半导体装置制造方法
【专利摘要】在半导体芯片被冷却器冷却的半导体装置中，省去半导体芯片和冷却器之间的绝缘部件谋求简化构造。设置有半导体芯片(21、22)和让半导体芯片(21、22)与制冷剂进行热交换的冷却器(23、24、25)。制冷剂为非导电性。半导体芯片(21、22)和冷却器(23、24、25)经由导电性连接部件(28)相连接或者直接连接。
【专利说明】半导体装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体芯片被冷却器冷却的半导体装置。
【背景技术】
[0002]存在交直流转换电路等中所用绝缘栅双极型晶体管(IGBT=Insulated GateBipolar Transistor)被空冷式、水冷式冷却器冷却的情况(参照例如专利文献I)。
[0003]该空冷式冷却器一般都具有体积比较大的倾向。如果冷却器这样比较大，就难以将IGBT和内装有交直流转换电路等的机体绝缘。就水冷式冷却器而言，因为水具有导电性，所以在所谓的应对强电的IGBT的情况下则需要将构成该IGBT的半导体芯片和冷却器电气绝缘。因此，无论采用了空冷式、水冷式中的哪一种方式，一般情况下都要在半导体芯片和冷却器之间设置绝缘部件(参照例如专利文献I)。
[0004]专利文献1:日本公开特许公报特开2005-123233号公报
【发明内容】
[0005]一发明要解决的技术问题一
[0006]然而，如果设置上述绝缘部件，则会IGBT和冷却器之间的热电阻增大而导致冷却效率下降的问题和装置成本增加的问题。
[0007]本发明正是为解决上述问题而完成的。其目的在于:在半导体芯片被冷却器冷却的半导体装置中，省去半导体芯片和冷却器之间的绝缘部件，使冷却效率提高，谋求简化冷却机构，降低装置成本。
[0008]—用于解决技术问题的技术方案一
[0009]为解决上述问题，第一方面发明是一种半导体装置，包括:半导体芯片21、22和让所述半导体芯片21、22与制冷剂进行热交换的冷却器23、24、25。所述制冷剂为非导电性，所述半导体芯片21、22和所述冷却器23、24、25经导电性连接部件28相连接或者直接连接。
[0010]在该结构下，因为制冷剂为非导电性，所以即使半导体芯片21、22和冷却器23、24,25经由导电性连接部件28相连接或者直接连接，电流也不会通过制冷剂从半导体芯片2U22流到例如制冷剂的提供源中。
[0011]第二方面发明是这样的，在第一方面发明的半导体装置中，所述冷却器23、24、25被作为让电流流动的汇流条使用。
[0012]在该结构下，冷却器23、24、25兼作汇流条用。
[0013]第三方面发明是这样的，在第一或者第二方面发明的半导体装置中，
[0014]所述冷却器23、24、25与所述半导体芯片21、22的电极E、C、…相连接。
[0015]第四方面发明是这样的，在第一到第三方面中任一方面发明的半导体装置中，所述冷却器23、24、25设置在所述半导体芯片21、22的两个面上。
[0016]第五方面发明是这样的，在第一到第四方面中任一方面发明的半导体装置中，所述半导体芯片21、22为多个，多个半导体芯片21、22共用一个冷却器23、24、25。
[0017]第六方面发明是这样的，在第一到第五方面中任一方面发明的半导体装置中，所述制冷剂是进行制冷循环的制冷剂回路50中的制冷剂，所述冷却器23、24、25经由非导电性管道部件29与所述制冷剂回路50的管道51相连接。
[0018]在该结构下，制冷剂回路50的管道51和冷却器23、24、25被电气绝缘。
[0019]第七方面发明是这样的，在第一到第六方面中任一方面发明的半导体装置中，所述半导体芯片21、22是用宽带隙半导体形成的半导体元件。
[0020]因为宽带隙半导体的损失比同电流的现有元件例如Si元件少，所以在该结构下能够使芯片尺寸更小。
[0021]一发明的效果一
[0022]根据第一方面发明，因为电流不会经制冷剂从半导体芯片21、22流出，所以在半导体芯片被冷却器冷却的半导体装置中，能够省去半导体芯片和冷却器之间的绝缘部件谋求简化半导体装置的构造。这样一来，也就能够提高半导体芯片的冷却效率、简化冷却机构、抑制半导体装置成本增加。
[0023]根据第二方面发明，能够减少布线部件；能够减少从半导体芯片传递到周边部件的热量，并且能够将周边部件冷却；因为半导体芯片、周边部件被冷却器冷却，所以能够使布线部件的截面积更小。
[0024]根据第三方面发明，通过将半导体芯片的电极与冷却器连接，那么当电流流入半导体芯片的电极而发热之际，则能够充分地对该半导体芯片的电极进行冷却。特别是，因为所制作的电极电阻都较低，热电阻也低，所以通过将冷却器连在电极上，冷却效果就会提高。而且，因为从电气上来看电极离半导体芯片的结(junction)比较近，所以在该结构下能够有效地对将结冷却。
[0025]根据第四方面发明，能够有效地对半导体芯片21、22进行冷却。而且，因为在该双面构造下布线部件和半导体芯片21、22之间没有绝缘层，所以与现有技术相比，能够将布线部件布置在半导体芯片21、22附近。这样一来，通过将布线的往返线路布置得较近，则能够降低阻抗，改善电气特性。
[0026]根据第五方面发明，因为多个半导体芯片21、22共用一个冷却器23、24、25，所以能够实现半导体装置20的小型化。
[0027]根据第六方面发明，即使制冷剂回路50的管道51具有导电性，来自半导体芯片21的电流也不会经由该管道51流出。
[0028]根据第七方面发明，能够实现装置的小型化。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是示出功率转换装置的结构例的电路图。
[0030]图2是第一实施方式所涉及的半导体装置的俯视图。
[0031]图3是第一实施方式所涉及的半导体装置的剖视图。
[0032]图4是示出开关元件的一构造例的图。
[0033]图5是进行制冷循环的制冷剂回路之一例。
[0034]图6是第二实施方式所涉及的半导体装置的剖视图。【具体实施方式】
[0035]下面，参照附图对本发明的实施方式做说明。此外，以下实施方式是本质上优选的示例，并没有对本发明、本发明的应用对象或本发明的用途范围加以限制的意图。
[0036](发明的第一实施方式)
[0037] 作为本发明的实施方式，以用在功率转换装置中的半导体装置为例做说明。图1是示出功率转换装置10的结构例的电路图。图2是第一实施方式所涉及的半导体装置20的俯视图。图3是第一实施方式所涉及的半导体装置20的剖视图。此外，图3示出了图2中的A — A剖面。在图2和图3中，除示出半导体装置20以外，还示出构成功率转换装置10的一部分部件。
[0038]〈功率转换装置10的电路结构〉
[0039]功率转换装置10包括直流电源11、平滑电容12以及半导体装置20。直流电源11包括桥式连接的六个二极管D，对从三相交流电源60输入的交流进行全波整流。平滑电容12是将直流电源11的输出平滑化的电解电容，经电抗线圈L与直流电源11相连接。
[0040]〈半导体装置20〉
[0041]—回路结构一
[0042]半导体装置20构成功率转换装置10中的交直流转换电路40。多个(该例中为六个)开关元件21桥式连接构成交直流转换电路40。详细而言，交直流转换电路中包括三个由两个开关元件21彼此串联而构成的开关腿(switching leg)41。各开关腿41中，上臂开关元件21和下臂开关元件21的中点与马达70相连接。回流二极管22与各开关元件21逆并联。交直流转换电路40的输入节点与平滑电容12连接。
[0043]—整体构造一
[0044]如图2、图3所示，半导体装置20包括开关元件21、回流二极管22、传导块27、控制引脚30 (control pin)、绝缘封装材31以及三种汇流条(N相条23、P相条24以及输出条25。该例中，N相条、P相条23、24分别设置有一个。输出条25设置有三个。开关元件
21、回流二极管22以及控制引脚30分别设置有六个。此外，图3等中构成要素有多个的，根据需要给符号加注-1、-2…以便于识别。
[0045]如图3所示，在半导体装置20中，按照开关元件21、传导块27-1、输出条25、开关元件21以及传导块27-2这样的顺序层叠(详情后述)而构成开关腿41。图3示出W相开关腿41的剖面。其它的U相和V相具有同样的构造。
[0046]U相、V相以及W相的各开关腿41由N相和P相条23、24夹住。半导体装置20由具有绝缘性的绝缘封装材31封装起来。由此而能够保证半导体装置20与其它部件绝缘。绝缘封装材31例如为树脂。利用所述封装而在各开关腿41附近分别固定有两个控制引脚(pin)30。
[0047]—开关元件21、回流二极管22-
[0048]各开关元件21是IGBT。图4示出开关元件21的结构之例。一个开关元件21作为一个裸芯片(bare chip)而形成。如图4所示，集电极C形成在裸芯片的一个面上，发射极E和基极G分别形成在另一个面上。开关元件21是本发明的半导体芯片之一例。
[0049]一个回流二极管22作为一个裸芯片而形成。在构成回流二极管22的裸芯片的一个面上形成有阳极K，在另一个面上形成有阴极A。回流二极管22也是本发明的半导体芯片之一例。
[0050]—汇流条-
[0051]各汇流条23、24、25具有让电流流动的布线部件的功能，还具有对开关元件21、回流二极管22进行冷却的冷却器的功能。如图2、图3所示，各汇流条23、24、25呈板状。各汇流条23、24、25由铝或铜等具有导电性和传热性的材料形成。在各汇流条23、24、25的一端分别形成有电极部23a、24a、25a。如图2、图3所示，各电极部23a、24a、25a从绝缘封装材31露出来。
[0052]由铜形成的管道26被埋在各汇流条23、24、25的内部。如图3所示，这些管道26从各开关元件21和各传导块27的正下方或者正上方通过。管道26中从各开关元件21、各传导块27的正下方或者正上方通过的部分的表面积根据开关元件21和回流二极管22的放热(后述)量决定。该例中，如图2所示，N相条和P相条23、24的管道26被布置成蛇爬行状。输出条25的管道26大致呈“U”字形。
[0053]非导电性连接管道29与各条管道26的两端相连接。连接管道29由陶瓷形成。连接管道29是本发明的非导电性管道部件之一例。
[0054]-汇流条与开关元件等的连接一
[0055]在本实施方式中，将开关元件21等的上、下朝向(上侧、下侧、上表面、下表面等)定为图3中的上、下。
[0056]如上所述，输出条25有三个，一个输出条25上连接有对应于一个开关腿41的两个开关元件21。因在各开关腿41中各汇流条23、24、25和开关元件21等的连接情况都相同，故以图3所示之W相为例进行说明。
[0057]图3所示的例子中，图示于上侧的开关元件21为下臂侧开关元件，图示于下侧的开关元件21为上臂侧开关元件。在图3之例中，上臂侧开关元件21安装在P相条24上。具体而言，如图3所示，开关元件21的集电极C通过焊锡28与P相条24的上表面连接。通过这样用焊锡28进行连接，二者便会电气且热连接在一起。焊锡28是本发明的连结部件之一例。
[0058]上臂侧开关元件21的发射极E利用焊锡28与传导块27-1的下表面相连接；传导块27-1的上表面通过焊锡28与输出条25的下表面相连接。这样一来，上臂侧开关元件21的发射极E分别便经传导块27-1与输出条25电气且热连接。上臂侧开关元件21的基极G通过金属细线布线W与附近的控制引脚30-1相连接。
[0059]下臂侧开关元件21的集电极C通过焊锡28与输出条25的上表面相连接；下臂侧开关元件21的发射极E通过焊锡28与传导块27-2的下表面相连接；下臂侧开关元件21的基极G与通过金属细线布线W与附近的控制引脚30-2相连接；传导块27-2的上表面通过焊锡28与N相条23的下表面相连接。
[0060]此外，虽然在图3等中省略了图示，但回流二极管22与开关元件21并列设置，回流二极管22与开关元件21 —样与N相条和P相条23、24电气且热连接。例如，上臂侧回流二极管22的阳极K通过焊锡28与P相条24的上表面相连接，阴极A通过焊锡28与传导块27-1的下表面相连接。
[0061]如图2、图3所示，N相条、P相条23、24的电极部23a、24a形成为平板状，夹着绝缘材32彼此相对。在这些电极部23a、24a设置有端子(例如通孔)，连接有平滑电容12。输出条25的电极部25a具有交直流转换电路40的输出端子的功能。此外，如图2、图3所示，各电极部23a、24a、25a从绝缘封装材31露出来。
[0062]一与制冷剂回路50的连接状况一
[0063]各汇流条23、24、25的管道26经连接管道29与进行制冷循环的制冷剂回路50相连接，制冷剂在管道26内部流通。图5是进行制冷循环的制冷剂回路50之一例。制冷剂回路50包括压缩机52、室外热交换器53、膨胀阀54、四通换向阀55以及室内热交换器56，它们通过管道51连接在一起。制冷剂在制冷剂回路50中循环而进行蒸气压缩式制冷循环。制冷剂回路50中所用制冷剂为非导电性。
[0064]室内热交换器56由横肋型管片式热交换器构成,让制冷剂与室外空气进行热交换。压缩机52可以采用例如涡旋式压缩机等各种压缩机。室外热交换器53由横肋型管片式热交换器构成，让制冷剂与室外空气进行热交换。膨胀阀54与室外热交换器53和室内热交换器56相连接，让流入的制冷剂膨胀，将制冷剂减压到规定压力后再让该制冷剂流出。该例中，膨胀阀54由开度可变的的电子膨胀阀构成。四通换向阀55上设置有第一到第四通口，四通换向阀55在第一通口与第三通口连通同时第二通口与第四通口连通的第一状态(图1中实线所示状态)、第一通口与第四通口连通同时第二通口与第三通口连通的第二状态(图1中虚线所示状态)之间切换。四通换向阀55的第一通口与压缩机52的喷气口连接，第二通口与压缩机52的吸气口连接。第三通口经室外热交换器53和膨胀阀54与室内热交换器56的一端相连接，第四通口与室内热交换器56的另一端相连接。当在制冷剂回路50中进行制冷运转的情况下四通换向阀55被切换为第一状态，进行制热运转的情况下被切换为第二状态。
[0065]该例中，各汇流条23、24、25的管道26连接在室外热交换器53与膨胀阀54之间，制冷剂循环。
[0066]〈对开关元件21、回流二极管22的冷却〉
[0067]因为各开关元件21、回流二极管22的端子通过焊锡28与任一个汇流条23、24、25电连接，所以电流根据开关元件21的开关流经汇流条23、24、25。而且，伴随着该开关，开关元件21、回流二极管22会发热。
[0068]另一方面，如果在制冷剂回路50进行制冷循环，制冷剂则会在该各汇流条23、24、25中流通。因为各开关元件21、回流二极管22通过焊锡28与任一个汇流条23、24、25热连接，所以开关元件21和回流二极管22在所连接的汇流条23、24、25中向所述制冷剂放热而被冷却。该例中，在对U相、V相以及W相各相的开关元件21进行冷却时都使用N相条23和P相条24。对开关腿41内的开关元件21进行冷却时都使用各输出条25。也就是说，由多个半导体芯片共用一个冷却器。
[0069]如上所述，电流根据开关元件21的开关电流流经各汇流条23、24、25。但因各汇流条23、24、25经非导电性连接管道29与制冷剂回路50的管道51相连接，所以汇流条23、24,25的管道26和制冷剂回路50的管道51被电气绝缘。
[0070]例如，在管道51采用非导电性材料形成，制冷剂却具有导电性的情况下，汇流条
23、24、25和制冷剂回路50会电连接。但是，在本实施方式中，因为制冷剂也为非导电性，所以汇流条23、24、25不会经制冷剂与制冷剂回路50电连接。因此，在本实施方式中，确保了半导体装置20和制冷剂回路50的电气绝缘。
[0071]〈本实施方式的效果〉
[0072]如上所述，在本实施方式中，无在冷却器汇流条23、24、25和半导体芯片开关元件21等之间设置绝缘部件，就能够确保半导体装置20和制冷剂回路50电气绝缘。因此，在半导体芯片被冷却器冷却的半导体装置中，省去半导体芯片和冷却器之间的绝缘部件而能够谋求简化半导体装置的构造。这样一来，也能够提高半导体芯片的冷却效率，简化冷却机构，抑制半导体装置成本增加。还能够防止开关元件21开关所产生的噪音传到半导体装置20的外部。
[0073]因为P相条24的电极部24a和N相条23的电极部23a正相对，所以能够实现N相条、P相条23、24的低阻抗化。
[0074]因为半导体芯片与P相条24和N相条23直接连接，所以能够增大半导体芯片和汇流条的接合面积，减少半导体芯片和汇流条之间的布线阻抗。这样就能够抑制施加给半导体芯片的浪涌电压，将开关高速化。
[0075](发明的第二实施方式)
[0076]图6是第二实施方式所涉及的半导体装置20的剖视图。第二实施方式中的半导体装置20与第一实施方式不同的地方在开关腿41的构造上。此外，在本实施方式中，将开关元件21等的上下朝向(上侧、下侧、上表面、下表面等)定为图6中的上下。
[0077]〈半导体装置20的构造〉
[0078]图6示出W相的开关腿41。其它U相和V相也具有相同的构造。该半导体装置20中，输出条25也设置有三个，N相条、P相条23、24也分别设置有一个。图6之例中，该图左侧的开关元件21为上臂侧开关元件，右侧的开关元件21为下臂侧开关元件。因各开关腿41中各汇流条23、24、25和开关元件21等的连接状况都相同，故以图6所示W相为例做说明。
[0079]本实施方式中的开关腿41中，如图6所示，上臂侧开关元件21的集电极C侧的面通过焊锡28与输出条25的上表面相连接。上臂侧开关元件21的发射极E通过焊锡28与传导块27-1相连接。
[0080]P相条24通过焊锡28与传导块27_1的上表面相连接。上臂侧开关元件21的发射极E因此而与P相条24电气且热连接。
[0081]传导块27-2与上臂侧开关兀件21并列着设置在输出条25的上表面上。输出条25和传导块27-2通过焊锡28相连接。下臂侧开关元件21的发射极E通过焊锡28与传导块27-2的上表面相连接。N相条23通过焊锡28与下臂侧开关元件21的集电极C相连接。
[0082]由铜形成的管道26被埋在各汇流条23、24、25的内部。如图6所示，这些管道26从各开关元件21和各传导块27的正下方或者正上方通过。管道26中从各开关元件21、各传导块27的正下方或者正上方通过的部分的表面积根据开关元件21和回流二极管22的放热(后述)量决定。非导电性连接管道29与各条管道26的两端相连接。
[0083]半导体装置20由具有绝缘性的绝缘封装材31封装起来。由此而能够保证半导体装置20与其它部件绝缘。绝缘封装材31例如为树脂。利用所述封装在各个相的开关腿41附近固定有控制引脚30。各开关元件21的基极G通过金属细线布线W与相邻的控制引脚30相连接。各汇流条23、24、25的管道26经连接管道29与制冷剂回路50的管道51相连接，所述制冷剂在各管道26中循环。
[0084]〈本实施方式的效果〉
[0085]本实施方式中也是如此，因为各开关元件21、回流二极管22的端子通过焊锡28与任一个汇流条23、24、25电气连接，所以电流会根据开关元件21的开关而流经各汇流条23、24,25ο
[0086]因为各开关元件21、回流二极管22通过焊锡28与任一个汇流条23、24、25热连接，所以开关元件21和回流二极管22在所连接的汇流条23、24、25中向所述制冷剂放热而被冷却。
[0087]因此，本实施方式也能够收到与第一实施方式一样的效果。
[0088](其它实施方式)
[0089]此外，并非一定需要让制冷剂流过所有的汇流条23、24、25。制冷剂流过哪一个汇流条23、24、25只要根据开关元件21等的放热量决定即可。
[0090]回流二极管22还可以设置在半导体装置20外部。
[0091]通过让各管道26串联连接，那么在与制冷剂回路50的连接上，制冷剂的入口和出口成对，而能够易于连接。
[0092]还可以让管道26的一部分从汇流条23、24、25露出来而做到能够检测温度。这样一来就能够对制冷剂进行温度控制。
[0093]作为开关元件21而采用的IGBT为示例。除此以外，开关元件21还可以采用FET
坐寸ο
[0094]例如，开关元件21采用由宽带隙半导体形成的半导体元件(以下，宽带隙半导体元件)更合适。SiC(Silicon carbide)即为宽带隙半导体之一个。
[0095]通过使用宽带隙半导体元件能够实现元件的小型化。也就是说，因为宽带隙半导体(例如SiC元件)的损失比现有元件(例如Si元件)少，所以能够使芯片尺寸比同电流的现有元件小。
[0096]但是，因为一般情况下布线汇流条的截面积由电流的大小决定，所以SiC元件等宽带隙半导体元件需要与电流大小相匹配的布线。其结果是，就现有装置而言，即使使用宽带隙半导体元件，作为装置整体也难以实现的小型化。相对于此，在本实施方式中，因为将冷却器23、24、25作为汇流条使用，所以能够实现汇流条的小型化。其结果是，能够实现装置整体的小型化。
[0097]若使用宽带隙半导体元件，则能够在低温环境下使用周边部件。宽带隙半导体元件能够在高温(例如400°C以上)下使用。但是，周围的电容等的使用温度却比它低(例如100°C左右)。因此，在要使用现有的铜汇流条连接宽带隙半导体元件和周边部件的情况下，需要将周边部件布置得较远，或者降低元件的使用温度等，而无法发挥宽带隙半导体元件的优点。
[0098]相对于此，在本实施方式中，因为用制冷剂对汇流条23、24、25进行冷却，所以半导体芯片21、22(元件)的温度难以传递给周边部件。其结果是，能够在高温下使用宽带隙半导体元件。而且还具有将电容等冷却的效果，使用寿命能够加长。
[0099]若使用宽带隙半导体元件，则能够减小元件的热电阻，实现小型元件。宽带隙半导体元件的导热率比现有元件(例如Si元件)大(热电阻小)。因此，绝缘层(冷却器和半导体芯片之间的绝缘部件)的热电阻在总热电阻中所占的比例增大。在本实施方式中，通过去掉绝缘层，装置整体的热电阻减小，而能够实现更加小型化的元件。
[0100]一产业实用性一
[0101]本发明作为半导体芯片被冷却器冷却的半导体装置有用。
[0102]—符号说明一
[0103]20半导体装置
[0104]21开关元件(半导体芯片)
[0105]22回流二极管(半导体芯片)
[0106]23 N相条(冷却器)
[0107]24 P相条(冷却器)
[0108]25输出条(冷却器)
[0109]28焊锡(连接部件)
[0110]29连接管道(管道部件)
[0111]50制冷剂回路
[0112]51 管道
【权利要求】
1.一种半导体装置，其包括:半导体芯片(21、22)、让所述半导体芯片(21、22)与制冷剂进行热交换的冷却器(23、24、25)，其特征在于: 所述制冷剂为非导电性， 所述半导体芯片(21、22)和所述冷却器(23、24、25)经由导电性连接部件(28)相连接或者直接连接。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于: 所述冷却器(23、24、25)被作为让电流流动的汇流条使用。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于: 所述冷却器(23、24、25)与所述半导体芯片(21、22)的电极(E、C、…)相连接。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于: 所述冷却器(23、24、25)设置在所述半导体芯片(21、22)的两个面上。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于: 所述半导体芯片(21、22)为多个，多个半导体芯片(21、22)共用一个冷却器(23、24、25)。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于: 所述制冷剂是进行制冷循环的制冷剂回路(50)中的制冷剂， 所述冷却器(23、24、25)经由非导电性管道部件(29)与所述制冷剂回路(50)的管道(51)相连接。
7.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于: 所述半导体芯片(21、22)是用宽带隙半导体形成的半导体元件。
【文档编号】H01L23/473GK103918073SQ201280054332
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年11月7日 优先权日:2011年11月7日
【发明者】周越强, 前田敏行 申请人:大金工业株式会社