JP7039908B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、半導体素子を封止した樹脂パッケージを備える半導体モジュールと樹脂製の冷却器が一体化した半導体装置に関する。
特許文献１に、半導体素子を封止した樹脂パッケージを備える半導体モジュールと樹脂製の冷却器が一体化した半導体装置が開示されている。半導体モジュールの樹脂パッケージは扁平であり、その幅広面に放熱板が露出している。放熱板は絶縁シートに覆われており、その絶縁シートを挟んで冷却板が樹脂パッケージの幅広面に接合されている。冷却板の絶縁シートとは反対側にはフィンが設けられている。樹脂製の冷却器は、冷却板の法線方向からみて冷却板を囲んでいるとともに、法線方向からみて樹脂パッケージの両端に接合されている。法線方向からみて冷却器の内側であって樹脂パッケージの両側には流路が形成されており、その流路を通じて冷却器のフィンに沿って冷媒が流れるようになっている。冷却器は、樹脂パッケージの両端にて樹脂パッケージに接合しているとともに、冷却板の両側を樹脂パッケージとの間で挟み込むように覆っている。
特許文献１に開示された半導体装置では、冷却板はアルミニウムや銅などの伝熱性の高い金属で作られている。アルミニウムなどの金属と樹脂は線膨張係数が大きく異なる。線膨張係数の相違のため、冷却板と冷却器の間の絶縁シートで応力が発生し、冷却板の縁が絶縁シートから剥がれ、冷却性能が劣化するおそれがある。特許文献１の半導体装置では、樹脂製の冷却器が、冷却板の両側を、樹脂パッケージとの間で挟み込むように覆っており、冷却板の剥離を防止する。
特開２０１６－１３１１９６号公報
本明細書は、特許文献１の技術とは異なるアプローチで、冷却性能の経時劣化を抑制する技術を提供する。
本明細書が開示する半導体装置は、半導体モジュールと、絶縁シートと、冷却板と、冷却器を備えている。半導体モジュールは、樹脂製のパッケージの内部に半導体素子を封止しているとともに、少なくとも一面に放熱板が露出している。絶縁シートは、放熱板を覆っている。冷却板は、一方の面が絶縁シートを覆っているとともにパッケージの一面（放熱板が露出している面）に接合されており、他方の面にフィンが設けられている。冷却板は、伝熱材料が混在された樹脂で作られている。冷却器は、フィンに沿って冷媒を流す樹脂製の冷却器であり、冷却板の法線方向からみて冷却板を囲んでいるとともに、法線方向からみて樹脂パッケージの一対の両端に接合されている。
本明細書が開示する半導体装置では冷却板を金属ではなく樹脂で作る。それゆえ、樹脂製のパッケージとの線膨張係数の差が、金属ほど大きくない。また、冷却板も樹脂パッケージも樹脂製なので、両者の接合性がよい。それゆえ、冷却板は樹脂パッケージから剥離し難くなる。その結果、冷却性能の経時劣化が小さくなる。
本明細書が開示する半導体装置では、冷却板の法線方向からみて冷却板の周囲の縁が冷却器から離間しているとよい。冷却板の端が冷却器と接触していると、冷却器の成形時の熱、あるいは、半導体装置の稼働時の熱が加わったときの両者の干渉により冷却板に応力が発生するおそれがある。上記の構造では冷却板が冷却器から離間しているので、熱が加わったときに冷却板の端が冷却器から干渉を受けることがなく、干渉による応力が発生しない。
伝熱材料は細長形状を有しており、フィンの内部の伝熱材料は、その長手方向がフィンの根本から先端に向かう方向に配向しているとよい。細長形状の伝熱材料がフィンの根本から先端に向かう方向に配向していることで、冷却板の熱がフィンの先端へと伝わり易くなる。
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。
半導体モジュールの斜視図である。 実施例の半導体装置の断面図である。 図２の破線IIIが示す範囲の部分断面図である。 図３の矢印IVの方向からみた図である。 図４のV－V線に沿った断面図である。 図３の破線VIが示す範囲の拡大図である。
図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。半導体装置２は、複数の半導体モジュール１０と冷却器が一体になったデバイスである。まず、図１を参照して半導体モジュール１０の概要を説明する。
図１は、半導体モジュール１０の斜視図である。半導体モジュール１０は、樹脂製の扁平なパッケージ１２の内部に２個の半導体素子４ａ、４ｂを埋設したデバイスである。半導体素子４ａ、４ｂの夫々は、例えば、その内部で絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（通称ＩＧＢＴ）とダイオードが逆並列に接続されたチップである。パッケージ１２の内部で２個の半導体素子４ａ、４ｂは直列に接続されている。２個のＩＧＢＴの直列接続は、例えば、インバータの一つの相の上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子を構成する。扁平なパッケージ１２の一つの幅狭面（図１における上面）から３個のパワー端子が延びており、反対側の幅狭面から複数の制御端子４１が延びている。パワー端子１９ａ、１９ｂ、１９ｃは、それぞれ、２個の半導体素子４ａ、４ｂの直列接続の中点、高電位端、低電位端と接続されている。扁平なパッケージ１２の一つの幅広面には放熱板１５ａ、１５ｂが露出している。放熱板１５ａは、パッケージ１２の内部で半導体素子４ａと電気的および熱的に接続されており、放熱板１５ｂは、パッケージ１２の内部で半導体素子４ｂと電気的および熱的に接続されている。放熱板１５ａ、１５ｂとは反対側の幅広面には、別の放熱板（後に説明する放熱板１３）が露出している。放熱板１３は、半導体素子４ａ、４ｂを直列に接続する導電体を兼ねており、半導体素子４ａ、４ｂと電気的および熱的に接続されている。放熱板１３、１５ａ、１５ｂは、熱伝達率が高く、かつ、電気抵抗の低い銅で作られている。
図２に、半導体装置２の断面図を示す。図２を参照して半導体装置２の概要を説明する。半導体装置２の詳細については、後に図３－図５を参照しつつ説明する。
冷却器３は樹脂で作られた四角筒状を成しており、その内部は冷媒が通る流路Ｐになっている。冷却器３は、四角筒状の外筒３０と、外筒３０の内側に掛け渡された複数の梁３１を備えている。筒状の冷却器３の内部に複数の半導体モジュール１０が固定されている。複数の半導体モジュール１０は、筒状の冷却器３の筒軸線方向（図中の座標系のＸ方向）で間隔を空けて並んで配置されている。扁平な半導体モジュール１０は、その幅狭の四面が筒状の冷却器３の内側に接合されている。別言すれば扁平な半導体モジュール１０は、幅広面の法線方向からみて周囲が筒状の冷却器３の内側に接合されている。半導体モジュール１０の図中座標系のＹ方向の両端は、梁３１に接合されている。後に説明するが、Ｚ方向の両端は外筒３０の内側に接合されている。
各半導体モジュール１０のパッケージ１２の幅広面には、絶縁シート１６を挟んで冷却板２０が取り付けられている。冷却板２０の流路Ｐに面する側には複数のピンフィン２１が設けられている。なお、図２では、最上端と最下端の絶縁シートと冷却板とフィンにのみ符号を付し、他の絶縁シートと冷却板とフィンには符号を省略した。
冷却器３には冷媒供給口３ａと冷媒排出口３ｂが設けられている。図２の矢印線が冷媒の流れを示している。冷媒は液体であり、典型的には水あるいはＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。冷媒供給口３ａから流入した冷媒は、流路Ｐを通って冷却板２０のピンフィン２１の間を通り、半導体モジュール１０から熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、冷媒排出口３ｂから排出される。扁平なパッケージ１２の両方の幅広面にフィン付の冷却板２０が取り付けられており、ピンフィン２１の間を冷媒が通るので、半導体装置２は半導体モジュール１０の冷却効率がよい。
図３－図５を参照して半導体装置２の構造を説明する。図３に、図２の破線IIIの範囲を抽出した部分断面図を示し、図４に、図３における矢印IVの方向からみた半導体装置２を示す。図５に、図４のV－V線に沿った断面図を示す。なお、図３－図５では、理解を助けるために、半導体モジュール１０の部品の一部の縦横比をデフォルメして描いてある。
先に述べたように、半導体モジュール１０は、樹脂製のパッケージ１２の内部に２個の半導体素子４ａ、４ｂを封止したデバイスである。パッケージ１２の材料には、例えばエポシキなどの熱硬化性樹脂に無機物を混合した樹脂材が用いられる。半導体素子４ａ、４ｂも扁平であり、一方の幅広面に平面状のコレクタ電極が設けられており、他方の幅広面に平面状のエミッタ電極と制御電極が設けられている。制御電極は、ゲート電極や、半導体素子４ａ、４ｂに内蔵された温度センサ用の端子である。
扁平なパッケージ１２の一方の幅広面には放熱板１３が露出しており、他方の面には放熱板１５ａ、１５ｂが露出している。放熱板１３の裏側（パッケージ１２に埋設されている側）には、半導体素子４ａのエミッタ電極と半導体素子４ｂのコレクタ電極が接合されている。即ち、放熱板１３は、半導体素子４ａ、４ｂを直列に接続する接続導体の役割を果たす。半導体素子４ａのコレクタ電極は銅製のスペーサ１４を介して放熱板１５ａと接続している。半導体素子４ｂのエミッタ電極は銅製のスペーサ１４を介して放熱板１５ｂと接続している。半導体素子４ａ、４ｂと放熱板１３、１５ａ、１５ｂとの接合、及び、スペーサ１４との接合には、ハンダが用いられる。
図５に示すように、放熱板１３とパワー端子１９ａは、パッケージ１２の内部で連続している。即ち、２個の半導体素子４ａ、４ｂの直列接続の中点は、放熱板１３を介してパワー端子１９ａに接続している。図示は省略するが、同様に、２個の半導体素子４ａ、４ｂの直列接続の高電位側は、放熱板１５ａを介してパワー端子１９ｂに接続しており、低電位側は放熱板１５ｂを介してパワー端子１９ｂに接続している。このように放熱板１３、１５ａ、１５ｂは、半導体素子４ａ、４ｂの電極と導通しており、半導体素子４ａ、４ｂの内部の熱は、電極を介して放熱板１３、１５ａ、１５ｂによく伝わる。半導体素子４ａの制御電極と制御端子４１は、パッケージ１２の内部にて、ボンディングワイヤ４２で接続される。半導体素子４ｂの制御電極も同様にボンディングワイヤで制御端子と接続される。
パッケージ１２の一方の幅広面には、放熱板１５ａ、１５ｂを覆うように、絶縁シート１６ａが貼着されている。他方の幅広面には、放熱板１３を覆うように、絶縁シート１６ｂが貼着されている。絶縁シート１６ａ、１６ｂは、エポシキ樹脂をベースに窒化ホウ素、アルミナを含んだ材料で作られている。絶縁シート１６ａは、当初は液状であり、放熱板１５ａ、１５ｂを覆うように幅広面に塗布される。液状の絶縁材は硬化し、絶縁シート１６ａとなる。絶縁シート１６ｂも同様である。以下では、絶縁シート１６ａ、１６ｂの一方を区別なく示すときには絶縁シート１６と表記する。
パッケージ１２の夫々の幅広面には、冷却板２０が接合されている。冷却板２０は、絶縁シート１６を覆うとともに、絶縁シート１６の周囲でパッケージ１２の幅広面に接合されている。冷却板２０は、伝熱材料が混在された樹脂で作られている。ベースとなる樹脂は、例えば、エポキシ樹脂である。エポキシ樹脂に混在させる伝熱材料は、例えば、鱗片状黒鉛、グラフェン、高熱伝導性カーボンファイバなどである。冷却板２０とパッケージ１２の接合には、大気圧プラズマ接合法が用いられる。冷却板２０とパッケージ１２の接合には、官能基としてアミン、チオール、シリコンを有する界面処理剤を用いた界面接合法が用いられても良い。
冷却板２０のパッケージ１２と接合される面の反対側には、複数のピンフィン２１が設けられている。冷却板２０とピンフィン２１は、絶縁シート１６を貼着したパッケージ１２を金型に入れ、その金型のキャビティに、伝熱材料を混在させた樹脂コンポジットを流し込んで成形される。このときの成形圧力は、パッケージ１２にダメージを与えないように、例えば、１０［ＭＰａ］未満に調整されるとよい。また、金型温度は、２１０℃未満であることが好ましい。ピンフィン２１が設けられた冷却板２０は、トランスファー成形、射出成形、圧縮成型などの手法で成形される。
ここで、冷却板２０に混在されている伝熱材料の配向について説明する。図６に、図３の破線ＶＩの範囲の拡大図を示す。図６では、樹脂ベースに混在されている伝熱材料２２を黒太線で示してある。伝熱材料２２は、細長の針状である。伝熱材料２２は、冷却板２０の板の内部では、冷却板２０の板面と平行な方向（図中の矢印Ａの方向）に配向している。ピンフィン２１の内部においては、伝熱材料２２は、ピンフィン２１の根本から先端に向かう方向（図中の矢印Ｂの方向）に配向している。冷却板２０は、伝熱材料２２の配向方向で伝熱特性が高くなる。伝熱材料２２は、冷却板２０の板の内部では板面の広がり方向に配向しており、ピンフィン２１の内部ではピンフィン２１の根本から先端に向かう方向に配向している。この配向によって、冷却板２０の板内の熱はピンフィン２１の先端へと伝わり易くなる。
図３－図５に戻り、冷却器３について説明する。先に述べたように、冷却器３は、四角筒状の外筒３０と、外筒３０の内部に設けられた複数の梁３１を備えている。なお、図４では、理解を助けるために、梁３１はグレーで示してある。１個の半導体モジュール１０に対して一対の梁３１が対応している。図３と図４に示すように、一対の梁３１の夫々は、両端が四角筒状の外筒３０の内面に接合している。一対の梁３１の間に半導体モジュール１０が配置されている。扁平な半導体モジュール１０（パッケージ１２）の図中の座標系のＹ方向の両端が梁３１に接合されており、Ｚ方向の両端が外筒３０の内面に接合されている。パッケージ１２の幅広面の法線方向からみてパッケージ１２の周囲が冷却器３に接合されており、パワー端子１９ａ、１９ｂ、１９ｃと制御端子４１は、外筒３０を貫通して外筒３０の外側へと延びている。
冷却器３は、樹脂で作られている。冷却器３の材料は、例えば、エポキシ系の樹脂である。なお、外筒３０は、図中の座標系のＸ方向で複数の筒ブロックに分割されており、隣接する筒ブロックは、液漏れ防止のガスケット（不図示）を挟んで接合される。なお、図では複数のブロックを１個の外筒３０として描いてある。外筒３０は、半導体モジュール１０と同数のブロックに分割される。そして、１個の半導体モジュール１０に対して１個のブロックが成形される。冷却器３の各ブロックは、冷却板２０を形成した半導体モジュール１０を金型に入れ、溶融樹脂を流し込んで作られる。
冷却器３を形成する金型内では、冷却板２０は、フローティング金型によって、冷却器３を成形するキャビティから隔離される。その結果、図４に示されているように、冷却板２０の法線方向からみたときに、冷却板２０の周囲と冷却器３の内面との間には、距離ｄＷの隙間が確保される。別言すれば、冷却板２０の法線方向からみて冷却板２０の周囲の縁は冷却器３の内面から距離ｄＷだけ離間している。なお、冷却板２０はキャビティから必ずしも完全に隔離されていなくてもよい。別言すれば、冷却板２０はその一部が冷却器３に接触していてもよい。
冷却器３を成形するときの条件は任意であるが、例えば、金型温度は、２１０℃以下に抑えられる。溶融した樹脂を金型内で固化させる際、樹脂の架橋密度を１００％に近づけるため１８０℃以上かつ３時間以上の熱処理を行うとよい。そのような処理と、冷却板２０が冷却器３から離間していることによって、冷却器３を成形するときの熱収縮にも関わらず、冷却板２０に発生する内部応力が低く抑えられる。
図中のＹ方向にて梁３１と外筒３０の間の空間が流路Ｐに相当する。先に図２を参照して説明したように、冷却器３の外部から供給される冷媒は流路Ｐを通じて冷却板２０のピンフィン２１の間に流れ、流路Ｐを通じて冷却器３の外部へと排出される。
半導体装置２の利点を説明する。半導体装置２では、半導体モジュール１０のパッケージ１２に接合する冷却板２０の材料として、金属製ではなく伝熱材料を混在させた樹脂を採用した。半導体モジュール１０のパッケージ１２も樹脂で作られているため、樹脂製の冷却板２０とパッケージ１２の接合性がよい。また、金属製の冷却板と比較して、樹脂製の冷却板２０はパッケージ１２との線膨張係数の差が大きくない。それゆえ、冷却板２０の成形時の熱、冷却器３の成形時の熱、及び、半導体装置２の稼働中の熱サイクルに対して、冷却板２０とパッケージ１２の接合部分に発生する応力は小さい。それゆえ、冷却板２０はパッケージ１２から剥がれ難く、冷却性能の経時劣化が小さい。
冷却板２０の法線方向（図中のＸ方向）からみて、冷却板２０の周囲の縁は、冷却器３から離間している。この特徴により、冷却器３の成形時の熱に関わらず冷却板２０には熱応力が発生しない。このことも、冷却板２０が剥がれ難くなることに貢献する。
冷却板２０は、細長形状の伝熱材料が混在している樹脂で作られている。伝熱材料は、ピンフィン２１の内部には、ピンフィン２１の根本から先端に向かう方向に配向している。この配向により、冷却板２０の熱はピンフィン２１の先端に伝わり易くなっている。
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。冷却板２０にはピンフィン２１が設けられている。ピンフィンの代わりに板状のフィンであってもよい。実施例の半導体装置２では、半導体モジュール１０の幅広面の法線方向からみて、パッケージ１２の周囲が全て冷却器３に接合している。パッケージ１２は、法線方向からみて少なくとも一対の両端が冷却器に接合していればよい。
半導体モジュール１０に封止される半導体素子は１個でもよく、３個以上であってもよい。実施例の半導体装置２では、半導体モジュール１０の一対の幅広面のそれぞれに放熱板が露出しており、冷却板２０が接合されている。半導体モジュールの少なくとも一面に放熱板が露出しているとともに冷却板が接合されていればよい。冷却器３に内蔵される半導体モジュールの数にも制限はない。
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、４ｂ：半導体素子
１０：半導体モジュール
１２：パッケージ
１３、１５ａ、１５ｂ：放熱板
１４：スペーサ
１６、１６ａ、１６ｂ：絶縁シート
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ：パワー端子
２０：冷却板
２１：ピンフィン
２２：伝熱材料
３０：外筒
３１：梁
４１：制御端子
４２：ボンディングワイヤ

Claims (3)

  1. 樹脂製のパッケージの内部に半導体素子を封止しているとともに、少なくとも一面に放熱板が露出している半導体モジュールと、
    伝熱材料が混在された樹脂で作られている冷却板であって、一方の面が前記パッケージの前記一面に接合されており、他方の面にフィンが設けられている冷却板と、
    前記フィンに沿って冷媒を流す樹脂製の冷却器であって、前記冷却板の法線方向からみて前記冷却板を囲んでいるとともに、前記法線方向からみて前記パッケージの両端に接合されている冷却器と、
    を備え、
    前記冷却板は、前記冷却器から離間している、
    半導体装置。
  2. 前記伝熱材料は細長形状を有しており、前記フィンの内部の前記伝熱材料は、その長手方向が前記フィンの根本から先端に向かう方向に配向している、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記放熱板を覆っているとともに、前記冷却板の前記一方の面によって覆われている絶縁シートをさらに備える、請求項１又は２に記載の半導体装置。
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