JP6483565B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を収容した半導体モジュールと冷却器がグリスを挟んで接している半導体装置に関する。

半導体素子を収容した半導体モジュールと冷却器がグリスを挟んで当接している半導体装置が知られている。グリスは、半導体モジュールと冷却器の間の微細な隙間を満たし、半導体モジュールから冷却器への伝熱効率を高める。そのような半導体装置では、「グリス抜け」と呼ばれる次の現象が生じる。半導体素子の熱サイクルに応じて半導体モジュールが変形する。半導体モジュールの冷却器と対向する面が繰り返し面外変形する毎に、半導体モジュールと冷却器の間の空間の体積が増減する。半導体モジュールと冷却器の間の空間の体積が減少したときにグリスが押し出される。半導体モジュールと冷却器の間の空間の体積が元に戻るとき、一部のグリスは元の位置に戻れず、半導体モジュールと冷却器の間の空間のグリスの量が減少する。グリスの量が減少すると、半導体モジュールから冷却器への伝熱効率が下がる。

グリス抜けを抑える技術の一つが例えば特許文献１に開示されている。特許文献１では、半導体モジュールと対向する冷却器の表面にグリスが入り込む閉環状の溝が設けられている。溝は、発熱量の大きい箇所を囲むように設けられる。半導体モジュールと冷却器の間の空間であって溝のリングの内側の空間が狭まってグリスがリングの外側に押し出されても、その空間の体積が戻る際には溝の中のグリスがリングの内側に供給される。こうして、グリス抜けが抑えられる。

特開２０１３−１３８１１３号公報

本明細書は、閉環状の溝ではなく、複数の線状の溝であって合計の長さが閉環状の溝の長さよりも短くて済む複数の溝によって、グリス抜けを抑制する技術を提供する。合計の溝の長さが環状の溝の長さよりも短く済めば、溝の加工時間など、溝の加工コストを抑えることができる。

本明細書が開示する技術は、半導体素子を収容しており、平坦面に金属製の放熱板（金属放熱板）が露出している半導体モジュールと冷却器がグリスを挟んで当接している半導体装置に着目する。金属放熱板の表面には、ツールマークと呼ばれる加工痕が残っている。ツールマークは、平行に延びる複数の筋である。グリスは、このツールマークに沿って移動し易い。他方、金属放熱板は、金属放熱板の法線方向から半導体モジュールを平面視したときに半導体素子と重なる範囲が最も高温になるためこの範囲でグリスが移動し易い。すなわち、この範囲でグリスが抜け易い。そこで本明細書が開示する半導体装置では、複数のツールマークのうち、金属放熱板の半導体素子と重なる範囲（重複範囲）を通るツールマーク群（素子直上ツールマーク群）の重複範囲の両外側に、それら素子直上ツールマーク群を横断する溝を設ける。他方、金属放熱板には、重複範囲を通らないツールマーク群（残りツールマーク群）を横切る溝は設けられていない。

半導体素子が発熱し、金属放熱板と冷却器の間の空間であって重複範囲の空間が狭まると、グリスはツールマークに沿って重複範囲の外へ移動しようする。グリスの移動方向にはグリスが溜まっている溝が存在する。グリスは溝に遮られて移動し難くなる。また、半導体素子の温度が下がり、空間の体積が元に戻ると、溝に蓄えられたグリスがその空間に供給される。こうして、グリス抜けが抑制される。ツールマークの延設方向と交差する方向にはグリスは移動し難いので、その方向には溝を設けずとも、グリス抜けは生じ難い。

本明細書が開示する技術は、金属放熱板上に加工上不可避的に形成されてしまうツールマークに着目し、グリスが抜け易い範囲とグリスが移動し易い方向を限定して溝を設ける。そうすることで、金属放熱板の全体に環状の溝を設ける場合と比較して総距離の短い溝によりグリス抜けを効果的に抑制する。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。 パワーカードを裏面からみた斜視図である。 図１の座標系におけるＸＹ平面でカットしたパワーカードの断面図である。 パワーカードの正面図（平面図）である。 パワーカードの裏面図（平面図）である。 変形例のパワーカードの正面図（平面図）である。 ツールマークと溝の模式的拡大図である。

図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。図１は、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。各パワーカード１０とそれに対向する冷却器３の間には絶縁板６（６ａ、６ｂ）が挟まれている。なお、パワーカード１０と絶縁板６の間、及び、絶縁板６と冷却器３の間にはグリスが塗布されているが、図１ではグリスの図示は省略している。

一つのパワーカード１０には２個の半導体素子が収容されている。２個の半導体素子は、具体的には、２個のトランジスタ１１ａ、１１ｂである。パワーカード１０の内部構造は後に詳しく説明する。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、その積層体（半導体装置２）の積層方向の両端には冷却器が位置している。

隣接する冷却器３は、連結パイプ５ａ、５ｂで連結されている。積層方向の一端の冷却器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、ケース３１に収容される際、パワーカード１０と冷却器３の積層方向の一端とケース３１の内壁との間に板バネ３２が挿入される。その板バネ３２により、半導体装置２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６とパワーカード１０の間にはグリスが塗布されるが、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６に熱を奪われる。それゆえ、絶縁板６は、冷却部材に相当する。半導体装置２は、半導体素子（２個のトランジスタ１１ａ、１１ｂ）を収容したパワーカード１０にグリスを挟んで絶縁板６ａ（冷却部材）が接しているとともに、パワーカード１０と絶縁板６が密着するようにそれらの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と対向する一方の側面１０ａには、放熱板１６ａ、１６ｂが露出している。放熱板１６ａ、１６ｂにはグリスを挟んで絶縁板６ａが接しており、その絶縁板６ａにはグリスを挟んで冷却器３が接している。説明の便宜上、側面１０ａが位置する側をパワーカード１０の正面と称する。パワーカード１０を裏面（Ｘ軸の負方向）から見た図を図２に示す。側面１０ａとは反対側の側面１０ｂには、別の放熱板１７が露出している。放熱板１７にはグリスを挟んで別の絶縁板６ｂが接しており、その絶縁板６ｂにはグリスを挟んで別の冷却器３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。

ここからは、図１、図２とともに図３を参照してパワーカード１０の内部構造を説明する。図３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１１ａと１１ｂを横切る平面でカットした断面図である。

２個の半導体素子（トランジスタ１１ａ、１１ｂ）は、樹脂製のパッケージ１３に封止されている。パッケージ１３は、射出成形により半導体素子（トランジスタ１１ａ、１１ｂ）を封止する。いずれの半導体素子（トランジスタ１１ａ、１１ｂ）も平坦なチップであり、その平坦面がパッケージ１３の側面（パワーカード１０の側面１０ａ、１０ｂ）と平行になるように配置されている。なお、以下ではパワーカード１０の側面１０ａ、１０ｂをパッケージ１３の側面１０ａ、１０ｂと称する場合がある。

トランジスタ１１ａ、１１ｂはＩＧＢＴである。トランジスタ１１ａ、１１ｂはコレクタ電極、エミッタ電極、ゲート電極を有している。トランジスタ１１ａ（１１ｂ）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１１ａ（１１ｂ）のゲートは、チップの一方の平坦面の端に設けられている。トランジスタ１１ａ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のおもて面は、パッケージ１３の側面１０ａに露出している。なお、放熱板において、パッケージ１３から露出している側の面を「おもて面」と称し、反対側の面を「裏面」と称する。一方、トランジスタ１１ａの他方の平坦面の電極は、ハンダ１５と導電部材（スペーサ１４）を介して放熱板１７の裏面に接合している。放熱板１７のおもて面は、パッケージ１３の側面１０ｂに露出している。なお、トランジスタ１１ａの他方の平坦面の端にはゲートが位置しており、そのゲートはワイヤ（不図示）を介して制御端子２９に接続されている。トランジスタ１１ｂも同様の構成を有している。トランジスタ１１ｂのコレクタ電極、エミッタ電極は夫々放熱板１６ｂ、１７に接続されている。ただし、トランジスタ１１ａと１１ｂは、電極の向きが互いに反対になるように配置されており、トランジスタ１１ａのコレクタ電極と、トランジスタ１１ｂのエミッタ電極が放熱板１７と導通している。即ち、トランジスタ１１ａ、１１ｂは、放熱板１７を介して直列に接続されている。

放熱板１６ａは、電極端子７ａの一部である。パッケージ１３の内部で放熱板１６ａの側縁から延設部が伸びており、その延設部はパッケージ１３の内部を通り、パッケージ１３の上面（図中の座標系のＺ軸正方向を向く面）から外部へ伸びている。即ち、トランジスタ１１ａ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の側面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１１ａの電極と接しているので、トランジスタ１１ａの内部の熱を伝えやすい。その電極端子７ａの一部が放熱板１６ａとしてパッケージ１３から露出しているので、放熱板１６ａにはトランジスタ１１ａの内部の熱がよく伝わる。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６を挟んでいる。絶縁板６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）は、導電性と伝熱性に優れた銅で作られている。スペーサ１４も、導電性と伝熱性に優れた銅で作られている。

トランジスタ１１ｂと放熱板１６ｂ、１７、電極端子７ｂ、７ｃの関係についてもトランジスタ１１ａと放熱板１６ａと電極端子７ａの関係と同様である。すなわち、放熱板１６ｂは、電極端子７ｂの一部であり、放熱板１７は、電極端子７ｃの一部である。

放熱板１６ａ、１６ｂは、平板型のパワーカード１０（パッケージ１３）の最大面積の一方の側面１０ａに露出しており、放熱板１７は、パワーカード１０（パッケージ１３）の最大面積の他方の側面１０ｂに露出している。図３によく示されているように、絶縁板６ａと放熱板１６ａ、１６ｂとの間にはグリス９が塗布されている。同様に、絶縁板６ｂと放熱板１７の間にもグリス９が塗布されている。絶縁板６ａ（６ｂ）と冷却器３の間の夫々にもグリス９が塗布されている。グリス９の厚みは数十ミクロンである。図３は、理解し易いように、グリス９の厚みを誇張して描いてある。

放熱板のおもて面について、図４、図５を参照して説明する。図５に、パワーカード１０の正面図を示し、図５に、パワーカード１０の裏面図を示す。図４、図５は、別言すれば、いずれも、放熱板の法線方向からみたパワーカード１０の平面図である。図４は、パワーカード１０をＸ軸の正方向から見た図であり、図５は、パワーカード１０をＸ軸の負方向からみた図である。図４、図５では、トランジスタ１１ａ、１１ｂは破線で描かれている。また、図４、図５では、グリスが塗布される領域を二点鎖線Ｇで描いてある。

図４、図５に示すように、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７の表面には、平行な複数のツールマーク４６が形成されている。「ツールマーク」とは、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７の表面を研磨したときの刀具の軌跡（刀具痕）である。ツールマーク４６は、金属製の放熱板１６ａ、１６ｂ、１７の表面を研磨するときに不可避的に形成されてしまう刀具痕である。ツールマークは、カッターマークあるいは、ホイールマークと呼ばれることもある。

説明の都合上、複数のツールマーク４６を２つのグループに分類する。一つは、放熱板の法線方向からパワーカード１０を平面視したときに放熱板１６ａのトランジスタ１１ａと重なる範囲を通るツールマーク群である。それらのツールマーク群を、素子直上ツールマーク群４６ａと称する。図４は、パワーカード１０を平面視したものであり、図４において、パワーカード１０を平面視したときに放熱板１６ａのトランジスタ１１ａと重なる範囲は、トランジスタ１１ａを示す破線矩形の範囲である。即ち、図４において、トランジスタ１１ａを示す破線矩形を通るツールマーク群が素子直上ツールマーク群４６ａに相当する。ツールマーク４６のもう一つのグループは、放熱板の法線方向からパワーカード１０を平面視したときに放熱板１６ａのトランジスタ１１ａと重なる範囲を通らないツールマーク群である。すなわち、ツールマーク４６のうち、素子直上ツールマーク群４６ａ以外のツールマーク群がこれに相当する。そのツールマーク群を、残りツールマーク群４６ｂと称する。放熱板１６ｂ、１７にも同様に、素子直上ツールマーク群４６ａと残りツールマーク群４６ｂが定義できる。

放熱板１６ａ、１６ｂ、１７には、素子直上ツールマーク群４６ａの両端に、それら素子直上ツールマーク群４６ａを横断する溝４７が設けられている。ここで、「素子直上ツールマーク群４６ａを横断する」とは、溝４７が素子直上ツールマーク群４６ａを横切ることを意味する。なお、残りツールマーク群４６ｂの両端には、そのような溝は設けられていない。なお、パワーカード１０と絶縁板６がグリスを挟んで当接したとき、溝４７はグリスで満たされる。

溝４７の利点を説明する。なお、以下では、説明の便宜上、放熱板の法線方向からパワーカード１０を平面視したときに放熱板１６ａ（１６ｂ、１７）のトランジスタ１１ａ（１１ｂ）と重なる範囲を重畳範囲と称する。重畳範囲がトランジスタ１１ａ（１１ｂ）に最も近いので、トランジスタ１１ａ（１１ｂ）が発熱するとき、放熱板１６ａ（１６ｂ、１７）は、重畳範囲で温度が最も高くなる。

トランジスタ１１ａ、１１ｂが発熱すると、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７が面外変形する。放熱板１６ａ、１６ｂ、１７が面外変形し、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７と絶縁板６との間の空間の体積が減少すると、グリスはツールマーク４６に沿って移動する。温度が最も高くなる重畳範囲で体積減少が最も大きく、グリスは、重畳範囲の外へ移動しようとする。ところが、グリスの移動する先には、溝４７がある。グリスは溝４７にせき止められてそれ以上移動しなくなる。あるいは、溝４７を超えて移動するグリスの量は、溝４７が存在しない場合と比較して少ない。すなわち、溝４７は、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７が面外変形したときに、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７の上（特に重畳範囲）から外側へ拡散するグリスの量を少なくする効果がある。別言すれば、溝４７は、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７の上（特に重畳範囲）からグリスが抜けることを防止する（抑制する）。

また、トランジスタ１１ａ、１１ｂの温度が下がると、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７が元の形状に戻る。放熱板１６ａ、１６ｂ、１７が元の形状に戻ると、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７と絶縁板６との間の空間の体積も元に戻る。このときも、グリスはツールマーク４６に沿って移動する。特に、重畳範囲で体積変化が大きいので、グリスは、重畳範囲の外側から内側へ戻ろうとする。このとき、溝４７に溜まったグリスが放熱板１６ａ（１６ｂ、１７）の表面に供給されるので、放熱板１６ａ（１６ｂ、１７）の表面でグリスの欠乏が生じ難い。重畳範囲でグリスの欠乏が生じることを抑制することができる。こうして、溝４７は、放熱板１６ａ（１６ｂ、１７）の表面におけるグリス抜けを抑制することに貢献する。

ツールマーク４６の横断する方向にはグリスは移動し難い。それゆえ、素子直上ツールマーク群４６ａ以外のツールマーク、即ち、残りツールマーク群４６ｂの両端には溝を設けても効果は小さい。それゆえ、本実施例の半導体装置２では、溝４７は、残りツールマーク群４６ｂを横切ってはおらず、また、放熱板には、残りツールマーク群４６ｂを横切る溝は設けられていない。

放熱板１６ａ（１６ｂ、１７）の周囲の全てに溝を設けても良いが、それでは溝の総延長が長くなってしまう。実施例のパワーカード１０は、放熱板１６ａ（１６ｂ、１７）の周囲の全てに溝を設ける場合と比較して、溝の総延長距離を短くすることができ、溝形成のコスト（時間的コスト）を低く抑えることができる。

なお、溝４７は、パワーカード１０を平面視したときに放熱板１６ａ（１６ｂ、１７）のトランジスタ１１ａ（１１ｂ）と重なる範囲（重複範囲）の両外側に設けられていればよい。例えば、溝４７は、トランジスタ１１ａを示す破線矩形のすぐ外側に設けられていてもよい。あるいは、溝４７は、放熱板１６ａの表面ではなく素子直上ツールマーク群４６ａの端と接するように、パッケージ１３に設けられていてもよい。

図６は、変形例のパワーカード１１０の正面図（平面図）である。パワーカード１１０では、複数のツールマーク４６の向きが先のパワーカード１０の場合とは異なる。しかし、パワーカード１１０でも、複数のツールマーク４６のうち、放熱板１６ａ（１６ｂ）のトランジスタ１１ａ（１１ｂ）と重なる範囲（重畳範囲）を通る素子直上ツールマーク群４６ａの両端には、素子直上ツールマーク群を４６ａ横断する溝４７が設けられている。重畳範囲を通らない残りツールマーク群４６ｂの両端には溝が設けられていない。図６のパワーカード１１０でも、図４、図５に示したパワーカード１０と同じ効果が期待できる。

溝４７は、切削加工で形成してもよいし、レーザ加工で形成してもよい。レーザ加工の場合、レーザの熱で溶けた溶融金属が溝の縁に盛り上がり、溝に沿って突条が形成される。図７にレーザ加工による溝とその周辺のツールマークの模式的拡大図を示す。図７は、放熱板の一部を表している。ハッチングは、その面が断面であることを示している。放熱板１１６も金属製であり、製造工程において、表面が研磨加工で仕上げられる。放熱板１１６の表面１１６ａに平行な複数のツールマーク４６が形成されている。ツールマーク４６は、表面１１６ａの研磨加工の際に不可避的に形成されてしまう。レーザ加工による溝４７は、複数のツールマーク４６を横断するように設けられている。溝４７の両側に突条４７ａが形成される。この突条４７ａは、先に述べたように、レーザの熱で溶けた金属が盛り上がった結果、形成される。ツールマーク４６は、突条４７ａで遮られる。ツールマーク４６に沿って移動するグリスは、突条４７ａに阻まれて移動が制限される。図７の矢印Ａは、放熱板１１６の熱変形時のグリスの流れを示している。矢印Ａの先端の先が突条４７ａによって遮られている。このことは、グリスの移動が突条４７ａによって規制されることを表している。突条４７ａを超えるグリスが存在するとしても、そのグリスは溝４７に捕捉される。グリスの移動は、突条４７ａと溝４７の両方により規制される。図４〜図６の溝４７をレーザ加工により形成すると、グリス抜けをより効果的に抑制することができる。

突条４７ａの高さは、ツールマーク４６の高さとほぼ同じである。突条４７ａの高さは、ツールマーク４６の高さとほぼ同じであることが好ましい。ツールマーク４６の高さは、数ミクロン程度である。

実施例で説明した技術の留意点を述べる。実施例の半導体装置２は、両面に放熱板が露出した複数のパワーカードを備える。本明細書が開示する技術は、一側面に金属製の放熱板が露出しており、その一側面にグリスを挟んで冷却部材が当接している半導体装置に適用することも好適である。実施例の半導体装置では、溝４７は、放熱板の縁よりも内側に設けられている。溝４７は、放熱板の縁に設けられていてもよい。あるいは、溝は、素子直上ツールマーク群４６ａの端と接するように、パッケージの表面に設けられていてもよい。

実施例のパワーカード１０、１１０が半導体モジュールの一例に相当する。実施例の絶縁板６が冷却部材の一例に相当する。

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
６、６ａ、６ｂ：絶縁板
７ａ、７ｂ、７ｃ：電極端子
９：グリス
１０、１１０：パワーカード
１１ａ、１１ｂ：トランジスタ
１３：パッケージ
１６ａ、１６ｂ、１７：放熱板
３１：ケース
３２：板バネ
４６：ツールマーク
４６ａ：素子直上ツールマーク群
４６ｂ：残りツールマーク群
４７：溝
４７ａ：突条

Claims (1)

1. 半導体素子を収容しており、側面に金属放熱板が露出している半導体モジュールと、
   前記半導体モジュールの前記金属放熱板にグリスを挟んで当接している冷却部材と、
   を備えており、
   前記金属放熱板の表面に、平行な複数のツールマークが形成されており、
   前記金属放熱板の法線方向から前記半導体モジュールを平面視したときに、前記半導体素子と前記金属放熱板は重なっており、前記複数のツールマークのうち、前記金属放熱板の前記半導体素子と重なる範囲を通る素子直上ツールマーク群の当該重なる範囲の両外側に、前記素子直上ツールマーク群を横断する溝が設けられており、
   前記金属放熱板には、前記重なる範囲を通らない残りツールマーク群を横切る溝は存在しないことを特徴とする半導体装置。

Images