JP2008277483A

JP2008277483A - 半導体装置および半導体装置の冷却方法

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Publication number: JP2008277483A
Application number: JP2007118177A
Authority: JP
Inventors: Kazushige Namiki; 一茂並木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2027-04-27
Also published as: JP5040418B2

Abstract

【課題】電極端子と外部導体の接触面の面積を大きくすることなく、小型化が可能な半導体装置および半導体装置の冷却方法を提供することにある。
【解決手段】
本発明の半導体装置６００は、半導体チップ６０１と、半導体チップ６０１が実装されるチップ実装金属電極６０３と、外部バスバー６１７と接続される電極端子６０７とを備えるパワーモジュール６１６、半導体チップ６０１を冷却するためのヒートシンク６０５およびパワーモジュール６１６とヒートシンク６０５を絶縁する絶縁シート６０４を有する。電極端子６０７は、パワーモジュール６１６の側面で外部バスバー６１７と接続される端子接続部６１３と、半導体チップ６０１またはチップ実装金属電極６０３と接続される通電用電極部分６０９と、絶縁シート６０４と接触する電極端子冷却部６０８とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、モーターの制御に用いられる電力変換用インバーター等の半導体装置および半導体装置の冷却方法に関する。

モーターの制御等に用いられる従来のモーター制御システムは、主としてバッテリー、コンデンサ、電力変換用インバータおよびモーターで構成されている。当該電力変換用インバータは、ＩＧＢＴなどの半導体チップ、外部導体と通電する電極端子、半導体チップと電極端子を接続するワイヤーおよびケース等を有する半導体装置（半導体パワーモジュール）を備えている（特許文献１参照）。上記電極端子と上記外部導体との接触面には接触電気抵抗が存在するため、上記接触面は発熱する。当該発熱の影響により、半導体装置の内部雰囲気温度が上昇し、半導体装置内に用いられる各種部品の制限雰囲気温度を決定づける一因となっている。そこで、上記接触面の発熱を抑制するため、上記接触面の面積を広くし、上記接触面の接触電気抵抗を低減している。
特開２００４−３９８０７号公報

しかしながら、上述した従来の半導体装置では、電極端子と外部導体との接触面の発熱による雰囲気温度の上昇を抑制するため、上記接触面の面積を広くしていることから、電極端子および外部導体が大きくなるため、半導体装置を小型化できないといった問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、電極端子と外部導体の接触面の面積を大きくすることなく、小型化が可能な半導体装置および半導体装置の冷却方法を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明に係る半導体装置では、電極端子は、パワーモジュールの側面で外部導体と接続される端子接続部と、半導体素子または電極と接続される通電用電極部分と、電極端子冷却部とを備えている。電極端子冷却部は絶縁部材と接触することを特徴としている。

本発明により、電極端子と外部導体の接触面の面積を大きくすることがないため、半導体装置を小型化することができる。

以下に、本発明の第１乃至第３の実施形態に係る半導体装置および半導体装置の冷却方法について、図１乃至図７を参照して説明する。

（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係る半導体装置６００（図２参照）を含むモーター制御システムについて図１を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置６００を含むモーター制御システムの回路図である。図１に示すように、第１の実施形態に係る半導体装置６００を含むモーター制御システムは、直流電源１０３、交流モーター１０５、交流モーター１０５を駆動するインバーター１０４、交流モーター１０５とインバーター１０４を接続する外部バスバー（出力側）１０８、直流電源１０３とインバーター１０４を接続する外部バスバー（Ｐ側）１０６および外部バスバー（Ｎ側）１０７を備えている。当該インバーター１０４は、電力変換用半導体素子であるＩＧＢＴ１０１、ＩＧＢＴ１０１と逆並列接続されたＦＷＤ１０２、外部バスバー（Ｐ側）１０６と接続するＰ電極端子１０９、外部バスバー（Ｎ側）１０７と接続するＮ電極端子１１０および外部バスバー（出力側）１０８と接続する出力電極端子１１１を備えている。図１では、１ハーフアームにＩＧＢＴ１０１とＦＷＤ１０２が対をなして接続されている。インバーター１０４は、１ハーフアームを一組として、６ハーフアーム分、備えている。

図２は、図１に示すインバーター１０４に含まれる半導体装置６００の内部構造を示す側面透視図、図３は、図２に示す半導体装置６００の側面図（外部バスバー６１７を除く）、図４は、図２に示すパワーモジュール６１６および絶縁シート６０４の斜視図である。当該半導体装置６００は、図２乃至図４に示すように、ＩＢＧＴ１０１またはＦＷＤ１０２の半導体素子である半導体チップ６０１、Ｐ電極端子１０９、Ｎ電極端子１１０、出力電極端子１１１のいずれかである電極端子６０７を含むパワーモジュール６１６、半導体チップ６０１を冷却するための冷却部材であるヒートシンク６０５、パワーモジュール６１６とヒートシンク６０５を絶縁する絶縁部材である絶縁シート６０４および電極端子６０７と接続される外部導体である外部バスバー６１７から構成されている。なお、外部バスバー６１７は、外部バスバー（Ｐ側）１０６、外部バスバー（Ｎ側）１０７、外部バスバー（出力側）１０８のいずれかである。また、パワーモジュール６１６は、絶縁シート６０４と接触するチップ実装金属電極６０３、チップ実装金属電極６０３の絶縁シート接触面（以下、裏面とする。）と反対側の面（以下、表面とする。）にハンダ６０２により接合された半導体チップ６０１、後述する電極端子冷却部６０８、通電用電極部分６０９および端子接続部６１３からなる電極端子６０７、半導体チップ６０１と通電用電極部分６０９を接続するワイヤー６１０、チップ実装金属電極６０３および電極端子６０７を埋め込まれ、一体形成された樹脂製のモジュールケース６０６から構成されている。更に、電極端子６０７の締結物であるネジ６１１およびナット６１２により、電極端子６０７は外部バスバー６１７と電気的に接続され、交流モーター１０５に電力を供給する。なお、図２に示すように、パワーモジュール６１６では、電極端子６０７の端子接続部６１３は側面に配置されている。また、上記のように、チップ実装金属電極６０３の裏面は、絶縁シート６０４と接触させるため、モジュールケース６０６の裏面と同一面上に配置されており、露出している。これから、パワーモジュール６１６は非絶縁型パワーモジュールとなっている。

第１の実施形態に係る半導体装置６００では、図２および図３に示すように、パワーモジュール６１６のモジュールケース６０６およびチップ実装金属電極６０３を、絶縁シート６０４を介してヒートシンク６０５に、４本のネジ６１５により固定させている。すなわち、ヒートシンク６０５とパワーモジュール６１６を絶縁しつつ、絶縁シート６０４を介して、チップ実装金属電極６０３の裏面をヒートシンク６１５に押し付けている。これから、半導体チップ６０１、ハンダ６０２、チップ実装金属電極６０３、絶縁シート６０４およびヒートシンク６０５からなる放熱経路により、通電により発熱する半導体チップ６０１は冷却される。なお、半導体チップ６０１の材質がＳｉである場合、通常１５０℃以下でスイッチング動作させるため、半導体チップ６０１の温度が１５０℃以下となるように放熱設計される。第１の実施形態では、絶縁シート６０４を傷つけないように、チップ実装金属電極６０３の裏面に面取り処理およびバリ取り処理を実施している。更に、例えば、モジュールケース６０６はＰＰＳ、ワイヤー６１０はＡｌ、チップ実装金属電極６０３および通電用電極部分６０９はＣｕ、絶縁シート６０４は弾性材料であるシリコーンゴムおよびヒートシンク６０５はＡｌから形成されている。

また、電極端子６０７の端子接続部６１３と外部バスバー６１７との接触面には接触電気抵抗が存在するため、電極端子６０７の通電により、上記接触面も発熱する。当該発熱の影響により、パワーモジュール６１６の内部雰囲気温度が上昇し、パワーモジュール６１６内に用いられる各種部品の制限雰囲気温度を決定づける一因となっている。そこで、第１の実施形態に係る半導体装置６００の冷却方法では、半導体チップ６０１または半導体チップ６０１が実装されたチップ実装金属電極６０３と電極端子６０７の通電用電極部分６０９を接続してパワーモジュール６１６を形成し、半導体チップ６０１を冷却するため、絶縁シート６０４を介してヒートシンク６０５をパワーモジュール６１６と固定して半導体装置６００を形成し、パワーモジュール６１６の側面で外部バスバー６１７と接続された電極端子６０７の端子接続部６１３の発熱をヒートシンク６０５に放熱するために、電極端子６０７の電極端子冷却部６０８を、絶縁シート６０４と接触させている。上記の冷却方法により、通電により発熱する電極端子６０７の端子接続部６１３を冷却する。

ここで、上記冷却方法を採用した半導体装置６００では、導電性材料であるＣｕからなる長方形の平板をＵ字状に形成して電極端子冷却部６０８とし、Ｕ字状の平板の一方の平板にネジ貫通穴を空けて端子接続部６１３とし、Ｕ字状の平板の他方の平板を９０度折り曲げて通電用電極部分６０９として、電極端子６０７を形成している。そして、Ｕ字状の電極端子冷却部６０８の裏面をモジュールケース６０６の裏面と同一面上に配置し、電極端子冷却部６０８の裏面を露出させている。これにより、パワーモジュール６１６をヒートシンク６０５に４本のネジ６１５により固定させて、チップ実装金属電極６０３の裏面をヒートシンク６１５に押し付ける際、ヒートシンク６０５とパワーモジュール６１６を絶縁しつつ、絶縁シート６０４を介して、電極端子冷却部６０８の裏面もヒートシンク６１５に押し付けることができる。これから、電極端子６０７の端子接続部６１３、電極端子冷却部６０８、絶縁シート６０４およびヒートシンク６０５からなる放熱経路６１４により、通電により発熱する端子接続部６１３を冷却することができる。よって、電極端子６０７の端子接続部６１３の雰囲気温度の上昇を抑制することができる。なお、第１の実施形態では、絶縁シート６０４を傷つけないように、電極端子冷却部６０８の裏面に面取り処理およびバリ取り処理を実施している。また、図４に示すように、端子接続部６１３も面取り処理およびバリ取り処理されている。

従来、端子接続部６１３の雰囲気温度の上昇を抑制する方法として、端子接続部６１３に流れる通電電流を制限する方法、外部バスバー６１７と端子接続部６１３との接触面の面積を広くし、接触電気抵抗を低減する方法、端子接続部６１３にメッキ等の表面処理を実施し、接触電気抵抗を低減する方法、パワーモジュール６１６の外部に専用のヒートシンクを設けて、外部バスバー６１７および端子接続部６１３を冷却する方法、電極端子６０７の通電用電極部分６０９、ハンダ、電極パターン、絶縁シート６０４およびヒートシンク６１５からなる放熱経路を設けて、端子接続部６１３を冷却する方法があるものの、端子接続部６１３に流れる通電電流を制限する方法では出力性能が低下するといった問題があり、外部バスバー６１７と端子接続部６１３との接触面の面積を広くする方法では外部バスバー６１７および端子接続部６１３が大きくなるといった問題、ネジ６１１およびナット６１２による面圧の低下を防止するためネジ６１１およびナット６１２が大きくなるといった問題、パワーモジュール６１６内の他の各種部品と電極端子６０７との絶縁距離を縮められないことから、各種部品および電極端子６０７の全体のスペースを広くする必要があるといった問題があり、端子接続部６１３にメッキ等の表面処理を実施する方法では製造工程が増加し、費用も増大するといった問題があり、パワーモジュール６１６の外部に専用のヒートシンクを設けて、外部バスバー６１７および端子接続部６１３を冷却する方法では専用のヒートシンクおよび絶縁材が必要になり、半導体装置を小型化できないといった問題があり、通電用電極部分６０９、ハンダ、電極パターン、絶縁シート６０４およびヒートシンク６１５からなる放熱経路を設けて、端子接続部６１３を冷却する方法では電極パターンと通電用電極部分６０９をハンダで接合する工程が増加するといった問題、雰囲気温度の変化等の温度ストレスによりハンダにクラックが発生し、上記放熱経路の熱抵抗が増加することから、冷却性能が低下するといった問題、冷却性能を上げるためにハンダ接合面積を広くした場合、温度ストレスが増加することから、冷却性能の低下が大きくなるといった問題があったが、第１の実施形態の係る半導体装置６００とすることで、上記の問題を解決しつつ、電極端子６０７の雰囲気温度の上昇を抑制することができる。

すなわち、第１の実施形態では、通電電流を制限しないので出力性能は低下せず、外部バスバー６１７と端子接続部６１３との接触面の面積を広くしないので電極端子６０７を大きくする必要がなく、ネジ６１１およびナット６１２による面圧の低下が発生せず、ネジ６１１およびナット６１２を大きくする必要がなく、パワーモジュール６１６内の他の各種部品と電極端子６０７の全体のスペースを広くする必要もなく、端子接続部６１３の表面処理を実施しないので製造工程が増加せず、費用も増大せず、パワーモジュール６１６の外部に専用のヒートシンクを設けないので専用のヒートシンクおよび絶縁材が不要であり、通電用電極部分６０９、ハンダ、電極パターン、絶縁シート６０４およびヒートシンク６１５からなる放熱経路を設けないので電極パターンと通電用電極部分６０９をハンダで接合する工程が増加せず、雰囲気温度の変化等の温度ストレスによりハンダにクラックが発生することもなく、上記放熱経路の熱抵抗が増加せず、冷却性能が低下しない。更に、第１の実施形態では、電極端子冷却部６０８をヒートシンク６１５に押し付けているので、雰囲気温度の変化等の温度ストレスにより冷却性能が低下することもない。よって、電極端子６０７の雰囲気温度の上昇を抑制しつつ、半導体装置６００を小型化することもできる。

また、電極端子冷却部６０８の裏面をモジュールケース６０６の裏面と同一面上に配置し、電極端子冷却部６０８の裏面を露出させることで、パワーモジュール６１６をヒートシンク６０５に４本のネジ６１５により固定させて、チップ実装金属電極６０３の裏面をヒートシンク６１５に押し付ける際、ヒートシンク６０５とパワーモジュール６１６を絶縁しつつ、絶縁シート６０４を介して、電極端子冷却部６０８の裏面もヒートシンク６１５に押し付けることができ、製造工程が増加しない。更に、第１の実施形態では、絶縁シート６０４は弾性材料であるシリコーンゴムからなるので、チップ実装金属電極６０３の裏面と電極端子冷却部６０８の裏面に公差により段差が発生した場合でも、絶縁シート６０４の弾性により、当該段差を吸収できる。これから、チップ実装金属電極６０３の裏面と電極端子６０７の電極端子冷却部６０８の裏面とを均一に冷却できる。

また、冷却性能を上げるために、パワーモジュール６１６内において、電極端子冷却部６０８の裏面と絶縁シート６０４との接触面積を広くすることもできる。また、電極端子冷却部６０８とヒートシンク６０５との間の絶縁方法は、チップ実装金属電極６０３とヒートシンク６０５との間の絶縁方法と同等であり、信頼性を保障できる。また、パワーモジュール６１６のモジュールケース６０６とヒートシンク６０５とを固定する４本のネジ６１５の間に、チップ実装金属電極６０３の裏面および電極端子冷却部６０８の裏面を配置しているので、チップ実装金属電極６０３の裏面および電極端子冷却部６０８の裏面を絶縁シート６０４に押し付ける際に必要な面圧を確保することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る半導体装置９００について、第１の実施形態に係る半導体装置６００と異なる点を中心に図５および図６を参照して説明する。また、第２の実施形態に係る半導体装置９００について、第１の実施形態に係る半導体装置６００と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。図５は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置９００の内部構造を示す側面透視図、図６は、図５に示すパワーモジュール９０４および絶縁シート６０４の斜視図である。第１の実施形態と同様に、第２の実施形態に係る半導体装置９００も図1に示すインバーター１０４に使用される。第２の実施形態に係る半導体装置９００が、第１の実施形態と異なる点は、電極端子９０１の形状が異なることだけである。すなわち、第２の実施形態に係る半導体装置９００の冷却方法は、第１の実施形態に係る半導体装置６００の冷却方法と同じである。これにより、第１の実施形態と同様の効果を取得することができる。

以下、電極端子９０１の形状について説明する。第２の実施形態の電極端子９０１は、パワーモジュール９０４の側面で外部バスバー６１７と接続される端子接続部６１３と、半導体チップ６０１またはチップ実装金属電極６０３と接続される通電用電極部分９０３と、通電により発熱する電極端子９０１の端子接続部６１３を冷却するため、ヒートシンク６０５に放熱するために、絶縁シート６０４と接触する電極端子冷却部９０２と、更に、端子接続部６１３と通電用電極部分９０３を接続する電極-端子間接続導体部分９０５を備えている。すなわち、導電性材料であるＣｕからなる長方形の平板をＪ字状に形成して電極端子冷却部９０２とし、Ｊ字状の平板部分にネジ貫通穴を空けて端子接続部６１３とし、導電性材料であるＣｕからなる長方形の平板を通電用電極部分９０３とし、導電性材料であるＣｕからなる長方形の平板を電極-端子間接続導体部分９０５とし、端子接続部６１３における端子接続部６１３と電極端子冷却部９０２との接合部以外の位置に、電極-端子間接続導体部分９０５を接合して、電極端子９０１を形成している。なお、第２の実施形態でも、絶縁シート６０４を傷つけないように、電極端子冷却部９０２の裏面に面取り処理およびバリ取り処理を実施している。また、図６に示すように、端子接続部６１３も面取り処理およびバリ取り処理されている。

第１の実施形態では、電極端子冷却部６０８と通電用電極部分６０９を直接接続しているため、チップ実装金属電極６０３との絶縁距離の関係から、レイアウトの成立性が低い場合があるが、第２の実施形態の電極端子９０１のように、通電用電極部分９０３と電極端子冷却部９０２とを直接接続しないことで、レイアウトの自由度を上げることができる。また、第２の実施形態に係る半導体装置９００と、従来の電極端子を冷却しない半導体装置とを熱シミュレーションにより確認した結果、冷却しない電極端子の熱抵抗と比較して、電極端子９０１の熱抵抗が約７５％低減した。また、他部品への影響も低減できるため、半導体チップ６０１の熱抵抗で見た場合、半導体装置９００では約１．５％低減した。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る半導体装置１１００について、第２の実施形態に係る半導体装置９００と異なる点を中心に図７を参照して説明する。また、第３の実施形態に係る半導体装置１１００について、第２の実施形態に係る半導体装置９００と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。図７は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置１１００の内部構造を示す側面透視図である。第１および第２の実施形態と同様に、第３の実施形態に係る半導体装置１１００も図1に示すインバーター１０４に使用される。第３の実施形態に係る半導体装置１１００が、第２の実施形態と異なる点は、電極端子１１０１の電極端子冷却部１１０２の形状が異なることだけである。すなわち、第３の実施形態に係る半導体装置１１００の冷却方法は、第２の実施形態に係る半導体装置９００の冷却方法と同じである。これにより、第２の実施形態と同様の効果を取得することができる。

以下、電極端子１１０１の形状について説明する。第３の実施形態の電極端子１１０１は、パワーモジュール１１０４の側面で外部バスバー６１７と接続される端子接続部６１３と、半導体チップ６０１またはチップ実装金属電極６０３と接続される通電用電極部分９０３と、通電により発熱する電極端子９０１の端子接続部６１３を冷却するため、ヒートシンク６０５に放熱するために、絶縁シート６０４と接触する電極端子冷却部１１０２と、更に、端子接続部６１３と通電用電極部分９０３を接続する電極-端子間接続導体部分９０５を備えている。すなわち、導電性材料であるＣｕからなる長方形の平板にネジ貫通穴を空けて端子接続部６１３とし、上記平板の端子接続部６１３と反対側の端部を電極端子冷却部１１０２とし、導電性材料であるＣｕからなる長方形の平板を通電用電極部分９０３とし、導電性材料であるＣｕからなる長方形の平板を電極-端子間接続導体部分９０５とし、端子接続部６１３における端子接続部６１３と電極端子冷却部１１０２との接合部以外の位置に、電極-端子間接続導体部分９０５を接合して、電極端子１１０１を形成している。なお、第３の実施形態でも、絶縁シート６０４を傷つけないように、電極端子冷却部１１０２の裏面に面取り処理およびバリ取り処理を実施している。

第２の実施形態では、絶縁シート６０４に接触する電極端子冷却部９０２をＪ字状に形成するため、曲げ加工が必要であるが、第３の実施形態の電極端子１１０１のように、導電性材料であるＣｕからなる長方形の平板の端子接続部６１３と反対側の端部を電極端子冷却部１１０２とすることで、曲げ加工が不要となり、レイアウトの自由度を上げることができる。この場合、電極端子１１０１の端子接続部６１３、電極端子冷却部１１０２、絶縁シート６０４およびヒートシンク６０５からなる放熱経路１１０３により、通電により発熱する端子接続部６１３を冷却する。また、第３の実施形態に係る半導体装置１１００と、従来の電極端子を冷却しない半導体装置とを熱シミュレーションにより確認した結果、冷却しない電極端子の熱抵抗と比較して、電極端子１１０１の熱抵抗が約５０％低減した。また、他部品への影響も低減できるため、半導体チップ６０１の熱抵抗で見た場合、半導体装置１１００では約１％低減した。

なお、以上に述べた実施形態は、本発明の実施の一例であり、本発明の範囲はこれらに限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、他の様々な実施形態に適用可能である。例えば、第１乃至第３の実施形態に係る半導体装置を含むインバーター１０４では、６ハーフアーム分接続しているが、特にこれに限定されるものでなく、例えば、１ハーフアーム分、１アーム分（２ハーフアーム分）でも良い。また、１ハーフアームにＩＧＢＴ１０１とＦＷＤ１０２が対をなして接続されているが、特にこれに限定されるものでなく、更に、他の素子を備えても良い。

また、第１乃至第３の実施形態では、例えば、モジュールケース６０６はＰＰＳ、ワイヤー６１０はＡｌ、チップ実装金属電極６０３はＣｕおよびヒートシンク６０５はＡｌから形成されているが、特にこれに限定されるものでなく、他の材料から形成しても良い。また、絶縁シート６０４をシリコーンゴムから形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、弾性材料でかつ絶縁材料であればいずれの材料から形成しても良い。更に、電極端子６０７、９０１、１１０１をＣｕから形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、導電性材料であれば、いずれの材料から形成しても良い。

また、第１乃至第３の実施形態では、説示していないが、パワーモジュール６１６と絶縁シート６０４との間の接触熱抵抗を低減させるため、グリスを用いても良い。同様に、絶縁シート６０４とヒートシンク６０５との間の接触熱抵抗を低減させるため、グリスを用いても良い。更に、半導体チップ６０１とチップ実装金属電極６０３との間の応力を緩和するため、ＣｕＭｏ等の緩衝材を挿入しても良い。また、端子接続部６１３と外部バスバー６１７をネジ６１１で固定する場合において、端子接続部６１３にトルクが加わることで、電極端子６０７、９０１、１１０１が変形する場合、電極端子６０７、９０１、１１０１にリブを設け、当該リブをモジュールケース６０６に埋め込むようにしても良い。このような構成にすることにより、電極端子６０７、９０１、１１０１の変形を抑制することができる。

また、第１乃至第３の実施形態では、モジュールケース６０６の樹脂成形時に、チップ実装金属電極６０３および電極端子６０７、９０１、１１０１を埋め込み、一体形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、チップ実装金属電極６０３および電極端子６０７、９０１、１１０１を埋め込まなくても良い。

また、第１乃至第３の実施形態では、チップ実装金属電極６０３の裏面および電極端子冷却部６０８、９０２、１１０２の裏面をモジュールケース６０６の裏面と同一面上に配置しているが、特にこれに限定されるものでなく、モジュールケース６０６の裏面よりも、絶縁シート６０４側に突出していても良い。このような構成にすることにより、チップ実装金属電極６０３の裏面および電極端子冷却部６０８、９０２、１１０２の裏面を、絶縁シート６０４を介して、ヒートシンク６１５に確実に押し付けることができる。また、チップ実装金属電極６０３の裏面と電極端子冷却部６０８、９０２、１１０２の裏面とを同一面上に配置しているが、特にこれに限定されるものでなく、異なっていても良い。

また、第１乃至第３の実施形態では、電極端子冷却部６０８、９０２、１１０２の裏面をチップ実装金属電極６０３の裏面およびモジュールケース６０６の裏面と同一面上に露出させ、電極端子冷却部６０８、９０２、１１０２の裏面を、絶縁シート６０４を介して、ヒートシンク６１５に押し付けて、電極端子６０７、９０１、１１０１を冷却したが、特にこれに限定されるものでなく、例えば、電極端子６０７、９０１、１１０１を固定するためのナット、ネジ等をチップ実装金属電極６０３の裏面またはモジュールケース６０６の裏面と同一面上に露出させ、絶縁シート６０４に接触させることで、電極端子６０７、９０１、１１０１を冷却しても良い。

また、第１の実施形態では、Ｕ字状の平板の他方の平板を９０度折り曲げて通電用電極部分６０９としているが、特にこれに限定されるものでなく、何度でも良い。また、電極端子６０７は一体形成されているが、特にこれに限定されるものでなく、端子接続部６１３、電極端子冷却部６０８および通電用電極部分６０９を別個独立に形成し、接合しても良い。この場合、端子接続部６１３、電極端子冷却部６０８および通電用電極部分６０９を異なる材料で形成することもできる。

また、第２の実施形態では、端子接続部６１３および電極端子冷却部９０２を一体形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、別個独立に形成し、接合しても良い。この場合、端子接続部６１３および電極端子冷却部９０２を異なる材料で形成することもできる。同様に、端子接続部６１３、通電用電極部分９０３および電極-端子間接続導体部分９０５を同一の材料Ｃｕで形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、異なる材料で形成しても良い。

また、第３の実施形態では、端子接続部６１３および電極端子冷却部１１０２を一体形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、別個独立に形成し、接合しても良い。この場合、端子接続部６１３および電極端子冷却部１１０２を異なる材料で形成することもできる。同様に、端子接続部６１３、通電用電極部分９０３および電極-端子間接続導体部分９０５を同一の材料Ｃｕで形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、異なる材料で形成しても良い。

また、第１乃至第３の実施形態では、説示していないが、チップ実装金属電極６０３の表面および電極端子冷却部６０８、９０２、１１０２の表面を露出させても良い。このような構成にすることにより、モジュールケース６０６の樹脂成形時に、チップ実装金属電極６０３および電極端子６０７、９０１、１１０１を埋め込み、一体形成する場合に、チップ実装金属電極６０３および電極端子６０７、９０１、１１０１を上下両方から型で押さえることができる。これから、電極端子６０７、９０１、１１０１の位置が樹脂圧により流動することを防止でき、チップ実装金属電極６０３の裏面の高さと電極端子冷却部６０８、９０２、１１０２の裏面の高さを精度良く一致させることができるので、チップ実装金属電極６０３と電極端子６０７、９０１、１１０１を均一に冷却できる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を含むモーター制御システムの回路図図１に示すインバーターに含まれる半導体装置の内部構造を示す側面透視図図２に示す半導体装置の側面図（外部バスバーを除く）図２に示すパワーモジュールおよび絶縁シートの斜視図本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の内部構造を示す側面透視図図５に示すパワーモジュールおよび絶縁シートの斜視図本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の内部構造を示す側面透視図

符号の説明

１０１ＩＧＢＴ、１０２ＦＷＤ、１０３直流電源、
１０４インバーター、１０５交流モーター、
１０６外部バスバー（Ｐ側）、１０７外部バスバー（Ｎ側）、
１０８外部バスバー（出力側）、１０９Ｐ電極端子、１１０Ｎ電極端子、
１１１出力電極端子、
６００半導体装置、６０１半導体チップ、６０２ハンダ、
６０３チップ実装金属電極、６０４絶縁シート、６０５ヒートシンク、
６０６モジュールケース、６０７電極端子、６０８電極端子冷却部、
６０９通電用電極部分、６１０ワイヤー、６１１ネジ、６１２ナット、
６１３端子接続部、６１４放熱経路、６１５ネジ、
６１６パワーモジュール、６１７外部バスバー、
９００半導体装置、９０１電極端子、９０２電極端子冷却部、
９０３通電用電極部分、９０４パワーモジュール、
９０５電極-端子間接続導体部分、
１１００半導体装置、１１０１電極端子、１１０２電極端子冷却部、
１１０３放熱経路、１１０４パワーモジュール

Claims

半導体素子と、当該半導体素子が実装される電極と、外部導体と接続される電極端子とを備えるパワーモジュール、前記半導体素子を冷却するための冷却部材および前記パワーモジュールと前記冷却部材を絶縁する絶縁部材を有する半導体装置において、
前記電極端子は、前記パワーモジュールの側面で前記外部導体と接続される端子接続部と、前記半導体素子または前記電極と接続される通電用電極部分と、電極端子冷却部とを備え、
前記電極端子冷却部は、前記絶縁部材と接触することを特徴とする半導体装置。
前記電極端子冷却部における絶縁部材接触面は、前記パワーモジュールにおける絶縁部材接触面と同一面上に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記端子接続部は、前記パワーモジュールの側面で固定され、
前記パワーモジュールを前記冷却部材に固定することにより、前記電極端子冷却部は、前記絶縁部材に押し付けられることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
前記電極における絶縁部材接触面は、前記パワーモジュールにおける絶縁部材接触面と同一面上に配置され、
前記パワーモジュールを前記冷却部材に固定することにより、前記電極は、前記絶縁部材に押し付けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置。
前記電極および前記電極端子冷却部における絶縁部材と反対側の面も露出させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置。
前記絶縁部材は、弾性材料からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置。
前記電極端子冷却部は、導電性材料からなる平板をＵ字状にして形成され、
前記端子接続部は、前記Ｕ字状の前記平板の一方から形成され、
前記通電用電極部分は、前記Ｕ字状の前記平板の他方を折り曲げて形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体装置。
前記電極端子は、前記端子接続部と前記通電用電極部分を接続する電極-端子間接続導体部分を備え、
前記電極端子冷却部は、導電性材料からなる平板をＪ字状にして形成され、
前記端子接続部は、前記Ｊ字状の前記平板から形成され、
前記通電用電極部分は、導電性材料からなる平板から形成され、
前記電極-端子間接続導体部分は、導電性材料からなる平板からなり、前記端子接続部における前記端子接続部と前記電極端子冷却部との接合部以外の位置に接合されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体装置。
前記電極端子は、前記端子接続部と前記通電用電極部分を接続する電極-端子間接続導体部分を備え、
前記端子接続部は、導電性材料からなる平板から形成され、
前記電極端子冷却部は、前記平板の前記端子接続部と反対側の端部であり、
前記通電用電極部分は、導電性材料からなる平板から形成され、
前記電極-端子間接続導体部分は、導電性材料からなる平板からなり、前記端子接続部における前記端子接続部と前記電極端子冷却部との接合部以外の位置に接合されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体装置。
半導体素子または前記半導体素子が実装された電極と電極端子の通電用電極部分を接続してパワーモジュールを形成し、
絶縁部材を介して冷却部材を前記パワーモジュールと固定して半導体装置を形成し、
前記パワーモジュールの側面で外部導体と接続された前記電極端子の電極端子冷却部を、前記絶縁部材と接触させることを特徴とする半導体装置の冷却方法。