JP2004311566A

JP2004311566A - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP2004311566A
Application number: JP2003100229A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ogawa; 和宏小川; Atsushi Ehira; 淳江平; Akihiro Shibuya; 彰弘渋谷; Sukeyuki Furukawa; 資之古川; Mikio Naruse; 幹夫成瀬
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】半導体チップの冷却性能に優れた半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュール２と、半導体チップの冷却を行う冷却器３と、非絶縁型半導体モジュール２及び冷却器３の間に挟み込まれる絶縁シート６を備え、絶縁シート６にシリコンオイル７を浸透させると共に、絶縁シート６と非絶縁型半導体モジュール２側のバスバー５との間、及び、絶縁シート６と冷却器３との間の双方にシリコンオイル７を介在させた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュールを有する半導体装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記したようなトランジスタやサイリスタなどの半導体チップを用いた半導体装置としては、直流電力を交流電力に変換するインバータがあるほか、交流電力を直流電力に変換するコンバータがある（例えば非特許文献１参照。）。
【０００３】
このような半導体装置において、電力が大きくなるにつれて半導体チップからの放熱量が多くなって高温（６０〜９０℃）になるので、上記半導体チップに冷却器を取付けて冷却する必要があり、加えて、絶縁型半導体モジュールと比較してコンパクト化及び低コスト化を実現可能な非絶縁型半導体モジュールでは、チップ電極と接合するバスバーと上記冷却器との間に絶縁シートを配置して絶縁性を確保する必要がある。
【０００４】
この場合、絶縁シートに熱伝導性の高いセラミックやアルミナなどのフィラーを高充填することで、絶縁シートの熱伝導性を高めて放熱性の向上を図るようにしている。
【０００５】
【非特許文献１】
「機械工学便覧」社団法人日本機械学会発行昭和６３年５月１５日Ａ８−６２〜Ａ８−６５
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した半導体装置では、絶縁シートに熱伝導性の高いフィラーを高充填している都合上柔軟性に乏しく、半導体モジュール側のバスバーの表面凹凸又は冷却器の表面凹凸への追従性が良いとは言えないことから、接触熱抵抗が高くなってしまうという問題があった。
【０００７】
また、絶縁シートとして柔軟性に富んだ放熱シートを用いると、バスバーの表面凹凸又は冷却器の表面凹凸への追従性が良好になって接触熱抵抗の低減を実現することはできるものの、柔軟性を確保するためにフィラーの添加量が制限されて熱伝導性の向上が困難となり、その結果、熱伝達性能の低下を招いてしまうという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、半導体モジュールと冷却器との間における熱伝達性が良好であり、半導体チップの冷却性能に優れた半導体装置及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが鋭意検討した結果、絶縁シートに膨潤助剤を浸透させて表面の軟化及び膨潤作用を促すことで、半導体モジュール側の表面凹凸及び冷却器の表面凹凸のうちの少なくとも一方の表面凹凸に対して絶縁シートを密着させ得ることを見出すに至った。
【００１０】
すなわち、本発明は、半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュールと、半導体チップの冷却を行う冷却器と、上記非絶縁型半導体モジュール及び冷却器の間に挟み込まれる絶縁シートを備えた半導体装置において、上記絶縁シートに膨潤助剤を浸透させた構成としたことを特徴としており、この半導体装置の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１１】
一方、本発明の半導体装置の製造方法は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置を製造するに際して、非絶縁型半導体モジュール側の絶縁シート対向面及び冷却器側の絶縁シート対向面のうちの少なくともいずれか一方の絶縁シート対向面に膨潤助剤を付着させた後、上記非絶縁型半導体モジュール側の絶縁シート対向面と冷却器側の絶縁シート対向面との間に絶縁シートを挟み込む構成としている。
【００１２】
本発明の半導体装置では、絶縁シートに浸透させた膨潤助剤により、シート表面の軟化及び膨潤作用が促進されるので、半導体モジュール側の表面凹凸及び冷却器の表面凹凸のうちの少なくとも一方の表面凹凸に対する絶縁シートの密着性が高まることとなり、その結果、半導体モジュールと冷却器との間における熱伝達性能が向上することとなる。
【００１３】
本発明の半導体装置の製造方法では、非絶縁型半導体モジュール側の絶縁シート対向面と冷却器側の絶縁シート対向面との間に絶縁シートを挟み込むと、絶縁シートに膨潤助剤が浸透し、この際、膨潤助剤の付着量を十分なものとすれば、半導体モジュール側の表面凹凸及び冷却器の表面凹凸のうちの少なくとも一方の表面凹凸と、絶縁シートとの間に隙間が生じるのを回避し得ることとなる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の半導体装置によれば、上記した構成としているので、半導体モジュールと冷却器との間における熱伝達性能を高めることができ、その結果、半導体チップの冷却性能の向上を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１５】
また、熱伝導性の高いフィラーが高充填された柔軟性に乏しい絶縁シートを用いた場合であったとしても、半導体モジュール側の表面凹凸及び／又は冷却器の表面凹凸に対する絶縁シートの追従性を高めて、接触熱抵抗の低減を実現することができるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１６】
さらに、本発明の半導体装置の製造方法によれば、上記した構成としたから、膨潤助剤の付着量を十分なものとすることで、半導体モジュール側の表面凹凸及び冷却器の表面凹凸のうちの少なくとも一方の表面凹凸と、絶縁シートとの間に隙間が生じるのを確実に阻止することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置において、半導体モジュール側の表面凹凸及び冷却器の表面凹凸のうちの少なくとも一方の表面凹凸と、絶縁シートとの間に隙間が生じるのを確実に阻止するために、絶縁シートと非絶縁型半導体モジュール側との間、及び、絶縁シートと冷却器側との間のうちの少なくとも一方に膨潤助剤を介在させることが望ましい。
【００１８】
また、本発明の半導体装置において、半導体モジュール側と冷却器との絶縁性をより一層高めるために、絶縁性を有する液状物質から成る膨潤助剤とすることが望ましく、絶縁性を有する液状物質としては、例えば、シリコンオイルやフッ素系オイルを用いることができる。
【００１９】
さらに、本発明の半導体装置において、浸透している膨潤助剤が時間の経過とともに揮発して絶縁シートが収縮するのを防ぐために、揮発性の低い液状物質から成る膨潤助剤とすることが望ましく、シートに浸透し易く且つ揮発し難い液状物質としては、例えば、シリコンゴムやフッ素系ゴムに対するシリコンオイルやフッ素系オイルの使用が可能である。
【００２０】
一方、本発明の半導体装置の製造方法において、非絶縁型半導体モジュール側の絶縁シート対向面及び冷却器側の絶縁シート対向面のうちの少なくともいずれか一方の絶縁シート対向面に対しては、その全面に膨潤助剤を付着させる必要はなく、上記絶縁シート対向面に膨潤助剤を点在させるように付着させてもよい。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００２２】
［実施例１］
図１〜図３は本発明の半導体装置の一実施例を示している。
【００２３】
図１に示すように、この半導体装置１は、半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュール２と、半導体チップの冷却を行う冷却器３と、上記非絶縁型半導体モジュール２にはんだ４を介して接合したバスバー５及び冷却器３の間に挟み込まれる絶縁シート６を備えており、この絶縁シート６には、熱伝導性フィラーとしてアルミナが５０質量％含有させてある。
【００２４】
また、上記絶縁シート６には、膨潤助剤としての粘度１００００ｃＳのシリコンオイル（絶縁性を有し且つ揮発性の低い液状物質）７が浸透させてあり、この実施例において、絶縁シート６とバスバー５との間、及び、絶縁シート６と冷却器３との間にも上記シリコンオイル７が介在させてある。
【００２５】
上記半導体装置１を製造するに際しては、まず、図２に示すように、非絶縁型半導体モジュール２側におけるバスバー５の絶縁シート対向面５ａ及び冷却器３の絶縁シート対向面３ａの双方に対して、シリコンオイル７をスポット状に付着させる。
【００２６】
次いで、図３に示すように、上記バスバー５の絶縁シート対向面５ａと冷却器３の絶縁シート対向面３ａとの間に絶縁シート６を挟み込むと、上記半導体装置１が得られることとなる。
【００２７】
このとき、バスバー５の絶縁シート対向面５ａ及び冷却器３の絶縁シート対向面３ａの双方にスポット状に付着させたシリコンオイル７は、絶縁シート６に浸透しつつ押し広げられるので、バスバー５の絶縁シート対向面５ａと絶縁シート６との間に隙間が生じたり、冷却器３の絶縁シート対向面３ａと絶縁シート６との間に隙間が生じたりすることなく、絶縁シート６の組み付けがなされることとなる。
【００２８】
上記した半導体装置１では、絶縁シート６に浸透させたシリコンオイル７により、絶縁シート６の表面の軟化及び膨潤作用が促進されるのに加えて、絶縁シート６とバスバー５との間、及び、絶縁シート６と冷却器３との間にも上記シリコンオイル７を介在させているので、半導体モジュール２側のバスバー５の絶縁シート対向面５ａ及び冷却器３の絶縁シート対向面３ａの双方に対する絶縁シート６の密着性が高まることとなり、その結果、接触熱抵抗の大幅な低減が実現することとなる。
【００２９】
また、上記した半導体装置１では、膨潤助剤として、絶縁性を有し且つ揮発性の低いシリコンオイル７を用いているので、半導体モジュール２側と冷却器３との絶縁性が確保されると共に、時間の経過とともに絶縁シート６が収縮するのを回避し得ることとなる。
【００３０】
［実施例２］
この実施例における半導体装置１は、膨潤助剤として、金属添加剤を配合して導電性を持たせたシリコンオイル７を用いており、他の構成は先の実施例の半導体装置１と同じである（図３参照）。
【００３１】
この半導体装置１においても、絶縁シート６の表面の軟化及び膨潤作用を促進することができるのに加えて、上記した実施例における半導体装置１ほどではないものの、半導体モジュール２側と冷却器３との絶縁に対する高い信頼性を得ることができる。
【００３２】
［実施例３］
図４に部分的に示すように、この実施例における半導体装置１１は、膨潤助剤として、揮発し易いガソリン１７を用いており、他の構成は先の実施例の半導体装置１と同じである。
【００３３】
この半導体装置１１において、製造後間もないころは、絶縁シート６に浸透させたガソリン１７により、絶縁シート６の表面の軟化及び膨潤作用が促進されるうえ、絶縁シート６とバスバー５との間、及び、絶縁シート６と冷却器３との間にも上記ガソリン１７が介在しているので、半導体モジュール２側のバスバー５の絶縁シート対向面５ａ及び冷却器３の絶縁シート対向面３ａの双方に対する密着性が高まるが、時間の経過に伴うガソリン１７の揮発により絶縁シート６が硬化して、接触熱抵抗が僅かに（１０％程度）高くなる。
【００３４】
［実施例４］
図５に部分的に示すように、この実施例における半導体装置２１は、アルミナフィラーを５０％添加した絶縁シート２６を使用し、膨潤助剤としての粘度１００００ｃＳのシリコンオイル２７をこの絶縁シート２６に浸透させた状態でバスバー２５と冷却器２３との間に配置する構成としている。
【００３５】
この半導体装置２１において、絶縁シート２６に浸透させたシリコンオイル２７により、絶縁シート６の表面の軟化及び膨潤作用が促進されるので、バスバー２５及び冷却器２３の双方に対する密着性が高まることとなり、この際、絶縁シート２６とバスバー２５との間、及び、絶縁シート２６と冷却器２３との間にはシリコンオイル２７を介在させていないので、上記実施例１の半導体装置１よりも接触熱抵抗が僅かに（１０％程度）高くなる。
【００３６】
［比較例１］
図６に部分的に示すように、この比較例における半導体装置５１は、フィラーとしてのアルミナを８０質量％添加した絶縁シート５６を使用して、この絶縁シート５６をバスバー５５と冷却器５３との間に配置する構成としている。
【００３７】
この半導体装置５１において、絶縁シート５６にフィラーとしてのアルミナを高充填しているため柔軟性に乏しく、バスバー５５の表面凹凸又は冷却器５３の表面凹凸へ追従することが困難であり、上記実施例１の半導体装置１よりも接触熱抵抗がかなり（４０％程度）高くなってしまう。
【００３８】
［比較例２］
図７に部分的に示すように、この比較例における半導体装置６１は、バスバー６５の表面凹凸又は冷却器６３の表面凹凸への追従性をよくするために、フィラーとしてのアルミナを２０質量％添加した柔軟性に富んだ絶縁シート６６を使用して、この絶縁シート６６をバスバー６５と冷却器６３との間に配置する構成としている。
【００３９】
この半導体装置６１では、柔軟性を確保するうえでフィラーとしてのアルミナの添加量を抑える必要があることから、熱伝導性を高めることが困難であり、その結果、上記実施例１の半導体装置１よりも接触熱抵抗がかなり（３０％程度）高くなってしまう。
【００４０】
本発明の半導体装置及びその製造方法の詳細な構成は、上記した実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の一実施例を示す断面説明図である。
【図２】図１に示した半導体装置の絶縁シートを組付ける前の部分拡大断面説明図である。
【図３】図１に示した半導体装置の絶縁シートを組付けた後の部分拡大断面説明図である。
【図４】本発明の半導体装置の他の実施例を示す部分拡大断面説明図である。
【図５】本発明の半導体装置のさらに他の実施例を示す部分拡大断面説明図である。
【図６】比較例としての半導体装置を示す部分拡大断面説明図である。
【図７】他の比較例としての半導体装置を示す部分拡大断面説明図である。
【符号の説明】
１，１１，２１半導体装置
２非絶縁型半導体モジュール
３，２３冷却器
３ａ絶縁シート対向面
５，２５バスバー
５ａ絶縁シート対向面
６，２６絶縁シート
７，２７シリコンオイル（膨潤助剤；液状物質）
１７ガソリン（膨潤助剤；液状物質）

Claims

半導体チップを内蔵した非絶縁型半導体モジュールと、半導体チップの冷却を行う冷却器と、上記非絶縁型半導体モジュール及び冷却器の間に挟み込まれる絶縁シートを備えた半導体装置において、上記絶縁シートに膨潤助剤を浸透させたことを特徴とする半導体装置。
絶縁シートと非絶縁型半導体モジュール側との間、及び、絶縁シートと冷却器側との間のうちの少なくとも一方に膨潤助剤を介在させた請求項１に記載の半導体装置。
膨潤助剤は絶縁性を有する液状物質から成っている請求項１又は２に記載の半導体装置。
膨潤助剤は揮発性の低い液状物質から成っている請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置を製造するに際して、非絶縁型半導体モジュール側の絶縁シート対向面及び冷却器側の絶縁シート対向面のうちの少なくともいずれか一方の絶縁シート対向面に膨潤助剤を付着させた後、上記非絶縁型半導体モジュール側の絶縁シート対向面と冷却器側の絶縁シート対向面との間に絶縁シートを挟み込むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
非絶縁型半導体モジュール側の絶縁シート対向面及び冷却器側の絶縁シート対向面のうちの少なくともいずれか一方の絶縁シート対向面に膨潤助剤を点在させる請求項５に記載の半導体装置の製造方法。