厚みｄが３ｍｍより小さいと、Ｃｕの背後にあるセラミックの存在により、熱抵抗が大きくなること、Ｃｕの厚みｄが５ｍｍより大きいと、Ｃｕの厚みｄにより熱抵抗が大きくなることによる。なお、実際には、最小値をとる約３〜５ｍｍの範囲は、熱交換器の性能によっても変化するので、実際の適用に当たっては修正することができる。

図６（ｃ）の関係から、最も熱抵抗が低いヒートシンクを得るために、図５（ａ）に示すヒートシンク８３の厚みｄを、３〜５ｍｍとする。ヒートシンク８３は、受け入れた熱をできるだけ広く拡散して低温にして、熱交換器８５に接する放熱面に導き、そこで放熱するのが効率的である。ここで、ヒートシンク８３の厚み方向に対して、素子８１から発生する熱がほぼ４５度の角度で広がる。ヒートシンク８３の厚みが決まっているので、厚みに対応して最も有効に熱を放散することができるヒートシンク８３の必要最小限の大きさが決まる。

すなわち、図６（ａ）（ｂ）に示すように、素子８１の辺の長さＬ１、Ｌ２に対して、対応するヒートシンク８３の辺の長さは、それぞれＬ１＋２ｄ、Ｌ２＋２ｄ以上とするのがよい。ヒートシンクの辺の長さをＬ１＋２ｄ、Ｌ２＋２ｄ以上とすると、ヒートシンク８３の厚みに対応する熱の広がりを確保でき、ヒートシンク８３の厚みを有効に利用することができる。ヒートシンク８３の辺の長さが、Ｌ１＋２ｄもしくはＬ２＋２ｄより小さくなると、ヒートシンク８３の厚みを有効に利用することができず、放熱性が低下する。

ただし、この値Ｌ１＋２ｄ、Ｌ２＋２ｄは、熱の広がりを４５°としたときの値であり、またヒートシンク８３に結合される熱交換器の性能によっても、熱の広がり具合は異なることになるので、ヒートシンクの長さをＬ１＋２ｄ、Ｌ２＋２ｄ以上と限定するものではない。また、熱の広がりがヒートシンク８３の厚み方向から６０°の角度となるような場合、あるいは、また、コンポーネントを小型化する要求があれば、ヒートシンク８３の長さをＬ１＋ｄ、Ｌ２＋ｄ程度まで小さくするようにしてもよい。

本実施形態では、パワー素子としてトランジスタ１１とダイオード１６を備えるが、ＩＧＢＴであるトランジスタ１１から発生する熱量はダイオード１６から発生する熱量の数倍に達する。したがって、リードフレーム１２、１３をヒートシンクとして考える場合は、トランジスタ１１からの熱の広がりのみを考慮して、ヒートシンクであるリードフレーム１２、１３の大きさを決定することができる。例えば、ＩＧＢＴが、辺の長さＬ１＝Ｌ２＝Ｌの正方形で、Ｌ＝１２．８ｍｍであり、リードフレームの厚みｄが５ｍｍであるとする。ヒートシンクの長さを（Ｌ＋２ｄ）以上で決めるとすると、リードフレームの短辺の長さは、１２．８＋５×２＝２２．８ｍｍ以上となる。リードフレームの長辺は、ＦＷＤが、１０．０ｍｍ×１０．０ｍｍとすると、３２．８ｍｍ以上とすればよい。ここで、リードフレームの長辺、短辺というのは、パワーモールドのモールド樹脂外に伸びる端子を除いた長方形の長辺と短辺を指している。

図７に、本実施形態のセラミックチューブの変形例の概略断面図を示す。この変形例は、リードフレームとセラミックチューブとの熱伝導をさらによくするための構造の一例である。図６に示すように、リードフレーム１３の露出面は、モールド樹脂１８から突出している。リードフレーム１３に接合されるセラミックチューブ３６には、リードフレーム１３を埋め込むことができる凹部２８を形成する。セラミックチューブ３６は、図１に示すセラミックチューブ２２と同様、冷媒通路３８を有し、冷媒通路３８の外面側の壁厚が、冷媒通路３８のリードフレーム１３に接合する側の壁厚より薄く形成されている。セラミックチューブ３６にリードフレーム１３の一部が埋め込まれるように、リードフレーム１３を凹部２８に配置して、Ａｇ焼結体２９を介して接合する。これにより、セラミックチューブ３６が、リードフレーム１３の側面まで覆うことになるので、冷却効果はさらに高められることになる。

本発明の一実施形態である半導体装置を示す概略断面図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態である半導体装置のパワーモールドの部品の組み立て工程を説明する図であり、（ｂ）は、製造されたパワーモールドを示す図である。 本発明の一実施形態のセラミックチューブを示す図である。 本発明の一実施形態のセラミックチューブと熱交換器のパイプとの接続形態の一例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態のセラミックチューブの冷媒通路の構造を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態のリードフレームの厚みと辺の長さとの関係を説明する図である。 本発明の一実施形態のセラミックチューブの変形例である。 従来の冷却構造を有する半導体装置を示す概略断面図である。

符号の説明

１００ 半導体装置
１０ パワーモールド
１１ トランジスタ（ＩＧＢＴ）
１２、１３ リードフレーム（ヒートシンク）
１４ 信号端子
１５、１７ 銅ブロック
１６ ダイオード
１８ モールド樹脂
１９ ワイヤボンディング
２１、２２、３６ セラミックチューブ
２１ａ、２２ａ 冷媒通路のリードフレーム側の壁
２１ｂ、２２ｂ 冷媒通路の外側の壁
２３、２４、３８ 冷媒通路
２５、２６、２９、３１〜３３ Ａｇ焼結体
２８ メタライズ部
４１ 金属ヘッダ
４２ 突部
４３ 挿入部
４４ Ｏリング
４５ 金属パイプ
８１ 発熱素子
８３ 銅製ヒートシンク
８５ 熱交換器

Claims (17)

1. 少なくとも１つの半導体素子（１１、１６）と、該半導体素子（１１、１６）を挟む一対のリードフレーム（１２、１３）とを有し、該リードフレーム（１２、１３）の外側表面を露出して、樹脂（１８）によりモールドされた半導体コンポーネント（１０）と、
   前記一対のリードフレーム（１２、１３）の外側表面にそれぞれ接合用金属（２５、２６）で接合された、冷媒通路（２３、２４）を有するセラミックチューブ（２１、２２）とを備え、
   前記セラミックチューブ（２１、２２）の前記リードフレーム（１２、１３）に接合される側の前記冷媒通路（２３，２４）の第１の壁（２１ａ、２２ａ）の肉厚は、前記第１の壁に対向する前記冷媒通路（２３，２４）の第２の壁（２１ｂ、２２ｂ）の肉厚より小であることを特徴とする半導体装置。
2. 前記セラミックチューブ（２１、２２）の前記第１の壁（２１ａ，２２ａ）の肉厚は、０．５ｍｍ未満であり、前記第２の壁の肉厚（２１ｂ，２２ｂ）は、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記セラミックチューブ（２１、２２）の前記第１の壁（２１ａ，２２ａ）の肉厚は、０．２ｍｍ以下であり、前記第２の壁（２１ｂ，２２ｂ）の肉厚は、０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記セラミックチューブ（２１、２２）は、窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、又は炭化珪素のうち少なくとも１つを主成分とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記セラミックチューブ（２１、２２）の前記リードフレームに接合される面にはメタライズ処理がされている請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記接合用金属（２５、２６）は、Ａｇの焼結体を主成分とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記接合用金属（２５、２６）は、スポンジ状金属シートあるいは金属の不織布焼結体である請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記リードフレーム（１２、１３）の厚さをｄとし、前記半導体素子（１５）の辺の長さをＬとするとき、該半導体素子（１５）の辺と平行な前記リードフレーム（１２、１３）の辺の長さは、（Ｌ＋ｄ）以上である請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記半導体素子（１１、１６）の辺と平行な前記リードフレーム（１２、１３）の辺の長さは、（Ｌ＋２ｄ）以上である請求項８に記載の半導体装置。
10. 前記リードフレーム（１２、１３）は、銅からなり、前記リードフレーム（１２、１３）の厚さｄは、３ｍｍ≦ｄ≦５ｍｍである請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
11. 前記セラミックチューブ（２１、２２）は、その周囲にメタライズ処理部（２８）を有し、該メタライズ処理部（２８）に、冷媒の熱を排出する熱交換器との接続部が連結されている請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
12. 前記セラミックチューブ（２１、２２）の少なくともメタライズ処理部の外形が丸みを帯びている請求項１１に記載の半導体装置。
13. 前記セラミックチューブ（２１、２２）の流路（２３、２４）の最小断面積は１ｍｍ^２以上である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体装置。
14. 前記セラミックチューブ（２１、２２）は、前記半導体素子（１５）に対応する流路部分に、乱流を形成する突起部を有する請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体装置。
15. 前記セラミックチューブ（２１、２２）の冷媒通路（２３、２４）は、前記リードフレーム（１２、１３）の露出表面より広い範囲にわたって配置される請求項１〜１４のいずれか１項に記載の半導体装置。
16. 前記半導体素子（１１、１６）を複数個備え、該複数個の半導体素子のうち発熱量の大きい半導体素子を、前記セラミックチューブ（２１、２２）の冷媒通路（２３，２４）の上流側に配置する請求項１〜１６のいずれか１項に記載の半導体装置。
17. 前記リードフレーム（１２、１３）の側面は、前記モールド樹脂（１８）より露出して、前記セラミックチューブ（２１、２２）は、前記リードフレーム（１２、１３）を埋め込む凹部を有する請求項１〜１６のいずれか１項に記載の半導体装置。

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