JP2009218440A - 半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】従来の半導体モジュールでは、ハウジングを冷却器に接合する場合、冷却器に反りが生じると、ハウジングと冷却器との間を全周にわたってシールすることや必要な厚みの接着剤を確保することが困難となる。
【解決手段】半導体素子２１が実装された基板２２を冷却器１０上に接合して構成されるモジュールユニット２と、モジュールユニット２の冷却器１０上に接着剤２５を介して接着されるハウジング３とを備えた半導体モジュール１であって、冷却器１０のハウジング３との接着面には、接着剤２５が塗布される接着剤塗布溝１２ａが接着部位に沿って形成され、ハウジング３の冷却器１０との接着面には、接着剤塗布溝１２ａの内周面と所定の寸法ｄだけ離間した状態で接着剤塗布溝１２ａ内に突入するリブ３１ａが形成され、ハウジング３の冷却器１０との接着面におけるリブ３１ａの両側部には内側支持部および外側支持部が形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子が実装された基板を冷却器上に接合して構成されるモジュールユニットと、前記モジュールユニットの冷却器上に接着され、前記半導体素子の周囲を覆うハウジングとを備えた半導体モジュールに関する。
従来、ＩＧＢＴモジュール等の半導体モジュールとしては、半導体素子が実装された基板を冷却器上に接合して構成されるモジュールユニットと、前記モジュールユニットの冷却器上に接着され、前記半導体素子の周囲を覆うハウジングとを備えたものがある。
例えば、図６に示す半導体モジュール１０１は、半導体素子１２１が実装された基板１２２を、応力緩和材１２３を介して冷却器１１０上に接合して構成されるモジュールユニット１０２と、前記モジュールユニット１０２の冷却器１１０上に接着剤１２５を介して接着され、前記半導体素子１２１の周囲を覆うハウジング１０３とを備えている。
前記ハウジング１０３にはバスバー１３５が付設されており、このバスバー１３５と半導体素子１２１の電極および基板１２２の電極とがワイヤ１５９により接続されている。
前記冷却器１１０は、内部に冷却水が流れる冷却器本体１１１と、該冷却器本体１１１の上面に接合される天板１１２と、該冷却器本体１１１の下面に接合される底板１１３と、前記冷却器本体１１１の外側における前記天板１１２と底板１１３との間に介装されるスペーサ１１４とを備えている。
また、前記半導体モジュール１０１における冷却器１１０の下面には、リアクトル１６１やパワー半導体１６２が実装されたケース１０５がグリス１５３を介して接合されている。
半導体モジュール１０１とケース１０５との接合は、ボルト１５１をハウジング１０３の締結用孔１０３ｐおよびスペーサ１１４に順に挿通するとともに、該ボルト１５１をケース１０５の締結穴１０５ａに締結することで行われている。
このように構成される半導体モジュール１０１においては、前記ハウジング１０３の下面は平面状に形成されており、その一部から幅狭のリブ１０３ａが突出している。また、前記冷却器１１０の天板１１２は平板状に形成されている。
そして、図７に示すように、モジュールユニット１０２にハウジング１０３を接着する際には、前記天板１１２上に接着剤１２５が塗布される。前記天板１１２上に塗布される接着剤１２５は、前記リブ１０３ａの形成位置に対応する位置よりも内側（半導体素子１２１側）に塗布される。
天板１１２上への接着剤１２５の塗布後に、前記冷却器１１０に対してハウジング１０３を押圧して前記接着剤１２５を押し潰し、ハウジング１０３が加圧状態で載置された状態のモジュールユニット１０２を加熱炉などにより加熱して前記接着剤１２５を硬化させることにより、図８に示すように、ハウジング１０３とモジュールユニット１０２とを接着するようにしている。
この場合、前記接着剤１２５は、前記冷却器１１０上において、該冷却器１１０に接合された半導体素子１２１の周りを囲むように全周にわたって塗布される。
また、前記接着剤１２５は、ハウジング１０３により押圧されるが、前記ハウジング１０３の下面にはリブ１０３ａが突出しているので、該リブ１０３ａの長さ分の厚さの接着剤１２５でハウジング１０３とモジュールユニット１０２とを接着することとなる。つまり、ハウジング１０３の下面にリブ１０３ａを形成することにより、一定の厚さの接着剤１２５を確保して、ハウジング１０３とモジュールユニット１０２とを全周にわたって確実に接着するように構成している。
また、接着剤の厚さを一定に保持して安定した接着を実現する接着構造として、特許文献１に記載のようなものがある。
つまり、特許文献１においては、主回路ブロックと接着される樹脂ケースの段付き座面に突起物であるスタンドオフを形成し、接着剤の厚みをこのスタンドオフの突出長さ分の厚みに一定に揃えた半導体装置が開示されている。
特開２０００−７７６０２号公報
前記モジュールユニット１０２は、加熱により半導体素子１２１が実装された基板１２２と冷却器１１０とを接合して構成されるが、前記基板１２２と冷却器１１０との熱膨張係数が大きく異なるため、両者の接合後に冷却器１１０に反りが生じることがある。
ハウジング１０３を冷却器１１０に接合する場合、接合部におけるハウジング１０３の下面と冷却器１１０の上面とは、ともに平面状に形成されているので、冷却器１１０に反りが生じると、ハウジング１０３と冷却器１１０との間の隙間が大きくなって両者間に隙間が生じ易くなり、ハウジング１０３と冷却器１１０との間を全周にわたってシールすることが困難となる。
冷却器１１０にハウジング１０３を接合して、バスバー１３５と半導体素子１２１や基板１２２の電極とのワイヤ１５９による接続を行った後には、モジュールユニット１０２におけるハウジング１０３に囲まれた空間内にゲル状の充填剤を充填して半導体素子１２１やワイヤ１５９などの保護を行うが、ハウジング１０３と冷却器１１０との間に隙間が生じてシールされていない部分があると、そのシールされていない部分から充填剤が漏れ出すといった問題が発生する。
また、ハウジング１０３と冷却器１１０との間における隙間の発生を抑えるため、ハウジング１０３を冷却器１１０に接合する際に、ハウジング１０３の冷却器１１０に対する押圧力を大きくして冷却器１１０の反りを矯正することなどが考えられるが、ハウジング１０３は幅狭のリブ１０３ａのみで冷却器１１０に対して線状に当接しているので、接合時の加熱により軟化した（接合時の加熱によりハウジング１０３が該ハウジング１０３を構成する樹脂のガラス転移点温度以上となるため）リブ１０３ａが大きな押圧力により座屈・変形してしまい、接着剤１２５が薄くなって必要な厚みを確保することができなくなり、ハウジング１０３と冷却器１１０との間を確実にシールすることが困難となる。
また、特許文献１に記載される接着剤厚さ確保用のスタンドオフも、小さな面積で点在的に設けられているだけであるので、前記リブ１０３ａと同様に接着時の加圧力により座屈・変形してしまい、必要な厚みの接着剤を確保することが困難である。
そこで、本発明においては、冷却器に反りが生じている場合でも、接着剤の厚みを確保しつつ、ハウジングと冷却器との間を確実にシールすることができる半導体モジュールを提供するものである。
上記課題を解決する半導体モジュールは、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、半導体素子が実装された基板を冷却器上に接合して構成されるモジュールユニットと、前記モジュールユニットの冷却器上に接着剤を介して接着され、前記半導体素子の周囲を覆うハウジングとを備えた半導体モジュールであって、前記冷却器におけるハウジングとの接着面には、前記接着剤が塗布される接着剤塗布溝が前記ハウジングの接着部位に沿って形成され、前記ハウジングにおける冷却器との接着面には、前記ハウジングを冷却器上に載置した状態で、該接着剤塗布溝の内周面と所定の寸法だけ離間した状態で、前記接着剤塗布溝内に突入するリブが形成され、前記ハウジングの冷却器との接着面における前記リブの両側部には、前記ハウジングを冷却器上に載置した状態で、前記冷却器に当接する支持部が形成される。
これにより、冷却器の反りによりハウジングが冷却器に対して浮いた状態となっている箇所においても、接着剤によりハウジングと冷却器との接着を行うことができ、両者間を確実にシールすることができる。
すなわち、ハウジングと冷却器とを接着して両者間をシールする際における、冷却器の反りに対する許容値を大きくすることができる。
また、ハウジングおよび冷却器に対する接着剤の接触面積が大きくなるため、ハウジングと冷却器との接着強度を大きくすることができる。
さらに、冷却器上に載置されたハウジングは、前記リブの両側部に配置される支持部により支持されているので、ハウジングを冷却器に対して押圧したときには、例えば両側の支持部の何れか一方のみにより支持されている場合に比べて、各支持部の接地圧が小さくなり、該支持部が変形することがなく、冷却器に対するリブの高さ位置を一定に保持することができる。従って、接着剤塗布溝とリブとの間の隙間寸法を確保することができ、つまり接着剤塗布溝とリブとの間に充填される接着剤の一定寸法の厚みを確保することができ、ハウジングと冷却器との接着強度を確保することができる。
また、請求項２記載の如く、前記ハウジングを冷却器上に載置した状態において、前記リブと、該リブの両側の支持部との間には、前記接着剤塗布溝に塗布された接着剤を収容可能な接着剤退避空間が形成される。
これにより、ハウジングと冷却器との接着部に塗布された余分な接着剤を接着剤退避空間に収容することができ、余分な接着剤が前記接着部の外部にはみ出すことを防止でき、はみ出した接着剤を拭き取ったり、はみ出した接着剤に起因する不具合の発生を抑えたりすることができる。
また、請求項３記載の如く、前記冷却器における、前記ハウジングの支持部の少なくとも一方の当接面は、補強部材により支持されている。
これにより、前記補強部材により支持されている当接面は、接着時に押圧されるハウジングからの圧力を確実に受け止めることができ、接着剤の厚み寸法を確保しつつ、ハウジングと冷却器との間を確実にシールすることができる。
本発明によれば、ハウジングと冷却器とを接着して両者間をシールする際における、冷却器の反りに対する許容値を大きくすることができ、冷却器に反りが生じている場合でも、接着剤の厚みを確保しつつ、ハウジングと冷却器との間を確実にシールすることができる。
また、接着剤塗布溝とリブとの間に充填される接着剤の一定寸法の厚みを確保することができ、ハウジングと冷却器との接着強度を確保することができる。
次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。
図１に示す半導体モジュール１は、半導体素子２１が実装された基板２２を、応力緩和材２３を介して冷却器１０上に接合して構成されるモジュールユニット２と、前記モジュールユニット２の冷却器１０上に接着剤２５を介して接着され、前記半導体素子２１の周囲を覆うハウジング３とを備えている。
前記ハウジング３にはバスバー３５が付設されており、このバスバー３５と半導体素子２１の電極および基板２２の電極とがワイヤ５９により接続されている。
前記冷却器１０は、内部に冷却水が流れる冷却器本体１１と、該冷却器本体１１の上面に接合される天板１２と、該冷却器本体１１の下面に接合される底板１３と、前記冷却器本体１１の外側における前記天板１２と底板１３との間に介装されるスペーサ１４とを備えている。
前記応力緩和材２３は冷却器本体１１上に直接接合され、前記天板１２は応力緩和材２３の外周位置に配置されており、天板１２は冷却器本体１１から外方へ突出している。
また、前記底板１３も冷却器本体１１から外方へ突出しており、冷却器本体１１から突出した部分の前記天板１２と底板１３との間に前記スペーサ１４が介装されている。
また、前記半導体モジュール１における冷却器１０の下面には、リアクトル６１やパワー半導体６２が実装されたケース５がグリス５３を介して接合されている。
半導体モジュール１とケース５との接合は、ボルト５１をハウジング３の締結用孔３ｐおよびスペーサ１４に順に挿通するとともに、該ボルト５１をケース５の締結穴５ａに締結することで行われている。
この場合、前記スペーサ１４は、高い剛性を有した金属部材などにより構成されており、ボルト５１による半導体モジュール１とケース５との接合強度を高くしている。
このように構成される半導体モジュール１においては、前記天板１２に接着剤塗布溝１２ａが形成されている。
そして、図２に示すように、モジュールユニット２にハウジング３を接着する際には、前記天板１２の接着剤塗布溝１２ａ内に接着剤２５が塗布される。
前記接着剤塗布溝１２ａへの接着剤２５の塗布後に、前記冷却器１０に対してハウジング３を押圧して前記接着剤２５を押し潰し、ハウジング３が加圧状態で載置された状態のモジュールユニット２を加熱炉などにより加熱して前記接着剤２５を硬化させ、ハウジング３とモジュールユニット２とを接着するようにしている。
前記天板１２はアルミ板などの金属板にて構成されており、前記接着剤塗布溝１２ａは平板状の天板１２をプレスなどにより屈曲して形成されている。本例の場合は図３に示すように、環状の内側山折部１２ｂおよび外側山折部１２ｃを半導体素子２１・２１の外周を囲むように２重に形成し、その内側山折部１２ｂと外側山折部１２ｃとの間に形成される谷折部を接着剤塗布溝１２ａとして構成している。
そして、ハウジング３と冷却器１０とを接着する際には、前記接着剤塗布溝１２ａ内に接着剤２５を充填するように構成している。
言い換えれば、前記接着剤塗布溝１２ａは、ハウジング３と冷却器１０とを接着する際に接着剤２５が塗布される、ハウジング３と冷却器１０との接着部位に沿って形成されている。
図４に示すように、前記ハウジング３においては、前記天板１２の内側山折部１２ｂ、接着剤塗布溝１２ａ、および外側山折部１２ｃの形成位置に対応する位置に凹陥部３１が形成されており、該凹陥部３１における前記接着剤塗布溝１２ａの形成位置に対応する位置に、リブ３１ａが形成されている。
前記リブ３１ａは、前記ハウジング３を冷却器１０上に載置した状態では、前記接着剤塗布溝１２ａの内周面と所定の寸法ｄだけ離間した状態で、該接着剤塗布溝１２ａ内に突入している。
つまり、接着剤塗布溝１２ａ内に突入したリブ３１ａと、該接着剤塗布溝１２ａの内周面との間に所定寸法ｄの隙間が形成されており、ハウジング３と冷却器１０との接着時に、ハウジング３を冷却器１０に押圧して前記接着剤塗布溝１２ａ内に充填した接着剤２５を押し潰した際に、該接着剤２５の厚み寸法として所定の寸法ｄを確保することが可能となっている。
また、前記ハウジング３を冷却器１０上に載置した状態では、天板１２の内側山折部１２ｂおよび外側山折部１２ｃと凹陥部３１の内周面との間にも所定寸法の隙間が形成されている。
また、前記ハウジング３においては、凹陥部３１の両側（つまり内側方向および外側方向）に、それぞれ内側支持部３２および外側支持部３３が形成されている。
前記内側支持部３２および外側支持部３３は、冷却器１０側への突出量が前記リブ３１ａよりも大きく構成されており、その突出量の差は寸法Δｐとなっている（図４参照）。
また、前記ハウジング３を冷却器１０上に載置した際には、前記内側支持部３２および外側支持部３３が前記天板１２の上面に当接することにより、該ハウジング３が支持される。
従って、ハウジング３を冷却器１０上に載置した状態では、前記リブ３１ａの下端と天板１２との間には寸法Δｐの隙間が生じることとなる。
なお、本例の場合は、前記接着剤塗布溝１２ａの底部と、内側支持部３２および外側支持部３３が当接する天板１２の上面との高さ位置が同じに構成されているので、前記寸法ｄと寸法Δｐとが同じ大きさとなっている。
このように、冷却器１０の天板１２に接着剤塗布溝１２ａを形成するとともに、前記ハウジング３に接着剤塗布溝１２ａ内へ突入するリブ３１ａを形成し、前記接着剤塗布溝１２ａに接着剤２５を充填して前記ハウジング３を冷却器１０に押圧することで、図５に示すように、ハウジング３と冷却器１０とが接着される。
つまり、リブ３１ａの突入により押し潰された接着剤塗布溝１２ａ内の接着剤２５は、接着剤塗布溝１２ａから溢れ出て、天板１２の内側山折部１２ｂおよび外側山折部１２ｃとハウジング３における凹陥部３１との間に形成される隙間にまで滲出する。
この場合、接着剤２５が存在するリブ３１ａと接着剤塗布溝１２ａとの間の空間は、凹部である接着剤塗布溝１２ａ内に凸部であるリブ３１ａが嵌入した、いわゆる印籠構造となっているため、ハウジング３の下面および天板１２の上面を平面状に形成した場合に比べて、ハウジング３および天板１２に対する接着剤２５の接触面積を大きくすることができる。
また、ハウジング３と冷却器１０との接着部は、接着剤塗布溝１２ａ内にリブ３１ａが嵌入した印籠構造となっていることにより、冷却器１０に反りが生じて、ハウジング３を冷却器１０上に載置した際に、ハウジング３が天板１２に当接せずに両者間に若干隙間ができる箇所が生じた場合（ハウジング３の一部が天板１２に対して浮いた状態となった場合）でも、前記リブ３１ａが接着剤塗布溝１２ａ内に嵌入した状態が維持される。
これにより、冷却器１０の反りによりハウジング３が天板１２に対して浮いた状態となっている箇所においても、接着剤２５によりハウジング３と天板１２との接着を行うことができ、両者間を確実にシールすることができる。
すなわち、ハウジング３と冷却器１０とを接着して両者間をシールする際における、冷却器１０の反りに対する許容値を大きくすることができる。
また、ハウジング３および天板１２に対する接着剤２５の接触面積が大きくなっているため、ハウジング３と冷却器１０との接着強度を大きくすることが可能となっている。
また、冷却器１０上に載置されたハウジング３は、前記リブ３１ａの両側に配置される内側支持部３２および外側支持部３３により支持されているので、ハウジング３を冷却器１０に対して押圧したときに、例えば内側支持部３２および外側支持部３３の何れか一方のみにより支持されている場合に比べて、各内側支持部３２および外側支持部３３の接地圧が小さくなり、該内側支持部３２および外側支持部３３が変形することがなく、天板１２に対するリブ３１ａの高さ位置を一定に保持することができる。
これにより、接着剤塗布溝１２ａとリブ３１ａとの間の隙間寸法ｄを確保することができ、つまり接着剤塗布溝１２ａとリブ３１ａとの間に充填される接着剤２５の一定寸法ｄの厚みを確保することができ、ハウジング３と冷却器１０との接着強度を確保することができる。
特に、前記内側支持部３２および外側支持部３３のうち外側支持部３３は天板１２に対して面接触しており、該天板１２に対する受圧面積が大きいので、接地圧力を小さくすることができ、ハウジング３を変形させることなく接着剤２５の厚み寸法を確保しつつハウジング３と冷却器１０との接着を行うことができる。
さらに、冷却器１０における外側支持部３３が当接する箇所は、補強部材となる高剛性の前記スペーサ１４に支持されているため、当該当接箇所において、接着時に押圧されるハウジング３からの圧力を確実に受け止めることができ、接着剤２５の厚み寸法を確保しつつ、ハウジング３と冷却器１０との間を確実にシールすることができる。
また、前記ハウジング３を冷却器１０上に載置した状態において、前記リブ３１ａと内側支持部３２および外側支持部３３との間には、前記接着剤塗布溝１２ａに塗布された接着剤２５を収容可能な空間である接着剤退避空間３４・３４が形成されている（図４、図５参照）。
このようにハウジング３と冷却器１０との接着部に接着剤退避空間３４・３４を設けることで、ハウジング３と冷却器１０とを接着する際に、例えば塗布された接着剤２５の量が多いなどの理由により、接着剤２５が前記接着剤塗布溝１２ａから、前記内側山折部１２ｂおよび外側山折部１２ｃと凹陥部３１との間に形成される隙間を超えて、該接着剤塗布溝１２ａの両側へ滲出したときでも、滲出した接着剤２５を接着剤退避空間３４・３４に収容することができる。
これにより、余分な接着剤２５がハウジング３と冷却器１０との接着部の外部（例えばハウジング３の内側支持部３２よりも内側や、ハウジング３の締結用孔３ｐ内や、スペーサ１４内）にはみ出すことを防止でき、はみ出した接着剤２５を拭き取ったり、はみ出した接着剤２５に起因する不具合（例えば接着剤２５が前記スペーサ１４内に滲出して前記ボルト５１をスペーサ１４に挿入することができない）の発生を抑えたりすることができる。
ケースが接合された半導体モジュールを示す側面断面図である。 モジュールユニットにハウジングを接着する様子を示す側面断面図である。 モジュールユニットを示す平面図である。 半導体モジュールにおけるモジュールユニットとハウジングとの接着部を示す側面断面図である。 モジュールユニットとハウジングとが接着された状態の半導体モジュールを示す部分側面断面図である。 従来のケースが接合された半導体モジュールを示す側面断面図である。 従来のモジュールユニットにハウジングを接着する様子を示す側面断面図である。 従来のモジュールユニットとハウジングとが接着された状態の半導体モジュールを示す側面断面図である。
符号の説明
１ 半導体モジュール
２ モジュールユニット
３ ハウジング
５ ケース
１０ 冷却器
１１ 冷却器本体
１２ 天板
１２ａ 接着剤塗布溝
１２ｂ 内側山折部
１２ｃ 外側山折部
１４ スペーサ
２１ 半導体素子
２２ 基板
２３ 応力緩和材
２５ 接着剤
３１ 凹陥部
３１ａ リブ
３２ 内側支持部
３３ 外側支持部
３４ 接着剤退避空間
３５ バスバー
５９ ワイヤ

Claims (3)

  1. 半導体素子が実装された基板を冷却器上に接合して構成されるモジュールユニットと、
    前記モジュールユニットの冷却器上に接着剤を介して接着され、前記半導体素子の周囲を覆うハウジングとを備えた半導体モジュールであって、
    前記冷却器におけるハウジングとの接着面には、前記接着剤が塗布される接着剤塗布溝が前記ハウジングの接着部位に沿って形成され、
    前記ハウジングにおける冷却器との接着面には、前記ハウジングを冷却器上に載置した状態で、該接着剤塗布溝の内周面と所定の寸法だけ離間した状態で、前記接着剤塗布溝内に突入するリブが形成され、
    前記ハウジングの冷却器との接着面における前記リブの両側部には、前記ハウジングを冷却器上に載置した状態で、前記冷却器に当接する支持部が形成される、
    ことを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記ハウジングを冷却器上に載置した状態において、
    前記リブと、該リブの両側の支持部との間には、前記接着剤塗布溝に塗布された接着剤を収容可能な接着剤退避空間が形成される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記冷却器における、前記ハウジングの支持部の少なくとも一方の当接面は、補強部材により支持されている、
    ことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の半導体モジュール。

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