JP4658017B2

JP4658017B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP4658017B2
Application number: JP2006298362A
Authority: JP
Inventors: 潤田原; 正雄菊池
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2026-11-02
Also published as: JP2008117872A

Description

本発明は、半導体モジュールとヒートシンクとの接触熱抵抗を低減した半導体装置に関するものである。

半導体装置は、半導体モジュールが大容量化するとともに、高温領域での使用が多くなり、その放熱性の向上が求められている。半導体装置は、発熱体である半導体モジュールにヒートシンクを取り付け、半導体モジュールの熱をヒートシンクに伝達させて放熱する構造としており、半導体モジュールとヒートシンクの接触熱抵抗が半導体装置の放熱性に大きく影響する。
しかし、半導体モジュールをヒートシンクへ取り付けた場合に、半導体モジュールが反り、半導体モジュールとヒートシンクとに間隙を生じ、その接触熱抵抗が大きくなるとの問題があった。

そこで、半導体装置において、半導体モジュールとヒートシンクとの間に熱伝導性樹脂のグリースを挿入し、接触熱抵抗の低減を図ることが行われている。しかし、半導体モジュールの大型化により、半導体モジュールが反る量はいっそう増大しており、接触熱抵抗の増加を招いている。この接触熱抵抗を低減するものとして、半導体モジュールとヒートシンクとの間のグリース層に、さらに金属箔を挿入する構造の半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、グリースに粘性があることと、半導体モジュールの放熱面とヒートシンクの受熱面と金属箔とに反りやミクロな凹凸が存在することから、半導体モジュールの放熱面と金属箔との間、および、金属箔とヒートシンクの受熱面との間のグリースが排斥され難く、半導体モジュールの放熱面に略垂直な方向のグリースの熱伝導距離を短縮できず、また、ヒートシンクの受熱面に略垂直な方向のグリースの熱伝導距離も短縮できず、半導体モジュールとヒートシンクとの接触熱抵抗を低減し難いという問題があった。

そこで、半導体モジュールの放熱面と金属箔との間、および、金属箔とヒートシンクの受熱面との間を近づけて、半導体モジュールの放熱面と金属箔との間、および、金属箔とヒートシンクの受熱面との間の熱伝導性樹脂を排斥するものとして、金属箔に凸状物を設けた構造がある。
例えば、樹脂層中に複数の金属凸状物が配設された金属箔を挿入した接着シートで、半導体素子と放熱板とを接着した半導体装置がある（例えば、特許文献２参照）。
また、半導体素子と放熱板との接着剤層中に接着剤層を貫通する金属製の柱状構造物が設けられた半導体装置がある（例えば、特許文献３参照）。

特開２００３−８６７４５号公報（第３頁、第２図）特開２００６−２４７２０号公報（第４頁、第２図）特開２００３−３４７４８９号公報（第２頁）

従来の高放熱性の半導体装置では、半導体モジュールとヒートシンクとの接触熱抵抗を低減するのに、半導体モジュールとヒートシンクとの隙間の熱伝導性樹脂層に、金属箔を挿入するとともに、この金属箔の表面に凸状物を設けている。
しかし、上記凸状物を設けた金属箔の構造は、半導体モジュールの反りによって生じる、半導体モジュールの放熱面と金属箔との隙間の放熱面内の分布、および、ヒートシンクの受熱面と金属箔との隙間の受熱面内の分布、は考慮されていない。そのため、半導体モジュールの大型化により半導体モジュールの反りが増大するに伴い、熱伝導性樹脂層の熱伝導距離の短縮効果が少なくなり、接触熱抵抗を低減し難いという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、半導体モジュールとヒートシンクとの接触部の熱伝導性樹脂を排斥しやすくして、熱伝導性樹脂層の熱伝導距離を短くし、半導体モジュールとヒートシンクとの間の接触熱抵抗を低減した半導体装置を提供することである。

本発明の半導体装置は、半導体チップを搭載した半導体モジュールと、この半導体モジュールに固定されたヒートシンクと、半導体モジュールをヒートシンクに点で固定する固定手段と、半導体モジュールとヒートシンクとの間に設置された熱伝導性樹脂と、この熱伝導性樹脂層中に設けられ、且つ凸状物を備えた金属シートとで、接続構造部が構成された半導体装置であって、半導体モジュールの放熱面とヒートシンクの受熱面との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、凸状物の高さを高くしたものである。

本発明の半導体装置は、半導体チップを搭載した半導体モジュールと、この半導体モジュールに固定されたヒートシンクと、半導体モジュールをヒートシンクに点で固定する固定手段と、半導体モジュールとヒートシンクとの間に設置された熱伝導性樹脂と、この熱伝導性樹脂層中に設けられ、且つ凸状物を備えた金属シートとで、接続構造部が構成された半導体装置であって、半導体モジュールの放熱面とヒートシンクの受熱面との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、凸状物の高さを高くしたので、凸状物と半導体モジュールの放熱面との間の熱伝導性樹脂の熱伝導距離、または、凸状物とヒートシンクの受熱面との間の熱伝導性樹脂の熱伝導距離を小さくでき、半導体モジュールとヒートシンクとの間の接触熱抵抗を低くできる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における半導体装置の半導体モジュールとヒートシンクとの接続構造部を説明する、固定前の断面模式図（ａ）と固定後の断面模式図（ｂ）と上面模式図（ｃ）とである。
図１に示すように、本実施の形態の半導体装置は、中心に貫通穴１２が設けられ、半導体チップ１１を２行２列で４個搭載した半導体モジュール１０と、ネジ穴２２が設けられたヒートシンク２０と、半導体モジュール１０をヒートシンク２０に固定する固定手段であるネジ３０と、半導体モジュール１０とヒートシンク２０との間に設置され、且つ中心に貫通穴４２を備え、凸状物４１が両面に設けられた金属シート４０と、半導体モジュール１０と金属シート４０との間に設けられた熱伝導性樹脂であるシリコーングリース５１と、金属シート４０とヒートシンク２０との間に設けられた熱伝導性樹脂であるシリコーングリース５２とで、接続構造部が構成されている。

本実施の形態の半導体装置では、ネジ３０により固定された半導体モジュール１０の中心から外側に向かって半導体モジュール１０が反り、半導体モジュールの放熱面１３とヒートシンクの受熱面２３との間隔が、半導体モジュール１０の中心から外側に向かって、広くなっている。そして、金属シート４０の凸状物４１は、半導体モジュール１０における発熱源である半導体チップ１１がある位置の略直下に設けられ、凸状物４１の高さは、半導体モジュールの放熱面１３とヒートシンクの受熱面２３との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって高くなるように設けられている。また、金属シート４０の単位面積あたりに形成される凸状物４１の数、すなわち、凸状物４１の設置密度が、半導体モジュールの放熱面１３とヒートシンクの受熱面２３との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、低くなるように設けられている。

凸状物４１の設置密度を変化させる手段としては、例えば、図２（ａ）に示すように、金属シート４０の面に凸状物４１を、半導体モジュールの放熱面１３とヒートシンクの受熱面２３との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、放射状に設けたり、図２（ｂ）に示すように螺旋状に設けたりすることが挙げられる。また、図には示さないが、凸状物４１の半導体モジュールの放熱面１３、あるいはヒートシンクの受熱面２３に対向する面の面積を、半導体モジュールの放熱面１３とヒートシンクの受熱面２３との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、小さくしても、凸状物４１の設置密度を変化させるのと同様な効果がある。
本実施の形態では、凸状物４１を金属シート４０の両面に設けているが、片面のみに設けても良い。
また、本実施の形態では、半導体モジュール１０の発熱源である半導体チップ１１がある位置の略直下の金属シート４０に凸状物４１を設けているが、凸状物４１を、金属シート４０の全面に設けても良い。
また、本実施の形態では、凸状物４１の高さと設置密度とを変化させているが、どちらか一方のみを変化させても良い。

本実施の形態の半導体装置は、金属シート４０に設けられた凸状物４１の高さが、半導体モジュールの放熱面１３とヒートシンクの受熱面２３との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、高くなっているので、半導体モジュール１０をヒートシンク２０に固定した場合に、凸状物４１が、半導体モジュールの放熱面１３、および、ヒートシンクの受熱面２３に沿うことにより、凸状物４１と半導体モジュールの放熱面１３との間のシリコーングリースと、凸状物４１とヒートシンクの受熱面２３との間のシリコーングリースを容易に押し出すことができる。また、半導体モジュールの放熱面１３とヒートシンクの受熱面２３との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、凸状物４１の設置密度が低くなっているので、凸状物４１と半導体モジュールの放熱面１３との間のシリコーングリースの排出抵抗、および、凸状物４１とヒートシンクの受熱面２３との間のシリコーングリースの排出抵抗を、小さくできる。
そのため、本実施の形態では、凸状物４１と半導体モジュールの放熱面１３との間のシリコーングリースの熱伝導距離、または、凸状物４１とヒートシンクの受熱面２３との間のシリコーングリースの熱伝導距離を小さくでき、半導体モジュール１０とヒートシンク２０との間の接触熱抵抗が低い接続構造部を備えた半導体装置を実現できる。

次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
本実施の形態の半導体装置は、ヒートシンク２０の受熱面２３にシリコーングリース５２を塗布し、その上に金属シート４０を載せ、さらにその上からシリコーングリース５１を放熱面１３に塗布した半導体モジュール１０を載せ、ネジ３０を１点止めすることにより接続構造部を形成して、作製される。
そして、金属シート４０の凸状物４１は、金属箔をエッチング等で選択的に除去するか、金属シート箔にメッキ等で選択的に形成することにより、作製される。
本実施の形態に用いられる半導体モジュール１０をヒートシンク２０に固定する固定手段は、上記のネジ３０による方法以外、スプリングのようにバネ状のもので挟み込む方法や、リベットのように打ち込む方法等が挙げられる。
本実施の形態で用いられる金属シート４０の材質としては、半導体モジュール１０とヒートシンク２０との間隔に対する追従性の点から軟質であり、熱伝導性の点から高熱伝導率である物質が好ましく、例えば、金、銀、銅、アルミ、錫等が挙げられる。金属シート４０の凸状物４１の材質は、高熱伝導率であり、上記方法にて作製可能な、ニッケル、金、錫、銅、はんだ等が挙げられる。熱伝導性樹脂は流動性を有していれば上記シリコーングリ−スに限定されない。

本実施の形態における金属シート４０の凸状物４１の形状は、円柱状、球状、半球状、角柱状、円錐状、立方体状等が挙げられる。特に、図３に示すように、シリコーングリース５０が排出され流動する方向に対して、対向する側を尖った形状としても良く、この場合は、シリコーングリース５０の排出抵抗をさらに小さくでき、上記シリコーングリースの熱伝導距離が小さくなる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２における、直線状の凸状物が表面に設けられた金属シートを示す上面模式図（ａ）と、放射線状の凸状物が表面に設けられた金属シートを示す上面模式図（ｂ）である。
図４に示すように、本実施の形態の半導体装置は、半導体モジュール１０とヒートシンク２０との接続構造部に用いられる金属シート４０に形成される凸状物４１の形状を、点状から線状にし、線状の凸状物の幅を、半導体モジュールの放熱面とヒートシンクの受熱面との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、狭くした以外、実施の形態１と同様である。
本実施の形態においても、凸状物４１と半導体モジュールの放熱面１３との間のシリコーングリースの熱伝導距離、および、凸状物４１とヒートシンクの受熱面２３との間のシリコーングリースの熱伝導距離を小さくでき、半導体モジュール１０とヒートシンク２０との間の接触熱抵抗が低い接続構造部を備えた半導体装置を実現できる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３における半導体装置の半導体モジュールとヒートシンクとの接続構造部を説明する、固定前の断面模式図（ａ）と固定後の断面模式図（ｂ）とである。
図５に示すように、本実施の形態の半導体装置は、金属シート４０を用いず、ヒートシンクの受熱面２３に凸状物４３を形成した以外、実施の形態１と同様である。
本実施の形態では、シリコーングリース５３の層が１層であり、凸状物４３と半導体モジュールの放熱面１３との間のシリコーングリースの熱伝導距離を、さらに小さくでき、半導体モジュール１０とヒートシンク２０との間の接触熱抵抗が低い接続構造部を備えた半導体装置を実現できる。
また、本実施の形態の半導体装置は、凸状物４３をヒートシンクの受熱面２３に設けるので、凸状物４３を一体成型加工により形成でき、接続構造部の加工工程を低減でき、生産性が優れている。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４における半導体装置の半導体モジュールとヒートシンクとの接続構造部を説明する、固定前の断面模式図（ａ）と固定後の断面模式図（ｂ）とである。
図６に示すように、本実施の形態の半導体装置は、金属シート４０を用いず、半導体モジュールの放熱面１３に凸状物４４を形成した以外、実施の形態１と同様である。
本実施の形態では、シリコーングリース５３層が１層であり、凸状物４４とヒートシンクの受熱面２３との間のシリコーングリースの熱伝導距離を、さらに小さくでき、半導体モジュール１０とヒートシンク２０との間の接触熱抵抗が低い接続構造部を備えた半導体装置を実現できる。

実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５における半導体装置の半導体モジュールとヒートシンクとの接続構造部を説明する、固定前の断面模式図（ａ）と固定後の断面模式図（ｂ）と上面模式図（ｃ）とである。
図７に示すように、本実施の形態の半導体装置は、４隅に貫通穴１２が設けられ、半導体チップ１１を２行２列で４個搭載した半導体モジュール１０と、４個のネジ穴２２を設けたヒートシンク２０と、半導体モジュール１０をヒートシンク２０に、４隅の貫通穴１２に挿通して固定する固定手段であるネジ３０と、半導体モジュール１０とヒートシンク２０との間に設置され、凸状物４１が両面に設けられた金属シート４０と、半導体モジュール１０と金属シート４０との間に設けられた熱伝導性樹脂であるシリコーングリース５１と、金属シート４０とヒートシンク２０との間に設けられた熱伝導性樹脂であるシリコーングリース５２とで、接続構造部が構成されている。

本実施の形態における半導体装置では、ネジ３０により固定された半導体モジュール１０は、固定部の４隅より中心部が盛り上がるように反り、半導体モジュールの放熱面１３とヒートシンクの受熱面２３の間隔が、半導体モジュール１０の外周側から中心に向かって、広くなっている。
そして、金属シート４０の凸状物４１は、半導体モジュール１０における発熱源である半導体チップ１１がある位置の略直下に設けられ、凸状物４１の高さは、半導体モジュールの放熱面１３とヒートシンクの受熱面２３との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって高くなるように設けられている。また、金属シート４０の単位面積あたりに形成される凸状物４１の数、すなわち、凸状物４１の設置密度は、半導体モジュールの放熱面１３とヒートシンクの受熱面２３との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、低くなるように設けられている。
また、凸状物４１の形状、形成方法、材質、および、金属シート４０の材質は、実施の形態１と同様である。

本実施の形態における半導体装置では、半導体モジュール１０をヒートシンク２０に固定した場合に、凸状物４１が、半導体モジュールの放熱面１３、および、ヒートシンクの受熱面２３に沿うことにより、凸状物４１と半導体モジュールの放熱面１３との間のシリコーングリースと、凸状物４１とヒートシンクの受熱面２３との間のシリコーングリースを容易に押し出すことができる。また、半導体モジュールの放熱面１３とヒートシンクの受熱面２３との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、凸状物４１の設置密度が低くなっているので、凸状物４１と半導体モジュールの放熱面１３との間のシリコーングリースの排出抵抗、および、凸状物４１とヒートシンクの受熱面２３との間のシリコーングリースの排出抵抗を、小さくできる。
そのため、本実施の形態では、凸状物４１と半導体モジュールの放熱面１３との間のシリコーングリースの熱伝導距離、または、凸状物４１とヒートシンクの受熱面２３との間のシリコーングリースの熱伝導距離を小さくでき、半導体モジュール１０とヒートシンク２０との間の接触熱抵抗が低い接続構造部を備えた半導体装置を実現できる。

実施の形態６．
図８は、本発明の実施の形態６における半導体装置の半導体モジュールとヒートシンクとの接続構造部を説明する、固定前の断面模式図（ａ）と固定後の断面模式図（ｂ）とである。
図８に示すように、本実施の形態の半導体装置では、４隅に貫通穴１２が設けられ、半導体チップ１１を２行２列で４個搭載し、中心部と周辺部とが盛り上がった形状の半導体モジュール１０と、４個のネジ穴２２が設けられ、その受熱面に凸状物４３が形成されたヒートシンク２０と、半導体モジュール１０を、ヒートシンク２０に４隅の貫通穴１２に挿通して固定する固定手段であるネジ３０と、半導体モジュール１０とヒートシンク２０との間に設けられた熱伝導性樹脂であるシリコーングリース５３とで、接続構造部が構成されている。

本実施の形態における半導体装置では、ネジ３０により固定された半導体モジュール１０が、中心部と周辺部とが盛り上がるように反っており、半導体モジュールの放熱面１３とヒートシンクの受熱面２３の間隔が、半導体チップ１１の略中心部から半導体チップ１１の外周部方向に向かって、広くなっている。
そして、ヒートシンクの受熱面２３の凸状物４３は、半導体モジュール１０における発熱源である半導体チップ１１がある位置の略直下に設けられ、凸状物４３の高さは、半導体モジュールの放熱面１３とヒートシンクの受熱面２３との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって高くなるように設けられている。また、ヒートシンクの受熱面２３の単位面積あたりに形成される凸状物４３の数、すなわち、凸状物４３の設置密度は、半導体モジュールの放熱面１３とヒートシンクの受熱面２３との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、低くなるように設けられている。

本実施の形態における半導体装置では、半導体モジュール１０をヒートシンク２０に固定した場合に、凸状物４３が、半導体モジュールの放熱面１３に沿うことにより、凸状物４３と半導体モジュールの放熱面１３との間のシリコーングリースを容易に押し出すことができる。また、半導体モジュールの放熱面１３とヒートシンクの受熱面２３との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、凸状物４３の設置密度が小さくなっているので、凸状物４３と半導体モジュールの放熱面１３との間のシリコーングリースの排出抵抗を小さくできる。
そのため、本実施の形態では、凸状物４３と半導体モジュールの放熱面１３との間のシリコーングリースの熱伝導距離を小さくでき、半導体モジュール１０とヒートシンク２０との間の接触熱抵抗が低い接続構造部を備えた半導体装置を実現できる。

実施の形態１における半導体装置の半導体モジュールとヒートシンクとの接続構造部を説明する、固定前の断面模式図（ａ）と固定後の断面模式図（ｂ）と上面模式図（ｃ）とである。実施の形態１の半導体装置において、金属シート面の凸状物を放射状に設けて凸状物の設置密度を変化させる手段（ａ）と金属シート面の凸状物を螺旋状に設け凸状物の設置密度を変化させる手段（ｂ）とを示す図である。実施の形態１の半導体装置における金属シート面の凸状物をシリコーングリースが排出され流動する方向に対して、対向する側を尖った形状としたことを示す図である。実施の形態２における、直線状の凸状物が表面に設けられた金属シートを示す上面模式図（ａ）と、放射線状の凸状物が表面に設けられた金属シートを示す上面模式図（ｂ）である。実施の形態３における半導体装置の半導体モジュールとヒートシンクとの接続構造部を説明する、固定前の断面模式図（ａ）と固定後の断面模式図（ｂ）とである。実施の形態４における半導体装置の半導体モジュールとヒートシンクとの接続構造部を説明する、固定前の断面模式図（ａ）と固定後の断面模式図（ｂ）とである。実施の形態５における半導体装置の半導体モジュールとヒートシンクとの接続構造部を説明する、固定前の断面模式図（ａ）と固定後の断面模式図（ｂ）と上面模式図（ｃ）とである。実施の形態６における半導体装置の半導体モジュールとヒートシンクとの接続構造部を説明する、固定前の断面模式図（ａ）と固定後の断面模式図（ｂ）とである。

符号の説明

１０半導体モジュール、１１半導体チップ、１２貫通穴、
１３半導体モジュールの放熱面、２０ヒートシンク、２２ネジ穴、
２３ヒートシンクの受熱面、３０ネジ、４０金属シート、
４１，４３，４４凸状物、４２金属シートの貫通穴、
５０，５１，５２，５３シリコーングリース。

Claims

半導体チップを搭載した半導体モジュールと、この半導体モジュールに固定されたヒートシンクと、上記半導体モジュールを上記ヒートシンクに点で固定する固定手段と、上記半導体モジュールと上記ヒートシンクとの間に設置された熱伝導性樹脂と、この熱伝導性樹脂層中に設けられ、且つ凸状物を備えた金属シートとで、接続構造部が構成された半導体装置であって、上記半導体モジュールの放熱面と上記ヒートシンクの受熱面との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、上記凸状物の高さを高くしたことを特徴とする半導体装置。
半導体チップを搭載した半導体モジュールと、この半導体モジュールに固定されたヒートシンクと、上記半導体モジュールを上記ヒートシンクに点で固定する固定手段と、上記半導体モジュールと上記ヒートシンクとの間に設置された熱伝導性樹脂と、この熱伝導性樹脂層中に設けられ、且つ凸状物を備えた金属シートとで、接続構造部が構成された半導体装置であって、上記半導体モジュールの放熱面と上記ヒートシンクの受熱面との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、上記凸状物の設置密度を低くしたことを特徴とする半導体装置。
半導体チップを搭載した半導体モジュールと、この半導体モジュールに固定されたヒートシンクと、上記半導体モジュールを上記ヒートシンクに点で固定する固定手段と、上記半導体モジュールと上記ヒートシンクとの間に設置された熱伝導性樹脂と、この熱伝導性樹脂層中に設けられ、且つ凸状物を備えた金属シートとで、接続構造部が構成された半導体装置であって、上記半導体モジュールの放熱面と上記ヒートシンクの受熱面との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、上記凸状物の高さを高くし、且つ上記凸状物の設置密度を低くしたことを特徴とする半導体装置。
凸状物が、金属シートの半導体モジュールの半導体チップがある位置の略直下の部分に設けられたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
凸状物を金属シート面上に放射状または螺旋状に設けて、上記金属シートに設けられた上記凸状物の設置密度を、上記半導体モジュールの放熱面と上記ヒートシンクの受熱面との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、低くしたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の半導体装置。
凸状物の半導体モジュールの放熱面、またはヒートシンクの受熱面に対向する面の面積を、上記半導体モジュールの放熱面と上記ヒートシンクの受熱面との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
金属シートに形成される凸状物の形状が線状であり、且つ上記線状の凸状物の幅を、半導体モジュールの放熱面とヒートシンクの受熱面との間隔の狭い方から広くなる方向に向かって、狭くしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
凸状物を形成した金属シートの代わりに、半導体モジュールの放熱面、またはヒートシンクの受熱面に凸状物を形成したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体装置。