JP5227681B2

JP5227681B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP5227681B2
Application number: JP2008181314A
Authority: JP
Inventors: 昌吾森; 泰造栗林; 忍田村
Original assignee: Toyota Industries Corp; Showa Denko KK
Current assignee: Toyota Industries Corp; Resonac Holdings Corp
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-07-11
Also published as: JP2010021406A

Description

本発明は、半導体素子が搭載される回路基板と半導体素子の冷却を行うヒートシンクとを、互いに熱伝導可能な状態で結合した半導体装置に関する。

パワーモジュール等の半導体装置としては、窒化アルミニウムなどからなる絶縁基板の表裏両面に純アルミニウムなどの金属板を接合した回路基板にヒートシンク（放熱装置）を結合して、互いに熱伝導可能な状態にしたものが知られている。この種の半導体装置では、回路基板の表面金属板に半田付けなどにより接合した半導体素子の発する熱を、裏面金属板に結合したヒートシンクから放熱するようになっている。そして、この半導体装置においては、半導体素子から発生した熱を効率よく冷却するために、ヒートシンクの放熱性能を向上させることが求められていた。

そこで、従来、箱体の内部に構成された流路に仕切り壁を設け、仕切り壁を箱体の底面の対角線方向に平行に複数設けるとともに、仕切り壁の間隙を、対角線に近い所では狭く、対角線に遠い所では広くした熱伝達冷却装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。そして、特許文献１に記載の熱伝達冷却装置では、温度が上昇し易い冷却装置の中央部において仕切り壁の間隔を小さくして、仕切り壁の数を増やしているため、冷却装置の中央部において伝熱面積が拡大していた。
特開平５−２９９５４９号公報

ところで、従来の半導体装置では、セラミック基板と、金属板及びヒートシンクとの線膨張係数の相違に起因して発生する熱応力によって、接合部にクラックが生じたりヒートシンクに反りが生じたりして、ヒートシンクの放熱性能が低下する虞があるため、ヒートシンクには放熱性能以外に優れた熱応力緩和機能が求められている。しかし、特許文献１に記載の熱伝達冷却装置では、仕切り壁が、冷却装置の一方の角部から他方の角部にまで所定の間隔を空けて複数設けられているため、冷却装置の剛性は大きくなり、熱伝達冷却装置の温度変化時に熱伝達冷却装置が十分な応力緩和機能を発揮することはなかった。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ヒートシンクの放熱性能の低下を抑え、ヒートシンクにおける応力緩和機能を向上させることができる半導体装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、絶縁基板の一面に第１金属板が接合されるとともに他面に第２金属板が接合され、前記第１金属板に半導体素子が接合されるとともに前記第２金属板と半導体素子の冷却を行うヒートシンクとが互いに熱伝導可能な状態で結合された半導体装置において、前記ヒートシンクは、ケース部を備え、前記ケース部内壁の内側に設けられた仕切り壁によって冷媒通路が区画されており、全ての前記仕切り壁は、前記半導体素子の直下を通るように設けられていることを要旨とする。

この発明では、ヒートシンクは、半導体素子の直下を通るように仕切り壁を有しており、半導体素子の直下に位置する仕切り壁の他に、半導体素子の直下を通らない仕切り壁を有するヒートシンクに比べて、ヒートシンクの剛性を低減できる。したがって、半導体装置が温度変化して熱応力が生じた場合に、ヒートシンクは容易に変形することができ、半導体装置に生じた熱応力を緩和することができる。

また、半導体素子から発生した熱は、半導体素子の下方に向って伝導され、回路基板を介してヒートシンクにまで伝達される。そして、ヒートシンクに伝達された熱は、半導体素子の直下に位置するケース部の部分及び半導体素子の直下に存在する仕切り壁に集中的に伝達されるとともに、ケース部及び仕切り壁において冷媒との熱交換が行われる。したがって、半導体素子の直下以外の領域のみを通る仕切り壁を省略しても、半導体素子から発生した熱が集中的に伝導される経路には必ず仕切り壁が存在するため、ヒートシンクの放熱性能が低下することは抑制されており、効率よく熱をヒートシンク外部に逃がすことができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記半導体素子は１つの前記ヒートシンクに対して複数搭載されるとともに前記仕切り壁は複数設けられ、前記仕切り壁は、複数の前記半導体素子の直下に位置するように一方向に連続して延びており、各半導体素子の直下には、必ず仕切り壁が存在していることを要旨とする。

この発明では、一つの半導体素子の直下にしか存在しない仕切り壁を半導体素子の数以上設ける場合に比べて、ヒートシンクの放熱性能を低下させることなく、少ない数の仕切り壁で各半導体素子の直下に必ず仕切り壁が存在するように構成することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記仕切り壁は、連続して延びながら交互に折れ曲がる形状に形成されていることを要旨とする。
この発明では、交互に折れ曲がる形状に形成された仕切り壁は、冷媒の流れを乱すことができるので、一直線状に延びる仕切り壁に比べて、冷却性能をより向上させることができる。
請求項４に記載の発明は、絶縁基板の一面に第１金属板が接合されるとともに他面に第２金属板が接合され、前記第１金属板に半導体素子が接合されるとともに前記第２金属板と半導体素子の冷却を行うヒートシンクとが互いに熱伝導可能な状態で結合された半導体装置において、前記ヒートシンクは、ケース部を備え、前記ケース部内壁の内側に設けられた仕切り壁によって冷媒通路が区画されており、全ての前記仕切り壁は、前記半導体素子の直下のみに位置するように設けられていることを要旨とする。

本発明によれば、ヒートシンクの放熱性能の低下を抑え、ヒートシンクにおける応力緩和機能を向上させることができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。なお、図１及び図２は、半導体装置の構成を模式的に示したものであり、図示の都合上、一部の寸法を誇張して分かり易くするために、それぞれの部分の幅、長さ、厚さ等の寸法の比は実際の比と異なっている。また、以下では、ヒートシンク側（図１における下側）を半導体装置の下側と規定し、半導体素子側（図１における上側）を半導体装置の上側と規定する。

図１に示すように、半導体装置１０は、複数の絶縁回路基板１１を備え、各絶縁回路基板１１上に一つの半導体素子（半導体チップ）１２が搭載されている。絶縁回路基板１１は、絶縁基板としてのセラミック基板１３の表面１３ａに第１金属板（金属回路板）１４が接合されるとともにセラミック基板１３の裏面１３ｂに第２金属板１５が接合されることで構成されている。なお、第１金属板１４及び第２金属板１５は、純アルミニウムや銅により形成されている。

セラミック基板１３は、図１における上側が半導体素子１２の搭載面となる表面１３ａ側とされており、半導体素子１２の搭載面に配線層として機能する第１金属板１４が接合されている。そして、第１金属板１４には、図示しない半田を介して半導体素子１２が接合されている。半導体素子１２としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオードが用いられる。

一方、セラミック基板１３において図１の下側となる裏面１３ｂ側には、セラミック基板１３とヒートシンク１６とを結合する結合層として機能する第２金属板１５が接合されている。そして、ヒートシンク１６と絶縁回路基板１１と半導体素子１２とは、一体化されている。

ヒートシンク１６は金属製であるとともに、半導体素子１２で発生した熱を強制的に除去する強制冷却式の冷却器として機能する。ヒートシンク１６の冷却能力は、半導体素子１２が定常発熱状態（通常状態）にある場合、半導体素子１２で発生した熱が絶縁回路基板１１を介してヒートシンク１６に伝導されて円滑に除去されるように設定されている。また、ヒートシンク１６は平面視矩形状に形成されるとともに、その外郭が扁平中空状のケース部１７によって構成されている。

ケース部１７には、その表面Ｓに半導体素子１２を搭載した複数の絶縁回路基板１１が図示しないろう材により接合されるとともに、その内部に一直線状に延びる複数の仕切り壁１８が設けられている。

複数の仕切り壁１８は、互いに平行となるように延びるとともに、隣り合う仕切り壁１８同士及び仕切り壁１８とケース部１７の内側壁部１７ａとによって冷媒が流れる複数の冷媒通路１９を区画している。仕切り壁１８はその上端部１８ａがケース部１７の上側内面１７ｂに接合されるとともに、その下端部１８ｂがケース部１７の下側内面１７ｃに接合され、ケース部１７内において直立した状態となっている。図１及び図２に示すように、複数の仕切り壁１８は半導体素子１２の直下の領域を通るように形成されている。そして、図２における左側寄りに一列に配列された複数の半導体素子１２の直下には３つの仕切り壁１８が存在するとともに、図２における右側寄りに一列に配列された複数の半導体素子１２の直下には３つの仕切り壁１８が存在している。左側寄りの３つの仕切り壁１８及び左側寄りの３つの仕切り壁１８は、それぞれ等間隔を空けて配設されている。なお、「半導体素子１２の直下」とは、半導体素子１２を上方から見た場合に、半導体素子１２と重なる領域のことを意味し、半導体素子１２より下側の領域であっても、半導体素子１２の周縁よりも外側に存在する領域は含まない。

ここで、各仕切り壁１８において、半導体素子１２の直下の領域に存在する部分は、対応部２０として構成されている。対応部２０は、半導体素子１２から発生した熱が集中的に伝達される仕切り壁１８の部分であり、各半導体素子１２の直下には必ず存在するように構成されている。なお、複数の仕切り壁１８によって区画された冷媒通路１９は、ケース部１７に設けられた図示しない入口部及び出口部と連通し、入口部及び出口部は、例えば、車両に装備された冷媒循環路に連結可能に形成されている。

次に、前記のように構成された半導体装置１０の作用について説明する。
半導体装置１０は、ハイブリッド車に搭載されるとともに、図示しない冷却媒体循環路にヒートシンク１６がパイプを介して連通された状態で使用される。冷却媒体循環路には、ポンプ及びラジエータが設けられ、冷媒の熱をラジエータから放熱するようになっている。冷媒としては、例えば、水が使用される。

半導体装置１０に搭載された半導体素子１２が駆動されると、半導体素子１２から熱が発生する。そして、半導体素子１２から発生した熱は、半導体素子１２の下方に向けて伝導されて、図１に矢印Ａで示すように、第１金属板１４、セラミック基板１３、第２金属板１５及びヒートシンク１６の順に伝導される。ここで、半導体素子１２からヒートシンク１６に熱が伝導される際、絶縁回路基板１１及びヒートシンク１６は高温となり、熱膨張する。このとき、セラミック基板１３と、ヒートシンク１６及び第１，第２金属板１４，１５との線膨張係数が異なることで、セラミック基板１３とヒートシンク１６及び第１，第２金属板１４，１５との膨張量が異なってくるため、半導体装置１０には熱応力が発生する。そして、ヒートシンク１６では、半導体素子１２の直下を通る仕切り壁１８以外は設けられていないため、ケース部１７の変形を規制する仕切り壁の数は少なく、ケース部１７内において仕切り壁１８が占める体積の割合は小さくなっている。そのため、ケース部１７内に、仕切り壁１８の他に、仕切り壁１８と同じ構成で、かつ半導体素子１２の直下を通ることのない仕切り壁が設けられたヒートシンクに比べて、ヒートシンク１６は容易に変形して、半導体装置１０に生じる熱応力を緩和する。その結果、絶縁回路基板１１及びヒートシンク１６の温度上昇時に、セラミック基板１３と第２金属板１５との間の接合部にクラックが生じたり、ヒートシンク１６の絶縁回路基板１１への接合面に反りが生じたりすることを抑制できる。

また、半導体素子１２から発生した熱がヒートシンク１６にまで到達すると、その熱は、まず、半導体素子１２の直下に位置するケース部１７の部分及び仕切り壁１８の対応部２０に集中的に伝達され、その後、ヒートシンク１６全体に行き渡る。そして、仕切り壁１８が設けられていることで、半導体素子１２の直下の領域においては、冷媒と熱交換を行う面積が大きくなり、より効率的に熱交換を行わせることができ、ケース部１７及び仕切り壁１８に伝達された熱は、冷媒によって円滑に持ち去られる。即ち、ヒートシンク１６は、冷媒通路１９を流れる冷媒によって強制冷却されるため、半導体素子１２等からヒートシンク１６に至る熱の伝導経路における温度勾配が大きくなり、半導体素子１２で発生した熱が絶縁回路基板１１を介して効率よく除去される。

一方、半導体素子１２からの発熱が停止すると、絶縁回路基板１１及びヒートシンク１６の温度は低下し、熱収縮する。このときも、ヒートシンク１６が変形することで、半導体装置１０に生じる熱応力を緩和する。したがって、絶縁回路基板１１及びヒートシンク１６の温度低下時に、セラミック基板１３と第２金属板１５との間の接合部にクラックが生じたり、ヒートシンク１６の絶縁回路基板１１への接合面に反りが生じたりすることを抑制できる。

この実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
（１）ケース部１７内には、半導体素子１２の直下の領域を通る仕切り壁１８のみが設けられており、半導体素子１２の直下の領域を通らない仕切り壁は設けられていない。したがって、ケース部１７の変形を規制する仕切り壁１８が少なくなり、ケース部１７内において仕切り壁１８が占める体積の割合は小さくなるため、ヒートシンク１６の剛性を低減し、ヒートシンク１６による応力緩和機能を向上させることができる。

（２）各半導体素子１２の直下の領域には、必ず、仕切り壁１８が存在するように構成されている。したがって、半導体素子１２の直下の領域は、冷媒と熱交換を行うことができる面積が大きくなり、ヒートシンク１６は、効率的に冷媒との熱交換を行わせて、効率よく放熱することができる。

（３）各仕切り壁１８は、一列に配列された複数の半導体素子１２の直下を通るように設けられている。したがって、一つの半導体素子１２の直下しか通らない仕切り壁を、半導体素子１２毎に設ける場合に比べて、ヒートシンク１６に設ける仕切り壁１８の数を減らすことができるため、ヒートシンク１６の構成を簡素化することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成してもよい。
○ ケース部１７の内部に設ける仕切り壁１８の数についてはとくに限定しない。全ての仕切り壁１８がいずれかの半導体素子１２の直下を通り、各半導体素子１２の直下に必ず仕切り壁１８が存在するのであれば、仕切り壁１８の数を増やしてもよいし、仕切り壁１８の数を減らしてもよい。ただし、仕切り壁１８の数を増やす場合、仕切り壁１８の数は、ヒートシンク１６が応力緩和機能を十分に発揮できる範囲内の数となるように設定する必要がある。

○ 各仕切り壁１８同士を一体に構成してもよい。例えば、左側寄りの３つ仕切り壁１８の代わりに、半導体素子１２の直下の領域に波板状のコルゲートフィンを配設して、図１の左側寄りの３つの仕切り壁１８が一体となるように構成してもよい。また、同様に、右側寄りの３つの仕切り壁１８の代わりに、半導体素子１２の直下の領域に波板状の仕切り壁プレートを配設して、図１の右側寄りの３つの仕切り壁１８が一体となるように構成してもよい。

○ 仕切り壁１８の形状を変更してもよい。一方向に直線状に延びる仕切り壁の代わりに、例えば、図３（ａ）に示すように、連続して延びながらヒートシンク１６の左右方向（上下方向に直交する方向）に交互に折り曲がる形状の仕切り壁３０を複数設けてもよい。この場合、仕切り壁３０間を流通する冷媒の流れを乱すことができるので、一直線状に延びる仕切り壁に比べて、冷却性能をより向上させることができる。

○ 連続して延びる仕切り壁１８の代わりに、不連続な仕切り壁１８を設けてもよい。例えば、半導体素子１２の直下から外れた領域において、一旦、途切れて所定間隔空けた後、再び延びるような形状の仕切り壁１８を設けてもよい。

○ １つの仕切り壁１８が１つの半導体素子１２の直下のみを通るように構成してもよい。例えば、複数の半導体素子１２を１列に並べ、一方向に連続して延びる仕切り壁１８が半導体素子１２毎に対応するように設け、各仕切り壁１８が別々に各半導体素子１２の直下を通るように構成してもよい。また、図３（ｂ）に示すように、一つの半導体素子１２毎に対応するように平面視十字形の複数のフィン４０（仕切り壁）を設け、各半導体素子１２の直下に存在するフィンが別々のフィンであるように構成してもよい。この場合、冷媒は、一方向に連続して延びる形状の仕切り壁１８の場合に比べて、フィン４０間における冷媒の乱れをより大きくし、冷却性能をより向上させることができる。また、冷却性能が冷媒の流れ方向に左右されにくい。

○ 絶縁回路基板１１上に搭載する半導体素子１２の数についてはとくに限定されない。一つの絶縁回路基板１１上に複数の半導体素子１２を搭載してもよい。
○ 第２金属板１５とヒートシンク１６との間に、応力緩和部材を介在させてもよい。そして、この場合、応力緩和部材を介して第２金属板１５とヒートシンク１６とは、互いに熱伝導可能に構成される。そして、応力緩和部材には、応力吸収空間としての複数の貫通孔が設けられるとともに、高熱伝導性材料としてのアルミニウム板によって構成されている。

○ ヒートシンク１６を構成する材料については、セラミック基板１３と線膨張係数が異なる金属材料であればよく、例えば、ヒートシンク１６をアルミニウムや銅等で形成してもよい。なお、金属材料であるアルミニウムとは純アルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。

○ セラミック基板１３を構成する具体的な材料については、とくに限定されない。セラミック基板１３は、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素などにより形成すればよい。

○ ヒートシンク１６は内部に水が流れる構成としたが、水以外にもアルコール等の他の液体が流れる構成としてもよい。また、ヒートシンク１６を流れる冷媒は、液体に限らず、空気などの気体であってもよい。

○ 半導体装置１０は、車載用に限らず他の用途に使用するものに適用してもよい。

半導体装置の模式断面図。半導体装置の部分模式平面図。（ａ）及び（ｂ）は、別の実施形態において、半導体素子の直下の領域に存在する仕切り壁の模式部分断面図。

符号の説明

１０…半導体装置、１１…回路基板としての絶縁回路基板、１２…半導体素子、１３…絶縁基板としてのセラミック基板、１４…第１金属板、１５…第２金属板、１６…ヒートシンク、１７…ケース部、１７ｂ…上側内面、１７ｃ…下側内面、１８，３０…仕切り壁、１９…冷媒通路、４０…フィン。

Claims

絶縁基板の一面に第１金属板が接合されるとともに他面に第２金属板が接合され、前記第１金属板に半導体素子が接合されるとともに前記第２金属板と半導体素子の冷却を行うヒートシンクとが互いに熱伝導可能な状態で結合された半導体装置において、
前記ヒートシンクは、ケース部を備え、
前記ケース部内壁の内側に設けられた仕切り壁によって冷媒通路が区画されており、
全ての前記仕切り壁は、前記半導体素子の直下を通るように設けられていることを特徴とする半導体装置。
前記半導体素子は１つの前記ヒートシンクに対して複数搭載されるとともに前記仕切り壁は複数設けられ、
前記仕切り壁は、複数の前記半導体素子の直下に位置するように一方向に連続して延びており、
各半導体素子の直下には、必ず仕切り壁が存在している請求項１に記載の半導体装置。
前記仕切り壁は、連続して延びながら交互に折れ曲がる形状に形成されている請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
絶縁基板の一面に第１金属板が接合されるとともに他面に第２金属板が接合され、前記第１金属板に半導体素子が接合されるとともに前記第２金属板と半導体素子の冷却を行うヒートシンクとが互いに熱伝導可能な状態で結合された半導体装置において、
前記ヒートシンクは、ケース部を備え、
前記ケース部内壁の内側に設けられた仕切り壁によって冷媒通路が区画されており、
全ての前記仕切り壁は、前記半導体素子の直下のみに位置するように設けられていることを特徴とする半導体装置。