(57)【要約】  冷却体と半導体間の熱抵抗を低減できると共に、小型化を可能とした冷却構造を提供することである。  本発明は、熱を発生する半導体装置と、接合手段を介して前記半導体装置を直接搭載する第１の冷却体と、前記第１の冷却体より大きな熱容量を有する第２の冷却体とから構成される冷却手段とを備えた半導体装置を複数有し、前記複数の半導体装置を絶縁性のケースに格納することにより、各半導体装置間を電気的に絶縁する電力変換装置である。
2010090326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を発生する半導体装置と、第１の熱容量を有し、接合手段を介して前記半導体装置が直接搭載される第１の冷却体と、前記第１の熱容量より大きな第２の熱容量を有する第２の冷却体とから構成される冷却手段とを備えたことを特徴とする半導体装置の冷却構造。
【請求項２】
前記半導体装置の内部に形成された内部回路に電気的に接続された電極が、該半導体装置の主面上に露出し、前記電極は前記接合手段により前記第１の冷却体に直接接合されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項３】
前記接合材は絶縁材を含まないことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項４】
前記第１の冷却体と前記第２の冷却体とは、前記第１の冷却体に形成された第１の嵌合部と前記第２の冷却体に形成された第２の嵌合部とにより一体的に組み合わせられたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項５】
前記第２の嵌合部は周囲より突出する突出部であり、前記第１の嵌合部は前記突出部を収容する凹部であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項６】
前記第１の冷却体と前記第２の冷却体との間には熱伝導材が配置されたことを特徴とする請求項４記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項７】
一体的に組み合わされた前記第１の冷却体と前記第２の冷却体との外表面上に電気的絶縁膜を設けたことを特徴とする請求項１乃至６に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項８】
熱を発生する半導体装置と、接合手段を介して前記半導体装置を直接搭載する第１の冷却体と、前記第１の冷却体より大きな熱容量を有する第２の冷却体とから構成される冷却手段とを備えた半導体装置を複数有し、前記複数の半導体装置を絶縁性のケースに格納することにより、各半導体装置間を電気的に絶縁することを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
前記絶縁性のケースを収容する筐体を備えたことを特徴とする請求項８記載の電力変換装置。
【請求項１０】
複数の冷却体に接合手段を介してそれぞれ搭載された複数の半導体装置を備えた電力変換装置において、前記複数の冷却体の間には絶縁層がそれぞれ形成されたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の冷却体には冷媒を供給せしめる液冷孔が設けられたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１２】
前記複数の冷却体と前記複数の半導体装置との間にそれぞれ配置された複数の金属層を備えたことを特徴とする請求項１０または１１記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置を効率的に冷却する冷却構造及びそのような冷却構造を備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ装置、サーボアンプ装置、スイッチング電源装置などの入出力回路は、複数のパワー半導体（本明細書では、電力用に供される半導体装置をパワー半導体と称する）、そのパワー半導体を駆動するドライブ回路、及びドライブ回路用の制御電源回路などで構成されている。このパワー半導体及び電源回路に使用される半導体素子は発熱するため、ヒートシンクなどの冷却体を通じて放熱されている。【０００３】
ヒートシンクの一例が特開２００３−２５９６５８号公報に紹介されている。この公報には、インバータ装置の半導体モジュール２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ、２４Ｅ、２４Ｆをヒートシンクに取り付けた例が示されている。このヒートシンクは、半導体モジュール２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃを冷却する冷却風の上流側の分割ヒートシンク２３Ｕと、半導体モジュール２４Ｄ、２４Ｅ、２４Ｆを冷却する冷却風の下流側の分割ヒートシンク２３Ｄとに分割されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２５９６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の発明では、ヒートシンクを分割することにより下流の半導体モジュールの発熱が上流の半導体モジュールへ伝導することを軽減したに過ぎず、ヒートシンクの小形化については実現困難である。さらに、ヒートシンクが分割されることによりヒートシンクの熱容量および放熱フィンの面積が半減するので、半導体モジュールと冷却風との間の熱抵抗は増加し、半導体モジュールの発熱が十分に放熱できない可能性もある。【０００６】
本発明の目的は、上記のような従来例に比して、冷却体と半導体間の熱抵抗を低減できると共に、小型化を可能とした冷却構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を備える。
請求項１記載の半導体装置の冷却構造は、熱を発生する半導体装置と、第１の熱容量を有し、接合手段を介して前記半導体装置が直接搭載される第１の冷却体と、前記第１の熱容量より大きな第２の熱容量を有する第２の冷却体とから構成される冷却手段とを備える。
請求項２記載の半導体装置の冷却構造は、請求項１記載の構造に加え、前記半導体装置の内部に形成された内部回路に電気的に接続された電極が、該半導体装置の主面上に露出し、前記電極は前記接合手段により前記第１の冷却体に直接接合されたものである。
請求項３記載の半導体装置の冷却構造は、請求項１または２記載の構造に加え、前記接合材は絶縁材を含まないものである。
請求項４記載の半導体装置の冷却構造は、請求項１乃至３のいずれか記載の構造に加え、
前記第１の冷却体と前記第２の冷却体とは、前記第１の冷却体に形成された第１の嵌合部と前記第２の冷却体に形成された第２の嵌合部とにより一体的に組み合わせられたものである。
請求項５記載の半導体装置の冷却構造は、請求項４記載の構造に加え、前記第２の嵌合部は周囲より突出する突出部であり、前記第１の嵌合部は前記突出部を収容する凹部である。
請求項６記載の半導体装置の冷却構造は、請求項５記載の構造に加え、前記第１の冷却体と前記第２の冷却体との間には熱伝導材が配置されたものである。
請求項７記載の半導体装置の冷却構造は、請求項１乃至６のいずれかに記載の構造に加え、一体的に組み合わされた前記第１の冷却体と前記第２の冷却体との外表面上に電気的絶縁膜を設けたものである。
請求項８記載の電力変換装置は、熱を発生する半導体装置と、接合手段を介して前記半導体装置を直接搭載する第１の冷却体と、前記第１の冷却体より大きな熱容量を有する第２の冷却体とから構成される冷却手段とを備えた半導体装置を複数有し、前記複数の半導体装置を絶縁性のケースに格納することにより、各半導体装置間を電気的に絶縁するものである。
請求項９記載の電力変換装置は、請求項８記載の構造に加え、前記絶縁性のケースを収容する筐体を備えたものである。
請求項１０記載の電力変換装置は、複数の冷却体に接合手段を介してそれぞれ搭載された複数の半導体装置を備えた電力変換装置において、前記複数の冷却体の間には絶縁層がそれぞれ形成されたものである。
請求項１１記載の電力変換装置は、請求項１０記載の構造に加え、冷却体に冷媒を供給せしめる液冷孔が設けられたものである。
請求項１２記載の電力変換装置は、請求項１０または１１記載の構造に加え、前記複数の冷却体と前記複数の半導体装置との間にそれぞれ配置された複数の金属層を備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１及び２記載の発明によれば、パワー半導体を直接冷却体に搭載することができるため、パワー半導体から冷却体までの放熱経路の低熱抵抗化が実現できると共に、冷却手段全体としては従来に比して小型化が可能になる。
請求項３記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明により得られる効果に加え、接合材に絶縁材を含まないため、パワー半導体と冷却手段との間の熱抵抗を低くすることが可能となる。
請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至３のいずれかの発明により得られる効果に加え、第１の冷却体と第２の冷却体とを強固に固定することができる。
請求項５及び６記載の発明によれば、請求項４記載の発明により得られる効果に加え、第１の冷却体と第２の冷却体の接触面の位置ズレを抑え、接触面の隙間を無くすことができるため、接触面の熱抵抗を小さくすることができる。
請求項７記載の発明によれば、半導体装置の周囲を電気的な絶縁膜を施しているため、半導体装置を複数個備える場合、空間的な絶縁距離を施すことなく半導体装置同士を近接させて配置できるため小形な電力変換装置が実現できる。
請求項８及び９記載の発明によれば、パワー半導体から冷却体までの放熱経路の低熱抵抗化及び小型化を実現した冷却手段を有する半導体装置を複数備えた電力変換装置を実現できる。さらに、簡易な手段により、各半導体装置間の絶縁、及び機械的強度を確保することができる。
請求項１０記載の発明によれば、冷却体同士の間に絶縁層を形成し一体化しているため、半導体装置を複数個備える場合、半導体装置同士を近接させて配置できるため小形な電力変換装置が実現できる。
請求項１１の発明によれば、簡単な構造体であるため、薄い冷却構造が実現できる。
請求項１２の発明によれば、熱容量の大きな冷却構造体に直接半導体装置を接合する必要が無く、金属板との簡単な接合による間接的な冷却構造体との接合であるため、製造面での効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例に係る電力変換装置
【図２】本発明の実施例に係る電力変換装置
【図３】本発明の実施例に係る冷却構造を有する半導体装置（嵌合前）
【図４】本発明の実施例に係る冷却構造を有する半導体装置（嵌合後）
【図５】本発明の実施例に係る冷却構造を有する半導体装置
【図６】本発明の実施例に係る絶縁を施した冷却構造を有する半導体装置
【図７】本発明の実施例に係る絶縁を施した冷却構造を有する半導体装置で構成した電力変換装置
【図８】本発明の実施例に係る絶縁を施した冷却構造を有する半導体装置で構成した電力変換装置
【図９】本発明の実施例に係る絶縁を施した冷却構造を有する半導体装置で構成した電力変換装置
【図１０】本発明の実施例に係る絶縁を施した冷却構造を有する半導体装置で構成した電力変換装置
【図１１】本発明の実施例に係る絶縁を施した冷却構造を有する半導体装置で構成した電力変換装置
【図１２】本発明の実施例に係る絶縁を施した冷却構造を有する半導体装置で構成した電力変換装置
【図１３】本発明の実施例に係る絶縁を施した冷却構造を有する半導体装置で構成した電力変換装置
【図１４】本発明の実施例に係る絶縁を施した冷却構造を有する半導体装置で構成した電力変換装置
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態で参酌する図面では、発明の理解を容易にするため、各要素が模式的に示されている。本欄においては、前出の要素と同じ要素に同一符号を付すことにより、その説明が省略されることもある。
【実施例】
【００１１】
本実施例では、電力変換装置に用いられる半導体装置の放熱構造に本発明を適用した例が示される。この半導体装置は熱を発生するパワー半導体であるため、その熱を外部へ放熱するための冷却手段が設けられる。この冷却手段はヒートシンクと称される場合もある。この半導体装置は公知の半導体プロセスにより形成されるものであるため、詳細な説明は省略される。本実施例及び図面においては、半導体装置には樹脂で封止された樹脂封止パッケージ型の装置が用いられているが、本願明細書の説明及び図面を参酌することにより、樹脂で封止されていないパワー半導体（所謂、ベアチップ）にも本発明を適用することが可能となる。【００１２】
図１には、パワー半導体が樹脂封止パッケージで覆われ半導体装置として、冷却体に直に接合され、上述のような冷却構造を有する半導体装置を複数搭載した電力変換装置が示される。この電力変換装置は上述の半導体装置１〜６を備える。これら半導体装置１〜６は絶縁性のケース７に格納することにより、各半導体装置間が電気的に絶縁されている。さらに、絶縁性のケース７は筐体８に収容され機械的強度を高めた構成である。
図２には、図１の半導体装置をケース７及び筐体８に収納する前の図が示されている。【００１３】
半導体装置１〜６の各電極は、絶縁材を含まない接合手段により冷却体と接合しているため、各冷却体は半導体装置の電極と同電位になる。そのため、各冷却体の電位が、それぞれ異なるような場合は、絶縁性のケース７が有用である。このケース７を用いることにより、外枠の筐体８との絶縁も確保することができる。このケース７は樹脂材を使用した成型物により構成することができる。ケース７を筐体８に収容すれば、電力変換装置自体の機械的強度を向上させることができる。この筐体８は金属により構成することができる。【００１４】
半導体装置９が接合手段１０を介して第１の冷却体１１上に直接接合されている。半導体装置９の裏面には、その内部に形成された内部回路に電気的に接続された電極が露出し、接合手段１０を構成するはんだ１０により第１の冷却体１１に直接接合されている。この第１の冷却体１１は、はんだ１０が直接接合できように小さな熱容量を備える。これにより第１の冷却体１１とはんだ１０との接合が容易になる。半導体装置９の電極と第１の冷却体１１との間には、絶縁材を介さないので、熱抵抗を低くすることが可能となる。【００１５】
第２の冷却体１２は第１の冷却体１１よりも大きな熱容量を有し、放熱フィンを備える。第１の冷却体１１と第２の冷却体１２は一体的に組み合わせられ、図４に示すような冷却構造体を構成する。第１の冷却体１１と第２の冷却体１２の組み合わせ面は、双方とも嵌合部が形成されており、図３が示すように第１の冷却体１１は凹形状の嵌合部、第２の冷却体１２は凸形状の嵌合部を有し、第１及び第２の冷却体の位置合わせが可能なパワー半導体の冷却構造体が構成される。【００１６】
第１の冷却体１１及び第２の冷却体１２の接触面の面粗さが粗い場合には、熱伝導材を第１の冷却体１１と第２の冷却体との間に配置すればよい。これにより、接触面の熱抵抗をさらに低減することができる。【００１７】
図５には、パワー半導体１３を直に前記冷却体１１に接合した場合の形態が示されている。接合手段１０でパワー半導体１３を冷却体１１に接合し、パワー半導体１３のゲート電極には金属板端子１４を接合し、ソース電極には金属端子１５を接合し、ドレイン電極には金属端子１６を接合し、電力変換装置の上位の回路網に接続できるような構成にすれば、半導体装置でなくとも図４の冷却構造体は適用できる。【００１８】
図６には、図４の冷却構造体の外表面が電気的に絶縁性を有する絶縁膜１７により覆われた形態が示されている。この形態を図７のように半導体装置１８を複数個備える電力変換装置に適用すれば、空間的な絶縁距離を施すことなく半導体装置同士を近接させて配置できるため小形な電力変換装置が実現できる。【００１９】
図８には、冷却体同士の間に絶縁層１９を形成し一体化した冷却構造体２０が示されている。冷却構造体２０の上面に半導体装置を接合すれば、半導体装置同士を近接させて配置できるため小形な電力変換装置が実現できる。また、冷却構造体２０に接合された半導体装置の電極において、電極の電位が同じである半導体装置同士は、図９に示す冷却構造体２１の通り、絶縁層を介さずに同じ冷却体に接合することもできる。この場合、絶縁層が低減できる分より小形な冷却構造体の実現が可能となる。【００２０】
図１０には、図８の冷却構造体２０および図９の冷却構造体２１と凹型の液冷構造体２３とをシール材２２を介して組み合わせた形態が示されている。この液冷構造体２３内には液体の冷媒を流すことができる。この形態によれば、冷却効果が高い液冷構造体が実現できる。【００２１】
図１０の冷却構造体２０では冷却構造体に液冷の冷媒が直に接触するため、本冷媒は電気的な絶縁の性質をもつ材料を用いる必要がある。図１１に示すようにフィンの部分に絶縁膜２５を施した冷却構造体２４と凹型の液冷構造体２３とをシール材２６を介して組み合わせれば、絶縁性の性質が無い冷媒も適用可能となる。【００２２】
また、図１１の冷却構造体２４のフィンに代え、図１２に示されるような、その内部に冷媒を通せる液冷孔２８を内蔵した冷却構造体２７を設けることもできる。液冷孔２８は冷却構造体２７内を貫通する。絶縁層１９の中央部には液冷孔２８を通す貫通部が設けられている。この形態によれば、図１１の構成よりさらに簡単な構成なため、薄い形状の冷却構成が実現できる。液冷孔の外径に絶縁膜を施せば、絶縁性の性質が無い冷媒も適用可能となる。【００２３】
さらに、図１３及び図１４に示すように半導体装置と冷却構造体との間に金属板29をそれぞれ配置すれば、冷却熱容量の大きな冷却構造体に直接半導体装置を接合する必要が無く、金属板との簡単な接合による間接的な冷却構造体との接合であるため、容易に製作できる。【００２４】
本実施例ではシリコン系の半導体装置が用いられているが、４００℃以上の高熱を発生するＳｉＣ系またはＧａＮ系の半導体装置に本発明を適用すれば好適な作用効果を奏するものである。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、工作機械、ロボット、一般産業機械などに使用されるサーボドライブ装置、インバータ装置、または一般的なスイッチング電源に適用できる。
【符号の説明】
【００２６】
１〜６  本発明の冷却構造を有する半導体装置
７      絶縁性のケース
８      筐体
９      半導体装置
１０    接合手段
１１    第１の冷却体
１２    第２の冷却体
１３    パワー半導体
１４    ゲート電極に接続した金属端子
１５    ソース電極に接続した金属端子
１６    ドレイン電極に接続した金属端子
１７    絶縁膜
１８    絶縁膜を施した冷却構造体
１９    絶縁層
２０    絶縁層と冷却体を一体化した冷却構造体
２１    絶縁層と冷却体を一体化した冷却構造体
２２    シール材
２３    凹形状の液冷構造体
２４    フィンの部分に絶縁膜を施した冷却体と絶縁層を一体化した冷却構造体
２５    絶縁膜
２６    シール材
２７    液冷孔を内蔵した冷却構造体
２８    絶縁性液冷孔
２９    半導体装置を接合した金属板
【図１】
2010090326.tif 000003
【図２】
2010090326.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2010090326.tif 000013
【図１２】
2010090326.tif 000014
【図１３】
2010090326.tif 000015
【図１４】
2010090326.tif 000016
【国際調査報告】
2010090326.tif 000017
2010090326.tif 000018
2010090326.tif 000019
2010090326.tif 000020
2010090326.tif 000021
2010090326.tif 000022