JP4015975B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力用半導体装置の冷却技術に関する。

従来の電力用半導体装置においては、電力用半導体素子から発せられる熱を外部へ逃がすために、電力用半導体素子の裏面とろう材により接着された銅板と、当該銅板とろう材により接着されたセラミック板とを当該半導体装置内に設けると共に、当該セラミック板の裏面を、密着用グリスを介して、外部冷却装置（冷媒液を通すための通路が形成された冷却板）に接触させている。

特開２００２−２７０７４８号公報 特開２００２−９３９７４号公報 特開２００１−３３２６７９号公報

従来の半導体装置においては、当該半導体装置に冷却装置を取り付けるためには、銅板及びセラミック板の部材を使用しなければならず、しかも、取り付けの際に、接触面の確保及び接触熱抵抗低減化のためにグリスを塗布しなければならない。この様な構造は、電力用半導体素子から発する熱の冷却効率をより一層高めつつ、本装置の小型化を図る上において、障害となっている。

この発明はこの様な技術的懸案事項を解決するためになされたものであり、その目的は、冷却構造を具備した半導体装置における性能の向上と小型化とを一挙に達成することにある。

この発明の主題に係る半導体装置は、冷媒液の通路を成す内空間を形成する内表面と、その一部が平面を成す外表面とを備える導電性パイプと、前記導電性パイプの前記外表面における前記平面上に接着層を介して固着された電力用半導体素子と、前記導電性パイプの前記平面上に接合された先端部を備えるインナーリード部と、前記インナーリード部に繋がったアウターリード部とを備える外部接続端子と、前記電力用半導体素子の全面と、前記外部接続端子の前記インナーリード部の全体と、前記導電性パイプの前記外表面とを被覆するモールド樹脂とを備え、前記導電性パイプは、前記内表面上に全面的に形成された絶縁膜を更に備えており、前記モールド樹脂は、前記導電性パイプの全体を被覆すると共に、前記導電性パイプの一端部に繋がった、前記モールド樹脂の側面の穴である冷媒液導入口と、前記導電性パイプの他端部に繋がった、前記モールド樹脂の側面の穴である冷媒液出口とを備えることを特徴とする。

以下、この発明の主題の様々な具体化を、添付図面を基に、その効果・利点と共に、詳述する。

この発明の主題に係る半導体装置によれば、１）熱源である電力用半導体素子を半導体装置内部において直接的に冷却することが出来るので、装置の性能向上（通電電流量のアップ）を図ることが可能になると共に、２）導電性パイプに冷媒通路と導電経路とを兼用させることが出来るので、装置の小型化及びコスト低減化を達成することも可能となる。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る電力用半導体装置の構造を示す縦断面図であり、又、図２は、図１中の線Ｉ―Ｉに関する縦断面構造の一部を拡大して示す図である。

図１及び図２において、導電性パイプ７は、導電性材料（例えば金属体又は合金）で構成されており、しかも、１）絶縁性の冷却用冷媒液８の通路を成す内空間を形成する内表面７ＩＳと、２）その一部が平面（平面部ないしは平面領域とも称す）７ＯＳＦＲを成す外表面７ＯＳとを備える、薄肉の導電性管状体（例えば金属性パイプ）である。導電性パイプ７の縦断面形状は任意であり、平面部７ＯＳＦＲは、例えば、外表面の縦断面形状が円形である導電性パイプの外表面の一部をプレス機でプレスすることにより形成可能である。

又、電力用半導体素子ないしは電力用半導体チップ１は、半田等の溶接ろう材２（導電性接着層に該当）を介して、導電性パイプ７の中央部７ＣＰにおける外表面７ＯＳの平面領域（第１領域）７ＯＳＦＲ上に、固着されている。

又、第１外部接続端子６は、１）半田等のろう材（導電性接着層：図示せず）を用いた溶接により、あるいは、超音波溶接により、導電性パイプ７の中央部７ＣＰにおける平面領域７ＯＳＦＲの他部（第２領域）上に直接に接合された先端部を備えるインナーリード部６ＩＬと、２）インナーリード部６ＩＬに繋がったアウターリード部６ＯＬとを備える。

これに対して、第２外部接続端子５は、１）導電性パイプ７の外表面７ＯＳの上方に位置して浮いた状態にあり且つワイヤ３を介して電力用半導体素子１の上面側電極（図示せず）に電気的に接続された先端部を備えるインナーリード部５ＩＬと、２）インナーリード部５ＩＬに繋がったアウターリード部５ＯＬとを備える。

そして、周知のトランスファーモールド成形法を用いることによって、電力用半導体素子１の全面と、溶接ろう材２の全面と、第１外部接続端子６のインナーリード部６ＩＬの全体と、導電性パイプ７の中央部７ＣＰにおける外表面７ＯＳの全体と、ワイヤ３の全体と、第２外部接続端子５のインナーリード部５ＩＬの全体とは、モールド樹脂ないしは封止樹脂４によって、被覆ないしは封止されている。このため、第２外部接続端子５のインナーリード部５ＩＬは、モールド樹脂４によって、導電性パイプ７の中央部７ＣＰと、間隔を置いて一体化されており、導電性パイプ７の第１端部（入口側端部）７Ｅ１及び第２端部（出口側端部）７Ｅ２は、モールド樹脂４の側面から突出していると共に、第１及び第２外部接続端子６，５の各アウターリード部６ＯＬ，５ＯＬもまた、全面的にモールド樹脂４の側面から突出している。

尚、平面部７ＯＳＦＲは、導電性パイプ７の中央部７ＣＰにのみ形成されていても良いし、あるいは、中央部７ＣＰのみならず第１及び第２端部７Ｅ１，７Ｅ２の一方又は両方にも形成されていても良い。

この様に、本装置においては、導電性パイプ７、特にその中央部７ＣＰは、電力用半導体素子１を直接的に冷却するための冷媒液８用冷媒通路として機能するのみならず、電力用半導体素子１と一方の外部接続端子６とを直接的に導通させるための導電経路としても機能している。

以上の構成により、本装置は次の諸効果を奏する。即ち、１）本装置の熱源である電力用半導体素子１を導電性パイプ７によって直接的に冷却することが出来るため、半導体装置の性能向上（通電電流量のアップ）を図ることが出来ると共に、２）従来装置における外部冷却板及び半導体装置の放熱部品（銅板及びセラミック板）を不要とすることが出来、しかも、導電性パイプ７自体を導電経路として利用することが出来るので（冷却通路と導電経路との併用化）、本半導体装置自体のコストの低減化及び小型化を図ることも出来る。加えて、本装置によれば、３）冷却通路と導電経路との併用化に伴い、一方の外部接続端子６の設計の自由度を向上させることも出来る。

＜変形例１＞
本変形例は、実施の形態１の半導体装置を改良するものであり、その特徴点は、１）導電性パイプ７は、その内表面７ＩＳ上に全面的に形成された絶縁膜１０を更に備えており、しかも、２）モールド樹脂４は導電性パイプ７の全体を被覆すると共に、３）モールド樹脂４は、導電性パイプ７の一端部に繋がった冷媒液導入口６ＥＮと、導電性パイプ７の他端部に繋がった冷媒液出口６ＥＸとを備える点にある。以下、この点を、図面を基に具体的に記載する。

図３は、本変形例に係る半導体装置の構造を示す縦断面図である。図３の構造が図１の構造と相違する点は、次の点にある。即ち、導電性のパイプ７の全体が、トランスファーモールド成形によって、モールド樹脂４の中へ埋め込まれている。しかも、トランスファーモールド成形時の型枠によって、成形後のモールド樹脂４の側面に２個の穴が形成される。その一方の穴が、モールド樹脂４内の導電性パイプ７の一端部に繋がった冷媒液導入口６ＥＮであり、その他方の穴が、モールド樹脂４内の導電性パイプ７の他端部に繋がった冷媒液出口６ＥＸである。しかも、モールド樹脂４の中へ埋め込まれた導電性パイプ７の内表面７ＩＳ上には、絶縁膜１０が全面的に形成されている。この様な構造により、導電性パイプ７とモールド樹脂４の外部との間における絶縁性は、十分に確保されている。従って、本変形例においては、導電性パイプ７の、絶縁膜１０で囲まれた内空間に流すべき冷却用冷媒液８として、例えば水（例えば水道水）の様な導電性のある液体を、使用することが可能となる。換言すれば、本変形例では、安価で環境にやさしい物質を冷却用冷媒液８として使用することが出来ると言う利点がある（対環境性の向上）。

（実施の形態２）
図４は、本実施の形態に係る電力用半導体装置の構造を示す縦断面図である。本装置が実施の形態１に係る図１の装置と構造上相違する特徴点の一つは、Ａ）導電性パイプ７の使用に代えて、冷却用冷媒液８（絶縁性の物でも良いし、あるいは、安価な水の様な導電性の物でも良い）の通路を成す内空間を形成する内表面９ＩＳと、その一部が平面領域９ＯＳＦＲを成す外表面９ＯＳとを備える絶縁性パイプ９を用いている点にある。尚、平面部９ＯＳＦＲは、中央部９ＣＰのみならず、両端部９Ｅ１，９Ｅ２の一方あるいは双方にも形成されていても良い。この構造のため、Ｂ）第１外部接続端子６Ａは、絶縁性パイプ９の平面９ＯＳＦＲ上に接合されたパッド部６ＡＰＰを備えるインナーリード部６ＡＩＬと、インナーリード部６ＡＩＬに繋がったアウターリード部６ＡＯＬとを備える。そして、Ｃ）電力用半導体素子１は、溶接ろう材（接着層）２を介して、第１外部接続端子６Ａのパッド部６ＡＰＰ上に固着されている。この様に、電力用半導体素子１は、パッド部６ＡＰＰを介在して、冷媒経路を成すパイプ９によって間接的に冷却される。その他の構成要素３，５は図１の対応する要素と同一である。そして、Ｄ）トランスファーモールド成形によって、電力用半導体素子１の全面と、溶接ろう材２の全面と、第１及び第２外部接続端子６，５の各インナーリード部６ＡＩＬ，５ＩＬの全体と、ワイヤ３の全体と、絶縁性パイプ９の外表面９ＯＳの全体とは、モールド樹脂４によって完全に被覆されている。

本実施の形態に係る半導体装置によれば、１）熱源である電力用半導体素子１を効率良く冷却することが可能であり、しかも、２）従来装置における外部冷却板及び半導体装置の放熱部品（銅板及びセラミック板）を排除することが出来るので、従来装置と比較して小型な半導体装置を得ることが出来る。

又、図５に示す様に、図４の（又は既述した図１の）電力用半導体装置を縦方向（紙面の上下方向）に沿って複数個隣接配置することとしても良い。図５の構成の採用により、実装密度を高めた半導体装置を得ることが出来る。

＜変形例２＞
図４の絶縁性パイプ９として、その断面形状が当初より矩形型のパイプを用いても良い。この様なパイプの採用により、パイプの外表面の一部に平面形状を形成するための作業（プレス作業等）が不要となり、本半導体装置の製造が容易となる。

尚、上記の各実施の形態及び各変形例における電力用半導体素子１としては、ＩＧＢＴ、あるいは、縦型ＭＯＳＦＥＴ等の半導体チップを例示することが出来る。

（付記）
以上、本発明の実施の形態を詳細に開示し記述したが、以上の記述は本発明の適用可能な局面を例示したものであって、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、記述した局面に対する様々な修正や変形例を、この発明の範囲から逸脱することの無い範囲内で考えることが可能である。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構造を示す縦断面図である。 図１の線Ｉ−Ｉに関するパイプの縦断面図である。 実施の形態１の変形例に係る半導体装置の構造を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の構造を示す縦断面図である。 実施の形態２（又は１）の変形例に係る半導体装置の構造を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 電力用半導体素子、２ 溶接ろう材、３ ワイヤ 、４ 封止樹脂（モールド樹脂）、５，６ リード（外部接続端子）、７ 導電性パイプ、８ 冷却用冷媒液、９ 絶縁性パイプ、１０ 絶縁膜。

Claims (3)

1. 冷媒液の通路を成す内空間を形成する内表面と、その一部が平面を成す外表面とを備える導電性パイプと、
   前記導電性パイプの前記外表面における前記平面上に接着層を介して固着された電力用半導体素子と、
   前記導電性パイプの前記平面上に接合された先端部を備えるインナーリード部と、前記インナーリード部に繋がったアウターリード部とを備える外部接続端子と、
   前記電力用半導体素子の全面と、前記外部接続端子の前記インナーリード部の全体と、前記導電性パイプの前記外表面とを被覆するモールド樹脂とを備え、
   前記導電性パイプは、
   前記内表面上に全面的に形成された絶縁膜を更に備えており、
   前記モールド樹脂は、
   前記導電性パイプの全体を被覆すると共に、
   前記導電性パイプの一端部に繋がった、前記モールド樹脂の側面の穴である冷媒液導入口と、
   前記導電性パイプの他端部に繋がった、前記モールド樹脂の側面の穴である冷媒液出口とを備えることを特徴とする、
   半導体装置。
2. 冷媒液の通路を成す内空間を形成する内表面と、その一部が平面を成す外表面とを備える絶縁性パイプと、
   前記絶縁性パイプの前記平面上に接合されたパッド部を備えるインナーリード部と、前記インナーリード部に繋がったアウターリード部とを備える外部接続端子と、
   前記外部接続端子の前記パッド部上に接着層を介して固着された電力用半導体素子と、
   前記電力用半導体素子の全面と、前記外部接続端子の前記インナーリード部の全体と、前記絶縁性パイプの前記外表面とを被覆するモールド樹脂とを備えることを特徴とする、
   半導体装置。
3. 請求項２記載の半導体装置であって、
   前記絶縁性パイプの断面形状は矩形であることを特徴とする、
   半導体装置。

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