JP2015126207A

JP2015126207A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2015126207A
Application number: JP2013271695A
Authority: JP
Inventors: 新飯塚; Arata Iizuka; 貴彦村上; Takahiko Murakami
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-07-06

Abstract

【課題】加工費の増加と歩留りの悪化を防ぎつつ、冷却効率を向上させることができる半導体装置を得る。
【解決手段】半導体素子６がヒートシンク１の上面に設けられている。冷却媒体が流れる冷却経路８を有する冷却器９がヒートシンク１の下面に取り付けられている。ヒートシンク１の下面に設けられた複数のフィン１０が冷却経路８内に露出されている。軟材１１が冷却経路８の底面と複数のフィン１０との間に設けられている。ヒートシンク１の下面と冷却経路８の底面は互いに対向している。複数のフィン１０は軟材１１を介して冷却経路８の底面に押し付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力用半導体装置に関する。

近年、更なる高電圧化と大電流化が求められる電力用半導体装置では、熱損失の対策が重要となっている。電力用半導体装置のスペックアップに伴う熱損失の増加に対応するため、フィン付ヒートシンクと冷却器を組み付けて直接冷却媒体を接触させる直冷構造が考案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１７７５２９号公報

ヒートシンクと冷却器の平面度またはフィンの寸法誤差によってフィンと冷却器との間に隙間が生じた場合、冷却経路内の冷却媒体の流量が隙間に集中して不均一となり、冷却効率が悪化する。隙間を無くすため、部材の要求加工精度が上がり、加工費の増加と歩留りの悪化が懸念される。また、フィンの寸法が冷却器の寸法よりも大きい場合、冷却器とヒートシンクの間に隙間が生じてしまい、冷却媒体が漏出する可能性がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は加工費の増加と歩留りの悪化を防ぎつつ、冷却効率を向上させることができる半導体装置を得るものである。

本発明に係る半導体装置は、ヒートシンクと、前記ヒートシンクの上面に設けられた半導体素子と、冷却媒体が流れる冷却経路を有し、前記ヒートシンクの下面に取り付けられた冷却器と、前記冷却経路内に露出され、前記ヒートシンクの下面に設けられた複数のフィンと、前記冷却経路の底面と前記複数のフィンとの間に設けられ、前記複数のフィンよりも柔らかい軟材とを備え、前記ヒートシンクの下面と前記冷却経路の底面は互いに対向し、前記複数のフィンは前記軟材を介して前記冷却経路の底面に押し付けられていることを特徴とする。

本発明では軟材の変形によって冷却経路の底面とフィンの隙間を埋める。これにより、加工費の増加と歩留りの悪化を防ぎつつ、冷却効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体装置のヒートシンクを示す下面図である。比較例１に係る半導体装置を示す断面図である。比較例２に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態５に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態５に係る半導体装置の冷却器を示す上面図である。本発明の実施の形態６に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態６に係る半導体装置のヒートシンクを示す下面図である。本発明の実施の形態７に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態７に係る半導体装置のフィンの配置を示す上面からの透過図である。本発明の実施の形態８に係る半導体装置を示す断面図である。

本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置のヒートシンクを示す下面図である。ヒートシンク１は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｕを主成分とする合金などの熱伝導率の高い材料からなる。ＡｌＮなどの絶縁材２の上下にＡｌ，Ｃｕなどの導電パターン３，４がそれぞれ設けられた絶縁基板がヒートシンク１の上面にはんだ５で接合されている。ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＦｗＤｉなどの半導体素子６が導電パターン３にはんだ７で接合されている。

冷却媒体が流れる冷却経路８を有する冷却器９がヒートシンク１の下面に取り付けられている。冷却器９はＡｌ，Ｃｕなどからなる。冷却経路８は一定の深さを持つ凹部である。ヒートシンク１の下面に設けられた複数のフィン１０が冷却経路８内に露出されている。複数のフィン１０はＡｌ，Ｃｕなどからなる。

複数のフィン１０よりも柔らかいゴムやＡｌなどの軟材１１が冷却経路８の底面と複数のフィン１０との間に設けられている。ヒートシンク１の下面と冷却経路８の底面は互いに対向している。

ヒートシンク１を冷却器９にねじ１２で取り付ける際に、複数のフィン１０は軟材１１を介して冷却経路８の底面に押し付けられる。この際に軟材１１は変形する。ヒートシンク１と冷却器９の間はゴムなどの封止材１３で封止されている。

続いて、本実施の形態の効果を比較例１，２と比較して説明する。図３は、比較例１に係る半導体装置を示す断面図である。図４は、比較例２に係る半導体装置を示す断面図である。比較例１，２には軟材１１が存在しない。比較例１では、ヒートシンク１と冷却器９の平面度またはフィン１０の寸法誤差によって冷却経路８の底面とフィン１０との間に隙間が生じている。冷却媒体の流量が隙間に集中して不均一となり、冷却効率が悪化する。隙間を無くそうとすると、部材の要求加工精度が上がり、加工費の増加と歩留りの悪化が懸念される。比較例２では、フィン１０の長さが冷却経路８の深さよりも大きいため、冷却器９とヒートシンク１の間に隙間が生じてしまい、冷却媒体が漏出する可能性がある。

これに対して本実施の形態では、軟材１１の変形によって冷却経路８の底面とフィン１０の隙間を埋める。従って、冷却媒体が冷却経路８内を均一に流れるようになるため、冷却器９の平面度またはフィン１０の寸法精度を向上させる必要が無い。このため、加工費の増加と歩留りの悪化を防ぎつつ、冷却効率を向上させることができる。

なお、本実施の形態において、ヒートシンク１と導電パターン４ははんだ５を介して接合しているが、ヒートシンク１と導電パターン４を一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストによりヒートシンク１を形成することができる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。冷却経路８の底面に設けられた複数のフィン１４が冷却経路８内に露出されている。複数のフィン１４よりも柔らかいゴムやＡｌなどの軟材１１がヒートシンク１の下面と複数のフィン１４との間に設けられている。複数のフィン１４は軟材１１を介してヒートシンク１の下面に押し付けられている。この場合でも実施の形態１と同様の効果を得ることができる。なお、軟材１１の熱伝導率が高ければ高いほど熱拡散が期待でき、半導体装置の冷却性能の向上（熱抵抗の低減）が期待できる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。軟材１１は複数のフィン１０の先端にそれぞれ個別に設けられている。これにより実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態１よりも冷却媒体の流路を大きくすることができるため、冷却効率を更に向上させることができる。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。軟材１１は複数のフィン１４の先端にそれぞれ個別に設けられている。これにより実施の形態２と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態２よりも冷却媒体の流路を大きくすることができるため、冷却効率を更に向上させることができる。

実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置を示す断面図である。図９は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置の冷却器を示す上面図である。冷却経路８の底面に複数の溝１５を有するディンプル構造１６が設けられている。ディンプル構造１６はＡｌなどからなる。ヒートシンク１の下面に設けられた複数のフィン１０が複数の溝１５に一定の長さ差し込まれる。これにより、冷却器９の平面度またはフィン１０の寸法誤差に関係なくフィン１０と冷却器９の隙間を埋めることが可能となり、冷却媒体が冷却経路８内を均一に流れることで冷却効率を向上させることができる。

実施の形態６．
図１０は、本発明の実施の形態６に係る半導体装置を示す断面図である。図１１は、本発明の実施の形態６に係る半導体装置のヒートシンクを示す下面図である。ヒートシンク１の下面に複数の溝１５を有するディンプル構造１６が設けられている。冷却経路８の底面に設けられた複数のフィン１４が複数の溝１５に一定の長さ差し込まれる。これにより実施の形態５と同様の効果を得ることができる。また、ディンプル構造１６の熱伝導率が高ければ高いほど熱拡散が期待でき、半導体素子６の冷却性能の向上（熱抵抗の低減）が期待できる。

実施の形態７．
図１２は、本発明の実施の形態７に係る半導体装置を示す断面図である。図１３は、本発明の実施の形態７に係る半導体装置のフィンの配置を示す上面からの透過図である。ヒートシンク１の下面に設けられた複数のフィン１０と冷却経路８の底面に設けられた複数のフィン１４が冷却経路８内に露出されている。フィン１０とフィン１４は同数かつ同形状である。複数のフィン１４は複数のフィン１０の隙間に配置されている。ヒートシンク１側と冷却器９側に同程度の隙間を生じさせ、冷却媒体が冷却経路８内を均一に流れることで冷却効率を向上させることができる。

実施の形態８．
図１４は、本発明の実施の形態８に係る半導体装置を示す断面図である。実施の形態１〜７ではねじ１２と封止材１３を用いてヒートシンク１と冷却器９を締結しているが、本実施の形態でははんだ、ＡｌＳｉなどのろう材１７を用いて両者を締結している。この場合、ろう材１７を介して冷却器９のフィン１４へと熱が伝わるため、更なる冷却効率の向上が期待できる。または、固相拡散結合などの異種金属間結合を用いてヒートシンク１と冷却器９を締結してもよい。

なお、実施の形態１〜７においてフィン１０，１４は円柱状であるが、板状、波状、又は三角錐状でも同様の効果を得ることができる。この場合、円柱状のフィンよりも加工費の削減が可能となる。

また、半導体素子６は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体素子は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された素子を用いることで、この素子を組み込んだ半導体装置も小型化できる。また、素子の耐熱性が高いため、フィン１０，１４を小型化できるので、半導体装置を更に小型化できる。また、素子の電力損失が低く高効率であるため、半導体装置を高効率化できる。

１ヒートシンク、６半導体素子、８冷却経路、９冷却器、１０，１４フィン、１１軟材、１５溝、１６ディンプル構造、１７ろう材

Claims

ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面に設けられた半導体素子と、
冷却媒体が流れる冷却経路を有し、前記ヒートシンクの下面に取り付けられた冷却器と、
前記冷却経路内に露出され、前記ヒートシンクの下面に設けられた複数のフィンと、
前記冷却経路の底面と前記複数のフィンとの間に設けられ、前記複数のフィンよりも柔らかい軟材とを備え、
前記ヒートシンクの下面と前記冷却経路の底面は互いに対向し、
前記複数のフィンは前記軟材を介して前記冷却経路の底面に押し付けられていることを特徴とする半導体装置。
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面に設けられた半導体素子と、
冷却媒体が流れる冷却経路を有し、前記ヒートシンクの下面に取り付けられた冷却器と、
前記冷却経路内に露出され、前記冷却経路の底面に設けられた複数のフィンと、
前記ヒートシンクの下面と前記複数のフィンとの間に設けられ、前記複数のフィンよりも柔らかい軟材とを備え、
前記ヒートシンクの下面と前記冷却経路の底面は互いに対向し、
前記複数のフィンは前記軟材を介して前記ヒートシンクの下面に押し付けられていることを特徴とする半導体装置。
前記軟材は前記複数のフィンの先端にそれぞれ個別に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面に設けられた半導体素子と、
冷却媒体が流れる冷却経路を有し、前記ヒートシンクの下面に取り付けられた冷却器と、
前記冷却経路内に露出され、前記ヒートシンクの下面に設けられた複数のフィンとを備え、
前記ヒートシンクの下面と前記冷却経路の底面は互いに対向し、
前記冷却経路の底面に複数の溝を有するディンプル構造が設けられ、
前記複数のフィンは前記複数の溝に差し込まれることを特徴とする半導体装置。
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面に設けられた半導体素子と、
冷却媒体が流れる冷却経路を有し、前記ヒートシンクの下面に取り付けられた冷却器と、
前記冷却経路内に露出され、前記冷却経路の底面に設けられた複数のフィンとを備え、
前記ヒートシンクの下面と前記冷却経路の底面は互いに対向し、
前記ヒートシンクの下面に複数の溝を有するディンプル構造が設けられ、
前記複数のフィンは前記複数の溝に差し込まれることを特徴とする半導体装置。
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面に設けられた半導体素子と、
冷却媒体が流れる冷却経路を有し、前記ヒートシンクの下面に取り付けられた冷却器と、
前記冷却経路内に露出され、前記ヒートシンクの下面に設けられた複数の第１フィンと、
前記冷却経路内に露出され、前記冷却経路の底面に設けられた複数の第２フィンとを備え、
前記ヒートシンクの下面と前記冷却経路の底面は互いに対向し、
前記複数の第２フィンは前記複数の第１フィンの隙間に配置されていることを特徴とする半導体装置。
前記複数のフィンは板状、波状、又は三角錐状であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体装置。
前記複数の第１及び第２フィンは板状、波状、又は三角錐状であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
前記ヒートシンクと前記冷却器はろう材により締結されていることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の半導体装置。