JP6468095B2 - 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がグリスを挟んで冷却部材に接しているとともにパワーカードと冷却部材の積層方向に荷重が加えら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、半導体素子に対する冷却性能が高く、例えば電気自動車の駆動系のインバータに用いられている。そのような半導体装置の一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１の半導体装置では、微視的な隙間を埋めるために、パワーカードと冷却器（冷却部材）がグリスを挟んで積層されている。パワーカードと冷却器は、いずれも平板型であり、幅広面の法線が水平方向を向く姿勢で保持されている。パワーカードと冷却器の間からグリスが垂れ落ちることを防止するために、パワーカードの表面の下方に、水平方向に伸びる突条が設けられている。なお、一般に、パワーカードと冷却部材の間からグリスが流出することを「グリスが抜ける」と表現することがある。本明細書でもそのような表現を用いる。

特開２０１４−０７５５３７号公報

パワーカードと冷却部材の間からグリスが抜ける原因は重力だけではない。グリスの層が薄いほど、パワーカードに対する冷却能力が高まる。それゆえ、パワーカードと冷却部材の積層体にはその積層方向に荷重が加えられ、グリスが薄く延ばされる。グリスの厚みは、例えば、１００ミクロン以下であることが好ましい。グリスが薄く延ばされると、半導体素子の発熱によるパワーカードの膨張によりグリスがパワーカードと冷却部材の隙間から抜ける虞が生じる。

本明細書は、パワーカードと冷却部材の間からグリスが抜け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、樹脂製のパッケージに半導体素子を収容したパワーカードが冷却部材に接しているとともにパワーカードと冷却部材の積層方向に荷重が加えられている半導体装置に関する。本明細書が開示する半導体装置は、パッケージの冷却部材と対向する面に表面が露出している放熱板と、グリスと、パワーカードと冷却部材の間に挟まれている放熱シートとを備えている。放熱板は、上記の表面がパッケージの対向する面から窪んでいる。グリスは、放熱板の当該窪みに収容されている。そして、放熱シートは、積層方向から見たときに放熱板の外縁を囲むパッケージの表面と重なるように放熱板を覆っており、冷却部材より弾性率が低い。

冷却部材とパワーカードの間からグリスを抜けることを防止するために、パワーカードの冷却部材と対向する面に窪みを設け、冷却部材と窪みの間の空間にグリスを収容することが考えられる。ここで、当該窪みは、放熱板の膨張により容積が減少する。窪みの容積が減少した場合、冷却部材と窪みの間の空間の容積も減少するので、容積が減少することにより余るグリスが窪みの外へと抜ける虞がある。

本明細書が開示する半導体装置によれば、放熱シートが、放熱板の表面、即ち、放熱板の表面に設けられている窪みを覆っている。また、放熱シートが、積層方向から見たときに放熱板の外側を囲むパッケージの表面と重なっており、積層方向に荷重が加えられている。よって、窪みに収容されているグリスは、窪みと放熱シートの間の空間に閉じ込められる。ここで、半導体素子の発熱により放熱板が膨張し窪みの容積が減少した場合、放熱シートは容積が減少することにより余るグリスにより押圧される。放熱シートは、冷却部材より低い弾性率を有するので、余るグリスに押圧されることで、窪みの容積減少を補うように変形する。即ち、放熱板の膨張により窪みの容積が減少しても、放熱シートが変形することにより、窪みと放熱シートの間の空間の容積の減少が抑えられる。従って、窪みと放熱シートの間の空間にグリスが留まりやすくなる。グリスが窪みに留まりやすくなり、パワーカードと冷却部材の間からグリスが抜けることが防止される。

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。

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。 パワーカードの正面図である。 パワーカードの裏面図である。

図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。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との間には絶縁板６ａが挟まれており、パワーカード１０と他方の冷却器３との間には絶縁板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、グリスが塗布されるとともに、放熱シートが挟まれる。絶縁板６ａ、６ｂと冷却器３の間にはグリスが塗布される。図１ではグリスと放熱シート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、絶縁板とパワーカードの間にはグリスが塗布され、さらに放熱シートが挟まれている。３［ｋＮ］という高い荷重は、グリス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。それゆえ、絶縁板６ａ、６ｂは冷却部材に相当する。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にグリスと放熱シートを挟んで絶縁板６ａ、６ｂ（冷却部材）が接しているとともに、パワーカード１０と冷却器３の間のグリスの層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。

放熱板１６ａのパッケージ１３の平坦面１０ａに露出している表面は、パッケージ１３の平坦面１０ａから窪んでいる。放熱板１６ａの表面は、表面粗さを小さくし塗布するグリスが当該表面によく馴染むように、研磨される。研磨の際、放熱板１６ａの表面は、パッケージ１３の平坦面１０ａから窪んでいる形状となる。この窪んでいる部位を、以下、窪み２２ａと称する。即ち、窪み２２ａは、放熱板１６ａの表面を研磨する際に形成される窪みである。なお、窪みの深さは、概ね１００マイクロメートル以下である。

放熱板１６ｂ、１７の表面も、放熱板１６ａと同様にパッケージ１３の平坦面１０ａ、１０ｂから窪んでいる。以下、放熱板１６ｂ、１７の表面の当該窪みの夫々を、窪み２２ｂ、２３と称する。

放熱板１６ａの表面には、グリス９が塗布されている。上述したように、放熱板１６ａの表面には、窪み２２ａがある。放熱板１６ａの表面にグリス９が塗布されることにより、グリス９は窪み２２ａに収容される。同様に、放熱板１６ｂ、１７の表面にもグリス９が塗布されており、放熱板１６ｂ、１７の窪み２２ｂ、２３にもグリス９が収容されている。

パワーカード１０の平坦面１０ａと絶縁板６ａの間には、放熱シート２０ａが挟まれている。放熱シート２０ａは、流動性を有する放熱材を絶縁板６ａに塗布した後に硬化することで形成されるシートであり、柔軟性を有するゴム状のシートである。放熱シート２０ａは絶縁板６ａに付着する。放熱シート２０ａが付着した絶縁板６ａをパワーカード１０に積層することにより、パワーカード１０の平坦面１０ａと絶縁板６ａの間に放熱シート２０ａが挟まれる。同様に、パワーカード１０の平坦面１０ｂと絶縁板６ｂの間にも、放熱シート２０ｂが挟まれている。放熱シート２０ｂは、パワーカード１０の平坦面１０ｂの側に位置する絶縁板６ｂに付着している。

絶縁板６ａと冷却器３の間には、グリス９が塗布されている。同様に、絶縁板６ｂと冷却器３の間にも、グリス９が塗布されている。

上述したように、放熱シート２０ａ、２０ｂは、流動性を有する放熱材を硬化させることにより形成されるシートであり、流動性が失われた固形の放熱材である。一方、グリス９は、流動性を有する放熱材である。また、絶縁板６ａ、６ｂは、セラミックで製作された板であり、柔軟性の低い部材である。一方、放熱シート２０ａ、２０ｂは、柔軟性の高い部材であり、その弾性率は、絶縁板６ａ、６ｂより低い。さらに、放熱シート２０ａ、２０ｂの弾性率は、樹脂製であるパワーカード１０のパッケージ１３の弾性率よりも低い。

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、放熱シート２０ａ、絶縁板６ａ、グリス９、冷却器３の順に積層されている。パワーカード１０の平坦面１０ａに露出している放熱板１６ａ、１６ｂの表面の窪み２２ａ、２２ｂと放熱シート２０ａの間の空間には、グリス９が収容されている。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、放熱シート２０ｂ、絶縁板６ｂ、グリス９、冷却器３の順に積層されている。そして、パワーカード１０の平坦面１０ｂに露出している放熱板１７の表面の窪み２３と放熱シート２０ｂの間の空間にも、グリス９が収容されている。

図３、図４を参照して、放熱シートの構成についてさらに説明する。図３は、パワーカード１０をＸ軸の正方向から見た図であり、図４は、パワーカード１０をＸ軸の負方向から見た図である。図３、図４の夫々では、絶縁板６ａ、６ｂを仮想線で表している。図３に示すように、放熱シート２０ａは、パッケージ１３の平坦面１０ａに露出している放熱板１６ａ、１６ｂの全面を覆っている。別言すれば、積層方向（即ち、Ｘ軸方向）から見たときに、放熱板１６ａ（１６ｂ）の外縁を囲むパッケージ１３の表面と重なるように放熱板１６ａ（１６ｂ）を覆っている。放熱シート２０ａのＹ軸方向における幅Ｗ２は、Ｙ軸方向に並ぶ放熱板１６ａ、１６ｂにおける放熱板１６ａのＹ軸正方向における端辺から放熱板１６ｂのＹ軸負方向における端辺までの幅Ｗ１より大きい。放熱シート２０ａのＺ軸方向における幅Ｌ２は、放熱板１６ａ（１６ｂ）のＺ軸方向における幅Ｌ１より大きい。これにより、窪み２２ａ（２２ｂ）は、放熱シート２０ａにより全体が覆われる。また、上述したように、半導体装置２は、積層方向（即ち、Ｘ軸方向）に板バネ３２により荷重が加えられている。窪み２２ａ（２２ｂ）と放熱シート２０ａの間の空間は、窪み２２ａ（２２ｂ）の外縁を囲むパッケージ１３の表面にこの荷重により当接する放熱シート２０ａにより閉ざされる。即ち、放熱シート２０ａは、窪み２２ａ（２２ｂ）と放熱シート２０ａの間の空間を封止するいわゆるシール材としての機能を有する。グリス９は、この閉ざされた空間に収容される。

図４に示すように、放熱シート２０ｂは、パッケージ１３の平坦面１０ｂに露出している放熱板１７の全面を覆っている。放熱シート２０ｂのＹ軸方向における幅Ｗ４は、放熱板１７のＹ軸方向における幅Ｗ３より大きい。放熱シート２０ｂのＺ軸方向における幅Ｌ４は、放熱板１７のＺ軸方向における幅Ｌ３より大きい。窪み２２ａと同様に、放熱板１７の窪み２３も、放熱シート２０ｂにより全体が覆われる。そして、窪み２３と放熱シート２０ｂの間の空間も、放熱シート２０ｂと積層方向の荷重により閉ざされ、当該空間にグリス９が収容される。

本実施例の効果について説明する。以下、放熱板１６ａと放熱シート２０ａの間を例にとって説明する。パワーカードがグリスを挟んで冷却部材に接しているとともにパワーカードと冷却部材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は薄く引き延ばされる。グリスが薄く延ばされると、発熱するパワーカードの膨張によりグリスがパワーカードと冷却部材の隙間から抜ける虞が生じる。本実施例の構成によれば、グリス９は、放熱板１６ａの窪み２２ａと放熱シート２０ａの間の空間に閉じ込められる。トランジスタＴａの発熱により放熱板１６ａが膨張し窪み２２ａの容積が減少した場合、放熱シート２０ａは容積が減少することにより余るグリスにより押圧される。放熱シート２０ａは、冷却部材（絶縁板６ａ）より低い弾性率を有するので、余るグリスに押圧されることで、窪み２２ａの容積減少を補うように変形する。即ち、放熱板１６ａの膨張により窪み２２ａの容積が減少しても、放熱シート２０ａが変形することにより、窪み２２ａと放熱シート２０ａの間の空間の容積の減少が抑えられる。従って、窪み２２ａと放熱シート２０ａの間の空間にグリス９が留まりやすくなる。グリス９が窪み２２ａに留まりやすくなり、パワーカード１０と絶縁板６ａの間からグリス９が抜けることが防止される。

また、上述したように、窪み２２ａは、放熱板１６ａの表面を研磨する際に形成される窪みである。本実施例の構成によれば、放熱板１６ａの研磨加工の際に形成される窪み２２ａを利用することで、窪みを形成する工程を追加することなく、簡易にパワーカード１０と絶縁板６ａの間からグリス９が抜けることを防止することができる。

放熱板１６ｂと放熱シート２０ａの間、放熱板１７と放熱シート２０ｂ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、グリスの層の厚み、放熱シートの厚み、窪みの深さ、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。

絶縁板６ａ、６ｂと、絶縁板６ａ、６ｂと冷却器３の間に挟まれているグリス９は無くてもよい。この場合、冷却器３が「冷却部材」の一例である。

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
４ａ：冷媒供給管
４ｂ：冷媒排出管
５ａ、５ｂ：連結パイプ
６ａ、６ｂ：絶縁板
７ａ、７ｂ、７ｃ：電極端子
９：グリス
１０：パワーカード
１０ａ、１０ｂ：平坦面
１３：パッケージ
１４：スペーサ
１５：ハンダ
１６ａ、１６ｂ、１７：放熱板
２０ａ、２０ｂ：放熱シート
２２ａ、２２ｂ、２３：窪み
２９：制御端子
３１：ケース
３２：板バネ
Ｄａ、Ｄｂ：ダイオード
Ｔａ、Ｔｂ：トランジスタ

Claims (1)

1. 樹脂製のパッケージに半導体素子を収容したパワーカードが冷却部材に接しているとともに前記パワーカードと前記冷却部材の積層方向に荷重が加えられている半導体装置であって、
   前記パッケージの前記冷却部材と対向する面に表面が露出している放熱板であって、当該表面が前記パッケージの前記対向する面から窪んでおり、当該窪みは、研磨された前記表面の一部である、放熱板と、
   前記放熱板の前記窪みに収容されているグリスと、
   前記パワーカードと前記冷却部材の間に挟まれており、前記積層方向から見たときに前記放熱板の外縁を囲む前記パッケージの表面と重なるように前記放熱板を覆っている放熱シートであって、前記冷却部材より弾性率が低い放熱シートと、
   を備える半導体装置。

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