專利名稱：熱阻抗體和使用該熱阻抗體的半導體器件以及電裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有導電性的熱阻抗體、使用該熱阻抗體的半導體器件以及電裝置。
背景技術：
例如，在專利文獻l記載的現(xiàn)有的半導體器件中，為了防止發(fā)生結(jié)露，在除了壓接著熱傳導性絕緣間隔件的半導體器件的部分之外的元件側(cè)的表面，形成有熱阻抗高的絕緣片或者具有樹脂制熱阻抗體功能的電絕緣用環(huán)氧樹脂粉狀體涂料的層。
另一方面，在包括發(fā)熱電元件和外殼的半導體器件等的電裝置中，外殼要求耐熱性，上述外殼具有支持該發(fā)熱電元件并對發(fā)熱電元件發(fā)出的熱量進行散熱的散熱基板、以及連接到散熱基板并且包圍發(fā)熱元件的外殼蓋板。當發(fā)熱比較小、能夠通過散熱基板和外殼的散熱
維持比較低的溫度的情況下，可以使用PPS等耐熱性樹脂作為外殼，
從而可以將外殼價格抑制得較低。
另外，在現(xiàn)有的電裝置中，例如，如專利文獻2所記載的那樣，在半導體器件和電連接電動機及電容器的銅板(匯流條)之間不插入
任何東西。
在該現(xiàn)有例子所記載的使用功率模塊構(gòu)成的逆變器中，1個模塊具有U相(或V相、W相)、P相、N相的輸出端子和控制端子，以3個模塊構(gòu)成逆變器。在此U、 V、 W相連接著電動機，P、 N相連接著平滑電容器、電源或轉(zhuǎn)換器?？刂贫俗舆B接著控制模塊的動作的柵極驅(qū)動器。
專利文獻1:日本特開平9-219970號公報
專利文獻2:日本特開平11-265969號公報
4當半導體元件的溫度大于等于樹脂性熱阻抗體的耐熱溫度的情 況下，就不能使用專利文獻l所記載的樹脂制熱阻抗體。另外，當是 以外殼覆蓋的半導體器件等的電裝置的情況下，由于外殼溫度大于等 于耐熱溫度，所以需要利用陶瓷等昂貴的耐熱性材料來制造外殼，從 而存在半導體器件的制造成本提高的問題。
另夕卜，從半導體器件輸出的電流、電壓通過電極連接到柵極驅(qū)動 器、電容器(電連接到半導體器件上的部件)。因此，半導體器件的 熱量通過電極流入柵極驅(qū)動器、電容器。通常，電極溫度接近半導體 器件的溫度，當半導體器件的溫度成為高溫的情況下，還存在柵極驅(qū) 動器、電容器的溫度超過耐熱溫度的問題。
目前硅元件的耐熱溫度一般為125°C,不過正在進行通過模塊結(jié) 構(gòu)(特別是焊接部分)的開發(fā)、釆用硅元件來開發(fā)可在150'C、甚至 根據(jù)情況可在大于等于200。C的溫度下使用的模塊。在此情況下，元 件的熱量通過銅板(匯流條)傳導到周圍裝置上。由于電容器等耐熱 性特別弱，所以還存在元件的工作溫度受到電容器等周圍裝置的耐熱 溫度的限制的問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于實現(xiàn)廉價的金屬制的熱阻抗體結(jié)構(gòu)，提 供一種具有耐熱性、低造價并且可靠性高的半導體器件，另外還提供 一種熱阻抗體，該熱阻抗體適于包括半導體器件的發(fā)熱電裝置的一般 使用。
本發(fā)明的熱阻抗體的特征在于，是以與接觸面部分接觸并且中間 形成空隙的方式構(gòu)成的金屬體。
另外，本發(fā)明的熱阻抗體特征在于，是以相互部分接觸并且中間 形成空隙的方式層疊的多個金屬體的層疊體。
再有，本發(fā)明的半導體器件包括半導體元件；和包圍所述半導 體元件的外殼，該外殼具有支持該半導體元件并對發(fā)熱的電元件發(fā)出 的熱量進行散熱的散熱基板以及連接到該散熱基板的外殼蓋板，其特征在于，具有插在所述半導體元件與所述外殼蓋板之間或所述散熱基 板與所述外殼蓋板之間的熱阻抗體，所述熱阻抗體為以與接觸面部分 接觸并且中間形成有空隙的方式構(gòu)成的金屬體。
此外，本發(fā)明的半導體器件包括半導體元件；和包圍所述半導 體元件的外殼，該外殼具有支持該半導體元件并對發(fā)熱的電元件發(fā)出 的熱量進行散熱的散熱基板以及連接到該散熱基板的外殼蓋板，其特 征在于，具有插在所述半導體元件與所述外殼蓋板之間或所述散熱基 板與所述外殼蓋板之間的熱阻抗體，所述熱阻抗體為以相互部分地接 觸并且中間形成空隙的方式層疊的多個金屬體的層疊體。
另外，本發(fā)明的電裝置包括半導體器件、電連接到該半導體器 件上的部件、以及電連接兩者的具有導電性的導電性部件，其特征在 于，具有插在所述半導體器件與所述導電性部件之間或插在所述導電 性部件與電連接到所述半導體器件上的部件之間的熱阻抗體，所述熱 阻抗體為以與接觸面部分接觸并且中間形成空隙的方式構(gòu)成的金屬 體。
再有，本發(fā)明的電裝置包括半導體器件、電連接到該半導體器 件上的部件、以及電連接兩者的具有導電性的導電性部件，其特征在 于，具有插在所述半導體器件與所述導電性部件之間或插在所述導電 性部件與電連接到所述半導體器件上的部件之間的熱阻抗體，所述熱 阻抗體為以相互部分地接觸并且中間形成空隙的方式層疊的多個金 屬體的層疊體。
此外，本發(fā)明的半導體器件具有與部件電連接的連接部，其特征 在于，在所述連接部上具有熱阻抗體，該熱阻抗體為以與部件的接觸 面部分接觸并且中間形成空隙的方式構(gòu)成的金屬體。
另外，本發(fā)明的半導體器件具有與部件電連接的連接部，其特征 在于，在所述連接部上具有熱阻抗體，該熱阻抗體為以相互部分地接 觸并且中間形成空隙的方式層疊的多個金屬體的層疊體。
根據(jù)本發(fā)明，可提供一種熱阻抗體，該熱阻抗體特征在于，是以 與接觸面部分接觸并且中間形成空隙的方式構(gòu)成的金屬體。另外，本發(fā)明的熱阻抗體的特征在于，是以相互部分地接觸并且 中間形成空隙的方式層疊的多個金屬體的層疊體，耐熱性高且導電性 大。另外，在半導體器件中，通過插入多個以金屬材料形成的熱阻抗 體，可以抑制從半導體器件向外殼的熱傳導。其結(jié)果，可以獲得半導 體器件的可靠性的提高，并且半導體元件即使在高溫的情況下，也可 以使用以耐熱性樹脂形成的外殼，從而可以低成本化。
此外，根據(jù)本發(fā)明的熱阻抗體，在發(fā)熱元件為半導體元件的情況 下，能夠抑制熱量流向柵極驅(qū)動器、電容器(電連接到半導體器件上 的部件)，從而可以實現(xiàn)低成本、且可靠性提高了的系統(tǒng)。


圖1是表示本發(fā)明的熱阻抗體和使用該熱阻抗體的半導體器件 的概略剖面圖。(實施例l)
圖2是圖l的內(nèi)插板與半導體元件的接觸部分的概略放大圖。(實 施例1)
圖3是表示構(gòu)成圖1的熱阻抗體的金屬板的分解立體圖。(實施
例1)
圖4是表示圖3的金屬板與其按壓時的變形狀態(tài)的概略剖面圖。 (實施例1)
圖5是在使折痕垂直地層疊推壓金屬板情況下的金屬板間接觸 部分的概略放大圖。(實施例1)
圖6是表示對圖5的接觸部模型化后的形狀的模式圖。(實施例
1)
圖7是表示本發(fā)明的折疊了的熱阻抗體的概略立體圖。(實施例
2)
圖8是表示本發(fā)明其他的半導體器件的概略剖面圖。(實施例2) 圖9是表示本發(fā)明另一其他半導體器件的概略剖面圖。(實施例
3)
圖10是圖9的半導體器件中的電極部分周圍的詳細情況圖。(實
7施例3 )
圖11是本發(fā)明其他的半導體器件中的電機部分周圍的詳細情況 圖。(實施例4)
圖12是熱阻抗體的熱阻抗、電阻測量裝置的概略圖。(實施例
1)
圖13是表示使用圖12的裝置獲得的溫度數(shù)據(jù)的一個例子的曲線 圖。(實施例l)
圖14是表示使用圖12的裝置獲得的熱阻抗體的電阻和熱阻抗的 關系的曲線圖。(實施例l)
圖15是表示圖IO的裝置的熱阻抗體的電阻與熱阻抗的關系的熱 回路圖。(實施例l)
圖16是表示根據(jù)使用圖IO的裝置而獲得的熱阻抗體的電阻與熱 阻抗的關系所導出的銅板溫度的結(jié)果的表格。(實施例1)
圖17是表示本發(fā)明的鍍敷的熱阻抗體的概略側(cè)面圖。(實施例
5)
圖18是表示通過焊接導線等接合到金屬板表面上的熱阻抗體的 概略側(cè)面圖。(實施例6)
圖19是表示在金屬板表面上實施了刻蝕等加工處理的熱阻抗體 的概略側(cè)面圖。(實施例7)
圖20是表示以2條銅線的接觸部分為點的方式配置的熱阻抗體 的概略立體圖。(實施例8)
具體實施例方式
圖l是表示本發(fā)明的實施方式1的半導體器件的概略剖面圖。在 金屬制的散熱基板(散熱片)l上，重疊有銅構(gòu)圖了的絕緣基板(DBC 基板Direct Bond Copper基板；直接敷銅基板)2、半導體元件4、 內(nèi)插板6、熱阻抗體8-l、以及推抵部件7，并形成了層疊體，利用以 耐熱樹脂(PPS)制作的外殼蓋板5覆蓋上述層疊體，并利用螺絲9 將外殼蓋板5緊固地固定在散熱基板l上，壓接包括半導體元件4的整個層疊體。散熱基板1和外殼蓋板5—起構(gòu)成外殼15，包圍作為電 裝置的發(fā)熱元件的半導體元件4。推抵部件7為了低成本化而使用耐 熱橡膠，耐熱橡膠因為具有彈性還起到推壓彈簧的功能。形成在絕緣 基板2以及內(nèi)插板6上的銅圖案(未圖示)與貫通外殼15并延伸的 電極3-l、 3-2接合或者壓接，通過這些電極3-l、 3-2對半導體元件4 進行電壓的施加、通電。電極3-l通過絕緣基板2上的銅圖案將溫度 降低到小于等于外殼耐熱溫度。
圖2中表示內(nèi)插板6和半導體元件4的接觸部分的放大圖。內(nèi)插 板6由絕緣體6-2 (陶瓷基板)和銅圖案6-1構(gòu)成。銅圖案6-1通過設 置在絕緣體6-2上的貫通孔被壓接在半導體元件4的電極4-1上。
根據(jù)本發(fā)明，在外殼蓋板5的頂板中間部分和半導體元件4之間 以隔著推抵部件7的狀態(tài)插入熱阻抗體8-1。另外，在外殼蓋板5的 邊緣部分與散熱基板l之間也插入有熱阻抗體8-2。當將熱阻抗體8-2 插入散熱基板1與外殼蓋板5之間時，可以更好地防止向外殼蓋板5 的熱傳導。
熱阻抗體8-1、 8-2至少插在作為發(fā)熱元件的半導體元件4與外 殼蓋板5-l之間，阻礙其間的熱傳導，在圖示的例子中為以相互部分 接觸并且中間形成空隙的方式層疊的多個金屬板的層疊體。這樣的熱 阻抗體8-l、 8-2，可以在各個金屬板上設置凹凸，例如可以對金屬板 分別施與很多折痕并以折痕交叉的方式層疊。金屬板優(yōu)選為銅，不過， 還可以是熱傳導率更低的不銹鋼、或Fe、 Mo、 W以及包含它們的合 金形成的金屬材料。
熱阻抗體8-1和8-2具體結(jié)構(gòu)的一個例子，如圖3所示，對0.3mm 的薄金屬板16分別施與相互平行的多個折痕17，將層疊的相鄰的金 屬板16在以折痕17相互交叉而不是平行的方式旋轉(zhuǎn)后的狀態(tài)下重 合。在圖示的情況下，折痕17相互垂直，相鄰的金屬板16的折痕的 凸楞發(fā)生些許塑性變形，并且僅僅在該部分接觸，稱之為相互實質(zhì)性 點接觸。在相鄰的金屬板16之間未接觸的部分形成空氣層。因此， 從熱傳導的角度可知，金屬板16與金屬板16之間的熱阻抗，如后面詳細具體闡述的那樣，變得非常高。另外，由于目的是減小真正接觸
部分的面積，所以旋轉(zhuǎn)金屬板16的角度不必設為90。。由于各個金屬 板16具有導電性，所以由相互接觸的金屬板構(gòu)成的層疊體作為整體 具有導電性。
圖4中表示將折疊成和圖3所示的相同蛇腹狀的一個金屬板16 (圖4a)在兩個平板(未圖示)之間在上下方向上加壓時的形狀(圖 4b)。當利用推抵部件對層疊的金屬板16加壓的情況下，折疊的金 屬板16并不完全回到原來的平整狀態(tài)，而是如圖4b所示地在折疊部 位(折痕17地凸楞附近)發(fā)生塑性形變，從而變?yōu)樾纬捎型黄鸩?8 的形狀。
圖5是為了減少金屬板16之間的接觸部分的面積，而將金屬板 16在主面內(nèi)交互旋轉(zhuǎn)卯。層疊并在層疊方向上施加壓力的情況下的金 屬板16之間的接觸部分的放大圖。金屬板16的突起部18的接觸僅 在折痕17的凸楞的交點部分發(fā)生，該部分發(fā)生些許塑性形變并接觸， 而除此以外的部分分離并在中間形成空氣層19。
根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，由于能夠通過插入熱阻抗體8-1、 8-2來抑制 從半導體元件4向外殼蓋板5的熱量傳導，所以能夠?qū)⒂袡C材料的外 殼蓋板5和推抵部件7的溫度控制得小于等于耐熱溫度。因此，能夠 降低外殼溫度、可以提高半導體器件的可靠性，實現(xiàn)低成本化。另夕卜， 還能夠兼用熱阻抗體作為對發(fā)熱電裝置施與彈性推壓力的裝置，從而 能夠簡化半導體器件結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)半導體器件的低成本化。另外， 能夠抑制電極的溫度上升，從而抑制了與電極連接的電容器、驅(qū)動器 等周圍電路的溫度上升，可以實現(xiàn)作為系統(tǒng)的低成本化、提高可靠性。
圖6是將熱分析簡化并且將圖5的接觸部分模型化的示意圖。將 金屬板16之間模型化為接觸部分10和空氣層11。另外，金屬板16 的厚度的熱阻抗小，所以不作考慮。
利用以下條件計算熱阻抗體所需的熱透過率。
a. 半導體器件溫度為300°C、外部空氣溫度為50。C
b. 推抵部件(耐熱性橡膠信越化學KE-1833) 0.005m、熱傳導率為0.20W/mK
c. 外殼厚度(PPS樹月旨)為O.Olm、熱傳導率為0.20W/mK
d. 推抵部件的耐熱溫度為230°C、外殼的耐熱溫度為200°C (推 抵部件比外殼耐熱溫度高，還具有絕熱部件的功能)
e. 外殼 外部空氣的熱傳導率為15W/m2K
f. 為了簡化討論，設與半導體元件連接的內(nèi)插板具有與半導體 元件相同的溫度，即300 °C,并且設耐熱性橡膠、熱阻抗體、內(nèi)插板 的傳熱面積S相等。
半導體元件(內(nèi)插板)到外部空氣的熱阻抗Rtot、熱量AQ、耐 熱橡膠最高溫度23(TC、熱阻抗體(由多個金屬板構(gòu)成)的熱阻抗R4 需要滿足以下關系式。另外，外殼-推抵部件、推抵部件-熱阻抗體 的接觸熱阻抗以寬的傳熱面積S接觸，熱阻抗很小所以不作考慮。
Rtot = Rl + R2 + R3 + R4
AQxRtot = 250K ( - 300 - 50 )
R4xAQ = 70K ( = 300 - 230 )
Rl:外殼-外部空氣之間的熱阻抗為0.067 ( = 1/15) xl/S R2:外殼厚度的熱阻抗為0.050 ( = 0.01/0.20) xi/S R3:推抵部件的熱阻抗為0.025 ( =0.005/0.20) xl/S 因此，熱阻抗體的熱透過率(=l/(R4xS))小于等于18.2W/m2K,
從而可以滿足小于等于耐熱橡膠耐熱溫度230。C、外殼耐熱溫度200。C (AQ = 1271W/m2xS )。
另外，在這里，當AQ[W]的熱量透過熱傳導率為k[W/mKl、
長度為Al[m的物質(zhì)時的溫度上升值使用下述關系式 AT = AQxA1/ ( kxS ) = AQxR;
具有熱透過率為h的物質(zhì)間界面的溫度上升值使用下述關系式 AT = AQ / ( hxS ) = AQxR。
但是， 一般來說，金屬的耐熱溫度比有機物高，熱傳導率也高。 例如，即使是熱傳導率比較小的不銹鋼(熱傳導率為16W/mK、厚度 為8mm)的情況下，熱透過率也達2000W/m2K ( = 16/0.008)，不足以作為用于解決本發(fā)明的問題的熱阻抗體。因此，不能將這種金屬材 料直接作為熱阻抗體使用。
接下來，作為用于說明本發(fā)明的效果的一個例子，利用以下條件 計算金屬板間的熱透過率。
a. 折疊間隔2mm間距
b. 接觸部分的區(qū)域O.lxO.lmm2
c. 空氣層厚度(接觸部分的高度)0.1mm
d. 金屬板厚度0.3mm
e. 空氣熱傳導率0.023W/mK
f. 金屬板的熱傳導率(假設為銅)400W/mK
g. 金屬板接觸部分的熱傳導率4000W/mK (參照Int. J. Heat Transfer 41 ( 1998 ) 3475 )
設接觸部分的平均熱透過率為have,則可得到以下關系式。 have = 1/ ( Ravex0.002x0.002 ) Rave = 1/ (1/R5 + 1/R6 ) = 1044
R5 = 0.0001/ ( 0.023x ( 0.002x0.002 - 0.0001x0.0001 ) ) =10卯 R6=l/ (4000x0.0001x0.0001 ) =25000 Rave:金屬板間的平均接觸熱阻抗 R5:金屬板間空氣層熱阻抗 T6:金屬板間的接觸部分熱阻抗
因此，平均熱傳導率have為239W/m2K。在這里，可知由于空 氣層厚度(=接觸部分高度)為0.1mm的熱透過率為230W/m2K (= 0.023/0.0001 )，所以可以通過減小接觸面積而充分減小金屬板間的接 觸部分的熱量的透過量。根據(jù)上述結(jié)果可知，為了將熱傳導率限定為 小于等于18.2 W/m2K，可以通過重疊大于等于14個(=239/18.2) 的金屬板來實現(xiàn)。由于4吏用了 0.3mm的金屬板，所以可以以5.6mm ((0.3+0.1) xi4)的厚度來構(gòu)建所希望的熱阻抗體，通過熱傳導率 換算能形成0.10W/mK ( = 18.2x0.0056)的熱阻抗體。
另外，當散熱基板(散熱片)1的溫度大于等于外殼蓋板5的耐熱溫度的情況下，如圖l所記載的那樣，通過將由多個金屬板構(gòu)成的
熱阻抗體8-2插在散熱基板l與外殼蓋板5之間，可以將外殼蓋板5 的溫度降低得小于等于耐熱溫度。
另外，本發(fā)明的熱阻抗體在應用于半導體器件時具有效果，但是 一般來說可以應用于需要設置具有高耐熱性和導電性的熱阻抗體的 部位。特別是，因為具有導電性所以可應用于一般的電裝置中。
根據(jù)本發(fā)明，能夠抑制從半導體器件向外殼的傳熱。其結(jié)果，可 以提高半導體器件的可靠性。另外，即使在半導體器件工作在大于等 于樹脂制外殼的耐熱溫度的情況下，也可以使用廉價的樹脂制外殼。
實施例2
接下來，結(jié)合使用圖7所示的熱阻抗體的實施例，討論在圖1 所示的半導體器中對熱阻抗體8-1和8-2附加了推抵部件的功能的結(jié) 構(gòu)。在將金屬板16的厚度增加到lmm、并同樣地旋轉(zhuǎn)并交互層疊時， 在厚度為lmm的情況下，即使加壓，金屬板16發(fā)生塑性形變而不會 變得如圖4b那樣平坦，熱阻抗體8-1和8-2具有作為板簧的功能。即， 各個金屬板16成為圖7所示的狀態(tài)，呈具有折痕并且厚度比較厚的 板簧狀，所以重疊了金屬板16的層疊體作為整體也在層疊方向上具 有彈性。
作為用于說明發(fā)明效果的一個例子，使用和圖6相同的模型，以 以下條件計算如圖7所示地在主面內(nèi)將折疊了的厚度為lmm的金屬 板16交互旋轉(zhuǎn)90。并層疊的彈簧狀的層疊體上的接觸部的熱透過率。
a. 金屬板厚度lmm
b. 間隔5mm間隔
c. 接觸部分的面積0,3x0.3mm2
d. 空氣層厚度0.3mm
e. 空氣熱傳導率、實際的接觸部分熱傳導率與金屬板的計算相同。
設金屬板間的平均接觸熱傳導率為hsp時，得到以下關系式。 hsp = 1/ ( Rspx0,005x0.005 )
13Rsp - 1/ (1/R7 + 1/R8 ) = 441
R8 = 0.003/ ( 0.023x (0.005x0.005- 0.0003x0.0003 ) ) =524
R9 = 1/ ( 4000x0.0003x0.0003 ) - 2778
Rsp:平均接觸熱阻抗
R8:接觸部分的空氣層熱阻抗
R9:實際接觸著的區(qū)域的接觸熱阻抗
金屬板16間的平均熱透過率hsp為91W/m2K，通過交替地將6 個彈簧狀金屬板16 ( =91/18.2)的折痕改變90。并層疊，可以實現(xiàn)具 有所希望的熱阻抗的熱阻抗體。
另外，由于熱阻抗體具有作為彈簧的功能，所以也可以在推抵部 件7和熱阻抗體8-1之間插入金屬制的板。在此情況下，推抵部件7 僅具有外殼蓋板5和熱阻抗體8-1之間的樹脂制的熱阻抗體和間隔的 功能。
另外，由于熱阻抗體8-l具有作為彈簧的功能，所以，在圖1中， 可以省略起彈簧的作用的推抵部件7。在這種情況下，從提高剛性的 角度出發(fā)，最好是插入SUS、 Mo、 Al、 W、 Fe、 Ni、 Zn等金屬制的 板(0.1~lmm左右)。另外，在去除了起到熱阻抗體作用的推抵部 件的情況下，需要增加金屬板16的插入個數(shù)。
以下，計算在去除推抵部件7的情況下的熱阻抗體8-1中所需要 的金屬板16的個數(shù)。
R2tot = Rll+R12+R14
AQ2xR2tot = 250K ( - 300 - 50 )
R14xAQ2 =綱K ( = 300 - 200 )
Rll:外殼蓋板-外部空氣間熱阻抗為0.067 ( = 1/15) xi/S R12:外殼蓋板厚度的熱阻抗為0.050 ( =0.01/0.20) xl/S R14:熱阻抗體的熱阻抗
因此，通過將熱阻抗體8-l的熱透過率(-1/ (RtotxS)設置得 小于等于12.9W/m2K，可以滿足小于等于外殼耐熱溫度200。C。因為 金屬板16間的熱透過率hsp為91 W/m2K,所以通過交替地旋轉(zhuǎn)8個
14彈簧(-91/12.9)并層疊，可以實現(xiàn)所希望的熱阻抗體8-l。
在該半導體器件中，和之前說明過的實施方式l相同，獲得如下 有益效果即能夠抑制從半導體元件4向外殼蓋板5的傳熱，能夠提 高半導體器件的可靠性，即使在半導體元件溫度大于等于樹脂制外殼 蓋板的耐熱溫度下工作，也可以使用廉價的樹脂制外殼蓋板。在該實 施方式中，由于熱阻抗體8-1和8-2還具有彈性，所以可以作為施加 用于壓接半導體元件4的推壓力的裝置來使用，能夠使推抵部件為簡 單的間隔件，或者使推抵部件減小，或者將其省略。 實施例3
在圖8所示的本發(fā)明的實施方式中，熱阻抗體為銅，所以，將熱 阻抗體本身作為既是電的良導體又具有比金屬單質(zhì)高的熱阻抗的電 極使用。在這里，依次在半導體元件4上重疊內(nèi)插板6、熱阻抗體8-1、 電極3-2以及推抵部件7構(gòu)成層疊體，并利用外殼蓋板5覆蓋該層疊 體。此外，在絕緣基板2上的銅圖案上依次層疊熱阻抗體8-3、電極 3-1以及推抵部件7構(gòu)成層疊體，并利用外殼蓋板5覆蓋該層疊體。 電極3-l和3-2在半導體器件的外部與電容器、柵極驅(qū)動器的電極端 子(未圖示)接合。另外，在半導體元件4和散熱基板1上的電極3-1 之間也插有相同的熱阻抗體8-1。電極3-1和3-2在半導體器件的外部 與電容器、柵極驅(qū)動器的電極端子(未圖示)接合。在這里，由于在 電極3-1和3-2與半導體元件4之間插入有熱阻抗體8-1和8-2，所以， 半導體器件的電極溫度比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的電極溫度低。其結(jié)果，能夠抑制
從半導體元件4向電容器、柵極驅(qū)動器(未圖示)流動熱量。特別是， 由于柵極并不流過大量電流，所以即使金屬板、金屬彈簧之間的接觸 電阻提高，也可以應用。 實施例4
當然，通過在電極、與電容器或柵極驅(qū)動器等電裝置之間插入熱 阻抗體，可以獲得同樣的效果，上述電極將具有上述導電性的熱阻抗 體連接到半導體器件內(nèi)的發(fā)熱電元件上。在此情況下，將具有導電性 的熱阻抗體安裝在半導體器件的外部，可以提高作為電裝置整體的可靠性，可以實現(xiàn)低成本化。另外，熱阻抗體既可以插在連接半導體器 件的電極和電裝置的導體間，也可以插在導體與電裝置間，又可以將 導體分成多個并插在其中間。
圖9是將導體劃分為多個并將本發(fā)明的熱阻抗體8-4插在其中間 的情況的實施例。從半導體模塊103的電極3-2通過銅板30-1、熱阻 抗體8-4、銅板30-2而連接到電容器31。在使銅板30-1和30-2面接 觸而不將熱阻抗體8-4插入的情況下，銅板的溫度基本接近電極的溫 度。因此，當半導體元件4溫度升高、電極的溫度上升到200'C (模 塊外殼的耐熱溫度)的情況下，由于熱量從半導體器件4流入電容器 31,所以大幅度超過電容器31的耐熱溫度(例如100°C )。在本實施 例中，通過插入熱阻抗體8-4來抑制該熱量的流入。
圖10中表示圖9的半導體模塊103的電極部分的詳細情況。電 極端子1010從散熱基板101上的半導體模塊103突出，利用螺絲104 通過設置有開口部的熱阻抗體105來安裝作為連接導體的銅板102。 熱阻抗體105由金屬形成，具有導電性，并且，具有抑制從電極端子 1010向銅板102傳導熱量的功能。另外，在本實施例中，為了防止由 于螺絲104與熱阻抗體105、銅板102、電極端子1010等接觸而從電 極端子1010向銅板102傳導熱量，在螺絲104與銅板102之間插有 絕熱部件1018。另外，絕熱部件1018不需要導電性，所以使用陶瓷 部件即可，不過也可以使用本發(fā)明的熱阻抗體。再有，為了均勻施重， 在螺絲104與絕熱部件1018之間插入有墊圏1022。
實施例5
圖11是在作為連接導體的銅板102中與電極1010的接觸部分成 為熱阻抗體結(jié)構(gòu)(例如，表面具有多個凹凸等、與接觸面部分接觸并 在中間形成空隙的結(jié)構(gòu))的情況下的一個實施例。圖中，只有銅板102 為熱阻抗體8，不過在只有電極1010、或者銅板102和電極1010兩 者都為熱阻抗體結(jié)構(gòu)的情況下，都有降低銅板102的溫度的效果。另 外，圖中在銅板102中只有與電極1010接觸的部分為熱阻抗體結(jié)構(gòu)， 但是也可以將銅板102整體作為熱阻抗體結(jié)構(gòu)。在熱阻抗體105中，有時高溫使用時的氧化成為問題。在此情況 下，通過對表面鍍敷、蒸鍍來鍍敷、蒸鍍其他金屬來成膜，可以有效 防止氧化。當熱阻抗體105為圖7所示的層疊體并且在各個金屬板上 成膜的情況下，作為成膜材料具有導電性很重要。作為這種材料例如 可以使用Ni、 Au、 Ti、 Cr、 Cu、 Zn、 Mo、 Ta、 W等。成膜材料根 據(jù)依存于使用環(huán)境、成本、系統(tǒng)構(gòu)成的最佳的體積電阻率和熱傳導率 等而改變(因為熱阻抗體本身是厚度薄的金屬體，所以與接觸部分相 比，其熱阻抗、電阻較小。因此，熱阻抗體使用時的電阻、熱阻抗主 要由接觸部分的材料、即成膜材料的熱傳導率和體積電阻率決定)。 另外，在層疊后，特別是在組裝后(螺絲擰緊后)，為了確保導電性， 利用耐熱性樹脂等覆蓋熱阻抗體、或者熱阻抗體、銅板、電極等的周 圍，也可以防止氧化。由于確保了導電性，所以不需要在成膜材料中 使用具有導電性的金屬材料。
在實施例1~4的討論中，在接觸部分的熱阻抗值上使用了文獻 值，但是為了驗證熱阻抗體的性能，利用圖12所示的裝置對具有圖3 所示的結(jié)構(gòu)的熱阻抗體，實施接觸部分的熱阻抗、接觸部分的電阻的 測量。在設置于水冷板1020上的銅4奉1016 (①10mm)之間夾著熱阻 抗體105。
在銅棒1016的上部，設置有內(nèi)置有加熱器的銅塊1017 (周圍以 絕熱部件覆蓋)、用于隔斷來自加熱器的熱量的絕熱部件1018、用于 測量加重量的負載單元1019,從負栽單元1019的上部加壓。在銅棒 1016中，在長度方向上隔著一定間隔嵌入熱電偶1011，對加熱加熱 器時的各個位置的溫度差進行測量。
在圖13的曲線中橫軸表示該溫度的測量結(jié)果。在圖13的曲線中， 設將加熱側(cè)銅棒的熱電偶的溫度進行了外插推定的熱阻抗體加熱側(cè) 的溫度為Tl，設將冷卻側(cè)銅棒的熱電偶的溫度進行了外插推定的熱 阻抗體冷卻側(cè)的溫度為T2。在設圖13的溫度梯度為dT/dl、銅棒的 橫截面積為S、銅的熱傳導率為k時，利用Q-dT/dlxSxk來導出流 過的熱量Q。因此，使用所得到的Q，熱阻抗體的熱阻抗RT為RT- (Tl-T2) /Q。
另外，在圖12的裝置中，在銅棒1016上釬焊有電壓測量用銅線 1012和電流端子(銅線)1014，可以利用四端子測量法來測量熱阻抗 體的電阻。
利用該裝置來測量以折疊銅箔、使折痕相互交叉而不是平行地旋 轉(zhuǎn)的狀態(tài)來重合的l個、2個、6個熱阻抗體的電阻、熱阻抗。圖14 的曲線表示該測量結(jié)果。施加到O>10mm的銅才奉上的壓力為1.8MPa、 熱阻抗體平均溫度(定義為(l+T2) /2)為120°C。另外，在接觸部 分的溫度為80。C、 160°C、 230。C的溫度下對不插入熱阻抗體的情況， 即，銅棒彼此面接觸狀態(tài)的接觸電阻、熱阻抗進行了實測。施加到銅 棒上的壓力為1.8MPa。另外，在圖14的曲線中，還記載有在面接觸 狀態(tài)下沒有空隙部分的熱傳導而僅有接觸部分的熱、電傳導的情況下 的理論值(電阻和熱阻抗的折衷線)。
該理論值可以利用以下方法導出。在設圖6所示的接觸部分10 (前端)的表面積為Sl、接觸部分的長度為L時，熱阻抗RT可以以 RT = L/k/Sl來表達。另外，同樣地，在設體積電阻率為p時，電阻 RE可以以RE = pxL/S來表現(xiàn)。
因此，在銅的情況下，Rt ( K/W)/Rele ( mQ) = 1/( kxpxl000 )
- 1/ ( 392x2.55E誦8xl000 ) = IOOK層(mQ )。
在圖14的曲線中，熱阻抗體的實測值的電阻和熱阻抗的折衷關 系基本接近理想狀態(tài)，可知本發(fā)明的熱阻抗體的結(jié)構(gòu)是加寬空隙區(qū) 域、抑制電阻并增大熱阻抗的結(jié)構(gòu)。另外，由圖14的曲線可知，與 面接觸狀態(tài)相比，在同一電阻的情況下，可以將熱阻抗提高大于等于 1個數(shù)量級。另外，通過層疊化，可以在電裝置中進行選擇、設計和 控制，以得到最佳的電阻和熱阻抗。
另外，折衷線由接觸部分的材料的熱傳導率k和體積電阻率p 的關系決定。通過使用本發(fā)明，實際可實現(xiàn)的熱阻抗和電阻由實際的 接觸面積決定，并且也根據(jù)加壓量、溫度而發(fā)生變化。另外，如本發(fā) 明那樣，通過進行層疊化，可以實現(xiàn)熱阻抗和電阻的控制，并且可以在規(guī)格條件，即在通電量、銅板冷卻狀況以及銅板溫度上限值等方面 構(gòu)成最佳狀態(tài)。
使用由實驗結(jié)果得到的值，為了明確本發(fā)明的熱阻抗體的效果，
利用圖15所示的熱回路網(wǎng)進行了概略研究。在該熱回路網(wǎng)中，T3是 電極1010的溫度、T4是銅板102的溫度、T5是周圍空氣的溫度、 Ql是接觸部分的發(fā)熱量、Q2是銅板102的發(fā)熱量、R34是電極1010 與銅板102之間的熱阻抗、R45是銅板102與周圍空氣之間(銅板溫 度T4和周圍空氣溫度T5之間)的熱阻抗。另外，為了簡化電路網(wǎng)， 設Ql和Q2都是在銅板102產(chǎn)生的。并且，在本研究例子中，雖然 還另外存在電阻和熱阻抗的最佳值，但是在這里由于確認效果是目 的，所以采用實驗值。
銅板102的溫度計算分為以下幾種情況，即銅板102的冷卻為 自然冷卻，對不使用本發(fā)明的熱阻抗體面接觸的情況(條件1)、使 用l個熱阻抗體的情況(條件2)、使用6個熱阻抗體的情況下的溫 度進行計算；銅板102的冷卻是利用風扇的強制冷卻，對不使用本發(fā) 明的熱阻抗體面接觸的情況(條件4)、使用l個熱阻抗體的情況(條 件5)、使用6個熱阻抗體的情況(條件6)下的銅板102的溫度進 行計算。計算條件如以下所述。
銅板長度0.30m
銅板寬度0.020m
銅板厚度O.OOlm
銅體積電阻率2.55E-8Qm
外部空氣溫度SO°C
電極溫度200°C
電流100A
空氣熱傳導率10W/m2K (自然冷卻)、30W/m2K (鼓風時) 銅板電阻0.00038Q=2.55E-8Qmx0.30m/ ( 0.001mx0.020m ) 面接觸部分熱阻抗0.13K/W (圖7、 120°C——內(nèi)插值) 1個熱阻抗體的接觸部分熱阻抗1.04K/W (圖7、 120°C )面接觸部分電阻0.000049Q (圖7、 120°C——內(nèi)插值)
熱阻抗體電阻0.000016Q (圖7、 120°C )
另外，在這里，關于接觸部分為同一溫度(120°C)的情況進行 了研究，在面接觸中，根據(jù)80Q°C 、 160°C 、 230。C的數(shù)據(jù)內(nèi)插了在120°C 處的數(shù)值。另外，當l個熱阻抗體的情況下，電阻比面接觸的情況減 小，并且發(fā)熱量也小。通常認為這是因為實際的接觸部分的區(qū)域擴大 的緣故。
圖16的表中記栽有關于銅板利用自然冷卻方式冷卻的情況(條 件1、 2、 3)和利用風扇冷卻的情況(條件4、 5、 6)的計算條件、 計算結(jié)果的概要。例如，在條件1時，T3 = 200。C、 T5 = 50°C、 R34 =0.13K/W、 R45 = 1/ ( 10W/m2Kx0.30mx0.020mx2 (正反兩面)) =8.3K/W、 Ql + Q2 = lOOAxlOOAx ( 0.000049Q + 0.00038Q ) = 4.3W。 此時，銅板102的溫度T4為198.2°C。
圖16的表中的條件2~6的銅板102的溫度T4全部利用相同的 方法計算出來。在這里，例如，在自然冷卻的情況下，在插入l個熱 阻抗體或6個熱阻抗體時，銅板102的溫度T4從198.2。C分別下降到 187。C和147.8°C。另外，在利用風扇冷卻銅板的情況下，銅板102的 溫度T4從193.9 。C分別下降到162.4 。C、 100.3 。C。
像這樣，即使僅插入l個本發(fā)明的熱阻抗體也有效果。另外，隨 著插入個數(shù)的增加，在該情況的條件下，銅板溫度降低效果表現(xiàn)的更 好。另外，在利用風扇等冷卻銅板的情況下，其效果表現(xiàn)得更顯著。
另外，在這里，在實驗的范圍內(nèi)對熱阻抗體插入個數(shù)進行了驗證， 不過隨著個數(shù)的增加，熱阻抗和電阻都可能增大。最佳的插入個數(shù)由 發(fā)熱量(即，電流量和銅板的形狀)、銅板的發(fā)熱量(由冷卻方法、 周圍環(huán)境的狀態(tài)決定)、銅板的目標溫度等決定。像這樣，根據(jù)本發(fā) 明，僅僅增加熱阻抗體的插入個數(shù)，就能又廉價又容易地將接觸部分 的熱阻抗和電阻控制在使用條件下的最佳狀態(tài)。
像這樣，根據(jù)該實施方式，具有此前說明過的實施方式的效果， 并且還具有能夠抑制從半導體元件向柵極驅(qū)動器、電容器流入熱量的效果，其結(jié)果是可以實現(xiàn)低成本、提高了可靠性的系統(tǒng)。
另外，在上述實施例中，熱阻抗體的材料為銅，但是熱傳導率低
的Fe、 Mo、 W、 Ni、 Zn等金屬材料、和以包含這些金屬材料的例如 SUS等合金形成的金屬材料，也當然具有作為目標的功能。 實施例6
另外，本發(fā)明中的熱阻抗體的具體結(jié)構(gòu)可以進行各種變形，例如， 可以如圖17所示地在金屬板21的表面部分地施與鍍敷層22，形成凹 凸，從而做成熱阻抗體20。該鍍敷層22的形狀既可以是如圖示那樣 地相互平行的長的線狀，或者也可以呈點狀，只要是在應該連接的部 件的接觸面上部分接觸并且中間形成空隙的形狀即可。另外，鍍敷層 22的材質(zhì)既可以和金屬板21相同材料也可以是和金屬板21不同的材 料。并且，既可以如圖17所示的僅在金屬板21的單面上設置，也可 以在雙面上設置。再有，既可以僅僅使用1個具有鍍敷層22的金屬 板21，也可以重疊多個這樣的金屬板21做成層疊體。
實施例7
圖18所示的熱阻抗體23,是利用釬焊25和焊錫等將導線24接 合在金屬板21的表面上而形成的。另外，雖然未圖示，但是可以想 到在金屬板21上釬焊微小的銅球等、或者重疊多個線圏彈簧等各種 制作方法，另外還可以將它們進行組合。
實施例8
圖19所示的熱阻抗體26，是在金屬板21的表面上進行加工處 理并形成凹凸27所形成的。加工處理可以采用刻蝕處理、利用具有 凹凸壓印的沖壓模具來使金屬板發(fā)生塑性變形、利用金屬板的沖壓來 制作突起或凹凸、利用研磨在金屬板上形成凹凸等各種加工方法。
實施例9
圖20所示的熱阻抗體28不具有此前說明的金屬板21，而是簡 單地使平行排列的大于等于2根的銅線29交互旋轉(zhuǎn)重疊，并以相互 的接觸部分為點的方式插在要連接的2個部件之間。
熱阻抗體本身，從制造及價格的角度出發(fā)，可以從這些各種方法
21中選擇適當?shù)姆椒▉碇谱鳠嶙杩贵w的金屬板。另外，在以上說明的例 子中，通過留下折痕來制作平行的凹凸，并通過使相鄰的金屬板的凹 凸相互交叉的方式重疊，從而實現(xiàn)點接觸并且中間形成空隙的結(jié)構(gòu)，
不過在規(guī)定的位置通過蝕刻或鍍敷等制作例如直徑為O.lmm高度為 O.lmm的突起并重疊，能夠達到同樣的效果。此時，通過將突起推抵 之前的前端狀態(tài)做成銳角，能夠使推抵時前端的變形量為最小限。其 結(jié)果，可以抑制電阻的上升，并且可以起到更進一步的絕熱效果。
另夕卜，熱阻抗體8-l既可以是例如僅使用l個具有圖3或圖7所 示的折痕17的金屬板16、在接觸面上部分接觸并且中間形成空隙的 方式構(gòu)成的金屬體的熱阻抗體，也可以是圖11所示的金屬體的、與 導體的電極的接觸部分一體設置多個凹凸的熱阻抗體。
另外，在上述例子中，假設熱阻抗體為銅，另外熱傳導率低的 Fe、 Mo、 W、 Ni、 Zn等金屬材料及以包含這些金屬材料的例如SUS 等合金形成的金屬材料，當然也具有作為目標的功能。
另外，本發(fā)明的熱阻抗體應用在半導體器件時有效果，不過也可 以應用到具有發(fā)熱電元件的普通電裝置中需要具有高耐熱性、導電性 的熱阻抗體的部位。
如以上說明的那樣，根據(jù)本發(fā)明，由于在半導體元件和外殼之間， 插入以相互實質(zhì)上點接觸并且中間形成空隙的方式層疊的多個金屬 板的層疊體、即熱阻抗體，所以能夠降低外殼的溫度，能夠提高半導 體器件的可靠性，并能實現(xiàn)低成本化。
另外，在本實施例中，在半導體元器件和銅板之間插入有熱阻抗 體，不過也可以插入銅板與連接到半導體器件上的其他部件之間。
再有，在控制半導體器件的驅(qū)動器與半導體器件之間插入熱阻抗 體，也可以獲得相同的效果。由于模塊的控制端子中沒有大電流流過， 所以由接觸部分電阻抗引起的發(fā)熱量小，容易實現(xiàn)多層化。
另外，在本實施例中，在半導體器件和銅板之間插入有熱阻抗體， 不過半導體器件的電極本身、或者銅板、或者連接到半導體器件的部 件的端子的接觸部分本身也可以是熱阻抗體。
22另外，在本實施例中，使用在半導體器件的溫度高的情況下，不 過當然也可以在周圍的溫度高、想要防止從周圍向半導體元件流入熱 量的情況下使用。
權(quán)利要求
1. 一種熱阻抗體，其特征在于，是以部分接觸接觸面并且中間形成空隙的方式構(gòu)成的金屬體。
2. —種熱阻抗體，其特征在于，是以相互部分接觸并且中間形 成空隙的方式層疊的多個金屬體的層疊體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱阻抗體，其特征在于，作為整 體具有導電性。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱阻抗體，其特征在于，所述金 屬體在表面上具有多個凹凸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱阻抗體，其特征在于，所述金 屬體在具有多個折痕。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱阻抗體，其特征在于，所述金屬體 具有多個平行的折痕，并且以所述的折痕彼此交叉的方式重合相鄰的 金屬板。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱阻抗體，其特征在于，所述金屬體 分別在厚度方向上具有彈性，所述層疊體作為整體在層疊方向上具有 彈性。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱阻抗體，其特征在于，所述金 屬體在表面上成膜有與所述金屬板不同金屬的膜。
9. 一種半導體器件，包括半導體元件；和包圍所述半導體元 件的外殼，該外殼具有支持該半導體元件并對發(fā)熱電元件發(fā)出的熱量 進行散熱的散熱基板以及連接到該散熱基板的外殼蓋板，其特征在 于，具有插入所述半導體元件與所述外殼蓋板之間或所述散熱基板 與所述外殼蓋板之間的熱阻抗體，所述熱阻抗體為以部分接觸接觸面 并且中間形成有空隙的方式構(gòu)成的金屬體。
10. —種半導體器件，包括半導體元件；和包圍所述半導體元件的外殼，該外殼具有支持該半導體元件并對發(fā)熱電元件發(fā)出的熱量進行散熱的散熱基板以及連接到該散熱基板的外殼蓋板，其特征在 于，具有插入所述半導體元件與所述外殼蓋板之間或所述散熱基板 與所述外殼蓋板之間的熱阻抗體，所述熱阻抗體是以相互部分接觸并 且中間形成空隙的方式層疊的多個金屬體的層疊體。
11. 一種電裝置，包括半導體器件、電連接到到該半導體器件 上的部件、以及電連接兩者的具有導電性的導電性部件，其特征在于，具有插入所述半導體器件與所述導電性部件之間或插入所述導 電性部件與電連接到所述半導體器件上的部件之間的熱阻抗體，所述熱阻抗體為以部分接觸接觸面并且中間形成空隙的方式構(gòu)成的金屬體。
12. —種電裝置，包括半導體器件、電連接到到該半導體器件 上的部件、以及電連接兩者的具有導電性的導電性部件，其特征在于，具有插入所述半導體器件與所述導電性部件之間或插入所述導 電性部件與電連接到所述半導體器件上的部件之間的熱阻抗體，所述熱阻抗體是以相互部分接觸并且中間形成空隙的方式層疊的多個金 屬體的層疊體。
13. —種半導體器件，具有與部件電連接的連接部，其特征在于， 在所述連接部上具有熱阻抗體，該熱阻抗體為以部分接觸部件的接觸面并且中間形成空隙的方式構(gòu)成的金屬體。
14. 一種半導體器件，具有與部件電連接的連接部，其特征在于， 在所述連接部上具有熱阻抗體，該熱阻抗體為以相互部分接觸并且中間形成空隙的方式層疊的多個金屬體的層疊體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱阻抗體。作為在接觸面上部分接觸并且中間形成空隙的金屬體的熱阻抗體，在整體上具有導電性，可以是以相互部分接觸并且中間形成空隙的方式層疊的多個金屬體的層疊體或者表面具有多個凹凸的金屬體，或者是具有多個平行的折痕并且以所述折痕相互交叉的方式重合相鄰的金屬板的方式，還可以是各個金屬體在厚度方向上具有彈性而所述層疊體作為整體在層疊方向上具有彈性的方式，還可以設為在金屬體表面上具有不同種類的金屬膜的方式。還提供將所述熱阻抗體插在發(fā)熱半導體元件與外殼蓋板之間和插在散熱基板和外殼蓋板之間的半導體器件以及使用該器件的電裝置。
文檔編號H01L23/36GK101461058SQ200780021000
公開日2009年6月17日 申請日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月7日
發(fā)明者吉瀬幸司 申請人:三菱電機株式會社