JP2001267481A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体素子を冷却する冷却機構を備えた半導
体装置において、熱膨張による変形が発生しても、半導
体素子と冷却部材との良好な熱的接触を確保できるよう
にする。 【解決手段】 半導体素子１、２は、第１の電極板３と
第２の電極板４により挟まれ、第１の電極板３は絶縁板
６を介して冷却部材７に接しており、第２の電極板４は
可とう性を有する銅等よりなる伝熱部材５に接してい
る。これらの積層体は、伝熱部材５の上方から皿バネ９
を介してケース１０と冷却部材７とをねじ締めすること
により、圧接状態となっている。ここで、伝熱部材５の
一部は冷却部材７に形成された突起部７ａと接してお
り、半導体素子１、２は両面から放熱可能となってい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発熱を伴う半導体
素子を冷却する冷却機構を備えた半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ（Ｉｎｓ
ｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓ
ｉｓｔｏｒ）等の半導体素子は、大電流を制御する素子
であるため、自己発熱が大きい。

【０００３】従来より、半導体素子の冷却機構を備えた
半導体装置としては、例えば特許第２５９８２３６号公
報に記載のものが提案されている。このものは、半導体
素子に冷却機構としての冷却フィンを設けてなる半導体
装置において、半導体素子と冷却フィンとを、熱伝導性
の良好なコンパウンドを塗布して圧着することにより、
冷却効率を向上させるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、半導体
装置は大容量化が進み、発熱量が増大しているため、さ
らなる冷却性能の向上が要求されている。また、発熱量
の増大に伴い、各部材の熱膨張による変形が発生し、半
導体素子と冷却部材との熱的な接触状態が損なわれるた
め、冷却性能が悪くなるという問題が発生する。

【０００５】本発明は上記問題に鑑み、半導体素子を冷
却する冷却機構を備えた半導体装置において、熱膨張に
よる変形が発生しても、半導体素子と冷却部材との良好
な熱的接触を確保できるようにすることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明では、半導体素子（１、２）と、こ
の半導体素子の一面側に設置された冷却部材（７）と、
半導体素子の他面側に設置された可とう性及び熱伝導性
を有する材料よりなる伝熱部材（５）とを備え、伝熱部
材の一部が、半導体素子の外部にて前記冷却部材に接し
ており、伝熱部材及び冷却部材により、半導体素子の一
面及び他面から放熱可能となっていることを特徴として
いる。

【０００７】それによれば、半導体素子の熱は、一面側
からは冷却部材に放熱され、他面側からは伝熱部材を介
して冷却部材へ放熱され、両面での放熱が可能となる。
また、各部材が熱膨張して変形しても、その変形に応じ
て伝熱部材がたわむため、半導体素子と伝熱部材との熱
的接触状態の変化を抑制することができる。よって、本
発明によれば、熱膨張による変形が発生しても、半導体
素子と冷却部材との良好な熱的接触を確保できる。

【０００８】また、請求項２の発明では、半導体素子
（１、２）と、この半導体素子の一面側に設置された冷
却部材（７）と、半導体素子の他面側に設置され、その
一部が他の部位よりもたわみやすい可とう部（５ａ）を
有する熱伝導性の伝熱部材（５）とを備え、伝熱部材の
一部が、半導体素子の外部にて冷却部材に接しており、
伝熱部材及び冷却部材により、半導体素子の一面及び他
面から放熱可能となっていることを特徴としている。

【０００９】それによれば、半導体素子の放熱経路は、
請求項１の半導体装置と同様であり、また、伝熱部材が
可とう部を有するため、請求項１の発明と同様に、各部
材が熱膨張して変形しても、半導体素子と伝熱部材との
熱的接触状態の変化を抑制することができる。従って、
本発明によれば、熱膨張による変形が発生しても、半導
体素子と冷却部材との良好な熱的接触を確保できる。

【００１０】また、請求項３の発明のように、半導体素
子（１、２）に対して冷却部材（７）及び伝熱部材
（５）を押しつけるように加圧する加圧機構を備えてい
るものとすれば、半導体素子と冷却部材及び伝熱部材と
の熱的接触を、より確実に確保することができる。

【００１１】ここで、請求項４の発明では、上記加圧機
構が皿バネ（９）を有し、この皿バネを加圧力として用
いるものであることを特徴としており、変位量に関わら
ずバネ力が一定であるという皿バネの特性を利用して、
加圧力を一定に維持可能な加圧機構を実現することがで
きる。

【００１２】また、請求項５の発明のように、半導体素
子（１、２）と冷却部材（７）及び伝熱部材（５）と
を、熱伝導性を高めるための中間材（１２）を介して熱
的に接触させれば、より高いレベルにて放熱経路を確保
でき、好ましい。

【００１３】また、請求項６の発明では、半導体素子
（１、２）の一面、他面において、それぞれ、冷却部材
（７）、伝熱部材（５）との間に、半導体素子の電極と
して機能する電極板（３、４）を介在させた場合、この
電極板のすくなくとも一方を、絶縁板上に導電材を一体
に形成したものとしたことを特徴としている。

【００１４】それにより、この電極板は、電極兼絶縁板
として用いられ、冷却部材または伝熱部材との電気的絶
縁を確保しつつ、半導体素子の電極として機能させるこ
とができる。また、この電極兼絶縁板を用いれば、該電
極板と冷却部材または伝熱部材との間に、更に絶縁板を
設ける必要が無くなるため、装置における部材の接触界
面数が低減され、放熱性が良くなる。

【００１５】また、請求項７の発明では、半導体素子
（１、２）の一面、他面において、それぞれ、冷却部材
（７）、伝熱部材（５）との間に、半導体素子の電極と
して機能する電極板（３、４）を介在させた場合、この
電極板のすくなくとも一方を、熱緩衝機能を有するもの
としたことを特徴としている。

【００１６】それにより、この電極板は、電極兼熱緩衝
板として用いられ、熱緩衝機能を有するため、半導体素
子と該電極板との間の熱膨張の違いによりこすれ、半導
体素子が破壊するのを防止することができる。また、こ
の電極兼熱緩衝板を用いれば、該電極板と半導体素子と
の間に、更に熱緩衝板を設ける必要が無くなるため、装
置における部材の接触界面数が低減され、放熱性が良く
なる。

【００１７】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。

【００１８】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１は、本発明
の第１実施形態に係る半導体装置１００の概略断面図で
あり、図２は、この半導体装置１００の各構成部材を分
解した状態にて示す斜視図である。本半導体装置１００
は、例えば、電気自動車におけるバッテリとモータの間
で直流−交流変換を行なうインバータ等に適用すること
ができる。

【００１９】１はＩＧＢＴ素子であり、２はダイオード
である。本実施形態では、これらＩＧＢＴ素子１及びダ
イオード２が、ペアで回路を構成し、本発明でいう半導
体素子に相当する。なお、図１はＩＧＢＴ素子１の厚み
方向に沿った断面を示しており、本例においては、図２
に示す様に、ＩＧＢＴ素子１が２個、ダイオード２が４
個備えられている。

【００２０】３は、半導体素子１、２の一面（図中の下
方側の面）側に設けられた電極板（第１の電極板、エミ
ッタ電極兼熱緩衝板）であり、この第１の電極板３は、
本例ではＩＧＢＴ素子１のエミッタ電極として機能す
る。４は、半導体素子１、２の他面（図中の上方側の
面）側に設けられた電極板（第２の電極板、コレクタ電
極兼絶縁板）であり、この第２の電極板４は、本例では
ＩＧＢＴ素子１のコレクタ電極として機能する。

【００２１】また、第１の電極板３は、例えば半導体素
子１、２を構成するＳｉと熱膨張係数の近いＭｏ（モリ
ブデン）やＷ（タングステン）等よりなり、熱緩衝板と
しても機能する（電極兼熱緩衝板）。つまり、第１の電
極板３は、熱緩衝機能を有するため、半導体素子１、２
と該電極板３との間の線膨張係数の違いによる両者のこ
すれが抑制され、半導体素子１、２の破壊を防止するこ
とができる。

【００２２】また、第２の電極板４は、例えば窒化アル
ミニウム（ＡｌＮ）等の電気絶縁材料よりなる絶縁板の
一面（半導体素子１、２と対向する面）に、銅やアルミ
等の導電材を、ロウ付け等にて一体に形成したものより
なり、電極兼絶縁板として機能する。即ち、半導体素子
１、２と後述する伝熱部材５との電気的絶縁を確保しつ
つ、半導体素子１、２の電極として機能する。

【００２３】このように、第１の電極板３と第２の電極
板４により挟まれた半導体素子１、２において、さら
に、半導体素子１、２の一面側に位置する第１の電極板
３の外面には、絶縁板（例えば窒化アルミニウム等の
板）６を介して、冷却部材７が設置されている。この冷
却部材７は、本例では矩形ブロック状をなし、アルミニ
ウム等の熱伝導性に優れた材料よりなる。冷却部材７の
内部には、図１に示す様に、冷却水１０１が流通する通
路が設けられ、この通路内面には、冷却水１０１により
冷却される冷却フィン１０２が形成されている。

【００２４】また、第１の電極板３と第２の電極板４に
より挟まれた半導体素子１、２において、さらに、半導
体素子１、２の他面側に位置する第２の電極板４の外面
には、上記伝熱部材５が設置されている。この伝熱部材
５は、例えば、銅やグラファイト等の可とう性及び熱伝
導性を有する材料よりなる板状のもので、熱膨張による
半導体素子１、２や電極板３、４の厚み方向（各部材１
〜４の積層方向、図中、矢印Ｙにて図示）への反り等の
変形に応じて、たわんで変形することが可能となってい
る。

【００２５】本例では、伝熱部材５は、厚さ０．１ｍｍ
の銅板を６枚積層したもので、第２の電極板４との接触
部の両側に略Ｖ字溝状をなす可とう部５ａを有する。そ
して、伝熱部材５の構成材料自身が可とう性を有するこ
とに加えて、この可とう部５ａが伝熱部材５における他
の部位よりも変形しやすい部分となっている。そして、
例えば、上記積層方向Ｙへの反りによる膨らみや凹みに
応じて、伝熱部材５は、可とう部５ａを中心に変形する
ようになっている。

【００２６】また、冷却部材７には、半導体素子１、２
側に突出する突起部７ａが形成されており、この突起部
７ａと伝熱部材５の周辺部とが、半導体素子１、２の外
部にて接触するようになっている。伝熱部材５の外側
（図中の上方）には、加圧プレート８を介して例えば鉄
製の皿バネ（加圧スプリング、バネ部材）９が設けら
れ、更に、皿バネ９の外側には、例えば鉄製のケース１
０が設けられている。

【００２７】そして、上記各部材１〜１０は、図２に示
す様に、伝熱部材５及びケース１０に形成されたネジ穴
５ａ、１０ａと冷却部材７に形成された雌ネジ７ｂとが
一致するように積み重ねられ、図示しない雄ネジによ
り、ネジ結合することにより、図１に示す様に、圧接さ
れ組み付けられた状態となる。

【００２８】ここで、図２に示す各寸法Ｓ１、Ｓ２、Ｓ
３は、例えば、次のようにできる。矩形ブロック状の冷
却部材７における長辺長さＳ１は１００ｍｍ、短辺長さ
Ｓ２は４７ｍｍ、図１のように組み付けられた状態にお
ける半導体装置の高さ（冷却部材７の下端面からケース
１０の上端面までの長さ）Ｓ３は、２７ｍｍとすること
ができる。

【００２９】なお、図２に示す様に、本例では、一対の
第１の電極板３はコネクタ（信号線取り出し電極兼コネ
クタ）１１により、電気的に接続されている。このコネ
クタ１１は、ＩＧＢＴ素子１のゲート電極等の機能を有
するものである。また、コネクタ１１のピン１１ａは、
皿バネ９の中空穴及びケース１０に形成された穴１０ｂ
を通して、外部と接続可能となっている。また、第１及
び第２の電極板３、４も、その端部に端子部が形成さ
れ、外部と接続可能となっている。

【００３０】係る半導体装置においては、上記ネジ結合
の軸力及び皿バネ９の弾性力により、半導体素子１、２
に対して、上記積層方向Ｙへ各部材３〜１０が押しつけ
られるように加圧され、圧接構造を形成している。従っ
て、これらネジ結合のためのネジ穴５ａ、１０ａや雌ネ
ジ７ｂ、上記雄ネジ、皿バネ９により、加圧機構が構成
されている。

【００３１】そして、半導体素子１、２と外部との信号
のやりとりは、上記両電極板３、４及びコネクタ１１に
より行われ、また、必要に応じてＩＧＢＴ素子１に内蔵
される温度センサ、電流センサ等の信号は、コネクタ１
１により行われる。

【００３２】また、本半導体装置１００における半導体
素子１、２の放熱経路については、半導体素子１、２の
一面側からは、第１の電極板３、絶縁板６を介して冷却
部材７に放熱され、半導体素子１、２の他面側からは、
第２の電極板４、伝熱部材５を介して、冷却部材７の突
起部７ａから、冷却部材７に放熱される。冷却部材７に
伝わった熱の多くは、冷却部材７内を流れる冷却水１０
１によって冷却され、一部は突起部７ａよりケース１０
に伝わり、ケース１０より大気に放熱される。

【００３３】こうして、半導体素子１、２は、その両面
から放熱が可能となっているため、冷却性能が高く、素
子１、２の発熱量が多くても、素子１、２の温度を適正
な動作に維持可能な温度以下に保つことができる。

【００３４】ところで、本実施形態によれば、半導体素
子１、２の熱が、その両面から放熱可能となっていると
ともに、各部材が熱膨張して変形しても、その変形に応
じて伝熱部材５がたわむため、第２の電極板４を介した
半導体素子１、２と伝熱部材５との熱的接触状態の変化
を抑制することができる。つまり、第２の電極板４と伝
熱部材５との接触面積を略一定とできる。そのため、伝
熱部材５を介した半導体素子１、２と冷却部材７との熱
的接触において、熱膨張による変形が発生しても、良好
な接触状態を確保できる。

【００３５】なお、上記例では、伝熱部材５は、その構
成材料そのものに可とう性を有するものとしたが、構成
材料自身には可とう性がない場合（例えばアルミニウ
ム）でも、図示例のように、可とう部５ａが形成されて
いれば良い。また、可とう部５ａはＶ溝形状でなくと
も、他の部位よりも厚さが薄くなるようにくびれた形状
（くびれ部）であっても良い。また、伝熱部材５の構成
材料自身を可とう性のものとした場合、たわみ変形しや
すい可とう部が無くても良いが、本例のように、可とう
部５ａがあった方が好ましい。

【００３６】また、本実施形態によれば、半導体素子
１、２に対して冷却部材７及び伝熱部材５を押しつける
ように加圧する加圧機構を備えているため、半導体素子
１、２と冷却部材７、伝熱部材５及び電極板３、４等と
の熱的接触を、より確実に確保することができる。

【００３７】さらに、加圧機構が皿バネ９を有し、この
皿バネ９を加圧力として用いるものとしている。変位量
に関わらずバネ力が一定であるという皿バネの特性（非
直線性）を利用して、熱膨張があっても加圧力を一定に
維持可能な加圧機構を実現することができる。

【００３８】また、本実施形態において、半導体素子
１、２と冷却部材７及び伝熱部材５とを、熱伝導性を高
めるための中間材１２を介して熱的に接触させれば、よ
り高いレベルにて放熱経路を確保でき、好ましい。本例
では、中間材１２として、冷却部材７と絶縁板６との界
面、及び、絶縁板６と第１の電極板３との界面に、グラ
ファイトシートを挿入し、第１の電極板３とＩＧＢＴ素
子１との界面、及び、ＩＧＢＴ素子１と第２の電極板４
との界面に、銀粉を挿入し、冷却性能を上げている。な
お、中間材１２は図２にて示してあり、図１では省略し
てある。

【００３９】また、本例では、第１の電極板３を電極兼
熱緩衝板とし、第２の電極板４を電極兼絶縁板として構
成しているため、半導体素子１、２と電極板３、４との
間に別体の熱緩衝板を設けたり、半導体素子１、２を挟
む電極板３、４の外側に、別体の絶縁板を設ける必要が
無くなる。そのため、装置における部材の接触界面数が
低減され、放熱性が良くなる。

【００４０】（第２実施形態）本発明の第２実施形態に
係る半導体装置２００の概略断面を図３に示す。本半導
体装置２００は、上記半導体装置１００と比べて、半導
体素子１、２を挟む電極板に、熱緩衝機能や電気絶縁機
能を有しないものを用いたものである。上記第１実施形
態との相違点について主として説明し、上記図１と同一
部分には図３中、同一符号を付してある。

【００４１】本半導体装置２００においては、半導体素
子１、２の両面にＭｏやＷ等よりなる熱緩衝板１３、１
４を設け、これら熱緩衝板１３、１４の外側に電極板１
５、１６を設けている。また、半導体素子１、２の他面
（図中、上方の面）側の電極板１６の外側には、絶縁板
１７を介して伝熱部材５が設けられている。

【００４２】係る本半導体装置２００においても、上記
半導体装置１００と同様に、半導体素子１、２の両面か
ら放熱可能であり、その信号経路も同様である。また、
加圧機構による効果も同様である。そして、本実施形態
においても、伝熱部材５による効果は、同様に発揮さ
れ、熱膨張による変形が発生しても、半導体素子１、２
と冷却部材７との良好な熱的接触を確保できる。

【００４３】（他の実施形態）なお、上記半導体装置１
００の例とは逆に、第１の電極板３が電極兼絶縁板であ
り、第２の電極板４が電極兼熱緩衝板であっても良い。
この場合、第１の電極板３と冷却部材７との間には絶縁
板６は、不要であり、代わりに、絶縁板６は、第２の電
極板４と伝熱部材５との間に介在させるようにすればよ
い。

【００４４】また、ＩＧＢＴ素子１のエミッタ面とコレ
クタ面とは、上記半導体装置１００の例とは逆であって
も良い。この場合、冷却部材７側から、第２の電極板
（コレクタ電極兼絶縁板）４、半導体素子１、２、第１
の電極板（コレクタ電極兼熱緩衝板）３、絶縁板６、伝
熱部材５、加圧プレート８、皿バネ９、ケース１０とい
う順番にて構成される。

【００４５】また、必要に応じて、皿バネ９はコイルバ
ネ等、他のバネ部材にて代用しても良く、さらに、圧接
状態が適度に確保可能であれば、皿バネ９等のバネ部材
は無くても良い。また、図３に示す半導体装置２００に
おいては、必要に応じて熱緩衝板１３、１４は無いもの
としても良い。

【００４６】また、半導体素子１、２外部における冷却
部材７と伝熱部材５との接触は、冷却部材７に形成され
た突起部７ａを介して行っているが、伝熱部材５の可と
う性が確保されるならば、突起部７ａを形成せずに、伝
熱部材５を冷却部材７側へ延ばすように変形させる等に
より、両部材５、７の接触を行っても良い。

【００４７】要するに、本発明は、半導体素子の一面側
に冷却部材、他面側に可とう性及び熱伝導性を有する伝
熱部材とを設置した半導体装置であって、伝熱部材の一
部を、半導体素子の外部にて冷却部材に接触させ、伝熱
部材及び冷却部材により、半導体素子の両面から放熱可
能としたことを主たる特徴とするものであり、他の部分
は適宜設計変更して良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略
断面図である。

【図２】図１に示す半導体装置の分解斜視図である。

【図３】本発明の第２実施形態に係る半導体装置の概略
断面図である。

【符号の説明】

１…ＩＧＢＴ素子、２…ダイオード、３…第１の電極
板、４…第２の電極板、５…伝熱部材、５ａ…可とう
部、７…冷却部材、９…皿バネ、１２…中間材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 貴彦 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 橋川 淳 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 平井 康義 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 野村 和仁 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 3L044 AA04 BA06 CA13 DA01 FA04 KA04 5F036 AA01 BB21 BC09 BE06 5F047 JA06 JA15 JA16

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体素子（１、２）と、 この半導体素子の一面側に設置された冷却部材（７）
   と、 前記半導体素子の他面側に設置された可とう性及び熱伝
   導性を有する材料よりなる伝熱部材（５）とを備え、 前記伝熱部材の一部が、前記半導体素子の外部にて前記
   冷却部材に接しており、 前記伝熱部材及び前記冷却部材により、前記半導体素子
   の前記一面及び前記他面から放熱可能となっていること
   を特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 半導体素子（１、２）と、 この半導体素子の一面側に設置された冷却部材（７）
   と、 前記半導体素子の他面側に設置され、その一部が他の部
   位よりもたわみやすい可とう部（５ａ）を有する熱伝導
   性の伝熱部材（５）とを備え、 前記伝熱部材の一部が、前記半導体素子の外部にて前記
   冷却部材に接しており、 前記伝熱部材及び前記冷却部材により、前記半導体素子
   の前記一面及び前記他面から放熱可能となっていること
   を特徴とする半導体装置。
3. 【請求項３】 前記半導体素子（１、２）に対して前記
   冷却部材（７）及び前記伝熱部材（５）を押しつけるよ
   うに加圧する加圧機構を備えていることを特徴とする請
   求項１または２に記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 前記加圧機構は皿バネ（９）を有し、こ
   の皿バネを加圧力として用いるものであることを特徴と
   する請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装
   置。
5. 【請求項５】 前記半導体素子（１、２）と前記冷却部
   材（７）及び前記伝熱部材（５）とは、熱伝導性を高め
   るための中間材（１２）を介して熱的に接触しているこ
   とを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載
   の半導体装置。
6. 【請求項６】 前記半導体素子（１、２）の一面、他面
   において、それぞれ、前記冷却部材（７）、前記伝熱部
   材（５）との間に、前記半導体素子の電極として機能す
   る電極板（３、４）が介在しており、 この電極板のすくなくとも一方は、絶縁板上に導電材を
   一体に形成したものであることを特徴とする請求項１な
   いし５のいずれか１つに記載の半導体装置。
7. 【請求項７】 前記半導体素子（１、２）の一面、他面
   において、それぞれ、前記冷却部材（７）、前記伝熱部
   材（５）との間に、前記半導体素子の電極として機能す
   る電極板（３、４）が介在しており、 この電極板のすくなくとも一方は、熱緩衝機能を有する
   ものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれ
   か１つに記載の半導体装置。