JP2007201224A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化を損なわず簡単な構成でもって、半導体モジュールのシール部分から液漏れが生じても電極端子が短絡するなどの不具合が生じるのを確実に防止することができる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体素子が実装された半導体モジュール１と液冷部材２とを有し、半導体モジュール１の冷却面が液冷部材２に形成された流通路２０の開口部２１に臨むとともに、その開口部２１周縁と半導体モジュール１の周縁とがシール部材３を介在させて接合され、また、半導体モジュール１にはその電極端子１１，１２とシール部材３との間に位置し、かつ、液冷部材２との接合面と略直交する側面１９の外方に向けて張り出した防液壁４が一体的に設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、発熱量の大きな半導体素子を備えた半導体モジュールを冷却する機能を備えた半導体装置に係り、特には、半導体モジュールを冷却液によって直接に冷却する直接液冷方式の構造の半導体装置に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車のモータを駆動するインバータ等の大電力を扱う半導体装置においては、消費電力が大きなＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電力用の半導体素子の複数個をパッケージ化した半導体モジュールが用いられている。この様な電力用の半導体モジュールは、発熱量が大きいために、効率良く冷却することが必要となる。特に、近年の電力用の半導体モジュールはパワー密度が向上しているため、半導体モジュールを冷却液によって直接に冷却して冷却性能を高めた、いわゆる直接液冷方式が多く採用されつつある。この場合、自動車内では取付スペースが狭いので、できるだけ小型であることが要求される。

ところで、従来の直接液冷方式のものは、半導体モジュールの冷却面が液冷部材に形成された流通路内に開口部を介して臨むように、液冷部材の開口部周縁と半導体モジュール周縁との間にシール部材を介在させた状態で半導体モジュールと液冷部材とを一体的に接合することにより、半導体モジュールの冷却面を冷却液が直接冷却するとともに、流通路から冷却液が外部に漏れるのをシール部材によって防ぐ構造となっている（例えば、特許文献１参照）。なお、この場合のシール部材としては、ガスケットやＯリングなどと称せられるものが適用されている。

しかし、このような構造であると、シール部材に対する加圧力の不均一や、シール面への異物の付着による異物噛みこみ、あるいはシール部材の傷や経年劣化等に起因して液漏れを生ずることがある。そして、このシール部分から冷却液が漏れて半導体モジュールの電極端子が濡れると、電極間に電気的な短絡が生じるなどして絶縁性を低下させ、半導体モジュールが故障する恐れがあり、信頼性を保証できる期間を長くできないという問題がある。

そこで、従来技術では、シール部分から冷却液が漏出しても電極端子間の絶縁の低下をできるだけ起こさないようにするため、液冷部材の開口部の周りにシール部材を内外２重に配置して漏れを阻止するなどの対策が講じられている。

しかしながら、このような対策を講じた場合でも、内外２重のシール部材の締付圧をそれぞれ独立して適切に調整することが困難であるため、冷却液が内側のシール部材のみならず外側のシール部材を通過して液漏れを引き起こす恐れがあった。

そこで、従来技術では、冷却部材のシール部材の外側に位置する部分に漏液を排出する漏液排出溝、およびこの漏液排出溝に連通した液抜き穴を形成し、シール部分から冷却液が漏出した場合には、この冷却液を漏液排出溝と液抜き穴を経由して装置外部に導くことにより、電極端子間の短絡を防止するようにした構造が提案されている（例えば、特許文献２〜４等参照）。

特開平９−２４６４４３号公報 特開２００１−３０８２４６号公報 特開２００３−３１７４５号公報 特開２００５−３２９０４号公報

しかし、上記特許文献１〜４に記載されている従来構造の場合、液冷部材に漏液排出溝や液抜き穴を形成する必要があるとともに、漏液排出溝を半導体モジュールの底部で閉鎖して管状になるように、半導体モジュールの形状を大きくせねばならず、装置全体の形状が大きくなって小型化が阻害される。したがって、特に、自動車内のように取付スペースが狭くて限られている場合には、小型化の要求に十分に応えられない。

また、液冷部材に漏液排出溝や液抜き穴を形成するなどの切削加工が必要となるために、構成が複雑化するとともに余分なコストがかかる。しかも、実使用環境が良くないと、漏液排出溝や液抜き穴に塵が詰まって漏液を上手く流せない等の不具合がある。

この発明は、上記の問題点を解決し、装置の小型化を損なわず、かつ、簡単な構成でもって、半導体モジュールと液冷部材との間のシール部分から液漏れが生じても電極端子の部分が短絡するなどの不具合が生じるのを確実に防止し、しかも比較的安価に実現することが可能な半導体装置を提供することを課題とする。

この発明は、上記の課題を解決するため、半導体素子が実装された半導体モジュールと、内部に冷却液の流通路を有するとともに、当該流通路の一部が外部に露出するように開口部が形成されている液冷部材とを備え、上記半導体モジュールと上記液冷部材とがシール部材を介して一体的に接合されて上記半導体モジュールの冷却面が上記流通路の開口部に臨んでいる直接液冷方式の半導体装置において、次の構成を採用している。

すなわち、この発明では、半導体モジュールには、その電極端子と上記シール部材との間に位置し、かつ、上記液冷部材との接合面と略直交する側面の外方に向けて張り出した防液壁が一体的に設けられていることを特徴としている。

この発明の半導体装置によれば、半導体モジュールには、電極端子とシール部材との間に位置する箇所に、液冷部材との接合面と略直交する側面の外方に向けて張り出した防液壁が一体的に設けられているので、シール部材によるシール効果が不十分なためにシール部分から冷却液が漏出した場合でも、防液壁によって漏液が電極端子に向けて流れ出すのが確実に阻止される。このため、装置が立てた状態で設置された場合でも電極端子同士が漏液によって電気的に短絡するといった不具合発生を確実に防止することができる。

しかも、従来のように、液冷部材に漏液排出溝や液抜き穴を形成する必要がなく、また、漏液排出溝を半導体モジュールの底部で閉鎖して管状にする必要もないため、装置全体の形状を小型化することができる。さらに、従来のように液冷部材に漏液排出溝や液抜き穴を形成するなどの切削加工が不要であり、半導体モジュールに防液壁を形成するだけで済むため、比較的安価に実現することが可能となる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における半導体装置の要部を示す斜視図、図２は同装置を構成する半導体モジュールの断面図、図３は同装置の一部を拡大して示す断面図、図４は同装置の半導体モジュールに設けた防液壁の作用説明図である。

この実施の形態１の半導体装置は、半導体モジュール１と液冷部材２とを備える。半導体モジュール１は、直方体状の本体部１０の側面１９の一方側から電源用の電極端子１１が、他方側からスイッチング制御のための制御信号用の電極端子１２がそれぞれ外方に引き出されている。

また、本体部１０の内部には半導体素子としてＩＧＢＴ等の複数個の電力用のスイッチング素子１３が銅板等からなるヒートスプレッダ１４に半田付け等により固着されており、また、各スイッチング素子１３相互間や電極端子１１，１２との間はアルミ線等の金属細線１５によりワイヤボンドされて電気的に接続されている。さらに、ヒートスプレッダ１４の裏面側には絶縁層１６を介して熱伝導性が良好でかつ腐食しにくい銅等の材料でできたモジュールベース１７が配置されている。そして、スイッチング素子１３や金属細線１５を外環境から保護するため、モジュールベース１７から熱を外部に放出する底面を除く全体が封止樹脂１８によりモールドされている。なお、モジュールベース１７は、スイッチング素子１３からの発熱を効率良く外部に伝達するとともに、後述のシール部材３を確実にシールするための役目を同時に果たしている。

一方、液冷部材２は、銅やアルミニュウムなどの金属やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂からなるもので、その内部には冷却液の流通路２０が形成されるとともに、その流通路２０の一部が外部に露出するように削除されて開口部２１が設けられている。また、この開口部２１の周縁部分にはＯリング等のシール部材３を装着する装着溝２２が形成されている。

そして、半導体モジュール１の冷却面となるモジュールベース１７が液冷部材２の流通路２０の開口部２１に臨むように、装着溝２２内にシール部材３を装着した状態で半導体モジュール１と液冷部材２とを位置合わせして両者１，２を図示しないボルト等によって締結される。そして、液冷部材２の流通路２０にエチレングリコール等の粘性の高い液体の水溶液などからなる冷却液を流すことで、半導体モジュール１を構成するスイッチング素子１３がモジュールベース１７等を介して冷却液によって直接冷却されるとともに、流通路２０から冷却液が外部に漏れないようシール部材３によってにシールされる。

さらに、この実施の形態１の特徴として、半導体モジュール１の本体部１０には、電極端子１１，１２の突出側において各電極端子１１，１２とシール部材３との間に位置する箇所に防液壁４が一体的に設けられている。

すなわち、この防液壁４は、その一端部４１側が半導体モジュール１の本体部１０底面のシール部材３よりも外側の位置に接着剤などで固定され、また、他端部４２側は本体部１０の電極端子１１，１２の突出側の側面１９に沿う状態から電極端子１１，１２に沿って外方に向けて張り出した状態となるように順次屈曲されて鉤形に形成されている。そして、この防液壁４の他端部４２の先端は、液冷部材２の側面２３よりも僅かに外方に突出している。なお、防液壁４の材質としては、電極端子１１，１２の絶縁耐圧を考慮すると、合成樹脂やセラミック等の絶縁材料が好適に使用される。

上記構成において、半導体モジュール１と液冷部材２とを図示しないボルト等によって締結する際のシール部材３に対する加圧力の不均一や、半導体モジュール１と液冷部材２との接合面への異物の噛み込み、あるいはシール部材３の傷や経年劣化等に起因して、冷却液Ｌがシール部材３の外部に漏出した場合、この漏液Ｌは液冷部材２の上に広がってその側面２３まで流れ出すものの、半導体モジュール１の本体部１０に防液壁４が設けられているために、その上方の電極端子１１，１２を濡らすことはない。したがって、装置を立てた状態で設置した場合でも、電極端子１１，１２同士が漏液Ｌによって電気的に短絡するといった不具合発生を確実に防止することができる。

また、液冷部材２には従来技術のように漏液排出溝や液抜き穴を形成する必要がなく、漏液排出溝を半導体モジュール１の底部で閉鎖して管状にする必要もないため、装置全体の形状を小型化することができる。さらに、漏液排出溝や液抜き穴の形成するための切削加工が不要で、半導体モジュール１の本体部１０に防液壁４の形成部材を固定するだけで済むため、比較的安価に実現することが可能となる。

なお、この実施の形態１において、防液壁４は鉤形に形成されているが、このような形状に限らず、例えば、本体部１０底面のシール部材３よりも外側の位置から電極端子１１，１２に沿って平行に張り出した平板状のものであってもよい。また、この実施の形態１において、防液壁４は本体部１０の電極端子１１，１２の突出側にだけ設けているが、本体部１０の周囲にわたって連続的に形成することも可能である。この構成にすれば、漏液が防液壁４が無い部分から電極端子１１，２２側に回り込むのが阻止できるので、電極端子１１，１２間の短絡発生を一層確実に防止することができる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２における半導体装置の構成を示す断面図であり、図１ないし図４に示した実施の形態１と同一または相当する構成部分に同一の符号を付す。

この実施の形態２の特徴は、防液壁４の一端部４１側が半導体モジュール１の本体部１０の底面に固定されるのではなく、本体部１０の底面と略直交する側面１９に接着剤によって直接に固定されていることである。

この実施の形態２のように、半導体モジュール１の本体部１０の側面１９に防液壁４を直接固定した構成とした場合には、本体部１０の底面に防液壁４を固定するための接着スペースを確保する必要がないので、半導体モジュール１を液冷部材２にボルト等によって締結する場合のシール部材３に対する締め付け力を加減する際の自由度が高くなるとともに、防液壁４の取り付け作業も容易になり、加工性が改善される。
その他の構成、および作用効果は実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３における半導体装置の構成を示す断面図であり、図１ないし図４に示した実施の形態１と同一または相当する構成部分に同一の符号を付す。

この実施の形態３の特徴は、防液壁４の張り出し側の先端部に液冷部材２に向けて屈曲された防液土手４３が形成されていることである。

このような防液土手４３を設けることにより、例えば漏液Ｌが特に多い場合や、装置が傾斜したり立てた状態で設置された場合に、漏液Ｌが防液壁４の先端まで達しても、防液土手４３によってせき止められるため、漏液が電極端子１１，１２まで回り込んでくるのを確実に阻止することができ、電極端子１１，１２同士が漏液によって電気的に短絡するといった不具合発生を実施の形態１の場合よりもさらに一層確実に防止することができる。
その他の構成、および作用効果は実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４における半導体装置の要部を示す斜視図、図８は同装置の正面断面図、図９は同装置の側面断面図であり、図１ないし図４に示した実施の形態１と同一または相当する構成部分に同一の符号を付す。

この実施の形態４の特徴は、半導体モジュール１の本体部１０に設けられた防液壁４の内、電源用の電極端子１１に対して設けられた防液壁４については、電極端子１１の突出方向と直交する側方を囲むように、互いに隣接する電極端子１１の間に側壁部４４が個別に立設されている。また、制御信号用の電極端子１２に対して設けられた防液壁４については、電極端子１２の突出方向と直交する配列方向の左右両端を囲むように側壁部４４が形成されている。

このように、防液壁４に側壁部４４を一体的に設けることより、例えば漏液が特に多い場合や、装置が傾斜したり立てた状態で設置された場合でも、側壁部４４によって漏液が防液壁４の側面から電極端子１１，１２側に回り込んでくるのを確実に阻止することができ、電極端子１１，１２同士が漏液によって電気的に短絡するといった不具合発生を一層確実に防止することができる。さらに、電源用の電極端子１１の相互間に側壁部４４が介在することにより当該電極端子１１間の空間絶縁距離を長くすることができて絶縁性を高めることができるという付随的な効果も得られる。

なお、この実施の形態４では、制御信号用の電極端子１２に対して設けられた防液壁４については、電極端子１２の配列方向の左右両端の２箇所にのみ側壁部４４を設けているが、電源用の電極端子１１の場合と同様に、互いに隣接する電極端子１２の間に側壁部４４を個別に立設した構成とすることも可能である。また、逆に、電源用の電極端子１１に対して個別に側壁部４４を形成する代わりに、電極端子１２の配列方向の左右両端の２箇所に側壁部４４を形成してもよい。
その他の構成、および作用効果は実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５における特徴は、前述の各実施の形態１〜４において、防液壁４の表面（実施の形態３，４では防液土手４３や側壁部４４の表面も含む）に撥水処理が施される一方、液冷部材２の防液壁４に対向する表面に親水性処理が施されていることである。

この場合の撥水処理は、例えば、防液壁４の表面にワックス類やフッ素樹脂等の撥水性のコーティング材を塗布することによって実現することができる。また、親水性処理は、例えば、液冷部材２の所定の表面に酸化チタン粉末等の親水性のコーティング材を塗布することによって実現することができる。

ここで、液冷部材２の流通路２０内を流れる冷却液としては、例えばエチレングリコール等の比較的粘性の高い液体の水溶液が用いられることから、防液壁４の表面に撥水処理を施すことにより、漏液が防液壁４の表面に濡れ広がるのを阻止できる一方、液冷部材２の防液壁４に対向する表面に親水性処理を施すことにより、漏液が液冷部材２表面へ濡れ広がるのを促進させることができる。このため、漏液が防液壁４を超えて濡れ広がって電極端子１１，１２を短絡させるのを防止することができる。

なお、この実施の形態５のように、防液壁４の表面への撥水処理と液冷部材２の表面への親水性処理の双方を施すことが好ましいが、必要に応じて防液壁４の表面への撥水処理と液冷部材２の防液壁４に対向する表面への親水性処理とのいずれか一方の処理のみを施すことも可能である。

この発明は、上記の実施の形態１〜５の各個別の構成に限定されるものではなく、実施の形態１〜５の構成を適宜組み合わせることができるのは勿論である。

また、上記の実施の形態１〜５では、半導体モジュール１の本体部１０の対向する両側面１９から電極端子１１，１２が突出形成された構成の場合について説明したが、この発明はこのような構成に限らず、例えば、従来のように電極端子が本体部の上部から突出した構成のものにも適用することができ、同様の効果が得られる。

さらに、上記の実施の形態１〜５では、半導体モジュール１を構成する半導体素子として電力用のＩＧＢＴ等の電力用のスイッチング素子１３を備えた場合について説明したが、この発明はこのようなものに限らず、高集積で高速の論理素子の複数個をパッケージ化した半導体モジュール１を備えた半導体装置に対しても、同様に適用することが可能である。

この発明の実施の形態１における半導体装置の要部を示す斜視図である。 同装置を構成する半導体モジュールの断面図である。 同装置の一部を拡大して示す断面図である。 同装置の半導体モジュールに設けた防液壁の作用説明図である。 この発明の実施の形態２における半導体装置の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態３における半導体装置の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態４における半導体装置の要部を示す斜視図である。 同装置の正面断面図である。 同装置の側面断面図である。

符号の説明

１ 半導体モジュール、１０ 本体部、１１ 電源側の電極端子、
１２ 制御信号側の電極端子、１３ スイッチング素子（半導体素子）、１９ 側面、
２ 液冷部材、２０ 流通路、２１ 開口部、３ シール部材、４ 防液壁、
４３ 防液土手、４４ 側壁部。

Claims (6)

1. 半導体素子が実装された半導体モジュールと、内部に冷却液の流通路を有するとともに、当該流通路の一部が外部に露出するように開口部が形成されている液冷部材とを備え、上記半導体モジュールと上記液冷部材とがシール部材を介して一体的に接合されて上記半導体モジュールの冷却面が上記流通路の開口部に臨んでいる直接液冷方式の半導体装置において、
   上記半導体モジュールには、その電極端子と上記シール部材との間に位置し、かつ、上記液冷部材との接合面と略直交する側面の外方に向けて張り出した防液壁が一体的に設けられていることを特徴とする半導体装置。
2. 上記防液壁は、上記液冷部材との接合面と直交する側面から突出形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 上記防液壁の張り出し側の先端部には、上記液冷部材に向けて屈曲された防液土手が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 上記防液壁には、上記電極端子の突出方向と直交する側方を囲むように側壁部が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 上記防液壁の少なくとも上記液冷部材側の表面には撥水処理が施されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 上記液冷部材の少なくとも上記防液壁側の表面には親水性処理が施されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。

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