JP2016162992A - パワー半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
パワー半導体装置は、パワー半導体モジュールとヒートシンクとが一体化されたものであって、パワー半導体モジュールは、スイッチング可能なパワー半導体チップと、パワー半導体チップに接続された配線部材とを絶縁樹脂で封止することによって製造されている。
このパワー半導体モジュールの信頼性を確保するために、個々に環境試験および耐久試験など種々の信頼性試験が行われ、試験に合格したパワー半導体モジュールのみがヒートシンクに搭載されている。
パワー半導体モジュールの小型化については、モータージェネレータのような車載用機器などに採用されているモールド封止型のパワー半導体装置では、ヒートシンクがグランド(以下GNDと表す)電位であるため、パワー半導体モジュールの電極のうち、GND電位となる電極をヒートシンクに電気的に接続し、GND電位以外の電極をヒートシンクから絶縁するために、放熱面に絶縁性部材を配置する必要があり、この絶縁性部材が小型化の弊害となっている。
また、小型化のためには、パワー半導体モジュールの電極の構造を工夫し、パワー半導体チップの上面側の電極に板状の電極を接続して露出させて、パワー半導体モジュールの厚さ方向に電極の取り出しを行うことが提案されている(特許文献2)。
いる。
また、ヒートシンクとの対向面にN電極のみを露出し、ヒートシンクはGND電位であり、N電極とヒートシンクがメタル接触することで電気的に接続する構造とし、N電極以外の電極は、薄い樹脂層を介してヒートシンクから放熱するように構成したものである。
以下、この発明の実施の形態1を図に基づいて説明する。
図1は、実施の形態1に係るパワー半導体装置の構成の一部を模式的に示す斜視図である。また、図2は、図1に示したパワー半導体装置100のA−A線における断面の構成の一部を模式的に示す断面図である。このパワー半導体装置100は、パワー半導体モジュール10とヒートシンク20によって構成されており、パワー半導体モジュール10は、第1のパワー半導体チップ1と、第2のパワー半導体チップ2と、この第1のパワー半導体チップ1と第2のパワー半導体チップ2に接続されるP電極3、N電極4、AC電極5とが絶縁部材6(以下モールド樹脂という)によってモールドされたものである。
すなわち、P電極3の上に第1のパワー半導体チップ1が搭載され、AC電極5の上に第2のパワー半導体チップ2が搭載され、第1のパワー半導体チップ1の電極はAC電極5に接続され、N電極4は第2のパワー半導体チップ2に接続されている。言い換えると、第1のパワー半導体チップ1の電極を第1の電極1aと第2の電極1bとすると、P電極3は、第1のパワー半導体チップ1の第1の電極1aに接続されており、同様に、第2のパワー半導体チップ2の電極を第1の電極2aと第2の電極2bとすると、N電極4は、第2のパワー半導体チップ2の第1の電極2aに接続され、AC電極5は、第1のパワー半導体チップ1の第2の電極1bと第2のパワー半導体チップ2の第2の電極2bに接続されているということになる。
ここで説明したP電極3、N電極4、AC電極5は、パワー半導体装置100のリード端子で、このリード端子は、一般的には、帯状の薄い金属板に所定のパターンで打ち抜かれたリードフレームとして供給され、必要な加工処理後、フレームから切り離されて構成されるものである。
実施の形態2
図3は、実施の形態2に係るパワー半導体装置100の構成の一部を模式的に示す断面図である。実施の形態2によるパワー半導体装置100は、パワー半導体モジュール10の貫通穴30を通してヒートシンク20にねじ留めするときに、ねじ32の座面とパワー半導体装置100の間に皿ばね33を備える。ねじ32を締めたときに、皿ばね33がねじ32の座面で押されパワー半導体モジュール10がヒートシンク20に押し付けられることで、N電極4とヒートシンク20が電気的に接続される。
実施の形態3
図4は、実施の形態3に係るパワー半導体装置100の構成を模式的に示す断面図である。実施の形態3によるパワー半導体装置100においては、貫通穴30をN電極4の平面内を通るように設け、N電極4の上面と下面の両面をモールド樹脂6から露出するように構成している。この構成においてねじ32を締め付けると、ねじ32の座面によってN電極4の露出面が加圧され、N電極4がヒートシンクに押し付けられることで電気的に接続される。
実施の形態4
図7は、実施の形態4に係るパワー半導体装置100の構成を模式的に示す断面図である。パワー半導体装置100は、パワー半導体モジュール10を固定するばね40を備え、パワー半導体モジュール10は、ヒートシンク20にばね40で加圧されることでヒートシンク20上に固定される。この場合は、パワー半導体モジュール10に貫通穴30は設けない。ばね40の固定部は、パワー半導体装置100のヒートシンク20上に設置されても良いし、パワー半導体装置100を組み込む製品の筐体に設置されていても良い。
実施の形態5
図8は、実施の形態5に係るパワー半導体モジュール10の構成を模式的に示す断面図である。パワー半導体モジュール10のN電極4の露出面と絶縁性部材9のヒートシンク対向面は、略同一平面に配置させている。本構造は、N電極4がパワー半導体モジュール10を成形後に絶縁性部材と同一平面になるように、リードフレームのN電極をあらかじめ折り曲げたり、プレス加工により半せん断状態にすることで段差を設けたりして構成できる(図8(A))。また、少なくともリードフレームのN電極4の一部を、P電極3およびAC電極5に比べて厚さを増大させることで構成することも可能である(図8(B))。もしくは、N電極4に電気的に接続され、絶縁性部材9の厚さと略同じ厚さを持つ配線部材50を配置することで構成することも可能である(図8(C))。
実施の形態6
図9は、実施の形態6に係るパワー半導体装置100の構成を模式的に示す平面図である。また図10は、実施の形態6に係るパワー半導体装置100の構成を模式的に示す回路図である。パワー半導体モジュール10は、三相交流回路の少なくとも1つの相を構成し、上アームのパワー半導体チップを搭載するP電極3と、下アームのパワー半導体チップを搭載するAC電極5はそれぞれ、パワー半導体モジュール10の略反対側の側面から延出している。また、P電極3の延出部をヒートシンクの平面上の中心方向に配置し、AC電極5の延出部がヒートシンク20の外周部に配置するように、1つのヒートシンク上に複数個搭載し、それぞれP電極用バスバー91およびAC電極用バスバー92で接続することで、三相交流回路を構成している。
4 N電極、5 AC電極、6 モールド樹脂、7 配線部材、8 導電性部材、
9 絶縁性部材、10 パワー半導体モジュール、20 ヒートシンク
30 貫通穴、31 ねじ穴、32 ねじ、33 皿ばね、34 可撓性構造部、
35 金属板、40 ばね、50 配線部材、91 P電極用バスバー、
92 AC電極用バスバー、100 パワー半導体装置
Claims (14)
- 第1のパワー半導体チップと、第2のパワー半導体チップと、前記第1のパワー半導体チップの第1の電極に接続されたP電極と、前記第2のパワー半導体チップの第1の電極に接続されたN電極と、前記第1のパワー半導体チップの第2の電極および前記第2のパワー半導体チップの第2の電極に接続されたAC電極と、前記第1のパワー半導体チップ、前記第2のパワー半導体チップ、前記P電極、前記N電極および前記AC電極をモールドするモールド部材とを備えたパワー半導体モジュール、および前記パワー半導体モジュールと接触して配置され前記パワー半導体モジュールの熱を放熱するヒートシンクを備え、前記N電極がGND電位であって、前記N電極が前記パワー半導体モジュールから露出して前記ヒートシンクと接触し、前記P電極および前記AC電極が前記パワー半導体モジュールの側面から突出するように構成したことを特徴とするパワー半導体装置。
- 前記パワー半導体モジュールの前記ヒートシンクとの対向面に前記N電極のみを露出し、前記ヒートシンクはGND電位として、前記N電極と前記ヒートシンクがメタル接触して電気的に接続され、前記N電極以外の電極は、絶縁性部材を介して前記ヒートシンクから放熱することを特徴とする請求項1に記載のパワー半導体装置。
- 前記P電極と前記AC電極は、前記パワー半導体モジュールの厚さ方向の中心線よりもヒートシンク側に近い側にあり、前記第1のパワー半導体チップで生じた熱の大半は、前記P電極と前記ヒートシンクとの間の絶縁性部材を介して前記ヒートシンクへ放熱され、前記第2のパワー半導体チップで生じた熱の大半は、前記AC電極と前記ヒートシンクとの間の絶縁性部材を介して前記ヒートシンクへ放熱されることを特徴とする請求項1に記載のパワー半導体装置。
- 前記パワー半導体モジュールは、前記パワー半導体モジュールの厚さ方向に貫通穴を備え、前記貫通穴を通るねじによって前記パワー半導体モジュールと前記ヒートシンクとを固着させるようにしたことを特徴とする請求項1に記載のパワー半導体装置。
- 前記ヒートシンクはねじ穴を備え、前記パワー半導体モジュールは皿ばねを介して前記ねじによって前記ヒートシンクに止められていることを特徴とする請求項4に記載のパワー半導体装置。
- 前記貫通穴は、前記N電極の平面内を通る位置に設けられ、前記N電極の前記貫通穴の近くは両面が露出し、前記パワー半導体モジュールと前記ヒートシンクとを固定する前記ねじの座面と前記N電極の露出面が接することを特徴とする請求項4に記載のパワー半導体装置。
- 前記貫通穴が設けられた前記N電極の露出部は変形し得る可撓性構造部であることを特徴とする請求項6に記載のパワー半導体装置。
- 前記貫通穴の開口部に金属板を備えていることを特徴とする請求項4に記載のパワー半導体装置。
- 前記パワー半導体モジュールは、ばねによって前記ヒートシンクに押圧されていることを特徴とする請求項1に記載のパワー半導体装置。
- 前記ばねは、前記第1のパワー半導体チップおよび前記第2のパワー半導体チップの投影面上に重ならない前記パワー半導体モジュールの表面を加圧することを特徴とする請求項9に記載のパワー半導体装置。
- 前記パワー半導体モジュールの前記N電極の露出面と前記絶縁性部材の表面とが、略同一平面にあることを特徴とする請求項2に記載のパワー半導体装置。
- 前記パワー半導体モジュールは、三相交流回路の少なくとも1つ相を構成し、上アームの前記第1のパワー半導体チップを搭載する前記P電極と、下アームの前記第2のパワー半導体チップを搭載する前記AC電極はそれぞれ、前記パワー半導体モジュールの略反対側の側面から延出していることを特徴とする請求項1に記載のパワー半導体装置。
- 前記パワー半導体モジュールの前記P電極が前記ヒートシンクの内周側に位置し、前記AC電極が前記ヒートシンクの外周側に位置するようにして、1つの前記ヒートシンク上に複数個搭載され、前記P電極がP電極用バスバーで接続され、前記AC電極がAC電極用バスバーで接続されて三相交流回路を構成していることを特徴とする請求項11に記載のパワー半導体装置。
- 前記N電極と前記ヒートシンクがGND電位のモーターハウジングと接続されてモータージェネレータ用の電力変換装置に使用し得ることを特徴とする請求項12に記載のパワー半導体装置。
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