JP2011096828A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体モジュールが短絡することを防止しながら、半導体基板の放熱性能を向上する技術を提供する。
【解決手段】 ＩＧＢＴが形成されている半導体基板１８と、半導体基板１８の第１の表面１８ａに形成されており、ＧＮＤ電位を有するエミッタ電極１８ｄと、半導体基板１８の第２の表面１８ｅに形成されており、ＧＮＤ電位よりも高い電位を有するコレクタ電極１８ｆと、コレクタ電極１８ｆと接合されている第２放熱板３０と、を備え、第２放熱板３０は、半導体基板１８の側面１８ｂに熱的に接触している側壁２６を備えている。
【選択図】図１

Description

本明細書が提供する技術は、半導体素子が形成された半導体基板を備える半導体モジュールに関する。

特許文献１には、半導体基板の放熱を促進するための放熱板を備えた半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールは、半導体素子が形成された半導体基板を備えている。半導体基板の裏面には電極が形成されており、その電極はベース基板に半田付けされている。半導体基板の表面と側面には、半田等によって放熱板が接着されている。この結果、半導体基板で発生する熱は、半導体基板の表面と側面から放熱板に放熱され、半導体基板の放熱が促進される。

特開平９−２１３８４７号公報

ＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴ、ダイオード等の発熱量の大きい半導体素子が形成された半導体基板を備える半導体モジュールの中には、半導体基板の表面から裏面、あるいは、半導体基板の裏面から表面に電流が流れるものがある。このように縦方向に電流の流れる半導体基板では、半導体基板の表面に第１の電極が形成され、半導体基板の裏面に第２の電極が形成される。そして、第１の電極がＧＮＤ電位（グランド電位）に接続され、第２の電極が電源電位に接続され、第２の電極から第１の電極に向かって電流が流れる。発熱量の大きい半導体素子が形成された半導体基板を備える半導体モジュールに対しては、特許文献１の技術を適用し、半導体基板の側面からも放熱を促進することが望ましい。

しかしながら、縦方向に電流が流れる半導体基板では、半導体基板の表面にも電極が形成される。このため、このような半導体基板に特許文献１の技術を適用すると、放熱板が半導体基板の表面に形成された第１の電極と同一電位（ＧＮＤ電位）となり、半導体基板の側面も第１の電極と同一電位（ＧＮＤ電位）となる。このため、半導体基板の裏面に形成された第２の電極と、半導体基板の表面に形成された第１の電極とが、半導体基板の側面を介して短絡する可能性が生じる。本明細書が提供する技術は、上記した実情を鑑みてなされたものであり、半導体モジュールが短絡することを防止しながら、半導体基板の放熱性能を向上する技術である。

本明細書は、半導体モジュールを提供する。この半導体モジュールは、半導体基板と、第１の電極と、第２の電極と、放熱板と、を備えている。半導体基板には、半導体素子が形成されている。第１の電極は、半導体基板の第１の表面に形成されている。第１の電極には、第１の電位が印加される。第２の電極は、半導体基板の第２の表面に形成されている。第２の電極には、第１の電位よりも高い第２の電位が印加される。なお、第２の電極には、使用状態において、常時、第１の電極に印加される第１の電位よりも高い第２の電位が印加される必要はない。このため、使用状態において、断続的に、第１の電極に印加される第１の電位よりも高い第２の電位が第２の電極に印加されていてもよい。放熱板は、第２の電極と接合されている。放熱板は、半導体基板の側面に熱的に接触している接触部を備えている。

上記した半導体モジュールでは、放熱板は、半導体基板の第２の表面に形成された第２の電極に接合されるとともに、半導体基板の側面に熱的に接触している。この構成では、半導体基板の熱は、第２の表面側と側面とから、放熱板を介して放熱されるため、半導体モジュールの放熱性能を向上することができる。また、半導体素子が形成された半導体基板では、半導体基板の第１の表面（低電位が印加される側の面）に、半導体素子が形成された素子領域を取り囲むように終端領域が形成される。その結果、半導体基板の側面は、半導体基板の第２の表面（高電位が印加される側の面）と略同一の電位となる。従って、半導体基板の第２の表面と側面に放熱板を接触させたとしても、半導体基板の第２の表面と側面が略同一の電位であるため、半導体モジュールが短絡することを防止することができる。

上記した半導体モジュールでは、半導体基板は、第１の表面から第２の表面まで伸びている貫通孔を有していてもよい。放熱板の接触部は、貫通孔の内周面に熱的に接触していてもよい。この構成によれば、半導体基板の熱は、貫通孔の内周面から、放熱板に放熱することができる。このため、半導体基板の放熱を促進することができる。

上記した半導体モジュールでは、半導体基板は、平面視すると、コの字形状を有していてもよい。放熱板の接触部は、コの字形状の半導体基板の内側面に熱的に接触していてもよい。この構成によれば、半導体基板の熱は、コの字形状の半導体基板の内側面から、放熱板に放熱することができる。このため、半導体基板の放熱を促進することができる。

本明細書が提供する技術によれば、半導体モジュールが短絡することを防止しながら、半導体基板の放熱性能を高めることができる。

第１実施例の半導体モジュールの概略縦断面図を示す。 第１実施例の図１のII-II面から見た半導体モジュールの断面図を示す。 第１実施例の変形例の半導体モジュールを図１のII-II面から見た断面図を示す。 第２実施例の半導体モジュールの概略縦断面図を示す。 第２実施例の図４のV-V面から見た半導体モジュールの断面図を示す。 第２実施例の変形例の半導体基板の断面図を示す。 第２実施例の変形例の半導体モジュールを図４のV-V面から見た断面図を示す。

（第１実施例）
図面を参照して第１実施例を説明する。図１は、半導体モジュール１０の概略縦断面図を示す。図２は、図１のII-II面における半導体モジュール１０の断面図を示す。なお、図２では、後述する充填材１４の図示は省略されている。半導体モジュール１０は、半導体基板１８と、第１放熱板１２と、第２放熱板３０と、充填材１４とを備える。

第２放熱板３０は、例えばアルミニウム、銅等を主成分とする熱伝導率の高い材料で作製されている。第２放熱板３０は、基部２８と基部２８の上面から上方に突出する側壁２６とを備える。図２に示すように、側壁２６は、四角筒形状を有している。基部２８には、半田層２４によって、半導体基板１８が接合されている。

半導体基板１８は、第２放熱板３０の側壁２６の内側に配置されている。半導体基板１８の側面１８ｂは、その全周に亘って、シリコングリース製の高熱伝導層３２によって、側壁２６の内周面２６ａに接続している。即ち、半導体基板１８の側面１８ｂは、高熱伝導層３２を介して、側壁２６に熱的に接触している。図２に示すように、半導体基板１８には半導体素子領域１８ｃが形成され、その半導体素子領域１８ｃにはＩＧＢＴが形成されている。半導体素子領域１８ｃの周囲には、終端領域１８ｇが形成されている。終端領域１８ｇには、半導体基板１８の耐圧を向上させるためのＦＬＲ（Field Limited Ring）１８ｈが形成されている。

半導体基板１８の第１の表面１８ａ（図１の上面）には、エミッタ電極１８ｄが形成されている。エミッタ電極１８ｄは、ＧＮＤ電位に接続される。半導体基板１８の第２の表面１８ｅ（図１の下面）には、コレクタ電極１８ｆが形成されている。コレクタ電極１８ｆは、電源電位（ＧＮＤ電位よりも高い電位）に接続される。即ち、半導体基板１８は、半導体基板１８の第２の表面１８ｅから第１の表面１８ａに電流が流れる、いわゆる縦型の半導体基板である。なお、半導体モジュール１０の使用状態において、コレクタ電極１８ｆには、常時、ＧＮＤ電位よりも高い電位が印加される必要はない。このため、コレクタ電極１８ｆには、使用状態において、断続的に、ＧＮＤ電位よりも高い電位が印加されていてもよい。コレクタ電極１８ｆは、半田層２４によって、第２放熱板３０に接合されている。これにより、半導体基板１８のコレクタ電極１８ｆは、半田層２４を介して、放熱板３０の基部２８に熱的に接触している。

半導体基板１８のエミッタ電極１８ｄは、半田層２０によって、放熱ブロック２２に接合されている。放熱ブロック２２は、第２放熱板３０と同様、例えばアルミニウム、銅等を主成分とする熱伝導率の高い材料で作製されている。放熱ブロック２２には、半田層１６を介して、第１放熱板１２が接合されている。これにより、エミッタ電極１８ｄは、半田層１６，２０及び放熱ブロック２２を介して、第１放熱板１２と熱的に接触されている。第１放熱板１２と第２放熱板３０との間には、充填材１４が充填されている。充填材１４は、樹脂で作製されている。半導体基板１８は、充填材１４によって封止されている。

半導体モジュール１０では、半導体基板１８で発生した熱は、半田層２４を介して、放熱板３０の基部２８に伝達される。同様に、半導体基板１８で発生した熱は、半田層１６，２０及び放熱ブロック２２を介して、第１放熱板１２に伝達される。さらに、半導体基板１８で発生した熱は、高熱伝導層３２を介して、放熱板３０の側壁２６にも伝達される。これにより、半導体モジュール１０は、半導体基板１８で発生した熱を、効率よく外部に放熱することができる。

半導体基板１８には、半導体基板１８の耐圧を高めるためのＦＬＲ１８ｈが形成されている。この結果、半導体基板１８の側面１８ｂは、コレクタ電極１８ｆと略同一の電位となる。このため、半導体基板１８の側面１８ｂが第２放熱板３０と電気的に接触したとしても、半導体基板１８の側面１８ｂと第２の表面１８ｅ（即ち、コレクタ電極１８ｆ及び第２放熱板３０）は同一電位であるため、第２放熱板３０と半導体基板１８の側面１８ｂとの間で電流が流れることはない。したがって、半導体基板１８の側面１８ｂが第２放熱板３０に電気的に接触したとしても、半導体モジュール１０が短絡してしまうことを防止できる。

半導体基板１８と側壁２６との間には、シリコングリース製の高熱伝導層３２が設けられている。この結果、半導体モジュール１０の温度が変化した際に、半導体基板１８と側壁２６（放熱板３０）との熱膨張係数の差によって、半導体基板１８と側壁２６との間隔が変化しても、その変化が高熱伝導層３２によって吸収される。このため、半導体基板１８の側面１８ｂを側壁２６に熱的に接触させたとしても、それによって半導体基板１８に熱応力が発生し、半導体基板１８が変形してしまうことを抑制することができる。その結果、半導体基板１８が破損することを防止することができる。

また、第１放熱板１２と第２放熱板３０との間に、充填材１４が配置されている。このため、放熱板１２，３０と半導体基板１８との熱膨張係数の差によって発生する熱応力によって、半導体基板１８が変形することを抑制することができる。その結果、半導体基板１８が破損することを防止することができる。

（第１実施例の変形例）
第１実施例では、第２放熱板３０の側壁２６が、半導体基板１８の側面１８ｂの全周に亘って熱的に接触している。しかしながら、側壁２６は、半導体基板１８の側面１８ｂの一部と熱的に接触していてもよい。例えば、側壁２６は、図３に示す構成であってもよい。図３は、図１のII-II面における変形例の半導体モジュール１０の断面図を示す。図３に示すように、側壁２６は、半導体基板１８の短手方向の側面１８ｂに沿って、基部２８から突出しており、高熱伝導層３２を介して、側面１８ｂに熱的に接触している。

また、第２放熱板３０によって十分な放熱性能が得られる場合は、半導体モジュール１０は、放熱ブロック２２及び第１放熱板１２を備えていなくてもよい。

（第２実施例）
図面を参照して第２実施例を説明する。第２実施例では、第１実施例と同様の構成については、第１実施例と同一の符号を付して、重複する説明を省略する。図４は、半導体モジュール５０の概略縦断面図を示す。図５は、図４のV-V面における半導体モジュール５０の断面図を示す。なお、図５では、充填材１４の図示は省略されている。

第２実施例の半導体モジュール５０は、半導体基板５２と、第１放熱板１２と、第２放熱板３０と、充填材１４とを備える。第２放熱板３０は、基部２８と基部２８の上面から上方に突出する突出部５４とを備える。突出部５４は、四角柱形状を有している。基部２８には、半田層２４によって、半導体基板５２が接合されている。

図５に示すように、半導体基板５２は、平面視したときに、四角形の環状形状を有している。半導体基板５２には、第１の面５２ａ（図４の上面）から第２の面５２ｂ（図４の下面）まで貫通する貫通孔５２ｃが形成されている。半導体基板５２が放熱板３０に接合された状態で、貫通孔５２ｃには、突出部５４が貫通している。貫通孔５２ｃの内周面５２ｄは、シリコングリース製の高熱伝導層５６によって、突出部５４に接続している。この結果、貫通孔５２ｃの内周面５２ｄは、高熱伝導体５６を介して、突出部５４に熱的に接触している。

半導体基板５２の外周側終端領域には、３個のＦＬＲ（Field Limited Ring）５２ｅが形成されている。ＦＬＲ５２ｅは、互いに平行に形成されている。半導体基板５２の内周側終端領域には、３個のＦＬＲ５２ｆが形成されている。ＦＬＲ５２ｆは、互いに平行に形成されている。また、ＦＬＲ５２ｆは、ＦＬＲ５２ｅと平行に形成されている。半導体基板５２には、ＦＬＲ５２ｅとＦＬＲ５２ｆとの間に半導体素子領域５２ｇが形成されている。半導体素子領域５２ｇには、ＩＧＢＴが形成されている。

半導体基板５２の第１の面５２ａには、エミッタ電極５２ｈが形成されている。エミッタ電極５２ｈは、ＧＮＤ電位に接続される。半導体基板５２の第２の面５２ｂには、コレクタ電極５２ｉが形成されている。コレクタ電極５２ｉは、電源電位（ＧＮＤ電位よりも高い電位）に接続される。コレクタ電極５２ｉは、半田層２４によって、第２放熱板３０に接合されている。この結果、半導体基板５２のコレクタ電極５２ｉは、半田層２４を介して、放熱板３０の基部２８に熱的に接触している。

半導体基板５２のエミッタ電極５２ｈには、半田層２０によって、放熱ブロック５８に接合されている。放熱ブロック５８は、第１実施例の放熱ブロック２２と同様、熱伝導率の高い材料で作製されている。放熱ブロック５８は、平面視したときに、四角形の環状形状を有している。放熱ブロック５８の上面には、半田層１６を介して、第１放熱板１２が接合されている。これにより、エミッタ電極５２ｈは、半田層１６，２０及び放熱ブロック５８を介して、第１放熱板１２と熱的に接触されている。第１放熱板１２と第２放熱板３０との間に配置される充填材１４は、放熱ブロック５８の貫通孔５８ａ内にも充填されている。

半導体モジュール５０では、半導体基板５２で発生した熱は、半田層２４を介して、放熱板３０の基部２８に伝達されるとともに、半田層１６，２０及び放熱ブロック５８を介して、第１放熱板１２に伝達される。さらに、半導体基板５２で発生した熱は、高熱伝導層５６を介して、第２放熱板３０の突出部５４にも伝達される。これにより、半導体基板５２で発生した熱を、効率よく外部に放熱することができる。特に、半導体基板５２は、その中央部に貫通孔５２ｃが形成され、熱が逃げ難い中央部から第２放熱板３０の突出部５４に放熱する。このため、半導体基板５２の熱を効果的に放熱でき、半導体基板５２が高温となることを好適に防止することができる。

半導体基板５２には、半導体基板５２の耐圧を高めるためのＦＬＲ５２ｅ，５２ｆが形成されている。この結果、半導体基板５２の内周面５２ｄは、コレクタ電極５２ｉと略同一の電位となる。このため、第１実施例と同様に、第２放熱板３０が半導体基板５２の内周面５２ｄに電気的に接触したとしても、半導体モジュール５０が短絡することを防止することができる。

半導体基板５２と突出部５４との間には、シリコングリース製の高熱伝導層５６が設けられている。この結果、半導体基板５２の内周面５２ｄと突出部５４とを熱的に接触させたとしても、それによる熱応力によって半導体基板５２が変形してしまうことを抑制することができ、半導体基板５２が破損することを防止することができる。

（第２実施例の変形例）
第２実施例の第２放熱板３０は、第１実施例の第２放熱板３０と同様の側壁２６を備えていてもよい。これにより、半導体基板５２は、その外側面５２ｊからも、側壁２６を介して、放熱することができる。第２放熱板３０に側壁２６を設けた場合であっても、第１実施例と同様、半導体基板５２の外側面５２ｊはコレクタ電極５２ｉと略同一の電位となるため、半導体モジュール５０が短絡することを防止することができる。なお、この場合には、第２放熱板３０に突出部５４を設けず、半導体基板５２の貫通孔５２ｃに充填材１４が充填されていてもよい。

なお、第２実施例においては、半導体基板５２のＦＬＲ５２ｅとＦＬＲ５２ｆとが平行に形成されている。しかしながら、図６に示すように、内周側終端領域のＦＬＲ５２ｆの角部５２ｋは、外周側終端領域のＦＬＲ５２ｅの角部５２ｌと比較して、Ｒが大きく形成されていてもよい。電界強度が高くなる内側のＦＬＲ５２ｆの角部５２ｋのＲを大きくすることで、ＦＬＲ５２ｆの角部５２ｋの電界強度を低減させることができる。これによって、半導体基板５２の耐圧を向上することができる。

また、第２実施例の半導体基板５２は、貫通孔５２ｃを有しているが、半導体基板は、図７に示す形状であってもよい。図７は、半導体基板１００の平面図を示す。半導体基板１００は、平面視すると、コの字形状を有している。言い換えると、半導体基板１００は、矩形状の第１矩形部１０２と、第１矩形部１０２の長手方向の両端から、長手方向と垂直な方向に伸びる１対の第２矩形部１０４とを備えていてもよい。この場合、放熱板３０の突出部５４は、シリコングリース製の高熱伝導層５６によって、半導体基板１００の内周面１０６の全長に亘って、接触されていてもよい。即ち、半導体基板１００の内周面１０６は、その全長に亘って、高熱伝導層５６を介して、突出部５４に熱的に接触していてもよい。このような構成によっても、半導体基板１００の熱を効果的に放熱板３０に放熱することができる。

なお、半導体ウエハから上記した半導体基板５２（図５，６参照）を作製する場合、貫通孔５２ｃの位置に存在する部分は、半導体基板５２としては用いられず、レーザダイシング等によって、切り落とされる。このため、貫通孔５２ｃの位置に相当する部分に、他の半導体素子を形成し、半導体ウエハの有効利用を図るようにしてもよい。例えば、半導体ウエハの貫通孔５２ｃの位置に存在する部分に、半導体基板５２とは異なる半導体素子（例えばダイオード）を作製してもよい。これにより、貫通孔５２ｃを有する半導体基板５２を作製する際に、半導体ウエハの歩留まりが悪くなることを抑制することができる。半導体基板１００を製造する場合も、同様に、切り落とされる部分に、ダイオード等を作製することによって、半導体ウエハの歩留まりが悪くなることを抑制することができる。

上記した各実施例の半導体素子領域１８ｃ，５２ｇには、ＩＧＢＴが形成されている。しかしながら、半導体素子領域１８ｃ，５２ｇには、他の様々な半導体素子を形成することができ、例えばＭＯＳＦＥＴ、ダイオード等のパワー半導体素子が形成されていてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：半導体モジュール
１２：第１放熱板
１４：充填材
１８：半導体基板
１８ａ：第１の表面
１８ｂ：側面
１８ｃ：半導体素子領域
１８ｄ：エミッタ電極
１８ｅ：第２の表面
１８ｆ：コレクタ電極
２６：側壁
２８：基部
３０：第２放熱板
３２：高熱伝導層

Claims (3)

1. 半導体素子が形成されている半導体基板と、
   前記半導体基板の第１の表面に形成されており、第１の電位が印加される第１の電極と、
   前記半導体基板の第２の表面に形成されており、前記第１の電位よりも高い第２の電位が印加される第２の電極と、
   前記第２の電極と接合されている放熱板と、を備え、
   前記放熱板は、前記半導体基板の側面に熱的に接触している接触部を備えている半導体モジュール。
2. 前記半導体基板は、前記第１の表面から前記第２の表面まで伸びている貫通孔を有しており、前記接触部は、前記貫通孔の内周面に熱的に接触している、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記半導体基板は、平面視すると、コの字形状を有しており、
   前記接触部は、前記コの字形状の前記半導体基板の内側面に熱的に接触している、請求項１に記載の半導体モジュール。

Images