(57)【要約】【課題】流体中においてもリークパスを招くことなく安定的に冷却を行える半導体ユニットを構成する。【解決手段】電気機器に用いられ、半導体Ｓが基板１に支持され、半導体Ｓに接続する導体１ｂに電流が流れる方向に沿う位置の基板１の表面に撥液性を有する凹凸面Ｒを形成した。【選択図】図２
2017118050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機器に用いられ、
半導体が基板に支持されると共に、前記半導体に接続する導体に電流が流れる方向に沿う位置の前記基板の表面に撥液性を有する凹凸面を形成している半導体ユニット。
【請求項２】
前記半導体が、内部において前記基板の厚み方向に電流が流れるものであり、前記半導体の側面に撥液性を有する凹凸面を形成している請求項１に記載の半導体ユニット。
【請求項３】
前記凹凸面の凹部が、レーザビームの照射により形成されている請求項１又は２に記載の半導体ユニット。
【請求項４】
前記凹凸面において、流体の接触角が１２０度以上である請求項１〜３の何れか一項に記載の半導体ユニット。
【請求項５】
前記凹凸面と前記半導体の表面とが電気的な絶縁膜で覆われている請求項１〜４の何れか一項に記載の半導体ユニット。
【請求項６】
前記基板のうち前記半導体に隣接する領域と、前記半導体の表面とが封止部材で覆われている請求項１〜５の何れか一項に記載の半導体ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体に浸漬させて冷却を行う半導体ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のように冷却される半導体ユニットとして、特許文献１には車両用インバータの発熱部品をトランスミッションの潤滑油に油没させる技術が示されている。
【０００３】
この特許文献１では、車両用インバータが、大容量コンデンサやパワーモジュールを電子基板に実装して構成されるものであり、潤滑油が電気的に絶縁体である性質を利用するため、絶縁性を確保することなくインバータに対して潤滑油を直接接触させる構成が採用されている。
【０００４】
また、特許文献２では、半導体チップを搭載する基板を封止する材料として、ハロゲン系難燃材を含まない樹脂を用い、半導体チップの周辺に不純物イオンを捕獲するゲッタリング部を備えた技術が示されている。尚、この文献には、流体に接触させて冷却を行うことは記載されてないが、イオンマイグレーションの原因物質が半導体に達しない有効性が記載されている。
【０００５】
特許文献３では、基板と発熱体との接合部を、絶縁性を有する第１の冷媒液で冷却し、発熱体上で前記接合部と異なる部分に水性の第２冷却液を接触させて冷却を行う技術が示されている。
【０００６】
この特許文献３では、半導体素子を基板に電気的に接続したものが半導体パッケージとして封止された構成を有している。絶縁性冷媒液と水性冷媒液とをケーシング内で２層分離させており、半導体パッケージの接合部を含む面の冷却には絶縁性冷却液を用い、それ以外の部分の冷却には水性冷媒液を用いるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３‐２５６９８３号公報
【特許文献２】特開２０１０‐１１４２８７号公報
【特許文献３】特許第５５９０１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に示されるトランスミッションの潤滑油にはオイルフィルタでは除去できない金属微粒子や金属イオンが含まれるものであり、この潤滑油に基板を接触させる構成では、金属微粒子が基板上で成長することや、金属イオンが金属として基板上に析出することも考えられる。このような場合には、半導体の端子や基板の回路等の間に電気的なリークパスを招くものであった。
【０００９】
金属イオンが金属として基板上に析出して絶縁部分が導通する現象をイオンマイグレーションと称しており、このような現象は、油温が高温であり、半導体素子に高電圧が印加する状況で発生しやすい。つまり、油温が高温である場合には、リードフレームの金属や、基板のプリント配線を構成する金属が潤滑油中に金属イオンとして溶出しやすい。また、高電圧の電界が作用する環境では金属の析出を生じやすい。これらの要因からイオンマイグレーションを招き、電気的なリークパスに繋がるものであった。
【００１０】
特に、油温が高温であり、半導体素子に高電圧が印加する環境は厳しく、特許文献１のように、潤滑油に対して半導体素子のリードフレームや基板のプリント配線が直接接触するものでは前述したイオンマイグレーションを招くことが考えられる。また、特許文献２のように流体に接触させる構成ではないものでは環境に耐えることが困難と考えられる。更に、特許文献３のように、２種の冷媒液を用いるものでは構造が複雑化することになり、しかも、絶縁性冷媒としてフッ素系不活性液体を用いるものでは、車両のミッションオイル等の流体を用いた冷却に適さないことになる。
【００１１】
このように、流体に浸漬させてもリークパスを招くことなく安定的に冷却を行える半導体ユニットが求められる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、電気機器に用いられ、
半導体が基板に支持されると共に、前記半導体に接続する導体に電流が流れる方向に沿う位置の前記基板の表面に撥液性を有する凹凸面を形成している点を特徴とする。
【００１３】
この様な電気機器において、設置位置によっては基板の表面に各種流体が付着する場合がある。そこで、本構成のように、半導体に接続する導体に電流が流れる方向に沿う位置の基板の表面に凹凸面が形成されることにより、この凹凸面が流体を撥じく性質（濡れ状態になり難い性質）から凹凸面に対する流体の接触が抑制される。このように流体の接触が抑制されることにより、流体に金属微粒子が含まれていても、その金属微粒子が基板や半導体に付着することがなく、また、流体に金属イオンが含まれていても、その金属イオンが析出する現象を抑制できる。
その結果、流体に浸漬させてもリークパスを招くことなく安定的に冷却を行える半導体ユニットが構成された。
【００１４】
本発明は、前記半導体が、内部において前記基板の厚み方向に電流が流れるものであり、前記半導体の側面に撥液性を有する凹凸面を形成しても良い。
【００１５】
これによると、半導体の内部において基板の厚み方向に電流が流れるため、基板に形成される凹凸面に加えて、半導体の側面に凹凸面が形成されることにより、その凹凸面が流体を撥じく性質（濡れ状態になり難い性質）から凹凸面に対する流体の接触が抑制される。これによっても、流体に金属微粒子が含まれていても、その金属微粒子が基板や半導体に付着することがなく、また、流体に金属イオンが含まれていても、その金属イオンが析出する現象を抑制できる。
【００１６】
本発明は、前記凹凸面の凹部が、レーザビームの照射により形成されても良い。
【００１７】
これによると、レーザビームの照射により凹部を形成できるため、例えば、撥液性を有する物質を用いる必要がなく、微細な凹凸を形成することも可能となる。
【００１８】
本発明は、前記凹凸面において、流体の接触角が１２０度以上でも良い。
【００１９】
これによると、接触角が大きいため、凹凸面に接触する流体を良好に撥じくことになり、凹凸面の性能を一層向上させることになる。
【００２０】
本発明は、前記凹凸面と前記半導体の表面とが電気的な絶縁膜で覆われても良い。
【００２１】
これによると、絶縁膜が形成されることにより、半導体に高電圧が印加される状態でもリークや放電を抑制できる。また、絶縁膜が形成されることにより、流体に含まれる金属の微粒子や、金属イオンが、撥水面や半導体の表面に対して直接接触することもない。特に、凹凸面に絶縁膜が覆う形態では、これらの境界が凹凸に沿って折れ曲がった形態で形成されるため、例えば、境界に流体が浸入しても、流体が半導体にまでの時間を長くしてリークパスの発生を阻止できる。
【００２２】
本発明は、前記基板のうち前記半導体に隣接する領域と、前記半導体の表面とが封止部材で覆われても良い。
【００２３】
これによると、封止部材で覆うことにより、基板の表面と半導体の表面との保護が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】基板に半導体を支持した電力制御部の断面図である。
【図２】基板のパターンに凹凸面を形成した電力制御部の断面図である。
【図３】基板から半導体に亘って絶縁膜が形成された電力制御部の断面図である。
【図４】封止部材で封止された電力制御部の断面図である。
【図５】凹凸面と絶縁膜との拡大断面図である。
【図６】別実施形態（ａ）の電力制御部の断面図である。
【図７】別実施形態（ｂ）の電力制御部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、半導体Ｓを基板１に支持して電力制御部（半導体ユニットの一例）が構成されている。この電力制御部は、ハイブリッド型車両において走行用モータへの電力供給を制御するものであり、数百〜数キロボルトの電圧、数十〜数百アンペアの電流となる電力を制御できるように構成されている。
【００２６】
図面にはパワーＭＯＳＦＥＴで成る電力制御部を示しており、基板１は、セラミック板１ａの上面に銅等により導体としてパターン１ｂが形成されている。このパターン１ｂの上面に導電性の接合材料２が接合され、更に、この接合材料２の上面にチップ状の半導体Ｓが支持されている。
【００２７】
基板１は、樹脂、フレキシブル基板、ガラスエポキシから形成されていてもよい。パターン１ｂは、アルミニウムその他の合金等の金属で形成されてもよく、バスバーとしてもよい。また、基板１として放熱板を用いてもよい。
【００２８】
図面には示していないが、パワー半導体Ｓの上面の所定部位には導体で成る一対のリードがボンディングの技術により電気的に導通するように接続する。この半導体Ｓでは、一対のリードの一方がゲート端子となり、他方がソース端子となり、パターン１ｂがドレイン端子となる。また、半導体ＳとしてＩＧＢＴや、ＳｉＣで成る半導体を用いることも可能である。尚、電力制御部は、走行用モータに限らず、他の電動アクチュエータへの電力供給を制御するように構成されるものでも良い。
【００２９】
電力制御部は、車両の自動変速機の変速制御に用いられるＡＴＦ（ＡＴＦは、Automatic Transmission Fluidの略称）に浸漬させることによりＡＴＦに接触して冷却が行われるように構成されている。このＡＴＦは、絶縁体のオイルであり、流体の一例である。
【００３０】
電力制御部は、ＡＴＦクーラからの戻り経路中や、ＡＴＦを貯留するタンク内に配置される。尚、電力制御部を冷却する流体として、ミッションオイルやエンジンオイルを用いても良い。
【００３１】
ＡＴＦにはフィルタでは除去できない金属微粒子や金属イオンが含まれるものである。従って、電力制御部が長期に亘ってＡＴＦに接触した場合には、金属微粒子が基板１や半導体Ｓに付着して成長し、パターン１ｂとリードとの間に導通部を作り出すことや、パターン１ｂと半導体Ｓとの間に導通部を作り出してリークパスを招くことがある。
【００３２】
その現象の具体例として、電力制御部が長期に亘って高温のＡＴＦが基板１に接触した場合には、リードの金属やパターン１ｂ金属がＡＴＦ中に金属イオンとして溶け出す。このように金属イオンがＡＴＦに溶け出した場合には、高電圧の電界の作用によりイオンマイグレーションを招き、パターンとリードとの間に導通部を作り出すことや、析出した金属がパターン１ｂと半導体Ｓとの間に導通部を作り出しリークパスを招くのである。
【００３３】
このような不都合に対処すべく、電力制御部では、図２に示すように基板１のうち半導体Ｓを取り囲むパターン１ｂの表面に対して微細な凹凸により撥液性（撥水性、撥油性）を有する凹凸面Ｒが形成されている。また、図３に示すようにパターン１ｂに形成された凹凸面Ｒから半導体Ｓの表面に亘って絶縁性の樹脂のコーティングを施すことにより、これらを絶縁膜４で覆っている。更に、図４に示すように絶縁膜４の表面を覆うように樹脂で成る封止部材５を形成している。尚、図１〜図４に示した断面図は、電力制御部を製造する際の工程と一致する。
【００３４】
図４に示すように、封止部材５は、エポキシ樹脂等で形成され、この封止部材５の表面には多数のディンプル５ａを形成している。このディンプル５ａは、ＡＴＦが流動した際に封止部材５の表面で乱流を形成し、封止部材５の表面でＡＴＦの渦流が発生するのを抑制している。尚、封止部材５の熱膨張率は、半導体Ｓや基板１と等しいことが望ましい。
【００３５】
リードに流れる電流の方向は、通常、パターン１ｂの表面に沿う。そのため、電流が流れる方向に沿ってパターン１ｂの表面に撥液性を有する凹凸面Ｒが形成されている。これにより、金属微粒子の付着や、イオンマイグレーションを抑制し、パターン１ｂとリードとの間に導通部が作り出される不都合が抑制される。また、このように凹凸面Ｒを形成することにより半導体Ｓの表裏両面の間に亘る導通部が形成される不都合も抑制される。
【００３６】
凹凸面Ｒは、パターン１ｂの表面に対して、フェムト秒ファイバレーザーのビーム発生装置８からのレーザビームを走査するように照射することにより微細なライン状の溝を多数形成して構成されている。このように形成された複数の溝が凹部となり、隣り合う溝に挟まれる領域が凸部となる。尚、凹凸面Ｒを形成する場合には、必ずしもライン状の溝を形成する必要はなく、多数の凹部を形成することにより凹凸を形成しても良い。また、凹凸面Ｒは、レーザ加工に代えてプラズマ加工等により形成されてもよい。
【００３７】
凹凸面Ｒで撥液性を向上させるためには、凹凸面Ｒの多数の点をＡＴＦに接触させて表面エネルギーを低下させる必要がある。ただし、凹凸ピッチが所定の限界を超えて大きい場合や、凹凸高さが低い（溝が浅い）場合には、凹部（溝の底）にＡＴＦが接触してしまい表面エネルギーの低減に繋がらない。一方、凹凸ピッチが極めて狭い場合には、ＡＴＦに対して隣り合う複数の凸部が接触するため広い面がＡＴＦに接触するものと同様の接触形態となり表面エネルギーの低減に繋がらない。
【００３８】
図５に示すように、絶縁膜４は、パレリン（商品名）、ポリアミドイミド、メチルシラン等の材料を１０μｍ未満の膜圧でコーティングすることにより形成される。尚、絶縁膜４は決まった厚さで形成されるものであるが、同図に２点鎖線で示すように、溝部分の絶縁膜４の膜厚を大きくするように形成しても良い。このように形成した本実施形態の凹凸面は、例えば流体がオイルである場合に、その接触角は１２０度以上となった。
【００３９】
〔実施形態の作用・効果〕
このように、凹凸面Ｒを形成し、凹凸面Ｒと半導体Ｓとを絶縁膜４で覆い、これらを封止部材５で覆うことにより、ＡＴＦが基板１と半導体Ｓとに直接的に接触する不都合を抑制する。その結果、ＡＴＦの油温が高く、半導体Ｓに印加する電圧が高圧で、半導体Ｓに大電流が流れる状況でも、リークパスを招くことがなく、長期に亘って安定的な使用が可能となる。
【００４０】
また、凹凸面Ｒと絶縁膜４との境界が凹凸に沿って折れ曲がった形態で形成されるため、この境界部分にＡＴＦが浸入した場合でも、ＡＴＦが半導体Ｓに達するまでの距離を長くし、リークパスの発生を極めて低くすることが可能となる。
【００４１】
半導体Ｓの表面には一対のリードが接続しており、これらのリードに流れる電流の方向がパターン１ｂの表面に沿うことになる。従って、この電流が流れる方向に沿うようにパターン１ｂの表面に撥液性を有する凹凸面Ｒが形成されている。これにより、凹凸面Ｒが金属微粒子の付着や、イオンマイグレーションを抑制し、パターン１ｂとリードとを結ぶように導通部が作り出される不都合を抑制する。これにより、後述する別実施形態（ａ）のように、パターン１ｂの表面に凹凸面Ｒだけを形成した電力制御部をＡＴＦに浸漬して冷却を行ってもリークパスの抑制を実現する。
【００４２】
〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。
【００４３】
（ａ）図６に示すように、半導体Ｓの側面と、接合材料２の側面とに対して微細な凹凸を形成することにより凹凸面Ｒを形成しても良い。このように凹凸面Ｒを形成することによりパターン１ｂから半導体Ｓの表面に及ぶ領域でのＡＴＦが撥じく性質（濡れ状態になり難い性質）を高めることができる。
【００４４】
この構成では、半導体Ｓの内部において、基板１の厚み方向（同図では上下方向）に電流が流れるため、半導体Ｓの側面と、接合材料２の側面とに対して微細な凹凸面Ｒが形成されている。これにより、凹凸面Ｒが金属微粒子の付着や、イオンマイグレーションを抑制し、半導体Ｓの表面と裏面とを結ぶように導通部が作り出される不都合を抑制し、リークパスの発生を抑制できる。
【００４５】
尚、この構成では半導体Ｓの側面と接合材料２の側面とに予め凹凸面Ｒを形成しておき、これらを、基板１に支持することになる。このように半導体Ｓの側面と接合材料２の側面とに凹凸面Ｒ形成する構成を、パターン１ｂに凹凸面Ｒを形成する構成に組み合わせることも可能である。更に、このように組み合わせた構成に対して、絶縁膜４と、封止部材５とを形成することにより、リークパスの発生を一層良好に抑制することが可能となる。
【００４６】
（ｂ）図７に示すように、絶縁膜４の表面を覆う封止部材５を、中央部が滑らかに突出する形状となるように樹脂で形成し、更に、封止部材５の表面に多数のディンプル５ａを形成する。このように封止部材５の形状を滑らかにすることによりＡＴＦの流れを円滑にすると共に、ディンプル５ａが、ＡＴＦが流動した際に乱流を作り出し、封止部材５の表面でのＡＴＦに渦流の発生を一層抑制する。
【００４７】
図７において、封止部材５の形状が、例えば、矩形の滑らかでない形状の場合、封止部材５の表面を図７中の左側から右側に向けてＡＴＦが流動すると、封止部材５の右側付近に渦流が発生し、この渦流が、封止部材５の右側部分と基板１との接合部において、封止部材５を基板１から剥がすように作用する。この渦流による力が、封止部材と基板１の接合力より強いと、封止部材５が基板１から剥がれてしまう場合が考えられる。封止部材５が基板１から剥がされると、剥がれた部位からＡＴＦが浸入してイオンマイグレーションを招き、電気的なリークパスに繋がる可能性も考えられる。
【００４８】
図７に示す封止部材５は、中央部が滑らかに突出する形状とされ、更に、封止部材５の表面に多数のディンプル５ａが形成されることにより、封止部材５の表面を図７中の左側から右側に向けてＡＴＦが流動すると、封止部材５の右側部分と基板１との接合部において、流動するＡＴＦが封止部材５を押さえ付けるように作用し、また、封止部材５と基板１に対するＡＴＦの流れの剥離が遅くなるため、封止部材５の右側部分と基板１との接合部において渦流の流れを抑制することができる。
従って、ＡＴＦが、封止部材５と基板１との接合部において、封止部材５を基板１から剥がすように作用する力を抑制でき、ひいては、イオンマイグレーション、リークパスの発生を抑制することができる。
【００４９】
（ｃ）絶縁膜４と封止部材５とを備えない構成の電力制御部を、ＡＴＦに浸漬させＡＴＦに接触するように用いる。つまり、図２に示すように、セラミック板１ａの表面にのみ凹凸面Ｒを形成したものや、前述した別実施形態（ａ）のように、セラミック板１ａの表面と、半導体Ｓの側面と、接合材料２の側面とに凹凸面Ｒを形成したものを、ＡＴＦ等の流体に接触させて冷却を行うように構成する。
【００５０】
このように構成したものでは、凹凸面Ｒでの撥液性能により流体が撥じかれるため（濡れる状態とならないため）、金属微粒子の付着や、イオンマイグレーションの抑制が可能となる。
【００５１】
（ｄ）封止部材５を備えずに、図３に示すように、凹凸面Ｒの表面に絶縁膜４だけを形成した電力制御部を、ＡＴＦに浸漬させＡＴＦ等に接触するように用いる。
【００５２】
このように構成したものであっても、絶縁膜４が１０μ未満と薄く形成されているため、撥液性能を発揮しつつ、良好な絶縁効果をうることが可能となる。
【００５３】
（ｅ）基板１として、例えば、ガラスエポキシの板材の表面にプリント配線の技術により金属箔を形成したものを用い、板材の表面と、金属箔の表面とに凹凸面Ｒを形成しても良い。また、半導体Ｓとして樹脂等のパッケージに半導体素子を封入し、端子がパッケージの外面に露出したものを用い、パッケージの外面と、端子の表面とに凹凸面Ｒを形成しても良い。
【００５４】
本実施の形態においては、電力制御部はＡＴＦ中に浸漬される構成としたが、特にこの構成に限定されるものではなく、液体（水、油）に浸漬される構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、例えば流体中において流体に浸漬させて冷却を行う半導体ユニットなど、流体に接触する可能性のある半導体ユニットに広く利用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１            基板
４            絶縁膜
５            封止部材
Ｒ            凹凸面
Ｓ            半導体
【図１】
2017118050.tif 000003
【図２】
2017118050.tif 000004
【図３】
2017118050.tif 000005
【図４】
2017118050.tif 000006
【図５】
2017118050.tif 000007
【図６】
2017118050.tif 000008
【図７】
2017118050.tif 000009