(57)【要約】【課題】放熱基板と主回路が形成された回路基板とを備えたパワー半導体装置において、回路基板の過度の昇温を抑制可能な小型の装置を提供する。【解決手段】パワー半導体素子１と、導体部２ａの上に素子１が実装された放熱基板２と、素子１の主電流経路を構成する主回路パターン３ａ，３ｂが形成され、放熱基板２に対向配置された回路基板３と、素子１の主電極と主回路パターン３ａとを電気的に接続する導電部材４と、放熱基板２の上で導体部２ａから分離した部分２ｂと主回路パターン３ｂとを熱的に接続する伝熱部材５とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子と、
導体部を有し、該導体部の上に前記パワー半導体素子が実装された放熱基板と、
前記パワー半導体素子の主電流経路を構成する主回路パターンが形成され、前記放熱基板に対向配置された回路基板と、
前記パワー半導体素子の主電極と前記主回路パターンとを電気的に接続する導電部材と、
前記放熱基板の上で前記導体部から分離した部分と前記主回路パターンとを熱的に接続する伝熱部材とを備えたことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項２】
前記放熱基板は、前記導体部から分離した部分に追加の導体部を有し、
前記伝熱部材の一端は、前記追加の導体部と接することを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項３】
前記導電部材および伝熱部材の少なくとも一方は、折り返し部を有する板状の可撓性部材であることを特徴とする、請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
【請求項４】
前記板状の可撓性部材は、板の面上に形成された凸部を有し、前記放熱基板または回路基板と前記凸部で接することを特徴とする、請求項３に記載のパワー半導体装置。
【請求項５】
前記導体部と一端で接する追加の導電部材を備え、
前記導電部材の一端および前記追加の導電部材の一端はそれぞれ、前記主回路パターンの互いに分離した部分と接することを特徴とする、請求項２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】
本発明は、パワー半導体素子が実装された放熱基板とパワー半導体素子の主回路が形成された回路基板とを備えたパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の基板が上下に重ねられた状態で配置され、１つの筐体内に収納されたパワー半導体装置は、集積化、小型化に優れている一方、筐体内に熱がこもりやすく、過度の昇温によって、基板および内部の電子部品が熱損傷を受けやすいという問題があった。
【０００３】
このような構成を有する従来のパワー半導体装置として、例えば特許文献１には、パワー半導体素子が実装された放熱基板と、パワー半導体素子を制御する回路が形成された回路基板（制御回路基板）とが１つの筐体内に収納された半導体装置が開示されている。パワー半導体素子と筐体内に埋め込まれたリードとは、ワイヤボンディングにより電気的に接続され、さらにリードのいくつかは回路基板に電気的に接続されている。また、リードの先端部が筐体外に突出しており、これによりパワー半導体素子から回路基板への熱の伝達が抑制され、回路基板の過度の昇温が抑制されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２２７４２４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のような構成では、リードから回路基板に伝わる熱に対する対策はなされているものの、回路基板に形成された導体パターン自体の発熱に対する対策はなされていない。ところで、パワー半導体装置の更なる小型化を図るためには、パワー半導体素子へ大電流を入出力する回路、即ち主回路を回路基板上に形成することが考えられる。しかしこの場合、主回路は損失が大きいため、やはり回路基板に過度の昇温が生じるという問題が生じる。
【０００６】
本発明の目的は、放熱基板と主回路が形成された回路基板とを備えたパワー半導体装置において、回路基板の過度の昇温を抑制可能な小型の装置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に、本発明によるパワー半導体装置は、
パワー半導体素子と、
導体部を有し、当該導体部の上にパワー半導体素子が実装された放熱基板と、
パワー半導体素子の主電流経路を構成する主回路パターンが形成され、放熱基板に対向配置された回路基板と、
パワー半導体素子の主電極と主回路パターンとを電気的に接続する導電部材と、
放熱基板の上で導体部から分離した部分と主回路パターンとを熱的に接続する伝熱部材とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、放熱基板と主回路パターンが形成された回路基板とを備えたことで小型化されたパワー半導体装置において、主回路パターンから放熱基板に向けての放熱経路が伝熱部材により形成されて、回路基板の過度の昇温を抑制可能な装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１によるパワー半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１による伝熱リードの斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態２によるパワー半導体装置の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２による伝熱リードの斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態２の変形例によるパワー半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態であるパワー半導体装置について、以下で図を参照しながら説明する。なお、各図において、同一または同様の構成部分については同じ符号を付している。また、方向を表す用語「上」「下」は、使用時での装置の設置方向を限定するものではない。また、図１，３，５の断面図において、部材によっては図を簡単にするためハッチングを省略している。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるパワー半導体装置の断面図である。
パワー半導体装置１００は、パワーチップ１が実装された放熱基板２と、放熱基板２に対向して配置された回路基板３と、放熱基板２と回路基板３との間に設けられたリード４（４ａ，４ｂ），５と、放熱基板２を取り囲むように設けられた樹脂等からなる筐体６などを備える。筐体６は、シリコーンゲル等の絶縁性樹脂で充填されてもよい。
【００１２】
パワーチップ１は、Ｓｉ、ＳｉＣ（炭化珪素）等からなる、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）などのパワー半導体素子である。パワーチップ１は、はんだ、導電性接着剤などの導電性接合材（以下、はんだ等という）により、後述の導体部２ａの上に接合されている。
【００１３】
パワーチップ１がＩＧＢＴの場合、例えば、そのおもて面（上面）には制御電極のゲート電極と主電極のエミッタ電極とが形成され、裏面（下面）には主電極のコレクタ電極が形成される。パワーチップ１がＭＯＳＦＥＴの場合、例えば、そのおもて面には制御電極のゲート電極と主電極のソース電極とが形成され、裏面には主電極のドレイン電極が形成される。パワーチップ１の主電極は、リード４ａなどを介して主回路端子１０に接続されている。主回路端子１０は回路基板３に固定され、装置外部へ延出している。一方、パワーチップ１の制御電極はワイヤ７を介して制御端子１１に接続されており、これにより制御信号が制御電極に入力される。制御端子１１は筐体６内に固定され、装置外部へ延出している。
【００１４】
放熱基板２は、導体部２ａ，２ｂを含む導体パターン層、絶縁層２ｃおよびベース板２ｄの３層構造からなる。導体部２ａと導体部２ｂは互いに分離して形成される。導体部２ａ，２ｂは例えば銅箔であり、ベース板２ｄは銅、アルミニウム等の放熱性に優れた材料からなる。また、放熱基板２は、筐体６の下面に樹脂系接着剤等で接合されている。それゆえ、パワー半導体装置１００の下面にはベース板２ｄが露出している。
【００１５】
パワー半導体装置１００の使用時には、露出したベース板２ｄの下面に、放熱グリスを介してヒートシンク（図示せず）が取り付けられる。ヒートシンクの代わりに、内部を冷媒が流通する冷媒ジャケットなどの冷却器が取り付けられてもよい。
【００１６】
回路基板３は、紙フェノール、ガラスエポキシなどからなる周知のプリント配線板である。回路基板３のスルーホールには主回路端子１０が挿入され、はんだ等で接合されている。回路基板３の下面には、銅箔等の主回路部３ａ，３ｂを含む主回路パターンが形成されている。回路基板３の下面に主回路パターン以外の導体パターンが形成されてもよい。また、回路基板３の上面にも図示しない導体パターンが形成されており、その上に電子部品９が実装されている。電子部品９は、例えば、パワーチップ１を制御するＩＣ（集積回路）、抵抗、コンデンサなどの受動部品である。主回路部３ａ，３ｂ、電子部品９および主回路端子１０などにより、パワーチップ１に関わる回路が構成されている。また、回路基板３は筐体６の上に樹脂系接着剤等で接合されており、さらに回路基板３の上には蓋部８が取り付けられている。回路基板３はリード４，５から圧接荷重を受けるところ、蓋部８によりサポートされてたわみが防止される。
【００１７】
リード４ａ，４ｂは、導電性部材からなる、部材間の電気的接続のための導電リードである。導電リード４ａの上端、下端は、それぞれ主回路部３ａ、パワーチップ１の主電極にはんだ等により接合されている。導電リード４ｂの上端、下端は、それぞれ主回路部３ｂ、導体部２ａにはんだ等により接合されている。なお、本発明はこれに限定されないが、導電リード４は、以下で説明する伝熱リード５と同一物である。同一物とすることで、部品点数を減らすことができ、製造コストを削減できる。
【００１８】
以上で説明したパワーチップ１、導体部２ａ、主回路部３ａ，３ｂ、導電リード４、主回路端子１０などにより、パワーチップ１の主電流経路である主回路が構成される。
【００１９】
次に、図２を用いてリード５の構造について詳しく説明する。
リード５は、銅、銅合金などの熱伝導性に優れた材料からなる、部材間の熱的接続のための伝熱リードである。伝熱リード５は板状であり、折り返し部５ａで交互になめらかに折り返されている。また、伝熱リード５は、高さ方向（図２のｚ方向）にたわむようになっている。なお、図２では、伝熱リード５には３つの折り返し部５ａが設けられて「Ｗ」字状に形成されているが、折り返し部５ａの数はこれに限定されない。また、伝熱リード５はジグザグ状に折り返されてもよい。
【００２０】
図１に戻り、伝熱リード５の上端、下端は、それぞれ主回路部３ｂ、導体部２ｂにはんだまたは熱伝導性接着剤（以下、熱伝導性接着剤等という）により接合されている。伝熱リード５は、安定した圧接荷重を得るために、導体部２ｂおよび主回路部３ｂと弾性的に接している。つまり、伝熱リード５は、少し圧縮された状態で接合されている。なお、上記の通り、導体部２ｂは主回路を構成する導体部２ａとは別の、独立した導体パターンである。これらの説明は、導電リード４ａ，４ｂにも同様に適用される。
【００２１】
次に、パワー半導体装置１００の例示的な組み立て方法について簡単に説明する。
まず、１）放熱基板２の導体部２ａにパワーチップ１を実装する。２）パワーチップ１の主電極、導体部２ａ、導体部２ｂに、それぞれ導電リード４ａ、導電リード４ｂ、伝熱リード５の下端を接合する。３）筐体６の下面を放熱基板２の絶縁層２ｃに接合する。４）ワイヤ７をパワーチップ１の制御電極と筐体６に接合する。５）電子部品９が実装され、主回路端子１０がスルーホールに挿入され、さらに蓋部８が一体化された状態の回路基板３を、筐体６に接合する。このとき、各リード４ａ，４ｂ，５を、少し圧縮した状態で回路基板３に接合し、放熱基板２と回路基板３との間隔のばらつきを各リードに吸収させる。また、各接着剤の加熱硬化工程を適宜実施する。
【００２２】
以上、パワー半導体装置１００の構成によれば、上下に対向して配置された放熱基板２と回路基板３が１つの筐体内に収納されると共に導電リード４ａ，４ｂにより直接に接続されるため、特許文献１のようにワイヤボンディングによる中継配線が不要となる。また、主回路パターン３ａ，３ｂが回路基板３に形成されることにより、放熱基板２の面積を従来よりも削減できる。このようにして、パワー半導体装置１００を小型化できる。
【００２３】
ここで、パワー半導体装置１００を動作させると、主回路部３ａ，３ｂには主回路端子１０から大電流が流れ、発熱量も大きくなる。更には、通電によりパワーチップ１自体で発生する熱、導電リード４ａ，４ｂで発生する熱もまた主回路部３ａ，３ｂに伝わる。一方、冷却器が取り付けられる放熱基板３と比較して、回路基板３の放熱性は大幅に劣るため、主回路部３ａ，３ｂを有する回路基板３の温度は過度に上昇しやすい。
パワー半導体装置１００では、主回路部３ｂに伝熱リード５が接続されたことにより、回路基板３または主回路部３ｂから放熱基板２へ向けて効率的に放熱する経路が設けられる。さらに、伝熱リード５が接する放熱基板２の導体部２ｂは、主回路を構成する導体部２ａから分離しており、それゆえ伝熱リード５にはほとんど電流が流れない。その結果、伝熱リード５自体により発生するジュール熱が抑制され、放熱基板２への伝熱が効率的に行われることになる。このようにして、パワー半導体装置１００の動作時に生じる回路基板３の過度の昇温を抑制でき、従って回路基板３および電子部品９の熱損傷を防止し、超寿命化を図ることができる。
【００２４】
実施の形態２．
図３，４は、それぞれ、本発明の実施の形態２によるパワー半導体装置の断面図、伝熱リードの斜視図である。
本実施形態２は、導電リード１４ａ，１４ｂ、伝熱リード１５の形状、ならびにこれらと回路基板３との接続方式において実施形態１と異なる。その他の点は実施形態１と同様であり、説明を省略する場合がある。
【００２５】
パワー半導体装置２００において、伝熱リード１５は、最上面に形成された半球状の凸部１５ｂを有し、その凸部１５ｂで回路基板３の主回路部３ｂに圧接されている。一方、下端では、熱伝導性接着剤等で導体部２ｂに接合されており、これは実施形態１と同様である。図４には伝熱リード１５のみを図示しているが、図３に示すように導電リード１４ａ，１４ｂと伝熱リード１５とは同一の構造を有する。実施形態１と同様に、各リード１４ａ，１４ｂ，１５は、少し圧縮された状態で圧着または接合されている。
【００２６】
なお、各リード１４ａ，１４ｂ，１５と回路基板３とを圧接し、各リードと放熱基板２とを接着剤等により接合しているが、回路基板３および放熱基板２との接合方式は逆でもよい。
【００２７】
また、回路基板３の主回路部３ｂに圧接される凸部１５ｂが半球状である必要はなく、伝熱リード１５の最上面を圧接可能とするように部分的に凸状に形成されていればよい。これは導電リード１４ａ，１４ｂの場合も同様である。
【００２８】
以上、パワー半導体装置２００の構成によれば、主回路部３ａ，３ｂなどで発生した熱は、凸部１５ｂ、伝熱リード１５の内部、放熱基板２の順に放熱経路を伝わって冷却器から放熱され、従って実施形態１と同様の効果が得られる。特に本実施形態２では、リード１４ａ，１４ｂ，１５と回路基板３とを接着剤等により接合する必要がなくなるため、装置の組立を単純化できる。
【００２９】
ここで、上記の通り、リード１４ａ，１４ｂ，１５は、少し圧縮された状態で弾性的に圧着または接合されている。それゆえ、導電リード１４ａ，１４ｂの材料としては、高強度かつ低導電率の材料を用いることが好ましいといえる。本実施形態２のように、導電リード１４ａ，１４ｂを圧接した場合、圧接部分での接抵抗に起因して、大きいジュール熱が発生する傾向がある。従って本実施形態２では、伝熱リード１５が形成する放熱経路からの放熱がより重要であるといえる。そこで、図５に示す変形例のように、導電リード１４ａ，１４ｂについては凸部を有するリード（図４）により端部を圧接し、伝熱リード１５については凸部を有しないリード（図２）により端部を接着剤等で接合することができる。リード１４，１５と基板２，３との接続方式の組み合わせは、組立て作業性、要求される放熱性能、電流容量に応じて、適宜選択することができる。
【００３０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記説明は、最良の実施の形態の一例を示したものであり、発明の意図を逸脱しない範囲で適宜組み合わされ、あるいは変更されてもよい。
【００３１】
例えば、パワーチップ１、導電リード４（１４）、伝熱リード５（１５）、電子部品９主回路端子１０および制御端子１１などの数は、当然ながら図示された個数に限定されず、求められる機能に応じて適宜選択される。さらに、電子部品９は必ずしも実装される必要はなく、それゆえ回路基板３の上面の導体パターンは形成されなくてもよい。
【００３２】
また、導電リード４（１４）は主電流経路を構成する導電部材であればよく、伝熱リード５（１５）は放熱経路を構成する伝熱部材であればよく、これらは必ずしも可撓性を有する必要はない。
【００３３】
また、伝熱リード５（１５）の下端が接するのは、放熱基板２の上で導体部２ａから分離した部分であればよく、放熱基板２の絶縁層２ｃに直接に接してもよい。また、各図では、伝熱リード５（１５）は、導電リード４ｂ（１４ｂ）の左側に設けられて上端で主回路部３ｂと接しているが、導電リード４ｂ（１４ｂ）の右側に設けられて上端で主回路部３ａと接してもよい。つまり、伝熱リードの設置位置は任意である。
【００３４】
また、パワー半導体装置１００（２００）では、伝熱リード５（１５）には大電流が流れない構成であり、それゆえ導体部２ｂに伝熱リード以外の他の配線部材が接続されていてもよい。例えば、電圧モニタリング用の外部端子がワイヤボンディングで接続されてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１  パワーチップ、  ２  放熱基板、  ２ａ，２ｂ  導体部、  ２ｃ  絶縁層、  ２ｄ  ベース板、  ３  回路基板、  ３ａ，３ｂ  主回路部、  ４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ  導電リード、  ５，１５  伝熱リード、  ５ａ，１５ａ  折り返し部、  １５ｂ  凸部、  ６  筐体、  ７  ワイヤ、  ８  蓋部、  ９  電子部品、  １０  主回路端子、  １１  制御端子、  １００，２００  パワー半導体装置。
【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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