JP2012059857A - 電力半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】取り付け面に対する絶縁性を確保すると同時に高い放熱性を有する電力半導体装置の提供を目的とする。
【解決手段】本発明に係る電力半導体装置は、電力半導体素子１と、電力半導体素子１の底面に当接して配設された金属からなる放熱板２と、放熱板２の電力半導体素子１との当接面とは反対側の面に設けられ、電力半導体素子１を電力半導体素子１が取り付けられる取り付け面４に対して絶縁する絶縁手段３とを備える。また、放熱板２には内部に冷媒が流れる流路２ａが形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力半導体装置の冷却性能を向上し、取り付け面に対する絶縁性能を確保する技術に関するものである。

パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）や絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）などの電力制御素子とその駆動回路、さらに各種の保護回路を一つのパッケージに組み込んだパワーモジュールであるＩＰＭ（Intelligent Power Module）は、一般産業機器のモーター駆動・制御のスイッチング素子として広く用いられている。

このようなＩＰＭでは、放熱板で半導体チップを冷却することにより加熱保護機能を実現している。例えば特許文献１で開示されている電力変換装置では、冷却を司る放熱板と半導体チップの間に絶縁板を設け、半導体チップの取り付け面に対する絶縁性を確保している。

特開２００５−３５３８８０号公報

特許文献１のように絶縁板を設ける場合、絶縁性能を高めるために絶縁板を厚くすれば、放熱性が悪化してしまい、絶縁板を薄くして放熱性を高めれば絶縁性が悪化してしまうという、絶縁性と放熱性のトレードオフが生じる。

そこで本発明は上述の問題点に鑑み、取り付け面に対する絶縁性を確保すると同時に高い放熱性を有する電力半導体装置の提供を目的とする。

本発明に係る電力半導体装置は、電力半導体素子と、電力半導体素子の底面に当接して配設された金属からなる放熱板と、放熱板の電力半導体素子との当接面とは反対側の面に設けられ、電力半導体素子を電力半導体素子が取り付けられる取り付け面に対して絶縁する絶縁手段とを備え、放熱板には内部に冷媒が流れる流路が形成される。

本発明に係る電力半導体装置は、電力半導体素子と、電力半導体素子の底面に当接して配設された金属からなる放熱板と、放熱板の電力半導体素子との当接面とは反対側の面に設けられ、電力半導体素子を電力半導体素子が取り付けられる取り付け面に対して絶縁する絶縁手段とを備えるので、半導体素子を取り付け面に対して絶縁すると同時に放熱板により冷却することが可能である。さらに、放熱板には内部に冷媒が流れる流路が形成されるので、冷媒による冷却によって高い放熱性を得ることが可能である。

本発明の実施の形態１に係る電力半導体装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る電力半導体装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る電力半導体装置の動作を説明するブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る電力半導体装置の構成を示す斜視図である。

（実施の形態１）
＜構成＞
図１は、実施の形態１に係る電力半導体装置の構造を模式的に示した図である。本明細書では、ＭＯＳ構造を有する半導体素子自体を狭義の「半導体装置」と定義する他、例えば放熱手段や絶縁手段を含むパワーモジュール自体も広義の「半導体装置」と定義する。

本実施の形態の電力半導体装置では、半導体チップ１の裏面に例えば金属からなる放熱板２が設けられ、放熱板２の底面は絶縁シート３を介して取り付け面４に取り付けられている。

半導体チップ１は、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの電力用半導体素子であり、絶縁手段としての絶縁シート３により半導体チップ１は取り付け面４に対して絶縁されている。なお、半導体チップ１の材料にはＳｉの他、ＳｉＣやＧａＮといったＳｉよりもバンドギャップの大きいワイドバンドギャップ半導体を用いても良い。こうしたワイドバンドギャップ半導体で構成した電力用半導体素子は高温動作が可能になるという利点がある。

放熱板２には図１に示すように流路２ａが形成されており、放熱板２は表面からの放熱と流路２ａに供給される冷媒による放熱により、半導体チップ１を冷却する。

本実施の形態の電力半導体装置ではこのように、取り付け面４の上に絶縁シート３、放熱板２、半導体チップ１の順に構成することにより、半導体チップ１の絶縁性と放熱性とを両立することが可能である。

なお、図１では絶縁シート３を用いて半導体チップ１の絶縁を確保する構造を例示したが、半導体チップ１と放熱板２を絶縁体の筐体に収納しても良い。そして筐体を取り付け面４に取り付けることによって、半導体チップ１の取り付け面に対する絶縁が確保できる。

＜冷媒供給手段＞
さらに本実施の形態の電力半導体装置は、放熱板２の流路２ａに冷媒を供給する冷媒供給手段を備えている。図２に、冷媒供給手段を含む本実施の形態の電力半導体装置の斜視図を示す。

図２に示すように、電力半導体装置は冷媒供給手段としてファン６を備え、ファン６と放熱板２の流路２ａとは接合部としての樹脂パイプ５で接合されている。ファン６を構成する筐体自体を絶縁体で構成しても良いが、樹脂パイプ５が絶縁性を有するため、ファン６は導電性の筐体で構成しても良い。あるいは、接合部に絶縁体を用いない場合は、ファン６の筐体に絶縁体を用いる。このような構成により、半導体チップ１は冷媒供給手段に対して絶縁される。

以上の例ではファン６を冷媒供給手段として用い、冷媒として空気を流路２ａに供給したが、冷媒や冷媒供給手段には様々なものを用いることが可能である。例えば、冷媒供給手段としてコンプレッサー、コンデンサー、膨張弁及びエバポレーターで構成される蒸気圧縮冷凍機を用いても良い。あるいは、上述の蒸気圧縮冷凍機において膨張弁の代わりにエジェクターと気液分離器を備えた、エジェクターサイクルの蒸気圧縮冷凍機であっても良い。これらの場合、冷媒には絶縁性の気体であるフロン系ガスや炭酸ガスを用いる。冷媒に絶縁物を用いることによって、半導体チップ１の冷媒供給手段に対する絶縁性がさらに向上する。

あるいは、冷媒供給手段は液体を循環させる流体ポンプであっても良い。

＜効果＞
実施の形態１に係る電力半導体装置は、電力半導体素子としての半導体チップ１と、半導体チップ１の底面に当接して配設された金属からなる放熱板２と、放熱板２の半導体チップ１との当接面とは反対側の面に設けられ、半導体チップ１を半導体チップ１が取り付けられる取り付け面４に対して絶縁する絶縁手段とを備えるので、半導体チップ１を取り付け面４に対して絶縁すると同時に放熱板２により冷却することが可能である。さらに、放熱板２には内部に冷媒が流れる流路２ａが形成されるので、冷媒による冷却によって高い放熱性を得ることが可能である。

また、実施の形態１に係る電力半導体装置は、流路２ａに冷媒を供給する冷媒供給手段と、流路２ａと冷媒供給手段とを接合する接合部とをさらに備え、接合部及び／又は冷媒供給手段の筐体が絶縁体で構成されるので、半導体チップ１の冷媒供給手段に対する絶縁性を確保することができる。

あるいは、実施の形態１に係る電力半導体装置において、絶縁手段は半導体チップ１と放熱板２を収納する筐体として設けられる。半導体チップ１は絶縁体の筐体を介して取り付け面４に取り付けられることで、取り付け面に対する絶縁性を確保することができる。

また、実施の形態１に係る電力半導体装置において、冷媒を絶縁体にすることにより半導体チップ１の冷媒供給手段に対する絶縁性をさらに向上することができる。

また、実施の形態１に係る電力半導体装置において、冷媒供給手段は空冷ファン６又は蒸気圧縮冷凍機又は流体ポンプであり、このそれぞれに対して冷媒は空気又はフロン系ガスないし炭酸ガス又は液体である。このような構成で放熱板２の流路２ａに冷媒を導入することにより、半導体チップ１の放熱性を高めることが出来る。

また、実施の形態１に係る電力半導体装置において、冷媒供給手段にエジェクターサイクルの蒸気圧縮冷凍機を用いることによっても、半導体チップ１の放熱性を高めることが出来る。

（実施の形態２）
実施の形態２に係る電力半導体装置は、実施の形態１の構成に加えて、半導体チップ１の温度を測定する温度センサーと、温度センサーの測定値に応じて冷媒供給手段を制御するマスターＥＣＵとをさらに備えている。これら以外の構成は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

温度センサーは半導体チップ１の周辺に取り付けられて半導体チップ１の温度を測定し、測定値をマスターＥＣＵに出力する。

マスターＥＣＵは温度センサーから受け取った測定値に応じて冷媒供給手段を制御する。図２に示すように冷媒供給手段が空冷ファンである場合は、その回転数を調整して放熱板２の流路２ａを流れる空気の流量を制御する。例えば、温度センサーの測定値が所定の閾値よりも高い温度を示している場合には、空冷ファン６の回転数を上げることによって、流路２ａを流れる空気の流量を増し、冷却能力を向上させる。一方、温度センサーの測定値が所定の閾値よりも低い温度を示している場合には、空冷ファン６の回転数を下げることによって、流路２ａを流れる空気の流量を減らし、冷却能力を低下させる。

このように、半導体チップ１の温度に応じて適正な量の冷媒を流路２ａに導入することにより、半導体チップ１の温度が許容量を超えて上昇することや、過大な量の冷媒を導入することによってエネルギーロスが生じることを避けることができる。

上記には冷媒供給手段が空冷ファン６である場合の動作を説明したが、実施の形態１で説明した流体ポンプなどの他の冷媒供給手段についても同様に、半導体チップ１の温度に応じた冷媒供給量の制御を行う。冷媒供給手段として蒸気圧縮冷凍機を用いる場合には、温度センサーの測定温度に応じてコンプレッサーの容量を制御する。例えばコンプレッサーが回転軸と同軸にクラッチを備えている場合、温度センサーの測定温度に応じてクラッチの締結制御を行うことによりコンプレッサーの回転数を制御することが可能である。冷媒供給手段としてエジェクターサイクルの圧縮冷凍機を用いる場合には、温度センサーの測定温度に応じてエジェクターの圧力を可変にすることにより、冷媒の導入量を制御することができる。

また、図１に示すような複数の流路２ａにおいて、温度センサーの測定温度に応じて冷媒を流す流路を選択するような制御を行っても良い。例えば各流路に設けた弁の開放／閉鎖により、冷媒が流れる流路の数を制御することが出来る。

＜効果＞
実施の形態２に係る電力半導体装置は、電力半導体素子の温度を測定する温度センサーを備え、冷媒供給手段は温度センサーの測定温度に基づいて冷媒の供給量を制御するので、半導体チップ１の温度が許容量を超えて上昇することや、過大な量の冷媒を導入することによってエネルギーロスが生じることを避けることができる。

また、実施の形態２に係る電力半導体装置における冷媒供給手段である蒸気圧縮冷凍機は、クラッチを有するコンプレッサーを備え、温度センサーの測定温度に基づいてクラッチの締結制御を行うことにより、半導体チップ１の温度が許容量を超えて上昇することや、過大な量の冷媒を導入することによってエネルギーロスが生じることを避けることができる。

また、実施の形態２に係る電力半導体装置において、流路２ａは放熱板２の内部に複数形成され、温度センサーの測定温度に基づいて冷媒が流れる流路の個数を制御する。

（実施の形態３）
図４は、実施の形態３に係る電力半導体装置の構成を示す斜視図である。実施の形態３に係る電力半導体装置では、半導体チップ１、放熱板２、絶縁シート３、取り付け面４を筐体としての樹脂ケース８で格納する構成となっている。但し、樹脂ケース８は少なくとも半導体チップ１と放熱板２を格納していればよく、絶縁シート３や取り付け面４は樹脂ケース８の外部にあっても良い。この場合には樹脂ケース８によって半導体チップ１と取り付け面４との絶縁性が確保されるため、絶縁シート３は設けなくても良い。

ファン６の樹脂パイプは、樹脂ケース８の開口部を通して放熱板２の流路２ａと接合している。

図４に示す樹脂ケース８は上面が開放された構造であり、内側の面の所定の位置には、異物の侵入を検知するエリアセンサー７が設けられている。エリアセンサー７の検知範囲は少なくとも半導体チップ１を含む近傍の範囲であり、エリアセンサー７が異物の侵入を検知した場合、半導体チップ１への通電を停止する。図４ではエリアセンサー７は樹脂ケース８の内側上部に２つ設けているが、設置位置や設置数は任意である。

これ以外の構成は実施の形態１と同様であり、冷媒供給手段としてファン６の代わりに実施の形態１で述べた様々な手段を用いることが可能である。

実施の形態３ではエリアセンサー７を設けることにより、樹脂ケース８に収納された半導体チップ１を含む絶縁されていない部分に人が触ろうとした場合に、事前に通電を停止するため感電を防止できる。

＜変形例＞
樹脂ケース８の一面の少なくとも一部が、例えばスライドすることにより開口部を形成する蓋部として構成され、樹脂ケース８の内側の面に、上述のエリアセンサー７の代わりに樹脂ケース８の上記一面が開口したことを検知する開口センサーを設ける。開口センサーの設置位置や設置数は任意である。開口センサーが樹脂ケース８の開口を検知すると、半導体チップ１の通電を停止する。

＜効果＞
実施の形態３に係る電力半導体装置は、半導体チップ１の近傍領域への侵入物を検知する第１のセンサーとしてのエリアセンサー７を備え、エリアセンサー７が侵入物を検知すると電力半導体素子１の通電を停止するので、人が半導体チップ１を含む通電部を触って感電することを防ぎ、電力半導体装置の安全性を確保する。

実施の形態３に係る電力半導体装置において、筐体としての樹脂ケース８は、樹脂ケース８に開口を形成する蓋部と、前記開口の形成を検知する第２のセンサーとしての開口センサーとを備え、開口センサーが前記開口の形成を検知した場合に半導体チップ１の通電を停止するので、開口から人が半導体チップ１を含む通電部を触って感電することを防ぎ、電力半導体装置の安全性を確保する。

本発明の電力半導体装置は、例えば放熱性、絶縁性、安全性が要求される自動車に搭載する（すなわち取り付け面４が自動車に設けられる）ことにより有効利用される。

１ 半導体チップ、２ 放熱板、２ａ 流路、３ 絶縁シート、４ 取り付け面、５ 樹脂パイプ、６ ファン、７ エリアセンサー、８ 樹脂ケース。

Claims (13)

1. 電力半導体素子と、
   前記電力半導体素子の底面に当接して配設された金属からなる放熱板と、
   前記放熱板の前記電力半導体素子との当接面とは反対側の面に設けられ、前記電力半導体素子を当該電力半導体素子が取り付けられる取り付け面に対して絶縁する絶縁手段とを備え、
   前記放熱板は内部に冷媒が流れる流路が形成された、
   電力半導体装置。
2. 前記流路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、
   前記流路と前記冷媒供給手段とを接合する接合部とをさらに備え、
   前記接合部及び／又は前記冷媒供給手段の筐体が絶縁体で構成される、
   請求項１に記載の電力半導体装置。
3. 前記絶縁手段は、前記放熱板の前記電力半導体素子との当接面とは反対側の面に設けられる代わりに、前記電力半導体素子と前記放熱板を収納する筐体として設けられる、
   請求項２に記載の電力半導体装置。
4. 前記冷媒は絶縁体である、
   請求項２又は３に記載の電力半導体装置。
5. 前記冷媒供給手段は空冷ファン又は蒸気圧縮冷凍機又は流体ポンプであり、
   このそれぞれに対して前記冷媒は空気又はフロン系ガスないし炭酸ガス又は液体である、
   請求項２〜４のいずれかに記載の電力半導体装置。
6. 前記冷媒供給手段はエジェクターサイクルの蒸気圧縮冷凍機である、請求項５に記載の電力半導体装置。
7. 前記電力半導体素子の温度を測定する温度センサーをさらに備え、
   前記冷媒供給手段は前記温度センサーの測定温度に基づいて前記冷媒の供給量を制御する、
   請求項５又は６に記載の電力半導体装置。
8. 前記蒸気圧縮冷凍機は、クラッチを有するコンプレッサーを備え、
   前記温度センサーの測定温度に基づいて前記クラッチの締結制御を行う、
   請求項７に記載の電力半導体装置。
9. 前記流路は前記放熱板の内部に複数形成され、
   前記温度センサーの測定温度に基づいて前記冷媒が流れる流路の個数を制御する、
   請求項７に記載の電力半導体装置。
10. 前記電力半導体素子の近傍領域への侵入物を検知する第１のセンサーをさらに備え、
    前記第１のセンサーが前記侵入物を検知すると前記電力半導体素子の通電を停止することを特徴とする、
    請求項１〜９のいずれかに記載の電力半導体装置。
11. 前記筐体は、
    前記筐体に開口を形成する蓋部と、
    前記開口の形成を検知する第２のセンサーとを備え、
    前記第２のセンサーが前記開口の形成を検知した場合に前記電力半導体素子の通電を停止する、
    請求項３に記載の電力半導体装置。
12. 前記電力半導体素子が取り付けられる前記取り付け面４は自動車に設けられる、請求項１〜１１のいずれかに記載の電力半導体装置。
13. 前記電力半導体素子はワイドバンドギャップ半導体で構成される、
    請求項１〜１２のいずれかに記載の電力半導体装置。

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