JP5445341B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体素子を備えた半導体装置に関する。

パワー半導体素子は電力用途に用いられる高耐圧の素子である。パワー半導体素子の電気的特性を維持するためにはパワー半導体素子は絶縁されている必要がある。同時に、高熱による劣化を防ぐために放熱性を高める必要もある。

パワー半導体素子の絶縁性を確保しつつ、その放熱性を高めるために、パワー半導体素子に絶縁板を介してヒートシンクを取り付けることがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−０７３９６５号公報

上述のように、パワー半導体素子の絶縁性を確保しつつ、その放熱性を高めるために、パワー半導体素子に絶縁板を介してヒートシンクが取り付けられる。ここで、絶縁板は熱伝導率の低い材料である。そのため、パワー半導体素子に絶縁板を介してヒートシンクを取り付けた場合、十分にパワー半導体素子の放熱ができないことがあった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、パワー半導体素子の絶縁性を確保しつつ、その放熱性を高めることができる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、絶縁冷媒の導入部及び導出部、並びに開口を有し、絶縁材料で形成された筐体と、該筐体の内部に導電性異物が侵入しないように、該導入部と該導出部に取り付けられたフィルタと、該筐体の外部に設けられたパワー半導体素子と、該パワー半導体素子にはんだを介して固着され、かつ該開口に挿入されることで該筐体の内部に伸びるヒートシンクと、該パワー半導体素子、及び該ヒートシンクのうち該筐体の外部に位置する部分を覆うように形成された絶縁体と、該パワー半導体素子に固着され、かつ該筐体の内部へ伸びる電極と、該筐体の内部に配置された該パワー半導体素子の付属部品と、該筐体の内部に配置され、該電極と該付属部品を接続する導体と、を備え、該絶縁体は、該電極のうち該筐体の外部に位置する部分を覆うことを特徴とする。

本発明によれば、パワー半導体素子の絶縁性を確保しつつ、その放熱性を高めることができる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。

実施の形態．
図１は本発明の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。半導体装置１０は筐体１２を備えている。筐体１２は絶縁材料で形成されている。筐体１２は、その内部に絶縁冷媒（空気）を流すために設けられている。筐体１２には絶縁冷媒の導入部１４が形成されている。導入部１４には複数の開口が設けられている。この開口の上流側には、絶縁冷媒を強制的に筐体１２の内部へ導入するためのファン１６が設置されている。また、このファン１６の上流側にはフィルタ１８ａが取り付けられている。フィルタ１８ａは、導電性異物が筐体１２の内部へ侵入することを防ぐために設けられている。

筐体１２には筐体１２の内部に導入された絶縁冷媒を筐体１２の外部に導出する導出部２０が形成されている。導出部２０には複数の開口が設けられている。この開口の下流には、フィルタ１８ｂが取り付けられている。フィルタ１８ｂは、導電性異物が筐体１２の内部へ侵入することを防ぐために設けられている。このように筐体１２の一方の側面には導入部１４が形成され、それと対向する他方の側面には導出部２０が形成されている。筐体１２にはさらに複数の開口１２ａが形成されている。複数の開口１２ａは筐体の１２の側面に形成されている。上述した筐体１２、導入部１４、ファン１６、フィルタ１８ａ、導出部２０、及びフィルタ１８ｂを総称して冷却ユニット２２と称することがある。

半導体装置１０はＩＧＢＴ２４を備えている。ＩＧＢＴ２４は上面にゲート及びエミッタを有し、下面にコレクタを有している。ＩＧＢＴ２４の上面のエミッタにははんだ２６を介して電極２８が固着されている。ＩＧＢＴ２４の下面のコレクタにははんだ３０を介してヒートシンク３２が固着されている。ヒートシンク３２には電極３４が固着されている。電極２８、電極３４、及びヒートシンク３２の一部は、上述した複数の開口１２ａに挿入され、筐体１２の内部に伸びている。

ＩＧＢＴ２４、はんだ２６及び３０、ヒートシンク３２のうち筐体１２の外部に位置する部分、並びに電極２８及び３４のうち筐体１２の外部に位置する部分は、絶縁体３６に覆われている。つまり、絶縁体３６は、冷却ユニット２２の外部に配置されたものを外部と絶縁している。

筐体１２の内部にはリアクトル３８が配置されている。リアクトル３８はＩＧＢＴ２４の付属部品であり、ＩＧＢＴ２４とともに用いられる。リアクトル３８は、ブスバー４０を介して電極２８及び３４と接続されている。ここで、ブスバー４０は絶縁されていない状態で筐体１２の内部に配置されている。

本発明の実施の形態に係る半導体装置１０によれば、ＩＧＢＴ２４、はんだ２６及び３０、ヒートシンク３２のうち筐体１２の外部に位置する部分、並びに電極２８及び３４のうち筐体１２の外部に位置する部分が絶縁体３６により覆われる。また、複数の開口１２ａから筐体１２の内部に伸びる電極２８及び３４、並びにヒートシンク３２は、筐体１２並びに、フィルタ１８ａ及び１８ｂにより外部から絶縁された状態である。よって、本発明の実施の形態に係る半導体装置１０によれば、ＩＧＢＴ２４の絶縁性を確保できる。

さらに、本発明の実施の形態に係る半導体装置１０によれば、ＩＧＢＴ２４の放熱性を高めることができる。すなわち、ヒートシンク３２の絶縁が確保されているため、ヒートシンク３２とＩＧＢＴ２４の間に絶縁板を介在させずに両者をはんだ付けできる。よって、ＩＧＢＴ２４の下面とヒートシンク３２の間の熱伝導率は高く、ＩＧＢＴ２４の放熱性を高めることができる。以上より、本発明の実施の形態に係る半導体装置１０によれば、ＩＧＢＴ２４の絶縁性を確保しつつ、その放熱性を高めることができる。

また、ブスバー４０やリアクトル３８は筐体１２内部に配置され、筐体１２並びにフィルタ１８ａ及び１８ｂにより外部から絶縁されている。そのため、これらを絶縁されていない状態で筐体１２内部へ配置することができ、これらの部品の放熱性も高めることができる。さらに、ファン１６により、絶縁冷媒を筐体１２内へ強制的に導入することができるため、筐体１２内の冷却効果を高めることができる。よって、例えば水冷システムなどの大規模な装置を要しないため、冷却のためのエネルギー消費量を低減できる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置１０によれば、リアクトル３８を筐体１２の内部に取り込んでいるため半導体装置１０を小型化できる。また、ＩＧＢＴ２４とリアクトル３８は筐体１２の内部でブスバー４０により接続されている。これによりＩＧＢＴ２４とリアクトル３８の間の配線長を短くできるため、ＩＧＢＴ２４は誘導ノイズなどの影響を受けづらくなりノイズ耐量を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置１０によれば、放熱の必要性の高いヒートシンク３２は導入部１４側に配置され、リアクトル３８は導出部２０側に配置されているため、ヒートシンク３２を優先的に冷却できる。

本発明は上述の構成に限定されない。例えば、ＩＧＢＴ２４に代えてフリーホイールダイオードその他のパワー半導体素子を用いてもよい。また、リアクトル３８に代えて整流用コンデンサーその他の付属部品を用いてもよい。また、ブスバー４０に代えて他の導体を用いてもよい。また、絶縁冷媒として空気を用いたが、フロン冷媒その他の絶縁冷媒であってもよい。また、導出部２０側から出る熱を熱交換システムの熱源として利用してもよい。

１０ 半導体装置、 １２ 筐体、 １４ 導入部、 １６ ファン、 １８ａ フィルタ、 １８ｂ フィルタ、 ２０ 導出部、 ２２ 冷却ユニット、 ２４ ＩＧＢＴ、 ３０ はんだ、 ３２ ヒートシンク、 ３６ 絶縁体、 ３８ リアクトル、 ４０ ブスバー

Claims (3)

1. 絶縁冷媒の導入部及び導出部、並びに開口を有し、絶縁材料で形成された筐体と、
   前記筐体の内部に導電性異物が侵入しないように、前記導入部と前記導出部に取り付けられたフィルタと、
   前記筐体の外部に設けられたパワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子にはんだを介して固着され、かつ前記開口に挿入されることで前記筐体の内部に伸びるヒートシンクと、
   前記パワー半導体素子、及び前記ヒートシンクのうち前記筐体の外部に位置する部分を覆うように形成された絶縁体と、
   前記パワー半導体素子に固着され、かつ前記筐体の内部へ伸びる電極と、
   前記筐体の内部に配置された前記パワー半導体素子の付属部品と、
   前記筐体の内部に配置され、前記電極と前記付属部品を接続する導体と、を備え、
   前記絶縁体は、前記電極のうち前記筐体の外部に位置する部分を覆うことを特徴とする半導体装置。
2. 前記導入部には、前記絶縁冷媒を前記筐体の内部に導入するファンが配置されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ヒートシンクは前記導入部側に配置され、
   前記付属部品は前記導出部側に配置されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。

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