(57)【要約】【課題】パワーモジュールと絶縁板と冷却器を積層し、その接触面にグラファイトシートを介在させる方式では、グラファイトシートと対向面の接触面積が不足し、熱抵抗が下がらない。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置は、内部に半導体素子を収容しているとともに表面に放熱板が露出しているパワーモジュールと、パワーモジュールを冷却する冷却器と、放熱板と冷却器の間に介在して両者を絶縁する絶縁板を備えている。放熱板と絶縁板の間と、絶縁板と冷却器の間の、少なくとも一方にグラファイトシートが介在している。グラファイトシートに対向する対向面に、グラファイトシートに突入する突起群または突条群が形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に半導体素子を収容しているとともに表面に放熱板が露出しているパワーモジュールと、前記パワーモジュールを冷却する冷却器と、前記放熱板と前記冷却器の間に介在して両者を絶縁する絶縁板を備えており、
前記放熱板と前記絶縁板の間と、前記絶縁板と前記冷却器の間の、少なくとも一方にグラファイトシートが介在しており、
前記グラファイトシートに対向する対向面に、前記グラファイトシートに突入する突起群または突条群が形成されている半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書では、内部に半導体素子を収容しているとともに表面に放熱板が露出しているパワーモジュールと、パワーモジュールを冷却する冷却器と、放熱板と冷却器の間に介在して両者を絶縁する絶縁板を備えている半導体装置を開示する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電動自動車の走行用モータに給電するインバータを得るために、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を内部に収容しているととともに電極を兼用する放熱板が表面に露出している半導体モジュールが開発されている。その半導体素子は動作に伴って発熱することから冷却する必要があり、冷却器と併用する技術が開示されている。冷却器は導電体で形成されていることから、電極を兼用する放熱板から絶縁する必要がある。上記の必要性から、半導体モジュールと絶縁板と冷却器をその順序で積層した半導体装置が開発されている。本明細書では、上記の半導体モジュールをパワーモジュールという。
【０００３】
パワーモジュールと絶縁板と冷却器を積層した半導体装置では、パワーモジュールと絶縁板の間の熱抵抗が低く、絶縁板と冷却器の間の熱抵抗が低いことが必要となる。そこで、パワーモジュールと絶縁板の間隔、および／または、絶縁板と冷却器の間隔に伝熱性グリスを充填する技術が開発されている。
【０００４】
グリスの使用によって熱抵抗を下げることはできるが、そのグリスには熱サイクルが作用することから、前記間隔からグリスが抜け出してしまうことに対する対策が必要となる。その対策が難しく、それが問題となっている。
【０００５】
そこで、パワーモジュールと絶縁板の間、および／または、絶縁板と冷却器の間にグリスのかわりにグラファイトシートを介在させる技術が提案され、特許文献１に開示されている。グラファイトシートであれば、グリスにように抜け出してしまうことがない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−０２８０４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
グラファイトシートは熱抵抗が低いことから、特許文献１の技術によって熱抵抗が下がると期待されるが、実際には期待したほど下がらない。特許文献１では、「グラファイトシートは、柔軟性が高いから、放熱板と絶縁板とに良好に密着できる。」と述べられている。しかしながら、実際に検証してみると、グラファイトシートの対向面（パワーモジュールと絶縁板の間にグラファイトシートを用いる場合はパワーモジュールの放熱板の表面、絶縁板と冷却器の間にグラファイトシートを用いる場合は冷却器の表面）には細かな凹凸が存在し、グラファイトシートがその凹凸に追従できず、グラファイトシートと対向面の接触面積が小さくなることが判明した。本明細書では、グラファイトシートと対向面の接触面積が不足しないようにする技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書で開示する半導体装置は、内部に半導体素子を収容しているとともに表面に放熱板が露出しているパワーモジュールと、パワーモジュールを冷却する冷却器と、パワーモジュールの放熱板と冷却器の間に介在して両者を絶縁する絶縁板を備えている。放熱板と絶縁板の間と、絶縁板と冷却器の間の、少なくとも一方にグラファイトシートが介在している。本明細書に開示する技術では、グラファイトシートに対向する面に、グラファイトシートに突入する突起群または突条群が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
本明細書で開示する半導体装置では、放熱板と絶縁板の間と、絶縁板と冷却器の間の双方にグラファイトシートを介在させることもできるし、一方にのみグラファイトシートを介在させることもできる。例えば、放熱板と絶縁板の間にのみグラファイトシートを介在させ、絶縁板と冷却器の間には伝熱グリスを介在させることもできる。逆に、放熱板と絶縁板の間に伝熱グリスを介在させ、絶縁板と冷却器の間にのみグラファイトシートを介在させることもできる。双方にグラファイトシートを介在させる場合は、放熱板と冷却器の双方が対向面となり、一方にのみグラファイトシートを介在させる場合は、放熱板と冷却器の一方が対向面となる。また、本明細書に開示する技術は、伝熱グリスと両立しないものでなく、グラファイトシートと伝熱グリスを併用することを排除しない。
【００１０】
放熱板と冷却器の一方または双方の対向面に、グラファイトシートに突入する突起群または突条群が形成されていると、グラファイトシートと対向面の接触面積が十分に確保でき、放熱板と冷却器の一方または双方とグラファイトシートの間の熱抵抗が低くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例の半導体装置の断面図である。
【図２】実施例の半導体装置の主要部の分解斜視図である。
【図３】対向面に突起群を加工する工程を示す図である。
【図４】突起群と突条群の平面図である。
【図５】第２実施例の半導体装置の断面図である。
【図６】従来の半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図６は従来の半導体装置の断面を示す。パワーモジュール５０は扁平であり、その幅広面に放熱板５２Ａ１、５２Ｂ１、５２Ａ２、５２Ｂ２が露出している。
【００１３】
パワーモジュール５０の上側に、伝熱グリス４０Ａ、絶縁板３０Ａ、伝熱グリス２０Ａ、冷却器１０Ａが積層されており、下側に、伝熱グリス４０Ｂ、絶縁板３０Ｂ、伝熱グリス２０Ｂ、冷却器１０Ｂが積層されている。パワーモジュール５０は、半導体素子５４１の上下を電極兼用の放熱板５２Ａ１、５２Ｂ１で挟み、半導体素子５４２の上下を電極兼用の放熱板５２Ａ２、５２Ｂ２で挟み、その周囲を樹脂５６で封止している。冷却器１０Ａ、１０Ｂの内側を冷却液が通過する。
【００１４】
伝熱グリス４０Ａ、４０Ｂに作用する熱サイクルに比して、伝熱グリス２０Ａ、２０Ｂに作用する熱サイクルは穏やかであり、伝熱グリス２０Ａ、２０Ｂが抜け出ることに対しては対策することができる。しかしながら、伝熱グリス４０Ａ、４０Ｂに対しては困難である。そこで、以下の実施例を開発した。
【００１５】
図１は、実施例１の断面図を示すものである。図６に示した冷却器１０Ａ、１０Ｂと、伝熱グリス２０Ａ、２０Ｂの図示が省略されているが、実際には上記が存在する。図１に示すように、パワーモジュール５０は、内部に半導体素子５４１、５４２を収容しており、幅広の表面に電極を兼用する放熱板５２Ａ１、５２Ｂ１、５２Ａ２、５２Ｂ２が露出している。放熱板５２Ａ１と絶縁板３０Ａの間にグラファイトシート６０Ａ１が介在し、放熱板５２Ｂ１と絶縁板３０Ｂの間にグラファイトシート６０Ｂ１が介在し、放熱板５２Ａ２と絶縁板３０Ａの間にグラファイトシート６０Ａ２が介在し、放熱板５２Ｂ２と絶縁板３０Ｂの間にグラファイトシート６０Ｂ２が介在している。
【００１６】
図２は、絶縁板３０Ａとグラファイトシート６０Ａ１、６０Ａ２とパワーモジュール５０の分解斜視図を示している。絶縁板３０Ｂとグラファイトシート６０Ｂ１、６０Ｂ２とパワーモジュール５０の関係も同様である。
【００１７】
図３は、放熱板５２（添え字に関わらずに共通する事象については添え字を省略する）の対向面（グラファイトシートに接する面）に施す加工を示しており、レーザー発生装置７０から発生するレーザー光７２を対向面に照射する。照射領域には凹所が形成される。レーザー光のビームプロファイルを調整することで、凹所を形成する側面の角度を調整することができる。本実施例では、垂直に近い側面（すなわち急峻な側面)が形成されるようにする。
【００１８】
加工時には、レーザー光７２の照射位置を対向面内で走査する。走査すると、隣接する凹所と凹所の間に突起５８が形成される。本実施例では、凹所を形成する側面が垂直に近いことから、突起５８の側面も急峻である。この加工によって、グラファイトシート６０を積層するとグラファイトシート６０に食い込むほど鋭利な突起５８が放熱板５２の表面に形成される。
【００１９】
レーザー光７２の走査条件によって、突起の形状または配置位置を調整できる。図４の（１）に示すように直線状に延びる突条群を形成することもできれば、図４（２）に示すようにジグザク状に延びる突条群を形成することもできれば、図４（３）に示すように、格子状に配置された突起群を形成することもできる。
【００２０】
突起群または突条群を形成した対向面にグラファイトシートを重ねると、図３の（４）に示すように、突起群または突条群がグラファイトシート６０に食い込む。この結果、放熱板５２とグラファイトシート６０の間に十分な接触面積を確保でき、両者間の熱抵抗を下げることができる。
【００２１】
図１では、放熱板５２Ａ１に対してグラファイトシート６０Ａ１を積層し、放熱板５２Ａ２に対してグラファイトシート６０Ａ２を積層しているが、図５に示すように、放熱板５２Ａ１、５２Ａ２に対して共通グラファイトシート６０Ａを積層してもよい。同様に放熱板５２Ｂ１、５２Ｂ２に対して共通グラファイトシート６０Ｂを積層してもよい。
【００２２】
本実施例では、放熱板５２と絶縁板３０の間にグラファイトシート６０を介在させているが、それに代えて、絶縁板３０と冷却器１０の間にグラファイトシートを介在させてもよい。あるいは、放熱板５２と絶縁板３０の間と、絶縁板３０と冷却器１０の間の双方にグラファイトシートを介在させてもよい。冷却器１０がグラファイトシート６０に接する場合は、冷却器１０の対向面に、図３を参照して説明した加工を施す。
【００２３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２４】
１０：冷却器    ２０：伝熱グリス    ３０：絶縁板    ４０：伝熱グリス    ５０：パワーモジュール    ５２：放熱板    ６０：グラファイトシート    ７０：レーザー発生装置    ７２：レーザー光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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