JP7270743B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本開示は、半導体モジュールに関する。

従来からＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子と、半導体素子を冷却する冷却器とを備えた半導体モジュールが知られている。

たとえば、国際公開第２０１７－０９４３７０号に記載された半導体モジュールは、半導体デバイスおよび放熱器を含むパワーモジュールと、冷却水が流れる冷却通路が形成された冷却装置とを備える。

半導体デバイスは、封止部材であるパッケージによって封止されており、放熱器はパッケージの下面に配置されている。放熱器は、パッケージが取付けられる取付部と、取付部の下面側に形成された段部と、段部に形成された複数の冷却フィンとを含む。

冷却装置には、冷却通路に達する開口部が形成されており、半導体デバイスの放熱器が開口部に装着されている。具体的には、放熱器の段部が冷却装置の開口部に嵌め込まれ、冷却フィンが冷却通路内に配置されている。

国際公開第２０１７－０９４３７０号

国際公開第２０１７－０９４３７０号に記載された半導体モジュールにおいては、パッケージが取付けられる取付部に、下方に向けて突出する段部が形成されており、さらに、この段部の下面に冷却フィンが形成されている。このため、パッケージが取付けられる取付面と、冷却フィンとの間に段部が形成されているため、取付面および冷却フィンの間が長くなっている。その結果、パッケージ内の半導体デバイスの熱を冷却フィンから冷却水に放熱する熱伝達経路が長く、半導体デバイスの熱を放熱し難くなっている。

本開示は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、半導体素子および冷却ジャケットを備えた半導体モジュールにおいて、半導体素子からの熱を良好に放熱することができる半導体モジュールを提供することである。

本開示に係る半導体モジュールは、冷媒が流通する冷媒通路と、外表面から冷媒通路に達する開口部とが形成された冷媒ジャケットと、冷媒ジャケットに取り付けられ、開口部を閉塞するように設けられた台座部と、台座部に設けられた半導体素子とを備える。上記台座部は、開口部内に位置する環状の周壁部と、周壁部の冷媒通路側の端部に接続された底板と、底板から冷媒通路内に向けて突出すると共に、底板に形成されたフィン突起部とを含む。上記台座部には、周壁部および底板によって、開口部に向けて延びる凹部が形成されており、半導体素子は、凹部内において、底板に配置されている。

上記の半導体モジュールによれば、半導体素子は、凹部の底部に位置する底板に設けられており、半導体素子は、固定部の上端よりも冷媒通路に近い位置に設けられている。これにより、半導体素子の熱は良好に冷媒に放熱される。

本開示に係る半導体モジュールによれば、半導体素子および冷却ジャケットを備えた半導体モジュールにおいて、半導体素子からの熱を良好に放熱することができる。

実施の形態１に係る半導体モジュール１を示す斜視図である。 半導体モジュール１を示す分解斜視図である。 半導体モジュール１を示す断面図である。 半導体モジュール１の変形例に係る半導体モジュール１Ａを示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体モジュール１Ｂを示す分解斜視図である。 電極ケース５０を示す斜視図である。 半導体モジュール１Ｂを示す断面図である。

図１から図７を用いて、本実施の形態に係る半導体モジュールについて説明する。図１から図７に示す構成のうち、同一または実質的に同一の構成については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体モジュール１を示す斜視図である。半導体モジュール１は、冷媒Ｃが内部を流れる冷媒ジャケット２と、冷媒ジャケット２に取り付けられた台座部３と、台座部３に設けられた複数の半導体素子４とを備える。

図２は、半導体モジュール１を示す分解斜視図である。冷媒ジャケット２には、冷媒Ｃが流れる冷媒通路６と、冷媒ジャケット２の外表面から冷媒通路６に達する開口部７とが形成されている。

なお、図２に示す例においては、冷媒ジャケット２は直方体形状に形成されている。冷媒ジャケット２は、上面１０と、下面１１と、冷媒ジャケット２の幅方向Ｗの一端に位置する側面１２と、幅方向Ｗの他端に位置する側面１３と、冷媒ジャケット２の長手方向Ｌの一端に位置する端面１４と、長手方向Ｌの他端に位置する端面１５とを含む。

冷媒通路６は、端面１４から端面１５に達するように形成されている。冷媒通路６の内表面は、上面１０側に位置する天面３０と、下面１１側に位置する底面３１と、側面１２側に位置する内側面３２と、側面１３側に位置する内側面３３とを含む。開口部７は、上面１０に形成されており、上面１０には、リング溝８および複数のネジ孔１６が形成されている。

リング溝８は、開口部７の開口縁部に沿って環状に形成されており、リング溝８には、Ｏリング９が装着されている。なお、複数のネジ孔１６は、リング溝８に沿って間隔をあけて形成されている。

台座部３には凹部２３が形成されている。台座部３は、環状に延びる鍔部２０と、底板２２と、鍔部２０および底板２２を接続する周壁部２１と、底板２２に形成された複数のフィン突出部２４とを含む。

複数の半導体素子４は凹部２３内に配置されており、複数の半導体素子４が底板２２に配置されている。本実施の形態１においては、半導体モジュール１は、車両用インバータであり、三相モータ用のインバータである。図１に示すように、複数の半導体素子４は、６つのＩＧＢＴ４Ａと、６つのＦｗＤｉ（Free Wheeling Diode）４Ｂである。幅方向Ｗにおいて、ＦｗＤｉ４Ｂは、ＩＧＢＴ４Ａよりも冷媒通路６の中央側に配置されている。

図３は、半導体モジュール１を示す断面図である。図２および図３を参照して、鍔部２０は、冷媒ジャケット２の上面１０に配置されており、開口部７の開口縁部に沿って環状に形成されている。

周壁部２１は、鍔部２０の開口縁部から冷媒通路６に向けて延びるように形成されている。周壁部２１は開口部７の内周面と接触するように配置されており、周壁部２１は環状に形成されている。

底板２２は、周壁部２１の冷媒通路６側の端部に接続されている。なお、底板２２は、冷媒通路６側に位置する周壁部２１の開口部を閉塞するように形成されている。ここで、底板２２の厚さＴ２は、鍔部２０の厚さＴ０および周壁部２１の厚さＴ３よりも薄い。底板２２の厚さＴ２は、冷媒ジャケット２の上面１０および天面３０の間の厚さＴ４よりも薄い。

そして、周壁部２１および底板２２によって、凹部２３が形成されている。凹部２３は、鍔部２０の外表面から開口部７に向けて延びるように形成されている。

底板２２は、凹部２３の内表面の一部を形成する載置面２５と、冷媒通路６側に配置された冷却面２６とを含む。

なお、半導体素子４は、載置面２５の上面に設けられた基板１９を間に挟んで、載置面２５に配置されている。基板１９は、絶縁板と、絶縁板の上面に形成された回路配線とを含む。なお、回路配線は各半導体素子４を電気的に接続している。

複数のフィン突出部２４は、冷却面２６に形成されている。具体的には、複数のフィン突出部２４が互いに間隔をあけてアレイ状に配置されている。

ここで、底板２２の冷却面２６と、冷媒通路６の内表面が面一となるように底板２２が配置されている。なお、本実施の形態においては、冷却面２６と、冷媒通路６の天面３０とが面一となっている。なお、「面一」とは、冷却面２６および天面３０の間に段差が全くない場合のみならず、実質的に冷却面２６および天面３０に段差がない場合を含む。なお、実質的に段差がないとは、たとえば、冷却面２６および天面３０の間に数ｍｍ程度の段差しかない場合を意味する。

Ｏリング９は、リング溝８に配置されると共に鍔部２０に密着している。Ｏリング９は、冷媒ジャケット２の上面１０と、鍔部２０との間から冷媒Ｃが外部に漏れることを抑制する。

鍔部２０にはネジ孔１７が形成されている。台座部３の周壁部２１が開口部７に装着された状態において、ネジ孔１７と、上面１０に形成されたネジ孔１６とが互いに連通する。なお、ネジ孔１６，１７の内周面には、ネジ溝が形成されている。

そして、ネジ５がネジ孔１６およびネジ孔１７に挿入されることで、台座部３が冷媒ジャケット２に固定されている。

上記のように構成された半導体モジュール１において、ＩＧＢＴ４ＡやＦｗＤｉ４Ｂなどの半導体素子４がスイッチングすると、半導体素子４が発熱する。その一方で、半導体素子４は、台座部３に形成された凹部２３の底部である底板２２に配置されている。つまり、周壁部２１の上端よりも半導体素子４は、冷媒通路６に近い位置に設けられている。また、異なる観点から言えば、半導体素子４は、冷媒ジャケット２の上面１０より冷媒通路６に近い位置に設けられている。

半導体素子４の熱は、底板２２の冷却面２６および底板２２に形成された複数のフィン突出部２４から良好に冷媒Ｃに放熱される。特に、底板２２の厚さＴ２は、鍔部２０の厚さＴ０および周壁部２１の厚さＴ１よりも薄いため、半導体素子４の熱が冷媒Ｃに達するまでの熱伝達経路が相対的に短い。このため、半導体素子４からの熱が冷媒Ｃに良好に放熱される。また、底板２２の厚さＴ２が、冷媒ジャケット２の上面１０と天面３０との間の厚さＴ４よりも薄くなっているので、たとえば、底板２２の厚さＴ２が上記厚さＴ４と同等である場合よりも、半導体素子４からの熱を冷媒Ｃに良好に放熱することができる。

冷媒通路６の内表面と底板２２の冷却面２６とが面一となるように形成されているため、冷媒Ｃが冷媒通路６の内表面と冷却面２６との境界部分を通過するときにおける流通抵抗が高くなることが抑制されている。

仮に、冷媒通路６の内表面と、冷却面２６との間に段差が形成されている場合には、冷媒Ｃが当該段差に衝突したり、冷媒Ｃが渦をまくことになり易く、冷媒Ｃの流通抵抗が高くなる。その結果、冷媒Ｃによる冷却性能が低下しやすい。その一方で、本実施の形態１に係る半導体モジュール１においては、冷媒Ｃの流通抵抗が高くなることが抑制されており、冷媒Ｃの冷却性能が低くなることが抑制されている。

冷媒通路６は、直線状に延びているため、冷媒通路６内を通る冷媒Ｃの流速は、冷媒通路６内において幅方向Ｗの中央に近い程、速くなる。そして、図１を参照して、幅方向Ｗにおいて、ＦｗＤｉ４ＢはＩＧＢＴ４Ａよりも冷媒通路６の中央側に位置している。冷媒Ｃの流速が速い程、冷媒Ｃによる冷却性能は高くなるため、ＦｗＤｉ４Ｂを積極的に冷却することができる。なお、幅方向Ｗにおいて、ＩＧＢＴ４ＡをＦｗＤｉ４Ｂよりも冷媒通路６の中央側に配置するようにしてもよい。この場合においては、ＩＧＢＴ４Ａを積極的に冷却することができる。

図４は、半導体モジュール１の変形例に係る半導体モジュール１Ａを示す断面図である。半導体モジュール１Ａにおいては、凹部２３内に充填樹脂２８が充填されており、半導体素子４および基板１９は、充填樹脂２８によって覆われている。このため、水や埃などの異物が半導体素子４や基板１９に付着することが抑制されている。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る半導体モジュール１Ｂを示す分解斜視図である。半導体モジュール１Ｂは、上記実施の形態１に係る半導体モジュール１に、電極ケース５０と、制御基板５１とをさらに備える。

電極ケース５０は、台座部３の凹部２３内に配置されており、制御基板５１は電極ケース５０の上方に配置されている。

図６は、電極ケース５０を示す斜視図である。電極ケース５０は、環状に形成された本体樹脂５５と、本体樹脂５５に設けられた複数の制御端子５６および複数の電極端子５７とを含む。

本体樹脂５５は、樹脂などの絶縁材料によって形成されている。本体樹脂５５は、上面６０と、下面６１とを含む。本体樹脂５５には、上面６０から下面６１に達する中空部５８が形成されている。そして、本体樹脂５５は、外周面６２と、中空部５８によって形成された内周面６３とを含む。本体樹脂５５の上面６０には、複数のボス５９が形成されている。

各制御端子５６は、端部６５および端部６６を含む。端部６５は中空部５８内に位置している。制御端子５６は、端部６５から内周面６３に向けて延び、本体樹脂５５内において、上方に向けて屈曲するように曲げられている。そして、各制御端子５６は、上面６０から外部に突出すると共に上方に延びるように形成されている。

各電極端子５７は、端部６７および端部６８を含む。端部６７は中空部５８内に位置している。電極端子５７は、端部６７から内周面６３に向けて延び、本体樹脂５５内において、上方に向けて屈曲するように曲げられている。そして、各電極端子５７は、上面６０から外部に突出し、その後、水平方向に延びるように形成されている。

そして、図５において、制御端子５６の端部６５と、電極端子５７の端部６７は、ＩＧＢＴ４ＡまたはＦｗＤｉ４Ｂに電気的に接続されている。具体的には、制御端子５６および電極端子５７は、基板に形成された回路配線に接続されており、当該回路配線を通して、ＩＧＢＴ４ＡおよびＦｗＤｉ４Ｂに電気的に接続されている。

制御基板５１は、平板状に形成されている。制御基板５１には、複数の貫通孔５３と、複数のネジ孔５４とが形成されている。各貫通孔５３には、制御端子５６の端部６６側が挿入されている。そして、制御基板５１は、制御端子５６を通して、ＩＧＢＴ４ＡおよびＦｗＤｉ４Ｂのスイッチングを制御する制御信号を発信している。なお、電極端子５７の端部６８には、三相モータまたは昇圧コンバータなどに電気的に接続されている。

制御基板５１は、ネジ４０によって、電極ケース５０に固定されている。具体的には、ネジ４０は、ネジ孔５４およびボス５９に挿入されており、ボス５９の内表面に形成されたネジ溝に螺着している。

図７は、半導体モジュール１Ｂを示す断面図である。本体樹脂５５の上面６０は、台座部３の鍔部２０の上面と面一である。そして、本体樹脂５５の下面６１は、底板２２の載置面２５と対向するように配置されている。具体的には、下面６１は、載置面２５のうち、半導体素子４と周壁部２１との間に位置する部分に対向するように配置されている。環状に延びる外周面６２は、たとえば、２か所以上の箇所において、周壁部２１の内周面に接触している。この図７に示す例においては、外周面６２は略全周に亘って、周壁部２１の内周面に接触している。

本体樹脂５５の中空部５８内には、充填樹脂４９が充填されている。半導体素子４と、基板１９と、制御端子５６の一部と、電極端子５７の一部が充填樹脂４９によって覆われている。半導体素子４および基板１９が充填樹脂４９によって覆われているため、半導体素子４や基板１９に水や埃などの異物が付着することが抑制されている。

上記のように構成された半導体モジュール１Ｂにおいては、電極ケース５０の本体樹脂５５が凹部２３内に位置しており、本体樹脂５５が台座部３に装着されたとしても、半導体モジュール１Ｂの高さ寸法が大きくなることが抑制されている。

半導体モジュール１Ｂを製造する製造工程は、電極ケース５０を台座部３に位置合わせする位置合わせ工程と、電極ケース５０を台座部３に位置合わせさせた状態で固定する固定工程とを含む。

本実施の形態２においては、電極ケース５０の外周面６２が複数個所で周壁部２１の内周面と接触するため、位置合わせ工程において、電極ケース５０を凹部２３内に挿入することで、電極ケース５０を台座部３に位置合わせすることができる。このように、半導体モジュール１Ｂにおいては、位置合わせ工程が非常に簡単である。

そして、固定工程においては、電極ケース５０を凹部２３内に挿入した状態で、中空部５８内に充填樹脂４９を充填することで、電極ケース５０を台座部３に固定することができる。

なお、実施の形態２に係る半導体モジュール１Ｂは、半導体モジュール１と同様の構成を備えているため、半導体モジュール１Ｂも半導体モジュール１と同様の作用および効果を奏する。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ，１Ｂ 半導体モジュール、２ 冷媒ジャケット、３ 台座部、４ 半導体素子、６ 冷媒通路、７ 開口部、８ リング溝、９ リング、１０，６０ 上面、１１，６１ 下面、１２，１３ 側面、１４，１５ 端面、１６，１７，５４ ネジ孔、１８，４０ ネジ、１９ 基板、２０ 鍔部、２１ 周壁部、２２ 底板、２３ 凹部、２４ フィン突出部、２５ 置面、２６ 冷却面、２８，４９ 充填樹脂、３０ 天面、３１ 底面、３２，３３ 内側面、５０ 電極ケース、５１ 制御基板、５３ 貫通孔、５５ 本体樹脂、５６ 制御端子、５７ 電極端子、５８ 中空部、５９ ボス、６２ 外周面、６３ 内周面、６５，６６，６７，６８ 端部、Ｃ 冷媒、Ｌ 長手方向、Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２ 厚さ、Ｗ 幅方向。

Claims (4)

1. 冷媒が流通する冷媒通路と、外上表面から前記冷媒通路に達する開口部とが形成された冷媒ジャケットと、
   前記冷媒ジャケットに取り付けられ、前記開口部を閉塞するように設けられた台座部と、
   前記台座部に設けられた半導体素子と、
   を備え、
   前記台座部は、
   前記開口部内に位置する環状の周壁部と、
   前記周壁部に接続され前記開口部周りの前記外上表面を覆う環状の鍔部と、
   前記周壁部の前記冷媒通路側の端部に接続された底板と、
   前記底板から前記冷媒通路内に向けて突出すると共に、前記底板に形成されたフィン突起部とを含み、
   前記台座部には、前記周壁部および前記底板によって、前記開口部に向けて延びる凹部が形成されており、
   前記底板の厚みは前記鍔部の厚みより薄く、
   前記半導体素子は、前記凹部内において、前記底板に配置され、
   前記凹部内に挿入された電極モジュールをさらに備え、
   前記電極モジュールは、樹脂によって形成された本体樹脂部と、
   前記本体樹脂部に設けられると共に前記半導体素子に電気的に接続される端子とを含み、
   前記本体樹脂部は、前記半導体素子と、前記周壁部の内表面との間に配置され、
   前記フィン突起部は、アレイ状に配置され、前記フィン突起部の下部は、前記冷媒通路の底面に接している、半導体モジュール。
2. 前記底板のうち前記冷媒通路側に位置する冷却面は、前記冷媒通路の内表面と面一となるように形成された、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記電極モジュールの本体樹脂部が、前記凹部の内表面と接触することで、前記電極モジュールが前記台座部に対して位置決めされた、請求項１もしくは請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記凹部内に充填された充填樹脂をさらに備えた、請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体モジュール。

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