JP4460791B2 - 半導体装置用ヒートシンク - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の放熱用として用いる半導体装置用ヒート・シンク(heatsink)及びそれを使用した半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、高出力で多量の発熱量を伴う半導体装置本体には複数の放熱フィン（放熱ヒレ）を備えたヒート・シンクが接するように設けられ、このヒート・シンクにより半導体装置の放熱が行なわれる。このようなヒート・シンクは、通常、熱伝導率が高いほど冷却効率が優れていることからアルミニウムやアルミニウム合金等の高熱伝導率の材料から構成され、押出し成形により成形加工されていた。
【０００３】
この種のヒート・シンクを使用した半導体装置の例を図７（ａ）〜（ｃ）に示す。
図において、１は半導体装置全体を示し、半導体装置１は、図７（ａ），（ｂ）に示すように半導体装置本体２と、例えばアルミニウム製ヒート・シンク３とを備えている。半導体装置本体２内には図示を省略したが放熱板上に絶縁板を介して半導体チップが載置・固定され、絶縁ケースの上面に所定の外部導出端子が導出されている。また、絶縁ケースの下面側には前記半導体チップが搭載された放熱板の外面が露出し、この露出した外面が前記ヒート・シンク３の上面に接するようにねじ４により固定されている。
なお、図７（ｃ）は、絶縁ケースを有さない半導体装置本体２自体が前記ヒート・シンク３上に半田付け等により直接搭載された例である。
【０００４】
そして、上記ヒート・シンク３は、板状をした複数枚の放熱フィン３ａを所定の間隔で並列させ羽根板状の断面形状や複数のスリット３ｂを設けた断面形状を有するように形成されていた。
これらのヒート・シンク３は、半導体装置本体２で発生する熱を効率的に外部へ放熱させる働きを有しており、半導体装置の電気的特性や外形によって発熱効率が最適になるように設計されている。
【０００５】
従来の半導体装置１は、以上のように構成されており、特にヒート・シンク３が最適に設計されていない場合、図８に示すように半導体装置本体２、特に放熱板５の熱膨張により、該放熱板５とヒート・シンク３との間に隙間が生じ、半導体チップ６から発生する熱を効率良くヒート・シンク３に伝導させ、熱放散させることができないという解決すべき課題があった。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は上記のような各課題を解決するためになされたもので、ヒート・シンクと半導体装置本体との間に隙間が生じることなく、半導体チップからの発熱をヒート・シンクを介して効率良く熱放散させることができる半導体装置用ヒート・シンク及びそれを使用した半導体装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置用ヒート・シンクは、互いに異なる材料、例えば第１のヒート・シンクが銅（Ｃｕ）で第２のヒート・シンクが例えばアルミニウム（Ａｕ）材料で形成され、第１のヒート・シンク側に半導体装置本体が搭載されるようにしたものである。
上記の１ヒート・シンクのＣｕの熱伝導率（２０℃）は、３．７２（Ｗ／ｃｍ℃）、第２のヒート・シンクのＡｌの熱伝導率は２．０４（Ｗ／ｃｍ℃）であり、第１ヒート・シンクの方が第２のヒート・シンクよりも相対的に熱伝導率が高い。また、第１ヒート・シンク上に搭載される半導体装置本体の接触面が銅製の放熱板で、この放熱板と第１ヒート・シンクとが接触するが両者の熱伝導率が等しい。これに起因して半導体装置本体内部の半導体接合部で発生する熱が放熱板を介して第１のヒート・シンクに伝達され、さらに、該第１のヒート・シンクから第２のヒート・シンクへ伝達された後、空気中に放散される。
上記の結果、放熱板の熱膨張による反りが防止され、第１ヒート・シンクとの間に間隙が形成されなくなり放熱効果を向上させることができる。
また、本発明の半導体装置は、上記のような構成のヒート・シンクの使用により高性能で安定した特性の半導体装置となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態を示す。
図において、本発明の半導体装置用ヒート・シンクは、互いに異なる材料より形成された第１のヒート・シンク１０と第２のヒート・シンク２０の組み合わせからなる。そして第１のヒート・シンク１０は、第２のヒート・シンク２０よりも相対的に熱伝導率が高い材料で形成されている。
【０００９】
すなわち、第１のヒート・シンク１０は、例えばＣｕの材質により形成される。また、第１のヒート・シンク１０は、半導体装置本体２を載置する搭載面１１と、該搭載面１１の裏面側となる前記第２のヒート・シンク２０との対向面１２とを有している。
さらに、前記対向面１２の略中央部から外方（図示では下方）に突出する延在部１３が設けられ、水平方向の複数の放熱フィン２１を形成した一対の第２のヒート・シンク２０を、前記延在部１３に密着して配置したものである。
【００１０】
なお、上記第１のヒート・シンク１０は、Ｃｕの材質によって形成するものであるが、単に中央部が下方に突出している形状であるために、冷間鍛造によって容易に製造することができる。
また、第２ヒート・シンク２０は、従来と同様にアルミニウム、アルミニウム合金、鉄等の材質によって形成されるが、場合によっては第２のヒート・シンク２０側についても銅材で形成しても良い。
要は、半導体装置本体２と直接接触する載置面が銅材等の高熱伝導率の材料のものとなるようにすれば良い。
さらに、上記第１、第２のヒート・シンク１０，２０にはマイカ等の表面処理を施して熱伝導率をさらに向上させるようにしても良い。
また、複数の放熱フィン２１の方向は、必ずしも水平方向に限定されるものではなく、斜め上方、斜め下方、垂直下方等でも良いことは言うまでもない。
また、上記のような構成のヒート・シンクの使用して半導体装置を製作した場合、放熱効果が著しく良好となり高性能で安定した特性の半導体装置が得られる。
【００１１】
図２は、上記第１の実施の形態の変形例を示す。
この変形例では、第１のヒート・シンク１０の対向面１２と第２のヒート・シンクの上方外面２３との間に所定間隔の空間部２４が形成されるようにしたものである。
【００１２】
上記のように構成のヒート・シンクは、第１のヒート・シンク１０の載置面１１上に、例えばパワーモジュール等の半導体装置本体２を配置して使用した場合、第１ヒート・シンク１０の方が第２のヒート・シンク２０よりも相対的に熱伝導率が高い。そして、第１ヒート・シンク１０上に搭載される半導体装置本体２の接触面が銅製の放熱板で、この放熱板と第１ヒート・シンク１０とが接触するが両者の熱伝導率が等しいために、半導体装置本体２の内部の半導体接合部で発生する熱が、放熱板を介して第１のヒート・シンク１０に伝達され、さらに、第１のヒート・シンク１０から第２のヒート・シンク２０へ伝達された後、空気中に放散される。
上記の結果、放熱板の熱膨張による反りが防止され、第１ヒート・シンク１０と半導体装置本体２の間に間隙が形成されなくなり放熱効果を向上させることができる。
なお、実際の使用に際しては、半導体装置本体２と第１のヒート・シンク１０との間に適当なサーマルコンパウンド、ジョイントコンパウンド等を塗付しても良い。
【００１３】
また、第１の実施の形態の変形例では、第１のヒート・シンク１０の対向面１２と第２のヒート・シンク２０の上方外面２３とを密着させずに、所定の間隔の空間部２４が形成される構造としたため、該空間部２４の間隔を最適に設計することにより、該空間部２４を介して自然対流による空気中への熱放散が期待できる。
【００１４】
図３は、本発明の第２の実施の形態である。この実施の形態は、第１のヒート・シンク１０の延在部１３に密着して配置する一対の第２のヒート・シンク２０を、空洞部２２を有する箱型に形成したものである。この空洞部２２は図示のように単一のものであっても良いが、複数のスリット状のものであっても良い。
【００１５】
図４は、本発明の第３の実施の形態である。この実施の形態は、第１のヒート・シンク１０が、半導体装置本体２を載置する搭載面１１と、該搭載面１１の裏面側となる第２のヒート・シンク２０との対向面１２とを有し、該対向面１２の一端部から略直角に外方に突出する延在部１３Ａを設け、該延在部１３Ａの内側面に接するように、水平方向の複数の放熱フィン２１を有する前記第２のヒート・シンク２０を密着して配置したことを特徴とするものである。
【００１６】
上記第３の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に半導体装置本体２の内部の半導体接合部で発生する熱が、放熱板を介して第１のヒート・シンク１０に伝達され、さらに、第１のヒート・シンク１０から第２のヒート・シンク２０へ伝達された後、空気中に放散される。
上記の結果、放熱板の熱膨張による反りが防止され、第１ヒート・シンク１０と半導体装置本体２の間に間隙が形成されなくなり放熱効果を向上させることができる。
【００１７】
図５は、上記第３の実施の形態の変形例を示す。
この変形例では、第１のヒート・シンク１０の対向面１２と、第２のヒート・シンクの上方外面２３との間に所定間隔の空間部２４が形成されるようにしたものである。
【００１８】
図６は、本発明の第４の実施の形態である。この実施の形態は、前記第１のヒート・シンク１０の延在部１３Ａの内側面に密着配置される前記第２のヒート・シンク２０が、空洞部又は複数のスリット部（図示では単一の空洞部２２Ａ）を有する箱型に形成したものである。
この実施の形態よっても前記と同様に第１ヒート・シンク１０と半導体装置本体２の間に間隙が形成されなくなり放熱効果を向上させることができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、半導体装置用ヒート・シンクを第１のヒート・シンクと第２のヒート・シンクの組み合わせとして構成し、半導体装置本体を搭載する第１のヒート・シンク側をアルミニウム、アルミニウム合金等より熱伝導率の高い銅等の材料で形成し、半導体装置本体のからの発熱を迅速に第２のヒート・シンクに伝熱するようにしたので、半導体装置本体、特にその放熱板に反りが生じず、第１のヒート・シンクとの間に間隙が形成されないために放熱効果を向上させることができる。
また、従来のように放熱効果を高めるためにヒート・シンク自体を大型化させたり、放熱フィンの表面積を多くするために複雑な形状にしたり、板厚を厚くするなどの必要がなくなりコスト的に安価となる。
さらに、ヒート・シンク全体を銅材で構成する場合には、放熱フィン等の形状加工が難しいが、本発明では銅製の第１のヒート・シンクがシンプルな形状であるために冷間鍛造等により製作することができる。
さらに、上記のような構成のヒート・シンクの使用して半導体装置を製作した場合、放熱効果が著しく良好となり高性能で安定した特性の半導体装置が得られるなどの優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】上記第１の実施の形態の変形例を示す斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す斜視図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す斜視図である。
【図５】上記第３の実施の形態の変形例を示す斜視図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態を示す斜視図である。
【図７】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、いずれも従来のヒート・シンクの使用例を示す斜視図である。
【図８】従来のヒート・シンクを使用した場合に、ヒート・シンクと半導体装置本体との間に間隙が形成された状態を示す正面図である。
【符号の説明】
１ 半導体装置
２ 半導体装置本体
３ ヒート・シンク
３ａ 放熱フィン
４ ねじ
５ 放熱板
６ 半導体チップ
１０ 第１のヒート・シンク
１１ 搭載面
１２ 対向面
１３，１３Ａ 延在部
２０ 第２のヒート・シンク
２１ 放熱フィン
２２，２２Ａ 空洞部
２３ 上方外面
２４ 空間部

Claims (5)

1. 半導体装置本体の下に取り付けるヒートシンクであって、
   前記半導体装置本体は、前記ヒートシンクに伝熱する材質が銅である放熱板を有しており、
   前記ヒートシンクは、半導体装置本体の放熱板を固定する搭載面に対向する対向面より延びる放熱のための延在部を有する材質が銅である第１のヒートシンクと、該第１のヒートシンクの前記対向面の直下に配置され、該第１のヒートシンクの前記延在部に密着して熱伝達されて放熱する第２のヒートシンクとを備えたことを特徴とする半導体装置用ヒートシンク。
2. 前記第１のヒートシンクの対向面と前記第２のヒートシンクの外面とを密着させたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置用ヒートシンク。
3. 前記第１のヒートシンクの対向面と前記第２のヒートシンクの外面との間に所定の空間部が形成されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置用ヒートシンク。
4. 前記第１のヒートシンクの直下に配置する前記第２のヒートシンクは、複数の放熱フィンを有することを特徴とする請求項１の半導体装置用ヒートシンク。
5. 前記第１のヒートシンクの直下に配置する前記第２のヒートシンクが、単一の空洞部又は複数のスリット部を有する箱型に形成されたことを特徴とする請求項１の半導体装置用ヒートシンク。

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