(57)【要約】【課題】グリスの抜けを防止して放熱効率の低下を抑制する技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する半導体素子の冷却構造２は、放熱プレート１２の一方の面１２ａに接合されたチップ７の熱を放熱プレート１２の他方の面１２ｂと冷却器３の間に介在するグリス２０を介して冷却器３に拡散させるものである。この放熱構造は、放熱プレート１２の側方を取り囲むように放熱プレート１２の側面に接合されている放熱フレーム１５を備える。放熱フレーム１５は、放熱プレート１２と冷却器３との間にグリス２０が介在する隙間Ｓを設けて複数箇所にて冷却器３に固定される。放熱フレーム１５は、放熱プレート１２の熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する。チップ７が発熱すると、熱膨張率が高い放熱フレーム１５の方が放熱プレート１２よりも大きく熱膨張する。放熱フレーム１５は放熱プレート１２の側方周囲で冷却器３に先に当接し、グリスの散逸を阻止する。【選択図】図２
2015204436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板部材の一方の面に取り付られた半導体素子の熱を当該板部材の他方の面と冷却器の間に介在するグリスを介して前記冷却器に拡散させる半導体素子の冷却構造であり、
前記板部材の側方を取り囲むように前記板部材の側面に接合されている枠部材が、、前記冷却器と前記板部材との間に前記グリスが介在する隙間を設けて複数箇所にて前記冷却器に固定されており、
前記枠部材は、前記板部材の熱膨張率よりも高い熱膨張率を有することを特徴とする半導体素子の冷却構造。
【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、半導体素子が発した熱をグリスを介して冷却器に拡散させる冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ等の電力制御用の半導体デバイスは、半導体素子のなかでも発熱量が大きい。そのため、例えば、特許文献１、２で開示されているように、冷却器に放熱する構造を採用することが多い。典型的には、熱伝達効率を高めるため、半導体素子が取り付けられた放熱板と放熱器の間に放熱用のグリスを介在させる。放熱板は、ヒートスプレッダと称されることもある（特許文献１）。
【０００３】
ところで、このような半導体素子が接合される放熱板は、半導体素子の発熱に伴い熱膨張する。半導体素子の熱膨張率よりも高い熱膨張率を放熱板が有する場合には放熱板が反るように変形して冷却器との間に介在するグリスを外部に押し出す、いわゆるポンピング現象が生じ得る。ポンピング現象によってグリスが抜けたりその量が減ったりすると、冷却器による放熱効率が低下する。そのため、特許文献１、２には、グリス抜けの対策技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２５１４７３号公報
【特許文献２】特開２００３−１６８７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本明細書は、上記特許文献１や特許文献２に開示する構造とは異なる構造でグリスの抜けを防止して放熱効率の低下を抑制する冷却構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する半導体素子の冷却構造は、板部材の一方の面に取り付けられた半導体素子が発する熱を板部材の他方の面と冷却器の間に介在するグリスを介して冷却器に拡散させる冷却構造であり、板部材の側方を取り囲むように板部材の側面に接合されている枠部材を備える。その枠部材は、グリスが介在する隙間を設けて複数箇所にて冷却器に固定されている。その枠部材は、板部材の熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する。これにより、半導体素子が発熱すると、熱膨張率が高い枠部材の方が、板部材よりも大きく熱膨張する。そして、枠部材は、板部材の側方周囲で放熱器に先に当接する。そのため、板部材が熱膨張をしてグリスを外周方向に押し出そうとしても、熱膨張による変形後の枠部材が冷却器表面と密に接しているのでグリスの押し出しを阻止する。熱膨張率の大きい枠部材がグリスの抜けを防止して放熱効率の低下を抑制する。
【０００７】
本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例の半導体素子の冷却構造の平面図である。
【図２】図１に示すII−II線断面図である。
【図３】半導体デバイス、放熱プレート、放熱フレーム等の寸法関係を示す模式図である。
【図４】熱膨張をした場合の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面を参照して実施例の半導体素子の冷却構造を説明する。実施例の冷却構造は、電気自動車においてバッテリの直流電力を交流電力に変換して走行用のモータに供給する電力変換装置に好適である。走行用のモータは出力が大きく、電力変換装置は、大電流を扱う。特に、パワー半導体素子（あるいパワーデバイス）と呼ばれる半導体素子には、モータに供給する電流が直接流れるので特に発熱量が大きい。パワー半導体素子は、バッテリの直流電圧をモータの駆動に適した電圧に昇圧する電圧コンバータ回路や、直流電圧をモータに供給する３相交流電圧に変換するインバータ回路において多数採用されている。パワー半導体素子の典型は、電圧コンバータ回路やインバータ回路を構成するスイッチング素子であり、具体的にはＩＧＢＴ等の電力制御用の素子である。
【００１０】
このような半導体素子は、例えば、回路方式に合わせて複数の半導体素子が半導体モジュールとして１つの樹脂モールド中に封止されていたり、あるいはこれらの半導体素子を駆動する周辺回路等とともに樹脂モールドされたりする。後者のものは、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）と称されることがある。本明細書では、このようなＩＰＭとして樹脂モールドされている半導体素子を冷却する冷却構造について説明する。なお、以下、半導体素子のことをチップと称する。
【００１１】
図１及び図２に示すように、本実施例の冷却構造２は、チップ７の発熱をグリス２０を介して冷却器３に逃がすものであり、ヒートスプレッダ１０等により構成されている。なお、図１に、本実施例の冷却構造２の平面図を示す。また図２に、図１に表すII−II線に沿った断面図を示す。図２は、特に、ヒートスプレッダ１０及びグリス２０の断面形状を表している。図２では、チップ７、ハンダ材９及び冷却器３については断面における内部構造を図示していないことに注意されたい。また、これらの図においては、インバータやＩＰＭ（樹脂モールド）は図示されていないことにも注意されたい。
【００１２】
ヒートスプレッダ１０は、放熱プレート１２と放熱フレーム１５により構成されている。放熱プレート１２は、矩形状を成すチップ７に合わせて、例えば、外形がチップ７よりも一回り大きい矩形状の金属板である。典型的には、鉄等に比べて熱伝導率が高い銅が使用される。この放熱プレート１２の一方の面１２ａには、チップ７がハンダ材９により接合されている。また、放熱プレート１２の他方の面１２ｂには、後述するように、放熱用のグリス２０が塗布されており、このグリス２０が放熱プレート１２と冷却器３の間に介在する。なお、詳しくは後述するが、放熱プレート１２は、その周囲を一巡するように放熱フレーム１５で囲まれている。また、本実施例では、平面方向に並ぶ２つのチップ７に対応して２枚の放熱プレート１２が並列に位置している。
【００１３】
放熱フレーム１５は、放熱プレート１２の側方を取り囲む矩形の枠形状に形成される金属枠である。放熱フレーム１５は、そのフレームの内側面が、放熱プレート１２の側面の全体に接合されている。接合には例えば摩擦撹拌接合など、強固な接合手法が採用される。また、放熱フレーム１５には、放熱プレート１２よりも熱膨張率が高い金属材料が選択される。本実施例では、放熱プレート１２は銅製であるため、例えば、銅の熱膨張率（線膨張率＝１６．８）よりも高い熱膨張率（線膨張率＝２３）を持つアルミニウムが放熱フレーム１５に使用される。放熱プレート１２よりも熱膨張率が高い金属により放熱フレーム１５を形成する理由については、後で詳述する。
【００１４】
本実施例では、放熱フレーム１５は、その外形１５ａが並列に位置する２枚の放熱プレート１２の外側を囲む長方形状に形成されている。また、放熱フレーム１５には、放熱プレート１２と同じサイズの矩形孔１５ｂが２箇所に形成されており、各矩形孔１５ｂの内面が各放熱プレート１２の外周面と接合されている。また、放熱フレーム１５の厚さは、放熱プレート１２とほぼ同じ厚み、あるいは、放熱フレーム１５の厚みが放熱プレート１２の厚みよりもやや大きめに設定されている。前者の場合は、冷却器３に面する側で放熱プレート１２と放熱フレーム１５が面一となるように両者が接合される。後者の場合は、放熱プレート１２と冷却器３の間にグリス２０が留まり易いように、冷却器３に面している側において、放熱プレート１２の表面よりも放熱フレーム１５が冷却器側に突出するように、放熱プレート１２と放熱フレーム１５が接合される。本実施例では前者の態様を採用している。
【００１５】
このように形成される放熱フレーム１５は、所定の間隔を隔てて冷却器３に固定されている。本実施例では、矩形孔１５ｂの四隅を外方向に延長した角部に貫通孔を形成し、この貫通孔を通るボルト５により放熱フレーム１５が冷却器３に固定される。矩形孔１５ｂが１つだけ形成されている場合には、上記の貫通孔は、四隅に４箇所に形成されるが、本実施例では、２つの矩形孔１５ｂが並んで形成されている。そのため、矩形孔１５ｂ同士に挟まれた中央部分においては、貫通孔が重複することから、６箇所に貫通孔が形成されてボルト５により冷却器３にねじ締結されている。また、放熱フレーム１５と冷却器３を隔てる所定の間隔は、グリス２０を介在させるための隙間Ｓであり、例えば、ボルト５に通した図示しないスペーサを放熱フレーム１５と冷却器３の間に挟み込むことにより確保される。
【００１６】
グリス２０は、例えば、熱伝導率の高いペースト状の放熱用のシリコングリスである。本実施例では、放熱プレート１２や放熱フレーム１５と、冷却器３との隙間Ｓに充填されており、グリス２０の多くは、放熱プレート１２から冷却器３に対する放熱に寄与する。が、グリス２０を介して放熱プレート１２から放熱フレーム１５への熱拡散も促進される。グリス２０は、ペースト状の半流動体である、そのため、例えば、放熱プレート１２がチップ７の発熱により冷却器３に向けて反るように変形する、いわゆるポンピング現象が生じても、それにより押し出されたグリス２０の一部は、隙間Ｓ内にとどまり得る。
【００１７】
ここで、チップ７、放熱プレート１２及び放熱フレーム１５の寸法関係等について図３を参照して説明する。図３に、チップ７、放熱プレート１２、放熱フレーム１５等の寸法関係を示す模式図を示す。前述したように、放熱プレート１２の一方の面１２ａにはチップ７が接合されており、放熱プレート１２は、チップ７よりも一回り大きい。そのため、チップ７と放熱プレート１２の間には、チップ７の幅Ｗａ＜放熱プレート１２の幅Ｗｂの関係が成り立つ。また、放熱プレート１２は、その外側の周面が、放熱フレーム１５に形成された矩形孔１５ｂの内面に接合している。そのため、放熱フレーム１５の矩形孔１５ｂの幅Ｗｃは、放熱プレート１２の幅Ｗｂと等しく、Ｗｂ＝Ｗｃの関係が成り立つ。また、放熱フレーム１５の外形１５ａの幅Ｗｄは、チップ７や放熱プレート１２の幅Ｗａ、Ｗｂよりも大きい（Ｗａ＜Ｗｂ＝Ｗｃ＜Ｗｄ）。なお、放熱フレーム１５の外形１５ａの幅Ｗｄは、樹脂モールド３０の幅Ｗｅよりも小さい（Ｗｄ＜Ｗｅ）。以上から、チップ７、放熱プレート１２、放熱フレーム１５及び樹脂モールド３０の間には、Ｗａ＜Ｗｂ＝Ｗｃ＜Ｗｄ＜Ｗｅの寸法関係が成り立つ。また、放熱プレート１２の熱膨張率ＴＥａと放熱フレーム１５の熱膨張率ＴＥｂとの間には、前述したように、ＴＥａ＜ＴＥｂの関係がある。
【００１８】
このようにヒートスプレッダ１０を構成することにより、チップ７が発熱をして放熱プレート１２及び放熱フレーム１５が加熱された場合には、両者はともに熱膨張をする。これにより、ヒートスプレッダ１０は以下のように機能する。例えば、チップ７がＴ℃の発熱をした場合には、放熱プレート１２は、その平面方向にＴ×ＴＥａの膨張をし、また放熱フレーム１５も平面方向にｔ×ＴＥｂの膨張をする。チップ７は放熱プレート１２に接合されているため、チップ７の発熱は、放熱プレート１２に最もよく伝わる一方で、放熱プレート１２には熱伝導率の高い金属材料（例えば、銅）が用いられている。そのため、チップ７に直接接していない放熱フレーム１５に対してもグリス２０を介してチップ７が発した熱が伝わる。また、放熱プレート１２の外周面が放熱フレーム１５の矩形孔の内側面と接合しているのでその接合箇所を介して放熱プレート１２から放熱フレーム１５にチップ７の発熱が伝わる。
【００１９】
これにより、放熱プレート１２及び放熱フレーム１５は、いずれもチップ７の発熱に起因して熱膨張をする。ところが、放熱プレート１２と放熱フレーム１５は、放熱フレーム１５の熱膨張率ＴＥｂの方が、放熱プレート１２の熱膨張率ＴＥａよりも大きい。そのため、図４に示すように、チップ７が発熱すると、放熱プレート１２の熱膨張率ＴＥａよりも熱膨張率ＴＥｂが高い放熱フレーム１５の方が、チップ７の発熱により放熱プレート１２よりも大きく熱膨張をする。このとき、放熱プレート１２の外周面と放熱フレーム１５の矩形孔の内周面は強固に接合しているので、放熱フレーム１５の側方（冷却器表面と平行な方向）への膨張は規制される。
【００２０】
図４に、熱膨張をした場合の断面図を示す。この断面図は、図２と同様に、図１に表すII−II線断面図であり、ヒートスプレッダ１０が熱膨張をしたときの断面形状を表す。放熱フレーム１５は、熱膨張によりその底面部１５ｃが放熱プレート１２の側方周囲で冷却器３に当接するように変形する。これにより、放熱プレート１２が熱膨張をしてグリス２０を外周方向に押し出そうとしても、熱膨張による変形後の放熱フレーム１５がグリス２０の押し出しを阻止する。なお、先に述べたように、放熱プレート１２の外周面と放熱フレーム１５の矩形孔１５ｂの内周面は強固に接合しているのでそれらの間に隙間が生じることはない。
【００２１】
即ち、放熱プレート１２は、チップ７の発熱により熱膨張をしても他方の面１２ｂが冷却器３に接触することなく隙間Ｓを維持するのに対して、放熱フレーム１５は、その各辺部分の底面部１５ｃが冷却器３の方向に突出するように反って冷却器３に当接するまで変形する。これにより、隙間Ｓに存在するグリス２０は、その周囲が熱膨張により反った放熱フレーム１５の各辺部分により囲まれることから、放熱プレート１２によるポンピング現象が生じても、グリス２０の大半（ほとんど）は放熱フレーム１５よりも外側に押し出されることはなく、放熱フレーム１５の枠内に留まる。このように本実施例では、放熱フレーム１５の材料として、放熱プレート１２の熱膨張率ＴＥａよりも大きい熱膨張率ＴＥｂを有する材料を選定することにより、放熱プレート１２の周囲で、放熱プレート１２よりも放熱フレーム１５の各辺部分をその厚み方向で大きく変形させる。これにより、放熱プレート１２と冷却器３の間に介在するグリス２０が、変形した放熱フレーム１５の各辺部分により堰き止められる。したがって、グリス２０の抜けを防止して放熱効率の低下を抑制する。
【００２２】
なお、図２〜図４を参照して説明した構成及び作動は、図１に示す２つのチップ７のうち、紙面左側のチップ７及びその周囲の構成要素（放熱プレート１２、放熱フレーム１５、グリス２０等）に関するものであるが、紙面右側のチップ７及びその周囲の構成要素についても同様に構成及び作動を説明することができる。
【００２３】
以上説明したように本実施例の冷却構造２は、放熱プレート１２の一方の面１２ａに接合されたチップ７の熱を放熱プレート１２の他方の面１２ｂと冷却器３の間に介在するグリス２０を介して冷却器３に放出するものであり、放熱プレート１２の側方を取り囲む枠形状に形成される放熱フレーム１５を備える。放熱フレーム１５は放熱プレート１２の側周面に強固に接合される。放熱フレーム１５は、放熱プレート１２と冷却器３との間にグリス２０が介在する隙間Ｓを設けて冷却器３に固定され、放熱プレート１２の熱膨張率ＴＥａよりも高い熱膨張率ＴＥｂを有する。これにより、チップ７が発熱すると、熱膨張率ＴＥｂが高い放熱フレーム１５の方が、放熱プレート１２よりも大きく熱膨張をして放熱プレート１２の側方周囲で冷却器３に先に当接するように変形する。そのため、放熱プレート１２が熱膨張をしてグリス２０を外周方向に押し出そうとしても、熱膨張による変形後の放熱フレーム１５が冷却器３の表面と密着し、グリス２０の押し出しを阻止する。したがって、グリス２０の抜けを防止して放熱効率の低下を抑制する。
【００２４】
実施例技術に関する留意点を述べる。チップ７が半導体素子の一例に相当する。放熱プレート１２が板部材の一例に相当する。放熱フレーム１５が枠部材の一例に相当する。
【００２５】
本実施例では、冷却対象として、インバータを構成するＩＰＭのチップ７を例として説明したが、発熱する半導体素子で冷却する必要のあるものであれば、例えば、複数のチップを樹脂モールドで封止したパワートランジスタモジュール中のチップや、単体のチップ等を冷却対象にしてもよい。
【００２６】
また、本実施例では、板部材として、銅製の放熱プレート１２を例示し、枠部材として、アルミニウム製の放熱フレーム１５を例示して説明したが、熱膨張率（線膨張率）が板部材よりも枠部材の大きい関係にあれば、例えば、放熱プレート１２を黄銅（線膨張率＝１９）で作り、放熱フレーム１５を亜鉛（線膨張率＝３０．２）で作ってもよい。また、放熱プレート１２及び放熱フレーム１５を他の金属（合金を含む）で組み合わせてもよい。
【００２７】
さらに、本実施例では、板部材として矩形状の放熱プレート１２を例示して説明したが、板状であれば特定の形状に限定する必要はなく、円形状、楕円形状、多角形状等の板部材であってもよい。また枠部材は、矩形孔１５ｂが２つ形成された放熱フレーム１５を例示して説明したが、冷却するチップ７の数に合わせて、矩形孔１５ｂが１つであっても、３つ以上であってもよい。また、放熱フレーム１５の厚さは、底面部１５ｃと冷却器３の間に隙間Ｓを形成することが可能であれば、放熱プレート１２を同じ厚さにする必要はなく、放熱プレート１２よりも薄くしたり厚くしたりしてもよい。また、板部材の側方を囲む枠部材であり、上述した寸法関係（Ｗａ＜Ｗｂ＝Ｗｃ＜Ｗｄ＜Ｗｅ）と熱膨張率の関係（ＴＥａ＜ＴＥｂ）が成り立つものあれば、特定の形状に限定する必要はない。さらに、放熱フレーム１５の固定構造は、グリス２０が介在する隙間Ｓが形成され、かつ、放熱フレーム１５が熱膨張により隙間Ｓが狭くなるように変形可能な構造であれば、上述したボルト５とボルト５に通したスペーサとにより放熱フレーム１５の四隅等をねじ締結により冷却器３に固定する構造に限られることはない。
【００２８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。また、本明細書又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、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、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】
【００２９】
２：冷却構造
３：冷却器
５：ボルト
７：チップ
９：ハンダ材
１０：ヒートスプレッダ
１２：放熱プレート
１２ａ：一方の面
１２ｂ：他方の面
１５：放熱フレーム
１５ａ：外形
１５ｂ：矩形孔
１５ｃ：底面部
２０：グリス
３０：樹脂モールド
Ｓ：隙間
【図１】
2015204436.tif 000003
【図２】
2015204436.tif 000004
【図３】
2015204436.tif 000005
【図４】
2015204436.tif 000006