JP4620617B2 - Directly cooled power semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、IGBTなどのパワー半導体素子を搭載したパワーモジュールと液冷構造体201とを備えた半導体装置に関するものである。
The present invention relates to a semiconductor device including a power module on which a power semiconductor element such as an IGBT is mounted and a
最近の電力用の半導体装置では、パワー密度向上の要求に答えるべく、間接液冷方式に変わり、冷却性能の高い直接液冷方式が多く使用されるようになって来ている。この直接液冷方式の代表的な構造としては、パワーモジュールの冷却面と、冷却液が流れる液冷構造体に設けた開口部をシールして、冷却液の漏れを防ぎ、流路を完成させる構造である。このときのシール材としては、一般的にはOリングやガスケット、パッキング(以下Oリングで代表する)が用いられている(特許文献1,2)。 In recent semiconductor devices for electric power, the direct liquid cooling method having high cooling performance is often used instead of the indirect liquid cooling method in order to meet the demand for improvement in power density. As a typical structure of this direct liquid cooling method, the cooling surface of the power module and the opening provided in the liquid cooling structure through which the cooling liquid flows are sealed to prevent leakage of the cooling liquid and complete the flow path. Structure. In general, O-rings, gaskets, and packings (hereinafter referred to as O-rings) are used as sealing materials at this time (Patent Documents 1 and 2).
一方、直接液冷型電力半導体装置にあっては、電力用半導体モジュールの冷却性能を高めるために、金属ベース板の裏面の冷却液に接触する冷却面をできるだけ大きくとり、シール部付近迄冷却液を流す必要がある。更に、前記モジュール、若しくは半導体装置の小型化を達成するためにはシール部の形状をできるだけ小さくする必要がある。
しかし、Oリングでシールすると、シール面との接触部に微小な隙間ができ、この微小隙間に冷却液が侵入して、隙間が小さいために冷却液が滞留することがある。このように、冷却液が滞留すると、液中の酸素濃度に不均一が生じ、金属の局部腐蝕(隙間腐食と呼ばれている)が発生する。この現象は、特に、モジュールの冷却ベースや液冷構造体201に用いられるアルミや銅に顕著である。隙間腐蝕が進行すると、シール部からの液漏れを引き起こすなどの原因となる。
However, when sealing with an O-ring, a minute gap is formed at the contact portion with the seal surface, and the coolant enters the minute gap, and the coolant may stay because the gap is small. As described above, when the cooling liquid stays, the oxygen concentration in the liquid becomes non-uniform, and local corrosion of metal (called crevice corrosion) occurs. This phenomenon is particularly remarkable in aluminum and copper used for the cooling base of the module and the
そこで、本発明は、上記のような従来の問題点を解決するためになされたものであり、シール部分の隙間腐食を効果的に防止することができる電力用の半導体装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a power semiconductor device that can effectively prevent crevice corrosion of a seal portion. And
以上の目的を達成するために、本発明に係る直接冷却型電力半導体装置は、互いに対向する第1の主面と第2の主面を有しその第1の主面に電力半導体素子が樹脂層を介して又は直接設けられた金属ベース板と、前記電力半導体素子を冷却する冷却液が還流される凹部を有する冷却構造体とを備え、前記冷却構造体が、前記第2の主面に前記凹部が対向するように配置されて、前記凹部の周りに設けられた弾性体からなるOリングを押圧するように前記金属ベース板に取り付けられてなる直接冷却型電力半導体装置において、
前記金属ベース板の前記第2の主面の一部であって、前記Oリングと前記金属ベース板との接触端の近傍に形成される隙間に滞留する冷却液に曝される部分に、腐食を防止する金属ベースコーティング膜を形成し、前記冷却構造体は、前記凹部の周りにOリング収納溝を有し、該Oリング収納溝に前記Oリングが配置され、かつ前記冷却構造体は、前記Oリング収納溝と前記凹部とを隔てる隔壁の前記凹部側に、前記第2の主面との間隔が、前記凹部に近づくに従って連続的又は段階的に大きくなるように傾斜部を有し、前記金属ベースコーティング膜が該傾斜部に対向する部分にまで延在して設けられたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a direct cooling power semiconductor device according to the present invention has a first main surface and a second main surface facing each other, and the power semiconductor element is a resin on the first main surface. A metal base plate provided directly or via a layer, and a cooling structure having a recess through which a cooling liquid for cooling the power semiconductor element is circulated, the cooling structure being provided on the second main surface In the direct cooling type power semiconductor device that is disposed so that the recesses face each other and is attached to the metal base plate so as to press an O-ring made of an elastic body provided around the recesses,
Corrosion occurs in a part of the second main surface of the metal base plate that is exposed to a coolant that is retained in a gap formed in the vicinity of a contact end between the O-ring and the metal base plate. The cooling structure has an O-ring storage groove around the recess, the O-ring is disposed in the O-ring storage groove, and the cooling structure includes: On the recess side of the partition wall that separates the O-ring housing groove and the recess, an interval is provided such that the distance from the second main surface increases continuously or stepwise as the recess approaches. The metal base coating film is provided to extend to a portion facing the inclined portion .
以上のように構成された本発明に係る直接冷却型電力半導体装置は、前記金属ベース板の前記第2の主面の前記Oリングと前記金属ベース板との接触端の近傍に形成される隙間に滞留する冷却液に曝される部分に、腐食を防止する金属ベースコーティング膜が形成されているので、シール部分の隙間腐食を効果的に防止することができる。 In the direct cooling power semiconductor device according to the present invention configured as described above, a gap formed in the vicinity of a contact end between the O-ring on the second main surface of the metal base plate and the metal base plate. Since the metal base coating film for preventing corrosion is formed on the portion exposed to the coolant that stays in the gap, crevice corrosion at the seal portion can be effectively prevented.
以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態について説明する。
実施の形態1.
図1は、本発明に係る実施の形態1の直接液冷型電力半導体装置を示す断面図である。
この実施の形態1において、パワーモジュール100は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)等のパワーデバイス101と、銅配線パターン102と、熱の良伝導体である銅やアルミニウム等からなる金属ベース板105と、ケース106とを有してなる。このパワーモジュール100において、銅配線パターン102は、接着樹脂層104により金属ベース板105に接着され、例えば、複数のパワーデバイス101が、はんだ(図示せず)等により、銅配線パターン102上に固着され、パワーデバイス101の表面に設けられた電極(図示せず)がアルミワイヤ103等の金属細線により銅配線パターンの一部に電気的に接合されている。
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a sectional view showing a direct liquid-cooled power semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
In the first embodiment, the
この状態で、パワーデバイス101や銅配線パターン102、アルミワイヤ103等を外部環境から保護するために、ケース106が金属ベース板105の周囲に固着されて構成されている。尚、図示されていないが、パワーデバイス101の電極は、銅配線パターン102を介して、ケース106の外に設けられた外部電極まで電気的に接続され、外部電極を外部回路に接続することによりパワーモジュール100から電気信号が取り出される。
In this state, in order to protect the
このパワーモジュール100において、パワーデバイス101で発生する熱は銅配線パターン102、接着樹脂層104及び金属ベース板105を経て金属ベース板105の裏面に伝えられ、金属ベース板105の裏面から放出される。
In the
本実施の形態1の直接液冷型電力半導体装置においては、上述の様に構成されたパワーモジュール100に対して、金属ベース板105を冷却するために、液冷構造体201が、金属ベース板105の裏面に取り付けられる。この液冷構造体201は、冷却液205が還流される凹部と、その凹部の開口部202を取り囲むように設けられたOリング収納溝203と、給排出口(図示せず)を有してなる。このように構成された液冷構造体201は、開口部202が金属ベース板105の裏面に対向するように配置され、Oリング収納溝203に設けられたOリング204によって、冷却液205が外部に漏れ出さないようにシールして金属ベース板105の裏面に取り付けられる。
尚、液冷構造体201は、アルミや銅等の金属、若しくはPPS(ポリ・フエニレン・サルファイド)、等の樹脂で作製することができる。
In the direct liquid-cooled power semiconductor device of the first embodiment, in order to cool the
The
このような構成することにより、実施の形態1の電力半導体装置では、金属ベース板105の裏面に、還流される冷却液205が直接接して金属ベース板105を冷却するため、効率よくパワーモジュール100を冷却することができる。
With such a configuration, in the power semiconductor device of the first embodiment, the refluxed
ここで、特に、本実施の形態1では、金属ベース板105におけるOリングとの接触部分にコーティング膜108を設けて、シール部分の隙間腐食を効果的に防止して、信頼性の高い電力用の半導体装置を提供することを可能にしている。
以下、シール部分の構成を詳細に説明する。
Here, in particular, in the first embodiment, the
Hereinafter, the configuration of the seal portion will be described in detail.
図2は、本実施の形態1におけるシール部の構造を判り易くするために、図1の一部を拡大して示す断面図である。
この図2に示すように、コーティング膜108は、金属ベース板105と液冷構造体201で締付られて横方向に拡がったOリング204の接触面の最大幅より広く形成され、これにより冷却液205の滞留による金属ベース板105の腐食を防止している。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a part of FIG. 1 for easy understanding of the structure of the seal portion in the first embodiment.
As shown in FIG. 2, the
すなわち、Oリング204は弾性体であるため、金属ベース板105と液冷構造体201で締付けられることにより、横方向に歪み、その結果、Oリング204と金属ベース板105の接触部境界で微小な隙間107が形成される。この状態で、冷却液205を流すと、この隙間部に流れ込んだ冷却液205は、隙間が小さいために隙間内にとどまってほとんど流れず滞留する。しかしながら、本実施の形態1では、この冷却液205が滞留する部分に位置する金属ベース板105の表面に、コーティング膜108が形成されているので、従来、問題となっていた隙間腐食を防止することができる。
That is, since the O-
このように、コーティング膜108は、冷却液205の滞留による金属ベース板105の腐食を防止するものであるから、コーティング膜は、Oリング204との接触部分から少なくとも滞留する冷却水に曝される部分に形成されていれば良い。具体的には、横に拡がったOリング204の中央部の最大径部分204bから金属ベース板105に下ろした垂線が金属ベース板105の裏面と交わる位置105bまで達するように、コーティング膜108が形成されていればよい。
Thus, since the
また、本発明において、Oリングの断面形状は円では無く、矩形や他の異形であれば隙間部は浅くなることも考えられるが、同様に、隙間腐食の恐れが有れば、円形断面のOリングの場合と同様、コーティング膜108を形成するようにすればよい。
Further, in the present invention, the cross-sectional shape of the O-ring is not a circle, and it is conceivable that the gap portion becomes shallow if it is a rectangle or other irregular shape. Similar to the case of the O-ring, the
このコーティング膜108は、金属ベース板105への密着が高く、Oリング204を締付けた際に変形したり、変質することなく、又、冷却液205に長時間さらされていても変質、劣化しない材質であれば何ら制限はないが、例えば、シリコーン系樹脂等のように、冷却液205の主成分である水に濡れにくいものが好ましい。
また、コーティング膜108の膜厚は、金属ベース板105の表面の凹凸を被覆して滑らかにでき、ピンホールなどの欠陥がなく、冷却液205がコーティング膜を通して金属表面に到達しないような膜厚であれば良く、上記条件を満足する限り、出来るだけ薄いほうが良い。具体的には、0.002mm〜0.050mmの範囲の厚さに設定されることが好ましい。
The
Further, the
コーティング膜108は、例えば、形成すべき部分を除いて、マスクで覆ってマスクで覆われない表面に樹脂を噴霧して、均一に塗布する方法により形成することができる。
また、柔らかい先端部に樹脂を染み込ませた治具をコーティングするエリア上に押し当てて金属ベース板105表面に樹脂を塗布する方法、塗布する形状に成型したスタンプ状の治具により樹脂を転写する方法により形成することもでき、特に、形成方法に制限はない。
The
Also, a method of applying a resin to the surface of the
以上のように、実施の形態1の直接液冷型電力半導体装置によれば、金属ベース板105裏面の、Oリングが接触する部分に、コーティング膜108を形成するという簡単な構成で、隙間腐食を防止することができる。すなわち、本実施の形態1の構成では、コーティング膜をOリングの接触幅より若干大きい幅に形成するだけで、隙間腐食を防止することができ、隙間腐食防止のために金属ベース板105と液冷構造体201の対向部分の寸法を大きく取る必要もない。
したがって、本実施の形態1では、Oリング付近の特別な設計をすることがないので、半導体装置の小型化を阻害することもない。
As described above, according to the direct liquid-cooled power semiconductor device of the first embodiment, crevice corrosion is achieved with a simple configuration in which the
Therefore, in the first embodiment, since a special design near the O-ring is not made, downsizing of the semiconductor device is not hindered.
また、本実施の形態1の構成では、パワーモジュール100に冷却構造体を取り付ける前に、コーティング膜108を金属ベース板105の裏面に形成することができるので、取り付け前にコーティング膜108の形成状態や膜品質を検査することができ、不良の発生を防止できる。さらに、組立時の煩雑さもなく、組立工程も短縮できる。
In the configuration of the first embodiment, since the
さらに、本実施の形態1では、金属ベース板105にコーティング膜を形成しているので、液冷却構造体をPPS(ポリ・フェニレン・サルファイド)樹脂等の接着剤の密着性が悪い樹脂で構成されている場合であっても、適用できる。
Further, in the first embodiment, since the coating film is formed on the
従って、本実施の形態1によれば、従来の問題点を解決して、冷却性能及び小型化を損ねることなく、容易に、且つ低コストに、隙間腐食を防止することができる直接液冷型電力半導体装置の提供することができる。 Therefore, according to the first embodiment, a direct liquid-cooling type that solves the conventional problems and can prevent crevice corrosion easily and at low cost without impairing the cooling performance and downsizing. A power semiconductor device can be provided.
実施の形態2.
実施の形態1の構成では、Oリングと金属ベース板105で作る隙間における冷却液205の滞留に起因する隙間腐食を防止できることを示した。
しかしながら、〇リング204によるシール部分では、金属ベース板105と液冷構造体201の隙間も小さく、この隙間への冷却液205の滞留が問題になる場合がる。
Embodiment 2. FIG.
In the configuration of the first embodiment, it has been shown that crevice corrosion due to retention of the
However, in the sealed portion by the
この実施の形態2の直接液冷型電力半導体装置は、金属ベース板105と液冷構造体201の隙間に滞留する冷却液205による隙間腐食を防止することができるシール部分を持ったものであり、図3Aにはそのシール部分の断面を拡大して示す。
The direct liquid-cooled power semiconductor device according to the second embodiment has a seal portion that can prevent crevice corrosion due to the
実施の形態2の直接液冷型電力半導体装置では、図3Aに示すように、Oリング収納溝203と冷却液205が還流される凹部とを隔てる隔壁の隔壁上面206と、金属ベース板105の間の隙間が小さく、この隙間に冷却液205が滞留する恐れが有る。そこで、本実施の形態2の直接液冷型電力半導体装置では、コーティング膜108を、金属ベース板105の隔壁上面206に対向する部分にも延在するように形成し、さらに、隔壁上面206の内側に傾斜部206bを形成して金属ベース板105との間隔を広げるようにしている。
In the direct liquid-cooled power semiconductor device of the second embodiment, as shown in FIG. 3A, the partition wall
実施の形態2では、この傾斜部206bを形成することにより、隔壁上面206と金属ベース板105の間の隙間において冷却液205が滞留する範囲を狭くして、さらに、延在して形成されたコーティング膜108により、冷却液205の滞留による隙間腐食を防止している。
In the second embodiment, by forming the
ここで、金属ベース板105裏面のコーティング膜108は、少なくとも金属ベース板105裏面において滞留する冷却液205に曝される傾斜部206bの途中まで、形成されている。
また、図3Aにおいて、図1及び図2と同様な部材には、同様の符号を付して示している。
Here, the
3A, the same members as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
このように、本実施の形態2では、Oリング204と金属ベース板105の接触部境界付近の微小な隙間107、隔壁上面206と金属ベース板105の間の隙間、及び傾斜部206bと金属ベース板105の隙間のうちの冷却液205が滞留する恐れが有る一部に対向する金属ベース板105の裏面がコーティング膜108によって完全に覆われているので、冷却液205の滞留による隙間腐食を防止することができる。
As described above, in the second embodiment, the
以上の実施の形態2では、隔壁上面206の内側に、傾斜面206bを形成するようにしたが、本発明においては、図3Bに示すように、曲面206cを形成してもよいし、図3Cに示すように、階段状の面206dであっても良いし、図3Dに示すような、突起のある傾斜面206eであってもよい。
すなわち、本発明では、内側に向かって金属ベース板105との間隔が、連続的に、又は段階的に拡がるような面であれば、傾斜面206bに代えて形成することができる。
言い換えれば、傾斜面206b又はそれに替わる面は、冷却液205が滞留しない領域が明確にわかり、コーティング膜の端部を決められるような面であれば良い。
In Embodiment 2 described above, the
That is, in the present invention, if the distance from the
In other words, the
さらに、コーティング膜108の端部は、Oリング収納溝203の内側傾斜傾部の冷却液205の滞留が起こらない領域迄到達していれば良いが、コーティング膜の端部は、冷却性能に影響を及ぼさない限り、さらに内側まで若干伸びていても問題ない。
Furthermore, the end of the
実施の形態3.
本発明に係る実施の形態3の直接液冷型電力半導体装置は、図4に示すように、実施の形態1の直接液冷型電力半導体装置において、Oリング収納溝203の底面にコーティング膜208を形成し、Oリング収納溝203の底面とOリング204とが、コーティング膜208を介して接するようにしたことを特徴としている。
Embodiment 3 FIG.
As shown in FIG. 4, the direct liquid-cooled power semiconductor device according to the third embodiment of the present invention is the same as the direct liquid-cooled power semiconductor device according to the first embodiment, except that the
このようにすると、液冷構造体201を金属で構成した場合において、液冷構造体201とOリング204との隙間における冷却液205の滞留による隙間腐食を防止することができる。
したがって、図4に示す実施の形態3の構造によれば、液冷構造体201を銅やアルミ等の金属で形成することができる。
In this way, when the
Therefore, according to the structure of the third embodiment shown in FIG. 4, the
この実施の形態3における、コーティング膜208の端部も、実施の形態1で示したように、コーティング部は、Oリング204の中央部の最大部分204bから液冷構造体201に降ろした垂線が、Oリング収納溝203の底面と交わる位置より外側迄覆うように形成されていれば良く、特に長く出す必要はないことは勿論である。
In the end portion of the
以上のように、本実施の形態3では、金属ベース板105側のみならず液冷構造体201側の隙間腐蝕を防止でき、金属ベース板105の材料と液冷構造体201とを同一の材質で構成することが可能になる。
尚、実施の形態3において、コーティング膜は、実施の形態1と同様のもので構成することが可能である。
As described above, in Embodiment 3, it is possible to prevent crevice corrosion not only on the
In the third embodiment, the coating film can be composed of the same as in the first embodiment.
実施の形態4.
本発明に係る実施の形態4の直接液冷型電力半導体装置は、図5に示すように、実施の形態2の直接液冷型電力半導体装置において、Oリング収納溝203の底面にコーティング膜208を形成し、Oリング収納溝203の底面とOリング204とが、コーティング膜208を介して接するようにし、さらに、コーティング膜208を隔壁上面206を経て傾斜面206bの途中まで延在するように形成している。
Embodiment 4 FIG.
As shown in FIG. 5, the direct liquid-cooled power semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention is the same as that of the direct liquid-cooled power semiconductor device according to the second embodiment. The bottom surface of the O-
すなわち、本実施の形態4では、液冷構造体201を銅やアルミ等の金属で構成することが想定されており、隔壁上面206及び傾斜面206bの途中までと、金属ベース板105の隙間に冷却液205が滞留することにより、液冷構造体201の当該部分が腐食されるのをコーティング膜208によって防止している。
尚、実施の形態4において、コーティング膜208を傾斜面206bの途中まで延在させている理由は、その部分までが滞留する液冷体に曝されるためであり、傾斜面206b全体が滞留する液冷体に曝される恐れがある場合には、コーティング膜208を傾斜面206bの下端まで延在させれば良い。
That is, in the fourth embodiment, it is assumed that the
In the fourth embodiment, the reason why the
また、冷却液205の滞留により、金属ベース板105の裏面の腐食がコーティング膜108によって防止できるのは、実施の形態2と同様である。
また、傾斜部206bが形成されることによって、溝204の近辺において冷却液205が滞留する領域を狭くできることはいうまでもない。
Further, as in the second embodiment, the back surface of the
Needless to say, the formation of the
さらに、傾斜部に代えて、図3Bに示すように、曲面206cを形成してもよいし、図3Cに示すように、階段状の面206dであっても良いし、図3Dに示すような、突起のある傾斜面206eであってもよい。
また、金属ベース板105の材料と液冷構造体201が同一の材質であってもよく、その場合、コーティング剤は実施の形態1で例示した材料を用いて構成することができる。
また、液冷構造体201を金属ベース板105と異なる金属を用いて構成することもでき、その場合のコーティング膜の材料は、実施の形態1で例示した材料を用いることもできるし、液冷構造体201の材質に応じてより適した材質を選択することもできる。
Further, instead of the inclined portion, a curved surface 206c may be formed as shown in FIG. 3B, a stepped surface 206d may be used as shown in FIG. 3C, or as shown in FIG. 3D. Alternatively, the inclined surface 206e having a protrusion may be used.
In addition, the material of the
In addition, the
実施の形態5.
本発明に係る実施の形態5の直接液冷型電力半導体装置は、Oリング204によるシール部分の構造が実施の形態1と異なっている以外は、実施の形態1と同様に構成される。
図6は、本実施の形態5における直接液冷型電力半導体装置のOリングシール部分の構造を示す断面図である。
本実施の形態5の直接液冷型電力半導体装置は、金属ベース板105と液冷構造体201間に挟まれたOリング204の表面、金属ベース板105裏面の一部及びOリング収納溝203の内面に渡って連続したコーティング膜が形成されていることを特徴としている。
Embodiment 5.
The direct liquid-cooled power semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention is configured in the same manner as in the first embodiment except that the structure of the seal portion by the O-
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of the O-ring seal portion of the direct liquid-cooled power semiconductor device according to the fifth embodiment.
In the direct liquid-cooled power semiconductor device of the fifth embodiment, the surface of the O-
図6には、Oリング204の表面を覆うコーティング膜には207aの符号を、金属ベース板105裏面の一部を覆うコーティング膜には207bの符号を、Oリング収納溝203内面を覆うコーティング膜には207cの符号を付して示し、以下の説明では、コーティング膜を形成されている位置によって符号により識別して説明するが、コーティング膜207a、コーティング膜207b及びコーティング膜207cは、連続したコーティング膜である。
In FIG. 6, a coating film covering the surface of the O-
すなわち、実施の形態5の直接液冷型電力半導体装置では、Oリング204と金属ベース板105の接触端近傍に形成され、冷却液205が滞留するであろう微小なOリング隙間107における金属ベース板105の表面に、コーティング膜207aから連続するコーティング膜207bが形成されていて、これにより、Oリング隙間107に滞留する冷却液205による金属ベース板105の腐食が防止されている。
That is, in the direct liquid-cooled power semiconductor device of the fifth embodiment, the metal base is formed in the vicinity of the contact end between the O-
また、実施の形態5の直接液冷型電力半導体装置では、Oリング204とOリング収納溝203の底面の接触端近傍に形成され、冷却液205が滞留するであろう微小なOリング隙間における溝底面に、コーティング膜207aから連続するコーティング膜207cが形成されていて、これにより、Oリング隙間に滞留する冷却液205によるOリング収納溝203の内面の隙間腐食が防止されている。
Further, in the direct liquid-cooled power semiconductor device of the fifth embodiment, it is formed in the vicinity of the contact end between the bottom surfaces of the O-
以下、本実施の形態5のシーリング構造部におけるコーティング膜の形成方法について図7A〜図7Dを参照しながら説明する。
本方法でき、まず、図7Aに示すように、パワーモジュール100に液冷構造体201を取り付ける前に、液冷構造体201のOリング収納溝203にOリング204を装着し、その状態で、コーティング樹脂の反応硬化前の液状のコーティング樹脂溶液208aを滴下する。
ここで、コーティング樹脂溶液208aとしては、金属ベース板105との密着性が高く、Oリング締付により変質を起こすことがなく、且つ、冷却液205に犯されない、例えば、シリコーン樹脂等を用いることができる。尚、液冷構造体201が樹脂製である場合には、その樹脂との密着性が高いことが求められる。
Hereinafter, a method for forming a coating film in the sealing structure portion of the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 7A to 7D.
First, as shown in FIG. 7A, before attaching the
Here, as the
滴下量は、パワーモジュール100を搭載して締め付けたとき、樹脂溶液がOリング収納溝203内に充満し、Oリング収納溝203からはみ出さない程度であることが好ましい。ただし、樹脂溶液を硬化反応させた後に形成されるコーティング膜が十分薄い場合には若干の溶液がOリング収納溝203からはみ出しても問題はない。はみ出した溶液は液冷構造体201の開口部内壁に沿って流れて広がった場合でも、硬化反応後のコーティング膜厚は薄くなるので、製品の品質に及ぼす影響は無視できる。
The amount of dripping is preferably such that when the
図7Bは、滴下した溶液208bがOリング収納溝203内に充満した状態を示す断面図である。このように、樹脂溶液208bが低粘度であればOリング収納溝203とOリング204の隙間に十分に充填され、Oリング204と液冷構造体201のOリング収納溝203の底面で作られる隙間にも充填される。
FIG. 7B is a cross-sectional view showing a state in which the dropped
図7Cは、パワーモジュール100の金属ベース板105を、位置合せして液冷構造体201に搭載した後の状態を示す。この図7Cに示すように、Oリング204を上下から締め付けるとOリング204は歪んで横に広がる。この結果、Oリング収納溝203内に充満した樹脂溶液208cはOリング表面を伝い金属ベース板105の裏面に濡れ広がる。このとき、樹脂溶液は、その表面張力によりOリング204と金属ベース板105の接触部で作られる隙間に十分に充填される。
FIG. 7C shows a state after the
図7Dは、Oリング204を、ボルト等で締付け固定した状態(図示せず)で、樹脂を硬化反応させた後の状態を示す。樹脂の硬化反応には、乾燥により樹脂溶液中の溶剤を飛ばした後、例えば、シリコーン樹脂の場合では大気中の湿度成分を吸収することにより反応が進む場合と高温雰囲気中で加熱することにより反応が進む場合が有るが、何れの過程で反応が進んでも問題はない。また、シリコーン以外の樹脂においても同様に何れかの反応過程により硬化が完結する。
FIG. 7D shows a state after the resin is cured and reacted in a state (not shown) in which the O-
反応が完結した状態では樹脂溶液中の溶剤が飛んでいるため、樹脂溶液が濡れた表面には薄くコーティング樹脂膜が残り、連続した、Oリング204の表面を覆うコーティング膜207aと、金属ベース板105の裏面の一部を覆う207b及び溝内部を覆うコーティング膜207cが形成される。
Since the solvent in the resin solution is flying when the reaction is completed, a thin coating resin film remains on the wet surface of the resin solution, and a
本方法においては、樹脂滴下装置と、必要に応じて高温槽を使用する以外に何ら特殊な装置、治具を要せず、工程も非常に簡単で、且つ、整った形状、高い寸法精度でコーティング膜を形成することができる。 This method does not require any special equipment or jigs other than using a resin dripping device and a high-temperature bath if necessary, and the process is very simple, with a well-defined shape and high dimensional accuracy. A coating film can be formed.
このように、本実施の形態5では、切れ目無く連続して形成されたコーティング膜207a、207b、207cにより隙間腐食を防止できるため、腐蝕による直接液冷型電力半導体装置の劣化を阻止できる。
As described above, in the fifth embodiment, since the crevice corrosion can be prevented by the
本実施の形態5において、コーティング膜を形成する過程において、金属ベース板105表面の樹脂溶液に対する濡れ性が高く、開口部まで樹脂が濡れ広がる恐れが有る場合は、金属ベース板105の表面の所定の位置に、細帯状の樹脂流止めを形成することにより容易に樹脂の広がりを阻止できる。
In the fifth embodiment, in the process of forming the coating film, when the wettability to the resin solution on the surface of the
また、コーティング膜を形成のための樹脂溶液の粘度が高い場合には、適当な溶剤を加えることにより適度な濡れ性を得られるように粘度を調整しても良い。
さらに、金属ベース板105表面や、特に、液冷構造体201を樹脂により構成されている場合であって、コーティング膜を形成するための樹脂溶液の密着性が低い場合には、表面にプライマー処理や、UV照射、プラズマ照射等の表面活性化処理を施せばよい。
Moreover, when the viscosity of the resin solution for forming the coating film is high, the viscosity may be adjusted so as to obtain appropriate wettability by adding an appropriate solvent.
Further, when the surface of the
実施の形態6.
本発明に係る実施の形態6の直接液冷型電力半導体装置は、図8及び図9に示すように、Oリング収納溝203の内側に位置する隔壁の内側に傾斜部209を形成して金属ベース板105との間隔を広げるようにし、溝内に形成されたコーティング膜207cをさらに、その傾斜部209に延在するように形成している。
尚、その傾斜部209に延在して形成された部分は、コーティング膜207dとして示している。
Embodiment 6 FIG.
As shown in FIGS. 8 and 9, the direct liquid-cooled power semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention is formed by forming an
Note that a portion extending to the
このように構成された実施の形態6の直接液冷型電力半導体装置では、金属ベース板105と液冷構造体201の内壁との間の隙間に滞留する冷却液205による金属ベース板105及び/又は液冷構造体201の腐食を防止することができる。
In the direct liquid-cooled power semiconductor device of the sixth embodiment configured as described above, the
この実施の形態6では、例えば、図8に示すように、金属ベース板105を液冷構造体201に対向させて位置合せして搭載し、Oリング204を上下から締め付けるとOリング204は歪んで横に広がる。この結果、Oリング収納溝203内に充満した樹脂溶液208cはOリング204の表面を伝い金属ベース板105の裏面に濡れ広がる。このとき、樹脂溶液の滴下量を若干多く設定しておくと、樹脂溶液はOリング収納溝203内部に充満してあふれて、Oリング収納溝203と開口部の間の液冷構造体201と金属ベース板105との隙間を越えて、開口部側の斜面部209迄はみ出し、コーティング液のはみ出し部208dを形成する。
In the sixth embodiment, for example, as shown in FIG. 8, when the
この状態で溶剤を乾燥し、樹脂を硬化反応させる。このようにすると、図9に示すような、樹脂溶液に濡れた表面に薄くコーティング樹脂膜が残り、Oリング204の表面を覆うコーティング膜207a、金属ベース板105表面を覆うコーティング膜207b、Oリング収納溝203の内壁を覆うコーティング膜207c及び、斜面部209を覆うコーティング膜208dが連続して形成される。
In this state, the solvent is dried to cure the resin. As a result, as shown in FIG. 9, a thin coating resin film remains on the surface wetted with the resin solution, the
以上のように構成された実施の形態6の直接液冷型電力半導体装置は、実施の形態5の直接液冷型電力半導体装置と同様の作用効果を有し、さらに、冷却液205が開口部からOリング収納溝203迄充満する際に、Oリング収納溝203の内壁と金属ベース板105の裏面の隙間に冷却液205が滞留した場合であっても、この領域の金属ベース板105表面も液冷部材表面もコーティング膜で覆われており、隙間腐食を防止できる。
The direct liquid-cooled power semiconductor device according to the sixth embodiment configured as described above has the same function and effect as the direct liquid-cooled power semiconductor device according to the fifth embodiment. Even when the
実施の形態6において、斜面部209は平面であっても曲面であっても良いし、さらには、階段状の面であってもよい。
In the sixth embodiment, the
実施の形態7.
本発明に係る実施の形態7の直接液冷型電力半導体装置は、図10に示すように、樹脂溶液の内側への流入を防止する液溜り部210を形成したことを特徴とし、それ以外の部分は、実施の形態6の直接液冷型電力半導体装置と同様に構成される。
Embodiment 7 FIG.
As shown in FIG. 10, the direct liquid-cooled power semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention is characterized in that a
以上のように構成された本実施の形態7の直接液冷型電力半導体装置は、流れた樹脂溶液が傾斜部の液溜り210に溜まり、開口部へ流れることを阻止できる。この結果、開口部に樹脂溶液が流れ込むことにより、支障が生じる場合でも、厳密に樹脂溶液の量の制御することなく、製造することができ、製造工程を簡略化できる。
The direct liquid-cooled power semiconductor device according to the seventh embodiment configured as described above can prevent the resin solution that has flowed from collecting in the
100 パワーモジュール、101 パワーデバイス、102 銅配線パターン、103 アルミワイヤ、104 接着樹脂層、105 金属ベース板、106 ケース、107 微小な隙間、108,207a,207b,207c,207d,208 コーティング膜、201 液冷構造体、203 Oリング収納溝、204 〇リング、205 冷却液、206 隔壁上面、206b 傾斜面、206c 曲面、206e 突起のある傾斜面、208c 樹脂溶液、209 傾斜部、210 液溜り部。 100 power module, 101 power device, 102 copper wiring pattern, 103 aluminum wire, 104 adhesive resin layer, 105 metal base plate, 106 case, 107 minute gap, 108, 207a, 207b, 207c, 207d, 208 coating film, 201 Liquid cooling structure, 203 O-ring storage groove, 204 o ring, 205 cooling liquid, 206 partition wall upper surface, 206b inclined surface, 206c curved surface, 206e inclined surface with protrusion, 208c resin solution, 209 inclined portion, 210 liquid reservoir.
Claims (6)
前記金属ベース板の前記第2の主面の一部であって、前記Oリングと前記金属ベース板との接触端の近傍に形成される隙間に滞留する冷却液に曝される部分に、腐食を防止する金属ベースコーティング膜を形成し、
前記冷却構造体は、前記凹部の周りにOリング収納溝を有し、該Oリング収納溝に前記Oリングが配置され、かつ
前記冷却構造体は、前記Oリング収納溝と前記凹部とを隔てる隔壁の前記凹部側に、前記第2の主面との間隔が、前記凹部に近づくに従って連続的又は段階的に大きくなるように傾斜部を有し、前記金属ベースコーティング膜が該傾斜部に対向する部分にまで延在して設けられている直接冷却型電力半導体装置。 A metal base plate having a first main surface and a second main surface facing each other, and a power semiconductor element provided on the first main surface via a resin layer or directly, and cooling the power semiconductor element And a cooling structure having a recess through which the coolant is circulated, and the cooling structure is disposed so that the recess faces the second main surface, and is provided around the recess. In the direct cooling type power semiconductor device attached to the metal base plate so as to press the O-ring composed of
Corrosion occurs in a part of the second main surface of the metal base plate that is exposed to a coolant that is retained in a gap formed in the vicinity of a contact end between the O-ring and the metal base plate. forming a metal-based coating film for preventing,
The cooling structure has an O-ring storage groove around the recess, and the O-ring is disposed in the O-ring storage groove; and
In the cooling structure, the distance from the second main surface toward the concave portion of the partition wall that separates the O-ring storage groove from the concave portion increases continuously or stepwise as it approaches the concave portion. A direct-cooling type power semiconductor device having an inclined portion, wherein the metal base coating film extends to a portion facing the inclined portion .
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