(57)【要約】【課題】放熱材の熱抵抗が経時的に低下することを抑制する技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置２では、パワーカード１０と絶縁板６ａとの間に、硬化放熱材８が挟まれている。硬化放熱材８は、シリコン系の放熱材である。硬化放熱材８の厚みは、１５μｍ以上であって１００μｍ以下であり、半導体装置の使用環境下における放熱材の粘度は、１０００Ｐａ・ｓ以上であって、２５０００Ｐａ・ｓ以下である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を収容した半導体モジュールと、冷却器と、が交互に積層して配置されているとともに前記半導体モジュールと前記冷却器の積層方向に荷重が加えられている半導体装置であって、
前記半導体モジュールと前記冷却器の間に挟まれる絶縁部材と、
前記半導体モジュールと前記絶縁部材の間と、前記絶縁部材と前記冷却器の間と、の少なくとも一方の間に挟まれる硬化型の放熱材と、を備え、
前記放熱材の厚みは、１５μｍ以上であって１００μｍ以下であり、
前記半導体装置の使用環境下における前記放熱材の粘度は、１０００Ｐａ・ｓ以上であって、２５０００Ｐａ・ｓ以下である、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。特に、半導体素子を収容した半導体モジュールと冷却器とが交互に積層された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記したタイプの半導体装置では、半導体素子に対する冷却性能を高めるために、半導体モジュールと冷却器との間にグリスや接着剤が配置される。特許文献１の半導体装置では、半導体モジュールと冷却器の間に絶縁層を配置し、半導体モジュールと絶縁層の間、及び、絶縁層と冷却器との間に、接着剤が配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−０９３５９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体装置では、半導体モジュールが作動している間は半導体素子から発熱する一方、半導体モジュールが停止されると、半導体素子の発熱も停止される。半導体モジュール、絶縁板及び冷却器を含む半導体装置の各部は、半導体素子の温度変化に伴って温度が変化し、膨張と収縮を繰り返す。放熱材を挟む部材の膨張と収縮が繰り返されると、放熱材と放熱材を挟む部材が剥離したり、放熱材中に空気が侵入して放熱材の熱抵抗が経時的に低下する場合がある。
【０００５】
本明細書は、放熱材の熱抵抗が経時的に低下することを抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する技術は、半導体素子を収容した半導体モジュールと、冷却器と、が交互に積層して配置されているとともに半導体モジュールと冷却器の積層方向に荷重が加えられている半導体装置に関する。半導体装置は、半導体モジュールと冷却器の間に挟まれる絶縁部材と、半導体モジュールと絶縁部材の間と、絶縁部材と冷却器の間と、の少なくとも一方の間に挟まれる硬化型の放熱材と、を備える。放熱材の厚みは、１５μｍ以上であって１００μｍ以下であり、半導体装置の使用環境下における放熱材の粘度は、１０００Ｐａ・ｓ以上であって、２５０００Ｐａ・ｓ以下である。
【０００７】
放熱材が薄すぎると、放熱材と放熱材を挟む部材の剥離が進展しやすくなる。一方において、放熱材が厚すぎると、放熱材の熱抵抗が大きくなる。上記した範囲の厚みを有する放熱材を利用することによって、放熱板の熱抵抗を抑えるとともに、放熱材を挟む部材と剥離することを抑制することができる。また、上記した範囲の粘度を有する放熱材を利用することによって、放熱材を挟む部材の熱変形に追従して放熱材を変形させることができる。これにより、放熱材の熱抵抗が経時的に低下することを抑制することができる。
【０００８】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例の半導体装置の斜視図である。
【図２】図１の座標系におけるＸＹ平面でカットした半導体装置の断面図である。
【図３】温度変化のサイクル数に対する熱抵抗の変化を示す実験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。図１は、半導体装置２の斜視図である。半導体装置２は、複数のパワーカード１０と複数の冷却器３が積層されたユニットである。なお、図１では、一つのパワーカードだけに符号１０を付し、他のパワーカードには符号を省略している。同様に、図１では一つの冷却器だけに符号３を付し、他の冷却器には符号を省略している。また、半導体装置２の全体が見えるように、半導体装置２を収容するケース３１は仮想線で描いてある。１個のパワーカード１０は、２個の冷却器３に挟まれる。パワーカード１０と一方の冷却器３との間には絶縁板６ａが挟まれており、パワーカード１０と他方の冷却器３との間には絶縁板６ｂが挟まれている。パワーカード１０と絶縁板６ａ、６ｂの間には、硬化放熱材８（図２参照）が配置される。絶縁板６ａ、６ｂと冷却器３の間にはグリス１１（図２参照）が塗布される。図１では硬化放熱材８及びグリス１１の図示は省略している。また、図１は、理解し易いように、１個のパワーカード１０と絶縁板６ａ、６ｂを半導体装置２から抜き出して描いてある。
【００１１】
一つのパワーカード１０には４個の半導体素子が収容されている。４個の半導体素子は、具体的には、２個のトランジスタＴａ、Ｔｂと、２個のダイオードＤａ、Ｄｂである。冷却器３を通る冷媒により、半導体素子が冷却される。冷媒は液体であり、典型的には水である。
【００１２】
パワーカード１０と冷却器３は、共に平板型であり、複数の側面のうち最大面積の平坦面が対向するように積層されている。パワーカード１０と冷却器３は交互に積層されており、ユニットの積層方向の両端には冷却器が位置している。複数の冷却器３は、連結パイプ５ａ、５ｂで連結されている。ユニットの積層方向の一端に位置する冷却器３には、冷媒供給管４ａと冷媒排出管４ｂが連結されている。冷媒供給管４ａを通じて供給される冷媒は、連結パイプ５ａを通じて全ての冷却器３に分配される。冷媒は各冷却器３を通る間に隣接するパワーカード１０から熱を吸収する。各冷却器３を通った冷媒は連結パイプ５ｂを通り、冷媒排出管４ｂから排出される。
【００１３】
半導体装置２はケース３１に収容される際、ユニットの積層方向の他端側に板バネ３２が挿入される。その板バネ３２により、パワーカード１０と絶縁板６ａ、６ｂと冷却器３の積層されたユニットには、積層方向の両側から荷重が加えられる。その荷重は、例えば３［ｋＮ］である。後述するように、絶縁板とパワーカードの間にはグリスが塗布され、さらに放熱シートが挟まれている。３［ｋＮ］という高い荷重は、グリスの層を薄く引き延ばし、パワーカード１０から冷却器３への伝熱効率を高める。パワーカード１０は、直接的には絶縁板６ａ、６ｂに熱を奪われる。半導体装置２は、半導体素子（各素子Ｔａ、Ｔｂ、Ｄａ、Ｄｂ）を収容したパワーカード１０に硬化放熱材８を挟んで絶縁板６ａ、６ｂが接しているとともに、パワーカード１０と冷却器３の間のグリス１１を薄くするように積層方向に荷重が加えられているデバイスである。
【００１４】
パワーカード１０を説明する。パワーカード１０において、絶縁板６ａと対向する一方の平坦面１０ａには、放熱板１６ａ、１６ｂが露出している。平坦面１０ａとは反対側の平坦面１０ｂには、別の放熱板１７（図１では不図示）が露出している。平坦面１０ｂにはグリスを挟んで絶縁板６ｂが接している。パワーカード１０の上面（図中Ｚ軸の正方向を向く面）からは３本の電極端子７ａ、７ｂ、７ｃが伸びており、下面（図中Ｚ軸方向の負方向を向く面）からは制御端子２９が伸びている。
【００１５】
図２を参照してパワーカード１０と冷却器３との間の構造について説明する。図２は、図１のパワーカード１０を図中の座標系のＸＹ面に平行な平面であってトランジスタＴａとＴｂを横切る平面でカットした断面図である。
【００１６】
先に、パワーカード１０の内部構造を説明する。４個の半導体素子（トランジスタＴａ、Ｔｂ、ダイオードＤａ、Ｄｂ）は、樹脂製のパッケージ１３に収容されている。パッケージ１３は、射出成形により形成され、半導体素子を封止する。なお、以下では、パワーカード１０の平坦面１０ａ、１０ｂをパッケージ１３の平坦面１０ａ、１０ｂと称する場合がある。
【００１７】
いずれの半導体素子も平坦なチップである。トランジスタＴａ（Ｔｂ）のチップの一方の平坦面にはコレクタ電極が露出しており、他方の平坦面にはエミッタ電極が露出している。トランジスタＴａの一方の平坦面の電極はハンダ１５により放熱板１６ａの裏面に接合している。放熱板１６ａの表面は、パッケージ１３の平坦面１０ａに露出している。トランジスタＴａの他方の平坦面の電極は、導電性のスペーサ１４を介してハンダ１５により放熱板１７の裏面に接合している。放熱板１７の表面は、パッケージ１３の平坦面１０ｂに露出している。なお、トランジスタＴａ（Ｔｂ）のゲート電極は、チップの一方の平坦面の端に設けられている。また、トランジスタＴｂの各電極もトランジスタＴａと同様に、ハンダ１５とスペーサ１４を利用して放熱板１６ｂと放熱板１７に接合している。
【００１８】
放熱板１６ａは、電極端子７ａの一部である。トランジスタＴａの電極を外部の他のデバイスと接続するための電極端子７ａにおいて、パッケージ１３の平坦面１０ａに露出している部位が放熱板１６ａに相当する。電極端子７ａはトランジスタＴａの電極と接しているので、トランジスタＴａの内部の熱を伝えやすい。一方、冷却器３はアルミニウム（導電性の金属）で作られているので、放熱板１６ａと絶縁する必要がある。それゆえ、半導体装置２は、冷却器３と放熱板１６ａ（パワーカード１０）との間に絶縁板６ａを挟んでいる。絶縁板６ａ、６ｂは、薄くて絶縁性が高く、伝熱性も良いセラミックスで作られている。放熱板１６ａ（電極端子７ａ）及びスペーサ１４は、導電性と伝熱性に優れた銅で作られている。放熱板１６ｂ、放熱板１７も同様である。
【００１９】
放熱板１６ｂ、１７も夫々、放熱板１６ａと同様に、電極端子７ｂ、７ｃの一部である。また、ダイオードＤａ、Ｄｂも、トランジスタＴａ、Ｔｂと同様に、平坦なチップである。ダイオードＤａ、Ｄｂの平坦面に露出している電極は、トランジスタＴａ、Ｔｂと同様に、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７に接続している。
【００２０】
放熱板１６ａ，放熱板１６ｂの表面の全面及びパッケージ１３の平坦面１０ａには、硬化放熱材８が配置されている。硬化放熱材８は、放熱板１６ｂの表面の全面及びパッケージ１３の平坦面１０ａと絶縁板６ａとの間に配置されている。硬化放熱材８は、例えば常温で硬化するシリコン系の放熱材である。硬化放熱材８は、酸化亜鉛、酸化アルミニウムを含むフィラーを包含する。フィラーは、１０μｍ程度の大きさを有する。硬化放熱材８は、硬化前の粘度が８００Ｐａ・ｓ以下のものを選択する。また、硬化放熱材８は、硬化後では、半導体装置２の使用環境下において、線膨張係数が１．０×１０−４から１０−６（１／Ｋ）であり、伸びが５０％以上であり、粘度が１０００Ｐａ・ｓから２５０００Ｐａ・ｓのものを選択する。硬化放熱材８は、１５μｍ以上であって、１００μｍ以下の厚みを有する。なお、硬化放熱材８は、放熱板１６ａ，放熱板１６ｂの表面の全面及びパッケージ１３の平坦面１０ａ及び絶縁板６ａと強固に接着しておらず、放熱板１６ａ，放熱板１６ｂの表面の全面及びパッケージ１３の平坦面１０ａ及び絶縁板６ａが熱変形する際に、容易に剥離する程度に接着している。
【００２１】
なお、変形例では、硬化放熱材８は、加熱硬化型の放熱材であってもよい。また、硬化放熱材８は、接着剤であってもよいし、粘着剤であってもよい。即ち、硬化放熱材８は、上記の性質を有する放熱材であればよい。
【００２２】
硬化放熱材８は、硬化前にパワーカード１０と絶縁板６ａの間に塗布され、パワーカード１０と絶縁板６ａの両側から荷重を加えた状態で硬化させることによって形成される。なお、硬化放熱材８は、硬化後にパワーカード１０と絶縁板６ａの間に配置されてもよい。
【００２３】
絶縁板６ａと冷却器３の間には、グリス１１が塗布されている。同様に、絶縁板６ｂと冷却器３の間にも、グリス１１が塗布されている。
【００２４】
パワーカード１０の平坦面１０ａと冷却器３の間は、パワーカード１０、硬化放熱材８、絶縁板６ａ、グリス１１、冷却器３の順に積層されている。パワーカード１０の平坦面１０ｂと冷却器３の間は、パワーカード１０、硬化放熱材８、絶縁板６ｂ、グリス１１、冷却器３の順に積層されている。
【００２５】
本実施例の効果について説明する。仮に、グリスのようにシリコンオイルが硬化しない放熱材をパワーカード１０と絶縁板６ａの間に配置する場合、シリコンオイル、パワーカード１０及び絶縁板６ａの熱変形によって、シリコンオイルがパワーカード１０と絶縁板６ａの間から離脱し、空気が侵入する。この結果、半導体装置の冷却性能が低下する。一方、本実施例の半導体装置２では、硬化放熱材８に含まれるシリコンオイルが硬化する。このため、シリコンオイルがパワーカード１０と絶縁板６ａの間から脱落することを抑制することができる。これにより、半導体装置２の冷却性能が低下することを抑制することができる。
【００２６】
また、硬化放熱材８は、１５μｍ以上であって、１００μｍ以下の厚みを有する。硬化放熱材８の厚みが１５μｍ未満の比較的に薄い場合、硬化放熱材８とパワーカード１０や絶縁板６ａとの剥離が進展しやすくなり、熱抵抗が大きくなる。一方で、硬化放熱材８の厚みが増加すると、熱抵抗が大きくなる。硬化放熱材８の厚みを１５μｍ以上１００μｍ以下にすることによって、熱抵抗を抑制することができる。
【００２７】
さらに、硬化放熱材８は、硬化前の粘度が８００Ｐａ・ｓ以下のものを選択する。また、硬化放熱材８は、硬化後では、線膨張係数が１．０×１０−４から１０−６（１／Ｋ）であり、伸びが５０％以上であり、粘度が１０００から２５０００Ｐａ・ｓのものを選択する。この構成によれば、硬化放熱材８を、硬化放熱材８を挟むパワーカード１０及び絶縁板６ａの熱変形に追従して変形させることができる。また、パワーカード１０と絶縁板６ａとの間の熱変形に差が生じた場合であっても、硬化放熱材８自体が変形することによって、パワーカード１０と絶縁板６ａから剥離することを抑制することができる。
【００２８】
図３には、材質が異なる３種類の硬化放熱材８を用いて、半導体装置２の半導体素子を発熱させて冷却する温度変化のサイクルを繰り返す実験を行った。本実験では、硬化放熱材８の熱抵抗の変化を観察した。本実験では、伸び（％）と硬化後の粘度（Ｐａ・ｓ）が異なる３種類の材料により作製された硬化放熱材８Ａ、８Ｂ、８Ｃを用いて実験を行った。さらに、本実験では、比較例として、硬化放熱材８に替えてグリスを用いた実験も行った。硬化放熱材８Ａ、８Ｂ、８Ｃの伸び（％）は、５号形のダンベル試験片を用いてＪＩＳ  Ｋ  ６２５１に準拠した試験を行った結果である。硬化放熱材８Ａ、８Ｂ、８Ｃの粘度は、２３℃における粘度である。硬化放熱材８Ａ、８Ｂ、８Ｃの（伸び（％）、粘度（Ｐａ・ｓ））の組合せは、それぞれ、（４７、３，９７３）、（４、２５，５３５）及び（１９２、６，８７２）である。
【００２９】
硬化放熱材８Ａ、８Ｂ、８Ｃの実験結果は、それぞれ、結果ＲＡ、ＲＢ、ＲＣで示されている。また、グリスの実験結果は、結果ＲＧで示されている。図３のグラフは、横軸が発熱させて冷却する温度変化を１サイクルとしたときの温度変化のサイクル数であり、縦軸が熱抵抗（℃／Ｗ）である。実験結果から明らかなように、比較的に伸びが大きく粘度が低い硬化放熱材８Ａ、８Ｃでは、グリスよりも熱抵抗の劣化が抑制されていた。このことから、硬化放熱材８の伸びは、４７％以上であることが好ましい。一方で、比較的に伸びが大きく粘度が高い硬化放熱材８Ｂでは、グリスよりも熱抵抗の劣化が大きかった。この理由は、硬化放熱材８Ｂは、伸びが小さく、変形しにくいため、硬化放熱材８Ｂを挟むパワーカード１０と絶縁板６ａとの界面で剥離が生じたためである。
【００３０】
以上の実験からも明らかなように、本実施例の硬化放熱材８によれば、経時的に熱抵抗が低下することを抑制することができる。
【００３１】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図では、理解を助けるため、グリスの層の厚み、硬化放熱材の厚み、などを強調して描いることに留意されたい。
【００３２】
図２に示したように、冷却器３の内部は単純な空洞である。冷却器３の内部空間には、絶縁板６ａ、６ｂと接する側板の裏面に接するフィンを設けてもよい。
【００３３】
上記の実施例では、硬化放熱材８は、パワーカード１０と絶縁板６ａ、６ｂの間に配置されている。しかしながら、硬化放熱材８は、絶縁板６ａ、６ｂのそれぞれと冷却器３との間に、グリス１１に替えて配置されていてもよい。この場合、パワーカード１０と絶縁板６ａ、６ｂの間には、硬化放熱材８が配置されていてもよいし、グリスが配置されていてもよい。
【００３４】
また、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７ｂの表面に窪みを形成し、その窪みの中に硬化放熱材８を配置してもよい。この構成によれば、硬化放熱材８の厚みを、窪みの深さに合わせて制御することができる。この結果、硬化放熱材８の熱抵抗を制御することができる。
【００３５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３６】
２：半導体装置
３：冷却器
４ａ：冷媒供給管
４ｂ：冷媒排出管
５ａ、５ｂ：連結パイプ
６ａ、６ｂ：絶縁板
７ａ、７ｂ、７ｃ：電極端子
８：硬化放熱材
１０：パワーカード
１０ａ、１０ｂ：平坦面
１１：グリス
１３：パッケージ
１４：スペーサ
１５：ハンダ
１６ａ、１６ｂ、１７：放熱板
２９：制御端子
３１：ケース
３２：板バネ
Ｄａ、Ｄｂ：ダイオード
Ｔａ、Ｔｂ：トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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