(57)【要約】【課題】パワー半導体チップから空冷ヒートシンクまでの熱経路のトータル熱抵抗を小さくして、空冷ヒートシンクの体格を小さくし、かつ、ボルトの増し締めやグリス交換が不要な構造にして、小形で信頼性が高いパワー半導体応用装置を提供すること。【解決手段】パワー半導体素子であるＩＧＢＴチップ１と、このＩＧＢＴチップ１から発生する熱を放散するヒートシンクとを内蔵するパワー半導体応用装置において、ＩＧＢＴチップ１を金属板３の表面に接合すると共に、金属板３の裏面に空冷フィン４を接合した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板と、この金属板の表面に接合してなるパワー半導体素子と、前記金属板の裏面に接合してなる空冷フィンとを具備することを特徴とするパワー半導体応用装置。
【請求項２】
前記金属板は、裏面に溝を形成してなり当該溝に前記空冷フィンの端部を圧入してなることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体応用装置。
【請求項３】
前記パワー半導体素子は、前記金属板の表面に電気絶縁性の熱伝導性接着剤により接着してなり、前記空冷フィンは前記金属板の裏面に接合もしくは接着してなることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体応用装置。
【請求項４】
前記空冷フィンに代えて水冷ヒートシンクを前記金属板の裏面に接合してなることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体応用装置。
【請求項５】
前記空冷フィンに代えて熱輸送体を前記金属板の裏面に接合してなることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体応用装置。
【請求項６】
前記金属板は、金属ベースの表面に絶縁層を形成すると共に当該絶縁層に導体パターンを形成してなり、前記導体パターン上に前記パワー半導体素子を接合してなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載のパワー半導体応用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体を用いて電力変換するインバータ装置などのパワー半導体応用装置に係り、特に小形で信頼性の高いことが求められるパワー半導体応用装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年エネルギ資源の有効活用や地球環境保護のため、インバータ電力変換装置などのパワー半導体応用装置の重要性が大きくなっており、パワー半導体応用装置への小形化、高信頼性化のニーズも増している。
【０００３】
パワー半導体応用装置の小形化、高信頼性化を図るためには、主変換部のパワー半導体素子を効率良くかつ安定的に冷却することが不可欠である。
【０００４】
パワー半導体素子は、スイッチング時や導通時の損失により熱を発生する。この発熱は、パワー半導体素子の温度を著しく上昇させるものであるため、適切に放熱しないと素子の寿命が低下したり、さらには破壊に至ることもある。そのため素子に冷却機構を付与して温度上昇を抑制する必要がある。総じてこの冷却機構は、装置において大きな体積を占めている。そのため、パワー半導体素子を効率良く冷却することが、装置を小形化するうえで不可欠である。
【０００５】
また、パワー半導体応用装置の中には、連続運転で使用される装置も少なくない。そのような場合でも、冷却機構やその中の冷却部材は、機能低下や特性劣化がないことが望ましい。
【０００６】
しかしながら、実際には機能低下や特性劣化を完全に回避することは困難である。そのため、パワー半導体素子を長時間、安定的に冷却することが、装置の高信頼性化に不可欠である。
【０００７】
そのような目的のため、例えばインバータ装置において，冷却フィンと冷却フィンのパワーモジュール取付面との間に隙間を設けて、熱伝導性をもつ流動性樹脂を染み込み充填させる方法が提案されている。（特許文献１参照）
従来のパワー半導体応用装置の構成例を、図８、図９を用いて説明する。図８パワー半導体応用装置の素子まわりの構成図、図９は図８の分解図を示したものである。
【０００８】
図８において、パワー半導体素子であるＩＧＢＴチップ１およびダイオードチップ２は、絶縁基板６を介してモジュールベース７に搭載されている。モジュールベース７は空冷ヒートシンク５に搭載されている。また、モジュールベース７にはモジュールケース８が搭載されている。通常、絶縁基板６はセラミックなど熱の良導体で形成し、またＩＧＢＴチップ１およびダイオードチップ２は絶縁基板６にハンダ接合し、絶縁基板６もモジュールベース７にハンダ接合して、ＩＧＢＴチップ１およびダイオードチップ２からモジュールベース７までの熱抵抗が極力小さくなるようにしている。なお、図８の構成例では、１個のモジュールベース７に、６個の絶縁基板６をハンダ接合しており、３相インバータ回路を構成できるようにしている。１個のモジュールベースに対して１個の絶縁基板を接合する場合や、１個のモジュールベースに対して２個の絶縁基板を接合する場合も
ある。
【０００９】
図９でモジュールベース７を空冷ヒートシンク５に搭載する機構を説明する。モジュールベース７の周辺部を、複数のボルト１０を用いて空冷ヒートシンク5に固定する。モジュールベース７と空冷ヒートシンク５の接触界面に、熱伝導グリス９の薄い層を形成して、接触熱抵抗の低減を図っている。
【特許文献１】特開２００２−３２５４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したインバータ装置には次の二つの課題がある。
【００１１】
第一に、モジュールベース７と空冷ヒートシンク５との間の接触面圧を均等にすることが難しい。複数のボルト１０で固定しているものの、ボルト周辺では比較的面圧が大きく、ボルトから離れるに従って面圧が低下する。また、モジュールベース７と空冷ヒートシンク５双方の接触面の平面度を極端に小さくすることは加工費が増大するため装置の製造コストが上昇する。そのため、モジュールベース７と空冷ヒートシンク５の接触面間の距離を面内で完全に均等にすることはできない。
【００１２】
そのようなことから、熱伝導グリス９の層の厚さを、接触面内全域に渡って小さくすることは難しい。そのため、接触熱抵抗の値を小さく抑えることが困難となる。ＩＧＢＴチップ１およびダイオードチップ２の温度を、許容値以下に抑えるには、チップから冷媒空気に至る熱経路のトータル熱抵抗を管理する必要がある。接触熱抵抗が大きくなると、空冷ヒートシンク５の熱抵抗を小さくして、トータル熱抵抗の増大を回避しなければならない。その結果、空冷ヒートシンク５は冷却特性が優れたものを使用しなければならず、総じて体格が大きくなる。
【００１３】
第二に、長期連続使用に伴うボルト１０の締付力低下や熱伝導グリス９の特性
劣化を回避することが難しい。長期間、装置を連続使用すると、ボルト１０の締付力が徐々に低下する。ボルト１０と、非締付部品であるモジュールベース７との材質が異なり、温度変化による熱膨張量が異なるなどの理由で、締付力低下を引き起こす。また、熱伝導グリスは、長期間連続使用すると、熱伝導率などの特性が低下する場合がある。
【００１４】
そのようなことから、モジュールベース７と空冷ヒートシンク５との間の接触熱抵抗の初期状態を長時間、安定的に維持することが困難である。そのため、特性変化を見込んだ設計が必要になり、空冷ヒートシンク５の熱抵抗をその分小さくして、トータル熱抵抗の増大を回避しなければならない。その結果、第一の課題の場合と同様に空冷ヒートシンク５の体格が大きくなる。また、ボルト１０の締付力低下や、熱伝導グリス９の特性劣化が顕著な場合、熱伝導グリスの交換や、ボルト１０の増し締めが必要になる。すなわち、好ましからざる保守作業を要することになる。
【００１５】
本発明の目的は、パワー半導体チップから空冷ヒートシンクまでの熱経路のトータル熱抵抗を小さくして、空冷ヒートシンクの体格を小さくし、かつ、ボルトの増し締めやグリス交換が不要な構造にして、小形で信頼性が高いパワー半導体応用装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の目的を達成するために本発明は、金属板と、この金属板の表面に接合してなるパワー半導体素子と、前記金属板の裏面に接合してなる空冷フィンとを具備することを特徴とするパワー半導体応用装置、である。
【００１７】
本発明によれば、モジュールベースと空冷ヒートシンクとの間の熱伝導グリスが不要になり、接触熱抵抗が無くなる。また、モジュールベースを空冷ヒートシンクに固定するボルトも不要になる。その結果、接触抵抗分だけトータル熱抵抗を小さくできる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、パワー半導体チップから空冷ヒートシンクまでの熱経路のトータル熱抵抗を小さくして、空冷ヒートシンクの体格を小さくし、かつ、ボルトの増し締めやグリス交換が不要な構造にして、小形で信頼性が高いパワー半導体応用装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２０】
（第１の実施形態：請求項１に対応）
本発明の第１の実施形態について図１，図２を用いて説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態のパワー半導体素子応用装置の素子まわりの構成図であり、従来のパワー半導体素子応用装置の図８に対応している。図２は図１の分解構成図であり、従来のパワー半導体素子応用装置の図９に対応している。
【００２２】
図１および図２において、ＩＧＢＴチップ１とダイオードチップ２とを、金属板３の表面に接合する。また、金属板３の裏面には空冷フィン４を、例えば次の第１〜第３の接合方法等で接合する。
【００２３】
第１の接合方法は、ＩＧＢＴチップ１とダイオードチップ２とともに、空冷フィン４を一括してハンダ接合する。パワー半導体素子として、ＳｉＣなどの高温動作可能な素子を使用すれば、ハンダより高温のブレージング接合を使用することができる。
【００２４】
第２の接合方法は、まずＩＧＢＴチップ１とダイオードチップ２とを金属板３に高融点ハンダで接合し、次に空冷フィン４を低融点ハンダで接合する。
【００２５】
第３の接合方法は、まずＩＧＢＴチップ１とダイオードチップ２とを金属板３にハンダ接合し、次に空冷フィン４を超音波溶接、摩擦圧接などの手段で接合する。
【００２６】
なお、ＩＧＢＴチップ１およびダイオードチップ２と、金属板３と空冷フィン４とは、金属で接合するため、絶縁をとることができない。そのため、装置に収納する場合、金属板３と空冷フィン４とを、きょう体や他の主回路部分から絶縁する必要がある。また、３相インバータ回路を構成する場合は、金属板３および空冷フィン４を各々６個用意する必要がある。
【００２７】
なお、図８に示したモジュールケース８は図示を省略したものの、同様に使用する。
【００２８】
このようにパワー半導体素子応用装置を構成した場合、モジュールベースと空冷ヒートシンクとの間の熱伝導グリスが不要になり、接触熱抵抗が無くなる。また、モジュールベースを空冷ヒートシンクに固定するボルトも不要になる。その結果、接触抵抗分だけトータル熱抵抗を小さくできる。
【００２９】
トータル熱抵抗を同等にする場合、金属板および空冷フィンの部分の熱抵抗を、接触熱抵抗の分だけ大きくすることができ、金属板および空冷フィンの部分の体格を小さくすることができる。また、モジュールベースを空冷ヒートシンクに固定するボルトが不要であるため、ボルトの増し締めやグリス交換も不要となる。
【００３０】
（第２の実施形態：請求項６に対応）
次に、本発明の第２の実施形態を、図３を参照して説明する。
【００３１】
図３は第２の実施形態のパワー半導体素子応用装置の素子まわりの分解構成図である。金属ベース３Ａの表面に絶縁層３Ｂを有し、絶縁層３Ｂの表面に導体パターン３Ｃを有する金属基板を構成する。ＩＧＢＴチップ１とダイオードチップ２とを、導体パターン３Ｃの表面に接合する。また、金属板３Ａの裏面に空冷フィン４を接合する。接合する方法は、ＩＧＢＴチップ１とダイオードチップ２とともに、空冷フィン４を一括してハンダ接合する他、第１の実施形態で示した複数の方法を適宜使用できる。
【００３２】
このようにパワー半導体素子応用装置を構成した場合、ＩＧＢＴチップ１とダイオードチップ２および導体パターン３Ｃと、金属ベース３Ａと空冷フィン４とを絶縁することができる。そのため、第１の実施形態で説明した効果に加えて、金属ベースと空冷フィンとを、きょう体や他の主回路部分から絶縁する必要がないので、金属ベースと空冷フィンを絶縁するために必要なスペースを節約できるので、その分小形化できる。
【００３３】
また、３相インバータ回路を構成する場合は、６個の導体パターンを絶縁層の上に形成すればよいので、金属ベースおよび空冷フィンを各々共通にすることができ、分割使用した場合の金属ベース相互間の絶縁が不要になるので、全体をより小さく構成することができる。
【００３４】
（第３の実施形態：請求項２に対応）
次に、本発明の第３の実施形態を図４を参照して説明する。
【００３５】
図４は第３の実施形態のパワー半導体素子応用装置の素子まわりの分解構成図である。ＩＧＢＴチップ１とダイオードチップ２とを金属板３の表面に接合する。金属板３の裏面には、空冷フィン４の端部４Ａに対応する位置に溝３Ｄを形成しておき、空冷フィン４の端部４Ａを金属板３に設けた溝３Ｄに圧入する。
【００３６】
なお、金属板３は、第２の実施形態に示した絶縁層および導体パターンを有する金属ベースであっても良い。また、接合の方法は、第１の実施形態で示した複数の方法を適宜使用することができる。
【００３７】
このようにパワー半導体素子応用装置を構成した場合、接合部はＩＧＢＴチップ１およびダイオードチップ２と金属板３との間だけになり、金属板３とフィン４とは非接合構造で一体化でき、接合部材を必要としないので、第１、第２の実施形態で説明した効果に加えて、信頼性をより高くすることができる。
【００３８】
（第４の実施形態：請求項３に対応）
次に、本発明の第４の実施形態を図５を参照して説明する。
【００３９】
図５は第４の実施形態のパワー半導体素子応用装置の素子まわりの分解構成図である。ＩＧＢＴチップおよびダイオードチップを内蔵したＩＧＢＴモジュール１Ａを金属板３の表面に電気絶縁性の熱伝導性接着剤で接着する。さらに、金属板３の裏面に空冷フィン４の接合面４Ｂを同じ接着剤で接着するか、もしくは第一の実施の形態で示した適当な方法で接合する。
【００４０】
このようにパワー半導体素子応用装置を構成した場合、ＩＧＢＴモジュール１Ａと金属板３との間を絶縁することができるので、第２の実施形態と同様に、金属ベースと空冷フィンとを、きょう体や他の主回路部分から絶縁する必要がないので、金属ベースと空冷フィンを絶縁するために必要なスペースを節約でき、その分小形化できる。
【００４１】
また、３相インバータ回路を構成する場合は、６個の導体パターンを絶縁層の上に形成すればよいので、金属ベースおよび空冷フィンを各々共通にすることができ、分割使用した場合の金属ベース相互間の絶縁が不要になるので、全体をより小さく構成することができる。さらにＩＧＢＴモジュールは樹脂パッケージに収納され、絶縁されているので、複数のＩＧＢＴモジュールを近接して配置することができる。その結果、全体をさらに小さく構成することができる。
【００４２】
（第５の実施形態：請求項４に対応）
次に、本発明の第５の実施形態を図６を参照して説明する。
【００４３】
図６は第５の実施形態のパワー半導体素子応用装置の素子まわりの分解構成図である。ＩＧＢＴチップ１とダイオードチップ２とを、金属ベース３Ａの表面の絶縁層３Ｂに形成した導体パターン３Ｃに接合する。また、金属ベース３Ａの裏面に水冷ヒートシンク５Ａを接合する。接合の方法は、第１の実施形態で示した複数の方法を適宜使用することができる。
【００４４】
このようにパワー半導体素子応用装置を構成した場合、水冷ヒートシンク５Ａは、極めて小さい体積で空冷フィンと同等の冷却能力を発揮できるので、パワー半導体素子応用装置の素子まわりを小形化できる。
【００４５】
（第６の実施形態：請求項５に対応）
次に、本発明の第６の実施形態を図７を参照して説明する。
【００４６】
図７は第６の実施形態のパワー半導体素子応用装置の素子まわりの分解構成図である。ＩＧＢＴチップ１とダイオードチップ２とを、金属ベース３Ａの表面の絶縁層３Ｂに形成した導体パターン３Ｃに接合する。また、金属ベース３Ａの裏面にヒートパイプ５Ｂなどの熱輸送体を接合する。この場合、接合の方法は、第１の実施形態で示した複数の方法を適宜使用することができる。
【００４７】
また、熱輸送体の接合部の反対側には図示しない放熱フィンを設ける。
【００４８】
このようにパワー半導体素子応用装置を構成した場合、ヒートパイプ５Ａなどの熱輸送体は、極めて小さい体積で熱輸送できるので、パワー半導体素子応用装置の素子まわりを小形化できる。
【００４９】
なお、本願発明は、上記各実施形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合、組み合わされた効果が得られる。さらに、上記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合には、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１の実施形態のパワー半導体素子応用装置の素子まわりの構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態のパワー半導体素子応用装置の素子まわりの分解構成図。
【図３】本発明の第２の実施形態のパワー半導体素子応用装置の素子まわりの分解構成図。
【図４】本発明の第３の実施形態のパワー半導体素子応用装置の素子まわりの分解構成図。
【図５】本発明の第４の実施形態のパワー半導体素子応用装置の素子まわりの分解構成図。
【図６】本発明の第５の実施形態のパワー半導体素子応用装置の素子まわりの分解構成図。
【図７】本発明の第６の実施形態のパワー半導体素子応用装置の素子まわりの分解構成図。
【図８】従来のパワー半導体素子応用装置の素子まわりの構成図。
【図９】従来のパワー半導体素子応用装置の素子まわりの分解構成図。
【符号の説明】
【００５１】
１…ＩＧＢＴチップ、１Ａ…ＩＧＢＴモジュール、２…ダイオードチップ、３…金属板、３Ａ…金属ベース、３Ｂ…絶縁層、３Ｃ…導体パターン、３Ｄ…溝、４…空冷フィン、４Ａ…端部、４Ｂ…接合面、５…空冷ヒートシンク、５Ａ…水冷ヒートシンク、５Ｂ…ヒートパイプ、６…絶縁基板、７…モジュールベース、８…モジュールケース、９…熱伝導グリス、１０…ボルト。
【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】
2005079386.tif 000009
【図８】
2005079386.tif 000010
【図９】
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