JP6790432B2 - 半導体装置の放熱構造 - Google Patents

Description

本発明は、表面実装型の半導体装置（半導体デバイス）の放熱構造（冷却構造ともいう）に関し、特に、薄型パッケージの半導体装置に適用できる放熱性や絶縁信頼性を備える放熱構造に関する。

図７（ａ）は従来のリードタイプのディスクリート部品１を例示する概略斜視図であり、図７（ｂ）は近年開発されている表面実装型の半導体デバイス１０を例示する概略斜視図である。

半導体スイッチングデバイスの高速化に伴って、デバイス自体の寄生インダクタンスを小さくすることが必要となる。図７（ａ）に示すような従来のディスクリート部品１（例えば、リードタイプのＩＧＢＴ）とは異なり、例えば、図７（ｂ）に示すような半導体デバイス１０では、スイッチング速度が非常に高速であるため、可能な限り小さい寄生インダクタンスを実現するためにデバイスパッケージの薄型化が進んでいる。

このような半導体デバイス１０は、図７（ｂ）に示すように、超薄型のパッケージ１１に収められており、例えば、基板と電気的に接続される１以上の電極（端子）１２が配置された電気的接合面１１ａと、その反対側に放熱を兼ねる広い電極１３が配置された放熱面１１ｂとを有している。この半導体デバイス１０の実装時には、優れた放熱性や絶縁信頼性を備える必要があり、例えば、特許文献１〜３などの技術が提案されている。

特開２００６−１４７８６２号公報 特開２０１４−２４１３４０号公報 特開２０００−３１１９７１号公報

図８（ａ）は従来の放熱構造２０２の概略を例示する断面図であり、図８（ｂ）はその変形例である放熱構造２０２Ａの概略を例示する断面図である。

デバイスコストを低減するためには、１つあたりのデバイスでできるだけ大容量を担う必要があるため、効率的に発熱を拡散させる構造が求められる。その一例としては、半導体デバイス１０にヒートシンク３０を直接接続することが考えられる。

または、図８（ａ）に示す放熱構造２０２のように、導電性の熱伝導性材料（ＴＩＭ：Thermal Interface Material）の一例である導電性ＴＩＭ３３（例えば５０Ｗ／deg・ｍ）を介して、半導体デバイス１０をヒートシンク３０に接続してもよい。

しかし、半導体デバイス１０のパッケージ１１の薄型化によって、電圧の異なる電極１２間の距離が近くなるため、はんだ等の導電材料の状況次第では絶縁距離が保てずに、絶縁破壊が発生して半導体デバイス１０の破損が起こることがある。

これを回避するために、例えば、図８（ｂ）に示す放熱構造２０２Ａのように、導電性ＴＩＭ３３に代えて絶縁性ＴＩＭ４３（例えば−１０Ｗ／deg・ｍ）を半導体デバイス１０とヒートシンク３０との間に入れると、絶縁破壊の発生は回避されるものの、熱伝導率が低いために大容量を担うことができない。そのため、半導体デバイス１０の大型化・大容量化や複数個の並列使用などが必要となって、全体のコストが上がってしまうという課題があった。

従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、表面実装用の薄型半導体装置に適用できる優れた放熱性および優れた絶縁信頼性を兼ね備える半導体装置の放熱構造を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の半導体装置の放熱構造は、基板と電気的に接続される電気的接合面と、その反対側の放熱面とを有する半導体装置の放熱構造であって、前記放熱面が非絶縁部材を介して導電性高熱伝導部材に接触するとともに、この導電性高熱伝導部材が絶縁部材を介して放熱部品に接触しており、前記導電性高熱伝導部材の前記半導体装置側の面が、前記半導体装置の外周の近傍の少なくとも一部に凹部を有していることを特徴とする。

このような構成の半導体装置の放熱構造によれば、半導体装置で発生した熱は、その放熱面から非絶縁部材を介して導電性高熱伝導部材に伝わって拡散され、さらに絶縁部材を介して放熱部品に伝わるので、優れた放熱性を備えるだけでなく、導電性高熱伝導部材の半導体装置側の面が有する半導体装置の外周の近傍の凹部によって絶縁破壊の発生も回避することができる。

本発明の半導体装置の放熱構造において、前記基板が前記導電性高熱伝導部材に、前記基板のパターンの少なくとも一部が前記導電性高熱伝導部材と導通するように、導電性固定具（ネジなど）によって固定されてもよい。また、前記基板が前記導電性高熱伝導部材にさらに絶縁性固定具（ネジなど）によって固定されてもよい。

このような構成の半導体装置の放熱構造によれば、絶縁破壊の発生をより確実に回避することができ、正確な位置合わせも可能となる。絶縁性固定具による固定も行った場合は、正確な位置合わせや固定をより確実に行うことが可能となる。

本発明の半導体装置の放熱構造によれば、半導体装置で発生した熱は、その放熱面から非絶縁部材を介して導電性高熱伝導部材に伝わって拡散され、さらに絶縁部材を介して放熱部品に伝わるので、優れた放熱性を備えるだけでなく、導電性高熱伝導部材の半導体装置側の面が有する半導体装置の外周の近傍の凹部によって絶縁破壊の発生も回避することができる。

本発明の第１実施形態に係る放熱構造１０３の概略を示す断面図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る放熱構造１０３Ａの概略を示す断面図である。 （ａ）は従来の放熱構造２０２Ａをさらに導電性ＴＩＭ３３を介してヒートシンク３０上に搭載した放熱構造２０２Ｂの概略を示す斜視図であり、（ｂ）はその断面図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）に示した放熱構造２０２Ｂで行った熱シミュレーションの詳細条件を示す表である。 （ａ）は本発明の第１実施形態に係る放熱構造１０３とほぼ同様の放熱構造１０３Ｂの概略を示す断面図であり、（ｂ）はその部分拡大斜視図であり、（ｃ）はその断面図である。 図５（ａ）〜図５（ｃ）に示した放熱構造１０３Ｂで行った熱シミュレーションの詳細条件を示す表である。 （ａ）は従来のリードタイプのディスクリート部品１を例示する概略斜視図であり、（ｂ）は近年開発されている表面実装型の半導体デバイス１０を例示する概略斜視図である。 （ａ）は従来の他の放熱構造２０２の概略を例示する断面図であり、（ｂ）はその変形例である放熱構造２０２Ａの概略を例示する断面図である。

以下、本発明のいくつかの実施形態を、図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態に係る放熱構造１０３の概略を示す断面図である。

図１に示すように、この放熱構造１０３では、ヒートシンク３０上に、絶縁性ＴＩＭ４３を介して非絶縁の熱拡散素子の一例であるヒートスプレッダ３１が搭載されている。このヒートスプレッダ３１上には、導電性ＴＩＭ３３を介して半導体デバイス１０がその放熱面１１ｂを下にして搭載されている。その電気的接合面１１ａの電極１２は、基板２０の下面パターン２２にはんだ付けなどによって電気的に接続されている。

さらに、ヒートスプレッダ３１上面において、半導体デバイス１０の外周の近傍で、基板２０にはんだ付けなどによって電気的に接続されている電極１２（特に放熱面１１ｂとは異なる電位がかかるもの）などの近傍に凹部３１ａが形成されている。この凹部３１ａは、例えば半導体デバイス１０の外周に沿った溝形状のものが挙げられるが、その内面は、はんだ付けなどの箇所から概ね等距離になるような形状とすることが好ましい。

このような放熱構造１０３によれば、導電性ＴＩＭ３３を半導体デバイス１０とヒートスプレッダ３１との間に用いることで、高い熱伝導性を実現できる。また、半導体デバイス１０の電極１２などのはんだ付けなどの箇所と、高電圧差になり得るヒートスプレッダ３１上面との絶縁距離を十分確保できる。これにより、低コストな構造で高い放熱性および絶縁信頼性を両立することができて、電力変換器などの全体のコストダウンが可能となる。

なお、導電性ＴＩＭ３３の抵抗値は０ではなく、温度や密着状態によっても変化するため、半導体デバイス１０の駆動中の変化が想定され、その結果、ヒートスプレッダ３１の電位が不安定になって、ノイズやサージ電圧発生による半導体デバイス１０の誤動作や損傷などの可能性がある。

そこで、ヒートスプレッダ３１上にネジ穴３１ｂを設けて、基板２０とヒートスプレッダ３１とを基板２０側から導電性ネジ５１で固定してもよい。

これにより、ヒートスプレッダ３１と、同電位となるべき基板２０上のパターン（例えば下面パターン２２）とを電気的に接続して電気的安定度を高められ、半導体デバイス１０の絶縁破壊をより確実に回避することができる。また、絶縁距離を十分確保する上で重要な、基板２０にはんだ付けなどがされた半導体デバイス１０とヒートスプレッダ３１上の凹部３１ａとの正確な位置合わせも可能となる。

＜第１実施形態の変形例＞
図２は本発明の第１実施形態の変形例に係る半導体デバイス１０の放熱構造１０３Ａの概略を示す断面図である。なお、第１実施形態と同じ構成部材には同じ参照符号を付し、以下では主として相違点について説明する。

基板２０にはんだ付けなどがされた半導体デバイス１０とヒートスプレッダ３１上の凹部３１ａとの正確な位置合わせや、基板２０とヒートスプレッダ３１との固定のためには、基板２０上でヒートスプレッダ３１とは導通すべきでない箇所（例えば、ビア２３を介して半導体デバイス１０の電極１２と導通している上面パターン２１）でネジ止めする必要も生じ得る。

そこで、図２に示すように、ヒートスプレッダ３１上に別のネジ穴３１ｃを設けて、基板２０とヒートスプレッダ３１とを絶縁性ネジ５２で固定してもよい。

このような放熱構造１０３Ａによれば、半導体デバイス１０と凹部３１ａとの正確な位置合わせや基板２０とヒートスプレッダ３１との固定をより確実に行うことが可能となる。

図３（ａ）は従来の放熱構造２０２Ａをさらに導電性ＴＩＭ３３を介してヒートシンク３０上に搭載した放熱構造２０２Ｂの概略を示す斜視図であり、図３（ｂ）はその断面図である。図４は図３（ａ）および図３（ｂ）に示した放熱構造２０２Ｂで行った熱シミュレーションの詳細条件を示す表である。

まず、比較対象として、放熱構造２０２Ｂでの熱シミュレーションを図４に示す条件下で行った。絶縁破壊を回避するため、半導体デバイス１０とヒートスプレッダ３１との間は絶縁性ＴＩＭ４３（０．３ｍｍｔ）として、ヒートスプレッダ３１とヒートシンク３０との間は導電性ＴＩＭ３３（０．３ｍｍｔ）とした。

熱シミュレーションで得られた定常状態の断面温度分布によれば、この放熱構造２０２Ｂでは、半導体デバイス１０からの発熱によって最大５８℃まで温度上昇していることが確認された。

図５（ａ）は本発明の第１実施形態に係る放熱構造１０３とほぼ同様の放熱構造１０３Ｂの概略を示す断面図であり、図５（ｂ）はその部分拡大斜視図であり、図５（ｃ）はその断面図である。図６は図５（ａ）〜図５（ｃ）に示した放熱構造１０３Ｂで行った熱シミュレーションの詳細条件を示す表である。

次に、本発明の実施例として、放熱構造１０３Ｂでの熱シミュレーションを図６に示す条件下で行った。この放熱構造１０３Ｂでは、半導体デバイス１０の一辺に近接するヒートスプレッダ３１上に凹部３１ａが形成されている。半導体デバイス１０が導電性ＴＩＭ３３を介してヒートスプレッダ３１に接続されるとともに、このヒートスプレッダ３１とヒートシンク３０とが絶縁性ＴＩＭ４３を介して接続されている。

熱シミュレーションで得られた定常状態の断面温度分布によれば、この放熱構造１０３Ｂでは、半導体デバイス１０からの発熱による温度上昇は最大点でも４６℃であり、大幅な温度低下（温度上昇が約３６％低減）が確認された。

また、ヒートスプレッダ３１上に設けられた凹部３１ａでも熱拡散に対しては大きな悪影響が無いことがわかった。このように、ヒートスプレッダ３１に凹部３１ａを設けて絶縁信頼性を確保するとともに、導電性ＴＩＭ３３を間に介することで、放熱性および絶縁信頼性の両立を低コストで実現することが可能となる。

以上で説明した各実施形態およびその変形例などの各構成は、阻害要因などが特に無い限り、相互に組み合わせてもよい。

なお、本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の各実施形態や各実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

１０ 半導体デバイス
１１ パッケージ
１２ 電極
１３ 電極
２０ 基板
３０ ヒートシンク
３１ ヒートスプレッダ
３３ 導電性ＴＩＭ
４３ 絶縁性ＴＩＭ
５１ 導電性ネジ
５２ 絶縁性ネジ

Claims (2)

1. 基板と電気的に接続される電気的接合面と、その反対側の放熱面とを有する半導体装置の放熱構造であって、
   前記放熱面が非絶縁部材を介して導電性高熱伝導部材に接触するとともに、
   この導電性高熱伝導部材が絶縁部材を介して放熱部品に接触しており、
   前記導電性高熱伝導部材の前記半導体装置側の面が、前記半導体装置の外周の近傍の少なくとも一部に凹部を有しており、
   前記基板が前記導電性高熱伝導部材に、前記基板のパターンの少なくとも一部が前記導電性高熱伝導部材と導通するように、導電性固定具によって固定されていることを特徴とする、半導体装置の放熱構造。
2. 請求項１に記載の半導体装置の放熱構造において、
   前記基板が前記導電性高熱伝導部材にさらに絶縁性固定具によって固定されていることを特徴とする、半導体装置の放熱構造。

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