WO2017179264A1 - 半導体装置の放熱構造 - Google Patents

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隆圭 俵木
英一 大村
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Definitions

  • the present invention relates to a heat dissipation structure (also referred to as a cooling structure) of a surface-mount type semiconductor device (semiconductor device), and more particularly to a heat dissipation structure having heat dissipation and insulation reliability applicable to a thin package semiconductor device.
  • FIG. 7A is a schematic perspective view illustrating a conventional lead type discrete component 1
  • FIG. 7B is a schematic perspective view illustrating a surface mount semiconductor device 10 that has been developed in recent years.
  • the semiconductor switching device speeds up, it is necessary to reduce the parasitic inductance of the device itself.
  • the conventional discrete component 1 for example, a lead type IGBT
  • the switching speed is very high. For this reason, device packages are being made thinner in order to achieve the smallest possible parasitic inductance.
  • Such a semiconductor device 10 is housed in an ultra-thin package 11 as shown in FIG. 7B.
  • one or more electrodes (terminals) 12 electrically connected to the substrate are arranged.
  • a heat radiating surface 11b on which a wide electrode 13 that also serves as heat radiating is arranged on the opposite side.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view illustrating the outline of a conventional heat dissipation structure 202
  • FIG. 8B is a cross-sectional view illustrating the outline of a heat dissipation structure 202A which is a modified example thereof.
  • a semiconductor is connected via a conductive TIM 33 (for example, 50 W / deg ⁇ m), which is an example of a conductive thermal conductive material (TIM: Thermal Interface Material).
  • Device 10 may be connected to heat sink 30.
  • the thinning of the package 11 of the semiconductor device 10 reduces the distance between the electrodes 12 having different voltages. Therefore, depending on the state of the conductive material such as solder, the insulation distance cannot be maintained, and dielectric breakdown occurs. Damage to the device 10 may occur.
  • an insulating TIM 43 (for example, ⁇ 10 W / deg ⁇ m) is used between the semiconductor device 10 and the heat sink 30 instead of the conductive TIM 33 as in the heat dissipation structure 202A shown in FIG. If it is interposed, the occurrence of dielectric breakdown is avoided, but it cannot bear a large capacity because of its low thermal conductivity. Therefore, it is necessary to increase the size and capacity of the semiconductor device 10 and to use a plurality of parallel devices, thereby increasing the overall cost.
  • an object of the present invention is to provide a heat dissipation structure for a semiconductor device that has both excellent heat dissipation and excellent insulation reliability that can be applied to a thin semiconductor device for surface mounting.
  • a heat dissipation structure for a semiconductor device is a heat dissipation structure for a semiconductor device having an electrical joint surface electrically connected to a substrate and a heat dissipation surface on the opposite side.
  • the heat radiating surface is in contact with the conductive high heat conductive member through the non-insulating member, and the conductive high heat conductive member is in contact with the heat radiating component through the insulating member, and the conductive high heat conductive member is on the semiconductor device side.
  • the surface has a recess in at least part of the vicinity of the outer periphery of the semiconductor device.
  • the heat generated in the semiconductor device is transferred from the heat dissipation surface to the conductive high heat conductive member through the non-insulating member and diffused, and further, the heat is dissipated through the insulating member. Since it is transmitted to the components, not only has excellent heat dissipation, but also the occurrence of dielectric breakdown can be avoided by the recess near the outer periphery of the semiconductor device on the surface of the conductive high heat conducting member on the semiconductor device side.
  • a conductive fixture such as a screw so that the substrate is connected to the conductive high heat conductive member and at least a part of the pattern of the substrate is connected to the conductive high heat conductive member. It may be fixed by. Moreover, the said board
  • substrate may be fixed to the said electroconductive highly heat-conductive member further with an insulating fixing tool (screw etc.).
  • the heat dissipation structure of the semiconductor device having such a configuration it is possible to more reliably avoid the occurrence of dielectric breakdown and to perform accurate alignment.
  • accurate positioning and fixing can be more reliably performed.
  • the heat generated in the semiconductor device is transferred from the heat dissipation surface to the conductive high heat conductive member via the non-insulating member and diffused, and further to the heat dissipation component via the insulating member. Therefore, not only excellent heat dissipation is provided, but also the occurrence of dielectric breakdown can be avoided by the concave portion in the vicinity of the outer periphery of the semiconductor device on the surface of the conductive high heat conducting member on the semiconductor device side.
  • FIG. 6 is a table showing detailed conditions of a thermal simulation performed by the heat dissipation structure 103B shown in FIGS. 5 (a) to 5 (c).
  • (A) is a schematic perspective view illustrating a conventional lead type discrete component 1
  • (b) is a schematic perspective view illustrating a surface mount type semiconductor device 10 that has been developed in recent years.
  • (A) is sectional drawing which illustrates the outline of the other conventional heat dissipation structure 202
  • (b) is sectional drawing which illustrates the outline of 202 A of thermal radiation structures which are the modifications.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the heat dissipation structure 103 according to the first embodiment of the present invention.
  • a heat spreader 31 which is an example of a non-insulating thermal diffusion element, is mounted on a heat sink 30 via an insulating TIM 43.
  • the semiconductor device 10 is mounted with the heat radiating surface 11b facing down through a conductive TIM 33.
  • the electrode 12 on the electrical joint surface 11a is electrically connected to the lower surface pattern 22 of the substrate 20 by soldering or the like.
  • a recess is formed in the vicinity of the electrode 12 (particularly, a potential different from the heat radiation surface 11 b) that is electrically connected to the substrate 20 by soldering or the like in the vicinity of the outer periphery of the semiconductor device 10. 31a is formed.
  • the recess 31a may be, for example, a groove shape along the outer periphery of the semiconductor device 10, but the inner surface thereof is preferably shaped so as to be approximately equidistant from a location such as soldering.
  • thermo conductivity can be realized by using the conductive TIM 33 between the semiconductor device 10 and the heat spreader 31.
  • high heat dissipation and insulation reliability can be compatible with a low-cost structure, and the overall cost of the power converter and the like can be reduced.
  • the resistance value of the conductive TIM 33 is not 0, but also changes depending on the temperature and the contact state. Therefore, a change during driving of the semiconductor device 10 is assumed. As a result, the potential of the heat spreader 31 becomes unstable and noise There is a possibility that the semiconductor device 10 malfunctions or is damaged due to generation of a surge voltage.
  • a screw hole 31b may be provided on the heat spreader 31, and the substrate 20 and the heat spreader 31 may be fixed by the conductive screw 51 from the substrate 20 side.
  • the heat spreader 31 and the pattern (for example, the lower surface pattern 22) on the substrate 20 to be at the same potential can be electrically connected to increase the electrical stability, and the dielectric breakdown of the semiconductor device 10 can be avoided more reliably. can do.
  • accurate alignment between the semiconductor device 10 soldered to the substrate 20 and the recess 31a on the heat spreader 31, which is important in securing a sufficient insulation distance, is also possible.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an outline of the heat dissipation structure 103A of the semiconductor device 10 according to a modification of the first embodiment of the present invention.
  • the same constituent members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and different points will be mainly described below.
  • the heat spreader 31 is electrically connected on the substrate 20. It may also be necessary to screw the part where it should not be (for example, the upper surface pattern 21 that is electrically connected to the electrode 12 of the semiconductor device 10 through the via 23).
  • another screw hole 31 c may be provided on the heat spreader 31, and the substrate 20 and the heat spreader 31 may be fixed with an insulating screw 52.
  • FIG. 3A is a perspective view showing an outline of a heat dissipation structure 202B in which the conventional heat dissipation structure 202A is further mounted on the heat sink 30 via the conductive TIM 33
  • FIG. 3B is a cross-sectional view thereof.
  • FIG. 4 is a table showing detailed conditions of the thermal simulation performed by the heat dissipation structure 202B shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b).
  • a thermal simulation with the heat dissipation structure 202B was performed under the conditions shown in FIG.
  • the insulating TIM 43 (0.3 mmt) is used between the semiconductor device 10 and the heat spreader 31
  • the conductive TIM 33 (0.3mmt) is used between the heat spreader 31 and the heat sink 30.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view showing an outline of a heat dissipation structure 103B substantially the same as the heat dissipation structure 103 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 5B is a partially enlarged perspective view thereof. (C) is a sectional view thereof.
  • FIG. 6 is a table showing detailed conditions of the thermal simulation performed by the heat dissipation structure 103B shown in FIGS. 5 (a) to 5 (c).
  • a thermal simulation in the heat dissipation structure 103B was performed under the conditions shown in FIG.
  • a recess 31 a is formed on the heat spreader 31 close to one side of the semiconductor device 10.
  • the semiconductor device 10 is connected to the heat spreader 31 via the conductive TIM 33, and the heat spreader 31 and the heat sink 30 are connected via the insulating TIM 43.
  • the temperature rise due to heat generation from the semiconductor device 10 is 46 ° C. at the maximum, and a significant temperature drop (temperature rise is about 36 ° C.). % Reduction) was confirmed.
  • the recess 31a provided on the heat spreader 31 has no significant adverse effect on heat diffusion.
  • the heat spreader 31 with the recess 31a to ensure insulation reliability and interposing the conductive TIM 33 therebetween, it is possible to realize both heat dissipation and insulation reliability at a low cost.

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Abstract

基板（２０）と電気的に接続される電気的接合面（１１ａ）と、その反対側の放熱面（１１ｂ）とを有する半導体デバイス（１０）の放熱構造（１０３）であって、放熱面（１１ｂ）が導電性ＴＩＭ（３３）を介してヒートスプレッダ（３１）に接触するとともに、このヒートスプレッダ（３１）が絶縁性ＴＩＭ（４３）を介してヒートシンク（３０）に接触しており、ヒートスプレッダ（３１）の半導体デバイス（１０）側の面が、半導体デバイス（１０）の外周の近傍の少なくとも一部に凹部（３１ａ）を有している。

Description

半導体装置の放熱構造
　本発明は、表面実装型の半導体装置（半導体デバイス）の放熱構造（冷却構造ともいう）に関し、特に、薄型パッケージの半導体装置に適用できる放熱性や絶縁信頼性を備える放熱構造に関する。
　図７（ａ）は従来のリードタイプのディスクリート部品１を例示する概略斜視図であり、図７（ｂ）は近年開発されている表面実装型の半導体デバイス１０を例示する概略斜視図である。
　半導体スイッチングデバイスの高速化に伴って、デバイス自体の寄生インダクタンスを小さくすることが必要となる。図７（ａ）に示すような従来のディスクリート部品１（例えば、リードタイプのＩＧＢＴ）とは異なり、例えば、図７（ｂ）に示すような半導体デバイス１０では、スイッチング速度が非常に高速であるため、可能な限り小さい寄生インダクタンスを実現するためにデバイスパッケージの薄型化が進んでいる。
　このような半導体デバイス１０は、図７（ｂ）に示すように、超薄型のパッケージ１１に収められており、例えば、基板と電気的に接続される１以上の電極（端子）１２が配置された電気的接合面１１ａと、その反対側に放熱を兼ねる広い電極１３が配置された放熱面１１ｂとを有している。この半導体デバイス１０の実装時には、優れた放熱性や絶縁信頼性を備える必要があり、例えば、特許文献１～３などの技術が提案されている。
特開２００６－１４７８６２号公報 特開２０１４－２４１３４０号公報 特開２０００－３１１９７１号公報
　図８（ａ）は従来の放熱構造２０２の概略を例示する断面図であり、図８（ｂ）はその変形例である放熱構造２０２Ａの概略を例示する断面図である。
　デバイスコストを低減するためには、１つあたりのデバイスでできるだけ大容量を担う必要があるため、効率的に発熱を拡散させる構造が求められる。その一例としては、半導体デバイス１０にヒートシンク３０を直接接続することが考えられる。
　または、図８（ａ）に示す放熱構造２０２のように、導電性の熱伝導性材料（ＴＩＭ：Thermal Interface Material）の一例である導電性ＴＩＭ３３（例えば５０Ｗ／deg・ｍ）を介して、半導体デバイス１０をヒートシンク３０に接続してもよい。
　しかし、半導体デバイス１０のパッケージ１１の薄型化によって、電圧の異なる電極１２間の距離が近くなるため、はんだ等の導電材料の状況次第では絶縁距離が保てずに、絶縁破壊が発生して半導体デバイス１０の破損が起こることがある。
　これを回避するために、例えば、図８（ｂ）に示す放熱構造２０２Ａのように、導電性ＴＩＭ３３に代えて絶縁性ＴＩＭ４３（例えば－１０Ｗ／deg・ｍ）を半導体デバイス１０とヒートシンク３０との間に入れると、絶縁破壊の発生は回避されるものの、熱伝導率が低いために大容量を担うことができない。そのため、半導体デバイス１０の大型化・大容量化や複数個の並列使用などが必要となって、全体のコストが上がってしまうという課題があった。
　従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、表面実装用の薄型半導体装置に適用できる優れた放熱性および優れた絶縁信頼性を兼ね備える半導体装置の放熱構造を提供することである。
　上記目的を達成するため、本発明の半導体装置の放熱構造は、基板と電気的に接続される電気的接合面と、その反対側の放熱面とを有する半導体装置の放熱構造であって、前記放熱面が非絶縁部材を介して導電性高熱伝導部材に接触するとともに、この導電性高熱伝導部材が絶縁部材を介して放熱部品に接触しており、前記導電性高熱伝導部材の前記半導体装置側の面が、前記半導体装置の外周の近傍の少なくとも一部に凹部を有していることを特徴とする。
　このような構成の半導体装置の放熱構造によれば、半導体装置で発生した熱は、その放熱面から非絶縁部材を介して導電性高熱伝導部材に伝わって拡散され、さらに絶縁部材を介して放熱部品に伝わるので、優れた放熱性を備えるだけでなく、導電性高熱伝導部材の半導体装置側の面が有する半導体装置の外周の近傍の凹部によって絶縁破壊の発生も回避することができる。
　本発明の半導体装置の放熱構造において、前記基板が前記導電性高熱伝導部材に、前記基板のパターンの少なくとも一部が前記導電性高熱伝導部材と導通するように、導電性固定具（ネジなど）によって固定されてもよい。また、前記基板が前記導電性高熱伝導部材にさらに絶縁性固定具（ネジなど）によって固定されてもよい。
　このような構成の半導体装置の放熱構造によれば、絶縁破壊の発生をより確実に回避することができ、正確な位置合わせも可能となる。絶縁性固定具による固定も行った場合は、正確な位置合わせや固定をより確実に行うことが可能となる。
　本発明の半導体装置の放熱構造によれば、半導体装置で発生した熱は、その放熱面から非絶縁部材を介して導電性高熱伝導部材に伝わって拡散され、さらに絶縁部材を介して放熱部品に伝わるので、優れた放熱性を備えるだけでなく、導電性高熱伝導部材の半導体装置側の面が有する半導体装置の外周の近傍の凹部によって絶縁破壊の発生も回避することができる。
本発明の第１実施形態に係る放熱構造１０３の概略を示す断面図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る放熱構造１０３Ａの概略を示す断面図である。 （ａ）は従来の放熱構造２０２Ａをさらに導電性ＴＩＭ３３を介してヒートシンク３０上に搭載した放熱構造２０２Ｂの概略を示す斜視図であり、（ｂ）はその断面図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）に示した放熱構造２０２Ｂで行った熱シミュレーションの詳細条件を示す表である。 （ａ）は本発明の第１実施形態に係る放熱構造１０３とほぼ同様の放熱構造１０３Ｂの概略を示す断面図であり、（ｂ）はその部分拡大斜視図であり、（ｃ）はその断面図である。 図５（ａ）～図５（ｃ）に示した放熱構造１０３Ｂで行った熱シミュレーションの詳細条件を示す表である。 （ａ）は従来のリードタイプのディスクリート部品１を例示する概略斜視図であり、（ｂ）は近年開発されている表面実装型の半導体デバイス１０を例示する概略斜視図である。 （ａ）は従来の他の放熱構造２０２の概略を例示する断面図であり、（ｂ）はその変形例である放熱構造２０２Ａの概略を例示する断面図である。
　以下、本発明のいくつかの実施形態を、図面を参照して説明する。
　＜第１実施形態＞
　図１は本発明の第１実施形態に係る放熱構造１０３の概略を示す断面図である。
　図１に示すように、この放熱構造１０３では、ヒートシンク３０上に、絶縁性ＴＩＭ４３を介して非絶縁の熱拡散素子の一例であるヒートスプレッダ３１が搭載されている。このヒートスプレッダ３１上には、導電性ＴＩＭ３３を介して半導体デバイス１０がその放熱面１１ｂを下にして搭載されている。その電気的接合面１１ａの電極１２は、基板２０の下面パターン２２にはんだ付けなどによって電気的に接続されている。
　さらに、ヒートスプレッダ３１上面において、半導体デバイス１０の外周の近傍で、基板２０にはんだ付けなどによって電気的に接続されている電極１２（特に放熱面１１ｂとは異なる電位がかかるもの）などの近傍に凹部３１ａが形成されている。この凹部３１ａは、例えば半導体デバイス１０の外周に沿った溝形状のものが挙げられるが、その内面は、はんだ付けなどの箇所から概ね等距離になるような形状とすることが好ましい。
　このような放熱構造１０３によれば、導電性ＴＩＭ３３を半導体デバイス１０とヒートスプレッダ３１との間に用いることで、高い熱伝導性を実現できる。また、半導体デバイス１０の電極１２などのはんだ付けなどの箇所と、高電圧差になり得るヒートスプレッダ３１上面との絶縁距離を十分確保できる。これにより、低コストな構造で高い放熱性および絶縁信頼性を両立することができて、電力変換器などの全体のコストダウンが可能となる。
　なお、導電性ＴＩＭ３３の抵抗値は０ではなく、温度や密着状態によっても変化するため、半導体デバイス１０の駆動中の変化が想定され、その結果、ヒートスプレッダ３１の電位が不安定になって、ノイズやサージ電圧発生による半導体デバイス１０の誤動作や損傷などの可能性がある。
　そこで、ヒートスプレッダ３１上にネジ穴３１ｂを設けて、基板２０とヒートスプレッダ３１とを基板２０側から導電性ネジ５１で固定してもよい。
　これにより、ヒートスプレッダ３１と、同電位となるべき基板２０上のパターン（例えば下面パターン２２）とを電気的に接続して電気的安定度を高められ、半導体デバイス１０の絶縁破壊をより確実に回避することができる。また、絶縁距離を十分確保する上で重要な、基板２０にはんだ付けなどがされた半導体デバイス１０とヒートスプレッダ３１上の凹部３１ａとの正確な位置合わせも可能となる。
　＜第１実施形態の変形例＞
　図２は本発明の第１実施形態の変形例に係る半導体デバイス１０の放熱構造１０３Ａの概略を示す断面図である。なお、第１実施形態と同じ構成部材には同じ参照符号を付し、以下では主として相違点について説明する。
　基板２０にはんだ付けなどがされた半導体デバイス１０とヒートスプレッダ３１上の凹部３１ａとの正確な位置合わせや、基板２０とヒートスプレッダ３１との固定のためには、基板２０上でヒートスプレッダ３１とは導通すべきでない箇所（例えば、ビア２３を介して半導体デバイス１０の電極１２と導通している上面パターン２１）でネジ止めする必要も生じ得る。
　そこで、図２に示すように、ヒートスプレッダ３１上に別のネジ穴３１ｃを設けて、基板２０とヒートスプレッダ３１とを絶縁性ネジ５２で固定してもよい。
　このような放熱構造１０３Ａによれば、半導体デバイス１０と凹部３１ａとの正確な位置合わせや基板２０とヒートスプレッダ３１との固定をより確実に行うことが可能となる。
　図３（ａ）は従来の放熱構造２０２Ａをさらに導電性ＴＩＭ３３を介してヒートシンク３０上に搭載した放熱構造２０２Ｂの概略を示す斜視図であり、図３（ｂ）はその断面図である。図４は図３（ａ）および図３（ｂ）に示した放熱構造２０２Ｂで行った熱シミュレーションの詳細条件を示す表である。
　まず、比較対象として、放熱構造２０２Ｂでの熱シミュレーションを図４に示す条件下で行った。絶縁破壊を回避するため、半導体デバイス１０とヒートスプレッダ３１との間は絶縁性ＴＩＭ４３（０．３ｍｍｔ）として、ヒートスプレッダ３１とヒートシンク３０との間は導電性ＴＩＭ３３（０．３ｍｍｔ）とした。
　熱シミュレーションで得られた定常状態の断面温度分布によれば、この放熱構造２０２Ｂでは、半導体デバイス１０からの発熱によって最大５８℃まで温度上昇していることが確認された。
　図５（ａ）は本発明の第１実施形態に係る放熱構造１０３とほぼ同様の放熱構造１０３Ｂの概略を示す断面図であり、図５（ｂ）はその部分拡大斜視図であり、図５（ｃ）はその断面図である。図６は図５（ａ）～図５（ｃ）に示した放熱構造１０３Ｂで行った熱シミュレーションの詳細条件を示す表である。
　次に、本発明の実施例として、放熱構造１０３Ｂでの熱シミュレーションを図６に示す条件下で行った。この放熱構造１０３Ｂでは、半導体デバイス１０の一辺に近接するヒートスプレッダ３１上に凹部３１ａが形成されている。半導体デバイス１０が導電性ＴＩＭ３３を介してヒートスプレッダ３１に接続されるとともに、このヒートスプレッダ３１とヒートシンク３０とが絶縁性ＴＩＭ４３を介して接続されている。
　熱シミュレーションで得られた定常状態の断面温度分布によれば、この放熱構造１０３Ｂでは、半導体デバイス１０からの発熱による温度上昇は最大点でも４６℃であり、大幅な温度低下（温度上昇が約３６％低減）が確認された。
　また、ヒートスプレッダ３１上に設けられた凹部３１ａでも熱拡散に対しては大きな悪影響が無いことがわかった。このように、ヒートスプレッダ３１に凹部３１ａを設けて絶縁信頼性を確保するとともに、導電性ＴＩＭ３３を間に介することで、放熱性および絶縁信頼性の両立を低コストで実現することが可能となる。
　以上で説明した各実施形態およびその変形例などの各構成は、阻害要因などが特に無い限り、相互に組み合わせてもよい。
　なお、本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の各実施形態や各実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
　この出願は、日本で２０１６年４月１５日に出願された特願２０１６－０８１９６３号に基づく優先権を請求する。その内容はこれに言及することにより、本出願に組み込まれるものである。また、本明細書に引用された文献は、これに言及することにより、その全部が具体的に組み込まれるものである。
１０　　　半導体デバイス
１１　　　パッケージ
１２　　　電極
１３　　　電極
２０　　　基板
３０　　　ヒートシンク
３１　　　ヒートスプレッダ
３３　　　導電性ＴＩＭ
４３　　　絶縁性ＴＩＭ
５１　　　導電性ネジ
５２　　　絶縁性ネジ

Claims (3)

  1. 　基板と電気的に接続される電気的接合面と、その反対側の放熱面とを有する半導体装置の放熱構造であって、
    　前記放熱面が非絶縁部材を介して導電性高熱伝導部材に接触するとともに、
    　この導電性高熱伝導部材が絶縁部材を介して放熱部品に接触しており、
    　前記導電性高熱伝導部材の前記半導体装置側の面が、前記半導体装置の外周の近傍の少なくとも一部に凹部を有していることを特徴とする、半導体装置の放熱構造。
  2. 　請求項１に記載の半導体装置の放熱構造において、
    　前記基板が前記導電性高熱伝導部材に、前記基板のパターンの少なくとも一部が前記導電性高熱伝導部材と導通するように、導電性固定具によって固定されていることを特徴とする、半導体装置の放熱構造。
  3. 　請求項１または２に記載の半導体装置の放熱構造において、
    　前記基板が前記導電性高熱伝導部材にさらに絶縁性固定具によって固定されていることを特徴とする、半導体装置の放熱構造。
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