JP5327150B2 - 半導体モジュールの積層体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
この半導体モジュールの積層体としては、例えば、特許文献1に開示された半導体装置がある。この半導体装置においては、半導体素子の両側に熱伝達用のヒートシンクを配置し、このヒートシンクの放熱面が露出するように、モールド樹脂によって半導体素子及びヒートシンクを封止して、半導体実装体を構成している。また、ヒートシンクの放熱面を冷媒により冷却するよう構成しており、モールド樹脂の一部によって冷媒を流す冷媒流路を形成している。
特許文献1においては、半導体実装体を構成するモールド樹脂によって形成した合わせ面の全周の壁部に接着剤を施し、この接着剤によって各半導体実装体を接合している。
しかしながら、接着剤は、均一に塗布することが困難であり、持続した合わせ面の封止を行うためには十分ではない。
一方、接着剤を用いる代わりに、Oリング、ガスケット等の封止材を用いることも考えられる。しかしながら、これらの封止材を用いる場合には、組付工数がかかり、ゴミ等が合わせ面と封止材の間に挟まると合わせ面の封止が困難になるといった問題が残る。
上記モールド樹脂は、上記半導体素子を冷却する冷媒を流すための冷媒流路と、該冷媒流路の外周側において当該モールド樹脂が互いに合わさる合わせ面の全周に形成したシール充填溝と、該シール充填溝に連通するよう上記半導体モジュールの積層方向に貫通形成した充填連結口とを有しており、
上記複数の半導体モジュールに対する両側の積層端には、蓋体が積層してあると共に、該蓋体の一方には、上記シール充填溝に連通する充填注入口が形成してあり、
該充填注入口から注入したシール材を、上記充填連結口を経由して複数の上記シール充填溝へ連続して充填してなることを特徴とする半導体モジュールの積層体にある(請求項1)。
上記モールド樹脂には、上記半導体素子を冷却する冷媒を流すための冷媒流路と、該冷媒流路の外周側において当該モールド樹脂が互いに合わさる合わせ面の全周に形成したシール充填溝と、該シール充填溝に連通するよう上記半導体モジュールの積層方向に貫通形成した充填連結口とを形成しておき、
上記複数の半導体モジュールに対する両側の積層端には、蓋体を積層すると共に、該蓋体の一方には、上記シール充填溝に連通する充填注入口を形成しておき、
該充填注入口からシール材を注入し、該シール材を上記充填連結口を経由して複数の上記シール充填溝へ連続して充填することを特徴とする半導体モジュールの積層体の製造方法にある(請求項6)。
具体的には、本発明においては、モールド樹脂にシール充填溝と充填連結口とを形成しており、充填注入口から注入したシール材を、充填連結口を経由して複数のシール充填溝へ連続して充填し、各半導体モジュールを積層した積層体を形成している。つまり、各半導体モジュールを重ね合わせ、この重ね合わせた状態においてシール材を充填することにより、積層体を形成することができる。
これにより、本発明のシール材は、接着剤のように合わせ面に塗布する必要がなく、Oリング、ガスケットのように所定の形状に成形する必要もない。そのため、モールド樹脂同士が合わさる合わせ面の封止を簡単な方法で行うことができ、かつ合わせ面の封止を安定して行うことができる。
第1、第2の発明においては、上記シール材としては、充填時に流動性を有し、充填後に硬化又は固化させることができる種々の樹脂材料を用いることができる。シール材としては、半導体素子の許容耐熱温度よりも低い温度で硬化する性質を有する熱硬化性樹脂を用いることができる。この熱硬化性樹脂は、半導体モジュールの積層体に用いる冷媒が加熱されたときの温度よりも高い温度で硬化する性質を有するものとすることができる。また、シール材に用いる熱硬化性樹脂としては、光を照射して硬化するものを用いることもできる。また、シール材としては、シリコーン等のゴム材料による液状ガスケット(FIPG)を用いることもできる。
上記充填注入口は、蓋体の一方における1箇所又は複数箇所に形成することができる。また、上記充填注入口は、複数の半導体モジュールに対する積層方向の両側の蓋体に形成することもできる。この場合には、両側の蓋体における充填注入口からシール材の注入を行い、複数のシール充填溝における積層方向の中心部分に位置するシール充填溝の外周側からガス抜きを行うことができる。
第2の発明においては、複数の上記充填連結口は、互いに隣接する上記半導体モジュールの上記シール充填溝の周方向における互いに反対側の位置に交互に形成しておき、上記シール材を、複数の上記充填連結口を経由して複数の上記シール充填溝に対して蛇行して充填することが好ましい(請求項7)。
これらの場合には、充填注入口又は充填連結口から各シール充填溝の周方向の両側へ略均等にシール材を充填していくことができ、複数のシール充填溝に対して、充填不良を生じることなく安定してシール材を充填することができる。
また、上記充填連通口は、互いに隣接する半導体モジュールのシール充填溝の周方向における互いに反対側の位置の複数箇所にそれぞれ形成することもできる。
第2の発明においては、上記モールド樹脂には、上記合わせ面において上記シール充填溝と上記冷媒流路との間の全周に、上記合わせ面の一部を突出させてなる流出防止堰を形成しておき、該流出防止堰によって、上記シール材が上記冷媒流路へ流出することを防止することが好ましい(請求項8)。
これらの場合には、流出防止堰の形成により、シール充填溝に充填するシール材が不意に冷媒流路へと流出してしまうことを防止することができる。
第2の発明においては、上記蓋体の他方には、上記シール充填溝に連通する充填流出口を形成しておき、上記充填注入口から注入して、上記充填連結口を経由して複数の上記シール充填溝へ連続して充填した上記シール材の流動先端部を上記充填流出口から流出させることが好ましい(請求項9)。
これらの場合には、複数のシール充填溝及び充填連結口等に存在するガスを、充填流出口から抜き出すことができ、シール材の充填を一層安定して行うことができる。
この場合には、シール充填溝及び流出防止堰の形成が容易である。
(実施例1)
本例の半導体モジュール2の積層体1は、図1、図3に示すごとく、半導体素子3をモールド樹脂4内に配置して形成した半導体モジュール2を複数積層してなる。
モールド樹脂4は、半導体素子3を冷却する冷媒Cを流すための冷媒流路41と、冷媒流路41の外周側においてモールド樹脂4が互いに合わさる合わせ面42の全周に形成したシール充填溝46と、シール充填溝46に連通するよう半導体モジュール2の積層方向Tに貫通形成した充填連結口47とを有している。
複数の半導体モジュール2に対する両側の積層端には、蓋体21A、21Bが積層してあると共に、一方の蓋体21Aには、シール充填溝46に連通する充填注入口24が形成してある。半導体モジュール2の積層体1は、充填注入口24から注入したシール材6を、充填連結口47を経由して複数のシール充填溝46へ連続して充填してなる。
図10に示すごとく、本例の半導体モジュール2の積層体1は、車載用の電力変換装置7を構成するものであり、直流電圧を昇圧する昇圧回路72、及び直流電圧から交流電圧を作り出すインバータ回路73に用いるものである。また、半導体素子3は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子によって三相交流のモータジェネレータ71のブリッジ回路を形成してなる。
図1、図2に示すごとく、各半導体素子3は、プラス電源側に接続するスイッチング素子3Aとマイナス電源側に接続するスイッチング素子3Bとを一体化してなる。各半導体モジュール2は、プラス電源端子731、マイナス電源端子732、出力端子733(又は入力端子734)を構成する端子22を幅方向Wの一方側に引き出し、スイッチング素子3A、3Bに制御信号を送信するための制御端子735を構成する端子23を幅方向Wの他方側に引き出して構成されている。なお、幅方向Wとは、後述する厚み方向T及び長手方向Lに直交する方向のことをいう。
図5、図6に示すごとく、各半導体素子3は、板形状に形成されており、その両側の板面31には、伝熱性に優れた半田、接着剤等の結合層34を介して、アルミニウム材からなる放熱板32(ヒートシンク、熱伝導性の金属板)が対面配置されている。
また、放熱板32の外側面321(半導体素子3に対面する内側面とは反対側の面)には、放熱板32と冷却器5との間の絶縁を行う絶縁膜33が設けてある。
半導体モジュール2は、半導体素子3の厚み方向Tに向けて複数(電力変換回路の形成に必要な数)が積層される。
図3、図9に示すごとく、本例の充填連結口47は、互いに隣接する半導体モジュール2のシール充填溝46の周方向における互いに最も離れた位置に交互に形成してある。つまり、半導体モジュール2の積層体1において、いずれかの半導体モジュール2においては互いに対向する位置の一方側(長手方向の一方側)に充填連結口47を形成し、これに隣接する半導体モジュール2においては互いに対向する位置の他方側(長手方向の他方側)に充填連結口47を形成し、さらに隣接する半導体モジュール2において互いに対向する位置の一方側に充填連結口47を形成し、以降、充填連結口47を他方側と一方側に交互に形成してなる。なお、図9は、シール充填溝46及び充填連結口47の形成状態のみを抜き出して模式的に示す図である。
本例のシール材6は、充填時に流動性を有し、充填後に加熱することによって硬化する性質を有する熱硬化性樹脂である。この熱硬化性樹脂は、半導体素子3の許容耐熱温度よりも低い温度で硬化する性質を有するものである。
図3に示すごとく、複数の半導体モジュール2に対する両側の積層端に積層した一対の蓋体21A、21Bのうちの他方の蓋体21Bには、シール充填溝46に連通する充填流出口25が形成してある。
本例の充填注入口24と充填流出口25とは、複数の充填連結口47と共にシール材6の蛇行充填を行うよう、最端の半導体モジュール2においてシール充填溝46の周方向において充填連結口47を形成した側と反対側に形成してある。
半導体モジュール2は、半導体素子3、放熱板32、絶縁膜33等を配置してモールド樹脂4によるモールド成形を行って形成することができる。また、半導体素子3、放熱板32、絶縁膜33等は、モールド樹脂4を成形した後、その内部に形成した配置部分に配置することもできる。
貫通冷媒流路411は、半導体素子3に対する長手方向Lの両側部に一対に形成されており、一方の貫通冷媒流路411Aが、積層体1における各冷却器5へ冷媒Cを供給する供給流路として形成され、他方の貫通冷媒流路411Bが、積層体1における各冷却器5から冷媒Cを回収する回収流路として形成されている。
本例の冷却器5は、モールド樹脂4における中心部分43に配置される。冷却器5は、アルミニウム製のプレートから構成してあり、2枚の平板状プレート51の間に波形状プレート52を接合して形成してある。冷却器5は、波形状プレート52の波形成方向に直交する方向を、モールド樹脂4の長手方向Lに向けて配置され、各半導体モジュール2の間に形成された沿面冷媒流路412に流れる冷媒Cを通過させるよう構成されている。
本例においては、まず、半導体素子3、放熱板32等を内部に配置し、絶縁膜33が放熱板32の表面に露出する状態で、モールド樹脂4によってモールド成形して、半導体モジュール2を形成する。このとき、モールド樹脂4には、冷媒流路41、シール充填溝46及び充填連結口47が形成される。
そして、図7に示すごとく、シール材6は、他方の蓋体21Bの充填流出口25に到達し、その流動先端部が充填流出口25から流出する。複数のシール充填溝46及び充填連結口47等に存在するガス(空気等)は、充填流出口25から容易に抜き出すことができる。こうして、各シール充填溝46に対してシール材6を充填することができる。
その後、加熱等を行ってシール材6を硬化させ、各冷媒流路41の周りであって各半導体モジュール2同士の間の隙間を封止(シール)することができる。
具体的には、本例においては、モールド樹脂4にシール充填溝46と充填連結口47とを形成しており、充填注入口24から注入したシール材6を、充填連結口47を経由して複数のシール充填溝46へ連続して充填し、各半導体モジュール2を積層した積層体1を形成している。つまり、各半導体モジュール2を重ね合わせ、この重ね合わせた状態においてシール材6を充填することにより、積層体1を形成することができる。
これにより、本例のシール材6は、接着剤のように合わせ面42に塗布する必要がなく、Oリング、ガスケットのように所定の形状に成形する必要もない。そのため、モールド樹脂4同士が合わさる合わせ面42の封止を簡単な方法で行うことができ、かつ合わせ面42の封止を安定して行うことができる。
本例は、図13に示すごとく、半導体モジュール2のモールド樹脂4の合わせ面42に、この合わせ面42の一部を突出させて形成した流出防止堰48を有する例である。
図14に示すごとく、本例の流出防止堰48は、モールド樹脂4において積層方向Tにおける一方側に位置する合わせ面42に形成してある。各流出防止堰48は、モールド樹脂4の合わせ面42においてシール充填溝46と冷媒流路41との間の全周に形成してある。
そして、複数の半導体モジュール2をボルト等の締付によって積層固定した状態において、一方の蓋体21Aの充填注入口24から液状態のシール材6を注入したときには、各シール充填溝46の外周側へガス(空気等)を逃がしつつ、各シール充填溝46に充填連結口47を経由してシール材6を充填していくことができる。このとき、流出防止堰48の形成により、シール充填溝46に充填するシール材6が不意に冷媒流路41へと流出してしまうことを防止することができる。
本例においても、半導体モジュール2の積層体1のその他の構成は上記実施例1と同様であり、上記実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
2 半導体モジュール
21A、21B 蓋体
24 充填注入口
25 充填流出口
3 半導体素子
32 放熱板
33 絶縁膜
4 モールド樹脂
41 冷媒流路
42 合わせ面
46 シール充填溝
47 充填連結口
48 流出防止堰
5 冷却器
6 シール材
C 冷媒
Claims (9)
- 半導体素子をモールド樹脂内に配置して形成した半導体モジュールを複数積層してなる半導体モジュールの積層体において、
上記モールド樹脂は、上記半導体素子を冷却する冷媒を流すための冷媒流路と、該冷媒流路の外周側において当該モールド樹脂が互いに合わさる合わせ面の全周に形成したシール充填溝と、該シール充填溝に連通するよう上記半導体モジュールの積層方向に貫通形成した充填連結口とを有しており、
上記複数の半導体モジュールに対する両側の積層端には、蓋体が積層してあると共に、該蓋体の一方には、上記シール充填溝に連通する充填注入口が形成してあり、
該充填注入口から注入したシール材を、上記充填連結口を経由して複数の上記シール充填溝へ連続して充填してなることを特徴とする半導体モジュールの積層体。 - 請求項1に記載の半導体モジュールの積層体において、複数の上記充填連結口は、互いに隣接する上記半導体モジュールの上記シール充填溝の周方向における互いに反対側の位置に交互に形成してあり、
上記シール材は、複数の上記充填連結口を経由して複数の上記シール充填溝に対して蛇行して充填してあることを特徴とする半導体モジュールの積層体。 - 請求項1又は2に記載の半導体モジュールの積層体において、上記モールド樹脂は、上記合わせ面において上記シール充填溝と上記冷媒流路との間の全周に、上記合わせ面の一部を突出させてなる流出防止堰を有していることを特徴とする半導体モジュールの積層体。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体モジュールの積層体において、上記蓋体の他方には、上記シール充填溝に連通する充填流出口が形成してあることを特徴とする半導体モジュールの積層体。
- 請求項3に記載の半導体モジュールの積層体において、上記シール充填溝は、上記モールド樹脂において上記積層方向におけるいずれか一方に位置する上記合わせ面に形成してあり、
上記流出防止堰は、上記モールド樹脂において上記積層方向におけるいずれか一方に位置する上記合わせ面に形成してあることを特徴とする半導体モジュールの積層体。 - 半導体素子をモールド樹脂内に配置して形成した半導体モジュールを複数積層してなる半導体モジュールの積層体の製造方法において、
上記モールド樹脂には、上記半導体素子を冷却する冷媒を流すための冷媒流路と、該冷媒流路の外周側において当該モールド樹脂が互いに合わさる合わせ面の全周に形成したシール充填溝と、該シール充填溝に連通するよう上記半導体モジュールの積層方向に貫通形成した充填連結口とを形成しておき、
上記複数の半導体モジュールに対する両側の積層端には、蓋体を積層すると共に、該蓋体の一方には、上記シール充填溝に連通する充填注入口を形成しておき、
該充填注入口からシール材を注入し、該シール材を上記充填連結口を経由して複数の上記シール充填溝へ連続して充填することを特徴とする半導体モジュールの積層体の製造方法。 - 請求項6に記載の半導体モジュールの積層体の製造方法において、複数の上記充填連結口は、互いに隣接する上記半導体モジュールの上記シール充填溝の周方向における互いに反対側の位置に交互に形成しておき、
上記シール材を、複数の上記充填連結口を経由して複数の上記シール充填溝に対して蛇行して充填することを特徴とする半導体モジュールの積層体の製造方法。 - 請求項6又は7に記載の半導体モジュールの積層体の製造方法において、上記モールド樹脂には、上記合わせ面において上記シール充填溝と上記冷媒流路との間の全周に、上記合わせ面の一部を突出させてなる流出防止堰を形成しておき、
該流出防止堰によって、上記シール材が上記冷媒流路へ流出することを防止することを特徴とする半導体モジュールの積層体の製造方法。 - 請求項6〜8のいずれか一項に記載の半導体モジュールの積層体の製造方法において、上記蓋体の他方には、上記シール充填溝に連通する充填流出口を形成しておき、
上記充填注入口から注入して、上記充填連結口を経由して複数の上記シール充填溝へ連続して充填した上記シール材の流動先端部を上記充填流出口から流出させることを特徴とする半導体モジュールの積層体の製造方法。
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