JP2021061341A - 半導体冷却装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い信頼性を有する半導体冷却装置を提供する。【解決手段】本発明は、はんだ層を介して半導体素子２が上面に実装される配線層３と、配線層３の下面に設けられた絶縁層４と、絶縁層４の下面に設けられたヒートシンク５とを備え、配線層３は半導体素子２が実装される第１金属層３１と、絶縁層４と接合される第２金属層３２とを積層させた構成を有し、第２金属層３２の厚さは０．２ｍｍ〜２ｍｍであり、第１金属層３１の線膨張係数は第２金属層３２よりも小さく、第１金属層３１の線膨張係数はヒートシンク５よりも小さくなっていることを特徴とする。【選択図】図２
Description
本発明は、半導体素子を搭載した基板を冷却する半導体冷却装置に関する。
近年、半導体には大電流が流されるため、その発熱量が非常に大きくなってきている。このため、半導体素子実装基板に冷却器を接合または接着させることで、発生する熱を除去している。
半導体冷却装置では半導体素子が電気的な配線のために金属層に接合され、金属層と冷却器とは電気的絶縁のために絶縁層を介して接合されることが多い。また、冷却器の材質は熱伝導の観点からアルミニウムが用いられ、一方、金属層は導電性の観点から銅が用いられることが多く、このような半導体冷却装置が下記特許文献１に開示されている。
しかしながら、上記特許文献では、金属層と冷却器との材料が異なるため、温度変化により、両者の線膨張係数の差に起因して、両者に挟まれる絶縁層に熱応力が集中してしまう。このため、製造工程およびその後の信頼性試験において絶縁層に剥離あるいはクラックが生じ、冷却性能および絶縁性能が損なわれ易く、信頼性を得ることができないという課題があった。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、高い信頼性を有する半導体冷却装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を要旨とするものである。
［１］はんだ層を介して半導体素子が上面に実装される配線層と、前記配線層の下面に設けられた絶縁層と、前記絶縁層の下面に設けられたヒートシンクとを備える半導体冷却装置において、
前記配線層は前記半導体素子が実装される第１金属層と、前記絶縁層と接合される第２金属層とを積層させた構成を有し、
前記第２金属層の厚さは０．２ｍｍ〜２ｍｍであり、
前記第１金属層の線膨張係数は前記第２金属層よりも小さく、
前記第１金属層の線膨張係数は前記ヒートシンクよりも小さくなっていることを特徴とする半導体冷却装置。
［２］前記第１金属層は前記第２金属層よりも熱伝導率が高い材料で構成されている前項１に記載の半導体冷却装置。
［３］前記絶縁層がセラミックにより構成されている前項１または２に記載の半導体冷却装置。
［４］前記絶縁層がフィラーを含有する樹脂により構成されている前項１または２に記載の半導体冷却装置。
［１］はんだ層を介して半導体素子が上面に実装される配線層と、前記配線層の下面に設けられた絶縁層と、前記絶縁層の下面に設けられたヒートシンクとを備える半導体冷却装置において、
前記配線層は前記半導体素子が実装される第１金属層と、前記絶縁層と接合される第２金属層とを積層させた構成を有し、
前記第２金属層の厚さは０．２ｍｍ〜２ｍｍであり、
前記第１金属層の線膨張係数は前記第２金属層よりも小さく、
前記第１金属層の線膨張係数は前記ヒートシンクよりも小さくなっていることを特徴とする半導体冷却装置。
［２］前記第１金属層は前記第２金属層よりも熱伝導率が高い材料で構成されている前項１に記載の半導体冷却装置。
［３］前記絶縁層がセラミックにより構成されている前項１または２に記載の半導体冷却装置。
［４］前記絶縁層がフィラーを含有する樹脂により構成されている前項１または２に記載の半導体冷却装置。
発明［１］の半導体冷却装置によれば、配線層は半導体素子が実装される第１金属層と、絶縁層と接合される第２金属層とを積層させた構成を有し、第１金属層の線膨張係数は第２金属層よりも小さく、第１金属層の線膨張係数はヒートシンクよりも小さい構成とすることで、線膨張係数の差によって生じる熱応力が絶縁層に集中することなく、第１金属層と第２金属層との界面に集中するため、絶縁層に加わる熱応力を分散し、低減させることができるので、絶縁層に剥離あるいはクラックが生じ難くなり、半導体冷却装置の冷却性能および絶縁性能を安定させることができる。このため、半導体冷却装置において、より高い信頼性を得ることができる。
発明［２］の半導体冷却装置によれば、熱拡散を促進することができ、半導体冷却装置の冷却性能を向上させることができる。
発明［３］の半導体冷却装置によれば、セラミックの熱伝導率は大きいため、高い冷却性能を有する半導体冷却装置を提供することができる。
発明［４］の半導体冷却装置によれば、絶縁層がフィラーを含有する樹脂で構成されていることで、樹脂自体の接着性を利用し、半導体冷却装置の構成部材のみを用いて接合できるため、接合に他の部材を用いる必要がなく、製造工程を簡略化できる。また、セラミックを用いる場合と比べて、樹脂は材料費が安く、さらに、接合に必要な加熱温度を格段に低く抑えることができるため、半導体冷却装置の製造コストを抑えることもできる。
図１は本実施形態の半導体冷却装置１を概略的に示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線における断面を概略的に示す断面図である。
本発明の半導体冷却装置は、ヒートシンクを介して半導体素子で発生する熱を放熱することで、半導体素子を冷却するものである。
図１に示すように、本実施形態の半導体冷却装置１は、はんだ層を介して半導体素子２が上面に実装される配線層３と、配線層３の下面に設けられた絶縁層４と、絶縁層４の下面に設けられたヒートシンク５とを備えており、配線層３は半導体素子２が実装される第１金属層３１と、絶縁層４と接合される第２金属層３２とを積層させた構成を有し、第２金属層３２の厚さは０．２ｍｍ〜２ｍｍであり、第１金属層３１の線膨張係数は第２金属層３２よりも小さく、第１金属層３１の線膨張係数はヒートシンク５よりも小さくなっていることを特徴とする。
配線層は、はんだ層を介して半導体素子がはんだ付けにより実装されるものである。この半導体素子は発熱部品である半導体チップを基板に実装させたもので、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などを用いることができる。
図１および図２に示すように、本実施形態の配線層３は第１金属層３１を第２金属層３２の上面に積層させた構成を有している。
本実施形態の第１金属層３１は、半導体素子が実装されるものであり、銅で構成されており、その線膨張係数は１６×１０−６／℃、熱伝導率は４００Ｗ／ｍＫとなっている。また、第１金属層３１の厚みは０．５ｍｍ〜３ｍｍであることが好ましい。
本実施形態の第１金属層３１では、銅が用いられているが、これに限らず、第１金属層３１は、その線膨張係数が後述する第２金属層３２よりも小さく、かつ、後述するヒートシンク５よりも小さいものであればよい。
本実施形態の第２金属層３２は後述する絶縁層４と接合されるものであり、アルミニウムで構成されており、その線膨張係数は２３×１０−６／℃、熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫ以下となっている。また、第２金属層３２の厚みは０．２ｍｍ〜２ｍｍであり、特に、０．５ｍｍ程度であることが好ましい。これは、第１金属層３１および第２金属層３２、すなわち、配線層３が厚すぎると、熱拡散が飽和し熱伝導性が阻害されるためである。
本実施形態の第２金属層３２ではアルミニウムが用いられているが、これに限らず、第２金属層３２は、その線膨張係数が第１金属層３１よりも大きいものであれば、後述するヒートシンク５より大きいものであっても、小さいものであってもよい。また、ヒートシンク５と線膨張係数が同一のものであってもよい。
また、上述のように、本実施形態では第１金属層３１は第２金属層３２よりも熱伝導率が高くなっている。
このような構成とすることで、熱拡散を促進することができ、半導体冷却装置１の冷却性能を向上させることができる。
また、図１および図２に示すように、本実施形態では、第２金属層３２の下面に絶縁層４が設けられている。
絶縁層は、絶縁層の両面に設けられる配線層およびヒートシンクを電気的に絶縁するとともに、半導体素子で生じる熱をヒートシンクへ伝導させるものであり、このような絶縁層の素材としては、樹脂あるいはセラミックを用いることができる。
絶縁層に用いられる樹脂としては、例えば、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂あるいはポリイミド系樹脂のような熱硬化性樹脂を用いることができる。
また、これらの樹脂にはフィラーが含有されていることが好ましく、このフィラーとは熱伝導率を向上させるためのものであり、例えば、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢＮ（窒化ホウ素）もしくはＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）を用いることができる。
一方、絶縁層に用いられるセラミックとしては、例えば、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミック、もしくはＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）等の窒化物系セラミックを用いることができる。
このように、絶縁層がセラミックで構成されることで、セラミックの熱伝導率は大きいため、高い冷却性能を有する半導体冷却装置を提供することができる。
また、絶縁層には電気絶縁性および熱伝導性が求められ、絶縁層が厚くなるほど電気絶縁性は良好になるが熱伝導性は悪化してしまう。このため、絶縁層の厚みとしては０．１ｍｍ〜１．５ｍｍ程度のものを用いることが好ましい。
本実施形態では、絶縁層４に上述のフィラーを含有する樹脂が用いられており、また、絶縁層４の厚みは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度とされている。
また、図１および図２に示すように、本実施形態の絶縁層４の下面にはヒートシンク５が設けられている。
ヒートシンクは、半導体素子で発生した熱を外部に放熱させるためのものである。このヒートシンクとしては、空冷式ヒートシンクおよび水冷式ヒートシンクなどを用いることができる。さらに、ヒートシンクとしては、放熱フィンが形成されたものを用いてもよいし、放熱フィンが形成されていない板状のヒートスプレッダを用いてもよい。
本実施形態のヒートシンク５はアルミニウムで構成されており、その線膨張係数は２３×１０−６／℃、熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫ以下となっている。
以上のように、本実施形態では、第１金属層３１の線膨張係数は第２金属層３２およびヒートシンク５よりも小さくなっている。
このように、本実施形態では、配線層３は半導体素子２が実装される第１金属層３１と、絶縁層４と接合される第２金属層３２とを積層させた構成を有し、第１金属層３１の線膨張係数が第２金属層３２およびヒートシンク５よりも小さい構成とすることで、これらの線膨張係数の差によって生じる熱応力が絶縁層４に集中することなく、第１金属層３１と第２金属層３２との界面に集中するため、絶縁層４に加わる熱応力を分散し、低減させることができるので、絶縁層４に剥離あるいはクラックが生じ難くなり、半導体冷却装置１の冷却性能および絶縁性能を安定させることができる。このため、半導体冷却装置１において、より高い信頼性を得ることができる。
次に、本実施形態の半導体冷却装置１の製造方法について説明する。
まず、第２金属層３２の上面に第１金属層３１を積層させた配線層３、上記フィラーを含有する樹脂で構成される絶縁層４およびヒートシンク５を準備し、ヒートシンク５の上面に絶縁層４、さらに絶縁層４の上面に配線層３を積層配置させる。
そして、真空式ヒータープレス装置などを用いて、配線層３とヒートシンク５とを相対的に圧縮する方向に加熱しながら加圧することで、絶縁層４を構成する樹脂が完全に硬化され、また、樹脂自体に接着性があるため、配線層３、絶縁層４およびヒートシンク５が接合されて、半導体冷却装置１が製造される。この際、加熱および加圧は１８０℃以下および６ＭＰａ以下で行う。
なお、真空式ヒータープレス装置を用いている理由は、配線層３、絶縁層４およびヒートシンク５の各界面に空気が入ることを防止するためである。
一方、絶縁層４にセラミックを用いる場合は、セラミックと金属との接合に適するろう材を介して、絶縁層４の両面に第２金属層３２およびヒートシンク５を積層配置させ、さらにろう材を介して、第２金属層３２の上面に第１金属層３１を積層配置させる。
そして、この積層配置させたものを炉内に入れ、配線層３とヒートシンク５とを相対的に圧縮する方向に加圧しながら、ろう材が溶融する温度以上まで加熱することで、第１金属層３１、第２金属層３２、絶縁層４およびヒートシンク５を接合させて、半導体冷却装置１を製造する。この際、加熱および加圧は５８０℃以下および６ＭＰａ以下で行う。
なお、ろう材は溶融して非常に薄くなるため、熱応力の低減や冷却性能に影響を及ぼすことはない。
なお、ろう材は溶融して非常に薄くなるため、熱応力の低減や冷却性能に影響を及ぼすことはない。
このように、絶縁層４が上記フィラーを含有する樹脂で構成されていることで、樹脂自体の接着性を利用し、半導体冷却装置１の構成部材のみを用いて接合できるため、接合に他の部材を用いる必要がなく、製造工程を簡略化できる。また、セラミックを用いる場合と比べて、樹脂は材料費が安く、さらに、接合に必要な加熱温度を格段に低く抑えることができるため、半導体冷却装置１の製造コストを抑えることもできる。
次に、本発明の具体的実施例について説明するが、本発明はこれら実施例のものに特に
限定されるものではない。
限定されるものではない。
＜実施例１＞
第１金属層３１として銅板（厚さ：２ｍｍ）、第２金属層３２としてアルミニウム板（厚さ：０．２ｍｍ）、絶縁層４として窒化アルミニウムを含有するエポキシ系樹脂（厚さ：０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度）およびヒートシンク５としてアルミニウム製のヒートシンクを準備し、これらを積層配置するとともに、ホットプレス装置を用いて、積層方向に１８０℃で加熱しながら４ＭＰａで加圧して接合を行い、半導体冷却装置１を得た。
＜実施例２＞
第１金属層３１として銅板（厚さ：２ｍｍ）、第２金属層３２としてアルミニウム板（厚さ：０．２ｍｍ）、絶縁層４として窒化アルミニウム（厚さ：０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度）およびヒートシンク５としてアルミニウム製のヒートシンクを準備し、これらをろう材を介して、積層配置するとともに、積層方向に５８０℃で加熱しながら０．６ＭＰａで加圧して、ろう付けにより接合を行い、半導体冷却装置１を得た。
第１金属層３１として銅板（厚さ：２ｍｍ）、第２金属層３２としてアルミニウム板（厚さ：０．２ｍｍ）、絶縁層４として窒化アルミニウムを含有するエポキシ系樹脂（厚さ：０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度）およびヒートシンク５としてアルミニウム製のヒートシンクを準備し、これらを積層配置するとともに、ホットプレス装置を用いて、積層方向に１８０℃で加熱しながら４ＭＰａで加圧して接合を行い、半導体冷却装置１を得た。
＜実施例２＞
第１金属層３１として銅板（厚さ：２ｍｍ）、第２金属層３２としてアルミニウム板（厚さ：０．２ｍｍ）、絶縁層４として窒化アルミニウム（厚さ：０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度）およびヒートシンク５としてアルミニウム製のヒートシンクを準備し、これらをろう材を介して、積層配置するとともに、積層方向に５８０℃で加熱しながら０．６ＭＰａで加圧して、ろう付けにより接合を行い、半導体冷却装置１を得た。
本発明の半導体冷却装置は、半導体素子を冷却する冷却器として好適に用いることができる。
１：半導体冷却装置
３：配線層
３１：第１金属層
３２：第２金属層
４：絶縁層
５：ヒートシンク
３：配線層
３１：第１金属層
３２：第２金属層
４：絶縁層
５：ヒートシンク
Claims (4)
- はんだ層を介して半導体素子が上面に実装される配線層と、前記配線層の下面に設けられた絶縁層と、前記絶縁層の下面に設けられたヒートシンクとを備える半導体冷却装置において、
前記配線層は前記半導体素子が実装される第１金属層と、前記絶縁層と接合される第２金属層とを積層させた構成を有し、
前記第２金属層の厚さは０．２ｍｍ〜２ｍｍであり、
前記第１金属層の線膨張係数は前記第２金属層よりも小さく、
前記第１金属層の線膨張係数は前記ヒートシンクよりも小さくなっていることを特徴とする半導体冷却装置。 - 前記第１金属層は前記第２金属層よりも熱伝導率が高い材料で構成されている請求項１に記載の半導体冷却装置。
- 前記絶縁層がセラミックにより構成されている請求項１または２に記載の半導体冷却装置。
- 前記絶縁層がフィラーを含有する樹脂により構成されている請求項１または２に記載の半導体冷却装置。
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| JP2009266971A (ja) * | 2008-04-23 | 2009-11-12 | Toyota Motor Corp | パワーモジュール |
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2019
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