JP2007173301A - 半導体素子冷却用放熱器、半導体装置、半導体素子冷却用放熱器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部材の熱膨張差による応力を効果的に低減することができ、部品点数の削減、装置構成の小型化及び簡略化等が図れる半導体素子冷却用放熱器及びその関連技術を提供する。
【解決手段】この半導体素子冷却用放熱器１３では、複数のフィン部材１９が、金属板が略蛇腹状に加工されて形成され、その略蛇腹形状の谷部分１９ｂにて基板１７と接合されている。また、複数のフィン部材１７が、その長幅方向Ｄ１に沿って略蛇腹形状が延設された長尺状の平面形状を有し、その平面形状の短幅方向Ｄ２に互いに間隔をあけて基板１７に接合されている。基板１７は絶縁性のセラミックス材料により形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子冷却用放熱器及びその関連技術に関する。

従来の半導体素子冷却用放熱器としては、特許文献１に記載のものがある。この放熱器では、セラミックス等の低熱膨張材料かなる基板の両面に銅板が接合され、その銅板の一方にフィンが形成されている。この放熱器では、基板の両側に銅板を貼着することにより、銅板と基板との熱膨張差により基板が反って破損するのを防止するようになっている。

特開２００５−１１９２２号公報

しかしながら、上述の放熱器では、ほぼ同面積の銅板を銅板の両面に貼着する必要があり、部品点数の増大、装置構成の大型化、複雑化等の問題がある。

また、上述の放熱器のように基板のほぼ全面に銅板を貼着する構成では、熱膨張により基板と銅板との間に大きな応力が発生し、銅板の剥がれ、基板の割れ等が生じる場合ある。この問題は高温で駆動されるワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子の場合に特に顕在化するおそれがある。

そこで、本発明の解決すべき課題は、部材の熱膨張差による応力を効果的に低減することができ、部品点数の削減、装置構成の小型化及び簡略化等が図れる半導体素子冷却用放熱器及びその関連技術を提供することである。

上記の課題を解決するため、請求項１の発明では、半導体素子からの熱を受け取る基板と、前記基板の前記半導体素子と対向する面とは反対側の面に接合された放熱用のフィン部材とを備え、前記フィン部材は、略蛇腹状の金属板であって、その略蛇腹形状の凸部において前記基板と接合され、前記基板を形成する材料の線膨張係数が、前記フィン部材を形成する前記金属板の材料の線膨張係数の半分以下に設定されている。

また、請求項２の発明では、請求項１の発明に係る半導体素子冷却用放熱器において、複数の前記フィン部材が、複数の前記凸部において前記基板に接合されている。

また、請求項３の発明では、請求項２の発明に係る半導体素子冷却用放熱器において、前記基板を冷却する冷媒流路をさらに備え、複数の前記フィン部材は、前記冷媒流路の方向に直交する方向に所定の間隔で設置されている。

また、請求項４の発明では、請求項２の発明に係る半導体素子冷却用放熱器において、前記基板を冷却する冷媒流路をさらに備え、複数の前記フィン部材は、前記冷媒流路の方向に所定の間隔で設置されている。

また、請求項５の発明では、半導体素子からの熱を受け取る基板と、前記基板の前記半導体素子と対向する面と反対側の面に接合された放熱用の複数のフィン部材とを備え、前記複数のフィン部材は、互いに分散されて前記基板に接合され、前記基板を形成する材料の線膨張係数が、前記フィン部材を形成する材料の線膨張係数の半分以下に設定されている。

また、請求項６の発明では、請求項１ないし５のいずれかの発明に係る半導体素子冷却用放熱器において、前記基板は、絶縁性のセラミックス材料により形成されている。

また、請求項７の発明では、請求項３又は４の発明に係る半導体素子冷却用放熱器において、複数の前記フィン部材は、隣接するフィン部材同士で凸部の位置が互いにずらされて配置されている。

また、請求項８の発明では、半導体素子と、請求項１ないし７のいずれかの発明に係る半導体素子冷却用放熱器とを備える。

また、請求項９の発明では、半導体素子からの熱を受け取る基板と、前記基板の前記半導体素子と対向する面とは反対側の面に接合された放熱用のフィン部材とを備え、前記フィン部材は、略蛇腹状の金属板であって、その略蛇腹形状の凸部において前記基板と接合されている半導体素子冷却用放熱器の製造方法であって、前記金属板を断面略蛇腹状にプレス成形してフィン部材を形成するプレス工程と、前記フィン部材の蛇腹形状の凸部を前記基板に接合する接合工程とを備え、前記基板を形成する材料の線膨張係数が、前記フィン部材を形成する前記金属板の材料の線膨張係数の半分以下に設定されている。

請求項１に記載の発明によれば、フィン部材が、略蛇腹状の金属板により形成され、その略蛇腹形状の凸部において基板と接合されているため、フィン部材と基板との熱膨張差による応力がフィン部材の蛇腹形状によって緩和され、従来技術のように基板の両面に銅板を貼着しなくとも、基板の反りや破損を防止することができる。その結果、放熱器を構成する部材の熱膨張差による応力を効果的に低減することができ、部品点数の削減、装置構成の小型化及び簡略化等が図れるとともに、ワイドバンドギャップ半導体等を用いた高温で駆動する半導体素子の冷却にも対応することができる。

また、フィン部材をプレス成形等により容易に作製でき、半導体素子冷却用放熱器を容易かつ低コストに作製できる。

また、フィン部材が略蛇腹状の形状を有しているため、フィン部材と基板との間の空間部においても冷媒を流通させることができ、その結果、フィン部材が設けられる部分にて冷媒をスムーズに流通させることができ、放熱効率がよい。

請求項２に記載の発明によれば、複数のフィン部材が複数の凸部において基板に接合されているため、フィン部材と基板との熱膨張差による応力が分散されて軽減され、基板の反りや破損をより効果的に防止することができる。

請求項３に記載の発明によれば、複数のフィン部材が、冷媒流路の方向に直交する方向に所定の間隔で設置されているため、冷媒流路の方向に直交する方向に沿ったフィン部材と基板との熱膨張差に起因する応力を分散させて軽減することができ、その結果、熱膨張による基板の反りや破損をさらに効果的に防止できる。

請求項４に記載の発明によれば、複数のフィン部材が、冷媒流路の方向に所定の間隔で設置されているため、冷媒流路の方向に沿ったフィン部材と基板との熱膨張差に起因する応力を分散させて軽減することができ、その結果、熱膨張による基板の反りや破損をさらに効果的に防止できる。

請求項５に記載の発明によれば、複数のフィン部材が互いに分散されて基板に接合されているため、フィン部材と基板との熱膨張差による応力が分散されて軽減され、従来技術のように基板の両面に銅板を貼着しなくとも、基板の反りや破損を防止することができる。その結果、放熱器を構成する部材の熱膨張差による応力を効果的に低減することができ、部品点数の削減、装置構成の小型化及び簡略化等が図れるとともに、ワイドバンドギャップ半導体等を用いた高温で駆動する半導体素子の冷却にも対応することができる。

請求項６に記載の発明によれば、放熱器の基板を絶縁性のものにすることにより、基板を挟んで設けられる金属製のフィン部材と半導体素子及び配線材等との間の絶縁対策を簡素化できる。

請求項７に記載の発明によれば、複数のフィン部材が隣接するフィン部材同士で凸部の位置が互いにずらされて配置されているため、各フィン部材と基板との接合部がさらに分散され、熱膨張により基板にかかる応力をさらに分散させることができるとともに、各フィン部材をより効率よく冷媒の流れに晒すことができ、放熱効率が向上する。

請求項８に記載の発明によれば、部品点数の削減、装置構成の小型化及び簡略化等が図れるとともに、放熱効率のよい半導体装置を実現できる。

請求項９に記載の発明によれば、フィン部材をプレス成形により作製するため、半導体素子冷却用放熱器を容易かつ低コストに作製できる。

＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態に係る半導体素子冷却用放熱器（以下、単に「放熱器」という）が適用された電力変換装置の平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面の構成を部分的に示す図である。この電力変換装置１は、図１及び図２に示すように、電力変換用の複数（例えば、６つ）の半導体素子３と、その半導体素子３が実装される基台部材５とを備えている。この電力変換装置１の用途としては、例えば、車両に搭載されたモータ７（図４参照）と直流電源９（図４参照）との間に介在される車載用インバータが挙げられる。この場合、電力変換装置１は、直流電源９から供給される直流電流を交流電流（例えば、３相交流電流）に変換してモータ７に供給する一方、モータ７から与えられる回生電流を直流に変換して直流電源９に与えるようになっている。また、電力変換装置１の他の用途として、電動フォークリフトに搭載されたモータを駆動するためのインバータなどが挙げられる。また、本明細書では、本実施形態に係る冷却器を電力変換装置１の冷却に適用したが、本実施形態に係る放熱器を、パワーディストリビュータ等に搭載されるスイッチング用の半導体素子の冷却や、コンピュータ等に搭載されるＣＰＵ等の演算処理用の半導体素子の冷却に適用してもよい。

半導体素子３は、例えばＩＧＢＴ及びＭＯＳＦＥＴ等であり、制御回路１１（図４参照）によりオンオフ制御される。本実施形態では、半導体素子３は例えば縦型のＩＧＢＴである。

基台部材５は、半導体素子３が実装される半導体素子３の数と同数の放熱器１３と、その放熱器１３を保持する樹脂等により形成された基台本体１５とを備えている。

放熱器１３は、図２及び図３に示すように、基板１７と、その基板１７に接合された複数のフィン部材１９とを備えている。基板１７は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）等の絶縁性のセラミックス材料により形成され、その表面側に半導体素子３が実装され、その裏面側にフィン部材１９が接合されるようになっている。なお、基板１７を形成する材料の線膨張係数が、後述のフィン部材１９を形成する金属板の材料の線膨張係数の半分以下に設定されている。

フィン部材１９は、一方向に沿って細長い長尺状の金属板（例えば、加工性の良好なアルミニウム板等）を略蛇腹状に折り曲げて形成され、放熱器１３の裏面側から見ると図３のように長尺状の平面形状を有し、その長幅方向Ｄ１に沿って蛇腹を構成する山谷のパターンが繰り返されている。より具体的には、フィン部材１９の長幅方向Ｄ１に沿って略Ｖ字形の山部分１９ａと平坦な谷部分１９ｂとが交互に形成されており、その谷部分１９ｂが接合部２１により基板１７に接合されている。なお、本実施形態では、フィン部材１９の蛇腹の上下に張り出す凸部に関し、基板１７に近接する方向に張り出す凸部を谷部分１９ｂと呼び、基板１７から離反する方向に張り出す凸部を山部分１９ａと呼ぶこととする。接合部２１での接合は、活性金属ろうによる方法、固相接合（例えば、超音波溶着等）による方法の他、接合前処理として基板１７の接合箇所にメタライズ処理を行った後、ハンダ等の各種ろう材を用いて接合を行う方法などが採用可能である。なお、山部分１９ａの形状については、略Ｖ字形に限定されるものではない（山部分１９ａの形状の変形例については後述する）。

このようなフィン部材１９は、その長幅方向Ｄ１の寸法が基板１７の幅とほぼ一致しており、フィン部材１９の長尺状の平面形状の短幅方向Ｄ２に互いに間隔をあけて（すなわち、互いに切り離されて分散されて）、基板１７に接合されている。図３の図示例では、短幅方向Ｄ２から見て各フィン部材１９の山谷の位置が一致するようにして各フィン部材１９が配置されている。

冷媒は、水、空気等が用いられ、図３に示すように、基板１７の裏面側においてフィン部材１９の短幅方向Ｄ２と平行な流通方向Ｄ３に沿って流通される。本実施形態では、冷媒の具体例として冷却水を用いる。

半導体素子３と基台部材５との接合構造は、次のようになっている。本実施形態では、半導体素子３として縦型のＩＧＢＴが用いられているため、半導体素子３の下面側の電極に略板状の配線材２５が電気接合材（銀ペースト、ハンダ等）２７により接合され、その配線材２５を介して半導体素子３が放熱器１３の基板１７の表面側に接合されるようになっている。配線材２５と基板１７との接合は、ハンダ、ろう材、樹脂接着剤等の接合材２９により行われ、グリースは使用されない。なお、接合材２９に樹脂接着剤を用いた場合には、半導体素子３側と放熱器１３側との間の絶縁を確保するのに都合がよいという利点がある。なお、本実施形態では、放熱器１３を配線材２５を介して半導体素子３に接合するようにしたが、下面側には電極を設けない構成の半導体素子３については、配線材２５を介さずに放熱器１３が半導体素子３に直接接合される。

このような構成により、半導体素子３から発せられた熱は、配線材２５を介して放熱器１３の基板１７に伝達され、さらに基板１７からフィン部材１９に伝達され、フィン部材１９にて冷媒中に放熱されるようになっている。

図４は、図１の電力変換装置１の回路図である。この図４に示す回路構成は一般的なものであり、直流電源９に接続される正負の電源線３１ａ，３１ｂ間に３つのブリッジ回路が接続されている。各ブリッジ回路には２つの半導体素子３が直列に介挿され、その各半導体素子３にブリッジダイオード３３が並列接続されている。そして、各ブリッジ回路の中点が電源線３４ａ〜３５ｃによりモータ７の対応する各相の接続端子に接続されている。また、各半導体素子３には、制御回路１１からの制御信号を入力するための信号線３７が接続されている。

図５は、放熱器１３の製造工程の工程図である。まず図５のステップＳ１にて、図６（ａ）に示すように、金属製の平板に対してプレス成形（打ち抜き及び曲げ）を行うことにより、複数のフィン部材１９の両端が略枠状の連結部４１により略梯子状に接続されたフィン連結体４３が作製される。

続くステップＳ２では、図６（ｂ）に示すように、フィン連結体４３が予め作製された基板１７上にセットされ、フィン連結体４３の各フィン部材１９における谷部分１９ｂが上述の接合手法により基板１７に接合される。なお、上記長幅方向Ｄ１に沿ったフィン連結体４３の幅は基板１７の対応する幅よりも大きく設定されており、この接合状態において、各フィン部材１９の両端部は基板１７の外方にはみ出すようになっている。

続くステップＳ３では、図６（ｃ）に示すように、各フィン部材１９から連結部４１が切り離され、これにって放熱器１３が得られる。このとき、各フィン部材１９の基板１７からはみ出している部分も切断されるようになっている。

以上のように、本実施形態によれば、放熱器１３におけるフィン部材１９が、金属板が略蛇腹状に加工されて形成され、その略蛇腹形状の谷部分１９ｂにて基板１７と接合されているため、フィン部材１９と基板１７との熱膨張差による応力がフィン部材１９の蛇腹形状によって緩和され、従来技術のように基板１７の両面に銅板を貼着しなくとも、基板１７の反りや破損を防止することができる。その結果、放熱器を構成する部材の熱膨張差による応力を効果的に低減することができ、放熱器１３及び電力変換装置１の部品点数の削減、装置構成の小型化及び簡略化等が図れるとともに、ワイドバンドギャップ半導体等を用いた高温で駆動する半導体素子３の冷却にも対応することができる。

また、フィン部材１９をプレス成形により容易に作製でき、放熱器１３を容易かつ低コストに作製できる。

また、フィン部材１９が略蛇腹状の形状を有しているため、フィン部材１９の山部分１９ａと基板１７との間の空間部においても冷媒を流通させることができ、その結果、フィン部材１９が設けられる部分にて冷媒をスムーズに流通させることができ、放熱効率がよい。

また、複数のフィン部材１９が互いに切り離され、分散されて基板１７に接合されているため、フィン部材１９と基板１７との熱膨張差による応力が分散されて軽減され、基板１７の反りや破損をより効果的に防止することができる。特に、本実施形態では、複数のフィン部材１７が、その長幅方向Ｄ１に沿って略蛇腹形状が延設された長尺状の平面形状を有し、その平面形状の短幅方向Ｄ２に互いに間隔をあけて基板１７に接合されているため、フィン部材１９の長幅方向Ｄ１に沿ったフィン部材１９と基板１７との熱膨張差に起因する応力については、フィン部材１９の蛇腹形状により緩和することができ、フィン部材１９の短幅方向Ｄ２に沿ったフィン部材１９と基板１７との熱膨張差に起因する応力については、長尺状のフィン部材１９を間隔をあけて配置することにより応力が分散させて軽減することができる。その結果、熱膨張による基板の反りや破損をさらに効果的に防止できるようになっている。

また、放熱器１３の基板１７を絶縁性のものにすることにより、基板１７を挟んで設けられる金属製のフィン部材１９と半導体素子３及び配線材２５等との間の絶縁対策を簡素化できる。

また、平板に対するプレス成形により複数のフィン部材１９の両側が連結部４１により略梯子状に連結された状態で一度に作製され、その複数のフィン部材が連結状態のまま基板１７に接合された後、連結部４１の切離しが行われるため、フィン部材１７の作製及び基板１７への接合等を効率よく行うことができ、放熱器１３の低コスト化が図れる。

＜第１実施形態の変形例＞
上述の図３に示す放熱器１３の構成の変形例として、図７に示す構成が採用可能である。すなわち、図７に示すように、隣接するフィン部材１９同士で山谷の位置が互いにずれるように（千鳥配置状に）、各フィン部材１９を基板１９上に配置してもよい。図７の図示例では、冷媒の流通方向Ｄ３に沿って、各フィン部材１９の山部分１９ａと谷部分１９ｂとが交互に位置するように、各フィン部材１９が配置されている。この構成により、各フィン部材１９と基板１７との接合部２１がさらに分散され、熱膨張により基板１７にかかる応力をさらに分散させることができるとともに、各フィン部材１９の山部分１９ａをより効率よく冷媒の流れに晒すことができ、放熱効率が向上する。

また、上述の図３及び図７に示すフィン部材１９の山部分１９ａの形状については、上述のごとく図２に示すような略Ｖ字形に限定されるものではなく、例えば図８（ａ）ないし図８（ｃ）に示すような形状が採用可能である。なお、図８（ａ）は略円弧状の形状を示し、図８（ｂ）は略矩形状の形状を示し、図８（ｃ）は略台形状の形状を示している。

＜第２実施形態＞
図９は本発明の第２実施形態に係る放熱器の裏面側の構成を示す平面図であり、図１０は図９のＢ−Ｂ線に沿った断面の構成を部分的に示す図である。本実施形態に係る放熱器５１が上述の第１実施形態に係る放熱器１３と実質的に異なる点は、フィン部材５３の形態のみであり、基板１７の材質及び形状、フィン部材５３の材質、及び放熱器５１の適用対象等についてはほぼ共通しており、重複する部分の説明は省略する。

本実施形態では、図９及び図１０に示すように、断面略Ｌ字形を有する長尺状の複数のフィン部材５３が、その短幅方向Ｄ２に互いに間隔をあけて（互いに切り離されて分散されて）、基板１７に接合されている。各フィン部材５３は、基板１７に接合される台座部５３ａと、その台座部５３ａから略直角に立ち上がるフィン部５３ｂとを有している。フィン部材５３と基板１７との接合は、上述の接合部２１と同様な手法によって行われる。冷媒の流通方向Ｄ３はフィン部材５３の長幅方向Ｄ１と平行になるように設定される。

このため、本実施形態においても、複数のフィン部材５３が互いに切り離され、分散されて基板１７に接合されているため、フィン部材５３と基板１７との熱膨張差による応力が分散されて軽減され、基板１７の反りや破損をより効果的に防止することができる等の効果が得られる。

なお、この第２実施形態に係る放熱器５１のフィン部材５３の変形例として、断面略Ｌ字形の小型のフィン部材５５を、基板１７の縦方向及び横方向に切り離して分散して（例えば、マトリクス状に）、基板１７に接合するようにしてもよい。これによって、フィン部材５５と基板１７との熱膨張差による応力がさらに分散されて軽減される。

本発明の第１実施形態に係る半導体素子冷却用放熱器が適用された電力変換装置の平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面の構成を部分的に示す図である。 半導体素子冷却用放熱器の裏面側の構成を示す平面図である。 図１の電力変換装置の回路図である。 半導体素子冷却用放熱器の製造工程の工程図である。 図６（ａ）ないし図６（ｃ）は半導体素子冷却用放熱器の製造工程を示す図である。 図３に示す構成の変形例を示す図である。 図８（ａ）ないし図８（ｃ）は図３及び図７に示す構成の変形例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体素子冷却用放熱器の裏面側の構成を示す平面図である。 図９のＢ−Ｂ線に沿った断面の構成を部分的に示す図である。 図９に示す構成の変形例を示す図である。

符号の説明

１ 電力変換装置
３ 半導体素子
５ 基台部材
７ モータ
９ 直流電源
１１ 制御回路
１３ 放熱器
１５ 基台本体
１７ 基板
１９ フィン部材
１９ａ 山部分
１９ｂ 谷部分
２１ 接合部
２５ 配線材
２７ 電気接合材
２９ 接合材
４１ 連結部
４３ フィン連結体
５１ 放熱器
５３，５５ フィン部材
Ｄ１ 長幅方向
Ｄ２ 短幅方向
Ｄ３ 流通方向

Claims (9)

1. 半導体素子からの熱を受け取る基板と、
   前記基板の前記半導体素子と対向する面とは反対側の面に接合された放熱用のフィン部材と、
   を備え、
   前記フィン部材は、略蛇腹状の金属板であって、その略蛇腹形状の凸部において前記基板と接合され、
   前記基板を形成する材料の線膨張係数が、前記フィン部材を形成する前記金属板の材料の線膨張係数の半分以下に設定されていることを特徴とする半導体素子冷却用放熱器。
2. 請求項１に記載の半導体素子冷却用放熱器において、
   複数の前記フィン部材が、複数の前記凸部において前記基板に接合されていることを特徴とする半導体素子冷却用放熱器。
3. 請求項２に記載の半導体素子冷却用放熱器において、
   前記基板を冷却する冷媒流路をさらに備え、
   複数の前記フィン部材は、前記冷媒流路の方向に直交する方向に所定の間隔で設置されていることを特徴とする半導体素子冷却用放熱器。
4. 請求項２に記載の半導体素子冷却用放熱器において、
   前記基板を冷却する冷媒流路をさらに備え、
   複数の前記フィン部材は、前記冷媒流路の方向に所定の間隔で設置されていることを特徴とする半導体素子冷却用放熱器。
5. 半導体素子からの熱を受け取る基板と、
   前記基板の前記半導体素子と対向する面と反対側の面に接合された放熱用の複数のフィン部材と、
   を備え、
   前記複数のフィン部材は、互いに分散されて前記基板に接合され、
   前記基板を形成する材料の線膨張係数が、前記フィン部材を形成する材料の線膨張係数の半分以下に設定されていることを特徴とする半導体素子冷却用放熱器。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体素子冷却用放熱器において、
   前記基板は、絶縁性のセラミックス材料により形成されていることを特徴とする半導体素子冷却用放熱器。
7. 請求項３又は４に記載の半導体素子冷却用放熱器において、
   複数の前記フィン部材は、隣接するフィン部材同士で凸部の位置が互いにずらされて配置されていることを特徴とする半導体素子冷却用放熱器。
8. 半導体素子と、
   請求項１ないし７のいずれかに記載の半導体素子冷却用放熱器と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。
9. 半導体素子からの熱を受け取る基板と、
   前記基板の前記半導体素子と対向する面とは反対側の面に接合された放熱用のフィン部材と、
   を備え、
   前記フィン部材は、略蛇腹状の金属板であって、その略蛇腹形状の凸部において前記基板と接合されている半導体素子冷却用放熱器の製造方法であって、
   前記金属板を断面略蛇腹状にプレス成形してフィン部材を形成するプレス工程と、
   前記フィン部材の蛇腹形状の凸部を前記基板に接合する接合工程と、
   を備え、
   前記基板を形成する材料の線膨張係数が、前記フィン部材を形成する前記金属板の材料の線膨張係数の半分以下に設定されていることを特徴とする半導体素子冷却用放熱器の製造方法。

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