JP2005033140A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体素子からの熱を冷却するための冷却液が放熱基板の回路基板を支持する面側に流れ込むことを確実に防止する。
【解決手段】 冷却ケース６の冷却用凹部７よりも外周側に液逃がし溝８を設ける。また、冷却ケース６と放熱基板２との間には、液逃がし溝８の内周側に第１シール部１１、液逃がし溝８の外周側に第２シール部１２をそれぞれ設ける。そして、第２シール部１２よりもさらに外周側であって第２シール部１２から離間した位置を締結位置として、この締結位置にて固定用ボルト１５等の締結部材を用いて放熱基板２の裏面側に冷却ケース６を取り付ける。このような構造とすることで、放熱基板２の回路支持面側への冷却液の流れ込み、特に、ボルト孔１６を通じた冷却液の流れ込みが確実に防止される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子が実装された回路基板を支持する放熱基板に冷却液を接触させて半導体素子からの熱を冷却する冷却機構を備えた半導体装置に関し、特に、冷却機構の改良に関するものである。

従来、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を冷却する冷却液の漏水を防止する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載の技術では、冷却液が流れる冷却ケースと半導体素子が実装された放熱基板との間にＯリングを用いた第１のシール部及び第２のシール部を介在させ、この状態で冷却ケースと放熱基板とを圧接することで液密性を確保するようにしている。ここで、第１のシール部は冷却ケースの冷却液が流れる凹部よりも外周側に設けられ、この第１のシール部よりもさらに外周側に第２のシール部が設けられる。そして、第１のシール部と第２のシール部との間に位置する冷却ケースの所定箇所には、液逃がし溝が設けられている。
特開２００１−３０８２４６号公報

上述した特許文献１に記載の技術では、液逃がし溝の外周側に位置する第２シール部上を締結箇所とし、第２シール部となるシール材を貫通するように固定用ボルトを挿通して放熱基板と冷却ケースとを締結するようにしているので、シール材の強度が低下してシール材の破損を招くことも懸念される。そして、第２シール部となるシール材が破損した場合には、冷却ケースの凹部から漏れ出した冷却液の一部がボルト孔に侵入し、ボルト孔を介して放熱基板の表面側、すなわち半導体素子側に流れ込み、半導体素子として所望の性能が得られなくなる虞がある。

本発明は、以上のような従来技術の有する問題点を解消すべく創案されたものであって、半導体素子からの発熱を冷却するための冷却液が放熱基板の表面側に流れ込むことを確実に防止できる構造の半導体装置を提供することを目的としている。

本発明に係る半導体装置は、半導体素子が実装された回路基板を支持する放熱基板と、この放熱基板の裏面側に取り付けられた冷却ケースとを有し、この冷却ケースに設けられた冷却用凹部内に冷却液を流して、この冷却用凹部と対向する位置の放熱基板に冷却液を接触させ、半導体素子から放熱基板に伝達された熱を冷却液に吸熱させるものであって、冷却ケースの冷却用凹部よりも外周側に、冷却用凹部から漏れ出す冷却液を冷却ケース外部に逃がす液逃がし溝を設けると共に、冷却ケースと放熱基板との間には、液逃がし溝の内周側に第１シール部、液逃がし溝の外周側に第２シール部をそれぞれ設け、第２シール部の外周側であって第２シール部から離間した位置を締結位置として、この締結位置にて締結部材を用いて冷却ケースを放熱基板の裏面側に取り付けるようにしたものである。

この半導体装置では、冷却ケースの冷却用凹部外周側の第１シール部と第２シール部との間に液逃がし溝が設けられているので、仮に第１シール部による液密性が確保できなくなったとしても、冷却用凹部から漏れ出した冷却液は液逃がし溝から冷却ケースの外部に排出されることになる。また、第２シール部の外周側であって第２シール部から離間した位置を締結位置として、この締結位置にて締結部材を用いて冷却ケースを放熱基板の裏面側に取り付けるようにしているので、締結部材によって第２シール部となるシール材の強度低下がもたらされることもなく、この第２シール部による液密性が確保されることによって、冷却液の締結位置への流れ込み、ひいては締結位置から放熱基板の回路基板を支持する面側に冷却液が流入する問題も有効に回避されることになる。

本発明に係る半導体装置によれば、半導体素子からの熱を冷却するための冷却液が冷却ケースの冷却用凹部から漏れ出した場合であっても、この漏れ出した冷却液を液逃がし溝から冷却ケースの外部に確実に排出することができ、特に、この漏れ出した冷却液が放熱基板と冷却ケースとの締結箇所に流れ込むことを確実に防止して、この締結位置から放熱基板の回路基板を支持する面側に冷却液が流入する問題を有効に回避することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、ここでは３相モータの駆動制御に用いられるパワーモジュールに対して本発明を適用した例について具体的に説明するが、本発明は、ここで挙げる例に限らず、作動時に発熱する半導体素子を有するあらゆる半導体装置に対して広く適用可能である。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について、図１乃至図４を参照して説明する。なお、図１は本発明を適用した第１の実施形態のパワーモジュール１を模式的に示す断面図、図２は図１におけるＡ部を拡大して示す断面図、図３は放熱基板２の裏面側を示す平面図、図４は放熱基板２を図３におけるＸ１−Ｘ２線に沿って切断したときの各部材の位置関係を模式的に示す断面図である。

本発明を適用したパワーモジュール１は、アルミニウム等の熱伝導率の高い材料が板状に成形されてなる放熱基板２を備えている。この放熱基板２上には、絶縁層を介して回路基板３が搭載され、この回路基板３にＩＧＢＴ等の半導体素子４が実装されている。すなわち、半導体素子４が実装された回路基板３が放熱基板２上に支持された構造となっている。以下、放熱基板２の回路基板３を支持する側の面を便宜上、回路支持面または表面と呼び、それとは逆側の面を放熱基板２の裏面と呼ぶ。

放熱基板２の裏面側には、回路基板３の直下に位置する部分に複数の放熱フィン５が立設されている。これら放熱フィン５は、放熱基板２裏面側の表面積を拡大させて、放熱基板２における冷却効率を高めるためのものであり、放熱基板２と一体に形成されている。そして、この放熱フィン５が設けられた放熱基板２の裏面側に、冷却ケース６が取り付けられている。

冷却ケース６は、１枚の基板材に、冷却液を流通させるための冷却液流路がエッチング等の精密微細加工によって形成されてなるものである。冷却ケース６に形成される冷却液流路は、その一部が、放熱基板２側にて開口する冷却用凹部７とされている。そして、冷却ケース６を放熱基板２の裏面側に取り付けたときに、放熱基板２の裏面側に形成された複数の放熱フィン５がこの冷却用凹部７内に収容され、この状態で、冷却用凹部７の開口部が放熱基板２の裏面側にて閉塞されるようになっている。

また、冷却ケース６には、冷却用凹部７の外周側に位置して、何らかの要因で冷却用凹部７から冷却液が漏れ出したときに、この漏れ出した冷却液を冷却ケース６の外部に排出するための液逃がし溝８が設けられている。この液逃がし溝８は、冷却用凹部７を囲むようにしてその全周に亘って冷却ケース６に設けられており、一部が冷却ケース６の厚み方向に貫通している。そして、冷却用凹部７から漏れ出した冷却液は、液逃がし溝８の冷却ケース６を貫通する部分から冷却ケース６の裏面（放熱基板２への取付面とは逆側の面）側へと流れて、冷却ケース６の外部に排出されるようになっている。また、この冷却ケース６に設けられた液逃がし溝８に対応して、放熱基板２の裏面側には、液逃がし溝８と連続する凹部９が設けられている。

冷却ケース６の放熱基板２への取付面と放熱基板２の裏面側との間には、冷却ケース６の冷却用凹部７を囲むようにして、冷却液の液密性を確保するための第１及び第２のシール部１１，１２がそれぞれ設けられている。これら第１及び第２のシール部１１，１２としては、例えばＯリング等のシール材が用いられ、これらのシール材が放熱基板２の裏面側に設けられたシール材収容凹部１３，１４にそれぞれ収容されて、冷却ケース６の放熱基板２への取付面と放熱基板２の裏面側とを密着させている。

ここで、第１のシール部１１は、冷却ケース６の冷却用凹部７の外周側であって、液逃がし溝８の内周側となる位置に配置される。一方、第２のシール部１２は、液逃がし溝８の外周側となる位置に配置される。そして、パワーモジュール１では、これら第１及び第２のシール部１１，１２を介在させた状態で、放熱基板２の裏面側に冷却ケース６を圧接させて取り付けることで、放熱基板２の回路支持面側に冷却液が流れ込むことを確実に防止できるようになっている。

すなわち、パワーモジュール１では、冷却ケース６に設けられた冷却用凹部７の外周側が第１のシール部１１で囲まれているので、第１のシール部１１による液密性が確保されている限りは、冷却用凹部７から冷却液が漏れ出すことがない。また、何らかの要因で第１のシール部１１による液密性が確保できなくなって冷却用凹部７から冷却液が漏れ出したとしても、第１のシール部１１の外周側には液逃がし溝８が設けられており、さらにその外周側に第２のシール部１２が配置されているので、冷却用凹部７から漏れ出した冷却液は液逃がし溝８に導かれて、ここから冷却ケース４の外部に排出されることになる。したがって、冷却液が放熱基板２の回路支持面側に流れ込むことが有効に防止される。

また、特に、本発明を適用したパワーモジュール１では、第２シール部１２のさらに外周側であって第２シール部１２から離間した位置を締結位置として、この締結位置にて固定用ボルト１５等の締結部材を用いて、冷却ケース６が放熱基板２の裏面側に取り付けられている。すなわち、第２シール部１２のさらに外周側であって第２シール部１２から離間した位置の適所に、放熱基板２を貫通して冷却ケース６に至るボルト孔１６が穿設され、このボルト孔１６に固定用ボルト１５が挿通されることで、冷却ケース６が放熱基板２の裏面側に取り付けられるようになっている。

このように、放熱基板２を貫通するようにボルト孔１６を穿設した場合、冷却ケース６の冷却用凹部７から漏れ出した冷却液が、このボルト孔１６を通じて放熱基板２の回路支持面側に流れ込むことも確実に防止する必要がある。本発明を適用したパワーモジュール１では、第２シール部１２のさらに外周側であって第２シール部１２から離間した位置を締結位置として、ここにボルト孔１６が穿設されているので、冷却ケース６の冷却用凹部７から漏れ出した冷却液は第２シール部１２によって確実に遮断されて、その外周側に穿設されたボルト孔１６に到達することはない。したがって、ボルト孔１６を通じた放熱基板２の回路支持面側への冷却液の流れ込みは確実に防止されることになる。また、固定用ボルト１５が挿通されるのは、第２シール部１２から離間した位置であるので、固定ボルト１５が第２シール部１２に干渉して第２シール部１２の破損等の要因となることもなく、第２シール部１２による液密性は良好に保持される。

ところで、第２シール部１２のさらに外周側であって第２シール部１２から離間した位置を締結位置とした場合、第２シール部１２近傍では、固定用ボルト１５の締め付け力によって放熱基板２と冷却ケース６との間に高い面圧が得られるので、第２シール部１２には十分な液密性を持たせることができるものの、締結位置から大きく離れた第１シール部１１近傍では面圧が不足して、第１シール部１１による液密性が低下することも考えられる。このような場合には、第１シール部１１の近傍位置に冷却ケース６側からボルト孔１７を穿設してボルト１８を挿通し、このボルト１８の締め付け力によって第１シール部１１近傍位置での面圧を確保するようにすればよい。このとき、ボルト１８を挿通するボルト孔１７が放熱基板２を貫通しないようにしておけば、冷却ケース６の冷却用凹部７から漏れ出した冷却液が、このボルト孔１７を通じて放熱基板２の回路支持面側に流れ込むこともない。

以上のように構成されるパワーモジュール１では、動作時にＩＧＢＴ等の半導体素子４から発生する熱が、放熱基板２に伝達される。このとき、冷却ケース６の冷却用凹部７内には冷却液が流れており、放熱基板２の裏面側に形成された放熱フィン５及びその周辺部位が冷却用凹部７内を流れる冷却液に接触することによって、半導体素子４から放熱基板２に伝達された熱が、この冷却液によって吸熱され、冷却される。

冷却ケース６の冷却用凹部７内を流れる冷却液は、通常は、第１シール部１１によって遮断されるので、冷却用凹部７から漏れ出すことはない。また、仮に、何らかの要因によって第１シール部１１による液密性が確保できなくなって冷却用凹部７から冷却液が漏れ出したとしても、第１のシール部１１の外周側に液逃がし溝８が設けられ、さらにその外周側に第２のシール部１２が設けられているので、冷却用凹部７から漏れ出した冷却液は液逃がし溝８から冷却ケース４の外部に排出され、放熱基板２の回路支持面側に流れ込むことが防止される。さらに、本発明を適用したパワーモジュール１では、冷却ケース４を放熱基板２に取り付けるためのボルト孔１６が、第２シール部１２の外周側であって第２シール部１２から離間した位置（締結位置）に穿設されるので、冷却用凹部７から漏れ出した冷却液がこのボルト孔１６に到達することもなく、ボルト孔１６を通じた放熱基板２の回路支持面側への冷却液の流れ込みも確実に防止される。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図５を参照して説明する。図５は第２の実施形態のパワーモジュール２０の要部を拡大して示す断面図である。

この第２の実施形態のパワーモジュール２０は、基本構成を上述した第１の実施形態のパワーモジュール１と同様とし、第２シール部１２のシール材を収容するためのシール材収容凹部１４が、液逃がし溝８と連続する凹部９と一体の凹部として、放熱基板２の裏面側に形成されていることを特徴とするものである。以下、この特徴部分についてのみ説明する。

本実施形態のパワーモジュール２０においても、冷却ケース６に設けられた冷却用凹部７から外周側に向かって、第１シール部１１、液逃がし溝８、第２シール部１２がこの順にそれぞれ配置され、第２シール部１２のさらに外周側であって第２シール部１２から離間した位置が、放熱基板２と冷却ケース６との締結位置とされている。ただし、本実施形態のパワーモジュール２０では、第２シール部１２の位置が第１の実施形態のものよりも液逃がし溝８に近い位置とされ、シール材収容凹部１４が液逃がし溝８と連続する凹部９と一体の凹部として放熱基板２の裏面側に形成される。そして、このシール材収容凹部１４内に第２シール部１２となるシール材が収容される構造となっている。

本実施形態のパワーモジュール２０では、シール材収容凹部１４と凹部９とが一体とされることによって、上述した第１の実施形態の効果に加えて、以下の効果が得られる。すなわち、シール材収容凹部１４と凹部９とが一体の凹部として構成されるので、放熱基板２の裏面側の加工が簡略化されると共に、第２シール部１２のシール材をシール材収容凹部１４内に嵌め込む作業も簡便に行えることになる。したがって、製造コストの低減を図ることが可能となる。

また、シール材収容凹部１４と凹部９との間にこれらを隔てる壁を設ける必要がないので、その分、パワーモジュール２０全体のサイズを小型化することが可能となる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図６を参照して説明する。図６は第３の実施形態のパワーモジュールが備える放熱基板２の裏面側を示す平面図である。

本実施形態のパワーモジュールにおいても、第２の実施形態のパワーモジュール２０と同様に、第２シール部１２のシール材を収容するためのシール材収容凹部１４が、液逃がし溝８と連続する凹部９と一体の凹部として、放熱基板２の裏面側に形成されている。そして、特に、本実施形態のパワーモジュールでは、液逃がし溝８と連続する凹部９が、この凹部９内に離散的に設けられた隔壁３１によって複数の領域に分断された構造となっている。

シール材収容凹部１４と液逃がし溝８と連続する凹部９とを一体の凹部とした場合、放熱基板２に幅広の凹部が形成されることになるため、放熱基板２にねじれや歪みが生じやすくなる。このような放熱基板２に生じるねじれや歪みは、放熱基板２のサイズが小さい場合はさほど問題にならないが、放熱基板２のサイズが大きくなってくると、液密性の低下につながることも懸念される。

そこで、本実施形態のパワーモジュールにおいては、液逃がし溝８と連続する凹部９内に離散的に複数の隔壁３１を設け、これら複数の隔壁３１によって凹部９を複数の領域に分断するようにしている。これにより、放熱基板２の剛性が向上してねじれや歪みの発生が抑制され、放熱基板２のサイズが大きい場合であっても、良好に液密性を確保することが可能となる。なお、本実施形態のパワーモジュールにおいても、上述した第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の効果が得られることは勿論である。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について、図７を参照して説明する。図７は第４の実施形態のパワーモジュール４０の要部を拡大して示す断面図である。

本実施形態のパワーモジュール４０においても、第２の実施形態のパワーモジュール２０と同様に、第２シール部１２のシール材を収容するためのシール材収容凹部１４が、液逃がし溝８と連続する凹部９と一体の凹部として、放熱基板２の裏面側に形成されている。そして、特に、本実施形態のパワーモジュール４０では、液逃がし溝８と連続する凹部９の深さＤ１が、シール材収容凹部１４の深さＤ２よりも小とされている。

本実施形態のパワーモジュール４０では、以上のように、液逃がし溝８と連続する凹部９の深さＤ１をシール材収容凹部１４の深さＤ２よりも小とすることで、放熱基板２の剛性向上が図られている。したがって、このパワーモジュール４０においても、放熱基板２のねじれや歪みの発生が有効に抑制されるので、放熱基板２のサイズが大きい場合であっても、良好に液密性を確保することが可能となる。なお、本実施形態のパワーモジュール４０においても、上述した第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の効果が得られることは勿論である。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について、図８及び図９を参照して説明する。図８は第５の実施形態のパワーモジュール５０を模式的に示す断面図、図９は図８におけるＢ部を拡大して示す断面図である。

この第５の実施形態のパワーモジュール５０は、冷却ケース６が、冷却用凹部７が設けられた第１の部材６ａと、この第１の部材６ａの外周側に所定の間隙を存して配設される第２の部材６ｂとから構成され、これら第１の部材６ａと第２の部材６ｂとの間の間隙が液逃がし溝８とされていることを特徴とするものである。

本実施形態のパワーモジュール５０においても、冷却ケース６の第１の部材６ａに設けられた冷却用凹部７から外周側に向かって、第１シール部１１、液逃がし溝８、第２シール部１２がこの順にそれぞれ配置され、第２シール部１２のさらに外周側であって第２シール部１２から離間した位置が、放熱基板２と冷却ケース６との締結位置とされている。ただし、本実施形態のパワーモジュール５０では、冷却ケース６を構成する第１の部材６ａと第２の部材６ｂとの間の間隙が液逃がし溝８とされている。すなわち、本実施形態のパワーモジュール５０では、冷却ケース６に溝加工を施して積極的に液逃がし溝８を形成するのではなく、冷却ケース６を構成する第１の部材６ａと第２の部材６ｂとの位置関係を調整することによって、これらの間に液逃がし溝８が形成されるようにしている。また、放熱基板２の裏面側には、液逃がし溝８に連続する凹部９が形成されていない。

以上のような構造のパワーモジュール５０においても、冷却用凹部７の外周側に第１シール部１１、液逃がし溝８、第２シール部１２がこの順でそれぞれ配置され、第２シール部１２のさらに外周側であって第２シール部１２から離間した位置が放熱基板２と冷却ケース６との締結位置とされていることによって、上述した第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、第２シール部１２の位置を液逃がし溝８に隣接した位置に配置することによって、パワーモジュール５０全体のサイズを小型化することも可能となる。

本発明を適用した第１の実施形態のパワーモジュールを模式的に示す断面図である。 図１におけるＡ部を拡大して示す断面図である。 第１の実施形態のパワーモジュールが備える放熱基板の裏面側を示す平面図である。 前記放熱基板を図３におけるＸ１−Ｘ２線に沿って切断したときの各部材の位置関係を模式的に示す断面図である。 本発明を適用した第２の実施形態のパワーモジュールの要部を拡大して示す断面図である。 本発明を適用した第３の実施形態のパワーモジュールが備える放熱基板の裏面側を示す平面図である。 本発明を適用した第４の実施形態のパワーモジュールの要部を拡大して示す断面図である。 本発明を適用した第５の実施形態のパワーモジュールを模式的に示す断面図である。 図８におけるＢ部を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１，２０，４０，５０ パワーモジュール
２ 放熱基板
３ 回路基板
４ 半導体素子
６ 冷却ケース
７ 冷却用凹部
８ 液逃がし溝
９ 凹部
１１ 第１シール部
１２ 第２シール部
１３，１４ シール材収容凹部

Claims (5)

1. 半導体素子が実装された回路基板を支持する放熱基板と、この放熱基板の裏面側に取り付けられた冷却ケースとを有し、この冷却ケースに設けられた冷却用凹部内に冷却液を流して、この冷却用凹部と対向する位置の前記放熱基板に前記冷却液を接触させ、前記半導体素子から前記放熱基板に伝達された熱を前記冷却液に吸熱させる半導体装置において、
   前記冷却ケースの前記冷却用凹部よりも外周側に、前記冷却用凹部から漏れ出す冷却液を冷却ケース外部に逃がす液逃がし溝を設けると共に、
   前記冷却ケースと前記放熱基板との間には、前記液逃がし溝の内周側に第１シール部、前記液逃がし溝の外周側に第２シール部をそれぞれ設け、
   前記第２シール部の外周側であって前記第２シール部から離間した位置を締結位置として、この締結位置にて締結部材を用いて前記冷却ケースを前記放熱基板の裏面側に取り付けたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記放熱基板の裏面側には、前記冷却ケースに設けられた液逃がし溝と連続する凹部と、前記第２シール部となるシール材が収容される凹部とが設けられ、これら凹部が一体に形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記放熱基板の裏面側に設けられた液逃がし溝と連続する凹部は、離散的に設けられた複数の隔壁によって複数の凹部に分断されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記放熱基板の裏面側に設けられた液逃がし溝と連続する凹部の深さが、前記第２シール部となるシール材が収容される凹部の深さよりも小とされていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
5. 前記冷却ケースは、前記冷却用凹部が設けられた第１の部材と、この第１の部材の外周側に所定の間隙を存して配設される第２の部材とからなり、これら第１の部材と第２の部材との間の間隙が前記液逃がし溝とされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

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