JP4038455B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、電流の通電により発熱する半導体モジュールが冷却部材で冷却される半導体装置に関するものである。

従来のインバータに用いられた半導体装置として、電流の導通により半導体素子が過度に高温になり破壊するのを防止するために、半導体素子を内蔵した半導体モジュールに、ヒートシンクが装着され、ヒートシンク内に形成された冷却水通路に冷却水を流したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−２０７５８３号公報

上記構成の半導体装置では、外部と電気的に接続される接続端子が半導体モジュールの上面にあるため、複数個の半導体モジュールを組み合わせて使用する場合には、平面状のヒートシンクに複数個の半導体モジュールを配置しなければならず、半導体装置の据え付け面積が大きくなってしまうという問題点があった。

また、個々の半導体モジュール毎に複数本の固定ねじを用いてヒートシンクに取り付けなければならず、部品点数および組立工数の増加、ひいては製造コストが嵩むという問題点もあった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、据え付け面積を低減することができ、また部品点数および組立工数、ひいては製造コストを低減することができる半導体装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係る半導体装置は、平坦面を有する第１の面および第２の面、並びに第１の面および第２の面を接続した周面を有するとともに半導体素子が内蔵された複数個の半導体モジュールと、第１の面および第２の面のそれぞれに平坦面を有するとともに内部に冷媒が流通する複数個の冷却部材とを備え、前記半導体モジュールおよび前記冷却部材は、前記半導体モジュールの前記平坦面と前記冷却部材の前記平坦面とが押圧されて積層されているとともに、前記半導体モジュールの前記周面からは、外部と電気的に接続される接続端子が延出しており、各前記冷却部材には、前記冷却部材と前記半導体モジュールとの積層方向に対して直交する部位に前記冷媒の出入口が形成され、この出入口に前記積層方向に一対の口部を有する接続配管が設けられ、また前記積層方向において隣接した前記接続配管間には前記口部で接続配管間を接続する中継配管が設けられ、前記半導体モジュールおよび前記冷却部材が積層されたときに、前記接続配管と前記中継配管とが接続されるようになっている。

この発明に係る半導体装置によれば、半導体モジュールと冷却部材との積層が可能となり、従来のものと比べて必要な設置面積が低減され、また部品点数および組立工数が低減され、ひいては製造コストが低減される。
また、組立時に複数の冷却部材における液体冷媒が流通する配管がすべて完了する。
また、組立時には中継配管は圧接されることにより固定され、特別な固定部材や作業が必要なく、組立が容易である。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る半導体装置１の側面図、図２（ａ）は図１の半導体モジュール２の上面図、図２（ｂ）は図１の側面図、図３（ａ）は図１の冷却部材３の上面図、図３（ｂ）は冷却部材３の側面図である。
半導体装置１は、上面である第１の面および下面である第２の面のそれぞれに平坦面を有するとともに半導体素子（図示せず）が内蔵された複数個の半導体モジュール２と、上面である第１の面および下面である第２の面のそれぞれに平坦面を有するとともに内部に冷媒が流通する複数個の冷却部材３とを備えている。

矩形状の上記半導体モジュール２の周面からは、外部と電気的に接続される接続端子２１、２２、２３、２４、２５が延出している。この半導体モジュール２では、外部と電気的に接続される接続端子２１、２２、２３、２４、２５以外は電気的に絶縁されている。即ち、半導体モジュール２の内部回路を構成する各部材は、例えばエポキシやシリコーンなどの絶縁性を有する合成樹脂を用いてトランスファー成形やポッティング等によって覆うことで絶縁がなされている。

接続端子２１は図示しない直流電源のＰ極に接続され、また接続端子２２は図示しない直流電源のＮ極に接続される。接続端子２３は図示しない３相交流モーター等の交流負荷機器に接続される。半導体モジュール２の内部の半導体素子は、スイッチング動作により直流を交流に変換し、交流負荷機器に電力を供給する。接続端子２４、２５は半導体素子を制御するための制御端子であり、図示しない制御回路に接続される。なお、半導体モジュール２の内部構造については詳述しないが、半導体素子が発する熱は下面から放熱される。

Ａｌで構成された冷却部材３の側面からは、外部からの液体冷媒の出入口となる接続配管３１、３２が突出している。冷却部材３の内部には、液体冷媒を流すための図示しない流路が形成されており、この流路は接続配管３１、３２と接続されている。液体冷媒は接続配管３１から冷却部材３の内部に入り、冷却部材３の内部の流路を通る際に半導体モジュール２から発生する熱を受け取り、接続配管３２から出て行くことで半導体モジュール２は冷却される。
なお、冷却部材３の材料として、Ａｌ以外の金属としてＣｕ等の熱伝導率の高い金属であればよく、半導体モジュール２の熱を効率よく液体冷媒に伝えることができ、安価で加工性の良い材料であればよい。

半導体モジュール２と冷却部材３とは、半導体モジュール２の上面、下面と冷却部材３の下面、上面とが熱伝導部材９を介して接するように交互に積層配置され、積層体４を構成している。この熱伝導部材９は、例えば熱伝導フィラーを混入したシリコンコンパウンドなどの熱抵抗を低減する材料で構成されている。
積層体４は、２個の押え板５に挟み込まれている。押え板５には２個の締め付けロッド７を通すための穴５１が設けられている。締め付けロッド７の両端部にはボルト部７１が設けられている。締め付けロッド７を穴５１に通し、ボルト部７１にナット８を取り付け、締め付けることで、半導体モジュール２の平坦面と冷却部材３の平坦面とが熱伝導部材９を介して圧接されている。ここで、締め付けロッド７およびボルト部７１により締め付け部材を構成している。
これにより、半導体モジュール２と冷却部材３との間の熱抵抗が小さくなり、効率よく半導体モジュール２が冷却される。

なお、締め付けロッド７の本数は少なくとも２本あればよいのであって、例えば４本であってもよい。また、押え板５を構成する材料としては、ナット８を締め込んだ時の変形が小さくなるように、剛性の高い材料が望ましい。また、締め付けロッド７を構成する材料としては、長期間外力が作用してもクリープ変形が小さい材料が望ましい。

また、図１の半導体装置１は半導体モジュール２が下面からのみ放熱する構造の場合であり、１個の半導体モジュール２に対して１個の冷却部材３が配置されているが、半導体モジュール２が上下両面から放熱する構造の場合には、図４に示すように、各半導体モジュール２の両面を冷却部材３で挟み込むようにしてもよい。
また、図１では３個の半導体モジュール２を用いて、直流を３相交流に変換する半導体装置を構成しているが、半導体モジュール２の内部構成や、個々の半導体モジュール２の接続経路を変更することにより、多様な半導体装置を構成できることは言うまでもない。

また、上記実施の形態では、半導体モジュール２と冷却部材３との上下面を全面平坦としたが、図５および図６に示すように、半導体モジュール２に突起２６を形成し、冷却部材３に突起２６が嵌入される穴３３を形成することで、半導体モジュール２と冷却部材３との位置決めを容易にするようにしてもよい。
これに限らず、半導体モジュール２と冷却部材３との熱伝導部材９を介しての密着を阻害しない形状であればよいことは言うまでもない。
また、上記実施の形態では、接続端子２１、２２、２４と、接続端子２３、２５とを半導体モジュール２の対向する二つの周面にそれぞれ設けたが、接続端子２１、２２、２３、２４、２５を片側の周面に設けるようにしてもよい。
この場合には、電気的配線をすべて一面で処理でき、組立性を大幅に改善できる。

さらに、図７に示すように、各冷却部材３の両側面に締め付けロッド７が貫通するガイド３８を設けることによって、図８に示すように、上記実施の形態の押え板５を削除するようにしてもよい。

以上説明したように、この実施の形態における半導体装置１では、半導体モジュール２の上下面を平坦とし、接続端子２１、２２、２３、２４、２５を半導体モジュール２の周面から突出させるようにしたことにより、半導体モジュール２と冷却部材３との積層が可能となり、従来のインバータと比べて必要な設置面積は減少し、また設置する方向も自由度が向上する。これは、近年急速に普及しつつあるハイブリッドカーや、将来の自動車の主流になると考えられている燃料電池自動車などに適用する場合に、非常に大きなメリットである。

また、半導体モジュール２を多数使用する場合でも、締め付けロッド７の両端のナット８を締め付けるだけでよく、半導体モジュールを冷却部材に固定するために多数本の固定ねじを必要とした従来のものと比較して、大幅な部品点数および組立工数削減が可能となり、ひいてはコスト低減を図ることができる。

また、半導体モジュール２は、外部と電気的に接続される接続端子２１、２２、２３、２４、２５以外は電気的に絶縁されているので、１個の半導体モジュール２の中に個別に動作する複数の半導体素子を内蔵したり、内部配線によって所望の回路を構成したり、半導体素子を制御するためのＩＣチップまでも内蔵することが可能となり、インバータは高機能化および小型化が図れる。

また、接続端子が半導体モジュールの上面にある従来のものでは不可能であった、半導体モジュール２の両面を冷却することが可能となり、多くの電流を流しても半導体素子の熱破壊を防止することができるため、インバータは小型化および大容量化が図れる。

実施の形態２．
図９はこの発明の実施の形態２に係る半導体装置１の側面図、図１０（ａ）は図９の半導体装置１に使用される冷却部材３の上面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

この実施の形態の冷却部材３は、図１０に示すとおり、第１の面である上面に開口部２００が形成されており、液体冷媒の流路が露出している。冷却部材３の上面および第２の面である下面の外周には、半導体モジュール２の上下面外形寸法に合致したリブ３４が形成されており、このリブ３４により、半導体モジュール２と冷却部材３との位置決めがなされている。リブ３４の内側には半導体モジュール２の底面と接触する受け部３５が形成されており、この受け部３５に溝３６が形成されている。この溝３６に弾性を有するシール材３７が嵌着されている。
この冷却部材３は、実施の形態１と同様に、半導体モジュール２と交互に積層して積層体４（但し、実施の形態１の熱伝導部材９は除去されている。）を構成しており、締め付けロッド７およびナット８により、半導体モジュール２と冷却部材３とが加圧され、流路が密閉されている。

この実施の形態によれば、液体冷媒が半導体モジュール２の放熱面に熱伝導部材を介することなく直接接触するため、半導体モジュール２の冷却効率が向上し、インバータの小型化、大容量化を図ることができる。
また、このものの場合は、冷却部材３を構成する材料は熱伝導率が低くても半導体モジュール２の冷却になんら支障がなく、冷却部材３をＡＢＳやＰＢＴ、ＰＰＳといった熱可塑性樹脂の射出成形によって安価で容易に製造することができるほか、軽量化を図ることができる。

また、半導体モジュール２と冷却部材３との間に熱抵抗を低減するための熱伝導部材を設ける必要がなく、材料コストおよび組立コストの低減を図ることができる。

なお、ここでは半導体モジュール２が下面からのみ放熱する構造の場合であり、１個の半導体モジュール２に対して１個の冷却部材３が配置されているが、半導体モジュール２が上下両面から放熱する構造の場合は図１１に示すように冷却部材３の上下面に開口部２０１を形成し、図１２のように冷却部材３で半導体モジュール２を挟み込む構造としてもよい。但し、このものの場合、積層体４の最上部、および最下部には流路を密閉するためにフタ４１が設けられている。

実施の形態３．
図１３は実施の形態３に係る半導体装置１の側面図、図１４（ａ）は図１３の半導体装置１に使用される半導体モジュール２の上面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の側面図である。

この実施の形態に係る半導体装置１に使用される半導体モジュール２は、図１４（ｂ）に示すように、放熱面にピン状の放熱フィン２７が複数本設けられている。冷却部材３は先に述べた実施の形態２と同様の構成である。このため、放熱フィン２７は、半導体モジュール２の放熱面のうち、冷却部材３の受け部３５に干渉しない領域に設けられている。なお、放熱フィン２７の形状はこれに限定されるものではなく、放熱効率を向上させるものであればよい。

この半導体モジュール２を用いて、実施の形態２と同様に半導体装置１を構成したので、冷却効率が向上し、半導体装置の小型化、大容量化を図ることができる。

なお、ここでは半導体モジュール２が下面からのみ放熱する構造の場合について説明したが、半導体モジュール２が上下両面から放熱する構造の場合は、半導体モジュール２の上下面に放熱フィン２７を設け、先に述べた実施の形態２の図１２と同様の構成としてもよい。

実施の形態４．
図１５はこの実施の形態４に係る半導体装置１の側面図、図１６（ａ）は図１５の半導体モジュール２の上面図、図１６（ｂ）は図１６（ａ）の側面図である。

この実施の形態に使用される半導体モジュール２は、図１６に示すように、中央に１個の貫通穴２８が形成されている。また、押え板５にも中央に１個の穴５１が形成されている。冷却部材３には、先に述べた実施の形態２の図１１（ａ）、図１１（ｂ）と同様の、上下面に開口部２０１が形成されている。

半導体モジュール２および冷却部材３が交互に積層された積層体４では、半導体モジュール２の貫通穴２８および押え板５の穴５１を締め付けロッド７が貫通しており、締め付けロッド７の両端のボルト部７１にナット８を締め付けることで、半導体モジュール２と冷却部材３とが加圧され、流路が密閉されている。

この実施の形態によれば、締め付けロッド７を１本使用するだけで各部材の圧接を実現できるため、部品点数および組立工数が削減できるとともに、半導体装置１の小型化、軽量化を図ることができる。

実施の形態５．
図１７はこの実施の形態５に係る半導体装置１の側面図である。
この実施の形態に係る半導体装置１では、半導体モジュール２の上面に配置されるスペーサ６１の空間６３に各半導体モジュール２に対応した各セラミックコンデンサ６が収納されている。このセラミックコンデンサ６は半導体モジュール２と接着剤６２により接着固定されている。他の構成は、実施の形態２において図９に示したものと同様である。

この実施の形態に係る半導体装置１においては、半導体モジュール２の上面にスペーサ６１が配置されており、半導体モジュール２と冷却部材３または押え板５との間の空間６３に、平板状のセラミックコンデンサ６が配置されている。セラミックコンデンサ６は図示せぬ２つの極性の異なる電極を有しており、これらの電極は、一方が半導体モジュール２の接続端子２１と接続され、他方は接続端子２２と、図示せぬ導体によって接続されている。即ち、このセラミックコンデンサ６は平滑コンデンサまたはスナバコンデンサとして作用する。

この実施の形態の半導体装置１によれば、半導体装置１の外部にインバータの構成部材である平滑コンデンサまたはスナバコンデンサを設ける必要がない。したがって、平滑コンデンサを支持するための部材が必要なく、小型化、低コスト化が図れる。

また、半導体装置１の外部に平滑コンデンサまたはスナバコンデンサを設ける必要がないので、インバータの全体形状がシンプルで、自動車等の機器への組み込みが容易である。
また、インバータの組立工数が削減でき、低コスト化が図れる。
また、セラミックコンデンサ６が平板状であるため、スペース効率がよく、インバータの小型化が容易である。

なお、この実施の形態の半導体装置１は、半導体モジュール２が上面または下面のいずれか一方から放熱するものであれば、実施の形態１〜３のいずれのものにも適用可能であるのは勿論である。

実施の形態６．
図１８はこの発明の実施の形態６に係る半導体装置１の側面図である。
この実施の形態では、各冷却部材３の出入口に上下方向に一対の口部を有する接続配管３１、３２が設けられ、また隣接した接続配管３１、３２間には口部で接続配管３１、３２間を接続する中継配管１０３が設けられている。
そして、半導体モジュール２および冷却部材３が積層されたときに、接続配管３１、３２と中継配管１０３とが接続されるようになっている。
最下位の接続配管３１、３２の下側の口部にはキャップ１０５が嵌着されている。最上位の接続配管３１、３２の上側の口部には外部接続管１００が締め付けナット１０１によって螺着されている。外部接続管１００、接続配管３１、３２および中継配管１０３には、冷却流体が流れるが、冷却流体の漏れを防止するために各部材間にはシール材３６が設けられている。

この実施の形態の半導体装置１によれば、積層体４の組立時に複数の冷却部材３における液体冷媒が流通する配管がすべて完了する。また、中継配管１０３は積層体４が圧接されることにより固定され、特別な固定部材や作業が必要なく、組立が容易である。

また、機種によって半導体モジュール２の厚さが異なる場合でも、中継配管１０３の長さを変更することで対応でき、冷却部材３を共用化できるため、量産性に優れ、低コスト化が図れる。
なお、半導体モジュール２の厚さが同一のときは、接続配管３１、３２と中継配管１０３を一体成形してもよいことは言うまでもない。
また、この実施の形態は、先述の実施の形態１〜５のものでも適用可能であることはいうまでもない。

なお、上記各実施の形態では、インバータに適用された半導体装置について説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、コンバータ等の電力変換装置にも適用することができる。

この発明の実施の形態１に係る半導体装置の側面図である。 図２（ａ）は図１の半導体モジュールの上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の側面図である。 図３（ａ）は図１の冷却部材の上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の側面図である。 この発明の実施の形態１に係る半導体装置の他の一例を示す側面図である。 図５（ａ）はこの発明の実施の形態１に係る半導体装置の他の一例に用いられる半導体モジュールの上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の側面図である。 図６（ａ）はこの発明の実施の形態１に係る半導体装置の他の一例に用いられる冷却部材の上面図、図６（ｂ）は図６（ａ）の側面図である。 図７（ａ）はこの発明の実施の形態１に係る半導体装置の他の一例に用いられる冷却部材の上面図、図７（ｂ）は図７（ａ）の側面図である。 この発明の実施の形態１に係る半導体装置の他の一例を示す側面図である。 この発明の実施の形態２に係る半導体装置の側面図である。 図１０（ａ）はこの発明の実施の形態２に係る半導体装置に使用される冷却部材の上面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図１１（ａ）はこの発明の実施の形態２に係る半導体装置の他の一例に使用される冷却部材の上面図、図１１（ａ）は図１１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 この発明の実施の形態２に係る半導体装置の他の一例を示す側面図である。 この発明の実施の形態３に係る半導体装置の側面図である。 図１４（ａ）はこの発明の実施の形態３に係る半導体装置の他の一例に用いられる半導体モジュールの上面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の側面図である。 この発明の実施の形態４に係る半導体装置の側面図である。 図１６（ａ）は図１５の半導体モジュールの上面図、図１６（ｂ）は図１６（ａ）の側面図である。 この発明の実施の形態５に係る半導体装置の側面図である。 この発明の実施の形態６に係る半導体装置の側面図である。

符号の説明

１ 半導体装置、２ 半導体モジュール、３ 冷却部材、６ セラミックコンデンサ、７ 締め付けロッド、８ ナット、２１，２２，２３，２４，２５ 接続端子、２７ 放熱フィン、２８ 貫通穴、３１，３２ 接続配管、３６ シール材、１０３ 中継配管、２００，２０１ 開口部。

Claims (5)

1. 平坦面を有する第１の面および第２の面、並びに第１の面および第２の面を接続した周面を有するとともに半導体素子が内蔵された複数個の半導体モジュールと、
   第１の面および第２の面のそれぞれに平坦面を有するとともに内部に冷媒が流通する複数個の冷却部材と
   を備え、前記半導体モジュールおよび前記冷却部材は、前記半導体モジュールの前記平坦面と前記冷却部材の前記平坦面とが押圧されて積層されているとともに、前記半導体モジュールの前記周面からは、外部と電気的に接続される接続端子が延出しており、
   各前記冷却部材には、前記冷却部材と前記半導体モジュールとの積層方向に対して直交する部位に前記冷媒の出入口が形成され、この出入口に前記積層方向に一対の口部を有する接続配管が設けられ、また前記積層方向において隣接した前記接続配管間には前記口部で接続配管間を接続する中継配管が設けられ、前記半導体モジュールおよび前記冷却部材が積層されたときに、前記接続配管と前記中継配管とが接続されるようになっている半導体装置。
2. 前記冷却部材の前記第１の面および前記第２の面の少なくとも一方には、周囲がシール部材で囲まれた開口部が形成され、前記冷却部材と前記半導体モジュールとが押圧されて前記冷媒が前記内部に密閉されている請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体モジュールには、放熱フィンが設けられている請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記半導体モジュールは、中央部に貫通穴が形成され、この貫通穴を貫通した締め付け部材によって、前記冷却部材および前記半導体モジュールは締結されている請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
5. 前記半導体モジュールの前記第１の面には前記冷却部材が圧接し、前記半導体モジュールの前記第２の面には、平板状のセラミックコンデンサが配設されている請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体装置。

Images