JP6724700B2 - 半導体積層ユニット - Google Patents

Description

本明細書は、半導体素子を収容した半導体モジュールと冷却器が交互に積層された半導体積層ユニットを開示する。

上記した半導体積層ユニットが例えば特許文献１−３に開示されている。半導体積層ユニットでは、平板状の半導体モジュールの両側に冷却器が隣接する。冷却器の内部を液体冷媒が通過し、隣接する半導体モジュールを冷却する。そのような半導体積層ユニットは、たとえば、電気自動車の走行モータ用のインバータに用いられる。特許文献１、２の半導体積層ユニットでは、樹脂製の冷却器本体の半導体モジュールとの対向面に開口が設けられており、その開口を金属板が塞いでいる。特許文献１、２の冷却器本体は、伝熱性の低い樹脂で作られているため、半導体モジュールとの接触部分に伝熱性の高い金属板を利用すべく、樹脂製の冷却器本体に開口を設け、その開口を金属板で塞ぐ構造を採用している。特許文献３の半導体積層ユニットでは、冷却器全体が伝熱性の高いアルミニウムで作られているため、本体に開口は設けられていない。

特開２０１６−１１１１６７号公報 特開２０１５−２２０９２０号公報 特開２００７−１６５６２０号公報

特許文献１、２の半導体積層ユニットでは、半導体モジュールと金属板を先に接合してから、半導体モジュールとともに金属板を冷却器本体へ取り付けることができる。半導体モジュールと金属板が接合しているとともに、その金属板が冷却器本体の内部を流れる液体冷媒に触れるので、高い冷却性能が期待できる。反面、冷却器本体の開口周囲と金属板を密封して接合することができず、両者の間にシール材を挟まなければならないという短所がある。特許文献３の半導体積層ユニットでは、冷却器全体がアルミニウムで作られており、特許文献１、２のように開口を封止しつつ金属板で塞ぐという短所は無い。そのかわり、金属製の冷却器と半導体モジュールを接合することができず、それらの間に冷却性能を高めるためのグリスを塗布する必要がある。本明細書は、冷却器の一側面を構成する金属板と半導体モジュールを先に接合することができるとともに、冷却器本体の開口の周囲と金属板の間をシール材なしで密封することのできる半導体積層ユニットを提供する。

本明細書が開示する半導体積層ユニットは、半導体素子を収容した半導体モジュールと冷却器が交互に積層されたデバイスである。冷却器は、内部に液体冷媒が通る本体（冷却器本体）であって、半導体モジュールと対向する面に開口を有している金属製の冷却器本体と、開口を塞ぐ金属板を備えている。その開口の周囲と金属板は、金属ナノ粒子を用いて接合されている。また、金属板と半導体モジュールも接合されている。金属ナノ粒子は、典型的には銀ナノ粒子である。

近年、金属ナノ粒子が注目を集めている。金属粒子がナノメートルサイズになると、ナノ粒子が有する高い表面エネルギにより焼結温度が下がるなどの特性が発見されている。例えば、銀ナノ粒子は、２５０℃程度で溶融する。金属ナノ粒子を用いると、冷却器本体の開口の周囲と金属板を低温で接合できるため、半導体モジュールと金属板の接合後に金属板と冷却器本体を接合しても、半導体モジュールに熱害を与えずに済む。しかも、銀ナノ粒子が一旦溶融して結合した後は、７００℃以上でないと再溶融しない。半導体積層ユニットを作動させている間に接合層が再溶融して冷却器本体と金属板の間から冷媒が漏れる可能性は極めて低い。金属ナノ粒子を採用することにより、冷却器の一側面を構成する金属板と半導体モジュールを、冷却器本体と金属板との接合に先立って接合することができるとともに、開口の周囲と金属板の間をシール材なしで密封することができる。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。

実施例の半導体積層ユニットの斜視図である。 冷却器の分解斜視図である。 図中のＸＹ平面でカットした半導体積層ユニットの断面図である。 図３の符号IVが示す楕円内の拡大図である。 金属ナノ粒子を用いた接合箇所の変形例の拡大図である。

図面を参照して実施例の半導体積層ユニット２０を説明する。図１に、半導体積層ユニット２０と、それに接続されるコンデンサ８のアセンブリの斜視図を示す。半導体積層ユニット２０は、複数の半導体モジュール３と複数の冷却器４が一つずつ交互に積層されたデバイスである。半導体積層ユニット２０は、電気自動車においてバッテリの直流電力を、走行用モータを駆動するための交流電力に変換するインバータの主要部品として用いられる。図１では、左端の半導体モジュールにのみ符号を付し、他の半導体モジュールには符号を省略した。説明の便宜上、図中の座標系のＺ軸正方向を「上」と称し、Ｚ軸負方向を「下」と称する。また、図中のＸ軸方向が半導体モジュール３と冷却器４の積層方向に相当する。以降の図でも、図中の座標系の意味は同じである。

半導体モジュール３は、内部に２個のトランジスタチップを収容している。半導体モジュール３の本体の上面から、３個のパワー端子（正極端子３ａ、負極端子３ｂ、中点端子３ｃ）が延びている。半導体モジュール３の内部で２個のトランジスタチップは直列に接続されており、その高電位側と低電位側と中点が、夫々、正極端子３ａ、負極端子３ｂ、中点端子３ｃと接続されている。トランジスタチップの直列接続はパワー端子３ａ−３ｃを通じて外部の回路と接続される。半導体モジュール３の下面から複数の制御端子が延びている。複数の制御端子は、夫々のトランジスタチップのゲートと導通している端子、センスエミッタと接続している端子、半導体モジュール３に内蔵されている温度センサと導通している端子などである。

図１に示すように、複数の半導体モジュール３の正極端子３ａが、バスバ７に接続されており、バスバ７を介してコンデンサ８と接続されている。図示を省略しているが、負極端子３ｂは、別のバスバを介してコンデンサ８と接続されている。図１では、中点端子３ｃの接続先も図示を省略している。

半導体積層ユニット２０では、平板型の複数の冷却器４は、その幅広面を対向させて配置されている。隣り合う冷却器４の間に平板型の半導体モジュール３が挟まれている。隣り合う冷却器４は、２個の連結管５、６で連結される。複数の冷却器４の一方の連結管５は、積層方向（図中のＸ軸方向）に一列に並んでおり、他方の連結管６も、積層方向に一列に並んでいる。冷却器４の本体の内部は空洞であり、その空洞を液体の冷媒が流れる。半導体積層ユニット２０の右端の冷却器４の連結管５を通じて外部から液体の冷媒が供給される。液体の冷媒は、積層方向に一列に並んだ複数の連結管５を通じて全ての冷却器４に分配される。冷媒は冷却器４を通過する間に隣接する半導体モジュール３から熱を吸収する。半導体モジュール３から熱を吸収した冷媒は、積層方向に一例に並んだ複数の連結管６を通じ、半導体積層ユニット２０の外部に排出される。詳しくは後述するが、各冷却器４は、その幅広面に開口を有しており、その開口は金属板４３で塞がれている。冷媒は、典型的には、水、あるいは、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。

図２に、一つの冷却器４の分解斜視図を示す。先に述べたように、冷却器本体４２の内部は空洞（冷媒流路Ｐ）となっている。平板型の冷却器本体４２の両方の幅広面に開口４２ａが設けられており、夫々の開口４２ａは金属板４３で塞がれる。なお、冷却器本体４２も金属製であり、例えば、熱伝導率の高いアルミニウムで作られている。金属板４３も例えばアルミニウムで作られている。金属板４３の冷媒流路Ｐに面した側には複数のピンフィン４４が設けられている。冷却器本体４２の開口４２ａの周囲４２ｂと、金属板４３の外周部４３ｂが銀ナノ粒子を用いて接合され、開口４２ａが密閉される。なお、製造時は、冷却器本体４２と金属板４３の接合に先立って、金属板４３と半導体モジュール３が接合される。

図３に、半導体積層ユニット２０を図中のＸＹ平面でカットした断面を示す。図３は、半導体積層ユニット２０のうち、一つの半導体モジュール３とそれを挟む２個の冷却器４のみを示しており、残りの半導体モジュール３と冷却器４は図示を省略した。まず、半導体モジュール３の内部構造を説明する。半導体モジュール３は、２個のトランジスタチップ３４ａ、３４ｂを樹脂で封止したモジュールである。樹脂の部分をパッケージ３１と称する。トランジスタチップ３４ａ、３４ｂの幅広面の一方にはコレクタ電極が露出しており、他方の面にはエミッタ電極とゲート電極が露出している。

トランジスタチップ３４ａのコレクタ電極にはスペーサ３３が接続されており、そのスペーサ３３のトランジスタチップ３４ａとは反対側には放熱板３２ａが接続されている。トランジスタチップ３４ａのコレクタ電極には放熱板３５が接続されている。その放熱板３５には、トランジスタチップ３４ｂのコレクタ電極が接続されている。トランジスタチップ３４ｂのエミッタ電極にはスペーサ３３が接続されており、そのスペーサ３３のトランジスタチップ３４ｂとは反対側には放熱板３２ｂが接続されている。即ち、放熱板３２ａ、３２ｂ、３５は、トランジスタチップ３４ａ、３４ｂの直列接続の高電位側、低電位側、中点と導通している。図示は省略しているが、パッケージ３１の内部にて、放熱板３２ａには、先に述べた正極端子３ａが接続しており、放熱板３２ｂには、負極端子３ｂが接続している。放熱板３５には、中点端子３ｃが接続している。放熱板３２ａ、３２ｂ、３５は、トランジスタチップ３４ａ、３４ｂの電極を外部のデバイスと導通させる端子も兼ねている。それゆえ、パッケージ３１から露出している放熱板３２ａ、３２ｂ、３５と金属板４３の間には、絶縁板９が挟まれている。絶縁板９は、エポキシ樹脂であり、パッケージ３１（半導体モジュール３）と金属板４３を接着する接着剤の役目も果たしている。

先に述べたように、半導体モジュール３の両面にはエポキシ樹脂の絶縁板９を介して金属板４３が接合されている。その金属板４３は、冷却器本体４２の開口４２ａを塞ぐとともに、冷却器本体４２の内部の冷媒流路Ｐに面している。金属板４３の冷媒流路Ｐに面している側に複数のピンフィン４４が設けられている。液体冷媒は、一方の連結管５を通じて冷媒流路Ｐに流れ込み、金属板４３の表面とピンフィン４４からトランジスタチップ３４ａ、３４ｂの熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、他方の連結管６を通じて冷却器４から排出される。図３の太矢印線が冷媒の流れを示している。図示されていない他の冷却器４と半導体モジュール３も、夫々、図３に示した冷却器４と半導体モジュール３と同じ構造を有している。

図３において、破線の丸で囲った部分が、金属板４３と冷却器本体４２の接合箇所である。図３において符号IVで囲った部分の拡大図を図４に示す。他の接合箇所も図４に図示する構造と同じである。冷却器本体４２の開口４２ａの周囲と金属板４３は、金属ナノ粒子（銀ナノ粒子）を用いて接合されている。冷却器本体４２と金属板４３は、アルミニウムで作られており、その表面は酸化被膜５１で覆われている。この酸化被膜５１のため、そのままでは銀ナノ粒子との接合性が低い。そこで、予め冷却器本体４２と金属板４３の接合表面に銀焼成膜５３を形成しておき、その上に銀ナノ粒子層５２を塗布する。その後、複数の冷却器４と複数の半導体モジュール３の積層体をその積層方向に加圧しつつ、銀ナノ粒子層５２に対して高温ブローを当てる。高温ブローの温度は３００℃程度でよい。高温ブローにより、銀ナノ粒子が溶融／焼結して冷却器本体４２と金属板４３が接合する。なお、銀ナノ粒子は単純に集合させたのでは、瞬く間に凝集体を形成してしまう。そこで、各銀ナノ粒子の表面を有機剤で被覆した有機−銀ナノ粒子をペースト化したものを、銀ナノ粒子層５２として塗布する。３００℃程度の高温ブローで銀ナノ粒子の表面の有機被膜が分解し、銀ナノ粒子の低温焼結機能が発現する。

銀ナノ粒子を用いた接合の利点を以下に述べる。まず、銀ナノ粒子層５２は、３００℃程度の低温で焼結し、冷却器本体４２と金属板４３を接合することができる。３００℃程度であるので、半導体モジュール３（特に、トランジスタチップ３４ａ、３４ｂ）に悪影響を及ぼさない。従って、半導体モジュール３と金属板４３を接合した後に、金属板４３と冷却器本体４２を接合し、半導体積層ユニット２０を仕上げることが可能となる。

また、一旦バルク状に焼結した銀ナノ粒子は、７００℃以上の高温でないと再溶融しない（なお、銀の融点は９６０℃である）。それゆえ、半導体積層ユニット２０の稼働中に冷却器本体４２と金属板４３の接合箇所が再溶融して冷媒が漏れ出すということは生じない。冷却器本体４２の開口４２ａの周辺と金属板４３との間にシール材を挟む必要がない。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例では、酸化被膜５１を有する冷却器本体４２の表面と金属板４３の表面に銀焼成膜５３を形成してから銀ナノ粒子層５２を形成した。銀焼成膜５３に替えて、冷却器本体４２の表面と金属板４３の表面の酸化被膜５１を除去した後に、銀ナノ粒子層５２を形成してもよい（図５参照）。この場合、冷却器本体４２と金属板４３において酸化被膜５１を除去する範囲（図５において幅Ｗ２の範囲）は、銀ナノ粒子層５２の範囲（図５において幅Ｗ１の範囲）よりも大きくする。

実施例では、高温ブローを銀ナノ粒子層５２に当てて銀ナノ粒子層５２を溶融／焼結させる。高温ブローに替えて銀ナノ粒子層５２にレーザを照射して局所的に熱してもよい。

実施例では、銀ナノ粒子の表面を有機剤で被覆した有機−銀ナノ粒子のペーストを用いた。有機−銀ナノ粒子に替えて、酸化銀ナノ粒子を用いることも好適である。その他、銅ナノ粒子、あるいは、銅−銀混合ナノ粒子を用いてもよい。冷却器本体と、その開口を塞ぐ金属板の材料は、アルミニウムの他、銅であってもよい。冷却器本体と金属板の一方が銅で作られ、他方がアルミニウムで作られたものであってもよい。

半導体モジュール３と金属板４３は、エポキシ樹脂以外の接着剤で接合されていてもよい。

実施例のトランジスタチップ３４ａ、３４ｂが請求項の「半導体素子」の一例に相当する。半導体素子は、トランジスタチップのほか、ダイオードなどであってもよい。

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。

３：半導体モジュール
４：冷却器
５、６：連結管
７：バスバ
８：コンデンサ
９：絶縁板
２０：半導体積層ユニット
３１：パッケージ
３２ａ、３２ｂ、３５：放熱板
３３：スペーサ
３４ａ、３４ｂ：トランジスタチップ
４２：冷却器本体
４２ａ：開口
４３：金属板
４３ｂ：外周部
４４：ピンフィン
５１：酸化被膜
５２：銀ナノ粒子層
５３：銀焼成膜
Ｐ：冷媒流路

Claims (3)

1. 半導体素子を収容した半導体モジュールと冷却器が交互に積層された半導体積層ユニットであり、
   前記冷却器は、内部に液体冷媒が通る本体であって、前記半導体モジュールと対向する面に開口を有している金属製の本体と、
   前記開口を塞ぐ金属板と、
   を備えており、前記開口の周囲と前記金属板が金属ナノ粒子を用いて接合されているとともに、前記金属板と前記半導体モジュールが接合されており、
   前記本体と前記金属板は酸化被膜で覆われており、前記金属ナノ粒子は前記酸化被膜に接していない、半導体積層ユニット。
2. 前記金属ナノ粒子の層と前記酸化被膜との間に銀焼成膜が挟まれている、請求項１に記載の半導体積層ユニット。
3. 前記本体の前記金属ナノ粒子と接する範囲、および、前記金属板の前記ナノ粒子と接する範囲にて前記酸化被膜が除去されている、請求項１に記載の半導体積層ユニット。

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