JP4415503B2

JP4415503B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP4415503B2
Application number: JP2001072444A
Authority: JP
Inventors: 明弘深津; 寛木内; 斎藤　　光弘; 嘉治原田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2021-03-14
Also published as: US6434006B1; JP2002033429A; US20020021553A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を搭載するセラミック基板と、このセラミック基板の放熱を行うための放熱部材と、これらセラミック基板及び放熱部材を収納するケースとを備え、放熱部材をケースに接触して締結するようにした半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
年々、半導体装置においては、高機能化要求により、ＬＳＩ、高パワー対応化が進んできている。このようなＬＳＩ、高パワー対応化が進むにつれ、半導体装置自身の大規模化、高速・高パワー化により、消費電力が増大する傾向にある。逆に、半導体装置を実装する基板や収納するケース等は、小型化の要求がある。従って、消費電力の増大と小型化による放熱面積の狭小化のため、ますます、装置の放熱が難しくなってきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、例えば自動車のＥＣＵ構造として、図７に示す様に、ＬＳＩ、高パワーＩＣを搭載してハイブリッドＩＣを構成するセラミック基板１を、プリント板５にリード端子９を介して電気的に接続し、放熱用のフィン３に直接接着固定し、これらセラミック基板１、フィン（放熱部材）３及びプリント板５を、ケース４内に収納する構造を試作検討した。ＩＣを直接セラミック基板１に実装し、セラミック基板１を直接放熱用のフィン３に接着することで放熱性が向上する。なお、図７中（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【０００４】
ここで、プリント板５は、ネジ６を用いたねじ締めによりケース４に締結され、フィン３は、ネジ７、８を用いてプリント板５、ケース４に、それぞれねじ締めされている。こうして、フィン３は、ケース４の内壁と接触する形でケース４に締結され固定された形となり、半導体素子等によりセラミック基板１に発生した熱は、フィン３からケース４を伝わって外部へ放熱されるようになっている。また、複数のセラミック基板１を共通のフィン３に接着することで、全体の寸法を小型化できる。
【０００５】
ところで、上記図７に示すような半導体装置においては、プリント板５の表面及び各電気的接続部分は、保護用のヒューミシール等の防湿剤により被覆保護されている。この防湿剤は、プリント板５にセラミック基板１及びフィン３等を接続搭載した後、噴霧等の方法によって塗布され、その後、ケース４内にプリント板５が収納される。そのため、フィン３またはケース４に防湿剤が付着する場合がある。ここで、図７（ｃ）は、ケース４とフィン３との接触界面近傍拡大図である。
【０００６】
特に、ケース４とフィン３との接触面の間に付着した防湿剤Ｋは、通常、断熱性を持つものであるため、ねじ止め後は、ケース４とフィン３との間に介在する防湿剤Ｋによって熱抵抗が増大し、放熱性が悪くなる。そのため、防湿剤をプリント板５に塗布するにあたっては、ケース４及びフィン３の接触面に防湿剤Ｋが付着しないように、工程管理を行ったり、特別な構成とする必要があり、組み付けに手間がかかったり、構成が複雑化してしまう。
【０００７】
また、ケース４やフィン３の接触面が加工誤差等により歪んでいる場合も、図７（ｃ）に示す様に、これら接触面にうねりが生じ、ケース４とフィン３との接触面積が減少するため、放熱を阻害する。そのため、ケース４やフィン３に対して精度の高い加工が必要となる。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑み、半導体素子を搭載するセラミック基板及び放熱部材をケース内に収納し、放熱部材をケースに接触して締結するようにした半導体装置において、簡素な構成にて放熱部材とケースとの間の放熱経路を確保できるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明においては、放熱部材（３）におけるケース（４）との接触面及びケースにおける放熱部材との接触面のうちどちらか一方の面に、突起部（１１）を形成し、放熱部材とケースとの締結によって、突起部の先端部を潰した状態か若しくは突き刺した状態で相手側の接触面に接するようにしたことを特徴としている。
【００１０】
それによれば、ケース内に、防湿剤を塗布したプリント板を収納する場合、もし、放熱部材やケースの接触面に防湿剤が付着しても、放熱部材とケースとの締結の際、突起部によって防湿剤が押しのけられ、突起部の先端部が相手側の接触面に潰れた状態か若しくは突き刺さった状態で接する。
【００１１】
また、突起部の先端部が相手側の接触面に当たって潰れながら、或いは突起部の先端部が相手側の接触面に突き刺さりながら、互いの接触面が近づくため、互いの接触面にうねりがあっても、接触面積を確保できる。
【００１２】
そのため、突起部の数や大きさ、潰し度合若しくは突き刺さり度合等を適宜調整すれば、放熱部材とケースとの接触面積が、放熱性を確保するに十分なものとなる。よって、本発明によれば、放熱部材またはケースのどちらか一方の接触面に突起部を形成するだけの簡素な構成にて放熱部材とケースとの間の放熱経路を確保することができる。
【００１３】
ここで、突起部（１１）は、前記接触面に形成された鋸状の凹凸の凸部として形成されたものとすること（請求項２の発明）ができ、また、放熱部材（３）とケース（４）との締結は、ねじ締めにより行う（請求項３の発明）ことができる。
【００１４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置１００のケース内の各部の平面配置構成を示す図、図２は、半導体装置１００の概略断面構成を示す図であり、（ａ）は、図１中のＡ−Ａ線に沿った方向の各部断面、（ｂ）は、図１中のＢ−Ｂ線に沿った方向の各部断面を示す。この半導体装置１００は、例えば自動車のＥＣＵ等に適用される。
【００１６】
１は、例えばアルミナ等の放熱性に優れたセラミックよりなるセラミック基板であり、セラミック基板１には図示しない半導体素子や抵抗、コンデンサ等の電子部品が搭載され、ハイブリッドＩＣ回路（ＨＩＣ）を構成している。このセラミック基板１は、例えばシリコンゴム材料等よりなる接着剤２によりブロック状のフィン（本発明でいう放熱部材）３に接着固定されている。フィン３は、放熱性に優れた金属（例えばアルミ）等よりなる。
【００１７】
そして、これらセラミック基板１及びフィン３は、放熱性に優れた金属（例えばアルミ）等よりなるケース４内に収納されている。また、このケース４内にはプリント板５が収納されている。このプリント板５の両端は、ケース４の内壁に突出する座面４ａにて支持され、ネジ６を用いてねじ締めすることにより、プリント板５はケース４に締結されている。
【００１８】
また、上記フィン３は、プリント板５とケース４の内壁との間に挟まれた形となっており、プリント板５に対してはネジ７により、ケース４に対してはネジ８により、それぞれねじ締めされている。こうして、フィン３は、ケース４の内壁と接触する形でケース４に締結され固定されている。
【００１９】
また、フィン３に搭載されたセラミック基板１は、複数個のリード端子９によりプリント板５と電気的に接続されている。また、ケース４には、外部と電気的接続を行うためのコネクタ１０が、ケース４の壁部を貫通して設けられており、このコネクタ１０のリード部１０ａは、プリント板５に電気的に接続されている。
【００２０】
このように、セラミック基板１、フィン３、及び、セラミック基板１と電気的に接続されたプリント板５を、ケース４内に収納するとともに、フィン３をケース４に接触して締結するようにした半導体装置１００においては、半導体素子等によりセラミック基板１に発生した熱は、フィン３からケース４を伝わって外部へ放熱される。
【００２１】
この半導体装置１００は、次のようにして組み付けられる。プリント板５に、セラミック基板１が搭載されたフィン３をねじ締めし、セラミック基板１及びコネクタ１０をそれぞれプリント板５に電気的に接続する。そして、プリント板５の表面に防湿剤を噴霧等により塗布し、プリント板５及び各電気的接続部の保護を図る。次に、各部品が搭載され且つ防湿剤が塗布されたプリント板５を、ケース４へ収納し、プリント板５及びフィン３とケース４とのねじ締めを行うことにより、上記図１及び図２に示される半導体装置１００が出来上がる。
【００２２】
ここで、図３は、半導体装置１００におけるフィン３とケース４との接触界面近傍の拡大断面構成を示すもので、（ａ）はフィン３とケース４とのねじ止め前、（ｂ）はねじ止め完了後の状態を示す。本実施形態においては、フィン（放熱部材）３におけるケース４との接触面は鋸状の凹凸形状となっており、この凹凸の凸部が、フィン３の接触面から突出する突起部１１として形成されている。なお、このような突起部１１は、切削加工や型加工等により形成することができる。
【００２３】
そのため、フィン３とケース４とをねじ締めする際の締結力によって、突起部１１の先端部が潰れた状態でケース４側の接触面（相手側の接触面）に接している。また、図３（ａ）に示す様に、上記防湿剤を塗布する際や、プリント板５をケース４へ組み付ける際に、フィン３またはケース４の接触面に防湿剤Ｋが付着する場合がある。
【００２４】
しかし、この防湿剤Ｋが存在していても、突起部１１が防湿剤Ｋを押しのけることにより、突起部１１はケース４に確実に接触することができる。そして、突起部１１の先端部が相手側のケース４の接触面に潰れた状態で接する。また、突起部１１の先端部が潰れながら互いの接触面が近づくため、互いの接触面にうねりがあっても、接触面積を確保できる。
【００２５】
そのため、突起部１１の数や大きさ、潰し度合等を適宜調整すれば、フィン３とケース４との接触面積が、放熱性を確保するに十分なものとなる。よって、本実施形態によれば、フィン３の接触面に突起部１１を形成するだけの簡素な構成にて放熱部材とケースとの間の放熱経路を確保することができる。なお、フィン３側ではなくケース４の接触面に、切削や型加工等によって突起部を設けても、同様の作用効果を奏することは勿論である。
【００２６】
また、図４に示す様に、フィン３とケース４との締結によって、突起部１１の先端部がケース４の接触面に突き刺さった状態で接しても良い。この場合にも、突起部１１がケース４に埋まった分、接触面積を十分に確保できるため、上記同様の効果を得ることができる。例えば、フィン３の方がケース４よりも硬い場合（例えば、ケース４が樹脂の場合等）には、このような状態となる。
【００２７】
ここで、フィン３の接触面全体の面積に対して、ケース４の接触面と接している突起部（例えば突出高さが０．３ｍｍ）１１の先端部の面積の割合を、フィンとケースの接触率（％）とした。この接触率とフィン−ケース間の熱抵抗との関係をシミュレーションした結果を図５に示す。
【００２８】
図５に示す様に、接触率が１０％のときは、接触率５％に比べて熱抵抗を約５０％低減できることがわかった。そして、本発明者等の検討によれば、接触率が１０％程度のものが、実用上の放熱性を十分に確保するに好ましい。
【００２９】
また、本実施形態によれば、突起部１１により放熱性が向上したことで、半導体装置１００において、セラミック基板１及びフィン３をコネクタ１０の近傍へ配置することが可能となる。例えばＥＣＵ内でコネクタ近傍配置が可能となる。それにより、半導体装置１００における配線抵抗を小さくでき、省電力化を実現できる。また、プリント板５の小型化、放熱面積の小型化、装置全体の小型化が可能となる。
【００３０】
なお、上記した突起部１１の形状は、鋸状の凹凸により形成されているが、その他、図６（ａ）に示す様な五角形状のものや図６（ｂ）に示す様な四角形状のものでもよい。これら変形例においても、フィン（放熱部材）３とケース４との締結によって、突起部１１の先端部が潰れた状態で相手側の接触面に接すれば、フィン３とケース４との間の放熱経路を確保することができる。また、フィン３とケース４との締結はねじ締め以外の締結手段でもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の概略平面図である。
【図２】図１に示す半導体装置の概略断面図である。
【図３】図１に示す半導体装置におけるフィンとケースとの接触界面近傍の拡大断面構成を示す図である。
【図４】フィンとケースとの接触界面近傍において突起部が相手側の接触面に突き刺さった状態を示す断面図である。
【図５】フィンとケースとの間の接触率と熱抵抗との関係をシミュレーションした結果を示す図である。
【図６】突起部形状の他の例を示す図である。
【図７】試作品としての半導体装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１…セラミック基板、３…フィン、４…ケース、１１…突起部。

Claims

半導体素子を搭載するセラミック基板（１）と、このセラミック基板の放熱を行うための放熱部材（３）と、これらセラミック基板及び放熱部材を収納するケース（４）とを備え、前記放熱部材を前記ケースに接触して締結するようにした半導体装置であって、
前記放熱部材における前記ケースとの接触面及び前記ケースにおける前記放熱部材との接触面のうちどちらか一方の面には、突起部（１１）が形成されており、
前記放熱部材と前記ケースとの締結によって、前記突起部の先端部が、相手側の接触面に対して潰れた状態か若しくは突き刺さった状態で接していることを特徴とする半導体装置。
前記突起部（１１）は、前記接触面に形成された鋸状の凹凸の凸部として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記放熱部材（３）と前記ケース（４）との締結は、ねじ締めにより行われていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。