JP6060053B2 - パワー半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、パワー半導体素子が実装された放熱基板とパワー半導体素子の主回路が形成された回路基板とを備えたパワー半導体装置に関する。
複数の基板が上下に重ねられた状態で配置され、1つの筐体内に収納されたパワー半導体装置は、集積化、小型化に優れている一方、筐体内に熱がこもりやすく、過度の昇温によって、基板および内部の電子部品が熱損傷を受けやすいという問題があった。
このような構成を有する従来のパワー半導体装置として、例えば特許文献1には、パワー半導体素子が実装された放熱基板と、パワー半導体素子を制御する回路が形成された回路基板(制御回路基板)とが1つの筐体内に収納された半導体装置が開示されている。パワー半導体素子と筐体内に埋め込まれたリードとは、ワイヤボンディングにより電気的に接続され、さらにリードのいくつかは回路基板に電気的に接続されている。また、リードの先端部が筐体外に突出しており、これによりパワー半導体素子から回路基板への熱の伝達が抑制され、回路基板の過度の昇温が抑制されている。
特開2012−227424
しかし、特許文献1のような構成では、リードから回路基板に伝わる熱に対する対策はなされているものの、回路基板に形成された導体パターン自体の発熱に対する対策はなされていない。ところで、パワー半導体装置の更なる小型化を図るためには、パワー半導体素子へ大電流を入出力する回路、即ち主回路を回路基板上に形成することが考えられる。しかしこの場合、主回路は損失が大きいため、やはり回路基板に過度の昇温が生じるという問題が生じる。
本発明の目的は、放熱基板と主回路が形成された回路基板とを備えたパワー半導体装置において、回路基板の過度の昇温を抑制可能な小型の装置を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明によるパワー半導体装置は、
パワー半導体素子と、
導体部を有し、当該導体部の上にパワー半導体素子が実装された放熱基板と、
パワー半導体素子の主電流経路を構成する主回路パターンが形成され、放熱基板に対向配置された回路基板と、
パワー半導体素子の主電極と主回路パターンとを電気的に接続する導電部材と、
放熱基板の上で導体部から分離した部分と主回路パターンとを熱的に接続する伝熱部材とを備える。
本発明によれば、放熱基板と主回路パターンが形成された回路基板とを備えたことで小型化されたパワー半導体装置において、主回路パターンから放熱基板に向けての放熱経路が伝熱部材により形成されて、回路基板の過度の昇温を抑制可能な装置が実現される。
本発明の実施の形態1によるパワー半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態1による伝熱リードの斜視図である。 本発明の実施の形態2によるパワー半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態2による伝熱リードの斜視図である。 本発明の実施の形態2の変形例によるパワー半導体装置の断面図である。
本発明の実施の形態であるパワー半導体装置について、以下で図を参照しながら説明する。なお、各図において、同一または同様の構成部分については同じ符号を付している。また、方向を表す用語「上」「下」は、使用時での装置の設置方向を限定するものではない。また、図1,3,5の断面図において、部材によっては図を簡単にするためハッチングを省略している。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1によるパワー半導体装置の断面図である。
パワー半導体装置100は、パワーチップ1が実装された放熱基板2と、放熱基板2に対向して配置された回路基板3と、放熱基板2と回路基板3との間に設けられたリード4(4a,4b),5と、放熱基板2を取り囲むように設けられた樹脂等からなる筐体6などを備える。筐体6は、シリコーンゲル等の絶縁性樹脂で充填されてもよい。
パワーチップ1は、Si、SiC(炭化珪素)等からなる、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、MOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)などのパワー半導体素子である。パワーチップ1は、はんだ、導電性接着剤などの導電性接合材(以下、はんだ等という)により、後述の導体部2aの上に接合されている。
パワーチップ1がIGBTの場合、例えば、そのおもて面(上面)には制御電極のゲート電極と主電極のエミッタ電極とが形成され、裏面(下面)には主電極のコレクタ電極が形成される。パワーチップ1がMOSFETの場合、例えば、そのおもて面には制御電極のゲート電極と主電極のソース電極とが形成され、裏面には主電極のドレイン電極が形成される。パワーチップ1の主電極は、リード4aなどを介して主回路端子10に接続されている。主回路端子10は回路基板3に固定され、装置外部へ延出している。一方、パワーチップ1の制御電極はワイヤ7を介して制御端子11に接続されており、これにより制御信号が制御電極に入力される。制御端子11は筐体6内に固定され、装置外部へ延出している。
放熱基板2は、導体部2a,2bを含む導体パターン層、絶縁層2cおよびベース板2dの3層構造からなる。導体部2aと導体部2bは互いに分離して形成される。導体部2a,2bは例えば銅箔であり、ベース板2dは銅、アルミニウム等の放熱性に優れた材料からなる。また、放熱基板2は、筐体6の下面に樹脂系接着剤等で接合されている。それゆえ、パワー半導体装置100の下面にはベース板2dが露出している。
パワー半導体装置100の使用時には、露出したベース板2dの下面に、放熱グリスを介してヒートシンク(図示せず)が取り付けられる。ヒートシンクの代わりに、内部を冷媒が流通する冷媒ジャケットなどの冷却器が取り付けられてもよい。
回路基板3は、紙フェノール、ガラスエポキシなどからなる周知のプリント配線板である。回路基板3のスルーホールには主回路端子10が挿入され、はんだ等で接合されている。回路基板3の下面には、銅箔等の主回路部3a,3bを含む主回路パターンが形成されている。回路基板3の下面に主回路パターン以外の導体パターンが形成されてもよい。また、回路基板3の上面にも図示しない導体パターンが形成されており、その上に電子部品9が実装されている。電子部品9は、例えば、パワーチップ1を制御するIC(集積回路)、抵抗、コンデンサなどの受動部品である。主回路部3a,3b、電子部品9および主回路端子10などにより、パワーチップ1に関わる回路が構成されている。また、回路基板3は筐体6の上に樹脂系接着剤等で接合されており、さらに回路基板3の上には蓋部8が取り付けられている。回路基板3はリード4,5から圧接荷重を受けるところ、蓋部8によりサポートされてたわみが防止される。
リード4a,4bは、導電性部材からなる、部材間の電気的接続のための導電リードである。導電リード4aの上端、下端は、それぞれ主回路部3a、パワーチップ1の主電極にはんだ等により接合されている。導電リード4bの上端、下端は、それぞれ主回路部3b、導体部2aにはんだ等により接合されている。なお、本発明はこれに限定されないが、導電リード4は、以下で説明する伝熱リード5と同一物である。同一物とすることで、部品点数を減らすことができ、製造コストを削減できる。
以上で説明したパワーチップ1、導体部2a、主回路部3a,3b、導電リード4、主回路端子10などにより、パワーチップ1の主電流経路である主回路が構成される。
次に、図2を用いてリード5の構造について詳しく説明する。
リード5は、銅、銅合金などの熱伝導性に優れた材料からなる、部材間の熱的接続のための伝熱リードである。伝熱リード5は板状であり、折り返し部5aで交互になめらかに折り返されている。また、伝熱リード5は、高さ方向(図2のz方向)にたわむようになっている。なお、図2では、伝熱リード5には3つの折り返し部5aが設けられて「W」字状に形成されているが、折り返し部5aの数はこれに限定されない。また、伝熱リード5はジグザグ状に折り返されてもよい。
図1に戻り、伝熱リード5の上端、下端は、それぞれ主回路部3b、導体部2bにはんだまたは熱伝導性接着剤(以下、熱伝導性接着剤等という)により接合されている。伝熱リード5は、安定した圧接荷重を得るために、導体部2bおよび主回路部3bと弾性的に接している。つまり、伝熱リード5は、少し圧縮された状態で接合されている。なお、上記の通り、導体部2bは主回路を構成する導体部2aとは別の、独立した導体パターンである。これらの説明は、導電リード4a,4bにも同様に適用される。
次に、パワー半導体装置100の例示的な組み立て方法について簡単に説明する。
まず、1)放熱基板2の導体部2aにパワーチップ1を実装する。2)パワーチップ1の主電極、導体部2a、導体部2bに、それぞれ導電リード4a、導電リード4b、伝熱リード5の下端を接合する。3)筐体6の下面を放熱基板2の絶縁層2cに接合する。4)ワイヤ7をパワーチップ1の制御電極と筐体6に接合する。5)電子部品9が実装され、主回路端子10がスルーホールに挿入され、さらに蓋部8が一体化された状態の回路基板3を、筐体6に接合する。このとき、各リード4a,4b,5を、少し圧縮した状態で回路基板3に接合し、放熱基板2と回路基板3との間隔のばらつきを各リードに吸収させる。また、各接着剤の加熱硬化工程を適宜実施する。
以上、パワー半導体装置100の構成によれば、上下に対向して配置された放熱基板2と回路基板3が1つの筐体内に収納されると共に導電リード4a,4bにより直接に接続されるため、特許文献1のようにワイヤボンディングによる中継配線が不要となる。また、主回路パターン3a,3bが回路基板3に形成されることにより、放熱基板2の面積を従来よりも削減できる。このようにして、パワー半導体装置100を小型化できる。
ここで、パワー半導体装置100を動作させると、主回路部3a,3bには主回路端子10から大電流が流れ、発熱量も大きくなる。更には、通電によりパワーチップ1自体で発生する熱、導電リード4a,4bで発生する熱もまた主回路部3a,3bに伝わる。一方、冷却器が取り付けられる放熱基板3と比較して、回路基板3の放熱性は大幅に劣るため、主回路部3a,3bを有する回路基板3の温度は過度に上昇しやすい。
パワー半導体装置100では、主回路部3bに伝熱リード5が接続されたことにより、回路基板3または主回路部3bから放熱基板2へ向けて効率的に放熱する経路が設けられる。さらに、伝熱リード5が接する放熱基板2の導体部2bは、主回路を構成する導体部2aから分離しており、それゆえ伝熱リード5にはほとんど電流が流れない。その結果、伝熱リード5自体により発生するジュール熱が抑制され、放熱基板2への伝熱が効率的に行われることになる。このようにして、パワー半導体装置100の動作時に生じる回路基板3の過度の昇温を抑制でき、従って回路基板3および電子部品9の熱損傷を防止し、超寿命化を図ることができる。
実施の形態2.
図3,4は、それぞれ、本発明の実施の形態2によるパワー半導体装置の断面図、伝熱リードの斜視図である。
本実施形態2は、導電リード14a,14b、伝熱リード15の形状、ならびにこれらと回路基板3との接続方式において実施形態1と異なる。その他の点は実施形態1と同様であり、説明を省略する場合がある。
パワー半導体装置200において、伝熱リード15は、最上面に形成された半球状の凸部15bを有し、その凸部15bで回路基板3の主回路部3bに圧接されている。一方、下端では、熱伝導性接着剤等で導体部2bに接合されており、これは実施形態1と同様である。図4には伝熱リード15のみを図示しているが、図3に示すように導電リード14a,14bと伝熱リード15とは同一の構造を有する。実施形態1と同様に、各リード14a,14b,15は、少し圧縮された状態で圧着または接合されている。
なお、各リード14a,14b,15と回路基板3とを圧接し、各リードと放熱基板2とを接着剤等により接合しているが、回路基板3および放熱基板2との接合方式は逆でもよい。
また、回路基板3の主回路部3bに圧接される凸部15bが半球状である必要はなく、伝熱リード15の最上面を圧接可能とするように部分的に凸状に形成されていればよい。これは導電リード14a,14bの場合も同様である。
以上、パワー半導体装置200の構成によれば、主回路部3a,3bなどで発生した熱は、凸部15b、伝熱リード15の内部、放熱基板2の順に放熱経路を伝わって冷却器から放熱され、従って実施形態1と同様の効果が得られる。特に本実施形態2では、リード14a,14b,15と回路基板3とを接着剤等により接合する必要がなくなるため、装置の組立を単純化できる。
ここで、上記の通り、リード14a,14b,15は、少し圧縮された状態で弾性的に圧着または接合されている。それゆえ、導電リード14a,14bの材料としては、高強度かつ低導電率の材料を用いることが好ましいといえる。本実施形態2のように、導電リード14a,14bを圧接した場合、圧接部分での接抵抗に起因して、大きいジュール熱が発生する傾向がある。従って本実施形態2では、伝熱リード15が形成する放熱経路からの放熱がより重要であるといえる。そこで、図5に示す変形例のように、導電リード14a,14bについては凸部を有するリード(図4)により端部を圧接し、伝熱リード15については凸部を有しないリード(図2)により端部を接着剤等で接合することができる。リード14,15と基板2,3との接続方式の組み合わせは、組立て作業性、要求される放熱性能、電流容量に応じて、適宜選択することができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記説明は、最良の実施の形態の一例を示したものであり、発明の意図を逸脱しない範囲で適宜組み合わされ、あるいは変更されてもよい。
例えば、パワーチップ1、導電リード4(14)、伝熱リード5(15)、電子部品9主回路端子10および制御端子11などの数は、当然ながら図示された個数に限定されず、求められる機能に応じて適宜選択される。さらに、電子部品9は必ずしも実装される必要はなく、それゆえ回路基板3の上面の導体パターンは形成されなくてもよい。
また、導電リード4(14)は主電流経路を構成する導電部材であればよく、伝熱リード5(15)は放熱経路を構成する伝熱部材であればよく、これらは必ずしも可撓性を有する必要はない。
また、伝熱リード5(15)の下端が接するのは、放熱基板2の上で導体部2aから分離した部分であればよく、放熱基板2の絶縁層2cに直接に接してもよい。また、各図では、伝熱リード5(15)は、導電リード4b(14b)の左側に設けられて上端で主回路部3bと接しているが、導電リード4b(14b)の右側に設けられて上端で主回路部3aと接してもよい。つまり、伝熱リードの設置位置は任意である。
また、パワー半導体装置100(200)では、伝熱リード5(15)には大電流が流れない構成であり、それゆえ導体部2bに伝熱リード以外の他の配線部材が接続されていてもよい。例えば、電圧モニタリング用の外部端子がワイヤボンディングで接続されてもよい。
1 パワーチップ、 2 放熱基板、 2a,2b 導体部、 2c 絶縁層、 2d ベース板、 3 回路基板、 3a,3b 主回路部、 4a,4b,14a,14b 導電リード、 5,15 伝熱リード、 5a,15a 折り返し部、 15b 凸部、 6 筐体、 7 ワイヤ、 8 蓋部、 9 電子部品、 10 主回路端子、 11 制御端子、 100,200 パワー半導体装置。

Claims (3)

  1. パワー半導体素子と、
    導体部を有し、該導体部の上に前記パワー半導体素子が実装された放熱基板と、
    前記パワー半導体素子の主電流経路を構成する主回路パターンが形成され、前記放熱基板に対向配置された回路基板と、
    前記パワー半導体素子の主電極と前記主回路パターンとを電気的に接続する導電部材と、
    前記放熱基板の上で前記導体部から分離した部分と前記主回路パターンとを熱的に接続する伝熱部材とを備え
    前記導電部材および前記伝熱部材は、折り返し部を有する板状の可撓性部材であり、
    前記導電部材は、板面上に形成された凸部を介して前記回路基板の主回路パターンに圧接され、
    前記伝熱部材は、平坦な板面を介して前記回路基板の主回路パターンに接していることを特徴とするパワー半導体装置。
  2. 前記放熱基板は、前記導体部から分離した部分に追加の導体部を有し、
    前記伝熱部材の一端は、前記追加の導体部と接することを特徴とする、請求項1に記載のパワー半導体装置。
  3. 前記導体部と一端で接する追加の導電部材を備え、
    前記導電部材の一端および前記追加の導電部材の一端はそれぞれ、前記主回路パターンの互いに分離した部分と接することを特徴とする、請求項1または2に記載のパワー半導体装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5268786B2 (ja) * 2009-06-04 2013-08-21 三菱電機株式会社 半導体モジュール
JP5665729B2 (ja) * 2011-12-27 2015-02-04 三菱電機株式会社 電力用半導体装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109801899A (zh) * 2018-12-27 2019-05-24 全球能源互联网研究院有限公司 一种功率半导体模块

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