JP2012028561A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】、一方の面に半導体素子1が実装された絶縁基板3と、板状をなし、一方の面が絶縁基板3の他方の面に緩衝材8を介して伝熱接合された放熱板7と、放熱板7の熱膨張係数よりも絶縁基板3の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する樹脂で形成され、絶縁基板3の半導体素子1が実装された面と放熱板7とをともに封止する封止体9と、を備え、放熱板7は、他方の面が封止体9から露出しているとともに、封止体9と接触する面において封止体9と遊離している、ように構成した。
【選択図】図1
Description
図1〜図3は、本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置を説明するためのもので、図1は電力用半導体装置の断面図、図2は電力用半導体装置における絶縁基板と放熱板とを伝熱接合するための緩衝材の構成を説明するための緩衝材部分の断面図である。また、図3は本実施の形態1にかかる電力用半導体装置の製造方法を説明するためのもので、図3(a)〜図3(g)は工程ごとの断面を示す図である。
半導体素子1は、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でも良いが、本発明においては炭化ケイ素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を適用したときに好適な構造を目指しており、特に炭化ケイ素を用いた半導体素子に好適である。デバイス種類としては、特に限定する必要はないが、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor)のようなスイッチング素子、またはダイオードのような整流素子が考えられる。MOSFETの場合、半導体素子1の配線パターン4a側の面にはドレイン電極が形成されている。そして、ドレイン電極と反対側(図で上側)の面には、ゲート電極やソース電極が、領域を分けて形成されているが、説明を簡単にするため、上側の面には、例えば大電流が流れるソース電極のみが形成されているとして説明する。なお、ドレイン電極の表面には接合材2との接合を良好とするための複合金属膜が形成されている。ソース電極の表面にも、図示しない厚さ数μmの薄いアルミニウムなどの電極膜やチタン、モリブデン、ニッケル、金などの薄膜層が形成されている。
電力用半導体装置100を駆動させると、半導体素子1をはじめとする電力用半導体装置100内の様々な素子に電流が流れ、その際、電気抵抗分の電力ロスが熱へと変換され、発熱が生ずる。半導体素子1で発生した熱は絶縁基板3を経由し、放熱板7を介して外部に放熱されることになるが、電力用半導体装置100の温度は上昇する。このとき半導体素子1に、SiCのような高性能の半導体材料を用いると電流が大きく、動作時の温度は300℃にまで達する。しかし、本実施の形態1にかかる半導体装置100では、半導体素子1や配線部材5、6等の回路部材を含む絶縁基板3の回路面を封止体9により拘束し、しかも、封止体9の熱膨張係数を放熱板7の熱膨張係数よりも絶縁基板3の熱膨張係数に近くなるように調整しているので、絶縁基板3や回路部材に対する熱応力の発生を抑えることができる。そのため、温度変化に対するヒートサイクル信頼性試験において、絶縁基板3と封止体9との界面での剥離やセラミック材からなる絶縁基板3の割れが発生するようなことがなくなる。
本実施の形態2にかかる電力用半導体装置においては、実施の形態1にかかる電力用半導体装置と異なる製造方法で製造したものである。最終的な構成については、実施の形態1とほぼ同様であるので、各部材の詳細については説明を省略する。
本実施の形態3にかかる電力用半導体装置においては、実施の形態1や2にかかる電力用半導体装置に対して、放熱板の保持構造を変更したものである。具体的には、放熱板の厚み方向の形状において、絶縁基板側の大きさによりも放熱面側の大きさが小さくなる内向き変位部分を形成し、その内向き変位部分を含めて封止体で封止するようにしたものである。その他の構成については、実施の形態1と同様であるので説明を省略する。
なお、封止体が放熱板を抱え込む構造としては、上記のような傾斜部に限られることはない、例えば、図6に示すように、放熱板7V4の端面(側面)F7sに、厚み方向tにおいて、絶縁基板3との接合面F7b側より放熱面F7r側の方が、厚み方向に垂直な断面積が小さくなっている段差部7sVを、つまり、側面F7sの厚み方向の中間部分において放熱面F7r側に向かう面(厚み方向で放熱面に向かう途中に、内側に変位している内向き変位部分)を設けるようにしてもよい。この場合は、段差部7sV部分を封止体9V4が支えることによって、封止体9V4が放熱板7V4を絶縁基板3に密着するように押しつけることができる。その他、端面部分に封止体と嵌め合わせられるような突起部や凹部を設けるようにしてもよい。
本実施の形態4にかかる電力用半導体装置においては、実施の形態1や2にかかる電力用半導体装置に対して、放熱板の構成を変更したものである。具体的には、放熱板の絶縁基板側に対向する面に段差を設け、絶縁基板に対向する面の大きさを絶縁基板の下側の配線パターン部分とほぼ同じ大きさになるようにしたものである。その他の構成については、実施の形態1や2と同様であるので説明を省略する。
F7b 絶縁基板との接合面、 F7r 放熱面(外面)、 F7s 端面。
Claims (9)
- 一方の面に半導体素子が実装された絶縁基板と、
板状をなし、一方の面が前記絶縁基板の他方の面に緩衝材を介して伝熱接合された放熱板と、
前記放熱板の熱膨張係数よりも前記絶縁基板の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する樹脂で形成され、前記絶縁基板の半導体素子が実装された面と前記放熱板とをともに封止する封止体と、を備え、
前記放熱板は、前記他方の面が前記封止体から露出しているとともに、前記封止体と接触する面において前記封止体と遊離している、
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記緩衝材は、流動性を有する部材または、前記封止体の弾性率よりも低い弾性率を有する樹脂部材で構成される基材中に、金属またはセラミックで構成される骨材粒子を分散させたものであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記緩衝材は、前記基材に液体を用いたグリース材であることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記緩衝材は、前記基材にシリコン樹脂または熱可塑性樹脂を用いたシート材であることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記緩衝材は、前記基材にシリコン樹脂を添加した熱硬化性樹脂を用いた接着材であることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記放熱板の前記封止体と接触する面には、前記封止体を構成する樹脂に対して離型性を有する被覆層が形成されていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記放熱板の端面において、前記一方の面側から前記他方の面側に向かう途中の少なくとも一部には、前記一方の面側よりも前記他方の面側の方が、前記一方の面の延在方向において内側に変位している内向き変位部分が形成されているとともに、
前記封止体が、前記内向き変位部分を含めて封止している、
ことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、またはダイヤモンド、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
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