JP2013191788A - 半導体モジュール及び半導体装置 - Google Patents

半導体モジュール及び半導体装置 Download PDF

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Abstract

【課題】小型かつ放熱性の良好な半導体モジュールを提供する。
【解決手段】熱伝導性を有する中間プレート２と、中間プレート２の一対の主面にそれぞれ配されたパワー半導体素子と、該パワー半導体素子を中間プレート２との間に挟むように配された一対のヒートシンク４と、中間プレート２とパワー半導体素子とヒートシンク４とをモールド樹脂により封止するモールド部１０とを有し、ヒートシンク４はパワー半導体素子と反対側の面をモールド部から露出しており、中間プレート２は、上記主面と平行な方向にモールド部１０から突出した中間放熱部２１を有する半導体モジュール１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体を内蔵した半導体モジュール及び、沸騰冷却装置により上記半導体モジュールを冷却できるよう構成した半導体装置に関する。
ハイブリッドカーや電気自動車等に搭載される電力変換装置には、パワー半導体素子を搭載した半導体モジュールが使用されている。半導体モジュールは、電力変換装置により駆動されるモータ等を高出力化するため、より大きな電流を流すことが望まれており、これに伴う発熱量の増大が問題となっている。
この問題に対し、放熱性を高めた半導体モジュールの例として、例えば特許文献１に開示された半導体モジュールが提案されている。特許文献１に開示された半導体モジュールは、一対のヒートシンクの間にパワー半導体素子を配しており、パワー半導体素子からの発熱を両面から放熱させることにより、放熱性の向上を図ったものである。
特開２００５−１９１０８２号公報
しかしながら、上記半導体モジュールを電力変換装置に用いる場合には、電力変換装置の小型化が困難であるという問題がある。つまり、上記半導体モジュールによりインバータ回路等の電力変換回路を構成する場合、複数個の半導体モジュールを使用する必要があるため、部品点数の増大を招く。
一方、複数のパワー半導体素子を半導体モジュールの内部に配することにより、半導体モジュールを一体化する構成が考えられる。ここで、複数のパワー半導体素子をヒートシンクの主面と平行な方向に並べて配置する場合には、ヒートシンクの面積増大を招くため、半導体モジュールの大型化が避けられない。
そこで、ヒートシンクの主面と垂直な方向に複数のパワー半導体素子を並べて配置することが考えられる。ところが、この場合には、ヒートシンクとパワー半導体素子とが接触する面積が小さくなるため、ヒートシンクとパワー半導体素子との間の熱抵抗が増大する。そのため、半導体モジュールの放熱性が低下するという問題が生じるおそれがある。
本発明は、上記の背景に鑑みてなされたもので、小型かつ放熱性の良好な半導体モジュールを提供しようとするものである。
本発明の第１の態様は、熱伝導性を有する中間プレートと、
該中間プレートの一対の主面にそれぞれ配されたパワー半導体素子と、
該パワー半導体素子を上記中間プレートとの間に挟むように配された一対のヒートシンクと、
上記中間プレートと上記パワー半導体素子と上記ヒートシンクとをモールド樹脂により封止するモールド部とを有し、
上記ヒートシンクは上記パワー半導体素子と反対側の面を上記モールド部から露出しており、
上記中間プレートは、上記主面と平行な方向に上記モールド部から突出した中間放熱部を有することを特徴とする半導体モジュールにある（請求項１）。
上記半導体モジュールは、上記中間プレートの一対の主面にそれぞれ配されたパワー半導体素子と、該パワー半導体素子を上記中間プレートとの間に挟むように配された一対のヒートシンクとを有する。つまり、上記パワー半導体素子は、それぞれ中間プレートとヒートシンクとの間に配置されている。そのため、上記パワー半導体素子から発生する熱を、その両主面から上記中間プレートと上記ヒートシンクとの双方へ伝達できる。
また、上記ヒートシンクは上記パワー半導体素子と反対側の面を上記モールド部から露出しており、上記中間プレートは、主面と平行な方向に上記モールド部から突出した中間放熱部を有している。そのため、上記ヒートシンクは、上記パワー半導体素子から伝達された熱を、上述の露出部分を介して外部へ放熱することができる。同様に、上記中間プレートは、上記パワー半導体素子から伝達された熱を、上記中間放熱部を介して外部へ放熱することができる。その結果、上記半導体モジュールの放熱性を向上させることができる。
また、上記パワー半導体素子は、上記中間プレートの一対の主面にそれぞれ配されているため、上記ヒートシンクの面積を低減することができる。その結果、上記半導体モジュールを容易に小型化することができる。
以上のごとく、上記態様によれば、小型かつ放熱性の良好な半導体モジュールを提供することができる。
実施例１における、半導体モジュールの斜視図。 図１のII−II線矢視断面図。 図２のIII−III線矢視断面図。 図２のIV−IV線矢視断面図。 実施例１における、パワー半導体素子及び制御端子とフレキシブル基板との接続状態の断面図。 実施例１における半導体モジュールを用いた電力変換回路の説明図。 実施例１における、パワー半導体素子の平面図。 実施例２における、熱伝導率の異方性を有する中間プレートを用いた場合の、パワー半導体素子の放熱性に関する説明図。 実施例２における、熱伝導率の異方性を有する中間プレートの斜視図。 実施例３における、パワー半導体素子と制御端子とをボンディングワイヤで接続した半導体モジュールの平面図。 実施例３における、パワー半導体素子と制御端子とをボンディングワイヤで接続した半導体モジュールの断面図（図４に相当する断面図）。 図１１のXII−XII線矢視断面図。 実施例４における、半導体モジュールの平面図。 実施例４における、半導体モジュールの断面図（図４に相当する断面図）。 実施例５における、一対のパワー半導体素子を備えた半導体モジュールの平面図。 図１５のXVI−XVI線矢視断面図。 実施例６における、パワー半導体素子とダイオード素子とを備えた半導体モジュールの断面図（図４に相当する断面図）。 実施例７における半導体装置を、半導体モジュールのヒートシンク側から見た平面図。 実施例７における、表面に多孔質層を設けた中間放熱部の水平方向における断面図。 実施例８における、断面に櫛歯部を設けた中間放熱部を有する半導体モジュールをヒートシンク側から見た平面図。 図２０のXXI−XXI線矢視断面図。 実施例８における、一対の主面の間に切り込み部を設けた中間プレートの斜視図。 図２２のXXIII−XXIII線矢視断面図。 実施例９における、中間放熱部を水平方向に向けて配置した半導体装置の断面図。 実施例１０における、半導体モジュールを複数個用いた半導体装置の断面図。
上記半導体モジュールにおいて、上記中間プレートが熱伝導性を有するとは、例えば上記中間プレートの熱伝導率が上記モールド樹脂よりも高いことを意味する。
また、上記中間プレートは、熱伝導率の異方性を有し、上記中間放熱部の突出方向の熱伝導率が、上記中間放熱部の突出方向と厚み方向との双方に直交する幅方向の熱伝導率よりも高いことが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記パワー半導体素子から発生する熱が、上記中間放熱部の方向へより伝達されやすくなる。その結果、上記半導体モジュールの放熱性をより向上させることができる。
また、上記中間プレートは、厚み方向の熱伝導率が上記幅方向の熱伝導率より高いことが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記パワー半導体素子から発生する熱が、上記中間プレートの主面から上記厚み方向に拡散するとともに、上記突出方向に拡散しやすくなる。これにより、上記パワー半導体素子からの熱が上記中間放熱部の方向へより伝達されやすくなる。そして、上記中間放熱部へ伝わった熱が、厚み方向へさらに拡散することで、上記中間放熱部の外部へ熱を放出しやすくなる。その結果、上記半導体モジュールの放熱性をより向上させることができる。
また、対を成す上記パワー半導体素子は上記中間プレートの厚み方向から見て同一の位置に配置されていてもよい（請求項４）。
この場合には、上記中間プレートの一方の主面側に配された上記パワー半導体素子と、他方の主面側に配された上記パワー半導体素子とが、上記突出方向及び上記幅方向において互いに重なる位置に配置される。これにより、上記中間プレートにおける上記パワー半導体素子の搭載に必要な面積を低減することができる。その結果、上記中間プレートを小型化することができるため、上記半導体モジュールを容易に小型化することができる。
また、上記パワー半導体素子の制御信号を入出力する制御端子と上記パワー半導体素子とがフレキシブル基板を介して接続されていてもよい（請求項５）。
この場合には、上記フレキシブル基板と上記パワー半導体素子及び上記制御端子との接続にはんだを用いることができる。これにより、上記パワー半導体素子のはんだ付けによる接合と上記フレキシブル基板の接合とを同時に行うことが可能となる。その結果、上記半導体モジュールの組み立て性が向上し、該半導体モジュールを容易に製造することができる。
また、上記中間プレートの一方の主面側に配された上記パワー半導体素子は、上記中間プレートの厚み方向から見て該中間プレートの外側に突出している突出領域を有し、該突出領域に形成されたボンディングパッドにおいて、ボンディングワイヤにより上記制御端子と接続されていてもよい（請求項６）。
この場合には、上記パワー半導体素子と上記制御端子との接続を低コストで行うことができる。
また、上記中間プレートの他方の主面側に配された上記ヒートシンクは、上記中間プレートの厚み方向から見て上記ボンディングワイヤが配置されている領域を避けて配置されていてもよい（請求項７）。
この場合には、上記ボンディングワイヤと上記制御端子との接続を、上記中間プレート、上記パワー半導体素子及び上記一対のヒートシンクの組み立て後にも行うことができる。その結果、上記半導体モジュールの組み立て工程の自由度が大きくなり、容易に生産することができる。
また、上記中間プレートの一方の主面に配された３個の上記パワー半導体素子と、上記中間プレートの他方の主面に配された３個の上記パワー半導体素子とを備え、これらが互いに接続されてインバータ回路を形成しており、上記中間プレートの一方の主面に配置された３枚の上記パワー半導体素子に制御信号を入出力する第１制御端子と、上記中間プレートの他方の主面に配置された３枚の上記パワー半導体素子に制御信号を入出力する第２制御端子とが、上記中間プレートの主面と平行な方向であって互いに反対方向に、上記モールド部から突出していてもよい（請求項８）。
この場合には、上記第１制御端子と上記第２制御端子とが互いに反対方向に突出しているため、上記モールド部の体積を低減することができる。その結果、上記半導体モジュールをより小型化することができる。
また、上記半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却するための沸騰冷却装置とを備える半導体装置であって、上記沸騰冷却装置は、上記半導体モジュールと冷媒液とを封入するとともに、上記半導体モジュールにおける上記中間プレートの上記中間放熱部が上記冷媒液に浸漬されるように構成された沸騰部と、該沸騰部の上方に配設されるとともに上記半導体モジュールの発熱により発生する上記冷媒液の蒸気を凝縮させる凝縮器とを備えていることを特徴とする半導体装置を構成することができる（請求項９）。
この場合には、上記パワー半導体素子から上記一対のヒートシンク及び上記中間放熱部に伝達された熱が、上記一対のヒートシンク及び上記中間放熱部と接触する冷媒液に伝達される。そして、この冷媒液の少なくとも一部が蒸発することにより、上記一対のヒートシンク及び上記中間放熱部に伝達された熱を、冷媒液の気化熱として効率よく除去することができる。その結果、上記半導体モジュールの放熱性を格段に向上させることができる。
また、上記半導体モジュールに電力を入出力する複数のパワー端子及び上記半導体モジュールに制御信号を入出力する複数の制御端子は、上記中間放熱部とは異なる方向に向けて上記モールド部から突出していてもよい（請求項１０）。
上記半導体装置においては、上記中間放熱部と上記冷媒液とが接する部分において、冷媒液の気泡が発生する。そのため、上述のごとく上記複数のパワー端子と上記複数の制御端子とを上記中間放熱部とは異なる方向に突出させることにより、これらの端子が冷媒液の気泡の上昇を阻害することがなくなる。その結果、上記一対のヒートシンク及び上記中間放熱部に滞りなく冷媒液を供給することができ、上記半導体モジュールの放熱性をより向上させることができる。
また、上記半導体モジュールは上記中間放熱部を上方に向けて配置されていてもよい（請求項１１）。
この場合には、上記中間放熱部から発生する冷媒液の気泡が、上記半導体モジュールに阻害されることなく上昇できる。そのため、上述のごとく、上記一対のヒートシンク及び上記中間放熱部に滞りなく冷媒液を供給することができ、上記半導体モジュールの放熱性をより向上させることができる。
また、上記中間放熱部は突出方向に垂直な断面の形状が一様であるとともに、上記断面の形状が櫛歯部を有していてもよい（請求項１２）。
この場合には、断面が一様な上記中間放熱部に発生した冷媒液の気泡が、上記中間放熱部自身に阻害されることなく上昇することができる。また、上記櫛歯部により上記中間放熱部の表面積が増大するため、上記中間放熱部と上記冷媒液との熱交換を効率よく行うことができる。その結果、上記半導体モジュールの放熱性をより向上させることができる。
また、上記半導体モジュールは上記中間放熱部を水平方向に向けて配置されていてもよい（請求項１３）。
この場合には、上記中間放熱部に発生した冷媒液の気泡が、上記半導体モジュールに阻害されることなく上昇することができ、上記半導体モジュールの放熱性をより向上させることができる。
また、上記パワー端子及び上記制御端子は、上方から見た時に上記中間放熱部と重ならない位置に配設されていてもよい（請求項１４）。
この場合には、上述のごとく上記複数のパワー端子と上記複数の制御端子とが冷媒液の気泡の上昇を阻害することがなくなる。その結果、上記半導体モジュールの放熱性をより向上させることができる。
また、上記中間放熱部の表面に多孔質層が形成されていてもよい（請求項１５）。
この場合には、上記冷媒液が上記多孔質層の内部まで浸透することができるため、上記冷媒液と上記中間放熱部とが接触する面積が増大し、熱交換を効率よく行うことができる。その結果、上記半導体モジュールの放熱性をより向上させることができる。
（実施例１）
上記半導体モジュールの実施例につき、図１〜図７を用いて説明する。半導体モジュール１は、図２に示すごとく、熱伝導性を有する中間プレート２と、中間プレート２の一対の主面にそれぞれ配されたパワー半導体素子としてのＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ−Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｌｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子３（３ａ、３ｂ）とを有する。また、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３を中間プレート２との間に挟むように配された一対のヒートシンク４と、中間プレート２とＲＣ−ＩＧＢＴ素子３とヒートシンク４とをモールド樹脂により封止するモールド部１０とを有する。ヒートシンク４は、図２に示すごとく、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３と反対側の面をモールド部１０から露出している。中間プレート２は、図２に示す一対の主面２０（２０ａ、２０ｂ）と平行な方向にモールド部１０から突出した、図１に示す中間放熱部２１を有する。
半導体モジュール１は、図１に示すごとく、略直方体形状を呈しており、その一面から中間放熱部２１が突出している（以下、中間放熱部２１の突出方向を「突出方向Ｘ」という。）。中間放熱部２１が突出している面とは反対側の面には、半導体モジュール１に電力を入出力する複数のパワー端子１５（１５ａ、１５ｂ）が配設されている。また、図２に示すごとく、突出方向Ｘと直交する中間プレート２の厚み方向（以下、この方向を「厚み方向Ｚ」という。）における一対の面には、ヒートシンク４の一部がモールド部１０から露出して配されている。そして、突出方向Ｘと厚み方向Ｚとの双方に直交する方向（以下、この方向を「幅方向Ｙ」という。）における一対の面には、図１及び図２に示すごとく、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３に制御信号を入出力する第１制御端子１２０及び第２制御端子１２１がそれぞれ中間プレート２の一対の主面２０と平行な方向（幅方向Ｙ）に向けて互いに反対方向に配設されている。
半導体モジュール１には、図２に示すごとく、６枚のＲＣ−ＩＧＢＴ素子３が内蔵されている。これらのＲＣ−ＩＧＢＴ素子３が互いに電気的に接続され、図６に示すインバータ回路を形成している。すなわち、半導体モジュール１の内部におけるＲＣ−ＩＧＢＴ素子３は、一対のＲＣ−ＩＧＢＴ素子３ａ、３ｂを互いに直列に接続した直列体３４が３対形成され、この３対の直列体３４が互いに並列になるよう接続されている。なお、本例では、図６に示すごとく、パワー端子１５ａには昇圧コンバータ６が接続され、パワー端子１５ｂには回転電機７が接続される。
半導体モジュール１の中間プレート２は、図４に示すごとく、３枚の中間プレート２が幅方向Ｙに互いに並んで配設されている。中間プレート２は、略長方形状の銅板であり、厚み方向Ｚから見て同一の位置に予めニッケルめっきが施されている。そして、このニッケルめっきが施された領域において、図２に示すごとく一対のＲＣ−ＩＧＢＴ素子３ａ、３ｂがはんだ１１により接合されている。これにより、対を成すＲＣ−ＩＧＢＴ素子３ａ、３ｂは中間プレート２の厚み方向から見て同一の位置に配置されている。そして、一対のＲＣ−ＩＧＢＴ素子３ａ、３ｂが互いに直列に接続され、図６に示す直列体３４を形成している。
また、中間プレート２における突出方向Ｘの一端は、図４に示すごとく、モールド部１０から突出して中間放熱部２１を構成している。一方、中間プレート２における突出方向Ｘの他端は、図４に示すごとく、中間放熱部２１と反対側へ延伸されるとともに、モールド部１０から突出したパワー端子１５ｂを構成している。つまり、パワー端子１５ｂは、中間プレート２における幅方向Ｙの一部を延伸させて形成されている。
一対のヒートシンク４は、図３に示すごとく、略長方形状の銅板であり、中間プレート２と同様にＲＣ−ＩＧＢＴ素子３が配される領域に予めニッケルめっきが施されている。そして、このニッケルめっきが施された領域において、図２に示すごとくＲＣ−ＩＧＢＴ素子３とはんだ１１により接合されている。これにより、一対のＲＣ−ＩＧＢＴ素子３ａ、３ｂと中間プレート２とから構成される３対の上述した直列体３４が、図６に示すごとく、互いに並列に接続されている。
また、一対のヒートシンク４における突出方向Ｘの一端は、図４に示すごとく、中間放熱部２１と反対側へ延伸されるとともにモールド部１０から突出したパワー端子１５ａを構成している。つまり、パワー端子１５ａは、一対のヒートシンク４における幅方向Ｙの一部を延伸させて形成されている。
ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３は、図７に示す一方の主面にエミッタ電極３２と複数の制御電極３３とを有し、他方の主面にはコレクタ電極（図示略）を有している。エミッタ電極３２及びコレクタ電極は、図２に示すごとく、ヒートシンク４や中間プレート２とはんだ１１により接合され、図６に示すごとくインバータ回路を構成している。
制御電極３３は、図３及び図４に示すごとく、フレキシブル基板１３を介して第１制御端子１２０または第２制御端子１２１と接続されている。これにより、第１制御端子１２０及び第２制御端子１２１に入出力される制御信号によりＲＣ−ＩＧＢＴ素子３の動作を制御できるよう構成されている。なお、制御電極３３は、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３のゲートを制御するゲート電極を少なくとも備えており、該ゲート電極の他に、電流や温度等を検知するセンサ等の電極を必要に応じて設けてもよい。本例では、５個の制御電極を設けた例を示す。
フレキシブル基板１３は、図５に示すごとく、可撓性の樹脂１３２に導電体１３０を埋設してなり、その両端において導電体１３０を樹脂から露出させて電極部１３１を形成している。そして、その一端に形成された電極部１３１とＲＣ−ＩＧＢＴ素子３の制御電極３３とがはんだ１１により接合され、他端に形成された電極部１３１と第１制御端子１２０または第２制御端子１２１とがはんだ１１により接合されている。これにより、中間プレート２の図２に示す一方の主面２０ａに配置された３枚のＲＣ−ＩＧＢＴ素子３ａと第１制御端子１２０とが図３に示すごとく接続されている。そして、図２に示す中間プレート２の他方の主面２０ｂに配置された３枚のＲＣ−ＩＧＢＴ素子３ｂと第２制御端子１２１とが図４に示すごとく接続されている。なお、図３及び図４においては、便宜上、はんだの記載を省略している。
次に、本例の作用効果を説明する。半導体モジュール１においては、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３は、それぞれ中間プレート２とヒートシンク４との間に配置されている。そのため、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３から発生する熱を、その両主面２０から中間プレート２とヒートシンク４との双方へ伝達できる。
また、ヒートシンク４はＲＣ−ＩＧＢＴ素子３と反対側の面をモールド部１０から露出しており、中間プレート２は、主面２０と平行な方向にモールド部１０から突出した中間放熱部２１を有している。そのため、ヒートシンク４は、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３から伝達された熱を、上述の露出部分を介して外部へ放熱することができる。同様に、中間プレート２は、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３から伝達された熱を、中間放熱部２１を介して外部へ放熱することができる。その結果、半導体モジュール１の放熱性を向上させることができる。
また、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３は、中間プレート２の一対の主面２０にそれぞれ配されているため、ヒートシンク４の面積を低減することができる。また、対を成すＲＣ−ＩＧＢＴ素子３は中間プレート２の厚み方向から見て同一の位置に配置されている。そのため、中間プレート２の一方の主面２０ａ側に配されたＲＣ−ＩＧＢＴ素子３ａと、他方の主面２０ｂ側に配されたＲＣ−ＩＧＢＴ素子３ｂとが、突出方向Ｘ及び幅方向Ｙにおいて互いに重なる位置に配置される。これにより、中間プレート２におけるＲＣ−ＩＧＢＴ素子３の搭載に必要な面積を低減することができ、中間プレート２を小型化することができる。
また、中間プレート２の一方の主面２０ａに配された３個のＲＣ−ＩＧＢＴ素子３と、中間プレート２の他方の主面２０ｂに配された３個のＲＣ−ＩＧＢＴ素子３とを備え、これらが互いに接続されてインバータ回路を形成している。そして、第１制御端子１２０と第２制御端子１２１とが中間プレート２の一対の主面２０と平行な方向であって互いに反対方向（幅方向Ｙ）に向けてモールド部１０から突出している。そのため、上記モールド部１０の体積を低減することができる。以上の結果、上記半導体モジュール１をより小型化することができる。
また、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３の制御信号を入出力する第１制御端子１２０及び第２制御端子１２１とＲＣ−ＩＧＢＴ素子３とがフレキシブル基板１３を介して接続されている。そのため、フレキシブル基板１３とＲＣ−ＩＧＢＴ素子３、第１制御端子１２０及び第２制御端子１２１との接続にはんだを用いることができる。これにより、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３のはんだ付けによる接合とフレキシブル基板１３の接合とを同時に行うことが可能となる。その結果、半導体モジュール１の組み立て性が向上し、半導体モジュール１を容易に製造することができる。
以上のごとく、本例によれば、小型かつ放熱性の良好な半導体モジュール１を提供することができる。
（実施例２）
本例は、実施例１における中間プレート２の材質を熱伝導率の異方性を有するものに変更した例である。本例においては、グラファイトを板状に成形し、この表面にニッケルめっきを施したものを中間プレート２として用いた。その他は実施例１と同様である。
グラファイトは、炭素原子から構成される平面状のグラフェンシートが多数積層して構成されている。グラファイトの熱伝導率は、グラフェンシートが積層している方向に比べて、グラフェンシートに平行な方向の方が高く、それぞれ３Ｗ／ｍ・Ｋ及び１７００Ｗ／ｍ・Ｋという値が典型的な値として知られている。
図８及び表１に、突出方向Ｘ、幅方向Ｙ及び厚み方向Ｚの各々の方向における熱伝導率を表１に示すごとく変更した場合の中間放熱部の放熱性に関するシミュレーションの結果を示す。なお、図８の縦軸には、下記条件により計算を行った場合の、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３の定常状態の温度を示した。
シミュレーションは、図２に示した３対のＲＣ−ＩＧＢＴ素子３のうち１対について、以下の条件により実施した。一対のＲＣ−ＩＧＢＴ素子３は、それぞれ通常動作時に相当する熱量を発生する熱源として中間プレート２上に配置した。そして、中間放熱部２１から一定の熱量で放熱させた時の、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３の定常状態における表面温度を解析した。
また、試験体１〜試験体３は、熱伝導率の低い方向をそれぞれ幅方向Ｙ、厚み方向Ｚ及び突出方向Ｘとしたグラファイトのモデルとして、各方向の熱伝導率を表１に示すごとく設定した。代表例として、試験体１に相当する中間プレートにおける各方向の熱伝導率を図９に示す。試験体４は、銅のモデルとして、各方向の熱伝導率を４００Ｗ／ｍ・Ｋに設定した。試験体５は、中間プレートをモールド部から突出させず、中間放熱部を設けない場合のモデルとして、各方向の熱伝導率を０Ｗ／ｍ・Ｋに設定した。
Figure 2013191788
試験体１及び試験体２にかかる中間プレート２は、熱伝導率の異方性を有し、表１より知られるごとく、突出方向Ｘの熱伝導率が幅方向Ｙの熱伝導率よりも高い。そのため、図８より知られるごとく、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３から発生する熱が、中間放熱部２１の方向へより伝達されやすくなる。その結果、半導体モジュール１の放熱性をより向上させることができる。
さらに、試験体１にかかる中間プレート２は、表１より知られるごとく、厚み方向Ｚの熱伝導率が幅方向Ｙの熱伝導率より高い。そのため、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３から発生する熱が、中間プレート２の主面から厚み方向Ｚに拡散するとともに、中間プレート２の突出方向Ｘに拡散しやすくなる。これにより、図８より知られるごとく、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３からの熱が中間放熱部２１の方向へより伝達されやすくなる。そして、中間放熱部２１へ伝わった熱が、厚み方向Ｚへさらに拡散することで、中間放熱部２１の外部へ熱を放出しやすくなる。その結果、半導体モジュール１の放熱性をより向上させることができる。その他、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
（実施例３）
本例は、実施例１におけるＲＣ−ＩＧＢＴ素子３と制御端子との接続をワイヤボンディングにより行った例である。本例の半導体モジュール１は、図１０に示すごとく、制御端子１２を中間放熱部２１と反対側の面に配している。そして、複数のパワー端子１５を幅方向Ｙにおける一方の面に配している。
半導体モジュール１の内部において、中間プレート２は、図１１に示すごとく、中間放熱部２１と反対側の端面を基端として、幅方向Ｙにおける一方の端部が中間放熱部２１とは反対方向に延伸されている。この延伸された部分は、モールド部１０内において互いに接触しないように幅方向Ｙに屈曲され、幅方向Ｙへ向けてさらに延伸されている。そして、幅方向Ｙにおける一方の面からモールド部１０の外部へ突出し、パワー端子１５ｂを形成している。なお、便宜上、図１１においてはモールド部１０の表示を省略している。
また、一対のヒートシンク４は、図１１に示すごとく、幅方向Ｙにおける一方の端面を基端として、３本のパワー端子１５ｂよりも中間放熱部２１側の一部分が各々幅方向Ｙに向けて延伸されている。そして、この延伸された部分がモールド部１０から突出して図１０に示すパワー端子１５ａを構成している。
中間プレート２の一方の主面２０ａ側に配されたＲＣ−ＩＧＢＴ素子３ａは、図１１に示すごとく、厚み方向Ｚから見て、中間プレート２に対して制御端子１２側に突出した突出領域を有するように配置されている。この突出領域にはボンディングパッドとしての制御電極３３が形成されており、制御電極３３と制御端子１２とがボンディングワイヤ１４により接続されている。なお、本例では、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３にそれぞれ２個の制御電極３３を設けている。
ここで、ボンディングワイヤ１４は、図１２に示すごとく、幅方向Ｙから見て、中間プレート２から延伸されるパワー端子１５ｂをまたぐように配線されている。つまりボンディングワイヤ１４は、中間プレート２の他方の主面２０ｂ側に頂点を有する略円弧状に配線され、中間プレート２の一方の主面２０ａ側のヒートシンク４とボンディングワイヤ１４との間をパワー端子１５ｂが通過するように配置されている。
また、中間プレート２の他方の主面２０ｂ側に配されたＲＣ−ＩＧＢＴ素子３ｂは、図１１に示すごとく、厚み方向Ｚから見て、中間プレート２の他方の主面２０ｂ側に配されたヒートシンク４に対して制御端子１２側に突出した突出領域を有するように配置されている。この突出領域には、上述と同様にボンディングパッドとしての制御電極３３が形成されており、制御電極３３と制御端子１２とがボンディングワイヤ１４により接続されている。その他は実施例１と同様である。なお、図１０、図１１及び図１２において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り実施例１と同様の構成要素等を表すものとする。
次に、本例の作用効果を説明する。本例においては、中間プレート２の一方の主面側に配されたＲＣ−ＩＧＢＴ素子３は、中間プレート２の厚み方向Ｚから見て中間プレート２の外側に突出している突出領域を有している。そして、突出領域に形成されたボンディングパッドとしての制御電極３３において、ボンディングワイヤ１４により制御端子１２と接続されている。そのため、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３と制御端子１２との接続を低コストで行うことができる。その他、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
（実施例４）
本例は、実施例３における、中間プレート２の他方の主面２０ｂ側に配されたヒートシンク４の形状を変形した例である。本例におけるヒートシンク４は、図１３及び図１４に示すごとく、中間プレート２の厚み方向Ｚから見てボンディングワイヤ１４が配置されている領域を避けて配置されている。つまり、ヒートシンク４は、中間プレート２における中間放熱部２１とは反対側の端面を基端として突出方向Ｘに延伸される部分が、厚み方向Ｚから見てボンディングワイヤ１４が配置されている領域を避けるように形成されている。その他は実施例３と同様である。なお、図１３、図１４において用いた符号のうち、実施例３において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り実施例３と同様の構成要素等を表すものとする。
本例では、上述のように、ヒートシンク４がボンディングワイヤ１４の配置されている領域を避けて配置されていることにより、ボンディングワイヤ１４と制御端子１２との接続を、中間プレート２、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３及び上記一対のヒートシンク４の組み立て後にも行うことができる。その結果、半導体モジュール１の組み立て工程の自由度が大きくなり、容易に生産することができる。また、実施例３よりもヒートシンク４の面積が大きくなっているため、放熱性を向上させることができる。その他、実施例３と同様の作用効果を奏することができる。
（実施例５）
本例は、実施例１における半導体モジュール１に配されるＲＣ−ＩＧＢＴ素子３及び中間プレート２の数を変更した例である。本例の半導体モジュール１は、図１５及び図１６に示すごとく、１枚の中間プレート２における一対の主面２０に、各々１枚ずつのＲＣ−ＩＧＢＴ素子３を配している。その他は実施例１と同様である。なお、図１５、図１６において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り実施例１と同様の構成要素等を表すものとする。
実施例１〜４においては、６枚のＲＣ−ＩＧＢＴ素子３を配した半導体モジュール１の例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば本例の半導体モジュール１を用いることで、ハーフブリッジ型やフルブリッジ型のコンバータ回路を構成することもできる。その他、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
（実施例６）
本例は、パワー半導体素子としてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子を用いた例である。本例の半導体モジュール１は、図１７に示すごとく、中間プレート２の一対の主面に、それぞれＩＧＢＴ素子３０とＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）素子３１と一組ずつ配している。その他は、実施例１と同様である。なお、図１７において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り実施例１と同様の構成要素等を表すものとする。
実施例１〜４においては、パワー半導体素子としてＲＣ−ＩＧＢＴ素子３を配した半導体モジュール１の例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば本例のごとく、ＩＧＢＴ素子３０とＦＷＤ素子３１とを組み合わせて用いることもできる。本例の場合には、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
なお、パワー半導体素子としては、そのほかにＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子等を採用することもできる。
（実施例７）
本例は、図１８に示すごとく、実施例１における半導体モジュール１と沸騰冷却装置５０とを有する半導体装置５の例である。半導体装置５は、略直方体状の沸騰冷却装置５０の内部に半導体モジュール１を配設している。そして、複数のパワー端子１５と第１制御端子１２０と第２制御端子１２１とが沸騰冷却装置５０の外部に引き出されている。
沸騰冷却装置５０は、図１８に示すごとく、半導体モジュール１と冷媒液５１とを接触させ、半導体モジュール１から発生する熱により冷媒液５１を蒸発させる沸騰部５２と、沸騰部５２において発生した冷媒液５１の蒸気を凝縮させる凝縮器５３とを備えている。
沸騰部５２は、図１８に示すごとく、半導体モジュール１と冷媒液５１とを封入している。また、半導体モジュール１は、中間放熱部２１が上方、すなわち沸騰部５２の方向を向くように配置されている。そして、半導体モジュール１における中間プレート２の中間放熱部２１が冷媒液５１に浸漬されるまで冷媒液５１が充填されている。なお、冷媒液５１としては、例えばフロリナートやＨＦＣ等の電気絶縁性を示す液体を使用することができる。
また、沸騰部５２から沸騰冷却装置５０の外部に引き出される複数のパワー端子１５、第１制御端子１２０及び第２制御端子１２１は、中間放熱部２１とは異なる方向に向けて上記半導体モジュール１から突出している。つまり、半導体装置５において、複数のパワー端子１５は下方に向けて突出し、第１制御端子１２０と第２制御端子１２１とは、互いに反対方向を向くように水平方向に突出している。また、複数のパワー端子１５、第１制御端子１２０及び第２制御端子１２１と沸騰部５２の壁面５４とが接触する部分は、冷媒液５１が漏出しないよう気密端子を用いる等により密封されている。
また、本例の半導体モジュール１は、中間放熱部２１の表面に、図１９に示すごとく多孔質層２１０が形成されている。多孔質層２１０は、例えば、ヒートシンク４の上記露出した部分に銅等の金属の微細な粒子を溶射する等の方法を用いて形成することができる。その他は実施例１と同様である。なお、図１８、図１９において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り実施例１と同様の構成要素等を表すものとする。
次に、本例の作用効果を説明する。本例のごとく半導体モジュール１を沸騰冷却装置５０の内部に配すると、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子３から一対のヒートシンク４及び中間放熱部２１に伝達された熱が、一対のヒートシンク４及び中間放熱部２１と接触する冷媒液５１に伝達される。そして、この冷媒液５１の少なくとも一部が蒸発することにより、一対のヒートシンク４及び中間放熱部２１に伝達された熱を、冷媒液５１の気化熱として効率よく除去することができる。
また、パワー端子１５、第１制御端子１２０及び第２制御端子１２１は、中間放熱部２１とは異なる方向に向けてモールド部１０から突出している。そして、半導体モジュール１は中間放熱部２１を上方に向けて配置されている。そのため、一対のヒートシンク４及び中間放熱部２１と冷媒液５１とが接する部分において発生する冷媒液５１の気泡が、半導体モジュール１自身、あるいは複数のパワー端子や複数の制御端子により上昇を阻害されることがなくなる。その結果、一対のヒートシンク４及び中間放熱部２１に滞りなく冷媒液５１を供給することができる。その結果、半導体モジュール１の放熱性をより向上させることができる。
また、中間放熱部２１の表面に多孔質層２１０が形成されている。そのため、冷媒液５１が多孔質層２１０の内部まで浸透することができるため、冷媒液５１と中間放熱部２１とが接触する面積が増大し、熱交換を効率よく行うことができる。その結果、半導体モジュール１の放熱性をより向上させることができる。
このように、本例の半導体装置５によれば、半導体モジュール１の放熱性を格段に向上させることができる。
（実施例８）
本例は、実施例７における半導体モジュール１の中間放熱部２１の形状を変更することにより、中間放熱部２１と冷媒液５１とが接触する面積を増大させた例である。本例の中間放熱部２１は、図２０及び図２１に示すごとく、突出方向に垂直な断面の形状が一様であるとともに、上記断面の形状が櫛歯部２１１を有している。つまり、中間放熱部２１は、モールド部１０に埋設された中間プレート２から突出方向Ｘに延設された基体部と、基体部から厚み方向Ｚに向けて立設された櫛歯部２１１とから構成されている。その他は実施例７と同様である。なお、図２０、図２１において用いた符号のうち、実施例７において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り実施例７と同様の構成要素等を表すものとする。
これにより、断面が一様な中間放熱部２１に発生した冷媒液５１の気泡が、中間放熱部２１自身に阻害されることなく上昇することができる。また、櫛歯部により中間放熱部２１の表面積が増大するため、中間放熱部２１と冷媒液５１との熱交換を効率よく行うことができる。その結果、半導体モジュール１の放熱性をより向上させることができる。その他、実施例７と同様の作用効果を奏することができる。
なお、櫛歯部２１１の他に、例えば、図２２及び図２３に示すごとく、中間プレート２の一対の主面２０の間に、該主面２０と平行に形成した切り込み部２１２を設ける構成をとることもできる。これにより、中間放熱部２１と冷媒液５１とが接触する面積を増大させることができ、半導体モジュール１の放熱性を向上させることができる。
（実施例９）
本例は、実施例７における半導体モジュール１の配置を変更した例である。本例の半導体装置５においては、半導体モジュール１は、図２４に示すごとく、中間放熱部２１が水平方向を向くように半導体モジュール１を配置されている。つまり、半導体モジュール１における幅方向Ｙを上方に、突出方向Ｘと厚み方向Ｚとの双方を水平方向に向けて配置されている。また、モールド部１０から上方に向けて突出している第２制御端子１２１が、水平方向において中間放熱部２１とは反対方向に屈曲されている。これにより、複数のパワー端子１５、第１制御端子１２０及び第２制御端子１２１が、上方から見て中間放熱部２１と重ならない位置に配設されている。その他は実施例７と同様である。なお、図２４において用いた符号のうち、実施例７において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り実施例７と同様の構成要素等を表すものとする。
このように、半導体モジュール１の中間放熱部２１を水平方向に向けて配置する場合にも、中間放熱部２１に発生した冷媒液５１の気泡が、半導体モジュール１に阻害されることなく上昇することができる。そして、複数のパワー端子及び複数の制御端子が、上方から見た時に中間放熱部２１と重ならない位置に配設されているため、これらの端子が冷媒液５１の気泡の上昇を阻害することがなくなる。その結果、半導体モジュール１の放熱性をより向上させることができる。その他、実施例７と同様の作用効果を奏することができる。
（実施例１０）
本例は、図２５に示すごとく、複数の半導体モジュール１を沸騰冷却装置５０に配設した半導体装置５の例である。本例の半導体装置５は、実施例５に記載の半導体モジュール１を、互いにヒートシンク４が隣り合うようにして３個並べて配置している。その他は実施例７と同様である。なお、半導体モジュール１間の配線は便宜上省略している。
１ 半導体モジュール
１０ モールド部
１２０ 第１制御端子
１２１ 第２制御端子
１５ パワー端子
２ 中間プレート
２１ 中間放熱部
４ ヒートシンク

Claims (15)

  1. 熱伝導性を有する中間プレート（２）と、
    該中間プレートの一対の主面（２０）にそれぞれ配されたパワー半導体素子（３、３０）と、
    該パワー半導体素子を上記中間プレートとの間に挟むように配された一対のヒートシンク（４）と、
    上記中間プレートと上記パワー半導体素子と上記ヒートシンクとをモールド樹脂により封止するモールド部（１０）とを有し、
    上記ヒートシンクは上記パワー半導体素子と反対側の面を上記モールド部から露出しており、
    上記中間プレートは、上記主面と平行な方向に上記モールド部から突出した中間放熱部（２１）を有することを特徴とする半導体モジュール（１）。
  2. 請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、上記中間プレートは、熱伝導率の異方性を有し、上記中間放熱部の突出方向の熱伝導率が、上記中間放熱部の突出方向と厚み方向との双方に直交する幅方向の熱伝導率よりも高いことを特徴とする半導体モジュール。
  3. 請求項２に記載の半導体モジュールにおいて、上記中間プレートは、厚み方向の熱伝導率が上記幅方向の熱伝導率より高いことを特徴とする半導体モジュール。
  4. 請求項１〜３に記載の半導体モジュールにおいて、対を成す上記パワー半導体素子は上記中間プレートの厚み方向から見て同一の位置に配置されていることを特徴とする半導体モジュール。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体モジュールにおいて、上記パワー半導体素子の制御信号を入出力する制御端子（１２、１２０、１２１）と上記パワー半導体素子とがフレキシブル基板（１３）を介して接続されていることを特徴とする半導体モジュール。
  6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体モジュールにおいて、上記中間プレートの一方の主面（２０ａ）側に配された上記パワー半導体素子は、上記中間プレートの厚み方向から見て該中間プレートの外側に突出している突出領域を有し、該突出領域に形成されたボンディングパッド（３３）において、ボンディングワイヤ（１４）により上記制御端子と接続されていることを特徴とする半導体モジュール。
  7. 請求項６に記載の半導体モジュールにおいて、上記中間プレートの他方の主面（２０ｂ）側に配された上記ヒートシンクは、上記中間プレートの厚み方向から見て上記ボンディングワイヤが配置されている領域を避けて配置されていることを特徴とする半導体モジュール。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体モジュールにおいて、上記中間プレートの一方の主面に配された３個の上記パワー半導体素子（３ａ）と、上記中間プレートの他方の主面に配された３個の上記パワー半導体素子（３ｂ）とを備え、これらが互いに接続されてインバータ回路を形成しており、上記中間プレートの一方の主面に配置された３枚の上記パワー半導体素子に制御信号を入出力する第１制御端子（１２０）と、上記中間プレートの他方の主面に配置された３枚の上記パワー半導体素子に制御信号を入出力する第２制御端子（１２１）とが、上記中間プレートの主面と平行な方向であって互いに反対方向に、上記モールド部から突出していることを特徴とする半導体モジュール。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体モジュールと、
    該半導体モジュールを冷却するための沸騰冷却装置（５）とを備える半導体装置であって、
    上記沸騰冷却装置は、上記半導体モジュールと冷媒液（５１）とを封入するとともに、上記半導体モジュールにおける上記中間プレートの上記中間放熱部が上記冷媒液に浸漬されるように構成された沸騰部（５２）と、該沸騰部の上方に配設されるとともに上記半導体モジュールの発熱により発生する上記冷媒液の蒸気を凝縮させる凝縮器（５３）とを備えていることを特徴とする半導体装置。
  10. 請求項９に記載の半導体装置において、上記半導体モジュールに電力を入出力する複数のパワー端子（１５）及び上記半導体モジュールに制御信号を入出力する複数の制御端子は、上記中間放熱部とは異なる方向に向けて上記モールド部から突出していることを特徴とする半導体装置。
  11. 請求項９または１０に記載の半導体装置において、上記半導体モジュールは上記中間放熱部を上方に向けて配置されていることを特徴とする半導体装置。
  12. 請求項１１に記載の半導体装置において、上記中間放熱部は突出方向に垂直な断面の形状が一様であるとともに、上記断面の形状が櫛歯部（２１１）を有することを特徴とする半導体装置。
  13. 請求項９または１０の記載の半導体装置において、上記半導体モジュールは上記中間放熱部を水平方向に向けて配置されていることを特徴とする半導体装置。
  14. 請求項１３に記載の半導体装置において、上記パワー端子及び上記制御端子は、上方から見た時に上記中間放熱部と重ならない位置に配設されていることを特徴とする半導体装置。
  15. 請求項９〜１４のいずれか１項に記載の半導体装置において、上記中間放熱部の表面に多孔質層（２１０）が形成されていることを特徴とする半導体装置。
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