JP2018049878A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、一部が樹脂で作られており、劣化し難くかつ半導体素子に対する冷却性能の高い冷却器一体型の半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置２は、樹脂製の冷却器本体１０の内部に複数の半導体モジュール１３が配置されており、冷却器本体１０の内部空間を液体冷媒が通るデバイスである。半導体モジュール１３は、半導体素子を封止している樹脂パッケージ１５と、樹脂パッケージ１５の両側面に露出している放熱板１９ａ、１９ｂを備える。冷却器本体１０（樹脂枠体１０ａ）と、冷却器本体の内部空間に露出する樹脂パッケージ１５の外周部１５ａが第１樹脂で作られており、一対の放熱板１９ａ、１９ｂの間で半導体チップ１７ａ、１７ｂを封止しており、外周部１５ａの内側で内部空間に露出していない内側部１５ｂが第２樹脂で作られている。第１樹脂は第２樹脂よりも加水分解し難く、第２樹脂は第１樹脂よりも比熱が大きい。【選択図】図３

Description

本明細書は、樹脂製の筒状の冷却器本体の内部に複数の半導体モジュールが配置されており、冷却器本体の内部空間を液体冷媒が通る半導体装置を開示する。

上記した半導体装置が特許文献１、２に開示されている。いずれの半導体装置も、半導体モジュールは、半導体素子を封止している樹脂パッケージと、樹脂パッケージの両面に露出する一対の放熱板を備えている。複数の半導体モジュールは、冷却器本体の中で、隣り合う半導体モジュールの放熱板が対向するとともに両者の間に隙間を設けて冷却器本体の筒の軸線方向に並べられている。隣接する半導体モジュールの間の空間が冷媒流路（主流路）となる。夫々の半導体モジュールは、樹脂パッケージの冷却器本体の内周面を向く面の２か所が内周面と接合している。樹脂パッケージと冷却器本体の接合箇所の両側にも、冷却器本体の筒の軸線方向に冷媒が流れる冷媒流路（連結流路）が形成される。一つの半導体モジュールの側方に２か所の連結流路が形成される。冷却器本体の筒の軸線方向の一端に冷媒供給口と冷媒排出口が設けられており、冷媒流入口から導入される液体冷媒は、一方の連結流路を通じて全ての主流路へと分配される。主流路にて放熱板に接して半導体素子の熱を吸収した液体冷媒は、他方の連結流路を通じて冷媒排出口から排出される。そのような半導体装置は、複数の半導体モジュール（半導体素子）に対する冷却効率が高く、例えば、電気自動車の走行用モータを駆動するインバータに用いられる。

特開２０１２−０３３８６４号公報 特開２０１２−００９５６９号公報

特許文献１の半導体装置は、半導体素子を封止する樹脂パッケージと液体冷媒の流路が共に樹脂で作られている。そのような樹脂は、半導体素子の熱を良く吸収するように比熱が大きいことが望ましい。一方、液体冷媒に接しても劣化し難いように加水分解し難い物質であることも望ましい。両方の性質を兼ね備える樹脂が最も望ましいが、そのような樹脂は高価である。本明細書が開示する技術は、一部が樹脂で作られており、劣化し難く、かつ、半導体素子に対する冷却性能の高い半導体装置を安価で提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、樹脂製の筒状の冷却器本体の内部に複数の半導体モジュールが配置されており、冷却器本体の内部空間を液体冷媒が通る冷却器一体型のデバイスである。夫々の半導体モジュールは、半導体素子を封止している樹脂パッケージと、樹脂パッケージの両面（平行な一対の側面）の夫々に露出している一対の放熱板を備えている。複数の半導体モジュールは、冷却器本体の中で、隣り合う半導体モジュールの放熱板が対向するとともに両者の間に隙間を設けて冷却器本体の筒の軸線方向に並べられている。夫々の半導体モジュールは、冷却器本体の筒の内周面の２か所に接合している。冷却器本体と、樹脂パッケージの流路（冷却器本体の内部空間）に露出する外周部が第１樹脂で作られている。一対の放熱板の間で半導体チップを封止しているとともに、外周部の内側で内部空間に露出していない内側部が第２樹脂で作られている。第１樹脂は第２樹脂よりも加水分解し難い樹脂材料で作られており、第２樹脂は第１樹脂よりも比熱が大きい樹脂材料で作られている。すなわち、液体冷媒に触れる部分には加水分解し難い樹脂（第１樹脂）を使い、液体冷媒に触れず、しかし半導体素子の周囲を囲む部分には比熱の大きい樹脂（第２樹脂）を使う。比熱の大きい物質は、同じ体積であれば比熱の小さい物質より多くの熱量を吸収することができる。場所に応じて適切な特性の樹脂を用いることで、液体冷媒に対する劣化耐性と、半導体素子に対する冷却性の両立を図れる半導体装置を安価に実現することができる。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。 冷却器本体を構成する樹脂枠体と、樹脂枠体に接合された半導体モジュールの斜視図である。 図２のIII−III線に沿った断面図である。 図２のIV−IV線に沿った断面図である。

図面を参照して実施例の半導体装置２を説明する。図１に、半導体装置２の斜視図を示す。半導体装置２は、冷却器と冷却対象の半導体モジュール（トランジスタチップ）が一体化したデバイスである。半導体装置２は、複数のトランジスタチップを内蔵しており、例えば直流電力を３相交流電力に変換するインバータの主要部として用いられる。

半導体装置２は、筒状の冷却器本体１０を備えており、その中に、トランジスタチップを封止した複数の半導体モジュールが収容されている。冷却器本体１０は、複数の樹脂枠体１０ａ−１０ｇを連ねたものであり、全体が筒状をなしている。筒状の冷却器本体１０の筒の軸線方向（図中のＸ方向）の端は、前端カバー５と後端カバー６で塞がれている。前端カバー５には冷媒供給口７と冷媒排出口８が設けられている。冷却器本体１０の内部空間の全体が冷媒流路となる。冷媒供給口７と冷媒排出口８は、不図示の冷媒循環装置に接続されており、冷媒供給口７から液体冷媒が供給され、冷却器本体１０の内部で半導体モジュールから熱を吸収し、冷媒排出口８から排出される。トランジスタチップが冷却器本体１０の冷却対象である。冷媒は、水、あるいは、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）などの液体である。

詳しくは後述するが、複数の樹脂枠体１０ａ−１０ｇの一つひとつの枠の内側に半導体モジュールが接合している。一つの半導体モジュールには２個のトランジスタチップが内蔵されている。各樹脂枠体１０ａ−１０ｇの外表面から３個のパワー端子３ａ、３ｂ、３ｃが延びているとともに、複数の制御端子４が延びている。２個のトランジスタチップは、半導体モジュールの内部で直列に接続されており、パワー端子３ａは、直列接続の高電位側と導通している。パワー端子３ｂは直列接続の低電位側と導通している。パワー端子３ｃは、直列接続の中点と導通している。複数の制御端子４は、トランジスタチップのゲートと接続しているゲート端子、トランジスタチップを流れる電流を計測するセンスエミッタと接続しているセンサ端子などである。

図２に、一つの樹脂枠体１０ａの斜視図を示す。他の樹脂枠体１０ｂ−１０ｇも同じ構造を有している。樹脂枠体１０ａの内周面１２ａに半導体モジュール１３が接合している。半導体モジュール１３は、図２の座標系におけるＺ方向の２か所で内周面１２ａに接合している。その結果、図中の座標系のＹ方向の２か所に貫通孔１２ｃ、１２ｄが形成される。樹脂枠体１０ａの筒の軸線方向（図中のＸ方向）の端面１２ｂには２重のガスケット２１が配置されている。端面１２ｂとは反対側の端面にも同様に２重のガスケット２１が配置されている。先に述べたように、複数の樹脂枠体１０ａ−１０ｇは、筒の軸線方向（図中のＸ方向）に積層される。その際、隣接する樹脂枠体同士が２重のガスケット２１を挟んで当接し、筒の内部空間（冷却器本体１０の内部空間）が密封される。なお、図１を参照して説明したように、冷却器本体１０の筒の軸線方向の両端は、前端カバー５と後端カバー６で封止される。以下、説明の便宜上、筒の軸線方向（図中のＸ方向）を筒軸線方向と表記することがある。

複数の樹脂枠体１０ａ−１０ｇと前端カバー５と後端カバー６が組み立てられると、複数の樹脂枠体１０ａ−１０ｇの貫通孔１２ｃと冷媒供給口７とが筒軸線方向に一直線に並び、貫通孔１２ｄと冷媒排出口８が一直線に並ぶ。また、図２に示すように、樹脂枠体１０ａの筒軸線方向（図中のＸ方向）において、樹脂枠体１０ａの端面と半導体モジュール１３の間には空間が確保されている。筒軸線方向で半導体モジュール１３が面する空間が、液体冷媒が流れる主流路Ｐａとなる。主流路Ｐａは、半導体モジュール１３の筒軸線方向の両側に形成される。貫通孔１２ｃ、１２ｄが、隣り合う樹脂枠体１０ａ−１０ｇの主流路Ｐａ同士を連結する連結流路となる。主流路Ｐａと連結流路は、冷却器本体１０の内部空間である。

冷媒供給口７から供給された液体冷媒は、一直線に並んだ貫通孔１２ｃ（連結流路）を通じて各樹脂枠体１０ａ−１０ｇの主流路Ｐａに分配される。各樹脂枠体１０ａ−１０ｇの主流路Ｐａに分配された液体冷媒は、半導体モジュール１３の表面（筒軸線方向を向く面の表面）に沿って流れる。液体冷媒は半導体モジュール１３の表面に沿って流れる間、半導体モジュール１３から熱を吸収する。各樹脂枠体１０ａ−１０ｇにおいて熱を吸収した液体冷媒は、他方の貫通孔１２ｄ（連結流路）と冷媒排出口８を通じて冷却器本体１０から排出される。半導体モジュール１３の表面には、内部のトランジスタチップの熱を伝える放熱板１９ａが露出しており、その表面に複数のフィン１４が設けられている。放熱板１９ａとフィン１４が、半導体モジュール１３の冷却を促進する。図２では隠れて見えないが、放熱板１９ａの反対側には放熱板１９ｂが露出しており、その放熱板１９ｂにも複数のフィン１４が設けられている。

半導体モジュール１３の内部構造を説明する。図３は、図２のIII−III線に沿った断面図であり、図４は、図２のIV−IV線に沿った断面図である。半導体モジュール１３は、２個のトランジスタチップ１７ａ、１７ｂを封止する樹脂パッケージ１５と、樹脂パッケージ１５の両面に露出する放熱板１９ａ、１９ｂを備える。図３に示すように、樹脂パッケージ１５が、放熱板１９ａ、１９ｂの縁を両側から挟み込んでおり、放熱板１９ａ、１９ｂにしっかりと固着している。先に述べたように、放熱板１９ａ、１９ｂの表面に複数のフィン１４が設けられている。放熱板１９ａ、１９ｂとフィン１４は、熱伝導率の高い銅あるいはアルミニウムで作られている。

トランジスタチップ１７ａ、１７ｂは、平板型であり、一方の幅広面にコレクタ電極とゲート電極が露出しており、他方の幅広面にエミッタ電極が露出している。放熱板１９ｂの上に導電板１６ｃが配置されており、その上に２個のトランジスタチップ１７ａ、１７ｂが接合している。なお、放熱板１９ｂと導電板１６ｃの間には不図示の絶縁シートが挟まれている。トランジスタチップ１７ａのエミッタ電極とトランジスタチップ１７ｂのコレクタ電極が導電板１６ｃに接続している。

トランジスタチップ１７ａの上面にスペーサ１８が接合されており、その上面に導電板１６ａが接合されている。スペーサ１８は電気と熱を良く通す銅で作られている。トランジスタチップ１７ａのコレクタ電極はスペーサ１８を介して導電板１６ａと導通している。トランジスタチップ１７ｂの上面にスペーサ１８が接合されており、その上面に導電板１６ｂが接合されている。トランジスタチップ１７ｂのエミッタ電極はスペーサ１８を介して導電板１６ｂと導通している。導電板１６ａ、１６ｂは、放熱板１９ａの裏側に位置している。図示を省略しているが、放熱板１９ａと導電板１６ａ、１６ｂの間にも絶縁シートが挟まれている。

導電板１６ａ、１６ｂ、１６ｃと、トランジスタチップ１７ａ、１７ｂの上記連結構造により、トランジスタチップ１７ａ、１７ｂは、導電板１６ｃを介して直列に接続され、その直列接続の高電位側のトランジスタチップ１７ａのコレクタ電極が導電板１６ａに接続されており、低電位側のトランジスタチップ１７ｂのエミッタ電極が導電板１６ｃに接続されている。導電板１６ａは、樹脂パッケージ１５の内部で先に述べたパワー端子３ａと接続している（図４参照）。導電板１６ｂと導電板１６ｃは、夫々、樹脂パッケージ１５の内部で、先に述べたパワー端子３ｂ、３ｃと接続している。また、図４に示すように、トランジスタチップ１７ａのゲート電極（及び、センスエミッタ端子や温度センサ端子）は、樹脂パッケージ１５の内部でボンディングワイヤ２２を介して制御端子４と接続されている。トランジスタチップ１７ｂのゲート電極等も同様である。

他の樹脂枠体１０ｂ−１０ｇの内部でも、図３、図４と同様に、半導体モジュール１３が配置されている。従って、複数の半導体モジュール１３は、冷却器本体１０（樹脂枠体１０ａ−１０ｇ）の中で、隣り合う半導体モジュールの放熱板１９ａ（１９ｂ）が対向するとともに両者の間に隙間を設けて冷却器本体１０（樹脂枠体１０ａ−１０ｇ）の筒軸線方向（図中のＸ方向）に並べられることになる。隣り合う半導体モジュール１３の間の空間が、主流路Ｐａとなる。

冷却器本体１０（樹脂枠体１０ａ−１０ｇ）の樹脂材料と、半導体モジュール１３の樹脂パッケージ１５の樹脂材料について説明する。半導体モジュール１３は、２種類の樹脂で作られている。樹脂パッケージの冷媒流路（貫通孔１２ｃ、１２ｄと主流路Ｐａであり、冷却器本体１０の内部空間を意味する）に露出する外周部１５ａは第１樹脂で作られている。一対の放熱板１９ａ、１９ｂの間でトランジスタチップ１７ａ、１７ｂを封止しているとともに、外周部１５ａの内側で冷媒流路（冷却器本体１０の内部空間）に露出していない内側部１５ｂは第２樹脂で作られている。冷却器本体１０（樹脂枠体１０ａ−１０ｇ）は、第１樹脂で作られている。

第１樹脂は、第２樹脂よりも加水分解し難い性質を有しており、第２樹脂は、第１樹脂よりも比熱が大きいという特性を有している。例えば、第１樹脂は、エポキシ、ＰＰＳ樹脂（ポリフェニレンサルファイド樹脂）、ＰＡ樹脂（ポリアミド樹脂）などである。第２樹脂は、例えば、潜熱性の大きいパラフィン類を含有したエポシキ樹脂などである。半導体装置２は、上記した２種類の樹脂を用いることで、次の利点を有する。

冷却器本体１０の内部空間（貫通孔１２ｃ、１２ｄ、主流路Ｐａ）には、液体冷媒が流れる。冷却器本体１０は樹脂製であり、金属と比較すると、劣化が早く進行する。なお、樹脂の劣化とは、水分に触れて加水分解することである。一方、図３、図４に示すように、発熱体であるトランジスタチップ１７ａ、１７ｂの周囲にも樹脂が充填されている。トランジスタチップ１７ａ、１７ｂに対する冷却性の観点からは、トランジスタチップ１７ａ、１７ｂの周囲には熱伝導率が高い物質か、あるいは、比熱の大きい物質を配置することが好ましい。液体冷媒に対して劣化耐性が高く、しかも比熱の大きい樹脂が存在するのであれば、冷却器本体１０（樹脂枠体１０ａ−１０ｇ）と樹脂パッケージ１５にそのような樹脂を採用することが望ましい。しかし、そのような樹脂は存在しないか、存在しても高価である。そこで、実施例の半導体装置２では、液体冷媒に触れる箇所には、比熱よりも劣化耐性を重視し、劣化耐性の高い特性（加水分解し難い特性）を有する樹脂材料を採用する。一方、トランジスタチップ１７ａ、１７ｂの周囲で液体冷媒に触れない箇所（内側部１５ｂ）には、劣化耐性よりも熱の吸収性能を重視し、比熱の大きい樹脂材料を採用する。別言すれば、第１樹脂には第２樹脂よりも加水分解し難い樹脂材料を採用し、第２樹脂には第１樹脂よりも比熱が大きい樹脂材料を採用する。このように２種類の樹脂材料を使い分けることで、劣化耐性と、トランジスタチップ１７ａ、１７ｂに対する冷却性能の両立を図る。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例のトランジスタチップ１７ａ、１７ｂが請求項の半導体素子の一例に相当する。本明細書が開示する半導体装置は、トランジスタチップ以外の半導体素子を半導体モジュールに収容するものであってもよい。

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
３ａ、３ｂ、３ｃ：パワー端子
４：制御端子
５：前端カバー
６：後端カバー
７：冷媒供給口
８：冷媒排出口
１０：冷却器本体
１０ａ−１０ｇ：樹脂枠体
１２ａ：内周面
１２ｂ：端面
１２ｃ、１２ｄ：貫通孔
１３：半導体モジュール
１４：フィン
１５：樹脂パッケージ
１５ａ：外周部
１５ｂ：内側部
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ：導電板
１７ａ、１７ｂ：トランジスタチップ
１８：スペーサ
１９ａ、１９ｂ：放熱板
２１：ガスケット
２２：ボンディングワイヤ
Ｐａ：主流路

Claims (1)

1. 樹脂製の筒状の冷却器本体の内部に複数の半導体モジュールが配置されており、当該冷却器本体の内部空間を液体冷媒が通る半導体装置であり、
   夫々の前記半導体モジュールは、半導体素子を封止している樹脂パッケージと、前記樹脂パッケージの平行な一対の側面の夫々に露出している一対の放熱板を備えており、
   複数の前記半導体モジュールは、前記冷却器本体の中で、隣り合う前記半導体モジュールの放熱板が対向するとともに両者の間に隙間を設けて前記冷却器本体の筒の軸線方向に並べられており、
   夫々の前記半導体モジュールは、前記冷却器本体の筒の内周面の２か所に接合しており、
   前記冷却器本体と、前記樹脂パッケージの前記内部空間に露出する外周部が第１樹脂で作られており、前記一対の放熱板の間で前記半導体チップを封止しているとともに、前記外周部の内側で前記内部空間に露出していない内側部が第２樹脂で作られており、
   前記第１樹脂は前記第２樹脂よりも加水分解し難い樹脂材料で作られており、前記第２樹脂は前記第１樹脂よりも比熱が大きい樹脂材料で作られている、半導体装置。

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