(57)【要約】      （修正有）【課題】絶縁材の破損を防ぎ、半導体モジュールと冷却器との間の電気的絶縁性の低下を充分に防ぐことができる半導体冷却装置を提供する。【解決手段】半導体素子１１を内蔵した半導体モジュール１と、半導体モジュール１に接触配置された絶縁材２と、半導体モジュール１との間に絶縁材２を挟むように絶縁材２に接触配置され半導体モジュール１を冷却する冷却器３とが、互いに加圧密着してなる半導体冷却装置１０。半導体モジュール１の当接面１５と絶縁材２を挟んで対向配置された冷却器３の当接面３５のうち、半導体モジュール１の当接面１５の外周１５１に対向配置された部分は、所定の荷重を加えたときの変形量が他の部分よりも小さい補強部３５５からなる。補強部３５５は、他の部分よりもヤング率を高く、引っ張り強さを大きく、降伏応力を大きく、或いは剛性を高くすることにより形成することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールに接触配置された絶縁材と、上記半導体モジュールとの間に上記絶縁材を挟むように該絶縁材に接触配置され上記半導体モジュールを冷却する冷却器とが、互いに加圧密着してなり、
上記半導体モジュールの当接面と上記絶縁材を挟んで対向配置された上記冷却器の当接面のうち、上記半導体モジュールの当接面の外周に対向配置された部分は、上記冷却器の当接面に垂直な方向に所定の荷重を加えたときの変形量が他の部分よりも小さい補強部からなることを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項２】
請求項１において、上記補強部は、他の部分よりもヤング率が高いことを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、上記補強部は、他の部分よりも引っ張り強さが大きいことを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項において、上記補強部は、他の部分よりも降伏応力が大きいことを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項において、上記補強部は、他の部分よりも剛性が大きいことを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項において、上記冷却器は、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路を有していることを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項７】
請求項６において、上記補強部は、他の部分よりも板厚が大きいことを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項８】
請求項６又は７において、上記冷却器は上記冷媒流路を複数有しており、上記補強部は、他の部分よりも上記冷媒流路の流路幅を小さくすることによって形成されていることを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか一項において、上記冷却器は上記冷媒流路を複数有し、上記補強部は、他の部分よりも上記冷媒流路を仕切る隔壁の板厚を厚くすることによって形成されていることを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか一項において、上記冷媒流路は上記補強部以外の上記冷却器の内部に形成され、上記補強部は中実となっていることを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項において、上記絶縁材は、上記半導体モジュールの当接面又は上記冷却器の当接面のいずれか一方又は双方に密着した絶縁膜からなることを特徴とする半導体冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却する冷却器とを、絶縁材を介して加圧密着させてなる半導体冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、図１１、図１２に示すごとく、半導体素子９１を内蔵した半導体モジュール９に冷却器７を加圧密着させて、半導体モジュール９を冷却する構造がある（特許文献１参照）。この場合、半導体モジュール９の表面に露出した放熱板９５０と冷却器７との間に、セラミック等からなる絶縁材８を配置して、両者の間の電気的絶縁性を確保している。
【０００３】
しかし、絶縁材８を挟んで放熱板９５０と冷却器７とが加圧されると、冷却器７の当接面のうち、放熱板９５０の外周９５１に対向配置された部分に応力が集中し、変形することがある。このとき、絶縁材８が冷却器７の変形に追従して変形しようとする曲げの力が働き、絶縁材８にクラックが入ったり破損したりするおそれがある。これにより、半導体モジュール９と冷却器７との間の電気的絶縁性を確保することが困難となるおそれがある。
特に、冷却器７を、アルミなどの比較的ヤング率の低い材料によって構成したり、内部に冷媒流路を形成したりした場合には、上記の変形が生じやすい。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３２０００５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、絶縁材の破損を防ぎ、半導体モジュールと冷却器との間の電気的絶縁性の低下を充分に防ぐことができる半導体冷却装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールに接触配置された絶縁材と、上記半導体モジュールとの間に上記絶縁材を挟むように該絶縁材に接触配置され上記半導体モジュールを冷却する冷却器とが、互いに加圧密着してなり、
上記半導体モジュールの当接面と上記絶縁材を挟んで対向配置された上記冷却器の当接面のうち、上記半導体モジュールの当接面の外周に対向配置された部分は、上記冷却器の当接面に垂直な方向に所定の荷重を加えたときの変形量が他の部分よりも小さい補強部からなることを特徴とする半導体冷却装置にある（請求項１）。
【０００７】
次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記冷却器の当接面のうち、上記半導体モジュールの当接面の外周に対向配置された部分は、上記冷却器の当接面に垂直な方向に所定の荷重を加えたときの変形量が他の部分よりも小さい補強部からなる。即ち、冷却器の当接面のうち応力の集中しやすい部分が上記補強部によって構成されている。それ故、冷却器の当接面の変形を防ぐことができ、絶縁材に曲げの力が働くことを防止し、絶縁材の破損を防ぐことができる。その結果、半導体モジュールと冷却器との間における電気的絶縁性の低下を防ぐことができる。
【０００８】
以上のごとく、本発明によれば、絶縁材の破損を防ぎ、半導体モジュールと冷却器との間の電気的絶縁性の低下を充分に防ぐことができる半導体冷却装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
上記本発明（請求項１）において、上記「他の部分」とは、上記冷却器の当接面のうち、半導体モジュールの当接面の外周に対向配置された応力集中が起こっている部分以外の部分のことをいう。
また、上記半導体モジュールとしては、例えば、ＭＯＳ型ＦＥＴ素子、ＩＧＢＴ素子、ダイオード、トランジスタ、サイリスタ、パワー集積回路等の半導体素子を内蔵したものがある。
また、上記絶縁材としては、例えば熱伝導性に優れたセラミック板等を用いることができる。また、絶縁材の厚みは、例えば、０．１〜１．０ｍｍとすることができる。
また、上記半導体モジュールの当接面の外周は、例えば、矩形等の多角形、或いは、円形、楕円形、その他種々の形状とすることができる。
【００１０】
また、上記補強部は、他の部分よりもヤング率が高いことが好ましい（請求項２）。
この場合には、冷却器の当接面のうち応力の集中しやすい部分のヤング率が高いこととなる。それ故、当該部分に弾性域で力が作用する状態で使用される際に、冷却器の当接面の変形を防ぐことができる。これにより、絶縁材に曲げの力が働くことを防止し、絶縁材の破損を防ぐことができる。その結果、半導体モジュールと冷却器との間における電気的絶縁性の低下を防ぐことができる。
【００１１】
また、上記補強部は、他の部分よりも引っ張り強さが大きいことが好ましい（請求項３）。
この場合には、冷却器の当接面のうち応力の集中しやすい部分の引っ張り強さが大きいこととなる。それ故、当該部分に塑性域で力が作用する状態で使用される際に、冷却器の当接面の変形を防ぐことができる。これにより、絶縁材に曲げの力が働くことを防止し、絶縁材の破損を防ぐことができる。その結果、半導体モジュールと冷却器との間における電気的絶縁性の低下を防ぐことができる。
【００１２】
また、上記補強部は、他の部分よりも降伏応力が大きいことが好ましい（請求項４）。
この場合には、冷却器の当接面のうち応力の集中しやすい部分の降伏応力が大きいこととなる。それ故、当該部分の弾性域を広げることにより、冷却器の当接面の変形を防ぐことができる。これにより、絶縁材に曲げの力が働くことを防止し、絶縁材の破損を防ぐことができる。その結果、半導体モジュールと冷却器との間における電気的絶縁性の低下を防ぐことができる。
【００１３】
また、上記補強部は、他の部分よりも剛性が大きいことが好ましい（請求項５）。
この場合には、冷却器の当接面のうち応力の集中しやすい部分の剛性（ヤング率×断面二次モーメント）が大きいこととなる。それ故、冷却器の当接面の変形を防ぐことができる。これにより、絶縁材に曲げの力が働くことを防止し、絶縁材の破損を防ぐことができる。その結果、半導体モジュールと冷却器との間における電気的絶縁性の低下を防ぐことができる。
【００１４】
また、上記冷却器は、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路を有していることが好ましい（請求項６）。
この場合には、半導体モジュールの冷却効率を向上させることができる。
【００１５】
また、上記補強部は、他の部分よりも板厚が大きいことが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記補強部の剛性を向上させることができる。
【００１６】
また、上記冷却器は上記冷媒流路を複数有しており、上記補強部は、他の部分よりも上記冷媒流路の流路幅を小さくすることによって形成されていてもよい（請求項８）。
この場合には、上記補強部の剛性を向上させることができる。
即ち、冷媒流路の流路幅が大きいと冷却器の内部の空洞が大きくなるため、剛性が低くなりやすい。そこで、上記補強部においては、冷媒流路の流路幅を小さくすることにより、補強部の剛性を向上させることができる。
【００１７】
また、上記冷却器は上記冷媒流路を複数有し、上記補強部は、他の部分よりも上記冷媒流路を仕切る隔壁の板厚を厚くすることによって形成されていてもよい（請求項９）。
この場合には、加圧力に対抗する補強材としても機能する上記隔壁の板厚を厚くすることにより、補強部の剛性を容易に向上させることができる。
【００１８】
また、上記冷媒流路は上記補強部以外の上記冷却器の内部に形成され、上記補強部は中実となっていてもよい（請求項１０）。
この場合には、剛性が低くなりやすい冷媒流路を、補強部以外に形成することによって、補強部の剛性を容易に確保することができる。
【００１９】
また、上記絶縁材は、上記半導体モジュールの当接面又は上記冷却器の当接面のいずれか一方又は双方に密着した絶縁膜からなるものであってもよい（請求項１１）。
この場合には、組付け性に優れた半導体モジュールの絶縁構造を得ることができる。
なお、上記絶縁膜としては、例えば、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコン系樹脂等の樹脂膜とすることができる。或いは、ＰＶＤ（物理的気相蒸着法）やＣＶＤ（化学的気相蒸着法）によって成膜した炭素系皮膜、窒化アルミニウム皮膜、窒化珪素皮膜等の絶縁薄膜を用いることもできる。
【実施例】
【００２０】
（実施例１）
本発明の実施例に係る半導体冷却装置につき、図１、図２を用いて説明する。
本例の半導体冷却装置１０は、図１、図２に示すごとく、半導体素子１１を内蔵した半導体モジュール１と、該半導体モジュール１に接触配置された絶縁材２と、半導体モジュール１との間に絶縁材２を挟むように該絶縁材２に接触配置され半導体モジュール１を冷却する冷却器３とが、互いに加圧密着してなる。
【００２１】
図２に示すごとく、半導体モジュール１の当接面１５と絶縁材２を挟んで対向配置された冷却器３の当接面３５のうち、半導体モジュール１の当接面１５の外周１５１に対向配置された部分は、他の部分よりもヤング率の高い補強部３５５からなる。
該補強部３５５は、当接面３５の一部を、例えば、ヤング率の高い材料に変更したり、炭素等の成分を添加すること等により、部分的にヤング率を向上させて形成することができる。なお、補強部３５５は、冷却器３の他の部分と一体であっても別体であってもよい。
また、上記「他の部分」とは、冷却器３の当接面３５のうち、半導体モジュール１の当接面１５の外周１５１に対向配置された応力集中が起こっている部分以外の部分のことであり、例えば、外周１５１から１〜３ｍｍ以上離れた部分をいう。
【００２２】
また、図１に示すごとく、半導体モジュール１の当接面１５は矩形状に形成されている。そして、半導体モジュール１の当接面１５の全ての角部１５２を含めた外周１５１は、冷却器３の当接面３５の外周３５１よりも外側に配されている。
冷却器３はアルミからなり、半導体モジュール１の当接面１５は銅からなる。
【００２３】
半導体モジュール１の当接面１５は、半導体モジュール１における放熱板１５０によって構成されている。半導体モジュール１の内部に設けた半導体素子１１は、上記放熱板１５０に接触配置され、半導体素子１１における発熱を、放熱板１５０を介して冷却器３に放熱している。また、半導体モジュール１は、半導体素子１１に接続された端子１２を有している。そして、半導体モジュール１は、半導体素子１１と端子１２と放熱板１５０とを封止樹脂１３によって一体化してなる。
【００２４】
また、半導体モジュール１の放熱板１５０と冷却器３との間には、熱伝導性に優れたセラミック板からなる絶縁材２を配設してなる。絶縁材２は、放熱板１５０の表面である半導体モジュール１の当接面１５の全面を覆うように配設されている。また、絶縁材２の厚みは０．１〜１．０ｍｍである。
そして、図２の矢印Ｆに示すごとく、冷却器３が半導体モジュール１に向かって加圧された状態で組み付けられている。
【００２５】
また、半導体モジュール１と絶縁材２との間、及び絶縁材２と冷却器３との間は、それぞれ放熱グリスが充填されている。ただし、放熱グリスを充填せずに、半導体モジュール１と絶縁材２、及び絶縁材２と冷却器３とを直接接触させてもよい。或いは接着剤を介在させてもよい。
また、絶縁材２は、熱伝導性に優れたセラミック板からなる。絶縁材２の厚みは０．１〜１．０ｍｍとすることができる。
【００２６】
次に、本例の作用効果につき説明する。
上記冷却器３の当接面３５のうち、上記半導体モジュール１の当接面１５の外周１５１に対向配置された部分は、他の部分よりもヤング率の高い補強部３５５からなる。即ち、冷却器３の当接面３５のうち応力の集中しやすい部分が上記補強部３５５によって構成されている。それ故、冷却器３の当接面３５の変形を防ぐことができ、絶縁材２に曲げの力が働くことを防止し、絶縁材２の破損を防ぐことができる。その結果、半導体モジュール１と冷却器３との間における電気的絶縁性の低下を防ぐことができる。
【００２７】
以上のごとく、本例によれば、絶縁材の破損を防ぎ、半導体モジュールと冷却器との間の電気的絶縁性の低下を充分に防ぐことができる半導体冷却装置を提供することができる。
【００２８】
なお、上記実施例１においては、補強部３５５のヤング率を向上させることにより、変形防止を行ったが、補強部３５５は、引っ張り強さ、降伏応力、或いは剛性を向上させることにより、変形防止を行ってもよい。
即ち、例えば、当接面３５の一部を引っ張り強さの大きい材料に変更したり、
等の成分を添加すること等により、引っ張り強度を向上させた補強部３５５を形成することもできる。この場合には、補強部３５５に塑性域で力が作用する状態で使用される際に、冷却器３の当接面３５の変形を防ぐことができる。
また、例えば、当接面３５の一部に、ピーニング処理（圧縮応力の付与）や焼入れ等を行って、降伏応力を向上させた補強部３５５を形成することもできる。この場合には、補強部３５５の弾性域を広げることにより、冷却器３の当接面３５の変形を防ぐことができる。
また、補強部３５５の剛性の向上については、下記の実施例３〜７において述べる。
【００２９】
（実施例２）
本例は、図３に示すごとく、半導体モジュール１の両面にそれぞれ絶縁材２を介して冷却器３を加圧密着させた絶縁構造の例である。
即ち、本例の半導体モジュール１は、両面冷却型の半導体モジュールであって、放熱板１５０を両面に有する。そして、各放熱板１５０の表面である当接面１５に対して、絶縁材２を介して冷却器３を加圧密着させている。
その他は、実施例１と同様である。
【００３０】
本例の場合には、半導体モジュール１を両面から冷却することができるため、半導体モジュール１の冷却効率を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００３１】
（実施例３）
本例は、図４に示すごとく、半導体モジュール１の当接面１５と絶縁材２を挟んで対向配置された冷却器３の当接面３５のうち、半導体モジュール１の当接面１５の外周１５１に対向配置された部分の板厚を他の部分よりも大きくすることにより、補強部３５５を形成した例である。
これにより、上記補強部３３５は、他の部分よりも剛性の高い部分となる。即ち、補強部３５５にかかる加圧力に対する補強部３５５における冷却器３の変形量を小さくすることができる。
その他は、実施例１と同様である。
【００３２】
本例の場合には、冷却器３の当接面３５のうち応力の集中しやすい部分が、剛性の高い上記補強部３５５によって構成されている。それ故、冷却器３の当接面３５の変形を防ぐことができ、絶縁材２に曲げの力が働くことを防止し、絶縁材２の破損を防ぐことができる。その結果、半導体モジュール１と冷却器３との間における電気的絶縁性の低下を防ぐことができる。
【００３３】
以上のごとく、本例の場合にも、絶縁材の破損を防ぎ、半導体モジュールと冷却器との間の電気的絶縁性の低下を充分に防ぐことができる半導体冷却装置を提供することができる。その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００３４】
（実施例４）
本例は、図５に示すごとく、他の部分よりも冷媒流路３１の流路幅を小さくすることによって、剛性の高い補強部３５５を形成した例である。
その他は、実施例１と同様である。
【００３５】
本例の場合にも、他の部分よりも剛性を向上させた補強部３５５を、効果的に形成することができる。
即ち、冷媒流路３１の流路幅が大きいと冷却器３の内部の空洞が大きくなるため、剛性が低くなりやすい。そこで、上記補強部３５５においては、冷媒流路３１の流路幅を小さくすることにより、補強部３５５の剛性を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００３６】
（実施例５）
本例は、図６に示すごとく、他の部分よりも冷媒流路３１を仕切る隔壁３２の板厚を厚くすることによって、剛性の高い補強部３５５を形成した例である。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合には、加圧力に対抗する補強材としても機能する上記隔壁３２の板厚を厚くすることにより、補強部３５５の剛性を容易に向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００３７】
（実施例６）
本例は、図７に示すごとく、冷媒流路３１を補強部３５５以外の冷却器３の内部に形成し、補強部３５５は中実とした例である。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合には、剛性が低くなりやすい冷媒流路３１形成部分を、補強部３５５以外に配置することによって、補強部３５５の剛性を容易に確保することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００３８】
（実施例７）
本例は、図８に示すごとく、いわゆるドロンカップ構造の冷却器３を用いた半導体冷却装置１０の例である。
即ち、冷却管３は、一対の外殻プレート３６と、該一対の外殻プレート３６の間に配された中間プレート３７と、該中間プレート３７と外殻プレート３６との間に配された波形状のインナフィン３８とを有する。中間プレート３７と外殻プレート３６との間に、冷媒流路３１が形成されている。
【００３９】
そして、冷却器３の当接面３５のうち、半導体モジュール１の当接面１５の外周１５１に対向配置された部分において、インナフィン３８を他の部分よりも高密度に配設することによって、即ちフィンピッチを狭めることによって、剛性の高い補強部３５５を形成している。
また、本例においては、半導体モジュール１の両面にそれぞれ絶縁材２を介して冷却器３を加圧密着させている。
その他は、実施例４と同様であり、同様の作用効果を有する。
【００４０】
（実施例８）
本例は、図９に示すごとく、半導体モジュール１の放熱板１５０の当接面１５に密着した絶縁膜を、半導体モジュール１と冷却器３との間の絶縁材２とした例である。
上記絶縁膜としては、例えば、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコン系樹脂等の樹脂膜とすることができる。或いは、ＰＶＤ（物理的気相蒸着法）やＣＶＤ（化学的気相蒸着法）によって成膜した炭素系皮膜、窒化アルミニウム皮膜、窒化珪素皮膜等の絶縁薄膜を用いることもできる。
その他は、実施例１と同様である。
【００４１】
本例の場合には、組付け性に優れた半導体冷却装置１０を得ることができる。即ち、冷却器３と絶縁材２とが予め一体化された状態で組付け作業を行うことができるため、半導体モジュール１と冷却器３及び絶縁材２とを容易に組付けることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００４２】
（実施例９）
本例は、図１０に示すごとく、冷却器３の表面に密着した絶縁膜を、半導体モジュール１と冷却器３との間の絶縁材２とした例である。
絶縁膜（絶縁材２）は、冷却器３の全周を覆うように形成されている。
その他は、実施例８と同様である。
本例の場合にも、実施例８と同様に、組付け性に優れた半導体冷却装置１０を得ることができる。
【００４３】
なお、上記実施例においては、冷媒流路を有する冷却器を用いる例を示したが、冷媒流路のない冷却器を用いる場合であっても適宜本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施例１における、半導体冷却装置の平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線矢視断面図。
【図３】実施例２における、半導体冷却装置の断面図。
【図４】実施例３における、半導体冷却装置の断面図。
【図５】実施例４における、半導体冷却装置の断面図。
【図６】実施例５における、半導体冷却装置の断面図。
【図７】実施例６における、半導体冷却装置の断面図。
【図８】実施例７における、半導体冷却装置の断面図。
【図９】実施例８における、半導体冷却装置の断面図。
【図１０】実施例９における、半導体冷却装置の断面図。
【図１１】従来例における、半導体冷却装置の平面図。
【図１２】図１１のＢ−Ｂ線矢視断面図。
【符号の説明】
【００４５】
１  半導体モジュール
１０  半導体冷却装置
１１  半導体素子
１５  当接面
１５１  外周
２  絶縁材
３  冷却器
３１  冷媒流路
３５  当接面
３５５  補強部
【図１】
2007109856.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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【図７】
2007109856.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007109856.tif 000011
【図１０】
2007109856.tif 000012
【図１１】
2007109856.tif 000013
【図１２】
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