(57)【要約】【課題】一対のヒートシンクの加工工数を抑制しつつ冷却ベースの流路内におけるシール性を維持することができる半導体モジュールを提供すること。【解決手段】半導体素子５０と、半導体素子５０が収容されるハウジング２０と、を備え、ハウジング２０は、半導体素子５０を挟みこむように設けられ、半導体素子５０が収容される収容空間Ｓを形成する一対のヒートシンク２３を有し、冷却ベースの開口部を通じて流路に挿入される金属製の収容部２１と、収容部２１から冷却ベースの開口部を覆うように設けられているフランジ部２２と、を有し、収容部２１は、一対のヒートシンク２３の外縁に設けられ、且つ互いに対向している合わせ面２７ａを接合する接合部２８を備え、接合部２８は、樹脂６０により構成されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却媒体が流れる流路が設けられ、前記流路に連通する開口部を有する冷却ベースの前記流路に挿入される半導体モジュールであって、
半導体素子と、
前記半導体素子が収容されるハウジングと、を備え、
前記ハウジングは、
前記半導体素子が収容される収容空間を有し、前記冷却ベースの前記開口部を通じて前記流路に挿入される金属製の収容部と、
前記収容部から前記開口部を覆うように設けられているフランジ部と、を有し、
前記収容部は、
前記半導体素子を挟みこむように設けられる一対のヒートシンクを有するとともに前記一対のヒートシンクの外縁に設けられ、且つ互いに対向している前記一対のヒートシンクの合わせ面を接合する接合部を有し、
前記接合部は、樹脂により構成されていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記収容空間は、前記樹脂により充填され、
前記接合部を構成する前記樹脂と前記収容空間に充填される前記樹脂とは一体化していることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記一対のヒートシンクに設けられ、熱伝導性を有するとともに前記一対のヒートシンクと前記半導体素子とを絶縁する絶縁層と、
前記半導体素子と電気的に接続されるとともに前記フランジ部から突出する電極端子に連続している電極層と、を備え、
前記収容空間において、前記絶縁層と前記電極層とが積層されている状態で前記半導体素子は、前記電極層により挟みこまれていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷却媒体（例えば、冷却水）が流れる流路が設けられ、流路に連通する開口部を有する冷却ベースの流路に挿入される半導体モジュールが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
上記の半導体モジュールは、半導体素子と、半導体素子を収容する金属製（例えば、アルミニウム製）のハウジングとを備えている。ハウジングは、半導体素子が収容される収容部と、収容部から冷却ベースの開口部を覆うように設けられるフランジ部とを備えている。収容部は、冷却ベースの開口部を通じて流路に挿入される。フランジ部は、冷却ベースに固定される。
【０００４】
また、上記の半導体モジュールにおいて、収容部は複数の冷却フィンを有する一対のヒートシンクから構成されている。一対のヒートシンクは、半導体素子を挟み込むように設けられ、半導体素子が収容される収容空間を形成している。一対のヒートシンクは、互いに対向している合わせ面の間が接合されることにより、半導体モジュールを冷却媒体が流れる冷却ベースの流路に挿入することが可能となる。なお、合わせ面同士は、摩擦撹拌接合等で接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−３９２２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記の半導体モジュールにおいて、一対のヒートシンクの合わせ面を摩擦撹拌接合等で接合するとき、シール性の観点から合わせ面間の隙間の寸法範囲は小さく、このような隙間の寸法とするには一対のヒートシンクの合わせ面の表面粗さの要求精度が高くなる。よって、一対のヒートシンクの要求精度を満たすために一対のヒートシンクの合わせ面を切削加工する等の工程が増えてしまい、半導体モジュールの製品コストが高くなる虞がある。
【０００７】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、一対のヒートシンクの加工工数を抑制しつつ冷却ベースの流路内におけるシール性を維持することができる半導体モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する半導体モジュールは、冷却媒体が流れる流路が設けられ、前記流路に連通する開口部を有する冷却ベースの前記流路に挿入される半導体モジュールであって、半導体素子と、前記半導体素子が収容されるハウジングと、を備え、前記ハウジングは、前記半導体素子が収容される収容空間を有し、前記冷却ベースの前記開口部を通じて前記流路に挿入される金属製の収容部と、前記収容部から前記開口部を覆うように設けられているフランジ部と、を有し、前記収容部は、前記半導体素子を挟みこむように設けられる一対のヒートシンクを有するとともに前記一対のヒートシンクの外縁に設けられ、且つ互いに対向している前記一対のヒートシンクの合わせ面を接合する接合部を有し、前記接合部は、樹脂により構成されている。
【０００９】
これによれば、一対のヒートシンクの合わせ面を接合する接合部は、樹脂により構成されている。このため、一対のヒートシンクの合わせ面の表面粗さが粗い状態であっても樹脂により一対のヒートシンクを接合できる。よって、一対のヒートシンクの合わせ面には、要求精度が必要なく、切削加工も必要ない。したがって、一対のヒートシンクの加工工数を抑制しつつ冷却ベースの流路内におけるシール性を維持することができる。
【００１０】
上記の半導体モジュールにおいて、前記収容空間は、前記樹脂により充填され、前記接合部を構成する前記樹脂と前記収容空間に充填される前記樹脂とは一体化しているとよい。
【００１１】
収容空間に収容されている半導体素子を樹脂によりモールドすることで半導体モジュールの内部に半導体モジュールの外部からの異物の侵入を抑制することが知られている。
これによれば、接合部を構成する樹脂を、半導体素子をモールドするために収容空間に充填される樹脂で形成している。そのため、収容空間に収容される半導体素子を樹脂によりモールドする過程に連続して接合部を形成することができる。よって、半導体モジュールの製造工数を少なくすることができる。
【００１２】
上記の半導体モジュールにおいて、前記一対のヒートシンクに設けられ、熱伝導性を有するとともに前記一対のヒートシンクと前記半導体素子とを絶縁する絶縁層と、前記半導体素子と電気的に接続されるとともに前記フランジ部から突出する電極端子に連続している電極層と、を備え、前記収容空間において、前記絶縁層と前記電極層とが積層されている状態で前記半導体素子は、前記電極層により挟みこまれているとよい。
【００１３】
これによれば、半導体素子により発生した熱を電極層及び絶縁層を介して一対のヒートシンクに直接的に伝達することができる。そのため、冷却ベースの流路に収容部が挿入された状態において半導体素子の冷却性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、一対のヒートシンクの加工工数を抑制しつつ冷却ベースの流路内におけるシール性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】半導体モジュールの斜視図。
【図２】半導体モジュールを冷却ベースに取り付けた断面図。
【図３】半導体モジュールのフランジ部の断面図。
【図４】半導体モジュールの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、半導体モジュールを具体化した実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、半導体モジュール１０は、半導体素子５０（図４参照）と、半導体素子５０が収容されるハウジング２０と、半導体素子５０に電気的に接続されている電極端子３０と、半導体素子５０に電気的に接続されている制御端子４０とを備えている。半導体素子５０としては、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）や電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）が採用されている。
【００１７】
ハウジング２０は、有底長四角筒状の収容部２１及び長四角板状のフランジ部２２を有している。収容部２１は、金属製である。収容部２１は、例えばアルミニウム製である。収容部２１には、半導体素子５０が収容されている。電極端子３０及び制御端子４０は、フランジ部２２から収容部２１と反対側に向けて突出している。
【００１８】
図２に示すように、半導体モジュール１０は、複数のねじにより冷却ベース１００に固定される。冷却ベース１００は、冷却媒体が流れる流路１０１と、流路１０１に連通する開口部１０２とを有している。なお、冷却媒体は、例えば冷却水等である。
【００１９】
収容部２１は、冷却ベース１００の開口部１０２を通じて冷却ベース１００の流路１０１に挿入される。これにより、収容部２１の内部に収容されている半導体素子５０（図４参照）は、冷却ベース１００の流路１０１を流れる冷却媒体によって冷却される。なお、収容部２１には、複数の冷却フィン２４が設けられている。冷却フィン２４は、収容部２１から外部に向けて、すなわち冷却ベース１００の流路１０１に向けて突出している。冷却フィン２４により冷却ベース１００の流路１０１の内部において収容部２１が冷却媒体に接触する表面積が増大するため、収容部２１の内部に収容されている半導体素子５０の冷却性能が向上している。
【００２０】
フランジ部２２は、収容部２１が冷却ベース１００の流路１０１に挿入された状態で収容部２１の一端部２１ｂから冷却ベース１００の開口部１０２を覆うように設けられている。一端部２１ｂとは、冷却ベース１００の流路１０１に挿入されている収容部２１の底部２１ａと反対側に位置する端部である。フランジ部２２は、収容部２１の一端部２１ｂの外面から外部に向けて突出している。フランジ部２２の平面形状は、冷却ベース１００の開口部１０２より大きい。フランジ部２２により冷却ベース１００の開口部１０２を覆った状態においてフランジ部２２と冷却ベース１００の開口部１０２の周囲との間には、シール部材８１が介在されている。シール部材８１は、例えばＯリングである。フランジ部２２は、図示しない複数のねじにより冷却ベース１００に固定される。そのため、フランジ部２２は、冷却ベース１００との間でシール部材８１を圧縮させた状態にすることで冷却ベース１００の流路１０１から開口部１０２を介して冷却媒体がフランジ部２２と冷却ベース１００との間から漏れ出さないようにシールすることができる。
【００２１】
図４に示すように、収容部２１は、半導体素子５０を挟みこむように設けられている一対のヒートシンク２３を有している。一対のヒートシンク２３は、半導体素子５０が収容される収容空間Ｓを形成している。
【００２２】
図１及び図４に示すように、一対のヒートシンク２３は、互いに対称形状を有している。一対のヒートシンク２３は、互いに対向する四角平板状の一対の側壁２５を有している。一対の側壁２５の外側面には、複数の冷却フィン２４が設けられている。一対のヒートシンク２３は、一対の側壁２５の外縁から対向するヒートシンク２３に向けて突出する枠壁部２６を有している。枠壁部２６は、冷却フィン２４の突出する方向と反対側に向けて突出している。枠壁部２６は、一対のヒートシンク２３（収容部２１）の一端部２１ｂに対応する位置を除く一対の側壁２５の外縁に設けられている。一対のヒートシンク２３は、枠壁部２６の先端から収容部２１の外部に向けて延出するフランジ状の接合壁２７を有している。一対のヒートシンク２３のそれぞれの接合壁２７は、互いに対向する合わせ面２７ａを有している。一対の接合壁２７の合わせ面２７ａ間は、接合部２８によって接合されている。すなわち、一対のヒートシンク２３は互いに向かい合った状態において、収容空間Ｓは、一対の側壁２５と、一対のヒートシンク２３の枠壁部２６と、一対のヒートシンク２３の接合壁２７と、接合部２８とにより囲まれる空間である。また、一対のヒートシンク２３を互いに向い合わせた状態において、収容部２１の一端部２１ｂは収容部２１の外部に向けて開口している。
【００２３】
図４に示すように、収容空間Ｓにおいて、一対のヒートシンク２３には、板状の絶縁層５１が設けられている。絶縁層５１は、一対の側壁２５の内面２５ａに対してろう付けにより溶着されている。また、絶縁層５１は、熱伝導性を有している。絶縁層５１は、例えばセラミックス材により構成されている。また、収容空間Ｓにおいて、絶縁層５１における一対の側壁２５の内面２５ａと反対側の面には、板状の電極層５２が接合されている。電極層５２は、例えば銅材により構成されている。電極層５２と絶縁層５１とは、例えば半田付けにより接合されている。図示していないが電極層５２は、電極端子３０と連続している。半導体素子５０は、電極層５２における絶縁層５１と反対側の面に接続されている。半導体素子５０は、電極層５２に対して半田付けにより接続されている。収容空間Ｓにおいて、絶縁層５１と電極層５２とが積層されている状態で半導体素子５０は、電極層５２により挟み込まれている。半導体素子５０は、図示しない複数の配線を介して制御端子４０と電気的に接続されている。収容空間Ｓは、樹脂６０により充填されている。そのため、半導体素子５０、絶縁層５１、及び電極層５２は、樹脂６０によりモールドされた状態である。このように構成された収容部２１では、半導体素子５０から発生した熱は、電極層５２、絶縁層５１、一対のヒートシンク２３、及び複数の冷却フィン２４に伝達され、冷却ベース１００の流路１０１に流れる冷却媒体に放熱される。よって、半導体素子５０が冷却される。なお、絶縁層５１は、電極層５２及び半導体素子５０と一対のヒートシンク２３とを絶縁する絶縁性を有している。
【００２４】
ここで、フランジ部２２の構成について説明する。
図１、図３、及び図４に示すように、フランジ部２２は、収容部２１の収容空間Ｓに充填されている樹脂６０と一体的に設けられるとともにフランジ部２２の中央部を含むように設けられる樹脂部２２ａと、収容部２１と一体的に設けられている金属部２１ｃとにより構成されている。金属部２１ｃは、収容部２１の一端部２１ｂである一対のヒートシンク２３の一端部２１ｂのそれぞれに連続する基部２１ｄと、収容部２１の一端部２１ｂを基準として収容部２１と反対側に向けて突出する複数の金属凸部２１ｅとを有している。金属凸部２１ｅは、四角柱状をなしている。本実施形態において金属凸部２１ｅは、８つ設けられている。複数の金属凸部２１ｅは、フランジ部２２の長手方向に延びる外縁に沿って間隔を空けて配置されている。樹脂部２２ａは、収容部２１の一端部２１ｂに形成された開口からあふれた樹脂６０により構成されている。樹脂部２２ａは、複数の金属凸部２１ｅを取り囲むように、且つ複数の金属凸部２１ｅの間に入り込むように設けられている。金属凸部２１ｅは、樹脂部２２ａに取り囲まれた状態で先端がフランジ部２２の端面に露出しているため、後述の樹脂成形時に型に対して位置決めが可能となる。なお、電極端子３０及び制御端子４０は、フランジ部２２の中央部に位置する樹脂部２２ａから収容部２１と反対側に向けて突出している。
【００２５】
ここで、収容部２１において一対のヒートシンク２３の接合について説明する。
図１及び図４に示すように、上記したように収容部２１は、一対のヒートシンク２３の外縁に設けられ、且つ互いに対向している合わせ面２７ａを接合する接合部２８を有している。接合部２８は、樹脂６０により構成されている。そして、一対のヒートシンク２３の接合壁２７の合わせ面２７ａの間には、収容空間Ｓに充填されている樹脂６０が入り込んでいる。すなわち、接合部２８を構成する樹脂６０と収容空間Ｓに充填される樹脂６０とは同一であり、一体化している。なお、本実施形態の収容部２１の収容空間Ｓを樹脂６０で充填すること、フランジ部２２の樹脂部２２ａ（樹脂６０）を形成すること、及び一対のヒートシンク２３の合わせ面２７ａを樹脂６０により接合することは、いずれも射出成形により同時になされている。射出成形で半導体モジュール１０が形成されることから、樹脂６０は熱可塑性樹脂により構成されている。
【００２６】
本実施形態では以下の作用及び効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、一対のヒートシンク２３の合わせ面２７ａを接合する接合部２８は、樹脂６０により構成されている。このため、一対のヒートシンク２３の合わせ面２７ａの表面粗さが粗い状態であっても樹脂６０により一対のヒートシンク２３を接合できる。よって、一対のヒートシンク２３の合わせ面２７ａには、要求精度が必要なく、切削加工も必要ない。したがって、一対のヒートシンク２３の加工工数を抑制しつつ冷却ベース１００の流路１０１内におけるシール性を維持することができる。
【００２７】
（２）収容空間Ｓに収容されている半導体素子５０を樹脂６０によりモールドすることで半導体モジュール１０の内部に外部からの異物の侵入を抑制することが知られている。
接合部２８を構成する樹脂６０を、半導体素子５０をモールドするために収容空間Ｓに充填される樹脂６０で形成している。そのため、収容空間Ｓに収容される半導体素子５０を樹脂６０によりモールドする過程に連続して接合部２８を形成することができる。よって、半導体モジュール１０の製造工数を少なくすることができる。
【００２８】
（３）本実施形態では、半導体素子５０により発生した熱を電極層５２及び絶縁層５１を介して一対のヒートシンク２３に直接的に伝達することができる。そのため、冷却ベース１００の流路１０１に収容部２１が挿入された状態において半導体素子５０の冷却性能を向上させることができる。
【００２９】
なお、本実施形態は、以下のように変更して実施できる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施できる。
〇  図４に示すように、半導体素子５０は電極層５２に、電極層５２は絶縁層５１に接合され、絶縁層５１は一対のヒートシンク２３の一対の側壁２５に接合されていたが、これに限らない。例えば、絶縁層５１を割愛し、収容空間Ｓの内部に電極層５２及び半導体素子５０のみが設けられるように変更してもよい。この場合、収容空間Ｓに充填される樹脂６０により電極層５２と一対のヒートシンク２３とが接触しないようにすることが好ましい。
【００３０】
〇  例えば、本実施形態における一対のヒートシンク２３の一方をそのまま使用し、一対のヒートシンク２３の他方を平板状に変更する構成を採用してもよい。このように変更しても、一対のヒートシンク２３により収容空間Ｓを形成することができる。そして、一対のヒートシンク２３の一方の接合壁２７の合わせ面２７ａと、一対のヒートシンク２３の他方における外縁に設けられ、合わせ面２７ａと対向している合わせ面としての平面とを接合部２８（樹脂６０）により接合させる。
【００３１】
〇  一対のヒートシンク２３は、接合壁２７を割愛した構成を採用してもよい。この場合、一対のヒートシンク２３は、一対の側壁２５と、一対のヒートシンク２３の枠壁部２６とにより構成されてもよい。この場合、収容空間Ｓは、一対の側壁２５と、一対のヒートシンク２３の枠壁部２６とにより構成される空間のことである。また、一対のヒートシンク２３の合わせ面は、互いに対向する枠壁部２６の先端面である。接合部２８は、一対のヒートシンク２３の枠壁部２６の先端面の間を接合するように変更するとよい。
【００３２】
〇  また、一対のヒートシンク２３は、一対の側壁２５により構成されてもよい。この場合、収容空間Ｓは、一対の側壁２５を対向させたときに一対の側壁２５が互いに対向している空間である。また、一対の側壁２５の外縁に設けられ、互いに対向している面が一対のヒートシンク２３の合わせ面である。接合部２８は、一対の側壁２５の外縁に設けられ、互いに対向している面を接合するように変更してもよい。
【００３３】
〇  本実施形態及び上記変更例において、収容部２１の収容空間Ｓに樹脂６０が充填されていたが、これに限らない。例えば、収容空間Ｓに樹脂６０が充填されず、一対のヒートシンク２３の合わせ面２７ａを接合する樹脂６０により構成された接合部２８が設けられていればよい。
【００３４】
〇  本実施形態では、半導体モジュール１０は、射出成形により形成されているとしていたが、これに限らない。例えば、トランスファーモールド法によって半導体モジュール１０を構成してもよい。また、トランスファーモールド法によって半導体モジュール１０を構成する場合には、樹脂として熱硬化性樹脂を使用することが好ましい。
【００３５】
〇  収容部２１は有底長四角筒状をなし、フランジ部２２は長四角板状をなしていたが、これに限らない。例えば、収容部２１が有底円筒状をなし、フランジ部２２は円板状をなすように変更してもよい。また、一対のヒートシンク２３の形状を適宜変更するとよい。なお、収容部２１は、収容空間Ｓに半導体素子５０が収容でき、且つ一対のヒートシンク２３を樹脂により構成される接合部２８により接合できる構成であれば、形状は適宜変更してもよい。また、フランジ部２２は、冷却ベース１００の開口部１０２を閉塞できるのであれば、形状は適宜変更してもよい。
【００３６】
〇  フランジ部２２は、樹脂部２２ａ（樹脂６０）と、金属部２１ｃとにより構成されていたが、例えば金属製としてもよい。具体的には、フランジ部２２は、一対のヒートシンク２３のそれぞれと一体的に設けられる金属製のフランジ部構成部材を互いに突き合わせるように構成されていてもよい。
【００３７】
〇  シール部材８１は、Ｏリングに限らない。例えばガスケット等のシール部材を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１０…半導体モジュール、２０…ハウジング、２１…収容部、２２…フランジ部、２３…ヒートシンク、２７ａ…合わせ面、２８…接合部、３０…電極端子、５０…半導体素子、５１…絶縁層、５２…電極層、６０…樹脂、１００…冷却ベース、１０１…流路、１０２…開口部、Ｓ…収容空間。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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