JP5831273B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
(半導体装置の構成)
図1は、本発明を実施するための実施の形態1における半導体装置1の構造を示す断面模式図である。図2は、半導体モジュール2と放熱体3とが接合される前の状態を示す斜視図である。図1は、図2の半導体モジュール2と放熱体3とが接合された後の線分A−Aにおける断面を示している。
本実施の形態における半導体装置1においては、モジュール側ベース板6と放熱体3を異なる材質の金属から構成することによって、剛性が低くかつ降伏点が小さいモジュール側凹凸部9を塑性変形させて、半導体モジュール2と放熱体3を結合させている。すなわち、降伏点が異なる材料を用いて、降伏点が小さい方の凹凸部を優先的に塑性変形させて、凹凸部同士を固着させている。
(半導体装置の構成)
図6は、本発明を実施するための実施の形態2における半導体装置1の半導体モジュール2と放熱体3とが接合される場合の凹凸部の変形を説明するための断面模式図である。図6(a)および(b)において、点線は、凸部と凹部の中心を示しており、図6(a)および(b)は、いずれも隣り合うモジュール側凸部9aのピッチAと、隣り合う放熱体側凹部12bのピッチBが異なる場合を示している。また、図6(a)および(b)の左側の図は、外部圧力21の印加前を示し、右側の図は、外部圧力21の印加後を示している。
本実施の形態における半導体装置1においては、図中の変形領域24の矢印の長さから明らかなように、切欠き部15を有する図6(b)の場合は、図6(a)の場合に比べ変形に寄与する変形領域24が長くなるため、より小さな外部圧力21で、対向する凹部のピッチに追従することができ、全体の印加加重を小さくできることで、半導体モジュール2の損傷をより抑制することができる。また、寸法公差による位置ずれへの追随性がさらによくなるため、寸法公差の大幅な緩和が可能となる。
(半導体装置の構成)
図7は、本発明を実施するための実施の形態3における半導体装置1の半導体モジュール2と放熱体3とが接合される場合の凹凸部の変形を示す断面模式図である。図7の左側の図は、外部圧力21の印加前において、放熱体凹部12bに熱伝導性ペースト16が塗布された状態を示している。また、図7の右側の図は、外部圧力21の印加後を示している。なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態1の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態においては、放熱体凹部12bに熱伝導性ペースト16を塗布することによって、外部圧力印加時の接触面の摩擦力を低減し、低荷重、低圧力で安定して嵌合させることができる。さらに、熱伝導性ペースト16は、外部圧力印加時の摺動により接触面のミクロの隙間に介在するため、接触熱伝達面の熱伝導性を向上する伝熱体として作用する。また、図7に示すようにモジュール側凸部9aの先端と放熱体側凹部12bの底面との間の空隙部14に熱伝導性ペースト16が溜まることによって、空隙部14が満たされて伝熱体として作用するため、空隙部14の内部が空間の状態で保持されるよりも熱伝導性を向上することができる。
(半導体装置の構成)
図8は、本発明を実施するための実施の形態4における半導体装置40の構造を説明するための斜視図と断面模式図である。図8(a)は放熱体30に、半導体モジュール2を接合する前の状態を示した斜視図であり、図8(b)は、図8(a)で結合した後の線分B−Bにおける断面を示している。
本実施の形態においては、先に述べたように放熱体30が半導体モジュール2との結合によって配線の役割も担うため、半導体モジュール2の外部接続配線17を少なくでき、構造を簡素化できる。また、絶縁シート7を樹脂封止するための余分な領域(絶縁シート7を抑える領域等)も削減でき、半導体モジュール2を小型化できる。
(半導体装置の構成)
図9は、本発明を実施するための実施の形態5における半導体装置50の構造を説明するための断面模式図である。本実施の形態においては、半導体モジュール2の内部に絶縁シート7を介して半導体素子4と配線部材5をモジュール側ベース板6上に配置し、樹脂封止した複数の半導体モジュール2を、一つの放熱体31に搭載している。なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態1の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態においては、上記のように構成しているため、放熱体31を例えば外部のモータのハウジングなどに接続することによって、半導体装置1のアース電位とすることができる。そして、放熱体31がアース電位であることから、図示しない放熱体31の周りのアース電位部材との絶縁距離を考慮する必要がないため半導体装置1全体の小型化を図ることができる。
(半導体装置の構成)
図10は、本発明を実施するための実施の形態6における半導体装置60の構造を説明するための斜視図と側面図である。図10(a)は本実施の形態における半導体モジュール22と放熱体32の結合前の状態を示す斜視図であり、図10(b)は、図10(a)において、ストレートフィンの延在する方向に対して、垂直方向(矢印Cの方向)から見た半導体モジュール22の側面図である。本実施の形態では、モジュール側ベース板6および放熱体32の結合面における凹凸部の形状がストレートフィン形状(複数の溝形状)であり、さらに図10(b)に示すように剛性が低い側のモジュール側凸部90のストレートフィン(凸部)が分断され、複数の切欠き状の凸部除去部18を有している。
本実施の形態においては、凹凸部がストレートフィン形状であることによって、接触面積をより大きくすることができ、高い放熱性能を得ることができる。一方、放熱体32側のストレートフィン形状は、ダイキャストにより成型されるため、成型後常温に下がる間の収縮によってストレートフィンがうねることが懸念される。しかし、ダイキャストによって形成される放熱体側凹凸部12のストレートフィン形状がうねった場合でも、モジュール側凹凸部90のストレートフィン形状は、切欠き状の凸部除去部18により分断されているため、うねりにも追従しやすくなり、安定した結合状態を得ることができる。
(半導体装置の構成)
図11は、本発明を実施するための実施の形態7における半導体装置70の半導体モジュール23と放熱体33とが結合される前の状態を示す斜視図である。図11に示すように、本実施の形態においては、半導体モジュール23と放熱体33の結合面におけるモジュール側凹凸部の形状が、円錐状のピンフィン19となっている。また、放熱体側凹凸部は、ピンフィン19と嵌合するように、円錐状の穴部20となっている。
本実施の形態においても、放熱体33側の円錐状の穴部20はダイキャストで成型されるため、成型後の収縮によってモジュール側凹凸部であるピンフィン19との位置ずれ等が懸念される。しかし、モジュール側凹凸部が円錐形状のピンフィン19であることによって、結合面方向のどのような方向へのずれに対しても容易に追従することができ、安定した結合状態を得ることができる。
Claims (13)
- 半導体素子が第1の面に配置され、前記第1の面と反対側の第2の面に第1の凹凸部が形成されたモジュール側ベース板を含む半導体モジュールと、
前記第2の面に対向する第3の面に前記第1の凹凸部と嵌合する第2の凹凸部が形成され、前記半導体素子が発する熱を放熱する放熱体とを備え、前記半導体モジュールと前記放熱体とが接合された半導体装置であって、
前記モジュール側ベース板と前記放熱体とは異なる材質の金属から構成され、
前記モジュール側ベース板の金属と前記放熱体の金属とは、主要構成元素が同じであり、材料の降伏点が異なることを特徴とする半導体装置。 - 前記第1の凹凸部と前記第2の凹凸部とは、一方の凸部と他方の凹部との間に空隙を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記空隙は、空気よりも熱伝導率が大きい伝熱体で埋め込まれていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記伝熱体は、熱伝導性ペーストであることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
- 半導体素子が第1の面に配置され、前記第1の面と反対側の第2の面に第1の凹凸部が形成されたモジュール側ベース板を含む半導体モジュールと、
前記第2の面に対向する第3の面に前記第1の凹凸部と嵌合する第2の凹凸部が形成され、前記半導体素子が発する熱を放熱する放熱体とを備え、前記半導体モジュールと前記放熱体が接合された半導体装置であって、
前記モジュール側ベース板と前記放熱体とは異なる材質の金属から構成され、
前記モジュール側ベース板と前記放熱体のうち降伏点が小さい金属材料からなる、前記第1の凹凸部と前記第2の凹凸部のいずれか一方の凹凸部の凹部の底面に、切欠き部を有することを特徴とする半導体装置。 - 前記第3の面上に複数の前記半導体モジュールが配置されることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記半導体素子は、前記モジュール側ベース板の第1の面に絶縁体を介して配置されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記第1の凹凸部と前記第2の凹凸部とは、それぞれ前記第2の面および第3の面と平行な方向に延在する溝であることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記第1の凹凸部と前記第2の凹凸部とのうち、塑性変形するいずれか一方の溝は、前記溝が延在する方向に分断された複数の溝を含むことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
- 前記第1の凹凸部と前記第2の凹凸部とのうち、塑性変形するいずれか一方の凸部は柱状であり、他方の凹部は穴状であることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記柱状の凸部と前記穴状の凹部とは、千鳥状に配置されていることを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。
- 半導体素子が第1の面に配置され、前記第1の面と反対側の第2の面に第1の凹凸部が形成されたモジュール側ベース板を含む半導体モジュールと、
前記第2の面に対向する第3の面に前記第1の凹凸部と嵌合する第2の凹凸部が形成され、前記モジュール側ベース板と異なる材質の金属から構成された、前記半導体素子が発する熱を放熱する放熱体とを備える半導体装置の製造方法であって、
前記モジュール側ベース板の金属と前記放熱体の金属とは、主要構成元素が同じであり、
前記第1の凹凸部と前記第2の凹凸部とのうち、いずれか一方を塑性変形させることによって、前記半導体モジュールと前記放熱体とを接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1の凹凸部と前記第2の凹凸部とのうち、前記降伏点が小さい方の材質の金属で形成された凹凸部を塑性変形させることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置の製造方法。
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