パワーエレクトロニクス用デバイス

【課題】半導体装置の小型化が図れ、接合装置や治具等の自由度を向上する手段を提供する。
【解決手段】半導体装置１０とヒートシンク２０とからなるパワーエレクトロニクス用デバイスにおいて、ヒートシンク２０は、クロス部２２からフィン２１を林立させ、これらのフィン２１の先端面のみにペースト２５を臨ませて、半導体装置１０とヒートシンク２０とを合体する。そして、プレスパンチ３４で押圧しながら加熱焼結を行う。
【効果】フィン２１の先端面の面積和（ｓ１＋ｓ２＋・・・＋ｓ８）は十分に小さいため、押圧Ｐ２が小さくて済む。結果、樹脂ケース１５の剛性を下げることができ、樹脂ケース１５の薄肉化が可能となり、半導体装置１０の小型化及び軽量化が図れる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱性半導体素子を内蔵する半導体装置に、ヒートシンクを付設してなるパワーエレクトロニクス用デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体回路を樹脂ケースに収納してなる半導体装置は、広く使用されている。そして、高い発熱性がある半導体素子（以下、発熱性半導体素子と記す。）は、樹脂ケースの内に配置される。通電による発熱によって、素子温度が耐熱温度を超えてしまう。対策として、熱放散を促すヒートシンクの付設がある。
【０００３】
ヒートシンクが付設されているパワーエレクトロニクス用デバイスの一例を図面に基づいて説明する。
図１１は従来のパワーエレクトロニクス用デバイスの断面図であり、従来の車載用のパワーエレクトロニクス用デバイス１００は、半導体装置１０１と、この半導体装置１０１に付設したヒートシンク１０２とからなる。
そして、半導体装置１０１は、発熱性半導体素子１０３と回路板１０４と絶縁板１０５と放熱金属板１０６とを積層して、樹脂ケース１０７に一括収納してなる。ただし、放熱金属板１０６は、図下面が外へ露出している。
【０００４】
この放熱金属板１０６からの放熱を促すために、この放熱金属板１０６にヒートシンク１０２が接続される。ところで、放熱金属板１０６は、見かけ上平坦であっても、微少の凹凸を不可避的に有する。ヒートシンク１０２も同様に、微少の凹凸を有する。
そのため、放熱金属板１０６とヒートシンク１０２との接合部に、微少の隙間が無数に発生し、これらの隙間が伝熱を妨げる。対策として、接合部に伝熱グリース１０８が塗布される。伝熱グリースで隙間が埋められるため、伝熱性が改善される。
【０００５】
ただし、伝熱グリースは経年劣化が避けられない。また、アルミニウム製のヒートシンク１０２の熱伝導率が２３６Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対して、伝熱グリースの熱伝導率は１０Ｗ／ｍ・Ｋ程度又はそれ以下であり、期待したほどの伝熱性の改善が見込めない。
【０００６】
対策として、金属ナノ粒子の利用が考えられる。
半導体装置の接合に金属ナノ粒子を使用することが知られている（例えば、特許文献１（図３）参照。）。
特許文献１の図３において、半導体素子（１０１）（括弧付き数字は、特許文献１に記載された符号を示す。以下同様）に、金属基材（３０１）が金属ナノ粒子層（３０２）で接合されている。
このような金属ナノ粒子層（３０２）を、伝熱グリース１０８に代えた例を次図で説明する。
【０００７】
図１２に示すように、ヒートシンク１０２の上面に、有機物で被覆されている金属ナノ粒子を分散媒に分散させてなるペーストを塗布し、その上に半導体装置１０１を載せる。次に、押圧力Ｐ１で半導体装置１０１を押し、この状態で加熱する。すると、有機物がガス化して飛散し、さらに焼結温度に加熱すると、金属ナノ粒子が放熱金属板１０６及びヒートシンク１０２に焼結結合する。
すなわち、パワーエレクトロニクス用デバイス１００Ｂは、半導体装置１０１と、金属ナノ粒子層１０９で半導体装置１０１に付設されているヒートシンク１０２とからなる。その他の構成は、図１１と同一であるため、符号を流用し、説明を省略する。
【０００８】
金属ナノ粒子層１０９は、金属並みの熱伝導率を有するために、格段に伝熱性を高めることができる。
図中、Ｓ１は接合部の面積を示し、この面積Ｓ１が大きいほど、押圧力Ｐ１は大きくなる。この押圧力Ｐ１に耐えるように、樹脂ケース１０７の剛性を確保する必要がある。結果、半導体装置１０１Ｂの小型化が難しくなる。
また、焼結は有機ガスが抜けた周囲から始まるため、接合部の面積Ｓ１が大きいと、接合部の中央に発生した有機物ガスは、抜け難いために、有機被膜の除去が不十分になる。中央に、有機ガスが残るとボイド等が発生するために焼結結合が不十分になり、所望の接合強度が得られなくなるという問題がある。
対策として、時間を掛けてガス抜きをさせる。しかし、生産時間が延びて、生産性が低下し、実用的な対策とならない。
【０００９】
このように、金属ナノ粒子を使用した場合に、伝熱性の改善は期待できる反面、半導体装置が大きくなり、接合装置や治具に制限がかかることや、ボイドの発生による接合強度の低下という新たな問題が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−２１４３４０公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、半導体装置の小型化が図れ、接合装置や治具等の自由度を向上することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に係る発明は、発熱性半導体素子、回路板、絶縁板、放熱金属板が積層された形態でケースに収納され、前記放熱金属板の外面が露出している半導体装置と、前記放熱金属板に付設されるヒートシンクとからなるパワーエレクトロニクス用デバイスであって、
前記ヒートシンクは、複数のフィンと、これらのフィンの一端を連結するクロス部とからなる櫛歯断面を呈し、
前記フィンの先端と前記放熱金属板とが金属ナノ粒子で接合されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に係る発明は、ヒートシンクに、半導体装置を嵌合させて半導体装置にヒートシンクを位置合わせする位置合わせ用凹部が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明では、複数のフィンにより櫛歯断面を呈するヒートシンクを採用し、フィンの先端を放熱金属板に接合する。接合面の面積が少なくなり、焼結時のプレス圧力を減少させることができる。プレス圧力が小さければ、ケースの剛性を下げることができ、ケースの軽量、小型化が可能となり、もってパワーエレクトロニクス用デバイスの小型化が達成できる。ヒートシンクの上板がないことによる熱伝導性の向上、半導体装置の耐熱性も向上する。ナノ粒子ペーストの使用量削減によるコスト低減の効果もある。
【００１５】
さらには、フィンとフィンとの間に冷媒を流すと、この冷媒は直接放熱金属板に接触する。結果、放熱性をより高めることができる。
【００１６】
請求項２に係る発明では、位置合わせ用凹部を介して半導体装置をヒートシンクに嵌合できるようにした。製造中での位置合わせが容易になり、製造時間を短縮することができ、パワーエレクトロニクス用デバイスの生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る準備工程を説明する図である。
【図２】パワーエレクトロニクス用デバイスの製造工程を説明するフロー図である。
【図３】塗布工程を説明する図である。
【図４】第１加熱工程を説明する図である。
【図５】第２加熱工程を説明する図である。
【図６】本発明に係るパワーエレクトロニクス用デバイスの断面図である。
【図７】図３の別実施例を説明する図である。
【図８】図６の別実施例を説明する図である。
【図９】図３の更なる別実施例を説明する図である。
【図１０】図６の更なる別実施例を説明する図である。
【図１１】従来のパワーエレクトロニクス用デバイスの断面図である。
【図１２】従来の別のパワーエレクトロニクス用デバイスの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
【実施例１】
【００１９】
先ず、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。
図１（ａ）に示されるように、半導体装置１０は、発熱性半導体素子１１と回路板１２と絶縁基板１３と放熱金属板１４とを積層して、樹脂ケース１５に一括収納してなる。ただし、放熱金属板１４は、図下面が外へ露出している。
放熱金属板１４は、銅、アルミニウム、Ａｌ−ＳｉＣ複合材又は炭素−金属複合材が好適である。
【００２０】
準備するヒートシンク２０は、（ｂ）に示すように、複数のフィン２１の一端のみがクロス部２２で連結された櫛歯断面体であり、アルミニウム合金の押出品が好適である。
【００２１】
又、準備する金属ナノ粒子ペースト２５は、Ｃ、Ｈ、Ｏを含む有機被膜２６で被覆された金属ナノ粒子２７を、分散媒２８に分散させてなる。金属ナノ粒子２７の金属は銀が好ましい。また、分散媒２８は、エチレングリコール、トルエン、テトラデカン、ブタンジオール、低級アルコールの一種又は複数種を含む。
【００２２】
金属ナノ粒子２７が主体であるため、分散媒２８は少ないほどよく、質量％で、分散媒２８は５〜１５％以下とする。残部が金属ナノ粒子２７となる。なお、有機被膜２６は、常温で金属ナノ粒子２７同士が凝集することを防止する機能を発揮する分離用膜であり、ごく薄いため、金属ナノ粒子に対して３〜８％とする。
【００２３】
以上のように、準備が終わったら、次図のフローに基づいて製造を実施する。
図２に示すステップ（以下、ＳＴと記す。）０１の準備工程は、上述の図１により終了している。次に、接合面（放熱金属板１４とフィン２１の先端）を洗浄する（ＳＴ０２）。
【００２４】
ＳＴ０２の洗浄工程は次の何れかの手順で実施する。
第１の手順は、アセトンで洗浄し、純水で洗い、乾燥させる。
第２の手順は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で洗浄し、純水で洗い、乾燥させる。
第３の手順は、アセトン又はＩＰＡで洗浄し、酸で洗い、純水で洗い、乾燥させる。
第４の手順は、プラズマ洗浄法で洗浄する。
【００２５】
洗浄が終わったら、放熱金属板１４に、金属ナノ粒子ペースト２５を塗布する（ＳＴ０３）。この金属ナノ粒子塗布工程では、図３に示すように、放熱金属板１４に筋状に金属ナノ粒子ペースト２５を塗布する。筋はフィン２１のピッチに合わせる。メタルマスク版やスクリーン印刷版を用いると、容易に塗布が行える。
【００２６】
塗布が終わったら、金属ナノ粒子ペースト２５にフィン２１を位置合わせしながら、ヒートシンク２０を半導体装置１０に合わせる（図２、ＳＴ０４）。
合体物２９は、図４に示すヒータ３１を備えている第１加熱炉３２に装入する。そして、この第１加熱炉３２で、大気雰囲気中、６０〜１２０℃の温度で、５〜１２０分間、第１加熱を実施する（図２、ＳＴ０５）。この第１加熱工程により、分散媒が除去される。
【００２７】
次に、合体物２９を、図５に示すヒータ３３及びプレスパンチ３４を備えている第２加熱炉３５に装入する。そして、この第２加熱炉３５で、押圧力Ｐ２で押しながら、大気雰囲気中、１５０〜３００℃の温度で、５〜１２０分間、第２加熱を実施する（図２、ＳＴ０６）。この第２加熱工程により、有機被膜がガス化して除去される。発生ガスは、フィン２１、２１間の隙間、すなわち溝３６を通るため、円滑に且つ短い時間で排出される。
また、押圧力Ｐ２は、フィン２１の先端の面積ｓ１〜ｓ８の総和に比例する。この面積は図１２に示す面積Ｓ１の約半分である。したがって、押圧力Ｐ２は十分に小さくなる。
【００２８】
有機被膜が除去されると、金属ナノ粒子が直接放熱金属板１４及びフィンの先端に接触し、焼結結合が行われる。
【００２９】
結果、図６に示されるように、半導体装置１０とヒートシンク２０とが、金属ナノ粒子からなる接合層３７で結合されたパワーエレクトロニクス用デバイス３８が得られる。
溝３６がガスの排出路を兼ねるため、有機ガス抜けが円滑に行われ、生産時間の短縮化を図ることができると共に、ボイドの発生を抑えることができる。
また、押圧力（図５、Ｐ２）が小さくなれば、樹脂ケース１５の肉厚を薄くすることができ、半導体装置１０の小型、軽量化が達成できる。
【００３０】
さらには、溝３６に冷媒（水、空気、不活性ガス）を流すと、冷媒が直接放熱金属板１４に接触する。この結果、放熱金属板１４をより効果的に冷却することができる。
【実施例２】
【００３１】
次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図７に示されるように、ヒートシンク２０Ｂに、半導体装置１０側へ突出する周壁部３９が設けられている。この周壁部３９の内側が、半導体装置１０を収納する位置合わせ用凹部４１となる。その他の構成は、図３と同じであるため符号を流用し、詳細な説明は省略する。
【００３２】
位置合わせ用凹部４１に半導体装置１０を嵌合することで、ヒートシンク２０Ｂとの合体作業が容易になる。すなわち、ヒートシンク２０Ｂの心に半導体装置１０の心を簡単に合わせることができる。
結果、図８に示されるように、半導体装置１０とヒートシンク２０Ｂとが、金属ナノ粒子からなる接合層３７で結合されたパワーエレクトロニクス用デバイス３８Ｂが得られる。
【実施例３】
【００３３】
次に、本発明の実施例３を図面に基づいて説明する。
図９に示されるように、ヒートシンク２０Ｃは、クロス部２２と、このクロス部２２から垂直に延ばされたフィン２１とからなるが、このフィン２１が先端に向かって広がる台形断面フィンである。台形断面フィンであるから、先端の面積Ｓ２を拡大することができ、金属ナノ粒子ペースト２５の塗布面積を増大した面積Ｓ２に合わせることができる。その他の構成は、図３と同じであるため符号を流用し、詳細な説明は省略する。
【００３４】
結果、図１０に示されるように、半導体装置１０とヒートシンク２０Ｃとが、金属ナノ粒子からなる接合層３７で結合されたパワーエレクトロニクス用デバイス３８Ｃが得られる。接合層３７の面積が大きいため、放射金属板１４からヒートシンク２０Ｃへの伝熱量を増すことができ、半導体装置１０の温度上昇を効果的に抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、車両に搭載されるパワーエレクトロニクス用デバイスに好適である。
【符号の説明】
【００３６】
１０…半導体装置、１１…発熱性半導体素子、１２…回路板、１３…絶縁基板、１４…放熱金属板、１５…ケース（樹脂ケース）、２０、２０Ｂ、２０Ｃ…ヒートシンク、２１…フィン、２２…クロス部、３８、３８Ｂ、３８Ｃ…パワーエレクトロニクス用デバイス、４１…位置合わせ用凹部。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱性半導体素子、回路板、絶縁板、放熱金属板が積層された形態でケースに収納され、前記放熱金属板の外面が露出している半導体装置と、前記放熱金属板に付設されるヒートシンクとからなるパワーエレクトロニクス用デバイスであって、
前記ヒートシンクは、複数のフィンと、これらのフィンの一端を連結するクロス部とからなる櫛歯断面を呈し、
前記フィンの先端と前記放熱金属板とが金属ナノ粒子で接合されていることを特徴とするパワーエレクトロニクス用デバイス。
【請求項２】
前記ヒートシンクに、前記半導体装置を嵌合させて前記半導体装置に前記ヒートシンクを位置合わせする位置合わせ用凹部が設けられていることを特徴とする請求項１記載のパワーエレクトロニクス用デバイス。

【図１】