JP2007214350A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体素子の冷却効率を向上させることができるとともに、電磁ノイズの遮蔽性をも向上させることができる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置を、冷却がなされるベースプレート１と；ベースプレート上に配置された、少なくとも一つ以上の配線パターン３を有する配線基板２と；配線基板上に配置された、配線パターンに接続される少なくとも一つ以上の半導体素子４と；ベースプレートと接続された第１の金属部材７と、第１の金属部材と半導体素子との間に配置された第２の金属部材８と、からなる押圧構造体と；を備え、押圧構造体の第２の金属部材が絶縁部材を介して半導体素子を押し付けるよう構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子の動作信頼性向上と冷却効率向上との両立を図ったパワーモジュールなどの半導体装置に関するものである。
従来、半導体モジュールにおいて、パワー回路と制御・駆動回路との間にある電磁ノイズ遮蔽板を発熱体である半導体素子の上面から絶縁シートを介して放熱し、半導体モジュール全体の冷却性能を向上させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平２００４−２２１５１６号公報
しかしながら、従来の放熱を兼ねる遮蔽板は一枚の金属板からなり、発熱による温度上昇により、放熱板が浮く可能性があるとともに、剛体で接続しているため、振動に弱いという問題があった。この剛体と接続する方法以外に、放熱板と半導体素子との間に絶縁シートを設けた例があるが、この場合には、温度上昇による放熱板の浮きを防止するために、絶縁シートに厚みを持たせる必要があり、熱伝導率が低い絶縁シートの厚み増加に伴って、熱抵抗が増加し、放熱効率が著しく低下するという問題があった。
また、半導体素子がＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴのようにインバータなどに用いられ、大電流を制御する場合、様々な電磁ノイズを発生し得る。そして半導体素子の駆動速度の増加に伴い、発生するノイズの周波数も広範囲にわたる。これに対し、この半導体素子を制御し、駆動させる回路はアナログ・デジタル混在の回路であり、広帯域の電磁ノイズの影響を受けやすく、半導体素子から発生する電磁ノイズにより誤動作するという問題があった。
本発明の目的は上述した問題点を解消して、半導体素子の冷却効率を向上させることができるとともに、電磁ノイズの遮蔽性をも向上させることができる半導体装置を提供しようとするものである。
本発明の半導体は、冷却がなされるベースプレートと；ベースプレート上に配置された、少なくとも一つ以上の配線パターンを有する配線基板と；配線基板上に配置された、配線パターンに接続される少なくとも一つ以上の半導体素子と；ベースプレートと接続された第１の金属部材と、第１の金属部材と半導体素子との間に配置された第２の金属部材と、からなる押圧構造体と；を備え、押圧構造体の第２の金属部材が絶縁部材を介して半導体素子を押し付けるよう構成したことを特徴とするものである。
本発明では、第１の金属部材及び第２の金属部材からなる押圧構造体を用いることで、半導体素子を押し付けるとともに、広周波数帯域の電磁ノイズを遮蔽することが可能なので、半導体装置の耐振動性と周辺機器の動作信頼性をともに向上させることができる。また、押圧構造体を冷却体となるベースプレートへ接続するとともに、アースするので、半導体装置の冷却効率と静電ノイズ遮蔽性を向上させることができる。
なお、本発明の半導体装置の好適例としては、押圧構造体は、第１の金属部材よりも薄い第２の金属部材が半導体素子側に凸に撓んだ形状となっており、第２の金属部材の両端が第１の金属部材に固定される構造であることがある。このように構成することで、薄くても機能に支障がない押圧構造体の第２の金属部材（静電遮蔽材）で半導体素子を押さえるので、半導体装置の電磁遮蔽性を損なわずに、耐振動性を向上させることができる。
また、本発明の半導体装置の好適例としては、複数ある半導体素子の間に押圧構造体支持部材を配置したことがある。このように構成することで、複数の半導体素子を均一な圧力で押さえることができるので、半導体装置の耐振動性が向上する。
さらに、本発明の半導体装置の好適例としては、第２の金属部材が少なくとも２種類以上の厚みを持つ金属板であって、絶縁部材との接触面での厚さをＴ１、第２の金属部材との接触面付近での厚さをＴ２とすると、Ｔ１＞Ｔ２の関係にあることがある。このように構成することで、複数の半導体素子を均一な圧力で押さえることができるとともに、第２の金属部材の熱容量が増加するので、半導体装置の高温耐久性と耐振動性が向上する。
さらにまた、本発明の半導体装置の好適例としては、押圧構造体の第２の金属部材における絶縁部材接触部の裏側に梁を設けたことがある。このように構成することで、複数の半導体素子を均一な圧力で押さえることができるので、半導体装置の耐振動性が向上する。
また、本発明の半導体装置の好適例としては、第２の金属部材の無負荷状態での絶縁部材との接触部の撓み半径をＲ１、それ以外の撓み半径をＲ２としたとき、Ｒ１＞Ｒ２であることがある。このように構成することで、撓みを調節することができ、それにより複数の半導体素子を均一な圧力で押さえるとともに、その押し付け力を設計できるため、半導体装置の耐振動性を最適に向上させることができる。
さらに、本発明の半導体装置の好適例としては、第２の金属部材が半導体素子側に凸に撓んだ形状の部分が、複数の半導体素子に対応して複数個あることがある。このように構成することで、厚さが均一な金属板（第２の金属部材）を曲げることにより、複数の半導体素子を均一な圧力で押さえることができるので、低コストで半導体装置の耐振動性を向上させることができる。
さらにまた、本発明の半導体装置の好適例としては、第２の金属部材が放熱構造を備えるとともに、第１の金属部材と第２の金属部材との間に冷媒または熱伝導材料が介在することがある。このように構成することで、第１の金属部材と第２の金属部材との接触していない部分の熱抵抗を低減することができるので、半導体装置の冷却効率を向上させることができる。また、第２の金属部材の熱を効率よく放熱することができるので、半導体装置の冷却装置を向上させることができる。
また、本発明の半導体装置の好適例としては、第２の金属部材に設ける放熱構造が、第１の金属部材に向くフィンまたは第２の金属部材を屈曲させた構造からなることがある。このように構成することで、第２の金属部材の熱を効率よく放熱することができ、特に、放熱構造が第２の金属部材を屈曲させた構造から構成する場合は、１枚の金属板で同様の効果を得ることができるため、半導体装置の性能を低下させずにコストを低減できる。
さらに、本発明の半導体装置の好適例としては、第２の金属部材の絶縁部材との接触部以外の部分が櫛形であることがある。このように構成することで、電磁遮蔽効果を損なわずに、２次元的に複数配置された半導体素子を均一に押さえることができるので、半導体装置の耐振動性と動作信頼性が向上する。
さらにまた、本発明の半導体装置の好適例としては、第２の金属部材の絶縁部材との接触部以外の部分が複数の穴を備えることがある。このように構成することで、電磁遮蔽効果を損なわずに、２次元的に複数配置された半導体素子を均一に押さえることができるので、半導体装置の耐振動性と動作信頼性が向上する。
以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の半導体装置の第一実施例を説明するための図である。図１に示す第一実施例において、本発明の半導体装置は、冷却がなされるベースプレート１と；ベースプレート１上に設けられた配線パターン３を有する熱伝導性かつ絶縁性の配線基板２と；配線基板２上に配置された、配線パターン３に接続される、発熱源となる半導体素子４と；配線パターン３と外部電極とを接続するワイヤ５と；好ましくは６４Ｆｅ−３６Ｎｉのような低熱膨張率かつ高透磁率を有する素材からなり、低周波および磁気ノイズを遮蔽するとともに放熱も行い、ベースプレート１を介して接地される第１の金属部材７と、好ましくはＡｌのような高導電率の素材からなり、高周波および静電ノイズを遮蔽するとともに絶縁部材６を介して半導体素子４に撓み力によって押し付けられ、半導体素子４の熱を放熱する第２の金属部材８と、からなる押圧構造体と；半導体素子４の特性を制御する制御回路１５とから構成されている。なお、１３は電力供給用のバスバーであり、１４はバスバーを保持する台座である。
図１に示す第一実施例において、半導体素子４は両面に電極を持ち、一方は配線パターン３に、もう一方は接続部９を介して電流リード１０に接続される。半導体素子４から発生する熱の流れは、配線パターン３、絶縁性の配線基板２を介してベースプレート１へ放熱される下面ルートと、接続部９、電流リード１０、絶縁部材６、第２の金属部材８、第１の金属部材７を介してベースプレート１へ放熱される上面ルートとがある。
従来、上面ルートから放熱する場合、上面放熱板と絶縁部材との接触を保つために、絶縁部材は厚みがあり、ヤング率が低いゲル状のものを用いており、この部分の熱抵抗が大きいため、放熱効率が低かった。一方、本発明の構成では、放熱板となる第２の金属部材８を半導体素子４側に凸に撓んだ形状となっており、第２の金属部材８により半導体素子４を押し付ける力をかけているため、絶縁部材６との接触を保つのが容易であり、絶縁部材６に厚みを持たせる必要がないため、Ｓｉ系グリースや、酸化膜で絶縁部材６を形成することにより、上面ルートの放熱効率が従来よりも向上する。
本発明において、上面ルートの放熱を担う第１の金属部材７と第２の金属部材８とからなる押圧構造体は、電磁遮蔽効果も備える。第１の金属部材７をＦｅやＳｉなどの高透磁率系合金から構成した場合は、磁気シールド効果と低周波電磁波シールド効果を持ち、第２の金属部材８をＡｌやＣｕなどの高導電率合金から構成した場合は、第２の金属部材８は第１の金属部材７を通じて接地されるため、静電シールド効果と高周波電磁波シールド効果を持つため、押圧構造体の電磁遮蔽効果は広帯域に有効である。
パワーモジュールなどの波形はパルス波形であり、広帯域の周波数成分を含む。また、近年スイッチング速度高速化により、より高い周波数成分を含むようになってきた。一方、このスイッチングを制御する制御基板１５はデジタルアナログ混在の回路であるため、広帯域の周波数に感受性がある。つまり、本発明における押圧構造体の電磁遮蔽効果は制御基板１５をシールドするのにとても有効である。
図２は本発明の半導体装置の第二実施例を説明するための図である。図２に示す第二実施例において、上述した図１に示す第一実施例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。第二実施例において第一実施例と異なる点は、複数の半導体素子４を用いた点である。すなわち、第二実施例では、半導体素子４は複数（ここでは２個）あり、電流リード１０により並列配置されている。また、両半導体素子４を均等に押し付けるため、梁部材１１を両半導体素子４の間に備えることにより、第２の金属部材８の押し付け力が半導体素子４に均等にかかる構成となっている。
図３は本発明の半導体装置の第三実施例を説明するための図である。図３に示す第三実施例において、上述した図１に示す第一実施例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図３に示す第三実施例は図２に示す第二実施例と基本構成は同様であり、第２の金属部材８Ａの構造において異なっている。すなわち、第三実施例では、第２の金属部材８Ａの厚みが一様でなく、絶縁部材６との接触面での厚さをＴ１、第１の金属部材７との接触面付近での厚さをＴ２とすると、Ｔ１＞Ｔ２の関係にある。絶縁部材６との接触面で厚みをもたせることにより、この部分での撓みがなくなるため、複数の半導体素子４を均一に押さえるのに好適である。また、放熱面に厚みを持たせることにより熱容量が増加するため、半導体素子４の温度上昇を抑制するにも好適である。
図４は本発明の半導体装置の第四実施例を説明するための図である。図４に示す第四実施例において、上述した図１に示す第一実施例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図４に示す第四実施例は図２に示す第二実施例と基本構成は同様であり、図４に示す状態は押圧する前の状態を示す。第四実施例では、第２の金属部材８Ｂの絶縁部材６との接触面に、図５に示すような複数の梁部材１６を配置している。第２の金属部材８Ｂの絶縁部材６との接触面に梁部材１６を設けることにより、この部分での撓みがなくなるため、複数の半導体素子４を均一に押さえるのに好適である。また、放熱面積が増加するため、半導体素子４の温度上昇を抑制するにも好適である。
図６は本発明の半導体装置の第五実施例を説明するための図である。図６に示す第五実施例において、上述した図１に示す第一実施例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図６に示す第五実施例は図２に示す第二実施例と基本構成は同様であり、図６に示す状態は押圧する前の状態を示すが、並列配置される半導体素子４は３つである。第５実施例では、第２の金属部材８Ｃの絶縁部材との接触面での撓み半径をＲ１、第２の金属部材８Ｃの第１の金属部材７との接触面での撓み半径をＲ２とした場合に、Ｒ１＞Ｒ２の関係にある。図７に示すように固定した際に、各半導体素子４への圧力が均等になるようにＲ１を設計し、Ｒ２部分で撓みによる圧力をかけることにより、複数の半導体素子４を単純な形状で押さえることができるので好適である。
図８は本発明の半導体装置の第六実施例を説明するための図である。図８に示す第六実施例において、上述した図１に示す第一実施例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図８に示す第六実施例は図６に示す第五実施例と基本構成は同様であるが、第２の金属部材８Ｄの構造において異なっている。第六実施例では、第２の金属部材８Ｄに、並列配置された半導体素子４の数と同じだけ下に凸な部分を設け、第２の金属部材８Ｄの下に凸な部分は、各別に、第１の金属部材７に接続されている。これにより、複数の半導体素子４を均一に押さえるのに好適であるとともに、第１の金属部材７への放熱ルートが増えるため、半導体素子４の温度上昇を抑制するにも好適である。
図９は本発明の半導体装置の第七実施例を説明するための図である。図９に示す第七実施例において、上述した図１に示す第一実施例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図９に示す第七実施例は図２に示す第二実施例と基本構成は同様であり、押圧構造体の構造において異なっている。第七実施例において、第１の金属部材７と第２の金属部材８Ｅとの間に生じる空間に冷媒または熱伝導性材料１７を介在させ、第２の金属部材８Ｅの上面に複数の放熱フィン１８を配置している。冷媒１７としては、フロリナートのような流体、ＨＣ系ガスなどを強制対流させるもの、などを好適に用いることができる。また、熱伝導ゲルなどのヤング率の低い材料を用いても構わない。この構造は上面ルートの冷却効率を向上させる方法として好適である。
図１０は本発明の半導体装置の第八実施例を説明するための図である。図１０に示す第八実施例において、上述した図１に示す第一実施例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図１０に示す第八実施例は図９に示す第七実施例と基本構成は同様である。第八実施例においては、放熱フィン１８を備えた第２の金属部材８Ｆを一枚の金属板を屈曲させることで構成している。この構造も第七実施例と同様に、上面ルートの冷却効率を向上させる方法として好適である。
図１１は本発明の半導体装置の第九実施例を説明するための図である。図１１に示す第九実施例において、上述した図１に示す第一実施例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図１１に示す第九実施例は図２に示す第二実施例と基本構成は同様であり、第２の金属部材８Ｇの構造において異なっている。第九実施例においては、図１２に示すように、第２の金属部材８Ｇの撓み部に複数のスリット１９を設けている。このときスリット１９の幅Ｘを１０ｍｍ以下にすることにより、３ＧＨｚまでの電磁波ノイズ遮蔽機能を保ったまま、撓みやすさを調節することができる。
図１３は本発明の半導体装置の第十実施例を説明するための図である。図１３に示す第十実施例は図１１、１２に示す第九実施例と基本構成は同様であり、第２の金属部材８Ｆの構造において異なっている。第十実施例においては、図１３に示すように、第２の金属部材８Ｆの撓み部に複数の穴２０を設けている。このとき穴の最大径を１０ｍｍ以下にすることにより、３ＧＨｚまでの電磁波ノイズ遮蔽機能を保ったまま、撓みやすさを調節することができる。
以下、上述した第一実施例〜第十実施例におけるさらに他の好適例について説明する。まず、第２の金属部材の厚さが１ｍｍ以下であることが好ましい。この場合は、第２の金属部材の可とう性を増大させることにより、押し付け圧が過大になるのを防止することができ、半導体素子の信頼性を保つとともに半導体装置の耐振動性を向上させることができる。また、第１の金属部材の厚さが０．５ｍｍ以上であることが好ましい。この場合は、第１の金属部材の厚みを充分取ることができ、磁界および低周波電磁波遮蔽効果を向上させるとともに、厚みによる強度向上により、第２の金属部材の固定信頼性も向上するため、半導体装置の耐振動性と周辺機器の動作信頼性をともに向上させることができる。
さらに、第２の金属部材が金属板で構成される場合に、第２の金属部材と第１の金属部材との接触面積が金属板の断面積よりも大きいことが好ましい。この場合は、第１の金属部材と第２の金属部材との間の熱抵抗を低減することができるので、半導体装置の冷却効率を向上させることができる。さらにまた、第１の金属部材と第２の金属部材とが金属接触により固定されることが好ましい。この場合は、第１の金属部材と第２の金属部材との間の熱抵抗を低減することができるので、半導体装置の冷却効率を向上させることができる。また、第２の金属部材が金属板で構成される場合に、絶縁部材と反対側の面の一部が第１の金属部材に接触していることが好ましい。この場合は、金属板を曲げることにより、第１の金属部材と第２の金属部材との熱抵抗を低減することができるので、半導体装置の冷却効率を向上させることができる。
本発明の半導体装置によれば、第１の金属部材及び第２の金属部材からなる押圧構造体を用いることで、半導体素子を押し付けるとともに、広周波数帯域の電磁ノイズを遮蔽することが可能なので、半導体装置の耐振動性と周辺機器の動作信頼性をともに向上させることができる。また、押圧構造体を冷却体となるベースプレートへ接続するとともに、アースするので、半導体装置の冷却効率と静電ノイズ遮蔽性を向上させることができる。そのため、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子を用いる半導体装置に好適に適用することができる。
本発明の半導体装置の第一実施例を説明するための図である。 本発明の半導体装置の第二実施例を説明するための図である。 本発明の半導体装置の第三実施例を説明するための図である。 本発明の半導体装置の第四実施例を説明するための図である。 本発明の半導体装置の第四実施例を説明するための図である。 本発明の半導体装置の第五実施例を説明するための図である。 本発明の半導体装置の第五実施例を説明するための図である。 本発明の半導体装置の第六実施例を説明するための図である。 本発明の半導体装置の第七実施例を説明するための図である。 本発明の半導体装置の第八実施例を説明するための図である。 本発明の半導体装置の第九実施例を説明するための図である。 本発明の半導体装置の第九実施例を説明するための図である。 本発明の半導体装置の第十実施例を説明するための図である。
符号の説明
１ ベースプレート
２ 配線基板
３ 配線パターン
４ 半導体素子
５ ワイヤ
６ 絶縁部材
７ 第１の金属部材
８、８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ、８Ｅ、８Ｆ、８Ｇ、８Ｈ 第２の金属部材
９ 接続部
１０ 電流リード
１１、１６ 梁部材
１３ 入出力バスバー
１４ バスバー台座
１５ 制御基板
１７ 冷媒または熱伝導性材料
１８ 放熱フィン
１９ スリット
２０ 穴

Claims (11)

  1. 冷却がなされるベースプレートと；ベースプレート上に配置された、少なくとも一つ以上の配線パターンを有する配線基板と；配線基板上に配置された、配線パターンに接続される少なくとも一つ以上の半導体素子と；ベースプレートと接続された第１の金属部材と、第１の金属部材と半導体素子との間に配置された第２の金属部材と、からなる押圧構造体と；を備え、押圧構造体の第２の金属部材が絶縁部材を介して半導体素子を押し付けるよう構成したことを特徴とする半導体装置。
  2. 押圧構造体は、第１の金属部材よりも薄い第２の金属部材が半導体素子側に凸に撓んだ形状となっており、第２の金属部材の両端が第１の金属部材に固定される構造であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 複数ある半導体素子の間に押圧構造体支持部材を配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 第２の金属部材が少なくとも２種類以上の厚みを持つ金属板であって、絶縁部材との接触面での厚さをＴ１、第２の金属部材との接触面付近での厚さをＴ２とすると、Ｔ１＞Ｔ２の関係にあることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  5. 押圧構造体の第２の金属部材における絶縁部材接触部の裏側に梁を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  6. 第２の金属部材の無負荷状態での絶縁部材との接触部の撓み半径をＲ１、それ以外の撓み半径をＲ２としたとき、Ｒ１＞Ｒ２であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  7. 第２の金属部材が半導体素子側に凸に撓んだ形状の部分が、複数の半導体素子に対応して複数個あることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  8. 第２の金属部材が放熱構造を備えるとともに、第１の金属部材と第２の金属部材との間に冷媒または熱伝導材料が介在することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  9. 第２の金属部材に設ける放熱構造が、第１の金属部材に向くフィンまたは第２の金属部材を屈曲させた構造からなることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
  10. 第２の金属部材の絶縁部材との接触部以外の部分が櫛形であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
  11. 第２の金属部材の絶縁部材との接触部以外の部分が複数の穴を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
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