JP2017191820A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を招くことなく、放熱板の外周部の温度上昇を抑制できると共に、半導体素子の放熱性を向上させることができる半導体モジュールを提供すること。【解決手段】半導体モジュール１は、配線基板２と半導体素子３と放熱板４とを有する。配線基板２は、絶縁層２１上に配線パターン２２１が形成されている。半導体素子３は、配線基板２に実装されている。放熱板４は、配線基板２における半導体素子３と反対側の面に配されている。放熱板４には、少なくとも配線基板２と反対側の面に開口した空隙部４１が形成されている。空隙部４１は、配線基板２の法線方向Ｚから見たとき、半導体素子３を囲むように形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、電力変換装置等に用いられる半導体モジュールに関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両には、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置が搭載されている。そして、該電力変換装置に用いられる半導体モジュールとして、特許文献１には、半導体素子と該半導体素子を搭載する配線基板とを有するものが開示されている。

上記半導体素子は、該半導体素子に流れる被制御電流によって発熱する。そこで、上記半導体モジュールは、上記配線基板に、放熱板を熱的に接続している。これにより、上記半導体モジュールは、半導体素子の熱を放熱板に放熱しようとしている。

特開２０１２−１９５３７４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の半導体モジュールにおいては、半導体素子からの受熱により、放熱板の全体が高温化するおそれがある。そのため、例えば、放熱板を保持する樹脂部材の熱劣化を招くおそれがある。また、例えば、放熱板に近接する領域に、熱に弱い電子部品が配された場合も、該電子部品が放熱板の熱によって高温化するおそれがある。

また、特許文献１に記載の半導体モジュールにおいては、半導体素子の放熱性向上の観点からも、改善の余地がある。

上述の問題を回避すべく、放熱板を大型化して放熱板の熱容量を確保し、放熱板の高温化を抑制することも考えられる。しかし、この場合、半導体モジュールの大型化を招いてしまう。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、大型化を招くことなく、放熱板の外周部の温度上昇を抑制できると共に、半導体素子の放熱性を向上させることができる半導体モジュールを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、絶縁層（２１）上に配線パターン（２２１、２２２、２２３、２２４）が形成された配線基板（２）と、
該配線基板に実装された半導体素子（３）と、
上記配線基板における上記半導体素子と反対側の面に配された放熱板（４）と、を有し、
該放熱板には、少なくとも上記配線基板と反対側の面に開口した空隙部（４１）が形成されており、
該空隙部は、上記配線基板の法線方向（Ｚ）から見たとき、上記半導体素子を囲むように形成されている半導体モジュール（１）にある。

上記半導体モジュールは、放熱板に上記空隙部が形成されている。そして、空隙部は、配線基板の法線方向から見たとき、半導体素子を囲むように形成されている。これにより、半導体素子からの受熱により、放熱板の全体が高温化することを防止することができる。すなわち、半導体素子から放熱板に伝わった熱は、放熱板における空隙部によって囲まれた領域の外側には伝わり難い。そのため、放熱板における空隙部によって囲まれた領域よりも外側の領域が、高温化することを抑制することができる。

また、空隙部は、少なくとも配線基板と反対側の面に開口している。それゆえ、半導体素子から放熱板に伝わった熱を、放熱板における配線基板と反対側の面からだけではなく、空隙部からも放熱することができる。それゆえ、半導体素子の放熱性を向上させることができる。

また、上記半導体モジュールにおいては、放熱板を特に大きくする必要もなく、上述の作用効果を得ることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、大型化を招くことなく、放熱板の外周部の温度上昇を抑制できると共に、半導体素子の放熱性を向上させることができる半導体モジュールを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、半導体モジュールの上面図。 実施形態１における、半導体モジュールの下面図。 図１の、III−III線矢視断面図。 実施形態１における、半導体モジュールが用いられる電力変換装置を示す回路図。 実施形態２における、半導体モジュールの下面図。 実施形態２における、半導体モジュールの半導体素子を通る、法線方向に平行な断面図。 実施形態３における、半導体モジュールの正面図。 図７の、VIII−VIII線矢視断面図。 実施形態４における、半導体モジュールの半導体素子を通る、法線方向に平行な断面図。

（実施形態１）
半導体モジュールの実施形態につき、図１〜図４を用いて説明する。
本実施形態の半導体モジュール１は、図１、図３に示すごとく、配線基板２と半導体素子３と放熱板４とを有する。配線基板２は、絶縁層２１上に配線パターン２２１、２２２が形成されている。半導体素子３は、配線基板２に実装されている。放熱板４は、配線基板２における半導体素子３と反対側の面に配されている。放熱板４には、少なくとも配線基板２と反対側の面に開口した空隙部４１が形成されている。空隙部４１は、配線基板２の法線方向Ｚから見たとき、半導体素子３を囲むように形成されている。なお、図１においては、空隙部４１の形成範囲を破線で示している。

以下において、配線基板２の法線方向Ｚを、単に法線方向Ｚという。本実施形態においては、便宜上、上記法線方向Ｚの一方を上方、他方を下方とする。

図４に示すごとく、本実施形態の半導体モジュール１は、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される電力変換装置５に用いるものとすることができる。電力変換装置５は、直流電源５１と交流負荷５２との間において電力変換をおこなうよう構成される。そして、電力変換装置５は、半導体モジュール１を３つ有するものとすることができる。

図１に示すごとく、本実施形態の半導体モジュール１は、半導体素子３としての正極側半導体素子３１と負極側半導体素子３２とを内蔵した、いわゆる２ｉｎ１型の半導体モジュール１である。各半導体素子３は、ＩＧＢＴ（すなわち、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）からなる。図３に示すごとく、各半導体素子３は、下面にコレクタを有し、上面にエミッタを有している。

図１、図３に示すごとく、半導体素子３は、配線基板２の上面に配されている。配線基板２は、絶縁層２１と配線パターン２２１、２２２と導体層２３とを有する。

絶縁層２１は、板状を呈しており、法線方向Ｚに厚みを有する。電気的絶縁性を有する層である。絶縁層２１は、例えばセラミック基板とすることができる。

配線パターン２２１、２２２は、絶縁層２１の上面にパターン形成された層である。配線パターン２２１と配線パターン２２２とは、絶縁層２１の上面において互いに離れて配されている。そして、図１に示すごとく、配線パターン２２１の上面に正極側半導体素子３１が配されており、配線パターン２２２の上面に負極側半導体素子３２が配されている。

そして、図３に示すごとく、絶縁層２１の下面に、導体層２３が接合されている。導体層２３は、例えば銅を板状に形成したものとすることができる。
絶縁層２１、配線パターン２２１、２２２、及び導体層２３は、いずれも熱伝導可能に構成されている。

配線基板２の導体層２３の下面は、放熱板４の上面に接合されている。放熱板４は、熱伝導可能に構成されている。放熱板４は、厚み方向を法線方向Ｚとした略板状を呈している。放熱板４は、銅からなる。

上述のごとく、放熱板４には空隙部４１が形成されている。図１、図２に示すごとく、空隙部４１は、法線方向Ｚから見たとき、正極側半導体素子３１と負極側半導体素子３２との両半導体素子３を全周から囲むように形成されている。また、法線方向Ｚから見たとき、空隙部４１は、環状を呈している。そして、法線方向Ｚから見たとき、正極側半導体素子３１と負極側半導体素子３２との双方は、環状の空隙部４１の内側に配されている。法線方向Ｚから見たとき、空隙部４１は、その全体が、半導体素子３の外側に形成されている。すなわち、半導体素子３と空隙部４１とは、法線方向Ｚにおいて重ならない位置に配されている。図３に示すごとく、本実施形態において、空隙部４１は、放熱板４を法線方向Ｚに貫通するように形成されている。すなわち、放熱板４には、法線方向Ｚの両側に向って開口した空隙部４１が形成されている。

図３に示すごとく、半導体素子３を通る法線方向Ｚに平行な断面（以下、適宜平行断面という。）において、下記に定義する２つの仮想直線ＶＬを想定したとき、空隙部４１の少なくとも一部は、放熱板４における２つの仮想直線ＶＬの間の領域の外側の領域に形成されている。図４に、平行断面の一例を示している。２つの仮想直線ＶＬは、図４において、破線にて表している。

２つの仮想直線ＶＬは、任意の平行断面に引いた仮想的な直線である。２つの仮想直線ＶＬは、半導体素子３の下側の面の両端３３から、斜め下側へ向って延びており、かつ、下側へ向かうほど、互いの間の距離を広げるように傾斜している。また、各仮想直線ＶＬと法線方向Ｚに延びる直線ＮＬとの間になす角度θは４５°である。なお、複数の半導体素子３が存在する平行断面においては、２つの仮想直線ＶＬの起点となる上述の「半導体素子３の下側の面の両端３３」は、両端に配された一対の半導体素子における、一方側の半導体素子の下面の一方側の端部と、他方側の半導体素子の下面の他方側の端部とをいうものとする。

平行断面において、空隙部４１の一部が、放熱板４における２つの仮想直線ＶＬの間の領域の外側の領域に形成されている。そして、本実施形態においては、平行断面において、空隙部４１の他の一部は、放熱板４における２つの仮想直線ＶＬの間の領域に形成されているが、これに限られるものではない。空隙部４１の少なくとも一部は、半導体素子３を通る法線方向Ｚに平行なあらゆる平行断面において、放熱板４における２つの仮想直線ＶＬの間の領域の外側の領域に形成されている。

図１に示すごとく、半導体モジュール１は、パワー端子６を有する。パワー端子６は、正極端子６１、負極端子６２、及び出力端子６３を有する。正極端子６１と負極端子６２とは、正極側半導体素子３１及び負極側半導体素子３２に対して、法線方向Ｚに直交する一方向の同じ側に配されている。そして、出力端子６３は、法線方向Ｚに直交する上記一方向において、正極側半導体素子３１及び負極側半導体素子３２を挟んで、正極端子６１及び負極端子６２の反対側に配されている。

図１、図３に示すごとく、半導体素子３は、半導体素子３における配線基板２と反対側の電極において接続導体７を介してパワー端子６に接続されている。正極側半導体素子３１は、配線基板２と反対側の電極であるエミッタにおいて、接続導体７の１つである第一接続導体７１を介して出力端子６３に接続されている。負極側半導体素子３２は、配線基板２と反対側の電極であるエミッタにおいて、第一接続導体７１とは別の接続導体７である第二接続導体７２を介して負極端子６２に接続されている。接続導体７は、銅を板状に形成したものとすることができる。なお、図３に示すごとく、正極側半導体素子３１と第一接続導体７１との間、及び、負極側半導体素子３２と第二接続導体７２との間は、それぞれ、バスバ１１介して接続されている。

図３に示すごとく、空隙部４１と法線方向Ｚに重なる位置には、接続導体７と配線基板２とを熱的に接続する伝熱導体１２が配されている。伝熱導体１２は、第一接続導体７１と配線基板２の上面に形成された放熱用パターン２２０とに接合されている。伝熱導体１２は、銅からなる。

図１、図３に示すごとく、正極側半導体素子３１のコレクタは、配線基板２の配線パターン２２１を介して正極端子６１に接続されている。負極側半導体素子３２のコレクタは、配線基板２の配線パターン２２２、及び第一接続導体７１を介して出力端子６３に接続されている。

図１〜図３に示すごとく、配線基板２、半導体素子３、放熱板４、等の半導体モジュール１の構成部品は、電気的絶縁性を有するモールド樹脂１３によってモジュール化されている。図３に示すごとく、モールド樹脂１３は、放熱板４に接続されている。モールド樹脂１３は、放熱板４の空隙部４１で囲まれた部位の外側の部位に接続されている。放熱板４の下面は、モールド樹脂１３から露出した露出面４２となっている。

半導体モジュール１は、放熱板４の露出面４２が、図示しない冷媒流路に面するように配される。該冷媒流路には、冷媒を流通させることができるよう構成される。そして、半導体モジュール１の放熱板４の露出面４２に、冷媒流路中の冷媒が直接当たるよう構成される。さらに、冷媒流路中の冷媒は、空隙部４１内にも入って循環するよう構成されている。なお、冷媒流路内に流通させる冷媒は、冷却水等の液冷媒とすることができる。あるいは、冷媒は、空気等のガス冷媒とすることもできる。なお、空冷の場合は、冷媒流路は、閉じた空間でなくてもよい。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
半導体モジュール１は、放熱板４に空隙部４１が形成されている。そして、空隙部４１は、配線基板２の法線方向Ｚから見たとき、半導体素子３を囲むように形成されている。これにより、半導体素子３からの受熱により、放熱板４の全体が高温化することを防止することができる。すなわち、半導体素子３から放熱板４に伝わった熱は、放熱板４における空隙部４１によって囲まれた領域の外側には伝わり難い。そのため、放熱板４における空隙部４１によって囲まれた領域よりも外側の領域が、高温化することを抑制することができる。それゆえ、上記領域に接続されたモールド樹脂１３が熱によって劣化することを抑制することができる。

また、空隙部４１は、少なくとも配線基板２と反対側の面に開口している。それゆえ、半導体素子３から放熱板４に伝わった熱を、放熱板４における配線基板２と反対側の面からだけではなく、空隙部４１からも放熱することができる。それゆえ、半導体素子３の放熱性を向上させることができる。

また、半導体モジュール１においては、放熱板４を特に大きくする必要もなく、上述の作用効果を得ることができる。

また、法線方向Ｚから見たとき、空隙部４１は、その全体が、半導体素子３の外側に形成されている。それゆえ、放熱板４における空隙部４１に囲まれた領域の体積を確保しやすい。それゆえ、放熱板４における空隙部４１に囲まれた領域の熱容量を確保しやすい。その結果、半導体素子３の放熱性を向上させやすい。

また、平行断面において、空隙部４１の少なくとも一部は、放熱板４における２つの仮想直線ＶＬの間の領域の外側の領域に形成されている。それゆえ、半導体素子３から放熱板４に伝わった熱が、放熱板４における空隙部４１によって囲まれた領域の外側に伝わることを一層抑制することができる。すなわち、半導体素子３の熱は、放熱板４において、下側に向かうほど、法線方向Ｚに直交する面方向における半導体素子３の外周側に向かうように広がって伝熱される。このとき、放熱板４において熱が伝わる方向は、法線方向Ｚに延びる直線に対して、４５°程度傾斜する。それゆえ、空隙部４１の少なくとも一部を、放熱板４における２つの仮想直線ＶＬの間の領域の外側の領域に形成することにより、熱が空隙部４１から放熱されやすいため、空隙部４１に囲まれた領域の外側に熱が伝わることを一層抑制しやすい。

また、空隙部４１は、放熱板４を法線方向Ｚに貫通するように形成されている。それゆえ、空隙部４１を、半導体素子３に近い位置まで形成しやすい。それゆえ、半導体素子３から空隙部４１までの伝熱距離を小さくしやすい。そのため、半導体素子３の放熱性を一層向上させやすい。

また、空隙部４１と法線方向Ｚに重なる位置には、接続導体７と配線基板２とを熱的に接続する伝熱導体１２が配されている。それゆえ、接続導体７の熱を、伝熱導体１２を介して空隙部４１に放熱することができる。それゆえ、接続導体７と空隙部４１との間の伝熱距離を小さくしやすく、接続導体７の放熱性を確保しやすい。

また、法線方向Ｚから見たとき、空隙部４１は環状を呈している。それゆえ、放熱板４における空隙部４１に囲まれた領域から、その外側の領域に熱が伝わることを一層抑制しやすい。

以上のごとく、本実施形態によれば、大型化を招くことなく、放熱板の外周部の温度上昇を抑制できると共に、半導体素子の放熱性を向上させることができる半導体モジュールを提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態は、図５、図６に示すごとく、空隙部４１に異方性部材８を配した実施形態である。異方性部材８は、法線方向Ｚに直交する面方向よりも、法線方向Ｚの熱伝導性が高い部材である。本実施形態においては、空隙部４１の全領域に異方性部材８が配されている。放熱板４の露出面４２と異方性部材８の下面は、面一に形成されている。そして、放熱板４の下面及び異方性部材８の下面は、冷却器に面して配される。異方性部材８は、例えばグラファイトとすることができる。なお、図５においては、便宜上、異方性部材８にハッチングを施している。

その他は、実施形態１と同様である。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本実施形態においては、空隙部４１の内側において、法線方向Ｚに直交する面方向の伝熱を抑制しつつ、法線方向Ｚの伝熱性を向上させることができる。それゆえ、空隙部４１に達した熱が、その外側に移動することを抑制すると共に、下側、すなわち冷却器が配される側、に移動させやすい。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態３）
本実施形態は、図７、図８に示すごとく、半導体モジュール１を両面冷却可能に構成した実施形態である。また、本実施形態の半導体モジュール１は、半導体素子３を１つ内蔵してなる、いわゆる１ｉｎ１型の半導体モジュールである。

図８に示すごとく、本実施形態において、半導体モジュール１は、一対の放熱板４を有する。一対の放熱板４は、互いの間に一定間隔を設けつつ、法線方向Ｚに対向するよう配置されている。

一対の放熱板４における、それぞれの対向面に、配線基板２が配されている。そして、一対の配線基板２における、放熱板４が配された側と反対側に、それぞれ、配線パターン２２３、２２４が形成されている。そして、半導体素子３は、一対の配線パターン２２３、２２４の間に配されている。半導体素子３のコレクタは、一方の配線基板２の配線パターン２２３上に接続されており、半導体素子３のエミッタは、バスバ１１を介して他方の配線基板２の配線パターン２２４に接続されている。なお、半導体素子３の、法線方向Ｚに直交する方向に隣り合う位置には、ダイオード１４が配されている。ダイオード１４は、半導体素子３に対して逆並列接続されている。ダイオード１４は、ＦＷＤ（すなわち、フライホイールダイオード）である。図７に示すごとく、一対の配線パターン２２３、２２４のうち、一方は出力端子６３に電気接続されており、他方は正極端子６１又は負極端子６２に電気接続されている。

図８に示すごとく、本実施形態においては、一対の放熱板４のそれぞれに、空隙部４１が形成されている。一対の放熱板４に形成された一対の空隙部４１は、それぞれ、法線方向Ｚから見たとき、半導体素子３を囲むように形成されている。

本実施形態においても、配線基板２、半導体素子３、放熱板４、などの半導体モジュールの構成部品は、電気絶縁性を有するモールド樹脂によってモジュール化されている。一対の放熱板４のそれぞれに、モールド樹脂１３が接続されている。モールド樹脂１３は、各放熱板４の、法線方向Ｚに直交する面方向における空隙部４１で囲まれた領域よりも外周側の領域に接続されている。そして、各放熱板４における配線基板２が配された側と反対側の面は、モールド樹脂１３から露出した露出面４２となっている。そして、一対の放熱板４の露出面４２のそれぞれは、図示しない冷却器に面して配される。これにより、本実施形態の半導体モジュール１は、両面冷却可能に構成されている。
その他は、実施形態１と同様である。

本実施形態においては、半導体素子３の熱をその両面側から放熱できるため、一層の放熱性の向上を図ることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態４）
本実施形態は、図９に示すごとく、実施形態１に対して、空隙部４１の形状を変更した実施形態である。本実施形態において、空隙部４１は、放熱板４の下端面の一部が上側に向って凹むように形成されている。本実施形態において、空隙部４１は、下側に向って開口しているものの、上側は放熱板４の一部である閉塞部４３によって閉塞されている。すなわち、空隙部４１は、放熱板４を法線方向Ｚに貫通していない。

その他は、実施形態１と同様である。
本実施形態においても、実施形態１と同様の作用効果を有する。

本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

例えば、上記実施形態１、実施形態３、実施形態４において、放熱板における空隙部に面する壁面から、空隙部の内側に向って、放熱板の放熱性を向上させるためのフィンを延設しても良い。この場合、上記実施形態４においては、例えば、上記閉塞部から下側に向ってフィンを延設することもできる。

また、上記各実施形態においては、１つの放熱板に１つの空隙部が形成されている形態を示したが、これに限られず、１つの放熱板に複数の空隙部が形成されていてもよい。例えば、上記各実施形態において、空隙部は、法線方向から見たとき、環状を呈しているものを示したが、当該環状の空隙部を、周方向の複数分割したような形状としても良い。

また、上記実施形態において、空隙部は、法線方向から見たとき、半導体素子を全周から囲むように形成されている形態を示したが、これに限られない。例えば、空隙部は、法線方向から見たとき、半導体素子を、法線方向に直交する一方向の両側から囲むように形成することができる。

また、実施形態３の空隙部に、実施形態２で示した異方性部材を配置してもよい。
また、上記実施形態１、実施形態２においては、本発明の構成を、２ｉｎ１型の半導体モジュールに適用し、実施形態３においては、本発明の構成を、１ｉｎ１型の半導体モジュールに適用した形態を示したが、これに限られず、例えば本発明の構成を、半導体素子を６つ内蔵した、いわゆる６ｉｎ１型の半導体モジュールに適用してもよい。

１ 半導体モジュール
２ 配線基板
２１ 絶縁層
２２１、２２２ 配線パターン
３ 半導体素子
４ 放熱板
４１ 空隙部
Ｚ 法線方向

Claims (7)

1. 絶縁層（２１）上に配線パターン（２２１、２２２、２２３、２２４）が形成された配線基板（２）と、
   該配線基板に実装された半導体素子（３）と、
   上記配線基板における上記半導体素子と反対側の面に配された放熱板（４）と、を有し、
   該放熱板には、少なくとも上記配線基板と反対側の面に開口した空隙部（４１）が形成されており、
   該空隙部は、上記配線基板の法線方向（Ｚ）から見たとき、上記半導体素子を囲むように形成されている半導体モジュール（１）。
2. 上記法線方向から見たとき、上記空隙部は、その全体が、上記半導体素子の外側に形成されている、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 上記半導体素子を通る上記法線方向に平行な断面において、下記に定義する２つの仮想直線（ＶＬ）を想定したとき、上記空隙部の少なくとも一部は、上記放熱板における上記２つの仮想直線の間の領域の外側の領域に形成されており、上記２つの仮想直線は、上記半導体素子の上記放熱板側の面の両端（３３）から、上記放熱板の表面側へ向って延びており、かつ、上記放熱板の表面側へ向かうほど、互いの間の距離を広げるように傾斜しており、上記各仮想直線と上記法線方向に延びる直線（ＮＬ）との間になす角度は４５°である、請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
4. 上記空隙部は、上記放熱板を上記法線方向に貫通するように形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
5. 上記空隙部には、上記法線方向に直交する面方向よりも、上記法線方向の熱伝熱性が高い異方性部材（８）が配されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
6. 上記半導体モジュールは、パワー端子（６）を更に有し、上記半導体素子は、該半導体素子における上記配線基板と反対側の電極において接続導体（７）を介して上記パワー端子に接続されており、上記空隙部と上記法線方向に重なる位置には、上記接続導体と上記配線基板とを熱的に接続する伝熱導体（１２）が配されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
7. 上記法線方向から見たとき、上記空隙部は、環状を呈している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体モジュール。

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