JP2015056562A - 半導体装置及び放射線装置 - Google Patents

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朋子 門田
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卓也 本郷
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Abstract

【課題】熱疲労を低減することと、振動・衝撃・荷重から保護することとを両立させることができる半導体装置及び放射線装置を提供する。
【解決手段】実施形態の半導体装置は、半導体素子と、ゲルと、鈍化部材と、を有する。ゲルは、半導体素子周辺を予め定められた強度で絶縁して封止する。鈍化部材は、ゲル内に設けられ、潜熱及び外部からの制御の少なくともいずれかにより、予め定められた温度範囲に対し、ゲルの温度の上昇及び下降における温度変化を鈍らせる。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、半導体装置及び放射線装置に関する。
パワーデバイスなどの半導体装置は、素子の稼働に伴って発熱する。素子を正しく動作させるためには、素子の上限温度以下になるように放熱させる必要があり、放熱フィンや放熱シートなどの冷却構造が提案されている。また、パワーデバイスは、車載用電子機器などに用いられる場合もあり、振動や衝撃から保護するため、又は絶縁性を保護するために、素子周辺にゲル（封止材料）を充填する場合が多い。
特開２００１−３０８２４２号公報 特開２０１２−１０９４５１号公報 特開平１１−３１２８８３号公報 特開２００８−１９３０１７号公報 特開２０１２−９９６１２号公報
しかしながら、近年のＳｉＣ（炭化ケイ素）などの高耐圧・高温動作のパワーデバイスや、高効率を実現するために細かくスイッチングを繰り返すパワーデバイスなどでは、素子の急激な温度変動の繰り返しが、素子接合部の熱疲労破損を引き起こし、信頼性を低下させるという問題があった。従来から、放熱問題や、接合部の熱疲労問題は存在する。熱疲労破損に対する信頼性を適切に向上させるためには、放熱構造を改善したり、接合部のひずみ集中を低減するための半導体装置構造を改善するだけでなく、温度変動幅と、温度サイクル数を低減させることが、重要な課題となる。
また、温度変動の時間的な履歴が非対称（温度上昇時間と温度下降時間が異なる）の場合、履歴が対称の場合の熱負荷より、熱疲労寿命が低下するという疲労強度データも報告されている。
本発明が解決しようとする課題は、熱疲労を低減することと、振動・衝撃・荷重から保護することとを両立させることができる半導体装置及び放射線装置を提供することである。
実施形態の半導体装置は、半導体素子と、ゲルと、鈍化部材と、を有する。ゲルは、半導体素子周辺を予め定められた強度で絶縁して封止する。鈍化部材は、ゲル内に設けられ、潜熱及び外部からの制御の少なくともいずれかにより、予め定められた温度範囲に対し、ゲルの温度の上昇及び下降における温度変化を鈍らせる。
実施形態にかかる半導体装置の第１の構成例を示す図。 実施形態にかかる半導体装置の第２の構成例の概要を示す図。 実施形態にかかる半導体装置のゲル及びその周辺の詳細な第１構成例を示す断面図。 実施形態にかかる半導体装置のゲル及びその周辺の詳細な第２構成例を示す断面図。 実施形態にかかる半導体装置のゲル及びその周辺の詳細な第３構成例を示す断面図。 実施形態にかかる半導体装置のゲル及びその周辺の詳細な第４構成例を示す断面図。 実施形態にかかる半導体装置のゲル及びその周辺の詳細な第５構成例を示す断面図。 実施形態にかかる半導体装置が動作した場合の作用を示すグラフ。 図５に示したペルチェ素子及び発熱素子を有する半導体装置の作用を示すグラフ。 図５に示したペルチェ素子及び発熱素子を有する半導体装置の制御された作用を示すグラフ。 実施形態にかかる半導体装置を有する放射線装置の概要を示す図。
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる半導体装置１について説明する。
（実施形態）
図１は、実施形態にかかるパワーモジュールなどの半導体装置１の第１の構成例を示す図である。図１に示すように、半導体装置１は、例えば金属のベース１０の上部に、接合部１１によって絶縁基板１２が接合されている。接合部１１は、例えばはんだ、金属、銀ナノ粒子、焼結剤などからなる。絶縁基板１２は、例えばセラミック等の材料により形成される絶縁性の配線基板である。絶縁基板１２は、表面に銅やタングステン等の導電性材料で配線パターンが形成されており、半導体装置１の内部と外部との電気的な接続を確保する役割を持つ。
例えば、絶縁基板１２の上部には、接合部１３−１〜１３−３により、それぞれ半導体素子１４−１〜１４−３などの素子が接合されている。接合部１３−１〜１３−３は、それぞれ接合部１１と同様の部材からなる。半導体素子１４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー素子やダイオードなどである。また、例えば、半導体素子１４−１，１４−３は、絶縁基板１２上に形成された配線パターン（図示せず）に対し、ワイヤ１５によって接合されている。ワイヤ１５は、例えばアルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）などからなる。ワイヤ１５は、Ｃｕ電極などで代替えされてもよい。
ゲル１６は、例えばシリコーンゲルなどであり、図示しない筐体（図２，３等参照）内に充填され、半導体素子１４周辺を予め定められた強度で絶縁して封止する。より具体的には、ゲル１６は、半導体素子１４及びワイヤ１５を被覆している。なお、ゲル１６については後に詳述する。ベース１０の下部には、グリス１７を介してフィンなどの冷却部材（伝熱部材）１８が設けられている。
なお、図２以降の各図において、半導体装置１を構成する実質的に同一の部分には、同一の符号が付してある。
図２は、実施形態にかかる半導体装置１の第２の構成例の概要を示す図である。図２（ａ）は、半導体装置１の断面図であり、図２（ｂ）は半導体装置１の上面図である。なお、図２においては、半導体装置１は２つの半導体素子１４を収容しているものとしている。
ワイヤ１５は、例えば半導体素子１４の表面に形成された電極１９、又は絶縁基板１２の表面に形成された電極１９に対して接続されることにより、半導体素子１４間、又は半導体素子１４と絶縁基板１２とを接続する。例えば複数のワイヤ１５は、平行に配置されている。ゲル１６は、筐体２０内に充填されて、半導体素子１４周辺を予め定められた強度で絶縁して封止する。筐体２０は、絶縁基板１２、半導体素子１４、ワイヤ１５及びゲル１６などを収容する半導体装置１のケースであり、例えば樹脂材料によって形成されている。
次に、ゲル１６及びその周辺について詳述する。ゲル１６は、半導体装置１に対して衝撃、振動及び荷重（重力及び加速度によるものを含む）などが与えられた場合に、隣接する複数のワイヤ１５同士の接触によるショートなどを防ぐ。また、ゲル１６は、半導体素子１４及びワイヤ１５などに対し、湿気等の環境変動による劣化及び特性変動などを防ぐ。例えば、ゲル１６は、絶縁性の性質と、振動等によるワイヤ１５の移動を防止するための機械的強度（例えばヤング率１ｋＰａ〜１ＭＰａ）とを有する。
（第１構成例）
図３は、半導体装置１のゲル１６及びその周辺の詳細な第１構成例を示す断面図である。半導体装置１の第１構成例では、絶縁基板１２は、接合部１１及び金属電極２１−１，２１−２を介してベース１０に接合されている。ゲル１６内には、潜熱及び外部からの制御の少なくともいずれかにより、予め定められた温度範囲に対し、ゲル１６の温度の上昇及び下降における温度変化を鈍らせる鈍化部材となる蓄熱材３が分散物として分散されている。
蓄熱材３は、半導体素子１４の異なる複数の動作態様ごとに発生する熱によるゲル１６の温度変化を鈍らせるように融点及び凝固点が選択され、分散量などが設定された部材である。蓄熱材３は、固相から液相へ相変化する場合の吸熱作用と、液相から固相へ相変化する場合の放熱作用により、ゲル１６の急激な温度変動を抑制させる（温度変動幅を小さくする）。つまり、蓄熱材３は、融点において固体から液体に相変化する場合に吸熱し、凝固点において液体から固体に相変化する場合に放熱する物質（ＰＣＭ；Phase Change Material）からなり、相変化蓄熱材又は潜熱蓄熱材とも称される。具体例として、蓄熱材３には、酢酸ナトリウム水和物、硫酸ナトリウム水和物及びパラフィン等が挙げられる。
ここで、蓄熱材３は、例えば蓄熱材３が存在しない場合の半導体素子１４の温度が上昇から下降に転じる代表的な変化点（即ち温度変動の抑制のターゲット範囲）から１０℃程度低い温度の範囲で相変化する物質が選択されて用いられる。以下、蓄熱材３は、潜熱にヒステリシスがなく融点と凝固点とが一致するものを例として説明する。
（第２構成例）
図４は、半導体装置１のゲル１６及びその周辺の詳細な第２構成例を示す断面図である。半導体装置１の第２構成例では、半導体素子１４−１の上部にゲル１６ａが設けられ、半導体素子１４−２の上部にゲル１６ｂが設けられ、その他の筐体２０内にゲル１６が充填されている。ゲル１６ａ内には、蓄熱材３０及び蓄熱材３１が分散されている。ゲル１６ｂ内には、蓄熱材３２及び蓄熱材３３が分散されている。ここで、蓄熱材３０〜３３は、例えばそれぞれ融点が異なる物質である。
半導体装置１の第２構成例は、半導体素子１４の温度が上昇から下降に転じる代表的な変化点（半導体素子１４の代表的な動作態様に対応する）が複数個所存在する場合などに用いられる。半導体装置１の第２構成例では、各変化点からそれぞれ１０℃低い温度の範囲において、段階的に蓄熱材３０〜３３が相変化する。
さらに、半導体装置１は、第１構成例又は第２構成例に対して発核手段が設けられ、任意のタイミングで過冷却状態の蓄熱材３等に例えば電圧を印加して、蓄熱材３等の過冷却状態を解除（これを発核と称する）するように構成されてもよい。
この発核手段は、図示しないアノード電極、カソード電極、及び発核電源を有している。アノード電極及びカソード電極は、互いに離間し対をなして設けられ、かつ、例えば全体が蓄熱材３等に接するように配置される。発核電源は、アノード電極及びカソード電極と電気的に接続される。蓄熱材３等を発核させる場合、発核電源は図示しない制御部（配置は任意）により制御される。そして、発核電源は、アノード電極とカソード電極との間に所定の電圧を印加する。この電圧の印加に伴い、液相状態で過冷却されている蓄熱材３等は、過冷却状態を解除されて結晶化し、潜熱を放出しながら固相状態に変化する。
（第３構成例）
図５は、半導体装置１のゲル１６及びその周辺の詳細な第３構成例を示す断面図である。半導体装置１の第３構成例では、半導体素子１４−１，１４−２それぞれに対し、図示しない制御部（配置は任意）により制御されるペルチェ素子３４及び発熱素子３５がゲル１６内に設けられている。ペルチェ素子３４は、例えば吸熱を行う。発熱素子３５は、例えば抵抗素子などであり、発熱を行う。そして、ペルチェ素子３４及び発熱素子３５は、予め定められた温度範囲に対し、ゲル１６の温度の上昇及び下降における温度変化を鈍らせる鈍化部材となっている。
（第４構成例）
図６は、半導体装置１のゲル１６及びその周辺の詳細な第４構成例を示す断面図である。半導体装置１の第４構成例では、図５に示したペルチェ素子３４及び発熱素子３５がゲル１６内でそれぞれ半導体素子１４−１,１４−２に接触させられている。
（第５構成例）
図７は、半導体装置１のゲル１６及びその周辺の詳細な第５構成例を示す断面図である。半導体装置１の第５構成例では、図４に示したゲル１６ａ及びゲル１６ｂ内において、フィンなどの伝熱部材４がそれぞれ半導体素子１４−１,１４−２に接触させられている。また、伝熱部材４は、ゲル１６ａ内で蓄熱材３０及び蓄熱材３１にも接触し、ゲル１６ｂ内で蓄熱材３２及び蓄熱材３３にも接触している。伝熱部材４は、ゲル１６よりも熱伝導率が高い金属などからなる。つまり、伝熱部材４は、蓄熱材３０及び蓄熱材３１、蓄熱材３２及び蓄熱材３３に対して、それぞれ半導体素子１４−１,１４−２からの伝熱経路を構成している。
次に、半導体装置１の作用について詳述する。図８は、半導体装置１が動作した場合の作用（接合部１１の温度変化）を示すグラフである。なお、図８（ａ）は、比較例を示すグラフであり、図８（ｂ）は、実施例を示すグラフである。比較例においては、半導体装置内のゲルに蓄熱材が存在しないものとする。
図８（ａ）に示すように、比較例の半導体装置が動作した場合、半導体素子の動作（例えばスイッチング）の繰り返しにより、温度変化△Ｔ１、△Ｔ２、△Ｔ３が生じて、接合部は損傷を受ける。また、比較例では、接合部が最高温度に達するまでの時間（温度上昇時間）に対し、接合部の温度が最高温度から下降する時間（温度下降時間）が長く、温度変化（温度波形）が非対称であるため、疲労強度の低下も生じる。
図８（ｂ）に示した半導体装置１の実施例では、例えばゲル１６内に３つの異なる融点の蓄熱材（蓄熱材Ａ，Ｂ，Ｃ）が分散されているものとする。図８（ｂ）では、図８（ａ）に示した温度Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃよりもそれぞれ例えば１０℃程度低い融点の蓄熱材Ａ，Ｂ，Ｃがそれぞれ順次に相変化を起こしている。
つまり、蓄熱材Ａは、接合部１１の温度が温度Ｔａに上昇する過程で固相から液相に相変化して吸熱し、半導体素子１４の動作の減少により発熱が少なくなった場合に、液相から固相へ相変化して発熱する。同様に、蓄熱材Ｂは、温度Ｔｂより１０℃程度低い温度で相変化し、蓄熱材Ｃは、温度Ｔｃよりも１０℃程度低い温度で相変化する。
このように、図８（ｂ）に示した半導体装置１の実施例では、蓄熱材Ａ，Ｂ，Ｃの相変化により、図８（ａ）における温度変化△Ｔ１、△Ｔ２が熱疲労寿命に大きな影響を及ぼさない程度に小さくなり、温度変化△Ｔ４のみによる損傷となる。
また、半導体装置１は、温度変化△Ｔ４による損傷が温度変化△Ｔ１、△Ｔ２、△Ｔ３による損傷の総和より小さくなるように蓄熱材Ａ，Ｂ，Ｃが分散させられていると、疲労損傷に対する信頼性が比較例に対して向上する。
図９は、図５に示したペルチェ素子３４及び発熱素子３５を有する半導体装置１の作用（接合部１１の温度変化）を示すグラフである。図９に示すように、半導体装置１は、ペルチェ素子３４及び発熱素子３５のＯＮ−ＯＦＦが制御されることにより、蓄熱材３と同様に、半導体素子１４の動作態様に対応する複数の温度範囲において、吸熱及び発熱を行い、接合部１１の温度変化幅を小さくする。
また、ペルチェ素子３４及び発熱素子３５を有する半導体装置１は、ペルチェ素子３４及び発熱素子３５のＯＮ−ＯＦＦを、図１０のグラフに示す温度変化が生じるように制御されると、図８（ａ）の温度変化△Ｔ１、△Ｔ２による熱疲労寿命への影響が低減される。また、半導体装置１は、図１０に示すように、温度上昇時間と温度下降時間とが同じ（温度変化サイクルが対称波形）にされると、接合部１１が受ける損傷が温度変化△Ｔ４による損傷のみとなる。つまり、疲労破損に対する信頼性を向上させることができる。
このように、半導体装置１は、半導体素子１４周辺を予め定められた強度で絶縁して封止するゲル１６と、ゲル１６の温度の上昇及び下降における温度変化を鈍らせる鈍化部材により、熱疲労を低減することと、振動・衝撃・荷重から保護することとを両立させることができる。
（放射線装置の実施例）
次に、半導体装置１を有する放射線装置の実施例について説明する。図１１は、半導体装置１を有する放射線装置５の概要を示す図である。放射線装置５は、例えばフォトンカウンティングを行うＸ線ＣＴ装置である。
Ｘ線発生装置（放射線出射部）５０は、Ｘ線を発生し、発生したＸ線を被検体Ｐへ照射する装置であり、図示しないＸ線管を有する。光検出装置５２は、例えばフォトンカウンティングを行う。寝台装置５４は、被検体Ｐを載せる装置であり、天板５６を有する。天板５６は、被検体Ｐが載置される板である。電源部６は、内部に備えた半導体装置１などにより、放射線出射部５０を駆動する。放射線出射部５０及び電源部６は、一体となって被検体Ｐを中心した円軌道上を高速に回転する。放射線装置５は、放射線出射部５０が出射して被検体Ｐを透過したＸ線に由来する光子も計数し、ＳＮ比の高いＸ線ＣＴ画像データを再構成可能な装置である。
電源部６の内部に備えられた半導体装置１は、半導体素子１４周辺を予め定められた強度で絶縁して封止するゲル１６と、ゲル１６の温度の上昇及び下降における温度変化を鈍らせる鈍化部材により、熱疲労を低減することと、振動・衝撃・荷重から保護することとを両立させることができる。
また、本発明のいくつかの実施形態を複数の組み合わせによって説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規の実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１ 半導体装置
３、３０、３１、３２、３３ 蓄熱材
４ 伝熱部材
５ 放射線装置
６ 電源部
１０ ベース
１１ 接合部
１２ 絶縁基板
１３ 接合部
１４ 半導体素子
１５ ワイヤ
１６、１６ａ、１６ｂ ゲル
１８ 冷却部材（伝熱部材）
１９ 電極
２０ 筐体
２１−１，２１−２ 金属電極
３４ ペルチェ素子
３５ 発熱素子
５０ 放射線出射部
５２ 光検出装置

Claims (8)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子周辺を予め定められた強度で絶縁して封止するゲルと、
    前記ゲル内に設けられ、潜熱及び外部からの制御の少なくともいずれかにより、予め定められた温度範囲に対し、前記ゲルの温度の上昇及び下降における温度変化を鈍らせる鈍化部材と、
    を有する半導体装置。
  2. 前記鈍化部材は、
    融点及び凝固点の異なる複数の蓄熱材がそれぞれ分散された分散物を有する
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記鈍化部材は、
    外部からの制御に応じて、吸熱及び発熱を行う素子を有する
    請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記素子は、
    前記半導体素子に接触している
    請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記鈍化部材は、
    外部からの電圧により発核する分散物を有する
    請求項１に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体素子に接触し、前記ゲルよりも熱伝導率が高い伝熱部材をさらに有する
    請求項１に記載の半導体装置。
  7. 前記鈍化部材は、
    前記半導体素子の動作態様に起因する温度変動の温度上昇時間と温度下降時間とが略同じになるように、前記ゲルの温度変化を鈍らせる
    請求項１に記載の半導体装置。
  8. 変位しつつ放射線を出射する放射線出射部と、
    前記放射線出射部を駆動する半導体装置と、
    を備え、
    前記半導体装置は、
    半導体素子と、
    前記半導体素子周辺を予め定められた強度で絶縁して封止するゲルと、
    前記ゲル内に設けられ、潜熱及び外部からの制御の少なくともいずれかにより、予め定められた温度範囲に対し、前記ゲルの温度の上昇及び下降における温度変化を鈍らせる鈍化部材と、
    を有する放射線装置。






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