(57)【要約】【課題】半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合に、半導体素子が発した熱を潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性を向上することが可能な半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体素子２０の定常的な冷却を行うヒートシンク４０を半導体素子２０の下面２０ａ側に配設するとともに、半導体素子２０から受けた熱を固相から液相への変化に伴う潜熱として蓄熱可能な潜熱蓄熱材からなる蓄熱体５０を、半導体素子２０の上面２０ｂに直接触れさせている。【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（２０）と、
前記半導体素子を内部に収納するケーシング（１０）と、
前記半導体素子の一方の面である第１面（２０ａ）側に配設され、前記半導体素子が発する熱を前記ケーシングの外部に放熱するヒートシンク（４０）と、
前記半導体素子の前記第１面とは反対側の第２面（２０ｂ）に接するように前記ケーシング内に充填された潜熱蓄熱材からなる蓄熱体（５０）と、を備え、
前記潜熱蓄熱材は、絶縁性を有するとともに、前記半導体素子から受けた熱を固相から液相への変化に伴う潜熱として蓄熱することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記蓄熱体には、更に、絶縁性を有し前記潜熱蓄熱材よりも熱伝導率が高い高熱伝導フィラー（５０ａ）が添加されてい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】
前記蓄熱体の有する熱を前記ケーシングの外部に放熱する放熱手段（６０）を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体素子の前記第２面から前記蓄熱体の内部に突設され、前記半導体素子から前記蓄熱体への伝熱を促進する伝熱促進手段（７０）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記蓄熱体の前記半導体素子と接する側とは反対側の面を全域に亘って覆い、前記蓄熱体を前記ケーシングの内部に封止するゲル状封止部材（５１）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ヒートシンクは第１ヒートシンク（４０）であり、
前記半導体素子の前記第２面側に配設され、前記半導体素子が発する熱を前記第２面からも前記ケーシングの外部に放熱する第２ヒートシンク（４１）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つ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、潜熱蓄熱材を用いた半導体素子の冷却構造を備える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、例えば下記特許文献１に開示された半導体素子の冷却構造を備えた半導体装置がある。この半導体装置は、半導体素子と、半導体素子が搭載されるヒートシンクと、半導体素子に対してヒートシンクの反対側に位置するように半導体素子に取付けられた潜熱蓄熱材を含む蓄熱部材とを備えており、蓄熱部材はケース内に潜熱蓄熱材を充填して構成されている。このような構成により、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、蓄熱部材の潜熱蓄熱材が吸熱して半導体素子の温度上昇を抑制するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１９３０１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術の半導体装置では、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、半導体素子の発した熱はケースを介して潜熱蓄熱材に伝達され、潜熱蓄熱材が潜熱蓄熱の効果を発揮するまでの応答時間が長くなるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合に、半導体素子が発した熱を潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性を向上することが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】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
半導体素子（２０）と、
半導体素子を内部に収納するケーシング（１０）と、
半導体素子の一方の面である第１面（２０ａ）側に配設され、半導体素子が発する熱をケーシングの外部に放熱するヒートシンク（４０）と、
半導体素子の第１面とは反対側の第２面（２０ｂ）に接するようにケーシング内に充填された潜熱蓄熱材からなる蓄熱体（５０）と、を備え、
潜熱蓄熱材は、絶縁性を有するとともに、半導体素子から受けた熱を固相から液相への変化に伴う潜熱として蓄熱することを特徴としている。
【０００７】
これによると、半導体素子（２０）の定常的な冷却はヒートシンク（４０）によって行い、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、蓄熱体（５０）をなす潜熱蓄熱材が固相から液相へ相変化して吸熱し、半導体素子の温度上昇を抑制することができる。潜熱蓄熱材からなる蓄熱体は、絶縁性を有して半導体素子の第２面（２０ｂ）に直接触れているので、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、半導体素子から速やかに吸熱することができる。このようにして、半導体素子が発した熱を潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性を向上することができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明では、蓄熱体には、更に、絶縁性を有し潜熱蓄熱材よりも熱伝導率が高い高熱伝導フィラー（５０ａ）が添加されていることを特徴としている。これによると、半導体素子からの熱を受けた蓄熱体は、潜熱蓄熱材よりも熱伝導率が高い高熱伝導フィラー（５０ａ）を介して蓄熱体の全体へ速やかに熱を伝えることができる。したがって、半導体素子が発した熱を潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性を一層向上することができる。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明では、蓄熱体の有する熱をケーシングの外部に放熱する放熱手段（６０）を備えることを特徴としている。これによると、放熱手段（６０）による放熱により、半導体素子から吸熱して固相から液相へ相変化した潜熱蓄熱材からなる蓄熱体を冷却して、潜熱蓄熱材を液相から固相へ相変化させ、吸熱能力を容易に回復することが可能である。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明では、半導体素子の第２面から蓄熱体の内部に突設され、半導体素子から蓄熱体への伝熱を促進する伝熱促進手段（７０）を備えることを特徴としている。これによると、伝熱促進手段（７０）により伝熱面積を増大して、半導体素子から蓄熱体をなす潜熱蓄熱材への伝熱を促進することができる。したがって、半導体素子が発した熱を潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性をより一層向上することができる。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明では、蓄熱体の半導体素子と接する側とは反対側の面を全域に亘って覆い、蓄熱体をケーシングの内部に封止するゲル状封止部材（５１）を備えることを特徴としている。これによると、蓄熱体をなす潜熱蓄熱材が吸熱に伴い液相となったとしても、ゲル状封止部材（５１）により、蓄熱体の相変化に伴う体積変化に対応しつつ蓄熱体をケーシング内に容易に保持することができる。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明では、ヒートシンクは第１ヒートシンク（４０）であり、半導体素子の第２面側に配設され、半導体素子が発する熱を第２面からもケーシングの外部に放熱する第２ヒートシンク（４１）を備えることを特徴としている。このように、半導体素子を第１、第２ヒートシンク（４０、４１）により両面側から冷却する半導体装置においても、絶縁性を有して半導体素子の第２面（２０ｂ）に直接触れている潜熱蓄熱材からなる蓄熱体によって、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、半導体素子から速やかに吸熱することができる。このようにして、半導体素子が発した熱を潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性を向上することができる。
【００１３】
なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態における半導体装置１の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明を適用した第２の実施形態における半導体装置１の概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明を適用した第３の実施形態における半導体装置１の概略構成を示す断面図である。
【図４】本発明を適用した第４の実施形態における半導体装置１の概略構成を示す断面図である。
【図５】本発明を適用した第５の実施形態における半導体装置１の概略構成を示す断面図である。
【図６】本発明を適用した他の実施形態における半導体装置１の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１は、本発明を適用した第１の実施形態における半導体装置１の概略構成を示す断面図である。本実施形態の半導体装置１は、例えば車両に搭載される制御機器の制御回路を構成するものであって、例えばスイッチング回路を構成するＩＧＢＴ素子（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子）やダイオード素子等の半導体素子２０を備えるものである。図１に示す半導体装置１は、２つのＩＧＢＴ素子を並列接続、もしくは、ＩＧＢＴ素子とダイオードとを並列接続した装置を例示している。
【００１７】
図１に示すように、半導体装置１は、半導体素子２０を内部に収容するケーシングである例えば樹脂製のケース１０を備えている。ケース１０は、比較的高さが低い（図示上下方向の寸法が比較的小さい）略角筒形状をなしており、ケース１０の図示下方開口部を塞ぐように、金属製で（例えば銅材もしくはアルミニウム材からなる）平板状のヒートシンク４０が配設されている。
【００１８】
半導体素子２０は回路基板３０に実装されている。回路基板３０は、例えば絶縁体（例えばセラミック）からなる絶縁基板３１と、絶縁基板３１の図示上面に形成された例えば銅箔もしくは導電ペースト焼成体からなる導体パターン３２とにより構成されている。半導体素子２０は、下面２０ａ（本発明の第１面に相当）が導体パターン３２に半田付け等により電気的に接続されている。
【００１９】
このように半導体素子２０を実装した回路基板３０は、回路基板３０の非実装面が全域に亘ってヒートシンク４０に接触するようにケース１０内に配設されている。すなわち、ヒートシンク４０は、半導体素子２０の一方の面である下面２０ａ側に配設されており、半導体素子２０が発する熱を回路基板３０を介して受熱し、ケース１０の外部へ放熱するようになっている。
【００２０】
ケース１０には、電極端子を有する金属製の（例えば銅材もしくはアルミニウム材からなる）リードフレーム１１がインサート成形されている。リードフレーム１１のケース１０内方側の端子部と半導体素子２０の上面２０ｂとの間、および、リードフレーム１１のケース１０内方側の端子部と回路基板３０の導体パターン３２との間等は、ボンディングワイヤ１２で電気的に接続されて、半導体装置１内の回路が構成されている。リードフレーム１１の一部はケース１０の外方に突出して外部接続端子１１ａとなっている。
【００２１】
ケース１０の内部には、蓄熱体５０が充填されている。図１から明らかなように、蓄熱体５０は、半導体素子２０が実装された回路基板３０の上面を全域に亘って覆い、半導体素子２０の下面２０ａとは反対側の上面２０ｂ（本発明の第２面に相当）に直接接するようにケース１０内に充填されている。
【００２２】
蓄熱体５０は、絶縁性を有するとともに半導体素子２０から受けた熱を固相から液相への変化に伴う潜熱として蓄熱することが可能な潜熱蓄熱材からなっている。潜熱蓄熱材としては、例えば、エリスリトール、キシリトール、パラフィン等を採用することができる。なお、蓄熱体５０は、ボンディングワイヤ１２を含むケース１０内の回路構成部を全て埋没するように充填されている。
【００２３】
ケース１０の内部には、蓄熱体５０の上面、すなわち、蓄熱体５０の半導体素子２０と接する側とは反対側の面を全域に亘って覆い、蓄熱体５０をケース１０の内部に封止する可撓性を有するゲル状の封止部材５１（本発明のゲル状封止部材に相当）が層状に設けられている。封止部材５１には、例えばシリコーンゲルを用いることができる。
【００２４】
上述の構成において、半導体素子２０が作動に伴って定常的な発熱をしているときには、半導体素子２０が発した熱は主にヒートシンク４０によりケース１０外部に放熱され、半導体素子２０が冷却される。半導体素子２０の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、蓄熱体５０をなす潜熱蓄熱材が固相から液相へ相変化して吸熱し、半導体素子２０の温度上昇を抑制する。
【００２５】
上述の構成の半導体装置１によれば、半導体素子２０から受けた熱を固相から液相への変化に伴う潜熱として蓄熱可能な潜熱蓄熱材からなる蓄熱体５０が、半導体素子２０の上面２０ｂに直接触れている。したがって、半導体素子２０の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、蓄熱体５０が半導体素子２０から速やかに吸熱することができる。このようにして、半導体素子２０が発した熱を蓄熱体５０をなす潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性を向上することができる。
【００２６】
また、蓄熱体５０の上面の全域をゲル状の封止部材５１で覆って、蓄熱体５０をケース１０内に封止している。したがって、蓄熱体５０をなす潜熱蓄熱材が吸熱に伴い液相となったとしても、封止部材５１によりケース１０内に保持することができる。また、封止部材５１はゲル状であるので、蓄熱体５０の固相と液相との相変化に伴う体積変化があっても撓んで体積変化に対応することが可能であり、蓄熱体５０をケース１０内に安定して保持することができる。
【００２７】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図２に基づいて説明する。
【００２８】
本第２の実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、蓄熱体５０の有する熱をケース１０の外部へ放熱する放熱手段を追加した点が異なる。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００２９】
図２に示すように、本実施形態の半導体装置１は、放熱手段である放熱器６０を備えている。放熱器６０は、図示上下方向に延びるヒートパイプ６１とヒートパイプ６１に熱的に接合されたフィン６２とを有している。ヒートパイプ６１は、例えば両端を閉塞された銅製のパイプ部材の内部に作動液としての水を封入して構成されている。
【００３０】
ヒートパイプ６１の図示下端部は蓄熱体５０内に位置し、図示上端部は封止部材５１の上面よりも上方に位置している。ヒートパイプ５１の蓄熱体５０内に位置する部分および封止部材５１よりも上方に突出している部分には、例えば銅製でプレート状のフィン６２が接合されている。
【００３１】
本実施形態の半導体装置１によれば、蓄熱体５０の有する熱をケース１０の外部へ放熱する放熱器６０を備えているので、半導体素子２０から吸熱して固相から液相へ相変化した潜熱蓄熱材からなる蓄熱体５０を冷却して、潜熱蓄熱材を液相から固相へ相変化させ、吸熱能力を容易に回復することができる。
【００３２】
また、放熱器６０は、蓄熱体５０内に位置する部分および封止部材５１よりも上方に突出している部分のそれぞれにフィン６２を有しているので、蓄熱体５０からの吸熱および空気への放熱を効率よく行うことができる。
【００３３】
また、潜熱蓄熱材からなる蓄熱体５０が一時的に全部が液相状態となる場合があったとしても、放熱器６０は封止部材５１に支持されているので、位置が大きく変位することはない。放熱器６０は、封止部材５１のみに支持されているものに限定されず、ケース１０に取付けられて支持されるものであってもよい。また、放熱手段の構成は、ヒートパイプ６１を有する放熱器６０の構成に限定されず、蓄熱体５０の有する熱をケース１０の外部へ放熱可能なものであればよい。
【００３４】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について図３に基づいて説明する。
【００３５】
本第３の実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、半導体素子２０から蓄熱体５０への伝熱を促進する伝熱促進手段を追加した点が異なる。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００３６】
図３に示すように、本実施形態の半導体装置１は、伝熱促進手段である伝熱フィン７０を備えている。伝熱フィン７０は、例えば、銅材やアルミニウム材からなり、半導体素子２０の上面２０ｂに沿って延びる平板部から図示上方に向かって複数の壁部が立設され、断面形状が櫛歯状をなしている。伝熱フィン７０は、上述の平板部が半導体素子２０の上面２０ｂの一部に、例えば半田付け等により接合されている。
【００３７】
本実施形態の半導体装置１によれば、半導体素子２０の上面２０ｂから蓄熱体５０の内部に突設された伝熱フィン７０を備えており、伝熱フィン７０と蓄熱体５０との接触面積は、半導体素子２０の上面２０ｂと伝熱フィン７０との接合面積よりも大きくなっている。すなわち、伝熱フィン７０を設けることにより半導体素子２０から蓄熱体５０への伝熱面積を増大して、半導体素子２０から蓄熱体５０への伝熱を促進可能としている。したがって、半導体素子２０が発した熱を蓄熱体５０をなす潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性を確実に向上することができる。
【００３８】
伝熱促進手段は、上記構成の伝熱フィン７０に限定されず、蓄熱体５０よりも熱伝導率が高い高熱伝導材料で形成され、蓄熱体５０との接触面積を増大できるものであればよい。例えば、複数の針状部が蓄熱体５０の内部に突設された金属製の伝熱フィンであってもよい。
【００３９】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について図４に基づいて説明する。
【００４０】
本第４の実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、蓄熱体５０に絶縁性の高熱伝導フィラーが添加されている点が異なる。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００４１】
図４に示すように、本実施形態の半導体装置１は、蓄熱体５０をなす潜熱蓄熱材中に、絶縁性を有し潜熱蓄熱材よりも熱伝導率が高い高熱伝導フィラー５０ａが添加されている。高熱伝導フィラー５０ａは、例えば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、シリカ等からなるセラミックフィラーであり、針状（細線状）や円盤状をなしているものが好ましい。
【００４２】
図４では、高熱伝導フィラー５０ａを解り易い様に比較的大きく図示しているが、例えば、直径が約１μｍ、長さが約１００μｍの比較的高アスペクト比のセラミックフィラーを採用することができる。高熱伝導フィラー５０ａは、蓄熱体５０をなす潜熱蓄熱材中にほぼ均一に分散していることが好ましい。
【００４３】
本実施形態の半導体装置１によれば、半導体素子２０から受熱した蓄熱体５０は、潜熱蓄熱材よりも熱伝導率が高い高熱伝導フィラー５０ａを介して、蓄熱体５０の全体へ速やかに伝熱することができる。したがって、半導体素子２０が発した熱を潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性を確実に向上することができる。また、高熱伝導フィラー５０ａは絶縁性を有しているので、高アスペクト比のフィラーを採用したとしても、半導体装置１の回路が短絡することはない。
【００４４】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について図５に基づいて説明する。
【００４５】
本第５の実施形態は、本発明を両面冷却タイプの半導体装置に適用した例である。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００４６】
図５に示すように、本実施形態の半導体装置１は、半導体素子２０の下面２０ａ側に配置したヒートシンク４０（第１ヒートシンクに相当）と、半導体素子２０の上面２０ｂ側に配置したヒートシンク４１（第２ヒートシンクに相当）とを備えている。
【００４７】
ヒートシンク４０、４１は、いずれも例えば銅製の平板状の部材であり、ヒートシンク４０は、半導体素子２０の下面２０ａに直接接触している。また、ヒートシンク４１は、例えば銅製のスペーサ４２を介して半導体素子２０の上面２０ｂに接触している。スペーサ４２は、半導体素子２０の上面２０ｂの一部に直接接触している。
【００４８】
図５から明らかなように、本実施形態の半導体装置１は、第１の実施形態で説明した回路基板３０を有しておらず、ヒートシンク４０、４１およびスペーサ４２が、導体パターンと同等の機能を有している。したがって、ヒートシンク４０、４１には、外部接続端子１１ａが電気的に接続している。
【００４９】
本実施形態では、ケース１０は、半導体素子２０を挟み込んだ一対のヒートシンク４０、４１の外周縁部の間を全周に亘ってシールするようにモールドされている。上述した外部接続端子１１ａは、このケース１０にインサート成形されている。そして、一対のヒートシンク４０、４１、およびケース１０によって取り囲まれた空間に、絶縁性を有する潜熱蓄熱材からなる蓄熱体５０が充填されている。
【００５０】
潜熱蓄熱材を上記内部空間に充填するために、例えば、ケース１０を形成する工程は、潜熱蓄熱材充填経路を有する状態に成形するステップと、充填経路を閉塞するステップとを含む、複数のステップを有している。
【００５１】
なお、本実施形態の半導体装置１は、ヒートシンク４０、４１を電気導通回路の一部として利用しているので、ヒートシンク４０、４１を外部から絶縁する必要がある。そこで、両ヒートシンク４０、４１の積層方向における外側面の全域を覆うように、絶縁性を有し熱伝導性に優れる、例えばセラミック材からなる絶縁板４３を配設している。
【００５２】
本実施形態の半導体装置１によれば、半導体素子２０の下面２０ａの全域に接触するヒートシンク４０と、半導体素子２０の上面２０ｂの一部にスペーサ４２を介して接触するヒートシンク４１とで、半導体素子２０の定常的な冷却を行い、半導体素子２０の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、絶縁性を有して半導体素子２０の上面２０ｂに直接触れている潜熱蓄熱材からなる蓄熱体５０によって、半導体素子２０から速やかに吸熱することができる。このようにして、両面冷却タイプの半導体装置１においても、半導体素子２０が発した熱を潜熱蓄熱材が蓄熱する蓄熱応答性を向上することができる。
【００５３】
（他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
【００５４】
上記第１〜第４の実施形態では、ゲル状の封止部材５１で蓄熱体５０を封止していたが、これに限らず、例えば、図６に示すように、封止部材５１を廃止してもかまわない。半導体装置１が、車両に搭載して用いられる等、振動が加わったり搭載姿勢が傾斜したりするような場合にはゲル状の封止部材５１で封止することが好ましいが、定置使用される場合には、封止部材５１を用いないことも可能である。また、車両搭載等においても、封止部材５１を用いず、ケース１０の上端開口をカバー部材等で閉塞して用いることも可能である。
【００５５】
また、図６に例示したゲル状の封止部材５１を用いない半導体装置１に対して、第１の実施形態のゲル状封止部材、第２の実施形態の放熱手段、第３の実施形態の伝熱促進手段、第４の実施形態の高熱伝導フィラー、および、第５の実施形態の両面冷却構造の２つ以上を組み合わせて適用するものであってもかまわない。
【符号の説明】
【００５６】
１  半導体装置
１０  ケース（ケーシング）
２０  半導体素子
２０ａ  下面（半導体素子の第１面）
２０ｂ  上面（半導体素子の第２面）
４０  ヒートシンク（第１ヒートシンク）
４１  ヒートシンク（第２ヒートシンク）
５０  蓄熱体
５０ａ  高熱伝導フィラー
５１  封止部材（ゲル状封止部材）
６０  放熱器（放熱手段）
７０  伝熱フィン（伝熱促進手段）
【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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