(57)【要約】【課題】伝熱部の熱劣化を抑制可能な半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１００は、半導体素子１０が設置される基板２０と、基板２０の半導体素子１０の設置面とは反対側の面に設置される伝熱部３０と、基板２０と伝熱部３０を接続する接続部２５と、伝熱部３０の基板２０の設置面とは反対側の面に設置される冷却器４０と、を備える。この半導体装置１００の基板２０の一部は、接続部２５を介さずに伝熱部３０と接続する。これにより、半導体素子１０の直下における伝熱部３０の温度上昇を低減でき、伝熱部３０の熱劣化を抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を冷却可能な半導体装置において、
前記半導体素子が設置される基板と、
前記基板の前記半導体素子の設置面とは反対側の面に設置される伝熱部と、
前記基板と前記伝熱部を接続する接続部と、
前記伝熱部の前記基板の設置面とは反対側の面に設置される冷却器と、を備え、
前記基板の一部は、前記接続部を介さずに前記伝熱部と接続することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記基板は、前記半導体素子が載置される載置部と、前記載置部の外周から突出する壁部とによって形成される凹部を備え、
前記接続部は、前記凹部内に設けられ、
前記壁部の端部は、前記接続部を介さずに前記伝熱部と接続することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記壁部は、前記伝熱部に近くなるほど、対向する前記壁部同士の距離が離間するように傾斜して形成されることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記凹部は、曲面からなる窪みとして形成されることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記伝熱部は、前記基板を収容可能な収容部を備え、
前記接続部は、前記収容部内に設けられ、
前記基板の端部は、前記接続部を介さずに前記収容部と接続することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記収容部は、曲面からなる窪みとして形成されることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記接続部は、前記半導体素子の中央部と対向する位置を除いた部分に設けられることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体素子は、発熱量の異なる２つの素子を備え、
前記２つの素子のうち発熱量の小さい素子側の前記基板の端部が、前記接続部を介さずに前記伝熱部と接続することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器等に用いられる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体素子を冷却可能なヒートシンクを備えた半導体装置が開示されている。この半導体装置のヒートシンクでは、半導体素子と対向する部分の熱抵抗を、その周囲部分の熱抵抗よりも高めることによって、半導体素子からの熱の分散性を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１８８３２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一般的な半導体装置では、半導体素子が基板上に設置され、この基板が伝熱板を介してヒートシンク上に設けられる。このような半導体装置においては、半導体素子直下の伝熱板の温度が局所的に高くなり、伝熱板が熱劣化しやすいという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、伝熱部の熱劣化を抑制可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００７】
本発明の半導体装置は、半導体素子が設置される基板と、基板の半導体素子の設置面とは反対側の面に設置される伝熱部と、基板と伝熱部を接続する接続部と、伝熱部の基板の設置面とは反対側の面に設置される冷却器と、を備える。この半導体装置の基板の一部は、接続部を介さずに伝熱部と接続する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の半導体装置では、半導体素子からの熱の一部を基板内を伝熱させて伝熱部まで導く熱抵抗の小さい伝熱経路を形成するので、伝熱部の部材積層面方向の温度勾配を抑制できる。これにより、半導体素子の直下における伝熱部の温度上昇を低減でき、伝熱部の熱劣化を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態による半導体装置の縦断面図である。
【図２】半導体素子発熱時における第１実施形態の半導体装置を示す図である。
【図３】従来手法における一般的な半導体装置の縦断面図である。
【図４】第２実施形態による半導体装置の縦断面図である。
【図５】第３実施形態による半導体装置の縦断面図である。
【図６】第４実施形態による半導体装置の縦断面図である。
【図７】第５実施形態による半導体装置の縦断面図である。
【図８】第６実施形態による半導体装置の縦断面図である。
【図９】第７実施形態による半導体装置の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１を参照して、第１実施形態による半導体装置１００について説明する。
【００１２】
図１に示す半導体装置１００は、電子機器や電動車両等に使用される装置であって、半導体素子１０と、基板２０と、伝熱板３０と、冷却器４０とを備える。
【００１３】
半導体素子１０は、パワーデバイスや半導体集積回路等であって、基板２０の上面に配置される。
【００１４】
基板２０は、半導体素子１０が載置される載置部２１と、載置部２１から下方に突出形成される壁部２２と、を備える。壁部２２は、載置部２１の外縁に沿って形成される。基板２０には、壁部２２と載置部２１とによって凹部２３が形成される。このように基板２０は、下面側に凹部２３を有する枠体として形成されている。
【００１５】
基板２０の載置部２１の上面には銅ペースト２４が設けられており、この銅ペースト２４と半導体素子１０の下面に設けられる半田層５１とが接合することによって、半導体素子１０が基板２０上に固定される。
【００１６】
半導体素子１０が設置された基板２０は、伝熱板３０上に配置される。伝熱板３０は、基板２０等よりも高い熱伝導率を有する銅製の板状部材である。
【００１７】
凹部２３の形成位置における基板２０の下面には銅ペースト２５が設けられており、この銅ペースト２５と伝熱板３０の上面に設けられた半田層５２とが接合することによって、基板２０が伝熱板３０上に固定される。なお、銅ペースト２５及び半田層５２は、基板２０の凹部２３内に収納される。
【００１８】
基板２０が伝熱板３０に固定された状態では、基板２０の壁部２２の先端面は、半田層５２及び銅ペースト２５を介することなく、伝熱板３０の上面に当接する。
【００１９】
伝熱板３０は、冷却器４０の上面に設置される。冷却器４０は、発熱時の半導体素子１０の温度上昇を抑制するためのものであり、内部を流れる作動流体を利用して熱交換を行う熱交換器である。
【００２０】
次に、図２及び図３を参照して、半導体装置１００の作用について説明する。図２は半導体装置１００の縦断面図であり、図３は比較例としての半導体装置２００の縦断面図である。
【００２１】
図３に示すように、従来手法における半導体装置２００は基板２０と伝熱板３０が直接接続される構成ではなく、その他の構成は半導体装置１００と同じである。半導体装置２００において、半導体素子１０からの熱を冷却器４０まで伝える伝熱経路として、伝熱経路Ａ及び伝熱経路Ｂについて検討する。半導体素子１０からの熱を直下方向に伝熱する伝熱経路Ａの熱抵抗Ｒａは（１）式で表わされ、半導体素子１０からの熱を斜め下方に伝熱する伝熱経路Ｂの熱抵抗Ｒｂは（２）式で表わされる。
【００２２】
（数１）
Ｒａ＝Ｌａ／（ｋａ×Ａａ）・・・（１）
Ｌａ：伝熱経路Ａにおける等価伝熱経路長さ
ｋａ：伝熱経路Ａにおける等価熱伝導率
Ａａ：伝熱経路Ａにおける等価伝熱面積
【００２３】
（数２）
Ｒｂ＝Ｌｂ／（ｋｂ×Ａｂ）・・・（２）
Ｌｂ：伝熱経路Ｂにおける等価伝熱経路長さ
ｋｂ：伝熱経路Ｂにおける等価熱伝導率
Ａｂ：伝熱経路Ｂにおける等価伝熱面積
【００２４】
伝熱経路Ｂは半田層５１、５２や銅ペースト２４、２５、基板２０、伝熱板３０を斜め方向に横切る経路であるため、伝熱経路Ｂの等価伝熱経路長さＬｂは伝熱経路Ａよりも長くなり、伝熱経路Ｂの等価熱伝導率ｋｂは伝熱経路Ａよりも小さくなる。これにより、伝熱経路Ｂの熱抵抗Ｒｂが伝熱経路Ａの熱抵抗Ｒａよりも大きくなるので、半導体素子１０からの熱は熱抵抗の小さい伝熱経路Ａに集中する。その結果、伝熱板３０や冷却器４０では部材積層面方向の温度勾配が大きくなり、半導体素子１０の直下における伝熱板３０や冷却器４０の温度が局所的に高くなるので、伝熱板３０や冷却器４０の作動流体が熱劣化しやすくなる。
【００２５】
一方、図２に示す半導体装置１００では、基板２０の壁部２２を伝熱板３０に直接接続する。このように構成した半導体装置１００では、半導体素子１０からの熱の一部は、伝熱経路Ｃに示すように、基板２０の載置部２１から壁部２２を通り伝熱板３０に伝導し、伝熱板３０から冷却器４０に伝わる。伝熱経路Ｃの熱抵抗Ｒｃは、（３）式で表わされる。
【００２６】
（数３）
Ｒｃ＝Ｌｃ／（ｋｃ×Ａｃ）・・・（３）
Ｌｃ：伝熱経路Ｃにおける等価伝熱経路長さ
ｋｃ：伝熱経路Ｃにおける等価熱伝導率
Ａｃ：伝熱経路Ｃにおける等価伝熱面積
【００２７】
伝熱経路Ｃは半田層５１及び銅ペースト２４を横切らずに基板２０内を伝熱させる経路であるため、伝熱経路Ｃの等価伝熱経路長さＬｃは伝熱経路Ａよりも僅かに長くなるものの、伝熱経路Ｃの等価熱伝導率ｋｃは伝熱経路Ａよりも大きくなる。そのため、伝熱経路Ｃの熱抵抗Ｒｃと伝熱経路Ａの熱抵抗Ｒａの差が小さくなり、半導体素子１０からの熱が伝熱経路Ａ、Ｃの両方にほぼ均等に流れることになる。したがって、伝熱板３０や冷却器４０の部材積層面方向の温度勾配を抑制でき、半導体素子１０の直下における伝熱板３０や冷却器４０の温度上昇を低減することができる。
【００２８】
上記した半導体装置１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【００２９】
半導体装置１００では、半導体素子１０が設置された基板２０は凹部２３内に設けられた銅ペースト２５を介して伝熱板３０上に固定され、基板２０の壁部２２は銅ペースト２５を介することなく伝熱板３０の上面に当接する。このように基板２０内を伝熱させる熱抵抗の小さい伝熱経路Ｃを追加する構成としたので、伝熱経路Ｃの熱抵抗Ｒｃと伝熱経路Ａの熱抵抗Ｒａの差を小さくすることができ、伝熱板３０や冷却器４０の部材積層面方向の温度勾配を抑制できる。これにより、半導体素子１０の直下における伝熱板３０や冷却器４０の温度上昇を低減でき、伝熱板３０及び冷却器４０の作動流体の熱劣化を抑制することが可能となる。また、半導体素子１０からの熱を広範囲に分散でき、冷却器４０による冷却効率を高めることが可能となる。
【００３０】
（第２実施形態）
図４を参照して、第２実施形態による半導体装置１００について説明する。
【００３１】
第２実施形態による半導体装置１００は、第１実施形態とほぼ同様の構成であるが、基板２０の構成において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００３２】
図４に示すように、半導体装置１００では、基板２０の壁部２２を傾斜して形成する。つまり、壁部２２は、伝熱板３０に近づくほど対向する壁部２２同士の距離が離間するように形成される。
【００３３】
この基板２０では、破線で示す第１実施形態における基板と比較して、基板２０内を伝熱させる伝熱経路Ｃの等価伝熱経路長さＬｃを短くできる。これにより、伝熱経路Ｃの熱抵抗をより低減でき、伝熱経路Ｃの熱抵抗Ｒｂと伝熱経路Ａの熱抵抗Ｒａの差を小さくすることができる。したがって、伝熱板３０及び冷却器４０の作動流体の熱劣化抑制効果を高めることが可能となる。
【００３４】
（第３実施形態）
図５を参照して、第３実施形態による半導体装置１００について説明する。
【００３５】
第３実施形態による半導体装置１００は、第１及び第２実施形態とほぼ同様の構成であるが、基板２０の構成において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００３６】
図５に示すように、半導体装置１００の基板２０には、載置部２１と壁部２２とによって凹部２３が形成される。凹部２３は、曲面からなる窪みとして形成される。
【００３７】
基板２０の凹部２３を矩形状に形成すると、半導体素子１０の発熱時に凹部２３の角部分に熱応力が集中し、基板２０が劣化しやすくなる。本実施形態では、基板２０の凹部２３を曲面からなる窪みとして形成するので、基板２０における熱応力の集中を回避することができる。したがって、半導体装置１００では、熱応力に起因する基板２０の劣化を抑制することが可能となる。
【００３８】
（第４実施形態）
図６を参照して、第４実施形態による半導体装置１００について説明する。
【００３９】
第４実施形態による半導体装置１００は、第１実施形態とほぼ同様の構成であるが、基板２０及び伝熱板３０の構成において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００４０】
図６に示すように、半導体装置１００では、基板２０は平坦な載置部２１からなる板状部材として形成される。載置部２１の上面及び下面には、銅ペースト２４、２５が設けられている。
【００４１】
伝熱板３０は、その上面に、基板２０を取り囲む仕切壁３１を備える。伝熱板３０には、仕切壁３１の内側面と伝熱板３０の上面とによって基板２０を収容可能な収容部３２が形成される。
【００４２】
収容部３２における伝熱板３０の上面には半田層５２が形成され、この半田層５２と基板２０の銅ペースト２５とが接合されることによって、基板２０は収容部３２内に収容された状態で伝熱板３０に固定される。
【００４３】
基板２０が伝熱板３０に固定された状態では、基板２０の載置部２１の端面が、半田層５２及び銅ペースト２５を介することなく、伝熱板３０の収容部３２の側部、つまり仕切壁３１の側面に当接する。
【００４４】
このように構成した半導体装置１００では、半導体素子１０からの熱の一部は、伝熱経路Ｄに示すように、基板２０の載置部２１から伝熱板３０の仕切壁３１に伝導し、伝熱板３０から冷却器４０に伝わる。伝熱経路Ｄの熱抵抗Ｒｄは、（４）式で表わされる。
【００４５】
（数４）
Ｒｄ＝Ｌｄ／（ｋｄ×Ａｄ）・・・（４）
Ｌｄ：伝熱経路Ｄにおける等価伝熱経路長さ
ｋｄ：伝熱経路Ｄにおける等価熱伝導率
Ａｄ：伝熱経路Ｄにおける等価伝熱面積
【００４６】
伝熱経路Ｄは半田層５１及び銅ペースト２４を横切らずに基板２０の載置部２１から伝熱板３０の仕切壁３１に伝熱させる経路である。伝熱経路Ｃの等価伝熱経路長さＬｃは伝熱経路Ａよりも僅かに長くなるものの、伝熱板３０が高熱伝導率の銅製であるため伝熱経路Ｄの等価熱伝導率ｋｄは伝熱経路Ａよりも大きくなる。そのため、伝熱経路Ｄの熱抵抗Ｒｄと伝熱経路Ａの熱抵抗Ｒａの差は小さくなり、半導体素子１０からの熱が伝熱経路Ａ、Ｄの両方にほぼ均等に流れることになる。したがって、伝熱板３０や冷却器４０の部材積層面方向の温度勾配を抑制でき、半導体素子１０の直下における伝熱板３０や冷却器４０の温度上昇を低減することができる。
【００４７】
上記した半導体装置１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【００４８】
半導体装置１００では、半導体素子１０が設置された基板２０は収容部３２内に収容された状態で銅ペースト２５を介して伝熱板３０上に固定され、基板２０の載置部２１は銅ペースト２５を介することなく伝熱板３０の収容部３２に当接する。このように基板２０の載置部２１と伝熱板３０の収容部３２とを接続して熱抵抗の小さい伝熱経路Ｄを追加する構成としたので、伝熱経路Ｄの熱抵抗Ｒｄと伝熱経路Ａの熱抵抗Ｒａの差を小さくすることができ、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
【００４９】
（第５実施形態）
図７を参照して、第５実施形態による半導体装置１００について説明する。
【００５０】
第５実施形態による半導体装置１００は、第４実施形態とほぼ同様の構成であるが、伝熱板３０の構成において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００５１】
図７に示すように、半導体装置１００の伝熱板３０には、仕切壁３１の内側面と伝熱板３０の上面とによって収容部３２が形成される。収容部３２は、基板２０の収容位置から下方が曲面からなる窪みとして形成される。
【００５２】
伝熱板３０の収容部３２を矩形状に形成すると、半導体素子１０の発熱時に収容部３２の角部分に熱応力が集中し、伝熱板３０が劣化しやすくなる。本実施形態では、伝熱板３０の収容部３２を曲面からなる窪みとして形成するので、伝熱板３０における熱応力の集中を回避することができる。したがって、半導体装置１００では、熱応力に起因する伝熱板３０の劣化を抑制することが可能となる。
【００５３】
（第６実施形態）
図８を参照して、第６実施形態による半導体装置１００について説明する。
【００５４】
第６実施形態による半導体装置１００は、第１から第３実施形態とほぼ同様の構成であるが、基板２０の下面に設けられる銅ペースト２５の構成において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００５５】
半導体装置１００の基板２０は、基板２０の下面の銅ペースト２５と伝熱板３０の上面の半田層５２とを接合することによって、伝熱板３０に固定されている。
【００５６】
半導体装置１００では、銅ペースト２５は、半導体素子１０の中央部と対向する位置を除いて、基板２０の凹部２３内に設けられる。そのため、半導体素子１０直下の基板２０と伝熱板３０の間には隙間２６が形成され、伝熱経路Ａにおける熱抵抗が増加する。これにより、半導体素子１０からの熱は伝熱経路Ｃに伝導しやすくなるので、半導体素子１０の直下における伝熱板３０や冷却器４０の温度上昇を低減でき、伝熱板３０及び冷却器４０の作動流体の熱劣化抑制効果を向上させることが可能となる。
【００５７】
なお、第４及び第５実施形態による半導体装置１００においても、半導体素子１０の中央部と対向する位置を除いて、基板２０に銅ペースト２５を設けることで、同様の効果を得ることができる。
【００５８】
（第７実施形態）
図９を参照して、第７実施形態による半導体装置１００について説明する。
【００５９】
第７実施形態による半導体装置１００は、第１から第３実施形態とほぼ同様の構成であるが、半導体素子１０及び基板２０の構成において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００６０】
図９に示すように、半導体装置１００では、半導体素子１０は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１１及び整流ダイオード１２の２つの素子から構成されている。ＩＧＢＴ１１及び整流ダイオード１２は、隣接した状態で基板２０上に設置される。半導体装置１００の使用時には、スイッチング素子であるＩＧＢＴ１１の方が整流ダイオード１２よりも発熱しやすい。
【００６１】
基板２０は、整流ダイオード１２側の載置部２１の端部にのみ壁部２２を設ける。壁部２２の先端面は、半田層５２及び銅ペースト２５を介することなく、伝熱板３０の上面に当接する。
【００６２】
半導体装置１００では、ＩＧＢＴ１１からの熱の一部は、伝熱経路Ｅに示すように、基板２０内で発熱量の小さい整流ダイオード１２側に伝わり、壁部２２を介して伝熱板３０に伝導する。これにより、伝熱板３０や冷却器４０の部材積層面方向の温度勾配を抑制でき、発熱量の大きいＩＧＢＴ１１の直下における伝熱板３０や冷却器４０の温度上昇を低減できる。したがって、伝熱板３０及び冷却器４０の作動流体の熱劣化を抑制することが可能となる。
【００６３】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００６４】
第１から第７実施形態による半導体装置１００において、冷却器４０は、熱交換器としたが、放熱用突起を複数有するヒートシンクとしてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１００  半導体装置
１０    半導体素子
１１    ＩＧＢＴ
１２    整流ダイオード
２０    基板
２１    載置部
２２    壁部
２３    凹部
２４    銅ペースト
２５    銅ペースト（接続部）
２６    隙間
３０    伝熱板（伝熱部）
３１    仕切壁
３２    収容部
４０    冷却器
５１    半田層
５２    半田層
【図１】
2011258633.tif 000003
【図２】
2011258633.tif 000004
【図３】
2011258633.tif 000005
【図４】
2011258633.tif 000006
【図５】
2011258633.tif 000007
【図６】
2011258633.tif 000008
【図７】
2011258633.tif 000009
【図８】
2011258633.tif 000010
【図９】
2011258633.tif 000011