CN116417418A - 半导体装置和车辆 - Google Patents

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东展弘
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Abstract

本发明提供半导体装置和车辆。抑制金属粉末的产生，并且提高壳体和冷却器之间的定位精度。半导体装置(1)具备覆盖半导体元件(6)的周围的树脂部(3)和配置于半导体元件的下方的冷却器(10)。冷却器具有安装于树脂部的下表面的顶板(11)。树脂部具有自外周缘的下表面朝向下方突出的突起部(39)。突起部包括：第1直线部(39a)，其在俯视时沿规定方向延伸；以及第1弯曲部(39c)，其与第1直线部相连，以朝向远离第1直线部的方向凸出的方式弯曲。顶板具有能够与突起部卡合的缺口(15)。树脂部和顶板经由粘接剂(B)接合。

Description

半导体装置和车辆
技术领域
本发明涉及半导体装置和车辆。
背景技术
半导体模块具有设有IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)、功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)、FWD(Free Wheeling Diode：续流二极管)等半导体元件的基板，用于逆变器装置等。
在这种半导体装置中，例如在专利文献1～3中，在绝缘基板(也可以称为层叠基板)之上配置有半导体元件，在半导体元件的上表面电极配置有布线用的金属布线板(也可以称为端子连接部、引线框或外部电极)。半导体元件的周围被壳体包围，在壳体的下表面安装有冷却器(例如散热器)。
具体而言，在专利文献1中，在装置的外框底部设有突起部，该突起部插入于散热片的贯穿孔。在专利文献2中，在框体的底部设有突起，该突起插入于形成在散热器的配置面的插入孔。在专利文献3中，在框构件的底部设有凸形状的卡定部，该卡定部与电路基板的卡合部卡合。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭62－7145号公报
专利文献2：日本特开2014－123659号公报
专利文献3：日本特开2005－354118号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，为了将构成半导体模块的一部分的壳体与冷却器组合，需要进行位置对准。例如，如上所述，公开了如下结构：在壳体侧设置定位用的突起，在冷却器侧设置卡合用的孔或缺口，通过互相嵌合来实现定位。
然而，设想壳体侧的突起与冷却器侧的孔或缺口通常为金属材料彼此的卡合。在该情况下，在卡合时由于金属材料彼此摩擦而可能产生金属粉末。为了防止该情况，考虑充分地确保构件彼此之间的间隙，但从定位精度的观点来看，并不十分优选。
本发明即是鉴于上述问题而完成的，其目的之一在于，提供一种能够抑制金属粉末的产生并且能够提高壳体与冷却器之间的定位精度的半导体装置和车辆。
用于解决问题的方案
本发明的一技术方案为一种半导体装置，其中，该半导体装置具备：树脂部，其覆盖半导体元件的周围；以及冷却器，其配置于所述半导体元件的下方，所述冷却器具有安装于所述树脂部的下表面的顶板，所述树脂部具有自外周缘的下表面朝向下方突出的突起部，所述突起部包括：第1直线部，其在俯视时沿规定方向延伸；以及第1弯曲部，其与所述第1直线部相连，以朝向远离所述第1直线部的方向凸出的方式弯曲，所述顶板具有能够与所述突起部卡合的缺口，所述树脂部和所述顶板经由粘接剂接合。
发明的效果
根据本发明，能够抑制金属粉末的产生，并且能够提高壳体和冷却器之间的定位精度。
附图说明
图1是从上方观察的本实施方式的半导体装置的俯视图。
图2是省略了图1的密封树脂后的俯视图。
图3是着眼于图2的一个相的局部放大图。
图4是将图1所示的半导体装置沿着X－X线剖切开的剖视图。
图5是将图1所示的半导体装置沿着Y－Y线剖切开的剖视图。
图6是本实施方式的半导体装置的等效电路图。
图7是本实施方式的冷却器的示意性的立体图。
图8是图7所示的冷却器的示意性的分解立体图。
图9是本实施方式的半导体装置的后视图。
图10是图9的A部周边的放大图。
图11是图9的B部周边的放大图。
图12是变形例的半导体装置的与图4对应的剖视图。
图13是变形例的半导体装置的与图5对应的剖视图。
图14是变形例的半导体装置的与图10对应的局部放大图。
图15是另一变形例的半导体装置的俯视图。
图16是图15所示的半导体装置的剖视图。
图17是表示应用了本发明的半导体装置的车辆的一个例子的平面示意图。
附图标记说明
1、半导体模块；2、半导体单元；3、壳体(树脂部、树脂壳体)；3a、开口部；4、密封树脂(树脂部)；5、层叠基板；6、半导体元件；7、金属布线板；10、冷却器；10a、凹部；11、顶板；11a、贯通孔；11b、圆筒部；12、底板；12a、贯通孔；12b、导入口；12c、排出口；13、散热片；14、周壁部；15、缺口、第2缺口；15a、直线部(第2直线部)；15b、直线部(第2直线部)；15c、圆弧部(第2弯曲部)；30、侧壁；30a、裙部；31、侧壁；31a、台阶部；31b、裙部；32、分隔壁；33、凹部；34、凹部；35、凹部；36、柱部；37、定位销；38、贯通孔；39、突起部；39a、直线部(第1直线部)；39b、直线部(第1直线部)；39c、圆弧部(第1弯曲部)；39d、倾斜面；50、绝缘板；51、散热板；52、布线板；60、主电极；61、控制电极；70、第1接合部；71、第2接合部；72、连结部；80、P端子；80a、螺母部；80b、板状部；80c、螺纹孔；81、N端子；81a、螺母部；81b、板状部；81c、螺纹孔；82、M端子；82a、螺母部；82b、板状部；82c、螺纹孔；83、控制端子；90、金属布线板；91、模制树脂(树脂部)；100、半导体装置；101、车辆；102、车轮；103、驱动部；104、控制装置；B、粘接剂；D1、间隙；D2、间隙；E、台阶；W、布线构件。
具体实施方式
以下，说明能够应用本发明的半导体装置。图1是从上方观察本实施方式的半导体装置的俯视图。图2是省略了图1的密封树脂后的俯视图。图3是着眼于图2的一个相的局部放大图。图4是将图1所示的半导体装置沿着X－X线剖切开的剖视图。图5是将图1所示的半导体装置沿着Y－Y线剖切开的剖视图。图6是本实施方式的半导体装置的等效电路图。
另外，在以下的图中，将半导体模块(冷却器或金属布线板)的长度方向定义为X方向，将半导体模块(冷却器或金属布线板)的宽度方向定义为Y方向，将高度方向(基板的厚度方向)定义为Z方向。另外，半导体模块的长度方向表示多个布线板排列的方向。图示的X、Y、Z的各轴互相正交，构成右手系。另外，根据情况的不同，有时将X方向称为左右方向，将Y方向称为前后方向，将Z方向称为上下方向。而且，有时将+Z朝向称为上方，将－Z朝向称为下方。另外，有时将+Z侧的位置称为较高的位置，将－Z侧的位置称为较低的位置。这些方向(前后左右上下方向)和高低是为了便于说明而使用的用语，根据半导体模块的安装姿势的不同，XYZ方向彼此之间的对应关系有时会产生变化。例如，会将半导体模块的散热面侧(冷却器侧)称为下表面侧，将其相反侧称为上表面侧。另外，在本说明书中，俯视是指从Z方向观察半导体模块的上表面或下表面的情况。另外，各附图中的纵横比、各构件彼此之间的大小关系仅是由示意图进行表示，因此未必一致。为了便于说明，还假定夸张地表现各构件彼此的大小关系的情况。
本实施方式的半导体装置100例如应用于工业用或车载用马达的逆变器等电力转换装置。如图1至图5所示，半导体装置100是在冷却器10的上表面配置半导体模块1而构成的。此外，相对于半导体模块1，冷却器10是任意的结构。
冷却器10将半导体模块1的热向外部放出，形成为俯视矩形形状。此外，冷却器10的详细结构在之后叙述。
半导体模块1包括多个(在本实施方式中为3个)半导体单元2、收纳多个半导体单元2的壳体3、注入到壳体3内的密封树脂4。
半导体单元2包括层叠基板5和配置于层叠基板5上的半导体元件6。在本实施方式中，3个半导体单元2在X方向上排列配置。3个半导体单元2例如从X方向正侧起构成U相、V相、W相，整体形成三相逆变电路。此外，半导体单元2也可以被称为功率单元。
层叠基板5例如由DCB(Direct Copper Bonding)基板、AMB(Active MetalBrazing)基板、或者金属基底基板构成。层叠基板5是将绝缘板50、散热板51和多个布线板52层叠而构成的，整体形成为俯视矩形形状。
具体而言，绝缘板50由具有上表面和下表面的板状体形成，具有在X方向上较长的俯视矩形形状。绝缘板50例如可以由氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)与氧化锆(ZrO2)等陶瓷材料形成。
另外，绝缘板50例如可以由环氧树脂、聚酰亚胺树脂等热固化性树脂、或者在热固化性树脂中使用玻璃、陶瓷材料作为填料的复合材料形成。绝缘板50优选具有挠性，例如可以由包含热固化性树脂的材料形成。此外，绝缘板50也可以被称为绝缘层或绝缘膜。
散热板51在Z方向上具有规定的厚度，具有在Y方向上较长的俯视矩形形状。散热板51例如由铜、铝等导热性良好的金属板形成。散热板51配置于绝缘板50的下表面。散热板51的下表面是相对于半导体模块1的安装对象即冷却器10而言的被安装面，并且也作为用于释放半导体模块1的热的散热面(散热区域)发挥功能。散热板51经由焊料等接合材料(未图示)与冷却器10的上表面接合。散热板51也可以经由导热脂、导热混合物等导热材料而配置于冷却器10的上表面。
多个布线板52(在本实施方式中为3个)分别具有规定的厚度，形成为电独立的岛状(例如俯视矩形形状)。3个布线板52配置于绝缘板50的上表面。此外，布线板52的形状、个数、配置部位等并不限定于此，能够适当变更。这些布线板52例如可以由铜、铝等导热性良好的金属板形成。布线板52也可以被称为电路层或电路图案。
在规定的布线板52的上表面经由焊料等接合材料(未图示)配置有半导体元件6。接合材料只要是具有导电性的材料即可，例如可以是焊料或金属烧结材料。半导体元件6例如由硅(Si)等的半导体基板形成为俯视矩形形状。
另外，半导体元件6除了上述的硅以外，也可以由利用碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)以及金刚石等的宽带隙半导体基板形成的宽带隙半导体元件(也可以称为宽隙半导体元件)构成。
半导体元件6也可以使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)、功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)等开关元件、FWD(Free Wheeling Diode：续流二极管)等二极管。
在本实施方式中，半导体元件6由将IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)元件和FWD(Free Wheeling Diode)元件的功能一体化的RC(Reverse Conducting)-IGBT元件构成(例如参照图9)。
此外，半导体元件6并不限定于此，也可以将上述的开关元件、二极管等组合而构成。例如，IGBT元件和FWD元件也可以单独地构成。另外，作为半导体元件6，也可以使用相对于反偏压具有充分的耐压的RB(Reverse Blocking：逆阻型)-IGBT等。
另外，半导体元件6的形状、配置数量、配置部位等能够适当变更。例如，在本实施方式中，针对一个相配置有两个半导体元件6。另外，如图6所示，也可以是，在两个半导体元件6中，一个半导体元件6构成上臂，另一个半导体元件6构成下臂。
这样构成的半导体元件6在XY面具有上表面和下表面，在各个面形成有电极。例如，在半导体元件6的上表面形成有主电极60和控制电极61，在半导体元件6的下表面也形成有主电极(未图示)。上表面的主电极60和下表面的主电极是供主电流流过的电极，形成为具有表示半导体元件6的上表面的大部分的面积的俯视矩形形状。另一方面，控制电极61形成为与主电极60相比足够小的俯视矩形形状。例如，在本实施方式中，多个(5个)控制电极61偏向半导体元件6的一边侧地排列配置。此外，各电极的配置并不限定于此，能够适当变更。
例如，在半导体元件6是MOSFET元件的情况下，上表面侧的主电极也可以被称为源电极，下表面侧的主电极也可以被称为漏电极。另外，在半导体元件6是IGBT元件的情况下，上表面侧的主电极也可以被称为发射极电极，下表面侧的主电极也可以被称为集电极电极。
另外，控制电极61可以包括栅电极。栅电极是用于控制用来接通和断开主电流的栅极的电极。另外，控制电极61也可以包括辅助电极。例如，辅助电极可以是与上表面侧的主电极电连接且成为相对于栅极电位的基准电位的辅助源极电极或者辅助发射极电极。另外，辅助电极也可以是测量半导体元件的温度的温度传感器电极。这样的形成于半导体元件6的上表面的电极(主电极60和控制电极61)也可以统一被称为上表面电极，形成于半导体元件6的下表面的电极也可以被称为下表面电极。
另外，本实施方式中的半导体元件6既可以是在半导体基板沿厚度方向形成有晶体管那样的功能元件的、所谓的纵型的开关元件，另外，也可以是沿面方向形成有这些功能元件的横型的开关元件。
半导体元件6的上表面(主电极60)和其他布线板52的上表面利用金属布线板7电连接。金属布线板7构成主电流布线构件，作为在半导体模块1内流动的主电流的路径(主电流路径)的一部分发挥功能。
金属布线板7由具有上表面和下表面的板状体构成。金属布线板7例如由铜、铜合金、铝合金、铁合金等金属形成。金属布线板7例如利用冲压加工而形成为规定的形状。此外，以下所示的金属布线板7的形状仅表示一个例子，能够适当变更。另外，金属布线板7也可以被称为引线框。
本实施方式的金属布线板7具有侧视时多次弯曲的曲柄形状。具体而言，金属布线板7构成为包括第1接合部70、第2接合部71和连结部72。第1接合部70经由接合材料(未图示)接合于半导体元件6的上表面。第2接合部71经由接合材料(未图示)接合于其他布线板52的上表面。接合材料只要是具有导电性的材料即可，例如可以是焊料或金属烧结材料。连结部72连结第1接合部70和第2接合部71。
此外，上述的金属布线板7的形状、个数、配置部位等仅是一个例子，并不限定于此，能够适当变更。在本实施方式中，可以由上述半导体元件6、金属布线板7以及后述的主端子等形成例如图6所示的逆变电路，详情在之后叙述。
层叠基板5、半导体元件6以及金属布线板7的周围被壳体3包围。壳体3具有俯视呈四边环状的筒形状或框形状。壳体3例如由热塑性树脂形成。热塑性树脂例如可举出聚苯硫醚(PPS)树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)树脂、聚琥珀酸丁二醇酯(PBS)树脂、聚酰胺(PA)树脂、聚醚醚酮(PEEK)树脂、或丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)树脂。树脂中可以混入用于提高强度和/或功能性的无机填料。壳体3使用这样的热塑性树脂，利用注射成型而成型。壳体3也可以被称为树脂壳体或树脂部。
另外，向由壳体3规定的内部空间填充密封树脂4。密封树脂4可以填充到其上表面到达壳体3的上端为止。由此，配置于壳体3内的各种构成部件(3个半导体单元2(层叠基板5和半导体元件6)、金属布线板7以及布线构件W等)被密封。
密封树脂4例如可以由热固化性树脂构成。密封树脂4优选至少包含环氧树脂、硅酮树脂、酚醛树脂、三聚氰胺树脂中的任一者。例如从绝缘性、耐热性以及散热性的方面考虑，密封树脂4优选为混入有无机填料的环氧树脂。
壳体3形成为在中央具有开口部3a的矩形框状。更具体而言，壳体3具有在X方向上相对的一对侧壁30和在Y方向上相对的一对侧壁31，将各个侧壁的端部连结而形成为矩形框状。一对侧壁31长于一对侧壁30。
另外，一对侧壁31由在Y方向上延伸的两个分隔壁32连结。由此，壳体3的内侧空间被分隔成在X方向上排列的3个空间。在各空间收纳半导体单元2和金属布线板7。即，3个半导体单元2和金属布线板7收纳于由框状的壳体3划定的空间。壳体3的下端经由粘接剂B粘接于冷却器10(后述的顶板11)的上表面。粘接剂B优选为例如环氧系、有机硅系的粘接剂。壳体3的详细构造在之后叙述。
在壳体3设有外部连接用的主端子(P端子80、N端子81、M端子82)和控制用的控制端子83。在壳体3的宽度方向(Y方向)上相对的一对侧壁31中，位于Y方向负侧的侧壁31形成有俯视四边形状的凹部33、34。
在凹部33配置有P端子80(后述的螺母部80a)。针对一个相各配置有一个P端子80。P端子80的端部(后述的板状部80b的前端)经由焊料等接合材料与规定的布线板52连接。
P端子80通过将螺母部80a和板状部80b一体成型或连结而形成。螺母部80a由规定厚度的四角螺母形成。螺母部80a在中央形成有沿厚度方向贯通的螺纹孔80c。螺母部80a设于板状部80b的一端(基端)侧。
板状部80b具有包括上表面和下表面的平板形状。板状部80b具有俯视时在Y方向上较长的长条形状。另外，板状部80b的另一端(前端)经由接合材料(未图示)与规定的布线板52接合。
同样地，在凹部34配置有N端子81(后述的螺母部81a)。针对一个相各配置有一个N端子81。N端子81的端部(板状部81b的前端)经由焊料等接合材料与规定的布线板52连接。
N端子81通过将螺母部81a和板状部81b一体成型或连结而形成。螺母部81a由规定厚度的四角螺母形成。螺母部81a在中央形成有沿厚度方向贯通的螺纹孔81c。螺母部81a设于板状部81b的一端(基端)侧。
板状部81b具有包括上表面和下表面的平板形状。板状部81b具有俯视时在Y方向上较长的长条形状。另外，板状部81b的另一端(前端)经由接合材料(未图示)与规定的布线板52接合。
另外，在壳体3的宽度方向(Y方向)上相对的一对侧壁31中，在Y方向正侧的侧壁31形成有俯视四边形状的凹部35。在凹部35配置有M端子82(后述的螺母部82a)。针对一个相各配置有一个M端子82。M端子82的端部(板状部82b的前端)经由焊料等接合材料与规定的布线板52连接。
M端子82通过将螺母部82a和板状部82b一体成型或连结而形成。螺母部82a由规定厚度的四角螺母形成。螺母部82a在中央形成有沿厚度方向贯通的螺纹孔82c。螺母部82a设于板状部82b的一端(基端)侧。
板状部82b具有包括上表面和下表面的平板形状。板状部82b具有俯视时在Y方向上较长的长条形状。另外，板状部82b的另一端(前端)经由接合材料(未图示)与规定的布线板52接合。
上述的P端子80也可以被称为正极端子(输入端子)，N端子81也可以被称为负极端子(输出端子)，M端子82也可以被称为中间端子(输出端子)。这些端子构成供主电流流过的金属布线板。P端子80、N端子81以及M端子82的一端构成能够与外部导体连接的主端子。如上所述，P端子80、N端子81以及M端子82各自的一端分别经由接合材料(未图示)与规定的布线板52接合。另外，P端子80、N端子81、M端子82对应于图6的P、N、M。
这些主端子例如由铜材料、铜合金系材料、铝合金系材料、铁合金系材料等金属材料形成。此外，这些端子的形状、配置部位、个数等不限定于上述的形状、配置部位、个数等，能够适当变更。
另外，在Y方向正侧的侧壁的上表面形成有向Z方向垂直地突出的一对柱部36。柱部36具有沿着开口部3a俯视时在X方向上较长的长条形状。针对一个相配置有两个柱部36，柱部36在X方向上排列。另外，在柱部36的内侧(Y方向负侧)，以沿着开口部3a的方式形成有相对于侧壁31的上表面下降一级的台阶部31a。
在柱部36埋入有多个控制端子83。相对于一个柱部36埋入有5个控制端子83。控制端子83的一端自柱部36的上表面突出并向Z方向上方延伸。控制端子83的另一端在台阶部31a的上表面露出。针对一个半导体元件6配置有5个控制端子83，针对一个相配置有10个控制端子83。这些控制端子83与控制电极61对应地设置。此外，控制端子83的配置数量并不限定于此，能够适当变更。
控制端子83例如由铜材料、铜合金系材料、铝合金系材料、铁合金系材料等金属材料形成。控制端子83以埋入于壳体3的方式一体成型(嵌入成型)。
另外，在侧壁30的上表面设有沿着Z方向延伸的定位销37。定位销37在X方向负侧的侧壁30的上表面与柱部36相邻地设于柱部36的X方向负侧。另外，定位销37在X方向正侧的侧壁30的上表面也与柱部36相邻地设于柱部36的X方向正侧。
这两个定位销37例如由金属材料形成。两个定位销37作为安装未图示的控制基板时的定位用销发挥功能。
另外，在壳体3，沿着外周缘形成有多个贯通孔38。贯通孔38是用于供半导体装置100的固定用螺钉(未图示)贯穿的孔。贯通孔38贯通至冷却器10。
对应的控制电极61和控制端子83利用布线构件W电连接。布线构件W使用导电电线(接合线)。导电电线的材质可以使用金、铜、铝、金合金、铜合金、铝合金中的任一者或它们的组合。另外，作为布线构件，也能够使用导电电线以外的构件。例如，能够使用带作为布线构件。
接着，参照图7至图9对冷却器的详细构造进行说明。图7是本实施方式的冷却器的示意性立体图。图8是图7所示的冷却器的示意性分解立体图。图9是本实施方式的半导体装置的后视图。此外，在图8中，为了便于说明，用长方体表示多个散热片。
如图7至图9所示，冷却器10形成为将顶板11与底板12接合而一体化的箱型。冷却器10由散热性良好的金属形成。冷却器10例如可以由铝、铝合金、铜、铜合金形成。
顶板11具有俯视矩形形状，由规定厚度的板状体形成。顶板11的外形对应于壳体3的外形。顶板11的长度方向沿半导体装置100的左右方向(X方向)延伸，顶板11的宽度方向沿半导体装置100的前后方向(Y方向)延伸。顶板11具有一个面(下表面)和另一面(上表面)。一个面形成释放半导体元件6的热的散热面。另一面形成相对于层叠基板5而言的接合面。
在顶板11的下表面设有多个散热片13。多个散热片13沿着顶板11的长度方向配置。更具体而言，多个散热片13配置于与3个半导体单元2的正下方对应的部位。
例如，散热片13能够使用将多个棱柱形状的销(方销)空开间隔地以规定间距排列而成的销状散热片。多个散热片13例如可以由与顶板11相同的金属材料形成。多个散热片13可以与顶板11一体地设置，也可以利用例如钎焊、嵌设、切削加工或者塑性加工而设于顶板11。
另外，在顶板11的下表面设有包围多个散热片13的外周的周壁部14。周壁部14自底板12的上表面向Z方向正侧突出规定高度。另外，周壁部14形成为比由多个散热片13形成的集合体的外形大的框状。此外，周壁部14的突出高度优选与散热片13的突出高度相等。周壁部14可以与顶板11一体地设置。顶板11也可以被称为冷却壳体。
另外，在顶板11沿着外周缘形成有多个贯通孔11a。贯通孔11a与形成于壳体3的贯通孔38对应地配置。另外，在顶板11的四角也可以设有与散热片13和周壁部14相同的突出高度的圆筒部11b。
底板12具有形状与顶板11相同的俯视矩形形状，空开与周壁部14的高度相应的量的间隙地相对配置于顶板11的正下方。底板12优选由与顶板11相同材料的铝合金形成。在底板12上沿着外周缘形成有多个贯通孔12a。贯通孔12a与形成于壳体3的贯通孔38以及形成于顶板11的贯通孔11a对应地配置。即，贯通孔38、11a、12a以俯视时重叠的方式配置。
顶板11通过进行钎焊等而与上述的周壁部14和多个散热片13的前端(下端)接合。由此，冷却壳体的下方开口被堵塞。这样，利用由顶板11、底板12、多个散热片13以及周壁部14围成的空间，形成制冷剂的流路。制冷剂例如使用冷却水，其物理属性能够适当变更。
另外，在底板12的规定部位形成有制冷剂相对于冷却器10的导入口12b和排出口12c。导入口12b和排出口12c由在厚度方向上贯通底板12的贯通孔形成。具体而言，导入口12b和排出口12c以在Y方向上隔着多个散热片13倾斜地相对的方式配置。
另外，导入口12b和排出口12c具有俯视时在X方向上较长的长孔形状。例如，导入口12b和排出口12c的形状成为冷却器10的宽度方向侧较短、长度方向侧较长的长圆形状。此外，导入口12b和排出口12c的形状和配置部位并不限定于此，能够适当变更。
另外，半导体模块1和冷却器10使用粘接剂等互相结合。在该情况下，在将半导体模块1与冷却器10组合时，重点在于壳体3与冷却器10(顶板11)之间的位置对准。例如，以往，通过使一体成型于壳体3侧的柱状的金属部件(定位销)与形成于冷却器10侧的孔或缺口嵌合，来实现互相的位置对准。
然而，为了确保刚性，壳体3侧的定位销大多由金属材料形成。另外，从冷却性能的观点出发，冷却器10采用导热性良好的金属材料。因此，在互相进行定位时，有可能因金属材料彼此摩擦而产生金属粉末。特别是，金属粉末对配置于周围的电气布线、电气设备而言可能成为短路的原因。另外，若金属粉末混入于冷却器10内，则内部的制冷剂流路被污损而可能成为生锈等的主要原因。
另一方面，为了防止金属材料彼此的接触，考虑充分地确保金属材料彼此的间隙。然而，若过于确保间隙，则无法充分地发挥本来的定位的功能，而可能产生无法充分地确保作为装置整体的定位精度的问题。
因此，本申请发明人等以抑制金属粉末的产生并且提高壳体3和冷却器10之间的定位精度为目的，着眼于壳体3和冷却器10的材料而想到了本发明。例如，在本实施方式中，在壳体3侧设置由与壳体主体相同的材料(树脂材料)形成的突起部39，使该突起部与设于冷却器10侧的缺口15嵌合，从而实现壳体3与冷却器10之间的定位。突起部例如可以是热塑性树脂。或者，突起部也可以是热固化性树脂。而且，突起部可以在树脂中混入有无机填料。突起部也可以与壳体主体一体化地形成。由此，不会产生金属粉末，能够高精度地进行壳体3与冷却器10之间的定位。
在此，参照图9至图11，对本实施方式的半导体装置的详细构造进行说明。图10A是图9的A部周边的放大图，图10B是从图10A的箭头A1观察的侧视图。同样地，图11A是图9的B部周边的放大图，图11B是从图11A的箭头B1观察的侧视图。
如图9至图11所示，在本实施方式中，在壳体3形成有自形成矩形框的侧壁30的底面朝向下方突出的突起部39。特别是如图10A所示，突起部39具有在X方向上较长的俯视扁平形状。具体而言，突起部39包括俯视时自侧壁30的外侧面沿垂直方向(X方向)延伸的一对直线部39a、39b和与直线部39a、39b相连且呈圆弧状弯曲的圆弧部39c。
即，突起部39可以包括具有直线部39a和圆弧部39c的俯视字母J形状的部分。圆弧部39c可以是半圆形状。直线部39a的长度可以长于圆弧部39c的直径。
更具体而言，突起部39将互相相对的一对直线部39a、39b与圆弧部39c的两端相连而具有俯视字母U形状。即，突起部39可以具有包括互相平行的两个直线部39a、39b和在它们之间相连的半圆状的圆弧部39c的字母U形状。此外，圆弧部39c并不限定于圆弧状，只要包括以朝向远离直线部39a、39b的方向(模块的内侧)凸出的方式弯曲的部分，则可以是任意形状。圆弧部39c也可以被称为弯曲部。
另外，与突起部39对应地，在顶板11形成有能够与该突起部39卡合的缺口15。缺口15具有俯视时相对于突起部39形成规定的间隙D1的互补形状。具体而言，缺口15包括俯视时自顶板11的外侧面沿垂直方向(X方向)延伸的一对直线部15a、15b和与直线部15a、15b相连且呈圆弧状弯曲的圆弧部15c。
圆弧部15c可以是半圆形状。即，缺口15可以包括具有直线部15a和圆弧部15c的字母J形状的部分。而且，缺口15具有：直线部15a，其相对于突起部39的直线部39a形成规定的间隙D1并平行地延伸；直线部15b，其相对于直线部39b形成规定的间隙D1并平行地延伸；以及圆弧部15c，相对于突起部39的圆弧部39c形成规定的间隙D1并呈同心圆地延伸。圆弧部15c可以是半圆形状。
更具体而言，缺口15将互相相对的一对直线部15a、15b与圆弧部15c的两端相连而具有俯视字母U形状。即，缺口15可以具有包括互相平行的两个直线部15a、15b和在它们之间相连的半圆状的圆弧部15c的字母U形状。另外，Y方向正侧的直线部15a可以在X方向上长于Y方向负侧的直线部15b。
直线部15a与直线部39a空开规定的间隙D1地相对。直线部15b与直线部39b空开规定的间隙D1地相对。两个直线部15a、15b也可以被称为第2直线部。圆弧部15c与圆弧部39c空开规定的间隙D1地相对。此外，圆弧部15c并不限定于圆弧状，只要包括以朝向远离直线部15a、15b的方向(模块的内侧)凸出的方式弯曲的部分，就可以是任意形状。圆弧部15c也可以被称为弯曲部(第2弯曲部)。
突起部39与缺口15之间的规定的间隙D1例如可以是0以上且是半导体模块1的长边方向(X方向)上的长度的0.2％以下。更优选的是，可以大于0且是半导体模块1的长边方向(X方向)上的长度的0.1％以下。
在本实施方式中，通过使树脂制的突起部39与金属制的缺口15嵌合来进行壳体3与冷却器10之间的定位，从而与金属材料彼此的嵌合相比难以产生金属粉末。因此，与以往的金属材料彼此的嵌合相比，能够更严格地设定突起部39与缺口15之间的间隙D1。由此，能够提高壳体3与冷却器10之间的定位精度。
另外，突起部39具备圆弧部39c，缺口15具备圆弧部15c，由此，通过以各个圆弧部39c、15c的圆的中心为基准点进行嵌合，能够高精度地实现壳体3和冷却器10的XY平面方向上的定位。突起部39具备直线部39a，缺口15具备直线部15a，由此，在突起部39与缺口15卡合时，直线部39a的侧面与直线部15a的侧面接触，从而限制壳体3和冷却器10的绕Z轴的相对旋转。即，利用单一的突起部39，能够高精度地实现XY平面方向和绕Z轴的定位。
另外，如图10B所示，突起部39的前端比顶板11的下表面向下方(-Z方向)突出。由此，壳体3与冷却器10(顶板11)能够适当地嵌合。另外，突起部39的前端位于比底板12的下表面靠上方(+Z方向)的位置。即，突起部39的前端不比底板12的下表面向下方(-Z方向)突出。由此，在将外部设备组装于底板12的下方时，突起部39不会造成妨碍。
而且，在突起部39的前端形成有前端变细的倾斜面39d(也可以称为锥面或倒角)。这样，突起部39的前端变得尖细，由此，即使在突起部39与缺口15嵌合(卡合)时存在些许的位置偏移，该倾斜面39d也能成为引导面，而使壳体3与冷却器10(顶板11)能够适当地嵌合。
另外，如图4、图5以及图9所示，壳体3具有沿着侧壁30、31的外侧面向下方以规定厚度延伸的裙部30a、31b。裙部30a、31b覆盖顶板11的外侧面的至少一部分。特别是如图9所示，裙部30a、31b沿着冷却器10的边在规定方向(X方向或Y方向)上延伸。另外，冷却器10(顶板11和/或底板12)的侧面在与裙部30a、31b对应的部位向内侧凹陷。
更具体而言，如上所述，在冷却器10形成有用于紧固外部设备的贯通孔11a、12a。在冷却器10中，俯视时，贯通孔11a、12a的周围向外侧突出，在贯通孔11a、12a与贯通孔11a、12a之间的侧面形成有向内侧凹陷的凹部10a。上述的裙部30a、31b形成于贯通孔38与贯通孔38之间的侧壁(与凹部10a对应的部位)，未形成于贯通孔38的周围的侧壁。这样一来，就能够在对外部设备进行紧固时确保强度，抑制半导体装置100的破损。此外，凹部10a也可以形成于顶板11的侧面、底板12的侧面中的任一者或两者。
另外，如图10所示，X方向正侧的裙部30a具有与突起部39相连的部分。具体而言，裙部30a自突起部39的直线部39b的外侧面侧的端部呈直角地延伸。即，在裙部30a的一端，自裙部30a相连地以朝向内侧(在图10中为X方向负侧)延伸的方式形成有突起部39。突起部39的前端比裙部30a的下端向下方突出。而且，裙部30a的下端位于比顶板11的下表面高的位置(+Z侧的位置)。即，裙部30a的下端不比顶板11的下表面向下方突出。
另外，在裙部30a与冷却器10(顶板11)的侧面之间形成有间隙D2。而且，在该间隙D2存在有粘接剂B。间隙D2大于突起部39与缺口15之间的间隙D1。裙部30a与冷却器10(顶板11)之间的间隙D2例如可以是间隙D1的1.2倍以上且10倍以下。更优选的是，可以是间隙D1的1.5倍以上且5.0倍以下。
通过裙部30a覆盖顶板11的外侧面，能够防止壳体3与顶板11之间的粘接剂B自壳体3的外表面溢出。而且，能够在裙部30a与冷却器10之间的间隙D2贮存剩余的粘接剂B。即，裙部30a、31b作为限制粘接剂B的流动的壁发挥功能。另外，裙部30a的下端不比顶板11的下表面向下方突出，从而能够在处理冷却器10的侧部时抑制裙部30a破损。
另外，缺口15形成于冷却器10的向内侧凹陷的部分(凹部10a)的端部。特别是如图10A(后述的图11A和图14A也同样)所示，在缺口15的部位(形成有缺口15的部位)处，在冷却器10的侧面设有台阶E。即，在冷却器10的未形成凹部10a的侧面与凹部10a的侧面之间设有在X方向上错开的台阶E。
另外，在本实施方式中，不仅在顶板11形成有缺口15，在底板12也形成有缺口15。底板12的缺口15以相同形状形成于与顶板11的缺口15的正下方对应的部位。底板12的缺口15也可以被称为第2缺口。另外，突起部39的前端可以位于比顶板11的下表面靠下方且比底板12的上表面靠上方的位置。即，突起部39可以与顶板11的缺口15卡合，而不与底板12的缺口15卡合。因此，例如，在连接外部设备时，通过将外部设备的定位引导件与底板12的缺口15(第2缺口)卡合，能够对半导体模块1和外部设备进行定位。
底板12的缺口15用于在冷却器10的组装时使顶板11与底板12位置对准。即，通过以顶板11的缺口15与底板12的缺口15在俯视时重叠的方式配置，能够高精度地对顶板11和底板12进行定位。因此，突起部39也可以不与底板12的缺口15卡合。另外，这样，本实施方式的缺口15不仅用于壳体3与冷却器10的定位，还用于冷却器10自身的组装(顶板11和底板12的组装)时的定位。
如上所述，顶板11与壳体3对应地具有俯视矩形形状，缺口15分别形成于顶板11的在长度方向上相对的一对侧面。而且，顶板11(底板12)的缺口15配置为Y轴对称(在X方向上配置于同一部位)。
另一方面，壳体3侧的突起部39仅形成于在长度方向上相对的一对侧壁30中靠一侧(X方向正侧)的侧壁30。这是因为，如上所述，突起部39具有在X方向上较长的扁平形状，从而能够以单体进行XY平面方向和绕Z轴的定位。
关于这一点，如图11A和图11B所示，在另一侧的侧壁30侧形成有缺口15，而未形成突起部39。因此，例如，在连接外部设备时，通过将外部设备的定位引导件与另一侧的侧壁30侧的缺口15卡合，从而能够对半导体模块1和外部设备进行定位。并且，设于另一侧的侧壁30的裙部30a的端部设于侧视时与缺口15重叠的位置。通过缺口15的一部分被裙部30a覆盖，从而在B部周边也能够防止粘接剂B溢出。
如以上说明的那样，根据本实施方式，通过使树脂制的突起部39与金属制的缺口15嵌合，能够抑制金属粉末的产生，并且能够提高壳体3与冷却器10之间的定位精度。
接着，参照图12至图16对变形例进行说明。图12是变形例的半导体装置的与图4对应的剖视图。图13是变形例的半导体装置的与图5对应的剖视图。图14是变形例的半导体装置的与图10对应的局部放大图。图15是其他变形例的半导体装置的俯视图。图16是图15所示的半导体装置的剖视图。
在上述实施方式中，对冷却器10由将顶板11与底板12接合而形成的封闭式冷却器构成的情况进行了说明，但并不限定于该结构，能够适当变更。例如，如图12至图14所示，也可以由省略底板12而使多个散热片13向外部露出的开放式的冷却器10构成。在该情况下，如图14所示，突起部39的前端优选位于比顶板11的下表面高的位置(+Z侧的位置)。即，突起部39的前端留在顶板11的厚度方向上的内部，不比顶板11的下表面向下方突出。这样一来，在组装覆盖多个散热片的罩时，突起部39的前端不会妨碍。
另外，在上述实施方式中，对半导体模块1具备预先成型为框状的壳体3的情况进行了说明，但并不限定于该结构。例如，也可以是图15、图16所示的结构。图15、图16所示的半导体模块1是全模类型的模块，不具有层叠基板5。相替代地，在半导体元件6的上表面和下表面分别接合有独立的金属布线板90。即，半导体元件6被夹在至少两个金属布线板90之间。另外，半导体元件6和金属布线板90、其他的控制端子83、布线构件W被模制树脂91覆盖、密封。即，模制树脂91发挥壳体3和密封树脂4的作用。在该情况下，可以在模制树脂91形成上述的突起部39和裙部30a、31b。模制树脂91例如利用传递成型而形成。模制树脂91也可以被称为树脂部。
参照图17，对应用了本发明的车辆进行说明。图17是表示应用了本发明的半导体装置的车辆的一个例子的平面示意图。图17所示的车辆101例如由具备4个车轮102的四轮车构成。车辆101例如也可以是利用马达等驱动车轮的电动汽车、除马达以外还使用了内燃机的动力的混合动力车。
车辆101具备对车轮102赋予动力的驱动部103和控制驱动部103的控制装置104。驱动部103例如可以由发动机、马达、发动机和马达的混合动力中的至少一者构成。
控制装置104实施上述的驱动部103的控制(例如电力控制)。控制装置104具备上述的半导体装置100。半导体装置100可以构成为实施对驱动部103的电力控制。
另外，在上述实施方式中，半导体元件6的个数和配置部位并不限定于上述结构，能够适当变更。
另外，在上述实施方式中，布线板的个数和布局并不限定于上述结构，能够适当变更。
另外，在上述实施方式中，设为层叠基板5、半导体元件6形成为俯视矩形形状或方形形状的结构，但并不限定于该结构。这些结构也可以形成为上述以外的多边形状。
另外，对本实施方式和变形例进行了说明，但作为其他实施方式，也可以将上述实施方式和变形例整体或部分地组合。
另外，本实施方式并不限定于上述的实施方式和变形例，也可以在不脱离技术思想的主旨的范围内进行各种变更、置换、变形。而且，如果由于技术的进步或派生的其他技术而能够以其他方式实现技术思想，则也可以使用该方法来实施。因而，权利要求书涵盖了能够包含在技术思想的范围内的所有实施方式。
以下，对上述实施方式中的特征点进行整理。
上述实施方式的半导体装置具备：树脂部，其覆盖半导体元件的周围；以及冷却器，其配置于所述半导体元件的下方，所述冷却器具有安装于所述树脂部的下表面的顶板，所述树脂部具有自外周缘的下表面朝向下方突出的突起部，所述突起部包括：第1直线部，其在俯视时沿规定方向延伸；以及第1弯曲部，其与所述第1直线部相连，以朝向远离所述第1直线部的方向凸出的方式弯曲，所述顶板具有能够与所述突起部卡合的缺口，所述树脂部和所述顶板经由粘接剂接合。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，所述树脂部包括矩形框状的树脂壳体，该树脂壳体收纳所述半导体元件，所述突起部自所述树脂壳体的形成矩形框的侧壁的底面朝向下方突出，所述树脂壳体的底面和所述顶板的上表面经由所述粘接剂接合。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，所述突起部通过使互相相对的一对所述第1直线部与圆弧状的所述第1弯曲部的两端相连而具有俯视字母U形状。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，所述缺口具有俯视时相对于所述突起部形成规定间隙的互补形状。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，所述缺口通过使与所述第1直线部空开规定间隙地相对的第2直线部和与所述第1弯曲部空开规定间隙地相对的第2弯曲部相连而形成。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，所述突起部设于所述树脂部的侧缘部，所述缺口设于所述顶板的侧缘部。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，所述突起部的前端比所述顶板的下表面向下方突出。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，所述突起部的前端位于高于所述顶板的下表面的位置。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，所述树脂部还具有裙部，该裙部沿着侧壁的外侧面向下方以规定厚度延伸，所述裙部覆盖了所述顶板的外侧面的至少一部分。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，所述裙部具有与所述突起部相连的部分，所述裙部的下端位于高于所述顶板的下表面的位置，所述突起部的前端比所述裙部的下端向下方突出。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，所述冷却器的侧面在与所述裙部对应的部位向内侧凹陷，所述裙部与所述冷却器的侧面之间的间隙大于所述突起部与所述缺口之间的间隙。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，所述缺口位于向内侧凹陷的部分的端部，在所述缺口的部位处，在所述冷却器的侧面具有台阶。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，所述顶板与所述树脂部对应地具有俯视矩形形状，所述缺口形成于在所述顶板的长度方向上相对的一对侧面的各侧面，所述突起部仅形成于在长度方向上相对的一对侧壁中的一个侧壁。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，设于另一所述侧壁的所述裙部的端部设于侧视时与所述缺口重叠的位置。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，所述粘接剂存在于所述裙部与所述冷却器之间的间隙。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，在所述树脂部的上表面设有定位销，该定位销在与所述突起部的正上方对应的部位朝向上方立起。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，在所述顶板的下表面设有：多个散热片，其至少配置于与所述半导体元件的正下方对应的部位；以及周壁部，其包围所述多个散热片的外周。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，所述冷却器还具有底板，该底板与所述顶板相对地配置于所述顶板的下方，所述多个散热片和所述周壁部的端部与该底板的上表面接合，所述底板在与所述顶板的所述缺口的正下方对应的部位具有相同形状的第2缺口。
另外，在上述实施方式的半导体装置中，所述突起部的前端位于高于所述底板的下表面的位置。
另外，上述实施方式的车辆具备上述的半导体装置。
产业上的可利用性
如以上说明的那样，本发明具有能够抑制金属粉末的产生并且能够提高壳体与冷却器之间的定位精度这样的效果，特别对于电气用的半导体装置和车辆是有用的。

Claims (20)

1.一种半导体装置，其中，
该半导体装置具备：
树脂部，其覆盖半导体元件的周围；以及
冷却器，其配置于所述半导体元件的下方，
所述冷却器具有安装于所述树脂部的下表面的顶板，
所述树脂部具有自外周缘的下表面朝向下方突出的突起部，
所述突起部包括：
第1直线部，其在俯视时沿规定方向延伸；以及
第1弯曲部，其与所述第1直线部相连，以朝向远离所述第1直线部的方向凸出的方式弯曲，
所述顶板具有能够与所述突起部卡合的缺口，
所述树脂部和所述顶板经由粘接剂接合。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述树脂部包括矩形框状的树脂壳体，该树脂壳体收纳所述半导体元件，
所述突起部自所述树脂壳体的形成矩形框的侧壁的底面朝向下方突出，
所述树脂壳体的底面和所述顶板的上表面经由所述粘接剂接合。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中，
所述突起部通过使互相相对的一对所述第1直线部与圆弧状的所述第1弯曲部的两端相连而具有俯视字母U形状。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体装置，其中，
所述缺口具有俯视时相对于所述突起部形成规定间隙的互补形状。
5.根据权利要求4所述的半导体装置，其中，
所述缺口通过使与所述第1直线部空开规定间隙地相对的第2直线部和与所述第1弯曲部空开规定间隙地相对的第2弯曲部相连而形成。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的半导体装置，其中，
所述突起部设于所述树脂部的侧缘部，
所述缺口设于所述顶板的侧缘部。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的半导体装置，其中，
所述突起部的前端比所述顶板的下表面向下方突出。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的半导体装置，其中，
所述突起部的前端位于高于所述顶板的下表面的位置。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的半导体装置，其中，
所述树脂部还具有裙部，该裙部沿着侧壁的外侧面向下方以规定厚度延伸，
所述裙部覆盖了所述顶板的外侧面的至少一部分。
10.根据权利要求9所述的半导体装置，其中，
所述裙部具有与所述突起部相连的部分，
所述裙部的下端位于高于所述顶板的下表面的位置，
所述突起部的前端比所述裙部的下端向下方突出。
11.根据权利要求9或10所述的半导体装置，其中，
所述冷却器的侧面在与所述裙部对应的部位向内侧凹陷，
所述裙部与所述冷却器的侧面之间的间隙大于所述突起部与所述缺口之间的间隙。
12.根据权利要求11所述的半导体装置，其中，
所述缺口位于向内侧凹陷的部分的端部，在所述缺口的部位处，在所述冷却器的侧面具有台阶。
13.根据权利要求9～12中任一项所述的半导体装置，其中，
所述顶板与所述树脂部对应地具有俯视矩形形状，
所述缺口形成于在所述顶板的长度方向上相对的一对侧面的各侧面，
所述突起部仅形成于在长度方向上相对的一对侧壁中的一个侧壁。
14.根据权利要求13所述的半导体装置，其中，
设于另一所述侧壁的所述裙部的端部设于侧视时与所述缺口重叠的位置。
15.根据权利要求9～14中任一项所述的半导体装置，其中，
所述粘接剂存在于所述裙部与所述冷却器之间的间隙。
16.根据权利要求1～15中任一项所述的半导体装置，其中，
在所述树脂部的上表面设有定位销，该定位销在与所述突起部的正上方对应的部位朝向上方立起。
17.根据权利要求1～16中任一项所述的半导体装置，其中，
在所述顶板的下表面设有：
多个散热片，其至少配置于与所述半导体元件的正下方对应的部位；以及
周壁部，其包围所述多个散热片的外周。
18.根据权利要求17所述的半导体装置，其中，
所述冷却器还具有底板，该底板与所述顶板相对地配置于所述顶板的下方，所述多个散热片和所述周壁部的端部与该底板的上表面接合，
所述底板在与所述顶板的所述缺口的正下方对应的部位具有相同形状的第2缺口。
19.根据权利要求18所述的半导体装置，其中，
所述突起部的前端位于高于所述底板的下表面的位置。
20.一种车辆，其中，
该车辆具备权利要求1～19中任一项所述的半导体装置。
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