(57)【要約】【課題】車両用交流発電機のパワー半導体装置のコストを抑えつつ、放熱性能を改善する。【解決手段】電圧制御用ＩＣレギュレータ３０において、１チップＩＣレギュレータ１４は、安価な銅よりなるヒートシンク１４６に固着され、ヒートシンクは１チップＩＣレギュレータとともに、樹脂封止パッケージ１４７によって封止されている。樹脂封止パッケージは、１チップＩＣレギュレータとヒートシンクとの熱膨張差を補償する。樹脂封止パッケージは、シリコンと銅材の中間の線膨張係数の合成樹脂によって形成され、適正な拘束力でヒートシンクの膨張を押さえ込み、１チップＩＣレギュレータとヒートシンクとの熱膨張差を抑制する。【選択図】図３
2011181824.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子、および前記パワー半導体素子の制御用半導体素子を１チップ化した１チップ半導体素子と、
前記１チップ半導体素子に接合されたヒートシンクと、
前記１チップ半導体素子と前記ヒートシンクとを一体的に封止する樹脂封止パッケージと、
表面に絶縁層を介して回路パターンが形成された金属基板と備え、
前記１チップ半導体素子の端子は前記金属基板の前記回路パターンに電気的に接続され、前記ヒートシンクは金属基板に接合されていることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項２】
請求項1に記載のパワー半導体装置において、
前記パワー半導体装置は、界磁巻線が巻装された回転子と電機子巻線が巻装された固定子とを備えた車両用発電機の制御用半導体装置であり、
前記１チップ半導体素子は、前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御する前記パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を制御する前記制御用半導体素子とを１チップ化した電圧制御用ＩＣレギュレータであり、
前記電圧制御用ＩＣレギュレータによって、前記界磁巻線に流れる電流を調整し、前記電機子巻線に誘起される電圧を制御することを特徴とするパワー半導体装置。  
【請求項３】
請求項２に記載のパワー半導体装置において、
前記樹脂封止パッケージは、少なくとも１方向にリード端子が配列された面実装構造であり、前記ヒートシンクは前記樹脂封止パッケージから露出した面（露出面）を有し、前記露出面が前記金属基板に接合されていることを特徴とするパワー半導体装置。  
【請求項４】
請求項２または３に記載のパワー半導体装置において、
前記金属基板は、半田もしくは銀系ペースト材にて前記ヒートシンクと熱的に結合していることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか１項に記載のパワー半導体装置において、
前記金属基板に固着され、かつ前記回路パターンに接続されたニッケルもしくはニッケル・銅合金製の溶接パッドと、
前記溶接パッドに電気的に接続された中継リードとをさらに備え、
前記電圧制御用ＩＣレギュレータは、車両のメインバッテリおよび前記界磁巻線に接続されたＩＣケースに装着されるとともに、前記中継リードを介して、前記ＩＣケースに電気的に接続されたことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項６】
請求項２乃至５のいずれか１項に記載のパワー半導体装置において、
前記１チップＩＣレギュレータには、外部制御回路との信号入出力のための入出力端子が設けられ、
回路パターンには、ＥＳＤ、ＥＭＩ等のノイズを吸収するため、前記入出力端子とグランドとを接続する静電容量が接続されていることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項７】
請求項２乃至６のいずれか１項に記載のパワー半導体装置において、
前記電圧制御用ＩＣレギュレータには、外部制御回路との信号入出力のための入出力端子が設けられ、
前記回路パターンには、ＥＳＤ、ＥＭＩ等のノイズを吸収するため、前記入出力端子とグランドとを接続するツエナーダイオードが接続されていることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項８】
請求項２乃至６のいずれか１項に記載のパワー半導体装置において、
前記電圧制御用ＩＣレギュレータには、外部制御回路との信号入出力のための入出力端子が設けられ、
回路パターンには、ＥＳＤ、ＥＭＩ等のノイズを吸収するため、前記入出力端子と前記外部制御回路との間、または前記入出力端子とグランドとの間にインダクタが接続されていることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項９】
請求項８記載のパワー半導体装置において、
前記電圧制御用ＩＣレギュレータには、前記車両用交流発電機の稼働中に、車両のメインバッテリが充電されないときに警報装置を駆動する警報端子がさらに設けられ、
前記警報端子と前記警報装置の間、および／または前記電圧制御用ＩＣレギュレータのグランドにＥＭＩノイズ吸収用のインダクタが、さらに接続されていることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項１０】
請求項２乃至９のいずれか１項に記載のパワー半導体装置において、
前記電圧制御用ＩＣレギュレータは、誘電体分離集積回路またはバイポーラ+Ｃ-ＭＯＳ+Ｄ-ＭＯＳ一体形集積回路で構成されることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項１１】
界磁巻線が巻装された回転子と、
前記回転子と接続された回転軸と、
電機子巻線が巻装された固定子と、
前記回転軸の両端を軸支する一対の軸受がそれぞれ設けられた負荷側ブラケットおよび反負荷側ブラケットと、
前記反負荷側ブラケットに装着されたＩＣケースに設けられた、請求項２乃至１０項のいずれか１項に記載のパワー半導体装置と、
前記パワー半導体装置の前記金属基板に熱的に接合され、マトリクス状に配置された複数の突起状の放熱フィンを有する放熱プレートとを備えることを特徴とする車両用交流発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体装置、およびそのパワー半導体装置を搭載した車両用交流発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用交流発電機の制御装置は、例えば、電圧制御用ＩＣレギュレータによって回転磁界の大きさを調整電圧値に制御する。電圧制御用ＩＣレギュレータは、交流発電機の界磁電流を所定値に調節して回転磁界を制御するパワートランジスタおよびフライホイールダイオード等を有する。電圧制御用ＩＣレギュレータは電圧制御部を有し、電圧制御部でパワートランジスタを制御することによって、パワートランジスタによる調整電圧値を調整する。電圧制御部には、車両側の制御系から調整電圧指令が入力され、この調整電圧指令に基づいて調整電圧値を設定する。
【０００３】
電圧制御用ＩＣレギュレータにおける、パワートランジスタおよびフライホイールダイオードはパワー系半導体素子（強電系半導体素子）であり、一方、電圧制御部は小信号系半導体素子（弱電系半導体素子）である。このため、前者は発熱が大きいのに対して、後者は発熱がわずかである。そして、コンパクト化の要求により、電圧制御用ＩＣレギュレータは一基板上に実装する必要性が高い。
【０００４】
パワー系半導体素子と弱電系半導体素子とを同一基板上に実装する場合、基板の熱伝達率を高めるとともに、熱応力に対する耐力を高め、かつ、弱電系半導体素子に対するパワー系半導体素子の発熱の影響を最小限に抑える必要がある。
【０００５】
そこで特許文献１記載の電圧制御装置では、電圧制御用ＩＣレギュレータをセラミック基板上に半田実装し、線膨張係数差を少なくすることで、温度変化に伴う、熱疲労寿命を向上し、さらに、ヒートシンクの材料としては、線膨張係数がシリコンやセラミック材に近い、モリブデン材やタングステン材を使用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許  第３５５２２９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１記載の電圧制御装置は、高価なヒートシンク材を使用し、部品配置が制約されるため、部品点数の削減及び小型化、低コスト化が困難である。
そこで、本発明の目的は、コストを抑えつつ放熱性能を改善したパワー半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。
当該パワー半導体装置は、パワー半導体素子、および前記パワー半導体素子の制御用半導体素子を１チップ化した１チップ半導体素子と、前記１チップ半導体素子に接合されたヒートシンクと、前記１チップ半導体素子と前記ヒートシンクとを一体的に封止する樹脂封止パッケージと、表面に絶縁層を介して回路パターンが形成された金属基板と備え、前記１チップ半導体素子の端子は前記金属基板の前記回路パターンに電気的に接続され、前記ヒートシンクは金属基板に接合されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、コストを抑えつつ放熱性能を改善したパワー半導体装置を提供することができる。また、このパワー半導体装置を搭載した発電機の信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】制御装置を備えた車両用発電機の一実施の形態を示す縦断面図。
【図２】制御装置の実施の形態を示す回路図。
【図３】図２における電圧制御用ＩＣレギュレータを示す回路図。
【図４】電圧制御用ＩＣレギュレータ、放熱プレートを車両用発電機へ実装する一実施の形態を示す斜視図。
【図５】図４の電圧制御用ＩＣレギュレータの実装構造を示す平面図。
【図６】図５のＶ−Ｖ線に沿う縦断面図。
【図７】一実施の形態の回路にＥＳＤノイズ除去用コンデンサーを実装した変形例を示す回路図。
【図８】一実施の形態の回路に保護用ツエナーダイオードを実装した変形例を示す回路図。
【図９】一実施の形態の回路に高周波ノイズ除去用インダクタを実装した変形例を示す回路図。
【図１０】図９の変形例にＥＭＩノイズ吸収用インダクタおよび警報ランプを実装した変形例を示す回路図。
【図１１】図１０における電圧制御用ＩＣレギュレータを示す回路図。
【図１２】電圧制御用ＩＣレギュレータ、放熱プレートを車両用発電機へ実装する変形例を示す斜視図。
【図１３】放熱プレートの装着例を示す発電機の一方側から見た側面図。
【図１４】図１３のXIV方向を上方向として示す放熱プレートの拡大図。
【図１５】放熱プレートの他の装着例を示す発電機の一方側から見た側面図。
【図１６】図１５のXVI方向を上方向として示す放熱プレートの拡大図。
【図１７】放熱プレートの一例を示す斜視図。
【図１８】放熱プレートの他の例を示す斜視図。
【図１９】放熱プレートのさらに他の例を示す斜視図。
【図２０】比較例を示す半導体装置の平面図。
【図２１】図２０のXXI―XXI線で切断した断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した車両用交流発電機の実施の形態を、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
［３相交流発電機］
図１に示すように、３相交流発電機Ｄは負荷側ブラケット２と反負荷側ブラケット３にシャフト４が軸支されており、シャフト４に回転子１３ａが固定され、回転子１３ａと対向して固定子鉄心１１ａが設けられている。固定子鉄心１１ａには、電機子巻線１１が、回転子１３ａには界磁巻線１３（図示省略）がそれぞれ捲装されている。シャフト４には、車両のエンジン（図示省略）にベルト（図示省略）を介して連結されたプーリ５が装着され、プーリ５がエンジンによって駆動されると、回転子１３ａが回転して、界磁巻線１３において回転磁界が発生する。電機子巻線１１は、界磁巻線１３のつくる回転磁界の大きさに応じて交流波形をもった電圧を出力する。反負荷側ブラケット３には、詳細を後述するＩＣケース５２に収容された電圧制御用ＩＣレギュレータ３０や整流器１２、および放熱プレート５０などが装着されている。
【００１２】
［回路構成］
３相交流発電機Ｄは、図２に示す制御装置Ｃにより制御される。図２に示すように、制御装置Ｃは、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０を備え、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０は、制御対象である車両用３相交流発電機Ｄに近接配置されるとともに、車両用３相交流発電機Ｄの界磁巻線１３に接続されている。電圧制御用ＩＣレギュレータ３０を車両用３相交流発電機Ｄに近接配置することにより、配線の部品、工数等を節減し、製造原価を低廉化することができる。
【００１３】
制御装置Ｃには、車両側の制御装置（ＥＣＵ部）６０、および発電機Ｄの電機子巻線１１が接続され、制御装置Ｃは、電機子巻線１１の電圧を監視しつつ、制御装置６０の指令に基づき界磁巻線１３の電圧を調整電圧に調整する。電機子巻線１１は、３相全波整流用ダイオード１２を介して電圧制御用ＩＣレギュレータ３０に接続され、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０は全波整流された電機子巻線１１の電圧を検出する。電機子巻線１１は、界磁巻線１３のつくる回転磁界の大きさに応じて交流電圧を出力する。全波整流用ダイオード１２は、さらに車両用のメインバッテリ１６に接続され、メインバッテリ１６は、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０による界磁巻線１３の調整電圧に対応した電機子巻線１１の全波整流電圧によって充電される。
【００１４】
電圧制御用ＩＣレギュレータ３０は、誘電体分離集積回路、またはバイポーラ＋Ｃ−ＭＯＳ＋Ｄ−ＭＯＳ一体形集積回路よりなる１チップＩＣレギュレータ１４を備える。３相全波整流用ダイオード１２は、電機子巻線１１の各相に接続された、パワーツエナーダイオード１２１、１２４の対、パワーツエナーダイオード１２２、１２５の対、パワーツエナーダイオード１２３、１２６の対により構成される。３相全波整流用ダイオード１２には雑音防止用フィルムコンデンサー１９が並列接続され、３相全波整流電圧のノイズ成分を除去する。メインバッテリ１６には、車両側の電気負荷１８、負荷スイッチ１７が複数並列に接続されている。
【００１５】
図３に示すように、１チップＩＣレギュレータ１４は、パワーＭＯＳトランジスタ１４１と、フライホイールダイオード１４２と、電圧制御部１４５０とを備える。１チップＩＣレギュレータ１４は誘電体分離型半導体で構成され、パワー系半導体素子（パワーＭＯＳトランジスタ１４１、フライホイールダイオード１４２）と弱電系半導体素子（電圧制御部１４５０）とが１個の半導体基板上に実装されている。１チップＩＣレギュレータ１４には、制御装置６０との入出力端子ＣＯＭ、電機子巻線１１の電圧が入力される入力端子Ｐ、電機子巻線１１の全波整流電圧の入力端子Ｆ、フライホイールダイオード１４２の出力端子Ｂ、グランド（ＧＮＤ）端子Ｅが設けられている。
【００１６】
図２、図３に示すように、１チップＩＣレギュレータ１４には、端子Ｂ、Ｆ、Ｅ、Ｐ、ＣＯＭが設けられ、界磁巻線１３は端子Ｂ、Ｆに接続され、３相全波整流ダイオード１２は端子Ｂ、Ｅに接続され、制御装置６０は端子ＣＯＭに接続され、メインバッテリ１６は端子Ｂ、Ｅに接続され、界磁巻線１３は端子Ｂ、Ｆに接続されている。
【００１７】
１チップＩＣレギュレータ１４は、電圧制御部１４５０によってパワーＭＯＳトランジスタ１４１を制御し、パワーＭＯＳトランジスタ１４１によって界磁巻線１３の電流を制御することによって、発電機出力電圧を一定電圧に調節する。発電機出力電圧は、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０によって、制御装置Ｃの出力端子Ｂからメインバッテリ１６に印加され、これによってメインバッテリ１６が充電される。さらに、３相全波整流器１２の出力は、制御装置Ｃの出力端子Ｂから、負荷スイッチ１７を介して、ランプ等の電気負荷１８に供給される。
【００１８】
制御部（ＥＣＵ部）６０は、車両の状態を検出し、３相交流発電機Ｄの最適な調整電圧を示す調整電圧指令値を、１チップＩＣレギュレータ１４の端子ＣＯＭに入力する。１チップＩＣレギュレータ１４は、パワーＭＯＳトランジスタ１４１をコントロールして、界磁巻線１３への界磁電流通流率を変更することで、回転磁界の大きさを変更し、その結果、調整電圧値は車両側の制御部であるＥＣＵ部６０が指令した調整電圧値に制御される。
【００１９】
［ＩＣケースと放熱プレート］
図４は、ＩＣケース５２と放熱プレート５０を示す。ＩＣケース５２は、車両用３相交流発電機Ｄの外周に嵌挿するように装着される。ＩＣケース５２は、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０を装着するＩＣレギュレータ装着部５２A、および、メインバッテリ１６に接続するバッテリソケット部５２Bを備える。ＩＣケース５２は、車両用交流発電機Ｄの界磁巻線１３にスリップリング２２（不図示）とカ−ボンブラシ（不図示）を介して電流を流すためのカーボンブラシ収納箱（不図示）、および雑音防止コンデンサー１９〈図２参照〉の収納を兼ねた一体型モールド成形部品である。
【００２０】
ＩＣケース５２のＩＣレギュレータ装着部５２Aには、三相全波整流器１２〈図２参照〉、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０などが組み込まれ、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０は金属基板１４８を介して放熱プレート５０に固着されている。電圧制御用ＩＣレギュレータ３０は、デュアルインラインパッケージ型の１チップＩＣレギュレータ１４（図２）を含み、界磁巻線１３に流れる電流を制御して電機子巻線１１に誘起する交流電圧が一定になるように制御する。
【００２１】
放熱プレート５０は、アルミニウム材や銅材などから形成され、電圧制御用ＩＣレギュレータ１４から発生する熱を放熱して冷却する。
【００２２】
［電圧制御用ＩＣレギュレータ］
図５および図６を参照して電圧制御用ＩＣレギュレータ３０を説明する。
図５は、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０の平面図、図６は、図５のVI―VI線断面図である。電圧制御用ＩＣレギュレータ３０は、ヒートシンク１４６と、ヒートシンク１４６上に半田接合された１チップＩＣレギュレータ１４と、それらを樹脂により封止した樹脂封止パッケージ１４７とを備え、樹脂封止パーケージ１４７の裏面に露出するヒートシンク１４６が金属基板１４８の表面に半田接合されている。
ここで、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０と金属基板１４８とによりパワー半導体装置を構成する。
【００２３】
１チップＩＣレギュレータ１４は高温半田１６０によりヒートシンク１４６の表面に固着されている。ヒートシンク１４６は、樹脂封止パッケージ１４７の底面において、突出して露出している。
【００２４】
樹脂封止パッケージ１４７はデュアルインライン方式（反対の２方向にリードフレーム１５４が配列された面実装構造）の半導体装置である。すなわち、樹脂パッケージ１４７の対向する両面から、複数のリードフレーム（リード端子）１５４がモールディングして突設されている。リードフレーム１５４は、樹脂封止パッケージ１４７の内部で、ボンディングワイヤ１５２によって１チップＩＣレギュレータ１４に接続されている。リードフレーム１５４は銅材により形成されている。リードフレーム１５４は、その全部または一部に対して、１チップＩＣレギュレータ１４の端子ＣＯＭ、Ｆ、Ｂ、Ｅ（図２）に対応した定義が与えられる。
【００２５】
ヒートシンク１４６およびリードフレーム１５４は低温半田１６２によって、アルミ材を基材とした金属基板１４８の表面に固着されている。金属基板１４８は、熱伝導性の良い接着剤５１によって放熱プレート５０に接着されており、放熱プレート５０には放熱フィン５３が装着されている。
【００２６】
ヒートシンク１４６およびリードフレーム１５４の金属基板１４８への接合を低温半田１６２によって行うことにより、その接合工程における熱によって、より融点の高い高温半田１６０が悪影響を受けることはない。
【００２７】
金属基板１４８は、基材のアルミ板（板厚は１ｍｍから２ｍｍ）１７０の表面に、絶縁層１７２としてエポキシ系樹脂またはポリイミド系樹脂を貼着し、絶縁層１７２の表面に、回路を形成するための銅箔１７４が貼着されている。樹脂封止パッケージ１４７の各リードフレーム１５４は、銅箔１７４のパターンにおける所定位置に低温半田１６２によって接合される。
【００２８】
図６に示すように、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０と一体化されている金属基板１４８の表面には、複数の溶接パッド１８０が低温半田１６２によって固着され、各溶接パッド１８０には、中継リード（ニッケル線）５４が溶接接合されている。ニッケル線５４は、金属基板１４８の表面に沿った直線の状態で溶接され、その後、フォーミング加工によって金属基板１４８に対して略垂直に立ち上がるように成形される。溶接パッド１８０は、銅箔１７４の回路パターンによって対応するリードフレーム１５４に接続されている。ＩＣケース５２内において、ニッケル線５４は、ＩＣケース５２内に設けられた端子（図示省略）に接続される。
ヒートシンク１４６は、金属基板１４８の表面に形成したグランド配線パターン上に固着される。
【００２９】
１チップＩＣレギュレータ１４のヒートシンク１４６への固着手段は半田に限定されず、銀ペースト等の電気伝導性接着剤も採用することができる。半田の材質としては、鉛フリー、鉛が含有された高融点半田等を採用することができる。
【００３０】
銅箔１７４とリードフレーム１５４の接合は、半田に代えて、銀ペースト等の電気伝導性接着剤によって行ってもよい。また、金属基板１４８の基材としては、銅材、鉄材も適用可能である。
【００３１】
金属基板１４８と放熱プレート５０の接続のための接着剤は、任意の接着剤を使用することができるが、熱伝導性接着剤が好ましい。
【００３２】
上述した樹脂封止パッケージ１４７は、１チップＩＣレギュレータ１４の絶縁被覆および保護部材として機能するだけでなく、１チップＩＣレギュレータ１４とヒートシンク１４６との熱膨張差を補償する。すなわち、１チップＩＣレギュレータ１４の材料であるシリコンは、線膨張係数が約３.５ｐｐｍであり、ヒートシンク１４６の材料である銅材は、線膨張係数が１７ｐｐｍであるため、両者の自由な熱膨張を許容すれば、エンジン本体表面の温度変化にさらされる過酷な環境においては、その熱膨張差によって高温半田１６０にクラック等の損傷が生じる可能性がある。
【００３３】
これに対して、樹脂封止パッケージ１４７は、シリコンと銅材の中間の線膨張係数である、約１１ｐｐｍの合成樹脂によって形成され、適正な拘束力でヒートシンク１４６の膨張を押さえ込み、これによって、１チップＩＣレギュレータ１４とヒートシンク１４６との熱膨張差を抑制し、高温半田１６０の破損等の問題を回避することができる。
【００３４】
なお、金属基板１４８の形状、サイズ、およびニッケル線５４の配置、アサインメントを、あらかじめ所定の基準に合致させておけば、１チップＩＣレギュレータ１４の仕様等を改定しても、ＩＣケース５２を共通化することが可能であり、例えば、従来の電圧制御用ＩＣレギュレータ３０に適用されていたＩＣケースを本実施の形態に適用することができる。これによって、本実施の形態のために新たなＩＣケースは不要となる。
【００３５】
本実施の形態では、アルミニウム材の金属基板１４８（線膨張係数２３ｐｐｍ）と、銅箔１７４（線膨張係数１７ｐｐｍ）よりなる回路パターンとを使用したので、溶接パッド１８０の材質をニッケル材（線膨張係数が約１３ｐｐｍ）、もしくはニッケルと鉄の合金であるキプロニッケル材（線膨張係数が約１３ｐｐｍ）を使用することによって、銅箔１７４と溶接パッド１８０との線膨張係数差は小さく抑えることができ、また、銅箔１７４および溶接パッド１８０と金属基板１４８との線膨張係数差もわずかである。これによって、熱サイクル性を向上することができる。
【００３６】
本実施の形態では、溶接パッド１８０にニッケル材を使用したが、銅箔との線膨張係数差を下げるための材料として、銅系の材料（線膨張係数が約１７ｐｐｍ）、黄銅（線膨張係数が約１９ｐｐｍ）もしくは鉄系の材料（線膨張係数が約１１ｐｐｍ）も適用可能である。
【００３７】
なお、従来の制御装置は、セラミック基板上の両サイドに、溶接接合用の溶接パッドを配置し、溶接パッドをセラミック基板の線膨張係数に近づけるために、鉄-ニッケルの合金である４２アロイ材（線膨張係数約５ｐｐｍ）を使用していた。
【００３８】
[実施の形態の半導体装置の熱抵抗]
上述した１チップＩＣレギュレータ１４から放熱プレート５０に到る経路について、熱抵抗を計算したところ、３．０３℃／Ｗという結果が得られた。この熱抵抗計算では、樹脂封止パッケージ１４７の熱抵抗を１．５℃/Ｗ、チップサイズ面積を約２８平方ｍｍ、ヒートシンク１４６の面積を１２５平方ｍｍ、１チップＩＣレギュレータ１４７をヒートシンク１４６に接続する半田の熱抵抗を１．５℃/Ｗ（ボイドがあると想定）としている。
【００３９】
［比較例の半導体装置の熱抵抗］
一方、図２０、図２１に示す第１の比較例について、熱抵抗を計算した。この比較例の半導体装置は、ＭＯ材よりなるヒートシンクＨＳ上に固着したパワートランジスタＰＴと、電圧制御部ＶＣとを離間して、セラミック基板ＣＢ上に搭載し、セラミック基板ＣＢを、放熱フィンＳＦを備えた放熱プレートＳＰ上に接着した。
【００４０】
第１の比較例では、発熱体であるパワートランジスタＰＴを４平方ｍｍとし、パワートランジスタＰＴからの熱伝導は、厚み方向に約４５度の広がりを持って伝わると仮定して、パワートランジスタＰＴから放熱プレート５０までの熱抵抗の概略を計算した。その計算結果は、５．５４℃／Ｗであり、本実施の形態は第１の比較例の略半分の熱抵抗値であることが分かる。
【００４１】
本実施の形態のヒートシンク１４６は、熱伝導性が良好であるばかりでなく、安価であるため、大面積のヒートシンク１４６を形成でき、第１の比較例に比較して著しく熱伝導性能を高めることができる。
また、ヒートシンク１４６の熱を、熱伝導性の優れた金属基板１４８に放熱するため、結果的に第１の比較例に対して熱抵抗を約半減することが可能となる。
【００４２】
なお、特許文献１の従来例に比較して、本実施の形態は、ヒートシンク１４６が安価であり、その製造原価を低減することができる。
【００４３】
金属基板１４８のアルミ板１７０は、線膨張係数が２３ｐｐｍであり、リードフレーム１５４やヒートシンク１４６の材料である銅の線膨張係数１７ｐｐｍとの線膨張差は小さい。従って、ヒートシンク１４６およびリードフレーム１５４と、金属基板１４８との接合に関して、温度変化の激しいエンジンルーム内の過酷な環境による悪影響は少ない。しかも、ヒートシンク１４６およびリードフレーム１５４には安価な銅を使用することができる。
【００４４】
さらに、第１の比較例の構成において、パワートランジスタＰＴおよび電圧制御部ＶＣに代えて１チップＩＣレギュレータを採用した構成を第２の比較例とし、本実施の形態と熱応力の影響を比較した。すなわち、本実施の形態と第２の比較例の半導体装置について、熱サイクル試験（最低温度−４０℃と最高温度１５０℃の間、５００サイクルの温度変化を与えた。）を実施した。第２の比較例の半導体装置では、試験前の正常な半田の状況に対し、熱サイクル試験後には、樹脂封止パッケージの電気的接続用端子の半田付け部分にクラックが発生した。一方、本実施の形態についても熱サイクル試験を行ったが、何らの異常も発生しなかった。
【００４５】
第２の比較例の半導体装置においては、１チップＩＣレギュレータ１４が発生する熱は放熱されるが、セラミック基板の線膨張係数６.５ｐｐｍに対し、樹脂封止パッケージの電気的接続用端子材である銅材は１７ｐｐｍであり、両者を比較して線膨張係数差が１０ｐｐｍ以上である。エンジンルームのような温度変化が苛酷な場所ではその接合部材としての半田付けに熱応力によるせん断が生じ、最悪断線による、機能不良が生じる可能性がある。
【００４６】
第１、第２の比較例の半導体装置との比較により、本実施の形態の半導体装置は、放熱性に優れ、かつ、温度変化の激しい環境であるエンジンルーム内での実装に最適な構造であることが判る。
【００４７】
［第２の実施形態］
さらに、本実施の形態は、金属基板１４８を使用したことによって、一般に１チップＩＣレギュレータ１４への実装が難しいとされているＥＭＩ対策用の静電容量、インダクタやサ−ジ吸収用ツエナーダイオード等を金属基板に実装することが可能である。
【００４８】
図７は、１チップＩＣレギュレータ１４にＥＭＩ対策用の静電容量２０を実装した一例を示す回路図である。すなわち、制御部（ＥＣＵ部）６０との信号授受のため端子ＣＯＭと、ＧＮＤ（グランド）との間に、静電気等によるＥＳＤノイズの除去のためのコンデンサー（静電容量）２０が接続されている。
【００４９】
図８は、１チップＩＣレギュレータ１４に、サ−ジ吸収用ツエナーダイオード２２を実装した一例を示す回路図である。すなわち、端子ＣＯＭと端子Ｅの間には、端子Ｅから端子ＣＯＭの方向を順方向とするツエナーダイオード２２が接続されている。ツエナーダイオード２２は、端子ＣＯＭに対する外部からの正サージもしくはマイナスサージから１チップＩＣレギュレータ１４を保護する。
【００５０】
図９は、１チップＩＣレギュレータ１４に、高周波ノイズであるＥＭＩ対策用のインダクタ２１を実装した一例を示す回路図である。すなわち、端子ＣＯＭと制御部（ＥＣＵ部）６０との間にはインダクタ２１が接続され、外部の高周波ノイズから、１チップＩＣレギュレータ１４の誤動作を誘発する周波数成分を除去する。これによって、１チップＩＣレギュレータ１４をＥＭＩ等から保護する。
【００５１】
一般に、コンパクト化と部品点数削減のためにパワー系半導体素子と弱電系半導体素子との両者を内蔵した１チップＩＣレギュレータは、使用環境等に対応した仕様変更は困難であるが、素子の外付けを可能としたことにより、より厳しい環境での使用や、多様な顧客ニーズに対応することができる。
【００５２】
［変形例１］
図１０は、図９の回路図の変形例、図１１は、図３の回路図の変形例である。なお、同図において、本実施の形態と同一もしくは対応部分には同一符号を付し、説明を省略する。
【００５３】
図１０に示す変形例の１チップＩＣレギュレータ１４０は、図９の１チップＩＣレギュレータ１４において、端子ＣＯＭに代えて端子ＩＧを設け、端子ＩＧをキースイッチ２７を介してメインバッテリ１６に接続し、さらに、エンジン稼働中すなわち３相交流発電機Ｄの稼働中に、メインバッテリ１６が充電されていない状態を示す警報ランプ（チャージランプ）２６を点灯するための端子Ｌ（警報端子）を設けたものである。
【００５４】
図１１に示すように、１チップＩＣレギュレータ１４０は、図３の構成における電圧制御部１４５０に対応した電圧制御部１４５０Ｃ、端子ＣＯＭに対応した端子ＩＧを備えている。さらに、電圧制御部１４５０Ｃには、警報ランプ２６の点灯のためのパワーＭＯＳトランジスタ１４３が接続され、パワーＭＯＳトランジスタ１４３は、端子Ｌに接続されている。
【００５５】
図１０に示すように、端子ＩＧ、Ｌには、図９の構成と同様に、ＥＭＩノイズ吸収用のインダクタ２４、２３がそれぞれ接続され、さらにグランド（ＧＮＤ）と端子Ｅとの間にＥＭＩノイズ吸収用のインダクタ２５が接続されている。警報ランプ２６は、一端子が、端子ＩＧとキースイッチ２７の間に接続され、他端子が端子Ｌに接続されている。電圧制御部１４５０Ｃは、パワーＭＯＳトランジスタ１４３を制御し、メインバッテリ１６が充電されていないときに、端子ＩＧ、Ｌ間の電位差を、警報ランプ２６の点灯電圧とする。
【００５６】
本変形例では、ノイズ除去性能が向上するとともに、メインバッテリ１６の充電状態を確認することができる。
【００５７】
なお、インダクタ２３、２４、２５の全てを採用せず、１個または２個を採用することによっても、ＥＭＩノイズ除去効果が得られる。
【００５８】
［変形例２］
本実施の形態では、樹脂封止パッケージ１４７としてデュアルインライン方式のパッケージを使用したが、シングルインライン方式（１方向にリードフレーム１５４が配列された面実装構造）の樹脂封止パッケージ１４７でも同様の効果を得ることができる。
【００５９】
［変形例３］
図１２に示すように、ＩＣレギュレータ３０を図４の状態から１８０度回転させた状態でＩＣケース１５２に接続するように、ＩＣケース１５２を構成することも当然可能である。これによって、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０の適用範囲は拡張される。
【００６０】
［変形例４］
ＩＣケース５２は交流発電機の種類によって種々の形状が存在し、特に、ＩＣレギュレータをＩＣケース５２に装着する方向によって、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０を風によって冷却するための放熱フィン５３の向きが異なる。例えば、図１２のＩＣケース１５２は、図４のＩＣケース５２とは放熱フィン５３の向きが１８０度異なる。
【００６１】
図１に示す交流発電機の構造として、冷却風は交流発電機後方の外周から交流発電機の軸方向中心に向けて風を流すこと（図１の点線矢印ＷＦの方向）によって、各発熱部品の冷却を行っている。そのため、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０を冷却する放熱フィン５３の形状が少なくとも２種類存在する。例えば、図１を後方から見た透視図およびＩＣケース５２、１５２と放熱フィン５３を組み合わせた構成は、図１３、図１４に示す交流発電機Ｄと、図１５、図１６に示す交流発電機Ｄにおいて相違する。
【００６２】
図１３、図１４では、斜め下方から交流発電機Ｄの中心に向かって（ＷＦ方向）、冷却風が流入しており、一方、図１５、図１６では、斜め上方から交流発電機Ｄの中心に向かって（ＷＦ方向）、冷却風が流入している。そして、いずれの構成においても、放熱フィン５３は風の流れに沿った形で形成され、なるべく放熱フィンの表面積を多く稼いで、冷却能力を上げている。
【００６３】
しかし、本実施の形態では、前述のように、従来品に比べ、発熱部から放熱プレート５０までの熱抵抗を従来比で半減することができるため、放熱フィン５３の形状は、図１３〜図１６のような冷却風に沿った形状に限定されず、設計の自由度が高い。
【００６４】
すなわち、図１７に示す、比較的短い多数の流路を有する放熱フィン５３、図１８に示す比較的短い流路を少数有する放熱フィン５３ｄ、図１９に示す、多数の突起状の放熱フィン５３ｅ等、多様なフィンを採用でき、さらには、放熱フィン５３を省略することも可能である。
【００６５】
放熱フィン５３ｅを採用すれば、放熱プレート５０に沿った任意の方向の冷却風による空冷が可能である。
【００６６】
以上では、本発明によるパワー半導体装置を車両用交流発電機に適用した実施形態について説明したが、本発明は車両用交流発電機以外の装置にも適用できる。したがって、本発明は、パワー半導体素子、および前記パワー半導体素子の制御用半導体素子を１チップ化した１チップ半導体素子３０と、１チップ半導体素子３０に接合されたヒートシンク１４６と、１チップ半導体素子３０とヒートシンク１４６とを一体的に封止する樹脂封止パッケージ１４７と、表面に絶縁層１７２を介して回路パターン１７４が形成された金属基板１４８と備え、そして、１チップ半導体素子３０の端子１５４を金属基板１４８の回路パターン１７４に電気的に接続し、かつ、ヒートシンク１４６を金属基板１４８に接合して成る各種のパワー半導体装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１１：電機子巻線
１２：３相全波整流器
１３：界磁巻線
１４：１チップＩＣレギュレータ
１６：メインバッテリ
３０：電圧制御用ＩＣレギュレータ
５０：放熱プレート
５２：ＩＣケース
５３：放熱フィン
１４６：ヒートシンク
１４７：樹脂封止パッケージ
１４８：金属基板
１４１：パワーＭＯＳトランジスタ
１４９：溶接パッド
Ｄ：３相交流発電機
Ｃ：制御装置
【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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【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】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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