JP5253161B2 - 熱抵抗体ならびにこれを用いた半導体装置および電気装置 - Google Patents
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Description
図1は本発明の実施の形態1による半導体装置を示す概略断面図である。金属製の放熱基板(ヒートスプレッダ)1上に、銅がパターニングされた絶縁基板(DBC基板:Direct Bond Copper基板)2、半導体素子4、インターポーザ6、熱抵抗体8-1、押し当て部材7を積み重ねて積層体を形成させ、これを耐熱樹脂(PPS)で作製した筐体カバー5で覆い、ネジ9で筐体カバー5を放熱基板1に締め付け固定して、半導体素子4を含む積層体全体が圧接されている。放熱基板1と筐体カバー5とは共同して電気装置の発熱素子である半導体素子4を囲む筐体15を構成している。押し当て部材7は低コスト化のために耐熱ゴムを用いており、耐熱ゴムは弾性を有するために押圧バネの機能も果たしている。絶縁基板2およびインターポーザ6上に形成された銅パターン(図示してない)は、筐体15を貫通して延びた電極3-1、3-2と接合もしくは圧接されており、半導体素子4への電圧印可、通電はこれらの電極3-1、3-2を通じて行っている。電極3−1は絶縁基板2上の銅パターンを経由することで、温度を筐体耐熱温度以下に低減させている。
・半導体素子温度300℃、外気温度50℃
・押し当て材(耐熱性ゴム:信越化学KE-1833)0.005m、熱伝導率0.20W/mK
・筐体厚み(PPS樹脂)0.01m、熱伝導率0.20W/mK
・押し当て材の耐熱温度230℃、筐体の耐熱温度200℃(押し当て材は筐体より耐熱温度が高く、断熱材としての機能も有する)
・筐体〜外気の熱伝達率15W/m2K
・議論の簡略化のため半導体素子と接続されているインターポーザは半導体素子と同じ温度300℃になっており、耐熱性ゴム、熱抵抗体、インターポーザの伝熱面積Sは等しいとする。
・Rtot=R1+R2+R3+R4
・ΔQ×Rtot=250K(=300−50)
・R4×ΔQ=70K(=300−230)
R1:筐体−外気間熱抵抗0.067(=1/15)×1/S
R2:筐体厚み分の熱抵抗0.050(=0.01/0.20)×1/S
R3:押し当て材の熱抵抗0.025(=0.005/0.20)×1/S
従って、熱抵抗体の熱透過率(=1/(R4×S))は18.2W/m2K以下にすることで、耐熱ゴム耐熱温度230℃、筐体耐熱温度200℃以下を満足することができる(ΔQ=1271W/m2×Sとなる)。
ΔT=ΔQ×Δl/(k×S)=ΔQ×R、
熱透過率hを有する物質間界面の温度上昇値
ΔT=ΔQ/(h×S)=ΔQ×R
の関係式を用いている。
・折り曲げ間隔: 2mmピッチ
・接触部の領域: 0.1×0.1mm2
・空気層厚さ(=接触部の高さ):0.1mm
・金属板厚さ: 0.3mm
・空気熱伝導率: 0.023W/mK
・金属板の熱伝導率(銅を想定):400W/mK
・金属板接触部の熱伝達率:4000W/m2K(Int.J.Heat Transf er 41(1998)3475参照)
・have=1/(Rave×0.002×0.002)
・Rave=1/(1/R5+1/R6)=1044
・R5=0.0001/(0.023×(0.002×0.002−0.0001×0. 0001))=1090
・R6=1/(4000×0.0001×0.0001)=25000
Rave:金属板間の平均接触熱抵抗
R5: 金属板間の空気層熱抵抗
T6: 金属板間の接触部熱抵抗
次に、図7に示す熱抵抗体を用いた実施例に関連して、図1に示す半導体装置において、熱抵抗体8−1および8−2に押し当て材としての機能を付加した構造に関して考察する。金属板16の厚みを1mmに増やして、同様に回転させて交互に積層すると、厚みが1mmの場合、加圧しても、金属板16は塑性変形が起こって図4bに示すような平坦になることがなく、熱抵抗体8−1および8−2は板バネとしての機能を有する。すなわち、金属板16の各々は図7に示す状態となって、折り目を持っていて厚さが比較的厚く板バネ状であるので、金属板16を重ね合わせた積層体も全体として積層方向に弾性を有している。
・金属板厚さ: 1mm
・間隔: 5mmピッチ
・接触部の面積:0.3×0.3mm2
・空気層厚さ: 0.3mm
・空気熱伝導率、真の接触部熱伝達率は金属板の計算と同様とする。
・hsp=1/(Rsp×0.005×0.005)
・Rsp=1/(1/R7+1/R8)=441
・R8=0.003/(0.023×(0.005×0.005−0.0003×0.0 003))=524
・R9=1/(4000×0.0003×0.0003)=2778
Rsp:平均接触熱抵抗
R7: 接触部の空気層熱抵抗
R8: 実際に接触している領域の接触熱抵抗
・R2tot=R11+R12+R14
・ΔQ2×R2tot=250K(=300−50)
・R14×ΔQ2=100K(=300−200)
R11:筐体カバー−外気間熱抵抗0.067(=1/15)×1/S
R12:筐体カバー厚み分の熱抵抗0.050(=0.01/0.20)×1/S
R14:熱抵抗体の熱抵抗
図8に示す本発明の実施形態では、熱抵抗体が銅であるので、熱抵抗体自体を良電気伝導体でありながら金属単体と較べて高い熱抵抗を有する電極として用いている。ここでは、半導体素子4上に、インターポーザ6、熱抵抗体8-1、電極3-2、押し当て部材7を順に重ねて積層体を構成し、この積層体を筐体カバー5で覆っている。また、絶縁基板2上の銅パターンに、熱抵抗体8−3、電極3-1、押し当て部材7を順に重ねて積層体を構成し、この積層体を筐体カバー5で覆っている。電極3−1および3−2は半導体装置の外部でコンデンサ、ゲートドライバの電極端子(図示してない)と接合される。また、半導体素子4と放熱基板1上の電極3-1との間にも、同様の熱抵抗体8-1が挿入されている。電極3−1および3−2は半導体装置の外部でコンデンサ、ゲートドライバの電極端子(図示してない)と接合される。ここで、電極3−1および3−2と半導体素子4との間に熱抵抗体8−1および8−2が挿入されているので、半導体装置の電極温度が従来構造の電極温度よりも低くなる。その結果、半導体素子4からコンデンサ、ゲートドライバ(図示してない)への熱の流入が抑制できる。特に、ゲート電極は大量の電流が流れないので、金属板、金属バネ間の接触電気抵抗が高くなっても、適用可能である。
当然のことながら、上記導電性を有する熱抵抗体を半導体装置内の発熱電気素子に接続された電極と、コンデンサもしくはゲートドライバ等の電気装置間に熱抵抗体を挿入することで、同様の効果が得られる。この場合、導電性を有する熱抵抗体は半導体装置の外部に取り付けられていることになり、電気装置全体としての信頼性向上,低コスト化が可能になる。なお、熱抵抗体は、半導体装置の電極と電気装置を繋ぐ導体間に挿入しても、導体と電気装置間に挿入しても、導体を複数に分けてその間に挿入しても良い。
図11は接続導体である銅板102において電極1010との接触部が、熱抵抗体構造(例えば表面に複数の凹凸などを持ち、接触面に部分的に接触して間に空隙を形成するような構造)になっている場合の一実施例である。図では、銅板102のみが熱抵抗体8となっているが、電極1010のみ、あるいは銅板102と電極1010の両方が熱抵抗体構造になっていても、銅板102の温度を低減させる効果がある。なお、図では銅板102において電極1010との接触部のみが熱抵抗体構造となっているが、銅板102全体を熱抵抗体構造にしても良い。
銅板幅 : 0.020m
銅板厚さ: 0.001m
銅体積抵抗率:2.55E−8Ωm
外気温度: 50℃
電極温度: 200℃
電流: 100A
空気熱伝達率:10W/m2K(自冷)、30W/m2K(送風時)
銅板電気抵抗:0.00038Ω=2.55E−8Ωm×0.30m/(0.001m×0.020m)
面接触部熱抵抗:0.13K/W(図7、120℃・・内挿値)
熱抵抗体1枚の接触部熱抵抗:1.04K/W(図7、120℃)
面接触部電気抵抗:0.000049Ω(図7、120℃・・内挿値)
熱抵抗体電気抵抗:0.000016Ω(図7、120℃)
なお、本発明における熱抵抗体の具体的構造は様々な変形が可能であり、例えば図17に示すように熱抵抗体20を金属板21の表面に部分的にめっき層22を施して凹凸を形成したものとすることができる。このめっき層22の形状は、図示のような互いに平行な長い線状のものでも、あるいは点状のものでもよく、接続すべき部材の接触面に部分的に接触して間に空隙を形成するような形状であれば良い。まためっき層22の材質は、金属板21と同じ材料でも良いし、金属板21と異なる金属材料でもよい。また図17に示すように金属板21の片面だけに設けても良いし、両面に設けても良い。更にめっき層22を持つ金属板21を一枚だけ用いても良いし、この金属板21を複数枚重ねて積層体とすることもできる。
図18に示す熱抵抗体23は、金属板21の表面に導線24をろう付け25や半田付けなどにより接合したものである。また、図示はしてないが、金属板21に微小な銅ボール等を乗せてロウ付けする、あるいはコイルバネを複数個重ねる等様々な作成方法が考えられ、またこれらを組み合わせることもできる。
図19に示す熱抵抗体26は、金属板21の表面に加工処理をして凹凸27を形成したものである。加工処理は、エッチング処理、金属板を凹凸の窪み有するプレス金型で塑性変形させる、金属板の打ち抜きで突起あるいは凹凸を作製する、研磨により金属板に凹凸を形成する等の様々な加工方法が採用できる。
図20に示す熱抵抗体28は、これまで説明したもののような金属板21を持たず、単に平行に並べた2本以上の銅線29を交差するように回転させて重ね合わせて、互いの接触部が点となるようにして接続すべき2つの部材の間に挿入するものである。
Claims (11)
- 外部の部品に電気的に接続される接続部を有する半導体装置において、
上記接続部に、接触面に部分的に接触して間に空気層としての空隙を形成するように構成された、全体として導電性の熱抵抗体を有し、
上記熱抵抗体は、互いに部分的に接触して間に空気層としての空隙を形成するように積層した複数の金属体の積層体であることを特徴とする半導体装置。 - 上記金属体は、表面に複数の凹凸又は複数の折り目を有する金属板であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 上記複数の折り目を有する上記金属板は、上記折り目が互いに交差して上記折り目の山同士が接触するように重ね合わされていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 上記複数の折り目を有する上記金属板は、上記空隙が上記金属板の弾性変形を許容することにより、上記金属板が接触面に重なる方向に弾性を有することを特徴とする請求項2または請求項3に記載の半導体装置。
- 上記金属体は、表面に上記金属体と異なる金属が成膜されていることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 半導体装置と、この半導体装置に電気的に接続される部品と、両者を電気的に接続する導電性を有する導電性部品とを備えた電気装置において、
上記半導体装置と上記導電性部品との間または上記導電性部品と上記半導体装置に電気接続される部品との間に挿入され、接触面に部分的に接触して間に空気層としての空隙を形成するように構成された、全体として導電性の熱抵抗体を備え、
上記熱抵抗体は、互いに部分的に接触して間に空気層としての空隙を形成するように積層した複数の金属体の積層体であることを特徴とする電気装置。 - 上記金属体は、表面に複数の凹凸又は複数の折り目を有する金属板であることを特徴とする請求項6に記載の電気装置。
- 上記複数の折り目を有する上記金属板は、上記折り目が互いに交差して上記折り目の山同士が接触するように重ね合わされていることを特徴とする請求項7に記載の電気装置。
- 上記複数の折り目を有する上記金属板は、上記空隙が上記金属板の弾性変形を許容することにより、上記金属体が接触面に重なる方向に弾性を有することを特徴とする請求項7または請求項8に記載の電気装置。
- 上記金属体は、表面に上記金属体と異なる金属が成膜されていることを特徴とする請求項6〜請求項9のいずれか一項に記載の電気装置。
- 上記導電性部品が上記熱抵抗体を挟んでネジにより上記半導体装置に取り付けられていることを特徴とする請求項6〜請求項10のいずれか一項に記載の電気装置。
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