JP4604954B2 - 半導体モジュールの絶縁構造 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、絶縁材と、導電性構造体とを加圧密着してなる半導体モジュールの絶縁構造に関する。

従来より、図１２、図１３に示すごとく、半導体素子９１を内蔵した半導体モジュール９に冷却器７を加圧密着させて、半導体モジュール９を冷却する構造がある（特許文献１参照）。この場合、半導体モジュール９の表面に露出した放熱板９５０と冷却器７との間に、セラミック等からなる絶縁材８を配置して、両者の間の電気的絶縁性を確保している。

しかし、例えば、上記放熱板９５０が銅からなり、冷却器７がアルミからなる場合、上記絶縁材８を挟んで放熱板９５０と冷却器７とが加圧されると、所定の荷重に対する変形量が大きい方である冷却器７が変形することがある。このとき、絶縁材８が冷却器７の変形に追従して変形しようとする曲げの力が働き、絶縁材８にクラックが入ったり破損したりするおそれがある。これにより、半導体モジュール９と冷却器７との間の電気的絶縁性を確保することが困難となるおそれがある。

上記の冷却器７の変形は、図１２、図１３に示すごとく、所定の荷重に対する変形量が小さい方である放熱板９５０の外周９５１が所定の荷重に対する変形量が大きい方である冷却器７の表面に当接することにより、この当接部分に応力が集中して生じる。即ち、冷却器７よりも半導体モジュール９の放熱板９５０の方が、所定の荷重に対する変形量が小さい場合において、放熱板９５０の外周９５１が冷却器７の当接面の外周７５１よりも内側にあると、上記の変形が生じやすくなる。

特開２００１−３２０００５号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、絶縁材の破損を防ぎ、電気的絶縁性の低下を充分に防ぐことができる半導体モジュールの絶縁構造を提供しようとするものである。

本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールに接触配置した絶縁材と、上記半導体モジュールとの間に上記絶縁材を挟むように該絶縁材に接触配置して上記半導体モジュールを冷却する導電性構造体とが、互いに加圧密着してなり、
上記絶縁材を挟んで対向配置された上記半導体モジュールの当接面と、上記導電性構造体の当接面とのうち、いずれか一方は他方よりも所定の荷重に対する変形量が小さい材料からなる難変形当接面であり、他方は該難変形当接面よりも前記所定の荷重に対する変形量が大きい材料からなる易変形当接面であり、
上記難変形当接面の外周の全ての角部は、上記易変形当接面の外周よりも外側に配されていることを特徴とする半導体モジュールの絶縁構造にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記難変形当接面の外周の全ての角部は、上記易変形当接面の外周よりも外側に配されている。そのため、易変形当接面の外周よりも難変形当接面の外周が外側に配された部分においては、応力の集中を防ぎ、易変形当接面の変形を防ぐことができる。それ故、絶縁材に曲げの力が働くことを防止し、絶縁材の破損を防ぐことができる。その結果、半導体モジュールと導電性構造体との間における電気的絶縁性の低下を防ぐことができる。
上記難変形当接面の外周の中でも特に角部が易変形当接面の表面に当接すると、この角部において応力が特に集中しやすく、易変形当接面が変形し、絶縁材破損の原因となりやすい。そこで、難変形当接面における全ての角部を易変形当接面の外周の外側に配することにより、絶縁材の破損を効果的に防ぐことができる。

以上のごとく、本発明によれば、絶縁材の破損を防ぎ、電気的絶縁性の低下を充分に防ぐことができる半導体モジュールの絶縁構造を提供することができる。

本発明において、上記半導体モジュールとしては、例えば、ＭＯＳ型ＦＥＴ素子、ＩＧＢＴ素子、ダイオード、トランジスタ、サイリスタ、パワー集積回路等の半導体素子を内蔵したものがある。
また、上記絶縁材としては、例えば熱伝導性に優れたセラミック板等を用いることができる。また、絶縁材の厚みは、例えば、０．１〜１．０ｍｍとすることができる。
また、上記導電性構造体としては、例えば、後述する冷却器の他、ヒートシンク、ケース、他の電子部品等がある。
また、上記難変形当接面の外周及び上記易変形当接面の外周は、例えば、矩形等の多角形、或いは、円形、楕円形、その他種々の形状とすることができる。

また、上記難変形当接面の全外周は、上記易変形当接面の外周よりも外側に配されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、難変形当接面と易変形当接面との当接構造において応力が集中する部分を無くすことができるため、絶縁材の破損を一層効果的に防ぐことができる。

また、上記導電性構造体は、上記半導体モジュールを冷却する冷却器であることが好ましい（請求項３）。
この場合には、半導体モジュールを効率的に冷却することができると共に、半導体モジュールと冷却器との間の電気的絶縁性を確保することができる。
即ち、半導体モジュールの発熱を冷却器へ充分に放熱するためには、半導体モジュールと冷却器とを充分に加圧密着させる必要がある。そうすると、半導体モジュールと冷却器との間の絶縁材には大きな加圧力がかかることとなる。そこで、本発明を適用して応力集中を緩和することにより、半導体モジュールと冷却器との間に全体として大きな加圧力をかけたとしても、絶縁材の破損を効果的に防ぎ、電気的絶縁性を確保することができる。
このように、半導体モジュールの冷却効率の確保と電気的絶縁性の低下の防止との両立を図ることができる。

また、上記半導体モジュールが上記難変形当接面を有し、上記導電性構造体が上記易変形当接面を有することとすることができる（請求項４）。
この場合には、導電性構造体である冷却器の易変形当接面が変形することを防いで、絶縁材の破損を防ぐことができる。

また、上記導電性構造体は、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路を形成してなり、該
冷媒流路の形成方向と直交する方向について、上記半導体モジュールの上記難変形当接面の外周が、上記導電性構造体の上記易変形当接面よりも外側に配されていることとすることができる（請求項５）。
この場合には、半導体モジュールの冷却効率を向上させることができると共に、半導体モジュールと導電性構造体との配置を容易に行うことができる。

また、上記絶縁材は、上記難変形当接面又は上記易変形当接面のいずれか一方又は双方に密着した絶縁膜からなるものであってもよい（請求項６）。
この場合には、組付け性に優れた半導体モジュールの絶縁構造を得ることができる。
なお、上記絶縁膜としては、例えば、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコン系樹脂等の樹脂膜とすることができる。或いは、ＰＶＤ（物理的気相蒸着法）やＣＶＤ（化学的気相蒸着法）によって成膜した炭素系皮膜、窒化アルミニウム皮膜、窒化珪素皮膜等の絶縁薄膜を用いることもできる。

（実施例１）
本発明の実施例に係る半導体モジュールの絶縁構造につき、図１、図２を用いて説明する。
本例の半導体モジュールの絶縁構造は、半導体素子１１を内蔵した半導体モジュール１と、該半導体モジュール１に接触配置した絶縁材２と、半導体モジュール１との間に絶縁材２を挟むように該絶縁材２に接触配置した導電性構造体としての冷却器３とが、互いに加圧密着してなる。

上記絶縁材２を挟んで対向配置された半導体モジュール１の当接面と、冷却器３の当接面とのうち、いずれか一方は他方よりも所定の荷重に対する変形量が小さい材料からなる難変形当接面１５であり、他方は該難変形当接面１５よりも所定の荷重に対する変形量が大きい材料からなる易変形当接面３５である。
本例においては、半導体モジュール１が難変形当接面１５を有し、冷却器３が易変形当接面３５を有する。
そして、難変形当接面１５の外周１５１の少なくとも一部は、易変形当接面３５の外周３５１よりも外側に配されている。

また、図１に示すごとく、難変形当接面１５は矩形状に形成されている。そして、難変形当接面１５の全ての角部１５２は、易変形当接面３５の外周３５１よりも外側に配されている。
冷却器３の易変形当接面３５はアルミからなり、半導体モジュール１の難変形当接面１５は、銅からなる。
なお、難変形当接面１５は、同一面を形成していれば、同一材料によって構成されていなくてもよい。例えば、銅とその周囲に形成されたモールド材のように、異種材料によって同一面を形成し、上記難変形当接面１５とすることもできる。

難変形当接面１５は、半導体モジュール１における放熱板１５０によって構成されている。半導体モジュール１の内部に設けた半導体素子１１は、上記放熱板１５０に接触配置され、半導体素子１１における発熱を、放熱板１５０を介して冷却器３である冷却器に放熱している。また、半導体モジュール１は、半導体素子１１に接続された端子１２を有している。そして、半導体モジュール１は、半導体素子１１と端子１２と放熱板１５とを封止樹脂１３によって一体化してなる。

また、半導体モジュール１の放熱板１５０と冷却器３との間には、熱伝導性に優れたセラミック板からなる絶縁材２を配設してなる。絶縁材２は、放熱板１５０の表面である難変形当接面１５の全面を覆うように配設されている。また、絶縁材２の厚みは０．１〜１．０ｍｍである。
そして、図２の矢印Ｆに示すごとく、冷却器３が半導体モジュール１に向かって加圧された状態で組み付けられている。
また、半導体モジュール１と絶縁材２との間、及び絶縁材２と冷却器３との間は、それぞれ放熱グリスが充填されている。ただし、放熱グリスを充填せずに、半導体モジュール１と絶縁材２、及び絶縁材２と冷却器３とを直接接触させてもよい。或いは接着剤を介在させてもよい。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記難変形当接面１５の外周１５１の少なくとも一部は、上記易変形当接面３５の外周３５１よりも外側に配されている。そのため、少なくとも、易変形当接面３５の外周３５１よりも難変形当接面１５の外周１５１が外側に配された部分においては、応力の集中を防ぎ、易変形当接面３５の変形を防ぐことができる。それ故、絶縁材２に曲げの力が働くことを防止し、絶縁材２の破損を防ぐことができる。その結果、半導体モジュール１と冷却器３との間における電気的絶縁性の低下を防ぐことができる。

また、図１に示すごとく、難変形当接面１５の全ての角部１５２は、易変形当接面３５の外周３５１よりも外側に配されているため、絶縁材２の破損をより効果的に防ぐことができる。
難変形当接面１５の外周１５１の中でも特に角部１５２が易変形当接面３５の表面に当接すると、この角部１５２において応力が特に集中しやすく、易変形当接面３５が変形し、絶縁材２破損の原因となりやすい。そこで、難変形当接面１５における全ての角部１５２を易変形当接面３５の外周３５１の外側に配することにより、絶縁材２の破損を効果的に防ぐことができる。

また、半導体モジュール１に絶縁材２を介して当接配置する導電性構造体は、半導体モジュール１を冷却する冷却器３であるため、半導体モジュール１を効率的に冷却することができると共に、半導体モジュール１と導電性構造体（冷却器３）との間の電気的絶縁性を確保することができる。
即ち、半導体モジュール１の発熱を冷却器３へ充分に放熱するためには、半導体モジュール１と冷却器３とを充分に加圧密着させる必要がある。そうすると、半導体モジュール１と冷却器３との間の絶縁材２には大きな加圧力がかかることとなる。そこで、本発明を適用して応力集中を緩和することにより、半導体モジュール１と冷却器３との間に全体として大きな加圧力をかけたとしても、絶縁材２の破損を効果的に防ぎ、電気的絶縁性を確保することができる。
このように、半導体モジュール１の冷却効率の確保と電気的絶縁性の低下の防止との両立を図ることができる。

以上のごとく、本例によれば、絶縁材の破損を防ぎ、電気的絶縁性の低下を充分に防ぐことができる半導体モジュールの絶縁構造を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図３に示すごとく、半導体モジュール１の両面にそれぞれ絶縁材２を介して導電性構造体としての冷却器３を加圧密着させた絶縁構造の例である。
即ち、本例の半導体モジュール１は、両面冷却型の半導体モジュールであって、放熱板１５０を両面に有する。そして、各放熱板１５０の表面である難変形当接面１５に対して、絶縁材２を介して冷却器３を加圧密着させている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、半導体モジュール１を両面から冷却することができるため、半導体モジュール１の冷却効率を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図４に示すごとく、難変形当接面１５の全外周１５１を、易変形当接面３５の外周３５１よりも外側に配した例である。
即ち、半導体モジュール１の放熱板１５０の表面である難変形当接面１５の外周１５１の全てが、導電性構造体である冷却器３の易変形当接面３５の外周よりも外側に配されている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、難変形当接面１５と易変形当接面３５との当接構造において応力が集中する部分を無くすことができるため、絶縁材２の破損を一層効果的に防ぐことができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、図５に示すごとく、導電性構造体としての冷却器３の内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路３１を形成した例である。
そして、冷媒流路３１の形成方向と直交する方向について、半導体モジュール１の難変形当接面１５の外周１５１が、冷却器３の易変形当接面３５よりも外側に配されている。「冷媒流路３１の形成方向」は図５における紙面に垂直な方向であり、「冷媒流路３１の形成方向と直交する方向」は図５における左右の方向である。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、半導体モジュール１の冷却効率を向上させることができると共に、半導体モジュール１と冷却器３との配置を容易に行うことができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例５）
本例は、図６〜図９に示すごとく、冷媒流路３１を有する冷却器３を導電性構造体として、半導体モジュール１の両面に配置した例である。
また、図８、図９に示すごとく、冷却器３の易変形当接面３５は他の部分よりも突出して形成されている。これにより、半導体モジュール１の難変形当接面１５の外周１５１の全てを、易変形当接面３５の外周３５１よりも外側に配置できるようにしている。
以上により、本例は、上記実施例２〜４を組合わせた態様としている。

したがって、本例によれば、上記実施例２〜４の作用効果を得ることができる。
即ち、半導体モジュール１を両面から冷却することができるため、半導体モジュール１の冷却効率を向上させることができる。また、難変形当接面１５と易変形当接面３５との当接構造において応力が集中する部分を無くすことができるため、絶縁材２の破損を一層効果的に防ぐことができる。更には、冷却媒体を用いて半導体モジュール１を冷却することができるため、半導体モジュール１の冷却効率を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例６）
本例は、図１０に示すごとく、難変形当接面１５である半導体モジュール１の放熱板１５０の表面に密着した絶縁膜を、半導体モジュール１と冷却器３との間の絶縁材２とした例である。
上記絶縁膜としては、例えば、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコン系樹脂等の樹脂膜とすることができる。或いは、ＰＶＤ（物理的気相蒸着法）やＣＶＤ（化学的気相蒸着法）によって成膜した炭素系皮膜、窒化アルミニウム皮膜、窒化珪素皮膜等の絶縁薄膜を用いることもできる。
また、本例においては、導電性構造体としての冷却器３に冷媒流路３１を設けている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、組付け性に優れた半導体モジュールの絶縁構造を得ることができる。即ち、冷却器３と絶縁材２とが予め一体化された状態で組付け作業を行うことができるため、半導体モジュール１と冷却器３及び絶縁材２とを容易に組付けることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例７）
本例は、図１１に示すごとく、易変形当接面３５である導電性構造体としての冷却器３の表面に密着した絶縁膜を、半導体モジュール１と冷却器３との間の絶縁材２とした例である。
絶縁膜（絶縁材２）は、冷却器３の全周を覆うように形成されている。
その他は、実施例６と同様である。
本例の場合にも、実施例６と同様に、組付け性に優れた半導体モジュールの絶縁構造を得ることができる。

なお、上記実施例においては、半導体モジュールに絶縁材を介して当接させる導電性構造体として、冷却器を配置する例を示したが、導電性構造体としては、例えば、ヒートシンク、ケース、他の電子部品等、他の構造体を配設してもよい。
また、上記実施例においては、難変形当接面を構成する材料として銅を、易変形当接面を構成する材料としてアルミを用いたが、難変形当接面を易変形当接面よりも、所定の荷重に対する変形量が小さい材料で構成すれば、上記の材料に限らず、種々の材料を用いることができる。

実施例１における、半導体モジュールの絶縁構造の平面図。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図。 実施例２における、半導体モジュールの絶縁構造の断面図。 実施例３における、半導体モジュールの絶縁構造の平面図。 実施例４における、半導体モジュールの絶縁構造の断面図。 実施例５における、半導体モジュールの絶縁構造の平面図。 図６のＢ−Ｂ線矢視断面図。 実施例５における、冷却器の易変形当接面の平面図。 図７のＣ−Ｃ線矢視断面図。 実施例６における、半導体モジュールの絶縁構造の断面図。 実施例７における、半導体モジュールの絶縁構造の断面図。 従来例における、半導体モジュールの絶縁構造の平面図。 図１２のＤ−Ｄ線矢視断面図。

符号の説明

１ 半導体モジュール
１１ 半導体素子
１５ 難変形当接面
１５１ 外周
２ 絶縁材
３ 冷却器
３５ 易変形当接面
３５１ 外周

Claims (7)

1. 半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールに接触配置した絶縁材と、上記半導体モジュールとの間に上記絶縁材を挟むように該絶縁材に接触配置して上記半導体モジュールを冷却する導電性構造体とが、互いに加圧密着してなり、
   上記絶縁材を挟んで対向配置された上記半導体モジュールの当接面と、上記導電性構造体の当接面とのうち、いずれか一方は他方よりも所定の荷重に対する変形量が小さい材料からなる難変形当接面であり、他方は該難変形当接面よりも前記所定の荷重に対する変形量が大きい材料からなる易変形当接面であり、
   上記難変形当接面の外周の全ての角部は、上記易変形当接面の外周よりも外側に配されていることを特徴とする半導体モジュールの絶縁構造。
2. 請求項１において、上記難変形当接面の全外周は、上記易変形当接面の外周よりも外側に配されていることを特徴とする半導体モジュールの絶縁構造。
3. 請求項１又は２において、上記導電性構造体は、上記半導体モジュールを冷却する冷却器であることを特徴とする半導体モジュールの絶縁構造。
4. 請求項３において、上記半導体モジュールが上記難変形当接面を有し、上記導電性構造体が上記易変形当接面を有することを特徴とする半導体モジュールの絶縁構造。
5. 請求項４において、上記導電性構造体は、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路を形成してなり、該冷媒流路の形成方向と直交する方向について、上記半導体モジュールの上記難変形当接面の外周が、上記導電性構造体の上記易変形当接面よりも外側に配されていることを特徴とする半導体モジュールの絶縁構造。
6. 請求項１〜５のいずれか一項において、上記絶縁材は、上記難変形当接面又は上記易変形当接面のいずれか一方又は双方に密着した絶縁膜からなることを特徴とする半導体モジュールの絶縁構造。
7. 請求項１〜６のいずれか一項において、上記難変形当接面は銅からなり、上記易変形当接面はアルミニウムからなることを特徴とする半導体モジュールの絶縁構造。

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