JP7327579B1 - 半導体装置及び電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】安定して半導体パッケージを冷却する半導体装置及び電力変換装置を提供する。【解決手段】半導体パッケージと、前記半導体パッケージを冷却する冷却器と、前記半導体パッケージと前記冷却器との間に挟まれて設けられ、前記半導体パッケージと前記冷却器との間を貫通する開口部を有するシール部材と、前記開口部に充填される流動性を有する金属により構成される熱伝導部材と、を備える半導体装置。【選択図】図１
Description
本開示は、半導体装置及び電力変換装置に関する。
特許文献１には、半導体チップと、半導体チップの上側に配置されている放熱器と、放熱器と半導体チップとの間にある熱伝導材料と、を有する電子機器が開示されている。また、特許文献１には、電子機器が熱伝導材料を取り囲んでいるシール部材を有することが開示されている。さらに、特許文献１には、熱伝導材料が導電性を有し、少なくとも半導体チップの動作時に流動性を有することが開示されている。
特許文献２には、半導体チップの発熱を冷却する冷却装置が開示されている。また、特許文献２には、半導体チップは保持枠体を接合されていること、冷却装置の受熱部材が保持枠体にシール部材を介して着脱可能に結合されること、が開示されている。さらに、特許文献２には、半導体チップの熱伝達面と保持枠体と受熱部材とで密閉空間を形成し、密閉空間内において液体金属を収容して、液体金属によって、半導体チップの発熱を受熱部材に熱伝達することが開示されている。
半導体チップを備える半導体パッケージを冷却する際に、半導体パッケージと半導体パッケージを冷却する冷却器との間に、流動性のある金属を熱伝達材料として設けて、熱接続を行う場合がある。半導体パッケージと冷却器との間の熱的接続を行うために、流動性のある金属を用いると、当該流動性のある金属が半導体パッケージと冷却器との間から流れ出して、熱的接続が損なわれる場合がある。半導体パッケージと冷却器との間の熱的接続が損なわれると、半導体パッケージに備えられる半導体チップが高温になり、動作に不具合が発生する場合がある。
本開示は、安定して半導体パッケージを冷却する半導体装置及び電力変換装置を提供する。
本開示の一の態様によれば、半導体パッケージと、内部に冷媒が通流し、前記半導体パッケージを冷却する冷却器と、前記半導体パッケージと前記冷却器との間に挟まれて設けられ、前記半導体パッケージと前記冷却器との間を貫通する開口部を有するシール部材と、前記開口部に充填される流動性を有する金属により構成される熱伝導部材と、前記半導体パッケージ、前記シール部材及び前記冷却器を封止する封止樹脂と、を備え、前記冷却器及び前記半導体パッケージの少なくとも一方は、前記シール部材と接触する面に、前記シール部材が挿入される溝を備える半導体装置を提供する。
本開示の半導体装置及び電力変換装置によれば、安定して半導体パッケージを冷却できる。
以下、本発明の各実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態に係る明細書及び図面の記載に関して、実質的に同一の又は対応する機能構成を有する構成要素については、同一の又は対応する符号を付することにより重複した説明を省略する場合がある。また、理解を容易にするために、図面における各部の縮尺は、実際とは異なる場合がある。
平行、直角、直交、水平、垂直、上下、左右などの方向には、実施形態の効果を損なわない程度のずれが許容される。角部の形状は、直角に限られず、弓状に丸みを帯びてもよい。平行、直角、直交、水平、垂直には、略平行、略直角、略直交、略水平、略垂直が含まれてもよい。
例えば、略平行は、２つの線又は２つの面が互いに完全に平行でなくても、製造上許容される範囲内で互いに平行として扱うことができることを意味する。他の略直角、略直交、略水平及び略垂直のそれぞれについても、略平行と同様に、２つの線又は２つの面の相互の位置関係が製造上許容される範囲内であればそれぞれに該当することが意図される。
≪第１実施形態≫
半導体装置１は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置である。図１は、第１実施形態に係る半導体装置１の斜視図である。図２は、第１実施形態に係る半導体装置１の分解斜視図である。図３は、第１実施形態に係る半導体装置１の断面図である。なお、図２において、熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３の図示は省略している。また、図３において、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２、半導体パッケージ１３及び冷却器２０のそれぞれの内部構成は省略して示している。
半導体装置１は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置である。図１は、第１実施形態に係る半導体装置１の斜視図である。図２は、第１実施形態に係る半導体装置１の分解斜視図である。図３は、第１実施形態に係る半導体装置１の断面図である。なお、図２において、熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３の図示は省略している。また、図３において、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２、半導体パッケージ１３及び冷却器２０のそれぞれの内部構成は省略して示している。
なお、図面には、説明の便宜のため、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸（ＸＹＺ軸）からなる仮想三次元座標系（ＸＹＺ直交座標系）が設定される場合がある。例えば、図面の紙面に対して垂直な座標軸について、座標軸の丸の中に黒丸印を示す場合は紙面に対して手前側が座標軸の正の領域であることを表している。また、座標軸の丸の中にバツ印を示す場合は紙面に対して手前側が座標軸の負の領域であることを表している。
ただし、当該座標系は、説明のために定めるものであって、本実施形態に係る半導体装置等の姿勢について限定するものではない。
なお、本開示では、特に説明しない限り、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれは、冷却器２０の冷却面となる面２０Ｓに平行な方向、Ｚ軸方向は、冷却器２０の冷却面となる面２０Ｓに垂直な方向とする。また、Ｙ軸方向は、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３が並ぶ方向とする。
半導体装置１は、直流電力を交流電力に変換する半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を備える。なお、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３のそれぞれを区別する必要がない場合は、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３のそれぞれを総称して半導体パッケージ１０という場合がある。また、半導体装置１は、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を冷却する冷却器２０を更に備える。
さらに、半導体装置１は、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３のそれぞれと、冷却器２０との間に挟まれて設けられるシール部材３０を備える。シール部材３０は、開口部３０ｈ１、開口部３０ｈ２及び開口部３０ｈ３を有する。シール部材３０が半導体パッケージ１１と冷却器２０に挟まれることにより、開口部３０ｈ１に、閉塞された閉塞空間ＳＰ１が形成される。同様に、シール部材３０が半導体パッケージ１２と冷却器２０に挟まれることにより、開口部３０ｈ２に、閉塞された閉塞空間ＳＰ２が形成される。シール部材３０が半導体パッケージ１３と冷却器２０に挟まれることにより、開口部３０ｈ３に、閉塞された閉塞空間ＳＰ３が形成される。
さらにまた、半導体装置１は、閉塞空間ＳＰ１に熱伝導部材４１を備える。同様に、半導体装置１は、閉塞空間ＳＰ２に熱伝導部材４２と、閉塞空間ＳＰ３に熱伝導部材４３と、を備える。
また、半導体装置１は、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３と、冷却器２０と、を固定する固定部材５０を備える。
［半導体パッケージ１０］
半導体パッケージ１０により、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３のそれぞれについて説明する。図４は、第１実施形態に係る半導体装置１が備える半導体パッケージ１０の上面図である。図５は、第１実施形態に係る半導体装置１が備える半導体パッケージ１０の底面図である。図６は、第１実施形態に係る半導体装置１が備える半導体パッケージ１０の内部構成を示す上面図である。図７は、第１実施形態に係る半導体装置１が備える半導体パッケージ１０の内部構成を示す底面図である。図６及び図７においては、ケース１０Ｐを点線で示す。
半導体パッケージ１０により、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３のそれぞれについて説明する。図４は、第１実施形態に係る半導体装置１が備える半導体パッケージ１０の上面図である。図５は、第１実施形態に係る半導体装置１が備える半導体パッケージ１０の底面図である。図６は、第１実施形態に係る半導体装置１が備える半導体パッケージ１０の内部構成を示す上面図である。図７は、第１実施形態に係る半導体装置１が備える半導体パッケージ１０の内部構成を示す底面図である。図６及び図７においては、ケース１０Ｐを点線で示す。
半導体パッケージ１０は、例えば、１相分の上下アームを構成する２つの半導体素子がパッケージされたいわゆる２ｉｎ１の半導体パッケージである。また、半導体パッケージ１０は、いわゆる片面冷却型の半導体パッケージである。半導体パッケージ１０の内部には、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワートランジスタ等の半導体素子が内蔵される。
なお、内蔵する半導体素子としては、パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等でもよい。また、載置される半導体素子は、前述のＩＧＢＴやＦＷＤをワンチップ化したＲＢ－ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｂｌｏｃｋｉｎｇ－Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）でもよい。さらに、載置される半導体素子は、前述のＩＧＢＴやＦＷＤをワンチップ化したＲＣ－ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ－Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）でもよい。
半導体パッケージ１０は、略直方体状の形状の樹脂、例えば、エポキシ樹脂、のケース１０Ｐを備える。
半導体パッケージ１０は、ケース１０Ｐの側面に、電流端子１０ａ、電流端子１０ｂ及び電流端子１０ｃを有する。電流端子１０ａ、電流端子１０ｂ及び電流端子１０ｃのそれぞれは、半導体パッケージ１０のケース１０Ｐの側面から突出して設けられる。半導体パッケージ１０は、ケース１０Ｐの上面１０Ｓ１に、４本の制御端子１０ｄを有する。４本の制御端子１０ｄのそれぞれは、半導体パッケージ１０のケース１０Ｐの上面１０Ｓ１から突出して設けられる。
電流端子１０ａ、電流端子１０ｂ及び電流端子１０ｃのそれぞれは、例えば、負荷に電流を流すための端子である。電流端子１０ａ、電流端子１０ｂ及び電流端子１０ｃのそれぞれは、導電材料により形成される。４本の制御端子１０ｄのそれぞれは、負荷に流す電流を制御するための端子である。４本の制御端子１０ｄのそれぞれは、導電材料で形成される。
また、半導体パッケージ１０は、放熱板１０Ｅを有する。放熱板１０Ｅは、例えば、銅箔により形成される。半導体パッケージ１０に内蔵される例えばパワートランジスタは、発熱素子であることから、冷却する必要がある。放熱板１０Ｅは、当該発熱素子を放熱するために設けられる。放熱板１０Ｅは、熱伝導性の高い材料、例えば、銅などの金属で形成される。放熱板１０Ｅは、当該発熱素子に熱的に接続される。放熱板１０Ｅは、ケース１０Ｐの下面１０Ｓ２に設けられる。
半導体パッケージ１０は、ケース１０Ｐの内部に、半導体素子１０Ａ及び半導体素子１０Ｂを備える。また、半導体パッケージ１０は、ケース１０Ｐの内部に、配線基板１０Ｃと、絶縁基板１０Ｄと、を備える。また、半導体素子１０Ａ及び半導体素子１０Ｂのそれぞれは、配線基板１０Ｃの上に実装される。配線基板１０Ｃは、例えば、銅箔により形成される。配線基板１０Ｃには、半導体素子１０Ａ又は半導体素子１０Ｂと、電流端子１０ａ、電流端子１０ｂ及び電流端子１０ｃと、４本の制御端子１０ｄのそれぞれと、を接続するための図示しない配線が形成される。絶縁基板１０Ｄは、例えば、セラミックスにより形成される。絶縁基板１０Ｄの－Ｚ側に、放熱板１０Ｅを備える。
半導体素子１１ａ及び半導体素子１１ｂのそれぞれは、発熱する。半導体素子１１ａ及び半導体素子１１ｂのそれぞれから発生した熱は、放熱板１０Ｅから放熱される。
［冷却器２０］
冷却器２０は、半導体パッケージ１０を冷却する。冷却器２０の内部には、冷媒が通流する。冷却器２０は、内部を通流する冷媒（例えば冷却水）と半導体パッケージ１０との間で熱交換することにより、半導体パッケージ１０を冷却する。なお、冷媒は水に限らず、不凍液を含む液体でもよい。
冷却器２０は、半導体パッケージ１０を冷却する。冷却器２０の内部には、冷媒が通流する。冷却器２０は、内部を通流する冷媒（例えば冷却水）と半導体パッケージ１０との間で熱交換することにより、半導体パッケージ１０を冷却する。なお、冷媒は水に限らず、不凍液を含む液体でもよい。
冷却器２０は、冷媒口２０ａと、冷媒口２０ｂと、を有する。冷媒口２０ａ及び冷媒口２０ｂのいずれか一方から、外部の冷媒供給源から冷却された冷媒が供給される。供給された冷媒は、冷却器２０の内部を通過する。冷媒は冷却器２０を通過する際に、半導体パッケージ１０と熱交換する。冷却器２０の内部を通過した冷媒は加熱される。そして、加熱されて温度が上昇した冷媒は、冷媒口２０ａ及び冷媒口２０ｂの他方から排出される。
冷却器２０は、＋Ｚ側に冷却対象と熱交換を行う面２０Ｓを有する。冷却器２０は、面２０Ｓを介して、冷却対象と熱交換を行う。半導体装置１は、冷却器２０の面２０Ｓに、熱伝導部材を介して半導体パッケージ１０を備える。半導体パッケージ１０は、冷却器２０により冷却される。冷却器２０の面２０Ｓには、シール部材３０が接触する。すなわち、面２０Ｓは、シール部材３０と接触する面である。
冷却器２０は、例えば、銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金により形成される。熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３のそれぞれがガリウムを含む場合、アルミニウム又はアルミニウム合金により形成された冷却器２０は、熱伝導部材によって腐食する可能性がある。熱伝導部材による冷却器２０の腐食を防止するために、少なくとも面２０Ｓに、銅、銅合金、ニッケル又はニッケル合金により形成される層（皮膜）を有してもよい。いいかえると、冷却器２０は、表面に、銅、銅合金、ニッケル又はニッケル合金により形成される層（皮膜）を有してもよい。また、熱伝導部材による冷却器２０の腐食を防止するために、少なくとも面２０Ｓに、酸化アルミニウムの層を有してもよい。いいかえると、冷却器２０は、表面に、酸化アルミニウムの層を有してもよい。
なお、本実施形態において、冷却器２０として、冷媒が内部を通流する冷却器を備えているが、冷却器２０は、半導体パッケージ１０を冷却できるものであればよい。例えば、冷却器２０は、放熱用にフィンを複数備えるヒートシンクでもよい。
［シール部材３０］
シール部材３０は、半導体パッケージ１０と冷却器２０との間に、熱伝導部材を保持する。シール部材３０は、半導体パッケージ１０と冷却器２０との間に挟み込まれる。シール部材３０は、半導体パッケージ１０及び冷却器２０のそれぞれと密着して設けられる。
シール部材３０は、半導体パッケージ１０と冷却器２０との間に、熱伝導部材を保持する。シール部材３０は、半導体パッケージ１０と冷却器２０との間に挟み込まれる。シール部材３０は、半導体パッケージ１０及び冷却器２０のそれぞれと密着して設けられる。
シール部材３０は、Ｚ軸方向に所定の厚みを有し、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に延びる板状の外形を有する部材である。また、シール部材３０は、Ｚ軸方向に貫通する開口部３０ｈ１、開口部３０ｈ２及び開口部３０ｈ３を有する。すなわち、シール部材３０は、組み立てると、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３と、冷却器２０との間を貫通する開口部３０ｈ１、開口部３０ｈ２及び開口部３０ｈ３を有する。シール部材３０は、例えば、シリコーンゴムにより形成される。開口部３１ｈ、開口部３２ｈ及び開口部３０ｈ３は、－Ｚ側からＺ軸方向を見た平面視で、それぞれ半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３が有する放熱板１０Ｅに倣う形状を有する。
冷却器２０の面２０Ｓにシール部材３０を載置して、シール部材３０の上に半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を載置する。冷却器２０と、シール部材３０と、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３と、を積み重ねることにより、シール部材３０の開口部３０ｈ１、開口部３０ｈ２及び開口部３０ｈ３にそれぞれ閉塞された閉塞空間が形成される。
具体的には、シール部材３０の開口部３０ｈ１には、半導体パッケージ１１と冷却器２０との間に、半導体パッケージ１１、冷却器２０及びシール部材３０により閉塞された閉塞空間ＳＰ１が形成される。同様に、シール部材３０の開口部３０ｈ２には、半導体パッケージ１２と冷却器２０との間に、半導体パッケージ１２、冷却器２０及びシール部材３０により閉塞された閉塞空間ＳＰ２が形成される。また、シール部材３０の開口部３０ｈ３には、半導体パッケージ１３と冷却器２０との間に、半導体パッケージ１３、冷却器２０及びシール部材３０により閉塞された閉塞空間ＳＰ３が形成される。
半導体装置１は、開口部３０ｈ１、開口部３０ｈ２及び開口部３０ｈ３に、それぞれ熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３を備える。いいかえると、半導体装置１は、閉塞空間ＳＰ１、閉塞空間ＳＰ２及び閉塞空間ＳＰ３に、それぞれ熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３を備える。熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３は、それぞれ開口部３０ｈ１、開口部３０ｈ２及び開口部３０ｈ３に充填される。熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３は、それぞれ閉塞空間ＳＰ１、閉塞空間ＳＰ２及び閉塞空間ＳＰ３に、気泡等が入らないように充填される。
なお、シール部材３０の形状は、図示した形状に限らず、例えば、Ｚ軸方向に沿う断面を矩形ではなく、台形、円形、楕円形、角丸長方形状としてもよい。
［熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３］
熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３のそれぞれは、半導体パッケージ１０の熱を、冷却器２０に伝導する。熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３のそれぞれは、例えば、ガリウムを主成分とし、使用状態において流動性を有する金属により構成される。
熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３のそれぞれは、半導体パッケージ１０の熱を、冷却器２０に伝導する。熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３のそれぞれは、例えば、ガリウムを主成分とし、使用状態において流動性を有する金属により構成される。
半導体装置１は、閉塞空間ＳＰ１、閉塞空間ＳＰ２及び閉塞空間ＳＰ３に、それぞれ熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３を備える。熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３は、それぞれ閉塞空間ＳＰ１、閉塞空間ＳＰ２及び閉塞空間ＳＰ３に充填される。充填された熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３は、それぞれ半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３から冷却器２０へ熱を伝達する。
半導体装置１は、熱伝導部材４１が閉塞空間ＳＰ１に充填されることにより、熱伝導部材４１を半導体パッケージ１１及び冷却器２０のそれぞれと密着させることができる。開口部３０ｈ１が熱伝導部材４１を半導体パッケージ１１及び冷却器２０のそれぞれと密着させることにより、半導体パッケージ１１から冷却器２０への熱の伝達を促進できる。特に、開口部３０ｈ１が、－Ｚ側からＺ軸方向を見た平面視で、半導体パッケージ１１が有する放熱板１０Ｅに倣う形状を有することから、半導体パッケージ１１における放熱板１０Ｅから冷却器２０への熱の伝達を促進できる。同様に、熱伝導部材４２を半導体パッケージ１２及び冷却器２０のそれぞれと密着させることにより、半導体パッケージ１２から冷却器２０への熱の伝達を促進できる。熱伝導部材４３についても同様である。
［固定部材５０］
固定部材５０は、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３のそれぞれを、冷却器２０に向けて押して固定する。固定部材５０が、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３のそれぞれを、冷却器２０に向けて押すことにより、シール部材３０が圧縮される。シール部材３０が圧縮されることにより、閉塞空間ＳＰ１、閉塞空間ＳＰ２及び閉塞空間ＳＰ３のそれぞれにおいて気密を確保できる。
固定部材５０は、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３のそれぞれを、冷却器２０に向けて押して固定する。固定部材５０が、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３のそれぞれを、冷却器２０に向けて押すことにより、シール部材３０が圧縮される。シール部材３０が圧縮されることにより、閉塞空間ＳＰ１、閉塞空間ＳＰ２及び閉塞空間ＳＰ３のそれぞれにおいて気密を確保できる。
固定部材５０は、押さえ板５１と、押さえ板５２と、ボルト５３ａ及びボルト５３ｂと、ナット５４ａ及びナット５４ｂと、を備える。
押さえ板５１は、冷却器２０の面２０Ｓと反対側（Ｚ軸方向における－Ｚ側）に設けられる。押さえ板５１は、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３のそれぞれの冷却器２０と反対側（Ｚ軸方向における＋Ｚ側）に設けられる。
ボルト５３ａ及びボルト５３ｂのそれぞれは、押さえ板５１及び押さえ板５２が有する貫通孔を貫通する。そして、ボルト５３ａ及びボルト５３ｂには、それぞれナット５４ａ及びナット５４ｂが取り付けられる。ナット５４ａ及びナット５４ｂのそれぞれを締め付けることにより、押さえ板５１及び押さえ板５２は、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３と冷却器２０とを締め付ける。押さえ板５１及び押さえ板５２が半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３と冷却器２０とを締め付けることにより、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３は、冷却器２０に向かって押される。
固定部材５０により、冷却器２０に向けて、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を押すことにより、半導体装置１が組み立てられる。固定部材５０は、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を、冷却器２０に押圧する。なお、固定部材５０の構成は、上記に限らず、ボルト及びナットによる締め付け方法等について、適宜変更してもよい。また、押さえ板の形状についても、上記に限らず、適宜変更してもよい。
＜半導体装置１の組み立て＞
半導体装置１の組み立てについてより詳しく説明する。図８は、第１実施形態に係る半導体装置１の製造方法について説明する図である。
半導体装置１の組み立てについてより詳しく説明する。図８は、第１実施形態に係る半導体装置１の製造方法について説明する図である。
最初に、冷却器２０の上に、より具体的には、冷却器２０の面２０Ｓの上に、シール部材３０を載置する（図８（ａ））。なお、図８（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）において、シール部材３０は、断面図で示している。
次に、シール部材３０の開口部３０ｈ１、開口部３０ｈ２及び開口部３０ｈ３に、それぞれ熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３を充填する（図８（ｂ））。そして、シール部材３０の上に、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を載置する（図８（ｃ））。
そして、固定部材５０により、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３と、冷却器２０と、を固定する（図８（ｄ））。固定部材５０により、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３と、冷却器２０と、を固定して、半導体装置１の組み立てを完了する。
第１実施形態に係る半導体装置１によれば、流動性を有する熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３を備えることにより、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を安定して冷却できる。熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３が流動性を有する、いいかえると、固体状態でない、ため、運転中に熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３が剥がれたり割れたりしない。また、半導体装置１は、閉塞空間ＳＰ１、閉塞空間ＳＰ２及び閉塞空間ＳＰ３に、それぞれ熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３を備えることから、熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３のそれぞれが、閉塞空間から外に広がることを防止できる。したがって、半導体装置１によれば、安定して半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を冷却できる。また、半導体装置１によれば、高い信頼性を有する半導体装置を提供できる。
例えば、半導体パッケージと冷却器との接続に、はんだ又は金属粉末焼結体を用いる場合、はんだ又は金属粉末焼結体を用いて接合する際に昇温する必要がある。半導体パッケージ及び冷却器を昇温すると、熱応力によって半導体パッケージ及び冷却器が損傷する可能性がある。また、金属粉末焼結体を用いる場合、十分な接合強度を得るために加圧する必要がある。半導体パッケージ及び冷却器を加圧すると、加圧によって半導体パッケージ及び冷却器が損傷する可能性がある。
第１実施形態に係る半導体装置１によれば、流動性を有する熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３により、昇温又は加圧することなく、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３と冷却器２０とを接続できる。したがって、半導体装置１によれば、組み立てる際に、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２、半導体パッケージ１３及び冷却器２０の損傷を防止できる。
また、例えば、半導体パッケージと冷却器との接続に、はんだ又は金属粉末焼結体を用いる場合、固体状のはんだ又は金属粉末焼結体が半導体機器の運転中に熱応力によって破損する可能性がある。また、例えば、半導体パッケージと冷却器との接続に、はんだ又は金属粉末焼結体を用いる場合、電気自動車に用いると、車両走行中の振動によって固体状のはんだ又は金属粉末焼結体が破損する可能性がある。固体状のはんだ又は金属粉末焼結体が破損すると、熱を伝える機能及び接着する機能が損なわれる。特に電気自動車向けの半導体装置において、振動が生じた場合でも熱を伝える役割および固定の役割が保たれることが求められている。
第１実施形態に係る半導体装置１によれば、流動性を有する熱伝導部材４１、熱伝導部材４２及び熱伝導部材４３を用いることにより、振動等によって破損して、機能が劣化することを防止できる。
≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態に係る半導体装置について説明する。第２実施形態に係る半導体装置は、第１実施形態に係る半導体装置１と、半導体パッケージの固定手段が異なる。第２実施形態に係る半導体装置は、接着剤により半導体パッケージを固定する。
次に、第２実施形態に係る半導体装置について説明する。第２実施形態に係る半導体装置は、第１実施形態に係る半導体装置１と、半導体パッケージの固定手段が異なる。第２実施形態に係る半導体装置は、接着剤により半導体パッケージを固定する。
図９は、第２実施形態に係る半導体装置２の組み立てについて説明する図である。図９（ａ）、図９（ｂ）及び図９（ｃ）は、それぞれ図８（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）と同じ内容であることから説明を省略する。図９（ｄ）からの処理について説明する。
シール部材３０の上に、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を載置した後に、固定治具１５０により、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２、半導体パッケージ１３及び冷却器２０を固定する（図９（ｄ））。
そして、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３と、シール部材３０との接合部分に接着剤６０を塗布する（図９（ｅ））。また、半導体パッケージ１１と半導体パッケージ１２との間と、半導体パッケージ１２と半導体パッケージ１３との間にも接着剤６０を塗布する。そして、接着剤６０が硬化するまで一定期間放置する。
そして、接着剤６０が硬化後、固定治具１５０を取り外す（図９（ｆ））。半導体装置２の組み立てを完了する。
第２実施形態に係る半導体装置２によれば、第１実施形態に係る半導体装置１と同様に、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を安定して冷却できる。また、第２実施形態に係る半導体装置２によれば、より小型化できる。
≪第３実施形態≫
次に、第３実施形態に係る半導体装置について説明する。第３実施形態に係る半導体装置は、第１実施形態に係る半導体装置１と、半導体パッケージの固定手段が異なる。第３実施形態に係る半導体装置は、封止樹脂により半導体パッケージを固定する。
次に、第３実施形態に係る半導体装置について説明する。第３実施形態に係る半導体装置は、第１実施形態に係る半導体装置１と、半導体パッケージの固定手段が異なる。第３実施形態に係る半導体装置は、封止樹脂により半導体パッケージを固定する。
図１０は、第３実施形態に係る半導体装置３の組み立てについて説明する図である。図１０（ａ）、図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）は、それぞれ図８（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）と同じ内容であることから説明を省略する。図１０（ｄ）からの処理について説明する。なお、図１０（ｄ）及び図１０（ｅ）において、型２７０は断面図で示す。
シール部材３０の上に、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を載置した後に、型２７０に入れて、固定治具２５０により固定する（図１０（ｄ））。
そして、型２７０に、封止樹脂８０を型２７０に充填する（図１０（ｅ））。そして、封止樹脂８０が硬化するまで一定期間放置する。そして、封止樹脂８０が硬化後、固定治具２５０を取り外す（図１０（ｆ））。そして、半導体装置３の組み立てを完了する。
組み立てた半導体装置３は、封止樹脂８０を備える。封止樹脂８０は、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３と、冷却器２０と、シール部材３０と、を封止する。
第３実施形態に係る半導体装置３によれば、第１実施形態に係る半導体装置１と同様に、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を安定して冷却できる。また、第３実施形態に係る半導体装置３によれば、封止樹脂８０を備えることにより、外部環境からの影響を抑制して、耐環境性を向上できる。
≪第４実施形態≫
次に、第４実施形態に係る半導体装置について説明する。図１１は、第４実施形態に係る半導体装置４の分解斜視図である。なお、図１１において、熱伝導部材の図示は省略している。第４実施形態に係る半導体装置４は、第１実施形態に係る半導体装置１におけるシール部材３０に換えて、シール部材３３０を備える。
次に、第４実施形態に係る半導体装置について説明する。図１１は、第４実施形態に係る半導体装置４の分解斜視図である。なお、図１１において、熱伝導部材の図示は省略している。第４実施形態に係る半導体装置４は、第１実施形態に係る半導体装置１におけるシール部材３０に換えて、シール部材３３０を備える。
シール部材３３０は、半導体パッケージ１０と冷却器２０との間に、熱伝導部材を保持する。シール部材３３０は、半導体パッケージ１０と冷却器２０との間に挟み込まれる。シール部材３３０は、半導体パッケージ１０及び冷却器２０のそれぞれと密着して設けられる。
シール部材３３０は、Ｚ軸方向に所定の厚みを有し、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に延びる板状の外形を有する部材である。また、シール部材３３０は、Ｚ軸方向に貫通する開口部３３０ｈを有する。すなわち、シール部材３３０は、組み立てると、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３と、冷却器２０との間を貫通する開口部３３０ｈを有する。シール部材３０は、例えば、シリコーンゴムにより形成される。
冷却器２０の面２０Ｓにシール部材３３０を載置して、シール部材３３０の上に半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を載置する。冷却器２０と、シール部材３３０と、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３と、を積み重ねることにより、シール部材３３０の開口部３３０ｈに、閉塞された閉塞空間が形成される。
半導体装置４は、開口部３３０ｈに、熱伝導部材を備える。当該熱伝導部材は、開口部３３０ｈに充填される。
第４実施形態に係る半導体装置４によれば、第１実施形態に係る半導体装置１と同様に、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を安定して冷却できる。
≪第５実施形態≫
次に、第５実施形態に係る半導体装置について説明する。図１２は、第５実施形態に係る半導体装置５の分解斜視図である。なお、図１２において、熱伝導部材の図示は省略している。第５実施形態に係る半導体装置５は、第１実施形態に係る半導体装置１におけるシール部材３０に換えて、シール部材４３１、シール部材４３２及びシール部材４３３を備える。
次に、第５実施形態に係る半導体装置について説明する。図１２は、第５実施形態に係る半導体装置５の分解斜視図である。なお、図１２において、熱伝導部材の図示は省略している。第５実施形態に係る半導体装置５は、第１実施形態に係る半導体装置１におけるシール部材３０に換えて、シール部材４３１、シール部材４３２及びシール部材４３３を備える。
シール部材４３１、シール部材４３２及びシール部材４３３は、半導体パッケージ１０と冷却器２０との間に、熱伝導部材を保持する。シール部材４３１、シール部材４３２及びシール部材４３３は、半導体パッケージ１０と冷却器２０との間に挟み込まれる。シール部材４３１、シール部材４３２及びシール部材４３３は、半導体パッケージ１０及び冷却器２０のそれぞれと密着して設けられる。
シール部材４３１、シール部材４３２及びシール部材４３３は、Ｚ軸方向に所定の厚みを有し、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に延びる板状の外形を有する部材である。また、シール部材４３１、シール部材４３２及びシール部材４３３は、それぞれＺ軸方向に貫通する開口部４３１ｈ、開口部４３２ｈ及び開口部４３３ｈを有する。すなわち、シール部材４３１は、組み立てると、半導体パッケージ１１と冷却器２０との間を貫通する開口部４３１ｈを有する。シール部材４３２は、組み立てると、半導体パッケージ１２と冷却器２０との間を貫通する開口部４３２ｈを有する。シール部材４３３は、組み立てると、半導体パッケージ１３と冷却器２０との間を貫通する開口部４３３ｈを有する。シール部材４３１、シール部材４３２及びシール部材４３３は、例えば、シリコーンゴムにより形成される。
冷却器２０の面２０Ｓにシール部材４３１、シール部材４３２及びシール部材４３３を載置して、シール部材４３１、シール部材４３２及びシール部材４３３の上に半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を載置する。冷却器２０と、シール部材４３１と、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２と、を積み重ねることにより、シール部材４３１の開口部４３１ｈに、閉塞された閉塞空間が形成される。同様に、冷却器２０と、シール部材４３２及びシール部材４３３と、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３と、を積み重ねることにより、開口部４３２ｈ及び開口部４３３ｈのそれぞれに、閉塞された閉塞空間が形成される。
半導体装置５は、開口部４３１ｈ、開口部４３２ｈ及び開口部４３３ｈに、熱伝導部材を備える。当該熱伝導部材は、それぞれ開口部４３１ｈ、開口部４３２ｈ及び開口部４３３ｈに充填される。
第５実施形態に係る半導体装置５によれば、第１実施形態に係る半導体装置１と同様に、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を安定して冷却できる。
≪第６実施形態≫
次に、第６実施形態に係る半導体装置について説明する。図１３は、第６実施形態に係る半導体装置６の分解斜視図である。なお、図１３において、熱伝導部材の図示は省略している。第６実施形態に係る半導体装置６は、第１実施形態に係る半導体装置１における冷却器２０に換えて、冷却器５２０を備える。
次に、第６実施形態に係る半導体装置について説明する。図１３は、第６実施形態に係る半導体装置６の分解斜視図である。なお、図１３において、熱伝導部材の図示は省略している。第６実施形態に係る半導体装置６は、第１実施形態に係る半導体装置１における冷却器２０に換えて、冷却器５２０を備える。
冷却器５２０は、＋Ｚ側の面５２０Ｓに、＋Ｚ側からＺ軸方向に見た平面視でシール部材３０に倣う形状の溝５２０ｇを有する。シール部材３０を冷却器５２０に載置する際に、シール部材３０は、溝５２０ｇに挿入される。シール部材３０が溝５２０ｇに挿入されることにより、冷却器５２０にシール部材３０を載置する際に、シール部材３０を冷却器５２０に対して位置決めできる。
第６実施形態に係る半導体装置６によれば、第１実施形態に係る半導体装置１と同様に、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を安定して冷却できる。また、第６実施形態に係る半導体装置６によれば、半導体装置６の組み立て作業を容易にできる。
なお、溝５２０ｇが第１溝の一例である。
≪第７実施形態≫
次に、第７実施形態に係る半導体装置について説明する。図１４は、第７実施形態に係る半導体装置７の分解斜視図である。なお、図１４において、熱伝導部材の図示は省略している。第７実施形態に係る半導体装置７は、第４実施形態に係る半導体装置４において、冷却器２０に換えて、冷却器６２０を備える。
次に、第７実施形態に係る半導体装置について説明する。図１４は、第７実施形態に係る半導体装置７の分解斜視図である。なお、図１４において、熱伝導部材の図示は省略している。第７実施形態に係る半導体装置７は、第４実施形態に係る半導体装置４において、冷却器２０に換えて、冷却器６２０を備える。
冷却器６２０は、＋Ｚ側の面６２０Ｓに、＋Ｚ側からＺ軸方向に見た平面視でシール部材４３１、シール部材４３２及びシール部材４３３に倣う形状のそれぞれ溝６２０ｇ１、溝６２０ｇ２及び溝６２０ｇ３を有する。シール部材４３１を冷却器６２０に載置する際に、シール部材４３１は、溝６２０ｇ１に挿入される。シール部材４３１が溝６２０ｇ１に挿入されることにより、冷却器６２０にシール部材４３１を載置する際に、シール部材４３１を冷却器６２０に対して位置決めできる。同様に、シール部材４３２及びシール部材４３３のそれぞれを冷却器６２０に載置する際に、シール部材４３２及びシール部材４３３は、それぞれ溝６２０ｇ２及び溝６２０ｇ３に挿入される。
第７実施形態に係る半導体装置７によれば、第１実施形態に係る半導体装置１と同様に、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３を安定して冷却できる。また、第７実施形態に係る半導体装置７によれば、半導体装置７の組み立て作業を容易にできる。
また、半導体パッケージ１０において、シール部材を挿入する溝を備えてもよい。図１５は、第７実施形態に係る半導体装置７が備える半導体パッケージの変形例である半導体パッケージ１１０の斜視図である。半導体装置７において、半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３のそれぞれに換えて、半導体パッケージ１１０を用いてもよい。
半導体パッケージ１１０は、下面１１０Ｓ２に、＋Ｚ側からＺ軸方向に見た平面視でシール部材４３１、シール部材４３２及びシール部材４３３に倣う形状のそれぞれ溝１１０ｇをケース１１０Ｐに有する。シール部材４３１、シール部材４３２及びシール部材４３３のそれぞれに半導体パッケージ１１０を載置する際に、シール部材４３１、シール部材４３２及びシール部材４３３のそれぞれに対して半導体パッケージ１１０を位置決めできる。
なお、半導体パッケージ１１０を、第４実施形態に係る半導体装置４の半導体パッケージ１１、半導体パッケージ１２及び半導体パッケージ１３のいずれかに適用してもよい。
溝６２０ｇ１、溝６２０ｇ２及び溝６２０ｇ３のそれぞれが第１溝の一例、溝１１０ｇが第２溝の一例である。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
１、２、３、４、５、６、７ 半導体装置
１０、１１、１２、１３ 半導体パッケージ
２０ 冷却器
２０Ｓ 面
３０ シール部材
３０ｈ１、３０ｈ２、３０ｈ３ 開口部
４１、４２、４３ 熱伝導部材
５０ 固定部材
６０ 接着剤
８０ 封止樹脂
１１０ 半導体パッケージ
１１０ｇ 溝
１１０Ｓ２ 下面
３３０ シール部材
３３０ｈ 開口部
４３１、４３２、４３３ シール部材
４３１ｈ、４３２ｈ、４３３ｈ 開口部
５２０ 冷却器
５２０ｇ 溝
５２０Ｓ 面
６２０ 冷却器
６２０ｇ１、６２０ｇ２、６２０ｇ３ 溝
６２０Ｓ 面
１０、１１、１２、１３ 半導体パッケージ
２０ 冷却器
２０Ｓ 面
３０ シール部材
３０ｈ１、３０ｈ２、３０ｈ３ 開口部
４１、４２、４３ 熱伝導部材
５０ 固定部材
６０ 接着剤
８０ 封止樹脂
１１０ 半導体パッケージ
１１０ｇ 溝
１１０Ｓ２ 下面
３３０ シール部材
３３０ｈ 開口部
４３１、４３２、４３３ シール部材
４３１ｈ、４３２ｈ、４３３ｈ 開口部
５２０ 冷却器
５２０ｇ 溝
５２０Ｓ 面
６２０ 冷却器
６２０ｇ１、６２０ｇ２、６２０ｇ３ 溝
６２０Ｓ 面
Claims (9)
- 半導体パッケージと、
内部に冷媒が通流し、前記半導体パッケージを冷却する冷却器と、
前記半導体パッケージと前記冷却器との間に挟まれて設けられ、前記半導体パッケージと前記冷却器との間を貫通する開口部を有するシール部材と、
前記開口部に充填される流動性を有する金属により構成される熱伝導部材と、
前記半導体パッケージ、前記シール部材及び前記冷却器を封止する封止樹脂と、
を備え、
前記冷却器及び前記半導体パッケージの少なくとも一方は、前記シール部材と接触する面に、前記シール部材が挿入される溝を備える、
半導体装置。 - 前記冷却器は、銅又は銅合金により形成される、
請求項１に記載の半導体装置。 - 前記冷却器は、アルミニウム又はアルミニウム合金により形成される、
請求項１に記載の半導体装置。 - 前記冷却器は、表面に銅、銅合金、ニッケル又はニッケル合金により形成される層を有する、
請求項３に記載の半導体装置。 - 前記冷却器は、表面に酸化アルミニウムの層を有する、
請求項３に記載の半導体装置。 - 前記半導体パッケージを前記冷却器に押圧する固定部材を備える、
請求項１に記載の半導体装置。 - 前記半導体パッケージと前記シール部材とを固定する接着剤を備える、
請求項１に記載の半導体装置。 - 前記封止樹脂は、前記半導体パッケージ、前記シール部材及び前記冷却器を囲むように封止する、
請求項１に記載の半導体装置。 - 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置を備える電力変換装置。
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