JP2023073861A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性と放熱性とを両立する半導体装置を提供する。
【解決手段】
半導体装置は、半導体素子を有する複数のパワーモジュールと、前記複数のパワーモジュールの放熱面側に放熱部材を介して配置され、かつ放熱フィンを有する、複数の放熱ベースと、複数の開口部を有するフレームと、前記放熱ベース及び前記フレームを覆うことで冷媒流路を形成するカバーと、を備え、前記複数の放熱ベースは、前記複数の開口部をそれぞれ塞いでおり、前記カバーは、前記放熱フィンに接触する面に弾性の付勢部を有し、前記放熱ベースを前記パワーモジュールに向かって加圧することで付勢する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置に関する。

本願発明の背景技術として、下記の特許文献１では、フィン１とフィン２の相対変位より、フィン２はモジュール側面に倣って変形し、フィン２とモジュールとの隙間を低減させる構成が開示されている。

特開２０１５－１２６１１７号公報

ロウ付け・ＦＳＷ（Friction Stir Welding）を用いた従来のフィン内蔵水路では、フィンのクリアランスをなくせるので高熱伝達率であるが、それぞれ回路体である複数の回路体パッケージの厚みのバラつきに追従する機能がなく、熱伝導性材料のＴＩＭ（Thermal Interface Material）が厚膜化して、パッケージの冷却性が落ちる課題が生まれる。さらに、回路体パッケージの厚みのバラツキによる冷却性能の劣化を防止するために、フィンとそれをカバーする部品との接合部に厳しい寸法精度が必要となり、高価になる課題がある。

これを踏まえて本発明は、構成部品の低コスト化とパッケージの厚みのバラツキ解消とによって生産性を向上させ、高放熱性を維持できる水路構造を有した半導体装置を提供することが目的である。

本発明の半導体装置は、半導体素子を有する複数のパワーモジュールと、前記複数のパワーモジュールの放熱面側に放熱部材を介して配置され、かつ放熱フィンを有する、複数の放熱ベースと、複数の開口部を有するフレームと、前記放熱ベース及び前記フレームを覆うことで冷媒流路を形成するカバーと、を備え、前記複数の放熱ベースは、前記複数の開口部をそれぞれ塞いでおり、前記カバーは、前記放熱フィンに接触する面に弾性の付勢部を有し、前記放熱ベースを前記パワーモジュールに向かって加圧することで付勢する。

生産性と放熱性とを両立する半導体装置を提供できる。

半導体装置の全体斜視図。 本発明の一実施形態に係る、図１のＹ－Ｙ断面図。 本発明の一実施形態に係る、図１のＸ－Ｘ断面図。 図３の変形例（第１変形例）。 図２の変形例（第２変形例）。 図２の変形例（第３変形例）。 図２の変形例（第４変形例）。 本発明の一実施形態に係る、半導体装置の流路構造。 図８の変形例（第５変形例）。 放熱フィンとカバーの接合部分に係る変形例（第６変形例）。 図１０の変形例（第７変形例）。 図１０の変形例（第８変形例）。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

（図１）
半導体装置１００は、半導体素子を備えるパワーモジュールに対して両面から冷却する水路周辺の構造を有しているが、この水路は、弾性付勢部１を備えたカバー２によって形成されている。接続部材１５や水路の構造については後述する。

（図２）
カバー２は、一部が弾性付勢部１となっており、弾性付勢部１それぞれが各パワーモジュール３に対応する位置に設けられている。それぞれの弾性付勢部１に対応して放熱フィン９が配置され、製造過程でカバー２が加圧されることで、弾性付勢部１と放熱フィン９密着している。放熱フィン９を間にして、弾性付勢部１に対向する位置には放熱ベース１２が配置されている。

弾性付勢部１と放熱フィン９と放熱ベース１２とによって、流路２２が形成されている。流路２２には、流路出入口１１から流入する冷媒が流れている。両面冷却するパワーモジュール３の場合、配管部品１０を通って、反対側の流路２２ａにも冷媒を流入させている。

放熱ベース１２は、フレーム８に設けられた貫通孔８ａに搭載され、放熱ベース１２とフレーム８の隙間を接合部材７（シール部材）で充填して塞ぐことで、密着性を向上させている。また、放熱ベース１２は、パワーモジュール３に対して絶縁させ、放熱させるために、パワーモジュール３の放熱面側に、絶縁部材６と放熱部材５（ＴＩＭ）とを介して、パワーモジュール３に接している。放熱部材５は、例えば樹脂やグリスなどの素材である。放熱ベース１２には、１つにつき１つのパワーモジュール３が対応している。シール部材７は、接着剤、ゴム弾性材、ロウ材などであり、製造過程におけるカバー２への加圧時に、放熱ベース１２からパワーモジュール３への方向に変形可能な材質である。

放熱フィン９は、１つの放熱ベース１２に備えた放熱フィン９で半導体装置１００が３相分のパワーモジュール３すべてに対応するような構造も可能であるが、その構造を採用すると製造過程での加圧でゆがむ可能性が高くなり、さらに、カバー２と放熱フィン９との間にクリアランスが発生することで、流路２２の冷媒が漏れ出る可能性がある。そのため、放熱ベース１２を６つに分割して、個別のパワーモジュール３にそれぞれ放熱フィン９が対応するような構成にすることで、全体のゆがみを低減している。また、６つに放熱フィン９を分割することで、精度が高く加工がしやすい放熱フィン９を生産できるため、半導体装置１００の生産性も上がる。

半導体装置１００は、複数の放熱フィン９および放熱ベース１２によって、パワーモジュール３の開口部を塞いでいる構造である。この開口部とはフレーム８によって形成され、それぞれのパワーモジュール３に対して設けられた貫通孔８ａである。これにより、接合信頼性を向上させている。

このようにすることで、従来生じていた放熱フィン９の歪みによる放熱フィン９の先端部分に起こる空隙（クリアランス）を、水路カバー２に設けた弾性付勢部１の弾性変形によって低減させつつ、放熱フィン９とパワーモジュール３の密着性を向上させている。この弾性付勢部１の弾性変形は、複数のパワーモジュール３の厚み公差を吸収している。また同様に、この弾性付勢部１の弾性変形による密着性の向上が、カバー２と放熱フィン９との間に生じるクリアランスから発生する可能性のある冷媒のバイパス流を低減させ、かつ流路２２に流れる冷媒の流速を向上させて、装置１００の冷却性能（熱伝達率）を向上させている。また、放熱フィン９がパワーモジュール３に向かって加圧されることにより、ＴＩＭ５を最薄化し、耐振動性を向上させている。

（図３）
弾性付勢部１の弾性変形より、パワーモジュール３（パッケージ）へ加圧している過程を示している。付勢前の弾性付勢部１は、アルミやばね弾性材などの材質で、カバー２に波状で形成されている（図３（ａ））。ここに接続部材１５によるカバー２とフレーム８との締結が行われることで、弾性付勢部１は変形する。弾性付勢部１の変形後は、弾性付勢部１と放熱フィン９との接触面積が増える（図３（ｂ））。放熱フィン９は、アルミや銅などの高熱伝導部材で形成される。接続部材１５は、ねじなどの固定部材である。

パワーモジュール３は、個別パッケージでないものであれば、ＦＳＷや溶接でフレーム８と接合される形態でも本発明に適用可能である。接続部材１５による接続はねじでなくてもよい。また、放熱フィン９とカバー２の間をロウ付けしてもよい。また、付勢する側から半導体装置１００に搭載されている別の構成部品を用いてカバー２を付勢し、押さえる構成でもよい。

接続部材１５は、弾性付勢部１の四隅にねじ締結される（図１参照）。これにより弾性付勢部１は、複数のパワーモジュール３に対して、加圧力を確保できる。また、放熱ベース１２は、接合信頼性を向上できる。

このようにすることで、弾性付勢部１に放熱フィン９が接地され、作動ノイズを低減できるため、ノイズ対策や振動抑制ができる。

（従来との比較による発明効果の検証）
従来用いられてきた構造である、押出フィンにロウ付けの構成で、ねじ締めをすることで組み立てる構造と、本発明で用いられる構造である、板金ケースに鍛造ピンフィンと液状シール部材との構成で、ねじ締めをすることで組み立てする構造と、を比較検証した。コスト面は、本発明の３分割された放熱フィン９により、従来よりも低減できていた。放熱フィン９の熱伝達率については同等であった。各パワーモジュール３のＴＩＭ５の厚みのばらつきについては、従来技術では目標のバラツキ数値（１６０ｕｍ）以下には改善できなかったが、本発明では目標数値以下に改善することが達成でき、バラツキを低減できたことがわかった。

（第１変形例）
（図４）
パワーモジュール３は、半導体素子１８、第１回路体１７、第２回路体１９、によって構成されている。パワーモジュール３は、第１回路体１７、第２回路体１９、を放熱回路体として用いることで、放熱ベース１２と放熱フィン９を介して両面から冷却できる。

（第２変形例）
（図５）
放熱ベース１２にはそれぞれ、複数のパワーモジュール３、４が同時に対応して配置される。放熱ベース１２は、多数の小型化パワーモジュール３、４に対応する際、パワーモジュール３、４への加圧力を維持しつつ、その接合部への圧力を低減できるため、信頼性を向上させることができる。

（第３変形例）
（図６）
パワーモジュール３は、基板貫通孔２０ａ（基板開口部）を有したプリント基板２０に実装されることで、プリント基板２０を含めた組み立て性や放熱性も向上させることができ、さらに、後述の基準面２１を取りやすくすることができる。

（第４変形例）
（図７）
パワーモジュール３は、前述したようにプリント基板２０に実装され、その下側の面は所定の基準面２１に揃えて配置される。これにより、パワーモジュール３の下側の面を統一した高さに設定することが可能になり、１つの放熱ベース１２に対して複数のパワーモジュール３を配置することが可能となる。一方、基準面２１とはパワーモジュール３を介して反対側の上面では、個々のパワーモジュール３の厚み公差が出るため、均一面とはならない。そこで、基準面２１と反対側の上面では、１つの放熱ベース１２に対してパワーモジュール３を１つずつ配置することで、カバー２の加圧時にパワーモジュール３の一方側で、弾性付勢部１によりパワーモジュール３の厚み公差（バラツキ）を吸収することができるようにしている。

（半導体装置の流路構造）
（図８）
流路２２は、プリント基板２０上にＵ字型（図８ではＵ字の底の部分が右側になる）に配置され、流路入口１１ａと流路出口１１ｂは基板２０の同一側（図８では左側）に設置されている。また、流路入口１１ａから流れる流路２２と、流路出口１１ｂに向かって流れる流路２２とは、左右均等に配置されている。これにより、プリント基板２０の床面積を低減している。

流路入口１１ａから流れる流路２２は、パワーモジュール３の半導体素子のうち、放熱量が大きいＩＧＢＴ３ｂ側に配置される。一方で、流路出口１１ｂに向かう流路２２は、パワーモジュール３のうち放熱量が小さいダイオード３ａ側に配置される。これにより、冷却効果を向上させている。

（第５変形例）
（図９）
流路２２は、ＳiＣ（silicon carbide）など均一冷却が必要な半導体素子１８が基板２０に搭載されている場合、Ｕ字型の流路２２は、半導体素子１８が集まり、かつ発熱量が大きい方の流路２２ａ側と、半導体素子１８の配置が流路２２ａ側に比べると少なく、且つ発熱量が低い方の流路２２ｂ側と、に分かれている。この時、流路入口１１ａから流入する冷媒が流れる流路２２ａの流路幅は、基板２０の反対側で逆向きに流れる流路２２ｂよりも流路幅が大きい。また、半導体素子１８の近くを通らない流路２２ｂは放熱フィン９が設けられていない。これにより、圧損が低減される。

（第６変形例）
（図１０）
放熱フィン９の先端には、弾性部材２４が配置される。これにより、放熱フィン９に対して弾性部材２４を介してカバー２が加圧されることで、カバー２の弾性付勢部１の変形量が不足している時に、弾性部材２４が隙間（クリアランス）を補充することができ、密着性を高めることで、冷却性能を向上させることができる。

（第７変形例）
（図１１）
放熱フィン９は、ロウ材２５などでカバー２に接合される。これにより、カバー２への加圧時に放熱フィン９先端にできる隙間（クリアランス）をロウ材２５が補充することで隙間を低減し、放熱フィン９の高さのばらつきを吸収できる。

（第８変形例）
（図１２）
放熱フィン９は、それぞれ複数のフィン部を有し、このうち中央側に配置されているフィン部９ａよりもその外周側に配置されている部フィン９ｂの高さのほうが大きい。このようにすることで、カバー２の加圧時に弾性付勢部１の変形量が小さい時、放熱フィン９先端部分に生じる隙間（クリアランス）を低減できる。

以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）半導体装置１００は、半導体素子１８を有する複数のパワーモジュール３と、複数のパワーモジュール３の放熱面側に放熱部材５を介して配置され、かつ放熱フィン９を有する、複数の放熱ベース１２と、複数の開口部８ａを有するフレーム８と、放熱ベース１２及びフレーム８を覆うことで冷媒流路を形成するカバー２と、を備えている。この半導体装置１００において、複数の放熱ベース１２は、複数の開口部８ａをそれぞれ塞いでおり、カバー２は、放熱フィン９に接触する面に弾性の付勢部１を有し、放熱ベース１２をパワーモジュール３に向かって加圧することで付勢する。このようにしたことで、生産性と放熱性とを両立する半導体装置１００を提供できる。

（２）放熱ベース１２は、シール部材７を介して開口部８ａを塞いでおり、シール部材7は、放熱ベース１２からパワーモジュール３への方向に変形可能な材質である。このようにしたことで、開口部８ａの密着性を向上させている。

（３）放熱ベース１２は、パワーモジュール３の両面に配置される。このようにしたことで、冷却性能を向上させている。

（４）付勢部１の周辺の四隅には、ねじ締結部１５がそれぞれ設けられている。このようにしたことで、加圧力を確保し、接続信頼性を向上させている。

（５）放熱ベース１２は、開口部８ａを塞いでいる。このようにしたことで、接合信頼性を向上させている。

（６）１つの放熱ベース１２に対して、パワーモジュール３、４が複数配置される。このようにしたことで、加圧力を維持しつつ、その接合部への圧力を低減できるため、信頼性を向上させることができる。

（７）複数のパワーモジュール３、４は、プリント基板２０に実装される。このようにしたことで、組み立て性や放熱性も向上させることができ、さらに、基準面２１を取りやすくすることができる。

（８）複数のパワーモジュール３，４は、一方の面側を所定の基準面２１に合わせるように、プリント基板２０に実装され、複数のパワーモジュール３，４の一方の面側では、１つの放熱ベースに対してパワーモジュール３，４が複数配置され、複数のパワーモジュール３，４の他方の面側では、１つの放熱ベースに対してパワーモジュール３（４）が１つずつ配置される。このようにしたことで、カバー２の加圧時にパワーモジュール３の一方側で、パワーモジュール３の厚み公差（バラツキ）を吸収できるようにしている。

（９）複数のパワーモジュール３ａ，３ｂは互いに発熱量が異なり、冷媒流路２２は、発熱が大きい方のパワーモジュール３ｂから発熱小さい方のパワーモジュール３ａに向けて、流路が形成されている。このようにしたことで、冷却効果を向上させている。

（１０）冷媒流路２２は、互いに逆向きに流れる流路２２ａ、２２ｂをそれぞれ有し、流路のうち、一方の流路２２ａはもう一方の流路２２ｂよりも、流路幅が大きい。このようにしたことで、圧損が低減される。

（１１）放熱フィン９とカバー２との間には、弾性部材２４が配置される。このようにしたことで、冷却性能を向上させることができる。

（１２）放熱フィン９とカバー２の間には、ロウ材２５が配置される。このようにしたことで、放熱フィン９の高さのばらつきを吸収できる。

（１３）放熱フィン９は複数のフィン部９ａ、９ｂを有し、放熱フィン９が有するフィン部９ａ、９ｂのうち、外周側のフィン部９ｂは中央側のフィン部９ａよりもフィンの高さが大きい。このようにしたことで、カバー２の加圧時に弾性付勢部１の変形量が小さい時、放熱フィン９先端部分に生じる隙間（クリアランス）を低減できる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。

１００：半導体装置
１：弾性付勢部
２：カバー
３、４：パワーモジュール
３ａ：ダイオード
３ｂ：ＩＧＢＴ
５：放熱部材（ＴＩＭ）
６：絶縁部材
７：接合部材（シール部材）
８：フレーム
８ａ：貫通孔（開口部）
９：放熱フィン
９ａ：短いフィン部
９ｂ：長いフィン部
１０：配管部品
１１：流路出入口
１１ａ：流路入口
１１ｂ：流路出口
１２：放熱ベース
１４：固定部材
１５：接続部材
１６：封止部材（シール部材）
１７：第１回路体
１８：半導体素子
１９：第２回路体
２０：プリント基板
２０ａ：基板貫通孔（基板開口部）
２１：基準面
２２：流路
２２ａ：太い流路
２２ｂ：狭い流路
２３：ＳｉＣ
２４：弾性部材
２５：ロウ材

Claims (13)

1. 半導体素子を有する複数のパワーモジュールと、
   前記複数のパワーモジュールの放熱面側に放熱部材を介して配置され、かつ放熱フィンを有する、複数の放熱ベースと、
   複数の開口部を有するフレームと、
   前記放熱ベース及び前記フレームを覆うことで冷媒流路を形成するカバーと、を備え、
   前記複数の放熱ベースは、前記複数の開口部をそれぞれ塞いでおり、
   前記カバーは、前記放熱フィンに接触する面に弾性の付勢部を有し、前記放熱ベースを前記パワーモジュールに向かって加圧することで付勢する
   半導体装置。
2. 請求項１に記載された半導体装置において、
   前記放熱ベースは、シール部材を介して前記開口部を塞いでおり、
   前記シール部材は、当該放熱ベースから前記パワーモジュールへの方向に変形可能な材質である
   半導体装置。
3. 請求項１に記載された半導体装置において、
   前記放熱ベースは前記パワーモジュールの両面に配置される
   半導体装置。
4. 請求項１に記載された半導体装置において、
   前記付勢部の周辺の四隅には、ねじ締結部がそれぞれ設けられている
   半導体装置。
5. 請求項１に記載された半導体装置において、
   前記放熱ベースは、前記開口部を塞いでいる
   半導体装置。
6. 請求項１に記載された半導体装置において、
   １つの前記放熱ベースに対して、前記パワーモジュールが複数配置される
   半導体装置。
7. 請求項１に記載された半導体装置において、
   前記複数のパワーモジュールは、プリント基板に実装される
   半導体装置。
8. 請求項７に記載された半導体装置において、
   前記複数のパワーモジュールは、一方の面側を所定の基準面に合わせるように、前記プリント基板に実装され、
   前記複数のパワーモジュールの前記一方の面側では、１つの前記放熱ベースに対して前記パワーモジュールが複数配置され、
   前記複数のパワーモジュールの他方の面側では、１つの前記放熱ベースに対して前記パワーモジュールが１つずつ配置される
   半導体装置。
9. 請求項１に記載された半導体装置において、
   前記複数のパワーモジュールは互いに発熱量が異なり、
   前記冷媒流路は、発熱が大きい方の当該パワーモジュールから発熱小さい方の当該パワーモジュールに向けて、流路が形成されている
   半導体装置。
10. 請求項１に記載された半導体装置において、
    前記冷媒流路は、互いに逆向きに流れる流路をそれぞれ有し、
    前記流路のうち、一方の前記流路はもう一方の前記流路よりも、流路幅が大きい
    半導体装置。
11. 請求項１に記載された半導体装置において、
    前記放熱フィンと前記カバーとの間には、弾性部材が配置される
    半導体装置。
12. 請求項１に記載された半導体装置において、
    前記放熱フィンと前記カバーの間には、ロウ材が配置される
    半導体装置。
13. 請求項１に記載された半導体装置において、
    前記放熱フィンは複数のフィン部を有し、
    前記放熱フィンが有するフィン部のうち、外周側の当該フィン部は中央側の当該フィン部よりもフィンの高さが大きい
    半導体装置。

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