JP2019102646A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性能を向上しつつ放熱材の剥離や割れを抑制し得る技術を提供する。【解決手段】本明細書で開示する半導体装置２では、放熱材は、固体でありパワーカード２０とヒートシンク１４、１５の間に挟まれている。放熱材は、パワーカード２０やヒートシンク１４、１５に塗布されており、第１放熱材１６と第２放熱材１７を含んでいる。これらの放熱材１６、１７は、当初は流動体又は半流動体であり塗布後に固化する。放熱板２３、２４の他方の表面２３ｂ、２４ｂの中央部には第１放熱材１６が位置し、第１放熱材１６の周囲に第２放熱材１７が位置する。第１放熱材は、第１熱伝導率と第１強度を有している。第２放熱材は、第１熱伝導率よりも低い第２熱伝導率と、第１強度よりも高い第２強度の少なくとも一方を有している。【選択図】図４

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。

特許文献１に、半導体素子を備える半導体モジュールとこの半導体モジュールを冷却する冷却器とを交互に積層する半導体装置が開示されている。このような半導体装置では、典型的には、半導体モジュールと冷却器の間にグリスなどの放熱材を介在させている。

特開２０１７−１７２２９号公報

ところで、この種の半導体装置では、半導体モジュールが動作している間は半導体素子が発熱し、半導体モジュールの動作が停止すると半導体素子は発熱しなくなる。半導体モジュールの動作と停止が定期的に繰り返される場合には、半導体モジュールや冷却器の温度は、半導体素子の定期的な温度変化に伴って周期的に変動する。そのため、このような熱サイクルにより半導体モジュールと冷却器が膨張や収縮を繰り返すと、これらの間に介在する放熱材は、両者の膨張によって押し出されたり、収縮によって吸い込まれたりする場合がある。つまり、ポンピングやブリードアウトと称される現象が生じ得る。

放熱材に固体のものを採用すれば、ポンピングやブリードアウトなどの問題は生じなくなる。しかし、半導体モジュールと冷却器の夫々の材料が異なる場合には、両者の熱膨張率も異なる。そのため、このような場合には、両者の膨張量の差によって放熱材の一部分に局所的に応力が集中する可能性があることから、放熱材の当該部分が剥離したり割れたりする虞がある。本明細書は、放熱性能を向上しつつ放熱材の剥離や割れを抑制し得る技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体モジュール、冷却器及び放熱材を備えている。半導体モジュールは、半導体素子を樹脂製のパッケージで封止するとともに半導体素子の熱を放熱する放熱板の表面を外部に露出させている。冷却器は、パッケージの表面及び放熱板の表面に対向しており、半導体モジュールに押圧されている。放熱材は、半導体モジュールと冷却器の間に挟まれている。そして、この放熱材は、第１放熱材と第２放熱材を含んでいる。第１放熱材は、第１熱伝導率及び第１材料強度を有しており、放熱板の表面中央部に配置されている。第２放熱材は、第１放熱材の周囲に配置されている。第２放熱材は、第１熱伝導率よりも低い第２熱伝導率と、第１材料強度よりも高い第２材料強度の少なくとも一方を有している。なお、材料強度は、引張強度や圧縮強度などの指標によって定量的に評価される。

上記の構造により、放熱材は、中央部に第１放熱材（第１熱伝導率・第１材料強度）が位置し、第１放熱材の周囲に第２放熱材（第２熱伝導率・第２材料強度）が位置する。そのため、半導体モジュールと冷却器の熱膨張率が異なる場合において、両者の膨張量の差によって生じ得る応力が放熱材の周縁付近に集中しても、その影響を受け難い。その原理は、実施例にて説明する。本明細書が開示する半導体装置は、半導体モジュールの動作と停止の繰り返しによる熱サイクルにより半導体モジュールと冷却器が膨張や収縮を繰り返すことがあっても、固体の放熱材が剥離したり割れたりし難くなる。本明細書が開示する技術よって、放熱性能を向上しつつ放熱材の剥離や割れを抑制することが可能になる。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

実施例の半導体装置の斜視図である。 実施例の半導体装置を、前面カバーを取り外した状態で一端側から見た図である。 図２のIII−III線に沿った断面図である。 図２のIV−IV線に沿った断面図である。 パワーカードに放熱材を塗布する範囲を示す説明図である。（Ａ）は一方側の表面を示す図であり、（Ｂ）は、他方側の表面を示す図である。 半導体ユニットの製造工程を示す説明図である。 半導体ユニットの製造工程を示す説明図である（図６の続き）。 図４の一点鎖線VIII内の拡大図であり、熱収縮方向やひび割れ発生範囲などを示す説明図である。

図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。図１に、実施例の半導体装置２の斜視図を示す。図２に、実施例の半導体装置２から前面カバーを取り外した状態で当該半導体装置２をその一端側から見た図を示す。図３に、図２のIII−III線に沿った断面図を示す。図４に、図２のIV−IV線に沿った断面図を示す。以下、本明細書では、図１やその他の図に表す座標系のＸ、Ｙ、Ｚの各軸のことを、夫々単に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と表現する。

図１に示すように、半導体装置２は、冷媒供給管３、冷媒排出管４、前面カバー５、後面カバー６、複数の半導体ユニット１０などにより構成されている。本実施例では、半導体装置２は８つの半導体ユニット１０を有する。半導体装置２は、電気自動車のＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）のパワーカード２０を備えている（図２参照）。パワーカード２０は、例えば、ＰＣＵを構成する昇圧コンバータやインバータなどの電力変換装置に用いられる。本実施例では、パワーカード２０は、端子類を除いて、夫々の半導体ユニット１０内に封止されている。そのため、半導体ユニット１０から突出しているこれらの端子類（正極端子２７ａ、負極端子２７ｂ、中点端子２７ｃ及び信号端子２８）が外部から見える。

図２に示すように、半導体ユニット１０は、パワーカード２０及びヒートシンク１４、１５の周囲を覆うように樹脂で封止した樹脂モールド製品である。半導体ユニット１０は、扁平な平板形状を有している。本実施例では、半導体ユニット１０は、長手方向（Ｙ軸方向）の両側に流路穴１２を有し、またこれら２つの流路穴１２を連通可能な流路凹部１１ａを有する。なお、ヒートシンク１４の表側面１４ａのうち、放熱ピンフィン１４ｃが設けられている範囲は、樹脂封止されていない。そのため、当該流路凹部１１ａ内には、ヒートシンク１４の放熱ピンフィン１４ｃが露出している。図２には表されていないが、ヒートシンク１５の放熱ピンフィン１５ｃが設けられている範囲も樹脂封止されていないため、流路凹部１１ａ内では放熱ピンフィン１５ｃが露出している。

さらに半導体ユニット１０は、一端部１０ａ及び他端部１０ｂの周縁に環状封止リング７を保持可能な環状溝１３を有する。当該半導体ユニット１０の一端部１０ａと、他の半導体ユニット１０の他端部１０ｂとを連結させた場合に両者の環状溝１３内に環状封止リング７が収容されることにより、両端部１０ａ、１０ｂを液密に結合可能にしている。これにより、複数の半導体ユニット１０は、夫々の一端部１０ａや他端部１０ｂが互いに対向するように積層されることによって、これらの半導体ユニット１０が有する流路穴１２が連結されて内部に２本の冷媒流路、つまり分配路１２ａと集合路１２ｂが形成される。また、複数の半導体ユニット１０が有する流路凹部１１ａによって、分配路１２ａと集合路１２ｂが互いに連通する。さらに、流路凹部１１ａ内において、ヒートシンク１４の放熱ピンフィン１４ｃとヒートシンク１５の放熱ピンフィン１５ｃが対向する。

半導体装置２では、その積層方向（Ｘ軸方向）の一端部２ａに前面カバー５を備え、また反対側の他端部２ｂに後面カバー６を備えている（図１参照）。前面カバー５には、冷媒が供給される冷媒供給管３と、冷媒を排出する冷媒排出管４が夫々接続されている。これに対して、後面カバー６は、半導体装置２の積層方向（Ｘ軸方向）の他端部１０ｂにおいて流路穴１２などを塞いでいる。冷媒は、液体であり、典型的には、水又はＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。

なお、半導体装置２は、ケースなどに収容される際に積層方向（Ｘ軸方向）の一端側に、例えば板バネが挿入されて、積層方向（Ｘ軸方向）の両側から所定荷重が加えられる。また、冷媒は、冷媒供給管３よりも上流の冷媒管に接続されているリザーバタンクに貯留されると共にポンプにより半導体装置２に圧送され、冷媒排出管４よりも下流の冷媒管を介してリザーバタンクに戻る一巡の経路を循環している。ケース、板バネ、冷媒管、リザーバタンク及びポンプは図示されていない。

冷媒供給管３から半導体装置２内に流入した冷媒は、分配路１２ａから各流路凹部１１ａ内に流れ込むと、夫々の流路凹部１１ａ内で放熱ピンフィン１４ｃ、１５ｃに接触して熱交換をした後、集合路１２ｂに集められ冷媒排出管４から半導体装置２外に排出される。パワーカード２０が発した熱の大部分は半導体装置２を流れる冷媒により放熱される。

次にパワーカード２０の構成について説明する。パワーカード２０は、２つの半導体デバイス２２を樹脂パッケージ２１により樹脂封止している。本実施例では、前述のようにパワーカード２０の周囲を半導体ユニット１０の樹脂モールドが覆っている。

図３に示すように、本実施例では、樹脂パッケージ２１により封止された２つの半導体デバイス２２は、当該樹脂パッケージ２１の長手方向（Ｙ軸方向）に並んでいる。半導体デバイス２２は、典型的には、パワーデバイス（ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ）などの平板状の半導体チップ（半導体素子）である。半導体デバイス２２の両方の幅広面の夫々に、放熱板２３、２４が対向している。放熱板２３、２４は、半導体デバイス２２と熱的に結合している。放熱板２３、２４は、伝熱性の高い銅製である。半導体デバイス２２（半導体チップ）と放熱板２４の間に、スペーサブロック２５（例えば、銅製又はアルミニウム製）が挟まれている。

より具体的には、放熱板２３は、半導体デバイス２２よりも一回り大きい矩形状を有しており、２枚の放熱板２３の一方の表面２３ａに、２つの半導体デバイス２２の一方面側が夫々はんだ層２６を介して固定されている。半導体デバイス２２よりも僅かに小さい矩形状を有する２つのスペーサブロック２５の夫々に、半導体デバイス２２の他方面側がはんだ層２６を介して固定されている。

放熱板２４は、半導体デバイス２２を２つ平面方向に並べた大きさよりも一回り大きい長方形状を有している。放熱板２４の一方の表面２４ａには、２つのスペーサブロック２５の半導体デバイス２２が固定されていない側がはんだ層２６を介して固定されている。これにより、放熱板２３の一方の表面２３ａと放熱板２４の一方の表面２４ａとの間には、はんだ層２６を介在させて半導体デバイス２２とスペーサブロック２５が挟まれるように固定されている。はんだ層２６は電気的に導体である。そのため、放熱板２３、放熱板２４は、夫々半導体デバイス２２に対して電気的に導通可能に接続されている。

一方の放熱板２３は正極端子２７ａに電気的に接続され、また他方の放熱板２３は負極端子２７ｂに電気的に接続されている。また、放熱板２４は中点端子２７ｃに電気的に接続されている。さらに、半導体デバイス２２には、ボンディングワイヤ２９を介して信号端子２８にも接続されている。これらの大半は、樹脂パッケージ２１内に樹脂封止されている。すなわち、放熱板２３の他方の表面２３ｂ及び放熱板２４の他方の表面２４ｂと、正極端子２７ａ、負極端子２７ｂ、中点端子２７ｃ及び信号端子２８の夫々の先端側を除いて、樹脂パッケージ２１の中に封止されている。

放熱板２３の他方の表面２３ｂ及び放熱板２４の他方の表面２４ｂは、半導体デバイス２２の熱を放熱させるために樹脂パッケージ２１の表面に露出している。本実施例では、樹脂パッケージ２１の一方の表面２１ａには、２枚の放熱板２３の他方の表面２３ｂが夫々露出している。また、樹脂パッケージ２１の他方の表面２１ｂには、放熱板２４の他方の表面２４ｂが露出している。これらは、いずれも、半導体デバイス２２に対して電気的に導通可能に接続されている。

本実施例では、半導体ユニット１０は、パワーカード２０が発する熱、すなわち半導体デバイス２２の熱を、ヒートシンク１４、１５を用いて外部に放熱する構成を採る。すなわち、放熱板２３により伝達される熱はヒートシンク１４が外部に放熱し、放熱板２４により伝達される熱はヒートシンク１５が外部に放熱する。ヒートシンク１４、１５は、例えば、アルミニウム製である。また、ヒートシンク１４、１５は、表側面１４ａ、１５ａに微細円柱状（ピン状）の放熱ピンフィン１４ｃ、１５ｃを多数有し、反対側に平坦な裏側面１４ｂ、１５ｂを有する（図２−４参照）。

本実施例では、２枚の放熱板２３は、互いに異なる半導体デバイス２２に夫々電気的に接続されているため、両放熱板２３は電気的に絶縁する必要がある。また、積層状態において隣り合う両半導体ユニット１０は、それらのヒートシンク１４、１５が互いに対向すると共に放熱ピンフィン１４ｃ、１５ｃ同士が物理的に接触する可能性がある（図３、４参照）。隣り合う半導体ユニット１０の半導体デバイス２２同士が電気的に導通すると、故障などの原因になり得る。

このため、２枚の放熱板２３に対してヒートシンク１４の裏側面１４ｂを直接接触させるのではなく、放熱板２３とヒートシンク１４の間に絶縁性の放熱材１６、１７を介在させることにより、これら両者間を電気的に絶縁し且つ熱的に結合させている。また、放熱板２４に対してもヒートシンク１５を直接接触させるのではなく、放熱板２４とヒートシンク１５の間に絶縁タイプの放熱材１７を介在させてこれら両者間を電気的に絶縁し且つ熱的に結合させている。本実施例では、放熱材１６、１７は成分が異なり、特性も異なる。そのため、本明細書では、第１放熱材１６、第２放熱材１７と称する場合がある。なお、図３などにおいては、第１放熱材１６の部分を濃いグレーに着色し、また第２放熱材１７の部分を薄いグレーに着色している。

図５に、パワーカード２０に第１放熱材１６及び第２放熱材１７を塗布する範囲を表した説明図を示す（図面表現上の便宜から、正極端子２７ａ、負極端子２７ｂ、中点端子２７ｃ及び信号端子２８の図示を省略している）。同図の（Ａ）は、樹脂パッケージ２１の一方の表面２１ａを表した図であり、同図の（Ｂ）は、樹脂パッケージ２１の他方の表面２１ｂを表した図である。

第１放熱材１６は、高熱伝導率且つ低強度（又は高弾性）の熱硬化性樹脂である。例えば、エポキシ系の材料を主成分とする電気的な絶縁特性が良好な放熱材料からなり、高熱伝導のフィラー（例えば、窒化ホウ素、アルミナなど）が添加されている。一方、第２放熱材１７は、低熱伝導率且つ高強度（又は低弾性）の熱硬化性樹脂である。例えば、エポキシ系、シリコン系又はアミド系の材料を主成分とする電気的な絶縁特性が良好な放熱材料からなり、第１放熱材１６よりも熱伝導率が低いフィラーが添加されている（フィラーが添加されていない場合もある）。

第２放熱材１７の熱伝導率（第２熱伝導率）は、第１放熱材１６の熱伝導率（第１熱伝導率）よりも低い。第１放熱材１６及び第２放熱材１７は、いずれも塗布前においてはゲル状の半流動体（又は液状の流動体）であり、塗布後に乾燥させることで固化する。つまり、乾燥後は固体になる。

第１放熱材１６の材料強度（第１材料強度）は、例えば、乾燥後の厚さが０．２ｍｍの場合には、ヤング率１０ＧＰａ以上、引張強度１ＭＰａ程度である。また、第１放熱材１６の線膨張係数は、１０×１０^-6／℃−３０×１０^-6／℃である。これに対して、第２放熱材１７の材料強度（第２材料強度）は、例えば、乾燥後の厚さが０．２５ｍｍ以上の場合には、ヤング率１ＧＰａ−１０ＧＰａ、引張強度５ＭＰａ以上である。また、第２放熱材１７は、放熱板２３、２４の線膨張係数に近い値の線膨張係数を有する。本実施例では、放熱板２３、２４は、銅製であることから、銅の線膨張係数である１７×１０^-6／℃程度に近い値（例えば、１６×１０^-6／℃−１８×１０^-6／℃）になるように第２放熱材１７の主成分や副成分が選択されている。

なお、第１放熱材１６は、後述するように、ヒートシンク１４、１５にも塗布される。そのため、ヒートシンク１４、１５に塗布する第１放熱材１６については、その線膨張係数をヒートシンク１４、１５の線膨張係数に近い値に設定してもよい。すなわち、本実施例では、ヒートシンク１４、１５は、アルミニウム製であることから、アルミニウムの線膨張係数である２３×１０^-6／℃程度に近い値（例えば、２０×１０^-6／℃−２５×１０^-6／℃）になるように、当該第１放熱材１６の主成分や副成分を選択してもよい。

図５（Ａ）に示すように、本実施例では、樹脂パッケージ２１の一方の表面２１ａにおいては、放熱板２３の他方の表面２３ｂ上であって半導体デバイス２２を中心とした矩形の範囲に、第１放熱材１６が塗布（配置）される（同図に示す濃いグレーに着色された部分）。第１放熱材１６は、例えば、乾燥後の厚さが０．２ｍｍになるように平坦に塗布される。また、第２放熱材１７は、第１放熱材１６が塗布された範囲の外側（樹脂パッケージ２１の周囲側）から放熱板２３の周縁部を超えるまでの範囲に塗布（配置）される（同図に示す薄いグレーに着色された部分）。第２放熱材１７は、例えば、乾燥後の厚さが０．２５ｍｍ以上になるように平坦に塗布される。第２放熱材１７は、第１放熱材１６よりも厚さが厚く（大きく）なるように塗布される。

また、樹脂パッケージ２１の他方の表面２１ｂにおいては、図５（Ｂ）に示すように、放熱板２４の他方の表面２４ｂ上であって半導体デバイス２２を中心とした矩形の範囲に、第１放熱材１６が塗布（配置）される（同図に示す濃いグレーに着色された部分）。第１放熱材１６は、例えば、乾燥後の厚さが０．２ｍｍになるように平坦に塗布される。また、第２放熱材１７は、第１放熱材１６が塗布された範囲の外側（樹脂パッケージ２１の周囲側）から放熱板２４の周縁部を超えるまでの範囲に塗布（配置）される（同図に示す薄いグレーに着色された部分）。第２放熱材１７は、例えば、乾燥後の厚さが０．２５ｍｍ以上になるように平坦に塗布される。第２放熱材１７は、第１放熱材１６よりも厚さが厚く（大きく）なるように塗布される。

第２放熱材１７の塗布範囲が、樹脂パッケージ２１の表面２１ａ、２１ｂにおいて、放熱板２３、２４の周縁部付近（周縁部を超える範囲を含む）まで及ぶものであれば、第１放熱材１６上を避ける必要はなく、第１放熱材１６の上に第２放熱材１７を重ねて塗布してもよい。これにより、例えば、第２放熱材１７の塗布工程において、第１放熱材１６上を覆うマスキング部材を用いる必要がなくなる。ここからは、図６、７も参照しながら説明する。図６、７に、半導体ユニット１０の製造工程を表した説明図を示す。図６において、（Ａ−２）は、（Ａ−１）に示すＡ−２線に沿った断面図であり、（Ｂ−２）は、（Ｂ−１）に示すＢ−２線に沿った断面図である。

本実施例では、まず放熱板２３、２４の中央部を中心に樹脂パッケージ２１の両表面２１ａ、２１ｂに熱伝導率が高い第１放熱材１６を塗布する（図６（Ａ−１）、（Ａ−２）参照）。塗布は、例えば、不図示のディスペンサなどで行われる。そして、第１放熱材１６が塗布されたパワーカード２０を熱風乾燥炉（不図示）などに投入して第１放熱材１６を乾燥させる。

次に、熱伝導率が低い第２放熱材１７を塗布する。第２放熱材１７の塗布範囲は、第１放熱材１６を塗布した周囲を含めて樹脂パッケージ２１の両表面２１ａ、２１ｂにおいて、放熱板２３、２４の周縁部付近（周縁部を超える範囲を含む）までである（図６（Ｂ−１）、（Ｂ−２）参照）。本実施例では、既に第１放熱材１６が塗布されている範囲には、第２放熱材１７が重ねて塗布される。第２放熱材１７の塗布厚さは、第１放熱材１６よりも厚い。この後、第２放熱材１７が塗布されたパワーカード２０を熱風乾燥炉（不図示）などに投入して第２放熱材１７を乾燥させる。

乾燥後の第１放熱材１６及び第２放熱材１７は、ゲル状程度の柔らかさを有する。そのため、真空環境下において、樹脂パッケージ２１の両側、つまり両塗布面を不図示の加圧機により加圧する。これにより、第１放熱材１６内や第２放熱材１７内に存在するボイド（気泡）が外部に押し出されて除去される。

本実施例では、ヒートシンク１４、１５においても第１放熱材１６が塗布される（図７（Ｃ）参照）。図示されていないが、例えば、図５に示す樹脂パッケージ２１の外形をヒートシンク１４、１５の外形と仮定した場合の第２放熱材１７が塗布されている範囲に、第１放熱材１６が塗布される。つまり、ヒートシンク１４、１５の裏側面１４ｂ、１５ｂの周囲近くまで、ほぼ全面に第１放熱材１６が塗布される。第１放熱材１６が塗布されたヒートシンク１４、１５を熱風乾燥炉などに投入して第１放熱材１６を乾燥させる。

このように第１放熱材１６及び第２放熱材１７が塗布されたパワーカード２０と、第１放熱材１６が塗布されたヒートシンク１４、１５とを接合させる。すなわち、樹脂パッケージ２１の一方の表面２１ａに、第１放熱材１６を塗布済みのヒートシンク１４を載置する。また、樹脂パッケージ２１の他方の表面２１ｂに、第１放熱材１６を塗布済みのヒートシンク１５を載置する。そして、ヒートシンク１４の表側面１４ａ側（放熱ピンフィン１４ｃ）に加圧機５０の上側加圧プレート５０ａを加圧し、またヒートシンク１５の表側面１５ａ側（放熱ピンフィン１５ｃ）を加圧機５０の下側加圧プレート５０ｂで加圧する（図７（Ｄ）参照）。これにより、パワーカード２０とヒートシンク１４、１５が第１放熱材１６及び第２放熱材１７を介して接合される（図７（Ｅ）参照）。

ヒートシンク１４、１５が接合されたパワーカード２０を不図示のパッケージ用の金型内にセットした後、熱硬化性樹脂を当該金型内に注入し、プレキュア及びアフターキュア（ポストキュア）などの熱硬化工程を経ることにより、樹脂モールド１１が形成されて半導体ユニット１０が完成する（図７（Ｆ）参照）。

ここで図８を参照して、線膨張係数などが異なる第１放熱材１６及び第２放熱材１７をパワーカード２０とヒートシンク１４、１５の間に介在させたことによる本実施例の効果を説明する。図８に、図４の一点鎖線VIII内の拡大図であり、熱収縮方向やひび割れ発生範囲など表した説明図を示す。

前述した樹脂モールド１１の熱硬化工程では、第１放熱材１６及び第２放熱材１７によりヒートシンク１４、１５を接合した状態のパワーカード２０（図７（Ｅ）参照）が、例えば、プレキュア時に約１８０℃の高温に晒されたり、一旦、常温まで冷却された後、アフターキュア時に、再度、約１８０℃の高温に晒されたりする。また、パワーカード２０の稼働中においては、スイッチング動作時とスイッチング停止時の間は温度差１００℃以上の熱サイクルの環境下に置かれる。そのため、放熱材１６、１７の周囲に配置されている、樹脂モールド１１、ヒートシンク１４、１５、放熱板２３、２４は、例えば、図８（Ａ）に示す矢印方向に収縮する場合がある。

例えば、樹脂モールド１１などの線膨張係数が次の通りである場合には、ヒートシンク１４、１５がＺ軸先端方向に大きく収縮するのに対して、放熱板２３、２４はＹ軸根元方向に小さく収縮する。なお、図８（Ａ）に示す矢印は、矢印の方向が収縮方向を表しており、矢印の太さ、大きさや長さが収縮量の大小を表している。ヒートシンク１４、１５の線膨張係数（２４×１０^-6／℃）と放熱板２３、２４の線膨張係数（１８×１０^-6／℃）との差が大きいために放熱板２３、２４の角部付近（破線円内）に位置する放熱材１６、１７に大きな歪みが発生し得る。

樹脂パッケージ１１： １５×１０^-6／℃
樹脂モールド２１： １４×１０^-6／℃
ヒートシンク１４、１５： ２４×１０^-6／℃
放熱板２３、２４： １８×１０^-6／℃

すなわち、図８（Ｂ）に示すように、放熱板２３、２４の収縮に伴って放熱材１６、１７がＸ軸根元方向に放熱板２３、２４によって引っ張り込まれる（矢印Ｐａ）。これに対して、ヒートシンク１４、１５のＸ軸先端方向に位置する樹脂モールド１１の一部により、放熱材１６、１７がＸ軸先端方向に引っ張られる（矢印Ｐｂ）。これら２方向の応力が釣り合った状態が維持される（両矢印Ｓ）。樹脂パッケージ２１は、線膨張係数が小さいことから収縮量が小さい。そのため、放熱板２３、２４の角部付近（破線円内）に位置する放熱材１６、１７に放熱板２３、２４からの応力が加わり易い。

その結果、本実施例の放熱材１６、１７でない場合においては、放熱板２３、２４の角部付近（破線円内）において、放熱材の剥離やひび割れが生じ得る。熱伝導率を高くするために高熱伝導のフィラーを添加している放熱材の場合には、当該放熱材料の硬度が増加することから、高い応力が発生したり接合強度や母材強度が低下したりする。そのため、このような剥離やひび割れが生じ易い。つまり、熱伝導率を向上させることと接合強度や母材強度を向上させることは両立させ難い。

そこで、本実施例では、上述したように、高熱伝導率且つ低強度（又は高弾性）の第１放熱材１６を放熱板２３、２４の表面２３ｂ、２４ｂの中央部に配置し、低熱伝導率且つ高強度（又は低弾性）の第２放熱材１７を放熱板２３、２４の周囲（放熱板２３、２４において応力が高くなる範囲）に配置している。これにより、放熱板２３、２４の周縁部付近に位置する第２放熱材１７は、低弾性であることから、第２放熱材１７に発生する応力は小さくなる。また、第２放熱材１７は、高強度であることから、ひび割れが生じ難くなる。したがって、放熱性能の向上と剥離及びひび割れの防止の両立を可能にしている。

また、放熱板２３、２４の表面２３ｂ、２４ｂの中央部は、熱源である半導体デバイス２２に近いことから、当該中央部は高温である一方で、放熱板２３、２４の周縁部（端部）付近は当該中央部よりも温度が低い（低温）。そのため、放熱板２３、２４の当該中央部には、高熱伝導率の第１放熱材１６を配置しているので、放熱板２３、２４の当該中央部（高温領域）の放熱は第１放熱材１６により促進され易い。

以上のとおり、本実施例の半導体装置２では、放熱材１６、１７は、固体であり、パワーカード２０とヒートシンク１４、１５の間に挟まれている。この放熱材１６、１７は、パワーカード２０又はヒートシンク１４、１５の少なくとも一方に塗布されており、第１放熱材１６と第２放熱材１７を含んでいる。第１放熱材１６は、第１熱伝導率及び第１材料強度を有しており、放熱板２３、２４の他方の表面２３ｂ、２４ｂの中央部とその周囲に配置されている。また、第２放熱材１７は、第１熱伝導率よりも低い第２熱伝導率及び第１材料強度よりも高い第２材料強度を有しており、第１放熱材の周囲に配置されている。第１放熱材１６及び第２放熱材１７は、当初は流動体又は半流動体であり、塗布後に固体化する。

これにより、ヒートスポットになる放熱板２３、２４の中央部に第１放熱材１６が位置し、この第１放熱材１６の周囲に第２放熱材１７が位置する。そのため、パワーカード２０とヒートシンク１４、１５の熱膨張率が異なる場合において、両者の膨張量の差によって生じ得る応力が放熱板２３、２４の周縁部付近に集中しても、その影響を受け難くし得る。したがって、パワーカード２０の動作と停止の繰り返しによる熱サイクルによりパワーカード２０とヒートシンク１４、１５が膨張や収縮を繰り返すことがあっても、固体の放熱材１６、１７が剥離したり割れたりし難くなる。よって、放熱性能を向上しつつ放熱材１６、１７の剥離や割れを抑制することが可能になる。また、ひび割れなどが生じ難くなることから、放熱材のひび割れ部分にできる空間内での電界集中に起因したコロナ放電の発生も抑制することが可能になる。またこのようなコロナ放電の発生による放熱材の炭化も防ぐため、絶縁破壊に至る虞も低くする。

本実施例では、ヒートスポットである放熱板２３、２４の中央部に第１放熱材１６を塗布する場合を例示して説明したが、第１放熱材１６に代えて、絶縁シートを貼付してもよい。絶縁シートは、例えば、エポキシ系の材質であり、厚さが０．２ｍｍ程度のものを用いる。また、材料強度が、ヤング率１０ＧＰａ以上、引張強度１ＭＰａ程度であり、線膨張係数が１０×１０^-6／℃−３０×１０^-6／℃のものを選択する。

また、本実施例では、ヒートシンク１４、１５の裏側面１４ｂ、１５ｂにも、第１放熱材１６を塗布する場合を例示して説明したが、第１放熱材１６に代えて、絶縁シートを貼付してもよい。絶縁シートは、例えば、エポキシ系の材質であり、厚さが０．２ｍｍ程度のものを用いる。また絶縁シートの材料強度は、ヤング率１０ＧＰａ以上、引張強度１ＭＰａ程度であり、線膨張係数がヒートシンク１４、１５の線膨張係数に近い値のものにする。ヒートシンク１４、１５がアルミニウム製である場合には、アルミニウムの線膨張係数である２３×１０^-6／℃程度に近い値（例えば、２０×１０^-6／℃−２５×１０^-6／℃）のものを選択する。

また、本実施例では、既に第１放熱材１６が塗布されている範囲にさらに第２放熱材１７を重ねて塗布する場合を例示して説明したが、第２放熱材１７の塗布範囲が樹脂パッケージ２１の表面２１ａ、２１ｂにおいて放熱板２３、２４の周縁部付近まで及ぶものであれば、第１放熱材１６が塗布されている範囲を除いて第２放熱材１７を塗布してもよい。また、第２放熱材１７の塗布厚さは、第１放熱材１６と同等でもよい。

また、本実施例では、第１放熱材１６及び第２放熱材１７を樹脂パッケージ２１の表面２１ａ、２１ｂに塗布する場合を例示して説明したが、これ加えて、ヒートシンク１４、１５の裏側面１４ｂ、１５ｂに第１放熱材１６及び第２放熱材１７を塗布してもよい。

実施例技術に関する留意点を述べる。実施例のパワーカード２０では、第１放熱材１６は第１熱伝導率と第１材料強度を有しており、第２放熱材１７は第２熱伝導率と第２材料強度を有している。そして、第２熱伝導率は第１熱伝導率よりも低く、かつ、第２材料強度は第１材料強度よりも高い。第２熱伝導率が第１熱伝導率よりも低く、かつ、第２材料強度が第１材料強度よりも高いことが最も望ましいが、第２放熱材は、第１熱伝導率よりも低い第２熱伝導率と、第１材料強度よりも高い第２材料強度のいずれか一方を有していれば、前述した効果が得られる。即ち、第２放熱材は、第１熱伝導率よりも低い第２熱伝導率と、第１材料強度よりも低い材料強度を有していてもよい。あるいは、第２放熱材は、第１熱伝導率よりも高い熱伝導率と、第１材料強度よりも高い第２材料強度を有していてもよい。

ヒートシンク１４、１５が冷却器の一例に相当する。パワーカード２０が半導体モジュールの一例に相当する。樹脂パッケージ２１が樹脂パッケージの一例に相当する。一方の表面２１ａ及び他方の表面２１ｂが「樹脂パッケージの表面」の一例に相当する。半導体デバイス２２が半導体素子の一例に相当する。他方の表面２３ｂ、２４ｂが「放熱板の表面」の一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：半導体装置
３：冷媒供給管
４：冷媒排出管
５：前面カバー
６：後面カバー
１０：半導体ユニット
１１：樹脂モールド
１２：流路穴
１４、１５：ヒートシンク
１６：第１放熱材
１７：第２放熱材
２０：パワーカード
２１：樹脂パッケージ
２２：半導体デバイス
２３、２４：放熱板
２３ａ、２４ａ：一方の表面
２３ｂ、２４ｂ：他方の表面
５０：加圧機

Claims (1)

1. 半導体素子を樹脂製のパッケージで封止するとともに前記半導体素子の熱を放熱する放熱板の表面が外部に露出している半導体モジュールと、
   前記パッケージの表面及び前記放熱板の表面に対向しており、前記半導体モジュールに押圧されている冷却器と、
   前記半導体モジュールと前記冷却器の間に挟まれている放熱材と、を備えており、
   前記放熱材は、
   第１熱伝導率及び第１材料強度を有しており、前記放熱板の表面中央部に配置される第１放熱材と、
   前記第１放熱材の周囲に配置される第２放熱材と、
   を含んでおり、
   前記第２放熱材は、前記第１熱伝導率よりも低い第２熱伝導率と、前記第１材料強度よりも高い第２材料強度の少なくとも一方を有している、半導体装置。