JP2011238728A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器を変形させることなく表面に絶縁層を圧着して構成することができる半導体装置およびその製造方法の提供を図る。
【解決手段】冷却器３を構成する筺体９の表面に熱硬化性の第１樹脂材４を備える。筺体９内の複数の冷却フィン１１の先端と、その対向面との間には、第１樹脂材４よりも硬化温度が低い熱硬化性の第２樹脂材１２が介在する。第１樹脂材４と第２樹脂材１２は、第１樹脂材４の加熱プレスによる熱硬化成形時に、該第１樹脂材４の熱硬化に先立って第２樹脂材１２を熱硬化させている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールを冷却する冷却器と半導体モジュールとの界面に絶縁層を持つ半導体装置およびその製造方法に関する。

特許文献１には、シート状の絶縁材を冷却器に直接接触するように載せて、高温環境下で加圧することにより冷却器に密着させて、絶縁層を構成する技術が知られている。

特開２００９−１５８９１９号公報

しかしながら、冷却器の内部で冷却フィンの先端とその対向面との間に隙間が存在する場合、特許文献１の開示技術では、絶縁材を圧着させるときの圧力によって冷却器表面に変形が生じてしまう。この冷却器表面の変形により絶縁材は冷却器と密着できなくなり、絶縁材と冷却器との間の空隙により熱抵抗が悪化してしまう問題がある。

そこで、本発明は冷却器内の冷却フィンの先端とその対向面との間に隙間が存在している場合でも、冷却器を変形させることなくその表面に絶縁層を圧着して構成することができる半導体装置およびその製造方法を提供するものである。

本発明の半導体装置は、発熱素子と、該発熱素子を冷却する冷却器とを備える。冷却器の発熱素子を装着する部位の筺体表面に熱硬化性の第１樹脂材を配置してある一方、筺体の冷却媒体が循環する流路内に延出した複数の冷却フィンの先端と、その対向面との間に第１樹脂材よりも硬化温度が低い熱硬化性の第２樹脂材を配置してある。これら第１樹脂材と第２樹脂材は、第１樹脂材の加熱プレスによる熱硬化成形時に、該第１樹脂材の熱硬化に先立って第２樹脂材を熱硬化させるようにしている。

筺体の冷却フィン先端とその対向面との間の隙間に、第１樹脂材よりも硬化温度の低い熱硬化性の第２樹脂材を設けることにより、高温環境下で、第２樹脂材が第１樹脂材よりも先に硬化する。そして、第１樹脂材を筺体表面に密着させるように加圧処理する際に、硬化した第２樹脂材が冷却フィンを支持するため、筺体表面の変形を防止することができる。従って、第１樹脂材が冷却器の筺体表面に密着して絶縁層を構成することができ、熱抵抗の悪化を防止することができる。

本発明に係る半導体装置の第１実施形態を示す断面説明図。 本発明に係る半導体装置の第２実施形態を示す断面説明図。 本発明に係る半導体装置の第３実施形態を示す断面説明図。

以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。

図１に示す本発明の第１実施形態の半導体装置１は、非絶縁型半導体モジュール２と、この非絶縁型半導体モジュール２を冷却する冷却器３と、を備えている。

非絶縁型半導体モジュール２と冷却器３との間には、冷却器３の表面に直接接触させて絶縁層４Ａを形成している。

非絶縁型半導体モジュール２は、半導体チップ５と、バスバー７とを備え、半導体チップ５の図外のチップ電極とバスバー７は、はんだ６を介して接合している。

絶縁層４Ａと、非絶縁型半導体モジュール２のバスバー７とは、グリース層８を介して接合して、グリース層８によりバスバー７の表面の微細な凹凸を埋めて、バスバー７と絶縁層４Ａとを密着させている。

絶縁層４Ａは、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性の第１樹脂材４で構成される。非絶縁型半導体モジュール２の冷却効果を高める上からは、この第１樹脂材４を母材として、その母材中に母材よりも熱伝導率の高い、例えば、酸化アルミニウム等の充填材を含有させたものが好ましい。

この絶縁層４Ａは、半硬化のシート状の第１樹脂材４を冷却器３の表面に直接接触するように載置し、加熱プレスにより高温環境下で加圧することにより、冷却器３の表面の微細な凹凸を埋めて、絶縁層４Ａの熱抵抗を上昇させる原因となる空隙をなくして、絶縁層４Ａを冷却器３の表面に密着して形成させることができる。

冷却器３は、アルミニウムや銅等の熱伝導性のよい金属材料で構成している。この冷却器３は、矩形断面の筺体９と、筺体９の内部に形成されて冷却媒体を循環する流路１０と、筺体９の冷却面である前記非絶縁型半導体モジュール２を配置した側壁の内面から、流路１０内に延出した複数の冷却フィン１１と、を備えている。そして、この冷却フィン１１の先端とその対向面との間に、第２樹脂材１２を介装してある。

第２樹脂材１２は、絶縁層４Ａを構成する第１樹脂材４よりも硬化温度が低い、例えば、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂材が用いられる。

この第２樹脂材１２は、液状、もしくは半硬化のシート状にして冷却フィン１１とその対向面との間の隙間を埋めて配置し、第１樹脂材４の加熱プレスによる筺体表面への密着成形時の加熱により熱硬化させている。

非絶縁型半導体モジュール２は、上述のように第１樹脂材４および第２樹脂材１２を熱硬化処理した後、第１樹脂材４で構成された絶縁層４Ａ上に載置して、ボルト・ナット等の締結手段により冷却器３に結合される。

この第１実施形態の構成によれば、筺体９の冷却フィン１１の先端とその対向面との間に、第１樹脂材４よりも硬化温度の低い熱硬化性の第２樹脂材１２を設けることにより、高温環境下で、第２樹脂材１２が第１樹脂材４よりも先に硬化する。

そして、第１樹脂材４を筺体表面に密着させるように加圧処理する際に、硬化した第２樹脂材１２が冷却フィン１１を支持するため、筺体表面の変形を防止することができる。

これにより、第１樹脂材４が冷却器３の筺体表面に確実に密着して、該筺体表面との間に空隙のない絶縁層４Ａを構成することができ、熱抵抗の悪化を防止することができる。
図２は、本発明の半導体装置１の第２実施形態を示している。

本実施形態では、冷却器３の筺体９を、複数の冷却フィン１１を備えたヒートシンク部９Ａと、ヒートシンク部９Ａを結合して支持するベース部９Ｂとで構成している。

ヒートシンク部９Ａは、アルミニウムや銅等の熱伝導性のよい金属材料で板状に形成され、その一側面に複数の冷却フィン１１を一体成形してある。

ベース部９Ｂは、ヒートシンク部９Ａと同質材、もしくは他の金属材料をもってコ字形断面に形成している。

ヒートシンク部９Ａは、実質的に冷却器３の冷却面、即ち、非絶縁型半導体モジュール２の取付面を構成する。このヒートシンク部９Ａは、ベース部９Ｂの立上がり壁の端縁上に重合し、ろう付け、あるいは高周波振動溶接等の加熱処理によって接合Ｗしてある。

第２樹脂材１２は、ヒートシンク部９Ａとベース部９Ｂとの接合Ｗを行う前にベース部９Ｂの内底面上に配置してもよいし、接合Ｗの終了後に冷却フィン１１の先端とその対向面との間に介在させるようにしてもよく、何れにしても、絶縁層４Ａの加熱プレス加工前に設けられる。

第２樹脂材１２を、ヒートシンク部９Ａとベース部９Ｂとの接合前に配置した場合、接合Ｗを行う加熱処理時の熱で硬化することもあるが、絶縁層４Ａのヒートシンク部９Ａの表面上への高温環境下での加圧成形時には、既に硬化しているため、ヒートシンク部９Ａの反り等の変形が防止される。

この第２実施形態のように、冷却器３を構成する筺体９を、ヒートシンク部９Ａとベース部９Ｂとからなるセパレート構造とすることにより、第１実施形態と同様の効果が得られる他、第２樹脂材１２の配設を容易に行うことができる。また、ヒートシンク部９Ａのみを高熱伝導率の金属材料で形成することもできるので、コスト的に有利に得ることが可能となる。

また、ヒートシンク部９Ａとベース部９Ｂとの結合を加熱処理による接合とすることによって、この接合時の加熱で第２樹脂材１２を予め熱硬化させることが可能で、第１樹脂材４の加熱プレスによる筺体表面上への密着成形加工時における筺体９の変形防止を有効に行わせることができる。しかも、前記接合時における第２樹脂材１２の熱硬化が不完全であっても、前記加熱プレスによって、第１樹脂材４の熱硬化に先立って第２樹脂材１２を完全に熱硬化させることができるので、筺体９の変形防止を確実なものとすることができる。

第２実施形態では、ヒートシンク部９Ａとベース部９Ｂとを、加熱処理により接合Ｗして結合しているが、図３に示す第３実施形態のように、ヒートシンク部９Ａとベース部９Ｂとを、ボルト１３によって締結固定するようにしてもよい。この場合、ヒートシンク部９Ａとベース部９Ｂの結合手段が簡易となり、より一層コスト的に有利に得ることができる。

なお、各実施形態と各請求項の構成との対応関係において、非絶縁型半導体モジュール２が発熱素子に相当する。

１…半導体装置
２…非絶縁型半導体モジュール（発熱素子）
３…冷却器
４…第１樹脂材
９…筺体
９Ａ…ヒートシンク部
９Ｂ…ベース部
１０…流路
１１…冷却フィン
１２…第２樹脂材
Ｗ…接合

Claims (4)

1. 発熱素子と、
   前記発熱素子を装着して、該発熱素子の冷却を行う冷却器と、
   前記冷却器の表面に形成されて、該冷却器と前記発熱素子との間に介在する第１樹脂材と、を備え、
   前記冷却器は、筺体と、
   前記筺体内に設けられて、冷却媒体を循環する流路と、
   前記筺体の前記発熱素子を配置した側の内面から前記流路内に延出した複数の冷却フィンと、
   前記筺体の前記冷却フィンの先端が対向する内面と、該冷却フィンの先端との間に介装した第２樹脂材と、を備え、
   前記第１樹脂材と第２樹脂材は熱硬化性樹脂材であって、前記第１樹脂材の硬化温度が第２樹脂材の硬化温度以上であることを特徴とする半導体装置。
2. 前記筺体が、前記冷却フィンを備えたヒートシンク部と、
   前記ヒートシンク部を結合して支持するベース部とからなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ヒートシンク部と、前記ベース部とを、加熱処理により接合したことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 冷却器の発熱素子を装着する部位の表面に熱硬化性の第１樹脂材を配置する一方、
   前記冷却器の冷却媒体が循環する流路内で、前記発熱素子を装着する側の内面から延出した複数の冷却フィンの先端と、該冷却フィンの先端が対向する内面との間に前記第１樹脂材よりも硬化温度が低い熱硬化性の第２樹脂材を配置し、
   前記第１樹脂材の加熱プレスによる熱硬化成形時に、該第１樹脂材の熱硬化に先立って前記第２樹脂材を熱硬化させることを特徴とする半導体装置の製造方法。

Images