(57)【要約】【課題】この発明は、端子に接続される周辺回路が半導体チップで発生する熱により破壊されるのを防止できるパワー半導体装置を提供することを目的する。【解決手段】パワー半導体装置は、半導体チップ１３と、半導体チップ１３と電気的に接続された端子１２と、半導体チップ１３の全体および端子１２の一部を収容するパッケージ１１と、端子１２におけるパッケージ１１から突出する部分を直接冷却する冷却手段２０とを含む。冷却手段２０は、たとえば、内部に冷却液が流通する液冷パイプ２１と、端子１２におけるパッケージ１１から突出する部分を液冷パイプ２１に熱的に接続する接続部材２２とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、
前記半導体チップと電気的に接続された端子と、
前記半導体チップの全体および前記端子の一部を収容するパッケージと、
前記端子における前記パッケージから突出する部分を直接冷却する冷却手段とを含む、パワー半導体装置。
【請求項２】
前記冷却手段は、前記端子と熱的に接続され、内部に冷却液が流通する液冷パイプを含む、請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項３】
前記冷却手段は、前記液冷パイプを覆う断熱材と、前記断熱材を貫通し、前記端子と前記液冷パイプの外面とを熱的に接続する絶縁性の熱伝導部材とを含む、請求項２に記載のパワー半導体装置。
【請求項４】
前記冷却手段は、前記端子と熱的に接続されたヒートパイプを含む、請求項1に記載のパワー半導体装置。
【請求項５】
前記冷却手段は、前記端子に冷却面が接続されたペルチェ素子を含む、請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項６】
前記半導体チップは、ＳｉＣ半導体を用いている、請求項1〜5のいずれか一項に記載のパワー半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワー半導体モジュール、インテリジェントパワーモジュールなどのパワーモジュールを有するパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣ(炭化珪素)半導体を使用したパワーモジュールは、ＳｉＣ(炭化珪素)の特性によりＳｉ(珪素)半導体を使用したパワーモジュールの動作限界である１５０°Ｃよりも高温の環境下で動作可能であるため、ハイブリッド自動車のインバータなどの用途にとくに好適である。
パワーモジュールは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワーデバイスが形成された半導体チップを備えている。半導体チップは、パッケージ内に収容され、パッケージ内において、ゲート制御用端子などの各端子と電気的に接続されている。各端子は、その一部がパッケージから突出し、ゲートドライバなどの周辺回路と電気的に接続される。
【０００３】
パワーモジュールの動作時には、半導体チップに大電流が流れるため、半導体チップが発熱する。そのため、従来のパワーモジュールでは、半導体チップが絶縁板を介して金属基板に取り付けられ、この金属基板に放熱フィンなどの冷却機構が取り付けられている。これにより、半導体チップに形成されているパワーデバイスの熱破壊を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９４７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、半導体チップで発生する熱が端子を介して周辺回路に伝播し、周辺回路の熱破壊を生じるおそれがある。
この発明は、端子に接続される周辺回路が半導体チップで発生する熱により破壊されるのを防止できるパワー半導体装置を提供することを目的する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、半導体チップと、前記半導体チップと電気的に接続された端子と、前記半導体チップの全体および前記端子の一部を収容するパッケージと、前記端子における前記パッケージから突出する部分を直接冷却する冷却手段とを含む、パワー半導体装置である。この構成によれば、半導体チップと電気的に接続された端子におけるパッケージから突出する部分が、冷却手段によって直接冷却される。したがって、端子に接続される周辺回路が半導体チップで発生する熱により破壊されるのを防止できる。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記冷却手段は、前記端子と熱的に接続され、内部に冷却液が流通する液冷パイプを含む、請求項１に記載のパワー半導体装置である。この構成によれば、半導体チップと電気的に接続された端子におけるパッケージから突出する部分が、それに熱的に接続され、かつ内部に冷却液が流通する液冷パイプによって冷却される。したがって、端子に接続される周辺回路が半導体チップで発生する熱により破壊されるのを防止できる。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、前記冷却手段は、前記液冷パイプを覆う断熱材と、前記断熱材を貫通し、前記端子と前記液冷パイプの外面とを熱的に接続する絶縁性の熱伝導部材とを含む、請求項２に記載のパワー半導体装置である。この構成によれば、半導体チップと電気的に接続された端子におけるパッケージから突出する部分が、それに熱的に接続され、かつ内部に冷却液が流通する液冷パイプによって冷却される。液冷パイプは断熱材で覆われているので、液冷パイプが周囲の空気によって温められるのを防止できる。このため、端子を効果的に冷却できる。したがって、端子に接続される周辺回路が半導体チップで発生する熱により破壊されるのを防止できる。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、前記冷却手段は、前記端子と熱的に接続されたヒートパイプを含む、請求項１に記載のパワー半導体装置である。この構成によれば、半導体チップと電気的に接続された端子におけるパッケージから突出する部分が、それに熱的に接続されたヒートパイプによって冷却される。したがって、端子に接続される周辺回路が半導体チップで発生する熱により破壊されるのを防止できる。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、前記冷却手段は、前記端子に冷却面が接続されたペルチェ素子を含む、請求項１に記載のパワー半導体装置である。この構成によれば、半導体チップと電気的に接続された端子におけるパッケージから突出する部分が、それに冷却面が接続されたペルチェ素子によって冷却される。したがって、端子に接続される周辺回路が半導体チップで発生する熱により破壊されるのを防止できる。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、前記半導体チップは、ＳｉＣ半導体を用いている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のパワー半導体装置である。この構成によれば、端子に接続される周辺回路が半導体チップで発生する熱により破壊されるのを防止でき、かつ耐熱性に優れたパワー半導体装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の第１の実施形態に係るパワー半導体装置の外観を示す斜視図である。
【図２】この発明の第２の実施形態に係るパワー半導体装置の外観を示す斜視図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う部分拡大断面図である。
【図４】この発明の第３の実施形態に係るパワー半導体装置の外観を示す斜視図である。
【図５】図３のＶ-Ｖ線に沿う部分拡大断面図である。
【図６】この発明のさらに他の実施形態に係るパワー半導体装置を示す部分斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
図１は、この発明の第１の実施形態に係るパワー半導体装置の外観を示す斜視図である。
パワー半導体装置７０は、パワーモジュール１０と、パワーモジュール１０のモジュール端子１２を直接冷却するための冷却装置２０とを備えている。
【００１４】
パワーモジュール１０は、半導体チップ１３と、半導体チップ１３に電気的に接続された端子を含む複数のモジュール端子１２と、半導体チップ１３の全体と各モジュール端子１２の一部分を収容するモールドパッケージ１１とを有している。図１には、１つの半導体チップ１３しか図示されていないが、一般的には、パワーモジュール１０は複数の半導体チップを含んでいる。この実施形態では、半導体チップ１３として、耐熱性に優れたＳｉＣ（炭化珪素）半導体が用いられている。
【００１５】
モールドパッケージ１１は、上下に扁平な直方体状である。モールドパッケージ１１の上面および下面以外の４面のうち、図１において左斜め下方を向いている面を前面、右斜め下方を向いている面を右側面ということにする。
各モジュール端子１２の先端部は、モールドパッケージ１１から外側に突出している。この実施形態では、モールドパッケージ１１の前面、左側面および右側面のそれぞれから、モジュール端子１２の先端部が外側に突出している。各モジュール端子１２の横断面は矩形である。
【００１６】
冷却装置２０は、平面から見て、モールドパッケージ１１をほぼ取り囲むように配されている液冷パイプ２１と、各モジュール端子１２におけるモールドパッケージ１１から突出している部分を、液冷パイプ２１に熱的に接続する複数の接続部材２２とを備えている。液冷パイプ２１の両端は、図１には現れていないが、モールドパッケージ１１の後側にある。液冷パイプ２１は、銅等の高熱伝導性を有する部材で作られている。接続部材２２は、矩形ブロック状で、電気的絶縁性および高熱伝導性を有する部材で作られている。接続部材２２の材料としては、たとえば、絶縁性が高く高熱伝導性のあるＳｉＣ（具体的には、アンドープＳｉＣ）等が用いられる。
【００１７】
液冷パイプ２１は、両端が閉鎖された角筒状の左側部分および右側部分と、左側部分と右側部分の前端部間を連絡する角筒状の前側部分と、左側部分の後端部の右側面から右側にのびた角筒状の左側後部分と、右側部分の後端部の左側面から左側にのびた角筒状の右側後部分とからなる。液冷パイプ２１を構成する各部分の中空部は繋がっている。
液冷パイプ２１は、各モジュール端子１２の先端部の下側を通っている。具体的には、液冷パイプ２１の左側部分は、モールドパッケージ１１の左側面から突出しているモジュール端子１２の先端部の下側を通っている。液冷パイプ２１の右側部分は、モールドパッケージ１１の右側面から突出しているモジュール端子１２の先端部の下側を通っている。液冷パイプ２１の前側部分は、モールドパッケージ１１の前面から突出しているモジュール端子１２の先端部の下側を通っている。
【００１８】
各モジュール端子１２の先端部下面が、その下方を通っている液冷パイプ２１の上面に、接続部材２２によって熱的に接続されている。具体的には、各接続部材２２は、その上面がモジュール端子１２の先端部下面に接合されており、その下面が液冷パイプ２１の上面に接合されている。接続部材２２とモジュール端子１２との接合および接続部材２２と液冷パイプ２１との接合は、たとえば、熱伝導性を有する接着剤を用いて行われる。各接続部材２２は、絶縁性を有しているので、モジュール端子１２と液冷パイプ２１とは電気的に絶縁されている。
【００１９】
図示しないポンプにより、液冷パイプ２１の一端側の冷却液流入口から冷却水等の冷却液が継続的に送り込まれる。冷却液流入口から液冷パイプ２１内に流入された冷却液は、液冷パイプ２１内を循環した後、液冷パイプ２１の他端の冷却液排出口から排出される。
前記第１の実施形態によれば、各モジュール端子１２におけるモールドパッケージ１１から突出している部分が、液冷パイプ２１によって冷却される。このため、パワーモジュール１０に含まれている半導体チップ１３で発生した熱が、モジュール端子１２を介して、モジュール端子１２に接続される周辺回路に伝播されにくくなる。したがって、モジュール端子１２に接続される周辺回路が、パワーモジュール１０に含まれている半導体チップ１３で発生する熱によって破壊されるのを防止できる。
【００２０】
図２は、この発明の第２の実施形態に係るパワー半導体装置の外観を示す斜視図である。図３は、図２のIII−III線に沿う部分拡大断面図である。
第２の実施形態におけるパワー半導体装置８０は、パワーモジュール１０と、パワーモジュール１０のモジュール端子１２を直接冷却するための冷却装置３０とを備えている。第２の実施形態では、冷却装置３０が第１の実施形態と異なっている。第２の実施形態においても、パワーモジュール１０は、第１の実施形態と同じであるので、その説明を省略する。
【００２１】
冷却装置３０は、平面から見て、モールドパッケージ１１をほぼ取り囲むように配されている断熱パイプ３１と、各モジュール端子１２におけるモールドパッケージ１１から突出している部分を、断熱パイプ３１内の液冷パイプ３２に熱的に接続する複数の接続部材３４とを備えている。断熱パイプ３１は、液冷パイプ３２と、液冷パイプ３２を覆う断熱部材３３とからなる。断熱パイプ３１（液冷パイプ３２）の両端は、図１には現れていないが、平面から見て、モールドパッケージ１１の後側にある。
【００２２】
液冷パイプ３２は、銅等の高熱伝導性を有する部材で作られている。断熱部材３３は、液冷パイプ３２が周囲の空気によって温められるのを防止するために設けられている。接続部材３４は、略矩形ブロック状で、電気的絶縁性および高熱伝導性を有する部材で作られている。接続部材３４の材料としては、たとえば、絶縁性が高く高熱伝導性のあるＳｉＣ等が用いられる。
【００２３】
断熱パイプ３１は、両端が閉鎖された円筒状の左側部分および右側部分と、左側部分と右側部分の前端部間を連絡する円筒状の前側部分と、左側部分の後端部の右側面から右側にのびた円筒状の左側後部分と、右側部分の後端部の左側面から左側にのびた円筒状の右側後部分とからなる。断熱パイプ３１を構成する各部分の中空部（液冷パイプ３２の中空部）は繋がっている。
【００２４】
断熱パイプ３１は、各モジュール端子１２の先端部の下側を通っている。具体的には、断熱パイプ３１の左側部分は、モールドパッケージ１１の左側面から突出しているモジュール端子１２の下側を通っている。断熱パイプ３１の右側部分は、モールドパッケージ１１の右側面から突出しているモジュール端子１２の下側を通っている。断熱パイプ３１の前側部分は、モールドパッケージ１１の前面から突出しているモジュール端子１２の下側を通っている。パワーモジュール１０の各モジュール端子１２の先端部は、その下側を通っている断熱パイプ３１に乗っている。
【００２５】
そして、図３に示すように、各モジュール端子１２は、その下方にある断熱パイプ３１内の液冷パイプ３２に、接続部材３４によって熱的に接続されている。各接続部材３４の上端面は平坦に形成され、下端面は液冷パイプ３２の外面形状（円筒面）に合致する曲面に形成されている。各接続部材３４は、液冷パイプ３２表面の断熱材３３を貫通した状態で、その上面がモジュール端子１２の下面に接合されており、その下面が液冷パイプ３２の外周面の上部に接合されている。接続部材３４とモジュール端子１２との接合および接続部材３４と液冷パイプ３２との接合は、たとえば、熱伝導性を有する接着剤を用いて行われる。各接続部材３４は、絶縁性を有しているので、モジュール端子１２と液冷パイプ３２とは電気的に絶縁されている。
【００２６】
図示しないポンプにより、液冷パイプ３２の一端の冷却液流入口から冷却液が継続的に送り込まれる。冷却水流入口から液冷パイプ３２内に流入された冷却液は、液冷パイプ３２内を循環した後、液冷パイプ３２の他端の冷却液排出口から排出される。
前記第２の実施形態によれば、各モジュール端子１２におけるモールドパッケージ１１から突出している部分が、液冷パイプ３２によって冷却される。このため、パワーモジュール１０に含まれている半導体チップ１３で発生した熱が、モジュール端子１２を介して、モジュール端子１２に接続される周辺回路に伝播されにくくなる。したがって、モジュール端子１２に接続される周辺回路が、パワーモジュール１０に含まれている半導体チップ１３で発生する熱によって破壊されるのを防止できる。
【００２７】
さらに、前記第２の実施形態では、液冷パイプ３２は、断熱材３３で覆われているので、液冷パイプ３２が周囲の空気によって温められるのを防止できる。このため、液冷パイプ３２による、モジュール端子１２の冷却効果を高めることができる。
図４は、この発明の第３の実施形態に係るパワー半導体装置の外観を示す斜視図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿う部分拡大断面図である。
【００２８】
第３の実施形態におけるパワー半導体装置９０は、パワーモジュール１０と、パワーモジュール１０のモジュール端子１２を直接冷却するための冷却装置４０とを備えている。第３の実施形態では、冷却装置４０が前記第１および第２の実施形態と異なっている。
パワーモジュール１０は、第１の実施形態とほぼ同様であるが、第３の実施形態においては、モールドパッケージ１１から突出している各モジュール端子１２の表面は、その先端部を除いて高熱伝導性の絶縁材で被覆されている。パワーモジュール１０に関して、その他の点は、第１の実施形態と同じである。
【００２９】
冷却装置４０は、平面から見て、モールドパッケージ１１をほぼ取り囲むように配されている断熱パイプ４１を備えている。断熱パイプ４１は、液冷パイプ４２と、液冷パイプ４２を覆う断熱部材４３とからなる。断熱パイプ４１（液冷パイプ４２）の両端は、図１には現れていないが、平面から見て、モールドパッケージ１１の後側にある。液冷パイプ４２は、銅等の高熱伝導性を有する部材で作られている。断熱部材４３は、液冷パイプ４２が周囲の空気によって温められるのを防止するために設けられている。
【００３０】
断熱パイプ４１は、上述した第２の実施形態の断熱パイプ３１と同様な構成である。この第３の実施形態では、第２の実施形態とは異なり、各モジュール端子１２におけるモールドパッケージ１１から突出している部分は、断熱パイプ４１を貫通している。具体的には、モールドパッケージ１１の左側面から突出しているモジュール端子１２が、断熱パイプ４１の左側部分を貫通している。モールドパッケージ１１の右側面から突出しているモジュール端子１２が、断熱パイプ４１の右側部分を貫通している。モールドパッケージ１１の前面から突出しているモジュール端子１２が、断熱パイプ４１の前側部分を貫通している。
【００３１】
図５に示すように、モジュール端子１２におけるモールドパッケージ１１から突出している部分は、断熱パイプ４１内の断熱材４３および液冷パイプ４２を貫通している。したがって、モジュール端子１２が液冷パイプ４２の周壁を貫通している箇所において、モジュール端子１２と液冷パイプ４２とは熱的に接続されている。モジュール端子１２が液冷パイプ４２の周壁を貫通している部分は、冷却水が漏れないように、密封処理が施されている。液冷パイプ４２の径は、モジュール端子１２が液冷パイプ４２を貫通していても、液冷パイプ４２内を冷却水が流通できるような大きさに形成されている。なお、上述したように、各モジュール端子１２の表面は、その先端部を除いて高熱伝導性の絶縁材で被覆されているので、液冷パイプ４２と各モジュール端子１２とは、電気的に絶縁されている。
【００３２】
図示しないポンプにより、液冷パイプ４２の一端側の冷却液流入口から冷却液が継続的に送り込まれる。冷却水流入口から液冷パイプ４２内に流入された冷却液は、液冷パイプ４２内を循環した後、液冷パイプ４２の他端の冷却液排出口から排出される。
前記第３の実施形態によれば、各モジュール端子１２におけるモールドパッケージ１１から突出している部分が、液冷パイプ４２によって冷却される。このため、パワーモジュール１０に含まれている半導体チップ１３で発生した熱が、モジュール端子１２を介して、モジュール端子１２に接続される周辺回路に伝播されにくくなる。したがって、モジュール端子１２に接続される周辺回路が、パワーモジュール１０に含まれている半導体チップ１３で発生する熱によって破壊されるのを防止できる。
【００３３】
さらに、前記第３の実施形態では、液冷パイプ４２は、断熱材４３で覆われているので、液冷パイプ４２が周囲の空気によって温められるのを防止できる。このため、液冷パイプ４２による、モジュール端子１２の冷却効果を高めることができる。
以上、この発明の第１〜第３の実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することができる。たとえば、前述の実施形態では、各モジュール端子１２におけるモールドパッケージ１１から突出している部分を冷却する冷却装置として、液冷パイプ２１，３２，４２を含む冷却装置が用いられているが、冷却装置として、ペルチェ素子を含むものを用いてもよい。具体的には、図６に示すように、モジュール端子１２におけるモールドパッケージ１１から突出している部分に、ペルチェ素子５０の冷却面を接合する。図６の例では、近隣の複数のモジュール端子１２に対して１つのペルチェ素子５０が取り付けられている。ペルチェ素子５０には、そのリード線５１を介して電圧が印加される。
【００３４】
また、冷却装置として、図示しないが、ヒートパイプを含むものを用いてもよい。具体的には、各モジュール端子１２におけるモールドパッケージ１１から突出している部分に、ヒートパイプの加熱部を熱的に接続する。
また、前述の実施形態では、パワーモジュールに含まれている半導体チップとしては、ＳｉＣ（炭化珪素）半導体が使用されているが、パワーモジュールに含まれている半導体チップは、ＧａＮ（窒化ガリウム）半導体、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）半導体等のＳｉＣ半導体以外の半導体であってもよい。
【００３５】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  パワーモジュール
１１  モールドパッケージ
１２  モジュール端子
２０、３０、４０  冷却装置
２１、３２、４２  液冷パイプ
２２、３４、４４  接続部材
３３、４３  断熱材
５０  ペルチェ素子
７０、８０、９０  パワー半導体装置
【図１】
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【図２】
2010225925.tif 000004
【図３】
2010225925.tif 000005
【図４】
2010225925.tif 000006
【図５】
2010225925.tif 000007
【図６】
2010225925.tif 000008