JP2011091088A - 発熱体の放熱構造、および該放熱構造を用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱基板と放熱体の接合部の空隙を減少して密着性を高めることにより、接合部における接触抵抗を低下させ、放熱性を大幅に向上して信頼性を高めるとともに、組み立てが容易で製造コストを抑えた発熱体の放熱構造、および該放熱構造を用いた半導体装置を提供する。
【解決手段】第１放熱部１００と第２放熱部２００とを係合させる係合部３００の第１放熱面１０２に突部３００（ａ）、第２吸熱面２０１に溝部３００（ｂ）が形成されており、突部３００（ａ）が溝部３００（ｂ）に収容されて嵌合方向１０に挿入されるに従って圧着されるように、突部３００（ａ）および溝部３００（ｂ）は、互いに嵌合方向１０側につれて窄むように斜傾して形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーエレクトロニクス分野において、モータドライブ用インバータやサーボアンプに使用される半導体チップが実装されたパワーモジュールを含む発熱体の放熱構造、および該放熱構造を用いた半導体装置に関する。

大容量電力変換装置に使用される半導体チップが実装されたパワーモジュールは、発生する熱を効果的に放熱する絶縁性の放熱基板を有し、放熱基板は、銅やアルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属製の放熱体と接続されている。このような放熱構造において、放熱基板と放熱器との接合部分での接触抵抗が増大すると放熱性が低下し、装置の性能低下を引き起こす要因となることから、この接合部分で生じる接触抵抗を低下させることにより、放熱性を向上することが技術課題となっている。

このため、金属製の放熱基板と金属製の放熱体との結合面は、互いに凹凸面で形成され、熱伝導性薄膜を介して嵌合される構造が示されている。（例えば、特許文献１参照）。

また、熱吸収部材と放熱部材の各熱結合部側には、互いに嵌合する凹凸部を形成し、熱吸収部材と放熱部材の嵌合部をシリコーン樹脂などの硬化性樹脂により接着して結合する構造が示されている（例えば、特許文献２参照）。

実開平６−７２２４７号公報 特開２００２−６４１６８号公報

しかしながら、特許文献１で示される放熱基板と放熱体の各結合面の形状を凹凸面で形成する場合、凹凸の鋭角部分では空隙が生じ易くなり、空隙により接触抵抗の高い箇所ができるため、全体としては放熱性を向上させることは難しい。このため、熱伝導性薄膜を介して嵌合すると、接触抵抗は低減するものの、一般に、このような熱伝導性薄膜は金属よりも熱抵抗が高く、層が厚くなるほど熱伝導性が低下するので、放熱性を大幅に向上させることは困難である。
一方、特許文献２で示される凹凸構造についても、加工時の寸法公差を考慮すると、熱吸収部材と放熱部材の勘合部分には空隙が生じやすくなる。このため、熱伝導性コンパウンドを用いて空隙を充填する必要があり、上述のように、放熱性の大幅な向上には至らない。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、放熱基板と放熱体の接合部の空隙を減少して密着性を高めることにより、接合部における接触抵抗を低下させ、放熱性を大幅に向上して信頼性を高めるとともに、組み立てが容易で製造コストを抑えた発熱体の放熱構造、および該放熱構造を用いた半導体装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、発熱体が固定された第１吸熱面と、前記第１吸熱面が吸熱した熱が伝達される第１放熱面とを有し、前記発熱体から発せられる熱を伝達する第１放熱部と、前記第１放熱面に対向して配置された第２吸熱面と、前記第２吸熱面が吸熱した熱が伝達される第２放熱面とを有し、前記第１放熱部から伝達された熱を放熱する第２放熱部と、前記第１放熱面と前記第２吸熱面とを係合させる係合部とを備え、前記係合部は、前記第１放熱面と前記第２吸熱面のいずれか一方の面に突部が形成され、他方の面に前記突部が収容される溝部が形成され、前記突部が、前記溝部に収容されて前記第１放熱面及び前記第２吸熱面に平行となる嵌合方向に挿入されるに従って圧着されるように、前記突部および前記溝部は、互いに前記嵌合方向側につれて窄むように斜傾して形成されるものである。
請求項２に記載の発明は、前記一方の面に、前記突部と前記溝部がそれぞれ少なくとも１以上形成され、前記他方の面に、前記突部と前記溝部とにそれぞれ対応する前記溝部と前記突部がそれぞれ少なくとも１以上形成されるものである。
請求項３に記載の発明は、前記一方の面には、２以上の前記突部が形成され、前記一方の面の前記突部には、少なくとも１以上の溝部が形成され、前記他方の面には、前記２以上の前記突部に対応した２以上の前記溝部が形成され、前記他方の面の前記溝部には、前記１以上の溝部に対応した１以上の前記突部が形成されるものである。
請求項４に記載の発明は、前記溝部はアリミゾ構造を有し、前記突部はアリホゾ構造を有するものである。
請求項５に記載の発明は、前記突部を前記嵌合方向に挿入し、前記第１放熱部と前記第２放熱部を固定する固定手段を有するものである。
請求項６に記載の発明は、前記固定手段は、軸部に雄ネジが切られたボルトと、前記第１放熱部または前記発熱体の前記勘合方向側端面から前記勘合方向に雌ネジが切られたネジ穴と、前記第１放熱部及び前記第２放熱部と一体化または橋架して貫通穴が設けられた固定板で構成され、前記ボルトの軸部を前記貫通穴を貫通して前記ネジ穴にねじ込むようにするものである。
請求項７に記載の発明は、半導体チップが実装されたパワーモジュールの放熱手段は、
請求項１記載の発熱体の放熱構造により構成され、前記発熱体は半導体チップにより構成されたものである。
請求項８に記載の発明は、前記パワーモジュールの放熱手段は、前記半導体チップを含む前記発熱体の両面を請求項１記載の発熱体の放熱構造により構成したものである。

請求項１の発明によれば、第１放熱部と第２放熱部とを係合させる係合部となる突部が溝部に収容され、嵌合方向に挿入されるに従い、第１放熱部と第２放熱部との隙間が小さくなり、さらに圧入することにより係合面は均等に圧着され、密着性が極めて良好になる。これにより熱伝導性が改善され、放熱性が大幅に向上する。この結果、放熱部の小型化が可能となり、インバータやサーボアンプのようなモータ制御装置、あるいは電力変換装置のパワー密度が高まるとともに、信頼性が向上する。また、突部を溝部に挿入して嵌合方向に圧入されることにより位置決めと固定が容易にできるので、製造が容易になりコスト低減が可能になる。
請求項２の発明によれば、請求項１と同様の効果が得られる。
請求項３の発明によれば、、第１放熱部と第２放熱部の嵌合部分の面積が大きくなるので、さらに密着性が良くなり放熱性が向上する。
請求項４の発明によれば、第１放熱部と第２放熱部とを係合させる係合部となる溝部をアリミゾ構造とし、突部をアリホゾ構造とすることにより、請求項１乃至３と同様の効果が得られるとともに、さらに密着性および放熱性が向上する。
請求項５の発明によれば、第１放熱部と第２放熱部とを係合させる係合部となる突部を嵌合方向に挿入して圧着、固定する際、特殊な工具を必要とせず、製造が容易にできるようになる。
請求項６の発明によれば、汎用的な部材を用いて、第１放熱部と第２放熱部とを係合させる係合部となる突部を嵌合方向に挿入して圧着、位置決め、及び固定することが容易になり、製造コストの低減に寄与することができるようになる。
請求項７の発明によれば、半導体チップが実装されたパワーモジュールの放熱性が向上することにより半導体装置の性能、信頼性、製造性が向上し、小型化やコスト低減が実現できる効果が得られる。
請求項８記載の発明によれば、半導体装置を搭載するモータドライブ用インバータやサーボアンプなどの電力変換装置の性能、信頼性、製造性が向上し、小型化やコスト低減が実現できる効果が得られる。

本発明の第１の実施例を示す発熱体の放熱構造の概略図 熱解析における半導体装置の模式図 本発明の第２の実施例を示す発熱体の放熱構造の概略図 本発明の第３の実施例を示す発熱体の放熱構造の概略図 本発明の第４の実施例を示す発熱体の放熱構造の概略図 本発明の第５の実施例を示す半導体装置の概略構成図 本発明の第６の実施例を示す半導体装置の概略構成図

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。本実施例で参酌する図面では、発明の理解を容易にするため、各要素が模式的に示されており、ケーブル類や接続端子を含む電子部品は省略している。

図１は、本発明の実施例１を示す発熱体の放熱構造の概略図である。図１（ａ）は、発熱体１と、第１放熱部１００、および第２放熱部２００から構成される放熱構造の縦断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の横断面図であり、第１放熱部１００と第２放熱部２００の嵌合方向を示している。図１（ｃ）は、図１（ａ）および図１（ｂ）の上面図である。
第１放熱部１００の第１吸熱面１０１は、発熱体１と接合される。また、第１吸熱面１０１の裏側が第１放熱面１０２であり、第２放熱部２００の第２吸熱面２０１と接合される。このため、発熱体１で発生した熱は、第１放熱部１００を介して第２放熱部２００に伝達し、大気または冷却水などの液中に放熱される。
なお、第１放熱部１００は熱伝導性の良好な銅またはアルミニウムを含む金属材料、樹脂材料、繊維材料、あるいはそれらの複合材などにより構成されており、発熱体１と第１吸熱面１０１とは熱溶着、樹脂材料、ビス止めなどにより接合される。一方、第２放熱部２００は、熱伝導性の良好な銅やアルミニウムを含む金属材料、樹脂材料、繊維材料、あるいはそれらの複合材などから構成され、第２吸熱面２０１の裏側の第２放熱面２０２は、表面積を広げて放熱を良好にするための放熱フィンを含む凹凸を有しており、大気あるいは冷却水などに接して放熱する構造となっている。また、効率良く熱伝導を行うためには、第１放熱面１０２よりも第２吸熱面２０１の縦横の寸法が大きい方が良い。

次に、第１放熱部１００と第２放熱部２００とを係合させる係合部３００の第１放熱面１０２には突部３００（ａ）、第２吸熱面２０１には溝部３００（ｂ）が形成されており、突部３００（ａ）が溝部３００（ｂ）に収容されて嵌合方向１０に挿入されるに従い、第１放熱部１００と第２放熱部２００が圧着されるように、突部３００（ａ）および前記溝部３００（ｂ）は、互いに嵌合方向１０側につれて窄むように斜傾して形成されている。なお、図において、突部３００（ａ）の断面はアリホゾ構造を有し、これを収容する溝部３００（ｂ）の断面はアリミゾ構造を有している。また、本実施例では、第１放熱面１０２に突部３００（ａ）、第２吸熱面２０１に溝部３００（ｂ）が形成されているが、第１放熱面１０２に溝部３００（ｂ）、第２吸熱面２０１に突部３００（ａ）を形成することも可能である。
また、突部および溝部の断面構造は、多角形、円形、楕円形を含め、その他の形状でも良く、一部または全面のいずれかが嵌合方向１０側につれて窄むように斜傾した形状であれば良い。

次に、上記の構成を用いた半導体装置の放熱効率について熱解析を行い、比較例との対比を行った。図２は、熱解析における半導体装置の模式図である。発熱体１は半導体チップ１（ａ）と絶縁回路基板１（ｂ）を接合して構成されている。熱解析条件を表１に示す。表１において、本実施例と比較例では、第１放熱部１００の第１吸熱面１０１と、第２放熱部２００の第２吸熱面２０１との係合部３００における接合条件が異なっており、実施例では、熱伝導性コンパウンドは使用せず、図１と同様の接合が行われることにより、第１放熱部１００と第２放熱部２００は隙間なく密着されている。一方、比較例では、第１吸熱面１０１および第２吸熱面２０１を平面として、その間に熱伝導性コンパウンドが０．３ｍｍの厚さで均一に塗布されて第１放熱部１００と第２放熱部２００が接合されている。

熱解析結果を表２に示す。表２によると、実施例の半導体チップ１（ａ）の表面温度は１６０℃に上昇し、比較例側は１６４℃であった。

以上のように、突部３００（ａ）を溝部３００（ｂ）に収容して嵌合方向１０に挿入するにしたがって、第１放熱部と第２放熱部との隙間が小さくなり、さらに圧入することにより係合面は均等に圧着され、第１放熱部１００と第２放熱部２００は密着する。これにより、接触抵抗が低下して放熱性が向上することとなり、発熱体の温度上昇が抑制される。この結果、小型で信頼性の高い半導体装置を提供することが可能になる。また、突部３００（ａ）を溝部３００（ｂ）に収容し嵌合方向１０に挿入するだけで位置決めと固定が容易にできる。
なお、第１放熱部１００と第２放熱部２００間の係合部３００に熱伝導性コンパウンドを塗布した場合においても、係合部３００は均等に圧着されるので、熱伝導性コンパウンドは均一に引き伸ばされ極薄い膜状となる。このため、熱伝導性コンパウンドを塗布することによる熱伝導性の低下は非常に小さくなる。
これらにより、インバータやサーボアンプのようなモータ制御装置のパワー密度が高くなるとともに、信頼性の向上や製造コストの低減にも寄与することができる。

図３は、本発明の実施例２を示す発熱体の放熱構造の概略図である。
第１放熱部１００と第２放熱部２００とを係合させる係合部３００の第１放熱面１０２は、突部３００（ａ）と溝部３００（ｂ）が形成され、第２吸熱面２０１には、溝部３００（ｂ）と突部３００（ａ）が形成されており、互いに突部３００（ａ）が溝部３００（ｂ）に挿入されるようになっている。

本実施例においても、突部３００（ａ）を溝部３００（ｂ）に収容して嵌合方向１０に挿入するに従い圧着されるように、突部３００（ａ）および溝部３００（ｂ）は、互いに嵌合方向１０側につれて窄むように斜傾して形成されており、実施例１と同様の効果が得られる。

図４は、本発明の実施例３を示す発熱体の放熱構造の概略図である。
第１放熱部１００と第２放熱部２００とを係合させる係合部３００の第１放熱面１０２は、突部３００（ａ）が２箇所と溝部３００（ｂ）１箇所が形成され、第２吸熱面２０１には、溝部３００（ｂ）が２箇所と突部３００（ａ）が１箇所形成されており、互いに突部３００（ａ）が溝部３００（ｂ）に挿入されるようになっている。

本実施例においても、突部３００（ａ）を溝部３００（ｂ）に収容して嵌合方向１０に挿入するに従い、圧着されるように突部３００（ａ）および溝部３００（ｂ）は、互いに嵌合方向１０側につれて窄むように斜傾して形成されている。また、第１放熱部１００と第２放熱部２００の嵌合部分の面積が大きくなるので、さらに第１放熱部１００と第２放熱部２００の密着性が向上する。

図５は、本発明の実施例４を示す発熱体の放熱構造の概略図である。図５（ａ）は、第１放熱部１００、および第２放熱部２００から構成される放熱構造の横断面図を示している。図５（ｂ）は図５（ａ）の上面図である。
第２放熱部１００の嵌合方向１０側の端面には固定板４００が取り付けられ、貫通穴４００（ａ）が設けられている。また、貫通穴４００（ａ）には軸部に雄ネジが切られたボルト４０１が貫通するようになっており、第１放熱部の嵌合方向１０側の端面には雌ネジが切られたネジ穴４０２が設けられている。
第１放熱部と第２放熱部とを係合させる際、ボルト４０１を貫通穴４００（ａ）に通し、ネジ穴４０２にねじ込むことにより、第１放熱部は嵌合方向１０に少しずつスライドして挿入され、次第に第２放熱部と密着して固定される。
なお、固定板４００は第２放熱部１００と一体化せず、第１放熱部１００と第２放熱部２００を橋架する取り外しの可能な構造であっても良い。

このように、汎用の部材を用いて、第１放熱部と第２放熱部との圧着、位置決め、及び固定することが容易にできるので、第１放熱部１００と第２放熱部２００との接合作業が容易になり、製造コストの低減が可能となる。

図６は、本発明の実施例５を示す半導体装置の概略構成図である。図６（ａ）は、半導体装置の斜視図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ´における断面図を示している。半導体チップや絶縁回路基板を含む発熱体１の両面にはそれぞれ第１放熱部１００が接合され、さらにそれらの両側から第２放熱部２００が接合されるようになっている。また、発熱体１の嵌合方向１０側の端面には雌ネジが切られたネジ穴４０２が設けられており、双方の第２放熱部２００を橋架するように、貫通穴４００（ａ）の設けられた固定板４００を設置できるようになっている。このネジ穴４０２と貫通穴４００の位置を合わせて、ボルト４０１をねじ込むことにより、発熱体１と接合された第１放熱部１００は嵌合方向１０に少しずつスライドして挿入され、次第に第２放熱部と圧着されて固定される。

このように、半導体チップが実装されたパワーモジュールで発生する熱は両面に放熱されることとなり、さらに放熱性が向上するため、パワーモジュールの性能、信頼性が大幅に改善される。また、上記の接合手段により製造性が改善され、コスト低減が実現できる効果が得られる。

図７は、本発明の実施例６を示す半導体装置の概略構成図である。図７（ａ）は、
半導体装置の縦断面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ´における断面図を示している。本実施例は、実施例５の半導体装置がさらに多重に積層された構造となっており、第２放熱部２００は冷却水路２０３を有している。
また、第２放熱部２００は、内燃機関の冷却を行う多数の細い流路で構成された車載用ラジエータであっても良い。

このように、半導体チップが実装されたパワーモジュールはさらに放熱性が向上し、パワーモジュールの性能、信頼性が大幅に改善される。また、ラジエータを利用した放熱構造とすることにより、パワーモジュールから発熱する熱を効果的に放熱することができるとともに、収容スペースのコンパクト化が可能となる。

半導体装置に限定されず、発熱体を有する電気品全般、あるいは熱交換器の放熱構造に適用することができる。また、内燃機関の冷却を行う車載用ラジエータ以外の産業機械、建設機械、あるいは家庭用の熱交換器等に使用されるラジエータを利用して放熱構造を構成することも可能である。

１ 発熱体
１（ａ） 半導体チップ
１（ｂ） 絶縁回路基板
１０ 嵌合方向
１００ 第１放熱部
１０１ 第１吸熱面
１０２ 第１放熱面
２００ 第２放熱部
２０１ 第２吸熱面
２０２ 第２放熱面
２０３ 冷却水路
３００ 係合部
３００（ａ） 突部
３００（ｂ） 溝部
４００ 固定板
４００（ａ） 貫通穴
４０１ ボルト
４０２ ネジ穴

Claims (8)

1. 発熱体が固定された第１吸熱面と、前記第１吸熱面が吸熱した熱が伝達される第１放熱面とを有し、前記発熱体から発せられる熱を伝達する第１放熱部と、
   前記第１放熱面に対向して配置された第２吸熱面と、前記第２吸熱面が吸熱した熱が伝達される第２放熱面とを有し、前記第１放熱部から伝達された熱を放熱する第２放熱部と、
   前記第１放熱面と前記第２吸熱面とを係合させる係合部とを備え、
   前記係合部は、前記第１放熱面と前記第２吸熱面のいずれか一方の面に突部が形成され、他方の面に前記突部が収容される溝部が形成され、
   前記突部が、前記溝部に収容されて前記第１放熱面及び前記第２吸熱面に平行となる嵌合方向に挿入されるに従って圧着されるように、前記突部および前記溝部は、互いに前記嵌合方向側につれて窄むように斜傾して形成されることを特徴とする発熱体の放熱構造。
2. 前記一方の面に、前記突部と前記溝部がそれぞれ少なくとも１以上形成され、
   前記他方の面に、前記突部と前記溝部とにそれぞれ対応する前記溝部と前記突部がそれぞれ少なくとも１以上形成されることを特徴とする請求項１に記載の発熱体の放熱構造。
3. 前記一方の面には、２以上の前記突部が形成され、
   前記一方の面の前記突部には、少なくとも１以上の溝部が形成され、
   前記他方の面には、前記２以上の前記突部に対応した２以上の前記溝部が形成され、
   前記他方の面の前記溝部には、前記１以上の溝部に対応した１以上の前記突部が形成されることを特徴とする、請求項２に記載の発熱体の放熱構造。
4. 前記溝部はアリミゾ構造を有し、前記突部はアリホゾ構造を有することを特徴とする請求項１乃至３記載の発熱体の放熱構造。
5. 前記突部を前記嵌合方向に挿入し、前記第１放熱部と前記第２放熱部を固定する固定手段を有することを特徴とする請求項１乃至３に記載の発熱体の放熱構造。
6. 前記固定手段は、軸部に雄ネジが切られたボルトと、前記第１放熱部または前記発熱体の前記勘合方向側端面から前記勘合方向に雌ネジが切られたネジ穴と、前記第１放熱部及び前記第２放熱部と一体化または橋架して貫通穴が設けられた固定板で構成され、前記ボルトの軸部を前記貫通穴を貫通して前記ネジ穴にねじ込むようにすることを特徴とする請求項５に記載の発熱体の放熱構造。
7. 半導体チップが実装されたパワーモジュールの放熱手段は、請求項１記載の発熱体の放
   熱構造により構成され、前記発熱体は半導体チップにより構成されたことを特徴とする半導体装置。
8. 前記パワーモジュールの放熱手段は、前記半導体チップを含む前記発熱体の両面を請求項１記載の発熱体の放熱構造により構成したことを特徴とする半導体装置。

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