JP5354083B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体チップが冷却器で冷却される半導体装置に関するものである。
インバータ回路などに用いられるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）は、空冷式や水冷式の冷却器で冷却されることがある（例えば特許文献１を参照）。
この空冷式の冷却器は一般的には大型になる傾向がある。このように冷却器が大型化されると、ＩＧＢＴとインバータ回路等を収めた筐体との絶縁が難しくなる。また、水冷式の冷却器は、水が導電性を有しているので、いわゆる強電を扱うＩＧＢＴでは、該ＩＧＢＴを構成する半導体チップと冷却器との電気的な絶縁が必要になる。そのため、空冷式、水冷式の何れの方式を採用したとしても、半導体チップと冷却器の間には絶縁部材が設けられるのが一般的である（例えば特許文献１を参照）。
特開２００５−１２３２３３号公報
しかしながら、前記のような絶縁部材を設けると、ＩＧＢＴと冷却器の間の熱抵抗が大きくなって冷却の効率が低下するし、装置のコストも増大するという問題がある。
本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、半導体チップが冷却器で冷却される半導体装置において、半導体チップと冷却器の間の絶縁部材を省略して冷却効率を向上させ、冷却機構の簡潔化と装置コストの削減を図ることを目的としている。
前記の課題を解決するため、第１の発明は、
半導体チップ（21,22）と、前記半導体チップ（21,22）を冷媒と熱交換させる冷却器（23,24,25）と、を備えた半導体装置であって、
前記冷媒は非導電性であり、
前記半導体チップ（21,22）と前記冷却器（23,24,25）とは、導電性の接続部材（28）を介して、又は直接的に接続されていることを特徴とする。
この構成では、冷媒が非導電性なので、半導体チップ（21,22）と冷却器（23,24,25）とが、導電性の接続部材（28）を介して又は直接的に接続されていても、冷媒を介して半導体チップ（21,22）から、例えば冷媒の供給源に電流が流れ出すことがない。
また、第１の発明は、
前記冷却器（23,24,25）は、電流を流すバスバーとして用いられることを特徴とする。
この構成では、冷却器（23,24,25）がバスバーに兼用される。
また、第１の発明は、
前記冷却器（23,24,25）は、前記半導体チップ（21,22）の電極（E,C,…）と接続されていることを特徴とする。
また、第１の発明は、
前記冷却器（23,24,25）は、前記半導体チップ（21,22）の両面に設けられていることを特徴とする。
また、第１の発明は、
前記半導体チップ（21,22）は複数であり、複数の半導体チップ（21,22）で１つの冷却器（23,24,25）を共用しつつ冷却器（23,24,25）及び半導体チップ（21,22）が積層されていることを特徴とする。
また、第１の発明は、
前記冷媒は、冷凍サイクルを行う冷媒回路（50）の冷媒であり、
前記冷却器（23,24,25）は、非導電性の配管部材（29）を介して前記冷媒回路（50）の配管（51）に接続されていることを特徴とする。
この構成では、冷媒回路（50）の配管（51）と冷却器（23,24,25）とが電気的に絶縁される。
また、第２の発明は、
第１の半導体装置において、
前記半導体チップ（21,22）は、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体デバイスであることを特徴とする。
ワイドバンドギャップ半導体の損失は、同容量の従来デバイス（例えばＳｉデバイス）よりも少ないので、この構成ではチップサイズをより小さくできる。
第１の発明によれば、冷媒を介して半導体チップ（21,22）から電流が流れ出すことがないので、半導体チップが冷却器で冷却される半導体装置において、半導体チップと冷却器の間の絶縁部材を省略して半導体装置の構造の簡略化を図ることが可能になる。これにより、半導体チップの冷却効率の向上、冷却機構の簡潔化、半導体装置のコスト増大の抑制も可能になる。
また、第１の発明によれば、配線部材を減らすことが可能になる。また、半導体チップから周辺部品に流れる熱を低減させるとともに、周辺部品を冷却することができる。そして、冷却器で半導体チップや周辺部品が冷却されるので、配線部材の断面積をより小さくできる。
また、第１の発明によれば、半導体チップの電極を冷却器と接続することで、半導体チップの電極に電流が流れて発熱した際に、十分に冷却することができる。特に、電極は電気的抵抗が低くなるように作られるので熱抵抗も低く、冷却器を電極につけることで冷却効果が向上する。また、電極は、半導体チップのジャンクションから電気的に近いので、本構成ではジャンクションを効果的に冷やせる。
また、第１の発明によれば、効率的に半導体チップ（21,22）を冷却することが可能になる。そして、この両面構造では、配線部材と半導体チップ（21,22）の間に絶縁層がないため、従来技術と比べて、配線部材を近く配置することが可能となる。これにより、配線の往復線路を近接配置したりすることでインダクタンスの低減でき、電気特性の改善が可能になる。
また、第１の発明によれば、冷却器（23,24,25）を複数の半導体チップ（21,22）で共用するので、半導体装置（20）の小型化が可能になる。
また、第１の発明によれば、冷媒回路（50）の配管（51）が導電性を有していても、半導体チップ（21）からの電流が該配管（51）を介して流れ出すことがない。
また、第２の発明によれば、装置の小型化が可能になる。
図１は、電力変換装置の構成例を示す回路図である。 図２は、実施形態に係る半導体装置の平面図である。 図３は、実施形態に係る半導体装置の断面図である。 図４は、スイッチング素子の構造の一例を示す図である。 図５は、冷凍サイクルを行う冷媒回路の一例である。 図６は、関連技術に係る半導体装置の断面図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
《発明の実施形態》
本発明の実施形態として、電力変換装置に用いられる半導体装置の例を説明する。図１は、電力変換装置（10）の構成例を示す回路図である。図２は、実施形態に係る半導体装置（20）の平面図である。また、図３は、実施形態に係る半導体装置（20）の断面図である。なお、図３は、図２のＡ−Ａ断面を示している。図２、及び図３では、半導体装置（20）に加え、電力変換装置（10）を構成する部品の一部も図示してある。
〈電力変換装置（10）の回路構成〉
電力変換装置（10）は、直流電源（11）、平滑コンデンサ（12）、及び半導体装置（20）を備えている。直流電源（11）は、ブリッジ接続された６つのダイオード（D）を備え、三相交流電源（60）から入力された交流を全波整流する。平滑コンデンサ（12）は、直流電源（11）の出力を平滑化する電解コンデンサであり、リアクトル（L）を介して直流電源（11）に接続されている。
〈半導体装置（20）〉
−回路構成−
半導体装置（20）は、電力変換装置（10）におけるインバータ回路（40）を構成している。インバータ回路（40）は、複数（この例では６個）のスイッチング素子（21）がブリッジ結線されて構成されている。詳しくは、インバータ回路では、２つのスイッチング素子（21）を互いに直列接続してなるスイッチングレグ（41）を３つ備えている。各スイッチングレグ（41）において上アームのスイッチング素子（21）と下アームのスイッチング素子（21）との中点が、モータ（70）に接続されている。また、各スイッチング素子（21）には、還流ダイオード（22）が逆並列に接続されている。インバータ回路（40）は、入力ノードが平滑コンデンサ（12）に並列に接続されている。
−全体構造−
半導体装置（20）は、図２，３に示すように、スイッチング素子（21）、還流ダイオード（22）、伝導ブロック（27）、制御ピン（30）、絶縁封止材（31）、及び三種類のバスバー（Ｎ相バー（23）、Ｐ相バー（24）、及び出力バー（25））を備えている。この例では、Ｎ相、及びＰ相バー（23,24）は、それぞれ１つずつ設けられている。出力バー（25）は３つ設けられている。スイッチング素子（21）、還流ダイオード（22）、及び制御ピン（30）は、それぞれ６個ずつ設けられている。なお、図３等では、複数存在する構成要素には、必要に応じて符号に枝番（-１，-２…）を付して識別してある。
半導体装置（20）では、図３に示すように、スイッチング素子（21）、伝導ブロック（27-1）、出力バー（25）、スイッチング素子（21）、及び伝導ブロック（27-2）がこの順で積層（後に詳述する）されてスイッチングレグ（41）を構成している。図３は、Ｗ相のスイッチングレグ（41）の断面を示している。他のＵ相、及びＶ相も同様の構造である。
Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各スイッチングレグ（41）は、Ｎ相、及びＰ相バー（23,24）によって挟み込まれている。そして、半導体装置（20）は、絶縁性を有した絶縁封止材（31）でモールドされている。これにより、半導体装置（20）と他の部品との絶縁を保つことが可能になる。絶縁封止材（31）は、例えば樹脂である。前記モールドによって、それぞれのスイッチングレグ（41）の近傍には、制御ピン（30）が２つずつ固定されている。
−スイッチング素子（21）、還流ダイオード（22）−
それぞれのスイッチング素子（21）は、ＩＧＢＴである。図４は、スイッチング素子（21）の構造例を示す図である。１つのスイッチング素子（21）は、１つのベアチップとして形成されている。図４に示すように、ベアチップの一方の面には、コレクタ（C）が形成され、もう一方の面にエミッタ（E）とゲート（G）がそれぞれ形成されている。スイッチング素子（21）は、本発明の半導体チップの一例である。
また、１つの還流ダイオード（22）は、１つのベアチップとして形成されている。還流ダイオード（22）を構成するベアチップは、一方の面にカソード（K）が形成され、もう一方の面にアノード（A）が形成されている。還流ダイオード（22）も、本発明の半導体チップの一例である。
−バスバー−
それぞれのバスバー（23,24,25）は、電流を流す配線部材としての機能と、スイッチング素子（21）や還流ダイオード（22）を冷却する冷却器としての機能とを有している。それぞれのバスバー（23,24,25）は、図２，３に示すように、板状の形態を有している。それぞれのバスバー（23,24,25）は、アルミニウムあるいは銅などの導電性及び伝熱性を有した材料で形成されている。それぞれのバスバー（23,24,25）の一端には、電極部（23a,24a,25a）がそれぞれ形成されている。それぞれの電極部（23a,24a,25a）は、図２，３に示すように、絶縁封止材（31）から露出している。
それぞれのバスバー（23,24,25）には、銅で形成された配管（26）が内部に埋め込まれている。各スイッチング素子（21）及び各伝導ブロック（27）は、図３に示すように、これらの配管（26）が真下あるいは真上を通るようになっている。配管（26）において、各スイッチング素子（21）や各伝導ブロック（27）の真下あるいは真上を通る部分の表面積は、スイッチング素子（21）及び還流ダイオード（22）の放熱（後述）の量に応じて決定する。この例では、図２に示すように、Ｎ相、及びＰ相バー（23,24）の配管（26）は、蛇行するように配置されている。また、出力バー（25）の配管（26）は、概ねＵ字状をしている。
それぞれの配管（26）の両端には、非導電性の接続配管（29）が接続されている。接続配管（29）は、セラミックで形成してある。接続配管（29）は、本発明の、非導電性の配管部材の一例である。
−バスバーとスイッチング素子等との接続−
本実施形態では、スイッチング素子（21）等の上下の向き（上側、下側、上面、下面等)は、図３における上下をいうものとする。
既述の通り、出力バー（25）は３つあり、１つの出力バー（25）には１つのスイッチングレグ（41）に対応する２つのスイッチング素子（21）が接続されている。各バスバー（23,24,25）とスイッチング素子（21）等との接続は、各スイッチングレグ（41）とも同様なので、図３に示したＷ相を例に説明する。
図３に示した例では、上側に図示したスイッチング素子（21）が下アーム側のスイッチング素子であり、下側に図示したスイッチング素子（21）が上アーム側のスイッチング素子である。図３の例では、Ｐ相バー（24）には、上アーム側のスイッチング素子（21）が搭載されている。具体的には、スイッチング素子（21）のコレクタ（C）が、図３に示すように、半田（28）によってＰ相バー（24）の上面に接続されている。このように、接続に半田（28）を用いることで、両者は電気的且つ熱的に接続される。半田（28）は、本発明の接続部材の一例である。
上アーム側スイッチング素子（21）は、エミッタ（E）が、半田（28）によって、伝導ブロック（27-1）の下面に接続されている。そして、伝導ブロック（27-1）の上面は、半田（28）によって、出力バー（25）の下面に接続されている。これにより上アーム側スイッチング素子（21）のエミッタ（E）は、伝導ブロック（27-1）を介して、出力バー（25）に電気的、且つ熱的にそれぞれ接続されることになる。また、上アーム側スイッチング素子（21）のゲート（G）は、近傍の制御ピン（30-1）に、ワイヤ配線（W）によって接続されている。
下アーム側のスイッチング素子（21）は、コレクタ（C）が、半田（28）によって、出力バー（25）の上面に接続されている。下アーム側スイッチング素子（21）のエミッタ（E）は、伝導ブロック（27-2）の下面と、半田（28）によって接続されている。また、下アーム側スイッチング素子（21）のゲート（G）は、近傍の制御ピン（30-2）にワイヤ配線（W）で接続されている。そして、伝導ブロック（27-2）の上面は、Ｎ相バー（23）の下面と、半田（28）によって接続されている。
なお、図３等では、図示を省略してあるが、還流ダイオード（22）は、スイッチング素子（21）と並んで設置され、スイッチング素子（21）と同様にＮ相、及びＰ相バー（23,24）と電気的且つ熱的に接続されている。例えば、上アーム側の還流ダイオード（22）は、カソード（K）がＰ相バー（24）の上面に半田（28）によって接続され、アノード（A）が伝導ブロック（27-1）の下面に半田（28）によって接続されている。
Ｎ相、及びＰ相バー（23,24）の電極部（23a,24a）は、図２，３に示すように平板状に形成されて、絶縁材（32）を挟んで互いに対向している。これらの電極部（23a,24a）には、端子（例えば貫通孔）が設けられて平滑コンデンサ（12）が接続されている。出力バー（25）の電極部（25a）は、インバータ回路（40）の出力端子として機能する。なお、それぞれの電極部（23a,24a,25a）は、図２，３に示すように、絶縁封止材（31）から露出している。
−冷媒回路（50）との接続−
各バスバー（23,24,25）の配管（26）は、接続配管（29）を介して、冷凍サイクルを行う冷媒回路（50）に接続され、その内部に冷媒が流通するようになっている。図５は、冷凍サイクルを行う冷媒回路（50）の一例である。冷媒回路（50）は、圧縮機（52）、室外熱交換器（53）、膨張弁（54）、四方切換弁（55）、及び室内熱交換器（56）を備え、これらが配管（51）で接続されている。冷媒回路（50）は、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う。冷媒回路（50）で使用される冷媒は非導電性である。
室内熱交換器（56）は、クロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成され、冷媒を室外空気と熱交換させる。圧縮機（52）には、例えばスクロール圧縮機などの種々の圧縮機を採用できる。室外熱交換器（53）は、クロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成され、冷媒を室外空気と熱交換させる。膨張弁（54）は、室外熱交換器（53）と室内熱交換器（56）に接続され、流入した冷媒を膨張させて、所定の圧力まで減圧させてから流出させる。この例では膨張弁（54）は、開度可変の電子膨張弁で構成されている。四方切換弁（55）は、第１から第４の４つのポートが設けられ、第１ポートと第３ポートが連通すると同時に第２ポートと第４ポートが連通する第１状態（図１に実線で示す状態）と、第１ポートと第４ポートが連通すると同時に第２ポートと第３ポートが連通する第２状態（図１に破線で示す状態）とに切り換え可能となっている。四方切換弁（55）の第１ポートは圧縮機（52）の吐出ポートに、第２ポートは圧縮機（52）の吸入ポートにそれぞれ接続されている。また、第３ポートは室外熱交換器（53）及び膨張弁（54）を介して室内熱交換器（56）の一端に、第４ポートは室内熱交換器（56）の他端にそれぞれ接続されている。冷媒回路（50）において冷房運転が行われる場合には第１状態に切り替えられ、暖房運転が行われる場合には第２状態に切り替えられる。
この例では、各バスバー（23,24,25）の配管（26）は、室外熱交換器（53）と膨張弁（54）の間に配管（26）が接続され、冷媒が循環する。
〈スイッチング素子（21）、還流ダイオード（22）の冷却〉
各スイッチング素子（21）や還流ダイオード（22）の端子は、半田（28）によって何れかのバスバー（23,24,25）に電気的に接続されているので、スイッチング素子（21）のスイッチングに応じてバスバー（23,24,25）には電流が流れる。また、このスイッチングにともなって、スイッチング素子（21）や還流ダイオード（22）は熱を発生する。
一方、冷媒回路（50）において冷凍サイクルが行われると、それぞれのバスバー（23,24,25）には、冷媒が流通する。各スイッチング素子（21）や還流ダイオード（22）は、半田（28）によって何れかのバスバー（23,24,25）に熱的に接続されているので、スイッチング素子（21）及び還流ダイオード（22）は、接続されたバスバー（23,24,25）において、前記冷媒に放熱し冷却される。この例では、Ｎ相バー（23）及びＰ相バー（24）は、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各相のスイッチング素子（21）の冷却に共用されている。また、それぞれの出力バー（25）は、スイッチングレグ（41）内のスイッチング素子（21）の冷却に共用されている。すなわち、複数の半導体チップで１つの冷却器を共用している。
既述の通り、それぞれのバスバー（23,24,25）には、スイッチング素子（21）のスイッチングに応じて電流が流れることになる。しかしながら、それぞれのバスバー（23,24,25）は、非導電性の接続配管（29）を介して冷媒回路（50）の配管（51）と接続されているので、バスバー（23,24,25）の配管（26）と、冷媒回路（50）の配管（51）とは電気的に絶縁される。
例えば、配管（51）に非導電性のものを用いたとしても冷媒が導電性を有していると、バスバー（23,24,25）と冷媒回路（50）とが電気的に繋がる。しかしながら、本実施形態では、冷媒も非導電性なので、バスバー（23,24,25）は、冷媒回路（50）とは冷媒を介して電気的につながらない。したがって、本実施形態では、半導体装置（20）と冷媒回路（50）の電気的絶縁が確保される。
〈本実施形態における効果〉
以上のように、本実施形態では、冷却器（バスバー（23,24,25））と、半導体チップ（スイッチング素子（21）等）との間に絶縁部材を設けることなく、半導体装置（20）と冷媒回路（50）の電気的絶縁が確保される。したがって、半導体チップが冷却器で冷却される半導体装置において、半導体チップと冷却器の間の絶縁部材を省略して半導体装置の構造の簡略化を図ることが可能になる。これにより、半導体チップの冷却効率の向上、冷却機構の簡潔化、半導体装置のコスト増大の抑制も可能になる。また、スイッチング素子（21）のスイッチングで生ずるノイズが半導体装置（20）の外部に流出するのを防止することも可能になる。
また、Ｐ相バー（24）の電極部（24a）とＮ相バー（23）の電極部（23a）とが対向しているので、Ｎ相、及びＰ相バー（23,24）の低インピーダンス化が可能になる。
また、半導体チップがＰ相バー（24）とＮ相バー（23）に直接的に接続されるので、半導体チップとバスバーの接合面積を大きくし、半導体チップとバスバー間の配線インピーダンスを低減させることが可能になる。それにより、半導体チップにかかるサージ電圧を抑制し、スイッチングを高速化することが可能となる。
《発明の関連技術》
図６は、関連技術に係る半導体装置（20）の断面図である。関連技術の半導体装置（20）は、スイッチングレグ（41）の構造が実施形態とは異なっている。なお、本関連技術では、スイッチング素子（21）等の上下の向き（上側、下側、上面、下面等)は、図６における上下をいうものとする。
〈半導体装置（20）の構造〉
図６は、Ｗ相のスイッチングレグ（41）を示している。他のＵ相、及びＶ相も同様の構造である。この半導体装置（20）でも、出力バー（25）は３つ、Ｎ相、及びＰ相バー（23,24）はひとつずつ設けられている。図６の例では、同図左側のスイッチング素子（21）が上アーム側のスイッチング素子であり、右側のスイッチング素子（21）が下アーム側のスイッチング素子である。各バスバー（23,24,25）とスイッチング素子（21）等との接続は、各スイッチングレグ（41）とも同様なので、図６に示したＷ相を例に説明する。
本関連技術のスイッチングレグ（41）では、上アーム側のスイッチング素子（21）は、図６に示すように、コレクタ（C）側の面が、半田（28）によって出力バー（25）の上面に接続されている。上アーム側スイッチング素子（21）のエミッタ（E）は伝導ブロック（27-1）と半田（28）によって接続されている。
伝導ブロック（27-1）の上面には、Ｐ相バー（24）が半田（28）で接続されている。これにより、上アーム側スイッチング素子（21）のエミッタ（E）は、Ｐ相バー（24）と電気的且つ熱的に接続される。
また、出力バー（25）上面には、伝導ブロック（27-2）が上アーム側スイッチング素子（21）と並んで搭載されている。出力バー（25）と伝導ブロック（27-2）とは、半田（28）によって接続されている。下アーム側のスイッチング素子（21）のエミッタ（E）は、伝導ブロック（27-2）の上面に半田（28）によって接続されている。下アーム側スイッチング素子（21）のコレクタ（C）には、Ｎ相バー（23）が半田（28）によって接続されている。
それぞれのバスバー（23,24,25）には、銅で形成された配管（26）が内部に埋め込まれている。各スイッチング素子（21）及び各伝導ブロック（27）は、図６に示すように、これらの配管（26）が真下あるいは真上を通るようになっている。配管（26）において、各スイッチング素子（21）や各伝導ブロック（27）の真下あるいは真上を通る部分の表面積は、スイッチング素子（21）及び還流ダイオード（22）の放熱（後述）の量に応じて決定する。それぞれの配管（26）の両端には、構成された、非導電性の接続配管（29）が接続されている。
そして、半導体装置（20）は、絶縁性を有した絶縁封止材（31）がモールドされている。これにより、半導体装置（20）と他の部品との絶縁を保つことが可能になる。絶縁封止材（31）は、例えば樹脂である。前記モールドによって、各スイッチングレグ（41）の近傍には、制御ピン（30）が固定されている。各スイッチング素子（21）のゲート（G）は、隣接する制御ピン（30）とワイヤ配線（W）で接続されている。また、各バスバー（23,24,25）の配管（26）は、接続配管（29）を介して冷媒回路（50）の配管（51）に接続され、各配管（26）において前記冷媒が循環するようになっている。
〈本関連技術における効果〉
本関連技術でも各スイッチング素子（21）や還流ダイオード（22）の端子は、半田（28）によって何れかのバスバー（23,24,25）に電気的に接続されているので、スイッチング素子（21）のスイッチングに応じてバスバー（23,24,25）には電流が流れる。
また、各スイッチング素子（21）や還流ダイオード（22）は、半田（28）によって何れかのバスバー（23,24,25）に熱的に接続されているので、スイッチング素子（21）及び還流ダイオード（22）は、接続されたバスバー（23,24,25）において、前記冷媒に放熱し冷却される。
したがって、本関連技術でも、実施形態と同様の効果を得ることが可能になる。
《その他の実施形態》
なお、必ずしも全てのバスバー（23,24,25）に冷媒を流す必要はない。何れのバスバー（23,24,25）に冷媒を流すかは、スイッチング素子（21）等の放熱量に応じて決めればよい。
また、還流ダイオード（22）は、半導体装置（20）の外部に設けることも可能である。
また、各配管（26）を直列接続することで、冷媒回路（50）との接続では、冷媒の入り口と出口が一組になり、容易に接続することができる。
また、配管（26）の一部をバスバー（23,24,25）から露出させて、温度を検出できるようにしてもよい。こうすることで、冷媒の温度制御が可能になる。
スイッチング素子（21）として採用したＩＧＢＴは例示である。その他に、スイッチング素子（21）には、ＦＥＴなどを用いることができる。
例えば、スイッチング素子（21）には、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体デバイス（以下、ワイドバンドギャップ半導体デバイス）を用いるのがより好適である。ワイドバンドギャップ半導体としては、ＳｉＣ（Silicon carbide）が一例として挙げられる。
ワイドバンドギャップ半導体デバイスを用いることで、デバイスの小型化が可能となる。すなわち、ワイドバンドギャップ半導体（例えばＳｉＣデバイス）は、従来デバイス（例えばＳｉデバイス）よりも損失が少ないので、同容量の従来デバイスよりもチップサイズを小さくできる。
ところが、一般的には、配線（バスバー）の断面積は電流の大きさで決められるため、ＳｉＣデバイスなどのワイドバンドギャップ半導体デバイスにも、電流の大きさに適した太さの配線が必要となる。その結果として、従来の装置では、単にワイドバンドギャップ半導体デバイスを用いても、装置全体としては小型化し難い。これに対し本実施形態では、冷却器（23,24,25）をバスバーとして使うので、バスバーの小型化が可能になる。その結果として、装置全体の小型可能となる。
また、ワイドバンドギャップ半導体デバイスを用いると、周辺部品を低温で使うことが可能となる。ワイドバンドギャップ半導体デバイスは、高温（例えば４００℃以上）で使うことが可能である。しかしながら、周辺のコンデンサーなどの使用温度はそれよりも低い温度（例えば１００℃程度）である。そのため、従来の銅バスバーで、ワイドバンドギャップ半導体デバイスと周辺部品を接続するには、周辺部品を遠く配置したり、デバイスの使用温度を下げたりする必要があり、ワイドバンドギャップ半導体デバイスのメリットを発揮できない。
これに対し、本実施形態では、バスバー（23,24,25）を冷媒で冷やすので、半導体チップ（21,22）（デバイス）の温度が周辺部品に伝わり難い。それゆえ、ワイドバンドギャップ半導体デバイスを高温で使用することが可能となる。さらに、コンデンサなどを冷却する効果があり、長寿命使用が可能となる。
また、ワイドバンドギャップ半導体デバイスを用いると、デバイスの熱抵抗を低減して、小型デバイスを実現することが可能になる。ワイドバンドギャップ半導体デバイスの熱伝導率は、従来のデバイス（例えばＳｉデバイス）よりも大きい（熱抵抗が小さい）。そのため、絶縁層（冷却器と半導体チップとの間の絶縁部材）の熱抵抗がトータル熱抵抗に占める割合が大きくなる。本実施形態では、絶縁層を無くすことで、装置全体の熱抵抗を下げ、より小型のデバイスを実現することが可能になる。
本発明は、半導体チップが冷却器で冷却される半導体装置として有用である。
２０ 半導体装置
２１ スイッチング素子（半導体チップ）
２２ 還流ダイオード（半導体チップ）
２３ Ｎ相バー（冷却器）
２４ Ｐ相バー（冷却器）
２５ 出力バー（冷却器）
２８ 半田（接続部材）
２９ 接続配管（配管部材）
５０ 冷媒回路
５１ 配管

Claims (2)

  1. 半導体チップ（21,22）と、前記半導体チップ（21,22）を冷媒と熱交換させる冷却器（23,24,25）と、を備えた半導体装置であって、
    前記冷媒は非導電性であり、
    前記半導体チップ（21,22）と前記冷却器（23,24,25）とは、導電性の接続部材（28）を介して、又は直接的に接続され、
    前記冷却器（23,24,25）は、電流を流すバスバーとして用いられ、
    前記冷却器（23,24,25）は、前記半導体チップ（21,22）の電極（E,C,…）と接続され、
    前記冷却器（23,24,25）は、前記半導体チップ（21,22）の両面に設けられ、
    前記半導体チップ（21,22）は複数であり、複数の半導体チップ（21,22）で１つの冷却器（23,24,25）を共用しつつ冷却器（23,24,25）及び半導体チップ（21,22）が積層され、
    前記冷媒は、冷凍サイクルを行う冷媒回路（50）の冷媒であり、
    前記冷却器（23,24,25）は、非導電性の配管部材（29）を介して前記冷媒回路（50）の配管（51）に接続されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１の半導体装置において、
    前記半導体チップ（21,22）は、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体デバイスであることを特徴とする半導体装置。
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013219192A1 (de) * 2013-09-24 2015-03-26 Conti Temic Microelectronic Gmbh Leistungsmodul, Stromrichter und Antriebsanordnung mit einem Leistungsmodul
JP2015095560A (ja) * 2013-11-12 2015-05-18 株式会社デンソー パワーモジュール
CN104467458B (zh) * 2014-11-17 2017-01-18 广州擎天实业有限公司 适用于大电流传输的水冷层叠母线排的同步整流装置
JP6925279B2 (ja) * 2015-04-13 2021-08-25 アーベーベー・シュバイツ・アーゲーＡＢＢ Ｓｃｈｗｅｉｚ ＡＧ パワーエレクトロニクスモジュール
DE102016202748A1 (de) * 2016-02-04 2017-08-10 Siemens Aktiengesellschaft Reihenschaltungsanordnung von Leistungshalbleitern
EP3232470B1 (en) * 2016-04-13 2019-01-02 ABB Schweiz AG Cooling of wide bandgap semiconductor devices
EP3249686A1 (en) * 2016-05-24 2017-11-29 Mitsubishi Electric R&D Centre Europe B.V. A power module
US10607919B2 (en) * 2017-04-28 2020-03-31 Semiconductor Components Industries, Llc Semiconductor package having junction cooling pipes embedded in substrates
WO2019012677A1 (ja) * 2017-07-14 2019-01-17 新電元工業株式会社 電子モジュール
US10373890B1 (en) * 2018-04-09 2019-08-06 Infineon Technologies Ag Cooling techniques for semiconductor package
JP2020027904A (ja) * 2018-08-15 2020-02-20 株式会社東芝 半導体装置および電力変換器
US10651761B2 (en) * 2018-09-14 2020-05-12 Hamilton Sundstrand Corporation Power converters with segregated switch and drive modules
DE102019203399A1 (de) * 2019-03-13 2020-09-17 Mahle International Gmbh Elektrische Stromschienen-Anordnung
JP7255453B2 (ja) * 2019-11-06 2023-04-11 株式会社オートネットワーク技術研究所 回路構成体
WO2023249000A1 (ja) * 2022-06-23 2023-12-28 ニデック株式会社 半導体モジュール
DE102022207676A1 (de) 2022-07-27 2024-02-01 Zf Friedrichshafen Ag Halbleitermodul

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4192396B2 (ja) * 2000-04-19 2008-12-10 株式会社デンソー 半導体スイッチングモジュ−ル及びそれを用いた半導体装置
JP4292913B2 (ja) * 2003-08-06 2009-07-08 株式会社デンソー 半導体冷却ユニット
JP4015975B2 (ja) * 2003-08-27 2007-11-28 三菱電機株式会社 半導体装置
JP2007251076A (ja) * 2006-03-20 2007-09-27 Hitachi Ltd パワー半導体モジュール
JP4935220B2 (ja) * 2006-07-21 2012-05-23 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール装置
US7977821B2 (en) * 2007-05-10 2011-07-12 Honeywell International Inc. High power density switch module with improved thermal management and packaging
US7999388B2 (en) * 2007-09-24 2011-08-16 Research Triangle Institute Preventing breakage of long metal signal conductors on semiconductor substrates
JP2010032071A (ja) * 2008-07-25 2010-02-12 Daikin Ind Ltd 冷凍装置における電装品ユニットの設置構造及び設置方法
JP2011142131A (ja) * 2010-01-05 2011-07-21 Daikin Industries Ltd 冷凍装置

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