JP4482824B2 - 両面冷却型半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールを両面から冷却する両面冷却型半導体装置に関するものである。

冷却性能を向上するために、半導体モジュールを両面から冷却する両面冷却型半導体装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この両面冷却型半導体装置は、半導体モジュールの両面側に一対の絶縁部材を配置し、当該一対の絶縁部材を冷却チューブで挟持するように配置する構成からなる。
特開２００１−３５２０２３号公報

このような両面冷却型半導体装置において、半導体モジュールと冷却チューブとの間に間隙空間が形成されている場合に、当該間隙空間に導電性の異物が侵入するおそれがある。仮に、当該間隙空間に導電性の異物が侵入した場合には、半導体モジュールと冷却チューブとの間において異物を介して放電が起こるおそれがある。特に、半導体モジュールの内部に配置される半導体素子に高圧の電圧が印加される場合には、上記放電が起こりやすくなるため、問題となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、半導体モジュールと冷却チューブとの間において放電が起こることを防止することができる両面冷却型半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の両面冷却型半導体装置は、半導体モジュールと、一対の絶縁部材と、一対の冷却チューブとを備える。半導体モジュールは、半導体素子と、半導体素子の両面に配置される一対の放熱板とを有する。絶縁部材は、一対の放熱板を挟持するように配置される。さらに、絶縁部材は、放熱板の外面に接合して配置される基板部と、基板部の外面側に基板部に対して凸面を形成する凸状部とを備える。冷却チューブは、凸状部の凸面に接合して、一対の絶縁部材を挟持するように配置され、内部に冷却媒体を流通させる。さらに、本発明の両面冷却型半導体装置は、絶縁性のグリス、ゲル及び接着剤の中から選択された何れかからなり、絶縁部材の凸状部と冷却チューブとを接合させた状態において絶縁部材の基板部と冷却チューブとの間に形成される空間に充填される充填部材を備える。

ここで、絶縁部材の基板部と冷却チューブとの間に形成される空間に導電性の異物などが侵入した場合には、放熱板と冷却チューブとの間において、当該導電性の異物を介し、且つ、絶縁部材を通過するコロナ放電が起こるおそれがある。

しかし、本発明の両面冷却型半導体装置によれば、絶縁部材の基板部と冷却チューブとの間に形成される空間に充填部材が充填されている。そのため、当該空間には、外部から導電性の異物などが侵入しない。従って、上述したコロナ放電が起こることを確実に防止できる。

また、絶縁部材の凸状部は、半導体素子のうち放熱板により挟まれる面を正面に見た場合に、放熱板の外面の端部よりも内側に位置するように配置され、充填部材は、絶縁部材の凸状部と冷却チューブとを接合させ且つ放熱板の外面と絶縁部材の基板とを接合させた状態において、絶縁部材の基板部と冷却チューブとの間に形成される空間のうち、放熱板と冷却チューブとが対向する空間に充填されるようにしてもよい。

このような場合に、コロナ放電が起こることを確実に防止できる。

また、放熱板と冷却チューブとの間に発生するおそれのある放電は、コロナ放電の他に沿面放電がある。沿面放電とは、放熱板と冷却チューブとの間に介在されている絶縁部材の表面に沿って、放熱板の周囲と冷却チューブとの間に起こる放電である。この沿面放電は、絶縁部材の表面に導電性の異物が配置している場合に、より発生するおそれが高い。

そこで、上述した充填部材は、半導体素子のうち放熱板により挟まれる面を正面に見た場合に、放熱板の周囲となる面を被覆するように充填されるようにするとよい。つまり、充填部材は、沿面放電の経路である放熱板の周囲の面と冷却チューブとの間の一部に配置されていることになる。従って、沿面放電が起こることを防止できる。

また、上記の本発明の両面冷却型半導体装置において、放熱板と絶縁部材の基板部との接合面に配置される放熱性且つ絶縁性の材料であってグリス、ゲル及び接着剤の中から選択された何れかからなる第１の放熱部材を備える場合には、充填部材は、第１の放熱部材と同一材質からなるようにしてもよい。また、絶縁部材の凸状部と冷却チューブとの接合面に配置される放熱性且つ絶縁性の材料であってグリス、ゲル及び接着剤の中から選択された何れかからなる第２の放熱部材を備える場合には、充填部材は、第２の放熱部材と同一材質からなるようにしてもよい。

このように、充填部材が第１の放熱部材又は第２の放熱部材と同一材質からなるようにすることで、充填部材の挿入が容易となる。さらには、低コスト化を図ることができる。もちろん、充填部材は、第１の放熱部材及び第２の放熱部材と異なる材質からなるようにしてもよい。

本発明の両面冷却型半導体装置によれば、半導体モジュールと冷却チューブとの間において放電が起こることを防止できる。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態の両面冷却型半導体装置１について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、両面冷却型半導体装置１の正面図を示す。図２は、両面冷却型半導体装置１の右側面図を示す。以下、特に説明しない限り、上下方向とは図１及び図２の上下方向を意味し、水平方向とは図１及び図２の水平方向（横方向）を意味する。そして、冷媒流通方向とは図１の左右方向（図２の前後方向）を意味し、チューブ幅方向とは図１の前後方向（図２の左右方向）を意味する。

図１及び図２に示すように、両面冷却型半導体装置１は、半導体モジュール１０と、一対の絶縁部材２０、３０と、一対の冷却チューブ４０、５０と、放熱グリス６１〜６４とから構成される。

半導体モジュール１０は、扁平矩形状の樹脂ケース１１と、半導体素子１２と、複数の端子１３・・１３と、一対の放熱板１４、１５とを備える。半導体素子１２は、扁平矩形状からなり、例えば、電力変換回路を構成するＩＧＢＴ素子などである。この半導体素子１２は、樹脂ケース１１の内部に配置されている。複数の端子１３・・１３は、半導体素子１２に電気的に接続されている。そして、これら複数の端子１３・・１３は、樹脂ケース１２の図２の左右側面から外側へ水平方向に延在する。これらの端子１３・・１３は、他の電気部品に接続される。

一対の放熱板１４、１５（第１の放熱板１４及び第２の放熱板１５）は、それぞれ、金属からなり、樹脂ケース１１よりも小さな扁平矩形状からなる。具体的には、それぞれの放熱板１４、１５の冷媒流通方向の幅（本発明における第１方向幅）はＨａ１であり、それぞれの放熱板１４、１５のチューブ幅方向の幅（本発明における第２方向幅）はＨａ２である。

そして、一対の放熱板１４、１５は、半導体素子１２の上下側の両面を挟持するように配置されている。つまり、第１の放熱板１４は、半導体素子１２の上面に当接して配置されている。さらに、第１の放熱板１４の上面側は、樹脂ケース１１の上面よりも上側へ突出している。そして、第２の放熱板１５は、半導体素子１２の下面に当接して配置されている。さらに、第２の放熱板１５の下面側は、樹脂ケース１１の下面よりも下側に突出している。つまり、半導体モジュール１０全体として見た場合には、上側及び下側に凸状部を有する形状をなしている。この上側の凸状部は、第１の放熱板１４により形成され、下側の凸状部は、第２の放熱板１５により形成される。

一対の絶縁部材２０、３０（第１の絶縁部材２０及び第２の絶縁部材３０）は、板状からなり、電気絶縁性及び良熱伝導性を備えた材料、例えば、セラミックス、エポキシ等の樹脂材料、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等からなる。この一対の絶縁部材２０、３０は、半導体素子１２及び一対の放熱板１４、１５を上下側から挟持するように配置されている。そして、この一対の絶縁部材２０、３０のそれぞれは、基板部２１と、絶縁凸部２２とを有している。

基板部２１は、矩形の平板状からなる。この基板部２１は、樹脂ケース１１の上面とほぼ同等の大きさからなる。そして、第１の絶縁部材２０の基板部２１の下面側は、第１の放熱板１４の上面側に当接している。ただし、当該基板部２１の下面と第１の放熱板１４の上面との間には、僅かな第１の放熱グリス６１（本発明における第１の放熱部材）が介在している。この第１の放熱グリス６１は、良熱伝導性 且つ、絶縁性の材料からなる。さらに、この第１の放熱グリス６１（本発明における充填部材）は、当該基板部２１の下面と樹脂ケース１１の上面との間であって、第１の放熱板１４の周囲全周に亘って充填されている。

また、第２の絶縁部材３０の基板部２１の上面側は、第２の放熱板１５の下面側に当接している。ただし、当該基板部２１の上面と第２の放熱板１５の下面との間には、僅かな第２の放熱グリス６２（本発明における第１の放熱部材）が介在している。この第２の放熱グリス６２は、良熱伝導性 且つ、絶縁性の材料からなる。さらに、この第２の放熱グリス６２（本発明における充填部材）は、当該基板部２１の上面と樹脂ケース１１の下面との間であって、第２の放熱板１５の周囲全周に亘って充填されている。

絶縁凸部２２は、基板部２１よりも小さな矩形の平板状からなる。すなわち、絶縁凸部２２の冷媒流通方向の幅及びチューブ幅方向の幅は、基板部２１の冷媒流通方向の幅及びチューブ幅方向の幅よりも小さい。

そして、第１の絶縁部材２０において、絶縁凸部２２は、基板部２１の上面側に配置されている。すなわち、第１の絶縁部材２０全体として見た場合には、上側に凸状部を有する形状をなしている。そして、この上側の凸状部は、絶縁凸部２２により形成されている。さらに、この第１の絶縁部材２０の絶縁凸部２２の矩形状凸面の冷媒流通方向の端部は、第１の放熱板１４の矩形状凸面の冷媒流通方向の両端部よりも内側に位置するように配置している。また、第１の絶縁部材２０の絶縁凸部２２の矩形状凸面のチューブ幅方向の端部は、第１の放熱板１４の矩形状凸面のチューブ幅方向の両端部よりも内側に位置するように配置している。つまり、第１の放熱板１４の上面（本発明における第１面）と後述する第１の冷却チューブ４０の下面（本発明における第２面）とに挟まれる領域であって、第１の絶縁部材２０の基板部２１の上面（本発明における第３面）と第１の冷却チューブ４０の下面との間には、間隙空間２０ａが形成されることになる。また、第１の絶縁部材２０の絶縁凸部２２は、半導体素子１２の直上に位置するように配置している。

また、第２の絶縁部材３０において、絶縁凸部２２は、基板部２１の下面側に配置されている。すなわち、第２の絶縁部材３０全体として見た場合には、下側に凸状部を有する形状をなしている。そして、この下側の凸状部は、絶縁部凸部２２により形成されている。さらに、この第２の絶縁部材３０の絶縁凸部２２の矩形状凸面の冷媒流通方向の端部は、第２の放熱板１５の矩形状凸面の冷媒流通方向の両端部よりも内側に位置するように配置している。また、第２の絶縁部材３０の絶縁凸部２２の矩形状凸面のチューブ幅方向の端部は、第２の放熱板１５の矩形状凸面のチューブ幅方向の両端部よりも内側に位置するように配置している。つまり、第２の放熱板１５の下面（本発明における第１面）と後述する第２の冷却チューブ５０の上面（本発明における第２面）とに挟まれる領域であって、第２の絶縁部材３０の基板部２１の下面（本発明における第３面）と第２の冷却チューブ５０の上面との間には、間隙空間３０ａが形成されることになる。また、第２の絶縁部材３０の絶縁凸部２２は、半導体素子１２の直下に位置するように配置している。

一対の冷却チューブ４０、５０（第１の冷却チューブ４０及び第２の冷却チューブ５０）は、アルミニウムからなる扁平状の長尺体である。この一対の冷却チューブ４０、５０は、半導体素子１２、一対の放熱板１４、１５、及び、一対の絶縁部材２０、３０を上下側から挟持するように配置されている。つまり、第１の冷却チューブ４０の下面は、第１の放熱板１４の上面、及び、第１の絶縁部材２０の上面に対向している。また、第２の冷却チューブ５０の上面は、第２の放熱板１５の下面、及び、第２の絶縁部材３０の下面に対向している。

具体的には、第１の冷却チューブ４０の下面側は、第１の絶縁部材２０の絶縁凸部２２の凸面に当接している。ただし、第１の冷却チューブ４０の下面と第１の絶縁部材２０の絶縁凸部２２の凸面との間には、僅かな第３の放熱グリス６３（本発明における第２の放熱部材）が介在している。この第３の放熱グリス６３は、良熱伝導性 且つ、絶縁性の材料からなる。さらに、この第３の放熱グリス６３（本発明における充填部材）は、第１の冷却チューブ４０の下面と第１の絶縁部材２０の基板部２１の上面との間であって、第１の絶縁部材２０の絶縁凸部２２の周囲全周に亘って充填されている。つまり、この第１の放熱グリス６３は、間隙空間２０ａに充填されていることになる。さらに、第１の放熱グリス６３は、間隙空間２０ａの外周側にも充填されている。

また、第２の冷却チューブ５０の上面側は、第２の絶縁部材３０の絶縁凸部２２の凸面に当接している。ただし、第２の冷却チューブ５０の上面と第２の絶縁部材３０の絶縁凸部２２の凸面との間には、僅かな第４の放熱グリス６４（本発明における第２の放熱部材）が介在している。この第４の放熱グリス６４は、良熱伝導性 且つ、絶縁性の材料からなる。さらに、この第４の放熱グリス６４（本発明における充填部材）は、第２の冷却チューブ５０の上面と第２の絶縁部材３０の基板部２１の下面との間であって、第２の絶縁部材３０の絶縁凸部２２の周囲全周に亘って充填されている。つまり、この第２の放熱グリス６４は、間隙空間３０ａに充填されていることになる。さらに、第２の放熱グリス６４は、間隙空間３０ａの外周側にも充填されている。

そして、冷却チューブ４０、５０の内部には、長手方向（図１の左右方向）に向かって冷却媒体を流通させる流路４１、５１が、チューブ幅方向に複数本並列して形成されている。つまり、冷却チューブ４０、５０は、非常に薄肉な板状部材から形成されている。

ここで、間隙空間２０ａ、３０ａ及び放熱板１４、１５の周面に、絶縁性の放熱グリス６１〜６４が充填されていない場合について、図５を参照して説明する。図５は、間隙空間２０ａ、３０ａ及び放熱板１４、１５の周面に、放熱グリス６１〜６４が充填されていない場合の両面冷却型半導体装置３を示す。なお、図５において、上記実施形態の両面冷却型半導体装置１と同一構成については、同一符号を付して説明を省略する。

図５に示す両面冷却型半導体装置３において、間隙空間２０ａ、３０ａは外部に開放された空間となっている。従って、図５のＡ部に示すように、間隙空間２０ａ、３０ａには、導電性の異物８１が侵入するおそれがある。この導電性の異物８１が間隙空間２０ａ、３０ａに存在することに起因して、放熱板１４、１５の凸面と冷却チューブ４０、５０との間でコロナ放電が起こるおそれがある。このコロナ放電は、絶縁部材２０、３０を通過して、放熱板１４、１５と冷却チューブ４０、５０との間をほぼ直線的に発生する放電である。

さらに、間隙空間２０ａ、３０ａの他にも、絶縁部材２０、３０の基板部２１の表面のうち、放熱板１４、１５の周面の外側領域は、外部に開放された空間となっている。従って、図５のＢ部に示すように、当該空間には、導電性の異物８２が侵入するおそれがある。この導電性の異物８２が当該空間に存在することに起因して、放熱板１４、１５の周面と冷却チューブ４０、５０との間で沿面放電が起こるおそれがある。この沿面放電は、絶縁部材２０、３０の基板部２１の表面に沿って、放熱板１４、１５の周面と冷却チューブ４０、５０との間に起こる放電である。

これに対して、上述した本実施形態の両面冷却型半導体装置１は、本実施例では間隙空間２０ａ、３０ａに、第２、第４放熱グリス６２、６４が充填されている。従って、間隙空間２０ａ，３０ａに、導電性の異物８１が侵入することを防止できる。これにより、放熱板１４、１５の凸面と冷却チューブ４０、５０との間にコロナ放電が起こることを防止できる。

また、第１、第３の放熱グリス６１、６３が、放熱板１４、１５の周面を被覆している。つまり、上述した沿面放電が起こるための経路の一部に、絶縁性の放熱グリス６１〜６４が充填されていることになる。これにより、第１、第３の放熱グリス６１、６３が充填されている領域には、導電性の異物８２が侵入することを防止できる。つまり、沿面放電が起こるための経路に導電性の異物８２が侵入しないので、沿面放電が起こることを防止できる。

なお、上記実施形態の両面冷却型半導体装置１においては、放熱板１４、１５の周囲に充填する第１、第３の放熱グリス６１、６３は、放熱板１４、１５の凸面と絶縁部材２０、３０の基板部２１との間に介在させる放熱グリス６１、６３と同一材質のものを用いた。また、間隙空間２０ａ，３０ａ及び当該間隙空間２０ａ、３０ａの外周側に充填する第２、第４の放熱グリス６２、６４は、絶縁部材２０、３０の絶縁凸部２２と冷却チューブ４０、５０との間に介在させる放熱グリス６２、６４と同一材質のものを用いた。これにより、放熱グリス６１〜６４の充填が容易となる。さらには、低コスト化を図ることができる。

ただし、これらは、同一材質のものを用いなくてもよい。この場合の両面冷却型半導体装置２について図３及び図４を参照して説明する。図３は、両面冷却型半導体装置２の正面図を示す。図４は、両面冷却型半導体装置２の右側面図を示す。なお、両面冷却型半導体装置２において、上述した両面冷却型半導体装置１と同一構成については同一符号を付して説明を省略する。

図３及び図４に示すように、第１の放熱グリス６１は、第１の絶縁部材２０の基板部２１の下面と第１の放熱板１４の上面との間のみに介在させている。また、第２の放熱グリス６２は、第２の絶縁部材２０の基板部２１の上面と第２の放熱板１５の下面との間のみに介在させている。

第３の放熱グリス６３は、第１の冷却チューブ４０の下面と第１の絶縁部材２０の絶縁凸部２２の凸面との間のみに介在させている。また、第４の放熱グリス６４は、第２の冷却チューブ５０の上面と第２の絶縁部材３０の絶縁凸部２２の凸面との間のみに介在させている。

そして、第１の充填部材７１、第２の充填部材７２、第３の充填部材７３及び第４の充填部材７４は、絶縁性材料からなるグリス、ゲル、接着剤などである。なお、これらの充填部材７１〜７４は、特に良熱伝導性でなくてもよい。

そして、第１の充填部材７１は、第１の絶縁部材２０の基板部２１の下面と樹脂ケース１１の上面との間であって、第１の放熱板１４の周囲全周に亘って充填されている。第２の充填部材７２は、第２の絶縁部材３０の基板部２１の上面と樹脂ケース１１の下面との間であって、第２の放熱板１５の周囲全周に亘って充填されている。

第３の充填部材７３は、第１の冷却チューブ４０の下面と第１の絶縁部材２０の基板部２１の上面との間であって、第１の絶縁部材２０の絶縁凸部２２の周囲全周に亘って充填されている。つまり、第３の充填部材７３は、間隙空間２０ａ及び当該間隙空間２０ａの外周側に充填されている。

また、第４の充填部材７４は、第２の冷却チューブ５０の上面と第２の絶縁部材３０の基板部２１の下面との間であって、第２の絶縁部材３０の絶縁凸部２２の周囲全周に亘って充填されている。つまり、第４の充填部材７４は、間隙空間３０ａ及び当該間隙空間３０ａの外周側に充填されている。

このような構成からなる両面冷却型半導体装置２は、上述した両面冷却型半導体装置１と同様に、コロナ放電及び沿面放電が起こることを防止できる。

本実施形態の両面冷却型半導体装置１の正面図を示す。 本実施形態の両面冷却型半導体装置１の右側面図を示す。 本実施形態の両面冷却型半導体装置２の正面図を示す。 本実施形態の両面冷却型半導体装置２の右側面図を示す。 放電が起きるおそれがある両面冷却型半導体装置３を示す。

符号の説明

１、２：両面冷却型半導体装置、
３：間隙空間２０ａ、３０ａ及び放熱板１４、１５の周面に、絶縁性の放熱グリス６１〜６４が充填されていない両面冷却型半導体装置、
１０：半導体モジュール、 １１：樹脂ケース、 １２：半導体素子、
１３：端子、 １４、１５：放熱板、
２０、３０：絶縁部材、 ２１：基板部、 ２２：絶縁凸部、
２０ａ、３０ａ：間隙空間、
４０、５０：冷却チューブ、 ４１、５１：流路、 ６１〜６４：放熱グリス、
７１〜７４：充填部材、 ８１、８２：導電性の異物

Claims (5)

1. 半導体素子と、前記半導体素子の両面に配置される一対の放熱板と、を有する半導体モジュールと、
   前記一対の放熱板を挟持するように配置される一対の絶縁部材であって、前記放熱板の外面に接合して配置される基板部と該基板部の外面側に該基板部に対して凸面を形成する凸状部とを備える一対の絶縁部材と、
   前記凸状部の凸面に接合して、前記一対の絶縁部材を挟持するように配置され、内部に冷却媒体を流通させる一対の冷却チューブと、
   を備える両面冷却型半導体装置であって、
   絶縁性のグリス、ゲル及び接着剤の中から選択された何れかからなり、前記絶縁部材の前記凸状部と前記冷却チューブとを接合させた状態において前記絶縁部材の前記基板部と前記冷却チューブとの間に形成される空間に充填される充填部材を備えることを特徴とする両面冷却型半導体装置。
2. 前記絶縁部材の前記凸状部は、前記半導体素子のうち前記放熱板により挟まれる面を正面に見た場合に、前記放熱板の外面の端部よりも内側に位置するように配置され、
   前記充填部材は、前記絶縁部材の前記凸状部と前記冷却チューブとを接合させ且つ前記放熱板の前記外面と前記絶縁部材の前記基板とを接合させた状態において、前記絶縁部材の前記基板部と前記冷却チューブとの間に形成される空間のうち、前記放熱板と前記冷却チューブとが対向する空間に充填される請求項１記載の両面冷却型半導体装置。
3. 前記充填部材は、前記半導体素子のうち前記放熱板により挟まれる面を正面に見た場合に、前記放熱板の周囲となる面を被覆するように充填される請求項１又は２に記載の両面冷却型半導体装置。
4. 前記放熱板と前記絶縁部材の前記基板部との接合面に配置され、放熱性且つ絶縁性の材料であってグリス、ゲル及び接着剤の中から選択された何れかからなる第１の放熱部材を備え、
   前記充填部材は、前記第１の放熱部材と同一材質からなる請求項１〜３の何れか一項に記載の両面冷却型半導体装置。
5. 前記絶縁部材の前記凸状部と前記冷却チューブとの接合面に配置され、放熱性且つ絶縁性の材料であってグリス、ゲル及び接着剤の中から選択された何れかからなる第２の放熱部材を備え、
   前記充填部材は、前記第２の放熱部材と同一材質からなる請求項１〜３の何れか一項に記載の両面冷却型半導体装置。

Images