(57)【要約】【課題】半導体モジュールと冷却器との間における熱伝達性が良好であり、半導体チップの冷却性能に優れた半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュール２と、半導体チップの冷却を行う冷却器３と、非絶縁型半導体モジュール２及び冷却器３の間に挟み込まれる絶縁液状物質としてのシリコングリース６を備えた半導体装置において、シリコングリース６に空気を吸収する吸着剤としての合成ゼオライト７を含ませた。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュールと、半導体チップの冷却を行う冷却器と、上記非絶縁型半導体モジュール及び冷却器の間に挟み込まれる絶縁液状物質を備えた半導体装置において、上記絶縁液状物質に空気を吸収する吸着剤を含ませたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
吸着剤はゼオライトから成っている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
吸着剤の大きさを０．１〜５μｍとした請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
絶縁液状物質に吸着剤を５０〜８０体積％の割合で配合した請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置を製造するに際して、非絶縁型半導体モジュール側の冷却器対向面及び冷却器側のモジュール対向面のうちの少なくともいずれか一方の対向面に塊状にした絶縁液状物質を点在させて塗布した後、上記非絶縁型半導体モジュールと冷却器とを互いに押付けて双方の対向面間において絶縁液状物質を塗り拡げることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュールを有する半導体装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記したようなトランジスタやサイリスタなどの半導体チップを用いた半導体装置としては、直流電力を交流電力に変換するインバータがあるほか、交流電力を直流電力に変換するコンバータがある（例えば非特許文献１参照。）。
【０００３】
このような半導体装置において、電力が大きくなるにつれて半導体チップからの放熱量が多くなって高温（６０〜９０℃）になるので、上記半導体チップに冷却器を取付けて冷却する必要があり、加えて、絶縁型半導体モジュールと比較してコンパクト化及び低コスト化を実現可能な非絶縁型半導体モジュールでは、チップ電極と接合するバスバーと上記冷却器との間に絶縁グリース又は絶縁シートを介在させて絶縁性を確保する必要がある。
【０００４】
この場合、絶縁グリース又は絶縁シートに熱伝導性の高いセラミックやアルミナなどのフィラーを高充填することで、絶縁シートの熱伝導性を高めて放熱性の向上を図るようにしている。
【０００５】
【非特許文献１】
「機械工学便覧」社団法人  日本機械学会  発行  昭和６３年５月１５日  Ａ８−６２〜Ａ８−６５
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した半導体装置では、絶縁グリース又は絶縁シートに熱伝導性の高いフィラーを高充填している都合上柔軟性に乏しく、半導体モジュール側のバスバーの表面における１０μｍ程度の凹凸又は冷却器の表面における１０μｍ程度の凹凸への追従性が良いとは言えないことから、接触熱抵抗が高くなってしまうという問題があった。
【０００７】
また、絶縁グリースとして柔軟性に富んだ稠度（ＪＩＳ  Ｋ  ２２２０  無次元値）の高いグリースを用いると、バスバーの表面凹凸又は冷却器の表面凹凸への追従性が良好になって接触熱抵抗の低減を実現することはできるものの、粘度が低い分だけ流れ易くなって、使用時の熱サイクル等によってバスバーと冷却器との間から外に押出されてしまう可能性があるという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、半導体モジュールと冷却器との間における熱伝達性が良好であり、半導体チップの冷却性能に優れた半導体装置及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが鋭意検討した結果、絶縁液状物質、例えば、グリースに吸着剤を含ませることで、半導体モジュール側とグリースとの間や、冷却器とグリースとの間に形成される空間内の空気を吸着し得ることを見出すに至った。
【００１０】
すなわち、本発明は、半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュールと、半導体チップの冷却を行う冷却器と、上記非絶縁型半導体モジュール及び冷却器の間に挟み込まれる絶縁液状物質を備えた半導体装置において、上記絶縁液状物質に空気を吸収する吸着剤を含ませた構成としたことを特徴としており、この半導体装置の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１１】
一方、本発明の半導体装置の製造方法は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置を製造するに際して、非絶縁型半導体モジュール側の冷却器対向面及び冷却器側のモジュール対向面のうちの少なくともいずれか一方の対向面に塊状にした絶縁液状物質を点在させて塗布した後、上記非絶縁型半導体モジュールと冷却器とを互いに押付けて双方の対向面間において絶縁液状物質を塗り拡げる構成としている。
【００１２】
本発明の半導体装置では、半導体モジュール側と冷却器との間に挟み込まれる絶縁液状物質が空気を吸着する吸着剤を含んでいるので、この吸着剤が半導体モジュール側と絶縁液状物質との間や冷却器と絶縁液状物質との間に形成される空間内の空気を吸着することとなる。つまり、絶縁液状物質が半導体モジュール側の表面凹凸や冷却器の表面凹凸に入り込んで表面に密着することとなり、その結果、接触熱抵抗の低減が図られることとなる。
【００１３】
本発明の半導体装置の製造方法において、非絶縁型半導体モジュール側の冷却器対向面及び冷却器側のモジュール対向面のうちの少なくともいずれか一方の対向面に塊状にした絶縁液状物質を塗布した段階では、吸着剤の大半が塊状にした絶縁液状物質の内部にあることから、吸着剤の活性が失われるのを阻止し得ることとなる。そして、これらの吸着剤は、非絶縁型半導体モジュールと冷却器とを互いに押付けて双方の対向面間において絶縁液状物質を塗り拡げた段階で初めて表面に表れることから、半導体モジュール側と絶縁液状物質との間や冷却器と絶縁液状物質との間に形成される空間内の空気を効率良く吸着し得ることとなる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の半導体装置によれば、上記した構成としているので、半導体モジュールと冷却器との間における熱伝達性能を高めることができ、その結果、半導体チップの冷却性能の向上を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１５】
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、上記した構成としたから、非絶縁型半導体モジュールと冷却器とを互いに押付けて双方の対向面間において絶縁液状物質を塗り拡げるまで、吸着剤の活性が失われるのを防ぐことができ、したがって、半導体モジュール側と絶縁液状物質との間や冷却器と絶縁液状物質との間に形成される空間内の空気を効率良く吸着することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置において、絶縁性を有する液状物質としては、市場での入手のし易さや、耐熱性の高さを考慮して、シリコンオイルやフッ素系オイルをベース油とするグリースを用いることが望ましい。
【００１７】
また、本発明の半導体装置において、吸着剤であるゼオライトには、市場での入手のし易さや、吸収能の高さを考慮して、珪酸アルミナ含水塩から成る合成ゼオライトを用いることが望ましい。
【００１８】
さらに、本発明の半導体装置において、半導体モジュール側の表面や冷却器の表面における各凹凸の大きさは１０μｍ程度であることから、これらの凹凸に吸着剤を入り込ませ易くするために、吸着剤の大きさは５μｍ以下とすることが望ましい。一方、吸着剤の大きさを０．１μｍよりも小さくすると、絶縁液状物質と吸着剤との接触界面が増えて稠度の低下を招くことから、吸着剤の大きさを０．１μｍ以上とすることが望ましい。
【００１９】
さらにまた、本発明の半導体装置において、非絶縁型半導体モジュール及び冷却器の双方の対向面間に絶縁液状物質を塗り拡げる際に、吸着剤が表面に容易に表れるようにするために、吸着剤を絶縁液状物質中に５０体積％以上の割合で配合することが望ましく、一方、表面凹凸への吸着剤の入り込みを阻害する稠度の低下を抑えるうえで、吸着剤を絶縁液状物質中に８０体積％以下の割合で配合することが望ましい。
【００２０】
一方、本発明の半導体装置の製造方法において、非絶縁型半導体モジュール側の冷却器対向面及び冷却器側のモジュール対向面のうちの少なくともいずれか一方の対向面に塊状にした絶縁液状物質を塗布した後に、減圧処理を行うことが好ましい。つまり、対向面に絶縁液状物質を塗布した後に、例えば、真空炉で真空引きを行って絶縁液状物質の表面に露出して空気を吸っていた吸着剤を活性化し、この直後に非絶縁型半導体モジュールと冷却器とを互いに押付けて双方の対向面間において絶縁液状物質を塗り拡げるようになせば、半導体モジュール側と絶縁液状物質との間や冷却器と絶縁液状物質との間に形成される空間内の空気をより一層効率良く吸着し得ることとなる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００２２】
［実施例１］
図１〜図４は本発明の半導体装置の一実施例を示している。
【００２３】
図１に示すように、この半導体装置１は、半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュール２と、半導体チップの冷却を行う冷却器３と、上記非絶縁型半導体モジュール２にはんだ４を介して接合したバスバー５及び冷却器３の間に挟み込まれる絶縁液状物質としてのシリコングリース６を備えている。
【００２４】
上記シリコングリース６には、吸着剤としての大きさ２μｍの合成ゼオライト７が６０体積％の割合で配合してあり、その稠度を３００に設定している。
【００２５】
上記半導体装置１を製造するに際しては、まず、図２に示すように、冷却器３のモジュール対向面３ａに対して、塊状にしたシリコングリース６を点在させて塗布する。
【００２６】
次いで、図３に示すように、非絶縁型半導体モジュール２と冷却器３とを互いに押付けてバスバー５の冷却器対向面５ａ及び冷却器３のモジュール対向面３ａ間においてシリコングリース６を塗り拡げると、上記半導体装置１が得られることとなる。
【００２７】
このとき、バスバー５の冷却器対向面５ａや冷却器３のモジュール対向面３ａにおける各凹凸にシリコングリース６が入り込んでいるものの、隙間を完全には埋め切れていないが、実使用状態では、図４に示すように、合成ゼオライト７が上記隙間内に残留する空気の大半を占める窒素又は酸素を吸着するので、シリコングリース６がバスバー５の冷却器対向面５ａや冷却器３のモジュール対向面３ａの各々の凹凸に入り込んで密着することとなり、その結果、接触熱抵抗の低減が図られることとなる。
【００２８】
上記した半導体装置１では、吸着剤を合成ゼオライト７としているので、バスバー５の冷却器対向面５ａとシリコングリース６との間や冷却器３のモジュール対向面３ａとシリコングリース６との間に形成される隙間内の空気の窒素又は酸素を選択的に吸着することができる、すなわち、効率的に吸着することができる。
【００２９】
また、上記した半導体装置１では、吸着剤としての合成ゼオライト７の大きさを２μｍとしていると共に、この合成ゼオライト７をシリコングリース６に６０体積％の割合で配合しているので、バスバー５や冷却器３における１０μｍ程度の大きさの凹凸に容易に入り込ませることができるうえ、バスバー５の冷却器対向面５ａ及び冷却器３のモジュール対向面３ａ間においてシリコングリース６を塗り拡げる際に、合成ゼオライト７を容易に表面に露出させることができ、さらに、シリコングリース６の稠度の低下を回避し得ることとなる。
【００３０】
さらに、上記した半導体装置１では、その製造に際して、冷却器３のモジュール対向面３ａに塊状にしたシリコングリース６を点在させて塗布するようにしているので、非絶縁型半導体モジュール２と冷却器３とを互いに押付けて双方の対向面３ａ，５ａ間においてシリコングリース６を塗り拡げる段階まで、合成ゼオライト７の活性が失われるのを阻止し得ることとなり、したがって、バスバー５の冷却器対向面５ａとシリコングリース６との間や冷却器３のモジュール対向面３ａとシリコングリース６との間に形成される隙間内の空気を効率良く吸着し得ることとなる。
【００３１】
［比較例１］
図５に部分的に示すように、この比較例における半導体装置５１は、フィラーとしてのアルミナを８０質量％添加した絶縁グリース５６を使用して、この絶縁グリース５６をバスバー５５と冷却器５３との間に配置する構成としている。
【００３２】
この半導体装置５１において、絶縁グリース５６にフィラーとしてのアルミナを高充填しているため柔軟性に乏しく、バスバー５５の表面凹凸又は冷却器５３の表面凹凸へ追従することが困難であり、上記実施例１の半導体装置１よりも接触熱抵抗が３０％程度高くなってしまう。
【００３３】
［比較例２］
図６に部分的に示すように、この比較例における半導体装置６１は、フィラーとしてのアルミナを８０質量％添加した絶縁シート６６を使用して、この絶縁シート６６をバスバー６５と冷却器６３との間に配置する構成としている。
【００３４】
この半導体装置６１において、絶縁シート６６にフィラーとしてのアルミナを高充填しているため柔軟性に乏しく、バスバー６５の表面凹凸又は冷却器６３の表面凹凸へ追従することが困難であり、上記実施例１の半導体装置１よりも接触熱抵抗が２０％程度高くなってしまう。
【００３５】
［比較例３］
図７に部分的に示すように、この比較例における半導体装置７１は、バスバー７５の表面凹凸又は冷却器７３の表面凹凸への追従性をよくするために、稠度が４５０の絶縁グリース７６を使用して、この絶縁グリース７６をバスバー７５と冷却器７３との間に配置する構成としている。
【００３６】
この半導体装置７１では、柔軟性を確保するうえで稠度が高い絶縁グリース７６を使用しているため、粘度が低くなる分だけ流れ易くなって、使用時の温度サイクル等によってバスバー７５と冷却器７３との間から外に押出されてしまい、伝熱性能のみならず絶縁性能の面からも好ましくない。この比較例においても、上記実施例１の半導体装置１と比較して接触熱抵抗が２０％程度高くなってしまう。
【００３７】
本発明の半導体装置及びその製造方法の詳細な構成は、上記した実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の一実施例を示す断面説明図である。
【図２】図１に示した半導体装置のバスバーと冷却器とを組付ける前の部分拡大断面説明図である。
【図３】図１に示した半導体装置のバスバーと冷却器とを組付けた直後の部分拡大断面説明図である。
【図４】図１に示した半導体装置の使用時における部分拡大断面説明図である。
【図５】比較例としての半導体装置を示す部分拡大断面説明図である。
【図６】他の比較例としての半導体装置を示す部分拡大断面説明図である。
【図７】さらに他の比較例としての半導体装置を示す部分拡大断面説明図である。
【符号の説明】
１  半導体装置
２  非絶縁型半導体モジュール
３  冷却器
３ａ  モジュール対向面
５  バスバー
５ａ  冷却器対向面
６  シリコングリース（絶縁液状物質）
７  合成ゼオライト（吸着剤）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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