JP2018063999A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂製の冷却器本体の中に、両面に放熱板が接合された半導体モジュールが収められている半導体装置に関し、半導体モジュールの樹脂パッケージと放熱板の間への冷媒の侵入を防止する。【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２０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２０は、半導体素子１７ａ、１７ｂを封止している樹脂パッケージ２１と、樹脂パッケージ２１の幅広面に接合されている放熱板１９ａ、１９ｂを備えている。放熱板の表面に複数のフィン１４が設けられており、複数のフィン１４を囲むように放熱板１９ａ、１９ｂの表面に溝２２が設けられている。樹脂パッケージ２１の放熱板１９ａ、１９ｂと交差する側面から放熱板１９ａ、１９ｂの溝２２にかけて冷却器本体１０の内面又は当該内面から連続する樹脂で覆われている。【選択図】図４

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に開示されている。その半導体装置が備える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接合されている放熱板を備えている。複数の半導体モジュールは、筒状の冷却器本体の中で、隣り合う半導体モジュールの放熱板が隙間を有して対向するように、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となる。半導体モジュールの放熱板は、冷媒流路に晒されていると同時に、内部の半導体素子と熱的に接続されており、半導体素子の熱を冷媒へと放熱する。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の主要部品に用いられる。

特開２０１２−００９５６８号公報

特許文献１の半導体装置の冷却器本体も樹脂で作られており、半導体モジュールは冷却器本体から連続する樹脂で側面（放熱板と交差する側面）を支持されている。放熱板は伝熱性のよい金属で作られており、樹脂パッケージの表面に接合されている。しかし、半導体装置を長期間使っていると、樹脂パッケージと放熱板の間の密着性が劣化してくるおそれがある。放熱板と樹脂パッケージの間の密着性が低下すると、そこから冷媒が漏れるおそれがある。本明細書は、樹脂製の冷却器本体の中に、両面に放熱板が接合された半導体モジュールが収められている半導体装置に関し、樹脂製の冷却器本体を巧みに活用し、樹脂パッケージと放熱板の間への冷媒の侵入を防止する技術を提供する。

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扁平な樹脂パッケージと、樹脂パッケージの平行な一対の幅広面の夫々に接合されているとともに、半導体素子の熱を放熱する一対の放熱板を備えている。放熱板の表面に複数のフィンが設けられているとともに、複数のフィンを囲むように放熱板の表面に溝が設けられている。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隙間を有して対向するように冷却器本体の筒の軸線方向に並べられている。樹脂パッケージの放熱板と交差する側面から放熱板の溝にかけて冷却器本体の内面又は内面から連続する樹脂で覆われている。樹脂パッケージの側面を覆う樹脂が放熱板の縁まで拡がっており、溝の内部に樹脂が充填される。溝に充填された樹脂が放熱板の周縁の封止性を高め、放熱板と樹脂パッケージの間への液体冷媒の侵入が防止される。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。 放熱板が接合された半導体モジュールの斜視図である。 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４（Ａ）は、図３のIV−IV線に沿った断面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の断面において、符号Ｂが示す範囲の拡大図である。 図３のV−V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が一体化したデバイスである。半導体装置２は、複数の半導体モジュールを収容しており、夫々の半導体モジュールが複数のトランジスタチップを封止しており、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品として用いられる。

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。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収容されている。樹脂枠体１０ａ−１０ｇの夫々の外表面から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、一つの半導体モジュール２０の斜視図を示し、図３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。半導体モジュール２０は、樹脂製の扁平な樹脂パッケージ２１と、樹脂パッケージ２１のそれぞれの幅広面に接合されており、片面が露出している一対の放熱板１９ａ、１９ｂを備えている。半導体モジュール２０の内部構造は後に図４、図５を使って説明するが、半導体モジュール２０の内部のトランジスタチップは放熱板１９ａ、１９ｂと熱的に接続されており、トランジスタチップの熱は放熱板１９ａ、１９ｂによく伝わる。放熱板１９ａ、１９ｂの露出面は、冷却器本体１０の内部空間、即ち、冷媒流路に晒される。その放熱板１９ａ、１９ｂの表面には複数のピンフィン１４が設けられている。放熱板１９ａの表面には、複数のピンフィン１４を囲むように溝２２が設けられている。図３では、放熱板１９ｂの表面は見えないが、放熱板１９ａと同様に複数のピンフィンと、それらを囲む溝が設けられている。

図３に示されているように、樹脂枠体１０ａの筒の内周面１２ａに半導体モジュール２０が接合している。樹脂パッケージ２１の放熱板１９ａと交差する側面２１ａ−２１ｄ（図３参照）のうち、平行な２側面２１ｂ、２１ｄが、樹脂枠体１０ａの筒の内周面１２ａに接合している。樹脂枠体１０ａの内側には２本の梁１３が架け渡されており、その梁１３に、樹脂パッケージ２１の残りの２側面２１ａ、２１ｃが接合している。樹脂パッケージ２１の側面２１ａ−２１ｄを覆っているのは、樹脂枠体１０ａ（冷却器本体１０）の内面の樹脂又は内面から連続する樹脂であり、その樹脂は、樹脂パッケージ２１の放熱板１９ａ、１９ｂと交差する側面２１ａ−２１ｄから溝２２にかけて半導体モジュール２０を覆っている。別言すれば、冷却器本体１０の内面から連続する樹脂は、樹脂パッケージ２１の幅広面を除く側面の全てを覆っているとともに、放熱板１９ａ、１９ｂの法線方向（図中のＸ方向）から見たときに環状の溝２２の環の内側まで放熱板１９ａ、１９ｂを覆っている。冷却器本体１０から連続する樹脂と溝２２との関係は、図４、図５を参照して後に詳しく説明する。

冷却器本体１０の内面に設けられた２本の梁１３によって、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５１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５１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５１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３に示すように、樹脂枠体１０ａにおいて、半導体モジュール２０の放熱板１９ａが面する側には、ピンフィン１４の高さに相当する空間が確保されている。筒軸線方向で半導体モジュール２０の放熱板１９ａが面する空間が、液体冷媒が流れる主流路Ｐａとなる。放熱板１９ｂが面する側にも空間が確保され、その空間も液体冷媒が流れる主流路Ｐａとなる。即ち、主流路Ｐａは、半導体モジュール２０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２０の放熱板１９ａ、１９ｂの表面（筒軸線方向を向く表面）に沿って流れる。液体冷媒は放熱板１９ａ、１９ｂに沿って流れる間、放熱板１９ａ、１９ｂとピンフィン１４を介して半導体モジュール２０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２０の内部構造を説明する。図４（Ａ）は、図３のIV−IV線に沿った断面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の断面において、符号Ｂが示す範囲の拡大図である。図５は、図３のV−V線に沿った断面図である。

半導体モジュール２０は、２個のトランジスタチップ１７ａ、１７ｂを封止する扁平な樹脂パッケージ２１と、樹脂パッケージ２１の両方の幅広面に接合されている放熱板１９ａ、１９ｂを備える。図４、図５に示すように、樹脂枠体１０ａの内面から連続する樹脂が樹脂パッケージ２１の側面から放熱板１９ａ、１９ｂの縁までを覆っており、放熱板１９ａ、１９ｂにしっかりと固着している。後に図４（Ｂ）を参照して説明するが、樹脂枠体１０ａの内面又は梁１３から連続する樹脂は、放熱板１９ａ、１９ｂの溝２２まで覆っている。符号４０ａと符号４０ｂが、放熱板１９ａ、１９ｂの表面の縁を覆っているオーバーモールド部を示している。オーバーモールド部４０ｂは、樹脂枠体１０ａの内面から連続している部分であり（図５参照）、オーバーモールド部４０ａは、梁１３から連続している部分である（図４（Ａ）参照）。先に述べたように、放熱板１９ａ、１９ｂの表面に複数のピンフィン１４が設けられている。放熱板１９ａ、１９ｂとピンフィン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。オーバーモールド部４０ａ、４０ｂを含む樹脂枠体１０ａは、例えばエポシキ樹脂で作られている。

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の上記した連結構造により、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１６ｂに接続されている。導電板１６ａは、樹脂パッケージ２１の内部で先に述べたパワー端子３ａと接続している（図５参照）。導電板１６ｂと導電板１６ｃは、夫々、樹脂パッケージ２１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５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２１の内部でボンディングワイヤ５２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。

導電板１６ａ−１６ｃは、トランジスタチップ１７ａ、１７ｂの電極と端子３ａ−３ｂを導通させる導電部材の役割と、トランジスタチップ１７ａ、１７ｂの熱を放熱板１９ａ、１９ｂに伝える伝熱部材の役割を兼ね備える。

他の樹脂枠体１０ｂ−１０ｇの内部でも、図４、図５と同様に、半導体モジュール２０が支持されている。従って、複数の半導体モジュール２０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２０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２０の間の空間が、主流路Ｐａとなる。放熱板１９ａ、１９ｂのピンフィン１４が設けられている側は、主流路Ｐａに晒される。即ち、放熱板１９ａ、１９ｂのピンフィン１４が設けられている側を液体冷媒が流れることになる。

図４（Ａ）に示されているように、梁１３は、樹脂パッケージ２１の側面２１ａ、２１ｃを覆っている。また、図５に示されているように、樹脂枠体１０ａの内周面が樹脂パッケージの側面２１ｂ、２１ｄを覆っている。即ち、樹脂パッケージ２１の側面２１ａ−２１ｄは、樹脂枠体１０ａ（冷却器本体１０）の内周面又は内周面から連続する樹脂（梁１３）で覆われている。

図４（Ｂ）を参照して、樹脂枠体１０ａの内側から連続する樹脂（オーバーモールド部４０ａ、４０ｂ）と放熱板１９ａ、１９ｂの溝２２の関係を説明する。なお、図４（Ｂ）６には、樹脂パッケージ２１と放熱板１９ａの間の絶縁シート３１も描かれている。図４（Ｂ）には表れていないが、絶縁シート３１は、樹脂パッケージ２１の表面に露出している導電板１６ａ、１６ｂを覆っており、導電板１６ａ、１６ｂと放熱板１９ａの間を絶縁する。

図４（Ａ）の符号Ｂが示す範囲は、樹脂枠体１０ａ（冷却器本体１０）の内面から連続する梁１３と放熱板１９ａを含む断面図である。梁１３において放熱板１９ａの縁の表面を覆っているオーバーモールド部４０ａは、放熱板１９ａの表面に設けられた溝２２の中にまで入り込んでいる。図４（Ｂ）において、放熱板１９ａと梁１３の上方は主流路Ｐａであり、液体冷媒で満たされている。図４（Ｂ）における太破線矢印線Ｌａが、想定される漏れ冷媒の浸入ルートであるが、溝２２に梁１３のオーバーモールド部４０ａの樹脂がカギ状に入り込んでいるので太破線矢印線Ｌａの浸入ルートで冷媒が漏れる可能性は極めて小さくなる。溝２２は、放熱板１９ａの表面にて環状に設けられており、環状の溝２２の全周にわたって、図４（Ｂ）の構造が成立している。即ち、溝２２と溝２２に充填される樹脂が、放熱板１９ａの周囲の封止性を高めている。特に、溝２２によって、冷却器本体１０の樹脂と放熱板１９ａ、１９ｂとの接触面積が拡大することと、液体冷媒の想定される浸入ルート（図４（Ｂ）における太破線矢印線Ｌａ）が屈曲することが、液体冷媒の浸入を防止することに貢献する。

樹脂パッケージ２１の側面２１ａ−２１ｄから放熱板１９ａ、１９ｂの表面の溝２２にわたって冷却器本体１０（樹脂枠体１０ａ）の内面から連続する樹脂で覆われているとともに、冷却器本体１０の内面から連続する樹脂（オーバーモールド部４０ａ、４０ｂ）が溝２２に充填されることによって、放熱板１９ａの周縁の封止性が高まり、放熱板１９ａと樹脂パッケージ２１の間への液体冷媒の侵入が防止される。放熱板１９ｂにも同様の溝が設けられており、その溝に冷却器本体１０の内面から連続する樹脂が充填されている。

なお、樹脂製の冷却器本体１０は、放熱板１９ａ、１９ｂを伴った複数の半導体モジュール２０を金型に配置した後、射出成形で作られる。金型内に高温の溶融樹脂が導入されると、金属製の放熱板１９ａ、１９ｂは熱膨張する。放熱板１９ａ、１９ｂの熱膨張により、溝２２の体積も膨張する。溶融樹脂の温度が下がると、放熱板１９ａ、１９ｂが収縮し、溝２２の体積も収縮する。金属製の放熱板１９ａ、１９ｂの熱膨張率（線膨張係数）は、樹脂の熱膨張率よりも大きい。別言すれば、収縮するときの体積変化は金属製の放熱板１９ａ、１９ｂの方が樹脂よりも大きい。例えば、エポシキ樹脂の線膨張係数は１４［ｐｐｍ／Ｋ］であるのに対して、放熱板１９ａ、１９ｂの材料であるアルミニウムの線膨張係数は２３［ｐｐｍ／Ｋ］である。放熱板１９ａ、１９ｂの収縮により、溝２２の中の固化した樹脂は、溝２２の両側から締め付けられることになり、溝内部の樹脂と溝２２の側面との密着性が高まる。図４（Ｂ）の矢印Ｌｂが、溝内の樹脂を溝２２の側面が締め付けていることを模式的に示している。この高い密着性が、梁１３を含む、冷却器本体１０の内面から連続する樹脂と放熱板１９ａ、１９ｂとの間の密閉性をより一層高める。

また、冷却器本体１０の成形前に、放熱板１９ａ、１９ｂの表面には、シランカップリング剤が塗布してある。シランカップリング剤は、樹脂と金属（放熱板１９ａ、１９ｂ）の間の接合性を高めるプライマとして作用する。

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：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：梁
１４：ピンフィン
１６ａ−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
２０：半導体モジュール
２１：樹脂パッケージ
２１ａ−２１ｄ：側面
２２：溝
３１：絶縁シート
４０ａ、４０ｂ：オーバーモールド部
５１：ガスケット
５２：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扁平な樹脂パッケージと、前記樹脂パッケージの平行な一対の幅広面の夫々に接合されているとともに、前記半導体素子の熱を放熱する一対の放熱板を備えており、
   前記放熱板の表面に複数のフィンが設けられているとともに、前記複数のフィンを囲むように前記放熱板の前記表面に溝が設けられており、
   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隙間を有して対向するように前記冷却器本体の筒の軸線方向に並べられており、
   前記樹脂パッケージの前記放熱板と交差する側面から前記放熱板の溝にかけて前記冷却器本体の内面又は当該内面から連続する樹脂で覆われている、半導体装置。

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