特許 6243237 冷却プレートおよび半導体モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6243237

(24)【登録日】2017年11月17日

(45)【発行日】2017年12月6日

(54)【発明の名称】冷却プレートおよび半導体モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20171127BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20171127BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/46 Z

   H01L23/36 D

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2014-12504(P2014-12504)

(22)【出願日】2014年1月27日

(65)【公開番号】特開2015-141934(P2015-141934A)

(43)【公開日】2015年8月3日

【審査請求日】2016年8月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】宗石 猛

(72)【発明者】

【氏名】戸田 甫

【審査官】 豊島 洋介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−３２９９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１５９６６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１４５７４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０５１２７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ２３／１２ −２３／１５

２３／２９

２３／３４ −２３／３６

２３／３７３−２３／４２７

２３／４４

２３／４６７−２３／４７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

隔壁に囲まれた空間が流路とされている流路部材と、該流路部材の主面に金属層とを備え、該金属層を介して半導体素子が搭載される冷却プレートであって、前記金属層の端部が位置する端部領域の少なくとも一部における前記隔壁の厚みが、前記半導体素子が搭載される位置である搭載領域における前記隔壁の厚みより厚く、前記金属層は、前記半導体素子の搭載領域を囲繞する囲繞スリットを複数備え、上面視における形状が多角形状であり、複数の前記囲繞スリットの角部にわたるコーナースリットを有していることを特徴とする冷却プレート。

【請求項2】

前記端部領域に位置している前記金属層の厚みが、前記搭載領域に近い部分よりも前記搭載領域から遠い部分の方が薄いことを特徴とする請求項１に記載の冷却プレート。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の冷却プレートの前記金属層上に前記半導体素子を搭載してなることを特徴とする半導体モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷却プレートおよびこの冷却プレートの金属層上に半導体素子を搭載してなる半導体モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、半導体素子は、大電力かつ高速のスイッチングに用いられ、このような用途において発熱して高温になると、スイッチング機能に影響を及ぼす可能性がある。そのため、このような半導体素子の搭載にあたっては、流体を流すことによって半導体素子を冷却可能な流路を有する流路部材の主面に金属層を形成した冷却プレートが用いられている。

【0003】

このような冷却プレートとして、例えば、特許文献１には、半導体部品が実装される回路の下部に冷媒流路となる空隙部が形成され、前記回路から前記空隙部までの基板厚さ方向の距離ｔが0.5ｍｍ≦ｔ≦５ｍｍの条件を満たし、該距離ｔと前記空隙部の幅ＹとがＹ
≦20ｔの関係にある構造の冷却プレートが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開2002−329938号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の図１に記載のように、流路部材の主面おける流路上に金属層の端部が位置しているときには、半導体素子と流路部材との材料自体の熱膨張に差があり、半導体素子から生じた熱を受けた金属層の端部が膨張するとき、流路部材は冷媒によって冷却されているため、金属層の端部に位置する端部領域には、熱応力が掛かることとなる。そして、この熱応力が繰り返し掛かったとき、金属層の端部が剥離してしまい、放熱特性を低下させたり、冷却プレートの信頼性を低下させたりすることとなる。また、熱応力が繰り返し掛かる、若しくは掛かる熱応力が大きいときには、上述した端部領域が損傷するおそれがあり、端部領域の剥離を含めて寿命が短くなるという問題があった。そのため、今般においては、放熱特性や信頼性を低下させることなく、長期にわたって大電力かつ高速のスイッチングを可能にする冷却プレートが求められている。

【0006】

本発明は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、放熱特性や信頼性を低下させることなく、長期にわたって大電力かつ高速のスイッチングを可能にする冷却プレートおよびこの冷却プレートの金属層上に半導体素子を搭載してなる半導体モジュールを提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の冷却プレートは、隔壁に囲まれた空間が流路とされている流路部材と、該流路部材の主面に金属層とを備え、該金属層を介して半導体素子が搭載される冷却プレートであって、前記金属層の端部が位置する端部領域の少なくとも一部における前記隔壁の厚みが、前記半導体素子が搭載される位置である搭載領域における前記隔壁の厚みより厚く、前記金属層は、前記半導体素子の搭載領域を囲繞する囲繞スリットを複数備え、上面視における形状が多角形状であり、複数の前記囲繞スリットの角部にわたるコーナースリットを有していることを特徴とするものである。

【0008】

また、本発明の半導体モジュールは、上記構成の本発明の冷却プレートの前記金属層上に半導体素子を搭載してなることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0009】

本発明の冷却プレートによれば、大電力かつ高速のスイッチングにおいても、放熱特性や信頼性を低下させることなく、長期にわたって使用することができる。

【0010】

また、本発明の半導体モジュールによれば、上記構成の本発明の冷却プレートの金属層上に半導体素子を搭載してなることから、更なる大電力かつ高速のスイッチングが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本実施形態の冷却プレートの一例を示す、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＷ−Ｗ’線での断面図である。

【図2】本実施形態の冷却プレートの他の例を示す、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸ−Ｘ’線での断面図である。

【図3】本実施形態の冷却プレートの他の例を示す、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＹ−Ｙ’線での断面図である。

【図4】本実施形態の冷却プレートの他の例を示す、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＺ−Ｚ’線での断面図であり、（ｃ）は（ｂ）における熱膨張時の状態図である。

【図5】本実施形態の冷却プレートの他の例を示す上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本実施形態の一例について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の冷却プレートの一例を示す、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＷ−Ｗ’線での断面図である。なお、以降の図において同一の部材については、同一の番号を付するものとする。

【0013】

図１に示すように、本実施形態の冷却プレート10は、流路部材１と、流路部材１の主面１ｓに金属層２とを備え、流路部材１を構成する隔壁に囲まれた空間が流路１aとされて
いる。そして、流路部材１の主面１ｓにおいて、金属層２の端部が位置する領域を端部領域Ａ、半導体素子が搭載される領域を搭載領域Ｂとしたとき、本実施形態の冷却プレート10は、端部領域Ａの少なくとも一部における隔壁の厚みＡｔが、搭載領域Ｂにおける隔壁の厚みＢｔよりも厚いものである。なお、金属層２の端部領域Ａとは、金属層２の端部から半導体素子の搭載領域Ｂの中心までの距離の20％までのことをいう。

【0014】

本実施形態の冷却プレート10は、端部領域Ａの少なくとも一部における隔壁の厚みＡｔが、搭載領域Ｂにおける隔壁の厚みＢｔよりも厚いことにより、金属層２の端部の全てが、搭載領域Ｂにおける隔壁の厚みＢｔと同じ厚みの隔壁上に位置しているときよりも、大電力かつ高速でのスイッチングによって端部領域Ａに繰り返し熱応力が掛かったり、大きな熱応力が掛かったりした際の金属層２の端部の剥離や隔壁の損傷を抑制することができる。なお、半導体素子の搭載領域Ｂにおいては、端部領域Ａよりも隔壁の厚みＢｔが薄いものであることから、大電力かつ高速のスイッチングによって半導体素子が発熱し高温になったとしても、流路１ａを流れる冷媒によって冷却することができるため、半導体素子が有するスイッチング機能を十分に発揮することができる。

【0015】

このように、本実施形態の冷却プレート10は、放熱特性や信頼性を低下させることなく、長期にわたって大電力かつ高速のスイッチングを行なうことができる。なお、図１においては、端部領域Ａのうち、流路方向に沿った部分の厚みが厚い例を示したが、流路方向に垂直な部分（流路方向の手前部分や奥部分）についても、搭載領域Ｂよりも隔壁の厚みを厚くしてもよく、特に流路方向の手前部分について、搭載領域Ｂよりも隔壁の厚みを厚くすることが好適である。

【0016】

次に、図２，３は、本実施形態の冷却プレートの他の例を示す、（ａ）は断面図であり、（ｂ）はそれぞれの（ａ）におけるＸ−Ｘ’線、Ｙ−Ｙ’線での断面図である。

【0017】

端部領域Ａの少なくとも一部における隔壁の厚みＡｔが、搭載領域Ｂにおける隔壁の厚みＢｔよりも厚いものの他の形態としては、図２に示す冷却プレート20のように、流路部材１の主面１ｓにおいて、隔壁のうちの側壁上にあたる領域に端部領域Ａが位置するものであったり、図３に示す冷却プレート30のように、リブ上にあたる領域に端部領域Ａが位置するものであったりしてもよい。

【0018】

このような構成であるときには、端部領域Ａにおける厚みＡｔは、流路部材１の高さと同じ厚みを有しており、図１の構成よりもさらに端部領域Ａにおける厚みＡｔが厚いものであることから、大電力かつ高速でのスイッチングによって端部領域Ａに繰り返し熱応力が掛かったり、大きな熱応力が掛かったりしたとしても、金属層２の端部の剥離や隔壁の損傷をさらに抑制することができる。

【0019】

次に、図４は、本実施形態の冷却プレートの他の例を示す、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＺ−Ｚ’線での断面図であり、（ｃ）は（ｂ）における熱膨張時の状態図である。なお、以降の図においては、端部領域Ａの表示を省略する。

【0020】

図４（ａ）においては、金属層２が半導体素子の搭載領域Ｂを囲繞する囲繞スリット３を有している冷却プレート40を示している。このように、金属層２が、半導体素子の搭載領域Ｂを囲繞する囲繞スリット３を有しているときには、半導体素子から生じた熱を受けて金属層２が膨張するときの膨張可能領域があることから、端部領域Ａにおける剥離や隔壁に掛かる熱応力を緩和することができる。

【0021】

そして、この囲繞スリット３がテーパー状であり、熱を受ける前の状態が図４（ｂ）に示す状態であり、熱を受けて膨張した際が図４（ｃ）に示す状態であれば、熱膨張時にテーパー部分同士が引っ付くことにより、熱伝導効率が低下することはないことから、膨張可能領域を有していながら、放熱特性に優れた冷却プレート40とすることができる。このように、囲繞スリット３の開放部分は、熱膨張時に引っ付く程度の距離とすることが好適である。

【0022】

また、図５は、本実施形態の冷却プレートの他の例を示す上面図である。図５においては、囲繞スリット３を３本備え、上面視における形状が四角形状であり、３本の囲繞スリット３の角部にわたるコーナースリット４を有している冷却プレート50を示している。

【0023】

このように、囲繞スリット３を複数備え、上面視における形状が多角形状であり、複数の囲繞スリット３の角部にわたるコーナースリット４を有しているときには、熱膨張時に囲繞スリット３の角部に掛かる熱応力を緩和することができる。なお、囲繞スリット３の上面視における多角形状としては、図５で示した四角形状以外に、例えば六角形状や八角形状等が挙げられる。また、多角形状とは、多角形の角部がＲ形状のものも含む。

【0024】

また、囲繞スリット３やコーナースリット４としては、例えば、金属層２の厚みが250
〜1500μｍであるとき、幅は１〜100μｍであり、深さは金属層２の厚みの20〜80％であ
る。

【0025】

また、囲繞スリット３を複数備える場合、搭載領域Ｂに近い方の囲繞スリット３の開放部分の幅を狭くし、搭載領域Ｂから遠い方の囲繞スリット３の開放部分の幅を広い構成とすれば、半導体素子から生じる熱の更なる高温化に耐え得る冷却プレート50とすることが
できる。

【0026】

また、本実施形態の冷却プレートにおいて、端部領域Ａに位置している金属層２の厚みが、搭載領域Ｂに近い部分よりも搭載領域Ｂから遠い部分の方が薄いときには、搭載領域Ｂから遠い部分にあたる端部領域Ａに掛かる熱応力は小さくなることから、金属層２の端部の剥離や隔壁の損傷をさらに抑制することができる。特に、端部領域Ａに位置している金属層２の厚みは、搭載領域Ｂに近い部分から、搭載領域Ｂから遠い部分へ向かって漸減していることが好適である。

【0027】

そして、本実施形態の半導体モジュールは、図示していないが、例えば、図１〜図５に示した冷却プレート10〜50の金属層２上に半導体素子を搭載してなるものであり、本実施形態の冷却プレート10〜50が、放熱特性および信頼性に優れているとともに、寿命の長いものであることから、更なる大電力かつ高速のスイッチングが可能となる。なお、ここでいう金属層２上とは、金属層２の上に電極パッドを介して半導体素子を搭載する場合等も含むものである。

【0028】

次に、本実施形態の冷却モジュールの作製方法の一例として、流路部材がセラミックスからなり、金属層が銅からなる例を説明する。

【0029】

ここで、セラミックスからなる流路部材としては、酸化アルミニウム質焼結体、酸化ジルコニウム質焼結体、酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムの複合焼結体、窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体等を用いることができる。

【0030】

まず、それぞれの焼結体の主成分となる原料粉末、焼結助剤、バインダ、溶媒等を用いてスラリーを作製する。次に、このスラリーを用いてドクターブレード法によりグリーンシートを作製する。そして、得られたグリーンシートを金型で打ち抜く若しくはレーザー加工により、所定形状の複数のシートを得る。次に、得られたシートを積層して加圧することにより、積層体である成形体を得て、これを使用した原料粉末に応じた焼成温度で焼成することにより、流路部材を得ることができる。

【0031】

また、他の成形体の作製方法としては、原料粉末、焼結助剤、バインダ、溶媒等を用いて坏土を作製し、押出成形法により成形体を得てもよいし、スラリーを噴霧乾燥することによって造粒した顆粒を用いて、粉末プレス法で成形したり、冷間静水圧加圧成形（ＣＩＰ）法で成形した後、所定形状に切削加工したりしてもよい。さらに、顆粒を圧延したグリーンシートを金型で打ち抜く若しくはレーザー加工により所定形状とした後、積層して加圧することにより成形体を得てもよい。

【0032】

また、押出成形法、粉末プレス法、ＣＩＰ法で得られる成形体は、一体化したものである必要はなく、例えば、上壁、下壁、側壁を個別に作製してもよい。そして、個別に作製された成形体は、接合剤を用いて焼成時に接合したり、焼成後に接着剤で接着したりすれば流路部材とすることができる。

【0033】

次に、金属層については、例えば、銅または銀などの導電性粉末と、ガラス粉末と、有機ビヒクルとを用いてペーストを作製する。そして、公知のスクリーン印刷法により、流路部材の主面上に印刷し、乾燥の後、導電性粉末に合わせた雰囲気で焼成することにより金属層を形成することができる。また、他の金属層の作製方法としては、電解めっき法または無電解めっき法を用いて銅または銀などの金属層を形成してもよい。

【0034】

以上のような作製方法で金属層を形成することにより、本実施形態の冷却プレートを得ることができる。

【0035】

そして、囲繞スリット、コーナースリットを設けるときには、金属層の表面にレーザー加工を施せばよく、出力を調整することによってスリットの断面形状をテーパー状にすることができる。

【0036】

また、端部領域に位置している金属層の厚みが、搭載領域に近い部分よりも搭載領域から遠い部分の方を薄くするには、例えば、所望形状の印刷マスクを用いたり、金属層の成分に合わせてエッチングを行なったりすればよい。

【0037】

そして、上述した方法によって得られた冷却プレートの金属層２上に半導体素子を搭載することにより、本実施形態の半導体モジュールを得ることができる。

【0038】

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

【符号の説明】

【0039】

１：流路部材
１ｓ：主面
１ａ流路
２：金属層
３：囲繞スリット
４：コーナースリット
Ａ：（金属層の）端部領域
Ｂ：（半導体素子の）搭載領域
10，20，30，40，50：冷却プレート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】