(57)【要約】【課題】冷却効率の高い小型の電力変換器を構成できる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、第１電極板と、前記第１電極板に対向して配置された第２電極板と、前記第１電極板と前記第２電極板との間に配置された半導体チップと、を備える。前記第１電極板および前記第２電極板の少なくともいずれか一方は、冷却媒体を循環させるスペースを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極板と、
前記第１電極板に対向して配置された第２電極板と、
前記第１電極板と前記第２電極板との間に配置された半導体チップと、
を備え、
前記第１電極板および前記第２電極板の少なくともいずれか一方は、冷却媒体を循環させるスペースを含む半導体装置。
【請求項２】
前記第１電極板および前記第２電極板の少なくともいずれか一方は、前記冷却媒体の流入口および流出口を有する請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１電極板および前記第２電極板の少なくともいずれか一方は、前記スペース内に配置された冷却配管を含む請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記スペースは、前記第１電極板および前記第２電極板の前記一方の前記半導体チップに向き合う第１面とは反対側の第２面に沿った方向に延在するように設けられる請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１面は、前記半導体チップに接する請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１電極板および前記第２電極板の少なくともいずれか一方と前記半導体チップとの間に配置された金属スペーサをさらに備え、
前記半導体チップは、前記金属スペーサに接する面上に制御電極を有する請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体装置を複数含み、
前記半導体装置を前記半導体チップが直列接続されるように積層した電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、半導体装置および電力変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
高耐圧、大電流の電力変換に用いられるインバータやコンバータは、複数の半導体装置を直列接続して構成される。例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transisitor）やＭＯＳトランジスタなどのスイッチング素子を含む半導体装置を積み重ねた構造が用いられる。このような構造の電力変換器では、複数の半導体装置の間に冷却器を配置することにより、スイッチング素子を効率良く冷却することが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１７８５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実施形態は、冷却効率の高い小型の電力変換器を構成できる半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る半導体装置は、第１電極板と、前記第１電極板に対向して配置された第２電極板と、前記第１電極板と前記第２電極板との間に配置された半導体チップと、を備える。前記第１電極板および前記第２電極板の少なくともいずれか一方は、冷却媒体を循環させるスペースを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態に係る電力変換器を示す模式図である。
【図２】実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
【図３】実施形態に係る別の半導体装置を示す模式図である。
【図４】実施形態の変形例に係る電力変換器を示す模式図である。
【図５】実施形態の変形例に係る半導体装置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
【０００８】
さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
【０００９】
図１は、実施形態に係る電力変換器１００を示す模式図である。電力変換器１００は、例えば、インバータもしくはコンバータであり、所定の耐圧を得られる数の半導体装置１を直列接続した構造を有する。
【００１０】
図１に示すように、電力変換器１００は、複数の半導体装置１と、枠体５０と、を備える。半導体装置１は、第１電極板１０と、第２電極板２０と、半導体チップ３０（図２（ａ）参照）と、ケース４０と、を含む。第１電極板１０および第２電極板２０は、冷却媒体を循環させるための冷却スペースＣＨを有する。
【００１１】
枠体５０は、支持プレート５１、５３および支柱５５を有する。支柱５５はＺ方向に延び、Ｚ方向に離間して配置された支持プレート５１および５３を支えるように配置される。複数の半導体装置１は、支持プレート５１および５３の間においてＺ方向に積層される。
【００１２】
図１に示すように、電力変換器１００は、台座６１、押圧プレート６３、絶縁部材６５、６７および弾性部材６９をさらに備える。複数の半導体装置１は、台座６１と押圧プレート６３の間に配置される。絶縁部材６５は、複数の半導体装置１のうちの最も下に位置する半導体装置１と、台座６１と、の間に配置される。絶縁部材６７は、複数の半導体装置１のうちの最も上に位置する半導体装置１と、押圧プレート６３と、の間に配置される。
【００１３】
電力変換器１００は、支持プレート５３に付設された弾性部材６９により、押圧プレート６３に所定の圧力を加え、Ｚ方向に積層された複数の半導体装置１を圧接させるように構成されている。弾性部材６９は、例えば、ばねである。
【００１４】
図２（ａ）および（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置１を示す模式図である。図２（ａ）は、半導体装置１の断面を示す模式図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）中に示すＡ−Ａ線に沿った断面を示す模式図である。
【００１５】
図２（ａ）に示すように、半導体装置１は、第１電極板１０と第２電極板２０との間に配置された複数の半導体チップ３０を含む。半導体チップ３０は、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳトランジスタもしくはダイオードである。半導体チップ３０は、第１電極板１０および第２電極板２０に並列接続される。半導体チップ３０は、例えば、第１電極板１０に接するように配置される。
【００１６】
図２（ａ）に示すように、第２電極板２０と半導体チップ３０との間に金属スペーサ１５を配置しても良い。金属スペーサ１５は、例えば、モリブデンを含む金属プレートである。金属スペーサ１５は、第１電極板１０と半導体チップ３０との間に配置しても良いし、半導体チップ３０の上面および下面の両方に配置しても良い。
【００１７】
ケース４０は、第１電極板１０と第２電極板２０との間のスペースに、半導体チップ３０を封じるように配置される。ケース４０には、例えば、絶縁性の樹脂、もしくは、セラミックを用いることができる。
第１電極板１０および第２電極板２０は、例えば、上下に配置された別の半導体装置１の第２電極板２０および第１電極板１０にそれぞれ接続される（図１参照）。Ｚ方向に積層された複数の半導体装置１に含まれる半導体チップ３０は、第１電極板１０および第２電極板２０を介して直列接続される。また、最下段に配置される半導体装置１の第１電極板１０および最上段に配置される半導体装置１の第２電極板２０は、例えば、外部回路に接続される端子（図示しない）を有するか、もしくは、図示しない部分において、例えば、バー状の導体（バスバー）を介して外部回路に接続できるように構成される。
【００１８】
図２（ｂ）に示すように、冷却スペースＣＨは、第２電極板２０の上面２０Ａ（図２（ａ）参照）に沿って延びる空洞である。冷却スペースＣＨは、冷却媒体の流入口２１および流出口２３を有し、第２電極板２０の全体を冷却することが可能なように設けられる。冷却媒体は、例えば、冷却水やエチレングリコールを含んだクーラントなどである。第１電極板１０に設けられる冷却スペースＣＨも同様の構成を有する。
【００１９】
電力変換装器１００では、半導体装置１の第１電極板１０および第２電極板２０に冷却スペースＣＨが設けられているため、半導体チップ３０の冷却効率を向上させることができる。また、Ｚ方向に積層された半導体装置１の間に別の冷却装置を配置する必要がないため、Ｚ方向のサイズを縮小し、小型化することが可能である。さらに、別の冷却装置を省略することにより、部品点数を削減し、低コスト化を実現できる。
【００２０】
例えば、圧接型電力変換器では、Ｚ方向に積層される部品間に導電性グリースを塗布し、部品間の接触面における電気抵抗および熱抵抗を低減させることが好ましい。本実施形態では、Ｚ方向において隣接する半導体装置１間に配置される別の冷却装置を省略することにより、導電性グリースの塗布面が半減され、電力変換装器１００の組み立て作業の効率化を図ることができる。また、各半導体装置１が冷却機構を備えることから、導電性グリースの塗布むらに対する許容度を大きくすることも可能である。
【００２１】
図３（ａ）および（ｂ）は、実施形態に係る別の半導体装置２を示す模式図である。図３（ａ）は、半導体装置２の断面を示す模式図である。図３（ｂ）は、半導体チップ３０の配置を示す模式図である。
【００２２】
図３（ａ）に示すように、第１電極板１０と第２電極板２０との間に、複数の半導体チップ３０が配置される。半導体チップ３０は、例えば、第１電極板１０に接するように配置される。半導体チップ３０は、例えば、ＩＧＢＴもしくはＭＯＳトランジスタである。また、半導体チップ３０は、例えば、ダイオードであっても良い。
【００２３】
この例では、第１電極板１０と第２電極板２０との間に、ゲート配線２７が設けられる。ゲート配線２７は、半導体チップ３０のゲート電極３３（図３（ｂ）参照）に接続される。第２電極板２０と半導体チップ３０との間には、金属スペーサ２５が配置される。金属スペーサ２５は、第２電極板２０と半導体チップ３０との間にゲート配線２７を配置できるスペースを確保可能なＺ方向の厚さを有する。また、金属スペーサ２５は、半導体チップ３０の電極と第２金属電極板２０を電気的に接続する。
【００２４】
図３（ｂ）に示すように、半導体チップ３０は、第２電極板２０に向き合う面に、例えば、エミッタ電極３１（もしくは、ソース電極３１）と、ゲート電極３３と、を有する。ゲート配線２７は、例えば、図示しない弾性部材により、各半導体チップ３０のゲート電極３３に圧接される。また、金属スペーサ２５は、エミッタ電極３１の上に配置される。
【００２５】
半導体チップ３０のエミッタ電極３１は、金属スペーサ２５を介して第２電極板２０に電気的に接続される。また、半導体チップ３０の第１電極板１０に向き合う面上には、図示しないコレクタ電極（もしくは、ドレイン電極）が設けられる。第１電極板１０は、例えば、半導体チップ３０のコレクタ電極に接するように配置される。
【００２６】
半導体装置２の第１電極板１０および第２電極板２０にも冷却スペースＣＨが設けられる。これにより、半導体チップ３０を効率良く冷却できる。また、半導体装置２をＺ方向に積層した場合にも、隣接する半導体装置２の間に別の冷却装置を配置する必要がなく、積層構造のＺ方向のサイズを縮小できる。
【００２７】
図４は、実施形態の変形例に係る電力変換器２００を示す模式図である。電力変換器２００は、複数の半導体装置３と、枠体５０と、を備える。
【００２８】
複数の半導体装置３は、支持プレート５１および５３の間においてＺ方向に積層される。複数の半導体装置３は、台座６１と押圧プレート６３との間に、絶縁部材６５および６７を介して配置され、支持プレート５３に付設された弾性部材６９により圧接される。
【００２９】
図４に示すように、半導体装置３は、第１電極板１０と、第２電極板２０と、半導体チップ３０（図２（ａ）参照）と、ケース４０と、を含む。この例では、第１電極板１０が、冷却媒体を循環させるための冷却スペースＣＨを有する。そして、冷却スペースＣＨは、第２電極板２０には設けられない。これにより、複数の半導体装置３をＺ方向に積層した積層体におけるＺ方向のサイズをさらに縮小できる。また、電力変換器２００の組み立て作業が簡略化され、製造コストを削減できる。
【００３０】
図５（ａ）および（ｂ）は、実施形態の変形例に係る半導体装置４を示す模式図である。図５（ａ）は、図５（ｂ）中に示すＢ−Ｂ線に沿ったの断面を示す模式図である。図５（ｂ）は、第１電極板１０の裏面側を示す模式図である。
【００３１】
図５（ａ）に示すように、第１電極板１０と第２電極板２０との間に、複数の半導体チップ３０およびゲート配線２７が配置される。半導体チップ３０は、例えば、第１電極板１０に接するように配置される。半導体チップ３０は、例えば、ＩＧＢＴもしくはＭＯＳトランジスタである。ゲート配線２７は、半導体チップ３０のゲート電極３３（図３（ｂ）参照）に接続される。第２電極板２０と半導体チップ３０との間には、金属スペーサ２５が配置され、ゲート配線２７を配置するスペースが確保される。
【００３２】
この例では、第１電極板１０は、半導体チップ３０に接する表面１０Ａとは反対側の裏面１０Ｂに、複数の溝１７を有する。そして、電力変換器２００の組み立て時に、溝１７の内部に冷却用配管７０が配置される。すなわち、溝１７は、冷却スペースとして機能する。
【００３３】
図５（ｂ）に示すように、第１電極板１０の裏面側には、複数の溝１７が設けられる。溝１７は、例えば、Ｙ方向に延びる。そして、複数の溝１７の内部に、冷却用配管７０が配置される。冷却用配管７０は、例えば、金属配管である。
【００３４】
冷却用配管７０は、例えば、複数の冷却部７０Ａと、冷却媒体の流入部７０Ｂと、冷却媒体の流出部７０Ｃと、を含む。冷却部７０Ａ、流入部７０Ｂおよび流出部７０Ｃは、例えば、梯子状に接続され、溝１７の内部には、冷却部７０Ａが配置される。
【００３５】
この例では、第１電極板１０に設けられた溝の内部に冷却用配管７０を収納するため、Ｚ方向に積層される複数の半導体装置４のサイズを縮小することができる。また、半導体チップ３０に接する第１電極板１０を冷却用配管７０を介して冷却するため、半導体チップ３０の冷却効率を向上させることができる。
【００３６】
なお、実施形態は、上記の実施例に限定される訳ではなく、それぞれの特徴的な態様を相互に組み合わせて実施しても良い。例えば、第１電極板１０と第２電極板２０との間に、ＩＧＢＴもしくはＭＯＳトランジスタと、ダイオードと、を混載させても良い。また、冷却スペースＣＨを溝１７に置き換えた態様であっても良い。
【００３７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３８】
１、２、３、４…半導体装置、  １０…第１電極板、  １０Ａ…表面、  １０Ｂ…裏面、  １５、２５…金属スペーサ、  １７…溝、  ２０…第２電極板、  ２０Ａ…上面、  ２１…流入口、  ２３…流出口、  ２７…ゲート配線、  ３０…半導体チップ、  ３１…エミッタ電極、  ３３…ゲート電極、  ４０…ケース、  ５０…枠体、  ５１、５３…支持プレート、  ５５…支柱、  ６１…台座、  ６３…押圧プレート、  ６５、６７…絶縁部材、  ６９…弾性部材、  ７０…冷却用配管、  ７０Ａ…冷却部、  ７０Ｂ…流入部、  ７０Ｃ…流出部、  １００、２００…電力変換器、  ＣＨ…冷却スペース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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