JP2013062282A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性を向上した半導体装置を提供すること。
【解決手段】本半導体装置は、半導体モジュールと、前記半導体モジュールの主面上に第１の充填材を介して配された絶縁板と、前記絶縁板上に第２の充填材を介して配された冷却器と、を有し、前記絶縁板の前記半導体モジュールの前記主面と対向する面に凸部が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールと冷却器とを有する半導体装置に関する。

従来より、半導体モジュールと冷却器とを有する半導体装置が知られている。一例としては、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、半導体モジュールに接触配置された絶縁材と、半導体モジュールとの間に絶縁材を挟むように絶縁材に接触配置された冷却器とが、互いに加圧密着してなる半導体装置等を挙げることができる。この半導体装置において、半導体モジュールの主面と絶縁材の主面との間、及び絶縁材の他の主面と冷却器の主面との間にはグリスが介在している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１６５６２０号公報

しかしながら、上記の半導体装置では、グリスの膜厚を薄くすることが困難であるため、放熱性が低下する問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、放熱性を向上した半導体装置を提供することを課題とする。

本半導体装置は、半導体モジュールと、前記半導体モジュールの主面上に第１の充填材を介して配された絶縁板と、前記絶縁板上に第２の充填材を介して配された冷却器と、を有し、前記絶縁板の前記半導体モジュールの前記主面と対向する面に凸部が設けられていることを要件とする。

開示の技術によれば、放熱性を向上した半導体装置を提供できる。

第１の実施の形態に係る半導体装置を例示する断面図である。 比較例に係る半導体装置を例示する断面図である。 第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一部を例示する図（その１）である。 第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一部を例示する図（その２）である。 第１の実施の形態の変形例１に係る半導体装置を例示する断面図である。 第１の実施の形態の変形例２に係る半導体装置を例示する断面図である。 第１の実施の形態の変形例２に係る絶縁板を例示する底面図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る半導体装置を例示する断面図である。図１を参照するに、第１の実施の形態に係る半導体装置１０は、主要な構成要素として、半導体モジュール２０と、冷却部３０と、冷却部４０とを有する。なお、搭載状態に応じて上下方向が異なるが、便宜上、冷却部４０側を下方として説明を行う。従って、半導体装置１０を図１のように視た場合の各構成部品の上側の面を上面、下側の面を下面という（他の実施の形態についても同様）。

半導体モジュール２０は、半導体素子２１と、接合部２２及び２４と、放熱板２３及び２５と、封止樹脂２６とを有する。半導体素子２１の上面は接合部２２を介して放熱板２３に接合されている。半導体素子２１の下面は接合部２４を介して放熱板２５に接合されている。放熱板２３と放熱板２５とは、半導体素子２１並びに接合部２２及び２４を介して、概ね対向配置されている。なお、以降、半導体モジュール２０の冷却部３０側の面を第１主面、冷却部４０側の面を第２主面と称する場合がある。

半導体素子２１、接合部２２及び２４、並びに放熱板２３及び２５は、封止樹脂２６により封止されている。但し、放熱板２３の上面及び放熱板２５の下面は、封止樹脂２６から露出している。又、放熱板２３及び２５は、半導体素子２１の電流経路を兼ねているため、放熱板２３及び２５からは、それぞれ外部接続端子（図示せず）が封止樹脂２６の外部に突出している。

半導体素子２１は、例えば、車両に搭載されるインバータ回路や昇降圧コンバータ回路の一部を構成する部品とすることができる。より詳しくは、半導体素子２１は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated gate bipolar transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal oxide semiconductor field‐effect transistor）のようなスイッチング素子とすることができる。

接合部２２及び２４の材料としては、例えば、はんだや導電性接着剤等を用いることができる。放熱板２３及び２５の材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）や銅合金、アルミニウム（Ａｌ）等の熱伝導性及び電気伝導性に優れた金属を用いることができる。封止樹脂２６の材料としては、例えば、フィラーを含有したエポキシ系絶縁樹脂等を用いることができる。

半導体モジュール２０は、半導体素子２１の両面にそれぞれ接合部２２及び２４を介して放熱板２３及び２５を接合後、モールド成形（トランスファーモールド等）により封止樹脂２６を形成することで作製される。モールド成形の際に、放熱板２３の上面及び放熱板２５の下面をそれぞれ封止樹脂２６となる樹脂材料の一部が被覆してしまう。そのため、放熱板２３の上面及び放熱板２５の下面を露出させるために、放熱板２３の上面及び放熱板２５の下面を被覆する樹脂材料を切削等により除去している。

この際、放熱板２３の上面及び放熱板２５の下面を被覆する樹脂材料と、放熱板２３の上面及び放熱板２５の下面のそれぞれの表面側が除去される。しかし、放熱板２３及び２５の材料は封止樹脂２６の材料よりも柔らかいため、放熱板２３の上面及び放熱板２５の下面の切削量が封止樹脂２６の切削量よりも多くなる。そのため、図１に示すように、半導体モジュール２０の第１主面には、放熱板２３の上面が封止樹脂２６の上面に対して凹となる３０μｍ程度の段差が生じる。又、半導体モジュール２０の第２主面には、放熱板２５の下面が封止樹脂２６の下面に対して凹となる３０μｍ程度の段差が生じる。

冷却部３０は、充填材３１と、絶縁板３２と、充填材３３と、冷却器３４とを有する。より詳しくは、半導体モジュール２０の第１主面には充填材３１を介して絶縁板３２が配置され、更に充填材３３を介して冷却器３４が配置されている。冷却部３０は、半導体素子２１で発生した熱が伝達されて高温化した放熱板２３を冷却する機能を有する。

冷却器３４は、内部に冷媒流路３４ｘを有する部材であり、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の熱伝導率に優れた材料から形成されている。冷媒流路３４ｘ内に、例えば、水等の冷却媒体を流通させることにより、高温化した放熱板２３を冷却できる。

ところで、前述のように、放熱板２３は半導体素子２１の電流経路を兼ねているため、放熱板２３と冷却器３４とは電気的に絶縁しなければならない。そこで、放熱板２３と冷却器３４との間には、絶縁板３２が配されている。絶縁板３２は、半導体素子２１から冷却器３４に至る放熱経路内に配置されているため、熱伝導率に優れた材料から形成されていることが好ましい。絶縁板３２としては、例えば、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミック板等を用いることができる。

絶縁板３２には、下面の周縁部を除く部分に凸部３２ｘが形成されている。つまり、絶縁板３２の半導体モジュール２０の第１主面と対向する面に凸部３２ｘが設けられている。凸部３２ｘは放熱板２３の上面と対向配置され、凸部３２ｘの周辺部（絶縁板３２の下面の周縁部）は封止樹脂２６の上面と対向配置されている。凸部３２ｘの厚さは、例えば、３０〜１００μｍ程度とすることができる。凸部３２ｘを含む絶縁板３２全体の厚さは、例えば、４００〜５００μｍ程度とすることができる。

凸部３２ｘを含む絶縁板３２の下面と半導体モジュール２０の第１主面との間には、充填材３１が配されている。充填材３１としては、例えば、シリコンオイル等の放熱グリスを用いることができる。充填材３１は、例えば、シリカ等のフィラーを含有していてもよい。充填材３１を配することにより、放熱板２３の熱を効率的に冷却器３４に伝えることができる。但し、充填材３１は、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属ほどは熱伝導率が高くないため、できるだけ薄くすることが好ましい。絶縁板３２の上面と冷却器３４の下面との間に配された充填材３３についても同様である。

冷却部４０は、充填材４１と、絶縁板４２と、充填材４３と、冷却器４４とを有する。より詳しくは、半導体モジュール２０の第２主面には充填材４１を介して絶縁板４２が配置され、更に充填材４３を介して冷却器４４が配置されている。冷却部４０は、半導体素子２１で発生した熱が伝達されて高温化した放熱板２５を冷却する機能を有する。

冷却器４４は、内部に冷媒流路４４ｘを有する部材であり、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の熱伝導率に優れた材料から形成されている。冷媒流路４４ｘ内に、例えば、水等の冷却媒体を流通させることにより、高温化した放熱板２５を冷却できる。

ところで、前述のように、放熱板２５は半導体素子２１の電流経路を兼ねているため、放熱板２５と冷却器４４とは電気的に絶縁しなければならない。そこで、放熱板２５と冷却器４４との間には、絶縁板４２が配されている。絶縁板４２は、半導体素子２１から冷却器４４に至る放熱経路内に配置されているため、熱伝導率に優れた材料から形成されていることが好ましい。絶縁板４２としては、例えば、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミック板等を用いることができる。

絶縁板４２には、上面の周縁部を除く部分に凸部４２ｘが形成されている。つまり、絶縁板４２の半導体モジュール２０の第２主面と対向する面に凸部４２ｘが設けられている。凸部４２ｘは放熱板２５の下面と対向配置され、凸部４２ｘの周辺部（絶縁板４２の上面の周縁部）は封止樹脂２６の下面と対向配置されている。凸部４２ｘの厚さは、例えば、３０〜１００μｍ程度とすることができる。凸部４２ｘを含む絶縁板４２全体の厚さは、例えば、４００〜５００μｍ程度とすることができる。

凸部４２ｘを含む絶縁板４２の上面と半導体モジュール２０の第２主面との間には、充填材４１が配されている。充填材４１としては、例えば、シリコンオイル等の放熱グリスを用いることができる。充填材４１は、例えば、シリカ等のフィラーを含有していてもよい。充填材４１を配することにより、放熱板２５の熱を効率的に冷却器４４に伝えることができる。但し、充填材４１は、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属ほどは熱伝導率が高くないため、できるだけ薄くすることが好ましい。絶縁板４２の下面と冷却器４４の上面との間に配された充填材４３についても同様である。

ここで、比較例を用いて、第１の実施の形態に係る半導体装置の有する特有の効果について説明する。図２は、比較例に係る半導体装置を例示する断面図である。図２を参照するに、比較例に係る半導体装置１００は、冷却部３０の絶縁板３２が冷却部３００の絶縁板３２０に置換され、冷却部４０の絶縁板４２が冷却部４００の絶縁板４２０に置換された点が、半導体装置１０（図１参照）と相違する。

半導体装置１００では、半導体装置１０と同様に、半導体モジュール２０の第１主面には、放熱板２３の上面が封止樹脂２６の上面に対して凹となる３０μｍ程度の段差が生じる。又、半導体モジュール２０の第２主面には、放熱板２５の下面が封止樹脂２６の下面に対して凹となる３０μｍ程度の段差が生じる。しかし、絶縁板３２０及び４２０は、それぞれ平板状の部材であり、何れの面にも凸部は形成されていない。そのため、半導体モジュール２０の第１主面及び第２主面にそれぞれ生じた段差部分に溜まる充填材を薄くすることができず、熱抵抗が上昇する。

一方、第１の実施の形態に係る半導体装置１０では、以下に説明する図３及び図４の製造工程からわかるように、半導体モジュール２０の第１主面及び第２主面にそれぞれ生じた段差部分に、それぞれ絶縁板３２の凸部３２ｘ及び絶縁板４２の凸部４２ｘが入り込むため、放熱板２３の上面の充填材３１及び放熱板２５の下面の充填剤４１の膜厚が薄くなり熱抵抗が低下して放熱性が向上する。放熱板２３の上面の充填材３１の膜厚及び放熱板２５の下面の充填剤４１の膜厚は、例えば、数μｍ程度とすることができる。

図３及び図４は、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一部を例示する図である。まず、図３に示すように、半導体モジュール２０の第１主面に充填材３１を塗布して絶縁材３２を配し、更に充填材３３を塗布する。又、半導体モジュール２０の第２主面に充填材４１を塗布して絶縁材４２を配し、更に充填材４３を塗布する。そして、冷却器３４及び４４を準備する。

次に、図４に示すように、冷却器３４の下面を充填材３３に、冷却器４４の上面を充填材４３に接触させて、矢印Ａ及びＢ方向に圧縮加圧する。これにより、凸部３２ｘ及び４２ｘの部分に存在する充填材３１及び４１の一部は、凸部３２ｘ及び４２ｘの周辺部に排出され、凸部３２ｘ及び４２ｘと放熱板２３の上面及び放熱板２５の下面にそれぞれ挟まれた部分の充填材３１及び４１の膜厚が薄くなり熱抵抗が低下して放熱性が向上する。

このように、第１の実施の形態に係る半導体装置１０では、絶縁板の放熱板に対向する側に凸部を設けたことにより、凸部が設けられていない平板状の絶縁板を有する半導体装置１００と比較して、絶縁板と放熱板間の充填材の膜厚を薄くすることが可能となり、熱抵抗を低下させて放熱性を向上できる。

なお、絶縁板と放熱板間の充填材の膜厚を薄くするために、放熱板を複数に分割し、互いに離間させて配置する方法も考えられるが、充填材が形成されない部分（空間）が生じた場合に、放熱板と冷却器との間で電流リークが発生する懸念があり、好ましくない。

〈第１の実施の形態の変形例１〉
第１の実施の形態の変形例１では、第１の実施の形態とは異なる絶縁板を用いる一例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。

図５は、第１の実施の形態の変形例１に係る半導体装置を例示する断面図である。図５を参照するに、第１の実施の形態の変形例１に係る半導体装置１０Ａは、冷却部３０及び４０がそれぞれ冷却部３０Ａ及び４０Ａに置換された点が、半導体装置１０（図１参照）と相違する。

図５を参照するに、冷却部３０Ａの絶縁板３２Ａには、下面の周縁部を除く部分に凸部３２ｘが形成されており、上面の周縁部を除く部分に凸部３２ｙが形成されている。絶縁板３２Ａの上面の周縁部及び凸部３２ｙは、概ね冷却器３４の下面と対向配置されている。凸部３２ｙを含む絶縁板３２Ａの上面と冷却器３４の下面との間には、充填材３３が配されている。

冷却部４０Ａの絶縁板４２Ａには、上面の周縁部を除く部分に凸部４２ｘが形成されており、下面の周縁部を除く部分に凸部４２ｙが形成されている。絶縁板４２Ａの下面の周縁部及び凸部４２ｙは、概ね冷却器４４の上面と対向配置されている。凸部４２ｙを含む絶縁板４２Ａの下面と冷却器４４の上面との間には、充填材４３が配されている。絶縁板３２Ａ及び４２Ａとしては、例えば、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミック板等を用いることができる。

このように、第１の実施の形態の変形例１に係る半導体装置では、絶縁板の上面及び下面に凸部を設けている。これにより、第１の実施の形態の効果に加えて、更に以下の効果を奏する。すなわち、凸部３２ｙ及び４２ｙの部分に存在する充填材３３及び４３の一部が、凸部３２ｙ及び４２ｙの周辺部に排出され、凸部３２ｙ及び４２ｙと冷却器３４の下面及び冷却器４４の上面にそれぞれ挟まれた部分の充填材３３及び４３の膜厚が薄くなる（例えば、数μｍ程度）。つまり、冷却器側の充填材も薄くして熱抵抗を低減できるため、放熱板の熱を一層冷却器に伝えやすくなり、半導体装置の放熱性を一層向上できる。

なお、図１の状態でも冷却器を放熱板側に押圧することにより、充填材を薄くできるように思えるが、余剰な充填材の行き場所がなく、充填材が不要な部分に流れる虞がある。第１の実施の形態の変形例１に係る半導体装置では、絶縁板の冷却器側の面に凸部を設けているため、冷却器側の充填材を薄くして熱抵抗を低減できるとともに、余剰な充填材を絶縁板の凸部の周囲に溜めることができ、充填材が不要な部分に流れる虞を低減できる。

〈第１の実施の形態の変形例２〉
第１の実施の形態の変形例２では、第１の実施の形態とは異なる絶縁板を用いる他の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例２において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。

図６は、第１の実施の形態の変形例２に係る半導体装置を例示する断面図である。図６を参照するに、第１の実施の形態の変形例２に係る半導体装置１０Ｂは、冷却部３０及び４０がそれぞれ冷却部３０Ｂ及び４０Ｂに置換された点が、半導体装置１０（図１参照）と相違する。

図７は、第１の実施の形態の変形例２に係る絶縁板を例示する底面図である。なお、図７では、絶縁板３２Ｂのみを示したが、絶縁板４２Ｂも絶縁板３２Ｂと同様の構造である。図６及び図７を参照するに、冷却部３０Ｂの絶縁板３２Ｂには、下面の周縁部を除く部分に複数の凸部（凸部３２ｒ及び３２ｓ）が形成されている。凸部３２ｒは絶縁板３２Ｂの下面の略中央部に形成されており、凸部３２ｓは凸部３２ｒの周囲に点在するように複数個形成されている。凸部３２ｓと凸部３２ｒとの間、及び隣接する凸部３２ｒ間は凹部となっている。

絶縁板３２Ｂの下面の周縁部は、概ね封止樹脂２６の上面と対向配置されており、凸部３２ｒ及び３２ｓは、概ね放熱板２３の上面と対向配置されている。凸部３２ｒ及び３２ｓを含む絶縁板３２Ｂの下面と半導体モジュール２０の第１主面との間には、充填材３１が配されている。

冷却部４０Ｂの絶縁板４２Ｂには、上面の周縁部を除く部分に複数の凸部（凸部４２ｒ及び４２ｓ）が形成されている。凸部４２ｒは絶縁板４２Ｂの上面の略中央部に形成されており、凸部４２ｓは凸部４２ｒの周囲に点在するように複数個形成されている。凸部４２ｓと凸部４２ｒとの間、及び隣接する凸部４２ｒ間は凹部となっている。

絶縁板４２Ｂの上面の周縁部は、概ね封止樹脂２６の下面と対向配置されており、凸部４２ｒ及び４２ｓは、概ね放熱板２５の下面と対向配置されている。凸部４２ｒ及び４２ｓを含む絶縁板４２Ｂの上面と半導体モジュール２０の第２主面との間には、充填材４１が配されている。絶縁板３２Ｂ及び４２Ｂとしては、例えば、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミック板等を用いることができる。

このように、第１の実施の形態の変形例２に係る半導体装置では、絶縁板の放熱板側の面に複数の凸部を設けている。これにより、第１の実施の形態の効果に加えて、更に以下の効果を奏する。すなわち、凸部間に多数の凹部を設けることにより、多数の凹部に充填材を溜めることが可能となり、各凸部先端の充填材を一層薄くして熱抵抗を低減できる。その結果、放熱板の熱を一層冷却器に伝えやすくなり、半導体装置の放熱性を一層向上できる。

但し、放熱性を向上する観点からすると、半導体素子２１と平面視において重複する位置に凸部３２ｒ及び４２ｒを設けることが好ましい。換言すれば、半導体素子２１と平面視において重複する位置には、凸部間で形成する凹部を設けないことが好ましい。

なお、絶縁板の両面に複数の凸部を設けてもよい。これにより、冷却器側の充填材も薄くして熱抵抗を低減できるため、放熱板の熱を更に冷却器に伝えやすくなり、半導体装置の放熱性を更に向上できる。

以上、好ましい実施の形態及びその変形例について詳説したが、上述した実施の形態及びその変形例に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及びその変形例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述した実施の形態及びその変形例では、絶縁板に設けられた凸部の側面が傾斜面となっているが、凸部の側面は絶縁板の上面又は下面に対して垂直な面としてもよい。又、凸部の側面は曲面を含んでいてもよい。

１０、１０Ａ、１０Ｂ 半導体装置
２０ 半導体モジュール
２１ 半導体素子
２２、２４ 接合部
２３、２５ 放熱板
２６ 封止樹脂
３０、３０Ａ、３０Ｂ、４０、４０Ａ、４０Ｂ 冷却部
３１、４１ 充填材
３２、３２Ａ、３２Ｂ、４２、４２Ａ、４２Ｂ 絶縁板
３２ｒ、３２ｓ、３２ｘ、３２ｙ、４２ｒ、４２ｓ、４２ｘ、４２ｙ 凸部
３３、４３ 充填材
３４、４４ 冷却器
３４ｘ、４４ｘ 冷媒流路

Claims (6)

1. 半導体モジュールと、
   前記半導体モジュールの主面上に第１の充填材を介して配された絶縁板と、
   前記絶縁板上に第２の充填材を介して配された冷却器と、を有し、
   前記絶縁板の前記半導体モジュールの前記主面と対向する面に凸部が設けられている半導体装置。
2. 前記半導体モジュールは、半導体素子と、前記半導体素子上に設けられた放熱板と、前記半導体素子及び前記放熱板の一部を封止する封止樹脂と、を有し、
   前記放熱板の前記絶縁板側の面は前記封止樹脂から露出して前記主面の一部を構成している請求項１記載の半導体装置。
3. 前記凸部は前記放熱板の前記絶縁板側の面と対向配置され、前記凸部の周辺部は前記封止樹脂の前記絶縁板側の面と対向配置されている請求項２記載の半導体装置。
4. 前記絶縁板の前記主面と対向する面には複数の凸部が設けられている請求項１乃至３の何れか一項記載の半導体装置。
5. 前記複数の凸部は、前記絶縁板の前記主面と対向する面の中央部に設けられた第１の凸部と、前記第１の凸部の周囲に設けられた複数の第２の凸部と、を含む請求項４記載の半導体装置。
6. 前記絶縁板の前記主面と対向する面とは反対側の面に、更に凸部が設けられている請求項１乃至５の何れか一項記載の半導体装置。

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