JP6690458B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本明細書は、半導体装置を開示する。

半導体装置として、半導体素子を封止した半導体モジュールと、冷却器と、が積層され、半導体モジュールと冷却器との間にグリスが塗布されている半導体装置が知られている（例えば特許文献１）。半導体モジュールと冷却器は、それらの積層方向に荷重されている。特許文献１には、積層方向と直交する面方向において、第１グリスを、第１グリスよりも粘性の高い第２グリスで囲んだ半導体装置が開示されている。

グリスは、半導体モジュールから冷却器への伝熱特性を高めるために塗布されている。半導体モジュールと冷却器の積層体は積層方向に荷重されているため、流体のグリスでは、経年変化で半導体モジュールと冷却器の間から散逸する可能性がある。

一方、グリスのような流体でなく、固体の部材を、半導体モジュール（発熱体）と冷却器（あるいは放熱体）との間に挟む技術も知られている（例えば、特許文献２、３）。特許文献２、３には、発熱体と放熱体との間に配置する伝熱シートが開示されている。特許文献２、３に開示された伝熱シートでは、複数の細長の伝熱フィラーが、その長手方向を特定の方向に向けて分布している異方性材料が使われている。そのような伝熱シートでは、伝熱フィラーの長手方向が向いている方向が他の方向よりも熱伝導率が高くなる。特許文献２の伝熱シートは、伝熱フィラーの長手方向が厚み方向に揃えられた伝熱シートを発熱体と放熱体との間に挟むことで、発熱体から放熱体への伝熱効率を高める。

特許文献３の伝熱シートは、伝熱フィラーの長手方向が面内を向いている第１シートと、伝熱フィラーの長手方向が厚み方向を向いている第２シートを積層し、第１シート側を発熱体に接合し、第２シート側を放熱体に接合する技術が開示されている。第１シートは、面内方向に熱伝導率が高く、発熱体の熱は第２シート全体に素早く拡がる。第２シートは厚み方向に熱伝導率が高く、第２シート全体に広がった熱を放熱板へ効率よく伝える。

特許文献２、３の技術は、いずれも、細長い伝熱フィラーを分布させて熱伝導率に関して異方性を持たせたシートを活用し、発熱体から放熱体への伝熱効率を高める。なお、伝熱フィラーには、例えば、六方晶窒化ホウ素やグラファイトが用いられる。

特開２０１６−５４２２３号公報 特開２０１４−１５０１６１号公報 特開２０１３−２５４８８０号公報

特許文献１に開示された半導体装置におけるグリスの代わりに、特許文献２、３に開示された異方性材料を用いることで、半導体モジュールと冷却器の間からのグリス散逸という問題を解決できる。しかし、細長い複数の伝熱フィラーを特定方向に向けた材料は、一般に、強度が弱くなる傾向がある。グリスの代わりに特許文献２で開示された伝熱シートを用いると、十分な強度を確保できないおそれがある。特許文献３で開示された伝熱シートは、伝熱フィラーの向きの異なる２枚のシートが積層されているため、十分な強度が得られる可能性があるが、２枚のシートを積層するため厚みが大きくなり、伝熱効率の点で改善の余地がある。本明細書が開示する技術は、熱伝導率に関して異方性を有する材料を用いて、半導体モジュールから冷却器への伝熱性と強度に優れる伝熱板を使った半導体装置を提供する。

本明細書が開示する半導体装置の一形態は、半導体素子を封止した半導体モジュールと、冷却器と、が積層されており、それらが積層方向に荷重されている半導体装置である。半導体モジュールは、積層方向に沿って半導体素子に対向する放熱板を有する。半導体装置は、半導体モジュールと冷却器との間に、伝熱板を備える。伝熱板は、細長い複数の伝熱フィラーがその長手方向を特定方向に向けて分布しており、その特定方向の熱伝導率が他の方向の熱伝導率より高い異方性を有する異方性材料で作られている。伝熱板は、第１領域と第２領域を有している。第１領域は、放熱板に対向する範囲内に設けられ、伝熱フィラーの長手方向が積層方向に沿っているとともに、前記伝熱板の前記積層方向における両面で露出している。第２領域は、伝熱板を平面視したときに第１領域の周囲に設けられており、伝熱フィラーの長手方向が積層方向と交差する方向に沿っている。この形態の半導体装置では、第１領域の積層方向における一方の面が放熱板と当接しており、第１領域の積層方向における他方の面が冷却器と当接している。この形態の半導体装置によれば、放熱板に対向する第１領域が、半導体モジュールから冷却器へと効率的な熱伝導を実現し、かつ、第１領域の周りに設けられた第２領域と第１領域の組み合わせが、荷重に対する強度を向上させる。なお、本明細書における「伝熱板」には、柔軟性を有するシート状の部材も含まれる。

実施例の半導体装置の斜視図である。 半導体モジュールを裏面（Ｘ軸の負方向）からみた図である。 半導体モジュールおよび伝熱板をＸ軸の正方向から見た正面図である。 半導体モジュール、伝熱板、および冷却器における図３に示すＡ−Ａ断面図である。 第１領域および第２領域の領域を説明するための放熱板の付近の拡大正面図である。

（実施例）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、複数の半導体モジュール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、一つの半導体モジュールだけに符号１０を付し、他の半導体モジュール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。なお、図１では、理解し易いように、一つの半導体モジュール１０（及び伝熱板６）を半導体装置２から抜き出して描いてある。

一つの半導体モジュール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。半導体モジュール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。

半導体モジュール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。半導体モジュール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。半導体モジュール１０と冷却器３の間には伝熱板６が挟まれている。各半導体モジュール１０は、その両面の夫々に、伝熱板６を挟んで冷却器３が対向している。

複数の冷却器３は、連結パイプ５ａ、５ｂで連結されている。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伝熱板６を介して、半導体モジュール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、積層方向の一端側に板バネ３２が挿入される。その板バネ３２により、半導体モジュール１０と伝熱板６と冷却器３の積層ユニットには、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。半導体装置２は、半導体素子（２個のトランジスタＴａ、Ｔｂと２個のダイオードＤａ、Ｄｂ）を収容した半導体モジュール１０に伝熱板６が接しているとともに、半導体モジュール１０と伝熱板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。

半導体モジュール１０を説明する。半導体モジュール１０において、伝熱板６と対向する一方の平坦面１０ａには、放熱板１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄが露出している。説明の便宜上、平坦面１０ａを半導体モジュール１０の正面と称し、平坦面１０ａと反対側の平坦面１０ｂを半導体モジュール１０の裏面と称する。

図２は、半導体モジュール１０を裏面（Ｘ軸の負方向）からみた図である。平坦面１０ｂには、平坦面１０ａにおいて露出している放熱板１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄとは異なる放熱板１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄが露出している。平坦面１０ｂには、平坦面１０ａが接している伝熱板６とは別の伝熱板６が接しており、その伝熱板６を挟んで別の冷却器３が接している。すなわち、半導体モジュール１０は、両面の夫々が伝熱板６と接しており、各伝熱板６は、冷却器３と接している。半導体モジュール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１および図２に示すように、半導体モジュール１０に封止されている半導体素子であるトランジスタＴａ、Ｔｂと、ダイオードＤａ、Ｄｂは、平坦なチップである。トランジスタＴａおよびダイオードＤａと、トランジスタＴｂおよびダイオードＤｂとは、半導体モジュール１０の中心を通るＺ軸に平行な直線を基準として対照的に配置される。同様に、トランジスタＴａとトランジスタＴｂ、および、ダイオードＤａとダイオードＤｂとは、半導体モジュール１０の中心を通るＹ軸と平行な直線を基準として対照的に配置される。

ここからは、図１、図２とともに図３ないし図５を参照して半導体モジュール１０の内部の詳細について説明する。図３は、半導体モジュール１０および伝熱板６をＸ軸の正方向から見た正面図である。図３に示すように、伝熱板６は、ＹＺ平面に沿って、平坦面１０ａの範囲内に収まる平板状の形状を有する。本実施形態では、伝熱板６として、細長い伝熱フィラーを、その長手方向を揃えて分布させた絶縁性のシートを用いている。細長い伝熱フィラーは、その長手方向の熱伝導率が高い。それゆえ、複数の細長い伝熱フィラーを、その長手方向を揃えて分布させたシートは、伝熱フィラーの長手方向に沿って高い熱伝導率を発揮する。別言すれば、細長い複数の伝熱フィラーをその長手方向が特定方向を向くように分布させたシートは、その特定方向の熱伝導率が他の方向の熱伝導率より高い異方性を有する異方性材料である。伝熱板６は、半導体モジュール１０から冷却器３へと熱を伝導するが、半導体モジュール１０と冷却器３とを絶縁する。伝熱フィラーとしては、例えば、六方晶窒化ホウ素やグラファイトが用いられる。伝熱フィラーでは、長手方向の熱伝導率は、他の方向の熱伝導率よりも高くなる性質を有している。なお、複数の細長い伝熱フィラーをその長手方向を揃えて分布させたシートは、伝熱フィラーの長手方向に沿って裂けやすい（即ち強度が低い）という特徴も有している。伝熱フィラーは、燐片状、楕円球状または棒状の形状である。伝熱板６は、伝熱フィラーの長手方向を異なるように配置させた異方性を有する異方性材料で形成されている。なお、伝熱板６における異方性の詳細については、図４、５の説明と合わせて後述する。

図４は、半導体モジュール１０、伝熱板６、および冷却器３における図３に示すＡ−Ａ断面図である。換言すると、図４に示す断面図は、トランジスタＴａ、Ｔｂを横切るＸＹ平面に平行な平面でカットした断面図である。図４に示すように、冷却器３の内部には、交差するように金属製のフィン３６が配置されている。フィン３６は、冷却器３の内部を流れる冷媒の冷却効率を上昇させる。

図４に示すように、半導体モジュール１０では、積層方向であるＸ軸方向に沿って順番に、放熱板１６ａ、トランジスタＴａ、スペーサ１４、放熱板１７ａが積層されている。同じように、半導体モジュール１０では、積層方向に沿って順番に、放熱板１６ｃ、トランジスタＴｂ、スペーサ１４、放熱板１７ｃが積層されている。放熱板１６ａとトランジスタＴａとの接合、放熱板１６ｃとトランジスタＴｂとの接合、トランジスタＴａ、Ｔｂとスペーサ１４との接合、スペーサ１４と放熱板１７ａ、１７ｃとの接合は、はんだによって接合されている。トランジスタＴａ、Ｔｂと同様に、半導体モジュール１０では、図４に図示していないダイオードＤａ、Ｄｂも、放熱板１６ｂ、１６ｄ、１７ｂ、１７ｄとスペーサ１４と積層されている。

半導体モジュール１０では、トランジスタＴａ、Ｔｂ、ダイオードＤａ、Ｄｂ、放熱板１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、スペーサ１４は、樹脂によって覆われている。トランジスタＴａ、Ｔｂ等を埋設している樹脂を以下では樹脂パッケージ１８と称する。なお、放熱板１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄは、その一面が樹脂パッケージ１８から露出している。放熱板１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの樹脂パッケージ１８から露出した面が、伝熱板６と接触する。

図４に示すように、半導体モジュール１０と冷却器３との間に配置される伝熱板６は、複数の伝熱フィラーＦＩを有する。伝熱板６は、複数の伝熱フィラーＦＩの長手方向が積層方向に沿っている第１領域６１と、複数の伝熱フィラーＦＩの長手方向が積層方向と交差する面方向に沿っている第２領域６２と、を含んでいる。第１領域６１および第２領域６２は、積層方向に沿って同じ断面積を有する層として形成されている。

なお、図４は、理解を助けるために、Ｘ方向を引き延ばして描いてある。伝熱板６の厚みは、２ｍｍ程度であり、半導体モジュール１０、及び、冷却器３の厚みは１０ｍｍ程度である。また、図４は断面図であるが、理解を助けるために、伝熱板６では、断面を示すハッチングの代わりに、細長の伝熱フィラーＦＩを模式的に描いた。図４における伝熱フィラーＩＦの長手方向が、現実の伝熱板６においても、分布させた伝熱フィラーの長手方向を示している。

図５は、第１領域６１および第２領域６２の領域を説明するための放熱板１６ａの付近の拡大正面図である。図５では、第１領域６１を第２領域６２よりも細かいハッチングで表している。図中のＸ軸は、図１で示したように、冷却器３と半導体モジュール１０の積層方向に相当する。図５に示すように、図中のＸ方向（積層方向）からみて、第１領域６１は、対向する放熱板１６ａの輪郭の範囲内に配置され、第２領域６２は、第１領域６１の周囲に配置される。

以上説明したように、半導体モジュール１０は、放熱板１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄを有し、これらの放熱板と冷却器３との間には、伝熱板６が配置される。伝熱板６は、細長い伝熱フィラーＦＩの長手方向によって熱伝導率が異なる異方性を有する異方性材料で形成されている。伝熱板６は、伝熱フィラーＦＩの長手方向が積層方向に沿っている第１領域６１と、伝熱フィラーＦＩの長手方向が積層方向と交差する方向に沿っている第２領域６２と、を有している。別言すれば、伝熱板６は、伝熱フィラーＦＩの長手方向が厚み方向を向いている第１異方性板と、伝熱フィラーＦＩの長手方向が面内方向を向いている第２異方性板を組み合わせたものである。

異方性板は、エポシキ樹脂、ポリイミド、ベンゾオキサジンなどの樹脂を溶融させたものに、伝熱フィラーをその長手方向を揃えて分散させた後に樹脂を硬化させ、シート状に薄くカットして作られる。伝熱板６は、２種類の異方性板（上記した第１異方性板と第２異方性板）を並べて接合して作られる。あるいは、伝熱板６は、上記した第２異方性板に、放熱板と対向する位置に孔を設け、その孔に第１異方性板を配置して周囲を接合して作られる。

第１領域６１は、対向する放熱板の範囲内に配置され、第２領域６２は、第１領域６１の周囲に配置されている。そのため、本実施例の半導体装置２では、放熱板に対向する第１領域６１が、半導体モジュール１０から冷却器３へと効率的な熱伝導を実現する。先に述べたように、複数の細長い伝熱フィラーをその長手方向を揃えて分布させた板は、強度が低くなる。伝熱板６は、フィラーの向きが異なる２種類の異方性板を組み合わせることによって、複数の細長い伝熱フィラーが一方向に揃っている板の強度低下を補っている。即ち、伝熱板６では、伝熱フィラーがＸ方向（積層方向）に揃っている第１領域６１と、伝熱フィラーがＸ方向と交差する方向に揃っている第２領域６２の組み合わせが、伝熱板６の強度を高めている。また、本実施例の半導体装置２では、伝熱板６の代わりに、絶縁体およびグリスを採用した半導体装置と比較して、流体であるグリスを用いていないため、グリスが半導体モジュール１０と冷却器３との間から散逸するおそれがない。

なお、上記実施例では、第２領域６２における伝熱フィラーＦＩの長手方向が積層方向と交差する方向として、積層方向と直交する方向を例に挙げて説明したが、第２領域６２が含む伝熱フィラーＦＩの長手方向については、種々変形可能である。例えば、第２領域６２が含む伝熱フィラーＦＩの長手方向は、第１領域６１が含む伝熱フィラーＦＩの長手方向に対して４５度の角度で交差していてもよい。また、第２領域６２として、伝熱フィラーＦＩの長手方向が、第１領域６１に含まれる伝熱フィラーＦＩの長手方向に交差する複数の方向を有していてもよい。例えば、第２領域６２には、第１領域６１に含まれる伝熱フィラーＦＩに対して９０度の角度で交差する伝熱フィラーＦＩと４５度の角度で交差する伝熱フィラーＦＩが混在していてもよい。

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
４ａ…冷媒供給管
４ｂ…冷媒排出管
５ａ、５ｂ…連結パイプ
６…伝熱板
７ａ…電極端子
１０…半導体モジュール
１０ａ、１０ｂ…平坦面
１４…スペーサ
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ…放熱板
１８…樹脂
２９…制御端子
３１…ケース
３２…板バネ
３６…フィン
６１…第１領域
６２…第２領域
Ｄａ、Ｄｂ…ダイオード
ＦＩ…伝熱フィラー
Ｔａ、Ｔｂ…トランジスタ

Claims (1)

1. 半導体素子を封止した半導体モジュールと、冷却器と、が積層されているとともに積層方向に荷重されている半導体装置であって、
   前記半導体モジュールは、積層方向に沿って前記半導体素子に対向する放熱板を有し、
   前記半導体モジュールと前記冷却器との間に伝熱板が挟まれており、
   前記伝熱板は、
   細長い複数の伝熱フィラーがその長手方向を特定方向に向けて分布しており前記特定方向の熱伝導率が他の方向の熱伝導率より高い異方性を有する異方性材料で作られており、
   前記放熱板に対向する範囲内に設けられ、前記長手方向が前記積層方向に沿っているとともに、前記伝熱板の前記積層方向における両面で露出している第１領域と、
   前記第１領域の周囲に設けられ、前記長手方向が前記積層方向と交差する方向に沿っている第２領域と、を有しており、
   前記第１領域の前記積層方向における一方の面が前記放熱板と当接しており、前記第１領域の前記積層方向における他方の面が前記冷却器と当接している、半導体装置。

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