JP5432085B2 - 電力半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力半導体素子を搭載し、放熱効率を向上させる電力半導体装置に関するものである。

従来、多くの電力半導体装置では、ＣＰＵやパワートランジスタなどの発熱の激しい電子部品を冷却するためにヒートシンクなどの放熱器を取り付ける際、両者の接合部の微細な隙間を埋めて熱伝導率を高めるために放熱グリースを塗布することが広く行われている。グリースの熱伝導率は、金属類と比較して非常に低いことから、電力半導体装置のより一層の高放熱化を実現するためには、グリースを用いずに電力半導体装置とヒートシンクとを直接固着させることが求められている。

例えば、特許文献１に示される放熱フィン一体型パワーモジュールでは、高放熱化実現の障害となっているグリースを使用せずに、冷却用フィンとパワーモジュールの金属板とを一体にするため、パワーモジュールの金属板に冷却用フィンを高熱伝導率の絶縁樹脂シートで熱圧着するか、もしくは一体に形成し、パワーモジュールの金属板に電力半導体素子や配線部材等の電子部品を搭載することにより、電力半導体装置の高放熱化を図っている。

このようなパワーモジュールにあっては、予め冷却フィンを高熱伝導率の絶縁樹脂シートで熱圧着するか、もしくは一体に形成することにより構成された金属板に、電力半導体素子や配線部材等の電子部品を搭載し、その後、モールド樹脂によるケース付けを行っている。しかし、電力半導体素子や配線部材等の電子部品を搭載する前に電力半導体装置（パワーモジュール）の金属板に放熱フィン（冷却フィン）が付いていると、電力半導体装置のベース板の熱容量が大きくなり、はんだ付けが困難になるばかりでなく、ワイヤボンド工程でも従来の治具を用いることができず、ベース板と放熱フィンの形状ごとに特殊な治具を作らなければならない。そして、製造する製品を変更するたびに治具交換等、組立装置の段取り替えも必要となる。また、放熱フィンが付いていることにより電力半導体装置が大きくなるため、製品生産時に、収納容器に収納できる電力半導体装置の数が少なくなり、人手、もしくは専用の機械で常に供給する必要があり生産性が低下する。

この問題は、電力半導体装置のベース板を、予めベース板の厚みを薄くして、このベース板に電力半導体素子や配線部材等の電子部品を搭載し、最後に放熱フィンを取り付けることにより解決することができる。しかし、ベース板への放熱フィンの取り付けに、はんだや溶接等の熱的取り付け法を用いた場合には、電力半導体装置の熱容量が大きいため、生産性が低く、一方、放熱フィンを、完成した電力半導体装置のベース板に機械的に固定しようとすると、放熱フィン取付時に電力半導体装置にストレスが加わり、電力半導体装置に与えるダメージが問題となる。

この対策として、例えば、特許文献２に示される電力半導体回路装置及びその製造方法では、ベース板の放熱フィン接合部に溝を設け、この溝が形成された部分を含むベース板の一部の表面を露出させた状態で樹脂モールドしこの溝に放熱フィンを挿入してかしめによって固着することにより、電力半導体装置にダメージを与えることなく放熱フィンを形成し、製造工程を簡素化、生産性の向上を図ることができる電力半導体回路装置が開示されている。

特開平１１−２０４７００号公報 ＷＯ２００９／１５０９９５Ａ１号公報

しかしながら、近年、電力半導体装置には、大容量化が求められ、発熱量も増大化する傾向にあり、さらに小型化が進められている。このため、放熱フィンの大きさや設置面積が制約を受けると共に発熱量の増大に対処しなければならず、従来の放熱方法では不充分であり、電力半導体装置においては、さらなる放熱対策が求められているという問題があった。

また、電力半導体装置の放熱性能を向上させるためには、放熱フィンのフィンピッチを小さくし、フィン枚数を多くすることで放熱面積を拡大させることが有効であるが、小型化の問題から放熱フィンは必要最小限の厚みに設定される場合が多い。このため、放熱性能が制限されるとともに放熱フィンの強度が低下し、製造工程や運搬時、電力半導体装置を他の機器に組み付ける場合などに、放熱フィンが何かに接触して変形する可能性があるといった問題もあった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、大容量の電力半導体素子に適した高放熱性と放熱フィンの変形の防止に対応した電力半導体装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の電力半導体装置は、電力半導体素子と、前記電力半導体素子を載置するベース板と、前記電力半導体素子を封止するモールド樹脂と、前記ベース板の前記電力半導体素子が載置される面と反対側の面に溝加工が施され、前記溝にかしめにより固着された放熱フィンと、前記放熱フィンを通風路となる空間を残して通風路側板及び覆い板で囲む包囲体と、を備え、前記放熱フィンが前記ベース板の前記溝にかしめ固着される際に、前記通風路側板の一部が前記放熱フィンの端部と前記ベース板とに挟持され、前記通風路側板が同時に固着されることを特徴とするものである。

本発明の電力半導体装置によれば、放熱フィンを壁面の一部とした包囲体を通風路として空気流により電力半導体素子を冷却することにより、大容量の電力半導体素子に対しても小型で効率がよく、冷却性能の優れた電力半導体装置を実現することができる。

実施の形態１における電力半導体装置を示す断面模式図である。 実施の形態１における電力半導体装置の部品構成を示す断面模式図である。 実施の形態１における電力半導体装置の他の構成例を示す断面模式図である。

以下、本発明の実施の形態に係る電力半導体装置について図１〜図３に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における電力半導体装置を示す断面模式図であり、図２は、この電力半導体装置の部品構成を示す断面模式図である。

図１に示すように、電力半導体装置１は、電力半導体素子２と、この電力半導体素子２
を載置する外部と電気的に接続するための配線部材３と、この配線部材３を搭載するベース板４と、配線部材３とベース板４及び配線部材３と電力半導体素子２とをそれぞれ接合する接合材５と、電力半導体素子２と配線部材３及び電力半導体素子２同志とを電気的に接続するワイヤ６と、ベース板４に形成された溝４ａと嵌合する放熱フィン７と、放熱フィン７と共に通風路を形成する包囲体８の通風路側板９及び覆い板１０と、通風路側板９と覆い板１０とを互いに締結部材１１のビス１１ａ、ナット１１ｂにて固定するための孔９ａ，１０ａと、電力半導体素子２を封止するモールド樹脂１２とで構成されている。

電力半導体素子２としては、例えば、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕＩａｔｅｄ Ｇａｔｅ ＢｉｐｏＩａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、もしくはＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＦｉｅＩｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）がある。

次に、電力半導体素子装置１の組立について、図２の電力半導体装置の部品構成を示す断面図を参照して説明する。

まず、電力半導体素子２は、配線部材３に載置され接合材５にて接合される。続いて、配線部材３は、金属からなるベース板４に接合材５により接合、固定される。例えば、ベース板４は、アルミニウムで押出し加工、鋳造あるいはダイキャストにより製造される。また、接合材５としては、はんだあるいは熱伝導性に優れた接着剤が用いられる。電力半導体素子２と配線部材３あるいは電力半導体素子２同志の電気的接続がワイヤ６のボンディングにより行われる。

電力半導体素子２および電力半導体素子２が載置された配線部材３とベース板４は、ベース板４の裏面とベース板４の側面の一部の表面が露出されるように、エポキシ系のモールド樹脂１２を用いてトランスファモールドにより樹脂モールド封止される。

電力半導体素子２が載置された配線部材３が接合されているベース板４の反対面には、溝４ａ加工が施されており、アルミ系の板材が波状に加工された放熱フィン７の凸部が変形されベース板４の溝４ａに嵌め込まれ、かしめ接合により放熱フィン７が接合される。放熱フィン７の両側面を囲うように通風路を形成するための通風路側板９が、このベース板４と放熱フィン７とがかしめ接合される際に同時に固着される。すなわち、通風路側板９には、ベース板４の溝４ａ加工で形成された突出部４ｂに対応した開口部９ｃが設けられており、この開口部９ｃと突出部４ｂを嵌合させた後に、放熱フィン７をかしめ接合することにより、通風路側板９の底部は、ベース板４と放熱フィン７に挟持され、ネジや接着剤などを一切使うことなく強固に固定される。さらに、通風路側板９の上部には覆い板１０で蓋をされ、放熱フィン７、通風路側板９及び覆い板１０により通風路を形成する包囲体８が構成される。このようにして形成された包囲体８の通風路に外部から送風機（図示せず）にて空気流を送り込み、効率よく電力半導体素子２を冷却することが可能になる。また、包囲体８を他の冷却管と接続してもよい。通風路側板９及び覆い板１０には、ステンレスや亜鉛メッキ鋼板などの剛性の高い金属板を利用することが好ましい。

また、電力半導体装置の放熱性能を向上させるためには、放熱フィンのフィンピッチを小さくし、フィン枚数を多くすることで放熱面積を拡大させることが有効であるが、小型化の問題から放熱フィンは必要最小限の厚みに設定される場合が多い。このため、放熱性能が制限されるとともに放熱フィンの強度が低下し、製造工程や運搬時、電力半導体装置を他の機器に組み付ける場合などに、放熱フィンが何かに接触して変形する可能性があるといった問題があったが、通風路側板９の脚部９ｂ側に覆い板１０が取り付けられていることにより、製造工程や運搬時、電力半導体装置を他の機器に組み付ける際に、放熱フィンが何かと接触することによる変形を防止することができる。

また、電力半導体装置１を他の機器に組付・固定してもよく、通風路側板９に設けられた脚部９ｂ及び孔９ａにて、他の機器への組付・固定が容易にできる構成とされている。また、覆い板１０には、通風路側板９に設けられた孔９ａに対応する位置に、同様の孔１０ａが設けられていることで、電力半導体装置を他の機器に組み付けたときに、覆い板１０も同時に強固に固定されるため、通風路側板９と覆板１０を強固に固定しておく必要がなくなり、スナップフィットなどによって脱落しない程度に保持されていればよく、電力半導体装置の組立作業が容易となる効果がある。また、孔１０ａを孔９ａよりも大きくしておくことにより、両者の位置がずれていても、電力半導体装置１を他の機器に組み付ける際に、ネジが入らないなどの不具合を防止することができ、ひいては電力変換装置の組み立てが容易となる。

さらに、図３の電力半導体装置の他の構成例に示すように、覆い板１０の替わりに他の電子機器１３や電子部品の壁面を利用してもよく、他の電子機器１３、電子部品との合体組立により通風路を形成する包囲体８が構成される。

実施の形態１に係る電力半導体装置は上記のように構成されているが、電力半導体素子２は複数個あってもよく、また、電力半導体素子２は、配線部材３を介さずにベース板４にはんだあるいは接着剤の接合材５により直接接着することにより搭載するものであってもよい。更に、電力半導体素子２と配線部材３は、ベース板４との絶縁のため、セラミック基板等の絶縁部材を介してベース板４に、はんだあるいは接着剤の接合材５で接着し、その絶縁部材をベース板４に接着するようにしてもよい。

ベース板４の裏面に加工された溝４ａに、かしめ接合により装着される放熱フィン７は、一枚の板を波状に加工されたものであってもよく、また、フィンが一枚ずつ独立して形成されたものであってもよい。また、放熱フィン７のベース板４への装着は、ベース板４を変形させてかしめてもよく、両者間の押圧力による接合であってもよい。

モールド材料としては、エポキシ系樹脂は材料が硬いため電力半導体素子２へのダメージを回避できる点で好ましく、ポッティング、あるいはトランスファモールド、注型法などの方法で電力半導体素子２の周辺をエポキシ樹脂でモールドする構造が望ましく、さらに、かしめ圧力をモールド樹脂全面で受けることができるように、上面は可能な限りフラットな構造であることが好ましい。

通風路側板９及び覆い板１０の材質は、上述したように剛性が高く、耐環境性に優れ、曲げ加工が容易なステンレス鋼鈑や亜鉛メッキ鋼板が望ましいが、これに限定するものではなく、必要な剛性を有し、所望の形状に加工することが容易で、耐環境性に優れたものであればよい。つまり、熱可塑性樹脂の射出成形品などであってもよい。

通風路側板９及び覆い板１０は、放熱性に優れていればよく、熱伝導性に優れたものであればよく、絶縁性部材でも構わないが、電気伝導性に優れた覆い板１０を金属で構成することにより、これらを経由して放熱フィン７をアース電位に接続することができ、放射ノイズや誤動作を抑制することが容易になる。特に、電力半導体素子２として高速スイッチング動作させるＳｉＣ半導体を用いた場合には、ノイズが発生し易いため通風路側板９及び覆い板１０の材質を金属材料や導電性材料で構成することは、放熱フィン７をアース電位に接続することができるためノイズの発生を抑制することができるので有効である。

なお、電力半導体素子２の半導体材料としては、シリコン半導体の他、ＳｉＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ）を始め、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイアモンドといった珪素（Ｓｉ）に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体により形成され
た電力半導体素子であってもよい。

また、ワイドバンドギャップ半導体による電力半導体素子では、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、素子の小型化が可能であり、小型化された電力半導体素子を組み込んだ電力半導体装置の小型化が可能になる。

また、耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、電力半導体装置の一層の小型化が可能になる。

さらに、電力損失が低いため、電力半導体素子の高効率化が可能であり、延いては電力半導体装置の高効率化が可能になる。

このように、実施の形態１における電力半導体装置によれば、通風路側板、覆い板及び放熱フィンを壁面の一部とした包囲体を通風路として構成することにより、空気流により電力半導体素子を効率よく冷却することにができ、大容量の電力半導体素子に対しても小型で効率がよく、冷却性能の優れた電力半導体装置を実現することができる。

また、通風路側板と覆い板が取り付けられていることにより、放熱フィンが保護され、製造工程や運搬時、電力半導体装置を他の機器に組み付ける際に、放熱フィンが何かと接触することによる変形を防止することもできるという効果がある。

なお、図において、同一符号は、同一または相当部分を示す。

１ 電力半導体装置
２ 電力半導体素子
３ 配線部材
４ ベース板
５ 接合材
６ ワイヤ
７ 放熱フィン
８ 包囲体
９ 通風路側板
１０ 覆い板
１２ モールド樹脂
１３ 他の電子機器

Claims (5)

1. 電力半導体素子と、
   前記電力半導体素子を載置するベース板と、
   前記電力半導体素子を封止するモールド樹脂と、
   前記ベース板の前記電力半導体素子が載置される面と反対側の面に溝加工が施され、前記溝にかしめにより固着された放熱フィンと、
   前記放熱フィンを通風路となる空間を残して通風路側板及び覆い板で囲む包囲体と、を備え、
   前記放熱フィンが前記ベース板の前記溝にかしめ固着される際に、前記通風路側板の一部が前記放熱フィンの端部と前記ベース板とに挟持され、前記通風路側板が同時に固着されることを特徴とする電力半導体装置。
2. 前記包囲体は、金属材料又は導電性材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
3. 前記覆い板は、他の電子機器又は電子部品の壁面を利用したものであることを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
4. 前記電力半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子によって形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力半導体装置。
5. 前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、炭化珪素、窒化ガリウム又はダイアモンドを材料とするものであることを特徴とする請求項４に記載の電力半導体装置。

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