(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に半導体チップを電気的に接続する電極部を有し、反対の面に前記半導体チップが固着されるヒートスプレッダを有し、このヒートスプレッダを前記半導体チップに接している面以外の全体を覆うように充填される熱伝導性絶縁部を有するパワーデバイスを具備し、前記熱伝導性絶縁部は前記ヒートスプレッターを介し前記半導体チップで発生した熱を絶縁状態で前記パワーデバイス外の他部に伝導する前記パワーデバイスを備えたパワー変換装置であり、さらに前記パワーデバイスの前記電極部側上部にプリント基板を配し、前記ヒートスプレッダ上に前記半導体チップと分離した位置に独立した複数の突起部を設け、この突起部が前記プリント基板を構造的に支えることで、前記プリント基板と前記ヒートスプレッダとの厚み精度を確保する前記突起部をもったパワーデバイスを有するパワー変換装置。
【請求項２】
前記突起部を電極としても利用する前記パワーデバイスを備えた請求項１記載のパワー変換装置。
【請求項３】
前記突起部をヒートスプレッダの一部として一体形成した前記パワーデバイスを備えた請求項１記載のパワー変換装置。
【請求項４】
前記半導体チップから電気的接続を行う電極にバネ性をもたせた前記パワーデバイスを備えた請求項１記載のパワー変換装置。
【請求項５】
前記電極にワイヤーを使用する請求項４記載のパワー変換装置。
【請求項６】
前記電極にバネ状成型電極を使用する請求項４記載のパワー変換装置。
【請求項７】
前記電極にフィルム配線基板を使用する請求項４記載のパワー変換装置。
【請求項８】
前記パワーデバイスと電気的に接続する前記プリント基板と、前記パワーデバイスの前記熱伝導性絶縁部と接する放熱器と、この放熱器と連結し前記プリント基板を支持するサポートを備えた請求項１記載のパワー変換装置。
【請求項９】
前記突起部を電極としても利用するパワーデバイスを備えた請求項８記載のパワー変換装置。
【請求項１０】
前記突起部を前記ヒートスプレッダの一部として一体形成した前記パワーデバイスを備えた請求項８記載のパワー変換装置。
【請求項１１】
前記半導体チップから電気的接続を行う電極にバネ性をもたせたパワーデバイスを備えた請求項８記載のパワー変換装置。
【請求項１２】
電極にワイヤーを使用する請求項１１記載のパワー変換装置。
【請求項１３】
電極にバネ状成型電極を使用する請求項１１記載のパワー変換装置。
【請求項１４】
電極にフィルム配線基板を使用する請求項１１記載のパワー変換装置。
【請求項１５】
電極部側の面に断熱材料を備えた請求項８記載のパワー変換装置。
【請求項１６】
請求項８記載のパワー変換装置において、パワーデバイスと放熱器の間に弾力性がある熱伝導材料を備えたパワー変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーデバイスを搭載したインバータ装置や電源装置などのパワー変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インバータ装置や電源装置等のパワー変換装置は、さらなる小型化、高効率化が求められている。
【０００３】
インバータ装置を例にとって説明すると、電力をモータに伝達するためにＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのパワーデバイスが使用されている。商用電源で動作するインバータ装置においては、入力電力の約５〜１０％もの損失が、これらのパワーデバイスで生じるため、その放熱を如何にするかが大きな課題であった。
【０００４】
ここで従来のパワーデバイスの実装構成の例について簡単に説明する。図１は従来のパワーデバイスの実装構成の１例である。
【０００５】
パワーデバイス１は半導体チップ１１、アルミワイヤー１２、封止材料１３、ヒートスプレッダ１４から成る。パワーデバイス１は電気的接続および放熱をヒートスプレッダ１４から行うために、放熱と電気接続および絶縁を同時に行える手段としての金属基板２１が必要であった。
【０００６】
パワーデバイス１は金属基板２１上に実装されており、放熱は金属基板２１を介して放熱グリース５を経て放熱器３に行っている。
【０００７】
放熱グリースは熱を伝えたいもの同士との間に空気の層ができてしまい、熱を伝えにくくなってしまうのを防止するためによく使用されるものである。
【０００８】
またプリント基板２に電気的接続を行うため、金属基板２１上のパターン２２を経てコネクタ４を介して接続されている。このような構造はプリント基板２と金属基板２１との間にデッドスペースができ、小型化を進めるのに大きな阻害要因であった。
【０００９】
図２にもうひとつの従来構成例を示す。これは金属基板の代わりにリードフレーム２３および熱伝導性絶縁材料１５を用いてパワーデバイスを一体化したものであるが、リードフレーム２３によってプリント基板との電気的接続を得る構成は同じであり、プリント基板との間にデッドスペースが残ってしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、パワーデバイスとプリント基板を電気的接続するための構造が小型化への障害となっていた。
【００１１】
また小型化したとしても、機器全体で発生する損失が同じであれば、通常機器を小型化した分だけ放熱面積が減少し、放熱効率は悪くなるため、機器を小型化すればするほどより良い放熱効率が必要になってしまう。
【００１２】
本発明は上記課題を解決するもので、小型でかつ高熱伝導なパワー変換装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明は、一方の面に半導体チップを電気的に接続する電極部を備え、反対の面に前記半導体チップで発生した熱を絶縁しながら伝達する熱伝導性絶縁部をもったパワーデバイスをプリント基板に実装して電極部を接続し、パワーデバイスの熱伝導性絶縁部を放熱器に直接接触させて放熱させることにより、非常に小型で、高熱伝導なパワー変換装置を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図３は本発明の第１実施形態における断面図を示すものである。
【００１６】
図３において、４０がパワーデバイスを示し、そのパワーデバイスは以下の構成要素から成る。４１が半導体チップ、４２が半導体チップ電極をプリント基板２に接続するための電極、４３が半導体チップで発生した熱を拡散するヒートスプレッダ、４４が電極を兼ねた突起、４５が熱伝導性絶縁材料、４６は半導体チップを保護する封止材料である。４７はサポートでパワーデバイス４０を実装したプリント基板２を放熱器３に固定し、かつパワーデバイス４０を放熱器３に密着させるための支持である。５は放熱グリースでパワーデバイス４０と放熱器３との間に空気の層ができてしまい、熱を伝えにくくするのを防止する。７は絶縁封止材料で、プリント基板上の絶縁確保のためプリント基板を覆うように設置される。
【００１７】
半導体チップ４１は熱的に強く結合させるためにヒートスプレッダ４３に通常鑞づけされている。そのため半導体チップ４１が縦型半導体の場合、半導体チップの背面に電極があるためこれをヒートスプレッダ４３と突起４４を介してプリント基板２に電気的に接続することができる。もちろん縦型半導体ではない場合、これを電極として使用しなくてもよい。さらに突起４４の出っ張り長さを規定することによってパワーデバイス４０をプリント基板２に実装する際のパワーデバイスの厚み精度を確保することができ、パワーデバイスを数個並べて配置してもバラツキなくしっかり放熱器３と接触できるように設置できる。
【００１８】
また突起４４はヒートスプレッダ４３に突起を接続して作成してもよいが、ヒートスプレッダ４３からプレスで作成するなど一体構造で作成すれば精度良くかつ低コストで突起を作成することができる。
【００１９】
電極４２は半導体チップ４１の電極をパワーデバイス４０の上面からプリント基板の電極２３に接続する役割をもつが、従来の構成に比べ、きわめて電気的接続の距離が短いことがわかる。電極４２と半導体チップ４１との接続は通常固層拡散接合で接合されるが、鑞づけ等の他の手段であってもよい。
【００２０】
下面から半導体チップ４１の発熱を放熱器３に電気的に絶縁しながら伝える、熱伝導性絶縁材料４５は絶縁性と熱伝導を兼ね備えた材料が必要となる。絶縁性と熱伝導率は相反する物性のため両方の特性が優れているものは高価な材料となってしまうが、材料特性として絶縁耐圧１５ｋＶ／ｍｍ、熱伝導率２Ｗ／ｍＫ程度の特別に優れていない材料であってもこの構造を活かし小型で高熱伝導のパワー変換装置を得ることができる。また熱伝導性絶縁材料４５を放熱器側だけでなく、ヒートスプレッダの全体を覆うように側面にも充填すると、隣接するパワーデバイス同士の絶縁を取ることができる。
【００２１】
また封止材料４６に熱伝導の悪い断熱材料を使用すれば、パワーデバイス４０の発熱をプリント基板２には伝えにくく、選択的に放熱器３の方に放熱させることもできる。
【００２２】
（第２実施形態）
図４は本発明の第２実施形態における断面図を示す。
【００２３】
第１実施形態におけるバネ電極４２ａは、半導体チップに直接接していて熱的ストレスを受けやすい構造であるため、電極を柔らかいバネ構造にすることにより、さらなるストレス耐量を実現するものである。
【００２４】
バネ電極４２ａだけではプリント基板の支持が難しいため、突起４４で構造的な強度をもたせつつ、ストレス回避できうる構造とする。
【００２５】
またバネ電極４２ａはワイヤーでバネ構造を実現しているため構造が簡易である。さらにバネ構造によるストレス回避能力を低下させないために絶縁封止材料７はシリーコーンゴムのような弾性を備えた材料とするのがよい。
【００２６】
（第３実施形態）
図５は本発明の第３実施形態における断面図を示す。
【００２７】
第２実施形態における電極４２ａをバネ状成型電極４２ｂとしたものである。ワイヤーでバネ構造を実現する場合に比べ電極の位置精度を良くすることができる。
【００２８】
（第４実施形態）
図６は第２実施形態における電極４２ａをフィルム配線基板４２ｃとしたものである。フィルム配線基板の基材は耐熱性や信頼性の高いボリイミドなどがよい。フィルム配線基板によってさらに柔軟性を得られ、ストレス耐量を大きくできる。また一つの配線基板で２つ以上の電極、たとえばゲート電極とエミッタ電極を同時に配線することもでき、プリント基板への実装を容易にすることができる。
【００２９】
（第５実施形態）
図７は第１実施形態においてパワーデバイス４０と放熱器３の間に弾力性がありかつ熱伝導率がよいシート６を放熱グリースの代わりに挿入したものである。シートの弾力性により、外力や振動や熱によるより大きなストレスを回避することができる。挿入するものはシートでなくても、弾力性があり熱伝導がよいものであればよい。
【００３０】
（第６実施形態）
図８は第１実施形態における熱伝導性絶縁材料４５をパワーデバイス４０側ではなく、放熱器３側に設置したものである。このような構造にすることにより、パワーデバイス個々に絶縁材料で覆う必要がないため、製造コスト低減に寄与できる。
【００３１】
（第７実施形態）
図９は第６実施形態における熱伝導性絶縁材料４５を放熱器３に埋め込む構造としたものである。このような構造にすることにより、熱伝導性絶縁材料４５を形成する際に、放熱器そのものを金型として利用することができると同時に、熱伝導性絶縁材料４５の厚みを放熱器の厚みの中に取り込むことができ、さらなるパワー変換装置の小型化に寄与する。
【００３２】
（第８実施形態）
図１０は第６実施形態における絶縁封止材料７の代わりに熱伝導性絶縁材料４５で基板を覆う構造としたものである。このような構造にすることにより、絶縁封止材料７を廃止できるため、工程を削減でき、製造コスト低減に寄与できる。
【００３３】
なお、各実施の形態で説明したパワー変換装置により駆動するインバータ装置を有するモータ駆動装置で、エアコンディショナーのコンプレッサモータや、エアコンディショナーのファンモータや、洗濯機の洗濯脱水槽あるいは洗濯脱水槽に取り付けられた回転翼を回転させるモータや、冷蔵庫のコンプレッサモータや、冷蔵装置のファンモータや、掃除機のファンモータを駆動するとよい。
また、これらのパワー変換装置を用いて電源装置を構成してもよく、この電源装置をマグネトロンを駆動する電子レンジ、蛍光管を駆動する照明装置、インダクションヒーターを駆動する電磁調理器具、ディスプレイを駆動するディスプレイ装置に用いるとよい。
また、これらのパワー変換装置をプラズマディスプレイパネルを駆動するディスプレイ装置に用いてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明はパワーデバイスの一方の面に電気的接続、反対の面に熱的接続というように電気的接続と放熱を分離した構造により電気的にも熱的にもそれぞれ最短で接続できるため、非常に小型でかつ高熱伝導なパワー変換装置を提供できる。
【００３５】
またさらにパワーデバイスからプリント基板への電気的接合の距離を従来の場合と比べ大幅に削減することができるため、回路上の浮遊容量・自己インダクタンスを激減し、ノイズ発生量の低減やスイッチングのリンギングによるスイッチング損失を低減することができる。また、電気的接合の距離を削減することにより電気抵抗を著しく低減させることができるため、電気抵抗と電流によるジュール熱による損失を大幅に削減でき、電気機器の効率改善に大きく寄与するものである。
【００３６】
さらに本発明は高価な金属基板や、巨額の金型費を投じなければ製造できないリードフレームを利用することなく、安価に、非常に小型でかつ高熱伝導で低抵抗なパワー変換装置を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のパワーデバイスの実装構成の１例を示す図
【図２】従来のパワーデバイスの実装構成の１例を示す図
【図３】本発明の第１実施形態における断面図
【図４】本発明の第２実施形態における断面図
【図５】本発明の第３実施形態における断面図
【図６】本発明の第４実施形態における断面図
【図７】本発明の第５実施形態における断面図
【図８】本発明の第６実施形態における断面図
【図９】本発明の第７実施形態における断面図
【図１０】本発明の第８実施形態における断面図
【符号の説明】
１  パワーデバイス
２  プリント基板
３  放熱器
１１  半導体チップ
１５  熱伝導性絶縁材料
【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】
0005034143.tif 000008
【図８】
0005034143.tif 000009
【図９】
0005034143.tif 000010
【図１０】
0005034143.tif 000011