JPS61265849A - 電力半導体装置 - Google Patents

電力半導体装置

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JPS61265849A
JPS61265849A JP60108863A JP10886385A JPS61265849A JP S61265849 A JPS61265849 A JP S61265849A JP 60108863 A JP60108863 A JP 60108863A JP 10886385 A JP10886385 A JP 10886385A JP S61265849 A JPS61265849 A JP S61265849A
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power semiconductor
semiconductor device
heat
heat dissipation
heat radiating
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JP60108863A
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Hideyuki Imanaka
今中 秀行
Masanobu Miyake
正展 三宅
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    • H01L2924/181Encapsulation

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、空気中への放熱により装置の冷却を行うため
の放熱フィンを備えた電力半導体装置に関するものであ
る。
〔従来技術〕
従来、電力半導体装置は作動時の電力損失が大きく、こ
の電力損失によって生じる発熱量を電力半導体装置単独
では放散しきれないため、装置自体に著しい温度上昇を
招くものであった。この温度上昇により、装置内部に設
けられた半導体素子の許容最高温度(シリコン半導体で
は通常125℃〜150℃)を超える危険性がある場合
には、電力半導体装置は、第4図に示すように、その装
置の消費電力に応じた冷却能力を有する放熱フィン12
に装着して使用されていた。上記放熱フィン12はその
材料として通常アルミニウムの押出し型材が用いられ、
一方の面には平面部12aが形成され、他方の面には複
数のひだ状の突起部13・・・が設けられている。電力
半導体装置の内部には、第5図に示すように、セラミッ
クから成り、両面に銅パターン15a15b・15c1
5dおよび15eの形成された内部回路基板14が設け
られている。この内部回路基板14上には、上記銅パタ
ーン15a・15b・15c15dを介して入出力端子
17・・・及び半導体素子18a・18bを半田付けし
ている半田層16・・・が形成されている。上記一方の
半導体素子18aの上面と銅パターン15b、及び銅パ
ターン15bと他方の半導体素子18bの上面は、それ
ぞれボンディングワイヤ19・19により結線されてい
る。
このような内部回路基板14は、その下面に形成された
上記銅パターン15eを介して半田層20の半田により
放熱用金属板21に半田付けされている。上記の放熱用
金属板21は熱伝導率の高い銅板に酸化防止用のニッケ
ルメッキ等の表面処理を施したものであり、ある程度の
放熱機能を有するものである。上記の放熱用金属板21
の上面は内部回路基板の半田付けを容易にするために、
また底面は他の放熱器である放熱フィン12への装着を
容易にするために、それぞれ平坦な構造になっている。
放熱用金属板21上には電力半導体装置の外殻の一部を
形成する外枠22が設けられ、放熱用金属板21及び外
枠22により形成される容器中には、樹脂を充填して内
部の構成部材を保護するための内装樹脂層23が形成さ
れている。
この内装樹脂層23上には、電力半導体装置の上部外殻
を形成し、端子17・・・を固定するための外装樹脂層
24が形成されている。
以上のように、半導体素子18a・18bから放熱用金
属板21までの熱伝導性を考慮した構造により、上記2
者間の熱抵抗は1〜1.25 t/Wとなる。しかし、
仮に上記放熱用金属板21が厚み3fl・断面積80X
40−の銅板とすれば、放熱用金属板21から空気中へ
の熱抵抗は約10℃油となり、半導体素子18a・18
bでの消費電力を20Wとすると、上記半導体素子18
a・18bの温度は200℃を超えることになる。従っ
て、先述した放熱フィン12による放熱が必要となるも
のである。放熱フィン12に対する電力半導体装置の装
着は、第4図のように前記放熱用金属板21と放熱フィ
ン12の平面部12aとの間に熱伝導性の良いグリス層
25を設け、前記外枠22、放熱用金属板21及び放熱
フィン12を、それぞれのビス挿通孔26・26.27
・27に挿通した取付ビス28・28により固定されて
いる。尚、上記グリス層25により、放熱用金属板21
及び放熱フィン12間の熱抵抗は小さく抑えられるので
、約0.2  ’I、/W程度の熱抵抗が存在すること
になる。
ところが、上記従来の構造では、放熱用金属板21と放
熱フィン12の接合には、これら二者間にグリス層25
を設け、取付ビス28・28によりビス止めして固定す
るものであるため、組立て作業が非常に手間取るという
欠点があった。また、放熱用としての放熱フィン12を
別に設けているため、放熱用金属板21は不必要なもの
となっており、これに起因して部品点数の増加及びコス
トアンプを招来するといった問題点を有する。
〔発明の目的〕
本発明は、上記従来の問題点を考慮してなされたもので
あって、電力半導体装置冷却用の放熱フィンに対する電
力半導体装置の装着を接着剤にて行うことにより、部品
点数の減少及び組立作業の簡素化をはかることが出来、
ひいてはコストダウンを達成することができる電力半導
体装置の提供を目的とするものである。
〔発明の構成〕
本発明の電力半導体装置は、装置冷却用の放熱フィンを
有し、装置内部に設けられ上下両面に銅パターンを形成
した内部回路基板上に、電気的に機能する構成部材を設
けた電力半導体装置において、前記内部回路基板下面の
銅パターンは、上記放熱フィンの平面部上に、熱伝導性
を有する樹脂から成る接着剤層により接合させたことに
より、部品点数を削減しかつ組立作業を簡素化できるよ
うに構成したことを特徴とするものである。
〔実施例〕
本発明の一実施例を第1図乃至第3図に基づいて以下に
説明する。
電力半導体装置の内部には、電気的絶縁性が高くかつ熱
伝導率の高いセラミックを基材として形成され両面基板
として機能する内部回路基板1が設けられている。この
内部回路基板1の上面には銅パターン2a・2b・2C
・2dが形成されており、下面には銅パターン2eが形
成されている、上記の銅パターン2a上には、入出力端
子4a及び半導体素子5aを所定の間隔をおいて半田付
けした半田層3・3が形成されている。また銅パターン
2b・2c上にはそれぞれ入出力端子4bと半導体素子
5bが半田層3により半田付けされており、さらに銅パ
ターン2d上には半田層3により入出力端子4cが半田
付けされている。上記の半導体素子5aの上面と銅パタ
ーン2b、及びこの銅パターン2bと半導体素子5bと
はそれぞれボンディングワイヤ6・6によりボンディン
グされ結線されている。上記のボンディングワイヤ6は
、半導体素子5a・5bの電流容量に応じて線径200
〜500μのアルミニウム線或いは金線が適宜用いられ
る。このような内部回路基板1は、アルミニウムの押出
し型材がら成る放熱フィン7の平面状を成す平面部7a
に貼着されている。上記放熱フィン7の平面部7aとは
反対側の面には、同一重量で放熱効果を高めるため複数
のひだ状の突起部7b・・・が形成されている。放熱フ
ゝイン7は、この放熱フィン7が用いられる電力半導体
装置の使用条件及び使用目的に応じてその大きさ及び形
状が決定される。また放熱フィン7は熱伝導性がよく軽
量かつ安価であることが要求されており、前述したアル
ミニウムの押出し型材が比較的これらの条件に適合し得
るものとして利用される。尚、上記内部回路基板1と放
熱フィン7は、放熱フィン7の材質がアルミニウムであ
るため半田付けによる接合は不可能である。このため、
放熱フィン7の材料を他の半田付性の良い銅またはニッ
ケル等に置き換えるか、或いは放熱フィン7にメッキ処
理を施すことも考えられるが、これらの方法は放熱フィ
ン7の大型化に呼応してコスト高を招くものである。よ
って本装置では放熱フィン7に熱伝導性を有する樹脂の
接着剤から成る接着剤層8がスクリーン印刷されており
、この接着剤層8により内部回路基板1が放熱フィン7
に貼着されている。また上記放熱フィン7には、電力半
導体装置の外殻の一部を形成し、上記内部回路基板lに
設けられた部材を側面から覆う円筒状の外枠9が別の接
着剤層8′により貼着されている。上記の外枠9及び放
熱フィン7により形成された層形状の内部には、同じく
内部に設けられた半導体素子5a・5bの表面の保護及
びボンディングワイヤ6・6の物理的衝撃からの保護の
ため、樹脂の充填により内装樹脂層1oが形成されてい
る。この内装樹脂層10の樹脂は、注入時には液状であ
り、注入後はゲル化されるものである。
上記の内装樹脂層10上には、本装置の上部外殻を形成
しエポキシ樹脂から成る外装樹脂理工1が形成されてい
る。この外装樹脂層11により端子4a・4b・4cが
固定されている。
上記の構成において、電力半導体の作動により半導体素
子5a・5bから発生された熱は半田層3・3、銅パタ
ーン2a・2 C%セラミック基板1、銅パターン2e
及び接着剤層8を経由して放熱フィン7に伝導される。
そして、この放熱フィン7から上記の熱が空気中へ放出
されることにより、半導体素子5a・5bが冷却される
。上記の熱の伝達過程において、熱は半導体素子5a・
5b下方の放熱フィン7の方向へ伝導されると同時に横
方向へも伝導され、第2図に示すように、熱の伝導方向
の中心軸に対しておよそ456の広がりをもって伝導さ
れることが知られている。今、熱の伝わる媒体の熱伝導
率をλ (cal/”C・S・cIll)、この媒体の
厚みをt(am)、媒体の断面積をS (cd)とする
と、この媒体の熱抵抗θ(’e/W)は、 4.186    λ・S で算出される。ここで、電力半導体装置によく用いられ
るセラミック基板1の厚み0.6m、銅パターン2a2
b・2c2d2eの厚み0.1〜0.3日程度のものを
想定すると、半導体素子5a・5bから接着剤N8に至
るまでの距離は約1鶴となる。今考えている電力半導体
素子5a・5bは少なくとも7fl角以上のものであり
、半導体素子5a・5bの大きさを仮に7鶴角とすると
、接着剤層8部分の熱伝導に寄与する断面積Sは、S−
(l+2 t  tan45°)”  (cd)、  
(j!=0.7゜t=0.1)、すなわち9鶴角程度の
大きさになる、接着剤層8に厚み100μ、熱伝導率λ
z1x10−” (cal/”c ・s−am)程度の
樹脂を使用すれば、6(1)式より接着剤層8の熱抵抗
θは、θ;0.3  ℃/賀となる。一方、従来の電力
半導体装置の場合は、第3図に示すように、半田層20
、放熱用金属板21及びグリス層25が本装置の接着剤
層8の代わりに存在することになる。しかしこれらの部
材の熱伝導率は、半田層20の熱伝導率λ=sxio−
” (cal/’C−s −co+) 、銅を基材とす
る放熱用金属板21の熱伝導率λ=9,2x10−’ 
(cal/”C・5−cra)で示されるように、上記
接着剤層8の熱伝導率λzl X 10−” (cal
/℃・s−cm)よりも相当高く、無視し得るものであ
る。従来の電力半導体装置において熱伝導上大きく影響
するのは放熱用金属板21と放熱フィン12との接触部
の熱抵抗であり、この熱抵抗はθZ0.2  V−程度
となる。よって前記本装置の接着剤層8の熱抵抗θは上
記従来方式の熱抵抗θに近い値であり、接着剤層8に通
常用いられご熱伝導率の高いものを使用すれば、従来の
装置に対して放熱機能における劣化は殆ど招来しない。
また、本装置の放熱機能をさらに向上させるには、接着
剤層8の熱伝導率λをλ=2X10づ(cal/℃・5
−C11)以上に設定すればよ(、これにより熱抵抗θ
=0.15℃/−以下となり従来方式以上の放熱効果が
得られる。上記接着剤層8の熱伝導率を向上させるには
、接着剤層8を形成する接着剤への高熱伝導率充填剤の
配合率を増加すれば良いが、その反面、接着機能が劣化
される。しかし、入出力端子4a・4b・4Cが外装樹
脂層11により固定されているので強度的に問題はない
このため、接着剤層8の接着剤の接着機能をある程度犠
牲にすることにより本装置の放熱機能を向上させること
は実用上可能である。
〔発明の効果〕
本発明の電力半導体装置は、以上のように、電力半導体
装置の外殻の一部を形成する外枠及び下面に銅パターン
を有する内部回路基板をこの銅パターンを介して、放熱
フィンの平面部に熱伝導性を有する樹脂から成る接着剤
により貼着した構造である。それ故、従来用いられてい
た放熱用金属板、グリス、取付ビス等の部材が不要にな
り、部品点数が大幅に節減される。また上記取付ビスを
挿通するため外枠及び放熱フィン等に形成されていた取
付ビス挿通孔も必要でなくなり、これにより加工工数が
減少される。また上記部品点数の減少及び上記内部回路
基板における放熱フィンへの接着剤による取付は改良に
より、組立作業が大幅に筒素化される。さらに、以上の
部品点数の減少、加工工数の減少及び組立て作業の筒素
化等により、コストダウンを促し得る等の優れた効果を
奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す断面図、第2図は第1
図に示した電力半導体装置の熱伝導の状態を示す模式図
、第3図は従来の電力半導体装置の熱伝導の状態を示す
模式図、第4図は従来例を示す正面図、第5図は第4図
に示した電力半導体装置の内部を示す断面図である。 1は内部回路基板、2a・2b・2c・2d・2eは銅
パターン、3は半田層、4a・4b・4Cは入出力端子
、5a・5bは半導体素子、6はボンディングワイヤ、
7は放熱フィン、8は接触剤層、9は外枠、10は内装
樹脂層、11は外装樹脂層である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、装置冷却用の放熱フィンを有し、装置内部に設けら
    れ上下両面に銅パターンを形成した内部回路基板上に、
    電気的に機能する構成部材を設けた電力半導体装置にお
    いて、前記内部回路基板下面の銅パターンは、上記放熱
    フィンの平面部上に、熱伝導性を有する樹脂から成る接
    着剤層により接合させたことを特徴とする電力半導体装
    置。
JP60108863A 1985-05-20 1985-05-20 電力半導体装置 Pending JPS61265849A (ja)

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