CN110660761A - 热传导结构体或半导体装置 - Google Patents

热传导结构体或半导体装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及热传导结构体或半导体装置。本公开的目的在于提供热传导性优异的热传导结构体。本实施方式为热传导结构体，其为热从第一构件向第二构件传导的热传导结构体，包含：在上述第一构件和上述第二构件中的至少一者的表面上形成的自组装单分子膜、以及在上述第一构件和上述第二构件之间与上述自组装单分子膜相接地配置的散热油脂。

Description

热传导结构体或半导体装置
技术领域
本公开涉及热传导结构体或半导体装置。
背景技术
在汽车和电气制品的电子设备所使用的构件中，如逆变器这样的电源控制用功率模块或计算机的CPU那样，在其使用中伴有发热。为了避免热引起的电子设备的功能障碍并维持其性能，需要将产生的热迅速地释放至电子设备外。因此，通常将散热器等散热构件设置在电子设备内。另外，在发热构件与散热构件之间，通常配置散热油脂，将发热构件中产生的热有效率地向散热构件传导，促进散热。
以往一般使用的散热油脂例如是在硅油或聚烯烃油这样的合成烃油等中使由氧化锌或氧化铝等金属氧化物和氮化硼、氮化硅或氮化铝等无机氮化物构成的热导率高的微粉末填充剂分散而制成半固体状的油脂。但是，电子设备的性能提高和小型·高密度安装化急速地发展，电子设备中的发热量也在随之急速地增大。因此，从电子设备中的热控制的观点出发，进行了各种的开发。
例如，在专利文献1中，公开了一种散热油脂，其为介于被粘物间、在加压下使用的散热油脂，其特征在于，含有有机硅系油和在该有机硅系油中分散的热传导填料，该热传导填料的莫氏硬度为4以下，热导率为80W/mK以上。
另外，在非专利文献1中，关于Qz基板和Au基板之间的热传导，报道了使用与两基板结合的二官能性SAM(Self-Assembled monolayer)来提高热传导的研究。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-162929号公报
非专利文献
非专利文献1：Effects of chemical bonding on heat transport acrossinterfaces,Mark D.Losego等,NATURE MATERIALS,第11卷,2012年6月
发明内容
发明要解决的课题
如专利文献1等所公开那样，提出了使热传导性得到提高的散热油脂，但需要能够发挥更高的热传导性的技术。另外，在非专利文献1所公开的研究中，以理想界面(无凹凸的平坦面)为模型进行了研究，在现实中使用的构件中存在凹凸，因此非专利文献1所公开的技术不实用。
因此，本公开的目的在于提供热传导性优异的热传导结构体。
用于解决课题的手段
因此，本发明人进行了认真研究，结果发现，通过在构件表面形成自组装单分子膜后配置散热油脂，能够进一步提高热传导性，完成了本实施方式。
因此，本实施方式的方案例为以下那样。
(1)热传导结构体，其为热从第一构件向第二构件传导的热传导结构体，包含：在上述第一构件和上述第二构件中的至少一者的表面上形成的自组装单分子膜、以及在上述第一构件和上述第二构件之间与上述自组装单分子膜相接地配置的散热油脂。
(2)(1)所述的热传导结构体，其中，形成上述自组装单分子膜的SAM形成材料具有头基，该头基与上述第一构件或第二构件的表面形成共价键。
(3)(2)所述的热传导结构体，其中，上述头基与在上述第一构件或第二构件的表面存在的官能团形成共价键。
(4)(2)或(3)所述的热传导结构体，其中，上述SAM形成材料除了上述头基以外还具有尾基，该尾基具有疏水性。
(5)(4)所述的热传导结构体，其中，上述自组装单分子膜的水接触角为70°以上。
(6)(1)～(5)中任一项所述的热传导结构体，其中，形成上述自组装单分子膜的SAM形成材料为有机硅烷化合物。
(7)(1)～(6)中任一项所述的热传导结构体，其中，上述散热油脂包含矿物油、酯系合成油、合成烃油、硅油或氟化油作为基油。
(8)(1)～(7)中任一项所述的热传导结构体，其中，上述第一构件为发热构件，上述第二构件为散热构件。
(9)半导体装置，其为包含(1)～(8)中任一项所述的热传导结构体的半导体装置，其中，上述第一构件为半导体模块。
发明效果
根据本公开，能够提供热传导性优异的热传导结构体。
附图说明
图1A是表示本实施方式涉及的热传导结构体的构成例的概略截面图。
图1B是表示本实施方式涉及的热传导结构体的构成例的概略截面图。
图1C是表示本实施方式涉及的热传导结构体的构成例的概略截面图。
图2是用于说明本实施方式涉及的半导体装置的构成例的概略立体图。
图3是用与图中的坐标系的XY面平行且将晶体管Ta和Tb横切的平面将图2的电力卡10切割的概略截面图。
图4是表示在实施例或比较例中测定了热阻的构成的概略截面图。
图5是表示实施例1～2和比较例1～2中的热阻的测定结果的坐标图。
图6是表示比较例3～5中的热阻的测定结果的坐标图。
附图标记说明
2：半导体装置
3：冷却器
4a：冷媒供给管
4b：冷媒排出管
5a、5b：连结管
6a、6b：绝缘板
7a、7b、7c：电极端子
9a、9b：油脂
10：电力卡
10a、10b：平坦面
13：封装件
14：间隔件
15：焊料
16a、16b、17：散热板
20a、20b：油脂
29：控制端子
31：壳体
32：板簧
Da、Db：二极管
Ta、Tb：晶体管
51：第一测定夹具
51a：冷却部
51b：第一柱状部
52：第二测定夹具
52a：加热部
52b：第二柱状部
53：散热油脂
101：第一构件
102：第二构件
103a：第一自组装单分子膜
103b：第二自组装单分子膜
104：散热油脂
具体实施方式
实施方式的一个方案为热传导结构体，其为热从第一构件向第二构件传导的热传导结构体，包含：在上述第一构件和上述第二构件中的至少一者的表面上形成的自组装单分子膜、以及在上述第一构件和上述第二构件之间与上述自组装单分子膜相接地配置的散热油脂。在本实施方式中，将自组装单分子膜形成在第一构件和第二构件中的至少一者的表面上，将散热油脂配置在第一构件和第二构件之间使得与上述自组装单分子膜相接。通过采用本实施方式的构成，能够提高第一构件和第二构件之间的热传导。
以下对本实施方式涉及的热传导结构体的各构成要素进行说明。
1.热传导结构体
(第一构件和第二构件)
本实施方式涉及的热传导结构体中，热从第一构件向第二构件传导。对第一构件和第二构件并无特别限制，只要与热的传导有关即可。第一构件是在热流动中相对于第二构件成为上游的构件，第二构件是成为下游的构件。第一构件例如为发热构件，第二构件例如为用于通过从该发热构件接受热而将热从发热构件放出的构件、即放出构件。本说明书中，所谓“发热构件”，是指因通电等而发热的构件。在本实施方式中，特别地，产生通过自然对流产生的散热而不能充分冷却的程度的大量热的构件成为发热构件的对象。作为发热构件，例如可列举出电力卡和CPU等半导体模块。本说明书中，所谓“散热构件”，是接受半导体模块等发热构件中产生的热的构件，是有助于将热从发热构件散热的构件。散热构件可以是直接地有助于热的散热的构件，也可以是间接地有助于热的散热的构件。例如，散热构件自身可以是散热器等冷却构件，散热构件也可以是将热传递至在热流动中存在于下游的散热器等冷却构件的构件。散热构件只要有助于从发热构件接受热并将该热向外部散热，则不必是散热专用的构件，例如可将绝缘性材料和壳体作为散热构件利用。
对构成第一构件或第二构件的表面的材质并无特别限制。例如当只在第一构件形成自组装单分子膜时，构成第一构件的表面的材质只要可形成自组装单分子膜即可，当只在第二构件形成自组装单分子膜时，构成第二构件的表面的材质只要可形成自组装单分子膜即可。作为构成第一构件或第二构件的表面的材质，例如可列举出金属(铜、铝、锗等)或聚合物材料等。另外，除此以外，可列举出硅(Si)、玻璃、陶瓷(氧化铝、二氧化硅、碳化硅等)或碳材料(石墨、金刚石等)等。第一构件或第二构件的表面可由单一的材质构成，或者可由多个材质构成。作为聚合物材料，例如可列举出热塑性树脂或热固性树脂，作为具体的例子，可列举出聚甲基丙烯酸甲酯等丙烯酸系树脂、环氧树脂、聚酰胺树脂、芳族聚酰胺树脂(芳香族聚酰胺等)、聚酰亚胺树脂、ABS树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)树脂、酚醛树脂、脲醛树脂或蜜胺树脂等。
优选在第一构件或第二构件的表面存在着形成自组装单分子膜的SAM形成材料可形成键的官能团。另外，这样的官能团也能够通过紫外线处理等而适当地形成。
(自组装单分子膜)
本说明书中，“自组装单分子膜(SAM)”是指作为原料即自组装单分子膜形成材料(SAM形成材料)的单分子在构件表面集合而自动地组装起来的单分子膜(一层分子形成的膜)。不过，即使在结果得到的膜的一部分无意地(非有意地)没有成为单分子膜的情况下(例如在成为了两分子层以上的多个层的情况下)，只要至少基于主要制作SAM的意图而形成，则包含在本公开的技术范围内。
另外，在本说明书中，“自组装单分子膜形成材料(SAM形成材料)”是指能在构件表面形成自组装单分子膜的材料。SAM形成材料优选具有能与构件表面形成共价键的至少一个反应性基团(头基)。“能与构件表面形成共价键”不仅包括头基与构成构件的元素形成共价键的情形，也包括头基与在构件的表面存在的官能团形成共价键的情形。通过自组装单分子膜与构件表面形成有共价键，能够提高自组装单分子膜与构件之间的经由声子的热传导。
作为头基，只要是能与构件表面形成共价键的官能团，则并无特别限制，例如，可列举出烷氧基甲硅烷基、卤代甲硅烷基、氰基、硫醇基、羧基、溴或膦酸基等。烷氧基甲硅烷基中的烷氧基的碳数例如为1～4，优选为1～3。作为烷氧基的具体例，可列举出甲氧基(甲氧基甲硅烷基)或乙氧基(乙氧基甲硅烷基)。作为卤代甲硅烷基中的卤素原子，例如可列举出氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)等。这些中，优选Cl和Br。SAM形成材料可具有1个头基，或者可具有多个(例如2～3个)头基。在具有多个头基的SAM形成材料中，多个头基可以相同，也可彼此不同。通常优选具有多个相同的头基的化合物。
另外，SAM形成材料优选除了头基以外，还具有朝向与头基相反的方向(与构件侧相反的方向)延伸的至少一个尾基。对尾基并无特别限制，从与散热油脂的适合性的观点出发，优选具有疏水性(亲油性)。在尾基具有疏水性的情况下，自组装单分子膜与散热油脂之间的热传导阻力进一步降低。认为这是由于，尾基进入散热油脂中，声子引起的热传导有效率地发生。另外，还认为这是由于，利用尾基的疏水性，能够将散热油脂有效地吸引到自组装单分子膜，能够抑制包含水分等的气泡在散热油脂的配置时在自组装单分子膜上被卷入。予以说明，本实施方式并不受这些推测所限制。另外，利用尾基的疏水性，将散热油脂保持于构件表面的效果也提高，散热油脂的脱落(脱离)变得难以发生。利用含有具有疏水性的尾基的SAM形成材料来形成的自组装单分子膜的水接触角优选为70°以上，更优选为75°以上，进一步优选为80°以上。作为具有疏水性的尾基，例如可列举出取代或未取代的脂肪族基团、或者取代或未取代的芳香族基团。脂肪族基团的碳数例如为1～30，优选为3～28，更优选为碳数5～26。脂肪族基团可以为饱和脂肪族基团，或者可以为不饱和脂肪族基团。另外，脂肪族基团可以为直链状，也可以为分支链状，或者可以为环状。另外，脂肪族基团可形成至少一部分为非芳香族性的环(例如环烷烃环(环己基环等))。芳香族基团的碳数例如为5～30，优选为6～28。另外，构成脂肪族基团的碳原子(例如构成脂肪族基团的主链的碳原子)的一部分可被杂原子(氮原子、氧原子或硫原子等)替换。另外，构成芳香族基团的碳原子(例如构成芳香环的碳原子)的一部分可被杂原子(氮原子、氧原子或硫原子等)替换。作为取代基，例如可列举出碳数1～12的饱和或不饱和的烃基(甲基、乙基等)、氨基(例如二甲基氨基等单或二烷基氨基)、卤素原子(例如氟原子等)、环氧基等。作为取代基，优选烷基(例如碳数1～4)。
作为优选的尾基的一例，可列举出碳数10以上(典型地10～30)的脂肪族基团。作为脂肪族基团，优选碳数10～30的直链状的脂肪族基团(典型地，烷基、烯基或炔基等烃基)。作为脂肪族基团，更优选碳数10～30的直链状的烷基。作为具有这样的尾基的SAM形成材料的具体例，可列举出正十八烷基三甲氧基硅烷(ODS)或正十八烷基三氯硅烷等。
作为优选的尾基的其他的例子，可列举出取代或未取代的芳香族基团(例如苯环)。芳香族基团的碳数优选为5～30，更优选为6～20。尾基例如为取代或未取代的芳基。作为取代基，能够例示碳数1～12的饱和或不饱和的烃基(甲基、乙基等)、氨基(例如二甲基氨基等单或二烷基氨基)、卤素原子(例如氟原子、氯原子等)。作为具有这样的尾基的SAM形成材料的具体例，可列举出对-氨基苯基三氯硅烷、对-氯甲基苯基三氯硅烷等。
作为优选的尾基的其他的例子，可列举出具有环氧基作为取代基的脂肪族基团。该脂肪族基团的碳原子的一部分可被氧原子替换。优选为具有环氧基作为取代基的烷基(例如碳数5～30)，该烷基的碳原子的一部分可被氧原子替换。作为具有这样的尾基的SAM形成材料的具体例，可列举出3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷等。
作为SAM形成材料，例如能够列举出上述头基和尾基键合于硅(Si)或钛(Ti)等核原子的结构的化合物。SAM形成材料优选核原子为硅的化合物(有机硅化合物)。作为SAM形成材料的具体例，可列举出至少一个烷氧基(例如甲氧基或乙氧基)和至少一个尾基键合于作为核原子的硅原子的结构的有机硅烷化合物。更具体地，作为SAM形成材料，可列举出三个烷氧基(例如甲氧基或乙氧基)和一个尾基键合于作为核原子的硅原子的结构的化合物(三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷等)。烷氧基甲硅烷基例如通过水解而成为硅烷醇基(Si-OH)，能够与在构件表面存在的官能团(例如OH基)形成共价键。
本实施方式中，作为SAM形成材料的具体例，可列举出由下述式(I)～(V)表示的化合物。由它们形成的SAM具有高的疏水性(亲油性)。
(I)CH3-(CH2)l-Si(OA)3
(II)[CH3-(CH2)l]2-Si(OA)2
(III)[CH3-(CH2)l]3-SiOA
(IV)CH3-(CH2)m-COO-(CH2)n-Si(OA)3
(V)CH3-(CH2)m-O-(CH2)n-Si(OA)3
式(I)～(V)中，l为0～23的整数，优选为1～21的整数，优选为2～19的整数。m为0～17的整数，优选为1～15的整数。n为0～16的整数，优选为1～14的整数。A表示碳数1～4的烷基，优选为甲基(甲氧基)或乙基(乙氧基)。
作为具有疏水性基团的有机硅烷化合物，例如能够列举出十八烷基三乙氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三氯硅烷、十八烷基甲氧基二氯硅烷、3-丁烯基三乙氧基硅烷、3-丁烯基三甲氧基硅烷、3-丁烯基三氯硅烷、正丁基三乙氧基硅烷、正丁基三甲氧基硅烷、正丁基三氯硅烷、正癸基三乙氧基硅烷、正癸基三甲氧基硅烷、正癸基三氯硅烷、正癸基甲基二乙氧基硅烷、正癸基甲基二甲氧基硅烷、正癸基甲基二氯硅烷、二乙基二乙氧基硅烷、二乙基二甲氧基硅烷、二乙基二氯硅烷、异十八烷基三乙氧基硅烷、异十八烷基三甲氧基硅烷、异十八烷基三氯硅烷、二己基二乙氧基硅烷、二己基二甲氧基硅烷、二己基二氯硅烷、二辛基二乙氧基硅烷、二辛基二甲氧基硅烷、二辛基二氯硅烷、二十二碳烯基三乙氧基硅烷、二十二碳烯基三甲氧基硅烷、二十二碳烯基三氯硅烷、二十二烷基甲基二乙氧基硅烷、二十二烷基甲基二甲氧基硅烷、二十二烷基甲基二氯硅烷、十二烷基甲基二乙氧基硅烷、十二烷基甲基二甲氧基硅烷、十二烷基甲基二氯硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三氯硅烷、二十烷基三乙氧基硅烷、二十烷基三甲氧基硅烷、二十烷基三氯硅烷、乙基三乙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、乙基三氯硅烷、庚基三乙氧基硅烷、庚基三甲氧基硅烷、庚基三氯硅烷、十六烷基三乙氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三氯硅烷、己基三乙氧基硅烷、己基三甲氧基硅烷、己基三氯硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、异丁基三氯硅烷、3-甲氧基丙基三乙氧基硅烷、3-甲氧基丙基三甲氧基硅烷、3-甲氧基丙基三氯硅烷、甲基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三氯硅烷、甲基三丙氧基硅烷、甲基三(甲氧基乙氧基)硅烷、壬基三乙氧基硅烷、壬基三甲氧基硅烷、壬基三氯硅烷、辛基三乙氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、辛基三氯硅烷、戊基三乙氧基硅烷、戊基三甲氧基硅烷、戊基三氯硅烷、丙基三乙氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、丙基三氯硅烷、十四烷基三乙氧基硅烷、十四烷基三甲氧基硅烷、十四烷基三氯硅烷、十一烷基三乙氧基硅烷、十一烷基三甲氧基硅烷、十一烷基三氯硅烷、7-辛烯基三乙氧基硅烷、7-辛烯基三甲氧基硅烷、7-辛烯基三氯硅烷等。这些化合物中，从处理容易性和安全性的方面出发，优选十八烷基三乙氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷、异十八烷基三乙氧基硅烷、异十八烷基三甲氧基硅烷。
对在构件表面形成SAM形成材料的方法并无特别限制，例如能够使用气相法或液相法。在气相法中，例如，将构件表面暴露于包含SAM形成材料(例如有机硅烷化合物)的蒸气中一定时间，从而能够形成SAM。另外，在液相法中，例如，将构件表面在包含SAM形成材料(例如有机硅烷化合物)的溶液中浸渍一定时间，从而能够形成SAM。
另外，在构件表面上形成SAM之前，可对构件进行前处理。前处理例如包含将羟基导入构件表面的处理。通过使用实施了该前处理的构件，从而能够更有效率地在构件表面上形成高品质的(例如高取向的)SAM。作为导入羟基的方法，例如可列举出在包含氧(典型地氧分子(O2))的气氛下对构件表面照射真空紫外光(Vacuum Ultra Violet；以下也称为“VUV”。)的方法。例如，通过在减压的大气中(例如约1Pa～1500Pa、优选约10Pa～1000Pa)对构件表面照射VUV，从而能够将羟基导入构件表面。由此，可准备具有适于形成SAM形成材料的表面的构件。
(散热油脂)
将散热油脂在第一构件和第二构件之间与自组装单分子膜相接地配置。
对散热油脂并无特别限制。散热油脂意指具有热传导性的油脂，能够考虑散热性和粘性来适当地选择。散热油脂例如为在基油中配合增稠剂和热传导性填料的组合、或者、具有增稠作用的热传导性填料而得到的脂状或复合物状的糊剂。对基油并无特别限制，例如能够使用矿物油、酯系合成油、合成烃油、硅油或氟化油等各种合成油。这些中，优选矿物油、合成烃油或硅油。就矿物油、合成烃油、硅油而言，从油脂的润滑长寿命性的方面出发，基油的耐热性优异。
对散热油脂的填充量并无特别限制，能够根据第一构件(例如发热构件)和第二构件(例如散热构件)之间的间隙的大小和面积来适当地确定。
(结构)
在本实施方式涉及的热传导结构体中，自组装单分子膜在第一构件和第二构件中的至少一者的表面上形成，另外，将散热油脂在第一构件和第二构件之间与自组装单分子膜相接地配置。参照图1A～图1C对本实施方式涉及的热传导结构体的具体的构成进行说明。
图1A为表示本实施方式涉及的热传导结构体的构成的一例的概略截面图。在图1A所示的实施方式的热传导结构体中，在第一构件101的表面上配置有第一自组装单分子膜103a，在该第一自组装单分子膜103a上配置有散热油脂104，在该散热油脂104上配置有第二构件102。即，在一个实施方式中，在第一构件101上配置有第一自组装单分子膜103a，在该第一自组装单分子膜103a与第二构件102之间配置有散热油脂104。在本实施方式中，将自组装单分子膜只设置在第一构件的表面上，在第二构件的表面上没有设置。
图1B为表示本实施方式涉及的热传导结构体的构成的一例的概略截面图。在图1B所示的实施方式的热传导结构体中，在第一构件101的表面上配置有散热油脂104，在该散热油脂104上配置有第二自组装单分子膜103b，在该第二自组装单分子膜103b上配置有第二构件102。即，在一个实施方式中，在第二构件102上配置有第二自组装单分子膜103b，在该第二自组装单分子膜103b与第一构件101之间配置有散热油脂104。在本实施方式中，将自组装单分子膜只设置在第二构件的表面上，在第一构件的表面上没有设置。
图1C为表示本实施方式涉及的热传导结构体的构成的一例的概略截面图。在图1C所示的实施方式的热传导结构体中，在第一构件101的表面上配置有第一自组装单分子膜103a，在该第一自组装单分子膜103a上配置有散热油脂104，在该散热油脂104上配置有第二自组装单分子膜103b，在该第二自组装单分子膜103b上配置有第二构件102。即，在一个实施方式中，在第一构件101和第二构件102上分别配置有第一自组装单分子膜103a和第二自组装单分子膜103b，在该第一自组装单分子膜103a与第二自组装单分子膜103b之间配置有散热油脂104。在本实施方式中，将自组装单分子膜分别设置在第一构件的表面和第二构件的表面上。予以说明，第一自组装单分子膜和第二自组装单分子膜彼此独立，可由相同的材质构成，也可由不同的材质构成。再有，即使在图1A至图1C的构成中没有配置散热油脂的情况下，认为热传导性也提高。
通过成为本实施方式的构成，能够提高第一构件和第二构件之间的热传导性。作为提高热传导性的理由，推测为以下的理由。自组装单分子膜在构件表面上有规则地取向，另外，与构件表面化学键合，因此能够经由声子的移动有效率地接受来自构件的热。而且，在构件表面上有规则地取向的自组装单分子膜对于散热油脂能够有效率地传递热。特别地，如上所述，在自组装单分子膜具有疏水性基团的情况下，认为疏水性基团进入散热油脂中，热传导有效率地发生。另外，在构件表面上只是配置散热油脂的现有的方法中，有时在存在于构件上的凹凸上残留气泡。如果在凹凸上气泡残留，则散热油脂在该部分不能与构件表面相接，热传导降低。另一方面，如本实施方式那样，通过在构件表面上形成自组装单分子膜，从而能够抑制空气等的气泡被卷入在构件表面存在的凹凸。由于以上的理由，推测能够提高第一构件和第二构件之间的热传导性。予以说明，本实施方式不受该推测限制。
2.半导体装置
以下参照附图对本实施方式涉及的半导体装置的构成例进行说明。图2为半导体装置2的立体图。半导体装置2为将多个电力卡10和多个冷却器3层叠而成的单元。予以说明，在图2中，只对一个电力卡标注附图标记10，对其他电力卡省略了附图标记。同样地，在图2中，只对一个冷却器标注附图标记3，对其他冷却器省略了附图标记。另外，以可看到半导体装置2的整体的方式，用虚线描绘了收容半导体装置2的壳体31。1个电力卡10被2个冷却器3夹持。在电力卡10与一个冷却器3之间夹持着绝缘板6a，在电力卡10与另一冷却器3之间夹持着绝缘板6b。在电力卡10与绝缘板6a、6b之间涂布油脂20a、20b(参照图3)。在绝缘板6a、6b与冷却器3之间涂布油脂9a、9b(参照图3)。在图2中省略了油脂的图示。另外，为了容易理解，图2是将1个电力卡10和绝缘板6a、6b从半导体装置2抽出而描绘的。
在一个电力卡10中收容有4个半导体元件。4个半导体元件具体地为2个晶体管Ta、Tb和2个二极管Da、Db。利用通过冷却器3的冷媒，将半导体元件冷却。冷媒为液体，典型地为水。
电力卡10和冷却器3都为平板型，以多个侧面中最大面积的平坦面相对向的方式被层叠。电力卡10与冷却器3交替地层叠，冷却器3位于在单元的层叠方向的两端。将多个冷却器3用连结管5a、5b连结。冷媒供给管4a和冷媒排出管4b连结至位于单元的层叠方向的一端的冷却器3。通过冷媒供给管4a所供给的冷媒通过连结管5a分配至全部的冷却器3。在冷媒通过各冷却器3的期间，从邻接的电力卡10吸收热。通过了各冷却器3的冷媒通过连结管5b，从冷媒排出管4b被排出。
半导体装置2收容于壳体31时，将板簧32插入单元的层叠方向的另一端侧。利用该板簧32，从层叠方向的两侧对将电力卡10、绝缘板6a、6b和冷却器3层叠而成的单元施加负荷。该负荷例如为1～10[kN]。在绝缘板6a、6b与电力卡10之间涂布有油脂20a、20b。通过施加负荷，从而将油脂的层拉伸得薄，提高从电力卡10到冷却器3的传热效率。另外，在电力卡的平坦面10a、10b分别形成有自组装单分子膜(未图示)。由于自组装单分子膜的存在，能够提高在电力卡10中产生的热向油脂20a、20b的传导。电力卡10直接地被绝缘板6a、6b夺取热。因此，绝缘板6a、6b作为本实施方式中的散热构件发挥功能。
半导体装置2中，在收容了半导体元件(各元件Ta、Tb、Da、Db)的电力卡10的表面形成有自组装单分子膜，油脂20a、20b配置在该自组装单分子膜与绝缘板6a、6b之间。另外，在其他实施方式中，可以不是电力卡10的平坦面10a、10b而是在绝缘板6a、6b的表面形成有自组装单分子膜。另外，在其它实施方式中，可以除了电力卡10的平坦面10a、10b以外在绝缘板6a、6b的表面也形成有自组装单分子膜。另外，在其他实施方式中，可在绝缘板6a、6b的表面和/或冷却器3的表面形成有自组装单分子膜。
对电力卡10进行说明。在电力卡10中，在与绝缘板6a相对向的一个平坦面10a上，散热板16a、16b露出。如上所述，在平坦面10a形成有自组装单分子膜，在自组装单分子膜与绝缘板6a之间配置有油脂20a。在与平坦面10a相反侧的平坦面10b，另外的散热板17(在图2中未图示)露出。在平坦面10b形成有自组装单分子膜，在自组装单分子膜与绝缘板6b之间配置有油脂20b。3个电极端子7a、7b、7c从电力卡10的上表面(朝向图中Z轴的正方向的面)伸出，控制端子29从下表面(朝向图中Z轴方向的负方向的面)伸出。
参照图3对电力卡10与冷却器3之间的结构进行说明。图3为用与图中的坐标系的XY面平行且将晶体管Ta和Tb横切的平面将图2的电力卡10切割的截面图。
首先，对电力卡10的内部结构进行说明。4个半导体元件(晶体管Ta、Tb、二极管Da、Db)收容于树脂制的封装件13。封装件13采用注射成型形成，将半导体元件密封。予以说明，以下有时将电力卡10的平坦面10a、10b称为封装件13的平坦面10a、10b。在图所示的实施方式中，在平坦面10a、10b存在包含金属制的散热板的部分和树脂制的封装件部分，在包含它们的平坦面10a、10b的全部区域形成有自组装单分子膜。
所有的半导体元件都为平坦芯片。在晶体管Ta(Tb)的芯片的一个平坦面上露出集电电极，在另一个平坦面上露出发射极。采用焊料15将晶体管Ta的一个平坦面的电极与散热板16a的背面接合。散热板16a的表面在封装件13的平坦面10a露出。将晶体管Ta的另一平坦面的电极经由导电性的间隔件14采用焊料15与散热板17的背面接合。散热板17的表面在封装件13的平坦面10b露出。予以说明，将晶体管Ta(Tb)的栅电极设置在芯片的一个平坦面的端部。另外，晶体管Tb的各电极也与晶体管Ta同样地，利用焊料15和间隔件14接合于散热板16b和散热板17。
散热板16a为电极端子7a的一部分。在用于将晶体管Ta的电极与外部的其他器件连接的电极端子7a中，在封装件13的平坦面10a露出的部位相当于散热板16a。电极端子7a与晶体管Ta的电极相接，因此容易传送晶体管Ta的内部的热。另一方面，冷却器3由铝(导电性金属)制作，因此需要与散热板16a绝缘。因此，半导体装置2在冷却器3与散热板16a(电力卡10)之间夹持着绝缘板6a。绝缘板6a、6b由薄、绝缘性高、传热性也良好的陶瓷制作。散热板16a(电极端子7a)和间隔件14由导电性和传热性优异的铜制作。散热板16b、散热板17也同样。
与散热板16a同样地，散热板16b、17也各自为电极端子7b、7c的一部分。另外，与晶体管Ta、Tb同样地，二极管Da、Db也为平坦的芯片。与晶体管Ta、Tb同样地，在二极管Da、Db的平坦面露出的电极与散热板16a、16b、17连接。
如图3所示，在电力卡10的平坦面10a形成有自组装单分子膜(未图示)，在其上涂布有油脂20a。油脂20a涂布在散热板16a、散热板16b的整个表面和封装件13的平坦面10a与绝缘板6a之间。同样地，在电力卡10的平坦面10b形成有自组装单分子膜，在其上涂布有油脂20b。即，在散热板17与绝缘板6b之间也涂布有与油脂20a同样的油脂20b。
在绝缘板6a与冷却器3之间涂布有油脂9a。同样地，在绝缘板6b与冷却器3之间也涂布有油脂9b。绝缘板6a、6b例如由氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)制作。
半导体装置2能够用于电动汽车(例如混合动力汽车)的驱动系的逆变器。
实施例
以下对与本实施方式有关的一些实施例进行说明，但本实施方式并不受实施例限制。
(实施例1)
作为用于测定热导率的器具，准备了第一测定夹具51和第二测定夹具52。第一测定夹具51具有测定热导率时被冷却的部分即冷却部51a、和第一柱状部51b，为铝制。另外，第二测定夹具52具有测定热导率时被加热的部分即加热部52a、和第二柱状部52b，为铝制。另外，在第一柱状部51b和第二柱状部52b中沿着厚度方向设置有多个用于配制热电偶的测定孔(未图示)。
作为SAM形成材料，使用3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷(GOPTS)，采用以下的顺序在图4所示的第一测定夹具51(铝制)的第一柱状部51b的顶面形成了SAM。予以说明，以下示出GOPTS的结构式。
【化1】
Figure BDA0002097558010000171
首先，对于第一柱状部51b的顶面，用丙酮进行10分钟的超声波清洗，接着，用乙醇进行10分钟的超声波清洗，进而用超纯水进行了10分钟的超声波清洗。
接着，对第一柱状部51b的顶面在大气压的室温下照射20分钟由准分子灯产生的真空紫外线光(VUV)。利用该VUV照射，将顶面清洗并将OH基导入顶面。
将通过VUV照射处理过的第一测定夹具51收容于特氟隆(注册商标)制反应容器中，导入于电炉，在150℃下加热了10分钟。由此将反应容器和第一测定夹具51的吸附水除去。
将经过了该加热处理的第一测定夹具51和反应容器转移到湿度维持为7～12％(25℃下的相对湿度)的手套箱。在该手套箱内，在设于上述反应容器底部的基材支架上将第一测定夹具51以顶面成为上方的方式配置并固定。与第一测定夹具51一起将装入玻璃容器的SAM形成材料(GOPTS)配置在反应容器内。即，将第一测定夹具51和SAM形成材料收容于反应容器，将该反应容器密闭。
将密闭的反应容器在150℃的电炉内保持3小时，使GOPTS化学蒸镀于第一柱状部51b的顶面，在顶面形成了SAM。然后，将反应容器从电炉中取出并冷却。采用以上的方法，得到了在表面形成有来自GOPTS的SAM的第一测定夹具51。予以说明，测定了SAM表面的接触角，结果为约80°。
接着，在第二测定夹具52的第二柱状部52b的顶面涂布散热油脂(信越化学工业公司制造，商品名：X-23-7865-150)。接着，将形成有SAM的第一柱状部51b的顶面与涂布有散热油脂的第二柱状部52b的顶面如图4所示那样地结合，在第一测定夹具和第二测定夹具之间施加了规定的压力。图4中，附图标记53表示散热油脂。予以说明，在图4中，没有示出SAM。
接着，通过将冷却部51a保持在一定温度，加热加热部52a，从而在测定夹具的厚度方向上设置了一定的温度差。然后，由温度梯度求出传播的热流量，由该热流量算出热阻[℃/W]。将结果示于图5。在图5的坐标图中，横轴为压力[MPa]，纵轴为热阻[℃/W]。
(实施例2)
除了代替20分钟而将真空紫外线光(VUV)的照射时间设为180分钟以外，采用与实施例1同样的方法测定了热阻[℃/W]。将结果示于图5。
(比较例1)
除了使用了没有形成SAM的第一测定夹具51以外，与实施例1同样地测定了热阻[℃/W]。即，在比较例1中，在两测定夹具的顶面之间配置有散热油脂，没有形成SAM。将结果示于图5。
(比较例2)
除了使用没有形成SAM的第一测定夹具51，并且没有涂布散热油脂以外，与实施例1同样地测定了热阻[℃/W]。即，在比较例2中，在两测定夹具的顶面之间什么也没有配置，它们的顶面直接相接。将结果示于图5。
(比较例3)
采用与实施例1同样的方法，在第一测定夹具的顶面形成了来自十八烷基三甲氧基硅烷(ODS)的SAM。除了使用形成有来自该ODS的SAM的第一测定夹具51，并且没有涂布散热油脂以外，与实施例1同样地测定了热阻[℃/W]。即，在比较例3中，在第一测定夹具的顶面形成有来自ODS的SAM，该SAM与第二测定夹具的顶面相接。将结果示于图6。
(比较例4)
采用与实施例1同样的方法，在第一测定夹具的顶面和第二测定夹具的顶面形成了来自十八烷基三甲氧基硅烷(ODS)的SAM。除了使用形成有来自该ODS的SAM的第一测定夹具51和第二测定夹具52，并且没有涂布散热油脂以外，与实施例1同样地测定了热阻[℃/W]。即，在比较例4中，在两测定夹具的顶面形成有SAM，两SAM直接相接。将结果示于图6。
(比较例5)
除了使用没有形成SAM的第一测定夹具51，并且没有涂布散热油脂以外，与实施例1同样地测定了热阻[℃/W]。即，在比较例5中，在两测定夹具的顶面之间什么也没有配置，它们的表面直接相接。予以说明，比较例5相当于比较例2。将结果示于图6。
由图5和6所示的结果可知，在具有本实施方式涉及的热传导结构体的构成的情况下，热阻降低。即，可理解本实施方式涉及的热传导结构体具有优异的热传导性。
以上对本实施方式进行了详述，但具体的构成并不受该实施方式限定，即使是不脱离本公开的主旨的范围内的设计改变，它们也包含在本发明中。

Claims (9)

1.热传导结构体，其为热从第一构件向第二构件传导的热传导结构体，包含：在上述第一构件和上述第二构件中的至少一者的表面上形成的自组装单分子膜、以及在上述第一构件和上述第二构件之间与上述自组装单分子膜相接地配置的散热油脂。
2.权利要求1所述的热传导结构体，其中，形成上述自组装单分子膜的SAM形成材料具有头基，该头基与上述第一构件或第二构件的表面形成共价键。
3.权利要求2所述的热传导结构体，其中，上述头基与在上述第一构件或第二构件的表面存在的官能团形成共价键。
4.权利要求2或3所述的热传导结构体，其中，上述SAM形成材料除了上述头基以外还具有尾基，该尾基具有疏水性。
5.权利要求4所述的热传导结构体，其中，上述自组装单分子膜的水接触角为70°以上。
6.权利要求1～5中任一项所述的热传导结构体，其中，形成上述自组装单分子膜的SAM形成材料为有机硅烷化合物。
7.权利要求1～6中任一项所述的热传导结构体，其中，上述散热油脂包含矿物油、酯系合成油、合成烃油、硅油或氟化油作为基油。
8.权利要求1～7中任一项所述的热传导结构体，其中，上述第一构件为发热构件，上述第二构件为散热构件。
9.半导体装置，其为包含根据权利要求1～8中任一项所述的热传导结构体的半导体装置，其中，上述第一构件为半导体模块。
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