JP2019186430A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、半導体モジュールを挟んだ複数の冷却器が積層方向でボルト留めされた半導体装置に関し、改良された半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置２は、複数の冷却器３と、半導体モジュール３０と、一対の連結管４ａ、４ｂを備えている。夫々の冷却器３０の内部には、冷媒が流れる第１流路１２が設けられている。半導体モジュール３０は、隣り合う冷却器３に挟まれている。一対の連結管４ａ、４ｂは、隣り合う冷却器３を連結している。積層方向の一端に位置する冷却器３ａには、一対の冷媒給排口５ａ、５ｂが設けられている。夫々の冷媒給排口から積層方向の他端に位置する冷却器まで延びている第２流路１３内に、ボルト６ａ、６ｂのヘッド６１が係止されるボルト係止部７と、ボルト６ａ、６ｂが固定される雌ネジ部８が設けられている。ボルト係止部７と雌ネジ部８の間の冷却器３がボルト６ａ、６ｂで固定されている。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、一列に配置されている複数の冷却器と、隣接する冷却器の間に半導体モジュールが挟まれている半導体装置に関する。

特許文献１、２に、一例に配置されている複数の冷却器と、隣り合う冷却器の間に挟まれている半導体モジュール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、冷却器の内部を流れる冷媒によって両側から冷却される。冷却効率を高めるため、半導体装置は、冷却器と半導体モジュールの積層方向に加圧される。特許文献１の半導体装置は、ケースとの間に圧縮バネが挿入されており、圧縮バネの力により積層方向に加圧される。

特許文献２の半導体装置では、夫々の冷却器の両端にタブが設けられている。タブは、冷却器と半導体モジュールの積層方向に交差する方向で冷却器の両端に設けられている。複数の冷却器は、タブを積層方向に貫くボルトで相互に固定されている。半導体装置は、ボルトで積層方向に加圧される。

また、特許文献３には、一対の冷却器が半導体モジュールを挟んでいる半導体装置が開示されている。一対の冷却器は、積層方向にそれらを貫通するボルトで固定されている。ボルトは、冷却器の内部の冷媒流路を貫通している。特許文献３の半導体装置も、ボルトで積層方向に加圧される。

特開２００７−１６６８２０号公報 特開２０１２−２３８６８１号公報 特開２００９−２１２１３７号公報

特許文献１の半導体装置は、板バネを配置するスペースを必要とする。特許文献２の半導体装置では、タブが半導体装置のサイズを大きくしている。特許文献３の半導体装置は、冷却器にボルトが貫通する孔が設けられており、ボルトと孔の隙間を塞ぐ手段が必要とされる。本明細書が開示する技術は、半導体モジュールを挟んだ複数の冷却器が積層方向でボルト留めされた半導体装置の改良に関する。

本明細書が開示する半導体装置は、一列に配置されている複数の冷却器と、半導体モジュールと、一対の連結管を備えている。夫々の冷却器の内部には、冷媒が流れる第１流路が設けられている。半導体モジュールは、隣り合う冷却器に挟まれている。一対の連結管は、隣り合う冷却器の第１流路を連通している。一対の連結管は、冷却器と半導体モジュールの積層方向に交差する方向で半導体モジュールの両側に配置されている。積層方向の一端に位置する冷却器には、積層方向に沿ってみたときに一対の連結管の夫々と重なるように一対の冷媒給排口が設けられている。夫々の冷媒給排口から積層方向の他端に位置する冷却器まで延びている第２流路内に、ボルトが挿通されるとともにボルトのヘッドが係止されるボルト係止部が設けられているとともに、ボルトが固定される雌ネジ部が設けられている。ボルト係止部と雌ネジ部の間の冷却器がボルトで固定されている。ボルトの締結荷重により、冷却器と半導体モジュールには相互に加圧される。

本明細書が開示する半導体装置は、第２流路の中に、ボルト係止部と雌ネジ部を設けている。従って、ボルトの全体が第２流路に収容され、第２流路の中で複数の冷却器を相互に固定し、それらを加圧する。特許文献２に開示されているタブは、本明細書が開示する半導体装置には必要ない。また、ボルトは第２流路内で冷却器を通過する。それゆえ、ボルトが通過するボルト孔を新たに冷却器に設ける必要がなく、特許文献３の半導体装置のようにボルトとボルト孔の間を封止する必要もない。

本明細書が開示する半導体装置は、全ての冷却器がボルトで相互に固定されているタイプであってもよいし、一部の冷却器のみがボルトで相互に固定されているタイプであってもよい。

本明細書が開示する半導体装置では、ボルト係止部とヘッドの間に圧縮バネが配置されているとよい。ボルトが多少緩んでも、圧縮バネが、複数の冷却器を積層方向に加圧する力を保持することができる。

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（ボルトを外した状態）。 ＸＹ平面でカットした半導体装置の断面図である。 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。 第１変形例の半導体装置の断面図である。 第２変形例の半導体装置の断面図である。

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。図２に、図１の座標系のＸＹ平面でカットした半導体装置２の断面図を示す。半導体装置２は、複数の半導体モジュール３０と複数の冷却器３をボルト６ａ、６ｂで束ねたデバイスである。図１では、ボルト６ａ、６ｂ（後述）を外した状態を示している。ボルト６ａ、６ｂは、冷媒給排口５ａ、５ｂ（後述）に挿入され、複数の冷却器を固定する。

夫々の半導体モジュール３０には、直列に接続された２個のトランジスタ３１が収容されている（図２参照）。図２では、右端の半導体モジュールにのみ、符号３０と３１を付し、残りの半導体モジュールには符号を省略した。半導体モジュール３０の一面から正極端子３０ａ、負極端子３０ｂ、中間端子３０ｃが延びている。正極端子３０ａ、負極端子３０ｂ、中間端子３０ｃは、それぞれ、２個のトランジスタ３１の直列接続の正極、負極、中点に導通している。図１では、右端の半導体モジュール３０の端子にのみ、符号３０ａ−３０ｃを付し、残りの半導体モジュールには端子の符号を省略した。トランジスタの直列接続を収容した複数の半導体モジュール３０を備える半導体装置２は、例えば、インバータや電圧コンバータの主要部品として使われる。

複数の冷却器３は図中のＸ方向に一列に配置されており、隣り合う冷却器３の間に半導体モジュール３０が挟まれている。別言すれば、複数の冷却器３と複数の半導体モジュール３０は、１個ずつ交互に積層されている。説明の都合上、図２の左端の冷却器３を示すときには符号３ａを用い、右端の冷却器３を示すときには符号３ｂを用いる。

冷却器３の内部は冷媒が通る流路（第１流路１２）になっている。図２では、右端の冷却器３ｂの第１流路にのみ、符号１２を付し、残りの冷却器の第１流路には符号を省略した。隣り合う冷却器３は、２個の連結管４ａ、４ｂで連結されている。図１、図２では、左端の連結管にのみ、符号４ａ、４ｂを付し、残りの連結管には符号を省略した。連結管４ａ、４ｂは、隣り合う冷却器３の第１流路を連通する。

連結管４ａ、４ｂは、冷却器３と半導体モジュール３０の積層方向（図中のＸ方向）に交差する方向（図中のＹ方向）で、半導体モジュール３０の両側に配置されている。以下では、冷却器３と半導体モジュール３０の積層方向（図中のＸ方向）を単純に「積層方向」と称する場合がある。

積層方向の一端の冷却器３ａには、冷媒給排口５ａ、５ｂが取り付けられている。冷媒給排口５ａは、積層方向に沿ってみたときに、連結管４ａと重なるように設けられている。冷媒給排口５ｂは、積層方向に沿ってみたときに連結管４ｂと重なるように設けられている。冷媒給排口５ａ（５ｂ）から積層方向の他端に位置する冷却器３ｂまで、複数の連結管４ａ（４ｂ）と冷却器３を通じて真直ぐに第２流路１３が形成されている。第２流路１３は各冷却器３の内部の第１流路１２とつながっている。後に詳しく説明するが、冷媒給排口５ａ、５ｂの内部には、ボルト係止部７が設けられている。ただし、ボルト係止部７は、第２流路１３を塞いではいない。また、第２流路１３の右端には雌ネジ部８が設けられている。雌ネジ部８も、第２流路１３を塞いではいない。

半導体装置２は、複数の半導体モジュール３０を集中して冷却する。その冷却構造について説明する。冷媒給排口５ａ、５ｂは、不図示の冷媒循環装置に接続される。一方の冷媒給排口５ａを通じて冷媒循環装置から冷媒が供給される。冷媒は、連結管４ａの側の第２流路１３を通じて全ての冷却器３（第１流路１２）に分配される。冷媒は、第１流路１２を通過する間に冷却器３に隣接する半導体モジュール３０から熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、連結管４ｂの側の第２流路１３と冷媒給排口５ｂを通じて冷媒循環装置へ戻る。各半導体モジュール３０は、その両側から冷却されるので、半導体装置２は、半導体モジュール３０に対する冷却性能がよい。冷媒は液体であり、典型的には、水、あるいは、不凍液である。

半導体モジュール３０から冷媒への伝熱効率を高めるため、半導体モジュール３０と冷却器３は密着しているのがよい。半導体装置２は、ボルト６ａ、６ｂによって、複数の半導体モジュール３０と複数の冷却器３が束ねられており、積層方向に加圧される。ボルト６ａ、６ｂは、その全体が第２流路１３に収まっている。それゆえ、ボルトのための空間を冷却器３の外側に確保する必要がなく、空間効率がよい。また、ボルト６ａ、６ｂは第２流路１３を通じて冷却器３を貫通する。半導体装置２では、ボルト６ａ、６ｂが貫通するための孔を冷却器３の外壁に新たに設ける必要がない。即ち、半導体装置２では、ボルト６ａ、６ｂのための封止手段を新たに備える必要がない。

ボルト６ａ、６ｂの取り付け構造について説明する。冷媒給排口５ａ、５ｂの内側、即ち、第２流路１３に、ボルト６ａ（６ｂ）が挿通されるとともに、ボルト６ａ（６ｂ）のヘッド６１が係止されるボルト係止部７が設けられている。また、冷媒給排口５ａ、５ｂの反対側に位置する冷却器３ｂの内部（別言すれば、第２流路１３の端部）にボルト６ａ（６ｂ）が固定される雌ネジ部８が設けられている。

図３に、図２のIII−III線に沿った断面、即ち、ボルト係止部７の断面を示す。ボルト係止部７は、両端が冷媒給排口５ａの内側に接合されている。図のＸ方向からみて（即ち、積層方向からみて）、ボルト係止部７と冷媒給排口５ａの内面との間に隙間が確保されている。即ち、ボルト係止部７は第２流路１３を塞いでいない。即ち、冷媒は、ボルト係止部７の側方を通過していくことができる。

ボルト係止部７にはボルト６ａが挿通される貫通孔７ａが設けられている。図３には、ボルト６ａのヘッド６１を仮想線で描いてある。図３に示されているように、貫通孔７ａは、ヘッド６１よりも小さい。従って、貫通孔７ａを通過したボルト６ａのヘッド６１はボルト係止部７に係止される。ボルト係止部７は、アルミあるいは銅などの金属で作られており、溶接によって冷媒給排口５ａの内面に接合される。

図４に、図２のIV−IV線に沿った断面、即ち、雌ネジ部８の断面を示す。雌ネジ部８は、雌ネジ溝が設けられている雌ネジ孔８ａを備えている。雌ネジ孔８ａにボルト６ａが固定される。図４に示しているように、雌ネジ部８の側方を通じて第２流路１３と第１流路１２は繋がっている。図４の二点鎖線は、第１流路１２と第２流路１３の境界（便宜上の境界）を示している。雌ネジ部８は、アルミあるいは銅などの金属で作られており、溶接によって冷却器３ｂの内面に接合される。

第２流路１３の中に配置されたボルト係止部７と雌ネジ部８によって、ボルト６ａは全体が第２流路１３の中に収容される。それゆえ、ボルトのための空間を冷却器３の外に設ける必要がなく、また、ボルト６ａに専用の封止構造を備える必要もない。

ボルト係止部７に係止されるヘッド６１とボルト６ａ（６ｂ）が固定された雌ネジ部８の間の冷却器３が、ボルト６ａ（６ｂ）によって締め付けられる。この締め付け力によって、冷却器３と半導体モジュール３０が加圧され、相互に密着する。

（第１変形例）図５に、第１変形例の半導体装置２ａの断面図を示す。半導体装置２ａでは、ボルト６ａ、６ｂのヘッド６１とボルト係止部７の間に圧縮バネ６２が配置されている。圧縮バネ６２は、ヘッド６１を冷媒給排口５ａ（５ｂ）の側へ荷重する。圧縮バネ６２の荷重により、ボルト係止部７が雌ネジ部８の側へ押される。その結果、ボルト係止部７と雌ネジ部８の間の冷却器３が積層方向に加圧される。ボルト６ａ（６ｂ）が多少緩んでも、圧縮バネ６２が、複数の冷却器３を積層方向に加圧する力を保持することができる。

（第２変形例）図６に、第２変形例の半導体装置２ｂの断面図を示す。第１実施例の半導体装置２は、積層されている全ての冷却器３がボルト６ａ、６ｂによって相互に固定される。第２変形例の半導体装置２ｂは、一部の冷却器３がボルトで固定される。

半導体装置２ｂは、左端の冷却器３ａの隣の冷却器３ｃの内部にボルト係止部５７を備えている。また、右端の冷却器３ｂに接続する連結管４ａ、４ｂの内部に雌ネジ部５８を備えている。ボルト係止部５７も雌ネジ部５８も、第２流路１３を塞いではいない。

ボルト５６ａ、５６ｂは、ヘッド６１がボルト係止部５７に係止されるとともに、先端が雌ネジ部５８に固定される。ボルト５６ａ、５６ｂを締めると、ボルト係止部５７と雌ネジ部５８の間に位置する冷却器３（即ち、冷却器３ａ、３ｂ以外の冷却器３）が、積層方向に加圧され、冷却器３と半導体モジュール３０が密着する。この半導体装置２ｂは、冷却器３ａ、３ｂ以外の冷却器３がボルト５６ａ、５６ｂによって相互に固定される。冷却器３ａ、３ｂは、別の手段によって加圧されればよい。

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：半導体装置
３、３ａ、３ｂ、３ｃ：冷却器
４ａ、４ｂ：連結管
５ａ、５ｂ：冷媒給排口
６ａ、６ｂ、５６ａ、５６ｂ：ボルト
７、５７：ボルト係止部
７ａ：貫通孔
８、５８：雌ネジ部
８ａ：雌ネジ孔
１２：第１流路
１３：第２流路
３０：半導体モジュール
３１：トランジスタ
６１：ヘッド
６２：圧縮バネ

Claims (3)

1. 内部に第１流路が設けられており、一列に配置されている複数の冷却器と、
   隣り合う前記冷却器の間に挟まれている半導体モジュールと、
   隣り合う前記冷却器を連通しており、複数の前記冷却器と前記半導体モジュールの積層方向に交差する方向で前記半導体モジュールの両側に配置されている一対の連結管と、
   を備えており、
   前記積層方向の一端に位置する前記冷却器には、前記積層方向に沿ってみたときに一対の前記連結管の夫々と重なるように一対の冷媒給排口が設けられており、
   夫々の前記冷媒給排口から前記積層方向の他端に位置する前記冷却器まで延びている第２流路内に、ボルトのヘッドが係止されるボルト係止部が設けられているとともに、前記ボルトが固定される雌ネジ部が設けられており、
   前記ボルト係止部と前記雌ネジ部の間の前記冷却器が前記ボルトで固定されている、半導体装置。
2. 全ての前記冷却器が前記ボルトで固定されている、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ボルト係止部と前記ヘッドの間に圧縮バネが配置されている、請求項１または２に記載の半導体装置。

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