(57)【要約】【課題】パワーモジュールと冷却器との間の隙間が変化した場合に、グリースが流出する。【解決手段】半導体装置は、少なくとも一つの半導体チップ１０２を含む半導体モジュール１０１と、半導体モジュール１０１を冷却する冷却器１０８と、半導体モジュール１０１と冷却器１０８との間を電気的に絶縁する絶縁材１０６とを備える。絶縁材１０６にはグリース１０５、１０７が塗布されており、絶縁材１０６のグリース塗布部の周囲に、弾性体で形成されて、グリース１０５、１０７を取り囲むように絶縁材１０６から突出する凸部３０１、３０２を設け、凸部３０１、３０２を半導体モジュール１０１および冷却器１０８で挟圧する構造とした。【選択図】図３
2013065605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの半導体チップを含む半導体モジュールと、
前記半導体モジュールを冷却する冷却器と、
前記半導体モジュールと前記冷却器との間を電気的に絶縁する絶縁材と、
を備え、
前記絶縁材にはグリースが塗布されており、前記絶縁材のグリース塗布部の周囲に、弾性体で形成されて、前記グリースを取り囲むように前記絶縁材から突出する凸部を設け、前記凸部を前記半導体モジュールおよび前記冷却器で挟圧する構造とした、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁材は、平板シート状の本体と、該本体の表面上に重ねられた、該本体よりも剛性が低い材質で形成された枠状のシール部材で形成され、
前記凸部は、前記シール部材で形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記凸部は、平板シート状の前記絶縁材に設けられた厚肉部である、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体モジュールは、金属基板上に前記少なくとも一つの半導体チップが載置された構成であって、
前記厚肉部は、前記金属基板よりも外側の位置に設けられている、
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体モジュールは、金属基板上に前記少なくとも一つの半導体チップが載置された構成であって、
前記金属基板の外周は、半導体モジュールケースと接触しており、
前記厚肉部は、前記絶縁材が前記金属基板と対向する位置であって、前記金属基板と前記半導体モジュールケースとの界面部分に設けられている、
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワーモジュールを、熱伝導性グリースを介して冷却器に取り付けた半導体装置が知られている。特許文献１では、パワーモジュールまたは冷却器に凹部または凸部を設けて、パワーモジュールと冷却器との間から流出するグリースを凹部に貯める、または、凸部で止める技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１６８７７２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、パワーモジュールまたは冷却器に凹部または凸部を設ける方法では、凹部または凸部の高さにばらつきがある場合や、環境温度変化によってパワーモジュールと冷却器との間の隙間が変化した場合に、グリースの流出を防ぐことができない。
【０００５】
本発明は、環境温度変化によって、パワーモジュールと冷却器との間の隙間が変化した場合でも、グリースの流出を防ぐことができる半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による半導体装置は、少なくとも一つの半導体チップを含む半導体モジュールと、半導体モジュールを冷却する冷却器と、半導体モジュールと冷却器との間を電気的に絶縁する絶縁材とを備える。絶縁材にはグリースが塗布されており、絶縁材のグリース塗布部の周囲に、弾性体で形成されて、グリースを取り囲むように絶縁材から突出する凸部を設け、凸部を半導体モジュールおよび冷却器で挟圧する構造とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、半導体モジュールと冷却器との間の隙間が変化した場合でも、半導体モジュールおよび冷却器で挟圧された弾性体の凸部が拡張・収縮することによって、半導体モジュールおよび冷却器で挟圧された状態を保ってグリースをシールするので、グリースの流出を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１〜第４の実施形態における半導体装置の概略断面図である。
【図２】図２は、第１の実施形態における半導体装置の部分断面図であり、図１の点線で囲まれた部分１０を拡大した図である。
【図３】図３は、第２の実施形態における半導体装置の部分断面図であり、図１の点線で囲まれた部分１０を拡大した図である。
【図４】図４は、第３の実施形態における半導体装置の部分断面図であり、図１の点線で囲まれた部分１０を拡大した図である。
【図５】図５は、第４の実施形態における半導体装置の部分断面図であり、図１の点線で囲まれた部分１０を拡大した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、第１〜第４の実施形態における半導体装置の概略断面図である。各実施形態における半導体装置は、パワーモジュール（半導体モジュール）１０１と、パワーモジュール１０１を冷却する冷却器１０８と、パワーモジュール１０１と冷却器１０８との間を電気的に絶縁する絶縁シート１０６とを少なくとも備える。
【００１０】
パワーモジュール１０１は、例えば、電力変換器（インバータ）内に設けられる非絶縁型パワーモジュールであり、金属基板１０４上に、ＩＧＢＴ等の半導体チップ１０２を、半田１０３を介して実装することにより構成されている。図１に示す例では、２つの半導体チップ１０２が実装されているが、実装される半導体チップは１つ、または３つ以上でもよい。
【００１１】
金属基板１０４は、平板シート状の絶縁シート１０６を介して、冷却器１０８に載置されている。金属基板１０４、絶縁シート１０６、および、冷却器１０８は、パワーモジュールケース１０９とともに、ボルト１１１で締結されている。
【００１２】
絶縁シート１０６の上下面、特に、半導体チップ１０２が設けられている領域の鉛直下方部分を含む領域には、接触熱抵抗低減のために、グリース１０５、１０７が塗布されている。半導体チップ１０２が発熱すると、半田１０３を介して金属基板１０４に熱が伝わり、金属基板１０４からグリース１０５、絶縁シート１０６、グリース１０７を介して、冷却器１０８へと放熱される。
【００１３】
＜第１の実施形態＞
図２は、第１の実施形態における半導体装置の部分断面図であり、図１の点線で囲まれた部分１０を拡大した図である。
【００１４】
図２に示すように、絶縁シート１０６とパワーモジュールケース１０９との間に、絶縁性のシール部材２０１が設けられている。シール部材２０１は、弾性体であり、塗布されたグリース１０５を取り囲むような枠状の形状であって、絶縁シート１０６およびパワーモジュールケース１０９で挟圧されている。このシール部材２０１は、絶縁シート１０６からパワーモジュール１０１に向かって突出する凸部と表現することもできる。
【００１５】
また、絶縁シート１０６と冷却器１０８との間に、絶縁性のシール部材２０２が設けられている。シール部材２０２は、弾性体であり、塗布されたグリース１０７を取り囲むような枠状の形状であって、絶縁シート１０６および冷却器１０８で挟圧されている。このシール部材２０２は、絶縁シート１０６から冷却器１０８に向かって突出する凸部と表現することもできる。
【００１６】
本実施形態では、絶縁シート１０６と、シール部材２０１、２０２をまとめて絶縁材と呼ぶ。
【００１７】
シール部材２０１、２０２としては、例えば、ガスケットやＯリングを用いることができる。また、絶縁シート１０６の製造時に、二色成形により、シール部材２０１、２０２を形成することもできる。
【００１８】
例えば、絶縁シート１０６には、シリコーンゴム、クロロスルフォン化ポリエチレンゴムのようなゴム材料、ＰＡ（ポリアミド）やＰＡＩ（ポリアミドイミド）のような樹脂材料、アルミナ（酸化アルミニウム）や窒化アルミニウム、窒化ケイ素のようなセラミックス材料を用いることができる。また、シール部材２０１、２０２には、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、ＮＢＲ（ニトリルゴム）、ＡＣＭ（アクリルゴム）、ＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）、ＣＲ（クロロブレンゴム）、ＥＣＯ（エピクロルヒドリンゴム）、ＦＫＭ（フッ素ゴム）、ＶＭＱ（シリコーンゴム）等のゴム材料を用いることができる。
【００１９】
シール部材２０１、２０２は、ボルト１１１を用いてパワーモジュール１０１を冷却器１０８に締結する際の面圧によって圧縮されて、パワーモジュール１０１と冷却器１０８の間で挟圧される。これにより、グリース１０５の周囲はシール部材２０１によってシールされ、グリース１０７の周囲は、シール部材２０２によってシールされる。
【００２０】
ここで、シール部材２０１、２０２の硬さは、絶縁シート１０６の硬さよりも柔らかい。これにより、パワーモジュール１０１を冷却器１０８に締結する際の面圧により、シール部材２０１、２０２だけが圧縮されることになる。すなわち、絶縁シート１０６を変形させることなく、グリース１０５、１０７のポンプアウトを防止することができる。
【００２１】
なお、図２では、シール部材２０１は、絶縁シート１０６とパワーモジュールケース１０９との間で挟圧されているが、絶縁シートと金属基板１０４との間で挟圧される構造としてもよい。
【００２２】
また、絶縁シート１０６の上下面に対するシール部材２０１、２０２の位置は、グリース１０５、１０７の塗布位置や広がり面積が異なる場合には、絶縁シート１０６の上下面で異なっていてもよい。しかし、パワーモジュール１０１を冷却器１０８に締結する際の締結力に対して、シール部材２０１、２０２を効率良く圧縮させるためには、絶縁シート１０６を介して対向する位置に設けることが好ましい。
【００２３】
以上、第１の実施形態における半導体装置によれば、絶縁材のグリース塗布部の周囲に、弾性体で形成されて、グリース１０５、１０７を取り囲むように絶縁材から突出するシール部材（凸部）２０１、２０２を設け、シール部材２０１、２０２をパワーモジュール１０１および冷却器１０８で挟圧する構造とした。このような構造により、環境温度変化等に起因して、パワーモジュール１０１と冷却器１０８との間の隙間が変化した場合でも、パワーモジュール１０１および冷却器１０８の間で挟圧された弾性体のシール部材２０１、２０２が拡張・収縮することによって、パワーモジュール１０１および冷却器１０８で挟圧された状態が保たれる。すなわち、グリース１０５、１０７の周囲がシール部材２０１、２０２によってシールされた状態を保つことができるので、グリース１０５、１０７の流出を防ぐことができる。
【００２４】
特に、第１の実施形態における半導体装置では、絶縁材は、平板シート状の本体である絶縁シート１０６と、絶縁シート１０６の表面上に重ねられた、絶縁シート１０６よりも剛性が低い材質で形成された枠状のシール部材２０１、２０２で形成され、凸部は、シール部材２０１、２０２で形成されている。これにより、パワーモジュール１０１を冷却器１０８に締結する際の面圧により、シール部材２０１、２０２だけが圧縮されることになる。すなわち、絶縁シート１０６を変形させることなく、グリース１０５、１０７のポンプアウトを防止することができる。
【００２５】
＜第２の実施形態＞
図３は、第２の実施形態における半導体装置の部分断面図であり、図１の点線で囲まれた部分１０を拡大した図である。第１の実施形態における半導体装置では、グリースをシールするための凸部として、シール部材２０１、２０２を設けたが、第２の実施形態における半導体装置では、絶縁シート１０６に凸部形状を設ける。
【００２６】
第２の実施形態における絶縁シート（絶縁材）１０６は、弾性体であり、例えば、シリコーンゴム、クロロスルフォン化ポリエチレンゴムのようなゴム材料で形成される。
【００２７】
第２の実施形態では、グリース１０５を取り囲むように、絶縁シート１０６に厚膜部（凸部）３０１を設けるとともに、グリース１０７を取り囲むように、絶縁シート１０６に厚膜部（凸部）３０２を設けている。厚膜部３０１、３０２は、平板シート状の絶縁シート１０６の厚さが他の部分よりも厚い肉厚部であり、塗布されたグリースを取り囲むような枠状の形状である。厚膜部３０１、３０２は、パワーモジュールケース１０９と冷却器１０８との間で挟圧される位置に設けられている。
【００２８】
絶縁シート１０６の厚膜部３０１、３０２は、ボルト１１１を用いてパワーモジュール１０１を冷却器１０８に締結する際の面圧によって圧縮されて、パワーモジュール１０１と冷却器１０８の間で挟圧される。これにより、グリース１０５の周囲は絶縁シート１０６の厚膜部３０１によってシールされ、グリース１０７の周囲は、絶縁シート１０６の厚膜部３０２によってシールされる。絶縁シート１０６に設けた厚膜部３０１、３０２によって、グリース１０５、１０７の周囲をシールするので、第１の実施形態のように、シール部材を別途設ける必要がない。
【００２９】
絶縁シート１０６に厚膜部３０１、３０２を形成する方法としては、例えば、絶縁シート１０６を製造する際に用いるプレス金型に凸形状を設ける方法がある。また、パワーモジュール１０１の長手方向または短手方向のみに膜厚部３０１、３０２を設ける場合には、押出し成形時のダイス形状に、膜厚部３０１、３０２となる凸形状を設ける方法がある。
【００３０】
絶縁シート１０６の上下面に対する膜厚部３０１、３０２の位置は、グリース１０５、１０７の塗布位置や広がり面積が異なる場合には、絶縁シート１０６の上下面で異なっていてもよい。しかし、パワーモジュール１０１を冷却器１０８に締結する際の締結力に対して、膜厚部３０１、３０２を効率良く圧縮させるためには、対向する位置に設けることが好ましい。絶縁シート１０６の上下面に対する膜厚部３０１、３０２の位置が対向しない場合には、パワーモジュール１０１を冷却器１０８に締結する際の締結力を適正化すればよい。
【００３１】
パワーモジュール１０１を冷却器１０８に締結する際の締結力によって、絶縁シート１０６の厚膜部３０１、３０２を効率良く圧縮させるため、厚膜部３０１、３０２の断面形状は、図３に示すように、絶縁シート１０６の上下面において、半円形状であることが好ましい。この場合、絶縁シートの厚膜部３０１、３０２の断面形状は、Ｏリングの断面形状とほぼ同じ、または、それに近い形状となる。
【００３２】
図３に示すように、絶縁シート１０６の厚膜部３０１、３０２は、金属基板１０４よりも外側の位置、すなわち、パワーモジュールケース１０９と冷却器１０８との間で挟圧される位置に設けられている。これにより、グリース１０５、１０７のポンプアウトを防止するとともに、厚膜部３０１、３０２の両外側にそれぞれ位置している金属基板１０４とボルト１１１との間を確実に絶縁することができる。また、厚膜部３０１、３０２によって、金属基板１０４とボルト１１１との間を絶縁することができるので、金属基板１０４とボルト１１１との間の沿面絶縁距離を短くすることができ、パワーモジュール１０１を小型化することができる。
【００３３】
以上、第２の実施形態における半導体装置によれば、グリース１０５、１０７を取り囲むように絶縁材から突出する凸部は、平板シート状の絶縁シート１０６に設けられた厚膜部３０１、３０２である。このような構成においても、第１の実施形態における半導体装置と同様、パワーモジュール１０１と冷却器１０８との間の隙間が変化した場合でも、パワーモジュール１０１および冷却器１０８の間で挟圧された弾性体の厚膜部３０１、３０２が拡張・収縮することによって、パワーモジュール１０１および冷却器１０８で挟圧された状態が保たれる。すなわち、グリース１０５、１０７の周囲が厚膜部３０１、３０２によってシールされた状態を保つことができるので、グリース１０５、１０７の流出を防ぐことができる。また、シール部材を別途設ける必要がないので、コストを低減することができる。
【００３４】
＜第３の実施形態＞
図４は、第３の実施形態における半導体装置の部分断面図であり、図１の点線で囲まれた部分１０を拡大した図である。第３の実施形態でも、グリース１０５を取り囲むように、絶縁シート１０６に厚膜部３０１を設けるとともに、グリース１０７を取り囲むように、絶縁シート１０６に厚膜部３０２を設けている。これにより、第２の実施形態における半導体装置と同様に、グリース１０５、１０７のポンプアウトを防止することができる。
【００３５】
第３の実施形態における半導体装置が第２の実施形態における半導体装置と異なるのは、厚膜部３０１、３０２が設けられている位置である。すなわち、第３の実施形態では、厚膜部３０１、３０２は、金属基板１０４と冷却器１０８との間で挟圧される位置に設けられている。より具体的には、金属基板１０４と当接する厚膜部３０１は、金属基板１０４のうち、金属基板１０４の外周と接触しているパワーモジュールケース１０９との界面部分に設けられている。また、厚膜部３０２は、絶縁シート１０６の上下面において、厚膜部３０１と対向する位置に設けられている。
【００３６】
ボルト１１１でパワーモジュール１０１を冷却器１０８に取り付ける際、平板の金属基板１０４のうち、ボルト１１１に近い側ほど、高い圧力がかかる。しかし、本実施形態では、金属基板１０４のうち、パワーモジュールケース１０９との界面部分に、厚膜部３０１を設けるので、高圧力のかかる金属基板１０４の端部において、絶縁シート１０６に傷が付くのを防ぐことができる。
【００３７】
＜第４の実施形態＞
図５は、第４の実施形態における半導体装置の部分断面図であり、図１の点線で囲まれた部分１０を拡大した図である。第４の実施形態でも、グリース１０５を取り囲むように、絶縁シート１０６に厚膜部３０１を設けるとともに、グリース１０７を取り囲むように、絶縁シート１０６に厚膜部３０２を設けている。これにより、第２、第３の実施形態における半導体装置と同様に、グリース１０５、１０７のポンプアウトを防止することができる。
【００３８】
第４の実施形態における半導体装置が第２、第３の実施形態における半導体装置と異なるのは、厚膜部３０１、３０２が設けられている位置である。すなわち、第４の実施形態では、厚膜部３０１は、金属基板１０４のうち、パワーモジュールケース１０９との界面部分より内側に設けている。また、厚膜部３０２は、絶縁シート１０６の上下面において、厚膜部３０１と対向する位置に設けられている。これにより、グリース１０５、１０７の広がりを、より効果的に抑えることができる。また、グリース１０５、１０７の広がる範囲を効果的に抑えることができるので、グリース１０５、１０７の塗布量を少なくすることができる。
【００３９】
なお、厚膜部３０１、３０２は、絶縁シート１０６の任意の位置に設けることができる。すなわち、厚膜部３０１、３０２を設ける位置を所望の位置とすることによって、グリース１０５、１０７の広がり範囲を制御することができる。
【００４０】
本発明は、上述した第１〜第４の実施形態に限定されることはない。例えば、絶縁材から突出する凸部（シール部材２０１、２０２、厚膜部３０１、３０２）は、絶縁シート１０６の両面に設けたが、グリースの塗布位置に応じて、片面だけに設けることもできる。例えば、絶縁シート１０６と金属基板１０４との間にだけグリース１０５が塗布されている場合には、絶縁シート１０６からパワーモジュール１０１に向かって突出する凸部を設ければよい。同様に、絶縁シート１０６と冷却器１０８との間にだけグリース１０７が塗布されている場合には、絶縁シート１０６から冷却器１０８に向かって突出する凸部を設ければよい。
【符号の説明】
【００４１】
１０１…パワーモジュール
１０２…半導体チップ
１０４…金属基板
１０５、１０７…グリース
１０６…絶縁シート
１０８…冷却器
１０９…パワーモジュールケース
２０１、２０２…シール部材
３０１、３０２…厚膜部
【図１】
2013065605.tif 000003
【図２】
2013065605.tif 000004
【図３】
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【図４】
2013065605.tif 000006
【図５】
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