JP2017112215A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の冷却器と複数の半導体モジュールが積層されている積層体を備える半導体装置に関し、積層体の振動に対する耐性を向上させる。
【解決手段】半導体装置１０は、複数の冷却器２ａ−２ｅと、複数の半導体モジュール３３ａ−３ｄが積層されている積層体１１を備える。積層体１１は、板バネ６によって積層方向に加圧されている。冷却器２ａは、隣接する半導体モジュール３ａの側方を通過するとともに半導体モジュール３ａを挟んで隣り合う冷却器２ｂへ延びている一対の筒状の連結部４２を備える。一対の連結部４２の夫々によって半導体モジュール２ａを挟んで隣り合う冷却器２ａ、２ｂの冷媒流路Ｐ１が連通している。一対の連結部４２の各々の側面に溝４９が設けられており、その側面に対向する半導体モジュール３ａの側面に、溝４９に嵌合する突部３９が設けられている。
【選択図】図３

Description

本明細書は、半導体装置に関する。特に、冷却器と半導体モジュールが交互に並ぶように複数の冷却器と複数の半導体モジュールが積層されている積層体を備える半導体装置に関する。

冷却器と半導体モジュールが交互に並ぶように複数の冷却器と複数の半導体モジュールが積層されている積層体を備える半導体装置が知られている（例えば、特許文献１−３）。いずれの半導体装置も、冷却器はその内部に冷媒流路を備えており、半導体モジュールを挟んで隣り合う一対の冷却器同士は、半導体モジュールの夫々の側方を通過する筒状の連結部により連結されている。一方の連結部を通じて各冷却器に冷媒が流入する。冷媒は、冷媒流路を流れる間に半導体モジュールの熱を吸収し、他方の連結部を通じて排出される。そのような半導体装置は、複数の半導体モジュール夫々をその両側から冷却するので半導体モジュールの冷却性能に優れている。特許文献１、２の半導体装置では、冷却器と半導体モジュールの積層体をそれらの積層方向に加圧する加圧部材を備えている。冷却器と半導体モジュールは加圧部材の圧力によって密着し、半導体モジュールから冷却器への伝熱効率が高められている。

特開２０１４−０２９９１２号公報 特開２０１１−２３９６２３号公報 特開２００９−２５４１８９号公報

特許文献１と２の半導体装置では、冷却器と半導体モジュールの積層体は、加圧部材によって積層方向の圧力を受けており、積層方向には振動に対する耐性（耐振動特性）が高い。一方、全ての冷却器と半導体モジュールに積層方向の圧力を加えるために各冷却器を個別に半導体装置の筐体等に固定することができず、積層方向と交差する方向では積層方向と比較して耐振動特性が高くない。本明細書は、冷却器と半導体モジュールの積層体が加圧部材によって積層方向に加圧されている半導体装置に関し、積層方向と交差する方向の耐振動特性を高める技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、複数の冷却器と複数の半導体モジュールの積層体と加圧部材を備えている。複数の冷却器と複数の半導体モジュールは、冷却器と半導体モジュールが交互に並ぶように積層されている。各冷却器は内部に冷媒流路を備えている。加圧部材は、積層体を冷却器と半導体モジュールの積層方向に加圧している。各冷却器は、隣接する半導体モジュールの側方を通過するとともに半導体モジュールを挟んで隣り合う冷却器に向けて延びている一対の筒状の連結部を備えている。連結部の各々によって、半導体モジュールを挟んで隣り合う冷却器の冷媒流路同士が連通している。そして、一対の連結部の各々の側面と、その側面に対向する半導体モジュールの側面の各々の側面のうち一方に突部が設けられており、他方にその突部と嵌合する溝が設けられている。隣り合う冷却器の間で半導体モジュールが突部と溝でしっかりと連結されるので、積層体の積層方向と交差する方向の耐振動特性が高まる。

本明細書が開示する技術は、特に、次の構造を有する半導体装置に好適である。即ち、冷却器は、隣接する半導体モジュールと対向する側面に開口を備えており、その開口は内部の冷媒流路と連通している。その開口は、隣接する半導体モジュールに取り付けられている伝熱板によって塞がれており、加圧部材が加える圧力によって開口の封止が確保されている。前述した突起と溝によって半導体モジュールが隣接する冷却器にしっかりと支持されるため、冷却器に対して半導体モジュールがずれることが防止される。従って、半導体モジュールに取り付けられている伝熱板と開口との間の封止の信頼性が高まる。

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。

半導体装置の斜視図である。 ２個の冷却器と１個の半導体モジュールを分離した分解斜視図である。 図１のＸＹ平面でカットした半導体装置の断面図である。 図３のVI−VI矢視における断面図である。 溝と突部の変形例を説明する断面図である。

図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。図１は、実施例の半導体装置１０の斜視図である。なお、図１では、半導体装置１０の筐体など、一部の部品は図示を省略している。半導体装置１０は、複数の冷却器２ａ−２ｅと複数の半導体モジュール３ａ−３ｄが積層された積層体１１と、支柱４、５と、板バネ６を備えている。支柱４、５は、半導体装置の筐体に設けられているが、その筐体は図示を省略している。

各半導体モジュール３ａ−３ｄは、電力変換用の半導体素子（トランジスタ）を内蔵している。半導体装置１０は、例えば、多数の半導体モジュール３ａ−３ｄ（多数の半導体素子）を使う電圧コンバータやインバータなどの電力変換装置である。

積層体１１において、複数の冷却器２ａ−２ｅと複数の半導体モジュール３ａ−３ｄは、冷却器と半導体モジュールが交互に並ぶように積層されている。なお、以下では、複数の冷却器２ａ−２ｅの一つを区別なく示すときには冷却器２と称し、複数の半導体モジュール３ａ−３ｄの一つを区別なく示すときには半導体モジュール３と称する。

図中の座標系について説明する。図中のＸ方向が、冷却器と半導体モジュールの積層方向に相当する。説明の便宜上、Ｘ方向（積層方向）と直交するＹ方向を横方向と称し、Ｚ方向を上下方向と称する。座標系の各軸の意味は以降の図でも同様である。

詳しくは後述するが、各冷却器２は、内部に液体の冷媒が通る流路（冷媒流路）を備えているとともに、一対の筒状の連結部を備えている。その連結部の内部の空間が、隣り合う冷却器２の冷媒流路を連通している。また、積層方向の一端に位置する冷却器２ａには供給管５１と排出管５２が連結されている。供給管５１は、半導体装置１０を積層方向（Ｘ方向）からみて一方の連結部と重なるように取り付けられており、排出管５２は他方の連結部と重なるように取り付けられている。供給管５１と排出管５２は、不図示の冷媒循環装置と接続されている。不図示の冷媒循環装置から送られる冷媒は供給管５１を通り、一方の連結部の内側を通って各冷却器２に分配される。冷媒は、各冷却器２の内部の冷媒流路を通る間に隣接する半導体モジュール３から熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は他方の連結部と排出管５２を通り、不図示の冷媒循環装置へと戻る。

複数の冷却器２と複数の半導体モジュール３を積層した積層体１１は、支柱４、５の間に挟まれている。積層体１１と支柱５の間には板バネ６が挟まれており、積層体１１をその積層方向に加圧している。板バネ６が加える圧力により冷却器２と半導体モジュール３が密着し、半導体モジュール３から冷却器２への伝熱効率を高めている。冷媒は液体であり、典型的には水、又は、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。

図２に、冷却器２ｂ、２ｃとそれらに挟まれる半導体モジュール３ｂを分離した斜視図を示す。まず、冷却器２ｃに着目して説明する。冷却器２ｃの本体４０は樹脂で作られている。本体４０の内部には、冷媒流路Ｐ１が横方向（Ｙ方向）に延びている。また、本体４０の半導体モジュール３ｂと対向する側面に開口４１ａが設けられている。開口４１ａは本体４０の内部の冷媒流路Ｐ１と連通している。開口４１ａの反対側（不図示の半導体モジュール３ｃと対向する側）にも開口４１ｂが設けられており、その開口４１ｂも冷媒流路Ｐ１と連通している。開口４１ａは、ガスケット３４ａを挟んで金属板３２ａによって塞がれる。開口４１ｂは、不図示のガスケットを挟んで金属板３２ｂによって塞がれる。なお、金属板３２ａは、半導体モジュール３ｂに取り付けられている。詳しくは、金属板３２ａは、半導体モジュール３ｂと冷却器２ｃが積層される前に予め半導体モジュール３ｂに接着されている。金属板３２ａによる開口４１ａの封止は、先に述べた板バネ６が加える圧力によって確保される。図２では、半導体モジュール３ｂに金属板３２ａ、３２ｃが接着されており、金属板３２ａは冷却器２ｃの開口４１ａを塞ぐ部品であり、金属板３２ｃは隣の冷却器２ｂの開口４１ｂを塞ぐ部品である。金属板３２ａと冷却器２ｃの開口４１ａの周囲との間にはガスケット３４ａが挟まれ、金属板３２ｃと冷却器２ｂの開口４１ｂの周囲との間にはガスケット３４ｂが挟まれる。板バネ６の圧力により、ガスケット３４ａを挟んだ金属板３２ａと開口４１ａ（冷却器２ｃの開口４１ａ）の間の封止、及び、ガスケット３４ｂを挟んだ金属板３２ｃと開口４１ｂ（冷却器２２ｂの開口４１ｂ）の封止が確保される。図２の右上に描かれている金属板３２ｂは、不図示の半導体モジュール３ｃに予め取り付けられている。半導体モジュール３ｃに取り付けられている金属板３２ｂによって、冷却器２ｃの開口４１ｂが覆われ、板バネ６の圧力によって開口４１ｂの封止が確保される。

以下、金属板３２ａ、３２ｂ、３２ｃのいずれか一方を区別なく示すときには、金属板３２と称する。また、開口４１ａ、４１ｂのいずれか一方を区別なく示すときには開口４１と称する。全ての冷却器２は、半導体モジュール３と対向する側面に開口４１を備えており、その開口４１は冷媒流路Ｐ１と連通している。開口４１は金属板３２で塞がれる。金属板３２は、冷却器２に隣接する半導体モジュール３に予め取り付けられており、板バネ６の圧力により冷却器２の本体４０に密着し、開口４１を封止する。

金属板３２の冷却器側の面には複数のフィン３３が設けられている。金属板３２とフィン３３は、熱伝導率の高い金属、例えば、アルミニウムや銅で作られている。金属板３２の冷却器側の面とフィン３３は、冷却器２の冷媒流路Ｐ１に面し、冷媒と直接に接する。冷却器２の本体４０は熱伝達率が高くない樹脂製であるが、半導体モジュール３と接する金属板３２とフィン３３は、冷媒流路Ｐ１を通る冷媒に直接に接することになる。それゆえ、冷却器２は、金属板３２とフィン３３を介して半導体モジュール３の熱を良く吸収する。

冷却器２ｃは、半導体モジュール３ｂのＹ方向の夫々の側方を通過するとともに、半導体モジュール３ｂを挟んで隣り合う冷却器２ｂへ延びる一対の連結部４２を備えている。冷却器２ｂも、半導体モジュール３ｂの側方を通過するとともに半導体モジュール３ｂを挟んで隣り合う冷却器２ｃへ延びる一対の連結部４２を備えている。連結部４２は、筒状であり、その内部に、本体４０を積層方向に貫通する貫通孔４３が設けられている。連結部４２の内側の貫通孔４３は、冷媒流路Ｐ１と連通している。冷却器２ｂの連結部４２と冷却器２ｃの連結部４２により、半導体モジュール３ｂを挟んで隣り合う一対の冷却器２ｂ、２ｃの冷媒流路Ｐ１が連通する。積層体１１の全体においては、一対の連結部４２の貫通孔４３により、供給管５１から供給された冷媒が各冷却器２へと分配され、また、各冷却器２を通った冷媒が排出管５２へ集められる。

冷却器２ｂの各連結部４２の先端面４７ｂと冷却器２ｃの各連結部４２の先端面４７ａがガスケット３５を挟んで当接する。板バネ６（図１）の圧力により、冷却器２ｂの先端面４７ｂに開口する貫通孔４３と冷却器２ｃの先端面４７ａに開口する貫通孔４３の間の封止が確保される。冷却器２ｃは半導体モジュール３ｂとは反対側にも一対の連結部４２を備えており、冷却器２ｂは半導体モジュール３ｂとは反対側にも一対の連結部４２を備えている。それらの連結部の先端面にも貫通孔４３が開口しており、ガスケットを挟んで対向する冷却器の連結部の貫通孔と連通し、板バネ６の圧力により貫通孔同士の連結部分が外部に対して封止される。すなわち、冷却器２ｃの連結部４２は、半導体モジュール３を挟んで隣り合う冷却器２ｂへ延びており、内部の貫通孔４３が隣り合う冷却器２ｃの冷媒流路Ｐ１と連通する。なお、実施例の半導体装置１０の場合は隣り合う冷却器２ｂ、２ｃの夫々が貫通孔４３を伴う一対の連結部４２を備えており、連結部４２の端面同士が当接し、貫通孔４３を通じて、一方の冷却器２ｂの冷媒流路Ｐ１と他方の冷却器２ｃの冷媒流路Ｐ１が連通する。

冷却器２ｃの一対の連結部４２の半導体モジュール３ｂと対向する側面４２ａに溝４９が設けられている。そして、半導体モジュール３ｂの連結部４２と対向する側面３８ａには突部３９が設けられている。図２では隠れて見えないが、冷却器２ｂの半導体モジュール３ｂと対向する側の連結部４２の側面４２ａにも溝４９が設けられている。半導体モジュール３ｂを挟んで冷却器２ｂ、２ｃを積層すると、半導体モジュール３ｂの両側面３８ａの突部３９が対応する溝４９に嵌合する。他の冷却器２も溝４９を備えており、他の半導体モジュール３も突部３９を備えている。隣り合う他の一対の冷却器２の溝４９とその一対の冷却器に挟まれる半導体モジュール３の突部３９との関係は、冷却器２ｂ、２ｃの溝４９と半導体モジュール３ｂの突部３９との関係と同じである。即ち、全ての半導体モジュール３は、Ｙ方向を向く側面３８ａに突部３９を備えており、突部３９と対向する冷却器２の連結部側面４２ａには溝４９が設けられており、両者が嵌合する。各半導体モジュール３はＹ方向の両側で突部３９が隣接する冷却器２の溝４９に嵌合し、隣接する冷却器２にしっかりと支持される。溝４９と突部３９の嵌合により、半導体モジュール３は、横方向（Ｙ方向）と上下方向（Ｚ方向）のいずれに対しても振動に対する耐性（耐振動特性）が高まる。

また、先に述べたように、冷却器２ｃの開口４１ａを塞いでいる金属板３２ａは冷却器２ｃには固定されておらず、冷却器２ｃと半導体モジュール３ｂの積層前に、半導体モジュール３ｂに取り付けられている。金属板３２ａは、冷却器２ｃと半導体モジュール３ｂが積層されたときに本体４０の開口４１ａを塞ぎ、板バネ６の圧力により開口４１ａを封止する。半導体モジュール３ｂが冷却器２ｃに対してずれると開口４１ａの封止の信頼性が下がる。半導体モジュール３ｂは、前述した突部３９と溝４９により、Ｙ方向とＺ方向の双方について冷却器２ｃに支持されることになり、冷却器２ｃに対してずれ難くなっている。即ち、突部３９と溝４９は、金属板３２ａによる開口４１ａの封止の信頼性を高めることに貢献する。冷却器２ｃの他の開口４１ｂ、及び、他の冷却器２についても同様である。

図３に、半導体装置１０を図中のＸＹ平面でカットした断面を示し、図４に図３のVI−IV矢視における半導体装置１０の断面図を示す。図４は、冷却器２ａと２ｂの境界で半導体モジュール３ａをカットした断面図である。図３では、半導体モジュール３ａの突部にのみ符号３９を付し、他の半導体モジュールの突部には符号を省略した。また、図３では、半導体モジュール３ａに隣接する冷却器２ａにおいて半導体モジュール３ａに近い部位（部品）に符号を付し、他の部位（部品）には符号を省略した。図３に示されているように、冷却器２ａは、半導体モジュール３ａと対向する本体側面に開口４１を備えており、その開口４１は、冷却器２ａの内部の冷媒流路Ｐ１と連通している。冷却器２ａは金属板３２を備えており、その金属板３２の一方の面が開口４１を塞いでおり、他方の面は半導体モジュール３ａと接している。金属板３２は、半導体モジュール３ａに予め取り付けられており、板バネ６から受ける圧力によって開口４１を密封している。金属板３２の冷媒流路Ｐ１に晒される面にはフィン３３が設けられており、冷媒に直接に接するフィン３３が半導体モジュール３ａの熱を冷媒によく伝える。また、冷却器２ａは、積層方向（Ｘ方向）と交差する方向（Ｙ方向）の半導体モジュール３ａの側方を通過するとともに、半導体モジュール３ａを挟んで隣り合う冷却器２ｂへ延びている一対の筒状の連結部４２を備えている。筒状の一対の連結部４２の貫通孔４３が、半導体モジュール３ａを挟んで隣り合う一対の冷却器２ａ、２ｂの冷媒流路Ｐ１を連通する。各連結部４２の半導体モジュール３ａと対向する面に溝４９が設けられている。

半導体モジュール３ａの突部３９は、冷却器２ａの溝４９と、冷却器２ｂの溝４９に挟み込まれ、半導体モジュール３ａは、Ｙ方向とＺ方向の両方向にて、冷却器２ａ、２ｂに支持される。この構造により、半導体モジュール３ａのＹ方向とＺ方向の耐振動特性が高まる。なお、Ｘ方向については、板バネ６により加圧されているので耐振動特性は高い。他の半導体モジュール３ｂ−３ｄについても同様に、側面の突部３９が隣接する冷却器２の溝４９に嵌合し、しっかりと支持され、耐振動特性が高められる。また、半導体モジュール３ａの突部３９と冷却器２ａの溝４９の嵌合により、半導体モジュール３ａはＹＺ方向（積層方向と交差する方向）で冷却器２ａに対してずれ難くなっている。この構造は、半導体モジュール３ａに取り付けられている金属板３２による開口４１の封止の信頼性向上に貢献する。

図４に示されているように、冷却器２（２ｂ）の連結部４２に設けられている溝４９は横断面が矩形であり、一方、半導体モジュール３ａに設けられている突部３９は角が丸められており、突部３９が溝４９に嵌合し易いようになっている。なお、半導体モジュール３ａは樹脂製のパッケージ３８に半導体素子８を埋設したものであり、樹脂製のパッケージ３８の側面に突部３９が設けられている。パッケージ３８は射出成形で形成され、突部３９も同時に成形される。半導体素子８は、典型的にはトランジスタである。

突部３９は、Ｙ方向において半導体モジュール３ａの両側に設けられており、一方の突部３９と溝４９は接平面４９ａにて接触し、他方の突部３９と溝４９は接平面４９ｂで接触する。半導体モジュール３ａはＹ方向の両側で冷却器２ｂと接しており、Ｙ方向についての耐振動特性が高められる。Ｚ方向においては、半導体モジュール３ａの突部３９と冷却器２ｂの溝４９は、４か所の接平面４９ｃ、４９ｄ、４９ｅ、４９ｆで接しており、Ｚ方向についての耐振動特性が高められる。

図５に溝と突部のペアの変形例を示す。図５は、図４の断面に対応する変形例の断面図である。実施例の半導体装置では、冷却器２ｂの連結部４２の半導体モジュール３ａと対向する面に溝４９を設け、半導体モジュール３ａの側面に突部３９を設けた。図５に示した変形例では、冷却器２ｂの連結部４２の半導体モジュール３ａと対向する面に突部１４９を設け、半導体モジュール３ａの側面に、突部１４９と嵌合する溝１３９を設けた。このように、冷却器２ｂの連結部４２の側面と、その側面に対向する半導体モジュール３ａの側面の一方に突部が設けられており、他方にその突部と嵌合する溝が設けられていればよい。なお、一対の連結部４２の一方に溝が設けられ、その溝に対向する半導体モジュール３の側面に突部が設けられ、一対の連結部４２の他方に突部が設けられ、その突部に対向する半導体モジュール３の側面に溝が設けられていてもよい。他の冷却器２と他の半導体モジュール３についても同様である。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の板バネ６が請求項の「加圧部材」の一例に相当する。実施例の連結部４２が請求項の「連結部」の一例に相当する。実施例の金属板３２が請求項の「伝熱板」の一例に相当する。伝熱板は、金属板３２に限らず、冷却器の本体４０よりも熱伝導率が高い材料で作られていればよい。なお、実施例の連結部４２は、中空の四角柱であったが、連結部は円筒状であってもよい。また、実施例の半導体装置１０では、半導体モジュール３を挟んで隣り合う冷却器２の双方向から連結部４２が延びており、それら連結部４２の先端面同士が当接する。半導体装置は、隣り合う冷却器２の一方のみが連結部４２を備え、その連結部４２が他方の冷却器２へ延びており、他方の冷却器２の本体に連結するものであってもよい。

実施例で説明した技術は、複数の冷却器２ａ−２ｅと複数の半導体モジュール３ａ−３ｄが積層された積層体１１を備えている半導体装置に適用可能である。そのような半導体装置は、典型的には電力変換器であるが、本明細書が開示する技術は電力変換器以外の半導体装置にも適用可能である。

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
２ａ−２ｅ：冷却器
３ａ−３ｄ：半導体モジュール
４、５：支柱
６：板バネ（加圧部材）
８：半導体素子
１０：半導体装置
１１：積層体
３２、３２ａ、３２ｂ：金属板
３３：フィン
３４、３５：ガスケット
３８：パッケージ
３９、１４９：突部
４０：本体
４１：開口
４２：連結部
４３：貫通孔
４９、１３９：溝
Ｐ１：冷媒流路

Claims (2)

1. 冷却器と半導体モジュールが交互に並ぶように複数の冷却器と複数の半導体モジュールが積層されている積層体と、
   前記積層体を積層方向に加圧する加圧部材を備えており、
   前記冷却器の各々の内部に冷媒流路が形成されており、
   前記冷却器の各々は、隣接する前記半導体モジュールの側方を通過するとともに、当該半導体モジュールを挟んで隣り合う他の前記冷却器に向けて延びている一対の筒状の連結部を備えており、
   前記連結部の各々によって前記半導体モジュールを挟んで隣り合う一対の前記冷却器内の前記冷媒流路同士が連通しており、
   前記連結部の各々の側面と当該側面に対向する前記半導体モジュールの各々の側面のうちの一方に突部が設けられており、他方に前記突部に嵌合する溝が設けられている、
   半導体装置。
2. 前記冷却器の各々は、隣接する前記半導体モジュールと対向する側面に開口しており前記冷媒流路に通じる開口を備えており、
   前記開口の各々が、隣接する前記半導体モジュールに取り付けられている伝熱板によって塞がれており、
   前記加圧部材が加える圧力によって前記開口の封止が確保されている、
   請求項１に記載の半導体装置。

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