JP2008270295A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体チップを実装してなる半導体装置に係り、特にパワーデバイスに適したものに関する。 The present invention relates to a semiconductor device on which a semiconductor chip is mounted, and particularly to a device suitable for a power device.
近年、電気自動車やハイブリッド車、燃料電池など、モータ駆動用のスイッチング素子を備えたパワーデバイス(半導体装置)として、IGBTやFETを用いたモジュールが用いられている。特に、車載用の半導体装置においては、小型化の要求のために、小面積で放熱機能の大きい冷却構造が必要となっている。 In recent years, modules using IGBTs or FETs have been used as power devices (semiconductor devices) including motor-driven switching elements such as electric vehicles, hybrid vehicles, and fuel cells. In particular, in-vehicle semiconductor devices require a cooling structure with a small area and a large heat dissipation function because of the demand for miniaturization.
かかる要求に応えるべく、特許文献1には、AlN,SiCなどの熱伝導率の高いセラミックスにより構成された絶縁基板を、支持部材であるAl合金等からなる放熱器に、アルミニウム−シリコン系ろう材層を介して接合させた構造が開示されている(特許文献1の図2等)。また、 In order to meet such a demand, Patent Document 1 discloses that an insulating substrate made of ceramics having high thermal conductivity such as AlN and SiC is used as a heat sink made of an Al alloy as a support member, and an aluminum-silicon brazing material. A structure in which layers are joined to each other is disclosed (FIG. 2 of Patent Document 1, etc.). Also,
しかしながら、特許文献1の技術では、絶縁基板と放熱器との間に、熱膨張係数が3〜4.5ppm/K程度の絶縁基板と、熱膨張係数が20ppm/K前後の放熱器との熱膨張係数差に起因する大きな熱応力が生じることになる。そこで、同文献の図4に示される構造を応用して、ネジ止めされた樹脂ケースにより、絶縁基板を放熱器に押圧して固定することにより、熱応力を緩和する構造が考えられる。 However, in the technique of Patent Document 1, heat between an insulating substrate having a thermal expansion coefficient of about 3 to 4.5 ppm / K and a heat radiator having a thermal expansion coefficient of around 20 ppm / K between the insulating substrate and the heat radiator. A large thermal stress resulting from the difference in expansion coefficient is generated. Therefore, by applying the structure shown in FIG. 4 of the same document and using a resin case that is screwed, an insulating substrate is pressed against and fixed to a radiator, and a structure that relieves thermal stress can be considered.
しかしながら、セラミックス材料は硬脆材料であり、セラミックスからなる絶縁基板をネジ止めなどによって放熱器に押圧して固定する際に、大きな押圧力が局所に集中すると、絶縁基板が破損するおそれがあり、半導体装置の信頼性が悪化する。 However, the ceramic material is a hard and brittle material, and when the insulating substrate made of ceramic is pressed and fixed to the radiator by screwing or the like, if the large pressing force is concentrated locally, the insulating substrate may be damaged. The reliability of the semiconductor device is deteriorated.
本発明の目的は、ヒートシンク部材への熱応力や押圧力の局部集中を緩和しうる構造とすることにより、高い信頼性を有する半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device having high reliability by adopting a structure that can alleviate local concentration of thermal stress and pressing force on a heat sink member.
本発明の半導体装置は、固定用部材により、セラミックスを主成分とする材料からなるヒートシンク部材を支持部材に押圧して固定させ、かつ、固定用部材とヒートシンク部材との間に、弾性材料からなる環状シール部材を介在させたものである。 In the semiconductor device of the present invention, the heat sink member made of a material mainly composed of ceramics is pressed against the support member by the fixing member, and is made of an elastic material between the fixing member and the heat sink member. An annular seal member is interposed.
これにより、ヒートシンク部材がセラミックスを主成分とする材料によって構成されているので、半導体チップの材料として多用されるSiやSiCとの熱膨張係数差が小さくなり、ヒートシンク部材に発生する熱応力が低減される。また、ヒートシンク部材が固定用部材によって押圧されても、固定用部材との間に弾性を有する環状弾性部材が装着されているので、ヒートシンク部材への押圧力の局部集中を緩和することができる。よって、ヒートシンク部材の破損を防止することができ、半導体装置の信頼性が向上する。 As a result, since the heat sink member is made of a material whose main component is ceramics, the difference in thermal expansion coefficient from Si or SiC frequently used as a semiconductor chip material is reduced, and the thermal stress generated in the heat sink member is reduced. Is done. Further, even if the heat sink member is pressed by the fixing member, the local elastic concentration of the pressing force on the heat sink member can be reduced because the elastic elastic member is mounted between the fixing member and the heat sink member. Therefore, damage to the heat sink member can be prevented, and the reliability of the semiconductor device is improved.
ヒートシンク部材と支持部材との間に、弾性を有する環状シール部材が装着されていることにより、ヒートシンク下方の空間の密封性を保ちつつ、ヒートシンク部材への押圧力の局部集中を緩和する機能をさらに高めることができる。 By mounting an elastic annular seal member between the heat sink member and the support member, the function of further reducing the local concentration of the pressing force on the heat sink member while maintaining the sealing performance of the space below the heat sink Can be increased.
支持部材が、環状弾性部材を囲むように配置された複数のネジ部材を有する固定用部材により押圧されていることにより、ヒートシンクへの押圧力の局部集中を確実に抑制することができる。 Since the support member is pressed by a fixing member having a plurality of screw members arranged so as to surround the annular elastic member, local concentration of the pressing force on the heat sink can be reliably suppressed.
ヒートシンク部材が、高熱伝導率と低熱膨張係数とを併せ持つAlN,BN,SiN,Si−SiCまたはAl−SiCにより構成されていることにより、熱応力の低減に加えて、熱抵抗の低減による放熱機能の向上を図ることができる。 Since the heat sink member is made of AlN, BN, SiN, Si-SiC or Al-SiC having both high thermal conductivity and low thermal expansion coefficient, in addition to reducing thermal stress, heat dissipation function by reducing thermal resistance Can be improved.
半導体装置に形成されている半導体素子が、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワーデバイスであることにより、チップ温度が比較的高温に達しても、ヒートシンク部材に加わる熱応力をできるだけ小さくして信頼性を高く維持することができる。 Since the semiconductor element formed in the semiconductor device is a power device using a wide band gap semiconductor, even if the chip temperature reaches a relatively high temperature, the thermal stress applied to the heat sink member is made as small as possible to improve reliability. Can be kept high.
本発明の半導体装置によると、ヒートシンク部材への熱応力や押圧力の局部集中が緩和されるので、高い信頼性を有する半導体装置が得られる。 According to the semiconductor device of the present invention, since local concentration of thermal stress and pressing force on the heat sink member is alleviated, a highly reliable semiconductor device can be obtained.
図1は、実施の形態における半導体装置(パワーモジュール)の概略的な外観構造を示す斜視図である。図1においては、後述する樹脂ケース53(図2,図3参照)やボンディングワイヤなどの配線の図示は省略されている。同図に示すように、本実施形態の半導体装置は、放熱器50の上にチップユニット10を接合して構成されている。放熱器50は、天板50aと天板50aに接合された容器50bとからなり、天板50aには、チップユニット10を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。本実施形態においては、矩形状貫通穴が多数設けられているが、1つだけでもよい。放熱器50を構成する天板50aと容器50bとは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ダイキャスト,押し出し,鍛造,鋳造,機械加工等によって製造することができる。また、放熱器50の容器50bには、熱交換媒体である冷却水の供給管58aと、冷却水の排出管58bとが取り付けられている。
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic external structure of a semiconductor device (power module) in an embodiment. In FIG. 1, illustration of wiring such as a resin case 53 (see FIGS. 2 and 3) and a bonding wire which will be described later is omitted. As shown in the figure, the semiconductor device of this embodiment is configured by joining a
本実施の形態の組み立て工程においては、放熱器50の天板50aにチップユニット10が実装された後、天板50aが容器50bに接合される。この接合は、機械かしめ等によって行われてもよい。また、本実施の形態では、放熱器50は天板50aと容器50bを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。その後、後述するように、天板50aの上に樹脂ケース53がネジ止めによって取り付けられる。
In the assembly process of the present embodiment, after the
図2は、実施の形態における半導体装置の平面図である。図3は、実施の形態に係る半導体装置の図2に示すIII-III線における断面図である。図2および図3においては、半導体チップ11の上方のボンディングワイヤなどの配線の図示は省略されている。図2および図3に示すように、天板50aの上には、樹脂ケース53が取り付けられていて、樹脂ケース53の開口部全体をヒートシンク部材が覆っている。そして、ヒートシンク部材21の上に、3つのチップユニット10が配置されている。天板50aは、ヒートシンク部材を支持する支持部材である。
FIG. 2 is a plan view of the semiconductor device according to the embodiment. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the embodiment, taken along line III-III in FIG. 2 and 3, illustration of wiring such as bonding wires above the
天板50aの上面には、開口部を囲む溝55が形成されており、溝55内に環状シール部材であるOリング54が装着されている。一方、樹脂ケース53においてヒートシンク部材21の上面に対向する面にも、開口部を囲む溝56が形成されており、溝56内に環状弾性部材であるOリング57が装着されている。Oリング57は、必ずしもシール機能は必要でないが、Oリング54は、放熱器50の内部空間である流路51をシールする機能を有している必要がある。そして、樹脂ケース53には、Oリング57を囲むように配置された合計16個のネジ59が取り付けられており、この16個のネジ59の締め付け力により、樹脂ケース53がヒートシンク部材21にほぼ均等な押圧力を印加するように構成されている。すなわち、樹脂ケース53およびネジ59により、ヒートシンク部材21を天板50aに押圧して固定する固定用部材が構成されている。
A
放熱器50の天板50aと容器50bとの間の流路51には、熱交換媒体としての冷却水が図3の紙面に直交する方向に流れている。半導体チップ11は、単結晶SiC基板を用いて形成されており、上面および下面には、ダイオードまたはIGBT(半導体素子)の活性領域に接続される上面電極(図示せず)および裏面電極14がそれぞれ設けられている。チップユニット10には、さらに、半導体チップ11の裏面電極14に、はんだ,ろう材などによって接合され、Cu−Mo,Cu−Wなどの金属板から形成される金属配線23と、ヒートシンク部材21と金属配線23との間に介在するはんだ層26とが設けられている。ヒートシンク部材21は、平板部21aと、平板部21aから流路51に向かって突出する多数のフィン部材21bとを有している。ただし、必ずしもフィン部21bを有している必要はない。
In the
本実施の形態において、各部材の寸法は、たとえば以下の通りである。半導体チップ11の寸法は、8.7mm×8.7mm×0.38mmであり、金属配線23の寸法は、10mm×20mm×0.6mmであり、ヒートシンク部材21(平板部)の寸法は、48mm×27mm×7.5mmであり、天板50aの外形寸法は、55mm×33mm×10mmで、開口の大きさは42mm×24mmであり、容器50bの外形寸法は、55mm×33mm×20mmで、流路51を構成する凹部の寸法が50mm×29mm×10mmであり、溝55,56の図2に示す長辺および短辺方向の寸法は、46mm×25mmで、断面寸法は、幅4mm、深さ2mmである。Oリング54,57の長さや断面寸法は、溝55,56の寸法に応じて、適宜選択することができる。上記寸法は、一例であって、半導体装置の種類や用途に応じて、これらの値以外の寸法を採用することができる。
In the present embodiment, the dimensions of each member are as follows, for example. The size of the
本発明の環状弾性部材または環状シール部材としては、実施の形態におけるOリングだけでなく、角リング,Tリング,Dリングと呼ばれる往復用または固定用シール部材を用いることができる。また、Uパッキン,Cパッキン,Lパッキン,Vパッキン,Xリングと呼ばれる往復用シール部材を本発明における固定用の環状部材または環状シール部材に用いることができる。 As the annular elastic member or the annular seal member of the present invention, not only the O-ring in the embodiment but also a reciprocating or fixing seal member called a square ring, a T ring, or a D ring can be used. In addition, a reciprocating seal member called U packing, C packing, L packing, V packing, or X ring can be used for the fixing annular member or the annular sealing member in the present invention.
上記Oリング54,57を構成する材料には、ニトリルゴム(NBR),水素化ニトリルゴム(HNBR),フッ素ゴム(FKM),シリコーンゴム(VMQ),エチレンプロピレンゴム(EPDM),クロロプレンゴム(CR),アクリルゴム(ACM),ブチルゴム(BR),ウレタンゴム(U),クロロスルフォン化ポリエチレン(CSM),エピクロルヒドリンゴム(CO,ECO),天然ゴム(NR),フロロシリコーンゴム(FVMQ),スチレンブタジエンゴム(SBR)などのゴム材料の他、カーボン、各種樹脂材料があり、いずれを用いてもよいものとする。ただし、ヒートシンク部材21が比較的高温になる場合には、特に、シリコーンゴム,フッ素ゴムなどの耐熱性材料が好ましい。
The materials constituting the O-
本実施の形態では、ヒートシンク部材21の材料は、AlN,BN,SiNなどの窒化物セラミックス、あるいは,SiC,WCなどの炭化物セラミックスにより構成されている。これらは絶縁性材料であるが、ヒートシンク部材21をSi−SiC,Al−SiC,などの導電性を有する複合セラミックス材料によって構成することもできる。その場合には、はんだ層26に代えて、熱伝導率の高い絶縁樹脂層や、AlN板を設ければよい。
In the present embodiment, the material of the
ヒートシンク部材21の材料は、上記に列挙した材料に限定されるものではないが、以下の理由により、これらの材料に限定することが好ましい。たとえば、AlNの熱膨張係数αは約4.5(ppm/K),熱伝導率は約200(W/m・K)であり、Si−SiCの熱膨張係数αは約2.3〜3(ppm/K),熱伝導率は約200(W/m・K)であり、SiCの熱膨張係数αは約3(ppm/K),熱伝導率は約210(W/m・K)であり、GaNの熱膨張係数αは約3.2または5.6(ppm/K),熱伝導率は約130(W/m・K)である。したがって、これらの材料は、アルミナ等の汎用セラミックスの熱伝導率よりもはるかに大きく、アルミニウム(熱伝導率約240(W/m・K)に近い熱伝導率を有しながら、熱膨張係数αはアルミニウム(α≒23(ppm/K))よりもはるかに小さく半導体チップの熱膨張係数α(Si単結晶で約3(ppm/K)、SiC単結晶で約4(ppm/K))に近い。したがって、ヒートシンク部材21を、上記窒化物セラミックス,炭化物セラミックス,または複合セラミックスにより構成することによって、大きな放熱機能を維持しつつ、熱応力をできるだけ小さくすることができる。
The materials of the
また、ヒートシンク部材21を、AlN,SiN,GaN,BN,SiC,WC,Si−SiC,Al−SiCなどにより構成する場合には、他の部材との接合を行う領域に、メタライズ層を形成しておくことにより、はんだ付けやろう付けを容易に行うことができる。
When the
金属配線23の材料は、Cu−MoやCu−Wに限定されるものではない。たとえば、Cu,Al,コバール(Fe−Ni−Co)などの金属を用いてもよい。ただし、Cu−Moの熱膨張係数αは約6.5〜8(ppm/K),熱伝導率は約200(W/m・K)であり、Cu−Wの熱膨張係数αは約6.5〜7(ppm/K),熱伝導率は180〜200(W/m・K)である。これらの複合材料の熱伝導率は、Cuの熱伝導率(約400(W/m・K))に比べるとかなり低いものの、アルミニウム(Al)に近い値であり、一方、熱膨張係数αは、Cuの熱膨張係数α(≒17)よりもはるかに小さく半導体チップの熱膨張係数α(Siで約3(ppm/K)、SiCで約4(ppm/K))に近い。また、セラミックスを主成分として含むヒートシンク部材21の熱膨張係数にも近い。したがって、金属配線23を、Cu−MoまたはCu−Wより構成することによって、大きな熱伝達量を維持しつつ、熱応力をできるだけ小さくすることができる。
The material of the
本発明の半導体装置における半導体チップは、SiCを用いたものに限定されることはなく、Siを用いたものでもよいし、GaN(熱膨張係数は約5.6(a軸)−3.2(c軸)(ppm/K))などの他のワイドバンドギャップ半導体を用いたものでもよい。 The semiconductor chip in the semiconductor device of the present invention is not limited to the one using SiC, but may be one using Si or GaN (thermal expansion coefficient is about 5.6 (a axis) -3.2. Other wide band gap semiconductors such as (c-axis) (ppm / K)) may be used.
ヒートシンク部材21との熱交換を行う熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、水であることが好ましい。ただし、水に代えて、ヘリウム,アルゴン,窒素,空気などの気体であってもよい。
The heat exchange medium that exchanges heat with the
(他の実施の形態)
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
(Other embodiments)
The structure of the embodiment of the present invention disclosed above is merely an example, and the scope of the present invention is not limited to the scope of these descriptions. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
上記実施の形態では、半導体チップ11に、ダイオードおよびIGBTが形成されているが、IGBTに代えてMOSFET,JFETなどが形成された半導体チップを用いてもよい。また、ダイオードのみが形成された半導体チップと、IGBT,MOSFET,JFETのみが形成された半導体チップとをそれぞれ配置してもよい。
In the above embodiment, the diode and the IGBT are formed on the
上記実施の形態では、樹脂ケース53およびネジ59により、ヒートシンク部材21を天板50aに押圧して固定する固定用部材を構成したが、ネジ59に代えてバネの付勢力を利用して押圧する各種機構を用いるなど、他の構造を採用することも可能である。
In the above-described embodiment, the fixing member that presses and fixes the
本発明のヒートシンク部材または半導体装置は、MOSFET,IGBT,ダイオード,JFET等を搭載した各種機器に利用することができる。 The heat sink member or the semiconductor device of the present invention can be used for various devices equipped with MOSFET, IGBT, diode, JFET and the like.
10 チップユニット
11 半導体チップ
14 裏面電極
21 ヒートシンク部材
21a 平板部
21b フィン部
23 金属配線
26 はんだ層
50 放熱器
50a 天板
50b 容器
51 流路
53 樹脂ケース
54 Oリング(環状シール部材)
55 溝
57 Oリング(環状弾性部材)
56 溝
58a 供給管
58b 排出管
59 ネジ
DESCRIPTION OF
55 groove 57 O-ring (annular elastic member)
56
Claims (5)
セラミックスを主成分とする材料からなり、前記半導体チップの熱を熱交換媒体に放出するためのヒートシンク部材と、
前記ヒートシンク部材を支持する支持部材と、
前記ヒートシンク部材を前記支持部材に押圧して固定させる固定用部材と、
前記ヒートシンク部材と固定用部材との間に装着された環状弾性部材と、
を備えている半導体装置。 A semiconductor chip on which a semiconductor element is formed;
A heat sink member for releasing heat of the semiconductor chip to a heat exchange medium;
A support member for supporting the heat sink member;
A fixing member that presses and fixes the heat sink member to the support member;
An annular elastic member mounted between the heat sink member and the fixing member;
A semiconductor device comprising:
前記ヒートシンク部材と前記支持部材との間に装着された環状シール部材をさらに備えている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, further comprising an annular seal member mounted between the heat sink member and the support member.
前記固定用部材は、前記環状弾性部材を囲むように配置された複数のネジ部材を有している、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The fixing member has a plurality of screw members arranged so as to surround the annular elastic member.
前記ヒートシンク部材は、AlN,BN,SiN,Si−SiCまたはAl−SiCにより構成されている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The said heat sink member is a semiconductor device comprised by AlN, BN, SiN, Si-SiC, or Al-SiC.
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワーデバイスである、半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device is a power device using a wide band gap semiconductor.
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