(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体と、
前記半導体に当接して該半導体を冷却する液冷式のヒートシンクと、
前記ヒートシンクの外気と接触する面に設けられた断熱材と
を備えることを特徴とする圧接型半導体装置。
【請求項２】
半導体、前記半導体に当接して該半導体を冷却する液冷式のヒートシンク、及び前記半導体、ヒートシンクを加圧して保持させる弾性部材を含んでパッケージ化されたスタック構造の圧接型半導体装置において、
前記スタック全体を覆う断熱材を備えることを特徴とする圧接型半導体装置。
【請求項３】
前記断熱材を含んでスタック構造の圧接型半導体装置全体を包含する容器をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の圧接型半導体装置。
【請求項４】
前記断熱材は、断熱塗料を塗布して構成することを特徴とする請求項１または２記載の圧接型半導体装置。
【請求項５】
前記断熱材は、繊維系断熱材であることを特徴とする請求項１または２記載の圧接型半導体装置。
【請求項６】
前記断熱材は、発泡系断熱材であることを特徴とする請求項１または２記載の圧接型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧接型半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置では、スイッチング速度が速く、大電力化、高耐圧化した、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）に代表される電圧駆動型の新しい半導体スイッチング素子が用いられている。
【０００３】
電圧駆動型の半導体スイッチング素子は、製造の点から半導体チップ１個あたりの容量が大きくないため、大容量化するには、同一面に並べた多数の半導体チップを接続した圧接型半導体装置を用いることが多い。
【０００４】
以下の特許文献１〜４に開示されているように、半導体チップの電気的接続方法として圧接方法を用いる圧接型半導体装置においては、全半導体チップを均等に圧接することが重要であり、各半導体チップの厚みが同じであること、圧接する金属部材の平面の加工精度が均一であることが重要である。また、圧接型半導体装置を構成する各部品の加工精度の向上のみならず、圧接力の均等化を実現するために装置に特別な構造を設ける取り組みもなされている。（特許文献１〜４）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１５００６１号公報
【特許文献２】特開２０００−  ９１３６２号公報
【特許文献３】特開２００２−２７０７４６号公報
【特許文献４】特開２００４−  ２３０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
内部に複数の半導体を設置してパッケージ化される圧接型半導体装置において、冷却機能を有しているヒートシンクでは、外気への放熱がない中央部の温度が上昇し、その部分のヒートシンクや半導体装置等のスタック構成部品に熱膨張を生じて中央部が膨らむ形状になる。
【０００７】
このため、中央部の圧接力が大きく周辺部では小さい圧接力となり、半導体チップの圧接力に不均等を生じる。このような熱膨張の差による圧接力の不均等が、圧接型半導体装置に生じる不具合の原因となっている。
【０００８】
しかしながら、前記従来の圧接型半導体装置における圧接力の均等化の取り組みは、加工精度の均質化の技術的限界と、部品点数及び各部品の形状の複雑化による加工工数の増加のため、加工コストの増加をもたらすことになる。
【０００９】
本発明は前記のような実情に鑑みてなされたもので、コストを増加させずにスタック構造を採る圧接型半導体装置の信頼性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態に係る圧接型半導体装置は、半導体と、前記半導体に当接して該半導体を冷却する液冷式のヒートシンクと、前記ヒートシンクの外気と接触する面に設けられた断熱材とを備えることを特徴とする。
【００１１】
また更新実施形態に係る他の圧接型半導体装置は、半導体、前記半導体に当接して該半導体を冷却する液冷式のヒートシンク、及び前記半導体、ヒートシンクを加圧して保持させる弾性部材を含んでパッケージ化されたスタック構造の圧接型半導体装置において、前記スタック全体を覆う断熱材を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、コストを増加させずにスタック構造を採る圧接型半導体装置の信頼性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態に係る半導体スタックの構造を示す図。
【図２】同実施形態に係る断熱材の有無とそれに応じたヒートシンクの温度分布特性を示す図。
【図３】他の実施形態に係る半導体スタックの構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、一実施形態に係る半導体スタック１について、図面を参照して説明する。  
図１は、半導体スタック１の構成例を示す。ここで圧接型の半導体スタック１は、例えば、インバータ、モータドライブ、半導体の製造装置、電力系統など半導体素子を備える装置であるが、これらに限定されない。
【００１５】
半導体スタック１は、圧接型半導体１０を２つのヒートシンク３，３、２つの絶縁座９，９、２つの絶縁座９，９、及び２つの台座部８，８で挟み込み、さらに上板６と底板１１の間に皿バネ７を介して２対以上、例えば４対のボルト４とナット５で締め付けた構造となっている。皿バネ７は、それぞれ偶数枚を同軸的に配置して、その数も含めて前記圧接型半導体１０に係る圧力を調整可能としている。
【００１６】
上述した如く圧接型半導体１０の両面に当接されるヒートシンク３，３は、圧接型半導体１０で発生する熱を確実に冷却するべく、発熱分布に応じて最適化された形状で冷却液が流れる液路３Ａ，３Ａ，‥‥が形成された液冷式の構成をとる。これら液路３Ａ，３Ａ，‥‥の形状を最適化し、冷却液の流量を適正に制御する技術に関しては、例えば特開２０１５−０１２０５７号公報に記載されている。
【００１７】
なお、本実施形態では、１つの圧接型半導体１０を２つのヒートシンク３，３で挟み込んだ構成としているが、２つ以上の圧接型半導体１０，１０，…を３つ以上のヒートシンク３，３，…を交互に介して挟み込む構成とすることも考えられる。
【００１８】
そして、ヒートシンク３，３における外気と直接接する面を断熱材２，２，‥‥で覆う構造としている。このようにヒートシンク３を断熱材２で覆うことにより、ヒートシンク３の冷却を液路３Ａ，３Ａ，‥‥を流れる冷却液の流量のみによって制御するものとすることで、ヒートシンク３と圧接型半導体１０の圧接面の温度分布の均等化を図り、圧接面圧力分布を均等化し圧接型半導体システムの信頼性を向上させる。
【００１９】
以下、図２を用いて、断熱材２の設置によるヒートシンク３の均熱効果を説明する。  
図２（Ａ）−（２）は、断熱材２を設けない従来の圧接型半導体１０の構成、図２（Ｂ）−（４）は断熱材２を設けた本実施形態の圧接型半導体１０の構成を比較して示す。
【００２０】
図２（Ａ）−（１）は、図２（Ａ）−（２）の構成におけるIIＡ線に沿った温度分布を示す。同様に、図２（Ｂ）−（３）は、図２（Ｂ）−（４）の構成におけるIIＢ線に沿った温度分布を示す。
【００２１】
圧接型半導体１０は、ヒートシンク３の領域Ａ１で囲まれた部位に設置されている。この領域Ａ１は、すなわち圧接型半導体１０で発生した熱をヒートシンク３が受ける受熱面１２であり、その外側の領域Ａ２には圧接型半導体１０からの受熱はない。
【００２２】
図２（Ａ）−（２）で示す、断熱材２がない従来と同様の構成の圧接型半導体１０では、圧接型半導体１０が設置される領域Ａ１の外側の領域Ａ２で外気と接触しており、前記液路３Ａ，３Ａ，‥‥を用いた液冷構造に加えて、外気への熱伝達と外気の対流により放熱して、当該部分の温度を低下させている。したがって、この外気への放熱による空冷構造によっても冷却能力を上げている。
【００２３】
しかしながら、領域Ａ２に断熱材２を設けていない図２（Ａ）−（２）の構成の場合、ヒートシンク３の表面の温度分布は図２（Ａ）−（１）の特性Ｔ１に示すように、領域Ａ１の中央部で温度が高く、周辺部で温度が低い分布となり、ヒートシンク３の位置に応じた温度勾配が生じる。ここで、図２（Ａ）−（１）の横軸は、ヒートシンク３の辺に平行であり、かつヒートシンク３の中央部を通過する横断する直線上の位置を示し、縦軸は当該部位のヒートシンク表面温度を示す。
【００２４】
前述した構成に対して、図２（Ｂ）−（４）に示すように、ヒートシンク３が外気と接触する領域Ａ２の全面に断熱材２を設けた場合、その温度分布は図２（Ｂ）−（３）に示すように直線状の均等な特性Ｔ２となる。
【００２５】
すなわち、温度差は熱の流れが発生した場合に生じるため、領域Ａ２での外気に対する放熱を完全に絶って、液冷式のみによる制御された冷却により、理想的な条件での温度分布を得ることができるものである。
【００２６】
また当該領域Ａ２の部分で若干の放熱が存在している場合においても、前記特性Ｔ１より本実施形態による特性Ｔ２の状態に近づくため、ヒートシンク３での部分による温度差は低減される。したがって、ヒートシンク３全体で均熱化が図られ、熱膨張に伴う圧接面の圧力分布を均等化して、圧接型半導体１０を用いた半導体スタック１の信頼性を向上させることが可能となる。
【００２７】
ここで断熱材２は、ヒートシンク３が外気と接する領域Ａ２をすべて覆わなくてもよい。その場合、前述の放熱面の温度分布はわずかに周辺が低い分布となるが、断熱材２を全く設置していない場合に比べて均等に近づく分布となり、圧接面での圧力分布も均等に近づくため、断熱材２を設けていない場合に比べて圧接型半導体１０を用いた半導体スタック１の信頼性を向上させることが可能である。
【００２８】
また使用する断熱材２として、簡易的には、例えばポリウレタン系などの断熱塗料を塗布することで実現が可能である。ポリウレタン系等の流動性のある断熱材を原材料として用いた場合、敷設後の乾燥処理が必要になるが、断熱材の敷設を塗布または噴霧等により実施することが可能であり、敷設コストをきわめて低減できる。このように断熱塗料を塗布して断熱材２を形成することで、施工が非常に容易ながらヒートシンク３での部分による温度差が低減でき、ヒートシンク３全体での均熱化を図ることができる。
【００２９】
さらに上記断熱材２には、例えばグラスウール、ロックウール、セルロースファイバ、炭化コルク等の繊維系断熱材を用いることができる。ウール系の断熱材を原材料として用いた場合、塗布または噴霧等により断熱材の敷設を行なうことは困難であるが、敷設後の乾燥処理が不要であり敷設コストをきわめて低減できる。このような繊維系断熱材を用いることで、ヒートシンク３に対する断熱材２の敷設を容易に実現できる。
【００３０】
また、前記断熱材２には、前記繊維系断熱材に代えて、例えばウレタンフォーム、フェノールフォーム、ポリスチレンフォーム、発泡ゴム等の発泡系断熱材を用いることができる。固形のフォーム系断熱材を使用した場合、ウール系のそれを用いる場合に比べて敷設前に断熱部の形状に合わせた加工が必要となるが、ウール系の断熱材を用いた場合と同様に敷設後の乾燥処理は不要である。また、同原材料を流動性のある状態で塗布する場合には敷設前の作業は減じられるが、ポリウレタン系等の流動性の原材料を用いた場合と同様に敷設後の固化または乾燥処理が必要になる。このような発泡系断熱材を用いることで、ヒートシンク３の外気に触れる部分に対する断熱材２の敷設が容易になると共に、より高い断熱効果が期待できる。
【００３１】
図３を用いて他の実施形態についても説明する。  
なお、この他の実施形態においても、前記図１に示した構成と断熱材２以外の半導体スタック１の基本構成は同様であるため、同一部分には同一符号を付してそれらの説明は省略する。
【００３２】
本実施形態において、ヒートシンク３のみからの外気への放熱を遮断するのではなく、半導体スタック１全体から外気への放熱を断つべく、半導体スタック１内の空隙を含めて、断熱材２′を充填して半導体スタック１全体を断熱材２′で覆うようにする。
【００３３】
こうして半導体スタック１全体を断熱材２′で覆う構成とすることにより、ヒートシンク３，３での液冷流量の最適化制御を行なうことで、半導体スタック１全体の温度分布の均等化を図り、もって圧接型半導体１０での圧接面の圧力分布を均等化して、圧接型の半導体スタック１の信頼性を向上させることが可能となる。
【００３４】
ここで、前記半導体スタック１及び断熱材２′を包含するような容器を設けることも考えられる。そのような容器を設けることにより、断熱材２′を固定化し、半導体スタック１の周囲に断熱材２′が飛散してしまうのを確実に防止できる。
【００３５】
この半導体スタック１で使用する断熱材２′には、例えばグラスウール、ロックウール、セルロースファイバ、炭化コルク等の繊維系断熱材を用いることができる。ウール系の断熱材を原材料として用いた場合、塗布または噴霧等により断熱材の敷設を行なうことは困難であるが、敷設後の乾燥処理が不要であり敷設コストをきわめて低減できる。このような繊維系断熱材を用いることで、ヒートシンク３を含む半導体スタック１全体に対する断熱材２′の敷設を容易に実現できる。
【００３６】
また、前記断熱材２′には、前記繊維系断熱材に代えて、例えばウレタンフォーム、フェノールフォーム、ポリスチレンフォーム、発泡ゴム等の発泡系断熱材を用いることができる。固形のフォーム系断熱材を使用した場合、ウール系のそれを用いる場合に比べて敷設前に断熱部の形状に合わせた加工が必要となるが、ウール系の断熱材を用いた場合と同様に敷設後の乾燥処理は不要である。また、同原材料を流動性のある状態で塗布する場合には敷設前の作業は減じられるが、ポリウレタン系等の流動性の原材料を用いた場合と同様に敷設後の固化または乾燥処理が必要になる。このような発泡系断熱材を用いることで、ヒートシンク３を含む半導体スタック１全体に対する断熱材２′の敷設が容易になると共に、より高い断熱効果が期待できる。
【００３７】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３８】
１…半導体スタック、
２，２′…断熱材、
３…ヒートシンク、
３Ａ…冷却液路、
４…ボルト、
５…ナット、
６…上板、
７…皿バネ、
８…台座、
９…絶縁座、
１０…圧接型半導体、
１１…底板、
１２…受熱面。
【図１】
0006462387.tif 000002
【図２】
0006462387.tif 000003
【図３】
0006462387.tif 000004