JP6673060B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本明細書は、複数の冷却器と複数の半導体モジュールが積層されている半導体装置を開示する。

複数の冷却器が並列に配置されているとともに、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれている半導体装置が知られている（例えば特許文献１）。特許文献１の半導体装置では、複数の冷却器と複数の半導体モジュールの積層体がそれらの積層方向に加圧されている。積層方向の加圧によって、冷却器と半導体モジュールが密着し、半導体モジュールから冷却器への熱伝達効率が高まる。冷却器は、その内部に、複数の冷却器の積層方向と交差する方向に延びる冷媒流路を有している。隣り合う冷却器は、挟まれている半導体モジュールの側方を通る連結パイプで連結されている。連結パイプを通じて冷媒が各冷却器の冷媒流路に供給される。冷媒は、水などの液体である。そのような半導体装置は、例えば、電気自動車の走行モータ用の電力変換器に用いられる。

特開２０１６−０５４２２３号公報

半導体装置が低温環境下に置かれると冷媒が凍結して膨張する。冷媒流路内の冷媒が凍結膨張すると冷却器そのものが膨張する可能性がある。冷却器の半導体モジュールと接している部分は半導体モジュールが冷却器の膨張を妨げる。しかし、冷却器の連結パイプの周辺部分が局所的に膨張し、冷却器がダメージを受ける虞がある。本明細書は、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれているとともに、半導体モジュールの側方で隣り合う冷却器が連結パイプで連結されている半導体装置に関し、冷却器内部の冷媒が凍結膨張したときに連結パイプの周辺部分が受けるダメージを低減する技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、複数の冷却器が並列に配置されているとともに、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれているデバイスである。複数の冷却器と複数の半導体モジュールの積層体は、それらの積層方向に加圧されている。冷却器は、その内部に、積層方向と交差する方向（交差方向）に延びる冷媒流路を有している。隣り合う冷却器は、挟まれている半導体モジュールの交差方向の側方を通る連結パイプで連結されている。連結パイプの内空間は、冷媒流路と連通している。そして、各冷却器は、交差方向で半導体モジュールよりも外側に、内部の冷媒が凍結膨張したときに膨らむ優先膨張部を備えている。上記の半導体装置は、内部の冷媒が凍結膨張したときに優先膨張部が膨張し、膨張による冷媒増加分を吸収する。それゆえ、冷媒が凍結膨張したときに連結パイプの周辺部分が受けるダメージが低減される。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の半導体装置の斜視図である。 実施例の半導体装置の平面図である。 図２のIII−III線でカットした断面図である。 図２の破線IVで囲んだ部分の断面図である。 図４の破線Vで囲んだ部分の拡大断面図である。図５（Ａ）は、冷媒凍結前の図であり、図５（Ｂ）は冷媒凍結時の図である。 優先膨張部の変形例を示す拡大断面図である。図６（Ａ）は、冷媒凍結前の図であり、図６（Ｂ）は冷媒凍結時の図である。

図面を参照して実施例の半導体装置２を説明する。図１に半導体装置２の斜視図を示す。図２は、半導体装置２の平面図である。図３は、図２のIII−III線に沿った断面図である。図４は、図２の破線IVで囲った部分の断面図である。

半導体装置２は、複数の冷却器３と複数の半導体モジュール４の積層体がケース１２に収容されたデバイスである。なお、図１、図２では、積層体の全体が見えるように、半導体装置のケース１２は仮想線で描いてある。また、図１は、理解し易いように、一つの半導体モジュール４を積層体から抜き出して描いてある。図１では、最も左側の冷却器にのみ、符号「３」を付し、他の冷却器には符号を省略してある。図中のＸ方向からみて冷却器３には全体を囲むようにリブ３４が設けられている。図１では、左端の冷却器３にのみ、リブを示す符号「３４」を付し、他の冷却器のリブには符号を省略してある。さらにまた、図３ではケース１２の図示を省略している。図４は、図中の座標系のＸＹ平面で積層体をカットした断面図である。図４は、冷却器３と半導体モジュール４の積層体の中央部分の図示を省略している。

冷却器３と半導体モジュール４は共に平板型である。複数の冷却器３は、幅広面が対向するように並列に配置されている。隣り合う冷却器３の間に半導体モジュール４が挟まれている。いずれの隣り合う２個の冷却器３の間にも一つの半導体モジュール４が挟まれている。複数の冷却器３と複数の半導体モジュール４の積層体は、板バネ１３によって、それらの積層方向に加圧されている。図中の座標系のＸ方向が積層方向に相当する。

まず、半導体モジュール４を説明する。半導体モジュール４は、半導体素子４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂを封止した樹脂パッケージ４１と、その両側の幅広面に貼り付けられている絶縁板４７を備えている。４個の半導体素子は、具体的には、２個のパワートランジスタ４２ａ、４２ｂと、２個のダイオード４３ａ、４３ｂである。樹脂パッケージ４１の内部で２個のパワートランジスタ４２ａ、４２ｂは直列に接続されている。パワートランジスタ４２ａにダイオード４３ａが逆並列に接続されており、パワートランジスタ４２ｂにダイオード４３ｂが逆並列に接続されている。２個のパワートランジスタ４２ａ、４２ｂの直列接続の高電位側と低電位側と中点が、それぞれ、樹脂パッケージ４１の側面から延びるパワー端子４５ａ、４５ｂ、４５ｃと導通している。樹脂パッケージ４１の別の側面には、複数の制御端子４６が延びている。制御端子４６は、パワートランジスタ４２ａ、４２ｂのゲートに導通しているゲート端子、パワートランジスタ４２ａ、４２ｂの温度を計測するセンスエミッタに導通しているセンサ端子などである。以下、樹脂パッケージ４１に封止されている半導体素子４２ａ、４２ｂ（パワートランジスタ４２ａ、４２ｂ）のいずれか一方を示すときには半導体素子４２と表記する。

図１に示すように、樹脂パッケージ４１の表面には放熱板４４が露出している。図１には示されていないが、樹脂パッケージ４１の裏面にも同様に放熱板４４が露出している。図４に示すように、樹脂パッケージ４１の一方の面に露出している放熱板４４は、その裏面で半導体素子４２に接続されている。樹脂パッケージ４１の他方の面に露出している放熱板４４は、その裏面で導電性の銅ブロック４８を介して半導体素子４２に接続されている。半導体素子４２は平板型であり、夫々の面に電極（コレクタ電極とエミッタ電極）が露出している。樹脂パッケージ４１の一方の面に露出している放熱板４４は、コレクタ電極と導通しており、他方の面に露出している放熱板４４はエミッタ電極と導通している。放熱板４４と冷却器３の間を絶縁するため、樹脂パッケージ４１の放熱板４４が露出している面を覆うように絶縁板４７が取り付けられている。

複数の冷却器３と複数の半導体モジュール４の積層体は、ケース１２に収容されている。積層体の一方の端はケース１２の壁に密着しており、他方の端とケース１２の内壁との間に板バネ１３が挿入されている。板バネ１３が、複数の冷却器３と複数の半導体モジュール４の積層体をそれらの積層方向に加圧する。積層方向の加圧により、冷却器３と半導体モジュール４が密着し、半導体モジュール４から冷却器３への熱伝達効率が高まる。なお、樹脂パッケージ４１と絶縁板４７の間にはグリスが塗布されており、絶縁板４７と冷却器３の間にもグリスが塗布されている。グリスも半導体モジュール４から冷却器３への熱伝達効率の向上に寄与する。

隣り合う２個の冷却器３の間に半導体モジュール４が挟まれており、半導体モジュール４の側方を通るように、隣り合う２個の冷却器３を連結パイプ５が連結している。半導体モジュール４の図中のＹ方向における夫々の側方を通るように、２個の連結パイプ５が隣り合う冷却器３を連結している。図２−図４では、図中で半導体モジュール４の左側方を通る連結パイプを符号５ａで示し、半導体モジュール４の右側方を通る連結パイプを符号５ｂで示す。連結パイプ５ａ、５ｂを区別なく示すときには連結パイプ５と表記する。

図４に示すように、冷却器３の内部には、冷却器３と半導体モジュール４の積層方向と交差する方向に冷媒流路３９が延びている。図中の座標系のＹ方向が、冷媒流路３９の延設方向に相当する。以下、冷媒流路３９の延設方向を交差方向と称する。一対の連結パイプ５ａ、５ｂは、交差方向（Ｙ方向）で半導体モジュール４の側方を通る。冷媒流路３９の一方の端に連結パイプ５ａの内空間５９が連通しており、他方の端に連結パイプ５ｂの内空間５９が連通している。いずれの隣り合う２個の冷却器３も連結パイプ５（５ａ、５ｂ）で連結されている。複数の連結パイプ５ａは積層方向で一列に並んでいる。さらに積層体の端の冷却器３には、積層方向から見て連結パイプ５ａと重なるように冷媒供給パイプ９ａが接続されている（図１、図２参照）。複数の連結パイプ５ｂは積層方向で一列に並んでいる。積層体の端の冷却器３には、積層方向から見て連結パイプ５ｂと重なるように冷媒排出パイプ９ｂが接続されている（図１、図２参照）。冷媒供給パイプ９ａから供給される冷媒は、各連結パイプ５ａを通り、各冷却器３に分配される。各冷却器３の冷媒流路３９を流れる間に冷媒は隣接する半導体モジュール４の熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、他方の連結パイプ５ｂを通過し、冷媒排出パイプ９ｂから積層体の外へと排出される。

冷媒は液体であり、典型的には水あるいはＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。寒冷地などの低温環境下では、冷媒が凍結する虞がある。凍結すると冷媒が膨張する。冷却器３は、アルミニウムの薄板で作られており、冷媒の膨張とともに冷却器３も膨張する虞がある。冷却器３の半導体モジュール４と接している範囲は、積層方向に加圧されており、接している半導体モジュール４が冷却器３の膨張を妨げる。一方、連結パイプ５の周辺部分は、半導体モジュール４が接していないので、冷媒の凍結膨張に伴って冷却器３も膨張する虞がある。連結パイプの周辺で冷却器の本体３１が膨張すると、本体３１あるいは、連結パイプ５がダメージを受ける虞がある。

そこで、半導体装置２の各冷却器３は、交差方向（Ｙ方向）で半導体モジュール４よりも外側に、内部の液体冷媒が凍結膨張したときに膨らむ優先膨張部３２を備えている。優先膨張部は、交差方向（Ｙ方向）で本体３１の両端に設けられている。図５に、図４の破線Vで囲んだ部分の拡大断面図を示す。図５（Ａ）は、冷媒凍結前の図であり、図５（Ｂ）は冷媒凍結時の図である。優先膨張部３２は、その内部に、冷媒流路３９とつながっている空間を備える。即ち、優先膨張部３２の内側は冷媒で満たされている。

冷却器３の本体３１は、アルミニウムのプレス加工で作られる。優先膨張部３２は、本体３１から連続しており、プレス加工で本体３１と同時に形成される。冷却器３は、縁が直角に折れ曲がった２枚のトレイ状のアルミ板が接合された構造を有している。２枚のトレイ状の板の接合部分が、積層方向からみたときに冷却器３を一巡するリブ３４である。

先に述べたように、優先膨張部３２と本体３１は、同じ材料（アルミニウム）で作られている。また、連結パイプ５も、優先膨張部３２と同じ材料（アルミニウム）で作られている。図５（Ａ）に示すように、優先膨張部３２の板厚Ｔ２は、冷却器３の本体３１の板厚Ｔ１よりも薄い。また、優先膨張部３２の板厚Ｔ２は、連結パイプ５の板厚Ｔ３よりも薄い。優先膨張部３２は、本体３１や連結パイプ５よりも変形しやすい。別言すれば、優先膨張部３２の剛性は、冷却器３の本体３１の剛性よりも低く、連結パイプ５の剛性よりも低い。従って、冷媒が凍結すると、本体３１と連結パイプ５が変形するよりも前に優先膨張部３２が膨張する。優先膨張部３２が膨張することによって、膨張による冷媒増加分を吸収する。それゆえ、冷媒が凍結膨張したときに連結パイプ５の周辺部分が受けるダメージが低減される。連結パイプ５の周辺部分とは、別言すれば、連結パイプ５、及び、本体３１の連結パイプ５と接続している箇所である。

なお、冷却器３の本体３１の幅狭の側面にはリブ３４（図１、図３参照）が設けられている。リブ３４が冷却器３の筐体の強度を高める。それゆえ、冷却器３は、内部の冷媒が凍結・膨張したときに、幅狭の側面は膨張し難くなっている。

図６に、変形例の優先膨張部１３２の例を示す。図６（Ａ）は、冷媒凍結前の図であり、図６（Ｂ）は冷媒凍結時の図である。冷却器１０３の優先膨張部１３２は、蛇腹状の側板を備えている。それゆえ、内部の冷媒が膨張したとき、蛇腹が延び、優先膨張部１３２の全体が膨張する。優先膨張部１３２は、蛇腹状の側板により、冷媒の凍結膨張時、優先膨張部１３２の全体が交差方向（Ｙ方向）に良く伸びる。優先膨張部１３２が膨張することによって、内部の冷媒が凍結膨張したとき、膨張による冷媒増加分を吸収する。それゆえ、冷媒が凍結膨張したときに連結パイプ５の周辺部分が受けるダメージが低減される。

実施例の半導体装置の特徴を以下に記す。半導体装置２は、複数の半導体モジュール４と複数の冷却器３（１０３）が積層されたデバイスである。冷却器３（１０３）は、その内部に、積層方向（図中のＸ方向）と交差する交差方向（図中のＹ方向）に延びる冷媒流路３９を有している。隣り合う冷却器３（１０３）は、挟まれている半導体モジュール４の交差方向の側方を通る連結パイプ５で連結されている。各冷却器３（１０３）は、交差方向で半導体モジュール４よりも外側に、内部の液体冷媒が凍結膨張したときに膨らむ優先膨張部３２（１３２）を備えている。

冷却器３（１０３）の優先膨張部３２（１３２）と本体３１は同じ材料で作られており、優先膨張部３２（１３２）の板厚が本体３１の板厚よりも薄い。優先膨張部３２（１３２）の板厚は、連結パイプ５の板厚よりも薄い。優先膨張部３２（１３２）の剛性は、本体３１の剛性よりも低く、連結パイプ５の剛性よりも低い。それゆえ、冷媒が凍結膨張したとき、本体３１と連結パイプ５が膨張する前に、優先膨張部３２（１３２）が膨張し、冷媒の膨張分を吸収する。

優先膨張部１３２は、蛇腹状の側板を備えている。内部の冷媒が凍結膨張すると、蛇腹状の側板が延び、優先膨張部１３２の全体が延びる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：半導体装置
３、１０３：冷却器
４：半導体モジュール
５、５ａ、５ｂ：連結パイプ
６、６ａ：スペーサ
９ａ：冷媒供給パイプ
９ｂ：冷媒排出パイプ
１２：ケース
１３：板バネ
３１：本体
３２、１３２：優先膨張部
３４：リブ
３９：冷媒流路
４１：樹脂パッケージ
４２、４２ａ、４２ｂ：パワートランジスタ（半導体素子）
４３ａ、４３ｂ：ダイオード（半導体素子）
４４：放熱板
４５ａ、４５ｂ、４５ｃ：パワー端子
４６：制御端子
４７：絶縁板
４８：銅ブロック

Claims (1)

1. 複数の冷却器が並列に配置されているとともに、隣り合う前記冷却器の間に半導体モジュールが挟まれており、複数の前記冷却器と複数の前記半導体モジュールの積層体がそれらの積層方向に加圧されている半導体装置であり、
   前記冷却器は、その内部に、前記積層方向と交差する交差方向に延びる冷媒流路を有しており、
   隣り合う前記冷却器は、挟まれている前記半導体モジュールの側方を通る連結パイプで連結されており、
   各冷却器は、前記交差方向で前記半導体モジュールよりも外側に、内部の液体冷媒が凍結膨張したときに膨らむ優先膨張部を備えている、半導体装置。

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