JPWO2019106820A1 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、寸法公差の影響を抑制することが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。本発明による半導体装置は、各々が内部に冷媒通路(11)を有する複数の冷却板(1)と、各冷却板(1)を離間して積層するスペーサ(5)と、少なくとも1つの冷却板(1)の少なくとも一方主面上に設けられた半導体パッケージ(2)と、隣接する冷却板(1)の間に設けられ、半導体パッケージ(2)を冷却板(1)の方に付勢するばね板(4)とを備える。

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、電力制御機器等に使用される半導体装置の構造およびその製造方法に関する。
従来、内部に冷媒通路を有する複数の冷却管と、各冷却管の一主面に固定された半導体パッケージと、複数の冷却管を離間配置した棚状の冷却構造体として積層するとともに、冷却構造体の端部において気密性を保つためのシールスペーサ部と、冷却構造体の一端および他端に設けられ、各冷却管の各々に冷媒を出し入れする一つの開口がシールスペーサ部と気密状に接続されたヘッダとを備える半導体装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2013−26368号公報
特許文献1では、半導体装置を組み立てる際に、当該半導体装置を構成する各構成要素の寸法公差の影響を受けて冷却管が変形する可能性があった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、寸法公差の影響を抑制することが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明による半導体装置は、各々が内部に冷媒通路を有する複数の冷却板と、各冷却板を離間して積層するスペーサと、少なくとも1つの冷却板の少なくとも一方主面上に設けられた半導体パッケージと、隣接する冷却板の間に設けられ、半導体パッケージを冷却板の方に付勢するばね板とを備える。
本発明によると、半導体装置は、各々が内部に冷媒通路を有する複数の冷却板と、各冷却板を離間して積層するスペーサと、少なくとも1つの冷却板の少なくとも一方主面上に設けられた半導体パッケージと、隣接する冷却板の間に設けられ、半導体パッケージを冷却板の方に付勢するばね板とを備えるため、寸法公差の影響を抑制することが可能となる。
本発明の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
本発明の実施の形態による半導体装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による半導体装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による冷却板の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による冷却板の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態による半導体パッケージの一例を示す図である。 本発明の実施の形態によるばね板の一例を示す図である。 本発明の実施の形態によるスペーサの一例を示す図である。 本発明の実施の形態によるフタの一例を示す図である。 本発明の実施の形態によるパイプの一例を示す図である。 本発明の実施の形態による半導体装置の製造工程の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による半導体装置の製造工程の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による半導体装置の製造工程の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による半導体装置の製造工程の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による半導体装置の製造工程の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による半導体装置の製造工程の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による半導体装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による半導体装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による半導体装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による半導体装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による半導体装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による半導体装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態によるばね板の設置の一例を示す図である。 本発明の実施の形態によるばね板の設置の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による半導体装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による冷却板の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による冷却板の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による半導体装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による半導体パッケージの一例を示す図である。 本発明の実施の形態による冷却板の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による冷却板の一例を示す図である。
本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。
<実施の形態>
<構成>
図1,2は、本発明の実施の形態による半導体装置の構成の一例を示す図である。
図1,2に示すように、半導体装置は、冷却板1と、半導体パッケージ2と、放熱グリス3と、ばね板4と、スペーサ5と、パイプ6と、フタ7と、ねじ8と、ナット9とを備えている。
冷却板1は、図3,4に示すように、ねじ8を通すねじ穴10と、水等の冷媒を通す冷媒通路11とを有している。具体的には、冷却板1は、冷却板1の積層方向および当該積層方向に対して垂直方向に冷媒通路11を有している。冷媒通路11には、冷却効率を向上させるために冷却フィン13が設けられている。ねじ穴10には、Oリング12が設けられている。図1,2の例では、5つの冷却板1が間隔を空けて積層されている。各冷却板1のうち最上段および最下段の冷却板1は、ねじ8にナット9を締め付ける際に変形することを防止するために、他の冷却板1よりも剛性を高くする必要がある。例えば、最上段および最下段の冷却板1の材質はアルミニウム合金であり、他の冷却板1の材質は薄い純アルミニウムである。これらの材質を用いることによって、半導体パッケージ2を冷却するために適した熱抵抗を得ることができる。
半導体パッケージ2は、図5に示すように、内部にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)およびFWD(Free Wheeling Diode)を有する2in1パッケージのモールド型パワーモジュールである。すなわち、半導体パッケージ2は、上アーム回路および下アーム回路を有する2in1パッケージである。半導体パッケージ2は、放熱グリス3を介して冷却板1上に設けられている。放熱グリス3は、半導体パッケージ2で発生した熱を冷却板1へ放熱する機能を有している。図1,2の例では、最上段の冷却板1の下側の面上に半導体パッケージ2が設けられ、最下段および最下段から2段目の冷却板1の上側の面上に半導体パッケージ2が設けられている。また、他の冷却板1の両面に半導体パッケージ2が設けられている。
ばね板4は、隣接する冷却板1の間に設けられており、半導体パッケージ2を冷却板1の方に付勢している。図1,2の例では、最下段から2段目の冷却板1と半導体パッケージ2との間にばね板4が設けられ、他では半導体パッケージ2間にばね板4が設けられている。ばね板4の形状は、図6に示すように、蛇腹形状である。
スペーサ5は、図7に示すように、ねじ穴10および冷媒通路11を有している。また、スペーサ5は、隣接する冷却板1を離間するために設けられている。すなわち、スペーサ5は、各冷却板1を離間して積層するために設けられている。
フタ7は、図8に示すように、ねじ穴10を有しており、冷却板1に設けられた冷媒通路11を塞ぐ。パイプ6は、図9に示すように、ねじ穴10および冷媒通路11を有しており、冷媒の流入口または流出口の機能を有している。図1,2の例では、一方のパイプ6から冷媒が流入すると、当該冷媒は冷却板1およびスペーサ5の冷媒通路を通って、他方のパイプ6から流出する。これにより、半導体パッケージ2で発生した熱を効率良く下げることができる。
ねじ8は、パイプ6、冷却板1、スペーサ5、およびフタ7のねじ穴10を通り、ナット9で締めることによってパイプ6、冷却板1、スペーサ5、およびフタ7を固定する。
<製造方法>
図10〜15は、本実施の形態による半導体装置の製造工程の一例を示す図である。
図10に示すように、冷却板1の上側の面上に放熱グリス3を介して半導体パッケージ2を設ける。次に、図11に示すように、冷却板1の下側の面上にパイプ6を設け、冷却板1およびパイプ6のねじ穴10にねじ8を通す。
次に、図12に示すように、半導体パッケージ2上にばね板4を設ける。また、スペーサ5のねじ穴10にねじ8を通し、スペーサ5を冷却板1上に設ける。
次に、図13に示すように、冷却板1の上側の面上に放熱グリス3を介して半導体パッケージ2を設ける。そして、冷却板1のねじ穴10にねじ8を通し、スペーサ5およびばね板4上に冷却板1を設ける。その後、半導体パッケージ2上にばね板4を設ける。また、スペーサ5のねじ穴10にねじ8を通し、スペーサ5を冷却板1上に設ける。
次に、冷却板1の両面に放熱グリス3を介して半導体パッケージ2を設ける。そして、冷却板1のねじ穴10にねじ8を通し、スペーサ5およびばね板4上に冷却板1を設ける。その後、半導体パッケージ2上にばね板4を設ける。また、スペーサ5のねじ穴10にねじ8を通し、スペーサ5を冷却板1上に設ける。これを2回繰り返す。
次に、冷却板の下側の面上に放熱グリス3を介して半導体パッケージ2を設ける。そして、冷却板1のねじ穴10にねじ8を通し、スペーサ5およびばね板4上に冷却板1を設ける。ここまでの工程を経て、図14に示す状態となる。
次に、図15に示すように、フタ7のねじ穴10にねじ8を通し、冷却板1の上側の面上にフタ7を設ける。最後に、ねじ8の端部にナット9を締め付ける。これにより、パイプ6、冷却板1、スペーサ5、およびフタ7が固定される。このとき、冷却板1の冷媒通路11は、Oリング12を介してスペーサ5の冷媒通路11に接合される。ナット9を締め付けることによって、Oリング12に圧力が加わり、冷却板1とスペーサ5との接合部における冷媒通路11の気密性を確保することができる。
上記の製造工程を経て、図1,2に示すスタック構造の半導体装置が完成する。図1,2の例では、半導体装置は、昇圧コンバータを構成する2素子と、回生インバータを構成する6素子と、走行インバータを構成する6素子とを備える14in1の半導体装置である。
以上のことから、本実施の形態によれば、隣接する冷却板1の間にばね板4を設けているため、スタック構造の半導体装置における寸法公差の影響を抑制することが可能となる。
<変形例>
以下では、本実施の形態による半導体装置の変形例について説明する。
<変形例1>
図1,2では、半導体パッケージ2は、上アーム回路および下アーム回路を有する2in1パッケージである場合について説明したが、これに限るものではない。
例えば、図16に示すように、半導体パッケージ2は、上アーム回路または下アーム回路のいずれか1つを有する1in1パッケージであってもよい。このように、半導体パッケージ2の構成は、任意に選択可能である。
<変形例2>
冷却板1上に設ける半導体パッケージ2の数は、1つでもよく複数であってもよい。例えば、図17に示すように、冷却板1上に半導体パッケージ2を1つ設けることによって、昇圧コンバータを構成する2in1の半導体装置を実現することができる。また、図18に示すように、冷却板1上に半導体パッケージ2を3つ設けることによって、走行インバータまたは回生インバータを構成する6in1の半導体装置を実現することができる。また、図19に示すように、下段の冷却板1の上側の面上に半導体パッケージ2を3つ設け、上段の冷却板1の下側の面上に半導体パッケージ2を3つ設けることによって、走行インバータおよび回生インバータを構成する12in1の半導体装置を実現することができる。このように、半導体パッケージ2の構成および冷却板1に対する設け方は、任意に選択可能である。
なお、図17〜19では、2つの冷却板1を積層する場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、図17の構成と図18の構成とを積層した構成であってもよく、図17の構成と図19の構成とを積層した構成であってもよい。
<変形例3>
半導体パッケージ2の積層数は、自由に選択可能である。換言すれば、冷却板1の積層数は可変であってもよい。例えば、図20に示すように、走行インバータまたは回生インバータを構成する6in1の半導体装置を実現することができる。また、図21に示すように、走行インバータおよび回生インバータを構成する12in1の半導体装置を実現することができる。
<変形例4>
半導体パッケージ2は、内部に絶縁シートなどの絶縁層を有してもよい。これにより、半導体パッケージ2と冷却板1とを絶縁することが可能となる。
また、半導体パッケージ2の外部、すなわち半導体パッケージ2と冷却板1との間に絶縁基板を設けてもよい。これにより、半導体パッケージ2と冷却板1とを絶縁することが可能となる。
<変形例5>
ばね板4の配置は任意である。例えば、図22に示すように、ばね板4は、蛇腹が形成される方向が冷却板1の積層方向に対して垂直となるように設けてもよい。また、図23に示すように、ばね板4は、蛇腹が形成される方向が冷却板1の積層方向と平行となるように設けてもよい。
<変形例6>
図24に示すように、半導体パッケージ2は、主端子の配列がミラータイプのものを使用することができる。ミラータイプの半導体パッケージ2を組み合わせることによって、各半導体パッケージ2の主端子を積層方向に揃えることができるため、各半導体パッケージ2間の主端子の配列を最適化することができる。
<変形例7>
図25に示すように、冷却板1は、凹部14を有してもよい。すなわち、冷却板1は、半導体パッケージ2が設けられる面に放熱グリス3を設ける凹部14を有してもよい。このような構成とすることによって、放熱グリス3がポンピングアウトすることを防止することができる。
<変形例8>
図26に示すように、冷却板1は、リブ15を有してもよい。このような構成とすることによって、冷却板1の機械的強度を向上させることができる。
<変形例9>
図27に示すように、パイプ6の位置は任意に変更可能である。図27の例では、下側のパイプ6から冷媒を流入し、上側のパイプ6から冷媒を流出している。このような構成とすることによって、冷媒通路を任意に選択することができる。
<変形例10>
半導体パッケージ2は、SiCを主成分とする半導体素子を有してもよい。ここで、主成分とは、非主成分よりも全体に対して存在する割合が突出した成分のことをいい、例えば非主成分よりも数十倍以上の割合で存在する成分のことをいう。
<変形例11>
冷却板1は、積層方向に冷媒通路11を有し、かつ積層方向に対して垂直方向に冷媒通路11を有さないようにしてもよい。具体的には、図4において、冷却フィン13が設けられている部分に冷媒通路11を設けていない。この場合、冷却板1は、鉄など剛性が高い材料で形成される。また、この冷却板1は、積層する複数の冷却板1のうち一部の冷却板1であってもよい。
このような構成とすることによって、スタック構造の機械的強度を増大させることができる。
<変形例12>
図28に示すように、半導体パッケージ2は、ばね板4の設置位置を規定する突起部16を有してもよい。突起部16は、半導体パッケージ2をトランスファーモールドする際に形成する。このような構成とすることによって、ばね板4の位置決めが可能となる。
<変形例13>
図29に示すように、冷却板1は、半導体パッケージ2の設置位置を規定する突起部17を有してもよい。また、図30に示すように、冷却板1は、半導体パッケージ2の設置位置を規定する凹部18を有してもよい。
このような構成とすることによって、半導体パッケージ2の位置決めが可能となる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
1 冷却板、2 半導体パッケージ、3 放熱グリス、4 ばね板、5 スペーサ、6 パイプ、7 フタ、8 ねじ、9 ナット、10 ねじ穴、11 冷媒通路、12 Oリング、13 冷却フィン、14 凹部、15 リブ、16 突起部、17 突起部、18 凹部。

Claims (21)

  1. 各々が内部に冷媒通路(11)を有する複数の冷却板(1)と、
    各前記冷却板(1)を離間して積層するスペーサ(5)と、
    少なくとも1つの前記冷却板(1)の少なくとも一方主面上に設けられた半導体パッケージ(2)と、
    隣接する前記冷却板(1)の間に設けられ、前記半導体パッケージ(2)を前記冷却板(1)の方に付勢するばね板(4)と、
    を備える、半導体装置。
  2. 少なくとも1つの前記冷却板(1)は、前記積層方向および当該積層方向に対して垂直方向に前記冷媒通路(11)を有することを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 各前記冷却板(1)のうち前記積層の最上段および最下段の前記冷却板(1)は、他の冷却板(1)よりも剛性が高いことを特徴とする、請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体パッケージ(2)は、上アーム回路および下アーム回路を有する2in1パッケージを含むことを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体パッケージ(2)は、上アーム回路または下アーム回路のいずれか1つを有する1in1パッケージを含むことを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  6. 少なくとも1つの前記冷却板(1)に対して、前記半導体パッケージ(2)が前記冷却板(1)の少なくとも一方主面上に複数設けられていることを特徴とする、請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体装置。
  7. 前記冷却板(1)の積層数は可変であることを特徴とする、請求項1から6のいずれか1項に記載の半導体装置。
  8. 前記半導体パッケージ(2)は、内部に絶縁層を有することを特徴とする、請求項1から7のいずれか1項に記載の半導体装置。
  9. 前記半導体パッケージ(2)と前記冷却板(1)との間に絶縁基板をさらに備えることを特徴とする、請求項1から7のいずれか1項に記載の半導体装置。
  10. 前記ばね板(4)は、蛇腹形状であることを特徴とする、請求項1から9のいずれか1項に記載の半導体装置。
  11. 前記ばね板(4)は、蛇腹が形成される方向が前記積層方向と平行となるように設けられていることを特徴とする、請求項10に記載の半導体装置。
  12. 前記ばね板(4)は、蛇腹が形成される方向が前記積層方向に対して垂直となるように設けられていることを特徴とする、請求項10に記載の半導体装置。
  13. 前記半導体パッケージ(2)は、前記積層方向に複数設けられ、
    各前記半導体パッケージ(2)の主端子は、前記積層方向に揃っていることを特徴とする、請求項1から12のいずれか1項に記載の半導体装置。
  14. 前記冷却板(1)は、前記半導体パッケージ(2)が設けられる面にグリス(3)を設ける凹部(14)を有することを特徴とする、請求項1から13のいずれか1項に記載の半導体装置。
  15. 前記冷却板(1)は、リブ(15)を有することを特徴とする、請求項1から14のいずれか1項に記載の半導体装置。
  16. 各前記冷却板(1)の前記冷媒通路(11)に冷媒を供給するパイプ(6)をさらに備えることを特徴とする、請求項1から15のいずれか1項に記載の半導体装置。
  17. 前記半導体パッケージ(2)は、SiCを主成分とする半導体素子を有することを特徴とする、請求項1から16のいずれか1項に記載の半導体装置。
  18. 少なくとも1つの前記冷却板(1)は、前記積層方向に前記冷媒通路(11)を有し、かつ前記積層方向に対して垂直方向に前記冷媒通路(11)を有さないことを特徴とする、請求項1から17のいずれか1項に記載の半導体装置。
  19. 前記半導体パッケージ(2)は、前記ばね板(4)の設置位置を規定する突起部(16)を有することを特徴とする、請求項1から18のいずれか1項に記載の半導体装置。
  20. 各前記冷却板(1)は、前記半導体パッケージ(2)の設置位置を規定する凹部(18)または突起部(17)を有することを特徴とする、請求項1から19のいずれか1項に記載の半導体装置。
  21. 請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、
    (a)少なくとも一方主面上に前記半導体パッケージ(2)を設けた少なくとも1つの前記冷却板(1)を含む複数の前記冷却板(1)を準備する工程と、
    (b)前記半導体パッケージ(2)上に前記ばね板(4)を配置しつつ、前記スペーサ(5)を介して前記複数の冷却板(1)を積層する工程と、
    を備える、半導体装置の製造方法。
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