JP2013251473A - 電力用半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性に優れた電力用半導体装置を得手段を提供する。
【解決手段】基板の他方の面となるヒートスプレッダ４の放熱面４ｆｒに、熱伝導性グリース９を介して伝熱接合された冷却器６と、基板および冷却器６の外縁部に配置され、冷却器６と基板との間隔Ｇｆを維持するように締め付ける締め付け機構７と、熱伝導性グリース９を保持するために、冷却器６と基板との間における締め付け機構よりも内側の所定範囲内に閉鎖空間を形成するグリース保持機構８と、を備え、グリース保持機構は、締め付け機構による締め付けが完了する前には閉鎖空間の内と外とを連通する連通孔を形成するとともに、締め付けが完了したときには連通孔が塞がるように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却器を備えた電力用半導体装置に関するものである。

一般的な電力用半導体装置では、スイッチング素子や整流素子として機能する電力用半導体素子が基板の一方の面に設けられ、電力用半導体素子で発生した熱を除去するための冷却器が他方の面側にネジを用いて取り付けられている。ところで、冷却器と基板との熱抵抗を低減するために、冷却器と基板との間に熱伝導性グリースを介在させている。そのため、取り付け作業時に、ネジのトルクが大きかったり、塗布した熱伝導性グリースが厚かったりすると、熱伝導性グリースがネジ穴に侵入する場合がある。熱伝導性グリースがネジ穴に侵入すると、ネジの締め付けトルクが経時的に減少して基板と冷却器との間隔が広がり、放熱性が悪化する問題がある。一方、熱伝導性グリースの進入を抑制するために、熱伝導性グリースの塗布範囲を制限しすぎると、熱抵抗を十分低減できず、かえって放熱性が低下することになる。

そこで、熱伝導性グリースの固定用ネジ穴への侵入を防ぐために、溝や突起で塗布面を囲うように構成したグリース拡散防止部を備えたパワーモジュール（電力用半導体装置）が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−１６８７７２号公報（段落００１３〜００２９、図１〜図４）

しかしながら、溝で構成したグリース拡散防止部を使用した場合、取付作業時に熱伝導性グリースがネジ穴に侵入するのを防げたとしても、流動性のある熱伝導性グリースが使用中に徐々にネジ穴に浸入していくことを防ぐことは困難である。また、突起で構成、あるいは突起としてＯ−リングを用いたグリース拡散防止部を使用した場合、取り付け作業時に熱伝導性グリースに発生した気泡の排出が妨げられる。そのため、結果として、基板と冷却器間の熱伝導を損ねてしまい、所定の放熱効果が得られなくなるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、放熱性に優れた電力用半導体装置を得ることを目的とする。

本発明にかかる電力用半導体装置は、電力用半導体素子を含む電力回路が一方の面に形成された基板と、前記基板の他方の面に、熱伝導性グリースを介して伝熱接合された冷却器と、前記基板および前記冷却器の外縁部に配置され、前記冷却器と前記基板との間隔を維持するように締め付ける締め付け機構と、前記熱伝導性グリースを保持するために、前記冷却器と前記基板との間における前記締め付け機構よりも内側の所定範囲内に閉鎖空間を形成するグリース保持機構と、を備え、前記グリース保持機構は、前記締め付け機構による締め付けが完了する前には前記閉鎖空間の内と外とを連通する連通孔を形成するとともに、前記締め付けが完了したときには前記連通孔が塞がるように構成していることを特徴とする。

この発明によれば、組立中は連通孔によって熱伝導性グリースから発生する気泡を排出できるとともに、組立完了後は連通孔が塞がって熱伝導性グリースを所定範囲内にとどめることができるので、基板から冷却器への熱伝導が維持され、放熱性に優れた電力用半導体装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置のグリース保持機構を構成する部材の平面図および部分側面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置のグリース保持機構の構成を説明するための組立工程中の状態を示す部分断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置のグリース保持機構で使用するパッキンの変形例の部分側面図である。 本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置のグリース保持機構を構成する部材の平面図および部分側面図である。 本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置のグリース保持機構で使用するパッキンの平面図である。 本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置のグリース保持機構で使用するパッキンの平面図である。

実施の形態１．
図１〜図３は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、図１は電力用半導体装置の断面図、図２はグリース保持機構を構成する部材を説明するためのもので、図２（ａ）はヒートスプレッダの平面図、図２（ｂ）はパッキンの平面図、図２（ｃ）は図２（ｂ）の視点ｃから見たときの部分側面図である。また、図３は、グリース保持機構の構成を説明するために、組立工程におけるパッキンおよびパッキンを設置するための溝近傍部分の状態を示したもので、図３（ａ）は冷却器を取り付ける際の締め込み前の状態の部分断面図、図３（ｂ）は締め付け（取付）を完了したときの部分断面図である。なお、図１は図２（ａ）におけるＡ−Ａ線の位置に対応する部分の断面を示している。

以下、図に基づいて説明する。
図１に示すように、電力用半導体装置１は、スイッチング素子や整流素子といった電力を制御する電力用半導体素子２と、一方の面（回路面３ｆｃ）に電力用半導体素子２を含む電力回路が形成された回路基板３と、回路基板３の他方の面（裏面３ｆｒ）に接合されたヒートスプレッダ４と、ネジ７によって、ヒートスプレッダ４の放熱面４ｆｒ側に取り付けられた冷却器６とを備え、ヒートスプレッダ４と冷却器６間には熱伝導性グリース９が充填されている。そして、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置１の最大の特徴は、熱伝導性グリース９を所定領域内に保持するグリース保持機構の構成にある。

図２（ａ）に示すように、ヒートスプレッダ４の放熱面４ｆｒには、回路基板３の発熱領域を囲むように溝４ｇが設けられ、溝４ｇにパッキン８（Ｏリング）が設置されている。そして、放熱面４ｆｒの延在方向における溝４ｇの外側の４隅近傍部分にネジ締め用の穴４ｈが設けられ、冷却器６にも穴４ｈに対応したネジ穴６ｂが設けられている。そして、溝４ｇよりも内側の領域に熱伝導性グリース９を塗布し、ヒートスプレッダ４の放熱面４ｆｒと冷却器６の取付面６ｆｃとが所定間隔になるまでネジ７を締め込み固定する。これにより、所定厚みの熱伝導性グリース９を介してヒートスプレッダ４と冷却器６とが伝熱接合される。このとき、図１に示すように放熱面４ｆｒとパッキン８の内側の面および冷却器６の取付面６ｆｃとで閉鎖空間が形成され、熱伝導性グリース９は溝４ｇ（厳密にはパッキン８と取付面６ｆｃまたは放熱面４ｆｒとの境目）の内部に閉じ込められる。

熱伝導性グリース９のようなグリースは流動性を有すため、塗布、成形が容易であり界面熱抵抗が低いため、ヒートスプレッダ４から冷却器６への伝熱がスムーズに行われ、電力用半導体装置１の温度を最適に保つことが可能となる。しかし、その反面、使用中に、とくに高温の条件下では、経時変化によりグリースのオイル成分とフィラー成分の分離に伴うオイルブリードが発生することがある。その場合、熱伝導性グリース９がネジ７まではみ出てくるとネジ７の緩みにともなう放熱性の悪化だけでなく、回路基板３に達すると、電子部品が汚染されてしまうこともある。また、ヒートサイクルによりポンピングアウト、すなわち、気泡によりグリースが外に押し出される現象もあり、長時間使用すると、オイルブリードやポンピングアウトによって、放熱性が悪化するとともに装置が汚染される恐れがある。

しかし、上記のように、パッキン８を用いて熱伝導性グリース９を閉鎖空間内に閉じ込めるようにすることで、熱伝導性グリース９の流出による放熱性の悪化や回路部材の汚染を防止することができる。しかし、熱伝導性グリース９内に気泡を抱えていると、上述したポンピングアウトによってパッキン８によるシールを破り、熱伝導性グリース９が漏れ出てくるおそれがある。また、パッキン８により、熱伝導性グリース９の流出を防げたとしても、熱伝導性グリース９内に溜まった気泡によって、伝熱経路が寸断され、熱伝導性が低下する場合がある。

そこで、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１では、グリース保持機構を構成するパッキン８に、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、パッキン８の内周側から外周側に抜ける切欠８ｎを設けている。切欠８ｎは、パッキン８の展開（周）方向に垂直な方向において一方の面側、つまり、冷却器６またはヒートスプレッダ４ｂに最初に接する部分から深さｄまで切り込んであり、パッキン８の周方向に沿って４か所設けている。なお、パッキン８を溝４ｇに取り付ける際は、切欠８ｎを設けていない面が溝４ｇに向く（切欠８ｎがフラットな面（図では６ｆｃ）に向く）ように設置する。つまり、切欠８ｎは、少なくとも、ネジ７の締め込みによってパッキン８が圧縮されてしまうまでは、熱伝導性グリース９の塗布領域の内側と外側に連通する連通孔として機能する。

このような構成のパッキン８を用いてグリース保持機構を構成することにより、以下のように動作する。
冷却器６の取付面６ｆｃとヒートスプレッダ４の放熱面４ｆｒ間には、熱伝導性グリース９を介在させているので、冷却器６の取り付け工程において、ネジ７の締め付けに伴い、熱伝導性グリース９が取付面６ｆｃの延在方向に広がり、場合によっては、気泡が発生することがある。この際、熱伝導性グリース９の広がりは上述したようにパッキン８によって止められるので、ネジ穴６ｂに侵入することはない。また、熱伝導性グリース９が広がる際に発生した気泡は、連通孔として機能する切欠８ｎを介して外部に排出することが可能である。

その結果、ヒートスプレッダ４に冷却器６を取り付けるときには、熱伝導性グリース９が所定領域（溝４ｇより内側の領域）からはみ出してネジ穴６ｂに侵入することを防止できるとともに、熱伝導性グリース９の中の気泡を排出することによって、放熱性の低下を防止することができる。なお、パッキン８および切欠８ｎはネジ締めの途中で徐々に変形し、切欠８ｎによって形成された連通孔が、ネジ７による締め付けが完了した時点で、切欠８ｎがつぶれることにより塞がるように切欠８ｎの寸法等を設定する。これにより、締め付けが完了した後は、完全な閉鎖空間が形成され、使用中に熱伝導性グリース９が流出するのを防止することができる。その結果、オイルブリード及び熱伝導性グリース９のポンピングアウトによる放熱性の悪化が防止でき、パワーモジュールの長期信頼性を向上することができる。

このようにして、切欠８ｎを有するパッキン８を用いたグリース保持機構では、冷却器６の取付（ネジ７による締め込み）が完了する前には、保持領域の内と外とを連通する連通孔を保有し、取付が完了した際に保持領域を閉鎖空間にすることができる。これにより、組立中に発生した気泡を排除できるとともに、運転中に熱伝導性グリース９が保持領域内から外に出ることを防止することができ、電力用半導体装置１の信頼性を向上させることができる。

上記のように、締め付けが完了するまでは連通し、締め付け完了後に塞がる連通孔を有するために、塗布される熱伝導性グリース９の厚みや固定時の加圧力、ネジ７による締め付けトルク等の条件に応じて、パッキン８、切欠８ｎ、および溝４ｇの形状や寸法が設定される。

例えば、パッキン８、溝４ｇ及び切欠８ｎの寸法関係について、図３を参照しつつ説明する。図３（ａ）は、パッキン８の切欠８ｎが設けられた部分以外の部分を溝４ｇに設置した状態の断面の模式図を示す。なお、図３は、図１とは上下を逆に描いている。パッキン８は直径φ_ＯのＯリングであり、φ_Ｏの好適範囲は０．５〜４ｍｍである。ヒートスプレッダ４には、幅Ｗｇ、深さＤｇの溝４ｇを設けており、幅Ｗｇはパッキン８の直径φ_Ｏに合わせて設定する。基本的に、Ｗｇ≧φ_Ｏである。溝４ｇの深さＤｇは、必要な熱伝導性グリース９の厚さに応じて設定する。言うまでもなくＤｇ＜φ_Ｏである。

そして、ネジ７による締め込みが完了すると、図３（ｂ）に示すように、取付面６ｆｃと放熱面４ｆｒとの間隔は、設定値Ｇｆになる。このときの、パッキン８の厚みの変形量をΔｔとすると、切欠８ｎの深さｄが変形量Δｔの半分より小さい（ｄ＜Δｔ／２）値に設定した場合に、切欠８ｎによる連通孔は、ネジ締め付けが完了したときに塞がる。パッキン８の変形量Δｔは、パッキン８の初期高さ（断面が円の場合は直径φ_Ｏ）と溝深さＤｇと取付面６ｆｃと放熱面４ｆｒとの間隔Ｇｆにより、式（１）のように表現できる。そのため、式（２）の関係を保つように各寸法を調整すれば、締め付けが完了した時点で塞がる連通孔を有することができる。
Δｔ＝φ_Ｏ−Ｄｇ−Ｇｆ ・・・・（１）
２ｄ＜φ_Ｏ−Ｄｇ−Ｇｆ ・・・・（２）

さらに、本実施の形態においては、ネジ７による締込みが完了した時点において、変形したパッキン８の両サイドが、溝４ｇの側壁４ｇｓと接触するように溝幅Ｗｇを設定した。そのため、溝４ｇの側壁４ｇｓとパッキン８間も密着するので、熱伝導性グリース９のはみ出し防止効果がさらに高まる。

なお、パッキン８の直径φ_Ｏを溝４ｇの幅Ｗｇより小さくした場合は、パッキン８を溝４ｇ内に設置した段階ではパッキン８と溝４ｇの側壁４ｇｓとの間には隙間が生じることになる。その場合、切欠８ｎを設けている側を溝４ｇ側になるようにパッキン８を溝４ｇに取りつけるようにしてもよい。さらに、この場合において、ネジ７による締込みが完了した時点で、変形したパッキン８の両サイドが溝４ｇの両側壁４ｇｓと密着する場合には、必ずしも切欠８ｎ自身がつぶれていなくてもよい。切欠８ｎ部分で連通していても、溝４ｇより内側あるいは外側に通じる経路がパッキン８と両側壁４ｇｓとで塞がれるので、結果として連通孔が塞がれることになるからである。。

なお、上述したように取付完了時に塞がる連通孔を有するように構成できれば、パッキン８の切欠８ｎの断面形状については、図２(ｃ)に示すＶ形に限ることはなく、例えば、図４に示すような台形でもよい。また、図では単純に頂点を直線でつないだ形状のように記載しているが、接線を共有する曲線（円弧）を介して滑らかに変化するような形状であってよい。また、表面から切欠を設けることに限られず、厚み方向における中間部分に切れ目を設けるようにしてもよい。さらに、当然のことながら、切欠８ｎの数は４つに限ることなく、適宜増減すればよい。

熱伝導性グリース９としては、シリコーングリースを用いることができる。取付面６ｆｃまたは放熱面４ｆｒへの塗布方法としては、へら塗り、スクリーン印刷、デスペンス、グラビア印刷、スタンピング等が用いられる。また、冷却器６は、熱交換により冷却できるものであり、水冷式でも空冷式でもよい。パッキン８はゴム系材料、例えば、シリコーンゴム、フッ素ゴムなどを用いることができる。パッキン８の断面形状は、上述したＯリングのような円形に限ることはなく、四角形、円形などでもよい。

以上の説明では、溝４ｇはヒートスプレッダ４の放熱面４ｆｒ側に設ける例について示したが、言うまでもなく、冷却器６の取付面６ｆｃ側に設けても同様の効果を得ることが可能である。

金属製のヒートスプレッダ４は、アルミニウムの他に銅などの熱伝導性の高い金属が用いられる。なお、本実施の形態においては、ヒートスプレッダ４は回路基板３と別体で構成した例について説明したが、これに限ることはない。ヒートスプレッダ４自体に電力回路が形成されていてもよく、基本的にはヒートスプレッダ４と回路基板３とで電力回路を形成するための基板を構成すると考えてよい。つまり、本実施の形態や以降の実施の形態において、グリース保持機構における「ヒートスプレッダ４側」との表現は、「基板側」と読み替えればよい。

以上のように、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１によれば、電力用半導体素子２を含む電力回路が一方の面に形成された基板である回路基板３とヒートスプレッダ４と、基板の他方の面となるヒートスプレッダ４の放熱面４ｆｒに、熱伝導性グリース９を介して伝熱接合された冷却器６と、基板（４）および冷却器６の外縁部に配置され、冷却器６と基板（４）との間隔Ｇｆを維持するように締め付ける締め付け機構として機能するネジ７、ネジ穴６ｂ、および穴４ｈと、熱伝導性グリース９を保持するために、冷却器６と基板（４）との間における締め付け機構よりも内側の所定範囲内に閉鎖空間を形成するために所定範囲を囲むように配置したグリース保持機構として機能するパッキン８と、を備え、グリース保持機構は、締め付け機構による締め付けが完了する前には閉鎖空間の内と外とを連通する連通孔を形成するとともに、締め付けが完了したときには連通孔が塞がるようにパッキン８に内周側から外周側に向かって抜ける欠損部として、切欠８ｎを設けた。これにより、取り付け時に熱伝導性グリース９がネジ穴６ｂに侵入することを防ぐとともに、熱伝導性グリース９の中の気泡を排出でき、放熱性の悪化を防止することが可能となり、また、使用中には、オイル成分または熱伝導性グリース９の流出を防止でき、パワーモジュールの信頼性を向上することができる。

さらに、グリース保持機構として、パッキン８を設置（位置決め）するために基板（４）および冷却器６の対向面４ｆｒ、６ｆｃの内の少なくともいずれかの対向面に設けられた溝４ｇを有し、締め付けが完了したときにパッキン８と溝４ｇの側壁４ｇｓが密着することによって連通孔が塞がるように構成したので、組立完了後の閉鎖空間の密閉度がさらに高まり、熱伝導性グリース９をしっかりと所定範囲内に保持することができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、実施の形態１で示したパッキンに切欠きのような欠損部を設けるのではなく、パッキンが取り付けられる側に突起を設けることにより連通孔を形成するようにしたものである。図５および図６は、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置のグリース保持機構の構成を説明するためのものである。図５（ａ）〜（ｃ）は、パッキンが取り付けられる側であるヒートスプレッダの放熱面と冷却器の取付面の構成を説明するためのもので、図５（ａ）はヒートスプレッダの放熱面側の平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の視点ｂから見たときのヒートスプレッダの部分側面図、図５（ｃ）は冷却器の取付面側の平面図である。そして、図６はパッキンの平面図である。図５および図６に記載していない他の構成部分については実施の形態１で説明したものと同様であるので説明を省略する。

図５（ａ）および（ｂ）に示すように、ヒートスプレッダ４の放熱面４ｆｒ側には、放熱面４ｆｒから突出する突起４ｐが設けられている。突起４ｐの配置位置は、図５（ｃ）に示す冷却器６の取付面６ｆｃ側に設けられたパッキン用の溝６ｇに対応し、取付工程において溝６ｇに設置したパッキン８に当たるようになっている。そして、突起４ｐの高さ（放熱面４ｆｒからの突出高さ）は、溝６ｇの深さより低く設定され、ネジ７による締め付けが完了した時点での放熱面４ｆｒと取付面６ｆｃとの間隔Ｇｆ（＝熱伝導性グリース９の厚さ）は、突起４ｐがない時と同じように設計される。また、突起４ｐの幅は溝６ｇの幅より狭く、ネジ７による締め付け時、突起４ｐの先端が取付面６ｆｃより奥に進行しても、突起４ｐが冷却器６に当たらないように設計される。なお、突起４ｐの先端が取付面６ｆｃに達しないように設定している場合は、突起４ｐの幅は溝６ｇの幅より広くなってもよい。また、突起４ｐの先端が取付面６ｆｃより奥に進行するように設定されている場合でも、取付面６ｆｃより奥の部分（突起４ｐの先端部分）が溝６ｇ内に収まるように設定していればよい。そして、図６に示すように、本発明の実施の形態２に使用するパッキン８は、実施の形態１と異なり、切欠８ｎのないものを使用している。

このように構成することで、冷却器６の取付は以下のように進行する。
冷却器６の溝６ｇにパッキン８を設置するとともに、溝６ｇよりも内側の領域に所定厚みの熱伝導性グリース９を塗布し、ヒートスプレッダ４の放熱面４ｆｒと取付面６ｆｃとを位置を合わせて対向させる。そして、ネジ７により締め込みを行う。このとき、各突起４ｐがパッキン８に当たることになるので、ネジ７による締め付けの進行に伴い、パッキン８の突起４ｐが当たっている部分でわずかな変形が発生する。この変形により生じたパッキン８と突起４ｐの根元部分との隙間が熱伝導性グリース９を保持すべき領域と外部との連通孔となる。したがって、ネジ締めの進行にともない熱伝導性グリース９が面の延在方向に拡がる際に発生した気泡を連通孔を通じて外部に排出させることができる。一方、ネジ７による締め付けが完了した時点では、パッキン８の変形により、突起４ｐとパッキン８とが完全に密着するように設計することにより、熱伝導性グリース９を所定範囲内にとどめるグリース保持機構として機能する。

なお、本実施の形態２においては、パッキン８用の溝６ｇを冷却器６側に設けた例について説明したが、実施の形態１で説明したのと同様に、ヒートスプレッダ４側に溝を設け、冷却器６側に突起を設けるようにしてもよい。また、実施の形態１で説明したのと同様に、締め付け完了前は、パッキン８と溝６ｇの側面（符号を付けるとすると６ｇｓ）との間に隙間があり、締め付け完了後にパッキン８と溝６ｇの側面とが密着する場合には、溝６ｇ内に突起（符号を付けるとすると６ｐ）を設けるようにしてもよい。また、突起４ｐの形状は、例えば台形、半球形などでもよい。さらに突起４ｐの数も切欠８ｎと同様、適宜増減すればよい。

以上のように、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置１によれば、電力用半導体素子２を含む電力回路が一方の面に形成された基板である回路基板３とヒートスプレッダ４と、基板の他方の面となるヒートスプレッダ４の放熱面４ｆｒに、熱伝導性グリース９を介して伝熱接合された冷却器６と、基板（４）および冷却器６の外縁部に配置され、冷却器６と基板（４）との間隔Ｇｆを維持するように締め付ける締め付け機構として機能するネジ７、ネジ穴６ｂ、および穴４ｈと、熱伝導性グリース９を保持するために、冷却器６と基板（４）との間における締め付け機構よりも内側の所定範囲内に閉鎖空間を形成するために所定範囲を囲むように配置したパッキン８と、基板（４）および冷却器６のそれぞれの対向面４ｆｒ、６ｆｃの少なくともいずれかの対向面から突出してパッキン８に対向する突起４ｐとを有するグリース保持機構と、を備え、突起４ｐがパッキン８を押圧した際に突起４ｐの根元とパッキン８との間に隙間が生じることによって閉鎖空間のの内と外とを連通する連通孔を形成するとともに、締め付けが完了したときには連通孔が塞がるように構成したので、取り付け時に熱伝導性グリース９がネジ穴６ｂに侵入することを防ぐとともに、熱伝導性グリース９の中の気泡を排出でき、放熱性の悪化を防止することが可能となり、また、使用中には、オイル成分または熱伝導性グリース９の流出を防止でき、パワーモジュールの信頼性を向上することができる。

さらに、グリース保持機構として、パッキン８を設置（位置決め）するために基板（４）および冷却器６の対向面４ｆｒ、６ｆｃの内の少なくともいずれかの対向面に設けられた溝４ｇを有し、締め付けが完了したときにパッキン８と溝４ｇの側壁４ｇｓが密着することによって連通孔が塞がるように構成したので、組立完了後の閉鎖空間の密閉度がさらに高まり、熱伝導性グリース９をしっかりと所定範囲内に保持することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、実施の形態１においてパッキンに切欠を設ける代わりに、パッキンを周方向に分割した複数のパーツで構成するようにしたものである。図７はパッキンの平面図である。パッキン以外の構成部分については実施の形態１で説明したものと同様であるので説明を省略するとともに、一部説明等において符号等を援用する。

図７に示すように、パッキン８は、周方向に４分割された各パーツ８ｐ１〜８ｐ４で構成され、切欠８ｎの代わりに、溝４ｇ内に配置した時に、パーツ間に隙間８ｓが生じるようにしたものである。溝４ｇに少なくとも一つ以上の隙間８ｓが形成されるよう各パーツ８ｐ１〜８ｐ４を周方向に並べたパッキン８が設置される。なお、隙間８ｓは、ネジの締め付け後、パッキン８の変形により、塞がるように設計する。具体的には、隙間８ｓ、つまりパーツ間の間隔は０．５ｍｍｍ以下が望ましい。

このように構成することで、冷却器６の取付は以下のように進行する。
ヒートスプレッダ４の溝４ｇにパッキン８の各パーツ８ｐ１〜８ｐ４を設置するとともに、溝４ｇよりも内側の領域に所定厚みの熱伝導性グリース９を塗布し、ヒートスプレッダ４の放熱面４ｆｒと取付面６ｆｃとを位置を合わせて対向させる。そして、ネジ７により締め込みを行う。ネジ７を締め付ける前には、パッキン８の周方向の不連続部である隙間８ｓは熱伝導性グリース９を保持すべき領域と外部との連通孔となる。したがって、ネジ締めの進行にともない熱伝導性グリース９が面の延在方向に拡がる際に発生した気泡を連通孔を通じて外部に排出させることができる。

一方、ネジ７による締め付けの途中でパッキン８（の各パーツ８ｐ１〜８ｐ４）の変形により、隙間８ｓの間隔が徐々に狭くなる。そして、ネジ７による締め付けが完了した時点では、隙間８ｓの間隔がほぼゼロになるように設計することにより、熱伝導性グリース９を所定範囲内にとどめるグリース保持機構として機能する。つまり、実施の形態１におけるグリース保持機構と同様の効果が得られる。

なお、図７ではパッキン８を４つのパーツ８ｐ１〜８ｐ４で構成し、隙間８ｓを４つ設けた例について示したが、言うまでもなく、適宜増減しても上述した効果を得ることができる。また、各パーツ８ｐ１〜８ｐ２の端部形状も図示したように、内周側から外周側に直線状に形成することに限定されることはなく、例えば、斜めにしたり、部分的にかみ合うような形状にしてもよい。また、本実施の形態においても、溝は基板側に設けても、冷却器側に設けてもよい。

以上のように、本実施の形態３にかかる電力用半導体装置１によれば、電力用半導体素子２を含む電力回路が一方の面に形成された基板である回路基板３とヒートスプレッダ４と、基板の他方の面となるヒートスプレッダ４の放熱面４ｆｒに、熱伝導性グリース９を介して伝熱接合された冷却器６と、基板（４）および冷却器６の外縁部に配置され、冷却器６と基板（４）との間隔Ｇｆを維持するように締め付ける締め付け機構として機能するネジ７、ネジ穴６ｂ、および穴４ｈと、熱伝導性グリース９を保持するために、冷却器６と基板（４）との間における締め付け機構よりも内側の所定範囲内に閉鎖空間を形成するために所定範囲を囲むように複数のパーツ８ｐｓ〜８ｐ４を配置して構成し、グリース保持機構として機能するパッキン８と、を備え、グリース保持機構は、締め付け機構による締め付けが完了する前には各パーツ間の隙間８ｓによって閉鎖空間の内と外とを連通する連通孔を形成するとともに、締め付けが完了したときには連通孔が塞がるように構成した。これにより、取り付け時に熱伝導性グリース９がネジ穴６ｂに侵入することを防ぐとともに、熱伝導性グリース９の中の気泡を排出でき、放熱性の悪化を防止することが可能となり、また、使用中には、オイル成分または熱伝導性グリース９の流出を防止でき、パワーモジュールの信頼性を向上することができる。

さらに、グリース保持機構として、パッキン８を設置（位置決め）するための基板（４）および冷却器６の対向面４ｆｒ、６ｆｃの内の少なくともいずれかの対向面に設けられた溝４ｇを有し、締め付けが完了したときにパッキン８と溝４ｇの側壁４ｇｓが密着することによって連通孔が塞がるように構成したので、組立完了後の閉鎖空間の密閉度がさらに高まり、熱伝導性グリース９をしっかりと所定範囲内に保持することができる。

なお、上記各実施の形態においては、温度変化等において部材が熱変形した際にも、熱伝導性グリース９を介して冷却器６とヒートスプレッダ４間の面圧が維持できるよう、圧縮に応じて変形するパッキン８を用いてグリース保持機構を構成する例について説明した。そのため、組立完了時には塞がる連通孔をパッキン８の変形を利用して形成したり塞いだりした例について説明したがこれに限ることはない。例えば、それ自体は変形しなくても、スリットの入った板材を互いにすれ違わせるように構成してもよい。この場合でも、熱伝導性グリース９を介した面圧が維持でき、かつ、組立が完了するまでは連通孔を有し、組立が完了すれば連通孔が塞がって所定領域を閉鎖空間にできる。つまり、上述した条件を満たす限り、形態を適宜変更可能である。

以上のように、上記各実施の形態にかかる電力用半導体装置１によれば、電力用半導体素子２を含む電力回路が一方の面に形成された基板である回路基板３とヒートスプレッダ４と、基板の他方の面となるヒートスプレッダ４の放熱面４ｆｒに、熱伝導性グリース９を介して伝熱接合された冷却器６と、基板（４）および冷却器６の外縁部に配置され、冷却器６と基板（４）との間隔Ｇｆを維持するように締め付ける締め付け機構として機能するネジ７、ネジ穴６ｂ、および穴４ｈと、熱伝導性グリース９を保持するために、冷却器６と基板（４）との間における締め付け機構よりも内側の所定範囲内に閉鎖空間を形成するグリース保持機構（パッキン８を用いる場合およびパッキンを用いない場合も含む）と、を備え、グリース保持機構は、締め付け機構による締め付けが完了する前には閉鎖空間の内と外とを連通する連通孔を形成するとともに、締め付けが完了したときには連通孔が塞がるように構成したので、組立中は連通孔によって熱伝導性グリース９から発生する気泡を排出できるとともに、組立完了後は連通孔が塞がって熱伝導性グリース９を所定範囲内にとどめることができるので、基板（３，４）から冷却器６への熱伝導が維持され、放熱性に優れた電力用半導体装置１を得ることができる。

なお、上記各実施の形態における電力用半導体装置１として図１によって示した構成は、主要部材のみを示した簡略図であり、例えば回路面３ｆｃ上の構成は適宜変更してもよいことは言うまでもない。なお、電力用半導体装置１内の主な発熱源となる電力用半導体素子２としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのスイッチング素子や整流素子として機能する素子である。半導体材料としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を基材とするいわゆるワイドバンドギャップ半導体であり、裏面が回路基板３の回路面３ｆｃ側の銅の電極パターン３ｅ上に接合され、能動面側は、例えば図示しない銅のリードが接続されている。そして、回路基板３の裏面側にはべた状の銅のパターンが形成され、ヒートスプレッダ４が接合されている。そして、ヒートスプレッダ４の放熱面４ｆｒと、図示しない端子の端部が露出するように、回路面３ｆｃを含む全体をエポキシ樹脂５で封止して一体化（パッケージ化）している。

電力用半導体素子２は、上述した炭化ケイ素以外にも、シリコンやいわゆるワイドバンドギャップ半導体である、窒化ガリウム、ダイヤモンドなどが用いられる。

このような構成によれば、電力用半導体素子２で発生した熱は、回路基板３、ヒートスプレッダ４、熱伝導性グリース９を介して冷却器６に伝わる。このとき、熱伝導性グリース９内に気泡が溜まったり、あるいは、放熱面４ｆｒと取付面６ｆｃ間に熱伝導性グリース９が充填されていない隙間が生じると、熱抵抗が増大し、冷却能力が低下してしまう。つまり、電力用半導体素子２の温度を好適範囲に保つことができず、電力用半導体素子２の能力を十分に生かすことができなくなる。しかし、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１では、組立中に熱伝導性グリース９で発生した気泡を抱え込んでしまうことなく、組立完了後は熱伝導性グリース９を所定範囲内に保持することがきるので、伝熱性を維持して温度を好適範囲に保ち、安定して性能を発揮することができる。

ここで、たとえば、スイッチング素子や整流素子として機能する電力用半導体素子２に、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１で用いた炭化ケイ素のほか、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドといったワイドバンドギャップ半導体素子を用いた場合、従来から用いられてきたケイ素で形成された素子よりも電力損失が低いため、電力用半導体装置１の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、電力用半導体装置１の小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、冷却器６の放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置１の一層の小型化が可能になる。

しかし、ＳｉＣ素子は従来のＳｉ素子よりも高温の温度に耐え得るという特徴があることから、熱伝導性グリース９の使用温度環境は、従来よりも更に高温の温度領域に達する可能性がある。したがって、オイルブリードあるいはポンピングアウトがより生じやすい環境となり、本発明による、気泡を抱え込むことなく、グリースを保持する効果がより顕著に顕れる。

つまり、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かして、小型化や高効率化を進めても電力用半導体装置１のヒートサイクル耐性、パワーサイクル耐性を向上させ、電力用半導体装置１の長寿命化を実現することができる。つまり、本発明の各実施の形態による効果を発揮することで、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かすことができるようになる。

１：電力用半導体装置、
２：電力用半導体素子、
３：回路基板（基板）、
４：ヒートスプレッダ（基板）、
４ｆｒ：放熱面、４ｇ：溝（グリース保持機構）、
４ｈ：穴（締め付け機構）、４ｐ：突起（グリース保持機構）、
６：冷却器、
６ｂ：ネジ穴（締め付け機構）、６ｆｃ：取付面、
６ｇ：溝（グリース保持機構）
７：ネジ（締め付け機構）、
８：パッキン（グリース保持機構）、
８ｎ：切欠、 ８ｐ：パーツ、 ８ｓ：隙間、
９：熱伝導性グリース。

Claims (8)

1. 電力用半導体素子を含む電力回路が一方の面に形成された基板と、
   前記基板の他方の面に、熱伝導性グリースを介して伝熱接合された冷却器と、
   前記基板および前記冷却器の外縁部に配置され、前記冷却器と前記基板との間隔を維持するように締め付ける締め付け機構と、
   前記熱伝導性グリースを保持するために、前記冷却器と前記基板との間における前記締め付け機構よりも内側の所定範囲内に閉鎖空間を形成するグリース保持機構と、を備え、
   前記グリース保持機構は、前記締め付け機構による締め付けが完了する前には前記閉鎖空間の内と外とを連通する連通孔を形成するとともに、前記締め付けが完了したときには前記連通孔が塞がるように構成していることを特徴とする電力用半導体装置。
2. 前記グリース保持機構は、前記所定範囲を囲むように配置されたパッキンを有し、
   前記パッキンに内周側から外周側に向かって抜ける欠損部を設けることにより、前記連通孔が形成されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
3. 前記欠損部は、前記パッキンの前記基板および前記冷却器の少なくともいずれかに接触する部分から所定深さに切欠いた切欠であることを特徴とする請求項２に記載の電力用半導体装置。
4. 前記パッキンは、複数のパーツを前記所定範囲を囲むように周方向に並べたものであり、
   前記欠損部は、前記周方向に並べたパーツ間の隙間であることを特徴とする請求項２に記載の電力用半導体装置。
5. 前記グリース保持機構は、前記所定範囲を囲むように配置されたパッキンと、前記基板および前記冷却器のそれぞれの対向面の少なくともいずれかの対向面から突出して前記パッキンに対向する突起とを有し、
   前記連通孔は、前記突起が前記パッキンを押圧した際に前記突起の根元と前記パッキンとの間に隙間が生じることによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
6. 前記グリース保持機構は、前記基板および前記冷却器の対向面の内の少なくともいずれかの対向面に設けられた前記パッキンを位置決めするための溝を有し、
   前記連通孔は、前記締め付けが完了したときに前記パッキンと前記溝の側壁が密着することによって塞がることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
7. 前記電力用半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
8. 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置。

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