JPWO2015097874A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

半導体装置１０は、上面２２ａと下面２２ｂを備えた金属製のベース板２２と、上面２２ａに設けられた複数の絶縁基板２４と、それぞれの絶縁基板２４に並べて実装された複数の半導体素子２６、２８とを備えている。ベース板２２の下面２２ｂには絶縁グリス貯蓄用の環状溝５０、５２が設けられている。下面２２ｂには絶縁グリス４２を挟んで冷却フィン４０の表面４０ａが重ねられており、環状溝５０、５２内部は絶縁グリス４２で充填されている。

Description

本発明は、半導体装置に関する。
従来、例えば、日本特開２００３−１６８７７２号公報に開示されているように、ベース板と冷却フィンとの間におけるグリスの広がりを抑制する溝部などを有する半導体装置が知られている。一般に、パワーモジュールのベース板下面に熱伝導性グリスが塗布され、このグリスを介してベース板と冷却フィンがネジで固定される。ネジ固定の際には、冷却フィンとグリスとのなじみをよくするために加圧され、さらにネジで締め付け固定されるために、固定時にグリスがベース板平面方向に広がる。上記従来の技術によれば、グリスがネジ穴に浸入するのを避けるために、ベース板と冷却フィンの少なくとも一方の対向面にグリス拡散防止部が設けられ、このグリス拡散防止部は溝部あるいは突起部とすることができる。
日本特開２００３−１６８７７２号公報 日本特開２００６−１９６５７６号公報 日本特開２０１０−９２９９９号公報 日本特開２０１０−２８３２２２号公報 日本特開２００８−４７４５号公報
パワーモジュールに金属製のベース板が設けられる仕様の半導体装置では、通電時にパワーモジュール内の半導体素子が発熱してベース板が伸張し、非通電時には温度が低下するのでベース板が収縮する。半導体素子への通電の有無により、発熱と冷却が交互に繰り返されることにより、ベース板と冷却フィンの間に塗布されたグリスが徐々にベース板の縁の外側にはみ出してしまう。その結果、ベース板と冷却フィンの間の絶縁グリスが初期状態から不足し、冷却性能が低下する問題がある。上記従来の技術はネジ穴にグリスが侵入するのを防ぐものであり、グリス量の維持は検討されていなかった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、グリス量を適正に保って安定な冷却性能を得ることができる半導体装置を提供することを目的とする。
第１の発明にかかる半導体装置は、上面と下面を備えたベース板と、前記上面側に並べて設けられた平板状の複数の半導体素子と、を備え、前記ベース板の前記下面に、前記ベース板の平面視において、それぞれが前記上面側の前記複数の半導体素子を１つずつ別々に囲む溝が設けられている。
第２の発明にかかる半導体装置は、上面と下面を備えたベース板と、前記上面側に設けられた半導体素子と、を備え、前記ベース板の前記下面に、前記ベース板の平面視において前記上面側の前記半導体素子を囲む溝が設けられ、前記溝の断面形状が、前記下面側に第１の幅で開口する第１部分と前記第１部分と接続し前記第１部分より前記上面側に位置し前記第１部分より大きな幅を有する第２部分とを含む第１断面形状、または前記下面側に行くほど幅が広がる２辺を有し前記２辺は前記溝の内側に凸となる曲線である第２断面形状である。
第３の発明にかかる半導体装置は、上面と下面を備えたベース板と、前記上面側に並べて設けられた平板状の複数の半導体素子と、を備え、前記ベース板の前記下面に、複数の溝が連なって前記複数の半導体素子と重なるように広がる溝領域が設けられ、前記ベース板の中央における前記溝領域の溝の深さが、前記ベース板の端部側における前記溝領域の溝の深さよりも、大きい。
第４の発明にかかる半導体装置は、上面と下面を備えたベース板と、前記上面側に並べて設けられた平板状の半導体素子と、平面を有し、前記下面に前記平面が重ねられた冷却フィンと、を備え、前記平面に、平面視で前記ベース板よりも外形が小さい環状の溝が設けられている。
第１の発明によれば、複数の半導体素子の１つ１つの下方でグリス量を維持できるようにベース板下面に溝を設けたので、安定した冷却性能を得ることができる。
第２の発明によれば、グリス量を確実に維持できるようにベース板下面に特別の形状の溝を設けたので、安定した冷却性能を得ることができる。
第３の発明によれば、熱のこもりやすいベース板中央部でグリス量を十分に維持できるようにベース板下面に広がりを有する溝領域を設けたので、安定した冷却性能を得ることができる。
第４の発明によれば、グリス量を維持できるように冷却フィン側に溝を設けたので、安定した冷却性能を得ることができる。
本発明の実施の形態１にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態４にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態５にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態５にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態６にかかる半導体装置を示す図である。 本発明の実施の形態６にかかる半導体装置を示す図である。
実施の形態１．
図１〜図５は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置を示す図である。図１は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、図２は、半導体装置１０の内部を上面側から見たチップ配置図である。実施の形態１にかかる半導体装置１０は、上面２２ａと下面２２ｂを備えた金属製のベース板２２と、上面２２ａに設けられた複数の絶縁基板２４と、それぞれの絶縁基板２４に並べて実装され通電時に発熱する複数の半導体素子２６、２８とを備えている。典型的には、半導体素子２６はＩＧＢＴであり、半導体素子２８はフリーホイールダイオードである。
筐体３４がベース板２２の上面２２ａ側を覆っており、筐体３４の外部には電極３０、３２が露出している。ベース板２２の下面２２ｂには絶縁グリス貯蓄用の環状溝５０、５２が設けられている。下面２２ｂには、熱伝導性の絶縁グリス４２を挟んで金属製の冷却フィン４０の表面４０ａが重ねられており、環状溝５０、５２内部は絶縁グリス４２で充填されている。なお、ベース板２２は、環状溝５０、５２のさらに外周側に複数の固定穴２３を備えている。図示しないが固定穴２３にねじを通してベース板２２と冷却フィン４０の接続がなされる。
図３（ａ）は図２における１枚の絶縁基板２４の周辺を、ベース板２２の上面２２ａ側から見下ろした上面図である。図３（ｂ）は図３（ａ）をベース板２２の下面２２ｂ側から見た下面図である。下面２２ｂに、ベース板２２の平面視において、それぞれが上面２２ａ側の複数の半導体素子２６、２８を別々に囲む複数の環状溝５０、５２が設けられている。図３（ｃ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う拡大断面図である。環状溝５０は、底部５０ａおよび側面部５０ｂを備えた矩形の断面形状を有している。
半導体素子２６、２８の通電中にベース板２２の温度が上昇すると、金属製のベース板２２が熱膨張する。この場合、環状溝５０、５２内から絶縁グリス４２がはみ出して、ベース板２２と冷却フィン４０の間の絶縁グリス４２の量が一定に保たれる。一方、通電停止時にベース板２２の温度が下降すると、ベース板２２の収縮に伴い絶縁グリス４２が環状溝５０、５２へと戻る。発熱と冷却が交互に繰り返されることで、このような絶縁グリス４２の排出と貯留が繰り返される。これにより、半導体素子２６、２８の１つ１つの下方において、ベース板２２と冷却フィン４０の間の絶縁グリス４２の量を一定に保つことができる。その結果、長時間の使用により熱伸縮が繰り返されても絶縁グリス４２のはみ出しによる冷却性能悪化を抑制できる。環状溝５０、５２を半導体素子２６、２８の１つ１つに別々に設けたので、絶縁グリス４２を半導体素子２６、２８それぞれの下方で確実に適正量に維持できる。なお、環状溝５０、５２の断面形状は、図３（ｃ）に限られない。図４に示すように、楕円形の断面を有する環状溝７４としてもよい。また、図５に示すように、二等辺三角形の断面を有する環状溝８４としてもよい。なお、複数の環状溝５０の代わりに、ベース板２２の平面視で複数の半導体素子２６、２８を１つずつ別々に仕切るように連続して伸びる格子状の溝が下面２２ｂに設けられてもよい。
実施の形態２．
図６〜図１１は、本発明の実施の形態２にかかる半導体装置１１０を示す図である。図６は図７のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。半導体装置１１０は、ベース板２２の代わりにベース板１２２を備えた点以外は半導体装置１０と同じである。図７はベース板１２２の上面１２２ａ側からみたチップ配置図である。図７に波線で示したのは下面１２２ｂに設けられた環状溝１５０である。環状溝１５０は、ベース板１２２の平面視において上面側の半導体素子２６、２８および絶縁基板２４を囲む連続した１つの環状の溝である。環状溝１５０内部は絶縁グリス４２で充填されている。
図８は、環状溝１５０の断面形状を示す。環状溝１５０は下面１２２ｂ側に行くほど間隔が広がる２辺を有し、この２辺は環状溝１５０の内側に凸となる曲線である。ベース板１２２が熱膨張に伴って環状溝１５０の幅も拡大するけれども、環状溝１５０のうち上面１２２ａの側の先端付近は急激に細くなっているのでこの先端付近は隙間の拡大が小さい。このためベース板１２２の熱膨張時に絶縁グリス４２を押し出す効果がより一層高い。
環状溝１５０に代えて、図９に示す断面形状を有する環状溝１７０としてもよい。環状溝１７０は、第１部分１７２および第２部分１７４を備える。第１部分１７２は、下面１２２ｂ側に幅Ｗ１で開口する。第２部分１７４は、第１部分１７２と接続し、第１部分１７２より上面１２２ａ側に位置し、幅Ｗ１より大きな幅Ｗ２を有する。特に、本実施の形態では第２部分１７４は、その輪郭が円弧である。第２部分１７４で広いスペースを確保して大量の絶縁グリス４２を貯蓄できるようにしている。また、ベース板１２２の平面視における環状溝１５０のパターンは、図１０または図１１のように変形しても良い。例えば図１０に示すように、実施の形態１と同様に、複数の半導体素子２６、２８を別々に囲う複数の環状溝１８０を設けても良い。また、図１１に示すように、複数の半導体素子２６、２８を１つずつ別々に仕切るように連続して伸びる格子状の溝１９０としてもよい。また、環状溝１９０の仕切り目を大きく取って６つの絶縁基板２４の間を仕切るように伸びる格子状の溝としてもよく、これにより絶縁基板２４の１つずつについて絶縁グリス４２の量を安定して確保できる。
実施の形態３.
図１２〜図１４は、本発明の実施の形態３にかかる半導体装置２１０を示す図である。図１２は図１３のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。半導体装置２１０は、ベース板２２の代わりにベース板２２２を備えた点以外は半導体装置１０と同じである。図１４は、溝領域２５０の拡大断面図である。ベース板２２２の下面２２２ｂに、その平面方向に複数の溝が連なった溝領域２５０が設けられている。
溝領域２５０は、ベース板２２２の中央の溝領域２５０ａとベース板２２２の端部側における溝領域２５０ｂとに区分される。溝領域２５０ａの溝の深さが、溝領域２５０ｂの溝の深さよりも、大きい。特に、本実施の形態では、ベース板２２２の中央にいくほど溝領域２５０ａの溝の深さを大きくしている。溝領域２５０内部は絶縁グリス４２で充填されているので、ベース板２２２の下面２２２ｂの全体において実施の形態１、２で説明したのと同様に絶縁グリス４２の貯蓄排出を行うことができ、ベース板２２２と冷却フィン４０の間の絶縁グリス４２の量を一定に保つことができる。最も熱がこもりやすいベース板２２２の中央部に深い溝領域２５０ａを設けているので、中央部の絶縁グリス４２の充填量を十分に確保できる。
なお、図１４に示すように溝領域２５０の１つ１つの溝の断面形状は、図８に示した環状溝１５０の断面形状と同じであり、溝領域２５０ａ、２５０ｂでは深さが互いに違う。しかしながら本発明はこれに限られず、溝領域２５０の１つ１つの溝の断面形状は、図３のごとく矩形にしたり、図４のごとく楕円形にしたり、図５のごとく二等辺三角形にしたりしてもよく、溝の深さをベース板２２２の中央で大きくベース板２２２の外端部側で小さくすればよい。
実施の形態４．
図１５は、本発明の実施の形態４にかかる半導体装置３１０を示す図である。半導体装置３１０は、シール材３１２が設けられた点を除き、半導体装置１０と同じである。ベース板２２の縁に沿って絶縁グリス４２をシールするようにシール材３１２が設けられている。これにより、絶縁グリス４２がベース板２２の平面方向にはみ出して絶縁グリス量が不足することを抑制することができる。なお、シール材３１２は、実施の形態２、３にかかる半導体装置１１０、２１０に組み合わせてもよい。
実施の形態５．
図１６および図１７は、本発明の実施の形態５にかかる半導体装置４１０、４６０を示す図である。半導体装置４１０が備える冷却フィン４４０は、絶縁グリス４２を挟んでベース板４２２と重なる平面４４０ａに、平面視でベース板４２２よりも外形が小さい環状の溝４４４が設けられている。さらに、ベース板４２２は、その下面４２２ｂに、環状の溝４４４と嵌合する凸部４２４を備えている。凸部４２４と溝４４４とが嵌めあわさることで、絶縁グリス４２がベース板４２２の平面方向にはみ出して絶縁グリス量が不足することを抑制することができる。図１７に示すように、実施の形態４のシール材３１２を組み合わせた半導体装置４６０を提供しても良い。なお、図示しないが、実施の形態１、２にかかるベース板２２、１２２の下面の環状溝５０〜１９０と嵌まりあう１つまたは複数の凸部を冷却フィン４０に設けてもよい。
実施の形態６．
図１８〜１９は、本発明の実施の形態６にかかる半導体装置５１０、５６０を示す図である。半導体装置５１０は、上面３２２ａおよび下面３２２ｂを備えたベース板３２２と、表面５４０ａに溝５４４を設けた冷却フィン５４０とを組み合わせたものである。下面３２２ｂは平坦である。ベース板３２２の平面視における溝５４４の形は、図７の環状溝１５０と同じである。環状の溝５４４の外形は、平面視でベース板３２２よりも小さい。溝５４４が実施の形態１の環状溝５０，５２と同じ働きをすることで、絶縁グリス４２がベース板４２２の平面方向にはみ出して絶縁グリス量が不足することを抑制することができる。図１９に示すように、溝５４４の内側にさらに溝５４６を設けた半導体装置５６０を提供してもよい。なお、ベース板３２２を、実施の形態１〜３にかかるベース板２２〜２２２のいずれか１つに置換してもよい。
上述した各実施形態において、半導体素子２６、２８は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を半導体材料とするＭＯＳＦＥＴなどの半導体デバイスであってもよい。ＳｉＣ半導体デバイスは通常駆動時の通電中にシリコンデバイスよりも高温で使用されるので、ベース板２２の膨張伸縮の割合が高い。よって上述した各実施の形態を適用するメリットが高い。
１０ 半導体装置、２２ ベース板、２２ａ 上面、２２ｂ 下面、２４ 絶縁基板、２６、２８ 半導体素子、３０、３２ 電極、３４ 筐体、４０ 冷却フィン、４０ａ 表面、４２ 絶縁グリス、５０，５２ 環状溝

Claims (10)

  1. 上面と下面を備えたベース板と、前記上面側に並べて設けられた平板状の複数の半導体素子と、を備え、
    前記ベース板の前記下面に、前記ベース板の平面視において、それぞれが前記上面側の前記複数の半導体素子を１つずつ別々に囲む溝が設けられた半導体装置。
  2. 平面を有し、前記下面に前記平面が重ねられた冷却フィンを備え、
    前記平面には、前記溝にはまり込む凸部が設けられた請求項１に記載の半導体装置。
  3. 上面と下面を備えたベース板と、前記上面側に設けられた半導体素子と、を備え、
    前記ベース板の前記下面に、前記ベース板の平面視において前記上面側の前記半導体素子を囲む溝が設けられ、
    前記溝の断面形状が、前記下面側に第１の幅で開口する第１部分と前記第１部分と接続し前記第１部分より前記上面側に位置し前記第１部分より大きな幅を有する第２部分とを含む第１断面形状、または前記下面側に行くほど幅が広がる２辺を有し前記２辺は前記溝の内側に凸となる曲線である第２断面形状である半導体装置。
  4. 前記第２部分の輪郭は、円弧である請求項３に記載の半導体装置。
  5. 平面を有し、前記下面に前記平面が重ねられた冷却フィンを備え、
    前記平面には、前記溝にはまり込む凸部が設けられた請求項３または４に記載の半導体装置。
  6. 上面と下面を備えたベース板と、前記上面側に並べて設けられた平板状の複数の半導体素子と、を備え、
    前記ベース板の前記下面に、複数の溝が連なって前記複数の半導体素子と重なるように広がる溝領域が設けられ、前記ベース板の中央における前記溝領域の溝の深さが、前記ベース板の端部側における前記溝領域の溝の深さよりも、大きい半導体装置。
  7. 上面と下面を備えたベース板と、前記上面側に並べて設けられた平板状の半導体素子と、平面を有し前記下面に前記平面が重ねられた冷却フィンと、を備え、
    前記平面に、平面視で前記ベース板よりも外形が小さい環状の溝が設けられた半導体装置。
  8. 前記下面に、前記環状の溝と勘合する凸部が設けられた請求項７に記載の半導体装置。
  9. 平面を有し、前記下面に前記平面が重ねられた冷却フィンを備え、
    前記下面と前記平面の間に絶縁グリスが設けられ、
    前記ベース板の縁に沿って前記絶縁グリスをシールするようにシール材が設けられた請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
  10. 前記半導体素子が、炭化ケイ素を半導体材料とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
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