CN110164834A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及半导体装置。半导体装置具备半导体元件、冷却器以及导热体。所述冷却器与半导体元件的一个面对置并且具有制冷剂的流路。从所述制冷剂的流动方向观察时，所述流路的宽度比半导体元件的宽度宽。所述导热体被夹在半导体元件与冷却器之间，由具有预定面的面内方向的热传导率比预定面的法线方向的热传导率高的各向异性的石墨构成。从所述制冷剂的流动方向观察时的所述导热体的宽度比所述半导体元件的所述宽度宽。对于所述导热体而言，所述预定面与所述制冷剂的所述流动方向和所述半导体元件的所述一个面这双方不平行。

Description

半导体装置
技术领域
本说明书公开的技术涉及半导体装置。尤其涉及具备半导体元件和对其进行冷却的冷却器的半导体装置。
背景技术
日本特开2007-165620公开了具备容纳了半导体元件的半导体模块和冷却器的半导体装置。半导体模块呈扁平，并在两面的宽幅面分别露出导热体。各个导热体在半导体模块的封装的内部与半导体元件接触，并且在封装外与冷却器接触。冷却器与半导体模块的两面接触，冷却器从半导体模块的两侧经由导热体从半导体元件吸收热。
另一方面，作为热传导率高的材料，近年来，具有热传导率的各向异性的石墨受到了关注。石墨在预定面的面内方向的热传导率明显高于预定面的法线方向的热传导率。
发明内容
本发明提供如下技术，即有效地利用关于热传导率具有显著的各向异性的石墨制的导热体的特性，在具备利用制冷剂冷却半导体元件的冷却器的半导体装置中使冷却性能提高。
本发明公开的半导体装置具备半导体元件、冷却器以及导热体。所述冷却器与半导体元件的一个面对置并且具有制冷剂的流路。从所述制冷剂的流动方向观察时，所述流路的宽度比半导体元件的宽度宽。所述导热体夹在半导体元件与冷却器之间，由具有预定面的面内方向的热传导率比预定面的法线方向的热传导率高的各向异性的石墨形成。从所述制冷剂的流动方向观察时的所述导热体的宽度比所述半导体元件的所述宽度宽。所述导热体的所述预定面相对于所述制冷剂的所述流动方向和所述半导体元件的所述一个面这双方不平行。
以下，为了便于说明，将导热体中热传导率高的上述预定面也称为高导热面。根据上述半导体装置，高导热面与半导体元件的一个面不平行。即，高导热面会从半导体元件遍及冷却器地展开，热被很好地从半导体元件朝向冷却器传递。根据上述半导体装置，导热体的宽度比半导体元件的宽度宽，且高导热面与制冷剂的流动方向也不平行。根据该结构，从制冷剂的流动方向观察，热从半导体元件朝向冷却器以通过导热体扩散的方式被传递。能够向在比半导体元件的宽度宽的制冷剂流路中流动的制冷剂高效率地传递热。
在所述半导体装置中，所述石墨的所述预定面可以与所述半导体元件的一个面正交。根据该结构，沿着高导热面的从半导体元件到冷却器的导热路径会最短。
在所述半导体装置中，从所述半导体元件的所述一个面的法线方向观察，所述石墨的所述预定面可以与所述制冷剂的所述流动方向以45度～90度的范围交叉。根据该结构，从半导体元件朝向其宽度方向的外侧的导热路径变短。
在所述半导体装置中，导热体可以由金属覆盖着。由于石墨比较脆，因此通过用金属覆盖，能够提高导热体的耐久性。
附图说明
以下将参照附图对本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业重要性进行说明，其中同样的附图标记表示同样的部件，并且附图中：
图1是第1实施例的半导体装置的立体图。
图2是用XZ平面进行切割后的半导体装置的剖视图。
图3是以图2的III-III线进行切割后的半导体装置的剖视图。
图4是以图2的IV-IV线进行切割后的半导体装置的剖视图。
图5是说明从半导体元件向冷却器的导热路径的图。
图6是第1变形例的半导体装置的剖视图。
图7是第2变形例的半导体装置的剖视图。
图8是第2实施例的半导体装置的俯视图。
图9是沿着图8的IX-IX线的剖视图。
具体实施方式
参照附图对第1实施例的半导体装置2进行说明。在图1中示出半导体装置2的立体图。半导体装置2是电力变换器。半导体装置2是多个半导体模块10和多个冷却器3层叠而成的器件。各个半导体模块10中容纳有半导体元件12a、12b。在图1中，仅对一个半导体模块标注标号10，对其他半导体模块省略了标号。此外，在图1中，仅对一个冷却器标注标号3，对其他冷却器省略了标号。并且，为了使半导体装置2整体可见，用虚拟线描绘了容纳半导体装置2的壳体31。
1个半导体模块10被夹在两个冷却器3之间。在半导体模块10与一方的冷却器3之间以及半导体模块10与另一方的冷却器3之间分别夹着绝缘板6。此外，在图1中，为了便于理解，将1个半导体模块10及其两侧的绝缘板6从层叠体中抽出来描绘。
半导体模块10和冷却器3均为平板型，以多个侧面中的最大面积的平坦面(宽幅面)对置的方式被层叠。半导体模块10与冷却器3交替地层叠，冷却器位于半导体装置2的层叠方向的两端。冷却器3是制冷剂在内部通过的简单的流路。多个冷却器3通过连结管5a、5b连结。位于半导体装置2的层叠方向的一端的冷却器3连结着制冷剂供给管4a和制冷剂排出管4b。经过制冷剂供给管4a供给的制冷剂经过连结管5a被分配到所有的冷却器3。制冷剂在经过各冷却器3的期间从相邻的半导体模块10吸收热。经过各冷却器3的制冷剂经过连结管5b，从制冷剂排出管4b被排出。在图1中箭头A表示制冷剂的流动方向。图1的坐标系中的Y轴的正方向(以下也称为+Y方向)相当于制冷剂在各冷却器3的内部的流动方向。在其他的图中，也使+Y方向与制冷剂的流动方向一致。制冷剂为液体，具体而言是水或者防冻液。
半导体装置2在层叠方向的一端与板簧32一起被容纳于壳体31。通过板簧32，由半导体模块10、绝缘板6以及冷却器3层叠而成的半导体装置2从层叠方向的两侧被施压。通过层叠方向的施压，半导体模块10、绝缘板6以及冷却器3贴紧，冷却效率提高。
对半导体模块10进行说明。半导体模块10是在树脂制的封装11中密封有半导体元件12a、12b的器件。半导体元件12a、12b为电力变换用开关元件，具体而言为InsulatedGate Bipolar Transistor(IGBT：绝缘栅双极型晶体管)或者Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor(MOSFET：金属-氧化物半导体场效应晶体管)。散热板20a、20b在与绝缘板6对置的一方的宽幅面11a露出。其他的散热板20c、20d(在图1中未图示)在与宽幅面11a相反侧的宽幅面11b露出。半导体元件12a被散热板20a、20c夹着，半导体元件12b被散热板20b、20d夹着。散热板20a-20d是用铜覆盖着的导热体，详情后述。导热体由石墨制作。
半导体元件12a、12b在一方的表面露出集电极，在另一方的表面露出发射电极。散热板20a、20b、20c、20d在封装11的内部与半导体元件12a、12b中的任意一个的电极导通。
3个端子18a、18b、18c从半导体模块10的封装11的一个窄幅面延伸，控制端子19从相反侧的窄幅面延伸。在封装11的内部，两个半导体元件12a、12b串联连接，正极端子18a(负极端子18b)在封装11的内部与两个半导体元件12a、12b被串联连接的正极侧(负极侧)导通。中点端子18c在封装11的内部与两个半导体元件12a、12b被串联连接的中点导通。端子18a-18c经由散热板20a-20d中的任意一个与半导体元件12a、12b的电极导通。关于半导体元件12a、12b与端子18a-18c之间的导电路径，省略说明。控制端子19与半导体元件12a、12b的栅电极、感测发射电极(Sense emitter electrode)、温度传感器的端子等连接。封装11的内部的控制端子19的布线也省略图示和说明。
散热板20a-20d具有将半导体元件12a、12b的热传递到冷却器3的作用和将半导体元件12a、12b的电极与端子18a-18c相连的导电路径的作用。散热板20a-20d与半导体元件12a、12b导通，所以在半导体模块10与冷却器3之间夹着绝缘板6。此外，冷却器3由热传导率高的金属、例如铝制成，具有导电性。在半导体模块10与绝缘板6之间以及绝缘板6与冷却器3之间涂布润滑脂。润滑脂是为了提高热的传导效率而涂布的。
图2示出用图中的坐标系的XZ平面切割半导体装置2而得的剖视图。图2是用通过半导体元件12a的平面进行切割而得的剖视图。如前所述，半导体元件12a被一对散热板20a、20c夹着。半导体元件12a为平坦的芯片，在一方的宽幅面121露出集电极，在另一方的宽幅面122露出发射电极。一方的散热板20a与半导体元件12a的宽幅面121对置。散热板20a与在宽幅面121露出的集电极接合并且导通。另一方的散热板20c与宽幅面122对置。散热板20c夹着间隔件13与半导体元件12的发射电极接合并且导通。散热板20c经由间隔件13与半导体元件12a热连接。
夹着半导体元件12a的一对冷却器3分别与半导体元件12a的宽幅面121、122对置。半导体元件12的热通过散热板20a、20c被冷却器3吸收。此外，冷却器3的内部为空洞，该空洞成为制冷剂的流路Pa。在图2中，制冷剂向+Y方向、即从纸面跟前侧向内侧流动。
如前述那样，散热板20a、20c具有用铜板22覆盖着用石墨制作的导热体21的结构。导热体21(石墨)是具有预定面的面内方向的热传导率高于预定面的法线方向的热传导率的各向异性的材料。以下将热传导率高的面称为高导热面。一般而言，石墨的高导热面的热传导率为约800～1900W/mk。该数值比铜(Cu)的热传导率(约390W/mK)、银(Ag)的热传导率(约420W/mK)高。另一方面，石墨的高导热面的法线方向的热传导率低至约3～10W/mK。在半导体装置2中，有效使用石墨的各向异性来提高半导体元件的冷却效率。
图3表示以图2的III-III线切割而得的半导体装置2的剖视图。在图3中，用实线仅示出半导体模块10的封装11的外侧的轮廓，埋设于封装11的半导体元件12a和散热板20a(覆盖着导热体21的铜板22)用实线描绘。此外，图4中示出以图2的IV-IV线进行切割而得的半导体装置2的剖视图。在图3、图4中，箭头A示出制冷剂的流动方向。
导热体21是层叠多个石墨片材23而形成的。在图3、图4中，对一部分的石墨片材标注标号“23”，对其余的石墨片材省略了标号。石墨片材23的片材面与高导热面对应。在图3、图4中，图中的坐标系中的XZ面与高导热面平行。
在图3和图4中，图面右侧所示的箭头线Ht示出高导热面的方向。此外，图面右侧所示的箭头线FL示出制冷剂的流动方向。在半导体装置2中，导热体21的高导热面(箭头线Ht)与制冷剂的流动方向(箭头线FL)以90度交叉。图3和图4的标号Ah表示高导热面与制冷剂的流动方向的角度。此外，图中的坐标系的YZ平面与半导体元件12a的宽幅面121平行。导热体21的高导热面(箭头线Ht)与半导体元件12a的宽幅面121也以90度交叉。换言之，高导热面与制冷剂的流动方向正交，并且也与半导体元件的宽幅面121正交。
此外，如图3所示，从制冷剂的流动方向观察，导热体21的宽度W2比半导体元件12a的宽度W1宽。此外，制冷剂的流路的宽度W3比导热体21的宽度W2宽。
通过使导热体21的高导热面与半导体元件12a的宽幅面121交叉，高导热面会从半导体元件12a遍及冷却器3地展开。由此，热从半导体元件12a向冷却器3很好地传递。尤其通过使高导热面与宽幅面121正交，沿着高导热面的从半导体元件12a到冷却器3的导热路径会最短。由此，在高导热面与宽幅面121正交的情况下，热最良好地从半导体元件12a向冷却器3传递。
此外，导热体21的宽度W2比半导体元件12a的宽度W1宽，并且导热体21的高导热面(箭头线Ht)与制冷剂的流动方向(箭头线FL)正交。通过该结构，从制冷剂的流动方向观察，热以通过导热体21扩散的方式从半导体元件12a向冷却器3传递。图3的箭头B示意性地表示热从半导体元件12a向外侧扩散的样子。
图5是与图2的截面相当的图，且是省略了表示截面的阴影线的图。图5中通过箭头线示意性地示出从半导体元件12a向冷却器3在导热体21中传递的热的导热方向。此外，在图5中，在半导体模块10的上侧和下侧配置有冷却器3，但省略其图示。
图5的虚线D1示出从半导体元件12a的边缘向冷却器3以45度的角度扩展的方式延伸的线，虚线D2示出从间隔件13的边缘向冷却器3以45度的角度扩展的方式延伸的线。在图5中，高导热方向是与纸面平行的方向。半导体元件12a的热大致沿虚线D1、D2扩散。如图5所示，在从制冷剂的流动方向(图中的Y方向)观察时，热从半导体元件12a(间隔件13)朝向冷却器3以在导热体21中向半导体元件12a的外侧扩散的方式传递。由于高导热面与制冷剂的流动方向正交，因此半导体元件12的热以朝向冷却器3扩散的方式传递。由此获得了高的冷却性能。
关于半导体元件12b与将其夹在中间的散热板20b、20d的关系也同半导体元件12a与散热板20a、20c的关系相同。
参照图6对第1变形例的半导体装置2a进行说明。图6是与图4对应的剖视图。箭头A示出制冷剂的流动方向。对于第1变形例的半导体装置2a而言，也是半导体模块10a夹在一对冷却器3间。半导体模块10a的封装11埋设有半导体元件12a。半导体元件12a在封装11的内部夹在一对散热板120a、120b间。散热板120a与半导体元件12a的一方的宽幅面121接合。散热板120b隔着间隔件13与半导体元件12a的另一方的宽幅面122热连接。
散热板120a、120b是导热体21a被铜板22覆盖着的块。导热体21a是层叠多个石墨片材23a而形成的。图6中对一部分石墨片材标注标号“23a”，对其余的石墨片材省略了标号。石墨片材23a的片材面与热传导率高的高导热面对应。
图6中，高导热面相对于图中的坐标系的XZ面呈45度的角度。图6的右侧所示的箭头线Ht表示高导热面的面内方向。此外，箭头线Sf表示与半导体元件12a的宽幅面121平行的方向。在第1变形例的半导体装置中，导热体21a的高导热面(箭头线Ht)相对于宽幅面121以45度的角度交叉。图6的符号An表示高导热面与宽幅面的交叉角度。此外，从宽幅面的法线方向(图中的X方向)观察，高导热面与制冷剂的流动方向(图中的箭头A的方向)正交。
导热体21a的高导热面(箭头线Ht)相对于宽幅面121(箭头线Sf)以45度的角度交叉，因此，虽然不及正交的情况，但高导热面从半导体元件12a遍及冷却器3地展开。由此，热从半导体元件12a朝向冷却器3很好地传递。只要高导热面与半导体元件12a的宽幅面(与冷却器3对置的面)不平行即可。不过，优选高导热面与半导体元件12a的宽幅面正交。
参照图7对第2变形例的半导体装置2b进行说明。图7是与图3对应的图，且是从半导体元件12a的宽幅面的法线方向观察到的半导体装置2b的剖视图。在图7中，半导体模块10b的封装11以实线仅示出外侧的轮廓，埋设于封装11的半导体元件12a和散热板220(覆盖着导热体21b的铜板22)以实线描绘。另外，箭头A示出制冷剂的流动方向。
导热体21b是层叠多个石墨片材23b而形成的。在图7中，对一部分石墨片材标注标号“23b”，对其余的石墨片材省略了标号。石墨片材23b的片材面与热传导率高的高导热面对应。在图7中，高导热面相对于XY面以45度的角度交叉。
图7的下侧所示的箭头线Ht表示高导热面的面内方向。另外，箭头线FL表示制冷剂的流动方向。图7相当于从半导体元件12a的宽幅面(与冷却器3对置的面)的法线方向观察到的图。在第2变形例的半导体装置2b中，在从半导体元件12a的宽幅面的法线方向观察时，高导热面(箭头线Ht)相对于制冷剂的流动方向(箭头线FL)以45度的角度交叉。此外，半导体元件12a的宽幅面与高导热面正交。进而，导热体21b的宽度W2比半导体元件12a的宽度W1宽，流路的宽度W3比导热体21b的宽度宽。
由于高导热面相对于制冷剂的流动方向以45度的角度交叉，因此半导体元件12a的热朝向冷却器3以向半导体元件12a的外侧扩散的方式传递。图7的箭头B示意性地表示热从半导体元件12a向外侧扩散的样子。由于半导体元件12a的热以朝向冷却器3扩散的方式传递，所以冷却效率提高。只要高导热面与制冷剂的流动方向不平行即可获得上述效果，优选高导热面与制冷剂的流动方向以45度至90度的角度交叉。若以比45度小的角度交叉，则用于热向与制冷剂的流动方向正交的方向传递的沿着高导热面的导热路径会变长。进一步优选，高导热面与制冷剂的流动方向正交。
参照图8和图9对第2实施例的半导体装置2c进行说明。图8是半导体装置2c的俯视图，图9是沿着图8的IX-IX线的剖视图。半导体装置2c是半导体元件12和冷却器3夹着散热板20层叠而成的器件。冷却器3与第1实施例的冷却器相同，制冷剂向图中的坐标系的+Y方向流动。
半导体装置2c具备半导体元件12、冷却器3以及散热板20。冷却器3与半导体元件12的宽幅面121对置并且具有制冷剂的流路Pa。从制冷剂的流动方向(图中的Y方向)观察时，冷却器3的流路Pa的宽度W3比半导体元件12的宽度W1宽。散热板20夹在半导体元件12与冷却器3之间。散热板20是以铜板22覆盖着用石墨制作的导热体21而成的。
导热体21是层叠多个石墨片材23而成的。石墨片材23的片材面方向的热传导率比片材面的法线方向的热传导率高。因此，导热体21具有石墨片材23的片材面方向的热传导率比片材面的法线方向的热传导率高的各向异性。导热体21的从制冷剂的流动方向观察时的宽度W2比半导体元件12的宽度W1宽。另外，对于导热体21而言，热传导率高的面与制冷剂的流动方向和半导体元件12的宽幅面121这双方不平行。更准确而言，导热体21被配置成热传导率高的面与制冷剂的流动方向和半导体元件12的宽幅面121这双方正交。图8的箭头线Ht示出热传导率高的方向，箭头线FL示出制冷剂的流动方向。箭头线Ht与箭头线FL的交叉角度Ah表示制冷剂的流动方向与高导热面的交叉角度。通过上述的结构特征，第2实施例的半导体装置2c也能够获得与第1实施例的半导体装置2同样的效果。
对与实施例中说明了的技术相关的注意点进行说明。半导体元件不局限于IGBT、MOSFET。作为石墨片材的层叠体的导热体，还可以取代以铜板覆盖而以银镀敷等覆盖。
以上详细地说明了本发明的具体例，但这些仅为例示，并不用于限定权利要求的范围。在权利要求的范围所记载的技术中包含对以上例示的具体例进行各种变形、变更后的方式。本说明书或者附图中说明的技术要素可单独或者通过各种组合来发挥技术有用性，并不局限于提交申请时权利要求记载的组合。此外，本说明书或者附图中例示的技术能够同时实现多个目的，实现其中一个目的本身就具有技术有用性。

Claims (4)

1.一种半导体装置，其特征在于，包括：
半导体元件；
冷却器，与所述半导体元件的一个面对置并且具有制冷剂的流路，从所述制冷剂的流动方向观察时的所述流路的宽度比所述半导体元件的宽度宽；以及
导热体，夹在所述半导体元件与所述冷却器之间，由具有预定面的面内方向的热传导率比所述预定面的法线方向的热传导率高的各向异性的石墨形成，
从所述制冷剂的所述流动方向观察时的所述导热体的宽度比所述半导体元件的所述宽度宽，所述导热体的所述预定面与所述制冷剂的所述流动方向和所述半导体元件的所述一个面这双方不平行。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述石墨的所述预定面与所述半导体元件的所述一个面正交。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
从所述半导体元件的所述一个面的法线方向观察，所述石墨的所述预定面与所述制冷剂的所述流动方向以45度～90度的范围交叉。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述导热体由金属覆盖着。
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