JP2008160013A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】体格を維持しつつ、パワーデバイスの冷却効率を向上させる。
【解決手段】表面から連続する孔２１が内部に形成されたヒートシンク１１の孔２１に、インジェクター２６によりミスト用液体２３を噴霧し、噴霧されたミスト用液滴２３を孔２１の表面で気化させ、気化時の気化熱で冷却されるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱性のパワー半導体を実装した半導体モジュールに関する。

パワー半導体素子を実装し、パワー半導体素子上に設けられた電極（素子側電極）と、この素子側電極に対向してパワー半導体素子が実装される絶縁基板上に設けられた回路パターンとを導体で電気的に接続されたパワー半導体素子実装回路が知られている。

近年、半導体パワーデバイスの大容量化が進み、これに伴なってパワー半導体素子の発熱損失も益々増大する傾向にある。これに対して、パワー半導体は、信頼性および寿命の点で、その動作温度を低い温度域に保つことが望ましいことから、半導体パワーデバイスにおいて、通電に伴なう半導体チップの発熱を外部に効率良く放熱して過度な温度上昇を抑制することが重要な課題となっている。

インバータ回路などでは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と負荷電流を転流させるためのダイオード（ＦＷＤ；Free Wheeling Diode）とを組み合わせたパワーモジュールが広く利用されている。このパワーモジュールでは、一般には図３に示すように、放熱用に銅板などを用いた金属ベース板１０１上に半導体素子実装用絶縁基板としてＡｌＮなどの絶縁基板１０２が搭載され、この絶縁基板１０２を介してＩＧＢＴ１０３とＦＷＤ１０４とが所定の回路動作が行なえるように回路パターン上に電気的に接続されて実装されている。ＩＧＢＴ等が実装されたモジュール構造は、エポキシ樹脂などの樹脂製の外囲ケース１０５および蓋部１０６で覆い被せられており、ＩＧＢＴおよびＦＷＤなどの端子間、並びに内部端子と外部とは、アルミニウム・ワイヤ１０７によりコレクタ端子、エミッタ端子、およびゲート端子と接続され、パワーモジュールとして動作可能な構成となっている。また、金属ベース板１０１のＩＧＢＴ等が実装された側と反対側には、図３に示すように、シリコーングリースなど熱伝導性の良い５０〜１００μｍ厚の層を介して冷却器１１０が形成されており、例えば放熱フィンが配置された内部に水などの冷媒を流通してフィンと冷媒との間の熱交換によって冷却が行なえるように構成することができる。

このようなパワーモジュールでは、絶縁基板１０２として、伝熱性に優れたセラミック板の両面に導体（銅板）が接合されたＤｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ基板などが広く用いられ、その一方の側（図３中の下方側）の導体を金属ベース板１０１の表面（図３中の金属ベース板の上方側の表面）に重ねて半田により結合されている。また、この絶縁基板１０２の他方の側（図３中の上方側）には、回路パターンとして、ＩＧＢＴのコレクタ電極、エミッタ電極、およびゲート電極に対応するように配線パターンが形成されており、ＩＧＢＴはコレクタ電極を下方側に向けて配線パターンに半田マウントし、ＩＧＢＴの上方側にあるエミッタ電極、ゲート電極はそれぞれアルミニウム・ワイヤ１０７を超音波ボンディングして絶縁基板１０２上の配線パターンと電気的に接続されている。一方、ＦＷＤ１０４は、ＩＧＢＴ１０３の側方に並べて並列接続されている。また、コレクタ端子、エミッタ端子、およびゲート端子は、それぞれ配線パターンとの半田付けにより外囲ケース１０５および蓋部１０６から外部に引き出されている。なお、ＩＧＢＴやＦＷＤは、外囲ケースの内部に充填したシリコーンゲルなどで封止されている。

パワーデバイスである半導体素子において、ＩＧＢＴやＦＷＤなどの素子が使用されているときの接合温度（素子が連続的に動作できる素子の最高温度：素子の置かれる周囲環境と素子自体からの発熱による温度上昇の相互作用によって決まる規格値）は、素子材料がＳｉのＩＧＢＴ等では、現在１５０℃にまで及ぶ。

このようなパワーデバイスの電気コンタクト層との間の熱抵抗を低減するために、従来から、高熱伝導材料を用いた絶縁層や金属板を用いたり、溶剤に金属粉末を含有したペーストを圧力焼結処理する方法、微細な放熱フィンを形成する方法、放熱フィンを直接放熱用絶縁基板に取り付ける方法などが提案されている（例えば、特許文献１〜２参照）。放熱フィンを用いた構成では、放熱フィンを介して冷媒との間で熱交換を行なう冷却機構が広く利用されている（例えば、特許文献３参照）。

上記以外に、ＤＣＢセラミックなど絶縁基板を冷却機構に直接半田付けする方法に関する開示がある（例えば、特許文献４参照）。

また、パワーデバイスが接続された導電部材が液体を封入した封入空間を有し、封入空間における液体の気化および液化を利用して冷却を行なうヒートパイプ構造に構成されたパワーデバイス冷却装置も開示されている（例えば、特許文献５参照）。
特開２００５−１１９２２号公報 特開２００３−１３３５１４号公報 特開２００５−５４００号公報 特表２００４−５２５５０３号公報 特開２００５−１２３２６５号公報

しかしながら、パワーモジュールのＩＧＢＴ等を覆い被せたケースを冷却する構成では、主な熱発生源であるパワーデバイスと直接的な冷却対象となるケースとの間に生じる熱抵抗が比較的大きく、熱抵抗の低減は限界に達しつつある。すなわち、増大傾向にある電力密度向上の要請に対して、これまで冷却機構の改善が種々試みられてきたが、材料側からの改善だけでは、熱が伝達されるケースとヒートシンクや水冷ジャケット等の熱交換部位における冷媒との間で熱交換を効率的に行なえない課題がある。
充分な熱交換を行なおうとするには、冷却機構とケースとの接触面積を大きくするためにフィン形状を微細化するか、あるいは発熱面積等を大きくする等により、熱交換効率をカバーする必要がある。ところが、このような対策では、冷却機構やモジュール自体の大型化を免れない。
上記したヒートパイプ構造を利用した構成も熱交換効率の点では不充分である。

インバータ駆動の同期モータが低回転で高出力が要請される状態では、特定のデバイス部分にかかる熱的な負荷が高くなるため、急激な高温状態が発生する。そのため、パワーモジュールは、定常状態ではインバータ出力が定格出力より大幅に低く充分な冷却能力を有しているにも関わらず、最も負荷のかかる過負荷状態を想定し、過負荷時の過熱に具えてモジュール構造や冷却能力を設定することが必要とされていた。このような過負荷状態は、極少ない特定のタイミングでしか発生しないが、過負荷状態時の冷却能力を確保するためにパワーモジュールの冷却能力を過剰に持たせておくのが通例であり、その結果として、体格の大きな冷却装置が必要になり、モジュールの小型、軽量化を図る一つの障壁となっていた。

一方、車載用のインバータ等に関しては、これまで以上の小型化、軽量化が要請されている。そのため、上記のような冷却機構に伴なう大型化は、かかる要請に逆行する。
また、絶縁基板が冷却機構に直接半田付けされる上記の方法では、パワーデバイスを作製する工程が複雑でかつ高価になる。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、インバータ体格を小型・軽量に維持しつつ、パワーデバイスの冷却効率を高めた半導体デバイスを提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。

本発明は、発熱したパワー半導体からの熱を伝達して熱交換（冷却）するため熱交換用の部材表面で気化熱を発生させることにより高い冷却効率が得られ、半導体モジュールを構成するパワー半導体の冷却に有効であるとの知見を得、かかる知見に基づいて達成されたものである。

上記目的を達成するために、本発明の半導体モジュールは、一方の側に放熱構造を有する熱伝導性基材と、前記熱伝導性基材の少なくとも他方の側に設けられたパワー半導体素子と、少なくとも前記放熱構造に液体を液滴状にして付与する液滴付与手段とを設けて構成したものである。

本発明の半導体モジュールにおいては、パワー半導体から熱伝達が可能なように熱伝導性基材に放熱構造を形成し、この放熱構造の表面に直接、液体を液滴状（例えば、霧状、シャワー状等の液滴状態）にして付与する構成とすることで、付与された液滴をパワー半導体の発熱で加熱された放熱構造の表面で気化させ、この気化により気化熱として放熱構造から熱を奪うことができるので、パワー半導体の冷却を効率良く行なうことができる。すなわち、粒径数十μｍ以下の液滴は、体積に比べ表面積の割合が大きく、微小体積のために気化に要するエネルギーが少ないことに加え、液滴が気化したときには気化エネルギーによる冷却効率、つまり被冷却物から奪う気化熱が大きいので、効率の良い冷却が行なえる。また、沸騰冷却のような沸騰により発生した泡による熱伝達率の激しい変動もないため、安定的に冷却できる。
しかも、液滴状での液体の付与は、インジェクターなど構造の簡易な液滴付与手段を使用できるので、モジュール構造を複雑化せずに体格も維持でき、小型化、軽量化を図ることが可能である。

熱伝導性基材に形成される放熱構造は、熱伝導性基材の表面に設けて構成することができる。例えば、熱伝導性基材の表面上に凸形状となるように、フィン、円柱や角柱等の柱材などの突起構造を設けることで、放熱可能な表面積を広く確保できるので、気化熱の発生を広範囲に起こさせることができ、冷却をより効率良く行なえる。

また、放熱構造は、熱伝導性基材の放熱構造を形成しようとする側の表面から基材内部にかけて基材内部の少なくとも一部に設けて構成することができる。熱伝導性基材の表面上に放熱構造を凸状に設けるのではなくあるいは凸状に設けると共に、熱伝導性基材の表面から基材内部に向けて、放熱構造を熱伝導性基材の内部の少なくとも一部に、基材表面から基材内部に設けられた放熱構造の底部に至るまで連続的に連なるように設けることで、液滴付与手段から付与された液滴は基材の表面から内部に進入でき、放熱可能な表面積を広く確保できるので、気化熱の発生を広範囲で起こさせることができ、冷却をより効率良く行なえる。

本発明の半導体モジュールには、熱伝導性基材の放熱構造を有する一方の側に更に、気体が流通し、路内に放熱構造が存在する流路を設けることができる。基材の放熱構造を有する側に気体を流通させる流路を設け、その流路内で液体を液滴状態で放熱構造に付与することで、放熱構造の表面で気化した液体は流路内を流通する気体と共に流路内を移動し、放熱構造が存在する流路内から除去される。これにより、気化熱を奪って冷却効果が得られると共に、流路内の気相中に含まれる液体量を気化可能な湿度範囲に保つことができ、冷却をより効率良く行なうことができる。

半導体モジュールを構成する液滴付与手段には、インクジェットヘッドまたはインジェクターを用いることができる。インクジェットヘッドやインジェクターは、電源や制御装置と電気的に接続することにより、放熱構造への液体の付与を吐出量や吐出タイミングを制御して行なうことができるので、モジュールの動作（すなわち発熱量）に合わせて、冷却の程度や領域を変えながら、必要に応じた冷却を行なうことが可能になる。

熱伝導性基材に形成する放熱構造は、既成の放熱器を用いることにより、またはフィン構造、柱状構造もしくは孔構造を形成することにより設けることができる。例えば、熱伝導性基材の表面に放熱構造を設ける場合、基材自体を加工しあるいは基材表面に付設することでフィン構造、柱状構造を形成することにより放熱構造とすることができ、また、熱伝導性基材の表面から内部にかけて放熱構造を設ける場合、基材内部にその表面から連続的に繋がる孔を形成することにより放熱構造とすることができる。このように構成することで、気化熱の発生に寄与する表面積を広く確保できるので、冷却効率を向上させることができる。

また、本発明の半導体モジュールには、放熱構造の温度を検出する検出手段をさらに設けて構成することができる。半導体モジュールを構成する熱伝導性基材に複数のパワー半導体が配置されている場合など、動作状況によっては熱伝導性基材の領域で発熱量が不均一になるおそれがある場合に、例えばパワー半導体ごとに検出手段を設けることで、所定の領域毎に温度制御が可能であるので、局所的な温度上昇を抑えて安定動作が可能な温度領域に保つことができる。

放熱構造への液体の付与は、沸点１００℃以下の液体を用いて行なうことが望ましい。一般にパワー半導体の発熱温度は１５０℃程度であるため、１００℃以下の沸点を持つ液体であれば、加熱された放熱構造に液滴状にして付与された際に気泡を生じずに容易に気化し、迅速に気化熱を奪うことができる。

本発明の半導体モジュールは、流路内を流通した気体が供給され、気体中の液体を回収する回収装置と、前記流路が前記気体を供給する給気口および前記流路内を流通した前記気体を排出する排気口を有し、前記給気口と前記排気口とを回収装置を介して連通する循環系と、をさらに設けて、回収装置で回収された液体を液滴付与手段に戻して循環使用可能な構成とすることができる。

流路の一端に設けられた流路流通後の気体を排出する排気口を、回収装置の流路内流通後の気体が供給される給気端と連通すると共に、流路の他端に設けられた気体供給用の給気口を、回収装置の液体除去後の気体を排出する排気端と連通し、流路の一端から排出された気体を回収装置を介して再び流路に戻すと共に、回収された液体を再び液体付与手段に戻す２つの循環系を構築することで、使用済みの気体および液体の循環利用が可能であると共に、流路内温度より低温の気体を供給して流路内の雰囲気や放熱構造表面の低温化に寄与し、しかも含有液体成分の比較的低い気体が供給されるので、気化熱を奪いやすい路内環境を保持でき、モジュールの体格を維持しつつ高効率な冷却を連続的に行なうことが可能である。

本発明によれば、インバータ体格を小型・軽量に維持しつつ、パワーデバイスの冷却効率を高めた半導体デバイスを提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の半導体モジュールの実施形態について詳細に説明する。但し、本発明においては下記の実施形態に制限されるものではない。

（第１実施形態）
本発明の半導体モジュールの第１実施形態を図１を参照して説明する。本実施形態の半導体モジュールは、熱導電性基材である金属ベース板を、その内部に表面から内部方向に連続的に連なる状態で孔構造が形成されたヒートシンクに構成し、この孔構造に対してインジェクターでミスト用液体を噴霧する構成としたものである。

本実施形態の半導体モジュールは、図１に示すように、内部に網目状の孔構造が形成された熱伝導性基材であるヒートシンク１１と、ヒートシンクの上に設けられたＩＧＢＴ１３およびダイオード１４と、ヒートシンクに形成された孔構造に向けてミスト用液体を噴霧する液滴付与手段である複数のインジェクター２６とを備えている。

ヒートシンク１１は、長さ２００ｍｍ×幅１６０ｍｍ×厚み１．５ｍｍの銅製の板材を用い、断面矩形の直方体に構成されており、この板材の一方の表面から板厚方向に、表面積が広くとれるように孔２１が網目状に形成されたものである。このヒートシンクは、発熱するＩＧＢＴ等の熱を拡散しやすいように表面積が広くなる形状に成形された金属部品である。

孔２１は、ヒートシンク１１を構成する板材の表面から内部に形成された孔の底部に至るまで連続的に連なった形状を有しており、後述のように表面にミスト用液体２３が噴霧されたときに液滴が内部に進入できる構造になっている。このヒートシンク１１では、熱膨張係数は１７ｐｐｍ／Ｋであり、熱伝導率は３９４Ｗ／ｍＫである。

ヒートシンク１１の内部に網目状に形成された孔構造は、例えば、厚さ０．５ｍｍの銅板を一部くり抜いて網目状としたものを複数枚０．５〜１ｍｍのスペーサを挟んで重ねる等により形成することが可能である。

孔２１の構造については、放熱に寄与する表面積を広く確保できると共に、表面から内部にミスト用液体２３が進入できる形状であれば、制限はなく、本実施形態の網目構造のほか、例えば表面から柱状に凹んだ凹形状（柱断面は円形、方形等の任意形状）等の形状に構成することができる。

孔２１は、基材としての強度を保持しつつ、効率良く気化させる観点から、平均細孔径としては３〜０．５ｍｍの範囲が好ましく、空隙率としては３０〜８０％が好ましく、また、比表面積としては２０〜２ｍ^２／ｍ^３が好ましい。
また、孔２１は、同様の理由から、ヒートシンクを構成する板材の表面から０．５〜１．０ｍｍの深さまでに位置していることが望ましい。

ヒートシンクを構成する基材としては、パワー半導体素子との間の熱膨張係数差が小さく（好ましくは１７ｐｐｍ／Ｋ以下、より好ましくはパワー半導体素子の熱膨張係数との差が±５ｐｐｍ／Ｋ以内）、熱的に良導性（熱伝導率≧１００Ｗ／ｍＫ）の基材から目的等に応じて適宜選択することができる。例えば、モリブデン（Ｍｏ）基材、モリブデンと他の金属（例えばＣｕ）との混合材料からなる基材、多孔質ＳｉＣにＡｌを混ぜた基材およびこれらの積層材などを用いることができる。薄厚化が可能な点で、Ｍｏは好ましい。

ヒートシンク１１を構成する板材の厚みについては、モジュールの熱による反りの防止や熱伝導性（冷却効率）を考慮して選択され、上記の厚みのほか、好ましくは１〜１０ｍｍの範囲から選択できる。

ヒートシンク１１の孔２１が形成されている孔形成面側には、図１に示すように、ヒートシンクの孔形成面を１面とする方形（６面体形状）の冷却器３０が構築されている。冷却器３０は、ヒートシンク１１の孔形成面と、４つの側壁および孔形成面と同サイズの底壁からなる外形を有する凹状部材（底壁と対向する面が開口している）２５とで構成されており、ヒートシンク１１の周面が凹状部材２５の内壁面に当接する状態で嵌合され、孔形成面と凹状部材２５との間に内部中空のエア流路２２が形成されている。
凹状部材２５は、その側壁においてヒートシンク１１の側部に固定されている。

凹状部材２５の４つの側壁のうち、互いに向き合う２つの側壁には各々、エアをエア流路２２に供給するための給気口２７、流路内のエアを排出するための排気口２８が取り付けられており、給気口２７から供給されたエアはエア流路２２を流通して排気口２８から排出されるようになっている。

排気口２８は、排出されたエアを流通するエア排気管４１を介して液体回収装置４０と一端で連通されている。排気口２８から排出された、気化したミスト用液体を含有するエアは、液体回収装置４０に供給され、液体回収装置内において冷却等の処理が施されてエア中に含まれるミスト用液体成分を液化、分離し、所定の回収容器に分離回収されるようになっている。

液体回収装置４０は、図示しないが、排出口２８から排出されたエアを一時的に取り込むエア回収室と、エア回収室と連通し、エアを冷却する冷却室と、液化分離されたミスト用液体を回収する回収容器とを備え、エア回収室に供給されたエアは冷却室に送られて冷却され、冷却室で液化されてエアと分離し落下した液体を回収容器で回収できるようになっている。

エア流路２２に取り付けられた給気口２７は、エア供給管４２を介して液体回収装置４０と他端で連通されており、液体回収装置４０から排出された液体回収後のエアは、再びエア流路２２に戻され、循環利用できるようになっている。液体回収装置４０で処理されたエアは、エア流路内の雰囲気より低温で、しかもミスト用液体が回収されたことでミスト用液体成分が少なくなっており、エア流路２２を流通する気体として再利用できる。

液体回収装置４０の回収容器には、エアから分離回収されたミスト用液体を排出するための回収液排出管４３が一端で接続されており、この回収液排出管４３により、回収されたミスト用液体を排出できるようになっている。

凹状部材２５の、ヒートシンクの孔形成面と向き合う底壁には、図１に示すように、複数のインジェクター（噴射装置）２６が取り付けられており、各インジェクターは、噴霧ノズルから噴霧されたミスト用液体２３がヒートシンク１１の孔形成面に供給されるように、所定の間隔をおいて配列されている。本実施形態では、各インジェクター２６に通電することにより、ヒートシンク１１の孔形成面にミスト用液体を噴霧できるようになっている。

インジェクター２６は、各々が制御素子２９を備え、図示しない電源および噴霧量および噴霧タイミング等の噴霧条件を制御する制御ドライバと電気的に接続されており、所定の条件（例えば、ヒートシンクの孔内温度、ＩＧＴＢ１３やダイオード１４の発熱温度、モジュール動作時間など）にあわせて、ミスト用液体を状況に応じて制御して噴霧することができるようになっている。

インジェクター２６から噴霧されるミスト用液体の液滴径は、孔表面での気化を良好に行なわせる点で、数十〜数百μｍとすることが望ましく、具体的には１０〜１００μｍの範囲にして噴霧するのが好ましい。

例えば、図示しないがＩＧＴＢ１３の温度を検出するための温度検出センサを配置し、予め孔内の表面温度とミスト用液体の気化の関係を調べておくことにより、温度検出センサから所定のタイミングで取り込まれた温度値に基づいて噴霧動作を変化（例えば、噴霧時間、噴霧間隔、噴霧量などを変化）させることが可能である。ＩＧＴＢ等のパワーデバイスを複数搭載したモジュールの場合は、デバイス毎あるいは所定の領域毎に温度検出センサを配置し、デバイスや所定の領域ごとに取り込まれる温度信号に基づいて、例えば高温部により多くのミストが選択的に噴霧されるように、各インジェクターあるいはインジェクターの組みごとに制御して噴霧することができる。このようにすることで、モジュールの温度不均一を解消し、モジュールを一様な温度領域に制御することが可能である。

凹状部材２５のインジェクターが取り付けられた底壁のヒートシンクと対向しない側には、冷却器３０を構成する該底壁を１面とする方形（６面体形状）に成形された、ミスト用液体を貯留する液体貯留部３２が設けられている。液体貯留部３２は、インジェクターが取り付けられた凹状部材２５の底壁と、該底壁との間に中空の室を形成する凹状部材３１とで構成されており、その底壁に取り付けられたミスト用液体供給口３５から供給されたミスト用液体３３を貯留できるようになっている。

ミスト用液体供給口３５には、液体回収装置４０に接続された回収液排出管４３の他端が接続されており、液体回収装置４０で回収されたミスト用液体を液体貯留部３２に戻して再利用できる構造になっている。

ミスト用液体としては、ＩＧＢＴ等のパワーデバイスの発熱温度（例えば１５０℃）よりも低い沸点を持つ液体を選択することが好ましく、例えば、水、アルコール類などを使用できる。ミスト用液体としては好ましくは、気化熱が大きく冷却効率を高める観点から、パワーデバイスもしくは孔２１（放熱構造）の加熱温度からその沸点を差し引いた温度差が２０〜１００℃の範囲にある液体を選択するのが望ましい。ＩＧＢＴ等のパワーデバイスは、一般に発熱温度が１５０℃程度であり、この温度域を考慮すると、水または、水と水混和性の溶剤（アルコールなど）との混合液体は好ましい液体の一つである。

本実施形態では、気相のミスト用液体をエア流路外に排出する気体としてエア（空気）を用いたが、エア以外に、使用するミスト用液体と動作環境下で反応しない気体であれば制限なく選択することができる。例えば、窒素ガスなどの不活性ガスやこれとエアとの混合ガスなどであってもよい。

本実施形態の半導体モジュールを動作させた場合、上記のように給気口２７からエア流路２２にエアが供給されるが、さらにインジェクター２６からミスト用液体２３がヒートシンク１１の孔２１に向けて噴霧される。このとき、孔２１の表面は、ＩＧＢＴ等のパワーデバイスの発熱で高温に達しており、噴霧されたミスト用液体２３は孔２１の表面で気化し、気化したミスト用液体はエアと共に、エア流路２２内を排気口２８に向かって流通する。ミスト用液体は、孔２１から気化に要する熱（気化熱）を奪って気化することにより、孔２１は冷却され、ひいてはＩＧＴＢ等のパワーデバイスの発熱およびこれに伴なう温度上昇を抑えることができる。エア流路２２内を流通したエアは、気化したミスト用液体成分を含んだまま排気口２８から排出され、エア流路内の雰囲気は所定の湿度範囲に保たれる。

ヒートシンク１１の孔２１が形成されていない側には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）シート１２が、該ＡｌＮシートに貼り合されている０．４ｍｍ厚のアルミニウム膜１２ｂを介して半田１９により接続されており、このＡｌＮシート１２には回路パターンを介して、パワー半導体素子であるＩＧＢＴ１３とダイオード１４とが半田１９により並列接続して配置されている。

ＡｌＮシート１２のヒートシンク１１と接合されていない側の表面には、回路パターンとして、ＩＧＢＴのコレクタ電極、エミッタ電極、およびゲート電極に対応するように、アルミニウム（Ａｌ）からなるＡｌ配線パターン１２ａが貼り合わされており、図示しないが、ＩＧＢＴ１３はコレクタ電極においてこの配線パターンに半田マウントされ、エミッタ電極およびゲート電極はそれぞれアルミワイヤ１６を超音波ボンディングすることによりＡｌ配線パターン１２ａと電気的に接続されている。

ＡｌＮシート１２、ＩＧＢＴ１３、およびダイオード１４が積層された積層部分は、図１に示すように、エポキシ樹脂の成形体である枠体１５により取り囲まれている。この枠体１５には、電極引き出し端子１７が設けられており、コレクタ端子、エミッタ端子、およびゲート端子は、これらを電気的に接続するアルミワイヤ１６で電極引き出し端子１７に接合することによって外部に引き出されている。

また、ＩＧＢＴ１３およびダイオード１４等の積層部分は、枠体１５の内部に充填したシリコーンゲル１８で封止されており、このシリコーンゲル１８上には、制御回路５２や駆動回路５３が形成された制御板５０が配置されている。この制御板５０の更に上方には、制御板５０を保護するための保護板５１が設けられている。制御板５０上の制御回路や駆動回路は、Ａｌ配線パターン１２ａと電気的に接続されている。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）シート１２は、セラミック板の両面に導体である銅板が接合された積層構造を有する絶縁基板である。

ＡｌＮシート１２は、長さ３０ｍｍ×幅１５ｍｍ×厚み０．５ｍｍの、電気抵抗率が１０^１４Ωｃｍ以上（焼成後）の絶縁性を有する窒化アルミニウムの絶縁膜であり、ＩＧＢＴ１３およびダイオード１４とヒートシンク１１との間に配されて、ＩＧＢＴ１３等（具体的にはＩＧＢＴ等が接合されている回路パターン）と冷却器３０とが電気的に絶縁されるようになっている。
ＡｌＮシート１２の厚みは、材質や絶縁性能、強度などを考慮して、０．２〜３ｍｍの範囲で選択することができる。

ＡｌＮシート１２は、窒化アルミニウムの粉末、ポリビニルブチラール等の有機結合剤、ジブチルフタレート等の可塑剤、およびトルエン等の有機溶剤等を混合して混錬し、得られた泥漿をドクターブレードによって均一な厚さになるように板状に延ばし、焼成後の厚みが０．６ｍｍとなる厚みに形成されたシートを作製した後、このシートを裁断し、プレス等の型抜きを行なうことにより成形し、さらに乾燥、脱脂、焼成を行なうことにより作製できる。
なお、ＡｌＮシート１２は、乾燥・脱脂・焼成により、１０〜２０％寸法が収縮するため、予め所望の厚さより厚く形成しておくことが望ましい。

ＡｌＮシート以外には、絶縁部材として熱伝導性が高く線膨張係数の小さいセラミックス材の中から選択して好適に用いることができる。前記セラミックス材としては、窒化アルミニウムのほか、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化シリコン（Ｓｉ_２Ｎ_４）、酸化シリコン、酸化ベリリウム、シリコンカーバイドなどが挙げられ、目的等に応じて一種もしくは二種以上を選択して用いることができる。

Ａｌ配線パターン１２ａは、パワーデバイスが配される配線用金属パターンであり、ＩＧＢＴ１３等が接合されると共に、外部電源と導通されてＩＧＢＴ１３等に電流を供給し作動させることができる。
Ａｌ配線パターン１２ａは、電気的に良導性の金属材料から目的等に応じて適宜選択して構成することができ、アルミニウム板以外に、例えば、銅、タングステン、モリブデン、インバー（Ｆｅ−Ｎｉ合金）、およびこれらの積層材などを用いることができる。好ましくは、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属材料および／または電気抵抗率が１０×１０^−６Ωｃｍ以下の金属材料であり、伝熱効率、電気伝導性を確保し、パワーデバイスの冷却効率、動作性能を高め、熱応力による反りを回避する点で、銅やアルミニウム、タングステン、及びモリブデンなどが好ましい。
Ａｌ配線パターンの厚みは、通常０．１〜１ｍｍ程度であり、熱応力および配線抵抗の点で、０．２〜０．７ｍｍが好ましい。

Ａｌ配線パターンの上には、図１に示すように、ＩＧＢＴ１個およびダイオード１個の組が設けられており、インバータを形成するために必要な最小単位であるユニットが構成されている。
例えばハイブリッド車等に用いる三相インバータの場合には、このユニット２個を直列したもの（アーム）、３組（またはその倍数）を並列に組んで構成される。

上記では、ミスト用液体の噴霧にインジェクターを用いた場合を中心に説明したが、インジェクター以外のインクジェットヘッド、シャワーヘッドなどの噴霧、噴射、吐出が可能な他の液滴付与手段を用いた場合も同様である。

上記のように、本実施形態の半導体モジュールでは、インジェクターから噴霧されたミスト用液体がヒートシンク内部に設けられた孔に達すると、孔表面から熱（気化熱）を奪って気化し、この気化熱の発生により冷却が促される。そして、気化したミスト用液体を含んでモジュール外に排出されたエアは、液化によるミスト用液体の脱液により再生され、気化後のミスト用液体は回収され、それぞれ再利用される。

また、本実施形態では、パワー半導体素子としてＩＧＢＴを用いた場合を中心に説明したが、ＩＧＢＴに限られず、ＧａＮやＳｉＣなどを用いたパワー半導体素子を用いた場合にも同様である。

（第２実施形態）
本発明の半導体モジュールの第２実施形態を図２を参照して説明する。本実施形態の半導体モジュールは、熱導電性基材である金属ベース板の表面に複数の金属フィンを凸状に設け、この金属フィンにミスト用液体を液滴状にして噴射する構成としたものである。

なお、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態の半導体モジュールでは、図２に示すように、長さ２００ｍｍ×幅１６０ｍｍ×厚み１．５ｍｍのモリブデン製の基材６０のインジェクター２６と対向する側となるエア流路２２内に、断面長方形の厚み１ｍｍの薄板状の金属フィン６１が所定の等間隔で配列されている。

エア流路２２内の金属フィン６１は、金属板を折り畳んで形成することにより１８０ｍｍ×１４０ｍｍのサイズに成形されたものであり、基材６０の流路内表面にロウ材で接合されて、複数の金属フィンが約１ｍｍピッチでエア流路内に２次元的に配置された状態で収容されている。

金属フィンには、例えば、アルミニウム板、モリブデン板、銅板、タングステン板などを用いることができる。また、金属フィンの厚みは場合に応じて適宜選択すればよい。

基材６０には、第１実施形態のヒートシンクに使用可能な基材と同様の材料から選択することができる。

本実施形態では、ミスト用液体の噴射にインジェクターを用いた場合を中心に説明したが、インジェクター以外のインクジェットヘッド、シャワーヘッドなどの噴霧、噴射、吐出が可能な他の液滴付与手段を用いた場合も同様である。

本実施形態においても、インジェクターから噴射されたミスト用液体が金属フィンの表面に達すると、フィン表面から熱（気化熱）を奪って気化し、この気化熱の発生により金属フィン６１および基材６０を介してモジュールの冷却が促される。また、気化したミスト用液体を含んでモジュール外に排出されたエアは、液化によるミスト用液体の脱液により再生され、気化後のミスト用液体は回収され、それぞれ再利用されるようになっている。

本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールの構成を示す概略側面図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体モジュールの構成を示す概略側面図である。 従来の半導体モジュールの構成を説明するための概略側面図である。

符号の説明

１１…ヒートシンク
１２…窒化アルミニウム（ＡｌＮ）シート（絶縁基板）
１３…ＩＧＢＴ
１４…ダイオード
２１…孔（放熱構造）
２２…エア流路
２３…噴霧（噴射）されたミスト用液体
２６…インジェクター
３３…貯留されているミスト用液体
６０…基材（熱伝導性基材）
６１…金属フィン

Claims (9)

1. 一方の側に放熱構造を有する熱伝導性基材と、
   前記熱伝導性基材の少なくとも他方の側に設けられたパワー半導体素子と、
   少なくとも前記放熱構造に液体を液滴状にして付与する液滴付与手段と、
   を備えた半導体モジュール。
2. 前記放熱構造は、前記熱伝導性基材の表面に設けられてい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。
3. 前記放熱構造は、前記熱伝導性基材の前記一方の側の表面から内部にかけて該内部の少なくとも一部に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
4. 前記熱伝導性基材の前記一方の側に、気体が流通し、路内に前記放熱構造が存在する流路をさらに有し、
   前記液滴付与手段は、前記流路内で前記放熱構造に液体を液滴状にして付与することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装モジュール。
5. 前記液滴付与手段は、インクジェットヘッドまたはインジェクターであり、電気的に制御して前記液体の付与を行なう請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
6. 前記放熱構造は、放熱器を用い、またはフィン構造、柱状構造もしくは孔構造を形成して構成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
7. 前記放熱構造の温度を検出する検出手段をさらに備え、局所的な温度上昇を抑えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
8. 前記液体は、沸点が１００℃以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
9. 前記流路内を流通した前記気体が供給され、気体中の前記液体を回収する回収装置と、
   前記流路の前記気体を供給する給気口と前記流路内を流通した前記気体を排出する排気口とを前記回収装置を介して連通する循環系と、
   をさらに備え、前記回収装置で回収された液体を前記液滴付与手段に戻して循環することを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

Images