JPWO2007141987A1 - 熱抵抗体ならびにこれを用いた半導体装置および電気装置 - Google Patents

熱抵抗体ならびにこれを用いた半導体装置および電気装置 Download PDF

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Abstract

接触面で部分的に接触して間に空隙を形成する金属体である熱抵抗体は、全体として導電性であり、互いに部分的に接触して間に空隙を形成するように積層した複数の金属体の積層体あるいは表面に複数の凹凸を持つ金属体であったり、複数の平行な折り目を有し、隣接の金属板に対して上記折り目が互いに交差するように重ね合わされたもの、あるいは金属体の各々が厚さ方向に弾性を有し、上記積層体が全体として積層方向に弾性を有するものでよく、金属体表面に異種金属膜を持つものとすることもできる。この熱抵抗体を、発熱半導体素子と筐体カバーとの間と放熱基板と筐体カバーとの間に挿入した半導体装置およびこの装置を用いた電気装置も開示がある。

Description

この発明は、導電性を有する熱抵抗体、これを用いた半導体装置および熱抵抗体を用いた電気装置に関するものである。
例えば特許文献１に記載されているような従来の半導体装置では、結露発生を防ぐために、熱伝導性絶縁スペーサの半導体素子が圧接されている部分を除く素子側表面に、熱抵抗の高い絶縁シートあるいは樹脂製熱抵抗体としての機能を有する電気絶縁用エポキシ樹脂粉体塗料の層を形成したものがある。
一方、発熱電気素子と、この発熱電気素子を支持して発熱電気素子からの熱を放散する放熱基板および放熱基板に接続されて発熱素子を囲む筐体カバーを有する筐体とを備えた半導体装置等の電気装置に於いては、筐体に耐熱性が要求される。発熱が比較的小さく、放熱基板や筐体からの放熱により温度が比較的低く維持できる場合には、筐体としてＰＰＳ等の耐熱性樹脂を使用でき、筐体価格を低く抑えることができる。
また、従来の電気装置では、例えば特許文献２に記載されているように、半導体装置と、電動機やコンデンサを電気的に接続する銅板（ブスバー）の間にはなにも挿入しない。
この従来例に記載されているパワーモジュールを用いて構成されたインバータにおいては、１個のモジュールはＵ相（またはＶ相、Ｗ相）、Ｐ相、Ｎ相の出力端子と、制御端子とを有しており、３個のモジュールでインバータを構成している。ここでＵ、Ｖ、Ｗ相は電動機に接続され、Ｐ、Ｎ相は平滑コンデンサ、電源あるいはコンバータに接続されている。制御端子はモジュールの動作を制御するゲートドライバに接続されている。
特開平９−２１９９７０号公報 特開平１１−２６５９６９号公報
半導体素子温度が樹脂性熱抵抗体の耐熱温度以上になる場合、特許文献１に記載されているような樹脂製熱抵抗体を用いることができない。また、筐体で覆われた半導体装置等の電気装置の場合、筐体温度が耐熱温度以上になってしまうため、筐体をセラミック等の高価な耐熱性材料で作製することが必要になり、半導体装置の製作コストが高価になるという問題点もあった。
また、半導体装置から出力された電流、電圧は電極を介して、ゲートドライバ、コンデンサ（半導体装置に電気接続される部品）に接続されている。従って、半導体素子の熱が電極を介してゲートドライバ、コンデンサへ流入する。通常、電極は半導体素子温度に近い温度となっており、半導体素子温度が高温になる場合、ゲートドライバ、コンデンサの温度が耐熱温度を超えてしまうという問題点もあった。
現在のシリコン素子の耐熱温度は１２５℃が一般的であるが、モジュール構造（特に半田部分）の開発、シリコン素子の採用により、１５０℃、場合によっては２００℃以上で使用可能なモジュールの開発が進められている。その場合、素子の熱が銅板（ブスバー）を経由して周辺機器に伝達される。コンデンサ等は、特に熱に弱いので、素子の動作温度がコンデンサ等の周辺機器の耐熱温度によって制限されてしまうという問題もあった。
従って、この発明の目的は、安価な金属製の熱抵抗体構造を実現して、耐熱性を有し、低価格で信頼性の高い半導体装置を提供することであり、また半導体装置を含む発熱する電気装置一般に用いるのに適した熱抵抗体を提供することである。
この発明に係る熱抵抗体は、接触面に部分的に接触して間に空隙を形成するように構成された金属体であることを特徴とする熱抵抗体である。
またこの発明に係る熱抵抗体は、互いに部分的に接触して間に空隙を形成するように積層した複数の金属体の積層体であることを特徴とする熱抵抗体である。
またこの発明に係る半導体装置は、半導体素子と、この半導体素子を支持して上記半導体素子からの熱を放散する放熱基板およびこの放熱基板に接続された筐体カバーを有し、上記半導体素子を囲む筐体とを備えた半導体装置に於いて、上記半導体素子と上記筐体カバーとの間上記放熱基板と上記筐体カバーとの間に挿入される熱抵抗体を備え、上記熱抵抗体は、接触面に部分的に接触して間に空隙を形成するように構成された金属体であることを特徴とする半導体装置である。
またこの発明に係る半導体装置は、半導体素子と、この半導体素子を支持して上記半導体素子からの熱を放散する放熱基板およびこの放熱基板に接続された筐体カバーを有し、上記半導体素子を囲む筐体とを備えた半導体装置に於いて、上記半導体素子と上記筐体カバーとの間または上記放熱基板と上記筐体カバーとの間に挿入される熱抵抗体を備え、上記熱抵抗体は、互いに部分的に接触して間に空隙を形成するように積層した複数の金属体の積層体であることを特徴とする半導体装置である。
またこの発明に係る電気装置は、半導体装置と、この半導体装置に電気的に接続される部品と、両者を電気的に接続する導電性を有する導電性部品とを備えた電気装置において、上記半導体装置と上記導電性部品との間または上記導電性部品と上記半導体装置に電気接続される部品との間に挿入される熱抵抗体を備え、上記熱抵抗体は、接触面に部分的に接触して間に空隙を形成するように構成された金属体であることを特徴とする電気装置である。
更にこの発明に係る電気装置は、半導体装置と、この半導体装置に電気的に接続される部品と、両者を電気的に接続する導電性を有する導電性部品とを備えた電気装置において、上記半導体装置と上記導電性部品との間または上記導電性部品と上記半導体装置に電気接続される部品との間に挿入される熱抵抗体を備え、上記熱抵抗体は、互いに部分的に接触して間に空隙を形成するように積層した複数の金属体の積層体であることを特徴とする電気装置である。
またこの発明に係る半導体装置は、部品と電気的に接続される接続部を有する半導体装置において、上記接続部に、部品の接触面に部分的に接触して間に空隙を形成するように構成された金属体で構成された熱抵抗体を有することを特徴とする半導体装置である。
またこの発明に係る半導体装置は、電気的に接続される接続部を有する半導体装置において、上記接続部に、互いに部分的に接触して間に空隙を形成するように積層した複数の金属体の積層体である熱抵抗体を有することを特徴とする半導体装置である。
この発明によれば、接触面に部分的に接触して間に空隙を形成するように構成された金属体であることを特徴とする熱抵抗体である。
またこの発明に係る熱抵抗体は、互いに部分的に接触して間に空隙を形成するように積層した複数の金属体の積層体であることを特徴とする熱抵抗体であり、耐熱性が高く、導電性が大きい。また、半導体装置に於いて、複数の金属材料で形成された熱抵抗体の挿入により、半導体素子から筐体への伝熱を抑制できる。その結果、半導体装置の信頼性向上が得られるとともに、半導体素子が高温の場合でも耐熱性樹脂で形成された筐体を使用することができ、低コスト化が可能になる。
また、この発明の熱抵抗体によれば、発熱素子が半導体素子である場合、ゲートドライバ、コンデンサ（半導体装置に電気接続される部品）への熱の流入を抑制でき、低コスト、信頼性を向上させたシステムの実現が可能になる。
本発明の熱抵抗体とそれを用いた半導体装置を示す概略断面図である。（実施例１） 図１のインターポーザと半導体素子との接触部の概略拡大図である。（実施例１） 図１の熱抵抗体を構成する金属板を示す分解斜視図である。（実施例１） 図３の金属板とその押圧時の変形の状態を示す概略断面図である。（実施例１） 図３の金属板を折り目を直交させて積層して押圧した場合の金属板間接触部の概略拡大図である。（実施例１） 図５の接触部をモデル化した形状を示す模式図である。（実施例１） 本発明の折り曲げた熱抵抗体を示す概略斜視図である。（実施例２） 本発明の別の半導体装置を示す概略断面図である。（実施例２） 本発明の更に別の半導体装置を示す概略断面図である。（実施例３） 図９の半導体装置における電極部周辺の詳細図である。（実施例３） 本発明の別の半導体装置における電極部周辺の詳細図である。（実施例４） 熱抵抗体の熱抵抗，電気抵抗測定装置の概略図である。（実施例１） 図１２の装置を用いて得られた温度データの一例を表すグラフである。（実施例１） 図１２の装置を用いて得られた熱抵抗体の電気抵抗と熱抵抗の関係を表すグラフである。（実施例１） 図１０の装置の熱抵抗体の電気抵抗と熱抵抗の関係を表す熱回路図である。（実施例１） 図１０の装置を用いて得られた熱抵抗体の電気抵抗と熱抵抗の関係より銅板の温度を導出した結果をあらわす表である。（実施例１） この発明のめっきによる熱抵抗体を示す概略側面図である。（実施例５） 金属板表面に導線をろう付けなどにより接合した熱抵抗体を示す概略側面図である。（実施例６） 金属板表面にエッチングなどの加工処理を施した熱抵抗体を示す概略側面図である。（実施例７） ２本の銅線の接触部が点となるように配置した熱抵抗体を示す概略斜視図である。（実施例８）
実施例１
図１は本発明の実施の形態１による半導体装置を示す概略断面図である。金属製の放熱基板（ヒートスプレッダ）１上に、銅がパターニングされた絶縁基板（ＤＢＣ基板：Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄ Ｃｏｐｐｅｒ基板）２、半導体素子４、インターポーザ６、熱抵抗体８-１、押し当て部材７を積み重ねて積層体を形成させ、これを耐熱樹脂（ＰＰＳ）で作製した筐体カバー５で覆い、ネジ９で筐体カバー５を放熱基板１に締め付け固定して、半導体素子４を含む積層体全体が圧接されている。放熱基板１と筐体カバー５とは共同して電気装置の発熱素子である半導体素子４を囲む筐体１５を構成している。押し当て部材７は低コスト化のために耐熱ゴムを用いており、耐熱ゴムは弾性を有するために押圧バネの機能も果たしている。絶縁基板２およびインターポーザ６上に形成された銅パターン（図示してない）は、筐体１５を貫通して延びた電極３-１、３-２と接合もしくは圧接されており、半導体素子４への電圧印可、通電はこれらの電極３-１、３-２を通じて行っている。電極３−１は絶縁基板２上の銅パターンを経由することで、温度を筐体耐熱温度以下に低減させている。
図２にはインターポーザ６と、半導体素子４との接触部の拡大図を示す。インターポーザ６は絶縁体６-２（セラミック基板）と、銅パターン６-１で構成されている。銅パターン６-１は絶縁体６-２に設けられた貫通孔を通って、半導体素子４上の電極４-１に圧接させられている。
この発明によれば、筐体カバー５の天板中央部と半導体素子４との間に押し当て部材７を介在させた状態で熱抵抗体８−１が挿入されている。また、筐体カバー５の縁部と放熱基板１との間にも熱抵抗体８-２が挿入されている。熱抵抗体８−２が放熱基板１と筐体カバー５との間に挿入されていると、筐体カバー５への熱伝導をより良く妨げることができる。
熱抵抗体８−１および８−２は、少なくとも発熱素子である半導体素子４と筐体カバー５−１との間に挿入されて、その間の熱伝導を妨げるものであり、図示の例では互いに部分的に接触して間に空隙を形成するように積層した複数の金属板の積層体である。このような熱抵抗体８−１および８−２は、各々の金属板に凹凸を設けたものでよく、例えば金属板の各々に多数の折り目を与えて折り目が交差するように積層したもので良い。金属板は銅が望ましいが、熱伝導率がより低いステンレス鋼や、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗおよびそれらを含む合金で形成された金属材料でも良い。
熱抵抗体８−１および８-２の具体的な構造の一例は、図３に示すように、例えば０．３ｍｍの薄い金属板１６の各々に多数の互いに平行な折り目１７を与え、積層する隣接の金属板１６に対して折り目１７が互いに平行にならずに交差するように回転した状態で重ね合わせたものである。図示の場合、折り目１７は互いに直交していて、隣接する金属板１６の折り目の山同士が僅かな塑性変形をしてその部分だけで接触しているだけであり、互いに実質的に点接触していると言える。隣接する金属板１６の間の接触していない部分には空気の層が形成されている。従って、熱伝導の観点からは金属板１６と金属板１６との間の熱抵抗は、後に具体的に詳述するように、極めて高くなっていることがわかる。なお、真の接触部の面積を小さくすることが目的であるため、金属板１６を回転させる角度は９０°にする必要はない。金属板１６の各々が導電性を有しているので、互いに接触している金属板からなる積層体は全体として導電性である。
図４には、図３に示すのと同様の蛇腹状に折り曲げた一枚の金属板１６（図４ａ）を２枚の平板（図示してない）の間で上下方向に加圧した場合の形状（図４ｂ）を示す。積層した金属板１６を押し当て部材にて加圧した場合、折り曲げた金属板１６は、完全には元の平らな状態に戻らず、図４ｂに示すように折り曲げた箇所（折り目１７の山の近傍）が塑性変形を起こして、突起部１８が形成されたような形状になる。
図５は金属板１６間の接触部の面積を低減させるために、金属板１６を主面内で交互に９０°回転させて積層して積層方向に圧力を加えた場合の金属板１６間の接触部の拡大図である。金属板１６の突起部１８の接触は折り目１７の山の交点部分のみで起こり、その部分が僅かに塑性変形して接触し、それ以外の部分は離間していて間に空気層１９が形成される。
このような構成によれば、半導体素子４から筐体カバー５へ伝わる熱を熱抵抗体８-１、８-２の挿入により抑制できるので、有機材料である筐体カバー５あるいは押し当て部材７の温度を耐熱温度以下に抑制することができる。従って、筐体の温度を低減でき、半導体装置の信頼性向上、低コスト化が可能になる。また熱抵抗体を発熱電気装置に弾性押圧力を与える装置として兼用でき、半導体装置構成を簡易にでき、半導体装置の低コスト化が可能になる。更に電極の温度上昇を抑制でき、電極と接続されているコンデンサ、ドライバ等の周辺回路の温度上昇が抑制され、システムとしての低コスト化、信頼性向上が可能になる。
図６は、熱解析を容易にすべく、図５の接触部をモデル化した模式図である。金属板１６間を接触部１０と空気層１１でモデル化している。また、金属板１６の厚みの熱抵抗は小さいので考慮していない。
熱抵抗体に必要とされる熱透過率を以下の条件で計算する。
・半導体素子温度３００℃、外気温度５０℃
・押し当て材（耐熱性ゴム：信越化学ＫＥ-１８３３）０．００５ｍ、熱伝導率０．２０Ｗ／ｍＫ
・筐体厚み（ＰＰＳ樹脂）０．０１ｍ、熱伝導率０．２０Ｗ／ｍＫ
・押し当て材の耐熱温度２３０℃、筐体の耐熱温度２００℃（押し当て材は筐体より耐熱温度が高く、断熱材としての機能も有する）
・筐体〜外気の熱伝達率１５Ｗ／ｍ2Ｋ
・議論の簡略化のため半導体素子と接続されているインターポーザは半導体素子と同じ温度３００℃になっており、耐熱性ゴム、熱抵抗体、インターポーザの伝熱面積Ｓは等しいとする。
半導体素子（インターポーザ）から外気までの熱抵抗Ｒｔｏｔ、熱量ΔＱ、耐熱ゴム最高温度２３０℃、熱抵抗体（複数の金属板で構成）の熱抵抗Ｒ４は以下の関係式を満たす必要がある。なお、筐体−押し当て材、押し当て材−熱抵抗体の接触熱抵抗は広い伝熱面積Ｓで接触しており、熱抵抗は小さいので考慮していない。
・Ｒｔｏｔ＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４
・ΔＱ×Ｒｔｏｔ＝２５０Ｋ（＝３００−５０）
・Ｒ４×ΔＱ＝７０Ｋ（＝３００−２３０）
Ｒ１：筐体−外気間熱抵抗０．０６７（＝１／１５）×１／Ｓ
Ｒ２：筐体厚み分の熱抵抗０．０５０（＝０．０１／０．２０）×１／Ｓ
Ｒ３：押し当て材の熱抵抗０．０２５（＝０．００５／０．２０）×１／Ｓ
従って、熱抵抗体の熱透過率（＝１／（Ｒ４×Ｓ））は１８．２Ｗ／ｍ2Ｋ以下にすることで、耐熱ゴム耐熱温度２３０℃、筐体耐熱温度２００℃以下を満足することができる（ΔＱ＝１２７１Ｗ／ｍ2×Ｓとなる）。
なお、ここでは、熱伝導率ｋ [Ｗ／ｍＫ] 、長さΔｌ [ｍ] の物質をΔＱ [Ｗ] の熱量が透過した場合の温度上昇値
ΔＴ＝ΔＱ×Δｌ／（ｋ×Ｓ）＝ΔＱ×Ｒ、
熱透過率ｈを有する物質間界面の温度上昇値
ΔＴ＝ΔＱ／（ｈ×Ｓ）＝ΔＱ×Ｒ
の関係式を用いている。
ところで、一般に、金属の耐熱温度は有機物と比較して高いが、熱伝導率も高い。例えば熱伝導率の比較的小さいステンレス(熱伝導率１６Ｗ／ｍＫ、厚さ８ｍｍ）の場合でも、熱透過率は２０００Ｗ／ｍ2Ｋ（＝１６／０．００８）となり、この発明の課題を解決するための熱抵抗体としては不十分である。従って、このような金属材料を熱抵抗体としてそのまま使用することはできない。
次に本発明の効果を説明するための一例として、金属板間の熱透過率を以下の条件で計算する。
・折り曲げ間隔： ２ｍｍピッチ
・接触部の領域： ０．１×０．１ｍｍ2
・空気層厚さ(=接触部の高さ）：０．１ｍｍ
・金属板厚さ： ０．３ｍｍ
・空気熱伝導率： ０．０２３Ｗ／ｍＫ
・金属板の熱伝導率（銅を想定）：４００Ｗ／ｍＫ
・金属板接触部の熱伝達率：４０００Ｗ／ｍ2Ｋ（Ｉｎｔ．Ｊ．Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆ ｅｒ ４１（１９９８）３４７５参照）
接触部の平均熱透過率をｈａｖｅとすると、以下の関係式が得られる。
・ｈａｖｅ＝１／（Ｒａｖｅ×０．００２×０．００２）
・Ｒａｖｅ＝１／（１／Ｒ５＋１／Ｒ６）＝１０４４
・Ｒ５＝０．０００１／（０．０２３×（０．００２×０．００２−０．０００１×０． ０００１））＝１０９０
・Ｒ６＝１／（４０００×０．０００１×０．０００１）＝２５０００
Ｒａｖｅ：金属板間の平均接触熱抵抗
Ｒ５： 金属板間の空気層熱抵抗
Ｔ６： 金属板間の接触部熱抵抗
従って、平均熱伝達率ｈａｖｅは２３９Ｗ／ｍ2Ｋとなる。ここで、空気層厚さ（＝接触部の高さ）０．１ｍｍの熱透過率は２３０Ｗ／ｍ2Ｋ（＝０．０２３／０．０００１）であるので、金属板間の接触部における熱の透過量は接触面積を減らすことにより十分小さくなっていることがわかる。この結果より、熱伝達率を１８．２Ｗ／ｍ2Ｋ以下にするためには、１４枚（＝２３９／１８．２）以上の金属板を重ねることで実現できることがわかる。０．３ｍｍの金属板を用いたので、５．６ｍｍ（（０．３＋０．１）×１４）の厚さで、所望の熱抵抗体を構築することができ、熱伝導率換算で０．１０Ｗ／ｍＫ（＝１８．２×０．００５６）の熱抵抗体を形成できたことになる。
また、放熱基板（ヒートスプレッダ）１の温度が筐体カバー５の耐熱温度以上になる場合には、図１に記載しているように、放熱基板１と筐体カバー５との間に複数枚の金属板からなる熱抵抗体８−２を挿入することにより、筐体カバー５の温度を耐熱温度以下に低下させることができる。
なお、本発明による熱抵抗体は半導体装置に適用すると効果的であるが、高い耐熱性と導電性を持つ熱抵抗体が必要とされる箇所には、一般に適用可能である。特に、導電性を有しているため、電気装置一般に適用可能である。
本発明により、半導体素子から筐体への伝熱を抑制できる。その結果、半導体装置の信頼性を向上させることができる。また、半導体素子温度が樹脂製筐体の耐熱温度以上で動作する場合でも、安価な樹脂製筐体の使用を可能している。
実施例２
次に、図７に示す熱抵抗体を用いた実施例に関連して、図１に示す半導体装置において、熱抵抗体８−１および８−２に押し当て材としての機能を付加した構造に関して考察する。金属板１６の厚みを１ｍｍに増やして、同様に回転させて交互に積層すると、厚みが１ｍｍの場合、加圧しても、金属板１６は塑性変形が起こって図４ｂに示すような平坦になることがなく、熱抵抗体８−１および８−２は板バネとしての機能を有する。すなわち、金属板１６の各々は図７に示す状態となって、折り目を持っていて厚さが比較的厚く板バネ状であるので、金属板１６を重ね合わせた積層体も全体として積層方向に弾性を有している。
発明の効果を説明するための一例として、図６と同様のモデルを用いて図７に示すように折り曲げられた厚さ１ｍｍの金属板１６を主面内で交互に９０°回転させて積層したバネ状の積層体における接触部の熱透過率を以下の条件で計算する。
・金属板厚さ： １ｍｍ
・間隔： ５ｍｍピッチ
・接触部の面積：０．３×０．３ｍｍ2
・空気層厚さ： ０．３ｍｍ
・空気熱伝導率、真の接触部熱伝達率は金属板の計算と同様とする。
金属板間の平均接触熱伝達率ｈｓｐとすると、以下の関係式が得られる。
・ｈｓｐ＝１／（Ｒｓｐ×０．００５×０．００５）
・Ｒｓｐ＝１／（１／Ｒ７＋１／Ｒ８）＝４４１
・Ｒ８＝０．００３／（０．０２３×（０．００５×０．００５−０．０００３×０．０ ００３））＝５２４
・Ｒ９＝１／（４０００×０．０００３×０．０００３）＝２７７８
Ｒｓｐ：平均接触熱抵抗
Ｒ７： 接触部の空気層熱抵抗
Ｒ８： 実際に接触している領域の接触熱抵抗
金属板１６間の平均熱透過率ｈｓｐは９１Ｗ／ｍ2Ｋとなり、６枚のバネ状金属板１６（＝９１／１８．２）を折り目の向きを交互に９０°変えて積層することで、所望の熱抵抗を持つ熱抵抗体が実現できる。
なお、熱抵抗体がバネとしての機能を有しているため、押し当て部材７と熱抵抗体８−１との間に金属製の板を挿入してもよい。その場合、押し当て部材７は筐体カバー５と熱抵抗体８−１間の樹脂製の熱抵抗体とスペーサとしての機能のみを持つことになる。
また、熱抵抗体８−１がバネとしての機能を有しているため、図１において、バネとしての機能を果たしている押し当て部材７を省略することが可能である。その場合も、剛性向上の点から、ＳＵＳ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｗ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎ等の金属製の板（０．１〜１ｍｍ程度）を挿入する方が好ましい。なお、熱抵抗体として機能している押し当て部材を除去した場合、金属板１６の挿入枚数を増やす必要がある。
以下に、押し当て部材７を除去する場合の熱抵抗体８−１に必要な金属板１６の枚数を求める。
・Ｒ２ｔｏｔ＝Ｒ１１＋Ｒ１２＋Ｒ１４
・ΔＱ２×Ｒ２ｔｏｔ＝２５０Ｋ（＝３００−５０）
・Ｒ１４×ΔＱ２＝１００Ｋ（＝３００−２００）
Ｒ１１：筐体カバー−外気間熱抵抗０．０６７（＝１／１５)×１／Ｓ
Ｒ１２：筐体カバー厚み分の熱抵抗０．０５０（＝０．０１／０．２０）×１／Ｓ
Ｒ１４：熱抵抗体の熱抵抗
従って、熱抵抗体８−１の熱透過率（＝１／（Ｒｔｏｔ×Ｓ））を１２．９Ｗ／ｍ2Ｋ以下にすることで、筐体の耐熱温度２００℃以下を満足することができる。金属板１６間の熱透過率ｈｓｐは９１Ｗ／ｍ2Ｋであるため、８枚のバネ（＝９１／１２．９）を交互に回転して積層させることで、所望の熱抵抗体８−１が実現できる。
この半導体装置に於いては、先に説明した実施の形態１と同様に、半導体素子４から筐体カバー５への伝熱を抑制でき、半導体装置の信頼性を向上させることができ、半導体素子温度が樹脂製筐体カバーの耐熱温度以上で動作する場合でも、安価な樹脂製筐体カバーを使用することができという優れた効果が得られる。この実施の形態に於いては、更に熱抵抗体８−１および８−２が弾性を持っているので半導体素子４の圧接のための押圧力を与える手段として使用でき、押し当て部材を単なるスペーサとしたり、小さくしたり、省略したりすることができる。
実施例３
図８に示す本発明の実施形態では、熱抵抗体が銅であるので、熱抵抗体自体を良電気伝導体でありながら金属単体と較べて高い熱抵抗を有する電極として用いている。ここでは、半導体素子４上に、インターポーザ６、熱抵抗体８-１、電極３-２、押し当て部材７を順に重ねて積層体を構成し、この積層体を筐体カバー５で覆っている。また、絶縁基板２上の銅パターンに、熱抵抗体８−３、電極３-１、押し当て部材７を順に重ねて積層体を構成し、この積層体を筐体カバー５で覆っている。電極３−１および３−２は半導体装置の外部でコンデンサ、ゲートドライバの電極端子（図示してない）と接合される。また、半導体素子４と放熱基板１上の電極３-１との間にも、同様の熱抵抗体８-１が挿入されている。電極３−１および３−２は半導体装置の外部でコンデンサ、ゲートドライバの電極端子（図示してない）と接合される。ここで、電極３−１および３−２と半導体素子４との間に熱抵抗体８−１および８−２が挿入されているので、半導体装置の電極温度が従来構造の電極温度よりも低くなる。その結果、半導体素子４からコンデンサ、ゲートドライバ（図示してない）への熱の流入が抑制できる。特に、ゲート電極は大量の電流が流れないので、金属板、金属バネ間の接触電気抵抗が高くなっても、適用可能である。
実施例４
当然のことながら、上記導電性を有する熱抵抗体を半導体装置内の発熱電気素子に接続された電極と、コンデンサもしくはゲートドライバ等の電気装置間に熱抵抗体を挿入することで、同様の効果が得られる。この場合、導電性を有する熱抵抗体は半導体装置の外部に取り付けられていることになり、電気装置全体としての信頼性向上，低コスト化が可能になる。なお、熱抵抗体は、半導体装置の電極と電気装置を繋ぐ導体間に挿入しても、導体と電気装置間に挿入しても、導体を複数に分けてその間に挿入しても良い。
図９は導体を複数に分けてその間にこの発明の熱抵抗体８−４を挿入した場合の実施例である。半導体モジュール１０３の電極３−２から銅板３０−１、熱抵抗体８−４、銅板３０−２を介して、コンデンサ３１に接続されている。熱抵抗体８−４を挿入せず、銅板３０−１、３０−２を面接触させる場合、銅板の温度はほぼ電極の温度に近い温度となる。従って、半導体素子４が高温となり、電極の温度が２００℃（モジュール筐体の耐熱温度）まで上昇した場合、熱が半導体装置４からコンデンサ３１に流れるために、コンデンサ３１の耐熱温度（例えば１００℃）を大幅に越える。本実施例では、その熱の流入を熱抵抗体８−４の挿入により、抑制している。
図１０に図９の半導体モジュール１０３の電極部の詳細を示す。ヒートシンクベース板１０１上の半導体モジュール１０３から電極端子１０１０が突き出しており、ネジ１０４により開口部の設けられた熱抵抗体１０５を介して、接続導体である銅板１０２が取り付けられている。熱抵抗体１０５は金属で形成されており、導電性を有しており、且つ、電極端子１０１０から銅板１０２への熱の伝導を抑制する機能を有している。なお、本実施例では、ネジ１０４が熱抵抗体１０５、銅板１０２、電極端子１０１０等と接触することにより、熱が電極端子１０１０から銅板１０２に伝導することを防ぐために、ネジ１０４と銅板１０２の間に、断熱材１０１８を挿入している。なお、断熱材１０１８は導電性が不要であるために、セラミック部材等でよいが、この発明の熱抵抗体を使用することも可能である。また、加重を均等に印可するため、ネジ１０４と断熱材１０１８の間には、ワッシャー１０２２を挿入している。
実施例５
図１１は接続導体である銅板１０２において電極１０１０との接触部が、熱抵抗体構造（例えば表面に複数の凹凸などを持ち、接触面に部分的に接触して間に空隙を形成するような構造）になっている場合の一実施例である。図では、銅板１０２のみが熱抵抗体８となっているが、電極１０１０のみ、あるいは銅板１０２と電極１０１０の両方が熱抵抗体構造になっていても、銅板１０２の温度を低減させる効果がある。なお、図では銅板１０２において電極１０１０との接触部のみが熱抵抗体構造となっているが、銅板１０２全体を熱抵抗体構造にしても良い。
熱抵抗体１０５において、高温使用時の酸化が問題になる場合がある。その場合、表面にメッキ、蒸着により別の金属をメッキ，蒸着等による成膜することが酸化防止に有効である。熱抵抗体１０５が図７に示すような積層体であって個々の金属板に成膜する場合には、成膜材料として導電性を有することが重要である。このような材料としては例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ等を用いることができる。成膜材料は使用環境，コスト，システム構成に依存した最適の体積抵抗率と熱伝導率等によって、かわる（熱抵抗体本体は厚みの薄い金属体であるため、接触部と比較して熱抵抗，電気抵抗が小さい。従って、熱抵抗体使用時の電気抵抗，熱抵抗は主に接触部の材料、すなわち成膜材料の熱伝導率と体積抵抗率で決まる）。また、積層後、特に、組立後（ネジ止め後）の場合には、導電性が確保されているため、熱抵抗体，あるいは熱抵抗体，銅板，電極等の周囲を耐熱性の樹脂等で覆い、酸化を防止することも可能である。導電性が確保されているので、成膜材料に導電性を有する金属材料を用いることは必須ではない。
実施例１〜４の検討では、接触部熱抵抗値に文献値を用いたが、熱抵抗体の性能を検証するために、図３に示す構造を持つ熱抵抗体について、図１２に示す装置で接触部熱抵抗、接触部電気抵抗の測定を実施した。水冷板１０２０上に設置した銅ロッド１０１６（Φ１０ｍｍ）の間に熱抵抗体１０５が挟みこまれている。
銅ロッド１０１６の上部にはヒーターを内蔵した銅ブロック１０１７（周囲は断熱材で覆われている）、ヒーターからの熱を遮断するための断熱材１０１８、加重量測定のためのロードセル１０１９が設置されており、ロードセル上部より加圧している。銅ロッド１０１６には長さ方向に間隔を置いて熱電対１０１１が埋め込まれ、ヒーターを加熱した場合のそれぞれの位置での温度差を測定する。
図１３のグラフにはこのような温度の測定結果の一例を横軸に示す。図１３のグラフにおいて示す。加熱側ロッドの熱電対の温度を外挿して推定した熱抵抗体加熱側の温度Ｔ１、冷却側ロッドの熱電対の温度を外挿して推定した熱抵抗体冷却側の温度Ｔ２とする。図１３の温度勾配をｄＴ／ｄｌ、銅ロッドの断面積をＳ、銅の熱伝導率をｋとすると、流れている熱量ＱはＱ＝ｄＴ／ｄｌ×Ｓ×ｋで導出される。従って、熱抵抗体の熱抵抗ＲＴは得られたＱを用いて、ＲＴ＝（Ｔ１−Ｔ２）／Ｑとなる。
また、図１２の装置において、銅ロッド１０１６に電圧測定用銅線１０１２および電流端子（銅線）１０１４がロウ付けされており、四端子法により、熱抵抗体の電気抵抗の測定が可能である。
銅箔を折り曲げて、折り目が互いに平行にならずに交差するように回転した状態で重ね合わせた熱抵抗体１枚、２枚、６枚の電気抵抗、熱抵抗をこの装置によって測定した。その結果を図１４のグラフに示す。Φ１０ｍｍの銅ロッドに印加している圧力は１．８ＭＰａ、熱抵抗体平均温度（（Ｔ１＋Ｔ２）／２で定義する）は１２０℃である。また、熱抵抗体を挿入しない場合、すなわち、銅ロッド同士の面接触状態における接触電気抵抗、接触熱抵抗を、接触部の温度８０℃、１６０℃、２３０℃において実測した。銅ロッドに印加している圧力１．８ＭＰａである。さらに、図１４のグラフには、面接触状態において、空隙部の熱の伝導がなく、接触部のみで熱，電気が伝わる場合の理論値（電気抵抗と熱抵抗のトレードオフライン）も記載した。
この理論値は以下の方法で導出できる。熱抵抗ＲＴは、図６に示す接触部１０（先端）の表面積をＳ１，接触部の長さをＬとするとＲＴ＝Ｌ／ｋ／Ｓ１で表現できる。また、同様に、電気抵抗REは体積低効率ρとすると、ＲＥ＝ρ×Ｌ／Ｓで表現できる。
従って、銅の場合、Ｒｔ（Ｋ／Ｗ）／Ｒｅｌｅ（ｍΩ）＝１／（ｋ×ρ×１０００）＝１／（３９２×２．５５Ｅ−８×１０００）＝１００Ｋ／Ｗ／（ｍΩ）となる。
図１４のグラフにおいて、熱抵抗体の実測値の電気抵抗と熱抵抗のトレードオフの関係はほぼ理想状態に近く、この発明の熱抵抗体の構造が、空隙領域を広くとり、電気抵抗を抑制して熱抵抗を増大する構造であることが分かる。また、図１４のグラフから分かるように、面接触状態と比較して、同一の電気抵抗において、熱抵抗を１桁以上高くすることが可能になる。さらに、積層化により、電気装置において最適な電気抵抗および熱抵抗をえるように選択、設計、制御することができる。
なお、トレードオフラインは接触部の材料における熱伝導率ｋと体積抵抗率ρの関係で決まる。実際に実現可能な熱抵抗および電気抵抗は本発明を用いることで、真の接触面積で決まり、これらは加圧量、温度により変化する。また、本発明のように、積層化することで、熱抵抗および電気抵抗の制御が可能となり、仕様条件、即ち、通電量、銅板冷却状況および銅板温度上限値等において、最適な状態を構成することが可能になる。
実験結果で得られた値を用いて、この発明の熱抵抗体の効果を明確にするため、図１５に示した熱回路網で概略検討を行った。この熱回路網において、Ｔ３は電極１０１０の温度、Ｔ４は銅板１０２の温度、Ｔ５は周辺空気温度、Ｑ１は接触部発熱量、Ｑ２は銅板１０２の発熱量、Ｒ３４は電極１０１０と銅板１０２との間の熱抵抗、Ｒ４５は銅板１０２と周辺空気間（銅板温度Ｔ４および周辺空気温度Ｔ５間）の熱抵抗である。なお、回路網簡略化のため、Ｑ１およびＱ２はいずれも銅板１０２で発生するとしている。なお、本検討例において、電気抵抗と熱抵抗の最適値は別途存在するが、ここでは効果確認が目的であるため、実験値を採用している。
銅板１０２の温度の計算は、銅板１０２の冷却が自然冷却で、この発明の熱抵抗体を用いないで面接触の場合（条件１）、熱抵抗体を１枚用いた場合（条件２）、熱抵抗体を６枚用いた場合（条件３）の温度についてと、銅板１０２の冷却がファンによる強制冷却で、この発明の熱抵抗体を用いないで面接触の場合（条件４）、熱抵抗体を１枚用いた場合（条件５）、熱抵抗体を６枚用いた場合（条件６）の銅板１０２の温度について、計算した。計算条件は以下の通りである。
銅板長さ： ０．３０ｍ
銅板幅 ： ０．０２０ｍ
銅板厚さ： ０．００１ｍ
銅体積抵抗率：２．５５Ｅ−８Ωｍ
外気温度： ５０℃
電極温度： ２００℃
電流： １００Ａ
空気熱伝達率：１０Ｗ／ｍ２Ｋ（自冷）、３０Ｗ／ｍ２Ｋ（送風時）
銅板電気抵抗：０．０００３８Ω＝２．５５Ｅ−８Ωｍ×０．３０ｍ／（０．００１ｍ×０．０２０ｍ）
面接触部熱抵抗：０．１３Ｋ／Ｗ（図７、１２０℃・・内挿値）
熱抵抗体１枚の接触部熱抵抗：１．０４Ｋ／Ｗ（図７、１２０℃）
面接触部電気抵抗：０．００００４９Ω（図７、１２０℃・・内挿値）
熱抵抗体電気抵抗：０．００００１６Ω（図７、１２０℃）
なお、ここでは、接触部が同一温度（１２０℃）の場合に関して、検討しており、面接触においては、８０℃、１６０℃、２３０℃のデータから１２０℃に値を内挿した。また、熱抵抗体１枚の場合には、電気抵抗が面接触の場合より小さくなっており、発熱量も小さい。真の接触部の領域が広くなっているためと考えられる。
銅板が自冷で冷却される場合（条件１、２、３）、ファンで冷却される場合（条件４、５、６）に関して、計算条件，計算結果の概要を図１６の表に記載する。例えば、条件１では、Ｔ３＝２００℃、Ｔ５＝５０℃、Ｒ３４＝０．１３Ｋ／Ｗ、Ｒ４５＝１／（１０Ｗ／ｍ２Ｋ×０．３０ｍ×０．０２０ｍ×２（表裏両面)）＝８．３Ｋ／Ｗ、Ｑ１＋Ｑ２＝１００Ａ×１００Ａ×（０．００００４９Ω＋０．０００３８Ω）＝４．３Ｗである。この場合、銅板１０２の温度Ｔ４は１９８．２℃となる。
図１６の表の条件２〜６の銅板１０２の温度Ｔ４はすべて同様の方法で算出している。ここで、例えば自冷の場合、熱抵抗体１枚あるいは６枚を挿入すると、銅板１０２の温度Ｔ４は、１９８．２℃からそれぞれ１８７．０℃あるいは１４７．８℃に低下している。また、ファンで銅板を冷却した場合には、銅板１０２の温度Ｔ４は１９３．９℃からそれぞれ１６２．４℃、１００．３℃に低下している。
この様に、この発明の熱抵抗体は、１枚挿入しただけでも効果がある。また、挿入枚数を増やすことにより、本ケースの条件では、銅板の温度低減効果が大きく現れる。また、銅板をファン等で冷却した場合、その効果は顕著にあらわれる。
なお、ここでは、熱抵抗体挿入枚数を実験の範囲内で検証しているが、枚数を増やすことにより、熱抵抗も電気抵抗も共に増大させることが可能である。最適な挿入枚数は、発熱量（すなわち、電流量や銅板の形状）、銅板の放熱量（冷却方法、周辺環境の状態で決まる）、銅板の目標温度等で決定される。このようにこの発明によれば、接触部の熱抵抗および電気抵抗を使用条件に最適な状態に制御することは、熱抵抗体の挿入枚数を増やすのみで、安価かつ容易に制御することができる。
このように、この実施の形態によれば、先に説明した実施の形態の効果を持つと共に、半導体素子からゲートドライバ、コンデンサへの熱の流入を抑制できるという効果を持ち、その結果、低コスト、信頼性を向上させたシステムの実現を可能にすることができる。
また、上述の実施例では熱抵抗体の材料が銅であるが、さらに熱伝導率の低いＦｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｚｎ等の金属材料や、それらを含むたとえばＳＵＳ等の合金で形成された金属材料でも、当然のことながら目的の機能を持たせることができる。
実施例６
なお、本発明における熱抵抗体の具体的構造は様々な変形が可能であり、例えば図１７に示すように熱抵抗体２０を金属板２１の表面に部分的にめっき層２２を施して凹凸を形成したものとすることができる。このめっき層２２の形状は、図示のような互いに平行な長い線状のものでも、あるいは点状のものでもよく、接続すべき部材の接触面に部分的に接触して間に空隙を形成するような形状であれば良い。まためっき層２２の材質は、金属板２１と同じ材料でも良いし、金属板２１と異なる金属材料でもよい。また図１７に示すように金属板２１の片面だけに設けても良いし、両面に設けても良い。更にめっき層２２を持つ金属板２１を一枚だけ用いても良いし、この金属板２１を複数枚重ねて積層体とすることもできる。
実施例７
図１８に示す熱抵抗体２３は、金属板２１の表面に導線２４をろう付け２５や半田付けなどにより接合したものである。また、図示はしてないが、金属板２１に微小な銅ボール等を乗せてロウ付けする、あるいはコイルバネを複数個重ねる等様々な作成方法が考えられ、またこれらを組み合わせることもできる。
実施例８
図１９に示す熱抵抗体２６は、金属板２１の表面に加工処理をして凹凸２７を形成したものである。加工処理は、エッチング処理、金属板を凹凸の窪み有するプレス金型で塑性変形させる、金属板の打ち抜きで突起あるいは凹凸を作製する、研磨により金属板に凹凸を形成する等の様々な加工方法が採用できる。
実施例９
図２０に示す熱抵抗体２８は、これまで説明したもののような金属板２１を持たず、単に平行に並べた２本以上の銅線２９を交差するように回転させて重ね合わせて、互いの接触部が点となるようにして接続すべき２つの部材の間に挿入するものである。
熱抵抗体自体は、このような様々な方法のうちから製造上や価格上の観点から適切な方法を選択して熱抵抗体の金属板を作製することができる。また、上に説明した例では折り目をつけることで平行な凹凸を作製して、隣接の金属板に対して凹凸が互いに交差するように重ね合わせることにより、点接触して間に空隙を形成するような構造を実現したが、所定の位置に例えば直径０．１ｍｍで高さ０．１ｍｍの突起をエッチングあるいはめっき等により作製して重ね合わせることで、同様の効果が期待できる。その際、突起の押し当て前の先端の状態を鋭角にすることで、押し当て時に先端の変形量を最小限にできる。その結果、電気抵抗の上昇を抑制しつつ、より一層の断熱効果が期待できる。
また、熱抵抗体８−１は、例えば図３あるいは図７に示す折り目１７を持つ金属板１６を一枚だけ用いて接触面に部分的に接触して間に空隙を形成するように構成された金属体である熱抵抗体であっても良いし、図１１に示す金属体である導体の電極との接触部に複数の凹凸を一体に設けた熱抵抗体であっても良い。
また、上述の例では熱抵抗体に銅を想定しているが、さらに熱伝導率の低いＦｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｚｎ等の金属材料やそれらを含むたとえばＳＵＳ等の合金で形成された金属材料でも、当然のことながら目的の機能を持たせることができる。
なお、本発明による熱抵抗体は半導体装置に適用すると効果的であるが、高い耐熱性と導電性を持つ熱抵抗体が必要とされる箇所には発熱電気素子を持つ電気装置一般に適用可能である。
以上説明したように、本発明によれば、半導体素子と筐体との間に、互いに実質的に点接触して間に空隙を形成するように積層した複数の金属板の積層体である熱抵抗体を挿入してあるので、筐体の温度を低減でき、半導体装置の信頼性向上、低コスト化が可能になる。
なお、本実施例では、半導体装置と銅板の間に熱抵抗体を挿入しているが、銅板と半導体装置に接続される他の部品間に挿入しても良い。
また、熱抵抗体は半導体装置を制御するドライバと半導体装置間に挿入しても、同様の効果が得られる。モジュールの制御端子には大電流が流れないので、接触部電気抵抗による発熱量が小さく、多層化が容易である。
また、本実施例では、半導体装置と銅板の間に熱抵抗体を挿入しているが、半導体装置の電極自身、あるいは銅板、あるいは半導体装置に接続される部品の端子の接触部自身が熱抵抗体であっても良い。
また、本実施例では、半導体装置の温度が高い場合に用いているが、周辺温度の方が高く、周辺から半導体装置への熱の流入を防ぎたい場合にも、当然の事ながら使用可能である。

Claims (14)

  1. 接触面に部分的に接触して間に空隙を形成するように構成された金属体であることを特徴とする熱抵抗体。
  2. 互いに部分的に接触して間に空隙を形成するように積層した複数の金属体の積層体であることを特徴とする熱抵抗体。
  3. 全体として導電性であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱抵抗体。
  4. 上記金属体は、表面に複数の凹凸を持つことを特徴とする請求項１または２に記載の熱抵抗体。
  5. 上記金属体は、複数の折り目を有することを特徴とする請求項１または２に記載の熱抵抗体。
  6. 上記金属体は、複数の平行な折り目を有し、隣接の金属板に対して上記折り目が互いに交差するように重ね合わされていることを特徴とする請求項２に記載の熱抵抗体。
  7. 上記金属体の各々が厚さ方向に弾性を有し、上記積層体が全体として積層方向に弾性を有することを特徴とする請求項２に記載の熱抵抗体。
  8. 上記金属体は、表面に上記金属板と異なる金属が成膜されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱抵抗体。
  9. 半導体素子と、この半導体素子を支持して上記半導体素子からの熱を放散する放熱基板およびこの放熱基板に接続された筐体カバーを有し、上記半導体素子を囲む筐体とを備えた半導体装置に於いて、
    上記半導体素子と上記筐体カバーとの間上記放熱基板と上記筐体カバーとの間に挿入される熱抵抗体を備え、
    上記熱抵抗体は、接触面に部分的に接触して間に空隙を形成するように構成された金属体であることを特徴とする半導体装置。
  10. 半導体素子と、この半導体素子を支持して上記半導体素子からの熱を放散する放熱基板およびこの放熱基板に接続された筐体カバーを有し、上記半導体素子を囲む筐体とを備えた半導体装置に於いて、
    上記半導体素子と上記筐体カバーとの間または上記放熱基板と上記筐体カバーとの間に挿入される熱抵抗体を備え、
    上記熱抵抗体は、互いに部分的に接触して間に空隙を形成するように積層した複数の金属体の積層体であることを特徴とする半導体装置。
  11. 半導体装置と、この半導体装置に電気的に接続される部品と、両者を電気的に接続する導電性を有する導電性部品とを備えた電気装置において、
    上記半導体装置と上記導電性部品との間または上記導電性部品と上記半導体装置に電気接続される部品との間に挿入される熱抵抗体を備え、
    上記熱抵抗体は、接触面に部分的に接触して間に空隙を形成するように構成された金属体であることを特徴とする電気装置。
  12. 半導体装置と、この半導体装置に電気的に接続される部品と、両者を電気的に接続する導電性を有する導電性部品とを備えた電気装置において、
    上記半導体装置と上記導電性部品との間または上記導電性部品と上記半導体装置に電気接続される部品との間に挿入される熱抵抗体を備え、
    上記熱抵抗体は、互いに部分的に接触して間に空隙を形成するように積層した複数の金属体の積層体であることを特徴とする電気装置。
  13. 部品と電気的に接続される接続部を有する半導体装置において、
    上記接続部に、部品の接触面に部分的に接触して間に空隙を形成するように構成された金属体で構成された熱抵抗体を有することを特徴とする半導体装置。
  14. 電気的に接続される接続部を有する半導体装置において、
    上記接続部に、互いに部分的に接触して間に空隙を形成するように積層した複数の金属体の積層体である熱抵抗体を有することを特徴とする半導体装置。
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