(57)【要約】      （修正有）【課題】パワー半導体封止体及びフィルムコンデンサ双方の冷却性能に優れ、小型高密度で信頼性の高いパワー半導体装置を提供する。【解決手段】パワー半導体封止体１００と、フィルムコンデンサ２００と冷却器３０３と、パワー半導体封止体１００とフィルムコンデンサ２００と冷却器３０３を収納するための隔壁部材３０１（薄板ケース）からなるパワー半導体装置において、隔壁部材３０１は上下に複数の開口部を有し、隔壁部材３０１の上側に開口を持つ開口部３０１ａのそれぞれにパワー半導体封止体１００とフィルムコンデンサ２００を収納し、下側に開口を持つそれぞれの開口部３０１ｂに冷却器３０１を収納し、パワー半導体封止体１００とフィルムコンデンサ２００が冷却器３０１を挟んで配置されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方側に開口部を有すると共に他方側に開口部を有する隔壁部材と、前記一方側の開口部に収納される半導体とフィルムコンデンサと、前記他方側の開口部に収納される冷却器と、前記一方側の開口部に封入される封止部材を有し、前記半導体とフィルムコンデンサは、各々、前記隔壁部材を介して前記冷却器に挟まれるように収納されていることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、前記半導体は、第１の主面と、第２の主面と、前記第１主面に接合材を介して放熱する第１の放熱板と、前記第２主面に接合材を介して熱を放熱する第２の放熱板とを有し、前記第１の放熱板の熱は前記開口部の一方側の冷却器で冷却され、前記第２の放熱板の熱は前記開口部の他方側の冷却器で冷却されることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項３】
請求項１において、前記隔壁部材の少なくともフィルムコンデンサを収納する部位に伸縮可能にするための屈曲部または湾曲部を形成したことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかにおいて、前記半導体のリード、フィルムコンデンサのリード及びバスバーを絶縁するための封止樹脂を前記隔壁部材の開口部に充填させたことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項５】
請求項１において、前記冷却器と、半導体又はフィルムコンデンサが、交互に配置されることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項６】
請求項１において、前記フィルムコンデンサは複数配置されてしており、前記複数のフィルムコンデンサはバスバーで接続されていることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項７】
請求項１において、前記半導体は複数配置されてしており、前記複数の半導体は直列に接続され、前記直列に接続された一方側と他方側は各々直流端子を構成し、前記互いに接続された接続点は交流端子を構成することを特徴とするパワー半導体装置
【請求項８】
隔壁部材の一方側に開口部に半導体とフィルムコンデンサを、前記隔壁部材の他方側の開口部に冷却器を、前記半導体素子とフィルムコンデンサは各々前記隔壁部材を介して前記冷却器に挟まれるように収納し、前記一方側の開口部を封止部材で封止するパワー半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体装置及びパワー半導体装置の製造方法に係り、特に、インバータ装置等の電力変換装置に使用されるのに好適なパワー半導体装置及びパワー半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球規模での環境や資源問題がクローズアップされており、資源の有効活用、省エネルギー化の推進、地球温暖化ガスの排出抑制のため、インバータ装置を代表とする電力変換装置が、各種家電製品をはじめ、産業機器、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）等の自動車、鉄道、電力、社会インフラ関連機器に幅広く応用展開されている。
【０００３】
環境や省エネルギー化に対する世界各国の感度が高くなるとともに、これら電力変換器の需要は堅調な拡大をみせている。特に、2011年３月の東日本大震災による脱原子力発電の世界動向を受けて、太陽光発電、風力発電等の再生可能エネルギー分野における電力変換器の急速な拡大が見込まれている。
【０００４】
これら電力変換器におけるニーズとしては、低コスト化とともに、設置面積の小スペース化、高信頼化が挙げられる。
【０００５】
電力変換器は、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子を内蔵したパワー半導体装置（パワーモジュール）、バスバー、コイル等の他、直流電力を平滑化させるためのコンデンサ、制御回路等の数多く部品から構成されている。
【０００６】
電力変換器の低コスト化、小型高信頼化には、電力変換器の主構成部品であるパワー半導体装置の小型、高信頼化技術が重要である。
【０００７】
従来から使用されているパワー半導体装置の構造と製造過程を簡単に説明する。
【０００８】
酸化アルミニウム（Al203）、窒化アルミニウム（AlN）、窒化ケイ素（SiN）等の材料を焼結してできた絶縁基板（セラミック絶縁板）の両面に、ろう材を介して銅箔等の導体板を貼り付け、エッチング等により回路電極と裏面電極を形成し、回路電極付きの絶縁基板を得る。その後、必要に応じて回路電極と裏面電極にニッケル等のめっきを施す。
【０００９】
そして、絶縁基板の回路電極上にはんだペーストを塗布し、パワー半導体素子を載せ、リフローを通して回路電極とパワー半導体素子を接合する。素子の電極と絶縁基板の回路電極との間をアルミ細線等でワイヤー接続し、その後、放熱金属ベース板と絶縁基板の裏面電極とをはんだ等により接合する。そして、絶縁基板の回路電極と金属端子を接合、放熱金属ベースの周囲に樹脂ケースを配置させ、最後にシリコーンゲルや液状エポキシ樹脂等の樹脂材料でパワー半導体素子を絶縁封止してパワー半導体装置が完成する。
【００１０】
パワー半導体素子は、数アンペア〜数百アンペアの電流をスイッチングする素子であり、素子の発熱が伴う。発生した熱の放熱が装置の小型化と信頼性に大きく影響する。従来構造のパワー半導体装置においては、パワー半導体素子の発熱を素子の片側の面から放熱していた。そのため放熱性能が低く、パワー半導体装置の小型化と信頼性に限界があった。
【００１１】
このため、近年ではパワー半導体素子の両面に電極、絶縁基板、放熱板を取り付け、パワー半導体素子で発生した熱を素子の両面から放熱する構造（両面冷却構造）のパワー半導体装置が開発されている。
【００１２】
このような技術として、例えば、特開２０１０―０１０５０４号公報（特許文献１）には、パワー半導体素子の一方の面が第一絶縁基板（セラミック基板）の一方側の金属パターンと接続され、パワー半導体素子の他方の面が第ニ絶縁基板（セラミック基板）の一方側の金属パターンと接続され、第一絶縁基板の他方側の金属パターン及び第ニ絶縁基板の他方側の金属パターンが露出されるように、パワー半導体素子、第一絶縁基板及び第ニ絶縁基板を覆って樹脂封止してなる技術が記載されている。
【００１３】
また、例えば、特開２００７−３１１４４１号公報（特許文献２）には、パワー半導体封止体の両面に冷媒を流通させる流路を形成した放熱器を備える技術、例えば、ＷＯ２００９／１２５７７９号公報（特許文献３）には、パワー半導体封止体の両面に放熱器を有するとともに、放熱器を挟んで複数のパワー半導体封止体が多段に積層されてなる技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１０―０１０５０４号公報
【特許文献２】特開２００７−３１１４４１号公報
【特許文献３】ＷＯ２００９／１２５７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
パワー半導体装置は、インバータ等の電力変換器として用いられる時に、パワー半導体素子をスイッチングした時に生じるリップル電圧を抑制するために、パワー半導体装置に並列に平滑コンデンサを配置し、電力変換器の主回路を構成する。また、サージ電圧を抑え、リップル電圧を抑制するとの観点から、パワー半導体装置と平滑コンデンサとの間のインダクタンスをできるだけ小さくすることが有効であり、コンデンサを内蔵した半導体装置が望まれている。
【００１６】
しかしながら、特許文献１から３に記載された技術においては、パワー半導体封止体の両面に放熱器を構成させパワー半導体素子の両面から素子で発生した熱を放熱する技術については記載されているものの、コンデンサを内蔵することについての意識はない。
【００１７】
特に数十から数百アンペア等の高電流を流す大容量のパワー半導体装置において、平滑コンデンサとしてフィルムコンデンサを使用する場合には、一般的にフィルムコンデンサはポリプロピレン等の有機フィルムにアルミニウム等の金属を蒸着、金属化フィルムを形成して巻回したものであり、有機フィルムは熱に弱く、熱により熱膨張し、特性が変化することより、コンデンサの冷却も必要となる。
【００１８】
このように、従来の技術では、例えば数百アンペアを許容する半導体装置は実現するには、コンデンサの冷却性能に劣るため、その分大型化せざるをえないとう問題があった。
【００１９】
本発明の目的は、パワー半導体素子とフィルムコンデンサ双方の放熱性能が高く、小型かつ信頼性の高いパワー半導体装置及びパワー半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明では、一方側に開口部を有すると共に他方側に開口部を有する隔壁部材と、前記一方側の開口部に収納される半導体とフィルムコンデンサと、前記他方側の開口部に収納される冷却器と、前記一方側の開口部に封入される封止部材を有し、前記半導体素子とフィルムコンデンサは、各々、前記隔壁部材を介して前記冷却器に挟まれるように収納されているように構成した。
【００２１】
あるいは、隔壁部材の一方側に開口部に半導体とフィルムコンデンサを、前記隔壁部材の他方側の開口部に冷却器を、前記半導体素子とフィルムコンデンサは各々前記隔壁部材を介して前記冷却器に挟まれるように収納し、前記一方側の開口部を封止部材で封止するように構成した。
その具体的な一例を挙げるならば、第１の主面及び第２の主面を有するパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子の第１主面に接合材を介して、前記半導体素子の熱を放熱する第１の放熱板と、前記パワー半導体素子の第２主面に接合材を介して、前記パワー半導体素子の熱を放熱する第２の放熱板とを有し、少なくとも前記パワー半導体素子と、前記第１の放熱板の前記パワー半導体素子との接合面と、前記第２の放熱板の前記パワー半導体素子との接合面とを、絶縁樹脂で封止されてなるパワー半導体封止体と、フィルムコンデンサと冷却器と、前記パワー半導体封止体と前記フィルムコンデンサと前記冷却器を収納するための隔壁部材（薄板ケース）からなるパワー半導体装置において、前記隔壁部材は上下に複数の開口部を有し、隔壁部材の上側に開口を持つ開口部のそれぞれにパワー半導体封止体とフィルムコンデンサを収納し、下側に開口を持つそれぞれの開口部に冷却器を収納し、パワー半導体封止体とフィルムコンデンサが冷却器を挟んで配置される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、パワー半導体素子とフィルムコンデンサ双方の放熱性能が高く、小型かつ信頼性の高いパワー半導体装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】パワー半導体素子の冷却性能を向上させるために、開発された素子の両面から放熱する構造（両面冷却構造）のパワー半導体装置（パワー半導体封止体）の構造図である。
【図２】一般的なフィルムコンデンサの構造を示す図である。
【図３】本発明のコンデンサを内蔵したパワー半導体装置の一実施例を説明するための構造図である。
【図４】本発明のコンデンサを内蔵したパワー半導体装置の一実施例を説明するための構造図である。
【図５】本発明のコンデンサを内蔵したパワー半導体装置の一実施例を説明するための構造図である。
【図６】本発明のコンデンサを内蔵したパワー半導体装置の回路構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２５】
図３は、本発明の一実施例である実施例１のコンデンサを内蔵したパワー半導体装置の断面構造を示す図である。
【００２６】
実施例１のパワー半導体装置は次のように製作した。
【００２７】
最初にパワー半導体封止体100（或いは単に半導体とも称する）の製作について、図１を用いて説明する。まず、窒化けい素（SiN）の焼結からなる絶縁基板の一方の面に回路電極と、その反対側の面に放熱用の裏面電極を形成した絶縁回路基板を２枚準備した。（一枚目の絶縁基板を第一絶縁基板103、二枚目の第二絶縁基板104、それぞれの回路電極を103a、104a、それぞれの裏面電極を103b、104bとする。）第一絶縁基板103の回路電極103aの所定の位置にはんだ105を形成し、その上にコレクタリード106とゲートリード108、さらにパワー半導体素子101（101：パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）、102：パワー半導体素子（ダイオード）。以下、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）101を代表として説明し、パワー半導体素子（ダイオード）102についての説明を省略するが、パワー半導体素子（ダイオード）102についても同様である）をコレクタ電極が回路電極103aに位置するように重ね合わせ、リフローを通して第一絶縁基板とパワー半導体素子、コレクタリード106、ゲートリード108を接合した。そして、パワー半導体素子101のゲート電極と回路電極103aのゲートリード108を接続してある回路部分との間を金属ワイヤー109（アルミ配線）で接続した。その後、第二絶縁基板104の回路電極104aの所定の位置にはんだ105を形成し、エミッタリード107とスペーサー110を載せ、リフローによりそれらを接合した。そして、スペーサー上にはんだ105を形成し、第一絶縁基板103の回路電極と第二絶縁基板104の回路電極が向き合う形でパワー半導体素子101のエミッタ電極とスペーサーを一致するように位置合わせし、リフロー炉を通してはんだ接合した。そして、それらをトランスファーモールドの金型に配置し、所定の温度、圧力、時間で、第一と第二の２枚の絶縁基板間にあるパワー半導体素子101の全体を絶縁封止されるように封止樹脂111（エポキシモールド樹脂）を形成しパワー半導体封止体100を作成した。
【００２８】
続いて、図２に示すフィルムコンデンサ200は次のように作成した。まず、ポリプロピレンフィルムの一方の面に真空連続蒸着装置によりアルミニウム薄膜電極を形成し、金属化フィルムを作成し、その後２枚の金属化フィルムを巻回し、巻回金属化フィルム201を作成した。続いて、巻回金属化フィルムの両端の面にアルミニウムの金属溶射によりメタリコンと呼ばれる集電電極202を形成、その後はんだ205で、正極側リードと負極側リードをそれぞれ集電電極に接合した。最後に、エポキシ粉体樹脂で金属化フィルムと集電電極の全体を覆うように外装被覆206を形成、フィルムコンデンサを完成させた。
【００２９】
このパワー半導体封止体100を用いた回路構成について、図６を用いて、説明する。パワー半導体封止体100（上アーム）とパワー半導体封止体100(下アーム)を直列に接続する。直列に接続したパワー半導体封止体100の一方側を直流端子Ｐとして構成する。直列に接続したパワー半導体封止体100の他方側を直流端子Ｎとして構成する。パワー半導体封止体100（上アーム）とパワー半導体封止体100(下アーム)の接続点を交流端子Ｕとして構成する。また、直流端子Ｐと直流端子Ｎの間にはフィルムコンデンサ200（具体的には３つのフィルムコンデンサ200を接続）を接続する。このパワー半導体封止体100（上アーム）のゲートＧ１にオン/オフ信号を供給すると共に、パワー半導体封止体100(下アーム)のゲートＧ２にオン/オフ信号を供給することで、直流端子Ｐ・直流端子Ｎと、交流端子Ｕの間で電力変換を行う。
【００３０】
最後に、回路構成を実現する構成として、図３に示すコンデンサを内蔵したパワー半導体装置全体についての製作方法について説明する。まず、パワー半導体封止体100、フィルムコンデンサ200、冷却器303のケースとなる隔壁部材301を、アルミニウム薄板をプレス成型で作成した。プレス成型により、上側に複数の開口部301aと下側に複数の開口部301bが形成される（ここで「開口部」は単に入口部分のみならずそれ続く溝内部をも含むと意味する）。そして、パワー半導体封止体100の両面に露出してある第一絶縁基板の裏面電極103bと第二絶縁の裏面電極104bにカーボンからなる放熱緩衝材302を挟んで、パワー半導体封止体と放熱緩衝材を上側の開口部301aに挿入した。同様に、フィルムコンデンサの両側面も放熱緩衝材302を挟んで上側の他の開口部301aに挿入した。隔壁部材の開口部数、パワー半導体封止体の個数、フィルムコンデンサの個数を自由に選定することで、所定の容量（例えば1200A、1800Aなど）を持つパワー半導体装置を得ることができる。次に隔壁部材301の下側開口部301bに冷却器を挿入し、締結部材304により、隔壁部材、パワー半導体封止体、フィルムコンデンサ、冷却器を固定した。そして、Ｎバスバー306、Ｐバスバー305、出力バスバー307を隔壁部材上側開口部の上方に配置し、それぞれのバスバーとパワー半導体封止体のコレクタ及びエミッタリード、フィルムコンデンサの正極側、負極側リードを溶接により接合した。そして全バスバーが埋まるように封止樹脂（シリコーンゲル）を隔壁部材上側開口部に流し込み、所定の温度、時間で硬化させた。その後、上蓋309を取り付け、最終的にバスバーを折り曲げることでＰ端子310、Ｎ端子311、出力端子312を形成した。（パワー半導体素子を動作させるためには、ゲート端子も必要であるが、図が複雑化するため図３への記載は省いてある。）
以上の通り、本実施例によれば、パワー半導体素子の両面に放熱板を有したパワー半導体封止体とフィルムコンデンサの双方が冷却器を挟んで構成されるので、パワー半導体素子で発生した熱は、パワー半導体素子の両面から冷却することができる。また、フィルムコンデンサもパワー半導体封止体から冷却器を挟んだ位置にあるため、パワー半導体素子で発生した熱の影響を受けにくく、フィルムコンデンサで発生した熱もフィルムコンデンサの両面から冷却することができる。また、隔壁部材のフィルムコンデンサの収納する部分に伸縮を可能とする湾曲部または屈曲部を設ければ、フィルムコンデンサは温度変化によって膨張と収縮するが、隔壁部材との間にかかる応力を一定にでき、フィルムコンデンサへの圧縮によるダメージ、隔壁部材の破断を防止できる。また、フィルムコンデンサをパワー半導体装置内に内蔵することで、パワー半導体素子をフィルムコンデンサの配線長を短くでき、インダクタンスを小さくでき、パワー半導体素子スイッチング時のサージ電圧を抑制できる。さらには、隔壁部材の上側開口部にパワー半導体封止体、フィルムコンデンサを挿入し、それらを電気的に接合するバスバーを形成した後、上側開口部全体に絶縁樹脂を充填することにより、半導体封止体のリード、フィルムコンデンサのリード、バスバーを絶縁することができ、小型高密度で絶縁信頼性の高いコンデンサを内蔵したパワー半導体装置を得ることができる。
【実施例２】
【００３１】
図４は、本発明の一実施例である実施例２のコンデンサを内蔵したパワー半導体装置の断面構造を示す図である。図３の実施例１とほぼ同様であるが、隔壁部材（薄板ケース）の形状が異なっている。具体的には、隔壁部材のパワー半導体封止体とフィルムコンデンサを挿入する部位の底面に湾曲部を形成しているのが特徴である。パワー半導体封止体の封止樹脂、フィルムコンデンサのフィルム等の有機物は熱膨張率が無機物に比較し大きく、発熱により膨張する。膨張時の応力低減のため湾曲部を設けた。
【実施例３】
【００３２】
図５は、本発明の一実施例である実施例３のコンデンサを内蔵したパワー半導体装置の断面構造を示す図である。図３の実施例１とほぼ同様であるが、隔壁部材（薄板ケース）の形状が異なっている。具体的には、隔壁部材のパワー半導体封止体とフィルムコンデンサを挿入する部位の底面に屈曲部を形成しているのが特徴である。パワー半導体封止体の封止樹脂、フィルムコンデンサのフィルム等の有機物は熱膨張率が無機物に比較し大きく、発熱により膨張する。膨張時の応力低減のため屈曲部を設けた。
【符号の説明】
【００３３】
100：パワー半導体封止体、101：パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）、102：パワー半導体素子（ダイオード）、103：第一絶縁基板、103a:第一絶縁基板の回路電極、103b：第一絶縁基板の裏面電極、104：第ニ絶縁基板、104a:第ニ絶縁基板の回路電極、104b：第ニ絶縁基板の裏面電極、105：接合材（半田）、106：コレクタリード、107エミッタリード、108：ゲートリード、109：金属ワイヤー、110：スペーサー、111：封止樹脂、
200：フィルムコンデンサ、201：巻回金属化フィルム、202：集電電極、203：正極側リード、204負極側リード、205：接合材（半田）、206：外装被覆材、
300：コンデンサ内蔵パワー半導体装置、301：隔壁部材（薄板ケース）、301a:隔壁部材の上側開口部、301b：隔壁部材の下側開口部、302：放熱緩衝部材、303：冷却器、304：締結部材、305：Ｐバスバー（正極側バスバー）、306：Ｎバスバー（負極側バスバー）、307：出力バスバー、308：封止樹脂（シリコーンゲル等）、309：上蓋、310：Ｐ端子（正極端子）、311：Ｎ端子（負極端子）、312：出力端子
【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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