(57)【要約】【課題】冷却性能を大幅に向上し且つ信頼性及び製造性に優れた小型の電力用半導体素子及び半導体電力変換装置を提供する。【解決手段】複数の半導体チップ１０６と、複数の半導体チップ１０６の正極側に接合した第１導体１３と、複数の半導体チップ１０６の負極側に接合した第２導体１４と、複数の半導体チップ１０６と第１導体１３との接合面及び複数の半導体チップ１０６と第２導体１４との接合面に対して非平行な面で第１導体１３及び第２導体１４に接着し、複数の半導体チップ１０６の熱を放熱する放熱手段１１と、第１導体１３及び第２導体１４と放熱手段１１との接着面に設けられた無機・有機ハイブリッド材料からなるシート状絶縁体１２とを備える。【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、
前記複数の半導体チップの正極側に接合した第１導体と、
前記複数の半導体チップの負極側に接合した第２導体と、
前記複数の半導体チップの熱を放熱する放熱手段と、
前記第１導体及び前記第２導体と前記放熱手段との間に設けられた無機・有機ハイブリッド材料からなるシート状絶縁体と、
を備え、前記複数の半導体チップと前記第１導体との接合面及び前記複数の半導体チップと前記第２導体との接合面が、前記放熱手段の表面に対して非平行となるように、前記第１導体，前記第２導体及び前記複数の半導体チップを配置したことを特徴とする電力用半導体素子。
【請求項２】
前記シート状絶縁体は、
ポリジメチルシロキサン系ポリマーと金属アルコキシドのゾル・ゲル反応からなる無機・有機ハイブリッド材料に硬化促進剤、低応力化剤、充填材、難燃剤、溶剤、カップリング剤、離型材、顔料の内の１つ以上を加えた材料からなることを特徴とする請求項１記載の電力用半導体素子。
【請求項３】
前記放熱手段の外周に設けられた樹脂ケースと、
前記樹脂ケースと前記第１導体との間及び前記樹脂ケースと前記第２導体との間に設けられ、前記第１導体及び前記第２導体の位置を決定するための位置決め部材と、
を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力用半導体素子。
【請求項４】
前記位置決め部材を前記樹脂ケースと一体化したことを特徴とする請求項３記載の電力用半導体素子。
【請求項５】
前記放熱手段の外周に設けられた樹脂ケースと、
前記樹脂ケース内に充填され、前記複数の半導体チップと前記第１導体との接合部の間隙及び前記複数の半導体チップと前記第２導体との接合部の間隙を絶縁封止する絶縁樹脂を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力用半導体素子。
【請求項６】
前記絶縁樹脂は、
１種類以上のエポキシ樹脂に硬化剤を配合し、硬化促進剤、低応力化剤、充填材、難燃剤、カップリング剤、離型材、顔料の内の１つ以上を加えた一液性樹脂であることを特徴とする請求項５記載の電力用半導体素子。
【請求項７】
前記第１導体及び前記第２導体全体を絶縁封止するために成形された絶縁樹脂を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力用半導体素子。
【請求項８】
上側アームを構成する複数の第１半導体チップと、
下側アームを構成する複数の第２半導体チップと、
前記複数の第１半導体チップの正極側に接合した第１導体と、
前記複数の第２半導体チップの負極側に接合した第２導体と、
前記複数の第１半導体チップの負極側及び前記第２半導体チップの正極側に接合した１つ以上の第３導体と、
前記複数の第１半導体チップ及び前記複数の第２半導体チップの熱を放熱する放熱手段と、
前記第１導体，前記第２導体及び前記第３導体の上方に配置された回路基板と、
を備え、前記複数の第１半導体チップと前記第１導体との接合面，前記複数の第１半導体チップと前記第３導体との接合面，前記複数の第２半導体チップと前記第３導体との接合面及び前記複数の第２半導体チップと前記第２導体との接合面の各接合面が、前記放熱手段の表面に対して非平行となるように、前記第１導体，前記第２導体，前記第３導体，前記複数の第１半導体チップ及び前記複数の第２半導体チップを前記放熱手段の表面に配置したことを特徴とする電力用半導体素子。
【請求項９】
前記回路基板は、
前記複数の第１半導体チップ及び前記複数の第２半導体チップのサージ電圧を抑制するためのスナバ回路を備えることを特徴とする請求項８記載の電力用半導体素子。
【請求項１０】
前記回路基板は、
前記複数の第１半導体チップ及び前記複数の第２半導体チップを駆動するための駆動回路を備えることを特徴とする請求項８または請求項９記載の電力用半導体素子。
【請求項１１】
前記回路基板は、
前記駆動回路に電源を供給する電源回路を備えることを特徴とする請求項１０記載の電力用半導体素子。
【請求項１２】
前記第１導体の高さ及び前記第２導体の高さは、前記第３導体の高さよりも高いことを特徴とする請求項８乃至請求項１１のいずれか１項記載の電力用半導体素子。
【請求項１３】
上側アームを構成する複数の第１半導体チップと、
下側アームを構成する複数の第２半導体チップと、
前記複数の第１半導体チップの正極側に接合した上側第１導体と、
前記複数の第１半導体チップの負極側に接合した上側第２導体と、
前記複数の第２半導体チップの正極側に接合した下側第１導体と、
前記複数の第２半導体チップの負極側に接合した下側第２導体と、
前記複数の第１半導体チップ及び前記複数の第２半導体チップの熱を放熱する放熱手段と、
前記上側第１導体，前記上側第２導体，前記下側第１導体及び前記下側第２導体の上方に設けられたスナバコンデンサと、
を備え、前記複数の第１半導体チップと前記上側第１導体との接合面，前記複数の第１半導体チップと前記上側第２導体との接合面，前記第２半導体チップと前記下側第１導体との接合面及び前記第２半導体チップと前記下側第２導体との接合面の各接合面が、前記放熱手段の表面に対して非平行となるように、前記上側第１導体，前記上側第２導体，前記下側第１導体，前記下側第２導体，前記複数の第１半導体チップ及び前記複数の第２半導体チップを前記放熱手段の表面に配置したことを特徴とする電力用半導体素子。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１３のいずれか１項記載の電力用半導体素子を備えることを特徴とする半導体電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体素子及び半導体電力変換装置に関し、特に、電力用半導体素子及び半導体電力変換装置を小型化するとともに冷却性能及び信頼性を向上させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
家電機器、省エネダイレクトドライブあるいはインテリジェント・アクチュエータ、車両モータ駆動用等の半導体電力変換装置には、パワーＩＣ、パワーモジュール等のパワーデバイスと総称される各種電力用半導体素子が用いられている。
【０００３】
図１９は従来の電力用半導体素子の一例を示す断面構成図である。図１９に示すように、従来の電力用半導体素子１００は、冷却器１０３上に熱伝導グリース１１２を介して放熱用金属板１０２がねじ止めで固定され、放熱用金属板１０２上には絶縁基板１０４がはんだ等で接合され、絶縁基板１０４上には導電箔１０５を介して複数の半導体チップ１０６が接合されている。
【０００４】
また、放熱用金属板１０２上には、通常ポリフェニレンサルファイドあるいはポリブチレンテレフタレート等の樹脂が用いられた樹脂ケース１０１が設けられ、複数の半導体チップ１０６及び絶縁基板１０４等の部品は樹脂ケース１０１の内部に収められている。
【０００５】
また、樹脂ケース１０１の内部には、外部接続端子１０８が設置されており、外部接続端子１０８と絶縁基板１０４上の導電箔１０５との間は、ボンディングワイヤ１０７で接続されている。また、複数の半導体チップ１０６の正極側の電極または負極側の電極の一方は、導電箔１０５を介して互いに電気的に接続され、他方はボンディングワイヤ１０７を介して互いに電気的に接続されている。
【０００６】
また、樹脂ケース１０１の内部には、シリコーンゲル、エポキシ樹脂等の封止樹脂１０９が充填されている。封止樹脂１０９は、エポキシ樹脂等の固形樹脂１１０により封止され、この固形樹脂１１０上に樹脂ケース１０１と同種あるいは異なる材料からなる端子ホルダ１１１が固定されている。固形樹脂１１０は省略可能であり、端子ホルダ１１１により全面を封止しても良い。従来の電力用半導体素子１００は、このように構成することにより、比較的優れた電気的特性、信頼性を示す電力用半導体素子を得ている。
【０００７】
ところで、半導体チップの動作温度が１００℃を越えるような高温かつ高電圧（ｋＶクラス）で使用される電力用半導体素子の場合、半導体チップ１０６と冷却器１０３との間に設ける部品は、半導体チップ１０６の発熱をすみやかに冷却器１０３に逃がし且つ高い絶縁性を有する材料からなるものを用いる必要がある。
【０００８】
このため、図１９に示した従来の電力用半導体素子１００においては、絶縁基板１０４として熱伝導性と絶縁特性に優れた窒化アルミニウム等からなるセラミック材料を用い、放熱用金属板１０２と冷却器１０３との間に熱伝導グリース１１２を介在させることで、半導体チップ１０６から冷却器１０３へ効率よく熱を逃がすようにしている。
【０００９】
しかし、この従来の電力用半導体素子１００は、電力用半導体素子１００の周囲にある取付けねじ１１３により放熱用金属板１０２を冷却器１０３に加圧接触させているため、加圧力が不均一となり、接触熱抵抗が部分的に増大するおそれがある。
【００１０】
また、絶縁基板１０４は、厚みが薄いため、半導体チップ１０６で発生した損失を熱拡散させる効果は期待できない。このため、放熱用金属板１０２と冷却器１０３との間に発生した接触熱抵抗によって電力用半導体素子１００全体の熱抵抗が大きくなり、冷却効率が低下するおそれがある。
【００１１】
また、絶縁基板１０４は、厚みが薄いため、熱時定数（熱容量）が小さい。このため、特に、電力用半導体素子１００の起動時は過渡熱抵抗が大きくなり、半導体チップ１０６の温度上昇が大きくなることが懸念される。
【００１２】
更に、セラミック材料からなる絶縁基板１０４と放熱用金属板１０２とは線膨張係数に大きな違いがあるため、電力用半導体素子１００の動作時の発熱に伴う熱膨張の違いから、放熱用金属板１０２が変形する。これによって放熱用金属板１０２と冷却器１０３間の距離が熱伝導グリース１１２の取付時の塗布厚み以上に開き、動作停止時にはこの変形が元の距離に戻ることの繰り返しが発生し、熱伝導グリース１１２がこの動作の繰り返しによって接触面から徐々に押し出される現象が見られる場合がある。
【００１３】
この結果、放熱用金属板１０２と冷却器１０３間の熱伝導グリース１１２の量が不十分となり、接触熱抵抗が著しく増大し、半導体チップ１０６の熱暴走につながるおそれがあった。
【００１４】
そこで、図１９に示した一般的な電力用半導体素子１００の問題点を解決し、冷却性能を高めた電力用半導体素子が開示されている（例えば、特許文献１）。図２０は特許文献１に記載の電力用半導体素子の断面構成図である。
【００１５】
この電力用半導体素子２００は、複数の半導体チップ１０６をマウント導体２０１にはんだ接合し、マウント導体２０１をセラミックスを含有したシート状絶縁体２０２を介して冷却器１０３に接着している。複数の半導体チップ１０６間はボンディングワイヤ１０７により電気的に接続されている。また、冷却器１０３上には樹脂ケース１０１が設けられ、樹脂ケース１０１内部は封止樹脂１０９が充填されている。
【００１６】
この特許文献１の電力用半導体素子２００では、マウント導体２０１がシート状絶縁体２０２を介して、直接冷却器１０３に接合されているので、図１９に示した従来の電力用半導体素子１００のように接触熱抵抗の増大が発生せず、放熱用金属板１０２を排除したことによる効果と併せて熱抵抗が半減する。また、マウント導体２０１の厚みよる熱容量の効果によって熱時定数が高まるために過渡熱抵抗が小さくなり、起動時の温度上昇を下げる効果も得られ、トータルの冷却性能が向上する。
【００１７】
次に、従来の半導体電力変換装置を図２１〜図２３を参照して説明する。図２１は一般的な半導体電力変換装置を示すブロック図である。図２２は従来の半導体電力変換装置の側面断面図である。図２３は従来の半導体電力変換装置の電力用半導体素子の内部部分断面図である。
【００１８】
図２１〜図２３において、半導体電力変換装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１７１〜１７６及びダイオード１８１〜１８６を内蔵した電力用半導体素子２と、電力用半導体素子２の直流電圧を平滑する平滑コンデンサ５１と、サージ電圧を抑制するスナバコンデンサ５と、三相出力導体９を介して半導体電力変換装置の負荷であるモータ５２へ流れる電流を検出する電流検出器５３ａ及び５３ｂと、電流検出器５３ａ及び５３ｂにより検出された電流情報や平滑コンデンサ５１に印加される電圧等に基づき、電力用半導体素子２を制御する制御ユニット１０とを備えている。
【００１９】
電力用半導体素子２には、制御ユニット１０の制御信号に基づき、ＩＧＢＴ１７１〜１７６のゲートを駆動するための駆動基板４７も内蔵されている。ＩＧＢＴ１７１〜１７６のゲートを駆動するために駆動基板４７で必要な電力は、１２Ｖバッテリ等の低圧バッテリ（図示せず）から制御ユニット１０に搭載されるゲート電源回路（図示せず）を使って供給される。
【００２０】
電力用半導体素子２の直流部において、平滑コンデンサ５１及びスナバコンデンサ５は、正極側導体７及び負極側導体８にねじ止めにより接続され、正極側導体７及び負極側導体８は、接続ねじ３０６により電力用半導体素子２に電気的に接続されている。この電力用半導体素子２の直流部にはバッテリ５０も接続され、このバッテリ５０により車両を駆動するためのエネルギの一時的な保存を行う。
【００２１】
平滑コンデンサ５１は、電力用半導体素子２にかかる直流電圧の変動を抑制する働きが必要となる。このため、一般に、安価で大きな容量が得られる電解コンデンサが用いられる。スナバコンデンサ５は、電力用半導体素子２のスイッチング動作に伴う急峻なサージ電圧を抑制する役目を持ち、内部インピーダンスが小さいフィルムコンデンサやセラミックコンデンサ等が用いられる。
【００２２】
図２２に示す従来の半導体電力変換装置に搭載された電力用半導体素子２は、図２３に示すように、放熱用金属板３１４の裏面に、接触熱抵抗を低減する目的で熱伝導グリース３１９が塗布され、半導体電力変換装置の筐体３０１の底面に、取付けねじ３０３により取付けられている。
【００２３】
筐体３０１の底面には、流路３１３が設けられており、流路３１３内部を流れる冷媒３１２により電力用半導体素子２は冷却される。冷媒３１２は、例えば不凍液等である。
【００２４】
また、従来の電力用半導体素子２は、図２３に示すように、放熱用金属板３１４の上部に絶縁基板３１５が接着され、上面に金属電極をもつ絶縁基板３１５の上面にＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１が積層され且つ接合されている。また、ＩＧＢＴ１７１、ダイオード１８１及び絶縁基板３１５は、絶縁性を有する樹脂パッケージ３０２に収納されている。樹脂パッケージ３０２は、放熱用金属板３１４と端部で接着されている。樹脂パッケージ３０２の内部には、絶縁性のゲル（図示せず）が封入されている。
【００２５】
また、ＩＧＢＴ１７１のエミッタ及びダイオード１８１のアノードは、ボンディングワイヤ３０４により絶縁基板３１５の金属電極と電気的配線がなされている。更に、正極端子５４、負極端子５５及び出力端子５６は、絶縁基板３１５の金属電極とボンディングワイヤ３０４により電気的配線がなされている。
【００２６】
このように構成された電力用半導体素子２においては、ＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１が通電されたときに熱損失が発生する。ＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１の上部には断熱材である絶縁性のゲルが封入されているので、ＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１で発生した熱損失の大部分は、下部の絶縁基板３１５に熱伝導する。絶縁基板３１５に熱伝導した熱損失は、更に放熱用金属板３１４に熱伝導する。放熱用金属板３１４は、図２３に示すように、取付けねじ３０３により半導体電力変換装置の筐体３０１の底面に加圧接触され、熱損失が冷媒３１２により放熱される。
【００２７】
上記構成の半導体電力変換装置は、車両を始動あるいは加速する際にはバッテリ５０のエネルギを使ってモータ５２に３相交流の電力を供給する。また、車両を回生制動する際には、モータ５２が発生する３相交流の電力を使って、バッテリ５０を充電する。
【００２８】
しかし、図２１〜図２３に示した従来の半導体電力変換装置は、電力用半導体素子２の周囲にある取付けねじ３０３により、放熱用金属板３１４を半導体電力変換装置の筐体３０１の底面に加圧接触させているので、加圧力が放熱用金属板３１４全体に均等にかからない。このため、放熱用金属板３１４の裏面全体から筐体３０１の底面に設けられた流路に均一に伝熱することができない。
【００２９】
また、ＩＧＢＴ１７１の下部の絶縁基板３１５の厚みが薄いため、ＩＧＢＴ１７１で発生した損失を熱拡散させることができない。このため、放熱用金属板３１４と半導体電力変換装置の筐体３０１との間の接触熱抵抗は、電力用半導体素子２内部の熱抵抗とほぼ同等と非常に大きくなり、冷却効率が悪い。
【００３０】
また、ＩＧＢＴ１７１の下部の絶縁基板３１５の厚みが薄いため、熱時定数（熱容量）が小さい。このため、特に、半導体電力変換装置の起動時は過渡熱抵抗が大きくなり、電力用半導体素子２の温度上昇が大きくなる。電力用半導体素子２は使用できる温度に制限があり、温度上昇が大きいと半導体電力変換装置の電源電圧や出力電流を抑えなければならず、半導体電力変換装置の出力容量が制限される。
【００３１】
そこで、図２１〜図２３に示した従来の半導体電力変換装置の問題点を解決し、冷却性能を高めた半導体電力変換装置が開示されている（例えば、特許文献２）。図２４は特許文献２に記載の半導体電力変換装置の電力用半導体素子の断面図である。
【００３２】
図２４に示す特許文献２に記載の半導体電力変換装置は、冷却器４０２上にセラミックを含有したシート状絶縁体４０３を介して導体４０１が接着されている。導体４０１は、メッキ処理され，メッキ４０４上にはんだ４０５で半導体チップ（ＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１）が接合されている。
【００３３】
半導体チップであるＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１は、サイズが□１０ｍｍ以下であり、複数個並列接続して１アームを構成している。また、ＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１が接合されている導体４０１は、厚みが１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下である。
【００３４】
図２５は特許文献２に記載の半導体電力変換装置の他の実施例を示す図であり、３相の半導体電力変換装置のＷ相の上側アーム及び下側アームを構成する電力用半導体素子の外観斜視図である。図２５に示すように、この電力用半導体素子５００は、上側アームを構成する４並列接続されたＩＧＢＴ１７１Ａ〜１７１Ｄ及び２並列接続されたダイオード１８１Ａ〜１８１Ｂを、上側アーム導体５０１に１列に配置し、同様に下側アームを構成する４並列接続されたＩＧＢＴ１７４Ａ〜１７４Ｄ及び２並列接続されたダイオード１８４Ａ〜１８４Ｂを、下側アーム導体５０２に１列に配置している。
【００３５】
上側アーム導体５０１及び下側アーム導体５０２の間に、上側アーム導体５０１上に配置されたＩＧＢＴ１７１Ａ〜１７１Ｄ及びダイオード１８１Ａ〜１８１Ｂと出力端子５６を接続する出力導体５０４を配置している。図２５の実施例は、下側アーム導体５０２と出力導体５０４が同一の導体で構成されている実施例である。
【００３６】
また、上側アーム導体５０１及び下側アーム導体５０２の間に、下側アーム導体５０２上に配置されたＩＧＢＴ１７４Ａ〜１７４Ｄ及びダイオード１８４Ａ〜１８４Ｂと負極端子５５を接続する負極導体５０３を配置している。ＩＧＢＴ及びダイオードと各導体間は、ボンディングワイヤ５０５により電気的に接続されている。
【００３７】
また、上側アーム導体５０１、下側アーム導体５０２、負極導体５０３及び出力導体５０４は、セラミックスを含有したシート状絶縁体４０３を介して冷却器４０２に接着されている。
【００３８】
図２４及び図２５に示す特許文献２に記載の半導体電力変換装置では、厚みが１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の導体４０１や上側アーム導体５０１及び下側アーム導体５０２に接合されたＩＧＢＴ１７１Ａ〜１７１Ｄ及びダイオード１８１Ａ〜１８１Ｃが冷却器４０２にシート状絶縁体４０３を介して直接接着されている。
【００３９】
従って、特許文献２に記載の半導体電力変換装置は、図２３に示した従来の電力用半導体素子３００のような冷却器との接触部の接触熱抵抗が無くなり、導体４０１や上側アーム導体５０１及び下側アーム導体５０２による熱拡散の効果と併せて、電力用半導体素子内部のＩＧＢＴ及びダイオードチップの定常熱抵抗が半減する。
【００４０】
更に、ＩＧＢＴ１７１Ａ〜１７１Ｄ及びダイオード１８１Ａ〜１８１Ｃが厚み１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の導体４０１や上側アーム導体５０１及び下側アーム導体５０２に接合されているので、導体４０１や上側アーム導体５０１及び下側アーム導体５０２の熱容量の効果により熱時定数が大きくなり過渡熱抵抗が小さくなり、半導体電力変換装置の起動時の温度上昇が小さくなる。
【特許文献１】特開２００４−８７７３５号公報
【特許文献２】特許第３６４１２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４１】
しかしながら、冷却性能を向上させた特許文献１に記載の電力用半導体素子２００は、構造的に冷却性能の更なる大幅な向上が見込めない。また、シート状絶縁体２０２の放熱性及び熱応力に対する耐久性についても、基材樹脂と熱伝導性充填材の配合バランスから性能的に限界に近い。更に、複数の半導体チップ１０６間はボンディングワイヤ１０７により接続されており、ボンディングワイヤ１０７による接続数が極めて多いため、製造時間が長くなる。
【００４２】
また、図２４及び図２５に示した特許文献２に記載の半導体電力変換装置は、図２３に示した一般的な半導体電力変換装置と同様に、スナバコンデンサ５と半導体チップとの間の電気配線の一部にボンディングワイヤが用いられているため、このボンディングワイヤに寄生するインダクタンスがあり、このインダクタンスにより発生するサージ電圧は、スナバコンデンサ５では抑制できない。サージ電圧が大きいと、それだけ半導体電力変換装置の電源電圧や出力電流を抑えなければならず、半導体電力変換装置の出力容量が制限される。
【００４３】
また、特許文献１に記載の電力用半導体素子と同様に、複数個並列接続されたＩＧＢＴまたはダイオードチップがボンディングワイヤにより電気的に配線されているので、複数のボンディングワイヤを配線するのに時間がかかり、製造時間が長くなる。
【００４４】
また、電力用半導体素子２のスイッチング時に発生するリップル電流がスナバコンデンサ５に流れ、スナバコンデンサ５は自己発熱する。スナバコンデンサ５は、使用できる温度に制限があり、温度が高いと寿命も短くなる。また、半導体電力変換装置の筐体３０１は、外部からの水や埃の浸入を妨ぐため、密閉状態にある。このため、スナバコンデンサ５の熱は、筐体内部の空気等を通じてしか放熱されず、スナバコンデンサ５の表面積を放熱できるだけ大きくする必要がある。
【００４５】
また、筐体の内部空間が狭いと、筐体内部の空気の滞留が起こりにくく、スナバコンデンサ５の放熱効率が悪くなる。このため、スナバコンデンサ５の温度が十分に低くなるだけの空間をとる必要があり、半導体電力変換装置を小さくすることができない。
【００４６】
また、平滑コンデンサ５１も、電力用半導体素子のスイッチング時に発生するリップル電流が流れ、自己発熱する。この発熱は、平滑コンデンサ５１を固定した半導体電力変換装置筐体３０１の底面を通じて、筐体３０１の周囲や冷媒３１２に放熱される。しかし、平滑コンデンサ５１を固定し且つ冷却できるように筐体３０１の底面等にスペースを設ける必要があり、半導体電力変換装置の筐体３０１を小さくすることができない。
【００４７】
また、駆動基板４７には、ＩＧＢＴ１７１〜１７６を駆動するための電子部品が搭載される。この電子部品の自己発熱の大部分は、樹脂パッケージ３０２内部の空気あるいは絶縁性のゲルを通して冷媒３１２や筐体の周囲に放熱される。しかし、空気やゲルは断熱材でもあり、放熱効率が非常に悪い。このため、駆動基板４７に搭載される電子部品の温度が十分に低くなるように、冷媒３１２の温度や半導体電力変換装置筐体３０１の周囲温度を下げておかなければならない。
【００４８】
また、ゲート電源を低圧バッテリから供給すると、ゲート電源回路内で絶縁が必要であり、絶縁回路や絶縁空間が必要なために装置が大型化する。更には、ゲート電源回路で発生する損失によりゲート電源回路の温度が上がり過ぎないようにしなければならず、ゲート電源回路の放熱面積が増大する。従って、ゲート電源回路の占有面積を小さくするのに限界があった。
【００４９】
また、冷却効率を更に向上をしようとしても構造的に限界がある。
【００５０】
本発明の課題は、冷却性能を大幅に向上し且つ信頼性及び製造性に優れた小型の電力用半導体素子及び半導体電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００５１】
上記課題を解決するために、本発明に係る電力用半導体素子は、複数の半導体チップと、前記複数の半導体チップの正極側に接合した第１導体と、前記複数の半導体チップの負極側に接合した第２導体と、前記複数の半導体チップの熱を放熱する放熱手段と、前記第１導体及び前記第２導体と前記放熱手段との間に設けられた無機・有機ハイブリッド材料からなるシート状絶縁体とを備え、前記複数の半導体チップと前記第１導体との接合面及び前記複数の半導体チップと前記第２導体との接合面が、前記放熱手段の表面に対して非平行となるように、前記第１導体，前記第２導体及び前記複数の半導体チップを配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００５２】
本発明に係る電力用半導体素子によれば、複数の半導体チップの正極側に第１導体を接合し、複数の半導体チップの負極側に第２導体を接合し、第１導体，第２導体及び複数の半導体チップは、第１導体または第２導体と複数の半導体チップとの接合面が放熱手段の表面に対して非平行となるように配置され、第１導体及び第２導体と放熱手段とは、無機・有機ハイブリッド材料からなるシート状絶縁体を介して接着されるので、素子の冷却性能を大幅に向上し且つ信頼性及び製造性を向上することができるとともに素子を小型化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下、本発明の実施例に係る電力用半導体素子及び半導体電力変換装置を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では、背景技術の欄で説明した電力用半導体素子及び半導体電力変換装置の構成部分と同一又は相当部分には、背景技術の欄で使用した符号と同一の符号を用いて説明する。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものと異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を斜酌して判断すべきものである。更に、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【実施例１】
【００５４】
図１は本発明の実施例１に係る電力用半導体素子の断面構成図である。図２は本発明の実施例１に係る電力用半導体素子の外観斜視図である。
【００５５】
図１及び図２に示すように、この電力用半導体素子１は、複数の半導体チップ１０６、導体１３、導体１４、放熱手段１１及びシート状絶縁体１２を備えて構成されている。
【００５６】
導体１３は、半導体チップ１０６の正極側に接合され、半導体チップ１０６の正極側の電極と電気的に接続されている。導体１４は、半導体チップ１０６の負極側に接合され、半導体チップ１０６の負極側の電極と電気的に接続されている。導体１３及び１４は、銅等の金属が好適である。また、表面にニッケル等のメッキ処理が施されていても良い。また、各導体を更に複数に分割した構成としても良い。
【００５７】
半導体チップ１０６は、例えば、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、パワーＢＪＴ、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタ、ＳＩサイリスタ、ダイオード等の種々のパワーデバイスが使用可能である。また、半導体チップ１０６は、図１及び図２に示すように、導体１３または１４に直接接合されるものとしても良いし、端子板や緩衝板等（図示しない）を介して導体１３または１４に接合されるものとしても良い。
【００５８】
放熱手段１１は、シート状絶縁体１２を介して導体１３及び１４に接着されている。このとき、放熱手段１１は、複数の半導体チップ１０６と導体１３との接合面及び複数の半導体チップ１０６と導体１４との接合面に対して非平行（例えば、略垂直）な面で導体１３及び１４と接着され、複数の半導体チップ１０６の熱を放熱する。放熱手段１１は、例えばアルミニウム等の金属体で形成された空冷や水冷のヒートシンクである。
【００５９】
シート状絶縁体１２は、分子レベルで有機成分と無機成分が均一に混合されている無機・有機ハイブリッド材料で構成されている。例えば、アルコキシシランを原料とし、他のアルコキシシランや金属アルコキシドを加水分解−重合させたゾル液を基材とし、これをゾル・ゲル反応を用いて硬化させた材料等が適している。本実施例では、シート状絶縁体１２をポリジメチルシロキサン系ポリマーと金属アルコキシドのゾル・ゲル反応からなる無機・有機ハイブリッド材料とした。
【００６０】
ポリジメチルシロキサン系ポリマーは、末端シラノール基を有した構造、例えばＨＯ−（Ｓｉ（Ｍｅ）２−Ｏ）ｎ−Ｓｉ（Ｍｅ）２−ＯＨを原料とし、且つ熱的安定性を得るためには、分子量Ｍｗ６，０００以上４０，０００以下でありＭｗ＝２０，０００付近が好適である。
【００６１】
金属アルコキシドとしては、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ａｌをベースとした金属アルコキシドを用いることが可能であり、例えば、テトラエトキシシランＳｉ（Ｃ２Ｈ５）４等が適している。更に、硬化促進剤、低応力化剤、充填材、難燃剤、溶剤、カップリング剤、離型材、顔料のうち少なくとも１つ以上を加えることで、熱伝導率、弾性率、硬化温度等を調整することができる。
【００６２】
また、本発明の実施例１に係る電力用半導体素子は、導体１３と導体１４との間に中間導体１５を配置した構成とすることもできる。図３は導体１３と導体１４との間に中間導体１５を配置した電力用半導体素子１ａの断面構成図である。この電力用半導体素子１ａは、半導体チップ１０６ａの正極側に導体１３が接合され、半導体チップ１０６ｂの負極側に導体１４が接合され、半導体チップ１０６ａの負極側及び半導体チップ１０６ｂの正極側に中間導体１５が接合されている。その他の構成は、図１及び図２に示した電力用半導体素子１と同様である。
【００６３】
図４は図１９に示した従来の電力用半導体素子１００と、図２０に示した特許文献１に記載の電力用半導体素子２００と、本発明の実施例１に係る電力用半導体素子１とについて、熱抵抗特性を比較した図である。図４に示すように、起動時の過渡熱抵抗及び一定時間経過後の定常熱抵抗を比較した場合、本発明の電力用半導体素子１は、図１９に示した従来の電力用半導体素子１００及び図２０に示した特許文献１に記載の電力用半導体素子２００に比べて大幅に熱抵抗が低減されている。
【００６４】
図５は図２０に示した特許文献１に記載の電力用半導体素子２００と本発明の電力用半導体素子１とにおいて、シート状絶縁体１２の弾性率温度特性を比較した図である。図５に示すように、シート状絶縁体１２をポリジメチルシロキサン系ポリマーと金属アルコキシドのゾル・ゲル反応からなる無機・有機ハイブリッド材料にすることによって、本発明の電力用半導体素子１では耐熱性及び温度変化に対する安定性が極めて向上している。更に、シート状絶縁体１２の弾性率を低くできるため、導体等の熱変形に伴ってシート状絶縁体１２に作用する熱応力も低減される。
【００６５】
このように、本発明の実施例１に係る電力用半導体素子１は、複数の半導体チップ１０６の正極側に導体１３を接合し、複数の半導体チップ１０６の負極側に導体１４を接合し、放熱手段１１は、これらの接合面と非平行な面で導体１３及び１４に接着されるので、半導体チップ１０６の熱は正極側及び負極側にそれぞれ接合された導体１３及び１４を介して、半導体チップ１０６の両面から放熱手段１１に伝えられる。従って、特許文献１に記載の電力用半導体素子のおよそ２倍の熱効率が得られる。
【００６６】
また、ワイヤボンディング工程が不要であり製造時間の短縮と製造歩留まりの向上が実現されている。加えて、ボンディングワイヤ部分で生じていた配線による内部インダクタンスも解消されている。
【００６７】
また、放熱手段１１は、導体１３及び導体１４と放熱手段１１との間に設けられるシート状絶縁体１２を介して、導体１３及び導体１４と接着され、このシート状絶縁体１２として、無機・有機ハイブリッド材料を用いたので、３００℃近くにおよぶ高い耐熱性を実現しており、電力用半導体素子１の高温動作に対する信頼性が向上するとともに、例えば、ＳｉＣのような次世代半導体素子による２００℃以上での高温動作をも可能にしている。更に、このシート状絶縁体１２は、常温から高温まで弾性率変化が極めて小さいので、電力用半導体素子の熱サイクルに対する耐久性が向上している。
【００６８】
即ち、電力用半導体素子の冷却性能向上、これによる高性能化や小形化、また信頼性向上が得られ、且つ製造性をも向上させることができる。
【００６９】
なお、図１及び図２に示した電力用半導体素子１は、半導体チップ１０６の正極側に接合された導体１３と負極側に接合された導体１４とを１相として３相で構成されているが、相数は任意の数から選択することができる。例えば、１相とすることもできる。図３に示した電力用半導体素子１ａについても同様である。
【００７０】
また、電力用半導体素子１は、半導体チップ１０６以外に例えば、抵抗、コンデンサやコイル等の各種電子部品等、更に電源等の回路が搭載されていても良いし、半導体チップ１０６のみを搭載した単なるモジュール構成でも良い。
【００７１】
また、この電力用半導体素子内には制御回路、例えばｎＭＯＳ制御回路、ｐＭＯＳ制御回路、ＣＭＯＳ制御回路、バイポーラ制御回路、ＢｉＣＭＯＳ制御回路、ＳＩＴ制御回路等を搭載することもできる。これらの制御回路には過電圧保護回路、過電流保護回路、過熱保護回路が含まれていても良い。
【実施例２】
【００７２】
図６及び図７は本発明の実施例２に係る電力用半導体素子の断面構成図である。実施例２の電力用半導体素子は、実施例１の放熱手段１１を図１９に示した従来の電力用半導体素子１００と同様の構成としたものである。
【００７３】
即ち、図６に示す実施例２の電力用半導体素子１ｂは、図１及び図２に示した実施例１の電力用半導体素子１の放熱手段１１の替わりに、放熱用金属板１０２及び冷却器１０３を用いたもので、冷却器１０３上に熱伝導グリース１１２を介して放熱用金属板１０２を搭載し、放熱用金属板１０２上にシート状絶縁体１２を介して導体１３及び導体１４を接着したものである。
【００７４】
また、図７に示す実施例２の電力用半導体素子１ｃは、図３に示した実施例１の電力用半導体素子１ａの放熱手段１１の替わりに、放熱用金属板１０２及び冷却器１０３を用いたもので、冷却器１０３上に熱伝導グリース１１２を介して放熱用金属板１０２を搭載し、放熱用金属板１０２上にシート状絶縁体１２を介して導体１３、導体１４及び中間導体１５を接着したものである。
【００７５】
このときの放熱用金属板１０２は導体１３、導体１４及び中間導体１５の金属と同じ金属構成であることがのぞましい。その他の構成は、実施例１と同様であるので重複する説明は省略する。
【００７６】
このように、本発明の実施例２に係る電力用半導体素子１ｂ及び１ｃによれば、実施例１の効果と略同様の効果を得ることができる。また、本発明の実施例２に係る電力用半導体素子１ｂ及び１ｃは、実施例１の電力用半導体素子１または１ａの放熱手段１１を従来の電力用半導体素子１００と同様の構成としたので、冷却器１０３以下の冷却装置部分が従来の半導体電力変換装置と共用できる。
【実施例３】
【００７７】
図８は本発明の実施例３に係る電力用半導体素子の断面構成図である。図８に示すように、実施例３の電力用半導体素子１ｄは、放熱手段１１の外周に設けた樹脂ケース１０１と導体１３または導体１４間及び隣接した相の導体間に位置決め部材１７を配置したものである。
【００７８】
樹脂ケース１０１は、例えば、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド等の一般にエンジニアリングプラスチックまたはスーパーエンジニアリングプラスチックと呼称される熱可塑性樹脂からなる。また、これらの材料に充填材や難燃剤等を添加しても良い。
【００７９】
位置決め部材１７は、導体１３及び導体１４の配置位置を決定するためのもので、例えば、樹脂ケース１０１に用いられる熱可塑性樹脂材料に加え、耐熱性ゴム、ポリウレタン、繊維強化プラスチック等を用いても良い。その他の構成は、実施例１の構成と同様であるので重複する説明は省略する。
【００８０】
このように、本発明の実施例３に係る電力用半導体素子１ｄは、放熱手段１１の外周に樹脂ケースを設け、導体１３及び１４と半導体チップ１０６との接合面、導体１３及び１４と放熱手段１１との接合面を覆う樹脂ケース１０１と導体１３及び１４との間に位置決め部材１７を設けたので、電力用半導体素子１ｄの動作等に伴った発熱によって発生する導体１３及び１４等の熱変形を位置決め部材１７によって抑制することができる。
【００８１】
このため、内部の半導体チップ１０６、はんだ接合部及びシート状絶縁体１２に作用する応力が低減され、電力用半導体素子１ｄの動作発熱や外部環境等よる温度サイクルやパワーサイクルに対する耐久性や信頼性が向上する。
【００８２】
更に、電力用半導体素子１ｄに外部からの振動が加わるような環境下においては、位置決め部材１７によってシート状絶縁体１２の弾性変形に伴った導体の振動が抑制され、電力用半導体素子１ｄの耐振動性を向上させることができる。
【実施例４】
【００８３】
図９は本発明の実施例４に係る電力用半導体素子の上面構成図である。図９に示すように、実施例５の電力用半導体素子１ｅは、実施例３の位置決め部材１７を樹脂ケース１０１に一体化して設けたものである。その他の構成は、実施例３と同様であるので重複する説明は省略する。
【００８４】
このように、本発明の実施例４に係る電力用半導体素子１ｅは、実施例３の位置決め部材１７を電力用半導体素子１ｅを覆う樹脂ケース１０１と一体化して設けたので、位置決め部材１７の取付工程が簡略化され、製造性が向上し且つ製造歩留まりも向上し、量産性も向上する。
【実施例５】
【００８５】
図１０は本発明の実施例５に係る電力用半導体素子の断面構成図である。図１０に示すように、実施例５の電力用半導体素子１ｆは、半導体チップ１０６と導体１３〜１５の接合部や導体周囲と樹脂ケース１０１間を絶縁樹脂１８で絶縁封止したものである。絶縁樹脂１８は、シート状絶縁体１２の表面を被覆できる厚さまで充填してあれば良く、また、半導体チップ１０６や導体１３〜１５までを被覆するまで充填するものであっても良い。
【００８６】
絶縁樹脂１８は、少なくとも１種類のエポキシ樹脂に硬化剤を配合し、これに硬化促進剤、低応力化剤、充填材、難燃剤、カップリング剤、離型材、顔料のうち少なくとも１つ以上を加えた一液性樹脂である。例えば、エポキシ樹脂等の絶縁樹脂を基材とし、溶融シリカ粉末、石英粉末、ガラス粉末、ガラス短繊維等の充填材と組み合わせた樹脂が好適であり、ディスペンサ等を用いて充填することが可能である。その他の構成は、実施例１と同様であるので重複する説明は省略する。
【００８７】
このように、本発明の実施例５に係る電力用半導体素子１ｆは、半導体チップ１０６と導体１３〜１５の接合部や導体周囲と樹脂ケース１０１間を絶縁樹脂１８で絶縁封止したので、半導体チップ１０６の動作等に伴った発熱によって発生する熱応力を絶縁封止部分で緩衝することができ、半導体チップ１０６の動作発熱や外部環境等による温度サイクルに対する耐久性や信頼性が向上する。更に、絶縁封止することにより外部からの湿度や不純物の侵入抑制することで電力用半導体素子１ｆの耐湿性、信頼性も向上する。
【実施例６】
【００８８】
図１１は本発明の実施例６に係る電力用半導体素子の断面構成図である。図１１に示すように、実施例６の電力用半導体素子１ｇは、電力用半導体素子全体を一体に絶縁樹脂１９で樹脂封止したものである。
【００８９】
絶縁樹脂１９は、例えば、エポキシ樹脂等の絶縁樹脂を基材とし、溶融シリカ粉末、石英粉末、ガラス粉末、ガラス短繊維等の充填材と組み合わせた樹脂が好適である。樹脂封止の方法は、例えば、トランスファー成形法や射出成形法が適している。その他の構成は、実施例１と同様であるので重複する説明は省略する。
【００９０】
このように、本発明の実施例６に係る電力用半導体素子１ｇは、電力用半導体素子全体を一体に絶縁樹脂１９で樹脂封止したので、半導体チップ１０６の動作等に伴った発熱によって発生する導体等の熱変形を絶縁樹脂１９によって抑制することができ、内部の半導体チップ１０６、はんだ接合部及びシート状絶縁体１２に作用する応力が低減され、半導体チップ１０６の動作発熱や外部環境等よる温度サイクルに対する耐久性や信頼性が向上する。また、全体が樹脂封止されていることにより外部からの湿度や不純物の侵入を抑制して電力用半導体素子の耐湿性、信頼性が向上するとともに、樹脂ケース等の部品を省略化することで製造性、量産性を向上し、製造コストを低減することができる。
【実施例７】
【００９１】
図１２は本発明の実施例７に係る３相の電力用半導体素子の外観斜視図である。図１３は本発明の実施例７に係る３相の電力用半導体素子の半導体チップ（ＩＧＢＴ及びダイオード）が各導体に実装された様子を示す斜視図である。図１４は本発明の実施例７の３相の電力用半導体素子の側面図である。
【００９２】
図１２〜図１４に示すように、本発明の実施例７に係る電力用半導体素子２は、ＩＧＢＴ１７１〜１７６、ダイオード１８１〜１８６、第１導体２１、第２導体２２、Ｕ相第３導体２３ａ、Ｖ相第３導体２３ｂ、Ｗ相第３導体２３ｃ、シート状絶縁体２５、放熱用金属板２６、制御・駆動基板２７を備えて構成されている。
【００９３】
ＩＧＢＴ１７１〜１７６及びダイオード１８１〜１８６は、サイズがおおよそ□１０ｍｍ位の半導体チップであり、ダイオード１８１〜１８６は、それぞれＩＧＢＴ１７１〜１７６に逆並列接続されている。図１２〜図１４はＩＧＢＴが２並列、ダイオードが２並列の場合の実施例である。
【００９４】
ＩＧＢＴ１７３及びダイオード１８３は半導体電力変換装置のＵ相の上側アームを構成し、ＩＧＢＴ１７２及びダイオード１８２はＶ相の上側アームを構成し、ＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１はＷ相の上側アームを構成している。
【００９５】
また、ＩＧＢＴ１７６及びダイオード１８６は半導体電力変換装置のＵ相の下側アームを構成し、ＩＧＢＴ１７５及びダイオード１８５はＶ相の下側アームを構成し、ＩＧＢＴ１７４及びダイオード１８４はＷ相の下側アームを構成している。
【００９６】
第１導体２１は、ＩＧＢＴ１７１〜１７３及びダイオード１８１〜１８３の正極側（それぞれコレクタ、カソード）に接合され、ＩＧＢＴ１７１〜１７３及びダイオード１８１〜１８３の正極側の電極と電気的に接続されている。
【００９７】
第２導体２２は、ＩＧＢＴ１７４〜１７６及びダイオード１８４〜１８６の負極側（それぞれエミッタ、アノード）に接合され、ＩＧＢＴ１７４〜１７６及びダイオード１８４〜１８６の負極側の電極と電気的に接続されている。
【００９８】
Ｕ相第３導体２３ａは、ＩＧＢＴ１７３及びダイオード１８３の負極側に接合されるとともにＩＧＢＴ１７６及びダイオード１８６の正極側に接合され、ＩＧＢＴ１７３及びダイオード１８３の負極側の電極、ＩＧＢＴ１７６及びダイオード１８６の正極側の電極に電気的に接続されている。即ち、ＩＧＢＴ１７３及びダイオード１８３の負極側の電極とＩＧＢＴ１７６及びダイオード１８６の正極側の電極とはＵ相第３導体２３ａを介して電気的に接続されている。
【００９９】
Ｖ相第３導体２３ｂは、ＩＧＢＴ１７２及びダイオード１８２の負極側に接合されるとともにＩＧＢＴ１７５及びダイオード１８５の正極側に接合され、ＩＧＢＴ１７２及びダイオード１８２の負極側の電極、ＩＧＢＴ１７５及びダイオード１８５の正極側の電極に電気的に接続されている。即ち、ＩＧＢＴ１７２及びダイオード１８２の負極側の電極とＩＧＢＴ１７５及びダイオード１８５の正極側の電極とはＶ相第３導体２３ｂを介して電気的に接続されている。
【０１００】
Ｗ相第３導体２３ｃは、ＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１の負極側に接合されるとともにＩＧＢＴ１７４及びダイオード１８４の正極側に接合され、ＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１の負極側の電極、ＩＧＢＴ１７４及びダイオード１８４の正極側の電極に電気的に接続されている。即ち、ＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１の負極側の電極とＩＧＢＴ１７４及びダイオード１８４の正極側の電極とはＷ相第３導体２３ｃを介して電気的に接続されている。
【０１０１】
放熱用金属板２６は、シート状絶縁体２５を介して第１導体２１、第２導体２２及びＵ相・Ｖ相・Ｗ相第３導体２３ａ・２３ｂ・２３ｃと接着されている。シート状絶縁体２５は、例えば接着性を有するエポキシ樹脂に窒化ホウ素等のセラミックフィラーを充填したものであり、熱伝導率は２〜４Ｗ／ｍＫ、厚みは０．０５〜０．１５ｍｍ程度である。また、シート状絶縁体２５は、実施例１〜６と同様の材料を用いても良い。
【０１０２】
このとき、放熱用金属板２６は、ＩＧＢＴ１７１〜１７３及びダイオード１８１〜１８３と第１導体２１との接合面、ＩＧＢＴ１７１〜１７３及びダイオード１８１〜１８３と第３導体２３ａ〜２３ｃとの接合面、ＩＧＢＴ１７４〜１７６及びダイオード１８４〜１８６と第３導体２３ａ〜２３ｃとの接合面及びＩＧＢＴ１７４〜１７６及びダイオード１８４〜１８６と第２導体２２との接合面の各接合面に対して非平行な面（例えば、略垂直な面）で第１導体２１、第２導体２２及び第３導体２３ａ〜２３ｃに接着される。
【０１０３】
上記のように、放熱用金属板２６を第１導体２１〜第３導体２３に接着することで、ＩＧＢＴ１７１〜１７６及びダイオード１８１〜１８６の熱を正極側及び負極側の両面から第１導体２１〜第３導体２３を介して放熱する。
【０１０４】
更に、放熱用金属板２６の下方には、熱伝導グリース（図示せず）を介して冷却器（図示せず）が接着され、ＩＧＢＴ１７１〜１７６及びダイオード１８１〜１８６を冷却している。
【０１０５】
また、図１２及び図１４に示すように、Ｕ相第３導体２３ａの上面にはＵ相出力端子２４ａが接続され、Ｖ相第３導体２３ｂの上面にはＶ相出力端子２４ｂが接続され、Ｗ相第３導体２３ｃの上面にはＷ相出力端子２４ｃが接続されている。Ｕ相出力端子２４ａ、Ｖ相出力端子２４ｂ及びＷ相出力端子２４ｃは、第３導体２３ａ〜２３ｃの上面と略平行に設けられ、絶縁物２９を介して積層されている。
【０１０６】
更に、ＩＧＢＴ１７１〜１７６のゲート端子及びセンス端子等の入出力端子２８は、第３導体２３ａ〜２３ｃと負荷の各相とを結ぶ出力端子２４ａ〜２４ｃに対し、直交して設置されている。即ち、入出力端子２８は上方向に伸びた状態で設置されている。
【０１０７】
制御・駆動基板２７は、ＩＧＢＴ１７１〜１７６及びダイオード１８１〜１８６の半導体チップを駆動する駆動回路（実施例８で詳述する）を搭載し、第１導体２１、第２導体２２及び第３導体２３ａ〜２３ｃから見て、放熱用金属板２６との接着面と反対側、即ち第１導体２１、第２導体２２及び第３導体２３ａ〜２３ｃの直上に設けられている。
【０１０８】
また、図１２〜図１４に示した実施例７においては、第１導体２１〜第３導体２３の各導体と放熱用金属板２６の線膨張係数を同一とし、各導体２１〜２３及び放熱用金属板２６に対し十分に剛性の低いシート状絶縁体２５を用い各導体２１〜２３を放熱用金属板２６に接着する必要がある。
【０１０９】
例えば、第１導体２１〜第３導体２３の材質を銅とした場合、放熱用金属板２６の材質も銅でなければならない。放熱用金属板２６と第１導体２１〜第３導体２３とを接着しているシート状絶縁体２５は、厚みは０．０５〜０．１５ｍｍ程度、弾性率は３６ＧＰａ程度である。第１導体２１〜第３導体２３及び放熱用金属板２６の弾性率は、材質を銅とした場合、約１１５ＧＰａであり、シート状絶縁体２５の剛性は第１導体２１〜第３導体２３及び放熱用金属板２６に対し十分に小さい。
【０１１０】
上述した剛性が大きい銅を材質とした第１導体２１〜第３導体２３と放熱用金属板２６とを、剛性が小さいシート状絶縁体２５で接着した場合には、第１導体２１〜第３導体２３と放熱用金属板２６の線膨張係数が同一であるので、図２３に示した従来の電力用半導体素子とは異なり、放熱用金属板２６の裏面に反りがほとんど発生しない。
【０１１１】
発明者らによる試験結果によれば、図２３に示した従来の電力用半導体素子では、放熱用金属板３１４の裏面の反りは最大約１２０μｍとなる。これに対し、本発明の実施例７に係る電力用半導体素子２では、第１導体２１〜第３導体２３及び放熱用金属板２６を銅とした場合、放熱用金属板２６の裏面の反りは最大で約２５μｍとなり、放熱用金属板２６の反りが非常に大きく低減された。
【０１１２】
従って、第１導体２１〜第３導体２３及び放熱用金属板２６を銅とした場合では、放熱用金属板２６と冷却器との間のギャップが小さくなり熱伝導グリースの厚みも非常に薄くなるので接触熱抵抗が非常に小さくなる。
【０１１３】
このように、本発明の実施例７に係る電力用半導体素子２は、第１導体２１が、上側アームを構成するＩＧＢＴ１７１〜１７３及びダイオード１８１〜１８３の正極側に接合し、第２導体２２が、下側アームを構成するＩＧＢＴ１７４〜１７６及びダイオード１８４〜１８６の負極側に接合し、第３導体２３ａ〜２３ｃが、ＩＧＢＴ１７１〜１７３及びダイオード１８１〜１８３の負極側，ＩＧＢＴ１７４〜１７６及びダイオード１８４〜１８６の正極側に接合している。
【０１１４】
また、放熱用金属板２６は、ＩＧＢＴ１７１〜１７６及びダイオード１８１〜１８６と第１導体２１〜第３導体２３の接合面と非平行な面で、第１導体２１、第２導体２２、第３導体２３ａ〜２３ｃに接着している。
【０１１５】
このため、ＩＧＢＴ１７１〜１７６及びダイオード１８１〜１８６の熱を、ＩＧＢＴ１７１〜１７６及びダイオード１８１〜１８６の正極側及び負極側の両面から第１導体２１〜第３導体２３を介して効率よく放熱するため、定常熱抵抗及び過渡熱抵抗が低減し、冷却効率が向上する。
【０１１６】
また、制御・駆動基板２７は、第１導体２１〜第３導体２３から見て放熱用金属板２６との接着面と反対側、即ち第１導体２１〜第３導体２３の直上に設けられ、ＩＧＢＴ１７１〜１７６の入出力端子２８と接続されているので、入出力端子２８が制御・駆動基板２７に最短で接続することができ、ノイズによる誤動作等が減少して半導体電力変換装置の信頼性向上がするとともに装置の小型化を図ることができる。
【実施例８】
【０１１７】
図１５は本発明の実施例８に係る電力用半導体素子の側面図である。図１５に示すように、実施例８の電力用半導体素子２ａは、実施例７の制御・駆動基板２７を具体化したものである。
【０１１８】
図１５に示すように、実施例８に係る電力用半導体素子２ａは、第１導体２１、第２導体２２及び第３導体２３ａ〜２３ｃの直上に絶縁基板３１が設けられている。絶縁基板３１の下面には駆動回路３２が実装され、絶縁基板３１の上面にはスナバ回路３３及びゲート電源回路３４が実装されている。
【０１１９】
また、第１導体２１及び第２導体２２の高さは、Ｗ相第３導体２３ａ、Ｖ相第３導体２３ｂ及びＵ相第３導体２３ｃの高さより高くなっており、第１導体２１及び第２導体２２は、絶縁基板３１と電気的・機械的に接続されている。その他の構成は、図１２〜図１４に示した実施例７と同様である。
【０１２０】
絶縁基板３１には、スナバ回路３３、ゲート電源回路３４、駆動回路３２を実装するための配線パターンがある。
【０１２１】
駆動回路３２は、ＩＧＢＴ１７１〜１７６のゲートを駆動するための回路である。ゲート電源回路３４は、第１導体２１と第２導体２２と配線パターンが形成された絶縁基板３１を通じてバッテリ５０の電力を受電してゲート電源回路３４に必要な電圧に降圧し、駆動回路３２に電源を供給する。なお、ゲート電源回路３４は、一般的な回路であるために、詳細図示を省略する。
【０１２２】
スナバ回路３３は、抵抗とダイオードとコンデンサで構成されたＲＤＣスナバであり、絶縁基板３１を介して第１導体２１と第２導体２２に電気的に配線されており、電力用半導体素子２ａのスイッチング動作に伴う急峻なサージ電圧を抑制する役目をもつ。ここでは、スナバ回路３３はＲＤＣスナバとしたが、ダイオードを用いないＲＣスナバや、コンデンサだけのＣスナバ等の電力用半導体素子２ａのサージ電圧を抑制できるスナバ回路であれば良い。なお、スナバ回路３３の構成は、一般的な回路であるために、詳細図示を省略する。
【０１２３】
また、スナバ回路３３は、絶縁基板３１に低インダクタンスで実装されており、また、Ｕ・Ｖ・Ｗ相の各相のＩＧＢＴ及びダイオードに対して電気的に非常に近接的に配線されている。スナバ回路３３を低インダクタンスで配線するには、表面積の広い導体で、最短の経路で、往復の配線をできるだけ近接させれば良い。
【０１２４】
このように、本発明の実施例８に係る電力用半導体素子２ａは、図２２に示した従来の半導体電力変換装置に設けられていたスナバコンデンサ５とＩＧＢＴ１７１等の間の電気配線（ボンディングワイヤ３０４と正極端子５４と負極端子５５）が、半導体チップが搭載された第１導体２１及び第２導体２２で実現されているので、スナバ回路３３を含む配線インダクタンスが従来の電力用半導体素子に比べ非常に小さくなる。
【０１２５】
また、第１導体２１及び第２導体２２の高さを、第３導体２３ａ〜２３ｃの高さより高くすることで、Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相の各相の出力端子２４ａ〜２４ｃ及び各相の第３導体２３ａ〜２３ｃ等と絶縁基板３１との絶縁距離を稼ぎつつ、最低限の配線インダクタンスの増加で第１導体２１及び第２導体２２と絶縁基板３１とを電気的・機械的に接続できている。また、絶縁基板３１の両面に駆動回路３２等の回路を実装できるようになり、絶縁基板３１の小型化、ひいては電力用半導体素子２ａの小型化にも有効である。
【０１２６】
また、一般に電力用半導体素子のサージ電圧は、配線インダクタンスに比例して大きくなるが、本実施例の電力用半導体素子２ａは、配線インダクタンスが小さいので、サージ電圧が小さくなり、それだけ半導体電力変換装置の電源電圧や出力電流、出力容量を従来よりも大きくできる。逆に言えば、同等の出力容量であれば、使用する電力用半導体素子のサイズを小さくできるために、半導体電力変換装置の小型化が可能となる。
【０１２７】
また、本実施例のように、スナバ回路３３と半導体チップ間の配線に、正極端子５４や負極端子５５等の配線部分が少ないことも、サージ電圧を小さくすることに効果がある。
【０１２８】
更に、絶縁基板３１が実装された第１導体２１と第２導体２２は、シート状絶縁体２５を介して放熱用金属板２６と接続されており、ＩＧＢＴ１７１〜１７６及びダイオード１８１〜１８６の冷却経路としての役割とともに、絶縁基板３１の冷却経路としての役割も兼ねている。
【０１２９】
このため、絶縁基板３１には、熱を発するスナバ回路３３、ゲート電源回路３４、駆動回路３２が搭載されているが、これらの回路の発熱は絶縁基板３１と第１導体２１と第２導体２２を介して放熱用金属板２６に放熱される。
【０１３０】
このように、スナバ回路３３とゲート電源回路３４と駆動回路３２のスナバコンデンサとの効果的な放熱経路が確保されていることから、スナバ回路３３とゲート電源回路３４と駆動回路３２とを冷却するための空間を空ける必要が無く、電力用半導体素子２ａならびに半導体電力変換装置の小型化が可能となる。
【０１３１】
また、ゲート電源回路３４の入力電源をバッテリ５０から取っていることから、低圧バッテリをゲート電源回路３４の入力電源とする従来の半導体電力変換装置のような、低圧バッテリとの絶縁が必要なくなり、絶縁に伴う絶縁空間を大幅に小さくできる。
【０１３２】
また、低圧バッテリをゲート電源回路３４の入力電源とするためには、低圧バッテリからゲート電源回路３４に電力を供給するための配線を半導体電力変換素子内部に引き込む必要があるが、本実施例ではバッテリ５０を入力電源とするために特別に配線を追加する必要が無く、電力用半導体素子２ａを小型化できる。
【実施例９】
【０１３３】
図１６は本発明の実施例９に係る３相の電力用半導体素子の外観斜視図である。図１７は本発明の実施例９に係る３相の電力用半導体素子のＷ相の上側アームの外観斜視図である。図１８は図１７の分解図である。図１６に示すように、実施例９に係る電力用半導体素子３は、半導体電力変換装置のＵ、Ｖ、Ｗ相の各相毎に、上側アームの第１導体３５、上側アームの第２導体３６、下側アームの第１導体３７、下側アームの第２導体３８を備え、上側アームの第２導体３６と下側アームの第１導体３７とは出力端子４１により接続されている。また、上側アームの第１導体３５には正極端子３９が接続され、下側アームの第２導体３８には負極端子４０が接続されている。なお、上側アームの第２導体３６と下側アームの第１導体３７とは一体化しても良い。
【０１３４】
また、図１７及び図１８に示すように、実施例９に係る電力用半導体素子３のＷ相の上側アームは、第１導体３５がＩＧＢＴ１７１Ａ〜１７１Ｄ及びダイオード１８１Ａ〜１８１Ｃの正極側に熱緩衝板４２を介して接合され、第２導体３６がＩＧＢＴ１７１Ａ〜１７１Ｄ及びダイオード１８１Ａ〜１８１Ｃの負極側に熱緩衝板４２を介して接合されている。
【０１３５】
同様に、Ｗ相の下側アームは、第１導体３７がＩＧＢＴ１７４Ａ〜１７４Ｄ及びダイオード１８４Ａ〜１８４Ｃの正極側に熱緩衝板４２を介して接合され、第２導体３８がＩＧＢＴ１７４Ａ〜１７４Ｄ及びダイオード１８４Ａ〜１８４Ｃの負極側に熱緩衝板４２を介して接合されている。
【０１３６】
また、上側アームの第１導体３５及び第２導体３６、下側アームの第１導体３７及び３８は、シート状絶縁体４３を介して冷却器４４に接着されている。このとき、上側アームの第１導体３５及び第２導体３６、下側アームの第１導体３７及び第２導体３８は、ＩＧＢＴ及びダイオードとの接合面と非平行な面（例えば、略垂直な面）で冷却器４４に接着されている。
【０１３７】
更に、図１６に示すように、上側アームの第１導体３５及び第２導体３６、下側アームの第１導体３７及び第２導体３８の直上には、スナバコンデンサ４５が設けられ、スナバコンデンサ４５の一端の電極は、上側アームの第１導体３５に接合され、他端の電極は、下側アームの第２導体３８に接合されている。
【０１３８】
スナバコンデンサ４５の両端の電極を上側アームの第１導体３５及び下側アームの第２導体３８に接合する際は、例えばＳｎ／Ｐｂ等の低融点はんだまたはＳｎ／Ａｇ／Ｃｕ等の高融点はんだで接合しても良いし、例えば銀ペースト等の導電性接着剤で接合しても良いし、第１導体３５及び第２導体３８にねじ穴を設けてねじ止めにより接合しても良い。
【０１３９】
また、Ｖ相及びＵ相もＷ相と同様に構成されている。
【０１４０】
スナバコンデンサ４５は、電力用半導体素子３のスイッチング動作に伴う急峻なサージ電圧を抑制する役目をもち、フィルムコンデンサで構成されている。フィルムコンデンサは、内部抵抗及び内部インダクタンスが、電解コンデンサと比べて非常に小さいために、スナバコンデンサとして適している。同様な性能をもつものとして、セラミックコンデンサがあり、スナバコンデンサ４５にセラミックコンデンサを使用することも可能である。また、スナバコンデンサ４５は、ＩＧＢＴ及びダイオードに対して電気的に非常に近接的に配線されている。
【０１４１】
このように、本発明の実施例９に係る電力用半導体素子３は、図２２に示した従来の半導体電力変換装置に存在したスナバコンデンサ５とＩＧＢＴ１７１等の間の電気配線（ボンディングワイヤ３０４と正極端子５４と負極端子５５）が、ＩＧＢＴ及びダイオードを実装した上側アームの第１導体３５及び下側アームの第２導体３８で実現されており、配線インダクタンスが従来の電力用半導体素子に比べ非常に小さくなる。
【０１４２】
ＩＧＢＴやダイオードのサージ電圧は、配線インダクタンスに比例して大きくなることから、本実施例に示す半導体電力変換装置ではサージ電圧が小さくなり、それだけ半導体電力変換装置の電源電圧や出力電流、出力容量を従来よりも大きくできる。逆に言えば、同等の出力容量であれば、使用する電力用半導体素子のサイズを小さくできるために、半導体電力変換装置の小型化が可能となる。
【０１４３】
更に、スナバコンデンサ４５が実装された上側アームの第１導体３５と下側アームの第２導体３８は、シート状絶縁体４３を介して冷却器４４と接続されており、半導体チップ（ＩＧＢＴ１７１Ａ〜１７１Ｄ及びダイオード１８１Ａ〜１８１Ｃ）の冷却経路としての役割とともに、スナバコンデンサ４５の冷却経路としての役割も兼ねている。
【０１４４】
このため、スナバコンデンサ４５は、内部抵抗が小さいとはいえ、流れる電流に応じて発熱するが、この熱は、上側アームの第１導体３５と下側アームの第２導体３８を介して、冷却器４４に放熱される。
【０１４５】
このように、スナバコンデンサ４５の放熱経路が確保されていることから、スナバコンデンサ４５を冷却するための空間を空ける必要が無く、半導体電力変換装置の小型化が可能となる。
【０１４６】
スナバコンデンサ４５は、平滑コンデンサの一部としても作用しており、十分な容量を持たせれば、平滑コンデンサ５１の一部または全部を代用することも可能である。この場合、図２２に示すような平滑コンデンサ５１の冷却及び固定のために必要だった半導体電力変換装置の筐体３０１の底面等のスペースを削減でき、半導体電力変換装置の小型化が可能となる。
【０１４７】
また、従来の電力用半導体素子を用いた半導体電力変換装置では、平滑コンデンサ５１に必要な容量を小さくするために、半導体チップの動作周波数を上げると、半導体チップの発熱量が増えるために、動作周波数を上げることは難しい。しかし、本発明の電力用半導体素子では冷却能力が大幅に向上していることから、半導体チップの動作周波数を上げることが可能である。このため、平滑コンデンサ５１の大きさを小さくでき、半導体電力変換装置の小型化が可能となる。
【０１４８】
また、平滑コンデンサ５１の容量を小さくできれば、上記のように平滑コンデンサの一部または全部をスナバコンデンサ４５で代用しやすくなり、平滑コンデンサ５１の削減が可能となり、半導体電力変換装置の更なる小型化が可能となる。
【０１４９】
なお、実施例１〜実施例９は、インバータ装置等の半導体電力変換装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５０】
【図１】本発明の実施例１に係る電力用半導体素子の断面構成図である。
【図２】本発明の実施例１に係る電力用半導体素子の外観斜視図である。
【図３】本発明の実施例１の変形例に係る電力用半導体素子の断面構成図である。
【図４】本発明の実施例１に係る電力用半導体素子の熱抵抗特性を示す図である。
【図５】本発明の実施例１で用いるシート状絶縁体の弾性率温度特性を示す図である。
【図６】本発明の実施例２に係る電力用半導体素子の断面構成図である。
【図７】本発明の実施例２の変形例に係る電力用半導体素子の断面構成図である。
【図８】本発明の実施例３に係る電力用半導体素子の断面構成図である。
【図９】本発明の実施例４に係る電力用半導体素子の上面構成図である。
【図１０】本発明の実施例５に係る電力用半導体素子の断面構成図である。
【図１１】本発明の実施例６に係る電力用半導体素子の断面構成図である。
【図１２】本発明の実施例７に係る電力用半導体素子の外観斜視図図である。
【図１３】本発明の実施例７に係る電力用半導体素子に半導体チップが実装された様子を示す斜視図である。
【図１４】本発明の実施例７に係る電力用半導体素子の側面図である。
【図１５】本発明の実施例８に係る電力用半導体素子の側面図である。
【図１６】本発明の実施例９に係る電力用半導体素子の外観斜視図である。
【図１７】本発明の実施例９に係る電力用半導体素子のＷ相上側アームの外観斜視図である。
【図１８】図１７の分解図である。
【図１９】従来の電力用半導体素子の断面構成図である。
【図２０】特許文献１に記載の電力用半導体素子の断面構成図である。
【図２１】従来の半導体電力変換装置のブロック図である。
【図２２】従来の半導体電力変換装置の断面構成図である。
【図２３】図２２の半導体電力変換装置に搭載された電力用半導体素子の断面構成図である。
【図２４】特許文献２に記載の電力用半導体素子の断面構成図である。
【図２５】特許文献２に記載の電力用半導体素子の他の実施例の外観斜視図である。
【符号の説明】
【０１５１】
１、１ａ〜１ｇ、２、２ａ、３、１００、２００、３００、４００、５００…電力用半導体素子
５…スナバコンデンサ
７…正極側導体
８…負極側導体
９…三相出力導体
１０…制御ユニット
１１…放熱手段
１２…シート状絶縁体
１３、１４…導体
１５…中間導体
１６…入出力端子
１７…位置決め部材
１８、１９…絶縁樹脂
２１…第１導体
２２…第２導体
２３ａ〜２３ｃ…第３導体
２４ａ…Ｕ相出力端子
２４ｂ…Ｖ相出力端子
２４ｃ…Ｗ相出力端子
２５…シート状絶縁体
２６…放熱用金属板
２７…制御・駆動基板
２８…入出力端子
２９…絶縁物
３１…絶縁基板
３２…駆動回路
３３…スナバ回路
３４…ゲート電源回路
３５…第１導体
３６…第２導体
３７…第１導体
３８…第２導体
３９…正極端子
４０…負極端子
４１…出力端子
４２…熱緩衝板
４３…シート状絶縁体
４４…冷却器
４５…スナバコンデンサ
４７…駆動基板
５０…バッテリ
５１…平滑コンデンサ
５２…モータ
５３ａ，５３ｂ…電流検出器
５４…正極端子
５５…負極端子
５６…出力端子
１０１…樹脂ケース
１０２…放熱用金属板
１０３…冷却器
１０４…絶縁基板
１０５…導電箔
１０６、１０６ａ、１０６ｂ…半導体チップ
１０７…ボンディングワイヤ
１０８…外部接続端子
１０９…封止樹脂
１１０…固形樹脂
１１１…端子ホルダ
１１２…熱伝導グリース
１７１〜１７６…ＩＧＢＴ
１８１〜１８６…ダイオード
２０１…マウント導体
２０２…シート状絶縁体
３０１…筐体
３０２…樹脂パッケージ
３０４…ボンディングワイヤ
３１２…冷媒
３１３…流路
３１４…放熱用金属板
３１５…絶縁基板
３１９…熱伝導グリース
４０１…導体
４０２…冷却器
４０３…シート状絶縁体
４０４…メッキ
５０１…上側アーム導体
５０２…下側アーム
５０２…下側アーム導体
５０３…負極導体
５０４…出力導体
５０５…ボンディングワイヤ
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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