JP2007142067A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性を低下させることなく熱伝達性能を向上させた半導体装置を提供する。
【解決手段】冷却器１３の一部に陽極酸化により酸化アルミニウム層２１を形成して、その上から電着塗装によってポリイミド層２２を形成することで、酸化アルミニウム層２１とポリイミド層２２からなる絶縁層２０を冷却器１３と一体化し、この絶縁層２０上に半導体素子を含む半導体モジュール１１を接合したバスバー１２を取り付ける。冷却器１３と絶縁層２０との間が一体化されているので、絶縁層２０と冷却器１３の間の接触界面が存在しなくなって界面における熱抵抗がなくなり、その分熱伝達特性が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。

半導体素子は、流される電流量に応じて発熱する。このため、半導体素子を有する半導体装置は冷却器が取り付けられている。

一方、半導体装置のなかには、装置全体の小型軽量化のために、半導体素子（半導体チップ）の電極が直接バスバーなどに取り付けられるように、電極を露出させた半導体モジュールを用いているものがある。このような半導体素子の電極が露出した半導体モジュールを非絶縁性半導体モジュールという。非絶縁性半導体モジュールは、絶縁性のシート（絶縁シート）を介して冷却器に取り付けて冷却を行っている（たとえば特許文献１）。

ここで用いられている絶縁シートは、十分な絶縁性を確保すると共に、できるだけ熱伝達特性を高めるために、様々な研究がなされ、その成分のなかにフィラーを含ませたものが開発されている（たとえば特許文献２）。
特開２００１−１１０９８５号公報 特開２００５−０６４２９１号公報

しかしながら、熱伝達特性を改良した絶縁シートを用いたとしても、絶縁シートを介在させることで、半導体モジュールと絶縁シートの間、および絶縁シートと冷却器の間の２つの接触界面が存在することとなり、このような異なる物質が接触する界面での熱抵抗も無視できないものとなっている。

そこで、本発明の目的は、絶縁性を低下させることなく熱伝達性能を向上させた半導体装置を提供することである。

上記諸目的を達成するための本発明は、少なくとも一つの半導体素子を有する発熱体と、一体化された絶縁層を備え、当該絶縁層上に前記発熱体が配置される冷却器と、を有する特徴とする半導体装置である。

ここで発熱体は、半導体素子自身であり、または半導体素子を含む半導体モジュールである。

本発明によれば、冷却器に絶縁層を一体化し、その絶縁層の上に半導体素子を含む発熱体、たとえば半導体素子そのものや半導体モジュールを配置することとしたので、冷却器と絶縁層が一体化されたことで冷却器と絶縁層との間の接触界面がなくなりその部分における熱抵抗をほとんどなくすことができるようになって熱伝達性能が向上する。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明を適用した半導体装置を示す断面図である。

この半導体装置１は、半導体素子（不図示）を内蔵し、その電極（不図示）の一部が露出している非絶縁性半導体モジュール１１と、この非絶縁性半導体モジュール１１から露出している電極と接続されたバスバー１２と、この非絶縁性半導体モジュール１１を冷却するための冷却器１３とを有する。

ここで非絶縁性半導体モジュール１１は、少なくとも１つの半導体素子を含むものであり、通常は複数の半導体素子が一つの絶縁性枠部材などに収められている。そして複数の半導体素子の共通の電極がモジュールから露出していて一つのバスバー１２に接合されている。この半導体素子の電極とバスバー１２は、はんだなどの導電性接着層１４により接合されている。なお、この接合は、はんだによるもののほかに、たとえば、導電性ペーストを電極とバスバー１２との間に塗ってバスバー１２にねじ止めされているような構造でもよい。

一方、冷却器１３は、あらかじめ非絶縁性半導体モジュール１１が接合される面に、絶縁層２０が一体化して形成されている。非絶縁性半導体モジュール１１はこの絶縁層２０にグリース１５を塗って接合される。この接合は、たとえば、バスバー１２の周辺部などに絶縁部材を介した上で冷却器１３とねじ止めなどによって接合される。

この絶縁層２０は２層構造からなる。絶縁層２０は、冷却器１３側に冷却器１３の素材である金属の表面（すなわち冷却器１３の表面の一部）を陽極酸化することで形成した酸化金属層と、この酸化金属層の上に有機物層を形成した構造である。

本実施形態では、冷却器１３の素材としてアルミニウムを用いているため、酸化金属層は、アルミニウムの表面（すなわち冷却器１３の表面の一部）を陽極酸化することで形成した酸化アルミニウム層２１である。また、その上の有機物層は電着塗装によりポリイミド被膜を形成したポリイミド層２２である。

これにより冷却器１３側においては、冷却器１３と絶縁層２０とを物理的に一体化している。このため、従来のような絶縁シートを配置する場合と比較して物体間の接触界面が存在しないことになる。したがって、少なくとも冷却器１３と絶縁層２０との間においてはほとんど熱抵抗が存在せず、その分熱伝達性能を向上させることができるのである。

絶縁層２０の厚さは、絶縁層２０自体の熱抵抗を下げる意味からできるだけ薄い方が好ましい。ただし、あまり薄すぎると所望の絶縁性能が得られなくなるので、注意を要する。

（第２の実施形態）
図２は、本発明を適用した他の半導体装置を示す断面図である。

この半導体装置２は、半導体素子（不図示）を内蔵し、その電極（不図示）の一部が露出している非絶縁性半導体モジュール２６と、この非絶縁性半導体モジュール２６から露出している電極と接続されたバスバー２５と、この非絶縁性半導体モジュール２６を冷却するための冷却器２３とを有する。

ここで非絶縁性半導体モジュール２６は、少なくとも１つの半導体素子を含むものであり、通常は複数の半導体素子が一つの絶縁性枠部材などに収められている。そして複数の半導体素子の共通の電極がモジュールから露出していて一つのバスバー２５に接合されている。この半導体素子の電極とバスバー２５は、はんだなどの導電性接着層２４により接合されている。なお、この接合は、はんだによるもののほかに、たとえば、導電性ペーストを電極とバスバー２５との間に塗ってバスバー２５にねじ止めされているような構造でもよい。

一方、冷却器２３は、あらかじめ非絶縁性半導体モジュール２６が接合される面に、絶縁層３０が一体化して形成されている。非絶縁性半導体モジュール２６はこの絶縁層３０に接合されている。この接合は、たとえば、バスバー２５の周辺部などに絶縁部材を介した上で冷却器２３とねじ止めなどによって接合される。

この絶縁層３０は２層構造からなる。絶縁層３０は、冷却器２３側に冷却器２３の素材である金属の表面（すなわち冷却器２３の表面の一部）を陽極酸化することで形成した酸化金属層と、この酸化金属層の上に有機物層を形成した構造である。

本実施形態では、冷却器２３の素材としてアルミニウムを用いているため、酸化金属層は、アルミニウムの表面（すなわち冷却器２３の表面の一部）を陽極酸化することで形成した酸化アルミニウム層３１である。また、その上の有機物層はポリアミド系樹脂、たとえば、ポリアミドエラストマー樹脂（アトフィナ・ジャパン株式会社製、商品名：ぺバックス）を融点以上に加熱して熱融着させて形成したポリアミド系樹脂層３２（熱融着層と称する）である。

これにより絶縁層３０とバスバー２５との間に熱伝達を阻害する接触界面が存在することなく高い絶縁性を有する層を形成することができる。

（実施例）
前述した第１の実施形態に基づく構造の試験片を作製して絶縁性能と熱伝達性能の試験を行った。

図３は、絶縁層２０の絶縁性能と熱伝達性能（熱抵抗）を示すグラフである。

図３に示すグラフは、ポリイミド層２２を１０μｍとしたときに、酸化アルミニウム膜（陽極酸化膜）の厚さを変えて、絶縁性能と熱伝達性能を試験した結果を示す。

この試験は、アルミニウムの母材表面に陽極酸化により酸化アルミニウム層２１を形成し、さらにその上から、ポリイミド層が１０μｍとなるように電着塗装して、絶縁性試験と熱伝達性試験を行ったものである。

陽極酸化は次の条件により行い、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍの厚さの酸化アルミニウム膜（陽極酸化膜）を形成した。

（陽極酸化条件）
硫酸濃度１５質量％、処理温度２０℃、溶存アルミニウム量２０ｇ／Ｌ以下、溶存塩化物量０．１４ｇ／Ｌ以下、電流密度２Ａ／ｄｍ^２、電圧１５Ｖ、処理時間１０〜６０分。

（絶縁性能試験）
絶縁性能試験は、ポリイミド層２２の上に、厚さ４０ｍｍ、面積４０ｍｍ^２、真ちゅう製の電極を用い、この電極とアルミニウム母材の間に交流電圧を印加して、徐々に電圧を上げて行き、急激に電気抵抗が０Ωになった時点、すなわち破壊電圧を絶縁性能として記録した。なお、陽極酸化した領域およびポリイミドを塗装した領域は、いずれも上記電極の面積より広くなるように形成している。

（熱伝達性能試験）
熱伝達性能試験は、発熱体である半導体素子を模擬したヒータをポリイミド層２２の上にシリコーングリース（信越化学製）を塗布して載置し、冷却器１３に一定温度の水を流して、ヒータとヒートシンクの温度差を測定し、ヒータの入力電力（Ｗ）で割って熱抵抗値として評価した。

（試験結果）
図３から、絶縁層２０の厚さは、ポリイミド層２２を１０μｍとした場合に、酸化アルミニウム層２１を厚くすることで、交流絶縁限界電圧が飛躍的に向上する一方で、熱伝達性能は、酸化アルミニウム層２１を厚くしても大きく変動しないことがわかる（熱伝達性能は図中グラフの右縦軸の熱抵抗値が低い方がよい）。

一方、同程度の絶縁性能（交流絶縁限界電圧値）をもつ絶縁シートを用いて、熱伝達特性を試験した結果、本実施例における絶縁層２０は、約３０％向上したものとなった。

なお、ポリイミド層２２、酸化アルミニウム層２１ともに、この試験で用いたような厚さに限定されるものではなく、適宜、絶縁性能と熱伝達性能を考慮して厚さを調整するとよい。たとえば、ポリイミドは５〜１５μｍ程度、酸化アルミニウムは５〜５０μｍでの使用が可能である。これは、ポリイミド層２２は５μｍ程度でも絶縁性があり、酸化アルミニウム層２１と合わせれば十分な絶縁性能をもつことができるためである。なお、ポリイミド層２２をあまり厚くした場合、酸化アルミニウム層２１と比較すれば熱伝達性能が低いため、できるだけ薄くし１５μｍ程度で抑えておくことが好ましい。一方、酸化アルミニウム層２１は十分な絶縁性を保つために多少厚くしても熱伝達性能はよい。したがってポリイミド層２２を薄くすることで、５０μｍ程度までは厚くしても良好な熱伝達特性を得ることも可能である。なお、酸化アルミニウム層２１およびポリイミド層２２は、このような厚さに限定されるものではなく、要求される絶縁性能や熱伝達特性にあわせて両者の厚さを調整するとよい。

第２の実施形態に基づいた構造の試験片を製作して上記同様に絶縁性能と熱伝達性能を試験した。すなわち、熱融着層としてポリアミド系樹脂層３２を１０μｍとしたときに、酸化アルミニウム膜（陽極酸化膜）の厚さを変えて試験をしたものである。ただし、第２の実施形態に基づいた構造の試験片では、図２に示したように、非絶縁性半導体モジュール２６と絶縁層３０との接合にグリースを用いずに、熱融着層であるポリアミド系樹脂層３２を用いている。この試験の結果も図３と同様であった。

なお、ポリアミド系樹脂層３２を用いた場合も、酸化アルミニウム層３１やポリアミド系樹脂層３２の厚さは、酸化アルミニウム層２１およびポリイミド層２２と同様に適宜調整されるべきである。

以上説明した第１および第２の実施形態によれば、冷却器に非導電性の有機物層（たとえばポリイミド層、ポリアミド系樹脂層）と非導電性の酸化金属物（たとえば酸化アルミニウム層）からなる絶縁層を一体化させているので、絶縁シートを用いる必要がなくなり、その分、半導体素子やモジュールあるいはバスバーなどに冷却器を取り付ける際に、接触界面が一つですむようになる。このため絶縁層との接触界面による熱抵抗を減少させ、熱伝達特性を向上させることができる。

したがって、絶縁シートを用いる従来の構成と同じ大きさの冷却器であれば、冷却性能を向上するため大電流を扱う半導体素子を用いることができるようになる。逆に、従来と同じ性能の半導体素子を用いる場合には冷却器を小型化することが可能となる。

また、本第１および第２の実施形態による半導体装置は、絶縁シートを用いていないので、その製造が容易である。すなわち、従来、絶縁シートを用いる場合、半導体モジュールの接合されたバスバーと、絶縁シートと、さらに冷却器の３つを適切に保持して組み立てなければならないが、本実施形態では、絶縁層が冷却器に一体化しているため、半導体モジュールの接合されたバスバーと冷却器の２つの部材を組み立てればよいのである。

さらに、一体化させた絶縁層を２層構造としたことで、一層目は十分な熱伝達特性を得るために絶縁性能よりも熱伝達特性を重視した部材とし、２層目を薄くても絶縁性能の良い部材とすることで、これら２つの部材を組み合わせて所望の絶縁性能および熱伝達特性を調整することもできる。

また、第１の実施形態の半導体装置１に用いたポリイミド層２２は、絶縁性能が優れているばかりでなく、耐熱性にも優れ、半導体素子の発熱に十分耐えうる有機物質の一つである。また、ポリイミドの比誘電率は３．５５程度であるので、絶縁性能がよく、かつ、バスバー１２と冷却器１３の間に生じる寄生容量の発生も小さくてすむ。なお、その他の有機物層を用いる場合には、有機物層の比誘電率が４以下のものが好ましい。これは、有機物層の比誘電率が４以下の場合には、交流電圧での絶縁性能がよいため、薄膜化が可能となるためである。

同様に第２の実施形態の半導体装置２に用いたポリアミド系樹脂層３２も、絶縁性能が優れているばかりでなく、耐熱性にも優れ、半導体素子の発熱に十分耐えうる有機物の一つである。

以上本発明を適用した好適な実施形態を説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。たとえば、非導電性の有機物層としては、上述した実施形態に示したポリイミドおよびポリアミド系樹脂に代えて、フッ素系樹脂を用いることもできる。フッ素系樹脂としては、具体的にはたとえば、四フッ化エチレン樹脂、エチレン−四フッ化エチレン樹脂、クロロトリフルオロエチレン樹脂、パーフルオロエチレンプロピレン樹脂、ビニリデンフルオライド樹脂などであり、このようなフッ素系樹脂であっても、酸化金属層の上から静電塗装や熱融着などにより５〜１５μｍ程度の薄膜層を形成することができ、しかも、ポリイミドやポリアミド系樹脂同様に良好な絶縁性能を有する。さらにはポリエチレン系樹脂も熱融着により、５〜１５μｍ程度の薄膜層として酸化アルミニウム増に形成することで、ポリイミドやポリアミド系樹脂同様に良好な絶縁性能を有する。

また、上述した第１および第２の実施形態では、非絶縁性半導体モジュールにバスバーを取り付け、そのバスバーを冷却器に取り付けた構造の半導体装置１としているが、このような構成に限らず、半導体素子をグリースを介して直接冷却器に取り付けるような構造でもよい。また、半導体素子をモジュール化することなく、一つの半導体素子の電極を直接バスバーに接合し、そのバスバーを冷却器に接合した半導体装置などであっても適用可能である。

また、本発明において、有機物層として用いる熱融着層はポリアミド系樹脂のほかにポリエチレン系樹脂を使用してもよい。ポリエチレン系樹脂を用いる場合、ポリアミド系樹脂であるポリアミドエラストマー樹脂と同等の性能を持たせるためには、比重が０．９４以上の高密度ポリエチレン系樹脂（ＨＤＰＥ）が適している。

本発明は、冷却器を備えた半導体装置に適用可能である。特に、冷却性能が向上することから、インバーターやコンバーターなど大電流を扱う半導体装置に好適である。

本発明を適用した半導体装置を示す断面図である。 本発明を適用した他の半導体装置を示す断面図である。 ポリイミド層を１０μｍとしたときに、酸化アルミニウム膜（陽極酸化膜）の厚さを変えて、絶縁性能と熱伝達性能を試験した結果を示すグラフである。

符号の説明

１、２…半導体装置、
１１、２６…非絶縁性半導体モジュール、
１２、２５…バスバー、
１３、２３…冷却器、
１４、２４…導電性接着層、
１５…グリース、
２０、３０…絶縁層、
２１、３１…酸化アルミニウム層、
２２…ポリイミド層、
３２…ポリアミド系樹脂層。

Claims (9)

1. 少なくとも一つの半導体素子を有する発熱体と、
   一体化された絶縁層を備え、当該絶縁層上に前記発熱体が配置される冷却器と、
   を有する特徴とする半導体装置。
2. 前記絶縁層は、金属からなる前記冷却器の一部を酸化することにより形成した酸化金属層と、
   前記酸化金属層上に形成された有機物層と、からなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記酸化金属層は、酸化アルミニウムよりなることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
4. 前記有機物層は、ポリイミドまたはフッ素系樹脂のいずれかよりなることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
5. 前記有機物層は、有機物を前記酸化アルミニウム上に熱融着させた熱融着層であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
6. 前記熱融着層は、ポリアミド系樹脂またはポリエチレン系樹脂のいずれかよりなることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
7. 前記有機物層の厚さは５〜１５μｍ、酸化アルミニウムよりなる前記酸化金属層の厚さは５〜５０μｍであることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一つに記載の半導体装置。
8. 前記発熱体は半導体素子を含む半導体モジュールと、当該半導体素子の電極が接合されたバスバーよりなり、当該バスバーが前記冷却器の前記絶縁層にグリースを介して接触していることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
9. 前記発熱体は半導体素子を含む半導体モジュールと、当該半導体素子の電極が接合されたバスバーよりなり、当該バスバーが前記冷却器の前記熱融着層上に接触していることを特徴とする請求項５または６記載の半導体装置。

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