JP7172065B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却器とこの冷却器に取り付けられた半導体モジュールとからなる半導体装置に関するものである。

図７に基づいて、従来技術による半導体装置について説明する。
図７（ａ）に示すように、半導体装置は、裏面に伝熱金属２２を有する半導体モジュール２１と、半導体モジュール２１で発生した熱を放熱するためのヒートシンク（冷却器）２５と、半導体モジュール２１とヒートシンク２５の間に設けられ半導体モジュール２１からヒートシンク２５に熱を伝えるための伝熱グリース２６で構成されている。このような半導体装置では、熱サイクルにより半導体モジュール２１の変形が繰り返されることによって、伝熱グリース２６の膨張収縮も繰り返されて、ポンプアウトが発生する。

すなわち、半導体モジュール２１が発熱により変形すると、図７（ｂ）に示すように伝熱グリース２６が膨張して押し出され、はみ出し部２７が形成される。この状態から、半導体モジュール２１が冷却されると、元の形状に戻るようになる。このとき、伝熱グリース２６が収縮して、図７（ｃ）に示すように、空気２８が伝熱グリース２６内に引き込まれるため、伝熱金属２２とヒートシンク２５の間に空気２８が残留する。空気２８はそのまま残留して気泡が形成され、これを繰り返すことによりさらに気泡が増加して、熱伝導率が低下する。

半導体装置のポンプアウトの発生を防止するため、従来種々の対策が講じられている。
例えば、特許文献１には、ヒートシンクと、裏面に伝熱金属を有する半導体モジュールと、ヒートシンクにおける半導体モジュールの配置領域に接合され、ヒートシンクの線膨張係数より伝熱金属の線膨張係数に近い金属プレートと、半導体モジュールの伝熱金属側を、伝熱グリースを介してヒートシンクの伝熱金属へ押圧する押圧手段と、を備え、金属プレートが、半導体モジュール側に開口する凹部、または、周囲に形成された伝熱グリースの溜まり室を有する半導体装置が開示されている。このような半導体装置の構成により、伝熱グリースでの空気（気泡）の取り込みを抑制し、半導体モジュールの下面とヒートシンクとの間で伝熱性能の低下を防止することができる。

しかしながら、特許文献１の図１０に記載された半導体装置では、ヒートシンクと半導体モジュールの伝熱金属との間に金属プレートが介在するため、半導体モジュールとヒートシンクとの間の熱伝導率が低下する。そのため、半導体モジュールの温度上昇が大きくなり、装置が停止するなどの問題が発生する可能性がある。しかも、金属プレートの表面に凹部を形成すること、金属プレートの周囲に伝熱グリースの溜まり室を形成すること、およびヒートシンクの表面に金属プレートを埋め込むための凹部を形成することが必要となり、製造コストが上昇するという問題もある。

特開２０１４－２２５５７１号公報

本発明は、従来の半導体装置の問題を解決するためなされたものであって、製造コストを抑えつつ、ポンプアウトの発生を防止する半導体装置を提供することを目的とするものである。

半導体装置が、冷却器と、冷却器に取り付けるための伝熱部を有する半導体モジュールと、冷却器と半導体モジュールとの間に介在し、伝熱部に対抗する面に１または複数の貫通孔を備える伝熱シートと、を備え、貫通孔に伝熱グリースが充填されている。

本発明によれば、伝熱シート、冷却器及び伝熱金属で伝熱グリースを密封したので、伝熱グリースによる伝熱性能を維持するとともに、熱サイクルによる半導体モジュールの変形に伴って発生する伝熱グリースのはみ出しを防止することができる。したがって、低コストで、ポンプアウトの発生を防止することができる。

本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す分解斜視図。 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す斜視図。 本発明の第１の実施形態に係る伝熱シートの形状を示す斜視図。 本発明の第1の実施形態における熱サイクルによる伝熱グリースの挙動を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係る伝熱シートの形状を示す斜視図。 本発明の第２の実施形態における熱サイクルによる伝熱グリースの挙動を示す断面図。 従来の半導体装置における熱サイクルによる伝熱グリースの挙動を示す断面図。

図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す分解斜視図、図２は半導体装置の製造工程を示す斜視図、伝熱シートの形状を示す斜視図、図３は伝熱シートの形状を示す斜視図、図４は熱サイクルによる伝熱グリースの挙動を示す断面図である。

まず、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構造を図１に基づいて説明する。
図１に示すように、裏面に伝熱金属２を有する３個の半導体モジュール１と、貫通孔４を有する３枚の伝熱シート３と、ヒートシンク５によって、半導体装置が構成されている。各半導体モジュール３は、伝熱シート３とともにねじ止めによりヒートシンク５に固定される。図１には明示されていないが、後述する半導体装置の製造工程において、伝熱シート３の貫通孔４には、半導体モジュール１の熱をヒートシンク５に伝えるための伝熱グリース６が隙間なく充填される。伝熱グリース６は、伝熱金属２、ヒートシンク５及び伝熱シート３で形成された領域において、伝熱金属２およびヒートシンク５と密着している。なお、伝熱金属２は、銅などの高い熱伝導率を有する金属であり、特許請求の範囲の「伝熱部」の一例である。

次に、本発明による半導体装置の製造工程を図２に基づいて説明する。
図２に示すように、半導体モジュール１の裏面に配置された伝熱金属２は、半導体モジュール１の裏面全体を覆うように形成されている（図２（ａ））。まず、伝熱金属２の上に、外形が伝熱金属２とほぼ同じ形状の伝熱シート３を配置し（図２（ｂ））、その状態で、伝熱シート３の貫通孔４に伝熱グリース６が充填される（図２（ｃ））。さらに、貫通孔４に伝熱グリース６が充填された伝熱シート３が半導体モジュール１とともに、ねじ止めによりヒートシンク５上に固定される（図２（ｄ））。３個の半導体モジュール１が１つのヒートシンク５に固定されて、図１に示す半導体装置が構成される。

これにより、半導体モジュール１で発生した熱は、主に伝熱金属２→伝熱グリース６→ヒートシンク５の経路で放熱される。また、半導体モジュール１で発生した熱の残りは、伝熱金属２→伝熱シート３→ヒートシンク５の経路で放熱される。

なお、ヒートシンク５上の半導体モジュール１を取り付ける位置に伝熱シート３を配置し、この伝熱シート３の貫通孔４に伝熱グリース６を充填した後、半導体モジュール１を載せて、半導体モジュール１とヒートシンク５をねじ止めにより固定してもよい。

第１の実施形態においては、伝熱金属２が半導体モジュール１の裏面全体を覆うように形成されているため（図３（ａ））、伝熱シート３の貫通孔４もそれに対応するように矩形状に大きく形成されている（図３（ｂ））。したがって、伝熱グリース６が充填される範囲を広くすることができるようになり（図３（ｃ））、伝熱金属２からヒートシンク５に熱を効率よく伝えることができる。

図４（ａ）に示すように、伝熱グリース６は、伝熱金属２、ヒートシンク５及び伝熱シート３で形成された領域に閉じ込められている。この状態から、半導体モジュール１の温度が上昇して伝熱金属２が膨張すると、伝熱シート３も変形して外部に押し出される（図４（ｂ））。しかしながら、伝熱シート３の貫通孔４に充填された伝熱グリース６は密封されているため、伝熱グリース６が伝熱金属２とヒートシンク５の間からはみ出すことはない。

また、半導体モジュール１の温度が低下して伝熱金属２が元の形状に戻ると、伝熱シート３も元の形状に戻る（図４（ｃ））。すなわち、半導体モジュール１の変形による伝熱グリース３の膨張・収縮は、高い圧縮率を有する伝熱シート３が変形することで吸収されるようになっている。したがって、伝熱シート３の収縮時における空気の巻き込みはなく、ポンプアウトは発生しない。

すなわち、半導体モジュール１の温度が上昇／低下を繰り返しても、伝熱グリース６は、伝熱金属２、ヒートシンク５及び伝熱シート３で形成された領域で、伝熱金属２とヒートシンク５の全面に密着した状態を維持することができる。

次に、図５、図６に基づいて、本発明に係る半導体装置の第２の実施形態を説明する。
第２の実施形態においては、図５に示すように、半導体モジュール１の裏面には２つの伝熱金属７、８が埋め込まれている点（図５（ａ））、２つの伝熱金属７、８の形状および位置に対応して、伝熱シート９に２つの貫通孔１０、１１が形成されている点（図５（ｂ））、伝熱シート９の２つの貫通孔１０、１１に伝熱グリース１２、１３が充填されている点（図５（ｃ））で、第１の実施形態と相違している。貫通孔１０、１１に伝熱グリース１２、１３が充填された伝熱シート９が半導体モジュール１とともにヒートシンク５に固定されて、半導体装置を構成する点は、第１の実施形態と同じである。なお、伝熱金属７，８は、銅などの高い熱伝導率を有する金属であり、特許請求の範囲の「伝熱部」の一例である。

図６（ａ）に示すように、伝熱グリース１２、１３は、半導体モジュール１、伝熱金属７、８、ヒートシンク６及び伝熱シート９で密封されている。伝熱シート９の貫通孔１０、１１の形状は、それぞれ伝熱金属７、８よりも面積が広くなるように形成されている。したがって、伝熱金属７、８の下面は、それぞれ伝熱グリース１２、１３によって完全に覆われ、伝熱金属７、８から、伝熱グリース１２、１３を介して、ヒートシンク６に効率的に熱を伝えられるようになっている。熱サイクルによって半導体モジュール１が変形を繰り返しても、伝熱シート９が変形するだけで伝熱グリース１２、１３が半導体モジュール１とヒートシンク５の間から押し出されることはない（図６（ｂ）、（ｃ））。したがって、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様にポンプアウトを防止することができる。

本発明の実施形態では、伝熱シート３として厚さ１００μｍのグラファイトシートを用いたが、材料及び厚さはこれに限定されるものではない。すなわち、伝熱シート３は、耐熱性、および、高い圧縮率（例えば、６００ｋＰａで２０％以上）を有する材料が好ましいが、これに限定されるものではない。また、厚さは、半導体装置の用途に応じて適宜決めることができる。

また、伝熱シートに矩形状の貫通孔が形成されているが、貫通孔の形状は、丸形や楕円形など、他の形状であってもよい。さらに、半導体モジュール内において半導体素子が配置されている領域に対応して、伝熱シートに貫通孔を形成してもよい。また、矩形状または他の形状の貫通孔は、複数の貫通孔によって形成されていてもよい。複数の貫通孔に伝熱グリースを充填すれば、半導体モジュールの伝熱金属とヒートシンクの間に、より安定に伝熱グリースを留めることができる。

さらに、本発明の実施形態ではいずれも、３個の半導体モジュールを１つのヒートシンクにより半導体装置を構成しているが、半導体モジュールの数はこれに限られるものではない。

本発明は、インバータなどの半導体装置に利用可能である。

１ 半導体モジュール
２ 伝熱金属
３ 伝熱シート
４ 貫通孔
５ ヒートシンク
６ 伝熱グリース
７ 伝熱金属
８ 伝熱金属
９ 伝熱シート
１０ 貫通孔
１１ 貫通孔
１２ 伝熱グリース
１３ 伝熱グリース

Claims (5)

1. 冷却器と、
   前記冷却器に取り付けるための伝熱部を有する半導体モジュールと、
   前記冷却器と前記半導体モジュールとの間に介在し、前記伝熱部に対抗する面に１または複数の貫通孔を備える伝熱シートと、を備え、
   前記伝熱部が、前記半導体モジュールの裏面全体を覆うように構成され、
   前記伝熱シートが、前記伝熱部と略同一の外側形状を有し、
   前記貫通孔に伝熱グリースが充填されており、
   前記伝熱グリースが、少なくとも前記伝熱シート、前記冷却器及び前記伝熱部で密封されて、前記伝熱部→前記伝熱グリース→前記冷却器の放熱経路と前記伝熱部→前記伝熱シート→前記冷却器の放熱経路とを備えていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記貫通孔が、前記半導体モジュール内の半導体素子が配置される領域に対応して形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記貫通孔が、前記伝熱部の形状に対応して形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 前記貫通孔が、矩形または円形であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記伝熱グリースは前記伝熱シートよりも熱伝導率が高い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項に記載の半導体装置。
   

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