JP2004296589A - 両面冷却型半導体モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体チップの冷却が良好となるように構成された、両面冷却半導体モジュールを提供する。
【解決手段】半導体モジュール１００は、扁平状の半導体パッケージ１の上下に固定型冷却器２および変位型冷却器３がそれぞれ配置されたものである。半導体パッケージ１と固定型冷却器２との相対位置は固定されている。半導体パッケージ１に対する変位型冷却器３の相対位置は変化可能である。変位型冷却器３は、冷媒収容室３ａに蓋をする金属薄板からなる変位体３１を備えている。また、半導体モジュール１００は、固定型冷却器２を変位型冷却器３に向かう側に押圧する押圧機構２０を備えている。押圧機構２０の調節ネジ２０１，２０２を締めこむと、押圧フレーム２０３が変位型冷却器３の冷却器本体３２に接近する。これにより、固定型冷却器２を介して半導体パッケージ１が押圧されるとともに、変位体３１が微小変位して半導体パッケージ１と絶縁材１７との密着性、絶縁材１７と変位体３１との密着性を向上させる。
【選択図】 図１
【解決手段】半導体モジュール１００は、扁平状の半導体パッケージ１の上下に固定型冷却器２および変位型冷却器３がそれぞれ配置されたものである。半導体パッケージ１と固定型冷却器２との相対位置は固定されている。半導体パッケージ１に対する変位型冷却器３の相対位置は変化可能である。変位型冷却器３は、冷媒収容室３ａに蓋をする金属薄板からなる変位体３１を備えている。また、半導体モジュール１００は、固定型冷却器２を変位型冷却器３に向かう側に押圧する押圧機構２０を備えている。押圧機構２０の調節ネジ２０１，２０２を締めこむと、押圧フレーム２０３が変位型冷却器３の冷却器本体３２に接近する。これにより、固定型冷却器２を介して半導体パッケージ１が押圧されるとともに、変位体３１が微小変位して半導体パッケージ１と絶縁材１７との密着性、絶縁材１７と変位体３１との密着性を向上させる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、両面冷却型半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、モータ駆動用インバータ回路等に使用される半導体パワー素子は、放熱部材（ヒートシンク）をパワー素子の上下に配するとともに、一体に樹脂モールドしたパワー素子パッケージの形で提供されている。代表的なパワー素子であるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を例にすると、パワー素子の上下面にそれぞれ露出するエミッタとコレクタは、そのパワー素子の上下に配されるヒートシンクに直接またはスペーサを介してそれぞれ半田接続される。この場合のヒートシンクは、大電流経路としての機能も有する。
【０００３】
上記のようなパワー素子パッケージは、薄い絶縁材を介してヒートシンクに接するように冷却器が配置された、半導体モジュールの形で実使用に供される。たとえば、下記特許文献１には、アルミニウム合金などで構成された１対の冷媒チューブ（冷却器）でパワー素子パッケージを挟持する構造が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３５２０２３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、パワー素子パッケージと冷却器とを組付けてモジュール化するにあたり、パワー素子パッケージにおける両ヒートシンクの平行度、冷却器の平面度、介挿される絶縁材の厚さ公差などの要因により、ヒートシンクと冷却器との密着性が不十分になることがある。このような場合、パワー素子の冷却効率が低下するので好ましくない。
【０００６】
各部品の寸法精度や組立精度を、たとえば±０．１ｍｍ程度まで縮小することは、組立治具や金型の精度向上により、わりと簡単に成し得るが、たとえばこれを一桁小さい±０．０１ｍｍに縮小する場合のハードルは相当高い。したがって、各部品自体の寸法精度や組立精度を高めるよりも、寸法の誤差を他の手段で補うようにする方が賢明である。
【０００７】
具体的に、上記特許文献１には、ヒートシンクと冷却器との密着性を向上させるために、ヒートシンクと冷却器との間に、絶縁材のほかに、薄く加工した軟質金属材を介挿して凹凸を吸収させる技術が記載されている。ただし、これに満足することなく、高出力のパワー素子をより確実かつ強力に冷却するために、更なる改善策を模索することは必要である。
【０００８】
本発明は、半導体チップの冷却が良好となるように構成された、両面冷却半導体モジュールを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の両面冷却型半導体モジュールは、上下面から放熱を行う半導体装置と、半導体装置の上下にそれぞれ配置される第１冷却器および第２冷却器と、第１冷却器および第２冷却器に半導体装置を挟持させる挟圧機構とを備え、第１冷却器および第２冷却器の少なくとも一方は、一方の主面側に冷媒が配置され、他方の主面側に半導体装置が配置される変位体を含み、その変位体は、冷媒および半導体装置のいずれかの側に変位可能に構成されていることを特徴とする。
【００１０】
上記本発明は、半導体装置を冷却器で挟持する構成の両面冷却型半導体パッケージである。既に説明したように、実際の半導体装置および冷却器の寸法は、設計値からの微小なズレ（寸法公差）を有する。本発明によれば、冷却器の一部である変位体が変位することにより、各部品に不可避的に存在する寸法公差が吸収され、ひいては熱抵抗が低減される。したがって、半導体装置を効率良く冷却できる。なお、本発明のような半導体装置は、電流経路をなす電極自体が放熱面を有する構造となっている場合が多い。その場合は、半導体装置と冷却器との間に絶縁材が介挿され、半導体装置は絶縁材に密着し、絶縁材は冷却器に密着することとなる。
【００１１】
具体的には、第１冷却器および第２冷却器の一方が、変位体を含む変位型冷却器であり、他方の側が、半導体装置との相対位置関係が固定された固定型冷却器とすることができる。このようにすれば、固定型冷却器としては、特許文献１に記載されているような従来の冷却器を設計変更せずに使用できる。
【００１２】
好適な態様において、上記の変位型冷却器は、冷媒収容室を形成する冷却器本体を備える。そして、変位体は、金属薄板により構成されるとともに、冷却器本体に周縁部を固定することにより、冷媒収容室の蓋に兼用されており、挟圧機構の作動量に応じて、変位体の変位量が調整されている。半導体装置および冷却器の寸法公差は、もともと、±１００μｍ程度である。このような公差を吸収させるには、変位体に要求される変位量は微小である。また、経年劣化により、加圧力が減少していくことが少ない程よい。変位体を、金属薄板で構成すれば、それらの条件を十分クリアできる。
【００１３】
また、挟圧機構は、固定型冷却器に接して変位型冷却器の側に向けて押圧する押圧フレームと、押圧フレームと変位型冷却器との締結手段とを含んで構成され、上記締結手段の作動量の変化に応じて、固定型冷却器に付与される押圧力が変化するとともに、その押圧力が、半導体装置を介して変位型冷却器の変位体に付与されるように構成することができる。この構成によれば、固定型冷却器と変位型冷却器とに挟持された半導体装置に懸かる圧力の調整も簡単である。したがって、半導体装置に無理な圧力が懸かって損傷が発生するなどの不具合も発生しにくい。また、両冷却器の間に半導体装置を配置して位置決めした後から、締結手段を作動させるため、組付け容易性も高い。
【００１４】
別の好適な態様において、変位型冷却器は、冷媒収容室を形成する冷却器本体を備える。変位体は、金属薄板により構成されるとともに、冷却器本体に周縁部を固定することにより、冷媒収容室の蓋に兼用されており、挟圧機構の作動量に応じて、変位体の変位量が調整されている。さらに、変位体は、半導体装置からの吸熱を行う第１変位体と、冷媒収容室を隔てて第１変位体の反対側において、冷却器本体に固定された第２変位体とを含み、その第２変位体は、冷媒収容室内において、第１変位体に向かって突出する支持部を含み、挟圧機構は、第２変位体側から第１変位体側に向けて、支持部を押圧するように構成され、支持部は、挟圧機構の作動に応じて第１変位体を半導体装置側に向けて押圧する。この構成によれば、固定型冷却器と変位型冷却器とに挟まれた半導体装置に懸かる圧力の調整も簡単である。したがって、半導体装置に無理な圧力が懸かって損傷が発生するなどの不具合も発生しにくい。また、両冷却器の間に半導体装置を配置して位置決めした後から、締結手段を作動させるため、組立容易性も高い。
【００１５】
また、挟圧機構は、変位型冷却器の冷却器本体との相対位置が固定された基台部と、基台部に取り付けられるとともに、第２変位体の支持部に対して接近／離間する方向に進退可能な押圧接触部とを含み、支持部を押圧する押圧接触手段の作動量に応じて、第１変位体側への支持部の移動量が変化し、第１変位体を押圧する支持部の移動量に応じて、半導体装置側への第１変位体の変位量が変化するように構成されている。このようにすると、冷却器本体に対する支持部の移動量を容易に調節でき、半導体装置に無理な圧力が懸かることも起こりにくい。
【００１６】
なお、第１冷却器および第２冷却器の両方を、変位体を含む変位型冷却器で構成することも可能である。それら変位型冷却器は、冷媒収容室を形成する冷却器本体を備え、変位体は、金属薄板により構成されるとともに、冷却器本体に周縁部を固定することにより、冷媒収容室の蓋に兼用されており、挟圧機構の作動量に応じて、変位体の変位量が調整されることとなる。このようにすれば、半導体装置の上下の変位型冷却器で、寸法公差を半分ずつ吸収できればよくなる。したがって、より確実に寸法公差が吸収されることを期待できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１に示すのは、本発明の両面冷却型半導体モジュール１００の断面模式図である。両面冷却型半導体モジュール１００（以下、単に半導体モジュールともいう）は、扁平状の半導体パッケージ１の上下に固定型冷却器２および変位型冷却器３がそれぞれ配置されたものである。各冷却器２，３と、半導体パッケージ１との間には、シート状の絶縁材１７，１８が介挿されている。また、半導体モジュール１００は、固定型冷却器２と変位型冷却器３とに半導体パッケージ１を挟持させる挟圧機構２０を備えている。
【００１８】
半導体パッケージ１と固定型冷却器２との相対位置は固定されている。半導体パッケージ１に対する変位型冷却器３の相対位置は変化可能である。すなわち、挟圧機構２０の調節ネジ２０１，２０２を締めこむと、押圧フレーム２０３が変位型冷却器３の冷却器本体３２に接近する。これにより、固定型冷却器２を介して半導体パッケージ１が押圧されるとともに、変位体３１が微小変位して半導体パッケージ１と絶縁材１７との密着性、絶縁材１７と変位体３１との良好な密着性が実現される。
【００１９】
半導体パッケージ１は、半導体チップ１０と、半導体チップ１０の上下に放熱部材１２，１４（ヒートシンク）を配置して、モールド樹脂部１６により一体化したものである。このような半導体パッケージ１は、たとえばブラシレスモータ用の三相インバータ回路の一部を構成する。半導体チップ１０の種類は、たとえばＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を示すことができる。モータなどの誘導負荷に接続されるＩＧＢＴには、通常、フリーホイールダイオードが逆並列に接続されるが、本明細書中においては省略している。
【００２０】
薄板状の半導体チップ１０は、一方の主面側にゲートとエミッタ（またはソース）が露出し、他方の主面側にコレクタ（またはドレイン）が露出するように設計されている。半導体チップ１０は、ヒートシンク１２，１４と、直接またはスペーサ１３を介して半田などの導電接合材で接合されている。したがって、半導体チップ１０のエミッタおよびコレクタは、それぞれヒートシンク１２，１４と導通している。なお、半導体チップ１０は、エミッタが露出する主面側に、ゲートが露出するように設計されており、ゲートには、モールド樹脂部１６の外側に延出する制御信号用リード端子（図示省略）が導通接続される。
【００２１】
ヒートシンク１２，１４は、それぞれ扁平状または板状の形態を有する。各ヒートシンク１２，１４は、半導体チップ１０側の受熱面と反対側の放熱面とが略平面に調整されている。そして、これらのヒートシンク１２，１４は、互いに略平行となるように組み付けられている。ヒートシンク１２，１４は、熱伝導性および電気伝導性の観点から、たとえばＣｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌおよびのグループから選択される１種の金属材料、もしくはそれらの金属材料を主体とする合金により構成されている。
【００２２】
モールド樹脂部１６は、半導体チップ７の周側面を被覆するとともに、両ヒートシンク１２，１４により形成される隙間を充填している。モールド樹脂部１６は、たとえばエポキシ樹脂により構成される。ヒートシンク１２，１４には、面内外側方向に延びる大電流用リード端子１２０，１４０（図５参照）がそれぞれ一体に形成されており、それら大電流用リード端子１２０，１４０は、モールド樹脂部１６の外側に延出している。図１において、半導体パッケージ１は、大電流用リード端子が、紙面と垂直な方向に延びるように配置されている。
【００２３】
固定型冷却器２は、ＡｌまたはＡｌ合金などの易成形金属を成形することにより作製された冷媒チューブであり、扁平形状を有している。また、固定型冷却器２には、１または複数の冷媒流通路２ａが形成されている。冷媒流通路２ａには、図示しない循環冷却装置を経由して、水などの冷媒が流通される。固定型冷却器２は、絶縁材１８を介して半導体モジュール１と向かい合う側に平坦な吸熱面２ｐを有し、冷媒流通路２ａを隔てて反対側が、押圧フレーム２０３に接する平坦な押圧面２ｑとなっている。
【００２４】
変位型冷却器３は、冷媒収容室３ａを形成する冷却器本体３２と、周縁部が冷却器本体３２に固定された変位体３１とを備えている。冷媒収容室３ａには、固定型冷却器２と同様に水などの冷媒が流通される。変位体３１は、一方の主面が冷媒に接して冷媒収容室３ａを密閉するとともに、他方の主面側には半導体パッケージ１が絶縁材１７を介して配置されるようになっている。変位体３１の主面（受熱面）は、半導体パッケージ１の放熱面（上下面）よりも十分に広く設計されている。
【００２５】
変位体３１は、１または複数層の金属薄板により構成することができる。変位体３１は、高い耐食性と、適度な柔軟性を有することが好ましい。具体的には、たとえばＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金およびステンレス鋼などの材料により構成することができる。
【００２６】
図１の実施形態において、冷却器本体３２は、変位体３１と同一もしくは異なる材料（Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金およびステンレス鋼など）からなる金属薄板を積層させた金属積層体により構成することができる。これにより、良好な熱伝導性を確保できる。具体的には、図８に示すように、冷媒収容部３ａを形成するために枠状にくり貫いた金属薄板３２０と、冷媒収容室３ａの底部となる金属薄板３２１と、冷媒収容室３ａの蓋として機能する変位体３１を構成する金属薄板とを、ロウ材などの接合材を用いて積層および接合する。なお、固定型冷却器２の場合と同様、冷媒収容室３ａ内には、循環冷却装置を経由して水などの冷媒が流通される。
【００２７】
図１に示すように、固定型冷却器２と変位型冷却器３とに半導体パッケージ１を挟持させる挟圧機構２０は、金属製の押圧フレーム２０３と、調節ネジ２０１，２０２とを含んで構成されている。押圧フレーム２０３は、固定型冷却器２を覆うようにして設けられており、固定型冷却器２の押圧面２ｑと向かい合う位置には、凸状部２１１，２１１が形成されており、押圧力が効率良く付与されるようになっている。調節ネジ２０１，２０２は、変位型冷却器３の冷却器本体３２に形成されたネジ孔に螺合され、押圧フレーム２０３と冷却器本体３２とを締結している。緩み止め用のワッシャや皿バネを設けてもよい。
【００２８】
上記の調節ネジ２０１，２０２を締めこむと、押圧フレーム２０３は、変位型冷却器３の冷却器本体３２に接近する。これと同時に、押圧フレーム２０３の凸状部２１１，２１１は、固定型冷却器２の押圧面２ｑを押圧する。すると、固定型冷却器２を介して半導体パッケージ１が押圧されて、金属薄板からなる変位体３１が微小変位（弾性／塑性変形）する。これにより、半導体パッケージ１における両ヒートシンク１２，１４の平行度、固定冷却器２の平面度、介挿される絶縁材１７，１８の厚さなど、設計値からの不可避的なズレが生じていても、変位体３１の微小変位により相殺される。そのため、隙間等が発生しにくく、熱抵抗も低く抑えられる。押圧フレーム２０３が固定型冷却器２に付与する押圧力は、調節ネジ２０１，２０２の締め込み量に応じて変化するようになっているので、半導体パッケージ１に無理な応力が懸からない範囲内にて、変位体３１の変位量を調節可能である。
【００２９】
なお、図２に示すように、変位体３１と一体または別体に、金属製のスペーサ３４を設けることも可能である。スペーサ３４で上げ底すれば、半導体パッケージ１の大電流用リード端子１２０，１４０（図５参照）の取り回しが容易になる。また、スペーサ３４に半導体パッケージ１を固定してもよく、その場合は、本半導体モジュール１００の組立容易性の向上を期待できる。
【００３０】
（第２の実施形態）
次に、図３に示すのは、別形態の変位型冷却器４０の断面模式図であり、図４に示すのは、図３の冷却器４０を用いた両面冷却型半導体モジュール１０１の断面模式図である。この半導体モジュール１０１は、図１に示した半導体モジュール１００と大部分が共通の構成であるから、共通部分の説明は割愛する。
【００３１】
図３に示すように、変位型冷却器４０の冷却器本体４１は、枠形状を有しており、第１変位体４３および第２変位体４４によって冷媒収容室４０ａが密閉されている。各変位体４３，４４は、図１で示した変位体３１と同様の金属薄板などで構成されるものであり、周縁部が冷却器本体４１に固定されている。
【００３２】
第１変位体４３は、一方の主面が冷媒に接し、他方の主面が半導体パッケージ１からの受熱面となっている。第２変位体４４は、冷媒収容室４０ａを隔てて第１変位体４３の反対側に位置している。また、第２変位体４４は、冷媒収容室４０ａ内において、第１変位体４３側に向かって突出する支持部４２を含んで構成されている。支持部４２は、第２変位体４４の冷媒に接する側の主面上に設けられた金属製のブロックで構成することができる。あるいは、図９に示すように、支持部４２となるべき非貫通部４２０を残すように、金属薄板４１０をくり貫き、これを図８で示したように積層させて冷却器本体４１を作製すれば、冷却器本体４１と支持部４２とを一体に形成することができる。
【００３３】
図４に示すように、半導体モジュール１０１は、上記した変位型冷却器４０と、半導体パッケージ１と、固定型冷却器２と、挟圧機構２０，４８とを備えている。一方の挟圧機構２０については、既に説明した。他方の挟圧機構４８は、変位型冷却器４０の冷却器本体４１に対する相対位置が固定されている。具体的に、挟圧機構４８は、冷却器本体４１が固定された金属製の基台部４６と、基台部４６に取り付けられた調節ネジ４７とを含んで構成されている。
【００３４】
基台部４６には、調節ネジ４７が螺合するネジ孔が形成されており、そのネジ孔に螺合する調節ネジ４７は、第２変位体４４に接近／離間する方向に進退可能となっている。すなわち、調節ネジ４７を締め込むと、その先端が第２変位体４４に当接する。さらに締め込み量を増大させると、支持部４２が第１変位体４３側に向かって押し進められる。支持部４２は、冷媒収容室４０ａ内より第１変位体４３を押圧および支持する。このようにして、半導体パッケージ１が両冷却器２，４０間に挟持される。第１変位体４３の微小変位によって、各部材の寸法公差が吸収されるため、隙間等が発生しにくく、熱抵抗が低く抑えられる。
【００３５】
また、支持部４２を押圧する調節ネジ４７の締め込み量に応じて、第１変位体４３側への支持部４２の移動量が変化し、第１変位体４３を押圧する支持部４２の移動量に応じて、半導体パッケージ１側への第１変位体４３の変位量が変化する。したがって、調節ネジ４７の締め込み量の微調整により、半導体パッケージ１に無理な応力が懸かったり、押圧力不足になったりすることを防げる。
【００３６】
なお、図４の実施形態における押圧フレーム２０３および調節ネジ２０１，２０２は、変位型冷却器４０の冷却器本体４１と、固定型冷却器２との相対位置を固定する固定手段として機能している。ただし、図１で説明した実施形態の場合のように、調節ネジ２０１，２０２の操作を行ってもよく、その場合には半導体パッケージ１は上下方向から確実に挟持される。
【００３７】
また、図６の断面模式図に示すように、冷媒収容室５０ａ内に露出する冷却フィン５３を設けた変位型冷却器５０を採用することも可能である。このような冷却器５０を採用すれば、より確実に半導体パッケージ１が冷却される半導体モジュールを提供できる。冷却フィン５３には、たとえば矩形形状など、平坦面よりも冷媒との接触面積が増大する形状が付与される。冷却フィン５３は、半導体パッケージ１の搭載側となる第１変位体５２に固定する形で設けることができる。もちろん、冷媒収容室５０ａを隔てて反対側に第２変位体５５を設け、冷媒収容室５０ａ内において第１変位体５２側に向かって突出する支持部５４を、その第２変位体５５に固定する形で設けてもよい。
【００３８】
（第３の実施形態）
次に、図５に示す半導体モジュール１０２は、半導体パッケージ１と、固定型冷却器６０と、変位型冷却器４０と、挟圧機構４８とを備えている。既述したように、挟圧機構４８は基台部４６を含む。その基台部４６と固定型冷却器６０とは、連結部６１により連結されて、互いの相対位置関係が固定されている。このような形態の半導体モジュール１０２は、調節ネジ４７が適切に締め込まれることによって、変位型冷却器４０と固定型冷却器６０との間に、半導体パッケージ１がしっかりと保持される。つまり、実質的には、図４に示した半導体モジュール１０１と同じ効果を奏する。
【００３９】
連結部６１は、固定型冷却器６０と一体または別体に構成された金属部材である。扁平状の固定型冷却器６０には、１または複数の冷媒流通路６０ａが形成されている。連結部６１は、一端が固定型冷却器６０の冷媒流通路６０ａの非形成部位に、他端が基台部４６に接続および固定されている。基台部４６は、変位型冷却器４０の冷却器本体４１に固定されている。この結果、図５に示すように、固定型冷却器６０、連結部６１および基台部４６がコの字断面を呈するように組立てられている。そして、コの字断面の内側に半導体パッケージ１と変位型冷却器４０とが配置される形となっている。このようにして、連結部６１により固定型冷却器６０と変位型冷却器４０の冷却器本体４１とが正確に相対位置決めされている。半導体パッケージ１を挟持するための挟持圧力は、挟圧機構４８と変位体４３，４４により調整されている。
【００４０】
なお、図５の実施形態に示すように、半導体パッケージ１の大電流用リード端子１２０，１４０は、半導体パッケージ１の面内方向に延びて、外方に引き出されている。
【００４１】
（第４の実施形態）
次に、図７に示す半導体モジュール１０３は、半導体パッケージ１の上下に配置される両冷却器を、変位型冷却器で構成したものと捉えることができる。また、本実施形態では、半導体パッケージ１の上下に配する１対の冷却器が一体化されて、コの字断面（またはＵ字断面）を呈するように構成された冷却器８０を示している。
【００４２】
図７に示すように、冷却器８０は、冷却器本体８１と、冷却器本体８１に周縁部が固定される変位体７６，７８，８４と、冷却器８０の上下に配置される挟圧機構７２，７５とを含んで構成されている。各変位体７６，７８，８４は、既述の実施形態と同様、金属薄板により構成することができる。ただし、半導体パッケージ１からの吸熱を行う変位体８４は、予め断面コの字状（またはＵ字状）に成形される。各変位体７６，７８，８４は、冷却器本体８１に周縁部を固定することにより、冷媒収容室８０ａの蓋に兼用されている。これにより、冷媒収容室８０ａは、半導体パッケージ１の上面側から下面側に回りこむように連通形成される。すなわち、冷却器８０は、半導体パッケージ１の上下で略対称となるように構成されている。
【００４３】
半導体パッケージ１は、絶縁材１７，１８とスペーサ３４，３５とを介して吸熱面をなす変位体８４の内側に収容されている。挟圧機構７２，７５は、それぞれ基台部７０，７３と調節ネジ７１，７４とを含み、調節ネジ７１，７４の締め込み量調整により支持部７７，７９の移動量調整、ひいては変位体７６，７８，８４の変位量調整が行なわれる。これにより、コの字（Ｕ字）の内側に、半導体パッケージ１が保持されることとなる。
【００４４】
以上、本明細書中においては、いくつかの好適な実施形態を示した。それらの実施形態を種々組み合わせることはもちろん可能であり、本明細書中に記載の実施形態と同様に好適である。また、１つの実施形態の説明は、他の実施形態の説明に援用できることを断っておく。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる両面冷却型半導体モジュールの断面模式図。
【図２】図１の両面冷却型半導体モジュールの変形例。
【図３】別形態の冷却器の断面模式図。
【図４】図３の冷却器を用いた両面冷却型半導体モジュールの断面模式図。
【図５】両面冷却型半導体モジュールの別実施例の断面模式図。
【図６】両面冷却型半導体モジュールの別実施例の断面模式図。
【図７】両面冷却型半導体モジュールの別実施例の断面模式図。
【図８】冷却器本体の組立手順を説明する分解斜視図。
【図９】支持部を有する冷却器本体の構成部材の斜視図。
【符号の説明】
１ 半導体パッケージ
２，６０ 固定型冷却器
３，４０，８０ 変位型冷却器
３ａ，４０ａ，８０ａ 冷媒収容室
２０，４８，７２，７５ 挟圧機構
３１，４３，４４，７６，７８，８４ 変位体
３２，４１，８１ 冷却器本体
４２，７７，７９ 支持部
４６，７０，７３ 基台部
４７，７１，７４ 調節ネジ（押圧接触部）
５３ 冷却フィン
６１ 連結部
１００，１００’，１０１，１０２，１０３ 両面冷却型半導体モジュール
２０１，２０２ 調節ネジ（締結手段）
２０３ 押圧フレーム
３２０，３２１ 金属薄板
【発明の属する技術分野】
本発明は、両面冷却型半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、モータ駆動用インバータ回路等に使用される半導体パワー素子は、放熱部材（ヒートシンク）をパワー素子の上下に配するとともに、一体に樹脂モールドしたパワー素子パッケージの形で提供されている。代表的なパワー素子であるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を例にすると、パワー素子の上下面にそれぞれ露出するエミッタとコレクタは、そのパワー素子の上下に配されるヒートシンクに直接またはスペーサを介してそれぞれ半田接続される。この場合のヒートシンクは、大電流経路としての機能も有する。
【０００３】
上記のようなパワー素子パッケージは、薄い絶縁材を介してヒートシンクに接するように冷却器が配置された、半導体モジュールの形で実使用に供される。たとえば、下記特許文献１には、アルミニウム合金などで構成された１対の冷媒チューブ（冷却器）でパワー素子パッケージを挟持する構造が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３５２０２３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、パワー素子パッケージと冷却器とを組付けてモジュール化するにあたり、パワー素子パッケージにおける両ヒートシンクの平行度、冷却器の平面度、介挿される絶縁材の厚さ公差などの要因により、ヒートシンクと冷却器との密着性が不十分になることがある。このような場合、パワー素子の冷却効率が低下するので好ましくない。
【０００６】
各部品の寸法精度や組立精度を、たとえば±０．１ｍｍ程度まで縮小することは、組立治具や金型の精度向上により、わりと簡単に成し得るが、たとえばこれを一桁小さい±０．０１ｍｍに縮小する場合のハードルは相当高い。したがって、各部品自体の寸法精度や組立精度を高めるよりも、寸法の誤差を他の手段で補うようにする方が賢明である。
【０００７】
具体的に、上記特許文献１には、ヒートシンクと冷却器との密着性を向上させるために、ヒートシンクと冷却器との間に、絶縁材のほかに、薄く加工した軟質金属材を介挿して凹凸を吸収させる技術が記載されている。ただし、これに満足することなく、高出力のパワー素子をより確実かつ強力に冷却するために、更なる改善策を模索することは必要である。
【０００８】
本発明は、半導体チップの冷却が良好となるように構成された、両面冷却半導体モジュールを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の両面冷却型半導体モジュールは、上下面から放熱を行う半導体装置と、半導体装置の上下にそれぞれ配置される第１冷却器および第２冷却器と、第１冷却器および第２冷却器に半導体装置を挟持させる挟圧機構とを備え、第１冷却器および第２冷却器の少なくとも一方は、一方の主面側に冷媒が配置され、他方の主面側に半導体装置が配置される変位体を含み、その変位体は、冷媒および半導体装置のいずれかの側に変位可能に構成されていることを特徴とする。
【００１０】
上記本発明は、半導体装置を冷却器で挟持する構成の両面冷却型半導体パッケージである。既に説明したように、実際の半導体装置および冷却器の寸法は、設計値からの微小なズレ（寸法公差）を有する。本発明によれば、冷却器の一部である変位体が変位することにより、各部品に不可避的に存在する寸法公差が吸収され、ひいては熱抵抗が低減される。したがって、半導体装置を効率良く冷却できる。なお、本発明のような半導体装置は、電流経路をなす電極自体が放熱面を有する構造となっている場合が多い。その場合は、半導体装置と冷却器との間に絶縁材が介挿され、半導体装置は絶縁材に密着し、絶縁材は冷却器に密着することとなる。
【００１１】
具体的には、第１冷却器および第２冷却器の一方が、変位体を含む変位型冷却器であり、他方の側が、半導体装置との相対位置関係が固定された固定型冷却器とすることができる。このようにすれば、固定型冷却器としては、特許文献１に記載されているような従来の冷却器を設計変更せずに使用できる。
【００１２】
好適な態様において、上記の変位型冷却器は、冷媒収容室を形成する冷却器本体を備える。そして、変位体は、金属薄板により構成されるとともに、冷却器本体に周縁部を固定することにより、冷媒収容室の蓋に兼用されており、挟圧機構の作動量に応じて、変位体の変位量が調整されている。半導体装置および冷却器の寸法公差は、もともと、±１００μｍ程度である。このような公差を吸収させるには、変位体に要求される変位量は微小である。また、経年劣化により、加圧力が減少していくことが少ない程よい。変位体を、金属薄板で構成すれば、それらの条件を十分クリアできる。
【００１３】
また、挟圧機構は、固定型冷却器に接して変位型冷却器の側に向けて押圧する押圧フレームと、押圧フレームと変位型冷却器との締結手段とを含んで構成され、上記締結手段の作動量の変化に応じて、固定型冷却器に付与される押圧力が変化するとともに、その押圧力が、半導体装置を介して変位型冷却器の変位体に付与されるように構成することができる。この構成によれば、固定型冷却器と変位型冷却器とに挟持された半導体装置に懸かる圧力の調整も簡単である。したがって、半導体装置に無理な圧力が懸かって損傷が発生するなどの不具合も発生しにくい。また、両冷却器の間に半導体装置を配置して位置決めした後から、締結手段を作動させるため、組付け容易性も高い。
【００１４】
別の好適な態様において、変位型冷却器は、冷媒収容室を形成する冷却器本体を備える。変位体は、金属薄板により構成されるとともに、冷却器本体に周縁部を固定することにより、冷媒収容室の蓋に兼用されており、挟圧機構の作動量に応じて、変位体の変位量が調整されている。さらに、変位体は、半導体装置からの吸熱を行う第１変位体と、冷媒収容室を隔てて第１変位体の反対側において、冷却器本体に固定された第２変位体とを含み、その第２変位体は、冷媒収容室内において、第１変位体に向かって突出する支持部を含み、挟圧機構は、第２変位体側から第１変位体側に向けて、支持部を押圧するように構成され、支持部は、挟圧機構の作動に応じて第１変位体を半導体装置側に向けて押圧する。この構成によれば、固定型冷却器と変位型冷却器とに挟まれた半導体装置に懸かる圧力の調整も簡単である。したがって、半導体装置に無理な圧力が懸かって損傷が発生するなどの不具合も発生しにくい。また、両冷却器の間に半導体装置を配置して位置決めした後から、締結手段を作動させるため、組立容易性も高い。
【００１５】
また、挟圧機構は、変位型冷却器の冷却器本体との相対位置が固定された基台部と、基台部に取り付けられるとともに、第２変位体の支持部に対して接近／離間する方向に進退可能な押圧接触部とを含み、支持部を押圧する押圧接触手段の作動量に応じて、第１変位体側への支持部の移動量が変化し、第１変位体を押圧する支持部の移動量に応じて、半導体装置側への第１変位体の変位量が変化するように構成されている。このようにすると、冷却器本体に対する支持部の移動量を容易に調節でき、半導体装置に無理な圧力が懸かることも起こりにくい。
【００１６】
なお、第１冷却器および第２冷却器の両方を、変位体を含む変位型冷却器で構成することも可能である。それら変位型冷却器は、冷媒収容室を形成する冷却器本体を備え、変位体は、金属薄板により構成されるとともに、冷却器本体に周縁部を固定することにより、冷媒収容室の蓋に兼用されており、挟圧機構の作動量に応じて、変位体の変位量が調整されることとなる。このようにすれば、半導体装置の上下の変位型冷却器で、寸法公差を半分ずつ吸収できればよくなる。したがって、より確実に寸法公差が吸収されることを期待できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１に示すのは、本発明の両面冷却型半導体モジュール１００の断面模式図である。両面冷却型半導体モジュール１００（以下、単に半導体モジュールともいう）は、扁平状の半導体パッケージ１の上下に固定型冷却器２および変位型冷却器３がそれぞれ配置されたものである。各冷却器２，３と、半導体パッケージ１との間には、シート状の絶縁材１７，１８が介挿されている。また、半導体モジュール１００は、固定型冷却器２と変位型冷却器３とに半導体パッケージ１を挟持させる挟圧機構２０を備えている。
【００１８】
半導体パッケージ１と固定型冷却器２との相対位置は固定されている。半導体パッケージ１に対する変位型冷却器３の相対位置は変化可能である。すなわち、挟圧機構２０の調節ネジ２０１，２０２を締めこむと、押圧フレーム２０３が変位型冷却器３の冷却器本体３２に接近する。これにより、固定型冷却器２を介して半導体パッケージ１が押圧されるとともに、変位体３１が微小変位して半導体パッケージ１と絶縁材１７との密着性、絶縁材１７と変位体３１との良好な密着性が実現される。
【００１９】
半導体パッケージ１は、半導体チップ１０と、半導体チップ１０の上下に放熱部材１２，１４（ヒートシンク）を配置して、モールド樹脂部１６により一体化したものである。このような半導体パッケージ１は、たとえばブラシレスモータ用の三相インバータ回路の一部を構成する。半導体チップ１０の種類は、たとえばＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を示すことができる。モータなどの誘導負荷に接続されるＩＧＢＴには、通常、フリーホイールダイオードが逆並列に接続されるが、本明細書中においては省略している。
【００２０】
薄板状の半導体チップ１０は、一方の主面側にゲートとエミッタ（またはソース）が露出し、他方の主面側にコレクタ（またはドレイン）が露出するように設計されている。半導体チップ１０は、ヒートシンク１２，１４と、直接またはスペーサ１３を介して半田などの導電接合材で接合されている。したがって、半導体チップ１０のエミッタおよびコレクタは、それぞれヒートシンク１２，１４と導通している。なお、半導体チップ１０は、エミッタが露出する主面側に、ゲートが露出するように設計されており、ゲートには、モールド樹脂部１６の外側に延出する制御信号用リード端子（図示省略）が導通接続される。
【００２１】
ヒートシンク１２，１４は、それぞれ扁平状または板状の形態を有する。各ヒートシンク１２，１４は、半導体チップ１０側の受熱面と反対側の放熱面とが略平面に調整されている。そして、これらのヒートシンク１２，１４は、互いに略平行となるように組み付けられている。ヒートシンク１２，１４は、熱伝導性および電気伝導性の観点から、たとえばＣｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌおよびのグループから選択される１種の金属材料、もしくはそれらの金属材料を主体とする合金により構成されている。
【００２２】
モールド樹脂部１６は、半導体チップ７の周側面を被覆するとともに、両ヒートシンク１２，１４により形成される隙間を充填している。モールド樹脂部１６は、たとえばエポキシ樹脂により構成される。ヒートシンク１２，１４には、面内外側方向に延びる大電流用リード端子１２０，１４０（図５参照）がそれぞれ一体に形成されており、それら大電流用リード端子１２０，１４０は、モールド樹脂部１６の外側に延出している。図１において、半導体パッケージ１は、大電流用リード端子が、紙面と垂直な方向に延びるように配置されている。
【００２３】
固定型冷却器２は、ＡｌまたはＡｌ合金などの易成形金属を成形することにより作製された冷媒チューブであり、扁平形状を有している。また、固定型冷却器２には、１または複数の冷媒流通路２ａが形成されている。冷媒流通路２ａには、図示しない循環冷却装置を経由して、水などの冷媒が流通される。固定型冷却器２は、絶縁材１８を介して半導体モジュール１と向かい合う側に平坦な吸熱面２ｐを有し、冷媒流通路２ａを隔てて反対側が、押圧フレーム２０３に接する平坦な押圧面２ｑとなっている。
【００２４】
変位型冷却器３は、冷媒収容室３ａを形成する冷却器本体３２と、周縁部が冷却器本体３２に固定された変位体３１とを備えている。冷媒収容室３ａには、固定型冷却器２と同様に水などの冷媒が流通される。変位体３１は、一方の主面が冷媒に接して冷媒収容室３ａを密閉するとともに、他方の主面側には半導体パッケージ１が絶縁材１７を介して配置されるようになっている。変位体３１の主面（受熱面）は、半導体パッケージ１の放熱面（上下面）よりも十分に広く設計されている。
【００２５】
変位体３１は、１または複数層の金属薄板により構成することができる。変位体３１は、高い耐食性と、適度な柔軟性を有することが好ましい。具体的には、たとえばＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金およびステンレス鋼などの材料により構成することができる。
【００２６】
図１の実施形態において、冷却器本体３２は、変位体３１と同一もしくは異なる材料（Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金およびステンレス鋼など）からなる金属薄板を積層させた金属積層体により構成することができる。これにより、良好な熱伝導性を確保できる。具体的には、図８に示すように、冷媒収容部３ａを形成するために枠状にくり貫いた金属薄板３２０と、冷媒収容室３ａの底部となる金属薄板３２１と、冷媒収容室３ａの蓋として機能する変位体３１を構成する金属薄板とを、ロウ材などの接合材を用いて積層および接合する。なお、固定型冷却器２の場合と同様、冷媒収容室３ａ内には、循環冷却装置を経由して水などの冷媒が流通される。
【００２７】
図１に示すように、固定型冷却器２と変位型冷却器３とに半導体パッケージ１を挟持させる挟圧機構２０は、金属製の押圧フレーム２０３と、調節ネジ２０１，２０２とを含んで構成されている。押圧フレーム２０３は、固定型冷却器２を覆うようにして設けられており、固定型冷却器２の押圧面２ｑと向かい合う位置には、凸状部２１１，２１１が形成されており、押圧力が効率良く付与されるようになっている。調節ネジ２０１，２０２は、変位型冷却器３の冷却器本体３２に形成されたネジ孔に螺合され、押圧フレーム２０３と冷却器本体３２とを締結している。緩み止め用のワッシャや皿バネを設けてもよい。
【００２８】
上記の調節ネジ２０１，２０２を締めこむと、押圧フレーム２０３は、変位型冷却器３の冷却器本体３２に接近する。これと同時に、押圧フレーム２０３の凸状部２１１，２１１は、固定型冷却器２の押圧面２ｑを押圧する。すると、固定型冷却器２を介して半導体パッケージ１が押圧されて、金属薄板からなる変位体３１が微小変位（弾性／塑性変形）する。これにより、半導体パッケージ１における両ヒートシンク１２，１４の平行度、固定冷却器２の平面度、介挿される絶縁材１７，１８の厚さなど、設計値からの不可避的なズレが生じていても、変位体３１の微小変位により相殺される。そのため、隙間等が発生しにくく、熱抵抗も低く抑えられる。押圧フレーム２０３が固定型冷却器２に付与する押圧力は、調節ネジ２０１，２０２の締め込み量に応じて変化するようになっているので、半導体パッケージ１に無理な応力が懸からない範囲内にて、変位体３１の変位量を調節可能である。
【００２９】
なお、図２に示すように、変位体３１と一体または別体に、金属製のスペーサ３４を設けることも可能である。スペーサ３４で上げ底すれば、半導体パッケージ１の大電流用リード端子１２０，１４０（図５参照）の取り回しが容易になる。また、スペーサ３４に半導体パッケージ１を固定してもよく、その場合は、本半導体モジュール１００の組立容易性の向上を期待できる。
【００３０】
（第２の実施形態）
次に、図３に示すのは、別形態の変位型冷却器４０の断面模式図であり、図４に示すのは、図３の冷却器４０を用いた両面冷却型半導体モジュール１０１の断面模式図である。この半導体モジュール１０１は、図１に示した半導体モジュール１００と大部分が共通の構成であるから、共通部分の説明は割愛する。
【００３１】
図３に示すように、変位型冷却器４０の冷却器本体４１は、枠形状を有しており、第１変位体４３および第２変位体４４によって冷媒収容室４０ａが密閉されている。各変位体４３，４４は、図１で示した変位体３１と同様の金属薄板などで構成されるものであり、周縁部が冷却器本体４１に固定されている。
【００３２】
第１変位体４３は、一方の主面が冷媒に接し、他方の主面が半導体パッケージ１からの受熱面となっている。第２変位体４４は、冷媒収容室４０ａを隔てて第１変位体４３の反対側に位置している。また、第２変位体４４は、冷媒収容室４０ａ内において、第１変位体４３側に向かって突出する支持部４２を含んで構成されている。支持部４２は、第２変位体４４の冷媒に接する側の主面上に設けられた金属製のブロックで構成することができる。あるいは、図９に示すように、支持部４２となるべき非貫通部４２０を残すように、金属薄板４１０をくり貫き、これを図８で示したように積層させて冷却器本体４１を作製すれば、冷却器本体４１と支持部４２とを一体に形成することができる。
【００３３】
図４に示すように、半導体モジュール１０１は、上記した変位型冷却器４０と、半導体パッケージ１と、固定型冷却器２と、挟圧機構２０，４８とを備えている。一方の挟圧機構２０については、既に説明した。他方の挟圧機構４８は、変位型冷却器４０の冷却器本体４１に対する相対位置が固定されている。具体的に、挟圧機構４８は、冷却器本体４１が固定された金属製の基台部４６と、基台部４６に取り付けられた調節ネジ４７とを含んで構成されている。
【００３４】
基台部４６には、調節ネジ４７が螺合するネジ孔が形成されており、そのネジ孔に螺合する調節ネジ４７は、第２変位体４４に接近／離間する方向に進退可能となっている。すなわち、調節ネジ４７を締め込むと、その先端が第２変位体４４に当接する。さらに締め込み量を増大させると、支持部４２が第１変位体４３側に向かって押し進められる。支持部４２は、冷媒収容室４０ａ内より第１変位体４３を押圧および支持する。このようにして、半導体パッケージ１が両冷却器２，４０間に挟持される。第１変位体４３の微小変位によって、各部材の寸法公差が吸収されるため、隙間等が発生しにくく、熱抵抗が低く抑えられる。
【００３５】
また、支持部４２を押圧する調節ネジ４７の締め込み量に応じて、第１変位体４３側への支持部４２の移動量が変化し、第１変位体４３を押圧する支持部４２の移動量に応じて、半導体パッケージ１側への第１変位体４３の変位量が変化する。したがって、調節ネジ４７の締め込み量の微調整により、半導体パッケージ１に無理な応力が懸かったり、押圧力不足になったりすることを防げる。
【００３６】
なお、図４の実施形態における押圧フレーム２０３および調節ネジ２０１，２０２は、変位型冷却器４０の冷却器本体４１と、固定型冷却器２との相対位置を固定する固定手段として機能している。ただし、図１で説明した実施形態の場合のように、調節ネジ２０１，２０２の操作を行ってもよく、その場合には半導体パッケージ１は上下方向から確実に挟持される。
【００３７】
また、図６の断面模式図に示すように、冷媒収容室５０ａ内に露出する冷却フィン５３を設けた変位型冷却器５０を採用することも可能である。このような冷却器５０を採用すれば、より確実に半導体パッケージ１が冷却される半導体モジュールを提供できる。冷却フィン５３には、たとえば矩形形状など、平坦面よりも冷媒との接触面積が増大する形状が付与される。冷却フィン５３は、半導体パッケージ１の搭載側となる第１変位体５２に固定する形で設けることができる。もちろん、冷媒収容室５０ａを隔てて反対側に第２変位体５５を設け、冷媒収容室５０ａ内において第１変位体５２側に向かって突出する支持部５４を、その第２変位体５５に固定する形で設けてもよい。
【００３８】
（第３の実施形態）
次に、図５に示す半導体モジュール１０２は、半導体パッケージ１と、固定型冷却器６０と、変位型冷却器４０と、挟圧機構４８とを備えている。既述したように、挟圧機構４８は基台部４６を含む。その基台部４６と固定型冷却器６０とは、連結部６１により連結されて、互いの相対位置関係が固定されている。このような形態の半導体モジュール１０２は、調節ネジ４７が適切に締め込まれることによって、変位型冷却器４０と固定型冷却器６０との間に、半導体パッケージ１がしっかりと保持される。つまり、実質的には、図４に示した半導体モジュール１０１と同じ効果を奏する。
【００３９】
連結部６１は、固定型冷却器６０と一体または別体に構成された金属部材である。扁平状の固定型冷却器６０には、１または複数の冷媒流通路６０ａが形成されている。連結部６１は、一端が固定型冷却器６０の冷媒流通路６０ａの非形成部位に、他端が基台部４６に接続および固定されている。基台部４６は、変位型冷却器４０の冷却器本体４１に固定されている。この結果、図５に示すように、固定型冷却器６０、連結部６１および基台部４６がコの字断面を呈するように組立てられている。そして、コの字断面の内側に半導体パッケージ１と変位型冷却器４０とが配置される形となっている。このようにして、連結部６１により固定型冷却器６０と変位型冷却器４０の冷却器本体４１とが正確に相対位置決めされている。半導体パッケージ１を挟持するための挟持圧力は、挟圧機構４８と変位体４３，４４により調整されている。
【００４０】
なお、図５の実施形態に示すように、半導体パッケージ１の大電流用リード端子１２０，１４０は、半導体パッケージ１の面内方向に延びて、外方に引き出されている。
【００４１】
（第４の実施形態）
次に、図７に示す半導体モジュール１０３は、半導体パッケージ１の上下に配置される両冷却器を、変位型冷却器で構成したものと捉えることができる。また、本実施形態では、半導体パッケージ１の上下に配する１対の冷却器が一体化されて、コの字断面（またはＵ字断面）を呈するように構成された冷却器８０を示している。
【００４２】
図７に示すように、冷却器８０は、冷却器本体８１と、冷却器本体８１に周縁部が固定される変位体７６，７８，８４と、冷却器８０の上下に配置される挟圧機構７２，７５とを含んで構成されている。各変位体７６，７８，８４は、既述の実施形態と同様、金属薄板により構成することができる。ただし、半導体パッケージ１からの吸熱を行う変位体８４は、予め断面コの字状（またはＵ字状）に成形される。各変位体７６，７８，８４は、冷却器本体８１に周縁部を固定することにより、冷媒収容室８０ａの蓋に兼用されている。これにより、冷媒収容室８０ａは、半導体パッケージ１の上面側から下面側に回りこむように連通形成される。すなわち、冷却器８０は、半導体パッケージ１の上下で略対称となるように構成されている。
【００４３】
半導体パッケージ１は、絶縁材１７，１８とスペーサ３４，３５とを介して吸熱面をなす変位体８４の内側に収容されている。挟圧機構７２，７５は、それぞれ基台部７０，７３と調節ネジ７１，７４とを含み、調節ネジ７１，７４の締め込み量調整により支持部７７，７９の移動量調整、ひいては変位体７６，７８，８４の変位量調整が行なわれる。これにより、コの字（Ｕ字）の内側に、半導体パッケージ１が保持されることとなる。
【００４４】
以上、本明細書中においては、いくつかの好適な実施形態を示した。それらの実施形態を種々組み合わせることはもちろん可能であり、本明細書中に記載の実施形態と同様に好適である。また、１つの実施形態の説明は、他の実施形態の説明に援用できることを断っておく。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる両面冷却型半導体モジュールの断面模式図。
【図２】図１の両面冷却型半導体モジュールの変形例。
【図３】別形態の冷却器の断面模式図。
【図４】図３の冷却器を用いた両面冷却型半導体モジュールの断面模式図。
【図５】両面冷却型半導体モジュールの別実施例の断面模式図。
【図６】両面冷却型半導体モジュールの別実施例の断面模式図。
【図７】両面冷却型半導体モジュールの別実施例の断面模式図。
【図８】冷却器本体の組立手順を説明する分解斜視図。
【図９】支持部を有する冷却器本体の構成部材の斜視図。
【符号の説明】
１ 半導体パッケージ
２，６０ 固定型冷却器
３，４０，８０ 変位型冷却器
３ａ，４０ａ，８０ａ 冷媒収容室
２０，４８，７２，７５ 挟圧機構
３１，４３，４４，７６，７８，８４ 変位体
３２，４１，８１ 冷却器本体
４２，７７，７９ 支持部
４６，７０，７３ 基台部
４７，７１，７４ 調節ネジ（押圧接触部）
５３ 冷却フィン
６１ 連結部
１００，１００’，１０１，１０２，１０３ 両面冷却型半導体モジュール
２０１，２０２ 調節ネジ（締結手段）
２０３ 押圧フレーム
３２０，３２１ 金属薄板
Claims (10)
- 上下面から放熱を行う半導体装置と、前記半導体装置の上下にそれぞれ配置される第１冷却器および第２冷却器と、前記第１冷却器および前記第２冷却器に前記半導体装置を挟持させる挟圧機構とを備え、
前記第１冷却器および前記第２冷却器の少なくとも一方は、一方の主面側に冷媒が配置され、他方の主面側に前記半導体装置が配置される変位体を含み、
前記変位体は、前記冷媒および前記半導体装置のいずれかの側に変位可能に構成されていることを特徴とする両面冷却型半導体モジュール。 - 前記第１冷却器および前記第２冷却器の一方が、前記変位体を含む変位型冷却器であり、他方の側が、前記半導体装置との相対位置関係が固定された固定型冷却器とされている請求項１記載の両面冷却型半導体モジュール。
- 前記変位型冷却器は、冷媒収容室を形成する冷却器本体を備え、
前記変位体は、金属薄板により構成されるとともに、前記冷却器本体に周縁部を固定することにより、前記冷媒収容室の蓋に兼用されており、
前記挟圧機構の作動量に応じて、前記変位体の変位量が調整されている請求項２記載の両面冷却型半導体モジュール。 - 前記冷却器本体は、金属板を積層させた金属積層体により構成されている請求項３記載の両面冷却型半導体モジュール。
- 前記挟圧機構は、前記固定型冷却器に接して前記変位型冷却器の側に向けて押圧する押圧フレームと、前記押圧フレームと前記変位型冷却器との締結手段とを備え、
前記締結手段の作動量の変化に応じて、前記固定型冷却器に付与される押圧力が変化するとともに、その押圧力が、前記半導体装置を介して前記変位型冷却器の前記変位体に付与されるように構成された請求項２ないし４のいずれか１項に記載の両面冷却型半導体モジュール。 - 前記変位型冷却器は、冷媒収容室を形成する冷却器本体を備え、
前記変位体は、金属薄板により構成されるとともに、前記冷却器本体に周縁部を固定することにより、前記冷媒収容室の蓋に兼用されており、
前記挟圧機構の作動量に応じて、前記変位体の変位量が調整されており、
前記変位体は、前記半導体装置からの吸熱を行う第１変位体と、前記冷媒収容室を隔てて前記第１変位体の反対側において、前記冷却器本体に固定された第２変位体とを含み、
前記第２変位体は、前記冷媒収容室内において、前記第１変位体に向かって突出する支持部を含み、
前記挟圧機構は、前記第２変位体側から前記第１変位体側に向けて、前記支持部を押圧するように構成され、
前記支持部は、前記挟圧機構の作動に応じて前記第１変位体を前記半導体装置側に向けて押圧する請求項１記載の両面冷却型半導体モジュール。 - 前記挟圧機構は、前記変位型冷却器の前記冷却器本体との相対位置が固定された基台部と、前記基台部に取り付けられるとともに、前記第２変位体の前記支持部に対して接近／離間する方向に進退可能な押圧接触部とを含んで構成され、
前記支持部を押圧する前記押圧接触手段の作動量に応じて、前記第１変位体側への前記支持部の移動量が変化し、前記第１変位体を押圧する前記支持部の移動量に応じて、前記半導体装置側への前記第１変位体の変位量が変化するように構成されている請求項６記載の両面冷却型半導体モジュール。 - 前記固定型冷却器と前記基台部とを連結して、互いの相対位置関係を保持する連結部を備えた請求項７記載の両面冷却型半導体モジュール。
- 前記第１冷却器および前記第２冷却器の両方が、前記変位体を含む変位型冷却器であり、それら変位型冷却器は、冷媒収容室を形成する冷却器本体を備え、
前記変位体は、金属薄板により構成されるとともに、前記冷却器本体に周縁部を固定することにより、前記冷媒収容室の蓋に兼用されており、
前記挟圧機構の作動量に応じて、前記変位体の変位量が調整される請求項１記載の両面冷却型半導体モジュール。 - 前記変位体は、前記冷媒と接する側において冷却フィンを備えている請求項１ないし９のいずれか１項に記載の両面冷却型半導体モジュール。
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