JP2019054214A - 半導体装置の放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板側で発生する電磁ノイズの放熱部材側への伝達を抑制することができる半導体装置の放熱構造を提供する。【解決手段】放熱部材１５における回路基板１１との対向面１５ａに凹設部１５ｂを設け、回路基板１１における半導体素子１２の実装する第１面１１ａとは反対側の第２面１１ｂと放熱部材１５の対向面１５ａとを部分的に離間させ、回路基板１１（配線１４）と、放熱部材１５と、両者間の伝熱部材１６とによって形成される寄生コンデンサＣ１の特性を低く抑える。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の放熱構造に関するものである。

半導体スイッチング素子等の半導体素子が回路基板に実装されてなる半導体装置においては、自身の動作にて発生する熱を金属製の放熱部材を用いて効率的に放熱する構造が採られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１０−１５３７２２号公報

一方で、半導体素子は自身の動作にて電磁ノイズも発生するため、半導体装置に近接して配置される周囲装置等に対する電磁ノイズの影響を考慮する必要もある。
ここで、回路基板の外表面等に形成される配線（配線パターン）と、金属製の放熱部材とは、一対の金属部材が対向する態様をなすため、両部材間に寄生コンデンサが形成される。加えて、半導体素子の熱を回路基板から放熱部材に効率的に伝熱させるために、回路基板と放熱部材との間に、熱伝導性の高い材料（金属フィラーを添加するとより効率的）よりなる伝熱部材を介在させることが行われるが、この態様では特に、一対の金属部材間に介在する伝熱部材の誘電率との関係で、寄生コンデンサの特性を高めてしまう状況となり得る。

すると、寄生コンデンサが半導体素子で発生する電磁ノイズを放熱部材側に伝達させる有効な伝達経路となり、周囲装置への電磁ノイズの影響が懸念されることとなる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、回路基板側で発生する電磁ノイズの放熱部材側への伝達を抑制することができる半導体装置の放熱構造を提供することにある。

上記課題を解決する半導体装置の放熱構造は、配線を有すると共に半導体素子が実装される回路基板に対し、前記回路基板における前記半導体素子の実装面とは反対側面に金属製の放熱部材が対向配置され、前記回路基板の反対側面と前記放熱部材との間に伝熱部材が介在して、前記半導体素子にて発生する熱が前記伝熱部材を介して前記放熱部材から放熱されるようにした半導体装置の放熱構造であって、前記放熱部材における前記回路基板との対向面には凹部又は孔部が設けられ、前記回路基板の反対側面と前記放熱部材の対向面とが部分的に離間するようにして構成されている。

上記態様によれば、放熱部材における回路基板との対向面に設けた凹部又は孔部にて、回路基板における半導体素子の実装面とは反対側面と放熱部材の対向面とが部分的に離間するため、回路基板（配線）と、放熱部材と、両者間の伝熱部材とによって形成される寄生コンデンサの特性は低く抑えられる。つまり、寄生コンデンサが半導体素子で発生する電磁ノイズを放熱部材側に伝達させる伝達経路として機能することの抑制が図れる。

また、上記半導体装置の放熱構造において、前記放熱部材の対向面に設けた凹部又は孔部に、前記伝熱部材の一部が入り込む態様にて構成されている。
上記態様によれば、放熱部材の対向面に設けた凹部又は孔部に伝熱部材の一部が入り込む態様のため、放熱部材と伝熱部材との密着性が高くなり、伝熱性能の向上、ひいては放熱性能の向上が図れる。

また、上記半導体装置の放熱構造において、前記伝熱部材は、自身が変形可能な材料にて構成されている。
上記態様によれば、放熱部材の対向面に設けた凹部又は孔部に自身の変形にて伝熱部材の一部が入り込むため、伝熱部材に予め凹部又は孔部に入り込ませる凸形状を形成しておくことなく、容易に伝熱部材の放熱部材との密着性を高くすることが可能である。

また、上記半導体装置の放熱構造において、前記放熱部材の対向面に設けた凹部は、非貫通形状にて構成されている。
上記態様によれば、放熱部材の対向面に設けた凹部は非貫通形状をなすため、伝熱部材の流出を考慮しなくて済む等の効果が期待できる。

また、上記半導体装置の放熱構造において、前記放熱部材の対向面に設けた孔部は、貫通形状にて構成されている。
上記態様によれば、放熱部材の対向面に設けた孔部は貫通形状をなすため、孔部では寄生コンデンサとして寄与せず、全体としての寄生コンデンサの特性を大きく低下させること等の効果が期待できる。

本発明の半導体装置の放熱構造によれば、回路基板側で発生する電磁ノイズの放熱部材側への伝達を抑制することができる。

（ａ）は一実施形態における半導体装置の放熱構造を示す断面図、（ｂ）は放熱部材の構造を示す平面図である。 比較例における半導体装置の放熱構造を示す断面図である。 （ａ）は別例における半導体装置の放熱構造を示す断面図、（ｂ）は放熱部材の構造を示す平面図である。 （ａ）は別例における半導体装置の放熱構造を示す断面図、（ｂ）は放熱部材の構造を示す平面図である。 （ａ）は別例における半導体装置の放熱構造を示す断面図、（ｂ）は放熱部材の構造を示す平面図である。 （ａ）は別例における半導体装置の放熱構造を示す断面図、（ｂ）は放熱部材の構造を示す平面図である。

以下、半導体装置の放熱構造の一実施形態について説明する。
図１（ａ）に示すように、本実施形態の半導体装置１０は、回路基板１１と半導体素子１２とを備える。回路基板１１には、絶縁材料よりなるベース基板１３の外表面や多層基板であれば層間等に金属箔よりなる配線（配線パターン）１４が形成されている。また、回路基板１１には、電流の供給・遮断を行う電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）といった半導体スイッチング素子等の半導体素子１２が実装され、配線１４と電気的に接続されている。本実施形態の半導体装置１０は例えば車載用電源回路に用いられ、半導体素子１２は自身の動作により例えば制御対象に対して電流制御を行うものである。

回路基板１１において、半導体素子１２が実装される第１面１１ａとは反対側の面である第２面１１ｂには、金属製の放熱部材１５が配置されている。放熱部材１５は、放熱フィンといった放熱用の専用部材や、回路基板１１を収容する金属製のハウジング部材等である。また、回路基板１１の第２面１１ｂと、この第２面１１ｂと対向する放熱部材１５の対向面１５ａとの間には、半導体素子１２が位置する部分に伝熱部材１６が介在されている。伝熱部材１６は、熱伝導性の高い材料であり、本実施形態ではゲル状のシリコン系材料が用いられる。そして、半導体素子１２にて発生する熱は、伝熱部材１６を介して放熱部材１５から放熱される。

ここで、図２に示す比較例において、放熱部材５０の対向面５０ａは、回路基板１１の第２面１１ｂに対応した平坦面にて形成されている。そして、回路基板１１の配線１４は、第２面１１ｂの平坦面に倣った平坦部分を多く含んでいることから、回路基板１１の配線１４と、放熱部材５０と、両者間の伝熱部材５１とによって寄生コンデンサＣ２が形成される。しかも、回路基板１１の第２面１１ｂ（配線１４の位置相当）と、放熱部材５０の対向面５０ａとの距離ｄ１は、互いに近接し平面方向に一様であり、伝熱部材５１に電磁ノイズの吸収性の高い専用材料でなく汎用材料を使用することで、寄生コンデンサＣ２の特性を高める状況である。つまり、寄生コンデンサＣ２が半導体素子１２で発生する電磁ノイズを放熱部材５０側に伝達させる有効な伝達経路となっている。

これに対し、図１（ａ）（ｂ）に示す本実施形態では、放熱部材１５の対向面１５ａは、平坦面に対しその対向方向から見て少なくとも半導体素子１２が位置する部分に複数の凹設部１５ｂが設けられている。複数の凹設部１５ｂは、互いに独立して並設され、並設方向と直交する方向に連続して長い半円状溝にて形成されている。各凹設部１５ｂには、伝熱部材１６が自身の変形にて入り込むようになっている。そして、このような凹設部１５ｂを設けたことで、回路基板１１の第２面１１ｂ（配線１４の位置相当）と、放熱部材１５の対向面１５ａ（凹設部１５ｂを含む）との距離は、凹設部１５ｂのない部分が最も近接する距離ｄ１であり、凹設部１５ｂの最も深い部分が最も離間する距離ｄ２となって、部分的に離間する。

本実施形態においても、回路基板１１の配線１４と、放熱部材１５と、両者間の伝熱部材１６とによって寄生コンデンサＣ１が形成されるが、放熱部材１５の対向面１５ａに設けた凹設部１５ｂにて最も近接する距離ｄ１から最も離間する距離ｄ２まで部分的に離間するため、寄生コンデンサＣ１の特性としては低くなる。換言すれば、凹設部１５ｂの深さ（距離ｄ２等）は、寄生コンデンサＣ１の特性を低下させる寸法に設定されている。こうして本実施形態では、寄生コンデンサＣ１が半導体素子１２で発生する電磁ノイズを放熱部材１５側に伝達させる伝達経路として機能することが抑えられ、半導体装置１０に近接して配置される周囲装置、本実施形態では車載装置等に対する電磁ノイズの影響の抑制を図ることが可能となる。

次に、本実施形態の効果を以下に記載する。
（１）放熱部材１５における回路基板１１との対向面１５ａに設けた凹設部１５ｂにて、回路基板１１における半導体素子１２の実装する第１面１１ａとは反対側の第２面１１ｂと放熱部材１５の対向面１５ａとが部分的に離間するため、回路基板１１（配線１４）と、放熱部材１５と、両者間の伝熱部材１６とによって形成される寄生コンデンサＣ１の特性は低く抑えられる。つまり、寄生コンデンサＣ１が半導体素子１２で発生する電磁ノイズを放熱部材１５側に伝達させる伝達経路として機能することの抑制を図ることができ、半導体装置１０に近接して配置される本実施形態では他の車載装置への電磁ノイズの影響を抑制することができる。

また、本実施形態では、放熱部材１５の対向面１５ａに凹設部１５ｂを設けるといった構造的な対処にて電磁ノイズの放熱部材１５側への伝達を抑制することから、伝熱部材１６に電磁ノイズ吸収性の高い専用材料を使用すれば電磁ノイズ伝達抑制の点では尚良いが、伝熱部材１６に電磁ノイズ吸収性の高い専用材料でなく汎用材料を使用しても効果が期待でき、この場合、コスト低減効果が期待できる。

（２）放熱部材１５の対向面１５ａに設けた凹設部１５ｂに伝熱部材１６が入り込む態様のため、放熱部材１５と伝熱部材１６との密着性を高くすることができ、伝熱性能の向上、ひいては放熱性能の向上を図ることができる。

（３）伝熱部材１６は自身が変形可能な材料にて構成され、放熱部材１５の対向面１５ａに設けた凹設部１５ｂに自身の変形にて伝熱部材１６の一部が入り込むため、伝熱部材１６に予め凹設部１５ｂに入り込ませる凸形状を形成しておくことなく、容易に伝熱部材１６の放熱部材１５との密着性を高くすることができる。

（４）放熱部材１５の対向面１５ａに設けた凹設部１５ｂは非貫通形状をなすため、伝熱部材１６に流動性を有する材料を使用する場合等、伝熱部材１６の流出を考慮しなくて済む等の効果が期待できる。換言すれば、伝熱部材１６について流動性を十分に考慮した材料の選定を行わなくて済む。

尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・図１（ａ）に二点鎖線にて示すように、流動の考慮が必要な伝熱部材１６を用いる場合等、伝熱部材１６の他への流出を規制する規制壁部１５ｘを放熱部材１５に設けてもよい。

・放熱部材１５の対向面１５ａに設ける凹設部１５ｂは、図１（ａ）（ｂ）にて示した半円状溝以外としてもよい。
例えば、図３（ａ）（ｂ）に示す凹設部１５ｃは、逆三角状溝で、複数の溝が独立して設けられている。このようにしても上記実施形態と同様な効果が期待できる。

例えば、図４（ａ）（ｂ）に示す凹設部１５ｄは、半球状の凹部で、複数の凹部が点在して設けられている。このようにしても上記実施形態と同様な効果が期待できる。
例えば、図５（ａ）（ｂ）に示す態様では、非貫通形状の凹設部１５ｂではなく、貫通形状の貫通孔１５ｅとして放熱部材１５の対向面１５ａに設けられている。このようにすれば、貫通孔１５ｅの部分では距離ｄ２が十分大となってコンデンサとして寄与しないため、全体としての寄生コンデンサＣ１の特性を低下させること等の効果が期待できる。

例えば、図６（ａ）（ｂ）に示す凹設部１５ｆは、複数の半円状溝や逆三角状溝（図示略）が格子状に交差して設けられている。このようにしても上記実施形態と同様な効果が期待できる。

上記の他、凹部や孔部の形状や数、配置等を適宜変更してもよい。
・伝熱部材１６は自身が変形可能なゲル状のシリコン系材料を用い、放熱部材１５の対向面１５ａに設ける凹設部１５ｂに伝熱部材１６自身が変形して入り込む態様としたが、材料や性質等はこれに限らない。

例えば、伝熱部材１６の一部を凹設部１５ｂの一部又は全部に入り込ませると伝熱性としては良好だが、伝熱部材１６を凹設部１５ｂに入り込ませないようにしてもよい。また、伝熱部材１６に予め凸形状を形成し（予め凸形状が形成可能な材料を選定し）、伝熱部材１６の組み込みと共に凸形状を凹設部１５ｂの一部又は全部に入り込ませるようにしてもよい。

・半導体装置１０を車載用電源回路以外の車載装置、又は車載以外の装置に用いてもよい。

１０…半導体装置、１１…回路基板、１１ａ…第１面（実装面）、１１ｂ…第２面（反対側面）、１２…半導体素子、１４…配線、１５…放熱部材、１５ａ…対向面、１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｆ…凹設部分（凹部）、１５ｅ…貫通孔（孔部）、１６…伝熱部材。

Claims (5)

1. 配線を有すると共に半導体素子が実装される回路基板に対し、前記回路基板における前記半導体素子の実装面とは反対側面に金属製の放熱部材が対向配置され、前記回路基板の反対側面と前記放熱部材との間に伝熱部材が介在して、前記半導体素子にて発生する熱が前記伝熱部材を介して前記放熱部材から放熱されるようにした半導体装置の放熱構造であって、
   前記放熱部材における前記回路基板との対向面には凹部又は孔部が設けられ、前記回路基板の反対側面と前記放熱部材の対向面とが部分的に離間するようにして構成されていることを特徴とする半導体装置の放熱構造。
2. 請求項１に記載の半導体装置の放熱構造において、
   前記放熱部材の対向面に設けた凹部又は孔部に、前記伝熱部材の一部が入り込む態様にて構成されていることを特徴とする半導体装置の放熱構造。
3. 請求項２に記載の半導体装置の放熱構造において、
   前記伝熱部材は、自身が変形可能な材料にて構成されていることを特徴とする半導体装置の放熱構造。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置の放熱構造において、
   前記放熱部材の対向面に設けた凹部は、非貫通形状にて構成されていることを特徴とする半導体装置の放熱構造。
5. 請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置の放熱構造において、
   前記放熱部材の対向面に設けた孔部は、貫通形状にて構成されていることを特徴とする半導体装置の放熱構造。