JP6724668B2

JP6724668B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP6724668B2
Application number: JP2016174500A
Authority: JP
Inventors: 友彦佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2036-09-07
Also published as: JP2018041824A

Description

本明細書で開示する技術は、半導体装置に関する。

特許文献１に、半導体装置が記載されている。この半導体装置は、モールド樹脂内に半導体素子が封止されているとともに、モールド樹脂の表面に放熱板が露出しているパワーカードと、モールド樹脂から露出している放熱板にグリスを介して隣接配置されている冷却器とを備える。この種の半導体装置では、パワーカードの発熱と除熱が繰り返されたときに、パワーカードの熱変形に伴って、パワーカードと冷却器との間のグリスが押し出されたり引き込まれたりする。このようなグリスの挙動が生じると、グリスに空気が巻き込まれてしまい、冷却能力が低下するおそれがある。

上記の点に関して、特許文献１の半導体装置では、パワーカードの角を丸くすることによって、パワーカードの外縁付近にスペースを確保し、多くのグリスを保持し得る構成を採用している。

特開２００５−３１０９８７号公報

しかしながら、特許文献１の半導体装置では、パワーカードの外縁付近で保持可能なグリスの量に上限がある。そのため、保持可能な量を超えたグリスが押し出される場合に、グリスがパワーカードと冷却器との間から押し出されるおそれがある。本明細書では、グリスがパワーカードと冷却器との間から押し出されることを防止し得る技術を開示する。

本明細書で開示される半導体装置は、モールド樹脂内に半導体素子が封止されているとともに、モールド樹脂の表面に放熱板が露出しているパワーカードと、モールド樹脂から露出している放熱板にグリスを介して隣接配置されている冷却器とを備える。モールド樹脂の表面は、放熱板の周囲において放熱板よりも冷却器側に突出して、放熱板上にグリスを保持する空間を画定している。この空間の放熱板に平行な断面積は、放熱板から前記冷却器に向かうに従って大きくなる。なお、パワーカードと冷却器の間には、必要に応じて絶縁板その他の部材が介在してもよい。

上記の半導体装置では、放熱板上に位置するグリスが、モールド樹脂によって取り囲まれているので、パワーカードが熱膨張したときでも、グリスが押し出されることを抑制することができる。また、放熱板上でグリスを保持する空間の断面積（即ち、放熱板上に位置するグリスの断面積）が、放熱板から冷却器に向かうに従って大きくなっているので、放熱板から冷却器へ効率よく放熱（熱伝達）することができる。

第１実施例の半導体装置の斜視図。第１実施例のパワーカードの正面図。図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図。第１実施例の半導体装置の熱伝達経路を示す図。比較例の半導体装置の熱伝達経路を示す図。第２実施例の半導体装置の断面図。第３実施例の半導体装置の断面図。第４実施例の半導体装置の断面図。

（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、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。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、ユニットの積層方向の両端には冷却器３が位置している。パワーカード１０と冷却器３の間には絶縁板６が挟まれている。

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、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、パワーカード１０と絶縁板６と冷却器３との積層体には、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。

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６と対向する正面１０ａには、放熱板１６ａ、１６ｂが露出している。パワーカード１０を正面からみた図を図２に示す。正面１０ａとは反対側の裏面１０ｂには、別の放熱板１７ａ、１７ｂが露出している。裏面１０ｂには別の絶縁板６が接しており、その絶縁板６には別の冷却器３が接している。パワーカード１０は、両面の夫々が絶縁板６と接しており、各絶縁板６は冷却器３と接している。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２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（図２のIII―III線）でカットした断面図である。

４個の半導体素子（トランジスタＴａ、Ｔｂ、ダイオードＤａ、Ｄｂ）は、モールド樹脂１３に封止されている。モールド樹脂１３は、射出成形により半導体素子を封止する。いずれの半導体素子も平坦なチップであり、その平坦面がモールド樹脂１３の面（パワーカード１０の面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の面１０ａ、１０ｂをモールド樹脂１３の面１０ａ、１０ｂと称する場合がある。

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（Ｔｂ）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のおもて面は、モールド樹脂１３の表面に露出している。トランジスタＴａの他方の平坦面の電極は、ハンダ１５と導電部材（スペーサ１４）を介して放熱板１７ａの裏面に接合している。放熱板１７ａのおもて面は、モールド樹脂１３の表面に露出している。トランジスタＴａ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を介して制御端子（図示省略）に接続されている。トランジスタＴｂも同様の構造を有している。

放熱板１６ａは、電極端子７ａの一部である。筐体内部で放熱板１６ａの側縁から延設部が伸びており、その延設部はモールド樹脂１３の内部を通り、モールド樹脂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、モールド樹脂１３の正面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。その電極端子７ａの一部が放熱板１６ａとしてモールド樹脂１３から露出しているので、放熱板１６ａにはトランジスタＴａ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。

ダイオードＤａ、Ｄｂも平坦なチップであり、一方の平坦面にアノード電極が露出しており、他方の平坦面にカソード電極が露出している。ダイオードＤａの一方の平坦面に露出している電極も、トランジスタＴａと同様に、ハンダ１５を介して放熱板１６ａの裏面に接続している。トランジスタＴａの他方の面の電極はハンダ１５とスペーサ１４を介して放熱板１７ａの裏面（モールド樹脂１３に対向する面）に接続している。ダイオードＤａの他方の面の電極も、ハンダ１５とスペーサ１４を介して放熱板１７ａの裏面に接続している。即ち、トランジスタＴａとダイオードＤａは、放熱板１６ａ（即ち電極端子７ａ）と放熱板１７ａの間で並列（逆並列）に接続されている。放熱板１７ａは、放熱板１６ａと同様に電極端子７ｃの一部である。

トランジスタＴｂとダイオードＤｂの組も、トランジスタＴａとダイオードＤａの組と同様の構造を有している。トランジスタＴｂとダイオードＤｂの一方の面の電極はハンダ１５を介して放熱板１６ｂの裏面に接続されており、他方の面の電極はハンダ１５とスペーサ１４を介して放熱板１７ｂの裏面に接続している。トランジスタＴｂとダイオードＤｂも、モールド樹脂１３の内部で並列（逆並列）に接続されている。放熱板１６ｂは、放熱板１６ａと同様に、電極端子７ｂの一部である。放熱板１７ｂは、放熱板１６ａに接続されているため、放熱板１６ａと同様に、電極端子７ａの一部である。

モールド樹脂１３の表面は、放熱板１６ａの周囲において放熱板１６ａよりも冷却器３側（Ｘ軸の正方向）に突出して、放熱板１６ａにグリス９ａを保持する空間を画定している。グリス９ａに接触するモールド樹脂１３の側面は、グリス９ａを保持する空間が放熱板１６ａから冷却器３に向かう（Ｘ軸の正方向）に従って広がるように傾斜している。即ち、グリス９ａを保持する空間の放熱板１６ａに平行な断面積は、放熱板１６ａから冷却器３に向かう（Ｘ軸の正方向）に従って大きくなっている。放熱板１６ｂの周囲のモールド樹脂１３は、放熱板１６ａの周囲のモールド樹脂１３と同様の構造を有している。これにより、グリス９ａを保持する空間と同様に、グリス９ｂを保持する空間が画定されている。

同様に、モールド樹脂１３の表面は、放熱板１７ａの周囲において放熱板１７ａよりも冷却器３側（Ｘ軸の負方向）に突出して、放熱板１７ａにグリス９ｃを保持する空間を画定している。グリス９ｃに接触するモールド樹脂１３の側面は、グリス９ｃを保持する空間が放熱板１７ａから冷却器３に向かう（Ｘ軸の負方向）に従って広がるように傾斜している。即ち、グリス９ｃを保持する空間の放熱板１７ａに平行な断面積は、放熱板１７ａから冷却器３に向かう（Ｘ軸の負方向）に従って大きくなっている。放熱板１７ｂの周囲のモールド樹脂１３は、放熱板１７ａの周囲のモールド樹脂１３と同様の構造を有している。これにより、グリス９ｃを保持する空間と同様に、グリス９ｄを保持する空間が画定されている。グリス９ａ〜９ｄは、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂと絶縁板６とを隙間なく密着させることによって、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂから絶縁板６への熱伝達を向上させている。

各絶縁板６は、グリス９ｅを介して冷却器３に隣接配置されている。グリス９ｅは、絶縁板６と冷却器３とを隙間なく密着させることによって、絶縁板６から冷却器３への熱伝達を向上させている。

パワーカード１０（詳細にはトランジスタＴａ、Ｔｂ及びダイオードＤａ、Ｄｂ）の発熱と除熱に伴う現象について説明する。パワーカード１０が熱膨張すると、パワーカード１０と絶縁板６との間からグリス９ａ〜９ｄを押し出そうとする力が発生する。しかしながら、グリス９ａ〜９ｄは、モールド樹脂１３によって取り囲まれているので、押し出されることが抑制されている。

また、図４に示すように、トランジスタＴａで発生した熱は、放熱板１６ａ、１７ａを介して絶縁板６に伝達し、絶縁板６から冷却器３に伝達する。熱は、冷却器３に向かう方向だけではなく、放熱板１６ａ、１７ａに平行な方向にも広がろうとする。ただし、モールド樹脂１３の熱伝導率が、放熱板、グリス等の熱伝導率に比べて低いため、熱はモールド樹脂１３を避けるように広がる。ここで、本実施例では、放熱板１６ａ、１７ａ上でグリス９ａ、９ｃを保持する空間の断面積（即ち、グリス９ａ、９ｃの断面積）が、熱が冷却器３に向かう方向に従って大きくなっている。そのため、熱は、グリス９ａ、９ｃの内部で放熱板１６ａ、１７ａに平行な方向に広がりながら絶縁板６に向かうことができる。その結果、熱伝達がモールド樹脂１３によって妨げられることが抑制され、放熱板１６ａ、１７ａから冷却器３へ効率よく放熱（熱伝達）することができる。トランジスタＴｂで発生した熱についても同様の効果を奏することができる。即ち、放熱板１６ｂ、１７ｂ上でグリス９ｂ、９ｄを保持する空間の断面積（即ち、グリス９ｂ、９ｄの断面積）が、熱が冷却器３に向かう方向に従って大きくなっているので、放熱板１６ｂ、１７ｂから冷却器３へ効率よく放熱することができる。

図示省略しているが、ダイオードＤａ、Ｄｂを通過し、ＸＹ平面に平行な面で切断すると、図３のトランジスタＴａ、ＴｂがダイオードＤａ、Ｄｂに置換された断面が生じる。従って、ダイオードＤａ、Ｄｂで発生した熱についても、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂから冷却器３へ効率よく放熱することができる。

図５を参照して、比較例の半導体装置１０２の熱伝達経路について説明する。比較例では、モールド樹脂１１３の構造が第１実施例のモールド樹脂１３とは異なる。具体的には、放熱板１６ａ上のグリス９ｆに接触するモールド樹脂１３の側面は傾斜していない（即ちＸ軸方向に平行である）。即ち、グリス９ｆを保持する空間の放熱板１６ａに平行な断面積は一定である。同様に、放熱板１６ｂ、１７ａ、１７ｂ上のグリス９ｇ〜９ｉに接触するモールド樹脂１３の側面も傾斜していない。これにより、熱は、グリス９ｆ〜９ｉの内部で放熱板１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂに平行な方向に広がりながら絶縁板６に向かう。その結果、熱伝達がモールド樹脂１３によって妨げられ、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂから冷却器３へ効率よく放熱することができない。換言すると、本実施例では、比較例に比して、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂから冷却器３へ効率よく放熱することができる。

（第２実施例）
第２実施例の半導体装置２０２では、モールド樹脂２１３の構造が、第１実施例のモールド樹脂１３とは異なる。具体的には、モールド樹脂２１３は、絶縁板６に接触する角が丸く形成されている。これにより、半導体装置２の積層方向に荷重がかけられた状態で、モールド樹脂２１３の角を介して絶縁板６に局所的な応力がかかりにくくなり、絶縁板６が破損しにくくなっている。特に絶縁板６が脆いセラミック等で形成されている場合に、絶縁板６の破損を効果的に抑制することができる。本実施例でも、グリス９ａ〜９ｄは、モールド樹脂１３によって取り囲まれているので、押し出されることが抑制されている。また、グリス９ａ〜９ｄを保持する空間の断面積（即ち、グリス９ａ〜９ｄの断面積）が、熱が冷却器３に向かう方向に従って大きくなっているので、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂから冷却器３へ効率よく放熱することができる。

（第３実施例）
第３実施例の半導体装置３０２は、１組のトランジスタＴａ及びダイオードＤａを備える１ｉｎ１の半導体装置である。図７は、トランジスタＴａを横切る平面で切断した断面図である。図７に示される各部材は、第１実施例の図３の右半分に示される各部材と同様の構造を有している。本実施例でも、グリス９ａ、９ｃは、モールド樹脂１３によって取り囲まれているので、押し出されることが抑制されている。また、グリス９ａ、９ｃを保持する空間の断面積（即ち、グリス９ａ、９ｃの断面積）が、熱が冷却器３に向かう方向に従って大きくなっているので、放熱板１６ａ、１７ａから冷却器３へ効率よく放熱することができる。

（第４実施例）
第４実施例の半導体装置４０２は、モールド樹脂３１３の片面のみから放熱板１７ａ、１７ｂが露出している片面モールドパッケージ方式の半導体装置である。図８は、トランジスタＴａ、Ｔｂを横切る平面で切断した断面図である。半導体装置４０２では、第１実施例の半導体装置２とは異なり、トランジスタＴａ、Ｔｂ及びダイオードＤａ、Ｄｂ上にリードプレート１８が積層されている。リードプレート１８は、１つの側面を除いてモールド樹脂３１３で封止されている。また、半導体装置４０２では、スペーサ１４が挿入されていない。

放熱板１７ａ、１７ｂが露出している側では、第１実施例と同様に、モールド樹脂３１３の表面は、放熱板１７ａ、１７ｂの周囲において放熱板１７ａ、１７ｂよりも冷却器３側に突出して、放熱板１７ａ、１７ｂ上にグリス９ｃ、９ｄを保持する空間を画定している。そして、グリス９ｃ、９ｄを保持する空間の放熱板１７ａ、１７ｂに平行な断面積は、トランジスタＴａ、Ｔｂで発生した熱が冷却器３に向かう方向に従って大きくなっている。冷却器３は、グリス９ｃ、９ｄを介して、放熱板１７ａ、１７ｂに圧接されている。本実施例でも、第１実施例と同様に、グリス９ｃ、９ｄが、押し出されることが抑制される。また、放熱板１６ａ、１７ａから冷却器３へ効率よく放熱することができる。

以上、いくつか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。以下に、本明細書の開示内容から把握される技術的事項を列記する。なお、以下に記載する技術的事項は、それぞれが独立した技術的事項であり、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る。例えば、各実施例では、半導体装置が備える全ての放熱板の周囲でモールド樹脂の表面が突出しているが、変形例では、少なくとも１個の放熱板の周囲でモールド樹脂の表面が突出していればよい。また、各実施例では、絶縁板６は省略可能であり、放熱板がグリスのみを介して冷却器３に隣接配置されていてもよい。また、グリスに接触するモールド樹脂の側面の形状は、各実施例の形状に限られず、例えば、階段状に形成されていてもよい。一般的に言うと、グリスを保持する空間の放熱板に平行な断面積が、放熱板から冷却器に向かうに従って大きくなるように、モールド樹脂の側面が形成されていればよい。

２、１０２、２０２、３０２、４０２：半導体装置
３：冷却器
４ａ：冷媒供給管
４ｂ：冷媒排出管
５ａ：連結パイプ
５ｂ：連結パイプ
６：絶縁板
７ａ〜７ｃ：電極端子
９ａ〜９ｉ：グリス
１０：パワーカード
１０ａ、１０ｂ：面
１３、１１３、２１３、３１３：モールド樹脂
１４：スペーサ
１５：ハンダ
１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ：放熱板
１８：リードプレート
３１：ケース
３２：板バネ
Ｄａ、Ｄｂ：ダイオード
Ｔａ、Ｔｂ：トランジスタ

Claims

モールド樹脂内に半導体素子が封止されているとともに、前記モールド樹脂の表面に放熱板が露出しているパワーカードと、
前記モールド樹脂から露出している前記放熱板にグリスを介して隣接配置されている冷却器と、を備え、
前記モールド樹脂の前記表面は、前記放熱板の周囲において前記放熱板よりも前記冷却器側に突出して、前記放熱板上に前記グリスを保持する空間を画定しており、
前記空間の前記放熱板に平行な断面積は、前記放熱板から前記冷却器に向かうに従って大きくなる、半導体装置。