(57)【要約】  本発明は、容易に交換可能な半導体装置及び当該半導体装置を用いた半導体システムの提供を目的とする。本発明の半導体装置は、半導体チップ２と、半導体チップ２を冷却する冷却器４と、半導体チップ２及び冷却器４を収納する筐体１２と、筐体１２内部で半導体チップ２及び冷却器４を封止するトランスファー樹脂１１と、半導体チップ２に接続された電極１０と、冷却器４に取り付けられ、冷却器４との間で冷媒流を導出入する接合パイプ５とを備える。電極１０と接合パイプ５は、筐体１２の同一面から略同一方向に突出して形成されている。
2013140503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップ（２）と、
前記半導体チップ（２）を冷却する冷却器（４）と、
前記半導体チップ（２）及び前記冷却器（４）を収納する筐体（１２）と、
前記筐体（１２）内部で前記半導体チップ（２）及び前記冷却器（４）を封止する封止樹脂（１１）と、
前記半導体チップ（２）に接続された電極（１０）と、
前記冷却器（４）に取り付けられ、前記冷却器（４）との間で冷媒流を導出入する接合パイプ（５）とを備える半導体装置であって、
前記電極（１０）と前記接合パイプ（５）は、前記筐体（１２）の同一面から略同一方向に突出して形成されている、
半導体装置（１）。
【請求項２】
前記冷却器（４）の接合パイプ（５）は樹脂で形成され、またはその表面に樹脂層がコーティングされている、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
外部と前記半導体チップ（２）の制御信号を通信する通信ケーブル（７）をさらに備え、
前記通信ケーブル（７）は、前記筐体（１２）の前記電極（１０）及び前記接合パイプ（５）が突出する同一面と対向する面から突出して形成される、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
接続電極（２２）及び冷却路（２４）が一体として形成された半導体収納器（２１）に対して脱着可能な請求項１に記載の半導体装置であって、
前記半導体収納器に装着された状態で、前記電極（１０）は前記接続電極（２２）と接続し、前記接合パイプ（５）は前記冷却路（２４）と接続する、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記冷却器（４）は前記半導体チップ（２）の両面側に設けられている、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体チップ（２）の劣化や故障の程度に応じたパターンで発光するインジケータ（１３）をさらに備え、
前記インジケータ（１３）は、前記筐体（１２）の少なくとも２面以上に沿った発光面を有する、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記インジケータ（１３）は外部装置との光通信を行うための発光素子を兼用する、請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記インジケータ（１３）は一定時間発光のための電力を保持する機能を有する、
請求項６に記載の半導体装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の複数の半導体装置と、
前記半導体装置の半導体チップを駆動制御する信号をフィードバック処理により生成して前記半導体装置に出力する駆動制御信号生成手段とを備える半導体システムであって、
前記駆動制御信号生成手段は、複数の前記半導体装置への指令を前記フィードバック処理の周期よりも短い間隔で一つのデータに束ねて送信する、
請求項１に記載の半導体システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の取替えを容易にする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パッケージ型パワーモジュールは、パワー半導体素子をゲル封止する必要があり、組み立て工程数が多く、部品コストが高くなるという問題があった。【０００３】
そのため、パワー半導体素子をトランスファモールド法によりモールディングした、トランスファモールド型パワーモジュールが開発されている。トランスファモールド型パワーモジュールにシールド板、制御基板及び冷却フィンを組み合わせて半導体装置が完成する。なお、本発明に関連する先行技術が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１-２５０８９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、充電機能を有する電気自動車やプラグインハイブリッド自動車が開発されている。このような車両に搭載される半導体装置には、今までのハイブリッド自動車で行われていた走行中の駆動や充電に加えて停止時の充電が求められるため、通電負荷が増大し長寿命化が要求されている。【０００６】
一方、半導体素子は通電すると発熱するので、熱変動による応力が半導体素子の接合部に印加される。そこで、長寿命化を達成するには半導体素子の接合部や放熱材に高価な素材を使用する必要がある。とはいえ、長寿命化したとしても、寿命末期には当初の性能を満足できず燃費等の悪化をきたす可能性がある。そのため、性能劣化時には容易に交換可能な半導体装置が求められている。【０００７】
本発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、容易に交換可能な半導体装置及び当該半導体装置を用いた半導体システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップを冷却する冷却器と、半導体チップ及び冷却器を収納する筐体と、筐体内部で半導体チップ及び冷却器を封止する封止樹脂と、半導体チップに接続された電極と、冷却器に取り付けられ、冷却器との間で冷媒流を導出入する接合パイプとを備える半導体装置であって、電極と接合パイプは、筐体の同一面から略同一方向に突出して形成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップを冷却する冷却器と、半導体チップ及び冷却器を収納する筐体と、筐体内部で半導体チップ及び冷却器を封止する封止樹脂と、半導体チップに接続された電極と、冷却器に取り付けられ、冷却器との間で冷媒流を導出入する接合パイプとを備える半導体装置である。電極と接合パイプは、筐体の同一面から略同一方向に突出して形成されるので、半導体装置の当該同一面に対応して電極や接合パイプの接続構造を有する半導体収納器を用意すれば、半導体装置を挿入すると同時に高電圧系や冷却系を接続することができる。よって、容易に交換可能な半導体装置となる。【００１０】
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る半導体収納器と半導体装置の断面図である。
【図２】実施の形態１に係る半導体装置が半導体収納器に収納された状態を示す断面図である。
【図３】実施の形態２に係る半導体装置を示す側面図及び上面図である。
【図４】実施の形態３に係る半導体装置の動作を示すフローチャートである。
【図５】実施の形態３に係る半導体装置の動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．構成、動作＞
図１は、実施の形態１に係る半導体装置と半導体収納器を示す断面図である。図１（ａ）は半導体収納器２１を示し、図１（ｂ）は半導体装置１を示している。
【００１３】
半導体装置１は、半導体チップ２と、半導体チップ２の裏面に取り付けられたヒートスプレッダー３と、ヒートスプレッダー３の裏面に取り付けられた絶縁された冷却器４を備える。ヒートスプレッダー３上には半導体チップ２の他、半導体チップ２を駆動するための半導体駆動回路６が取り付けられている。上述した半導体装置１の構成要素は筐体１２に格納されており、筐体１２の内部はトランスファー樹脂１１で封止されている。
【００１４】
筐体１２の一面からは、通信コネクター８を介して半導体駆動回路６と接続した通信ケーブル７が突出している。通信ケーブル７を通して、半導体駆動回路６と図示しない上位システム間の通信が行われる。
【００１５】
半導体チップ２の表面には半田９により電極１０が接続され、ヒートスプレッダー３にも電極１０が接続される。これらの電極１０は、通信ケーブル７が突出する面と対向する筐体１２の面から筐体１２の外部へ突出している。また、冷却器４の接合パイプ５も、電極１０と同じ筐体１２の面から同じ方向へ突出している。接合パイプ５は電極１０との沿面距離を確保するために、樹脂性の材料で形成され、あるいは樹脂コートが施されている。
【００１６】
半導体収納器２１は、図１（ｂ）に示すようにコの字型の断面形状を有している。コの字型に窪んだ部分の寸法は、半導体装置１の筐体１２の寸法に対応しており、筐体１２が当該部分に挿入して収納することが可能である。半導体収納器２１は、内部に冷却路２４を有している他、２対の接続電極２２が一体的に設けられている。２対の接続電極２２の間には絶縁層２３が設けられている。
【００１７】
図２は、半導体装置１を半導体収納器２１に収納した状態を示す断面図である。半導体装置１を、筐体１２の電極１０と接合パイプ５が突出した面を半導体収納器２１に向けて挿入することにより半導体収納器２１に収納する。この状態で、電極１０は接続電極２２と接続し、接合パイプ５は冷却路２４と接続する。電極１０と接合パイプ５を筐体１２の同じ面から同じ方向に突出させて設けているので、半導体装置１を半導体収納器２１に差し込むことで高電圧系と冷却系が接続され、半導体装置１の組み付けが容易である。また、半導体装置１の性能が劣化した場合には容易に交換が可能である。
【００１８】
なお、図１，２ではヒートスプレッダー３と冷却器４を半導体チップ２の裏面側に設ける例を示したが、これらは半導体チップ２の両側に設けられても良い。この場合は、電極１０を半導体チップ２の側面に設けた上で、ヒートスプレッダー３と冷却器４を半導体チップ２の表面に設ける。あるいは、絶縁板を介してトランスファー樹脂１１の上にヒートスプレッダー３と冷却器４を設けても良い。このような構成によって、半導体チップ２の冷却性能を高めることが可能である。
【００１９】
＜Ａ−２．効果＞
本実施の形態の半導体装置１は、半導体チップ２と、半導体チップ２を冷却する冷却器４と、半導体チップ２及び冷却器４を収納する筐体１２と、筐体１２内部で半導体チップ２及び冷却器４を封止するトランスファー樹脂１１と、半導体チップ２に接続された電極１０と、冷却器４に取り付けられ、冷却器４との間で冷媒流を導出入する接合パイプ５とを備える半導体装置であって、電極１０と接合パイプ５は、筐体１２の同一面から略同一方向に突出して形成されている。このような構成により、電極１０や接合パイプ５の突出方向に沿って半導体装置１を半導体収納器２１に収納すると同時に高電圧系と冷却系が接続され、半導体装置１の組み付けが容易となる。半導体装置１の取り外しは組み付けと逆の手順により容易に行えることから、半導体装置１の交換が容易である。
【００２０】
また、半導体装置１において、冷却器４の接合パイプ５を樹脂で形成し、または接合パイプ５の表面に樹脂層をコーティングすることにより、接続電極２２との間の沿面距離が確保され、絶縁性能が向上する。
【００２１】
また、半導体装置１において、外部と半導体チップ２の制御信号を通信する通信ケーブル７をさらに備え、通信ケーブル７は、筐体１２の電極１０及び接合パイプ５が突出する同一面と対向する面から突出して形成される。
【００２２】
また、半導体装置１は、接続電極２２及び冷却路２４が一体として形成された半導体収納器２１に対して脱着可能であり、半導体収納器２１に装着された状態で電極１０は接続電極２２と接続し、接合パイプ５は冷却路２４と接続する。よって、半導体装置１の半導体収納器２１に対する脱着を用意に行う事ができ、交換が容易である。
【００２３】
また、半導体装置１において冷却器４を半導体チップ２の両面側に設けることにより、半導体チップ２の冷却性能が向上する。
【００２４】
＜Ｂ．実施の形態２＞
＜Ｂ−１．構成、動作＞
図３（ａ）は、実施の形態２の半導体装置１００の側面図を示し、図３（ｂ）はその上面図を示している。半導体装置１００は、インジケータ１３を備えている点が実施の形態１の半導体装置１とは異なる。
【００２５】
インジケータ１３は、半導体装置１００に内蔵された図示しない判定部により、半導体チップ２の温度出力やリーク電流等から半導体チップ２の劣化度合いや故障度合いを判定し、判定結果に応じて予め設定されたパターンで発光する。そのため、半導体装置１００を複数搭載した場合に、ユーザーはインジケータ１３の発光状態を確認することで交換が必要な半導体装置を識別することが出来る。交換自体は実施の形態１の半導体装置１と同様、容易に行う事が出来る。
【００２６】
また、インジケータ１３は図３に示すように、筐体１２の上面側と側面側の両方から発光状態を視認できるよう、夫々の面に沿った方向に発光面を有している。これは、筐体１２の上面側と側面側に発光箇所を有する１つのインジケータ１３によって実現しても良いし、別個のインジケータ１３を筐体１２の上面側と側面側に設けることによって実現しても良い。
【００２７】
また、半導体装置１００と上位装置との制御指令やセンサー信号の通信に光通信を使用する場合には、光通信手段の発光素子をインジケータ１３の発光素子と共用しても良い。
【００２８】
また、インジケータ１３は図示しないコンデンサーなどによって、一定時間電力を保持する機能を持たせても良い。これにより、電源が遮断されても一定時間インジケータ１３が発光するので、ユーザーは電源を遮断した後でも交換対象の半導体装置１００を把握することが可能である。
【００２９】
＜Ｂ−２．効果＞
本実施の形態の半導体装置１００は、半導体チップ２の劣化や故障の程度に応じたパターンで発光するインジケータ１３を備え、インジケータ１３は、筐体１２の少なくとも２面以上に沿った発光面を有する。よって、ユーザーはインジケータ１３の発光パターンから、交換対象の半導体装置１００を把握することが可能である。
【００３０】
また、インジケータ１３は外部装置と光通信を行うための発光素子を兼用することにより、半導体装置１００の構成を簡単化することが可能である。
【００３１】
また、インジケータ１３は一定時間発光のための電力を保持する機能を有するものとすれば、電源遮断後も交換対象の半導体装置１００を把握することが可能である。
【００３２】
＜Ｃ．実施の形態３＞
＜Ｃ−１．構成、動作＞
本実施の形態の半導体システムは、実施の形態１で説明した複数の半導体装置１と、半導体装置１の半導体チップ２を駆動する駆動制御信号生成手段を備えている。駆動制御信号生成手段と各半導体装置１とは通信ケーブル７で接続され、半導体駆動回路６は駆動制御信号生成手段から駆動制御信号を受けて半導体チップ２を駆動する。
【００３３】
図４は、駆動制御信号生成手段の動作を示すフローチャートであり、交流波形をＰＷＭ変調し出力するアルゴリズムを示している。このアルゴリズムでは、まず目標電流と電流センサー等により検出した実電流の差（目標電流−実電流）を演算する（ステップＳ１）。この偏差をもとに、Ｈ∞制御等のフィードバック制御アルゴリズムによって制御指令値を決定する（ステップＳ２）。そして、この制御指令値と基本波（三角波）とを比較して（図５（ａ））ＰＷＭ駆動信号を生成する（ステップＳ３、図５（ｂ））。
【００３４】
一般に、半導体装置１の制御は、このＰＷＭ駆動信号を直接半導体装置１に入力し、半導体装置１がその信号を逐次処理することにより半導体チップ２が駆動する。そのため、例えば一般的な３相インバータであれば、逐次処理を行う信号線が上下２アーム×３相で計６本必要となる。
【００３５】
しかし、実際の制御信号は、各フィードバック制御処理の周期毎に変化する。そのため、駆動制御信号生成手段は、ある時点のフィードバック制御処理から次のフィードバック制御処理までの間は、同じパターンの信号を繰り返し送信している。
【００３６】
そこで本実施例では、ステップＳ２で制御指令値が決定した相のＰＷＭ信号をＯＮ時間列に変換し（ステップＳ４、図５（ｃ））、各半導体装置に対応する認識符号を付加してこれらを束ねた一括したデータとして通信ケーブル７に流す。各相に該当する半導体装置は認識符号から自相の駆動パターンを入手し、そのパターンにもとづき自己の駆動信号を生成する。
【００３７】
このように構成することで、１本の信号線で複数の半導体装置への駆動制御信号を送信することが可能となり、通信ケーブル７を双方向通信可能な１本の通信ラインで構成することが可能である。
【００３８】
以上では、実施の形態１の半導体装置１に対する駆動制御信号の入力アルゴリズムについて説明したが、実施の形態２の半導体装置１００に対しても同様である。
【００３９】
＜Ｃ−２．効果＞
本実施の形態の半導体システムは、複数の半導体装置１，１００と、半導体装置１，１００の半導体チップ２を駆動制御する信号をフィードバック処理により生成して半導体装置１，１００に出力する駆動制御信号生成手段とを備える半導体システムであって、駆動制御信号生成手段は、複数の半導体装置１，１００への指令をフィードバック処理の周期よりも短い間隔で一つのデータに束ねて送信するので、１本の信号線で複数の半導体装置１，１００への駆動制御信号を送信することが可能になる。
【００４０】
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、全ての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【００４１】
１，１００  半導体装置、２  半導体チップ、３  ヒートスプレッダー、４  冷却器、５  接合パイプ、６  半導体駆動回路、７  通信ケーブル、８  通信コネクター、９  半田、１０  電極、１１  トランスファー樹脂、１２  筐体、１３  インジケータ、２１  半導体収納器、２２  接続電極、２３  絶縁層、２４  冷却路。
【図１】
2013140503.tif 000003
【図２】
2013140503.tif 000004
【図３】
2013140503.tif 000005
【図４】
2013140503.tif 000006
【図５】
2013140503.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成27年1月8日(2015.1.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップ（２）と、
前記半導体チップ（２）を冷却する冷却器（４）と、
前記半導体チップ（２）及び前記冷却器（４）を収納する筐体（１２）と、
前記筐体（１２）内部で前記半導体チップ（２）及び前記冷却器（４）を封止する封止樹脂（１１）と、
前記半導体チップ（２）に接続された電極（１０）と、
前記冷却器（４）に取り付けられ、前記冷却器（４）との間で冷媒流を導出入する接合パイプ（５）とを備える半導体装置であって、
前記電極（１０）と前記接合パイプ（５）は、前記筐体（１２）の同一面から略同一方向に突出して形成され、
接続電極（２２）及び冷却路（２４）が一体として形成された半導体収納器（２１）に対して脱着可能であり、
前記半導体収納器に装着された状態で、前記電極（１０）は前記接続電極（２２）と接続し、前記接合パイプ（５）は前記冷却路（２４）と接続する、
半導体装置（１）。
【請求項２】
前記冷却器（４）の接合パイプ（５）は樹脂で形成され、またはその表面に樹脂層がコーティングされている、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
外部と前記半導体チップ（２）の制御信号を通信する通信ケーブル（７）をさらに備え、
前記通信ケーブル（７）は、前記筐体（１２）の前記電極（１０）及び前記接合パイプ（５）が突出する同一面と対向する面から突出して形成される、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記冷却器（４）は前記半導体チップ（２）の両面側に設けられている、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体チップ（２）の劣化や故障の程度に応じたパターンで発光するインジケータ（１３）をさらに備え、
前記インジケータ（１３）は、前記筐体（１２）の少なくとも２面以上に沿った発光面を有する、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記インジケータ（１３）は外部装置との光通信を行うための発光素子を兼用する、請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記インジケータ（１３）は一定時間発光のための電力を保持する機能を有する、
請求項５に記載の半導体装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の複数の半導体装置と、
前記半導体装置の半導体チップを駆動制御する信号をフィードバック処理により生成して前記半導体装置に出力する駆動制御信号生成手段とを備える半導体システムであって、
前記駆動制御信号生成手段は、複数の前記半導体装置への指令を前記フィードバック処理の周期よりも短い間隔で一つのデータに束ねて送信する、
半導体システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップを冷却する冷却器と、半導体チップ及び冷却器を収納する筐体と、筐体内部で半導体チップ及び冷却器を封止する封止樹脂と、半導体チップに接続された電極と、冷却器に取り付けられ、冷却器との間で冷媒流を導出入する接合パイプとを備える半導体装置であって、電極と接合パイプは、筐体の同一面から略同一方向に突出して形成され、接続電極及び冷却路が一体として形成された半導体収納器に対して脱着可能であり、半導体収納器に装着された状態で、電極は接続電極と接続し、接合パイプは冷却路と接続する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップを冷却する冷却器と、半導体チップ及び冷却器を収納する筐体と、筐体内部で半導体チップ及び冷却器を封止する封止樹脂と、半導体チップに接続された電極と、冷却器に取り付けられ、冷却器との間で冷媒流を導出入する接合パイプとを備える半導体装置である。電極と接合パイプは、筐体の同一面から略同一方向に突出して形成されるので、半導体装置の当該同一面に対応して電極や接合パイプの接続構造を有する半導体収納器を用意すれば、半導体装置を挿入すると同時に高電圧系や冷却系を接続することができる。よって、容易に交換可能な半導体装置となる。また、接続電極及び冷却路が一体として形成された半導体収納器に対して脱着可能であり、半導体収納器に装着された状態で、電極は接続電極と接続し、接合パイプは冷却路と接続する。よって、半導体装置の半導体収納器に対する脱着を容易に行うことができ、交換が容易である。
【国際調査報告】
2013140503.tif 000008
2013140503.tif 000009