JP7009231B2

JP7009231B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP7009231B2
Application number: JP2018011832A
Authority: JP
Inventors: 光一山川
Original assignee: Canon Medical Systems Corp
Current assignee: Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2038-01-26
Also published as: JP2019129293A

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。

例えば、医療診断装置等で用いられるインバータ装置では、半導体モジュール内の半導体チップが発熱することにより、半導体モジュールは局所的に発熱する事になる。そこで、発熱する半導体チップを冷却するため、半導体モジュールには、熱伝導率の高い放熱グリースが塗布されている。

ところで、半導体チップによる発熱が繰り返されると、半導体モジュールの熱変形により、半導体モジュールと冷却器との間隔が狭まったり元に戻ったりするポンピングと称される現象が発生する。このポンピングにより半導体モジュールに塗布されているグリースが流れ出るポンピングアウトが発生するおそれがある。ポンピングアウト対策として、例えば、グリースの塗布領域を囲むようにパッキンを設ける等、構造的な工夫を半導体モジュール側、又は放熱器側に施すことも可能であるが、半導体モジュール、又は放熱器のコスト上昇の要因となる。

特開２０１３－２５１４７３号公報

発明が解決しようとする課題は、構造的な追加加工等による手間やコスト増加を抑えながら、半導体モジュールにおける極所的な発熱部を効率的に放熱すると共に、ポンピングアウト耐性を向上させることである。

実施形態によれば、半導体装置は、半導体モジュール、第１グリース、及び第２グリースを有する。半導体モジュールは、半導体チップを封止している。第１グリースは、前記半導体モジュールの放熱面において、前記半導体チップと重なる領域に塗布される。第２グリースは、前記第１グリースよりも熱伝導性、及びちょう度が低く、前記半導体モジュールの放熱面において、前記第１グリースが塗布される領域の周囲に塗布される。

図１は、本実施形態に係る半導体装置に含まれる半導体モジュールの構成を表す模式図である。図２は、図１に示される半導体モジュールのＡ－Ａ線に沿った断面図である。図３は、本実施形態に係る半導体装置の構成を表す正面図である。図４は、図３に示される半導体装置のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。図５は、本実施形態に係る半導体装置を冷却部材の表面に密着させた場合の断面図である。図６は、本実施形態において第１グリース及び第２グリースを塗布する際に用いられるメタルマスクパターンの例を表す模式図である。図７は、図６に示されるメタルマスクパターンを用いて第１グリース及び第２グリースが塗布された半導体装置を表す模式図である。図８は、図７に示されるように塗布された第１グリース及び第２グリースに対して仕上げ処理が施された後の半導体装置を表す模式図である。図９は、半導体チップ間の距離を参照して第１グリース及び第２グリースを塗布した半導体装置の構成を表す正面図である。図１０は、半導体チップの種類を参照して第１グリース及び第２グリースを塗布した半導体装置の構成を表す正面図である。図１１は、３種類のグリースを塗布した半導体装置の構成を表す正面図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る半導体装置１０に含まれる半導体モジュール１１の構成例を表す模式図である。図２は、図１に示される半導体モジュール１１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。図１及び図２に示される半導体モジュール１１は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュール、及びＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）モジュール等により実現される。

半導体モジュール１１は、樹脂性の筐体１１１を有する。筐体１１１は、例えば、射出成形により形成され、内部に複数の半導体チップ１１２－１～１１２－８を封止している。筐体１１１の、例えば、側面には、半導体チップ１１２－１～１１２－８と電気的に接続する、金属等の導電性を有する端子（図示せず）が形成されている。なお、図１では、８個の半導体チップ１１２－１～１１２－８が筐体１１１に封止される場合を例に示しているが、これに限定される訳ではない。

半導体モジュール１１の平坦面のうち少なくとも一面は放熱面である。筐体１１１では、放熱面において、放熱板１１３が露出している。放熱板１１３は、例えば、導電性と伝熱性とに優れた金属で形成される。具体的には、放熱板１１３は、例えば、アルミニウム、銅、銅／モリブデンの合金、ＡＬＳｉＣ、モリブデン等の金属を構成材料とし、エッチング、ショットブラスト、プレス、レーザー加工等の処理により形成される。

半導体チップ１１２－１～１１２－８は、いずれも平坦な半導体素子である。半導体チップ１１２－１～１１２－８は、平坦面が放熱板１１３と平行になるように筐体１１１に封止されている。図２で示されるように、半導体チップ１１２－１～１１２－８の電極は、ハンダを介して放熱板１１３の裏面に接合している。

半導体チップ１１２－１～１１２－８は、それぞれが異なる種類のチップであっても構わないし、同一種類のチップであっても構わない。例えば、半導体チップ１１２－１，１１２－２，１１２－７，１１２－８がトランジスタであり、半導体チップ１１２－３～１１２－６がダイオードであってもよい。

図３は、本実施形態に係る半導体装置１０の構成例を表す正面図である。図４は、図３に示される半導体装置１０のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。図３及び図４に示される半導体装置１０は、半導体モジュール１１及びグリース層１２を備えている。グリース層１２は、第１グリース１２１及び第２グリース１２２を有している。なお、本実施形態において、グリースには、潤滑剤としてのグリースに加え、オイルコンパウンドの意味も含まれるものとする。また、本実施形態におけるグリースには、通常温度では固形で、熱で軟化する放熱材である、いわゆるフェイズチェンジマテリアルの意味も含まれていても構わない。

第１グリース１２１は、発熱する半導体チップ１１２－１～１１２－８の直下を冷却するための、高い熱伝導率の放熱グリースである。第１グリース１２１は、例えば、シリコーンオイルを基油に高熱伝導性充填剤を配合したオイルコンパウンドである。具体的には、第１グリース１２１は、例えば、信越シリコーンが提供するＸ－２３シリーズのオイルコンパウンドである。また、第１グリース１２１は、例えば、非シリコーン系の熱伝導グリースであっても構わない。具体的には、第１グリース１２１は、例えば、コスモ石油ルブリカンツ株式会社が提供するコスモサーマルグリースであるＳＦ６０１であっても構わない。第１グリース１２１は、例えば、図３及び図４に示されるように、半導体チップ１１２－１～１１２－８と重なるように、放熱板１１３の表面に塗布されている。

第２グリース１２２は、熱伝導性、耐ポンピングアウト性、耐ズレ性、及び耐離油性に優れ、長期信頼性が期待されるグリースである。具体的には、第２グリース１２２は、例えば、シリコーンオイルを基油に熱伝導性充填剤を配合したオイルコンパウンドである。具体的には、第２グリース１２２は、例えば、信越シリコーンが提供するＧ－７７５、Ｇ－７７６、Ｇ－７７７、及びＧ－７７９である。また、第２グリース１２２は、例えば、非シリコーン系の熱伝導グリースであっても構わない。具体的には、第２グリース１２２は、例えば、コスモ石油ルブリカンツ株式会社が提供するコスモサーマルグリースであるＳＦ５０１であっても構わない。

第２グリース１２２は、第１グリース１２１よりも熱伝導率及びちょう度が低いグリースである。第２グリース１２２は、第１グリース１２１ほどの熱伝導率を実現しなくても良いため、第１グリース１２１よりも安価である。なお、ちょう度は、ＪＩＳＫ２２２０で規定されるちょう度試験方法に基づいて測定される。第２グリース１２２は、例えば、図３及び図４に示されるように、第１グリース１２１を囲むように、放熱板１１３の表面に塗布されている。図３及び図４に示されるように、第１グリース１２１が塗布されている領域と、第２グリース１２２が塗布されている領域とは接している。

次に、第１グリース１２１と、第２グリース１２２とを塗り分けたことによる作用を説明する。なお、以下では、図３及び図４に示される半導体装置１０を冷却部材１３の表面に密着させる場合を例に説明する。図５は、半導体装置１０を冷却部材１３の表面に密着させた場合の断面図を表す。なお、冷却部材１３は、例えば、冷却器であり、アルミニウム、及びステンレス鋼等の金属を構成材料としている。冷却器は、水冷板であっても構わない。なお、冷却部材１３は、半導体装置１０と冷却器とを絶縁させる絶縁板であっても構わない。このとき、絶縁板は、例えば、薄く、絶縁性が高く、かつ、導電性が良いセラミックスにより形成される。

半導体モジュール１１に封止される半導体チップ１１２－１～１１２－８は、処理負荷が高くなると発熱する。半導体チップ１１２－１～１１２－８の発熱により、放熱板１１３は高温となり、放熱板１１３の面外変形が発生する。面外変形は、温度の高い箇所、すなわち、半導体チップ１１２－１～１１２－８と重なる範囲で顕著に生じる。

放熱板１１３の面外変形により、放熱板１１３と冷却部材１３との間の隙間幅が狭まり、半導体チップ１１２－１～１１２－８と重なるように放熱板１１３の表面に塗布されている第１グリース１２１が、第１グリース１２１の周囲に塗布されている第２グリース１２２側へ押し込まれる。放熱板１１３の面外変形、及び第１グリース１２１からの押し込みにより、第２グリース１２２は、冷却部材１３の表面に沿って押し出される。

放熱板１１３が冷えて面外変形が元に戻ると、押し出された第２グリース１２２は、半導体モジュール１１と冷却部材１３との間へ吸い込まれる。第２グリース１２２のちょう度は、第１グリース１２１のちょう度よりも小さい。そのため、放熱板１１３の面外変形、及び第１グリース１２１からの押し込みにより、第２グリース１２２が冷却部材１３の表面に沿って押し出される量は、半導体モジュール１１と冷却部材１３との間に第１グリース１２１のみが充填される場合に第１グリース１２１が押し出される量よりも少ない。

冷却部材１３の表面に沿って押し出される量が少ないため、押し出された第２グリース１２２は、冷却の際に冷却部材１３上に取り残され難い。また、第２グリース１２２の内側に塗布されている第１グリース１２１は、第２グリース１２２よりもちょう度が高くとも、面外変形の際に第２グリース１２２により強制的に内側で保持される。

次に、第１グリース１２１と、第２グリース１２２とを半導体モジュール１１に塗布する手法について説明する。第１グリース１２１及び第２グリース１２２は、メタルマスクパターン又はディスペンサー等を利用し、半導体モジュール１１の筐体１１１の放熱面へ塗布される。図６は、本実施形態において第１グリース１２１及び第２グリース１２２を塗布する際に用いられるメタルマスクパターンの例を表す模式図である。図７は、図６に示されるメタルマスクパターンを用いて第１グリース１２１及び第２グリース１２２が塗布された半導体装置１０の例を表す模式図である。図８は、図７に示されるように塗布された第１グリース１２１及び第２グリース１２２に対して仕上げ処理が施された後の半導体装置１０の例を表す模式図である。

以上のように、本実施形態では、半導体モジュール１１の放熱面において、半導体モジュール１１に封止される半導体チップ１１２と重なる領域に第１グリース１２１を塗布している。そして、第１グリース１２１の塗布領域の外周部に、第１グリース１２１よりも熱伝導率及びちょう度の低い第２グリース１２２を、グリース拡散防止措置として塗布するようにしている。このような塗り分けにより、半導体チップ１１２の直下の熱伝導率を維持したまま、グリースが流れ出る量を抑えることが可能となる。また、第１グリース１２１のみが半導体モジュール１１に塗布される場合よりも、第１グリース１２１が塗布される量を減じることが可能となる。一般に、高熱伝導率のグリースは価格が高い傾向にある。そのため、広範囲に塗布すると使用量が増えることになり、コスト上昇の要因となる。本実施形態では、第１グリース１２１が塗布される量を減じることが可能となるため、半導体装置１０の製造コストを抑えることが可能となる。

したがって、本実施形態に係る半導体装置１０によれば、構造的な追加加工等による手間やコスト増加を抑えながら、半導体モジュールにおける極所的な発熱部を効率的に放熱すると共に、ポンピングアウト耐性を向上させることができる。

上記実施形態では、図３に示されるように、第１グリース１２１及び第２グリース１２２を半導体モジュール１１に塗布する場合を例に説明した。しかしながら、これに限定されない。半導体チップ間の距離が予め設定される距離を超える場合は、互いの距離が所定値以内の半導体チップ群と重なる領域毎に第１グリース１２１を塗布するようにしても構わない。

図９は、半導体チップ１１２間の距離を参照して第１グリース１２１及び第２グリース１２２を塗布した半導体装置１０の構成の例を表す正面図である。図９は、半導体チップ１１２－１，１１２－２と、半導体チップ１１２－３，１１２－４との距離、及び、半導体チップ１１２－５，１１２－６と、半導体チップ１１２－７，１１２－８との距離が予め設定された閾値を超えている場合を表している。図９において、半導体チップ１１２－１，１１２－２の直下の半導体モジュール１１表面、半導体チップ１１２－３～１１２－６の直下の半導体モジュール１１表面、及び、半導体チップ１１２－７，１１２－８の直下の半導体モジュール１１表面に第１グリース１２１が塗布される。そして、半導体モジュール１１の表面における、第１グリース１２１の塗布領域の外周部に、第２グリース１２２が塗布される。これにより、高価な第１グリース１２１が塗布される領域をさらに減少させることが可能となる。

また、上記実施形態では、半導体チップの種類に関わらず、半導体チップの直下に第１グリース１２１が塗布される場合を例に説明した。しかしながら、これに限定されない。半導体チップの種類に応じて第１グリース１２１及び第２グリース１２２を塗り分けるようにしても構わない。

図１０は、半導体チップ１１２の種類を参照して第１グリース１２１及び第２グリース１２２を塗布した半導体装置１０の構成の例を表す正面図である。トランジスタである半導体チップ１１２－１，１１２－２，１１２－７，１１２－８は、ダイオードである半導体チップ１１２－３～１１２－６よりも処理負荷が集中する。そのため、半導体チップ１１２－１，１１２－２，１１２－７，１１２－８で発生する熱量は、半導体チップ１１２－３～１１２－６で発生する熱量よりも大きい。そこで、図１０では、半導体チップ１１２－１，１１２－２の直下の半導体モジュール１１表面、及び、半導体チップ１１２－７，１１２－８の直下の半導体モジュール１１表面に第１グリース１２１が塗布される。そして、半導体モジュール１１の表面における、第１グリース１２１の塗布領域の外周部に、第２グリース１２２が塗布される。なお、トランジスタ間の距離が予め設定される距離を超える場合は、互いの距離が所定値以内のトランジスタ群と重なる領域毎に第１グリース１２１を塗布するようにしても構わない。これにより、高価な第１グリース１２１が塗布される領域をさらに減少させることが可能となる。

また、上記実施形態では、２種類のグリースを半導体モジュール１１に塗布する場合を例に説明した。しかしながら、これに限定されない。相対的にちょう度の低い第２グリースにより囲われる領域に塗布されるグリースは、１種類以上あっても構わない。

図１１は、３種類のグリースを塗布した半導体装置１０の構成の例を表す正面図である。図１１では、トランジスタである半導体チップ１１２－１，１１２－２，１１２－７，１１２－８の直下の半導体モジュール１１表面に第１グリース１２１が塗布される。また、ダイオードである半導体チップ１１２－３～１１２－６の直下の半導体モジュール１１表面に第３グリース１２３が塗布される。第３グリース１２３は、第１グリース１２１よりも熱伝導率及びちょう度が低く、第２グリース１２２よりも熱伝導率及びちょう度が高いグリースである。そして、半導体モジュール１１の表面における、第１グリース１２１の塗布領域及び第３グリース１２３の塗布領域の外周部に、第２グリース１２２が塗布される。なお、トランジスタ間の距離が予め設定される距離を超える場合は、互いの距離が所定値以内のトランジスタ群と重なる領域毎に第１グリース１２１を塗布するようにしても構わない。また、ダイオード間の距離が予め設定される距離を超える場合は、互いの距離が所定値以内のダイオード群と重なる領域毎に第３グリース１２３を塗布するようにしても構わない。これにより、高価な第１グリース１２１が塗布される領域をさらに減少させることが可能となる。

また、上記実施形態では、半導体モジュール１１の平坦面の一面が放熱面として設けられる場合を例に説明した。しかしながら、これに限定されない。半導体モジュール１１の平坦面のうち、対向する二面に放熱面が設けられていても構わない。このとき、半導体装置１０は、両方の放熱面に、上記で説明するようにグリースが塗布される。

また、上記実施形態では、半導体チップが方形形状をする場合を例に説明したが、これに限定されない。また、上記実施形態では、熱源としての半導体チップが半導体モジュール１１の中央近傍に位置する場合を例に説明したが、これに限定されない。すなわち、本実施形態に係るグリースの塗り分けは、発熱源周辺の広がり、及び外周部の幅等、素子形状や発熱源の配置に応じて柔軟に対応可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…半導体装置
１１…半導体モジュール
１１１…筐体
１１２…半導体チップ
１１２－１～１１２－８…半導体チップ
１１３…放熱板
１２…グリース層
１２１…第１グリース
１２２…第２グリース
１２３…第３グリース
１３…冷却部材

Claims

第１半導体素子と、駆動時の処理負荷が前記第１半導体素子よりも高い第２半導体素子とを封止している半導体モジュールと、
前記半導体モジュールの放熱面において、前記第２半導体素子と重なる領域に塗布される第１グリースと、
前記半導体モジュールの放熱面において、前記第１グリースが塗布される領域の周囲に塗布される、前記第１グリースよりも熱伝導性、及びちょう度が低い第２グリースと
を備え、
前記第１グリースは、互いの距離が予め設定された距離内の第２半導体素子群と重なる領域毎に塗布される、半導体装置。
第１半導体素子と、駆動時の処理負荷が前記第１半導体素子よりも高い第２半導体素子とを封止している半導体モジュールと、
前記半導体モジュールの放熱面において、前記第２半導体素子と重なる領域に塗布される第１グリースと、
前記半導体モジュールの放熱面において、前記第１半導体素子と重なる領域に塗布される、前記第１グリースよりも熱伝導性、及びちょう度が低い第２グリースと、
前記半導体モジュールの放熱面において、前記第１及び第２グリースが塗布される領域の周囲に塗布される、第２グリースよりも熱伝導性、及びちょう度が低い第３グリースとを備える半導体装置。
前記第１グリースは、互いの距離が予め設定された距離内の第２半導体素子群と重なる領域毎に塗布され、
前記第２グリースは、互いの距離が予め設定された距離内の第１半導体素子群と重なる領域毎に塗布される請求項２記載の半導体装置。