JP2017079244A - 半導体モジュールの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールの放熱性を向上させる。
【解決手段】平面方向の中央部に半導体１１が配置されるヒートシンク１２と、半導体１１が配置される側とは反対側からヒートシンク１２を冷却する絶縁板１３と、絶縁板１３とヒートシンク１２との間に設けられる熱伝導部１４と、を備え、熱伝導部１４に使用される部材の密度は、ヒートシンク１２の平面方向における中央部が密であり、平面方向における外側部が疎である。これにより、ヒートシンク１２の平面方向の中央部において、熱伝導部１４を介して冷却用の絶縁板１３と密着させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールの冷却構造に関する。

従来、このような分野の技術として、特開２０１４−００７２６７号公報がある。この公報には、半導体モジュールとヒートシンクとの間に熱伝導グリスを設ける半導体の冷却構造が記載されている。

この半導体モジュールでは、半導体モジュールを収納するケースと、一端がケースに嵌合し他端がヒートシンクに当接する弾性部材とを備え、弾性部材によってケースとヒートシンクとの間に熱伝導グリスを挟持する。弾性部材はケースに嵌合して固定されるため、弾性部材がケースから外れることによる熱伝導グリスの流出を抑制できる。これにより、ヒートシンクは、熱伝導グリスを介して半導体モジュールを冷却することができ、冷却効率を向上させる。

特開２０１４−００７２６７号公報

前述した従来の半導体モジュールの冷却に用いられる熱伝導グリスは、熱応力や振動に弱く、ポンプアウトやブリードアウトなどの放熱剤が抜ける現象により放熱性が低下する場合がある。そのため、耐久性が求められる環境で半導体モジュールを利用する場合には、熱伝導グリスに代わり、熱応力や振動に強い硬化型グリスや放熱シート材などの熱伝導素材を用いる場合がある。この熱伝導素材は、冷却器の冷却面とヒートシンクとの間に設けられ、冷却効率を上昇させる。

ここで一般には、ヒートシンクの中央部に発熱体（半導体）配置され、最も冷却したい箇所は、発熱体の近傍であるヒートシンクの中央部であるということが多い。しかしながら、ヒートシンクの中央部は、半導体モジュールの内部のはんだ付けなどの加工過程において線膨張係数差によって凹む場合がある。熱伝導素材は、ヒートシンクと冷却器の凹凸をできるだけ吸収するように変形することが望ましいが、硬化型グリスや放熱シート材は硬度が高いため、ヒートシンクや冷却器の表面の凹凸に追従できず、隙間が生じる場合がある。そのため、ヒートシンクの面上に硬化型グリスなどを用いた場合には、変形が容易な熱伝導シートを用いたときに比べ、放熱性が低下するおそれがある。
ここに記載した例は冷却したい半導体が中央に配置され、ヒートシンクの最も凹んだ箇所になっているケースを想定したが、硬化型グリスなどの疎密配置は冷却したい部位を密に配置し、冷却性能を落として良い箇所（発熱部位から離れた）を疎に配置することで、発熱部位（半導体）直近での冷却性能を最大化させることが狙いである。
本発明は、放熱性を向上させた半導体モジュールの冷却構造を提供するものである。

本発明にかかる半導体モジュールの冷却構造は、平面方向の中央部に半導体が配置されるヒートシンクと、前記半導体が配置される側とは反対側から前記ヒートシンクを冷却する絶縁板と、前記絶縁板と前記ヒートシンクとの間に設けられる熱伝導部と、を備え、前記熱伝導部に使用される部材の密度は、前記ヒートシンクの平面方向における中央部が密であり、平面方向における外側部が疎である。
これにより、ヒートシンクの平面方向の中央部において、熱伝導部を介して冷却用の絶縁板と密着させることができる。

半導体モジュールの放熱性を向上させることができる。

実施の形態１にかかる半導体モジュールの断面図である。 実施の形態１にかかる絶縁板を当接させた半導体モジュールの断面図である。 実施の形態１にかかるスクリーン版によるグリスの塗布を示す図である。 実施の形態１にかかるスクリーン版のスリットと、熱伝導部の第１の塗布部及び第２の塗布部の関係を示す図である。 実施の形態１にかかるスクリーン版のスリットが少ない場合の第１の塗布部及び第２の塗布部の関係を示す図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１及び図２に示すように、半導体モジュール１は、基部１０と、発熱体である半導体１１と、半導体１１を挟むように配置されている一対のヒートシンク１２と、ヒートシンク１２の平面側の外側面１２ａに当接するように配置された一対の絶縁板１３と、ヒートシンク１２と絶縁板１３の間にグリスが塗布される熱伝導部１４と、を備える。

略平板状の基部１０の中央部には、半導体１１が配置され、半導体１１を挟むように一対のヒートシンク１２が配置されている。

半導体１１は、半導体モジュール１が利用されるモータや照明などの機器に対して、電力の制御や供給を行うパワー半導体である。なお、半導体１１は、ＣＰＵやメモリなどの演算や記憶の用途に用いられるものであってもよい。

一対のヒートシンク１２は、半導体１１が発生する熱を外部に伝熱して放熱する。ヒートシンク１２は略平面であるが、加工の際の線膨張係数差によって、外側面１２ａの中央部が僅かに凹んだ形状であるものとして説明する。ヒートシンク１２の外側面１２ａには、グリスが塗布された熱伝導部１４が形成されている。

一対の絶縁板１３は、ヒートシンク１２の外側面１２ａに面接触するように配置される高熱伝導性及び高耐電性の高い冷却用絶縁板である。すなわち、絶縁板１３は、熱伝導部１４を介した状態で、ヒートシンク１２の外側面１２ａに対して当接する。

熱伝導部１４は、ヒートシンク１２と絶縁板１３の間に設けられており、熱を高効率で伝導するグリスが熱伝導部材として使用される。図１及び図２に示すように、熱伝導部１４では、ヒートシンク１２の外側面１２ａの中央部付近において、グリスが密に塗布されている第１の塗布部１４ａと、外側で疎の状態で塗布されている第２の塗布部１４ｂと、を備える。すなわち熱伝導部１４において、グリスは、ヒートシンク１２と絶縁板１３の間において、発熱体である半導体１１が設けられた箇所の近傍であるほど密となり、遠ざかるほど疎となるように塗布されている。なお、熱伝導部１４に使用されるグリスは、塗布された後に硬化した状態となる硬化グリスである。

次に、スクリーン印刷により、熱伝導部１４において、第１の塗布部１４ａ及び第２の塗布部１４ｂを形成するように、ヒートシンク１２上にグリスを塗布する方法について説明する。

図３に示すように、半導体１１と一対のヒートシンク１２が配置された基部１０の平面側には、平面方向に貫通する複数のスリット２１ａを有するスクリーン版２１が配置されている。スクリーン版２１のスリット２１ａは、中央部分ほど密であり、外側部分ほど疎となるように形成されている。

より具体的には、図４の上部に示すように、スクリーン版２１には四角形状のスリット２１ａが、ＸＹ方向に並列して設けられている。このスリット２１ａは、Ｘ方向及びＹ方向における中央部では面積が大きくなるように形成されており、端部では面積が小さくなるように形成されている。なお図４において、スリット２１ａは、Ｘ方向に８行、Ｙ方向に８列の６４個が形成されているように記載されているが、これらの個数に限られない。

図３に示すように、スクリーン版２１にグリスを充填し、その後、スキージ２２を、スクリーン版２１の外側から内側に印圧を加えながら移動させる。これにより図４に示すように、スクリーン版２１のスリット２１ａに充填されているグリスが、ヒートシンク１２上に塗布される。

ここで、スクリーン版２１の外側から印圧をかけながらグリスを塗布するため、ヒートシンク１２の凹凸にならってグリスが塗布された状態となる。すなわち、ヒートシンク１２に塗布されるグリスの塗布厚は、スクリーン版２１の厚みによって決定され、ほぼ一定の膜厚となる。

したがって図４の下部に示すように、熱伝導部１４には、ヒートシンク１２の中央付近でグリスが密に塗布された第１の塗布部１４ａと、外側部分で疎となっている第２の塗布部１４ｂが形成される。

これにより、図２に示すように、絶縁板１３を基部１０の両面に面接触させる際に、第２の塗布部１４ｂが容易に変形する。したがって、絶縁板１３を基部１０の内側方向により近づけることができるため、第１の塗布部１４ａと絶縁板１３の密着性が高まる。そのため、絶縁板１３と第１の塗布部１４ａの隙間の発生が抑制されるため、放熱性を確保することができる。

なお、スクリーン版に形成されたスリットの形状は、自在に変更できる。例えば、図５の上部に示すように、スクリーン版３１の中心部において円形のスリット３１ａを設け、さらに、スリット３１ａの外側においてスリット３１ａと同心となるように、一部分が欠かれた複数の輪状のスリット３１ｂを形成してもよい。このようにスリット３１ａ，３１ｂを形成することにより、図５の下部に示すように、ヒートシンク１２の中央部付近にグリスが密に塗布された第１の塗布部１４ａと、外側部分で疎となっている第２の塗布部１４ｂを形成することができる。すなわち、スクリーン版３１に設けられたスリット３１ａの数や形を変更することで、第１の塗布部１４ａ及び第２の塗布部１４ｂのグリスの凹部と凸部となる箇所の数や形状を、自在に変更できる。

すなわち、発熱箇所と放熱面のそれぞれの凹凸形状に応じて、発熱箇所と放熱面の間を介するグリスの配置を工夫することで、放熱性の大幅な向上を見込むことができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 半導体モジュール
２ 半導体モジュール
１０ 基部
１１ 半導体
１２ ヒートシンク
１２ａ 外側面
１３ 絶縁板（冷却器）
１４ 熱伝導部
１４ａ 第１の塗布部
１４ｂ 第２の塗布部
２１ スクリーン版
２１ａ スリット
２２ スキージ
２４ 熱伝導部
２４ａ 第１の塗布部
２４ｂ 第２の塗布部
２４ｃ 凸部
２４ｄ 凹部
３１ スクリーン版
３１ａ スリット
３１ｂ スリット

Claims (1)

1. 平面方向の中央部に半導体が配置されるヒートシンクと、
   前記半導体が配置される側とは反対側から前記ヒートシンクを冷却する絶縁板と、
   前記絶縁板と前記ヒートシンクとの間に設けられる熱伝導部と、を備え、
   前記熱伝導部に使用される部材の密度は、前記ヒートシンクの平面方向における中央部が密であり、平面方向における外側部が疎である
   半導体モジュールの冷却構造。

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