JP4367376B2 - 電力半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は電力半導体装置に係り、特に、比較的大電流容量のパッケージ型パワー半導体モジュールに好適な電力半導体装置に関する。
従来技術の内部絶縁型の半導体モジュールの断面構造を図２に示す。この図２において、符号１は半導体素子、２ａ、２ｂはソルダー、３は絶縁基板、４ａ、４ｂは金属層、５ａ、５ｂはろう材、６は支持基板、７はゲル、８は金属ワイヤ、９ａ、９ｂ、９ｃは配線端子、１０は樹脂体、１１は空隙部、１２は接着剤、１３は外部冷却フィン、１４ａ、１４ｂはネジ、１５は外部配線、１６はオイルコンパウンドである。
絶縁基板３は、アルミナなどの絶縁材で作られ、その一方の面には、配線パターンが形成された金属層４ａがろう材５ａにより接合され、他方の面には、半田などによる接合を可能とする為の金属層４ｂがろう材５ｂにより接合されている。
複数個の半導体素子１が、絶縁基板３の一方の面に形成されている金属層４ａの所定の部分にソルダー２ａにより接合され、絶縁基板３のもう一方の面に形成されている金属層４ｂが支持基板６にソルダー２ｂにより積層されている。そして、これらの半導体素子１は、金属ワイヤ８により、金属層４ａの所定の部分に対して配線が施されている。
支持基板６は、半導体素子１で発生した熱を拡散させるヒートシンクを兼ねており銅などの熱伝導率の高い物質で作られる。ゲル７は半導体素子１で発生した熱を拡散させるとともに、電位の異なる配線端子９ａと配線端子９ｂとの絶縁を保つ役目もする。電流入出力用の電位の異なる配線端子９ａおよび配線端子９ｂと電流制御用の信号入力用の配線端子９ｃは、支持基板６と接着剤１２により固着されている樹脂体１０内部に埋め込まれており、金属層４ａに形成されている配線パターンの所定の部分とソルダー２ｃにより接続され、外部装置との電流、電圧の入出力を行う。空隙部１１は半導体素子１の通電時の発熱によるゲル７の膨張による応力を緩和する。
樹脂体１０と支持基板６は、ネジ１４ａにより外部冷却フィン１３へ取り付けられており、配線端子９ａ及び９ｂはネジ１４ｂにより外部配線１５へ取り付けられる。オイルコンパウンド１６は支持基板６と外部冷却フィン１３間の接触熱抵抗を下げる為に、外部冷却フィン１３と支持基板６との間に塗布される液状の樹脂剤である。このような内部絶縁型パワー半導体モジュールの例が特許文献１に記載されている。
特開平１０−８４０７８号公報（図１、図２、図３の記載と、（００２３）段落の記載。）
しかしながら、前記の従来技術では、半導体素子の稼動、非稼動時の温度変化と絶縁基板と支持基板の線膨張係数差により、わずかではあるが、支持基板に反りの変化が発生し、オイルコンパウンドが支持基板の反り変化の回数が増大するとともに支持基板外へ押し出され、支持基板と外部冷却フィン間の接触熱抵抗が上昇する問題があった。
本発明の目的は、支持基板と外部冷却フィン間のオイルコンパウンドの支持基板外への流出を無くした電力半導体装置を提供することにある。
本発明の電力半導体装置は、上記目的を達成するために、底面が金属基板、側面及び上面が有機樹脂で構成され、内部に複数個の電力半導体素子を搭載し、前記底面の金属基板上とモジュール内部に搭載する半導体素子との間に複数枚の絶縁基板を配置した内部絶縁型の電力半導体装置であって、前記底面の金属基板の放熱面側に環状の樹脂部材を有し、該環状の樹脂部材は、前記金属基板の外縁周に配置されたゴム弾性部材であることを特徴とする。
以上のように本発明によれば、半導体素子の稼動、非稼動時の温度変化による、支持基板に反りの変化に起因する支持基板と外部冷却フィン間のオイルコンパウンドの流出をなくすことができる。
以下、本発明の詳細を図面を用いて説明する。
本実施例を図１について説明する。図１に本発明による半導体装置の断面を示す。この図１において、符号１は、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴやダイオードなどの半導体素子、２ａから２ｃはソルダー、３は絶縁基板、４ａ、４ｂは金属層、５ａ、５ｂはろう材、６は支持基板、６ａは支持基板に設けられた外部冷却フィン１３取り付け用のネジ穴、７はゲル、８は金属ワイヤ、９ａ〜９ｃは配線端子、１０は樹脂体、１１は空隙部、１２は接着剤、１３は外部冷却フィン、１４ａ、１４ｂはネジ、１５は外部配線、１６はオイルコンパウンド、１７ａ、１７ｂは環状の樹脂リングである。
絶縁基板３は、アルミナなどの絶縁材で作られ、その一方の面には、配線パターンが形成された金属層４ａがろう材５ａにより接合され、他方の面には、半田などによる接合を可能とする為の金属層４ｂがろう材５ｂにより接合されている。
そして、複数個の半導体素子１が、絶縁基板３の一方の面に形成されている金属層４ａの所定の部分にソルダー２ａにより接合され、絶縁基板３のもう一方の面に形成されている金属層４ｂが支持基板６にソルダー２ｂにより積層される。そして、これらの半導体素子１は、金属ワイヤ８により、金属層４ａの所定の部分に対して配線が施されている。本実施例の半導体装置では、複数個の半導体素子１が、ＩＧＢＴ素子と、ダイオードであるが、さらに、制御回路部を搭載していてもよい。
支持基板６は、銅や銅合金などの金属で作られ、半導体素子１で発生した熱を拡散させるヒートシンクを兼ねている。ゲル７は半導体素子１で発生した熱を拡散させるとともに、電位の異なる配線端子９ａと配線端子９ｂとの絶縁を保つ役目もする。
電流入出力用の電位の異なる配線端子９ａおよび配線端子９ｂと電流制御用の信号入力用の配線端子９ｃは、支持基板６と接着剤１２により固着されている樹脂体１０内部に埋め込まれており、金属層４ａに形成されている配線パターンの所定の部分とソルダー２ｃにより接続され、ネジ１４ｂにより外部配線１５へ取り付けられる。空隙部１１は半導体素子１の通電時の発熱によるゲル７の膨張による応力を緩和するものである。なお、本実施例の半導体装置では樹脂体１０が、側面部と上面部とを覆っており、樹脂体１０はたとえばエポキシ樹脂などの有機樹脂である。
オイルコンパウンド１６は支持基板６と外部冷却フィン１３間の接触熱抵抗を下げる為に配置した熱伝導部材であり、外部冷却フィン１３と支持基板６との間に塗布する液状あるいはグリース状の樹脂剤である。支持基板６には外部冷却フィン１３へネジ１４ａにて取り付ける際に使われるネジ穴６ａの外部冷却フィン１３との間にネジ穴６ａと同じ穴を有する円盤状の樹脂リング１７ｂが接着剤１２で固着され、またネジ穴６ａを除く支持基板６の外縁周の外部冷却フィン１３と垂直な面には、断面形状が凹状の環状の樹脂リング１７ａがはめ込まれている。
このように本実施例では、オイルコンパウンド１６が支持基板６、外部冷却フィン１３、樹脂リング１７ａ、１７ｂにより密閉されるため、半導体素子１の稼動、非稼動時の温度差により発生する支持基板６の反り変化に対してもオイルコンパウンドが支持基板６の外へ流出することがなく、支持基板６と外部冷却フィン１３との間の接触熱抵抗の増大を防ぐことができる。
また、オイルコンパウンド１６の厚みは樹脂リング１７ａ、１７ｂの厚みで決まるため、オイルコンパウンド１６の厚みを一定にすることができ、オイルコンパウンド１６の厚みのばらつきによる接触熱抵抗のばらつきを小さくすることができる。
本実施例では、樹脂リング１７ａ、１７ｂが半導体モジュールの動作温度範囲で塑性変形せずに弾性を示すものであれば、材質を問わないが、ゴム弾性体、特にシリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴムが好ましい。また、樹脂リング１７ａは支持基板６に接着あるいはモールド成型や接着して一体になっていても良いし、別体の環状の樹脂リング１７ａを支持基板６に挿入固定しても良い。なお、本実施例では、別体にした環状の樹脂リング１７ａは、全体がゴム弾性体であっても良いし、ゴム弾性体で被覆した環状金属部材であっても良い。
以上説明したように本実施例の半導体装置では、半導体素子１を固着した絶縁基板３が固着された支持基板６が外部冷却フィン１３と接触する面に環状の樹脂リング１７ａが取り付けられていることにより、半導体装置の稼動・非稼動時の温度変化により支持基板６に反り変化が発生した際も、支持基板６と外部冷却フィン１３間のオイルコンパウンド１６が、支持基板６と外部冷却フィン１３と、環状の樹脂リング１７ａとにより密閉されているため、接触熱抵抗の増大を防ぐことができる。
また、本発明の半導体装置では半導体素子１を固着した絶縁基板３が固着された支持基板６が外部冷却フィン１３と接触する面に樹脂リング１７ａが取り付けられていることにより、半導体装置を外部冷却フィンへ１３に取り付ける際、オイルコンパウンド１６の厚みが環状リング１７ａの厚みで決まるため、オイルコンパウンド１６を均一の厚さで塗布することが可能となり、オイルコンパウンド１６の厚みの差による接触熱抵抗のバラツキを低減できる。
本実施例の詳細を、図３を用いて説明する。図３は、本実施例の半導体装置の断面図である。本実施例では、断面が円の形状の樹脂リング１７ｃを加圧変形させてシールしており、この樹脂リング１７ｃを支持基板６の外部冷却フィン１３側の面に設けられた凹部６ｂにはめ込んでいる。この凹部６ｂは、支持基板６の外部冷却フィン１３側から透視すると、絶縁基板３の周縁部を囲む大きさとなっている。なお、樹脂リング１７ｃの断面形状は、円形のほかにも、三角形や四角形のような多角形や、楕円形などでも良い。
本実施例では、オイルコンパウンド１６は支持基板６と外部冷却フィン１３と樹脂リング１７ｃで密閉されるため、半導体素子１の稼動、非稼動時の温度差により発生する支持基板６の反り変化でもオイルコンパウンド１６は支持基板６の外へ流出することなく、支持基板６と外部冷却フィン１３間の接触熱抵抗の増大を防ぐことができる。
また、樹脂リング１７ｃは支持基板６の外部冷却フィン１３側から透視すると、絶縁基板３の周縁部を囲む大きさとなっているため、オイルコンパウンド１６は絶縁基板３から外部冷却フィン１３への熱伝達を妨げることなく、オイルコンパウンド１６の使用量を少なくすることができる。
本実施例でも、実施例１と同様に樹脂リング１７ｃは半導体モジュールの動作温度範囲で塑性変形せずに弾性を示すものであれば、材質を問わないが、ゴム弾性体、特にシリコーンゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、フルオロシリコーンゴム、エチレンプロピレンゴムが好ましい。また、樹脂リング１７ｃは、全体がゴム弾性体であっても良いし、ゴム弾性体で被覆した環状金属部材であっても良い。
なお、図は示さないが、支持基板６の面に凹部６ｂを配置する代わりに、凹部６ｂを外部冷却フィン１３側に配置し、この凹部６ｂに樹脂リング１７ｃを配置しても良い。また、温度変化の条件が厳しい条件では、実施例１と同様に、ネジ穴６ａの外部冷却フィン１３との間にネジ穴６ａと同じ穴を有する円盤状の樹脂リング１７ｂが接着剤１２で固着し、ネジ穴６ａを除く支持基板６の外部冷却フィン１３と垂直な面に断面形状が凹状の樹脂リング１７ａをはめ込み、さらに、凹部６ｂに断面が円形の別の環状の樹脂リング１７ｃを配置しても良い。
実施例１の半導体装置の断面の説明図である。 従来技術の半導体装置の断面の説明図である。 実施例２の半導体装置の断面の説明図である。
符号の説明
１…半導体素子、２ａ〜２ｃ…ソルダー、３…絶縁基板、４ａ、４ｂ…金属層、５ａ、５ｂ…ろう材、６…支持基板、６ａ…ネジ穴、６ｂ…凹部、７…ゲル、８…金属ワイヤ、９ａ〜９ｃ…配線端子、１０…樹脂体、１１…空隙部、１２…接着剤、１３…外部冷却フィン、１４ａ、１４ｂ…ネジ、１５…外部配線、１６…オイルコンパウンド、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…樹脂リング。

Claims (3)

  1. 底面が金属基板、側面及び上面が有機樹脂で構成され、内部に複数個の電力半導体素子を搭載し、前記底面の金属基板上とモジュール内部に搭載する半導体素子との間に複数枚の絶縁基板を配置した内部絶縁型の電力半導体装置において、
    前記底面の金属基板の放熱面側に環状の樹脂部材を有し、該環状の樹脂部材は、前記金属基板の外縁周に配置されたゴム弾性部材であることを特徴とする電力半導体装置。
  2. 請求項１に記載の電力半導体装置において、
    前記内部に搭載した複数個の電力半導体素子が複数個のＩＧＢＴ素子を含むことを特徴とする電力半導体装置。
  3. 請求項１に記載の電力半導体装置において、
    前記内部に搭載した複数個の電力半導体素子が複数個のＩＧＢＴ素子とダイオード素子とを含むことを特徴とする電力半導体装置。
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