JPWO2015037047A1 - 半導体装置、半導体モジュール - Google Patents

半導体装置、半導体モジュール Download PDF

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Abstract

複数の冷却フィンと、該複数の冷却フィンより長く、先端部にねじ穴が設けられた固定用冷却フィンと、を有する半導体モジュールと、該複数の冷却フィンと該固定用冷却フィンとを収容する冷媒流路と、該ねじ穴にねじを挿入できるように形成された開口と、を有する冷却ジャケットと、該開口を通じて該ねじ穴に挿入され、該冷却ジャケットを該半導体モジュールに固定するねじと、を備えたことを特徴とする。

Description

この発明は、例えば電力制御機器として用いられる半導体装置、及び半導体モジュールに関する。
特許文献１には、冷却ジャケットを半導体モジュールに固定した半導体装置が開示されている。この半導体装置は、冷却ジャケットに形成された開口にねじを通し、このねじを半導体モジュールの放熱基板に形成されたねじ穴に挿入することで、冷却ジャケットを半導体モジュールに固定するものである。
日本特開２００７−１１００２５号公報
半導体装置は可能な限り小型化することが好ましい。しかしながら、特許文献１に開示される半導体装置は、放熱基板にねじ穴を設けるスペースを確保する必要がある分、小型化に不利な構造であった。
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、小型化できる半導体装置と半導体モジュールを提供することを目的とする。
本願の発明に係る半導体装置は、複数の冷却フィンと、該複数の冷却フィンより長く、先端部にねじ穴が設けられた固定用冷却フィンと、を有する半導体モジュールと、該複数の冷却フィンと該固定用冷却フィンとを収容する冷媒流路と、該ねじ穴にねじを挿入できるように形成された開口と、を有する冷却ジャケットと、該開口を通じて該ねじ穴に挿入され、該冷却ジャケットを該半導体モジュールに固定するねじと、を備えたことを特徴とする。
本願の発明に係る他の半導体装置は、複数の冷却フィンを有する半導体モジュールと、該複数の冷却フィンを収容する冷媒流路を有する冷却ジャケットと、を備え、該半導体モジュールと該冷却ジャケットには、該半導体モジュールを該冷却ジャケットに固定するスナップフィット機構が形成されたことを特徴とする。
本願の発明に係る半導体モジュールは、複数の冷却フィンと、該複数の冷却フィンより長く、先端部にねじ穴が設けられた固定用冷却フィンと、を備えたことを特徴とする。
本願の発明に係る他の半導体モジュールは、複数の冷却フィンと、該複数の冷却フィンと同じ方向に伸びるフックと、を備えたことを特徴とする。
本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
この発明によれば、半導体装置と半導体モジュールを小型化できる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の分解図である。 半導体モジュールを底面側から見た斜視図である。 半導体装置の斜視図である。 開口とその周辺の断面図である。 ねじ締め後の開口とその周辺の断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の斜視図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体装置の分解図である。 フックの斜視図である。 完成した半導体装置の斜視図である。 半導体装置のＯリングを含む部分における断面図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体装置の分解図である。 完成した半導体装置の斜視図である。 半導体装置のＯリングを含む部分の断面図である。 本発明の実施の形態６に係る半導体装置の分解図である。 完成した半導体装置の斜視図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置と、その半導体装置の一部である半導体モジュールについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０の分解図である。半導体装置１０は、半導体モジュール１２と、半導体モジュール１２に固定された冷却ジャケット１４とを備えている。まず半導体モジュール１２について説明する。半導体モジュール１２は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体素子を封止するモールド樹脂２０を備えている。
モールド樹脂２０の側面から制御端子２１と主電極２２が外部へ露出している。モールド樹脂２０の底面には金属で形成されたベースプレート２４が固定されている。図２は、半導体モジュール１２を底面側から見た斜視図である。ベースプレート２４に接するように、複数の冷却フィン３０と、固定用冷却フィン３２が設けられている。複数の冷却フィン３０と固定用冷却フィン３２は、ベースプレート２４と同じ材料で、ベースプレート２４と一体的に形成されている。
冷却フィン３０は、例えばピンフィンで形成されるが他のタイプのフィンで形成してもよい。固定用冷却フィン３２は冷却フィン３０より長い。そのため、固定用冷却フィン３２は複数の冷却フィン３０よりも半導体モジュール１２の外側へ突出している。固定用冷却フィン３２の先端部にはねじ穴が設けられている。このような固定用冷却フィン３２は例えばねじ穴付のボスで形成される。複数の冷却フィン３０と固定用冷却フィン３２はベースプレート２４の中央部に設けられている。そのため、複数の冷却フィン３０と固定用冷却フィン３２はベースプレート２４の外周部分には設けられていない。固定用冷却フィン３２はベースプレート２４のほぼ中央に設けられている。
図１の説明に戻る。半導体モジュール１２と冷却ジャケット１４の間にはＯリング４０とＯリング４２が設けられる。次いで、冷却ジャケット１４について説明する。冷却ジャケット１４には冷媒流路４４が形成されている。冷媒の流れる方向は矢印で示されている。この冷媒の流れを可能とするために、冷却ジャケット１４の対向する２つの側面には流路開口４６、４８が形成されている。
冷却ジャケット１４の上面側には、複数の冷却フィン３０と固定用冷却フィン３２とを冷媒流路４４に導入するための導入用開口４９が形成されている。複数の冷却フィン３０と固定用冷却フィン３２は、この導入用開口４９を通って、冷媒流路４４に収容される。
冷却ジャケット１４の半導体モジュール１２に対向する面（上面）には、環状の溝５０が形成されている。この溝５０は、半導体装置１０の完成時には複数の冷却フィン３０と固定用冷却フィン３２を囲む。この溝５０には前述のＯリング４０が収容される。
冷却ジャケット１４には、冷媒流路４４に収容された固定用冷却フィン３２のねじ穴にねじ６０を挿入できるように開口５２が形成されている。そして、ねじ６０の軸を開口５２を通じて固定用冷却フィン３２のねじ穴に挿入し、ねじ６０の頭が冷却ジャケット１４の外壁に当たるまでねじ締めすることで、冷却ジャケット１４が半導体モジュール１２に固定される。
図３は、半導体装置１０の斜視図である。説明の便宜上、冷却ジャケット１４は半分だけ示す。Ｏリング４２は、冷却ジャケット１４と固定用冷却フィン３２に挟まれて弾性変形する。このことについて、図４、５を参照して説明する。
図４は、開口５２とその周辺の断面図である。冷却ジャケット１４の開口５２は、内壁１４ａ側の幅（Ｘ２）が、外壁１４ｂ側の幅（Ｘ１）より大きい。これにより冷却ジャケット１４の内壁に座ぐり部７０が形成されている。座ぐり部７０の幅は固定用冷却フィン３２の幅と一致している。
図５は、ねじ締め後の開口とその周辺の断面図である。まず、固定用冷却フィン３２の先端部を座ぐり部７０に収容する。このとき、当該先端部と座ぐり部７０の底面の間にＯリング４２を設置する。この状態で、ねじ６０をねじ穴に挿入する。ねじ６０を締めることによって冷却ジャケット１４を半導体モジュール１２に押し付ける力を生じさせることができる。
この力により溝５０に設けられたＯリング４０を弾性変形させて冷却ジャケット１４と半導体モジュール１２の隙間を埋めつつ、Ｏリング４２を弾性変形させて固定用冷却フィン３２の先端部と座ぐり部７０の底面の間の隙間を埋める。従って、Ｏリング４０、４２により冷媒流路４４を流れる冷媒を冷媒流路４４内に封止することができる。なお、Ｏリング４０、４２の弾性変形量を冷媒封止に最適な値とするために、Ｏリング４０、４２の外径、溝５０の形状、座ぐり部７０の深さ、及び固定用冷却フィン３２の長さを適宜変更する。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０は、半導体モジュール１２と冷却ジャケット１４の固定に用いる固定用冷却フィン３２を、複数の冷却フィン３０と並べて設けたものである。つまり、従来であれば冷却フィンが設けられていた場所に固定用冷却フィン３２を設けたので、半導体装置のサイズが大きくなることを防止できる。しかも、この固定用冷却フィン３２は、複数の冷却フィン３０と同様に半導体モジュール１２の冷却に寄与するものである。従って、効率的に半導体モジュール１２を冷却でき、その上、半導体装置１０を小型化できる。
Ｏリング４０は溝５０に設けられ、Ｏリング４２は座ぐり部７０に設けられているので、Ｏリング４０の全体が冷媒に触れたり、Ｏリング４２の全体が冷媒に触れたりすることはない。従って、Ｏリング４０、４２全体が冷媒に接する場合と比較して、Ｏリング４０、４２の耐久性を高めることができる。特に、図５から分かるように、座ぐり部７０に設けられたＯリング４２は殆ど冷媒に接することがない、よって、半導体装置１０の信頼性を向上させることができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０と半導体モジュール１２は、様々な変形が可能である。例えば、モールド樹脂２０はケースに置き換えても良い。また、座ぐり部７０を省略して冷却ジャケット１４の構成を簡素化してもよい。なおこれらの変形は以下の実施の形態に係る半導体装置及び半導体モジュールにも応用できる。
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る半導体装置は、固定用冷却フィンを複数設けた点等において、実施の形態１に係る半導体装置と相違する。図６は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の斜視図である。説明の便宜上、冷却ジャケット８０は半分だけ示す。
半導体モジュール９０は、先端部にねじ穴が設けられた追加固定用冷却フィン９２を備えている。追加固定用冷却フィン９２は、固定用冷却フィン３２と同じ形状であり、ベースプレート２４につながっている。この追加固定用冷却フィン９２は冷媒流路に収容されている。
冷却ジャケット８０には、追加固定用冷却フィン９２のねじ穴にねじを挿入できるように追加開口８２が形成されている。追加開口８２は、開口５２と同じ形状であり、座ぐり部を形成するものである。ねじ６０と同じ要領で、追加ねじ９４が追加開口８２を通じて追加固定用冷却フィン９２のねじ穴に挿入されている。なお、座ぐり部の底面と追加固定用冷却フィン９２の先端との間にＯリング９６が設けられている。
本発明の実施の形態２に係る半導体装置は、固定用冷却フィン３２のねじ穴にねじ６０を挿入し、追加固定用冷却フィン９２のねじ穴に追加ねじ９４を挿入することで、冷却ジャケット８０を半導体モジュール９０に固定する。２本の固定用冷却フィン（固定用冷却フィン３２と追加固定用冷却フィン９２）を利用するため、実施の形態１の半導体装置と比較して半導体モジュールと冷却ジャケットの結合強度を向上させることができる。
さらに、２本の固定用冷却フィンを利用することで、半導体モジュール９０に冷却ジャケット８０を取り付ける際の位置決めが可能となる。つまり、２本の固定用冷却フィンを冷却ジャケットの開口に挿入し冷却ジャケットの半導体モジュールに対する位置を確定することで、両者の位置ずれを防止できる。
本発明の実施の形態２では２本の固定用冷却フィンを用いたが、固定用冷却フィンは２本に限らず、３本以上としてもよい。
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る半導体装置は、実施の形態１に係る半導体装置１０を複数（３つ）連結させたものである。図７は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の斜視図である。複数の冷却ジャケット１４は、一続きの冷媒流路を形成するように接続されている。冷却ジャケット１４間は冷媒を封止できる嵌合構造で固定(連結)する。これにより、例えば３相インバータを構成する複数の半導体モジュール１２を小さいスペースで集積することができる。
半導体装置１０の連結数は特に限定されない。また、実施の形態２に係る半導体装置を複数連結させても良い。
実施の形態４．
実施の形態４に係る半導体装置と半導体モジュールは実施の形態１との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。図８は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置１００の分解図である。半導体モジュール１０２にはフック１０４が形成されている。フック１０４は、複数の冷却フィン３０と同じ方向に伸びている。フック１０４は、モールド樹脂２０と同じ材料でモールド樹脂２０の４つの角部につながるように形成されている。なお、フック１０４は、ベースプレートと同じ材料で、ベースプレートにつながるように形成してもよい。
図９は、フックの斜視図である。フック１０４は付け根部分１０４ａでテーパ形状に形成されている。従って、フック１０４は付け根部分で太くなっている。図８の説明に戻る。冷却ジャケット１１０には、前述のフック１０４とスナップフィット固定される形状のフック溝１１２が形成されている。フック溝１１２は、冷却ジャケット１１０の４つの角部に形成されている。このフック溝１１２と前述のフック１０４とで、スナップフィット機構を形成している。
図１０は、完成した半導体装置１００の斜視図である。フック１０４を弾性変形させてフック溝１１２にはめ込むことで、半導体モジュール１０２に冷却ジャケット１１０を固定（スナップフィット固定）する。図１１は、半導体装置１００のＯリング４０を含む部分における断面図である。前述のスナップフィット固定により、Ｏリング４０が弾性変形し、冷却ジャケット１１０と半導体モジュール１０２の隙間を埋める。これにより冷媒を冷媒流路に封止できる。
半導体モジュール１０２の一部に形成したフック１０４と冷却ジャケット１１０の一部に形成したフック溝１１２は、半導体装置１００のサイズを大きくするものではない。つまり、フック１０４とフック溝１１２を設けたことによるサイズの増加はない。さらに、スナップフィット固定により半導体モジュール１０２に冷却ジャケット１１０を固定するため、組み立てが非常に容易である。また、実施の形態１と比較して部品点数を削減できる。さらに、フック１０４の付け根部分をテーパ形状にすることでフック１０４の強度を高めることができる。
上記の効果を得るためには、半導体モジュールと冷却ジャケットに、半導体モジュールを冷却ジャケットに固定するスナップフィット機構を形成すればよい。従って、例えば半導体モジュールにフック溝を形成し、冷却ジャケットにフックを形成しても良い。また、フックとフック溝の位置、大きさ、形状、及び数は適宜変更することができる。例えば大型の半導体モジュールを用いる場合は、フックとフック溝の数を増やすとよい。
実施の形態５．
実施の形態５に係る半導体装置については、実施の形態４の半導体装置１００との相違点を中心に説明する。図１２は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置１２０の分解図である。半導体装置１２０は、半導体モジュールとして第１半導体モジュール１２２と第２半導体モジュール１２４を備えている。第１半導体モジュール１２２と第２半導体モジュール１２４は、実施の形態４の半導体モジュール１０２と同じものである。
冷却ジャケット１３０は、上面側に導入用開口１３２を有し、下面側に導入用開口１３４を有している。導入用開口１３２は、第１半導体モジュール１２２の複数の冷却フィン３０を冷媒流路４４に導入するために形成されている。導入用開口１３４は、第２半導体モジュール１２４の複数の冷却フィン３０を冷媒流路４４に導入するために形成されている。
冷却ジャケット１３０の上面側の側面には第１半導体モジュール１２２のフック１０４とスナップフィットする４つのフック溝１４０が形成されている。冷却ジャケット１３０の下面側の側面には第２半導体モジュール１２４のフック１０４とスナップフィットする４つのフック溝１４２が形成されている。
図１３は、完成した半導体装置１２０の斜視図である。第１半導体モジュール１２２のフック１０４がフック溝１４０にはまることで、第１半導体モジュール１２２は冷却ジャケット１３０の上面側に固定されている。第２半導体モジュール１２４のフック１０４がフック溝１４２にはまることで、第２半導体モジュール１２４は冷却ジャケット１３０の下面側に固定されている。
図１４は、半導体装置１２０のＯリング４０を含む部分の断面図である。前述のスナップフィット固定により、冷却ジャケット１３０の上面側のＯリング４０が弾性変形し、冷却ジャケット１３０と第１半導体モジュール１２２の隙間を埋める。また、冷却ジャケット１３０の下面側のＯリング４０が弾性変形し、冷却ジャケット１３０と第２半導体モジュール１２４の隙間を埋める。
本発明の実施の形態５に係る半導体装置は、冷却ジャケット１３０の上面と下面の両方に半導体モジュールを固定できるので、１つの冷媒流路４４で２つの半導体モジュール（第１半導体モジュール１２２と第２半導体モジュール１２４）を冷却することができる。
第１半導体モジュール１２２の複数の冷却フィン３０と、第２半導体モジュール１２４の複数の冷却フィン３０との距離を小さくすると、冷媒流路内の流速分布のばらつきを抑え冷却効率を高めることができる。本発明の実施の形態５では、第１半導体モジュール１２２の複数の冷却フィン３０と、第２半導体モジュール１２４の複数の冷却フィン３０を接触させたので、冷媒流路内の流速分布のばらつきを抑制することができる。
実施の形態６．
本発明の実施の形態６に係る半導体装置は、実施の形態５に係る半導体装置１２０を複数（３つ）連結させたものである。図１５は、本発明の実施の形態６に係る半導体装置の分解図である。複数の冷却ジャケット１３０は、一続きの冷媒流路を形成するように接続されている。冷却ジャケット１３０間は冷媒を封止できる嵌合構造で固定(連結)する。
図１６は、完成した半導体装置１５０の斜視図である。複数の半導体モジュール（３つの第１半導体モジュールと３つの半導体モジュール）を１つの冷却ジャケット１３０で冷却することができる。これにより、例えば３相インバータを構成する複数の半導体モジュールを小さいスペースで集積することができる。
半導体装置１２０の連結数は特に限定されない。なお、上記の各実施の形態に係る半導体装置の特徴を適宜に組み合わせて、本発明の効果を高めても良い。
１０ 半導体装置、 １２ 半導体モジュール、 １４ 冷却ジャケット、 ２０ モールド樹脂、 ２１ 制御端子、 ２２ 主電極、 ２４ ベースプレート、 ３０ 冷却フィン、 ３２ 固定用冷却フィン、 ４０,４２ Ｏリング、 ４４ 冷媒流路、 ４６,４８ 流路開口、 ４９ 導入用開口、 ５０ 溝、 ５２ 開口、 ６０ ねじ、 ７０ 座ぐり部、 ８０ 冷却ジャケット、 ８２ 追加開口、 ９０ 半導体モジュール、 ９２ 追加固定用冷却フィン、 ９６ Ｏリング、 １０４ フック、 １０４ａ 付け根部分、 １１２ フック溝、 １２２ 第１半導体モジュール、 １２４ 第２半導体モジュール
図１６は、完成した半導体装置１５０の斜視図である。複数の半導体モジュール（３つの第１半導体モジュールと３つの第２半導体モジュール）を１つの冷却ジャケット１３０で冷却することができる。これにより、例えば３相インバータを構成する複数の半導体モジュールを小さいスペースで集積することができる。

Claims (13)

  1. 複数の冷却フィンと、前記複数の冷却フィンより長く、先端部にねじ穴が設けられた固定用冷却フィンと、を有する半導体モジュールと、
    前記複数の冷却フィンと前記固定用冷却フィンとを収容する冷媒流路と、前記ねじ穴にねじを挿入できるように形成された開口と、を有する冷却ジャケットと、
    前記開口を通じて前記ねじ穴に挿入され、前記冷却ジャケットを前記半導体モジュールに固定するねじと、を備えたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記複数の冷却フィンは複数のピンフィンで形成され、前記固定用冷却フィンはボスで形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記先端部は前記冷却ジャケットの内壁に形成された座ぐり部に収容され、
    前記先端部と前記座ぐり部の底面の間に設けられたＯリングを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記冷却ジャケットの前記半導体モジュールに対向する面には、前記複数の冷却フィンと前記固定用冷却フィンを囲む環状の溝が形成され、
    前記溝内に設けられ、前記冷却ジャケットと前記半導体モジュールの隙間を埋めるＯリングを備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体モジュールは、前記複数の冷却フィンより長く、先端部にねじ穴が設けられた追加固定用冷却フィンを備え、
    前記冷却ジャケットには、前記追加固定用冷却フィンのねじ穴にねじを挿入できるように追加開口が形成され、
    前記冷媒流路には前記追加固定用冷却フィンが収容され、
    前記追加開口を通じて前記追加固定用冷却フィンのねじ穴に挿入された追加ねじを備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体モジュールと前記冷却ジャケットを複数備え、
    複数の前記冷却ジャケットは、一続きの冷媒流路を形成するように接続されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 複数の冷却フィンと、
    前記複数の冷却フィンより長く、先端部にねじ穴が設けられた固定用冷却フィンと、を備えたことを特徴とする半導体モジュール。
  8. 複数の冷却フィンを有する半導体モジュールと、
    前記複数の冷却フィンを収容する冷媒流路を有する冷却ジャケットと、を備え、
    前記半導体モジュールと前記冷却ジャケットには、前記半導体モジュールを前記冷却ジャケットに固定するスナップフィット機構が形成されたことを特徴とする半導体装置。
  9. 前記スナップフィット機構は、
    前記半導体モジュールに前記複数の冷却フィンと同じ方向に伸びるように形成されたフックと、
    前記冷却ジャケットに前記フックとスナップフィット固定される形状で形成されたフック溝と、を備えたことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
  10. 前記フックは付け根部分でテーパ形状に形成されたことを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
  11. 前記半導体モジュールは、
    前記スナップフィット機構により前記冷却ジャケットの上面側に固定された第１半導体モジュールと、
    前記スナップフィット機構により前記冷却ジャケットの下面側に固定された第２半導体モジュールと、を備えたことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
  12. 前記半導体モジュールと前記冷却ジャケットを複数備え、
    複数の前記冷却ジャケットは、一続きの冷媒流路を形成するように接続されたことを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の半導体装置。
  13. 複数の冷却フィンと、
    前記複数の冷却フィンと同じ方向に伸びるフックと、を備えたことを特徴とする半導体モジュール。
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