JP6724707B2 - 半導体冷却装置 - Google Patents

Description

本明細書は、半導体素子を冷却する半導体冷却装置を開示する。

半導体素子を封止する封止体と、封止体に対面している冷却器を備えている半導体冷却装置が特許文献１に開示されている。

特許文献１の封止体の表面に放熱板が露出している。封止体と冷却器の間に放熱材と絶縁板が挟まれている。絶縁板によって、放熱板と冷却器の間が絶縁される。放熱材は放熱板と絶縁板の間に挟まれている。封止体と放熱材と絶縁板と冷却器が積層されている方向からみたときに、放熱材の存在範囲は、放熱板と絶縁板の存在範囲より小さい。封止体と冷却器は、放熱材が絶縁板に密着するとともに放熱板にも密着するように、積層方向に圧縮されている。

特開２００１−２６７４７５号公報

封止体と冷却器が圧縮されると、絶縁板には、放熱材から反力が作用する。一般に放熱材の形状は、扁平な直方体である。すなわち、絶縁板に密着する絶縁板密着面と、放熱板に密着する放熱板密着面と、絶縁板密着面と放熱板密着面の間を延びる側面を備えている。放熱材は、積層方向から観察すると矩形を形成している。すなわち、絶縁板密着面の輪郭は矩形であり、４つの頂角を備えている。各頂角では、側面と側面がエッジをなしている。また、絶縁板密着面と側面との境界でも、両者がエッジをなしている。前記のエッジをなす部分では、エッジ以外の部分より、放熱材から絶縁板に大きな反力が作用する。すなわち、絶縁板のエッジが接している箇所には、他所よりも大きな力が作用し、絶縁板にダメージを与える虞がある。本明細書では、絶縁板に大きな力が作用するのを防止する技術を開示する。

本明細書で開示する半導体冷却装置は、半導体素子が封止されているとともに放熱板が露出している封止体と、封止体に対面している冷却器を備えており、封止体と冷却器の間に放熱材と絶縁板が挟まれている。放熱材は、放熱板と絶縁板の間に挟まれている。積層方向からみたときに、放熱材の存在範囲は、放熱板の存在範囲と絶縁板の存在範囲のいずれよりも小さい。放熱材は、絶縁板に密着する絶縁板密着面と、放熱板に密着する放熱板密着面と、絶縁板密着面と放熱板密着面の間を延びる側面を備えている。絶縁板密着面の輪郭が多角形で構成されていることがある。その多角形の頂角と、絶縁板密着面と側面との境界のうちの少なくも一方は、面取りされている。ここでいう面取りは、エッジを構成する２面の間を、平面または曲面で結ぶことによって鋭利なエッジを鈍角化ないし曲面化することをいう。絶縁板密着面の輪郭を構成する多角形の頂角を面取りするというのは、積層方向から見た形状において面取りすることをいい、絶縁板密着面と側面との境界を面取りするというのは、前記多角形の辺に沿って見た形状において面取りすることをいう。

いずれによっても、放熱材に形成されているエッジが絶縁板に接することを防止できる。放熱材に形成されているエッジが絶縁板に接すると反力集中現象が生じる。本明細書の技術によると放熱材に形成されているエッジが絶縁板に接することを防止できるので、反力集中現象が生じない。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の半導体冷却装置の斜視図である。 第１実施例の半導体冷却装置の断面図である。 第１実施例の半導体冷却装置の平面図である。 第２実施例の半導体冷却装置の平面図である。 第３実施例の半導体冷却装置の断面図である。 図５の領域VIにおける拡大図である。 比較例における反力を示すグラフである。 第３実施例における反力を示すグラフである。 第４実施例における拡大図である。 放熱材の斜視図である。

（第１実施例）
図面を参照して、第１実施例の半導体冷却装置１０を説明する。図１は、半導体冷却装置１０の斜視図である。半導体冷却装置１０は、複数個のパワーカードと複数個の冷却器が交互に積層された積層体４０と、積層体４０が収容されている筐体４１と、板バネ４２と、を備えている。各パワーカードは、半導体素子を樹脂で封止した封止体である。図１では、積層体４０の全体が見えるように、筐体４１を仮想線で描いてある。なお、図中には、ＸＹＺ座標が示されており、以下では、ＸＹＺ座標を適宜に利用して、半導体冷却装置１０の構成を説明する。

図１では、複数個のパワーカードのうちの、１個のパワーカードにだけ符号２を付し、他のパワーカードには、符号を省略している。また、複数個の冷却器の内の、隣接する２個の冷却器に符号３ａ、３ｃを付し、他の冷却器には、符号を省略している。隣接する冷却器３ａ、３ｃの間に、パワーカード２が挟まれている。即ち、パワーカード２は、積層体４０の積層方向（Ｘ軸方向）の一方の側（Ｘ軸正方向）で、冷却器３ａと対面し、他方の側（Ｘ軸負方向）で、冷却器３ｃと対面している。図１では、パワーカード２の全体が見えるように、パワーカード２は、冷却器３ａ、３ｃの間から取り出して描いてある。

パワーカード２は、４個の半導体素子２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂを封止している。半導体素子２２ａ、２２ｂは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistorの略）である。半導体素子２３ａ、２３ｂは、ダイオードである。４個の半導体素子により、インバータ回路の一部が構成される。インバータ回路はよく知られているので、詳細な説明は省略する。なお、変形例では、半導体素子２２ａ、２２ｂは、他のトランジスタ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistorの略）でもよい。

図１に示すように、複数個のパワーカードは平板型であり、複数の側面のうちの最大面積の平坦面が対面するように積層されている。パワーカード２の積層方向（即ち、Ｘ軸方向）における両平坦面２ａ、２ｃには、金属製の放熱板が露出している。Ｘ軸正方向における平坦面２ａには、２個の放熱板２１ａ、２１ｂが露出している。なお、Ｘ軸負方向における平坦面２ｃには、１個の放熱板（図２の放熱板２１ｃ参照）が露出しているが、図１では、見えない。２個の半導体素子２２ａ、２３ａは、放熱板２１ａと対面しており、２個の半導体素子２２ｂ、２３ｂは、放熱板２１ｂと対面している。また、パワーカード２のＺ軸正方向における側面には、３個の出力端子１２が突出しており、Ｚ軸負方向における側面には、複数個のゲート端子１３が突出している。各出力端子は、ＩＧＢＴのエミッタ電極又はコレクタ電極に接続されており、各ゲート端子は、ＩＧＢＴのゲート電極に接続されている。

また、複数個のパワーカードと複数個の冷却器のうちの、互いに隣接するパワーカードと冷却器の間に絶縁板が挟まれている。特に、パワーカード２と冷却器３ａの間には、絶縁板４ａが挟まれており、パワーカード２と冷却器３ｃの間には、絶縁板４ｂが挟まれている。絶縁板４ａ、４ｂは、例えば、セラミック等の絶縁性の板である。また、後述するように、パワーカード２と絶縁板４ａの間、及び、パワーカード２と絶縁板４ｂの間には、放熱材（図２の５ａ、５ｂ、５ｃ参照）及びグリス（図２の６ａ、６ｃ参照）が挟まれている。図１では、放熱材及びグリスの図示が省略されている。

複数個の冷却器は、複数個のパワーカードと同様に平板型であり、複数の側面のうち最大面積の平坦面が対面するように積層されている。積層体４０の積層方向（即ち、Ｘ軸方向）の両端には冷却器が位置している。積層体４０の両端のうちの一方（即ち、Ｘ軸負方向側の端）に配置されている冷却器と筐体４１の側壁との間に板バネ４２が挿入されている。積層体４０の両端のうちの他方（即ち、Ｘ軸正方向側の端）に配置されている冷却器は、筐体４１の側壁に接している。板バネ４２により、積層体４０には、積層方向の両側から荷重が加えられる。その荷重により、パワーカードと絶縁板の間の放熱材は圧縮されて、パワーカードと絶縁板の双方に密着する。これにより、パワーカードと絶縁板の間、即ち、パワーカードと冷却器の間の伝熱効率が高められる。

冷却器と冷却器の間は、連結管３１、３２により連結されている。連結管３１は、冷却器の長手方向（即ち、Ｙ軸方向）における一端の側に配置されており、連結管３２は、他端の側に配置されている。連結管３１、３２は、冷却器の内側の空間と連通している。また、積層体４０のＸ軸正方向側の端に配置されている冷却器には、冷媒供給管３３と、冷媒排出管３４が連結されている。冷媒供給管３３は、冷却器の長手方向における一端の側に配置されており、冷媒排出管３４の他端の側に配置されている。冷媒供給管３３を通じて供給される冷媒は、連結管３１を通じて複数個の冷却器の全てに分配される。冷媒は各冷却器を通る間に各冷却器に隣接するパワーカードから熱を吸収する。各冷却器を通った冷媒は連結管３２を通り、冷媒排出管３４から排出される。

図２を参照して、パワーカードの構造及びパワーカードと冷却器の間の構造について説明する。図２は、積層体４０のうちのパワーカード２と冷却器３ａ、３ｃの断面図である。この断面図は、半導体素子２２ａ、２２ｂを通過するＸＹ平面に沿ったものである。図２では、パワーカード２以外のパワーカードと冷却器３ａ、３ｃ以外の冷却器の図示を省略している。

半導体素子２２ａのＸ軸正方向の側面は、金属製のブロック２４ａを介して、放熱板２１ａに接続されており、Ｘ軸負方向側の側面は、直接に放熱板２１ｃに接続されている。半導体素子２２ａとブロック２４ａの間とブロック２４ａと放熱板２１ａの間は、はんだ（符号省略）により結合されている。同様に、半導体素子２２ｂのＸ軸正方向の側面は、金属製のブロック２４ｂを介して、放熱板２１ｂに接続されており、Ｘ軸負方向側の側面は、直接に放熱板２１ｃに接続されている。

パワーカード２の平坦面２ａと絶縁板４ａの間には、２個の放熱材５ａ、５ｂと、グリス６ａが挟まれている。放熱材５ａは、平坦面２ａに露出している放熱板２１ａと絶縁板４ａの間に挟まれており、放熱材５ｂは、放熱板２１ａに隣接する放熱板２１ｂと絶縁板４ａの間に挟まれている。グリス６ａは、平坦面２ａと絶縁板４ａの間のうちの、放熱材５ａ、５ｂが配置されていない空間に充填されている。放熱材５ａ、５ｂは、板バネ４２の圧縮力により、絶縁板４ａと放熱板２１ａ、２１ｂの双方に密着している。放熱材５ａ、５ｂが配置されていない空間には、圧縮後の放熱材５ａ、５ｂの厚みにおける空間を満たすのに十分な量のグリス６ａが充填される。同様に、平坦面２ａの反対側の平坦面２ｂと絶縁板４ｂの間にも、放熱材５ｃと、グリス６ｃが挟まれている。放熱材５ｃは、平坦面２ｂに露出している放熱板２１ｃと絶縁板４ｃの間に挟まれており、グリス６ｃは、平坦面２ｂと絶縁板４ｃの間のうちの、放熱材５ｃが配置されていない空間に充填されている。

例えば、平坦面２ａと絶縁板４ａの間の全体にグリスを充填する他の態様では、放熱板２１ａと絶縁板４ａの間に挟まれるグリスが流出して、半導体素子２２ａと冷却器３ａとの間の伝熱効率の経年劣化が生じ得る。固形の放熱材５ａであれば、放熱板２１ａと絶縁板４ａの間から流出しないので、半導体素子と冷却器との間の伝熱効率の経年劣化を防止できる。さらに、平坦面２ａと絶縁板４ａの間のうちの、放熱材５ａが配置されていない空間にグリス６ａを充填することで、平坦面２ａのうちの放熱板２１ａが露出していない領域と絶縁板４ａとの間の伝熱効率も向上し得る。なお、平坦面２ａには、グリス６ａが平坦面２ａと絶縁板４ａの間から流出することを防止するための構造（例えば、突条）が設けられてもよい。

また、絶縁板４ａと冷却器３ａの間には、グリス６ｂが挟まれている。グリス６ｂは、板バネ４２による圧縮力により薄く引き延ばされているとともに、絶縁板４ａと冷却器３ａの間に充填されている。同様に、絶縁板４ｂと冷却器３ｃの間にも、グリス６ｄが挟まれている。

図２、図３を参照して、放熱材の形状について説明する。放熱材５ａ〜５ｃは、シート状であり、同様の形状を有している。以下では、放熱材５ａに着目して説明する。図３は、パワーカード２の放熱板２１ａ、２１ｂが配置されている側の面を見た平面図である。図３では、冷却器の図示が省略されているとともに、絶縁板４ａが仮想線で描かれている。

扁平な放熱材５ａは、絶縁板４ａに密着する絶縁板密着面Ｓａ１と、放熱板２１ａに密着する放熱板密着面Ｓａ２と、絶縁板密着面Ｓａ１と放熱板密着面Ｓａ２の間を延びる側面Ｓａ３と、を備える。図３に示すように、絶縁板密着面Ｓａ１の輪郭を構成する矩形の頂角Ｃ１は、面取りされている。別言すれば、側面Ｓａ３と側面Ｓａ３の間を平面で結ぶことによって、側面Ｓａ３と側面Ｓａ３の間のエッジが鈍角化されている。さらに、別言すれば、積層体４０の積層方向から見た放熱材５ａの形状において、矩形の頂角Ｃ１が面取りされている。

放熱材５ａの面取りされた形状は、例えば、以下の工程により形成される。先ず、直方体の頂角が面取りされた形状（即ち、放熱材５ａの外形）が模られた金型を用意する。次に、この金型を放熱板２１ａの上に配置する。次に、金型の中に放熱材５ａとなる材料を液体の状態で流し込む。次に、金型内の材料を加熱して、金型内の材料を硬化させる。そして、金型内の材料が硬化した後に、金型を放熱板２１ａの上から取り除く。これにより、直方体の頂角が面取りされた放熱材５ａが形成される。なお、変形例では、実施例の形状に形成されたシート状の放熱材を放熱板２１ａの上に貼りつけてもよい。

また、図３に示すように、放熱材５ａの存在範囲は、放熱板２１ａの存在範囲と絶縁板４ａの存在範囲のいずれより小さい。このため、積層体４０が圧縮されると、放熱材５ａの全体が絶縁板４ａと放熱板２１ａの間に挟まれる。そして、放熱材５ａの存在範囲の全域に亘って、放熱材５ａから絶縁板４ａに反力が作用する。

例えば、面取りされずに頂角Ｃ１がエッジをなしている状況を想定する。反力は、放熱材５ａの存在範囲の全域に亘って発生し、頂角Ｃ１では、頂角Ｃ１以外の部分より、放熱材５ａから絶縁板４ａに大きな反力が作用する。即ち、放熱材に形成されているエッジが絶縁板４ａに接することにより、エッジに接している箇所に反力が集中する。この現象により、絶縁板４ａがダメージを受ける虞がある。

これに対して、本実施例の構成によれば、頂角Ｃ１が面取りされているので、側面Ｓａ３と側面Ｓａ３の間のエッジが絶縁板４ａに接することを防止できる。放熱材５ａから絶縁板４ａに作用する反力が、エッジで集中することを防止できる。

（第２実施例）
図４を参照して、第２実施例の半導体冷却装置１０を説明する。第２実施例の半導体冷却装置１０は、放熱材の形状が第１実施例と異なる点を除き、第１実施例と同様である。以下では、放熱材の形状について説明する。第１実施例と形状が異なる放熱材には、１５ａ、１５ｂの符号を付し、形状が同じ他の部材については、同じ符号を付す。なお、後述する第３実施例〜第４実施例の半導体冷却装置１０も、放熱材の形状が第１実施例と異なる点を除き、第１実施例と同様である。

図４は、図３と同様なパワーカード２の平面図である。放熱材１５ａは、第１実施例の放熱材５ａと同様に、絶縁板４ａと放熱板２１ａの間に挟まれている。放熱材１５ａの絶縁板密着面Ｓａ１の輪郭を構成する矩形の頂角Ｃ２は、第１実施例と異なり曲面で面取りされている。別言すれば、側面Ｓａ３と側面Ｓａ３の間を曲面で結ぶことによって、側面Ｓａ３と側面Ｓａ３の間のエッジが曲面化されている。このような構成でも、側面Ｓａ３と側面Ｓａ３の間のエッジが絶縁板４ａに接することが防止され、第１実施例と同様の効果を奏することができる。

（第３実施例）
図５、図６を参照して、第３実施例の半導体冷却装置１０を説明する。第１実施例と形状が異なる放熱材には、２５ａ、２５ｂ、２５ｃの符号を付し、形状が同じ他の部材については、同じ符号を付す。

図５は、図２と同様な、パワーカード２と冷却器３ａ、３ｃの断面図である。放熱材２５ａ、第１実施例の放熱材５ａと同様に、絶縁板４ａと放熱板２１ａの間に挟まれている。図６は、図５の一点鎖線の領域VIの拡大図である。図６に示すように、放熱材２５ａの絶縁板密着面Ｓａ１と側面Ｓａ３との境界Ｃ３は、面取りされている。別言すれば、絶縁板密着面Ｓａ１と側面Ｓａ３の間を平面で結ぶことによって、直角な境界が鈍角化されている。さらに、別言すれば、絶縁板密着面Ｓａ１の辺に沿った方向（即ち、Ｚ軸方向）から見た放熱材５ａの形状において、矩形の４つの頂角のうちの絶縁板密着面Ｓａ１側に位置する２つの頂角が面取りされている。

図７は、直角な境界が面取りされない比較例を示す。図７では、絶縁板４ａとグリス６ａと冷却器３ａの図示を省略している。比較例の放熱材１０５ａの絶縁板密着面Ｓａ１と側面Ｓａ３との境界Ｃ１３は、面取りされず直角なエッジをなしている。図７のグラフでは、横軸に放熱材１０５ａの一方の境界から他方の境界までの間の位置を示し、縦軸に放熱材１０５ａから絶縁板４ａに作用する反力の大きさを示す。図７のグラフに示すように、境界Ｃ１３における反力は、境界と境界の間における反力よりも大きい。即ち、境界Ｃ１３（即ち、エッジ）に接している箇所に反力が集中する。

一方、図８のグラフは、本実施例の放熱材２５ａにおける反力の大きさを示す。図８のグラフに示すように、面取りされた境界Ｃ３における反力は、境界と境界の間における反力よりも小さい。即ち、放熱材２５ａから絶縁板４ａに作用する反力が、エッジで集中することを防止できる。

（第４実施例）
図９を参照して、第４実施例の半導体冷却装置１０を説明する。第１実施例と形状が異なる放熱材には、３５ａの符号を付し、形状が同じ他の部材については、同じ符号を付す。

図９は、図６と同様な、拡大図である。放熱材３５ａは、絶縁板４ａと放熱板２１ａの間に挟まれている。図９に示すように、絶縁板密着面Ｓａ１と側面Ｓａ３との境界Ｃ４は、第３実施例と異なり曲面で面取りされている。別言すれば、絶縁板密着面Ｓａ１と側面Ｓａ３の間を曲面で結ぶことによって、直角な境界が曲面化されている。

図１０は、放熱材３５ａの斜視図である。放熱材３５ａでは、絶縁板密着面Ｓａ１と側面Ｓａ３との境界Ｃ４は、面取りされているが、側面Ｓａ３と側面Ｓａ３の間のエッジＥ１と、放熱板密着面Ｓａ２と側面Ｓａ３の境界（即ち、エッジ）Ｅ２と、の双方は面取りされていない。エッジＥ１、Ｅ２は、放熱板２１ａに接触するが、絶縁板４ａに接触しない。絶縁板４ａにエッジが接することが防止されるので、第３実施例と同様の効果を奏することができる。一方、放熱板２１ａは金属であり、絶縁板４ａより反力に対する耐力（即ち、せん断力に対する強度）が高い。エッジＥ１、Ｅ２が放熱板２１ａに接触しても、放熱板２１ａはダメージを受けない。なお、変形例では、エッジＥ１が面取りされてもよい。

以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。半導体冷却装置１０は、絶縁板４ａとパワーカード２の間のグリス６ａ、及び、絶縁板４ｂとパワーカード２の間のグリス６ｃを備えなくてもよい。

絶縁板密着面Ｓａ１の輪郭は、矩形以外の多角形でもよい。例えば、三角形、五角形等でもよい。また、放熱材５ａの形状は、積層方向から見ると、円形でもよい。円形は、絶縁板密着面Ｓａ１の輪郭を構成する多角形の頂角を面取りした形状に含まれる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：パワーカード（封止体）
３ａ、３ｃ：冷却器
４ａ、４ｂ、４ｃ：絶縁板
５ａ、５ｂ、５ｃ、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、３５ａ：放熱材
１０：半導体冷却装置
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ：放熱板
２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ：半導体素子
４０：積層体
４１：筐体
４２：板バネ
Ｓａ１：絶縁板密着面
Ｓａ２：放熱板密着面
Ｓａ３：側面
Ｃ１、Ｃ２：頂角
Ｃ３、Ｃ４：境界

Claims (1)

1. 半導体素子が封止されているとともに放熱板が露出している封止体と、
   前記封止体に対面している冷却器と、
   前記封止体と前記冷却器の間に挟まれている放熱材と絶縁板を備えており、
   前記封止体と前記冷却器は、それらの積層方向で圧縮されており、
   前記放熱材は前記放熱板と前記絶縁板の間に挟まれており、
   積層方向からみたときに、前記放熱材の存在範囲が前記放熱板の存在範囲と前記絶縁板の存在範囲のいずれよりも小さく、
   前記放熱材は、前記絶縁板に密着する絶縁板密着面と、前記放熱板に密着する放熱板密着面と、前記絶縁板密着面と前記放熱板密着面の間を延びる側面を備えており、前記絶縁板密着面の輪郭を構成する多角形の頂角と、前記絶縁板密着面と前記側面との境界のうちの少なくも一方が面取りされていることを特徴とする半導体冷却装置。

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