特許第5834758号(P5834758)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5834758
(24)【登録日】2015年11月13日
(45)【発行日】2015年12月24日
(54)【発明の名称】半導体モジュール
(51)【国際特許分類】
   H01L 23/36 20060101AFI20151203BHJP
【FI】
   H01L23/36 D
   H01L23/36 Z
【請求項の数】5
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2011-228989(P2011-228989)
(22)【出願日】2011年10月18日
(65)【公開番号】特開2013-89768(P2013-89768A)
(43)【公開日】2013年5月13日
【審査請求日】2014年8月28日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003997
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100075513
【弁理士】
【氏名又は名称】後藤 政喜
(74)【代理人】
【識別番号】100114236
【弁理士】
【氏名又は名称】藤井 正弘
(74)【代理人】
【識別番号】100120178
【弁理士】
【氏名又は名称】三田 康成
(74)【代理人】
【識別番号】100120260
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 雅昭
(74)【代理人】
【識別番号】100177002
【弁理士】
【氏名又は名称】黒田 直志
(72)【発明者】
【氏名】早川 和宏
(72)【発明者】
【氏名】渋谷 彰弘
(72)【発明者】
【氏名】小林 周司
【審査官】 石坂 博明
(56)【参考文献】
【文献】 特開2008−227361(JP,A)
【文献】 特開2006−114641(JP,A)
【文献】 特開平08−236667(JP,A)
【文献】 特開2002−203940(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 21/54
23/00−23/04
23/06−23/10
23/16−23/31
23/34−23/36
23/373−23/427
23/44
23/467−23/473
25/00−25/07
25/10−25/11
25/16−25/18
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
冷却器に熱伝導性グリスを介して載置された半導体モジュールであって、
半導体素子が取り付けられ、一方の面において前記熱伝導性グリスを介して前記冷却器の表面と対向する放熱板と、
前記冷却器と対向する対向面を有し、前記放熱板の周囲に形成された外周縁部と、を備え、
前記外周縁部の前記対向面は、温度が高いほど前記冷却器に対して近接するように温度に応じて移動し、且つ、少なくとも予め定められた所定温度以上の温度で前記放熱板の前記一方の面よりも前記冷却器に対して近接することを特徴とする半導体モジュール。
【請求項2】
前記外周縁部の線膨張係数は、前記放熱板の線膨張係数よりも大きく、
前記外周縁部の前記対向面は、温度上昇に伴う前記外周縁部の熱膨張によって、前記所定温度以上の温度で前記放熱板の前記一方の面よりも前記冷却器に対して近接することを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュール。
【請求項3】
前記外周縁部は、第一の部材と、前記放熱板に対して前記第一の部材よりも外側に位置する第二の部材とを備え、
前記第二の部材の線膨張係数が、前記第一の部材の線膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項2に記載の半導体モジュール。
【請求項4】
前記半導体素子の両側に前記放熱板が形成され、
前記半導体モジュールが前記冷却器と他の冷却器に挟み込まれて、前記半導体モジュールと各冷却器の間に熱伝導性グリスが介在することを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュール。
【請求項5】
前記外周縁部の前記対向面は、前記所定温度未満の温度で、前記放熱板の前記一方の面よりも前記冷却器から離れることを特徴とする請求項1から4のいずれか一つに記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体素子と放熱板を有する半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
従来の半導体装置として、半導体モジュールを、熱伝導性グリスを介して冷却器上に載置したものが知られている。半導体モジュールの放熱板と、冷却器との間には、半導体モジュールの放熱板や冷却器の面平滑度の誤差等により微細な隙間が発生する。この隙間に熱伝導性グリスを介在させることにより、半導体モジュールの放熱板から冷却器への熱伝達効率を良好とすることができ、冷却効率が向上する。しかし、熱伝導性グリスは、半導体モジュール及び冷却器による受熱及び熱ストレスにより、半導体モジュールの放熱板から拡散して、放熱性能が低下する可能性がある。
【0003】
特許文献1の従来技術においては、半導体モジュールの放熱板および冷却器の互いに対向する対向面の少なくとも一方に、熱伝導性グリスの拡散を防止するグリス拡散防止部を設けている。このグリス拡散防止部は、放熱板又は冷却器から突出する突起部を有する。これにより、熱伝導性グリスが流出することが抑制できる。一方、放熱板から冷却器への熱伝達を考慮すると、熱性能を向上させるために放熱板と冷却器の間の隙間は、グリスを介在させ得る最小限の厚さ(例えば30μm)程度とすることが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2003−168772号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、放熱板や冷却器に突起部を設けた場合、突起部の高さは、製造精度を考慮して、製造バラツキが発生した場合であっても突起部を形成するように高さ寸法を設計すると、最小限の厚さよりも大きくなり、放熱板から冷却器への熱伝達が悪くなる可能性がある。例えば、通常の製造精度を考慮すると突起部の高さは、約100μmになる。
【0006】
本発明は、半導体モジュールの放熱板と冷却器との間の熱伝達を維持しつつ、熱伝導性グリスの拡散を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明のある態様に係る半導体モジュールは、熱伝導性グリスを介して冷却器に載置される。この半導体モジュールは、半導体素子が取り付けられる放熱板を備える。放熱板の一方の面は、前記熱伝導性グリスを介して前記冷却器の表面と対向する。さらに、半導体モジュールは、前記冷却器と対向する対向面を有して前記放熱板の周囲に形成された外周縁部を備える。前記外周縁部の前記対向面は、温度が高いほど前記冷却器に対して近接するように温度に応じて移動する。且つ、前記外周縁部の前記対向面は、少なくとも予め定められた所定温度以上の温度で、前記放熱板の前記一方の面よりも前記冷却器に対して近接する。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、半導体モジュールの放熱板と冷却器の間の良好な熱伝達を維持しつつ、熱伝導性グリスの拡散が防止できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】第一実施形態に係る半導体モジュールが冷却器に設置されている様子を示す縦断面図であり、半導体モジュールの通常温度での状態を示す。
図2】(a)第一実施形態に係る半導体モジュールの斜視図である。(b)第一実施形態に係る半導体モジュールの底面図である。(c)第一実施形態に係る半導体モジュール断面図である。
図3】第一実施形態に係る半導体モジュールが冷却器に設置されている様子を示す縦断面図であり、所定温度以上の半導体モジュールの状態を示す。
図4】(a)所定温度未満の温度での半導体モジュールの状態を示す拡大断面図である。(b)所定温度以上の温度での半導体モジュールの状態を示す拡大断面図である。
図5】第二実施形態に係る半導体モジュールを示す縦断面図である。
図6】第二実施形態に係る半導体モジュールの変形例を示す縦断面図である。
図7】第三実施形態に係る半導体モジュールを示す縦断面図である。
図8】第三実施形態に係る半導体モジュールの変形例を示す縦断面図である。
図9】第三実施形態に係る半導体モジュールの他の変形例を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下では図面を参照して本発明を実施するための形態について、さらに詳しく説明する。
【0011】
<第一実施形態>
図1は、第一実施形態に係る半導体モジュール1が冷却器3に熱伝導性グリス5を介して設置されている様子を示す断面図である。図2(a)(b)(c)は、各々、半導体モジュール1の斜視図、底面図、断面図である。なお、図1図2(a)(b)(c)は、後述の所定温度T0未満の通常温度T(T<T0)での状態を示す。
【0012】
半導体モジュール1は、半導体素子7と、半導体素子7が取り付けられた放熱板9と、放熱板9を囲むように放熱板9の周囲に形成された外周縁部11と、を備える。例えば、半導体素子7は、放熱板9に半田付けによって設置される。例えば、半導体素子7は、インバータに用いるスイッチング素子である。放熱板9として、半導体素子7に電力の供給する又は半導体素子7から電力を取出す金属製のバスバーを用いてもよい。
【0013】
放熱板9の一方の面(片側の面)9aは、熱伝導性グリス5を介して、冷却器3の表面3aと対向する。外周縁部11は、冷却器3と対向する対向面11aを有する。冷却器3には、水などの冷媒が流されている。そして、放熱板9の他方の面(面9aとは反対側の面)に配置された半導体素子7から放熱板9を通して放出された熱が、冷却器3に移動して、半導体モジュール1ひいては半導体素子7が冷却される。なお、熱伝導性グリス5は、放熱板9と冷却器3の間に配置されるが、放熱板9と冷却器3との電気的絶縁性を考慮して放熱板9と冷却器3の間に絶縁シート部材が設けられる場合、熱伝導性グリス5は、絶縁シート部材と放熱板9との間及び絶縁シート部材と冷却器3の間の少なくとも一方に配置される。例えば、絶縁シート部材が放熱板9に予め熱伝導性の接着材等で接着あるいは溶着されて接合している状態で冷却器3上に載置される場合には、絶縁シート部材と放熱板9との間には熱伝導性を低下させる要因となる隙間が介在しないため、この場合には熱伝導性グリス5は絶縁シート部材と冷却器3の間に介在させる。また、同様に絶縁シート部材が冷却器3に予め接合している場合には、熱伝導性グリス5は絶縁シート部材と放熱板9の間に介在させる。さらにまた、絶縁シート部材が放熱板9と冷却器3とのいずれにも接合されず、単に放熱板9と冷却器3との間に挟持されている場合には、絶縁シート部材と放熱板9との間及び絶縁シート部材と冷却器3の間の両方に介在させる。以下では説明簡略化のために、絶縁シート部材は設けられないものとして説明する。
【0014】
例えば、冷却器3の材料は、アルミニウムであり、熱伝導性グリス5の材料は、シリコーン系グリスやフッ素系グリスであり、放熱板9の材料は、銅、鋼(鉄)、アルミニウムなどの熱伝導の良い金属である。放熱板9は、メッキ等の表面処理を施された金属でもよい。
【0015】
枠型の外周縁部11の内周面は、放熱板9の外周面(側面)に接合する。本実施形態において、外周縁部11は、四角の枠型の形状を有し、四角の放熱板9を四方で包囲する。なお、外周縁部11は、円枠型の形状を有し、円状の放熱板9を包囲する構成としてもよい。
【0016】
外周縁部11の線膨張係数は、放熱板9の線膨張係数より大きい。外周縁部11の材料は、ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂やエポキシ樹脂などの樹脂である。例えば、樹脂を接着剤として固化することによって又は高温で融けた樹脂を低温で固化することによって、外周縁部11は、放熱板9の周囲において、放熱板9に接合した状態で形成される。
【0017】
放熱板9の線膨張係数は、典型的には、材料が銅の場合に17.7×10-6(/℃)、鋼(鉄)の場合に12×10-6(/℃)、アルミニウムの場合に23×10-6(/℃)である。外周縁部11の線膨張係数は、典型的には、材料がPPS樹脂の場合に40×10-6(/℃)、エポキシ樹脂の場合に60×10-6(/℃)である。
【0018】
図3は、所定温度T0以上の温度T(T≧T0)での半導体モジュール1を示す。図4(a)のように、所定温度T0未満の温度T(T<T0)で、外周縁部11の冷却器側の対向面11aと冷却器3との距離は、放熱板9の前述の一方の面9a(冷却器側の面)と冷却器3との距離と同等、もしくは、一方の面9aと冷却器3との距離よりも大きい。しかし、図4(b)のように、外周縁部11の対向面11aは、温度Tが高いほど冷却器3に対して近づくように温度Tに応じて移動し、少なくとも予め定められた所定温度T0以上の温度Tで放熱板9の前述の一方の面9aよりも冷却器3に対して近づく。所定温度T0は、例えば、27℃(室温より若干高い温度)から120℃までの範囲の温度で、設計的あるいは実験的に予め定められた温度である。なお、半導体モジュール1の温度Tは、特に外周縁部11の温度であるが、他の部分の温度でもよい。
【0019】
−作用効果−
半導体モジュール1と冷却器3は、半導体素子7の発熱によって、それらの温度が変化し熱膨張又は熱収縮する。低温から高温に温度変化した場合は、半導体モジュール1及び冷却器3が体積膨張するため、冷却器3の表面3aと放熱板9の一方の面9aの間の隙間(即ちグリスの存在する空間)は狭まる。熱伝導性グリス5は、半導体モジュール1の搭載される冷却器3の表面3aから外部に流出しようとする。
【0020】
また、通常、熱伝導性グリス5は温度が低い場合に、粘性は高い(例えば、温度25℃、せん断速度1/100(1/s)で、粘度12000mPa・s)が、温度が高くなるにつれて粘性は低くなる(温度80℃、せん断速度1/100(1/s)で、粘度3200mPa・s)。このため、半導体モジュール1と冷却器3を含んだ半導体装置の温度が低い場合に、熱伝導性グリス5の温度も低く粘性が高いため、放熱板9の冷却器側の面9aから外部へ熱伝導性グリス5は流出し難い。しかし、半導体モジュール1と冷却器3を含んだ半導体装置の温度が高い場合に、熱伝導性グリス5の温度も高く粘性が低下するため、放熱板9の冷却器側の面9aから外部へ熱伝導性グリス5は流出し易くなる。
【0021】
そこで、本実施形態において、半導体モジュール1と冷却器3を含んだ半導体装置の温度が高い場合には、図4(b)のように外周縁部11は膨張し、外周縁部11の対向面11aは、放熱板9の面9aよりも冷却器3の表面3aに対して近接して、熱伝導性グリス5の流出は抑制される。即ち、所定温度T0以上の温度では、半導体モジュール1の外周縁部11と冷却器3との間隔が、放熱板9と冷却器3との間隔より小さくなる。ここで、上記所定温度T0は、熱伝導性グリス5が放熱板9の冷却器に対向する面9aから外周側へ流出する可能性の有る温度であり、予め設計的あるいは実験的に求めた温度である。このため、高温でない通常温度で放熱板9と冷却器3との間の熱伝達を維持しつつ、高温では熱伝導性グリス5が半導体モジュール1の放熱板3の外部へ流出することを抑制できる。また、外周縁部11の線膨張係数は放熱板9の線膨張係数より大きいため、外周縁部11の対向面11aは、温度Tが高いほど冷却器3に対して近づくように好適に温度Tに応じて移動できる。
【0022】
一方、外周縁部11において、冷却器3に対向する対向面11aは、所定温度T0未満の温度(例えば25℃)では、図4(a)のように放熱板9の冷却器側の面9aよりも冷却器3の表面3aに対し離れている。これにより、所定温度T0未満の温度において、外周縁部11の対向面11aが冷却器3の表面3aに当接することなく、放熱板9の面9aと冷却器3の表面3aが熱伝導の良好な距離に保持される。
【0023】
<第二実施形態>
図5図6は、第二実施形態に係る半導体モジュール1が冷却器3に設置されている様子を示す断面図である。第二実施形態において、外周縁部11は、線膨張係数の異なる複数(少なくとも二つ以上)の部材で形成されている。これら複数の部材の線膨張係数は、いずれも放熱板9の線膨張係数より大きい。他の構成は、第一実施形態と同じであり、説明を省略する。
【0024】
図5において、外周縁部11は、複数の部材として、放熱板9に近い内側に位置する第一の部材11bと、放熱板9から遠い外側に位置する第二の部材11cと、を備える。これら複数の部材は、例えば、樹脂で形成される。第二の部材11cは、放熱板9に対して第一の部材11bよりも外側に位置する。第二の部材11cの線膨張係数は、第一の部材11bの線膨張係数よりも大きい。第一の部材11bと放熱板9の線膨張係数の差は、第二の部材11cと放熱板9の線膨張係数の差に比較して小さくなる。従って、外周縁部11が熱膨張しても、放熱板9と外周縁部11(第一の部材11b)との接合が、分断されにくくなる。
【0025】
図6において、第二の部材11cは、全体として、放熱板9に対して第一の部材11bよりも外側に位置するが、図5と異なり、第二の部材11cの一部は、第一の部材11bの下部に位置し、放熱板9の側面に接する。図6では、第一の部材11bと第二の部材11cの密着性がよくなり、第二の部材11cが第一の部材11bから剥離し難くなっている。第二の部材11cの線膨張係数は、第一の部材11bの線膨張係数よりも大きい。また、第一の部材11bは、放熱板9の上面を覆っており、第一の部材11bと半導体素子7の密着性も向上し、第一の部材11bが放熱板9から剥離し難くなっている。
【0026】
第二実施形態において、第一実施形態と同様に、通常温度で放熱板9と冷却器3との間の熱伝達を維持しつつ、高温での熱伝導性グリスの拡散を防止できる。さらに、外周縁部11の線膨張係数は放熱板9から離れるにしたがって段階的に大きくなるため、線膨張係数の差によって放熱板9と外周縁部11と間に剥離が生じることを抑制できる。
【0027】
<第三実施形態>
図7は、第三実施形態に係る半導体モジュール1が冷却器3に設置されている様子を示す断面図である。半導体モジュール1は、半導体素子7と、半導体素子7の上下の両側に設けられた二つの放熱板9と、二つの放熱板9の周囲に形成された外周縁部11とを備える。外周縁部11の線膨張係数は、放熱板9の線膨張係数より大きい。二つの冷却器3は、半導体モジュール1の両側に熱伝導性グリス5を介して設けられる。
【0028】
このように、半導体素子7の両側に放熱板9が形成され、半導体モジュール1が一つの冷却器と他の冷却器に挟み込まれて、半導体モジュール1と各冷却器の間に熱伝導性グリス5が介在する。そして、二つの放熱板9は、半導体素子7の両側で放熱し、両側の冷却器3に熱が吸収される。従って、半導体素子7の冷却性能が向上する。
【0029】
また、外周縁部11の両側の対向面11aは、温度Tが高いほど、それぞれ対向する冷却器3に対して近づくように温度Tに応じて移動し、少なくとも予め定められた所定温度T0以上の温度Tで放熱板9の一方の面9aよりも冷却器3に対して近づく。従って、第三実施形態において、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0030】
なお、図8、9のように、外周縁部11は、線膨張係数の異なる複数(少なくとも二つ以上)の樹脂部材で形成されてもよい。この場合も、第一実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、半導体モジュール1が両側の冷却器3で冷却されることによって、半導体素子7の冷却性能が向上する。
【0031】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【符号の説明】
【0032】
1 半導体モジュール
3 冷却器
3a 表面
5 熱伝導性グリス
7 半導体素子
9 放熱板
9a 一方の面
11 外周縁部
11a 対向面
11b 第一の部材
11c 第二の部材
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9