JP2016051724A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】積層ユニットの積層方向で加圧された状態を維持する機能を損なうことなく、半導体装置を小型化するための技術を提供する。
【解決手段】パワースタック１は、複数のパワーカードユニット４と、冷媒の流路Pを有する複数の冷却器５とを交互に積層して成る積層ユニット２と、複数の冷却器５に対して冷媒を供給し又は排出するパイプ２３と、を備える。パイプ２３は、積層ユニット２を積層方向で貫通するように設けられると共にその外周面３０にはネジ山３１が形成されている。パワースタック１は、ネジ山３１にねじ込まれることで、積層ユニット２の積層方向で加圧された状態を維持するナット２２を更に備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
この種の技術として、特許文献１は、開口を有するフレーム内に、半導体モジュールと冷却器を積層してなる半導体積層ユニットと弾性部材を収容し、弾性部材が半導体積層ユニットを積層方向で加圧するようにフレームの開口に閉塞部材を固定した電力変換装置を開示している。
特開２０１２−２０５４７８号公報
上記特許文献１の構成によれば、半導体積層ユニットが積層方向で加圧されることで半導体モジュールと冷却器が密着し、これにより、発熱する半導体モジュールを効率よく冷却器で冷却できるようになっている。
しかしながら、上記特許文献１の構成では、半導体積層ユニットの積層方向で加圧された状態を維持するためにフレームや閉塞部材を欠くことができず、装置が大型にならざるを得なかった。
そこで、本発明の目的は、積層ユニットの積層方向で加圧された状態を維持する機能を損なうことなく、半導体装置を小型化するための技術を提供することにある。
本願発明の第１の観点によれば、複数の半導体モジュールと、冷媒の流路を有する複数の冷却器とを交互に積層して成る積層ユニットと、前記複数の冷却器に対して前記冷媒を供給し又は排出する冷媒給排管と、を備え、前記冷媒給排管は、前記積層ユニットを積層方向で貫通するように設けられると共にその外周面にはネジ山が形成されており、前記ネジ山にねじ込まれることで、前記積層ユニットの積層方向で加圧された状態を維持する締結部材を更に備えた、半導体装置が提供される。以上の構成によれば、前記積層ユニットの積層方向で加圧された状態を維持する機能を損なうことなく、上記特許文献１のフレームや閉塞部材を省略できるので、前記半導体装置を小型化することができる。
好ましくは、前記冷媒給排管は、前記積層ユニットが有する前記複数の冷却器を貫通しており、各冷却器は、前記流路を挟んで積層方向で対向する２つの区画板を有し、各区画板には、前記冷媒給排管が貫通可能な貫通孔が形成されており、前記２つの区画板のうち少なくとも何れか一方には、前記冷媒給排管を前記貫通孔に挿入する際に前記冷媒給排管を前記貫通孔に案内するガイドが設けられている。以上の構成によれば、前記冷媒給排管を前記貫通孔に挿入する際の作業性が向上する。
本願発明の第２の観点によれば、複数の半導体モジュールと、冷媒の流路を有する複数の冷却器とを交互に積層して積層ユニットを形成し、前記積層ユニットを積層方向で貫通するように設けられた冷媒給排管のネジ山に締結部材をねじ込むことで前記積層ユニットを積層方向で加圧する、半導体装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、前記積層ユニットの積層方向で加圧された状態を維持する機能を損なうことなく、上記特許文献１のフレームや閉塞部材を省略できるので、前記半導体装置を小型化することができる。
パワースタックの斜視図である。 パワースタックの一部切り欠き正面図である。 冷却器の正面分解断面図である。 図３のA部拡大図である。 冷却器の正面断面図である。 パイプアッセンブリーの正面分解図である。 パワースタックの製造フローである。
以下、図１〜図７を参照して、パワースタック１を説明する。パワースタック１は、インバータやコンバータなどの電力変換装置として機能する半導体装置である。
図１にはパワースタック１の斜視図を示し、図２にはパワースタック１の一部切り欠き正面図を示している。図１及び図２に示すように、パワースタック１は、積層ユニット２と２つのパイプアッセンブリー３を備える。
積層ユニット２は、３つのパワーカードユニット４（半導体モジュール）と４つの冷却器５を交互に積層して構成されている。
図２に示すように、各パワーカードユニット４は、平型状のパワーカード６の上面及び下面に絶縁シート７を配置して構成されている。パワーカード６は、例えばMOSFETなどのパワー半導体素子を収容した半導体パッケージである。絶縁シート７には、図示しないグリースが適量塗布されている。
各冷却器５は、中空箱型に構成され、内部には例えば冷却水などの冷媒の流路Pが形成されている。図３に示すように、各冷却器５は、２つの分割体８によって構成されている。各分割体８は、筐体９と環状のシール部材１０を備える。筐体９は、積層方向に対して直交する区画板１１と、区画板１１の周縁から積層方向に延びる周壁１２と、を有する。区画板１１には、上流側貫通孔１３（貫通孔）と下流側貫通孔１４（貫通孔）が形成されている。上流側貫通孔１３及び下流側貫通孔１４は、例えばバーリングによって形成される。図４には、図３のA部拡大図を示している。図４に示すように、上流側貫通孔１３をバーリングによって形成する際に同時に形成された筒状の立ち上がり部１５の先端は例えばプレス加工によって斜めに広げられており、斜めに傾斜したパイプガイド面１６（ガイド）が形成されている。また、上流側貫通孔１３をバーリングによって形成する際に、上流側貫通孔１３には湾曲面１７（ガイド）が形成される。下流側貫通孔１４についても同様である。図３に戻り、シール部材１０は、環状の周壁１２の内周に沿って配置されている。そして、図５に示すように、２つの分割体８を結合すると、上流側貫通孔１３と下流側貫通孔１４の間に流路P、ひいては流路Pを有する冷却器５が完成する。なお、２つの分割体８を結合するには、各分割体８の周壁１２同士を溶接すればよい。溶接は、例えばろう付けが好適である。また、溶接に代えてカシメにより、２つの分割体８を結合してもよく、接着剤で結合してもよい。
図６には、各パイプアッセンブリー３の正面分解図を示している。図６に示すように、各パイプアッセンブリー３は、パイプユニット２０と、ネジ付きキャップ２１（第１締結部材）と、ナット２２（締結部材、第２締結部材）を有する。
パイプユニット２０は、パイプ２３（冷媒給排管）と、８つのOリング２４を有する。パイプ２３は、積層方向に延びる筒体である。パイプ２３の周壁には、４つの開口２５が積層方向に間隔をあけて形成されている。８つのOリング２４は、パイプ２３の外周面に配置されている。詳しくは、８つのOリング２４は、２つのOリング２４の間に１つの開口２５が配置されるように、４つの開口２５に対応して配置されている。パイプ２３の下端部２６の外周面２７には、ネジ付きキャップ２１をパイプ２３の下端部２６に取り付けるためのネジ山２８が形成されている。パイプ２３の上端部２９の外周面３０には、ナット２２をパイプ２３の上端部２９に取り付けるためのネジ山３１が形成されている。
ネジ付きキャップ２１は、図示しないシール部材を内蔵したネジ付きのキャップである。パイプ２３の下端部２６にネジ付きキャップ２１を取り付けることで、パイプ２３の下端部２６は密閉される。
次に、パワースタック１の組み立て方法について説明する。図７は、パワースタック１の製造フローを示している。
先ず、図６に示すように、パイプ２３に８つのOリング２４を取り付ける。次に、パイプ２３の下端部２６にネジ付きキャップ２１を取り付ける。このようにパイプ２３にネジ付きキャップ２１を取り付けたパイプユニット２０を２つ、用意する。
次に、２つのパイプユニット２０を所定距離離して固定し、２つのパイプユニット２０を用いて、４つの冷却器５と３つのパワーカードユニット４を積み重ねる（S100）。具体的には、図５に示すように、各冷却器５は、２つの上流側貫通孔１３と、２つの下流側貫通孔１４を有する。従って、一方のパイプユニット２０に各冷却器５の２つの上流側貫通孔１３を嵌め込み、他方のパイプユニット２０に各冷却器５の２つの下流側貫通孔１４を嵌め込む。
一方のパイプユニット２０に各冷却器５の２つの上流側貫通孔１３を嵌め込むに際しては、図４に示すパイプガイド面１６によってパイプユニット２０が上側の上流側貫通孔１３へと適切に案内されると共に、湾曲面１７によってパイプ２３が下側の上流側貫通孔１３へと適切に案内される。
そして、最後に、各パイプユニット２０のパイプ２３の上端部２９にナット２２を取り付け、ナット２２を所定トルクで締め付ける(S110)。これにより、積層ユニット２は、積層方向で加圧されることになる。具体的には、２つのナット２２を締め付けると、一番上の冷却器５が下向きに押し下げられる。一番上の冷却器５が押し下げられることで、パワーカード６が絶縁シート７を介して冷却器５に対して密着し、これにより、冷却器５とパワーカード６の間における熱抵抗が小さくなる。
図２には、組み立てられたパワースタック１が示されている。図２に示すように、組み立てられたパワースタック１においては、各パイプアッセンブリー３の各開口２５が、各冷却器５の流路P内に位置している。また、各パイプアッセンブリー３の各Oリング２４が、各冷却器５の各上流側貫通孔１３の内周面及び各下流側貫通孔１４の内周面に対して密着している。
次に、パワースタック１の使用方法を説明する。
図２に示すように、左側のパイプユニット２０に冷媒を供給すると、左側のパイプユニット２０は、供給された冷媒を４つの冷却器５に供給する。各冷却器５に供給された冷媒は、流路P内を流動することで加熱され、右側のパイプユニット２０に排出される。そして、加熱された冷媒は、右側のパイプユニット２０から外部へと排出される。これにより、各パワーカード６で発生した動作熱が冷媒によって回収され、各パワーカード６が適切な温度下で動作することが可能となる。
以上に、本願発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は以下の特長を有する。
（１）パワースタック１（半導体装置）は、複数のパワーカードユニット４（半導体モジュール）と、冷媒の流路Pを有する複数の冷却器５とを交互に積層して成る積層ユニット２と、複数の冷却器５に対して冷媒を供給し又は排出するパイプ２３（冷媒給排管）と、を備える。パイプ２３は、積層ユニット２を積層方向で貫通するように設けられると共にその外周面３０にはネジ山３１が形成されている。パワースタック１は、ネジ山３１にねじ込まれることで、積層ユニット２の積層方向で加圧された状態を維持するナット２２（締結部材）を更に備えている。以上の構成によれば、積層ユニット２の積層方向で加圧された状態を維持する機能を損なうことなく、上記特許文献１のフレームや閉塞部材を省略できるので、パワースタック１を小型化することができる。
（２）パイプ２３は、積層ユニット２が有する複数の冷却器５を貫通している。各冷却器５は、流路Pを挟んで積層方向で対向する２つの区画板１１を有する。各区画板１１には、パイプ２３が貫通可能な上流側貫通孔１３及び下流側貫通孔１４が形成されている。２つの区画板１１には、パイプ２３を上流側貫通孔１３及び下流側貫通孔１４に挿入する際にパイプ２３を上流側貫通孔１３及び下流側貫通孔１４に案内するパイプガイド面１６（ガイド）及び湾曲面１７（ガイド）が設けられている。以上の構成によれば、パイプ２３を上流側貫通孔１３及び下流側貫通孔１４に挿入する際の作業性が向上する。
（３）パワースタック１の製造は、複数のパワーカードユニット４と、冷媒の流路Pを有する複数の冷却器５とを交互に積層して積層ユニット２を形成し(S100)、積層ユニット２を積層方向で貫通するように設けられたパイプ２３のネジ山３１にナット２２をねじ込むことで積層ユニット２を積層方向で加圧して(S110)、行われる。
以上に、本願発明の好適な実施形態を説明したが、上記実施形態は、以下のように変更できる。
上記実施形態では、各パイプ２３の下端部２６の外周面２７にネジ山２８を形成することで、各パイプ２３の下端部２６にネジ付きキャップ２１を取り付け可能に構成した。しかし、これに代えて、各パイプ２３の下端部２６にネジ付きキャップ２１を取り付ける方法としては、接着や溶接、圧入など、他の方法を採用することもできる。
また、各冷却器５の区画板１１には、流路P側に突出する放熱フィンを設けてもよい。これによれば、区画板１１と冷媒との熱交換が効果的に促進される。
１ パワースタック
２ 積層ユニット
３ パイプアッセンブリー
４ パワーカードユニット
５ 冷却器
６ パワーカード
７ 絶縁シート
１１ 区画板
１３ 上流側貫通孔
１４ 下流側貫通孔
１６ パイプガイド面
１７ 湾曲面
２０ パイプユニット
２１ ネジ付きキャップ
２２ ナット
２３ パイプ
２９ 上端部
３０ 外周面
３１ ネジ山
P 流路

Claims (3)

  1. 複数の半導体モジュールと、冷媒の流路を有する複数の冷却器とを交互に積層して成る積層ユニットと、
    前記複数の冷却器に対して前記冷媒を供給し又は排出する冷媒給排管と、
    を備え、
    前記冷媒給排管は、前記積層ユニットを積層方向で貫通するように設けられると共にその外周面にはネジ山が形成されており、
    前記ネジ山にねじ込まれることで、前記積層ユニットの積層方向で加圧された状態を維持する締結部材を更に備えた、
    半導体装置。
  2. 前記冷媒給排管は、前記積層ユニットが有する前記複数の冷却器を貫通しており、
    各冷却器は、前記流路を挟んで積層方向で対向する２つの区画板を有し、
    各区画板には、前記冷媒給排管が貫通可能な貫通孔が形成されており、
    前記２つの区画板のうち少なくとも何れか一方には、前記冷媒給排管を前記貫通孔に挿入する際に前記冷媒給排管を前記貫通孔に案内するガイドが設けられている、
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 複数の半導体モジュールと、冷媒の流路を有する複数の冷却器とを交互に積層して積層ユニットを形成し、
    前記積層ユニットを積層方向で貫通するように設けられた冷媒給排管のネジ山に締結部材をねじ込むことで前記積層ユニットを積層方向で加圧する、
    半導体装置の製造方法。
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