JP2011211018A - Semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、放熱板による放熱が行われる半導体パワー素子が形成された半導体チップと放熱板とを樹脂封止して一体構造とした半導体モジュールに関するもので、例えば、上アーム(ハイサイド側素子)と下アーム(ローサイド側素子)の二つの半導体パワー素子を一つの樹脂封止部に封止した2in1構造、もしくは、一つの半導体パワー素子を樹脂封止部に封止した1in1構造の半導体モジュールに適用すると好適である。 The present invention relates to a semiconductor module in which a semiconductor chip on which a semiconductor power element is radiated by a heat radiating plate and a heat radiating plate are resin-sealed to form an integrated structure, for example, an upper arm (high side element) And a 2-in-1 structure in which two semiconductor power elements of the lower arm (low-side element) are sealed in one resin-sealed part, or a 1-in-1 structure semiconductor module in which one semiconductor power element is sealed in a resin-sealed part It is preferable to apply.
従来、特許文献1において、半導体パワー素子がそれぞれ備えられた上アームと下アームとを直列に接続した2in1構造の半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールは、半導体パワー素子としてIGBT(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)を備えたもので、上アームおよび下アームそれぞれについて、IGBTが形成された半導体チップのエミッタ側に銅ブロックを介して放熱板を配置すると共にコレクタ側に放熱板を配置し、各放熱板を封止樹脂部から露出させた状態で樹脂封止した構造とされている。
Conventionally,
上記の半導体モジュールでは、半導体チップのうちエミッタ側は、半導体チップよりも1回り小さくされた銅ブロックを介して放熱板に電気的に接続される。これは、半導体チップのうちエミッタ側の表面に、ゲート電極に接続するためのパッドとのボンディング領域や、ガードリングなどの耐圧構造が備えられた外周領域などが存在するためである。銅ブロックは、半導体チップのうちボンディング領域や外周領域とは異なるアクティブ領域、つまり半導体チップの中央部に備えられる大電流が流される部分(エミッタ電極が形成される領域)にのみ接続される。このため、半導体チップよりも1回り小さな寸法で銅ブロックを構成している。 In the semiconductor module described above, the emitter side of the semiconductor chip is electrically connected to the heat sink through a copper block that is one size smaller than the semiconductor chip. This is because a surface of the semiconductor chip on the emitter side has a bonding region with a pad for connection to the gate electrode, an outer peripheral region provided with a withstand voltage structure such as a guard ring, and the like. The copper block is connected only to an active region of the semiconductor chip that is different from the bonding region and the outer peripheral region, that is, a portion (a region where the emitter electrode is formed) provided in the central portion of the semiconductor chip. For this reason, the copper block is configured with a size slightly smaller than that of the semiconductor chip.
ここで、IGBTでの発熱は、図10に示した断面図に示されるように、エミッタ側では半導体チップJ1から幅狭の銅ブロックJ2を介して放熱板J3に伝わることになり、コレクタ側では幅広の半導体チップJ1から直接放熱板J4に伝わることになる。このとき、各放熱板J3、J4に接続されている発熱体、つまり銅ブロックJ2と半導体チップJ1のサイズが異なっていることから、エミッタ側とコレクタ側で熱拡散が異なっている。 Here, as shown in the sectional view shown in FIG. 10, the heat generated in the IGBT is transmitted from the semiconductor chip J1 to the heat radiating plate J3 via the narrow copper block J2 on the emitter side, and on the collector side. The heat is transmitted directly from the wide semiconductor chip J1 to the heat radiating plate J4. At this time, since the sizes of the heating elements connected to the heat radiation plates J3 and J4, that is, the copper block J2 and the semiconductor chip J1, are different, the thermal diffusion is different between the emitter side and the collector side.
しかしながら、従来では、熱拡散によらず、エミッタ側とコレクタ側の放熱板の厚みを同じにしていた。例えば、上記特許文献1に記載されたように上アームと下アームとで半導体チップの表裏面を裏返した構造の場合、一方の半導体チップはエミッタ側が表側を向けられ、他方の半導体チップはコレクタ側が裏側を向けられて配置される。この場合、上アームのエミッタと下アームのコレクタとが電気的に接続された構造とされることから、これらが接続される放熱板は一枚構造とされるが、上アームのコレクタや下アームのエミッタが接続される放熱板はそれぞれ一枚ずつ備えられる。このような構造において、各放熱板が同じ厚みとされていた。このため、上アームのコレクタが接合される放熱板での熱拡散と比較して、上アームの銅ブロックが接合される放熱板での熱拡散が狭くなったり、下アームのコレクタが接合される放熱板での熱拡散と比較して、下アームの銅ブロックが接合される放熱板での熱拡散が狭くなる場合があった。
However, conventionally, the thicknesses of the radiator side and the collector side radiator plates are the same regardless of thermal diffusion. For example, as described in
また、上アームと下アームとで半導体チップの向きを同じにした2in1構造の場合には、上アームの半導体チップのエミッタとコレクタがそれぞれ接続される放熱板が一枚ずつ備えられ、下アームの半導体チップのエミッタとコレクタがそれぞれ接続される放熱板も一枚ずつ備えられる。これら各放熱板の厚みがすべて同じにされているため、やはり上アームのコレクタが接合される放熱板での熱拡散と比較して、上アームの銅ブロックが接合される放熱板での熱拡散が狭くなったり、下アームのコレクタが接合される放熱板での熱拡散と比較して、下アームの銅ブロックが接合される放熱板での熱拡散が狭くなる場合があった。さらに、一つの半導体パワー素子のみを放熱板と共に樹脂封止した1in1構造の半導体モジュールについても、エミッタとコレクタそれぞれが接続される放熱板の厚みが同じにされているため、同様のことが発生していた。 Further, in the case of a 2-in-1 structure in which the direction of the semiconductor chip is the same between the upper arm and the lower arm, one heat dissipation plate to which the emitter and the collector of the semiconductor chip of the upper arm are respectively connected is provided. One heat sink to which the emitter and collector of the semiconductor chip are connected is also provided. Since the thickness of each of these heat sinks is the same, heat diffusion at the heat sink to which the upper arm copper block is bonded is also compared to heat diffusion at the heat sink to which the upper arm collector is bonded. In some cases, the thermal diffusion at the heat radiating plate to which the lower arm copper block is bonded becomes narrower as compared with the heat diffusion at the heat radiating plate to which the lower arm collector is bonded. Furthermore, the same thing occurs for a 1 in 1 structure semiconductor module in which only one semiconductor power element is resin-sealed with a heat sink because the thickness of the heat sink to which the emitter and collector are connected is the same. It was.
したがって、半導体チップの表裏面において熱拡散に差が出て冷却性能が損なわれる可能性があるため、より効率の良い冷却性能が得られるようにすることが望まれる。 Therefore, there is a possibility that a difference in thermal diffusion occurs between the front and back surfaces of the semiconductor chip and the cooling performance may be impaired. Therefore, it is desired to obtain a more efficient cooling performance.
本発明は上記点に鑑みて、半導体パワー素子が形成された半導体チップの表裏面に放熱板が備えられる半導体モジュールにおいて、効率の良い冷却性能が得られるようにすることを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide an efficient cooling performance in a semiconductor module in which a heat sink is provided on the front and back surfaces of a semiconductor chip on which a semiconductor power element is formed.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、第1、第2半導体チップ(8a、8b)の表面が反対側に向けられて配置された半導体モジュールであって、第1放熱板(10a)と比較して第2放熱板(10b)のうち第1金属ブロック(9a)と接合される側の部分の厚みが厚くされており、第2放熱板(10b)のうち第2半導体チップ(8b)と接合される側の部分と比較して第3放熱板(10c)の厚みが厚くされていることを特徴としている。
In order to achieve the above object, the invention according to
このように、第1放熱板(10a)よりも第2放熱板(10b)のうち第1金属ブロック(9a)と接合される側の部分の厚さが厚くなり、第2放熱板(10b)のうち第2半導体チップ(8b)と接合される側の部分の厚さよりも第3放熱板(10c)が厚くなるようにしている。このため、第1〜第3放熱板(10a〜10c)のうち封止樹脂部(12)から露出させられた一面内において、第1、第2半導体チップ(8a、8b)からの放熱時における熱拡散と、第1、第2金属ブロック(9a、9b)からの放熱時における熱拡散をほぼ同じにすることができる。そして、熱拡散が放熱に寄与する面積に相当することから、各部での熱拡散を同じサイズにすることで、放熱に寄与する部分の面積の適正化を図ることが可能となる。このため、効率の良い冷却性能が得られる。 As described above, the thickness of the portion of the second heat radiating plate (10b) on the side joined to the first metal block (9a) becomes thicker than the first heat radiating plate (10a), and the second heat radiating plate (10b). Among them, the third heat radiating plate (10c) is made thicker than the thickness of the portion to be joined to the second semiconductor chip (8b). For this reason, in the 1st-3rd heat sink (10a-10c) one surface exposed from the sealing resin part (12), at the time of the heat radiation from the 1st, 2nd semiconductor chip (8a, 8b). Thermal diffusion and thermal diffusion during heat radiation from the first and second metal blocks (9a, 9b) can be made substantially the same. Since heat diffusion corresponds to the area contributing to heat dissipation, it is possible to optimize the area of the portion contributing to heat dissipation by making the heat diffusion in each part the same size. For this reason, efficient cooling performance is obtained.
例えば、請求項2に記載したように、第1放熱板(10a)と第2放熱板(10b)のうち第2半導体チップ(8b)と接合された部分が同じ厚みとされ、第2放熱板(10b)のうち第1金属ブロック(9a)と接合された部分と第3放熱板(10c)が同じ厚みとされる。
For example, as described in
請求項3に記載の発明は、第1、第2半導体チップ(8a、8b)の表面が同じ方向に向けられて配置された半導体モジュールであって、第1放熱板(10d)が第2放熱板(10e)よりも厚くされていると共に、第3放熱板(10f)が第4放熱板(10g)よりも厚くされていることを特徴としている。
The invention according to
このような構成とすれば第1〜第4放熱板(10d〜10g)のうち封止樹脂部(12)から露出させられた一面内において、第1、第2半導体チップ(8a、8b)からの放熱時における熱拡散と、第1、第2ブロック(9a、9b)からの放熱時における熱拡散をほぼ同じにすることができる。そして、熱拡散が放熱に寄与する面積に相当することから、各部での熱拡散を同じサイズにすることで、放熱に寄与する部分の面積の適正化を図ることが可能となる。このため、効率の良い冷却性能が得られる。 With such a configuration, the first and second semiconductor chips (8a, 8b) are within one surface exposed from the sealing resin portion (12) of the first to fourth heat radiation plates (10d to 10g). The heat diffusion during heat dissipation and the heat diffusion during heat dissipation from the first and second blocks (9a, 9b) can be made substantially the same. Since heat diffusion corresponds to the area contributing to heat dissipation, it is possible to optimize the area of the portion contributing to heat dissipation by making the heat diffusion in each part the same size. For this reason, efficient cooling performance is obtained.
例えば、請求項4に記載したように、第1放熱板(10d)と第3放熱板(10f)とを同じ厚みとし、第2放熱板(10e)と第4放熱板(10g)とを同じ厚みとすることができる。
For example, as described in
請求項5に記載の発明は、縦型の半導体パワー素子(6)が形成された半導体チップ(8)が1つだけ備えられた半導体モジュールであって、第1放熱板(10h)の方が第2放熱板(10i)よりも厚くされていることを特徴としている。
The invention according to
このような構成とすれば、第1、第2放熱板(10h、10i)のうち封止樹脂部(12)から露出させられた一面内において、半導体チップ(8)からの放熱時における熱拡散と、金属ブロック(9)からの放熱時における熱拡散をほぼ同じサイズにすることができる。そして、熱拡散が放熱に寄与する面積に相当することから、各部での熱拡散を同じサイズにすることで、放熱に寄与する部分の面積の適正化を図ることが可能となる。このため、効率の良い冷却性能が得られる。 With such a configuration, thermal diffusion at the time of heat radiation from the semiconductor chip (8) within one surface of the first and second heat radiation plates (10h, 10i) exposed from the sealing resin portion (12). And the thermal diffusion at the time of heat dissipation from the metal block (9) can be made into the substantially same size. Since heat diffusion corresponds to the area contributing to heat dissipation, it is possible to optimize the area of the portion contributing to heat dissipation by making the heat diffusion in each part the same size. For this reason, efficient cooling performance is obtained.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、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ものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について説明する。本実施形態では、本発明の一実施形態にかかる半導体モジュールが備えられた半導体装置として、冷却機構を有するインバータを例に挙げて説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, an inverter having a cooling mechanism will be described as an example of a semiconductor device provided with a semiconductor module according to an embodiment of the present invention.
図1は、インバータ1の回路図、図2は、インバータ1の斜視図、図3は、インバータ1の断面図である。なお、図3は、図2の紙面上下方向に対する垂直平面においてインバータ1を切断した場合の断面に相当している。
FIG. 1 is a circuit diagram of the
図1に示すように、インバータ1は、直流電源2に基づいて負荷である三相モータ3を交流駆動するためのもので、直列接続した上下アームが三相分並列接続された構成とされ、上アームと下アームとの中間電位を三相モータ3のU相、V相、W相の各相に順番に入れ替えながら印加する。このインバータ1における上アームと下アームの一相分が、1つの半導体モジュール4とされ、図2および図3に示すように、3つの半導体モジュール4が冷却機構5内に配置されることでインバータ1が構成されている。
As shown in FIG. 1, the
また、図1に示すように、各上アームと各下アームは、それぞれ、半導体パワー素子であるIGBT6とフリーホイールダイオード(以下、FWDという)7とによって構成されている。本実施形態では、IGBT6とFWD7を同一の半導体チップ8(図3参照)内に形成しており、IGBT6のエミッタとコレクタに対してFWD7のアノードとカソードとを電気的に接続した構造としている。そして、各半導体モジュール4の上アームの正極端子Pと負極端子Nおよび出力端子Oが、図2に示すように半導体モジュール4から外部に突き出すように延設されている。これら正極端子P、負極端子Nおよび出力端子Oに、直流電源2の正極と負極および三相モータ3がそれぞれ接続されることにより、図1に示す回路構成とされる。
As shown in FIG. 1, each upper arm and each lower arm is constituted by an IGBT 6 that is a semiconductor power element and a free wheel diode (hereinafter referred to as FWD) 7. In this embodiment, the IGBT 6 and the
図2および図3に示すように、各半導体モジュール4はプレート状とされ、冷却機構5内において表裏面が挟み込まれて固定されている。冷却機構5は、熱伝導率の高いアルミなどの金属にて形成され、図3に示すように複数のプレート5a、フィン5b、冷媒導入ポート5c、冷媒排出ポート5d等によって構成されている。複数のプレート5aおよびフィン5bは、二枚のプレート5aおよび一枚のフィン5bを一組として、二枚のプレート5aによって一枚のフィン5bを挟み込んだ状態でろう付けもしくは溶接などによって接合することで、その内部に冷却水などの冷媒を流す冷媒通路5eを構成している。フィン5bは、図3の紙面垂直方向において波打った形状とされており、波打ったフィン5bの山および谷の部分がフィン5bを挟み込む二枚のプレート5aに接触することで、紙面左右方向に伸びる冷媒通路5eが複数本形成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, each
各プレート5aおよびフィン5bのうち冷媒導入ポート5cおよび冷媒排出ポート5dと交差する部分には連通孔が形成されており、各プレート5aおよびフィン5bによって形成される各冷媒通路5eが冷媒導入ポート5cおよび冷媒排出ポート5dによって繋がれている。このため、冷媒導入ポート5cから導入された冷媒が図2中矢印に示したように各冷媒通路5eを通過したのち冷媒排出ポート5dを通じて排出されるようになっている。
A communication hole is formed in a portion of each
このように構成された冷却機構5における二枚のプレート5aおよび一枚のフィン5bで構成される各組の間には隙間が設けられており、この隙間に各半導体モジュール4が挟み込まれ、絶縁部材などを介して固定されている。これにより、半導体モジュール4が3つ、つまり三相分備えられたインバータ1が構成されている。
In the
次に、このように構成されるインバータ1に備えられる半導体モジュール4の詳細構造について説明する。図4〜図6は、半導体モジュール4を示した図であり、図4は断面図、図5は正面図、図6は分解図である。なお、図4は、図5のA−A’断面図に相当している。
Next, the detailed structure of the
図4〜図6に示すように、半導体モジュール4は、半導体チップ8と、銅ブロック9と、放熱板10、およびゲート端子11等を備え、これらが図4に示すように封止樹脂部12によって樹脂封止されることで一体化された構造とされている。
As shown in FIGS. 4 to 6, the
半導体チップ8は、二枚備えられており、一方が上アームの半導体チップ8a、他方が下アームの半導体チップ8bとされ、双方共にIGBT6およびFWD7が形成された同じ構造のもとされている。半導体チップ8a、8bに形成されたIGBT6やFWD7は基板垂直方向に電流を流す縦型素子として構成されている。
Two
図7は、半導体チップ8の正面図である。半導体チップ8の表面側には、IGBT6のエミッタやFWD7のアノードに電気的に接続されるパッド8cやIGBT6のゲートに接続されるパッド8dが形成されている。パッド8cが形成された半導体チップ8の中央の領域は、IGBT6をオンさせたときの大電流もしくはFWD7を通じて還流電流が流されるアクティブ領域であり、その周囲がガードリングなどの耐圧構造が備えられた外周領域とされ、ゲートに接続されるパッド8dは外周領域側に引き出されて配置されている。一方、図示しないが、半導体チップ8の裏面側には、IGBT6のコレクタやFWDのカソードに電気的に接続されるパッドが裏面全面に形成されている。
FIG. 7 is a front view of the
このような半導体チップ8は、例えば図7中に示したように、12.8mm×12.8mmの寸法とされ、アクティブ領域が10.7mm×11.4mmとされている。アクティブ領域を4辺で囲んでいる外周領域のうちパッド8dが配置される側の辺の幅は、1.4mmとされ、その他のパッド8dが配置されない側の辺の幅は、0.7mmとされている。
For example, as shown in FIG. 7, the
銅ブロック9は、金属ブロックに相当するものであり、二つ備えられ、一方の銅ブロック9aが上アームの半導体チップ8aにおけるIGBT6のエミッタおよびFWD7のアノードと接続され、他方の銅ブロック9bが下アームの半導体チップ8bにおけるIGBT6のエミッタおよびFWD7のアノードと接続されている。銅ブロック9は、半導体チップ8のアクティブ領域と同じ面積、つまりパッド8cと同じサイズとされ、図示しないはんだ等を介してパッド8cに接続されている。このため、銅ブロック9は、半導体チップ8よりも一回り小さなサイズとされている。具体的には、銅ブロック9のうち半導体チップ8と対向する面は、10.7mm×11.4mmとされている。また、銅ブロック9の厚みは、1.7mmとされている。
The
放熱板10は、熱伝導率の高い金属、例えば銅にて構成されており、半導体チップ8で発した熱を伝熱する役割と、半導体チップ8に形成されたIGBT6やFWD7の電流経路としての役割を果たす。本実施形態の場合、放熱板10として、放熱板10a〜10cの三枚が備えられている。放熱板10aは、上アームの半導体チップ8aにおけるIGBT6のコレクタおよびFWD7のカソードにはんだ等を介して接続される。この放熱板10aには、正極端子Pが備えられている。放熱板10bは、上アームの銅ブロック9aおよび下アームの半導体チップ8bにおけるIGBT6のコレクタおよびFWD7のカソードにはんだ等を介して接続される。この放熱板10bには、出力端子Oが備えられている。放熱板10cは、下アームの銅ブロック9bにはんだ等を介して接続される。この放熱板10cには、負極端子Nが備えられている。
The
本実施形態では、これら放熱板10a〜10cの厚みを従来と変えることで、より効率の良い冷却性能が得られるようにする。この放熱板10a〜10cの詳細構造については後述する。
In this embodiment, the thickness of these
図5および図6に示すように、ゲート端子11は、上アーム用のゲート端子11aと下アーム用のゲート端子11bがあり、それぞれ複数本の端子で構成されている。そして、各ゲート端子11a、11bは、図示しないボンディングワイヤによりパッド8dに接続されることで、それぞれ上アームや下アームの半導体チップ8a、8bにおけるIGBT6のゲートに電気的に接続されている。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
このように構成された各部は、図6に示されるように、ゲート端子11a、11bが配置された放熱板10b上に、順に配置される。すなわち、上アーム側では、放熱板10b上に銅ブロック9a、半導体チップ8a、放熱板10aが順に積まれて接合され、下アーム側では、放熱板10b上に半導体チップ8b、銅ブロック9b、放熱板10cが順に積まれるて接合される。このように各部が積まれた状態で、図示しない成形型などに設置され、封止樹脂部12によって樹脂封止されている。そして、半導体モジュール4の表面では、封止樹脂部12の一面と放熱板10a、10cとが面一とされることで放熱板10a、10cが露出させられ、裏面でも封止樹脂部12の一面と放熱板10bとが面一とされることで放熱板10bが露出させられる。また、封止樹脂部12における一側面から正極端子Pや負極端子Nおよび出力端子Oが引き出され、その側面と反対側の側面からゲート端子11a、11bが引き出されている。このような構成により、半導体モジュール4が構成されている。そして、このように構成された半導体モジュール4は、図3および図4に示したように、冷却機構5における冷媒流れの上流側に下アームが配置され、下流側に上アームが配置されるようにして、冷却機構5に組み付けられている。
Each part comprised in this way is arrange | positioned in order on the
このように構成された半導体モジュール4では、正極端子Pが直流電源2の正極に接続され、出力端子Oが三相モータ3に接続され、負極端子Nが直流電源2の負極に接続される。そして、IGBT6のゲートへのゲート電圧の印加に基づいて、一つの相の上アームのIGBT6をオンさせると共に他の相の下アームのIGBT6をオフさせるということを順番に繰り返し行うことで三相モータ3への電流供給経路を形成し、三相モータ3に対して交流電流を供給する。具体的には上アームのIGBT6をオンさせることにより、正極端子Pから放熱板10a→半導体チップ8a→銅ブロック9a→放熱板10bおよび出力端子Oを通じて三相モータ3に電流供給を行う経路を構成する。また、下アームのIGBT6をオンさせることにより、出力端子Oから放熱板10b→半導体チップ8b→銅ブロック9b→放熱板10bおよび負極端子Nを通じて、三相モータ3からの電流を流す経路を構成する。このような動作を行うに際し、半導体モジュール4内の各半導体チップ8a、8bがIGBT6やFWD7に大電流が流れるのに伴って発熱する。しかし、この熱が放熱板10a〜10cを通じて放熱されると共に、冷却機構5によって冷却されるため、半導体チップ8a、8bの過昇温を抑制できるようになっている。
In the
続いて、上述した放熱板10a〜10cの厚みなどの詳細構造について説明する。本実施形態では、放熱板10aは、四角板にて構成されており、その四角板の一辺から張り出すように正極端子Pが形成されている。放熱板10cも、四角板にて構成されており、その四角板の一辺から張り出すように負極端子Nが形成されている。これら放熱板10aや放熱板10cの中心に半導体チップ8aや銅ブロック9bの中心が位置合わせされて接合される。また、放熱板10bは、長方形状とされ、その一辺から張り出すように出力端子Oが形成されている。この放熱板10bは、放熱板10aと放熱板10cを合わせたサイズ以上とされている。
Next, a detailed structure such as the thickness of the
放熱板10aおよび放熱板10cの幅方向のサイズ(図4の紙面左右方向のサイズおよび紙面垂直方向のサイズ)は同じにされているが、厚みが放熱板10aよりも放熱板10cの方が厚くなるようにしている。また、放熱板10bには段差が設けられており、放熱板10bのうち上アームの銅ブロック9aと接合される側の部分の厚さが下アームの半導体チップ8bと接合される側の部分の厚さよりも厚くなるようにしている。放熱板10aと放熱板10bのうち下アームの半導体チップ8bと接合される側の部分の厚さと等しくされ、放熱板10cと放熱板10bのうち上アームの銅ブロック9aと接合される側の部分の厚さが等しくされている。つまり、放熱板10aよりも放熱板10bのうち上アームの銅ブロック9aと接合される側の部分の厚さが厚くなり、放熱板10bのうち下アームの半導体チップ8bと接合される側の部分の厚さよりも放熱板10cが厚くなるようにしている。
Although the
例えば、熱伝導が生じるときの熱拡散は、図4中の破線で示したように45度と考えることができる。このため、放熱板10aの厚みと等しい幅分広がって熱拡散が生じると考えられる。これを考慮して、放熱板10aや放熱板10cのうち封止樹脂部12から露出させられた一面内に、熱拡散が収まるように、放熱板10a〜10cの厚みを設定している。
For example, the thermal diffusion when heat conduction occurs can be considered to be 45 degrees as shown by the broken line in FIG. For this reason, it is considered that thermal diffusion occurs by spreading by a width equal to the thickness of the
すなわち、図4の紙面左右方向における半導体チップ8aと銅ブロック9bとのサイズに差があるため、放熱板10a〜10cの厚みがすべて同じであったとすると、その差に基づき、各部での熱拡散が異なったものとなる。例えば、半導体チップ8a、8bからの放熱時における放熱板10a、10bでの熱拡散の方が、銅ブロック9a、9bからの放熱時における放熱板10b、10cでの熱拡散よりも大きくなる。しかし、この熱拡散は放熱板10の厚みを厚くするほど広くなるため、銅ブロック9a、9bからの放熱時における放熱板10b、10cの熱拡散をその厚さに応じて広くすることが可能となる。このため、上記のようなサイズとすることにより、放熱板10a〜10cのうち封止樹脂部12から露出させられた一面内において、半導体チップ8a、8bからの放熱時における熱拡散と、銅ブロック9a、9bからの放熱時における熱拡散をほぼ同じサイズにすることができる。
That is, since there is a difference in size between the
具体的には、放熱板10aと放熱板10bのうち上アームの銅ブロック9aと接合される側の部分の厚さの差、および、放熱板10bのうち下アームの半導体チップ8bと接合される側の部分と放熱板10cとの厚さの差が、半導体チップ8a、8bと銅ブロック9a、9bにおける図4の紙面左右方向の幅の差の1/2倍程度となるようにすると好ましい。
Specifically, the thickness difference between the
以上のように、放熱板10aよりも放熱板10bのうち上アームの銅ブロック9aと接合される側の部分の厚さが厚くなり、放熱板10bのうち下アームの半導体チップ8bと接合される側の部分の厚さよりも放熱板10cが厚くなるようにしている。このため、放熱板10a〜10cのうち封止樹脂部12から露出させられた一面内において、半導体チップ8a、8bからの放熱時における熱拡散と、銅ブロック9a、9bからの放熱時における熱拡散をほぼ同じサイズにすることができる。そして、熱拡散の面積が放熱に寄与する部分の面積に相当することから、本実施形態のように各部での熱拡散を同じサイズにすることで、放熱に寄与する部分の面積の適正化を図ることが可能となる。このため、効率の良い冷却性能が得られるようにすることが可能となる。
As described above, the thickness of the portion of the
また、このような構造は、放熱板10a〜10cの使用面積を従来と同じとしたまま放熱板10a〜10cの厚みを従来から変更するだけで実現可能であるため、放熱板10a〜10cの使用面積を拡大しなくても、効率の良い冷却性能が得られるようにすることが可能となる。
Moreover, since such a structure can be realized only by changing the thickness of the
なお、放熱板10a〜10cの使用面積を従来と同じにしても良いが、冷却性能は、半導体チップ8a、8bの表裏面それぞれにおいて放熱に寄与する部分のトータルの面積で決まる。このため、半導体チップ8a、8bの表裏面それぞれにおいて放熱に寄与する部分のトータルの面積が従来と比較して大きくなっていれば、放熱板10a〜10cの使用面積を従来よりも小さくしたとしても、上記効果を得ることができる。逆に、従来よりも広くしたとしても、放熱板10a〜10cを同じ厚みとする場合と比較すれば、放熱に寄与する部分の面積の適正化が図れているため、上記効果を得ることはできる。
In addition, although the usage area of
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して半導体モジュール4の構造を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the structure of the
図8は、本実施形態の半導体モジュール4の断面図である。この図に示されるように、本実施形態の半導体モジュール4も2in1構造のものであるが、上アームと下アームとで半導体チップ8a、8bの表面が同じ方向に向けられた構造とされている。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the
本実施形態の半導体モジュール4では、上アームの半導体チップ8aのIGBT6のエミッタおよびFWD7のアノードが銅ブロック9aを介して放熱板10dに接続されていると共に、半導体チップ8aのIGBT6のコレクタおよびFWD7のカソードが放熱板10eに接続されている。また、下アームの半導体チップ8bのIGBT6のエミッタおよびFWD7のアノードが銅ブロック9bを介して放熱板10fに接続されていると共に、半導体チップ8bのIGBT6のコレクタおよびFWD7のカソードが放熱板10gに接続されている。そして、各放熱板10d〜10gのうち第1、第2半導体チップ8a、8bと反対側の面が封止樹脂部12から露出させられ、封止樹脂部12内において、放熱板10dおよび放熱板10gが接続配線13を介して電気的に接続されている。接続配線13と放熱板10dおよび放熱板10gとの接続は溶接もしくははんだ付けなどによって行われている。
In the
このような構成において、上下アーム共に、銅ブロック9a、9bに接続される放熱板10d、10fの厚みが、半導体チップ8a、8bに接続される放熱板10e、10gの厚みよりも厚くなるようにしている。具体的には、放熱板10d、10fのサイズや厚みを第1実施形態で説明した放熱板10cと同じにし、放熱板10e、10gのサイズや厚みを第1実施形態で説明した放熱板10aと同じにしている。
In such a configuration, the
このような構成とすれば放熱板10d〜10gのうち封止樹脂部12から露出させられた一面内において、半導体チップ8a、8bからの放熱時における熱拡散と、銅ブロック9a、9bからの放熱時における熱拡散をほぼ同じサイズにすることができる。そして、熱拡散が放熱に寄与面積に相当することから、本実施形態のように各部での熱拡散を同じにすることで、放熱に寄与する部分の面積の適正化を図ることが可能となる。このため、効率の良い冷却性能が得られる。
With such a configuration, heat diffusion during heat radiation from the
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して半導体モジュール4の構造を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the structure of the
図9は、本実施形態の半導体モジュール4の断面図である。この図に示されるように、本実施形態の半導体モジュール4は1in1構造のものとされている。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the
本実施形態の半導体モジュール4では、半導体チップ8のIGBT6のエミッタおよびFWD7のアノードが銅ブロック9を介して放熱板10hに接続されていると共に、IGBT6のコレクタおよびFWD7のカソードが放熱板10iに接続されている。そして、各放熱板10h、10iのうち半導体チップ8と反対側の面が封止樹脂部12から露出させられている。
In the
このような構成において、銅ブロック9に接続される放熱板10hの厚みが半導体チップ8に接続される放熱板10iの厚みよりも厚くなるようにしている。具体的には、放熱板10hのサイズや厚みを第1実施形態で説明した放熱板10cと同じにし、放熱板10iのサイズや厚みを第1実施形態で説明した放熱板10aと同じにしている。
In such a configuration, the thickness of the
このような構成とすれば放熱板10h、10iのうち封止樹脂部12から露出させられた一面内において、半導体チップ8からの放熱時における熱拡散と、銅ブロック9からの放熱時における熱拡散をほぼ同じサイズにすることができる。そして、熱拡散が放熱に寄与する部分の面積に相当することから、本実施形態のように各部での熱拡散を同じにすることで、放熱に寄与する面積の適正化を図ることが可能となる。このため、効率の良い冷却性能が得られる。
With such a configuration, heat diffusion during heat dissipation from the
(他の実施形態)
上記実施形態では、三相モータ3を駆動するインバータ1について説明したが、半導体装置としてはインバータ1に限るものではなく、少なくとも半導体モジュール4が備えられるものであれば、どのようなものに対しても第1〜第3実施形態に示した半導体モジュール4を適用することができる。例えば、コンバータなどに対して第1〜第3実施形態に示した半導体モジュール4を適用することができる。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、半導体チップ8にIGBT6とFWD7が一体形成されているものについて説明したが、これらがそれぞれ別チップとされている構造についても本発明を適用することができる。
Moreover, although the said embodiment demonstrated what integrated IGBT6 and FWD7 in the
また、半導体パワー素子としてIGBTを例に挙げて説明したが、他の素子、例えばパワーMOSFETなどが用いられる場合についても、本発明を適用することができる。 Moreover, although IGBT was mentioned as an example as a semiconductor power element, this invention is applicable also to the case where another element, for example, power MOSFET etc., are used.
1 インバータ
2 直流電源
3 三相モータ
4 半導体モジュール
5 冷却機構
6 IGBT
7 FWD
8 半導体チップ
9 銅ブロック
10 放熱板
11 ゲート端子
12 封止樹脂部
DESCRIPTION OF
7 FWD
Claims (5)
前記第1半導体チップ(8a)の表面側に形成され、該第1半導体チップ(8a)よりも小さなサイズで、かつ、該第1半導体チップ(8a)のうち前記半導体パワー素子(6)の電流が流れるアクティブ領域に接合される第1金属ブロック(9a)と、
前記第1半導体チップ(8a)の裏面に接合された第1放熱板(10a)と、
前記第1金属ブロック(9a)における前記第1半導体チップ(8a)に接合された面と反対側の面に接合されると共に、前記第2半導体チップ(8b)の裏面に接合された第2放熱板(10b)と、
前記第2半導体チップ(8b)の表面側に形成され、該第2半導体チップ(8b)よりも小さなサイズで、かつ、該第2半導体チップ(8b)のうち前記半導体パワー素子(6)の電流が流れるアクティブ領域に接合される第2金属ブロック(9b)と、
前記第2金属ブロック(9b)における前記第2半導体チップ(8b)に接合された面と反対側の面に接合された第3放熱板(10c)と、
前記第1、第2半導体チップ(8a、8b)、前記第1、第2金属ブロック(9a、9b)および前記第1〜第3放熱板(10a〜10c)を封止する樹脂封止部(12)とを有し、
前記第1〜第3放熱板(10a〜10c)のうち前記第1、第2半導体チップ(8a、8b)と反対側の面を前記樹脂封止部(12)から露出させており、
前記第1放熱板(10a)と比較して前記第2放熱板(10b)のうち前記第1金属ブロック(9a)と接合される側の部分の厚みが厚くされており、
前記第2放熱板(10b)のうち前記第2半導体チップ(8b)と接合される側の部分と比較して前記第3放熱板(10c)の厚みが厚くされていることを特徴とする半導体モジュール。 A first semiconductor chip (8a) having an upper arm having a front surface and a back surface and forming a semiconductor power element (6); and a second semiconductor chip (8b) forming a lower arm;
The current of the semiconductor power element (6) of the first semiconductor chip (8a) is formed on the surface side of the first semiconductor chip (8a) and is smaller than the first semiconductor chip (8a). A first metal block (9a) joined to the active region through which the
A first heat radiating plate (10a) joined to the back surface of the first semiconductor chip (8a);
Second heat radiation bonded to the surface of the first metal block (9a) opposite to the surface bonded to the first semiconductor chip (8a) and bonded to the back surface of the second semiconductor chip (8b). A plate (10b);
A current of the semiconductor power element (6) of the second semiconductor chip (8b) formed on the surface side of the second semiconductor chip (8b) and having a smaller size than the second semiconductor chip (8b). A second metal block (9b) joined to the active region through which the
A third heat radiating plate (10c) bonded to a surface opposite to the surface bonded to the second semiconductor chip (8b) in the second metal block (9b);
Resin-sealing part for sealing the first and second semiconductor chips (8a, 8b), the first and second metal blocks (9a, 9b) and the first to third heat sinks (10a to 10c) 12)
Of the first to third heat radiating plates (10a to 10c), the surface opposite to the first and second semiconductor chips (8a, 8b) is exposed from the resin sealing portion (12),
Compared with the first heat radiating plate (10a), the thickness of the portion of the second heat radiating plate (10b) to be joined to the first metal block (9a) is increased.
The third heat radiating plate (10c) is thicker than the portion of the second heat radiating plate (10b) on the side bonded to the second semiconductor chip (8b). module.
前記第2放熱板(10b)のうち前記第1金属ブロック(9a)と接合された部分と前記第3放熱板(10c)が同じ厚みとされていることを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュール。 Of the first heat radiating plate (10a) and the second heat radiating plate (10b), the portion joined to the second semiconductor chip (8b) has the same thickness,
The portion of the second heat radiating plate (10b) joined to the first metal block (9a) and the third heat radiating plate (10c) have the same thickness. Semiconductor module.
前記第1半導体チップ(8a)の表面側に形成され、該第1半導体チップ(8a)よりも小さなサイズで、かつ、該第1半導体チップ(8a)のうち前記半導体パワー素子(6)の電流が流れるアクティブ領域に接合される第1金属ブロック(9a)と、
前記第1金属ブロック(9a)における前記第1半導体チップ(8a)に接合された面と反対側の面に接合された第1放熱板(10d)と、
前記第1半導体チップ(8a)の裏面に接合された第2放熱板(10e)と、
前記第2半導体チップ(8b)の表面側に形成され、該第2半導体チップ(8b)よりも小さなサイズで、かつ、該第2半導体チップ(8b)のうち前記半導体パワー素子(6)の電流が流れるアクティブ領域に接合される第2金属ブロック(9b)と、
前記第2金属ブロック(9b)における前記第2半導体チップ(8b)に接合された面と反対側の面に接合された第3放熱板(10f)と、
前記第2半導体チップ(8b)の裏面に接合された第4放熱板(10g)と、
前記第1、第2半導体チップ(8a、8b)、前記第1、第2金属ブロック(9a、9b)および前記第1〜第4放熱板(10d〜10g)を封止する樹脂封止部(12)とを有し、
前記第1放熱板(10d)が前記第2放熱板(10e)よりも厚くされていると共に、前記第3放熱板(10f)が前記第4放熱板(10g)よりも厚くされていることを特徴とする半導体モジュール。 A first semiconductor chip (8a) having an upper arm having a front surface and a back surface and forming a semiconductor power element (6); and a second semiconductor chip (8b) forming a lower arm;
The current of the semiconductor power element (6) of the first semiconductor chip (8a) is formed on the surface side of the first semiconductor chip (8a) and is smaller than the first semiconductor chip (8a). A first metal block (9a) joined to the active region through which the
A first heat radiating plate (10d) joined to a surface opposite to the surface joined to the first semiconductor chip (8a) in the first metal block (9a);
A second heat radiating plate (10e) joined to the back surface of the first semiconductor chip (8a);
A current of the semiconductor power element (6) of the second semiconductor chip (8b) formed on the surface side of the second semiconductor chip (8b) and having a smaller size than the second semiconductor chip (8b). A second metal block (9b) joined to the active region through which the
A third heat radiating plate (10f) bonded to a surface opposite to the surface bonded to the second semiconductor chip (8b) in the second metal block (9b);
A fourth heat radiating plate (10g) bonded to the back surface of the second semiconductor chip (8b);
Resin sealing portion (sealing portion) for sealing the first and second semiconductor chips (8a, 8b), the first and second metal blocks (9a, 9b) and the first to fourth heat radiation plates (10d to 10g). 12)
The first heat radiating plate (10d) is thicker than the second heat radiating plate (10e), and the third heat radiating plate (10f) is thicker than the fourth heat radiating plate (10g). A featured semiconductor module.
前記半導体チップ(8)の表面側に形成され、該半導体チップ(8)よりも小さなサイズで、かつ、該半導体チップ(8)のうち前記半導体パワー素子(6)の電流が流れるアクティブ領域に接合される金属ブロック(9)と、
前記金属ブロック(9)における前記半導体チップ(8)に接合された面と反対側の面に接合された第1放熱板(10h)と、
前記半導体チップ(8)の裏面に接合された第2放熱板(10i)と、
前記半導体チップ(8)、前記金属ブロック(9)および前記第1、第2放熱板(10h、10i)を封止する樹脂封止部(12)とを有し、
前記第1、第2放熱板(10h、10i)のうち前記半導体チップ(8)と反対側の面を前記樹脂封止部(12)から露出させており、
前記第1放熱板(10h)の方が前記第2放熱板(10i)よりも厚くされていることを特徴とする半導体モジュール。 A semiconductor chip (8) having a front surface and a back surface, on which a semiconductor power element (6) is formed;
Formed on the surface side of the semiconductor chip (8), smaller in size than the semiconductor chip (8), and bonded to an active region in the semiconductor chip (8) through which the current of the semiconductor power element (6) flows. A metal block (9) to be made;
A first heat radiating plate (10h) bonded to a surface opposite to the surface bonded to the semiconductor chip (8) in the metal block (9);
A second heat radiating plate (10i) bonded to the back surface of the semiconductor chip (8);
A resin sealing portion (12) for sealing the semiconductor chip (8), the metal block (9), and the first and second heat radiating plates (10h, 10i);
The surface opposite to the semiconductor chip (8) of the first and second heat radiating plates (10h, 10i) is exposed from the resin sealing portion (12),
The semiconductor module according to claim 1, wherein the first heat radiation plate (10h) is thicker than the second heat radiation plate (10i).
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