JP2018018943A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプアウトの発生を抑制し、半導体素子を冷却する冷却能力を向上させる。【解決手段】本発明の一形態における半導体装置２は、半導体素子を封止したパワーカード１０と、絶縁板６と、内部に冷媒流路３７を有する冷却器３と、が積層され、絶縁板６と冷却器３との間にグリス９が塗布されている。冷却器３は、絶縁板６と対向する側板に窪み３８が設けられており、側板の窪み３８の裏側が冷媒流路３７に突出している。そのため、発熱および冷却によってグリスが面方向に伸縮しても、冷却器３が絶縁板６と対向する側板に形成された窪み３８にグリス９が引っかかることで、ポンプアウトによってグリス９が絶縁板６と冷却器３との間から流出することを抑制できる。さらに、窪み３８の裏側が冷媒流路３７の側に突出しているため、冷媒の流れを乱すことで、冷却性能が向上する。【選択図】図３

Description

本明細書は、半導体装置を開示する。

半導体装置として、半導体素子を封止したパワーカードと、絶縁板と、内部に冷媒流路を有する冷却器と、が積層され、絶縁板と冷却器との間にグリスが塗布されている半導体装置が知られている。

特許文献１には、積層方向と直交する面方向において、第１グリスを、第１グリスよりも粘性の高い第２グリスで囲んだ半導体装置が開示されている。特許文献２には、グリスの面方向の外側にシール材を配置した半導体装置が開示されている。特許文献３には、冷却器の冷媒流路側に突出した突起を有する半導体装置が開示されている。

特開２０１６−５４２２３号公報 国際公開第２０１５／１０２０４６号 特開２０１３−１７５６３９号公報

特許文献１，２に記載された半導体装置では、積層方向に荷重が加えられることで、絶縁板と冷却器との間のグリスの層にも荷重が加わる。グリスの層は、加えられた荷重によって、積層方向に直交する面方向に薄く延ばされる。グリスの層が薄いほど、パワーカードを冷却する冷却能力が高まる。このような半導体装置では、半導体素子の発熱と冷却の繰り返し（熱サイクル）で生じるポンプアウトと呼ばれる現象により、薄く延ばされたグリスが絶縁板と冷却器との間から流出するおそれがある。

本明細書が開示する半導体装置の一形態は、半導体素子を封止したパワーカードと、絶縁板と、内部に冷媒流路を有する冷却器と、が積層され、絶縁板と冷却器との間にグリスが塗布されている。冷却器は、絶縁板と対向する側板に窪みが設けられている。側板における窪みの裏側が冷媒流路に突出している。この形態の半導体装置によれば、発熱および冷却によってグリスが面方向に伸縮しても、冷却器の外側に形成された窪みにグリスが引っかかることで、ポンプアウトによってグリスが絶縁板と冷却器との間から流出することを抑制できる。また、この形態の半導体装置によれば、側板の窪みの裏側が冷媒流路に突出している。その突出部によって、冷媒流路を流れる冷媒の流れを乱すことができる。冷媒の流れが乱されることにより、冷却性能が向上する。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。 パワーカードを裏面から見た斜視図である。 １つのパワーカードを中心に積層される各部材の断面図である。 １つの冷却器と絶縁板と冷却器側グリス層との位置関係を表すための斜視図である。 熱サイクルによって線膨張した冷却器側グリス層についての説明図である。 冷媒流路を流れる冷却媒体の流れ方向についての説明図である。

（実施例）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２の斜視図である。半導体装置２は、複数のパワーカード１０と複数の冷却器３が積層されたユニットである。なお、図１では、一つのパワーカードだけに符号１０を付し、他のパワーカードには符号を省略している。同様に一つの冷却器だけに符号３を付し、他の冷却器には符号を省略している。また、半導体装置２の全体が見えるように、半導体装置２を収容するケース３１は仮想線で描いてある。なお、パワーカード１０と絶縁板６の間、及び、絶縁板６と冷却器３の間にはグリスが塗布されているが、図１と図２ではグリスの図示は省略している。また、図１は、理解し易いように、一つのパワーカード１０（及び絶縁板６）を半導体装置２から抜き出して描いてある。

一つのパワーカード１０には４個の半導体素子が収容されている。４個の半導体素子は、具体的には、２個のトランジスタＴａ、Ｔｂと、２個のダイオードＤａ、Ｄｂである。パワーカード１０の内部構造は後に詳しく説明する。冷却器３を通る冷媒により、半導体素子が冷却される。冷媒は液体であり、典型的には水である。

パワーカード１０と冷却器３は、共に平板型であり、複数の側面のうち最大面積の平坦面が対向するように積層されている。パワーカード１０と冷却器３は交互に積層されており、ユニットの積層方向の両端には冷却器が位置している。パワーカード１０と冷却器３の間には絶縁板６が挟まれている。各パワーカード１０は、その両面の夫々に、絶縁板６を挟んで冷却器３が対向している。

複数の冷却器３は、連結パイプ５ａ、５ｂで連結されている。積層方向の一端の冷却器３には、冷媒供給管４ａと冷媒排出管４ｂが連結されている。冷媒供給管４ａを通じて供給される冷媒は、連結パイプ５ａを通じて全ての冷却器３に分配される。冷媒は各冷却器３を通る間に隣接するパワーカード１０から熱を吸収する。各冷却器３を通った冷媒は連結パイプ５ｂを通り、冷媒排出管４ｂから排出される。

半導体装置２はケース３１に収容される際、積層方向の一端側に板バネ３２が挿入される。その板バネ３２により、パワーカード１０と絶縁板６と冷却器３の積層ユニットには、積層方向の両側から荷重が加えられる。その荷重は、例えば３［ｋＮ］である。後述するように絶縁板６とパワーカード１０の間にはグリスが塗布されるが、３［ｋＮ］という高い荷重は、グリスの層を薄く引き延ばし、パワーカード１０から冷却器３への伝熱効率を高める。パワーカード１０は、直接的には絶縁板６に熱を奪われる。半導体装置２は、半導体素子（２個のトランジスタＴａ、Ｔｂと２個のダイオードＤａ、Ｄｂ）を収容したパワーカード１０にグリスを挟んで絶縁板６（冷却部材）が接しているとともに、パワーカード１０と絶縁板６が密着するようにそれらの積層方向に荷重が加えられているデバイスである。

パワーカード１０を説明する。パワーカード１０において、絶縁板６と対向する一方の平坦面１０ａには、放熱板１６ａ、１６ｂが露出している。説明の便宜上、平坦面１０ａをパワーカード１０の正面と称する。パワーカード１０を裏面（Ｘ軸の負方向）からみた図を図２に示す。平坦面１０ａとは反対側の平坦面１０ｂには、別の放熱板１７が露出している。平坦面１０ｂにはグリスを挟んで別の絶縁板６が接しており、その絶縁板６にはグリスを挟んで別の冷却器３が接している。パワーカード１０は、両面の夫々がグリスを挟んで絶縁板６と接しており、各絶縁板６はグリスを挟んで冷却器３と接している。パワーカード１０の上面（図中Ｚ軸の正方向を向く面）からは３本の電極端子７ａ、７ｂ、７ｃが伸びており、下面（図中Ｚ軸方向の負方向を向く面）からは制御端子２９が伸びている。

図２に示すように、パワーカード１０に封止されている半導体素子であるトランジスタＴａ、Ｔｂと、ダイオードＤａ、Ｄｂは、平坦なチップである。トランジスタＴａおよびダイオードＤａと、トランジスタＴｂおよびダイオードＤｂとは、パワーカード１０の中心を通るＺ軸に平行な直線を基準として対照的に配置される。同様に、トランジスタＴａとトランジスタＴｂ、および、ダイオードＤａとダイオードＤｂとは、パワーカード１０の中心を通るＹ軸と平行な直線を基準として対照的に配置される。

ここからは、図１、図２とともに図３および図４を参照してパワーカード１０、冷却器３、および絶縁板６の構造について説明する。なお、図３以降の各図では、図１および図２に示したＸＹＺ軸と対応するＸＹＺ軸を示している。図３は、１つのパワーカード１０の中心を通るＺＸ平面に平行な断面で切った断面図である。図３では、各部材が積層される前の分解された状態が示され、電極端子７ａ、７ｂ、７ｃおよび制御端子２９の図示を省略している。図３に示すように、絶縁板６と冷却器３との間には、塗布されたグリスとしての冷却器側グリス層９が形成される。冷却器側グリス層９は、冷却器３または絶縁板６に塗布されることで形成される。パワーカード１０と絶縁板６との間には、パワーカード側グリス層８が形成される。なお、冷却器側グリス層９は、請求項におけるグリスに相当する。

パワーカード１０は、半導体素子としての平坦なチップを収納するＹＺ平面に平行に伸びる平板状の形状を有する。冷却器３は、積層方向に対向する２つのアルミニウム製（導電性）の冷却器側板３４を張り合わせた平板状の形状を有する。冷却器３は、内部に冷媒が通過する冷媒流路３７を有する。冷媒流路３７の中には、フィン３６が配置されている。フィン３６は、アルミニウム製の板を波上にプレス加工した波板である。図３では、冷媒流路３７を流れる冷媒の流れる方向を流れ方向ＦＤとして示している。絶縁板６は、薄くて絶縁性が高く、伝熱性の良いセラミックスで作られている。そのため、絶縁板６は、パワーカード１０と冷却器３とを通電させず、パワーカード１０から冷却器３へと伝熱させる。

図４は、一つの冷却器３と絶縁板６と冷却器側グリス層９との位置関係を表すための斜視図である。図４に示すように、２つの冷却器側板３４には、複数の窪み３８が形成されている。窪み３８は、ＹＺ平面において正円形状を有している。窪み３８は、正円の中心の深さが最も大きくなるように、Ｘ軸に沿って、冷却器側板３４に対して半球状の深さを有している。一つの窪み３８の中心と隣接する窪み３８の中心との距離が等間隔になるように、全ての窪み３８が冷却器側板３４に形成されている。また、冷却器側板３４における窪み３８の裏側（冷却器側板３４の冷媒流路３７に面する側）が、冷媒流路３７に突出している。図１に示したように、半導体装置２は、複数の冷却器３を備えており、その全てが、図３、図４で示した構造を備えている。

以下では、本実施例の半導体装置２の効果について説明する。パワーカード１０から冷却器３への伝熱性能の観点から、冷却器側グリス層９の厚みは、できるだけ薄い方が好ましい。冷却器側グリス層９の厚みは１００ミクロン以下が好ましい。一方、冷却器側グリス層９の厚みが薄いと、半導体素子の熱サイクルの累積に伴い、グリスが絶縁板６と冷却器３との間から流出するポンプアウトと呼ばれる現象が発生するおそれがある。

図５は、熱サイクルによって線膨張した冷却器側グリス層９についての説明図である。本実施例の半導体装置２では、複数のパワーカード１０と、複数の絶縁板６と、複数の冷却器３とが積層されている。絶縁板６と冷却器３との間には、冷却器側グリス層９が形成されている。冷却器３は、絶縁板６と対向する冷却器側板３４に窪み３８が形成されている。窪み３８は、冷却器側板３４の反対側（裏側）である冷媒流路３７の側に突出している。そのため、図５に示すように、熱サイクルによって薄く延ばされた冷却器側グリス層９を構成するグリスは、面方向に沿った矢印方向ＣＳ１に延びるものの、冷却器側板３４に形成された窪み３８に引っかかる。これにより、本実施例の半導体装置２では、冷却器側グリス層９が冷却器３と絶縁板６との間から流出するおそれを抑制できる。

図６は、冷媒流路３７を流れる冷却媒体の流れ方向ＦＤについての説明図である。窪み３８は、冷却器側板３４が冷却器側グリス層９と対向する反対側の冷媒流路３７の側に突出している。そのため、窪み３８が突出していない場合と比較して、冷媒流路３７を流れる冷却媒体の流れは、流れ方向ＦＤのように窪み３８によって乱される。冷却媒体の流れが乱されることにより、冷媒流路３７を流れる冷却媒体の冷却性能が向上する。

また、本実施例の半導体装置２では、半導体装置２の構成部品として予め使用されていたパワーカード１０の冷却器側板３４に窪み３８を加工するため、新たな構成部品を必要とせずに、ポンプアウトを抑制できる。

（その他の実施例）
上記実施例では、図４に示すように、冷却器側板３４に形成される窪み３８の一例について説明したが、窪み３８の形状や配置については、種々変形可能である。例えば、窪み３８のＹＺ平面における形状は、正円以外の矩形であったり、矩形と円の組み合わせの形状であってもよい。また、複数の窪み３８同士の距離は、等間隔でなくてもよい。複数の窪み３８のそれぞれが異なる形状であってもよい。また、窪み３８のＸ軸方向に沿った深さは、半球上でなくてもよく、同じ深さであってもよい。また、絶縁板６と対向する側に形成される窪み３８の形状と、冷却器３の冷媒流路３７側に突出する形状が異なっていてもよく、窪み３８は、絶縁板６の側から見て窪んでいて、冷媒流路３７の側に突出していればよい。

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
３…冷却器
４ａ，４ｂ…冷媒排出管
５ａ，５ｂ…連結パイプ
６…絶縁板
７ａ…電極端子
８…パワーカード側グリス層
９…冷却器側グリス層
１０…パワーカード
１０ａ，１０ｂ…平坦面
１６ａ，１７…放熱板
２９…制御端子
３１…ケース
３２…板バネ
３４…冷却器天板
３６…フィン
３７…冷媒流路
３８…窪み
ＣＳ１…矢印方向
Ｄａ，Ｄｂ…ダイオード
ＦＤ…流れ方向
Ｔａ，Ｔｂ…トランジスタ

Claims (1)

1. 半導体素子を封止したパワーカードと、絶縁板と、内部に冷媒流路を有する冷却器と、が積層され、前記絶縁板と前記冷却器との間にグリスが塗布されている半導体装置であって、
   前記冷却器は、前記絶縁板と対向する側板に窪みが設けられており、前記側板における前記窪みの裏側が前記冷媒流路に突出している、半導体装置。