JP6361597B2

JP6361597B2 - 半導体装置

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Publication number: JP6361597B2
Application number: JP2015133784A
Authority: JP
Inventors: 昌孝出口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2018-07-25
Anticipated expiration: 2035-07-02
Also published as: JP2017017228A

Description

本発明は、半導体装置に関する。特に、半導体素子を収容したパワーカードにグリスが塗布された半導体装置に関する。

特許文献１には、半導体素子を含む半導体モジュールと冷却器とが絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置が開示されている。半導体モジュールは、絶縁部材と対向する放熱板を備える。放熱板と絶縁部材とは間には、グリスが介在されている。

特開２００７−１６５６２０号公報

グリスには、放熱性を向上させるために、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等のフィラーが含有されている。グリスが塗布されている放熱板は、フィラーに接触することによって、摩耗する場合がある。

本明細書は、グリスが塗布されている放熱板がフィラーによって摩耗することを抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、半導体素子を収容したパワーカードと冷却器とが絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置に関する。半導体装置では、パワーカードは、絶縁部材と対向する放熱板を有している。放熱板と絶縁部材との間には、グリスが塗布されている。放熱板のグリスが塗布されている面は、グリスに含有されるフィラーよりもビッカース硬度が高い材料で被覆されている。

この構成によれば、放熱板の表面にはフィラーよりもビッカース硬度が高い被膜が配置されているため、フィラーによって放熱板が摩耗することを抑制することができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の半導体装置の斜視図である。図１の座標系におけるＸＹ平面でカットした半導体装置の断面図である。放熱板の拡大断面図である。

図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。図１は、半導体装置２の斜視図である。半導体装置２は、電気自動車（例えばハイブリッド自動車）の駆動系のインバータに用いられている。半導体装置２は、複数のパワーカード１０と複数の冷却器３が積層されたユニットである。なお、図１では、一つのパワーカードだけに符号１０を付し、他のパワーカードには符号を省略している。同様に、図１では、一つの冷却器だけに符号３を付し、他の冷却器には符号を省略している。また、半導体装置２の全体が見えるように、半導体装置２を収容するケース３１は仮想線で描いてある。１個のパワーカード１０は、２個の冷却器３に挟まれる。パワーカード１０と一方の冷却器３との間には絶縁板６ａが挟まれており、パワーカード１０と他方の冷却器３との間には絶縁板６ｂが挟まれている。パワーカード１０と絶縁板６ａ、６ｂの間には、グリス２０ａ、２０ｂ（図２参照）が塗布される。絶縁板６ａ、６ｂと冷却器３の間にはグリス９、９（図２参照）が塗布される。図１ではグリスの図示は省略している。また、図１は、理解し易いように、１個のパワーカード１０と絶縁板６ａ、６ｂを半導体装置２から抜き出して描いてある。

一つのパワーカード１０には４個の半導体素子が収容されている。４個の半導体素子は、具体的には、２個のトランジスタＴａ、Ｔｂと、２個のダイオードＤａ、Ｄｂである。冷却器３を通る冷媒により、半導体素子が冷却される。冷媒は液体であり、典型的には水である。

パワーカード１０と冷却器３は、共に平板型であり、複数の側面のうち最大面積の平坦面が対向するように積層されている。パワーカード１０と冷却器３は交互に積層されており、ユニットの積層方向の両端には冷却器３が位置している。複数の冷却器３は、連結パイプ５ａ、５ｂで連結されている。ユニットの積層方向の一端に位置する冷却器３には、冷媒供給管４ａと冷媒排出管４ｂが連結されている。冷媒供給管４ａを通じて供給される冷媒は、連結パイプ５ａを通じて全ての冷却器３に分配される。冷媒は各冷却器３を通る間に隣接するパワーカード１０から熱を吸収する。各冷却器３を通った冷媒は連結パイプ５ｂを通り、冷媒排出管４ｂから排出される。

半導体装置２はケース３１に収容される際、ユニットの積層方向の他端側に板バネ３２が挿入される。その板バネ３２により、パワーカード１０と絶縁板６ａ、６ｂと冷却器３の積層されたユニットには、積層方向の両側から荷重が加えられる。その荷重は、例えば３［ｋＮ］である。絶縁板６ａ、６ｂとパワーカード１０の間にはグリス２０ａ、２０ｂが塗布されている。３［ｋＮ］という高い荷重は、グリスの層を薄く引き延ばし、パワーカード１０から冷却器３への伝熱効率を高める。パワーカード１０は、直接的には絶縁板６ａ、６ｂに熱を奪われる。半導体装置２は、半導体素子（各素子Ｔａ、Ｔｂ、Ｄａ、Ｄｂ）を収容したパワーカード１０にグリス２０ａ、２０ｂを挟んで絶縁板６ａ、６ｂが接しているとともに、パワーカード１０と冷却器３の間のグリスの層を薄くするように積層方向に荷重が加えられているデバイスである。

パワーカード１０を説明する。パワーカード１０において、絶縁板６ａと対向する一方の平坦面１０ａには、放熱板１６ａ、１６ｂが露出している。平坦面１０ａとは反対側の平坦面１０ｂには、別の放熱板１７（図１では不図示）が露出している。平坦面１０ｂにはグリスを挟んで絶縁板６ｂが接している。パワーカード１０の上面（図中Ｚ軸の正方向を向く面）からは３本の電極端子７ａ、７ｂ、７ｃが伸びており、下面（図中Ｚ軸方向の負方向を向く面）からは制御端子２９が伸びている。

図２を参照してパワーカード１０と冷却器３との間の構造について説明する。図２は、図１のパワーカード１０を図中の座標系のＸＹ面に平行な平面であってトランジスタＴａとＴｂを横切る平面でカットした断面図である。

先に、パワーカード１０の内部構造を説明する。４個の半導体素子（トランジスタＴａ、Ｔｂ、ダイオードＤａ、Ｄｂ）は、樹脂製のパッケージ１３に収容されている。パッケージ１３は、射出成形により形成され、半導体素子を封止する。なお、以下では、パワーカード１０の平坦面１０ａ、１０ｂをパッケージ１３の平坦面１０ａ、１０ｂと称する場合がある。

いずれの半導体素子も平坦なチップである。トランジスタＴａ（Ｔｂ）のチップの一方の平坦面にはコレクタ電極が露出しており、他方の平坦面にはエミッタ電極が露出している。トランジスタＴａの一方の平坦面の電極はハンダ１５により放熱板１６ａの裏面に接合している。放熱板１６ａの表面は、パッケージ１３の平坦面１０ａに露出している。トランジスタＴａの他方の平坦面の電極は、導電性のスペーサ１４を介してハンダ１５により放熱板１７の裏面に接合している。放熱板１７の表面は、パッケージ１３の平坦面１０ｂに露出している。なお、トランジスタＴａ（Ｔｂ）のゲート電極は、チップの一方の平坦面の端に設けられている。また、トランジスタＴｂの各電極もトランジスタＴａと同様に、ハンダ１５とスペーサ１４を利用して放熱板１６ｂと放熱板１７に接合している。

放熱板１６ａは、電極端子７ａの一部である。トランジスタＴａの電極を外部の他のデバイスと接続するための電極端子７ａにおいて、パッケージ１３の平坦面１０ａに露出している部位が放熱板１６ａに相当する。電極端子７ａはトランジスタＴａの電極と接しているので、トランジスタＴａの内部の熱を伝えやすい。一方、冷却器３はアルミニウム（導電性の金属）で作られているので、放熱板１６ａと絶縁する必要がある。それゆえ、半導体装置２は、冷却器３と放熱板１６ａ（パワーカード１０）との間に絶縁板６ａを挟んでいる。絶縁板６ａ、６ｂは、薄くて絶縁性が高く、伝熱性も良いセラミックスで作られている。放熱板１６ａ（電極端子７ａ）及びスペーサ１４は、導電性と伝熱性に優れた銅で作られている。放熱板１６ｂ、放熱板１７も同様である。

放熱板１６ｂ、１７も夫々、放熱板１６ａと同様に、電極端子７ｂ、７ｃの一部である。また、ダイオードＤａ、Ｄｂも、トランジスタＴａ、Ｔｂと同様に、平坦なチップである。ダイオードＤａ、Ｄｂの平坦面に露出している電極は、トランジスタＴａ、Ｔｂと同様に、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７に接続している。

図３は、図２と同一の断面における放熱板１６ａの拡大断面図を示す。放熱板１６ａのパッケージ１３の平坦面１０ａに露出している表面１６ｃは、硬質膜ＣＴで被覆されている。硬質膜ＣＴは、表面１６ｃの全体を覆っている。硬質膜ＣＴは、ＤＬＣ（即ちダイヤモンドライクカーボン）で作製されている。硬質膜ＣＴは、１００μｍ以下の膜厚を有する。硬質膜ＣＴのＤＬＣのビッカース硬さは、放熱板１６ａの銅のビッカース硬さ（〜１００ＨＶ）よりも大きい。放熱板１６ｂ、１７の露出表面にも、全面に亘って硬質膜ＣＴが被覆されている。

図２に示すように、放熱板１６ａ，放熱板１６ｂの表面１６ｃの硬質膜ＣＴには、グリス２０ａが塗布されている。グリス２０ａは、放熱板１６ａ，放熱板１６ｂの表面の全面及びパッケージ１３の平坦面１０ａと絶縁板６ａとの間に塗布されている。同様に、放熱板１７と絶縁板６ｂとの間にも、グリス２０ａと同様のグリス２０ｂが塗布されている。グリス２０ａ，２０ｂは、金属製のフィラーが含有されている。フィラーは、酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３及び酸化亜鉛ＺｎＯを含む。

酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３のビッカース硬さは１６００ＨＶ程度であり、酸化亜鉛ＺｎＯのビッカース硬さは２４０ＨＶ程度である。一方、硬質膜ＣＴのＤＬＣのビッカース硬さは、フィラーに含まれる各材料のビッカース硬さよりも大きく、例えば２０００ＨＶ〜７０００ＨＶである。

なお、硬質膜ＣＴのビッカース硬さは、フィラーの種類に合わせて変更してもよい。例えば、フィラーが酸化亜鉛ＺｎＯ（ビッカース硬さ２４０ＨＶ）を含む一方、酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３（ビッカース硬さ１６００ＨＶ）を含まない場合、硬質膜ＣＴは、フィラーのビッカース硬さ（即ち２４０ＨＶ）より大きいビッカース硬さを有していればよい。この場合、硬質膜ＣＴをＤＬＣとは異なる材質、例えば放熱板１６ａにタフトライド（登録商標）処理を実行して得られる窒化層（ビッカース硬さ４００〜１２００ＨＶ）であってもよい。

絶縁板６ａと冷却器３の間には、グリス９が塗布されている。同様に、絶縁板６ｂと冷却器３の間にも、グリス９が塗布されている。絶縁板６ａ，６ｂは、窒化ケイ素Ｓｉ_３Ｎ_４で作製されている。絶縁板６ａ，６ｂの窒化ケイ素Ｓｉ_３Ｎ_４のビッカース硬さは、１５００ＨＶであり、硬質膜ＣＴのビッカース硬さよりも小さい。なお、絶縁板６ａ，６ｂの材質は、窒化ケイ素Ｓｉ_３Ｎ_４に限られず、例えば窒化アルミニウムＡｌＮであってもよい。

本実施例の効果について説明する。以下、放熱板１６ａと絶縁板６ａの間を例にとって説明する。パワーカード１０がグリス２０ａを挟んで絶縁板６ａに対向しているとともにパワーカード１０と冷却部材の積層方向に荷重が加えられている半導体装置において、当該荷重によりグリス２０ａは薄く引き延ばされる。このため、グリス２０ａに含まれるフィラーと放熱板１６ａが接触しやすくなる。半導体装置２では、放熱板１６ａのグリス２０ａと接触する面が硬質膜ＣＴで被覆されているため、放熱板１６ａがグリス２０ａに含まれるフィラーによって摩耗されることを抑えることができる。これにより、放熱板１６ａが摩耗することによって、放熱板１６ａの放熱性能が低下することを抑制することができる。放熱板１６ｂ、１７でも同様である。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図では、理解を助けるため、グリスの層の厚み、硬質膜の厚み、などを強調して描いることに留意されたい。

図２に示したように、冷却器３の内部は単純な空洞である。冷却器３の内部空間には、絶縁板６ａ、６ｂと接する側板の裏面に接するフィンを設けてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。本明細書また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、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、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：冷却器
４ａ：冷媒供給管
４ｂ：冷媒排出管
５ａ、５ｂ：連結パイプ
６ａ、６ｂ：絶縁板
７ａ、７ｂ、７ｃ：電極端子
９：グリス
１０：パワーカード
１０ａ、１０ｂ：平坦面
１３：パッケージ
１４：スペーサ
１５：ハンダ
１６ａ、１６ｂ、１７：放熱板
２０ａ、２０ｂ：グリス
２９：制御端子
３１：ケース
３２：板バネ
Ｄａ、Ｄｂ：ダイオード
Ｔａ、Ｔｂ：トランジスタ

Claims

半導体素子を収容したパワーカードと冷却器とが絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置であって、
前記パワーカードは、前記絶縁部材と対向する放熱板を有しており、
前記放熱板と前記絶縁部材との間には、グリスが塗布されており、
前記放熱板の前記グリスが塗布されている面は、前記グリスに含有されるフィラーよりもビッカース硬度が高い材料で被覆されている、半導体装置。