(57)【要約】【課題】熱伝導性グリースの漏れ等による放熱性能の悪化を防止し、高い放熱性能を発現できる冷却構造を提供する。【解決手段】発熱素子と、該発熱素子の両面に配置された一対の放熱板とを備える半導体装置が、各々の前記放熱板の外側の面にて絶縁材を介して冷却器と接触している半導体装置の冷却構造において、放熱板の絶縁材側の面、又は絶縁材側及び発熱素子側の面に高熱伝導性の髭状体からなる層が形成されていることを特徴とする冷却構造により解決される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱素子と、該発熱素子の両面に配置された一対の放熱板とを備える半導体装置が、各々の前記放熱板の外側の面にて絶縁材を介して冷却器と接触している半導体装置の冷却構造において、放熱板の絶縁材側の面、又は絶縁材側及び発熱素子側の面に高熱伝導性の髭状体からなる層が形成されていることを特徴とする冷却構造。
【請求項２】
前記発熱素子が放熱ブロックを介して放熱板と接触していることを特徴とする請求項１に記載の冷却構造。
【請求項３】
前記放熱ブロックの少なくともどちらかの面に高熱伝導性の髭状体からなる層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却構造。
【請求項４】
前記髭状体は放熱板から外部空間に向かって伸びていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷却構造。
【請求項５】
前記髭状体からなる層に熱伝導補完成分が充填されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冷却構造。
【請求項６】
前記熱伝導補完成分がグリース又ははんだであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冷却構造。
【請求項７】
前記髭状体がカーボンナノチューブ又は炭素繊維であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の冷却構造。
【請求項８】
前記髭状体からなる層の厚さが５０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の冷却構造。
【請求項９】
前記放熱板がＣu、Ｃu合金、Ａl、又はＡl合金であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極めて放熱性が高いパワーモジュール用放熱装置の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のパワー素子（パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）をセラミック基板等の上に結線し、１つのパッケージに組み込んだパワーモジュールが知られている。パワーモジュールは、表面側にパワー素子が設けられ、主に裏面側から熱を逃がす構成となっている。パワーモジュールは、裏面に熱伝導性グリースを塗布され、この熱伝導性グリースを介して冷却器にネジで固定される（特許文献１）。また、発熱素子の両面から放熱することにより、冷却効率を高めた構造も発明されている（特許文献２）。しかし、これらの方法では、グリースの熱抵抗が大きいため、十分な冷却性能を得ることができなかった。
【０００３】
また、パワーモジュールを冷却器に固定する際には、冷却器と熱伝導性グリー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、固定時に熱伝導性グリースが広がる。このため、熱伝導性グリースをパワーモジュールの裏面に塗布する際には、冷却器への固定時の広がりを考慮し、ネジ穴の周囲に熱伝導性グリースを塗布しない範囲が設けられる（特許文献１）。
【０００４】
ところが、パワーモジュールを冷却器に固定する際の加圧力が大きかったり、塗布したグリース厚が厚かったりすると、熱伝導性グリースがネジ穴に浸入する場合がある。熱伝導性グリースがネジ穴に浸入すると、ネジの締め付けトルクが経時的に減少してパワーモジュールと冷却器との間隔が広がり、放熱性が悪化するという問題がある。一方、ネジ穴周囲における熱伝導性グリースを塗布しない範囲を大きくしすぎると、熱伝導性グリースの未塗布範囲が大きくなり、やはり放熱性が悪化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３６４４４２８号公報
【特許文献２】特開２００５−１５０４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、熱伝導性グリースの漏れ等による放熱性能の悪化を防止し、高い放熱性能を発現できる冷却構造を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、放熱板の表面に高熱伝導性の髭状体からなる層を形成することにより、高い放熱性能が得られ、かつ熱伝導性グリースを使用した場合にもグリースの漏れ等による問題点が解消されることを見出し、本発明を完成させた。
【０００８】
本発明は下記の構成からなる。
（１）発熱素子と、該発熱素子の両面に配置された一対の放熱板とを備える半導体装置が、各々の前記放熱板の外側の面にて絶縁材を介して冷却器と接触している半導体装置の冷却構造において、放熱板の絶縁材側の面、又は絶縁材側及び発熱素子側の面に高熱伝導性の髭状体からなる層が形成されていることを特徴とする冷却構造。
（２）前記発熱素子が放熱ブロックを介して放熱板と接触していることを特徴とする上記（１）に記載の冷却構造。
（３）前記放熱ブロックの少なくともどちらかの面に高熱伝導性の髭状体からなる層が形成されていることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の冷却構造。
（４）前記髭状体は放熱板から外部空間に向かって伸びていることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の冷却構造。
【０００９】
（５）前記髭状体からなる層に熱伝導補完成分が充填されていることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の冷却構造。
（６）前記熱伝導補完成分がグリース又ははんだであることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の冷却構造。
（７）前記髭状体がカーボンナノチューブ又は炭素繊維であることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の冷却構造。
（８）前記髭状体からなる層の厚さが５０〜２００μｍであることを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれかに記載の冷却構造。
（９）前記放熱板がＣu、Ｃu合金、Ａl、又はＡl合金であることを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれかに記載の冷却構造。
【発明の効果】
【００１０】
本発明品は、熱伝導率の高い髭状体が放熱板表面に層状に形成されているため、放熱板と絶縁板との間の熱抵抗が低く、パワーデバイス用放熱装置として高い放熱性能を発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る冷却構造の一例の一部分の概略を示す図である。
【図２】本発明に係る冷却構造の別の一例の全体の概略を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、少なくとも発熱素子と、一対の放熱板とを備える半導体装置の冷却構造に関するものである。かかる冷却構造において、放熱板は、発熱素子の両面側に設けられており、更に、発熱素子と接する面の逆側が絶縁材を介して冷却器と接触するように配置される。そして、当該放熱板の表面には高熱伝導性の髭状体からなる層が形成されている。髭状体からなる層は、放熱板の絶縁材側の面、又は絶縁材側及び発熱素子側の面に形成される。
【００１３】
放熱板に形成される髭状体からなる層は、放熱板と相手材（絶縁材等）との接触性を高める効果を有する。すなわち、高熱伝導性の髭状体の微細な先端部分が相手材表面の微小な凹凸にも隙間なく入り込むため、相手材との接触性が改善されるのである。このため、髭状体は放熱板の表面から外部空間にむかって伸びていることが好ましい。特に、放熱板の表面に対して垂直方向に向かって形成されていると、相手材表面に接しやすくなるため好ましい。しかし、必ずしも厳密に垂直方向を向いていなくても、上記効果が大きく損なわれることはない。
【００１４】
このように本発明に係る冷却構造は、高熱伝導性の髭状体からなる層によって、従来のように熱伝導性グリースを使用せずとも放熱板と相手材との間の接触熱抵抗を小さくすることが可能となる。また、熱伝導率の高い髭状体を用いることにより更に放熱性能を高めることができる。
【００１５】
高熱伝導性の髭状体としては、例えば、カーボンナノチューブや炭素繊維が挙げられる。カーボンナノチューブや炭素繊維のような髭状体は、それ自体の熱伝導率が高く、かつ、柔軟でしなり性が高いため、相手材の表面形状に応じて自在に変形して高い接触性を発揮するために、熱抵抗を大きく低下させることができるため好ましい。
【００１６】
更に、本発明の冷却構造においては、髭状体からなる層に熱伝導補完成分を充填することにより、更に放熱性能を高めることができる。髭状体からなる層は髭状体が密集して形成されているが、空隙を有する多孔質層である。このため、かかる空隙部に熱伝導率の高い成分を充填することにより、更に熱伝導率を高めることができるのである。本明細書においていう、熱伝導補完成分とは、髭状体からなる層の空隙部に充填されて、放熱板と相手材との熱伝導を高める効果のある成分をいうものとする。例えば、熱伝導補完成分としては、グリースやはんだを使用することができる。
髭状体からなる層は髭状体が密集して形成されているため、その空隙部に充填された熱伝導補完成分は表面張力によって髭状体からなる層に保持され、漏れ出すといった問題点が解決される。
【００１７】
髭状体からなる層の厚さとしては、相手材との接触性及び熱伝導補完成分の充填性能の観点から、５０〜２００μｍであることが好ましい。
放熱板の素材としては高熱伝導率のものが好ましい。この観点から、Ｃu、Ｃu合金、Ａl、又はＡl合金のいずれかであることが好ましい。
【００１８】
髭状体からなる層の形成方法としては、例えば、基板（放熱板）表面にＣＶＤ（化学気相成長）法によりカーボンナノチューブを形成する方法が挙げられる。また、めっき液にカーボンナノチューブ又は炭素繊維のような髭状体を混合させ、基板表面にめっき法により髭状体からなる層を形成してもよい。
また、基板によっては、ＳiＣを真空中で加熱してカーボンナノチューブを形成する、いわゆる昇華法で形成することもでき、その他の方法で形成しても構わない。
【００１９】
また、本発明に係る冷却構造においては、前記放熱板と発熱素子との間に、放熱ブロックが介在されていてもよい。この場合は、放熱ブロックのいずれかの面に、前記の高熱伝導性の髭状体からなる層が形成されていることが好ましい。
【００２０】
図１は、本発明の一つである両面放熱型半導体モジュールとしての半導体装置の両面を冷却器に接触させて冷却する半導体装置の冷却構造の概略を表す図である。
まず、本冷却構造における半導体装置について説明する。図１に示すように、本実施形態の半導体装置の冷却構造は、発熱素子として半導体チップを、放熱板として一対のヒートシンクを、放熱ブロックとしてヒートシンクブロックを備えている。そして、一対のヒートシンクの表面部分には髭状体からなる層が形成されている。この髭状体からなる層を介して、ヒートシンクと図示しない絶縁材とが接触する。髭状体からなる層は、図１のように絶縁材と接する側のみに設けられていても良いし、更に、発熱素子やヒートシンクブロックが設けられる側にも形成されていても良い。
【００２１】
上記構成において、半導体チップの下面とその下側に備えられたヒートシンクの上面との間は、例えば、はんだ等からなる接合材によって接合されている。また、同様に、半導体チップの上面とその上側に備えられたヒートシンクブロックの下面との間、及びヒートシンクブロックの上面とその上側に備えられたヒートシンクの下面との間も、接合材によって接合されている。なお、接合材としては、はんだ以外にも、例えば導電性接着剤等であってもよい。
【００２２】
これにより、半導体チップ（発熱素子）の上面側では、接合材、ヒートシンクブロック、接合材及びヒートシンクを介して放熱が行われる。また、半導体素子の下面側では、接合材とヒートシンクを介して放熱が行われる。
【００２３】
なお、発熱素子としては、特に限定されるものではないが、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やサイリスタ等のパワー半導体素子から構成されている。この場合、半導体チップのデバイス構造を、トレンチゲートタイプとすることが好ましい。もちろん、他のタイプのデバイス構造を用いても良い。
【００２４】
上記半導体チップの形状は、例えば矩形状の薄板状とすることができる。また、ヒートシンク（放熱板）及びヒートシンクブロック（放熱ブロック）は、電極及び放熱体の機能を兼ねたものであり、例えば銅合金もしくはアルミ合金等の熱伝導性及び電気伝導性の良い金属で構成されている。また、ヒートシンクブロックとしては、一般的な鉄合金を用いてもよい。
この構成の場合、ヒートシンクは、半導体チップの各種電極（例えば、コレクタ電極やエミッタ電極等）に接合材を介して電気的にも接続されている。
【００２５】
また、一対のヒートシンクは、例えば、全体としてほぼ長方形状の板材とすることができる。ヒートシンクに端子部が突設されていてもよい。また、ヒートシンクブロックは、例えば、半導体チップよりも１回り小さい程度の大きさの矩形状の板材とすることができる。
【００２６】
この場合、ヒートシンクの端子部は、半導体チップの上記コレクタ電極やエミッタ電極と電気的に接続される。そして、それぞれの端子部は、例えばブスバーや回路基板等の外部配線部材との接続を行われる。
【００２７】
さらに一対のヒートシンクの隙間、並びに、半導体チップ及びヒートシンクブロックの周囲部分には、樹脂が充填封止される。樹脂は、例えばエポキシ樹脂等の通常のモールド材料を採用することができる。また、ヒートシンク等を樹脂でモールドするにあたっては、上下型からなる成形型（図示しない）を使用し、トランスファーモールド法によって容易に行うことができる。
【００２８】
また、樹脂内において、半導体素子の周囲には、リードフレーム等からなる端子部（制御用端子）が設けられる。そして、この端子部と半導体チップのゲート電極等とがワイヤによって結線され、電気的に接続される。ワイヤは、ワイヤボンディング等により形成され、金やアルミ等からなるものを用いることができる。
【００２９】
次に、上記した構成の半導体装置の製造方法を、図１を参照して説明する。ここでは、接合材として、はんだを用いた例を述べる。
まず、ヒートシンク（放熱板）の表面部分に髭状体からなる層を形成する。ここでは、前述のように板状のヒートシンクの両面側に髭状体からなる層を形成しても良いし、絶縁材と接する側にのみに形成してもよい。また、髭状体からなる層は、前記ＣＶＤ法で形成したカーボンナノチューブ層であっても良いし、めっき法により形成したカーボンナノチューブ層又は炭素繊維層であってもよい。
【００３０】
続いて、下側のヒートシンク（放熱板）の上面に、半導体チップとヒートシンクブロックをはんだ付けする。下側のヒートシンクの上面に、例えば、はんだ箔を介して半導体チップを積層するとともに、この半導体チップ上にはんだ箔を介してヒートシンクブロックを積層する。この後、加熱装置（リフロー装置）によって上記はんだ箔を溶融させてから、硬化させる。
【００３１】
続いて、半導体チップの制御電極（例えばゲート電極等）と端子部とをワイヤボンディングする工程を実行する。これにより、上記ワイヤが形成され、このワイヤによって、半導体チップの制御電極と端子部とが結線され、電気的に接続される。
【００３２】
次いで、ヒートシンクブロックの上に上側のヒートシンクをはんだ付けする。この場合、ヒートシンクブロックの上にはんだ箔を介して上側ヒートシンクを載せる。そして、加熱装置によって上記はんだ箔を溶融させてから、硬化させる。こうして溶融したはんだ箔が硬化すれば、硬化したはんだが接合材を形成することになる。
以上の工程により、接合材を介して、下側のヒートシンク、半導体チップ、ヒートシンクブロック、及び上側のヒートシンク間の接合及び電気的・熱的接続が完了する。
【００３３】
最後に、成形型を使用して一対のヒートシンクの隙間及び外周部に樹脂を充填する（モールド）。これにより、図１に示されるように、ヒートシンクの隙間及び外周部等に、樹脂が充填され、装置のほぼ全体が樹脂によって封止される。そして、樹脂が硬化した後、成形型内から半導体装置を取り出せば、半導体装置が完成する。
【００３４】
なお、かかる半導体装置においては、下側のヒートシンクの下面、及び上側のヒートシンクの上面に髭状体からなる層が形成されており、それぞれの面が放熱面として露出するように樹脂モールドされているため、ヒートシンクの放熱性が確保される。
【００３５】
さらに、図２に示すように、一対のヒートシンクの露出面に設けられた髭状体からなる層には絶縁板を介して、冷却器が接触される。それにより、本実施形態の冷却構造が形成される。
【００３６】
絶縁板は、窒化アルミニウム（ＡlＮ）や窒化珪素（Ｓi3Ｎ4）のセラミック等からなる電気絶縁性を有する板を用いる。また、冷却器は、例えばアルミニウム（Ａl）等からなり、内部を冷却水が流れる水冷式やフィンを有する空冷式等のものでよい。
【００３７】
本例では、冷却器は、内部に冷却水が流れる冷却水流路が設けられており、ヒートシンクからの熱はこの冷却水流路内の冷却水によって冷却され、熱交換が行われるようになっている。
また、図２に示す冷却器と絶縁板との間、及び絶縁板と各ヒートシンクとの間には、必要に応じて電気絶縁性及び伝熱性を有するグリースやゲル等の伝熱材を介在させる。
【００３８】
従来の半導体装置では、髭状体を用いることなく伝熱材のみを用いており、この伝熱材の熱伝導率が低いために、冷却システム全体の放熱性能を高くすることができなかった。本発明では、下側のヒートシンクの下面、及び上側のヒートシンクの上面には、カーボンナノチューブや炭素繊維からなる高熱伝導性の髭状体からなる層が形成されており、伝熱材はこの髭状体の隙間に充填されていることになる。髭状体の高い熱伝導率と、伝熱材であるグリースの、相手材に対する高い接触性とが相まって、ヒートシンクから絶縁板への放熱は極めて促進され、本冷却構造自体の放熱性が飛躍的に高くなるのである。
【００３９】
このように、図２に示される本実施形態の半導体装置の冷却構造においては、下側から、冷却器、絶縁材、半導体装置、絶縁材、冷却器という積層構成を有する冷却構造となっている。
【００４０】
図２では、対向する冷却器の両外側には、挟圧部材が設けられている。この挟圧部材は、冷却器によって半導体装置を挟み付けるように荷重を印加することで、冷却器と半導体装置とを一体に保持するためのものである。
本実施形態の挟圧部材は、弾性体を介した締結力の作用により荷重の印加を行うものである。具体的には、挟圧部材は、半導体装置を隔てて対向する冷却器の両外側の一方から荷重を印加する固定部と、他方から荷重を印加する可動部とを有し、これら固定部と可動部とにより、上下の冷却器を挟み付けるようにしている。
【００４１】
図２に示されるように、挟圧部材において、固定部には雄ネジ（送りネジ）を持つボルトが連結されている。このボルトは、可動部に設けられた貫通穴に通されて、弾性体を介してナットで締結されている。弾性体としては、図示例ではコイルバネが示されているが、その他にも、ゴムチューブ、Ｏリング、バネワッシャ等が採用できる。
また、実際には、冷却器及び固定部、可動部は、図２中の紙面垂直方向に延びる板材であり、当該紙面垂直方向に沿って半導体装置は、複数個配列されたものとなっている。
【００４２】
そして、この冷却構造においては、挟圧部材のナットによるネジ締めを行っていくと、弾性体の弾性力を介した締結力の作用により、固定部に対して可動部が近づいていく。つまり、挟圧部材は、弾性体を介した締結力の作用により、冷却器によって半導体装置を挟み付けるように荷重を加えるものとなる。それにより、冷却器と半導体装置とが一体に保持されるようになっている。
しかし、挟厚部材自体の有無は本発明に直接関係するものではない。
【実施例】
【００４３】
図２に示す冷却構造を以下のようにして作製した。
まず、冷却器、絶縁板、前記の半導体装置、絶縁板、冷却器というように積層するとともに、絶縁板の両面に伝熱材を介在させた状態となるように組み付けた。
その後、挟圧部材を用いて、上下の冷却器によって半導体装置が挟み込まれるように締め付け固定した。弾性体及びナットが荷重調整機構となり、荷重の調整が行われる。こうして、本実施形態の半導体装置の冷却構造が形成される。
【００４４】
なお、半導体装置は、各端子部を介して、ブスバーや回路基板に接続される。そして、半導体チップからの熱は、両面のヒートシンク、絶縁板、伝熱材を介して冷却器へ放熱される。そして、冷却器によりヒートシンクは冷却されることで、放熱特性を高めている。
なお、ヒートシンクの外面側には、後述のように、各種髭状体からなる層を各種厚さで形成しておいた。
【００４５】
本実施例では、実用上、十分な放熱特性を得るために、半導体装置への冷却器の接触圧をＰ（単位：ＭＰa）、一対のヒートシンク（一対の放熱板）の外面同士の平行度をＨ（単位：μｍ）としたときの、接触圧Ｐと熱抵抗（単位：Ｋ／Ｗ）の関係を測定した。
【００４６】
発熱素子である半導体チップは駆動により発熱する。発熱量は６５Ｗとした。絶縁板としては、窒化ケイ素（Ｓi3Ｎ4）からなる厚さ０．３５ｍｍの板材を用い、伝熱材はグリースを用いその厚さは変化させた。また、冷却器の冷却水流路を流れる冷却水の流量は、６リットル／min、当該冷却水の水温は４０℃とした。
【００４７】
熱抵抗は、半導体チップからそれぞれのヒートシンク、絶縁板を通って、冷却器の冷却水流路に至るまでの放熱経路における熱抵抗である。具体的には、半導体チップの温度をＴｃ、冷却水の温度をＴｗ、半導体チップの発熱量をＱとすると、熱抵抗は、（Ｔｃ−Ｔｗ）／Ｑ（単位：Ｋ／Ｗ（ケルビン／ワット））で表される。
【００４８】
そして、上述した検討条件にて、平行度Ｈ（単位：μｍ）を変えた場合における接触圧Ｐ（単位：ＭＰa）と熱抵抗（単位：Ｋ／Ｗ）との関係を調査した。
一部の試料の熱抵抗は一度測定した後、荷重を開放し、再度荷重を付加して測定した。
【００４９】
＜用いた放熱板＞
（１）ＣＶＤ法によるカーボンナノチューブ層の形成
Ｃu放熱板上に、スパッタリング法で触媒となるＦeをコーティングしてＦe微粒子を付着させた。次に、基板を炉内に設置し、エタノールガスを、アルゴンガスをキャリアガスとして、温度７７０℃、炉内圧力３８８torrで１２分反応させた。これにより、基板面にほぼ垂直に成長したカーボンナノチューブ層を形成した。
【００５０】
（２）めっき法による炭素繊維層の形成
三菱樹脂製炭素繊維（６３７１Ｔ：直径１μｍ、長さ６ｍｍ）を切断処理して各種長さの炭素繊維を用意した。
Ｃuめっき液中に炭素繊維を分散させた。この際、界面活性剤（和光純薬工業株式会社、商品名：ＰＡ１０００）を、０．０５ｇ／Ｌになるように添加した。基板を電解脱脂、酸洗いした後、上記のめっき液に入れて複合めっきを行った。めっき後は、水洗、超音波洗浄、アルコール洗浄等を行った後に乾燥させた。
【００５１】
＜結果＞
結果を表１に示す。
本発明に係る冷却構造を使用することにより、伝熱材としてグリースを単独で用いた時よりも低い熱抵抗が得られた。髭状体の長さが長いと、接触圧Ｐが小さくても低い熱抵抗が得られることが分かった。
【００５２】
【表１】
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【図１】
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【図２】
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