JP4385747B2

JP4385747B2 - 半導体装置の実装構造

Info

Publication number: JP4385747B2
Application number: JP2003404188A
Authority: JP
Inventors: 善則村上
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2023-12-03
Also published as: JP2005166983A; US20050121783A1; US7170163B2

Description

本発明は、半導体装置、特に冷却を必要とする電力用半導体装置の実装構造に関する。

ここで問題にするバスバーとは電流を外部の素子と授受するため配線構造であり、例えば下記特許文献１に記載されたものが知られている。
図１６は電力用半導体装置に取り付け、主電流を外部の素子と授受するためのバスバーの構成の一例を示す図である。図中、１０４は半導体装置、１０１と１０２は第１のバスバー、１０３は第２のバスバーで、ここではバスバー１０１と１０２とで１０３を挟みこむ構成になっている。１０７は前記バスバー同士を絶縁する絶縁材である。１０５は前記バスバーが接続する電気素子（ここでは電界コンデンサ）、１０６は半導体装置１０４に接続する別のバスバー、１０８、１０９は電気素子１０５からさらに外部に繋がるバスバーである。
たとえば、この構成で半導体装置１０４が高温を発するとすると、その熱流はバスバー１０１〜１０３を伝って電気素子１０５へと伝わってしまう。あらゆる金属は電気抵抗と熱抵抗は比例関係にあり、電気的低抵抗を必要とするバスバーでは、熱もよく伝わってしまう。一般に半導体は１５０℃以上にはならないが、昨今ではワイドギャップ半導体も電力用途に使われるようになってきており、バスバーを伝って周囲の、それほど高温に耐えられない電気素子へ熱が伝わってしまう問題は従来よりも重要になってきている。

特開平２０００−１０２２６０号公報

以上説明したように、従来構造のバスバーは低損失で電流を流すが、同時に熱もよく伝えるため、バスバーの一端に接続した半導体装置が高温になると、その熱が他端にまで届いてしまう、という問題点があった。その他端に接続した装置が、たとえば高温に耐えられない電解コンデンサのような装置であった場合、途中のバスバー自体を冷却しなければならないが、冷却装置の性能にもそれぞれ限界があるため、十分な冷却を施そうとするとバスバー長が長くなり、配線インダクタンスが増大し、また装置全体の規模が大きくなってしまう。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、バスバーが高温を伝えてしまうという問題を回避し、かつ、配線インダクタンスが低く、コンパクトな実装構造を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、一端が発熱する半導体装置の第１の主端子に接続され、他端が前記半導体装置よりも低温に維持する必要のある装置の第１の主端子に接続された第１のバスバーが、蛇行する部分を有するように構成している。上記バスバーは、例えば、互いに対向する第１と第２の主面をもつバスバーであり、互いに対抗する第１と第２の主面をもつ電力用半導体装置の該第１の主面にある第１の電極に前記バスバーの第１の主面が接続している構造である。

本発明によれば、バスバーの一端が高温の半導体装置に接しながら、他端にその熱を伝えたくない構造において、バスバーの長手方向に沿って熱が伝わる経路長が長いことで冷却効果を向上できる。つまり、蛇行によって、コンパクトな空間内で放熱に必要な距離を稼ぐことができる。なお、電気抵抗も増加するが、システム全体への影響は小さく、また、配線インダクタンスは直線的に伸びたバスバーよりも低減できる。

以下、図面を用いて本発明を説明する。
図１は参考例であるバスバー構造を説明する平面図である。図中番号、１は板状のバスバーで、一般にはアルミや銅など、電気伝導度の高い金属よりなる。なお、本図では、バスバー１が主面に平行な面内で蛇行している。
２は第１の端子で、半導体装置４の第１の主面にある第１の電極と接続している。ここで半導体装置４は半導体チップでも、チップサイズパッケージでも、モジュール型パッケージでもよい。
３はバスバー１の第２の端子で、ここではモータや平滑コンデンサなど、あまり高温に対応できない素子が接続されることを想定している。
５は、これら素子が接続されるネジ孔であるが、以下のほとんどの図では黒丸で代用して表記している。

本発明では半導体装置４が高温を発することを前提としている。このように第１の端子２と第２の端子３を結ぶバスバー１が蛇行して、熱が伝わる距離を伸ばすことで、途中の放熱領域を増やして第２の端子３の温度が上昇するのを抑制することができる。

図２は、他の参考例を説明する斜視図である。図中番号は前記図１と同様である。この例では、バスバー１は帯が折り畳まれるような方向に蛇行している。このような構成の方が、熱膨張などによる応力は受けないという利点がある。なお、この図２では模式的にバスバーの厚みの表現を省略している。

図３は前記図１に対応した変形例の平面図で、蛇行したバスバー１が自身の縁部同士を近接させている部分を多く有する構造である。つまり、バスバー１の蛇行部に、自身の縁の一部同士を互いに近接させて併走する部分を有する構造である。このような構造は、たとえば金属板に切り込みを入れてバスバー１とすることによって容易に形成できる。このようにすると、バスバー内で電流が対向して流れる部分が増え、しかも縁が近接しているためバスバー周囲への放射磁場が抑制され、図１の場合より配線インダクタンスが低減する。

図４は図３と同様の構成を図２の形態に適用した平面図である。なお、この図で蛇行している部分はバスバーの厚みを表現している。

また、図５は図３に対応し、半導体装置４の対抗する２つの主面のそれぞれにある、２つの主電極（図示せず）に接続する一対のバスバー１と１’とが、互いに主面を近接させて同じパターンで蛇行併走する構造を示した斜視図である。なお、この図ではバスバーの厚みは模式的に省略している。このようにすると、１つのバスバー内での対向電流と、バスバー間の対向電流の相乗効果で、全体の配線インダクタンスはさらに低下する。なお、図中の破線は２つのバスバーの間に挟まれた半導体装置４を暗示している。

図６は図４に対応した平面図で、バスバー対が主面を対向近接したまま併走蛇行するもので、図５と同様の効果を有する。なお、ここで蛇行部はバスバーの厚みを描いている。

図７は図３のような構造においてバスバー１の蛇行部に放熱効率を向上させるための、放熱用突起６１をもつ参考例を示す斜視図である。突起の間を風が吹きぬけることによって冷却効率を増すことができる。放熱用突起６１はバスバー１の両面にあってよいし、図示はしないが勿論、スリット状のフィンでもよい。いかなる冷却機構でも単位面積当たりの放熱能力には上限があるが、このようにバスバーを蛇行せしめて冷却すれば、装置全体としてはこの上限を超える能力を得ることができる。

図８は、図２のような構造においてバスバー１の横に放熱フィン６２を張り出した参考例を示した斜視図である。

図９ならびに図１０は、前記図３のバスバーに電気的に絶縁した放熱フィンを取り付けた構成を示す図であり、図９は平面図、図１０は図９中の線分Ａ−Ａ’に沿って紙面に垂直な断面で切った断面図である。
これらの図に示すようにバスバー１はその主面と平行に蛇行しつつ、電気絶縁材７を介して金属製の放熱基板８と接続している。放熱基板８にはさらに、多数の放熱フィン６が設けられている。このような構成にすると、電気絶縁材７を介するために放熱性は多少低下するが、放熱器が絶縁されるため、バスバー１に高電圧を印加することが出来る。

また、図１１の断面図に示すように、放熱フィン６の代りにヒートパイプもしくは水管で冷却する方法もある。図１１中で、６３はバスバー１に沿って蛇行するヒートパイプもしくは水管の断面であり、溶接部６４にて放熱基板８に固定されている。また、電機絶縁材７は電気的に絶縁性を有すると共に、熱伝導性のよい材料（例えばセラミック材料など）を用いることが望ましい。

なお、図９や図１１に示したように、放熱基板８をバスバーのある範囲全体に一面に設けた場合には、他のバスバーのための放熱機構と放熱基板８を共有でき、場合によっては放熱基板８を筐体の一部として活用するなど、設計自由度が増加する。また、蛇行するバスバーから出る放射電磁界は、金属製の冷却器に誘起される誘導電流によって減少するので、配線インダクタンスはさらに低くなる、つまり一体化した金属製の冷却機構の存在により、蛇行するバスバーを流れる電流に対して鏡像効果を得ることができ、インダクタンスが低減する、という効果もある。

次に図１２は、バスバー１と放熱基板８とを熱的に接続する電気絶縁材７が、図中の破線領域のみに存在するような実施例を示す平面図である。図１２では、破線で示した電気絶縁材７は、バスバー１の全体ではなく、破線で示すように一部のみ配置されている。半導体装置４の直下では、大きなサイズの電気絶縁材を用いている。また、図１３は図１２中の線分Ａ−Ａ’に沿って切った断面図である。

前記図１１に示したように、バスバー全域で電気絶縁材と熱的に接続し、電気絶縁材も放熱機構（冷却器板８）と全域で熱的に接続していると、バスバーのうち蛇行して隣り合っている部分同士で冷却機構などを介して熱が伝わりやすく、蛇行させた効果が薄れることがある。その点、図１２のように電気絶縁材のサイズ、すなわちバスバー１から冷却器板８への熱流路を小さくすると、バスバー１から放熱機構（冷却器板８）への熱伝導は悪くなるが、半導体装置４の熱が端子３に伝わらないようにするという目的のためには、図１２のような構成の方がかえって効率的な場合もある。

また、たとえば空冷の場合、発熱部から放熱機構の空気界面に至る固体部分の熱抵抗に比べて、放熱器から気相への熱伝達率は桁違いに大きいので、前記固体部分の熱抵抗が数倍になっても、放熱効率全体にはそれほど大きな影響を及ぼさない。

なお、ここでバスバー１と電気絶縁材７との固着部分は、バスバー１の蛇行の振幅の中心線上（図１２のＡ−Ａ’線上）に配置してある。このようにすると、バスバー１の素材と放熱機構の素材の熱膨張係数差による応力を無理なく緩和できる。また、バスバー１の振動を考えた場合も、あるいは重心を考えた場合も最適である。

また、放熱基板８と電気絶縁材７との熱膨張係数差が気にならなければ、たとえば電気絶縁材７は前記図９のように大きな面積のものを使用し、図１２中の破線領域でのみ、放熱基板８との固着しているような構成も可能である。

なお、前記図９〜図１３に示した構成は、図５に示した構成と組み合わせて、半導体装置４の主電極に接続する一対のバスバーを両面から冷却する構造にしてもよい。

次に、図１４は、図１２の変形例を示すバスバー形状のみの平面図で、バスバー１の蛇行の最大振幅部である図中、丸で囲んだ９の部分でバスバー１の幅が局所的に狭くなっている。この部分の存在によってバスバー１にかかる応力が緩和されるという効果がある。

図１５は、図４のような構成において、図１２と同様に、バスバー１の振幅の中央部で直方体の電気絶縁材７の一側面がバスバー１と接し、立方体の隣接する面が放熱基板８に接続している構成である。つまり直方体の電気絶縁材７の横面がバスバー１に固着され、電気絶縁材７の底面が放熱基板８に固着された構造である。この構成では、配線インダクタンスを抑制しつつ、熱応力も抑制し、コンパクトな構成で第１の端子２の熱流が第２の端子３へ届かない機構を実現している。

参考例であるバスバー構造を説明する平面図。他の参考例を説明する斜視図。図１に示した参考例の変形例の平面図。図３と同様の構成を図２の形態に適用した平面図。一対のバスバーが、互いに主面を近接させて同じパターンで蛇行併走する構造を示した斜視図。一対のバスバーが主面を対向近接したまま併走蛇行する構造を示す平面図。バスバーの蛇行部に放熱用突起をもつ参考例を示す斜視図。バスバーの横に放熱フィンを張り出した参考例を示した斜視図。バスバーに電気的に絶縁した放熱フィンを取り付けた構成の平面図。図９中の線分Ａ−Ａ’に沿って紙面に垂直な断面で切った断面図。ヒートパイプもしくは水管で冷却する構造を示す断面図。電気絶縁材７が一部にのみ設置された実施例を示す平面図。図１２中の線分Ａ−Ａ’に沿って切った断面図。図１２の変形例を示すバスバー形状のみの平面図。図１２の他の変形例を示す平面図。バスバー構造の一例を示す図。

符号の説明

１、１’…バスバー２、３…端子
４…半導体装置５、５’…ネジ孔
６…放熱フィン６１…放熱用突起
６２…放熱フィン６３…ヒートパイプまたは水管
６４…溶接部７…電気絶縁材
８…放熱基板９…バスバーのくびれ部

Claims

一端が発熱する半導体装置の第１の主端子に接続され、他端が前記半導体装置よりも低温に維持する必要のある装置の第１の主端子に接続された第１のバスバーが、蛇行する部分を有し、
前記第１のバスバーの前記主面に、電気絶縁材を介して金属製の冷却機構を有し、
前記第１のバスバーの蛇行する領域が、蛇行の中心線と交差する部分でのみ、前記絶縁材が前記第１のバスバー並びに前記冷却機構と固着している、ことを特徴とする半導体装置の実装構造。
前記冷却機構が、前記絶縁材との固着部単位で、金属部分が独立している、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の実装構造。
前記第１のバスバーの前記蛇行部に、幅の狭い領域を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の実装構造。