JP2013062375A

JP2013062375A - 半導体モジュールとその製造方法

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Publication number: JP2013062375A
Application number: JP2011199781A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Morino; 正裕森野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2013-04-04

Abstract

【課題】カード状の半導体装置を一対の冷却部材の間に挿入する際のグリース切れ、及びこれによる熱伝導率の悪化／半導体装置の冷却効率の低下を抑制する。
【解決手段】半導体モジュール１は、両面にグリース３０が塗布されたカード状の半導体装置１０が、内部に冷媒流路を有する一対の冷却部材２０の間に挿入されたものであり、半導体装置１０のグリース塗布面に凹部１１が形成されたものである。冷却部材２０のグリース塗布面に凹部を設けてもよい。
【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、半導体モジュールとその製造方法に関するものである。

自動車等には、パワーカード等のカード状の半導体装置の両面にグリースを塗布し、これを内部に冷媒流路を有する一対のヒートシンク等の冷却部材の間に挿入した半導体モジュールが搭載されている。かかる半導体モジュールは例えば、特許文献１（図１-図２等）に記載されている。

特開2007-236120号公報特開2010-092999号公報特開2004-311905号公報特開2007-281215号公報

上記の半導体モジュールにおいては、熱損失低減のために、カード状の半導体装置と一対の冷却部材との間の隙間が小さく設計されている。そのため、カード状の半導体装置を一対の冷却部材の間に挿入する際に、半導体装置の一方のグリース塗布面と冷却部材とが擦れ合って、その間のグリースが削ぎ落とされ、その結果、熱伝導率が悪化して半導体装置の冷却効率が低下する場合がある。

パワーカード等のカード状の半導体装置の両面にグリースを塗布し、これを一対のヒートシンク等の冷却部材の間に挿入した半導体モジュールに関するものではないが、本発明の関連技術としては以下の特許文献２−４がある。

特許文献２には、電子機器（１１）が載置されたケース（２０）と、熱伝導性グリース（Ｇ）を介してケース（２０）に接触する冷却器（３０）とを備え、ケース（２０）及び冷却器（３０）のうち少なくとも一方の接触面（２１）は、複数の直線状の凹部（２５）が並行に形成された接触領域（２３）を有し、接触領域（２３）に伝導性グリース（Ｇ）が配置された放熱構造（１０）が開示されている（請求項１、図１（ａ）、（ｂ））。
凹部（２５）は、部材間同士の接触部分を増やすと共に、これらの間に配置された熱伝導性グリースの流動を抑制するために設けられている。

特許文献３には、放熱平面（１１）が露出する半導体モジュール（１）と、放熱平面（１１）に密着するヒートシンク（３）の受熱平面との間に熱伝導性グリスを介在させた構成を有し、半導体モジュール（１）の放熱平面（１１）又はヒートシンク（３）の受熱平面に放射状にグリス押し出し溝（１２）を設けた半導体モジュール実装構造が開示されている（請求項１、図２）。グリス押し出し溝（１２）は、過剰グリスを速やかに外部に押し出すために設けられている。

特許文献４には、ブロック本体（３）と、ブロック本体（３）に貫穿された直線状の貫通孔（４）と、貫通孔（４）に圧入又は拡径されて貫設されたパイプ部（６）とを備え、貫通孔（４）の内周面に凹凸部（５）を備えた受熱ジャケット（２）が開示されている（請求項２、図２）。凹凸部（５）は、受熱ジャケット（２）が各種電子部品等の発熱体から発せられる熱を確実に受熱するために設けられている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、カード状の半導体装置を一対の冷却部材の間に挿入する際のグリース切れ、及びこれによる熱伝導率の悪化／半導体装置の冷却効率の低下を抑制することが可能な半導体モジュールを提供することを目的とするものである。

本発明の第１の半導体モジュールは、両面にグリースが塗布されたカード状の半導体装置が、内部に冷媒流路を有する一対の冷却部材の間に挿入された半導体モジュールであって、
前記半導体装置の前記グリースの塗布面に凹部が形成されたものである。

本発明の第２の半導体モジュールは、両面にグリースが塗布されたカード状の半導体装置が、内部に冷媒流路を有する一対の冷却部材の間に挿入された半導体モジュールであって、
前記冷却部材の前記グリースの塗布面に凹部が形成されたものである。

本発明の第２の半導体モジュールの好適な製造方法としては、
前記冷却部材の前記冷媒流路内に配置される熱交換用のフィンをケースに収容し、前記ケースの両外面に一対の弾性体を接触させた状態で、前記一対の弾性体の外部から加圧しながら加熱して、前記フィンと前記ケースとをロウ付けにより接合することにより、前記凹部を有する前記冷却部材を製造する方法が挙げられる。

本発明によれば、カード状の半導体装置を一対の冷却部材の間に挿入する際のグリース切れ、及びこれによる熱伝導率の悪化／半導体装置の冷却効率の低下を抑制することが可能な半導体モジュールを提供することができる。

本発明に係る第１実施形態の半導体モジュールの全体斜視図である。本発明に係る第１実施形態の半導体モジュールの製造工程図である。本発明に係る第１実施形態の半導体モジュールの製造工程図である。本発明に係る第２実施形態の半導体モジュールの製造工程図である。本発明に係る第２実施形態の半導体モジュールの製造工程図である。本発明に係る第２実施形態の半導体モジュールのその他の製造工程図である。本発明に係る第２実施形態の半導体モジュールのその他の製造工程図である。本発明に係る第２実施形態の半導体モジュールのその他の製造工程図である。

「第１実施形態」
図面を参照して、本発明に係る第１実施形態の半導体モジュールの構成について説明する。
図１は、本実施形態の半導体モジュールの全体斜視図である。図２Ａ〜図２Ｂは本実施形態の半導体モジュールの製造工程図である。図２Ａ〜図２Ｂは要部断面図であり、模式図である。

図１及び図２Ｂに示すように、本実施形態の半導体モジュール１は、内部に冷却水等の冷媒が流れる冷媒流路を有する複数のヒートシンク等の板状の冷却部材２０が間隔を置いて配置され、互いに隣接する一対の冷却部材２０の間に、両面にグリース３０が塗布されたパワーカード等のカード状の半導体装置１０が挿入されたものである。
複数の冷却部材２０は連結管を介して互いに連結されており、これら複数の冷却部材２０には冷却水等の冷媒を導入する冷媒導入口４１と冷媒が導出される冷媒導出口４２とが接続されている。
半導体モジュール１には、複数の冷却部材２０と、これらの間に挿入された複数の半導体装置１０との積層構造を加圧する加圧バネ５０が備えられている。

図２Ａに示すように、半導体装置１０のグリース塗布面（半導体装置１０の図示上下両面）に凹部１１が形成されている。
本実施形態において、凹部１１は、半導体装置１０のグリース塗布面の全体に渡って複数形成されている。
図示例において凹部１１は断面視楔型であり、その断面形状は任意である。
凹部１１の形成方法は特に制限なく、例えば、複数の凹部１１の反転パターンを有する加圧部材を用いたプレス加工等により形成できる。

図２Ａに示すように、半導体装置１０の図示上下両面のグリース塗布面にグリース３０を塗布すると、グリース塗布面に形成された複数の凹部１１内にグリース３０が入り込み、さらにその上にグリース３０の層が形成される。

「発明が解決しようとする課題」の項で説明したように、従来の半導体モジュールにおいては、熱損失低減のために、カード状の半導体装置と一対の冷却部材との間の隙間が小さく設計されており、カード状の半導体装置を一対の冷却部材の間に挿入する際に、半導体装置の一方のグリース塗布面と冷却部材とが擦れ合って、その間のグリースが削ぎ落とされ、その結果、熱伝導率が悪化して半導体装置の冷却効率が低下する場合がある。

図２Ｂに示すように、本実施形態では、仮に、半導体装置１０の一方のグリース塗布面（図示例では下面）と冷却部材２０とが擦れ合って、その間のグリース３０の層が削ぎ落とされたとしても、グリース３０が削ぎ落とされたグリース塗布面に形成された複数の凹部１１内に入り込んだグリース３０は保持される。
本実施形態では、半導体装置１０の図示上下両面のグリース塗布面の全体に渡って複数の凹部１１が形成されているので、複数の凹部１１に入り込んだグリース３０のみで充分な熱伝導が得られる。

さらに、互いに隣接する一対の冷却部材２０の間に半導体装置１０が挿入された後は、半導体装置１０と冷却部材２０との積層構造は、これらの密着性を高めるために、その全体が加圧バネ５０によって外部から加圧される。したがって、凹部１１内に入り込んだグリース３０はこの加圧により凹部１１内から半導体装置１０と冷却部材２０との間に押し出される。

以上の作用効果により、本実施形態によれば、カード状の半導体装置１０を互いに隣接する一対の冷却部材２０の間に挿入する際のグリース切れ、及びこれによる熱伝導率の悪化／半導体装置１０の冷却効率の低下を抑制することが可能な半導体モジュール１を提供することができる。

「第２実施形態」
図面を参照して、本発明に係る第２実施形態の半導体モジュールの構成について説明する。
図３Ａ〜図３Ｂは本実施形態の半導体モジュールの製造工程図である。図３Ａ〜図３Ｂは要部断面図であり、模式図である。本実施形態の基本構成は第１実施形態と同様であり、同じ構成要素については、同じ参照符号を付してある。全体斜視図は第１実施形態と同様である。

第１実施形態と同様、本実施形態の半導体モジュール２は、内部に冷却水等の冷媒が流れる冷媒流路を有するヒートシンク等の複数の冷却部材２０が間隔を空けて配置され、互いに隣接する一対の冷却部材２０の間に、両面にグリース３０が塗布されたパワーカード等のカード状の半導体装置１０が挿入されたものである（図１を参照）。

本実施形態においては、図３Ａに示すように、互いに隣接する一対の冷却部材２０のそれぞれのグリース塗布面に凹部２１が形成されている。
本実施形態において、凹部２１は、冷却部材２０のグリース塗布面の全体に渡って複数形成されている。
図示例において凹部２１は断面視楔型であり、その断面形状は任意である。
凹部２１の形成方法は特に制限なく、例えば、複数の凹部２１の反転パターンを有する加圧部材を用いたプレス加工等により形成できる。

図３Ａに示すように、一対の冷却部材２０のそれぞれのグリース塗布面にグリース３０を塗布すると、グリース塗布面に形成された複数の凹部２１内にグリース３０が入り込み、さらにその上にグリース３０の層が形成される。

図３Ｂに示すように、本実施形態では、仮に、半導体装置１０の一方のグリース塗布面と冷却部材２０とが擦れ合って、その間のグリース３０の層が削ぎ落とされたとしても、グリース３０が削ぎ落とされた冷却部材２０のグリース塗布面に形成された複数の凹部２１内に入り込んだグリース３０は保持される。
本実施形態では、一対の冷却部材２０のそれぞれのグリース塗布面の全体に渡って複数の凹部２１が形成されているので、複数の凹部２１に入り込んだグリース３０のみで充分な熱伝導が得られる。

さらに、互いに隣接する一対の冷却部材２０の間に半導体装置１０が挿入された後は、半導体装置１０と冷却部材２０との積層構造は、これらの密着性を高めるために、その全体が加圧バネ５０（図１を参照）によって外部から加圧される。したがって、凹部２１内に入り込んだグリース３０はこの加圧により凹部２１内から半導体装置１０と冷却部材２０との間に押し出される。

以上の作用効果により、本実施形態によれば、カード状の半導体装置１０を互いに隣接する一対の冷却部材２０の間に挿入する際のグリース切れ、及びこれによる熱伝導率の悪化／半導体装置１０の冷却効率の低下を抑制することが可能な半導体モジュール２を提供することができる。

（その他の製造方法例）
上記の第２実施形態の半導体モジュール２を製造するにあたっては、プレス加工を用いずに、簡易に冷却部材２０のグリース塗布面に凹部２１を形成する方法がある。図面を参照して、この方法について説明する。
図４Ａ〜図４Ｃは冷却部材の製造工程図である。図４Ａ〜図４Ｃは要部断面図であり、模式図である。

通常、ヒートシンク等の冷却部材２０は、冷却部材２０の冷媒流路内に配置され、冷媒と被冷却体である半導体装置１０との熱交換を行うためのフィンをケースに収容し、ケースの外部から加圧しながら加熱して、フィンとケースをロウ付けにより接合することで、製造されている。ロウ付け時には、各部材は高温（例えば約６００℃）に加熱され、この際にケースの剛性が低下する。このことを利用して、ロウ付け工程時に冷却部材２０に凹部２１を形成することができる。

図４Ａに示すように、冷却部材２０の冷媒流路２５内に配置される熱交換用のフィン２２をケース２３に収容し、ケース２３の両外面に一対の弾性体２４を接触させる。
弾性体２４としては特に制限されず、外部からの加圧により変形可能なものであればよい。弾性体２４としては、弾性ゴム等が挙げられる。

次に、図４Ｂに示すように、図４Ａに示した構造を、一対の弾性体２４の外部から加圧しながら加熱して、フィン２２とケース２３とをロウ付けにより接合する。
この工程では、ケース２３のフィン接触部２３Ｘは外部から加圧されても変形しないが、フィン非接触部２３Ｙは外部からの加圧により弾性体２４と共に変形して、フィン２２側に窪み、ケース２３の外面（グリース塗布面）に凹部２１が形成される。この作用効果により、図４Ｃに示すように、ケース２３の外面（グリース塗布面）の全体に渡って、フィン形状に応じて複数の凹部２１が形成される。上述のように、複数の凹部２１は、ケース２３の複数のフィン非接触部２３Ｙに形成される。

以上の方法によれば、フィン２２とケース２３とをロウ付けにより接合する工程において、同時に冷却部材２０のグリース塗布面に複数の凹部２１を簡易に形成することができる。この方法は、プレス加工等の追加のプロセスが不要であり、低コストな方法である。

本発明の半導体モジュールは、自動車等に搭載される、パワーカード等のカード状の半導体装置の両面にグリースを塗布し、これを一対のヒートシンク等の冷却部材の間に挿入した半導体モジュール等に好ましく適用できる。

１、２半導体モジュール
１０半導体装置
１１凹部
２０冷却部材
２１凹部
２２フィン
２３ケース
２３Ｘフィン接触部
２３Ｙフィン非接触部
２４弾性体
２５冷媒流路
３０グリース
４１冷媒導入口
４２冷媒導出口
５０加圧バネ

Claims

両面にグリースが塗布されたカード状の半導体装置が、内部に冷媒流路を有する一対の冷却部材の間に挿入された半導体モジュールであって、
前記半導体装置の前記グリースの塗布面に凹部が形成された半導体モジュール。
両面にグリースが塗布されたカード状の半導体装置が一対の冷却部材の間に挿入された半導体モジュールであって、
前記冷却部材の前記グリースの塗布面に凹部が形成された半導体モジュール。
請求項２に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
前記冷却部材の前記冷媒流路内に配置される熱交換用のフィンをケースに収容し、前記ケースの両外面に一対の弾性体を接触させた状態で、前記一対の弾性体の外部から加圧しながら加熱して、前記フィンと前記ケースとをロウ付けにより接合することにより、前記凹部を有する前記冷却部材を製造する半導体モジュールの製造方法。