JP2010045399A - パワー半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、半導体チップを高温動作させても、主配線電極の温度上昇を抑制することができ、外部回路機器への熱的な影響を低減できるパワー半導体装置を提供するものである。
【解決手段】放熱板８を、半導体チップ１が接合される放熱部８ａと、主配線電極３，４が接合される放熱部８ｂとに分離して構成する。放熱部８ａと放熱部８ｂは、耐熱樹脂９を介して互いの側面が対向するように接合する。半導体チップ１から発生する熱が、放熱部８ａから放熱部８ｂに伝達するのを防止できるので、主配線電極３,４の温度上昇を抑えることができる。また、主配線電極３，４の一部に備えられた放熱部８ｄに対応した主配線電極用冷却器１１ｃを備える。主配線電極に伝達した熱を主配線電極用冷却器を介して放熱することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換器等のパワー半導体装置に関するものである。

電力変換器等のパワー半導体装置は、一般に、半導体チップと主配線電極とが同一の放熱板上に配置された構造を備えている。そして半導体チップと主配線電極とは、アルミワイヤ等の主配線によって接続されている（非特許文献１参照）。また、主配線電極の一端は、ケース外部に引出されてコンデンサや負荷等の外部回路機器と接続されている。

三菱電機技報Ｖｏｌ．７７，Ｎｏ．９，ｐ５６３〜ｐ．５６６（図４）

以上説明した構造を備えているので、半導体チップから発せられる熱は、放熱板及びアルミワイヤを介して主配線電極へ伝達する。そして、主配線電極を介してコンデンサ等の外部回路機器へも伝達し、外部回路機器に熱的な影響を与える。

ここで、シリコンを材料とする半導体チップの最大温度は、通常１５０℃程度である。そのため、半導体チップから発せられた熱が主配線電極から外部回路機器に伝達しても、外部回路機器に与える熱的な影響は大きな問題ではなかった。

しかし、ＳｉＣ（炭化シリコン）のようなワイドバンドギャップ半導体を材料とする半導体チップは、半導体チップの温度が２００℃を超える高温でも動作が可能である。このような高温動作の利点を生かして、安価で簡素な冷却器を用いた場合には、主配線電極の温度が高温となり、外部回路機器に熱的な悪影響を与える可能性があった。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、半導体チップを高温動作させても、主配線電極の温度上昇を抑制することができ、外部回路機器への熱的な影響を低減できるパワー半導体装置を提供するものである。

請求項１に記載の発明に係るパワー半導体装置においては、放熱板と、前記放熱板の表主面上に絶縁部材を介して接合された半導体チップと、前記放熱板の表主面上に接合された主配線電極と、を備えるパワー半導体装置であって、前記放熱板は、前記半導体チップが接合された第１放熱部と、前記主配線電極が接合された第２放熱部と、前記主配線電極の一部に備えられた第３放熱部と、前記第３放熱部に対応した主配線電極用冷却器と、を備え、前記第１放熱部と前記第２放熱部とが所定間隔離れて配置されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明に係るパワー半導体装置においては、放熱板と、前記放熱板の表主面上に絶縁部材を介して接合された半導体チップと、前記放熱板の表主面上に接合された主配線電極と、前記放熱板の裏主面に接合された冷却器と、を備えるパワー半導体装置であって、前記主配線電極は放熱部をその一部に備え、前記放熱部に対応した主配線電極用冷却器、をさらに備え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は、半導体チップが接合されている第１放熱部と、主配線電極が接合されている第２放熱部とが所定間隔離れて配置されているので、半導体チップから発生した熱が第１放熱部から第２放熱部へ伝達するのを抑えることができる。その結果、主配線電極の温度上昇を抑制することができる。また、主配線電極の一部に備えられた第３放熱部に対応した主配線電極用冷却器を備えているので、主配線電極に伝達した熱を主配線電極用冷却器を介して放熱することができる。

請求項６に記載のパワー半導体装置は、主配線電極に伝達した熱を主配線電極用冷却器を介して放熱できるように構成されているので、主配線電極の温度上昇を抑制することができる。そして、主配線電極に接続される外部回路機器への熱的な悪影響を防止できる。

実施の形態１に係るパワー半導体装置の中核部分を示す断面図である。 実施の形態１に係るパワー半導体装置の中核部分を示す上面図である。 実施の形態１に係るパワー半導体装置の熱伝達経路を示す図である。 実施の形態１に係るパワー半導体装置の変形例を示す断面図である。 実施の形態２に係るパワー半導体装置の中核部分を示す断面図である。 実施の形態３に係るパワー半導体装置の中核部分を示す断面図である。 実施の形態３に係るパワー半導体装置の中核部分を示す上面図である。 実施の形態３に係るパワー半導体装置の変形例を示す断面図である。

実施の形態１．
図１，２を参照して、本実施の形態１に係るパワー半導体装置の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係るパワー半導体装置の中核部分を示す断面図である。図２は、主配線電極３，４の位置関係を示すための上面図である。ここで図１は、図２のＡ−Ａ線断面図に対応している。

絶縁部材６の表主面上に電極パターン２を介して半導体チップ１が接合されている。絶縁部材６は、セラミックスや樹脂を材料としている。半導体チップ１の上面及び下面には、図示しない上部電極及び下部電極がそれぞれ設けられている。そして、半導体チップ１の下部電極と電極パターン２とは、電気的に接合されている。ここで、この接合はどのような方法であってもよい。例えば、高温半田材等の接合材を用いる方法、あるいは、圧接力による物理的な方法等を用いることができる。

絶縁部材６の裏主面は、放熱部８ａ（第１放熱部）の表主面上に半田等の接合部１４を介して接合されている。そして放熱部８ａは、耐熱樹脂（耐熱部材）９を介して放熱部（第２放熱部）８ｂと接合されて放熱板８を構成している。ここで、放熱部８ａ，８ｂは、放熱部８ａの側面が放熱部８ｂの側面と対向するように接合されている。放熱部８ｂの表主面上には、絶縁材１７を介して主配線電極３が接合されている。そして、主配線電極３上には絶縁材１８を介して主配線電極４が接合されている。

以上説明したように、放熱板８は、半導体チップ１が接合された放熱部８ａと、主配線電極３，４が接合された放熱部８ｂを備えている。そして、放熱部８ａと放熱部８ｂは、耐熱樹脂９を挟んで所定間隔離れて配置されている。また、放熱部８ａ，８ｂは、熱伝導性の高いＣｕ（銅）等を材料としている。

電極パターン２と主配線電極３とが、主配線５によって接続されている。そして、半導体チップ１の図示しない上部電極と、主配線電極４とが主配線１３によって接続されている。主配線５，１３は例えばアルミワイヤである。ここで、半導体チップ１が、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｏｒ）やＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）ＦＥＴ等のスイッチング素子の場合は、ゲート配線がさらに存在するが、図１においては省略している。

主配線電極３，４は、コンデンサ又は負荷等の外部回路機器（図示せず）と接続される。そのため、主配線電極３，４の一部は、半導体チップ１を囲うように形成されたケース１２の外部に引出されている（図１，２参照）。放熱板８には、ケース１２が接合されている。また、ケース１２内はシリコンゲル等で充填されている。放熱板８の裏主面には、熱伝導グリース等の熱伝導材１０を介して冷却器１１が接合されている。

以上のように構成されているので、本実施の形態１に係るパワー半導体装置の熱伝達経路は概略図３のように表される。以下図３を参照して、熱伝達経路の構成について説明する。

半導体チップ１は、熱抵抗Ｒｊｃ１及び熱抵抗Ｒｊｂの一端に接続されている。熱抵抗Ｒｊｃ１の他端は放熱部８ａに接続されている。そして放熱部８ａは熱抵抗Ｒｃｆ１の一端に接続されている。熱抵抗Ｒｃｆ１の他端は冷却器１１に接続されている。

熱抵抗Ｒｊｂの他端は主配線電極３に接続されている。また、主配線電極３には、熱抵抗Ｒｂｃ２の一端が接続されている。そして熱抵抗Ｒｂｃ２の他端は放熱部８ｂに接続されている。放熱部８ｂに熱抵抗Ｒｃｆ２の一端が接続されている。熱抵抗Ｒｃｆ２の他端は冷却器１１に接続されている。冷却器１１には、熱抵抗Ｒｆａの一端が接続されている。そして熱抵抗Ｒｆａの他端はＡｉｒ（空気）に接続されている。

ここで、熱抵抗Ｒｊｃ１，Ｒｃｆ１は、半導体チップ１−放熱部８ａ間の熱抵抗，放熱部８ａ−冷却器１１間の熱抵抗をそれぞれ示している。そして熱抵抗Ｒｊｃ１及びＲｃｆ１は、半導体チップ１の冷却性能に直接影響する。そのため、Ｒｊｃ１及びＲｃｆ１が小さな値になるように、半導体チップ１が配置されている領域の構造、材料等は設計される。

また、熱抵抗Ｒｊｂ，Ｒｂｃ２，Ｒｃｆ２，Ｒｆａは、半導体チップ１−主配線電極３間の熱抵抗，主配線電極３−放熱部８ｂ間の熱抵抗、放熱部８ｂ−冷却器１１間の熱抵抗、冷却器１１−空気間の熱抵抗をそれぞれ示している。

本実施の形態では、放熱部８ａと放熱部８ｂとは、耐熱樹脂９により熱的に分離しているので、放熱部８ａから放熱部８ｂへの熱の移動は無いものとしている。そのため、図３においては、放熱部８ａと放熱部８ｂを接続する熱伝達の経路は無い。

そして、主配線電極４及び主配線１３は、簡単化のため図３では省略している。また、半導体チップ１、主配線電極３、放熱部８ａ，８ｂ、及び冷却器１１において、それぞれの内部の熱抵抗は無視している。さらに主配線電極３の一部は外部回路機器と接続されている。そのため、主配線電極３を介した外部回路機器への熱流も存在がするが、その熱流も無視している。なお、冷却器１１は空冷の冷却器の場合を示している。

本実施の形態に係るパワー半導体装置は、以上説明した熱伝達経路を有しているので、半導体チップ１で発生した熱は、主に熱抵抗Ｒｊｃ１を介して放熱部８ａに到達する。そして、熱抵抗Ｒｃｆ１を介して冷却器１１に到達する。さらに、冷却器１１と空気間の熱抵抗Ｒｆａを経て空気中に放出される。

ここで、放熱部８ａから放熱部８ｂへの熱の伝達が無いため、半導体チップ１から発生した熱が放熱部８ａから放熱部８ｂへ伝達し、さらに放熱部８ｂから主配線電極３に伝達することも無い。その結果、主配線電極３の温度上昇を抑えることができる。

図３に示された熱伝達経路に基いて、主配線電極３の温度Ｔｂを求めると、概略的に、 Tb=Tf+((Rbc2+Rcf2)/(Rjb+Rbc2+Rcf2))・(Tj-Tf)・・・(1)
と表される。

ここで、Ｔｆは冷却器１１の温度、またＴｊは半導体チップ１の温度を示している。式（１）は、半導体チップ１の冷却構造に関連する熱抵抗Ｒｊｃ１、Ｒｃｆ１に依存しない。そのため、主配線電極３の温度は、半導体チップ１の冷却構造とは無関係に決定される。主配線電極３が形成された領域の構造及び材料等を適当に選ぶことにより、主配線電極３の温度上昇を、式（１）で表される程度に抑制することができる。なお、主配線電極４の温度は、主配線電極３上に接合されているので、主配線電極３の温度と同程度になる。

以上説明したように、本実施の形態では、放熱板８が放熱部８ａ及び放熱部８ｂを備えている。そして放熱部８ａと放熱部８ｂは熱的に分離している。そのため、半導体チップ１から発生した熱が放熱部８ａから放熱部８ｂへ伝達するのを抑えることができるので、主配線電極３，４の温度上昇を抑制することができる。具体的には、式（１）によって与えられる温度程度に抑制できる。また、主配線電極３，４の温度Ｔｂを決める熱抵抗Ｒｂｃ２、Ｒｃｆ２、Ｒｊｂは、半導体チップ１の冷却性能に影響しないため、材料、構造等の設計自由度を広くとることができる。

なお、放熱部８ａ及び放熱部８ｂは耐熱樹脂９を介して接合される構成としたが、熱的に分離されていればよく、必ずしも耐熱樹脂９を必要としない。放熱部８ａと放熱部８ｂが所定間隔離れて配置されている構成でもよい。しかし、耐熱樹脂９を介して放熱部８ａ，８ｂを接合することで、放熱板８の強度を高めることができる。

本実施の形態では、放熱板８を２つの放熱部から構成したが、主配線電極３，４の配置によっては、さらに複数の放熱部から構成するようにしてもよい。例えば図４に示す変形例では、主配線電極３，４が異なる放熱部上にそれぞれ配置された場合の構成を示している。以下この変形例の構成について説明する。放熱板８は、放熱部８ａ，８ｂ，８ｃを有している。冷却器１１上に放熱部８ａが配置されている。そして放熱部８ａを挟むように、放熱部８ａから所定間隔離れて放熱部８ｂ，８ｃが冷却器１１上にそれぞれ配置されている。放熱部８ａ，８ｂ，８ｃの裏主面には、熱電導グリース１０を介して冷却器１１が接続されている。

そして放熱部８ａ上に絶縁部材６が半田等の接合部１４を介して接合されている。絶縁部材６上に電極パターン２が接合されている。そして、電極パターン２上に半導体チップ１が接合されている。半導体チップ１の上面及び下面には、図示しない上部電極及び下部電極がそれぞれ設けられている。そして、半導体チップ１の下部電極と電極パターン２とは、電気的に接合されている。

放熱部８ｂ上に絶縁部材２０が接合材２１を介して接合されている。そして絶縁部材２０の表主面には電極パターン２２が接合されている。そして電極パターン２２上に主配線電極３が接合されている。

放熱部８ｃ上に絶縁部材１９が半田等の接合材２１を介して接合されている。そして絶縁部材１９の表主面には電極パターン２３が接合されている。そして電極パターン２３上には、主配線電極４が接合されている。そして半導体チップ１の図示しない上部電極と電極パターン２３が主配線１３によって接続されている。また電極パターン２と電極パターン２２が主配線５によって接続されている。ここで、半導体チップ１が、スイッチング素子の場合は、ゲート配線がさらに存在するが、図４においては省略している。

そして図示しないケースが半導体チップ１、及び主配線電極３，４を囲うように形成されている。また、主配線電極３，４の一部は外部回路機器（図示せず）と接続するためにケース外部に引出されている。

このような構成であっても、放熱部８ａと放熱部８ｂ，８ｃが分離して配置されているので、半導体チップ１から発生した熱が放熱部８ａから放熱部８ｂ，８ｃに伝達するのを低減することができる。その結果、主配線電極３，４の温度上昇を抑えることができる。放熱部８ａと放熱部８ｂ，８ｃ間は耐熱樹脂などの耐熱部材を介して接合するようにしてもよい。このようにすることで、放熱板８の強度を高めることができる。

また、放熱板８の構造は、本実施の形態に示した構造に限定されるものではなく、半導体チップ１が配置された領域と、主配線電極３，４が配置された領域とが熱的に分離されるような構成であればよい。例えば、放熱板８に、半導体チップ１が接合される放熱部よりも大きな面積の開口部を設ける。そして、開口部以外の部分に主配線電極３，４を配置する。半導体チップ１が接合された放熱部を、開口部に接触しないように開口部内に配置してもよい。このような構造でも、半導体チップ１で発生した熱が主配線電極３，４に到達するのを低減することができる。図４に示したように主配線電極３，４が配置された場合でも放熱板８を３分割する必要が無くなるので、組み立てを容易にすることができる。

実施の形態２．
図５は、本実施の形態に係るパワー半導体装置の中核部分を示す断面図である。本実施の形態においては、冷却器１１が、放熱部８ａの裏主面に接続された冷却器（第１冷却部）１１ａと放熱部８ｂの裏主面に接続された冷却器（第２冷却部）１１ｂとに分離した構造となっている。その他の構成は実施の形態１と同様であり、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

実施の形態１では、同一の冷却器１１上にパワー半導体装置チップが配置されているため、主配線電極の温度Ｔｂは、冷却器１１の温度Ｔｆよりも高くなる。本実施の形態では、冷却器１１ｂが冷却器１１ａから熱的に分離されているため、冷却器１１ａを介したパワー半導体チップ１からの熱伝達を抑制することができる。その結果、主配線電極３，４の温度をさらに低く抑えることができる。

また、ＳｉＣを材料とする半導体チップ１は高温動作が可能である。そのため、このような半導体チップ１を備えるパワー半導体装置は、性能を犠牲にして簡易で安価な冷却器１１を使用することができる。このような冷却器１１を用いた場合、冷却器１１の温度は必然的に高くなる。本発明はこのような場合でも、主配線電極３，４の温度を低く抑えることが可能であり、主配線電極３，４に接続される外部回路機器への耐熱性等の熱的な影響を軽減できる。

実施の形態３．
図６，７を参照して、本実施の形態３に係るパワー半導体装置の構成について説明する。図６は、実施の形態３に係るパワー半導体装置の中核部分を示す断面図である。図７は、図６の上面図を示している。また図６は、図７のＢ−Ｂ線断面図に対応している。実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施の形態においては、主配線電極３,４が放熱部８ｄ（第３放熱部）を備えている。ここで、図６，７の例では、主配線電極３，４が放熱部８ｄと一体に形成された例を示している。そして、ケース１２内部の放熱板８に対向する位置に、放熱部８ｄが接合されている。そして、冷却器１１ｃ（主配線電極用冷却器）がケース１２の外側上面に放熱部８ｃに対向するように接合されている。すなわち、図６，７に示された例では、放熱部８ｄと冷却器１１ｃとは、ケース材によって絶縁されて接合されている。ここで、ケース材に代えて、より高熱伝導性を有する絶縁材を設けてもよい。また、放熱部８ｄと冷却器１１ｃの絶縁が必要でない場合は、絶縁材を用いる必要はない。

本実施の形態は、以上のような構造を備えているので、半導体チップ１から発生した熱が外部回路機器に到達する前に、放熱部８ｄから冷却器１１ｃを経て外部に放熱されるので、外部回路機器への熱による悪影響を防止することができる。

また、本実施の形態では、ケース１２を介して冷却器１１ｃを設けたが、主配線電極３，４に直接接合するようにしてもよい。そしてさらに、冷却器１１ｃを側面に設けてもよい。図８に、主電極配線３，４が放熱板８上の別々の位置に配置された場合の変形例を示す。放熱板８上に半田等の接合部１４を介して絶縁部材６が接合されている。そして、絶縁部材６上に電極パターン２が接合されている。電極パターン２上に半導体チップ１及び、半導体チップ１から所定間隔離れて主配線電極３が配置されている。このように、半導体チップ１の図示しない下部電極と主配線電極３は電極パターン２を介して接続されている。

絶縁部材６から所定間隔離れて、絶縁部材１９が接合材２１を介して放熱板８上に接合されている。そして絶縁部材１９上には電極パターン２０が接合されている。そして電極パターン２０上に主配線電極４が接合されている。そして電極パターン２０と半導体チップ１の図示しない上部電極が主配線１３によって接続されている。ここで、半導体チップ１がスイッチング素子の場合は、ゲート配線がさらに存在するが、図８においては省略している。

そして、主配線電極３，４には冷却器１１ｃが接合されている。そして冷却器１１ｃは図示しないケース外部に突出している。このように形成した場合であっても、冷却器１１ｃを介して、主配線電極３，４から熱を放熱することができる。そのため外部回路機器に与える熱的な悪影響を軽減することができる。

また、本実施の形態に実施の形態１，２に示した構成を組み合わせた構成にすることもできる。すなわち図６において、放熱部８を、図１に示すように半導体チップ１を接合した放熱部８ａと、主配線電極３，４を配置した放熱部８ｂから構成し、放熱部８ａ及び放熱部８ｂを熱的に分離した構成してもよい（図１参照）。さらに、図５に示すように冷却器１１を冷却器１１ａと冷却器１１ｂに分割して構成し、放熱部８ａと放熱部８ｂにそれぞれ接続するように構成してもよい。このように構成することで、さらに外部回路機器に与える熱的な悪影響を低減できる。

１ 半導体チップ、３，４ 主配線電極、６，１９，２０ 絶縁部材、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ 放熱部、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 冷却器。

Claims (7)

1. 放熱板と、
   前記放熱板の表主面上に絶縁部材を介して接合された半導体チップと、
   前記放熱板の表主面上に接合された主配線電極と、
   を備えるパワー半導体装置であって、
   前記放熱板は、
   前記半導体チップが接合された第１放熱部と、
   前記主配線電極が接合された第２放熱部と、
   前記主配線電極の一部に備えられた第３放熱部と、
   前記第３放熱部に対応した主配線電極用冷却器と、
   を備え、
   前記第１放熱部と前記第２放熱部とが所定間隔離れて配置されていることを特徴とするパワー半導体装置。
2. 前記第１放熱部と前記第２放熱部とが、耐熱部材を介して接合されてい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. 前記放熱板の裏主面に接合された冷却器、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワー半導体装置。
4. 前記冷却器は、
   前記第１放熱部の裏主面に接合された第１冷却器と、
   前記第２放熱部の裏主面に接合された第２冷却器と、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体装置。
5. 放熱板と、
   前記放熱板の表主面上に絶縁部材を介して接合された半導体チップと、
   前記放熱板の表主面上に接合された主配線電極と、
   前記放熱板の裏主面に接合された冷却器と、
   を備えるパワー半導体装置であって、
   前記主配線電極は放熱部をその一部に備え、
   前記放熱部に対応した主配線電極用冷却器、
   をさらに備えることを特徴とするパワー半導体装置。
6. 前記半導体チップを囲うように形成されたケースを備え、
   前記主配線電極用冷却器は、前記ケース外部に突出して配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載のパワー半導体装置。
7. 前記半導体チップは、ワイドバンドギャップ半導体を材料とすることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１項に記載のパワー半導体装置。

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