JP7359647B2 - パワー半導体装置およびパワー半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、パワー半導体装置およびパワー半導体装置の製造方法に関する。
近年、環境への負荷低減のため、ハイブリッド自動車や電気自動車が普及している。ハイブリッド自動車や電気自動車においては搭載される部品の性能向上が重要視され、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置も例外ではなく、小型化や低コスト化が求められている。
電力変換装置を構成する電子部品の中で発熱量が大きいパワー半導体装置を小型化するためには、冷却性能を向上させる必要がある。特許文献1では、パワー半導体装置の外周部に加える締結固定力によって、パワー半導体装置の放熱面をケース冷却面に密着させて金属ケースに固定している。
従来では、パワー半導体装置の放熱面に対する密着が十分ではなく、放熱性能が低下していた。
本発明によるパワー半導体装置は、パワー半導体素子を内蔵した回路体と、前記回路体の第1放熱面側に配置されて前記回路体の熱を放熱する第1放熱部材と、前記回路体の前記第1放熱面とは反対側に配置された固定部材と、を備え、前記第1放熱部材と前記固定部材とが接続固定されることにより、前記第1放熱面側の中央部に凸となる湾曲した前記第1放熱部材が、前記第1放熱面側に密着するように弾性変形されている。
本発明によるパワー半導体装置の製造方法は、パワー半導体素子を内蔵した回路体の第1放熱面に、前記回路体側の中央部に凸となる湾曲した第1放熱部材を配置し、前記回路体の前記第1放熱面とは反対側の面に固定部材を配置し、前記第1放熱部材を弾性変形させて、前記回路体の前記第1放熱面に面圧を加えるように、前記第1放熱部材と前記固定部材とを接続固定する。
本発明によるパワー半導体装置の製造方法は、パワー半導体素子を内蔵した回路体の第1放熱面に、前記回路体側の中央部に凸となる湾曲した第1放熱部材を配置し、前記回路体の前記第1放熱面とは反対側の第2放熱面に、前記回路体側の中央部に凸となる湾曲した第2放熱部材を配置し、前記第1放熱部材および前記第2放熱部材を弾性変形させて、前記回路体の前記第1放熱面および前記第2放熱面に面圧を加えるように、前記第1放熱部材と前記第2放熱部材とを接続固定する。
本発明によるパワー半導体装置の製造方法は、パワー半導体素子を内蔵した回路体の第1放熱面に、前記回路体側の中央部に凸となる湾曲した第1放熱部材を配置し、前記回路体の前記第1放熱面とは反対側の面に固定部材を配置し、前記第1放熱部材を弾性変形させて、前記回路体の前記第1放熱面に面圧を加えるように、前記第1放熱部材と前記固定部材とを接続固定する。
本発明によるパワー半導体装置の製造方法は、パワー半導体素子を内蔵した回路体の第1放熱面に、前記回路体側の中央部に凸となる湾曲した第1放熱部材を配置し、前記回路体の前記第1放熱面とは反対側の第2放熱面に、前記回路体側の中央部に凸となる湾曲した第2放熱部材を配置し、前記第1放熱部材および前記第2放熱部材を弾性変形させて、前記回路体の前記第1放熱面および前記第2放熱面に面圧を加えるように、前記第1放熱部材と前記第2放熱部材とを接続固定する。
本発明によれば、放熱面に対する密着が高まり、放熱性能の向上を計ることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
[第1の実施形態]
図1は、回路体100の断面図である。この回路体100は、後述のパワー半導体装置200に内蔵される。
図1は、回路体100の断面図である。この回路体100は、後述のパワー半導体装置200に内蔵される。
図1に示すように、回路体100は、パワー半導体素子1、接合材2、第1の導体3、絶縁層4、封止樹脂10より構成さる。パワー半導体素子1の裏面電極を接合材2により第1の導体3に接合し、第1の導体3のパワー半導体素子1を接続した面とは反対の面に熱伝導性の絶縁層4を接続する。そして、絶縁層4が表面に露出するように封止樹脂10で封止することにより回路体100が形成される。封止樹脂10から露出している絶縁層4の表面が回路体100の放熱面4aとなる。
接合材2は、はんだ材、焼結材などにより形成されている。第1の導体3は、例えば、銅、銅合金、あるいはアルミニウム、アルミニウム合金などにより形成されている。
絶縁層4は、パワー半導体素子1から発生する熱を後述の放熱部材7に熱伝導するものであり、熱伝導率が高く、かつ、絶縁耐圧が大きい材料で形成されている。例えば、酸化アルミニウム(アルミナ)、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等のセラミックス、あるいは、これらの微粉末を含有する絶縁シートまたは接着剤を用いる。
図2は、パワー半導体装置200の断面図であり、必要な部品を配置したパワー半導体装置200を製造する第1工程を示す。
図2に示すように、熱伝導層5を、回路体100の放熱面4aの側に配置する。熱伝導層5は、グリース、サーマルインターフェースマテリアル(TIM)などを用いる。
さらに、放熱部材7を、回路体100の放熱面4aの側であって、熱伝導層5の外側に配置する。放熱部材7はその中央部が回路体100側に凸となるように湾曲した形状を有している。放熱部材7は、冷却水の流路となる管状の冷却水路管7aが複数設けられている多穴管冷却水路の例を示している。放熱部材7の両端部には、後述の接続部材9を貫通させるための穴7bが設けられている。
回路体100側に凸となるように湾曲した放熱部材7の形状は、押出成形により加工する場合、湾曲形状の金型を用いて形成する。これにより、工程数やコストを増加させることなく、湾曲形状の放熱部材7を形成することができる。その他、プレス加工により、反りつけを行うことにより、湾曲形状の放熱部材7とすることもできる。また冷却水路管7aは押出成形により加工される。放熱部材7は、熱伝導性を有する部材、例えばCu、Cu合金、Cu-C、Cu-CuOなどの複合材、あるいはAl、Al合金、AlSiC、Al-Cなどの複合材などから形成されている。
固定部材8を、回路体100の放熱面4aとは反対側に配置する。固定部材8は、回路体100の放熱面4aとは反対側の面と平行な面を有し、固定部材8の両端部には、後述の接続部材9を貫通させるための穴8bが設けられている。固定部材8は、例えばCu、Cu合金、Cu-C、Cu-CuOなどの複合材、あるいはAl、Al合金、AlSiC、Al-Cなどの複合材、ステンレス鋼などの金属を使用する。
接続部材9は、後述するように、放熱部材7と固定部材8とのそれぞれの端部において接続固定する部材である。接続部材9は、例えばステンレス鋼製のボルトとナットを使用する。
図3は、パワー半導体装置200の断面図であり、必要な部品を組み込んだパワー半導体装置200を製造する第2工程を示す。
図3に示すように、熱伝導層5を、回路体100の放熱面4aに当接する。さらに、放熱部材7を、回路体100の放熱面4aの側であって、熱伝導層5の外側に当接する。固定部材8を、回路体100の放熱面4aとは反対側に当接する。そして、接続部材9を、放熱部材7と固定部材8のそれぞれの端部において貫通させる。図3は、接続部材9のボルトとナットを締める前の状態を示しており、放熱部材7はその中央部が回路体100側に凸となるように湾曲した形状を保持している。
図4は、パワー半導体装置200の断面図であり、パワー半導体装置200を製造する第3工程を示す。
図4に示すように、回路体100を挟むように放熱部材7と固定部材8の両端において、接続部材9のボルトとナットを締結して固定する。この際に、放熱部材7は弾性変形されて、その結果、回路体100の放熱面4aに熱伝導層5を介して放熱部材7が密着され、放熱部材7から放熱面4aへ面圧が加わる。
本実施形態においては、パワー半導体装置200の製造前において、放熱部材7はその中央部が回路体100側に凸となるように湾曲した形状を有しており、板バネの機能を有する。このため、パワー半導体装置200の製造後において、固定部材8および接続部材9によって、放熱部材7が弾性変形されて、回路体100の放熱面4aに熱伝導層5を介して放熱部材7が密着して固定される。これにより、板バネなどの部材を追加することなく、熱伝導層5の広い範囲、特に中央部の放熱経路に面圧を発生させることができる。その結果、熱伝導層5の接触熱抵抗が低減し、パワー半導体装置200の放熱性が向上する。
図5(A)は、放熱部材7の固定前の簡略断面図、図5(B)は、放熱部材7の固定後の簡略断面図である。図6は、放熱部材7を固定した後の放熱部材7の熱伝導層5に対する面圧分布である。図6の横軸は、熱伝導層5の中央5cからの距離、すなわち、熱伝導層5の中央5cをゼロとし、熱伝導層5の端部5dを1とした場合に、中央から端部までの距離で無次元化した値を示す。図6の縦軸は放熱部材7が熱伝導層5に加わる面圧を示す。この図6は、熱伝導層5の面圧分布を有限要素法によりシミュレーションした結果を示す。
本実施形態によれば、放熱部材7はその中央部が回路体100側に凸となるように湾曲した形状を有しており、図5(A)に示す放熱部材7の固定前の状態から、図5(B)に示す放熱部材7の固定後の状態にした場合、熱伝導層5の面圧分布は図6に示すようになる。図6のグラフPに示すように、放熱部材7から熱伝導層5に加わる圧縮方向の面圧が全ての距離に亘って均等に加わる。
すなわち、回路体100側に凸となるように湾曲した形状をした放熱部材7は、ボルトとナットなどの接続部材9により、放熱部材7は回路体100側への凸量が小さくなるように弾性変形される。この時、固定後の放熱部材7の凸量は、回路体100側への少し凸となっているか、平坦形状となっていることが好ましい。そして、放熱部材7の固定後は、図6に示すように、熱伝導層5には放熱部材7との界面に全面的に圧縮方向の面圧が発生する。なお、放熱部材7と熱伝導層5とが密着する面圧は、回路体100の端部側に比べて、回路体100の中央部側の方が大きくなるように設定してもよい。さらに、放熱部材7を弾性変形させて固定した状態における放熱部材7は、放熱部材7の中央部において回路体100側に凸状、または放熱部材7の全面において回路体100側に平坦状になるように設定してもよい。
本実施形態と比較のため、湾曲していない放熱部材7’を用いた場合の比較例を、図7(A)、図7(B)、図8に示す。
図7(A)は、放熱部材7’の固定前の簡略断面図、図7(B)は、放熱部材7’の固定後の簡略断面図である。図8は、放熱部材7’を固定した後の放熱部材7’の熱伝導層5に対する面圧分布である。この図8は、熱伝導層5の面圧分布を有限要素法によりシミュレーションした結果を示す。
放熱部材7’は平板な形状を有しており、図5(A)に示す放熱部材7’の固定前の状態から、図5(B)に示す放熱部材7’の固定後の状態にした場合、熱伝導層5の面圧分布は図8に示すようになる。図8のグラフQに示すように、熱伝導層5の中央部には引張が、熱伝導層5の両端部には圧縮方向の面圧が加わる。
すなわち、図8に示すように、湾曲していない平板な形状の放熱部材7’を両端で固定した場合、放熱部材7’は、回路体100の端部を支点として、回路体100側への凹となるように弾性変形される。この場合、熱伝導層5に発生する面圧分布は、図8に示すように、回路体100の端部の支点となっている周辺付近にのみ圧縮面圧が発生し、放熱部材7の中央部付近には圧縮面圧を発生させることができない。
図4に示す本実施形態によるパワー半導体装置200では、パワー半導体装置200の動作時には、パワー半導体素子1が発熱し、その熱が接合材2と第1の導体3に熱伝導し、さらに絶縁層4と熱伝導層5を熱伝導し、放熱部材7に放熱される。この時温度が最も上昇するのは、パワー半導体素子1の周辺であるので、熱伝導層5のパワー半導体素子1に近い領域での放熱性を向上することが重要である。すなわち、熱伝導層5のパワー半導体素子1に遠い回路体100の端部に比べて、パワー半導体素子1に近い中央部において、熱伝導層5の圧縮面圧が低下しないので、本実施形態によるパワー半導体装置200は高い放熱性能が得られる。
図4に示すように、放熱部材7を弾性変形させて固定するためには、例えばボルト、ナットなどの接続部材9で回路体100を挟んで放熱部材7とは反対側から放熱部材7の両端に荷重を加える必要がある。この時、放熱部材7の端部の荷重負荷部の剛性は、放熱部材7の中央部である放熱部(すなわち弾性変形部)の剛性に比べ高いことが望ましい。端部の荷重負荷部の剛性を放熱部(すなわち弾性変形部)の剛性よりも高くすることにより、端部をボルトなどの接続部材9で強制変位を与え、荷重負荷する際、効率よく放熱部を弾性変形させることが可能となる。例えば、放熱部材7の荷重負荷部の板厚は、冷却水路管が設けられている放熱部のベース厚に比べて大きくすることが望ましい。これにより、放熱部材7を接続部材9で強制変位を与え、荷重負荷する際、効率よく放熱部を弾性変形させることが可能となる。そして、熱伝導層5の中央部を含めた広い領域に圧縮応力を発生させることができる。その結果、熱伝導層5の接触熱抵抗が低減し、放熱性能の高いパワー半導体装置200が実現できる。
(変形例1)
図9は、パワー半導体装置200の変形例を示す断面図である。図4と同一の個所には同一の符号を付してその説明を省略する。図4に示す絶縁層4に替えて、図9では導体付きセラミック基板11を設けた点が相違する。
図9は、パワー半導体装置200の変形例を示す断面図である。図4と同一の個所には同一の符号を付してその説明を省略する。図4に示す絶縁層4に替えて、図9では導体付きセラミック基板11を設けた点が相違する。
図9に示すように、導体付きセラミック基板11は、セラミック基板11aの一面に第1導体層11bが配置され、他面に第2導体層11cが配置されている。導体付きセラミック基板11の第1導体層11bは第1の導体3に接合材12により接続される。
第1導体層11bおよび第2導体層11cは、例えば、銅、銅合金、あるいはアルミニウム、アルミニウム合金などにより形成されている。接合材12ははんだ材、焼結材などにより形成されている。導体付きセラミック基板11を使用することにより、高耐圧かつ高放熱のパワー半導体装置200が提供される。
(変形例2)
図10は、パワー半導体装置200の変形例を示す断面図である。図4と同一の個所には同一の符号を付してその説明を省略する。図4に示す放熱部材7の冷却水路管7aの断面形状が本変形例で相違する。
図10は、パワー半導体装置200の変形例を示す断面図である。図4と同一の個所には同一の符号を付してその説明を省略する。図4に示す放熱部材7の冷却水路管7aの断面形状が本変形例で相違する。
第1の実施形態では、放熱部材7の冷却水路管7aの断面形状が長方形である場合を示した。本変形例では、図10に示すように冷却水路管7aの断面形状が6角形であり、回路体100側に向けて冷却水路管7aの側壁はテーパ部7cを形成している。冷却水路管7aの側壁にテーパ部7cを形成したことにより、熱伝導層5に密着する放熱部材7の面圧をより均等にすることができる。冷却水路管7aの断面形状が長方形である場合は、回路体100側と対向する長方形の辺部分において、放熱部材7が実質的に薄くなるため、熱伝導層5に密着する放熱部材7の面圧が冷却水路管7aの位置で弱くなる虞があった。なお、冷却水路管7aの断面形状は、6角形に限らず、5角形、3角形などであってもよく、冷却水路管7aの側壁がテーパ部7cを形成しており、回路体100側に向けて冷却水路管7aの断面形状が細くなる形状であればよい。さらに、冷却水路管7aの断面形状は、楕円形状であってもよく、この場合、冷却水路管7aの側壁のテーパ部7cは曲線となる。
本変形例のパワー半導体装置200では、放熱部材7により熱伝導層5へ一様な圧縮応力を発生させることができ、熱伝導層5の接触熱抵抗が低減し、放熱性能の高いパワー半導体装置200が実現できる。
(変形例3)
図11は、放熱部材7の変形例を示す断面図である。放熱部材7以外の部材は図2と同様であり、製造後のパワー半導体装置200の構成は図4と同様である。本変形例では冷却水路管7aの配置密度が相違する。
図11は、放熱部材7の変形例を示す断面図である。放熱部材7以外の部材は図2と同様であり、製造後のパワー半導体装置200の構成は図4と同様である。本変形例では冷却水路管7aの配置密度が相違する。
図11に示すように、放熱部材7に設けられている冷却水路管7aは、放熱部材7の中央部の方が密に配置され、放熱部材7の端部に行くにしたがって疎に配置される。放熱部材7の端部の荷重負荷部の剛性は、放熱部材7の中央部である放熱部の剛性に比べ高いことが望ましい。端部の荷重負荷部の剛性を放熱部の剛性よりも高くすることにより、端部をボルトなどの接続部材9で強制変位を与え、荷重負荷する際、効率よく放熱部を弾性変形させることが可能となる。
パワー半導体装置200の製造後において、固定部材8および接続部材9によって、放熱部材7が弾性変形されて、回路体100の放熱面4aに熱伝導層5を介して放熱部材7が密着して固定される。
なお、本変形例では冷却水路管7aの断面形状は、長方形の例を示したが、変形例2で述べたように、冷却水路管7aの断面形状は、6角形、5角形、3角形、楕円などテーパ部7cを形成した構成であってもよい。さらに、放熱部材7の中央部の方に大きな断面形状の冷却水路管7aを配置し、放熱部材7の端部に行くにしたがって小さな断面形状の冷却水路管7aを配置してもよい。また、本変形例で示した放熱部材7を、変形例1で述べた導体付きセラミック基板11を設けたパワー半導体装置200に適用してもよい。
本変形例によれば、放熱部材7を接続部材9で強制変位を与え、荷重負荷する際、効率よく放熱部を弾性変形させ、熱伝導層5の中央部付近に圧縮応力を発生させやすくなる。また、発熱するパワー半導体素子1に近い中央部の温度が最も高くなるため、この中央部の水路を密に形成することにより、放熱性を向上できる。
本変形例によれば、放熱部材7を接続部材9で強制変位を与え、荷重負荷する際、効率よく放熱部を弾性変形させ、熱伝導層5の中央部付近に圧縮応力を発生させやすくなる。また、発熱するパワー半導体素子1に近い中央部の温度が最も高くなるため、この中央部の水路を密に形成することにより、放熱性を向上できる。
[第2の実施形態]
図12は、本実施形態におけるパワー半導体装置210の断面図であり、第1工程を示す。第1の実施形態である図2に示すパワー半導体装置200と同一の個所には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施形態では、図2に示す固定部材8に替えて、放熱部材17を設けた点が相違する。第1の実施形態は、片面冷却のパワー半導体装置200の例を示したが、本実施形態は、両面冷却のパワー半導体装置210の例を示す。
図12は、本実施形態におけるパワー半導体装置210の断面図であり、第1工程を示す。第1の実施形態である図2に示すパワー半導体装置200と同一の個所には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施形態では、図2に示す固定部材8に替えて、放熱部材17を設けた点が相違する。第1の実施形態は、片面冷却のパワー半導体装置200の例を示したが、本実施形態は、両面冷却のパワー半導体装置210の例を示す。
図12に示すように、パワー半導体素子1の各電極はそれぞれの電極面に対向して配置される第1の導体3、第2の導体13によって挟まれる。パワー半導体素子1と第1の導体3、第2の導体13とはそれぞれ接合材2、12によって接合される。第1の導体3、第2の導体13は、例えば、銅、銅合金、あるいはアルミニウム、アルミニウム合金などにより形成されている。接合材2、12ははんだ材、焼結材などにより形成されている。第1の導体3はパワー半導体素子1の裏面電極に接続され、第2の導体13が表面電極に接続されている。第2の導体13は同一部材で形成されている例を示したが、複数の部材を接合して形成されていてもよい。
第1の導体3および第2の導体13の、パワー半導体素子1が接続されている面とは反対の面には、熱伝導性の絶縁層4、14が接続されている。絶縁層4、14は、パワー半導体素子1から発生する熱を放熱部材7、17に熱伝導するものであり、熱伝導率が高く、かつ、絶縁耐圧が大きい材料で形成されている。例えば、酸化アルミニウム(アルミナ)、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等のセラミックス、あるいは、これらの微粉末を含有する絶縁シートまたは接着剤を用いることができる。
絶縁層4、14の表面が露出するように封止樹脂10で封止されることにより回路体110が形成される。封止樹脂10から露出している絶縁層4、14の表面が回路体110の放熱面4a、14aとなる。
回路体110の放熱面4a、14aに熱的に接続するように熱伝導層5、15が設けられている。熱伝導層5、15は、グリース、サーマルインターフェースマテリアル(TIM)などを用いることができる。熱伝導層5、15の回路体110側と反対側の面には、放熱部材7、17が配置される。回路体110を挟むように放熱部材7および放熱部材17が配置され、放熱部材7と放熱部材17とを、その両端部で回路体110を挟むように、接続固定する接続部材9が配置される。
放熱部材7、17はその中央部が回路体110側に凸となるように湾曲した形状を有している。放熱部材7、17は、冷却水の流路となる管状の冷却水路管7a、17aが複数設けられている多穴管冷却水路の例を示している。放熱部材7、17の両端部には、後述の接続部材9を貫通させるための穴7b、17bが設けられている。
回路体110側に凸となるように湾曲した放熱部材7、17の形状は、押出成形により加工する場合、湾曲形状の金型を用いて形成する。これにより、工程数やコストを増加させることなく、湾曲形状の放熱部材7、17を形成することができる。その他、プレス加工により、反りつけを行うことにより、湾曲形状の放熱部材7、17とすることもできる。また冷却水路管7a、17aは押出成形により加工される。放熱部材7、17は、熱伝導性を有する部材、例えばCu、Cu合金、Cu-C、Cu-CuOなどの複合材、あるいはAl、Al合金、AlSiC、Al-Cなどの複合材などから形成されている。
接続部材9は、後述するように、放熱部材7と放熱部材17とのそれぞれの端部において接続固定する部材である。接続部材9は、例えばステンレス鋼製のボルトとナットを使用する。
図13は、本実施形態におけるパワー半導体装置210の断面図であり、第2工程を示す。
図13に示すように、熱伝導層5、15を、回路体110の放熱面4a、14aに当接する。さらに、放熱部材7を、回路体110の放熱面4aの側であって、熱伝導層5の外側に当接する。放熱部材17を、回路体110の放熱面14aの側であって、熱伝導層15の外側に当接する。そして、接続部材9を、放熱部材7と放熱部材17のそれぞれの端部において貫通させる。図13は、接続部材9のボルトとナットを締める前の状態を示しており、放熱部材7、17はその中央部が回路体110側に凸となるように湾曲した形状を保持している。
図13に示すように、熱伝導層5、15を、回路体110の放熱面4a、14aに当接する。さらに、放熱部材7を、回路体110の放熱面4aの側であって、熱伝導層5の外側に当接する。放熱部材17を、回路体110の放熱面14aの側であって、熱伝導層15の外側に当接する。そして、接続部材9を、放熱部材7と放熱部材17のそれぞれの端部において貫通させる。図13は、接続部材9のボルトとナットを締める前の状態を示しており、放熱部材7、17はその中央部が回路体110側に凸となるように湾曲した形状を保持している。
次に、本実施形態におけるパワー半導体装置210の第3工程を説明する。
図13に示す状態において、回路体110を挟むように放熱部材7と放熱部材17の両端において、接続部材9のボルトとナットを締結して固定する。このとき、放熱部材17は放熱部材7の固定部材として、放熱部材7は放熱部材17の固定部材として、それぞれ作用する。この際に、放熱部材7、17は弾性変形されて、その結果、回路体110の放熱面4a、14aに熱伝導層5、15を介して放熱部材7、17が密着され、放熱部材7、17から放熱面4a、14aへ面圧が加わる。
図13に示す状態において、回路体110を挟むように放熱部材7と放熱部材17の両端において、接続部材9のボルトとナットを締結して固定する。このとき、放熱部材17は放熱部材7の固定部材として、放熱部材7は放熱部材17の固定部材として、それぞれ作用する。この際に、放熱部材7、17は弾性変形されて、その結果、回路体110の放熱面4a、14aに熱伝導層5、15を介して放熱部材7、17が密着され、放熱部材7、17から放熱面4a、14aへ面圧が加わる。
回路体110側に、凸となるように湾曲した形状を有していた放熱部材7、17は、接続部材9の締結により、放熱部材7、17は回路体110側への凸量が小さくなるように弾性変形される。この時、固定後の放熱部材7、17の凸量は、回路体110側への少し凸となっているか、平坦形状となっていることが好ましい。これにより、熱伝導層5、15には、熱伝導層5、15の中央付近を含めた広い領域に圧縮方向の面圧を発生させることができる。なお、放熱部材7、17と熱伝導層5、15とが密着する面圧は、回路体110の端部側に比べて、回路体110の中央部側の方が大きくなるように設定してもよい。さらに、放熱部材7、17を弾性変形させて固定した状態における放熱部材7、17は、放熱部材7、17の中央部において回路体110側に凸状、または放熱部材7、17の全面において回路体110側に平坦状になるように設定してもよい。その結果、熱伝導層5、15の接触熱抵抗が低減し、放熱性能の高いパワー半導体装置210が実現できる。
なお、本実施形態では冷却水路管7a、17aの断面形状は、長方形の例を示したが、第1の実施形態の変形例2で述べたように、冷却水路管7a、17aの断面形状は、6角形、5角形、3角形、楕円などテーパ部7cを形成した構成であってもよい。さらに、第1の実施形態の変形例3で述べたように、放熱部材7、17に設けられている冷却水路管7a、17aは、放熱部材7、17の中央部の方が密に形成され、放熱部材7、17の端部に行くにしたがって疎に形成してもよい。さらに、第1の実施形態の変形例1で述べたように、絶縁層4、14に替えて、導体付きセラミック基板を設けてもよい。
本実施形態によれば、回路体110を両面冷却する場合、回路体110側に凸となるように湾曲した形状をした放熱部材7、17を回路体110を挟むように配置し、放熱部材7、17が弾性変形するように固定することにより、固定部材8を追加することなく、放熱性の高いパワー半導体装置210を得ることができる。
(変形例4)
図14は、パワー半導体装置210の変形例を示す断面図である。図13と同一の個所には同一の符号を付してその説明を省略する。図13に示す放熱部材7、17の構成が相違する。
図14は、パワー半導体装置210の変形例を示す断面図である。図13と同一の個所には同一の符号を付してその説明を省略する。図13に示す放熱部材7、17の構成が相違する。
図14は、本変形例の第2工程を示す。図14に示すように、放熱部材18、19は表面に放熱フィン18a、19aを有する。放熱フィン18a、19aの形状はピンフィン、ストレートフィンやコルゲートフィンであっても良い。
放熱部材18、19は、電気伝導性を有する部材、例えばCu、Cu合金、Cu-C、Cu-CuOなどの複合材、あるいはAl、Al合金、AlSiC、Al-Cなどの複合材などから形成されている。
放熱部材18、19は、その中央部が回路体110側に凸となるように湾曲した形状をしている。放熱部材18を、回路体110の放熱面4aの側であって、熱伝導層5の外側に当接する。放熱部材19を、回路体110の放熱面14aの側であって、熱伝導層15の外側に当接する。そして、接続部材9を、放熱部材18と放熱部材19のそれぞれの端部において貫通させる。図14は、接続部材9のボルトとナットを締める前の状態を示しており、放熱部材18、19はその中央部が回路体110側に凸となるように湾曲した形状を保持している。
第3工程では、図14に示す状態において、回路体110を挟むように放熱部材18と放熱部材19の両端において、接続部材9のボルトとナットを締結して固定する。この際に、放熱部材18、19は弾性変形されて、その結果、回路体110の放熱面4a、14aに熱伝導層5、15を介して放熱部材18、19が密着され、放熱部材18、19から放熱面4a、14aへ面圧が加わる。放熱部材18、19は、その端部の荷重負荷部の剛性を中央部の剛性よりも高くすることにより、端部をボルトなどの接続部材9で強制変位を与え、荷重負荷する際、効率よく中央部を弾性変形させることが可能となる。図14に示すように、放熱部材18、19の荷重負荷部である端部の板厚は、中央部の板厚に比べて大きく設定されている。固定後の放熱部材18、19の凸量は、回路体110側への少し凸となっているか、平坦形状となっていることが好ましい。これにより、熱伝導層5、15には、熱伝導層5、15の中央付近を含めた広い領域に圧縮方向の面圧を発生させることができる。その結果、熱伝導層5、15の接触熱抵抗が低減し、放熱性能の高いパワー半導体装置210を得ることができる。
図14では、放熱部材18、19の放熱フィン18a、19aの外側のカバーを図示省略しているが、カバーを設けて冷却水の流路を形成することもできる。
図14では、回路体110を挟む両面に放熱フィン18a、19aを有する放熱部材18、19を設けた例で説明したが、図4と同様に、回路体100の片面に放熱フィン18aを有する放熱部材18を設けた構成にしてもよい。
上述した各実施形態では、封止樹脂10が絶縁層4、14を含み、放熱面4a、14a以外が封止された例を示したが、第1の導体3、第2の導体13まで封止樹脂10に封止されていてもよい。絶縁層4、14は、第1の導体3、第2の導体13に、それぞれ接続されていれば、同様の効果が得られる。
さらに、上述した各実施形態では、パワー半導体素子1が一つの場合について説明したが、パワー半導体素子1を複数個内蔵したパワー半導体装置200、210にも同様に適用することができる。
以上説明した実施形態によれば、回路体100、110側の中央部に凸となるように湾曲した放熱部材7、17、18、19を弾性変形して、放熱部材7、17、18、19を板バネとして作用させ、放熱部材7、17、18、19が回路体100、110の中央部の放熱面に押し付けられ、圧縮方向の面圧が発生する。それにより、回路体100、110の放熱面と放熱部材7、17、18、19の接触熱抵抗が低減し、放熱性能の高いパワー半導体装置200、210が実現できる。
以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
(1)パワー半導体装置200は、パワー半導体素子1を内蔵した回路体100と、回路体100の放熱面4a側に配置されて回路体100の熱を放熱する放熱部材7と、回路体100の放熱面4aとは反対側に配置された固定部材8とを備え、放熱部材7と固定部材8とが接続固定されることにより、放熱面4a側の中央部に凸となる湾曲した放熱部材7が、放熱面4a側に密着するように弾性変形されている。これにより、放熱面に対する密着が高まり、放熱性能の向上を計ることができる。
(1)パワー半導体装置200は、パワー半導体素子1を内蔵した回路体100と、回路体100の放熱面4a側に配置されて回路体100の熱を放熱する放熱部材7と、回路体100の放熱面4aとは反対側に配置された固定部材8とを備え、放熱部材7と固定部材8とが接続固定されることにより、放熱面4a側の中央部に凸となる湾曲した放熱部材7が、放熱面4a側に密着するように弾性変形されている。これにより、放熱面に対する密着が高まり、放熱性能の向上を計ることができる。
(2)パワー半導体装置200の製造方法は、パワー半導体素子1を内蔵した回路体100の放熱面4aに、回路体100側の中央部に凸となる湾曲した放熱部材7を配置し、回路体100の放熱面4aとは反対側の面に固定部材8を配置し、放熱部材7を弾性変形させて、回路体100の放熱面4aに面圧を加えるように、放熱部材7と固定部材8とを接続固定する。これにより、放熱面に対する密着が高まり、放熱性能の向上を計ることができる。
(3)パワー半導体装置210の製造方法は、パワー半導体素子1を内蔵した回路体110の放熱面4aに、回路体110側の中央部に凸となる湾曲した放熱部材7を配置し、回路体110の放熱面4aとは反対側の放熱面14aに、回路体110側の中央部に凸となる湾曲した放熱部材17を配置し、放熱部材7および放熱部材17を弾性変形させて、回路体110の放熱面4aおよび放熱面14aに面圧を加えるように、放熱部材7と放熱部材17とを接続固定する。これにより、放熱面に対する密着が高まり、放熱性能の向上を計ることができる。
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。
1…パワー半導体素子、2…接合材、3…第1の導体、4、14…絶縁層、4a、14a…放熱面、5、15…熱伝導層、7、17、18、19…放熱部材、7a、17a…冷却水路管、7c…テーパ部、8…固定部材、9…接続部材、10…封止樹脂、11…導体付きセラミック基板、11a…セラミック基板、11b…第1導体層、11c…第2導体層、12…接合材、13…第2の導体、18a、19a…放熱フィン、100、110…回路体、200、210…パワー半導体装置。
Claims (15)
- パワー半導体素子を内蔵した回路体と、
前記回路体の第1放熱面側に配置されて前記回路体の熱を放熱する第1放熱部材と、
前記回路体の前記第1放熱面とは反対側に配置された固定部材と、を備え、
前記第1放熱部材と前記固定部材とが接続固定されることにより、前記第1放熱面側の中央部に凸となる湾曲した前記第1放熱部材が、前記第1放熱面側に密着するように弾性変形されているパワー半導体装置。 - 請求項1に記載のパワー半導体装置において、
前記固定部材は、前記第1放熱面側とは反対側の第2放熱面側に配置された第2放熱部材であり、
前記第1放熱部材と前記第2放熱部材とが接続固定されることにより、前記第1放熱面側の中央部に凸となる湾曲した前記第1放熱部材および前記第2放熱面側の中央部に凸となる湾曲した前記第2放熱部材が、前記回路体を挟んで前記第1放熱面側と前記第2放熱面側にそれぞれ密着するように弾性変形されているパワー半導体装置。 - 請求項1に記載のパワー半導体装置において、
前記第1放熱部材と前記固定部材とを接続固定する部分の前記第1放熱部材の曲げ剛性は、前記第1放熱部材の中央部の曲げ剛性に比べて高いパワー半導体装置。 - 請求項2に記載のパワー半導体装置において、
前記第1放熱部材と前記第2放熱部材とを接続固定する部分の前記第1放熱部材および前記第2放熱部材の曲げ剛性は、前記第1放熱部材および前記第2放熱部材の中央部の曲げ剛性に比べてそれぞれ高いパワー半導体装置。 - 請求項3に記載のパワー半導体装置において、
前記第1放熱部材と前記固定部材とを接続固定する部分の前記第1放熱部材の板厚は、前記第1放熱部材の中央部の板厚に比べて大きいパワー半導体装置。 - 請求項4に記載のパワー半導体装置において、
前記第1放熱部材と前記第2放熱部材とを接続固定する部分の前記第1放熱部材および前記第2放熱部材の板厚は、前記第1放熱部材および前記第2放熱部材の中央部の板厚に比べてそれぞれ大きいパワー半導体装置。 - 請求項1、請求項3、請求項5のいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
前記弾性変形された状態における前記第1放熱部材は、前記回路体側に凸状または平坦状であるパワー半導体装置。 - 請求項2、請求項4、請求項6のいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
前記弾性変形された状態における前記第1放熱部材および前記第2放熱部材は、前記回路体側に凸状または平坦状であるパワー半導体装置。 - 請求項1に記載のパワー半導体装置において、
前記第1放熱部材は、押出成形により形成された複数の冷却水路管を有するパワー半導体装置。 - 請求項2に記載のパワー半導体装置において、
前記第1放熱部材および前記第2放熱部材は、押出成形により形成された複数の冷却水路管を有するパワー半導体装置。 - 請求項9または請求項10に記載のパワー半導体装置において、
前記冷却水路管内の側壁は、前記回路体側に向けたテーパ部を形成するパワー半導体装置。 - 請求項10に記載のパワー半導体装置において、
前記複数の冷却水路管の配置密度は、前記第1放熱部材および前記第2放熱部材の中央部に密に配置されるパワー半導体装置。 - 請求項2に記載のパワー半導体装置において、
前記第1放熱部材および前記第2放熱部材は、放熱フィンを有するパワー半導体装置。 - パワー半導体素子を内蔵した回路体の第1放熱面に、前記回路体側の中央部に凸となる湾曲した第1放熱部材を配置し、
前記回路体の前記第1放熱面とは反対側の面に固定部材を配置し、
前記第1放熱部材を弾性変形させて、前記回路体の前記第1放熱面に面圧を加えるように、前記第1放熱部材と前記固定部材とを接続固定するパワー半導体装置の製造方法。 - パワー半導体素子を内蔵した回路体の第1放熱面に、前記回路体側の中央部に凸となる湾曲した第1放熱部材を配置し、
前記回路体の前記第1放熱面とは反対側の第2放熱面に、前記回路体側の中央部に凸となる湾曲した第2放熱部材を配置し、
前記第1放熱部材および前記第2放熱部材を弾性変形させて、前記回路体の前記第1放熱面および前記第2放熱面に面圧を加えるように、前記第1放熱部材と前記第2放熱部材とを接続固定するパワー半導体装置の製造方法。
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