(57)【要約】【課題】  端子に印加する電圧が比較的高い用途に用いる場合に、所定の空間距離を確保できる安価な半導体パワーモジュールを提供する【解決手段】  半導体パワーモジュール２は、パワー半導体素子６ａと、該素子を搭載する板状のリードフレーム４と、リードフレームの裏面と対向する板状のヒートシンク１０とを備える。リードフレームの複数の端子４ａとヒートシンクの裏面１０ａとが露出するよう、パワー半導体素子、リードフレーム、およびヒートシンクが樹脂封止される。ヒートシンクの裏面に対向して放熱部材１４が設けてある。ヒートシンクと放熱部材との間には、放熱部材の表面とリードフレームの複数の端子との間に所定の空間距離が確保されるような厚みを有する板状の金属スペーサ１６が設けてある。ヒートシンクは、打ち抜き加工できる程度の厚みを有する板材料から作製できるため、半導体パワーモジュールの低コスト化を図ることができる。【選択図】        図２
2005033123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子と、
該パワー半導体素子を搭載する第１の主面と、該第１の主面とは反対側に第２の主面を有し、パワー半導体素子と電気的に接続された板状のリードフレームと、
リードフレームの第２の主面と対向する第３の主面と、該第３の主面とは反対側に第４の主面を有する板状のヒートシンクとを備え、
リードフレームの複数の端子とヒートシンクの第４の主面とが露出するよう、パワー半導体素子、リードフレーム、およびヒートシンクを樹脂封止した半導体パワーモジュールにおいて、
ヒートシンクの第４の主面に対向する表面を有し、ヒートシンクと熱的に接続された放熱部材と、
ヒートシンクの第４の主面と接触する第５の主面と、該第５の主面とは反対側に位置し放熱部材の上記表面と接触する第６の主面とを有し、放熱部材の上記表面とリードフレームの複数の端子との間に所定の空間距離が確保されるような厚みを有する板状の金属スペーサと、
をさらに備えることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項２】
放熱部材と金属スペーサを異なる材質で構成したことを特徴とする請求項１の半導体パワーモジュール。
【請求項３】
放熱部材の表面積を金属スペーサの表面積より大きく設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項４】
ヒートシンクは、板状の材料を打ち抜き加工して作製したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体パワーモジュール。
【請求項５】
パワー半導体素子と、
該パワー半導体素子を搭載する第１の主面と、該第１の主面とは反対側に第２の主面を有し、パワー半導体素子と電気的に接続された板状のリードフレームと、
リードフレームの第２の主面と対向する第３の主面と、該第３の主面とは反対側に第４の主面を有する板状のヒートシンクとを備え、
リードフレームの複数の端子とヒートシンクの第４の主面とが外部に露出するよう、パワー半導体素子、リードフレーム、およびヒートシンクを樹脂封止した半導体パワーモジュールにおいて、
半導体パワーモジュールは、ヒートシンクの第４の主面に対向する表面を有する外部の金属板と熱的に接続され、
ヒートシンクの第４の主面と接触する第５の主面と、該第５の主面とは反対側に位置し金属板の上記表面と接触する第６の主面とを有し、金属板の上記表面とリードフレームの複数の端子との間に所定の空間距離が確保されるような厚みを有する板状の金属スペーサと、
をさらに備えることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体パワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばインバータ装置などに用いる半導体パワーモジュールとして、パワー半導体素子と、該素子等を搭載する板状のリードフレームとを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この半導体パターモジュールでは、パワー半導体素子は、リードフレームのリードとワイヤを介して接続されている。また、パワー半導体素子を搭載する面とは反対側の主面に間隙をもって対向する主面を有する板状のヒートシンクが設けてある。ヒートシンクは、熱伝導性の良好な金属からできている。パワー半導体素子、リードフレーム、ヒートシンク等は、リードフレームと対向する主面とは反対側のヒートシンク主面およびリードフレームの複数の端子が露出するように樹脂封止されている。リードフレームとヒートシンクとの間を電気的に絶縁するよう、リードフレームとヒートシンクの対向する主面同士の間の間隙もまた樹脂で充填されている。ヒートシンクは、その露出面である主面を介して放熱部材に接触している。
【０００３】
かかる半導体パワーモジュールを動作させるためにリードフレーム端子に所定の電圧を印加してパワー半導体素子に電流が流れると、該素子では大量の熱が発生するが、この熱はヒートシンクを介して放熱部材に放散される。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１５３５７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような半導体パワーモジュールにおいて、電圧が印加される端子と放熱部材との間の電気的絶縁を確保するために、端子と放熱部材との間の空間を通る最短距離である「空間距離」は、印加電圧（例えば６００Ｖ）に応じて所定の値以上（例えば２ｍｍ）を確保する必要がある。しかしながら、上記構成を備えた半導体パワーモジュールを比較的高い電圧（例えば１２００Ｖ）を印加する用途に利用するには、上記「空間距離」は更に長い距離を確保する必要があり、その為、ヒートシンクの厚みを大きく（例えば厚み１０ｍｍ）しなければならなくなる。従来、ヒートシンクは、対向する所定のパターン形状を有するリードフレーム等の形状に対応した特定の形状に加工するために、板材料に対して打ち抜き加工を施すことにより作製していた。しかしながら、ヒートシンクの厚みが大きくなると打ち抜き加工が困難で、例えば削り出し加工を施す必要があり、ヒートシンクしたがってモジュールの製造コストが大幅に高くなる問題が生じる。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、印加電圧が比較的高い用途に用いる半導体パワーモジュールであって、ヒートシンクを簡易に作製できしたがって安価なモジュールを提供することを目的とする。
【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、本発明に係る半導体パワーモジュールは、
パワー半導体素子と、
該パワー半導体素子を搭載する第１の主面と、該第１の主面とは反対側に第２の主面を有し、パワー半導体素子と電気的に接続された板状のリードフレームと、
リードフレームの第２の主面と対向する第３の主面と、該第３の主面とは反対側に第４の主面を有する板状のヒートシンクとを備え、
リードフレームの複数の端子とヒートシンクの第４の主面とが露出するよう、パワー半導体素子、リードフレーム、およびヒートシンクを樹脂封止した半導体パワーモジュールにおいて、
ヒートシンクの第４の主面に対向する表面を有し、ヒートシンクと熱的に接続された放熱部材と、
ヒートシンクの第４の主面と接触する第５の主面と、該第５の主面とは反対側に位置し放熱部材の上記表面と接触する第６の主面とを有し、放熱部材の上記表面とリードフレームの複数の端子との間に所定の空間距離が確保されるような厚みを有する板状の金属スペーサと、
をさらに備えることを特徴とする。
【０００８】
ここで、所定の空間距離とは、該距離が半導体パワーモジュールの耐電圧に対応した距離以上となること意味する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、端子に比較的高い電圧が印加される用途に用いる半導体パワーモジュールにおいて、ヒートシンクを薄くしても所定の空間距離を確保できる。その結果、半導体パワーモジュールの低コスト化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明に係る半導体パワーモジュールの実施の形態１を示す外観図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。この半導体パワーモジュール２は、所定のパターン形状に形成された板状のリードフレーム４を備える。リードフレーム４の表面には、半導体パワーモジュール２の用途、目的に応じて，複数の半導体素子６（例えば、パワー半導体素子としてＩＧＢＴ６ａおよび該素子を駆動する素子としてＩＣ６ｂ）がろう材で接合され、実装されている。半導体素子６の各電極は、ボンディングワイヤ８を介してリードフレーム４のリード（図示せず）に接続されている。これらボンディングワイヤ８は、金、アルミ等の金属細線である。
【００１２】
リードフレーム４の半導体素子６を載置する表面とは反対側の裏面に対向して、例えばアルミなど、熱伝導性の良好な金属からなる板状のヒートシンク１０が設けてある。リードフレーム４とヒートシンク１０の間には間隙が設けてある。ヒートシンク１０は、比較的厚みが小さく（例えば２〜３ｍｍ）、例えば外形が矩形状のヒートシンク材料に対する打ち抜き加工により、対向するリードフレームの形状や半導体素子６ａ，６ｂの配置等に応じた所定のパターン状に形成されている。図の例では、パワー半導体素子であるＩＧＢＴ６ａは、ＩＣ６ｂに比べて動作中に発生する熱が大きいため、熱の通路であるヒートシンク１０は、ＩＣ６ｂを載置したリードフレーム部分との間隙に比べて、ＩＧＢＴ６ａを載置したリードフレーム部分との間隙を小さくしている。しかしながら、加工のし易さの点を考慮して、ヒートシンク８の面方向全体にわたって厚みを等しくしてもよい。
【００１３】
半導体パワーモジュール２のリードフレーム４、半導体素子６、ボンディングワイヤ、ヒートシンク１０等の各種部品は、リードフレーム４の複数の端子４ａおよびヒートシンク１０のリードフレーム４と対向する主面とは反対側の平坦状の主面（裏面）１０ａが露出するよう、電気絶縁性の樹脂１２により封止されている。リードフレーム４とヒートシンク１０の間の間隙もまた樹脂１２により充填され、これにより両者間の電気的絶縁を確保するようになっている。なお、樹脂１２は熱伝導性が良好で、したがってリードフレーム４とヒートシンク１０とは熱的に接続されている。
【００１４】
リードフレーム４の端子（高電圧端子）４ａは、外部電源（図示せず）から所定の電圧を印加して半導体パワーモジュール２を動作させるためのもので、本実施形態では比較的高い電圧（例えば１２００Ｖ）が印加される。各端子４ａの先端側は、ヒートシンク１０の裏面１０ａから離れる方向に折り曲げられている。
【００１５】
ヒートシンク裏面１０ａに対向して、平坦面１４ａを有する放熱フィン（広義には放熱部材）１４が設けてある（図１では、放熱フィン１４の平坦面１４ａの一部のみ図示する。）。放熱フィン１４は例えばアルミや鉄などから構成される。放熱フィン１４は接地されている。さらに、ヒートシンク１０と放熱フィン１４の間には、ヒートシンク裏面１０ａと面接触する平坦面状の主面と放熱フィン平坦面１４ａと面接触する平坦面状の主面を備えた板状の金属スペーサ１６が設けてある。ヒートシンク１０と金属スペーサ１６の間、および金属スペーサ１６と放熱フィン１４の間は、それぞれボルト（図示せず）などの固定手段を介して互いに連結されている。金属スペーサ１６は、熱伝導性の良好な例えばアルミや銅などからなる。したがって、ヒートシンク１０と放熱フィン１４ａは熱的に接続されている。金属スペーサ１６の厚みは、端子４ａと放熱フィン１４の平坦面１４ａとの空間距離が、モジュール２の耐電圧に対応した値以上となるよう（例えば１０ｍｍ）設定されている。金属スペーサ１６は、ヒートシンク１０の外形に合わせて例えば矩形状のものを用意すればよく、厚みが大きくなっても金属スペーサ１６の作製は容易に行える。
【００１６】
上記のように構成された半導体パワーモジュール２の動作時に、リードフレーム４の端子４ａに外部電源から所定の電圧が印加されると、半導体素子６、特にパワー半導体素子６ａで発生した大量の熱は、ヒートシンク１０を介して金属スペーサ１６に伝達し、さらに放熱フィン１４に放熱される。
【００１７】
放熱フィン１４と金属スペーサ１６は、同じ材質から構成してもよいが、異なる材質で構成してもよい。異なる材質で構成する場合、放熱フィン１４の材料の選択の自由度が増え、鉄などの安価な材料を用いることで、安価な半導体パワーモジュール２を提供できる利点がある。
【００１８】
また、放熱部材１４の大気に接する表面積は、金属スペーサ１６の大気に接する表面積に比べて大きく設定するのが好ましい。これは、金属スペーサ１６に比べて熱伝導率の低い安価な材料で放熱部材１４を構成することができ、その結果、半導体パワーモジュールの低コスト化を図れる利点を有する。この点を考慮すれば、放熱部材１４として放熱フィンが好ましい。
【００１９】
なお、当業者により理解されるように、端子４ａと金属スペーサ１６またはヒートシンク１０の間の樹脂パッケージ１２表面に沿った最短距離である「沿面距離」が耐電圧に対応した値以上となるように設定されている必要がある。図の例では、ヒートシンク１０の外形と金属スペーサ１６の外形を略等しくしてヒートシンク１０の裏面１０ａが大気に露出しないようになっているが、金属スペーサ１６はヒートシンク裏面１０ａの周縁より外側まで延在してもよい。これら２つの場合、沿面距離は、端子４ａと金属スペーサ１６との間の沿面距離である。一方、金属スペーサ１６がヒートシンク裏面１０ａの周縁の内側に後退してヒートシンク１０の裏面１０ａの一部が大気に露出していてもよく、この場合、沿面距離は、端子４ａとヒートシンク１０との間の沿面距離である。
【００２０】
また、本実施形態に係る半導体パワーモジュールは、図１に示すように、複数のリードフレーム端子４ａが樹脂パッケージ１２の対向する２つの側壁から突出している構造に限定されない。
【００２１】
本実施形態によれば、端子４ａと放熱フィン平坦面１４ａとの空間距離を所定の値に確保しつつ、打ち抜き加工が可能な厚みを有する板状の材料から作製できるヒートシンク１０を用いることができ、したがって、安価な半導体パワーモジュールを提供できる。
【００２２】
実施の形態２．
図３は、本発明に係る半導体パワーモジュールの実施の形態２の図２に類似した断面図である。以下、実施の形態１と同一の構成要素に対しては同一の符号を用いる。本実施形態に係る半導体パワーモジュール２０は放熱部材を含まず、また、モジュール２０は外部装置（図示せず）の一部を形成するボックス２２内に設置される。ボックス２２は、例えば厚みが１〜２ｍｍのアルミや鉄などの金属の板を折り曲げて作製する。半導体パワーモジュール２のヒートシンク１０は、ボックス２２の平坦面状の底面２２ａ上に、金属スペーサ１６を介して固定され、これにより、端子４ａと金属ボックス２２との空間の最短距離、図の例では端子４ａと金属ボックス底面２２ａとの空間距離が、耐電圧に対応した値以上となるようにしてある。このように、本実施形態では、金属スペーサ１６をヒートシンク１０と金属ボックス底面２２ａとの間に設けることで、モジュール設置用の外部ボックス２２を放熱部材として利用できる。
【００２３】
本実施形態によれば、端子４ａと金属ボックス底面２２ａとの空間距離を所定の値に確保しつつ、打ち抜き加工が可能な厚みを有する板状の材料から作製できるヒートシンク１０を用いることができ、したがって、安価な半導体パワーモジュールを提供できる。
【００２４】
以上、本発明に係る具体的実施形態を説明したが、本発明はこれらに限らず種々改変可能である。例えば、上記実施形態では、放熱部材１４（金属ボックス２２）は平坦面を有し、該平坦面とリードフレーム４の端子４ａとの最短距離が全ての端子４ａに関し等しくしてあるが、高電圧が印加される端子が端子４ａの一部だけであって、該高電圧端子と放熱部材１４（金属ボックス２２）との空間距離が確保されるのであれば、放熱部材１４（金属ボックス２２）は、金属スペーサ１６と面接触する部分以外は平坦状である必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る半導体パワーモジュールの実施の形態１を示す外観図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。
【図３】本発明に係る半導体パワーモジュールの実施の形態２を示す図２に類似した断面図。
【符号の説明】
【００２６】
２、２０：半導体パワーモジュール
４：リードフレーム
４ａ：リードフレーム端子
６ａ，６ｂ：半導体素子
１０：ヒートシンク
１２：樹脂パッケージ
１４：放熱フィン
１４ａ：放熱フィン平坦面
１６：金属スペーサ
２２：外部金属ボックス
２２ａ：金属ボックス底面
【図１】
2005033123.tif 000003
【図２】
2005033123.tif 000004
【図３】
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