JP6665804B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、スイッチング素子を封止した樹脂パッケージと冷却器が間に伝熱グリス層を挟んで密着している半導体装置に関する。

スイッチング素子を封止した樹脂パッケージと冷却器が伝熱グリスを挟んで密着している半導体装置が知られている（例えば特許文献１−３）。特許文献１−３の半導体装置は、いずれも、電力変換器の主要部品として用いられており、スイッチング素子は、いわゆるパワー半導体素子と呼ばれる大電流用のデバイスであり発熱量が大きい。樹脂パッケージの内部のスイッチング素子の熱を冷却器に効率よく伝えるため、樹脂パッケージの冷却器と対向する一側面には放熱板が露出している。特許文献１−３の半導体装置は、複数の樹脂パッケージと複数の冷却器が一つずつ交互に積層されており、複数の樹脂パッケージと複数の冷却器の積層体は、積層方向の両側から荷重を受け、伝熱グリスを挟んで樹脂パッケージと冷却器が密着している。樹脂パッケージは、放熱板が露出した一側面を冷却器に密着させている。なお、特許文献１−３に開示されている半導体装置は、内部を冷媒が流れる冷却器と樹脂パッケージの間に絶縁板が挟まれており、冷却器と絶縁板の間、及び、絶縁板と樹脂パッケージの間に夫々伝熱グリス層が挟まれている。絶縁板が樹脂パッケージの熱を吸収し、その絶縁板の熱を冷却器が吸収する。それゆえ、本明細書では、そのような態様の場合は絶縁板を冷却器の一部とみなす。また、特許文献３に開示された樹脂パッケージでは、放熱板を含む一側面を平面視したときに、トランジスタ（スイッチング素子）とダイオードが隣り合うように配置されている。トランジスタとダイオードは、樹脂パッケージの中で逆並列に接続されている。ダイオードは、トランジスタの逆方向へ電流を流すバイパス路を提供する。トランジスタとダイオードの逆並列回路は、インバータや電圧コンバータなどの電力変換回路で良く使われる構成である。

スイッチング素子の発熱によって放熱板が熱変形を起こすと伝熱グリスが冷却器と樹脂パッケージの間から押し出されてしまう場合がある。スイッチング素子が冷えると放熱板の変形も元に戻るが、伝熱グリスの一部が元の位置まで戻らず、気泡が生じてしまうおそれがある。そのような現象を以下では「グリス抜け」と称する。特許文献１の半導体装置では、放熱板の冷却器と対向する面に閉ループ状の凸部（凸条）を設け、その閉ループの中に伝熱グリスを閉じ込める。特許文献２、３の半導体装置では、樹脂パッケージの冷却器と対向する面（対向面）を平面視したときにスイッチング素子を囲むように対向面に溝を設ける。溝にグリスが留まり、グリス抜けを抑えることができる。

特開２０１５−２０８１１３号公報 特開２０１６−１５２３２３号公報 特開２０１６−１１１０７５号公報

特許文献１−３に開示された半導体装置は、いずれも、樹脂パッケージあるいは放熱板に凸部あるいは溝を設けるなど、樹脂パッケージや放熱板の外形に変更を加える必要がある。本明細書は、樹脂パッケージや放熱板の外形を変更せずにグリス抜けを抑える技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、スイッチング素子と、複数のダイオード素子と、樹脂パッケージと、伝熱グリス層と、冷却器を備える。複数のダイオード素子は、スイッチング素子と逆並列に接続されている。樹脂パッケージは、スイッチング素子と複数のダイオード素子を封止しているとともに、一側面に放熱板が露出している。冷却器は、樹脂パッケージの放熱板を含む一側面に対向している。伝熱グリス層は、樹脂パッケージの一側面（放熱板が露出している面）と冷却器の間に挟まれている。樹脂パッケージと冷却器は、それらの積層方向の両側から荷重を受けて伝熱グリス層を介して密着している。上記した一側面の法線方向から見たときに、スイッチング素子と複数のダイオード素子は放熱板と重なるように配置されているとともに、複数のダイオード素子がスイッチング素子を挟むように、あるいは、囲むように配置されており、複数のダイオード素子の各々には、複数のダイオード素子の数よりも少ない数のスイッチング素子が、逆並列に接続されている。

本明細書が開示する半導体装置は、まず、スイッチング素子の逆方向に電流を流すダイオード素子を複数用意し、一つ当たりの発熱量を抑える。素子の発熱量が減ると、放熱板のダイオード素子と対向する部位の熱変形量が小さくなる。そして、放熱板を平面視したときに発熱量の大きいスイッチング素子を放熱板の中央部分に配置し、スイッチング素子を挟むように（あるいは囲むように）、１個当たりの発熱量の小さいダイオード素子を配置する。上記の構成によれば、スイッチング素子と複数のダイオード素子が発熱したときに放熱板の端に近い領域における放熱板の熱変形を小さくすることができる。それゆえ、放熱板が熱変形したとき、放熱板を平面視したときの放熱板の外側へはみ出るグリスの量を抑えることができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の半導体装置の斜視図である。 図１の半導体装置の等価回路図である。 図１の半導体装置を放熱板の法線方向から見た図である。 図３のIV―IV線に沿った半導体装置の断面図である。 樹脂パッケージの断面図である。 第１変形例の半導体装置を表面から見た図である。 第２変形例の半導体装置を表面から見た図である。

図面を参照して半導体装置２を説明する。図１は、半導体装置２の斜視図である。半導体装置２は、樹脂パッケージ１０と２つの冷却器３ａ、３ｂが積層されたユニットである。図１では、理解を助けるために、半導体装置２の冷却器３ａが分離され、樹脂パッケージ１０内に封止されている３個の半導体素子が点線で示されている。また、図示を省略しているが、半導体装置２は、樹脂パッケージ１０と冷却器３ａ、３ｂの積層方向の両側から荷重を受けている。３個の半導体素子は、具体的には、１個のトランジスタ素子１１と、２個のダイオード素子１２ａ、１２ｂである。冷却器３ａ、３ｂを通る冷媒により、半導体素子は冷却される。また、樹脂パッケージ１０の冷却器３ａと当接する側面には、放熱板１３ａが露出しており、一方、図示を省略しているが、樹脂パッケージ１０の冷却器３ｂと当接する側面には、放熱板１３ａと対向する範囲で別の放熱板（後に図４で図示される放熱板１３ｂ）が露出している。さらに、樹脂パッケージ１０の上面（図中Ｚ軸の正方向を向く面）からは２本の電極端子１４ａ、１４ｂが伸びており、下面（図中Ｚ軸の負方向を向く面）からは制御端子１５が伸びている。なお、樹脂パッケージ１０と冷却器３ａ、３ｂの間にはグリスが塗布されているが、図１ではグリスの図示は省略している。

図２は、半導体装置２の等価回路図である。符号１１１は、図１のトランジスタ素子１１に対応するトランジスタを示しており、符号１１２ａ、１１２ｂは、夫々、図１のダイオード素子１２ａ、１２ｂに対応するダイオードを示している。図２に示すように、トランジスタ１１１（トランジスタ素子１１）とダイオード１１２ａ、１１２ｂ（ダイオード素子１２ａ、１２ｂ）は、逆並列に接続されている。逆並列回路の高電位側と低電位側の端子が夫々、図１の電極端子１４ａ、１４ｂに対応する。なお、図１の制御端子１５は、トランジスタ素子１１のゲートに接続されているゲート端子や、樹脂パッケージ１０の内部に埋設されている温度センサ（不図示）につながっている端子などである。

半導体装置２の等価回路では、一つのトランジスタ１１１に２個のダイオード１１２ａ、１１２ｂが逆並列に接続されている。２個のダイオード１１２ａ、１１２ｂは、トランジスタ１１１の逆方向に電流を流すバイパス路を形成する。トランジスタ１１１の逆方向に電流を流すダイオード１１２ａ、１１２ｂは、還流ダイオードと呼ばれることがある。図２の回路は、インバータや電圧コンバータなどの電力変換回路でよく使われる。大電流が流れる回路では、素子の発熱量が大きい。図２の等価回路で表される半導体装置２では、還流ダイオードとして２個のダイオード素子１２ａ、１２ｂを並列に接続している。それゆえ、ダイオード素子１個当たりに流れる電流が半減し、その発熱量が抑えられる。即ち、図２の等価回路で表される半導体装置２では、トランジスタ素子１１に比較してダイオード素子１２ａ、１２ｂの夫々の発熱量を抑えることができる。

図３は、図１の半導体装置２を、樹脂パッケージ１０の冷却器３ａ（３ｂ）との対向面の法線方向（Ｘ軸方向）から見た図である。ここで、対向面は、放熱板１３ａを含む面である。なお、図３では、図面手前側の冷却器３ａは図示を省略した。破線１６は、樹脂パッケージ１０と冷却器３ｂの間に挟まれている伝熱グリス層を示している。図３では、図面手前側に位置する冷却器３ａと樹脂パッケージ１０との間の伝熱グリス層の図示は省略した。図３に示すように、トランジスタ素子１１と２個のダイオード素子１２ａ、１２ｂは、樹脂パッケージ１０を放熱板１３ａの法線方向からみたときに放熱板１３ａと重なるように配置されている。また、樹脂パッケージ１０を放熱板１３ａの法線方向からみたときに、トランジスタ素子１１は、放熱板１３ａの中央部に配置され、２個のダイオード素子１２ａ、１２ｂはトランジスタ素子１１を挟むように配置されている。

続いて、樹脂パッケージ１０と冷却器３ｂの間に塗布されている伝熱グリス層１６について説明する。図４は、図３のIV―IV線に沿った断面図である。図４においても、樹脂パッケージ１０の上側に冷却器３ａと伝熱グリス層が存在するが、それらの図示は省略した。先に述べたように、樹脂パッケージ１０と冷却器３ｂ（及び冷却器３ａ）は、それらの積層方向（図中Ｘ軸方向）の両側から荷重を受けている。それゆえ、樹脂パッケージ１０と冷却器３ｂ（及び冷却器３ａ）は、伝熱グリス層１６を挟んで密着している。伝熱グリス層１６は、冷却器３ｂと放熱板１３ｂが対向する範囲よりも大きい範囲に延在する。３個の半導体素子から発生する熱は、放熱板１３ｂと伝熱グリス層１６を介して、冷却器３ｂに吸収される。荷重によって樹脂パッケージ１０（放熱板１３ｂ）と冷却器３ｂが密着していることによって、より高い伝熱効果が得られる。図示を省略しているが、樹脂パッケージ１０の反対側には別の伝熱グリス層を挟んで冷却器３ａが積層されており、樹脂パッケージ１０の内部の半導体素子の熱は、冷却器３ａにも吸収される。樹脂パッケージ１０は、その両面から冷却されるので、内部の半導体素子の冷却効率が良い。

図４に示すように、トランジスタ素子１１は、平坦なチップである。トランジスタ素子１１の一方の平坦面（図中の上面）には、エミッタ電極が露出しており、他方の平坦面（図中の下面）にはコレクタ電極が露出している。エミッタ電極は放熱板１３ａと接合されており、コレクタ電極は放熱板１３ｂと接合されている。エミッタ電極は、スペーサ１７を介して放熱板１３ａと接合されている。ダイオード素子１２ａ、１２ｂも平坦なチップであり、一方の平坦面（図中の上面）にはアノード電極が露出しており、他方の平坦面（図中の下面）にはカソード電極が露出している。カソード電極は放熱板１３ｂと接合されており、アノード電極はスペーサ１８ａ（１８ｂ）を介して放熱板１３ａと接合されている。図１の電極端子１４ａ、１４ｂは、夫々、樹脂パッケージ１０の内部で放熱板１３ａ、１３ｂと導通している。放熱板１３ａ、１３ｂは、半導体素子の電極と樹脂パッケージ１０の外へ延びている電極端子１４ａ、１４ｂを導通させる導電部材の役割を兼ねている。

図５を参照して上記した半導体素子の配置の効果を説明する。樹脂パッケージ１０の内部の半導体素子（トランジスタ素子１１、ダイオード素子１２ａ、１２ｂ）は、電流が流れると発熱する。半導体素子の発熱により、放熱板１３ａ、１３ｂは面外変形する。放熱板１３ａ（１３ｂ）は、半導体素子と対向する範囲で変形量が大きくなり、半導体素子から離れるに従って変形量は小さくなる。先に述べたように、ダイオード素子１２ａ、１２ｂの発熱量はトランジスタ素子１１の発熱量よりも小さい。従って、トランジスタ素子１１と対向する範囲で放熱板１３ａ、１３ｂの変形量は最も大きくなる。図５は、樹脂パッケージ１０を、半導体素子（トランジスタ素子１１及びダイオード素子１２ａ、１２ｂ）を通る平面でカットした断面図である。放熱板１３ｂの下に示す破線Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、夫々トランジスタ素子１１、ダイオード素子１２ａ、１２ｂの発熱による放熱板１３ｂの熱変形を模式的に示している。破線Ｐ１は、トランジスタ素子１１に対向する領域であってトランジスタ素子１１の発熱による変形（変形形状Ｐ１）を示している。破線Ｐ２、Ｐ３は、夫々、ダイオード素子１２ａ、１２ｂに対向する領域であってダイオード素子１２ａ、１２ｂの発熱による変形（変形形状Ｐ２、Ｐ３）を示している。ダイオード素子１２ａ、１２ｂの発熱量に比べ、トランジスタ素子１１は発熱量が大きい。さらに、ダイオード素子１２ａ、１２ｂの放熱板１３ｂと当接する面の面積に比べ、トランジスタ素子１１の放熱板１３ｂと当接する面の面積は大きい。そのため、トランジスタ素子１１の発熱による変形形状Ｐ１は、ダイオード素子１２ａ、１２ｂの発熱による変形形状Ｐ２、Ｐ３よりも大きくなる。また、ダイオード素子１２ａとダイオード素子１２ｂは同様の構造を有するため、２個のダイオード素子１２ａ、１２ｂの発熱量は同じであり、変形形状Ｐ２と変形形状Ｐ３は同じ大きさとなる。放熱板１３ｂの面外変化量Ｈ１、Ｈ２は、３個の半導体素子の発熱によって生じる変形形状Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の高さを示す。具体的には、変化量Ｈ１は、変形形状Ｐ１の最高点までの高さを示し、変化量Ｈ２は、変形形状Ｐ２、Ｐ３の最高点までの高さを示す。上記のように、変形形状Ｐ１は、変形形状Ｐ２、Ｐ３よりも大きいため、変化量Ｈ１も変化量Ｈ２より大きい。

本実施例では、２個のダイオード素子１２ａ、１２ｂをトランジスタ素子１１に接続することにより、１個のダイオード素子を接続する場合と比べ、ダイオード素子の１個当たりの発熱量を抑えることができる。また、本実施例では、トランジスタ素子１１を、放熱板１３ｂの法線方向からみたときに放熱板１３ｂの中央部分に配置し、トランジスタ素子１１を挟むように２個のダイオード素子１２ａ、１２ｂを配置する。これにより、変形形状Ｐ１よりも小さい変形形状Ｐ２、Ｐ３を生じるダイオード素子１２ａ、１２ｂが放熱板１３ｂの端に近い領域に配置されるため、放熱板１３ｂの端に近い領域における放熱板１３ｂの熱変形を小さくできる。それゆえ、放熱板１３ｂが熱変形したときに、放熱板１３ｂをその法線方向からみたときの放熱板１３ｂの外側へ伝熱グリス層１６のグリスがはみ出るのを抑えることができる。即ち、グリス抜けを抑制することができる。

また、本実施例では、発熱量の大きいトランジスタ素子１１を放熱板１３ｂの中央部に配置することで、トランジスタ素子１１が放熱板１３ｂの端に近い領域に配置される場合と比べ、効率よく放熱板１３ｂの全体に熱を伝導できる。これにより、半導体装置２の放熱性能を向上することができる。さらに、上記のようにトランジスタ素子１１は、比較的大きい変形形状Ｐ１を有する。そのため、従来構造のようにトランジスタ素子１１が放熱板１３ｂの端に近い領域に配置される場合には、トランジスタ素子１１から放熱板１３ｂの端部までの距離が短いため、放熱板１３ｂの熱変形によってグリス抜けが起きやすい。これに対し、本実施例では、トランジスタ素子１１が放熱板１３ｂの中央部に配置される。それゆえ、放熱板１３ｂが熱変形したとしても、トランジスタ素子１１から放熱板１３ｂの端部までの距離が長いため、グリス抜けを防ぐことができる。

（変形例）ダイオード素子の数は２個に限られず、３個以上のダイオード素子がトランジスタ素子１１を囲むように配置されてもよい。図６（第１の変形例）は、樹脂パッケージ１１０に４個の半導体素子が封止された半導体装置を放熱板の法線方向から見た図である。３個のダイオード素子５２ａ、５２ｂ、５２ｃが、トランジスタ素子１１を三方から囲むように配置されている。また、図７（第２の変形例）では、樹脂パッケージ２１０に封止された４個のダイオード素子６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄが、トランジスタ素子１１を四方から囲むように配置されている。ダイオード素子を増やすことで、ダイオード素子の１個当たりの発熱量をさらに抑えることができる。これにより、グリス抜けをさらに抑制し得る。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例のトランジスタ素子１１が「スイッチング素子」の一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：半導体装置
３ａ、３ｂ：冷却器
１０、１１０、２１０：樹脂パッケージ
１１：トランジスタ素子
１２ａ、１２ａ、１１２ａ、１１２ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ：ダイオード素子
１３ａ、１３ｂ：放熱板
１４ａ、１４ｂ：電極端子
１５：制御端子
１６：伝熱グリス層
１７、１８ａ、１８ｂ：スペーサ
Ｈ１、Ｈ２：変化量
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３：変形形状

Claims (1)

1. スイッチング素子と、
   前記スイッチング素子と逆並列に接続されている複数のダイオード素子と、
   前記スイッチング素子と複数の前記ダイオード素子を封止しているとともに、一側面に放熱板が露出している樹脂パッケージと、
   前記樹脂パッケージの前記放熱板を含む前記一側面に対向している冷却器と、
   前記一側面と前記冷却器の間に挟まれている伝熱グリス層と、
   を備えており、
   前記樹脂パッケージと前記冷却器は、それらの積層方向の両側から荷重を受けて前記伝熱グリス層を挟んで密着しており、
   前記一側面の法線方向から見たときに、前記スイッチング素子と複数の前記ダイオード素子は前記放熱板と重なるように配置されているとともに、複数の前記ダイオード素子が前記スイッチング素子を挟むように、あるいは、囲むように配置されており、
   前記複数のダイオード素子の各々には、前記複数のダイオード素子の数よりも少ない数の前記スイッチング素子が、逆並列に接続されている、半導体装置。

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