JP4531087B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、モールド樹脂封止型の電力用半導体装置に関し、特に電力用半導体素子からの発熱を効率良く放熱するための構造に関する。
電力用半導体装置は、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)やＭＯＳ-ＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor- Field Effect Transistor)、ダイオード等の電力用半導体素子をモールド樹脂で封止した形態で提供され、ＤＣ-ＤＣコンバータやインバータ等の電力変換器の整流装置、開閉装置として用いられている。電力用半導体装置においては、取り扱う電力量が大きくなるほど電力用半導体素子が発熱し、高温となり損壊する恐れがあるため、放熱性を高める構造が必要である。
電力用半導体装置の発熱部位としては、素子内部はもとより、電流の導通路となる電極フレーム、金属体、及びそれらの接合部を考慮する必要がある。従来の電力用半導体装置の放熱構造としては、例えば、電力用半導体素子２の底面側が接合された金属体３の外面に絶縁板１４を介して金属平板３１を配置し、素子で発生した熱を、金属体３、絶縁板１４を経路として金属平板３１に移動させ、さらにフィンを設けた金属構造体３３を介して放熱するものがある（図１１参照）。しかし、この例のように半導体素子の片面（底面）のみからの放熱では放熱能力が不足し、素子の上面が高温となりやすい。
そこで、半導体素子の両面からの放熱が可能な構造として、例えば特許文献１では、半導体素子を一対の金属電極で挟み、さらに各金属電極の外側に絶縁基板及び金属層を設け、これら両面の金属層にアルミや銅などのブロックからなる冷却器を接触させて放熱を促進させる半導体装置が提示されている。
また、特許文献２では、半導体素子の裏面側に電極と放熱を兼ねる第１の金属体を設けるとともに、半導体素子の表面側にも電極と放熱を兼ねる第２の金属体を設け、モールド成形体の１つの平面部から露出させた第１の金属体と第２の金属体を、絶縁シートを介して冷却体に当接させた半導体装置が提示されている。
特開２００７−１７３６８０号公報 特許第３６２７７３８号
このように、電力用半導体装置においては、半導体素子の両面から効率よく放熱することが求められるが、特許文献１のように半導体素子の両面に金属電極、絶縁基板及び金属層を設け冷却器を接触させる構造では、放熱能力は高められるものの、構造が複雑化し、構成部材が増加するため、製造コストや小型化の観点で望ましくない。
また、特許文献２のように半導体素子の両面に電極と放熱を兼ねる第1及び第２の金属体を設け、これらをモールド成形体の１つの平面部から露出させる構造では、電極フレームの構造に関する課題が発生する。一般的に電極フレームは、平板を所望の平面形状にくりぬき、折り曲げ加工等を施して形成される。電極フレームが熱移送経路としての役割を兼ねる場合、その断面積が大きいほど熱移送の能力が高いため望ましく、断面積が小さいものでは十分な熱移送の能力は期待できない。一方、断面積が大きいものでは、精度の高い折り曲げ加工を施すことが難しく、屈曲した形状でサイズの小さい電極フレームを得ることは難しいという問題がある。
さらに、電極フレームを熱移送経路として利用する場合、構成部材が簡略化されるという利点はあるが、電極フレームを電流が導通することで電極フレーム自体が発熱するため、熱移送経路としてはあまり望ましくない。
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、電力用半導体素子で発生した熱を、簡易な構造で効率良く放熱することが可能な電力用半導体装置を提供することを目的とする。
本発明による電力用半導体装置は、相対向する上面と底面を有する電力用半導体素子と、相対向する上面Ａと底面Ａ、及び上面Ａと底面Ａで挟まれた側面Ａを有し、上面Ａに導電性接合部材を介して電力用半導体素子の底面側が接合された第一金属体と、相対向する上面Ｂと底面Ｂ、及び上面Ｂと底面Ｂで挟まれた側面Ｂを有し、底面Ｂが第一金属体の底面Ａと同一平面上に配置され、側面Ｂの少なくとも一部が絶縁性接合部材を介して第一金属体の側面Ａに接合された第二金属体と、第一金属体の上面Ａの周縁部に接合され電力用半導体素子の電流経路をなす第一電極フレームと、電力用半導体素子の上面側に接合され電力用半導体素子の電流経路をなす第二電極フレームと、一端を電力用半導体素子の上面側に、他端を第二金属体の上面Ｂに接合され、電力用半導体素子で発生した熱を第二金属体へ移送する熱伝導フレームと、少なくとも、電力用半導体素子、第一金属体、第二金属体、第一電極フレームの一部、第二電極フレームの一部、及び熱伝導フレームを被覆するモールド樹脂を備えた電力用半導体装置であって、第一金属体の底面Ａ及び第二金属体の底面Bに平行で且つ近接する平面を冷却面とし、この冷却面を冷却材に当接させて電力用半導体素子で発生した熱を放熱するようにしたものである。
本発明によれば、電力用半導体素子の主要な放熱経路として、電力用半導体素子の底面側が接合された第一金属体を経由して第一金属体の底面側の冷却面に熱を移送する経路と、電力用半導体素子の上面側が接合された熱伝導フレーム及び第二金属体を経由して第二金属体の底面側の冷却面に熱を移送する経路の二つの経路を有しており、また、熱伝導フレームは、電流が導通しない放熱専用のフレームであるため高い熱移送能力及び放熱能力が得られ、さらに第一金属体と第二金属体は相互に熱を授受しながら熱を移送するため、電力用半導体素子で発生した熱を素子両面から効率良く放熱することができ、小型で低コストでありながら高い放熱能力を有する電力用半導体装置を得ることができる。
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態１におけるモールド樹脂封止型電力用半導体装置の構造を示しており、（ａ）は上面視による内部構造図、（ｂ）は図１（ａ）中Ａ−Ａ線による断面図である。また、比較として、図１１に従来の電力用半導体装置の構造例を示している。なお、図中、同一または相当部分には同一符号を付している。
本実施の形態における電力用半導体装置１は、主に、電力用半導体素子２、第一金属体３、第二金属体４、第一電極フレーム５、第二電極フレーム６、熱伝導フレーム１２、モールド樹脂８及び熱伝導層９から構成されている。以下、それぞれについて説明する。
電力用半導体素子（以下、半導体素子と略す）２は、広く普及しているシリコンによるＩＧＢＴ、ＭＯＳ-ＦＥＴ、ダイオード等であり、また、シリコンカーバイドによるものやガリウムナイトライドによるものであっても良い。半導体素子２は、相対向する上面２ａと底面２ｂを有しており、これらの上面２ａ及び底面２ｂには、半導体素子２の電極（図示せず）が形成されている。底面２ｂ側の電極は、はんだ等の導電性接合部材７を介して第一金属体３の上面３ａに接合されている。
第一金属体３は、相対向する上面Ａと底面Ａ、及び上面Ａと底面Ａで挟まれた側面Ａ（図１ではそれぞれ上面３ａ、底面３ｂ、側面３ｃ）を有している。また、第一金属体３に近接して配置された第二金属体４は、相対向する上面Ｂと底面Ｂ、及び上面Ｂと底面Ｂで挟まれた側面Ｂ（図１ではそれぞれ上面４ａ、底面４ｂ、側面４ｃ）を有している。第二金属体４の底面４ｂは、第一金属体３の底面３ｂと同一平面上に配置され、さらに、第二金属体４の側面４ｃの少なくとも一部が、絶縁性良熱伝導接合部材１１を介して第一金属体３の側面３ｃに接合されている。
本実施の形態では、第一金属体３と第二金属体４はほぼ同一の高さの四角柱状（板状）であり、第一金属体３の４つの側面のうちの１つの側面３ｃと、第二金属体４の４つの側面のうちの１つの側面４ｃが、電気的に絶縁性であり優れた熱伝導性を有するエポキシ系樹脂等の絶縁性良熱伝導接合部材１１により接合されている。絶縁性良熱伝導接合部材１１は、図１（ｂ）に示すように、第一金属体３の上面３ａ及び第二金属体４の上面４ａよりも高い位置まで配置されている。これは、第一金属体３の上面３ａと第二金属体４の上面４ａ近傍の沿面で電気絶縁性を十分に確保するためである。
第一金属体３の上面３ａの周縁部には、第一電極フレーム５が電気伝導性を持つよう接合され、また、半導体素子２の上面２ａ側には、第二電極フレーム６が電気伝導性を持つよう接合されている。第一電極フレーム５と第二電極フレーム６はそれぞれ半導体素子２の電極と電気的に接続されて電流経路をなし、それらの端部は電力用半導体装置1の電流取り出し口として作用する。なお、第一電極フレーム５及び第二電極フレーム６の接合には、はんだ接合や超音波圧着などの方法が用いられる。
さらに、半導体素子２の上面２ａと第二金属体４の上面４ａは、良熱伝導接合部材１０を介して熱伝導フレーム１２により接続されている。すなわち、熱伝導フレーム１２は、その一端１２ａを半導体素子２の上面２ａ側に、他端１２ｂを第二金属体４の上面４ａに接合され、半導体素子２で発生した熱を第二金属体４へ移送するものである。なお、良熱伝導接合部材１０とは、優れた熱伝導性を有するものであり、電気的に絶縁性であっても導電性であってもよい。また、良熱伝導接合部材１０として、導電性接合部材７または絶縁性良熱伝導接合部材１１と同じものを用いてもよい。
熱伝導フレーム１２は、絶縁性良熱伝導接合部材１１の上端を跨ぐよう配置されている。ただし、絶縁性良熱伝導接合部材１１が第二金属体４の上面４ａとほぼ同じ高さに配置されていても電気絶縁性が十分に確保される場合、熱伝導フレーム１２の半導体素子２との接合面の高さと第二金属体４との接合面の高さを略同一として、熱伝導フレーム１２を全くの平板としても良い。
また、第一金属体３の底面３ｂと第二金属体４の底面４ｂには、熱伝導層９が接合されている。熱伝導層９は、第一及び第二金属体３、４の底面３ｂ、４ｂに接合された接合面９ａと、この接合面９ａと対向する冷却面９ｂを有しており、本実施の形態では、接合面９ａ側から冷却面９ｂ側に向かって絶縁層９１と金属層９２が積層された多層構造であり、金属層９２は冷却面９ｂとしてモールド樹脂８から露出されている
これらの半導体素子２、第一金属体３、第二金属体４、第一電極フレーム５の一部、第二電極フレーム６の一部、熱伝導フレーム１２および熱伝導層９の一部は、モールド樹脂８にて一体的に被覆され、電力用半導体装置1を構成している。電流取り出し口としての第一電極フレーム５及び第二電極フレーム６の端部と、熱伝導層９の冷却面９ｂは、モールド樹脂８から露出するよう形成されている。電力用半導体装置1の冷却面９ｂには冷却材３０が当接され、半導体素子２で発生した熱は冷却材３０へ放熱される。
次に、本実施の形態における電力用半導体装置1が、簡易な構造で高い放熱能力を有する理由について詳しく説明する。図２は、本実施の形態における電力用半導体装置の放熱経路を示す図であり、（ａ）は上面視による内部構造図、（ｂ）は図２（ａ）中Ａ−Ａ線による断面図、矢印は放熱経路を示している。なお、図２中、図１と同一、相当部分には同一符号を付している。
図２（ａ）に示すように、半導体素子２で発生した熱は、半導体素子２の上面２ａすなわち熱伝導フレーム１２との接合面から熱伝導フレーム１２を介して、第二金属体４へ移送、放熱される。平板状金属からなる熱伝導フレーム１２は、半導体素子２で発生した熱を、内部で拡散させつつ、第二金属体４との接合面から第二金属体４へ移送、放熱する。
半導体素子２は一般に、一辺が１０ｍｍ程度の四角片であり、また、第二金属体４はヒートスプレッダとして作用するのに必要な体積を有するものであることから、熱伝導フレーム１２の第二金属体４と接合される端部１２ｂの面積は、半導体素子２と接合される端部１２ａの面積よりも相対的に大きく形成することができる。これにより、熱伝導フレーム１２の厚さ方向の寸法の増大を抑えることができ、厚み方向と直交する平面方向に熱を効率良く拡散し、第二金属体４へ移送することができる。
また、熱伝導フレーム１２は、半導体素子２の電流経路である第二電極フレーム６とは別に設けられており、熱伝導フレーム１２内に電流は導通しない。このため、熱伝導フレーム１２内の電気抵抗成分、または半導体素子２及び第二金属体４との接合部における電気抵抗成分による発熱がなく、電極フレームを熱移送経路として利用した場合よりも熱移送能力及び放熱能力は高くなる。
さらに、第一金属体３の上面３ａに接合される半導体素子２の厚さ、及び第一金属体３と半導体素子２を接合する導電性接合部材７の厚さは１００μｍから３００μｍ程度であり、ヒートスプレッダとして作用する第一金属体３、第二金属体４の厚みに対して相対的に小さいこと、第一金属体３と第二金属体４の上面３ａ、４ａが略同一高さであることから、熱伝導フレーム１２の両端部１２ａ、１２ｂの高低差は数百μｍ程度となる。よって、熱伝導フレーム１２を形成する際には、平板状金属を浅い角度で折り曲げ加工することで所望の形状を得ることができる。
このような浅い角度での折り曲げ加工では、折り曲げ加工に対する強度を保持するために熱伝導フレーム１２の厚さを増す必要がなく、深い角度での折り曲げ加工に対して熱伝導フレーム１２の両端１２ａ、１２ｂすなわち半導体素子２への接合部と第二金属体４への接合部を、高い位置精度で形成することができる。これにより、位置精度のばらつきにより発生する各接合部への不要な応力に起因した接合部の不良を抑制することができる。
次に、図２(ｂ)に示すように、半導体素子２の底面２ｂ側、すなわち第一金属体３との接合面近傍で発生した熱は、主として導電性接合部材７を介して第一金属体３の上面３ａに移送される。第一金属体３はヒートスプレッダとして作用し、上面３ａ側から入った熱を内部で拡散しつつ底面３ｂへ向けて移送する。
一方、半導体素子２の熱伝導フレーム１２との接合面（上面２ａ）近傍で発生した熱は、前述のように、主として良熱伝導接合部材１０を介して熱伝導フレーム１２を経由し、再び良熱伝導接合部材１０を介して第二金属体４の上面４ａに移送される。第二金属体４は、第一金属体３と同様に、ヒートスプレッダとして作用し、上面４ａから入った熱を内部で拡散しつつ底面４ｂへ向けて移送する。
さらに、第一金属体３と第二金属体４は、側面３ｃ、４ｃを絶縁性良熱伝導接合部材１１により接合されており、相互に熱を授受することができる。すなわち、冷却面９ｂと平行な断面において第一金属体３内を移動している単位面積あたりの熱量と第二金属体４内を移動している単位面積あたりの熱量とに偏りがあった場合、放熱能力が低い側から放熱能力に余裕が有る側へ熱を渡すことができる。これにより、半導体素子２の発熱量に対して相対的に放熱能力が低い経路の放熱能力が向上し、半導体素子２において最も高温となりやすい部分の温度上昇が緩和される。
このように、第一金属体３と第二金属体４は、相互に熱を授受して温度差を低減しつつ各金属体３、４の底面３ｂ、４ｂの方向へ熱を移送する。移送された熱は、熱伝導層９である絶縁層９１と金属層９２を経て、冷却面９ｂから冷却材３０へ放熱される。冷却材３０は、従来例（図１１参照）と同様に、冷却面９ｂにサーマルグリース３２を介して金属平板３１及びフィンを設けた金属構造体３３を当接したものを用いることができるが、従来例のように絶縁板１４を配置する必要はない。好適な冷却材３０の構造例については実施の形態２〜実施の形態４で説明する。なお、本実施の形態では、第一金属体３の底面３ｂ及び第二金属体４の底面４ｂに熱伝導層９を接合した例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、第一金属体３の底面３ｂ及び第二金属体４の底面４ｂに平行で且つ近接する平面であれば、冷却面とすることができる。
本実施の形態における電力用半導体装置１によれば、半導体素子２の主要な放熱経路として、半導体素子２の底面２ｂ側が接合された第一金属体３を経由して熱伝導層９の冷却面９ｂに熱を移送する経路と、半導体素子２の上面２ａ側が接合された熱伝導フレーム１２及び第二金属体４を経由して熱伝導層９の冷却面９ｂに熱を移送する経路の二つの経路を有しており、熱伝導フレーム１２は、電流が導通しない放熱専用のフレームであるため、高い熱移送能力及び放熱能力が得られ、さらに、第一金属体３と第二金属体４は相互に熱を授受しながら熱を移送するため、放熱能力が低い側から放熱能力に余裕が有る側へ熱を渡すことができ、半導体素子２で発生した熱を素子両面から効率良く放熱することが可能である。
また、電力用半導体装置1の冷却面９ｂは単一面であること、第一金属体３と第二金属体４の間で相互に熱を授受する構造であることから、冷却面９ｂにおける温度分布の偏りが少ない。このため、図１１に示すような金属平板３１、金属構造体３３といった従来の冷却材３０の構造を格別に変更することなく適用できる。さらに、熱伝導層９は絶縁層９１を含んで構成され、冷却面９ｂをなしている金属層９２は半導体素子２と電気的に絶縁されているため、冷却面９ｂと接触する冷却材３０においては電気絶縁のための構造を備える必要がない。
以上のことから、本実施の形態によれば、電力用半導体装置1の内部や冷却材３０を含めて簡易な構造で構成可能であり、小型で低コストでありながら高い放熱能力を有し、半導体素子２の温度上昇を緩和することができる信頼性の高い電力用半導体装置１を得ることができる。
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２におけるモールド樹脂封止型電力用半導体装置と冷却材の構造を示している。なお、図３中、図1と同一または相当部分には同一符号を付している。本実施の形態では、冷却材３０としてフィンを設けた金属構造体３３を適用し、電力用半導体装置１の冷却面９ｂとしてモールド樹脂８から露出している金属層９２に、はんだ１３との親和性が高い銅等の金属を用いて、金属層９２の露出面にはんだ１３により金属構造体３３を接合したものである。
図１１に示す従来構造では、電力用半導体装置１００の外部に装着される絶縁板１４にサーマルグリース３２を介して金属平板３１を当接し、さらに金属平板３１にサーマルグリース３２を介してフィンを設けた金属構造体３３を当接する構成であった。この例では、電力用半導体装置1の放熱経路上に、熱的な抵抗要素として三層のサーマルグリース３２と、絶縁板１４、金属平板３１、金属構造体３３のフィンの基台部が存在する。このように熱的な抵抗要素が多い場合、放熱能力が低下し、半導体素子２で発生した熱は速やかに放熱されない。このため、電力用半導体装置1と冷却材３０との接合部、及び冷却材３０自体の熱抵抗を低く構成することが望まれる。
なお、サーマルグリース３２の熱伝導率は数Ｗ／（ｍ・ｋ）であり、電力用半導体装置1と冷却材３０で構成される放熱経路の内で、特に熱抵抗を高め、放熱能力を低下させる要素である。すなわち、電力用半導体装置１から金属構造体３３のフィンへ至る放熱経路上でサーマルグリース３２を用いないことで、熱抵抗を低減し放熱能力を向上することができる。
そこで、本実施の形態では、電力用半導体装置1内に絶縁層９１と金属層９２が積層された熱伝導層９を備え、電力用半導体装置1の冷却面９ｂとして金属層９２が露出していることを利用して、金属層９２の露出面と金属構造体３３とを、はんだ１３により接合したものである。これにより、本実施の形態によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、熱抵抗の高いサーマルグリース３２を用いずに放熱経路を構成したことから、従来構造及び上記実施の形態１においてサーマルグリース３２を用いた場合よりも放熱能力を高めることができる。
実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３におけるモールド樹脂封止型電力用半導体装置と冷却材の構造を示している。なお、図４中、図1と同一または相当部分には同一符号を付している。本実施の形態では、電力用半導体装置１の冷却面９ｂとしてモールド樹脂８から露出している金属層９２に耐腐食性の高い金属を用い、冷却材３０として冷媒３７を循環させ、電力用半導体装置1の冷却面９ｂに直接的に接触させて放熱する構成としたものである。
本実施の形態では、冷媒３７として、例えばエチレングリコールを水で希釈した不凍液が用いられる。電力用半導体装置１は、シール材３６を挟んで流路カバー３５に圧接しており、電力用半導体装置１、シール材３６、流路カバー３５で包囲された空間が冷媒３７の流路となる。シール材３６は電力用半導体装置1と流路カバー３５の接触面から冷媒３７が漏れ出さないよう密閉性を確保するものである。冷媒３７は流路カバー３５の注入口（図示せず）から入り、流路を経て流路カバー３５の排出口（図示せず）より流出する。流出した冷媒３７は、熱交換器部（図示せず）で放熱し、温度を下げられ、再び流路カバー３５内の冷媒流路へ循環する。
本実施の形態によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、上記実施の形態２と同様に熱抵抗の高いサーマルグリース３２を用いずに放熱経路を構成し、さらに、電力用半導体装置１の冷却面９ｂに直接的に冷媒３７を接触させて放熱するため、放熱能力をより高めることができる。
実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４におけるモールド樹脂封止型電力用半導体装置と冷却材の構造を示す断面図、図６は本実施の形態における電力用半導体装置の冷却材を図５中の矢印ｋ方向より見た内部構造図である。なお、図５及び図６中、図1と同一または相当部分には同一符号を付している。本実施の形態では、上記実施の形態３と同様に、電力用半導体装置１の冷却面としてモールド樹脂８から露出している金属層９２に耐腐食性の高い金属を用い、冷却材３０として冷媒３７を循環させ、電力用半導体装置1の冷却面に直接的に接触させて放熱する構成において、金属層９２の冷却面側を周期的な凹凸形状としたものである。なお、冷媒３７及び冷媒流路については上記実施の形態３と同様であるため説明を省略する。
本実施の形態における電力用半導体装置１の金属層９２の冷却面側に設けられた凹凸形状は、金属層凸部９３と溝部９４からなり、図６に矢印で示したＡからＢの方向に平行な成分と直交する成分を有している。冷媒３７は、流路内をＡからＢの方向へ凹凸形状の表面に沿って接触しながら、電力用半導体装置１から熱を受け取り、温度上昇しながら流れる。すなわち、ＡからＢへ向かうにつれ凹凸形状の表層には温度境界層が発達し、冷媒３７への放熱能力が低下する。これに対し、ＡからＢの方向に直交する成分の溝を設けることで、温度境界層の発達を制止し、放熱能力の低下を防ぐことができる。
なお、金属層９２の表面に形成される凹凸形状は、図５及び図６に示す形状に限定されるものではない。例えばＡからＢの方向と平行な溝のピッチと直交する溝のピッチを略一致させ各ピッチを密にした剣山状の突起を有するものや、ＡからＢの方向と平行な溝の表面へ、周期的にさらに微細な浅い筋を設けたものであっても良い。
本実施の形態によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、金属層９２の冷却面側を周期的な凹凸形状とすることにより、冷媒３７に接触する表面積が増大し、フィンとして作用するため、上記実施の形態３よりもさらに放熱能力を高めることが可能となる。
実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５におけるモールド樹脂封止型電力用半導体装置を構成する半導体素子の電気回路構成を示す回路図であり、図８は本実施の形態における電力用半導体装置の上面視による内部構造図である。なお、図８中、Ａ−Ａ線による断面図は、図１（ｂ）と同様であるので図示を省略する。また、図８中、図1と同一または相当部分には同一符号を付している。本実施の形態は、第一金属体３の上面３ａに、複数の半導体素子２１、２２を接合し、電力用半導体装置１Ａとして構成したものである。
本実施の形態では、図７に示すように、半導体素子の例としてＩＧＢＴ素子２１とダイオード素子２２を逆並列に接続している。このような構成は、例えばチョッパやインバータ等の電力変換器の用途で主回路を構成する単位要素となるものである。ＩＧＢＴ素子２１のコレクタ（Ｃ）とダイオード素子２２のカソードが電気的に接続し同電位であり、また、ＩＧＢＴ素子２１のエミッタ（Ｅ）とダイオードのアノードが電気的に接続し同電位である並列回路となっている。これを電力用半導体装置１Ａとして実装すると、図８に示すような構造となる。
図８に示すように、ＩＧＢＴ素子２１とダイオード素子２２は、共に導電性接合部材を介して第一金属体３の上面３ａに接合されている。ＩＧＢＴ素子２１の底面すなわち第一金属体３との接合面にはコレクタ電極（図示せず）が形成されており、これと対向する上面にはエミッタ電極(図示せず)と制御電極２６が形成されている。また、ダイオード素子２２の底面すなわち第一金属体３との接合面にはカソード電極（図示せず）が形成されており、これと対向する上面にはアノード電極（図示せず）が形成されている。ＩＧＢＴ素子２１のコレクタ電極とダイオード素子２２のカソード電極は、第一金属体３を介して電気的に接続している。
一方、ＩＧＢＴ素子２１のエミッタ電極とダイオード素子２２のアノード電極には、第二電極フレーム６が接合されている。また、第一金属体３の上面３ａの周縁部には第一電極フレーム５が電気伝導性を持つよう接合されている。第一電極フレーム５と第二電極フレーム６は電流の導通経路であり、その端部は電力用半導体装置１のモールド樹脂８から露出して電流取り出し口として作用する。このうち、第一電極フレーム５の端部は高電位Ｐに接続され、第二電極フレーム６の端部は低電位Ｎに接続されている。
ＩＧＢＴ素子２１の制御電極２６は、詳細にはＩＧＢＴ素子２１を構成する多数の微小なトランジスタ（セル−トランジスタ）の各ゲート部に電気的に接続されたゲート電極や、ＩＧＢＴ素子２１に流れる電流量を検出する目的でセル−トランジスタ全数の内、所定比率の少数の各エミッタ部に電気的に接続されたエミッタセンス電極などを、エミッタ電極面と同一面上の周縁部に外部への信号接続用パッド形状として形成されている。制御電極２６は、電力用半導体装置１の外部と信号接続するための制御端子２５とアルミなどの線材２７を用いて電気的に接続される。ここで、制御端子２５は端部を露出する以外はモールド樹脂８で被覆されている。ＩＧＢＴ素子２１は、制御端子２５の内のゲート電極に接続された端子の電圧信号に基づいてスイッチング動作を行う。
さらに、ＩＧＢＴ素子２１のエミッタ電極面、及びダイオード素子２２のアノード電極面は、良熱伝導接合部材１０を介して共に熱伝導フレーム１２に接合されている。平板状金属からなる熱伝導フレーム１２は、一端をＩＧＢＴ素子２１及びダイオード素子２２の上面に、他端を第二金属体４の上面４ａに、良熱伝導接合部材１０により接続されている。
次に、本実施の形態における電力用半導体装置１Ａの放熱経路について説明する。ＩＧＢＴ素子２１が動作し電流が導通すると、コレクタ電極面近傍、エミッタ電極面近傍で熱が発生する。同様に、ダイオード素子２２が動作し電流が導通すると、カソード電極面近傍、アノード電極面近傍で熱が発生する。ＩＧＢＴ素子２１のコレクタ電極面近傍及びダイオード素子２２のカソード電極面近傍で発生した熱は、主として導電性接合部材７を介して共に第一金属体３の上面３ａへ移送され、第一金属体３内を拡散しつつ、上記実施の形態１と同様にして冷却材３０（図１（ｂ）参照）へ放熱される。
一方、ＩＧＢＴ素子２１のエミッタ電極面近傍及びダイオード素子２２のアノード電極面近傍で発生した熱は、主として良熱伝導接合部材１０を介して共に熱伝導フレーム１２を経由し、再び良熱伝導接合部材１０を介して第二金属体４の上面４ａに移送される。第二金属体４は、第一金属体３と同様にヒートスプレッダとして作用し、熱を内部で拡散しつつ冷却材３０（図１（ｂ）参照）へ放熱する。さらに、第一金属体３と第二金属体４は、互いの側面において絶縁性良熱伝導接合部材１１により接合されており、相互に熱を授受して温度差を低減しつつ、各金属体３、４の底面の方向へ熱を移送する。
本実施の形態によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、さらに、複数の半導体素子２１、２２を共に一つの第一金属体３に接合することにより、半導体素子毎に装着すべき電極フレーム５、６や熱移送用の第二金属体４、熱伝導フレーム１２等を集約でき、１つの半導体素子に対する他の部品点数の削減が可能となる。また、電力用半導体装置の内部から取り出す電極フレームの数を削減することができる。よって、一つの半導体素子毎に一つの電力用半導体装置を形成する場合に比べ、冷却材と電力用半導体装置からなる冷却系の容積や、複数の電力用半導体装置から構成される電力変換器の主回路の容積を削減することができ、小型化が可能となる。
なお、第一金属体３に接合される複数の半導体素子は、本実施の形態で示した例に限定されるものではなく、二つ以上でも良く、同種のものであっても良い。例えば、ＩＧＢＴ素子を複数備える場合には、一つの電力用半導体装置内に並列接続のＩＧＢＴ素子を内蔵することから、ＩＧＢＴ素子毎に個別の電力用半導体装置により電力変換器を構成する場合に比べてＩＧＢＴ素子のスイッチング信号が各ＩＧＢＴ素子のゲート電極へ至るまでの経路長を均等化できる。したがって、並列接続のＩＧＢＴ素子のターンオン、ターンオフのタイミングのばらつきが低減され、特定のＩＧＢＴ素子へ導通電流が集中して破損する危険を回避できるという効果が得られる。
実施の形態６．
図９は、本発明の実施の形態６におけるモールド樹脂封止型電力用半導体装置を構成する半導体素子の電気回路構成を示す回路図である。また、図１０は、本実施の形態における電力用半導体装置の構造を示しており、（ａ）は上面視による内部構造図、（ｂ）は図１０（ａ）中Ａ−Ａ線による断面図である。なお、図１０中、図1及び図８と同一または相当部分には同一符号を付している。
本実施の形態における電力用半導体装置１Ｂは、複数の半導体素子として、ＩＧＢＴ素子２１Ｈ、２１Ｌ、及びダイオード素子２２Ｈ、２２Ｌと、それぞれ複数の第一金属体３Ｈ、３Ｌ、第二金属体４Ｈ、４Ｌ、第一電極フレーム５Ｈ、５Ｌ、第二電極フレーム６Ｈ、６Ｌ及び熱伝導フレーム１２Ｈ、１２Ｌを備えている。複数の第一金属体３Ｈ、３Ｌ及び第二金属体４Ｈ、４Ｌそれぞれの側面の一部は、絶縁性良熱伝導接合部材１１を介して接合されている。
具体的には、第一金属体３Ｈの一側面と第二金属体４Ｈの一側面、第一金属体３Ｌの一側面と第二金属体４Ｌの一側面、さらに、第一金属体３Ｈの一側面と第一金属体３Ｌの一側面の三箇所が絶縁性良熱伝導接合部材１１を介して接合されている。さらに、第一金属体３Ｈ、３Ｌ及び第二金属体４Ｈ、４Ｌそれぞれの底面に共通の熱伝導層９を接合し、これらをモールド樹脂８で一体に被覆したものである。
本実施の形態では、図９に示すように、ＩＧＢＴ素子２１Ｈ、２１Ｌとダイオード素子２２Ｈ、２２Ｌの逆並列接続体を、高電位相と低電位相に直列接続しており、インバータ等の電力変換器のアームとなる電気回路を構成している。すなわち、高電位相の逆並列接続体としてＩＧＢＴ素子２１Ｈのコレクタ（ＣＨ）とダイオード素子２２Ｈのカソードが電気的に接続し同電位であり、ＩＧＢＴ素子２１Ｈのエミッタ（ＥＨ）とダイオード素子２２Ｈのアノードが電気的に接続し同電位である。
同様に、低電位相の逆並列接続体としてＩＧＢＴ素子２１Ｌのコレクタ（ＣＨ）とダイオード素子２２Ｌのカソードが電気的に接続し同電位であり、ＩＧＢＴ素子２１Ｌのエミッタ（ＥＬ）とダイオード素子２２Ｌのアノードが電気的に接続し同電位である。さらに、ＩＧＢＴ素子２１Ｈのエミッタ（ＥＨ）とＩＧＢＴ素子２１Ｌのコレクタ（ＣＬ）を接続し逆並列接続体を直列に接続している。これを電力用半導体装置１Ｂとして実装すると、図１０に示すような構造となる。
なお、図９に示す電気回路構成は、図７（実施の形態５）に示す電気回路構成２つを高電位相と低電位相に直列接続したものであり、その内部構成も図８に示す電力用半導体装置１Ａの内部構成２つを結合したものとなっている。
本実施の形態における電力用半導体装置１Ｂの内部構成について、図１０を用いて説明する。まず、高電位相逆並列接続体として、ＩＧＢＴ素子２１Ｈとダイオード素子２２Ｈは共に導電性接合部材７を介して第一金属体３Ｈの上面に接合されている。ＩＧＢＴ素子２１Ｈの底面すなわち第一金属体３Ｈとの接合面にはコレクタ電極（図示せず）が形成されており、これと対向する上面にはエミッタ電極（図示せず）と制御電極２６Ｈが形成されている。また、ダイオード素子２２Ｈの底面すなわち第一金属体３Ｈとの接合面にはカソード電極（図示せず）が形成されており、これと対向する上面にはアノード電極（図示せず）が形成されている。ＩＧＢＴ素子２１Ｈのコレクタ電極とダイオード素子２２Ｈのカソード電極は第一金属体３Ｈを介して電気的に接続している。
一方、ＩＧＢＴ素子２１Ｈのエミッタ電極とダイオード素子２２Ｈのアノード電極には、第二電極フレーム６Ｈが接合されている。また、第一金属体３Ｈの上面の周縁部には第一電極フレーム５Ｈが電気伝導性を持つよう接合されている。また、第一金属体３Ｈの側面と第二金属体４Ｈの側面は絶縁性良熱伝導接合部材１１により接合されており、相互に熱を授受できる。
さらに、ＩＧＢＴ素子２１Ｈ及びダイオード素子２２Ｈの上面側は、良熱伝導接合部材１０を介して共に熱伝導フレーム１２Ｈに接合されている。平板状金属からなる熱伝導フレーム１２Ｈは、一端をＩＧＢＴ素子２１Ｈ及びダイオード素子２２Ｈの上面に、他端を第二金属体４Ｈの上面に、良熱伝導接合部材１０により接続されている。
同様に、低電位相逆並列接続体として、ＩＧＢＴ素子２１Ｌとダイオード素子２２Ｌは共に導電性接合部材７を介して第一金属体３Ｌの上面に接合されている。ＩＧＢＴ素子２１Ｌの底面すなわち第一金属体３Ｌとの接合面にはコレクタ電極（図示せず）が形成されており、これと対向する上面にはエミッタ電極（図示せず）と制御電極２６Ｌが形成されている。また、ダイオード素子２２Ｌの底面すなわち第一金属体３Ｌとの接合面にはカソード電極（図示せず）が形成されており、これと対向する上面にはアノード電極（図示せず）が形成されている。ＩＧＢＴ素子２１Ｌのコレクタ電極とダイオード素子２２Ｌのカソード電極は第一金属体３Ｌを介して電気的に接続している。
一方、ＩＧＢＴ素子２１Ｌのエミッタ電極とダイオード素子２２Ｌのアノード電極には、第二電極フレーム６Ｌが接合されている。また、第一金属体３Ｌの上面の周縁部には第一電極フレーム５Ｌが電気伝導性を持つよう接合されている。また、第一金属体３Ｌの側面と第二金属体４Ｌの側面は絶縁性良熱伝導接合部材１１により接合されており、相互に熱を授受できる。
また、ＩＧＢＴ素子２１Ｌ及びダイオード素子２２Ｌの上面側は、良熱伝導接合部材１０を介して共に熱伝導フレーム１２Ｌに接合されている。平板状金属からなる熱伝導フレーム１２Ｌは、一端をＩＧＢＴ素子２１Ｌ及びダイオード素子２２Ｌの上面に、他端を第二金属体４Ｌの上面に、良熱伝導接合部材１０により接続されている。
さらに、高電位相逆並列接続体用の第一金属体３Ｈと、低電位相逆並列接続体用の第一金属体３Ｌは、各々、第二金属体４Ｈ、第二金属体４Ｌとの接合面と対向する側面を絶縁性良熱伝導接合部材１１により接合されており、相互に熱を授受できる。
また、ＩＧＢＴ素子２１Ｈの制御電極２６Ｈは、線材２７Ｈにより制御端子２５Ｈと、ＩＧＢＴ素子２１Ｌの制御電極２６Ｌは、線材２７Ｌにより制御端子２５Ｌと、それぞれ電気的に接続される。さらに、低電位相逆並列接続体用の第一電極フレーム５Ｌは高電位相逆並列接続体用の第二電極フレーム６Ｈに接続される。これにより、ＩＧＢＴ素子２１Ｈのエミッタ（ＥＨ）とＩＧＢＴ素子２１Ｌのコレクタ（ＣＬ）が電気的に接続される。さらに、第一電極フレーム５Ｈの端部は高電位Ｐに、第二電極フレーム６Ｈの端部は出力電位Ｏに、第二電極フレーム６Ｌの端部は低電位Ｎに、それぞれ接続される。
第一金属体３Ｈ、３Ｌ及び第二金属体４Ｈ、４Ｌの底面は、全て略同一平面上に配置され、絶縁層９１及び金属層９２からなる熱伝導層９に接合される。これらのＩＧＢＴ素子２１Ｈ、２１Ｌ、ダイオード素子２２Ｈ、２２Ｌ、第一金属体３Ｈ、３Ｌ、第二金属体４Ｈ、４Ｌ、第一電極フレーム５Ｈ、５Ｌ、第二電極フレーム６Ｈ、６Ｌ、熱伝導フレーム１２Ｈ、１２Ｌ、及び熱伝導層９は、モールド樹脂８にて一体的に被覆され、電力用半導体装置１Ｂを構成する。ただし、電流取り出し口としての第一電極フレーム５Ｈ、第二電極フレーム６Ｈ、６Ｌの端部と、信号接続口としての制御端子２５Ｈ、２５Ｌの端部、及び熱伝導層９の金属層９２の冷却面９ｂはモールド樹脂８から露出している。露出された冷却面９ｂには冷却材３０が当接され、ＩＧＢＴ素子２１Ｈ、２１Ｌ、ダイオード素子２２Ｈ、２２Ｌで発生した熱は冷却材３０へ放熱される。
本実施の形態によれば、上記実施の形態１及び実施の形態５と同様の効果に加え、複数の半導体素子の並列接続体及び直列接続体、複数の第一金属体３Ｈ、３Ｌ、第二金属体４Ｈ、４Ｌ、第一電極フレーム５Ｈ、５Ｌ、第二電極フレーム６Ｈ、６Ｌ及び熱伝導フレーム１２Ｈ、１２Ｌを一つの電力用半導体装置１Ｂとして形成したので、上記実施の形態５よりもさらに１つの半導体素子に対する他の部品点数や電力用半導体装置の内部から取り出す電極フレーム数を削減することができる。よって、冷却材と電力用半導体装置からなる冷却系の容積や、複数の電力用半導体装置から構成される電力変換器の主回路の容積が削減でき、小型化が可能となる。
なお、本発明が適用可能な電力用半導体装置の構成は、本実施の形態で示した構成の他にも種々考えられる。例えば、三相のインバータとしてＩＧＢＴ素子とダイオード素子の逆並列接続体やＭＯＳ−ＦＥＴの高電位相と低電位相を三アーム分備えたものを、一つの電力用半導体装置として形成する際に適用することもできる。
さらに、上記実施の形態１〜６で示した構成要素、構造及び材料は、本発明を実現するための一例であって、これに限定されるものではなく、本発明の範囲内で別な構成要素、構造及び材料によって実現することができる。例えば、第一電極フレーム５と第一金属体３との接続、または、第二電極フレーム６と半導体素子２の接続は、アルミや金などの線材を用いたワイヤ接続であっても良い。
本発明にかかる電力用半導体装置は、ＤＣ-ＤＣコンバータやインバータ等の電力変換器の整流装置、開閉装置として利用することができる。
本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の構造を示す図である。 本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の放熱経路を示す図である。 本発明の実施の形態２における電力用半導体装置と冷却材の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態３における電力用半導体装置と冷却材の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態４における電力用半導体装置と冷却材の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態４における冷却材の構造を示す内部構造図である。 本発明の実施の形態５における電力用半導体装置を構成する半導体素子の電気回路構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態５における電力用半導体装置の上面視による内部構造図である。 本発明の実施の形態６における電力用半導体装置を構成する半導体素子の電気回路構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態６における電力用半導体装置の構造を示す図である。 従来の電力用半導体装置の構造を示す図である。
符号の説明
１、１Ａ、１Ｂ、１００ 電力用半導体装置、
２ 半導体素子、２ａ 上面、２ｂ 底面、
３、３Ｈ、３Ｌ 第一金属体、３ａ 上面、３ｂ 底面、
４、４Ｈ、４Ｌ 第二金属体、４ａ 上面、４ｂ 底面、
５、５Ｈ、５Ｌ 第一電極フレーム、６、６Ｈ、６Ｌ 第二電極フレーム、
７ 導電性接合部材、８ モールド樹脂、９ 熱伝導層、９ａ 接合面、９ｂ 冷却面、１０ 良熱伝導接合部材、１１絶縁性良熱伝導接合部材、
１２、１２Ｈ、１２Ｌ 熱伝導フレーム、１３ はんだ、１４ 絶縁板、
２１、２１Ｈ、２１Ｌ ＩＧＢＴ素子、
２２、２２Ｈ、２２Ｌ ダイオード素子、
２５、２５Ｈ、２５Ｌ 制御端子、２６、２６Ｈ、２６Ｌ 制御電極、
２７、２７Ｈ、２７Ｌ 線材、
３０ 冷却材、３１ 金属平板、３２ サーマルグリース、３３ 金属構造体、
３５ 流路カバー、３６ シール材、３７ 冷媒、
９１ 絶縁層、９２ 金属層、９３ 金属層凸部、９４ 溝部。

Claims (8)

  1. 相対向する上面と底面を有する電力用半導体素子と、
    相対向する上面Ａと底面Ａ、及び前記上面Ａと前記底面Ａで挟まれた側面Ａを有し、前記上面Ａに導電性接合部材を介して前記電力用半導体素子の前記底面側が接合された第一金属体と、
    相対向する上面Ｂと底面Ｂ、及び前記上面Ｂと前記底面Ｂで挟まれた側面Ｂを有し、前記底面Ｂが前記第一金属体の前記底面Ａと同一平面上に配置され、前記側面Ｂの少なくとも一部が絶縁性接合部材を介して前記第一金属体の前記側面Ａに接合された第二金属体と、
    前記第一金属体の前記上面Ａの周縁部に接合され前記電力用半導体素子の電流経路をなす第一電極フレームと、
    前記電力用半導体素子の前記上面側に接合され前記電力用半導体素子の電流経路をなす第二電極フレームと、
    一端を前記電力用半導体素子の前記上面側に、他端を前記第二金属体の前記上面Ｂに接合され、前記電力用半導体素子で発生した熱を前記第二金属体へ移送する熱伝導フレームと、
    少なくとも、前記電力用半導体素子、前記第一金属体、前記第二金属体、前記第一電極フレームの一部、前記第二電極フレームの一部、及び前記熱伝導フレームを被覆するモールド樹脂を備えた電力用半導体装置であって、
    前記第一金属体の前記底面Ａ及び前記第二金属体の前記底面Bに平行で且つ近接する平面を冷却面とし、この冷却面を冷却材に当接させて前記電力用半導体素子で発生した熱を放熱するようにしたことを特徴とする電力用半導体装置。
  2. 請求項1記載の電力用半導体装置であって、前記第一金属体の前記底面Ａ及び前記第二金属体の前記底面Ｂに接合され、少なくとも絶縁層を含む熱伝導層をさらに備え、前記熱伝導層の前記第一金属体の前記底面Ａ及び前記第二金属体の前記底面Ｂとの接合面と対向する面を、前記冷却面としたことを特徴とする電力用半導体装置。
  3. 請求項２記載の電力用半導体装置であって、前記熱伝導層は、前記接合面側から前記冷却面側に向かって少なくとも絶縁層と金属層が積層された多層構造であり、前記金属層は前記冷却面として前記モールド樹脂から露出されていることを特徴とする電力用半導体装置。
  4. 請求項３記載の電力用半導体装置であって、前記金属層の前記冷却面側は周期的な凹凸形状となっており、この凹凸形状の表面に前記冷却材である冷媒を接触させるようにしたことを特徴とする電力用半導体装置。
  5. 請求項1記載の電力用半導体装置であって、前記熱伝導フレームは、平板状金属からなることを特徴とする電力用半導体装置。
  6. 請求項１記載の電力用半導体装置であって、前記絶縁性接合部材は、優れた熱伝導性を有する材料から選ばれ、前記第一金属体と前記第二金属体は、前記電力用半導体素子で発生した熱を内部で拡散し、相互に授受しながら、それぞれの前記上面Ａ、Ｂ側から前記底面Ａ、Ｂ側へ移送することを特徴とする電力用半導体装置。
  7. 請求項1記載の電力用半導体装置であって、前記第一金属体の前記上面Ａには、複数の前記電力用半導体素子が接合されていることを特徴とする電力用半導体装置。
  8. 請求項1記載の電力用半導体装置であって、前記電力用半導体素子、前記第一金属体、前記第二金属体、前記第一電極フレーム、前記第二電極フレーム及び前記熱伝導フレームをそれぞれ複数備え、複数の前記第一金属体及び前記第二金属体それぞれの前記側面Ａ、Ｂの一部を前記絶縁性接合部材を介して互いに接合し、前記モールド樹脂で一体に被覆したことを特徴とする電力用半導体装置。
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