(57)【要約】【課題】小型の冷却フィン一体型半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１０では、第１積層体１１は矩形状の断面を有するｎ（ｎ＞１）個の導体１２と両面に電極１５、１７が形成されたｎ−１個の半導体チップ１３が、第１の方向に交互に接合されて形成されている。第２積層体１４は、第１積層体１１が第１の方向に直角な第２の方向にｍ（ｍ＞１）段積み重ねられて形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形状の断面を有するｎ（ｎ＞１）個の導体と両面に電極が形成されたｎ−１個の半導体チップが第１の方向に交互に接合されてなる第１積層体が、前記第１の方向に直角な第２の方向にｍ（ｍ＞１）段積み重ねられてなる第２積層体を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記導体は前記第２の方向に沿った貫通孔を有し、
前記貫通孔が、入水口と出水口を有し、前記導体と絶縁されて前記貫通孔に挿入されたチューブを介して互いに流体連通していること特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記導体と前記半導体チップは、ハンダ層を介して接合され、前記複数段積み重ねられた前記第１積層体は、互いに螺着されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１積層体は、互いに絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体チップは、縦型ダイオードまたは縦型トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置、例えば直流電力を交流電力に変換するインバータでは、複数の電力用半導体チップが金属回路を有する回路基板に配設され、回路基板の裏面に冷却フィンが取り付けられているものがある。更に、冷却フィン内に、適宜水路が形成され、水路に冷却液を通過させることにより、冷却効率の向上を図っているものがある。
【０００３】
電力用半導体チップは、金属回路のチップ載置部にハンダ付けされ、金属回路の端子載置部にハンダ付けされた電極端子により外部に引き出されている。電力用半導体チップと電極端子はワイヤを介して電気的に接続されている。
【０００４】
電力用半導体装置では、その発熱量の大きさから冷却フィンに取り付けることが不可欠である。然しながら、複数の電力用半導体チップが熱伝導率の小さい回路基板上に平面的に配設されているので、広い面積の冷却フィンが必要になる。その結果、電力用半導体装置の小型化が難しいという問題がある。
【０００５】
また、ワイヤを用いているので、ワイヤによる配線抵抗および配線インダクタンスにより、電力損失が増加するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１９０９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、小型の冷却フィン一体型半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一つの実施形態によれば、半導体装置では、第１積層体は矩形状の断面を有するｎ（ｎ＞１）個の導体と両面に電極が形成されたｎ−１個の半導体チップが第１の方向に交互に接合されて形成されている。第２積層体は、前記第１積層体が前記第１の方向に直角な第２の方向にｍ（ｍ＞１）段積み重ねられて形成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１に係る半導体装置を示す図で、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図。
【図２】実施例１に係る半導体装置を示す斜視図。
【図３】実施例１に係る半導体装置の等価回路を示す図。
【図４】実施例１に係る比較例の半導体装置を示す図で、図４（ａ）はその平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図。
【図５】実施例２に係る半導体装置を示す図で、図５（ａ）はその平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＣ−Ｃ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図。
【図６】実施例２に係る半導体装置を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１１】
本実施例に係る半導体装置について図１乃至図３を用いて説明する。図１は本実施例の半導体装置を示す図で、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図示す断面図、図２は半導体装置を示す斜視図、図３は半導体装置の等価回路を示す図である。
【００１２】
本実施例の半導体装置では、電力用半導体チップ、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳトランジスタ、ダイオード等が、冷却フィンと電極端子を兼ねる矩形状の断面を有する導体に直接接合されている。
【００１３】
半導体装置は、矩形状の断面を有する導体がＸ方向およびＺ方向に格子状に積み重ねられ、電力用半導体チップがＸ方向に積み重ねられる導体の間に挟まれるように接合されている構造体である。
【００１４】
図１および図２に示すように、半導体装置１０では、第１積層体１１ａは、矩形状の断面を有するｎ（ｎ＞１）個、ここでは３個の導体１２ａ、１２ｂ、１２ｃと、ｎ−１個、ここでは２個の半導体チップ１３ａ、１３ｂがＸ方向（第１の方向）に交互に接合されて形成されている。
【００１５】
第２積層体１４は、３個の第１積層体１１ａ、１１ｂ、１１ｃがＸ方向に直角なＺ方向（第２の方向）にｍ（ｍ＞１）段、ここでは３段に積み重ねられて形成されている。
【００１６】
本明細書では、第１積層体１１ａ、１１ｂ、１１ｃ全体を示すときは、単に第１積層体１１と記す。同様に、導体１２ａ、１２ｂ、１２ｃ全体を示すときは、単に導体１２と記す。半導体チップ１３ａ、１３ｂ全体を示すときは、単に半導体チップ１３と記す。
【００１７】
従って、半導体装置１０は、導体１２がＸ方向およびＺ方向にｎ×ｍ、ここでは３×３の格子状に積み重ねられ、半導体チップ１３がＸ方向に積み重ねられる導体１２の間に挟まれるように接合されている構造体である。
【００１８】
導体１２は、例えば断面が１０ｍｍ□、長さが３０ｍｍ程度の熱伝導率の高い銅（Ｃｕ）である。半導体チップ１３は、例えば、例えば５ｍｍ□の縦型ダイオードである。ダイオードの電極１５がハンダ層１６を介して導体１２に接合され、電極１７がハンダ層１８を介して導体１２に接合されている。
【００１９】
半導体チップ１３の両側の導体１２は、半導体チップ１３の発熱を大気中に放散するための冷却フィンであるとともに、半導体チップ１３の電極を外部に引き出すための電極端子として機能している。
【００２０】
導体１２の中央部には、Ｚ方向に図示されない貫通孔が形成されている。第１積層体１１は、絶縁シート（図示せず）、例えばフッ素系樹脂フィルムを介してＺ方向に３段に積み重ねられ、互いに電気的に絶縁されている。
【００２１】
第２積層体１４において、絶縁シートを介してＺ方向に３段に積層された第１積層体１１は、導体１２の貫通孔に挿入されたボルト１９とナット２０によりねじ止めされている。ボルト１９とナット２０は、例えば絶縁ブッシング、絶縁ワッシャなどにより導体１２と電気的に絶縁されている。第１積層体１１同士が、短絡するのを防止するためである。
【００２２】
第１積層体１１は、２個の半導体チップ１３を含有する、所謂２ｉｎ１タイプのモジュールである。第１積層体１１をＺ方向に３段に積層した第２積層体１４は、６個の半導体チップ１３を含有する、所謂６ｉｎ１タイプのモジュールである。
【００２３】
上述した半導体装置１０は、半導体チップ１３の発熱を速やかに大気中に放散し、配線抵抗および配線インダクタンスを低減するとともに、占有面積を小さくするように構成されている。
【００２４】
半導体装置１０は、例えば以下のように組み立てる。まず、導体１２と半導体チップ１３をはんだペーストを挟んで交互に積み重ねる。次に、加熱して、導体１２と半導体チップ１３をハンダ接合する。これにより、第１積層体１１が得られる。
【００２５】
次に、絶縁シートを介して第１積層体１１をＺ方向に３段に積み重ねる。次に、上段の第１積層体１１ａと下段の第１積層体１１ｃの貫通孔に絶縁ブッシングを嵌め込み、絶縁ブッシングを介して貫通孔にボルト１９を挿入し、ナット２０でねじ止めする。これにより、第２積層体１４が得られ、第２積層体１４が半導体装置１０となる。
【００２６】
図３は半導体装置１０の等価回路を示す図である。図３に示すように、半導体チップ１３はダイオードであり、半導体チップ１３ａと半導体チップ１３ｂが直列接続されている。導体１２ａはアノード端子となり、導体１２ｃはカソード端子となり、導体１２ｂはセンタータップとなる。
【００２７】
各センタータップに３相交流電力を供給すると、各アノード端子の共通接続ノードを正極とし、各カソード端子の共通接続ノードを負極として直流電力が得られる。
【００２８】
半導体装置１０は、例えばパワートランジスを６個用いて直流電力を交流電力に変換するインバータにおいて、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用交流電力を直流電力に変換してインバータに供給するダイオード整流器に適している。
【００２９】
図４は比較例の半導体装置を示す図で、図４（ａ）はその平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。ここで、比較例とは、複数の半導体チップが平面的に配列されている半導体装置のことである。
【００３０】
図４に示すように、比較例の半導体装置３０では、絶縁基板３１上にチップ載置部３２とボンディングパッド３３が形成されている。半導体チップ３４は、チップ載置部３２に載置され、ワイヤ３５を介してボンディングパッド３３に接続されている。
【００３１】
ベース板３６には、６個の絶縁基板３１が平面的に配列されている。ベース板３６の裏面には冷却フィン３７が取り付けられている。冷却フィン３７には、冷却フィン３７を貫通する冷却水配管３８が取り付けられているものもある。絶縁基板３１上には、ケース３９が冠着されている。ケース３９は、平面図においては省略されている。
【００３２】
半導体装置３０では、ベース板３６上に絶縁基板３１が平面的に配列されているので、ベース板３６の面積が大きくなる。更に、絶縁基板３１およびベース板３６の熱抵抗が導体１２に比べて高いので、十分な放熱効果を得るために、ベース板３６に取り付ける冷却フィン３７の占有面積が大きくなる。その結果、半導体装置４０の小型化が難しい。
【００３３】
一方、本実施例の半導体装置１０では、複数の半導体チップ１３が立体的に積み重ねられ、半導体チップ１３の両面に冷却フィンと電極端子を兼ねる導体１２が接合されている。その結果、占有面積が低減され、且つ十分な放熱が得られる。
【００３４】
また、ワイヤを用いていないので、ワイヤによる配線抵抗および配線インダクタンスによる電力損失が発生する問題は生じない。
【００３５】
以上説明したように、本実施例の半導体装置１０では、断面が矩形状の３個の導体１２と２個の半導体チップをＸ方向に交互に接合してなる第１積層体１１を、Ｚ方向に３段に積み重ねている。
【００３６】
その結果、半導体装置１０の占有面積が低減され、且つ十分な放熱が得られる。従って、小型の冷却フィン一体型半導体装置が得られる。
【００３７】
ここでは、半導体チップ１３が縦型ダイオードである場合について説明したが、その他の縦型半導体素子、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳトランジスタとすることが可能である。その場合、ベース電極またはゲート電極を引き出すための端子を別途設ける必要がある。
【００３８】
ベース電極またはゲート電極を引き出すための端子は、例えば下記のようにして設けることができる。ベース電極またはゲート電極に対向する領域を端部に含むようにして、導体１２に切り欠きを設ける。その切り欠きに嵌合する別の導体を絶縁して固着する。その切り欠きに嵌合する別の導体が、ベース電極端子またはゲート電極端子となる。
【００３９】
ベース電極またはゲート電極を有する半導体チップを導体１２に接合する場合は、ベース電極またはゲート電極と別の導体の端部とが対向するように位置合わせしておこなう。
【００４０】
導体１２の数ｎおよび第１積層体１１の積層段数ｍがそれぞれ３の場合について説明したが、ｎ、ｍには特に制限は無い。例えば、ｎが３、ｍが２の場合、単相交流電力を直流電力に変換するダイオード整流器が得られる。
【００４１】
第１積層体１１を互いに絶縁した場合について説明したが、絶縁しない場合も考えられる。その場合は、単に並列接続されたダイオードが順方向に直列接続された回路となる。
【００４２】
第１積層体１１の中央部を３組のボルト・ナット１９、２０でネジ止めする場合について説明したが、少なくとも任意の２箇所をボルト・ナット１９、２０で固定すればよい。
【００４３】
半導体チップ１３が単一のチップである場合について説明したが、半導体チップ１３を複数の半導体チップで構成することも可能である。複数の半導体チップが並列接続され、半導体チップ１３の電流容量を増加させることができる。
【実施例２】
【００４４】
本発明の実施例２に係る半導体装置について図５および図６を用いて説明する。図５は本実施例の半導体装置を示す図で、図５（ａ）はその平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＣ−Ｃ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図、図６は半導体装置を示す斜視図である。
【００４５】
本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。本実施例が実施例１と異なる点は、導体に冷却路を形成したことにある。
【００４６】
即ち、図５および図６に示すように、本実施例の半導体装置４０では、冷却路４１がＺ方向に沿って導体１２を九十九折状に貫くように形成されている。
【００４７】
導体１２には、Ｚ方向に沿って貫通孔が形成されている。その貫通孔が、入水口４２と出水口４３を有し、導体１２と電気的に絶縁されて貫通孔に挿入されたチューブ４４を介して互いに流体連通することにより、冷却路４１が形成されている。
【００４８】
チューブ４４は、熱伝導率の大きい金属パイプ、例えば導体１２と同じ材質のＣｕパイプである。例えば、Ｃｕパイプに絶縁膜を被覆することにより、チューブ４４は導体１２と電気的に絶縁される。
【００４９】
冷却路４１に、冷却水、例えば水とエチレングリコールの混合水溶液を通過させることにより、半導体チップ１３を直接冷却する。これにより、半導体チップ１３に対する冷却能力を向上させることが可能である。
【００５０】
以上説明したように、本実施例の半導体装置４０では、冷却路４１がＺ方向に沿って導体１２を九十九折状に貫くように形成されている。その結果、半導体チップ１３を直接冷却し、半導体チップ１３に対する冷却能力が高められる利点がある。
【００５１】
導体１２に貫通孔を形成する位置は特に限定されないが、導体１２に接合されている半導体チップ１３の直下がもっとも望ましいことは言うまでも無い。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５３】
１０、３０、４０  半導体装置
１１  第１積層体
１２  導体
１３、３４  半導チップ
１４  第２積層体
１５、１７  電極
１６、１８  ハンダ層
１９  ボルト
２０  ナット
３１  絶縁基板
３２  チップ載置部
３３  ボンディングパッド
３５  ワイヤ
３６  ベース板
３７  冷却フィン
３８  冷却水配管
３９  ケース
４１  冷却路
４２  入水口
４３  出水口
４４  チューブ
【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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