JP4649950B2 - 冷却器付半導体装置 - Google Patents

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Description

この発明は、半導体装置および冷却器付半導体装置に関し、より特定的にはパワー半導体装置に関する。
近年、電気自動車やハイブリッド自動車などが注目されているが、このようなモータ駆動の自動車用途では、小型で効率がよく信頼性の高いパワー半導体素子が求められている。ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等のパワー半導体素子は、扱う電流が大きいので動作時の放熱が重要である。
このようなパワー半導体素子の放熱を半導体チップの両面から行なう両面冷却型半導体カードモジュールが、特開２００１−３０８２３７号公報（特許文献１）に開示されている。
この半導体カードモジュールは、半導体チップの１対の主面にそれぞれ接合される一対の金属製伝熱部材がセラミック薄膜で被覆されている。セラミック薄膜は電気絶縁性と良熱伝導性を有しているので、同一電位の冷却装置に接触させて一対の伝熱部材から良好に放熱を行なうことができる。
特開２００１−３０８２３７号公報 特開２００１−３０８２４５号公報 特開２０００−１４８４５１号公報
上記半導体カードモジュールに関する技術では、半導体チップの１対の主面にそれぞれ接合される一対の伝熱部材は、銅、タングステン、モリブデン等で形成された金属板からなり、外主面が粗面化され、これに溶射によるセラミック薄膜が形成されている。
伝熱部材は、樹脂によって封止され、セラミック薄膜と樹脂によって絶縁が確保されている。しかし、樹脂は吸水性があるため長期間の信頼性を確保するには樹脂部を透過する水分に対しても何らかの対策を施すことが好ましい。
また、溶射の密着性を高めるために、伝熱部材に対して粗面加工を施す必要があり工程が複雑である。
セラミック薄膜に代えて絶縁板を伝熱部材と冷却装置との間に挿入する場合は、熱伝導性をよくするため、伝熱部材と絶縁板との間にグリースを塗布する必要がある。
この発明は、放熱が良好で、かつ信頼性が向上した、半導体装置および冷却器付半導体装置を提供することを目的とする。
本発明は、要約すると、半導体装置であって、半導体チップと、放熱面を有し半導体チップの第１の主面に接続される第１の伝熱部材と、第１の伝熱部材を少なくとも放熱面を露出させた状態で被覆し、半導体チップを収容する樹脂部と、第１の伝熱部材の放熱面と樹脂部の外表面とを被覆する電気絶縁性および水分遮断性を有する無機硬質膜とを備える。
好ましくは、半導体装置は、放熱面を有し半導体チップの第２の主面に接続される第２の伝熱部材をさらに備える。樹脂部は、第２の伝熱部材を少なくとも放熱面を露出させた状態で被覆する。無機硬質膜は、第２の伝熱部材の放熱面をさらに被覆する。
より好ましくは、半導体装置は、第１、第２の伝熱部材の各放熱面および樹脂部の外表面と無機硬質膜との間に設けられる緩衝層をさらに備える。
この発明の他の局面に従うと、冷却器付半導体装置であって、半導体チップと、放熱面を有し半導体チップの第１の主面に接続される第１の伝熱部材と、第１の伝熱部材を少なくとも放熱面を露出させた状態で被覆し、半導体チップを収容する樹脂部と、第１の伝熱部材の放熱面と樹脂部の外表面とを被覆する電気絶縁性および水分遮断性を有する無機硬質膜と、第１の伝熱部材の放熱面に対し、無機硬質膜を介して接触する冷却器とを備える。
好ましくは、冷却器付半導体装置は、放熱面を有し半導体チップの第２の主面に接続される第２の伝熱部材をさらに備える。樹脂部は、第２の伝熱部材を少なくとも放熱面を露出させた状態で被覆する。無機硬質膜は、第２の伝熱部材の放熱面を被覆する。冷却器は、第２の伝熱部材の放熱面に対し、無機硬質膜を介して接触する。
この発明のさらに他の局面に従うと、冷却器付半導体装置であって、半導体チップと、放熱面を有し半導体チップの第１の主面に接続される第１の伝熱部材と、第１の伝熱部材を少なくとも放熱面を露出させた状態で被覆し、半導体チップを収容する樹脂部と、第１の伝熱部材の放熱面と樹脂部の外表面とを被覆する電気絶縁性および水分遮断性を有する無機硬質膜と、第１の伝熱部材の放熱面に対し、無機硬質膜を介して流体を接触させて半導体チップを冷却する冷却器とを備える。
好ましくは、冷却器付半導体装置は、放熱面を有し半導体チップの第２の主面に接続される第２の伝熱部材をさらに備える。樹脂部は、第２の伝熱部材を少なくとも放熱面を露出させた状態で被覆する。無機硬質膜は、第２の伝熱部材の放熱面をさらに被覆する。流体は、第２の伝熱部材の放熱面に対し接触する。
この発明のさらに他の局面に従うと、冷却器付半導体装置であって、放熱部を有する半導体装置と、放熱部に接触する冷却器とを備える。冷却器は、伝熱部材と、伝熱部材の表面の少なくとも放熱部に接触する部分に設けられた電気絶縁性を有する無機硬質膜とを含む。
本発明によれば、冷却器と半導体装置との間の熱抵抗を減らすことができ、放熱の効率が向上する。
以下、本発明について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付してその説明は繰返さない。
［参考例１］
図１は、本発明の参考例１の冷却器付半導体装置の形状を示した図である。
図１を参照して、冷却器付半導体装置１００は、マイクロチャネル冷却器１１〜１８と、マイクロチャネル冷却器１１〜１８の間に挟持された半導体装置１〜７とを含む。
マイクロチャネル冷却器１１〜１８は、たとえばアルミニウムや銅のような熱伝導性の良い金属で形成される。マイクロチャネル冷却器１１〜１８の各々の内部には、冷却水の流路が形成され、冷却水流路の内表面は細かいフィンが形成されている。
半導体装置１〜７は、両面冷却型の半導体装置である。各半導体装置は、マイクロチャンネル冷却器に挟まれて冷却される。アルミニウムや銅のような金属は電気伝導性も良いので、マイクロチャネル冷却器１１〜１８と半導体装置１〜７の電極とは絶縁されていることが必要である。
図２は、半導体装置１の構成を示す断面図である。なお、図１の半導体装置２〜７も同様な構成を有している。
図２を参照して、半導体装置１は、半導体チップ２２と、半導体チップ２２の両主面にそれぞれはんだ層３０、３２によって電気的に接続された電極２４，２６と、一方の主面に形成されているゲート電極にワイヤ４２によって接続されている電極２８とを含む。電極２４，２６は主電流を授受するための主電極であり、電極２８は制御電極である。
電極２４，２６は、たとえば、３相モータを駆動するインバータに使用されるパワー半導体素子であれば、Ｐ、Ｎ極や、Ｕ，Ｖ，Ｗ相出力が接続される。
電極２４は、放熱面を有し半導体チップ２２の第１の主面に接続される「第１の伝熱部材」に該当する。また、電極２６は、放熱面を有し半導体チップ２２の第２の主面に接続される「第２の伝熱部材」に該当する。なお、電熱部材が電極と兼用になっている場合を示したが、電熱部材と電極とを別々に設けてもかまわない。
半導体装置１は、さらに、電極２４，２６の各々を少なくとも放熱面を露出させた状態で被覆し、半導体チップ２２を収容する樹脂部３６と、電極２４，２６の各放熱面および樹脂部３６の外表面を被覆する電気絶縁性および水分遮断性を有する無機硬質膜４０とを含む。
無機硬質膜４０によって金属製のマイクロチャネル冷却器と電極２４，２６の間の絶縁性が確保される。したがって、従来は電極と冷却器との絶縁を確保するためにセラミック基板のような熱伝導性がよく絶縁性に優れた板を間に挟んでいたが、このような板が不要となる。その分冷却器に半導体装置を近づけることができ、熱抵抗が下がり冷却に有利となる。また、冷却器付半導体装置全体を小さくすることができるので、車載用等のスペースの制限が厳しい場合には有利である。
また、セラミック板等を挟む場合には、密着性を高めて熱伝導性を良くするため、グリース等をセラミック板と冷却器の間と、セラミック板と電極との間の２箇所に塗布することが必要であったが、本発明ではセラミック板が不要であるのでグリース等を塗布する箇所を減らすことができ、熱伝導も良くなる。
無機硬質膜４０の一例としては、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）薄膜等を使用することができる。ＤＬＣ薄膜は、溶射でなく低温化学蒸着で形成できるので、耐熱性が金属に劣るエポキシ等の樹脂の表面にも密着性良く形成可能である。また、無機硬質膜４０の他の例としては、セラミックコーティングなども使用可能である。
なお、図２では、放熱面が半導体装置１の両面に露出している場合を例示したが、片面のみ放熱面が露出する場合でも良い。
半導体装置１は、さらに、電極２４，２６の各放熱面および樹脂部３６の外表面と無機硬質膜４０との間に設けられる緩衝層３８を含む。緩衝層３８としては、たとえばポリイミド等を使用することができる。
緩衝層３８は、電極２４，２６および樹脂部３６と無機硬質膜４０との間の線膨張係数の差やヤング率の差を吸収し、無機硬質膜４０にクラックが入るのを防ぐことができる。
以上説明したように、参考例１では、冷却器と半導体装置との間の熱抵抗を減らすことができ、放熱の効率が向上する。
［実施の形態１］
図３は、実施の形態１の冷却器付半導体装置１５０の構成を示した図である。
図３を参照して、冷却器付半導体装置１５０は、半導体装置１と、半導体装置１を挿入する孔が設けられ内部に冷却水が循環する冷却器１５６と、冷却器１５６の半導体装置挿入口に取付けられた防水シール１５２，１５４とを含む。
なお、図３では、図示の容易化のため半導体装置ひとつのみに注目して示したが、図１と同様に多数の半導体装置が冷却器１５６に挿入される。
半導体装置１は、図２で説明したものと同様であるので説明は繰返さない。
冷却器付半導体装置１５０では、半導体装置１を冷却器１５６の内部に流れる冷却水に直接浸漬している。半導体装置１の表面には、図２で説明したように、表面に電気絶縁性および水分遮断性に優れた無機硬質膜が形成されている。したがって、冷却水に直接浸漬しても、吸水性のある樹脂に水分が触れないので長期信頼性を保つことができる。
冷却水に直接浸漬できるため、図１に示すように冷却器の壁面を介して冷却水に半導体装置の熱を放熱しなくてもよい。したがって、冷却器１５６も壁面に対する熱交換効率を高めなくてもよく、マイクロチャネルを形成するフィンも不要であり冷却器の構成も簡単にできる。
以上説明したように、実施の形態１では、従来必要であったグリース、冷却器ケースおよびそれらとの熱接触抵抗の分だけ熱抵抗を下げられ放熱効率が良くなる。
［参考例２］
参考例１では、半導体装置側に電気絶縁性および水分遮断性のある無機硬質膜を形成していたが、参考例２では、冷却器側に無機硬質膜を形成する。
図４は、参考例２の冷却器付半導体装置２００の構成を示した図である。
図４を参照して、冷却器付半導体装置２００は、半導体装置２０１と、半導体装置１の両側に配置されるマイクロチャネル冷却器２１１，２１２とを含む。
半導体装置２０１は、主電極２２４，２２６と制御電極２２８とを含む。
なお、図４では、図示の容易化のため半導体装置ひとつのみに注目して示したが、図１と同様に多数の半導体装置と冷却器が交互に配置される。
マイクロチャネル冷却器２１１の半導体装置２０１と接触する側には、無機硬質膜２６１が形成されている。マイクロチャネル冷却器２１２の半導体装置２０１と接触する側には、無機硬質膜２６２が形成されている。
このようにすることで、参考例１と同様に冷却器と半導体装置との間の熱抵抗を減らすことができ、放熱の効率が向上する。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の参考例１の冷却器付半導体装置の形状を示した図である。 半導体装置１の構成を示す断面図である。 実施の形態１の冷却器付半導体装置１５０の構成を示した図である。 参考例２の冷却器付半導体装置２００の構成を示した図である。
符号の説明
１〜７，２０１ 半導体装置、１１〜１８，２１１，２１２ マイクロチャネル冷却器、２２ 半導体チップ、２４，２６，２８ 電極、３０，３２ はんだ層、３６ 樹脂部、３８ 緩衝層、４０，２６１，２６２ 無機硬質膜、４２ ワイヤ、１００，１５０，２００ 冷却器付半導体装置、１５２，１５４ 防水シール、１５６ 冷却器、２２４，２２６ 主電極、２２８ 制御電極。

Claims (2)

  1. 半導体チップと、
    放熱面を有し、前記半導体チップの第１の主面に接続される第１の伝熱部材と、
    前記第１の伝熱部材を少なくとも前記放熱面を露出させた状態で被覆し、前記半導体チップを収容する樹脂部と、
    前記第１の伝熱部材の前記放熱面と前記樹脂部の外表面とを被覆する電気絶縁性および水分遮断性を有する無機硬質膜と、
    前記第１の伝熱部材の前記放熱面に対し、前記無機硬質膜を介して流体を接触させて前記半導体チップを冷却する冷却器とを備える、冷却器付半導体装置。
  2. 放熱面を有し、前記半導体チップの第２の主面に接続される第２の伝熱部材をさらに備え、
    前記樹脂部は、前記第２の伝熱部材を少なくとも前記放熱面を露出させた状態で被覆し、
    前記無機硬質膜は、前記第２の伝熱部材の前記放熱面をさらに被覆し、
    前記流体は、前記第２の伝熱部材の前記放熱面に対し接触する、請求項１に記載の冷却器付半導体装置。
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