JPH09134983A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH09134983A
JPH09134983A JP7291299A JP29129995A JPH09134983A JP H09134983 A JPH09134983 A JP H09134983A JP 7291299 A JP7291299 A JP 7291299A JP 29129995 A JP29129995 A JP 29129995A JP H09134983 A JPH09134983 A JP H09134983A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体チップを搭載した薄板の絶縁板とそれ
を冷却するヒートシンクを備えた半導体装置における伝
熱性能の向上を図る。 【解決手段】 複数の半導体チップ１を上面に搭載し下
面に金属膜３ｂが形成された絶縁板２と、絶縁板２の下
面側に配置されたヒートシンク１４と、金属膜３ｂとヒ
ートシンク１４間に装填された熱伝導グリースとを備
え、絶縁板２がヒートシンク１４に締め付けらた半導体
装置において、熱伝導グリース１５を、絶縁板２とヒー
トシンク１４間で各半導体チップ１に相対する領域ない
し近傍に、島状に装填し、締付け状態で島状領域を半導
体チップの平面積の４〜８倍にすることで上記部材間の
熱抵抗を最低レベルまで下げることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体モジュール
にヒートシンクを装着してなる半導体装置の冷却構造に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】特願平４−１７６４９７号に、代表的な
従来技術としての半導体装置の冷却構造が記載されてい
る。モジュール基板に、例えば窒化アルミニウムの絶縁
層をはさんで半導体チップが半田付けされて、半導体モ
ジュールが構成される。モジュール基板とこの基板の裏
面に設置されたヒートシンクとの間には熱伝導グリース
を封入して、半導体モジュールとヒートシンクをボルト
などで締め付けている。ヒートシンクはヒートパイプ方
式の場合もあるが、水通路を設けた水冷方式、あるい
は、フィンを設けた空冷方式などの場合もある。
【０００３】半導体チップは作動時に発熱し、その熱
は、半導体チップから半田層、絶縁層を介してモジュー
ル基板に伝わる。モジュール基板では熱が拡散される。
拡散された熱は、熱伝導グリースを介してヒートシンク
へと伝熱される。このようにして半導体チップは、ヒー
トシンクにより冷却されて、許容値（例えば１００℃、
または１５０℃など）以下になるように放熱される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このような半導体装置
の場合、例えば半導体チップはシリコンで、絶縁層は窒
化アルミニウム（ＡｌＮ）で、モジュール基板は銅で製
作されている。シリコン、ＡｌＮ、銅の線膨張係数が異
なるため、シリコン製の半導体チップが発熱した場合、
それぞれ膨張する長さが異なり、そして半導体チップと
絶縁層間に介在する半田層に応力が発生する。発生応力
が大きいと、半田層に亀裂が生じて、半導体モジュール
の破損を招く。一方、応力を低減する方法として、絶縁
層あるいはモジュール基板を薄くする方法がある。例え
ば、従来、厚さ１０ｍｍ程度であった銅製のモジュール
基板を厚さ３ｍｍ程度に減少させる。あるいは絶縁層、
モジュール基板の材料をシリコンに近づける。例えば、
３ｍｍ厚の銅のモジュール基板に代えて、３ｍｍ厚のモ
リブデン基板を用いる。あるいは絶縁層とモジュール基
板をひとつの材料として、例えばＡｌＮの３ｍｍ厚さと
する。さらに薄くしてＡｌＮ厚さを１ｍｍ、０．５ｍｍ
とする方法である。
【０００５】ところで、このように絶縁層、モジュール
基板の材料の膨張係数がシリコンに近くなると、各部材
の熱伝導率も小さくなる。さらに応力低減のため、その
厚さを薄くすると、半導体チップから伝わった熱を拡が
らせる効果が低減する。
【０００６】一方、絶縁層、モジュール基板が薄くなる
と、モジュール基板とヒートシンク間に封入される熱伝
導グリースの厚さも厚くなってしまう。すなわち、一般
にモジュール基板の縁部にボルトを挿入する穴を設け
て、ボルトで締め付けるから、絶縁層、モジュール基板
が厚ければ、熱伝導グリースを十分に押し付けるので、
熱伝導グリースの厚さは薄くなる。しかし、絶縁層、モ
ジュール基板が薄くなると、縁部をボルトで締め付けて
も、これら板部材が撓むために、中央部の熱伝導グリー
スの層が厚くなってしまう。
【０００７】つまり、応力低減を図るため、絶縁層、モ
ジュール基板をシリコンに近い膨張係数の材質にする、
あるいは厚さを薄くすると、熱の拡がりが悪くなり、さ
らに熱伝導グリースが厚くなると、モジュール基板から
ヒートシンク側への伝熱が悪くなる。つまり半導体チッ
プからヒートシンクへの熱の伝わりが悪くなり、半導体
チップの温度上昇を招くおそれがある。
【０００８】本発明では、絶縁層とモジュール基板とを
同一の絶縁性材料で一体化した基板(該一体化した基板
を絶縁板と称する)を用いる半導体装置における熱伝導
性の向上を図る。
【０００９】本発明が解決しようとする第１の課題は、
半導体装置において、絶縁板が薄くなった場合でも、熱
伝導グリースを薄くして、半導体チップからヒートシン
クへの伝熱を良好にすることにある。さらに第２の課題
はヒートシンク内の伝熱において、半導体チップに相対
する部分の伝熱特性を良好にすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記第１の課題を解決す
るために、本発明の第１の半導体装置は、複数の半導体
チップを上面に搭載し下面に金属膜が形成された絶縁板
と、この絶縁板の下面側に配置されたヒートシンクと、
金属膜とヒートシンク間に装填された熱伝導グリースと
を備え、絶縁板がヒートシンクに締め付けられて構成さ
れる半導体装置であって、熱伝導グリースは、半導体チ
ップそれぞれに相対する領域およびその近傍に、島状に
装填されていることを特徴とする。
【００１１】そして熱伝導グリースの島状領域は半導体
チップの平面積の４〜８倍とするのが好ましい。熱伝導
グリースを島状に形成する理由は、絶縁板とヒートシン
ク間全面に熱伝導グリースを設けるよりも、熱伝導グリ
ースを薄くすることができ、熱伝導性を向上させること
ができるからである。また絶縁板をヒートシンクに締め
付けて、熱伝導グリースの島状領域を半導体チップの平
面積の４倍に拡げると、絶縁板とヒートシンク間の熱抵
抗が熱伝導グリースを介在された場合の最低値近くまで
低下し、８倍を超えて拡げても熱抵抗がそれ以上低下し
ないからである。
【００１２】また、上記第１の課題を解決するために、
本発明の第２の半導体装置は、複数の半導体チップを上
面に搭載し下面に金属膜を形成された四角形の絶縁板、
この絶縁板の上面側を、半導体チップを含めて覆う樹脂
及びこの樹脂の側面を囲むケースからなるモジュール
と、このモジュールの絶縁板の下面側に配置された四角
形板状のヒートシンクと、絶縁板の金属膜とヒートシン
ク間に装填された熱伝導グリースとを備え、モジュール
をヒートシンクに締め付けて構成される半導体装置であ
って、樹脂中で隣合う半導体チップ間の適宜箇所及びケ
ースの壁の適宜箇所に上下に穿設した穴にそれぞれ挿入
したバネと、このバネの上端を押圧し、ヒートシンクと
の間にモジュールを挟んでヒートシンクの４角にボルト
を介して締め付けられた押さえ板とを設け、かつ熱伝導
グリースは、半導体チップそれぞれに相対する領域およ
びその近傍に、島状に装填されていることを特徴とす
る。
【００１３】そして、第２の半導体装置においては、熱
伝導グリースの島状領域は半導体チップの平面積の４〜
８倍とするのがよい。この４〜８倍の理由は、上記第１
の半導体装置の説明で述べたとおりである。
【００１４】また上記第１、第２の各半導体装置におい
て、押さえ板をヒートシンクに締め付けるボルト近傍
で、押さえ板とヒートシンクの間にスペーサを設け、こ
のスペーサにより上記バネの圧縮量を規定することが好
ましい。さらにこれらバネは、モジュールの相対する２
辺にそれぞれ沿って配列された２群と、これら２群の配
列の中央でこれら２群の配列に直交して挟まれるように
配列された１群とから構成するのがよい。さらに上記１
群のばねのばね定数は、他の２群のばねのそれより大き
くすることがこのましい。上記３つの群の配列（Ｈ形配
列）と各群のバネ定数は、絶縁板をヒートシンクに均一
に押圧する上でこのましい。その理由は、発明の実施の
形態の項で図２により説明する。
【００１５】上記第２の課題を解決するために、第１、
第２の半導体装置において、ヒートシンクは、内部に、
並行する複数の流路と、該流路の両端に形成されたヘッ
ダとからなる冷却手段を設けるとよい。
【００１６】また別の冷却手段として、ヒートシンク内
部に、隔壁を介して仕切られた上下２室と、２室のうち
の下室に冷却媒体を導入する流入口と、隔壁で半導体チ
ップに相対する位置に形成され下室からの冷却媒体を通
す孔と、２室のうちの上室から冷却媒体を排出し流入口
とは反対側に位置する排出口とを設けて冷却手段を構成
してもよい。また隔壁の孔に円形のノズルを装着し、こ
のノズルが向く上室の天井部分に凹みを設けるのがよ
い。これにより上室の天井部の厚さが減少して、半導体
チップから発生し絶縁板を通じて伝わる熱がヒートシン
クに吸収されやすくなる。さらに、凹みでノズルの対向
する領域から外側に放射状にフィンを取り付ければ、な
おさら、冷媒による冷却性能を向上させることができ
る。また上記円形のノズルの代わりに、長円形のノズル
を装着し、このノズルが向く上室の天井部分に凹みを設
け、この凹みでノズルの開口に対向する領域から外側に
長円形に対して交叉する方向に延びるフィンを各長辺に
そって並列して設けてもよい。
【００１７】また上記第１の課題を解決するために、本
発明の第３の半導体装置は、上記第２の半導体装置にお
ける絶縁板の下面全面に設けた金属膜に代わって、金属
膜を半導体チップそれぞれに相対する領域に形成し、こ
の金属膜とヒートシンク上面間に熱伝導グリースを島状
に装填し、さらに第２の半導体装置のヒートシンクに冷
却構造を設けたものである。
【００１８】第３の半導体装置におけるヒートシンクの
冷却構造は、上記第１、第２の半導体装置に備えるもの
と同様に構成するとよい。すなわち、この冷却構造はヒ
ートシンク内部に複数の流路とヘッダを設けて構成する
とよい。また、同様に別の冷却手段として、ヒートシン
ク内部に、隔壁を介して仕切られた上下２室と、下室に
冷却媒体を導入する流入口と、隔壁に形成された孔と、
上室から冷却媒体を排出する排出口とを設けて冷却手段
を構成してもよい。また同様に、隔壁の孔に円形のノズ
ルを装着し、上室の天井部分に凹みを形成し、凹みの放
射状にフィンを取り付けて冷却構造を構成する、または
円形のノズルの代わりに長円形のノズルを用い、上室の
天井部分に凹みに長円形の各長辺にそってフィンを設け
て冷却構造を構成するのがよい。
【００１９】ここで、半導体装置が作動して、半導体チ
ップが発熱した場合の熱の伝熱経路について説明する。
絶縁板の熱伝導率が小さく、かつ厚さが薄いため、半導
体チップからの熱は、ほとんど拡がることがなく、半導
体チップが占める面積のみ伝熱される。従って絶縁板か
らヒートシンクに熱伝導グリースを介して伝熱される場
合、半導体チップに相対する面から離れた箇所にある熱
伝導グリースは伝熱にあまり寄与しない。
【００２０】一方、熱伝導グリースはヒートシンク面の
全面に塗布して、締め付けると熱伝導グリースが抜けき
れず、熱伝導グリースの薄肉化に限界がある。半導体チ
ップに相対する面積部のみに塗布すると、締め付けた場
合に熱伝導グリースが塗られていない面積の方へ流れや
すくなるため、熱伝導グリースが薄くなる。
【００２１】さらに、絶縁板が薄くなると、絶縁板を端
部から締め付けても特に中央部において締め付け力が弱
く、グリースを薄くできない。モジュールの適宜箇所に
バネを配することによって、モジュールをヒートシンク
に締め付ける際に、絶縁板の端部から中央部まで、グリ
ースが薄くなり、絶縁板およびモジュール基板が薄い時
に、さらに熱伝導グリースを薄くでき、熱伝導上の効果
は大きくなる。
【００２２】また、ヒートシンクに冷却手段を設け、半
導体チップに相対する面積のみ高効率に冷却することに
より、さらに一層半導体チップ温度を下げることが可能
となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を使って説明する。
【００２４】図１は本発明の一実施の形態を示す断面図
である。図２、図３はそれぞれ図１のII−II矢視図、II
I−III矢視図である。複数の半導体チップ１が絶縁板２
の上に搭載されている。絶縁板２の材質は例えば窒化ア
ルミニウム（ＡｌＮ）である。絶縁板２の表面（半導体
チップを搭載する側の面）にはスパッター、蒸着などの
方法で半導体チップの搭載領域や配線部に金属膜３ａが
形成され、また絶縁板２の裏面には同様の方法で全面に
金属膜３ｂが形成されている。表面側では、この金属膜
３ａと半導体チップ１が半田層４によって半田付され
る。半導体チップ１はアルミニウムなどのワイヤ５によ
って配線部分の金属膜３ａと接続され、各接続部は半田
あるいは銀ロウで接合されている。半導体チップ１と絶
縁板２で構成される部分及び次に述べる充填樹脂、樹脂
ケースを含めてモジュール６と称す。
【００２５】モジュール６の構成においては、半導体チ
ップ１およびその周囲をカバーするように充填樹脂７が
充填され、そして充填樹脂７はその側面が樹脂ケース８
で囲われて保護されている。樹脂ケース８、充填樹脂７
の各所には穴９が設けてあり、これら穴９の中にコイル
ばね１０が挿入される。モジュール６とこのモジュール
６の下に取り付けるヒートシンク１４を結合するため
に、モジュール６の上面側には押さえ板として支持治具
１１が設置される。支持治具１１は、モジュール６を挟
み、４角でヒートシンク１４にボルト１３により締め付
けられる。支持治具１１の下面でコイルばね１０と当接
する箇所に突起１２を設け、これがコイルばね１０の穴
に差し込まれる。ヒートシンク１４は、冷却フィンが装
着されたり、内部に水などの流路が設けられたり、ヒー
トパイプなどが設けられ冷却の役目をする。
【００２６】絶縁板２の裏面に形成された金属膜３ｂと
ヒートシンク１４上面との間には、絶縁板２を挟んで半
導体チップ１とほぼ相対する領域に、熱伝導グリース１
５が塗布されており、支持治具１１をボルト１３により
ヒートシンク１４に締め付けるときに、熱伝導グリース
１５が締め付けられる。ボルト１３の締め付け量は、支
持治具１１とヒートシンク１４間にあってボルト１３の
周囲に配置した円筒状のスペーサ１６で決める。このと
き、コイルばね１０の長さがある設定値に設定され、絶
縁板２をばね力でヒートシンク１４に押し付ける押し付
け力が一定値に設定される。一方、熱伝導グリース１５
は押し付け力により薄くなるが、はじめに（押し付ける
前に）塗布された広さよりも広がって同時に薄くなる。
図２に示すように、絶縁板２表面に形成された配線部の
金属膜３ａ間は他のワイヤ５ｂにより接続され、最終的
には電極１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄと半導体チッ
プ１とが電気的に接続されることになる。
【００２７】なお、コイルばね１０、ボルト１３の数は
任意に選べるが、本実施の形態では図２に示すように、
コイルばね１０は樹脂ケース８の前辺部(図２で上側)に
３個(１０ａ)、後辺部(図２で下側)に３個(１０ｂ)並
び、中央部に縦に３個(１０ｃ）並ぶ。ボルト１３は支
持治具１１の４角に４個設けられる。中央部のコイルば
ね１０ｃはなくてもよいが設けた方が熱伝導グリース１
５をより薄くできる。その場合、コイルばね１０ａ、１
０ｂのばね定数を、コイルばね１０ｃのばね定数よりも
大きくなるようにすると良い。ボルト１３を締め付ける
とき、先にコイルばね１０ａ、１０ｂ側、つまり樹脂ケ
ース８の前辺側と後辺側が加圧され、後でコイルばね１
０ｃ、つまり中央部が加圧されることになる。先に樹脂
ケース８の前辺側と後辺側が加圧されると、半導体チッ
プ１に絶縁板２を挟んで相対する面に塗布された熱伝導
グリース１５はほぼ均一に加圧され、次に中央部側が加
圧されて、さらに一層熱伝導グリース１５が均一に加圧
され、一様な薄い厚さに制御される。ところが逆の場
合、つまり、先に中央部側すなわちコイルばね１０ｃが
加圧されると、コイルばね１０ｃの中央部をはさんで左
右の熱伝導グリース１５ａ、１５ｂの厚みが異なる。左
側の熱伝導グリース１５ａが薄くなると、右側の熱伝導
グリース１５ｂが厚くなり、左側の熱伝導グリース１５
ａが厚くなると、右側の熱伝導グリース１５ｂが薄くな
る。この状態から前辺側と後辺側のコイルばね１０ａ、
１０ｂの締め付けが始まるとコイルばね１０ａ、１０ｂ
が締め付けられる前の熱伝導グリース１５ａ、１５ｂの
厚さの影響を受けて熱伝導グリース１５ａ、１５ｂの厚
さを均一に薄くすることができない。このような作用を
もたせるため、図３に示すように支持治具１１はアルフ
ァベットのＨの形状をしている。
【００２８】なお、図１では、モジュール６をヒートシ
ンク１４に締め付けた半導体装置を示すが、この他に別
の半導体装置として、モジュール６をＣｕ製モジュール
基板上に構成してこれをヒートシンク１４に締め付けた
ものもある。この別の半導体装置では、モジュール基板
とヒートシンク１４間に熱伝導グリース１５が入ってい
る。
【００２９】熱伝導グリース１５を塗布し、それから締
め付け加圧により熱伝導グリースの付着面積を拡がらす
場合の望ましい範囲を示す。熱伝導グリースを薄く付着
させることが可能ならば、モジュール基板あるいは絶縁
板全面に拡げても良いが、全面に拡げようとすると熱伝
導グリースの厚みが厚くなってしまう。熱伝導グリース
を塗布する面積はチップ面積とほぼ同じであることが製
作上望ましい。
【００３０】図４、図５にモジュール基板、絶縁板にお
ける加圧による熱伝導グリースの付着面積の拡がり率
（グリース面積拡がり率）と熱抵抗の関係を示す。グリ
ース面積拡がり率（Ａ）は、最初のグリース塗布面積：
Ｓ0、加圧で拡がったグリース付着面積：Ｓとして、Ｓ
／Ｓ0と定義する。熱抵抗は、塗布した熱伝導グリース
を加圧して順次に付着面積を拡大する度に熱抵抗を測定
し、その抵抗値がそれ以下に低下しない最小抵抗値を基
準値１として、基準値に対する割合（Ｂ）で示した。図
４、５で、グリース面積拡がり率（Ａ）を横軸に、熱抵
抗の割合Ｂを縦軸に示す。図４は、モジュール基板が銅
で厚さが３ｍｍの場合の例であり、グリース面積拡がり
率が８、すなわち元の塗布面積から８倍程度拡大した時
に熱抵抗は最小値に達する。図５は絶縁板が窒化アルミ
ニウムで厚さが０．５ｍｍの場合の例であり、グリース
面積拡がり率が４、すなわち元の塗布面積から４倍程度
拡大した時に熱抵抗は最小値に達する。
【００３１】図６は、図１に示した半導体モジュール６
を３個、ひとつのヒートシンク１４上に並べたものであ
る。半導体モジュール６がＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイ
ポーラトランジスター）などのパワー素子の場合には電
力用モータの回転数などを制御するのでＵ、Ｖ、Ｗ相の
３相分が必要になる。
【００３２】図７に、熱伝導グリースの塗布に用いる型
板を示す。型板は半導体チップ１の配列と同じように、
開口１９を設けた、厚みが薄い金属板（テンプレート１
８と称する）である。このテンプレート１８をモジュー
ル基板面、あるいはヒートシンク面に当てて、熱伝導グ
リースを塗布する。その後に、テンプレート１８を取り
除くと図７の開口１９に相当する部分にのみ熱伝導グリ
ースを残すことができる。このテンプレートは薄いほど
良いが、実用的には０．５〜０．０５ｍｍの厚みが良
い。特に０．０５〜０．１５ｍｍが最適である。テンプ
レート１８の材質は金属でなくても、固体物の板状のも
ので良い。
【００３３】図８は本発明の他の実施の形態となる半導
体装置を示す。この半導体装置は、図１に示す半導体装
置のように絶縁板２の裏面全面に金属膜３ｂを設けるの
ではなく、絶縁板２の裏面で、半導体チップに相対する
領域のみに金属膜３ｂを設ける。この場合には、熱伝導
グリース１５ａ、１５ｂが加圧されて拡がったとき、金
属膜３ｂを設けていない部分へ熱伝導グリースが拡がっ
ていく空間があるため、金属膜３ｂのところの熱伝導グ
リース１５ａ、１５ｂをより一層薄くすることができ
る。
【００３４】図９、図１０は本発明のさらに他の実施の
形態を示す。モジュール６の３相分が、熱伝導グリース
１５を介してヒートシンク１４の上に搭載されている。
その場合のヒートシンク１４の構造を示している。図１
０は、図９に示すヒートシンク１４のＸ−Ｘ断面図であ
る。ヒートシンク１４内には、矩形状の複数の流路２０
が並行に設けられ、複数流路２０の両端にはヘッダ２１
ａ、２１ｂが設けられ、さらにヘッダ２１ａには冷媒２
４の流入口２２が、ヘッダ２１ｂには流路２０を流れた
冷媒２４の流出口２３が設けられている。流入口２２か
ら入った冷媒２４がヘッダ２１ａにおいて、各流路２０
に分かれて流れ、ヘッダ２１ｂでまとめられ、流出口２
３から出ていく。モジュール６から熱伝導グリース１５
を伝わった熱は、先ずヒートシンク１４に伝わり、最終
的には冷媒２４に伝わり流出口２３から流出される。冷
媒２４は、水、あるいは不凍液であるパーフロロカーボ
ン液、エチレングリコール水溶液などを用いると良い。
【００３５】図１１は本発明のさらに他の実施の形態を
示す。ヒートシンク１４の構造に関する。今までの説明
のように、半導体チップ１からの熱は、あまり拡がらず
に熱伝導グリース１５を通過してヒートシンク１４へ伝
えられる。従って冷却効率を上げようとすると半導体チ
ップ１に相対する部分の伝熱を良くすれば良い。図１１
の構造は半導体チップ１と相対するところにノズル２５
を設けて冷媒２４を噴流状に衝突させ伝熱性能を向上さ
せる。ヒートシンク１４は表裏厚さ方向に区画された２
つの室を有し、一つは裏側に位置する外側の室２６で、
他は表側に位置しモジュール６が設置される内側の室２
７である。室２６と室２７間の隔壁には半導体チップ１
の配置と相対するところに開口が設けられて、この開口
でノズル２５を形成する。外側の室２６の側壁には冷媒
２４を導入する流入口２２が、内側の室２７の側壁に流
出口２３が設けられ、流入口２２から流入した冷媒２４
は、流出口２３から流出する。冷媒２４は、外側の室２
６からノズル２５を通過するとき、ノズル２５でしぼら
れるため高速流となる。この高速流の冷媒２４は、内側
の室２７でモジュール６側の壁面２８に噴流２９となっ
て衝突するため、壁面２８の半導体チップ１に相対する
面積部に高い伝熱性能が得られる。さらに本実施の形態
では、壁面２８で半導体チップ１の配列と相対する部位
には凹部３０を設ける。これを設けることにより噴流２
９の流れがスムーズに行われる。さらに、この凹部３０
でヒートシンク１４の壁が薄くなるため、熱伝導グリー
ス１５から噴流２９までの伝熱が一層向上する。
【００３６】図１２および図１３に、図１１に示すもの
とは異なるヒートシンクの他の構造を示す。図１３は図
１２のXIII−XIII断面図である。このヒートシンクは、
外側の室２６と内側の室２７間の隔壁に形成した開口部
に、室２７側からノズル３３をねじこみ、ノズル３３に
より噴流２９を生ずる構造とする。さらに凹部３０の壁
厚の薄い部位３１には中央部に空間を設け、中央部から
放射状に冷却フィン３２を取り付ける。中央部には噴流
２９が直接に衝突する。この構造にすることにより、噴
流効果が大きくなり、さらに冷却フィン３２の取り付け
により伝熱性能が向上する。
【００３７】図１４、図１５にヒートシンクのさらに別
の構造を示す。図１５は図１４のXV-XV矢視図である。
図１２の場合と同様に内側の室２７側からノズル３３を
ねじこむ構造であるが、このノズル３３は噴流２９が流
出するノズル先端部３４の断面が長円形状である。そし
て、冷却フィン３２は複数個が平行に並んでいる。ノズ
ル先端部３４がフィン間に差し込まれる構造となり、長
円形のノズル先端部の長軸を軸にして、左右にフィン列
３５ａ、３５ｂが並んでいる。ノズル先端部３４から出
た噴流２９は左右に分かれて３５ａ、３５ｂのフィン列
の間を流れる。半導体チップ１は一般に正方形、長方形
などの矩形状をしているため、冷媒で冷却する面も矩形
状が良く、ノズル先端部３４を長円形状にしてフィン列
３５ａ、３５ｂを平行フィン形状の列にすることによ
り、矩形状で高い冷却性能面が得られる。
【００３８】
【発明の効果】本発明によれば、モジュールの絶縁板と
ヒートシンクとの間に設ける熱伝導グリースの厚みを均
一で、しかも薄く塗布することが可能となる。熱伝導グ
リースが薄くなるため、半導体チップからヒートシンク
までの熱抵抗を小さくできる。これにより絶縁板、モジ
ュール基板の材質を、半導体チップの材料であるシリコ
ンの線膨張係数に近い材質に選ぶことが可能となる。こ
れに相当する材料は窒化アルミニウム、銅モリブデンな
どであるが、これらは熱伝導率が小さく、熱の伝わりが
悪いが、前述のように熱伝導グリース部の熱抵抗を小さ
くできるため、材質を任意に選べることになる。また、
熱応力を小さくするため、絶縁板、モジュール基板の厚
みを小さくしたいが、厚みが小さいと従来技術では熱伝
導グリースが厚くなってしまう。本発明により熱伝導グ
リースを薄くでき、絶縁板、モジュール基板の厚みを薄
くすることが可能になる。
【００３９】また、ヒートシンクに冷却手段を設けるこ
とにより、ヒートシンク側の伝熱促進を図れるため、全
体として半導体チップと冷媒との間の熱抵抗を小さくで
きる。このことは、モジュールを構成する各部の温度を
小さくできることを示しており、これと各部の熱応力を
小さくできることの２つの要因は、モジュールの破損を
小さく押さえることを可能とし、モジュールの長寿命化
（長い期間の使用）を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態なる半導体装置の断面図
である。
【図２】図１のII−II 矢視図である。
【図３】図１のIII−III 矢視図である。
【図４】Ｃｕ板における熱伝導グリースの付着面積と熱
抵抗の特性を示す図である。
【図５】ＡｌＮ板における熱伝導グリースの付着面積と
熱抵抗の特性を示す図である。
【図６】ヒートシンク上に設けた３個の半導体モジュー
ルの配列を示す平面図である。
【図７】熱伝導グリース塗布用の型板を示す図である。
【図８】本発明の他の実施の形態である半導体装置の断
面図である。
【図９】本発明のさらに他の実施の形態である半導体装
置の断面図である。
【図１０】図９のX−X断面図である。
【図１１】本発明のさらに他の実施の形態である半導体
装置の断面図である。
【図１２】ヒートシンクの冷却構造を示す断面図であ
る。
【図１３】図１２のXIII−XIII 矢視図である。
【図１４】ヒートシンクの他の冷却構造を示す断面図で
ある。
【図１５】図１４のXV−XV 断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体チップ ２ 絶縁板 ３ａ、３ｂ 金属膜 ４ 半田層 ５ａ、５ｂ ワイヤ ６ モジュール ７ 充填樹脂 ８ 樹脂ケース ９ 穴 １０ コイルばね １１ 支持治具 １２ 突起 １３ ボルト １４ ヒートシンク １５ 熱伝導グリース １６ スペーサ １７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ 電極 １８ テンプレート １９ 開口 ２０ 流路 ２１ａ、２１ｂ ヘッダ ２２ 流入口 ２３ 流出口 ２４ 冷媒 ２５ ノズル ２６ 外側の室 ２７ 内側の室 ２８ 壁面 ２９ 噴流 ３０ 凹部 ３１ 薄壁の部位 ３２ 冷却フィン ３３ ノズル ３４ ノズル先端部 ３５ａ、３５ｂ フィン列
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成７年１１月１０日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正内容】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山村 博久 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 藤枝 信男 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の半導体チップを上面に搭載し下面
    に金属膜が形成された絶縁板と、該絶縁板の下面側に配
    置されたヒートシンクと、前記金属膜と前記ヒートシン
    ク間に装填された熱伝導グリースとを備え、前記絶縁板
    が前記ヒートシンクに締め付けられて構成される半導体
    装置において、 前記熱伝導グリースは、前記半導体チップそれぞれに相
    対する領域およびその近傍に、島状に装填されているこ
    とを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】 前記熱伝導グリースの島状領域は前記半
    導体チップの平面積の１.４〜１.８倍としたことを特徴
    とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 【請求項３】 複数の半導体チップを上面に搭載し下面
    に金属膜を形成された四角形の絶縁板、該絶縁板の上面
    側を、前記半導体チップを含めて覆う樹脂及び該樹脂の
    側面を囲むケースからなるモジュールと、該モジュール
    の絶縁板の下面側に配置された四角形板状のヒートシン
    クと、前記絶縁板の金属膜と前記ヒートシンク間に装填
    された熱伝導グリースとを備え、前記モジュールを前記
    ヒートシンクに締め付けて構成される半導体装置におい
    て、 前記樹脂中で隣合う前記半導体チップ間の適宜箇所及び
    前記ケースの壁の適宜箇所に上下に穿設した穴にそれぞ
    れ挿入したバネと、該バネの上端を押圧し、前記ヒート
    シンクとの間に前記モジュールを挟んで前記ヒートシン
    クの４角にボルトを介して締め付けられた押さえ板とを
    設け、かつ前記熱伝導グリースは、前記半導体チップそ
    れぞれに相対する領域およびその近傍に、島状に装填さ
    れていることを特徴とする半導体装置。
  4. 【請求項４】 前記熱伝導グリースの島状領域は前記半
    導体チップの平面積の１.４〜１.８倍としたことを特徴
    とする請求項３記載の半導体装置。
  5. 【請求項５】 前記ボルト近傍で前記押さえ板と前記ヒ
    ートシンク間にスペーサを設け、該スペーサにより前記
    バネの圧縮量を規定したことを特徴とする請求項３また
    は４に記載の半導体装置。
  6. 【請求項６】 前記バネは、前記モジュールの相対する
    ２辺にそれぞれ沿って配列された２群と、該２群の配列
    の中央で該２群の配列に直交して挟まれるように配列さ
    れた１群からなることを特徴とする請求項３または４に
    記載の半導体装置。
  7. 【請求項７】 前記１群のばねのばね定数は、前記２群
    のばねのそれより大きいことを特徴とする請求項６の記
    載の半導体装置。
  8. 【請求項８】 前記ヒートシンクは、内部に、並行する
    複数の流路と、該流路の両端に形成されたヘッダとから
    なる冷却手段を有することを特徴とする請求項１ないし
    ４いずれかに記載の半導体装置。
  9. 【請求項９】 前記ヒートシンクは、該内部に、隔壁を
    介して仕切られた上下２室と、該下室に冷却媒体を導入
    する流入口と、前記隔壁で前記半導体チップに相対する
    位置に形成され前記下室からの冷却媒体を通す孔と、前
    記上室から前記冷却媒体を排出し前記流入口とは反対側
    に位置する排出口とからなる冷却手段を有することを特
    徴とする請求項１ないし４いずれかに記載の半導体装
    置。
  10. 【請求項１０】 前記隔壁の孔に円形のノズルを装着
    し、該ノズルが向く前記上室の天井部分に凹みを設けた
    ことを特徴とする請求項９記載の半導体装置。
  11. 【請求項１１】 前記凹みで前記ノズルの対向する領域
    から外側に放射状にフィンを取り付けたことを特徴とす
    る請求項１０記載の半導体装置。
  12. 【請求項１２】 前記隔壁の孔に開口形状が長円形のノ
    ズルを装着し、該ノズルが向く前記上室の天井部分に凹
    みを設け、該凹みで前記ノズルの開口に対向する領域か
    ら外側に前記長円形に対して交叉する方向に延びるフィ
    ンを該各長辺にそって並列して設けたことを特徴とする
    請求項９記載の半導体装置。
  13. 【請求項１３】 複数の半導体チップを上面に搭載し下
    面に金属膜を形成された四角形の絶縁板、該絶縁板の上
    面側を前記半導体チップを含めて覆う樹脂及び該樹脂の
    側面を囲むケースからなるモジュールと、該モジュール
    の絶縁板の下面側に配置された四角形板状のヒートシン
    クと、前記絶縁板の金属膜と前記ヒートシンク間に装填
    された熱伝導グリースとを備え、前記モジュールを前記
    ヒートシンクに締め付けて構成される半導体装置におい
    て、 前記樹脂中で隣合う前記半導体チップ間の適宜箇所及び
    前記ケースの壁の適宜箇所に上下に穿設した穴にそれぞ
    れ挿入したバネと、該バネの上端を押圧し、前記ヒート
    シンクとの間に前記モジュールを挟んで前記ヒートシン
    クの４角にボルトを介して締め付けられた押さえ板とを
    設け、かつ前記絶縁板下面の金属膜を前記半導体チップ
    それぞれに相対する領域に形成し、該金属膜とヒートシ
    ンク上面間に前記熱伝導グリースが島状に装填され、前
    記ヒートシンクは冷却構造を有することを特徴とする半
    導体装置。
  14. 【請求項１４】 前記冷却構造は、前記ヒートシンク内
    部に互いに並行する複数の流路と、該流路の両端に形成
    されたヘッダとからなることを特徴とする請求項１３に
    記載の半導体装置。
  15. 【請求項１５】 前記冷却構造は、前記ヒートシンク内
    部で、隔壁を介して仕切られた上下２室と、該下室に冷
    却媒体を導入する流入口と、前記隔壁で前記半導体チッ
    プに相対する位置に形成され前記下室からの冷却媒体を
    通す孔と、前記上室から前記冷却媒体を排出し前記流入
    口とは反対側に位置する排出口とからなることを特徴と
    する請求項１３記載の半導体装置。
  16. 【請求項１６】 前記隔壁に形成した孔に円形のノズル
    を装着し、該ノズルが向く前記上室の天井部分に凹みを
    設けたことを特徴とする請求項１５記載の半導体装置。
  17. 【請求項１７】 前記凹みで前記ノズルの対向する領域
    から外側に放射状にフィンを取り付けたことを特徴とす
    る請求項１６記載の半導体装置。
  18. 【請求項１８】 前記隔壁の孔に開口形状が長円形のノ
    ズルを装着し、該ノズルが向く前記上室の天井部分に凹
    みを設け、該凹みで前記ノズルの対向する領域から外側
    に前記長円形に対して交叉する方向に延びるフィンを該
    各長辺にそって並列して設けたことを特徴とする請求項
    １５記載の半導体装置。
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