JP2007258291A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化、軽量化が可能で、放熱特性の良好な半導体装置を提供する。
【解決手段】 ヒートシンクと、ヒートシンクの上に熱伝導グリスを介して載置されたモジュールと、モジュールの上に載置された押さえ板と、モジュールをヒートシンクに向かって押し付けるように、押さえ板をヒートシンクに固定する固定具とを含み、モジュールで発生した熱を、熱伝導グリスを経てヒートシンクから放出する半導体装置において、モジュールは、樹脂封止型モジュールからなり、ヒートシンクは、固定具が固定された支持板と、支持板に接合されてその間に冷却媒体の流路を形成する流路カバーとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置に関し、特に樹脂封止型モジュールをヒートシンクに固定した電力用半導体装置に関する。

従来の電力用半導体装置には、ケース型モジュールが用いられる。ケース型モジュールはベース板を含み、ベース板の上には、絶縁基板を介してＩＧＢＴ等の電力用半導体素子が載置されている。ベース板は例えば銅からなり、絶縁基板は例えばセラミックからなる。また、ベース板は、例えば銅からなるヒートシンクの上に、ネジを用いて固定されている。ベース板とヒートシンクとの間には、熱伝導性を高めるために熱伝導グリスが塗布されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１４８４５１号公報

熱伝導グリスは、フィラーを数十重量％以上含んだ粘性体からなり、熱伝導率は０．８〜４Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。かかる熱伝導率は、ベース板やヒートシンクを構成する銅の熱伝導率、約４００Ｗ／ｍ・Ｋと比較して極めて小さい値である。このため、放熱特性を向上させるためには、熱伝導グリスの膜厚を例えば０．１ｍｍ以下のように薄くする必要があり、ベース板をヒートシンクにネジで締め付けて熱伝導グリスを薄くしている。

しかしながら、ケース型モジュールでは、絶縁基板をベース板に半田材で固定する工程で、ベース板と絶縁基板との線膨張係数の違いによりベース板が湾曲する。このため、ベース板とヒートシンクとの間の熱伝導グリスの膜厚を薄くするには、ネジによりベース板をヒートシンクに締め付けて湾曲したベース板を平坦に延ばす必要があり、ヒートシンクは剛性の大きな構造とする必要がある。この結果、半導体装置の小型化、軽量化を図る場合に、ヒートシンクの大きさが制限となっていた。

そこで、本発明は、小型化、軽量化が可能で、放熱特性の良好な半導体装置の提供を目的とする。

本発明は、ヒートシンクと、ヒートシンクの上に熱伝導グリスを介して載置されたモジュールと、モジュールの上に載置された押さえ板と、モジュールをヒートシンクに向かって押し付けるように、押さえ板をヒートシンクに固定する固定具とを含み、モジュールで発生した熱を、熱伝導グリスを経てヒートシンクから放出する半導体装置であって、モジュールは、樹脂封止型モジュールからなり、ヒートシンクは、固定具が固定された支持板と、支持板に接合されてその間に冷却媒体の流路を形成する流路カバーとを含むことを特徴とする半導体装置である。

本発明にかかる半導体装置では、良好な放熱特性を実現しつつ、小型化、軽量化が可能となる。

以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態１にかかる半導体装置の断面図である。図２は、半導体装置１００を裏面から見た斜視図であり、図１は、図２をＡ−Ａ方向に見た場合の断面に相当する。

半導体装置１００は、ヒートシンク１０を含む。ヒートシンク１０は、支持板１と、支持板１の裏面にろう材で固定された流路カバー２とを含む。支持板１、流路カバー２は、例えばアルミニウムからなる。支持板１と流路カバー２との間には、波板状の薄板からなるコルゲートフィン３が設けられている。コルゲートフィン３は、例えば、１０周期程度の波状部を有し、支持板１と流路カバー２に接してろう材で固定されている。コルゲートフィン３は、例えばアルミニウム板の両面にアルミニウム−シリコン層（ろう材）を設けたクラッド材からなる。冷却媒体は、コルゲートフィン３の間を、図１の紙面に垂直な方向に流れる。

支持板１の上には、熱伝導グリス４を介して樹脂封止型モジュール５が載置されている。熱伝導グリス４は、例えばフィラーを含んだシリコーン樹脂からなる。また、樹脂封止型モジュール５は、例えばＩＧＢＴ等の半導体素子やリード（図示せず）をエポキシ樹脂で封止した構造となっている。樹脂封止型モジュール５の下面は、若干湾曲して描かれているが、これは封止樹脂の収縮によるものである。もちろん、下面が平坦な樹脂封止型モジュール５を用いても構わない。

樹脂封止型モジュール５の上には、例えばアルミニウムからなる押さえ板６が載置されている。押さえ板６は貫通孔を有し、かかる貫通孔を通るネジ（固定具）７によりヒートシンク１０の支持板１に固定されている。

半導体装置１００では、ネジ７を回すことにより、樹脂封止型モジュール５に押さえ板６を押し付けることができる。これにより、樹脂封止型モジュール５は、支持板１と押さえ板６との間に挟まれ下面が略平坦となるとともに、樹脂封止型モジュール５と支持板１との間に挟まれた熱伝導グリス４の膜厚も薄くなる。

上述のように、ケース型モジュールでは、湾曲したベース板を平坦に延ばすためにベース板をヒートシンクに強く締め付ける必要があった。このため、ヒートシンクは、例えば厚みが１２ｍｍの銅のバルク材を切削加工して形成され、重量も大きいものであった。

これに対し、本実施の形態１にかかる半導体装置１００では、ヒートシンク１０は、例えば厚さ２ｍｍのアルミニウムの支持板１と、厚さ１ｍｍのアルミニウムの流路カバー２と、その中に配置された厚さ０．５ｍｍのクラッド材（アルミニウム／アルミニウム−シリコン）からなるコルゲートフィン３とからなる。冷却媒体の流路を形成する流路カバー２は、例えば幅が４０ｍｍであり、高さが８ｍｍである。
この結果、半導体装置１００では、ヒートシンクの重量を、従来構造に比較して約９０％低減して、１０分の１程度にすることができる。なお、熱伝達率は、１００００Ｗ／ｍ・Ｋ程度の値となる。

また、従来構造のような切削加工によらず、クラッド材をプレス加工して形成したコルゲートフィン３と流路カバー２とを支持板１にろう付けするだけで、ヒートシンク１０を形成できるため、加工時間が短くなり、製造コストの低減が可能となる。

また、ケース型モジュールを用いた場合、ケース型モジュールのベース板にネジを貫通させてケース型モジュールとヒートシンクとを固定するために、ベース板には貫通孔を設ける領域が必要であった。これに対して、半導体装置１００では、樹脂封止型モジュール５を押さえ板６でヒートシンク１０に押し付けて固定するため、樹脂封止型モジュール５の小型化、低コスト化が可能となる。

本形態の形態１では、図１、２に基づいて、ヒートシンク１０と樹脂封止型モジュール５を２組備えた構造について説明したが、１組又は３組以上備えた構造であっても構わない（以下の実施の形態においても同様）。

なお、図２に示すように、ヒートシンク１０には、冷却媒体の導入／排出口１１が設けられている。以下の実施の形態３〜７に示すヒートシンク２０〜６０に対しても、かかる導入／排出口１１が接続されて冷却媒体の供給／排出が行われる。

実施の形態２．
図３は、全体が２００で表される、本実施の形態２にかかる半導体装置の断面図であり、図３中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。図３は、図２のＡ−Ａ方向と同一方向に見た場合の断面図である。

半導体装置２００では、支持板１の上にコルゲートフィン３と流路カバー２が形成され、更にその上に、熱伝導グリス４を介して樹脂封止型モジュール５が設けられている。樹脂封止型モジュール５の上には押さえ板６が載置されている。ネジ７で押さえ板６を支持板１に締め付けることにより、流路カバー２と樹脂封止型モジュール５とに挟まれた熱伝導グリス４を薄くできる。

また、上述の半導体装置１００と同様に、支持板１、流路カバー２、およびコルゲートフィン３からヒートシンク１０を形成することにより、ヒートシンク１０の軽量化、低コスト化が可能となる。

なお、流路カバー２の上面（熱伝導グリス４が塗布される領域）は、両端より中央近傍が数１０μｍ張り出した形状とすることにより、流路カバー２と樹脂封止型モジュール５とに挟まれた熱伝導グリス４が、横方向に逃げやすく、熱伝導グリス４を薄くできる。

このように、半導体装置２００では、熱伝導グリス４を薄くして放熱効率を高くするとともに、半導体装置２００の小型化、軽量化が可能となる。

実施の形態３．
図４は、全体が３００で表される、本実施の形態３にかかる半導体装置の断面図であり、図４中、図３と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。図４は、図２のＡ−Ａ方向と同一方向に見た場合の断面図である。

半導体装置３００では、支持板１の上に、ヒートシンク２０が、例えばろう付けにより固定されている。ヒートシンク２０は、例えばアルミニウムの押し出し加工で形成され、寸法は、例えば厚みが１ｍｍ、高さが１２ｍｍ、幅が４０ｍｍである。この場合、１００００Ｗ／ｍ・Ｋ程度の冷却性能が得られる。

ヒートシンク２０の上には、熱伝導グリス４を介して樹脂封止型モジュール５が載置される。樹脂封止型モジュール５の上には、押さえ板６が載置される。押さえ板６は、ネジ７により支持板１に固定される。

かかる構造では、切削加工や、流路カバーのろう付け等を行うことなく、アルミニウム部材の押し出し加工でヒートシンク２０を形成することができ、ヒートシンク２０の軽量化、低コスト化が可能となる。即ち、半導体装置３００では、熱伝導グリス４を薄くして放熱効率を高くするとともに、半導体装置３００の小型化、軽量化が可能となる。

また、ヒートシンク２０の形成にろう付け等を用いないため、常に略同一形状のヒートシンク２０が得られる。この結果、常に略一定した放熱特性が実現できる。更に、流路カバーを支持板にろう付けするのに必要なのりしろが不要となり、ヒートシンク２０の小型化、軽量化が可能となる。なお、ヒートシンク２０の小型化でできた空間は、樹脂封止型モジュール５の配線部材の引き回し等に利用できる。

実施の形態４．
図５は、全体が４００で表される、本実施の形態４にかかる半導体装置の断面図であり、図５中、図４と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。図５は、図２のＡ−Ａ方向と同一方向に見た場合の断面図である。

半導体装置４００では、支持板１の上にはヒートシンク３０がろう付け等で固定されている。ヒートシンク３０には保持部３１が設けられている。ヒートシンク３０と保持部３１とは、例えばアルミニウム部材の押し出し加工で、同時に形成される。

保持部３１は、図５の紙面に直交する平面を有するとともに、復元力を持って上下方向に動くようになっている。ヒートシンク３０と保持部３１との間隔は、樹脂封止型モジュール５の高さより若干小さくなっている。これにより、ヒートシンク３０の上に熱伝導グリス４を介して樹脂封止型モジュール５を載置した場合、保持部３１が樹脂封止型モジュール５をヒートシンク３０の上面に押し付けて固定するようになる。具体的には、ヒートシンク３０の上面に熱伝導グリス４をディスペンサ等で塗布した後に、保持部３１を上方に持ち上げて樹脂封止型モジュール５を所定の位置に配置し、その後に、保持部３１を最初の位置の戻して固定する。

このように、半導体装置４００では、熱伝導グリス４を薄くして放熱効率を高くするとともに、ヒートシンク３０に設けた支持部３１を用いて樹脂封止型モジュール５を固定するため、更に、小型化、軽量化が可能となる。

実施の形態５．
図６は、全体が５００で表される、本実施の形態５にかかる半導体装置の断面図であり、図６中、図４と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。図６は、図２のＡ−Ａ方向と同一方向に見た場合の断面図である。

図６（ａ）に示すように、半導体装置５００では、支持板１の上にはヒートシンク４０がろう付け等で固定されている。ヒートシンク４０には２つの保持部４１が設けられている。保持部４１の先端には、紙面に垂直な方向に延びた溝部４２が設けられている。ヒートシンク４０、保持部４１、および溝部４２は、例えばアルミニウム部材の押し出し加工で、同時に形成される。

上述の半導体装置４００と同様に、保持部４１は復元力を持って上下方向に動き、ヒートシンク４０と保持部４１との間隔は、樹脂封止型モジュール５の高さより若干小さくなっている。これにより、ヒートシンク４０の上に熱伝導グリス４を介して樹脂封止型モジュール５を載置した場合、保持部４１が樹脂封止型モジュール５をヒートシンク４０の上面に押し付けて固定するようになる。

特に、本実施の形態５にかかる半導体装置５００では、図６（ｂ）に示すように、対向する溝部４２の間に、仮固定冶具４５を挟んだ状態で、樹脂封止型モジュール５をヒートシンク４０の上に挿入し、所定の位置に配置した状態で仮固定冶具４５を取り外す。これにより、樹脂封止型モジュール５の配置が容易に行える。

このように、半導体装置５００では、熱伝導グリス４を薄くして放熱効率を高くするとともに、小型化、軽量化が可能となる。また、樹脂封止型モジュール５の配置を容易に行うことができる。

実施の形態６．
図７は、全体が６００で表される、本実施の形態６にかかる半導体装置の断面図であり、図７中、図４と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。図７は、図２のＡ−Ａ方向と同一方向に見た場合の断面図である。

半導体装置６００では、支持板１の上にはヒートシンク５０がろう付け等で固定されている。ヒートシンク５０には２つの保持部５１が設けられ、保持部５１の先端には溝部５２が設けられている。特に、半導体装置５００では、対向する保持部５１の間隔Ｗ２が、樹脂封止型モジュール５の幅Ｗ１より大きくなっている。ヒートシンク５０、保持部５１、および溝部５２は、例えばアルミニウム部材の押し出し加工で、同時に形成される。

溝部の間には押さえ板５５が挿入され、押さえ板５５により、樹脂封止型モジュール５はヒートシンク５０の上面に押し付けられて固定される。押さえ板５５には、突起部５６が設けられることが好ましい。

半導体装置６００では、ヒートシンク５０の上に熱伝導グリス４を塗布し、その上に樹脂封止型モジュール５を配置する。保持部５１の間隔Ｗ２が、樹脂封止型モジュール５の幅Ｗ１より大きいため、容易に樹脂封止型モジュール５を配置できる。この後に、図７の紙面に垂直な方向に、押さえ板５５を対向する溝部５２の間に挿入する。これにより、樹脂封止型モジュール５がヒートシンク５０の上面に押し付けられて固定される。

このように、半導体装置６００では、熱伝導グリス４を薄くして放熱効率を高くするとともに、小型化、軽量化が可能となる。また、樹脂封止型モジュール５の配置を容易に行うことができる。

押さえ板５５の材料は、所定の剛性を有する材料であれば、金属、樹脂等から適当に選択できる。特に、押さえ板５５の材料として、鉄やアルミニウムのような磁力を遮蔽できる金属を用いることにより、樹脂封止型モジュールの動作で形成される磁場の遮断、低減が可能となり、外部への影響を防止できる。

実施の形態７．
図８は、全体が７００で表される、本実施の形態７にかかる半導体装置の断面図であり、図８中、図４と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。図８は、図２のＡ−Ａ方向と同一方向に見た場合の断面図である。

半導体装置７００では、上述の半導体装置４００の構造に加えて、ヒートシンク６０の上面に凹部６２が設けられている。また、樹脂封止型モジュール５の裏面には、凹部６２に嵌り込むように突起部１５が設けられている。突起部１５は、樹脂封止工程で、突起部を備えた金型を用いて樹脂封止を行うことにより、容易に形成できる。突起部１５は、例えば直径が２ｍｍ、高さが１〜２ｍｍの円柱形状からなる。突起部１５は、例えば３角形の３つの頂点の位置に設けられる。

樹脂封止型モジュール５をヒートシンク６０の上に配置する工程では、ヒートシンク６０の上面に熱伝導グリス４を塗布した後に、樹脂封止型モジュール５を滑らしながら凹部６２に突起部１５を嵌め込む。かかる工程では、突起部１５に支えられた状態で樹脂封止型モジュール５が滑るため、樹脂封止型モジュール５を容易に移動させることができる。また、ヒートシンク６０の所定の位置に樹脂節型モジュール５を配置できる。

このように、半導体装置７００では、熱伝導グリス４を薄くして放熱効率を高くするとともに、小型化、軽量化が可能となる。また、ヒートシンク５０の所定の位置に樹脂封止型モジュール５を取り付けることができる。

本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる半導体装置のヒートシンクの斜視図である。 本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態５にかかる半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態６にかかる半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態７にかかる半導体装置の断面図である。

符号の説明

１ 支持板、２ 流路カバー、３ コルゲートフィン、４ 熱伝導グリス、５ 樹脂封止型モジュール、６ 押さえ板、７ ネジ、１０ ヒートシンク、１００ 半導体装置。

Claims (2)

1. ヒートシンクと、
   該ヒートシンクの上に熱伝導グリスを介して載置されたモジュールと、
   該モジュールの上に載置された押さえ板と、
   該モジュールを該ヒートシンクに向かって押し付けるように、該押さえ板を該ヒートシンクに固定する固定具とを含み、該モジュールで発生した熱を、該熱伝導グリスを経て該ヒートシンクから放出する半導体装置であって、
   該モジュールは、樹脂封止型モジュールからなり、
   該ヒートシンクは、該固定具が固定された支持板と、該支持板に接合されてその間に冷却媒体の流路を形成する流路カバーとを含むことを特徴とする半導体装置。
2. 上記支持板と上記流路カバーとの間に、波板状のコルゲートフィンが設けられたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
   
   

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