JP2016051874A - 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】半導体スタック１（半導体装置）は、複数の半導体カード６（半導体モジュール）と、冷媒のカード冷却流路P（流路）を有する複数の冷却器７と、を含み、複数の半導体カード６と複数の冷却器７を交互に積層して成る積層ユニット２と、積層方向で隣り合う２つの冷却器７の間に配置され、積層方向で隣り合う２つの冷却器７のカード冷却流路P同士を連結する連結シール部材３（シール部材）と、積層ユニット２に巻き付けられることにより積層ユニット２の積層方向に加圧された状態を維持する固定用ワイヤー４（巻付部材）と、備える。【選択図】図１

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、複数個の半導体素子とヒートシンクを交互に同軸上に積層して構成した積層体と、この積層体を軸方向両端から加圧する２つの加圧支持板と、２つの加圧支持板を互いに接続支持する複数のスタッドボルトと、積層体と加圧支持板の間に配置された皿ばねとを備えた平型半導体用スタックを開示している。
特開２００４−３３５７７７号公報
しかしながら、上記特許文献１の構成では、積層体の軸方向で加圧された状態を維持するため、複数のスタッドボルトを欠くことができず、スタックが大型にならざるを得なかった。
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、を含み、前記複数の半導体モジュールと前記複数の冷却器を交互に積層して成る積層ユニットと、積層方向で隣り合う２つの前記冷却器の間に配置され、前記積層方向で隣り合う２つの前記冷却器の前記流路同士を連結するシール部材と、前記積層ユニットに巻き付けられることにより前記積層ユニットの前記積層方向に加圧された状態を維持する巻付部材と、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前記積層方向に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のスタッドボルトを省略できるので、前記半導体装置を小型化することができる。
好ましくは、前記積層ユニットには、前記巻付部材の長手方向に沿って延び、前記巻付部材を収容可能な収容溝が形成されている。以上の構成によれば、前記巻付部材の長手方向に対して直交する方向における前記巻付部材の移動を抑制することができる。
好ましくは、前記巻付部材は、前記複数の冷却器に対して溶接されている。以上の構成によれば、前記複数の冷却器間の相対的な位置関係が安定する。
好ましくは、前記巻付部材は金属製の帯であり、前記帯には、前記複数の冷却器と対向する位置に複数の溶接孔が形成されており、前記複数の溶接孔の周縁において、前記帯は前記複数の冷却器に対して溶接されている。以上の構成によれば、前記巻付部材を前記複数の冷却器に対して効率よく固定することができる。
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、積層方向で隣り合う２つの前記冷却器の間に、前記積層方向で隣り合う２つの前記冷却器の前記流路同士を連結するシール部材を配置した状態で、前記積層ユニットを前記積層方向で加圧し、前記積層ユニットを加圧した状態で前記積層ユニットに巻付部材を巻き付けることで、前記積層ユニットの前記積層方向に加圧された状態を維持する、半導体装置の製造方法が提供される。以上の方法によれば、前記積層ユニットの前記積層方向に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のスタッドボルトを省略できるので、前記半導体装置を小型化することができる。
本発明によれば、前記積層ユニットの前記積層方向に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のスタッドボルトを省略できるので、前記半導体装置を小型化することができる。
半導体スタックの斜視図である。（第１実施形態） 半導体スタックの分解斜視図である。（第１実施形態） 冷却器の一部切り欠き斜視図である。（第１実施形態） 半導体スタックの一部切り欠き正面図である。（第１実施形態） 半導体スタックの側面図である。（第１実施形態） 半導体スタックの製造フローである。（第1実施形態） 半導体スタックの正面図である。（第２実施形態） 半導体スタックの側面図である。（第２実施形態） 半導体スタックの正面図である。（第３実施形態） 図9のA部拡大図である。（第３実施形態）
（第１実施形態）
以下、図１〜図６を参照して、半導体スタック１を説明する。半導体スタック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には半導体スタック１の斜視図を示し、図２には半導体スタック１の分解斜視図を示し、図３には冷却器の一部切り欠き斜視図を示し、図４には半導体スタック１の一部切り欠き正面図を示し、図５には半導体スタック１の側面図を示している。図１及び図４に示すように、半導体スタック１は、積層ユニット２と、６つの連結シール部材３（シール部材）と、８つの固定用ワイヤー４（巻付部材、線状部材）と、６つのカードシール部材５を備える。
図１及び図２、図４に示すように、積層ユニット２は、３つの半導体カード６（半導体モジュール）と、４つの冷却器７を交互に積層して構成されている。図２に示すように、積層ユニット２は、更に、トッププレート８とボトムプレート９、２つの冷媒給排管１０を備える。トッププレート８は、最上段の冷却器７の更に上側に配置されている。ボトムプレート９は、最下段の冷却器７の更に下側に配置されている。２つの冷媒給排管１０は、ボトムプレート９から下方に延びるように配置されている。
各半導体カード６は、平型状に形成されている。半導体カード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。
各冷却器７は、例えばPPSなどの樹脂製であって、図３及び図４に示すように、中空箱型に構成されている。各冷却器７の内部には、例えば冷却水などの冷媒のカード冷却流路Pが形成されている。図３に示すように、各冷却器７は、積層方向においてカード冷却流路Pを挟む２つの区画板１１を有する。各区画板１１には、カード冷却孔１２が形成されている。また、各冷却器７の幅方向における２つの端部１３には、積層方向に延びる冷媒給排流路Qが形成されている。２つの冷媒給排流路Qは何れもカード冷却流路Pに接続している。図２に示すように、各冷却器７の２つの端部１３の正面１４には、インサート成形によりSUS製の溶接片１５が設けられている。図５に示すように、各冷却器７の２つの端部１３の背面２２にも、同様に、インサート成形によりSUS製の溶接片１５が設けられている。
図２に示すように、トッププレート８は、積層ユニット２の最上段に配置されている。トッププレート８は、例えばAlなどの金属製である。トッププレート８の上面１６には、２つのワイヤー収容溝１７（収容溝）が形成されている。各ワイヤー収容溝１７は、各冷却器７の各端部１３から見て真上に位置するように形成されている。各ワイヤー収容溝１７は、積層ユニット２の前後方向に延びて形成されている。各ワイヤー収容溝１７は、４つの固定用ワイヤー４を個別に収容可能な４つの小溝１８を有する。４つの小溝１８は、積層ユニット２の前後方向に延びて形成されている。
ボトムプレート９は、積層ユニット２の最下段に配置されている。ボトムプレート９は、例えばSUSなどの金属製である。
２つの冷媒給排管１０は、最下段の冷却器７の一方の冷媒給排流路Qに対して冷媒を供給し、最下段の冷却器７の他方の冷媒給排流路Qからの冷媒を排出するためのものである。
図４に示すように、各連結シール部材３は、積層方向に隣り合う２つの冷却器７のカード冷却流路P同士を連結ためのシール部材である。具体的には、各連結シール部材３は、積層方向で向かい合う２つの冷却器７の端部１３間に配置されて、積層方向で向かい合う２つの冷却器７の端部１３内の冷媒給排流路Q同士を連結する。
図２及び図３に示すように、各カードシール部材５は、カード冷却流路P内を流動する冷媒がカード冷却孔１２を通じて半導体カード６に対して直接接触して熱交換する際に、冷媒が外部へ漏れるのを防止するためのシール部材である。
図１及び図４、図５に示すように、各固定用ワイヤー４は、積層ユニット２に巻き付けられることにより、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ためのものである。積層ユニット２が積層方向で加圧されることで、各連結シール部材３は各冷却器７の各端部１３に対して密着し、各カードシール部材５は各半導体カード６及び各冷却器７に対して密着する。図５に示すように、各固定用ワイヤー４は、ボトムプレート９の正面１９、ワイヤー収容溝１７の各小溝１８、ボトムプレート９の背面２０、ボトムプレート９の底面２１を順に経由して、ボトムプレート９の正面１９に戻るように１周分、積層ユニット２に巻き付けられる。各固定用ワイヤー４の２つの端部は、例えばボトムプレート９の正面１９に溶接されて積層ユニット２に固定される。また、各固定用ワイヤー４は、各冷却器７に設けられた溶接片１５に対して溶接により固定されている。これにより、各固定用ワイヤー４が積層ユニット２に巻き付けられた状態で、複数の冷却器７間の相対的な位置関係が安定するようになっている。また、各固定用ワイヤー４がワイヤー収容溝１７の各小溝１８に収容されることにより、各固定用ワイヤー４の長手方向に対して直交する方向における各固定用ワイヤー４の移動や位置ずれが効果的に抑制される。なお、４つの固定用ワイヤー４が一方のワイヤー収容溝１７に収容され、残りの４つの固定用ワイヤー４が他方のワイヤー収容溝１７に収容されている。
次に、図６を参照して、半導体スタック１の製造方法を説明する。
まず、図２及び図３に示すように、積層ユニット２を形成する(S100)。具体的には、３つの半導体カード６と４つの冷却器７を交互に積層し、トッププレート８を最上段の冷却器７に取り付け、ボトムプレート９を最下段の冷却器７に取り付け、２の冷媒給排管１０をボトムプレート９に取り付ける。このとき、各半導体カード６と各冷却器７の間にはカードシール部材５を配置する。同様に、積層方向で向かい合う２つの冷却器７の端部１３の間には、連結シール部材３を配置する。
次に、図示しない加圧装置を用いて、積層ユニット２を積層方向で加圧する(S110)。この加圧により、各連結シール部材３は、各冷却器７の端部１３に対して密着し、積層方向で隣り合う２つの冷却器７のカード冷却流路P同士が並列接続されることになる。また、同時に、各カードシール部材５が各半導体カード６及び各冷却器７に対して密着することになる。
最後に、この加圧状態を維持した状態で、図１及び図５に示すように、各固定用ワイヤー４を積層ユニット２に巻き付ける(S120)。この巻き付けにより、加圧装置による積層ユニット２の加圧を解除した後でも、積層ユニット２の積層方向で加圧された状態が維持されるようになる。
次に、半導体スタック１の使用方法を説明する。図４に示すように、左側の冷媒給排管１０に冷媒を供給すると、その冷媒は、各冷却器７の左側の冷媒給排流路Qを介して、各冷却器７のカード冷却流路Pに供給される。各冷却器７のカード冷却流路Pに供給された冷媒は、カード冷却流路P内を流動することで吸熱し、各冷却器７の右側の冷媒給排流路Qに排出される。そして、吸熱した冷媒は、右側の冷媒給排管１０から外部へと排出される。これにより、各半導体カード６で発生した動作熱が冷媒によって回収され、各半導体カード６が適切な温度下で動作することが可能となる。
以上に、第１実施形態を説明したが、上記第１実施形態は、以下の特長を有する。
（１）半導体スタック１（半導体装置）は、複数の半導体カード６（半導体モジュール）と、冷媒のカード冷却流路P（流路）を有する複数の冷却器７と、を含み、複数の半導体カード６と複数の冷却器７を交互に積層して成る積層ユニット２と、積層方向で隣り合う２つの冷却器７の間に配置され、積層方向で隣り合う２つの冷却器７のカード冷却流路P同士を連結する連結シール部材３（シール部材）と、積層ユニット２に巻き付けられることにより積層ユニット２の積層方向に加圧された状態を維持する固定用ワイヤー４（巻付部材）と、備える。以上の構成によれば、積層ユニット２の積層方向に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のスタッドボルトを省略できるので、半導体スタック１を小型化することができる。
（２）また、積層ユニット２には、固定用ワイヤー４の長手方向に沿って延び、固定用ワイヤー４を収容可能なワイヤー収容溝１７が形成されている。以上の構成によれば、固定用ワイヤー４の長手方向に対して直交する方向における固定用ワイヤー４の移動を抑制することができる。
なお、更に具体的には、各固定用ワイヤー４は、ワイヤー収容溝１７に形成された各小溝１８に収容されている。
（３）また、固定用ワイヤー４は、複数の冷却器７に対して溶接されている。以上の構成によれば、複数の冷却器７間の相対的な位置関係が安定する。
（５）半導体スタック１の製造は、複数の半導体カード６と、冷媒のカード冷却流路Pを有する複数の冷却器７と、を交互に積層して積層ユニット２を形成し(S100)、積層方向で隣り合う２つの冷却器７の間に、積層方向で隣り合う２つの冷却器７のカード冷却流路P同士を連結する連結シール部材３を配置した状態で、積層ユニット２を積層方向で加圧し(S110)、積層ユニット２を加圧した状態で積層ユニット２に固定用ワイヤー４を巻き付けることで、積層ユニット２の積層方向に加圧された状態を維持する(S120)ことで行われる。以上の方法によれば、積層ユニット２の積層方向に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のスタッドボルトを省略できるので、半導体スタック１を小型化することができる。
（第２実施形態）
次に、図７及び図８を参照して、第２実施形態を説明する。以下、本実施形態が上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、重複する説明は適宜省略する。
上記第１実施形態では、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ことを目的として、８つの固定用ワイヤー４を用いている。これに対し、本実施形態では、８つの固定用ワイヤー４に代えて、２つの冷却器固定用プレート３０（帯、帯状部材、プレート）を用いている。各冷却器固定用プレート３０は、例えばSUSなどの金属製であって、厚みは２０ｍｍ以下が好ましい。
図８に示すように、各冷却器固定用プレート３０は、ボトムプレート９の正面１９、トッププレート８のワイヤー収容溝１７、ボトムプレート９の背面２０を順に経由するように積層ユニット２に巻き付けられている。各冷却器固定用プレート３０の端部は、ボトムプレート９の正面１９と、ボトムプレート９の背面２０に夫々溶接により固定されている。また、各冷却器固定用プレート３０は、各冷却器７に設けられた溶接片１５に対して溶接により固定されている。これにより、各冷却器固定用プレート３０が積層ユニット２に巻き付けられた状態で、複数の冷却器７間の相対的な位置関係が安定するようになっている。また、各冷却器固定用プレート３０がワイヤー収容溝１７に収容されることにより、各冷却器固定用プレート３０の長手方向に対して直交する方向における各冷却器固定用プレート３０の移動や位置ずれが効果的に抑制される。
（第３実施形態）
次に、図９及び図１０を参照して、第３実施形態を説明する。以下、本実施形態が上記第２実施形態と異なる点を中心に説明し、重複する説明は適宜省略する。
図９に示すように、各冷却器固定用プレート３０には、複数の溶接孔３１が形成されている。具体的には、各冷却器固定用プレート３０には、各冷却器７の各溶接片１５と対向する位置に溶接孔３１が夫々形成されている。そして、各溶接孔３１の周縁３２において、冷却器固定用プレート３０は、各冷却器７の溶接片１５に対して溶接されている。１つの周縁３２に対し２箇所で溶接が行われる。以上の構成によれば、冷却器固定用プレート３０を各冷却器７に対して効率よく固定することができる。
（４）即ち、半導体スタック１は、固定用ワイヤー４に代えて、金属製の冷却器固定用プレート３０（帯）を有する。冷却器固定用プレート３０には、複数の冷却器７と対向する位置に複数の溶接孔３１が形成されている。複数の溶接孔３１の周縁３２において、冷却器固定用プレート３０は複数の冷却器７に対して溶接されている。以上の構成によれば、冷却器固定用プレート３０を複数の冷却器７に対して効率よく固定することができる。
１ 半導体スタック
２ 積層ユニット
３ 連結シール部材
４ 固定用ワイヤー
５ カードシール部材
６ 半導体カード
７ 冷却器
８ トッププレート
９ ボトムプレート
１０ 冷媒給排管
１２ カード冷却孔
１５ 溶接片
１７ ワイヤー収容溝
P カード冷却流路
Q 冷媒給排流路

Claims (5)

  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、を含み、前記複数の半導体モジュールと前記複数の冷却器を交互に積層して成る積層ユニットと、
    積層方向で隣り合う２つの前記冷却器の間に配置され、前記積層方向で隣り合う２つの前記冷却器の前記流路同士を連結するシール部材と、
    前記積層ユニットに巻き付けられることにより前記積層ユニットの前記積層方向に加圧された状態を維持する巻付部材と、
    備えた半導体装置。
  2. 前記積層ユニットには、前記巻付部材の長手方向に沿って延び、前記巻付部材を収容可能な収容溝が形成されている、
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記巻付部材は、前記複数の冷却器に対して溶接されている、
    請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記巻付部材は金属製の帯であり、
    前記帯には、前記複数の冷却器と対向する位置に複数の溶接孔が形成されており、
    前記複数の溶接孔の周縁において、前記帯は前記複数の冷却器に対して溶接されている、
    請求項３に記載の半導体装置。
  5. 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、
    積層方向で隣り合う２つの前記冷却器の間に、前記積層方向で隣り合う２つの前記冷却器の前記流路同士を連結するシール部材を配置した状態で、前記積層ユニットを前記積層方向で加圧し、
    前記積層ユニットを加圧した状態で前記積層ユニットに巻付部材を巻き付けることで、前記積層ユニットの前記積層方向に加圧された状態を維持する、
    半導体装置の製造方法。
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