(57)【要約】【課題】半導体装置を構成する複数の半導体モジュールの一部を交換、修理できる半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体素子２２の両側に放熱フィン２８が対称配置される半導体モジュール２０と、内部に冷媒流路５２が形成される冷却器５０と、を備え、半導体モジュール２０が冷却器５０に装着された状態で、放熱フィン２８が冷媒流路５２内に配置される半導体装置１０において、半導体モジュール２０は、複数であって、それぞれが、冷却器５０に着脱可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の両側に放熱フィンが対称配置される半導体モジュールと、内部に冷媒流路が形成される冷却器と、を備え、前記半導体モジュールが前記冷却器に装着された状態で、前記放熱フィンが前記冷媒流路内に配置される半導体装置において、
前記半導体モジュールは、複数であって、それぞれが、前記冷却器に着脱可能である半導体装置。
【請求項２】
前記半導体モジュールと前記冷却器とを着脱可能とさせるネジ機構を備える請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体モジュールと前記冷却器との間隙にシール部材を備える請求項１又は２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、半導体素子の両側に対称配置される放熱フィンが冷却器の冷媒流路内に配置される半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体素子で発生した熱を放熱させる半導体装置として、半導体素子の両側に対称配置される放熱フィンが冷却器の冷媒流路内に配置されたものが知られている（例えば、特許文献１）。この半導体装置では、半導体素子の両側に、半田層、電極層、絶縁層、放熱フィンが順次積層されている。半導体素子で発生した熱は、放熱フィン等を介して、冷媒流路内を循環する冷却液により外部に運ばれ散逸される。これにより、半導体素子の過熱を抑制して、半導体素子の熱破壊等を抑制することができる。
【特許文献１】特開２００４−３６３３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来の半導体装置では、半導体装置を構成する複数の半導体モジュールの一部で故障等の不具合が発生すると、半導体装置自体を交換する必要があった。
【０００４】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、半導体装置を構成する複数の半導体モジュールの一部を交換、修理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】
【０００５】
前記目的を達成するため、第１の発明は、半導体素子の両側に放熱フィンが対称配置される半導体モジュールと、内部に冷媒流路が形成される冷却器と、を備え、前記半導体モジュールが前記冷却器に装着された状態で、前記放熱フィンが前記冷媒流路内に配置される半導体装置において、
前記半導体モジュールは、複数であって、それぞれが、前記冷却器に着脱可能である。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明に係る半導体装置であって、前記半導体モジュールと前記冷却器とを着脱可能とさせるネジ機構を備える。
【０００７】
第３の発明は、第１又は第２の発明に係る半導体装置であって、前記半導体モジュールと前記冷却器との間隙にシール部材を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、半導体装置を構成する複数の半導体モジュールの一部を交換、修理できる半導体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】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明の半導体装置の第１実施例を示す概略図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ−Ａから見た断面図である。図２は、半導体装置１０に関連する電気回路の一例を示す図である。図３は、半導体モジュール２０の一例を示す断面図である。図４は、フィン２８ｂの一例を示す斜視図である。図５は、フィン２８ｂの別の例を示す斜視図である。
【００１１】
半導体装置１０は、半導体モジュール２０と、冷却器５０とを備える。例えば、図１に示すように、６つの半導体モジュール２０が１つの冷却器５０に装着されている。この状態で、各半導体モジュール２０の放熱フィン２８は、冷却器５０の冷媒流路５２内に配置され、冷媒流路５２内を循環する冷却液に浸漬されている。
【００１２】
冷媒流路５２内を循環する冷却液は、放熱フィン２８を介して、後述の半導体素子２２（図３参照）で発生した熱を外部に運び、散逸させる。これにより、半導体素子２２の過熱を抑制して、半導体素子２２の熱破壊を抑制することができる。
【００１３】
半導体素子２２は、例えば、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子で構成される。半導体素子２２の一方の主面には、コレクタ電極（図示せず）が形成され、半導体素子２２の他方の主面には、エミッタ電極（図示せず）及びゲート電極（図示せず）が形成される。ゲート電極の電圧を制御することにより、コレクタ電極からエミッタ電極へ流れる電流のオン、オフが制御される。
【００１４】
半導体装置１０は、例えば、図２に示すように、上述のＩＧＢＴ２２と還流ダイオードとの組合せ６組を３相ブリッジ結線して、直流電流を３相交流電流に変換する３相交流インバータ回路Ｃを構成している。この３相交流インバータ回路Ｃの出力部は、３相モータＭに結線されている。ＩＧＢＴ２２のオン、オフのスイッチング周波数を変更することにより、３相モータＭの回転速度、出力トルクを容易に変更することができる。
【００１５】
半導体モジュール２０は、例えば、図２の領域Ａ１に相当する電気回路を構成するものであり、この場合、図３に示すように、ＩＧＢＴ２２の両電極面上（両主面上）に、半田層（図示せず）、電極２４、絶縁層２６、放熱フィン２８が順次積層される。つまり、各構成要素２４、２６、２８は、熱源（ＩＧＢＴ２２）に対して対称配置される。その結果、各構成要素２２、２４、２６、２８の熱膨張差に起因する反り等の変形が、抑制される。
【００１６】
電極２４は、導電性や放熱性に優れたＣｕやＡｌ等の金属で形成される。この電極２４は、ＩＧＢＴ２２と外部とを電気的に接続するものであり、例えば、図３に示すように、ＩＧＢＴ２２の電極面と半田層を介して接続された本体部２４ａと、本体部２４ａから外部に向けて電極面と平行に延在する延在部２４ｂとから構成される。
【００１７】
延在部２４ｂは、短絡を防止するため、絶縁性の樹脂モールド３０で被覆された後、リング状の頭部４０の内側に挿着され、頭部４０から外部に向けて突出される。延在部２４ｂの先端は、接続端子として機能するよう、樹脂モールド３０から露出される。
【００１８】
絶縁層２６は、耐電圧性を備えた材料で形成される。例えば、絶縁層２６は、放熱性に優れたＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４等のセラミックスで形成されてもよく、柔軟性や絶縁性に優れたエポキシ樹脂等の樹脂で形成されてもよい。この絶縁層２６は、電極２４の本体部２４ａを覆うように形成され、電極２４の本体部２４ａと放熱フィン２８との短絡を防止している。
【００１９】
放熱フィン２８は、放熱性や耐食性に優れたＡｌ等の金属で形成される。この放熱フィン２８は、ＩＧＢＴ２２の両側に対称配置され、両側からＩＧＢＴ２２で発生する熱を効率的に放熱させる。
【００２０】
例えば、放熱フィン２８は、図３に示すように、半導体素子２２の電極面（主面）と対面する位置に設置される基板２８ａと、基板２８ａ上に等間隔で並設されるフィン２８ｂとを含み構成される。
【００２１】
フィン２８ｂは、図３に示すように、半導体素子２２の電極面（主面）と垂直に配置され、冷却液を円滑に循環させるため、図１に示すように、冷却液の流線方向Ｄと平行に配置される。このフィン２８ｂは、図４に示すように、周方向の２箇所で分断された板状であってもよく、図５に示すように、周方向全周に亘り一体化されたリング状であってもよい。
【００２２】
冷却器５０は、図１に示すように、冷媒流路５２と、冷媒流路５２と外部とを連通する連通孔５４とを備える。連通孔５４の径寸法は、放熱フィン２８の外形寸法より十分大きく、放熱フィン２８は、外部から連通孔５４を介して冷媒流路５２内へ挿入され、冷媒流路５２内を循環する冷却液に浸漬される。
【００２３】
半導体装置１０は、その特徴的な構成として、各半導体モジュール２０と冷却器５０とを着脱可能とさせる機構を備える。着脱可能とさせる機構は、ネジ機構が好ましい。これは、着脱の際に熱処理や加圧処理が不要になるので、着脱による半導体モジュール２０への負荷が軽減されるからである。
【００２４】
例えば、ネジ機構６０は、図１、図３に示すように、各半導体モジュール２０の頭部４０の外周に形成されるネジ山６２と、冷却器５０の連通孔５４の内周に形成されるネジ溝６４とから構成される。この構成によれば、頭部４０を連通孔５４に螺着脱させることができる。その結果、各半導体モジュール２０を軸回りに回転させることにより、冷却器５０に着脱させることができる。
【００２５】
ネジ山６２やネジ溝６４は、図１、図３に示すように、軸方向に沿って径寸法が漸次小さくなるテーパ状に形成されてもよい。これにより、螺着時におけるネジ山６２とネジ溝６４との密着性を高め、冷却液の漏出を防止することができる。
【００２６】
図６は、半導体モジュール２０と冷却器５０とを着脱可能とさせるネジ機構の別の例を示す断面図である。このネジ機構７０は、半導体モジュール２０の頭部４０を軸方向に貫通して冷却器５０の上面５０ａに穿設されるネジ孔７２と、ネジ７４とから構成される。
【００２７】
この構成によれば、ネジ７４により頭部４０と冷却器５０とを締結させることができる。その結果、ネジ７４を軸回りに回転させることにより、各半導体モジュール２０と冷却器５０とを着脱可能とさせることができる。
【００２８】
この半導体モジュール２０の頭部４０と冷却器５０との間隙には、図６に示すように、Ｏリングやガスケット等のシール部材８０が配設される。これにより、冷却液の漏出を防止することができる。
【００２９】
以上のように、本実施例によれば、各半導体モジュール２０と冷却器５０とを着脱可能とさせることができる。したがって、半導体装置１０を構成する複数の半導体モジュール２０の一部を交換、修理することができる。例えば、半導体モジュール２０を冷却器５０から取り外して、放熱フィン２８に付着する堆積物（熱抵抗として作用）を洗浄し、半導体モジュール２０の冷却効率を維持することができる。
【００３０】
また、着脱可能とすることで、従来技術である半導体モジュールと冷却器とがロウ付けや半田付け等で接合された接合熱工程に起因した半導体装置の熱変形等の不具合が回避できると共に、半導体モジュール２０と冷却器５０とが完全密着（接合）されていないため、半導体素子２２の発熱に起因する半導体モジュール２０と冷却器５０との間の熱応力が緩和される。
【実施例２】
【００３１】
図７は、本発明の半導体装置の第２実施例を示す概略図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ−Ａから見た断面図である。図８は、半導体モジュール１２０の一例を示す断面図である。以下、第２実施例の半導体装置１００の各構成について説明するが、同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３２】
半導体装置１００は、半導体モジュール１２０と、冷却器５０とを備える。例えば、図７に示すように、３つの半導体モジュール１２０が１つの冷却器５０に装着されている。この状態で、各半導体モジュール１２０の放熱フィン２８は、冷媒流路５２内に配置され、冷媒流路５２内を循環する冷却液に浸漬されている。
【００３３】
冷媒流路５２内を循環する冷却液は、放熱フィン２８を介して、半導体素子２２で発生した熱を外部に運び、散逸させる。これにより、半導体素子２２の過熱を抑制して、半導体素子２２の熱破壊を抑制することができる。
【００３４】
半導体装置１００は、例えば、図２に示す３相インバータ回路Ｃを構成している。
【００３５】
半導体モジュール１２０は、例えば、図２の領域Ａ２に相当する電気回路を構成するものである。この場合、図８に示すように、２つのＩＧＢＴ２２が、電極１２４を介して一体化される。一体化されたＩＧＢＴ２２の両電極面上（両主面上）には、半田層（図示せず）、電極２４、絶縁層２６、放熱フィン２８が順次積層される。
【００３６】
電極１２４は、導電性や放熱性に優れたＣｕやＡｌ等の金属で形成される。この電極１２４は、３相モータＭに結線され、出力バスバーとして機能するものである。なお、残りの電極２４は、電源Ｐに結線され、それぞれ、電源バスバー、接地バスバーとして機能している。
【００３７】
このように、電極１２４は、ＩＧＢＴ２２と外部とを電気的に接続するものであり、例えば、図８に示すように、ＩＧＢＴ２２の電極面と半田層を介して接続された本体部１２４ａと、本体部１２４ａから外部に向けて電極面と平行に延在する延在部１２４ｂとから構成される。
【００３８】
延在部１２４ｂは、短絡を防止するため、絶縁性の樹脂モールド３０で被覆された後、リング状の頭部４０の内側に挿着され、頭部４０から外部に向けて突出される。延在部１２４ｂの先端は、接続端子として機能するよう、樹脂モールド３０から露出される。
【００３９】
この半導体装置１００では、１つの半導体モジュール１２０に２つの半導体素子２２を実装させるので、実施例１と比較して、半導体モジュール１２０の数を削減することができる。その結果、半導体装置１００の小型化、低コスト化を図ることができる。また、出力バスバー、電源バスバー、接地バスバーが平行に配置されるため、相互インダクタンス効果により寄生インダクタンスを小さくすることができ、損失を低減することができる。
【００４０】
なお、半導体装置１００は、実施例１と同様に、各半導体モジュール１２０と冷却器５０とを着脱可能とさせるネジ機構６０を備え、各半導体モジュール１２０と冷却器５０とを着脱可能とさせる。したがって、半導体装置１００を構成する複数の半導体モジュール１２０の一部を交換、修理することができる。
【００４１】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００４２】
例えば、本実施例の冷却器５０は、液冷型であるとしたが、空冷型であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の半導体装置の第１実施例を示す概略図である。
【図２】半導体装置１０に関連する電気回路の一例を示す図である。
【図３】半導体モジュール２０の一例を示す断面図である。
【図４】フィン２８ｂの一例を示す斜視図である。
【図５】フィン２８ｂの別の例を示す斜視図である。
【図６】半導体モジュール２０と冷却器５０とを着脱可能とさせるネジ機構の別の例を示す断面図である。
【図７】本発明の半導体装置の第２実施例を示す概略図である。
【図８】半導体モジュール１２０の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０、１００    半導体装置
２０、１２０    半導体モジュール
２２    半導体素子
２８    放熱フィン
５０    冷却器
５２    冷媒流路
６０、７０    ネジ機構
【図１】
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【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】
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【図８】
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