JP6406190B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関する。

従来、この種の半導体装置としては、並んで配置された複数の半導体モジュールと、各半導体モジュール上に配置された複数のグラファイトゴムと、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。グラファイトゴムは、上下方向への熱伝導率が高くなるよう形成されている。この半導体装置では、こうした構成により、半導体モジュールの熱をグラファイトゴムを介して上方に配置された筐体に良好に放熱できるとしている。

特開２０１５−２６６７０号公報

しかしながら、上述の半導体装置では、半導体モジュールの発熱でグラファイトゴムが軟化して伸びると、隣合うグラファイトゴム同士が接触してしまう。グラファイトゴムは導電性が比較的高いことから、グラファイトゴム同士が接触すると、隣合う半導体モジュールが短絡する場合がある。こうした短絡は、半導体モジュール同士を絶縁する必要があるときには好ましくないため、グラファイト同士の接触は抑制されることが望ましい。

本発明の半導体装置は、グラファイトシート同士の接触を抑制することを主目的とする。

本発明の半導体装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の第１の半導体装置は、
複数の半導体素子を内蔵すると共に表面に前記半導体素子を放熱するための複数の放熱板が並んで配置されているパワーカードと、絶縁板と、冷却器と、がこの順に積層され、前記複数の放熱板と前記絶縁板との間に複数のグラファイトシートが配置されている半導体装置であって、
前記パワーカードの表面の前記複数のグラファイトシートのうち隣合う２つのグラファイトシートの間に、前記隣合う２つのグラファイトシートの伸びを規制する伸び規制部が設けられている、
ことを要旨とする。

この本発明の第１の半導体装置では、パワーカードの表面であって、複数のグラファイトシートのうち隣合う２つのグラファイトシートの間には、隣合う２つのグラファイトシートの伸びを規制する伸び規制部が設けられている。半導体素子の発熱に伴ってグラファイトシートが軟化して伸びたときには、伸び規制部により、２つのグラファイトシートの伸びが規制されるから、グラファイトシート同士の接触を抑制することができる。

こうした本発明の第１の半導体装置において、前記伸び規制部は、前記パワーカードの表面から立設し前記絶縁板の表面に接する壁部として形成されている、ものとしてもよい。こうした壁部により、グラファイトシート同士の接触を抑制することができる。この場合において、前記壁部は、ゲル状に形成されている、ものとしてもよい。こうすれば、柔らかいゲル状の壁部が絶縁板に当接するから、絶縁板の壁部と当接する部分への応力の集中を抑制することができる。

本発明の第２の半導体装置は、
複数の半導体素子を内蔵すると共に表面に前記半導体素子を放熱するための複数の放熱板が並んで配置されているパワーカードと、絶縁板と、冷却器と、がこの順に積層され、前記複数の放熱板と前記絶縁板との間に複数のグラファイトシートが配置されている半導体装置であって、
前記パワーカードの表面の前記複数のグラファイトシートのうち隣合う２つのグラファイトシートの間に対応する位置に、溝が設けられている、
ことを要旨とする。

この本発明の第２の半導体装置では、パワーカードの表面の複数のグラファイトシートのうち隣合う２つのグラファイトシートの間に対応する位置に、溝が設けられている、半導体素子の発熱に伴ってグラファイトシートが軟化して伸びたときには、軟化したグラファイトシートの端部が溝に入り込むから、隣合うグラファイトシート同士の接触を抑制することができる。

本発明の第１実施例としての半導体装置２０を備えるパワースタック１０の外観の概略を示す概略図である。 パワースタック１０を図１における上方向から視た様子の概略を示す概略図である。 半導体装置２０の構成の概略を説明するための説明図である。 パワーカード２２にグラファイトシート４４ａ，４４ｃが配置されている様子の一例を説明するための説明図である。 半導体素子２６が発熱したときのグラファイトシート４４ａ，４４ｃの様子の一例を説明するための説明図である。 変形例の半導体装置１２０の構成の概略を示す説明図である。 変形例の半導体装置２２０の構成の概略を示す説明図である。 変形例の半導体装置３２０の構成の概略を示す説明図である。 半導体素子２６が発熱したときのグラファイトシート４４ａ，４４ｃの様子の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の第１実施例としての半導体装置２０を備えるパワースタック１０の外観の概略を示す概略図である。図２は、パワースタック１０を図１における上方向から視た様子の概略を示す概略図である。図３は、半導体装置２０の構成の概略を説明するための説明図である。図４は、パワーカード２２にグラファイトシート４４ａ，４４ｃが配置されている様子を説明するための説明図である。なお、図４において、半導体モジュール２４の放熱板２８ａおよび半導体モジュール２５の放熱板２８ｂを破線で示している。

パワースタック１０は、図１，図２に示すように、積層された８つの半導体装置２０と、各半導体装置２０の図２における両端にそれぞれ取り付けられ冷却水の供給・排出を行なう供給管１２，排出管１４と、を備えている。パワースタック１０は、図示しない一対の押圧部材により図２における上下方向から荷重をかけられて押圧されている。

半導体装置２０は、図３に示すように、パワーカード２２と、絶縁板４０ａ，４０ｂと、冷却器４２ａ，４２ｂと、グラファイトシート４４ａ〜４４ｄ，４６ａ〜４６ｄと、を備えている。

パワーカード２２は、図３，図４に示すように、左右方向に並んで配置された半導体モジュール２４，２５を備える。パワーカード２２の図３における上面には、グラファイトシート４４ａとグラファイトシート４４ｃとの間となる位置に、上面から立設し絶縁板４０ａに当接する壁部２２ａが設けられている。パワーカード２２の図３における下面には、グラファイトシート４４ｂとグラファイトシート４４ｄとの間となる位置に、下面から立設し絶縁板４０ｂに当接する壁部２２ｂが設けられている。

半導体モジュール２４は、図３，図４に示すように、半導体素子２６と、放熱板２８ａと、放熱板２８ｂと、を備える。半導体モジュール２５は、図３において半導体モジュール２４と上下逆になるように配置されている点を除いて、半導体モジュール２４と同様の構成であるから、詳細な説明を省略する。

半導体素子２６は、昇圧コンバータ，インバータなどに用いられるダイオードとして構成され、図３に示すように、パワーカード２２の図３における上側がアノードとなり、下側がカソードとなるように配置されている。半導体素子２６は、合成樹脂材料（例えば、エポキシ樹脂など）などにより形成された樹脂部材３０と放熱板２８ａ，２８ｂとによって、パワーカード２２の内部に封止されている。

放熱板２８ａ，２８ｂは、図３に示すように、熱伝導性の良好な材料（例えば、銅（Ｃｕ）など）により、厚みが３ｍｍ以下、好ましくは、２．５ｍｍ程度となるように形成されている。放熱板２８ａは、図３に示すように、アノード電極として導電性はんだ３２により半導体素子２６のアノードに取り付けられている。放熱板２８ｂは、図３に示すように、カソード電極として半導体素子２６のカソードに取り付けられている。放熱板２８ａ，２８ｂは、熱伝導性が良好であるから、半導体素子２６の熱を図３におけるパワーカード２２の上下面側に放熱している。

絶縁板４０ａ，４０ｂは、図３に示すように、熱伝導性の良好な絶縁材料（例えば、セラミックなど）により形成されており、図３におけるパワーカード２２の上下面側に配置されている。

冷却器４２ａ，４２ｂは、熱伝導性の良好な材料により形成され、内部に図１，図２に示した供給管１２，排出管１４から導入された冷却水が流通している。冷却器４２ａは、図３における絶縁板４０ａの上面側に配置されている。冷却器４２ｂは、図３における絶縁板４０ｂの下面側に配置されている。

グラファイトシート４４ａ〜４４ｄは、熱可塑性のアクリルゴムを含有し、比較的柔軟性が高く、熱伝導率が銅の熱伝導率（４００Ｗ／ｍＫ）と同程度、または、銅の熱伝導率より高いグラファイトにより、厚みが４００μｍ程度になるように形成されている。グラファイトシート４４ａ，４４ｄは、図３，図４に示すように、半導体モジュール２４，２５の放熱板２８ａと絶縁板４０ａ，４０ｂとの間に、放熱板２８ａおよび絶縁板４０ａ，４０ｂに接するように配置されている。グラファイトシート４４ｂ，４４ｃは、図３，図４に示すように、半導体モジュール２４，２５の放熱板２８ｂと絶縁板４０ｂ，４０ａとの間に、放熱板２８ｂおよび絶縁板４０ｂ，４０ａに接するように配置されている。グラファイトシート４４ａ，４４ｃは、図４に示すように、図３における上下方向から視た形状が矩形形状となるよう形成されている。グラファイトシート４４ｂ，４４ｄは、グラファイトシート４４ａ，４４ｃと同様に、図３における上下方向から視た形状が矩形形状となるよう形成されている。

グラファイトシート４６ａ〜４６ｄは、熱可塑性のアクリルゴムを含有し、比較的柔軟性が高く、熱伝導率が銅の熱伝導率（４００Ｗ／ｍＫ）と同程度、または、銅の熱伝導率より高いグラファイトにより、厚みが４００μｍ程度になるように形成されている。グラファイトシート４６ａ〜４６ｄは、図３に示すように、絶縁板４０ａ，４０ｂと冷却器４２ａ，４２ｂとの間のグラファイトシート４４ａ〜４４ｄに対応する位置に配置されている。グラファイトシート４６ａ〜４６ｄは、グラファイトシート４４ａ〜４４ｄと同様に、図３における上下方向から視た形状が矩形形状となるよう形成されている。

こうして構成された実施例の半導体装置２０では、絶縁板４０ａ，４０ｂ，グラファイトシート４４ａ〜４４ｄ，４６ａ〜４６ｄは、熱伝導性が良好であるから、放熱板２８ａ，２８ｂの熱（半導体素子２６の熱）をグラファイトシート４４ａ〜４４ｄ，絶縁板４０ａ，４０ｂ，グラファイトシート４６ａ〜４６ｄを介して冷却器４２ａ，４２ｂに放熱している。グラファイトシート４４ａ〜４４ｄは、熱可塑性のアクリルゴムを含有しているから、半導体素子２６が発熱すると、その熱で軟化する。図５は、半導体素子２６が発熱したときのグラファイトシート４４ａ，４４ｃの様子を説明するための説明図である。パワースタック１０、つまり、半導体装置２０は、図２，図３の上下方向から荷重をかけられて押圧されている。そのため、軟化したグラファイトシート４４ａ，４４ｃは、上下方向の荷重によって、図５に示すように、図５における左右方向および紙面に垂直な方向へと伸びる。グラファイトシート４４ａ，４４ｃが伸びて隣に配置されたグラファイトシートに接触すると、グラファイトシート同士が短絡し、半導体モジュール２４の放熱板２８ａ（アノード電極）と半導体モジュール２５の放熱板２８ｂ（カソード電極）とが短絡してしまう。実施例の半導体装置２０では、グラファイトシート４４ａ，４４ｃの間に壁部２２ａが設けられているから、こうしたグラファイトシート４４ａ，４４ｃの接触を抑制することができる。これにより、グラファイトシート４４ａ，４４ｃの短絡、ひいては、半導体モジュール２４の放熱板２８ａ（アノード電極）と半導体モジュール２５の放熱板２８ｂ（カソード電極）との短絡を抑制することができる。グラファイトシート４４ｂ，４４ｄについても、グラファイトシート４４ａ，４４ｃと同様に、グラファイトシート４４ｂ，４４ｄの間に壁部２２ｂが設けられているから、グラファイトシート４４ｂ，４４ｄの接触が抑制される。これにより、半導体モジュール２４の放熱板２８ｂ（カソード電極）と半導体モジュール２５の放熱板２８ａ（アノード電極）との短絡を抑制することができる。

以上説明した第１実施例の半導体装置２０によれば、グラファイトシート４４ａ，４４ｃの間に壁部２２ａを設け、グラファイトシート４４ｂ，４４ｄの間に壁部２２ｂを設けることにより、グラファイトシート４４ａとグラファイトシート４４ｃとの接触やグラファイトシート４４ｂとグラファイトシート４４ｄとの接触を抑制することができる。

第１実施例の半導体装置２０では、パワーカード２２の図３における上面から立設するように壁部２２ａを形成するものとしたが、図６の変形例の半導体装置１２０に例示するように、絶縁板４０ａのパワーカード２２側の面から立設するように壁部１２２ａを形成するものとしてもよい。また、第１実施例の半導体装置２０では、パワーカード２２の図３における下面から立設するように壁部２２ｂを形成するものとしたが、図６に示すように、絶縁板４０ｂのパワーカード２２側の面から立設するように壁部１２２ｂを形成するものとしてもよい。

第１実施例の半導体装置２０では、パワーカード２２の図３における上面から壁部２２ａを立設するように形成するものとしたが、図７の変形例の半導体装置２２０に例示するように、例えばシリコンゴムなどにより絶縁板４０ａとパワーカード２２の間の空隙を埋めるようにゲル状の部材を塗布して、ゲル状の壁部２２２ａを形成するものとしてもよい。こうすれば、塗布したゲル状の部材によってグラファイトシート４４ａ，４４ｃが閉じ込められるから、半導体素子２６の発熱により軟化したグラファイトシート４４ａ，４４ｃの伸びを規制することができる。また、柔らかいゲル状の壁部２２２ａが絶縁板４０ａに当接するから、絶縁板４０ａの壁部２２２ａと当接する部分への応力の集中を抑制することができる。また、例えばシリコンゴムなどにより絶縁板４０ｂとパワーカード２２の間の空隙を埋めるようにゲル状の部材を塗布して、ゲル状の壁部２２２ｂを形成するものとしても構わない。こうすれば、壁部２２２ａと同様に、半導体素子２６の発熱により軟化したグラファイトシート４４ｂ，４４ｄの伸びを規制することができると共に、絶縁板４０ｂの壁部２２２ｂと当接する部分への応力の集中を抑制することができる。

次に、本発明の第２実施例の半導体装置３２０を備えるパワースタック３１０について説明する。第２実施例の半導体装置３２０を備えるパワースタック３１０は、図１〜図４を用いて説明したパワースタック１０と、半導体装置２０を除いて同一の構成をしている。第２実施例の半導体装置３２０は、図３，図４を用いて説明した半導体装置２０と、パワーカード２２に代えてパワーカード３２２を備える点を除いて同一の構成をしている。したがって、重複する記載を回避するために、第２実施例の半導体装置３２０を備えるパワースタック３１０の構成のうち、第１実施例の半導体装置２０を備えるパワースタック１０と同一の構成についての説明を省略する。

図８は、半導体装置３２０の構成の概略を説明するための説明図である。パワーカード３２２の図８における上面には、グラファイトシート４４ａとグラファイトシート４４ｃとの間に、溝３２２ｃが設けられている。図９は、半導体素子２６の発熱により軟化したグラファイトシート４４ａ，４４ｃが伸びたときの様子の一例を示す説明図である。溝３２２ｃは、図示するように、半導体素子２６の発熱により軟化したグラファイトシート４４ａ，４４ｃが図９における左右方向に伸びてグラファイトシート４４ａ，４４ｃの端部４５ａ，４５ｃが溝３２２ｃに入り込んだときに、幅が５ｍｍ、深さが１ｍｍになるよう形成されている。パワーカード３２２の図８における下面には、グラファイトシート４４ｂとグラファイトシート４４ｄとの間に、溝３２２ｄが設けられている。溝３２２ｄは、溝３２２ｃと同様に、半導体素子２６の発熱により軟化したグラファイトシート４４ａ，４４ｃが軟化したときに端部４５ａ，４５ｃが接触しない幅および深さになるよう形成されている。半導体装置３２０では、溝３２２ｃ，３２２ｄにより、グラファイトシート４４ａとグラファイトシート４４ｃとの接触やグラファイトシート４４ｂとグラファイトシート４４ｄとの接触を抑制することができる。この結果、半導体モジュール２４，２５の放熱板２８ａと放熱板２８ｂとの短絡を抑制することができる。

以上説明した第２実施例の半導体装置３２０によれば、グラファイトシート４４ａ，４４ｃの間に、溝３２２ｃを設けることにより、グラファイトシート４４ａとグラファイトシート４４ｃとの接触を抑制することができる。

第１，第２実施例の半導体装置２０，３２０では、２つの半導体モジュール２４，２５が同一の構成であるものとしたが、２つの半導体モジュールが互いに異なる構成のものでも構わない。

第１，第２実施例の半導体装置２０，３２０では、半導体素子２６をダイオードとしたが、ダイオードに限定されるものではなく、絶縁ゲートバイポーラトランジスタなど他の半導体素子としてもよい。

第１，第２実施例では、本発明を、２つの半導体モジュールを備え、２つの放熱板と絶縁板との間に２つのグラファイトシートを配置し、２つのグラファイトシートの間に壁部や溝を設けるものとしたが、本発明を、３つ以上の半導体モジュールを備え、３つ以上の放熱板と絶縁板との間に３つ以上のグラファイトシートを配置し、３つ以上のグラファイトシートのうち隣合う２つのグラファイトシートの間に壁部や溝をそれぞれ設けるものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、パワーカード２２が「パワーカード」に相当し、絶縁板４０ａが「絶縁板」に相当し、冷却器４２ａが「冷却器」に相当し、グラファイトシート４４ａ，４４ｂが「グラファイトシート」に相当し、壁部２２ａが「伸び規制部」に相当する。また、溝３２２ｃが「溝」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、半導体装置の製造産業などに利用可能である。

１０，３１０ パワースタック、１２ 供給管、１４ 排出管、２０，１２０，２２０，３２０ 半導体装置、２２，３２２ パワーカード、２２ａ，２２ｂ，１２２ａ，１２２ｂ，２２２ａ，２２２ｂ 壁部、２４，２５ 半導体モジュール、２６ 半導体素子、２８ａ，２８ｂ 放熱板、３０ 樹脂部材、３２ 導電性はんだ、４０ａ，４０ｂ 絶縁板、４２ａ，４２ｂ 冷却器、４４ａ〜４４ｄ，４６ａ〜４６ｄ グラファイトシート、４５ａ，４５ｃ 端部、３２２ｃ，３２２ｄ 溝。

Claims (4)

1. 複数の半導体素子を内蔵すると共に表面に前記半導体素子を放熱するための複数の放熱板が並んで配置されているパワーカードと、絶縁板と、冷却器と、がこの順に積層され、前記複数の放熱板と前記絶縁板との間に複数のグラファイトシートが配置されている半導体装置であって、
   前記パワーカードの表面の前記複数のグラファイトシートのうち隣合う２つのグラファイトシートの間に、前記隣合う２つのグラファイトシートの伸びを規制する伸び規制部が設けられている、
   半導体装置。
2. 請求項１記載の半導体装置であって、
   前記伸び規制部は、前記パワーカードの表面から立設し前記絶縁板の表面に接する壁部として形成されている、
   半導体装置。
3. 請求項２記載の半導体装置であって、
   前記壁部は、ゲル状に形成されている、
   半導体装置。
4. 複数の半導体素子を内蔵すると共に表面に前記半導体素子を放熱するための複数の放熱板が並んで配置されているパワーカードと、絶縁板と、冷却器と、がこの順に積層され、前記複数の放熱板と前記絶縁板との間に複数のグラファイトシートが配置されている半導体装置であって、
   前記パワーカードの表面の前記複数のグラファイトシートのうち隣合う２つのグラファイトシートの間に対応する位置に、溝が設けられている、
   半導体装置。