JP2011233607A - 半導体装置 - Google Patents

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健太 鈴木
Keiko Shishido
恵子 宍戸
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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と、第2基板4aとを積層して構成している。第1基板4a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とを第1はんだ(高温はんだ)4bで接合し、第1基板4aと第2基板4a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と第2基板4a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,第2はんだ4c,および第2基板4a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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