(57)【要約】【課題】  両面放熱型半導体モジュールの両面を冷却器と接触させて冷却する半導体装置の冷却構造において、良好な放熱特性を確実に得られるような冷却器の接触圧を設定する。【解決手段】  半導体チップ１０と、この半導体チップ１０の両面から放熱するための一対のヒートシンク２０、３０とを備える半導体装置１００が、各々のヒートシンク２０、３０の外面にて絶縁板２１０を介して冷却器２００と接触している半導体装置の冷却構造Ｓ１において、半導体装置１００への冷却器２００の接触圧をＰ（単位：ＭＰａ）、一対のヒートシンク２０、３０の外面同士の平行度をＨ（単位：μｍ）としたとき、１００≧Ｐ≧０．２ｅｘｐ（０．０２Ｈ）、という接触圧の関係が満足されている。【選択図】        図１
2005150420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱素子（１０）と、この発熱素子（１０）の両面から放熱するための一対の放熱板（２０、３０）とを備える半導体装置（１００）が、各々の前記放熱板（２０、３０）の外面にて絶縁材（２１０）を介して冷却器（２００）と接触している半導体装置の冷却構造において、
前記半導体装置（１００）への前記冷却器（２００）の接触圧をＰ（単位：ＭＰａ）、前記一対の放熱板（２０、３０）の外面同士の平行度をＨ（単位：μｍ）としたとき、
１００≧Ｐ≧０．２ｅｘｐ（０．０２Ｈ）、
の関係が満足されていることを特徴とする半導体装置の冷却構造。
【請求項２】
前記半導体装置（１００）を隔てて対向する前記冷却器（２００）の両外側には、前記冷却器（２００）によって前記半導体装置（１００）を挟み付けるように荷重を印加して前記関係を満足させるための挟圧部材（３００）が設けられており、
前記挟圧部材（３００）は、弾性体（３１０）を介した締結力の作用により前記荷重の印加を行うものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項３】
前記半導体装置（１００）を隔てて対向する前記冷却器（２００）同士において互いに対向する面の両方には、それぞれ穴（２００ｂ）が形成されており、
互いに対向する前記穴（２００ｂ）には、ピン部材（２３０）の両端のそれぞれがしまりばめとなるように圧入されており、
前記ピン部材（２３０）と前記穴（２００ｂ）とのしまりばめによって、半導体装置（１００）を隔てて対向する前記冷却器（２００）が前記半導体装置（１００）を挟み付けるように荷重が印加され、前記関係が満足されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項４】
前記半導体装置（１００）を隔てて対向する前記冷却器（２００）同士において互いに対向する面の一方には、穴（２００ｂ）が形成され、他方には、突起（２００ｃ）が形成されており、
前記穴（２００ｂ）には、前記突起（２００ｃ）の先端部がしまりばめとなるように圧入されており、
前記突起（２００ｃ）と前記穴（２００ｂ）とのしまりばめによって、半導体装置（１００）を隔てて対向する前記冷却器（２００）が前記半導体装置（１００）を挟み付けるように荷重が印加され、前記関係が満足されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の冷却構造。
【請求項５】
前記半導体装置（１００）は、当該装置のほぼ全体が樹脂（６０）でモールドされてなるものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、両面放熱型半導体モジュールの両面を冷却器と接触させて冷却する半導体装置の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の両面放熱型半導体モジュールは、一般に、発熱素子と、この発熱素子を挟み込むように発熱素子の両面に設けられた一対の放熱板とを備える半導体装置として構成されている。
【０００３】
そして、この半導体装置の冷却構造は、この両面放熱型半導体モジュールにおける各々の放熱板の外面に絶縁材を介して冷却器を接触させた構成とすることにより、両放熱板からの放熱特性を高めている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
ここにおいて、半導体装置を隔てて対向する冷却器の両外側には、挟圧部材が設けられており、この挟圧部材同士を近づけるように荷重を加えるようにしている。それにより、冷却器によって半導体装置を挟み付けるように荷重を印加して冷却器と放熱板との接触圧を確保するようにしている。
【特許文献１】特開２００１−３０８２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来においては、半導体装置すなわち放熱板への冷却器の接触圧について、具体的な数値が明記されたものはなく、上記モジュールにおける一対の放熱板の外面同士の平行度などによっては、当該接触圧が不足し、十分な放熱特性（冷却性能）が得られない可能性がある。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑み、両面放熱型半導体モジュールの両面を冷却器と接触させて冷却する半導体装置の冷却構造において、良好な放熱特性を確実に得られるような冷却器の接触圧を設定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、発熱素子（１０）と、この発熱素子（１０）の両面から放熱するための一対の放熱板（２０、３０）とを備える半導体装置（１００）が、各々の放熱板（２０、３０）の外面にて絶縁材（２１０）を介して冷却器（２００）と接触している半導体装置の冷却構造において、半導体装置（１００）への冷却器（２００）の接触圧をＰ（単位：ＭＰａ）、一対の放熱板（２０、３０）の外面同士の平行度をＨ（単位：μｍ）としたとき、１００≧Ｐ≧０．２ｅｘｐ（０．０２Ｈ）、という接触圧の関係が満足されていることを特徴としている。
【０００８】
本発明は、実験的に見出されたものであり、上記接触圧Ｐを０．２ｅｘｐ（０．０２Ｈ）ＭＰａ以上に設定すれば、実用上、十分な放熱特性を得ることができる。ここで、上記接触圧Ｐが１００ＭＰａを超えると、接触圧Ｐが大きすぎて発熱素子の破壊などの不具合が生じやすくなるので、接触圧Ｐは１００ＭＰａ以下とする。
【０００９】
つまり、本発明によれば、両面放熱型半導体モジュール（１００）の両面を絶縁材（２１０）を介して冷却器（２００）と接触させて冷却する半導体装置の冷却構造において、良好な放熱特性を確実に得られるような冷却器（２００）の接触圧を設定することができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の半導体装置の冷却構造において、半導体装置（１００）を隔てて対向する冷却器（２００）の両外側には、冷却器（２００）によって半導体装置（１００）を挟み付けるように荷重を印加して上記接触圧の関係を満足させるための挟圧部材（３００）が設けられており、挟圧部材（３００）は、弾性体（３１０）を介した締結力の作用により荷重の印加を行うものであることを特徴としている。
【００１１】
それによれば、挟圧部材（３００）によって、冷却器（２００）により半導体装置（１００）を挟み付けるように荷重を印加することができるため、上記の接触圧の関係を適切に満足させることができる。
【００１２】
さらに、挟圧部材（３００）は弾性体（３１０）を用いていることから、この弾性体（３１０）の弾性係数および縮み量から、当該荷重を求めることができるため、当該荷重の調整を容易に行うことができる。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の半導体装置の冷却構造において、半導体装置（１００）を隔てて対向する冷却器（２００）同士において互いに対向する面の両方には、それぞれ穴（２００ｂ）が形成されており、互いに対向する穴（２００ｂ）には、ピン部材（２３０）の両端のそれぞれがしまりばめとなるように圧入されており、ピン部材（２３０）と穴（２００ｂ）とのしまりばめによって、半導体装置（１００）を隔てて対向する冷却器（２００）が半導体装置（１００）を挟み付けるように荷重が印加され、上記接触圧の関係が満足されていることを特徴としている。
【００１４】
それによれば、請求項２に記載されているような挟圧部材を用いなくとも、ピン部材（２３０）と穴（２００ｂ）とのしまりばめによって、冷却器（２００）により半導体装置（１００）を挟み付けるように荷重を印加することができるため、上記の接触圧の関係を適切に満足させることができる。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明では、請求項１に記載の半導体装置の冷却構造において、半導体装置（１００）を隔てて対向する冷却器（２００）同士において互いに対向する面の一方には、穴（２００ｂ）が形成され、他方には、突起（２００ｃ）が形成されており、穴（２００ｂ）には、突起（２００ｃ）の先端部がしまりばめとなるように圧入されており、突起（２００ｃ）と穴（２００ｂ）とのしまりばめによって、半導体装置（１００）を隔てて対向する冷却器（２００）が半導体装置（１００）を挟み付けるように荷重が印加され、上記接触圧の関係が満足されていることを特徴としている。
【００１６】
それによれば、請求項２に記載されているような挟圧部材を用いなくとも、突起（２００ｃ）と穴（２００ｂ）とのしまりばめによって、冷却器（２００）により半導体装置（１００）を挟み付けるように荷重を印加することができるため、上記の接触圧の関係を適切に満足させることができる。
【００１７】
また、請求項５に記載の発明では、請求項１〜請求項４に記載の半導体装置の冷却構造において、半導体装置（１００）は、当該装置のほぼ全体が樹脂（６０）でモールドされてなるものであることを特徴としている。
【００１８】
請求項１〜請求項４に記載の半導体装置（１００）としては、このような樹脂モールドパッケージタイプのものにすることができる。
【００１９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
【００２１】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る両面放熱型半導体モジュールとしての半導体装置１００の両面を冷却器２００と接触させて冷却する半導体装置の冷却構造Ｓ１の全体構成を示す概略平面図である。
【００２２】
まず、本冷却構造Ｓ１における半導体装置１００について説明する。
【００２３】
図１に示されるように、本実施形態の半導体装置１００は、発熱素子としての半導体チップ１０と、放熱板としての下側ヒートシンク（第１の金属体）２０および上側ヒートシンク（第２の金属体）３０と、放熱ブロックとしてのヒートシンクブロック４０と、これらの間に介在する接合材５０と、これらをモールドする樹脂６０とを備えて構成されている。
【００２４】
この構成の場合、半導体チップ１０の下面と下側ヒートシンク２０の上面との間は、たとえば、はんだ等からなる接合材５０によって接合されている。そして、半導体チップ１０の上面とヒートシンクブロック４０の下面との間も、接合材５０によって接合されている。
【００２５】
さらに、ヒートシンクブロック４０の上面と上側ヒートシンク３０の下面との間も、接合材５０によって接合されている。なお、接合材５０としては、はんだ以外にも、たとえば導電性接着剤等であってもよい。
【００２６】
これにより、上記構成においては、半導体チップ１０の上面では、接合材５０、ヒートシンクブロック４０、接合材５０および上側ヒートシンク３０を介して放熱が行われ、半導体チップ１０の下面では、接合材５０から下側ヒートシンク２０を介して放熱が行われる構成となっている。
【００２７】
なお、発熱素子１０としては、特に限定されるものではないが、本実施形態において発熱素子として用いられている上記半導体チップ１０は、たとえばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やサイリスタ等のパワー半導体素子から構成されている。この場合、半導体チップ１０のデバイス構造を、トレンチゲートタイプとすることが好ましい。もちろん、他のタイプのデバイス構造を用いるように構成しても良い。
【００２８】
上記半導体チップ１０の形状は、たとえば矩形状の薄板状とすることができる。また、下側ヒートシンク２０、上側ヒートシンク３０およびヒートシンクブロック４０は、電極および放熱体の機能を兼ねたものであり、たとえば銅合金もしくはアルミ合金等の熱伝導性及び電気伝導性の良い金属で構成されている。また、ヒートシンクブロック４０としては、一般的な鉄合金を用いてもよい。
【００２９】
この構成の場合、下側ヒートシンク２０および上側ヒートシンク３０は、半導体チップ１０の図示しない各主電極（たとえば、コレクタ電極やエミッタ電極等）に接合材５０を介して電気的にも接続されている。
【００３０】
また、下側ヒートシンク２０は、たとえば、全体としてほぼ長方形状の板材とすることができる。また、この下側ヒートシンク２０には、端子部２１が突設されている。
【００３１】
また、ヒートシンクブロック４０は、たとえば、半導体チップ１０よりも１回り小さい程度の大きさの矩形状の板材とすることができる。
【００３２】
さらに、上側ヒートシンク３０も、たとえば、全体としてほぼ長方形状の板材で構成されている。そして、この上側ヒートシンク３０にも、端子部３１が突設されている。
【００３３】
ここで、下側ヒートシンク２０の端子部２１および上側ヒートシンク３０の端子部３１は、半導体チップ１０の上記コレクタ電極やエミッタ電極と電気的に接続されている。そして、それぞれの端子部２１、３１は、たとえばブスバーや回路基板等の外部配線部材との接続を行うために設けられているものである。
【００３４】
さらに、図１に示されるように、一対のヒートシンク２０、３０の隙間、並びに、半導体チップ１０およびヒートシンクブロック４０の周囲部分には、樹脂６０が充填封止されている。
【００３５】
この樹脂６０はたとえばエポキシ樹脂等の通常のモールド材料を採用することができる。また、ヒートシンク２０、３０等を樹脂６０でモールドするにあたっては、上下型からなる成形型（図示しない）を使用し、トランスファーモールド法によって容易に行うことができる。
【００３６】
また、図１に示されるように、樹脂６０内において、第１の半導体素子１０の周囲には、リードフレーム等からなる端子部（制御用端子）７０が設けられている。
【００３７】
そして、この端子部７０と半導体チップ１０の図示しないゲート電極等とがワイヤ８０によって結線され、電気的に接続されている。このワイヤ８０は、ワイヤボンディング等により形成され、金やアルミ等からなるものである。
【００３８】
次に、上記した構成の半導体装置１００の製造方法について、図１を参照して、簡単に説明する。ここでは、接合材５０として、はんだを用いた例を述べる。まず、下側ヒートシンク２０の上面に、半導体チップ１０とヒートシンクブロック４０をはんだ付けする工程を実行する。
【００３９】
この場合、下側ヒートシンク２０の上面に、たとえば、はんだ箔を介して半導体チップ１０を積層するとともに、この半導体チップ１０の上にはんだ箔を介してヒートシンクブロック４０を積層する。この後、加熱装置（リフロー装置）によって上記はんだ箔を溶融させてから、硬化させる。
【００４０】
続いて、半導体チップ１０の制御電極（例えばゲート電極等）と端子部７０とをワイヤボンディングする工程を実行する。これにより、上記ワイヤ８０が形成され、このワイヤ８０によって、半導体チップ１０の制御電極と端子部７０とが結線され、電気的に接続される。
【００４１】
次いで、ヒートシンクブロック４０の上に上側ヒートシンク３０をはんだ付けする工程を実行する。この場合、ヒートシンクブロック４０の上にはんだ箔を介して上側ヒートシンク３０を載せる。そして、加熱装置によって上記はんだ箔を溶融させてから、硬化させる。
【００４２】
こうして溶融したはんだ箔が硬化すれば、硬化したはんだが接合材５０として構成されることになる。そして、この接合材５０を介して、下側ヒートシンク２０、半導体チップ１０、ヒートシンクブロック４０、上側ヒートシンク３０間の接合および電気的・熱的接続が完了する。
【００４３】
しかる後、図示しない成形型を使用して、ヒートシンク２０、３０の隙間及び外周部に樹脂６０を充填する工程（モールド工程）を実行する。これにより、図１に示されるように、ヒートシンク２０、３０の隙間及び外周部等に、樹脂６０が充填され、装置１００のほぼ全体が樹脂６０によって封止される。
【００４４】
そして、樹脂６０が硬化した後、成形型内から半導体装置１００を取り出せば、半導体装置１００が完成する。
【００４５】
なお、半導体装置１００においては、上記構成の場合、下側ヒートシンク２０の下面及び上側ヒートシンク３０の上面が、それぞれ放熱面として露出するように樹脂モールドされている。これにより、ヒートシンク２０、３０の放熱性が高められている。
【００４６】
このような半導体装置１００の両放熱面、すなわち、樹脂６０から露出する下側ヒートシンク２０の下面及び上側ヒートシンク３０の上面には、それぞれ、絶縁材としての絶縁板２１０を介して、冷却器２００が接触している。それにより、本実施形態の冷却構造Ｓ１が構成されている。
【００４７】
ここで、絶縁板２１０は、たとえば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等のセラミック等からなる電気絶縁性を有する板である。また、冷却器２００は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）等からなり、内部を冷却水が流れる水冷式やフィンを有する空冷式等のものである。
【００４８】
本例では、冷却器２００は、内部に冷却水が流れる冷却水流路２００ａが設けられており、ヒートシンク２０、３０からの熱は、この冷却水流路２００ａ内の冷却水にて冷却され、熱交換が行われるようになっている。
【００４９】
また、図１に示されるように、冷却器２００と絶縁板２１０との間、および絶縁板２１０と各ヒートシンク２０、３０との間には、必要に応じて、電気絶縁性および伝熱性を有するグリスやゲル等の伝熱材２２０が介在設定されている。
【００５０】
このように、図１に示される本実施形態の半導体装置の冷却構造Ｓ１においては、下側から、冷却器２００、絶縁材２１０、半導体装置１００、絶縁材２１０、冷却器２００という積層構成を有する冷却構造となっている。
【００５１】
そして、この冷却構造Ｓ１においては、半導体装置１００を隔てて対向する冷却器２００の両外側には、挟圧部材３００が設けられている。この挟圧部材３００は、冷却器２００によって半導体装置１００を挟み付けるように荷重を印加することで、冷却器２００と半導体装置１００とを一体に保持するためのものである。
【００５２】
この冷却器２００によって半導体装置１００を挟み付けるように印加される荷重は、図１中の白抜き矢印で示される荷重Ｆとして表される。つまり、荷重Ｆは冷却構造Ｓ１の積層方向に印加されるものである。
【００５３】
ここで、本実施形態の挟圧部材３００は、弾性体３１０を介した締結力の作用により前記荷重Ｆの印加を行うものである。
【００５４】
具体的には、挟圧部材３００は、半導体装置１００を隔てて対向する冷却器２００の両外側の一方から荷重を印加する固定部３２０と、他方から荷重を印加する可動部３３０とを有し、これら固定部３２０と可動部３３０とにより、上下の冷却器２００を挟み付けるようにしている。
【００５５】
図１に示されるように、挟圧部材３００において、固定部３２０には雄ネジ（送りネジ）を持つボルト３４０が連結されている。
【００５６】
このボルト３４０は、可動部３３０に設けられた貫通穴に通されて、弾性体３１０を介してナット３５０で締結されている。ここで、弾性体３１０として、図示例ではコイルバネが示されているが、その他にも、ゴムチューブ、Ｏリング、バネワッシャ等が採用できる。
【００５７】
また、実際には、冷却器２００および固定部３２０、可動部３３０は、図１中の紙面垂直方向に延びる板材であり、当該紙面垂直方向に沿って半導体装置１００は、複数個配列されたものとなっている。
【００５８】
そして、この冷却構造Ｓ１においては、挟圧部材３００のナット３５０によるネジ締めを行っていくと、弾性体３１０の弾性力を介した締結力の作用により、固定部３２０に対して可動部３３０が近づいていく。
【００５９】
つまり、挟圧部材３００は、弾性体３１０を介した締結力の作用により、冷却器２００によって半導体装置１００を挟み付けるように荷重Ｆを行うものとなる。それにより、冷却器２００と半導体装置１００とが一体に保持されるようになっている。
【００６０】
この冷却構造Ｓ１は、次のようにして組み付けられる。まず、冷却器２００、絶縁板２１０、半導体装置１００、絶縁板２１０、冷却器２００というように積層するとともに、絶縁板２１０の両面に伝熱材２２０を介在させた状態となるように組み付ける。
【００６１】
その後、挟圧部材３００を用いて、上下の冷却器２００によって半導体装置１００が挟み込まれるように締め付け固定する。このとき、弾性体３１０およびナット３５０が荷重調整機構となって、荷重Ｆの調整が行われる。
【００６２】
こうして、本実施形態の半導体装置の冷却構造Ｓ１が形成される。なお、半導体装置１００は、各端子部２１、３１、７０を介して、ブスバーや回路基板に接続される。
【００６３】
そして、半導体チップ１０からの熱は、両面のヒートシンク２０、３０、絶縁板２１０、伝熱材２２０を介して冷却器２００へ放熱される。そして、冷却器２００によりヒートシンク２０、３０は冷却されることで、放熱特性を高めている。
【００６４】
ここにおいて、本冷却構造Ｓ１では、実用上、十分な放熱特性を得るために、本実施形態独自の構成として、半導体装置１００への冷却器２００の接触圧をＰ（単位：ＭＰａ）、一対のヒートシンク（一対の放熱板）２０、３０の外面同士の平行度をＨ（単位：μｍ）としたとき、次の数式１に示されるような接触圧Ｐの関係が満足されている。
【００６５】
（数１）
１００≧Ｐ≧０．２ｅｘｐ（０．０２Ｈ）
ここで、一対のヒートシンク２０、３０の外面同士の平行度Ｈは、下側ヒートシンク２０の下面と上側ヒートシンク３０の上面との平行度Ｈである。つまり、本実施形態では、この平行度Ｈを用いて、上記接触圧Ｐの範囲を０．２ｅｘｐ（０．０２Ｈ）ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下としている。
【００６６】
このような接触圧Ｐ（単位：ＭＰａ）の関係を満足するために、本実施形態では、次のような荷重Ｆの調整方法を採用する。
【００６７】
冷却器２００における半導体装置１００の１個あたりの接触面積をＡ（単位：ｍ2）、半導体装置１００の個数をｎ個としたとき、必要な荷重Ｆ（単位：Ｎ）は、次の数式２に示されるような範囲で規定される。
【００６８】
（数２）
Ｆ≧１０6・Ｐ・Ａ・ｎ
また、本実施形態では、挟圧部材３００は弾性体３１０を用いていることから、この弾性体３１０の弾性係数および縮み量から、荷重Ｆは容易に求めることができる。弾性体３１０の弾性係数をｋ（単位：Ｎ／ｍ）、弾性体３１０の自然長をｘ０（単位：ｍ）、荷重調整時の可動部３３０とナット３５０との隙間をｘ（単位：ｍ、図１参照）、弾性体３１の個数をｍ個とする。
【００６９】
このとき、弾性体３１０の縮み量は（ｘ０−ｘ）にて表され、荷重Ｆ（単位：Ｎ）は、次の数式３に示される関係で表される。
【００７０】
（数３）
Ｆ＝ｋ（ｘ０−ｘ）ｍ
つまり、本実施形態では、上記数式１に示される範囲から狙いの接触圧Ｐを決め、この決められた接触圧Ｐから上記数式２によって必要な荷重Ｆを決め、この決められた荷重Ｆから上記数式３によって、必要な隙間ｘを決める。
【００７１】
そして、挟圧部材３００を用いた荷重調整時において、この決められた隙間ｘとなるように、ナット３５０による締め付けを行うことにより、結果、狙いの接触圧Ｐを得ることができる。これが、本実施形態における上記接触圧Ｐの関係を満足するための荷重Ｆの調整方法である。
【００７２】
このような接触圧の関係を採用することで十分なレベルの放熱特性を得ることのできる効果については、本発明者が実験検討した結果に基づいて確認されたものである。この検討結果の一例について、次に述べておく。
【００７３】
図１に示される冷却構造Ｓ１において、一対のヒートシンク（一対の放熱板）２０、３０の外面同士の平行度Ｈ（単位：μｍ）を変えた場合における、半導体装置１００への冷却器２００の接触圧Ｐ（単位：ＭＰａ）と放熱特性である熱抵抗（単位：Ｋ／Ｗ）との関係を調査した。
【００７４】
ここで、平行度Ｈは、２７７μｍ、１９７μｍ、９５μｍ、３４μｍと変えた。また、発熱素子である半導体チップ１０は駆動により発熱するが、ここでは、その発熱量は６５Ｗとした。
【００７５】
絶縁板２１０としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる厚さ１ｍｍの板材を用い、伝熱材２２０はグリスを用いその厚さは１００μｍとした。また、冷却器２００の冷却水流路２００ａを流れる冷却水の流量は、６リットル／ｍｉｎ、当該冷却水の水温は４０℃とした。
【００７６】
また、熱抵抗は、半導体チップ１０からそれぞれのヒートシンク２０、３０、絶縁板２１０を通って、冷却器２００の冷却水流路２００ａに至るまでの放熱経路における熱抵抗である。
【００７７】
具体的には、半導体チップ１０の温度をＴｃ、冷却水の温度をＴｗ、半導体チップ１０の発熱量をＱとすると、熱抵抗は、（Ｔｃ−Ｔｗ）／Ｑ（単位：Ｋ／Ｗ（ケルビン／ワット））で表される。
【００７８】
そして、上述した検討条件にて、平行度Ｈ（単位：μｍ）を変えた場合における接触圧Ｐ（単位：ＭＰａ）と熱抵抗（単位：Ｋ／Ｗ）との関係を調査した。その結果が図２に示される。
【００７９】
図２に示される結果から、接触圧Ｐが増加するにつれて、熱抵抗が低下する、すなわち放熱特性が向上することがわかる。また、平行度Ｈが大きいほど、同じ接触圧Ｐにおける熱抵抗が大きいことがわかる。つまり、同じ接触圧Ｐならば、平行度Ｈが大きいほど放熱特性が悪化することがわかる。
【００８０】
ここで、図２から、熱抵抗が０．２４Ｋ／Ｗとなるときの平行度Ｈと接触圧Ｐとの関係を求めた。その結果を図３に示す。ここで、熱抵抗について０．２４Ｋ／Ｗを基準としたのは、この値が従来のレベルの約半分程度であり、熱抵抗が０．２４Ｋ／Ｗ以下ならば、実用上、十分なレベルの放熱特性が得られるためである。
【００８１】
図３に示される結果から、平行度Ｈが大きいほど高い接触圧Ｐが必要であることがわかる。また、図３に示される関係を近似すると、その近似式は、次の数式４に示されるものになった。
【００８２】
（数４）
Ｐ＝０．２ｅｘｐ（０．０２Ｈ）
この近似式から、接触圧Ｐの範囲を０．２ｅｘｐ（０．０２Ｈ）ＭＰａ以上とすれば、熱抵抗について０．２４Ｋ／Ｗ以下の値を実現でき、実用上、十分なレベルの放熱特性が得られることがわかる。
【００８３】
また、接触圧Ｐが１００ＭＰａを超えると、接触圧Ｐが大きすぎて半導体チップ（発熱素子）１０の破壊などの不具合が生じやすくなるので、接触圧Ｐは１００ＭＰａ以下とする。
【００８４】
このように、本実施形態によれば、発熱素子である半導体チップ１０と、この半導体チップ１０の両面から放熱するための一対の放熱板としての一対のヒートシンク２０、３０とを備える半導体装置１００が、各々のヒートシンク２０、３０の外面にて絶縁材２１０を介して冷却器２００と接触している半導体装置の冷却構造Ｓ１において、一対のヒートシンク２０、３０の外面同士の平行度をＨ（単位：μｍ）としたとき、接触圧Ｐ（単位：ＭＰａ）について、１００≧Ｐ≧０．２ｅｘｐ（０．０２Ｈ）、という関係が満足されていることを特徴とする半導体装置の冷却構造Ｓ１が提供される。
【００８５】
それによれば、両面放熱型半導体モジュール１００の両面を冷却器２００と接触させて冷却する半導体装置の冷却構造Ｓ１において、良好な放熱特性を確実に得られるような冷却器２００の接触圧Ｐを設定することができる。
【００８６】
また、本実施形態では、半導体装置１００を隔てて対向する冷却器２００の両外側に、冷却器２００によって半導体装置１００を挟み付けるように荷重Ｆを印加して上記の接触圧の関係を満足させるための挟圧部材３００を設けており、この挟圧部材３００を、弾性体３１０を介した締結力の作用により荷重Ｆの印加を行うものとしている。
【００８７】
それによれば、挟圧部材３００によって、冷却器２００により半導体装置１００を挟み付けるように荷重Ｆを印加することができるため、上記の接触圧の関係を適切に満足させることができる。
【００８８】
さらに、挟圧部材３００は弾性体３１０を用いていることから、上記数式３に示されるように、この弾性体３１０の弾性係数および縮み量から、当該荷重Ｆを求めることができる。そのため、ロードセルなどの荷重センサを用いなくても、当該荷重Ｆの調整を容易に行うことができる。
【００８９】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る両面放熱型半導体モジュールとしての半導体装置１００の両面を冷却器２００と接触させて冷却する半導体装置の冷却構造Ｓ２の全体構成を示す概略平面図である。
【００９０】
本実施形態は、上記第１実施形態と比べて、主として挟圧部材３００における荷重調整機構の部分を変形したものであり、その他の部分は同一である。この相違点について主として述べることとする。
【００９１】
図４に示されるように、本実施形態の挟圧部材３００では、固定部３２０は断面ロの字形であって紙面垂直方向に延びる筒状部材である。下側の冷却器２００は、この固定部３１０の下壁に内接して支持され、固定部３１０から荷重を受けるようになっている。
【００９２】
また、可動部３３０は、上側の冷却器２００に荷重を印加する第１の可動部３３１と第２の可動部３３２との２つからなる。
【００９３】
固定部３２０の上壁には、図示しない雌ネジ穴（貫通穴）が設けられ、この雌ネジ穴には、第１の可動部３３１の上面と連結された雄ネジ（送りネジ）を持つボルト３４１が通じている。
【００９４】
一方、第１の可動部３３１の下面側には、第２の可動部３３２が配置されるとともに、第１の可動部３３１と第２の可動部３３２との間には、少なくとも１つの弾性体３１０が設けられている。そして、半導体装置１００、絶縁板２１０および冷却器２００は、固定部３２０の下壁と第２の可動部３３２との間に挟み込まれている。
【００９５】
そして、この冷却構造Ｓ２においては、挟圧部材３００のボルト３４１を回してネジ締めを行っていくと、弾性体３１０の弾性力を介した締結力の作用により、固定部３２０に対して第２の可動部３３２が近づいていく。
【００９６】
つまり、挟圧部材３００は、弾性体３１０を介した締結力の作用により、冷却器２００によって半導体装置１００を挟み付けるように荷重Ｆを行うものとなる。それにより、冷却器２００と半導体装置１００とが一体に保持されるようになっている。
【００９７】
本実施形態の冷却構造Ｓ２は、次のようにして組み付けられる。まず、冷却器２００、絶縁板２１０、半導体装置１００、絶縁板２１０、冷却器２００というように積層するとともに、絶縁板２１０の両面に伝熱材２２０を介在させた状態となるように組み付ける。
【００９８】
その後、挟圧部材３００を用いて、上下の冷却器２００によって半導体装置１００が挟み込まれるように締め付け固定する。このとき、弾性体３１０、第１の可動部３３１およびボルト３４１が荷重調整機構となって、荷重Ｆの調整が行われる。こうして、本実施形態の半導体装置の冷却構造Ｓ２が形成される。
【００９９】
ここにおいて、本冷却構造Ｓ２では、実用上、十分な放熱特性を得るために、上記第１実施形態と同様に、一対のヒートシンク２０、３０の外面同士の平行度をＨ（単位：μｍ）としたとき、接触圧Ｐの範囲を０．２ｅｘｐ（０．０２Ｈ）ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下としている。
【０１００】
このような接触圧Ｐ（単位：ＭＰａ）の関係を満足するために、本実施形態では、基本的に、上記第１実施形態と同様の荷重Ｆの調整方法を採用することができる。
【０１０１】
本実施形態においても、必要な荷重Ｆ（単位：Ｎ）は、上記数式２に示されるような範囲で規定され、挟圧部材３００は弾性体３１０を用いていることから、この弾性体３１０の弾性係数および縮み量から、上記数式３に示されるように荷重Ｆを容易に求めることができる。
【０１０２】
ただし、本実施形態では、上記数式３中の隙間ｘは、荷重調整時の第１の可動部３３１と第２の可動部３３２との隙間ｘ（単位：ｍ、図２参照）である。
【０１０３】
つまり、本実施形態においても、上記数式１に示される範囲から狙いの接触圧Ｐを決め、この決められた接触圧Ｐから上記数式２によって必要な荷重Ｆを決め、この決められた荷重Ｆから上記数式３によって、必要な隙間ｘを決める。
【０１０４】
そして、挟圧部材３００を用いた荷重調整時において、この決められた隙間ｘとなるように、ボルト３４１による締め付けを行うことにより、結果、狙いの接触圧Ｐを得ることができる。これが、本実施形態における上記接触圧Ｐの関係を満足するための荷重Ｆの調整方法である。
【０１０５】
このように、本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様に、半導体チップ１０と、この半導体チップ１０の両面から放熱するための一対のヒートシンク２０、３０とを備える半導体装置１００が、各々のヒートシンク２０、３０の外面にて絶縁材２１０を介して冷却器２００と接触している半導体装置の冷却構造Ｓ２において、接触圧Ｐ（単位：ＭＰａ）について、１００≧Ｐ≧０．２ｅｘｐ（０．０２Ｈ）、という関係が満足されていることを特徴とする半導体装置の冷却構造Ｓ２が提供される。
【０１０６】
それによれば、両面放熱型半導体モジュール１００の両面を冷却器２００と接触させて冷却する半導体装置の冷却構造Ｓ２において、良好な放熱特性を確実に得られるような冷却器２００の接触圧Ｐを設定することができる。
【０１０７】
また、本実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、半導体装置１００を隔てて対向する冷却器２００の両外側に、冷却器２００によって半導体装置１００を挟み付けるように荷重Ｆを印加して上記の接触圧の関係を満足させるための挟圧部材３００を設けており、この挟圧部材３００を、弾性体３１０を介した締結力の作用により荷重Ｆの印加を行うものとしている。
【０１０８】
それによれば、上記第１実施形態と同様に、挟圧部材３００によって荷重Ｆを印加し、上記の接触圧の関係を適切に満足させることができるとともに、この弾性体３１０の弾性係数および縮み量から当該荷重Ｆを求めることができ、当該荷重Ｆの調整を容易に行うことができる。
【０１０９】
（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態に係る両面放熱型半導体モジュールとしての半導体装置１００の両面を冷却器２００と接触させて冷却する半導体装置の冷却構造Ｓ３の全体構成を示す概略平面図である。
【０１１０】
上記第１および第２実施形態に示される冷却構造では、半導体装置１００に対して冷却器２００を保持するための狭持部材が必要であった。本実施形態では、そのような狭持部材を用いることなく、半導体装置１００に対して冷却器２００を保持させる構造としたところが相違点である。以下、この相違点を中心に述べる。
【０１１１】
図５に示されるように、半導体装置１００を隔てて対向する冷却器２００同士において互いに対向する面の両方には、それぞれ穴２００ｂが形成されている。そして、互いに対向する穴２００ｂには、ピン部材２３０の両端のそれぞれが挿入されている。
【０１１２】
ここで、ピン部材２３０は金属製棒状のもので、ピン部材２３０の外径は、穴２００ｂの径に対して、しまりばめとなる関係となっている。また、ピン部材２３０の長さは、半導体装置１００の厚さとピン部材２３０が挿入される２つの穴２００ｂの深さとの和よりも小さい長さとなっている。
【０１１３】
それにより、互いに対向する穴２００ｂには、ピン部材２３０の両端のそれぞれがしまりばめとなるように圧入されている。
【０１１４】
そして、これらピン部材２３０と穴２００ｂとのしまりばめによって、半導体装置１００を隔てて対向する冷却器２００が半導体装置１００を挟み付けるように荷重Ｆが印加され、上記各実施形態と同様に接触圧の関係が満足されている。
【０１１５】
つまり、本実施形態においても、上記各実施形態と同様に、一対のヒートシンク２０、３０の外面同士の平行度をＨ（単位：μｍ）としたとき、接触圧Ｐの範囲を０．２ｅｘｐ（０．０２Ｈ）ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下としている。
【０１１６】
それにより、両面放熱型半導体モジュール１００の両面を冷却器２００と接触させて冷却する半導体装置の冷却構造Ｓ３において、良好な放熱特性を確実に得られるような冷却器２００の接触圧Ｐを設定することができる。
【０１１７】
ここで、本実施形態の冷却構造Ｓ３は、上記実施形態に示した挟圧部材３００を治具（挟圧治具）として用いて、次のようにして組み付けられる。
【０１１８】
まず、冷却器２００、絶縁板２１０、半導体装置１００、絶縁板２１０、冷却器２００というように積層するとともに、絶縁板２１０の両面に伝熱材２２０を介在させた状態となるように組み付ける。
【０１１９】
このとき、半導体装置１００を隔てて対向する冷却器２００同士において互いに対向する面に設けられた穴２００ｂに対して、ピン部材２３０の両端のそれぞれが挿入されるように、ピン部材２３０を配置しておく。
【０１２０】
その後、上記挟圧部材３００を用いて、上下の冷却器２００によって半導体装置１００が挟み込まれるように締め付け固定する。このとき、弾性体を用いた荷重調整機構により、上記実施形態と同様に、荷重Ｆの調整が行われる。また、このとき、同時に、ピン部材２３０の両端が穴２００ｂに圧入されていく。
【０１２１】
そして、この締め付け固定を行った後で、挟圧部材３００は取り除く。こうして、本実施形態の半導体装置の冷却構造Ｓ３が形成される。
【０１２２】
このように、本実施形態の半導体装置の冷却構造Ｓ３によれば、挟圧部材を用いなくとも、ピン部材２３０と穴２００ｂとのしまりばめによって、冷却器２００により半導体装置１００を挟み付けるように荷重Ｆを印加することができるため、上記の接触圧の関係を適切に満足させることができる。
【０１２３】
（第４実施形態）
図６は、本発明の第４実施形態に係る両面放熱型半導体モジュールとしての半導体装置１００の両面を冷却器２００と接触させて冷却する半導体装置の冷却構造Ｓ４の全体構成を示す概略平面図である。
【０１２４】
本実施形態では、上記第３実施形態と同様に、狭持部材を用いることなく、しまりばめによって半導体装置１００に対して冷却器２００を保持させる構造としたものであるが、しまりばめの方法を変形したものである。
【０１２５】
図６に示されるように、半導体装置１００を隔てて対向する冷却器２００同士において互いに対向する面の一方には、穴２００ｂが形成され、他方には、当該他方の面から穴２００ｂに向かって突出する突起２００ｃが形成されている。そして、穴２００ｂには、突起２００ｃの先端部が挿入されている。
【０１２６】
ここで、突起２００ｃの外径は、穴２００ｂの径に対して、しまりばめとなる関係となっている。また、突起２００ｃの突出長さは、半導体装置１００の厚さと突起２００ｃが挿入される穴２００ｂの深さとの和よりも小さい長さとなっている。
【０１２７】
それにより、穴２００ｂには、突起２００ｃの先端部がしまりばめとなるように圧入されている。
【０１２８】
そして、これら突起２００ｃと穴２００ｂとのしまりばめによって、半導体装置１００を隔てて対向する冷却器２００が半導体装置１００を挟み付けるように荷重Ｆが印加され、上記各実施形態と同様に接触圧の関係が満足されている。
【０１２９】
つまり、本実施形態においても、上記各実施形態と同様に、一対のヒートシンク２０、３０の外面同士の平行度をＨ（単位：μｍ）としたとき、接触圧Ｐの範囲を０．２ｅｘｐ（０．０２Ｈ）ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下としており、それによって、良好な放熱特性を確実に得られるような冷却器２００の接触圧Ｐを設定した冷却構造Ｓ４を提供することができている。
【０１３０】
ここで、本実施形態の冷却構造Ｓ４も、上記第３実施形態と同様に、上記挟圧部材３００を治具（挟圧治具）として用いて、次のようにして組み付けられる。
【０１３１】
まず、冷却器２００、絶縁板２１０、半導体装置１００、絶縁板２１０、冷却器２００というように積層するとともに、絶縁板２１０の両面に伝熱材２２０を介在させた状態となるように組み付ける。
【０１３２】
このとき、半導体装置１００を隔てて対向する冷却器２００同士において互いに対向する面の一方に設けられた穴２００ｂに対して、他方に設けられた突起２００ｃの先端部が挿入されるように、当該冷却器２００同士をセットしておく。
【０１３３】
その後、上記挟圧部材３００を用いて、上下の冷却器２００によって半導体装置１００が挟み込まれるように締め付け固定する。このとき、弾性体を用いた荷重調整機構により、上記実施形態と同様に、荷重Ｆの調整が行われる。また、このとき、同時に、突起２００ｃの先端部が穴２００ｂに圧入されていく。
【０１３４】
そして、この締め付け固定を行った後で、挟圧部材３００は取り除く。こうして、本実施形態の半導体装置の冷却構造Ｓ４が形成される。
【０１３５】
このように、本実施形態の半導体装置の冷却構造Ｓ４によれば、挟圧部材を用いなくとも、突起２００ｃと穴２００ｂとのしまりばめによって、冷却器２００により半導体装置１００を挟み付けるように荷重Ｆを印加することができるため、上記の接触圧の関係を適切に満足させることができる。
【０１３６】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、半導体装置１００は、当該装置のほぼ全体が樹脂６０でモールドされてなる樹脂モールドパッケージタイプのものを採用していたが、樹脂でモールドされていないものを採用してもよい。
【０１３７】
また、上記実施形態においては、絶縁板２１０に代えて、冷却器２００の表面を絶縁性の膜でコーティングしてもよい。この場合、当該絶縁性の膜が、本発明でいう絶縁材として構成される。
【０１３８】
また、上記実施形態では、ヒートシンクブロック４０が半導体チップ１０と上側ヒートシンク３０との間に介在しているが、このヒートシンクブロックは、発熱素子とヒートシンク（放熱板）とを熱的および電気的に接続するとともに、発熱素子からボンディングワイヤを引き出す際の当該ワイヤの高さを確保する等のために、発熱素子とヒートシンクとの間の高さを確保する役割を有しているものである。
【０１３９】
ここで、ヒートシンクブロックが不要な構成である場合には、もちろんヒートシンクブロックを省略した構成であってもよい。たとえば、上記図１において、半導体チップ１０の上面を直接、接合材５０を介して上側ヒートシンク３０に接合してもよい。
【０１４０】
以上述べてきたように、本発明は、発熱素子１０を一対の放熱板２０、３０で挟み込んでなる両面放熱型半導体モジュールとしての半導体装置１００の両面を絶縁材２１０を介して冷却器２００と接触させて冷却する半導体装置の冷却構造において、必要な接触圧Ｐが平行度Ｈと密接な関係にある点に着目し、良好な放熱特性を確実に得られるような接触圧Ｐの関係を設定したことを要部とするものである。そして、その他の細部については、適宜設計変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１４１】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる半導体装置の冷却構造の全体構成を示す概略平面図である。
【図２】平行度Ｈを変えた場合における接触圧Ｐと熱抵抗との関係を調査した結果を示す図である。
【図３】熱抵抗が０．２４Ｋ／Ｗとなるときの平行度Ｈと接触圧Ｐとの関係を求めた結果を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態にかかる半導体装置の冷却構造の全体構成を示す概略平面図である。
【図５】本発明の第３実施形態にかかる半導体装置の冷却構造の全体構成を示す概略平面図である。
【図６】本発明の第３実施形態にかかる半導体装置の冷却構造の全体構成を示す概略平面図である。
【符号の説明】
【０１４２】
１０…発熱素子としての半導体チップ、２０…放熱板としての下側ヒートシンク、
３０…放熱板としての上側ヒートシンク、６０…樹脂、１００…半導体装置、
２００…冷却器、２００ｂ…穴、２００ｃ…突起、２１０…絶縁材としての絶縁板、
２３０…ピン部材、３００…挟圧部材、３１０…弾性体。
【図１】
2005150420.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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