半導體裝置的冷卻結構及具備該冷卻結構的電力變換裝置的製作方法
2023-09-09 15:43:50
專利名稱：半導體裝置的冷卻結構及具備該冷卻結構的電力變換裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種有效地冷卻半導體裝置的冷卻結構及具備這種冷卻結構的電力變換裝置。
背景技術：
逆變器裝置、伺服放大器裝置、開關電源裝置等的輸入輸出電路由多個功率半導體(在本說明書中將用於電力用途的半導體裝置稱為功率半導體)、驅動該功率半導體的驅動電路及驅動電路用控制電源電路等構成。由於該功率半導體及電源電路所使用的半導體元件產生熱量，因此通過散熱器等冷卻體進行散熱。
散熱器的一個例子刊登在日本國特開2003-259658號公報中。該公報中示出了將逆變器裝置的半導體模塊24A、24B、24C、24D、24E、24F安裝在散熱器上的例子。該散熱器被分割為對半導體模塊24A、24B、24C進行冷卻的冷卻風上遊側的分割散熱器23U和對半導體模塊24D、24E、24F進行冷卻的冷卻風下遊側的分割散熱器23D。
專利文獻1 日本國特開2003-259658號公報 在上述專利文獻1的發明中，只不過是通過分割散熱器來減輕下遊的半導體模塊所產生的熱量傳導給上遊的半導體模塊，很難實現散熱器的小型化。而且，因分割散熱器而導致散熱器的熱容量及散熱片的面積減半，因此，半導體模塊和冷卻風之間的熱阻增加，半導體模塊所產生的熱量還有可能無法充分散熱。
發明內容
本發明的目的在於提供一種冷卻結構，與如上所述的現有例相比，能夠降低冷卻體和半導體之間的熱阻，並實現小型化。
為了達成上述目的，本發明具備以下構成。
方案1所述的半導體裝置的冷卻結構具備產生熱量的半導體裝置；及冷卻單元， 由具有第1熱容量並通過接合材料直接搭載所述半導體裝置的第1冷卻體和具有比所述第 1熱容量大的第2熱容量的第2冷卻體構成。
方案2所述的半導體裝置的冷卻結構為，在方案1所述的結構的基礎上，與形成在所述半導體裝置內部的內部電路電連接的電極露出在該半導體裝置的主面上，所述電極通過所述接合材料與所述第1冷卻體直接接合。
方案3所述的半導體裝置的冷卻結構為，在方案1或2所述的結構的基礎上，所述接合材料不包含絕緣材料。
方案4所述的半導體裝置的冷卻結構為，在方案1至3中任意一項所述的結構的基礎上，所述第1冷卻體和所述第2冷卻體通過形成在所述第1冷卻體上的第1嵌合部和形成在所述第2冷卻體上的第2嵌合部而組合成一體。
方案5所述的半導體裝置的冷卻結構為，在方案4所述的結構的基礎上，所述第2 嵌合部是比周圍突出的突出部，所述第1嵌合部是收容所述突出部的凹部。
方案6所述的半導體裝置的冷卻結構為，在方案5所述的結構的基礎上，在所述第 1冷卻體和所述第2冷卻體之間配置有導熱材料。
方案7所述的半導體裝置的冷卻結構為，在方案1至6中任意一項所述的結構的基礎上，在組合成一體的所述第1冷卻體和所述第2冷卻體的外表面上設有電絕緣膜。
方案8所述的電力變換裝置具有多個半導體裝置，其具備產生熱量的半導體裝置；及冷卻單元，由通過接合材料直接搭載所述半導體裝置的第1冷卻體和具有比所述第 1冷卻體大的熱容量的第2冷卻體構成，通過將所述多個半導體裝置容納在絕緣性殼體中， 使各半導體裝置間電絕緣。
方案9所述的電力變換裝置為，在方案8所述的結構的基礎上，具備收容所述絕緣性殼體的框體。
方案10所述的電力變換裝置為，是具備通過接合材料分別搭載在多個冷卻體上的多個半導體裝置的電力變換裝置，在所述多個冷卻體之間分別形成有絕緣層。
方案11所述的電力變換裝置為，在方案10所述的結構的基礎上，在冷卻體上設有供給製冷劑的液冷孔。
方案12所述的電力變換裝置為，在方案10或11所述的結構的基礎上，具備多個金屬層，分別配置在所述多個冷卻體和所述多個半導體裝置之間。
根據方案1及2所述的發明，由於能夠將功率半導體直接搭載在冷卻體上，因此能夠實現功率半導體至冷卻體的散熱路徑的低熱阻化，同時作為冷卻單元整體，與以往相比可實現小型化。
根據方案3所述的發明，由於在根據方案1或2所述的發明得到的效果的基礎上， 在接合材料中不包含絕緣材料，因此可降低功率半導體和冷卻單元之間的熱阻。
根據方案4所述的發明，在根據方案1至3中任意一項的發明得到的效果的基礎上，能夠牢固地固定第1冷卻體和第2冷卻體。
根據方案5及6所述的發明，由於在根據方案4所述的發明得到的效果的基礎上， 能夠抑制第1冷卻體和第2冷卻體的接觸面的位置偏移，消除接觸面之間的間隙，因此能夠減小接觸面的熱阻。
根據方案7所述的發明，由於半導體裝置的周圍設有電絕緣膜，因此在具備多個半導體裝置時，可不施加空間絕緣距離而使半導體裝置彼此接近地配置，因此，可實現小型的電力變換裝置。
根據方案8及9所述的發明，可實現具備多個半導體裝置的電力變換裝置，該半導體裝置具有實現了功率半導體至冷卻體的散熱路徑的低熱阻化及小型化的冷卻單元。而且，可通過簡易的手段確保各半導體裝置間的絕緣以及機械強度。
根據方案10所述的發明，由於在冷卻體彼此之間形成絕緣膜並進行一體化，因此在具備多個半導體裝置時，可使半導體裝置彼此接近地配置，因此，可實現小型的電力變換直ο 根據方案11的發明，由於是簡單的結構體，因此可實現較薄的冷卻結構。
根據方案12的發明，由於不需要在熱容量大的冷卻結構體上直接接合半導體裝置，而是通過與金屬板的簡單接合而間接地與冷卻結構體接合，因此可期待製造方面的效^ ο
圖1是本發明實施例所涉及的電力變換裝置。
圖2是本發明實施例所涉及的電力變換裝置。
圖3是本發明實施例所涉及的具有冷卻結構的半導體裝置(嵌合前)。
圖4是本發明實施例所涉及的具有冷卻結構的半導體裝置(嵌合後)。
圖5是本發明實施例所涉及的具有冷卻結構的半導體裝置。
圖6是本發明實施例所涉及的具有實施了絕緣的冷卻結構的半導體裝置。
圖7是本發明實施例所涉及的由具有實施了絕緣的冷卻結構的半導體裝置構成的電力變換裝置。
圖8是本發明實施例所涉及的由具有實施了絕緣的冷卻結構的半導體裝置構成的電力變換裝置。
圖9是本發明實施例所涉及的由具有實施了絕緣的冷卻結構的半導體裝置構成的電力變換裝置。
圖10是本發明實施例所涉及的由具有實施了絕緣的冷卻結構的半導體裝置構成的電力變換裝置。
圖11是本發明實施例所涉及的由具有實施了絕緣的冷卻結構的半導體裝置構成的電力變換裝置。
圖12是本發明實施例所涉及的由具有實施了絕緣的冷卻結構的半導體裝置構成的電力變換裝置。
圖13是本發明實施例所涉及的由具有實施了絕緣的冷卻結構的半導體裝置構成的電力變換裝置。
圖14是本發明實施例所涉及的由具有實施了絕緣的冷卻結構的半導體裝置構成的電力變換裝置。
符號說明 1 6-具有本發明的冷卻結構的半導體裝置-J-絕緣性殼體；8-框體；9-半導體裝置；10-接合材料；11-第1冷卻體；12-第2冷卻體；13-功率半導體；14-連接於柵電極的金屬端子；15-連接於源電極的金屬端子；16-連接於漏電極的金屬端子；17-絕緣膜； 18-設有絕緣膜的冷卻結構體；19-絕緣層；20-使絕緣層和冷卻體一體化後的冷卻結構體； 21-使絕緣層和冷卻體一體化後的冷卻結構體；22-密封材料；23-凹狀液冷結構體；24-使在散熱片部分上設有絕緣膜的冷卻體和絕緣層一體化後的冷卻結構體；25-絕緣膜；26-密封材料；27-內置有液冷孔的冷卻結構體；28-絕緣性液冷孔；29-接合有半導體裝置的金屬板。
具體實施例方式下面，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。在本實施方式中所參考的附圖中， 為了便於理解發明，模式化表示各要素。在本欄中，有時通過對與前述要素相同的要素標註相同符號來省略其說明。
實施例 在本實施例中，示出在電力變換裝置所使用的半導體裝置的散熱結構中應用本發明的例子。由於該半導體裝置是產生熱量的功率半導體，因此設有用於向外部釋放該熱量的冷卻單元。該冷卻單元有時也稱為散熱器。由於該半導體裝置是通過公知的半導體工藝形成的，因此省略詳細的說明。雖然在本實施例及附圖中，半導體裝置使用由樹脂密封的樹脂密封封裝型裝置，但是通過參考本申請說明書的說明及附圖，也可在未由樹脂密封的功率半導體(所謂的裸晶片)中應用本發明。
在圖1中示出如下電力變換裝置，搭載有多個作為通過樹脂密封封裝包覆功率半導體的半導體裝置，與冷卻體直接接合且具有如上所述的冷卻結構的半導體裝置。該電力變換裝置具備上述的半導體裝置1 6。通過在絕緣性殼體7內容納這些半導體裝置1 6，而使各半導體裝置間電絕緣。而且，絕緣性殼體7收容在框體8內，是提高了機械強度的構成。
圖2是表示將圖1的半導體裝置收納於殼體7及框體8之前的圖。
由於半導體裝置1 6的各電極通過不包含絕緣材料的接合材料而與冷卻體接合，因此各冷卻體與半導體裝置的電極為相同電位。因此，在各冷卻體的電位各自不同的情況下，絕緣性殼體7是很有用的。通過使用該殼體7，還能夠確保與外框的框體8絕緣。該殼體7可由使用了樹脂材料的模製品構成。如果將殼體7收容在框體8內，則能夠提高電力變換裝置自身的機械強度。該框體8可由金屬構成。
半導體裝置9通過接合材料10直接接合在第1冷卻體11上。在半導體裝置9的背面露出與形成在其內部的內部電路電連接的電極，通過構成接合材料10的軟釺料10直接接合在第1冷卻體11上。該第1冷卻體11具備較小的熱容量，以便能夠直接與軟釺料 10接合。由此，第1冷卻體11和軟釺料10的接合變得容易。由於在半導體裝置9的電極和第1冷卻體11之間沒有絕緣材料，因此可降低熱阻。
第2冷卻體12具有比第1冷卻體11大的熱容量，具備散熱片。第1冷卻體11和第2冷卻體12組合成一體，構成如圖4所示的冷卻結構體。第1冷卻體11和第2冷卻體 12的組合面雙方都形成有嵌合部，如圖3所示，第1冷卻體11具有凹狀嵌合部，第2冷卻體 12具有凸狀嵌合部，構成可進行第1及第2冷卻體對位的功率半導體的冷卻結構體。
當第1冷卻體11及第2冷卻體12的接觸面的表面粗糙度較粗糙時，只要在第1 冷卻體11和第2冷卻體12之間配置導熱材料即可。由此，能夠進一步降低接觸面的熱阻。
圖5中示出將功率半導體13直接接合在所述冷卻體11上時的方式。如果通過接合材料10將功率半導體13接合在冷卻體11上，在功率半導體13的柵電極上接合金屬板端子14，在源電極上接合金屬端子15，在漏電極上接合金屬端子16，成為能夠連接於電力變換裝置的上位電路網絡的構成，則即使不是半導體裝置也能夠應用圖4的冷卻結構體。
圖6中示出圖4的冷卻結構體的外表面被具有電絕緣性的絕緣膜17包覆的方式。 如果將該方式應用於如圖7的具備多個半導體裝置18的電力變換裝置，則由於能夠不施加空間絕緣距離而是使半導體裝置彼此接近地配置，因此可實現小型的電力變換裝置。
圖8中示出在冷卻體彼此之間形成絕緣層19並一體化後的冷卻結構體20。如果在冷卻結構體20的上面接合半導體裝置，則由於能夠使半導體裝置彼此接近地配置，因此可實現小型的電力變換裝置。而且，對於與冷卻結構體20接合的半導體裝置的電極，電極電位相同的半導體裝置彼此也可以像圖9所示的冷卻結構體21那樣，不介由絕緣層而接合在同一冷卻體上。此時，可通過絕緣層所能減少的部分實現小型的冷卻結構體。
圖10中示出圖8的冷卻結構體20及圖9的冷卻結構體21與凹型液冷結構體23 介由密封材料22而組合的方式。該液冷結構體23內可流過液體製冷劑。根據該方式，可實現冷卻效果高的液冷結構體。
由於在圖10的冷卻結構體20中液冷製冷劑與冷卻結構體直接接觸，因此本製冷劑需要使用具有電絕緣性質的材料。如圖11所示，如果介由密封材料26對在散熱片部分上設有絕緣膜25的冷卻結構體24和凹型液冷結構體23進行組合，則也可以應用沒有絕緣性性質的製冷劑。
而且，也可以代替圖11的冷卻結構體24的散熱片，設置如圖12所示的冷卻結構體27，在其內部內置有使製冷劑通過的液冷孔28。液冷孔28貫穿冷卻結構體27內。在絕緣層19的中央部設置有使液冷孔28通過的貫穿部。根據該方式，由於是比圖11的構成更簡單的構成，因此可實現較薄形狀的冷卻構成。如果在液冷孔的外徑上設有絕緣膜，則也可以應用沒有絕緣性性質的製冷劑。
而且，如圖13及圖14所示，如果在半導體裝置和冷卻結構體之間分別配置金屬板 29，則不需要在冷卻熱容量大的冷卻結構體上直接接合半導體裝置，由於是通過與金屬板的簡單接合而間接地與冷卻結構體接合，因此可容易地進行製作。
雖然在本實施例中使用矽類半導體裝置，但是如果在產生400°C以上高溫的SiC 類或GaN類半導體裝置中應用本發明，則可實現合適的作用效果。
本發明能夠應用於工具機、機器人、一般工業用機械等所使用的伺服驅動裝置、逆變器裝置或一般的開關電源。
權利要求
1.一種半導體裝置的冷卻結構，其特徵在於，具備產生熱量的半導體裝置；及冷卻單元，由具有第1熱容量並通過接合材料直接搭載所述半導體裝置的第1冷卻體和具有比所述第1熱容量大的第2熱容量的第2冷卻體構成。
2.根據權利要求1所述的半導體裝置的冷卻結構，其特徵在於，與形成在所述半導體裝置內部的內部電路電連接的電極露出在該半導體裝置的主面上，所述電極通過所述接合材料與所述第1冷卻體直接接合。
3.根據權利要求1或2所述的半導體裝置的冷卻結構，其特徵在於，所述接合材料不包含絕緣材料。
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的半導體裝置的冷卻結構，其特徵在於，所述第 1冷卻體和所述第2冷卻體通過形成在所述第1冷卻體上的第1嵌合部和形成在所述第2 冷卻體上的第2嵌合部而組合成一體。
5.根據權利要求4所述的半導體裝置的冷卻結構，其特徵在於，所述第2嵌合部是比周圍突出的突出部，所述第1嵌合部是收容所述突出部的凹部。
6.根據權利要求4所述的半導體裝置的冷卻結構，其特徵在於，在所述第1冷卻體和所述第2冷卻體之間配置有導熱材料。
7.根據權利要求1至6中任意一項所述的半導體裝置的冷卻結構，其特徵在於，在組合成一體的所述第1冷卻體和所述第2冷卻體的外表面上設有電絕緣膜。
8.一種電力變換裝置，其特徵在於，具有多個半導體裝置，其具備產生熱量的半導體裝置；及冷卻單元，由通過接合材料直接搭載所述半導體裝置的第1冷卻體和具有比所述第1冷卻體大的熱容量的第2冷卻體構成，通過將所述多個半導體裝置容納在絕緣性殼體中，使各半導體裝置間電絕緣。
9.根據權利要求8所述的電力變換裝置，其特徵在於，具備收容所述絕緣性殼體的框體。
10.一種電力變換裝置，是具備通過接合材料分別搭載在多個冷卻體上的多個半導體裝置的電力變換裝置，其特徵在於，在所述多個冷卻體之間分別形成有絕緣層。
11.根據權利要求10所述的電力變換裝置，其特徵在於，所述冷卻體上設有供給製冷劑的液冷孔。
12.根據權利要求10或11所述的電力變換裝置，其特徵在於，具備多個金屬層，分別配置在所述多個冷卻體和所述多個半導體裝置之間。
全文摘要
本發明提供一種冷卻結構，能夠降低冷卻體和半導體間的熱阻，並實現小型化。具體為，本發明的電力變換裝置具有多個半導體裝置，其具備產生熱量的半導體裝置；及冷卻單元，由通過接合材料直接搭載所述半導體裝置的第1冷卻體和具有比所述第1冷卻體大的熱容量的第2冷卻體構成，通過將所述多個半導體裝置容納在絕緣性殼體中，使各半導體裝置間電絕緣。
文檔編號H01L23/36GK102187456SQ20108000296
公開日2011年9月14日 申請日期2010年2月9日 優先權日2009年2月9日
發明者樋口雅人, 川波靖彥, 佐佐木亮 申請人:株式會社安川電機