(57)【要約】【課題】本明細書は、パワーカードと冷却器が絶縁板を挟んで積層されており、パワーカードと絶縁板の間、及び、絶縁板と冷却器の間に伝熱剤が塗布されており、パワーカードと絶縁板と冷却器が積層する方向に荷重が加えられている半導体装置に関し、絶縁板と冷却器の間の伝熱剤が拡散することを簡易に防止するための技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置には、パワーカード１０ｃの絶縁板２１と対向する側面１２ｃに溝１３ａが設けられており、当該溝１３ａにより、当該側面と絶縁板２１の間に塗布されている第１伝熱剤２３ａの拡散が防止される。そして、絶縁板２１と冷却器３ｃとの間に、第１伝熱剤２３ａより粘度が高い第２伝熱剤２４ａが塗布されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を収容しているパワーカードであってその本体の内部で前記半導体素子と接している放熱板の一面が前記本体の一側面に露出しているパワーカードと、
絶縁板を挟んで前記放熱板を含む前記一側面に対向している冷却器と、
前記パワーカードと前記絶縁板と前記冷却器の積層体をそれらの積層方向に荷重する荷重部材と、
を備えており、
前記パワーカードの前記一側面と前記絶縁板の間に第１伝熱剤が塗布されており、
前記絶縁板と前記冷却器の間に第２伝熱剤が塗布されており、
前記パワーカードの前記一側面に前記第１伝熱剤の拡散を防止する拡散防止手段が設けられており、
前記第２伝熱剤の粘度が、前記第１伝熱剤の粘度より大きい、
ことを特徴とする半導体装置。
【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、パワーカードと冷却器が絶縁板を挟んで積層されており、パワーカードと絶縁板の間、及び、絶縁板と冷却器の間に伝熱剤が塗布されており、それらの積層体に積層方向の荷重が加えられている半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記したタイプの半導体装置は、パワーカードに収容されている半導体素子に対する冷却性能が高く、例えば電気自動車の駆動系のインバータに用いられている。そのような半導体装置の一例が特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１には、側面にヒートシンクが露出しているパワーカードの当該側面に放熱グリス（本願の伝熱剤に相当）を介して絶縁板と冷却器が積層されている電力変換装置（本願の半導体装置に相当）が開示されている。パワーカードと絶縁板と冷却器の積層体には、それらの積層方向に荷重が加えられており、放熱グリスは薄く引き延ばされている。このような電力変換装置では、半導体素子の発熱によりヒートシンクが熱膨張により変形し、ヒートシンクと絶縁板の間の放熱グリスが変形したヒートシンクに押し出されてヒートシンクの周囲に拡散する現象が生じる。具体的には、押し出された放熱グリスの一部がグリスの塊から千切れ、ヒートシンクの変形が元に戻っても千切れた放熱グリス片が元の箇所に戻らない現象である。特許文献１には、上記の現象を防止するために、ヒートシンクの露出している表面に、絶縁板側に突出した凸部であって、表面を平面視したときに閉ループ形状となる凸部を設ける技術が開示されている。この凸部により、ヒートシンクが熱膨張する場合でも、凸部の内側と絶縁板との間の空間に放熱グリスが留まり、上記の現象が防止される。
【０００４】
また、特許文献２には、筐体の底部にグリスを介して半導体モジュールが固定される半導体装置が開示されている。この半導体装置には、底部表面のうちの半導体モジュールと対向する領域に環状の溝が形成されている。熱膨張により筐体が変形し、変形により押し出された溝の内側のグリス（伝熱剤）は、溝に溜まったグリスに遮られて溝の外側へ拡散し難くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２０８１１３号公報
【特許文献２】特開２０１３−１３８１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示される技術では、ヒートシンクと絶縁板の間の放熱グリスの拡散が防止し得る。しかし、特許文献１に開示される技術では、ヒートシンクが熱膨張する場合、ヒートシンクが絶縁板に接触し、ヒートシンクから作用する力により絶縁板が変形し得る。そのため、絶縁板と冷却器の間の放熱グリスが変形する絶縁板に押し出されて拡散する虞がある。絶縁板と冷却器の間の放熱グリスの拡散を防止するために、絶縁板又は冷却器に特許文献１、２に開示されているような溝又は凸部を設けることが考えられるが、半導体装置の製造コストが増加する要因となる。本明細書は、パワーカードと冷却器が絶縁板を挟んで積層されており、パワーカードと絶縁板の間、及び、絶縁板と冷却器の間に伝熱剤が塗布されており、パワーカードと絶縁板と冷却器が積層する方向に荷重が加えられている半導体装置に関し、絶縁板と冷却器の間の伝熱剤が拡散することを簡易に防止するための技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子を収容しているパワーカードであってその本体の内部で半導体素子と接している放熱板の一面が本体の一側面に露出しているパワーカードと、絶縁板を挟んで放熱板を含む一側面に対向している冷却器と、パワーカードと絶縁体と冷却器の積層体をそれらの積層方向に荷重する荷重部材と、を備えている。パワーカードの一側面と絶縁板の間に第１伝熱剤が塗布されており、絶縁板と冷却器の間に第２伝熱剤が塗布されている。そして、パワーカードの一側面に第１伝熱剤の拡散を防止する拡散防止手段が設けられており、第２伝熱剤の粘度が、第１伝熱剤の粘度より大きい。ここで、「拡散防止手段」は、例えば、パワーカードの一側面を平面視したときに放熱板を囲むように設けられている突条または溝である。
【０００８】
この構成によれば、パワーカードの表面に設けられている拡散防止手段により、パワーカードの表面と絶縁板の間の第１グリスが拡散することが防止される。さらに、冷却器と絶縁板との間に第１グリスより粘度が大きい第２グリスを塗布することにより、熱膨張した放熱板から作用する力により絶縁板が変形しても、変形した絶縁板に押し出された第２グリスの一部はグリスの塊から千切れ難くなり、第２グリスが拡散することが防止される。これにより、拡散防止手段を冷却器又は絶縁板に設けることなく、冷却器と絶縁板の間の第２グリスが拡散することを簡易に防止することができる。
【０００９】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例の半導体装置の斜視図である。
【図２】実施例の半導体装置の部分断面図である。
【図３】伝熱剤の温度に対する粘度の特性を示したグラフである。
【図４】伝熱剤の拡散が発生したか否かの実験結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。図１は、実施例の半導体装置１００の斜視図である。半導体装置１００は、複数のパワーカード１０ａ−１０ｆと複数の冷却器３ａ−３ｇが積層された積層体２と、積層体２を収容するケース３１を備える。積層体２の全体が見えるように、ケース３１は仮想線で描いてある。また、図１は、理解し易いように、一つのパワーカード１０ｃ（及び絶縁板２１、２２）を積層体２から抜き出して描いてある。なお、図１には、ＸＹＺ座標系が描かれており、Ｘ軸方向は、パワーカード１０ａ−１０ｆと冷却器３ａ−３ｇが積層されている方向（以下、積層方向）と一致する。
【００１２】
パワーカード１０ａ−１０ｆと冷却器３ａ−３ｇは、共に平板型であり、複数の側面のうち最大面積の平坦面が対向するように積層されている。パワーカード１０ａ−１０ｆと冷却器３ａ−３ｇは、一つずつ交互に積層されており、積層方向の両端には冷却器３ａ、３ｇが位置している。例えば、冷却器３ｃと冷却器３ｄの間にはパワーカード１０ｃが挟まれている。さらに、冷却器３ｃとパワーカード１０ｃの間及び冷却器３ｄとパワーカード１０ｃの間には、それぞれ、絶縁板２１、２２が挟まれている。即ち、パワーカード１０ｃは、絶縁板２１（２２）を挟んで冷却器３ｃ（３ｄ）と対向している。絶縁板２１（２２）の材料は、例えば、高熱伝導のセラミックである。なお、詳細は後述するが、絶縁板２１（２２）とパワーカード１０ｃの間、及び、絶縁板２１（２２）と冷却器３ｃ（３ｄ）の間には、伝熱剤が塗布されている。本実施例では、伝熱剤は、ゲル、又は、流体である。当該伝熱剤は、図１では図示を省略している。他のパワーカードと当該他のパワーカードを積層方向の両側で挟んでいる２個の冷却器の各冷却器との間にも同様に絶縁板が挟まれており、当該他のパワーカードも絶縁板を挟んで各冷却器と対向している。
【００１３】
パワーカード１０ａ−１０ｆの構成について説明する。パワーカード１０ａ−１０ｆは同様の構成をしている。以下、代表としてパワーカード１０ｃを説明する。パワーカード１０ｃは、４個の半導体素子と、４個の半導体素子を収容している樹脂製の本体１２を備えている。本体１２は、射出成形により形成され、半導体素子を封止する。４個の半導体素子は、具体的には、２個のトランジスタＴａ、Ｔｂと、２個のダイオードＤａ、Ｄｂである。本体１２の絶縁板２１と対向する側面１２ｃには、放熱板１６ａ、１６ｂが露出している。放熱板１６ａ、１６ｂの材料は、熱伝導率の高い金属であり、例えば、銅である。側面１２ｃには、環状の溝１３ａ、１３ｂが設けられている。溝１３ａ（１３ｂ）は、本体側面を平面視したときに、放熱板１６ａ（１６ｂ）を囲むように設けられている。また、本体１２の絶縁板２２と対向する側面１２ｄ、即ち、側面１２ｃの裏側に位置する側面にも、同様に放熱板と溝（図１では不図示）が設けられている。なお、パワーカード１０ｃの上面（図中Ｚ軸の正方向を向く面）からは３本の電極端子７ａ、７ｂ、７ｃが伸びており、下面（図中Ｚ軸方向の負方向を向く面）からは制御端子２９が伸びている。
【００１４】
冷却器３ａ−３ｇの構成について説明する。各冷却器の内側には、Ｙ軸方向に延びている流路が形成されており、当該流路を冷媒が通過する。各冷却器は、流路を通過する冷媒により、各冷却器と絶縁板を挟んで対向しているパワーカードの半導体素子を冷却する。各冷却器の材料は、熱伝導率の高い材料であり、例えば、アルミニウムである。冷却器３ａ−３ｇは、連結パイプ５ａ、５ｂで連結されている。積層方向の一端の冷却器３ａには、供給管４ａと排出管４ｂが連結されている。供給管４ａを通じて供給される冷媒は、連結パイプ５ａを通じて冷却器３ａ−３ｇに分配される。冷媒は各冷却器を通る間に絶縁板を挟んで対向しているパワーカードから熱を吸収する。冷却器３ａ−３ｇを通った冷媒は連結パイプ５ｂに集約され、排出管４ｂから排出される。なお、冷媒は液体であり、典型的には水である。
【００１５】
半導体装置１００は、さらに、積層体２の積層方向の一端に位置する冷却器３ｇとケース３１の内側面の間に配置される板バネ３２を備える。積層体２は、板バネ３２の荷重により、ケース３１の内側面に押し当てられる。これにより、積層体２には、積層方向の両側から荷重が加えられる。その荷重は、例えば３［ｋＮ］である。絶縁板とパワーカードの間、及び、絶縁板と冷却器の間には、伝熱剤が塗布されるが、３［ｋＮ］という高い荷重は、伝熱剤の層を薄く引き延ばし、パワーカードから絶縁板及び絶縁板から冷却器への伝熱効率を高める。板バネ３２により引き延ばされた伝熱剤の層の厚みは、例えば、１００ミクロン以下である。
【００１６】
図２を参照して、パワーカードと絶縁板と冷却器との間の詳細な構造について説明する。図２は、図１のパワーカード１０ｃ及び冷却器３ｃ、３ｄを図中の座標系のＸＹ面に平行な平面であってトランジスタＴａとＴｂを横切る平面でカットした部分断面図である。なお、他のパワーカードと当該他のパワーカードを両側で挟んでいる２個の冷却器との間の構造も、以下に説明する構造と同じである。
【００１７】
図２に示すように、パワーカード１０ｃの本体１２の側面１２ｃには、放熱板１６ａ、１６ｂの一面が、当該側面１２ｃと面一に露出している。側面１２ｃの裏側の側面１２ｄにも、放熱板１７ａ、１７ｂの一面が、当該側面１２ｄと面一に露出している。放熱板１６ａ、１７ａは、本体１２の内部でトランジスタＴａと接しており、放熱板１６ｂ、１７ｂは、本体１２の内部でトランジスタＴｂと接している。トランジスタの熱は、接している放熱板に伝達する。また、パワーカード１０ｃの放熱板１６ａ、１６ｂが露出している側面１２ｃと冷却器３ｃとの間に絶縁板２１が挟まれていることにより、トランジスタＴａと接している放熱板１６ａ、１６ｂと冷却器３ｃとの間の絶縁が確保される。
【００１８】
本体１２の側面１２ｃと絶縁板２１との間には、低粘度伝熱剤２３ａが塗布されている。低粘度伝熱剤２３ａの粘度は、常温で、２５０から３５０［Ｐａ・ｓ］である。低粘度伝熱剤２３ａは、側面１２ｃの法線方向（即ち、Ｘ軸方向）から見たときに、放熱板１６ａ、１６ｂ、及び、溝１３ａ、１３ｂを覆うように側面１２ｃに塗布される。そのため、低粘度伝熱剤２３ａは、溝１３ａ、１３ｂに入り込む。同様に、本体１２の側面１２ｄと絶縁板２２との間に、低粘度伝熱剤２３ｂが塗布されており、低粘度伝熱剤２３ｂは溝１４ａ、１４ｂに入り込む。
【００１９】
また、絶縁板２１と冷却器３ｃとの間には、高粘度伝熱剤２４ａが塗布されている。高粘度伝熱剤２４ａの粘度は、常温で、８００から９００［Ｐａ・ｓ］である。即ち、高粘度伝熱剤２４ａの粘度は、常温で、低粘度伝熱剤２３ａの粘度より大きい。同様に、絶縁板２２と冷却器３ｄとの間に、高粘度伝熱剤２４ｂが塗布されている。
【００２０】
図３を参照して、低粘度伝熱剤と高粘度伝熱剤の特性について説明する。図３は、低粘度伝熱剤と高粘度伝熱剤それぞれの温度に対する粘度の特性を示したグラフである。なお、図３に示すグラフは、所定の温度域（例えば、０から１２０℃）内の温度に対する粘度の傾向を示した模式的なグラフであることに留意されたい。図３に示すように、所定の温度域内の温度において、高粘度伝熱剤の粘度は、低粘度伝熱剤の粘度より大きく、両伝熱剤の粘度は、温度の低下に対して指数関数的に粘度が増加する。ここで、高粘度伝熱剤は、低粘度伝熱剤と比較して大きな割合で、温度の低下に対して粘度が増加する。低温Ｔ１（例えば、２０℃）では、高粘度伝熱剤の粘度と低粘度伝熱剤の粘度の差は大きい。一方、高温Ｔ２（例えば、８０℃）では、その差は小さい。即ち、高粘度伝熱剤は、低温域では、低粘度伝熱剤より高い粘度を示すが、高温域では、低粘度伝熱剤と余り変わらない粘度を示す。
【００２１】
本実施例の効果について説明する。パワーカード１０ｃの放熱板１６ａは、トランジスタＴａが発熱すると、トランジスタＴａから伝達した熱により膨張する。一方、絶縁板２１は、その材料が放熱板１６ａの材料である銅より熱膨張係数の小さいセラミックスであるので、トランジスタＴａの発熱により熱膨張し難い。そのため、放熱板１６ａが膨張すると、放熱板１６ａと絶縁板２１との間の空間が狭くなり、空間が狭くなることにより押し出された低粘度伝熱剤２３ａが放熱板１６ａの外側へ拡散しようとする。ここで、放熱板１６ａの周囲には、溝１３ａが設けられており、溝１３ａには、低粘度伝熱剤２３ａが溜まっている。放熱板１６ａが膨張することにより押し出された放熱板１６ａ上の低粘度伝熱剤２３ａは、溝１３ａに溜まった低粘度伝熱剤２３ａに遮られて溝１３ａの外側へ拡散し難い。即ち、溝１３ａは、放熱板１６ａ上の低粘度伝熱剤２３ａの拡散を防止する。
【００２２】
ここで、溝１３ａにより低粘度伝熱剤２３ａの外側への移動が遮られるため、放熱板１６ａが膨張する力は、低粘度伝熱剤２３ａを介して絶縁板２１に伝達する。この力により絶縁板２１が変形する場合がある。絶縁板２１が変形すると、絶縁板２１と冷却器３ｃの間の空間が狭くなり、空間が狭くなることにより押し出された高粘度伝熱剤２４ａが絶縁板２１の外側へ拡散しようとする。ここで、高粘度伝熱剤２４ａは、粘度の高い伝熱剤であり、絶縁板２１の外側へ拡散したとしても、外側へ拡散した伝熱剤の一部は、伝熱剤の塊から千切れ難い。そして、当該伝熱剤の一部は、放熱板１６ａの熱膨張が収まり、絶縁板２１の変形が収まった後も、元の位置に戻り易い。これにより、絶縁板２１と冷却器３ｃの間の伝熱剤が拡散することが防止される。
【００２３】
また、図３に示すように、高粘度伝熱剤２４ａは、低温域では、高い粘度特性を示す。高粘度伝熱剤２４ａは、冷却器３ｃと絶縁板２１との間に塗布されているので、その温度は、半導体装置の駆動時でも、冷却器３ｃの温度に近い低温である。半導体装置の駆動時でも、高粘度伝熱剤２４ａの粘度が高い状態に維持されるので、絶縁板２１と冷却器３ｃの間の高粘度伝熱剤２４ａが拡散することが防止される。
【００２４】
また、本実施例では、冷却器３ｃと絶縁板２１との間の伝熱剤の拡散を防止するために、冷却器３ｃ及び絶縁板２１にパワーカード１０ｃに設けられているような溝１３ａを設ける必要がない。これにより、半導体装置１００の製造コストの増加を抑えて、簡易に冷却器３ｃと絶縁板２１との間の伝熱剤の拡散を防止することができる。
【００２５】
放熱板１６ａと絶縁板２１の間に低粘度伝熱剤２３ａを塗布する利点について、さらに説明する。低粘度伝熱剤２３ａは、高粘度伝熱剤２４ａと比較して粘度が低いため、放熱板１６ａの表面に沿って流動し易く、放熱板１６ａが膨張する力は、伝熱剤が流動する力に変化し易い。そのため、放熱板１６ａと絶縁板２１の間に高粘度伝熱剤２４ａを塗布する場合と比較して、低粘度伝熱剤２３ａを塗布することにより、伝熱剤を介して絶縁板２１に伝達する力を小さく抑えることができる。また、放熱板１６ａと絶縁板２１の間及び絶縁板２１と冷却器３ｃの間の双方に高粘度伝熱剤を塗布した場合、当該伝熱剤を薄く引き延ばすために、より高い荷重が必要となり、板バネ３２の大型化等により製造コストが増加する。さらに、図３に示すように、高粘度伝熱剤の粘度は、半導体装置の駆動時における高温の状況で低粘度伝熱剤の粘度と余り差が無い。即ち、放熱板１６ａと絶縁板２１の間に低粘度伝熱剤を塗布することより製造コストの増加を抑えることができる。
【００２６】
図４を参照して、温度に対する粘度の特性が異なる複数の伝熱剤において、伝熱剤が拡散する状況を確認する実験の結果を説明する。発明者らは、２枚の金属プレートの間に、温度に対する粘度の特性が異なる複数の伝熱剤を塗布し、各伝熱剤において、−４０℃から１０５℃の冷熱サイクルを繰り返し負荷し、伝熱剤の拡散の状況を確認した。複数の伝熱剤は、常温で粘度が、３００、５００、８００、１０００、１０５０［Ｐａ・ｓ］のそれぞれを示す５種類の伝熱剤である。本実験では、実験前の２枚の金属プレートの間に存在する伝熱剤の重量に対する実験後の２枚の金属プレートの間に存在する伝熱剤の重量の割合が所定の割合以上である場合に、伝熱剤の拡散がないと判断する。図４は、この実験の結果を示す図である。図４に示すように、本実験では、常温の粘度が８００［Ｐａ・ｓ］以上の伝熱剤において、伝熱剤の拡散がないという結果が得られた。高粘度伝熱剤２４ａとして常温の粘度が８００［Ｐａ・ｓ］以上の伝熱剤を選ぶことにより、冷却器３ｃと絶縁板２１との間の伝熱剤の拡散を防止することができる。
【００２７】
以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。パワーカード１０ｃの本体１２の側面１２ｃに設けられている溝１３ａ、１３ｂが、請求項の「拡散防止手段」の一例である。これに代えて、本体１２の側面１２ｃに、側面１２ｃの法線方向から見たときに、放熱板１６ａ（１６ｂ）を囲む環状の突条を設けてもよい。また、溝１３ａ（１３ｂ）は、環状でなくてもよく、少なくとも伝熱剤が拡散する方向と交差する方向に延びている溝であればよい。また、本体１２の側面１２ｃの代わりに、本体１２から露出している放熱板１６ａ（１６ｂ）の一面に、溝又は突条を設けてもよい。一般的に言えば、パワーカードの放熱板の一面が露出している一側面に、伝熱剤の拡散を防止する拡散防止手段が設けられていればよい。
【００２８】
板バネ３２が、請求項の「荷重部材」の一例である。例えば、積層体２は、積層方向の両端面を積層方向に挟むブラケットにより、積層方向に圧縮されてもよい。この場合、ブラケットが、請求項の「荷重部材」の一例である。
【００２９】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。本明細書また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、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、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】
【００３０】
２：積層体
３ａ−３ｇ：冷却器
４ａ：供給管
４ｂ：排出管
５ａ、５ｂ：連結パイプ
１０ａ−１０ｆ：パワーカード
１２：本体
１２ｃ、１２ｄ：側面
１３ａ、１３ｂ：溝
１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ：放熱板
２１、２２：絶縁板
２３ａ、２３ｂ：低粘度伝熱剤
２４ａ、２４ｂ：高粘度伝熱剤
３１：ケース
３２：板バネ
１００：半導体装置
Ｄａ、Ｄｂ：ダイオード
Ｔａ、Ｔｂ：トランジスタ
【図１】
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【図２】
2017139429.tif 000004
【図３】
2017139429.tif 000005
【図４】
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