JP2019140332A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱伝導率に関して顕著な異方性を有するグラファイト製の伝熱体の特性を有効に使い、冷媒で半導体素子を冷却する冷却器を伴う半導体装置において、冷却性能を向上させる技術を提供する。【解決手段】半導体装置2は、半導体素子12aと、冷却器3と、伝熱体21を備えている。冷却器3は、半導体素子12aの幅広面121と対向している。冷却器3の流路Paは、冷媒の流れ方向からみたときに、半導体素子12aよりも幅が広い。伝熱体21は、半導体素子12aと冷却器3に挟まれており、所定面の面内方向の熱伝導率が所定面の法線方向の熱伝導率よりも高い異方性を有しているグラファイトで作られている。冷媒の流れ方向からみたときの伝熱体21の幅W2は、半導体素子12aの幅W1よりも大きい。伝熱体21は、所定面が冷媒の流れ方向と半導体素子12aの幅広面121の両方に対して非平行になっている。【選択図】図3
Description
本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。特に、半導体素子と、それを冷却する冷却器を備えた半導体装置に関する。
特許文献1に、半導体素子を収容した半導体モジュールと冷却器を備えた半導体装置が開示されている。半導体モジュールは扁平であり、両面の幅広面の夫々に伝熱体が露出している。夫々の伝熱体は、半導体モジュールのパッケージの内部で半導体素子と接触しているとともに、パッケージの外で冷却器と接している。半導体モジュールの両面に冷却器が接しており、冷却器は、半導体モジュールの両側から、伝熱体を介して半導体素子から熱を吸収する。
一方、熱伝導率の高い材料として、近年、熱伝導率の異方性を有するグラファイトが注目を集めている。グラファイトは、所定面の面内方向の熱伝導率が、所定面の法線方向の熱伝導率よりも顕著に高い。
本明細書は、熱伝導率に関して顕著な異方性を有するグラファイト製の伝熱体の特性を有効に使い、冷媒で半導体素子を冷却する冷却器を伴う半導体装置において、冷却性能を向上させる技術を提供する。
本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子と、冷却器と、伝熱体を備えている。冷却器は、半導体素子の一面と対向している。冷却器の流路は、冷媒の流れ方向からみたときに、半導体素子よりも幅が広い。伝熱体は、半導体素子と冷却器に挟まれており、所定面の面内方向の熱伝導率が所定面の法線方向の熱伝導率よりも高い異方性を有しているグラファイトで作られている。冷媒の流れ方向からみたときの伝熱体の幅は、半導体素子の幅よりも大きい。さらに、本明細書が開示する半導体装置では、伝熱体は、所定面が冷媒の流れ方向と半導体素子の一面(冷却器に対向する面)の両方に対して非平行になっている。
以下では、説明の便宜上、伝熱体において、熱伝導率が高い上記所定面を、高伝熱面と称する。本明細書が開示する半導体装置では、高伝熱面が半導体素子の一面と非平行になっている。即ち、高伝熱面が半導体素子から冷却器にわたって広がることになり、半導体素子から冷却器に向けて熱がよく伝達される。また、本明細書が開示する半導体装置では、伝熱体の幅が半導体素子の幅よりも広く、かつ、高伝熱面が、冷媒の流れ方向に対しても非平行になっている。この構造により、冷媒の流れ方向からみて、半導体素子から冷却器へ向けて、伝熱体を通じて拡がるように熱が伝達される。半導体素子よりも幅広の冷媒流路を流れる冷媒に効率よく熱を伝えることができる。
好ましくは、高伝熱面は、半導体素子の一面に対して直交していることが望ましい。このとき、高伝熱面に沿った半導体素子から冷却器までの伝熱経路が最短となる。
半導体素子の一面の法線方向からみて、高伝熱面は、冷媒の流れ方向に対して、45度から90度の範囲で交差しているとよい。半導体素子からその幅方向の外側へ向けての伝熱経路が短くなる。
伝熱板は金属で覆われていることも好適である。グラファイトは比較的に脆いので、金属で覆うことで、伝熱体の耐久性を高めることができる。
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。
(第1実施例)図面を参照して第1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、電力変換器である。半導体装置2は、複数の半導体モジュール10と複数の冷却器3が積層されたデバイスである。夫々の半導体モジュール10には、半導体素子12a、12bが収容されている。図1では、一つの半導体モジュールだけに符号10を付し、他の半導体モジュールには符号を省略した。また、図1では、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た。さらにまた、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。
1個の半導体モジュール10は、2個の冷却器3に挟まれている。半導体モジュール10と一方の冷却器3との間、及び、半導体モジュール10と他方の冷却器3との間には、それぞれ絶縁板6が挟まれている。また、図1では、理解し易いように、1個の半導体モジュール10とその両側の絶縁板6を積層体から抜き出して描いてある。
半導体モジュール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(幅広面)が対向するように積層されている。半導体モジュール10と冷却器3は交互に積層されており、半導体装置2の積層方向の両端には冷却器が位置している。冷却器3は、内部を冷媒が通る単純な流路である。複数の冷却器3は、連結パイプ5a、5bで連結されている。半導体装置2の積層方向の一端に位置する冷却器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半導体モジュール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。矢印Aが冷媒の流れ方向を示している。図1の座標系の+Y方向が、各冷却器3の内部での冷媒の流れ方向に相当する。他の図でも、+Y方向は冷媒の流れ方向に一致させてある。冷媒は液体であり、具体的には、水、あるいは、不凍液である。
半導体装置2は積層方向の一端に板バネ32を伴ってケース31に収容される。板バネ32により、半導体モジュール10と絶縁板6と冷却器3が積層された半導体装置2は、積層方向の両側から加圧される。積層方向の加圧により、半導体モジュール10と絶縁板6と冷却器3が密着し、冷却効率が高まる。
半導体モジュール10を説明する。半導体モジュール10は、樹脂製のパッケージ11に半導体素子12a、12bが封止されたデバイスである。半導体素子12a、12bは、電力変換用のスイッチング素子であり、具体的には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、あるいは、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。絶縁板6と対向する一方の幅広面11aには、放熱板20a、20bが露出している。幅広面11aとは反対側の幅広面11bには、別の放熱板20c、20d(図1では不図示)が露出している。半導体素子12aは、放熱板20a、20cで挟まれており、半導体素子12bは、放熱板20b、20dで挟まれている。詳しくは後述するが、放熱板20a−20dは、銅で覆われた伝熱体である。伝熱体はグラファイトで作られている。
半導体素子12a、12bは、一方の表面にコレクタ電極が露出しており、他方の電極にエミッタ電極が露出している。放熱板20a、20b、20c、20dは、パッケージ11の内部で半導体素子12a、12bのいずれかの電極と導通している。
半導体モジュール10のパッケージ11の一つの幅狭面から3個の端子18a、18b、18cが延びており、反対側の幅狭面からは制御端子19が延びている。パッケージ11の内部で2個の半導体素子12a、12bは、直列に接続されており、正極端子18a(負極端子18b)は、パッケージ11の内部で、2個の半導体素子12a、12bの直列接続の正極側(負極側)と導通している。中点端子18cは、パッケージ11の内部で、2個の半導体素子12a、12bの直列接続の中点と導通している。端子18a−18cは、放熱板20a−20dのいずれかを介して、半導体素子12a、12bの電極と導通している。半導体素子12a、12bと端子18a−18cの間の導電経路については説明を省略する。制御端子19は、半導体素子12a、12bのゲート電極、センスエミッタ電極、温度センサの端子などに接続されている。パッケージ11の内部における制御端子19の配線も図示と説明を省略する。
放熱板20a−20dは、半導体素子12a、12bの熱を冷却器3に伝える役割と、半導体素子12a、12bの電極と端子18a−18cをつなぐ導電経路の役割を担う。放熱板20a−20dは半導体素子12a、12bと導通しているので、半導体モジュール10と冷却器3の間には絶縁板6が挟まれている。なお、冷却器3は、熱伝導率の高い金属、例えばアルミニウムで作られており、導電性を有している。半導体モジュール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。グリスは、熱の伝達効率を高めるために塗布されている。
図2に、半導体装置2を図中の座標系のXZ平面でカットした断面図を示す。図2は、半導体素子12aを通る平面でカットした断面図である。先に述べたように、半導体素子12aは、一対の放熱板20a、20cで挟まれている。半導体素子12aは平坦なチップであり、一方の幅広面121にコレクタ電極が露出しており、他方の幅広面122にエミッタ電極が露出している。一方の放熱板20aは、半導体素子12aの幅広面121に対向している。放熱板20aは、幅広面121に露出しているコレクタ電極と接合しているとともに導通している。他方の放熱板20cは、幅広面122に対向している。放熱板20cは、スペーサ13を挟んで半導体素子12のエミッタ電極と接合しているとともに導通している。放熱板20cは、スペーサ13を介して、半導体素子12aと熱的に接続している。
半導体素子12aを挟んでいる一対の冷却器3は、夫々、半導体素子12aの幅広面121、122と対向している。半導体素子12の熱は、放熱板20a、20cを通じて冷却器3に吸収される。なお、冷却器3は、内部が空洞であり、その空洞が、冷媒の流路Paとなっている。図2において、+Y方向、即ち、紙面手前側から奥側へ向けて冷媒が流れる。
前述したように、放熱板20a、20cは、グラファイトで作られている伝熱体21を銅板22で覆った構造を有している。伝熱体21(グラファイト)は、所定面の面内方向の熱伝導率が所定面の法線方向の熱伝導率よりも高い異方性を有している素材である。以下では、熱伝導率が高い面を高伝熱面と称する。一般に、グラファイトの高伝熱面の熱伝導率は、約800〜1900W/mkである。この数値は、銅(Cu)の熱伝導率(約390W/mK)や銀(Ag)の熱伝導率(約420W/mK)よりも高い。他方、グラファイトの高伝熱面の法線方向の熱伝導率は、約3〜10W/mKと低い。半導体装置2では、グラファイトの異方性を有効に使って、半導体素子の冷却効率を高める。
図3に、図2のIII−III線でカットした半導体装置2の断面図を示す。図3では、半導体モジュール10のパッケージ11は、外側の輪郭だけを実線で示してあり、パッケージ11に埋設されている半導体素子12aと放熱板20a(伝熱体21を覆っている銅板22)は実線で描いてある。また、図4に、図2のIV−IV線でカットした半導体装置2の断面図を示す。図3、図4において、矢印Aは、冷媒の流れ方向を示している。
伝熱体21は、複数のグラファイトシート23を積層したものである。図3、図4では、一部のグラファイトシートに符号「23」を付し、残りのグラファイトシートには符号を省略した。グラファイトシート23のシート面が、高伝熱面に対応する。図3、図4では、図中の座標系におけるXZ面が、高伝熱面と平行である。
図3と図4において、図面右側に示した矢印線Htが、高伝熱面の方向を示している。また、図面右側に示した矢印線FLは、冷媒の流れ方向を示している。半導体装置2では、伝熱体21の高伝熱面(矢印線Ht)が、冷媒の流れ方向(矢印線FL)に対して90度で交差している。図3と図4の記号Ahが、高伝熱面と流れ方向の角度を示している。また、図中の座標系のYZ平面は、半導体素子12aの幅広面121と平行である。伝熱体21の高伝熱面(矢印線Ht)は、半導体素子12aの幅広面121とも90度で交差している。別言すれば、高伝熱面は、冷媒の流れ方向に直交しているとともに、半導体素子の幅広面121とも直交している。
また、図3に示すように、冷媒の流れ方向からみて、伝熱体21の幅W2は、半導体素子12aの幅W1よりも広い。また、冷媒の流路の幅W3は、伝熱体21の幅W2よりも広い。
伝熱体21の高伝熱面が半導体素子12aの幅広面121と交差していることで、高伝熱面は半導体素子12aから冷却器3にわたって広がることになる。それゆえ、半導体素子12aから冷却器3に向けて熱がよく伝達される。特に、高伝熱面が幅広面121と直交していることで、高伝熱面に沿った半導体素子12aから冷却器3までの伝熱経路は最短となる。それゆえ、高伝熱面が幅広面121と直交している場合が、半導体素子12aから冷却器3へ最もよく熱が伝わる。
また、伝熱体21の幅W2が半導体素子12aの幅W1よりも広くなっているとともに、伝熱体21の高伝熱面(矢印線Ht)が、冷媒の流れ方向(矢印線FL)に対して直交している。この構造により、冷媒の流れ方向からみて、半導体素子12aから冷却器3へ向けて、伝熱体21を通じて拡がるように熱が伝達される。図3の矢印Bが、半導体素子12aから外側へ熱が拡がる様子を模式的に表している。
図5に、図2の断面に相当する図であって、断面を示すハッチングを省略した図を示す。図5には、半導体素子12aから冷却器3に向けて伝熱体21を伝わる熱の伝熱方向が矢印線によって模式的に示してある。なお、図5において、半導体モジュール10の上側と下側には冷却器3が配置されているが、その図示は省略してある。
図5の破線D1は、半導体素子12aの縁から冷却器3へ向けて45度の角度で広がるように延びる線を示しており、破線D2は、スペーサ13の縁から冷却器3へ向けて45度の角度で広がるように延びる線を示している。図5では、高伝熱方向は、紙面に平行な方向である。半導体素子12aの熱は、概ね、破線D1、D2に沿って広がる。図5に示すように、冷媒の流れ方向(図中のY方向)からみたときに、半導体素子12a(スペーサ13)から冷却器3に向けて、熱は、伝熱体21の中を、半導体素子12aの外側に拡がるように伝わる。高伝熱面が流れ方向に直交するので、半導体素子12の熱は冷却器3に向けて拡がるように伝わる。よって、高い冷却性能が得られる。
半導体素子12bと、それを挟んでいる放熱板20b、20dの関係についても、半導体素子12aと放熱板20a、20cの関係と同様である。
図6を参照して第1変形例の半導体装置2aを説明する。図6は、図4に対応する断面図である。矢印Aが冷媒の流れ方向を示している。第1変形例の半導体装置2aも、半導体モジュール10aが一対の冷却器3に挟まれている。半導体モジュール10aのパッケージ11は、半導体素子12aを埋設している。半導体素子12aは、パッケージ11の内部で、一対の放熱板120a、120bに挟まれている。放熱板120aは、半導体素子12aの一方の幅広面121に接合している。放熱板120bは、スペーサ13を介して、半導体素子12aの他方の幅広面122と熱的に接続している。
放熱板120a、120bは、伝熱体21aが銅板22で覆われているブロックである。伝熱体21aは、複数のグラファイトシート23aを積層したものである。図6では、一部のグラファイトシートに符号「23a」を付し、残りのグラファイトシートには符号を省略した。グラファイトシート23aのシート面が、熱伝導率の高い高伝熱面に対応する。
図6では、高伝熱面は、図中の座標系のXZ面に対して45度の角度をなしている。図6の右側に示した矢印線Htが、高伝熱面の面内方向を示している。また、矢印線Sfは、半導体素子12aの幅広面121と平行な方向を示している。第1変形例の半導体装置では、伝熱体21aの高伝熱面(矢印線Ht)が、幅広面121に対して45度の角度で交差している。図6の記号Anが、高伝熱面と幅広面の交差角度を示している。なお、高伝熱面は、幅広面の法線方向(図中のX方向)からみて、冷媒の流れ方向(図中の矢印Aの方向)に対して直交している。
伝熱体21aの高伝熱面(矢印線Ht)が、幅広面121(矢印線Sf)に対して45度の角度で交差しているので、直交している場合には劣るが、高伝熱面は半導体素子12aから冷却器3にわたって広がることになる。それゆえ、半導体素子12aから冷却器3に向けて熱がよく伝達される。高伝熱面は、半導体素子12aの幅広面(冷却器3に対向する面)と非平行であればよい。ただし、高伝熱面は、半導体素子12aの幅広面に対して直交していることが望ましい。
図7を参照して、第2変形例の半導体装置2bを説明する。図7は、図3に対応する図であり、半導体素子12aの幅広面の法線方向から見た半導体装置2bの断面図である。図7では、半導体モジュール10bのパッケージ11は、外側の輪郭だけを実線で示してあり、パッケージ11に埋設されている半導体素子12aと放熱板220(伝熱体21bを覆っている銅板22)は実線で描いてある。また、矢印Aは、冷媒の流れ方向を示している。
伝熱体21bは、複数のグラファイトシート23bを積層したものである。図7では、一部のグラファイトシートに符号「23b」を付し、残りのグラファイトシートには符号を省略した。グラファイトシート23bのシート面が、熱伝導率の高い高伝熱面に対応する。図7では、高伝熱面は、XY面に対して45度の角度で交差している。
図7の下側に示した矢印線Htが、高伝熱面の面内方向を示している。また、矢印線FLは、冷媒の流れ方向を示している。図7は、半導体素子12aの幅広面(冷却器3と対向する面)の法線方向から見た図に相当する。第2変形例の半導体装置2bでは、半導体素子12aの幅広面の法線方向からみたときに、高伝熱面(矢印線Ht)が流れ方向(矢印線FLに対して45度の角度で交差している。なお、半導体素子12aの幅広面と高伝熱面は直交している。さらに、伝熱体21bの幅W2は、半導体素子12aの幅W1よりも広く、流路の幅W3は伝熱体21bの幅よりも広い。
高伝熱面が流れ方向に対して45度の角度で交差しているので、半導体素子12aの熱は、冷却器3に向けて、半導体素子12aの外側へ拡がるように伝わる。図7の矢印Bが、半導体素子12aから外側へ熱が拡がる様子を模式的に示している。半導体素子12aの熱が冷却器3へ向けて拡がるように伝わるので、冷却効率が向上する。高伝熱面と流れ方向は、非平行になっていれば、上記の効果が得られるが、好ましくは、高伝熱面と流れ方向は、45度から90度の角度で交差しているのがよい。45度よりも小さい角度で交差していると、流れ方向と直交する方向に熱が伝わるための高伝熱面に沿った伝熱経路が長くなる。さらに好ましくは、高伝熱面と流れ方向は直交しているのがよい。
(第2実施例)図8と図9を参照して第2実施例の半導体装置2cを説明する。図8は、半導体装置2cの平面図であり、図9は、図8のIX−IX線に沿った断面図である。半導体装置2cは、半導体素子12と冷却器3が放熱板20を挟んで積層されているデバイスである。冷却器3は、第1実施例の冷却器と同じであり、図中の座標系の+Y方向に冷媒が流れる。
半導体装置2cは、半導体素子12と、冷却器3と放熱板20を備えている。冷却器3は、半導体素子12の幅広面121と対向しているとともに冷媒の流路Paを有している。冷却器3は、冷媒の流れ方向(図中のY方向)からみたときに、流路Paの幅W3が半導体素子12の幅W1よりも広い。放熱板20は、半導体素子12と冷却器3に挟まれている。放熱板20は、グラファイトで作られている伝熱体21を銅板22で覆ったものである。
伝熱体21は、複数のグラファイトシート23を積層したものである。グラファイトシート23は、シート面方向の熱伝導率が、シート面の法線方向の熱伝導率よりも高い。従って、伝熱体21は、グラファイトシート23のシート面方向の熱伝導率がシート面の法線方向の熱伝導率よりも高い異方性を有している。伝熱体21は、流れ方向からみたときの幅W2が半導体素子12の幅W1よりも広い。また、伝熱体21は、熱伝導率の高い面が冷媒の流れ方向と半導体素子12の幅広面121の両方に対して非平行になっている。より正確には、伝熱体21は、熱伝導率の高い面が冷媒の流れ方向と半導体素子12の幅広面121の両方に対して直交するように配置されている。図8の矢印線Htが熱伝導率の高い方向を示しており、矢印線FLは冷媒の流れ方向を示している。矢印線Htと矢印線FLの交差角度Ahが、冷媒の流れ方向と高伝熱面の交差角度を示している。上記の構造的特徴により、第2実施例の半導体装置2cも、第1実施例の半導体装置2と同様の効果が得られる。
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。半導体素子はIGBTやMOSFETに限られない。グラファイトシートの積層体である伝熱体は、銅板で覆われるかわりに、銀メッキなどで覆われていてもよい。
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、2a、2b、2c:半導体装置
3:冷却器
6:絶縁板
10、10a、10b:半導体モジュール
11:パッケージ
12、12a、12b:半導体素子
13:スペーサ
20、20a−20d:放熱板
21、21a、21b:伝熱体
22:銅板
23、23a、23b:グラファイトシート
120a、120b、220:放熱板
3:冷却器
6:絶縁板
10、10a、10b:半導体モジュール
11:パッケージ
12、12a、12b:半導体素子
13:スペーサ
20、20a−20d:放熱板
21、21a、21b:伝熱体
22:銅板
23、23a、23b:グラファイトシート
120a、120b、220:放熱板
Claims (4)
- 半導体素子と、
前記半導体素子の一面と対向しているとともに冷媒の流路を有しており、前記冷媒の流れ方向からみたときに前記流路の幅が前記半導体素子よりも広い冷却器と、
前記半導体素子と前記冷却器に挟まれており、所定面の面内方向の熱伝導率が前記所定面の法線方向の熱伝導率よりも高い異方性を有しているグラファイトで作られている伝熱体と、
を備えており、
前記伝熱体は、前記流れ方向からみたときの幅が前記半導体素子の幅よりも広く、前記所定面が前記冷媒の流れ方向と前記半導体素子の前記一面の両方に対して非平行になっている、半導体装置。 - 前記所定面が、前記半導体素子の前記一面に対して直交している、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記一面の法線方向からみて、前記所定面が、前記流れ方向に対して、45度から90度の範囲で交差している、請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記伝熱体は金属で覆われている、請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置。
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