JP5834758B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子と放熱板を有する半導体モジュールに関する。

従来の半導体装置として、半導体モジュールを、熱伝導性グリスを介して冷却器上に載置したものが知られている。半導体モジュールの放熱板と、冷却器との間には、半導体モジュールの放熱板や冷却器の面平滑度の誤差等により微細な隙間が発生する。この隙間に熱伝導性グリスを介在させることにより、半導体モジュールの放熱板から冷却器への熱伝達効率を良好とすることができ、冷却効率が向上する。しかし、熱伝導性グリスは、半導体モジュール及び冷却器による受熱及び熱ストレスにより、半導体モジュールの放熱板から拡散して、放熱性能が低下する可能性がある。

特許文献１の従来技術においては、半導体モジュールの放熱板および冷却器の互いに対向する対向面の少なくとも一方に、熱伝導性グリスの拡散を防止するグリス拡散防止部を設けている。このグリス拡散防止部は、放熱板又は冷却器から突出する突起部を有する。これにより、熱伝導性グリスが流出することが抑制できる。一方、放熱板から冷却器への熱伝達を考慮すると、熱性能を向上させるために放熱板と冷却器の間の隙間は、グリスを介在させ得る最小限の厚さ（例えば３０μｍ）程度とすることが好ましい。

特開２００３−１６８７７２号公報

しかし、放熱板や冷却器に突起部を設けた場合、突起部の高さは、製造精度を考慮して、製造バラツキが発生した場合であっても突起部を形成するように高さ寸法を設計すると、最小限の厚さよりも大きくなり、放熱板から冷却器への熱伝達が悪くなる可能性がある。例えば、通常の製造精度を考慮すると突起部の高さは、約１００μｍになる。

本発明は、半導体モジュールの放熱板と冷却器との間の熱伝達を維持しつつ、熱伝導性グリスの拡散を防止することを目的とする。

本発明のある態様に係る半導体モジュールは、熱伝導性グリスを介して冷却器に載置される。この半導体モジュールは、半導体素子が取り付けられる放熱板を備える。放熱板の一方の面は、前記熱伝導性グリスを介して前記冷却器の表面と対向する。さらに、半導体モジュールは、前記冷却器と対向する対向面を有して前記放熱板の周囲に形成された外周縁部を備える。前記外周縁部の前記対向面は、温度が高いほど前記冷却器に対して近接するように温度に応じて移動する。且つ、前記外周縁部の前記対向面は、少なくとも予め定められた所定温度以上の温度で、前記放熱板の前記一方の面よりも前記冷却器に対して近接する。

本発明によれば、半導体モジュールの放熱板と冷却器の間の良好な熱伝達を維持しつつ、熱伝導性グリスの拡散が防止できる。

第一実施形態に係る半導体モジュールが冷却器に設置されている様子を示す縦断面図であり、半導体モジュールの通常温度での状態を示す。 （ａ）第一実施形態に係る半導体モジュールの斜視図である。（ｂ）第一実施形態に係る半導体モジュールの底面図である。（ｃ）第一実施形態に係る半導体モジュール断面図である。 第一実施形態に係る半導体モジュールが冷却器に設置されている様子を示す縦断面図であり、所定温度以上の半導体モジュールの状態を示す。 （ａ）所定温度未満の温度での半導体モジュールの状態を示す拡大断面図である。（ｂ）所定温度以上の温度での半導体モジュールの状態を示す拡大断面図である。 第二実施形態に係る半導体モジュールを示す縦断面図である。 第二実施形態に係る半導体モジュールの変形例を示す縦断面図である。 第三実施形態に係る半導体モジュールを示す縦断面図である。 第三実施形態に係る半導体モジュールの変形例を示す縦断面図である。 第三実施形態に係る半導体モジュールの他の変形例を示す縦断面図である。

以下では図面を参照して本発明を実施するための形態について、さらに詳しく説明する。

＜第一実施形態＞
図１は、第一実施形態に係る半導体モジュール１が冷却器３に熱伝導性グリス５を介して設置されている様子を示す断面図である。図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、各々、半導体モジュール１の斜視図、底面図、断面図である。なお、図１と図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、後述の所定温度Ｔ０未満の通常温度Ｔ（Ｔ＜Ｔ０）での状態を示す。

半導体モジュール１は、半導体素子７と、半導体素子７が取り付けられた放熱板９と、放熱板９を囲むように放熱板９の周囲に形成された外周縁部１１と、を備える。例えば、半導体素子７は、放熱板９に半田付けによって設置される。例えば、半導体素子７は、インバータに用いるスイッチング素子である。放熱板９として、半導体素子７に電力の供給する又は半導体素子７から電力を取出す金属製のバスバーを用いてもよい。

放熱板９の一方の面（片側の面）９ａは、熱伝導性グリス５を介して、冷却器３の表面３ａと対向する。外周縁部１１は、冷却器３と対向する対向面１１ａを有する。冷却器３には、水などの冷媒が流されている。そして、放熱板９の他方の面（面９ａとは反対側の面）に配置された半導体素子７から放熱板９を通して放出された熱が、冷却器３に移動して、半導体モジュール１ひいては半導体素子７が冷却される。なお、熱伝導性グリス５は、放熱板９と冷却器３の間に配置されるが、放熱板９と冷却器３との電気的絶縁性を考慮して放熱板９と冷却器３の間に絶縁シート部材が設けられる場合、熱伝導性グリス５は、絶縁シート部材と放熱板９との間及び絶縁シート部材と冷却器３の間の少なくとも一方に配置される。例えば、絶縁シート部材が放熱板９に予め熱伝導性の接着材等で接着あるいは溶着されて接合している状態で冷却器３上に載置される場合には、絶縁シート部材と放熱板９との間には熱伝導性を低下させる要因となる隙間が介在しないため、この場合には熱伝導性グリス５は絶縁シート部材と冷却器３の間に介在させる。また、同様に絶縁シート部材が冷却器３に予め接合している場合には、熱伝導性グリス５は絶縁シート部材と放熱板９の間に介在させる。さらにまた、絶縁シート部材が放熱板９と冷却器３とのいずれにも接合されず、単に放熱板９と冷却器３との間に挟持されている場合には、絶縁シート部材と放熱板９との間及び絶縁シート部材と冷却器３の間の両方に介在させる。以下では説明簡略化のために、絶縁シート部材は設けられないものとして説明する。

例えば、冷却器３の材料は、アルミニウムであり、熱伝導性グリス５の材料は、シリコーン系グリスやフッ素系グリスであり、放熱板９の材料は、銅、鋼（鉄）、アルミニウムなどの熱伝導の良い金属である。放熱板９は、メッキ等の表面処理を施された金属でもよい。

枠型の外周縁部１１の内周面は、放熱板９の外周面（側面）に接合する。本実施形態において、外周縁部１１は、四角の枠型の形状を有し、四角の放熱板９を四方で包囲する。なお、外周縁部１１は、円枠型の形状を有し、円状の放熱板９を包囲する構成としてもよい。

外周縁部１１の線膨張係数は、放熱板９の線膨張係数より大きい。外周縁部１１の材料は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂やエポキシ樹脂などの樹脂である。例えば、樹脂を接着剤として固化することによって又は高温で融けた樹脂を低温で固化することによって、外周縁部１１は、放熱板９の周囲において、放熱板９に接合した状態で形成される。

放熱板９の線膨張係数は、典型的には、材料が銅の場合に１７．７×１０^-6（／℃）、鋼（鉄）の場合に１２×１０^-6（／℃）、アルミニウムの場合に２３×１０^-6（／℃）である。外周縁部１１の線膨張係数は、典型的には、材料がＰＰＳ樹脂の場合に４０×１０^-6（／℃）、エポキシ樹脂の場合に６０×１０^-6（／℃）である。

図３は、所定温度Ｔ０以上の温度Ｔ（Ｔ≧Ｔ０）での半導体モジュール１を示す。図４（ａ）のように、所定温度Ｔ０未満の温度Ｔ（Ｔ＜Ｔ０）で、外周縁部１１の冷却器側の対向面１１ａと冷却器３との距離は、放熱板９の前述の一方の面９ａ（冷却器側の面）と冷却器３との距離と同等、もしくは、一方の面９ａと冷却器３との距離よりも大きい。しかし、図４（ｂ）のように、外周縁部１１の対向面１１ａは、温度Ｔが高いほど冷却器３に対して近づくように温度Ｔに応じて移動し、少なくとも予め定められた所定温度Ｔ０以上の温度Ｔで放熱板９の前述の一方の面９ａよりも冷却器３に対して近づく。所定温度Ｔ０は、例えば、２７℃（室温より若干高い温度）から１２０℃までの範囲の温度で、設計的あるいは実験的に予め定められた温度である。なお、半導体モジュール１の温度Ｔは、特に外周縁部１１の温度であるが、他の部分の温度でもよい。

−作用効果−
半導体モジュール１と冷却器３は、半導体素子７の発熱によって、それらの温度が変化し熱膨張又は熱収縮する。低温から高温に温度変化した場合は、半導体モジュール１及び冷却器３が体積膨張するため、冷却器３の表面３ａと放熱板９の一方の面９ａの間の隙間（即ちグリスの存在する空間）は狭まる。熱伝導性グリス５は、半導体モジュール１の搭載される冷却器３の表面３ａから外部に流出しようとする。

また、通常、熱伝導性グリス５は温度が低い場合に、粘性は高い（例えば、温度２５℃、せん断速度１／１００（１／ｓ）で、粘度１２０００ｍＰａ・ｓ）が、温度が高くなるにつれて粘性は低くなる（温度８０℃、せん断速度１／１００（１／ｓ）で、粘度３２００ｍＰａ・ｓ）。このため、半導体モジュール１と冷却器３を含んだ半導体装置の温度が低い場合に、熱伝導性グリス５の温度も低く粘性が高いため、放熱板９の冷却器側の面９ａから外部へ熱伝導性グリス５は流出し難い。しかし、半導体モジュール１と冷却器３を含んだ半導体装置の温度が高い場合に、熱伝導性グリス５の温度も高く粘性が低下するため、放熱板９の冷却器側の面９ａから外部へ熱伝導性グリス５は流出し易くなる。

そこで、本実施形態において、半導体モジュール１と冷却器３を含んだ半導体装置の温度が高い場合には、図４（ｂ）のように外周縁部１１は膨張し、外周縁部１１の対向面１１ａは、放熱板９の面９ａよりも冷却器３の表面３ａに対して近接して、熱伝導性グリス５の流出は抑制される。即ち、所定温度Ｔ０以上の温度では、半導体モジュール１の外周縁部１１と冷却器３との間隔が、放熱板９と冷却器３との間隔より小さくなる。ここで、上記所定温度Ｔ０は、熱伝導性グリス５が放熱板９の冷却器に対向する面９ａから外周側へ流出する可能性の有る温度であり、予め設計的あるいは実験的に求めた温度である。このため、高温でない通常温度で放熱板９と冷却器３との間の熱伝達を維持しつつ、高温では熱伝導性グリス５が半導体モジュール１の放熱板３の外部へ流出することを抑制できる。また、外周縁部１１の線膨張係数は放熱板９の線膨張係数より大きいため、外周縁部１１の対向面１１ａは、温度Ｔが高いほど冷却器３に対して近づくように好適に温度Ｔに応じて移動できる。

一方、外周縁部１１において、冷却器３に対向する対向面１１ａは、所定温度Ｔ０未満の温度（例えば２５℃）では、図４（ａ）のように放熱板９の冷却器側の面９ａよりも冷却器３の表面３ａに対し離れている。これにより、所定温度Ｔ０未満の温度において、外周縁部１１の対向面１１ａが冷却器３の表面３ａに当接することなく、放熱板９の面９ａと冷却器３の表面３ａが熱伝導の良好な距離に保持される。

＜第二実施形態＞
図５と図６は、第二実施形態に係る半導体モジュール１が冷却器３に設置されている様子を示す断面図である。第二実施形態において、外周縁部１１は、線膨張係数の異なる複数（少なくとも二つ以上）の部材で形成されている。これら複数の部材の線膨張係数は、いずれも放熱板９の線膨張係数より大きい。他の構成は、第一実施形態と同じであり、説明を省略する。

図５において、外周縁部１１は、複数の部材として、放熱板９に近い内側に位置する第一の部材１１ｂと、放熱板９から遠い外側に位置する第二の部材１１ｃと、を備える。これら複数の部材は、例えば、樹脂で形成される。第二の部材１１ｃは、放熱板９に対して第一の部材１１ｂよりも外側に位置する。第二の部材１１ｃの線膨張係数は、第一の部材１１ｂの線膨張係数よりも大きい。第一の部材１１ｂと放熱板９の線膨張係数の差は、第二の部材１１ｃと放熱板９の線膨張係数の差に比較して小さくなる。従って、外周縁部１１が熱膨張しても、放熱板９と外周縁部１１（第一の部材１１ｂ）との接合が、分断されにくくなる。

図６において、第二の部材１１ｃは、全体として、放熱板９に対して第一の部材１１ｂよりも外側に位置するが、図５と異なり、第二の部材１１ｃの一部は、第一の部材１１ｂの下部に位置し、放熱板９の側面に接する。図６では、第一の部材１１ｂと第二の部材１１ｃの密着性がよくなり、第二の部材１１ｃが第一の部材１１ｂから剥離し難くなっている。第二の部材１１ｃの線膨張係数は、第一の部材１１ｂの線膨張係数よりも大きい。また、第一の部材１１ｂは、放熱板９の上面を覆っており、第一の部材１１ｂと半導体素子７の密着性も向上し、第一の部材１１ｂが放熱板９から剥離し難くなっている。

第二実施形態において、第一実施形態と同様に、通常温度で放熱板９と冷却器３との間の熱伝達を維持しつつ、高温での熱伝導性グリスの拡散を防止できる。さらに、外周縁部１１の線膨張係数は放熱板９から離れるにしたがって段階的に大きくなるため、線膨張係数の差によって放熱板９と外周縁部１１と間に剥離が生じることを抑制できる。

＜第三実施形態＞
図７は、第三実施形態に係る半導体モジュール１が冷却器３に設置されている様子を示す断面図である。半導体モジュール１は、半導体素子７と、半導体素子７の上下の両側に設けられた二つの放熱板９と、二つの放熱板９の周囲に形成された外周縁部１１とを備える。外周縁部１１の線膨張係数は、放熱板９の線膨張係数より大きい。二つの冷却器３は、半導体モジュール１の両側に熱伝導性グリス５を介して設けられる。

このように、半導体素子７の両側に放熱板９が形成され、半導体モジュール１が一つの冷却器と他の冷却器に挟み込まれて、半導体モジュール１と各冷却器の間に熱伝導性グリス５が介在する。そして、二つの放熱板９は、半導体素子７の両側で放熱し、両側の冷却器３に熱が吸収される。従って、半導体素子７の冷却性能が向上する。

また、外周縁部１１の両側の対向面１１ａは、温度Ｔが高いほど、それぞれ対向する冷却器３に対して近づくように温度Ｔに応じて移動し、少なくとも予め定められた所定温度Ｔ０以上の温度Ｔで放熱板９の一方の面９ａよりも冷却器３に対して近づく。従って、第三実施形態において、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、図８、９のように、外周縁部１１は、線膨張係数の異なる複数（少なくとも二つ以上）の樹脂部材で形成されてもよい。この場合も、第一実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、半導体モジュール１が両側の冷却器３で冷却されることによって、半導体素子７の冷却性能が向上する。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

１ 半導体モジュール
３ 冷却器
３ａ 表面
５ 熱伝導性グリス
７ 半導体素子
９ 放熱板
９ａ 一方の面
１１ 外周縁部
１１ａ 対向面
１１ｂ 第一の部材
１１ｃ 第二の部材

Claims (5)

1. 冷却器に熱伝導性グリスを介して載置された半導体モジュールであって、
   半導体素子が取り付けられ、一方の面において前記熱伝導性グリスを介して前記冷却器の表面と対向する放熱板と、
   前記冷却器と対向する対向面を有し、前記放熱板の周囲に形成された外周縁部と、を備え、
   前記外周縁部の前記対向面は、温度が高いほど前記冷却器に対して近接するように温度に応じて移動し、且つ、少なくとも予め定められた所定温度以上の温度で前記放熱板の前記一方の面よりも前記冷却器に対して近接することを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記外周縁部の線膨張係数は、前記放熱板の線膨張係数よりも大きく、
   前記外周縁部の前記対向面は、温度上昇に伴う前記外周縁部の熱膨張によって、前記所定温度以上の温度で前記放熱板の前記一方の面よりも前記冷却器に対して近接することを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記外周縁部は、第一の部材と、前記放熱板に対して前記第一の部材よりも外側に位置する第二の部材とを備え、
   前記第二の部材の線膨張係数が、前記第一の部材の線膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記半導体素子の両側に前記放熱板が形成され、
   前記半導体モジュールが前記冷却器と他の冷却器に挟み込まれて、前記半導体モジュールと各冷却器の間に熱伝導性グリスが介在することを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
5. 前記外周縁部の前記対向面は、前記所定温度未満の温度で、前記放熱板の前記一方の面よりも前記冷却器から離れることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の半導体モジュール。

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