(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の主面に一対の主電極を別々に設けた半導体チップと、
それぞれ金属板で構成された前記半導体チップの前記一対の主電極に別々に接合された一対の伝熱部材と、
前記半導体チップを被覆する封止樹脂部と、
前記封止樹脂部から露出する前記一対の伝熱部材の外部放熱面を被覆する電気絶縁性かつ良熱伝導性のセラミック薄膜と、
を備えることを特徴とする両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ル。
【請求項２】
請求項１記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて、
前記セラミック薄膜は、少なくとも前記伝熱部材の前記外部放熱面に被着された溶射膜からなることを特徴とする両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ル。
【請求項３】
請求項１又は２記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて、
前記セラミック薄膜の周縁部は全周にわたって、前記封止樹脂部から露出する前記伝熱部材の側面を被覆し、
前記封止樹脂部は、前記伝熱部材の厚さ方向において前記伝熱部材の前記外部放熱面の位置に達しない厚さに形成されていることを特徴とする両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ル。
【請求項４】
請求項３記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて、
前記封止樹脂部は前記セラミック薄膜の周縁部を被覆することを特徴とする両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ル。
【請求項５】
請求項３又は４記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて、
前記伝熱部材の外側角部は、面取りされていることを特徴とする両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ル。
【請求項６】
請求項５記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて、
前記伝熱部材の外側角部は、内側角部よりも大きな曲率半径で面取りされていることを特徴とする両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ル。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて、
複数の前記半導体チップ前記一対の主面の一方は、前記一対の伝熱部材の一方の内側主面に互いに離れて接合され、
前記各半導体チップは、互いに異なる厚さを有し、
前記各半導体チップの一対の主電極は、電気的に並列接続され、
前記一対の伝熱部材の他方は、前記セラミック薄膜を有する金属平板からなる外板と、
それぞれ金属板により構成されて前記外板と前記各半導体チップの前記一対の主面の他方との間に別々に介設、接合される複数のスペ−サとからなり、
前記各スペ−サは、前記各半導体チップ間の厚さの差を吸収する厚さをそれぞれ有することを特徴とする両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ル。
【請求項８】
請求項７記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて、
前記半導体チップの前記主電極に給電する主電極端子の内端部は、前記スペ−サよりも前記主面と平行な方向かつ外側へ突出する前記外板の内側主面及び前記一対の伝熱部材の一方の前記内側主面に接合されることを特徴とする両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ル。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて、
前記半導体チップは、前記一対の主面の一方に設けられた制御電極を有する両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ル。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて、
前記封止樹脂部は、前記半導体チップの側面及び前記一対の伝熱部材の側面の一部を被覆する両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ル。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて、
前記封止樹脂部を貫いて前記半導体チップの前記主面と平行に配設されて各内端部が前記一対の伝熱部材及び前記半導体チップの前記制御電極に別々に接続される三つ以上の端子を有する両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ル。
【請求項１２】
冷凍サイクル装置を有し、
前記冷凍サイクル装置は、互いに同一電位を有して前記両伝熱部材に前記セラミック薄膜を通じて接触する扁平管形状のエバポレ−タ又は低圧側の冷媒チュ−ブを有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルを用いた冷媒間接冷却型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平６ー２９１２２３号公報は、半導体チップの両面から放熱を行う半導体装置を提案している。この半導体装置を図３に示す。（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＧーＧ線矢視断面図、（ｃ）はそのＨーＨ線矢視断面図である。
【０００３】
この半導体装置は、一対のヒ−トシンク兼用の伝熱部材Ｊ２、Ｊ３が、それぞれ半導体チップＪ１の両面に熱的かつ電気的に接続され、伝熱部材Ｊ２、Ｊ３はそれぞれ半導体チップへの給電部材としての機能と、ヒ−トシンク及び伝熱部材としての機能とを兼用している。以下、この種の半導体装置を両面冷却型半導体装置ともいう。
【０００４】
この半導体装置では、図３に示すように、少なくとも半導体チップＪ１の側面は樹脂Ｊ５により封止されてカ−ド状のモジュ−ル（カ−ドモジュ−ルともいう）となっており、伝熱部材Ｊ２、Ｊ３の反チップ側の主面は冷却のために露出するとともに半導体チップの主電極に給電する主電極端子をなし、半導体チップの制御電極に給電する制御端子Ｊ４はカ−ドモジュ−ルの側面から封止樹脂を貫通して外部に突出している。
【０００５】
Ｊ６は絶縁板、Ｊ７は半導体チップのボンディングパッドに接合される半田バンプである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルでは、それぞれ異なる端子（たとえばエミッタ端子とコレクタ端子）をなす伝熱部材Ｊ２、Ｊ３が互いに電位が異なるため、それらに接触する放熱部材（冷却部材ともいう）を電気的に絶縁する必要と、小さい電気抵抗を確保する必要があり、半導体チップＪ１はその両面から伝熱部材Ｊ２、Ｊ３を通じて図示しない放熱部材に放熱するにもかかわらず、放熱部材として冷媒チュ−ブなどを用い、冷凍サイクル装置などで冷却された冷媒をこの冷媒チュ−ブに流して半導体チップをその両面から強力に冷却することが容易ではなかった。
【０００７】
すなわち、冷凍サイクル装置の冷媒チュ−ブは同一電位（通常は接地電位）であり、上記従来技術の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルのように、電位が異なるカ−ドモジュ−ルの端子に直接接触させて用いることができず、このため、冷却冷媒を用いて半導体チップの両面を強力冷却することが困難であった。また、冷媒チュ−ブを用いない場合でも、半導体チップ両側の放熱部材（冷却部材）をたとえば車体などに密着させてそれに放熱させるなどの手法を採用することが困難であり、両方の放熱部材の電位を異ならせる必要があるという技術的制限のために強力な半導体チップ両面冷却は困難であった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、半導体チップの両面から強力に冷却可能な両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルを提供することをその目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、一対の主面に一対の主電極を別々に設けた半導体チップと、それぞれ金属板で構成された前記半導体チップの前記一対の主電極に別々に接合された一対の伝熱部材と、前記半導体チップを被覆する封止樹脂部と、前記封止樹脂部から露出する前記一対の伝熱部材の外部放熱面を被覆する電気絶縁性かつ良熱伝導性のセラミック薄膜とを備えることを特徴としている。
【００１０】
本構成によれば、半導体チップの両主面に個別に接合される一対の伝熱部材がそれぞれセラミック薄膜で被覆されているので、冷凍サイクル装置のエバポレ−タのような同一電位の冷却部材によりこれら両伝熱部材を良好に伝熱冷却することができ、従来に比較して格段に強力な冷却を半導体チップに施すことが可能となり、大電流通電が可能な半導体装置を実現することができる。
【００１１】
請求項２記載の構成によれば請求項１記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて更に、前記セラミック薄膜は、少なくとも前記伝熱部材の前記外部放熱面に被着された溶射膜からなるので、樹脂膜等に比較して優れた伝熱部材から放熱部材への熱伝導を実現でき、かつ、単にセラミック薄膜を伝熱部材と放熱部材との間に挟む構成に比較して、セラミック薄膜と伝熱部材との間の微小な凹凸を埋めてこの部位に微小ギャップが残存することがないので、これらの境界部の熱伝導性を格段に向上して半導体チップの冷却能力を格段に向上することができる。
【００１２】
請求項３記載の構成によれば請求項１又は２記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて更に、前記セラミック薄膜の周縁部は全周にわたって、前記封止樹脂部から露出する前記伝熱部材の側面を被覆し、前記封止樹脂部は、前記伝熱部材の厚さ方向において前記伝熱部材の前記外部放熱面の位置に達しない厚さに形成されていることを特徴としている。
【００１３】
本構成によれば、セラミック薄膜により伝熱部材の露出側面も被覆するので、封止樹脂部から厚さ方向に突出する伝熱部材のこの露出側面と冷媒チュ−ブなどの導電部材との間において結露などにより生じる沿面放電を良好に防止することができる。
【００１４】
また、封止樹脂部の厚さ方向高さが伝熱部材の外側主面に達しない位置とすることができるので、伝熱部材の外側主面（のセラミック薄膜表面）に良好に冷媒チュ−ブなどの冷却部材を密接させることが可能となる。
【００１５】
請求項４記載の構成によれば請求項３記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて更に、前記封止樹脂部は前記セラミック薄膜の周縁部を被覆するので、封止樹脂部とセラミック薄膜との境界部に熱膨張などでクラックや隙間が生じて浸水するなどの問題を防止することができ、沿面放電防止効果を向上することができる。
【００１６】
請求項５記載の構成によれば請求項３又は４記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて更に、前記伝熱部材の外側角部は、面取りされているので、伝熱部材の外側の角部とセラミック薄膜との接合性を改善することができ、熱サイクル及び線膨張率差によりこの部位にクラックが生じるのを抑止することができる。
【００１７】
請求項６記載の構成によれば請求項５記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて更に、前記伝熱部材の外側角部は、内側角部よりも大きな曲率半径で面取りされているので、請求項５と同じ効果を奏することができる。
【００１８】
請求項７記載の構成によれば請求項１乃至６のいずれか１項記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて更に、複数の前記半導体チップ前記一対の主面の一方は、前記一対の伝熱部材の一方の内側主面に互いに離れて接合され、前記各半導体チップは、互いに異なる厚さを有し、前記各半導体チップの一対の主電極は、電気的に並列接続され、前記一対の伝熱部材の他方は、前記セラミック薄膜を有する金属平板からなる外板と、それぞれ金属板により構成されて前記外板と前記各半導体チップの前記一対の主面の他方との間に別々に介設、接合される複数のスペ−サとからなり、前記各スペ−サは、前記各半導体チップ間の厚さの差を吸収する厚さをそれぞれ有するので、たとえばスイッチングトランジスタとフライホイルダイオ−ドのようなものを同一パッケ−ジに、伝熱部材の厚さを主面各部で変更する工程を必要とせず、低コストでモジュ−ルを小型化、集積化することができる。また、スペ−サはヒ−トシンク機能ももつことができ、電流急増時の一時的な大発熱に対する許容性も向上することができる。
【００１９】
請求項８記載の構成によれば請求項７記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて更に、前記半導体チップの前記主電極に給電する主電極端子の内端部は、前記スペ−サよりも前記主面と平行な方向かつ外側へ突出する前記外板の内側主面及び前記一対の伝熱部材の一方の前記内側主面に接合されることを特徴としている。
【００２０】
本構成によれば、それぞれ厚さが異なり、互いに並列接続される複数の半導体チップを複雑な形状加工を要しない伝熱部材を用いて一体にモジュ−ル化することができ、小型で冷却性に優れた複数チップ両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルを実現することができる。
【００２１】
請求項９記載の構成によれば請求項１記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて更に、前記半導体チップは、前記一対の主面の一方に設けられた制御電極を有する。
請求項１０記載の構成によれば請求項１記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて更に、前記封止樹脂部は、前記半導体チップの側面及び前記一対の伝熱部材の側面の一部を被覆する。
請求項１１記載の構成によれば請求項１記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルにおいて更に、前記封止樹脂部を貫いて前記半導体チップの前記主面と平行に配設されて各内端部が前記一対の伝熱部材及び前記半導体チップの前記制御電極に別々に接続される三つ以上の端子を有する。
請求項１２記載の半導体装置は、冷凍サイクル装置を有し、前記冷凍サイクル装置は、互いに同一電位を有して前記一対の伝熱部材に前記セラミック薄膜を通じて接触する扁平管形状のエバポレ−タ又は低圧側の冷媒チュ−ブを有する請求項１乃至８のいずれか１項記載の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルを用いた冷媒間接冷却型半導体装置である。
【００２２】
本構成によれば、カ−ドモジュ−ルの両面を良好に強制冷却することができ、小型で大電流通電が可能な半導体装置を実現することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルを用いた冷媒間接冷却型半導体装置の好適な実施態様を図面を参照して以下説明する。
【００２４】
図１はこのカ−ドモジュ−ルの厚さ方向断面図を示し、図２はこのカ−ドモジュ−ルを用いた冷媒間接冷却型半導体装置のブロック図を示す。
（カ−ドモジュ−ルの構成）
１は、両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ル、２はＩＧＢＴ素子が形成された半導体チップ、３はフライホイルダイオ−ドが形成された半導体チップ、５１、５２はスペ−サ、５は第１伝熱部材、６は第２の伝熱部材、７ははんだ層、８はボンディングワイヤ、９、１０は主電極端子、１１はセラミック薄膜、１２は封止樹脂部、１３は制御電極端子である。
【００２５】
スペ−サ５１、５２、第１伝熱部材５、伝熱用金属板６は、銅、タングステン、モリブデン等で形成された金属板からなるが、他の金属材料で構成してもよい。
【００２６】
半導体チップ２、３は第２の伝熱部材６の内側の主面上に半田接合され、半導体チップ２の残余の主面にはスペ−サ５２が、半導体チップ３の残余の主面にはスペ−サ５１が半田接合されている。スペ−サ５１、５２は、互いに厚さが異なる半導体チップ２、３の厚さの差を吸収する厚さの差を有し、これによりスペ−サ５１、５２の残余の主面は同一高さとされ、第１伝熱部材５の内側の主面に半田接合されている。
【００２７】
セラミック薄膜１１は、第１伝熱部材５の外主面及び第２の伝熱部材６の外主面に被着されている、セラミック薄膜１１は、酸化アルミニウム（アルミナ）等を第１伝熱部材５の外主面、第２の伝熱部材６の外主面に溶射して形成されている。第１伝熱部材５、第２の伝熱部材６の外主面は、溶射前に粗面化されてセラミック薄膜１１の密着性を向上している。セラミック薄膜１１は、更に第１伝熱部材５、第２の伝熱部材６の外主面の周縁部をなす角部及びこれら角部に連なる第１伝熱部材５、第２の伝熱部材６の側面の一部を覆っている。第１伝熱部材５、第２の伝熱部材６の外主面の周縁部をなす角部は少なくともそれらの内側の主面の周縁部をなす角部よりも大きい曲率半径で面取りされており、セラミック薄膜１１との接合が強固となるように工夫されている。
【００２８】
はんだ層７は、他の接合機能材料に置換することができる。
【００２９】
端子９は、スペ−サ５１よりも面方向外側にはみ出した第１伝熱部材５の内側の主面に接合されて面方向外側に突出し、端子１０は、半導体チップ３よりも面方向外側にはみ出した第２の伝熱部材６の内側の主面に接合されて面方向外側に突出している。
【００３０】
ボンディングワイヤ８は、ＩＧＢＴ素子が形成される半導体チップ２の制御電極をなすボンディングパッドと制御電極端子１３とを接続し、制御電極端子１３は面方向外側へ突出している。
【００３１】
封止樹脂部１２は、たとえばエポキシモ−ルド樹脂であり、半導体チップ２、３をモ−ルドしている。封止樹脂部１２は、第１伝熱部材５及び第２の伝熱部材６の側面を覆うセラミック薄膜１１の上に被さっているが、封止樹脂部１２の半導体チップの主面と直角方向（厚さ方向）の端部はセラミック薄膜１１よりも内側に制限されている。これにより、冷媒チュ−ブ１００の平坦な表面とセラミック薄膜１１の外表面との密着が封止樹脂部１２により阻害されることがない。
【００３２】
（組み立て）
まず、第１伝熱部材５、第２の伝熱部材６にセラミック薄膜１１を溶射法により形成する。セラミック薄膜１１の厚さは、第１伝熱部材５、第２の伝熱部材６と冷媒チュ−ブ１００との間の電位差に耐える絶縁耐圧を確保できる厚さとすればよい。セラミック薄膜１１として窒化アルミニウムなどの線膨張率が半導体チップ２、３により近似する材料を選択することも可能である。
【００３３】
次に、他の部材を順次組み立て、加熱炉で半田を溶融して接合を行い、最後に封止樹脂部１２をモ−ルドすればよい。はんだ層７はスペ−サ５１、５２に設けるのが簡単である。
【００３４】
（全体構成）
上述のように製造した両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ル１は、扁平断面を有し、Ｕ字状に湾曲された冷媒チュ−ブ１００に挟持され、この冷媒チュ−ブ１００は、冷凍サイクル装置１０１のエバポレ−タをなす。１０２はこの冷凍サイクル装置１０１のコンプレッサ、１０３はコンデンサ、１０４は膨張弁、１０５はレシ−バである。
【００３５】
（変形態様）
上述の実施態様では、制御電極端子１３はワイヤボンディングにより半導体チップ２のボンディングパッドに接続されたが、直接に半田接合したり、バンプ接合してもよい。
【００３６】
また、スペ−サ５１、５２は第２の伝熱部材６側に設けてもよく、スペ−サ５１、５２と第１伝熱部材５とを一体に加工してもよい。また、主電極端子９、１０は両伝熱部材５、６と一体に加工形成してもよい。更に、冷凍サイクル装置の他に水冷にて冷却してもよいことはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルの厚さ方向断面図である。
【図２】図１に示すカ−ドモジュ−ルを用いた冷媒間接冷却型半導体装置のブロック図である。
【図３】従来の両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ルを示す図である。
【符号の説明】
１：両面冷却型半導体カ−ドモジュ−ル
２：半導体チップ（ＩＧＢＴ素子）
３：半導体チップ（フライホイルダイオ−ド）
５：第１の伝熱部材
５１：スペ−サ（伝熱部材）
５２：スペ−サ（伝熱部材）
６：第２の伝熱部材
７：はんだ層
９：主電極端子
１０：主電極端子
１１：セラミック薄膜
１２：封止樹脂部
１３：制御電極端子
【図１】
0003826667.tif 000002
【図２】
0003826667.tif 000003
【図３】
0003826667.tif 000004