JP7014626B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、半導体素子が収容されている半導体モジュールと冷却器の積層体がバネによって積層方向に加圧されている半導体装置に関する。
特許文献1、2に、冷却器と半導体モジュールの積層体がバネによってそれらの積層方向に加圧されている半導体装置が開示されている。特許文献1の半導体装置では、弓形に湾曲した板バネが使われている。板バネは、ケースに設けられた一対の支持柱と積層体の間に挟まれている。板バネの両端は一対の支持柱に当接しており、板バネの中央が積層体の積層方向の端面に当接している。板バネは積層体の端面の中央を押圧することになり、端面に生じる圧力分布に偏りが生じる。
特許文献2の半導体装置では、積層体を加圧するのに2種類の板バネが使われている。いずれの板バネも弓形に湾曲しており、積層体の一端面とケースの内壁の間に挟まれている。第1板バネは、長手方向の中央が積層体に接しているとともに、両端がケースの内壁に接している。第2板バネは、長手方向の中央がケースの内壁に接しているとともに、両端が積層体に接している。第1板バネは積層体の端面の中央を押圧し、第2板バネは積層体の端面の両端を押圧する。第1バネのみでは、端面の中央で圧力が高く、両端で圧力が低くなってしまう。第2板バネを加えることで、積層体の端面の中央への圧力の偏りを緩和する。
特開2015-104163号公報 国際公開2015/064572号
特許文献2の半導体装置では、2種類の板バネを使って積層体の端面における圧力の偏りを緩和する。本明細書は、ひとつのバネで積層体の端面における圧力の偏り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、積層体と当接板とバネを備えている。積層体は、半導体素子を収容している半導体モジュールと冷却器を積層したユニットである。当接板は、半導体モジュールと冷却器の積層方向で積層体に接している。バネは、当接板に接しており、当接板を介して積層体を積層方向に加圧する。バネは、積層体を収容するケースの支持部と積層体の間に挿入され、積層体を加圧するタイプでもよいし、クリップのように積層体を両側から挟み込んで積層体を加圧するタイプであってもよい。バネは、積層方向に直交する方向における当接板の中央部に接している。当接板の積層体に面する側の中央部に窪みが設けられている。この半導体装置は、当接板の中央部は積層体に接しておらず、中央部の両側が積層体を加圧する。中央部の両側で積層体を加圧することで、積層体の端面における圧力の偏りが低減される。
当接板は、窪みに代えて、中央部に空洞を備えていてもよい。積層方向からみて空洞の範囲では、バネが積層体に加える圧力が弱まる。その結果、積層体の端面における圧力の偏りが低減される。半導体モジュールは、半導体素子を収容しているパッケージと、冷却器に面する側でパッケージから露出している放熱板を備えている。窪み又は空洞は、積層方向からみてその輪郭が放熱板を囲むように配置されている。
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。
第1実施例の半導体装置の平面図である。 半導体モジュールの正面図である。 図2のIII-III線に沿った半導体モジュールの断面図である。 当接板の斜視図である。 図1の矢印Vの方向からみた半導体装置の正面図である。 当接板付近の拡大平面図である。 当接板の第1変形例を示す正面図である。 第1変形例の当接板の付近の拡大平面図である。 当接板の第2変形例を示す斜視図である。 当接板の第2変形例を示す正面図である。 当接板の第3変形例を示す正面図である。 第2実施例の半導体装置の当接板付近の拡大平面図である。 第3実施例の半導体装置の平面図である。 第4実施例の半導体装置の平面図である。 第4実施例の半導体装置の側面図である。
(第1実施例)図1-図6を参照して実施例の半導体装置100を説明する。図1に、半導体装置100の平面図を示す。図1は、半導体装置100のケース12の上カバーを外した状態の平面図である。半導体装置100は、ケース12の内部に複数の半導体モジュール2と複数の冷却器3の積層体10を収容している。なお、ケース12には、積層体10の他にも部品が収容されているが、それらの図示は省略する。
半導体モジュール2と冷却器3はいずれも扁平であり、互いの幅広面が対向するように積層されている。複数の半導体モジュール2と複数の冷却器3は、1個ずつ交互に積層されている。なお、隣接する半導体モジュール2と冷却器3の間にはグリスと絶縁板が挟まれているが図1では図示を省略した。また、図中の座標系のX方向が冷却器3と半導体モジュール2の積層方向に一致している。以降の図でも、X方向は積層方向に一致している。
半導体モジュール2の内部には半導体素子が収容されている。半導体素子を冷却するため、半導体モジュール2には冷却器3が接している。半導体モジュール2の内部構造については後述する。積層体10において、各半導体モジュール2は一対の冷却器3に挟まれており、半導体モジュール2は両側から冷却される。積層体10の一端の冷却器3には冷媒供給管15aと冷媒排出管15bが連結されている。冷媒供給管15aと冷媒排出管15bはケース12の外へと延びている。冷媒供給管15aと冷媒排出管15bは、ケース12の外で、不図示の冷媒循環装置と接続される。冷媒供給管15aを通じて冷媒循環装置から複数の冷却器3へ冷媒が供給され、冷媒排出管15bを通じて冷却器3から冷媒循環装置へ冷媒が戻される。なお、冷媒は、典型的には水あるいは不凍液である。
隣り合う冷却器3は2個の連結管16a、16bで連結されている。なお、図1では、一部の連結管にのみ符号16a、16bを付し、残りの連結管には符号を省略した。冷却器3は内部が冷媒の流路になっており、連結管16a、16bによって、隣り合う冷却器3の流路が連通する。連結管16aは、積層体10の積層方向(X方向)からみて冷媒供給管15aと重なるように位置しており、連結管16bは、積層方向からみて冷媒排出管15bと重なるように位置している。冷媒供給管15aを通じて供給される冷媒は、連結管16aを通じて全ての冷却器3に分配される。冷媒は冷却器3を流れる間に隣接している半導体モジュール2から熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、連結管16bと冷媒排出管15bを通じて積層体10から排出される。
ここで、図2と図3を参照して半導体モジュール2の内部構造を説明する。図2は、半導体モジュール2の平面図であり、図3は図2のIII-III線に沿った断面図である。半導体モジュール2は、樹脂製のパッケージ22に2個の半導体素子24a、24bを収容したデバイスである。パッケージ22は射出成形で作られる。即ち、2個の半導体素子24a、24bは、パッケージ22に埋設されている。
半導体素子24a、24bは平板タイプのチップであり、平板の一方の幅広面にコレクタ電極が設けられており、他方の幅広面にエミッタ電極と、ゲート電極などの制御電極が設けられている。半導体素子24aのコレクタ電極には放熱板23aが接合されており、エミッタ電極にはスペーサ26aが接合されている。スペーサ26aの反対側には放熱板25aが接合されている。半導体素子24aの制御電極には制御端子29aが接合されている。
半導体素子24bのコレクタ電極には放熱板23bが接合されており、エミッタ電極にはスペーサ26bが接合されている。スペーサ26bの反対側には放熱板25bが接合されている。半導体素子24bの制御電極には制御端子29bが接合されている。
半導体素子24aは一対の放熱板23a、25aに挟まれており、半導体素子24bは一対の放熱板23b、25bに挟まれている。放熱板23a、23b、25a、25bとスペーサ26a、26bは導電性の金属で作られている。放熱板23a、23bはパッケージ22の一方の幅広面221に露出しており、放熱板25a、25bは他方の幅広面222に露出している。放熱板25aの縁からは継手25cが延びており、放熱板23bの縁からは継手23cが延びている。継手25cと継手23cは、パッケージ22の内部で接続されている。図では現れていないが、放熱板23aはパッケージ22の外へ延びている正極端子21aとつながっており、放熱板25aは中間端子21bとつながっており、放熱板25bは負極端子21cとつながっている。
放熱板23a、23b、25a、25bは、半導体素子24a、24bの熱を放出する機能と、半導体素子24a、24bの電極をパッケージ22の外へ延びている正極端子21a、中間端子21b、負極端子21cと導通させる機能を兼ねている。図2に示されているように、幅広面の法線方向(図中のX方向)からみると、放熱板23aと半導体素子24aは重なっており、放熱板23bと半導体素子24bも重なっている。先に述べたように、X方向は、半導体モジュール2と冷却器3の積層方向に相当する。半導体モジュール2は、放熱板23a、23b、25a、25bが露出している幅広面221、222が冷却器3に対向する。図2に示されているように、幅広面の法線方向(積層方向)からみたときに、半導体素子24a(24b)は、放熱板23a(23b)の輪郭の内側に位置している。この配置によって、半導体素子24a(24b)の熱は、放熱板23a(23b)と25a(25b)の全面に効率よく広がる。
図1に戻り、半導体装置100の説明を続ける。なお、図1では、ひとつの半導体モジュール2にのみ、端子を示す符号21a、21b、21cを付してあり、残りの半導体モジュール2の端子には符号は省略した。半導体モジュール2と冷却器3の積層体10は、ケース12の壁14と支柱13の間に挟まれている。積層体10の積層方向の端面10aと支柱13の間にはバネ5と当接板4が挟まれている。バネ5が当接板4を介して積層体10を積層方向に加圧する。加圧によって半導体モジュール2と冷却器3の密着度が高まり、半導体モジュール2から冷却器3へ熱が良く伝えられる。バネ5は、弓形に湾曲している板バネである。バネ5は、両端5bが支柱13に当接し、中央部5aが当接板4の中央に当接する。当接板4は、バネ5による集中荷重を積層体10の端面10aに分散させる。ただし、当接板4はバネ5から集中荷重を受け、わずかに撓む。当接板4が撓むと積層体10の端面10aの中央部分に圧力が偏る。そこで、当接板4の積層体10を向く面には窪みが設けられている。図4に当接板4の斜視図を示す。図4において当接板4の上側の面が積層体10に面する当接面4aに相当する。図4において当接板4の下側の面がバネ5と当接する加圧面4bに相当する。当接板4の当接面4aの中央に窪み41が設けられている。窪み41の底に対応する当接板4の部位を中央部42と称する。
図5に図1の矢印Vからみた半導体装置100の正面図(積層体10の正面図)を示し、図6に、当接板4の付近の拡大平面図を示す。図5は、ケース12を除いた半導体装置100の正面図である。図5では、当接板4と冷却器3(積層体10の端面10aに相当する冷却器3)とが当接する範囲をグレーで示してある。グレーで囲まれた白い部分が窪み41と中央部42に相当する。また図5では、バネ5は一点鎖線で示してある。
図5と図6によく示されているように、バネ5は、当接板4の中央部42に当接しており当接板4は、窪み41を囲むようにその周囲で積層体10の端面10a(積層体10の端の冷却器3)に当接している。バネ5は、当接板4の中央部42を加圧する。しかし、当接板4は、中央部42が積層体10の端面10aに接しないように窪み41を備えている。当接板4がバネ5の荷重によって湾曲しても、窪み41によって当接板4の中央部42は積層体10には接触しない。当接板4は、窪み41を囲むようにその周囲(図5のグレーの範囲)が端面10aに当接する。この構造によって、積層体10の端面10aにおける圧力の偏りが低減される。
なお、図6に示すように、半導体モジュール2と冷却器3の間には絶縁板31が挟まれている。また、半導体モジュール2と絶縁板31の間、及び、冷却器3と絶縁板31の間には、グリス32が塗布されている。図6ではグリスをグレーで示してある。先に述べたように、放熱板23a、23b、25a、25bは、半導体素子24a、24bの電極と導通している。冷却器3も導電性の金属(典型的にはアルミニウム)で作られているため、放熱板23a、23b、25a、25bを冷却器3から絶縁するために絶縁板31が挟まれている。グリス32は、固体の絶縁板31と冷却器3の間、及び、絶縁板31と半導体モジュール2の間の熱伝達の効率を高めるために塗布されている。
(第1変形例)図7、図8を参照して、当接板の第1変形例を説明する。図7は、図5に対応する図であって、第1変形例の当接板104を示す正面図である。図8は、図6に対応する図であって、第1変形例の当接板104の付近の拡大平面図である。図7、図8では、図5、図6の部品と同じ部品には同じ符号を付した。図7のグレーの部分は、当接板104が積層体10の端面10aと接触している範囲を示す。グレーで囲まれた範囲が窪み141に対応する。グレーで囲まれた範囲は、また、窪み141の底に相当する中央部142にも相当する。バネ5は中央部142で当接板104の加圧面4bに当接するが、中央部142の積層体10の側(当接面4a)には窪み141が設けられているため、当接板104の中央部142が直接に積層体10の端面10aに圧力を加えることはない。
第1変形例の当接板104は、窪み141の大きさが実施例の当接板4の窪み41よりも大きい。図7、図8に示すように、窪み141は、図中の座標系のX方向(積層体10の積層方向)からみたときに、窪み141の輪郭が半導体モジュール2の当接板104の側の幅広面に露出している放熱板23a、23bを包括的に囲むように設けられている。
半導体モジュール2の放熱板23a、23bが露出している面にはグリス32が塗布されている。半導体モジュール2の内部の半導体素子24a、24bが温度上昇と温度降下を繰り返すと放熱板23a、23bが熱変形を繰り返し、グリス32が放熱板23a、23bの範囲の外へ押し出されるおそれがある。グリス32が放熱板23a、23bの範囲の外へ押し出されることを以下では「グリスが抜ける」と表現する。グリス32が抜けると半導体モジュール2に対する冷却能力が低下してしまう。放熱板23a、23bと対向する範囲に窪み141が設けられていると、当接板104が放熱板23a、23bの範囲に加える圧力が抑えられるので、グリス32が抜け難くなる。なお、この効果は、第1実施例の当接板4でも得られる。しかし、放熱板23a、23bを包括的に囲む窪み141を有する当接板104は、放熱板23a、23bの全面にわたってグリスを抜け難くするために効果が高い。
(第2変形例)図9、図10を参照して、当接板の第2変形例を説明する。図9は、第2変形例の当接板204の斜視図であり、図10は、図5に対応する図であって、第2変形例の当接板204の正面図である。図10では、図5の部品と同じ部品には同じ符号を付した。図10のグレーの部分は、当接板204が積層体10の端面10aと接触している範囲を示す。
当接板204は、積層体10に対向する当接面204aに、窪み241を有している。窪み241は、当接板204の短手方向(図中のZ方向)で当接板204の一方の縁から他方の縁まで延びている。窪み241は、当接板204をその短手方向に横断する溝の形状を有している。窪み241の底に対応する当接板204の部位が中央部242である。当接面204aとは反対側の加圧面204bにおいて、当接板204の中央部242にバネ5が当接する。図10において、グレーで挟まれた囲まれた範囲が窪み241に対応するとともに、窪み241の底に相当する中央部242に相当する。第2変形例のように、窪み241は当接板204の短手方向に一端から他端まで延びる溝であってもよい。バネ5は、当接板204の中央部242に当接するが、当接板204の中央部242は積層体10の端面10aには当接せず、長手方向(図中のY方向)において窪み241の両側で端面10aに当接する。第2変形例の当接板204によっても、端面10aにおける圧力の偏りが低減できる。
(第3変形例)図11を参照して第3変形例の当接板304を説明する。図11は、図10に対応する図であって、第3変形例の当接板304を示す正面図である。図11では、図10の部品と同じ部品には同じ符号を付した。図11のグレーの部分は、当接板304が積層体10の端面10aと接触している範囲を示す。第3変形例の当接板304も積層体10の端面10aに対向する当接面に窪み341を有している。窪み341の底に相当する部位が中央部342である。
窪み341は、当接板304の短手方向(図中のZ方向)で当接板304を横断している。また、窪み341は、積層方向(図中のX方向)からみたときに、半導体モジュール2の放熱板23a、23bの縁に沿っている。
バネ5は、当接板304の中央部342に当接するが、当接板304の中央部342は積層体10の端面10aには当接しない。当接板304は、長手方向(図中のY方向)における窪み341の両側で端面10aに当接する。第3変形例の当接板304によっても、端面10aにおける圧力の偏りが低減できる。また、窪み341の輪郭は、X方向(積層方向)からみて、Y方向(当接板304の長手方向)で放熱板23a、23bの一部を囲んでいる。窪み341が放熱板23a、23bを囲んでいることで、前述したように、放熱板23a、23bに塗布されているグリスが抜け難くなる。
(第2実施例)図12を参照して第2実施例の半導体装置200を説明する。図12は、図6に対応する図であり、当接板404の付近の平面図である。半導体装置200は、当接板404を除いて第1実施例の半導体装置100と同じ構造を有している。当接板404は、その中央部442に空洞441を備えている。中央部442の加圧面4bの側にバネ5が当接する。バネ5からの荷重により当接板404の中央部442が変形しても、空洞441によって、中央部442の加圧面4bの側の変形より、当接面4aの側の変形は小さくなる。それゆえ、積層体10の端面10aの中央への圧力集中が緩和される。
(第3実施例)図13を参照して第3実施例の半導体装置300を説明する。図13は、図1に対応する図であり、半導体装置300の平面図を示している。半導体装置300は、バネ105を除いて、第1実施例の半導体装置100と同じである。即ち、当接板4は、図4に示したように、積層体10に面する当接面4aの中央に窪み41を備えている。
第3実施例の半導体装置300は、板バネの代わりにコイルバネ(バネ105)を備えている。バネ105が、当接板4を介して積層体10を加圧する。バネ105は、当接板4の加圧面4bの側で中央部42に当接し、当接板4を加圧する。当接板4の中央部42の当接面4aの側には窪み41が設けられているので、中央部42は端面10aには当接しない、当接板4は、窪み41のY方向の両側で積層体10の端面10aに当接する。従って、端面10aの中央への圧力の偏りが緩和される。
(第4実施例)図14、図15を参照して第4実施例の半導体装置400を説明する。第4実施例の半導体装置400は、クリップ形状のバネ205を備えている。バネ205は、対向する一対の挟持部205a、205bを備えている。挟持部205a、205bの間に、半導体素子24を収容している半導体モジュール502と冷却器503の積層体510と、当接板504が挟まれている。バネ205は、積層体510を、積層方向の両側から加圧する。
当接板504は、半導体モジュール502と対向する面に、窪み541を備えている。窪み541は、その輪郭が、バネ205が当接板504を押圧する範囲を囲んでいる。図14において、グレーの範囲は、当接板504と半導体モジュール502が接している範囲を示している。バネ205は、当接板504の中央部42を集中的に加圧するが、当接板504の中央部542の半導体モジュール502に面する側には窪み541が設けられている。それゆえ、中央部542は半導体モジューを加圧しない。当接板504は、中央部542を囲む周囲が半導体モジュール502を加圧する。よって、積層体510の積層方向の端面における圧力の偏り低減される。
実施例で説明した技術の特徴のいくつかを以下に列挙する。半導体装置は、半導体モジュール2と冷却器3の積層体10と、当接板4と、バネ5を備えている。当接板4は、積層方向(X方向)で積層体10の端面に当接している。バネ5は、当接板4に接しており、当接板4を介して積層体10を積層方向に加圧する。バネ5は、積層方向に直交する方向(図中のY方向)における当接板4の中央部42に接している。当接板4の積層体10に面する側(当接面4a)の中央部42に窪み41が設けられている。第2実施例の半導体装置では、当接板404の中央部442に空洞441が設けられている。中央に窪み41あるいは空洞441を設けた当接板4(404)によって、バネ5は当接板4(404)の中央部42(442)を加圧するが、当接板4(404)は、Y方向における窪み41(あるいは空洞441)の両側で積層体10を加圧する。それゆえ、積層体10のY方向の圧力の偏りが低減される。
当接板4は、Y方向の両側だけでなく、窪み41又は空洞441を囲む周囲が積層体10に接していてもよい。
半導体モジュール2と冷却器3の間にグリス32が挟まれていてもよい。そして、半導体モジュール2は、半導体素子24a、24bを収容しているパッケージ22と、冷却器3に面する側でパッケージ22から露出している放熱板23a、23bを備えていてもよい。窪み41又は空洞441は、積層方向からみて放熱板23a、23bと重なるように配置されているとよい(図5、図7、図10、図11)。当接板が放熱板23a、23bの範囲に加える圧力が抑えられるので、グリスが抜け難くなる。特に、積層方向からみて窪み又は空洞の輪郭が放熱板を囲んでいると、放熱板23a、23bの全面からグリスが抜け難くなる。
積層体10の積層方向からみて、バネが当接板と接している範囲が、窪みまたは空洞の輪郭の内側に位置しているとよい。バネによる圧力が直接に積層体に伝わらないので、圧力の集中を効果的に緩和できる。
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、502:半導体モジュール
3、503:冷却器
4、104、204、304、404、504:当接板
5、105、205:バネ
10、510:積層体
22:パッケージ
23a、23b、25a、25b:放熱板
24、24a、24b:半導体素子
26a、26b:スペーサ
31:絶縁板
32:グリス
41、141、241、341、541:窪み
42、142、242、342、442、542:中央部
100、200、300、400:半導体装置
441:空洞

Claims (3)

  1. 半導体素子が収容されている半導体モジュールと冷却器の積層体と、
    前記半導体モジュールと前記冷却器の積層方向で前記積層体に接している当接板と、
    前記当接板に接しており、前記当接板を介して前記積層体を前記積層方向に加圧するバネと、
    を備えており、
    前記バネは、前記積層方向に直交する方向における前記当接板の中央部に接しており、
    前記当接板の前記積層体に面する側の前記中央部に窪みが設けられている、又は、前記当接板の前記中央部に空洞が設けられており、
    前記半導体モジュールは、前記半導体素子を収容しているパッケージと、前記冷却器に面する側で前記パッケージから露出している放熱板を備えており、
    前記窪み又は前記空洞は、前記積層方向からみてその輪郭が前記放熱板を囲むように配置されている、
    半導体装置。
  2. 前記当接板は、前記窪み又は前記空洞を囲む周囲が前記積層体に接している、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記半導体モジュールと前記冷却器の間にグリスが挟まれている、請求項1又は2に記載の半導体装置。
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