(57)【要約】【課題】より簡単に、かつ、より安価に製造することができる放熱効果の高い電力用半導体装置を提供する。【解決手段】本発明による電力用半導体装置は、電力半導体素子（１０）と、その電力半導体素子を搭載する絶縁基板（１２）と、その絶縁基板を搭載する第１の放熱体（１４）と、第１の放熱体上に取り付けられて絶縁基板および電力半導体素子を囲うケース（２０）と、電力半導体素子に対向して、ケースの内部に、その周縁部がケースの内側表面に接して位置された第２の放熱体（２８）と、第１の放熱体、ケースおよび第２の放熱体によって構成された空間に充填されたゲル状絶縁樹脂（２６）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】
電力半導体素子と、その電力半導体素子を搭載する絶縁基板と、その絶縁基板を搭載する第１の放熱体と、前記第１の放熱体上に取り付けられて前記絶縁基板および前記電力半導体素子を囲うケースと、前記電力半導体素子に対向して、前記ケースの内部に、その周縁部が前記ケースの内側表面に接して位置された第２の放熱体と、前記第１の放熱体、前記ケースおよび前記第２の放熱体によって構成された空間に充填されたゲル状絶縁樹脂とを備える電力用半導体装置。
【請求項２】
前記ケースの内側表面に前記第２の放熱体を支持する支持構造が設けられ、前記第２の放熱体の周縁部の少なくとも一部がその支持構造によって支持されることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
前記第２の放熱体が、前記ゲル状絶縁樹脂よりも熱容量が大きく、蓄熱体として機能することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記第２の放熱体と前記ゲル状絶縁樹脂との間に、前記ゲル状絶縁樹脂よりも熱伝導性がよい材料から成る放熱促進体が挿入されることを特徴とする請求項３に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
前記放熱促進体が金属板であり、前記金属板の周縁部の少なくとも一部が前記支持構造によって支持されることを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
前記放熱促進体は、その長手方向の一端および他端が、それぞれ、前記第２の放熱体および前記ゲル状絶縁樹脂に埋め込まれた１以上の金属棒であることを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
前記第２の放熱体がヒートシンクであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
前記ヒートシンクの前記ゲル状絶縁樹脂に接する表面が、凹凸形状であることを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱機構を備えた電力用半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電力用半導体装置において、半導体チップから発生する熱は、半導体チップの下部に伝えられて放熱される。図４は、従来の電力用半導体装置の断面図である。図４において、電力用半導体装置は、半導体チップ１１０、半導体チップ１１０を搭載する絶縁基板１１２、絶縁基板１１２を搭載するベース基板１１４、半導体チップ１１０と絶縁基板１１２を接続する半田１１６、絶縁基板１１２とベース基板１１４を接続する半田１１８、および、ベース基板１１４上に取り付けられて半導体チップ１１０や絶縁基板１１２を覆うケース１２０を備える。半導体チップ１１０は、ワイヤボンディング１２２によって、ケース１２０に取り付けられた電極１２４に接続される。さらに、電力用半導体装置は、ケース１２０内部において半導体チップ１１０の周囲に充填されたゲル状絶縁樹脂１２６、および、ケース１２０内部においてゲル状絶縁樹脂１２６の上に充填された熱硬化性樹脂１２８を備える。ゲル状絶縁樹脂１２６は、シリコン樹脂等であり、熱硬化性樹脂１２８は、封止用のエポキシ樹脂等である。それらの樹脂は、ケース１２０における半導体チップ１１０の上面に対向する位置に形成された複数の開口部から流し込まれる。開口部は、ケース１２０内部にゲル状絶縁樹脂１２６を充填した後、熱硬化性樹脂１２８を流し込んで、それを硬化することにより塞がれる。
【０００３】
図４の電力用半導体装置において、半導体チップ１１０から発生する熱は、半導体チップ１１０の上面が熱伝導性の悪いシリコン樹脂１２６で覆われるため、絶縁基板１１２を介して、半導体チップ１１０下部のベース基板１１４（銅等で構成されヒートシンクの役割を果たす）に伝えられる。このとき、半導体チップ１１０下部の半田１１６および半田１１８は、電力用半導体装置の動作周波数に同期して温度上昇と温度下降とを繰り返す。この従来の電力用半導体装置においては、一定時間における温度上昇と温度下降の繰り返し数（以下、「温度周波数」という。）や温度上昇幅が一定の範囲を越えると、半田クラック等の半田疲労が発生し、その装置の温度耐久性の低下や寿命の短縮を引き起こすため、電力用半導体装置を動作させる条件が制限されるという問題があった。
【０００４】
例えば、実開平２−１３２９５５号公報は、半導体素子（半導体チップ）の上面に対向する位置にアルミ製ヒートシンクを設けて、その上部ヒートシンクと半導体素子の下部に設置された下部ヒートシンクの両方のヒートシンクによって半導体素子の放熱を行う構造を開示している。このように、半導体素子の上部のヒートシンクによっても放熱を行えるようにすれば、図４の半田１１６および半田１１８において、温度周波数や温度上昇幅を小さく抑えることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、半導体素子の上部に放熱体を設けた電力用半導体装置を、より簡単に、かつ、より安価に製造することが望まれる。また、電力用半導体装置の放熱効果をより高めることが望まれる。
【０００６】
本発明の目的は、より簡単に、かつ、より安価に製造することができる放熱効果の高い電力用半導体装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電力用半導体装置は、電力半導体素子と、その電力半導体素子を搭載する絶縁基板と、その絶縁基板を搭載する第１の放熱体と、前記の第１の放熱体上に取り付けられて前記の絶縁基板および前記の電力半導体素子を囲うケースと、前記の電力半導体素子に対向して、前記のケースの内部に、その周縁部が前記のケースの内側表面に接して位置された第２の放熱体と、前記の第１の放熱体、前記のケースおよび前記の第２の放熱体によって構成された空間に充填されたゲル状絶縁樹脂とを備える。
【０００８】
好ましくは、前記の電力用半導体装置において、前記のケースの内側表面に前記の第２の放熱体を支持する支持構造が設けられ、前記の第２の放熱体の周縁部の少なくとも一部がその支持構造によって支持される。
【０００９】
好ましくは、前記の電力用半導体装置において、前記の第２の放熱体は、前記のゲル状絶縁樹脂よりも熱容量が大きく、蓄熱体として機能する。
【００１０】
好ましくは、前記の電力用半導体装置において、前記の第２の放熱体と前記のゲル状絶縁樹脂との間に、前記のゲル状絶縁樹脂よりも熱伝導性がよい材料から成る放熱促進体が挿入される。
【００１１】
好ましくは、前記の放熱促進体は金属板であり、前記の金属板の周縁部の少なくとも一部が前記の支持構造によって支持される。
【００１２】
好ましくは、前記の放熱促進体は、その長手方向の一端および他端が、それぞれ、前記の第２の放熱体および前記のゲル状絶縁樹脂に埋め込まれた１以上の金属棒である。
【００１３】
好ましくは、前記の電力用半導体装置において、前記の第２の放熱体は、ヒートシンクである。
【００１４】
好ましくは、前記のヒートシンクの前記のゲル状絶縁樹脂に接する表面は、凹凸形状である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態による電力用半導体装置の構造を図式的に示す断面図である。図１において、電力用半導体装置は、半導体チップ１０、半導体チップ１０を搭載する絶縁基板１２、絶縁基板１２を搭載するベース基板１４、半導体チップ１０と絶縁基板１２を接続する半田１６、絶縁基板１２とベース基板１４を接続する半田１８、ベース基板１４上に取り付けられて半導体チップ１０や絶縁基板１２を囲うケース２０を備える。半導体チップ１０は、ボンディングワイヤ２２によって、ケース２０に取り付けられた電極２４に接続される。さらに、この電力用半導体装置は、ケース２０の内部において半導体チップ１０の周囲に充填されたゲル状絶縁樹脂２６、ケース２０の内部においてその絶縁樹脂２６の上部に充填された熱容量の大きな蓄熱材料２８、および、絶縁樹脂２６と蓄熱材料２８との境界に位置された金属板３０を備える。ケース２０の内側（半導体チップ１０側）の表面には、ケース２０の内側に突出する凸部３２とケース２０の内側表面から窪んだ凹部３４が形成されている。金属板３０は、凸部３２によって支持され、蓄熱材料２８は、凹部３４によって支持される。半導体チップ１０および絶縁基板１２は、ベース基板１４、ケース２０および金属板３０によって形成された空間に収容される。その空間内において、半導体チップ１０や絶縁基板１２の周囲にはゲル状の絶縁樹脂２６が充填される。その絶縁樹脂２６は、例えば、シリコン樹脂である。蓄熱材料２８は、ケース２０の上部の開口を覆うように位置され、その蓄熱材料２８の端部は、ケース２０の内側表面に接している。ベース基板１４は、銅等で構成され、ヒートシンクの役割を果たす。
【００１６】
上述の構造の電力用半導体装置を動作させると、半導体チップ１０から発生する熱は、絶縁基板１２を介して、半導体チップ１０の下部のベース基板１４に伝えられ、同時に、金属板３０を介して、半導体チップ１０の上部の蓄熱材料２８に伝えられる。
【００１７】
本実施の形態による電力用半導体装置の構造において、半導体チップ１０の上部に絶縁樹脂２６よりも熱容量の大きな蓄熱材料２８を設けたことにより、半導体チップ１０から放出される熱を一時的に蓄熱材料２８に蓄えることができる。これにより、半導体チップ１０を高周波で動作させる場合であっても、半導体チップ１０下部の半田１６および半田１８における温度周波数および温度上昇幅を小さく抑えることができる。結果として、電力用半導体装置の温度耐久性の低下や、電力用半導体装置の寿命の短縮を防ぐことができる。
【００１８】
また、本実施の形態による電力用半導体装置においては、蓄熱材料２８が、絶縁樹脂２６全体を覆う蓋の役割を果たす。よって、蓄熱材料２８が、ヒートシンクとしての役割と半導体チップ１０を封止する材料の役割を同時に果たすので、ヒートシンクと封止材料を別々に設ける必要がなくなる。また、従来の電力用半導体装置（図４）と比較すると、ケース１２０に開口部を形成したり、その開口部から樹脂を注入する等の面倒な工程を省くことができる。結果として、電力用半導体装置を、より簡単に、かつ、より安価に製造することができる。
【００１９】
さらに、本実施の形態による電力用半導体装置の構造において、絶縁樹脂２６と蓄熱材料２８との境界に熱伝導性のよい金属板３０を挿入することにより、半導体チップ１０から放出された熱は、金属板３０を介して、容易に蓄熱材料２８に伝えられる。つまり、金属板３０を挿入することにより、半導体チップ１０の放熱を促進することができる。
【００２０】
また、本実施の形態による電力用半導体装置には、ケース２０の内側表面に、金属板３０を支持する凸部３２が形成されており、絶縁樹脂２６と蓄熱材料２８との境界を正確に把握することができる。これにより、絶縁樹脂２６の充填量を見極めることが容易となる。従来の電力用半導体装置（図４）においては、絶縁樹脂１２６および熱硬化性樹脂１２８の量を制御して、それらをケース１２０内部に注入する必要があったが、本実施の形態の電力用半導体装置を製造する場合には、この手間を省くことができる。結果として、電力用半導体装置を、より簡単に、かつ、より安価に製造することが可能となる。また、凸部３２を設けたことにより、製造過程で、金属板３０がゲル状絶縁樹脂２６に落下することを防ぐことができる。従って、半導体チップ１０やボンディングワイヤ２２等の破損を防ぐことができる。
【００２１】
さらに、本実施の形態による電力半導体装置において、ケースの内側表面に、蓄熱材料２８を支持する凹部３４を設けたことにより、製造過程で、蓄熱材料２８がゲル状絶縁樹脂２６に落下することを防ぐことができる。従って、半導体チップ１０やボンディングワイヤ２２等の破損を防ぐことができる。
【００２２】
なお、上述の凸部３２および凹部３４は、それぞれ、金属板３０および蓄熱材料２８の周縁部の一部を支持するものであっても、全部を支持するものであってもよい。
【００２３】
なお、本実施の形態による電力半導体装置においては、金属板３０および蓄熱材料２８を、それぞれ、凸部３２および凹部３４によって支持しているが、凹部３４は必ずしも必要ではなく、省略できる。凹部３４を省略した場合であっても、蓄熱材料２８は、金属板３０により支持されるので、ゲル状絶縁樹脂２８に落下することを防ぐことができる。また、本実施の形態による凹部３４を省略した場合に、凸部３２は、その形状に限られない。絶縁樹脂２６の充填量を見極めることができ、また、金属板３０および蓄熱材料２８がゲル状絶縁樹脂２６に落下することを防ぐことができれば、例えば、金属板３０がはめ込まれる凹部等の他の任意の形状であってよい。
【００２４】
なお、本実施の形態による電力用半導体装置おいて、絶縁樹脂２６と蓄熱材料２８との境界に金属板３０を挿入したが、熱伝導性の優れた材料であれば、金属に限らず他の任意の材料を使用できる。また、半導体チップ１０から放出された熱を蓄熱材料２８に伝えることができれば、その熱伝導性の優れた材料は、板状の形状に限らず、他の任意の形状であってよい。例えば、図２に示されるように、絶縁樹脂２６と蓄熱材料２８との境界に複数の金属棒４０を挿入してもよい。その場合、それぞれの金属棒４０は、その長手方向の２の端部が、それぞれ、絶縁樹脂２６または蓄熱材料２８に埋め込まれており、半導体チップ１０から放出された熱を蓄熱材料２８に容易に伝えることができる。この場合であっても、本実施の形態による電力用半導体装置と同様の結果が得られる。
【００２５】
なお、本実施の形態による電力用半導体装置において、蓄熱材料２８は、ゲル状または液体であってもよい。
【００２６】
なお、本実施の形態による電力用半導体装置において、絶縁樹脂２６と蓄熱材料２８との境界に金属板３０を挿入したが、これは省略できる。その場合であっても、半導体チップ１０から放出される熱を一時的に蓄熱材料２８に蓄えることができ、電力用半導体装置の温度耐久性の低下や、電力用半導体装置の寿命の短縮を防ぐことができる。また、この場合には、凸部３２が省略できる。凸部３２が省略されても、凹部３４によって蓄熱材料２８が支持され、蓄熱材料２８がゲル状絶縁樹脂２６に落下することを防ぐことができる。また、その凹部３４は、絶縁樹脂２６の充填量を見極めることに役立つ。さらに、その凹部３４は、上述の効果を達成できれば、他の任意の形状であってよい。
【００２７】
なお、本実施の形態による電力用半導体装置において、半導体チップ１０上部の放熱体を蓄熱材料２８としたが、これは、ヒートシンクであってもよい。半導体チップ１０上部の放熱体がヒートシンクの場合、半導体チップ１０から放出される熱をそのヒートシンクによって放熱することができ、半導体チップ１０を高周波で動作させる場合であっても、半導体チップ１０下部の半田１６および半田１８における温度周波数および温度上昇幅を小さく抑えることができる。結果として、電力用半導体装置の温度耐久性の低下や、電力用半導体装置の寿命の短縮を防ぐことができる。また、ヒートシンク５０は、絶縁樹脂２６全体を覆う蓋の役割を果たす。蓄熱材料２８の代わりにヒートシンク５０を用いた場合、金属板３０を挿入する代わりに、半導体チップ１０から放出された熱が容易にヒートシンク５０に伝えられるように、つまり、半導体チップ１０の放熱を促進することができるように、絶縁樹脂２６に当接するヒートシンク５０の表面を凹凸形状にすることが好ましい。図３は、上述の構成を備えた電力用半導体装置の構造を図式的に示す断面図である。半導体チップ１０上部の放熱体がヒートシンク５０であっても、半導体チップ１０上部の放熱体が蓄熱材料２８である電力用半導体装置（図１）において得られる効果と同一の効果が得られる。さらに、図４において、絶縁樹脂２６の充填量を見極めることができ、また、ヒートシンク５０がゲル状絶縁樹脂２６に落下することを防ぐことができれば、凸部３２および凹部３４は、どちらか一方が省略されてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明による電力用半導体装置によれば、電力半導体素子と、その電力半導体素子を搭載する絶縁基板と、その絶縁基板を搭載する第１の放熱体と、前記第１の放熱体上に取り付けられて絶縁基板および電力半導体素子を囲うケースと、電力半導体素子に対向して、ケースの内部に、その周縁部がケースの内側表面に接して位置された第２の放熱体と、第１の放熱体、ケースおよび第２の放熱体によって構成された空間に充填されたゲル状絶縁樹脂とを備え、第２の放熱体が、ヒートシンクとしての役割と電力半導体素子を封止する材料の役割を同時に果たし、ヒートシンクと封止材料を別々に設ける必要がなくなくなるので、電力用半導体装置を、より簡単に、かつ、より安価に製造することができる。
【００２９】
本発明による電力用半導体装置によれば、ケースの内側表面に前記第２の放熱体を支持する支持構造が設けられ、前記第２の放熱体の周縁部の少なくとも一部がその支持構造によって支持されるので、ゲル状絶縁樹脂と第２の放熱体との境界を正確に把握することができ、ゲル状絶縁樹脂の充填量を見極めることが容易となる。結果として、電力用半導体装置を、より簡単に、かつ、より安価に製造することが可能となる。また、支持構造が第２の放熱体を支持するので、第２の放熱体がゲル状絶縁樹脂に落下することを防ぐことができる。
【００３０】
本発明による電力用半導体装置によれば、第２の放熱体は、ゲル状絶縁樹脂よりも熱容量が大きく、蓄熱体として機能するので、電力半導体素子から放出される熱を一時的にその材料に蓄えることができ、電力半導体素子を高周波で動作させる場合であっても、電力用半導体装置の温度耐久性の低下や、電力用半導体装置の寿命の短縮を防ぐことができる。
【００３１】
本発明による電力用半導体装置によれば、ゲル状絶縁樹脂と第２の放熱体との間に、絶縁樹脂よりも熱伝導性がよい材料から成る放熱促進体を挿入するので、電力半導体素子から放出された熱は、その放熱促進体を介して、容易に第２の放熱体に伝えられる。つまり、放熱促進体を挿入することにより、電力半導体素子の放熱を促進することができる。
【００３２】
本発明による電力用半導体装置によれば、ゲル状絶縁樹脂と第２の放熱体との間に、ゲル状絶縁樹脂よりも熱伝導性がよい材料から成る金属板を挿入するので、電力半導体素子から放出された熱は、その金属板を介して、容易に第２の放熱体に伝えられる。つまり、金属板を挿入することにより、電力半導体素子の放熱を促進することができる。
【００３３】
本発明による電力用半導体装置によれば、ゲル状絶縁樹脂と第２の放熱体との間に、ゲル状絶縁樹脂よりも熱伝導性がよい材料から成り、かつ、その長手方向の一端および他端が、それぞれ、第２の放熱体およびゲル状絶縁樹脂に埋め込まれた１以上の金属棒を挿入するので、電力半導体素子から放出された熱は、その金属棒を介して、容易に第２の放熱体に伝えられる。つまり、金属棒を挿入することにより、電力半導体素子の放熱を促進することができる。
【００３４】
本発明による電力用半導体装置によれば、第２の放熱体が、ヒートシンクから成るので、電力半導体素子から放出される熱をそのヒートシンクによって放熱することができ、電力半導体素子を高周波で動作させる場合であっても、電力用半導体装置の温度耐久性の低下や、電力用半導体装置の寿命の短縮を防ぐことができる。
【００３５】
本発明による電力用半導体装置によれば、ヒートシンクのゲル状絶縁樹脂に接する表面が凹凸形状であるので、電力半導体素子から放出された熱は、その凹凸形状の表面を介して、容易にヒートシンクに伝えられる。つまり、ヒートシンクの絶縁樹脂に接する表面を凹凸形状にすることにより、電力半導体素子の放熱を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電力用半導体装置の構造を示す断面図。
【図２】本発明による別の電力用半導体装置の構造を示す断面図。
【図３】本発明による更なる別の電力用半導体装置の構造を示す断面図。
【図４】従来の電力用半導体装置の構造を示す断面図。
【符号の説明】
１０　半導体チップ、　１２　絶縁基板、　１４　ベース基板、　１６　半導体チップ１０と絶縁基板１２を接続する半田、　１８　絶縁基板１２とベース基板１４を接続する半田、　２０　ケース、　２２　ボンディングワイヤ、　２４電極、　２６　絶縁樹脂、　２８　蓄熱材料、　３０　金属板、　３２　凸部、　３４　凹部、　４０　金属棒、　５０　ヒートシンク
【図１】
2004014863.tif 000003
【図２】
2004014863.tif 000004
【図３】
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【図４】
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