JP7215210B2

JP7215210B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP7215210B2
Application number: JP2019028853A
Authority: JP
Inventors: 暁彦岡田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2039-02-20
Also published as: JP2020136519A

Description

本明細書では、半導体モジュールの第１面から露出する放熱板と冷却器との間にグリスが充填されている半導体装置を開示する。

上記の半導体装置は、内部に半導体素子を収容している。半導体素子に電流が流れると、半導体素子は発熱する。半導体素子の熱は、放熱板に伝わり、その後グリスを介して、冷却器に放熱される。

上記の半導体装置では、「グリス抜け」と呼ばれる次の現象が生じる。半導体素子に電流が流れると、半導体素子の温度が上昇する。これにより、放熱板の温度が上昇し、放熱板が膨張する。このため、放熱板と冷却器との間の空間が小さくなる。これにより、グリスが放熱板と冷却器との間の空間から外に排出され、放熱板と冷却器との間のグリス量が減少する。半導体素子に電流が流れなくなると、半導体素子の温度が低下する。これにより、放熱板の温度が低下し、放熱板の膨張が収まる。このため、放熱板と冷却器との間の空間が元に戻り、放熱板と冷却器との間にグリスが存在しない空隙が形成される。これにより、放熱板から冷却器への伝熱効率が低下する。

放熱板の膨張を抑制する技術の１つとして、グリスの伝熱効率を高める技術があり、例えば、特許文献１に記載の技術である。特許文献１には、伝熱粒子の群を備えるグリスが開示されている。伝熱粒子は、放熱板から冷却器への伝熱を促進する。グリスが伝熱粒子の群を備えない場合と比較して、放熱板から冷却器への伝熱効率が高い。この結果、半導体素子に電流が流れることに伴う放熱板の温度上昇が抑制される。

特開２０１６－１６２９２９号公報

特許文献１の技術では、グリスが伝熱粒子の群を備えない場合と比較して、半導体素子の発熱に伴う放熱板の膨張を抑えることができる。しかしながら、発明者の検討によると、グリスの伝熱効率を高めるだけでは、依然として放熱板と冷却器との間の空間からグリスが抜け出ることが判明した。

本明細書では、放熱板と冷却器との間の空間からグリスが抜け出ることを抑制することができる技術を開示する。

本明細書で開示する半導体装置は、半導体素子を収容しており、第１面に放熱板が露出している半導体モジュールと、前記放熱板の熱を放熱させる冷却器と、前記放熱板と前記冷却器との間に充填されており、前記放熱板から前記冷却器への伝熱を促進するグリスと、を備える。前記グリスは、第１平均粒子径を有する第１伝熱粒子の群と、前記第１平均粒子径よりも大きい第２平均粒子径を有する第２伝熱粒子の群と、を備える。前記放熱板の露出面には、複数の凸部が形成されており、互いに隣接する前記凸部の間隔は、前記第１平均粒子径よりも大きい。

上記の構成では、放熱板の露出面には、例えば表面処理によって形成される複数の凸部が残っている。即ち、放熱板の露出面において、互いに隣接する凸部の間に溝部が形成されていることになる。第１伝熱粒子の第１平均粒子径は、隣接する凸部の間隔、即ち、溝部の幅よりも小さいため、第１伝熱粒子の群は、溝部の内部まで侵入することができる。この結果、グリスは、溝部の内部まで充填される。これにより、グリスが溝部の内部まで充填されていない場合と比較して、グリスと放熱板の露出面との接触面積が大きくなる。

半導体素子の温度が上昇すると、放熱板の温度が上昇する。このため、放熱板の温度の上昇によって放熱板と冷却器との間の空間が小さくなると、グリスは、放熱板と冷却器との間の空間から外部に移動しようとする。グリスが溝部の内部まで充填されていない場合と比較すると、本構成の場合、グリスと放熱板の露出面との接触面積が大きいため、グリスに作用する摩擦抵抗が大きく、グリスは、放熱板と冷却器との間の空間から外部に移動し難くなる。この結果、放熱板の温度が低下し、放熱板と冷却器との間の空間が元に戻っても、放熱板と冷却器との間にグリスが存在しない空隙が形成されることを抑制することができる。これにより、グリス抜けを抑制することができる。

実施例の半導体素子の斜視図である。半導体モジュールを下面から見た斜視図である。図１におけるＸＹ平面で切断した半導体モジュールの断面図である。放熱板の露出面の溝に伝熱粒子が配置されている状態を示す図である。

（実施例）
図１から図４を参照して、実施例の半導体装置２を説明する。半導体装置２は、ハイブリット自動車、電気自動車や燃料電池車等の電動車両に搭載される。また、半導体装置２は、車両のパワーコントロールユニットを構成する電力変換器に搭載される。図１に示すように、半導体装置２は、複数（本実施例では６個）の半導体モジュール１０と、複数（本実施例では７個）の冷却器３と、複数（本実施例では１２個）の絶縁板６と、グリス３２（図１では図示省略）と、を備える。図１では、１個の半導体モジュール１０と１個の冷却器３にのみ符号が付されている。半導体モジュール１０と冷却器３は、Ｘ方向に交互に積層されている。Ｘ方向における半導体装置２の両端部には、冷却器３が位置している。半導体装置２は、仮想線で図示されるケース５０に収容されている。半導体モジュール１０と冷却器３との間には、絶縁板６が配置されている。図１では図示省略しているが、半導体モジュール１０と絶縁板６との間、及び、絶縁板６と冷却器３との間にはグリス３２が充填されている。

半導体モジュール１０は、平板形状を有する。半導体モジュール１０には、半導体素子１１ａ、１１ｂが収容されている。半導体モジュール１０については、後で詳しく説明する。

冷却器３は、平板形状を有する。冷却器３は、例えば、アルミニウム等の金属材料から作製されている。冷却器３は、液体冷媒が流れる流路を内部に有する。液体冷媒は、例えば、ＬＬＣ（ＬｏｎｇＬｉｆｅＣｏｏｌａｎｔ）等である。

半導体装置２は、連結管５ａ、５ｂと、冷媒供給管４ａと、冷媒排出管４ｂをさらに備える。連結管５ａ、５ｂは、互いに隣接する冷却器３を連結している。積層方向の一端側の冷却器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と冷媒排出管４ｂには、図示省略の冷媒循環装置が接続されている。冷媒循環装置から送り出された液体冷媒は、冷媒供給管４ａから連結管５ａを通り、すべての冷却器３の流路に供給される。冷却器３を通る間に、隣接する半導体モジュール１０から液体冷媒に、熱が放熱される。その後、液体冷媒は、連結管５ｂから冷媒排出管４ｂを通り、冷媒循環装置に戻る。

次に、図２から図４を参照して、半導体モジュール１０を説明する。図３は、半導体モジュール１０をＸＹ平面に平行な平面であって、半導体素子１１ａ、１１ｂを横切る平面で、半導体モジュール１０を切断した断面図である。

半導体モジュール１０は、本体１８と、半導体素子１１ａ、１１ｂと、２個のスペーサ１４と、放熱板２０、２４、２８と、３個の電力端子７ａ、７ｂ、７ｃ（正極端子７ａ、中性端子７ｂ、負極端子７ｃ）と、制御端子８と、を備える。図３に示すように、半導体素子１１ａ、１１ｂは、Ｙ方向に並んで配置されている。半導体素子１１ａ、１１ｂは、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（即ちＩＧＢＴ）や金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（即ちＭＯＳＦＥＴ）である。半導体素子１１ａ、１１ｂは、制御端子８に接続されている。

半導体素子１１ａ、１１ｂの上方のそれぞれには、放熱板２０、２４のそれぞれが配置されている。図３において、上下方向が規定されている。放熱板２０、２４は、例えば、銅やアルミニウムから作製されている。放熱板２０、２４は、導電性と熱伝導性を有する。放熱板２０、２４のそれぞれは、ハンダ１６を介して半導体素子１１ａ、１１ｂのそれぞれに連結されている。放熱板２０は、正極端子７ａに接続されており、放熱板２４は、負極端子７ｃに接続されている。

半導体素子１１ａ、１１ｂの下方のそれぞれには、スペーサ１４、１４のそれぞれが配置されている。スペーサ１４は、例えば、銅やアルミニウムから作製されている。スペーサ１４は、導電性と熱伝導性を有する。スペーサ１４、１４のそれぞれは、ハンダ１６を介して半導体素子１１ａ、１１ｂのそれぞれに連結されている。

スペーサ１４、１４の下方には、放熱板２８が配置されている。放熱板２８は、例えば、銅やアルミニウムから作製されている。放熱板２８は、導電性と熱伝導性を有する。放熱板２８は、ハンダ１６を介してスペーサ１４、１４のそれぞれに連結されている。放熱板２８は、中性端子７ｂに接続されている。

本体１８は、半導体素子１１ａ、１１ｂと、スペーサ１４、１４と、放熱板２０、２４、２８と、３個の電力端子７ａ、７ｂ、７ｃと、制御端子８を収容している。本体１８は、樹脂材料から作製されている。本体１８は、放熱板２０、２４の上面と放熱板２８の下面を除く面を覆う。放熱板２０、２４の上面は、半導体モジュール１０の上面１０ａから露出しており、放熱板２８の下面は、半導体モジュール１０の下面１０ｂから露出している。以下では、放熱板２０、２４の上面と放熱板２８の下面のそれぞれを、露出面２０ａ、２４ａ、２８ａと呼ぶ。図２に示すように、３個の電力端子７ａ、７ｂ、７ｃと制御端子８は、本体１８の内部から外部に向かって延びている。

図４に模式的に示すように、露出面２０ａには、複数の凸部２２ａが形成されている。凸部２２ａは、露出面２０ａを研磨することによって形成される。研磨後の露出面２０ａは、研磨前の露出面２０ａよりも粗い。図４は、露出面２０ａ、２４ａ、２８ａを拡大した断面図である。露出面２０ａは、例えば、ショットブラスト方式を利用して研磨される。隣接する凸部２２ａの間には、溝部２２ｂが形成されている。これらのため、露出面２０ａを研磨すると、複数の凸部２２ａとともに複数の溝部２２ｂが形成される。

露出面２４ａ、２８ａは、露出面２０ａと同様の研磨方式を利用して研磨されている。これにより、露出面２４ａには、複数の凸部２６ａと複数の溝部２６ｂが形成されており、露出面２８ａには、複数の凸部３０ａと複数の溝部３０ｂが形成されている。

図３に示すように、半導体モジュール１０と冷却器３との間には、絶縁板６が配置されている。絶縁板６は、半導体モジュール１０と冷却器３とを絶縁する。絶縁板６は、絶縁材料から作製されている。絶縁板６は、例えばセラミックスである。絶縁板６は、熱伝導性を有する。

半導体モジュール１０と絶縁板６との間、及び、絶縁板６と冷却器３との間には、グリス３２が充填されている。グリス３２は、半導体モジュール１０から冷却器３への伝熱を促進する。グリス３２の厚みは、数十ミクロンである。図３では、構造を理解し易いように、グリス３２の厚みが誇張されている。

グリス３２は、基油３４と、第１伝熱粒子３６の群と、第２伝熱粒子３８の群と、を備える。以下では、「群」の記載を省略する。基油３４の主成分は、シリコンオイルである。基油３４は、高い粘性を有しており、半固体形状を有する。基油３４は、熱伝導性を有する。基油３４中には、第１伝熱粒子３６と第２伝熱粒子３８が分散されている。第１伝熱粒子３６と第２伝熱粒子３８は、球形状を有する。第１伝熱粒子３６と第２伝熱粒子３８は、熱伝導性を有する。第１伝熱粒子３６と第２伝熱粒子３８は、例えば、酸化亜鉛やアルミナ等の金属から作製されている。第１伝熱粒子３６と第２伝熱粒子３８は、放熱板２０、２４、２８から冷却器３への伝熱を促進する。

第１伝熱粒子３６は、第１平均粒子径Ｄ１を有する。第１平均粒子径Ｄ１は、露出面２０ａ、２４ａ、２８ａの溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの幅Ｗ（即ち、隣接する凸部２２ａ、２６ａ、３０ａの間隔）よりも小さい。ここで、溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの幅Ｗは、複数の溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの幅を平均化することによって算出される。第１伝熱粒子３６は、溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの内部に侵入している。第２伝熱粒子３８は、第２平均粒子径Ｄ２を有する。第２平均粒子径Ｄ２は、第１平均粒子径Ｄ１よりも大きい。第２平均粒子径Ｄ２は、露出面２０ａ、２４ａ、２８ａの溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの幅Ｗ（即ち、隣接する凸部２２ａ、２６ａ、３０ａの間隔）よりも小さい。第２伝熱粒子３８は、溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの内部に侵入している。第２伝熱粒子３８は、第１伝熱粒子３６よりも溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの深部に侵入できない。このため、溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの深部には、第１伝熱粒子３６が配置され、第１伝熱粒子３６よりも浅い位置に第２伝熱粒子３８が配置される。これにより、基油３４は、溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの深部まで充填されている。

なお、変形例では、第２平均粒子径Ｄ２は、露出面２０ａ、２４ａ、２８ａの溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの幅Ｗ（即ち、隣接する凸部２２ａ、２６ａ、３０ａの間隔）よりも大きくてもよい。この場合、第２伝熱粒子３８は、溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの内部に侵入できない。このため、第１伝熱粒子３６のみ、溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの内部に配置され、第２伝熱粒子３８は、溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの外部に配置される。

次に、半導体装置２の動作に伴うグリス３２の挙動を説明する。半導体素子１１ａ、１１ｂに電流が流れると、半導体素子１１ａ、１１ｂの温度が上昇する。半導体素子１１ａ、１１ｂの熱が、放熱板２０、２４、２８に伝わる。放熱板２０、２４、２８の温度が上昇するとともに、放熱板２０、２４、２８が膨張する。これにより、放熱板２０、２４、２８と絶縁板６との間の空間が小さくなる。

放熱板２０、２４、２８と絶縁板６との間の空間が小さくなると、グリス３２は、放熱板２０、２４、２８と絶縁板６との間の空間から外側に向かって移動しようとする。基油３４は、放熱板２０、２４、２８の溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの深部まで充填されている。このため、基油３４が溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの深部まで充填されていない場合と比較して、基油３４と放熱板２０、２４、２８との接触面積が大きく、基油３４に作用する摩擦抵抗が大きい。この結果、グリス３２は、放熱板２０、２４、２８と絶縁板６との間の空間から外側に向かって移動し難くなる。これにより、グリス３２が放熱板２０、２４、２８と絶縁板６との間の空間から外側に排出されない。あるいは、放熱板２０と絶縁板６との間の空間から外側に排出されるグリス３２の量は極めて少ない。

また、半導体素子１１ａ、１１ｂに電流が流れなくなると、半導体素子１１ａ、１１ｂの温度が低下する。放熱板２０、２４、２８の温度が低下し、放熱板２０、２４、２８は、元の形状に戻る。これにより、放熱板２０、２４、２８と絶縁板６との間の空間が元の状態に戻る。グリス３２は放熱板２０、２４、２８と絶縁板６との間の空間から排出されておらず、あるいは、グリス３２の排出量は極めて少ないため、放熱板２０、２４、２８と絶縁板６との間にグリス３２が存在しない空隙が形成されない。これらにより、放熱板２０、２４、２８と冷却器３との間の空間から、グリス３２が抜け出ることを抑制することができる。

（効果）
第１伝熱粒子３６の第１平均粒子径Ｄ１は、露出面２０ａ、２４ａ、２８ａの溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの幅Ｗよりも小さい。このため、第１伝熱粒子３６は、溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの内部に配置される。この結果、基油３４は、溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの深部まで充填されている。この構成では、半導体素子１１ａ、１１ｂに電流が流れ、放熱板２０、２４、２８の温度が上昇したとき、基油３４が溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの内部まで充填されていない場合と比較して、放熱板２０、２４、２８の熱がグリス３２に伝熱し易い。このため、放熱板２０、２４、２８の熱が冷却器３に伝熱し易くなる。この結果、放熱板２０、２４、２８の温度上昇を緩やかにすることができる。

また、グリス３２は、第１伝熱粒子３６に加えて、第２伝熱粒子３８を備える。第２伝熱粒子３８の第２平均粒子径Ｄ２は、第１伝熱粒子３６の第１平均粒子径Ｄ１よりも大きい。基油３４は、第１平均粒子径Ｄ１と溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの幅Ｗとの関係に基づいて、溝部２２ｂ、２６ｂ、３０ｂの深部まで充填されている。このため、第１伝熱粒子３６と第２伝熱粒子３８とを備えるグリス３２は、第１伝熱粒子３６のみを備えるグリスと同様のグリス抜けに対する効果を得ることができる。この結果、第１伝熱粒子３６のみを備えるグリスと比較して、グリス３２のコストを下げることができる。

（対応関係）
半導体モジュール１０の上面１０ａと下面１０ｂは、「第１面」の一例である。

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さまざまに変形、変更したものが含まれる。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
６：絶縁板
１０：半導体モジュール
１１ａ、１１ｂ：半導体素子
１８：本体
２０、２４、２８：放熱板
２０ａ、２４ａ、２８ａ：露出面
２２ａ、２６ａ、３０ａ：凸部
２２ｂ、２６ｂ、３０ｂ：溝部
３２：グリス
３４：基油
３６：第１伝熱粒子
３８：第２伝熱粒子

Claims

半導体素子を収容しており、第１面に放熱板が露出している半導体モジュールと、
前記放熱板の熱を放熱させる冷却器と、
前記放熱板と前記冷却器との間に充填されており、前記放熱板から前記冷却器への伝熱を促進するグリスと、を備え、
前記グリスは、第１平均粒子径を有する第１伝熱粒子の群と、前記第１平均粒子径よりも大きい第２平均粒子径を有する第２伝熱粒子の群と、を備え、
前記放熱板の露出面には、複数の凸部が形成されており、
互いに隣接する前記凸部の間隔は、前記第１平均粒子径よりも大きく、
前記第１伝熱粒子の群は、前記複数の凸部の間に形成されている溝部の深部に配置され、
前記第２伝熱粒子の群は、前記第１伝熱粒子の群よりも前記溝部の入口側に配置される、半導体装置。
前記第２平均粒子径は、互いに隣接する前記凸部の前記間隔よりも大きい、請求項１に記載の半導体装置。