JP6369403B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関する。特に、半導体素子を収容したパワーカードと冷却器とが絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置に関する。

上記したタイプの半導体装置は、例えば電気自動車の駆動系のインバータに用いられる。特許文献１の半導体装置では、半導体モジュールと絶縁部材とは間にグリスを介在させることによって、半導体素子に対する冷却性能が高めている。

特開２００７−１６５６２０号公報

上記の技術では、半導体モジュール（即ちパワーカード）と絶縁板との間に塗布されたグリスは、半導体素子の発熱と冷却の繰り返し（熱サイクル）で生じるポンピングやブリードアウトと呼ばれる現象により、パワーカードと絶縁部材との間から流出する場合がある。

ポンピングとは、パワーカードの熱変形により、パワーカードと冷却部材の間の隙間幅が局所的に狭まったり元に戻ったりする現象である。隙間幅が狭まるとグリスがパワーカードと絶縁板の間の隙間から押し出され、隙間幅が元に戻る際にグリスは隙間に吸い込まれる。隙間幅が元に戻る際に一部のグリスはグリス塊から千切れて元の位置にもどりきれずに、その箇所に空気が入り込む。ブリードアウトは、グリス自体の熱膨張収縮によりパワーカードと冷却部材の隙間からグリスが離脱する現象である。膨張したグリスが収縮する際、一部のグリスがグリス塊から千切れて元の位置に戻り切れず、その箇所に空気が入り込む。空気はグリスよりも熱伝導係数が低い。また、ポンピングやブリードアウトは、発熱源である半導体素子の付近で特に顕著である。従って、熱サイクルが累積するうちにパワーカードと絶縁板の間に徐々に空気が拡がり、パワーカード（半導体素子）に対する冷却性能が低下する。

グリスのような流動性を有する放熱材以外に、ゲル状の放熱材も同様に、パワーカードと絶縁板の間から放熱材が離脱する場合がある。

本明細書は、パワーカードと絶縁板の間から放熱材が離脱することを防止するための技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、半導体素子を収容したパワーカードと冷却器とが絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置に関する。半導体装置では、パワーカードと絶縁部材との間と絶縁部材と冷却器との間の少なくとも一方には、複数の凹部を有する金属板と、少なくとも複数の凹部内に配置されるゲル状又は流動性を有する放熱材と、が挟まれている。

上記の構成では、金属板が放熱材の移動に対する抵抗となり、放熱材がポンピングやブリードアウトによって放熱材がパワーカードと絶縁板の間から離脱することを抑制することができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

第１実施例の半導体装置の斜視図である。 図１の座標系におけるＸＹ平面でカットした半導体装置の断面図である。 第１実施例の放熱層の平面図である。 図３のIV-IV断面の断面図である。 第１変形例の金属板の平面図である。 第２変形例の金属板の平面図である。 第３変形例の放熱層の平面図である。 第４変形例の放熱層の断面図である。 第５変形例の放熱層の断面図である。 第６変形例の放熱層の平面図である。 図１０のXI-XI断面の断面図である。

（第１実施例）
図面を参照して実施例の半導体装置２を説明する。図１は、第１実施例の半導体装置２の斜視図である。半導体装置２は、複数のパワーカード１０と複数の冷却器３が積層されたユニットである。なお、図１では、一つのパワーカードだけに符号１０を付し、他のパワーカードには符号を省略している。同様に、図１では、一つの冷却器だけに符号３を付し、他の冷却器には符号を省略している。また、半導体装置２の全体が見えるように、半導体装置２を収容するケース３１は仮想線で描いてある。１個のパワーカード１０は、２個の冷却器３に挟まれる。パワーカード１０と一方の冷却器３との間、及び、パワーカード１０と他方の冷却器３との間には、それぞれ絶縁板６ａ、６ｂが挟まれている。パワーカード１０と絶縁板６ａ、６ｂの間には、放熱層８が挟まれる。絶縁板６ａ、６ｂと冷却器３の間にはグラファイトシート１１が挟まれている。図１では放熱層８とグラファイトシート１１の図示は省略している。また、図１は、理解し易いように、１個のパワーカード１０とパワーカード１０を挟む２個の絶縁板６ａ、６ｂを半導体装置２から抜き出して描いてある。

一つのパワーカード１０には４個の半導体素子が収容されている。４個の半導体素子は、具体的には、２個のトランジスタＴａ、Ｔｂと、２個のダイオードＤａ、Ｄｂである。冷却器３を通る冷媒により、半導体素子が冷却される。冷媒は液体であり、典型的には水である。

パワーカード１０と冷却器３は、共に平板型であり、複数の側面のうち最大面積の平坦面が対向するように積層されている。パワーカード１０と冷却器３は交互に積層されており、ユニットの積層方向の両端には冷却器が位置している。複数の冷却器３は、連結パイプ５ａ、５ｂで連結されている。ユニットの積層方向の一端に位置する冷却器３には、冷媒供給管４ａと冷媒排出管４ｂが連結されている。冷媒供給管４ａを通じて供給される冷媒は、連結パイプ５ａを通じて全ての冷却器３に分配される。冷媒は各冷却器３を通る間に隣接するパワーカード１０から熱を吸収する。各冷却器３を通った冷媒は連結パイプ５ｂを通り、冷媒排出管４ｂから排出される。

半導体装置２はケース３１に収容される際、ユニットの積層方向の他端側に板バネ３２が挿入される。その板バネ３２により、パワーカード１０と絶縁板６ａ、６ｂと冷却器３の積層されたユニットには、積層方向の両側から荷重が加えられる。その荷重は、例えば３［ｋＮ］である。後述するように、絶縁板６ａ、６ｂとパワーカード１０の間には放熱層８が配置されている。３［ｋＮ］という高い荷重は、放熱層８に配置されるグリス８ａの層を薄く引き延ばし、パワーカード１０から冷却器３への伝熱効率を高める。パワーカード１０は、直接的には絶縁板６ａ、６ｂに熱を奪われる。半導体装置２は、半導体素子（各素子Ｔａ、Ｔｂ、Ｄａ、Ｄｂ）を収容したパワーカード１０に放熱層８を挟んで絶縁板６ａ、６ｂが接しているとともに、パワーカード１０と冷却器３の間の放熱層８を薄くするように積層方向に荷重が加えられているデバイスである。

パワーカード１０を説明する。パワーカード１０において、絶縁板６ａと対向する一方の平坦面１０ａには、放熱板１６ａ、１６ｂが露出している。平坦面１０ａとは反対側の平坦面１０ｂには、別の放熱板１７（図１では不図示）が露出している。平坦面１０ｂにはグリスを挟んで絶縁板６ｂが接している。パワーカード１０の上面（図中Ｚ軸の正方向を向く面）からは３本の電極端子７ａ、７ｂ、７ｃが伸びており、下面（図中Ｚ軸方向の負方向を向く面）からは制御端子２９が伸びている。

図２を参照してパワーカード１０と冷却器３との間の構造について説明する。図２は、図１のパワーカード１０を図中の座標系のＸＹ面に平行な平面であってトランジスタＴａとＴｂを横切る平面でカットした断面図である。

先に、パワーカード１０の内部構造を説明する。４個の半導体素子（トランジスタＴａ、Ｔｂ、ダイオードＤａ、Ｄｂ）は、樹脂製のパッケージ１３に収容されている。パッケージ１３は、射出成形により形成され、半導体素子を封止する。なお、以下では、パワーカード１０の平坦面１０ａ、１０ｂをパッケージ１３の平坦面１０ａ、１０ｂと称する場合がある。

いずれの半導体素子も平坦なチップである。トランジスタＴａ（Ｔｂ）のチップの一方の平坦面にはコレクタ電極が露出しており、他方の平坦面にはエミッタ電極が露出している。トランジスタＴａの一方の平坦面の電極はハンダ１５により放熱板１６ａの裏面に接合している。放熱板１６ａの表面は、パッケージ１３の平坦面１０ａに露出している。トランジスタＴａの他方の平坦面の電極は、導電性のスペーサ１４を介してハンダ１５により放熱板１７の裏面に接合している。放熱板１７の表面は、パッケージ１３の平坦面１０ｂに露出している。なお、トランジスタＴａ（Ｔｂ）のゲート電極は、チップの一方の平坦面の端に設けられている。また、トランジスタＴｂの各電極もトランジスタＴａと同様に、ハンダ１５とスペーサ１４を利用して放熱板１６ｂと放熱板１７に接合している。

放熱板１６ａは、電極端子７ａの一部である。トランジスタＴａの電極を外部の他のデバイスと接続するための電極端子７ａにおいて、パッケージ１３の平坦面１０ａに露出している部位が放熱板１６ａに相当する。電極端子７ａはトランジスタＴａの電極と接しているので、トランジスタＴａの内部の熱を伝えやすい。一方、冷却器３はアルミニウム（導電性の金属）で作られているので、放熱板１６ａと絶縁する必要がある。それゆえ、半導体装置２は、冷却器３と放熱板１６ａ（パワーカード１０）との間に絶縁板６ａを挟んでいる。絶縁板６ａ、６ｂは、薄くて絶縁性が高く、伝熱性も良いセラミックスで作られている。放熱板１６ａ（電極端子７ａ）及びスペーサ１４は、導電性と伝熱性に優れた銅で作られている。放熱板１６ｂ、放熱板１７も同様である。

放熱板１６ｂ、１７も夫々、放熱板１６ａと同様に、電極端子７ｂ、７ｃの一部である。また、ダイオードＤａ、Ｄｂも、トランジスタＴａ、Ｔｂと同様に、平坦なチップである。ダイオードＤａ、Ｄｂの平坦面に露出している電極は、トランジスタＴａ、Ｔｂと同様に、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７に接続している。

パッケージ１３の平坦面１０ａと絶縁板６ａの間には、放熱層８が配置されている。図３、図４に示すように、放熱層８は、金属板８ｂとグリス８ａとを備える。なお、図２では、放熱層８の断面は簡略化して示されている。金属板８ｂは、平坦面１０ａよりも若干小さい。金属板８ｂは、少なくとも放熱板１６ａ、１６ｂと対向している。金属板の厚みは１００μｍ以下である。金属板８ｂは、複数の貫通孔８ｃを有する。金属板８ｂは、銅等の熱伝導性が高い金属で作製されている。

金属板８ｂの表裏面は、グリス８ａによって全面的に覆われている。金属板８ｂの表裏面を覆うグリス８ａの厚みは、それぞれ１００μｍ以下である。グリス８ａは、複数の貫通孔８ｃのそれぞれを貫通して、金属板８ｂの表裏面を覆うグリス８ａを連結している。放熱層８では、平坦面１０ａと絶縁板６ａとのそれぞれに対して、グリス８ａが接触しており、金属板８ｂは接触していない。同様に、パッケージ１３の平坦面１０ｂと絶縁板６ｂの間にも、放熱層８が挟まれている。

絶縁板６ａと冷却器３の間には、グラファイトシート１１が挟まれている。グラファイトシート１１は、絶縁板６ａと冷却器３のそれぞれに接触している。同様に、絶縁板６ｂと冷却器３の間にも、グラファイトシート１１が挟まれている。

パワーカード１０の平坦面１０ａと冷却器３の間は、パワーカード１０、放熱層８（即ちグリス８ａ、金属板８ｂ、グリス８ａ）、絶縁板６ａ、グラファイトシート１１、冷却器３の順に積層されている。また、パワーカード１０の平坦面１０ｂと冷却器３の間は、パワーカード１０、放熱層８（即ちグリス８ａ、金属板８ｂ、グリス８ａ）、絶縁板６ｂ、グラファイトシート１１、冷却器３の順に積層されている。

本実施例の効果について説明する。以下、放熱板１６ａと絶縁板６ａの間を例にとって説明する。従来では、パワーカード１０がグリス８ａを挟んで絶縁板６ａに接しているとともにパワーカード１０と絶縁板６ａの積層方向に荷重が加えられている半導体装置において、当該荷重によりグリス８ａは薄く引き延ばされる。グリス８ａが薄く延ばされると、パワーカードの発熱により、ポンピングあるいはブリードアウトによって、グリス８ａがパワーカードと冷却部材の隙間から脱落する虞が生じる。本実施例の構成によれば、グリス８ａは、金属板８ｂの表裏面を覆うとともに、貫通孔８ｃを通過するグリス８ａによって金属板８ｂの表裏面のグリス８ａが連結されている。この構成によれば、貫通孔８ｃを通過するグリス８ａが、貫通孔８ｃの周縁の金属板８ｂに係合して、グリス８ａが金属板８ｂの面方向に平行に移動することを抑制することができる。この結果、グリス８ａが放熱板１６ａと絶縁板６ａの間から離脱することを抑制することができる。

さらに、仮にグリス８ａが離脱したとしても、金属板８ｂが、放熱板１６ａと絶縁板６ａに直接接触することによって、放熱板１６ａから絶縁板６ａに熱を伝達することができる。

放熱板１６ｂと絶縁板６ａの間、放熱板１７と絶縁板６ｂの間でも上述と同様の効果が得られる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図では、理解を助けるため、放熱層の厚み、などを強調して描いることに留意されたい。

図２に示したように、冷却器３の内部は単純な空洞である。冷却器３の内部空間には、絶縁板６ａ、６ｂと接する側板の裏面に接するフィンを設けてもよい。

放熱層８の金属板の貫通孔の形状や配置は、金属板８ｂの貫通孔８ｃの形状（即ち円形）及び配置に限られない。例えば、放熱層８は、金属板８ｂに替えて、図５に示す金属板１０８ｂあるいは図６に示す金属板２０８ｂを備えていてもよい。金属板１０８ｂ、金属板２０８ｂでは、貫通孔１０８ｃ、２０８ｃが放熱板１６ａ、１６ｂ、１７と対向する部分に集中的に配置されていてもよい。

また、例えば、金属板８ｂに替えて、図７に示す金属板３０８ｂを備えていてもよい。金属板３０８ｂの貫通孔３０８ｃは、三角形であってもよい。なお、金属板３０８ｂでは、図７の上から２、４行目の貫通孔３０８ｃのそれぞれが、１、３、５行目の貫通孔３０８ｃのそれぞれに対して、上下方向反転して形成されている。しかしながら、２、４行目の貫通孔３０８ｃは、１、３、５行目の貫通孔３０８ｃと同様の方向で形成されていてもよい。また、金属板８ｂの貫通孔８ｃは、三角形以外の多角形であってもよい。

また、半導体装置２は、放熱層８に替えて、図８に示す放熱層４０８を備えていてもよい。放熱層４０８は、放熱層８と同様の金属板８ｂと放熱層８と異なるグリス４０８ａを備えていてもよい。グリス４０８ａは、貫通孔８ｃ内に配置されている一方、金属板８ｂの表裏面のいずれにも配置されていなくてもよい。なお、グリスは、金属板８ｂの表裏面の一方に配置されていてもよい。

あるいは、半導体装置２は、放熱層８に替えて、図９に示す放熱層５０８を備えていてもよい。放熱層５０８は、金属板５０８ｂとグリス５０８ａを備えていてもよい。金属板５０８ｂは、金属板５０８ｂの表裏面の一方から他方に向かって窪む凹部５０８ｃを有していてもよい。凹部５０８ｃは、金属板５０８ｂを貫通していない。グリス５０８ａは、凹部５０８ｃの内部及び金属板５０８ｂの表裏面のうち凹部５０８ｃが配置されている側の面に配置されていてもよい。

また、半導体装置２は、放熱層８に替えて、図１０、図１１に示す放熱層６０８を備えていてもよい。放熱層６０８は、複数の金属部６０８ｂを内包するゲル状の放熱材６０８ａを備えていてもよい。金属部６０８ｂは、厚み１００μｍ以下の円柱形状を有していてもよい。放熱材６０８ａは、厚み３００μｍ以下の平板形状を有していてもよい。なお、放熱材６０８ａは、グリスであってもよい。また、金属部６０８ｂは、円柱形状でなくてもよく、多角柱形状であってもよいし、球体等の３次元形状を有していてもよい。本変形例の構成は、以下のように表現することができる。

半導体素子を収容したパワーカードと冷却器とが絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置であって、
前記パワーカードと前記絶縁部材との間には、複数の金属部を包含するゲル状又は流動性を有する放熱材と、が挟まれている半導体装置。

上記のグリス８ａ等は、ゲル状の放熱材であってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：半導体装置
３：冷却器
６ａ、６ｂ：絶縁板
８：放熱層
８ａ：グリス
８ｂ：金属板
８ｃ：貫通孔
１０：パワーカード
１１：グラファイトシート
１４：スペーサ
１５：ハンダ
１６ａ：放熱板
１６ｂ：放熱板
１７：放熱板

Claims (1)

1. 半導体素子を収容したパワーカードと冷却器とが絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置であって、
   前記パワーカードと前記絶縁部材との間と前記絶縁部材と前記冷却器との間の少なくとも一方には、複数の凹部を有する金属板と、少なくとも前記複数の凹部内に配置されるゲル状又は流動性を有する放熱材と、が挟まれている半導体装置。

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