JP2016146451A - 冷却器付き半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、冷却器付き半導体装置に関し、冷却器の冷媒流路に通じる開口とそれを塞ぐ金属板との間の密封性を高める技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する冷却器付き半導体装置２は、半導体モジュール８、冷却器本体７、金属板５、シール材１０を備えている。半導体モジュール８は、半導体素子６を収容している。冷却器本体７は、一側面の内側に冷媒流路ＦＬが設けられているとともに、その一側面に冷媒流路に通じる開口７ａが設けられている。金属板５は、一方の面が開口７ａを塞いでおり、他方の面が半導体モジュール８と接している。シール材１０は、開口の周囲で冷却器本体７の表面と金属板５の間に挟まれている。シール材１０は、金属板５に対向する面に、開口７ａを囲む２本の突条を有している。金属板５には、２本の突条の間に形成される溝に嵌合する別の突条９が設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、冷却器付き半導体装置に関する。特に、液体冷媒を使った冷却器を伴う半導体装置に関する。

特許文献１に、冷却器付き半導体装置の一例が開示されている。特許文献１では、半導体装置を半導体ユニットと称している。その半導体ユニット（半導体装置）は、半導体素子を樹脂でモールドしており、樹脂モールド部（半導体モジュール）の一側面にヒートシンク（金属板）が備えられている。樹脂モールド部は、冷媒が流れる流路に通じる開口を有する流路ケース（冷却器本体）と組み合わされている。ヒートシンクが流路ケースの開口を塞いでいる。即ち、ヒートシンクの一方の面は樹脂モールド部内で半導体素子と熱的に接触しており、他方の面が冷媒の流路の開口を塞いでいる。開口周囲の流路ケースの表面とヒートシンクの間には、開口を一巡するようにシール材が配置されている。ヒートシンクのシール材と対向する位置に、先端が尖った突条が設けられている。突条はシール材と対向しつつシール材に沿って開口を一巡している。半導体ユニットを流路ケースに固定すると、突条がシール材の表面に食い込み、ヒートシンクとシール材の間がしっかりと封止される。

特開２０１０−２７７３５号公報

特許文献１の冷却器付き半導体装置では、流路の開口を封止するシール材にヒートシンクの尖った突条が食い込む。それゆえ、シール材に過度な応力が生じてシール材が歪む虞がある。シール材が歪むと開口の封止の信頼性が低下する。本明細書は、一方の面が半導体モジュールに接しており他方の面が冷媒の流路に通じる開口を塞いでいる金属板を有する半導体装置（冷却器付き半導体装置）に係り、金属板による開口の封止の信頼性を高める技術を提供する。

本明細書が開示する冷却器付き半導体装置は、半導体素子を収容している半導体モジュールと、冷却器本体と、金属板と、シール材を備えている。冷却器本体は、その一側面の内側に冷媒流路が設けられているとともに、その一側面に、冷媒流路に通じる開口が設けられている。金属板は、一方の面が冷却器本体の開口を塞いでおり、他方の面が半導体モジュールと接している。シール材は、開口の周囲の本体表面と金属板との間に挟まれている。そのシール材は、金属板に対向する面と冷却器本体に対向する面の一方に、開口を囲む２本の突条を有している。そして、金属板と冷却器本体のうちその２本の突条と対向する側に、その２本の突条の間に形成される溝に嵌合する別の突条が設けられている。２本の突条と別の突条が嵌合することで、開口の封止の信頼性が向上する。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の半導体装置の斜視図である。 金属板の裏面の斜視図である。 図１のIII−III線に沿った断面図である。 シール材周辺の部分拡大断面図である（シール材と金属板が離れている状態）。 シール材周辺の部分拡大断面図である（シール材と金属板が接合している状態）。 比較例のシール材の断面図である。 別の比較例のシール材の断面図である。

図面を参照して実施例の冷却器付き半導体装置２を説明する。以下、説明を簡単にするため、「冷却器付き半導体装置２」を単に「半導体装置２」と称する。図１に、半導体装置２の斜視図を示す。半導体装置２は、半導体素子６を封止した半導体モジュール８に冷却器が取り付けられたデバイスである。図１では、半導体モジュール８と冷却器本体７を分離して描いてある。

半導体モジュール８は、半導体素子６を樹脂で封止したパッケージ３と、そのパッケージ３の一面に取り付けられた絶縁板４を備える。パッケージ３の側面には半導体素子６の電極と導通している端子が設けられているが、図ではその端子の図示を省略している。絶縁板４にはグリス（不図示）を挟んで金属板５が取り付けられている。後述するように、金属板５は、半導体素子６の熱を放出するヒートシンクの役割を果たす。

冷却器本体７も樹脂で作られており、その内部に液体冷媒が流れる冷媒流路ＦＬが形成されている。冷媒流路ＦＬは、冷却器本体７の表面７ｂの内側に設けられている。その表面７ｂには、冷媒流路ＦＬに通じる開口７ａが設けられている。開口７ａは、半導体モジュール８の対向面の輪郭よりもやや小さい大きさである。

冷却器本体７の別の側面に冷媒入口７ｃが設けられており、冷媒流路ＦＬを挟んで冷媒入口７ｃの反対側には冷媒出口７ｄが設けられている。冷媒入口７ｃには不図示の冷媒供給管が接続され、冷媒出口７ｄには不図示の冷媒排出管が接続される。冷媒入口７ｃから供給された冷媒は、図中の座標系のＹ軸に沿って流れ、冷媒出口７ｄから排出される。冷媒は液体であり、水、あるいは、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）が好ましい。

図２に示すように、金属板５の冷媒流路ＦＬに面している側には複数のフィン２１が設けられている。図２は、図１とは座標系の向きが異なることに留意されたい。また、図３に、図１に記したIII−III線に沿った断面図を示す。半導体モジュール８が冷却器本体７と組み合わされると、複数のフィン２１は、冷媒流路ＦＬの中に位置することになる。複数のフィン２１も図中のＹ軸方向に沿って延びている。即ち、フィン２１は、冷媒の流れ方向に沿って延びることになる。半導体素子６の熱は、主に複数のフィン２１を通じて液体冷媒へと伝達される。なお、図３には、半導体モジュール８と金属板５の間にグリス２２が塗布されていることが示されている。

図１−図３を参照して、開口７ａと金属板５との間の封止について説明する。冷却器本体７の表面７ｂには、開口７ａを囲むように、シール材１０が配置されている。半導体モジュール８が冷却器本体７と組み合わされる際、シール材１０を挟んで金属板５が開口７ａを塞ぐ。別言すれば、シール材１０は、開口７ａの周囲の本体表面７ｂと金属板５の間に挟まれる。シール材１０により、金属板５と開口７ａとの間の水密性が確保される。

金属板５は、典型的にはアルミニウムで作られており、シール材１０は、例えば、シリコンゴムで作られている。また、半導体モジュール８と冷却器本体７は、それらの積層方向に圧縮荷重を受けており、その圧縮荷重により、金属板５と開口７ａとの間の封止が確保されている。圧縮荷重を加える構造は図示を省略しているが、例えば、パッケージ３にボルト挿通用のリブが設けられており、そのリブと冷却器本体７がボルトで相互に固定され、圧縮荷重が加えられる。

シール材１０には開口７ａを囲む２本の突条が設けられており、金属板５の側には、別の突条９が設けられている。シール材側の２本の突条をシール側突条１２（符号は図４参照）と称し、金属板５の突条を金属板側突条９と称する。２本のシール側突条１２の間に形成される溝に金属板側突条９が嵌合し、開口７ａと金属板５の間の水密性が高い信頼性で確保される。

図４と図５に、シール材１０の周辺の部分拡大断面図を示す。図４と図５では、半導体モジュール８の図示は省略している。図４では、金属板５をシール材１０から離して描いてある。なお、シール材１０が開口７ａを囲んでいる様子は図１を参照されたい。シール材１０は、基部１０ａが冷却器本体７の表面７ｂに取り付けられている。基部１０ａの金属板５と対向する面に２本の突条（シール側突条１２）が形成されている。２本のシール側突条１２の間に溝１３が形成される。金属板５のシール材１０と対向する側には別の突条（金属板側突条９）が形成されている。金属板側突条９の断面の輪郭形状は、溝１３の断面の輪郭形状と同じである。従って、金属板５が開口７ａを塞ぐように冷却器本体７に取り付けられると、シール側突条１２の上面が金属板５の表面５ａに面接触し、溝１３の側面１３ｂが金属板側突条９の側面９ｂと面接触し、溝１３の底面１３ｃが金属板側突条９の頭頂面９ａと面接触する。図５に、２本のシール側突条１２と金属板側突条９とがぴったりと面接触している状態が示されている。２本のシール側突条１２は、平行であり、図５の状態が、開口７ａを囲むシール材１０のいずれの断面でも実現されている。それゆえ、開口７ａと金属板５の間の水密性が高い信頼性で確保される。

図５に示す矢印太線は、金属板側突条９を含む金属板５に加わる荷重（面圧）を示している。図４と図５に示す構造は、広い面積で２本のシール側突条１２と金属板側突条９が面接触するので、面圧が均等に小さくなる。別言すれば、図４と図５に示す構造は、シール材１０に偏った局所的な集中荷重が加わり難く、シール材１０において内部クラックの発生や圧縮永久歪の増加が抑制される。即ち、図４と図５の構造は、水密性の信頼性が高い。

特に、図４、図５の構造では、溝の側面１３ｂ（即ち、２本のシール側突条１２の内側の側面）が傾斜しており、これに対応して金属板側突条９の側面９ｂも傾斜している。傾斜している面同士が面接触し、それらの面に作用する荷重の方向は、金属板５の垂直方向（冷却器本体の表面７ｂの垂直方向）に対して角度をなす。荷重の方向が分散することも、開口７ａと金属板５の間の封止性を高めることに寄与する。

また、金属板側突条９が２本のシール側突条１２の間の溝に嵌合する構造は、金属板５の横方向の位置決めに貢献する。なお、「横方向」とは、図中の座標系のＸ軸方向であり、冷却器本体７の表面７ｂに平行な方向を意味する。

比較例を図６と図７に示す。図６と図７に示す矢印太線も、図５と同様に、金属板側突条を含む金属板に加わる荷重（面圧）を示している。図６の比較例は、シール材１１０は２本のシール側突条１１２を有するが、シール材１１０と対向する金属板１０５は平坦である。それゆえ、金属板１０５をシール材１１０に押し当てると、２本のシール側突条１１２の間に空隙Ｓｐ１が生じる。図６の構造は、シール材１１０と金属板１０５との間の接触面積が実施例の場合と比較して小さくなり、シール材１１０と金属板１０５の間に作用する面圧が大きくなる（図５の矢印太線よりも長い図６の矢印太線が、面圧が大きいことを表している）。また、図６の構造は、金属板１０５の横方向の位置を規制する突起が無いので、金属板１０５のシール材１１０に対する横方向の位置決め精度が低い。さらに、図６の構造は、２本のシール側突条１１２の側面が拘束されないので、シール側突条１１２が横方向に振れ易くなる。

図７の比較例は、シール材２１０は突条を有しておらず、基部２１０ａの金属板２０５と対向する面が平坦である。一方、金属板２０５には、突条２０９が設けられている。この構造では、金属板２０５をシール材２１０に押し当てると、突条２０９に荷重されて基部２１０ａの中央が窪み、結果的に、基部２１０ａの頭頂部の両側に突条２１３が形成される。但し、この構造では、突条２０９の先端に荷重が集中し、クラックが発生する可能性が高まる。図６の矢印太線よりもさらに大きい図７の中央の矢印太線が、面圧がより一層大きいことを表している。なお、金属板２０５の突条２１３が当接する部位にも面圧が生じるが、その面圧は、突条２０９に対して作用する面圧よりも小さい。また、突条２０９の両側に空隙Ｓｐ２が生じ、シール材２１０と金属板２０５の接触面積が減少し、封止性能が損なわれる。

以上のとおり、図１−図５に示した実施例の半導体装置２における封止構造は、図６と図７に示した比較例の構造と比較して水密性の信頼性が高い。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図１−図５に示した封止構造は、上記した利点のほか、次の利点も有する。実施例の封止構造は、図４、図５に示すように、シール材１０を横切る方向（図中のＹ軸方向）においてシール材１０と金属板５が接触する長さが長い。このことは、仮にシール材１０と金属板５との間に異物が挟まっても、異物が小さければ、水密性を維持できることを意味する。即ち、実施例の封止構造は、シール材１０と金属板５との間の異物に対して堅牢である。

金属板側突条９は、アルミプレートなどの金属板をプレス加工することで形成することができる。一方、シール材１０は、冷却器本体７と一体となった液状射出成形ゴムで作ることが好ましい。液状射出成形（ＬＩＭ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）は、液状シリコーンの射出成形技術の一つであり、精密な形状を大量生産するのに適している。また、液状射出成形加工を採用することで、金属板側突条９との接触状態を良好に保つための形状設計の自由度が拡がるとともに、シール材１０と冷却器本体７の界面からの冷媒漏れを防止することができる。さらに、液状射出成形加工を採用することで、シール材１０の組み付け自由度の向上が期待できる。

実施例の半導体装置２では、樹脂製の冷却器本体７にシール材１０を取り付け、シール材の金属板５と対向する面に２本の突条（シール側突条）を設けた。これとは逆に、金属板にシール材を取り付け、シール材の冷却器本体と対向する面に２本の突条を設けてもよい。その場合、冷却器本体の側に、２本の突条の間の溝に嵌合する別の突条を設ける。冷却器本体は樹脂製であるため、別の突条は、冷却器本体を射出成形する際に同時に形成することが可能である。

半導体装置２のパッケージ３が封止する半導体素子６は、トランジスタ、ダイオード、コンデンサなど、どのような種類の半導体素子であってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：半導体装置（冷却器付き半導体装置）
３：パッケージ
４：絶縁板
５：金属板
６：半導体素子
７：冷却器本体
７ａ：開口
７ｂ：表面
８：半導体モジュール
９：金属板側突条
１０：シール材
１０ａ：基部
１２：シール側突条
１３：溝
２１：フィン
２２：グリス

Claims (1)

1. 半導体素子を収容している半導体モジュールと、
   一側面の内側に冷媒流路が設けられているとともに、当該一側面に前記冷媒流路に通じる開口が設けられている冷却器本体と、
   一方の面が前記開口を塞いでおり、他方の面が前記半導体モジュールと接している金属板と、
   前記開口の周囲で冷却器本体の表面と前記金属板の間に挟まれているシール材と、
   を備えており、
   前記シール材は、前記金属板に対向する面と前記冷却器本体に対向する面の一方に、前記開口を囲む２本の突条を有しており、
   前記金属板と前記冷却器本体のうち、前記２本の突条と対向する側に、前記２本の突条の間に形成される溝に嵌合する別の突条が設けられていることを特徴とする冷却器付き半導体装置。

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