JPH07249716A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 損失熱の放熱効率を向上させる。 【構成】 半導体チップ１０１は外部主電極１０２の底
面に直接に固着されている。極性の異なる銅製の２つの
外部主電極１０２、１０３は、絶縁層１０４を挟んで互
いに同軸に配置されている。半導体チップ１０１の表面
には、ＪＣＲ（ジャンクション・コート・レジン）製の
封止樹脂１１０とエポキシ樹脂の封止樹脂１０６とを挟
んで、銅製の放熱板１０７が対向している。半導体チッ
プ１０１からの損失熱は主として外部主電極１０２へと
放熱されるとともに、半導体チップ１０１の表面からも
放熱板１０７へと放熱される。外部主電極１０２、１０
３が同軸であるため、インダクタンスが相殺される。 【効果】 損失熱の放熱効率が高い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば半導体パワー
・モジュールなどの電力用半導体チップが組み込まれた
半導体装置に関し、特にその放熱効率の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１５および図１６に、電力用半導体チ
ップが組み込まれた従来の半導体装置の一例を示す。こ
の半導体装置は、半導体パワー・モジュールである。半
導体パワー・モジュールは、スイッチング動作を行う能
動的な電力用スイッチング半導体素子を用いて、負荷へ
供給する電力を調整する回路を備えた装置であり、モー
タ等の動作を制御するインバータ等に主として応用され
ている。図１５および図１６は、それぞれ正面断面図お
よび平面断面図である。

【０００３】この半導体パワー・モジュール５０は、複
数の電力用の半導体チップ（半導体基体）１を備えてい
る。半導体チップ１は、セラミックで構成される絶縁基
板１３の上に搭載されている。絶縁基板１３の上面に
は、金属で構成される配線パターン１４ａ〜１４ｅが配
設されており、半導体チップ１は、これらの配線パター
ン１４ａ、１４ｃの上にハンダ等によってろう付けされ
ている。半導体チップ１と他の配線パターン１４ｂ、１
４ｄ、１４ｅとの間にはアルミニウムのワイヤ５が架け
わたされており、このワイヤ５によってそれらの間の電
気的接続が実現している。

【０００４】また、絶縁基板１３の下面には金属層１９
が設けられている。この金属層１９の下面がハンダ等に
よってろう付けされることによって、金属の放熱板７の
上に絶縁基板１３が固着されている。配線パターン１４
ａ〜１４ｅの上には、さらに外部電極１５、１６、１７
がハンダ等によってろう付けされている。絶縁基板１３
および半導体チップ１は、放熱板７が組み込まれた絶縁
体の匡体８の内部に収納されている。外部電極１５、１
６、１７の上端部は、この匡体８の外側に露出してい
る。匡体８の内部には２種類の封止樹脂１８、６が充填
されている。ゲル状の封止樹脂１８は、半導体チップ１
を直接に覆うように充填されており、一方、エポキシ樹
脂で構成される封止樹脂６は、封止樹脂１８の上に充填
されている。

【０００５】従来の半導体パワー・モジュールは、以上
のように構成されるのでつぎように動作する。外部電極
１５、１６、１７の上端部には、電力を供給する電源装
置、モータ等の負荷、および制御信号を出力する制御装
置が接続される。半導体チップ１は、制御信号に応答し
て電力を制御し、制御された電力を負荷へ出力する。こ
の動作にともなって主として半導体チップ１で発生する
損失熱は、配線パターン１４ａ〜１４ｅから絶縁基板１
３、金属層１９、および放熱板７を経由して外部へ放散
される。

【０００６】つぎに、従来の半導体装置のもう一つの例
について述べる。この半導体装置はパワー・トランジス
タであり、特開平４−２２５２６４号公報に開示されて
いる。このパワー・トランジスタでは、回路基板の上面
に配設された金属の配線パターンの上に半導体チップが
実装されており、この配線パターンには、さらに絶縁材
を挟んで金属の放熱板が取り付けられている。すなわ
ち、回路基板の実装面に放熱板が設置されている。この
ため、この装置では、半導体チップに発生した損失熱
は、配線パターンから、絶縁材、および放熱板を経由し
て外部へと放散される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来装置で
は、以下に述べるような問題点があった。まず、第１の
従来装置である半導体パワー・モジュール５０では、半
導体チップ１に発生した損失熱が絶縁基板１３を経由し
て放熱板７へと伝わるので、放熱の効率が悪いという問
題点があった。また、第２の従来装置であるパワー・ト
ランジスタにおいても、半導体チップに発生した損失熱
は回路基板上の配線パターンを経由して放熱板へと伝わ
るので、同様に放熱の効率が悪いという問題点があっ
た。また、前者の半導体パワー・モジュール５０では、
絶縁基板１３を薄くすることによって放熱効率を改善で
きるが、そうすると絶縁基板１３が破損し易くなり、装
置の寿命、信頼性を損なうという問題点があった。

【０００８】さらに、半導体パワー・モジュール５０に
おいては、絶縁基板１３を設けることなく、半導体チッ
プ１を直接に放熱板７へ固着するように構成することに
よって、放熱効率を改善することができる。しかしなが
ら、そのような構成では、通常行われるように複数の装
置をアルミニウム等で構成される外部の放熱フインに取
り付けて使用する際には、各装置の放熱板７同士の電気
的絶縁を確保する必要があるために、放熱板７と放熱フ
ィンとの間に絶縁材を介挿する必要がある。そうする
と、絶縁基板１３を設けないことによって本来得られる
放熱効率の改善効果が絶縁材のために減殺されるという
問題点があった。

【０００９】この発明は、従来装置におけるこのような
問題点を解消するために行われたものであり、装置の信
頼性を損なうことなく、しかも複数の装置の間の電気的
絶縁をも確保しつつ高い放熱効率が得られる半導体装置
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる請求項
１に記載の半導体装置は、主電流を制御する半導体基体
と、前記主電流の経路となる外部主電極とを備える半導
体装置において、前記外部主電極が実質的に金属から成
り、前記半導体基体の第１主面が当該外部主電極に固着
されることによって当該外部主電極と前記半導体基体と
が電気的に接続されており、前記半導体基体の第２主面
側には電気絶縁性の樹脂を挟んで実質的に金属から成る
放熱板が設置されていることを特徴とする。

【００１１】この発明にかかる請求項２に記載の半導体
装置は、請求項１に記載の装置において、前記外部主電
極の周囲に冷却配管を配設したことを特徴とする。

【００１２】この発明にかかる請求項３に記載の半導体
装置は、請求項２に記載の装置において、前記冷却配管
が前記外部主電極に固着されていることを特徴とする。

【００１３】この発明にかかる請求項４に記載の半導体
装置は、請求項２に記載の装置において、前記冷却配管
が実質的に金属から成り、当該冷却配管と前記外部主電
極とが電気絶縁材によって電気的に絶縁されていること
を特徴とする。

【００１４】この発明にかかる請求項５に記載の半導体
装置は、請求項１に記載の装置において、前記樹脂の中
に冷却配管が埋設されていることを特徴とする。

【００１５】この発明にかかる請求項６に記載の半導体
装置は、主電流を制御する半導体基体と、前記主電流の
経路となる極性の異なる第１および第２外部主電極とを
備える半導体装置において、前記第１外部主電極が実質
的に金属から成るとともに実質的に柱状であって、前記
第２外部主電極が、前記第１主電極の側面を電気絶縁層
を挟んで鞘状に包囲するように、しかも前記第１主電極
と同軸に配設されており、前記半導体基体の第１主面が
前記第１外部主電極の底面に固着されることによって当
該第１外部電極と前記半導体基体とが電気的に接続され
ており、前記半導体基体の第２主面と前記第２主電極の
底面とが導電性の配線で結ばれることによって前記半導
体基体と前記第２主電極とが電気的に接続されているこ
とを特徴とする。

【００１６】この発明にかかる請求項７に記載の半導体
装置は、請求項６に記載の装置において、前記半導体基
体が複数個であって、前記第１および第２外部主電極の
いずれもが、前記半導体基体の個数に応じた回数の回転
対称な形状であり、前記複数個の前記半導体基体が、前
記第１主電極の底面に回転対称に配列されていることを
特徴とする。

【００１７】この発明にかかる請求項８に記載の半導体
装置は、請求項７に記載の装置において、前記第１外部
主電極が、柱状部分とその底面において外側に張り出す
フランジ部分とを有し、前記複数の半導体基体の各１
は、その少なくとも一部が前記フランジ部分の底面にか
かるように配列されており、当該フランジ部分の上面に
冷却配管が配設されていることを特徴とする。

【００１８】なお、本願発明における金属は単体金属お
よび合金の双方を含む。

【００１９】

【作用】 ＜請求項１に記載の発明の作用＞この発明の装置では、
半導体基体の第１主面が外部主電極に固着されることで
相互の電気的接続が実現している。このため、半導体基
体と外部主電極の間の熱接触が良好である。また、外部
主電極は実質的に金属から成るので、外部主電極におけ
る損失熱の伝導は良好に行われる。また、外部主電極は
主電流の経路であるため、例えばブスバーなどの外部の
導電性の部材に直接に接続される。このため、外部主電
極から外部の部材への損失熱の伝導も良好に行われる。

【００２０】また、半導体基体で発生する損失熱は、第
２主面側の樹脂を経由して放熱板へと伝わる。放熱板は
樹脂によって半導体基体とは電気的に絶縁されるので、
外部の放熱フィンなどの放熱部材に直接取付けることが
できる。

【００２１】＜請求項２に記載の発明の作用＞この発明
の装置では、外部主電極の周囲に冷却配管が配設されて
いるので、この冷却配管に冷却された冷媒を循環させる
ことによって外部主電極を冷却することができる。すな
わち、半導体基体から外部主電極へ伝達された損失熱を
強制的に外部へ除去することができる。

【００２２】＜請求項３に記載の発明の作用＞この発明
の装置では、冷却配管が外部主電極に固着されているの
で、外部主電極から冷却配管への損失熱の伝達が効率よ
く行われる。

【００２３】＜請求項４に記載の発明の作用＞この発明
の装置では、冷却配管が実質的に金属からなるので冷却
配から冷媒へと損失熱が効率よく伝わる。また、実質的
に金属からなる冷却配管が、外部主電極と電気的に絶縁
されているので、冷媒に水などの導電性の媒質を使用し
得る。

【００２４】＜請求項５に記載の発明の作用＞この発明
の装置では、冷却配管が樹脂の中に埋設されているの
で、半導体基体で発生する損失熱が第２主面側から一層
効率よく放熱される。

【００２５】＜請求項６に記載の発明の作用＞この発明
の装置では、半導体基体の第１主面が第１外部主電極に
固着されることで相互の電気的接続が実現している。こ
のため、半導体基体と第１外部主電極の間の熱接触が良
好である。また、第１外部主電極は実質的に金属から成
るので、第１外部主電極における損失熱の伝導は良好に
行われる。また、第１外部主電極は主電流の経路である
ため、例えばブスバーなどの外部の導電性の部材に直接
に接続され得る。

【００２６】また、第１主電極は実質的に柱状であるの
で、損失熱の大きさに応じて、その径を加減することが
できる。さらに、極性の異なる第１および第２主電極が
同軸に配設されるので、これらの主電極の双方に固有の
インダクタンスが相互に相殺される。

【００２７】＜請求項７に記載の発明の作用＞この発明
の装置では、第１および第２主電極が複数の半導体基体
の個数に応じた回数の回転対称であり、しかも複数の半
導体基体が回転対称に配列されているので、どの半導体
基体も第２主電極の底面からの距離が均等である。この
ため、各半導体基体に接続される配線の電気抵抗が互い
に均等となる。また、第１主電極の底面における半導体
基体の配置が回転対称であるので、損失熱による半導体
基体の昇温も均等になる。

【００２８】＜請求項８に記載の発明の作用＞この発明
の装置では、第１外部主電極のフランジ部分の上面に冷
却配管が配設されているので、この冷却配管に冷却され
た冷媒を循環させることによって第１外部主電極を冷却
することができる。すなわち、半導体基体から第１外部
主電極へ伝達された損失熱を強制的に外部へ除去するこ
とができる。しかも、フランジ部分の底面にかかるよう
に半導体基体が配設され、フランジ部分の上面に冷却配
管が配設されているので、損失熱がその発生源から第１
主電極へと広く拡散する以前に、冷却配管の冷媒によっ
て吸収・除去される。

【００２９】

【実施例】

＜第１実施例＞まず、この発明の第１実施例について説
明する。

【００３０】＜1-1.装置の構成＞図２は、この実施例の
半導体装置の全体斜視図である。この半導体装置１００
は半導体パワー・モジュールである。半導体装置１００
では、例えばＰＰＳ（ポリ・フェニレン・サルファイ
ド）などの熱可塑性の成型用樹脂で構成される八角柱状
の匡体１０８に、銅などの電気および熱良導性の金属で
構成される外部主電極（第１外部主電極）１０２、外部
主電極（第２外部主電極）１０３および銅製の外部信号
電極１２０が埋設されている。これらの電極の上端部が
匡体１０８の上面から外部へ露出しており、これらの上
端部に外部電源、制御装置等が接続される。接続を容易
にするために、上端部にはネジ孔が設けられている。

【００３１】図２は、この半導体装置１００の正面断面
図である。また、外部主電極１０２、１０３の構成を図
３〜図５に示す。図３は、図１における切断線Ａ−Ａに
沿った断面図、図４は正面図、そして図５は底面図であ
る。これらの図２〜図５を参照しつつ半導体装置１００
の構成について更に説明する。

【００３２】外部主電極１０２は、あたかも四角柱（柱
状部分）１０２ａと八角形のフランジ（フランジ部分）
１０２ｂとが結合したような形状をなしている。外部主
電極１０３は、ある程度の肉厚をもった角型の中空の管
状であって、その中空部分に外部主電極１０２が一定の
間隙をもって挿入されている。すなわち、外部主電極１
０３は一定の間隙をもって外部主電極１０２の側面を鞘
状に包囲している。しかもこれらの外部主電極１０２、
１０３は互いに同軸に配置されている。これらの外部主
電極１０２、１０３の間の隙間は絶縁層（電気絶縁材、
電気絶縁層）１０４で充填されており、この絶縁層１０
４によってこれらの間が電気的に絶縁されている。絶縁
層１０４は、例えば電気絶縁性とともに耐熱性に優れる
アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）などで構成されている。

【００３３】外部主電極１０２の底面中央には信号電極
１０９が設置されている。その周辺４箇所にあたかも放
射状に４個の半導体チップ（半導体基体）１０１が設置
されている。中継信号電極１０９と外部主電極１０２と
は互いに電気的に絶縁されている。一方、４個の半導体
チップ１０１はいずれも外部主電極１０２にハンダ等に
よってろう付けされている。

【００３４】半導体チップ１０１は、例えばＩＧＢＴ
（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）であり、安
定電位側の主電極であるエミッタ電極Ｅが半導体チップ
１０１の裏面（外部主電極１０２に接する主面：第１主
面）に形成されており、ろう付けによってこのエミッタ
電極Ｅが外部主電極１０２に接続されている。一方の負
荷側の主電極であるコレクタ電極Ｃは、アルミニウムで
構成されるワイヤ（配線）１０５を中継することによっ
て外部主電極１０３に接続されている。すなわち、２つ
の外部主電極１０２、１０３は互いに極性が反対の外部
電極である。また、半導体チップ１０１の信号電極であ
るゲート電極Ｇは、ワイヤ１０５を中継することによっ
て中継信号電極１０９へ接続されている。また、中継信
号電極１０９は、信号用配線１２１によって外部信号電
極１２０に接続されている。外部信号電極１２０は絶縁
被覆された電線であり、外部主電極１０３などとともに
匡体１０８に埋設されている。

【００３５】匡体１０８の底部１０８ａは、外部主電極
１０２の底面よりは下方に突出し、しかもこの底面を包
囲するように成型されている。底部１０８ａには、例え
ば銅などの熱良導性の金属で構成された放熱板１０７が
取り付けられている。外部主電極１０２の底面に取り付
けられた半導体チップ１０１等は、底部１０８ａおよび
放熱板１０７の内側に収納されている。底部１０８ａと
放熱板１０７で囲まれた内側は、２種類の封止樹脂（樹
脂）１１０、１０６で隙間なく満たされている。封止樹
脂１１０は、例えばシリコーン樹脂の一種であるＪＣＲ
（ジャンクション・コート・レジン）で構成され、半導
体チップ１０１、ワイヤ１０５、中継信号電極１０９等
を直接に覆うように充填されている。

【００３６】もう一つの封止樹脂１０６は、例えばエポ
キシ樹脂などの熱良導性の樹脂で構成され、封止樹脂１
１０と放熱板１０７との間に充填されている。封止樹脂
１１０は、封止樹脂１０６が半導体チップ１０１、ワイ
ヤ１０５等に直接触れることによって、封止樹脂１０６
と外部主電極１０２との間の熱膨張係数の差に起因して
半導体チップ１０１等が破損することを防止するために
充填されている。

【００３７】なお、封止樹脂１０６に例えば充填材を混
入することによって、その熱膨張係数を外部主電極１０
２に接近させることによって、封止樹脂１１０をなくし
て、半導体チップ１０１を直接に覆うように封止樹脂１
０６を充填してもよい。このときには、半導体チップ１
０１で発生した損失熱は、より効果的に放熱板１０７へ
と伝わる。また、代表的な寸法については、高さＨは７
２ｍｍであり、外部主電極１０３の八角形の底部の幅Ｗ
は８０ｍｍであり、また、四角形の中空の柱の一辺の長
さＬは４０ｍｍである。

【００３８】図６は、半導体装置１００の回路の主要部
を等価的に表現した回路図である。ＩＧＢＴである半導
体チップ１０１のエミッタ電極Ｅは、外部主電極１０２
を通じて外部の電源装置の負電位側出力に接続され、コ
レクタ電極Ｃは、外部主電極１０３を通じてモータ等の
負荷１３０と外部の電源装置の正電位側出力とに接続さ
れる。ゲート電極Ｇは外部信号電極１２０を通じて図示
しない外部の制御装置の出力に接続される。半導体チッ
プ１０１は、ゲート電極Ｇに入力される制御信号に応答
してスイッチング動作をおこなう。すなわち、コレクタ
Ｃへ流入するコレクタ電流（主電流）の遮断および導通
が反復して行われる。これにともなって、負荷１３０に
は調整された電力が供給される。

【００３９】＜1-2.装置の動作＞つぎに、図１〜図５に
戻って、半導体装置１００の動作について説明する。匡
体１０８の上面に露出する外部主電極１０２、１０３、
および外部信号電極１２０の上端部には、電力を供給す
る電源装置、モータ等の負荷１３０（図６）、および制
御信号を出力する制御装置などが接続される。外部主電
極１０２は、いわゆるブスバーに接続される。放熱板１
０７は、アルミニウム等で構成される外部の放熱フイン
（図示しない）に、絶縁体を介挿することなく直接に取
り付けられる。半導体チップ１０１が動作することにと
もなって主として半導体チップ１０１で発生する損失熱
の大半は、外部主電極１０２を伝わって、外部主電極１
０２に接続されるブスバーへと放散される。損失熱の他
の部分は、封止樹脂１１０から、封止樹脂１０６、およ
び放熱板１０７を経由して、外部の放熱フィンへと放散
される。

【００４０】外部主電極１０２に半導体チップ１０１が
ろう付け等によって固着されているので、半導体チップ
１０１で発生した損失熱は効率よく外部主電極１０２へ
と伝わる。また、半導体チップ１０１が外部主電極１０
２に固着されるので、絶縁基板が不要であるために、絶
縁基板の破損に起因する故障の恐れがないという利点が
ある。また、外部主電極１０２は銅などの熱良導性の金
属で構成されるので、外部主電極１０２における損失熱
の伝導は良好に行われる。さらに、外部主電極１０２が
電極であるために、外部主電極１０２はブスバーなどの
外部の導電性の部材に直接に取り付けられる。このた
め、外部主電極１０２から外部の部材への損失熱の伝達
も良好に行われる。

【００４１】また、外部主電極１０２は、損失熱の大き
さに応じて、その径を加減することができる。このた
め、外部主電極１０２の径を十分に大きく設定すること
によって、損失熱を十分な速さで外部へと伝えることが
可能である。さらに、外部主電極１０２は、主電流の経
路と損失熱の経路とを兼ねるので、その径を加減するこ
とによって熱抵抗を低減することが、主電流による外部
主電極１０２における電圧降下の低減、言い替えると外
部主電極１０２における損失熱の低減をそのままもたら
すという利点がある。

【００４２】さらに、半導体チップ１０１に発生した損
失熱は、半導体チップ１０１の裏面から外部主電極１０
２へと伝わるだけではなく、封止樹脂１１０、１０６、
および放熱板１０７を経由することによって、半導体チ
ップ１０１の表面（第２主面）側からも放散される。封
止樹脂１０６はエポキシ樹脂などの熱良導性の樹脂で構
成されるので、損失熱は半導体チップ１０１から放熱板
１０７へと効率よく伝わる。

【００４３】また、放熱板１０７は、半導体チップ１０
１、外部主電極１０２、１０３等からは電気的に絶縁さ
れているので、絶縁材を介挿することなく外部の放熱フ
ィンへ直接に取り付けることができる。このため、放熱
板１０７から外部への放熱も効率よく行われる。このよ
うに、半導体装置１００では、破損などによって装置の
信頼性を損なうことなく、しかも複数の装置の間の電気
的絶縁をも確保しつつ、損失熱の放熱が半導体チップ１
０１の両面から効率よく行われるという利点がある。

【００４４】半導体装置１００では、さらに、外部主電
極１０２と外部主電極１０３とが同軸に配設されている
ので、双方が持っている固有のインダクタンスが相互に
相殺される。このため、これらの主電流の経路における
インダクタンスが低いので、インダクタンスに起因する
動作損失が低減されるとともに、半導体チップ１０１が
スイッチング動作を行うことに伴うサージ電圧が低く抑
えられる。

【００４５】半導体装置１００では、また、４個（複
数）の半導体チップ１０１が、放射状に配置されてい
る。言い替えると、外部主電極１０２、１０３の中心軸
のまわりに外部主電極１０２、１０３と同じ回転対称に
配置されている。このため、外部主電極１０３と各半導
体チップ１０１の間の距離が均等である。その結果、外
部主電極１０３と半導体チップ１０１とを電気的に接続
するワイヤ１０５の抵抗が均等であるので、各半導体チ
ップ１０１への主電流の配分が均等になるという利点が
ある。

【００４６】同時に、外部主電極１０２の底面にどの半
導体チップ１０１も互いに等価な位置を占めるので、損
失熱による半導体チップ１０１の昇温の大きさも各半導
体チップ１０１の間で均等であるという利点がある。す
なわち、特定の半導体チップ１０１に過度に負担が加わ
るということがない。

【００４７】＜第２実施例＞つぎに、この発明の第２実
施例について説明する。図７は、この実施例の半導体装
置の正面断面図である。この半導体装置２００では、冷
却配管１１１を付加して備える点が半導体装置１００と
は特徴的に異なる。以下の図において、図１〜図６に示
した半導体装置１００と同一部分には同一符号を付し
て、その詳細な説明を略する。なお、図７では半導体装
置２００の上方部分は図示を略するとともに、図１に示
した信号用配線１２１も図示を略している。外部主電極
１０２、１０３の構成を図８〜図１０に示す。図８は平
面断面図、図９は正面図、そして図１０は底面図であ
る。以下に、これらの図７〜図１０を参照しつつ、半導
体装置２００の構成と動作について説明する。

【００４８】外部主電極１０２のフランジ１０２ｂの上
面には冷却配管１１１がハンダ１１２によってろう付け
されている。冷却配管１１１は銅などの熱良導性の金属
で構成される。冷却配管１１１の外径Ｄは、例えば４ｍ
ｍである。冷却配管１１１と外部主電極１０３の間は絶
縁層１０４によって電気的に絶縁されている。冷却配管
１１１は外部主電極１０２の四角柱１０２ａを少なくと
も１周するように配設されている。冷却配管１１１は、
磁器またはゴムなどの電気絶縁性の配管継手１３２を中
継して、外部の冷却装置１３５が備える金属性の配管１
３３に接続される。配管継手１３２によって、冷却配管
１１１と配管１３３とが電気的に絶縁される。

【００４９】冷却装置１３５では、冷媒を圧送するポン
プ１３４と冷媒を冷却する冷却器１３６とが配管１３３
に介挿されている。冷却配管１１１は、外部主電極１０
３の側壁を貫通することによって、外部主電極１０３の
外部に設置される冷却装置１３５へ接続されることを可
能にしている。外部主電極１０３における冷却配管１１
１の貫通部分には絶縁材１３１が介挿されている。絶縁
材１３１は、冷却配管１１１と外部主電極１０３との間
を電気的に絶縁する。

【００５０】冷却配管１１１には冷却装置１３５によっ
て冷却された冷媒が循環する。その結果、外部主電極１
０２が冷媒によって強制的に冷却される。このため、半
導体チップ１０１で発生した損失熱の放熱効率が一層高
いという利点がある。特に、冷却配管１１１が外部主電
極１０２に直接に接続されているので、外部主電極１０
２から冷媒への損失熱の伝達が効率よく行われる。

【００５１】また、半導体チップ１０１は、外部主電極
１０２のフランジ１０２ｂの底面にかかるように配設さ
れており、その上面に冷却配管１１１が配設されるの
で、半導体チップ１０１で発生した損失熱が外部主電極
１０２の全体へと拡散する以前に冷却配管１１１の中の
冷媒へ吸収される。このため、損失熱の放熱効率が高い
という利点がある。なお、冷却装置１３５と外部主電極
１０２との間の電気的絶縁を確保するために、冷却配管
１１１には、空気、絶縁油などの電気絶縁性の冷媒が使
用される。

【００５２】また、ハンダ１１２の代わりに接着剤を使
用することによって、冷却配管１１１を外部主電極１０
２へ接着してもよい。ただし、ハンダあるいは他のロウ
材を用いると、冷却配管１１１と外部主電極１０２との
間の熱伝導が特に良好に行われるという利点がある。

【００５３】＜第３実施例＞つぎに、この発明の第３実
施例について説明する。図１１は、この実施例の半導体
装置の正面断面図である。この半導体装置３００では、
冷却配管１１１が絶縁層１０４の中に埋設され、外部主
電極１０２と外部主電極１０３のいずれとも電気的に絶
縁されている点が、半導体装置２００とは特徴的に異な
る。このため、冷却配管１１１を循環する冷媒に導電性
の冷媒を使用することができる。例えば水などの、安価
で取扱いが容易な冷媒を使用することが可能となる。ま
た、電気絶縁性の配管継手１３２（図８）が不要であ
る。

【００５４】＜第４実施例＞つぎに、この発明の第４実
施例について説明する。図１２は、この実施例の半導体
装置の正面断面図である。この半導体装置４００では、
冷却配管１１１が封止樹脂１０６の中に埋設されている
点が、半導体装置２００、３００とは特徴的に異なる。
このため、この半導体装置４００では、半導体チップ１
０１の表面からの放熱の効率が高いという利点がある。
また、装置の回路部分とは電気的に絶縁されているの
で、半導体装置３００と同様に、冷却配管１１１を循環
する冷媒として水などの導電性の冷媒を使用することが
できるとともに、配管継手１３２（図８）が不要であ
る。

【００５５】＜第５実施例＞冷却配管１１１を外部主電
極１０２の周囲と封止樹脂１１０の中との双方に配設し
てもよい。そうすることによって、半導体チップ１０１
で発生した損失熱は、半導体チップ１０１の裏面側およ
び表面側の双方から効率よく放熱される。

【００５６】＜第６実施例＞図１３および図１４には、
単一の匡体１５１の中に２個（一般には複数個）の外部
主電極１０２、１０３等が埋設されている装置の例を示
す。この半導体装置５００では、外部主電極１０２、１
０３、および絶縁層１０４は、例えば半導体装置１００
と同様に構成される。また、半導体チップ１０１等も半
導体装置１００と同様に外部主電極１０２の底面に配設
されている。半導体チップ１０１等は封止樹脂１１０で
直接に封止され、封止樹脂１１０と放熱板１５３の間は
封止樹脂１５２で充填されている。匡体１５１は、匡体
１０８（図１）と同様に、例えばＰＰＳ（ポリ・フェニ
レン・サルファイド）などの熱可塑性の成型用樹脂で構
成される。また、放熱板１５３は、放熱板１０７（図
１）と同様に、例えば銅などの熱良導性の金属で構成さ
れている。さらに、封止樹脂１５２は、封止樹脂１０６
（図１）と同様に、例えばエポキシ樹脂などの熱良導性
の樹脂で構成されている。

【００５７】半導体装置５００は、このように構成され
るので、複数の機能を有する装置を一体の装置として取
り扱うことができるので、取扱いが容易であるという利
点がある。しかも、第１実施例等と同様の放熱特性が得
られる。また、第１実施例等と同様に、外部主電極１０
２と外部主電極１０２とは同軸に配置されているので、
これらの電極のインダクタンスが相殺されるという利点
がある。

【００５８】＜その他の実施例＞（第７） 以上の実施
例では、半導体チップ１０１がＩＧＢＴである例を示し
たが、半導体チップ１０１はいうまでもなくＩＧＢＴに
限定されない。例えば、トランジスタ、サイリスタ、そ
の他の電力用素子であってもよい。

【００５９】（第８） 図１および図２に示した外部主
電極１０２、１０３の上端部、および外部信号電極１２
０の構造は一例であって、これらの構造に限定されるも
のではない。接続すべきブスバー等の外部の部材の構造
に対応した好ましい構造を取り得る。

【００６０】（第９） 匡体１０８の形状は、図２に示
したような八角柱状でなくてもよい。例えば円柱状であ
ってもよい。また、外部主電極１０２、１０３の形状も
四角柱１０２ａが、例えば円柱状であってもよい。ま
た、八角形のフランジ１０２ｂが円盤状であってもよ
い。外部主電極１０２と外部主電極１０３とが同軸に配
置され、半導体チップ１０１が外部主電極１０２の底面
に回転対称に配設されるのに適した形状であればよい。

【００６１】すなわち一般に、外部主電極１０２は、配
設される半導体チップの個数に応じた回数の回転対称な
略柱状であればよい。また、外部主電極１０３は外部主
電極１０２と同軸であって、外部主電極１０３と同一回
数の回転対称な鞘状であればよい。

【００６２】（第１０） 半導体チップ１０１は、複数
でなく一個であってもよい。このときには、外部主電極
１０２、１０３は回転対称である必要はない。

【００６３】

【発明の効果】

＜請求項１に記載の発明の効果＞この発明の装置では、
半導体基体の第１主面が外部主電極に固着されることで
相互の電気的接続が実現している。このため、半導体基
体と外部主電極の間の熱接触が良好である。その結果、
半導体基体で発生する損失熱が外部主電極へと効率よく
伝わる。また、外部主電極は実質的に金属から成るの
で、外部主電極における損失熱の伝導は良好に行われ
る。また、外部主電極は主電流の経路であるため、例え
ばブスバーなどの外部の導電性の部材に直接に接続され
る。このため、外部主電極から外部の部材への損失熱の
伝導も良好に行われる。

【００６４】また、半導体基体で発生する損失熱は、第
２主面側の樹脂を経由して放熱板へと伝わる。放熱板は
樹脂によって半導体基体とは電気的に絶縁されるので、
外部の放熱フィンなどの放熱部材に直接取付けることが
できる。このため、第２主面側からの放熱も効率よく行
い得る。また、半導体基体の第１主面が外部主電極に固
着されることで相互の電気的接続が実現しているため
に、絶縁基板を必要としないので絶縁基板の破損に起因
する故障の恐れがない。すなわち、この発明の装置で
は、破損などによって装置の信頼性を損なうことなく、
しかも複数の装置の間の電気的絶縁をも確保しつつ、損
失熱の放熱が半導体基体の双方の主面から効率よく行わ
れるという効果を奏する。

【００６５】＜請求項２に記載の発明の効果＞この発明
の装置では、外部主電極の周囲に冷却配管が配設されて
いるので、この冷却配管に冷却された冷媒を循環させる
ことによって外部主電極を冷却することができる。すな
わち、半導体基体から外部主電極へ伝達された損失熱を
強制的に外部へ除去することができる。このため、損失
熱の放熱効率が一層高いという効果がある。

【００６６】＜請求項３に記載の発明の効果＞この発明
の装置では、冷却配管が外部主電極に固着されているの
で、外部主電極から冷却配管への損失熱の伝達が効率よ
く行われるという効果を奏する。

【００６７】＜請求項４に記載の発明の効果＞この発明
の装置では、冷却配管が実質的に金属からなるので冷却
配から冷媒へと損失熱が効率よく伝わる。また、実質的
に金属からなる冷却配管が、外部主電極と電気的に絶縁
されているので、冷媒に例えば水などの安価ではあるが
導電性を有する媒質を使用することが可能である。

【００６８】＜請求項５に記載の発明の効果＞この発明
の装置では、冷却配管が樹脂の中に埋設されているの
で、半導体基体で発生する損失熱が第２主面側から一層
効率よく放熱される。

【００６９】＜請求項６に記載の発明の効果＞この発明
の装置では、半導体基体の第１主面が第１外部主電極に
固着されることで相互の電気的接続が実現している。こ
のため、半導体基体と第１外部主電極の間の熱接触が良
好である。その結果、半導体基体で発生する損失熱が第
１外部主電極へと効率よく伝わる。また、第１外部主電
極は実質的に金属から成るので、第１外部主電極におけ
る損失熱の伝導は良好に行われる。

【００７０】また、第１外部主電極は主電流の経路であ
るため、例えばブスバーなどの外部の導電性の部材に直
接に接続される。このため、第１外部主電極から外部の
部材への損失熱の伝導も良好に行われる。また、半導体
基体の第１主面が第１外部主電極に固着されることで相
互の電気的接続が実現しているために、絶縁基板を必要
としないので絶縁基板の破損に起因する故障の恐れがな
い。

【００７１】また、第１主電極は実質的に柱状であるの
で、損失熱の大きさに応じて、その径を加減することが
できる。このため、この径を十分に大きく設定すること
によって、損失熱を十分な速さで外部へと伝えることが
可能である。

【００７２】さらに極性の異なる第１および第２主電極
が同軸に配設されるので、これらの主電極の双方に固有
のインダクタンスが相互に相殺される。このため、イン
ダクタンスに起因する装置の動作損失が低減されるとい
う効果がある。

【００７３】＜請求項７に記載の発明の効果＞この発明
の装置では、第１および第２主電極が複数の半導体基体
の個数に応じた回数の回転対称であり、しかも複数の半
導体基体が回転対称に配列されているので、どの半導体
基体も第２主電極の底面からの距離が均等である。この
ため、どの半導体基体に接続される配線の電気抵抗も互
いに均等となるので、各半導体基体への主電流の配分が
均等になるという効果がある。また、第１主電極の底面
における半導体基体の配置が回転対称であるので、損失
熱による半導体基体の昇温も均等になるという効果があ
る。

【００７４】＜請求項８に記載の発明の効果＞この発明
の装置では、第１外部主電極のフランジ部分の上面に冷
却配管が配設されているので、この冷却配管に冷却され
た冷媒を循環させることによって第１外部主電極を冷却
することができる。すなわち、半導体基体から第１外部
主電極へ伝達された損失熱を強制的に外部へ除去するこ
とができる。しかも、フランジ部分の底面にかかるよう
に半導体基体が配設され、フランジ部分の上面に冷却配
管が配設されているので、損失熱がその発生源から第１
主電極へと広く拡散する以前に、冷却配管の冷媒によっ
て吸収・除去される。このため、放熱の効率が良好であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例の装置の正面断面図であ
る。

【図２】この発明の第１実施例の装置の全体斜視図であ
る。

【図３】この発明の第１実施例の外部主電極の平面断面
図である。

【図４】この発明の第１実施例の外部主電極の正面図で
ある。

【図５】この発明の第１実施例の外部主電極の底面図で
ある。

【図６】この発明の第１実施例の装置の回路図である。

【図７】この発明の第２実施例の装置の正面断面図であ
る。

【図８】この発明の第２実施例の外部主電極の平面断面
図である。

【図９】この発明の第２実施例の外部主電極の正面図で
ある。

【図１０】この発明の第２実施例の外部主電極の底面図
である。

【図１１】この発明の第３実施例の装置の正面断面図で
ある。

【図１２】この発明の第４実施例の装置の正面断面図で
ある。

【図１３】この発明の第６実施例の装置の平面断面図で
ある。

【図１４】この発明の第６実施例の装置の正面断面図で
ある。

【図１５】従来の装置の正面断面図である。

【図１６】従来の装置の平面断面図である。

【符号の説明】

１０１ 半導体チップ（半導体基体） １０２ 外部主電極（第１外部主電極） １０３ 外部主電極（第２外部主電極） １００、２００、３００、４００、５００ 半導体装置 １０７ 放熱板 １１１ 冷却配管 １０４ 絶縁層（電気絶縁材） １０６、１１０ 封止樹脂（樹脂） １０５ ワイヤ（配線） １０２ａ 四角柱（柱状部分） １０２ｂ フランジ（フランジ部分）

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主電流を制御する半導体基体と、前記主
   電流の経路となる外部主電極とを備える半導体装置にお
   いて、 前記外部主電極が実質的に金属から成り、前記半導体基
   体の第１主面が当該外部主電極に固着されることによっ
   て当該外部主電極と前記半導体基体とが電気的に接続さ
   れており、前記半導体基体の第２主面側には電気絶縁性
   の樹脂を挟んで実質的に金属から成る放熱板が設置され
   ていることを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の装置において、前記外
   部主電極の周囲に冷却配管を配設したことを特徴とする
   半導体装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の装置において、前記冷
   却配管が前記外部主電極に固着されていることを特徴と
   する半導体装置。
4. 【請求項４】 請求項２に記載の装置において、前記冷
   却配管が実質的に金属から成り、当該冷却配管と前記外
   部主電極とが電気絶縁材によって電気的に絶縁されてい
   ることを特徴とする半導体装置。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の装置において、前記樹
   脂の中に冷却配管が埋設されていることを特徴とする半
   導体装置。
6. 【請求項６】 主電流を制御する半導体基体と、前記主
   電流の経路となる極性の異なる第１および第２外部主電
   極とを備える半導体装置において、 前記第１外部主電極が実質的に金属から成るとともに実
   質的に柱状であって、 前記第２外部主電極が、前記第１主電極の側面を電気絶
   縁層を挟んで鞘状に包囲するように、しかも前記第１主
   電極と同軸に配設されており、 前記半導体基体の第１主面が前記第１外部主電極の底面
   に固着されることによって当該第１外部電極と前記半導
   体基体とが電気的に接続されており、 前記半導体基体の第２主面と前記第２主電極の底面とが
   導電性の配線で結ばれることによって前記半導体基体と
   前記第２主電極とが電気的に接続されていることを特徴
   とする半導体装置。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の装置において、前記半
   導体基体が複数個であって、前記第１および第２外部主
   電極のいずれもが、前記半導体基体の個数に応じた回数
   の回転対称な形状であり、 前記複数個の前記半導体基体が、前記第１主電極の底面
   に回転対称に配列されていることを特徴とする半導体装
   置。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の装置において、前記第
   １外部主電極が、柱状部分とその底面において外側に張
   り出すフランジ部分とを有し、 前記複数の半導体基体の各１は、その少なくとも一部が
   前記フランジ部分の底面にかかるように配列されてお
   り、当該フランジ部分の上面に冷却配管が配設されてい
   ることを特徴とする半導体装置。