(57)【要約】【課題】  コストの増加なしに半導体装置の絶縁性能と冷却性能を向上させる。【解決手段】  半導体チップ１を接合したブスバー４の半導体チップ接合面と反対側の面を絶縁層５を介して冷却器１０に取り付ける半導体装置において、ブスバー４の少なくとも側面から冷却器取り付け面にわたって絶縁層５を形成する。【選択図】  図５ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを接合したブスバーの半導体チップ接合面と反対側の面を絶縁層を介して冷却器に取り付ける半導体装置であって、
前記ブスバーの少なくとも側面から冷却器取り付け面にわたって前記絶縁層を形成することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体チップを接合したブスバーの半導体チップ接合面と反対側の面を絶縁層を介して冷却器に取り付ける半導体装置であって、
前記ブスバーの冷却器取り付け面の端部コーナーを曲面に加工し、この曲面から冷却器取り付け面にわたって前記絶縁層を形成することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
半導体チップを接合したブスバーの半導体チップ接合面と反対側の面を絶縁層を介して冷却器に取り付ける半導体装置であって、
前記ブスバーの端部を冷却器取り付け面と反対側に反り曲げ、この反り曲がった面から冷却器取り付け面にわたって前記絶縁層を形成することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
半導体チップを接合したブスバーの半導体チップ接合面と反対側の面を絶縁層を介して冷却器に取り付ける半導体装置であって、
前記ブスバーの冷却器取り付け面に前記絶縁層を形成し、このブスバーの端部を冷却器取り付け面と反対側に反り曲げることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、特に、絶縁性能と冷却性能の改善を図るものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップの電極面にブスバーを接合してインバーターなどの半導体モジュールを構成し、この半導体モジュールを絶縁板を挟んで冷却器に取り付けた半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
【特許文献１】特開２００１−１１０９８５号公報
【０００４】
図１０により従来の半導体装置の構造を説明する。半導体チップ１の電極面は高温はんだ２によりブスバー４に接合され、これらのブスバー４は樹脂モールド６により固定される。そして、半導体チップ１とブスバー４がボンディングワイヤー３により接続されて半導体モジュール８が形成される。ブスバー４は半導体モジュール８の底面から突出しており、ブスバー４の突出面に絶縁層５が貼り付けられる。そして、この半導体モジュール８はボルト７により冷却器１０に取り付けられる。なお、冷却器１０には冷媒９を通す孔が設けられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１１は、図１０のＥ部拡大図である。半導体モジュール８と冷却器１０との間の短絡経路としては、絶縁層５の内部を貫通する短絡経路と、絶縁層５の側部表面に沿った短絡経路とが考えられる。後者の経路による短絡は沿面放電と呼ばれる。半導体モジュール８と冷却器１０との間には、半導体モジュール８と冷却器１０との間の電位差に応じた沿面距離を確保する必要があり、絶縁層５を必要な沿面距離を満たす厚さにしなければならない。そのため、絶縁層５が厚くなり、その分だけ熱抵抗が大きくなるため、半導体モジュール８で発生した熱が冷却器１０へ伝導しにくくなって冷却能力が低下するという問題がある。
【０００６】
そこで、図１２に示すように、絶縁層５を厚くせずに、半導体モジュール８の底面全体をカバーするように絶縁層５の面積を大きくし、この絶縁層５を挟んで半導体モジュール８を冷却器１０に取り付ける。このようにすれば、半導体モジュール８から冷却器１０までの沿面距離が絶縁層５の平面方向において確保され、その上、半導体モジュール８で発生した熱は薄い絶縁層５を介して冷却器１０へ容易に伝導する。
しかしながら、図１２に示す方法では、絶縁層５が大きくなり、材料コストが高くなるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）  半導体チップを接合したブスバーの半導体チップ接合面と反対側の面を絶縁層を介して冷却器に取り付ける半導体装置において、ブスバーの少なくとも側面から冷却器取り付け面にわたって絶縁層を形成する。
（２）  また、半導体チップを接合したブスバーの半導体チップ接合面と反対側の面を絶縁層を介して冷却器に取り付ける半導体装置において、ブスバーの冷却器取り付け面の端部コーナーを曲面に加工し、この曲面から冷却器取り付け面にわたって絶縁層を形成する。
（３）  さらに、半導体チップを接合したブスバーの半導体チップ接合面と反対側の面を絶縁層を介して冷却器に取り付ける半導体装置において、ブスバーの端部を冷却器取り付け面と反対側に反り曲げ、この反り曲がった面から冷却器取り付け面にわたって絶縁層を形成する。
（４）  さらにまた、半導体チップを接合したブスバーの半導体チップ接合面と反対側の面を絶縁層を介して冷却器に取り付ける半導体装置において、ブスバーの冷却器取り付け面に絶縁層を形成し、このブスバーの端部を冷却器取り付け面と反対側に反り曲げる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、装置のコストを増加させずに絶縁性能と冷却性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
《発明の第１の実施の形態》
図１は第１の実施の形態のインバーター電力変換部の上面図、図２は図１に示すインバーター電力変換部の回路図である。また、図３は図１に示すインバーター電力変換部のＡ〜Ａ’断面図である。なお、従来の半導体装置を示す図１０〜図１２と同様な機器および構成要素に対しては同一の符号を付して相違点を中心に説明する。
【００１０】
ブスバー４上の半導体チップ１とボンディングワイヤー３の接続部を除く上面、側面および底面（冷却器取り付け面）には、図３に示すように予め絶縁層５を形成しておく。絶縁材料には例えばアルミナを用い、プラズマ溶射法などによりブスバー（銅板）４の表面に絶縁層５を形成する。なお、絶縁層５を形成しない半導体チップ１の周辺とボンディングワイヤー３の接続部には、絶縁層５をプラズマ溶射する前にマスキングをしておく。溶射法で形成されるアルミナの組織は空孔を含んでいるため、例えばエチルシリケートなどの無機系封孔剤により封孔処理を施す。
【００１１】
次に、ブスバー４の底面が突出するように複数のブスバー４をモールド樹脂６により固定し、ブスバー４上に半導体チップ１の電極面をはんだ２によりダイボンドして電気的に接続する。半導体チップ１は図２に示すＩＧＢＴ  Ｔ１〜Ｔ６とダイオードＤ１〜Ｄ６である。また、半導体チップ１のブスバー接合面と反対の面（表面）に電極を形成し、ボンディングワイヤー３によりブスバー４に接続して図２に示すインバーター電力変換回路の半導体モジュール８を構成する。この半導体モジュール８をボルト７により冷却器１０に取り付け、半導体チップ１で発生する熱を冷却器１０により冷却する。
【００１２】
図４は、図３に示すＢ部の拡大図である。モールド樹脂６はブスバー４を固定しているが、微視的に見るとブスバー４に完全に密着しているわけではない。したがって、絶縁層５がモールド樹脂６に被われていても、その境界面の隙間に沿った沿面放電が発生し得る。第１の実施の形態では、ブスバー４の冷却器１０の取り付け面に加えて、ブスバー４の側面と上面にも絶縁層５を形成するので、絶縁層５の厚さが薄くても、ブスバー４の露出部から絶縁層５の表面を経由して冷却器１０までの沿面距離を長く取ることができ、十分な絶縁耐圧を確保して沿面放電を防止できる。
【００１３】
したがって、絶縁層５の固有の絶縁抵抗に基づいて絶縁層５を貫通する放電が発生しないような絶縁層５の厚さを設定すればよく、絶縁層５の厚さを薄くできる。その結果、絶縁層５の熱抵抗が低く抑えられ、半導体チップ１で発生する熱を効率よく冷却器１０へ伝導させることができ、冷却性能を向上させることができる。
【００１４】
例えば、ブスバー４と冷却器１０との間に交流電圧１．５ｋＶの絶縁耐圧を確保する場合について考える。図１０に示すように、ブスバー４の裏面のみにプラズマ溶射法によってアルミナを溶着して絶縁層５を形成すると、絶縁層５の厚さ方向のみにより沿面放電を防止できるだけの沿面距離を確保しなければならないので、絶縁層５の厚さを少なくとも３ｍｍとしなければならない。
【００１５】
ところが、この第１の実施の形態ではブスバーの底面から側面を介して上面の一部まで絶縁層５を形成するので、ブスバー４から冷却器１０までの沿面距離が十分に確保され、絶縁層５の厚さは１５０μｍでよい。これにより、図１０に示す従来の半導体装置に比べて絶縁層５の熱抵抗をおよそ１／２０に低減できる。つまり、図１０に示す従来の半導体装置に比べて冷却性能を２０倍に向上させることができる。
【００１６】
さらに、この第１の実施の形態ではブスバー４に予め絶縁層５を形成してから樹脂モールドするので、半導体モジュール８や冷却器１０に絶縁層５を形成するのに比べて、絶縁層５を形成するのに要するワークサイズが小さく、生産性を向上させることができる。
【００１７】
また、第１の実施の形態によれば、図１２に示すような広い絶縁層５を用いる従来の半導体冷却装置に比べ、絶縁層５の面積を小さくできるので材料コストを削減することができる。
【００１８】
《発明の第１の実施の形態の変形例》
上述した第１の実施の形態において、ブスバー４と冷却器１０との間の沿面距離が必要な絶縁仕様を満たすのであれば、図５に示すように、ブスバー４の底面と側面の一部にのみ、絶縁層５を形成するようにしてもよい。この場合には、ブスバー４の上面全体と、側面の絶縁層５を形成しない部分にマスキングを行い、プラズマ溶射によってアルミナをブスバー４に溶着し、ブスバー４の側面の一部と底面に絶縁層５を形成すればよい。
【００１９】
このように、第１の実施の形態によれば、半導体チップ１を接合したブスバー４の半導体チップ接合面と反対側の面を絶縁層５を介して冷却器１０に取り付ける半導体装置において、ブスバー４の少なくとも側面から冷却器取り付け面にわたって絶縁層を形成するようにしたので、ブスバー４の露出部から絶縁層５に沿って冷却器１０へ至る沿面距離を長くとることができ、必要な絶縁耐圧を満たしながら絶縁層５を薄くすることができ、絶縁層５の熱抵抗を低減して半導体チップ１の熱を効率よく冷却器１０へ伝導させることができる。すなわち、第１の実施の形態によれば装置のコストを増加させずに絶縁性能と冷却性能とをともに向上させることができる。
【００２０】
《発明の第２の実施の形態》
図６は第２の実施の形態の半導体装置の断面図である。なお、この第２の実施の形態は図１〜図３に示す第１の実施の形態の半導体装置とブスバー４の断面形状が異なるのみである。
【００２１】
図７は、図６に示すＣ部の拡大図である。第２の実施の形態ではブスバー４の冷却器１０への取り付け面の端部コーナー４ｒをＲ加工（曲面加工）により丸くする。これは、ブスバーの平板端部を曲面に切削加工することによって実現できる。そして、ブスバー４の冷却器１０への取り付け面とＲ加工した端部コーナー４ｒにプラズマ溶射法によりアルミナを溶着して絶縁層５を形成し、上述した封孔処理を施す。その後、ブスバー４の底面が突出するように樹脂モールド６により絶縁層５の端部５ｅを被い、ブスバー４を固定する。
【００２２】
この第２の実施の形態によれば、ブスバー４の冷却器１０への取り付け面の端部コーナー４ｒをＲ加工して丸くし、ブスバー４の冷却器１０への取り付け面とＲ加工した端部コーナー４ｒに絶縁層５を形成したので、絶縁層５の厚さが薄くてもブスバー４から冷却器１０までの沿面放電の短絡経路に沿った沿面距離を十分にとることができ、沿面放電を防止することができる。
【００２３】
上述した第１の実施の形態において、一般に、図４に示すようなブスバー４の端部コーナー４ｅに十分な絶縁耐圧の絶縁層５を形成するのは難しい面がある。したがって、第１の実施の形態では端部コーナー４ｅにおける絶縁耐圧を確保するために、絶縁層５を全体的に厚くしなければならない。この第２の実施の形態ではブスバー４の端部コーナー４ｒを丸くＲ加工したので、端部コーナー４ｒに薄くても十分な絶縁耐圧の絶縁層５を容易に形成することができる。したがって、第２の実施の形態によれば絶縁層５を全体的に厚くする必要がなく、薄い絶縁層５で沿面放電を防止しながら熱抵抗をさらに低減することができる。
【００２４】
例えば、ブスバー４と冷却器１０との間に交流電圧１．５ｋＶの絶縁耐圧を確保する場合には、上述した第１の実施の形態では１５０μｍ以上の厚さの絶縁層５を形成しなければならない。しかし、この第２の実施の形態によれば絶縁層５の厚さを１００μｍ程度まで低減することができ、絶縁層５の熱抵抗を第１の実施の形態のおよそ２／３まで低減することができる。つまり、第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の１．５倍に冷却性能を向上できる。
【００２５】
また、この第２の実施の形態ではブスバー４に予め絶縁層５を形成してから樹脂モールドするので、半導体モジュール８や冷却器１０に絶縁層５を形成するのに比べて、絶縁層５を形成するのに要するワークサイズが小さく、生産性を向上させることができる。
【００２６】
さらに、第２の実施の形態によれば、図１２に示すような広い絶縁層５を用いる従来の半導体冷却装置に比べ、絶縁層５の面積を小さくできるので材料コストを削減することができる。
【００２７】
さらにまた、上述した第１の実施の形態ではブスバー４の底面、側面および上面の３面に絶縁層５を形成したのに対し、この第２の実施の形態ではブスバー４の底面と、それに続く丸い端部コーナー４ｒのみに絶縁層５を形成すればよく、生産工程の簡略化が図れる。
【００２８】
このように、第２の実施の形態によれば、半導体チップ１を接合したブスバー４の半導体チップ接合面と反対側の面を絶縁層５を介して冷却器１０に取り付ける半導体装置において、ブスバー４の冷却器取り付け面の端部コーナー４ｒを曲面に加工し、この曲面から冷却器取り付け面にわたって絶縁層５を形成するようにしたので、ブスバー４の露出部から絶縁層５に沿って冷却器１０へ至る沿面距離を長くとることができ、必要な絶縁耐圧を満たしながら絶縁層５を薄くすることができ、絶縁層５の熱抵抗を低減して半導体チップ１の熱を効率よく冷却器１０へ伝導させることができる。すなわち、第２の実施の形態によれば絶縁性能と冷却性能とをともに向上させることができる。
【００２９】
《発明の第３の実施の形態》
図８は第３の実施の形態の半導体装置の断面図である。なお、この第３の実施の形態は図１〜図３に示す第１の実施の形態の半導体装置とブスバー４の断面形状が異なるのみである。
【００３０】
図９は、図８に示すＤ部の拡大図である。第３の実施の形態ではブスバー４の端部４ａを丸く折り曲げ、端部４ａが冷却器１０と反対方向に反った形状とする。これは、ブスバーの平板をプレス加工することによって実現できる。そして、ブスバー４の冷却器１０への取り付け面と折り曲げ加工した端部４ａにプラズマ溶射法によりアルミナを溶着して絶縁層５を形成し、上述した封孔処理を施す。その後、ブスバー４の底面が突出するように樹脂モールド６により絶縁層５の端部５ｅを被い、ブスバー４を固定する。
【００３１】
この第３の実施の形態によれば、ブスバー４の端部４ａを丸く折り曲げ加工して冷却器１０と反対方向に反らせ、折り曲げ加工した端部４ａの底面を含むブスバー４の底面に絶縁層５を形成したので、絶縁層５の厚さが薄くてもブスバー４から冷却器１０までの沿面放電の短絡経路に沿った沿面距離を十分にとることができ、沿面放電を防止することができる。
【００３２】
この第３の実施の形態ではブスバー４の端部４ａを丸く折り曲げ加工したので、端部４ａに薄くても十分な絶縁耐圧の絶縁層５を容易に形成することができる。したがって、第３の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態のように絶縁層５を全体的に厚くする必要がなく、薄い絶縁層５で沿面放電を防止しながら熱抵抗をさらに低減することができる。
【００３３】
ブスバー４の厚さが薄い場合に、上述した第２の実施の形態によるブスバー４の端部コーナー４ｒのＲ加工（曲面加工）では必要な絶縁耐圧を満たす沿面距離を確保できない可能性がある。しかし、この第３の実施の形態ではブスバー４の厚さが薄くても、ブスバー４の冷却器１０と反対方向に反らせる部分を大きく取ることによって、ブスバー４から絶縁層５に沿って冷却器１０までの沿面距離を必要な絶縁耐圧を満たす程度に十分に長くとることができ、沿面放電を防止することができる。
【００３４】
また、この第３の実施の形態ではブスバー４の予め絶縁層５を形成してから樹脂モールドするので、半導体モジュール８や冷却器１０に絶縁層５を形成するのに比べて、絶縁層５を形成するのに要するワークサイズが小さく、生産性を向上させることができる。
【００３５】
さらに、第３の実施の形態によれば、図１２に示すような広い絶縁層５を用いる従来の半導体冷却装置に比べ、絶縁層５の面積を小さくできるので材料コストを削減することができる。
【００３６】
さらにまた、上述した第１の実施の形態ではブスバー４の底面、側面および上面の３面に絶縁層５を形成したのに対し、この第３の実施の形態ではブスバー４の底面と、それに続く端部４ａのみに絶縁層５を形成すればよく、生産工程の簡略化が図れる。
【００３７】
このように、第３の実施の形態によれば、半導体チップ１を接合したブスバー４の半導体チップ接合面と反対側の面を絶縁層５を介して冷却器１０に取り付ける半導体装置において、ブスバー４の端部４ａを冷却器取り付け面と反対側に反り曲げ、この反り曲がった面から冷却器取り付け面にわたって絶縁層５を形成するようにしたので、ブスバー４の露出部から絶縁層５に沿って冷却器１０へ至る沿面距離を長くすることができ、必要な絶縁耐圧を満たしながら絶縁層５を薄くすることができ、絶縁層５の熱抵抗を低減して半導体チップ１の熱を効率よく冷却器１０へ伝導させることができる。すなわち、第３の実施の形態によれば装置のコストを増加させずに絶縁性能と冷却性能とをともに向上させることができる。
【００３８】
《発明の第３の実施の形態の変形例》
ブスバー４に絶縁層５の形成する手順として、ブスバー４の端部４ａを反り曲げ加工していない段階でブスバー４の冷却器１０の取り付け面に絶縁層５を形成し、その後にブスバー４の端部４ａをプレス加工により折り曲げるようにしてもよい。
【００３９】
このように、第３の実施の形態の変形例によれば、半導体チップ１を接合したブスバー４の半導体チップ接合面と反対側の面を絶縁層５を介して冷却器１０に取り付ける半導体装置において、ブスバー４の冷却器取り付け面に絶縁層５を形成し、このブスバー４の端部４ａを冷却器取り付け面と反対側に反り曲げるようにしたので、ブスバー４の露出部から絶縁層５に沿って冷却器１０へ至る沿面距離を長くすることができ、必要な絶縁耐圧を満たしながら絶縁層５を薄くすることができ、絶縁層５の熱抵抗を低減して半導体チップ１の熱を効率よく冷却器１０へ伝導させることができる。すなわち、第３の実施の形態の変形例によれば装置のコストを増加させずに絶縁性能と冷却性能とをともに向上させることができる。
【００４０】
なお、上述した一実施の形態ではプラズマ溶射法によりアルミナをブスバーに溶着して絶縁層を形成する例を示したが、絶縁層を形成する方法は上述した一実施の形態の方法に限定されず、圧着法、蒸着法、ろう接法、接着剤などによる形成方法を用いることができる。例えば、ブスバー４の材料としてアルミニウムを用い、アルマイト処理によりブスバーの表面にアルミナの絶縁層を形成することもできる。また、絶縁層５の材料は上述した一実施の形態のアルミナに限定されず、例えば窒化アルミ、窒化珪素などのセラミック系材料や、エポキシ系、イミド系などのあらゆる絶縁材料を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１の実施の形態のインバーター電力変換部の上面図である。
【図２】図１に示すインバーター電力変換部の回路図である。
【図３】図１に示すインバーター電力変換部のＡ〜Ａ’断面図である。
【図４】図３に示すＢ部の拡大図である。
【図５】第１の実施の形態の変形例のＢ部拡大図である。
【図６】第２の実施の形態のインバーター電力変換部の断面図である。
【図７】図６に示すＣ部の拡大図である。
【図８】第３の実施の形態のインバーター電力変換部の断面図である。
【図９】図８に示すＤ部の拡大図である。
【図１０】従来の半導体装置の断面図である。
【図１１】図１０に示すＥ部の拡大図である。
【図１２】従来の他の半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  半導体チップ
２  はんだ
３  ボンディングワイヤー
４  ブスバー
４ｅ、４ｒ  端部コーナー
４ａ  端部  
５  絶縁層
５ｅ  端部
６  モールド樹脂
７  ボルト
８  半導体モジュール
９  冷媒
１０  冷却器
Ｔ１〜Ｔ６  ＩＧＢＴ
Ｄ１〜Ｄ６  ダイオード
【図１】
2005123219.tif 000003
【図２】
2005123219.tif 000004
【図３】
2005123219.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005123219.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005123219.tif 000009
【図８】
2005123219.tif 000010
【図９】
2005123219.tif 000011
【図１０】
2005123219.tif 000012
【図１１】
2005123219.tif 000013
【図１２】
2005123219.tif 000014