(57)【要約】【課題】本明細書は、半導体素子の両側に冷却器を配置した半導体モジュールにおいて、雰囲気温度の変化によって締結部材に生じる温度変化を緩和する技術を提供する。【解決手段】半導体モジュール２は、平板型の半導体素子６と、半導体素子６に隣接して配置された冷却器３と、半導体素子と冷却器の積層体を積層方向に締めつけるボルト８／ナット７を備えている。また、冷却器３には窪み３ａが設けられている。その窪み３ａには、冷却器３に積層方向の荷重を加える締結部材のナットが収容される。【選択図】図３
2014112583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板型の半導体素子と、
半導体素子に隣接して配置されている冷却器と、
半導体素子と冷却器の積層体を積層方向に締めつける締結部材と、
を備えており、
冷却器に圧力を加える前記締結部材の圧接部位を収容する窪みが冷却器に設けられていることを特徴とする冷却器付き半導体モジュール。
【請求項２】
冷却器が半導体素子の両側に配置されており、少なくとも一方の冷却器に前記窪みが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却器付き半導体モジュール。
【請求項３】
前記圧接部位が冷却器に接していることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却器付き半導体モジュール。
【請求項４】
前記締結部材が半導体素子に接触していないことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却器付き半導体モジュール。
【請求項５】
前記締結部材はボルトとナットであり、前記締結部位はナットであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の冷却器付き半導体モジュール。
【請求項６】
前記窪みの深さが前記ナットの高さよりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の冷却器付き半導体モジュール。
【請求項７】
窪みの底面とナットの間に圧縮バネが配置されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の冷却器付き半導体モジュール。
【請求項８】
積層方向からみたときに、半導体素子の両側に締結部材が配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の冷却器付き半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却器付き半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車のモータを駆動するスイッチング素子など、発熱量の大きい半導体素子を効率よく冷却するため、平板型の半導体素子の両側に冷却器を配置した半導体モジュールが知られている。半導体素子と冷却器の積層体は、締結部材、典型的には、ネジ、あるいは、ボルトとナットで留められることが良く行われる（特許文献１−３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−０３３８６４号公報
【特許文献２】特開２００７−２７３８８４号公報
【特許文献３】特開平１１−１８７６４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体モジュールが電気自動車のエンジンやモータの近傍に配置される場合、半導体モジュールは、エンジンやモータの発熱により、常温よりも高い雰囲気温度下に晒されることがある。即ち、周囲の温度変化が常温下での温度変化よりも激しい環境下で半導体モジュールが使用されることがある。そのような厳しい温度変化は締結部材に影響を及ぼすことがあり得る。本明細書は、半導体モジュールにおいて、雰囲気温度の変化によって締結部材に生じる温度変化を緩和する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体モジュールは、平板型の半導体素子と、半導体素子に隣接して配置されている冷却器と、半導体素子と冷却器の積層体を積層方向に締めつける締結部材を備えている。そして、冷却器に窪みが設けられている。その窪みには、冷却器に圧力を加える締結部材の圧接部位が収容される。冷却器に設けられた窪み内には、冷却器によって冷やされた空気が充満する。即ち、圧接部位の周囲に、冷却器によって冷却された空気の層が形成される。それゆえ、半導体モジュールの近傍にエンジンやモータが存在し、雰囲気温度の変化が激しい環境下において、圧接部位の温度変化が緩和される。
【０００６】
冷却器は、半導体素子の片側だけに配置されていてもよいし、両側に配置されていてもよい。冷却器が半導体素子の片側だけに配置されている場合は、冷却器とは反対側には、冷却器とともに半導体素子を挟持する部材が配置される。そのような部材は、金属プレートや樹脂プレートでもよいが、半導体素子を収容するハウジングの側壁、あるいは別のデバイスであってもよい。また、冷却器が半導体素子の両側に配置されている場合、圧接部位を収容する窪みは、少なくとも一方の冷却器に窪みが設けられていれば、上記した効果を期待することができる。もちろん、両側の冷却器に窪みが設けられていることが好ましい。
【０００７】
好ましくは、圧接部位が冷却器に直接に接しているとよい。圧接部位が冷却によって冷却されるからである。
【０００８】
前述したように、締結部材は典型的にはボルトとナットであり、圧接部位は、典型的には、ボルトに螺合し、冷却器に荷重を加えるナットである。ナットは温度変化によって膨張／収縮する。それゆえ、ナットの温度変化が激しいと、ナットが緩む虞がある。ナットが緩むと、半導体素子と冷却器の密着度が低下し、半導体素子から冷却器への伝熱効率が低下する。本明細書が開示する技術は、ナットの温度変化を抑制し、ナットが緩んでしまう可能性を低減する。ナットを外気温度変化から保護するため、冷却器の窪みの深さはナットの高さと同じか、あるいはナットの高さよりも大きいことが好ましい。
【０００９】
上記の半導体モジュールにおいて、さらに、ボルトが半導体素子と接触していないことが好ましい。半導体素子からの熱がボルトに伝わることを防止できるからである。
【００１０】
上記の半導体モジュールにおいて、窪みの底面とナットの間に圧縮バネが配置されていることも好適である。圧縮バネはコイルスプリングでもよいが、バネ座でもよい。仮にナットが緩んだ場合であっても、圧縮バネが積層体に一定の圧力を加え続けることができるからである。
【００１１】
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】
【００１２】
【図１】実施例の半導体モジュールの分解斜視図である。
【図２】半導体モジュールの斜視図である。
【図３】図２のIII−III線矢視に沿った断面図である。
【図４】第２実施例の半導体モジュールの断面図である。
【図５】第３実施例の半導体モジュールの断面図である。
【図６】第４実施例の半導体モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を参照して実施例の半導体モジュールを説明する。図１に、半導体モジュール２の分解斜視図を示し、図２に半導体モジュール２の斜視図を示す。半導体モジュール２は、平板型の半導体素子６の両側に電極板５が配置され、その外側に絶縁板４が配置され、さらにその外側に冷却器３を配置した構造を有している。別言すれば、半導体素子６の両側に隣接して冷却器３が配置されている。図２に示すように、「隣接して」とは、間に電極板５や絶縁板４が介在していてもよい。半導体素子６、電極板５、絶縁板４、及び、冷却器３の積層体は、２組のボルト８とナット７で留められている。
【００１４】
半導体素子６は、例えばシリコンカーバイト（ＳｉＣ）の基板に形成されたトランジスタである。その平板面の両側には表面電極（端子）が露出しており、表面電極の周囲が樹脂でモールドされている。なお、図では、素子そのもの、表面電極、及び、樹脂などを部品ごとには描き分けておらず、半導体素子６を一つの直方体で簡略化して描いてあることに留意されたい。半導体モジュール２は、例えば、インバータのスイッチング回路に用いられる。半導体素子は３つの端子（エミッタ、コレクタ、及び、ゲート）を有し、表面電電極は、大電流が流れるエミッタとコレクタに相当する。図では、ゲートに相当する電極の図示を省略している。また、半導体素子６には、トランジスタと逆並列に接続される還流ダイオードが含まれていてもよい。
【００１５】
半導体素子６の表面電極に接するように、半導体素子６の両側に電極板５が配置されている。図に示すように、電極板５は、半導体素子６よりも大きく、この電極板５に、バスバと呼ばれる金属平板導体が接合される。半導体素子６は、電極板５とバスバ（不図示）を通じて他のデバイスと電気的に接続される。
【００１６】
絶縁板４は、電極板５と冷却器３の間を絶縁するために挿入されている。絶縁板４は、例えば、セラミックスで作られている。
【００１７】
冷却器３は、半導体素子６の両側に配置され、半導体素子６を冷却する。冷却器３は、平板状の中空部材であり、内部を冷却液が流れる。冷却器の筐体には、熱伝導率の高いアルミニウムや銅が使われる。
【００１８】
冷却器の側面には、冷却液を供給／排出する孔３ｂが設けられている。また、冷却器３には、その厚み方向を貫通する貫通孔３ｃが設けられている。貫通孔３ｃは、冷却器３、絶縁板４、電極板５、及び、半導体素子６の積層体を留めるボルト８を通すための孔である。さらに、貫通孔３ｃの開口周囲には、冷却器３の表面よりも窪んだ窪み３ａが形成されている。窪み３ａには、ボルト８と係合するナット７が収まる。また、図１、図２において奥側に位置する冷却器３にも窪み３ａが設けられており、その窪みには、ボルトヘッド８ａが収まる。窪み３ａは、ザグリとも呼ばれる。
【００１９】
図３に、図２のIII−III線矢視に沿った半導体モジュール２の断面図を示す。図３に示すように、冷却器３、絶縁板４、電極板５、及び、半導体素子６の積層体は、２本のボルト８とそれらに係合するナット７によって、積層方向に締めつけられ、相互に留められている。２本のボルト８は、積層方向（図のＸ方向）から見て半導体素子６の両側に位置する。また、ボルト８は、半導体素子６には接していない。
【００２０】
前述したように、冷却器３の一方の表面において貫通孔３ｃの周囲には窪み３ａが設けられている。半導体素子６を挟み込んでいる一方の冷却器３の窪み３ａには、ボルトヘッド８ａが嵌り込んでおり、他方の冷却器３の窪み３ａにはナット７が嵌り込んでいる。図３に示されているように、ナット７の高さＨ１は、窪み３ａの深さＨ２よりも低く、また、ボルトヘッド８ａの高さＨ３も、窪み３ａの深さＨ２よりも低い。即ち、ナット７もボルトヘッド８ａもその全体が窪み３ａ内に収まり、冷却器３の表面よりも沈み込むことになる。
【００２１】
ボルトヘッド８ａもナット７も冷却器３に直接に接している。より詳しくは、ボルトヘッド８ａもナット７も窪み３ａの底面に直接に接している。それゆえ、ボルトヘッド８ａもナット７も冷却器３によって直接に冷却され、また、その周囲は冷却器３が冷却した空気の層で覆われることになる。なお、図３の符号３ｄは、冷却器３の内部空間であり、冷却液が流れる流路を示している。
【００２２】
上記の構造により、たとえ半導体モジュール２の周囲の温度（雰囲気温度）が高くても、ボルトヘッド８ａとナット７は、雰囲気温度までは上昇しない。別言すれば、雰囲気温度の温度変化幅に比べて、ボルトヘッド８ａやナット７の温度変化幅を小さくすることができる。ナット７はその温度変化が大きいと、ボルト８から緩んでしまう虞があるが、実施例の半導体モジュール２では、ナット７の温度変化幅を抑制することができるので、ナットが緩む可能性を小さくすることができる。特に、ナット７の全体が冷却器３の窪み３ａ内に沈み込んでいるので、窪み３ａの側面で冷却された空気が窪み３ａに満たされ、ナット７を覆うことになる。ナット７は、冷却された空気の層で覆われるので、その外側の温度の影響を受け難い。
【００２３】
ナット７が冷却器３において窪み３ａの底面に直接に接していることも、ナット７の温度上昇を抑制することに貢献する。
【００２４】
また、ボルト８は、積層方向からみて半導体素子６の両側に位置するが、半導体素子６には触れていない。半導体素子６は発熱するが、その熱が直接にボルト８に伝わることはない。ボルト８が半導体素子６に接しておらず、半導体素子６で熱せられることがない点も、ナット７の温度が上昇することを抑制する。
【００２５】
図４に、第２実施例の半導体モジュール２ａの断面図を示す。半導体モジュール２ａでは、冷却器１０３に設けられた窪み１０３ａの底面とナット７との間にコイルバネ１２が配置されている。なお、冷却器１０３に設けられた窪み１０３ａは、コイルバネ１２が挿入される分、前述した冷却器３の窪み３ａよりも深くなっている。
【００２６】
半導体モジュール２ａでは、冷却器１０３の窪み１０３ａの底面とナット７との間にコイルバネ１２を配置し、そのコイルバネ１２が、積層体（冷却器１０３と絶縁板４と電極板５と半導体素子６の積層体）をその積層方向に荷重している。従って、ナット７が多少緩んでも、積層体を押圧する荷重はほとんど変わらず、一定の荷重で積層体に圧力を加え続けることができる。なお、ボルト８には、カラー（筒）９が取り付けられている。カラー９は、ボルト８のネジ山とコイルバネ１２が摺動することを防止する。
【００２７】
図５に、第３実施例の半導体モジュール２ｂの断面図を示す。第３実施例の半導体モジュール２ｂは、半導体素子６の片側に冷却器２０３が隣接配置され、他方側には金属プレート２９９が配置される。冷却器２０３は、第１実施例の冷却器３と同じである。金属プレート２９９には、２本のボルト２０８が固定されている。ボルト２０８の先端にはナット７が螺合しており、冷却器３にはナット７が収められる窪み３ａが設けられている点は、第１実施例の半導体モジュール２と同じである。従って、ナット７の周囲が冷却器２０３によって冷却された空気の層で覆われるのでナット７の温度上昇が抑制される点は第１実施例の半導体モジュール２と同じである。
【００２８】
図６に４実施例の半導体モジュール２ｃの断面図を示す。半導体モジュール２ｃは、３個の冷却器３０３ａ、３０３ｂ、及び３０３ｃと、２個の半導体素子６が交互に積層された構造を有している。長いボルト３０８とナット７が、３個の冷却器と２個の半導体素子の積層体を両側から締め付けている。２個の半導体素子６はいずれも、その両側に冷却器が（電極板５と絶縁板４を挟んで）隣接配置されている。冷却器３０３ａは、図３の上側の冷却器３と同じ構造を有しており、ナット７が収められる窪み３ａを有する。従って、ナット７の周囲が冷却器３０３ａによって冷却された空気の層で覆われるのでナット７の温度上昇が抑制される点は第１実施例の半導体モジュール２と同じである。
【００２９】
冷却器３０３ｂと３０３ｃは同じ構造を有しており、ボルト３０８が貫通する貫通孔３ｅを備えている。図６の最も下側に位置する冷却器３０３ｂは、冷却器３０３ａと異なり、ボルトヘッド３０８ａを収める窪みを備えていない。この半導体モジュール３ｃは、ナット７の近傍には発熱体が位置しておりその周囲の雰囲気温度は高いが、ボルトヘッド側には発熱体が位置しておらず、その周囲の雰囲気温度はナット７の周辺ほどには高くならない環境に適している。
【００３０】
実施例で説明した半導体モジュールに関する留意点を述べる。ボルト８とナット７が締結部材の一例に相当する。ナット７が圧接部位の一例に相当する。ボルトヘッド８ａを有するボルト８の代わりに、両側に雄ネジが設けられたロッドであってもよい。また、コイルバネ１２の代わりにバネ座であってもよい。
【００３１】
実施例の半導体モジュール２、２ａでは、ナット７とボルトヘッド８ａがそれぞれ冷却器３（１０３）に設けられた窪み３ａ（１０３ａ）に沈む。窪み３ａ（１０３ａ）は、ナット７の全体が沈み込むだけの深さを有していることが好ましい。しかし、窪み３ａ（１０３ａ）の深さが、ナット７の一部を覆う程度であっても、（程度の差はあるにしても）前述した効果が得られる。即ち、窪み３ａ（１０３ａ）の深さが、ナット７の一部を覆う程度であっても、そのような窪みも本明細書が開示する技術の一部に含まれる。
【００３２】
第３実施例の半導体モジュール２ｂでは、冷却器２０３が半導体素子６の片側だけに配置され、反対側には２本のボルト２０８が延設された金属プレート２９９が配置される。半導体モジュール２ｂの積層体の一端を加圧する部材は、金属プレート２９９の代わり半導体モジュール２ｂを収める筐体の壁や他のデバイスの筐体であってもよい。また金属プレート２９９に代えて、２本のボルトが延設された冷却器を採用してもよい。
【００３３】
第４実施例の半導体モジュール２ｃでは、３個の冷却器と２個の半導体素子が交互に積層されている。積層する冷却器と半導体の個数は実施例の個数に限られず、何個でもよい。また、半導体モジュール２ｃでは冷却器３０３ｂには、ボルトヘッド３０８ａを収容する窪みが設けられていない。このように本明細書が開示する技術は、平板型の半導体素子の少なくとも片側に、ナットを収容する窪みを備えた冷却器が配置されていればよい。なお、冷却器３０８ｂに、ボルトヘッド３０８ａを収容する窪みを設けてもよい。また、ボルト３０８と冷却器３０３ｂに代えて、ボルトが延設され冷却器を採用してもよい。さらにまた、ボルト３０８と冷却器３０３ｂに代えて、第３実施例の金属プレート２９９と同様にボルトが延設されたプレートを採用してもよい。
【００３４】
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】
【００３５】
２、２ａ、２ｂ、２ｃ：半導体モジュール
３、１０３、２０３、３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ：冷却器
３ａ、１０３ａ：窪み
３ｂ：孔
３ｃ、３ｅ：貫通孔
３ｄ：流路
４：絶縁板
５：電極板
６：半導体素子
７：ナット
８、２０８、３０８：ボルト
８ａ、３０８ａ：ボルトヘッド
１２：コイルバネ
２９９：金属プレート
【図１】
2014112583.tif 000003
【図２】
2014112583.tif 000004
【図３】
2014112583.tif 000005
【図４】
2014112583.tif 000006
【図５】
2014112583.tif 000007
【図６】
2014112583.tif 000008