JP2004006603A - Semiconductor power device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)とFWD(Free Wheeling Diode)を組み合わせた汎用のパワーモジュールなどを対象とする半導体パワーデバイスに関し、詳しくはその組立構造に係わる。
【0002】
【従来の技術】
近年になり、半導体パワーデバイスの大容量化が進み、これに伴いパワー半導体素子の発熱損失も益々増大する傾向にある。これに対して、パワー半導体素子は信頼性および寿命の観点からその動作温度を低い温度に保つことが望ましいことから、半導体パワーデバイスでは、通電に伴う半導体チップの発熱を外部に効率よく放熱して過度な温度上昇を抑制することが重要な課題となっている。
ここで、IGBTとFWDを組み合わせたパワーモジュールを例に、従来におけるモジュールの組立構造を図7に示す。図7(a),(b)において、1は放熱用の金属ベース板(銅板)、2は金属ベース板1の上に搭載した半導体素子実装用の絶縁基板、3はIGBT、4はFWD、5は外囲ケース(樹脂ケース)、6はコレクタ端子、7はエミッタ端子、8はゲート端子である。
【0003】
ここで、絶縁基板2として伝熱性に優れたセラミック板の両面に導体(銅板)を接合したDirect Bonding Copper基板などが用いられ、その下面側の導体2aを金属ベース板1の上面に重ねて半田接合している。また、絶縁基板2の上面側には、回路パターンとして、IGBT3のコレクタ,エミッタおよびゲートに対応する配線パターン2b,2cおよび2dが形成されており、IGBT3はコレクタ電極を下に向けて配線パターン2bに半田マウントし、上面側のエミッタ電極,ゲート電極は、それぞれアルミワイヤ9を超音波ボンディングして絶縁基板上の配線パターン2c,2dと電気的に接続している。一方、FWD4はIGBT3の側方に並べて前記の配線パターン2bに半田マウントし、その上面電極と配線パターン2cとの間にアルミワイヤ9を超音波ボンディングしてIGBT3に並列接続している。また、コレクタ端子6,エミッタ端子7,ゲート端子8はその脚部をそれぞれ配線パターン2b,2c,2dに半田付けして外囲ケース5から外部に引き出している。なお、10は半田付け部を表している。また、IGBT3,FWD4は外囲ケース5の内部に充填したシリコーンゲルなどで封止されている。
【0004】
なお、前記構成のパワーモジュールに関連する先行技術文献情報として、例えば特許文献1がある。
ところで、前記のようにパワー半導体チップと絶縁基板の配線パターンとの間をアルミワイヤで接続した組立構造では次記のような問題点がある。
IGBT3,FWD4などの半導体チップに生じた熱損失は、チップの下面から絶縁基板2,金属ベース板1を伝熱し、金属ベース板1に取付けた放熱フィンなどから外部に放熱して除熱される。これに対して、半導体チップの上面側からの放熱は、細いアルミワイヤ9の熱伝導によるだけで、その放熱効果は殆ど期待できないのみならず、アルミワイヤ9の通電に伴うジュール発熱量が大きく、逆にアルミワイヤー9から半導体チップへのジュール熱の流入もある。
【0005】
また、金属ベース板1の面積に比べてIGBT3,FWD4のチップ面積は極めて小さく、半導体チップから金属放熱板1への熱の広がりが不十分で金属ベース板1の放熱能力が十分に生かされない。この点について、パワーサイクルテストで金属ベース板1の温度分布を測定すると、半導体チップの直下から離れるに従って温度が急激に低下しており、このことからも金属ベース板1の放熱能力が十分に生かされてないことが判る。
さらに、半導体チップの上面側電極にアルミワイヤ9を超音波ボンデイングすると、チップにダメージを与えるおそれがある。すなわち、超音波ワイヤーボンデイングでは、アルミワイヤーと半導体チップとを加圧しながら超音波を印加してアルミワイヤを接合しているが、良好な接合を得るためには大きな加圧力と大きな超音波パワーが必要であり、これが半導体チップにダメージを与えるおそれがある。さらに、アルミワイヤ9がヒートサイクルによる熱応力で断線するおそれもある。このように、図7に示したモジュールの組立構造では、パワー半導体チップからの放熱性が低く、また超音波ワイヤーボンデイングによるダメージのおそれもあって、デバイスの大容量化,過酷なパワーサイクルに十分対応できない。
【0006】
一方、図8(a),(b)に示すように6個組のIGBT,FWDで3相のインバータ回路を構成した大容量なマルチチップ半導体パワーデバイスについて、図7のアルミワイヤ9に代えて幅広な接続板(銅板,リードフレームなど)11を使用し、この接続板11をIGBT3,FWD4の上面側電極と絶縁基板2の配線パターンとの間に敷設して半田付けした組立構造も製品化されている。
また、パワーモジュールに搭載したパワー半導体チップと外部導出端子との間を、ボンディングワイヤに代えて幅と厚みを有する熱容量の大きな接続導体で直接接続し、パワー半導体チップの通電に伴って生じる過渡的な発熱を伝熱容量の大きな幅広導体で吸収し、パワー半導体チップの過渡な温度上昇を抑制するようにした構成も知られている。(例えば、特許文献2,特許文献3参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開平10−163416号公報
【特許文献2】
特開平11−204703号公報(第4頁,図4)
【特許文献3】
特開平8−306288号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
前記した図8の組立構造、および特許文献2,特許文献3に開示されている接続板,幅広導体は、図7に示したアルミワイヤ9と比べて伝熱容量が高く、これによりIGBT3,FWD4の除熱性がかなり改善されるが、今後予想されるデバイスの大容量化に伴う半導体チップの発熱損失の増加に対応させるには、高いパワーサイクル耐量、および信頼性向上を図る上からもより一層高い放熱性の確保が求められる。
なお、大容量の半導体パワーデバイスついては、パワー半導体素子の冷却手段として個々のパワー半導体チップに液冷式,沸騰冷却式,あるいはヒートパイプを応用した放熱板を付設した冷却方式も従来実施されているが、パッケージ内にこのような大がかりな放熱板を組み込んだ組立構造ではデバイスが大型化するので、図7,図8のような小型の汎用パワーモジュールには不向きである。
【0009】
そこで、本発明の目的は、頭記した汎用の半導体パワーデバイスを対象に、パワー半導体チップの大容量化に伴って増加する発熱損失を効率よく外部に放熱してパワーサイクル耐量,信頼性の向上化が図れるように構造を改良した半導体パワーデバイスを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、外囲ケースに組み合わせた金属ベース板を放熱板として、該金属ベース板に搭載した絶縁基板上に1ないし複数のパワー半導体チップを実装し、該パワー半導体チップの上面側電極と該電極に対応する絶縁基板上の配線パターンとの間を接続導体で電気的に接続した構成になる半導体パワーデバイスにおいて、
前記接続導体として良導電性の材質で作られたヒートパイプを採用し、このヒートパイプをパワー半導体チップの上面側の主電極と絶縁基板上の配線パターンとの間に敷設して電気的および伝熱的に接合するものとする(請求項1)。
【0011】
上記の構成おいて、ヒートパイプは半導体チップから吸熱した熱を絶縁基板に放熱する熱輸送体と半導体チップの通電導体を兼ねており、パワー半導体チップに生じた発熱損失をチップの上面側から吸熱して金属ベース板(ヒートシンク)へ効率よく熱移動させる。したがって、パッケージの絶縁基板上に実装したパワー半導体チップの発熱損失は、チップの上下両面から放熱用の金属ベース板に効率よく伝熱して外部に放熱されることになり、これにより半導体チップの大容量化,および過酷なパワーサイクルにも十分に耐える高い信頼性が確保できる。しかも、ヒートパイプを通電用の接続導体と兼用としたことで、基本的にはパッケージ内部の配置を変更することなしに組み立てることができる。
【0012】
ここで、前記のヒートパイプは、半導体チップおよび絶縁基板の配線パターンとの接合性(半田付け),および伝熱性を考慮して、そのシェルが平角状である偏平型ヒートパイプを採用する(請求項2)のがよい。
また、前記のデバイス構造を基本として、ヒートパイプの熱輸送機能を十分に生かすために、絶縁基板上に配線パターンと分離して放熱専用の導体パターンを形成した上で、該導体パターンにヒートパイプを伝熱的に接合するようにした構成(請求項3)、さらにヒートパイプの上面と外囲ケースとの間を、熱伝導性ペーストを介して伝熱的に接合するようにした構成(請求項4)がある。
【0013】
また、本発明によれば、絶縁基板上に実装するパワー半導体チップ,およびヒートパイプの配置に関して、次記のような態様で実施することができる。
(1)絶縁基板上に実装するパワー半導体チップをIGBT,および該IGBTに並列接続したFWDとして、IGBTとFWDは近接して並ぶように並置して絶縁基板上の配線パターンにマウントするとともに、IGBTおよびFWDの双方にまたがってその上面の主電極面に通電導体兼用のヒートパイプを重ね、半田付けなどにより電気的および伝熱的に接合する(請求項5)。この組立構造により、IGBTとFWDとを対にして、1本のヒートパイプを共用して双方の半導体チップに対する通電,および発熱損失の除熱を行うことができる。
【0014】
(2)また、前項(1)において、IGBTはそのコレクタ電極を上に向け、エミッタ,ゲート電極を下に向けて絶縁基板上の配線パターンにマウントし、上面のコレクタ電極にヒートパイプを重ねて電気的および伝熱的に接合する(請求項6)。このようにIGBTの向きを通常とは反対に上下反転し、エミッタ,ゲート電極を下に向けて絶縁基板上にマウントすることで、ゲート電極と絶縁基板上に形成したゲートの配線パターンとの間を、接続導体を介さずに直接突き合わせて接続することができてデバイス内部配線の簡素化が図れる。
(3)IGBTを絶縁基板上の配線パターンにマウントした上で、その上面の主電極面にヒートパイプを重ねて接合するとともに、該ヒートパイプを挟んでIGBTの上にFWDを積み重ねてその下面の電極面をヒートパイプの上面に電気的および伝熱的に接合し、さらにFWDの上面電極面とIGBTをマウントした絶縁基板上の配線パターンとの間には別なヒートパイプを敷設して電気的および伝熱的に接合する(請求項7)。このようにIGBTの上にFWDを立体的に積み重ねるとともに、IGBTおよびFWDに対して絶縁基板上の配線パターンとの間にそれぞれ通電導体を兼ねたヒートパイプを敷設することで、高い除熱性能と併せて、パッケージの小形化が図れる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図1〜図6に示す実施例で説明する。なお、各実施例の図中で図7,図8に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
〔実施例1〕
図1(a),(b)は本発明の請求項1,2,5に対応する実施例を示すものである。この実施例において、パッケージ内部の構造は基本的に図7(a),(b)と同様であり、IGBT3とFWD4は左右に近接するように並置して絶縁基板2に実装している。
【0016】
ここで、IGBT3はコレクタ電極を、FWD4はカソード電極を下に向けて絶縁基板2の上面に形成したコレクタ,カソードに対応する配線パターン2bに半田マウントされている。また、IGBT3のゲート電極と絶縁基板上に形成したゲート配線パターン2dとの間は接続導体(銅板)12を介して接続されている。これに対して、主回路に接続するIGBT3の上面側のエミッタ電極,およびFWD4の上面側のアノード電極と絶縁基板上のエミッタ配線パターン2cとの間には、従来構造(図7参照)におけるアルミワイヤ9に代えて、通電導体を兼ねたヒートパイプ13を敷設した上で、各接合部を半田付して電気的および伝熱的に接合している。なお、ヒートパイプ13の端部と絶縁基板の配線パターン2cとの間は直接半田付けによって接合しても良いし、また熱伝導性の良好なパッドを介挿して半導体チップと高さを揃えた上で半田付けしてもよい。例えばモリブデン板などは半導体チップに近い熱膨張係数を有しているので、高さを揃えるためのパッドとして好適である。また、ヒートパイプ13との接合には、半田付け以外に例えば導電性接着剤を用いて接合することも可能である。
【0017】
また、前記のヒートパイプ13は、通電導体としての機能も持たせるために銅などの良導電性材製とし、かつ接合,伝熱性を考慮してヒートパイプのシェルが平角状である偏平型ヒートパイプを採用している。なお、このような小形の偏平型ヒートパイプは、例えば商品名「マイクロヒートパイプ」(古河電工)として市販されている。
次に、前記構造によるIGBT3,FWD4の半導体チップに生じた熱損失の放熱について述べると、半導体チップの下面からは絶縁基板2を介して金属ベース板1に伝熱し、ここから放熱フィンなどを通じて外部に放熱する。また、チップの上面からは、ヒートパイプ13を介して絶縁基板2の配線パターン2cに熱輸送され、ここから絶縁基板2を介して金属ベース板1に伝熱する。この様に、半導体チップ(IGBT3,FWD4)に発生した熱を、半導体チップの上下両面から吸熱して外部に放熱させることにより、図7に示した構造のように半導体チップの片側面(下面)からのみ放熱させる冷却方式と比べて放熱性を格段に向上させることができる。
【0018】
ここで、ヒートパイプ13は、周知のようにウイック付きシェルの内部を真空にして少量の作動液を封入し、その作動液の相変化(蒸発,凝縮)により熱を蒸発部側から凝縮部側に運搬する熱輸送体であり、ヒートパイプ13の内部に封入した作動液は半導体チップから熱を吸収して蒸気となり、ヒートパイプの内部を反対側に拡散移動した後に絶縁基板の配線パターンに放熱して液体に凝縮し、ウイックの毛細管現象を利用して再び蒸発部に還流するように蒸発/凝縮サイクルを繰り返す。この作動液による熱運搬により、半導体チップに生じた熱が効率よく除熱される。しかも、ヒートパイプ13は、同時にIGBT3,FWD4のエミッタ電極と絶縁基板2の配線パターン2cとの間を接続する通電導体としての役目も果している。
【0019】
〔実施例2〕
図2(a),(b)は先記実施例1の応用例として本発明の請求項6に対応する実施例を示すものである。この実施例においては、図1に示した実施例1と比べて、IGBT3,FWD4はチップの向きを上下反転して絶縁基板2の上に実装されている。すなわち、IGBT3はコレクタ電極を上,エミッタ電極およびゲート電極を下に向け、FWD4もIGBT3に合わせてアノード電極を下,カソード電極を上に向けてエミッタ対応の配線パターン2cに半田マウントし、ゲート電極は配線パターン2cに隣接するゲート対応の配線パターン2dの上に重ねて半田マウントしている。一方、IGBT3およびFWD4のチップ上面側に向いているコレクタ電極,カソード電極と絶縁基板2の右端に形成したコレクタ対応の配線パターン2bとの間には、実施例1と同様に通電導体を兼用する偏平型のヒートパイプ13を敷設して各接合部を半田付けして電気的および伝熱的に接合している。
【0020】
この構成により、実施例1と同様に半導体チップに対する高い放熱性が確保できるほか、IGBT3のゲート電極と絶縁基板2の配線パターン2dとの間の電気的な接続に関しては、IGBT3のエミッタ電極およびゲート電極を絶縁基板2の配線パターン2cおよび2dにまたがって半田マウントすることで、図1における接続導体12が省略できる。これにより、図1の組立構造と比べて部品点数,組立工数が少なくて済む。
〔実施例3〕
次に、本発明の請求項7に対応する応用実施例を図3(a),(b)に示す。この実施例は、先記実施例2の組立構造と比べて、IGBT3に並列接続するFWD4の配置を変更し、IGBT3の上に立体的に積み重ねるようにしたものである。すなわち、FWD4はカソード電極を下に向け、IGBT3の上面に敷設したヒートパイプ13の上面に重ねて半田付けし、さらにFWD4の上面のアノード電極とIGBT3をマウントした絶縁基板2のエミッタ配線パターン2cとの間には実施例1,2で述べたヒートパイプ13とは別なヒートパイプ14を敷設してその接合部を半田付けして電気的および伝熱的に接合するようにしている。
【0021】
この構成によれば、IGBT3およびFWD4の発熱損失に対して、2本のヒートパイプ13および14を使ってその接合部から集中的に吸熱した熱を絶縁基板2の配線パターン2bと2cに分けて熱輸送するようにしたことで、ヒートパイプ13,14による熱の運搬効率が高くなって半導体チップの除熱性能が向上する。しかも、IGBT3とFWD4を上下に積み重ねて立体的に組立たことで、デバイスの小形,コンパクト化も図れる。
〔実施例4〕
図4(a),(b)は先記実施例1の組立構造をベースに、ヒートパイプの熱輸送能力を十分に生かしてパワー半導体チップの放熱性をより一層高めるようにした本発明の請求項3に対応する実施例を示すものである。
【0022】
そのために、この実施例では図1と比べて絶縁基板2の上面に形成した導体パターンのレイアウトを次記のように変更している。すなわち、絶縁基板2の上面には、IGBT3のコレクタ電極およびFWD4のカソード電極に対応する配線パターン2b、IGBT3のエミッタ電極およびFWD4のアノード電極に対応するエミッタ配線パターン2cと分離して、その側方にはヒートパイプ13に対する放熱専用の伝熱面となる導体パターン2eが形成されている。
また、IGBT3,FWD4の上面電極と配線パターン2cとの間の接続導体を兼ねるヒートパイプ13として、前記各実施例で採用しているヒートパイプよりも幅広な偏平型ヒートパイプを採用し、このヒートパイプ13の片側面域を前記の放熱用導体パターン2eの上面に跨がるように配置した上で、導体パターン2eとヒートパイプ13との間を半田付けして伝熱的に接合している。この場合に、導体パターン2eとの間の接合部には、実施例1における配線パターン2cと同様に、熱伝導性の良好なパッドを介挿してパワー半導体チップとの高さを揃えるようにしてもよく、この場合に介挿するパッドとして例えばモリブデン板が好適である。
【0023】
なお、ヒートパイプ13の接合には、半田付け法以外に、例えば導電性接着剤を用いて接合することもできる。また、図示実施例では、パワー半導体チップの上面電極の周域など、ヒートパイプ13との電気的な接触が不要な部分には、ポリイミド樹脂などの絶縁性ペーストを塗布して絶縁するようにしている。
上記の構成によれば、IGBT3およびFWD4に発生した熱は、上面電極を通じてヒートパイプ13に吸熱され、絶縁基板2の配線パターン2cおよび放熱用導体パターン2eに熱輸送され、ここから金属ベース板1に伝熱して外部に放熱される。これにより、ヒートパイプ13の放熱側の伝熱面積が図1の実施例と比べ拡大してパワー半導体チップの除熱性能が向上する。また、放熱用導体パターン2eを配線パターン2b,2cなどとともに絶縁基板2の上に分散してレイアウトすることで、絶縁基板2と金属ベース板1の熱的なバランスが向上して半導体チップの発熱を効率よく外部に放熱できる。
【0024】
〔実施例5〕
次に、本発明の請求項4に対応する実施例を図5(a),(b)で説明する。すなわち、先記の各実施例の構成では、ヒートパイプ13の上面が外囲ケース5に充填したシリコーンゲルなどの伝熱性の低い封止樹脂で覆われており、外部への放熱に関与する伝熱経路は絶縁基板2の上面に形成した配線パターン2cおよび実施例4の放熱用導体パターン2eとの接合面に限定される。このために、ヒートパイプ13の熱輸送能力が十分生されない。
そこで、この実施例ではヒートパイプ13の上面を放熱伝熱面として有効活用するために、図示のようにヒートパイプ13の上面に熱伝導性ペースト15に厚みを持たせて塗布し、この上に外囲ケース5を被着することでヒートパイプ13と外囲ケース5との間を伝熱的に接合している。なお、熱伝導性ペースト15としては、電気的に絶縁性を有する熱伝導性ペーストにキャリアテープを付けた市販製品(例えば、熱伝導性接着フィルム(GF−3500:日立化成工業)が使用できる。
【0025】
上記の構成によれば、IGBT4およびFWD4からヒートパイプ13に伝熱した熱の大半は、先記実施例で述べたように絶縁基板2の配線パターン2cに熱輸送されて金属ベース板1から外部に放熱されるとともに、熱の一部はヒートパイプ13の上面から熱伝導性ペースト15を介して外囲ケース5に伝熱して外部に熱放散される。これにより、ヒートパイプ13による熱の運搬効率が向上し、パワー半導体チップの発熱を効率よく除熱できる。また、電気絶縁材である熱伝導性ペースト15を使用することにより、通電導体を兼ねたヒートパイプ13と外囲ケース5との電気的絶縁を確保するとともに、パワー半導体チップ,ヒートパイプ13,外囲ケース5の熱膨張係数差による熱応力を吸収,緩和できる。
【0026】
なお、この実施例は先記の実施例4の構成と組み合わせて実施できることは勿論である。
〔実施例6〕
図6(a),(b)は、先記実施例1の組立構造を図8に示したマルチチップデバイス(3相インバータ)の製品に適用した実施例を示すものである。この実施例においては、図示のように絶縁基板2の上に分散して配線パターン2bの上にマウントした6個組のIGBT3およびFWD4に対して、双方の半導体チップにまたがってそのチップ上面のエミッタ電極と絶縁基板上の配線パターン2cとの間にヒートパイプ13を敷設し、このヒートパイプ13を通電導体兼用の熱輸送体として半導体チップの発生熱をチップの上下両面から絶縁基板2を介して金属ベース板1に伝熱させて外部に放熱するようにしている。
【0027】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、金属ベース板を放熱板として該金属ベース板に搭載した絶縁基板上に1ないし複数のパワー半導体チップを実装し、該パワー半導体チップの上面側電極と該電極に対応する絶縁基板上の配線パターンとの間を接続導体で電気的に接続した構成になる半導体パワーデバイスにおいて、前記接続導体として良導電材で作られたヒートパイプを用い、該ヒートパイプをパワー半導体チップの上面側主電極と絶縁基板上の配線パターンとの間に敷設して電気的および伝熱的に接合したことにより、
パワー半導体チップの冷却効率を高めることができる。しかも、ヒートパイプはパワー半導体チップに対する通電導体を兼ねているので、在来のデバイスと比べて部品点数の増加や、パッケージが大型化することもなく、これにより大容量化に伴って増加する発熱損失を効率よく外部に放熱し、過酷なパワーサイクルに耐えられる信頼性の高いパワーデバイスを提供することができる。
【0028】
また、前記のヒートパイプに対して、請求項3,4の構成を組み合わせることにより、パワー半導体チップの発熱に対する除熱性能をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1に対応する半導体パワーデバイスの組立構造図で、(a),(b)はそれぞれ縦断側面図,および横断平面図
【図2】本発明の実施例2に対応する半導体パワーデバイスの組立構造図で、(a),(b)はそれぞれ縦断側面図,および横断平面図
【図3】本発明の実施例3に対応する半導体パワーデバイスの組立構造図で、(a),(b)はそれぞれ縦断側面図,および横断平面図
【図4】本発明の実施例4に対応する半導体パワーデバイスの組立構造図で、(a),(b)はそれぞれ縦断側面図,および横断平面図
【図5】本発明の実施例5に対応する半導体パワーデバイスの組立構造図で、(a),(b)はそれぞれ縦断側面図,および横断平面図
【図6】本発明の実施例6に対応するマルチチップデバイスの組立構造図で、(a),(b)はそれぞれ縦断側面図,および横断平面図
【図7】従来における半導体パワーデバイスの組立構造図で、(a),(b)はそれぞれ縦断側面図,および横断平面図
【図8】マルチチップパワーデバイスの従来例の組立構造図で、(a),(b)はそれぞれ内部構造を示したデバイス全体の俯瞰図および平面図
【符号の説明】
1 金属ベース板
2 絶縁基板
2b,2c,2d 配線パターン
2e 放熱用導体パターン
3 IGBT
4 FWD
5 外囲ケース
13,14 ヒートパイプ
15 熱伝導性ペースト[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor power device for a general-purpose power module combining an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and a FWD (Free Wheeling Diode), and more particularly to an assembly structure thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the capacity of semiconductor power devices has been increasing, and accordingly, heat loss of power semiconductor elements has tended to increase. On the other hand, since it is desirable to maintain the operating temperature of the power semiconductor element at a low temperature from the viewpoint of reliability and life, the semiconductor power device efficiently radiates heat generated by the semiconductor chip to the outside due to energization. Suppressing an excessive rise in temperature is an important issue.
Here, taking a power module combining an IGBT and an FWD as an example, a conventional module assembly structure is shown in FIG. 7A and 7B, 1 is a metal base plate (copper plate) for heat dissipation, 2 is an insulating substrate for mounting a semiconductor element mounted on the
[0003]
Here, a Direct Bonding Copper substrate or the like in which a conductor (copper plate) is bonded to both surfaces of a ceramic plate having excellent heat conductivity is used as the
[0004]
As prior art document information related to the power module having the above-described configuration, there is
By the way, the assembly structure in which the power semiconductor chip and the wiring pattern of the insulating substrate are connected by the aluminum wire as described above has the following problems.
The heat loss generated in the semiconductor chips such as the
[0005]
Further, the chip area of the IGBT 3 and the FWD 4 is extremely small as compared with the area of the
Further, if the
[0006]
On the other hand, as shown in FIGS. 8A and 8B, a large-capacity multi-chip semiconductor power device in which a three-phase inverter circuit is constituted by a set of six IGBTs and FWDs, instead of the
In addition, the power semiconductor chip mounted on the power module and the external lead-out terminal are directly connected with a connection conductor having a large heat capacity having a width and a thickness in place of a bonding wire, and a transient generated due to energization of the power semiconductor chip. There is also known a configuration in which excessive heat is absorbed by a wide conductor having a large heat transfer capacity to suppress a transient temperature rise of the power semiconductor chip. (For example, see
[0007]
[Patent Document 1]
JP 10-163416 A [Patent Document 2]
JP-A-11-204703 (
[Patent Document 3]
JP-A-8-306288
[Problems to be solved by the invention]
The connection structure and the wide conductor disclosed in the above-described assembly structure of FIG. 8 and the
For a large-capacity semiconductor power device, a cooling method in which a liquid cooling type, a boiling cooling type, or a heat radiating plate using a heat pipe is attached to each power semiconductor chip as a cooling means of a power semiconductor element has been conventionally implemented. However, the assembly structure in which such a large heat sink is incorporated in the package increases the size of the device, and is not suitable for a small general-purpose power module as shown in FIGS.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to improve the power cycle capability and reliability of a general-purpose semiconductor power device described above by efficiently radiating the heat loss that increases with the increase in the capacity of the power semiconductor chip to the outside. It is an object of the present invention to provide a semiconductor power device having an improved structure so that the structure can be improved.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, one or more power semiconductor chips are mounted on an insulating substrate mounted on the metal base plate, using a metal base plate combined with the outer case as a heat sink, In a semiconductor power device having a configuration in which a top conductor of the power semiconductor chip and a wiring pattern on an insulating substrate corresponding to the electrode are electrically connected by a connection conductor,
A heat pipe made of a material having good conductivity is adopted as the connection conductor, and the heat pipe is laid between the main electrode on the upper surface side of the power semiconductor chip and the wiring pattern on the insulating substrate to provide electrical and electrical connection. It shall be thermally joined (claim 1).
[0011]
In the above configuration, the heat pipe also serves as a heat transporter for dissipating heat absorbed from the semiconductor chip to the insulating substrate and a conducting conductor of the semiconductor chip, and absorbs heat loss generated in the power semiconductor chip from the upper surface side of the chip. To efficiently transfer heat to the metal base plate (heat sink). Therefore, the heat loss of the power semiconductor chip mounted on the insulating substrate of the package is efficiently transferred from the upper and lower surfaces of the chip to the metal base plate for heat dissipation and is radiated to the outside. High reliability that can withstand capacity and severe power cycles can be secured. In addition, since the heat pipe is also used as a connection conductor for energization, the heat pipe can be assembled basically without changing the arrangement inside the package.
[0012]
Here, the heat pipe employs a flat heat pipe whose shell is rectangular in consideration of the bonding property (soldering) with the wiring pattern of the semiconductor chip and the insulating substrate and the heat transfer property (claim). Item 2) is preferred.
Further, based on the device structure described above, in order to make full use of the heat transport function of the heat pipe, a conductor pattern dedicated to heat dissipation is formed separately from the wiring pattern on the insulating substrate. (Claim 3), and a configuration in which the upper surface of the heat pipe and the surrounding case are thermally connected via a heat conductive paste (claim 3). There is item 4).
[0013]
Further, according to the present invention, the arrangement of the power semiconductor chip and the heat pipe mounted on the insulating substrate can be implemented in the following manner.
(1) A power semiconductor chip mounted on an insulating substrate is an IGBT and an FWD connected in parallel to the IGBT. The IGBT and the FWD are juxtaposed and mounted on a wiring pattern on the insulating substrate. A heat pipe also serving as a current-carrying conductor is overlapped on the main electrode surface on the upper surface of both the FWD and the FWD, and electrically and thermally conductively joined by soldering or the like (claim 5). With this assembly structure, a pair of IGBTs and FWDs can share a single heat pipe to conduct electricity to both semiconductor chips and remove heat loss.
[0014]
(2) In (1) above, the IGBT is mounted on a wiring pattern on an insulating substrate with its collector electrode facing upward and the emitter and gate electrodes facing downward, and a heat pipe is overlaid on the collector electrode on the upper surface. Electrically and thermally conductive bonding (claim 6). In this way, the IGBT is turned upside down in the opposite direction to the normal direction and mounted on the insulating substrate with the emitter and the gate electrode facing downward, so that the wiring between the gate electrode and the gate wiring pattern formed on the insulating substrate is formed. Can be directly connected to each other without using a connection conductor, thereby simplifying the internal wiring of the device.
(3) After mounting the IGBT on the wiring pattern on the insulating substrate, a heat pipe is overlapped and joined to the main electrode surface on the upper surface thereof, and the FWD is stacked on the IGBT with the heat pipe interposed therebetween to form a lower surface. The electrode surface is electrically and thermally conductively joined to the upper surface of the heat pipe, and another heat pipe is laid between the upper electrode surface of the FWD and the wiring pattern on the insulating substrate on which the IGBT is mounted. And heat transfer bonding (claim 7). As described above, by stacking the FWD three-dimensionally on the IGBT and laying the heat pipes which also serve as the current-carrying conductors between the IGBT and the FWD and the wiring pattern on the insulating substrate, high heat removal performance and In addition, the size of the package can be reduced.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to examples shown in FIGS. In the drawings of each embodiment, members corresponding to those in FIGS. 7 and 8 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[Example 1]
FIGS. 1A and 1B show an embodiment corresponding to
[0016]
Here, the
[0017]
The
Next, the heat dissipation of the heat loss generated in the semiconductor chips of the
[0018]
Here, as is well known, the
[0019]
[Example 2]
FIGS. 2A and 2B show an embodiment corresponding to claim 6 of the present invention as an application example of the first embodiment. In this embodiment, the
[0020]
With this configuration, high heat dissipation to the semiconductor chip can be ensured in the same manner as in the first embodiment, and the electrical connection between the gate electrode of the
[Example 3]
Next, an applied embodiment corresponding to claim 7 of the present invention is shown in FIGS. In this embodiment, the arrangement of the
[0021]
According to this configuration, with respect to the heat loss of the
[Example 4]
FIGS. 4 (a) and 4 (b) show a claim of the present invention based on the assembly structure of the first embodiment, in which the heat transfer capability of the heat pipe is sufficiently utilized to further enhance the heat dissipation of the power semiconductor chip. 13 shows an embodiment corresponding to
[0022]
Therefore, in this embodiment, the layout of the conductor pattern formed on the upper surface of the insulating
Further, as the
[0023]
The
According to the above configuration, the heat generated in the
[0024]
[Example 5]
Next, an embodiment corresponding to claim 4 of the present invention will be described with reference to FIGS. That is, in the configuration of each of the above-described embodiments, the upper surface of the
Therefore, in this embodiment, in order to effectively utilize the upper surface of the
[0025]
According to the above configuration, most of the heat transferred from the
[0026]
It is needless to say that this embodiment can be implemented in combination with the configuration of the fourth embodiment.
[Example 6]
FIGS. 6A and 6B show an embodiment in which the assembly structure of the first embodiment is applied to the product of the multichip device (three-phase inverter) shown in FIG. In this embodiment, the
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, one or more power semiconductor chips are mounted on an insulating substrate mounted on the metal base plate using the metal base plate as a heat radiating plate, and an upper electrode of the power semiconductor chip and In a semiconductor power device having a configuration in which a connection conductor is electrically connected to a wiring pattern on an insulating substrate corresponding to the electrode, a heat pipe made of a good conductive material is used as the connection conductor. By laying between the main electrode on the top surface of the power semiconductor chip and the wiring pattern on the insulating substrate and electrically and thermally conducting
The cooling efficiency of the power semiconductor chip can be improved. Moreover, since the heat pipe also serves as a current-carrying conductor for the power semiconductor chip, there is no increase in the number of components and the size of the package as compared with conventional devices, and thus the heat generated by the increase in capacity is increased. A highly reliable power device that can efficiently dissipate the loss to the outside and withstand a severe power cycle can be provided.
[0028]
Further, by combining the heat pipe with the configuration of the third and fourth aspects, it is possible to further enhance the heat removal performance with respect to the heat generation of the power semiconductor chip.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an assembly structure diagram of a semiconductor power device corresponding to the first embodiment of the present invention, wherein (a) and (b) are a longitudinal side view and a cross-sectional plan view, respectively. FIGS. 3A and 3B are longitudinal sectional side views and cross-sectional plan views, respectively. FIGS. 3A and 3B are assembly structural views of a semiconductor power device corresponding to a third embodiment of the present invention. FIGS. 4 (a) and (b) are respectively a longitudinal side view and a cross-sectional plan view. FIG. 4 is an assembly structure diagram of a semiconductor power device corresponding to a fourth embodiment of the present invention. FIG. 5 is an assembly structural view of a semiconductor power device corresponding to
DESCRIPTION OF
4 FWD
5
Claims (7)
前記接続導体として良導電材で作られたヒートパイプを用い、該ヒートパイプをパワー半導体チップの上面側主電極と絶縁基板上の配線パターンとの間に敷設して電気的および伝熱的に接合したことを特徴とする半導体パワーデバイス。One or a plurality of power semiconductor chips are mounted on an insulating substrate mounted on the metal base plate, with the metal base plate combined with the outer case serving as a heat sink, and the upper surface side electrodes of the power semiconductor chip and the electrodes are formed. A semiconductor power device having a configuration in which a connection conductor is electrically connected to a wiring pattern formed on an insulating substrate.
A heat pipe made of a good conductive material is used as the connection conductor, and the heat pipe is laid between the main electrode on the upper surface of the power semiconductor chip and the wiring pattern on the insulating substrate to be electrically and thermally connected. A semiconductor power device characterized by the following.
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