(57)【要約】【課題】２以上の半導体モジュールと冷却器がグリスを介して交互に配設されてなる半導体装置に関し、良好な部材同士の組み付け性を有し、グリスの垂れ落ちが効果的に抑止されて長期に亘る放熱性を保証することのできる半導体装置を提供する。【解決手段】２以上の半導体モジュール１０と冷却器２０がそれぞれの広幅面を立設した姿勢で対向し、放熱性のグリス３０を介して交互に配設されてなる半導体装置１００であり、対向する２つの半導体モジュール１０の広幅面２ａが立設した姿勢において、双方の広幅面２ａの少なくとも下の位置にはともに係合する突条４Ｂが設けてあり、隣接する半導体モジュール１０のそれぞれの上下の突条同士が固定されれて固定部６が形成され、この固定部６の上にグリス３０を介して冷却器２０が配設されている。【選択図】図２
2014075537.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２以上の半導体モジュールと冷却器がそれぞれの広幅面を立設した姿勢で対向し、放熱性のグリスを介して交互に配設されてなる半導体装置であって、
半導体モジュールの広幅面の面積は冷却体の広幅面の面積よりも大きくなっており、
対向する２つの半導体モジュールの広幅面が立設した姿勢において、一方の広幅面の少なくとも下の位置と他方の広幅面の対応する少なくとも下の位置には、ともに係合する突条が設けてある、もしくは、一方の少なくとも下の位置には突条が設けてあって他方にはこの突条に係合する凹条が設けてあり、
隣接する半導体モジュールのそれぞれの少なくとも下の位置の突条同士が固定され、もしくは下の位置の突条と凹条が固定されて固定部が形成され、該固定部の上にグリスを介して冷却器が配設されている半導体装置。
【請求項２】
広幅面の下の位置のみならず上の位置にも突条もしくは凹条が設けられ、さらに上下の突条もしくは凹条に連続するように広幅面の左右の位置にも突条もしくは凹条が設けてあり、
半導体モジュール同士が組み付けられた際に、上下の位置の突条同士、もしくは突条と凹条同士が固定されるとともに、左右の位置の突条同士、もしくは突条と凹条同士が固定されて枠状をなす固定部が形成され、冷却器とグリスがこの固定部で完全に閉塞されている請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２以上の半導体モジュールと２以上の冷却器が交互に配設されてなる半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子が封止樹脂体内に収容されて薄い半導体モジュール（パワーカードと称することもできる）を構成し、この半導体モジュールの有する左右もしくは上下の広幅面をそれぞれに固有の冷却器で冷却可能とした構成の半導体装置が一般に適用されている。半導体装置の構成は多岐に亘るが、半導体装置の搭載スペースの狭小化や高出力化に伴う発熱量の増大に対し、パワーカードを具備してその両面を冷却可能な構成の半導体装置は現在注目されている構造の半導体装置の一つである。
【０００３】
ここで、上記構成の従来の半導体装置を図４を参照して説明する。なお、図４ａは、半導体モジュール（パワーカード）の斜視図であり、図４ｂは、２以上のパワーカードと２以上の冷却器を交互に配設して構成された半導体装置の側面図である。
【０００４】
図４ａで示すように、半導体素子Ｓが封止樹脂体Ｐで封止されて全体が平面状をなし、半導体素子Ｓと不図示のボンディングワイヤで繋がれて外部へ接続される端子Ｔが突出してパワーカードＰＣが構成されるのが一般的である。このパワーカードＰＣの広幅面Ｗをたとえば鉛直方向（Ｚ方向）に立設させ、２以上のパワーカードＰＣが立設した姿勢で、２つのパワーカードＰＣ間にグリスＧを介してやはり平面状でパワーカードＰＣよりも面積の小さな冷却器Ｃが配設されることで、図４ｂで示すような構成の半導体装置Ｄが構成される。
【０００５】
このような構成の半導体装置Ｄでは、その供用にともなってグリスＧが環境劣化したり、たとえばこの半導体装置Ｄが車両等に搭載される場合には車両の繰返し振動がグリスＧに作用し、図４ｂで示すようにグリスＧが垂れ落ちてしまい（Ｘ方向）、パワーカードＰＣと冷却器Ｃの間のグリスＧが減少してパワーカードＰＣからグリスＧを介して冷却器Ｃへ放熱される放熱性が悪化することが懸念される。
【０００６】
そこで、図示する構成の半導体装置に関し、その供用にともなってグリスが垂れ落ち、半導体装置の放熱性が悪化するのを抑止することのできる構成の半導体装置の開発が急がれている。
【０００７】
ここで、特許文献１には、１つの半導体モジュールを上下２つの熱吸収部材にて挟み込み、半導体モジュールと熱吸収部材の間に熱伝導性のグリスが介在した半導体モジュール実装構造が開示されている。
【０００８】
特許文献１で開示される実装構造には多数の実施例が示されているが、いずれの実施例も１つの半導体モジュールを上下２つの熱吸収部材にて挟み込んだ構成であり、グリスの漏れを防止する構造を半導体モジュールと熱吸収部材の双方によって形成していることから、構造が複雑となり、組み付け手間が増加し易い。また、半導体モジュールと熱吸収部材がともに２以上の多層積層構造（図４で示す水平方向の多層配設構造を90度回転させた形態）となる場合に特許文献１で開示の構成を適用しようとすると、半導体モジュールと熱吸収部材の双方で相互の位置決めやグリスの漏れ防止構造を形成していることから各部材同士の組み付けに時間を要することはより一層顕著となる。したがって、特許文献１で開示の実装構造を適用して図４で示す従来の半導体装置の有する上記課題を解決しようとしても、効果的な課題解決には至らない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−４３５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、２以上の半導体モジュールと冷却器がグリスを介して交互に配設されてなる半導体装置に関し、良好な部材同士の組み付け性を有し、グリスの垂れ落ちが効果的に抑止されて長期に亘る放熱性を保証することのできる半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成すべく、本発明による半導体装置は、２以上の半導体モジュールと冷却器がそれぞれの広幅面を立設した姿勢で対向し、放熱性のグリスを介して交互に配設されてなる半導体装置であって、半導体モジュールの広幅面の面積は冷却体の広幅面の面積よりも大きくなっており、対向する２つの半導体モジュールの広幅面が立設した姿勢において、一方の広幅面の少なくとも下の位置と他方の広幅面の対応する少なくとも下の位置には、ともに係合する突条が設けてある、もしくは、一方の少なくとも下の位置には突条が設けてあって他方にはこの突条に係合する凹条が設けてあり、隣接する半導体モジュールのそれぞれの少なくとも下の位置の突条同士が固定され、もしくは下の位置の突条と凹条が固定されて固定部が形成され、該固定部の上にグリスを介して冷却器が配設されているものである。
【００１２】
本発明の半導体装置は、広幅面を有するパワーカードからなる２以上の半導体モジュールと冷却器が、それぞれの広幅面を立設してグリスを介して交互に配設されたものにおいて、グリスの漏れ防止措置を対向する半導体モジュールの広幅面に設けておくものであり、半導体モジュールにのみグリスの漏れ防止措置を講じておくことで、部材の加工性や組み付け性を良好にしながら、グリスの漏れ防止性を保証することができるものである。
【００１３】
２以上の半導体モジュールと冷却器が交互に配設されることから、たとえば２基の半導体モジュールがそれぞれの広幅面を鉛直方向に立設し、対向する２つの半導体モジュール間に形成された１箇所の隙間に１基の冷却器がグリスを冷却器の広幅面に塗布等された姿勢で介在する実施の形態や、１０基の半導体モジュールがそれぞれの広幅面を鉛直方向に立設し、対向する２つの半導体モジュール間に形成された計９箇所の隙間にそれぞれ、冷却器がグリスを冷却器の広幅面に塗布等された姿勢で介在する実施の形態などを挙げることができる。
【００１４】
冷却器の広幅面は半導体モジュールの広幅面よりも小さく設定されており、半導体モジュールの広幅面の少なくとも下の位置に設けられた突条もしくは凹条の間に冷却器が配設できるようになっている。
【００１５】
ここで、「広幅面」とは、半導体モジュールや冷却器が一般に平面状の直方体形状を呈している形態において、最も面積の広い対向した面のことを意味しており、その他の４面は幅が狭く、したがって相対的に面積が小さくなっている。なお、半導体モジュールや冷却器の形状は、平面状（薄い）の直方体（六面体）のほかにも、他の角柱体や平面状の円柱体や楕円体など、多様な形状形態のものが適用可能である。
【００１６】
２以上の半導体モジュールと冷却器は、それぞれの広幅面をたとえば鉛直に立設した姿勢で横方向に配設されて相互に組み付けられ、この組み付け態様で使用（設置）される形態のほかにも、このように組み付けられた半導体装置が90度回動した姿勢、すなわち、半導体モジュールと冷却器が鉛直方向に積層した状態で使用される形態もある。
【００１７】
半導体モジュールの２つの広幅面の下の対応位置にともに突条が設けられた形態、２つの広幅面の下の対応位置のみならず上の対応位置にもともに突条が設けられた形態、２つの広幅面の上の位置に突条が設けられ、下の位置に凹条が設けられた形態などがある。たとえば、冷却器を挟んだ２つの半導体モジュールの対向するそれぞれの広幅面において、双方の広幅面から上下ともに突条が突出し、双方の突条同士が単に突き合わされて固定されたり、係合されたり、あるいは接着されることで少なくとも下の位置に固定部が形成され、この少なくとも下の位置に形成された固定部の上にグリスとともに冷却器が配設される。なお、本明細書において「固定」とは、突条同士が単に突き合わされた形態、突条同士の先端が係合したり突条と凹条が係合している形態、突条同士が接着されたり一方の広幅面の突条が他方の広幅面に接着している形態などを包含するものである。
【００１８】
なお、対向する一方の広幅面の下の位置からは長い突条が張り出し、他方の広幅面の対応する下の位置にはこの突条の先端が入り込む凹条が設けられ、双方の突条と凹条が係合することで固定部が形成される形態などであってもよい。また、一方の広幅面の下の位置のみならず上の位置からも長い突条が張り出している形態においては、他方の広幅面の対応する上下の位置にこれらの突条の先端が入り込む凹条がそれぞれ設けられ、双方の突条と凹条が係合することで上下の固定部が形成される形態となる。
【００１９】
いずれの形態の固定部を具備する半導体装置であっても、少なくとも下方の固定部にてグリスが下方に垂れ落ちるのを抑止することができ、長期に亘る半導体装置の放熱性を保証することができる。
【００２０】
なお、「固定部」の形態としては、広幅面の下の位置にのみ固定部が存在する形態、上下の位置に固定部が存在している形態のほか、上下に加えて左右にも固定部が存在し、たとえば矩形枠状の固定部にてグリスが下方のみならず左右から漏れることをも防止できる形態を挙げることができる。
【００２１】
本発明の半導体装置によれば、グリスや冷却器を挟み込む半導体モジュールにのみ固定構造（およびグリスの漏れ防止構造）を構成する突条や凹条を設けたことから、特に組み付けられる半導体モジュールと冷却器の基数が増加した場合に、その良好な組み付け性（高い製造効率）が顕著となる。
【発明の効果】
【００２２】
以上の説明から理解できるように、本発明の半導体装置によれば、グリスや冷却器を挟み込む半導体モジュールに対して双方を固定してグリスの漏れ防止を図る固定部構成要素（突条や凹条）を設けたことにより（半導体モジュール以外の冷却器には設けない構成）、半導体モジュール間におけるグリスが付与された冷却器の位置決めを含む半導体モジュールの良好な組み付け性と高いグリスの漏れ防止性を備えた半導体装置となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の半導体装置を構成する半導体モジュールの実施の形態の斜視図である。
【図２】本発明の半導体装置の実施の形態の側面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）はともに、半導体モジュールの他の実施の形態を組み付け姿勢の側面図で示した図である。
【図４】（ａ）は従来の半導体装置を構成する半導体モジュールの実施の形態の斜視図であり、（ｂ）は従来の半導体装置の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の半導体装置の実施の形態を説明する。なお、図示例はパワーカードからなる半導体モジュールの広幅面の上下に突条もしくは凹条が設けられた形態であるが、たとえば上下の突条と連続した左右の突条をさらに備え、双方の突条同士が組み付けられて枠状の固定部を形成し、この枠状の固定部にてグリスと冷却器を完全に閉塞する形態や、広幅面の下のみに突条や凹条から形成された固定部が存在する形態など、図示例以外の固定部の形態であってもよいことは勿論のことである。
【００２５】
（半導体モジュールおよび半導体装置の実施の形態）
図１は本発明の半導体装置を構成する半導体モジュールの実施の形態の斜視図であり、図２は本発明の半導体装置の実施の形態の側面図である。
【００２６】
図１で示す半導体モジュール１０はパワーカードとも称され、平面状の半導体素子１が扁平な直方体に成形された封止樹脂体２で封止され、外部と通じる端子３が封止樹脂体２から突出し、端子３と半導体素子１が不図示のボンディングワイヤ等で接続されてその全体が構成されている。
【００２７】
パワーカードはたとえばHV車等のPCU(パワーコントロールユニット)に適用されるデバイスであり、その両面を図示例のように冷却する構造を採用したことで、半導体装置１００の温度上昇を効果的に抑制でき、その結果として電力供給の増大を図ることができる。
【００２８】
ここで、半導体素子１はIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)やMOSFET(電界効果トランジスタ)などの素子を銅素材のリードフレーム等の基板にはんだ接合して構成されている。既述するように半導体モジュール１０が両面冷却されることから、その寸法(チップサイズ)も小さくすることができ、装置全体の小型化を図ることができる。
【００２９】
また、封止樹脂体２はエポキシ樹脂やポリイミド等のマトリックス樹脂に、シリカやアルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素等の放熱性の無機フィラーが含有された樹脂材から成形される。
【００３０】
図示するように、扁平な直方体の半導体モジュール１０は、対向する２つの広幅面２ａを有しており、それぞれの広幅面２ａの上下位置において、水平方向に延びる突条４Ａ，４Ｂを有している。
【００３１】
半導体装置を構成する２以上の半導体モジュール１０は、図１で示すように広幅面２ａを立設させた状態で使用（たとえば車両内に設置）される。
【００３２】
半導体装置１００は、図２で示すように複数の半導体モジュール１０がそれらの広幅面２ａを立設した状態で上方の突条４Ａ，４Ａ同士、および下方の突条４Ｂ，４Ｂ同士が係合もしくは接着等によって固定されて上下の固定部５，６が形成される。なお、図示を省略するが、突条同士が係合して固定部を形成する形態においては、突条の先端が相互に係合可能に段状を呈している形態、一方の突条の先端に突起があり、他方の突条の先端に凹溝があって双方が嵌り込む形態など、突条同士の係合形態は多様である。
【００３３】
そして、この固定部５，６の形成に当たり、グリス３０，３０が広幅面に塗布等された冷却器２０が上下の突条４Ａ，４Ｂ間に配設され、次いで突条４Ａ，４Ａ同士、および下方の突条４Ｂ，４Ｂ同士が組み付けられて固定部５，６が形成されることで半導体装置１００が製造される。
【００３４】
ここで、冷却器２０は、ヒートシンクのほか、内部に蛇行流路等の冷却還流流路が形成された機器などからなり、後者の形態では、水やアンモニアのほか、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、メタノール、アルコール、アセトンなどの冷媒が還流して半導体モジュール１０からの放熱をクーリングすることになる。
【００３５】
冷却器３０の広幅面（不図示）は半導体モジュール１０の広幅面２ａよりも小さく、上下に設けられた突条４Ａ，４Ｂ間に冷却器３０が配設できるように設計されている。
【００３６】
製造された半導体装置１００は、図２で示すように各半導体モジュール１０の広幅面２ａが立設した状態（図示例のように鉛直方向に立設した状態のほか、斜め方向に立設した状態も含む）でたとえば車両ボディーの適所に配設される。
【００３７】
半導体装置１００の供用後、半導体モジュール１０，１０間に介在するグリス３０は、環境劣化や車両から受ける繰返し振動によって下方に垂れ落ちて装置の放熱性を悪化させる懸念がある。しかしながら、図示する半導体装置１００では、グリス３０の下方に対向する半導体モジュール１０，１０から伸びた突条４Ｂ，４Ｂにて形成された固定部６が存在していることから、この固定部６がグリスの漏れ防止措置となり、半導体モジュール１０からの熱をグリス３０を介して冷却器２０へ放熱する際の放熱面積が維持されることから、長期に亘る装置の放熱性を保証することができる。
【００３８】
また、上下の固定部５，６が半導体モジュール１０に設けられた突条４Ａ，４Ｂのみによって形成されること、すなわち、半導体モジュールと冷却器の双方によって固定部が形成されるものでないことから、固定部の形成に際して半導体モジュール１０，１０の位置決めが精緻かつ容易であり、固定作業自体も容易なものとなる。このことは、図示例のように、多数の半導体モジュール１０を組付けて半導体装置１００が製造される場合において、製造時間の短縮効果に顕著に現れることになる。
【００３９】
（半導体モジュールの他の実施の形態）
図３ａ、ｂは、半導体モジュールの他の実施の形態を組み付け姿勢の側面図で示した図である。
【００４０】
図３ａで示す半導体モジュール１０Ａは、一方の広幅面２ａに上下の凹条７Ａ，７Ｂを有し、他方の広幅面２ａに半導体モジュール１０よりも張り出し長の長い上下の突条４Ａ’４Ｂ’を有したものである。図示するように一方の半導体モジュール１０Ａの上下の凹条７Ａ，７Ｂに他方の半導体モジュール１０Ａの上下の突条４Ａ’４Ｂ’が嵌り込んで上下の固定部５Ａ，６Ａが形成され、固定部５Ａ，６Ａの間に不図示のグリスと冷却器が配設される。
【００４１】
一方、図３ｂで示す半導体モジュール１０Ｂは、一方の広幅面２ａに上方の凹条７Ａと下方の突条４Ｂ”を有し、他方の広幅面２ａに上方の突条４Ａ’と下方の凹条７Ｂを有したものである。図示するように一方の半導体モジュール１０Ｂの凹条７Ａに他方の半導体モジュール１０Ｂの突条４Ａ’が嵌り込んで上方の固定部５Ａが形成され、他方の半導体モジュール１０Ｂの凹条７Ｂに一方の半導体モジュール１０Ｂの突条４Ｂ”が嵌り込んで下方の固定部６Ｂが形成される。
【００４２】
このようにいずれの形態であっても、下方の固定部６Ａ，６Ｂにてグリスの下方への漏れが防止され、長期に亘る装置の放熱性を保証することができる。また、固定部５Ａ，６Ａ，６Ｂの形成が容易であることもまた半導体モジュール１０と同様である。
【００４３】
さらに、図示を省略するが、図１，２で示す半導体装置において、上方の固定部５を廃し、下方の固定部６のみを具備するとともにこの下方の固定部６の上にグリス３０が塗布された冷却器２０が配設されている半導体装置であってもよく、この形態によっても下方の固定部にてグリスの下方への漏れを防止することができる。
【００４４】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４５】
１…半導体素子、２…封止樹脂体、２ａ…広幅面、３…端子、４Ａ、４Ａ’、４Ｂ、４Ｂ’、４Ｂ”…突条、７Ａ，７Ｂ…凹条、５，５Ａ，６，６Ａ，６Ｂ…固定部、１０，１０Ａ，１０Ｂ…半導体モジュール、２０…冷却器、３０…グリス、１００…半導体装置
【図１】
2014075537.tif 000003
【図２】
2014075537.tif 000004
【図３】
2014075537.tif 000005
【図４】
2014075537.tif 000006