JP2018088481A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体装置における放熱グリスのポンプアウト現象を抑制する。【解決手段】 半導体装置は、半導体素子と、上面に半導体素子が配置された放熱板と、放熱板の下面に放熱グリスを介して配置された表面を有する冷却器とを備える。冷却器の当該表面を構成する壁は、上層と下層とを有する。上層は、下層と放熱板との間に位置するとともに、その線膨張係数は下層の線膨張係数よりも小さい。【選択図】図１

Description

本明細書で開示する技術は、半導体装置に関する。

特許文献１に、半導体装置が記載されている。この半導体装置は、主に、半導体素子と放熱板と冷却器とを備える。半導体素子は、放熱板の上面に配置されている。放熱板の下面には、冷却器がグリスを介して配置されている。このような構成によると、半導体素子の発する熱が、放熱板を介して冷却器へ伝達されることによって、半導体素子の過熱が防止される。

国際公開第２０１６／００６０５４号

冷却器には、温度に応じた熱膨張が生じる。冷却器の温度が上昇すると、冷却器が熱膨張することで、冷却器の表面は放熱板に向けて凸状に変形する。その後、冷却器の温度が低下すると、膨張していた冷却器が収縮することで、冷却器の表面は元の形状へ戻るように変形する。従って、半導体素子の動作状況に応じて冷却器の温度が変動すると、放熱板と冷却器との間の距離も変動することになり、その結果、それらの間に位置する放熱グリスが押し出されたり引き込まれたりする。このような放熱グリスの挙動（いわゆるポンプアウト現象）が生じると、放熱グリス内に空気が巻き込まれてしまい、半導体素子を冷却する能力が低下することがある。

本明細書は、上述したような放熱グリスのポンプアウト現象を抑制し得る技術を提供する。

本明細書は、半導体装置を開示する。この半導体装置は、半導体素子と、上面に半導体素子が配置された放熱板と、放熱板の下面に放熱グリスを介して配置された表面を有する冷却器とを備える。冷却器の当該表面を構成する壁は、上層と下層とを有する。上層は、下層と放熱板との間に位置するとともに、その線膨張係数は、下層の線膨張係数よりも小さい。

ここで、本明細書における「上面」及び「下面」や「上層」及び「下層」との用語は、二つの表面又は層を便宜的に区別して表現するものであり、例えば鉛直方向に関して常に上方や下方に位置する面又は層に限定して解釈されることを意図しない。例えば、放熱板の上面が下面に対して鉛直上方に位置する場合は、冷却器の上層は下層に対して鉛直上方に位置する。それに対して、半導体装置の姿勢によっては、放熱板の上面が下面に対して鉛直下方に位置する場合もあり、その場合は、冷却器の上層も下層に対して鉛直下方に位置する。

上記した半導体装置では、冷却器の温度が上昇したときに、上層と下層とがそれぞれ熱膨張する。上層と下層の両者が熱膨張することで、冷却器の表面は外側へ膨らむように、即ち、放熱板に向けて凸状に変形しようとする。但し、放熱板側に位置する上層の線膨張係数は、下層の線膨張係数よりも小さい。従って、冷却器の表面が、放熱板に向けて凸状に変形することが抑制される。これにより、放熱板と冷却器との間の距離の変動が抑制され、放熱グリスのポンプアウト現象が抑制される。

実施例１の半導体装置１０の構成を模式的に示す断面図。 冷却器３０の上壁３６が熱膨張する様子を説明する図。 冷却器３０の溝３８から放熱グリス４０が押し出される様子を説明する図。 実施例２の半導体装置１１０の構成を模式的に示す図。 実施例３の半導体装置１２０の構成を模式的に示す図。 実施例４の半導体装置１３０の構成を模式的に示す図。 台形形状の断面を有する溝３８を有する冷却器３０の一例を示す図。 台形形状の断面を有する溝３８をプレス加工によって形成する例を示す図。 台形形状の断面を有する溝３８をウェットエッチングによって形成する例を示す図。

（実施例１）
図面を参照して、実施例１の半導体装置１０について説明する。半導体装置１０は、例えばハイブリッド車、燃料電池車又は電気自動車といった電動型の自動車において、電源と走行用モータとの間を接続する電力供給回路に採用することができる。図１に示すように、半導体装置１０は、半導体モジュール１２と、半導体モジュール１２を冷却するための冷却器３０とを備える。冷却器３０は、冷媒が流れる冷媒流路３２をその内部に有し、半導体モジュール１２の熱を冷媒によって回収することによって、半導体モジュール１２を冷却する。半導体モジュール１２は、図示しない弾性部材によって、冷却器３０の上面３０ａに押し付けられている。

半導体モジュール１２は、半導体素子１４と、半導体素子１４を封止する樹脂モールド１６とを備える。半導体素子１４は、いわゆるパワー半導体素子であって、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）といったスイッチング素子であってもよいし、ダイオードであってもよい。半導体素子１４を構成する半導体材料は特に限定されず、例えばシリコン、炭化シリコン又は窒化ガリウムといったＩＩＩ−Ｖ族半導体であってもよい。なお、図１では二つの半導体素子１４が図示されているが、半導体装置１０が有する半導体素子１４の数はこれに限定されず、一つであってもよいし、三つ以上であってもよい。

樹脂モールド１６は、通常、金型を用いた射出成形によって成形される。樹脂モールド１６には、特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂を主成分とする封止材料を採用することができる。樹脂モールド１６は、概して板状の形状を有しており、上面１６ａと下面１６ｂを有する。上面１６ａと下面１６ｂは、概して互いに平行である。但し、樹脂モールド１６の具体的な形状は特に限定されない。

半導体モジュール１２は、放熱板１８をさらに備える。放熱板１８は、例えば銅又はその他の金属といった、導電性を有する材料で構成されている。また、放熱板１８を構成する材料は、樹脂モールド１６を構成する材料よりも、高い熱伝導性を有する。放熱板１８は、概して板状の形状を有しており、上面１８ａと下面１８ｂを有する。上面１８ａと下面１８ｂは、概して互いに平行である。放熱板１８の上面１８ａには、半導体素子１４が配置されている。半導体素子１４は、放熱板１８の上面１８ａにはんだ付けされており、放熱板１８に対して電気的かつ熱的に接続されている。なお、半導体素子１４と放熱板１８の上面１８ａとの間を接合する態様は特に限定されない。放熱板１８は、図示しない位置で樹脂モールド１６の外部へ伸びるリードに接続されており、外部の回路と電気的に接続される。

放熱板１８の下面１８ｂは、樹脂モールド１６の下面１６ｂに露出しており、冷却器３０の上面３０ａに対向している。放熱板１８の下面１８ｂと冷却器３０の上面３０ａとの間には、絶縁板４２が配置されているとともに、放熱グリス４０が満たされている。冷却器３０の上面３０ａが、放熱グリス４０を介して放熱板１８の下面１８ｂに配置されることで、半導体モジュール１２と冷却器３０が熱的に接続されており、それによって、半導体モジュール１２が冷却器３０によって効果的に冷却される。なお、絶縁板４２の位置は、半導体モジュール１２の外部に限定されず、半導体モジュール１２の内部に位置してもよい。例えば、絶縁板４２は、放熱板１８の下面１８ｂに接合されていてもよいし、放熱板１８の中間層として放熱板１８内に包含されていてもよい。

半導体モジュール１２は、上部リード２０をさらに備える。上部リード２０は、銅又はその他金属材料といった、導線性を有する材料を用いて構成されている。上部リード２０は、半導体素子１４にはんだ付けされており、半導体素子１４を介して放熱板１８と電気的に接続される。上部リード２０は、樹脂モールド１６の外部へ伸びており、外部の回路と電気的に接続される。なお、上部リード２０の構成は様々に変更可能である。例えば、上部リード２０は、その少なくとも一部が樹脂モールド１６の上面１６ａに露出して、第２の放熱板として機能してもよい。即ち、半導体モジュール１２は、両面冷却構造を有してもよく、この場合、半導体装置１０は、冷却器３０との間に半導体モジュール１２を挟持する第２の冷却器をさらに備えるとよい。

冷却器３０の上面３０ａは、冷却器３０の上壁３６によって構成されている。冷却器３０の上壁３６は、上層３６ａと下層３６ｂとを有する。上層３６ａは外側に位置する層であり、下層３６ｂは内側に位置する層である。即ち、上層３６ａは、半導体モジュール１２側に位置しており、下層３６ｂと半導体モジュール１２の放熱板１８との間に介在する。上層３６ａと下層３６ｂは、互いに異なる材料で構成されており、それらの線膨張係数も互いに異なる。詳しくは、上層３６ａの線膨張係数は、下層３６ｂの線膨張係数よりも小さい。即ち、冷却器３０の温度（特に、上壁３６の温度）が上昇したときに、上層３６ａに生じる熱膨張は、下層３６ｂに生じる熱膨張よりも小さくなる。なお、冷却器３０の上壁３６は、上層３６ａ及び下層３６ｂに加えて、少なくとも一つの付加的な層をさらに有してもよい。この場合、その付加的な層は、上層３６ａの外側に位置してもよいし、下層３６ｂの内側に位置してもよいし、上層３６ａと下層３６ｂとの間に位置してもよい。

上層３６ａを構成する材料には、一例ではあるが、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）又は窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を採用することができる。この場合、下層３６ｂを構成する材料には、それらよりも線膨張係数がより大きい材料として、アルミニウム又はその他の金属材料を採用することができる。なお、他の一例として、上層３６ａと下層３６ｂとを同種の材料で構成するとともに、上層３６ａのみにフィラーを添加することによって、上層３６ａの線膨張係数を、下層３６ｂの線膨張係数よりも小さくすることができる。上層３６ａ及び下層３６ｂを構成する材料や構造は、上述した線膨張係数の大小関係が満たされる限り、特に限定されない。

冷却器３０の上面３０ａには、溝３８が設けられている。溝３８は、半導体モジュール１２が対向する範囲内に位置しており、放熱グリス４０によって満たされている。なお、図１では二つの溝３８が図示されているが、溝３８の位置、数、開口形状、断面形状といった設計事項は特に限定されない。図示省略するが、本実施例における溝３８は、冷却器３０の上面３０ａを平面視したときに、半導体モジュール１２の外縁に沿って環状に伸びている。また、本実施例における溝３８は、上壁３６の上層３６ａに設けられているが、他の実施形態として、溝３８は、下層３６ｂまで達する深さで設けられており、その一部が下層３６ｂによって画定されていてもよい。

冷却器３０は、複数の冷却フィン３４を有する。冷却フィン３４は、上壁３６の内面から冷媒流路３２内へ伸びており、上壁３６から冷媒への熱伝達を促進する。なお、冷却器３０は、冷却フィン３４を必ずしも必要としない。一例ではあるが、本実施例の冷却フィン３４は、上壁３６の下層３６ｂと一体に設けられており、下層３６ｂと同じ材料（例えばアルミニウム）で構成されている。但し、冷却フィン３４は下層３６ｂとは別の部材で構成されてもよく、冷却フィン３４を構成する材料も特に限定されない。また、冷却フィン３４は、例えばピン形状や板形状であってよく、その形状や数についても特に限定されない。ここで、詳しくは後述するが、溝３８に近接する範囲には、冷却フィン３４が設けられていない。これにより、半導体モジュール１２の発熱により、冷却器３０の上壁３６の温度が上昇したときに、溝３８の周辺では他の部分よりも温度が高くなるように構成されている。

以上、本実施例の半導体装置１０の構成について説明した。以下、半導体装置１０の特徴的な作用効果について説明する。半導体装置１０では、半導体素子１４に電流が流れると、半導体素子１４が発熱してその温度が上昇する。半導体素子１４の発した熱は、放熱板１８を介して冷却器３０へ伝達される。それにより、半導体素子１４の過熱が防止される。このとき、冷却器３０には、自己の温度に応じた熱膨張が生じる。特に、冷却器３０の上壁３６は、半導体素子１４の動作状況に応じてその温度が変動しやすい。上壁３６の温度が上昇すると、上壁３６が熱膨張することによって（及び冷媒の圧力を受けて）、冷却器３０の上面３０ａは、放熱板１８に向けて凸状に変形しようとする。その後、上壁３６の温度が低下すると、膨張していた上壁３６が収縮することで、冷却器３０の上面３０ａは元の形状へ戻るように変形する。

従って、半導体素子１４の動作に応じて冷却器３０の上壁３６の温度が変動すると、放熱板１８と冷却器３０の上面３０ａとの間の距離も変動することになり、その結果、それらの間に位置する放熱グリス４０が押し出されたり引き込まれたりする。このような放熱グリス４０の挙動は、ポンプアウト現象と称されることがある。放熱グリス４０のポンプアウト現象が生じると、放熱グリス４０内に空気が巻き込まれてしまい、放熱板１８から冷却器３０への熱伝達性が低下する。その結果、半導体素子１４を冷却する能力が低下することがある。

上記の問題に関して、本実施例の半導体装置１０では、冷却器３０の上壁３６が上層３６ａと３６ｂとを有する。上層３６ａは、下層３６ｂと放熱板１８との間に位置するとともに、上層３６ａの線膨張係数は、下層３６ｂの線膨張係数よりも小さい。即ち、上壁３６は、いわゆるバイメタル構造を有する。このような構成によると、図２に示すように、冷却器３０の上壁３６が温度上昇したときに、上層３６ａに生じる熱膨張（Ｅ１）は、下層３６ｂに生じる熱膨張（Ｅ２）よりも小さくなる。上層３６ａと下層３６ｂとがそれぞれ熱膨張することで（及び冷媒の圧力を受けて）、冷却器３０の上面３０ａは放熱板１８に向けて凸状に変形しようとするが、下層３６ｂが上層３６ａよりも大きく熱膨張することで、そのような凸状の変形が抑制される。これにより、放熱板１８と冷却器３０の上面３０ａとの間の距離の変動が抑制され、放熱グリス４０のポンプアウト現象が抑制される。

加えて、冷却器３０の上面３０ａには、溝３８が設けられている。図３に示すように、冷却器３０の上壁３６に熱膨張が生じると、溝３８の容積は減少する。これにより、溝３８内に位置する放熱グリス４０が、放熱板１８と冷却器３０の上面３０ａとの間に供給される。例えば、上層３６ａと下層３６ｂとの間の線膨張係数の差が大きい場合、あるいは、上壁３６の到達温度によっては、上壁３６の熱膨張によって冷却器３０の上面３０ａが放熱板１８に対して凹状に変形することも想定される。この場合、放熱板１８と冷却器３０の上面３０ａとの間の距離が大きくなり、両者の間に空気を含んだ放熱グリス４０が引き込まれるおそれが生じる。この点に関して、冷却器３０の上面３０ａに溝３８が設けられていると、溝３８から放熱グリス４０が供給されることによって、そのような空気を含んだ放熱グリス４０の引き込みを抑制することができる。これにより、冷却器３０の上壁３６の温度が変動した場合でも、放熱グリス４０のポンプアウト現象が抑制される。

なお、溝３８に代えて、又は加えて、冷却器３０の上面３０ａには、一又は複数の穴を設けてもよい。溝３８や穴といった凹部を設けることで、上述した効果を同じように得ることができる。その一方で、他の実施形態として、冷却器３０の上面３０ａには、溝３８や穴といった凹部を必ずしも設ける必要はない。

（実施例２）
図４を参照して、実施例２の半導体装置１１０について説明する。実施例２の半導体装置１１０は、実施例１の半導体装置１０と比較して、絶縁板４２を備えない点で相違する。また、実施例２の半導体装置１１０では、冷却器３０の上壁３６の上層３６ａを構成する材料が、電気的に絶縁性を有する材料に限定されている。この点に関して、上層３６ａを構成する材料には、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）又は窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を採用することができる。その余の点については、実施例１の半導体装置１０と共通している。図４では、実施例１と共通する構成要素に同一の符号が付されており、それらの説明については、実施例１における説明をここに援用することで、重複する説明は省略する。当業者であれば理解されるように、実施例２の半導体装置１１０もまた、放熱グリス４０のポンプアウト現象を抑制することができる。

（実施例３）
図５を参照して、実施例３の半導体装置１２０について説明する。実施例３の半導体装置１２０では、実施例１の半導体装置１０と比較して、冷却器３０の上壁３６の構成が変更されている。その余の点については、実施例１の半導体装置１０と共通している。図５では、実施例１と共通する構成要素に同一の符号が付されており、それらの説明については、実施例１における説明をここに援用することで、重複する説明は省略する。

図５に示すように、実施例３の半導体装置１２０では、冷却器３０の上面３０ａの溝３８が、上層３６ａと同一の材料ではなく、下層３６ｂと同一の材料で画定されている。前述したように、下層３６ｂを構成する材料は、上層３６ａよりも高い線膨張係数を有する。このような構成によると、実施例１と比較して、冷却器３０の上壁３６が熱膨張したときに、溝３８の容積がより大きく減少する。従って、溝３８はより多くの放熱グリス４０を供給することができる。あるいは、溝３８はより高い圧力で放熱グリス４０を供給することができる。これにより、溝３８によるポンプアウト現象の抑制効果をさらに高めることができる。なお、本実施例では、溝３８の全体が下層３６ｂと同一の材料で画定されているが、他の実施形態として、溝３８の一部のみが下層３６ｂと同一の材料で画定されていてもよい。例えば、溝３８が下層３６ｂまで達する深さを有していれば、同様の効果を少なくとも部分的に得ることができる。

（実施例４）
図６を参照して、実施例３の半導体装置１３０について説明する。実施例４の半導体装置１３０では、実施例１の半導体装置１０と比較して、冷却器３０の上壁３６の構成が変更されており、特に溝３８の断面形状が変更されている。その余の点については、実施例１の半導体装置１０と共通している。図６では、実施例１と共通する構成要素に同一の符号が付されており、それらの説明については、実施例１における説明をここに援用することで、重複する説明は省略する。

図６に示すように、実施例４の半導体装置１３０では、溝３８が台形形状の断面を有している。ここでいう断面とは、溝３８の長手方向に垂直な断面を意味する。このような断面形状により、溝３８の幅は、開口部で狭くてなっており、底部で広くなっている。前述したように、冷却器３０の上壁３６の温度が上昇すると、溝３８から放熱グリス４０が供給される。その後、上壁３６の温度が低下すると、放熱グリス４０は溝３８内へ戻ろうとする。このとき、溝３８の幅が開口部で狭く、溝３８の開口面積が小さくなっていると、放熱グリス４０が溝３８内へ戻ることを抑制することができる。例えば、冷却器３０の上壁３６の温度が一時的に大きく低下しても、放熱グリス４０が溝３８内へ過剰に流入することが抑制され、それによって、空気を含んだ放熱グリス４０が、放熱板１８と冷却器３０との間に引き込まれることを避けることができる。

断面形状を有し、その幅が開口部で狭くなる溝３８は、その製造工程が複雑となりやすい。この点に関して、図７に示すように、上層３６ａと下層３６ｂとを個別に製造し、それら例えば締結部材１３２で組み合わせることによって、冷却器３０の上壁３６を製造してもよい。なお、上層３６ａと下層３６ｂとを組み合わせる方法は特に限定されず、かしめ結合、摩擦攪拌結合などを採用することができる。このような構成によると、図８、図９に示すように、上層３６ａへ溝３８を形成する際に、溝３８を幅広である底側から形成することができる。それにより、例えば金型１４０を用いたプレス加工や、フォトリソグラフィ等によるマスク１５０を用いたウェットエッチングによって、台形形状を有する溝３８を比較的に容易に形成することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。なお、実施例における冷却器３０の上面３０ａは、特許請求の範囲に記載された「放熱板の下面にグリスを介して配置された表面」の一例である。また、実施例における冷却器３０の上壁３６は、特許請求の範囲に記載された「前記冷却器の前記表面を構成する壁」の一例である。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０、１１０、１２０、１３０：半導体装置
１２：半導体モジュール
１４：半導体素子
１６：樹脂モールド
１８：放熱板
１８ａ：放熱板の上面
１８ｂ：放熱板の下面
３０：冷却器
３０ａ：冷却器の上面
３２：冷媒流路
３４：冷却フィン
３６：冷却器３０の上面３０ａを構成する上壁
３６ａ：上壁３６の上層
３６ｂ：上壁３６の下層
３８：溝
４０：放熱グリス
４２：絶縁板
１４０：金型
１５０：マスク

Claims (1)

1. 半導体素子と、
   上面に前記半導体素子が配置された放熱板と、
   前記放熱板の下面に放熱グリスを介して配置された表面を有する冷却器と、を備え、
   前記冷却器の前記表面を構成する壁は、上層と下層とを有し、
   前記上層は、前記下層と前記放熱板との間に位置するとともに、その線膨張係数が前記下層の線膨張係数よりも小さい、
   半導体装置。

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