JP2003023129A - パワー半導体装置および素子実装用放熱板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属溶湯を放熱用フィンを形成する溝へ急冷
させることなく容易に供給でき、かつバイメタル効果が
起こりにくい構造を備えた放熱板を備えたパワー半導体
装置を提供する。 【解決手段】 板状プリフォーム体５の一面から他面へ
貫通するように形成された貫通孔５Ａ内に充填金属部６
Ａが充填され、板状プリフォーム体５の一面側にパワー
半導体素子４が配置され、板状プリフォーム体５の他面
側に、放熱用フィン６Ｄが充填金属部６Ａと同一金属材
料で一体的に立設されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はパワー半導体装置お
よび素子実装用放熱板に関し、さらに詳しくは、半導体
素子の冷却効率を高めたパワー半導体装置およびパワー
半導体素子を搭載する素子実装用放熱板の製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パワー半導体装置は小型化が進ん
でいる。これに伴い半導体素子のパワー密度の向上が進
められており、素子の発熱密度も増加している。このた
め、半導体素子の放熱性を向上させる放熱基板、ヒート
シンクの放熱部材に対する高熱伝導性と低熱膨脹性が要
求されている。また、半導体素子の発熱密度の増加に伴
って、冷却効率が高いフィン付きの放熱板の製造が望ま
れている。このような要求に答える従来の技術として、
特開２０００−３３６４３８号公報に開示された技術が
ある。この従来技術は、放熱基板として金属とセラミッ
クスとからなる複合材料を適用したものである。図９に
示すように、この放熱基板１００は、多孔質セラミック
ス焼結体でなる板状のプリフォーム材１０１を、一方の
表面を除いて金属母材１０２で覆い、プリフォーム材１
０１の他方の表面側の金属母材１０２から複数の放熱フ
ィン１０３を同一金属で延設した構造である。

【０００３】このような放熱基板１００の製造は、図１
０および図１１に示すような一対の型１０４、１０５を
用いた方法で行っている。なお、図１１は図１０のＢ−
Ｂ断面図である。これら一対の型１０４、１０５のうち
の一方の型１０４には、放熱フィンを形成するための溝
部１０６が形成されている。

【０００４】まず、このような一対の型１０４、１０５
で形成されるキャビティ１０６内に、プリフォーム材１
０１を支持部材１０８を介して固定する。そして、図１
１に示すように、型接合部の湯口から金属溶湯を注入す
る。そして、キャビティ１０７内に注入した金属溶湯を
加圧含浸させる。このようにして、図９に示すように、
プリフォーム材１０１と金属母材１０２と放熱フィン１
０３とを一体化したものを製造している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したフィン付き放
熱板の製造においては、多孔質セラミックスでなるプリ
フォーム材１０１に金属を含浸させるために、キャビテ
ィ１０７内にプリフォーム材１０１を固定し、金属溶湯
を注入してプリフォーム材１０１の周りに金属溶湯を十
分に供給した後、高い圧力を加えてプリフォーム材１０
１に金属溶湯を含浸させる必要がある。上記したよう
に、プリフォーム材１０１が板状であるため、プリフォ
ーム材１０１の両面に金属溶湯を供給することになる
が、放熱フィン１０３を形成する側には複雑な形状の溝
部１０６があるため、プリフォーム材１０１と溝部１０
６との間に金属溶湯を流すための空間を設ける必要があ
る。

【０００６】また、キャビティ１０７内に注入された金
属溶湯は、キャビティ１０７内壁と接すると温度が低下
して固体化するため、金属溶湯が流れる空間（プリフォ
ーム材１０１と溝部１０６との間隔）はある程度の大き
さの隙間が必要である。さらに、冷却後は、この空間部
分が金属母材１０２となると共に、プリフォーム材１０
１の反対側に付着した金属材料を切り落としてしまう。
このため、放熱基板１００の完成形状は、プリフォーム
材１０１と金属母材１０２とのバイメタル構造となる。
このようなバイメタル構造を構成するプリフォーム材１
０１と金属母材１０２との厚さが同等の場合、温度サイ
クルによって応力が繰り返し加わることにより、放熱基
板１００が破損されるという問題がある。このような問
題に対し、バイメタル効果で破損しないようにするには
プリフォーム材１０１を厚板にすればよいが、全体の板
厚が増加して薄い放熱基板の製造が不可能となる。ま
た、プリフォーム材１０１の原料は一般的に高価なもの
が多く、厚板のプリフォーム材１０１はコスト高となる
問題がある。

【０００７】さらに、金属が含浸されたプリフォーム材
１０１は、金属母材１０２に比べると熱抵抗が大きいた
め、厚い金属複合材（プリフォーム材１０１）は冷却効
率が低下するという問題点が新たに生じる。

【０００８】一方、比較的薄い放熱基板を製造する場合
は、金属溶湯の流路を確保するためにプリフォーム材が
薄い板形状となり、加圧鋳造工程において極めて高い圧
力を加えるため、プリフォーム材が破損し易くなる。そ
して、破損した破片が金属溶湯の流路を塞ぐことによ
り、放熱フィンの形成を妨げるという問題がある。

【０００９】そこで、本発明の目的は、金属溶湯の含浸
を容易にし、かつバイメタル効果が起こりにくい構造を
備えた放熱基板を備えたパワー半導体装置および素子実
装用放熱基板の製造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
パワー半導体装置であって、板状プリフォーム体の一面
から他面へ貫通するように形成された貫通孔内に金属材
料が充填され、前記板状プリフォーム体の前記一面側に
パワー半導体素子が配置され、前記板状プリフォーム体
の他面側に、放熱用フィンが前記貫通孔に充填された金
属材料と同一金属材料で一体的に立設されていることを
特徴とする。

【００１１】請求項１記載の発明では、板状プリフォー
ム体の一面から他面へ貫通するように形成された貫通孔
内に金属材料が充填されているため、板状プリフォーム
体の一面側に配置されたパワー半導体素子で発生した熱
を、板状プリフォーム体の他面側に形成された放熱用フ
ィンへ効率よく伝導させる作用がある。放熱用フィン
は、貫通孔内に充填された金属材料から伝達された熱を
放散してパワー半導体装置全体を冷却する作用がある。

【００１２】請求項２記載の発明は、請求項１記載のパ
ワー半導体装置であって、前記パワー半導体素子は搭載
用基板に搭載され、該搭載用基板は前記貫通孔の前記一
面側で露出する前記金属材料に接合されていることを特
徴とする。

【００１３】請求項２記載の発明では、パワー半導体素
子の電極（リード）が素子下面側に位置するものを搭載
用基板に実装でき、パワー半導体素子での発熱を搭載用
基板および貫通孔内の金属材料を介して放熱用フィンへ
伝達することができる。

【００１４】さらに、請求項３記載の発明は、請求項１
または請求項２に記載されたパワー半導体装置であっ
て、前記貫通孔は、前記他面側の開口面積が前記一面側
の開口面積より大きいことを特徴とする。

【００１５】請求項３記載の発明では、貫通孔の他面側
の開口面積が一面側の開口面積より大きいため、熱伝導
に寄与する金属材料の熱通路が放熱用フィンへ向けて広
がる。このため、貫通孔内に充填された金属材料で、パ
ワー半導体素子から伝達された熱を広い面積の他面側に
効率良く放散させる作用がある。

【００１６】請求項４記載の発明は、素子実装用放熱板
の製造方法であって、一方の型の内壁に放熱用フィンが
形成される溝部を有する、一対の型で形成されるキャビ
ティ内に、板状プリフォーム体の一面から他面へ貫通す
るように貫通孔が形成されてなる板状プリフォーム材
を、前記貫通孔の両方の開口部が互いに異なる型内を向
くように固定する工程と、前記他方の型内から前記板状
プリフォーム材の前記貫通孔を通過して前記溝部に金属
溶湯注入させて加圧含浸させる加圧鋳造工程と、前記一
対の型を取り外す工程とを備えることを特徴とする。

【００１７】請求項４記載の発明では、板状プリフォー
ム体の貫通孔を通って、金属溶湯を放熱用フィンを形成
するための溝部に円滑に供給することができる。このた
め、溝部へ供給される金属溶湯が急に冷却されにくく、
不要な固化が発生するのを防止できる。また、貫通孔で
金属溶湯の流通路を確保できるため、板状プリフォーム
体と一方の型との間の間隙を狭くすることができる。

【００１８】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、板状プリ
フォーム体の貫通孔内に熱抵抗の小さい金属材料が充填
されているため、パワー半導体素子で発生した熱を放熱
用フィンへ効率よく伝導させることができる。このた
め、請求項１記載の発明によれば、冷却効率の高いパワ
ー半導体装置を実現できる。

【００１９】請求項２記載の発明によれば、請求項１に
記載された発明の効果に加えて、パワー半導体素子を搭
載用基板に実装した状態で、パワー半導体素子での発熱
を搭載用基板および貫通孔内の金属材料を介して放熱用
フィンへ伝達することができる。

【００２０】請求項３記載の発明によれば、貫通孔内に
充填された金属材料で、パワー半導体素子から伝達され
た熱を広い面積の他面側に効率良く放散させる効果があ
る。また、このように放熱用フィン側へ向けて貫通孔が
拡開する形状であるため、製造の際に板状プリフォーム
体の他面側から金属溶湯が供給されるようにすることに
より、放熱用フィンを形成するための型に金属溶湯を流
し込み易くすることができる。

【００２１】請求項４記載の発明によれば、板状プリフ
ォーム体の貫通孔を通って、金属溶湯を放熱用フィンを
形成するための溝部に円滑に供給できるという効果があ
る。また、このようにして形成された放熱用フィンは、
貫通孔内の金属材料と一体であるため、半導体素子で発
生した熱が効率良く伝達され、冷却効率を高めることが
できる。また、金属溶湯の流通路が貫通孔であるため、
溝部へ供給される金属溶湯が冷却されにくく、不要な固
化が発生するのを防止できる。さらに、貫通孔で金属溶
湯の流通路を確保できるため、板状プリフォーム体と一
方の型との間の間隙を狭くすることができ、板状プリフ
ォーム体と金属材料とがバイメタル構造となるのを避け
ることができる。そして、板状プリフォーム体と一方の
型との間の間隙を狭くした分だけ板状プリフォーム体の
厚さを厚くして強度を高めることができるため、金属溶
湯を加圧含浸させる工程で板状プリフォーム体が破損す
るのを防止する効果がある。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るパワー半導体
装置および素子実装用放熱板の製造方法の詳細を図面に
示す実施の形態に基づいて説明する。

【００２３】（パワー半導体装置）図１および図２は、
本発明に係るパワー半導体装置の実施の形態を示してい
る。なお、図１はパワー半導体装置の断面図、図２はパ
ワー半導体装置の底面図である。

【００２４】図１に示すように、パワー半導体装置１
は、素子実装用放熱板２と、この素子実装用放熱板２の
上に固定された搭載用基板３と、この載置用基板３の上
に搭載されたパワー半導体素子４とから大略構成されて
いる。

【００２５】素子実装用放熱板２は、図１および図２に
示すように、板状プリフォーム体５と、この板状プリフ
ォーム体５に付設された金属母材６とからなる。

【００２６】板状プリフォーム体５は、矩形状の板体で
あり、中央部に矩形状の貫通孔５Ａが形成されている。
この板状プリフォーム体５の材料としては、炭化珪素、
窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウムなどの炭化物、
窒化物、酸化物、珪化物、硼化物など、あるいはこれら
の組み合わせで粒子状または繊維状、短繊維、ウィスカ
が選択される。また、板状プリフォーム体５は、多孔質
構造であることが好ましい。

【００２７】金属母材６の材料としては、アルミニウム
もしくはその合金、銅もしくはその合金、マグネシウム
などを用いることができる。この金属母材６は、図１に
示すように、板状プリフォーム体５の貫通孔５Ａ内に充
填された充填金属部６Ａと、板状プリフォーム体５の周
面の外側に付着するように形成された周囲金属部６Ｂ
と、板状プリフォーム体５のパワー半導体素子４が配置
される一方の面と反対側の他方の面側に形成されこれら
充填金属部６Ａおよび周囲金属部６Ｂと一体に形成され
た他面側金属部６Ｃと、他面側金属部６Ｃに一体に設け
られて板状プリフォーム体５から離れる方向に延設され
た複数の放熱用フィン６Ｄと、から構成されている。

【００２８】また、搭載用基板３は、上記した構成の素
子実装用放熱板２の一方の表面に、例えば半田付けされ
ている。この載置用基板３は、絶縁基板の上面にパワー
半導体素子４が搭載されるものであり、上面に配線およ
びパッド部などがパターン形成されている。そして、こ
の載置用基板３の上には、パワー半導体素子４が例えば
半田付けされて実装されている。

【００２９】このような構成の本実施の形態のパワー半
導体装置１では、板状プリフォーム体５の一面から他面
へ貫通するように形成された貫通孔５Ａ内に金属材料
（充填金属部６Ａ）が充填されているため、板状プリフ
ォーム体５の一面側に配置されたパワー半導体素子４で
発生した熱を、板状プリフォーム体５の他面側に形成さ
れた放熱用フィン６Ｄへ効率よく伝導させることができ
る。複数の放熱用フィン６Ｄは、貫通孔内に充填された
金属材料から伝達された熱を放散してパワー半導体装置
１全体を冷却する。

【００３０】また、本実施の形態ではパワー半導体素子
４の電極が素子下面側に位置するものを搭載用基板３に
実装でき、パワー半導体素子４での発熱を搭載用基板３
および貫通孔内の充填金属部６Ａを介して放熱用フィン
６Ｄへ伝達することができる。

【００３１】（パワー半導体装置および素子実装用放熱
基板の製造方法）次に、本実施の形態に係るパワー半導
体装置１の製造方法、特に素子実装用放熱基板２の製造
方法について図３および図４を用いて説明する。

【００３２】まず、本実施の形態で用いる成形用の一対
の型７、８について説明する。一方の型７は、板状プリ
フォーム体５を厚さ方向に略収納し得る程度の深さを有
する凹部７Ａと、この凹部７Ａの底面に形成された複数
の溝部７Ｂとを備えている。また、凹部７Ａの底面周縁
部には、一対の型７、８同士を型合わせしたときに、板
状プリフォーム体５の周縁部を保持する複数のピンより
なる保持部材９が設けられている。

【００３３】他方の型８には、一方の型７の凹部７Ａよ
り浅い凹部８Ａが形成されている。また、この凹部８Ａ
の周縁には、型内に収納される板状プリフォーム体５の
他面側の周縁部を保持する複数のピンよりなる保持部材
１０が設けられている。保持部材９、１０は、互いに対
応する位置に配置され、一対の型７、８を閉じることに
より、板状プリフォーム体５を所定位置に保持するよう
になっており、型７と板状プリフォーム体５との間及び
型８と板状プリフォーム体５との間には、注入される金
属溶湯の流路が確保されている。

【００３４】なお、一対の型７、８の接合部の所定位置
には、図４に示すように、金属溶湯を注入するための湯
口１１が形成されている。

【００３５】このような構成の一対の型７、８を用い
て、図３および図４に示すように、板状プリフォーム体
５を保持部材９、１０で保持されるようにセットする。

【００３６】その後、図４に太い矢印で示すように、金
属溶湯を注入する。すると、金属溶湯は、保持部材１０
に形成された流路１０Ａを介して型１０の凹部８Ａ内に
導入される。さらに、凹部１０Ａに導入された金属溶湯
は、板状プリフォーム体５の貫通孔５Ａを通って、板状
プリフォーム体５の他面側に導入されて溝部７Ｂ内に充
填される。

【００３７】また、一対の型７、８で形成されるキャビ
ティ内に金属溶湯が充填された後は、加圧を行って、加
圧鋳造を行う。

【００３８】その後、型７、８を取り外し、キャビティ
内部に形成された素子実装用放熱板２を取り出す。さら
に、板状プリフォーム体５の一方の面側に付着している
金属母材を例えば、研削して除去する。このようにし
て、板状プリフォーム体５の一方の表面が露呈し、貫通
孔５Ａ内に充填金属部６Ａが充填されてなる素子実装用
放熱板２の作製が完了する。

【００３９】つぎに、このように製造された素子実装用
放熱板２の板状プリフォーム体５の一方の表面側には、
図１に示すように、パワー半導体素子４を実装した搭載
用基板３を載せ、半田付けを行って固定してパワー半導
体装置１を作製する。

【００４０】上記した本実施の形態では、板状プリフォ
ーム体５の貫通孔５Ａを通って、金属溶湯を放熱用フィ
ン６Ｄを形成するための溝部７Ｂに円滑に供給すること
ができる。このため、溝部７Ｂへ供給される金属溶湯が
冷却されにくく、金属溶湯を注入中に不要な固化が発生
するのを防止できる。また、貫通孔５Ａで金属溶湯の流
通路を確保できるため、板状プリフォーム体５と一方の
型７との間の間隙を狭くすることができる。

【００４１】つぎに、本発明に係るパワー半導体装置の
変形例１〜４について図５〜図８を用いて説明する。

【００４２】図５は、本発明に係るパワー半導体装置の
変形例１を示している。なお、この変形例１において、
上記実施の形態と同一部分または類似部分には同一の符
号または類似の符号を付し、上記実施の形態と同一部分
の説明は省略する。図５に示すパワー半導体装置１は、
板状プレフォーム体５の貫通孔５Ａの内壁面５Ｂが、放
熱用フィン６Ｄが配置された方向（他面側）へ向けて拡
開するようにテーパ状に形成されている。このため、金
属溶湯がフィンへ流れ込み易くなりフィンの形成がより
確実に行われる。

【００４３】このように貫通孔５Ａの他面側の開口面積
が一面（素子）側の開口面積より大きいため、熱伝導に
寄与する金属材料の熱伝導通路が放熱用フィン６Ｄへ向
けて広がる。このため、貫通孔５Ａ内に充填された金属
材料（充填金属部６Ａ）で、パワー半導体素子４から伝
達された熱を広い面積の他面側に効率良く放散させるこ
とができる。

【００４４】また、図６に示す変形例２は、板状プレフ
ォーム体５の貫通孔５Ａの内壁面５Ｃが放熱用フィン６
Ｄが配置された方向（他面側）へ向けて拡開するように
湾曲して形成されている。この変形例２でも、上記実施
の形態と同様にパワー半導体素子４側で発生した熱を効
率良く放熱用フィン６Ｄへ伝達させることができる。

【００４５】さらに、図７に示す変形例３は、板状プレ
フォーム体５の放熱用フィン６Ｄ側の面が全て湾曲面５
Ｅとなっている。図６〜図８は、プリフォーム体の角部
を円弧状にすることによりかけを防止できるのでフィン
の形成が良好である。

【００４６】また、図８に示す変形例４は、図７に示し
た板状プレフォーム体５よりもさらに放熱用フィン６Ｄ
側を湾曲させたものであり、素子搭載側の充填金属部６
Ａの面積も広くしている。このため、変形例４では、パ
ワー半導体素子４側の熱が充填金属部６Ａに良好に伝達
される。また、パワー半導体素子４側から伝導された熱
は、充填金属部６Ａ内部でも良好に伝達されて放熱用フ
ィン６Ｄへも効率良く伝達される。このため、放熱特性
の良好なパワー半導体装置１を実現することができる。

【００４７】（その他の実施の形態）上記した本発明の
実施の形態および変形例１〜４の開示の一部をなす論述
および図面はこの発明を限定するものであると理解すべ
きではない。この開示から当業者には様々な代替実施の
形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

【００４８】例えば、上記した実施の形態および変形例
１〜４では、板状プレフォーム体５を矩形状としたが、
円環状のものとしてもよい。

【００４９】また、板状プレフォーム体５の中央部に１
つの貫通孔５Ａを形成したが、金属溶湯が急な冷却を起
こさない範囲で複数の貫通孔とすることも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパワー半導体装置の実施の形態を示す
断面図である。

【図２】実施の形態に係るパワー半導体装置の底面図で
ある。

【図３】実施の形態に係る素子実装用放熱板の製造方法
を示す断面図である。

【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。

【図５】本発明に係るパワー半導体装置の変形例１を示
す断面図である。

【図６】本発明に係るパワー半導体装置の変形例２を示
す断面図である。

【図７】本発明に係るパワー半導体装置の変形例３を示
す断面図である。

【図８】本発明に係るパワー半導体装置の変形例４を示
す断面図である。

【図９】従来のパワー半導体装置を示す断面図である。

【図１０】従来のパワー半導体装置の製造工程を示す断
面図である。

【図１１】図１０のＢ−Ｂ断面図である。

【符号の説明】

１ パワー半導体装置 ２ 素子実装用放熱板 ３ 搭載用基板 ４ パワー半導体素子 ５ 板状プレフォーム体 ６ 金属母材 ７、８ 型 ９、１０ 保持部材 １０Ａ 流路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 板状プリフォーム体の一面から他面へ貫
   通するように形成された貫通孔内に金属材料が充填さ
   れ、前記板状プリフォーム体の前記一面側にパワー半導
   体素子が配置され、前記板状プリフォーム体の他面側
   に、放熱用フィンが前記貫通孔に充填された金属材料と
   同一金属材料で一体的に立設されていることを特徴とす
   るパワー半導体装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のパワー半導体装置であっ
   て、 前記パワー半導体素子は搭載用基板に搭載され、該搭載
   用基板は前記貫通孔の前記一面側で露出する前記金属材
   料に接合されていることを特徴とするパワー半導体装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載されたパ
   ワー半導体装置であって、 前記貫通孔は、前記他面側の開口面積が前記一面側の開
   口面積より大きいことを特徴とするパワー半導体装置。
4. 【請求項４】 一方の型の内壁に放熱用フィンが形成さ
   れる溝部を有する、一対の型で形成されるキャビティ内
   に、一面から他面へ貫通するように貫通孔が形成されて
   なる板状プリフォーム材を、前記貫通孔の両方の開口部
   が互いに異なる型内を向くように固定する工程と、 前記他方の型内から前記板状プリフォーム材の前記貫通
   孔を通過して前記溝部に金属溶湯注入させて加圧含浸さ
   せる加圧鋳造工程と、 前記一対の型を取り外す工程と、 を備えることを特徴とする素子実装用放熱板の製造方
   法。