(57)【要約】【課題】  半導体装置の内部放熱部材と外部放熱板との間の寄生容量を除去することにより、共通モードのノイズが印加される時に耐性を高めることができる。また、半導体装置の放熱効果もともに高めることができる。【解決手段】  複数の半導体チップと、前記半導体チップを冷却させるための放熱部材を含む半導体装置の放熱システムは、前記放熱部材と対向配置され、前記半導体装置に結合されてグラウンドに接続される外部放熱部材と、前記放熱部材と前記外部放熱部材との間に設けられて前記放熱部材及び前記外部放熱部材と相互に電気的に接続される電気伝導部材と、前記放熱部材と前記外部放熱部材との間に挿入される熱伝導性絶縁部材と、を含むことを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体チップと、前記半導体チップを冷却させるための放熱部材を含む半導体装置の放熱システムにおいて、
前記放熱部材と対向配置され、前記半導体装置に結合されてグラウンドに接続される外部放熱部材と、
前記放熱部材と前記外部放熱部材との間に設けられて前記放熱部材及び前記外部放熱部材と相互に電気的に接続される電気伝導部材と、
前記放熱部材と前記外部放熱部材との間に挿入される熱伝導性絶縁部材と、
を含むことを特徴とする半導体装置の放熱システム。
【請求項２】
前記電気伝導部材は、薄膜層からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の放熱システム。
【請求項３】
前記薄膜層の所定の位置にその板面から突出して前記放熱部材と前記外部放熱部材の中の少なくともいずれか一つの板面と接触する突起部を有することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の放熱システム。
【請求項４】
前記薄膜層は、外周縁から所定の間隔をおいて切取られた開口部を有し、
前記熱伝導性絶縁部材は、前記開口部の内に収容されることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の放熱システム。
【請求項５】
前記薄膜層は、スズめっきをした銅板であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の放熱システム。
【請求項６】
前記薄膜層の厚さは、２００μm以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の放熱システム。
【請求項７】
前記半導体チップは、少なくとも一つの電力スイッチング素子を含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の放熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の放熱システムに係り、さらに詳しくは、放熱構造を改善してノイズを抑制することができる半導体装置の放熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体技術の発展により、電力素子により電気エネルギーを熱エネルギー、機械エネルギー、電気エネルギー等に切換えて使用することが一般的である。このような半導体電力素子に利用されるＢＪＴ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート両極性トランジスター）等の能動スイッチング素子は、ユーザーの信号によりオン／オフを決定することができる。また、最近では、電力素子を制御することができる制御チップをともに内蔵した能動形電力素子であるインテリジェントパワーモジュール（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ；ＩＰＭ）も開発されている。
【０００３】
ところが、電力素子のスイッチング動作時には、内部寄生抵抗によりスイッチング素子の導通時に発生する熱損失（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｌｏｓｓ）及びスイッチング動作（オン／オフ繰返し）により発生するスイッチング損失（Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｌｏｓｓ）によって電力素子自体の温度が上昇することになる。一般に、このような熱損失とスイッチング損失による熱エネルギーを放熱させるために、電力素子の一側面には、放熱用金属板を結合させた構造を有している。
【０００４】
図５は電力素子の放熱構造として、電力素子であるＩＰＭ１０と制御ボード５０からなる電力変換システムの概略図である。ここで、電力素子１０は、放熱性を高めるために素子の底面を金属性のベースプレート１１から構成する。ベースプレートの上には絶縁層１３を形成し、その上に所定の回路パターンを設けてそれによる多くの半導体チップ１４、１５を回路に設け、各半導体素子をワイヤーでボンディングして電力素子を構成する。これにより、多くのスイッチング素子１４からなるインバーター回路（図６参照）を構成することができる。この時、スイッチング素子１４は、能動素子であるＩＧＢＴから構成されている。また、ゲート信号によりインバーターを構成するスイッチング素子１４のスイッチング動作をＰＷＭ（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；パルス幅変調）制御する制御チップ１５のパターンもともに形成されている。制御チップ１５は、ＰＷＭ制御を行って各スイッチング素子のオン／オフにより希望する周波数、電圧に切換えられた電源を負荷（モータ）に供給する。また、制御チップ１５は、各スイッチング素子１４の過電流、短絡電流及び過熱、制御電源の過電圧、不足電圧等ＩＰＭ１０の各種の情報も制御ボード５０に伝達する。また、電力素子１０の放熱性をさらに高めるために、ベースプレート１１と密着される外部放熱板４０を接着剤、ネジ締結等の手段により結合するようにする。
【０００５】
ところが、電力素子１０のベースプレート１１と外部放熱板４０を機械的に偏平に設計して結合しても、製造上の公差により両者の間に所定の間隔が発生されて放熱効率が低下される恐れがある。従って、ベースプレート１１と外部放熱板４０との間の間隙に熱伝導特性の優れる絶縁物質であるグリース３０等を満たす。しかし、電気伝導特性を有しないグリース３０が誘電体として作用してベースプレート１１と外部放熱板４０の二つの導伝体の間に寄生容量３１（図６参照）が発生する可能性がある。
【０００６】
一方、半導体電力素子の内部は、高絶縁抵抗を有するように設計されているので、スイッチング素子のオン／オフによりスイッチングを動作させるためには、外部電圧（ダイオードである場合）やゲート信号（能動素子である場合）を印加しなければならない。しかし、電源側のノイズ、落雷、またはその他外部からの高電圧が電力素子に印加されると、電力素子の内部の絶縁抵抗が破壊されたり信号の歪曲等によりスイッチング素子が導通されて、電力素子とこれを利用したシステムが破壊される恐れもある。
【０００７】
図６は図５の電力切換システムのＩＰＭ１０及び制御ボード５０の内部回路を示した図で、３相交流電源を直流に切換えて、切換えられた直流をインバーターを経て３相交流サーボモータに供給するための内部回路の図である。即ち、外部の３相交流電源は交流電源ターミナル６０から電線６１を通じて供給されて制御ボード５０に設けられた整流回路５１、５２を経て直流に切換えられる。切換えられた直流電源は、ＩＰＭ１０の六つのスイッチング素子１４から構成されたインバーター回路を経て出力線７１と連結された負荷側の交流サーボモータのターミナル７０に供給されてモータを駆動させる。また、制御ボード５０に設けられたＳＭＰＳ（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｍｏｄｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；５３）と制御回路５４によりスイッチング素子１４を制御する制御チップ１５の駆動を制御する。
【０００８】
ここで、外部放熱板４０の接地部４１は、電源側の接地線４２及び負荷側の接地線４３と通常にネジ結合により接続されており、各電源線６１と接地線４２との間にはＹ−キャパシター５５が接続されている。
【０００９】
上の回路で落雷や電源側のノイズ（リレーやフィールドで現れるスパイク性高圧）等が外部に連結された電線６１、７１に印加される場合に、共通モードノイズ（ｃｏｍｍｏｎ ｍｏｄｅ ｎｏｉｓｅ）が発生する。共通モードノイズによるエネルギーは、Ｙ−キャパシター５５を経て接地された外部放熱板４０を通じて電源側の接地４２に抜き出して電力素子１０の内部回路を保護するように設計されている。この時、十分に大きいノイズに対して耐性を高めるために、Ｙ−キャパシターの容量を増加することができるが、この場合、システムの漏洩電流が大きくなる問題がある。また、Ｙ−キャパシター５５を通じて抜け出さないとても大きいノイズ性のエネルギーが電力素子１０の内部の寄生容量（各スイッチング素子と内部の放熱部材との間に発生）及び外部寄生容量３１に充電される場合に一番低い電位を通じてスイッチング素子が導通されて回路の誤動作を誘発する恐れがある。即ち、電力素子のスイッチング動作時に、図６のインバーター回路で上下の二つのスイッチング素子がともにオンされてＤＣリンク短絡現象を生じて回路が破損される恐れがある。
【００１０】
このように、共通モードノイズが発生する場合、半導体電力素子に形成されライター寄生容量にノイズによるエネルギーが蓄積されて、システムの誤動作や回路の損傷等の悪影響を及ぼすことになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、半導体装置の自体放熱部材と外部放熱板との間の寄生容量を除去して、共通モードノイズに対する耐性を高めることができる半導体装置の放熱システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための本発明は、複数の半導体チップと、前記半導体チップを冷却させるための放熱部材を含む半導体装置の放熱システムにおいて、前記放熱部材と対向配置され、前記半導体装置に結合されてグラウンドに接続される外部放熱部材と、前記放熱部材と前記外部放熱部材との間に設けられて前記放熱部材及び前記外部放熱部材と相互に電気的に接続される電気伝導部材と、前記放熱部材と前記外部放熱部材との間に挿入される熱伝導性絶縁部材と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
前記電気伝導部材は、薄膜層からなることが好ましく、前記薄膜層の所定の位置にその板面から突出して前記放熱部材と前記外部放熱部材の中の少なくともいずれか一つの板面と接触する突起部を有することがこのましい。また、前記薄膜層は、外周縁から所定の間隔をおいて切取られた開口部を有し、前記熱伝導性絶縁部材は、前記開口部の内に収容されることが好ましい。
【００１４】
前記薄膜層は、スズめっきをした銅板であることが好ましく、また、前記薄膜層の厚さは、２００μm以下であることが好ましい。
【００１５】
また、前記半導体チップは、少なくとも一つの電力スイッチング素子を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、半導体装置の内部放熱部材と外部放熱板との間に電気伝導性の薄膜層を挿入して、その間の寄生容量を除去することにより、共通モードのノイズが印加される時に耐性を高めることができる。また、内部放熱部材と外部放熱板との間には、熱伝導物質が挿入されることにより、半導体装置の放熱効果もともに高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付の図面を参照して本発明を詳細に説明する。本発明において、前述した図５と同一の構成要素については同一の符号を付して説明する。
図１は、本発明による半導体装置の放熱システムの構成図として、図５の制御ボードを除いた状態を示している。図面に示すように、本発明による半導体装置の放熱システムは、複数の半導体チップ１４、１５（図２参照）をケース１２（図２参照）の内に組立てたＩＰＭ１０と、ＩＰＭ１０を冷却するように設けられているベースプレート１１（図２参照）と、ベースプレート１１と対向して配置されるようにＩＰＭ１０と結合されている外部放熱板４０と、ベースプレート１１と外部放熱板４０との間に介されて両者を電気的に接続させる電気伝導部材２０と、ベースプレート１１と外部放熱板４０との間に挿入される熱伝導性絶縁部材３０と、を含む。
【００１８】
このように、本発明の半導体装置は、ベースプレート１１が設けられたＩＰＭ１０が電気伝導部材２０を介して熱伝導絶縁部材３０が挿入された状態で、外部放熱板４０にネジ８０により締結されて相互に結合されるように構成されている。また、外部放熱板４０は、電源側の接地線４２（図２参照）及び負荷側の接地線４３（図２参照）と接続される接地接続部４１（図２参照）を有している。また、ベースプレート１１と外部放熱板４０は、熱伝導性が高い金属材質からなっている。
【００１９】
電気伝導部材２０は、ＩＰＭ１０のケース１２の低面のフレームと同じサイズから形成されて、微少な厚さを有する薄膜層からなっている。また、電気伝導部材２０には、その板面から突出される突起部２１が形成されている。突起部２１は、電気伝導部材２０の所定の部位を切取折曲して形成したもので、本実施形態では、電気伝導部材２０の四つの角にそれぞれ設けられている。電気伝導部材２０の一側面は外部放熱板４０と接触し、他側面の突起部２１は、ベースプレート１１と接触するように配置する。勿論、突起部２１を電気伝導部材の両面に全部突出されるように形成してベースプレート１１及び外部放熱板４０とそれぞれ接触するように構成することもできる。
【００２０】
これにより、接地と連結された外部放熱板４０と電力素子１０のベースプレート１１とは、相互に電気的に接続させることができる状態になる。また、薄膜層からなる電気伝導部材２０には、外周縁から所定の間隔をおいて切取られた開口部２２が形成されている。電気伝導部材２０の開口部２２には、熱伝導絶縁部材３０が収容される。
【００２１】
一方、絶縁部材３０は、ベースプレート１１と外部放熱板４０との間に生ずることができる空間を満たすために設けられる。外部放熱板４０の上に配置される電気伝導部材２０の開口部２２によりベースプレート１１との間に空間が形成される。また、ＩＰＭ１０の外部ケース１２と底面のベースプレート１１との間に製造上の公差により微細な高さの差による間隙ｔ１（図３参照）が発生する可能性がある。このような空間がある状態で、ベースプレート１１に電気伝導部材２０を介して外部放熱板４０を結合する場合、放熱性能が低下されるので、伝導特性の優れる絶縁物質であるグリース等の絶縁部材３０を空間内に挿入することが好ましい。
【００２２】
また、本発明では、電気伝導部材２０は、薄膜の導伝性金属として銅板を利用することが好ましく、スズめっきをして錆がつくことを防止することが好ましい。また、電気伝導部材２０の薄膜の厚さｔ２（図４参照）は、２００μm以下であることが好ましい。
【００２３】
図２は、半導体装置が外部放熱板と結合された状態の断面図として、図５の制御ボードを除いた状態を示した図である。図示したように、電力素子１０の底面に設けられた金属性のベースプレート１１の上に絶縁層１３を形成し、その上に所定の回路パターンを設けてこれによる多くの半導体チップ１４、１５を回路に沿って設け、各半導体素子をワイヤーボンディングして電力素子を構成する。これにより、多くのスイッチング素子１４からなるインバーター回路（図６参照）を構成することができる。この時、スイッチング素子１４は、各種の能動素子から構成することができ、特にＩＧＢＴから構成することができる。また、各スイッチング素子１４のスイッチング動作を制御して、希望する周波数、電圧に切換えられた電源を負荷（モータ）に供給するための制御チップ１５もともに形成されている。
【００２４】
図２に示すように、電気伝導部材２０を外部放熱板４０の上に配置して、開口部に該当する空間に熱伝導部材３０であるグリースを塗布してＩＰＭ１０を結合することにより外部放熱板４０とベースプレート１１との間の密着性を増大させて放熱効率を高めることができる。即ち、電力素子１０から発生した熱は、ベースプレート１１と密着された熱伝導絶縁部材３０に伝導され、この熱がさらに外部放熱板４０に伝導されて外部に発散される。
【００２５】
また、ベースプレート１１と外部放熱板４０との間に挿入された電気伝導部材２０により両者が電気的に接続されることができるので、ベースプレート１１と接地に連結された外部放熱板４０との間に絶縁部材３０が挿入されても寄生容量が生ずることを防止することができる。
【００２６】
このような放熱構造により電源側のノイズ、落雷、その外の外部高圧による共通モードのノイズが生じても、電力素子１０のベースプレート１１と外部放熱板４０との間に外部寄生容量が形成されないので、従来のように外部寄生容量にノイズエネルギーが蓄積されることを防止することができる。従って、共通モードのノイズが発生する場合、半導体の電力素子に形成される外部寄生容量による回路の誤動作や素子の損傷等を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による放熱システム構成図である。
【図２】本発明による放熱システムの組立断面図である。
【図３】本発明による電力素子の部分拡大図である。
【図４】図１の電気伝導部材の拡大断面図である。
【図５】従来の放熱システムの組立断面図である。
【図６】図５の回路図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  電力素子（ＩＰＭ）
１１  ベースプレート
１４、１５  半導体チップ
２０  電気伝導部材
２１  突起部
３０  熱伝導絶縁部材
４０  外部放熱板
４１  接地接続部
【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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