JP5333357B2

JP5333357B2 - 半導体モジュールの積層体

Info

Publication number: JP5333357B2
Application number: JP2010138228A
Authority: JP
Inventors: 正也中村; 千景則武
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: JP2012004359A

Description

本発明は、半導体素子を有する半導体モジュールを複数積層してなる積層体に関する。

車両に用いる電力変換装置などを構成する際には、スイッチング素子等を備えた半導体素子をモールド樹脂内に配置して半導体モジュールとし、この半導体モジュールを複数積層して用いている。
この半導体モジュールの積層体としては、例えば、特許文献１に開示された半導体装置がある。この半導体装置においては、半導体素子の両側に熱伝達用のヒートシンクを配置し、このヒートシンクの放熱面が露出するように、モールド樹脂によって半導体素子及びヒートシンクを封止して、半導体実装体を構成している。また、ヒートシンクの放熱面を冷媒により冷却するよう構成しており、モールド樹脂の一部によって冷媒を流す冷媒流路を形成している。

特開２００６−１６５５３４号公報

ところで、モールド樹脂自体に冷媒流路を形成する際には、複数の半導体実装体（半導体モジュール）が互いに合わさる合わせ面の封止を如何に行うかが問題となる。
特許文献１においては、半導体実装体を構成するモールド樹脂によって形成した合わせ面の全周の壁部に接着剤を施し、この接着剤によって各半導体実装体を接合している。
しかしながら、接着剤は、モールド樹脂との熱膨張差により剥離が生じ易く、均一に塗布することが困難であり、持続した合わせ面の封止を行うためには十分ではない。
一方、接着剤を用いる代わりに、Ｏリング、ガスケット等の封止材を用いることも考えられる。しかしながら、これらの封止材を用いる場合には、組付工数がかかり、ゴミ等が合わせ面と封止材の間に挟まると合わせ面の封止が困難になるといった問題が残る。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、熱膨張差によって合わせ面に剥離が生じることがなく、半導体モジュールの積層体の組付が容易であり、長期の使用に対して合わせ面の封止状態を持続させることができる半導体モジュールの積層体を提供しようとするものである。

本発明は、半導体素子をモールド樹脂内に配置して形成した半導体モジュールを複数積層してなる半導体モジュールの積層体において、
上記モールド樹脂には、上記半導体素子を冷却する冷媒を流すための冷媒流路が形成してあり、
上記半導体素子に設けられた端子は、上記モールド樹脂を貫通して該モールド樹脂の外部に引き出してあり、
上記モールド樹脂が互いに合わさる合わせ面に設けた接合材としてのアルミニウム材の溶射膜同士を摩擦溶融させて互いに溶着させることにより、上記半導体モジュールを複数積層したことを特徴とする半導体モジュールの積層体にある（請求項１）。

本発明の半導体モジュールの積層体は、接着剤、又はＯリング、ガスケット等の封止材を用いることなく、モールド樹脂の合わせ面を封止することができるものである。
具体的には、本発明においては、モールド樹脂が互いに合わさる合わせ面の全周を溶着させる、又は合わせ面に設けた接合材を溶着させることにより、半導体モジュールを複数積層してなる。
それ故、本発明の半導体モジュールの積層体によれば、熱膨張差によって合わせ面に剥離が生じることがなく、半導体モジュールの積層体の組付が容易であり、長期の使用に対して合わせ面の封止状態を持続させることができる。

実施例１における、半導体モジュールの積層体を示す斜視図。実施例１における、半導体モジュールを示す斜視図。実施例１における、半導体モジュールの積層体を幅方向から見た状態で示す断面説明図。実施例１における、半導体モジュールの積層体を長手方向から見た状態で示す断面説明図。実施例１における、半導体モジュール及び冷却器を幅方向から見た状態で示す断面説明図。実施例１における、半導体モジュール及び冷却器を長手方向から見た状態で示す断面説明図。実施例１における、半導体モジュールの積層体を用いて形成した電力変換装置の電気的構成を示す回路説明図。実施例２における、半導体モジュールを示す斜視図。実施例２における、半導体モジュール及び冷却器を幅方向から見た状態で示す断面説明図。実施例２における、半導体モジュール及び冷却器を長手方向から見た状態で示す断面説明図。実施例２における、半導体モジュールの一部を拡大して示す断面説明図。

上述した本発明の半導体モジュールの積層体における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記接合材は、上記合わせ面に設けたアルミニウム材である。
これにより、モールド樹脂の合わせ面にアルミニウム材の溶射膜を形成することができる。そのため、接合材の形成が容易である。

また、上記合わせ面同士は、該合わせ面に設けたアルミニウム材の溶射膜同士を摩擦溶融させて互いに溶着させている。
そして、半導体モジュールに振動を与えることにより、合わせ面に設けたアルミニウム材に摩擦熱を発生させて、このアルミニウム材を溶融させて互いに溶着させることができる。

また、上記半導体モジュール同士の間には、上記冷媒を流す冷却器が挟持してあり、上記接合材は、上記冷却器の配置部分を含めた上記合わせ面の全体に設けてあり、上記冷却器は、アルミニウム材から構成してあると共に上記接合材に溶着されており、上記モールド樹脂における、上記合わせ面の中心部分は、互いに隣接する上記半導体モジュール間に上記冷却器を配置するためにその周辺部分よりも低くなっていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、半導体モジュール同士の積層（接合）を行う際に、冷却器の固定も行うことができ、半導体モジュールの積層体の組付を一層容易に行うことができる。

また、上記半導体素子は、その両側に配置したヒートシンクによって挟まれており、該ヒートシンクの外側面には、絶縁膜が設けてあり、該絶縁膜と上記モールド樹脂との界面が上記接合材で覆ってあることが好ましい（請求項３）。
この場合には、接合材によって、絶縁膜とモールド樹脂との界面から半導体素子へ冷媒が浸入することを防止することができる。そのため、半導体素子の防水性を一層向上させることができる。

また、上記合わせ面同士は、レーザー照射によって溶融させて互いに溶着させることもできる。
この場合には、モールド樹脂の合わせ面同士を直接溶着させることが容易である。また、合わせ面同士を直接溶着させることにより、端導体モジュールの積層体の組付が極めて容易である。

以下に、本発明の半導体モジュールの積層体に係る実施例につき、図面を参照して説明する。
（実施例１）
本例の半導体モジュール２の積層体１は、図１に示すごとく、半導体素子３をモールド樹脂４内に配置して形成した半導体モジュール２を複数積層してなる。モールド樹脂４には、半導体素子３を冷却する冷媒Ｃを流すための冷媒流路４１が形成してある。積層体１は、モールド樹脂４が互いに合わさる合わせ面４２に設けた接合材６１を溶着させることにより、半導体モジュール２を複数積層してなる。

以下に、本例の半導体モジュール２の積層体１につき、図１〜図７を参照して詳説する。
図７に示すごとく、本例の半導体モジュール２の積層体１は、車載用の電力変換装置７を構成するものであり、直流電圧を昇圧する昇圧回路７２、及び直流電圧から交流電圧を作り出すインバータ回路７３に用いるものである。また、半導体素子３は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子によって三相交流のモータジェネレータ７１のブリッジ回路を形成してなる。
図１、図２に示すごとく、各半導体素子３は、プラス電源側に接続するスイッチング素子３Ａとマイナス電源側に接続するスイッチング素子３Ｂとを一体化してなる。各半導体モジュール２は、プラス電源端子７３１、マイナス電源端子７３２、出力端子７３３（又は入力端子７３４）を構成する端子２２を幅方向Ｗの一方側に引き出し、スイッチング素子３Ａ、３Ｂに制御信号を送信するための制御端子７３５を構成する端子２３を幅方向Ｗの他方側に引き出して構成されている。なお、幅方向Ｗとは、後述する厚み方向Ｔ及び長手方向Ｌに直交する方向のことをいう。

図３、図４に示すごとく、本例の半導体モジュール２の積層体１は、半導体モジュール２同士の間に、冷媒流路４１に流れる冷媒Ｃを流す冷却器５を挟持して構成されている。
図５、図６に示すごとく、各半導体素子３は、板形状に形成されており、その両側の板面３１には、伝熱性に優れた半田、接着剤等の結合層３４を介して、アルミニウム材からなる放熱板３２（ヒートシンク、熱伝導性の金属板）が対面配置されている。

冷却器５は、放熱板３２を介して半導体素子３から生ずる熱を吸収し、半導体素子３を冷却するよう構成されている。
また、放熱板３２の外側面３２１（半導体素子３に対面する内側面とは反対側の面）には、放熱板３２と冷却器５との間の絶縁を行う絶縁膜３３が設けてある。
半導体モジュール２は、半導体素子３の厚み方向Ｔに向けて複数（電力変換回路の形成に必要な数）が積層される。

図２に示すごとく、モールド樹脂４は、放熱板３２の外側面３２１に設けた絶縁膜３３を、合わせ面４２における中心部分４３に露出させるようにして、半導体素子３、放熱板３２等を内部に配置してモールド成形してなる。モールド樹脂４において、絶縁膜３３を設けた合わせ面４２の中心部分４３は、冷却器５を配置するためにその周辺部分４４よりも低くなっており、周辺部分４４は、その外周部分４５よりも低くなっている。モールド樹脂４の両側の合わせ面４２の全周には、外周部分４５によって外周壁部４５が形成されている。

本例の接合材６１は、モールド樹脂４の合わせ面４２に設けたアルミニウム材である。接合材６１は、モールド樹脂４の合わせ面４２に形成したアルミニウム材の溶射膜６１からなる。そして、複数の半導体モジュール２を重ねて振動させることにより、互いに擦れ合う溶射膜６１に摩擦熱を発生させて、この溶射膜６１を溶融させて互いに溶着させて、接合材層６が形成される。
本例においては、モールド樹脂４の合わせ面４２の外周部分４５（外周壁部４５の合わせ面４２）に、アルミニウム材からなる溶射膜６１を、吹付け、蒸着を行って形成しておく。

図５に示すごとく、本例の半導体モジュール２は、モールド樹脂４に対してスイッチング素子３Ａとスイッチング素子３Ｂとを並列に２つ配置してなる。半導体モジュール２は、スイッチング素子を２つ配置した方向に長く形成されており、この方向がスイッチング素子（半導体素子３）の厚み方向Ｔに直交する長手方向Ｌとなる。
半導体モジュール２は、半導体素子３、放熱板３２、絶縁膜３３等を配置してモールド樹脂４によるモールド成形を行って形成することができる。また、半導体素子３、放熱板３２、絶縁膜３３等は、モールド樹脂４を成形した後、その内部に形成した配置部分に配置することもできる。
本例の冷媒流路４１は、複数の半導体モジュール２を積層したときに、モールド樹脂４の長手方向Ｌの両側において厚み方向Ｔへ貫通形成した貫通冷媒流路４１１と、モールド樹脂４の両側の合わせ面４２の中心部分４３及び周辺部分４４に形成した沿面冷媒流路４１２とが連結して形成される。

図３に示すごとく、貫通冷媒流路４１１は、半導体素子３に対する長手方向Ｌの両側部に一対に形成されており、一方の貫通冷媒流路４１１Ａが、積層体１における各冷却器５へ冷媒Ｃを供給する供給流路として形成され、他方の貫通冷媒流路４１１Ｂが、積層体１における各冷却器５から冷媒Ｃを回収する回収流路として形成されている。
本例の冷却器５は、モールド樹脂４における中心部分４３に配置される。冷却器５は、アルミニウム製のプレートから構成してあり、２枚の平板状プレート５１の間に波形状プレート５２を接合して形成してある。冷却器５は、波形状プレート５２の波形成方向に直交する方向を、モールド樹脂４の長手方向Ｌに向けて配置され、各半導体モジュール２の間に形成された沿面冷媒流路４１２に流れる冷媒Ｃを通過させるよう構成されている。

積層体１における両側の最も端には、樹脂から構成した蓋体２１が冷却器５を挟んで半導体モジュール２に積層してある。また、積層体１における一方の最も端に積層した蓋体２１には、半導体モジュール２における一対の貫通冷媒流路４１１に連通させる冷媒導入管２１１と冷媒排出管２１２とが形成されている。

本例の半導体モジュール２の積層体１は、接着剤、又はＯリング、ガスケット等の封止材を用いることなく、モールド樹脂４の合わせ面４２を封止することができるものである。
具体的には、本例の積層体１は、モールド樹脂４が互いに合わさる合わせ面４２の外周部分４５（外周壁部４５）の全周に設けたアルミニウム材の溶射膜６１を互いに溶着させて接合材層６を形成し、複数の半導体モジュール２を冷却器５を介して積層してなる。
それ故、本例の半導体モジュール２の積層体１によれば、熱膨張差によって合わせ面４２に剥離が生じることがなく、半導体モジュール２の積層体１の組付が容易であり、長期の使用に対して合わせ面４２の封止状態を持続させることができる。

（実施例２）
本例は、図８に示すごとく、接合材６１を、冷却器５の配置部分である中心部分４３を含めたモールド樹脂４の合わせ面４２の全体に設けた例である。
図９、図１０に示すごとく、本例の接合材層６も、モールド樹脂４の合わせ面４２に形成したアルミニウム材の溶射膜６１同士を互いに溶着させて形成される。また、溶射膜６１は、貫通冷媒流路４１１を除く合わせ面４２の全体に形成されている。
本例の冷却器５は、アルミニウム材から構成してあると共に接合材６１に溶着されている。
また、図１１に示すごとく、本例の半導体モジュール２においては、絶縁膜３３とモールド樹脂４との界面４９が接合材６１で覆われている。

本例においては、複数の半導体モジュール２を重ねて振動させたときには、モールド樹脂４の外周部分４５におけるアルミニウム材の溶射膜６１同士が擦れ合うと共に、モールド樹脂４の中心部分４３（放熱板３２及び絶縁膜３３の表面側）におけるアルミニウム材の溶射膜６１と、冷却器５の平板状プレート５１とが擦れ合う。そして、互いに擦れ合う部分に摩擦熱を発生させ、モールド樹脂４の外周部分４５におけるアルミニウム材の溶射膜６１同士、及びモールド樹脂４の中心部分４３におけるアルミニウム材の溶射膜６１と冷却器５とを、それぞれ溶着させることができる。

これにより、半導体モジュール２同士の積層（接合）を行う際に、冷却器５の固定も行うことができ、半導体モジュール２の積層体１の組付を一層容易に行うことができる。
また、接合材６１によって、絶縁膜３３とモールド樹脂４との界面４９から半導体素子３へ冷媒Ｃが浸入することを確実に防止することができる。そのため、半導体素子３の防水性を一層向上させることができる。
本例においても、その他の構成は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例３）
本例は、複数の半導体モジュール２のモールド樹脂４同士の各合わせ面４２に、外周側からレーザー照射を行うことによって、各合わせ面４２を直接溶融させて、モールド樹脂４同士を互いに溶着させた例である。
本例においては、接合材６１を用いずに複数の半導体モジュール２を積層することができ、その積層体１の組付が極めて容易である。
本例においても、その他の構成は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

１積層体
２半導体モジュール
３半導体素子
３２放熱板
３３絶縁膜
４モールド樹脂
４１冷媒流路
４２合わせ面
５冷却器
６１接合材（アルミニウム材の溶射膜）
Ｃ冷媒

Claims

半導体素子をモールド樹脂内に配置して形成した半導体モジュールを複数積層してなる半導体モジュールの積層体において、
上記モールド樹脂には、上記半導体素子を冷却する冷媒を流すための冷媒流路が形成してあり、
上記半導体素子に設けられた端子は、上記モールド樹脂を貫通して該モールド樹脂の外部に引き出してあり、
上記モールド樹脂が互いに合わさる合わせ面に設けた接合材としてのアルミニウム材の溶射膜同士を摩擦溶融させて互いに溶着させることにより、上記半導体モジュールを複数積層したことを特徴とする半導体モジュールの積層体。
請求項１に記載の半導体モジュールの積層体において、上記半導体モジュール同士の間には、上記冷媒を流す冷却器が挟持してあり、
上記接合材は、上記冷却器の配置部分を含めた上記合わせ面の全体に設けてあり、
上記冷却器は、アルミニウム材から構成してあると共に上記接合材に溶着されており、
上記モールド樹脂における、上記合わせ面の中心部分は、互いに隣接する上記半導体モジュール間に上記冷却器を配置するためにその周辺部分よりも低くなっていることを特徴とする半導体モジュールの積層体。
請求項１又は２に記載の半導体モジュールの積層体において、上記半導体素子は、その両側に配置したヒートシンクによって挟まれており、該ヒートシンクの外側面には、絶縁膜が設けてあり、
該絶縁膜と上記モールド樹脂との界面を上記接合材で覆ったことを特徴とする半導体モジュールの積層体。