JP2011014678A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールの反りを抑制して、熱抵抗を低減した半導体モジュールを提供する。
【解決手段】電極１０１として機能する第１の金属体の周縁に第２の金属体１０３が枠状に形成され、この第２の金属体１０３の周縁に樹脂１０２が枠状に形成され、第２の金属体１０３は、少なくともその一部が樹脂１０２に接触し、電極１０１は第２の金属体１０３を介して樹脂１０２に接合され、電極１０１、第２の金属体１０３ならびに樹脂１０２が一体成型されて構成され、電極１０１上には、はんだなどの接合部材を介してシリコンなどを主成分とする半導体素子が載置接合され、第２の金属体１０３は、その剛性が第１の金属体の電極１０１よりも小さく、ヤング率が電極１０１よりも小さい金属体で構成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却体と接合される半導体装置に関する。

従来、電極と放熱機能を兼ね備える金属体上にはんだなどの接合部材を介して半導体素子を実装した半導体モジュールでは、金属体上に半導体素子を実装する際に、はんだが固相点（約２２０℃程度）から常温（約２５℃程度）まで温度が下がるため、半導体素子の主成分となるシリコンと電極体として機能する金属体に用いられる銅などとの線膨張係数の差により半導体素子の直下において、半導体素子側が凸となるような反りが生じていた。

また、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）などの樹脂部材によって金属体を成型する場合、樹脂の線膨張係数が銅などの金属体の線膨張係数よりも大きいために、成型時の温度から常温へと温度が低下する際に、金属体の周囲に位置する樹脂が金属体を締め付けるように変形することによって、半導体素子が実装されている側と反対の面側が凸となるように金属体に反りが発生していた。

このように、反りが生じた状態の金属体に冷却体を接合しようとすると、金属体と冷却体との間に隙間が生じ金属体と冷却体との密着性が悪くなるおそれがあった。両者の密着性が悪くなると、半導体モジュールと冷却体との間の熱抵抗が大きくなり、放熱性が悪化して半導体素子が十分に冷却できなくなり、耐熱上の故障を招くおそれがあった。

そこで、例えば以下に示す公知の文献（特許文献１参照）には、電極と放熱を兼ねる金属体上にはんだなどの接合部材を用いて半導体素子を実装した半導体モジュールと冷却器とが、ネジ止めにより締結されて接合される技術が記載されている。この技術では、半導体モジュールと冷却器とがネジ止めにより締結されているので、半導体モジュールと冷却器との密着性が良くなり、半導体モジュールと冷却器との間の熱抵抗の悪化を抑制することが可能となる。

特開平８−１８６２０９号公報

上述したように、半導体モジュールの片側にだけ冷却器を接合して半導体素子を冷却する片面冷却型の半導体モジュールに対して、近年では、冷却性能を向上させる観点から半導体モジュールの両面側に冷却体を設けて半導体素子を冷却する両面冷却型の半導体モジュールが開発されている。

このような両面冷却型の半導体モジュールでは、半導体素子の双方の主面にはんだ等の接合部材を介して金属体が接合され、この金属体のそれぞれに冷却体が接合される構造を採用している。このような構造では、双方の冷却体により半導体モジュールが挟み込まれているので、上述したような半導体モジュールに生じた反りは、双方の冷却体が半導体モジュールを挟み込む圧力となる挟圧によってのみ緩和される。

しかし、このような挟圧だけでは、半導体モジュールに生じた反りを十分に緩和することが困難となっていた。このため、半導体モジュールと冷却体との密着性が悪くなり、半導体モジュールと冷却体との間の熱抵抗が大きくなり、放熱性が悪化するおそれがあった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体モジュールの反りを抑制して、熱抵抗を低減した半導体装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、半導体素子の一方の主面が接合される第１の金属体の周縁に設けられた樹脂と第１の金属体とに接する第２の金属体が設けられ、前記第２の金属体の剛性は前記第１の金属体よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、樹脂が収縮する影響を第２の金属体が吸収することによって半導体モジュールの反りが抑制されるため、熱抵抗を低減することが可能となる。

本発明の実施例１に係る半導体装置の構成を示す図である。 従来の半導体装置の構成を示す図である。 従来の半導体モジュールの反りの様子を示す断面図である。 従来の半導体モジュールを冷却器に組み付ける際の様子を示す断面図である。 従来の半導体モジュールの両面冷却構造を示す断面図である。 本発明の実施例１における変形例に係る半導体装置の構成を示す断面図である。

以下、図面を用いて本発明を実施するための実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る半導体装置の構成を示す図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

図１において、半導体モジュールは、電極１０１として機能する第１の金属体の周縁に第２の金属体１０３が枠状に形成され、この第２の金属体１０３の周縁に樹脂１０２が枠状に形成され、電極１０１、第２の金属体１０３ならびに樹脂１０２が一体成型されて構成されている。第２の金属体１０３は、少なくともその一部が樹脂１０２に接触し、電極１０１は第２の金属体１０３を介して樹脂１０２に接合されている。すなわち、電極１０１は樹脂１０２に接触しておらず、半導体モジュールが冷却体（図示せず）に接合される前の樹脂１０２は、第２の金属体１０３にのみ接触している。

電極１０１上には、はんだなどの接合部材を介してシリコンなどを主成分とする半導体素子（図示せず）が載置接合されて実装される。

電極１０１は銅などの金属体で構成され、半導体素子の電流経路として機能するとともに半導体素子を冷却するための放熱機能を兼ね備えるものである。

樹脂１０２は、例えばポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）などで構成され、半導体モジュールのケース（パッケージ）としての機能や絶縁の機能を有している。

第２の金属体１０３は、その剛性が第１の金属体の電極１０１よりも小さく、ヤング率が電極１０１よりも小さい金属体で構成され、例えばアルミニウムなどで構成されている。

このような半導体モジュールは、電極１０１となる例えば矩形状の銅に第２の金属体となる矩形状の例えばアルミニウム材を熱間圧延により接合させた後、周縁の４辺を押圧してつぶし、表面のアルミニウムだけを研磨等により削り除去して表面に銅を露出させて周縁にのみアルミニウムを残して枠状に形成し、その後樹脂１０２と一体成型することで製造することができる。あるいは、枠状のアルミニウムに銅の電極１０１を嵌め込んだ後、これを樹脂により一体成形するようにしてもよい。

次に、本発明と、本発明が採用した特徴的な技術思想を採用していない従来の構成とを対比させて、本発明の効果を説明する。

図２は本発明で採用した特徴的な技術思想を採用していない従来の半導体モジュールの構成を示す図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

図２において、半導体モジュールは、電極２０１（図１の電極１０１と同等の機能を有する）周縁に樹脂２０２（図１の樹脂１０２と同等の機能を有する）が枠状に形成され、電極２０１と樹脂２０２とが一体成型されて構成されている。電極２０１上には、はんだなどの接合部材を介してシリコンなどを主成分とする半導体素子（図示せず）が載置されて実装される。電極２０１は銅などの金属体で構成され、半導体素子の電流経路として機能するとともに半導体素子を冷却するための放熱機能を兼ねるものである。樹脂２０２は、例えばＰＰＳなどで構成され、半導体モジュールのケース（パッケージ）としての機能や絶縁の機能を有している。

図３は電極３０１（図１の電極１０１と同等の機能を有する）を樹脂３０２（図１の樹脂１０２と同等の機能を有する）とを一体成型した場合に、半導体モジュールに生じる反りの様子を表した図である。

図３において、電極３０１を樹脂３０２によって一体成型するときは、樹脂３０２が溶融している温度で成型するため、成型時の温度は非常に高い。ＰＰＳに限っていえば、成型時の温度は約３００℃程度であり、成形後はこの温度から常温（約２５℃程度）まで温度が低下する。この温度降下の過程において、ＰＰＳなどの樹脂３０２の線膨張係数は、電極３０１に用いられる銅などの金属体の線膨張係数よりも大きいため、樹脂３０２が電極３０１の冷却面（図３では符号３０３で示す側）と反対側（図３では符号３０４側）により多く設けられることとあいまって、半導体モジュールは半導体素子の実装面（図３では符号３０４側）と反対側の面（冷却面）が凸となるような反りが生じる。

図４は図３に示すような反りが生じた半導体モジュールの片面側を冷却体に接合する片面冷却構造における接合前後の様子を示す断面図であり、同図（ａ）は接合前、同図（ｂ）は接合後の様子を示す図である。

図４において、同図（ａ）に示すように、片面冷却型の半導体モジュールは、銅などの電極４０３（図１の電極１０１と同等の機能を有する）上にはんだなどの接合部材４０２を介して半導体素子４０１が実装され、電極４０３の周縁部がＰＰＳなどの樹脂４０４（図１の樹脂１０２と同等の機能を有する）によって一体成型されている。このような半導体モジュールに対しては、先の図３に示すような反りが生じるものの、半導体モジュールを冷却器４０６にネジ止めにより締結して組み付ける場合には、図４（ｂ）に示すように、ネジ４０５などによって冷却器４０６に締結することで半導体モジュールに生じた反りを吸収緩和することが可能であった。

図５は半導体モジュールの両面に冷却器が接合された両面冷却型の半導体モジュールの構成を示す図である。図５において、はんだなどの接合部材５０１を介して半導体素子５０２の両主面に銅などの電極５０３（図１の電極１０１と同等の機能を有する）が接合され、一方の電極５０３がＰＰＳなどの樹脂５０４によって一体成型され、双方の電極５０３に冷却器５０５，５０６が接合されている。

このような構成においては、半導体モジュールは、半導体モジュールに実装される半導体素子５０２の両主面側から冷却器５０５，５０６によって挟み込まれた状態で使用されるために、構造上図４に示すようなネジ止めで両者を締結することは困難であった。また、半導体モジュールは冷却器５０５，５０６で挟み込まれるだけなので、ネジ止めにより締結する場合に比べて半導体モジュールに生じた反りを十分に解消することは困難であった。

これに対して、上述したようにこの実施例１では、ヤング率が電極１０１を構成する第１の金属体よりも小さい第２の金属体１０３が電極１０１と樹脂１０２との間に介在している構成を採用しているので、第１ならびに第２の金属体１０３と樹脂１０２とを一体成形した後の温度降下時に、半導体モジュールを構成する各部材が収縮した際に、第１の金属体の電極１０１に比べて第２の金属体１０３の方が塑性変形して縮む。この縮みにより線膨張係数の差で樹脂１０２が電極１０１以上に収縮する影響を吸収緩和することが可能となる。これにより、成形後に半導体モジュールに生じる反りを従来に比べて抑制することができる。反りが抑制されることで、図１に示すような片面冷却構造、もしくは第１の金属体の電極１０１と同等の第３の金属体を半導体素子の他方の主面に接合した両面冷却構造で半導体モジュールを冷却体に接合する際に、半導体モジュールと冷却体との密着性が向上し、半導体モジュールと冷却体との間の熱抵抗を低減することが可能となる。熱抵抗が低減されることで、半導体モジュールの放熱性が高められ、耐熱上の故障を防止することができる。

また、ネジ止めによる締結で半導体モジューを冷却体に接合する従来の構成に比べて半導体モジュールを小型化することが可能となる。

このような、半導体モジュールは、高温環境下で使用されるために冷却器が必要となる半導体装置、例えば電動車両で直流を交流に変換する電力変換装置として用いられるインバータを構成するＩＧＢＴ等の半導体素子に好適である。

なお、図１に示す構成では、電極１０１は樹脂１０２に接触していないが、図１（ｂ）に対応する図６の断面図に示すように、電極１０１が樹脂１０２に接触する構成、すなわち電極１０１と第２の金属体１０３の双方が樹脂１０２に接触した構成であっても、上述したと同様の効果を得ることができる。このような構成を採用した場合には、第２の金属体１０３は冷却体と接する接合面（図６では下面）を有することが望ましい。

また、図１に示す構成では、電極１０１の周縁の４辺すべてに第２の金属体１０３が形成されているが、電極１０１の長手方向の対向する２辺にのみ第２の金属体１０３を形成するようにしても、上述したと同様の効果を得ることができる。

１０１，２０１，３０１，４０３，５０３…電極
１０２，２０２，３０２，４０４，５０４…樹脂
１０３…第２の金属体
４０１，５０２…半導体素子
４０２，５０１…接合部材
４０５…ネジ
４０６…冷却器
５０２…半導体素子
５０５，５０６…冷却器

Claims (4)

1. 半導体素子の一方の主面が接合される第１の金属体の周縁に樹脂が設けられ、前記第１の金属体と前記樹脂との間に、前記第１の金属体と前記樹脂とに接する第２の金属体が設けられ、前記第２の金属体の剛性は前記第１の金属体よりも小さい
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記半導体素子の他方の主面に接合された第３の金属体を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１の金属体は、前記樹脂に接する
   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。
4. 前記第２の金属体のヤング率は、前記第１の金属体のヤング率よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の半導体装置。

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