JP2008108842A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップの冷却性能に優れた半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュール２と、半導体チップの冷却を行う冷却器３と、高分子材料を母材として成り非絶縁型半導体モジュール２及び冷却器３の間に挟み込まれる絶縁層６を備え、絶縁層６の非絶縁型半導体モジュール側表面部分６ＳＭ及び冷却器側表面部分６ＳＨには、膨潤助剤８が浸透されていると共に熱伝導性粒子９が添加され、非絶縁型半導体モジュール２及び冷却器３の間に挟み込まれて所定荷重が負荷された段階で形成される伝熱パス１０を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュールを有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。

従来、上記したようなトランジスタやサイリスタなどの半導体チップを用いた半導体装置としては、直流電力を交流電力に変換するインバータがあるほか、交流電力を直流電力に変換するコンバータがある（例えば非特許文献１参照）。

このような半導体装置において、電力が大きくなるにつれて半導体チップからの放熱量が多くなって高温（６０〜１３５℃）になるので、上記半導体チップに冷却器を取付けて冷却する必要があり、加えて、絶縁型半導体モジュールと比較してコンパクト化及び低コスト化を実現可能な非絶縁型半導体モジュールでは、チップ電極と接合するバスバーと上記冷却器との間に絶縁シートを配置して絶縁性を確保する必要がある。

この場合、絶縁シートを構成する母材に熱伝導性の高いセラミックやアルミナなどのフィラーを高充填することで、絶縁シートの熱伝導性を高めて放熱性の向上を図るようにしている（例えば特許文献１参照）。
「機械工学便覧」社団法人 日本機械学会 発行 昭和６３年５月１５日 Ａ８−６２〜Ａ８−６５ 特開２００２−２０６０３０号公報

しかしながら、上記した半導体装置では、絶縁シートに熱伝導性の高いフィラーを高充填しているものの、半導体モジュール側のバスバーと接触する部分には、母材のみから成るスキン層が形成されているので、接触熱抵抗が高くなってしまい、放熱性の低下を招いてしまうという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、非絶縁型半導体モジュールと冷却器との間における熱伝達性が良好であり、半導体チップの冷却性能に優れた半導体装置及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明の半導体装置は、半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュールと、半導体チップの冷却を行う冷却器と、高分子材料を母材として成り上記非絶縁型半導体モジュール及び冷却器の間に挟み込まれる絶縁層を備え、上記絶縁層の非絶縁型半導体モジュール側表面部分及び冷却器側表面部分のうちの少なくともいずれか一方の表面部分には、膨潤助剤が浸透されていると共に熱伝導性粒子が添加され、上記非絶縁型半導体モジュール及び冷却器の間に挟み込まれて所定荷重が負荷された段階で形成される伝熱パスを有している構成としたことを特徴としており、この半導体装置の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

一方、本発明の半導体装置の製造方法は、上記した半導体装置を製造するに際して、絶縁層の非絶縁型半導体モジュール側表面部分及び冷却器側表面部分のうちの少なくともいずれか一方の表面部分に、膨潤助剤を浸透させると共に熱伝導性粒子を添加した後、非絶縁型半導体モジュールと冷却器との間に絶縁層を挟み込んで所定荷重を負荷することで、該絶縁層に伝熱パスを形成しつつ非絶縁型半導体モジュールと冷却器との間に組み付ける構成としている。

本発明の半導体装置において、絶縁層の非絶縁型半導体モジュール側表面部分及び冷却器側表面部分のうちの少なくともいずれか一方の表面部分に浸透させた膨潤助剤により、絶縁層の表面部分の軟化及び膨潤作用が促進されるので、絶縁層の界面の非絶縁型半導体モジュール及び冷却器に対する密着性が高まるのに加えて、絶縁層の非絶縁型半導体モジュール側及び冷却器側のうちの少なくともいずれか一方側に熱伝達可能な伝熱パスを設けているので、すなわち、従来の絶縁シートにおいて伝熱の障害となっていた母材のみから成るスキン層をなくしているので、熱抵抗が大幅に低減することとなり、その結果、非絶縁型半導体モジュールと冷却器との間における熱伝達性能が向上することとなる。

本発明の半導体装置の製造方法では、絶縁層の非絶縁型半導体モジュール側表面部分及び冷却器側表面部分のうちの少なくともいずれか一方の表面部分に、膨潤助剤を浸透させると共に熱伝導性粒子を添加した後、非絶縁型半導体モジュールと冷却器との間に絶縁層を挟み込んで所定荷重を負荷するようになせば、絶縁層を非絶縁型半導体モジュールと冷却器との間に組み付けるのと同時に、この絶縁層に伝熱パスが形成されることとなり、したがって、高熱伝達特性を有する半導体装置を簡単に製造し得ることとなる。

本発明によれば、上記した構成としているので、非絶縁型半導体モジュールと冷却器との間における熱伝達性能を高めることができ、その結果、半導体チップの冷却性能の向上を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の半導体装置において、熱伝導性粒子は、絶縁層の表面部分の熱伝導率よりも高い熱伝導率の熱伝導性粒子を含んでいる構成とすることが望ましく、この構成とすると、絶縁層の表面部分における熱伝達性がより向上することとなる。ここで、高い熱伝導率の熱伝導性粒子としては、例えば、アルミナや、酸化マグネシウムや、酸化ベリリウムや、窒化アルミニウムや、窒化ホウ素や、窒化けい素や、炭化けい素や、ダイヤモンドを用いることができ、これらの物質はいずれも熱伝導率が２０〜３０００Ｗ／ｍＫである。

また、本発明の半導体装置において、上記熱伝導性粒子の体積抵抗率を１０^１０Ωｃｍ以上とした構成とすることが望ましく、この場合には、絶縁材としての信頼性を確保したうえで、放熱性の高い絶縁層が得られることとなる。

さらに、本発明の半導体装置において、絶縁層の表面部分における伝熱パスは、絶縁層にその厚み方向の所定荷重を負荷した時点で、絶縁層の表面部分に添加した熱伝導性粒子がこの表面部分（いわゆるスキン層）を機械的に破壊することで形成されることから、上記熱伝導性粒子は、表面に鋭利な突起、例えば、角状の突起や針状の突起を有している構成とすることが望ましく、この構成を採用すると、絶縁層にその厚み方向の所定荷重を負荷した際に、絶縁層の表面部分を機械的に破壊し易くなる。

さらにまた、本発明の半導体装置において、上記絶縁層は、高分子材料から成る母材の表面部分を除く部分に含まれるフィラーを有し、このフィラーは、上記母材の熱伝導率よりも高い熱伝導率のフィラーを含んでいる構成とすることが可能であり、この構成を採用すると、熱伝達性のより一層の向上が図られることとなる。ここで、熱伝導率の高いフィラーとしては、例えば、アルミナや、酸化マグネシウムや、酸化ベリリウムや、窒化アルミニウムや、窒化ホウ素や、窒化けい素や、炭化けい素や、ダイヤモンドを用いることができ、これらの物質はいずれも熱伝導率が２０〜３０００Ｗ／ｍＫである。

そして、このフィラーの体積抵抗率が１０^１０Ω・ｃｍに満たないと、絶縁層が絶縁材としての信頼性を確保することが困難になるので、フィラーの体積抵抗率を１０^１０Ωｃｍ以上とすることが望ましく、このように成すと、放熱性の高い絶縁層が得られることとなる。

さらにまた、本発明の半導体装置において、上記絶縁層の母材をゴム組成物とした構成とすることができ、この構成を採用すると、柔軟性が高い分だけ絶縁層の界面の非絶縁型半導体モジュール及び冷却器に対する追従性が高まることとなって、接触熱抵抗が大幅に低減することとなり、この際、ゴム組成物としてシリコンゴムを採用すると、柔軟性に加えて耐熱性も良好なものとなり、したがって、柔軟性及び熱伝導性が両立した絶縁層が得られることとなる。

さらにまた、本発明の半導体装置において、上記膨潤助剤は絶縁性を有する液状物質、例えば、シリコンオイルやフッ素系オイルから成っている構成としたり、上記膨潤助剤は揮発性の低い液状物質、例えば、シリコンゴムやフッ素系ゴムに対するシリコンオイルやフッ素系オイルから成っている構成としたりすることができ、膨潤助剤が絶縁性を有する液状物質から成っている場合には、絶縁性を保持しつつ絶縁層の界面の非絶縁型半導体モジュール及び冷却器に対する密着性を高め得ることとなり、一方、膨潤助剤が揮発性の低い液状物質から成っている場合には、膨潤助剤の揮発が抑えられて、非絶縁型半導体モジュール及び冷却器に対する密着性を保持し得ると共に、時間の経過とともに接触熱抵抗が変化するのを抑制し得ることとなる。

上記したように、絶縁層の伝熱パスは、絶縁層にその厚み方向の所定荷重を負荷した時点で、絶縁層の表面部分に添加した熱伝導性粒子がこの表面部分を機械的に破壊することで形成されるが、この際の所定荷重の範囲は、絶縁層の仕様（組成や寸法）に応じて決定される。

一方、本発明の半導体装置の製造方法において、上記した半導体装置を製造するに際して、絶縁層の非絶縁型半導体モジュール側表面部分及び冷却器側表面部分のうちの少なくともいずれか一方の表面部分に、膨潤助剤を浸透させると共に熱伝導性粒子を添加し、続いて、この絶縁層にその厚み方向の所定荷重を負荷することで該絶縁層に伝熱パスを形成した後、この絶縁層を非絶縁型半導体モジュールと冷却器との間に挟み込んで組み付ける構成とすることが可能である。

この構成を採用すると、非絶縁型半導体モジュールと冷却器との間に絶縁層を挟み込んだ状態で所定荷重を負荷することができない場合であったとしても、高熱伝達特性を有する半導体装置を簡単に製造し得ることとなる。

また、本発明の半導体装置の製造方法において、絶縁層の非絶縁型半導体モジュール側表面部分及び冷却器側表面部分のうちの少なくともいずれか一方の表面部分に、膨潤助剤を浸透させるのに続いて熱伝導性粒子を直接塗布する構成としたり、絶縁層の非絶縁型半導体モジュール側表面部分及び冷却器側表面部分のうちの少なくともいずれか一方の表面部分に、熱伝導性粒子を５〜７４体積％混ぜた膨潤助剤を塗布して浸透させる構成としたりすることができ、前者の場合は、より一層簡単に高熱伝達特性を有する半導体装置を製造し得ることとなり、後者の場合は、絶縁層にその厚み方向の所定荷重を負荷した際に、絶縁層の表面部分を機械的に破壊し易くなるうえ、絶縁層の界面の非絶縁型半導体モジュール及び冷却器に対する密着性を高め得ることとなる。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

［実施例１］
図１及び図２は本発明の半導体装置の一実施例を示している。図１（ａ）に示すように、この半導体装置１は、半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュール２と、半導体チップの冷却を行う冷却器３と、上記非絶縁型半導体モジュール２に接着剤４を介して接合したバスバー５と、このバスバー５及び冷却器３の間に押縮めた状態で組み付けられた主としてシリコンゴムから成る絶縁層６を備えており、この絶縁層６は、図１（ｂ）に示すように、該絶縁層６を押縮める段階（絶縁層６にその厚み方向の所定荷重を負荷した段階）で形成される伝熱パス１０を有している。

この場合、組み付け前の絶縁層６は、すなわち、図２に示すように、バスバー５及び冷却器３の間にセットした状態の絶縁層６は、その非絶縁型半導体モジュール側表面部分６ＳＭ及び冷却器側表面部分６ＳＨを除く中央部分６Ｃに絶縁性及び熱伝導性に優れたフィラー７を含んでおり、一方、フィラー７を含んでいない非絶縁型半導体モジュール側表面部分６ＳＭ及び冷却器側表面部分６ＳＨには、膨潤助剤８（この実施例ではシリコンオイル；絶縁性を有し且つ揮発性の低い液状物質）が浸透させてあると共に鋭利な角状の突起９ａを有する熱伝導性粒子９（この実施例ではＡｌＮ（窒化アルミ粒子））が添加してある。

つまり、上記した伝熱パス１０は、絶縁層６にその厚み方向の所定荷重を負荷して押縮めた段階で、絶縁層６の表面部分６ＳＭ，６ＳＨに添加した熱伝導性粒子９がこれらの表面部分６ＳＭ，６ＳＨを機械的に破壊し、そして、フィラー７と重なり合うことで形成されるようになっている。

上記半導体装置１を製造するに際しては、まず、絶縁層６のフィラー７を含んでいない非絶縁型半導体モジュール側表面部分６ＳＭ及び冷却器側表面部分６ＳＨに、熱伝導性粒子９を５〜７４体積％混ぜた膨潤助剤８を塗布して浸透させる。

次いで、図２に示すように、絶縁層６をバスバー５及び冷却器３の間にセットした後、この絶縁層６に対してその厚み方向の所定荷重を負荷することによって、熱伝導性粒子９で絶縁層６の表面部分６ＳＭ，６ＳＨを機械的に破壊することにより、絶縁層６に伝熱パス１０を形成しつつバスバー５及び冷却器３の間に組み付けると、上記半導体装置１が得られることとなる。

上記した半導体装置１では、絶縁層６の非絶縁型半導体モジュール側表面部分６ＳＭ及び冷却器側表面部分６ＳＨに浸透させた膨潤助剤８により、絶縁層６の表面の軟化及び膨潤作用が促進されるので、絶縁層６の界面の非絶縁型半導体モジュール２及び冷却器３に対する密着性が高まるのに加えて、絶縁層６に非絶縁型半導体モジュール２側及び冷却器３側に熱伝達可能な伝熱パス１０を設けているので、すなわち、従来の絶縁シートにおいて伝熱の障害となっていた母材のみから成るスキン層をなくしているので、熱抵抗が大幅に低減することとなり、その結果、非絶縁型半導体モジュール２と冷却器３との間における熱伝達性能が向上することとなる。

また、上記した半導体装置１では、膨潤助剤８として、絶縁性を有し且つ揮発性の低いシリコンオイルを用いているので、半導体モジュール２側と冷却器３との絶縁性が確保されると共に、時間の経過とともに絶縁層６が収縮するのを回避し得ることとなる。

［実施例２］
この実施例における半導体装置１１は、ナイロン樹脂から成る絶縁層１６を備えていて、この絶縁層１６は、図４に示すように、その中央部分１６Ｃに絶縁性及び熱伝導性に優れたフィラー７を含んでおり、一方、フィラー７を含んでいない非絶縁型半導体モジュール側表面部分１６ＳＭには、膨潤助剤１８としてエチレングリコールが浸透させてあると共に鋭利な角状の突起９ａを有する熱伝導性粒子９としてＡｌＮ（窒化アルミ粒子）が添加してあり、他の構成は先の実施例の半導体装置１と同じである。

この半導体装置１１において、絶縁層６をバスバー５及び冷却器３の間にセットした状態で、絶縁層１６にその厚み方向の所定荷重を負荷して押縮めると、絶縁層６の表面部分１６ＳＭに添加した熱伝導性粒子９がこの表面部分１６ＳＭを機械的に破壊し、そして、図３に示すように、フィラー７と重なり合うことで伝熱パス２０が形成されるようになっている。

この半導体装置１１においても、絶縁層１６の非絶縁型半導体モジュール側表面部分１６ＳＭに浸透させた膨潤助剤１８としてのエチレングリコールにより、絶縁層１６の表面の軟化及び膨潤作用が促進されるので、絶縁層１６の界面の非絶縁型半導体モジュール２に対する密着性が高まるのに加えて、絶縁層１６に熱伝達可能な伝熱パス２０を設けているので、熱抵抗が大幅に低減することとなり、その結果、非絶縁型半導体モジュール２と冷却器３との間における熱伝達性能が向上することとなる。

［実施例３］
図５に示すように、この実施例における半導体装置２１が先の実施例の半導体装置１と相違するところは、絶縁層６にその厚み方向の所定荷重を負荷して押縮めた段階で、フィラー７と重なり合って伝熱パス１０を形成する熱伝導性粒子２９が球状を成している点にあり、他の構成は先の実施例の半導体装置１と同じである。

この半導体装置２１においても、絶縁層６の非絶縁型半導体モジュール側表面部分６ＳＭ及び冷却器側表面部分６ＳＨに浸透させた膨潤助剤８としてのシリコンオイルにより、絶縁層６の表面の軟化及び膨潤作用が促進されるので、絶縁層６の界面の非絶縁型半導体モジュール２及び冷却器３に対する密着性が高まるのに加えて、絶縁層６に非絶縁型半導体モジュール２側及び冷却器３側に熱伝達可能な伝熱パス１０を設けているので、熱抵抗が大幅に低減することとなり、その結果、非絶縁型半導体モジュール２と冷却器３との間における熱伝達性能が向上することとなる。

［比較例１］
図６は、比較例における半導体装置５１を示しており、この比較例における半導体装置５１が先の実施例の半導体装置１と相違するところは、絶縁層６を押縮める際に負荷する厚み方向の荷重が所定荷重に満たなかった点にある。

この半導体装置５１において、絶縁層６に伝熱パス１０が形成されているもののその数が少なく、上記実施例１の半導体装置１よりも接触熱抵抗がかなり高くなってしまう。

本発明の半導体装置及びその製造方法の詳細な構成は、上記した実施例に限定されるものではない。

本発明の半導体装置の一実施例を示す断面説明図（ａ）及び図１（ａ）に示した半導体装置の絶縁層を組み付けた後の部分拡大断面説明図（ｂ）である。（実施例１） 図１（ａ）に示した半導体装置の絶縁層を組み付ける前の部分拡大断面説明図である。（実施例１） 本発明の他の実施例による半導体装置の絶縁層を組み付けた後の部分拡大断面説明図である。（実施例２） 図３に示した半導体装置の絶縁層を組み付ける前の部分拡大断面説明図である。（実施例２） 本発明のさらに他の実施例による半導体装置の絶縁層を組み付けた後の部分拡大断面説明図である。（実施例３） 比較例としての半導体装置を示す部分拡大断面説明図である。（比較例１）

符号の説明

１，１１，２１ 半導体装置
２ 非絶縁型半導体モジュール
３ 冷却器
５ バスバー
６，１６ 絶縁層
６Ｃ，１６Ｃ 絶縁層の中央部分
６ＳＭ，１６ＳＭ 絶縁層の非絶縁型半導体モジュール側表面部分
６ＳＨ 絶縁層の冷却器側表面部分
７ フィラー
８，１８ 膨潤助剤（液状物質）
９，２９ 熱伝導性粒
９ａ 熱伝導性粒の鋭利な突起
１０，２０ 伝熱パス

Claims (14)

1. 半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュールと、半導体チップの冷却を行う冷却器と、高分子材料を母材として成り上記非絶縁型半導体モジュール及び冷却器の間に挟み込まれる絶縁層を備え、上記絶縁層の非絶縁型半導体モジュール側表面部分及び冷却器側表面部分のうちの少なくともいずれか一方の表面部分には、膨潤助剤が浸透されていると共に熱伝導性粒子が添加され、上記非絶縁型半導体モジュール及び冷却器の間に挟み込まれて所定荷重が負荷された段階で形成される伝熱パスを有していることを特徴とする半導体装置。
2. 上記熱伝導性粒子は、絶縁層の表面部分の熱伝導率よりも高い熱伝導率の熱伝導性粒子を含んでいる請求項１に記載の半導体装置。
3. 上記熱伝導性粒子の体積抵抗率を１０^１０Ωｃｍ以上とした請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 上記熱伝導性粒子は、表面に鋭利な突起を有している請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
5. 上記絶縁層は、高分子材料から成る母材の表面部分を除く部分に含まれるフィラーを有し、このフィラーは、上記母材の熱伝導率よりも高い熱伝導率のフィラーを含んでいる請求項１〜４のいずれか一つの項に記載の半導体装置。
6. 上記フィラーの体積抵抗率を１０^１０Ωｃｍ以上とした請求項５に記載の半導体装置。
7. 上記絶縁層の母材をゴム組成物とした請求項１〜６のいずれか一つの項に記載の半導体装置。
8. 上記絶縁層の母材であるゴム組成物をシリコンゴムとした請求項７に記載の半導体装置。
9. 上記膨潤助剤は絶縁性を有する液状物質から成っている請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
10. 上記膨潤助剤は揮発性の低い液状物質から成っている請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体装置を製造するに際して、絶縁層の非絶縁型半導体モジュール側表面部分及び冷却器側表面部分のうちの少なくともいずれか一方の表面部分に、膨潤助剤を浸透させると共に熱伝導性粒子を添加した後、非絶縁型半導体モジュールと冷却器との間に絶縁層を挟み込んで所定荷重を負荷することで、該絶縁層に伝熱パスを形成しつつ非絶縁型半導体モジュールと冷却器との間に組み付けることを特徴とする半導体装置の製造方法。
12. 請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体装置を製造するに際して、絶縁層の非絶縁型半導体モジュール側表面部分及び冷却器側表面部分のうちの少なくともいずれか一方の表面部分に、膨潤助剤を浸透させると共に熱伝導性粒子を添加し、続いて、この絶縁層にその厚み方向の所定荷重を負荷することで該絶縁層に伝熱パスを形成した後、この絶縁層を非絶縁型半導体モジュールと冷却器との間に挟み込んで組み付けることを特徴とする半導体装置の製造方法。
13. 絶縁層の非絶縁型半導体モジュール側表面部分及び冷却器側表面部分のうちの少なくともいずれか一方の表面部分に、膨潤助剤を浸透させるのに続いて熱伝導性粒子を直接塗布する請求項１１又は１２に記載の半導体装置の製造方法。
14. 絶縁層の非絶縁型半導体モジュール側表面部分及び冷却器側表面部分のうちの少なくともいずれか一方の表面部分に、熱伝導性粒子を５〜７４体積％混ぜた膨潤助剤を塗布して浸透させる請求項１１又は１２に記載の半導体装置の製造方法。

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