JP2019080004A - 半導体装置 - Google Patents

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Ryo YOKOZAWA
諒 横澤
片山 幸久
Yukihisa Katayama
幸久 片山
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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。
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