(57)【要約】【課題】  小型で、かつ高効率の放熱が可能なパワー半導体装置を提供する。【解決手段】  パワー半導体装置が、パワー半導体素子が樹脂封止されたパワー半導体モジュールと、半導体モジュールが載置された冷媒回路ブロックと、パワー半導体モジュールと冷媒回路ブロックとを挟んで対向配置された第１プレートと第２プレートであって、パワー半導体モジュールに接した第１プレートと、冷媒回路ブロックに接した第２プレートと、第１プレートと第２プレートとの双方に接続されたヒートパイプとを含む。パワー半導体モジュールで発生した熱は、ヒートパイプを介して冷媒回路ブロックに伝達される。【選択図】図１
2006140390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子が樹脂封止されたパワー半導体モジュールと、
該半導体モジュールが載置された冷媒回路ブロックと、
該パワー半導体モジュールと冷媒回路ブロックとを挟んで対向配置された第１プレートと第２プレートであって、該パワー半導体モジュールに接した該第１プレートと、該冷媒回路ブロックに接した該第２プレートと、
該第１プレートと該第２プレートとの双方に接続されたヒートパイプとを含み、
該パワー半導体モジュールで発生した熱を、該ヒートパイプを介して該冷媒回路ブロックに伝達することを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項２】
上記ヒートパイプが、湾曲した中央部と、該中央部を挟んで略平行に配置され、上記第１プレートと上記第２プレートとに接続された接続部とを含み、該接続部の間隔が変化するように該ヒートパイプが撓むことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項３】
上記第１プレートと上記第２プレートとの間に、複数の上記ヒートパイプを、それぞれの中央部が並ぶように配置したことを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータやコンバータ等のパワー半導体装置に関し、特に冷却性能を向上させたパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワー半導体装置では、パワー半導体モジュールがアルミブロックに取り付けられる、更に、ヒートパイプ介して放熱フィンがアルミニウムブロックに取り付けられていた（例えば、特許文献１参照）。また、他のパワー半導体装置では、半導体モジュールが冷却板に固着され、更に、ヒートパイプ介して放熱フィンが冷却板に取り付けられていた（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
かかるパワー半導体装置では、パワー半導体モジュールで発生した熱が、アルミニウムブロックや冷却板からヒートパイプを経由して外部に設けられた大型の放熱フィンに運ばれ放出されることにより、高効率の放熱が可能であった。
【特許文献１】特開２００１−６１２８２号公報
【特許文献２】特開平６−１３７７７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
かかるパワー半導体装置では、パワー半導体モジュールからヒートパイプを略直線状に延ばすとともに、その端部に大型の放熱フィンを設けていたため、パワー半導体装置が大型になるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、小型で、かつ高効率の放熱が可能なパワー半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、パワー半導体装置では、パワー半導体素子が樹脂封止されたパワー半導体モジュールと、半導体モジュールが載置された冷媒回路ブロックと、パワー半導体モジュールと冷媒回路ブロックとを挟んで対向配置された第１プレートと第２プレートであって、パワー半導体モジュールに接した第１プレートと、冷媒回路ブロックに接した第２プレートと、第１プレートと第２プレートとの双方に接続されたヒートパイプとを含み、パワー半導体モジュールで発生した熱を、ヒートパイプを介して冷媒回路ブロックに伝達することを特徴とするパワー半導体装置である。
【発明の効果】
【０００７】
このように、本発明にかかるパワー半導体装置では、小型の構造で、高い冷却効率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかるパワー半導体装置の斜視図である。また、図２は、図１のパワー半導体装置１００をＩ−Ｉ方向に見た断面図である。
パワー半導体装置１００は、パワー半導体素子１１が樹脂封止されたパワー半導体モジュール１０を含む。パワー半導体モジュール１０は、ＩＧＢＴやパワーＦＥＴのようなパワー半導体素子１１を含む。パワー半導体素子１１は、半田１２により、厚さ０．５〜５．０ｍｍの金属板１３の上に取り付けられている。金属板１３等は、熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ以上の絶縁性樹脂１４により封止されている（図１では、絶縁性樹脂１４を透明に記載している）。
パワー半導体モジュール１０の体積のおよそ半分は絶縁性樹脂１４で構成されており、またパワー半導体モジュール１０は、複数のパワー半導体素子１１を含んでいる。複数のパワー半導体素子１１としては、例えば、ＩＧＢＴ素子とダイオード素子の組み合わせであり、かかる組み合わせを２セット以上含む場合もある。
【０００９】
半導体モジュール１０は、放冷フィンのような冷媒回路ブロック２０上に載置されている。パワー半導体モジュール１０と冷媒回路ブロック２０とを挟んで対向配置するように、第１プレート３０と第２プレート４０が配置されている。第１プレート３０、第２プレート４０は、アルミニウムや銅のような熱伝導性の高い金属から形成される。第１プレート３０は、パワー半導体モジュール１０の上面に接している。一方、第２プレート４０は、冷媒回路ブロック２０の裏面に接している。
【００１０】
更に、第１プレート３０と第２プレート４０との双方に、ヒートパイプ５０がロウ付けされている。ヒートパイプ５０は、例えば銅の引き抜き加工で内部にウィックを内包して形成され、内部には水などの冷媒が封入されている。冷媒としては、例えば、自動車で用いられるようなクーラントの混ざった冷却水や油等でも構わない。
【００１１】
ここで、パワー半導体モジュール１０において、フレームや金属板１３のヤング率は、絶縁性樹脂１４のヤング率に比べて一桁から二桁大きい。また、フレームや金属板１３の材料と、絶縁性樹脂１４で、線膨張係数の略等しい材料を用いた場合でも、温度変化による反りが発生する。
このような反りの発生は、金属板１３を用いた場合に大きい。例えばパワー半導体モジュール１０の動作範囲では、パワー半導体モジュール１０の温度は室温から１００℃以上であるが、このような温度範囲ではパワー半導体モジュール１０に数十μｍ程度の反りが発生する。従って、従来のパワー半導体モジュール１０を放熱フィンに固着して用いる構造では、パワー半導体モジュール１０を放熱フィンに向かって加圧するように固定する。
【００１２】
特開２００１−６１２８２号公報のパワー半導体モジュールでは、金属ベース板に穴が設けられ、パワー半導体モジュールがネジで固定されている。しかし、パワー半導体モジュールが本実施の形態のような樹脂封止型の場合、樹脂の破壊耐量が金属よりも低いために、ネジ固定時の接触状態によっては樹脂割れが発生する。このため、ネジ穴の数を増加させたり、大きなＲ形状を設ける必要があり、パワー半導体モジュールが大型化するという問題があった。
【００１３】
そこで、本実施の形態にかかるパワー半導体装置１００では、パワー半導体モジュール１０にはネジ穴を設けず、パワー半導体モジュール１０を、放熱板を兼ねた第２プレート４０で冷媒回路ブロック２０に押しつけている。
具体的には、冷媒回路ブロック２０が、パワー半導体モジュール１０の厚みに略等しい凹部２１を有し、かかる凹部２１に載置したパワー半導体モジュール１０を、冷媒回路ブロック２０と第１プレート３０とでネジ止めしている。
【００１４】
かかる構造により、パワー半導体モジュール１０にはネジ穴を設けることなく、冷媒回路ブロック２０に反りの無い状態で固定できる。これにより、温度変化によるパワー半導体モジュール１０の反りの発生を防止できる。
【００１５】
なお、パワー半導体モジュール１０の反りは、そのサイズが小型化されるほど小さくなり、押さえつけるのに必要な力も小さくなる。従って、パワー半導体モジュール１０の小型化により、第１プレート３０の固定強度を緩和できる。
【００１６】
また、パワー半導体素子１１を内包するパワー半導体モジュール１０の製造コストが高いため、パワー半導体モジュール１０を小型化することで、パワー半導体装置の製造コストを抑えることが可能となる。
【００１７】
図３に、本実施の形態にかかるパワー半導体装置１００の組立図を示す。図３中、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。
【００１８】
図３に示すように、パワー半導体装置１００の組立工程では、パワー半導体素子を内包した樹脂封止型パワー半導体モジュール１０を、例えば熱伝導グリスを介して、冷媒回路ブロック２０上に載置する。この時パワー半導体モジュール１０の上面にはあらかじめ熱伝導グリスを塗布しておく。
【００１９】
次に、ヒートパイプ５０に接続された一対の放熱板（第１、第２プレート３０、４０）を、冷媒回路ブロック２０の裏面とパワー半導体モジュール１０の上面に接するように配置する。一対の放熱板３０、４０とヒートパイプ５０が一体となっていることで取り扱い性に優れる。
【００２０】
ヒートパイプ５０は、湾曲した中央部と、中央部を挟んで略平行に配置され、第１プレート３０と第２プレート３０とに接続された接続部とを含む。また、ヒートパイプ５０は、接続部の間隔（第１プレート３０と第２プレート３０との距離）が変化するように撓む。このため、ヒートパイプ５０の弾性により、パワー半導体モジュール１０が冷媒回路ブロック２０に押さえつけられた状態にできる。
【００２１】
以上で述べたように、本実施の形態にかかるパワー半導体装置１００では、パワー半導体モジュール１０で発生した熱の一部が、上面の第１プレート３０からヒートパイプ５０に伝えられる。更に、ヒートパイプ５０は、第２プレート４０に熱を伝え、冷媒回路ブロック２０で放熱される。特に、冷媒回路ブロック２０の裏面（パワー半導体モジュール１０の載置面と反対の面）は、十分な冷却能力を有する。
従って、ヒートパイプ５０を用いて、パワー半導体モジュール１０の上面から冷媒回路ブロック２０の裏面に熱を伝えることにより、パワー半導体素子１００の放熱効率を大幅に向上させることができる。
特に、湾曲させたヒートパイプ５０を用いるため、従来構造のようにサイズを大きくすることなく、冷却効率を向上させることができる。また、冷媒回路ブロック２０の数を増やす必要もない。
なお、図１では、冷媒回路ブロック２０として冷却フィンを用いたが、冷却フィンに空気を送って冷却しても構わない。
【００２２】
また、ここでは、ヒートパイプ５０が１本の場合について説明したが、複数のヒートパイプ５０を設けても構わない。この場合、ヒートパイプ５０の湾曲部がパワー半導体装置１００の一方に並んで配置されるようにする。かかる構造とすることで、ヒートパイプ５０を撓ませて、パワー半導体モジュール１０を冷媒回路ブロック２０に押さえつけることができる。
【００２３】
また、本実施の形態では、冷媒回路ブロック２０が、パワー半導体モジュール１０の厚みに略等しい凹部を有する構造としたが、パワー半導体モジュール１０の厚みに略等しいスペーサを挟んで冷媒回路ブロック２０と第１プレート３０とを固定しても構わない。
【００２４】
実施の形態２．
図４は、全体が２００で表される、本実施の形態にかかるパワー半導体装置の断面図である。図４中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
パワー半導体装置２００では、パワー半導体モジュール７０が冷媒回路ブロック８０上に配置され、その上に第１プレート（放熱板）３０が配置されている。上述のパワー半導体装置１００と同様に、冷媒回路ブロック８０はパワー半導体モジュール７０の厚みに略等しい凹部８５を有し、かかる凹部８５にパワー半導体モジュール７０が載置されている。また、第２プレート（放熱板）４０は冷媒回路ブロック８０の裏面に取り付けられている。第１プレート３０と第２プレート４０とを固定具６０によって締め付けることにより、第１プレート３０と第２プレート４０との間に、パワー半導体モジュール７０と冷媒回路ブロック８０とが挟まれて固定される。
【００２５】
パワー半導体モジュール７０の上面と第１プレート３０との間には熱伝導グリスが塗られ、両者の間の熱抵抗を下げている。
【００２６】
パワー半導体モジュール７０は、放熱板７３を含む。放熱板７３の上には、半田７２を介してＩＧＢＴ等のパワー半導体素子７１が取り付けられている。また、パワー半導体素子７１の表面電極には、内部電極７６が半田により取り付けられている。放熱板７３、パワー半導体素子７１等は、内部電極７６と共に絶縁性樹脂７７により封止されている。
【００２７】
内部電極７６は、パワー半導体素子７１表面の応力を下げ、剛性を小さくするために、薄い部分を設けてその部分をパワー半導体素子７１にはんだ付けしている。このような薄い部分は例えば複数あり、厚い部分に結合されることにより、パワー半導体素子７１に大電流を流しても発熱の問題がないように構成されている。内部電極７６の厚い部分は、パワー半導体モジュール７０の上面に近接して配置され、上面への放熱性を高めている。
また、放熱板７３の下には絶縁層７４および保護層７５が設けられている。
【００２８】
冷媒回路ブロック８０では、冷却水が、しきり部８１により形成された第１の空間８２に導入される。かかる冷却水は、更に、しきり部８１により形成された第２の空間８４を経て第３の空間８３に入り、外部に排出される。第２の空間８４では、パワー半導体モジュール７０の裏面を冷却する。
例えば第２の空間８４に形成される流路の断面積を５０ｍｍ２、第１、３の空間８２、８３に形成される流路の断面積をその２倍の１００ｍｍ２とすると、第２の空間８４での流速が速くなり冷却効率を大きくできる。
【００２９】
また、パワー半導体モジュール７０の底面に保護層７５が配置されていることで、冷却水による侵食や腐食を防止できる。例えば、絶縁層７４が、熱伝導率５〜１０Ｗ／ｍＫ程度のエポキシ樹脂の場合、樹脂に冷却水の水分が浸透すると絶縁性に低下する。このため、例えば厚さ１００μｍ以上の銅箔からなる保護層７５で絶縁層７４を覆うことにより、絶縁層７４への水分の浸透を防止している。第２の空間８４には、保護層７５のみが露出し、絶縁層７４への水分の浸透も防止している。
【００３０】
冷媒回路ブロック８０と保護層７５との間は、Ｏリングやガスケットのようなシール手段（図示せず）で、加圧密着されている。また、両者の間に予め水密性のある接着剤を塗布し、固定具６０の締め付けで接着面につねに加圧力を働かせるようにしても良い。
【００３１】
第１プレート３０、第２プレート４０、および冷媒回路ブロック８０の所定の位置には貫通穴が設けられており、ボルトのような固定具６０を通してこれらを固定している。かかる構造では、冷媒回路ブロック８０にはネジ穴は不要であり、貫通穴を設けるために、組み立てが簡便となる。
【００３２】
また、ネジ穴を設けず貫通穴としたことで、冷媒回路ブロック８０の材料選択の幅が広がり、より低コストの材料を適用できる。例えば、冷媒回路ブロック８０の材料に射出成形で用いられる樹脂を用いると、複雑な流路の設計が可能となる。特に、冷媒回路ブロック８０とパワー半導体モジュール７０との間の空間、即ち第２の空間８４は、パワー半導体モジュール７０の底面を直接冷却するが、冷却水が層流となると冷却水に温度分布が形成され、底面近傍の冷却水の温度が上昇してしまう。このため、冷却水の温度分布が発生しにくいように冷却水を掻き乱し、乱流とするのが好ましい。例えば、冷却ブロック回路８０に、直径数ｍｍの多数の円筒や、直方体、円錐、円錐台、その他、流れを掻き乱すような形状の突起部を設けることで、冷却水の流れを乱し、冷却性能を高めることができる。
なお、機械加工でかかる突起部を形成するよりも、射出成型で形成した方が容易に形成できるとともに、生産性も向上する。
【００３３】
このように、本実施の形態にかかるパワー半導体装置２００では、パワー半導体モジュール７０で発生した熱の一部が、上面の第１プレート３０からヒートパイプ５０を介して第２プレート４０に伝えられ、冷媒回路ブロック８０で放熱される。特に、冷媒回路ブロック８０が水冷方式のため、パワー半導体素子２００の放熱効率を大幅に向上させることができる。
【００３４】
ここでは、ヒートパイプ５０を１本としたが、実施の形態１と同様に複数のヒートパイプを設けても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体装置の斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体装置の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体装置の組立図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかるパワー半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  パワー半導体モジュール、２０  冷媒回路ブロック、３０  第１プレート、４０  第２プレート、５０  ヒートパイプ、６０  固定具、１００  パワー半導体装置。
【図１】
2006140390.tif 000003
【図２】
2006140390.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006140390.tif 000006