(57)【要約】【課題】パワー半導体モジュールをヒートシンクの上に配置する場合には、選択的に導通と絶縁を行うための接続部材が必要なため、省スペース化の障害となっていた。【解決手段】パワー半導体モジュールのＰ電極、Ｎ電極、ＡＣ電極のうち、前記Ｎ電極をＧＮＤ電位とし、前記Ｎ電極を前記パワー半導体モジュールから露出させヒートシンクと接触させた。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のパワー半導体チップと、第２のパワー半導体チップと、前記第１のパワー半導体チップの第１の電極に接続されたＰ電極と、前記第２のパワー半導体チップの第１の電極に接続されたＮ電極と、前記第１のパワー半導体チップの第２の電極および前記第２のパワー半導体チップの第２の電極に接続されたＡＣ電極と、前記第１のパワー半導体チップ、前記第２のパワー半導体チップ、前記Ｐ電極、前記Ｎ電極および前記ＡＣ電極をモールドするモールド部材とを備えたパワー半導体モジュール、および前記パワー半導体モジュールと接触して配置され前記パワー半導体モジュールの熱を放熱するヒートシンクを備え、前記Ｎ電極がＧＮＤ電位であって、前記Ｎ電極が前記パワー半導体モジュールから露出して前記ヒートシンクと接触し、前記Ｐ電極および前記ＡＣ電極が前記パワー半導体モジュールの側面から突出するように構成したことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項２】
前記パワー半導体モジュールの前記ヒートシンクとの対向面に前記Ｎ電極のみを露出し、前記ヒートシンクはＧＮＤ電位として、前記Ｎ電極と前記ヒートシンクがメタル接触して電気的に接続され、前記Ｎ電極以外の電極は、絶縁性部材を介して前記ヒートシンクから放熱することを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項３】
前記Ｐ電極と前記ＡＣ電極は、前記パワー半導体モジュールの厚さ方向の中心線よりもヒートシンク側に近い側にあり、前記第１のパワー半導体チップで生じた熱の大半は、前記Ｐ電極と前記ヒートシンクとの間の絶縁性部材を介して前記ヒートシンクへ放熱され、前記第２のパワー半導体チップで生じた熱の大半は、前記ＡＣ電極と前記ヒートシンクとの間の絶縁性部材を介して前記ヒートシンクへ放熱されることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項４】
前記パワー半導体モジュールは、前記パワー半導体モジュールの厚さ方向に貫通穴を備え、前記貫通穴を通るねじによって前記パワー半導体モジュールと前記ヒートシンクとを固着させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項５】
前記ヒートシンクはねじ穴を備え、前記パワー半導体モジュールは皿ばねを介して前記ねじによって前記ヒートシンクに止められていることを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体装置。
【請求項６】
前記貫通穴は、前記Ｎ電極の平面内を通る位置に設けられ、前記Ｎ電極の前記貫通穴の近くは両面が露出し、前記パワー半導体モジュールと前記ヒートシンクとを固定する前記ねじの座面と前記Ｎ電極の露出面が接することを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体装置。
【請求項７】
前記貫通穴が設けられた前記Ｎ電極の露出部は変形し得る可撓性構造部であることを特徴とする請求項６に記載のパワー半導体装置。
【請求項８】
前記貫通穴の開口部に金属板を備えていることを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体装置。
【請求項９】
前記パワー半導体モジュールは、ばねによって前記ヒートシンクに押圧されていることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項１０】
前記ばねは、前記第１のパワー半導体チップおよび前記第２のパワー半導体チップの投影面上に重ならない前記パワー半導体モジュールの表面を加圧することを特徴とする請求項９に記載のパワー半導体装置。
【請求項１１】
前記パワー半導体モジュールの前記Ｎ電極の露出面と前記絶縁性部材の表面とが、略同一平面にあることを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体装置。
【請求項１２】
前記パワー半導体モジュールは、三相交流回路の少なくとも1つ相を構成し、上アームの前記第１のパワー半導体チップを搭載する前記Ｐ電極と、下アームの前記第２のパワー半導体チップを搭載する前記ＡＣ電極はそれぞれ、前記パワー半導体モジュールの略反対側の側面から延出していることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項１３】
前記パワー半導体モジュールの前記Ｐ電極が前記ヒートシンクの内周側に位置し、前記ＡＣ電極が前記ヒートシンクの外周側に位置するようにして、１つの前記ヒートシンク上に複数個搭載され、前記Ｐ電極がＰ電極用バスバーで接続され、前記ＡＣ電極がＡＣ電極用バスバーで接続されて三相交流回路を構成していることを特徴とする請求項１１に記載のパワー半導体装置。
【請求項１４】
前記Ｎ電極と前記ヒートシンクがＧＮＤ電位のモーターハウジングと接続されてモータージェネレータ用の電力変換装置に使用し得ることを特徴とする請求項１２に記載のパワー半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、モールド樹脂封止型のパワー半導体モジュールをヒートシンクに搭載したパワー半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクス装置においては、小型、低コスト、高効率、高性能および高信頼性が望まれている。それに伴って、電力変換用のパワー半導体装置についても小型化、高信頼性が求められている。
パワー半導体装置は、パワー半導体モジュールとヒートシンクとが一体化されたものであって、パワー半導体モジュールは、スイッチング可能なパワー半導体チップと、パワー半導体チップに接続された配線部材とを絶縁樹脂で封止することによって製造されている。
このパワー半導体モジュールの信頼性を確保するために、個々に環境試験および耐久試験など種々の信頼性試験が行われ、試験に合格したパワー半導体モジュールのみがヒートシンクに搭載されている。
パワー半導体モジュールの小型化については、モータージェネレータのような車載用機器などに採用されているモールド封止型のパワー半導体装置では、ヒートシンクがグランド（以下ＧＮＤと表す）電位であるため、パワー半導体モジュールの電極のうち、ＧＮＤ電位となる電極をヒートシンクに電気的に接続し、ＧＮＤ電位以外の電極をヒートシンクから絶縁するために、放熱面に絶縁性部材を配置する必要があり、この絶縁性部材が小型化の弊害となっている。
【０００３】
このため、絶縁と放熱の両方の特性を満足させるために様々な検討が行われており、例えば、パワー半導体チップを搭載する金属部材の外側に絶縁層を設け、その絶縁層の熱伝導率を向上させるために、絶縁層として、酸化アルミニウムを溶射し、その後に熱処理を施して熱伝導率を上昇させた絶縁層を用いることによってパワー半導体モジュールの熱抵抗を低減させることが提案されている（特許文献１）。
また、小型化のためには、パワー半導体モジュールの電極の構造を工夫し、パワー半導体チップの上面側の電極に板状の電極を接続して露出させて、パワー半導体モジュールの厚さ方向に電極の取り出しを行うことが提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５２４６１４３号公報
【特許文献２】特開２０１４−５６９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１および特許文献２に示された構成のパワー半導体モジュールでは、パワー半導体モジュールそのものの絶縁と放熱、および省スペース化についての提案が行われている。しかし、パワー半導体モジュールをヒートシンクの上に配置する場合には、何れにしても、パワー半導体モジュールのＧＮＤ電位の電極とＧＮＤ電位以外の電極とを区別して、ヒートシンクと選択的に導通と絶縁を行うことが必要であり、パワー半導体モジュールとヒートシンクとの間に接続部材を設けることになる。このため省スペース化の障害となる。すなわち、パワー半導体装置としては、搭載されるパワー半導体モジュールが個々に信頼性検査を行うことができ、しかも、パワー半導体モジュールをヒートシンクに搭載した構造体として、高性能化、高信頼化および生産性の向上を図ることが課題として残って
いる。
【０００６】
この発明は、前述のような従来の課題を解消するためになされたものであり、パワー半導体チップからの放熱性を損なうことなく、パワー半導体モジュールの信頼性検査を単品で実施可能とするととともに、ＧＮＤ接続部品の省略によりパワー半導体装置の省スペース化を可能とするパワー半導体装置を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、第１のパワー半導体チップと、第２のパワー半導体チップと、前記第１のパワー半導体チップの第１の電極に接続されたＰ電極と、前記第２のパワー半導体チップの第１の電極に接続されたＮ電極と、前記第１のパワー半導体チップの第２の電極および前記第２のパワー半導体チップの第２の電極に接続されたＡＣ電極と、前記第１のパワー半導体チップ、前記第２のパワー半導体チップ、前記Ｐ電極、前記Ｎ電極および前記ＡＣ電極を覆う絶縁部材とを備えたパワー半導体モジュール、および前記パワー半導体モジュールと接触して配置され前記パワー半導体モジュールの熱を放熱するヒートシンクを備え、前記Ｎ電極がＧＮＤ電位であって、前記Ｎ電極が前記パワー半導体モジュールから露出して前記ヒートシンクと接触し、前記Ｐ電極および前記ＡＣ電極が前記パワー半導体モジュールの側面から突出するように構成したものである。
また、ヒートシンクとの対向面にＮ電極のみを露出し、ヒートシンクはＧＮＤ電位であり、Ｎ電極とヒートシンクがメタル接触することで電気的に接続する構造とし、Ｎ電極以外の電極は、薄い樹脂層を介してヒートシンクから放熱するように構成したものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によるパワー半導体装置は、前記の構成を採用することによって、パワー半導体チップの電極に接続されたＧＮＤ電位となるＮ電極が、パワー半導体モジュールのヒートシンク対向面側に露出して、ＧＮＤ電位のヒートシンク上に固定されることで電気的に接続されているため、パワー半導体チップ単体で、ＧＮＤ電位のＮ電極とその他の電極の耐圧検査が可能となる。また、ヒートシンクとＮ電極がメタル接触することで電気的に接続されており、改めて、封止樹脂外側にＮ電極の延出部とＧＮＤ接続部品を設ける必要がない。これにより、生産上のロスの増大を防止するとともに、省スペース化が可能となる。また、パワー半導体チップを搭載した電極は、薄い樹脂層を介してヒートシンク接続されており放熱性が損なわれることがない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１に係るパワー半導体装置の構成の一部を模式的に示す斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るパワー半導体装置の構成の一部を模式的に示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係るパワー半導体装置の構成の一部を模式的に示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係るパワー半導体装置の構成の一部を模式的に示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係るパワー半導体装置のＮ電極露出部を模式的に示す斜視図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係るパワー半導体装置の構成の一部を模式的に示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態４に係るパワー半導体装置の構成の一部を模式的に示す断面図である。
【図８】この発明の実施の形態５に係るパワー半導体モジュールの構成の一部を模式的に示す断面図である。
【図９】この発明の実施の形態６に係るパワー半導体装置の構成を模式的に示す平面図である。
【図１０】この発明の実施の形態６に係るパワー半導体装置の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は、実施の形態１に係るパワー半導体装置の構成の一部を模式的に示す斜視図である。また、図２は、図１に示したパワー半導体装置１００のＡ−Ａ線における断面の構成の一部を模式的に示す断面図である。このパワー半導体装置１００は、パワー半導体モジュール１０とヒートシンク２０によって構成されており、パワー半導体モジュール１０は、第１のパワー半導体チップ１と、第２のパワー半導体チップ２と、この第１のパワー半導体チップ１と第２のパワー半導体チップ２に接続されるＰ電極３、Ｎ電極４、ＡＣ電極５とが絶縁部材６（以下モールド樹脂という）によってモールドされたものである。
すなわち、Ｐ電極３の上に第１のパワー半導体チップ１が搭載され、ＡＣ電極５の上に第２のパワー半導体チップ２が搭載され、第１のパワー半導体チップ１の電極はＡＣ電極５に接続され、Ｎ電極４は第２のパワー半導体チップ２に接続されている。言い換えると、第１のパワー半導体チップ１の電極を第１の電極１ａと第２の電極１ｂとすると、Ｐ電極３は、第１のパワー半導体チップ１の第１の電極１ａに接続されており、同様に、第２のパワー半導体チップ２の電極を第１の電極２ａと第２の電極２ｂとすると、Ｎ電極４は、第２のパワー半導体チップ２の第１の電極２ａに接続され、ＡＣ電極５は、第１のパワー半導体チップ１の第２の電極１ｂと第２のパワー半導体チップ２の第２の電極２ｂに接続されているということになる。
【００１１】
また、第１のパワー半導体チップ１には、信号端子１ｃが接続され、第２のパワー半導体チップ２には、信号端子２ｃが接続されている。なお、それぞれの信号端子１ｃ、２ｃは、例えば、ゲート電極、検温ダイオード電極であって、一般的にパワー半導体デバイスにおいて、制御信号用に使用されている電極である。
ここで説明したＰ電極３、Ｎ電極４、ＡＣ電極５は、パワー半導体装置１００のリード端子で、このリード端子は、一般的には、帯状の薄い金属板に所定のパターンで打ち抜かれたリードフレームとして供給され、必要な加工処理後、フレームから切り離されて構成されるものである。
【００１２】
すなわち、リードフレーム（全体を図示していない）は、第１のパワー半導体チップ１の下面の第１の電極１ａに対して導電性部材６を介して接続されるＰ電極３と、第２のパワー半導体チップ２の上面の第１の電極２ａに対して配線部材７を介して接続されるＮ電極４と、第１のパワー半導体チップ１の上面の第２の電極１ｂに対して配線部材７を介して接続されるとともに、第２のパワー半導体チップ２の下面の第２の電極２ｂと導電性部材を介して接続されるＡＣ電極５を備えている。このリードフレームは、金属製であり、たとえば、銅やアルミを基材とした合金を用いる。リードフレームは、板状の材料をエッチング加工や、プレス加工で配線パターン状に成型されており、リードフレーム表面に基材の金属が露出しているものも使用可能であるが、少なくとも一部にめっき処理をされているものも使用可能である。リードフレームは、片側にパワー半導体チップ、導電性部材、配線部材などが搭載され、モールド樹脂６で包み込まれるように封止された後に、電気配線上不要な部分を除去される。これにより、パワー半導体モジュール１０内に回路を構成されている。リードフレームのＮ電極４以外のＰ電極３およびＡＣ電極５は、絶縁部材によるモールド樹脂６の側面から延出し、外部の導線と接続されることで、パワー半導体装置１００の回路を構成している。
【００１３】
第１のパワー半導体チップ１および第２のパワー半導体チップ２は、チップ上面とチップ裏面に、それぞれ電極１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂを備える。それぞれの電極１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂは、それぞれ配線部材７と導電性部材８によって、リード端子であるＰ電極３、Ｎ電極４、ＡＣ電極５に機械的、電気的に接続される。通電時の電流は、パワー半導体チップ１、２の厚さ方向に通過する。図１ではパワー半導体チップ１、２は、一例としてＭＯＳＦＥＴを示したが、ＩＧＢＴにも適用可能である。ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴは、スイッチング可能な素子であり、チップ上面にチップ上面電極とは別の、ゲート部とゲート電極を備える。また、温度を検知する場合には、チップ上面電極およびゲート電極とは別の検温ダイオード部と検温ダイオード電極を設ける。搭載するパワー半導体チップにゲート電極や検温ダイオード電極を搭載するとき、本実施例で示すように、パワー半導体装置は、ゲート電極と電気的に接続するリードフレームの一部で構成されたゲート電極や、検温ダイオード電極に電気的に接続するリードフレームの一部で構成された検温ダイオード電極を搭載する。ゲート電極、検温ダイオード電極は、それぞれリードフレームのゲート電極と検温ダイオード電極などの信号端子１ｃ、２ｃにワイヤーボンドで接続される。パワー半導体チップ１、２の材料としては、Ｓｉのみならず、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＧａＮ、ＧａＡｓなどを用いて作製したものも使用可能である。またパワー半導体チップの上面電極は、Ｎｉめっき層などのはんだ付けできる仕様に備える。
【００１４】
配線部材７は、チップ上面電極とリードフレームのＮ電極４もしくはＡＣ電極５を接続する。図１に図示した様に、金属板状の配線部材７を用いる場合は、配線部材７とチップ上面電極１ａの間、配線部材７とＮ電極４もしくはＡＣ電極５の間は、導電性部材８を介して接合される。配線部材７は、モールド樹脂６内部に包括されるように配置されており、製造時に外部から配線部材７を支える部分をもたない。導電性部材８を介して接続される部分同士をつなぐ配線部材７の胴体部は、接続される部分よりもリードフレームから離れる方向に変形している。配線部材７の胴体部の断面積は、通電する電流の量によって決められる。また、実施の形態１では、例として金属板状の配線部材７を示したが、ワイヤーボンドなどの金属線材を用いても良い。
【００１５】
導電性部材８は、チップ上面電極１ａ、２ｂと配線部材７の間、配線部材７とリードフレームのＮ電極４もしくはＡＣ電極５の間、チップ下面電極１ｂ、２ａとＰ電極３もしくはＡＣ電極５の間に配置される。チップ上面電極１ａ、２ｂと配線部材７の間の導電性部材６には、はんだが用いられるが、導電性ペーストなどの微細な金属フィラーと樹脂のコンポジット材を用いても良い。
【００１６】
モールド樹脂６は、リードフレームと、パワー半導体チップ１、２と、導電性部材８と、配線部材７を略包み込むように配置されることで実装面を封止する。モールド樹脂６は、リードフレーム上に各種構成部材を実装した後に、トランスファー成形により設置される。モールド樹脂６は、絶縁性のフィラーを含んでおり、パワー半導体チップ１、２で生じた発熱を外部に熱伝導により伝達する。モールド樹脂６は、Ｎ電極４のヒートシンク２０に対向する面が表面に露出するように成形される。封止後に、リードフレームの不要な部分を切り落とし、リードフレームのモールド樹脂６からの延出部を曲げることによってパワー半導体モジュール１０が構成される。また、モールド樹脂６はパワー半導体モジュール１０の厚さ方向の中心線よりもヒートシンク２０側にリードフレームを配置する。これにより、リードフレームはよりヒートシンク２０との距離を小さくすることが可能であり放熱性を向上させることができる。
【００１７】
絶縁性部材９は、少なくともパワー半導体チップ１、２を搭載するＰ電極３やＡＣ電極５のヒートシンク２０側を覆うように配置されている。このとき、絶縁性部材９はＮ電極４が露出している面以外のヒートシンク側２０を覆っていても良い。また、絶縁性部材９は、パワー半導体装置１００をヒートシンク２０に搭載した際に、ヒートシンク２０の対向面とヒートシンク２０が接するように構成されている。これにより、パワー半導体モジュールで生じた発熱を薄い絶縁性部材９を介してヒートシンク２０へ伝達し、ヒートシンク２０から外部へ排出される。絶縁性部材９とヒートシンク２０の間には、接触部の熱抵抗を減少させる放熱グリース９１を用いるのが良い。放熱グリース９１を使用すると、パワー半導体モジュール１０をヒートシンク２０に固着する際の隙間の調整として役立ち、密着性がよくなる。絶縁性部材９は、樹脂に絶縁性のフィラーを混合した絶縁性樹脂を用いる。絶縁性部材９は、トランスファー成形により形成され、必要とされる放熱性により部材の熱伝導率を変化させればよく、放熱性を満たせばモールド樹脂６と同じ材料で構成してもよい。モールド樹脂６で構成する場合には、トランスファー成形時に一括に絶縁性部材９を構成することができ生産性をよくできる。また、絶縁性部材９の厚さを薄くすることで、ヒートシンク２０とＰ電極３やＡＣ電極５とヒートシンク２０との距離を短くし、熱抵抗を小さくすることで放熱性を向上できる。また、絶縁性部材とモールド樹脂６で、Ｎ電極４とＰ電極３とＡＣ電極５もしくは信号端子１ｃ、２ｃはそれぞれ絶縁されおり、パワー半導体モジュール１０単品で耐圧検査が可能となる。
【００１８】
ヒートシンク２０は、アルミニウムもしくは銅などの金属を基材にした合金を、鋳造、鍛造、板金加工、切削加工などで加工して構成される。ヒートシンク２０は、強制空冷用であり、パワー半導体モジュール１０の搭載面の反対側には図示しない放熱フィンなどの面積拡大機構を備える。パワー半導体モジュール１０の搭載部は、Ｎ電極４と接触するようにパワー回路用モジュールの放熱面に合せた形状を備える。パワー半導体モジュール１０のＮ電極４とヒートシンク２０の搭載面が押し付けられることで電気的に接続される。また、Ｎ電極４の露出部のモールド樹脂６の凹みとヒートシンク２０の凸部が嵌ることでパワー半導体モジュールの位置決め効果も得られる。
【００１９】
パワー半導体モジュール１０は、ヒートシンク２０のパワー半導体モジュール１０搭載面に対して垂直な方向に貫通穴３０を備える。また、ヒートシンク２０は、パワー半導体モジュール１０の貫通穴３０と適合する位置にねじ穴３１を備え、図２に示すように、パワー半導体モジュール１０のヒートシンク２０に対して反対側からねじ３２によってねじ留めして固定される。このとき、Ｎ電極４とヒートシンク２０が押し付けられて接触し、電気的に接続する。これにより、パワー半導体モジュール１０にＮ電極４の延出部と、Ｎ電極４とヒートシンク２０のＧＮＤ接続部材を省略でき、パワー半導体装置１００の小型化が可能となる。また、組み立て工程を簡略化するとともに、分解も可能となる。
【００２０】
前述のように構成されることで、パワー半導体装置１００は、パワー半導体チップ１、２からの放熱性を損なうことなく、パワー半導体モジュール１０の耐圧検査を単品で実施可能とするととともに、ＧＮＤ接続部品の省略によりパワー半導体モジュール１０の省スペース化が可能となる。
実施の形態２
【００２１】
つぎに、実施の形態２を図に基づいて説明する。
図３は、実施の形態２に係るパワー半導体装置１００の構成の一部を模式的に示す断面図である。実施の形態２によるパワー半導体装置１００は、パワー半導体モジュール１０の貫通穴３０を通してヒートシンク２０にねじ留めするときに、ねじ３２の座面とパワー半導体装置１００の間に皿ばね３３を備える。ねじ３２を締めたときに、皿ばね３３がねじ３２の座面で押されパワー半導体モジュール１０がヒートシンク２０に押し付けられることで、Ｎ電極４とヒートシンク２０が電気的に接続される。
【００２２】
皿ばね３３を介して加圧する場合は、ねじ３２の座面でパワー半導体モジュール１０がヒートシンク２０に直接加圧される場合と比較して、パワー半導体モジュール１０の上の被加圧面積を大きくすることができ、ねじ３２の締め付けによるモールド樹脂６の割れ耐性を向上できる。また、パワー半導体モジュール１０は、通電時の自己発熱や、外部からの受熱により、温度が変化した時に線膨張係数に基づいた膨張をするが、皿ばね３３が変形することで吸収し、接触部の応力が高まりモールド樹脂６が割れたり、内部のパワー半導体チップ１、２が損傷したりすることを防止する。逆に、設置された雰囲気温度が低下した場合など、パワー半導体装置１００の温度が低下した場合でも、パワー半導体モジュール１０は収縮するが、これに関しても皿ばね３３が変形することによって締め付け力の低下を防止し、ねじ３２の締め付け保持寿命を向上させるとともに、パワー半導体モジュール１０とヒートシンク２０との接触面の圧力の低下を防止し、放熱性を確保することが可能となる。
実施の形態３
【００２３】
次に、実施の形態３を図に基づいて説明する。
図４は、実施の形態３に係るパワー半導体装置１００の構成を模式的に示す断面図である。実施の形態３によるパワー半導体装置１００においては、貫通穴３０をＮ電極４の平面内を通るように設け、Ｎ電極４の上面と下面の両面をモールド樹脂６から露出するように構成している。この構成においてねじ３２を締め付けると、ねじ３２の座面によってＮ電極４の露出面が加圧され、Ｎ電極４がヒートシンクに押し付けられることで電気的に接続される。
【００２４】
この構造を備えることで、ねじ締めによりパワー半導体モジュール１０をヒートシンク２０に固定するときに、モールド樹脂６を介さないでねじ締めすることが可能となり、モールド樹脂６の割れを防止するために制約されるねじ３２の締め付けトルクを大きくできる。これにより、パワー半導体モジュール１０とヒートシンク２０を強固に固定できる。また、Ｎ電極の露出部分のみを加圧する構造となるため、モールド樹脂６の内部に封止された各種部品に応力が生じるのを回避できる。また、締め付けトルクを大きくしたことで、Ｎ電極４とヒートシンク２０が強力に押し付けられ、接触面の電気抵抗をより小さくすることができる。
【００２５】
また、Ｎ電極４の露出部を、変形しやすい可撓性の構造体とすることによってさらに効果的な締め付けを行うことができる。たとえば、図５に示すような可撓性構造部３４とすることで、ねじ締め付け時にねじ３２の座面でＮ電極４の可撓性構造部３４が押されることで、ねじ締め方向に変形する。Ｎ電極４の露出部が変形することで、モールド樹脂６とリード端子（Ｐ電極、ＡＣ電極）との間に生じる応力を低減し、界面が剥がれるのを防止できることになる。また、本発明では、ねじ３２でパワー半導体モジュール１０をヒートシンク２０に固定した時に、Ｎ電極４とヒートシンク２０が電気的に接続されるとともに、絶縁性部材９がヒートシンク２０に押し付けられることで良好な放熱経路を形成する構造である。このとき、Ｎ電極４のヒートシンク２０への対向面と絶縁性部材９の段差寸法は、本構造を実現できる高い精度が必要となる。Ｎ電極４の露出部が可撓性構造部３４を備えることで、締め付け時に変形によって例え段差が存在していても、可撓性構造部３４の僅かな変形によってより調整されるため、段差の寸法許容値を大きく設定することが可能となり、生産性が向上し、コストを低減できる。
【００２６】
また、図６に示すような金属板３５をパワー半導体モジュール１０の表面の貫通穴３０の出口に備えても良い。この場合も、ねじ締めされたときに、モールド樹脂６は接触面積がねじ３２の座面よりも大きい金属板３５を介して加圧されるので、モールド樹脂６の割れを防ぐことができる。金属板３５は、トランスファー成形時に一体成型しても良いし、トランスファー成形時に金属板３５を配置する窪みを形成し、ヒートシンク２０にパワー半導体モジュール１０を取り付けるときに配置しても良い。あとから金属板３５を配置する場合は、金属製の座金、ばね座金などを使用するとねじ緩みの耐性を向上する効果がある。
実施の形態４
【００２７】
つぎに、実施の形態４を図に基づいて説明する。
図７は、実施の形態４に係るパワー半導体装置１００の構成を模式的に示す断面図である。パワー半導体装置１００は、パワー半導体モジュール１０を固定するばね４０を備え、パワー半導体モジュール１０は、ヒートシンク２０にばね４０で加圧されることでヒートシンク２０上に固定される。この場合は、パワー半導体モジュール１０に貫通穴３０は設けない。ばね４０の固定部は、パワー半導体装置１００のヒートシンク２０上に設置されても良いし、パワー半導体装置１００を組み込む製品の筐体に設置されていても良い。
【００２８】
前述の構成を備えることで、組み立て時にパワー半導体モジュール１０はヒートシンク２０に搭載し、ばね４０で加圧することで固定できるため、組み立てが容易になる。また、パワー半導体モジュール１０は、ねじ３２で固定する場合のような貫通穴３０を備える必要がなく、さらなる小型化が可能となる。この加圧方法では、パワー半導体モジュール１０の表面の任意の箇所を複数点加圧することができるため、Ｎ電極４とヒートシンク２０の接触面や、絶縁性部材９とヒートシンク２０の接触面を均等に加圧することでできる。この時、ばね４０は、パワー半導体モジュール１０のヒートシンク２０の反対側の面内で、パワー半導体チップ１、２の搭載部の投影面上に重ならない面を加圧するようにすることで、パワー半導体チップ１、２とその近傍にある部材に生じる応力を低減でき、加圧力の許容範囲を広げ、導電性部材８の寿命を長くできる効果がある。
実施の形態５
【００２９】
つぎに、実施の形態５を図に基づいて説明する。
図８は、実施の形態５に係るパワー半導体モジュール１０の構成を模式的に示す断面図である。パワー半導体モジュール１０のＮ電極４の露出面と絶縁性部材９のヒートシンク対向面は、略同一平面に配置させている。本構造は、Ｎ電極４がパワー半導体モジュール１０を成形後に絶縁性部材と同一平面になるように、リードフレームのＮ電極をあらかじめ折り曲げたり、プレス加工により半せん断状態にすることで段差を設けたりして構成できる（図８（Ａ））。また、少なくともリードフレームのＮ電極４の一部を、Ｐ電極３およびＡＣ電極５に比べて厚さを増大させることで構成することも可能である（図８（Ｂ））。もしくは、Ｎ電極４に電気的に接続され、絶縁性部材９の厚さと略同じ厚さを持つ配線部材５０を配置することで構成することも可能である（図８（Ｃ））。
【００３０】
この構成とすることで、パワー半導体モジュール１０がヒートシンク２０に押し付けられた時に絶縁性部材９とＮ電極４の露出面が均等に加圧され、良好なコンタクトと接触部の小さい熱抵抗を容易に実現できる。また、パワー半導体モジュール１０をトランスファー成型する際に、金型の構造を簡略化しやすく金型費を低減できる。ヒートシンク２０は、パワー半導体モジュール１０の搭載面を平面とすればよく、ヒートシンクの成形が容易となる。さらに、ヒートシンク２０とパワー半導体モジュール１０の放熱面および固定面となる面積が増加するため、放熱性と耐振性が向上する。
実施の形態６
【００３１】
つぎに、実施の形態６を図に基づいて説明する。
図９は、実施の形態６に係るパワー半導体装置１００の構成を模式的に示す平面図である。また図１０は、実施の形態６に係るパワー半導体装置１００の構成を模式的に示す回路図である。パワー半導体モジュール１０は、三相交流回路の少なくとも1つの相を構成し、上アームのパワー半導体チップを搭載するＰ電極３と、下アームのパワー半導体チップを搭載するＡＣ電極５はそれぞれ、パワー半導体モジュール１０の略反対側の側面から延出している。また、Ｐ電極３の延出部をヒートシンクの平面上の中心方向に配置し、ＡＣ電極５の延出部がヒートシンク２０の外周部に配置するように、１つのヒートシンク上に複数個搭載し、それぞれＰ電極用バスバー９１およびＡＣ電極用バスバー９２で接続することで、三相交流回路を構成している。
【００３２】
パワー半導体モジュール１０は、Ｐ電極３とＡＣ電極５をそれぞれ反対側の側面から延出させる構造により、電流の経路を直線状にすることで低インダクタンス化できる。また、１相分をパワー半導体モジュール１０の内部に備えることで、同じパワー半導体モジュール１０を複数個組み合わせることで三相交流回路を容易に構成できるとともに、製造面でも同じパワー半導体モジュール１０を複数個製造すればよく、製造コストが低減できる。また、三相交流回路を複数回路並列接続する回路を構成する場合、２相分もしくは３相分をパワー半導体モジュール内部に設けることで、同じモジュールを複数個組み合わせることで、容易に回路を構成できるとともに、製造コストを低減できる。
【００３３】
パワー半導体モジュール１０を、Ｐ電極３の延出部をヒートシンク２０の内側に配置してＰ電極用バスバー９１で接続し、ＡＣ電極５の延出部をヒートシンク２０の外周部に配置してＡＣ電極用バスバー９２で接続して複数個組み合わせ、三相交流回路もしくは三相交流回路を複数回路並列接続する回路を構成することで、モータージェネレータ用の電力変換装置となる。Ｐ電極３はバスバーなどの配線部材を介してバッテリーなどの電源に接続される。また、ＡＣ電極５はモールド樹脂からの延出部、もしくは延出部と接続された配線部材とモーター用のコイル口出し線と接続される。Ｎ電極と接続したＧＮＤ電位のヒートシンクは、同じくＧＮＤ電位のモーターハウジングと接続される。このように、モーター部と接続されることでモータージェネレータ用の電力変換装置となる。
【００３４】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１  第１のパワー半導体チップ、２  第２のパワー半導体チップ、３  Ｐ電極、
４  Ｎ電極、５  ＡＣ電極、６  モールド樹脂、７  配線部材、８  導電性部材、
９  絶縁性部材、１０  パワー半導体モジュール、２０  ヒートシンク
３０  貫通穴、３１  ねじ穴、３２  ねじ、３３  皿ばね、３４  可撓性構造部、
３５  金属板、４０  ばね、５０  配線部材、９１  Ｐ電極用バスバー、
９２  ＡＣ電極用バスバー、１００  パワー半導体装置
【図１】
2016162992.tif 000003
【図２】
2016162992.tif 000004
【図３】
2016162992.tif 000005
【図４】
2016162992.tif 000006
【図５】
2016162992.tif 000007
【図６】
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【図７】
2016162992.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年5月24日(2016.5.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に第１の電極を有し、他方の面に第２の電極を有する第１のパワー半導体チップ、一方の面に第１の電極を有し、他方の面に第２の電極を有する第２のパワー半導体チップ、前記第１のパワー半導体チップの前記第１の電極に接続されるＰ電極と、前記第２のパワー半導体チップの前記第１の電極に接続されるＮ電極と、前記第１のパワー半導体チップの前記第２の電極と前記第２のパワー半導体チップの前記第２の電極に接続されるＡＣ電極の配線パターン状に成型されたリードフレーム、および前記リードフレームの前記Ｐ電極の上に前記第１のパワー半導体チップが搭載され、前記ＡＣ電極５の上に前記第２のパワー半導体チップが搭載され、前記第１のパワー半導体チップの電極が前記ＡＣ電極に接続され、前記Ｎ電極が前記第２のパワー半導体チップ２に接続され、モールドするモールド部材を備えたパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールに接触して配置され前記パワー半導体モジュールの熱を放熱するヒートシンクを備え、前記Ｎ電極をＧＮＤ電位として、前記Ｎ電極が前記パワー半導体モジュールから露出して前記ヒートシンクと接触し、前記Ｐ電極および前記ＡＣ電極が前記パワー半導体モジュールの側面から突出するように構成したことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項２】
前記パワー半導体モジュールの前記ヒートシンクとの対向面に前記Ｎ電極のみを露出し、前記ヒートシンクはＧＮＤ電位として、前記Ｎ電極と前記ヒートシンクがメタル接触して電気的に接続され、前記Ｎ電極以外の電極は、絶縁性部材を介して前記ヒートシンクから放熱することを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項３】
前記リードフレームは、前記パワー半導体モジュールの厚さ方向の中心線よりもヒートシンク側に近い側にあり、前記第１のパワー半導体チップで生じた熱の大半は、前記Ｐ電極と前記ヒートシンクとの間の絶縁性部材を介して前記ヒートシンクへ放熱され、前記第２のパワー半導体チップで生じた熱の大半は、前記ＡＣ電極と前記ヒートシンクとの間の絶縁性部材を介して前記ヒートシンクへ放熱されることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項４】
前記パワー半導体モジュールは、前記Ｎ電極の平面内を通る位置に、前記パワー半導体モジュールの厚さ方向に貫通穴を備え、前記貫通穴を通るねじによって前記パワー半導体モジュールと前記ヒートシンクとを固着させ、前記Ｎ電極の前記貫通穴の近くは両面が露出し、前記Ｎ電極の露出部は変形し得る可撓性構造部であって、前記パワー半導体モジュールと前記ヒートシンクとを固定する前記ねじの座面と前記Ｎ電極の露出面が接するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
この発明は、一方の面に第１の電極を有し、他方の面に第２の電極を有する第１のパワー半導体チップ、一方の面に第１の電極を有し、他方の面に第２の電極を有する第２のパワー半導体チップ、前記第１のパワー半導体チップの前記第１の電極に接続されるＰ電極と、前記第２のパワー半導体チップの前記第１の電極に接続されるＮ電極と、前記第１のパワー半導体チップの前記第２の電極と前記第２のパワー半導体チップの前記第２の電極に接続されるＡＣ電極の配線パターン状に成型されたリードフレーム、および前記リードフレームの前記Ｐ電極の上に前記第１のパワー半導体チップが搭載され、前記ＡＣ電極５の上に前記第２のパワー半導体チップが搭載され、前記第１のパワー半導体チップの電極が前記ＡＣ電極に接続され、前記Ｎ電極が前記第２のパワー半導体チップ２に接続され、モールドするモールド部材を備えたパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールに接触して配置され前記パワー半導体モジュールの熱を放熱するヒートシンクを備え、前記Ｎ電極をＧＮＤ電位として、前記Ｎ電極が前記パワー半導体モジュールから露出して前記ヒートシンクと接触し、前記Ｐ電極および前記ＡＣ電極が前記パワー半導体モジュールの側面から突出するように構成したものである。