KR20140098805A - 반도체 모듈 - Google Patents

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KR20140098805A
KR20140098805A KR1020147016831A KR20147016831A KR20140098805A KR 20140098805 A KR20140098805 A KR 20140098805A KR 1020147016831 A KR1020147016831 A KR 1020147016831A KR 20147016831 A KR20147016831 A KR 20147016831A KR 20140098805 A KR20140098805 A KR 20140098805A
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고지 홋타
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Abstract

개량된 냉각기 일체형 반도체 모듈을 제공한다. 반도체 모듈 (100) 은, 복수의 평판형 냉각 플레이트 (12) 와, 복수의 평판형 반도체 패키지 (5) 와 평판형 디바이스 패키지 (2) 를 구비한다. 반도체 패키지 (5) 는, 그 내부에 반도체 소자를 수납하고 있다. 디바이스 패키지 (2) 는, 그 내부에, 반도체 패키지에 수납된 반도체 소자와는 상이한 종류의 전자 부품을 수납하고 있다. 냉각 플레이트 (12) 와 반도체 패키지 (5) 또는 디바이스 패키지 (2) 는, 교대로 적층되어 있다. 인접하는 냉각 플레이트 (12) 사이에는, 내부를 냉매가 통과하는 접속관 (13a, 13b) 이 형성되어 있다.

Description

반도체 모듈{SEMICONDUCTOR MODULE}
본 발명은, 반도체 소자를 수납한 복수의 평판형 반도체 패키지와 냉각기가 일체로 된 반도체 모듈에 관한 것이다.
인버터나 전압 컨버터에서 사용되는 IGBT 나 환류 다이오드 등의 반도체 소자는 발열량이 크다. 이들 소자는, 파워 반도체 소자, 또는 간단히 파워 소자 등으로 불리는 경우가 있다. 발열량은 흐르는 전류의 크기에 의존한다. 따라서, 큰 출력이 요구되는 차륜 구동용의 모터 (하이브리드차를 포함하는 전기 자동차용 주행용 모터) 에 전력을 공급하는 인버터나 전압 컨버터는, 발열량이 큰 파워 소자를 다수 사용한다. 인버터나 전압 컨버터에는, 파워 소자 이외에도 발열량이 큰 전자 부품이 사용되고 있다. 그러한 전자 부품의 전형으로는, 파워 소자의 소스/드레인 사이 (이미터/콜렉터 사이) 에 흐르는 전류를 평활화하기 위한 콘덴서 (평활화 콘덴서) 가 있다. 파워 소자의 소스/드레인 사이에 흐르는 전류가 크기 때문에, 평활화 콘덴서의 용량도 커지고 발열량도 커진다. 그래서, 전기 자동차용으로, 다수의 파워 소자와 다른 회로 소자와 냉각기를 일체화한 반도체 모듈이 제안되어 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에는, 평판형 냉각 튜브 (냉각 플레이트) 와 평판형 반도체 패키지와 편평한 평활화 콘덴서를 적층한 반도체 모듈이 개시되어 있다. 그 반도체 모듈은, 인접하는 냉각 플레이트 사이에 낀 1 개의 층에 반도체 패키지를 끼우고, 다른 층에 편평한 평활화 콘덴서를 끼우고 있다. 평활화 콘덴서의 편평률은 크지는 않고, 평활화 콘덴서의 두께는 반도체 패키지보다 두껍다. 그 때문에, 적층된 냉각 플레이트의 간격은 등간격은 아니다.
또, 특허문헌 2 에는, 콘덴서와 반도체 소자를 몰드로 1 개의 패키지에 수납하고, 복수의 패키지와 복수의 냉각 플레이트를 교대로 적층한 반도체 모듈이 개시되어 있다. 또, 특허문헌 3 에는, 판상으로 성형된 복수의 전자 부품과 복수의 냉각 플레이트를 교대로 적층한 반도체 모듈이 개시되어 있다.
반도체 소자를 수납한 패키지 또는 판상으로 성형된 전자 부품과 냉각 플레이트를 적층한 디바이스는, 패키지 또는 전자 부품을 그 양측에서 식힐 수 있기 때문에, 컴팩트성도 우수하다.
일본 공개특허공보 2001-320005호 일본 공개특허공보 2010-153527호 일본 공개특허공보 2007-053307호
본 명세서는, 복수의 반도체 패키지 및 다른 전자 부품과 냉각 플레이트를 교대로 적층한 반도체 모듈에 관한 것이다. 본 명세서는, 그러한 냉각기 일체형의 반도체 모듈을 개선하는 기술을 제공한다.
본 명세서가 개시하는 기술의 일 양태의 반도체 모듈은, 복수의 평판형 냉각 플레이트와, 반도체 소자를 수납한 복수의 평판형 반도체 패키지와, 평판형의 디바이스 패키지와, 냉각관을 구비하고 있다. 디바이스 패키지는, 반도체 패키지에 수납된 반도체 소자와는 상이한 종류의 전자 부품을 수납하고 있다. 디바이스 패키지는, 수지로 몰드 성형되어 있어도 된다. 냉각 플레이트와 반도체 패키지 또는 디바이스 패키지는 교대로 적층되어 있다. 환언하면, 인접하는 냉각 플레이트 사이에 반도체 패키지와 디바이스 패키지가 협지되어 있다. 이 반도체 모듈에서는, 반도체 패키지와 디바이스 패키지의 폭이 대략 동등하고, 그러므로 복수의 냉각 플레이트가 대략 등간격으로 배치되어 있다. 냉각관은, 인접하는 2 개의 냉각 플레이트를 접속시킨다. 냉각관의 내부를 일방의 냉각에서 타방의 냉각 플레이트로 냉매가 흐른다.
디바이스 패키지는, 전자 부품을 수지로 몰드한 것으로서, 그 두께 방향의 치수를 높은 정밀도로 성형할 수 있다. 그 때문에, 반도체 패키지와 함께 냉각 플레이트로 적층하는 데에 안성맞춤이다. 또, 수지 몰드는 내습성, 내전압성 이 우수하다. 특히 내전압성이 우수하기 때문에, 반도체 패키지의 근처에 배치하는 데에 안성맞춤이다. 대전류가 흐르는 반도체 소자나 전자 부품은 버스 바로 불리는 도전 부재로 접속된다. 버스 바란, 고내전압의 금속 장판 (長板) 부재이다. 내전압성이 우수한 디바이스 패키지는, 그러한 버스 바와 근접 배치하는 데에도 안성맞춤이다.
냉각 플레이트와 반도체 패키지와 디바이스 패키지의 적층체는, 그 적층 방향으로 양측으로부터 하중이 가해져, 냉각 플레이트와 반도체 패키지 (또는 디바이스 패키지) 의 밀착성을 높일 수 있다. 밀착성을 높임으로써, 반도체 패키지 (또는 디바이스 패키지) 와 냉각 플레이트 사이의 열전도성이 향상된다. 반도체 패키지의 두께와 디바이스 패키지의 두께가 대략 동등하고, 냉각 플레이트는, 적층 방향의 하중에 대해 두께가 변화하는 구조를 구비하고 있으면 된다. 여기서, 「두께가 변화하는 구조」의 일례는, 냉각 플레이트의 측벽 또는 냉각관의 일부가 아코디언 구조 또는 벨로스 구조로 구성되어 있고, 하중에 따라 아코디언 구조 또는 벨로스 구조의 두께가 축소되는 것이다. 상기 서술한 바와 같이, 반도체 모듈은 그 적층 방향으로 양측으로부터 하중된다. 여기서, 반도체 패키지와 디바이스 패키지의 두께가 동등하기 때문에, 하중에 따라 냉각 플레이트의 두께가 균등하게 좁아져, 냉각 플레이트의 파손을 방지할 수 있다.
디바이스 패키지에 수납되어 있는 전자 부품은, 전형적으로는 콘덴서이다. 그 콘덴서는 편평한 권회식 콘덴서여도 되고, 적층식의 콘덴서여도 된다. 편평한 권회식 콘덴서는, 적층식 콘덴서에 비하여 저렴하다. 적층식의 콘덴서는 권회식 콘덴서에 비하여 용이하게 얇게 만들 수 있다.
디바이스 패키지의 수지 몰드는, 포팅 또는 분사에 의해 성형되는 것이 좋다. 포팅 또는 분사는, 반도체 소자와 관련하여 자주 사용되는 트랜스퍼 몰딩과 달리, 전자 부품을 고온 고압으로 할 필요가 없어, 내열성이 높지 않은 전자 부품의 몰딩에 적합하다.
반도체 패키지와 디바이스 패키지는, 2 장의 냉각 플레이트 사이의 1 개의 층에 인접하여 배치되어 있어도 되고, 상이한 층에 배치되어 있어도 된다. 전자의 경우에는 반도체 모듈의 적층 방향의 길이를 짧게 할 수 있다. 후자의 경우에는 반도체 모듈의 폭을 작게 할 수 있다. 또, 후자의 경우의 일례로는, 적어도 1 개의 반도체 패키지와 적어도 1 개의 디바이스 패키지는, 적층 방향에서 보아 겹치도록 배치되어 있어도 된다. 또는, 적어도 1 개의 반도체 패키지와 적어도 1 개의 디바이스 패키지가, 인접하는 2 개의 냉각 플레이트 사이에서 횡방향으로 나란히 배치되어 있어도 된다. 환언하면, 적어도 1 개의 반도체 패키지와 적어도 1 개의 디바이스 패키지가, 적층 방향과 교차하는 방향에서 나란히 배치되어 있어도 된다.
반도체 패키지 내의 반도체 소자와 디바이스 패키지 내의 전자 부품은, 직선의 버스 바에 의해 전기적으로 접속되어 있는 것이 바람직하다. 환언하면, 반도체 패키지 내의 반도체 소자와 디바이스 패키지 내의 전자 부품이 버스 바에 의해 최단 거리로 접속되어 있는 것이 좋다. 가장 짧은 버스 바로 반도체 소자와 전자 부품을 접속함으로써, 버스 바의 인덕턴스를 저감시킬 수 있다. 그러므로, 반도체 소자의 스위칭에 있어서의 서지 전류를 저감시킬 수 있다. 이것은 반도체 소자의 스위칭 로스의 저감으로 연결된다.
본 명세서가 개시하는 반도체 모듈의 상세, 및 추가적인 개량은, 발명의 실시형태에서 설명한다.
도 1 은 일 실시형태의 반도체 모듈의 사시도이다.
도 2 는 반도체 모듈의 부분 단면도이다.
도 3 은 반도체 모듈이 사용되는 모터 컨트롤러 유닛의 블록도이다.
도 4 는 일 실시형태의 반도체 모듈의 평면도이다.
도 5 는 다른 실시형태의 반도체 모듈의 평면도이다.
도 6 은 반도체 패키지와 디바이스 패키지의 접속의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7 은 반도체 패키지와 디바이스 패키지의 접속의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 8 은 편평한 권회식 콘덴서의 제조 공정의 일례를 설명하는 도면이다 (1).
도 9 는 편평한 권회식 콘덴서의 제조 공정의 일례를 설명하는 도면이다 (2).
도 10 은 편평한 권회식 콘덴서를 수납한 디바이스 패키지의 제조 공정의 일례를 설명하는 도면이다 (1).
도 11 은 편평한 권회식 콘덴서를 수납한 디바이스 패키지의 제조 공정의 일례를 설명하는 도면이다 (2).
도 12 는 편평한 권회식 콘덴서를 수납한 디바이스 패키지의 제조 공정의 일례를 설명하는 도면이다 (3).
도 13 은 적층식 콘덴서의 제조 공정의 일례를 설명하는 도면이다 (1).
도 14 는 적층식 콘덴서의 제조 공정의 일례를 설명하는 도면이다 (2).
도 15 는 적층식 콘덴서의 다른 제조 공정의 일례를 설명하는 도면이다.
도 16 은 또 다른 실시형태의 반도체 모듈의 단면도이다.
도 17 은 냉각 플레이트의 분해도를 나타낸다.
도 18 은 일 실시형태의 냉각 플레이트의 단면도를 나타낸다.
도면을 참조하여 실시예의 반도체 모듈을 설명한다. 도 1 은, 반도체 모듈 (100) 의 사시도이다. 또한, 도 1 은, 일부의 부품에 대해서는 본체로부터 분리하여 나타내고 있다. 반도체 모듈 (100) 은, 전기 자동차의 모터 컨트롤러 유닛에 장착되는 모듈로서, 인버터의 스위칭 소자를 구성하는 트랜지스터와 다이오드, 및 평활화 콘덴서를 합친 것이다. 반도체 모듈 (100) 은, 주로, 복수의 평판형 냉각 플레이트 (12) 와, 복수의 평판형 반도체 패키지 (5) 와, 콘덴서 (3) 를 내장한 복수의 디바이스 패키지 (2) 로 구성된다. 냉각 플레이트 (12) 의 내부에는 냉매가 흐르고 있고, 냉매가 반도체 패키지 (5) 와 디바이스 패키지 (2) 의 열을 빼앗아, 그들의 패키지가 냉각된다.
복수의 냉각 플레이트 (12) 는 평행하게 배치되어 있고, 인접하는 2 개의 냉각 플레이트 (12) 사이에 반도체 패키지 (5) 또는 디바이스 패키지 (2) 를 끼운다. 환언하면, 반도체 모듈 (100) 은, 평행하게 배치된 냉각 플레이트 (12) 와 반도체 패키지 (5) 또는 디바이스 패키지 (2) 가 교대로 적층된 적층체를 구성하고 있다. 적층체의 전체는 브래킷 (16) 으로 클램프된다. 적층체의 단부와 브래킷 (16) 의 리브 (16a) 사이에 스프링 (17) 이 장착되고, 그 스프링 (17) 이 적층체에 적층 방향의 압력을 가하고 있다. 스프링 (17) 의 압력에 의해, 냉각 플레이트 (12) 와 반도체 패키지 (5) 또는 디바이스 패키지 (2) 가 강하게 밀착된다. 강하게 밀착됨으로써, 냉각 플레이트 (12) 와 반도체 패키지 (5) 또는 디바이스 패키지 (2) 사이의 열전달 효율이 향상된다.
인접하는 냉각 플레이트 (12) 는, 2 개의 접속관 (13a, 13b) 으로 서로 접속되어 있다. 또, 적층체의 단부에 위치하는 냉각 플레이트 (12) 에는, 냉매를 공급하는 공급관 (15) 과 냉매를 배출하는 배출관 (14) 이 접속되어 있다. 공급관 (15) 으로부터 공급되는 냉매는, 접속관 (13a) 을 통하여 하류의 냉각 플레이트 (12) 로 흐른다. 또, 냉각 플레이트 (12) 의 내부를 통과한 냉매는 접속관 (13b) 을 통하여 배출관 (14) 으로 흐른다. 접속관 (13a, 13b) 은 냉각관의 일례에 상당한다.
반도체 모듈 (100) 은, 반도체 소자를 수납한 반도체 패키지 (5) 와 콘덴서 (3) 를 수납한 디바이스 패키지 (2) 를 교대로 끼우고 있다. 반도체 패키지 (5) 와 디바이스 패키지 (2) 는 대략 동일한 두께 (d1) 이다. 따라서, 복수의 냉각 플레이트 (12) 는, 폭 (d2) 의 대략 등간격으로 배치되어 있다. 인접하는 냉각 플레이트 (12) 사이의 폭 (d2) 은 패키지의 두께 (d1) 보다 근소하게 넓다. 또한, 냉각 플레이트 (12) 사이에 삽입될 때, 반도체 패키지 (5) 의 양측에는 세라믹제 절연판 (8) 이 장착된다. 인접하는 냉각 플레이트 (12) 사이의 폭 (d2) 과 패키지의 두께 (d1) 사이의 근소한 간극에는 절연판 (8) 이 삽입되고, 그리스가 충전된다.
반도체 패키지 (5) 에 대해 설명한다. 반도체 패키지 (5) 는, 내부에 2 개의 트랜지스터 (6a, 6b) 와 2 개의 다이오드 (7a, 7b) 를 수지로 몰드한 것이다. 도시는 생략했지만, 트랜지스터 (6a) 와 다이오드 (7a) 는, 수지 몰드의 내부에서 역병렬로 접속되어 있고, 트랜지스터 (6b) 와 다이오드 (7b) 도 역병렬로 접속되어 있다. 트랜지스터 (6a) 와 다이오드 (7a) 의 세트와, 트랜지스터 (6b) 와 다이오드 (7b) 의 세트는 직렬로 접속되어 있다. 잘 알려져 있는 바와 같이, 트랜지스터와 다이오드의 역병렬 회로는, 인버터나 전압 컨버터의 스위칭 회로로서 사용된다. 1 개의 반도체 패키지 (5) 는, 2 개의 스위칭 회로의 직렬 접속에 상당한다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 반도체 패키지 (5) 의 일측면 (도 1 에 있어서의 바닥면) 으로부터는, 3 개의 전극 (5a, 5b 및 5c) 이 연장되어 있고, 다른 일측면 (도 1 에 있어서의 상면) 으로부터는, 복수의 제어 단자 (5d) 가 연장되어 있다. 전극 (5a) 은, 2 개의 스위칭 회로의 직렬 접속의 정극 (正極) 에 연결되어 있고, 전극 (5b) 은, 2 개의 스위칭 회로의 직렬 접속의 부극 (負極) (접지) 에 연결되어 있다. 전극 (5c) 은, 2 개의 스위칭 회로의 직렬 접속의 중점에 연결되어 있다. 제어 단자 (5d) 는 트랜지스터의 게이트 전극에 연결되어 있다.
디바이스 패키지 (2) 는, 콘덴서 (3) 를 수지 몰드로 굳힌 것이다. 디바이스 패키지 (2) 의 일측면 (도 1 에 있어서의 바닥면) 으로부터는 콘덴서 (3) 의 양 전극 (2a, 2b) 이 연장되어 있다.
도 2 에, 반도체 모듈 (100) 의 부분 단면을 나타낸다. 도 2 에는, 3 장의 냉각 플레이트 (12) 와 그것들 사이에 낀 반도체 패키지 (5) 및 디바이스 패키지 (2) 의 단면이 도시되어 있다. 또한, 도 2 의 하측에는, 냉각 플레이트의 측단의 확대도가 도시되어 있다. 냉각 플레이트 (12) 는, 케이싱을 구성하는 2 장의 프레임판 (27) 과 내부의 공간을 2 분하는 구획 플레이트 (26), 및 냉각 핀에 상당하는 물결판 (25) 으로 구성되어 있다.
반도체 패키지 (5) 는, 트랜지스터 (22) (반도체 소자) 와 다이오드 (도시 생략) 를 수지로 몰드한 것이다. 반도체 패키지 (5) 의 양면에는 방열판 (21) 이 구비되어 있다. 방열판 (21) 은, 트랜지스터 (22) 와 다이오드의 열을 효율적으로 패키지의 표면에 확산시킨다. 반도체 패키지 (5) 와 냉각 플레이트 (12) 사이에는, 절연판 (24) 이 삽입되어 있고, 절연판 (24) 의 양측에는 그리스 (23) 가 충전되어 있다. 방열판 (21) 의 열은, 그리스 (23) 와 절연판 (24) 을 통하여 냉각 플레이트 (12) 로 이동한다.
디바이스 패키지 (2) 는, 콘덴서 (3) 를 수지로 몰드한 것이다. 디바이스 패키지 (2) 와 냉각 플레이트 (12) 사이에는 그리스 (23) 가 충전되어 있다. 콘덴서 (3) 의 열은, 수지의 몰드와 그리스 (23) 를 통하여 냉각 플레이트 (12) 로 이동한다.
디바이스 패키지 (2) 로부터 연장되어 있는 콘덴서 (3) 의 일방의 전극 (2a) 과 반도체 패키지 (5) 로부터 연장되어 있는 전극 (5a) 은, 직선적인 버스 바 (29a) 로 접속되어 있다. 디바이스 패키지 (2) 로부터 연장되어 있는 콘덴서 (3) 의 타방의 전극 (2b) 과 반도체 패키지 (5) 로부터 연장되어 있는 전극 (5b) 은, 직선적인 버스 바 (29b) 로 접속되어 있다.
도 3 은, 반도체 모듈 (100) 이 적용되는 디바이스의 회로 블록도이다. 도 3 은, 엔진 (87) 과 2 개의 모터 (85, 86) 를 구비한 하이브리드차 (80) 의 모터 컨트롤 유닛의 회로도이다. 반도체 모듈 (100) 은, 제 1 모터 (85) 에 교류 전력을 공급하는 제 1 인버터 (83) 의 스위칭 회로와, 제 2 모터 (86) 에 교류 전력을 공급하는 제 2 인버터 (84) 의 스위칭 회로, 및 그들 스위칭 회로에 부수하는 콘덴서를 집적한 것이다. 반도체 모듈 (100) 에는, 또, 배터리 (81) 의 출력 전압을 모터 구동에 적합한 고전압으로 변환하는 승압 컨버터 (82) 의 스위칭 회로도 포함된다. 이하에서는, 2 개의 스위칭 회로의 세트를 「파워 모듈」로 칭한다.
모터 컨트롤 유닛의 회로를 설명한다. 배터리 (81) 는, 승압 컨버터 (82) 에 접속되어 있다. 승압 컨버터 (82) 는, 2 개의 스위칭 회로의 직렬 접속과 리액터 (L) 로 구성된다. 2 개의 스위칭 회로의 직렬 접속이 파워 모듈 (PM7) 에 상당한다. 승압 컨버터 (82) 의 출력단은, 제 1 인버터 (83) 와 제 2 인버터 (84) 에 접속되어 있다. 잘 알려져 있는 바와 같이, 3 상 출력의 인버터는, 2 개의 스위칭 회로의 직렬 접속 (즉 파워 모듈) 을 3 세트 구비하고 있다. 제 1 인버터 (83) 는, 파워 모듈 (PM1, PM2, PM3) 을 구비하고 있다. 각각의 파워 모듈에 대해 콘덴서 (C1, C2, C3) 가 병렬로 접속되어 있다. 제 2 인버터 (84) 는 파워 모듈 (PM4, PM5, PM6) 을 구비하고 있다. 각각의 파워 모듈에 대해 콘덴서 (C4, C5, C6) 가 병렬로 접속되어 있다. 콘덴서 (C) 는, 파워 모듈 (PM) 을 흐르는 전류를 평활화한다.
하이브리드차 (80) 의 구동 메커니즘을 설명한다. 엔진 (87) 의 출력축과, 제 1 모터 (85) 의 출력축과, 제 2 모터 (86) 의 출력축은, 동력 분배 기구 (88) 로 서로 걸어맞춘다. 동력 분배 기구 (88) 는 플래니터리 기어이다. 엔진 (87) 의 출력축은 플래니터리 캐리어에 연결되어 있고, 제 1 모터 (85) 의 출력축은 선 기어에 연결되어 있고, 제 2 모터 (86) 의 출력축은 링 기어에 연결되어 있다. 링 기어는 또 차축 (89) 에 연결되어 있다. 차축 (89) 은 디퍼렌셜 (90) 을 개재하여 차륜에 연결되어 있다. 하이브리드차 (80) 는, 엔진 (87) 과 2 개의 모터 (85, 86) 의 출력을 적절히 조정함으로써 차륜 구동력을 얻는다. 또, 제 1 모터 (85) 는 엔진 (87) 을 시동하는 스타터로서도 기능한다. 또한, 동력 분배 기구 (88) 가 엔진 (87) 의 구동 토크의 일부를 제 1 모터 (85) 에 배분함으로써, 제 1 모터 (85) 로 발전시켜, 배터리 (81) 를 충전시킬 수 있다. 또, 하이브리드차 (80) 는, 차량의 운동 에너지를 이용하여 제 1 및 제 2 모터 (85, 86) 로 발전시킬 수도 있다.
반도체 모듈 (100) 은, 7 개의 파워 모듈 (PM1 - PM7) 과, 6 개의 콘덴서 (C1 - C6) 를 집적한 것이다. 1 개의 파워 모듈 (PM) 이 1 개의 반도체 패키지 (5) 에 상당한다. 또, 1 개의 콘덴서 (C) 가 1 개의 디바이스 패키지 (2) 에 상당한다. 반도체 패키지 (5) 와 디바이스 패키지 (2) 의 레이아웃의 배리에이션을 도 4 와 도 5 에 나타낸다. 도 4 는, 콘덴서를 매립한 디바이스 패키지 (2) 와 반도체 패키지 (5) 를 교대로 적층한 반도체 모듈 (100a) 을 나타내고 있다. 반도체 모듈 (100a) 은, 인접하는 냉각 플레이트 (12) 사이의 1 개의 층에 1 개의 반도체 패키지 (5) 또는 디바이스 패키지 (2) 를 수용하고 있다. 따라서, 반도체 모듈 (100a) 은, 적층 방향의 길이는 길어지지만, 횡방향의 폭은 작게 할 수 있다. 적층 방향에서 인접하는 반도체 패키지 (5) 와 디바이스 패키지 (2) 는, 버스 바 (29a, 29b) 에 의해 전기적으로 결합된다. 도 5 는, 인접하는 냉각 플레이트 (12) 사이의 1 개의 층에 1 개의 반도체 패키지 (5) 와 1 개의 디바이스 패키지 (2) 를 수용한 반도체 모듈 (100b) 을 나타내고 있다. 1 개의 반도체 패키지 (5) 와 1 개의 디바이스 패키지 (2) 는 횡방향으로 나란히 배치된다. 반도체 모듈 (100b) 은, 횡방향의 폭은 커지지만, 적층 방향의 길이는 짧아진다. 횡방향에서 인접하는 반도체 패키지 (5) 와 디바이스 패키지 (2) 는, 버스 바 (29a, 29b) 에 의해 전기적으로 결합된다.
도 6 과 도 7 은, 1 개의 층에 늘어선 반도체 패키지 (5) 와 디바이스 패키지 (2) 의 배선의 배리에이션을 나타내고 있다. 도 6 과 도 7 은, 몰드를 연 상태를 나타내고 있다. 도 6 의 반도체 모듈 (100c) 에서는, 디바이스 패키지 (2) 의 전극 (2a, 2b) 과, 반도체 패키지 (5) 의 전극 (5a, 5b, 및 5c) 이, 냉각 플레이트 (12) 의 측방으로 평행하게 연장되어 있다. 그리고, 전극 (2a) 과 전극 (5a) 이 직선상의 버스 바 (29a) 로 접속되어 있고, 전극 (2b) 과 전극 (5b) 이 직선상의 버스 바 (29b) 로 접속되어 있다.
도 7 의 반도체 모듈 (100d) 에서는, 콘덴서 (3) 와 트랜지스터 (6a, 6b) 는, 직선상의 버스 바 (302a, 302b) 에 의해 접속되어 있다. 버스 바 (302a, 302b) 는, 도 6 의 버스 바 (29a, 29b) 와 같이 전극 (2, 5) 을 개재하지 않고 콘덴서와 트랜지스터를 접속시키고 있고, 버스 바 (29a, 29b) 와 비교하여 짧다.
다음으로, 콘덴서를 내포하는 디바이스 패키지의 제조 방법의 일례를 소개한다. 먼저, 편평한 권회형 콘덴서를 내포하는 디바이스 패키지를 소개한다. 도 8 에 나타내는 바와 같이, 평탄한 판의 심 (52) 에 필름 (51) 을 권회하고, 그것을 1 쌍의 프레스판 (53) 을 사용하여 양측으로부터 압력을 가하여 편평화한다. 그렇게 하면, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 편평한 권회 콘덴서 (55) 가 얻어진다. 다음으로, 편평한 권회 콘덴서 (55) 에 전극 (2a, 2b) 을 장착하고, 그것을 금형 (56) 에 넣는다 (도 10). 다음으로, 금형 (56) 에 수지 (57) 를 흘려넣는다 (도 11). 이 방법은, 포팅으로 불리는 제법의 일례이다. 수지가 고화된 후에 금형 (56) 을 떼어내어, 편평한 권회 콘덴서 (55) 를 몰드한 디바이스 패키지 (2) 가 얻어진다 (도 12).
상기 서술한 바와 같이, 디바이스 패키지 (2) 는, 수지의 포팅에 의해 만들어진다. 포팅은 수지를 고온 고압으로 하지 않아도 되기 때문에, 내열성이 높지 않은 콘덴서의 몰딩에 적합하다. 포팅 대신에 수지 분사에 의해, 디바이스 패키지 (2) 를 제조하는 것도 바람직하다.
다음으로, 적층형 콘덴서의 제조 방법의 예를 소개한다. 하나의 방법은, 필름 (151) 을 적층하는 방법이다 (도 13). 다수의 필름 (151) 을 적층함으로써, 적층형 콘덴서 (155) 가 얻어진다 (도 14). 다른 하나의 방법은, 대형의 다각형의 보빈 (252) 을 준비하고, 그 보빈 (252) 에 필름 (251) 을 감는다. 평탄한 부분을 잘라내면, 적층형 콘덴서 (255) 가 얻어진다. 또한, 콘덴서의 애스펙트비는 10 이상인 것이 바람직하다. 여기서, 애스펙트비는 장변과 단변의 비이다. 도 14 에 나타내는 부호를 사용하면, 애스펙트비는, 폭 (W)/두께 (T), 또는, 깊이 (L)/두께 (T) 에 상당한다.
또 다른 양태의 반도체 모듈 (100e) 을 설명한다. 도 16 에 반도체 모듈 (100e) 의 단면도를 나타낸다. 또한, 도 16 에서는, 반도체 모듈 (100e) 의 냉각기의 부분만을 나타내고 있고, 인접하는 냉각 플레이트 사이에 끼워지는 반도체 패키지와 디바이스 패키지의 도시는 생략하고 있다. 인접하는 냉각 플레이트 사이에 끼워지는 반도체 패키지와 디바이스 패키지는, 제 1 실시예의 반도체 모듈 (100) 의 경우와 동일해도 된다. 반도체 모듈 (100e) 의 냉각기는, 냉각 플레이트 (12a ∼ 12g) 로 구성된다. 이하, 냉각 플레이트 (12a ∼ 12g) 를 총칭하는 경우에는, 「냉각 플레이트 (12)」로 칭한다. 또한, 도 16 에서는, 상측의 2 장의 냉각 플레이트 (12a, 12b) 만에는, 개개의 부품에 부호를 붙였지만, 다른 냉각 플레이트에서는 개개의 부품에 대한 부호는 도시를 생략하였다.
도 17 에 냉각 플레이트 단체의 분해 사시도를 나타낸다. 도 17 은, 공급관 (15) 과 배출관 (147) 이 접속되는 최외측의 냉각 플레이트 (12a) 의 분해 사시도이다. 단, 어느 냉각 플레이트도 필터 (129) 의 유무를 제외하고 동일한 구조이다. 최외측의 냉각 플레이트 (12a) 의 케이싱은, 2 장의 대향하는 외판 (121, 125) 으로 구성된다. 외판 (121, 125) 은, 플랜지가 형성된 얕은 용기상의 형상을 갖고 있고, 중판 (123) 을 사이에 두고 플랜지를 서로 마주 보게 하여 접합함으로써, 내부에 냉매 유로 (131, 132) (도 16 도 참조) 를 갖는 냉각 플레이트 (12a) 가 형성된다. 또한, 외판의 플랜지끼리는 납땜에 의해 접합된다.
일방의 외판 (121) 에는, 2 개의 개구부 (121a, 121b) 가 형성되어 있다. 개구부는 외판의 표면으로부터 돌출되어 있다. 이하, 그러한 개구부를 돌출 개구부로 칭하는 경우가 있다. 타방의 외판 (125) 에도 그 길이 방향 (도면의 X 방향) 의 양측에 돌출 개구부 (125a 와 125b) 가 형성되어 있다. 중판 (123) 에도 외판의 개구부와 대향하는 위치에 개구부 (123a, 123b) 가 형성되어 있다. 개구부 (121a, 123a, 및 125a) 는, 냉각 플레이트의 적층 방향 (도면 중의 Y 방향) 에서 보아 겹치도록 형성되어 있고, 그들의 개구부는 냉각 플레이트 (12a) 를 관통하는 관통공을 구성한다. 마찬가지로, 개구부 (121b, 123b, 및, 125b) 도 관통공을 구성한다. 최외측의 냉각 플레이트 (12a) 의 2 개의 관통공은, 반도체 패키지가 맞닿는 영역 (118) 의 양측에 형성되어 있다.
중판 (123) 은, 냉각 플레이트 (12a) 내부 공간을 2 개로 가른다. 도 17 에 있어서, 하측의 외판 (125) 의 개구부 (125a) 에 냉매의 공급관 (15) 이 접속되기 때문에, 도 17 에 있어서 하측이 냉매 상류에 상당한다. 중판 (123) 은, 냉각 플레이트 (12a) 의 내부의 유로를, 상류측 유로 (131) 와 하류측 유로 (132) 로 구분한다.
중판 (123) 의 상류측의 개구부 (123a) 에는, 이물질을 제거하는 필터 (129) 가 장착되어 있다. 냉매의 공급관 (15) 으로부터 유입되는 냉매에 함유되는 이물질은, 필터 (129) 에 의해 최외측의 냉각 플레이트 (12a) 보다 하류측의 냉각 플레이트로는 흐르지 않고, 최외측의 냉각 플레이트 (12a) 의 상류측 유로 (131) 를 통하여, 배출관 (14) 으로 배출된다.
상류측의 유로 (131) 에는, 유로의 흐름 방향을 따라 연장하는 방열핀 (124) (조 (粗) 피치 방열핀 (124)) 이 배치되고, 하류측의 유로 (132) 에는, 유로의 흐름 방향을 따라 연장하는 방열핀 (122) (세 (細) 피치 방열핀 (122)) 이 배치된다. 방열핀 (124, 122) 은, 외판 (121, 125) 의 열을 냉매에 전달하기 쉽게 하기 위하여 구비되어 있고, 냉각 플레이트 (12a) 의 냉각 능력을 높인다. 상류측의 조피치 방열핀 (124) 의 피치는, 하류측의 세피치 방열핀 (122) 보다 성기다. 방열핀 (122, 124) 은, 물결판으로, 물결의 하나하나가 「핀」에 상당한다. 또, 「핀의 피치」란 물결판의 피치를 의미한다. 상류측의 유로 (131) 에는, 이물질이 흐르기 쉽도록, 피치가 성긴 조피치 방열핀 (124) 을 배치하고, 하류측의 유로 (132) 에는, 필터 (129) 에 의해 이물질이 흐르지 않기 때문에, 냉각 효율을 높이는 세피치 방열핀 (122) 을 배치하고 있다.
도 16 으로 돌아와 설명을 계속한다. 인접하는 2 장의 냉각 플레이트에 있어서, 일방의 냉각 플레이트의 돌출 개구부 (121a (121b)) 와, 이것에 대향하는 타방의 냉각 플레이트의 돌출 개구부 (125a (125b)) 가 끼워맞춰져, 접속관 (113) 을 형성한다. 돌출 개구부 (121a (121b)) 와 돌출 개구부 (125a (125b)) 도, 납땜 등으로 접합된다.
도 16 에 잘 나타나 있는 바와 같이, 냉각 플레이트의 구조는 전부 동일하다. 단, 상류측의 냉각 플레이트 (12a) 의 중판 (123) 의 공급관 (15) 에 가까운 관통공에만 필터 (129) 가 구비되어 있다. 또, 도 16 에서는 도시를 생략하고 있지만, 최외측의 냉각 플레이트 (12a) 의 상류측 유로 (131) 에는, 조피치 방열핀 (124) (도 17 참조) 이 배치되어 있고, 그 이외의 유로에는, 세피치 방열핀 (122) 이 배치되어 있다.
도 16 에 나타낸 유로 내의 화살표는, 냉매의 흐름을 나타내고 있다. 화살표가 나타내는 바와 같이, 공급관 (15) 으로부터 냉각기에 공급되는 냉매는, 각 냉각 플레이트를 평행하게 흐르고, 배출관 (14) 으로부터 나간다. 냉매에 혼입된 이물질은, 필터 (129) 에 의해 하류측 유로 (132) 및 다른 냉각 플레이트로는 흘러들지 않고, 최외측의 냉각 플레이트 (12a) 의 상류측 유로 (131) 를 통하여, 배출관 (14) 으로 흘러간다. 이 때, 상류측 유로 (131) 에는 세피치 방열핀 (122) 이 아니라, 조피치 방열핀 (124) 이 배치되어 있으므로, 핀 사이의 넓은 간극을 통하여 이물질은 순조롭게 흘러간다.
반도체 패키지와 디바이스 패키지 (도시 생략) 는, 최외측의 냉각 플레이트 (12a) 와 이것에 인접하는 냉각 플레이트 (12b) 사이의 공간 (134a) 에 배치된다. 마찬가지로, 인접하는 냉각 플레이트 사이의 공간 (134b ∼ 134f) 에, 반도체 패키지 또는 디바이스 패키지가 배치된다. 상기 서술한 바와 같이, 복수의 냉각 플레이트 (12) 와 복수의 반도체 패키지 (또는 디바이스 패키지) 의 적층체는, 그 적층 방향으로 압축 하중을 받아 서로 밀착된다. 반도체 패키지의 열은, 냉각 플레이트 (12) 의 외판 (121, 125), 및 세피치 방열핀 (122) 을 통하여 냉매로 흡수되고, 반도체 패키지가 냉각된다.
도 16 에 잘 나타나 있는 바와 같이, 최외측의 냉각 플레이트 (2a) 의 상류측에는 반도체 패키지가 배치되지 않는다. 그 때문에, 최외 냉각 플레이트 (12a) 의 상류측 유로 (131) 에 조피치 방열핀 (124) (도 17 참조) 을 배치하고, 다른 냉각 플레이트보다 냉각 성능을 낮춰도 반도체 모듈 (100e) 의 전체적으로는 냉각 능력에 영향은 없다.
도 18 을 참조하여, 도 16, 도 17 에서 나타낸 냉각 플레이트 (12) 의 변형예를 설명한다. 도 18 은, 서로 접속된 2 개의 냉각 플레이트 (212) 의 단면도이다. 냉각 플레이트 (212) 는 서로 접속되고, 접속관 (213) 을 구성하는 개구부 (221a (221b)) 와 225a (225b)) 를 갖는다. 개구부 (221a (221b)) 의 조인트가 벨로스 (230) 를 구성하고 있다. 마찬가지로, 개구부 (225a (225b)) 의 조인트도 벨로스 (230) 를 구성하고 있다. 즉, 접속관 (213) 의 조인트에 벨로스 (230) 가 형성된다. 적층된 냉각 플레이트군이 적층 방향으로 하중을 받으면, 벨로스 (230) 가 축소되어, 인접하는 플레이트 사이의 거리 (d2) 가 줄어든다. 즉 냉각 플레이트 (212) 는, 적층 방향의 하중에 대해 플레이트 사이 거리 (d2) 가 변화되는 구조를 구비하고 있다. 또한, 도 18 에서는 도 16, 도 17 에서 나타낸 중판 (123) 의 도시는 생략하였다.
실시예의 기술에 관한 유의점을 서술한다. 실시예의 반도체 모듈 (100) 에서는, 반도체 패키지와 디바이스 패키지의 폭이 대략 동등하고, 그러므로 복수의 냉각 플레이트가 대략 등간격으로 배치되어 있다. 냉각관은, 인접하는 2 개의 냉각 플레이트를 접속한다. 실시예의 구성에 의하면, 냉각 플레이트 사이의 거리가 동등한 반도체 모듈에, 반도체와 다른 전자 부품을 끼울 수 있다. 냉각 플레이트 사이의 거리가 동등하기 때문에 인접하는 냉각 플레이트 사이에 형성되는 냉각관의 부품을 통일할 수 있고, 제조 비용을 삭감할 수 있다.
실시예의 반도체 패키지는, 반도체 소자와 냉각 플레이트 사이에 형성되는 절연판을 포함해도 된다. 또, 디바이스 패키지는, 전자 부품과 냉각 플레이트의 사이에 형성되는 절연판을 포함해도 된다.
이상, 본 발명의 구체예를 상세하게 설명했지만, 이들은 예시에 지나지 않고, 특허 청구의 범위를 한정하는 것은 아니다. 특허 청구의 범위에 기재된 기술에는, 이상에 예시한 구체예를 여러 가지로 변형, 변경한 것이 포함된다. 본 명세서 또는 도면에 설명한 기술 요소는, 단독으로 또는 각종의 조합에 의해 기술적 유용성을 발휘하는 것으로서, 출원시 청구항에 기재된 조합에 한정되는 것은 아니다. 또, 본 명세서 또는 도면에 예시한 기술은 복수 목적을 동시에 달성할 수 있는 것으로서, 그 중 하나의 목적을 달성하는 것 자체로 기술적 유용성을 갖는 것이다.

Claims (10)

  1. 복수의 평판형 냉각 플레이트와,
    반도체 소자를 수납한 복수의 평판형 반도체 패키지와,
    상기 반도체 패키지에 수납된 반도체 소자와는 상이한 종류의 전자 부품을 수납하고 있는 평판형의 디바이스 패키지와,
    인접하는 냉각 플레이트 사이에 걸쳐 형성되고, 내부를 냉매가 통과하는 냉각관을 구비하고 있고,
    복수의 냉각 플레이트는 대략 등간격으로 배치되어 있고, 인접하는 냉각 플레이트 사이에 반도체 패키지와 디바이스 패키지가 협지되어 있고,
    평판형 냉각 플레이트와, 반도체 패키지 또는 디바이스 패키지가 교대로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    반도체 패키지의 두께와 디바이스 패키지의 두께가 대략 동등한 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    디바이스 패키지는 수지로 몰드되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    디바이스 패키지에 수납되어 있는 전자 부품은 콘덴서인 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 콘덴서는, 편평한 권회식 콘덴서인 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 콘덴서는, 적층식 콘덴서인 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    디바이스 패키지의 수지 몰드는, 포팅 또는 분사에 의해 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 1 개의 반도체 패키지와 적어도 1 개의 디바이스 패키지는, 적층 방향에서 보아 겹치도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 1 개의 반도체 패키지와 적어도 1 개의 디바이스 패키지가, 인접하는 2 개의 냉각 플레이트 사이에서 횡방향으로 나란히 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    반도체 패키지 내의 반도체 소자와 디바이스 패키지 내의 전자 부품이, 직선상의 버스 바에 의해 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
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