(57)【要約】【課題】本明細書は、平板型の半導体モジュールと冷却器を、絶縁板を挟んで積層した半導体ユニットにおいて、絶縁板が割れ難い構造を提供する。【解決手段】本明細書が開示する半導体積層ユニット２は、半導体素子２１ａが樹脂のモールド体１２で覆われている平板型の半導体モジュール１０と平板型の冷却器３が絶縁板６を挟んで積層しているとともに、その積層体が積層方向の両側から圧力を受けているデバイスである。モールド体１２の絶縁板６との対向面に、モールド体１２の表面と面一となるようにヒートシンク１３ａが露出している。モールド体１２の硬度は、絶縁板６とヒートシンク１３ａの硬度よりも低い。積層方向から見たときに、絶縁板６とモールド体１２との接触領域の外周Ｂ２が、絶縁板６とヒートシンク１３ａとの接触領域Ａ１を囲んでいるとともに、絶縁板６と冷却器３との接触領域Ａ３の外周Ｂ３に囲まれている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が樹脂のモールド体で覆われている平板型の半導体モジュールと平板型の冷却器が絶縁板を挟んで積層しているとともに、その積層体が積層方向の両側から圧力を受けている半導体積層ユニットであり、
モールド体の絶縁板との対向面に、モールド体の表面と面一となるようにヒートシンクが露出しており、
積層方向から見たときに、絶縁板とモールド体との接触領域の外周が、絶縁板とヒートシンクとの接触領域を囲んでいるとともに、絶縁板と冷却器との接触領域の外周に囲まれている、
ことを特徴とする半導体積層ユニット。
【請求項２】
絶縁板はセラミックス製であることを特徴とする請求項１に記載の半導体積層ユニット。
【請求項３】
モールド体は、ヒートシンクと面一をなす領域からモールド体の厚み方向の中心側に後退する段差を備えており、段差が、積層方向から見たときに絶縁板とモールド体との接触領域の外周に相当することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体積層ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子が樹脂のモールド体で覆われている平板型の半導体モジュールと平板型の冷却器が絶縁板を挟んで積層している半導体積層ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車の走行用モータに電力を供給するコンバータやインバータなどの電気デバイスは発熱量が大きい。特に、パワー半導体素子と呼ばれる、大電流が流れるスイッチング素子の発熱量が大きい。そこで、そのような半導体素子を集中して冷却するユニットが提案されている。そのユニットは、半導体素子を樹脂でモールドした平板型の半導体モジュールを、内部を冷媒が流れる平板型の冷却器で挟み込んで積層した構造を有する。そして、半導体素子から冷却器への熱伝達を促進するため、半導体モジュールの表面には半導体素子の熱を半導体モジュールの表面に移送するヒートシンクが備えられている。ヒートシンクは通常、金属製であり、半導体素子と導通していることがあるため、ヒートシンクと冷却器の間、即ち、半導体モジュールと冷却器の間には絶縁材が嵌挿される。なお、ヒートシンクを半導体素子の電極として用いる場合もある。そのような積層ユニットの例が特許文献１〜３に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３１０９８７号公報
【特許文献２】特開２００５−０１２１６３号公報
【特許文献３】特開２００７−１７３３７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、半導体モジュールと冷却器の間に配置する絶縁材にフィルムが用いられるが、熱伝導率が高い絶縁材として、セラミックス製の絶縁板が使われることがある。他方、前述したように、半導体モジュールと冷却器の積層体をその両側から加圧する（荷重を加える）ことがある。半導体モジュールと冷却器の間にセラミックス製の絶縁板を嵌挿する場合、セラミックスは可撓性が小さいため、大きな圧力（荷重）を加えるとセラミックスの絶縁板が割れる虞がある。本明細書は、半導体モジュールと冷却器を、絶縁板を挟んで積層した半導体積層ユニットに関し、絶縁板が割れ難い構造を提供する。なお、以下では、「半導体積層ユニット」を単純に「積層ユニット」と称することがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
積層ユニットの両側から荷重を加えると、積層ユニット全体が変形する。積層ユニット全体が変形すると、絶縁板に偏荷重が加わる。即ち、絶縁板に応力集中が生じる。この応力集中が大きいことが、絶縁板にダメージを与える。また、冷却器の縁やヒートシンクの縁など、部材の縁は硬度が高く、絶縁板においてそのような部位に当接している箇所で応力が高くなる。それゆえ、積層方向から見て、絶縁板の両側に位置する部材の縁の夫々と絶縁板との当接部位がオーバーラップしている、あるいは近接していると、絶縁板に局所的に高い応力集中が生じることになる。そこで、本明細書は、絶縁板の両側に位置する部材の縁の夫々と絶縁板との当接部位が積層方向から見てオーバーラップしないように冷却器と半導体モジュールと絶縁板の位置関係を規定する。
【０００６】
本明細書が開示する積層ユニットは、半導体素子が樹脂で覆われている平板型の半導体モジュールと平板型の冷却器が絶縁板を挟んで積層しているデバイスである。半導体モジュールの筐体全体が一体成形の樹脂製であり、その筐体を以下ではモールド体と称する。別言すれば、半導体モジュールは、樹脂のモールド体に半導体素子が埋設されたデバイスである。なお、モールド体の樹脂は、熱硬化性と熱可逆性のいずれでもよい。絶縁板は典型的にはセラミックス製である。半導体モジュールと冷却器の積層体は、その積層方向に圧力（荷重）を受ける。積層ユニットは例えばインバータの筐体に収められ、その筐体内でバネなどにより積層方向の圧力（荷重）を受けつつ支持される。また、半導体モジュール（即ちモールド体）の絶縁板との対向面に、モールド体の表面と面一となるように平板状のヒートシンクが露出している。ヒートシンクは、半導体素子の熱をモールド体の表面に移送する部材である。ヒートシンクは半導体素子の電極を兼ねることがあってもよい。
【０００７】
モールド体は樹脂製であるため、その硬度は絶縁板の硬度やヒートシンクの硬度よりも低い。他方、硬度の高いもの同士を積層して荷重すると応力が高まるため、複数の硬度の高い部材の縁は近接させない方が応力のさらなる集中を防ぐことができる。そこで、本明細書が開示する技術は、積層方向から見たときに、絶縁板とモールド体の接触領域の外周が、絶縁板とヒートシンクの接触領域を囲むとともに、絶縁板と冷却器の接触領域の外周に囲まれるように、絶縁板と冷却器と半導体モジュール（モールド体）の位置関係を規定する。絶縁板とモールド体との接触領域の外周が、前述したモールド体の縁に相当し、絶縁板と冷却器の接触領域の外周が、冷却器の縁に相当する。この構造は、硬度の高い冷却器の縁（即ち、絶縁板と冷却器の接触領域の外周）とヒートシンクの縁（即ち、絶縁板とヒートシンクの接触領域の外周）の間に、比較的に硬度の低いモールド体の縁（即ち、絶縁板とモールド体の接触領域の外周）が位置するように絶縁板と冷却器等の位置関係を規定する。このことによって、硬度の高い冷却器の縁とヒートシンクの縁の間の距離を確保することができ、応力の集中を緩和することができる。また、積層方向からみて、絶縁板とモールド体の接触領域の外周が、絶縁板とヒートシンクの接触領域を囲むことは、硬度の比較的に高いヒートシンクの縁をモールド体が囲みつつ絶縁板と接触することを意味する。この構造によって、ヒートシンクの縁と絶縁板との接触箇所に加わる応力を低減することができる。
【０００８】
積層方向から見たときに半導体モジュール（モールド体）の縦（あるいは横）の長さが、冷却器の縦（あるいは横）の長さよりも長い場合、モールド体が単純な直方体であると上記の位置関係は実現できない。そのような場合には、モールド体に、ヒートシンクと面一をなす領域からモールド体の厚み方向の中心側に後退する段差を設けるとよい。その段差が、積層方向から見たときの絶縁板とモールド体との接触領域の外周に相当する。別言すれば、積層方向から見たときのモールド体の縁の付近を後退させて（絶縁体から離間させて）絶縁体と接触しないようにする。そうすることで、半導体モジュールのサイズが冷却器よりも大きい場合であっても、上記の位置関係、即ち、積層方向から見たときに、絶縁板とモールド体の接触領域の外周が、絶縁板とヒートシンクの接触領域を囲んでいるとともに、絶縁板と冷却器の接触領域の外周に囲まれている、という位置関係を実現することができる。
【０００９】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例の積層ユニットの斜視図である。
【図２】積層ユニットの正面図である。
【図３】図２のIII−III矢視の断面図である。
【図４】半導体モジュールの変形例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面を参照して実施例の半導体積層ユニットを説明する。図１に、半導体積層ユニット２の斜視図を示す。以下、半導体積層ユニット２を単純に積層ユニット２と称する。積層ユニット２は、電気自動車の走行用モータに電力を供給するインバータに用いられる。よく知られているように、インバータは、多数のスイッチング素子（パワー半導体素子）を用いる。積層ユニット２は、２個のスイッチング素子（パワー素子）を樹脂でモールドした複数の半導体モジュール１０と複数の冷却器３を交互に積層したものである。なお、図１では、幾つかの冷却器には、３ａ、３ｂなどの符号を付しているが、複数の冷却器を総称する場合には「冷却器３」と称する。また、積層ユニット２は同じ構造を有する複数の冷却器３を有するが、その幾つかには符号を省略していることに留意されたい。半導体モジュール１０、絶縁板６についても同様である。
【００１２】
積層ユニット２において、隣接する冷却器（例えば冷却器３ａと３ｂ）は、接続管４で接続されている。また、積層ユニット２の端に位置する冷却器３ｃには、冷媒供給管５ａと冷媒排出管５ｂが接続されている。冷媒供給管５ａから流入した冷媒は、接続管４を通じて全ての冷却器３に供給される。冷却器３は、内部が空洞のプレートであり、冷媒が一方の接続管４から他方の接続管４へと流れる。隣接する半導体モジュール１０から熱を吸収した冷媒は、他方の接続管４と冷媒排出管５ｂを通じて外部に排出される。
【００１３】
積層ユニット２は、インバータの筐体９１に収められる。図１では、筐体９１と、筐体内で積層ユニット２を支持する支柱９２、及び、板バネ９３を仮想線で描いてある。積層ユニット２は、一端が筐体９１の壁に当接し、他端が支柱９２と板バネ９３によりその積層方向に加圧される（荷重される）。即ち、積層ユニット２は、複数の半導体モジュール１０と複数の冷却器３を交互に積層した積層体が、インバータの筐体内でその積層方向の両側から荷重（圧力）を受ける。この荷重により、半導体モジュール１０と冷却器３の密着度が高まり、伝熱効率が向上する。
【００１４】
半導体モジュール１０と冷却器３の間には、絶縁板６が挿入されている。別言すれば、半導体モジュール１０と冷却器３は、間に絶縁板６を挟んで積層されているとともに、積層方向の両側から荷重を受けている。以下では、半導体モジュール１０において絶縁板６と対向する面を積層表面と称することがある。絶縁板６は、セラミックス製である。冷却器３はアルミニウムなど、導電性の金属で作られており、一方、半導体モジュール１０の表面には半導体素子の電極に接続する端子を兼ねているヒートシンク１３ａ、１３ｂが露出している。絶縁板６は、半導体モジュール１０の積層表面に露出している端子（ヒートシンク１３ａ、１３ｂ）と冷却器３を絶縁するために挿入されている。
【００１５】
半導体モジュール１０は、半導体素子を樹脂でモールドしたデバイスである。半導体モジュール１０の筐体である樹脂の筐体をモールド体１２と称する。モールド体１２は平板状に形成され、その表面にはヒートシンク１３ａ、１３ｂが露出している。なお、図１ではヒートシンク１３ａは図の裏側に位置しているので見えない。符号１４ａ、１４ｂは、内部の半導体素子（トランジスタ）のエミッタとコレクタに接続している端子を示している。端子１４ａとヒートシンク１３ａは一つの金属板で作られており、端子１４ｂとヒートシンク１３ｂも一つの金属板で作られている。別言すれば、半導体素子の端子１４ａ、１４ｂの一部が平板型のモールド体１２の平面に露出しており、ヒートシンクとして機能する。なお、符号１５は、半導体素子のゲートに接続している端子を示している。
【００１６】
図２に、積層ユニット２の正面図を示し、図３に、図２のIII−III線における断面図を示す。図２の正面図は、積層ユニット２をその積層方向から見た図に相当する。図３は、一つの半導体モジュール１０と、その両側の冷却器３ａ、３ｂの断面を示す。図３では、半導体モジュール１０の片側に位置する絶縁板６ａと冷却器３ａは、説明の都合上、半導体モジュール１０から離して描いてある。
【００１７】
まず、半導体モジュール１０の構造を説明する。半導体モジュール１０は、半導体素子２１ａ、２１ｂを樹脂でモールドしたパッケージである。樹脂のモールド体１２が半導体モジュール１０の筐体に相当する。図３では一方の半導体素子２１ａのみが描かれており、他方の半導体素子２１ｂは、図の断面よりも手前になるので描かれていない。
【００１８】
平板型の半導体素子２１ａ、２１ｂはＩＧＢＴなどのトランジスタであり、その両面の夫々に、エミッタ電極とコレクタ電極が露出している。半導体素子２１ａの一方の平面（例えばエミッタ電極が露出している面）にヒートシンク１３ａが取り付けられている。半導体素子２１ａの他方の面（例えばコレクタ電極が露出している面）には、スペーサ２２を介して別のヒートシンク１３ｂが取り付けられている。ヒートシンク１３ａ、１３ｂは、導電性の金属であり、エミッタ／コレクタ電極に接続する端子としても機能する。ヒートシンク１３ａは、その一部が上方へ伸びており、モールド体１２の上面から外部へと伸びている。符号４ａが、ヒートシンク１３ａから伸びている金属端子を示している。同様に、符号４ｂが、ヒートシンク１３ｂから伸びている端子（半導体素子の別の端子）を示している。別言すれば、モールド体１２の内部の半導体素子２１ａの電極と外部のデバイスを接続する端子板の一部が途中でモールド体１２の積層表面に露出し、ヒートシンクとして機能する。そして、半導体素子２１ａは、端子１４ａ、１４ｂを介して他のデバイスと電気的に接続される。なお、半導体素子２１ａと２１ｂは、２つの端子（ヒートシンク１３ａ、１３ｂ）の間で並列に接続されている。具体的には、ヒートシンク１３ａに半導体素子２１ａと２１ｂの夫々の一方の電極（例えばエミッタ）が接触しており、ヒートシンク１３ｂに半導体素子２１ａと２１ｂの他方の電極（例えばコレクタ）が接触している。
【００１９】
ＩＧＢＴ（半導体素子２１ａ）のゲート電極は、一部がモールド体１２から露出している端子１５と接続している。端子１５は、モールド体１２の内部でボンディングワイヤ２３を介してＩＧＢＴのゲート電極と接続している。
【００２０】
ヒートシンク１３ａは、平板型のモールド体１２の一方の面（積層表面）と面一となるように露出しており、ヒートシンク１３ｂはモールド体１２の他方の面（積層表面）と面一となるように露出している。先に述べたように、ヒートシンク１３ａに半導体素子２１ａと２１ｂの双方の電極が接している。図２に示すように、冷却器３と半導体モジュール１０と絶縁板６の積層体をその積層方向から見ると、半導体素子２１ａ、２１ｂは、ヒートシンク１３ａと完全に重なる。
【００２１】
冷却器３は、液体の冷媒が通る空洞であり、冷却効率を高めるためのフィン９４が組み込まれている。符号９５は流路を示している。
【００２２】
絶縁板６の両側でそれぞれ接している半導体モジュール１０と冷却器３の位置関係を説明する。以下で説明する位置関係は、一つの絶縁板６ａと、これに接触している冷却器３ａと半導体モジュール１０のヒートシンク１３ａに関するものである。なお、積層ユニット２に含まれる他の半導体モジュールと冷却器と絶縁板も同様の位置関係を有する。
【００２３】
図２の太線Ｂ１で囲まれた領域は、ヒートシンク１３ａが絶縁板６と接触する領域を示している。この領域を第１領域Ａ１と称する。別言すれば、太線Ｂ１は、ヒートシンク１３ａと絶縁板６が接触する領域（第１領域Ａ１）の外周に相当する。また、この外周は、ヒートシンク１３ａの縁にも相当する。断面図である図３にも第１領域Ａ１とその外周Ｂ１との関係を示しているので参照されたい。
【００２４】
図２の太線Ｂ２で囲まれた領域は、モールド体１２が絶縁板６と接触する領域を示している。この領域を第２領域Ａ２と称する。別言すれば、太線Ｂ２は、モールド体１２と絶縁板６が接触する領域（第２領域Ａ２）の外周に相当する。また、この外周は、モールド体１２の縁にも相当する。断面図である図３にも第２領域Ａ２とその外周Ｂ２との関係を示しているので参照されたい。
【００２５】
ヒートシンク１３ａは、その表面がモールド体１２と面一であるとともに、積層方向から見たときに周囲をモールド体１２で囲まれている。従って、積層方向からみると、絶縁板６とモールド体１２との接触領域（第２領域Ａ２）の外周Ｂ２が、絶縁板６とヒートシンク１３ａとの接触領域（第１領域Ａ１）を囲んでいる。
【００２６】
他方、図２の太線Ｂ３で囲まれた領域は、冷却器３が絶縁板６と接触する領域を示している。この領域を第３領域Ａ３と称する。別言すれば、太線Ｂ３は、冷却器３と絶縁板６が接触する領域（第３領域Ａ３）の外周に相当する。矩形の外周Ｂ３のうち、図２における上側の辺と下側の辺は冷却器３の縁に相当する。断面図である図３にも第３領域Ａ３とその外周Ｂ３との関係を示しているので参照されたい。
【００２７】
図２によく表されているように、積層方向からみると、第２領域Ａ２（絶縁板６とモールド体１２との接触領域）の外周Ｂ２が、第１領域Ａ１（絶縁板６とヒートシンク１３ａとの接触領域）を囲んでいるとともに、第３領域Ａ３（絶縁板６と冷却器３との接触領域）の外周Ｂ３に囲まれている。この配置の利点を次に説明する。
【００２８】
積層ユニット２は、冷却器３と半導体モジュール１０と絶縁板６の密着度を高めるために、その積層方向の両側から圧力を受けている。絶縁板６はセラミックス製である。セラミックスは、局所的な応力（集中応力）を受けると割れ易い。一方、幾つかの物体を積層して両側から荷重を加える場合、集中応力は、接触している部材の縁、即ち、接触領域の外周で高まることが知られている。これは、接触領域で平坦を保っていた部材が接触領域の外周を境にその外側で湾曲するからである。絶縁板６にはその一方の側で半導体モジュール１０が接し、他方の側で冷却器３が接する。従って、セラミックス製の絶縁板６に加わる応力を集中させないためには、絶縁板６と半導体モジュール１０との接触領域の外周と、絶縁板６と冷却器３との接触領域の外周が積層方向からみて重ならないようにするのがよい。
【００２９】
図３によく表されているように、絶縁板６は、ヒートシンク１３ａとの接触領域（領域Ａ１）、モールド体１２との接触領域（領域Ａ２）、及び、それらとは反対側で冷却器３との接触領域（領域Ａ３）を有する。ここで、モールド体１２を形成する樹脂の硬度は、セラミックス製の絶縁板６の硬度よりも低く、かつ、金属板であるヒートシンク１３ａの硬度よりも低い。即ち、モールド体１２との接触領域（領域Ａ２）の外周Ｂ２で生じる応力は、ヒートシンク１３ａとの接触領域（領域Ａ１）の外周Ｂ１や冷却器３との接触領域（領域Ａ３）の外周Ｂ３で生じる応力よりも低くなる。応力が比較的に高くなる外周Ｂ１と外周Ｂ２を積層方向からみて重ならないように、かつ、外周Ｂ１と外周Ｂ２の間に、比較的に集中応力が高くない外周Ｂ２が位置するように冷却器３と半導体モジュール１０と絶縁板６を配置する。そのように配置することで絶縁板６に生じる応力の集中を分散することができる。
【００３０】
積層方向からみたときにモールド体１２の面積が大きい場合、モールド体１２が単純な直方体では、上記の関係、即ち、積層方向からみたときに、第２領域Ａ２の外周Ｂ２が、第１領域Ａ１を囲んでいるとともに、第３領域Ａ３の外周Ｂ３に囲まれる、という関係を実現できない。例えば、図３に表されているように、半導体モジュール１０のモールド体１２のＺ軸方向の長さは、冷却器３のＺ軸方向の長さよりも長い。従って、モールド体１２が単純な直方体である場合、絶縁板６とモールド体１２の接触領域（第２領域Ａ２）の外周Ｂ２は絶縁板６と冷却器３との接触領域（第３領域Ａ３）の外周Ｂ３の外側となってしまう。そこで、絶縁板６とモールド体１２との接触領域（第２領域Ａ２）の外周Ｂ２を、積層方向から見たときのモールド体１２の外形よりも小さくなるようにモールド体１２の形状を次の通り工夫するのがよい。
【００３１】
図３に表されているように、モールド体１２は、ヒートシンク１３ａと面一をなす領域（即ち第２領域Ａ２）と、第２領域Ａ２からモールド体の厚み方向の中心側に後退する段差１２ａを備える。別言すれば、モールド体１２は、その上下の縁付近が絶縁板６から離れるように段差１２ａを備えている。そうすると、この段差１２ａが、積層方向から見たときに絶縁板６とモールド体１２との接触領域（第２領域Ａ２）の外周Ｂ２に相当することになる。そのような段差を設けることで、モールド体１２の外形の大きさに関わりなく、上記した位置関係を実現することができる。なお、図３のモールド体１２では段差１２ａはステップ状であるが、図４の半導体モジュール１１０のモールド体１１２に示すように、段差は湾曲状であってもよい（図４の符号１１２ａが示す部分）。図４は、図３の半導体モジュール１０の段差１２ａを湾曲させた変形例の半導体モジュール１１０の断面図である。図３の半導体モジュール１０と図４の半導体モジュール１１０は、段差部分（図３の符号１２ａが示す部分）と湾曲部分（図４の符号１１２ａが示す部分）が相違するだけで他の部位は同一である。
【００３２】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。本明細書が開示した技術は、平板型の半導体モジュールと平板型の冷却器が絶縁板を挟んで積層されており、その積層体が両側から加圧される積層ユニットに関する。本明細書が開示する技術は、絶縁板が割れ易い材質、典型的にはセラミックスで作られている積層ユニットにおいて、絶縁板を割れ難くする技術である。積層ユニットは、少なくとも一つの半導体モジュールと一つの冷却器が間に絶縁板を挟んで積層されていればよい。積層される半導体モジュールと冷却器の数に制限はない。また、半導体モジュールに含まれる半導体素子の数に制限はない。
【００３３】
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】
【００３４】
２：半導体積層ユニット
３：冷却器
４：接続管
６：絶縁板
１０、１１０：半導体モジュール
１２、１１２：モールド体
１３ａ、１３ｂ：ヒートシンク
１４ａ、１４ｂ：端子
２１ａ、２１ｂ：半導体素子
９１：筐体
９２：支柱
９３：板バネ
９４：フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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