JP2010239033A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造容易で優れた冷却性能を備える半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置１は、金属板５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂを備え、金属板５ａ，５ｂにリード電極８ａ，８ｂ，８ｃが接続されている一対の絶縁基板３ａ，３ｂと、金属板５ａ，５ｂ間に挟持されて圧接される半導体素子２と、絶縁基板３ａ，３ｂと半導体素子２とリード電極８ａ，８ｂ，８ｃとを封止する樹脂層９とを備える。絶縁基板３ａ，３ｂは、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３から選択されるセラミックス基板４ａ，４ｂであり、金属板５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂは、ＣｕまたはＡｌである。半導体装置の製造方法は、半導体素子２を絶縁基板３ａ，３ｂの金属板５ａ，５ｂ間に挟持する工程と、半導体素子２を金属板５ａ，５ｂに圧接した状態で、絶縁基板３ａ，３ｂと半導体素子２とリード電極８ａ，８ｂ，８ｃとを樹脂層９により封止する工程とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、電気自動車や電動機を用いるハイブリッド車等の電動機の電力変換装置として用いられる半導体装置及びその製造方法に関するものである。

電気自動車やハイブリッド車等の電動機の電力変換装置は、多数の半導体パワー素子から構成されており、前記電力変換装置を高出力化するためには、前記半導体パワー素子のそれぞれを大電力に対応できるようにする必要がある。ところが、前記半導体パワー素子は、大電力化に対応できるようにすると、これに伴って発生する熱も増大するので、該熱を放熱しなければならない。

従来、冷却器上に放熱板を介して半導体パワー素子を積層した前記電力変換装置が知られている。しかし、前記従来の電力変換装置は、前記半導体パワー素子の放熱板に接触する面とは反対側の面を用いて、ワイヤボンディングにより該半導体パワー素子を電極に接続する構成となっている。このため、前記半導体パワー素子は、ワイヤボンディングに用いられない面でしか放熱することができず、十分な冷却性能が得られないという問題がある。

前記問題を解決するために、前記半導体パワー素子の表裏両面を1対のヒートシンクで挟持した構成を備える半導体装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

前記半導体装置では、前記半導体パワー素子が、下側ヒートシンクとなる金属板にダイボンディングされる。一方、前記半導体パワー素子の前記下側ヒートシンクと反対側の面が、金属板からなるヒートシンクブロックを介して上側ヒートシンクとなる金属板に接合されている。前記ヒートシンクブロックは、前記半導体パワー素子より一回り小さく、該半導体パワー素子は、該ヒートシンクブロックから露出する部分で、ワイヤボンディングによりリード電極に接合されている。

そして、前記半導体パワー素子と各金属板との間、各金属板同士の間はハンダにより接合されている。また、前記半導体装置は、下側ヒートシンク及び上側ヒートシンクの前記半導体パワー素子と反対側の面を露出させると共に、前記リード電極の一部を露出させた以外は、樹脂で封止されている。

しかしながら、前記特許文献１記載の半導体装置は、ダイボンディング、ワイヤボンディング等により接合されているので製造工程が煩雑になるという不都合がある。また、前記半導体装置は、前記半導体パワー素子と各金属板との間、各金属板同士の間はハンダにより接合されているので熱伝導性が低くなり、十分な冷却性能が得られないという不都合もある。

特開２００８−７８６７９号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、製造容易で優れた冷却性能を備える半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の半導体装置は、表裏両面に金属板を備え一方の金属板にリード電極が接続されている一対の絶縁基板と、両絶縁基板の該リード電極が接続されている金属板の間に挟持されて、該金属板に圧接される半導体素子と、該絶縁基板の該半導体素子と反対側の金属板表面及び該リード電極の一部を露出して、該絶縁基板と該半導体素子と該リード電極とを封止する樹脂層とを備えることを特徴とする。

本発明の半導体装置は、半導体素子が、表裏両面に金属板を備え一方の金属板にリード電極が接続されている一対の絶縁基板の該リード電極が接続されている金属板の間に挟持されて、該金属板に圧接されている。また、本発明の半導体装置は、前記半導体素子が前記金属板に圧接された状態で、前記樹脂層により封止されている。

従って、本発明の半導体装置では、前記半導体素子が、前記リード電極を備える前記金属板に確実に圧接されており、ワイヤボンディングによらずに電気的接合を取ることができる。また、本発明の半導体装置では、前記半導体素子が、前記金属板に確実に圧接されており、該金属板を備える前記絶縁基板の該半導体素子と反対側の金属板表面が前記樹脂層から露出しているので、該半導体素子の発生する熱を容易に放熱することができる。

また、前記絶縁基板は、表裏両面に金属板を備えることにより、線膨張係数を容易に調整することができる。従って、前記絶縁基板は、前記半導体素子の発熱により膨張したときに、該半導体素子の膨張に追随して膨張することができ、該半導体素子を損傷することがない。

そして、本発明の半導体装置は、前記半導体素子を前記一対の絶縁基板で挟持して樹脂封止すればよいので、部品点数を低減して容易に製造することができる。

本発明の半導体装置において、前記絶縁基板は、セラミックス基板であることが好ましい。前記絶縁基板は、セラミックス基板であることにより、優れた熱伝導性を得ることができると共に、表裏両面に金属板を備えることにより、線膨張係数をさらに容易に調整することができる。

本発明の半導体装置において、前記セラミックス基板は、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３からなる群から選択される１種のセラミックスからなることが好ましく、前記金属板は、ＣｕまたはＡｌのいずれか１種の金属からなることが好ましい。本発明の半導体装置において、前記絶縁基板は、前記セラミックス基板と前記金属板との組み合わせにより、線膨張係数を特に容易に調整することができる。

本発明の半導体装置は、半導体素子を、表裏両面に金属板を備え一方の金属板にリード電極が接続されている一対の絶縁基板の該リード電極が接続された金属板間に挟持する工程と、該リード電極が接続された金属板間に挟持された該半導体素子を各金属板に圧接した状態で、該絶縁基板の該半導体素子と反対側の金属板表面及び該リード電極の一部を露出して、該絶縁基板と該半導体素子と該リード電極とを樹脂層により封止する工程とを備えることを特徴とする製造方法により、有利に製造することができる。

また、本発明の半導体装置の使用方法は、前記半導体装置を使用するときに、前記一対の絶縁基板を前記半導体素子方向に押圧することを特徴とする。このようにすることにより、前記各絶縁基板の前記リード電極が接続された金属板が、さらに確実に前記半導体素子に圧接される。従って、前記半導体素子が、前記リード電極を備える前記金属板にさらに確実に圧接されて電気的接合を取ることができると共に、該半導体素子の発生する熱をさらに容易に放熱することができる。

本発明の半導体装置の使用方法は、前記半導体装置と、該半導体装置の各絶縁基板に積層される放熱手段と、複数の該放熱手段を該半導体装置を介して積層して形成された積層体と、該積層体を押圧して、各放熱板により一対の絶縁基板を該半導体素子に圧接する押圧手段とを備えることを特徴とする半導体装置モジュールにより、有利に実施することができる。

本発明の半導体装置の一構成例を示す説明的断面図である。 本発明の半導体装置モジュールの一構成例の一部を断面として示す側面図である。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

図１に示すように、本実施形態の半導体装置１は、半導体素子としての半導体パワー素子２が、一対の絶縁基板３ａ，３ｂにより挟持されている。絶縁基板３ａは、セラミックス基板４ａの表裏両面に金属板５ａ，６ａを備えており、絶縁基板３ｂは、セラミックス基板４ｂの表裏両面に金属板５ｂ，６ｂを備えている。

本実施形態では、絶縁基板３ａの金属板５ａは、予め半導体パワー素子２の電極部に対応して、エッチングにより配線パターン７ａ，７ｂが形成されている。そして、配線パターン７ａにはリード電極８ａが接続され、配線パターン７ｂにはリード電極８ｂが接続されている。各リード電極８ａ，８ｂは、例えば、超音波接合により配線パターン７ａ，７ｂに接続されている。ここで、リード電極８ａは例えばゲート電極となり、リード電極８ｂは例えばエミッタ電極となる。

一方、絶縁基板３ｂの金属板５ｂには、リード電極８ｃが接続されている。リード電極８ｃは、例えば、超音波接合により金属板５ｂに接続されている。ここで、リード電極８ｃは例えばコレクタ電極となる。

絶縁基板３ａ，３ｂは、リード電極８ａ，８ｂ，８ｃが接続されている金属板５ａ，５ｂを介して半導体パワー素子２に圧接されている。そして、半導体装置１は、絶縁基板３ａ，３ｂの金属板５が半導体パワー素子２に圧接された状態で、樹脂層９により封止されている。ただし、絶縁基板３ａ，３ｂの半導体パワー素子２と反対側に備えられた金属板６ａ，６ｂの表面と、各リード電極８ａ，８ｂ，８ｃの端部とは、樹脂層９から露出されている。

本実施形態において、セラミックス基板４ａ，４ｂは、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３からなる群から選択される１種のセラミックスからなるものを用いることができる。また、金属板５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂは、ＣｕまたはＡｌのいずれか１種の金属からなるものを用いることができる。前記絶縁基板３ａ，３ｂにおいて、金属板５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂがＣｕからなるものはＤＣＢ(Direct Copper Brazed)基板として公知である。

本実施形態の半導体装置１は、半導体パワー素子２が、リード電極８ａ，８ｂ，８ｃを備える金属板５ａ，５ｂに確実に圧接されているので、ワイヤボンディングによらずに電気的接合を取ることができる。また、半導体装置１では、半導体パワー素子２が、金属板５ａ，５ｂに確実に圧接されており、絶縁基板３ａ，３ｂの半導体パワー素子２と反対側に備えられた金属板６ａ，６ｂの表面が樹脂層９から露出している。従って、半導体パワー素子２の発生する熱を、金属板５ａ，５ｂ、セラミックス基板４ａ，４ｂ、金属板６ａ，６ｂを介して容易に放熱することができ、優れた冷却性能を得ることができる。

また、絶縁基板３ａ，３ｂは、セラミックス基板４ａ，４ｂの表裏両面に金属板５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂを備えることにより、線膨張係数を容易に調整することができる。従って、絶縁基板３ａ，３ｂは、半導体パワー素子２の発熱により膨張したときに、半導体パワー素子２の膨張に追随して膨張することができ、半導体パワー素子２の損傷を防止することができる。

そして、半導体装置１は、半導体パワー素子２を一対の絶縁基板３ａ，３ｂで挟持して樹脂封止すればよいので、部品点数を低減して容易に製造することができる。

次に、半導体装置１の製造方法について説明する。

半導体装置１を製造するときには、まず、絶縁基板３ａの金属板５ａにエッチングを施し、半導体パワー素子２の電極部に対応する配線パターン７ａ，７ｂを形成する。金属板５ａのエッチングによる配線パターン７ａ，７ｂの形成は、それ自体公知の方法により行うことができる。

次に、絶縁基板３ａに形成された配線パターン７ａ，７ｂにリード電極８ａ，８ｂを、例えば、超音波接合により接合する。次に、絶縁基板３ｂの金属板５ｂにリード電極８ｃを、例えば、超音波接合により接合する。

次に、絶縁基板３ａに形成された配線パターン７ａ，７ｂと、絶縁基板３ｂの金属板５ｂとの間に半導体パワー素子２を配設する。そして、半導体パワー素子２に配線パターン７ａ，７ｂと金属板５ｂとが圧接された状態で、インサート成形金型（図示せず）のキャビティ内の所定の位置に装着し、該キャビティに溶融樹脂を射出して、樹脂層９を形成することにより、半導体装置１を完成する。尚、絶縁基板３ａ，３ｂの金属板６ａ，６ｂの表面と、各リード電極８ａ，８ｂ，８ｃの端部は、樹脂層９から露出されている。

半導体装置１を使用するときには、金属板６ａ，６ｂを介して絶縁基板３ａ，３ｂを半導体パワー素子２に押圧することが好ましい。このようにすることにより、絶縁基板３ａに形成された配線パターン７ａ，７ｂと、絶縁基板３ｂの金属板５ｂとが、さらに確実に半導体パワー素子２に圧接され、電気的接合及び熱的接合を良好にすることができる。

次に、半導体装置１の使用例について説明する。半導体装置１は、例えば、図２に示すパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）１１に適用することができる。ＰＣＵ１１は半導体モジュールであり、例えば、電気自動車や電動機を用いるハイブリッド車等の電動機（モータ）の電力変換装置として用いられる。尚、図２において、半導体装置１は半導体パワー素子２、絶縁基板３ａ，３ｂ等の内部構造を省略して示している。

本実施形態のＰＣＵ１１は、複数の放熱手段１２がその間に半導体装置１を介して積層されて積層体１３を形成している。放熱手段１２は、多数のフィンを備えており、例えば、ＰＣＵ１１の側面から冷風を供給することにより該フィンと熱交換し、半導体装置１を冷却することができる。また、放熱手段１２は、冷水等の冷媒により前記フィンと熱交換するようにしてもよい。

積層体１３は、その積層方向がコンデンサ・ユニット１４の長さ方向に一致するように、コンデンサ・ユニット１４上に配設されている。そして、各半導体装置１のエミッタ電極としてのリード電極８ｂと、コレクタ電極としてのリード電極８ｃとがコンデンサ・ユニット１４に接続されている。

コンデンサ・ユニット１４は、バッテリ等の電源装置（図示せず）と、各半導体装置１との間に並列に接続されると共に、接続端子１５ａ，１５ｂ，１５ｃを介して三相モータ（図示せず）に接続されている。ここで、コンデンサ・ユニット１４は、前記三相モータの駆動電流の脈動を平滑化すると共に、各半導体装置１がスイッチングする際のサージ電圧を低減する機能を備えている。

また、積層体１３の端部にはエンドプレート１６が配設されており、エンドプレート１６と、放熱手段１２との間には加圧機構１７が介装されている。エンドプレート１６には、半導体装置１の外方で各放熱手段１２とエンドプレート１６とを固定するボルト１８が設けられている。そして、エンドプレート１６は、ボルト１８により、加圧機構１７、各放熱手段１２を介して、各半導体装置１の絶縁基板３ａ，３ｂを半導体パワー素子２方向に押圧し、半導体パワー素子２に圧接するようになっている。即ち、本実施形態のＰＣＵ１１では、エンドプレート１６、加圧機構１７、ボルト１８により、積層体１３を押圧して、各放熱手段１２により絶縁基板３ａ，３ｂを半導体パワー素子２に圧接する押圧手段が形成されている。

さらに、積層体１３の上方には、制御基板１９が設けられており、制御基板１９には各半導体装置１のゲート電極としてのリード電極８ａが接続されている。

次に、ＰＣＵ１１の作動について説明する。本実施形態のＰＣＵ１１は、制御基板１９により各半導体装置１の作動を制御して、前記電源装置から供給される電力を大電力化して、前記三相モータに供給する。

このとき、積層体１３を形成する各半導体装置１は、前述のように、エンドプレート１６により、加圧機構１７、各放熱手段１２を介して、絶縁基板３ａ，３ｂが半導体パワー素子２に押圧されるようになっている。この結果、絶縁基板３ａに形成された配線パターン７ａ，７ｂと、絶縁基板３ｂの金属板５ｂとが、半導体パワー素子２に圧接され、良好な電気的接合を得ることができると共に、良好な熱的接合を得て優れた冷却性能を得ることができる。

１…半導体装置、 ２…半導体パワー素子、 ３ａ，３ｂ…絶縁基板、 ４ａ，４ｂ…セラミックス基板、 ５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ…金属板、 ８ａ，８ｂ，８ｃ…リード電極、 ９…樹脂層、 １１…パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）、 １２…放熱手段、 １３…積層体、 １６…エンドプレート、 １７…加圧機構、 １８…ボルト。

Claims (7)

1. 表裏両面に金属板を備え一方の金属板にリード電極が接続されている一対の絶縁基板と、
   両絶縁基板の該リード電極が接続されている金属板の間に挟持されて、該金属板に圧接される半導体素子と、
   該絶縁基板の該半導体素子と反対側の金属板表面及び該リード電極の一部を露出して、該絶縁基板と該半導体素子と該リード電極とを封止する樹脂層とを備えることを特徴とする半導体装置。
2. 前記絶縁基板は、セラミックス基板であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記セラミックス基板は、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３からなる群から選択される１種のセラミックスからなることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
4. 前記金属板は、ＣｕまたはＡｌのいずれか１種の金属からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の半導体装置。
5. 半導体素子を、表裏両面に金属板を備え一方の金属板にリード電極が接続されている一対の絶縁基板の該リード電極が接続された金属板間に挟持する工程と、
   該リード電極が接続された金属板間に挟持された該半導体素子を各金属板に圧接した状態で、該絶縁基板の該半導体素子と反対側の金属板表面及び該リード電極の一部を露出して、該絶縁基板と該半導体素子と該リード電極とを樹脂層により封止する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 表裏両面に金属板を備え一方の金属板にリード電極が接続されている一対の絶縁基板と、両絶縁基板の該リード電極が接続されている金属板の間に挟持されて、該金属板に圧接される半導体素子と、該絶縁基板の該半導体素子と反対側の金属板表面及び該リード電極の一部を露出して、該絶縁基板と該半導体素子と該リード電極とを封止する樹脂層とを備える半導体装置を使用するときに、
   該一対の絶縁基板を該半導体素子方向に押圧することを特徴とする半導体装置の使用方法。
7. 表裏両面に金属板を備え一方の金属板にリード電極が接続されている一対の絶縁基板と、両絶縁基板の該リード電極が接続されている金属板の間に挟持されて、該金属板に圧接される半導体素子と、該絶縁基板の該半導体素子と反対側の金属板表面及び該リード電極の一部を露出して、該絶縁基板と該半導体素子と該リード電極とを封止する樹脂層とを備える半導体装置と、
   該半導体装置の各絶縁基板に積層される放熱手段と、
   複数の該放熱手段を該半導体装置を介して積層して形成された積層体と、
   該積層体を押圧して、各放熱板により一対の絶縁基板を該半導体素子に圧接する押圧手段とを備えることを特徴とする半導体装置モジュール。

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