JP4881971B2

JP4881971B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP4881971B2
Application number: JP2009076680A
Authority: JP
Inventors: 定典鈴木; 公教尾崎; 靖弘小池; 裕司大宮
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: US20100246139A1; JP2010232318A; EP2249383A2

Description

本発明は、半導体装置に関するものである。

回路基板に実装された半導体素子の発する熱を放熱板に逃がす構造として、特許文献１においては、プリント回路板に対してシリコン集積回路と熱連通した金属性タブを備え、この金属製タブとハウジングとの間に圧縮性パッドを介在させている。電気絶縁性で且つ熱伝導性のあるパッドは、金属製タブとアルミニウムハウジングとの間にて圧縮され、金属製タブ（電子機器）からアルミニウムハウジングに熱を伝達（放熱）する。また、圧縮性パッドは、電子機器をハウジングから電気的に絶縁するとともに、組立体の許容公差を緩和（吸収）している。

一方、基板上に実装されたパワー素子（特にＳＭＤ：表面実装部品）にて発生する熱を放熱板に伝える構造として図３に示すようなものがある。図３において表面実装型半導体素子１０１が回路基板１００に実装され、回路基板１００は放熱板１０２に連結部材としての円筒材１０３により離間した状態でネジ止めされ、回路基板１００における表面実装型半導体素子１０１の実装部分での反対の面には熱伝シート１０４が放熱板１０２との間に介在されている。そして、表面実装型半導体素子１０１で発生した熱は回路基板１００および熱伝シート１０４を介して放熱板１０２に逃がされる。

このような構造において、熱伝シート１０４には、
（１）高い熱伝導性、
（２）基板１００と放熱板１０２とを確実に絶縁するための電気絶縁性、
（３）基板１００を放熱板１０２にネジ固定する時に公差を吸収するための弾性
が要求される。

特開平９−５１１８７号公報

ところが、単一部材の熱伝シート１０４では、高い熱伝導性、電気絶縁性、弾性の全てを満たすことが難しい。例えば、電気絶縁性、弾性を有する樹脂は熱伝導性が低い。熱伝導性を高くするために金属やカーボンのフィラーを樹脂に入れると、電気絶縁性が低下する。また、熱伝導性が高いセラミックを用いると、電気絶縁性は確保できるが、弾性が乏しく、公差が吸収できない。

本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、熱伝導性、電気絶縁性、公差吸収性（弾性）に優れた半導体装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、一方の面に半導体素子が表面実装された回路基板と、前記回路基板が、当該回路基板における前記半導体素子の実装面とは反対の面側において連結部材により一定の距離をおいた状態で配置固定された放熱板と、前記回路基板と前記放熱板との間に介在され、前記回路基板を介して前記半導体素子と放熱板とを熱的に結合する熱伝シートと、を備えた半導体装置において、前記熱伝シートを、電気絶縁性を有するセラミック板と、樹脂材料に高熱伝導性フィラーが混入されるとともに前記セラミック板よりも弾性が高い樹脂シートとを積層して構成し、前記セラミック板を前記放熱板側に配置するとともに前記樹脂シート材を前記回路基板側に配置したことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、セラミック板と高熱伝導性フィラーが混入された樹脂シート材とを積層することによって、熱伝導性、弾性、電気絶縁性の全てを満たしている。即ち、セラミック板は、電気絶縁性と熱伝導性に優れるが、弾性に乏しい。一方、高熱伝導性フィラーが混入された樹脂シート材は、弾性と熱伝導性に優れるが、電気絶縁性に乏しい。両者を積層して構成した熱伝シートにおいては、電気絶縁性、熱伝導性、弾性に優れている。

このようにして、単一部材で構成した熱伝シートで熱伝導性、電気絶縁性、公差吸収性（弾性）の全てを受け持つのではなく、２つの部材を積層して要求される機能を実現することができる。

また、回路基板が反った場合においても、樹脂シート材が弾性を有しているため、回路基板は、高熱伝導性フィラーが混入された樹脂シート材と密着することができ、熱伝導性を確保する上で好ましいものとなる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の半導体装置において、前記樹脂シート材の前記放熱板への投影面積に比べて前記セラミック板の前記放熱板への投影面積を大きくしたことを要旨としている。

請求項２に記載の発明によれば、半導体素子からの熱は放熱経路において下流側ほど広がるので、熱を放熱板に伝えやすくすることができる。

本発明によれば、熱伝導性、電気絶縁性、公差吸収性（弾性）に優れた半導体装置および熱伝シートを提供することができる。

本実施形態における半導体装置の側面図。本実施形態における半導体装置を分解した状態での側面図。背景技術を説明するための半導体装置の側面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、半導体装置は回路基板１０と半導体素子２０と放熱板３０を備えている。放熱板３０はケースを兼ねている。

回路基板１０の上面（一方の面）には半導体素子２０が半田２１により表面実装されている。半導体素子２０はＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ等のパワー素子である。また、回路基板１０における半導体素子２０の配置領域には導熱部１１（図２参照）が形成され、電極部を兼ねる導熱部１１においては図１に示すようにスルーホール１２が多数隣接して形成され、このスルーホール１２には金属（半田、銅など）が充填されている。これにより、回路基板１０の上面に実装した半導体素子２０から発せられた熱が導熱部１１を通して回路基板１０の下面に伝達させることができる。スルーホールに代わり回路基板１０に銅製チップ等を埋設して導熱部１１を構成してもよい。

放熱板３０はアルミよりなる。アルミ以外にも銅等であってもよい。放熱板３０の上面には連結部材としての複数の円筒材４０が立設されている。具体的には、四角板状をなす回路基板１０における四隅に対応する位置に円筒材４０が配置されている。円筒材４０の内周面にはネジ穴が切られており、ネジ６０を螺入することができるようになっている。複数の円筒材４０は放熱板３０に一体形成されている。複数の円筒材４０の上面には回路基板１０が配置され、回路基板１０を貫通するネジ６０が円筒材４０の内周面に螺入されている。これにより回路基板１０が放熱板３０にネジ固定されている。

このようにして、放熱板３０には回路基板１０が、回路基板１０における半導体素子２０の実装面とは反対の面側において円筒材４０（連結部材）により一定の距離（高さＨ１）をおいた状態で配置固定されている。

また、回路基板１０での半導体素子２０の配置領域（導熱部１１）において、回路基板１０と放熱板３０との間には熱伝シート５０が介在されている。この熱伝シート５０は回路基板１０と放熱板３０との間において圧縮変形した状態で配置されている。熱伝シート５０により回路基板１０を介して半導体素子２０と放熱板３０とが熱的に結合している（密着している）。

熱伝シート５０は、第１の部材としてのセラミック板５１と、第２の部材としてのフィラー入り樹脂シート材５２を積層して構成している。フィラー入り樹脂シート材５２は、高熱伝導性フィラーが混入された樹脂シート材である。高熱伝導性フィラーとして金属（例えば銅）のフィラーやカーボンのフィラーが用いられ、樹脂（例えばシリコーン系樹脂）に高熱伝導性フィラーを混入することにより熱伝導率が高められている。

セラミック板５１は、熱伝導率が高く電気絶縁性を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる。セラミック板５１と、フィラー入り樹脂シート材５２のうち、セラミック板５１が放熱板３０側に配置されているとともにフィラー入り樹脂シート材５２が回路基板１０側に配置されている。また、フィラー入り樹脂シート材５２の放熱板３０への投影面積に比べてセラミック板５１の放熱板３０への投影面積が大きくなっている。さらに、回路基板１０の導熱部１１の面積に比べてフィラー入り樹脂シート材５２の放熱板３０への投影面積が大きくなっている。このように、回路基板１０の導熱部１１の下に導熱部１１よりも面積が大きなフィラー入り樹脂シート材５２が配置されるとともに、このフィラー入り樹脂シート材５２の下にフィラー入り樹脂シート材５２よりも面積が大きなセラミック板５１が配置されている。

半導体装置の組み立ては次のようにする。
図２に示すように、放熱板３０の上に、セラミック板５１、フィラー入り樹脂シート材５２を順に配置（積層）する。さらに、放熱板３０の上に、半導体素子２０を実装した回路基板１０を載せ、ネジ６０を回路基板１０の貫通孔１５を通して円筒材４０に螺入する。これにより、フィラー入り樹脂シート材５２が潰されて弾性変形した状態で回路基板１０と放熱板３０との間においてセラミック板５１、フィラー入り樹脂シート材５２が積層状態で取付けられる。つまり、図２における取付け前の状態においては、円筒材４０の高さＨ１に比べて、セラミック板５１の厚さｔ１と、フィラー入り樹脂シート材５２の厚さｔ２の和（＝ｔ１＋ｔ２）の方が大きくなっている。図２の状態から組み立てられると、フィラー入り樹脂シート材５２が所定量Δｔだけ潰されて（圧縮されて）図１のように組み立てられる。

セラミック板５１、および、フィラー入り樹脂シート材５２は、共に熱伝導性に優れ、フィラー入り樹脂シート材５２が公差吸収の役割を担う。また、セラミック板５１が電気絶縁性の確保の役割を担う。

よって、本実施形態の熱伝シート５０を用いることによって、熱伝導性、電気絶縁性、公差吸収性の全ての機能をもたせることができる。
公差吸収について具体的に説明する。

円筒材４０の高さＨ１は、３ｍｍを中心値として±０．２ｍｍの公差を持っている（３±０．２ｍｍ）。セラミック板５１の厚さｔ１は１ｍｍを中心値として±０．１ｍｍの公差を持っている（１±０．１ｍｍ）。ここで、熱を効率良く伝えるためには、回路基板１０と熱伝シート５０とが互いに密着している必要がある。

例えば、円筒材４０の高さＨ１が最大（３．２ｍｍ）で、セラミック板５１の厚さｔ１が最小（０．９ｍｍ）の場合、回路基板１０とセラミック板５１との距離（Ｈ１−ｔ１）は２．３ｍｍとなる。よって、フィラー入り樹脂シート材５２の厚さｔ２を２．３ｍｍ以上とすれば、回路基板１０と熱伝シート５０とは互いに密着することができる。なお、フィラー入り樹脂シート材５２の厚さｔ２が２．３ｍｍよりも厚い場合、弾性を有するフィラー入り樹脂シート材５２が所定量Δｔだけ変形（圧縮）することによって、回路基板１０とフィラー入り樹脂シート材５２（熱伝シート５０）とが互いに密着する。

また、円筒材４０の高さＨ１が最小（２．８ｍｍ）で、セラミック板５１の厚さｔ１が最大（１．１ｍｍ）の場合、回路基板１０とセラミック板５１との距離（Ｈ１−ｔ１）は１．７ｍｍとなる。ここで、フィラー入り樹脂シート材５２の厚さｔ２は上述のように２．３ｍｍ以上であるが、フィラー入り樹脂シート材５２は弾性を有しているため、所定量Δｔだけ変形（圧縮）することによって、回路基板１０とフィラー入り樹脂シート材５２（熱伝シート５０）とが互いに密着することができる。

以上のように、円筒材４０とセラミック板５１との公差によって、回路基板１０とセラミック板５１との距離（Ｈ１−ｔ１）が変化するので、回路基板１０と熱伝シート５０とが互いに密着するためには、熱伝シート５０によって公差を吸収する必要がある。本実施形態の熱伝シート５０は、フィラー入り樹脂シート材５２が弾性に優れているので、公差を吸収することができる。

また、回路基板１０を放熱板３０にネジ固定した際に、回路基板１０が反ったとしても、フィラー入り樹脂シート材５２が弾性に優れているので、回路基板１０と熱伝シート５０との間に隙間ができにくく、更には、回路基板１０の破損を防ぐことができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）熱伝シート５０を、第１の部材（５１）と第２の部材（５２）を積層して構成し、第１の部材と第２の部材の一方をセラミック板５１とするとともに他方をフィラー入り樹脂シート材（高熱伝導性フィラーが混入された樹脂シート材）５２とした。セラミック板５１は、電気絶縁性と熱伝導性に優れるが弾性に乏しく、フィラー入り樹脂シート材５２は、弾性と熱伝導性に優れるが電気絶縁性に乏しい。両者を積層して構成した熱伝シート５０においては、電気絶縁性、熱伝導性、弾性に優れている。このようにして、単一部材で構成した熱伝シートで熱伝導性、電気絶縁性、公差吸収性（弾性）の全ての機能を受け持つのではなく、２つの部材を積層して要求される機能を実現することができる。その結果、表面実装した半導体素子２０が回路基板１０および熱伝シート５０を介して放熱板３０と熱的に結合した半導体装置において熱伝導性、電気絶縁性、公差吸収性（弾性）に優れた半導体装置を提供することができる。

また、フィラー入り樹脂シート材５２を第１の部材、セラミック板５１を第２の部材とした場合において、熱伝シート５０を、第１の部材（５２）と第２の部材（５１）を積層して構成し、第１の部材（５２）の弾性が第２の部材（５１）の弾性よりも高く、第２の部材（５１）の電気絶縁性が第１の部材（５２）の電気絶縁性よりも高い。これにより、単一部材で構成した熱伝シートで熱伝導性、電気絶縁性、公差吸収性（弾性）の全てを受け持つのではなく、２つの部材を積層して要求される機能を実現することができる。

ここで、例えば、弾性はヤング率、電気絶縁性は電気抵抗を指標とすればよい。つまり、弾性に優れているか否かは、例えばヤング率を指標として比較することができ、また、電気絶縁性に優れているか否かは、例えば電気抵抗を指標として比較することができる。

（２）セラミック板５１を放熱板３０側に配置するとともに、フィラー入り樹脂シート材５２を回路基板１０側に配置した。これにより、フィラー入り樹脂シート材５２を放熱板３０側に配置するとともに、セラミック板５１を回路基板１０側に配置した場合においては、回路基板１０が反った場合にはセラミック板５１と回路基板１０との間に隙間ができ放熱性の劣化を招きやすい。これに対し、本実施形態のようにセラミック板５１を放熱板３０側に配置するとともに、フィラー入り樹脂シート材５２を回路基板１０側に配置することにより、回路基板１０が反った場合にもフィラー入り樹脂シート材５２と回路基板１０との間には隙間ができにくく回路基板１０はフィラー入り樹脂シート材５２と密着しており、放熱性を確保する上で好ましい。

（３）第１の部材と第２の部材のうち、回路基板１０側に配置する部材であるフィラー入り樹脂シート材５２の放熱板３０への投影面積に比べて放熱板３０側に配置する部材であるセラミック板５１の放熱板３０への投影面積を大きくした。よって、半導体素子２０からの熱は放熱経路において下側（下流側）ほど広がるので、熱を放熱板３０に伝えやすくすることができる。また、下側のセラミック板５１の方が上側のフィラー入り樹脂シート材５２よりも大きいので安定しており、組み立てやすくなる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・熱伝シート５０はセラミック板５１を放熱板３０側に、フィラー入り樹脂シート材（高熱伝導性フィラーが混入された樹脂シート材）５２を回路基板１０側に配置したが、これを逆にして、セラミック板５１を回路基板１０側に、フィラー入り樹脂シート材５２を放熱板３０側に配置してもよい。

・熱伝シート５０は、回路基板１０側に配置する部材（フィラー入り樹脂シート材５２）の放熱板３０への投影面積に比べて放熱板３０側に配置する部材（セラミック板５１）の放熱板３０への投影面積を大きくしたが、これを逆にして、回路基板１０側に配置する部材の放熱板３０への投影面積に比べて放熱板３０側に配置する部材の放熱板３０への投影面積を小さくしてもよい。また、回路基板１０側に配置する部材と放熱板３０側に配置する部材とを同じ大きさ（放熱板３０への投影面積を同じ）にしてもよい。

・セラミック板５１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）以外にも、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化珪素（ＳｉＯ２）などで形成してもよい。

１０…回路基板、２０…半導体素子、３０…放熱板、４０…円筒材、５０…熱伝シート、５１…セラミック板、５２…フィラー入り樹脂シート材（高熱伝導性フィラーが混入された樹脂シート材）、６０…ネジ。

Claims

一方の面に半導体素子が表面実装された回路基板と、
前記回路基板が、当該回路基板における前記半導体素子の実装面とは反対の面側において連結部材により一定の距離をおいた状態で配置固定された放熱板と、
前記回路基板と前記放熱板との間に介在され、前記回路基板を介して前記半導体素子と放熱板とを熱的に結合する熱伝シートと、
を備えた半導体装置において、
前記熱伝シートを、電気絶縁性を有するセラミック板と、樹脂材料に高熱伝導性フィラーが混入されるとともに前記セラミック板よりも弾性が高い樹脂シート材とを積層して構成し、前記セラミック板を前記放熱板側に配置するとともに前記樹脂シート材を前記回路基板側に配置したことを特徴とする半導体装置。
前記樹脂シート材の前記放熱板への投影面積に比べて前記セラミック板の前記放熱板への投影面積を大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。