JP2004031485A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】温度センサを有する半導体装置において、半導体チップからの熱を効率良く温度センサに伝達し、半導体チップの温度変化を高精度に検出できるようにする。
【解決手段】ヒートシンクとして機能する放熱板２の一方の主面部２ａ上に凹部９を形成し、この凹部９内に放熱板２よりも熱伝導率の高い材料よりなる良熱伝導層３を配置する。そして、この良熱伝導層３上に絶縁層４を介して金属配線層５を設け、この金属配線層５に半導体チップ６を実装すると共に、温度センサ１０を良熱伝導層３に密着させて取り付ける。
【選択図】 図２
【解決手段】ヒートシンクとして機能する放熱板２の一方の主面部２ａ上に凹部９を形成し、この凹部９内に放熱板２よりも熱伝導率の高い材料よりなる良熱伝導層３を配置する。そして、この良熱伝導層３上に絶縁層４を介して金属配線層５を設け、この金属配線層５に半導体チップ６を実装すると共に、温度センサ１０を良熱伝導層３に密着させて取り付ける。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作動時に発熱する半導体チップを有するパワーモジュール等の半導体装置に関し、特に、半導体チップの温度を測定する温度センサを備えた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力制御素子として知られるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体チップは、一般に、パッケージ内に封止されてパワーモジュールとして使用される。このようなパワーモジュールは、作動時に半導体チップの温度が大幅に上昇することから、この半導体チップの熱破壊を抑制するための対策を講じることが求められる。このような観点から、パワーモジュールに温度センサを設けて半導体チップの温度変化を検出し、半導体チップの温度が所定の温度を超えた場合には、当該半導体チップへの電力供給を制限する等の制御を行う試みがなされている。
【０００３】
温度センサが設けられたパワーモジュールとしては、例えば特開２０００−６０１０５号公報にて開示されるものが提案されている。この特開２０００−６０１０５号公報にて開示されるパワーモジュールは、半導体チップと金属細線を介して接続された電極端子がパッケージ表面から露出した構造となっており、この電極端子に絶縁材を介して温度センサを取り付けて、この温度センサにより半導体チップの温度を測定するようにしたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のようなパワーモジュールでは、半導体チップからの熱が金属細線、電極端子、絶縁材を介して温度センサに伝達され、この温度センサに伝達された熱量から半導体チップの温度を測定するようになっている。しかしながら、このパワーモジュールでは、金属細線自体やこの金属細線と半導体チップ及び電極端子との接合箇所における熱抵抗が大きいために、半導体チップと温度センサとの間で良好な熱の伝達効率が得られず、半導体チップの温度変化を必ずしも高精度に検出できないといった問題がある。
【０００５】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、半導体チップからの熱を効率良く温度センサに伝達し、半導体チップの温度変化を高精度に検出できるようにした半導体装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、放熱板の一方の主面部上に絶縁層を介して金属配線層が形成され、この金属配線層に半導体チップが実装されてなるものであって、放熱板と金属配線層との間に、放熱板よりも熱伝導率の高い材料よりなる良熱伝導層を設けて、この良熱伝導層に温度センサを取り付けるようにしたものである。この半導体装置では、半導体チップの作動時に発生する熱が、金属配線層及び良熱伝導層を介して効率良く温度センサに伝達される。
【０００７】
【発明の効果】
本発明に係る半導体装置によれば、半導体チップの作動時に発生する熱が、半導体チップが実装される金属配線層と、この金属配線層と放熱板との間に設けられた良熱伝導層とを介して効率良く温度センサに伝達されるようになっているので、この温度センサによって半導体チップの温度変化を高精度に検出することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、ここでは３相モータの駆動制御に用いられるパワーモジュールに対して本発明を適用した例について具体的に説明するが、本発明は、ここで説明する例に限らず、作動時に発熱する半導体チップを有するあらゆる半導体装置に対して有効に適用可能である。
【０００９】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について、図１乃至図４を参照して説明する。なお、図１は本発明を適用した第１の実施形態のパワーモジュール１を示す斜視図、図２はパワーモジュール１の分解斜視図、図３はパワーモジュール１の平面図、図４は図３におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００１０】
このパワーモジュール１は、ヒートシンクとして機能する放熱板２を備え、この放熱板２の一方の主面部２ａ上に、良熱伝導層３及び絶縁層４を介して６つの金属配線層５が設けられ、これら各金属配線層５にＩＧＢＴ等の半導体チップ６が各々実装された構造となっている。また、放熱板２の一方の主面部２ａ上には、樹脂材料よりなるモジュールケース７が接合され、このモジュールケース７により金属配線層５や半導体チップ６が覆われて、一体のモジュールとして構成されている。
【００１１】
放熱板２は、アルミニウム等の金属材料が板状に成形されてなるものであり、半導体チップ６等の各部材を支持すると共に、半導体チップ６で発生した熱を外部に放熱するヒートシンクとしての機能を有している。この放熱板２には、図４に示すように、冷却水の流路となる冷却水路８が形成されており、この冷却水路８を流れる冷却水に半導体チップ６からの熱を効果的に放熱できるようになっている。なお、図４ではモジュールケース７の図示を省略している。また、放熱板２の一方の主面部２ａ側には、図２に示すように、良熱伝導層３に対応した形状の凹部９が形成されている。そして、この放熱板２に形成された凹部９内に良熱伝導層３が配置されている。
【００１２】
良熱伝導層３は、例えば銅や銀のような、放熱板２よりも熱伝導率の高い材料が板状に成形されてなるものであり、放熱板２に形成された凹部９内に嵌合した状態で配設されている。なお、この良熱伝導層３は、放熱板２に形成された凹部９内に銅ペースト等を充填することで形成するようにしてもよい。この良熱伝導層３は、モジュールケース７の外部に張り出した張り出し部３ａを有しており、この良熱伝導層３の張り出し部３ａに、半導体チップ６の温度変化を検出するための温度センサ１０が取り付けられている。
【００１３】
温度センサ１０は、半導体チップ６から金属配線層５、絶縁層４、良熱伝導層３へと伝達された熱を感知してそれに応じた電気信号を出力するものであり、例えばサーミスタ等のような感熱素子が用いられる。この温度センサ１０は、良熱伝導層３の温度変化（半導体チップ６の温度変化）を確実に検出できるように、良熱伝導層３の張り出し部３ａに密着した状態で取り付けられる。具体的には、例えばモジュールケース７に突起を設け、モジュールケース７を放熱板２に接合したときに、このモジュールケース７に設けた突起で温度センサ１０を良熱伝導層３側に押圧して密着固定させるといった構造が採られる。また、例えば温度センサ１０のセンサ部を丸形端子形状とし、この温度センサ１０をネジ部材で良熱伝導層３の張り出し部３ａに固定する構造としてもよい。また、熱伝導率の高い接着材を用いて温度センサ１０を良熱伝導層３の張り出し部３ａに接着する構造としてもよい。
【００１４】
絶縁層４は、例えば窒化アルミニウム等の熱伝導性に優れた絶縁材料よりなり、良熱伝導層３上に接合されている。また、６つの金属配線層５は、銅等の金属材料が所定の形状で絶縁層４上にパターニング形成されてなり、これら各金属配線層４上に半導体チップ６が半田１１等によって各々実装されている。そして、半導体チップ６及び金属配線層５と良熱伝導層３との間の電気的絶縁が、絶縁層４によって図られる構造となっている。
【００１５】
以上のような構造のパワーモジュール１は、３相モータの制御回路に組み込まれ、６つの半導体チップ６のオンオフの切り替えが制御されることで、電源からの直流電流を所定の交流電流に変換して、３相モータを駆動制御するインバータとして用いられる。このとき、制御系の異常によって半導体チップ６に過電流が流れたり、或いは放熱系等に故障が生じていたりすると、半導体チップ６の温度が異常に上昇して、半導体チップ６に熱破壊が生じてしまう場合がある。そこで、このパワーモジュール１では、半導体チップ６の温度変化を温度センサ１０によって検出し、制御系にフィードバックするようになっている。
【００１６】
このパワーモジュール１において、半導体チップ６から発生した熱は、図４中の矢印で示すように、半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して良熱伝導層３に伝達される。ここで、半導体チップ６と半田１１、半田１１と金属配線層５、金属配線層５と絶縁層４、絶縁層４と良熱伝導層３は、それぞれある程度の接触面積をもって互いに接触しているので、各部材間の接合部における熱抵抗は比較的小さくなっている。また、半田１１、金属配線層５、絶縁層４の各部は熱伝導率の良好な材料よりなるので、半導体チップ６から発生した熱は、良熱伝導層３へと効率良く伝達されることになる。
【００１７】
良熱伝導層３へと伝達された半導体チップ６からの熱は、その一部が放熱板２に伝達されて、冷却水路８を流れる冷却水に放熱されることになるが、良熱伝導層３は放熱板２よりも熱伝導率の高い材料よりなるので、その多くが良熱伝導層３の面内方向に伝播して張り出し部３ａに取り付けられた温度センサ１０に伝達される。この温度センサ１０は、上述したように良熱伝導層３の張り出し部３ａに密着した状態となっているので、良熱伝導層３の温度変化、すなわち半導体チップ６の温度変化が、この温度センサ１０によって高精度に検出されることになる。
【００１８】
以上説明したように、本発明を適用したパワーモジュール１では、半導体チップ６からの熱が良熱伝導層３へと効率良く伝達され、この良熱伝導層３に取り付けられた温度センサ１０によって、良熱伝導層３の温度変化、すなわち、半導体チップ６の温度変化が高精度に検出される。したがって、このパワーモジュール１では、半導体チップ６の温度変化を適切に制御系にフィードバックして、半導体チップ６の熱破壊を未然に防止することができる。
【００１９】
また、このパワーモジュール１では、６つの半導体チップ６から発生した熱を良熱伝導層３に集めて、この良熱伝導層３に取り付けられた温度センサ１０で検出する構造となっているので、６つの半導体チップ６の温度変化を１つの温度センサ１０によって検出することができ、各半導体チップ６毎に温度センサ１０を設ける構造に比べて部品点数の削減を図り、低コスト化を実現することができる。
【００２０】
また、このパワーモジュール１では、絶縁層４によって半導体チップ６及び金属配線層５との電気的絶縁が図られた良熱伝導層３に温度センサ１０が取り付けられ、この温度センサ１０によって半導体チップ６の温度変化を検出するようになっているので、半導体チップ６と温度センサ１０との電気的絶縁を図るために新たな絶縁層を設ける必要がなく、構造の簡素化を実現することができる。
【００２１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図５乃至図７を参照して説明する。なお、図５は第２の実施形態のパワーモジュール２０を示す分解斜視図、図６はパワーモジュール２０の平面図、図７は図６におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【００２２】
この第２の実施形態のパワーモジュール２０は、良熱伝導層３に金属配線層５に対応した開口部３ｂが設けられて、良熱伝導層３が金属配線層５を囲む形状に形成されていることを特徴としている。また、これに併せて、良熱伝導層３が嵌合される放熱板２の凹部９も、良熱伝導層３に対応した形状とされている。そして、良熱伝導層３の端面と接触する凹部９の壁面には、放熱グリス２１が塗布されている。なお、その他の構成については、上述した第１の実施形態のパワーモジュール１と同様であるので、以下、第１の実施形態のパワーモジュール１と同様の構成については、図中同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００２３】
このパワーモジュール２０において、半導体チップ６から発生した熱は、図７中の矢印で示すように、半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達され、冷却水路８を流れる冷却水に放熱される。このとき、放熱板２に形成された凹部９内には、この放熱板２よりも熱伝導率の高い材料よりなる良熱伝導層３が配設され、凹部９の壁面と良熱伝導層３の端面とが互いに接触しているので、半導体チップ６から半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達された熱の多くが、良熱伝導層３に伝達されることになる。
【００２４】
ここで、放熱板２に形成された凹部９の壁面と良熱伝導層３の端面とは、ある程度の接触面積をもって互いに接触しているので、これらの接触面間における熱抵抗は比較的小さくなっており、特に、良熱伝導層３の端面と接触する凹部９の壁面には放熱グリス２１が塗布されているので、放熱板２に伝わった半導体チップ６からの熱は、良熱伝導層３へと効率良く伝達されることになる。そして、この良熱伝導層３の温度変化、すなわち半導体チップ６の温度変化が、温度センサ１０によって高精度に検出されることになる。
【００２５】
以上説明したように、第２の実施形態のパワーモジュール２０においても、上述した第１の実施形態のパワーモジュール１と同様に、半導体チップ６からの熱を効率良く良熱伝導層３へと伝達して、この良熱伝導層３に取り付けられた温度センサ１０によって、半導体チップ６の温度変化を高精度に検出することができる。また、６つの半導体チップ６の温度変化を１つの温度センサ１０によって検出することができるので、各半導体チップ６毎に温度センサ１０を設ける構造に比べて部品点数の削減を図り、低コスト化を実現することができる。また、絶縁層４によって半導体チップ６及び金属配線層５との電気的絶縁が図られた良熱伝導層３に温度センサ１０が取り付けられているので、半導体チップ６と温度センサ１０との電気的絶縁を図るために新たな絶縁層を設ける必要がなく、構造の簡素化を実現することができる。
【００２６】
更に、この第２の実施形態のパワーモジュール２０は、良熱伝導層３が金属配線層５を囲む形状に形成されており、金属配線層５の直下に位置する部分には良熱伝導層３が配置されない構造となっているので、良熱伝導層３によって放熱板２の放熱効果が阻害されることなく、半導体チップ６からの熱を放熱板２で効果的に放熱しながら、半導体チップ６の温度上昇を温度センサ１０によって高精度に検出することができる。すなわち、金属配線層５の直下に良熱伝導層３が配置されている場合には、この良熱伝導層３の熱伝導率が放熱板２の熱伝導率よりも高いために、半導体チップ６から金属配線層５に伝わった熱の殆どが良熱伝導層３に伝達されて、放熱板２による放熱効果が損なわれる場合もある。そこで、この第２の実施形態のパワーモジュール２０では、良熱伝導層３を金属配線層５を囲む形状に形成して、金属配線層５の直下に位置する部分に良熱伝導層３を配置しない構造とし、放熱板２による放熱効果を確保するようにしている。
【００２７】
なお、以上は、放熱板２に良熱伝導層３に対応した形状の凹部９を設け、この凹部９内に良熱伝導層３を配置した例について説明したが、放熱板２に凹部９を設けることなく、例えば図８に示すように、良熱伝導層３を絶縁層４内に埋設するかたちで放熱板２の一方の主面部２ａ上に配置するようにしてもよい。このような構造とした場合には、放熱板２に凹部９を形成する必要がないので、その分製造が容易となる。ただし、良熱伝導層３を放熱板９に設けた凹部９内に配置する構造とした場合には、良熱伝導層３の位置決めが容易となるので、良熱伝導層３に高精度な位置決めが求められる場合には、放熱板９に凹部９を設けてこの凹部９内に良熱伝導層３を配置する構造が望ましい。
【００２８】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図９乃至図１１を参照して説明する。なお、図９は第３の実施形態のパワーモジュール３０を示す分解斜視図、図１０はパワーモジュール３０の平面図、図１１は図１０におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【００２９】
この第３の実施形態のパワーモジュール３０は、良熱伝導層３が熱伝導率の異方性を有する材料を用いて形成され、良熱伝導層３の面内方向への熱伝導率が厚み方向への熱伝導率よりも高くされていることを特徴としている。具体的には、良熱伝導層３として、例えばカーボングラファイトのように結晶構造自体に異方性を有する材料を、面内方向への熱伝導率が厚み方向への熱伝導率よりも高くなるように切り出したものが用いられる。また、例えば、セラミック等よりなる熱伝導性の良好な棒状部材をその方向を揃えて樹脂成形したものを良熱伝導層３として用いるようにしてもよい。
【００３０】
また、第３の実施形態のパワーモジュール３０では、良熱伝導層３を以上のように構成したことに併せて、温度センサ１０が良熱伝導層３の端面に密着するように取り付けられている。なお、その他の構成については、上述した第１の実施形態のパワーモジュール１及び第２の実施形態のパワーモジュール２０と同様であるので、以下、第１の実施形態のパワーモジュール１及び第２の実施形態のパワーモジュール２０と同様の構成については、図中同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００３１】
このパワーモジュール３０において、半導体チップ６から発生した熱は、図１１中の矢印で示すように、半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達され、冷却水路８を流れる冷却水に放熱される。このとき、放熱板２に形成された凹部９内には、この放熱板２よりも熱伝導率の高い材料よりなる良熱伝導層３が配設され、凹部９の壁面と良熱伝導層３の端面とが放熱グリス２１を挟んで互いに接触しているので、半導体チップ６から半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達された熱の多くが、良熱伝導層３に伝達されることになる。ここで、良熱伝導層３は、上述したように面内方向への熱伝導率が厚み方向への熱伝導率よりも高くされているので、放熱板２から良熱伝導層３に伝達された熱は、他の部材への放熱が抑制されて、良熱伝導層３の面内方向に効率良く伝播して温度センサ１０に伝達されることになる。そして、この良熱伝導層３の温度変化、すなわち半導体チップ６の温度変化が、温度センサ１０によって高精度に検出されることになる。
【００３２】
以上説明したように、第３の実施形態のパワーモジュール３０においても、上述した第１の実施形態のパワーモジュール１や第２の実施形態のパワーモジュール２０と同様に、半導体チップ６からの熱を効率良く良熱伝導層３へと伝達して、この良熱伝導層３に取り付けられた温度センサ１０によって、半導体チップ６の温度変化を高精度に検出することができる。また、６つの半導体チップ６の温度変化を１つの温度センサ１０によって検出することができるので、各半導体チップ６毎に温度センサ１０を設ける構造に比べて部品点数の削減を図り、低コスト化を実現することができる。また、絶縁層４によって半導体チップ６及び金属配線層５との電気的絶縁が図られた良熱伝導層３に温度センサ１０が取り付けられているので、半導体チップ６と温度センサ１０との電気的絶縁を図るために新たな絶縁層を設ける必要がなく、構造の簡素化を実現することができる。
【００３３】
更に、この第３の実施形態のパワーモジュール３０では、良熱伝導層３の面内方向への熱伝導率が厚み方向への熱伝導率よりも高くされており、放熱板２から良熱伝導層３に伝達された熱が他の部材へ放熱されることが有効に抑制されているので、温度センサ１０への熱の伝達効率を更に良好なものとして、半導体チップ６の温度変化を温度センサ１０によって応答性良く検出することが可能となる。
【００３４】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について、図１２乃至図１４を参照して説明する。なお、図１２は第４の実施形態のパワーモジュール４０を示す分解斜視図、図１３はパワーモジュール４０の平面図、図１４は図１３におけるＤ−Ｄ線断面図である。
【００３５】
この第４の実施形態のパワーモジュール４０は、放熱板２に設けた凹部９の深さを良熱伝導層３の厚みよりも大きくし、この凹部９の底面の適所に突起４１を形成して、この突起４１によって良熱伝導層３を支持させることで、凹部９の底面と良熱伝導層３との間に空気層４２を形成するようにしたことを特徴としている。この突起４１は、例えば放熱板２に凹部９を形成する際に、その凹部９の底面の一部を隆起させることで形成するようにしてもよいし、また、凹部９の適所に樹脂やゴム等よりなる柱状部材を配置することで形成してもよい。なお、その他の構成については、上述した第１乃至第３の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０と同様であるので、以下、第１乃至第３の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０と同様の構成については、図中同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００３６】
このパワーモジュール４０において、半導体チップ６から発生した熱は、図１４中の矢印で示すように、半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達され、冷却水路８を流れる冷却水に放熱される。このとき、放熱板２に形成された凹部９内には、この放熱板２よりも熱伝導率の高い材料よりなる良熱伝導層３が配設され、凹部９の壁面と良熱伝導層３の端面とが放熱グリス２１を挟んで互いに接触しているので、半導体チップ６から半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達された熱の多くが、良熱伝導層３に伝達されることになる。ここで、良熱伝導層３は突起４１に支持された状態で凹部９内に配設され、凹部９の底面と良熱伝導層３との間には空気層４２が形成されているので、この空気層４２による断熱効果によって、放熱板２から良熱伝導層３に伝達された熱は良熱伝達層３で均一化され、速やかに温度センサ１０に伝達されることになる。そして、この良熱伝導層３の温度変化、すなわち半導体チップ６の温度変化が、温度センサ１０によって高精度に検出されることになる。
【００３７】
以上説明したように、第４の実施形態のパワーモジュール４０においても、上述した第１乃至第３の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０と同様に、半導体チップ６からの熱を効率良く良熱伝導層３へと伝達して、この良熱伝導層３に取り付けられた温度センサ１０によって、半導体チップ６の温度変化を高精度に検出することができる。また、６つの半導体チップ６の温度変化を１つの温度センサ１０によって検出することができるので、各半導体チップ６毎に温度センサ１０を設ける構造に比べて部品点数の削減を図り、低コスト化を実現することができる。また、絶縁層４によって半導体チップ６及び金属配線層５との電気的絶縁が図られた良熱伝導層３に温度センサ１０が取り付けられているので、半導体チップ６と温度センサ１０との電気的絶縁を図るために新たな絶縁層を設ける必要がなく、構造の簡素化を実現することができる。
【００３８】
更に、この第４の実施形態のパワーモジュール４０では、凹部９の底面と良熱伝導層３との間に形成された空気層４２の断熱効果によって、放熱板２から良熱伝導層３に伝達された熱が良熱伝達層３で均一化され、速やかに温度センサ１０に伝達されるので、半導体チップ６の温度変化を温度センサ１０によって更に応答性良く検出することが可能となる。
【００３９】
なお、以上は、凹部９の底面に突起４１を形成して、この突起４１により良熱伝導層３を支持することで、凹部９の底面と良熱伝導層３との間に空気層４２を形成するようにした例について説明したが、良熱伝導層３の下面（放熱板２側の面）の一部を隆起させて、この隆起した部分を凹部９の底面に当接させた状態で良熱伝導層３を凹部９内に配設することで、凹部９の底面と良熱伝導層３との間に空気層４２を形成するようにしてもよい。
【００４０】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について、図１５乃至図１７を参照して説明する。なお、図１５は第５の実施形態のパワーモジュール５０を示す分解斜視図、図１６はパワーモジュール５０の平面図、図１７は図１６におけるＥ−Ｅ線断面図である。
【００４１】
この第５の実施形態のパワーモジュール５０は、放熱板２に形成した凹部９の深さを良熱伝導層３の厚みよりも大きくし、この凹部９の壁面の上側をテーパ形状とすると共に、良熱伝導層３の端面を凹部９壁面と同様の傾斜角のテーパ形状として、これらテーパ形状とされた部分を互いに接触させるように、良熱伝導層３を凹部９内に配設することによって、凹部９の底面と良熱伝導層３との間に空気層５１を形成するようにしたことを特徴としている。なお、その他の構成については、上述した第１乃至第４の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０，４０と同様であるので、以下、第１乃至第４の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０，４０と同様の構成については、図中同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００４２】
このパワーモジュール５０において、半導体チップ６から発生した熱は、図１７中の矢印で示すように、半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達され、冷却水路８を流れる冷却水に放熱される。このとき、放熱板２に形成された凹部９内には、この放熱板２よりも熱伝導率の高い材料よりなる良熱伝導層３が配設され、凹部９の壁面上側と良熱伝導層３の端面とが互いに接触しているので、半導体チップ６から半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達された熱の多くが、良熱伝導層３に伝達されることになる。ここで、良熱伝導層３は、テーパ形状とされた端面が凹部９のテーパ形状とされた壁面上側に接触するようにして凹部９内に配設され、凹部９の底面と良熱伝導層３との間には空気層５１が形成されているので、この空気層５１による断熱効果によって、放熱板２から良熱伝導層３に伝達された熱は良熱伝達層３で均一化され、速やかに温度センサ１０に伝達されることになる。そして、この良熱伝導層３の温度変化、すなわち半導体チップ６の温度変化が、温度センサ１０によって高精度に検出されることになる。
【００４３】
以上説明したように、第５の実施形態のパワーモジュール５０においても、上述した第１乃至第４の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０，４０と同様に、半導体チップ６からの熱を効率良く良熱伝導層３へと伝達して、この良熱伝導層３に取り付けられた温度センサ１０によって、半導体チップ６の温度変化を高精度に検出することができる。また、６つの半導体チップ６の温度変化を１つの温度センサ１０によって検出することができるので、各半導体チップ６毎に温度センサ１０を設ける構造に比べて部品点数の削減を図り、低コスト化を実現することができる。また、絶縁層４によって半導体チップ６及び金属配線層５との電気的絶縁が図られた良熱伝導層３に温度センサ１０が取り付けられているので、半導体チップ６と温度センサ１０との電気的絶縁を図るために新たな絶縁層を設ける必要がなく、構造の簡素化を実現することができる。
【００４４】
また、この第５の実施形態のパワーモジュール５０では、上述した第４の実施形態のパワーモジュール４０と同様に、凹部９の底面と良熱伝導層３との間に形成された空気層５１の断熱効果によって、放熱板２から良熱伝導層３に伝達された熱が良熱伝達層３で均一化され、速やかに温度センサ１０に伝達されるので、半導体チップ６の温度変化を温度センサ１０によって更に応答性良く検出することが可能となる。
【００４５】
更に、この第５の実施形態のパワーモジュール５０では、良熱伝導層３の端面と放熱板２に形成された凹部９の壁面上側とが互いにテーパ形状とされて、これらテーパ形状とされた部分同士を接触させる構造となっており、良熱伝導層３と放熱板２との接触面積が大きくされ、且つ、良熱伝導層３が放熱板２側に押圧されて良熱伝導層３と放熱板２との密着性が増加するようになっているので、これらの間での接触熱抵抗を低減させて熱の伝達効率を更に高め、半導体チップ６の温度変化を温度センサ１０によって更に高精度に検出することが可能となる。
【００４６】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について、図１８乃至図２０を参照して説明する。なお、図１８は第６の実施形態のパワーモジュール６０を示す分解斜視図、図１９はパワーモジュール６０の平面図、図２０は図１９におけるＦ−Ｆ線断面図である。
【００４７】
この第６の実施形態のパワーモジュール６０は、放熱板２に形成した凹部９の深さを良熱伝導層３の厚みよりも大きくし、この凹部９の底面と良熱伝導層３との間に弾性を有する断熱材層６１を設けたことを特徴としている。この断熱材層６１は、例えばウレタンやシリコンゴム等のように熱伝導率が低く且つ弾力性に富む材料が良熱伝導層３に対応した形状に成形されてなるものであり、例えば良熱伝導層３の下面（放熱板２側の面）に設けられたスリット等に一部を嵌合させることで良熱伝導層３と一体化され、放熱板２に形成した凹部９の底面と良熱伝導層３との間に介装される。また、この断熱材層６１の外周部は、良熱伝導層３の外周端面を囲むように立設され、凹部９の外周壁面と良熱伝導層３の外周端面との間に介装されるようになっている。
【００４８】
なお、この断熱材層６１は、例えば低熱伝導性樹脂を良熱伝導層５の下面に一体成形することで形成してもよいし、また、放熱板９に形成した凹部９内に液状の樹脂材料を塗布してこれを硬化させることによって形成してもよい。このパワーモジュール６０におけるその他の構成については、上述した第１乃至第５の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０，４０，５０と同様であるので、以下、第１乃至第５の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０，４０，５０と同様の構成については、図中同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００４９】
このパワーモジュール６０において、半導体チップ６から発生した熱は、図２０中の矢印で示すように、半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達され、冷却水路８を流れる冷却水に放熱される。このとき、放熱板２に形成された凹部９内には、この放熱板２よりも熱伝導率の高い材料よりなる良熱伝導層３が配設され、凹部９の壁面と良熱伝導層３の端面とが互いに接触しているので、半導体チップ６から半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達された熱の多くが、良熱伝導層３に伝達されることになる。ここで、放熱板２に形成された凹部９の底面と良熱伝導層３との間には断熱材層６１が形成されているので、この断熱材層６１による断熱効果によって、放熱板２から良熱伝導層３に伝達された熱は良熱伝達層３で均一化され、速やかに温度センサ１０に伝達されることになる。そして、この良熱伝導層３の温度変化、すなわち半導体チップ６の温度変化が、温度センサ１０によって高精度に検出されることになる。
【００５０】
以上説明したように、第６の実施形態のパワーモジュール６０においても、上述した第１乃至第５の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０，４０，５０と同様に、半導体チップ６からの熱を効率良く良熱伝導層３へと伝達して、この良熱伝導層３に取り付けられた温度センサ１０によって、半導体チップ６の温度変化を高精度に検出することができる。また、６つの半導体チップ６の温度変化を１つの温度センサ１０によって検出することができるので、各半導体チップ６毎に温度センサ１０を設ける構造に比べて部品点数の削減を図り、低コスト化を実現することができる。また、絶縁層４によって半導体チップ６及び金属配線層５との電気的絶縁が図られた良熱伝導層３に温度センサ１０が取り付けられているので、半導体チップ６と温度センサ１０との電気的絶縁を図るために新たな絶縁層を設ける必要がなく、構造の簡素化を実現することができる。
【００５１】
また、この第６の実施形態のパワーモジュール６０では、凹部９の底面と良熱伝導層３との間に設けられた断熱材層６１の断熱効果によって、放熱板２から良熱伝導層３に伝達された熱が良熱伝達層３で均一化され、速やかに温度センサ１０に伝達されるので、半導体チップ６の温度変化を温度センサ１０によって更に応答性良く検出することが可能となる。
【００５２】
更に、この第６の実施形態のパワーモジュール６０では、凹部９の底面と良熱伝導層３との間に設けられた断熱材層６１が弾性を有しているので、良熱伝導層３の寸法精度がラフな場合であっても、断熱材層６１の弾性力によって良熱伝導層３が放熱板２側に押圧されて良熱伝導層３と放熱板２との密着性が増加するので、これらの間での接触熱抵抗を低減させて熱の伝達効率を更に高め、半導体チップ６の温度変化を温度センサ１０によって更に高精度に検出することが可能となる。
【００５３】
なお、以上は、良熱伝導層３の外周端面を断熱材層６１の外周部で囲むようにして、凹部９の外周壁面と良熱伝導層３の外周端面との間での断熱を図るようにした例について説明したが、例えば、凹部９の外周壁面と良熱伝導層３の外周端面との間に、断熱材として楔形の樹脂材を嵌め込むことによっても、同様の断熱効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態のパワーモジュールを示す斜視図である。
【図２】前記第１の実施形態のパワーモジュールを示す分解斜視図である。
【図３】前記第１の実施形態のパワーモジュールを示す平面図である。
【図４】図３におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図５】本発明を適用した第２の実施形態のパワーモジュールを示す分解斜視図である。
【図６】前記第２の実施形態のパワーモジュールを示す平面図である。
【図７】図６におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図８】前記第２の実施形態のパワーモジュールの他の例を示す断面図である。
【図９】本発明を適用した第３の実施形態のパワーモジュールを示す分解斜視図である。
【図１０】前記第３の実施形態のパワーモジュールを示す平面図である。
【図１１】図１０におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【図１２】本発明を適用した第４の実施形態のパワーモジュールを示す分解斜視図である。
【図１３】前記第４の実施形態のパワーモジュールを示す平面図である。
【図１４】図１３におけるＤ−Ｄ線断面図である。
【図１５】本発明を適用した第５の実施形態のパワーモジュールを示す分解斜視図である。
【図１６】前記第５の実施形態のパワーモジュールを示す平面図である。
【図１７】図１６におけるＥ−Ｅ線断面図である。
【図１８】本発明を適用した第６の実施形態のパワーモジュールを示す分解斜視図である。
【図１９】前記第６の実施形態のパワーモジュールを示す平面図である。
【図２０】図１９におけるＦ−Ｆ線断面図である。
【符号の説明】
１ パワーモジュール
２ 放熱板
３ 良熱伝導層
５ 金属配線層
６ 半導体チップ
９ 凹部
１０ 温度センサ
２０ パワーモジュール
２１ 放熱グリス
３０ パワーモジュール
４０ パワーモジュール
４１ 突起
４２ 空気層
５０ パワーモジュール
５１ 空気層
６０ パワーモジュール
６１ 断熱材層
【発明の属する技術分野】
本発明は、作動時に発熱する半導体チップを有するパワーモジュール等の半導体装置に関し、特に、半導体チップの温度を測定する温度センサを備えた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力制御素子として知られるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体チップは、一般に、パッケージ内に封止されてパワーモジュールとして使用される。このようなパワーモジュールは、作動時に半導体チップの温度が大幅に上昇することから、この半導体チップの熱破壊を抑制するための対策を講じることが求められる。このような観点から、パワーモジュールに温度センサを設けて半導体チップの温度変化を検出し、半導体チップの温度が所定の温度を超えた場合には、当該半導体チップへの電力供給を制限する等の制御を行う試みがなされている。
【０００３】
温度センサが設けられたパワーモジュールとしては、例えば特開２０００−６０１０５号公報にて開示されるものが提案されている。この特開２０００−６０１０５号公報にて開示されるパワーモジュールは、半導体チップと金属細線を介して接続された電極端子がパッケージ表面から露出した構造となっており、この電極端子に絶縁材を介して温度センサを取り付けて、この温度センサにより半導体チップの温度を測定するようにしたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のようなパワーモジュールでは、半導体チップからの熱が金属細線、電極端子、絶縁材を介して温度センサに伝達され、この温度センサに伝達された熱量から半導体チップの温度を測定するようになっている。しかしながら、このパワーモジュールでは、金属細線自体やこの金属細線と半導体チップ及び電極端子との接合箇所における熱抵抗が大きいために、半導体チップと温度センサとの間で良好な熱の伝達効率が得られず、半導体チップの温度変化を必ずしも高精度に検出できないといった問題がある。
【０００５】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、半導体チップからの熱を効率良く温度センサに伝達し、半導体チップの温度変化を高精度に検出できるようにした半導体装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、放熱板の一方の主面部上に絶縁層を介して金属配線層が形成され、この金属配線層に半導体チップが実装されてなるものであって、放熱板と金属配線層との間に、放熱板よりも熱伝導率の高い材料よりなる良熱伝導層を設けて、この良熱伝導層に温度センサを取り付けるようにしたものである。この半導体装置では、半導体チップの作動時に発生する熱が、金属配線層及び良熱伝導層を介して効率良く温度センサに伝達される。
【０００７】
【発明の効果】
本発明に係る半導体装置によれば、半導体チップの作動時に発生する熱が、半導体チップが実装される金属配線層と、この金属配線層と放熱板との間に設けられた良熱伝導層とを介して効率良く温度センサに伝達されるようになっているので、この温度センサによって半導体チップの温度変化を高精度に検出することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、ここでは３相モータの駆動制御に用いられるパワーモジュールに対して本発明を適用した例について具体的に説明するが、本発明は、ここで説明する例に限らず、作動時に発熱する半導体チップを有するあらゆる半導体装置に対して有効に適用可能である。
【０００９】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について、図１乃至図４を参照して説明する。なお、図１は本発明を適用した第１の実施形態のパワーモジュール１を示す斜視図、図２はパワーモジュール１の分解斜視図、図３はパワーモジュール１の平面図、図４は図３におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００１０】
このパワーモジュール１は、ヒートシンクとして機能する放熱板２を備え、この放熱板２の一方の主面部２ａ上に、良熱伝導層３及び絶縁層４を介して６つの金属配線層５が設けられ、これら各金属配線層５にＩＧＢＴ等の半導体チップ６が各々実装された構造となっている。また、放熱板２の一方の主面部２ａ上には、樹脂材料よりなるモジュールケース７が接合され、このモジュールケース７により金属配線層５や半導体チップ６が覆われて、一体のモジュールとして構成されている。
【００１１】
放熱板２は、アルミニウム等の金属材料が板状に成形されてなるものであり、半導体チップ６等の各部材を支持すると共に、半導体チップ６で発生した熱を外部に放熱するヒートシンクとしての機能を有している。この放熱板２には、図４に示すように、冷却水の流路となる冷却水路８が形成されており、この冷却水路８を流れる冷却水に半導体チップ６からの熱を効果的に放熱できるようになっている。なお、図４ではモジュールケース７の図示を省略している。また、放熱板２の一方の主面部２ａ側には、図２に示すように、良熱伝導層３に対応した形状の凹部９が形成されている。そして、この放熱板２に形成された凹部９内に良熱伝導層３が配置されている。
【００１２】
良熱伝導層３は、例えば銅や銀のような、放熱板２よりも熱伝導率の高い材料が板状に成形されてなるものであり、放熱板２に形成された凹部９内に嵌合した状態で配設されている。なお、この良熱伝導層３は、放熱板２に形成された凹部９内に銅ペースト等を充填することで形成するようにしてもよい。この良熱伝導層３は、モジュールケース７の外部に張り出した張り出し部３ａを有しており、この良熱伝導層３の張り出し部３ａに、半導体チップ６の温度変化を検出するための温度センサ１０が取り付けられている。
【００１３】
温度センサ１０は、半導体チップ６から金属配線層５、絶縁層４、良熱伝導層３へと伝達された熱を感知してそれに応じた電気信号を出力するものであり、例えばサーミスタ等のような感熱素子が用いられる。この温度センサ１０は、良熱伝導層３の温度変化（半導体チップ６の温度変化）を確実に検出できるように、良熱伝導層３の張り出し部３ａに密着した状態で取り付けられる。具体的には、例えばモジュールケース７に突起を設け、モジュールケース７を放熱板２に接合したときに、このモジュールケース７に設けた突起で温度センサ１０を良熱伝導層３側に押圧して密着固定させるといった構造が採られる。また、例えば温度センサ１０のセンサ部を丸形端子形状とし、この温度センサ１０をネジ部材で良熱伝導層３の張り出し部３ａに固定する構造としてもよい。また、熱伝導率の高い接着材を用いて温度センサ１０を良熱伝導層３の張り出し部３ａに接着する構造としてもよい。
【００１４】
絶縁層４は、例えば窒化アルミニウム等の熱伝導性に優れた絶縁材料よりなり、良熱伝導層３上に接合されている。また、６つの金属配線層５は、銅等の金属材料が所定の形状で絶縁層４上にパターニング形成されてなり、これら各金属配線層４上に半導体チップ６が半田１１等によって各々実装されている。そして、半導体チップ６及び金属配線層５と良熱伝導層３との間の電気的絶縁が、絶縁層４によって図られる構造となっている。
【００１５】
以上のような構造のパワーモジュール１は、３相モータの制御回路に組み込まれ、６つの半導体チップ６のオンオフの切り替えが制御されることで、電源からの直流電流を所定の交流電流に変換して、３相モータを駆動制御するインバータとして用いられる。このとき、制御系の異常によって半導体チップ６に過電流が流れたり、或いは放熱系等に故障が生じていたりすると、半導体チップ６の温度が異常に上昇して、半導体チップ６に熱破壊が生じてしまう場合がある。そこで、このパワーモジュール１では、半導体チップ６の温度変化を温度センサ１０によって検出し、制御系にフィードバックするようになっている。
【００１６】
このパワーモジュール１において、半導体チップ６から発生した熱は、図４中の矢印で示すように、半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して良熱伝導層３に伝達される。ここで、半導体チップ６と半田１１、半田１１と金属配線層５、金属配線層５と絶縁層４、絶縁層４と良熱伝導層３は、それぞれある程度の接触面積をもって互いに接触しているので、各部材間の接合部における熱抵抗は比較的小さくなっている。また、半田１１、金属配線層５、絶縁層４の各部は熱伝導率の良好な材料よりなるので、半導体チップ６から発生した熱は、良熱伝導層３へと効率良く伝達されることになる。
【００１７】
良熱伝導層３へと伝達された半導体チップ６からの熱は、その一部が放熱板２に伝達されて、冷却水路８を流れる冷却水に放熱されることになるが、良熱伝導層３は放熱板２よりも熱伝導率の高い材料よりなるので、その多くが良熱伝導層３の面内方向に伝播して張り出し部３ａに取り付けられた温度センサ１０に伝達される。この温度センサ１０は、上述したように良熱伝導層３の張り出し部３ａに密着した状態となっているので、良熱伝導層３の温度変化、すなわち半導体チップ６の温度変化が、この温度センサ１０によって高精度に検出されることになる。
【００１８】
以上説明したように、本発明を適用したパワーモジュール１では、半導体チップ６からの熱が良熱伝導層３へと効率良く伝達され、この良熱伝導層３に取り付けられた温度センサ１０によって、良熱伝導層３の温度変化、すなわち、半導体チップ６の温度変化が高精度に検出される。したがって、このパワーモジュール１では、半導体チップ６の温度変化を適切に制御系にフィードバックして、半導体チップ６の熱破壊を未然に防止することができる。
【００１９】
また、このパワーモジュール１では、６つの半導体チップ６から発生した熱を良熱伝導層３に集めて、この良熱伝導層３に取り付けられた温度センサ１０で検出する構造となっているので、６つの半導体チップ６の温度変化を１つの温度センサ１０によって検出することができ、各半導体チップ６毎に温度センサ１０を設ける構造に比べて部品点数の削減を図り、低コスト化を実現することができる。
【００２０】
また、このパワーモジュール１では、絶縁層４によって半導体チップ６及び金属配線層５との電気的絶縁が図られた良熱伝導層３に温度センサ１０が取り付けられ、この温度センサ１０によって半導体チップ６の温度変化を検出するようになっているので、半導体チップ６と温度センサ１０との電気的絶縁を図るために新たな絶縁層を設ける必要がなく、構造の簡素化を実現することができる。
【００２１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図５乃至図７を参照して説明する。なお、図５は第２の実施形態のパワーモジュール２０を示す分解斜視図、図６はパワーモジュール２０の平面図、図７は図６におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【００２２】
この第２の実施形態のパワーモジュール２０は、良熱伝導層３に金属配線層５に対応した開口部３ｂが設けられて、良熱伝導層３が金属配線層５を囲む形状に形成されていることを特徴としている。また、これに併せて、良熱伝導層３が嵌合される放熱板２の凹部９も、良熱伝導層３に対応した形状とされている。そして、良熱伝導層３の端面と接触する凹部９の壁面には、放熱グリス２１が塗布されている。なお、その他の構成については、上述した第１の実施形態のパワーモジュール１と同様であるので、以下、第１の実施形態のパワーモジュール１と同様の構成については、図中同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００２３】
このパワーモジュール２０において、半導体チップ６から発生した熱は、図７中の矢印で示すように、半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達され、冷却水路８を流れる冷却水に放熱される。このとき、放熱板２に形成された凹部９内には、この放熱板２よりも熱伝導率の高い材料よりなる良熱伝導層３が配設され、凹部９の壁面と良熱伝導層３の端面とが互いに接触しているので、半導体チップ６から半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達された熱の多くが、良熱伝導層３に伝達されることになる。
【００２４】
ここで、放熱板２に形成された凹部９の壁面と良熱伝導層３の端面とは、ある程度の接触面積をもって互いに接触しているので、これらの接触面間における熱抵抗は比較的小さくなっており、特に、良熱伝導層３の端面と接触する凹部９の壁面には放熱グリス２１が塗布されているので、放熱板２に伝わった半導体チップ６からの熱は、良熱伝導層３へと効率良く伝達されることになる。そして、この良熱伝導層３の温度変化、すなわち半導体チップ６の温度変化が、温度センサ１０によって高精度に検出されることになる。
【００２５】
以上説明したように、第２の実施形態のパワーモジュール２０においても、上述した第１の実施形態のパワーモジュール１と同様に、半導体チップ６からの熱を効率良く良熱伝導層３へと伝達して、この良熱伝導層３に取り付けられた温度センサ１０によって、半導体チップ６の温度変化を高精度に検出することができる。また、６つの半導体チップ６の温度変化を１つの温度センサ１０によって検出することができるので、各半導体チップ６毎に温度センサ１０を設ける構造に比べて部品点数の削減を図り、低コスト化を実現することができる。また、絶縁層４によって半導体チップ６及び金属配線層５との電気的絶縁が図られた良熱伝導層３に温度センサ１０が取り付けられているので、半導体チップ６と温度センサ１０との電気的絶縁を図るために新たな絶縁層を設ける必要がなく、構造の簡素化を実現することができる。
【００２６】
更に、この第２の実施形態のパワーモジュール２０は、良熱伝導層３が金属配線層５を囲む形状に形成されており、金属配線層５の直下に位置する部分には良熱伝導層３が配置されない構造となっているので、良熱伝導層３によって放熱板２の放熱効果が阻害されることなく、半導体チップ６からの熱を放熱板２で効果的に放熱しながら、半導体チップ６の温度上昇を温度センサ１０によって高精度に検出することができる。すなわち、金属配線層５の直下に良熱伝導層３が配置されている場合には、この良熱伝導層３の熱伝導率が放熱板２の熱伝導率よりも高いために、半導体チップ６から金属配線層５に伝わった熱の殆どが良熱伝導層３に伝達されて、放熱板２による放熱効果が損なわれる場合もある。そこで、この第２の実施形態のパワーモジュール２０では、良熱伝導層３を金属配線層５を囲む形状に形成して、金属配線層５の直下に位置する部分に良熱伝導層３を配置しない構造とし、放熱板２による放熱効果を確保するようにしている。
【００２７】
なお、以上は、放熱板２に良熱伝導層３に対応した形状の凹部９を設け、この凹部９内に良熱伝導層３を配置した例について説明したが、放熱板２に凹部９を設けることなく、例えば図８に示すように、良熱伝導層３を絶縁層４内に埋設するかたちで放熱板２の一方の主面部２ａ上に配置するようにしてもよい。このような構造とした場合には、放熱板２に凹部９を形成する必要がないので、その分製造が容易となる。ただし、良熱伝導層３を放熱板９に設けた凹部９内に配置する構造とした場合には、良熱伝導層３の位置決めが容易となるので、良熱伝導層３に高精度な位置決めが求められる場合には、放熱板９に凹部９を設けてこの凹部９内に良熱伝導層３を配置する構造が望ましい。
【００２８】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図９乃至図１１を参照して説明する。なお、図９は第３の実施形態のパワーモジュール３０を示す分解斜視図、図１０はパワーモジュール３０の平面図、図１１は図１０におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【００２９】
この第３の実施形態のパワーモジュール３０は、良熱伝導層３が熱伝導率の異方性を有する材料を用いて形成され、良熱伝導層３の面内方向への熱伝導率が厚み方向への熱伝導率よりも高くされていることを特徴としている。具体的には、良熱伝導層３として、例えばカーボングラファイトのように結晶構造自体に異方性を有する材料を、面内方向への熱伝導率が厚み方向への熱伝導率よりも高くなるように切り出したものが用いられる。また、例えば、セラミック等よりなる熱伝導性の良好な棒状部材をその方向を揃えて樹脂成形したものを良熱伝導層３として用いるようにしてもよい。
【００３０】
また、第３の実施形態のパワーモジュール３０では、良熱伝導層３を以上のように構成したことに併せて、温度センサ１０が良熱伝導層３の端面に密着するように取り付けられている。なお、その他の構成については、上述した第１の実施形態のパワーモジュール１及び第２の実施形態のパワーモジュール２０と同様であるので、以下、第１の実施形態のパワーモジュール１及び第２の実施形態のパワーモジュール２０と同様の構成については、図中同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００３１】
このパワーモジュール３０において、半導体チップ６から発生した熱は、図１１中の矢印で示すように、半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達され、冷却水路８を流れる冷却水に放熱される。このとき、放熱板２に形成された凹部９内には、この放熱板２よりも熱伝導率の高い材料よりなる良熱伝導層３が配設され、凹部９の壁面と良熱伝導層３の端面とが放熱グリス２１を挟んで互いに接触しているので、半導体チップ６から半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達された熱の多くが、良熱伝導層３に伝達されることになる。ここで、良熱伝導層３は、上述したように面内方向への熱伝導率が厚み方向への熱伝導率よりも高くされているので、放熱板２から良熱伝導層３に伝達された熱は、他の部材への放熱が抑制されて、良熱伝導層３の面内方向に効率良く伝播して温度センサ１０に伝達されることになる。そして、この良熱伝導層３の温度変化、すなわち半導体チップ６の温度変化が、温度センサ１０によって高精度に検出されることになる。
【００３２】
以上説明したように、第３の実施形態のパワーモジュール３０においても、上述した第１の実施形態のパワーモジュール１や第２の実施形態のパワーモジュール２０と同様に、半導体チップ６からの熱を効率良く良熱伝導層３へと伝達して、この良熱伝導層３に取り付けられた温度センサ１０によって、半導体チップ６の温度変化を高精度に検出することができる。また、６つの半導体チップ６の温度変化を１つの温度センサ１０によって検出することができるので、各半導体チップ６毎に温度センサ１０を設ける構造に比べて部品点数の削減を図り、低コスト化を実現することができる。また、絶縁層４によって半導体チップ６及び金属配線層５との電気的絶縁が図られた良熱伝導層３に温度センサ１０が取り付けられているので、半導体チップ６と温度センサ１０との電気的絶縁を図るために新たな絶縁層を設ける必要がなく、構造の簡素化を実現することができる。
【００３３】
更に、この第３の実施形態のパワーモジュール３０では、良熱伝導層３の面内方向への熱伝導率が厚み方向への熱伝導率よりも高くされており、放熱板２から良熱伝導層３に伝達された熱が他の部材へ放熱されることが有効に抑制されているので、温度センサ１０への熱の伝達効率を更に良好なものとして、半導体チップ６の温度変化を温度センサ１０によって応答性良く検出することが可能となる。
【００３４】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について、図１２乃至図１４を参照して説明する。なお、図１２は第４の実施形態のパワーモジュール４０を示す分解斜視図、図１３はパワーモジュール４０の平面図、図１４は図１３におけるＤ−Ｄ線断面図である。
【００３５】
この第４の実施形態のパワーモジュール４０は、放熱板２に設けた凹部９の深さを良熱伝導層３の厚みよりも大きくし、この凹部９の底面の適所に突起４１を形成して、この突起４１によって良熱伝導層３を支持させることで、凹部９の底面と良熱伝導層３との間に空気層４２を形成するようにしたことを特徴としている。この突起４１は、例えば放熱板２に凹部９を形成する際に、その凹部９の底面の一部を隆起させることで形成するようにしてもよいし、また、凹部９の適所に樹脂やゴム等よりなる柱状部材を配置することで形成してもよい。なお、その他の構成については、上述した第１乃至第３の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０と同様であるので、以下、第１乃至第３の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０と同様の構成については、図中同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００３６】
このパワーモジュール４０において、半導体チップ６から発生した熱は、図１４中の矢印で示すように、半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達され、冷却水路８を流れる冷却水に放熱される。このとき、放熱板２に形成された凹部９内には、この放熱板２よりも熱伝導率の高い材料よりなる良熱伝導層３が配設され、凹部９の壁面と良熱伝導層３の端面とが放熱グリス２１を挟んで互いに接触しているので、半導体チップ６から半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達された熱の多くが、良熱伝導層３に伝達されることになる。ここで、良熱伝導層３は突起４１に支持された状態で凹部９内に配設され、凹部９の底面と良熱伝導層３との間には空気層４２が形成されているので、この空気層４２による断熱効果によって、放熱板２から良熱伝導層３に伝達された熱は良熱伝達層３で均一化され、速やかに温度センサ１０に伝達されることになる。そして、この良熱伝導層３の温度変化、すなわち半導体チップ６の温度変化が、温度センサ１０によって高精度に検出されることになる。
【００３７】
以上説明したように、第４の実施形態のパワーモジュール４０においても、上述した第１乃至第３の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０と同様に、半導体チップ６からの熱を効率良く良熱伝導層３へと伝達して、この良熱伝導層３に取り付けられた温度センサ１０によって、半導体チップ６の温度変化を高精度に検出することができる。また、６つの半導体チップ６の温度変化を１つの温度センサ１０によって検出することができるので、各半導体チップ６毎に温度センサ１０を設ける構造に比べて部品点数の削減を図り、低コスト化を実現することができる。また、絶縁層４によって半導体チップ６及び金属配線層５との電気的絶縁が図られた良熱伝導層３に温度センサ１０が取り付けられているので、半導体チップ６と温度センサ１０との電気的絶縁を図るために新たな絶縁層を設ける必要がなく、構造の簡素化を実現することができる。
【００３８】
更に、この第４の実施形態のパワーモジュール４０では、凹部９の底面と良熱伝導層３との間に形成された空気層４２の断熱効果によって、放熱板２から良熱伝導層３に伝達された熱が良熱伝達層３で均一化され、速やかに温度センサ１０に伝達されるので、半導体チップ６の温度変化を温度センサ１０によって更に応答性良く検出することが可能となる。
【００３９】
なお、以上は、凹部９の底面に突起４１を形成して、この突起４１により良熱伝導層３を支持することで、凹部９の底面と良熱伝導層３との間に空気層４２を形成するようにした例について説明したが、良熱伝導層３の下面（放熱板２側の面）の一部を隆起させて、この隆起した部分を凹部９の底面に当接させた状態で良熱伝導層３を凹部９内に配設することで、凹部９の底面と良熱伝導層３との間に空気層４２を形成するようにしてもよい。
【００４０】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について、図１５乃至図１７を参照して説明する。なお、図１５は第５の実施形態のパワーモジュール５０を示す分解斜視図、図１６はパワーモジュール５０の平面図、図１７は図１６におけるＥ−Ｅ線断面図である。
【００４１】
この第５の実施形態のパワーモジュール５０は、放熱板２に形成した凹部９の深さを良熱伝導層３の厚みよりも大きくし、この凹部９の壁面の上側をテーパ形状とすると共に、良熱伝導層３の端面を凹部９壁面と同様の傾斜角のテーパ形状として、これらテーパ形状とされた部分を互いに接触させるように、良熱伝導層３を凹部９内に配設することによって、凹部９の底面と良熱伝導層３との間に空気層５１を形成するようにしたことを特徴としている。なお、その他の構成については、上述した第１乃至第４の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０，４０と同様であるので、以下、第１乃至第４の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０，４０と同様の構成については、図中同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００４２】
このパワーモジュール５０において、半導体チップ６から発生した熱は、図１７中の矢印で示すように、半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達され、冷却水路８を流れる冷却水に放熱される。このとき、放熱板２に形成された凹部９内には、この放熱板２よりも熱伝導率の高い材料よりなる良熱伝導層３が配設され、凹部９の壁面上側と良熱伝導層３の端面とが互いに接触しているので、半導体チップ６から半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達された熱の多くが、良熱伝導層３に伝達されることになる。ここで、良熱伝導層３は、テーパ形状とされた端面が凹部９のテーパ形状とされた壁面上側に接触するようにして凹部９内に配設され、凹部９の底面と良熱伝導層３との間には空気層５１が形成されているので、この空気層５１による断熱効果によって、放熱板２から良熱伝導層３に伝達された熱は良熱伝達層３で均一化され、速やかに温度センサ１０に伝達されることになる。そして、この良熱伝導層３の温度変化、すなわち半導体チップ６の温度変化が、温度センサ１０によって高精度に検出されることになる。
【００４３】
以上説明したように、第５の実施形態のパワーモジュール５０においても、上述した第１乃至第４の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０，４０と同様に、半導体チップ６からの熱を効率良く良熱伝導層３へと伝達して、この良熱伝導層３に取り付けられた温度センサ１０によって、半導体チップ６の温度変化を高精度に検出することができる。また、６つの半導体チップ６の温度変化を１つの温度センサ１０によって検出することができるので、各半導体チップ６毎に温度センサ１０を設ける構造に比べて部品点数の削減を図り、低コスト化を実現することができる。また、絶縁層４によって半導体チップ６及び金属配線層５との電気的絶縁が図られた良熱伝導層３に温度センサ１０が取り付けられているので、半導体チップ６と温度センサ１０との電気的絶縁を図るために新たな絶縁層を設ける必要がなく、構造の簡素化を実現することができる。
【００４４】
また、この第５の実施形態のパワーモジュール５０では、上述した第４の実施形態のパワーモジュール４０と同様に、凹部９の底面と良熱伝導層３との間に形成された空気層５１の断熱効果によって、放熱板２から良熱伝導層３に伝達された熱が良熱伝達層３で均一化され、速やかに温度センサ１０に伝達されるので、半導体チップ６の温度変化を温度センサ１０によって更に応答性良く検出することが可能となる。
【００４５】
更に、この第５の実施形態のパワーモジュール５０では、良熱伝導層３の端面と放熱板２に形成された凹部９の壁面上側とが互いにテーパ形状とされて、これらテーパ形状とされた部分同士を接触させる構造となっており、良熱伝導層３と放熱板２との接触面積が大きくされ、且つ、良熱伝導層３が放熱板２側に押圧されて良熱伝導層３と放熱板２との密着性が増加するようになっているので、これらの間での接触熱抵抗を低減させて熱の伝達効率を更に高め、半導体チップ６の温度変化を温度センサ１０によって更に高精度に検出することが可能となる。
【００４６】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について、図１８乃至図２０を参照して説明する。なお、図１８は第６の実施形態のパワーモジュール６０を示す分解斜視図、図１９はパワーモジュール６０の平面図、図２０は図１９におけるＦ−Ｆ線断面図である。
【００４７】
この第６の実施形態のパワーモジュール６０は、放熱板２に形成した凹部９の深さを良熱伝導層３の厚みよりも大きくし、この凹部９の底面と良熱伝導層３との間に弾性を有する断熱材層６１を設けたことを特徴としている。この断熱材層６１は、例えばウレタンやシリコンゴム等のように熱伝導率が低く且つ弾力性に富む材料が良熱伝導層３に対応した形状に成形されてなるものであり、例えば良熱伝導層３の下面（放熱板２側の面）に設けられたスリット等に一部を嵌合させることで良熱伝導層３と一体化され、放熱板２に形成した凹部９の底面と良熱伝導層３との間に介装される。また、この断熱材層６１の外周部は、良熱伝導層３の外周端面を囲むように立設され、凹部９の外周壁面と良熱伝導層３の外周端面との間に介装されるようになっている。
【００４８】
なお、この断熱材層６１は、例えば低熱伝導性樹脂を良熱伝導層５の下面に一体成形することで形成してもよいし、また、放熱板９に形成した凹部９内に液状の樹脂材料を塗布してこれを硬化させることによって形成してもよい。このパワーモジュール６０におけるその他の構成については、上述した第１乃至第５の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０，４０，５０と同様であるので、以下、第１乃至第５の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０，４０，５０と同様の構成については、図中同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００４９】
このパワーモジュール６０において、半導体チップ６から発生した熱は、図２０中の矢印で示すように、半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達され、冷却水路８を流れる冷却水に放熱される。このとき、放熱板２に形成された凹部９内には、この放熱板２よりも熱伝導率の高い材料よりなる良熱伝導層３が配設され、凹部９の壁面と良熱伝導層３の端面とが互いに接触しているので、半導体チップ６から半田１１、金属配線層５、絶縁層４を介して放熱板２に伝達された熱の多くが、良熱伝導層３に伝達されることになる。ここで、放熱板２に形成された凹部９の底面と良熱伝導層３との間には断熱材層６１が形成されているので、この断熱材層６１による断熱効果によって、放熱板２から良熱伝導層３に伝達された熱は良熱伝達層３で均一化され、速やかに温度センサ１０に伝達されることになる。そして、この良熱伝導層３の温度変化、すなわち半導体チップ６の温度変化が、温度センサ１０によって高精度に検出されることになる。
【００５０】
以上説明したように、第６の実施形態のパワーモジュール６０においても、上述した第１乃至第５の実施形態のパワーモジュール１，２０，３０，４０，５０と同様に、半導体チップ６からの熱を効率良く良熱伝導層３へと伝達して、この良熱伝導層３に取り付けられた温度センサ１０によって、半導体チップ６の温度変化を高精度に検出することができる。また、６つの半導体チップ６の温度変化を１つの温度センサ１０によって検出することができるので、各半導体チップ６毎に温度センサ１０を設ける構造に比べて部品点数の削減を図り、低コスト化を実現することができる。また、絶縁層４によって半導体チップ６及び金属配線層５との電気的絶縁が図られた良熱伝導層３に温度センサ１０が取り付けられているので、半導体チップ６と温度センサ１０との電気的絶縁を図るために新たな絶縁層を設ける必要がなく、構造の簡素化を実現することができる。
【００５１】
また、この第６の実施形態のパワーモジュール６０では、凹部９の底面と良熱伝導層３との間に設けられた断熱材層６１の断熱効果によって、放熱板２から良熱伝導層３に伝達された熱が良熱伝達層３で均一化され、速やかに温度センサ１０に伝達されるので、半導体チップ６の温度変化を温度センサ１０によって更に応答性良く検出することが可能となる。
【００５２】
更に、この第６の実施形態のパワーモジュール６０では、凹部９の底面と良熱伝導層３との間に設けられた断熱材層６１が弾性を有しているので、良熱伝導層３の寸法精度がラフな場合であっても、断熱材層６１の弾性力によって良熱伝導層３が放熱板２側に押圧されて良熱伝導層３と放熱板２との密着性が増加するので、これらの間での接触熱抵抗を低減させて熱の伝達効率を更に高め、半導体チップ６の温度変化を温度センサ１０によって更に高精度に検出することが可能となる。
【００５３】
なお、以上は、良熱伝導層３の外周端面を断熱材層６１の外周部で囲むようにして、凹部９の外周壁面と良熱伝導層３の外周端面との間での断熱を図るようにした例について説明したが、例えば、凹部９の外周壁面と良熱伝導層３の外周端面との間に、断熱材として楔形の樹脂材を嵌め込むことによっても、同様の断熱効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態のパワーモジュールを示す斜視図である。
【図２】前記第１の実施形態のパワーモジュールを示す分解斜視図である。
【図３】前記第１の実施形態のパワーモジュールを示す平面図である。
【図４】図３におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図５】本発明を適用した第２の実施形態のパワーモジュールを示す分解斜視図である。
【図６】前記第２の実施形態のパワーモジュールを示す平面図である。
【図７】図６におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図８】前記第２の実施形態のパワーモジュールの他の例を示す断面図である。
【図９】本発明を適用した第３の実施形態のパワーモジュールを示す分解斜視図である。
【図１０】前記第３の実施形態のパワーモジュールを示す平面図である。
【図１１】図１０におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【図１２】本発明を適用した第４の実施形態のパワーモジュールを示す分解斜視図である。
【図１３】前記第４の実施形態のパワーモジュールを示す平面図である。
【図１４】図１３におけるＤ−Ｄ線断面図である。
【図１５】本発明を適用した第５の実施形態のパワーモジュールを示す分解斜視図である。
【図１６】前記第５の実施形態のパワーモジュールを示す平面図である。
【図１７】図１６におけるＥ−Ｅ線断面図である。
【図１８】本発明を適用した第６の実施形態のパワーモジュールを示す分解斜視図である。
【図１９】前記第６の実施形態のパワーモジュールを示す平面図である。
【図２０】図１９におけるＦ−Ｆ線断面図である。
【符号の説明】
１ パワーモジュール
２ 放熱板
３ 良熱伝導層
５ 金属配線層
６ 半導体チップ
９ 凹部
１０ 温度センサ
２０ パワーモジュール
２１ 放熱グリス
３０ パワーモジュール
４０ パワーモジュール
４１ 突起
４２ 空気層
５０ パワーモジュール
５１ 空気層
６０ パワーモジュール
６１ 断熱材層
Claims (9)
- 放熱板の一方の主面部上に絶縁層を介して金属配線層が形成され、この金属配線層に半導体チップが実装されてなる半導体装置において、
前記放熱板と前記金属配線層との間に、前記放熱板よりも熱伝導率の高い材料よりなる良熱伝導層を設け、この良熱伝導層に温度センサを取り付けたこと
を特徴とする半導体装置。 - 前記良熱伝導層を、前記金属配線層を囲む形状に形成したこと
を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。 - 前記放熱板の一方の主面部側に前記良熱伝導層に対応した形状の凹部を形成し、この凹部内に前記良熱伝導層を配置したこと
を特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。 - 前記良熱伝導層の端面と接触する前記放熱板の接触面に放熱グリスを塗布したこと
を特徴とする請求項３に記載の半導体装置。 - 前記良熱伝導層を熱伝導率の異方性を有する材料を用いて形成し、当該良熱伝導層の面内方向への熱伝導率を厚み方向への熱伝導率よりも高くしたこと
を特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の半導体装置。 - 前記放熱板に形成した凹部の底面と前記良熱伝導層との間に空気層を設けたこと
を特徴とする請求項３に記載の半導体装置。 - 前記放熱板に形成した凹部の底面の一部に突起を形成し、この突起に前記良熱伝導層を支持させることで、前記放熱板に形成した凹部の底面と前記良熱伝導層との間に空気層を形成したこと
を特徴とする請求項６に記載の半導体装置。 - 前記放熱板に形成した凹部の壁面の上側と前記良熱伝導層の端面とをそれぞれテーパ形状とし、これらテーパ形状とされた部分を互いに接触させるように前記良熱伝導層を前記放熱板に形成した凹部内に配置することで、前記放熱板に形成した凹部の底面と前記良熱伝導層との間に空気層を形成したこと
を特徴とする請求項６に記載の半導体装置。 - 前記放熱板に形成した凹部の底面と前記良熱伝導層との間に弾性を有する断熱材層を設けたこと
を特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
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