CN102683303A

CN102683303A - 半导体装置

Info

Publication number: CN102683303A
Application number: CN2012100599875A
Authority: CN
Inventors: 绀谷一善
Original assignee: Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-08
Also published as: JP5338830B2; JP2012195374A; CN102683303B

Abstract

一种半导体装置，其具有在电源调整用基板的电路图案上安装有电容器的电源调整模块和配置在电源调整模块的下方的半导体模块。在半导体模块基板的铜图案上安装有半导体元件。另外，半导体装置具有与半导体模块基板热耦合的散热片和与直流电源连接的正极用电极构件以及负极用电极构件。正极用电极构件以及负极用电极构件与电源调整用基板的电路图案以及半导体模块基板的铜图案电连接并且经由半导体模块基板与散热片面接触，能够以热传递的方式与该散热片耦合。

Description

半导体装置

技术领域

本发明涉及具有电源调整模块、配置在该电源调整模块的下方的半导体模块、与该半导体模块的基板热耦合的散热片和与电源电连接的电极构件的半导体装置。

背景技术

公知有在具有半导体元件的模块的上方配置了其它模块的半导体装置。例如，日本特开2009-88000号公报公开了具有那样的构成的电路模块。如图5(a)所示，电路模块80具备：第一模块基板83和通过外壳部件86配置在第一模块基板83的上方的第二模块基板85。第一模块基板83具有安装于第一基板81的半导体元件82。第二模块基板85具有安装于第二基板87的用于控制半导体元件82的驱动元件84。在第一模块基板83的第一基板81上固定有外部引线88。该外部引线88插入第二基板87中形成的贯通孔87a。通过该外部引线88，形成在第一基板81上的电路图案81a和形成在第二基板87上的电路图案87b相互信号连接。

而且，在上述公报的电路模块80中，来自电源(未图示)的主电流流过未图示的电源调整部后，流入驱动元件84。来自该驱动元件84的电气信号经由外部引线88传递至半导体元件82，从而对半导体元件82进行控制。因此，在电路模块80中，来自电源的主电流不流入外部引线88，因此外部引线88不怎么会发热。

然而，存在构成为在具有半导体元件的模块的上方配置了其它模块的、来自电源的主电流入该其它模块的半导体装置。如图5(b)所示，半导体装置90具备：具有半导体元件91的半导体模块92和具有电源调整用电子部件(例如电容器)93的电源调整用模块94。电源99经由外部连接电极95(电极构件)与电源调整用模块94的电路图案94a电连接。另外，半导体模块92的电路图案92a经由内部连接电极96(电极构件)与电源调整用模块94电连接。而且，来自电源99的主电流从外部连接电极95流入电子部件93，由该电子部件93调整过的电流经由内部连接电极96流入半导体模块92的半导体元件91。

在图5(b)所示的半导体装置90中，来自电源99的主电流流入外部连接电极95，因此外部连接电极95的温度上升，伴随该温度上升，外部连接电极95周边的电子部件93、驱动电路(未图示)等的温度也会上升。为了抑制外部连接电极95的温度上升，考虑到将外部连接电极95大型化以增大热容量，或者用高导热率的材料(例如铜)制造外部连接电极95，但半导体装置的尺寸会变大，或者制造成本会增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够不使尺寸大型化、并且以低成本抑制电极构件的温度上升的半导体装置。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方式，提供一种半导体装置，该半导体装置具有：电源调整模块，其具有电源调整用基板以及安装在该电源调整用基板的电路图案上的电子部件；半导体模块，其配置在该电源调整模块的下方，并且具有半导体模块基板以及安装在该半导体模块基板的电路图案上的半导体元件；与所述半导体模块基板热耦合的散热片；和与电源连接的电极构件。所述电极构件与所述电源调整用基板的电路图案以及所述半导体模块基板的电路图案电连接，并且经由所述半导体模块基板与所述散热片面接触，从而以能够进行热传递的方式与该散热片耦合。

根据本发明，能够不使尺寸大型化并且以低成本抑制电极构件的温度上升。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的半导体装置的立体图。

图2是示意地表示图1的半导体装置的剖视图。

图3是表示电极构件的立体图。

图4是半导体装置的电路图。

图5(a)是表示背景技术所述的电路模块的图。

图5(b)是表示现有技术的半导体装置的示意图。

具体实施方式

以下，根据图1～图4说明将本发明具体化为搭载在车辆上的半导体装置的一实施方式。

如图1及图2所示，半导体装置10具有与该半导体装置10一体地形成的散热片11。散热片11由铝系金属、铜等金属形成。在该散热片11上接合有半导体模块12。如图2所示，对半导体模块12而言，在作为半导体模块基板的绝缘金属基板22上安装有多个半导体元件23。各半导体元件23是包含被置入的一个开关元件(MOSFET)以及一个二极管的一个器件。即，各半导体元件23是具备如图4所示的一个开关元件Q1～Q6以及一个二极管D1～D6的器件。

如图2所示，绝缘金属基板22的树脂层26在表面具有作为电路图案的铜图案24，并且在背面具有作为接合树脂层26与散热片11的接合层发挥作用的铝板25。此外，树脂层26具有电气绝缘功能，并且具有较高的热传导性。而且，绝缘金属基板22通过多个螺栓B与散热片11接合，从而绝缘金属基板22与散热片11热耦合。

如图1及图2所示，在绝缘金属基板22上配置有由铝形成为大致棒状的作为电极构件的正极用电极构件27以及负极用电极构件28。铝制的正极用电极构件27以及负极用电极构件28分别具有配置在绝缘金属基板22上的第一电极部27a、28a。如图3所示，第一电极部27a、28a形成为矩形板状。在第一电极部27a的长边方向的两侧分别形成有插通孔27b。在第一电极部28a的长边方向的两侧分别形成有插通孔28b。插通孔27b、28b分别在厚度方向上贯通第一电极部27a、28a。而且，正极用电极构件27以及负极用电极构件28通过将插通了插通孔27b、28b的作为固定构件的螺栓B固定(螺纹连接)于散热片11而被固定在散热片11上。此外，在插通孔27b、28b内分别插入有筒状的绝缘构件21。螺栓B通过该绝缘构件21与第一电极部27a、28a绝缘。

对于正极用电极构件27以及负极用电极构件28，在第一电极部27a、28a的长边方向的中央分别立起设置有呈圆棒状的第二电极部27c、28c。第一电极部27a、28a具备与第二电极部27c、28c相比俯视时具有大的面积的形状。第一电极部27a、28a由第二电极部27c、28c的周面(外面)分别向第一电极部27a、28a的长边方向两侧(外侧，图3中为左右两侧)以及短边方向的一侧(外侧，图3中为后侧)延伸设置。

另外，第一电极部27a、28a的上表面的除第二电极部27c、28c以外的部位构成支承后述的电源调整用基板31的支承面S。进而，在从第二电极部27c、28c的靠近第一电极部27a、28a的周面到第一电极部27a、28a的上表面的位置分别形成有连结部27d、28d。通过这些连结部27d、28d分别确保第二电极部27c、28c与第一电极部27a、28a连接的强度。

而且，如图2所示，正极用电极构件27以及负极用电极构件28的第一电极部27a、28a的下表面与半导体模块12的绝缘金属基板22面接触，并且经由绝缘金属基板22与散热片11面接触。第一电极部27a、28a与散热片11被热耦合。另外，第一电极部27a、28a与绝缘金属基板22的铜图案24电连接。

如图1及图2所示，电源调整模块30被支承在正极用电极构件27以及负极用电极构件28的第一电极部27a、28a(支承面S)上，电源调整模块30被配置在半导体模块12的上方。

在该电源调整模块30的电源调整用基板31中的绝缘基板34的一个面(上表面)上设有负极用电路图案35a。在绝缘基板34的另一面即与设有负极用电路图案35a的面相反侧的面(下表面)上设有正极用电路图案35b。在本实施方式中，电路图案35a、35b由铜形成。在电源调整用基板31上配置有多个(在该实施方式中为四个)电容器32作为电子部件，由该电源调整用基板31与电容器32构成电源调整模块30。

在电源调整模块30中，各电容器32的正极端子(未图示)经由电源调整用基板31的正极用的电路图案35b与正极用电极构件27的第一电极部27a电连接。另外，各电容器32的负极端子(未图示)经由负极用的电路图案35a与负极用电极构件28的第一电极部28a电连接。

另外，正极用电极构件27的第二电极部27c与直流电源41的正极连接，负极用电极构件28的第二电极部28c与直流电源41的负极连接。而且，若来自直流电源41的主电流从正极用电极构件27流入电源调整模块30的电容器32，则在电容器32中进行充电。如果电容器32被充完电，则流过电容器32的电流流向半导体模块12。即，来自直流电源41的主电流在电源调整模块30中进行了调整后，流入半导体模块12。

接下来，对半导体装置10的电路构成进行说明。如图4所示，半导体装置10具有由电源调整模块30和半导体模块12构成的逆变电路。该逆变电路具有六个开关元件Q1～Q6。在各开关元件Q1～Q6中MOSFET(metal oxide semiconductor场效应晶体管)被使用。在逆变电路中，第一以及第二开关元件Q1、Q2串联连接，第三以及第四开关元件Q3、Q4串联连接，第五以及第六开关元件Q5、Q6串联连接。在各开关元件Q1～Q6的漏极与源极之间反向并联连接有二极管D1～D6。第一、第三以及第五开关元件Q1、Q3、Q5以及分别与第一、第三以及第五开关元件Q1、Q3、Q5连接的二极管D1、D3、D5的各组被称为上臂。另外，第二、第四以及第六开关元件Q2、Q4、Q6以及分别与第二、第四以及第六开关元件Q2、Q4、Q6连接的二极管D2、D4、D6的各组被称为下臂。

第一、第三以及第五开关元件Q1、Q3、Q5的漏极用的铜图案24与正极用电极构件27的第一电极部27a连接，第二、第四以及第六开关元件Q2、Q4、Q6的源极用的铜图案24与负极用电极构件28的第一电极部28a连接。即，半导体模块12的铜图案24与正极用电极构件27以及负极用电极构件28电连接。

另外，在正极用电极构件27与负极用电极构件28之间并联连接有多个电容器32。而且，电容器32的正极端子经由正极用的电路图案35b与正极用电极构件27的第一电极部27a连接。电容器32的负极端子经由负极用电路图案35a与负极用电极构件28的第一电极部28a连接。

开关元件Q1、Q2之间的接合点与U相端子U连接，开关元件Q3、Q4之间的接合点与V相端子V连接，开关元件Q5、Q6之间的接合点与W相端子W连接。而且，U相端子U、V相端子V以及W相端子W与马达(未图示)连接。开关元件Q1～Q6的栅极分别与驱动信号输入端子G1～G6连接。开关元件Q1～Q6的源极分别与信号端子S1～S6连接。驱动信号输入端子G1～G6以及信号端子S1～S6与控制装置(未图示)连接。正极用电极构件27的第二电极部27c与直流电源41的正极端子连接，负极用电极构件28的第二电极部28c与直流电源41的负极端子连接。

接下来，对上述构成的半导体装置10的作用进行说明。半导体装置10例如被用作构成车辆的电源装置的一部分。

来自直流电源41的直流电流由正极用电极构件27的第二电极部27c流过第一电极部27a，由电源调整模块30的电路图案35b流过电容器32，并且由半导体模块12的铜图案24流入半导体元件23。在绝缘金属基板22上，上臂的第一、第三以及第五开关元件Q1、Q3、Q5以及下臂的第二、第四以及第六开关元件Q2、Q4、Q6分别以规定周期被进行导通、截止控制。由此，向马达提供交流电来驱动马达。然后，电流从负极用电极构件28流入直流电源41。

在半导体装置10中，伴随着主电流流入正极用电极构件27以及负极用电极构件28的第二电极部27c、28c，正极用电极构件27以及负极用电极构件28发热。该热量从第二电极部27c、28c分别在第一电极部27a、28a中传递，然后传递至半导体模块12的绝缘金属基板22。此时，电源调整用基板31仅被正极用电极构件27以及负极用电极构件28的支承面S支承，电源调整用基板31不会成为正极用电极构件27以及负极用电极构件28中的热传导的障碍(热阻)。

而且，传递至绝缘金属基板22的热量向散热片11传递，由散热片11进行散热。其结果，正极用电极构件27以及负极用电极构件28被冷却，温度上升被抑制。另外，第一电极部27a、28a形成与第二电极部27c、28c相比俯视时具有大的面积的矩形形状。而且，第一电极部27a、28a经由绝缘金属基板22与散热片11面接触，因此由第一电极部27a、28a向散热片11的导热率提高。

另外，电容器32虽伴随着通电发热，但该热量经由电源调整用基板31传递至正极用电极构件27以及负极用电极构件28，因此电容器32被冷却。此外，开关元件Q1～Q6以及二极管D1～D6虽伴随着通电发热，但该热量经由绝缘金属基板22传递至散热片11，因此开关元件Q1～Q6以及二极管D1～D6被冷却。

根据上述实施方式，能够得到以下这样的效果。

(1)在与直流电源41电连接的正极用电极构件27以及负极用电极构件28上电连接有电源调整用基板31的电路图案35a、35b以及绝缘金属基板22的铜图案24。而且，该正极用电极构件27以及负极用电极构件28经由绝缘金属基板22与散热片11面接触，从而被热耦合。由此，来自直流电源41的主电流流入正极用电极构件27以及负极用电极构件28。因而，即使正极用电极构件27以及负极用电极构件28发热，也将热量由正极用电极构件27以及负极用电极构件28经由绝缘金属基板22直接传递至散热片11，从而能够提高两电极构件27、28的冷却效率。因此，不使正极用电极构件27以及负极用电极构件28大型化就能够抑制正极用电极构件27以及负极用电极构件28的温度上升。

(2)正极用电极构件27以及负极用电极构件28经由绝缘金属基板22与散热片11面接触。将正极用电极构件27以及负极用电极构件28的热量直接传递至散热片11，从而提高正极用电极构件27以及负极用电极构件28的冷却效率。由此，也可以不使用铜那样的高导热率的材料形成正极用电极构件27以及负极用电极构件28，而能够如本实施方式那样使用铝形成。铝比铜廉价，形成也较容易，因此能够抑制正极用电极构件27以及负极用电极构件28的温度上升，并且能够控制其制造成本，进而能够控制半导体模块12的制造成本。

(3)在半导体装置10中，设置于半导体模块12的半导体元件23与设置于电源调整模块30的电容器32相比发热量较大，但通过散热片11被冷却。在电源调整模块30中，电容器32的发热量比半导体元件23小，但因不存在散热片11，热容量也较小。因此，电源调整模块30的发热量比半导体模块12的发热量大。但是，能够将在电源调整模块30中产生的热量由正极用电极构件27以及负极用电极构件28经由绝缘金属基板22传递至散热片11。因此，通过正极用电极构件27以及负极用电极构件28也能够抑制电源调整模块30的温度上升。

(4)正极用电极构件27以及负极用电极构件28具备：与绝缘金属基板22面接触的第一电极部27a、28a；和与该第一电极部27a、28a一体地形成且从该第一电极部27a、28a立起设置，并且与直流电源41连接的第二电极部27c、28c。而且，第一电极部27a、28a具备与第二电极部27c、28c相比俯视时具有的大的面积的形状。由此，能够确保经由绝缘金属基板22与散热片11接触的正极用电极构件27以及负极用电极构件28的接触面积较大，能够进一步提高由各电极构件27、28向散热片11导热的导热率来提高冷却效率。

(5)正极用电极构件27以及负极用电极构件28由矩形板状的第一电极部27a、28a与圆棒状的第二电极部27c、28c形成。由此，例如与正极用电极构件27以及负极用电极构件28用引线、管脚形成的情况相比，能够增大正极用电极构件27以及负极用电极构件28的热容量来提高导热率。

(6)正极用电极构件27以及负极用电极构件28由矩形板状的第一电极部27a、28a与圆棒状的第二电极部27c、28c形成。而且，在使电源调整用基板31支承在第一电极部27a、28a的支承面S上的状态下，该电路图案35a、35b与第一电极部27a、28a电连接。由此，正极用电极构件27以及负极用电极构件28不会因电源调整用基板31而隔断与散热片11的热耦合，能够将各电极构件27、28的热量经由绝缘金属基板22高效地传递至散热片11。

(7)正极用电极构件27以及负极用电极构件28由矩形板状的第一电极部27a、28a与圆棒状的第二电极部27c、28c形成。在第一电极部27a、28a中形成有插通孔27b、28b。而且，通过将插通到插通孔27b、28b中的螺栓B固定在散热片11上，能够将正极用电极构件27以及负极用电极构件28固定在散热片11上。因此，能够以一次固定操作将第一电极部27a、28a与第二电极部27c、28c固定在散热片11上，能够简单地进行半导体装置10的组装。

(8)正极用电极构件27以及负极用电极构件28由矩形板状的第一电极部27a、28a与圆棒状的第二电极部27c、28c形成。而且，在绝缘金属基板22上配置有第一电极部27a、28a。在使电源调整用基板31支承在第一电极部27a、28a的支承面S上的状态下，贯通了电源调整用基板31、第一电极部27a、28a以及绝缘金属基板22的螺栓B被固定在散热片11上。由此，两电极构件27、28被固定在散热片11上。因此，能够在将正极用电极构件27以及负极用电极构件28向散热片11固定的同时，对绝缘金属基板22以及电源调整用基板31进行定位配置，能够简单地进行半导体装置10的组装。

此外，上述实施方式也可以如下变更。

○在实施方式中，半导体装置10的正极以及负极都使用本发明的电极构件(正极用电极构件27与负极用电极构件28)。也可以替换成仅对正极以及负极中的任意一方采用本发明的电极构件，另一方为本发明的电极构件以外的电极。

○只要正极用电极构件27以及负极用电极构件28经由绝缘金属基板22与散热片11面接触，第一电极部27a、28a也可以不具备与第二电极部27c、28c相比俯视时具有大的面积的形状。第一电极部27a、28a例如也可以是圆柱形状、方筒形状、锥形形状。

○在实施方式中，散热片11是金属制的，也可以将散热片11变更为导热率高的合成树脂制的。

○在实施方式中，电源调整模块30被具体化为在电源调整用基板31上具备作为电子部件的电容器32，也可以在电源调整用基板31上具备其它的电子部件。

○在实施方式中，正极用电极构件27以及负极用电极构件28使用螺栓B被固定在散热片11上。但是，只要正极用电极构件27以及负极用电极构件28经由绝缘金属基板22与散热片11面接触，也可以取代螺丝B的固定，通过粘接剂的粘接等固定正极用电极构件27以及负极用电极构件28。

○在实施方式中，正极用电极构件27以及负极用电极构件28与直流电源41电连接，也可以电连接作为电源的交流电源与电极构件。

○电子部件装置的用途不限于搭载在车辆上，也可以应用于家电制品、工业机器。

○电容器32的数量不限于四个，由半导体装置10的额定电流值以及使用的电容器的电容决定，也可以是三个以下、五个以上。

○开关元件Q1～Q6不限于MOSFET，也可以使用其它功率晶体管(例如IGBT(绝缘栅双极型晶体管))、晶闸管。

○半导体装置10不限于应用于逆变电路，例如也可以应用于DC-DC转换器。

Claims

1.一种半导体装置，其特征在于，

具有：

电源调整模块，其具有电源调整用基板以及安装在该电源调整用基板的电路图案上的电子部件；

半导体模块，其配置在该电源调整模块的下方，并且具有半导体模块基板以及安装在该半导体模块基板的电路图案上的半导体元件；

散热片，其与所述半导体模块基板热耦合；和

与电源连接的电极构件，

其中，所述电极构件与所述电源调整用基板的电路图案以及所述半导体模块基板的电路图案电连接，并且经由所述半导体模块基板与所述散热片面接触，从而以能够进行热传递的方式与该散热片耦合。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

所述电极构件具备：

第一电极部，其经由所述半导体模块基板与所述散热片面接触，并且与所述电源调整用基板的电路图案以及所述半导体模块基板的电路图案电连接；和

第二电极部，其与该第一电极部一体地形成，且从该第一电极部立起设置，并且与所述电源电连接，

其中，所述第一电极部从所述第二电极部的外表面向外侧延伸设置，以具备与所述第二电极部相比俯视时具有大的面积的形状。

3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，

所述第一电极部形成有插通孔，将该第一电极部固定于所述散热片的固定构件插通在所述插通孔中。

4.根据权利要求2或3所述的半导体装置，其特征在于，

在所述第一电极部上设有支承所述电源调整用基板的支承面。

5.根据权利要求4所述的半导体装置，其特征在于，

在使所述电源调整用基板支承于所述支承面上的状态下，所述固定构件贯通所述电源调整用基板、所述第一电极部以及所述半导体模块基板来固定于所述散热片。