JP4569766B2

JP4569766B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP4569766B2
Application number: JP2005159320A
Authority: JP
Inventors: 高人村田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: JP2006339239A

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体モジュールの発熱素子から発生する熱を冷却ジャケット内の冷媒に放熱することにより冷却する半導体装置に関するものである。

例えば、電気自動車やハイブリッド自動車など、産業機器のＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）などの半導体モジュールは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やパワーＭＯＳＦＥＴなど、作動時に発熱する半導体素子を備えている。これらの半導体素子は、大電流や高集積化に伴って発熱量が大きくなる。そのため、半導体モジュールを効率よく冷却することが求められている。そのため、従来の技術として、冷媒を保有する冷却ジャケットに半導体モジュールを取付けて、半導体モジュールを冷却することが従来から知られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１には、冷媒流通用の流路を形成するとともに流路外面に直接または絶縁基板を介して半導体素子を接合する冷媒ジャケットを備え、半導体素子の接合面の裏側となる流路内面に、複数の放熱用突出体を冷媒の流れに交差する方向に所定間隔で設け、各突出体は、半導体素子の略中心に対応する領域で突出長さを最大とし、その外側に向かうにつれて突出長さを漸次減少させてあることを特徴とする半導体素子の冷却装置が開示されている。

特開２００３−３２４１７３号公報

しかしながら、上記特許文献１にあっては、発熱素子である半導体素子を冷媒ジャケットの流路外面に対して直接または絶縁基板を介して接合していた。すなわち、半導体素子から発生する熱は、冷媒ジャケットを介して、または、冷媒ジャケットに加えて絶縁基板を介して、冷媒に放熱されるため、その冷却性能には限界があるという問題があった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、半導体モジュールの発熱素子から発生する熱を効率よく冷媒に放熱することができ、もって、半導体モジュールに対する冷却性能を向上させることができる半導体装置を提供することを目的とする。

請求項１の半導体装置に係る発明は、上記目的を達成するため、発熱素子およびこれに接合された導電部材を有する半導体モジュールと、内部に絶縁性材料からなる冷媒を保有する冷却ジャケットと、を有し、複数の前記半導体モジュールを端子台に水密で一体に組付け、前記水冷ジャケットに開口部を形成して、該開口部に前記端子台を取付けることにより、前記半導体モジュールの発熱素子と導電部材の少なくとも一方を冷媒に浸漬したことを特徴とするものである。

請求項１の発明では、複数の前記半導体モジュールを端子台に水密で一体に組付け、前記水冷ジャケットに開口部を形成して、該開口部に前記端子台を取付けるという簡単な構成で、半導体モジュールは、その発熱素子と導電部材の少なくとも一方が、冷却ジャケット内の絶縁性材料からなる冷媒に直接浸漬されている。そのため、電気的に短絡することなく、半導体モジュールの発熱素子から発生した熱は、冷媒に直接または導電部材を介して放熱される。

請求項１の発明によれば、複数の前記半導体モジュールを端子台に水密で一体に組付け、この端子台を水冷ジャケットに形成した開口部に取付けることにより、前記半導体モジュールの少なくとも発熱素子または導電部材の一部を水冷ジャケット内の絶縁性材料からなる冷媒に浸漬することができ、電気的に短絡することなく、半導体モジュールの発熱素子から発生した熱が冷媒に直接または導電部材を介して放熱されるため、半導体モジュールに対する冷却性能が向上した半導体装置を提供することができる。

本発明の半導体装置の実施の一形態を、電気自動車やハイブリッド自動車などの電動系車両のインバータ制御回路に使用されるインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）１の場合により、図１〜図３に基づいて詳細に説明する。
本発明の半導体装置１は、概略、発熱素子（発熱する半導体素子）１１とこれに接合された導電部材としての電極１２とを有する半導体モジュール１０と、内部に絶縁性材料からなる冷媒２１を保有する冷却ジャケット２０と、を備えており、複数の半導体モジュール１０を端子台３０に水密で一体に組付け、水冷ジャケット２０に開口部２０ａを形成して、この開口部２０ａに端子台３０を取付けることにより、半導体モジュール１０の発熱素子１１と導電部材としての電極１２との少なくとも一方が冷媒２１に直接接するよう浸漬されている。

図１に示した実施の形態では、冷却ジャケット２０は、インバータケース３の内部に形成された冷媒２１を循環流動させる流路３ａにより構成されている。そして、冷却ジャケット２０には、半導体装置１として、昇圧用のＩＰＭ１ａおよび走行用のＩＰＭ１ｂと、リアクトル５と、冷媒２１を冷却ジャケット２０内で強制的に循環流通させるための循環手段としてのポンプ６と、冷媒２１を冷却するための熱交換器７とが、それぞれ対応するように形成された開口部２０ａに対して水密に取付けられている。なお、冷却ジャケット２０内で冷媒２１を自然に対流させるなど、強制的に循環流通させない場合には、ポンプ６は必要でない。

冷却ジャケット２０内に封入される冷媒２１としての絶縁性流体は、例えばシリコンオイルを採用することができる。冷媒２１は、冷却ジャケット２０内を満たしている。また、熱交換器７に対しては、その冷媒として、例えば自動車のラジエタ冷却水（クーラント）や、エアコンディショナー用の冷媒を供給循環することができる。なお、ポンプ６の冷却ジャケット２０に開口するインレット６ａとアウトレット６ｂは、図１では近接配置されるように簡略化して示したが、実際には冷却ジャケット２０内全体に冷媒２１を循環供給することができるよう離して配置される。同様に、熱交換器７のインレット７ａとアウトレット７ｂも、図１では近接配置されるように簡略化して示したが、実際には熱交換器７内全体にその冷媒を循環供給することができるよう離して配置される。

次に、半導体モジュールの構成１０を、昇圧用のＩＰＭ１ａに複数設けられた板状のもの（パワーカード）であり、発熱素子１１がＩＧＢＴ素子（以下、場合によって、発熱素子１１あるいはＩＧＢＴ素子１１と記する）である場合により、図２および図３に基づいて、詳細に説明する。各半導体モジュール１０は、発熱素子１１として例えばＩＧＢＴ素子と、導電部材として一対の電極１２Ａ、１２Ｂとを備えており、ＩＧＢＴ素子１１の両面にそれぞれそ電極１２Ａ，１２Ｂをはんだ付けなどにより直接面接合して一体とし、電極１２Ａ，１２Ｂがそれぞれ半導体モジュール１０の表面を構成するように露出した状態で、絶縁性樹脂１８によってモールド成形してなるものである。半導体モジュール（パワーカード）１０は、例えば三相交流モータの各相を制御する目的のために６枚一組で端子台３０に取付けられている。なお、電極１２は、一対で構成されることに限定されることなく、例えば発熱素子１１がさらに信号入力用端子を有する場合には、かかる信号入力用端子と接続される電極が設けられることになる。この信号入力用端子と接続される電極は、半導体モジュール１０の表面に露出させることも、露出することなく半導体モジュール１０内に配置することもできる。
ＩＧＢＴ素子１１は、図２および図３に示した実施の形態の場合、板状の本体の一方の面に部分的に突出した部分を有する２段形状となっており、その突出した部分の面と本体の他方の面とにそれぞれ接続端子を有している。各電極１２Ａ，１２Ｂは、ＩＧＢＴ素子１１の接続端子が設けられた面とそれぞれ面接合される接合部１４と、所定の極性のバスバー１６、１７と接続される端子部１５とにより構成されている。電極１２は、導電性を有していることは勿論であるが、特に接合部１４が高い熱伝導率を有する素材からなり、はんだ層１３を介してＩＧＢＴ素子１１の接続端子が設けられた各面を密着させて直接面接合するために、ＩＧＢＴ素子１１の接続端子が設けられた各面よりも面積が大きくなるように成形されている。電極１２の端子部１５は、半導体モジュール１０の基部端面から突出し、所定のバスバー１６、１７と接続されている。なお、本発明では、冷媒２１として絶縁性流体を採用するため、導電部材として、ＩＧＢＴ素子１１の両面の接続端子に面接合される板状の接合部１４を有する電極１２に替えて、例えばリード線など線状のものを使用して、ＩＧＢＴ素子１１を半導体モジュール１０の表面に直接露出させて少なくともその一部が冷媒２１に接するよう構成することもできる。

半導体モジュール１０を製造するに際しては、ＩＧＢＴ素子１１の両面にそれぞれ電極１２Ａ，１２Ｂの接合部１４をはんだ付けなどにより直接面接合して一体とし、両電極１２Ａ，１２ＢのＩＧＢＴ素子１１と接していない面が成形型の内面と接するようにして成形型内に配置して絶縁性樹脂１８を充填することなどにより、電極１２が半導体モジュール１０の表面に露出した状態にモールド成形することができる。各半導体モジュール１０の基部は、冷却ジャケット２０内に位置する電極１２の接合部１４が露出している部分よりも大きく成形されている。各半導体モジュール１０は、端子台３０に形成された孔３０ａに挿通され、基部が接着剤により接着されるとともにポッティング樹脂３１を注入して硬化させて埋め込まれることにより、端子台３０に対して水密にシールされた状態で一体に組付られている。冷却ジャケット２０には、端子台３０を嵌合し得る形状の開口部２０ａが形成されており、開口部２０ａの周囲には、Ｏリングなどのシール部材８を保持する凹溝が形成されている。端子台３０は、冷却ジャケット２０の開口部２０ａに嵌合されて、そのフランジ３０ｂがシール部材８によりシールされた状態で冷却ジャケット２０に取付けられる。したがって、冷却ジャケット２０内の冷媒２１が、各半導体モジュール１０と端子台３０の孔３０ａとの間、および、端子台３０と冷却ジャケット２０の開口部２０ａとの間から漏れ出ることはない。なお、半導体モジュール１０は、この実施の形態では板状に成形されていることから、その面が冷却ジャケット２０内の冷媒２１の流動方向と平行に配置すれば、流動抵抗が少なくなってポンプ６の負荷を抑えることができるとともに、各半導体モジュール１０を均等に冷却することなどができる。さらに、電極１２の表面には、必要に応じてフィンを設けることもできる。また、本発明では、冷媒２１として絶縁性流体を採用するため、モールド成形された半導体モジュール１０は、冷媒２１が冷却ジャケット２０内から絶縁性樹脂１８と電極１２の端子部１５が通る部分との間から外部に漏れ出ることがないようにモールド成形できればよい。そして、上述したように、ＩＧＢＴ素子１１と電極１２の接合部のいずれか一方のみを半導体モジュール１０の表面に露出させて直接冷媒２１に接するよう構成することなく、ＩＧＢＴ素子１１と電極１２の接合部の周囲を絶縁性樹脂１８でモールド成形することなく、双方１１、１４の少なくとも一部が直接冷媒２１に接するよう構成することもできる。

以上のように構成された半導体装置では、冷却ジャケット２０内を絶縁性流体からなる冷媒２１が流動されている。冷媒２１は、熱交換器７によって冷却されている。半導体モジュール１０は、冷却ジャケット２０内に突出するように取付けられて、少なくとも電極１２の接合部１４の一部が冷媒２１に浸漬されて直接接しており、接合部１４にはんだ層１３を介して面接合されたＩＧＢＴ素子１１が冷却ジャケット２０内に位置している。そのため、ＩＧＢＴ素子１１から発生した熱は、両電極１２Ａ，１２Ｂの接合部１４を介して、これに直接接している冷媒２１に放熱される。つまり、電極１２は、発熱素子１１とバスバー１６、１７を電気的に接続するという本来の機能の他に、接合部１４が発熱素子１１と冷媒２１との間に介在する放熱板としても機能するよう構成されている。しかも、半導体モジュール１０の両面に電極１２Ａ，１２Ｂの接合部１４がそれぞれ露出しており、発熱素子１１の熱がその両面から放熱されるため、半導体モジュール１０を効率よく確実に冷却することができる。そして、冷媒２１が絶縁性流体により構成されているため、電極１２Ａ、１２Ｂが冷媒２１を介して互いに電気的に短絡することはない。したがって、半導体モジュール１０の発熱素子１１から発生する熱を冷却ジャケット２０の冷媒２１に効率よく確実に放熱することができ、半導体モジュール１０に対する冷却性能を向上させることができる。また、上述したように、板状の接合部１４を有する電極１２に替えて線状の導電部材を使用して、発熱素子１１を半導体モジュール１０の表面に直接露出させて冷媒２１に浸漬するよう構成した場合には、発熱素子１１から発生する熱を冷媒２１に直接放熱することができるため、冷却効率がさらに向上する。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されることはない。半導体モジュール１０の発熱素子１１がＩＧＢＴ素子以外の他の半導体素子である場合にも、本発明を適用することができる。本発明の半導体装置１は、電動系車両以外の産業機器のインバータモジュールなど、発熱素子１１から発生する熱を冷媒２１に放熱することにより冷却するものであれば、適用することができる。半導体モジュール１０は、パワーカードとして６枚一組使用される場合に限定されることなく、半導体装置１によっては、単数でもよく、また６枚以外の複数を組として構成することもできる。また、発熱素子１１の発熱量が小さい場合などには、電極１２Ａ，１２Ｂの一方のみを半導体のジュール１０の表面に露出させて冷媒２１に接触すべく浸漬するよう構成してもよい。さらに、発熱素子１１の形状などによっては、半導体モジュール１０を板状に成形することなく、棒状などに成形してもよい。

本発明の半導体装置全体の実施の一形態を説明するために示した概念図である。半導体モジュールの実施の一形態を説明するために示した断面図である。図２に示した半導体モジュールの拡大断面図である。

符号の説明

１０：パワーカード（半導体モジュール）、１１：発熱素子、１２：電極、２０：冷却ジャケット、２１：冷媒

Claims

発熱素子およびこれに接合された導電部材を有する半導体モジュールと、
内部に絶縁性材料からなる冷媒を保有する冷却ジャケットと、を有し、
複数の前記半導体モジュールを端子台に水密で一体に組付け、前記水冷ジャケットに開口部を形成して、該開口部に前記端子台を取付けることにより、前記半導体モジュールの発熱素子と導電部材の少なくとも一方を冷媒に浸漬したことを特徴とする半導体装置。