JP2020009989A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の半導体部品から熱を均等に放熱することができ組立が簡単な半導体装置の提供。【解決手段】配線基板１１０と、配線基板１１０上に実装される複数の半導体部品１２０と、半導体部品１２０上に配置される第一熱伝導部材１３１と、第一熱伝導部材１３１上に配置される固形の緩衝部材１４０と、緩衝部材１４０上に配置され第二熱伝導部材１３２と、第二熱伝導部材１３２を介して複数の緩衝部材１４０と熱的に接続される放熱部材１５０と、緩衝部材１４０が配置される面に垂直な方向において緩衝部材１４０の相互の変位を許容し、隣り合う緩衝部材１４０同士を連結する連結部材１６０とを備える半導体装置１００。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電動パワーステアリング装置のモータを制御するインバータ回路などに用いられる半導体装置に関する。

電動パワーステアリング装置においてアシストトルクを発生させるモータを制御するために、インバータ回路が用いられている。インバータ回路は複数の半導体からなるスイッチング素子で構成される回路であり、１つの基板に複数のスイッチング素子が並べて実装されている。

従来、基板上に配置されたスイッチング素子などの半導体素子が発する熱を効率的に放出するために、ヒートシンクなどと称される放熱部材が採用される場合がある。特許文献１には、複数のスイッチング素子それぞれに金属部材が取り付けられ、当該金属部材を介して放熱部材との間で熱的に接続する技術が記載されている。

特開平６−１７７３２０号公報

特許文献１に記載の技術のように、１つの基板に実装される半導体部品の高さが既知の場合は、金属部材の高さ（厚み）を半導体部品の高さ位置に合わせて調整することで、共通の放熱部材に接続することができる。しかし、半導体部品を実装する際のハンダの量や実装される基板の反りなど不確定な要因で半導体部品の高さ位置が一定にならない場合がある。

このような不確定な要因による凹凸を吸収するために放熱部材と半導体素子の間に比較的厚みのある柔軟性を備えた熱伝導シートを配置することが考えられるが、熱伝導シートは放熱部材などに比べて熱伝導度は低く、半導体素子の高さの相違を埋める程度に熱伝導シートを厚くすると放熱効率の低下を招く。また、高さがそれぞれ異なる半導体部品を熱伝導シートを用いて放熱部材に熱的に接続しても、放熱部材との距離には変わりがないため、半導体部品の高さ位置によって放熱効率に違いが発生し、モータを制御するインバータ回路などにおいて不具合が発生するとの知見を得ている。

そこで、放熱部材と半導体部品との間にヒートスプレッダなどと称される緩衝部材を配置することに思い至ったが、小型の半導体部品の上面に小型の緩衝部材を配置することは工業的に非常に困難であった。

本発明は、上記知見に基づきなされたものであり、１つの基板に実装された複数の半導体部品相互の高さが不確定な要因により異なる場合でも、発熱による不具合を回避することができ、工業的に容易に製造可能な半導体装置の提供を目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の１つである半導体装置は、配線基板と、前記配線基板上に実装される複数の半導体部品と、前記半導体部品上に配置され、前記半導体部品が発する熱を外部に伝導する第一熱伝導部材と、前記第一熱伝導部材上に前記半導体部品毎に配置される固形の緩衝部材と、前記緩衝部材上に配置され、前記緩衝部材の熱を外部に伝導する第二熱伝導部材と、前記第二熱伝導部材を介して複数の前記緩衝部材と熱的に接続される放熱部材と、前記緩衝部材が配置される面に垂直な方向において前記緩衝部材の相互の変位を許容し、隣り合う前記緩衝部材同士を連結する連結部材とを備える。

本発明によれば、複数の半導体部品の上面に対し連結された複数の緩衝部材を一度に配置することができ、簡単に半導体装置を組み立てることが可能となる。また、半導体装置の使用時において半導体部品が急に発熱した場合には一時的に緩衝部材に熱が急速に吸収されるため、半導体部品の高さが相互に異なる場合でも均等に放熱することが可能となる。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 図２は、放熱部材と第二熱伝導部材を省略して半導体装置を示す斜視図である。 図３は、半導体装置の組み立て工程を示す図である。 図４は、半導体装置の組み立て工程の続きを示す図である。 図５は、連結部材と緩衝部材との連結関係の他の第一例を示す図である。 図６は、連結部材と緩衝部材との連結関係の他の第二例を示す図である。 図７は、連結部材と緩衝部材との連結関係の他の第三例を示す図である。 図８は、連結部材と緩衝部材との連結関係の他の第四例を示す図である。 図９は、連結部材と緩衝部材との連結関係の他の第五例を示す図である。

次に、本発明に係る半導体装置の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、図面は、本発明を示すために適宜強調や省略、比率の調整を行った模式的な図となっており、実際の形状や位置関係、比率とは異なる場合がある。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。なお、断面の位置は図２に示されるＩ−Ｉ線である。図２は、放熱部材と第二熱伝導部材を省略して半導体装置を示す斜視図である。

半導体装置１００は、例えば電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｔｅｅｒｉｎｇ）に備えられるモータの駆動制御を行うインバータ回路を実現するためのモジュールであり、配線基板１１０と、半導体部品１２０、第一熱伝導部材１３１と、第二熱伝導部材１３２と、緩衝部材１４０と、放熱部材１５０と、連結部材１６０とを備えている。

配線基板１１０は、樹脂などの絶縁性の基板の表面に銅などの導電性の膜によりパターンが形成された部材である。配線基板１１０は、半導体部品１２０などとパターンとを電気的に接続する部分以外はレジストなどの絶縁性の膜でパターンが覆われて絶縁を確保している。なお、配線基板１１０には半導体部品１２０以外の電子部品やコネクタなどが実装されているが、それらの図示は省略する。

半導体部品１２０は、半導体で構成された素子からなる部品である。半導体部品１２０の種類は特に限定されるものではないが、半導体装置１００の稼働時に熱が発生する部品が対象となる。具体的に半導体部品１２０を例示すると、電源用ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）、レーザーダイオードなどを例示することができる。本実施の形態の場合、半導体部品１２０は、インバータ回路を構成するスイッチング素子であり、特にＧａＮにより形成される横型半導体である。半導体部品１２０は、樹脂や金属などの筐体によりパッケージされたものも存在するが、本実施の形態の場合、パッケージレスの部品が採用されている。

本実施の形態の場合、６個の半導体部品１２０は、モータのＵ相用のハイサイド、それに直列に接続されたＵ相用のローサイド、Ｖ相用のハイサイドと、それに直列に接続されたＶ相用のローサイド、Ｗ相用のハイサイドと、それに直列に接続されたＷ相用のローサイドにそれぞれ接続されている。一枚の配線基板１１０には、同種の半導体部品１２０が６個実装されており、半導体部品１２０のそれぞれの厚み（図中Ｚ軸方向の長さ）は均等である。また、半導体部品１２０と配線基板１１０とは、ハンダを介して電気的、かつ機械的に接続されている。

放熱部材１５０と半導体部品１２０との距離がそれぞれ異なる要因としては、例えば、配線基板１１０に対し半導体部品１２０をハンダ付けする際に塗布されるハンダの量の相違などによる場合が考えられる。また、熱などにより配線基板１１０が湾曲する場合などを挙示することができる。本実施の形態の場合、図１に示すように両端にある半導体部品１２０よりも、それらの間にある半導体部品１２０が若干没入した状態となっている。

第一熱伝導部材１３１は、半導体部品１２０の表面上に配置され、半導体部品１２０が発する熱を外部に配置されている緩衝部材１４０に伝導する部材である。第一熱伝導部材１３１は、半導体部品１２０から緩衝部材１４０へ熱を効果的に伝達できるものであれば特に限定されるものではなく、ペースト状の熱伝導部材や、シート状の熱伝導部材を例示することができる。また、短時間で急激に発熱する半導体部品１２０を効果的に冷却するために第一熱伝導部材１３１の厚みは、薄い方が好ましく、少なくとも第二熱伝導部材１３２の厚みよりも薄い。

緩衝部材１４０は、第一熱伝導部材１３１を介して半導体部品１２０上にそれぞれ配置される固形の部材であり、いわゆるヒートスプレッダなどと称される部材である。ここで固形とは、第一熱伝導部材１３１、および第二熱伝導部材１３２よりも硬質であることを意味するものとして使用している。緩衝部材１４０の材質は特に限定されるものではないが、短時間で急激に発熱する半導体部品１２０からの熱を蓄積することができる熱容量を備え、放熱部材１５０に効率的に熱を伝えることができるものが好ましく、例えば銅からなるブロック状の部材を例示することができる。緩衝部材１４０の大きさは、特に限定されるものではないが、半導体部品１２０の熱を効率的に吸収するためには、半導体部品１２０の接触面より広い平面部を備えることが好ましい。また、緩衝部材１４０の高さは、熱容量を十分に確保できる高さであることが好ましく、半導体部品１２０に対してそれぞれ取り付けられる緩衝部材１４０の高さは同じである。

第二熱伝導部材１３２は、緩衝部材１４０上に配置され、緩衝部材１４０の熱を外部に配置される放熱部材１５０に伝導する部材である。本実施の形態の場合、第二熱伝導部材１３２は、複数の緩衝部材１４０に対して共通に接続される一枚のシート状であり、放熱部材１５０から緩衝部材１４０に向かう方向の押圧力により、放熱部材１５０から緩衝部材１４０までの距離の相違を埋める程度の厚みおよび柔軟性を備えている。従って、第一熱伝導部材１３１よりも厚みは厚い。

放熱部材１５０は、第二熱伝導部材１３２を介して複数の緩衝部材１４０とそれぞれ熱的に接続される部材であり、いわゆるヒートシンクである。放熱部材１５０の形状は特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、放熱部材１５０は、複数の半導体部品１２０、緩衝部材１４０、第一熱伝導部材１３１、第二熱伝導部材１３２を内方に収容することができる箱形状であり、配線基板１１０と締結部材１５１により締結されている。また、放熱部材１５０と配線基板１１０との締結力により、半導体部品１２０、第一熱伝導部材１３１、緩衝部材１４０、第二熱伝導部材１３２の並び方向に圧力が発生し、第二熱伝導部材１３２の柔軟性により配線基板１１０に対する半導体部品１２０の高さの相違を埋め半導体部品１２０から放熱部材１５０までの熱的接続を確保している。放熱部材１５０の材質は、熱伝導性の高い物が好ましく、例えばアルミニウムや、アルミニウムを主として含む合金などを例示することができる。

連結部材１６０は、緩衝部材１４０が配置される面（図中ＸＹ平面）に垂直な方向（図中Ｚ軸方向）において、複数の緩衝部材１４０の相互の変位を許容し、隣り合う緩衝部材１４０同士を半導体部品１２０の配置と対応するように連結する部材である。連結部材１６０は、特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、厚み２００μｍ以下、５０μｍ以上の金属製のシートで繋がっている。具体的には、半導体部品１２０の配置に対応した配置で仮に固定された緩衝部材１４０に対し、ニッケルなどの金属を電気メッキすることによりニッケルからなるシート状（薄膜状）の連結部材１６０を製造する方法を例示できる。この製造方法によれば、連結部材１６０の製造と緩衝部材１４０との接続を一度のメッキ工程により実現することができる。連結部材１６０により複数の半導体部品１２０に対し複数の緩衝部材１４０を一体のものとして容易に組付けることができる一方で連結部材１６０の厚みが薄いため、各緩衝部材１４０を半導体部品１２０に向かって押圧した際に容易に変形し、各半導体部品１２０の配線基板１１０に対する高さが異なる場合にも、第一熱伝導部材１３１を介して各半導体部品１２０に密着させることができる。

次に半導体装置１００の組立方法の一例を説明する。半導体部品１２０、およびその他の部品は、クリームハンダを介して配線基板１１０上に実装され、リフロー炉を通過させることで、クリームハンダの溶融と固化が実施される。以上により、図３の（Ａ）の段に示すように、配線基板１１０上に半導体部品１２０などが取り付けられる。また、配線基板１１０上に塗布されたクリームハンダの量や、リフロー炉の状態、過熱による配線基板１１０の反りなどにより、半導体部品１２０の高さ位置が相互に異なる場合がある。次に、図３の（Ｂ）の段に示すように、半導体部品１２０の上面に第一熱伝導部材１３１が取り付けられる。

次に、連結部材１６０により一体に連結された複数の緩衝部材１４０を第一熱伝導部材１３１の上に取り付ける、半導体部品１２０の配置と、連結部材１６０により連結された緩衝部材１４０の配置とが一致するため、図３の（Ｃ）の段に示すように、一度の操作により、各半導体部品１２０に対して緩衝部材１４０をセットすることができる。次に、緩衝部材１４０をそれぞれ半導体部品１２０に向かって押圧することにより、半導体部品１２０の高さ位置に応じて緩衝部材１４０が相互に変位し、当該変位に応じて連結部材１６０が塑性変形する。

次に、図４の（Ｅ）の段に示すように、緩衝部材１４０、および連結部材１６０の上に、シート状の第二熱伝導部材１３２を配置する。最後に、半導体部品１２０、および緩衝部材１４０などを収容するように放熱部材１５０をかぶせ、放熱部材１５０と配線基板１１０とを締結部材１５１により締結する。この締結による圧力により第二熱伝導部材１３２が弾性変形し、高さ位置の異なる緩衝部材１４０と放熱部材１５０との隙間を埋めて熱的に接続する。以上により図４の（Ｆ）の段に示すような半導体装置１００が組み立てられる。

本実施の形態で説明したように、半導体装置１００は、連結部材１６０により一体に接続された複数の緩衝部材１４０を一度の工程で半導体部品１２０の上に配置することができるため、半導体装置１００を容易に組み立てることが可能となる。また、半導体部品１２０に対し緩衝部材１４０を配置した後、連結部材１６０を変形させることで、高さ位置の異なる半導体部品１２０と緩衝部材１４０とを密着させることができるため、半導体部品１２０のそれぞれに対し、半導体部品１２０と緩衝部材１４０との間の熱の移動度を均一にすることができる。これにより、半導体部品１２０の短期間で急激な発熱を素早く緩衝部材１４０が吸収することができ、各半導体部品１２０を効果的に冷却することが可能となる。

半導体部品１２０の高さ位置の相違に基づき緩衝部材１４０の高さ位置も相違するが、第二熱伝導部材１３２が変形することにより高さ位置の相違を吸収して各緩衝部材１４０と放熱部材１５０とを熱的に接続するため、素早く熱を吸収した緩衝部材１４０を確実に冷却することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本発明に含まれる。

例えば、複数の半導体部品１２０は、同一種類のものであるとして説明したが、種類の異なる半導体部品１２０が含まれていても構わない。この場合、各半導体部品１２０の厚みが異なる場合があるが、緩衝部材１４０の高さ位置が設計上面一になるように緩衝部材１４０の厚みを各半導体部品１２０の厚みに対応させて変えても構わない。

また、連結部材１６０は、実施の形態の様に、放熱部材１５０側、および半導体部品１２０側の一方に対向する緩衝部材１４０の面同士を連結し、面全体を覆うシート状ばかりでなく、図５に示すように緩衝部材１４０の両面同士をそれぞれ連結するシート状の部材であっても構わない。

また、図６に示すように、連結部材１６０は板状であり、緩衝部材１４０が相互に対向する面の一部同士を連結しても構わない。また、緩衝部材１４０と連結部材１６０とが一体であっても構わない。このような緩衝部材１４０と連結部材１６０の構造は、切削加工などにより実現することができる。さらに、図７に示すように、緩衝部材１４０と一体の連結部材１６０が、半導体部品１２０側、および放熱部材１５０側など複数箇所に設けられていても構わない。

また、連結部材１６０は、図８に示すように、シリコングリスやゲルシートなど変形可能な部材であっても構わない。

また、連結部材１６０は、図９に示すように緩衝部材１４０の形状に対応し、半導体部品１２０に配置に対応した位置に複数の貫通孔を備えるものでもよい。この場合連結部材１６０は、例えば樹脂からなり、緩衝部材１４０が配置されている平面（図中ＸＹ平面）においては、各貫通孔に挿通される緩衝部材１４０同士の変位を規制し、緩衝部材１４０が配置されている平面の法線方向においては、静摩擦力により緩衝部材１４０の自重では落下しないが、静摩擦力を越える所定の圧力で押圧した際は、それぞれの緩衝部材１４０を変位させることができる程度に緩衝部材１４０を保持している。

本発明である半導体装置は、電動パワーアシストステアリング装置のアシストトルクを発生させるモータの制御に使用されるＥＣＵなどに利用可能である。その他、高輝度のデジタルサイネージ、高出力の複数チャンネルのアンプなどに利用可能である。

１００…半導体装置、１１０…配線基板、１２０…半導体部品、１３１…第一熱伝導部材、１３２…第二熱伝導部材、１４０…緩衝部材、１５０…放熱部材、１５１…締結部材、１６０…連結部材

Claims (5)

1. 配線基板と、
   前記配線基板上に実装される複数の半導体部品と、
   前記半導体部品上に配置され、前記半導体部品が発する熱を外部に伝導する第一熱伝導部材と、
   前記第一熱伝導部材上に前記半導体部品毎に配置される固形の緩衝部材と、
   前記緩衝部材上に配置され、前記緩衝部材の熱を外部に伝導する第二熱伝導部材と、
   前記第二熱伝導部材を介して複数の前記緩衝部材と熱的に接続される放熱部材と、
   前記緩衝部材が配置される面に垂直な方向において前記緩衝部材の相互の変位を許容し、隣り合う前記緩衝部材同士を連結する連結部材と
   を備える半導体装置。
2. 前記連結部材は、前記放熱部材側、および前記半導体部品側の少なくとも一方に対向する前記緩衝部材の面同士を連結するシート状である
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記連結部材は、前記緩衝部材の対向する面の一部同士を連結する
   請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記連結部材は、前記第一熱伝導部材と前記第二熱伝導部材との間に複数配置される
   請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記連結部材は、メッキにより形成される
   請求項２〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。

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