(57)【要約】【課題】半導体素子内部の半導体チップを損傷させることなく、また電気的特性を劣化されることなく、効率よく放熱できるようにする。【解決手段】ヒートシンク６の取付座７の底面７Ａに放熱シート９用の凹部１０を設け、この凹部１０内に放熱シート９を配置して、ヒートシンク６の取付座７の底面７Ａに、パワーＦＥＴ１のソース電極３をねじ止めする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が固定される取付面に凹部を有する導電性のヒートシンクと、
前記凹部にはめ込まれて前記半導体素子の一部と接触することにより前記半導体素子からの熱を前記ヒートシンクへ伝える放熱シートと、
前記取付面との接触面が第１の電極からなり、前記第１の電極の一部が前記放熱シートと密着するとともに、前記第１の電極の他の一部が前記ヒートシンクの取付面と電気的に接触した状態で、前記放熱シートを挟んで前記取付面に固定されている半導体素子とを備えることを特徴とする半導体素子の放熱構造。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体素子の放熱構造において、
前記半導体素子が挿入される開口部を有するとともに、前記半導体素子の側面に突出して設けられた１つ以上の第２の電極と電気的に接続される回路パターンが前記開口部の周部に形成されている基板をさらに備え、
前記半導体素子は、前記固定の際、前記基板の開口部に挿入されて前記第２の電極が前記回路パターンと接触した状態で前記取付面に固定された後、前記第２の電極と前記回路パターンとが半田付けされていることを特徴とする半導体素子の放熱構造。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体素子の放熱構造において、
前記凹部は、前記取付面に凹状に形成された取付座の底面に形成されており、
前記半導体素子は、前記取付座の底面に固定されていることを特徴とする半導体素子の放熱構造。
【請求項４】
接触面が電極からなる半導体素子をヒートシンクの取付面に放熱シートを挟んで固定し、前記半導体素子からの熱を前記放熱シートを介して前記ヒートシンクへ伝えて放熱する放熱構造で用いられる導電性のヒートシンクであって、
前記取付面は、前記電極の一部と密着する前記放熱シートをはめ込むための凹部を有するとともに、取り付けられた前記半導体素子の電極の他の一部と電気的に接触することを特徴とするヒートシンク。
【請求項５】
請求項４に記載のヒートシンクにおいて、
前記凹部は、前記半導体素子を固定するため前記取付面に凹状に形成された取付座の底面に形成されていることを特徴とするヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の放熱技術に関し、特にパワーＦＥＴなどの高出力半導体素子のための放熱技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｗ−ＣＤＭＡなどの無線通信システムでは、電波を送信する際、数１００ＷクラスのパワーＦＥＴが用いられる。
このような数１００ＷクラスのパワーＦＥＴなどからなる高出力半導体素子を使用したパワーアンプの設計において、使用する半導体素子が発生する熱をいかに効率よく放熱するかは、非常に重要な課題である。放熱が不十分で半導体素子内部に熱がこもってしまうと、十分な飽和出力を得ることができなくなる等の電気特性の劣化を引き起こすだけでなく、場合によっては、熱により半導体素子を壊してしまうことにもなるためである。
【０００３】
一般に、数１００ＷクラスのパワーＦＥＴにおいては、十分な放熱を考え、表面実装タイプではなく、そのソース電極の裏面とヒートシンクが直接接触するような構造となっている。しかし、ソース電極の裏面、すなわちヒートシンクとの接触面は、一般的に平面度が優れているわけではなく微小な凹凸が存在するため、そのままの状態でヒートシンクと接触させ、ねじ止めするだけでは、微小な凹凸による隙間に空気が入り、十分な放熱効果をえることができない。
【０００４】
これに対し、放熱特性向上のための従来の手法として、パワーＦＥＴのソース電極裏面をヒートシンクに半田付けしたり、パワーＦＥＴのソース電極裏面とヒートシンクの間に放熱グリースを塗布するという放熱構造が用いられている（例えば、特許文献１，２など参照）。
しかしながら、ソース電極の裏面を表面積の大きなヒートシンクに半田付けするといった作業が容易に行えるものではなく、量産性に向いた手法ではない。また、放熱グリースの塗布量、塗布面積といったものがクリティカルに放熱特性および電気特性に影響するため量産性に乏しく、放熱グリースの長期信頼性保証が困難であるといった問題がある。
【０００５】
一方、上記半田付けや放熱グリースを用いず、パワーＦＥＴとヒートシンクの間に熱伝導性に優れた放熱シートを挿入して取り付ける構造が提案されている（例えば、特許文献３など参照）。
図５〜９に、従来のパワーＦＥＴの放熱構造の一例を示す。図５は従来のパワーＦＥＴの放熱構造を示す外観斜視図である。図６は従来のパワーＦＥＴの放熱構造を示す組立図である。図７は従来のパワーＦＥＴの放熱構造を示すVII−VII断面図である。図８は従来のパワーＦＥＴの他の放熱構造を示すVII−VII断面図である。
【０００６】
図５〜９において、パワーＦＥＴ１は、直方体形状のケース１Ａと、このケース１Ａの側面から突出して設けられた金属板からなるゲート電極２Ａと、ケース１Ａのうちゲート電極２Ａと反対側の側面から突出して設けられた金属板からなるドレイン電極２Ｂと、ケース１Ａの底面に設けられた金属板からなるソース電極３とから構成されている。ソース電極３は、ゲート電極２Ａおよびドレイン電極２Ｂが設けられているケース１Ａの側面と直交する両側面から突出しており、その端部３Ａにはねじ４を挿通するための凹部（切り欠き部）３Ｂがそれぞれ設けられている。
【０００７】
基板５には、パワーＦＥＴ１を動作させる回路パターン５Ａが形成されており、パワーＦＥＴ１を挿入するための開口部５Ｂが設けられている。
アルミニウムなどの金属からなるヒートシンク６には、放熱フィン６Ａと反対側の取付面６Ｂに、パワーＦＥＴ１を取り付けた際のパワーＦＥＴ１と基板５との高さ調整のための取付座（ざくり部）７が設けられている。
【０００８】
理想的な場合として、ソース電極３の裏面３Ｃの平面度が優れている場合、パワーＦＥＴ１は、ソース電極３の裏面３Ｃが基板５の開口部５Ｂを介してヒートシンク６に直接接触するように実装され、ねじ４によりソース電極３がヒートシンク６の取付座７に押し付けられるかたちで固定される。また、ゲート電極２Ａおよびドレイン電極２Ｂは、基板５上の回路パターン５Ａに半田付けされる。
この際、パワーＦＥＴのソース電極３の裏面３Ｃは、一般的に平面度が粗く微小な凹凸による隙間に空気が入り込むため、ねじ４で押し付けるだけでは十分な放熱を行うことができない。そのため、多くの場合、ソース電極３とヒートシンク６の間には、良好な熱伝導性を有する弾性部材からなる放熱シート８が挿入される。
【０００９】
放熱シート８の形状は、ソース電極３の裏面３Ｃ全面に接触するように加工されている。仮に、図８に示すように、放熱シート８Ａがソース電極３の裏面３Ｃ全面に接触せず、その一部にのみ接触するような場合、矢印で示すようなねじトルクが加わると、放熱シート８Ａの部分だけその厚みにより盛り上がって隙間８ＢによりパワーＦＥＴに変形歪が生じ、パワーＦＥＴ１内部の半導体チップの損傷といった不具合発生につながってしまうためである。
このような放熱構造に加えて、ソース電極３とヒートシンク６を半田付けする、あるいはソース電極３とヒートシンク６の間に放熱グリースを塗布するといった放熱方法も、従来より行われている。
【００１０】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【特許文献１】実開平５−６２０４８公報
【特許文献２】特開平４−１６７４５５号公報
【特許文献３】特開平１１−２０４７００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、このような従来技術では、パワーＦＥＴとヒートシンクとが放熱シートを介して電気的に接触するものとなっているため、放熱シートの電気抵抗によりパワーＦＥＴの電気特性が劣化するという問題点があった。
前述した従来技術では、放熱シートとして電気抵抗の低い部材が用いられる。しかし完全な導電体ではないため、少なからず電気抵抗を有する。この電気抵抗の存在は、ＦＥＴのドレインからゲートへの帰還を助長し、ＦＥＴの異常発振につながる等、電気特性の劣化につながる。
【００１２】
また、放熱シートをパワーＦＥＴのソース電極裏面全面に敷くかたちではなく、特に熱の集中するパワーＦＥＴ内部の半導体チップ部に相当する位置のみに接するように形状を小さくし、パワーＦＥＴの接地は、ねじ止めにより行おうとした場合でも、放熱シートが厚みを持つため、ねじ止め部分も若干の浮きが生じ、接地を完全にとることはできない。また、ねじ締めトルクで強引に接地を行おうとするとパワーＦＥＴが変形し、パワーＦＥＴ内部の半導体チップの割れ等の問題を起こすことにつながる。
【００１３】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、半導体素子内部の半導体チップを損傷させることなく、また電気的特性を劣化されることなく、効率よく放熱できる半導体素子の放熱構造およびヒートシンクを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このような目的を達成するために、本発明にかかる半導体素子の放熱構造は、半導体素子が固定される取付面に凹部を有する導電性のヒートシンクと、凹部にはめ込まれて半導体素子の一部と接触することにより半導体素子からの熱をヒートシンクへ伝える放熱シートと、取付面との接触面が第１の電極からなり、第１の電極の一部が放熱シートと密着するとともに、第１の電極の他の一部がヒートシンクの取付面と電気的に接触した状態で、放熱シートを挟んで取付面に固定されている半導体素子とを備えるものである。
【００１５】
この際、半導体素子が挿入される開口部を有するとともに、半導体素子の側面に突出して設けられた１つ以上の第２の電極と電気的に接続される回路パターンが開口部の周部に形成されている基板をさらに備え、半導体素子を、固定の際、基板の開口部に挿入して第２の電極が回路パターンと接触した状態で取付面に固定した後、第２の電極と回路パターンとを半田付けした放熱構造であってもよい。
【００１６】
さらに、凹部を、取付面に凹状に形成された取付座の底面に形成し、半導体素子を、取付座の底面に固定した放熱構造であってもよい。
【００１７】
また、本発明にかかるヒートシンクは、接触面が電極からなる半導体素子をヒートシンクの取付面に放熱シートを挟んで固定し、半導体素子からの熱を放熱シートを介してヒートシンクへ伝えて放熱する放熱構造で用いられる導電性のヒートシンクであって、取付面が、電極の一部と密着する放熱シートをはめ込むための凹部を有するとともに、取り付けられた半導体素子の電極の他の一部と電気的に接触するものである。
【００１８】
この際、凹部が、半導体素子を固定するため取付面に凹状に形成された取付座の底面に形成されたものであってもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ヒートシンクの取付面に設けられた高さ調整用の凹部に放熱シートがはめ込まれるため、ねじ締めの際、放熱シートの厚みによる半導体素子の変形歪が抑制されて、ヒートシンクと半導体素子の電極とが電気的に直接接触するとともに、放熱シートを介して半導体素子からの熱がヒートシンクへ効率よく放熱される。
したがって、半導体素子内部の半導体チップを損傷させることなく、また電気的特性を劣化されることなく、効率よく放熱できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
まず、図１〜３を参照して、本発明の一実施の形態にかかるパワーＦＥＴの放熱構造について説明する。図１は一般的なパワーＦＥＴを示す外観図である。図２は本実施の形態にかかるパワーＦＥＴの放熱構造を示す組立図である。図３は本実施の形態にかかる放熱構造を示すIII−III断面図である。以下では、半導体素子としてパワーＦＥＴを用いる場合を例として説明する。
【００２１】
本実施の形態は、前述した従来技術のヒートシンク６の取付面６Ｂに放熱シート９をはめ込んでその高さを調整するための凹部（ざくり部）１０を設け、ヒートシンク６とパワーＦＥＴ１のソース電極３とを電気的に直接接触させるとともに、放熱シート９を介してパワーＦＥＴ１からの熱をヒートシンク６へ効率よく放熱させるようにしたものである。他の構成については前述と同様であり、同じまたは同等部分に同一符号を付してある。
【００２２】
まず、図１を参照して、本実施の形態で用いるパワーＦＥＴ１について説明する。
このパワーＦＥＴ１は、直方体形状のケース１Ａと、このケース１Ａの側面から突出して設けられた金属板からなるゲート電極２Ａ（第２の電極）と、ケース１Ａのうちゲート電極２Ａと反対側の側面から突出して設けられた金属板からなるドレイン電極２Ｂ（第２の電極）と、ケース１Ａの底面に設けられた金属板からなるソース電極３（第１の電極）とから構成されている。ソース電極３は、ゲート電極２Ａおよびドレイン電極２Ｂが設けられているケース１Ａの側面と直交する両側面から突出しており、その端部３Ａにはねじ４を挿通するための凹部（切り欠き部）３Ｂがそれぞれ設けられている。
【００２３】
次に、図２を参照して、本実施の形態で用いる基板５、放熱シート９、およびヒートシンク６について説明する。
基板５には、パワーＦＥＴ１を動作させる回路パターン５Ａが形成されており、パワーＦＥＴ１を挿入するための開口部５Ｂが設けられている。放熱シート９は、シリコン樹脂など良好な熱伝導性を有する弾性部材からなり、ソース電極３の裏面３Ｃの全部ではなくその一部、例えば発熱の大きい部分と密着する大きさの面積を持っている。
【００２４】
ヒートシンク６は、アルミニウムなどの金属からなり、放熱フィン６Ａと反対側の取付面６Ｂに、パワーＦＥＴ１を取り付けた際のパワーＦＥＴ１と基板５との高さ調整のための取付座（ざくり部）７が設けられている。また、取付座７の底面７Ａには、放熱シート９と底面７Ａとの高さ調整のための凹部（ざくり部）１０が設けられている。この凹部１０の深さは、放熱シート９の厚さ以下であり、放熱シート９の弾性によるパワーＦＥＴ１に対する適度な応力、すなちわ底面７Ａや裏面３Ｃの微小な凹凸による隙間が塞がれて密着するな応力が得られるよう、その深さが決定される。また、凹部１０は、放熱シート９がソース電極３の裏面３Ｃにより押し付けられた際に伸延する面積以上の広さを持っている。
【００２５】
次に、図２および図３を参照して、本実施の形態にかかるパワーＦＥＴ１の取付工程について説明する。
まず、パワーＦＥＴ１は、ソース電極３の裏面３Ｃが基板５の開口部５Ｂを介してヒートシンク６に直接接触するように実装され、ねじ４によりソース電極３の裏面３Ｃがヒートシンク６の取付座７の底面７Ａに押し付けられて、電気的に直接接触して固定される。この際、ヒートシンク６の凹部１０に放熱シート９がはめ込まれて、凹部１０の底面とソース電極３の裏面３Ｃとの間に放熱シート９が挟まれる。そして、ゲート電極２Ａおよびドレイン電極２Ｂは、基板５上の回路パターン５Ａに半田付けされる。
【００２６】
次に、図２および図３を参照して、本実施の形態にかかるパワーＦＥＴ１の放熱構造における放熱動作について説明する。
ヒートシンク６の凹部１０の深さは、放熱シート９の厚みと同等、もしくは若干浅いため、ねじ４による締め付けトルクにより裏面３Ｃの一部と放熱シート９とが密着する。これにより、裏面３Ｃや凹部１０の底面の微小な凹凸による空間が放熱シート９で埋められて、放熱シート９が凹部１０の底面とソース電極３の裏面３Ｃの両方に密着するものとなり、ソース電極３とヒートシンク６との熱的接触は十分に行われる。このため、パワーＦＥＴ１から発生する熱は、ソース電極３→放熱シート９→ヒートシンク６→大気の順番で効率よく放散することが可能である。
【００２７】
この際、底面７Ａと放熱シート９との高さが等しくなるよう凹部１０で調整されるため、ねじ締め時、放熱シート９の厚みによるパワーＦＥＴ１の変形歪が発生しなくなり、パワーＦＥＴ１内部の半導体チップへの損傷を与えることもない。
また、ねじ４で押し付けることにより、パワーＦＥＴ１のソース電極３とヒートシンク６は、凹部１０以外の部分（他の部分）で電気的に直接接触するため、パワーＦＥＴ１のソース電極３とヒートシンク６は同電位となる。すなわち接地が十分に行われ、パワーＦＥＴの電気特性に劣化を与えない。
【００２８】
発明者らは、一般的なパワーＦＥＴを使用し、ソース電極の裏面全面に放熱シートが接触する従来の放熱構造と、ヒートシンク６に凹部１０を設けてその中に放熱シート９をはめ込む本実施の形態にかかる放熱構造とについて、同出力パワーにおけるソース電極３の温度を計測した。
その結果、従来の放熱構造では７７．９℃、本実施の形態にかかる放熱構造では８０．４℃であり放熱に関しては、ほぼ同等の結果が得られていた。また、電気的な接地効果に関しては、前述した図２および図３に示すように、ヒートシンク６のねじ止め部分に凹部がなく、また放熱シート９もないため、ねじ４にて押し付けることにより、ソース電極３の裏面３Ｃとヒートシンク６は十分に接触がなされ、ソース電極３とヒートシンク６は同電位となることから電気的に十分な接地効果が得られた。
【００２９】
また、Ｋｆａｃｔｏｒについては、図４に示すような結果が得られた。図４に、一般的なパワーＦＥＴについて、周波数１００ＭＨｚにおけるＫｆａｃｔｏｒを実測した測定結果を示す。Ｋｆａｃｔｏｒは、パワーＦＥＴ等の安定性を示す指標のひとつで、値が大きいほど安定であることを示す。
図４において、状態Ａはソース電極３の裏面をヒートシンクに半田付けする放熱構造であり、状態Ｂはソース電極３の裏面に市販の放熱グリースを塗布した放熱構造である。また状態Ｃはソース電極３の裏面全面に放熱シート９が接触するような放熱構造であり、状態Ｄが本実施の形態にかかる、ヒートシンク６に凹部１０を設けて放熱シート９を埋め込む構造である。
【００３０】
この測定結果から、状態Ａおよび状態Ｂについては、良好なＫｆａｃｔｏｒが得られているが、前述したように放熱構造や取付工程が複雑で実用性に乏しい。これに対し、放熱構造や取付工程が簡素で実用性が高い状態Ｃおよび状態Ｄについては、ソース電極３の裏面全面に放熱シート９が接触する従来の放熱構造（状態Ｃ）では１．６であったＫｆａｃｔｏｒが、本実施の形態にかかる放熱構造（状態Ｄ）とすることで、ほぼ２倍の３．３に改善されていることが分かる。
【００３１】
このように、ヒートシンク６について、その取付面６Ｂに放熱シート９をはめ込んでその高さを調整するための凹部（ざくり部）１０を設け、ヒートシンク６とパワーＦＥＴ１のソース電極３とを電気的に直接接触させるとともに、凹部１０にはめ込んだ放熱シート９を介してパワーＦＥＴ１からの熱をヒートシンク６へ効率よく放熱させるようにしたので、パワーＦＥＴ内部の半導体チップを損傷させることなく、また電気的特性を劣化されることなく、効率よく放熱できる。
【００３２】
なお、取付座７が不要な場合、例えば基板５を用いて電極２Ａ，２Ｂに回路を接続しないなどの場合、凹部１０をヒートシンク６の取付面６Ｂに直接形成してもよく、前述と同様の作用効果が得られる。
また、以上では、Ｗ−ＣＤＭＡなどで用いられるパワーＦＥＴの放熱構造を例として説明したがこれに限定されるものではなく、例えば高出力の一般的なバイポーラトランジスタなどの半導体素子の放熱構造にも本実施の形態を適用でき、前述と同様の作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施の形態で用いるパワーＦＥＴを示す外観図である。
【図２】本発明の一実施の形態にかかるパワーＦＥＴの放熱構造を示す組立図である。
【図３】図２のIII−III断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態にかかるパワーＦＥＴの放熱構造による測定結果である。
【図５】従来のパワーＦＥＴの放熱構造を示す斜視図である。
【図６】従来のパワーＦＥＴの放熱構造を示す組立図である。
【図７】従来のパワーＦＥＴの放熱構造を示すVII−VII断面図である。
【図８】従来のパワーＦＥＴの他の放熱構造を示すVII−VII断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…パワーＦＥＴ、１Ａ…ケース、２Ａ…ゲート電極、２Ｂ…ドレイン電極、３…ソース電極、３Ａ…端部、３Ｂ…凹部、３Ｃ…裏面、４…ねじ、５…基板、５Ａ…回路パターン、５Ｂ…開口部、６…ヒートシンク、６Ａ…放熱フィン、６Ｂ…取付面、７…取付座、７Ａ…底面、９…放熱シート、１０…凹部。
【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】
2005183582.tif 000007
【図６】
2005183582.tif 000008
【図７】
2005183582.tif 000009
【図８】
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