(57)【要約】【課題】パワーカード２０と冷却器１０が絶縁板３０を挟んで積層されている半導体装置２に関し、パワーカード２０と絶縁板３０との間にグリスを塗らずとも積層前に絶縁板３０を保持できる技術を提供する。【解決手段】半導体装置２は、半導体素子４１が封止されているパワーカード２０と冷却器１０とが絶縁板３０を挟んで積層されているとともに、積層方向に沿って荷重が加えられている。パワーカード２０は、絶縁板３０の縁に接するとともに冷却器１０に対向する面に接して絶縁板３０を係止する係止部２５ａ、２５ｂを有している。係止部２５ａ、２５ｂが冷却器１０との積層前にパワーカード２０に対して絶縁板３０を保持する。それゆえ、半導体装置２の製造工程において、グリスをパワーカード２０に塗布する工程を削減し、半導体装置２の製造コストを低減できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が封止されているパワーカードと冷却器とが絶縁板を挟んで積層されているとともに、前記パワーカードと前記冷却器とに積層方向に沿って荷重が加えられている半導体装置であって、
前記パワーカードは、前記絶縁板の縁に接するとともに前記絶縁板の前記冷却器に対向する面に接して前記絶縁板を係止する係止部を有している、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、半導体素子が封止されているパワーカードと冷却器とが絶縁板を挟んで積層されている半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子を冷却する構造として、両面冷却構造が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１には、半導体素子を封止したパワーカードと、パワーカードの両面側に絶縁板を介して配置された冷却器とを備えるパワーカード積層ユニット（半導体装置）が開示されている。特許文献１の半導体装置では、パワーカードと絶縁板との間にグリスが塗布されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１１１１７６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に開示されている半導体装置においてグリスは、パワーカードから冷却器への伝熱効率を高める伝熱材として機能するとともに、パワーカードと冷却器を積層する前にパワーカードに絶縁板を接着する接着剤として機能する。特許文献１に開示されている半導体装置では、伝熱材としての機能が不要であっても接着剤としての機能が要求されるため、その製造工程においてグリスを塗布する工程が必要となる。冷却器と積層する前にグリスなしで絶縁板をパワーカードの表面に保持することができれば、グリスを塗布する工程が不要となり、半導体装置の製造コストを削減することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書は、半導体素子が封止されているパワーカードと冷却器とが絶縁板を挟んで積層されているとともに、パワーカードと冷却器とに積層方向に沿って荷重が加えられている半導体装置について開示する。この半導体装置のパワーカードは、絶縁板の縁に接するとともに絶縁板の冷却器に対向する面に接して絶縁板を係止する係止部を有している。この形態の半導体装置によれば、係止部がパワーカードに対して絶縁板を保持する。それゆえ、本明細書が開示する半導体装置では、接着剤としてのグリスは必要がない。この半導体装置は、その製造工程においてグリスをパワーカードに塗布する工程を削減することができ、半導体装置の製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施例における半導体装置の斜視図である。
【図２】パワーカードとその両面に配置された絶縁板および冷却器の図１におけるII−II線に沿った断面図である。
【図３】パッケージに絶縁板を装着するときのパワーカードをＸ軸正方向から見た正面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１は、実施例における半導体装置２の斜視図である。図１に示す半導体装置２は、複数のパワーカード２０と複数の絶縁板３０と複数の冷却器１０とが積層された構造を備えている。なお、図１では、半導体装置２に含まれる複数のパワーカード２０の内の１つのパワーカード２０と、そのパワーカード２０の両面に配置される絶縁板３０とを抜き出して描いてある。図１では、１つのパワーカードだけに符号２０を付し、他のパワーカードでは符号を省略している。同様に、図１では、１つの冷却器にだけ符号１０を付し、他の冷却器では符号を省略している。また、抜き出して描いた２枚の絶縁板にだけ符号３０を付し、他の絶縁板では符号を省略している。
【０００８】
図１に示すように、半導体装置２は、ケース６と、板バネ７と、積層ユニット８とを備えている。ケース６は、板バネ７と積層ユニット８とを収納する。本実施例では、ケース６は、中空の直方体の形状を有している。なお、ケース６は、積層ユニット８を収納できればよく、ケース６の形状は直方体に限られない。板バネ７は、積層ユニット８に、積層方向の荷重を加える。ここで、積層方向とは、パワーカード２０と冷却器１０が積層されている方向であり、図中の座標系のＸ軸方向がこれに相当する。積層ユニット８に積層方向の荷重が加えられることで、パワーカード２０と絶縁板３０と冷却器１０の密着性が高まり、パワーカード２０から冷却器１０への熱の伝達特性が向上する。
【０００９】
以降では、積層方向に平行な軸をＸ軸と定義し、図１の左側をＸ軸の正方向と定義する。Ｚ軸を図１における鉛直方向と平行な軸と定義し、鉛直上方向をＺ軸の正方向と定義する。Ｘ軸とＺ軸とに直交する軸をＹ軸と定義し、図１における手前方向をＹ軸の正方向と定義する。
【００１０】
積層ユニット８は、複数のパワーカード２０と、複数の冷却器１０と、複数の絶縁板３０と、積層方向に沿って複数の冷却器１０を連結する連結パイプ４ａ、４ｂと、冷媒供給管３ａおよび冷媒排出管３ｂとを有している。
【００１１】
パワーカード２０は、平板型であり、複数の側面の内の最大面積の平坦面が対向するように配置されている。パワーカード２０の積層方向の両面のそれぞれに絶縁板３０が対向するように配置されている。なお、以降では、各部材において、積層方向（Ｘ軸方向）に直交するＹＺ平面に平行な面を積層面と称する場合がある。
【００１２】
冷却器１０は、両方の積層面に絶縁板３０が配置されたパワーカード２０を挟むように、配置されている。換言すると、パワーカード２０と冷却器１０とは、絶縁板３０を挟んで積層されている。冷却器１０の積層面は、パワーカード２０の積層面および絶縁板３０の積層面よりも大きい。
【００１３】
冷却器１０の積層面のうち、絶縁板３０の積層面が重なっていない部分のＹ軸負方向では、連結パイプ４ａによって全ての冷却器１０が連結されている。連結パイプ４ａは、Ｘ軸正方向の端部に位置する冷却器１０を介して、冷媒供給管３ａと接続している。同様に、冷却器１０の積層面の内、絶縁板３０の積層面が重なっていない部分のＹ軸正方向では、連結パイプ４ｂによって全ての冷却器１０が連結されている。連結パイプ４ｂは、Ｘ軸正方向の端部に位置する冷却器１０を介して、冷媒排出管３ｂと接続している。冷媒供給管３ａと冷媒排出管３ｂとは、積層ユニット８の内のＸ軸正方向の端部に位置する冷却器１０にケース６の外から接続する。連結パイプ４ａと冷媒供給管３ａとは、積層方向に延びる直線に対して同軸に配置された円管である。連結パイプ４ｂと冷媒排出管３ｂもまた、積層方向に延びる直線に対して同軸に配置された円管である。このような構成により、冷媒供給管３ａから供給される冷媒は、連結パイプ４ａを介して複数の冷却器１０に供給され、連結パイプ４ｂを介して複数の冷却器１０から冷媒排出管３ｂを通って排出される。冷却器１０の内部を通る冷媒によって冷却器１０と絶縁板３０を挟んで積層されたパワーカード２０から熱が吸収される。
【００１４】
図１に示すように、１つのパワーカード２０は、複数の半導体素子（後に図２で図示する）を内部に有する。半導体素子は、平坦なチップであり、半導体素子の平坦面がＹＺ平面と平行になるようにパワーカード２０の内部に配置されている。半導体素子は、例えば、トランジスタやダイオードである。パワーカード２０は、パッケージ２５と、パッケージ２５からＺ軸正方向に延出する３本の電極端子２６ａ、２６ｂ、２６ｃと、パッケージ２５からＺ軸負方向に延出する２つの制御端子群２９ａ、２９ｂと、積層面に露出する２つの放熱板２３ａ、２３ｂとを有する。放熱板２３ａ、２３ｂは、パッケージ２５の両面に形成される。放熱板２３ａ、２３ｂは、はんだを介してパッケージ２５の内部の半導体素子と接合されている。積層ユニット８において、放熱板２３ａ、２３ｂの積層面は、対向する絶縁板３０の積層面と接している。放熱板２３ａ、２３ｂは、導電性と伝熱性とに優れた材料（例えば、銅）で形成されている。
【００１５】
電極端子２６ａ、２６ｂ、２６ｃのそれぞれは、平板状の形状を有している。電極端子２６ａ、２６ｂ、２６ｃのそれぞれは、パッケージ２５の内部に配置された半導体素子の上端（Ｚ軸正方向側）に接続されている。制御端子群２９ａ、２９ｂのそれぞれは、３本の棒状の端子で構成されている。制御端子群２９ａ、２９ｂのそれぞれは、パッケージ２５の内部に配置された半導体素子の下端（Ｚ軸負方向側）に接続されている。なお、パッケージ２５の詳細な形状の説明については、図２の説明と合わせて後述する。
【００１６】
絶縁板３０は、絶縁性が高くて熱伝導性が優れる材料（例えば、熱伝導セラミックス）で形成されている。絶縁板３０は、積層ユニット８として積層されたときに、パワーカード２０と冷却器１０とを絶縁するとともに、放熱板２３ａ、２３ｂから放出される半導体素子の熱を冷却器１０に伝達する。絶縁板３０は、後述するパッケージ２５が有する係止部によってパッケージ２５に対して固定されている。係止部およびパッケージ２５に固定された絶縁板３０については、図２および図３の説明と合わせて後述する。
【００１７】
図２は、パワーカード２０と、パワーカード２０の両面に配置された絶縁板３０、および、冷却器１０の図１におけるII−II線に沿った断面図である。図２に示すように、１つの冷却器１０は、平板状の中板１５と、中板１５を中心に対称に配置された２つの外板１６および２つの波板状のフィン板１９とを有している。外板１６は、周縁が直角に折り曲がった盆形状を有する。２つの外板１６で中板１５を挟み、中板１５と外板１６との間に空間を作るように中板１５と外板１６とが接合される。中板１５とその両側の外板１６で形成された２つの空間のそれぞれには、１つのフィン板１９が配置されている。冷媒は、フィン板１９が配置された空間を流れる。本実施例では、中板１５と外板１６とフィン板１９とは、それぞれ、アルミニウム製であり、プレス加工によって製造される。
【００１８】
パッケージ２５の内部には、半導体素子４１と、導電性のスペーサ４２とが配置されている。半導体素子４１は、積層方向であるＸ軸に沿った両面に電極を有している。半導体素子４１のＸ軸正方向側の積層面は、放熱板２３ｂに接合している。半導体素子４１のＸ軸負方向側の積層面は、スペーサ４２のＸ軸正方側の積層面と接合している。スペーサ４２のＸ軸負方向側の積層面は、放熱板２３ｃに接合している。なお、放熱板２３ｃは、図１に図示されていないが、１つのパワーカード２０において放熱板２３ｂに対応するように、放熱板２３ｂが配置された逆の積層面に配置される。パッケージ２５は樹脂の射出形成によって作られる。半導体素子４１とスペーサ４２は、樹脂の射出成形によってパッケージ２５の内部に封止される。
【００１９】
パッケージ２５は、積層面の外周縁に係止部２５ａ、２５ｂを有している。係止部２５ａは、Ｘ軸正方向側のパッケージ２５の積層面に形成され、係止部２５ｂは、Ｘ軸負方向側のパッケージ２５の積層面に形成されている。本実施例では、係止部２５ａは、パッケージ２５の積層面において、Ｚ軸正方向側の縁の全長とＺ軸負方向側の縁の全長にわたって設けられている。さらに係止部２５ａは、Ｙ軸負方向側の縁の全長にわたって設けられている。換言すると、係止部２５ａは、Ｙ軸正方向側の縁を除いた積層面の外周縁に形成されている。さらに換言すると、係止部２５ａは、積層ユニット８を積層方向からみたときにコの字形状となるように形成されている。
【００２０】
係止部２５ａは、積層方向に沿って延出している延出部２５ａ１と、延出部２５ａ１の端部からパッケージ２５の積層面の中心に向かってＹＺ平面と平行に延出している爪部２５ａ２とを有している。図２に示すように、本実施例では、爪部２５ａ２におけるＸ軸負方向側の面と、放熱板２３ｂが露出している積層面との距離は、絶縁板３０の積層方向に沿った厚みと同じになるように形成されている。そのため、絶縁板３０がパッケージ２５に装着されると、絶縁板３０の積層方向における位置は、係止部２５ａの爪部２５ａ２によって固定される。換言すると、絶縁板３０は、積層方向において、パワーカード２０に対する位置が規定される。また、本実施例では、Ｚ軸正方向側の延出部２５ａ１とＺ軸負方向側の延出部２５ａ１との距離は、絶縁板３０の積層面におけるＺ軸の寸法と同じであるため、絶縁板３０のＺ軸方向における位置は、延出部２５ａ１によって規定される。換言すると、係止部２５ａの延出部２５ａ１が絶縁板３０の縁に接しており、係止部２５ａの爪部２５ａ２は絶縁板３０の冷却器１０に対向する面に接している。そして、絶縁板３０の３つの縁が係止部２５ａによって係止されている。
【００２１】
係止部２５ｂは、パッケージ２５の中心を通るＹＺ平面に対して、係止部２５ａと対称に形成されている。そのため、本実施形態では、係止部２５ｂの説明を省略する。なお、複数のパワーカード２０の全てが、係止部２５ａ、２５ｂを備えている。
【００２２】
図３は、絶縁板３０を装着するときのパッケージ２５をＸ軸正方向から見た正面図である。なお、図３では、理解し易いように、絶縁板３０に斜線ハッチングを施している。パッケージ２５に絶縁板３０を装着する場合に、絶縁板３０は、係止部２５ａが形成されていないパッケージ２５のＹ軸正方向側から、放熱板２３ａ、２３ｂが露出している積層面と爪部２５ａ２との間に、Ｙ軸負方向への矢印ＣＳに沿って挿入される。絶縁板３０は、Ｙ軸負方向側の延出部２５ａ１に接触するまで挿入されることで、Ｙ軸方向の位置が規定される。
【００２３】
以上説明したように、本実施例の半導体装置２では、半導体素子４１を有するパワーカード２０と冷却器１０とが、絶縁板３０を挟んで積層されている。パワーカード２０と絶縁板３０とを含む積層ユニット８は、積層方向に沿って板バネ７によって荷重が加えられている。パワーカード２０のパッケージ２５は、積層面の外周縁に係止部２５ａ、２５ｂを有している。係止部２５ａ、２５ｂは、積層方向において、パワーカード２０に対する絶縁板３０の位置を規定する。換言すると、パワーカード２０（パッケージ２５）には、絶縁板３０の縁に接するとともに絶縁板３０の冷却器１０に対向する面に接して絶縁板３０を係止する係止部２５ａ、２５ｂが設けられている。係止部２５ａ、２５ｂは、パワーカード２０（パッケージ２５）の積層面の平行な２辺と、その２辺に直交する１辺に設けられている。係止部２５ａ、２５ｂは、冷却器１０との積層前に絶縁板３０をパワーカード２０に対して保持することができる。そのため、本実施例の半導体装置２では、冷却器１０の積層前に絶縁板３０をパワーカード２０に接着させる接着剤（例えばグリス）が不要になる。これにより、半導体装置２の製造工程において、パワーカード２０と絶縁板３０との間にグリスを塗布する工程を省略することができ、半導体装置２の製造コストを低減できる。
【００２４】
上記実施形例では、パワーカード２０が有する係止部２５ａ、２５ｂの一例について説明したが、係止部２５ａ、２５ｂについては、種々変形可能である。係止部２５ａ、２５ｂは、上記実施例では、Ｙ軸正方向側の縁を除く全周に形成されたが、他の実施例では、例えば、Ｚ軸正方向側の縁の全長とＺ軸負方向側の縁の全長にわたって形成され、Ｙ軸方向の縁に形成されていなくともよい。あるいは、逆に、Ｙ軸正方向側の縁の全長とＹ軸負方向側の縁の全長にわたって形成され、Ｚ軸方向の縁に形成されていなくともよい。係止部２５ａ、２５ｂは、パワーカード２０の積層面の平行な２辺に設けられていればよい。また、係止部２５ａ、２５ｂは、パッケージ２５の積層面の一つの縁の全長にわたってではなく、縁の１か所に設けられてもよく、あるいは、数カ所に離散的に設けられてもよい。
【００２５】
また、係止部２５ａと係止部２５ｂとは異なる形状であってもよいし、複数のパワーカード２０において、それぞれの係止部２５ａ、２５ｂが異なる形状であってもよい。上記実施例では、パッケージ２５は、射出成形によって形成されたが、その他の成形方法によって製造されてもよい。例えば係止部２５ａ、２５ｂは、パッケージ２５の射出成形の後に取り付けられてもよい。
【００２６】
本実施形態では、爪部２５ａ２におけるＸ軸負方向側の面と、放熱板２３ｂが露出している積層面との距離は、絶縁板３０の積層方向に沿った厚みと同じになるように形成されたが、当該距離と絶縁板３０の厚みとの寸法関係については、種々変形可能である。例えば、当該距離を絶縁板３０の厚みよりも５％程度大きくすることで、パッケージ２５に絶縁板３０を装着させ易くしてもよい。この場合、絶縁板３０は、パッケージ２５に対してある程度の隙間を有した上で、パッケージ２５に対して保持される。板バネ７によって積層ユニット８が積層方向に荷重されることで、絶縁板３０は、パワーカード２０および冷却器１０に密着する。
【００２７】
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】
【００２８】
２：半導体装置
３ａ：冷媒供給管
３ｂ：冷媒排出管
４ａ、４ｂ：連結パイプ
６：ケース
７：板バネ
８：積層ユニット
１０：冷却器
１５：中板
１６：外板
１９：フィン板
２０：パワーカード
２１：筐体
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ：放熱板
２５：パッケージ
２５ａ、２５ｂ：係止部
２５ａ１：延出部
２５ａ２：爪部
２６ａ：電極端子
２９ａ：制御端子群
３０：絶縁板
４１：半導体素子
４２：スペーサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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