(57)【要約】【課題】半導体モジュールとヒートシンクとの間の隙間を埋めるために設ける充填層が熱サイクルや振動等に起因して流出する可能性がある。【解決手段】半導体装置１００は、高さの異なる半導体モジュールを含む複数の半導体モジュール１０と、複数の半導体モジュール１０の両面に配置され、複数の半導体モジュール１０を冷却するための冷却器１１と、複数の半導体モジュール１０と冷却器１２との間に設けられ、絶縁性を有し、硬化性の材料を含む充填層１１とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高さの異なる半導体モジュールを含む複数の半導体モジュールと、
前記複数の半導体モジュールの両面に配置され、前記複数の半導体モジュールを冷却するための冷却器と、
前記複数の半導体モジュールと前記冷却器との間に設けられ、絶縁性を有し、硬化性の材料を含む充填層と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記複数の半導体モジュールと前記冷却器との間に設けられる絶縁層をさらに備える、
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】
前記充填層は、硬化後の状態が弾性体である、
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】
前記充填層は、表面硬化性の材料を含む、
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記絶縁層はポリマーであり、前記半導体モジュールおよび前記冷却器の少なくとも一方にコーティングされている、
ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記充填層および前記絶縁層のうちの少なくとも一方の層は、熱伝導性のフィラーを含む、
ことを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記充填層は、導電性のフィラーを含み、前記複数の半導体モジュールごとに設けられている、
ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項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、半導体モジュールを有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体モジュールとヒートシンクとの間に充填層としてのゲル状の放熱グリスを介在させて、半導体モジュールとヒートシンクとの間の隙間を埋めることにより、半導体モジュールの放熱性を向上させる技術が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２４５１７４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、高さの異なる複数の半導体モジュールとヒートシンクとの間にゲル状の放熱グリスを介在させる場合、高さの低い半導体モジュールとヒートシンクとの間からグリスが流出する可能性がある。
【０００５】
本発明は、放熱性を向上させるために半導体モジュールと冷却器との間に介在させる充填層が流出しない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】
本発明による半導体装置は、高さの異なる半導体モジュールを含む複数の半導体モジュールと、複数の半導体モジュールの両面に配置され、複数の半導体モジュールを冷却するための冷却器と、複数の半導体モジュールと冷却器との間に設けられる充填層とを備える。充填層は、絶縁性を有し、硬化性の材料を含む。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、高さの異なる半導体モジュールを含む複数の半導体モジュールと冷却器との間に、絶縁性を有し、硬化性の材料を含む充填層を配置するので、高さの低い半導体モジュールと冷却器との間から充填層が流出しない半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態における半導体装置の側面図である。
【図２】第２の実施形態における半導体装置の側面図である。
【図３】第３の実施形態における半導体装置の側面図である。
【図４】第４の実施形態における半導体装置の側面図である。
【図５】第５の実施形態における半導体装置の側面図である。
【図６】第１の実施形態〜第５の実施形態における半導体装置と、硬化性ではないグリスを用いた従来の半導体装置の熱性能等の比較結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態における半導体装置の側面図である。第１の実施形態における半導体装置１００は、二つ以上の半導体モジュール（パワーモジュール（ＰＭ））１０と、半導体モジュール１０の両面に配置される冷却器（ヒートシンク）１２と、半導体モジュール１０および冷却器１２の間に配置される充填層１１とを備える。二つ以上の半導体モジュール１０には、高さの異なる半導体モジュールが少なくとも含まれており、それぞれ、少なくとも半導体素子を有する。図１に示す例では、３つの半導体モジュール１０が設けられており、それぞれの半導体モジュール１０は高さが同じとは限らず、異なる高さのものも含まれている。
【００１０】
冷却器１２は、半導体モジュール１０を冷却するために設けられている。
【００１１】
充填層１１は、絶縁性を有する硬化性の材料で構成されている。充填層１１は、例えば、アルミナフィラーを添加した湿気硬化性シリコーングリスのように、硬化性の材料に絶縁性のフィラーを添加したものを用いることができる。
【００１２】
硬化性の材料としては、２液硬化材料、熱硬化材料、光硬化材料、湿気硬化材料等を用いることができる。充填層１１として硬化性の材料を用いるので、半導体装置１００への充填層１１の塗布中は、充填層１１は液体であり、半導体装置１００の組み立て後に固体へと変化する。
【００１３】
充填層１１に用いる硬化性の材料は、好ましくは、空気中の水分と反応して、表面から硬化が始まる湿気硬化性材料である。表面から硬化が始まることから、表面硬化性材料とも呼ばれる。硬化性の材料として表面硬化性材料を用いる場合、半導体装置１００の組み立て時は、表面のみが硬化しているため作業性に優れ、組み立て後は特別な作業を要せずに、硬化が進むので、作業工程数を低減することができる。
【００１４】
充填層１１は、硬化後の状態が弾性体であることが好ましい。充填層１１の硬化後の状態が弾性体であれば、半導体モジュール１０と冷却器１２との間にかかる応力が緩和され、半導体モジュール１０、充填層１１、冷却器１２のひび割れ等を防ぐことができる。
【００１５】
上述したように、絶縁性を有する硬化性の材料で構成される充填層１１として、硬化性の材料に絶縁性のフィラーを添加したものを用いることができる。この場合、硬化性の材料に添加する絶縁性のフィラーは、熱伝導性であることが好ましい。熱伝導性のフィラーを添加することにより、充填層１１の熱伝導率が向上するため、半導体モジュール１０から冷却器１２への放熱性が向上する。
【００１６】
以上、第１の実施形態における半導体装置によれば、高さの異なる半導体モジュールを含む複数の半導体モジュール１０と冷却器１２との間に硬化性の充填層１１を介在させるので、複数の半導体モジュール１０の高さが違う場合でも、半導体モジュール１０と冷却器１２との間の隙間を埋めることができ、熱抵抗を低減させることができる。また、充填層１１は、絶縁性を有する硬化性の材料を含み、半導体装置１００の組み立て後に固体へと変化するので、硬化性ではないグリスを用いた従来の半導体装置のように、グリスの流出が生じることもない。さらに、半導体モジュール１０と冷却器１２との間の電気的な絶縁も保つことができる。
【００１７】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態における半導体装置では、複数の半導体モジュール１０と冷却器１２との間に、さらに絶縁層を設ける。
【００１８】
図２は、第２の実施形態における半導体装置の側面図である。第２の実施形態における半導体装置２００は、高さの異なる半導体モジュールを含む二つ以上の半導体モジュール（パワーモジュール）１０と、半導体モジュール１０の両面に配置される冷却器１２と、半導体モジュール１０および冷却器１２の間に配置される充填層２１と絶縁層２２と充填層２３とを備える。より具体的には、半導体モジュール１０の両面には充填層２１が設けられており、冷却器１２の半導体モジュール１０と向かい合う側の面には充填層２３が設けられている。また、充填層２１と充填層２３との間には、絶縁層２２が設けられている。
【００１９】
充填層２１および充填層２３は、第１の実施形態における充填層１１と同様に、硬化性の材料で構成されている。充填層２１および充填層２３は、同じ材料を用いてもよいし、異なる材料を用いてもよい。
【００２０】
絶縁層２２は、例えば、シリコーンゴムシートであり、半導体モジュール１０および冷却器１２の間を絶縁するために設けられている。絶縁層２２を構成する材料としては、シリコーンゴム以外に、例えば、無機材料、金属酸化物、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等を用いることができる。
【００２１】
充填層２１、絶縁層２２、および充填層２３にはそれぞれ、熱伝導性フィラーを添加することが好ましい。熱伝導性フィラーを添加することにより、各層の熱伝導率を向上させることができる。また、添加するフィラーが電気絶縁性を有する場合には、各層の絶縁性をさらに向上させることができる。
【００２２】
充填層２１、絶縁層２２、および充填層２３に添加するフィラーとしては、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化ニッケル、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化銅、酸化鉄、酸化銀等の金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素等の無機化合物およびダイヤモンド等の無機物等を含む群から選んだ少なくとも１種を使用することができる。
【００２３】
なお、充填層２１、絶縁層２２、および充填層２３の全ての層ではなく、いずれか１層、または２層にのみ、上述した熱伝導性フィラーを添加するようにしてもよい。
【００２４】
第１の実施形態における半導体装置１００では、半導体モジュール１０と冷却器１２との間に設けた充填層１１によって、半導体モジュール１０と冷却器１２との間の絶縁性を確保している。この場合、グリスは分子が比較的自由に動けるため、充填層１１自身の絶縁破壊電圧が低く、絶縁性を確保するために、充填層１１の厚さをある程度厚くする必要があった。これに対して、第２の実施形態における半導体装置２００では、半導体モジュール１０と冷却器１２との間に絶縁層２２を設けている。絶縁層２２は、絶縁性に優れた材料を欠陥なく敷き詰めた固体であり、絶縁破壊電圧が高いので、充填層２１、絶縁層２２、および充填層２３を含む層の厚さを、第１の実施形態における充填層１１の厚さに比べて薄くすることができる。これにより、半導体モジュール１０と冷却器１２との間の熱抵抗が減少するので、半導体モジュール１０の放熱性をより向上させることができる。
【００２５】
＜第３の実施形態＞
第３の実施形態における半導体装置では、半導体モジュール１０と冷却器１２との間を絶縁するために、冷却器１２にポリマーコーティングを施す。
【００２６】
図３は、第３の実施形態における半導体装置の側面図である。第３の実施形態における半導体装置３００は、高さの異なる半導体モジュールを含む二つ以上の半導体モジュール（パワーモジュール）１０と、半導体モジュール１０の両面に配置される冷却器１２と、半導体モジュール１０および冷却器１２の間に配置される充填層３１および絶縁層３２とを備える。
【００２７】
絶縁層３２は、冷却器１２の表面のうち、少なくとも半導体モジュール１０と向かい合う面に対してポリマーコーティングを施すことにより実現する。ポリマーコーティングの材料としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂およびゴムから成る群より選ばれた少なくとも１種を使用することができる。
【００２８】
ポリマーコーティングとして熱硬化性樹脂を用いる場合、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、アリル樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂およびシリコーン樹脂を含む群から選んだ少なくとも１種を使用することが、耐熱性の観点から好ましい。
【００２９】
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリアミド、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルスルホン、フッ素樹脂、ポリアリレート、液晶ポリマー、ポリエーテルケトン、ポリイミド、ポリアミドイミド、熱可塑性エラストマー等を含む群から選んだ少なくとも１種を使用することができ、２種以上を使用してもよい。
【００３０】
ゴムとしては、例えばブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、エチレンアクリルゴム、エピクロルヒドリン、シリコーンゴム、フッ素ゴム等を含む群から選んだ少なくとも１種を使用することができ、２種以上を使用してもよい。
【００３１】
充填層３１に用いる材料は、第２の実施形態における充填層２１、２３と同じ材料を用いることができる。
【００３２】
また、第２の実施形態と同様に、充填層３１および絶縁層３２にはそれぞれ、熱伝導性フィラーを添加することが好ましい。添加する熱伝導性フィラーは、充填層３１および絶縁層３２の熱伝導率よりも高いものを用いる。添加するフィラーが電気絶縁性を有する場合には、各層の絶縁性をさらに向上させることができる。なお、充填層３１および絶縁層３２のうちのいずれか１層にのみ、熱伝導性フィラーを添加するようにしてもよい。
【００３３】
第３の実施形態における半導体装置３００では、半導体モジュール１０と冷却器１２との間を絶縁するために、冷却器１２にポリマーコーティングを施すので、コーティング面の界面抵抗を無くして熱抵抗を低減することができる。これにより、半導体モジュール１０の放熱性をより向上させることができる。
【００３４】
＜第４の実施形態＞
第４の実施形態における半導体装置では、半導体モジュール１０と冷却器１２との間を絶縁するために、半導体モジュール１０にポリマーコーティングを施す。
【００３５】
図４は、第４の実施形態における半導体装置の側面図である。第４の実施形態における半導体装置４００は、高さの異なる半導体モジュールを含む二つ以上の半導体モジュール（パワーモジュール）１０と、半導体モジュール１０の両面に配置される冷却器１２と、半導体モジュール１０および冷却器１２の間に配置される絶縁層４１および充填層４２とを備える。
【００３６】
絶縁層４１は、半導体モジュール１０の表面のうち、少なくとも冷却器１２と向かい合う面に対してポリマーコーティングを施すことにより実現する。ポリマーコーティングに用いる材料としては、第３の実施形態で説明したように、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることができる。
【００３７】
充填層４２に用いる材料は、第２の実施形態における充填層２１、２３と同じ材料を用いることができる。
【００３８】
また、第２の実施形態と同様に、充填層４２および絶縁層４１にはそれぞれ、熱伝導性フィラーを添加することが好ましい。添加する熱伝導性フィラーは、充填層４２および絶縁層４１の熱伝導率よりも高いものを用いる。添加するフィラーが電気絶縁性を有する場合には、各層の絶縁性をさらに向上させることができる。なお、充填層４２および絶縁層４１のうちのいずれか１層にのみ、熱伝導性フィラーを添加するようにしてもよい。
【００３９】
第４の実施形態における半導体装置４００では、半導体モジュール１０と冷却器１２との間を絶縁するために、半導体モジュール１０にポリマーコーティングを施すので、コーティング面の界面抵抗を無くして熱抵抗を低減することができる。これにより、半導体モジュール１０の放熱性を向上させることができる。
【００４０】
＜第５の実施形態＞
第５の実施形態における半導体装置では、充填層に導電性の高熱伝導フィラーを含めている。
【００４１】
図５は、第５の実施形態における半導体装置の側面図である。第５の実施形態における半導体装置５００は、高さの異なる半導体モジュールを含む二つ以上の半導体モジュール（パワーモジュール）１０と、半導体モジュール１０の両面に配置される冷却器１２と、半導体モジュール１０および冷却器１２の間に配置される充填層５１および絶縁層５２とを備える。
【００４２】
絶縁層５２は、第３の実施形態の絶縁層３２や第４実施形態の絶縁層４１と同様に、ポリマーコーティングにより実現することができる。第２の実施形態と同様に、絶縁層５２には、熱伝導性フィラーを添加することが好ましい。添加するフィラーが電気絶縁性を有する場合には、絶縁層５２の絶縁性をさらに向上させることができる。
【００４３】
充填層５１に用いる材料は、第２の実施形態における充填層２１、２３と同じ材料を用いることができる。充填層５１には、導電性の高熱伝導フィラーが添加されている。導電性の高熱伝導フィラーとは、例えば、アルミニウムフィラーである。導電性の高熱伝導フィラーを添加することにより、充填層５１の熱伝導率を向上させることができるので、半導体モジュール１０の放熱性を向上させることができる。
【００４４】
充填層５１に導電性の高熱伝導フィラーを添加するので、半導体モジュール間の絶縁を保つために、充填層５１は、それぞれの半導体モジュール１０に対して独立して設けられている。すなわち、複数の半導体モジュール１０はそれぞれ、隣接する半導体モジュール１０と接触しないように設けられているが、充填層５１もそれぞれ接触しないように設けられている。また、硬化性の充填層５１は、熱や振動による流出がないため、隣り合う半導体モジュール１０の絶縁性を確実に保つことができる。
【実施例】
【００４５】
図６は、第１の実施形態〜第５の実施形態における半導体装置と、硬化性ではないグリスを用いた従来の半導体装置の熱性能等の比較結果を示す図である。なお、図６では省略しているが、比較対象の全ての半導体装置の絶縁性能は、所定の基準を満たしている。
【００４６】
図６に示すように、絶縁層を設けない第１の実施形態における半導体装置に比べて、絶縁層を設けた第２〜第５の実施形態における半導体装置では、充填層の膜厚が薄い。また、絶縁層をポリマーコーティングにより実現した第３〜第５の実施形態における半導体装置では、絶縁層をポリマーコーティングとしない第２の実施形態における半導体装置と比べて、絶縁層の膜厚が薄い。
【００４７】
熱性能は、半導体モジュールの代わりにヒーターを組み付け、定常法により測定した熱抵抗が１ｃｍ２あたり０．５ｋ／Ｗ未満の場合は「◎」とし、０．５ｋ／Ｗ以上１ｋ／Ｗ未満の場合は「○」とし、１ｋ／Ｗ以上の場合は「×」とした。図６に示すように、第１および第２の実施形態における半導体装置の熱性能は「○」、第３〜第５の実施形態における半導体装置の熱性能は「◎」であるが、従来の半導体装置の熱性能は「×」という結果になった。これは、従来の半導体装置では、硬化性ではないグリスを用いているため、高さの低い半導体モジュールと絶縁層との間に空隙が生じて、熱抵抗が高くなるためである。
【００４８】
本発明は、上述した各実施の形態に限定されることはない。例えば、複数の半導体モジュールの両面に配置する冷却器を１つとせずに、複数設けるようにしてもよい。
【００４９】
第３の実施形態では、冷却器１２にポリマーコーティングを施す構成を示し、第４の実施形態では、半導体モジュール１０にポリマーコーティングを施す構成を示したが、冷却器１２および半導体モジュール１０の双方にポリマーコーティングを施すようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１００、２００、３００、４００、５００…半導体装置
１０…半導体モジュール
１１、２１、２３、３１、４２、５１…充填層
２２、３２、４１、５２…絶縁層
１２…冷却器
【図１】
2013080862.tif 000003
【図２】
2013080862.tif 000004
【図３】
2013080862.tif 000005
【図４】
2013080862.tif 000006
【図５】
2013080862.tif 000007
【図６】
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