JP2010062511A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体素子2a〜2fと、半導体素子2a〜2fの放熱が熱伝達されるヒートシンク25を有する半導体装置において、半導体素子2a〜2fは、ヒートシンク25に直接接合される構造にし、ヒートシンク25は、冷却液を内部に通して冷却を行う冷却液通路25bを備え、放熱(発熱)する半導体素子2a〜2fと、冷却を行うヒートシンク25を近接させた。
【選択図】図6
Description
従来では、どちらの構成も、半導体素子と冷却装置との隔たりが大きく、また、異なった機能の材料を張り合わせる構造となるため界面での熱伝導が制約され、トータルの熱抵抗が大きくなってしまっている。そのため、半導体素子の冷却効率としては低くなってしまう。
図1は実施例1のモータ駆動回路の概略図である。
モータ駆動回路1は、半導体素子2a〜2f、制御部3、コイル4a〜4c、センサ5a〜5c、電源6、ロータ7を備えている。
半導体素子2a〜2fは、2個が対となってハーフブリッジを構成し、コイル4a〜4cへの電流を制御する。
制御部3は、センサ5a〜5cによるロータ位置等に基づいて、また、外部からの駆動要求に基づいて、半導体素子2a〜2fを制御してモータを駆動する。例としてPWM制御を挙げておく。
センサ5a〜5cは、モータのロータ位置を検出するセンサである。例としてはホール素子を用いてロータの位置による磁束変化を検出するものを挙げておく。
電源6は、モータを駆動するための電源である。
ロータ7は、モータのマグネットを具備した回転子である。図1の構成では、コイル4a〜4cとロータ7でモータを構成している。
実施例1では、図1で説明したようにモータを駆動するのに、半導体素子2a〜2fを用いているが、図1は説明上、半導体素子2a〜2fを分割した配置となっているが、実際には、半導体素子2a〜2fが、図2のように集まり半導体装置2を構成する。
図2に示す半導体装置2では、半導体素子2a〜2fは、IGBT(絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ、以下省略)である。
そして、電源供給ラインにアッパー側の半導体素子2aのコレクタを接続し、エミッタをロワー側の半導体素子2bのコレクタに接続し、半導体素子2bのエミッタをグランドラインに接続する。そして、半導体素子2aのエミッタと半導体素子2bのコレクタの間を出力としてコイル4aとコイル4cの結線部分へ接続する。このように半導体素子2aと半導体素子2bでモータ1相分の駆動を行うハーフブリッジを構成する。
そして、半導体素子2a〜2fのゲートは、制御部3に直接あるいは回路を介して接続するようにして、オンオフを制御部3の指令により駆動する。
さらに、図2に示す半導体装置2では、半導体素子2a〜2fのそれぞれにスイッチングオフした時に発生する過剰電流を還流させるフライホイールダイオード8a〜8fを設けている。
半導体素子2a〜2fは、特にIGBTの場合を例に説明すると、図3に示すように一つの半導体素子は一つのチップになっている。そして、半導体素子の表面にゲート端子とエミッタ端子が位置し、端子部材が接続される。裏面にはコレクタ端子が位置し、基板が端子部材として接続される。
実施例1の半導体装置2は、パッケージ20、回路基板21、冷却管22,23、中空ボルト24を備えている。
パッケージ20は、半導体素子2a〜2fのそれぞれを樹脂パッケージにしたものである。詳細は後述する。
回路基板21は、実施例1では、図2の回路構成から6個のパッケージ20や他の部品が実装される基板である。パッケージ20は、図4に示すように端子の接続で、回路基板21に立設し、所定の間隔で6個が列状に配置される。
冷却管23は、複数のパッケージ20の冷却管22が設けられた側と反対側の側面に接するように伸長する管が配置され、中空ボルト24でそれぞれのパッケージ20に固定されたものである。
つまり、列状に複数配置されたパッケージ20は、両側の側面にそれぞれ冷却管が取り付けられる構造である。
そして、冷却管22、23に流す冷却液は、非導電性冷却液とし、例としてフロンを挙げておく。
ここでは、冷却管22のパッケージ20への取りつけ構造を説明する。冷却管23については、同様の構造のため、説明を省略する。
冷却管22は、管であり、内部に冷却液路22aを有する。そして、その取付位置では、冷却液路22aに直交する貫通した取付孔22bを設けるようにする。
なお、絶縁シート26は、中空ボルト24のボルト頭と冷却管22の間に挟み込まれるようにして絶縁し、且つ中空ボルト24の首部分と冷却管22の取付孔22bの周縁部分の間にも挟みこまれるようにして絶縁させる。そのため、筒状部分と鍔状部分を合わせ持つフランジ形状にするのが好ましい。
中空ボルト24は、先端から首部分までの長さで、貫通しない内孔24aを備え、ボルト頭から所定長さで外周にねじ山のない首部分と、その先端のネジ部分を備えている。さらに、冷却管22を取り付けた際に冷却管22の冷却液路22a内に面する位置に内孔24aと外部を連通させる連通孔24bを少なくとも2箇所に設けるようにする。
なお、中空ボルト24を取り付けた状態では、ネジ部の先端が、ヒートシンク25の冷却液通路25bの内部に突出する長さにして、内孔24aをヒートシンク25の冷却液通路25bに連通させる。
ここでは、半導体素子2aのパッケージ20について説明する。
半導体装置2のパッケージ20は、半導体素子2a、半田28、29、ヒートシンク25、端子30、ワイヤ31、端子32、板状の配線33、樹脂ケース34、注型樹脂35を備えている。
実施例1では厚みを持つ矩形板状のヒートシンク25を設ける。このヒートシンク25は、例えば銅製(Cuフレーム)であり、伝熱性に優れた材料にする。ヒートシンク25は、図7に示すように、円柱状に両側に突出した円柱部分25dを形成する。また、内部には、半導体素子2aの全面よりやや広い内部空間25cを形成する。この内部空間25cは、円柱部分25dの冷却液通路25bと連通する形状とする。冷却液通路25bは、両側の円柱部分25dを貫通させて設ける。
次に、ヒートシンク25の円柱部分25dと反対側の側面(図7の底面)には、コレクタ電極となる端子25aを設ける。端子25aと所定の間隔を空けた位置には、端子30を設け、ワイヤ31で半導体素子2aのゲート端子に接続する。さらに、端子30と所定の間隔を空けた位置には、端子32を設け、板状の配線33と半田29で半導体素子2aのエミッタ端子に接続する。なお、板状の配線の代わりに、多数のワイヤを用いてもよい。
なお、ワイヤ31、板状の配線33の代わりにワイヤを用いた場合の具体例として、Alワイヤ、Auワイヤを挙げておく。
なお、図7において、符号2aaで示した部分はワイヤ31を接続するために半導体素子2aの一部(ゲート電極)を半田29から露出させている部分である。
[熱抵抗を小さくして冷却効率を向上させる作用]
以下の説明でも半導体素子2aについて説明を行う。他の半導体素子2b〜2fについても構成、作用は同じであるので、説明を省略する。
実施例1の半導体装置2では、半導体素子2a〜2fのそれぞれは、パッケージ20の内部で、ヒートシンク25に半田28により接合されている。そして、ヒートシンク25の内部に冷却液を通すことにより冷却を行う。そのため、発熱源となる半導体素子2a〜2fのそれぞれと冷却液による冷却を行うヒートシンク25との間の距離は非常に短いものとなる。また、その間の介在物は、半田28のみである。
冷却液による冷却は、冷却管22、23の両方または一方に冷却液を流すことにより行う。例えば冷却管22に冷却液を送ると、冷却管22の冷却液路22aを冷却液が流れる。そして、パッケージ20の位置で、中空ボルト24の連通孔24bから、中空ボルト24の内孔24aに流れ込み、内孔24aからヒートシンク25の冷却液通路25b、冷却液通路25bから内部空間25cへ流れる。
そして、熱交換した内部空間の冷却液は、冷却管23の側のヒートシンク25の冷却液通路25bから、冷却管23を取り付けている中空ボルト24の内孔24a、連通孔24bを通り、冷却管23の冷却液路を通る流れとなる。
ここで、半導体素子2a〜2fは図2に示すように、3相モータを駆動するための回路構成の場合、1相分に対して、一方がアッパー側、他方がロワー側となる。例えばアッパーの半導体素子2aとロワー側の半導体素子2bのコレクタ(又はドレイン)が電気的に接続すると、アッパー側のエミッタとロワー側のコレクタの間を出力とするハーフブリッジが構成されず、駆動できなくなる。
さらに、実施例1では、冷却液として例えばフロンを用いるようにし、非導電性冷却液とすることにより、冷却液を介して他のパッケージ20のヒートシンク25と電気的に接続することがない。
図8、図9はパッケージの冷却構成の例を示す説明図である。図10はパワーモジュールの冷却構成の例を示す説明図である。
冷却液を用いて、半導体素子を冷却するには、図8〜図10のような構成にすることも考えられる。
図8に示す構成は、銅箔105の回路を有する回路基板106上に、パッケージ101の複数を立設する。そして、パッケージ101の上方に、内部の冷却液通路109aに冷却液を流す冷却装置109を配置し、冷却装置109から下方に伸延させた部材108にパッケージ101を、絶縁シート及び接着剤103を介して取り付ける構成である。
なお、回路基板106としてはAIN(窒化アルミ)を挙げておく。
図9に示す構成でも、冷却装置109とパッケージ101との隔たりが大きい。また、冷却装置109とパッケージ101が、接着剤107、111、ケース110、回路基板106、半田104、回路の銅箔105を介するため、異なる機能の材料を張り合わせる構造となり、界面での熱伝導が制約され、トータルの熱抵抗が大きくなってしまう。
図10に示す構成でも、冷却装置109と半導体素子102との隔たりが大きい。また、冷却装置109とパッケージ101が、接着剤107、111、ケース110、回路基板106、半田104、回路の銅箔105を介するため、異なる機能の材料を張り合わせる構造となり、界面での熱伝導が制約され、トータルの熱抵抗が大きくなってしまう。
また、実施例1では、図4に示すように複数のパッケージ20は、所定の間隔を空けて列状に配置しているが、放熱のためにヒートシンク25の一部を外部に露出させる必要がなく、そのため、冷却液通路部分と端子以外を樹脂ケース34で覆って、注型樹脂35で成形しているため、パッケージ同士を接触させる構成にしてもよい。その場合には、実装密度を高く、装置を小型にすることができる。
また、実施例1では、半導体素子2a〜2fのそれぞれがパッケージ化されているので、チップ単体の電気検査、スクリーニングを容易に行える。
実施例1の半導体装置にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
構成を説明する。
図11は実施例2の半導体装置のパッケージの構造を示す断面図である。図12は実施例2の半導体装置のパッケージの構造を示す説明正面図である。図13は実施例2の半導体装置のパッケージの構造を示す説明背面図である。図14は実施例2の半導体装置の回路構成図である。
実施例2では、図11〜図13に示すように、1つのパッケージ4の表裏両面に半導体素子を接合する。例えば、図12に示すように片面に半導体素子201a、図13に示すように裏面に半導体素子201bを接合する。
そして、例えば負荷202の直流モータを正転させる際には、半導体素子201c〜201fをオンにし、逆転させる際には、半導体素子201a,201b,201g,201hをオンにする駆動を行う。この駆動はPWM等で行ってよい。
つまり、2つの半導体素子201a,201bは、半田でヒートシンク25表裏面それぞれに裏面のコレクタ端子を接合する。また、ワイヤ31でゲート端子を共通の端子30にそれぞれ接合し、板状の配線33と半田29でエミッタ端子を共通の板状の配線33に接続する。
なお、符号201aa,201bbで示した部分はワイヤ31を接続するために半導体素子201a,201bの一部(ゲート電極)を半田29から露出させている部分である。
その他構成は、実施例1と同様であるので説明を省略する。
実施例2の半導体装置では、1つのパッケージ4に2つの半導体素子201a,201bを備えるため、用いられる回路、装置内のパッケージ数を抑制し、小型化、低コストに寄与する。
このパッケージ4の内部では、ヒートシンク25の両面に半導体素子201a,201bを接合しているため、ヒートシンク25を大きさが抑制され、ひいては、軽量化、低コストに寄与する。
(6)上記(1)〜(5)において、ヒートシンク25の対向する両面のそれぞれに半導体素子201a,201bを接合したため、軽量化、低コストに寄与でき、半導体素子のディレーディング率を小さくすることができる。
その他作用効果は実施例1と同様であるので説明を省略する。
図15は実施例3の半導体装置の説明斜視図である。図16は実施例3の半導体装置のパッケージの構造を示す説明図である。図17は図16のA−A断面図である。
実施例3では、パッケージ9が、ヒートシンク25の表裏の両面に、IGBTである半導体素子2aと半導体素子203aを接合し、さらに、ヒートシンク25の表裏の両面に、フライホイールダイオード8a,91を接合する。つまり一方の面に半導体素子とダイオードを接合する。ここで、フライホイールダイオード8a,91はヒートシンク25を電極として、カソードを接合する。ヒートシンク25は、図2に点Pで示す点の電圧となる。
その他構成は、実施例1、実施例2と同様であるので説明を省略する。
実施例3では、例えば半導体素子2a〜2h(IGBTを6個)備えた、図2のような回路が複数設けられる場合である。このような場合には、パッケージが非常に多くなってしまうが、実施例3では、パッケージ9の内部に同じ動作を行う半導体素子2a,203aと、その素子それぞれに設けられるフライホイールダイオード8a,91を具備させる。そのため、回路構成及び装置構成の複雑化が抑制され、コストの低減や小型化に寄与する。
(7)上記(6)において、半導体素子2a〜2h等と対に設けられるフライホイールダイオード8a,91を、ヒートシンク25に、カソード端子を接合し端子が共通するように設けたため、回路構成が複雑化することを抑制し、コスト低減や小型化に寄与できる。
その他作用効果は実施例1〜実施例3と同様であるので説明を省略する。
構成を説明する。
図18は実施例4の半導体装置のパッケージの構造を示す断面図である。図19は実施例4の半導体装置のパッケージの構造を示す説明正面図である。図20は実施例4の半導体装置のパッケージの構造を示す説明背面図である。
実施例4では、パッケージ94として、半導体素子2a〜2hのIGBT、例えば半導体素子2aをヒートシンク25の表面に接合し、半導体素子2a〜2hと対に設けられるフライホイールダイオード8a〜8f、例えばフライホイールダイオード8aをヒートシンク25の裏面に接合する。ここで、フライホイールダイオード8aはヒートシンク25を電極として、カソードを接合する。ヒートシンク25の露呈面であるアノードは、ボンディングワイヤ93によるボンディングで端子32へ接続する。
その他構成は実施例3と同様であるので説明を省略する。
実施例4では、ヒートシンク25の片面に半導体素子2a、反対面に半導体素子でない電子部品であるフライホイールダイオード8aを接合する。
図2に示すように、複数が設けられる半導体素子2a〜2hのそれぞれの過電流の還流のために、それぞれ上下流で互いが接続されるフライホイールダイオード8aを設ける場合がある。この場合に、このように同一のパッケージ94の内部に配置されると、その回路は非常に少ないスペースで簡略化された構成となる。このことはコストや小型化に寄与する。
(8)上記(1)〜(5)において、ヒートシンク25の対向する両面の片面に半導体素子2a〜2hを接合し、もう一方の片面に半導体素子2a〜2hと対に設けられるフライホイールダイオード8a〜8fを、端子25a,30,32を共通とするよう接合して設けたため、コスト低減や小型化に寄与できる。
また、例えば実施例1では、駆動対象として、デルタ結線の3相モータを示したが、スター結線のものでもよく、また、LED等を駆動するものであってもよい。
2 半導体装置
2a〜2f 半導体素子
3 制御部
4a〜4c コイル
5a〜5c センサ
6 電源
7 ロータ
8a〜8f フライホイールダイオード
9 パッケージ
20 パッケージ
21 回路基板
22 冷却管
22a 冷却液路
22b 取付孔
23 冷却管
24 中空ボルト
24a 内孔
24b 連通孔
25 ヒートシンク
25a 端子
25b 冷却液通路
25c 内部空間
25d 円柱部分
26 絶縁シート
27 絶縁シート
28 半田
29 半田
30 端子
31 ワイヤ
32 端子
33 板状の電極
34 樹脂ケース
35 注型樹脂
91 フライホイールダイオード
92a〜92c ボンディングワイヤ
93 ボンディングワイヤ
94 パッケージ
101 パッケージ
102 半導体素子
103 接着剤
104 半田
105 銅箔
106 回路基板
107 接着剤
108 部材
109 冷却装置
109a 冷却液通路
110 ケース
111 接着剤
201a〜201h 半導体素子
202 負荷
203a 半導体素子
2aa 電極
201aa 電極
201bb 電極
Claims (8)
- 半導体素子と、前記半導体素子の放熱が熱伝達されるヒートシンクを有する半導体装置において、
前記半導体素子は、前記ヒートシンクに直接接合される構造にし、
前記ヒートシンクは、冷却液を内部に通して冷却を行う冷却液通路を備えた、
前記ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記半導体素子を接合した前記ヒートシンクを樹脂ケースで覆い、内部に樹脂を充填させ、前記ヒートシンクの前記冷却液通路部分と、前記半導体素子に接続した端子のみが樹脂ケースから露出する構造にした、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の半導体装置において、
前記半導体素子が前記ヒートシンクとの接合面に端子を有し、前記ヒートシンクが電極を兼ねる、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記冷却液は、非導電性の冷却液であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記冷却液を流す冷却管を、先端が開口する内孔を有する中空ボルトで貫通し、前記ヒートシンクの前記冷却液通路部分に締結し、中空ボルトを介して前記冷却管から前記ヒートシンクへ冷却液を流す構造とし、
前記中空ボルトの締結の際に、前記冷却管との絶縁を行う絶縁シートを挟みこむようにした、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記ヒートシンクの対向する両面のそれぞれに前記半導体素子を接合した、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項6に記載の半導体装置において、
前記半導体素子と対に設けられる電子部品を、前記ヒートシンクに前記端子を共通とするよう接合して設けた、
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記ヒートシンクの対向する両面の片面に前記半導体素子を接合し、もう一方の片面に前記半導体素子と対に設けられる電子部品を、前記端子を共通とするよう接合して設けた、
ことを特徴とする半導体装置。
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