JP4765101B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力用インバータ装置などに適用するパワー半導体モジュールを対象とした半導体装置の組立構造に関する。
先ず、半導体チップにＩＧＢＴを採用したパワー半導体モジュールを例に、その組立構造を図２に、またその半導体モジュールをヒートシンクに取り付けた実装状態を図３に示す。図２において、１はパワー半導体モジュールで、２はモジュールの放熱用金属ベース（銅ベース）、３はセラミック板３ａの両面に導体パターン（銅箔）３ｂ，３ｃを形成して金属ベース２の上面に半田接合した絶縁基板（例えば、Direct Bonding Copper基板）、４は絶縁基板３の導体パターン３ｂに半田マウントしたパワー半導体チップ（ＩＧＢＴ）、５はボンディングワイヤ、６は金属ベース２と組み合わせた外囲樹脂ケースであり、これらでパワー半導体モジュール１を構成している。
上記構成のパワー半導体モジュール１は、図３で示すようにヒートシンク（放熱フィン）７に取り付け、通電に伴う半導体チップの発生熱（損失）をヒートシンクに伝熱させて系外に放熱するようにしており、その取り付けはヒートシンク７に半導体モジュール１の金属ベース２を重ね合わせ、パッケージの左右二カ所，あるいは四隅コーナーに通したネジ８を所定の締め付けトルクでヒートシンクに締結して伝熱結合するようにしている。
この場合に、ヒートシンク７へのモジュール取り付け状態で、ヒートシンク７の表面と金属ベース２の表面との間が密着していないと（ミクロ的には表面粗さによる凹凸の多点接触となる）両者間の接触熱抵抗が増して放熱性が低下するほか、接触面の平坦度，表面粗さが大きいとネジ締結による応力でモジュールの絶縁基板３にストレスが加わって破損するおそれがある。
そこで、従来の半導体装置では、高い放熱性能を確保するために金属ベース２およびヒートシンク７の表面平坦度（締結ネジ間），表面粗さができるだけ小さくなるように仕上げ、さらにヒートシンク７の表面にサーマルコンパウンドを塗布するなどしてモジュール／ヒートシンク間の接触熱抵抗を低く抑え抑えるようにしている。
一方、最近になり多孔質金属（発泡金属）が注目されている。この多孔質金属は高気孔率（９０％前後），高比表面積を有する連続気孔型の三次元網目構造であり、その組織構造，物性を利用した応用技術としてパワー半導体モジュール用絶縁基板の回路パターンを多孔質金属で形成し、熱サイクルに伴って発生する熱応力を多孔質金属が吸収してセラミック基板の割れを防ぐようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、そのほかにも多孔質金属のもつ電気伝導性、熱伝導性，毛細管力、液体保持性を利用した様々な用途への適用も研究，開発されている。
特開平９−５１１５１号公報（第６頁、図１）
本発明は前記した多孔質金属を巧みに活用し、先記した半導体モジュールの金属ベースとヒートシンクとの間の伝熱性能を高めて半導体モジュールの放熱性向上が図れるように改良した半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、パワー半導体チップを絶縁基板にマウントした上で、該絶縁基板をパッケージの放熱用金属ベース上に搭載した組立構造になる半導体モジュールをヒートシンクに実装した半導体装置において
前記金属ベースおよびヒートシンクの少なくとも一方の表面に、４フッ化エチレン、Ａｕまたは珪酸ガラスを保護層としてコーティングし、前記金属ベースとヒートシンクとの間に多孔質金属を基材とする熱伝導体を介挿し、該熱伝導体を介して金属ベースとヒートシンクとの間を伝熱結合するものとし（請求項１）、具体的には次記のような態様で構成することができる。
（１）前記の金属ベースおよびヒートシンクの材質が純銅または純アルミである（請求項２）。
（２）前記の熱伝導体が、多孔質金属を基材としてその気孔を伝熱性浸透物質で充填した構造体である（請求項３）。
（３）前項（２）における浸透物質が、オイル成分，ないしオイル成分に無機質もしくは金属の微粒子を加えた流動性材である（請求項４）。
上記のように、半導体モジュールの金属ベースとヒートシンクとの間の接触面域に多孔質金属を介挿し、加圧力を加えた状態で金属ベースとヒートシンクとを圧接結合（ネジ締結）させることにより、金属ベース，ヒートシンクの表面粗さ，平坦度のバラツキを補償するように多孔質金属が塑性変形して密接し合い、この多孔質金属が熱伝導体として金属ベース／ヒートシンクとの間に熱抵抗の小さな伝熱経路を形成する。
この場合に、多孔質金属の気孔にオイル成分，ないしオイル成分に無機質もしくは金属の微粒子を加えた流動性材をあらかじめ浸透保持させておくことにより、熱伝導率がより一層向上する。また、多孔質金属の熱伝導体を挟んで対峙する半導体モジュールの金属ベース，ヒートシンク（純銅，純アルミなど）の少なくとも一方の表面に、耐食性，摺動性の高い保護層をコーティングしておくことにより、加圧，熱サイクルの影響を受けて金属ベース，ヒートシンクの伝熱界面が劣化するのを抑止し、長期に亘り高い伝熱性を安定維持して信頼性が向上する。
以下、本発明の実施の形態を図１（ａ），（ｂ）に示す実施例に基づいて説明する。なお，図１で図２，図３に対応する部材には同一な符号を付してその説明は省略する。
すなわち、図示実施例では半導体モジュール１の金属ベース２とヒートシンク７との間の接触面域に多孔質金属を基材とする板状の熱伝導体９が新たに介挿されており、この熱伝導体９を挟んで金属ベースとヒートシンク７との間が図３で述べたようにネジ締結し、加圧力を加え状態で伝熱結合されている。
ここで、前記熱伝導体９は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ｎｉなどの多孔質金属１０を基材として、この多孔質金属１０の気孔（連続気孔）にオイル成分（例えば、グリス），もしくはオイル成分に微細粒状の無機質材（アルミナ，窒化珪素，窒化ホウ素など）または金属（Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕおよびそれらの合金）をフィラーとして添加した流動性の浸透物質１１を浸透させたものである。なお、一例として多孔質金属１９の気孔は１０〜５０μｍの孔径であり、この気孔に浸透させる浸透物質１１の無機，金属は粒径数μｍ程度の微細粒とする。
上記構成により、半導体モジュール１の金属ベース２から熱伝導体９を介してヒートシンク７に至る伝熱経路の熱抵抗は、前記各部材自身の熱伝導率で決まる熱抵抗と部材相互間の接触熱抵抗との総和となるが、前記のようにネジ締結して熱伝導体９に加圧力を加えることにより、金属ベース２，ヒートシンク７の表面粗さ，平坦度のバラツキを補償して多孔質金属１０が塑性変形して相手部材の表面に隙間を残すことなく密着する。加えて多孔質金属１０の気孔に浸透保持させた前記の浸透物質１１が熱伝導体９の実効的な熱抵抗を低める。これにより、これによりトータル的に金属ベース２とヒートシンク７との間の伝熱抵抗を低めて半導体モジュール１の放熱性が向上する。
またこの実施例では、図示してないが金属ベース２，ヒートシンク７の少なくとも一方部材の接触面に、４フッ化エチレン，Ａｕ，珪酸ガラスなどをコーティングして耐食性，摺動性に優れた保護層を成膜形成しておくのがよい。
すなわち、金属ベース２，ヒートシンク７の材質は一般に軟質な純銅，純アルミなどであり、この金属を相手側部材に加圧接触させると、その応力で表面に局所的な凹凸変形が生じる。しかも、この局所変形部分は半導体モジュールの熱サイクルに伴う膨張，収縮により相手側部材の表面に摺動してその摺動面を酸化させ、この酸化物が接触界面の介在物となって伝熱抵抗を劣化させる要因となる。かかる点、前記のように金属ベース２，ヒートシンク７の接触面を耐食性，摺動性の高い保護層で被覆しておくことにより、局所的な凹凸部，酸化物の生成を抑止して長期に亘り低い接触熱抵抗の状態を維持できる。
なお、前記の保護層を被膜形成する方法として、４フッ化エチレンについては、常温衝撃固化現象を利用したスプレーコート法で形成できる。また、Ａｕは置換メッキ法により膜形成するとよい。さらに、珪酸ガラスについては、ポリシラザンを適用することにより、常温放置でガラス転化させてガラスコートを形成できる。
なお、図示実施例では熱伝導体９を金属ベース２ヒートシンク７との間に介挿しているが、本発明の応用実施例として、前記のヒートシンク７とは別に半導体チップ３の上面側電極面にヒートシンク（放熱フィン）を接合する構成にも同様に実施適用できる。
本発明の実施例による半導体装置の構成図で、（ａ）は半導体モジュールをヒートシンクに取り付けた状態図、（ｂ）は（ａ）における熱伝導体を模式的に表した組織構造図 本発明の実施対象となるパワー半導体モジュールの組立構造図 図２の半導体モジュールをヒートシンクに取り付けた従来装置の組立構造図
符号の説明
１ パワー半導体モジュール
２ 金属ベース
３ 絶縁基板
４ パワー半導体チップ（ＩＧＢＴ）
７ ヒートシンク
８ 締結ネジ
９ 熱伝導体
１０ 多孔質金属
１１ 浸透物質

Claims (4)

  1. パワー半導体チップを絶縁基板にマウントした上で、該絶縁基板をパッケージの放熱用金属ベース上に搭載した組立構造になる半導体モジュールをヒートシンクに実装した半導体装置において、
    前記金属ベースおよびヒートシンクの少なくとも一方の表面に、４フッ化エチレン、Ａｕまたは珪酸ガラスを保護層としてコーティングし、前記金属ベースとヒートシンクとの間に多孔質金属を基材とする熱伝導体を介挿し、該熱伝導体を介して金属ベースとヒートシンクとの間を伝熱結合したことを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置において、前記金属ベースおよびヒートシンクの材質が純銅または純アルミであることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１に記載の半導体装置において、熱伝導体が、多孔質金属を基材としてその気孔を伝熱性浸透物質で充填した構造体になることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項３に記載の半導体装置において、浸透物質がオイル成分，ないしオイル成分に無機質もしくは金属の微粒子を加えた流動性材であることを特徴とする半導体装置。
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