(57)【要約】【課題】発熱した半導体素子を少ない冷媒によって効率的に冷却することができる半導体モジュールの積層体を提供すること。【解決手段】半導体モジュール２の積層体１は、半導体素子３をモールド樹脂４内に配置して形成した半導体モジュール２を複数積層してなる。モールド樹脂４には、半導体素子３を冷却する冷媒を流すための冷媒流路４１が形成してある。半導体素子３には、放熱板３２が対向して配置してある。放熱板３２には、冷媒流路４１の一部に流れる冷媒Ｃを吸い上げる多孔質体５が設けてある。半導体モジュール２の積層体１は、多孔質体５に吸い上げた冷媒Ｃを放熱板３２の熱によって蒸発させて半導体素子３を冷却するよう構成してある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子をモールド樹脂内に配置して形成した半導体モジュールを複数積層してなる半導体モジュールの積層体において、
上記モールド樹脂には、上記半導体素子を冷却する冷媒を流すための冷媒流路が形成してあり、
上記半導体素子には、放熱板が対向して配置してあり、
該放熱板には、上記冷媒流路の一部に流れる冷媒を吸い上げる多孔質体が設けてあり、
該多孔質体に吸い上げた冷媒を上記放熱板の熱によって蒸発させて上記半導体素子を冷却するよう構成してあることを特徴とする半導体モジュールの積層体。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体モジュールの積層体において、上記多孔質体は、アルミニウム材料又は銅材料の発泡金属又は焼結金属によって形成されていることを特徴とする半導体モジュールの積層体。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体モジュールの積層体において、上記放熱板は、上記半導体素子の両側に対向して配置されており、
上記多孔質体は、上記放熱板の外側面の全体を覆って該外側面に対して接合されていることを特徴とする半導体モジュールの積層体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体モジュールの積層体において、上記冷媒流路は、上記半導体素子の両側において上記半導体モジュールの積層方向に貫通形成した一対の貫通冷媒流路部と、互いに隣接する上記半導体モジュールにおける上記多孔質体同士の間に形成される沿面冷媒流路部とから構成されており、
上記多孔質体は、その下端部が、上記一対の貫通冷媒流路部のうち下側に位置する下側貫通冷媒流路部内まで延長して形成されており、
上記冷媒は、上記多孔質体の上記下端部に接触する状態で上記下側貫通冷媒流路部に貯留されていることを特徴とする半導体モジュールの積層体。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体モジュールの積層体において、上記複数の半導体モジュールにおける上記下側貫通冷媒流路部と、上記複数の半導体モジュールにおける上記下側貫通冷媒流路部と反対側の上側貫通冷媒流路部とは、上記積層体の外部に配置した外部凝縮器に接続してあり、
上記多孔質体から蒸発するガス状の冷媒を上記上側貫通冷媒流路部から上記外部凝縮器へ導き、該外部凝縮器において液状の冷媒に凝縮させた後、該液状の冷媒を上記外部凝縮器から再び上記下側貫通冷媒流路部へ導くよう構成してあることを特徴とする半導体モジュールの積層体。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の半導体モジュールの積層体において、上記複数の半導体モジュールにおける上記下側貫通冷媒流路部と反対側の上側貫通冷媒流路部には、上記冷媒とは異なる別冷媒を流す内部凝縮器が配置してあり、
上記多孔質体から蒸発するガス状の冷媒を、上記内部凝縮器に接触させて液状の冷媒に凝縮させ、該液状の冷媒を再び上記下側貫通冷媒流路部へ導くよう構成してあることを特徴とする半導体モジュールの積層体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を有する半導体モジュールを複数積層してなる積層体に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に用いる電力変換装置などを構成する際には、スイッチング素子等を備えた半導体素子をモールド樹脂内に配置して半導体モジュールとし、この半導体モジュールを複数積層して用いている。
この半導体モジュールの積層体としては、例えば、特許文献１に開示された半導体装置がある。この半導体装置においては、半導体素子の両側に熱伝達用のヒートシンクを配置し、このヒートシンクの放熱面が露出するように、モールド樹脂によって半導体素子及びヒートシンクを封止して、半導体実装体を構成している。また、ヒートシンクの放熱面を冷媒により冷却するよう構成しており、モールド樹脂の一部によって冷媒を流す冷媒流路を形成している。
また、例えば、特許文献２に開示された冷却モジュール及び複合実装基板においては、半導体素子の実装基板を所定の隙間で複数積層したスタック構造体を、パッケージの内部に充填した冷媒内に沈めておき、半導体素子の熱によって冷媒を気化させて、冷媒の気化に伴う蒸発熱によって半導体素子を冷却することが開示されている。また、気化した冷媒は、パッケージ内の上部に形成された空間において凝縮して、液化した冷媒内に下降することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１６５５３４号公報
【特許文献２】特開２００９−２０６３９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、半導体モジュールの積層体を冷却する技術として上記特許文献１、２に開示された技術でも十分ではない。すなわち、特許文献１、２においては、大量の冷媒を使用することになり、効率的に冷却を行うことができない。
【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、発熱した半導体素子を少ない冷媒によって効率的に冷却することができる半導体モジュールの積層体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】
第１の発明は、半導体素子をモールド樹脂内に配置して形成した半導体モジュールを複数積層してなる半導体モジュールの積層体において、
上記モールド樹脂には、上記半導体素子を冷却する冷媒を流すための冷媒流路が形成してあり、
上記半導体素子には、放熱板が対向して配置してあり、
該放熱板には、上記冷媒流路の一部に流れる冷媒を吸い上げる多孔質体が設けてあり、
該多孔質体に吸い上げた冷媒を上記放熱板の熱によって蒸発させて上記半導体素子を冷却するよう構成してあることを特徴とする半導体モジュールの積層体にある（請求項１）。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の半導体モジュールの積層体は、半導体素子に対向して配置した放熱板に、冷媒流路の一部に流れる冷媒を吸い上げる多孔質体を設けてなる。また、冷媒流路には、全体に冷媒を充填せず、一部にのみ冷媒を充填しており、この冷媒を多孔質体によって放熱板へ吸い上げる。そして、多孔質体に吸い上げた冷媒を放熱板に接触させ、この冷媒を放熱板の熱によって冷媒流路に形成された空間へ蒸発させる。
これにより、本発明の半導体モジュールの積層体によれば、発熱した半導体素子を少ない冷媒によって効率的に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１にかかる、半導体モジュールの積層体を示す断面説明図。
【図２】実施例１にかかる、半導体モジュールを示す斜視説明図。
【図３】実施例１にかかる、半導体モジュールを幅方向から見た状態で示す断面説明図。
【図４】実施例１にかかる、半導体モジュールを長手方向から見た状態で示す断面説明図。
【図５】実施例１にかかる、半導体モジュールの積層体を用いた電力変換装置の回路構成を示す説明図。
【図６】実施例１にかかる、他の半導体モジュールの積層体を示す断面説明図。
【図７】実施例２にかかる、半導体モジュールの積層体を示す断面説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
上述した本発明の半導体モジュールの積層体及びその製造方法における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記多孔質体は、アルミニウム材料又は銅材料の発泡金属又は焼結金属によって形成されていることが好ましい（請求項２）。
この場合は、多孔質体の熱伝導性も良好であり、より効果的に半導体素子を冷却することができる。
【００１０】
また、上記放熱板は、上記半導体素子の両側に対向して配置されており、上記多孔質体は、上記放熱板の外側面の全体を覆って該外側面に対して接合されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、多孔質体によって放熱板の外側面の全体を覆うことにより、冷媒が放熱板全面で蒸発し、より多くの熱を放熱板より奪うことができる。
【００１１】
また、上記冷媒流路は、上記半導体素子の両側において上記半導体モジュールの積層方向に貫通形成した一対の貫通冷媒流路部と、互いに隣接する上記半導体モジュールにおける上記多孔質体同士の間に形成される沿面冷媒流路部とから構成されており、上記多孔質体は、その下端部が、上記一対の貫通冷媒流路部のうち下側に位置する下側貫通冷媒流路部内まで延長して形成されており、上記冷媒は、上記多孔質体の上記下端部に接触する状態で上記下側貫通冷媒流路部に貯留されていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、半導体モジュールの積層体の構造が適切であり、より効果的に半導体素子を冷却することができる。
【００１２】
また、上記複数の半導体モジュールにおける上記下側貫通冷媒流路部と、上記複数の半導体モジュールにおける上記下側貫通冷媒流路部と反対側の上側貫通冷媒流路部とは、上記積層体の外部に配置した外部凝縮器に接続し、上記多孔質体から蒸発するガス状の冷媒を上記上側貫通冷媒流路部から上記外部凝縮器へ導き、該外部凝縮器において液状の冷媒に凝縮させた後、該液状の冷媒を上記外部凝縮器から再び上記下側貫通冷媒流路部へ導くよう構成することができる（請求項５）。
この場合には、外部凝縮器を用いることにより、半導体モジュールの積層体の構造を簡単にして、冷媒を循環させるシステムを形成することができる。
【００１３】
また、上記複数の半導体モジュールにおける上記下側貫通冷媒流路部と反対側の上側貫通冷媒流路部には、上記冷媒とは異なる別冷媒を流す内部凝縮器を配置し、上記多孔質体から蒸発するガス状の冷媒を上記内部凝縮器に接触させて液状の冷媒に凝縮させ、該液状の冷媒を再び上記下側貫通冷媒流路部へ導くよう構成することもできる（請求項６）。
この場合には、半導体モジュールの積層体の内部において冷媒を循環させて使用することができ、冷媒を循環させるシステムの全体を小型化することができる。
【実施例】
【００１４】
以下に、本発明の半導体モジュールの積層体及びその製造方法に係る実施例につき、図面を参照して説明する。
（実施例１）
本例の半導体モジュール２の積層体１は、図１に示すように、半導体素子３をモールド樹脂４内に配置して形成した半導体モジュール２を複数積層してなる。モールド樹脂４には、半導体素子３を冷却する冷媒を流すための冷媒流路４１が形成してある。半導体素子３には、放熱板３２が対向して配置してある。放熱板３２には、冷媒流路４１の一部に流れる冷媒Ｃを吸い上げる多孔質体５が設けてある。半導体モジュール２の積層体１は、多孔質体５に吸い上げた冷媒Ｃを放熱板３２の熱によって蒸発させて半導体素子３を冷却するよう構成してある。
【００１５】
以下に、本例の半導体モジュール２の積層体１につき、図１〜図６を参照して詳説する。
図５に示すごとく、本例の半導体モジュール２の積層体１は、車載用の電力変換装置７を構成するものであり、直流電圧を昇圧する昇圧回路７２、及び直流電圧から交流電圧を作り出すインバータ回路７３に用いるものである。また、半導体素子３は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子によって三相交流のモータジェネレータ７１のブリッジ回路を形成してなる。
図２に示すごとく、各半導体素子３は、プラス電源側に接続するスイッチング素子３Ａとマイナス電源側に接続するスイッチング素子３Ｂとを一体化してなる。各半導体モジュール２は、プラス電源端子７３１、マイナス電源端子７３２、出力端子７３３（又は入力端子７３４）を構成する端子２２を幅方向Ｗの一方側に引き出し、スイッチング素子３Ａ、３Ｂに制御信号を送信するための制御端子７３５を構成する端子２３を幅方向Ｗの他方側に引き出して構成されている。なお、幅方向Ｗとは、後述する厚み方向Ｔ及び長手方向Ｌに直交する方向のことをいう。
【００１６】
図３、図４に示すごとく、各半導体素子３は、板形状に形成されており、その両側の板面３１には、伝熱性に優れた半田、接着剤等の結合層３３を介して、アルミニウム材からなる放熱板（ヒートシンク、熱伝導性の金属板）３２が対面配置されている。
半導体モジュール２は、半導体素子３の厚み方向Ｔに向けて複数（電力変換回路の形成に必要な数）が積層される。
【００１７】
各半導体モジュール２は、そのモールド樹脂４によって、互いに合わさる積層方向Ｔの両側の全周に外周壁部４３を形成してなる。外周壁部４３の端面には、隣接する半導体モジュール２又は蓋体２１と嵌合するための段差端部４３１が形成されている。
モールド樹脂４は、放熱板３２の外側面３２１を、積層方向Ｔに露出させるようにして、半導体素子３、放熱板３２等を配置してモールド成形してなる。
【００１８】
図３に示すごとく、本例の半導体モジュール２は、モールド樹脂４に対してスイッチング素子３Ａとスイッチング素子３Ｂとを並列に２つ配置してなる。半導体モジュール２は、スイッチング素子を２つ配置した方向に長く形成されており、この方向がスイッチング素子（半導体素子３）の厚み方向Ｔに直交する長手方向Ｌとなる。
半導体モジュール２は、半導体素子３、放熱板３２等を配置してモールド樹脂４によるモールド成形を行って形成することができる。また、半導体素子３、放熱板３２等は、モールド樹脂４を成形した後、その内部に形成した配置部分に配置することもできる。
【００１９】
図３、図４に示すように、本例の放熱板３２は、半導体素子３の両側の板面３１に対向して配置されており、多孔質体５は、放熱板３２の外側面３２１の全体を覆って外側面３２１に対して接合されている。
本例の多孔質体５は、アルミニウム材料の発泡金属又は焼結金属によって形成されており、放熱板３２の外側面３２１に対して、低温ろう付け、超音波溶接等によって接合されている。多孔質体５を発泡金属とする場合は、アルミニウム材料を用いた金属部材の全体に、多数の気泡を形成してなるものとすることができる。一方、多孔質体５を焼結金属とする場合は、アルミニウム材料からなる多数の粒子を、互いに接触させて接合させたものとすることができる。
【００２０】
多孔質体５は放熱板３２の外側面３２１に直接接合されており、これらの間には、絶縁膜が形成されていない。多孔質体５は、外周壁部４３を形成した半導体モジュール２の合わせ面４２よりも積層方向Ｔの内側に配置されている。
本例の半導体モジュール２の積層体１に用いる冷媒Ｃは、沸騰冷却用の冷媒であり、フロン系冷媒、純水等の絶縁性の冷媒である。この冷媒Ｃは、半導体素子３によって加熱される放熱板３２の温度、冷媒流路４１内の圧力等の条件に応じて、適宜選定することができる。
【００２１】
放熱板３２及び多孔質体５は、種々の形状にすることができ、例えば、伝熱効率を高めるために、図６に示すごとく、放熱板３２と多孔質体５の接合面は、波型形状にすることもできる。
また、多孔質体５は、放熱板３２に接合する以外にも、放熱板３２を形成するアルミニウム材料の一部を発泡させる、又は放熱板３２を形成するアルミニウム材料に多数の粒子を互いに接触させて焼結させることにより、放熱板３２と一体的に成形することもできる。
【００２２】
図２、図３に示すごとく、本例の冷媒流路４１は、半導体素子３の長手方向Ｌの両側において半導体モジュール２の積層方向Ｔに貫通形成した一対の貫通冷媒流路部４１１と、互いに隣接する半導体モジュール２における多孔質体５同士の間に形成される沿面冷媒流路部４１２とから構成されている。
図１に示すように、多孔質体５は、その下端部５１が、一対の貫通冷媒流路部４１１のうち下側に位置する下側貫通冷媒流路部４１１Ａ内まで延長して形成されている。冷媒Ｃは、多孔質体５の下端部５１に接触する状態で下側貫通冷媒流路部４１１Ａに貯留されている。上側貫通冷媒流路部４１１Ｂと沿面冷媒流路部４１２とには、空間Ｓが形成されており、多孔質体５から蒸発する冷媒Ｃは、空間Ｓへと蒸発する。
【００２３】
図１に示すごとく、積層体１の積層方向Ｔにおける両側の最も端には、樹脂から構成した蓋体２１が半導体モジュール２に積層してある。また、一対の蓋体２１のうちの一方には、半導体モジュール２における一対の貫通冷媒流路部４１１に連通させる冷媒導入管２１１と冷媒排出管２１２とが形成されている。冷媒導入管２１１と冷媒排出管２１２とは、接続配管６１を介して、積層体１の外部に配置した外部凝縮器６に接続されている。
そして、本例の積層体１を用いた冷却システムは、多孔質体５から蒸発するガス状の冷媒Ｃを上側貫通冷媒流路部４１１Ｂから外部凝縮器６へ導き、外部凝縮器６において液状の冷媒Ｃに凝縮させた後、この冷媒Ｃを外部凝縮器６から再び下側貫通冷媒流路部４１１Ａへ導くよう構成されている。これにより、半導体モジュール２の積層体１の構造を簡単にして、冷媒Ｃを循環させる冷却システムを形成することができる。
【００２４】
本例の半導体モジュール２の積層体１は、半導体素子３に対向して配置した放熱板３２に、冷媒流路４１の一部に流れる冷媒Ｃを吸い上げる多孔質体５を設けてなる。また、冷媒流路４１には、全体に冷媒Ｃを充填せず、下側貫通冷媒流路部４１１Ａにのみ冷媒Ｃを充填しており、この冷媒Ｃを多孔質体５によって放熱板３２へ吸い上げる。そして、多孔質体５に吸い上げた冷媒Ｃを放熱板３２に接触させ、この冷媒Ｃを放熱板３２の熱によって冷媒流路４１に形成された空間Ｓへ蒸発させる。また、空間Ｓへ蒸発した冷媒Ｃは、外部凝縮器６を経由して再び下側貫通冷媒流路部４１１Ａに戻される。
これにより、本例の半導体モジュール２の積層体１によれば、発熱した半導体素子３を少ない冷媒Ｃによって効率的に冷却することができる。
【００２５】
また、本例においては、沸騰冷却用の冷媒Ｃを用いており、かかる冷媒Ｃは、絶縁性と有しているため、放熱板３２の外側面３２１に半導体素子３の絶縁性を確保するための絶縁膜を形成する必要がない。この絶縁膜は、熱伝導性が悪く、半導体素子３に発生した熱を放熱する際の妨げとなっていた。これに対し、本例においては、絶縁性の冷媒Ｃを用いることができ、かつ放熱板３２と多孔質体５との熱伝導性にも優れるため、半導体素子３の温度上昇をより効果的に抑えることができる。
【００２６】
（実施例２）
本例は、半導体モジュール２の積層体１の内部において冷媒Ｃを循環させるよう構成した例である。
図７に示すように、本例の複数の半導体モジュール２における下側貫通冷媒流路部４１１Ａと上側貫通冷媒流路部４１１Ｂとには、冷媒Ｃとは異なる別冷媒Ｄを流す内部凝縮器７が配置してある。この別冷媒Ｄは、車両空調用冷媒である。
内部凝縮器７は、上側貫通冷媒流路部４１１Ｂ内に挿通配置するパイプ形状に形成されており、パイプ形状の内部に、別冷媒Ｄを流すための別冷媒流路７２を形成してなる。内部凝縮器７は、外周に多数のフィン７１を形成してなり、このフィン７１により、熱伝達性を高めている。
【００２７】
内部凝縮器７は、車室内の空気を冷却する冷凍サイクルシステム８に接続して用いることができる。内部凝縮器７の別冷媒流路７２の一端部は、接続配管８５を介して圧縮機８１、凝縮器８２、膨張弁８３に接続され、膨張弁８３が内部凝縮器７の別冷媒流路７２の他端部に接続されている。また、圧縮機８１と膨張弁８３とには、内部凝縮器７と並列に接続した車室内空気冷却用の蒸発器８４が接続されている。
【００２８】
本例の積層体１を用いた冷却システムは、多孔質体５から蒸発するガス状の冷媒Ｃを、内部凝縮器７に接触させて液状の冷媒Ｃに凝縮させ、この液状の冷媒Ｃを再び下側貫通冷媒流路部４１１Ａへ導くよう構成されている。これにより、半導体モジュール２の積層体１の内部において冷媒Ｃを循環させて使用することができ、冷媒Ｃを循環させるシステムの全体を小型化することができる。
本例においては、車両空調用冷媒を援用して、積層体１の冷媒流路４１内において蒸発した冷媒Ｃを凝縮させることができる。そのため、外部凝縮器６を使用せずに、冷媒Ｃの循環を行うことができる。外部凝縮器６を全く使用しない場合には、一対の蓋体２１を、いずれも冷媒流路４１を閉塞するよう構成することができる。
【００２９】
一方、本例においても、上記実施例１に示した外部凝縮器６を併用することにより、内部凝縮器７を使用する場合と、外部凝縮器６を使用する場合とを切り替えることができる。なお、図７においては、外部凝縮器６を併用する場合を示した。
本例においても、半導体モジュール２の積層体１のその他の構成は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  積層体
２  半導体モジュール
３  半導体素子
４  モールド樹脂
４１  冷媒流路
４１１  貫通冷媒流路部
４１２  沿面冷媒流路部
５  多孔質体
５１  下端部
６  外部凝縮器
７  内部凝縮器
Ｃ  冷媒
Ｄ  別冷媒
【図１】
2012015144.tif 000003
【図２】
2012015144.tif 000004
【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】
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