(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有する筒状のケース、一方の主面に複数の導体パターンが形成されると共に、可撓性を有し、前記開口部を塞ぐと共に、前記一方の主面が前記ケースの内側に面するように前記開口部に装着された基板、前記導体パターンの所定の位置に実装された電力用半導体チップ、および前記ケースの内側に充填される可変形の充填体を備え、該充填体の充填により前記基板を所定量外反りとし、該基板の他方の主面をヒートシンクの対向面に当接時に前記基板が前記対向面に沿って変形し得るようにしたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
開口部を有する筒状のケース、一方の主面に複数の導体パターンが形成されると共に、可撓性を有し、前記開口部を塞ぐと共に、前記一方の主面が前記ケースの内側に面するように前記開口部に装着された基板、前記導体パターンの所定の位置に実装された電力用半導体チップ、前記ケースにインサートされた外部接続端子、該外部接続端子と前記導体パターンとを接続する可撓性を有す接続導体、および前記ケースの内側に充填される可変形の充填体を備え、該充填体の充填により前記基板を所定量外反りとし、該基板の他方の主面をヒートシンクの対向面に当接時に前記基板が前記対向面に沿って変形し得るようにしたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項３】
第１の開口部と第２の開口部とを有する筒状のケース、一方の主面に複数の導体パターンが形成されると共に、可撓性を有し、前記第１の開口部を塞ぐと共に、前記一方の主面が前記ケースの内側に面するように前記第１の開口部に装着された基板、前記導体パターンの所定の位置に実装された電力用半導体チップ、前記第２の開口部を塞ぐ可撓性を有す蓋、および前記ケースの内側に充填される可変形の充填体を備え、該充填体の充填により前記基板および前記蓋を所定量外反りとし、該基板の他方の主面をヒートシンクの対向面に当接時に前記基板が前記対向面に沿って変形し得るようにしたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項４】
開口部を有する筒状のケース、一方の主面に複数の導体パターンが形成されると共に、可撓性を有し、前記開口部を塞ぐと共に、前記一方の主面が前記ケースの内側に面するように前記開口部に装着された基板、および前記導体パターンの所定の位置に実装された電力用半導体チップ、前記ケースにインサートされ、その少なくとも一端部が可撓性を有し、少なくとも前記導体パターンの所定位置に接続される外部接続端子、および前記ケースの内側に充填される可変形の充填体を備え、該充填体の充填により前記基板を所定量外反りとし、該基板の他方の主面をヒートシンクの対向面に当接時に前記基板が前記対向面に沿って変形し得るようにしたことを特徴とする電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板上に載置されケースに囲繞された電力用半導体チップを備えた電力用半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、この種の電力用半導体装置の多くは、剛性および熱伝導性に優れた金属製の導体板からなる基板の上に、セラミックなどの熱伝導性の高い絶縁薄板および導体パターンを介して前記電力用半導体チップを載置（半田付けにより固着）した構成を為し、この電力用半導体チップにて発生した熱を前記導体パターンおよび前記絶縁薄板を通して前記導体板に伝播し、これに接するヒートシンクへと放散するもの、即ち、前記ケースの底板である前記導体板を前記ヒートシンクに取付け固定するタイプのものである。このタイプの電力用半導体装置は前記導体板の存在により軽量化および低コスト化が困難であった。
【０００３】
これらの対策として、即ち、電力用半導体装置の軽量化および低コスト化を目的に、前記導体板を省き、基板としてのポリイミドなどの樹脂シートの一方の主面上に導体パターンを形成し、この導体パターン上に電力用半導体チップを載置（半田付けにより固着）した構成を為し、前記樹脂シートの他方の主面をヒートシンク等に熱伝導用グリースを塗布して取付ける構造の電力用半導体装置が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電力用半導体装置は以上のように構成されていたので、即ち、基板として金属製の導体板を用いたので、軽量化および低コスト化が困難であり、この対策として、前記導体板の代りに可撓性および絶縁性を有する樹脂シートを用いた構成のものが実用されているが、このタイプのものは放熱性を向上させるために、前記樹脂シートを必要な絶縁性および機械的強度を確保できる範囲でできるだけ薄くする必要があると共に、前記樹脂シートをヒートシンクに密着させるためにその接触面に押圧する必要があるが、前記樹脂シートを前記ヒートシンクへ密着させ難く、結果的に充分な放熱効果が期待できないと言う問題があった。
【０００５】
また、前記樹脂シートと前記ヒートシンクとの間に熱伝導性向上の目的でグリースが塗布された場合においては、その熱伝導性を増加させるためにセラミック粉体や金属粉体が混合されたものは高粘度となり、前記樹脂シートが薄くて剛性がないために、前記樹脂シートと前記ヒートシンクとの間の余分な前記グリースの除去作業が困難で、結果的に放熱性が低減すると言う問題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、可撓性および絶縁性を有する基板をヒートシンクに密着させ得ると共に、軽量、安価で放熱性に優れた電力用半導体装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係わる電力用半導体装置は、開口部を有する筒状のケース、一方の主面に複数の導体パターンが形成されると共に、可撓性を有し、前記開口部を塞ぐと共に、前記一方の主面が前記ケースの内側に面するように前記開口部に装着された基板、前記導体パターンの所定の位置に実装された電力用半導体チップ、および前記ケースの内側に充填される可変形の充填体を備え、該充填体の充填により前記基板を所定量外反りとし、該基板の他方の主面をヒートシンクの対向面に当接時に前記基板が前記対向面に沿って変形し得るようにしたものである。
【０００８】
第２の発明に係わる電力用半導体装置は、開口部を有する筒状のケース、一方の主面に複数の導体パターンが形成されると共に、可撓性を有し、前記開口部を塞ぐと共に、前記一方の主面が前記ケースの内側に面するように前記開口部に装着された基板、前記導体パターンの所定の位置に実装された電力用半導体チップ、前記ケースにインサートされた外部接続端子、該外部接続端子と前記導体パターンとを接続する可撓性を有す接続導体、および前記ケースの内側に充填される可変形の充填体を備え、該充填体の充填により前記基板を所定量外反りとし、該基板の他方の主面をヒートシンクの対向面に当接時に前記基板が前記対向面に沿って変形し得るようにしたものである。
【０００９】
第３の発明に係わる電力用半導体装置は、第１の開口部と第２の開口部とを有する筒状のケース、一方の主面に複数の導体パターンが形成されると共に、可撓性を有し、前記第１の開口部を塞ぐと共に、前記一方の主面が前記ケースの内側に面するように前記第１の開口部に装着された基板、前記導体パターンの所定の位置に実装された電力用半導体チップ、前記第２の開口部を塞ぐ可撓性を有す蓋、および前記ケースの内側に充填される可変形の充填体を備え、該充填体の充填により前記基板および前記蓋を所定量外反りとし、該基板の他方の主面をヒートシンクの対向面に当接時に前記基板が前記対向面に沿って変形し得るようにしたものである。
【００１０】
第４の発明に係わる電力用半導体装置は、開口部を有する筒状のケース、一方の主面に複数の導体パターンが形成されると共に、可撓性を有し、前記開口部を塞ぐと共に、前記一方の主面が前記ケースの内側に面するように前記開口部に装着された基板、および前記導体パターンの所定の位置に実装された電力用半導体チップ、前記ケースにインサートされ、その少なくとも一端部が可撓性を有し、少なくとも前記導体パターンの所定位置に接続される外部接続端子、および前記ケースの内側に充填される可変形の充填体を備え、該充填体の充填により前記基板を所定量外反りとし、該基板の他方の主面をヒートシンクの対向面に当接時に前記基板が前記対向面に沿って変形し得るようにしたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１を図１、図２により説明する。図１は実施の形態１としての電力用半導体装置の断面を示す模式図、図２は図１に示した電力用半導体装置をヒートシンクに取付けた状態の断面を示す模式図である。図において、１は可撓性および絶縁性を有するポリイミド樹脂シートからなる基板、２は基板１の一方の主面１Ａに設けられた銅薄膜からなる複数の導体パターン、３は導体パターン２に載置（半田付け）された電力用半導体チップ、４は筒状を為し、２つの開口部４Ａ、４Ｂを有する樹脂製のケースであり、開口部４Ａ側に、後述のヒートシンク１０への取付面４Ｃおよび取付けボルト穴４Ｄを有し、取付面４Ｃには、開口部４Ａの周縁を囲むように凹所４Eが形成され、基板１の端部１Bにおける主面１Ａ側の全周を凹所４Eに接着することにより、基板１で気密に塞がれている。
【００１２】
そして、５はケース４にインサートされた外部接続端子であり、その一端５Ａがケース４の内壁側へ露出し、他端５Ｂがケース４の外部へ露出している。６は一端５Ａ、導体パターン２および電力用半導体チップ３間を接続するための可撓性を有す接続導体としての柔軟なボンディングワイヤ、７は可撓性を有する樹脂シートからなる蓋であり、開口部４Bの周縁を囲むように凹所４Ｆが形成され、蓋７の端部７Aにおける内側主面側の全周を凹所４Ｆに接着することによりケース４の他方の開口部４Ｂを気密に塞いでいる。
【００１３】
なお、基板１、ケース４および蓋７により形成された閉塞空間Ｓには可変形の充填体である外気よりも高い所定圧力の圧縮空気８が封入されている。そして上記、基板１から蓋７および圧縮空気８により電力用半導体装置９を構成している。また、１０は電力用半導体装置９を取付けた状態で基板１の他方の主面１Cが密接するの取付面１０Ａが形成されたヒートシンク、１１は電力用半導体装置９をヒートシンク１０に取付け固定するボルトである。
【００１４】
次に、上記構成の電力用半導体装置９の組立方法について説明する。まず、基板１の端部１Ｂを開口部４Ａの凹所４Eに接着し、電力用半導体チップ３の搭載面である主面１Aが内面となるように基板１でケース４の開口部４Ａを気密に塞ぐ。続いて、ケース４の内壁側へ露出した外部接続端子５の一端５Ａ、導体パターン２および電力用半導体チップ３の間を、ボンディングワイヤ６を用いてボンディングにより接続する。
【００１５】
次に、電力用半導体チップ３とボンディングワイヤ６をシリコンゲル（図示せず）で覆い、この後、蓋７の端部７Ａを開口部４Bの凹所４Ｆに接着して蓋７で開口部４Ｂを気密に塞ぐ。その後、基板１、ケース４および蓋７により形成された閉塞空間Ｓに圧縮空気８を封入し、図１に示したように、基板１および蓋７が夫々所定量外反りとなった電力用半導体装置９が完成する。
【００１６】
次に、上記構成の電力用半導体装置９をヒートシンク１０に取付ける作業方法について説明する。電力用半導体装置９をヒートシンク１０に取付けるべく、電力用半導体装置９の基板１をヒートシンク１０の取付面１０Ａに載置すると、図１に示すごとく、基板１が下方に凸に膨らんだ状態にあるので、まず、主面１Cの凸部中央が取付面１０Ａに接触し、なおも接近させると、接触面積が前記凸部中央から周辺に向かって徐々に拡大し、ついには、主面１Cのほぼ全面が取付面１０Ａに接触する。この接圧は、閉塞空間Ｓに封入された圧縮空気８の圧力によりほぼ定まり、全接触面においてほぼ等しい。
【００１７】
なお、電力用半導体装置９のヒートシンク１０への取付けに先立って、主面１Cと取付面１０Ａとが接触する面には、熱伝導性に優れたグリース（図示せず）が塗布される。そして、取付面１０Ａに押圧された主面１Cの接触面積が前記凸部中央から周辺に向かって徐々に拡大して行く過程において、前記グリースの余分な量は、前記凸部中央から周辺に向かって押出される。
【００１８】
その後、電力用半導体装置９をヒートシンク１０にボルト１１により固定する。なお、この固定状態において、基板１が閉塞空間Ｓに封入された圧縮空気８の圧力に基づく所定の接圧で取付面１０Ａに圧接されて密着し、その後、閉塞空間Ｓの圧力が外気圧まで低下することがあっても、前記グリースの粘着力により密着状態を維持する。
【００１９】
上述のように、電力用半導体装置９をヒートシンク１０に取付けた状態においては、基板１が取付面１０Ａに主面１Cの全接触面にほぼ均一な面圧が加った状態で密着し、また、取付面１０Ａが平坦でなく、若干の凹凸面があっても、その形状に添って基板１を密着でき、前記凹凸面の隙間を効果的に少なくすることができる。
【００２０】
また、封止した圧縮空気８の圧力と基板１の可撓性を利用して、主面１Cの取付面１０Ａへの接圧を長時間、継続して得られるため、前記凹凸面の隙間に充填した前記グリースの余剰分を、熱伝導性を増加させるためにセラミック粉体や金属粉体が混合された高粘度のものであっても、別途、余分な圧力を加えることなく、ゆっくりと追い出すことができ、前記隙間をさらに少なくすることができる。
【００２１】
即ち、柔軟な基板１であっても、剛性のあるものと同等の、若しくはそれ以上の取付面１０Ａへの密着性を簡便に得ることができ、小型化、軽量化および低コスト化を図ったものが容易に得られる。さらに、取付面１０Ａの平面の面精度が多少悪くても、取付面１０Ａに密着させることができるので、ヒートシンク１０を含めて低コスト化を図れる。
【００２２】
また、基板１の主面上に導体パターン２を介して固着された電力用半導体チップ３と、ケース４の内壁側に露出した外部接続端子５の一端５Ａとを可撓性を有するボンディングワイヤ６で導体パターン２を介して接続したので、基板１が撓んでもボンディングワイヤ６の接続部への応力集中を低減できる。
【００２３】
なお、実施の形態１としての電力用半導体装置９において、接続導体としてボンディングワイヤ６を用いたが、ボンディングワイヤ６に限定されるものではなく、例えば箔状導体（図示せず）等を用いても同様な効果が得られる。
【００２４】
また、実施の形態１としての電力用半導体装置９においては、閉塞空間Ｓに圧縮空気８を封止したが、例えば、絶縁油等の絶縁性の液体（図示せず）、若しくはシリコンゲル等の絶縁性のゲル状物質（図示せず）を圧入して封止しても同様な効果が得られる。
【００２５】
即ち、基板１、ケース４および蓋７で形成された閉塞空間Ｓに、加圧しても体積収縮がほとんど生じない前記液体や前記ゲル状物質を充填した場合においても、基板１の撓みに応動して蓋７を撓ませることができるので、図２に示すごとく、電力用半導体装置９をヒートシンク１０に取付けることにより、下方に凸状に膨らんだ基板１が取付面１０Ａの平面に沿って平になることにより減少した容積を、蓋７がさらに上方に膨らむことにより吸収する。
【００２６】
さらに、実施の形態１としての電力用半導体装置９において、可撓性を有す蓋７を用いたが、剛性を有する金属性の蓋（図示せず）であっても、閉塞空間Ｓに前記液体や前記ゲル状物質を単独で充填した場合を除いて、即ち、圧縮空気８を単独で用いた場合や、前記液体や前記ゲル状物質とこれらに溶け込まない気体とを併用して充填しても同様な効果が得られる。
【００２７】
また、実施の形態１としての電力用半導体チップ３においては、蓋７をケース４の開口部４Ｂにその外側から接着しており、閉塞空間Ｓを所定の圧力に加圧して外反りとなった状態においては、蓋７の受ける圧力によって蓋７の端部７Ａと開口部４Bの凹所４Ｆとの接着部にその接着を剥離させる応力が加わり、蓋７が柔軟であるほど開口部４Ｂの内周端縁側に集中するが、図３に示すごとく、蓋７の端部７Ａの厚さをリング状に厚く形成することにより前記接着を剥離させる応力を緩和できる。
【００２８】
同様に、基板１の端部１Ｂと開口部４Ａの凹所４Eとの接着部においても、電力用半導体装置９をヒートシンク１０に接合した状態では取付面１０Ａが基板１の受ける圧力の大部分を受け止めるので接着を剥離させる応力は小さいものの、ヒートシンク１０に接合していない状態では前記接着を剥離させる応力が加わる。この対策として、図３に示すごとく、基板１の端部１Ｂの厚さをリング状に厚く形成すると共に、ケース４における取付面４Ｃからの凹所４Eの深さ寸法Ｄと端部１Ｂの厚さとを同程度に形成することにより、前記接着を剥離させる応力を緩和できる。
【００２９】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２を図４により説明する。図４は実施の形態２としての電力用半導体装置の断面図であり、図１、図２に示した実施の形態１とは、独立した蓋７が存在せず、ケース４は唯一の開口部４Ａを有し、ケース４にインサートされた外部接続端子５の一端５Ａを含む内壁側へ露出した部分５Ｃが充分な可撓性を有し、基板１上に形成された導体パターン２に直接半田付けされて接続されている点が相違する。
【００３０】
即ち、ケース４は、その内側から外側に通じる外部接続端子５がインサートされており、その開口部４Ａに、可撓性および絶縁性を有する樹脂シートからなる基板１の電力用半導体チップ３を、載置した主面１Ａが内面となるように接着により気密に塞がれている。
【００３１】
なお、ケース４の内壁側へ露出した外部接続端子５の一端５Ａと基板１上に形成された導体パターン２とは、リフロー炉（図示せず）を通して半田付けする。その後、ケース４および基板１により形成された閉塞空間Ｓに外気よりも高い所定圧の圧縮空気８を封入し、図４に示したように、基板１が外反りとなった電力用半導体装置９が完成する。
【００３２】
上記構成の電力用半導体装置９をヒートシンク（図示せず）に取付ける作業方法は、図２に示した実施の形態１としての電力用半導体装置９の場合と同じであり、説明を省略する。
【００３３】
上述のごとく、蓋が存在しないタイプの電力用半導体装置９であっても、基板１をケース４に接着した後における外部接続端子５と電力用半導体チップ３との接続手段が制限されるものの、ヒートシンク１０の取付面１０Ａに直接接触する基板１として可撓性および絶縁性を有するポリイミド樹脂シートを用いることができ、図１に示した実施の形態１としての電力用半導体装置とほぼ同様な効果が得られる。
【００３４】
即ち、外部接続端子５におけるケース４の内壁側に露出した部分が可撓性を有し、その一端５Ａを導体パターン２に直接半田付けし、導体パターン２およびボンディングワイヤ６を介して電力用半導体チップ３と接続したので、一端５Ａと導体パターン２との接続部への応力集中を低減できる。さらに、外部接続端子５と導体パターン２とを接続する専用の接続導体を不要とする。
【００３５】
なお、図１乃至図５に示した実施の形態１および実施の形態２としての電力用半導体装置９においては、閉塞空間Ｓに圧縮空気８を封止したが、圧縮空気に限定する必要はなく、例えば、窒素ガス等の不活性ガスを圧入して封止してもよいことは述べるまでもない。
【００３６】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００３７】
開口部を有する筒状のケース、一方の主面に複数の導体パターンが形成されると共に、可撓性を有し、前記開口部を塞ぐと共に、前記一方の主面が前記ケースの内側に面するように前記開口部に装着された基板、前記導体パターンの所定の位置に実装された電力用半導体チップ、および前記ケースの内側に充填される可変形の充填体を備え、該充填体の充填により前記基板を所定量外反りとし、該基板の他方の主面をヒートシンクの対向面に当接時に前記基板が前記対向面に沿って変形し得るようにしたので、前記ヒートシンクにおける前記基板との当接面の平面度が低くても前記基板との密着度を高めることができ、軽量、安価で良好な熱放散性を持つ電力用半導体装置が得られる効果がある。
【００３８】
また、上記において、ケースにインサートされた外部接続端子、該外部接続端子と導体パターンとを接続する可撓性を有す接続導体を備えたので、該接続導体の接続部における剥がれを防止できる効果がある。
【００３９】
さらに、上記において、筒状のケースが第１の開口部と第２の開口部とを有し、前記第２の開口部を塞ぐ可撓性を有す蓋を備えたので、前記ヒートシンクにおける前記基板との当接面の平面度が低くても前記基板との密着度を高めることができる効果があるだけでなく、可撓性を有す蓋としたことによりケースの内側に充填される充填体として気体に限定されることがなく、液体やゲル状物質のみの充填も可能な電力用半導体装置が得られる効果がある。
【００４０】
また、上記において、ケースにインサートされ、その少なくとも一端部が可撓性を有し、少なくとも導体パターンの所定位置に接続される外部接続端子を備えたので、前記ヒートシンクにおける前記基板との当接面の平面度が低くても前記基板との密着度を高めることができる効果があるだけでなく、前記外部接続端子の可撓性を有する一端部を前記導体パターンに直接接続することができ、前記外部接続端子と前記導体パターンとを接続する専用の接続導体が不要な電力用半導体装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１としての電力用半導体装置の断面を示す模式図である。
【図２】  図１に示した電力用半導体装置をヒートシンクに取付けた状態の断面を示す模式図である。
【図３】  図１に示した電力用半導体装置におけるケースと基板および蓋との接着部の部分断面を示す模式図である。
【図４】  この発明の実施の形態２としての電力用半導体装置の断面を示す模式図である。
【符号の説明】
１  基板、２  導体パターン、３  電力用半導体チップ、４  ケース、４Ａ、４Ｂ  開口部、５  外部接続端子、６  ボンディングワイヤ、７  蓋、８  圧縮空気、９  電力用半導体装置、１０  ヒートシンク、１１  ボルト
【図１】
0003972550.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003972550.tif 000005