JP2011165988A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空冷用ヒートシンクについて強度の向上と半導体モジュールからの発熱を一時的に蓄熱するヒートマス機能の向上とが図れる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１０のヒートシンク１１は、半導体モジュール２２の主面２２１，２２２と熱的に結合される基板部１１０、及び主面２２１，２２２とは反対側に厚み方向に間隔をあけて列を形成するように基板部１１０からそれぞれ突出する複数個の第１のフィン１１２を有して構成され、半導体モジュール２２を挟む両側それぞれに配される。ヒートシンク１１は、厚み方向における両方の最外側に位置する第１のフィン１１２よりもさらに外側において基板部１１０から突出するフィンであって、第１のフィン１１２よりも厚み寸法が大きい肉厚部を有する第２のフィン１１３をさらに備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体モジュールを冷却するためのヒートシンクを備えた半導体装置に関する。

従来の半導体装置は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールを冷却するための構造として、半導体モジュールと放熱シート等を介して熱的に結合されるヒートシンクを備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の半導体装置は、半導体モジュールと半導体モジュールを制御する制御基板との間に位置するノイズ遮蔽板を弾性材により構成するとともに、ノイズ遮蔽板の取付部をヒートシンクに取り付けることにより、ノイズ遮蔽板の湾曲部を半導体モジュールに接合させ半導体モジュールをヒートシンクに所定圧力で押し付けて固着する。

特開２００３−３４７７８３号公報

しかしながら、従来の半導体装置は、半導体モジュールの発熱をヒートシンクに効率的に伝達させるためにノイズ遮蔽板を押圧部材として兼用するため、小型化及び低コスト化が図れるものの、半導体モジュールからの放熱性能に関して十分なものではない。特に空冷式のヒートシンクである場合には、空気の熱伝達率は低いため、さらなるヒートシンクの放熱面積の拡大が要求される。

そして、当該放熱面積を拡大する手段としては、ヒートシンクの放熱フィンを増やすことが考えられる。このようにフィンの個数を増やすためには、各フィンを薄い板状にすればよいが、一方で、このような半導体装置を組み付ける際にフィンが変形し易いという問題がある。したがって、半導体装置について、強度と放熱性能とのバランスが求められる。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、空冷用ヒートシンクについて強度の向上と半導体モジュールからの発熱を一時的に蓄熱するヒートマス機能の向上とが図れる半導体装置を提供することである。

本発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明は、半導体モジュールの熱をヒートシンクを介して空気中に放熱する半導体装置であって、半導体素子を内蔵し、対向する一対の主面を有する形状の半導体モジュールと、半導体モジュールの主面と熱的に結合される基板部、及び主面とは反対側に厚み方向に間隔をあけて列を形成するように基板部からそれぞれ突出する複数個の第１のフィンを有して構成されて、半導体モジュールを挟む両側それぞれに配されるヒートシンクと、を備え、ヒートシンクは、フィン厚み方向の両方の最外側に位置する第１のフィンよりもさらに外側において基板部から突出するフィンであって、第１のフィンよりも厚み寸法が大きい肉厚部を有する第２のフィンをさらに備えることを特徴とする。

この発明によれば、ヒートシンクのフィン厚み方向の両側に配される第２のフィンが内側に配される第１のフィンよりも厚み寸法が大きい肉厚部を有することにより、第２のフィンは第１のフィンよりも強度が大きく、かつ熱を蓄える熱容量が大きいため、ヒートシンクにおけるフィンの強度向上と上記のヒートマス機能の向上とを図ることができる。これにより、組立て工程等に起こり得る第１のフィンの変形を抑制して、所望の冷却効果を発揮し得る状態を確保できるとともに、半導体モジュールの急激な温度上昇等を抑制する放熱特性を高めることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、第２のフィンは、厚み方向に垂直な方向であって半導体モジュールの主面に平行な方向についての長さ寸法が第１のフィンよりも小さくなっており、半導体モジュールを挟む両側のヒートシンクの基板部において第２のフィンが突出していない部位に、弾性力により半導体モジュールを挟む力を付勢する弾性部材を設けることを特徴とする。

この発明によれば、第２のフィンは、半導体モジュールの主面に平行な方向についての長さが第１のフィンよりも短いため、ヒートシンクの基板部において第２のフィンが突出しないスペースを構築することができ、さらに当該スペースに半導体モジュールを挟む力を付勢する弾性部材を設けるため、フィン強度及びヒートマス機能の向上とともに、半導体モジュールとヒートシンクとの熱的接合手段を有効的に配置する搭載性とを同時に実現することができる。したがって、フィン強度及びヒートマス機能の向上と装置の小型化とを兼ね備えた半導体装置を提供できる。

請求項３に記載の発明は、請求項２において、ヒートシンクの基板部における第２のフィンが突出していない部位は、厚み方向に垂直な方向であって半導体モジュールの主面に平行な方向における前記第２のフィンの両側に設けられることを特徴とする。

この発明によれば、請求項２に記載の発明に対してさらに、第２のフィンの上記両側に第２のフィンが突出しない部位を設けることにより、上記主面に平行な方向における中央部に第２のフィンが位置するため、半導体モジュールからの発熱がより効率的に第２のフィンに移動し易くなる。したがって、半導体装置は、半導体モジュールからの発熱を一時的に蓄えるヒートマス機能をさらに効率的に発揮させることが可能になる。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、第２のフィンの肉厚部は半導体装置を収納するケースの内面から突出して形成された凸部が嵌まる凹部または穴部を備えることを特徴とする。

この発明によれば、第２のフィンの肉厚部に設けられた凹部または穴部に収納用のケースに設けた凸部を嵌めることにより、半導体装置をケースに収納する際にヒートシンクと当該ケースとの位置関係が一義的に決まり、半導体装置の適正な位置決め設定が可能になる。さらに、当該凹部または穴部の形成に第２のフィンの肉厚部を活用するため、位置決め機能を発揮し得る形状を確保し易いという効果を奏する。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、第２のフィンの肉厚部は半導体装置を収納するケースとねじ締め固定するための雌ねじ部を備えることを特徴とする。この発明によれば、第２のフィンの肉厚部に設けられた雌ねじ部にねじを螺合してヒートシンクを収納用のケースにねじ締めすることにより、半導体装置をケースに収納する際にヒートシンクと当該ケースとの位置関係が一義的に決まり、半導体装置の適正な位置決め設定が可能になる。さらに、当該雌ねじ部は所定数のねじ山等を必要とするので、当該雌ねじ部の形成に第２のフィンの肉厚部を活用することにより、他の部分やねじ締め用の構成要素を必要とせずとも、ねじ締め機能を発揮し得る雌ねじ部を確保できるという効果を奏する。

請求項６に記載の発明は、同相の上、下のアームをなす一対の半導体モジュールが隣接して配置されるとともに、６個の半導体モジュールのそれぞれが各アームをなす三相インバータ回路において、６個の半導体モジュールの熱をヒートシンクを介して空気中に放熱することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置である。

この発明によれば、同相の上下アームをなす一対の半導体装置は、半導体モジュールの両側に配されたヒートシンクにおける強度向上と優れた放熱特性とを併せ持つので、強度向上による高密度な配置が可能になり、放熱特性の向上によるヒートシンクの小型化及び半導体装置の振動抑制が可能になる。また、これら６個の半導体装置を一種類の半導体装置で構成することができるので、部品点数の低減、製作費用及び管理費用の低減が図れ、生産性の向上が期待できる。

第１実施形態の半導体装置を適用したインバータ駆動装置を車両に搭載した状態を示す模式図である。 第１実施形態の半導体装置を適用したインバータ駆動装置の回路図である。 第１実施形態の半導体装置の構成を示す分解斜視図である。 第１実施形態の半導体装置の構成を示す斜視図である。 ６個の半導体装置をケースに収納した状態を示す斜視図である。 第１実施形態のインバータ装置の外観を示す斜視図である。 第１実施形態の半導体装置をケース内に収納した状態を示す断面図である。 第２実施形態の半導体装置をケース内に収納した状態を示す断面図である。 第３実施形態の半導体装置をケース内に収納した状態を示す断面図である。 第４実施形態の半導体装置の構成を示す斜視図である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
本発明に係る半導体装置は、高出力モータを駆動するモータ駆動装置としてのインバータ装置に適用することができる。このインバータ装置は、直流電力と交流電力との間で双方向変換を行う装置、例えばＵ相、Ｖ相及びＷ相の三相インバータ装置であり、交流モータを使用するハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車等に搭載される。

第１実施形態では、走行用のモータ３を駆動する三相インバータ回路を有するインバータ装置１に半導体装置１０を適用した例について説明する。図１は半導体装置１０を適用したインバータ装置１を車両に搭載した状態を示す模式図である。図２は、半導体装置１０を適用したインバータ装置１の回路図である。

図１に示すように、インバータ装置１は、車両前方に搭載された走行用のモータ３に出力可能に有線で接続され、車両後方でバッテリ４に隣接するように搭載されるとともに、冷却用のファン９による送風がダクトで形成された所定の通風経路を流通して半導体装置１０に供給されることにより空冷される。インバータ装置１を冷却する空気は、車外または車室内から取り込まれて半導体装置１０を通過後、車外に排出される。このようにしてインバータ装置１は所定の機能を発揮できる温度に保たれ得る。

図２に示すように、インバータ回路（インバータ装置１）は、６個の半導体モジュール２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ（以下、６個の半導体モジュールのうち、任意の半導体モジュールをさす場合は単に半導体モジュール２２と称することがある）を含むパワーモジュール２と、コンデンサ５，６と、抵抗７，８と、制御回路１００とから構成されている。インバータ回路の入力側にはバッテリ４が接続されている。インバータ回路の出力側にはモータ３が接続されている。

パワーモジュール２は、制御回路１００によって制御され、バッテリ４の出力する直流電力を交流電力に変換してモータ３に供給するインバータ回路を構成するための素子で構成されている。パワーモジュール２は、ＩＧＢＴ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ（スイッチング素子）と、フリーホイーリングダイオード２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆとからなる。各半導体モジュール２２は、ＩＧＢＴとフリーホイーリングダイオードを各１個含んでいる。

ＩＧＢＴ２０ａ，２０ｂ、ＩＧＢＴ２０ｃ，２０ｄ、及びＩＧＢＴ２０ｅ，２０ｆは、それぞれ直列に接続されている。上アーム側のＩＧＢＴ２０ａ，２０ｃ，２０ｅのコレクタは、バッテリ４の正極端子側に接続されており、下アーム側のＩＧＢＴ２０ｄのエミッタは、バッテリ４の負極端子側に接続されている。下アーム側のＩＧＢＴ２０ｂ，２０ｆのエミッタは、それぞれ抵抗７，８を介してバッテリ４の負極端子側に接続されている。また、ＩＧＢＴ２０ａ〜２０ｆのゲートは制御回路１００に接続されている。ＩＧＢＴ２０ａ，２０ｃ，２０ｅのエミッタは、制御回路１００に接続されている。さらに、ＩＧＢＴ２０ａとＩＧＢＴ２０ｂの接続点、ＩＧＢＴ２０ｃとＩＧＢＴ２０ｄの接続点、及びＩＧＢＴ２０ｅとＩＧＢＴ２０ｆの接続点は、モータ３に接続されている。ＩＧＢＴ２０ａ〜２０ｆのコレクタ、エミッタ間には、フリーホイーリングダイオード２１ａ〜２１ｆがそれぞれ接続されている。

抵抗７，８は、パワーモジュール２からモータ３に供給される電流を電圧に変換する素子である。抵抗７の一端はＩＧＢＴ２０ｂのエミッタに、他端はバッテリ４の負極端子にそれぞれ接続されている。抵抗８の一端はＩＧＢＴ２０ｆのエミッタに、他端はバッテリ４の負極端子側にそれぞれ接続されている。また、抵抗７，８の両端は制御回路１００に接続されている。

コンデンサ５は、バッテリ４の出力電圧を平滑する。コンデンサ６は、パワーモジュール２に侵入するノイズを抑えるとともに、バッテリ４からパワーモジュール２に印加される電圧を検出する。コンデンサ５及びコンデンサ６はバッテリ４に並列に接続されている。コンデンサ６の両端は制御回路１００に接続されている。

制御回路１００は、外部からの指令、抵抗７，８によって検出されるパワーモジュール２からモータ３に供給される電流、及びコンデンサ６によって検出されるバッテリ４からパワーモジュール２に印加される電圧に基づいて、パワーモジュール２を制御する回路である。制御回路１００は、パワーモジュール２、抵抗７，８、及びコンデンサ６にそれぞれ接続されている。

次に、図３及び図４を参照して半導体装置１０の構成について説明する。図３は半導体装置１０の構成を示す分解斜視図である。図４は半導体装置１０の構成を示す斜視図である。図３に示すように、一つの半導体装置１０は、カード形状の半導体モジュール２２と、半導体モジュール２２を挟むように本体部２２６の両側（主面２２１，２２２の両面側）のそれぞれに配されたヒートシンク１１と、を備え、両面冷却可能な冷却機構を有する。

半導体モジュール２２は、半導体素子であるＩＧＢＴ２０ａ〜２０ｆ及びフリーホイーリングダイオード２１ａ〜２１ｆを内蔵し、対向する一対の主面２２１，２２２を有する形状の本体部２２６と、本体部２２６から外方に突出するコレクタ側電極端子２２３、エミッタ側電極端子２２４、及び制御信号端子２２５と、を備えている。

さらに、半導体モジュール２２の本体部２２６とヒートシンク１１との間には、セラミックからなる絶縁基板１２が介在しており、さらに絶縁基板１２とヒートシンク１１及び本体部２２６との間にはそれぞれ、良熱伝導性を有するシリコン系の放熱グリスが塗布されている。また、絶縁基板１２は、窒化アルミニウムフィルムやシリコンゴムシートで形成してもよく、絶縁基板１２及び放熱グリスは、絶縁性を有する放熱フィルムを採用してもよい。

ＩＧＢＴ及びフリーホイーリングダイオードの半導体素子は、主面２２１側に位置する金属伝熱板２２０の内側の主面上にはんだ層により接合され、当該半導体素子の残余の主面には、反対の主面２２２側に位置する金属伝熱板（図示せず）がはんだ層により接合されている。このようにしてＩＧＢＴのコレクタ及びエミッタにフリーホイーリングダイオ−ドのアノ−ド及びカソ−ドがいわゆる逆向き並列（図２参照）に接続される。金属伝熱板２２０及び主面２２２側に位置する金属伝熱板は、それぞれコレクタ側電極端子２２３及びエミッタ側電極端子２２４に電気的に導通している。また、上記のはんだ層は他の接合機能材料に置換してもよい。

本体部２２６は、例えばエポキシ樹脂からなる矩形板状の部材であり、半導体素子を完全にモールドし、金属伝熱板２２０及び主面２２２側に位置する金属伝熱板の外主面すなわち放熱面を露出するようにモールドしている。コレクタ側電極端子２２３及びエミッタ側電極端子２２４は、本体部２２６の一方の側面から主面２２１，２２２に平行な方向Ｘに突出し、リードフレーム端子である複数の制御信号端子２２５は他方の側面からコレクタ側電極端子２２３等とは逆向きに突出し、ＩＧＢＴのゲートに形成された電極等と接続されている。

ヒートシンク１１は、半導体モジュール２２の各主面２２１，２２２と熱的に結合される板状の基板部１１０と、基板部１１０から直角方向（フィン突出方向Ｚに相当）に突出する複数個の第１のフィン１１２と、を一体に備えた部材であり、アルミニウムまたは銅で形成されている。第１のフィン１１２は、基板部１１０の主面１１１とは反対側から突出する矩形状の板部材であり、複数個の第１のフィン１１２がその厚み方向Ｙに間隔をあけて列を形成するように並んでいる。

ヒートシンク１１は、さらに２個の第２のフィン１１３を備える。第２のフィン１１３は、複数個の列をなす第１のフィン１１２のうち厚み方向Ｙの両方の最外側に位置するフィンよりも、さらに外側において基板部１１０から直角方向（フィン突出方向Ｚ）に突出する板状のフィンである。第２のフィン１１３は、第１のフィン１１２と平行になるように形成され、第１のフィン１１２よりも厚み寸法が大きい肉厚部を有する。例えば、第２のフィン１１３の肉厚部は、第１のフィン１１２の２倍以上の厚みを有する。本実施形態の第２のフィン１１３は、その全体が等しい肉厚の板状で全体が第１のフィン１１２よりも厚み寸法が大きい肉厚部になっているが、当該肉厚部は、第２のフィン１１３の一部にだけに形成される形態であってもよい。

第２のフィン１１３は、その厚み方向Ｙに垂直な方向であって半導体モジュール２２の主面２２１，２２２に平行な方向（図３及び図４に示す「主面に平行な方向Ｘ」）について、長さ寸法が第１のフィン１１２よりも小さい。したがって、第２のフィン１１３は、横幅寸法Ｌ２が第１のフィン１１２の横幅寸法Ｌ１がよりも短く、第１のフィン１１２よりも厚みが大きいフィンである。

さらに、第２のフィン１１３は、基板部１１０の図３の主面に平行な方向Ｘについて基板部１１０の中央部に位置するため、基板部１１０について第２のフィン１１３が突出していない部位（フィン無し部位１１０ａ）は、図３及び図４に示す「主面に平行な方向Ｘ」について第２のフィン１１３の両側に設けられる。したがって、第２のフィン１１３は、当該「主面に平行な方向Ｘ」について、半導体モジュール２２の本体部２２６の配置箇所に重なるように配置される。このフィン無し部位１１０ａは、半導体モジュール２２を挟持する２個のヒートシンク１１の両方に設けられている。

図４に示すように、両側のフィン無し部位１１０ａには、弾性力により半導体モジュール２２をヒートシンク１１を介して両側から挟む力を付勢する弾性部材の一例である板ばね１３が取り付けられている。板ばね１３は、コの字状の横断面形状を呈しており、フィン無し部位１１０ａにおける厚み方向Ｙの端面（図４のフィン無し部位１１０ａの頂面）に対向する平面部１３ａと、平面部１３ａの両端側から平面部１３ａに直角に延びる脚部１３ｂと、平面部１３ａと脚部１３ｂを繋ぐように平面部１３ａの両端側で湾曲する湾曲部１３ｃと、を一体に形成してなる部材である。

板ばね１３は、半導体モジュール２２を挟む姿勢で両側に配置された２個のヒートシンク１１に対して、フィン無し部位１１０ａに脚部１３ｂ側を外側から嵌めるように図４の厚み方向Ｙに差し込まれ、平面部１３ａがフィン無し部位１１０ａの頂面に当接または近接するまで深く嵌めこまれて取り付けられる。この操作により、対向するフィン無し部位１１０ａにおけるフィン突出方向Ｚ（基板部１１０に垂直な方向）の長さよりも短く形成された対向する脚部１３ｂ間が外方に押し広げられるため、板ばね１３は、元の状態に戻ろうと内方に働く弾性力により、対向するフィン無し部位１１０ａの側面を内側に向かって押す力を挟持力として両側のヒートシンク１１に与える。

板ばね１３は、一つの半導体装置１０について、上部の両端部及び下部の両端部にそれぞれ１個ずつ、合計４個取り付けられる。このため、４個の板ばね１３は、半導体モジュール２２を矩形状の本体部２２６における４角の外方から均等な力でバランスよく挟持する。これにより、半導体モジュール２２の本体部２２６とその両側の絶縁基板１２及び放熱グリスは２個のヒートシンク１１の主面１１１によって強力に挟まれて密着状態に固着されて、図４に示すように一つの半導体装置１０が形成される。

以上の構成の半導体装置１０は１個の半導体モジュール２２を備えるため、三相インバータ回路においては、図５に示すように、インバータ回路ユニット３０に６個の半導体装置１０が隣接配置されることになる。図５は６個の半導体装置１０をインバータ回路ユニット３０のケースに収納した状態を示す斜視図である。なお、図５は、半導体装置１０の配置状態を理解し易くするため、下ケース３１の上部に取り付けられる蓋部３７を外した状態を示している。図７は半導体装置１０をインバータ回路ユニット３０のケース内に収納した状態を示す断面図である。

下ケース３１は、上面及び対向する二側面が開口した直方体状の箱体であり、上面には図７に示すように蓋部３７が取り付けられ、対向する二側面のそれぞれには板状の通風路形成部材３２，３３が取り付けられる。通風路形成部材３２，３３のそれぞれには、横方向（フィン突出方向Ｚに相当）に並ぶ複数の通風口３２ｂ（本例では各４個の通風口）が形成されている。通風路形成部材３２における複数の通風口３２ｂは、ファン９によってインバータ回路ユニット３０のケース内に強制的に送風される空気流れの上流側の流入口であり、通風路形成部材３３における複数の通風口３２ｂは、当該空気流れの下流側の流出口である。通風路形成部材３２，３３は、下ケース３１の二側面それぞれの４角に形成された雌ねじ部に取付ねじ３６によってねじ締めされることにより下ケース３１に固定される。下ケース３１、蓋部３７及び通風路形成部材３２，３３は、それぞれ樹脂製の部材である。

下ケース３１及び通風路形成部材３２，３３が一体となったケースには、６個の半導体装置１０が所定の位置に上方から挿入設置される。半導体装置１０は、縦方向（主面に平行な方向Ｘに相当）に２個、横方向（フィン突出方向Ｚに相当）に３個、それぞれ直線状に整列して近接配置され、６個の半導体モジュール２２は当該横方向にＵ相、Ｖ相及びＷ相、当該縦方向に同相の上アーム及び下アームを構成するように電気的に有線接続される。したがって、６個の半導体装置１０は、当該ケースの内部で密接して高密度に設置されるので、車両の振動による各部の衝突、損傷を抑制することができるのである。

また、各半導体装置１０は、制御信号端子２２５が上に、コレクタ側電極端子２２３及びエミッタ側電極端子２２４が下になるようにケース内に搭載されている。したがって、当該ケース内では、各半導体装置１０について、中ほどに複数個並ぶ第１のフィン１１２を挟むように上下両側それぞれに第２のフィン１１３が位置するようになっている。

隣り合う通風口３２ｂ間は通風路形成部材３２，３３に形成された仕切り部３２ａによって横方向（フィン突出方向Ｚに相当）に仕切られている。各仕切り部３２ａは、下ケース３１内の半導体装置１０に対してヒートシンク１１の第１のフィン１１２が形成されていない部位に対応するように設けられている。したがって、通風路形成部材３２，３３のそれぞれに４個ずつ形成される仕切り部３２ａは、半導体装置１０における本体部２２６の両側方と基板部１１０の両側部とを含む部分に対向する。

これにより、各ヒートシンク１１について、主面に平行な方向Ｘの端部に位置する第１のフィン１１２の側部が通風路形成部材３２，３３にそれぞれに形成された４個の通風口３２ｂに対応している。対辺位置にある二側面の通風路形成部材３２，３３に形成された通風口３２ｂ同士は、主面に平行な方向Ｘについて、その間に並ぶ第１のフィン１１２を介して連通する。すなわち、空気流れ上流側と空気流れ下流側の半導体装置１０について、厚み方向Ｙに並ぶ複数個の第１のフィン１１２は、主面に平行な方向Ｘに一直線上となるように厚み方向Ｙに一致して配置されている。これにより、厚み方向Ｙに並ぶ第１のフィン１１２間に形成された各隙間は、空気流れ上流側及び空気流れ上流側の半導体装置１０において接続され、主面に平行な方向Ｘに直線状に連なるようになっている。このように接続された第１のフィン１１２間の各隙間によって、上記の二側面の通風路形成部材３２，３３に形成された通風口３２ｂ同士は連通し、当該二側面に位置する通風口３２ｂを結ぶ通路が形成されることになる。

ファン９によってインバータ装置１に対して強制風が供給されると、空気流れ上流側に位置する通風口３２ｂから空気が流入し、続いて上記の第１のフィン１１２間の各隙間を流れた後、空気流れ下流側に位置する通風口３２ｂから外部に排出される。したがって、当該強制風がインバータ回路ユニット３０内を流通する方向は、主面に平行な方向Ｘに一致する。６個の半導体モジュール２２で構成されるインバータ回路ユニット３０の運転時には、各半導体素子で発生する熱は、絶縁基板１２、両側の放熱グリス、基板部１１０、第１のフィン１１２、あるいは第２のフィン１１３を通って、上記の強制風が第１のフィン１１２間の各隙間を流下する際に半導体モジュール２２の両側から強制風に放出されて各半導体モジュール２２が冷却される。

図６はインバータ装置１の外観を示す斜視図である。図６に示すように、モータ３を駆動制御するインバータ装置１は、コンデンサユニット５０、インバータ回路ユニット３０、及び制御回路ユニット４０を三段に積み重ねて一体化した装置である。コンデンサユニット５０は、ケース５１の内部にコンデンサ５及びコンデンサ６を搭載している。制御回路ユニット４０は、ケース４１の内部に制御回路１００を構成する制御基板を搭載している。

下ケース３１下部の４角の４箇所には、インバータ回路ユニット３０を下方に設置されるコンデンサユニット５０のケース５１に取り付けるための雌ねじ部を有した取付脚３５が設けられている。コンデンサユニット５０は、各取付ねじ５３によってケース５１を各取付脚３５にねじ締め固定することにより、インバータ回路ユニット３０の下方に一体に取り付けられる。

下ケース３１上部の４角の４箇所には、上方に設置される制御回路ユニット４０のケース４１をインバータ回路ユニット３０のケースに取り付けるための雌ねじ部を有した取付脚３４が設けられている。制御回路ユニット４０は、制御回路ユニット４０の制御基板をインバータ回路ユニット３０のケースにねじ締め等により固定してから、上方からかぶせたケース４１を各取付ねじ４４によって各取付脚３４にねじ締め固定することにより、インバータ回路ユニット３０の上方に一体に取り付けられる。

また、インバータ回路ユニット３０のケースからは、モータ３へ出力する出力線を接続するための三相端子部５２が露出しており、バッテリ４からの電源入力線を接続するための端子部（図示せず）が露出している。また、制御回路ユニット４０のケース４１は、制御回路１００に車両側の電源を投入する電源線及び車両ＥＣＵからの信号線を接続するためのコネクタ部４３が露出しており、コンデンサユニット５０及びインバータ回路ユニット３０からのリード線を制御回路ユニット４０に引き込むためのリード線通路４２を備えている。ケース４１及びケース５１は、それぞれ樹脂製の部材である。

次に、第２のフィン１１３の働きについて詳述する。図７は、半導体装置１０をインバータ回路ユニット３０のケース内に収納した状態を示す断面図である。６個の半導体装置１０はインバータ回路ユニット３０のケース内に搭載されるときに、下ケース３１に対して蓋部３７をねじ締め等により固定するため、図７に示すように、各ヒートシンク１１は、その上部に蓋部３７から下方への外力がかかり、一方、各ヒートシンク１１の下部が下ケース３１の底部を押すため、当該底部から上方に向けた反力を受ける。すなわち、６個の半導体装置１０の全てのヒートシンク１１は、インバータ回路ユニット３０のケースから内方（厚み方向Ｙ）に向かって押さえつけられることになる。

このため、各ヒートシンク１１において当該ケースから直接的に外力を受ける上下両端部には、過大な加重がかかる場合があり、組立て過程においてフィンの変形が発生してしまうことがある。本実施形態の半導体装置１０では、ヒートシンク１１の上下両端部に位置する第２のフィン１１３が第１のフィン１１２よりも肉厚が大きくなっているため、第２のフィン１１３の強度向上が図れる。したがって、半導体装置１０は、当該ケースからの直接的な外力に対して変形し難いフィン部分を備えているのである。

さらに半導体素子が発熱した場合には、当該発熱は、まず絶縁基板１２等を介して基板部１１０に伝わり、そして基板部１１０に一体に形成される第１のフィン１１２及び第２のフィン１１３に伝わる。特に第２のフィン１１３は、第１のフィン１１２に比べて、その肉厚が大きく長さ当たりの体積が大きいため、大きな熱容量を有する。したがって、第２のフィン１１３は、一時的に蓄熱する能力が優れており、ヒートシンク１１においてヒートマスとしての機能を大きく担っている。

半導体素子の発熱過程に伴う温度変化の際には、半導体素子の温度上昇過程から温度が一定に近づく定常状態に移行する。そして、この温度上昇過程では、半導体素子からの発熱量が大きく変化し、このような過渡状態における熱移動特性（以下、単に「過渡特性」ともいう）を向上させることによって、半導体素子の温度変化を抑制でき、半導体素子の熱負荷を低減して寿命延長等の効果を得ることができる。

そこで、半導体装置１０では、インバータ回路ユニット３０の運転時に半導体素子が発熱すると、その熱は両側の基板部１１０に伝わってから第１のフィン１１２及び第２のフィン１１３に伝わる。このとき、厚肉部を有する１個の第２のフィン１１３は蓄熱能力が高いため、基板部１１０に伝わった熱は第２のフィン１１３に移動し易く、基板部１１０での熱を外側に逃がし易くなる。このため、半導体素子が短時間に発熱する場合には、基板部１１０からの熱の放出が迅速に行われて、さらなる半導体素子の発熱は基板部１１０に移動し、半導体素子の急激な温度変化や温度上昇が抑制される。したがって、半導体素子の温度変化の応答速度が鈍くなり、半導体装置１０の過渡特性が向上して、半導体素子に過大な熱負荷がかかることを抑制することができる。そして、ファン９による強制風が供給されている場合には、半導体モジュール２２の両側において第１のフィン１１２または第２のフィン１１３から熱が奪われ、第２のフィン１１３から第１のフィン１１２への熱移動や第２のフィン１１３から空気への熱移動の促進により、結果的に第２のフィン１１３での蓄熱容量に空きが生じるので、第２のフィン１１３の働きによって、さらに過渡特性の向上が可能になる。

本実施形態の半導体装置１０は、半導体素子を内蔵し、対向する一対の主面２２１，２２２を有する形状の半導体モジュール２２と、ヒートシンク１１とを備える。ヒートシンク１１は、半導体モジュール２２の主面２２１，２２２と熱的に結合される基板部１１０、及び主面２２１，２２２とは反対側に厚み方向に間隔をあけて列を形成するように基板部１１０からそれぞれ突出する複数個の第１のフィン１１２を有して構成され、半導体モジュール２２を挟む両側それぞれに配される。ヒートシンク１１は、厚み方向における両方の最外側に位置する第１のフィン１１２よりもさらに外側において基板部１１０から突出するフィンであって、第１のフィン１１２よりも厚み寸法が大きい肉厚部を有する第２のフィン１１３をさらに備える。

以上の構成によれば、第２のフィン１１３が内側の第１のフィン１１２よりも厚み寸法が大きい肉厚部を有することにより、第２のフィン１１３は第１のフィン１１２よりも強度が大きく、かつ熱を蓄える熱容量が大きい。このため、ヒートシンク１１におけるフィンの強度向上と上記のヒートマス機能の向上とを図ることができる。これにより、組立て工程等において半導体装置１０に加わる荷重によって起こり得る第１のフィン１１２の変形を抑制し、所望の冷却効果を発揮し得る状態を確保できるとともに、半導体モジュール２２の急激な温度上昇等を抑制する放熱特性を高めることができる。

さらに、第２のフィン１１３は、フィン突出方向Ｚについても、下ケース３１や隣り合う半導体装置１０から加わる荷重に対して、上記肉厚部が下ケース３１の内面から受ける力に対する強度を発揮し、また、隣り合う肉厚部同士が接触するため、互いに強度を発揮する。このため、厚み方向Ｙ及びフィン突出方向Ｚの両方について、第１のフィン１１２を強度的に保護する機能を有し、変形を抑制する。このように第１のフィン１１２の変形が抑制できると、第１のフィン１１２間に形成される各隙間である空気通路が所定の大きさに保たれる。このため、通風抵抗が大きくなる冷却空気の流れにくい箇所が存在せず、各半導体装置１０は所望の冷却性能を発揮することができ、半導体装置１０の寿命延長が図れる。また、このように第１のフィン１１２の変形が抑制できると、半導体装置１０をインバータ回路ユニット３０のケースに収納する際に組立ての不具合が生じ難く、生産性の向上にも寄与する。

さらに半導体装置１０によれば、ヒートシンク１１は半導体モジュール２２の主面両面から受熱可能な両面冷却構造であるため、第２のフィン１１３の上記肉厚部による上記の過渡特性の向上と合わせ、優れた放熱性能を発揮する。

また、半導体装置１０において第２のフィン１１３は、厚み方向Ｙに垂直な方向であって半導体モジュールの主面に平行な方向Ｘについての長さ寸法が第１のフィン１１２よりも小さくなっており、半導体モジュール２２を挟む両側のヒートシンク１１の基板部１１０において第２のフィン１１３が突出していないフィン無し部位１１０ａに、弾性力により半導体モジュール２２を挟む力を付勢する板ばね１３（弾性部材）を設けている。

この構成によれば、第２のフィン１１３は、半導体モジュール２２の主面２２１，２２２に平行な方向についての長さが第１のフィン１１２よりも短いため、ヒートシンク１１の基板部１１０において第２のフィン１１３が突出しないスペースを構築することができる。さらに当該スペースに半導体モジュール２２を挟む力を付勢する板ばね１３を設けるため、フィン強度及びヒートマス機能の向上とともに、半導体モジュール２２とヒートシンク１１との熱的接合手段を有効的に配置する搭載性とを同時に実現することができる。したがって、フィン強度及びヒートマス機能の向上と装置の小型化とを兼ね備えた半導体装置１０が得られる。

また、半導体装置１０においてヒートシンク１１の基板部１１０における第２のフィン１１３が突出していないフィン無し部位１１０ａは、厚み方向Ｙに垂直な方向であって半導体モジュール２２の主面２２１，２２２に平行な方向における第２のフィン１１３の両側に設けられている。

この構成によれば、第２のフィン１１３の上記両側に第２のフィン１１３が突出しない部位を設けることにより、主面２２１，２２２に平行な方向における中央部に第２のフィン１１３が位置するため、半導体モジュール２２からの発熱がより効率的に第２のフィン１１３に移動し易くなる。したがって、半導体装置１０は、半導体モジュール２２からの発熱を一時的に蓄えるヒートマス機能をさらに効率的に発揮させることが可能になる。また、板ばね１３によって半導体モジュール２２を挟む力を半導体モジュール２２の本体部２２６の外側に付与するため、板ばね１３によるグリップ力を効率的に供給することができる。これらにより、半導体モジュール２２とヒートシンク１１との良好な密着性が得られて両者間の熱抵抗を低減できるので、半導体モジュール２２の冷却効果の向上が図れる。

また、本実施形態によれば、同相の上、下のアームをなす一対の半導体モジュール２２が隣接して配置されるとともに、６個の半導体モジュール２２が各アームをなす三相インバータ回路において、６個の半導体モジュール２２の熱をヒートシンク１１を介して空気中に放熱する。

この構成によれば、同相の上下アームをなす一対の半導体装置１０は、半導体モジュール２２の両側に配されたヒートシンク１１における強度向上と優れた放熱特性とを有するので、放熱特性の向上によるヒートシンク１１の小型化が可能になる。さらに、強度向上による半導体装置１０の高密度な配置が可能になるので、半導体装置１０を配置するインバータ回路ユニット３０のケースの小型化が図れ、また当該高密度な配置による半導体装置１０の振動抑制が図れ、装置の故障、不具合の発生を低減できる。特に、電気自動車等の高振動環境においては半導体装置１０の隙間が生じることによってフィンが損傷することがあるが、これを防止し、信頼性の高い製品を提供することができるのである。また、これら６個の半導体装置を一種類の半導体装置１０で構成することが可能であるので、部品点数の低減、製作費用及び管理費用の低減が図れる。

（第２実施形態）
第２実施形態は、インバータ回路ユニット３０Ａについて図８を参照して説明する。図８は半導体装置１０Ａをインバータ回路ユニット３０Ａのケース内に収納した状態を示す断面図である。図８において同一符号を付した構成部品は、第１実施形態と同一であり、同様の作用効果を奏する。また、第２実施形態のインバータ回路ユニット３０Ａは、ヒートシンク１１Ａと下ケース３１Ａに設けた位置決め構造を除く他の構成については第１実施形態と同一であり、同様の作用効果を奏する。

各ヒートシンク１１Ａは、少なくとも一つの第２のフィン１１３に、その厚み方向に貫通する穴部１１４を備えている。各穴部１１４は、各半導体装置１０を下ケース３１Ａに収納する際に、下ケース３１Ａの内壁面から突出する凸部３８が嵌まる形状であり、穴部１１４と凸部３８は、互いに対応する位置関係に配置されている。また、穴部１１４は、第２のフィン１１３を厚み方向に貫通しない有底の凹部に置き換えてもよい。この場合、各凹部は、各半導体装置１０を下ケース３１Ａに収納する際に、対応する位置関係にある凸部３８に嵌まる形状となっている。

本実施形態の半導体装置１０Ａによれば、第２のフィン１１３の肉厚部は半導体装置１０Ａを収納する下ケース３１Ａの内面から突出して形成された凸部３８が嵌まる穴部１１４を備えている。この構成によれば、第２のフィン１１３の肉厚部に設けられた穴部１１４に収納用の下ケース３１Ａに設けた凸部３８を嵌めることにより、半導体装置１０Ａを下ケース３１Ａに収納する際にヒートシンク１１Ａと下ケース３１Ａとの位置関係が一義的に決まり、下ケース３１Ａに対する半導体装置１０Ａの適正な位置決め設定が可能になる。

さらに、穴部１１４の形成に第２のフィン１１３の肉厚部を活用するため、位置決め機能を発揮し得る形状を確保し易く、また位置決め構造を簡単な構成で、かつ部品点数を増やすことなく形成することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態は、インバータ回路ユニット３０Ｂについて図９を参照して説明する。図９は半導体装置１０Ｂをインバータ回路ユニット３０Ｂのケース内に収納した状態を示す断面図である。図９において同一符号を付した構成部品は、第１実施形態と同一であり、同様の作用効果を奏する。また、第３実施形態のインバータ回路ユニット３０Ｂは、ヒートシンク１１Ｂと蓋部３７Ｂに設けた位置決め及び固定構造を除く他の構成については第１実施形態と同一であり、同様の作用効果を奏する。

各ヒートシンク１１Ｂは、少なくとも一つの第２のフィン１１３にその厚み方向に貫通する雌ねじ部１１５を備えている。雌ねじ部１１５とボルト６０は、半導体装置１０Ｂを収納するケースとヒートシンク１１Ｂとをねじ締め固定する手段である。各雌ねじ部１１５は、各半導体装置１０をケースに収納する際に、蓋部３７Ｂとヒートシンク１１Ｂとをボルト６０で共締めするためにヒートシンク１１Ｂに設けられる。蓋部３７Ｂに形成されボルト６０が挿通される貫通孔と雌ねじ部１１５とは、互いに対応する位置関係に配置されている。

６個の半導体装置１０Ｂをインバータ回路ユニット３０Ｂのケース内に収納するときは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相及び各相の上下アームが適正になるように各半導体装置１０Ｂを下ケース３１内の所定の位置に仮配置する。そして、上記の各貫通孔と雌ねじ部１１５とが対応するように、下ケース３１の上面に蓋部３７Ｂを被せ、各貫通孔にボルト６０を挿通し、全てのボルト６０を締める。これにより、インバータ回路ユニット３０Ｂのケースに対して各半導体装置１０Ｂが所定位置に配置されることになる。

本実施形態の半導体装置１０Ｂによれば、第２のフィン１１３の肉厚部は半導体装置１０Ｂを収納するケースとねじ締め固定するための雌ねじ部１１５を備える。この構成によれば、当該雌ねじ部１１５にボルト６０を螺合してヒートシンク１１Ｂを収納用のケースにねじ締めすることにより、半導体装置１０Ｂをケースに収納する際にヒートシンク１１Ｂと当該ケースとの位置関係が一義的に決まり、ケースに対する半導体装置１０Ｂの適正な位置決め設定が可能になる。さらに、雌ねじ部１１５は所定数のねじ山等を必要とするので、雌ねじ部１１５の形成に第２のフィン１１３の肉厚部を活用するため、他の部分やねじ締めのための構成要素を必要とせずとも、ねじ締め機能を発揮し得る雌ねじ部を形成することができる。

（第４実施形態）
第４実施形態は、半導体装置１０Ｃについて図１０を参照して説明する。図１０は半導体装置１０Ｃの構成を示す斜視図である。図１０において同一符号を付した構成部品は、第１実施形態と同一であり、同様の作用効果を奏する。また、第４実施形態の半導体装置１０Ｃは、２個の半導体モジュール２２を備える点以外の構成については第１実施形態と同一であり、同様の作用効果を奏する。

半導体装置１０Ｃは、２個のヒートシンク１１Ｃが主面に平行な方向Ｘに並ぶ２個の半導体モジュール２２を両者間に挟む構成である。各ヒートシンク１１Ｃは、２個の半導体モジュール２２の各主面２２１，２２２と熱的に結合される板状の基板部１１０と、基板部１１０から直角方向（フィン突出方向Ｚに相当）に突出する複数個の第１のフィン１１２と、上下両端側にそれぞれ２個ずつ設けられる第２のフィン１１３と、を備えている。基板部１１０における第２のフィン１１３が突出していないフィン無し部位１１０ａは、ヒートシンク１１Ｃの上下両端側にそれぞれ３箇所設けられており、これらすべての６箇所に板ばね１３が取り付けられて、弾性力により２個の半導体モジュール２２を挟む力を付勢している。

上記構成により、インバータ回路ユニット３０のケースには、３個の半導体装置１０Ｃが所定の位置に上方から挿入設置される。３個の半導体装置１０Ｃは、横方向（フィン突出方向Ｚに相当）に整列して近接配置され、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相を構成し、各半導体装置１０Ｃの２個の半導体モジュール２２は、同相の上アーム及び下アームを構成するように配置され、その後、電気的に有線接続される。

（他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。

上記実施形態では、半導体チップとして大出力用のＩＧＢＴが形成されているが、低出力用のＭＯＳＦＥＴ，ＪＦＥＴなどが形成された半導体チップを用いてもよい。

上記実施形態のインバータ装置により駆動されるモータの用途は、車両の走行に限らず、発電、エンジン始動、コンプレッサ等の補機の駆動等であり、その用途や必要能力に応じて、複数のモータを駆動したり、複数段に積載したインバータ装置を備えたりしてもよい。

１…インバータ装置
１０…半導体装置
１１…ヒートシンク
１３…板ばね（弾性部材）
２０ａ〜２０ｆ…ＩＧＢＴ（半導体素子）
２１ａ〜２１ｆ…フリーホイーリングダイオード（半導体素子）
２２，２２ａ〜２２ｆ…半導体モジュール
３１Ａ…下ケース（ケース）
３７…蓋（ケース）
３８…凸部
６０…ねじ
１１０…基板部
１１０ａ…フィン無し部位（部位）
１１２…第１のフィン
１１３…第２のフィン
１１４…穴部
１１５…雌ねじ部
２２１，２２２…主面（一対の主面）

Claims (6)

1. 半導体モジュールの熱をヒートシンクを介して空気中に放熱する半導体装置であって、
   半導体素子を内蔵し、対向する一対の主面を有する形状の半導体モジュールと、
   前記半導体モジュールの前記主面と熱的に結合される基板部、及び前記主面とは反対側に厚み方向に間隔をあけて列を形成するように前記基板部からそれぞれ突出する複数個の第１のフィンを有して構成されて、前記半導体モジュールを挟む両側それぞれに配されるヒートシンクと、を備え、
   前記ヒートシンクは、前記厚み方向の両方の最外側に位置する第１のフィンよりもさらに外側において前記基板部から突出するフィンであって、前記第１のフィンよりも厚み寸法が大きい肉厚部を有する第２のフィンをさらに備えることを特徴とする半導体装置。
2. 前記第２のフィンは、前記厚み方向に垂直な方向であって前記半導体モジュールの前記主面に平行な方向についての長さ寸法が前記第１のフィンよりも小さくなっており、
   前記半導体モジュールを挟む両側の前記ヒートシンクの前記基板部における前記第２のフィンが突出していない部位に、弾性力により前記半導体モジュールを挟む力を付勢する弾性部材を設けることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記基板部における前記第２のフィンが突出していない部位は、前記厚み方向に垂直な方向であって前記半導体モジュールの前記主面に平行な方向における前記第２のフィンの両側に設けられることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第２のフィンの肉厚部は、半導体装置を収納するケースの内壁面から突出する凸部が嵌まる凹部または穴部を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記第２のフィンの肉厚部は、半導体装置を収納するケースと前記ヒートシンクとをねじ締め固定するための雌ねじ部を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 同相の上、下のアームをなす一対の半導体モジュールが隣接して配置されるとともに、６個の半導体モジュールのそれぞれが各アームをなす三相のインバータ回路において、
   前記６個の半導体モジュールの熱を前記ヒートシンクを介して空気中に放熱することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。

Images