JP7087933B2

JP7087933B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP7087933B2
Application number: JP2018211681A
Authority: JP
Inventors: 宏樹杉浦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2038-11-09
Also published as: JP2020078212A

Description

本明細書では、積層方向に向かって積層ユニットに荷重を加えるばね部材を備える半導体装置を開示する。

特許文献１に開示される半導体装置は、積層ユニットと、当接プレートと、ばね部材を備える。積層ユニットでは、半導体モジュールと半導体モジュールを冷却する冷却器とが交互に積層されている。当接プレートは、積層方向において、積層ユニットとばね部材の間に配置されている。ばね部材は、ばね部材の中央部が当接プレート側に円弧状に湾曲した形状を有する。ばね部材は、当接プレートを介して、積層方向に向かって積層ユニットに荷重を加える。

特開２０１４－０１１９３６号公報

上記の半導体装置では、ばね部材の中央部から当接プレートを介して積層ユニットに荷重が加わる。このため、積層ユニットに加わる荷重は、ばね部材の中央部に重なる範囲で最大であり、ばね部材の中央部に重なる範囲から離間するにつれて小さくなる。この結果、半導体モジュールと冷却器の密着性にムラが発生し、半導体モジュールの冷却ムラが発生する。

本明細書では、積層ユニットに加わる荷重のムラを抑制することによって、半導体モジュールの冷却ムラを抑制する技術を開示する。

本明細書で開示する半導体装置は、半導体素子を収容した半導体モジュールと前記半導体モジュールを冷却する冷却器とが交互に積層された積層ユニットと、前記積層ユニットの積層方向の一端部に当接しており、前記積層方向に向かって前記積層ユニットに荷重を加えるばね部材と、前記積層方向に直交する直交方向における前記ばね部材の中央部に当接して、前記ばね部材から前記積層ユニットに前記荷重が加えられている状態で前記ばね部材を固定する固定部材を備える。前記積層ユニットに前記荷重を加える前の前記ばね部材は、前記直交方向における前記ばね部材の両端部から前記中央部に向かって、前記積層ユニットと離間するように湾曲している。前記積層ユニットに前記荷重を加えている状態の前記ばね部材は、前記ばね部材の前記中央部と前記両端部において、前記積層ユニットと当接する。

上記の構成では、ばね部材が積層ユニットに荷重を加えている状態では、ばね部材が積層ユニットに向かって変形しており、ばね部材の中央部と両端部が積層ユニットに当接している。この場合、積層ユニットには、ばね部材の中央部から第１荷重が加わる。また、ばね部材が湾曲している状態に戻るための第２荷重がばね部材に発生し、ばね部材から積層ユニットに第２荷重が加わる。第１荷重は、ばね部材の中央部で最大であり、中央部から離間するにつれて小さくなる。第２荷重は、ばね部材の両端部で最大であり、両端部から離間するにつれて小さくなる。ばね部材から積層ユニットに加わる全荷重は、第１荷重と第２荷重の合計値であり、直交方向に一様化される。この結果、半導体モジュールと冷却器は直交方向に均一に当接し、半導体モジュールを均一に冷却することができる。

実施例の半導体装置の側面図である。加圧する前における実施例のばね部材の斜視図である。加圧する前における実施例のばね部材の湾曲量を示す図である。実施例のばね部材から積層ユニットに加わる荷重の分布を示す図である。

（実施例）
図１から図３を参照して、実施例の半導体装置１０を説明する。実施例の半導体装置１０は、電気自動車やハイブリット自動車等の車両に搭載される。また、半導体装置１０は、車両のパワーコントロールユニットを構成する電力変換装置に搭載される。半導体装置１０は、図示省略のハウジングに収容されている。

図１に示すように、半導体装置１０は、積層ユニット２０と加圧部材４０を備える。積層ユニット２０は、複数個（本実施例では４個）の半導体モジュール２２と複数個（本実施例では５個）の冷却器３０を備える。半導体モジュール２２と冷却器３０は、Ｚ方向に交互に積層されている。以下では、Ｚ方向を積層方向と呼ぶことがある。積層ユニット２０の積層方向における両端部には、冷却器３０が位置している。半導体モジュール２２と冷却器３０との間には、図示省略の絶縁板が配置されている。

半導体モジュール２２のそれぞれは、ＸＹ平面（即ち積層方向に直交する面）に対して平行に配置されている。半導体モジュール２２は、本体２４と、３個の電力端子２６（正極端子２６ａ、負極端子２６ｂ、中点端子２６ｃ）を備える。本体２４は、平板形状を有する。本体２４は、内部に図示省略の半導体素子を収容している。半導体素子は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（即ちＩＧＢＴ）や金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（即ちＭＯＳＦＥＴ）等の素子構造とダイオードを有する。本体２４から、正極端子２６ａ、負極端子２６ｂ、中点端子２６ｃが延びている。正極端子２６ａと負極端子２６ｂと中点端子２６ｃは、半導体素子に電気的に接続されている。半導体素子に電流が流れると、半導体素子が発熱する。これによって、半導体モジュール２２は発熱する。

冷却器３０は、平板形状を有する。冷却器３０は、例えば、アルミニウム等の金属材料から作製されている。冷却器３０のそれぞれは、ＸＹ平面に対して平行に配置されている。冷却器３０は、内部に流路を有する。互いに隣接する冷却器３０は、連結管３２、３４によって連結されている。連結管３２、３４は、積層方向に対して平行に延びている。連結管３２は、冷却器３０のＸ方向の一端部側に配置されており、連結管３４は、冷却器３０のＸ方向の他端部側に配置されている。連結管３２、３４のそれぞれは、内部に流路を有する。連結管３２の流路と連結管３４の流路は、冷却器３０の流路のそれぞれと連通している。

連結管３２、３４には、図示省略の冷媒循環装置が接続されている。冷媒循環装置は、冷却器３０に液体冷媒を送り出し、冷却器３０から排出された液体冷媒を受け入れる。液体冷媒は、例えばＬＬＣ（ＬｏｎｇＬｉｆｅＣｏｏｌａｎｔ）等である。冷媒循環装置から送り出された液体冷媒は、連結管３２の流路を通過し、冷却器３０の流路のそれぞれに分配される。液体冷媒は、冷却器３０の流路のそれぞれを通過する間に、半導体モジュール２２の熱を吸収する。その後、液体冷媒は、連結管３４の流路を通過し、冷媒循環装置内に戻る。これにより、半導体モジュール２２は、冷却器３０によって冷却される。

積層ユニット２０の積層方向における一端部には、加圧部材４０が当接している。積層ユニット２０の積層方向における一端部には、冷却器３０が位置しており、以下では、この冷却器３０を冷却器３０ａと呼ぶ。冷却器３０ａには、加圧部材４０が当接している。

加圧部材４０は、ばね部材４２と固定部材４４を備える。ばね部材４２は、冷却器３０ａに面で当接している。積層方向から見ると、ばね部材４２は、半導体モジュール２２と重なっている。ばね部材４２は、積層方向に向かって冷却器３０ａに荷重を加える。なお、ばね部材４２については、後で詳しく説明する。Ｘ方向（即ち、積層方向に直交する直交方向）において、ばね部材４２の中央部４２ａには、固定部材４４が当接している。ばね部材４２の中央部４２ａは、直交方向において、ばね部材４２の中間位置に対応する部分である。固定部材４４は、ばね部材４２の冷却器３０ａと当接する面と反対側の面に当接している。固定部材４４と冷却器３０ａの間に、ばね部材４２が配置されている。固定部材４４は、ばね部材４２が冷却器３０ａに荷重を加えている状態でばね部材４２を固定している。固定部材４４は、ハウジングに固定されている。

図２及び図３を参照して、ばね部材４２を説明する。図２に示すように、冷却器３０ａに荷重を加える前において、ばね部材４２は湾曲している。ばね部材４２は、ばね板である。ばね部材４２は、ばね部材４２の両端部４２ｂ、４２ｃを通過するＸＹ平面に対して、両端部４２ｂ、４２ｃから中央部４２ａに向かって離間するように湾曲している。ばね部材４２は、中央部４２ａを通過するＹＺ平面に対して面対称である。ばね部材４２は、図３に示す湾曲量とばね部材４２の長さの関係を有する初期形状を有する。図３は、ばね部材４２をＹ方向から見たときの湾曲量とばね部材４２の長さの関係を示す。ばね部材４２の一端部４２ｂから他端部４２ｃまでの長さは５０ｍｍである。ばね部材４２の中央部４２ａは、両端部４２ｂ、４２ｃを通過するＸＹ平面から３ｍｍ離間している。

ばね部材４２は、弾性材料から作製されている。ばね部材４２の両端部４２ｂ、４２ｃを固定した状態で、ばね部材４２にＺ方向の荷重が加わると、ばね部材４２は変形する。また、ばね部材４２に加わっていた荷重がゼロになると、ばね部材４２は、初期形状に戻る。

ばね部材４２の中央部４２ａにＺ方向の荷重を加えるとき、ばね部材４２の変形量Ｄは、次式によって算出される。
変形量Ｄ＝ＰＬ^３｛（３ａ／Ｌ）－（４ａ^３／Ｌ^３）｝／４８ＥＩ
ここで、Ｐは、ばね部材４２に加わる荷重［Ｎ］である。Ｌは、ばね部材４２の長さ［ｍ］であり、０．０５（即ち５０ｍｍ）である。ａは、ばね部材４２の一端部４２ｂから所定位置までの長さ［ｍ］であって、他端部４２ｃから所定位置までの長さ［ｍ］である。ａは、０以上Ｌ／２以下の値であり、本実施例では、０以上０．０２５以下の値である。Ｅは、ばね部材４２のヤング率［Ｐａ］であり、２０６×１０^９である。Ｉは、ばね部材４２の断面２次モーメント［ｍ^４］であり、４．０３×１０^－１２である。

例えば、ばね部材４２の中央部４２ａに１０００ＮのＺ方向の荷重を加える場合、ばね部材４２の中央部４２ａの変形量Ｄは３ｍｍである。このとき、ばね部材４２の中央部４２ａは、Ｚ方向に向かって３ｍｍ変形する。これにより、ばね部材４２は、平板形状に変形する。また、ばね部材４２の中央部４２ａに２０００ＮのＺ方向の荷重を加える場合、ばね部材４２の中央部４２ａの変形量Ｄは６ｍｍである。このとき、ばね部材４２の中央部４２ａは、積層方向に向かって６ｍｍ変形する。ばね部材４２の中央部４２ａは、両端部４２ｂ、４２ｃを通過するＸＹ平面に対して、初期形状におけるばね部材４２の中央部４２ａの位置する側と反対側に３ｍｍ突出する。ばね部材４２は、両端部４２ｂ、４２ｃを通過するＸＹ平面に対して、両端部４２ｂ、４２ｃから中央部４２ａに向かって３ｍｍ離間するように湾曲する。

次に、加圧部材４０を用いて積層ユニット２０に荷重を加える手順を説明する。まず、積層ユニット２０の冷却器３０ａに、ばね部材４２の両端部４２ｂ、４２ｃを当接させる。このとき、ばね部材４２の中央部４２ａは、冷却器３０ａと離間している。ばね部材４２は、両端部４２ｂ、４２ｃから中央部４２ａに向かって、冷却器３０ａと離間するように湾曲している。

次に、ばね部材４２の中央部４２ａに、冷却器３０ａに向かって２０００Ｎの荷重を加える。これにより、ばね部材４２から冷却器３０ａに荷重が加わる。ばね部材４２の中央部４２ａに荷重を加えると、ばね部材４２の中央部４２ａが冷却器３０ａに近づくように、ばね部材４２は変形していき、荷重が１０００Ｎに達すると、ばね部材４２は、冷却器３０ａに面で当接する。ばね部材４２は、初期形状から平板形状に変形する。ばね部材４２の中央部４２ａと両端部４２ｂ、４２ｃは、冷却器３０ａと当接している。ばね部材４２の中央部４２ａに加わる荷重が１０００Ｎを超えると、即ち、ばね部材４２を初期形状から平板形状に変形させるのに要する荷重よりも大きい荷重が加わると、ばね部材４２の中央部４２ａから冷却器３０ａに第１荷重Ｐ１が加わる。第１荷重Ｐ１については、後で詳しく説明する。

次いで、ばね部材４２が冷却器３０ａに荷重を加えている状態で、固定部材４４をばね部材４２の中央部４２ａに当接させる。次いで、固定部材４４をハウジングに固定させる。これにより、固定部材４４は、ばね部材４２が冷却器３０ａに荷重を加えている状態で、ばね部材４２を固定する。

次に、ばね部材４２から積層ユニット２０に加わる荷重を説明する。ばね部材４２の中央部４２ａに加わる荷重が１０００Ｎを超えると、ばね部材４２の中央部４２ａから冷却器３０ａに第１荷重Ｐ１が加わる。図４に示すように、第１荷重Ｐ１は、ばね部材４２の中央部４２ａで最大となる。なお、図４では、第１荷重Ｐ１とばね部材４２の長さの関係が、破線で図示されている。第１荷重Ｐ１は、ばね部材４２の中央部４２ａから離間するにつれて小さくなる。第１荷重Ｐ１は、ばね部材４２の両端部４２ｂ、４２ｃでゼロである。

また、ばね部材４２は、固定部材４４によって、平板形状に変形している状態で固定されている。このため、ばね部材４２には、ばね部材４２が初期形状に戻るための第２荷重Ｐ２が発生する。ばね部材４２は、固定部材４４によって固定されており、第２荷重Ｐ２は、ばね部材４２から冷却器３０ａに加わる。図４に示すように、第２荷重Ｐ２は、ばね部材４２の両端部４２ｂ、４２ｃで最大となる。なお、図４では、第２荷重Ｐ２とばね部材４２の長さの関係が、一点鎖線で図示されている。ばね部材４２の両端部４２ｂ、４２ｃから冷却器３０ａに加わる第２荷重Ｐ２は、ばね部材４２の中央部４２ａから冷却器３０ａに加わる第１荷重Ｐ１に等しい。第２荷重Ｐ２は、ばね部材４２の両端部４２ｂ、４２ｃから離間するにつれて小さくなる。第２荷重Ｐ２は、ばね部材４２の中央部４２ａでゼロである。

ばね部材４２から冷却器３０ａに加わる全荷重Ｐ３は、第１荷重Ｐ１と第２荷重Ｐ２の合計値である。図４に示すように、全荷重Ｐ３は、直交方向に一様化される。なお、図４では、全荷重Ｐ３とばね部材４２の長さの関係が、実線で図示されている。このため、冷却器３０ａには、直交方向において、ばね部材４２から均一な荷重が加わる。この結果、直交方向において、半導体モジュール２２と冷却器３０を均一に当接させることができる。これにより、冷却器３０によって、半導体モジュール２２を均一に冷却することができる。

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さまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書又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、本明細書又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。

１０：半導体装置
２０：積層ユニット
２２：半導体モジュール
２４：本体
２６：電力端子
３０：冷却器
３０ａ：積層ユニット２０の一端部に位置する冷却器
３２、３４：連結管
４０：加圧部材
４２：ばね部材
４２ａ：中央部
４２ｂ、４２ｃ：端部
４４：固定部材
Ｐ１：第１荷重
Ｐ２：第２荷重
Ｐ３：全荷重

Claims

半導体素子を収容した半導体モジュールと前記半導体モジュールを冷却する冷却器とが交互に積層された積層ユニットと、
前記積層ユニットの積層方向の一端部に当接しており、前記積層方向に向かって前記積層ユニットに荷重を加えるばね部材と、
前記積層方向に直交する直交方向における前記ばね部材の中央部に当接して、前記ばね部材から前記積層ユニットに前記荷重が加えられている状態で前記ばね部材を固定する固定部材を備え、
前記積層ユニットは、前記積層ユニットの前記積層方向の前記一端部において、前記ばね部材の第１表面に当接し、
前記固定部材は、前記ばね部材の前記第１表面と反対側の第２表面に当接し、
前記積層ユニットに前記荷重を加える前の前記ばね部材は、前記直交方向における前記ばね部材の両端部から前記中央部に向かって、前記積層ユニットと離間するように湾曲しており、
前記積層ユニットに前記荷重を加えている状態の前記ばね部材は、前記ばね部材の前記中央部と前記両端部において、前記積層ユニットと当接する、半導体装置。