CN112236929A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的半导体装置具备半导体模块(5)、冷却部件(20)、以及导热部件(12)。半导体模块(5)具有相互反向并联地连接的开关元件(Q)以及二极管(D)。导热部件(12)配置于半导体模块(5)与冷却部件(20)之间，将开关元件(Q)以及二极管(D)产生的热量传递到冷却部件(20)。导热部件(12)具有供开关元件(Q)以及二极管(D)并列地搭载的搭载面，与搭载面相反的一侧的面与冷却部件(20)相接。在导热部件(12)中，与搭载面平行的第一方向上的热传导率比与搭载面垂直的第二方向上的热传导率高。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体装置。
背景技术
例如在日本特开2012－5194号公报(专利文献1)中公开了一种电力转换器，其具备：半导体元件，具有开关元件以及整流元件；冷却半导体元件的冷却器；以及安装部件，夹设于半导体元件与冷却器之间，进行两者的结合与相互的热传递。
在电力转换器中，有时取决于动作状态而在开关元件的发热与整流元件的发热之间产生偏差。为了对于开关元件与整流元件之间的发热的偏差确保一定的冷却，需要即使在各元件的发热量达到最大的状态下也能够冷却的冷却能力。因此，存在冷却器大型化这一问题。
作为其对策，在专利文献1中，在安装部件内包含热传导率不同的至少两个填充部件。在发热量多的元件与冷却器之间配置热传导率相对较高的填充部件，在发热量少的元件与冷却器之间配置热传导率相对较低的填充部件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012－5194号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
在上述专利文献1中，作为热传导率不同的两个填充部件，使用气体(例如空气)以及液体(例如水)，使这些流动体填充于在具有厚度的安装部件的内部形成的密闭空间。而且，利用电力转换器所搭载的车辆的加减速时的重力，在密闭空间内使这些流动体移动，从而实现了上述填充部件的配置。
然而，专利文献1所记载的技术利用了车辆的行驶状态所引起的重力的变化，因此担心能够应用该技术的电力转换器被限定。因而，要求能够以更简单的构成提高半导体元件的冷却效率的构成。
因此，本发明的主要目的在于提供能够以简单的构成提高半导体元件的冷却效率的半导体装置。
用于解决技术问题的手段
本发明的半导体装置具备半导体模块、冷却部件、以及导热部件。半导体模块具有相互反向并联地连接的开关元件以及二极管。冷却部件将半导体模块冷却。导热部件配置于半导体模块与冷却部件之间，将开关元件以及二极管产生的热量传递到冷却部件。导热部件具有供开关元件以及二极管并列地搭载的搭载面，与搭载面相反的一侧的面与冷却部件相接。在导热部件中，与搭载面平行的第一方向上的热传导率比与搭载面垂直的第二方向上的热传导率高。
发明效果
根据本发明的半导体装置，能够提供能够以简单的构成提高半导体模块的冷却效率的半导体装置。
附图说明
图1是表示可应用本发明的实施方式的半导体装置的电力转换装置的构成例的电路框图。
图2是示意地表示半导体模块的构成例的概略俯视图。
图3是表示三个半导体模块的元件配置的概略俯视图。
图4是图3的IV－IV线的剖面图。
图5是本实施方式的电力转换装置的剖面图。
图6是概念地表示半导体模块中的开关元件的散热路径的图。
图7是导热部件的概略图。
图8是表示热电路网模型的图。
图9是表示模拟结果的图。
图10是用于说明导热部件的厚度的设定方法的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。另外，以下，对图中或者相应的部分标注相同的附图标记，原则上不重复其说明。
图1是表示可应用本发明的实施方式的半导体装置的电力转换装置的构成例的电路框图。
参照图1，电力转换装置10具备交流输入端子T1～T3以及直流输出端子T4、T5。交流输入端子T1～T3从交流电源1接收商用频率的三相交流电力。直流输出端子T4、T5连接于负载2。负载2通过从电力转换装置10供给的直流电力而驱动。
电力转换装置10还具备转换器3、直流正侧母线L1、直流负侧母线L2、电容器4以及控制装置6。转换器3由控制装置6控制，将从商用交流电源供给的三相交流电力转换为直流电力而向直流正侧母线L1以及直流负侧母线L2间输出。
转换器3包含三个支线电路3U、3V、3W。支线电路3U、3V、3W以并联的方式连接于直流正侧母线L1以及直流负侧母线L2之间。支线电路3U、3V、3W的各个具有串联连接的两个开关元件和两个二极管。
具体而言，支线电路3U具有连接于直流正侧母线L1以及交流输入端子T1之间的开关元件Q1、连接于交流输入端子T1以及直流负侧母线L2之间的开关元件Q2、以及二极管D1、D2。开关元件Q1～Q6的各个能够由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、GCT(GateCommutated Turn-off)晶闸管等任意的自消弧型的开关元件构成。二极管D1、D2是FWD(Freewheeling Diode)，分别以反并联的方式连接于开关元件Q1、Q2。
支线电路3V具有连接于直流正侧母线L1以及交流输入端子T2之间的开关元件Q3、连接于交流输入端子T2以及直流负侧母线L2之间的开关元件Q4、以及二极管D3、D4。支线电路3W具有连接于直流正侧母线L1以及交流输入端子T3之间的开关元件Q5、连接于交流输入端子T3以及直流负侧母线L2之间的开关元件Q6、以及二极管D5、D6。以下，在概括地说明开关元件Q1～Q6以及二极管D1～D6的情况下，分别标记为开关元件Q以及二极管D。
控制装置6与交流输入端子T1～T3的交流电压同步地动作，控制转换器3，以使直流输出端子T4、T5间的直流电压VDC成为目标直流电压VDCT。即，控制装置6控制6个开关元件Q1～Q6，将直流输出端子T4、T5间的直流电压VDC转换为三相交流电压而向交流输入端子T1～T3间输出。此时，控制装置6以使流经交流输入端子T1～T3的交流电流成为大致正弦波状、并且与交流输入端子T1～T3的交流电压成为同相的方式控制6个开关元件Q1～Q6，从而能够使功率因数大致为1。
构成转换器3的三个支线电路3U、3V、3W的各个由一个半导体模块构成。接下来，详细地说明半导体模块的构成例。
图2是示意地表示半导体模块的构成例的概略俯视图。
在图1的例子中，与三个支线电路3U、3V、3W对应地配置有三个半导体模块5U、5V、5W。各相的半导体模块的构成相同，因此在图2中对U相的半导体模块5U的构成进行说明。
半导体模块5U具有在平面状的基板上安装有开关元件Q1、Q2以及二极管D1、D2的构成。开关元件Q1、Q2以及二极管D1、D2利用未图示的接合线或者导电体所构成的布线层电连接。开关元件Q1、Q2以及二极管D1、D2与基板、接合线以及布线层等一起用树脂密封。
另外，在图2的例子中，示出了对于一个半导体模块5U将开关元件以及二极管分别各设置两个的构成，但也可以设为将开关元件以及二极管分别各设置四个的构成。在该构成中，两个开关元件以及两个二极管分别以并联的方式连接。
图3是表示三个半导体模块5U、5V、5W的元件配置的概略俯视图。图4是图3的IV－IV线上的剖面图。
半导体模块5U、5V、5W并列地搭载于冷却翅片20的基座部分。在半导体模块5U、5V、5W的各个与冷却翅片20之间涂覆有导热部件100。导热部件100通过在硅系树脂等绝缘性树脂中添加银、铜、铝等热传导率高的金属、或者氧化铝、氮化铝、碳化硅、石墨等热传导率高的陶瓷作为填料而成。作为这些导热部件100，是导热润滑脂、导热片材、或者热传导性的粘合剂。利用导热部件100封堵半导体模块与冷却翅片20的间隙，能够从半导体模块5向冷却翅片20高效地传导热量。
半导体模块5U、5V、5W的各个在其动作中在开关元件Q以及二极管D中产生由导通损失以及开关损失构成的损失，因此该损失导致开关元件Q以及二极管D发热。
这里，在高功率因数的电力转换装置10中，在其动作中，电流的大部分流经开关元件Q，因此发热集中于开关元件Q。其结果，在半导体模块5U、5V、5W的各个中，显现出开关元件Q的发热量与二极管D的发热量相比变多的趋势。由于该发热，若开关元件Q的接合温度超过额定温度而持续上升，则会导致元件破坏，因此开关元件Q必须一边冷却一边动作。
在图4的例子中，如箭头所示，开关元件Q中产生的热量从半导体模块经由导热部件100向冷却翅片20导热，从冷却翅片20向外部散热。此时，如图4所示，开关元件Q的热量在位于开关元件Q的正下方的导热部件100以及冷却翅片20中传导。因而，主要在开关元件以及冷却翅片20之间形成垂直方向的散热路径。
另一方面，热量难以扩散到发热量少的二极管D的正下方、或者处于邻接的2个开关元件Q之间的导热部件100以及冷却翅片20，结果，担心冷却翅片20的散热性能未被有效地利用。
接下来，使用图5，对本实施方式的电力转换装置10的构成进行说明。
图5是本实施方式的电力转换装置10的剖面图，并且是与图4对比的图。本实施方式的电力转换装置10以及半导体模块5的概略俯视图分别与图1以及图2相同，因此不重复详细的说明。
参照图5，在本实施方式的电力转换装置10中，取代导热部件100而使用导热部件12。导热部件12具有供开关元件Q以及二极管D并列地搭载的搭载面12A，与搭载面12A相反的一侧的面(以下，也称为背面)与冷却翅片20相接。
导热部件12构成为，与搭载面12A平行的第一方向上的热传导率比与搭载面12A垂直的第二方向上的热传导率高。在图5的例子中，第一方向是与X－Y平面平行的方向，第二方向是Z方向。另外，在本申请说明书中，“热传导率λ”被定义为由于温度梯度而在导热部件12内流动的作为热量的能量传递量。热传导率λ的单位是[W/(m·K)]。若将第一方向上的热传导率设为λh，将第二方向上的热传导率设为λv，则导热部件12具有λh＞λv的关系。
作为这种导热部件12，例如能够使用石墨片材。石墨片材由具有层状的晶体构造的石墨构成，并具有层的方向(在面上传递的方向)的热传导率比层的厚度方向(在层的上下传递的方向)的热传导率高(约200倍左右)的特性。在本实施方式中，将石墨片材的层的方向设为导热部件12的第一方向，并且将石墨片材的层的厚度方向设为导热部件12的第二方向，从而实现上述的热传导率λh以及λv的关系。
通过设为这种构成，若开关元件Q中产生的热量从半导体模块5向导热部件12传导，则如图中的箭头所示那样沿Z方向(第二方向)传导，并且也沿与X－Y平面平行的方向(第一方向)传导。因而，能够经由发热量少的二极管D的正下方、或者处于邻接的2个开关元件Q之间的导热部件12而向冷却翅片20扩散热量。其结果，能够有效地利用冷却翅片20的散热性能，因此能够提高半导体模块5的冷却效率。
接下来，对图5所示的导热部件12的优选的形状进行研究。另外，导热部件12的搭载面12A的大小(即，面积)通常根据半导体模块5U、5V、5W的各自的芯片面积而决定。因而，在以下的研究中，主要对导热部件12的第二方向上的厚度进行研究。
图6中用虚线箭头概念性地示出半导体模块5U中的开关元件Q2的散热路径。开关元件Q2中产生的热量从半导体模块5U经由导热部件12向冷却翅片20导热，并从冷却翅片20向外部散热。
在图6中，将开关元件Q2的接合温度设为Tj[K]，将冷却翅片20的表面温度设为Tf[K]。将导热部件12的搭载面温度设为Ta[K]，将导热部件12的背面温度设为Tb[K]。接合温度Tj与冷却翅片表面温度Tf之间的热阻能够由接合温度Tj以及搭载面温度Ta间的热阻θp、搭载面温度Ta以及背面温度Tb间的热阻θs以及背面温度Tb以及冷却翅片表面温度Tf间的热阻θf的合计值(＝θp+θs+θf)表示。
如果热阻的合计值(θp+θs+θf)低，则开关元件Q2中产生的热量迅速地释放。另一方面，如果热阻的合计值高，则热量封闭在半导体模块5U内部，因此开关元件Q2的温度上升。若接合温度Tj超过上限值，则担心开关元件Q2不再正常地动作、或者开关元件Q2破坏。
因此，在本实施方式中，着眼于上述散热路径中的导热部件12，研究用于减少搭载面温度Ta以及背面温度Tb间的热阻θs的优选的厚度。
图7中示出研究所使用的导热部件12的概略图。为了简单起见，设为导热部件12具有立方体的形状。将导热部件12的搭载面(X－Y平面)设为一边的长度为2a[mm]的正方形状。将导热部件12的第二方向(Z方向)上的厚度设为b[mm]。
在这种导热部件12中，若将X方向上的热阻设为θh[K/W]，则通过如下的式(1)来提供θh。
θh＝a/(λh·2a·b)…(1)
另外，若将Z方向上的热阻设为θv[K/W]，则通过如下的式(2)来提供θv。
θv＝b/(λv·a·a)…(2)
根据式(1)、(2)可知，如果增大导热部件12的厚度b，则能够降低X方向的热阻θh，但另一方面，Z方向上的热阻θv变大。即，导热部件12具有如下权衡关系：随着增大Z方向(第二方向)上的厚度b，与X－Y平面平行的方向(第一方向)上的热阻θh变小，另一方面，第二方向上的热阻θv变大。
由此，如果增大导热部件12的厚度b，则能够在与X－Y平面平行的方向上扩散更多的热量，但难以在Z方向上扩散热量。因而，为了利用导热部件12的特征而提高半导体模块5的冷却效率，以使搭载面温度Ta以及背面温度Tb间的热阻θs成为最小的方式决定导热部件12的厚度b。
为了导出导热部件12的最佳的厚度b，在本实施方式中，制作图8所示那样的基于电阻阶梯(Resistance ladder)的热电路网模型。在该热电路网模型中，Qi表示开关元件Q的发热量，V1表示搭载面温度Ta与冷却翅片表面温度Tf的温度差。为了简单起见，仅考虑发热集中于导热部件12的搭载面的中央的1点(相当于图7的原点)，并且对于X－Y方向的热传导仅考虑X方向。
如图8所示，导热部件12的第一方向上的每单位面积(1mm2)的热阻被置换为电阻值Rh[K/W·mm2]。导热部件12的第二方向上的每单位面积的热阻被置换为电阻值Rv[K/W·mm2]。冷却翅片20的第二方向上的每单位面积的热阻被置换为电阻值Rf[K/W·mm2]。另外，电阻值Rh、Rv的大小由导热部件12的材质(主要是导热部件12的热传导率λh、λv)决定，电阻值Rf的大小由冷却翅片20的材质(主要是冷却翅片20的热传导率)决定。
在图8所示的热电路网模型中，a个电阻值Rh沿X方向的正方向以及负方向分别以串联的方式连接。电阻值Rh的个数a由导热部件12的搭载面的大小决定。b个电阻值Rv沿Z方向的负方向以串联的方式连接。电阻值Rv的个数b示出了导热部件12的厚度b。相对于电阻值Rv的串联电路，还以串联的方式连接有电阻值Rf。
通过对于该热电路网模型导出热传导方程式，从而运算搭载面温度Ta与冷却翅片表面温度Tf的温度差V1。搭载面温度Ta与冷却翅片表面温度Tf之间的热阻越小，温度差V1也越小。在热电路网模型中，将b作为变量，导出导热部件12的厚度b与温度差V1的关系。
在图9中示出模拟结果。在模拟中，设为Rh＝Rv＝1[K/W·mm2]，Rf＝10[K/W·mm2]，a＝10mm。在该条件之下。一边使b在2mm～7mm的范围每次变化1mm，一边运算出温度差V1。图9是表示导热部件12的厚度b与温度差V1的关系的图表。图9的横轴表示导热部件12的厚度b，纵轴表示温度差V1。
如图9所示，若使导热部件12的厚度b变化，则温度差V1也变化。在图9的例子中，随着使厚度b从2mm增加，温度差V1逐渐变小。该趋势示出了X－Y方向上的热阻由于厚度b的增加而变小这一特征。
然而，若导热部件12的厚度b超过5mm，则温度差V1转为增加。该趋势示出了Z方向上的热阻由于导热部件12的厚度b的增加而变大这一特征。其结果，在图9的图表中，在特定的厚度b＝5mm时，温度差V1成为最小。
根据图9的模拟结果，可知在表示导热部件12的厚度b与温度差V1的关系的图表中出现极小点。在图9的例子中，在设定为导热部件12的厚度b＝5mm时，导热部件12的搭载面温度以及冷却翅片20的表面温度间的热阻(θs+θf)成为最小。若着眼于导热部件12，则在厚度b＝5mm时，能够使搭载面温度以及背面温度间的热阻θs最小。
图10是用于说明导热部件12的厚度的设定方法的流程图。
参照图10，首先，通过步骤S10，生成导热部件12的热电路网模型(图8)。在步骤S10中，取得导热部件12所固有的电阻值Rh、Rv以及冷却翅片20所固有的电阻值Rf。基于导热部件12的搭载面的形状，形成由电阻值Rh、Rv、Rf构成的电阻阶梯电路。
接下来，通过步骤S20，导出在步骤S10中形成的电阻阶梯电路中的热传导方程式。
在步骤S30中，使用在步骤S20中导出的热传导方程式，导出导热部件12的厚度b和搭载面温度Ta以及冷却翅片表面温度Tf的温度差V1的关系(图9的图表)。
在步骤S40中，将通过步骤S30导出的关系中搭载面温度Ta以及冷却翅片表面温度Tf的温度差V1成为最小的厚度，设定为导热部件12的厚度b。
如以上说明那样，在根据本实施方式的半导体装置中，使用具有与搭载面平行的第一方向上的热传导率比与搭载面垂直的第二方向上的热传导率高的特性的导热部件12，使在半导体模块中产生的热量向冷却翅片传递。由此，能够使半导体模块内部的开关元件中产生的热量不仅向第二方向、也经由导热部件12向第一方向扩散。其结果，能够有效地利用冷却翅片的散热性能，因此能够提高半导体模块的冷却效率。
而且，通过基于搭载面温度Ta以及背面温度Tb间的热阻θs成为最小的厚度来设定导热部件12的第二方向上的厚度b，能够进一步提高半导体模块的冷却效率。
这次公开的实施方式在所有方面都是例示，应被认为是非限制性的。本发明由权利要求书而并非由上述的说明表示，意图包含与权利要求书均等的意思以及范围内的所有的变更。
附图标记说明
1交流电源，2负载，3转换器，3U、3V、3W支线电路，4电容器，5、5U、5V、5W半导体模块，6控制装置，10电力转换装置，12、100导热部件，20冷却翅片，Q，Q1～Q6开关元件，D1～D6二极管，T1～T3交流输入端子，T4、T5直流输出端子，L1直流正侧母线，L2直流负侧母线。

Claims (6)

1.一种半导体装置，具备：
半导体模块，具有相互反向并联地连接的开关元件以及二极管；
冷却部件，对所述半导体模块进行冷却；以及
导热部件，配置于所述半导体模块与所述冷却部件之间，将所述开关元件以及所述二极管产生的热量传递到所述冷却部件，
所述导热部件具有供所述开关元件以及所述二极管并列地搭载的搭载面，与所述搭载面相反的一侧的面与所述冷却部件相接，
在所述导热部件中，与所述搭载面平行的第一方向上的热传导率比与所述搭载面垂直的第二方向上的热传导率高。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，
所述导热部件具有如下关系：随着增大所述第二方向上的厚度，所述第一方向上的热阻变小，另一方面所述第二方向上的热阻变大。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，
所述导热部件的所述第二方向上的厚度，是基于根据热电路网模型导出的、所述导热部件的所述搭载面的温度与所述冷却部件的表面温度间的温度差和所述厚度的关系而被设定的厚度，所述热电路网模型的电阻阶梯具有所述第一方向上的热阻以及所述第二方向上的热阻。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，
所述导热部件的所述第二方向上的厚度，被设定为所导出的所述关系之中所述导热部件的所述搭载面的温度与所述冷却部件的表面温度间的温度差成为最小的厚度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，
所述半导体装置是通过使所述开关元件接通及断开而在直流电力以及交流电力之间进行电力转换的电力转换器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体装置，
所述导热部件是石墨片材。
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