JP2019080004A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱板の付近で絶縁板が損傷することを防止するための技術を提供する。【解決手段】半導体装置２は、一面に放熱板２４Ｂが露出している半導体モジュール２０と、放熱板２４Ｂを覆っている絶縁板４０と、絶縁板４０を覆っている冷却板５０と、パッケージ３０と絶縁板４０と冷却板５０とを支持している支持部６２を備えている冷却器６０を備えている。支持部６２は、パッケージ３０の外周面と、絶縁板４０の外周面と、冷却板５０の外周面と、冷却板５０の周縁の領域を覆っており、冷却板５０の法線方向からみたときに、冷却板５０の外周面は、パッケージ３０の外周面よりも外側に位置しており、冷却板５０の法線方向からみたときに、支持部６２の周縁の領域を覆っている部分の内縁が、パッケージ３０の外周面の絶縁板４０の側の端よりも外側に位置している。【選択図】図３

Description

本明細書が開示する技術は、樹脂製のパッケージの内部に半導体素子を封止している半導体モジュールと、樹脂製の冷却器を備えている半導体装置に関する。

特許文献１には、樹脂製のパッケージの内部に半導体素子を封止している半導体モジュールと、樹脂製の冷却器を備えている半導体装置が開示されている。半導体モジュールの一面に、放熱板が露出している。放熱板は、絶縁シートに覆われている。絶縁シートは、冷却板に覆われている。これにより、冷却板は、絶縁シートによって、放熱板から絶縁される。冷却器は、パッケージと絶縁板と冷却板とを支持している支持部を備えているとともに、冷却板の絶縁板を覆っている面と反対側の面に沿って冷媒を流す流路を備えている。支持部は、パッケージの外周面と、絶縁板の外周面と、冷却板の外周面と、冷却板の上記の反対側の面のうちの周縁の領域を覆っている。半導体装置は低温状態と高温状態を繰り返し、温度が低下していく過程で生じる冷却板の反りは、冷却板の周縁の領域を覆っている支持部によって抑制される。

上記したように、特許文献１に開示された半導体装置では、支持部によって冷却板の反りを抑制することができる。しかし、支持部は、温度が高温状態から低下していく過程で熱収縮する。支持部が熱収縮すると、支持部から冷却板に力が作用し、冷却板とパッケージの間に挟まれた絶縁板が圧縮される。上記のように、パッケージの一面には放熱板が露出している。このため、絶縁板が圧縮されると、放熱板の角部と絶縁板との接触箇所に応力が集中し、放熱板の付近で絶縁板が損傷する虞がある。

特開２０１６−１３１１９６号公報

本明細書は、特許文献１に開示された半導体装置を改良して、放熱板の付近で絶縁板が損傷することを防止するための技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、樹脂製のパッケージの内部に半導体素子を封止しているとともに、少なくとも一面に放熱板が露出している半導体モジュールと、放熱板を覆っている絶縁板と、絶縁板を覆っている冷却板と、樹脂製の冷却器とを備えている。冷却器は、パッケージと絶縁板と冷却板とを支持している支持部を備えているとともに、冷却板の絶縁板を覆っている面と反対側の面に沿って冷媒を流す流路を備えている。支持部は、パッケージの外周面と、絶縁板の外周面と、冷却板の外周面と、冷却板の反対側の面のうちの周縁の領域と、を覆っており、冷却板の法線方向からみたときに、冷却板の外周面は、パッケージの外周面よりも外側に位置しており、冷却板の法線方向からみたときに、支持部の周縁の領域を覆っている部分の内縁が、パッケージの外周面の絶縁板の側の端よりも外側に位置している。

支持部が熱収縮すると、支持部のうち、冷却板の周縁の領域を覆っている部分から冷却板に力が作用する。上記の構成によれば、この力は、パッケージの外周面より外側で冷却板を折り曲げるように作用する。例えば、絶縁板の外周面がパッケージの外周面より外側に位置している場合には、冷却板は、絶縁板とパッケージの外周面との接触箇所を起点として折り曲がる。また、例えば、絶縁板の外周面がパッケージの外周面より内側に位置している場合には、冷却板は、絶縁板の外周面と冷却板との接触箇所を起点として折り曲がる。上記のいずれの例でも、折り曲げの起点に応力を集中させて、放熱板の角部と絶縁板との接触箇所に応力が集中することを抑制することができる。この結果、放熱板の付近で絶縁板が損傷することを防止することができる。

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を積層した半導体冷却装置の斜視図である。 実施例の半導体装置の斜視図である。 実施例の半導体装置の断面図である。 図３の破線IVが示す範囲の部分断面図である。 比較例の半導体装置の部分断面図である。 放熱板の角部と絶縁板との接触箇所の応力の最大値を示すグラフ（Ｙ軸方向）である。 放熱板の角部と絶縁板との接触箇所の応力の最大値を示すグラフ（Ｚ軸方向）である。

図面を参照して実施例の半導体装置１００Ａ〜１００Ｇを説明する。半導体装置１００Ａ〜１００Ｇは、互いに同一の構成を有している。半導体装置１００Ａ〜１００Ｇを積層することによって、半導体冷却装置３００が構成される。以下、半導体装置１００Ａ〜１００Ｇを総称して、「半導体装置１００」と呼ぶ。図１は、半導体冷却装置３００の斜視図を示し、図２は、半導体装置１００の斜視図を示し、図３は、図２のII‐II線における半導体装置１００の断面図を示す。各図には、ＸＹＺ座標系が定義されており、以下では、ＸＹＺ座標系を適宜利用して説明を続ける。

半導体冷却装置３００は、各半導体装置１００に収容されている半導体モジュール２０を冷却する装置である。図２に示すように、半導体装置１００は、樹脂製の筒状の樹脂枠６０を備えている。図２では、冷却板５０に隠れて見えないが、樹脂枠６０の内側には、半導体モジュール２０が配置されている。半導体冷却装置３００は、樹脂枠６０の筒の軸線方向（即ち、Ｘ軸方向）に沿って、半導体装置１００Ａ〜１００Ｇを積層することによって構成される。半導体装置１００Ａ〜１００Ｇを積層することによって、半導体装置１００Ａ〜１００Ｇの樹脂枠６０の内側の空間が互いに連通する。図１に示すように、半導体装置１００Ａ〜１００Ｇを積層した積層体の積層方向（即ち、Ｘ軸方向）における半導体装置１００Ａ側の一端には、冷媒供給管３０６と冷媒排出管３０８を備えている第１カバー３０２が配置されており、当該積層体の積層方向における半導体装置１００Ｇ側の他端には、第２カバー３０４が配置されている。冷媒供給管３０６と冷媒排出管３０８は、各半導体装置１００の樹脂枠６０の内側の空間と連通する。樹脂枠６０の内側が、冷媒が流れる流路に相当する。冷媒は、冷媒供給管３０６から供給される。冷媒は、各半導体装置１００の樹脂枠６０の内側の空間（流路）を通過して冷却板５０に接触することで半導体モジュール２０から熱を吸収する。冷媒は、冷媒排出管３０８から排出される。冷媒は、水、あるいは、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）などである。

半導体装置１００は、図２、３に示すように、半導体モジュール２０と、２枚の絶縁板４０、４２と、２枚の冷却板５０、５２と、樹脂枠６０を備えている。なお、図２では、半導体モジュール２０と、２枚の絶縁板４０、４２と、冷却板５２が隠れて見えない。半導体モジュール２０は、樹脂製のパッケージ３０の内部に半導体素子２２Ａ、２２Ｂを封止している。半導体素子２２Ａ、２２Ｂの夫々は、例えば、その内部で絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（通称ＩＧＢＴ）とダイオードが逆並列に接続されたチップである。樹脂製のパッケージ３０のＸ軸正方向における端面には、２枚の放熱板２６Ａ、２６Ｂが露出しておりＸ軸負方向における端面には、１枚の放熱板２８が露出している。各放熱板２６Ａ、２６Ｂ、２８は、金属製（例えば、銅製）の板である。

放熱板２６Ａは、スペーサ２４Ａを介して、半導体素子２２Ａに接続されている。同様に、放熱板２６Ｂは、スペーサ２４Ｂを介して、半導体素子２２Ｂに接続されている。各スペーサ２４Ａ、２４Ｂは、金属製（例えば、銅製）のプロックである。また、放熱板２８は、スペーサ２４Ａ、２４Ｂが配置されている側とは反対側で、スペーサを介さずに、半導体素子２２Ａ、２２Ｂに接続されている。

絶縁板４０は、放熱板２６Ａ、２６Ｂと、パッケージ３０の放熱板２６Ａ、２６Ｂの側の端面を覆っている。また、絶縁板４２は、放熱板２８と、パッケージ３０の放熱板２８の側の端面を覆っている。

冷却板５０は、絶縁板４０を覆っている。冷却板５０の絶縁板４０を覆っている面と反対側の面には、フィン５１が設けられている。フィン５１は、複数枚の板が櫛状に並んだ構造を有している。絶縁板４２を覆っている冷却板５２も、同様の構造を有しており、フィン５３が設けられている。なお、変形例では、フィン５１、５３は、複数個のピンが縦横に並んだ構造を有していてもよい。

樹脂枠６０は、上記したように、半導体モジュール２０を収容する筒状の枠であり、その内側の空間が、冷媒が流れる流路Ｐに相当する。即ち、樹脂枠６０は、半導体モジュール２０を冷却するための冷却器として機能する。図２に示すように、樹脂枠６０は、Ｚ軸方向における一対の外壁６６、６８の間に架け渡されている一対の支持部６２、６４を備えている。一対の支持部６２、６４は、Ｙ軸方向に沿って、間隔を開けて並んでおり、図３に示すように、半導体モジュール２０のパッケージ３０と、２枚の絶縁板４０、４２と、２枚の冷却板５０、５２を支持している。

半導体装置１００は、半導体モジュール２０と、２枚の絶縁板４０、４２と、２枚の冷却板５０、５２を図３に示すように積層したアセンブリを製造した後に、当該アセンブリを射出成形の金型内に収容しておいて、樹脂を射出成形することによって製造される。この際、一対の支持部６２、６４が、パッケージ３０のＹ軸方向における外周面と、２枚の絶縁板４０、４２のＹ軸方向における外周面と、２枚の冷却板５０、５２のＹ軸方向における外周面を覆うように成形される。また、一対の外壁６６、６８が、パッケージ３０のＺ軸方向における外周面と、２枚の絶縁板４０、４２のＺ軸方向における外周面と、２枚の冷却板５０、５２のＺ軸方向における外周面を覆うように成形される。

図２に示すように、半導体装置１００は、３本の出力端子８０Ａ〜８０Ｃと、複数本の制御端子８２を備えている。半導体素子２２Ａ、２２Ｂは、半導体モジュール２０の内部で直列に接続されており、出力端子８０Ａは、直列接続の高電位側の電極と導通している。出力端子８０Ｂは直列接続の低電位側の電極と導通している。出力端子８０Ｃは、直列接続の中点と導通している。複数本の制御端子８２は、３本の出力端子８０Ａ〜８０Ｃの反対側に延びている。複数本の制御端子８２は、ＩＧＢＴのゲートと接続しているゲート端子、ＩＧＢＴのセンスエミッタと接続しているセンサ端子などである。

放熱板２６Ａは、出力端子８０Ａの一部を構成しており、半導体素子２２Ａの電極と導通している。同様に、放熱板２６Ｂは、出力端子８０Ｂの一部を構成し、放熱板２８は、出力端子８０Ｃの一部を構成している。図３に示されている絶縁板４０は、放熱板２６Ａ、２６Ｂと冷却板５０の間を絶縁し、絶縁板４２は、放熱板２８と冷却板５２の間を絶縁する。

また、図２、図３に示すように、樹脂枠６０の筒の軸線方向（即ち、Ｘ軸方向）の両端面６０ａ、６０ｂには、二重のシール部材７０、７２が配置されている。これにより、各半導体装置１００を積層すると、樹脂枠６０の内側の空間が密閉される。

図４を参照して、半導体モジュール２０と２枚の絶縁板４０、４２と２枚の冷却板５０、５２を支持する支持部６２の詳細について説明する。図４は、絶縁板４０及び冷却板５０のＹ軸負方向における外周面付近の範囲（即ち、図３の破線IVが示す範囲）の部分断面図である。図４に示すように、支持部６２は、各部材３０、４０、５０のＹ軸負方向における外周面を覆っていると共に、冷却板５０のフィン５１が設けられている面のうちの周縁の領域５０ａも覆っている。

図４に示すように、冷却板５０のＹ軸負方向における外周面は、冷却板５０の法線方向（即ち、Ｘ軸方向）からみたときに、パッケージ３０の外周面よりも外側に位置している。また、絶縁板４０のＹ軸負方向における外周面も、上記の法線方向からみたときに、パッケージ３０の外周面よりも外側に位置している。そして、支持部６２のうち、冷却板５０の周縁の領域５０ａを覆っている部分６２ａの内縁Ｐ２は、パッケージ３０のＹ軸負方向における外周面の絶縁板４０の側の端Ｐ１よりも外側に位置している。

また、支持部６２は、各部材４０、５０とは反対側に位置している絶縁板４２及び冷却板５２のＹ軸負方向における外周面を覆っていると共に、冷却板５２のフィン５３が設けられている面のうちの周縁の領域も覆っている。支持部６２と各部材３０、４０、５０との間で成立している上記の位置関係は、支持部６２のうち冷却板５２の周縁の領域を覆っている部分と各部材３０、４２、５２との間でも同様に成立する。また、上記の位置関係は、支持部６４と各部材３０、４０、４２、５０、５２との間でも同様に成立する。

また、冷却板５０、５２及び絶縁板４０、４２のＺ軸方向における外周面は、冷却板５０の法線方向からみたときに、パッケージ３０のＺ軸方向における外周面よりも外側に位置している。上記したように、樹脂枠６０の一対の外壁６６、６８は、各部材３０、４０、４２、５０、５２のＺ軸方向における外周面を覆っている。詳細な説明は省略するが、外壁６６、６８も、支持部６２と同様に、冷却板５０、５２のフィン５１、５３が設けられている面のうちの周縁の領域も覆っている部分の内縁が、パッケージ３０のＺ軸正方向における外周面の絶縁板４０、４２の側の端よりも外側に位置している。

半導体装置１００を含む半導体冷却装置３００は、電力変換装置に適用され、例えば、電気自動車に搭載される。電気自動車の電力変換装置は、電源の直流電力を走行用モータの駆動に適した交流電力に変換する。走行用モータに供給する電力は数十キロワットと大きく、半導体冷却装置３００内の半導体装置１００は発熱量が大きい。発熱量の大きい半導体装置１００は、その内部の樹脂枠６０（即ち、冷却器）の内側の流路Ｐを流れる冷媒によって冷却される。半導体装置１００は、高温状態と低温状態を繰り返すことになる。温度が低下していく過程で、樹脂製の支持部６２、６４は熱収縮する。支持部６２、６４が熱収縮すると、絶縁板４０、４２に負荷が加わる。以下に述べるが、本実施例の半導体装置１００は、支持部６２、６４が熱収縮して絶縁板４０、４２に負荷が加わる状況で、絶縁板４０、４２の絶縁性能が低下することを防止することができる。

図５に示す比較例を参照して、半導体装置１００の利点を説明する。図５に示す比較例の半導体装置は、支持部１６２の構成が異なる点を除いて、本実施例の半導体装置１００と同様の構成を備えている。支持部１６２は、本実施例の支持部６２と同様に、各部材３０、４０、４２、５０、５２を支持する。支持部１６２のうち、冷却板５０の周縁の領域５０ａを覆っている部分１６２ａの内縁Ｐ３は、パッケージ３０のＹ軸負方向における外周面の絶縁板４０の側の端Ｐ１よりも内側に位置している。別言すれば、部分１６２ａの内縁Ｐ３と放熱板２６Ｂの角部Ｐ０との間の距離Ｌ３が、パッケージ３０のＹ軸負方向における外周面の絶縁板４０の側の端Ｐ１と角部Ｐ０との間の距離Ｌ１よりも短い。

図５の比較例の半導体装置は、距離Ｌ３が距離Ｌ１より短い上記の関係を有している。このため、支持部１６２が熱収縮すると、支持部１６２の部分１６２ａから冷却板５０に作用する力は、パッケージ３０の外周面より内側に作用する。この力により、絶縁板４０が、冷却板５０とパッケージ３０のＸ軸正方向における端面の間に挟まれて圧縮される。ここで、パッケージ３０のＸ軸正方向における端面には、放熱板２６Ｂが露出している。このため、絶縁板４０が圧縮されると、放熱板２６Ｂの角部Ｐ０と絶縁板４０の接触箇所（即ち、角部Ｐ０の付近）に応力が集中し、絶縁板４０が放熱板２６Ｂの付近で損傷する虞がある。絶縁板４０が放熱板２６Ｂの付近で損傷すると、絶縁板４０の絶縁性能が低下する虞がある。

これに対して、本実施例の半導体装置１００（図４参照）では、支持部６２の周縁の領域５０ａを覆っている部分６２ａの内縁Ｐ２が、パッケージ３０のＹ軸負方向における外周面の絶縁板４０の側の端Ｐ１よりも外側に位置している。別言すれば、部分６２ａの内縁Ｐ２と放熱板２６Ｂの角部Ｐ０との間の距離Ｌ２が、端Ｐ１と角部Ｐ０との間の距離Ｌ１よりも長い。このため、支持部６２が熱収縮すると、部分６２ａから冷却板５０に作用する力は、パッケージ３０の外周面より外側で冷却板５０を折り曲げるように作用する。即ち、冷却板５０は、絶縁板４０とパッケージ３０の外周面の絶縁板４０の側の端Ｐ１との接触箇所（即ち、端Ｐ１の付近）を起点として折り曲がる。これにより、端Ｐ１の付近の起点に応力が集中し、放熱板２６Ｂの角部Ｐ０と絶縁板４０の接触箇所（即ち、角部Ｐ０の付近）に応力が集中することを防止することができる。即ち、放熱板２６Ｂの付近で絶縁板４０が損傷することが防止され、絶縁板４０の絶縁性能が低下することを防止することができる。

また、支持部６２は、各部材３０、４２、５２のＹ軸負方向における外周面を、図４と同様の構成により覆っている。さらに、支持部６４は、各部材３０、４０、４２、５０、５２のＹ軸正方向における外周面を、図４と同様の構成により覆っている。このため、放熱板２６ＡのＹ軸正方向における角部及び放熱板２８のＹ軸の両方向における角部でも応力が集中することが防止され、放熱板２６Ａ及び放熱板２８の付近で絶縁板４０、４２が損傷することが防止される。また、一対の外壁６６、６８も、支持部６２と同様の構成により、各部材３０、４０、４２、５０、５２を支持している。このため、放熱板２６Ａ、２６Ｂ、２８のＺ軸の両方向における角部に応力が集中することが防止され、放熱板２６Ａ、２６Ｂ、２８の付近で絶縁板４０、４２が損傷することが防止される。

図６は、放熱板２６ＢのＹ軸負方向における角部Ｐ０と絶縁板４０の接触箇所（即ち、角部Ｐ０の付近）に発生する応力の最大値のグラフである。図６に示すように、比較例の応力の最大値に対して、実施例の応力の最大値は、約６０パーセント低下している。また、図７は、放熱板２６ＢのＺ軸正方向における角部と絶縁板４０の接触箇所に発生する応力の最大値のグラフである。図７に示すように、比較例の応力の最大値に対して、実施例の応力の最大値は、約８０パーセント低下している。図６、図７のグラフからも明らかなように、本実施例の構成では、放熱板２６Ｂの角部に応力が集中することが防止され、放熱板２６Ｂの付近で絶縁板４０が損傷することを防止することができる。

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。

上記の実施例では、絶縁板４０のＹ軸負方向における外周面は、冷却板５０の法線方向からみたときに、パッケージ３０のＹ軸負方向における外周面よりも外側に位置している。この代わりに、絶縁板４０のＹ軸負方向における外周面は、冷却板５０の法線方向からみたときに、パッケージ３０のＹ軸負方向における外周面よりも内側に位置していてもよい。この場合、冷却板５０は、絶縁板４０のＹ軸負方向における外周面と冷却板５０の接触箇所（即ち、絶縁板４０のＹ軸負方向における外周面の冷却板５０の側の端）を起点として折り曲がる。この例でも、絶縁板４０のＹ軸負方向における外周面の付近に応力が集中し、放熱板２６Ｂの角部Ｐ０の付近に応力が集中することを防止することができる。

冷却板５０、５２は、フィン５１、５３を備えなくてもよい。半導体モジュール２０の両端面のうちの一方の端面（例えば、Ｘ軸正方向の端面）に、放熱板が露出しており、他方の端面に、放熱板が露出していなくてもよい。この場合、絶縁板及び冷却板は、放熱板が露出している一方の端面の側のみに配置されていてもよい。

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。

２０ ：半導体モジュール
２２Ａ、２２Ｂ ：半導体素子
２４Ａ、２４Ｂ ：スペーサ
２６Ａ、２６Ｂ、２８ ：放熱板
３０ ：パッケージ
４０、４２：絶縁板
５０、５２：冷却板
５０ａ ：領域
５１、５３：フィン
６０ ：樹脂枠（冷却器）
６０ａ、６０ｂ ：端面
６２、６４：支持部
６２ａ ：部分
６６、６８：外壁
７０、７２：シール部材
８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃ ：出力端子
８２ ：制御端子
１００Ａ〜１００Ｇ（１００） ：半導体装置
３００ ：半導体冷却装置
３０２ ：第１カバー
３０４ ：第２カバー
３０６ ：冷媒供給管
３０８ ：冷媒排出管
Ｐ ：流路
Ｐ０ ：角部
Ｐ１ ：端
Ｐ２、Ｐ３：内縁

Claims (1)

1. 樹脂製のパッケージの内部に半導体素子を封止しているとともに、少なくとも一面に放熱板が露出している半導体モジュールと、
   前記放熱板を覆っている絶縁板と、
   前記絶縁板を覆っている冷却板と、
   前記パッケージと前記絶縁板と前記冷却板とを支持している支持部を備えているとともに、前記冷却板の前記絶縁板を覆っている面と反対側の面に沿って冷媒が流れる流路を備えている樹脂製の冷却器と、
   を備えており、
   前記支持部は、前記パッケージの外周面と、前記絶縁板の外周面と、前記冷却板の外周面と、前記冷却板の前記反対側の面のうちの周縁の領域と、を覆っており、
   前記冷却板の法線方向からみたときに、前記冷却板の前記外周面は、前記パッケージの前記外周面よりも外側に位置しており、
   前記冷却板の法線方向からみたときに、前記支持部の前記周縁の領域を覆っている部分の内縁が、前記パッケージの前記外周面の前記絶縁板の側の端よりも外側に位置している、
   半導体装置。