JP2021068844A

JP2021068844A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2021068844A
Application number: JP2019194465A
Authority: JP
Inventors: 憲宗織本; Norimune Orimoto
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2021-04-30

Abstract

【課題】ポンプアウト現象によるグリス抜けを抑制する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子、放熱板、樹脂パッケージ、冷却器を備える。放熱板の一方の幅広面に半導体素子が取り付けられている。樹脂パッケージは、半導体素子を封止しているとともに、放熱板の他方の幅広面を露出させている。放熱板の樹脂パッケージから露出している面を以下では放熱面と称する場合がある。冷却器は、グリスを挟んで放熱板（放熱面）と対向している。放熱板は、その法線方向からみてグリスを囲むようにヒータを備えている。半導体素子とともにヒータが発熱することで、放熱板の中央部分と周囲部分の温度差、すなわち熱膨張量の差が小さくなる。その結果、グリスが押し出され難くなる。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、樹脂パッケージと冷却器の間に伝熱グリスが挟まれている半導体装置に関する。

特許文献１には、複数の半導体素子を封止した樹脂パッケージとこの樹脂パッケージを冷却する冷却器とが交互に積層されている半導体装置が開示されている。樹脂パッケージと冷却器の間にはグリス（伝熱グリス）が挟まれている。複数の半導体素子は放熱板の一方の幅広面に取り付けられており、樹脂パッケージは、放熱板の他方の幅広面を露出させつつ、複数の半導体素子を封止している。放熱板の露出している幅広面がグリスを挟んで冷却器と対向している。

樹脂パッケージの中では、動作時の発熱量が大きい半導体素子（例えばスイッチング用のトランジスタ素子）を中心にそれを囲むように発熱量の小さい複数の半導体素子（例えば還流用のダイオード素子）が配置されている。

動作時に発熱する半導体素子が動作と停止を一定間隔で繰り返すと、放熱板が熱膨張と収縮を繰り返す。そのため、樹脂パッケージと冷却器の間に挟まれているグリスが放熱板の膨張によって周囲に押し出されたり、収縮によって周囲から中央へ吸い込まれたりする現象が生じる。つまり、ポンプアウトやブリードアウトと称される現象（以降、ポンプアウト現象と称する）が生じる。グリスが押し出された後に放熱板が収縮してもグリスが完全に元に戻らないことは「グリス抜け」と呼ばれている。

発熱量の大きい半導体素子の近傍で放熱板は大きく膨張し、半導体素子から離れるにしたがって膨張量は小さくなる。従って熱膨張したときに放熱板の中央部分と冷却器の間の隙間が、放熱板の周囲部分と冷却器の間の隙間よりも小さくなる。それゆえ、半導体素子の近傍から周囲に向かってグリスが押し出される。

そこで、特許文献１に開示されている半導体装置では、動作時の発熱量が大きい半導体素子の周囲に動作時の発熱量が小さい半導体素子を複数配置する構成を採用する。放熱板の法線方向からみてその中央部分だけでなく、その周囲でも放熱板が加熱されるため、放熱板の中央部分と周囲部分で膨張量の差が小さくなり、グリスが押し出され難くなる。

特開２０１８−１２５３５３号公報

特許文献１の半導体装置は、発熱量が大きい半導体素子の周囲に発熱量が小さい半導体素子を複数配置する必要がある。そのため、発熱量が小さい半導体素子の数が少ない半導体装置の場合には、特許文献１の技術を適用することが難しい。本明細書は、ポンプアウト現象によるグリス抜けを抑制し得る技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子、放熱板、樹脂パッケージ、冷却器を備える。放熱板の一方の幅広面に半導体素子が取り付けられている。樹脂パッケージは、半導体素子を封止しているとともに、放熱板の他方の幅広面を露出させている。放熱板の樹脂パッケージから露出している面を以下では放熱面と称する場合がある。冷却器は、グリスを挟んで放熱板（放熱面）と対向している。

本明細書が開示する半導体装置では、放熱板に、その法線方向からみてグリスを囲むようにヒータを備える。半導体素子とともにヒータが発熱することで、放熱板の中央部分と周囲部分の温度差、すなわち熱膨張量の差が小さくなる。その結果、グリスが押し出され難くなる。

本明細書が開示する半導体装置の一態様では、放熱板の一方の幅広面（半導体素子が取り付けられている側の幅広面）に、放熱板の法線方向からみたときに半導体素子を囲むように線状の溝が設けられており、ヒータはその溝に配置されていてもよい。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

実施例の半導体装置（半導体ユニット）の斜視図である。（Ａ）は、パワーカードの片面にヒートシンクを設けた例であり、（Ｂ）は、パワーカードの両面にヒートシンクを設けて積層構造にした例である。パワーカード及びヒートシンクをＸ軸方向から見た正面図である。（Ａ）は、図２のIII−III線に沿った断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の断面図に表されているヒータユニットの部分を拡大した断面図である。図３（Ａ）のIV−IV線に沿った断面図である。ポンプアウト現象によるグリスの拡がりを模式的に表した説明図である。（Ａ）は、樹脂パッケージの部分を除いた状態の放熱板及びヒータユニットを表した説明図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、（Ａ）と同様に表した半導体ユニットの他の構成例１、２の説明図である。

図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。実施例の半導体装置は、パワーカードとヒートシンク（冷却器）の間にグリスが挟まれた半導体ユニット２である。図１（Ａ）に半導体ユニット２の斜視図を示す。実施例では、図１（Ａ）に示すように、パワーカード１０の一方の面１０ａにヒートシンク３（冷却器）を対向させた半導体ユニット２を説明する。ただし、本明細書が開示する技術は、図１（Ｂ）に示すように、パワーカード１０の一方の面１０ａと他方の面１０ｂのそれぞれに、グリスを挟んでヒートシンク３を対向させた半導体ユニット２ａにおいても同様に説明することができる。図１（Ｂ）に示す半導体ユニット２ａは、パワーカード１０とヒートシンク３を交互に積層したデバイスである。

図２に、パワーカード１０及びヒートシンク３を図中の座標系のＸ軸方向から見た正面図を示す。図３（Ａ）に、図２のIII−III線に沿った断面図を示し、図３（Ｂ）に、図３（Ａ）の断面図に表されているヒータユニット２０の部分を拡大した断面図を示す。

なお、以下、本明細書では、図１やその他の図に表した座標系のＸ、Ｙ、Ｚの各軸のことを、夫々、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と表現する。また、Ｘ軸の先端（矢印）方向や基端（付け根）方向のことをＸ軸方向と表現する。同様に、Ｙ軸及びＺ軸の夫々の先端方向（矢印）や基端（付け根）方向のことをＹ軸方向やＺ軸方向と表現する。

図１に示すように、半導体ユニット２は、ヒートシンク３とパワーカード１０により構成されている。パワーカード１０は、後述するように半導体素子１５、１６等が取り付けられた放熱板１２を樹脂パッケージ１１で封止したものである。ヒートシンク３は、パワーカード１０を冷却する冷却器であり、例えば、銅やアルミニウム等の熱伝導特性が良好な導電性材料により構成されている。

ヒートシンク３は、内部空間３ａ（図３（Ａ）参照）にクーラントや水等の冷媒が流通しているものでよい。あるいは、ヒートシンク３は、冷媒の流通がなく、複数の冷却フィンを有するものや単なる板状のものでもよい。なお、ヒートシンク３は、不図示のばねによりパワーカード１０に向けて加圧されている。

図３（Ａ）に示すように、パワーカード１０は、２個の半導体素子１５、１６が実装された放熱板１２を樹脂パッケージ１１により樹脂封止したものである。半導体素子１５、１６は、樹脂パッケージ１１の長手方向（Ｙ軸方向）に並んでおり、これらは、典型的には、パワーデバイス（ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor））などの平板状の半導体チップである。半導体素子１６は、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴである半導体素子１５に電気的に逆並列に接続される還流ダイオード（ＦＷＤ）である場合もある。

放熱板１２は、金属製の薄板であり、半導体素子１５、１６等をダイボンディングするボンディングエリアや、後述する信号端子１９等に接続されている配線をワイヤボンディングするパッド等が形成されている。放熱板１２の両面の幅広面のうち、半導体素子１５、１６が実装される側を実装面１２ａと称し、反対側の面を放熱面１２ｂと称する。放熱面１２ｂは、樹脂パッケージ１１に覆われることなく樹脂パッケージ１１から露出している。放熱面１２ｂには伝熱性のグリス３０が塗布されている。

一方、半導体素子１５、１６等が実装される実装面１２ａには、後述するようにヒータユニット２０を収容可能な線状の溝１３が形成されている。

放熱板１２の実装面１２ａ側には、半導体素子１５、１６とスペーサ１８を挟んで放熱板１４が配置されている。放熱板１４は、半導体素子１５、１６に対してスペーサ１８を介して接続されており、その裏側は樹脂パッケージ１１に覆われることなく樹脂パッケージ１１から露出している。図示されていないが、パワーカード１０の両面をヒートシンク３で冷却する構成では、放熱板１４の露出部分にもグリス３０が塗布される。なお、スペーサ１８や放熱板１４は、例えば、銅やアルミニウム等の熱伝導特性が良好な導電性材料により構成されている。

放熱板１２、１４は、単純な均一金属の板に代えて、セラミックス板の両面に銅などの金属膜が形成されたＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板であってもよい。

樹脂パッケージ１１は、放熱板１２、１４、半導体素子１５、１６等を矩形状の厚板状に覆う樹脂封止部材である。図２に示すように、樹脂パッケージ１１（パワーカード１０）の上方（Ｚ軸の先端方向）からは３本の電極端子１７ａ〜１７ｃが突出している。また下方（Ｚ軸の基端方向）からは４本の信号端子１９と２本のヒータ端子２５、２６が、夫々突出している。

半導体素子１５、１６が、ＩＧＢＴの場合には、３本の電極端子１７ａ〜１７ｃは、半導体素子１５（高電位側のＩＧＢＴ）のコレクタに接続される正極端子１７ａ、半導体素子１６（低電位側のＩＧＢＴ）のエミッタに接続される負極端子１７ｂ、半導体素子１５のエミッタと半導体素子１６のコレクタが接続される中点端子１７ｃに相当する。また信号端子１９は、例えば、半導体素子１５、１６のゲートに接続されている。ヒータ端子２５、２６については後述する。

半導体ユニット２では、パワーカード１０が発した熱の大部分をヒートシンク３の周囲を流れる冷媒（空気）やヒートシンク３の内部空間３ａを流れる冷媒（水）との熱交換により放熱する。一方、半導体素子１５、１６の発熱によって、放熱板１２が熱変形を生じる。特に、半導体素子１５、１６は、放熱板１２の中央付近に接しており、放熱板１２は中央部分が周辺部分よりも大きく膨張し、中央部分が樹脂パッケージ１１の外側へと膨らむ。この熱変形に起因して生ずる前述のポンプアウト現象によってグリス抜けが発生する。

すなわち、半導体素子１５、１６が通電（動作）と非通電（停止）を一定間隔で繰り返すスイッチング動作を行った場合、その冷熱サイクルに起因して放熱板１２が膨張や収縮を繰り返す。そのため、樹脂パッケージ１１等とヒートシンク３の間に挟まれたグリス３０が放熱板１２の膨張により周囲へ押し出され、収縮によって一部は元の位置に戻るがいくらかは元の位置に戻れず、結果的にグリス３０が抜け出るグリス抜けが発生する。

そこで、本実施例では、半導体素子１５、１６の周囲を囲むヒータユニット２０を放熱板１２に設けることによって、樹脂パッケージ１１の放熱面１２ｂ（放熱板１２）とヒートシンク３の間に塗布されているグリス３０が抜け出るグリス抜けを抑制する。ここからは、図１〜３に加えて図４及び図５も参照して説明する。図４は、図３（Ａ）のIV−IV線に沿った断面図である。図５は、ポンプアウト現象によるグリス３０の拡がりを模式的に表した説明図である。なお、図４において半導体素子１５、１６の位置を解り易く表現するため、その切断位置を表す一点鎖線（図３におけるIV−IV線）を直線ではなく変則的な線にしていることに注意されたい。

図３（Ａ）と図４に示すように、ヒータユニット２０は、放熱板１２に形成された溝１３内に収容されている。溝１３は、所定幅を有する線状溝であり、放熱板１２の実装面１２ａに設けられている。溝１３は、放熱板１２に実装された半導体素子１５、１６の周囲を取り囲むように、矩形環状に形成されている。前述したように半導体素子１５、１６は、樹脂パッケージ１１の長手方向（Ｙ軸方向）に並んでいる。そのため、溝１３も樹脂パッケージ１１の長手方向に長い矩形状を有するように実装面１２ａに形成されている。なお、溝１３内の隙間には樹脂パッケージ１１の樹脂が充填されている。それゆえ、図４では、溝１３内のヒータユニット２０の両側は樹脂パッケージ１１の存在を表すハッチングで埋められている。

ヒータユニット２０は、ヒータエレメント２１、ベースフィルム２２、カバーフィルム２３及びヒータ端子２５、２６により構成されている。ヒータエレメント２１は、例えば、ステンレス鋼からなる箔（ステンレス箔）板を平打ち状に細長く形成した抵抗体である。図３（Ｂ）に示すヒータエレメント２１の断面形状から解るように、その両面がベースフィルム２２とカバーフィルム２３により挟まれるようにしてヒータエレメント２１がパックされている。ベースフィルム２２及びカバーフィルム２３は、例えば、耐熱性、難燃性や絶縁性に優れたポリイミド等からなる。

ヒータエレメント２１の両端には、外部から電力供給を可能にするヒータ端子２５、２６が接続されている。これらのヒータ端子２５、２６には、例えば、半導体素子１５、１６のスイッチング動作に同期したタイミングでヒータユニット２０の駆動電力が供給される。これにより、半導体素子１５、１６が通電されて動作するタイミング（半導体素子１５、１６の発熱タイミング）に合わせてヒータユニット２０を発熱させることが可能になる。なお、図２及び図４においては、ヒータエレメント２１の部分を灰色に着色して視覚的に解り易く表現している。

ヒータユニット２０は、溝１３内に接着されて固定された状態で、放熱板１２、１４とともに樹脂パッケージ１１で封止される。本実施例では、矩形環状を有する溝１３は、樹脂パッケージ１１の長手方向の一方側（Ｙ軸基端方向）から、信号端子１９の突出側（Ｚ軸基端方向）に向けて開口する開口部１３ａと連通している。そのため、ヒータユニット２０のヒータ端子２５、２６は、この開口部１３ａを介して樹脂パッケージ１１から外部に突出する。

図３（Ａ）に示すように、ヒータユニット２０は、溝１３から放熱板１２の実装面１２ａの側に向けて突出しないように溝１３内に収容されている。ヒータユニット２０は、溝１３の中から実装面１２ａよりも外側へ突出するように構成しても良い。本実施例では、樹脂パッケージ１１とヒートシンク３の間に挟まれるグリス３０を、放熱板１２の放熱面１２ｂの法線Ｎの方向から見たときに少なくともヒータエレメント２１で囲まれる範囲内に塗布する。

半導体素子１５や半導体素子１６は、その通電により動作すると発熱することから、図５に示すように、半導体素子１５、１６の裏側やその近傍部分（近傍部Ｐ；図５において白抜きの範囲）では、放熱板１２が加熱されて膨張する。そのため、近傍部Ｐに塗布されているグリス３０ａ（近傍部Ｐにて放熱板１２とヒートシンク３に挟まれているグリス３０ａ）は、近傍部Ｐで膨張した放熱板１２によって半導体素子１５、１６の周囲の外側に向けて押し出される（図５に示す黒三角矢印）。

これに対して、ヒータユニット２０に外部から電力が供給されてヒータエレメント２１が発熱すると、ヒータエレメント２１の裏側やその近傍、つまり半導体素子１５や半導体素子１６から所定距離だけ離れた周囲部分（周辺部Ｑ；濃い灰色範囲）でも、放熱板１２が加熱されて熱変形（熱膨張）を生じる。そのため、周辺部Ｑに塗布されているグリス３０ｂ（周辺部Ｑにて放熱板１２とヒートシンク３に挟まれているグリス３０ｂ）は、周辺部Ｑで膨張した放熱板１２によってヒータエレメント２１により囲まれる範囲の内側に向けて押し返される（図５に示す白三角矢印）。

半導体素子１５、１６のスイッチング動作に同期させたタイミングでヒータユニット２０に駆動電力を供給することによって、半導体素子１５、１６が発熱するタイミングでヒータユニット２０も発熱するため、近傍部Ｐに塗布されているグリス３０ａが半導体素子１５、１６の外側（法線方向Ｎからみたときの半導体素子１５、１６の外側）に向けて押し出されるのと同時期に、周辺部Ｑに塗布されているグリス３０ｂがヒータエレメント２１により囲まれる範囲の内側に向けて押し返される。

これにより、半導体素子１５、１６の近傍部Ｐから押し出されて半導体素子１５、１６の周囲方向に向かうグリス３０ａの拡がりと、半導体素子１５、１６の周辺部Ｑから押し返されて半導体素子１５、１６の中心方向に向かうグリス３０ｂの拡がりと、を衝突させて相殺することが可能になる（図５に示す一点鎖線楕円内を含む薄い灰色範囲）。また、半導体素子１５と半導体素子１６が隣合う範囲（図５に示す破線楕円内）においては、半導体素子１５の近傍部Ｐから押し出されて半導体素子１６側に向かうグリス３０ａの拡がりと、半導体素子１６の近傍部Ｐから押し出されて半導体素子１５側に向かうグリス３０ａの拡がりと、が衝突する。そのため、これらのグリス３０ａの拡がりも相殺される。したがって、半導体素子１５、１６とヒートシンク３の間に挟まれているグリス３０の抜けが抑制される。

別言すれば、放熱板１２は、半導体素子１５、１６の発熱によってその中央部分が膨張するとともに、その周辺部分がヒータユニット２０の発熱により膨張する。放熱板１２の中央部分と周辺部分で熱膨張量の差が小さくなるため、中央部分のみが膨張する場合と比較してグリス抜けを抑制することができる。

以上のとおり、本実施例の半導体ユニット２では、パワーカード１０の放熱板１２は、半導体素子１５、１６が取り付けられた実装面１２ａの側に溝１３を有する。溝１３は、半導体素子１５、１６の周囲を囲むように形成されている。溝１３には、ヒータユニット２０が配置されている。そして、放熱板１２の放熱面１２ｂの側とヒートシンク３の間に挟まれているグリス３０は、放熱面１２ｂの法線Ｎの方向から見たときに溝１３により囲まれる範囲に塗布されている。別言すれば、法線Ｎの方向からみてヒータユニット２０がグリス３０を囲んでいる。

上記のとおり、放熱板１２に、半導体素子１５、１６を囲むようにヒータユニット２０を設けることによって、放熱板１２の放熱面１２ｂの側の熱膨張量の偏りが緩和され、その結果、グリス抜けが抑制される。

（変形例）図６を参照してヒータユニット２０の配置の変形例を説明する。図６（Ａ）は、実施例の半導体ユニット２において、樹脂パッケージ１１の部分を除いた状態の放熱板１２及びヒータユニット２０を表した説明図である。図６（Ａ）から理解されるように、本実施例の半導体ユニット２では、半導体素子１５、１６から所定距離だけ離れた周囲、すなわちポンプアウト現象によりグリス３０が拡がる方向を囲むようにヒータユニット２０が配置されている。

図６（Ｂ）、（Ｃ）に、ヒータユニット２０の配置の変形例を示す。図６（Ｂ）は、樹脂パッケージの部分を除いた状態の放熱板１１２及びヒータユニット１２０を表した説明図である。また、図６（Ｃ）は、樹脂パッケージの部分を除いた状態の放熱板２１２及びヒータユニット２２０を表した説明図である。なお、図６においては、ヒータエレメント２１、１２１、２２１の部分を灰色に着色して視覚的に解り易く表現している。

図６（Ｂ）に示す他の構成例１のように、放熱板１１２に実装された半導体素子１１５とそれに隣接する半導体素子１１６のサイズが異なる場合には、半導体素子１１５、１１６の夫々から所定距離だけ離れた周囲を囲むように、溝１１３を形成するとともにその溝１１３内にヒータエレメント１２１を有するヒータユニット１２０を収容する。このような構成により、放熱板１１２及びヒータユニット１２０を有するパワーカードにおいても、前述したパワーカード１０と同様に、ポンプアウト現象によるグリス抜けを抑制することができる。

また、図６（Ｃ）に示す他の構成例２のように、矩形状の半導体素子２１５、２１６に対して、半導体素子２１５、２１６の中心から同心円状に半導体素子２１５、２１６の夫々から所定距離だけ離れた周囲を囲むように、溝２１３を形成するとともにその溝２１３内にヒータエレメント２２１を有するヒータユニット２２０を収容する。これにより、放熱板２１２及びヒータユニット２２０を有するパワーカードにおいては、ポンプアウト現象によるグリス３０の拡がりを抑える反対方向のグリス３０の拡がりを、半導体素子２１５、２１６の夫々の中心から同心円状に作用させることが可能になるので、より効果的にポンプアウト現象によるグリス抜けを抑制することができる。

上記の実施例では、本明細書が開示する技術として、放熱板１２の実装面１２ａに溝１３を形成してその溝１３内にヒータユニット２０を収容する例を挙げて説明した。本明細書が開示する技術では、溝１３を設けることなく、半導体素子１５、１６を囲むように放熱板１２にヒータユニット２０（ヒータエレメント２１）を設ければよい。ヒータユニット２０（ヒータエレメント２１）は、放熱板１２の実装面１２ａに配置してもよく、放熱面１２ｂに配置してもよい。あるいは、２枚の放熱板でヒータユニット２０（ヒータエレメント２１）を挟んだ積層板を放熱板１２の代わりに採用してもよい。

実施例技術に関する留意点を述べる。ヒートシンク３が冷却器の一例に相当する。溝１３、１１３、２１３が線状溝の一例に相当する。ヒータエレメント２１、１２１、２２１がヒータの一例に相当する。

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。また、本明細書又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、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、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。

２、２ａ：半導体ユニット３、１２０、２２０：ヒートシンク１０：パワーカード１１：樹脂パッケージ１２、１４、１１２、２１２：放熱板１２ａ：実装面１２ｂ：放熱面１３、１１３、２１３：溝１５、１６、１１５、１１６、２１５、２１６：半導体素子２０、１２０、２２０：ヒータユニット２１、１２１、２２１：ヒータエレメント２５、２６：ヒータ端子３０、３０ａ、３０ｂ：グリス

Claims

半導体素子と、
一方の幅広面に前記半導体素子が取り付けられている放熱板と、
前記半導体素子を封止している樹脂パッケージであって前記放熱板の他方の幅広面が露出している樹脂パッケージと、
グリスを挟んで前記他方の幅広面と対向している冷却器と、
前記放熱板に取り付けられているヒータと、
を備えており、
前記ヒータは、前記幅広面の法線方向からみたときに前記グリスと前記半導体素子を囲んでいる、半導体装置。
前記放熱板の前記一方の幅広面に、前記法線方向からみたときに前記半導体素子を囲むように線状の溝が設けられており、
前記ヒータは前記溝に配置されている、請求項１に記載の半導体装置。