JP2014183150A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バスバーの厚みを増大することなく、バスバーの温度を低減することが可能な半導体装置の提供。
【解決手段】半導体装置は、基板と、前記基板上に実装される半導体チップと、前記半導体チップに接続されるバスバーと、前記バスバーに隣接して配置され、前記バスバーを冷却する冷却板とを含む。好ましくは、半導体装置は、前記基板と平行に配置され前記半導体チップに接続される制御基板を更に含み、前記バスバーは、前記基板と前記制御基板の間に配置され、前記冷却板は、前記バスバーと前記制御基板の間に、前記基板と平行に配置される。
【選択図】図１

Description

本開示は、半導体装置に関する。

従来から、半導体素子が金属ベース板上に基板を介して設けられ、半導体素子が端子台を介して外部接続端子に接続される技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０‐１０３２２２号公報

ところで、上記の特許文献１に記載の構成においては、半導体素子の駆動時は、半導体素子からの熱は金属ベース板に伝達されて放熱される。他方、外部接続端子は、半導体素子の駆動時に高電圧が印加されるので高温となりうるが、外部接続端子の温度を低減するために外部接続端子の板厚の増加で対応すると、半導体装置（モジュール）の大型化（厚さ方向の大型化）を招くという問題がある。

そこで、本開示は、バスバーの厚みを増加することなく、バスバーの温度を低減することが可能な半導体装置の提供を目的とする。

本開示の一局面によれば、基板と、
前記基板上に実装される半導体チップと、
前記半導体チップに接続されるバスバーと、
前記バスバーに隣接して配置され、前記バスバーを冷却する冷却板とを含む、半導体装置が提供される。

本開示によれば、バスバーの厚みを増大することなく、バスバーの温度を低減することが可能な半導体装置が得られる。

一実施例による半導体装置１の概略断面図である。 他の実施例によるバスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃを備える他の実施例によるバスバーモジュール８００の一例を示す斜視図である。 バスバーモジュール８００のバスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ及び冷却板６０を取り出した斜視図である。 冷却板６００の単品状態を示す斜視図である。 バスバーモジュール８００の組み付け状態の側面図である。

以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。

図１は、一実施例による半導体装置１の概略断面図である。尚、半導体装置１の上下方向は、半導体装置１の搭載状態に応じて上下方向が異なるが、以下では、便宜上、半導体装置１の半導体チップ１０側を上方とする。半導体装置１は、例えば、ハイブリッド車又は電気自動車で使用されるモータ駆動用のインバータを構成するものであってよい。以下では、半導体装置１は、モータ駆動用のインバータであるとして説明する。

半導体装置１は、図1に示すように、半導体チップ１０と、接続端子１２と、ヒートスプレッダ２０と、絶縁層３０と、ヒートシンク４０と、冷却板６０と、バスバー（外部接続端子）８０と、制御基板９０を含む。

半導体チップ１０は、パワー半導体素子を含み、本例ではＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を含む。尚、半導体チップ１０が含むパワー半導体素子の種類や数は、任意である。半導体チップ１０は、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field‐Effect Transistor)のような他のスイッチング素子を含んでもよい。半導体チップ１０は、ヒートスプレッダ２０上に半田５０により接合される。図示の例では、半導体チップ１０は、ＩＧＢＴからなる半導体チップ１０Ａと、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）からなる半導体チップ１０Bとを含む。この場合、半導体チップ１０Ａは、上面にエミッタ電極を備え、下面にコレクタ電極を備える。また、半導体チップ１０Bは、上面にアノード電極を備え、下面にカソード電極を備える。

接続端子１２は、半導体チップ１０上に半田５０により接合される。図示の例では、接続端子１２は、ＩＧＢＴのエミッタ電極と、ＦＷＤのアノード電極に半田５０により接合される。接続端子１２は、ヒートスプレッダ２０の上面から上方に離間した接合面１２１と、ヒートスプレッダ２０の上面付近の高さに延在する２つの接続部１２２と、接合面１２１及び２つの接続部１２２を繋ぐ上下方向の脚部１２３とを含む。２つの接続部１２２は、それぞれ、ＩＧＢＴのエミッタ電極と、ＦＷＤのアノード電極に接合される。接続端子１２の接合面１２１は、バスバー８０との接合のための溶接部を画成する。尚、接続端子１２の形状は任意であり、バスバー８０との接合のための部位（図示の例では、接合面１２１）を有すればよい。

ヒートスプレッダ２０は、半導体チップ１０で発生する熱を吸収し拡散する部材である。ヒートスプレッダ２０は、例えば銅、アルミなどの熱拡散性の優れた金属から形成される。本例では、一例として、ヒートスプレッダ２０は、銅により形成される。銅としては、伝導率が銅材の中で最も高い無酸素銅（C1020）が好適である。尚、ヒートスプレッダ２０上には、接続端子１２以外の他の接続端子等が更に設けられてもよい。例えば、ヒートスプレッダ２０上には、第２接続端子（図５に示す第２接続端子１３参照）が半田により接合されてもよい。この場合、第２接続端子は、ＩＧＢＴのコレクタ電極の取り出し部を構成する。第２接続端子は、接続端子１２と同様、バスバー８０（但し、接続端子１２が接合されるバスバー８０とは異なるバスバー８０）に接合されてよい。

絶縁層３０は、樹脂接着剤や樹脂シートから構成されてよい。絶縁層３０は、例えばアルミナをフィラーとした樹脂で形成されてもよい。絶縁層３０は、図１に示すように、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０の間に設けられ、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０に接合する。絶縁層３０は、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０との間の電気的な絶縁性を確保しつつ、ヒートスプレッダ２０からヒートシンク４０への高い熱伝導性を確保する。

ヒートシンク４０は、熱伝導性の良い材料から形成され、例えば、アルミなどの金属により形成される。ヒートシンク４０は、上述の如く、上面がヒートスプレッダ２０に接合される。ヒートシンク４０は、図１に示すように、下面側にフィン４２を備える。フィン４２の数や配列態様は任意である。フィン４２は、図示のようなストレートフィンであってもよいし、その他、ピンフィンの千鳥配置等で実現されてもよい。半導体装置１の実装状態では、ヒートシンク４０は、冷媒の流路を形成し（即ち流路形成部材の一部を構成し）、フィン４２は、冷却水や冷却油のような冷媒と接触する。このようにして、半導体装置１の駆動時に生じる半導体チップ１０からの熱は、ヒートスプレッダ２０、絶縁層３０を介して、ヒートシンク４０のフィン４２から冷却媒体へと伝達され、半導体装置１の冷却が実現される。尚、ヒートシンク４０は、２つ以上の部材で構成されてもよい。例えば、ヒートシンク４０は、第１の金属板と、フィン４２を備えた第２の金属板とを結合して構成されてもよい。

冷却板６０は、バスバー８０を冷却する機能を備える。冷却板６０は、伝熱性のある材料から形成され、例えば銅、アルミなどの熱伝導性の優れた金属から形成される。冷却板６０は、バスバー８０を効率的に冷却するため、バスバー８０の近傍に（即ちバスバー８０に隣接して）配置される。但し、冷却板６０は、バスバー８０に対して電気的には絶縁される。図１に示す例では、冷却板６０は、バスバー８０の上方に空気層を介して配置される。尚、この空気層は、そのままであってもよいし、シリコンゲル等が充填されてもよいし、樹脂がモールドされてもよい。冷却板６０は、平らな板状であるが、プレス成形等で形成可能な凹凸や開口等を有してもよい。冷却板６０は、図１に示すように、好ましくは、ヒートスプレッダ２０の表面に平行に配置される。また、冷却板６０は、好ましくは、上面視で、ヒートスプレッダ２０の外形の範囲内に延在する。

バスバー８０は、半導体チップ１０を外部のモータ（図示せず）や電源（図示せず）に接続するために設けられる。従って、半導体チップ１０の駆動時、バスバー８０に高電圧が印加されるので、バスバー８０自体が高温となる。

制御基板９０は、半導体チップ１０を制御するためのハードウェア構成（例えばマイコン）を含んでよい。制御基板９０は、半導体チップ１０と通信可能に接続される。例えば、制御基板９０は、ゲート信号を生成して、ＩＧＢＴからなる半導体チップ１０Ａを駆動する。また、制御基板９０には、センサ信号（半導体チップ１０の温度等）が入力されてよい。

図１に示す例によれば、バスバー８０を冷却する冷却板６０が設けられるので、半導体チップ１０の駆動時のバスバー８０の温度を低減することができる。従って、バスバー８０の厚さを増加させる必要性が低減される。また、冷却板６０は、制御基板９０とバスバー８０の間に配置されるので、バスバー８０からの輻射熱（あおり熱）に対して制御基板９０を保護することができる。これにより、制御基板９０の耐熱性を上げる必要性を低減することができる。尚、制御基板９０は、典型的には、半導体装置１の各構成要素の中で最も耐熱性が低い。

尚、図１に示す例では、制御基板９０は、ヒートスプレッダ２０（又はヒートシンク４０）に平行に配置されているが、ヒートスプレッダ２０の表面に垂直に配置されてもよい。この場合、制御基板９０は、ヒートシンク４０の側面４４側に延在してよい。この場合も、冷却板６０が図1に示すように設けられることで、半導体チップ１０の駆動時のバスバー８０の温度を低減することができる。

また、図１に示す例では、冷却板６０は、バスバー８０の上方に配置されているが、バスバー８０と同一の面内に並んで配置されてもよいし、バスバー８０の下方に配置されてもよい。

図２は、他の実施例を示す図であり、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃを備えるバスバーモジュール８００の一例を示す斜視図である。図３は、バスバーモジュール８００のバスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ及び冷却板６０を取り出した斜視図である。図４は、冷却板６００の単品状態を示す斜視図である。

尚、図２乃至図４では、制御基板９０の図示は省略されているが、以下では、制御基板９０は、図１に示した構成と同様、ヒートシンク４０と平行に、バスバーモジュール８００よりも上方に設けられているものとする。但し、制御基板９０は、ヒートシンク４０の側面４４側に設けられてもよい。

バスバーモジュール８００は、ヒートシンク４０に結合される。バスバーモジュール８００は、ヒートシンク４０（図５参照）と略同一の外形を有してよい。バスバーモジュール８００は、図２に示すように、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃと、冷却板６００とを樹脂材料部８０２を介して一体化した構成を有する。バスバーモジュール８００は、インサート成形により形成されてよい。これにより、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃと冷却板６００との間の位置関係の公差を低減することができるので、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃと冷却板６００との間の距離を低減し、冷却板６００による冷却性能を高めることができる。

尚、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃは、図１に示した実施例におけるバスバー８０と機能は同じであってよい。図２に示す例では、バスバー８０Ａは、半導体チップ１０Ａ，１０Ｂの間からモータ（図示せず）へ接続するためのものであり、バスバー８０Ｂ及び８０Ｃは、半導体チップ１０Ａ，１０Ｂに電源（図示せず）からの正極ラインと負極ラインをそれぞれ接続するためのものである。従って、半導体チップ１０の駆動時、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃに高電圧が印加されるので、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ自体が高温となる。

冷却板６００は、図１に示した実施例における冷却板６０と同様、バスバー８０を冷却する機能を有する。冷却板６００は、図４に示すように、Ｘ方向に延在する２本の縦部位６０２と、Ｙ方向に延在する複数本の横部位６０４とを含む。横部位６０４は、２本の縦部位６０２間を繋ぐ。これにより、縦部位６０２及び横部位６０４が井桁状に配置され、冷却板６００の全体としての剛性を高めることができる。この場合、冷却板６００は、上述の如くバスバーモジュール８００内に一体的に組み込まれるので、バスバーモジュール８００の骨格部材としても機能し、バスバーモジュール８００の熱変形等の変形を防止することができる。これにより、バスバーモジュール８００とヒートシンク４０との間の結合部に生じる熱応力を低減することができる。

尚、図２に示した例では、縦部位６０２は、２本であるが、３本以上存在してもよい。例えば、２本の縦部位６０２の間に、更なる縦部位が平行に設けられてもよい。同様に、横部位６０４の数も任意である。また、横部位６０４は、縦部位６０２に対して垂直に設けられる必要は無く、斜交いに設けられてもよい。また、冷却板６００は、一部材で形成されているが、複数の部材で形成されてもよい。

冷却板６００は、縦部位６０２及び横部位６０４により囲まれた開口６０６を形成する。他言すると、冷却板６００は、板材料に開口６０６を例えばプレス成形により打ち抜くことで形成されてよい。開口６０６は、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃと、接続端子１２及び第２接続端子１３（図５参照）との接合時の作業のために設けられる。この接合は、例えばレーザ溶接により実現される。レーザ溶接は、下方の部材（例えばヒートシンク４０等）に対して適切に位置決めしたバスバーモジュール８００を治具等により下方に押し付けた状態で、バスバーモジュール８００の上方からバスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃに対して面直方向又は面直方向から僅かに（例えば５度）傾けた方向にレーザ光を照射することにより実行されてもよい。このようなレーザ溶接に用いるレーザとしては、例えばＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、半導体レーザなどの任意のレーザが使用されてもよい。開口６０６を形成することにより、レーザ溶接時の作業性を損なうことなく、冷却板６００をバスバーモジュール８００内に成立させることができる。

冷却板６００は、好ましくは、図３及び図４に示すように、ヒートシンク４０に取り付く締結具（図示せず）が通される挿通孔（固定座）６０８を備える。締結具は、バスバーモジュール８００をヒートシンク４０に対して固定するものであり、例えばボルトやピン等であってよい。締結具は、典型的には、金属材料から形成され、熱伝導性を有する。従って、冷却板６００は、締結具を介してヒートシンク４０に熱的に接続される。これにより、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃの熱は冷却板６００を介してヒートシンク４０に伝達されるので、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃの温度をより効果的に低減することができる。即ち、半導体装置１の駆動時に生じるバスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃの熱は、冷却板６００及び締結具を介して、ヒートシンク４０のフィン４２から冷却媒体へと伝達され、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃの冷却が実現される。

この場合、冷却板６００は、好ましくは、ヒートシンク４０と同一の熱膨張係数の材料により形成される。これにより、バスバーモジュール８００とヒートシンク４０との熱膨張量の差異が低減されるので、バスバーモジュール８００とヒートシンク４０との間の結合部に生じる熱応力を低減することができる。また、冷却板６００が挿通孔６０８を備えることで、バスバーモジュール８００に、別途、カラー等の固定用部材を設ける必要が無くなる。

尚、バスバーモジュール８００は、冷却板６００の挿通孔６０８を介して、ヒートシンク４０以外の流路形成部材に結合されてもよい。流路形成部材は、ヒートシンク４０と共に、冷媒の流路を形成する部材（例えばケース）である。この場合も、バスバーモジュール８００が冷却板６００の挿通孔６０８を介してヒートシンク４０に結合される場合と同様の効果を得ることができる。即ち、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃの熱は冷却板６００を介して流路形成部材に伝達されるので、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃの温度を効果的に低減することができる。

尚、冷却板６００は、バスバーモジュール８００のナット部６３０（図２参照）と熱的に接続されてもよい。ナット部６３０は、バスバーモジュール８００に制御基板９０（図１参照）を取り付けるために設けられる。ナット部６３０には、例えばボルトが締結され、バスバーモジュール８００に制御基板９０が固定される。この場合、制御基板９０の熱をヒートシンク４０に伝達して、制御基板９０の温度を低減することができる。

図５は、バスバーモジュール８００の組み付け状態の側面図である。尚、図５においては、バスバーモジュール８００の樹脂材料部８０２については図示を省略している。また、図５においては、図１に示した構成と実質的に同様であってよい構成については、同一の参照符合を付している。また、図５においては、半田５０の図示は省略されている。

図５（及び図３）に示すように、冷却板６００は、厚み方向Ｚで、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃの延在する範囲内に延在する。即ち、冷却板６００は、バスバー８０Ｂの下方の部位よりも上方に延在し、且つ、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃの上方の部位よりも下方に延在する。尚、バスバー８０Ｂは、冷却板６００の開口６０６を介して冷却板６００を上下方向に跨いで延在する。これにより、冷却板６００は、バスバーモジュール８００の厚みを増大することなく、バスバーモジュール８００内に組み込まれることができる。即ち、冷却板６００は、バスバーモジュール８００内の空いたスペース（バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃが配置されていないスペース）を利用して設けられるので、バスバーモジュール８００の厚みを増加する要因とならずに成立することができる。

尚、図５に示す例では、冷却板６００は、基本的に、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃの下方に延在している。しかしながら、冷却板６００は、図１に示した実施例のように、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃの上方、即ち制御基板９０（図５には図示せず）とバスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃの間に延在するように設けられてもよい。この場合、制御基板９０への輻射熱を低減することができる。

また、図５に示す例において、冷却板６００の下方には、シリコンゲルが充填されてもよい。シリコンゲルは、半導体チップ１０の上部やヒートスプレッダ２０の上部を覆うように充填されてよい。この場合、バスバー８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃからの熱は放射状に輻射されるので、冷却板６００における開口６０６周りの部位により、かかる輻射熱を遮ることができる。

以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。

例えば、上述の実施例では、半導体チップ１０が接合される基板は、ヒートスプレッダ２０であったが、半導体チップ１０は、他の任意の基板に配置されてもよい。例えば、半導体チップ１０が接合される基板は、セラミック基板の両面にアルミ板を備えたＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板や、セラミック基板の両面に銅板を備えたＤＢＣ（Direct Brazed Copper）基板であってもよい。

また、図示の例では、ヒートスプレッダ２０単位で構成を説明したが、半導体装置１に含まれるヒートスプレッダ２０の数は任意である。例えば、半導体装置１に含まれるヒートスプレッダ２０の数は、６であってもよい。この場合、６つのヒートスプレッダ２０上の各半導体チップ１０Ａ，１０Ｂは、モータ駆動用のインバータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各上アーム及び各下アームを構成するものであってよい。

また、上述の実施例では、半導体装置１は、車両用のインバータに適用されるものであったが、半導体装置１は、他の用途（鉄道、エアコン、エレベータ、冷蔵庫等）で使用されるインバータに使用されてもよい。更に、半導体装置１は、インバータ以外の装置、例えば、コンバータや、無線通信機の送信部の電力増幅回路に使用される高周波パワーモジュールに使用されてもよい。

１ 半導体装置
１０（１０Ａ，１０Ｂ） 半導体チップ
１２ 接続端子
１３ 第２接続端子
２０ ヒートスプレッダ
３０ 絶縁層
４０ ヒートシンク
４２ フィン
５０ 半田
６０，６００ 冷却板
８０，８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ バスバー
９０ 制御基板
６０２ 縦部位
６０４ 横部位
６０６ 開口
６０８ 挿通孔
６３０ ナット部
８００ バスバーモジュール
８０２ 樹脂材料部

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板上に実装される半導体チップと、
   前記半導体チップに接続されるバスバーと、
   前記バスバーに隣接して配置され、前記バスバーを冷却する冷却板とを含む、半導体装置。
2. 前記基板と平行に配置され、前記半導体チップに接続される制御基板を更に含み、
   前記バスバーは、前記基板と前記制御基板の間に配置され、
   前記冷却板は、前記バスバーと前記制御基板の間に配置される、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記バスバーと前記冷却板とは、樹脂材料を介して一体に形成される、請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 冷媒流路を形成する流路形成部材を含み、
   前記冷却板は、前記流路形成部材に熱的に接続される、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記冷却板は、前記流路形成部材と同一の熱膨張係数の材料で形成される、請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記冷却板は、前記流路形成部材に取り付く締結具に対する挿通孔を備える、請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記半導体チップの電極に接合される接続端子を更に含み、
   前記バスバーは、前記接続端子に接合され、
   前記冷却板は、前記基板の表面の法線方向に沿った上面視で前記バスバーと前記接続端子の接合部に対応した位置に、開口を有する、請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記冷却板は、互いに離間して第１方向に延在する２本の第１方向部位と、前記第１方向に対して直角に又は斜めに延在し、前記２本の前記第１方向部位間を繋ぐ第２方向部位とを含む、請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載の半導体装置。

Images