JP2011233607A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の発熱をヒートシンクに熱伝達する過程で所要の広がり角度をもって拡散させて、ヒートシンクに広範囲に亘って熱伝達させることができる半導体装置の提供を図る。
【解決手段】半導体素子２とヒートシンク３との間に介在した実装部材４は、半導体素子２と対向する部分に、他の周囲部分よりも熱抵抗の高い高熱抵抗部Ｈ・Ｒを備える。半導体素子２の発熱は、実装部材４内の高熱抵抗部Ｈ・Ｒにより直進方向の熱伝達が抑制され、ヒートシンク３へ熱伝達する過程で所要の広がり角度で拡散される。結果、ヒートシンク３に広範囲に亘って熱伝達され、その放熱性能が高まる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を冷却するヒートシンクを備えた半導体装置に関する。

従来の半導体装置の中には、例えば、特許文献１に示されているように、ヒートシンクの半導体素子に対向する部分の熱抵抗を、その周囲部分の熱抵抗よりも高めることによって、ヒートシンク自体における半導体素子の発熱の分散性を高め、ヒートシンクの温度勾配を低減させるようにしたものが知られている。

特開２００９−１８８３２９号公報

特許文献１の開示技術では、ヒートシンク自体の特定部分の熱抵抗を高めているため、この熱抵抗を高めた部分では、ヒートシンク内部を循環する冷媒への熱伝達性が悪化し、ヒートシンクの放熱性能が低下してしまう不具合が生じる。

そこで、本発明は半導体素子の発熱をヒートシンクに熱伝達する過程で所要の広がり角度をもって拡散させて、ヒートシンクに広範囲に亘って熱伝達させることができ、内部を循環する冷媒への熱伝達性を高めて、ヒートシンクの放熱性能を向上することができる半導体装置を提供するものである。

本発明の半導体装置は、半導体素子と冷却部材との間に実装部材を備える。実装部材は、半導体素子と対向する部分に、他の周囲部分の熱抵抗よりも高い高熱抵抗部を備えていることを主要な特徴としている。

半導体素子の発熱は、実装部材内の高熱抵抗部により直進方向の熱伝達が抑制され、冷却部材へ熱伝達する過程で所要の広がり角度をもって拡散される。これにより、冷却部材に広範囲に亘って熱伝達させることができ、冷却部材の放熱性能の向上が可能となる。

本発明に係る半導体装置の第１実施形態を示す断面説明図。 本発明に係る半導体装置の第２実施形態を示す断面説明図。 本発明に係る半導体装置の第３実施形態を示す断面説明図。 本発明に係る半導体装置の第４実施形態を示す断面説明図。 本発明に係る半導体装置の第５実施形態を示す断面説明図。 半導体装置の積層構造における熱の伝達特性をシミュレーションした場合を、本発明の構造（ａ）と、比較例（ｂ）とで半断面として示す説明図。

以下、本発明の実施例を図面と共に詳述する。

図１に示す本発明の第１実施形態の半導体装置１は、半導体素子２と、半導体素子２の
冷却を行うヒートシンク３と、半導体素子２とヒートシンク３との間に介在し、これら両者の結合と相互の熱伝達を行う実装部材４と、を備えている。

ヒートシンク３は、アルミニウムや銅を始めとして、熱伝導性のよい金属材料で構成している。このヒートシンク３は、矩形断面に形成して、内部に冷媒が循環する流路３ａを有する空洞構造としている。

実装部材４は、本実施形態では基板４ａと、基板４ａと半導体素子２とを結合する第１はんだ４ｂと、基板４ａとヒートシンク３の表面（冷却面）とを接合する第２はんだ４ｃとの積層構造としている。

このように積層構造として構成された実装部材４は、半導体素子２と対向する部分、即ち、半導体素子２の略投影平面となる部分に、他の周囲部分の熱抵抗よりも高い高熱抵抗部Ｈ・Ｒを備えている。

図１に示す例では、この高熱抵抗部Ｈ・Ｒを、基板４ａと第２はんだ４ｃに、それらの厚み相当の寸法に同心状に設けている。

この第１実施形態の構成によれば、半導体素子２は通電により高温度に発熱する。この半導体素子２の発熱は、実装部材４ｂ，４ａ，４ｃの各金属層を通じてヒートシンク３の冷却面、即ち、半導体モジュール取付面に伝達される。

このとき、実装部材４ａ，４ｃの半導体素子２と対向する部分に高熱抵抗部Ｈ・Ｒが設けられているため、半導体素子２からヒートシンク３に向けて直進する熱伝達が抑制される。これにより、半導体素子２からヒートシンク３の冷却面へ熱伝達する過程で、図１の矢印Ｓで示すように半導体素子２の発熱が実装部材４内で所要の広がり角度をもって拡散される。

この結果、ヒートシンク３の冷却面に広範囲に亘って熱伝達することができて、その冷却面の厚み方向および面方向の温度勾配の低減化が可能となる。

しかも、このヒートシンク３は、上述のように熱の良導体で構成されていて、少なくとも、冷却面はその熱抵抗が低く全面一様である。このため、前記広範囲に亘って熱伝達されることと相俟って、流路３ａを循環する冷媒への熱伝達性が高められ、ヒートシンク３の放熱性能、即ち、半導体素子２の冷却性能を向上することが可能となる。

より具体的には、上述のように半導体素子２の発熱を、実装部材４内でヒートシンク３側に向けて所要の広がり角度に拡散させて、ヒートシンク３の冷却面の広範囲に熱伝達して、該ヒートシンク３の冷却面の温度勾配が低減される。これに加えて、ヒートシンク３の冷却面の広範囲領域で流路３ａ内の冷媒との熱交換が積極的に行われることと相俟って、半導体素子２の温度上昇をより効果的に抑制することが可能となる。

また、半導体素子２の発熱が実装部材４内で広角度に拡散されることと、ヒートシンク３の冷却面に広範囲に亘って熱伝達が行われることによって、実装部材４およびヒートシンク３が局所的に高温度となるのを回避する。この結果、実装部材４，ヒートシンク３の耐熱寿命を向上することができると共に、冷媒の耐熱寿命をも向上することが可能となる。

図２は、本発明の第２実施形態を示している。本実施形態にあっては、第１実施形態における実装部材４内の高熱抵抗部Ｈ・Ｒの断面積を、半導体素子２側からヒートシンク３
側に至るにしたがって拡大してある。即ち、本実施形態では、高熱抵抗部Ｈ・Ｒを截頭角錐、または截頭円錐形状に構成している。

この第２実施形態の構造によれば、前記第１実施形態と同様の効果が得られる他に、実装部材４内の高熱抵抗部Ｈ・Ｒの断面積が末広がり状に拡大していることによって、実装部材４内での熱伝達の拡散（図２の矢印Ｓ参照）と、ヒートシンク３の冷却面における広範囲領域への熱伝達とを、更に良好に行わせることが可能となる。

図３は、本発明の第３実施形態を示している。本実施形態では第１実施形態における高熱抵抗部Ｈ・Ｒを、ヒートシンク３の冷却面に重合して第２はんだ４ｃで接合される基板４ａのヒートシンク３と対向する取付面側において、厚み方向で非貫通状態に設けている。

この第３実施形態の構造によれば、前記第１実施形態と同様の効果が得られる他に、高熱抵抗部Ｈ・Ｒが、基板４ａの半導体素子２を接合する面側にまで達していないため、半導体素子２と基板４ａとの電気接続性に悪影響を及ぼすのを回避することができる。

第１〜第３実施形態における高熱抵抗部Ｈ・Ｒは、実装部材４を構成する基板４ａ、または第２はんだ４ｃの所定部分に、熱伝導率の低い金属材料や、耐熱性の合成樹脂材料を埋設して構成することができる。

このように、高熱抵抗部Ｈ・Ｒを、その周囲部分よりも熱伝導率の低い材料を選択的に使用して構成することで、該高熱抵抗部Ｈ・Ｒの熱抵抗値を任意に制御することが可能となり、実装部材４内における熱伝達の拡散、およびヒートシンク３における温度勾配の低減化を精緻に設定できて、より効果的な半導体素子２の冷却が可能となる。

図４は、本発明の第４実施形態を示しており、本実施形態では第１実施形態における高熱抵抗部Ｈ・Ｒを空気層で構成している。即ち、実装部材４を構成する基板４ａおよび第２はんだ４ｃにおける半導体素子２と対向する部分に、それぞれ厚み方向に貫通する孔５を形成し、この孔５を第１はんだ４ｂとヒートシンク３の冷却面とで密閉して空気を内封した断熱層として構成している。

この第４実施形態の構造によれば、前記第１実施形態と同様の効果が得られる他に、基板４ａ，第２はんだ４ｃに異種材料を増設する必要がなく、コスト低減を図ることができる。

図５は、本発明の第５実施形態を示している。本実施形態では、第１実施形態における基板４ａ面上に、半導体素子２として、トランジスタ２Ａと、ダイオード２Ｂとを、それぞれ第１はんだ４ｂを介して隣接状態に接合配置している。

そして、実装部材４には、これらトランジスタ２Ａとダイオード２Ｂのうち、発熱量の大きなトランジスタ２Ａに対向する部分に、第１実施形態と同様の高熱抵抗部Ｈ・Ｒを構成している。

このように、実装部材４における、発熱量の大きなトランジスタ２Ａに対向する部分に、高熱抵抗部Ｈ・Ｒを設けることにより、トランジスタ２Ａの発熱がヒートシンク３の冷却面に伝達される過程で、実装部材４内において高熱抵抗部Ｈ・Ｒによる熱伝達の拡散作用が得られる。これにより、ヒートシンク３の冷却面におけるトランジスタ２Ａの配置側と、ダイオード２Ｂの配置側とで温度勾配が高くなるのを抑制することができると共に、ヒートシンク３の放熱性能の向上を図ることが可能となる。

図１〜図５に示す第１〜第５実施形態では、実装部材４を、基板４ａと、第１はんだ４ｂと、第２はんだ４ｃとからなる積層形態として示したが、この積層形態は半導体モジュールの仕様によって多様に構成される。

図６に、半導体装置１の積層構造を半断面として、熱の伝達特性をシミュレーションして示している。

因みに、図６に示す例では半導体モジュールを、半導体素子２と、第１基板４ａ_１と、第２基板４ａ_２とを積層して構成している。第１基板４ａ_１は、例えば、銅（Ｃｕ）と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と、銅（Ｃｕ）の各金属薄板をこの順に積層した構造としている。そして、半導体素子１と第１基板４ａ_１とを第１はんだ（高温はんだ）４ｂで接合し、第１基板４ａ_１と第２基板４ａ_２とを第２はんだ（低温はんだ）４ｃで接合して半導体モジュールを構成している。また、第２基板４ａ_２はアルミニウム（Ａｌ）の金属薄板として、アルミニウム製のヒートシンク３の冷却面にボルト等の締結手段により結合した構造のものとする。

図６（ａ）は、第１基板４ａ_１と第２基板４ａ_２とを接合した第２はんだ４ｃにおける半導体素子２と対向する部分に、高熱抵抗部Ｈ・Ｒを設けた本発明の構造に対応している。

図６（ｂ）は、本発明の比較例を示しており、ヒートシンク３の冷却面における半導体素子２と対向する部分に、高熱抵抗部Ｈ・Ｒを設けている。

第１はんだ４ｂ，第１基板４ａ_１，第２はんだ４ｃ，および第２基板４ａ_２からなる実装部材４の積層構造内部では、図６（ａ），（ｂ）の何れの構造例も、半導体素子２の発熱を受けて軸方向中心部分に高温が分布し、径外方向に向けて低温化して行く温度分布となる。即ち、半導体素子２の発熱は、実装部材４内をヒートシンク３側に向けて直進して熱伝達する傾向となる。

図６（ａ）に示す構造例では、実装部材４の第２はんだ４ｃにおける高熱抵抗部Ｈ・Ｒの存在により、半導体素子２側からヒートシンク３側に向かう直進方向の熱伝達が遮ぎられる。これにより、同図に矢印で示すように広角度の広がりをもってヒートシンク３に向かう熱伝達成分Ｓ１と、高熱抵抗部Ｈ・Ｒを迂回してヒートシンク３の中央側に向かう熱伝達成分Ｓ２として、実装部材４内をヒートシンク３側に向けて広角度に拡散して熱伝達する。従って、ヒートシンク３の冷却面には、半導体素子２と対向する中心部分から径外方向に向かって、広面積範囲に半導体素子２の発熱が伝達される。即ち、ヒートシンク３は、その冷却面の広面積範囲で、半導体素子２の発熱を分散して受熱することが可能となる。

一方、図６（ｂ）に示す比較例の構造では、半導体素子２の発熱は、実装部材４内をヒートシンク３側に向けてほぼ直進して熱伝達され、ヒートシンク３の冷却面における高熱抵抗部Ｈ・Ｒの近傍部分でこの直進する熱伝達が遮られる。これにより、同図の矢印Ｓ３に示すように、ヒートシンク３の冷却面の中央部分にほぼ集束して熱伝達される。しかも、ヒートシンク３の冷却面の中央部には、高熱抵抗部Ｈ・Ｒの径および厚み相当の断熱層が存在してしまう。

このことからも、前記第１〜第５実施形態に示した構造が、半導体素子２の冷却に如何に有効であるかが判る。

なお、各実施形態ではヒートシンク３として冷媒循環タイプのものを例示したが、この他、外面に複数の冷却フィンを備えたフィン放熱タイプのものを用いることも可能である。

また、各実施形態の構成と各請求項の構成との対応関係において、ヒートシンク３が冷却部材に相当する。

１…半導体装置
２…半導体素子
３…ヒートシンク（冷却部材）
４…実装部材
Ｈ・Ｒ…高熱抵抗部

Claims (5)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子の冷却を行う冷却部材と、
   前記半導体素子と前記冷却部材との間に介在して、これら両者の結合と相互の熱伝達を行う実装部材と、を備え、
   前記実装部材の前記半導体素子と対向する部分に、他の周囲部分の熱抵抗よりも高い高熱抵抗部を設けたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記高熱抵抗部の断面積を、前記半導体素子側から前記冷却部材側に至るにしたがって拡大したことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記高熱抵抗部を、その周囲部分よりも熱伝導率の低い材料で構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記高熱抵抗部を、空気層で構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
5. 前記実装部材が、前記冷却部材に重合して接合される基板を備えていて、前記高熱抵抗部を、前記基板の前記冷却部材と対向する取付面側で、厚み方向に非貫通状態に設けたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の半導体装置。

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