JP2013123014A - 半導体装置 - Google Patents

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JP2013123014A
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Japan
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circuit board
resin
semiconductor element
semiconductor device
heat dissipation
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English (en)
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Yoshitaka Iwata
佳孝 岩田
Shogo Mori
昌吾 森
Daizo Kamiyama
大蔵 上山
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Toyota Industries Corp
Original Assignee
Toyota Industries Corp
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Abstract

【課題】半導体素子と回路基板の接合部や、回路基板と冷却部の接合部の信頼性を向上させること。
【解決手段】半導体装置１０を、セラミックからなる放熱装置１１の実装面１２に、半導体素子１３を実装した金属回路板１４を接合して構成する。そして、半導体装置１０は、放熱装置１１の全体、及び放熱装置１１の実装面１２に実装された各種部品（半導体素子１３、金属回路板１４）を覆うように、樹脂１７によってモールドする。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック又は樹脂からなる冷却部を有する半導体装置に関する。
従来、窒化アルミニウムなどのセラミック基板（絶縁基板）の表裏両面に純アルミニウムなどの金属板を接合した回路基板（ＤＢＡ基板）に放熱装置（ヒートシンク）を接合してモジュール化した半導体装置（半導体モジュール）が知られている（例えば、特許文献１）。この種の半導体装置では、半導体素子の発する熱を放熱装置によって放熱させている。
特開２００６−２９４６９９号公報
ところで、引用文献１の半導体装置のように金属製（アルミニウム）の放熱装置を採用した場合は、回路基板と放熱装置の線膨張係数の相違に起因して熱応力が発生し、半導体素子と回路基板の接合部や回路基板と放熱装置の接合部などに剥離などが生じる可能性がある。したがって、引用文献１の半導体装置では、各接合部の信頼性を確保するために、回路基板と放熱装置の間に熱応力を緩和させる応力緩和部材を介在させている。
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、半導体素子と回路基板の接合部や、回路基板と冷却部の接合部の信頼性を向上させることができる半導体装置を提供することにある。
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、セラミック又は樹脂からなる冷却部の実装面に金属製の回路基板を介して半導体素子を実装した半導体装置であって、前記回路基板の素子実装面を含む少なくとも一部を前記冷却部に対して樹脂モールドしたことを要旨とする。
これによれば、セラミック又は樹脂による冷却部を採用するとともに、回路基板の素子実装面を含む少なくとも一部を冷却部に対して樹脂モールドすることにより、半導体素子と回路基板の接合部や回路基板と冷却部の接合部の信頼性を向上させることができる。つまり、樹脂モールドにより熱的な変形を抑制し得るので、各接合部の信頼性を向上させることができる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置において、前記冷却部は、セラミックからなることを要旨とする。
これによれば、冷却部をセラミックで形成することで、冷却部自体に冷却機能と絶縁機能を持たせることが可能となる。このため、半導体素子が実装される回路基板を冷却部に対して直接接合することができる。したがって、半導体装置の構成を簡素化することができる。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の半導体装置において、前記半導体素子及び前記冷却部の線膨張係数は前記回路基板よりも小さく、前記半導体素子と前記冷却部との間に前記回路基板を介在させていることを要旨とする。
これによれば、回路基板を、当該回路基板よりも線膨張係数が小さい半導体素子とセラミックからなる冷却部との間に介在させることで、熱応力の発生を抑制することができる。したがって、各接合部の信頼性をさらに向上させることができる。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載の半導体装置において、前記半導体素子、前記回路基板、及び前記冷却部の全体が樹脂モールドされていることを要旨とする。
これによれば、半導体素子、回路基板、及び冷却部の全体を樹脂モールドすることにより、半導体装置の取り扱いを容易にすることができる。特に、冷却部をセラミックとする場合には、冷却部全体を樹脂モールドすることで冷却部の保護性能が向上し、効果的である。
本発明によれば、半導体素子と回路基板の接合部や、回路基板と冷却部の接合部の信頼性を向上させることができる。
半導体装置の正面図。 別例の半導体装置の正面図。 別例の半導体装置の正面図。
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１にしたがって説明する。
図１に示すように、本実施形態の半導体装置１０は、セラミックからなる基体１１Ａの内部に冷媒を流す複数本の冷媒流路Ｔを備えた冷却部としての放熱装置１１を備えている。放熱装置１１の実装面（冷却対象物の搭載面）１２には、電子部品としての半導体素子１３を素子実装面１４ａに実装した回路基板としての金属回路板１４が接合されている。すなわち、金属回路板１４は、放熱装置１１と半導体素子１３の間に介在されている。金属回路板１４は、配線層（電極）及び接合層として機能するとともに、純アルミニウム（例えば、工業用アルミニウムである１０００系アルミニウム）や銅により形成されている。半導体素子１３としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）やダイオードが用いられる。金属回路板１４と半導体素子１３の接合には半田付けが用いられる。一方、金属回路板１４と放熱装置１１の接合にはろう付けが用いられる。また、放熱装置１１には、放熱装置１１内に冷媒を供給する図示しない供給管や、放熱装置１１内を流通した冷媒を外部に排出する図示しない排出管も接続されている。
半導体装置１０において半導体素子１３の端子には、外部接続端子となる金属製の導電板１５が接合されている。また、半導体装置１０において放熱装置１１の実装面１２には、外部接続端子となる金属製の接続ピン１６が接合されている。半導体素子１３と接続ピン１６は、配線材であるワイヤＷを介して電気的に接続されている。導電板１５と接続ピン１６は、銅により形成されている。また、半導体素子１３と導電板１５の接合、及び放熱装置１１と接続ピン１６の接合には、半田付けやろう付けが用いられる。
放熱装置１１を構成するセラミック材料としては、酸化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム、及びアルミナ・ジルコニウムなどが用いられる。放熱装置１１の冷却方式として水冷式を採用する場合、セラミック材料としては、耐水性の高い材料が好ましい。また、セラミック材料としては、半導体素子１３の発熱による応力緩和の観点から考えると、半導体素子１３の線膨張係数に近い材料が好ましい。これにより、金属回路板１４は、線膨張係数が近い放熱装置１１と半導体素子１３の間に介在されることになる。なお、放熱装置１１と半導体素子１３の線膨張係数は、金属回路板１４の線膨張係数よりも小さい。
そして、本実施形態の半導体装置１０では、放熱装置１１の全体、及び放熱装置１１の実装面１２に実装された各種部品を覆うように、樹脂１７によってモールドされている。放熱装置１１の全体とは、実装面１２に加え、実装面１２の反対面（底側）及び側面を含む、全面である。また、実装面１２に実装される各種部品のうち、半導体素子１３及び金属回路板１４については全てが樹脂１７で覆われている。すなわち、金属回路板１４において半導体素子１３を実装する素子実装面１４ａについても樹脂１７で覆われている。一方、実装面１２に実装される各種部品のうち、外部接続される部品については、一部を樹脂１７にて覆い、残りの一部は樹脂１７の外に露出されている。なお、外部接続される部品には、導電板１５、接続ピン１６、前述した供給管や排出管などである。また、モールド用の樹脂１７は、エポキシ樹脂よりなる。樹脂１７によるモールドは、放熱装置１１に対して半導体素子１３、金属回路板１４、導電板１５、及び接続ピン１６などの各種部品が接合されるとともに、半導体素子１３と接続ピン１６のワイヤＷによるボンディングの後に行われる。そして、樹脂１７によるモールドは、半導体素子１３と金属回路板１４の半田付けや、放熱装置１１と金属回路板１４のろう付けの時の温度よりも低い温度で行われる。
以下、本実施形態の半導体装置１０の作用を説明する。
冷媒供給源から供給された冷媒は、放熱装置１１に接続される供給管から各冷媒流路Ｔへ流入する。各冷媒流路Ｔに流入した冷媒は、同一方向に流れる。このように冷媒が冷媒流路Ｔを流れると、金属回路板１４を介して放熱装置１１に伝達された半導体素子１３の熱は、冷媒流路Ｔを流れる冷媒に放熱される。そして、冷媒流路Ｔを流通した熱交換後の冷媒は、放熱装置１１に接続される排出管から外部に排出される。なお、本実施形態の放熱装置１１は、セラミック材料で形成されていることから、冷却機能に加えて絶縁機能も有することになる。
したがって、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）本実施形態の半導体装置１０では、絶縁部と冷媒の流路を一体形成したセラミック製の放熱装置１１を採用し、その放熱装置１１を含めて樹脂モールドしている。セラミック製の放熱装置１１は、装置自体に絶縁機能と冷却機能を両立させているから、従来のように金属製の放熱装置にＤＢＡ基板（セラミックなどからなる絶縁基板の両面に金属板を接合した基板）を接合する場合に比して、半導体装置１０の構成を簡素化することができる。すなわち、本実施形態の半導体装置１０は、放熱装置１１に対して半導体素子１３が実装される金属回路板１４を直接接合するので、半導体装置１０の構成を簡素化することができる。
（２）そして、放熱装置１１をセラミック製とすることで、もともと熱応力が発生し難い構造とした上で、さらに樹脂モールドしているから、半導体素子１３と金属回路板１４の接合部や、金属回路板１４と放熱装置１１の接合部の信頼性を向上させることができる。つまり、樹脂モールドにより熱的な変形を抑制し得るので、各接合部の信頼性を向上させることができる。なお、本実施形態の半導体装置１０によれば、放熱装置１１をセラミック製とすることで、従来、回路基板と放熱装置の間に介在させていた応力緩和部材は不要となる。
（３）また、金属回路板１４を、金属回路板１４よりも線膨張係数が小さい半導体素子１３とセラミックからなる放熱装置１１の間に介在させることで、熱応力の発生を抑制することができる。したがって、各接合部の信頼性をさらに向上させることができる。
（４）また、半導体素子１３及び金属回路板１４の全体を樹脂１７にて覆うことで、これらの部品を放熱装置１１に対して固定するための構造（例えば、放熱装置１１側に押さえ付けるための締結構造）を不要とする。したがって、半導体装置１０の構成をさらに簡素化することができる。
（５）また、半導体素子１３及び金属回路板１４に加えて、放熱装置１１の全体を樹脂１７にて覆うことで、半導体装置１０の取り扱いを容易にすることができる。放熱装置１１をセラミック製とした場合、その放熱装置１１は、金属性の放熱装置１１に比して強度的には劣る。しかし、放熱装置１１全体を樹脂１７にて覆うことにより保護性能が向上されるので、半導体装置１０の取り扱いが容易になるとともに、長期的に良好な放熱性能を実現できる。特に、半導体装置１０を車載する場合などの組み付け工程においては、取り扱いが容易になることで作業性を向上させることができ、効果的である。
（６）また、放熱装置１１の全体を樹脂１７にて覆うことで、放熱装置１１の密閉性の向上を図ることができる。したがって、放熱性能を向上させることができる。
（７）また、半導体装置１０を樹脂モールドして各接合部の信頼性を向上させることで、半導体装置１０としての性能（信頼性）を長期に亘って維持することができる。つまり、半導体装置１０の劣化を抑制することができる。
（８）また、樹脂１７とセラミックは、線膨張係数の差が小さいので、樹脂１７とセラミック製の放熱装置１１の接合部の信頼性も確保することができる。つまり、樹脂１７と放熱装置１１の接合部に剥離などが生じ難いから、樹脂モールドによって生じ得る上記の効果（２）、（４）、（５）〜（７）を長期に亘って維持することができる。
（９）セラミック製の放熱装置１１を採用することで、半導体装置１０の簡素化に加えて装置の小型化を図ることができる。したがって、半導体装置１０を車載する場合などにおいて半導体装置１０が占有するスペースを小さくすることができ、設計の自由度を広げることができる。
なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 放熱装置１１の全体を樹脂１７にて覆う構成に代えて、図２に示すように、樹脂モールドする領域を放熱装置１１の側面の一部にとどめても良い。すなわち、放熱装置１１の実装面１２の反対面を樹脂１７にて覆わず、露出させる構成とする。これによれば、前記反対面においても発熱体を冷却することができる。また、樹脂１７の量を低減させることができるので、半導体装置１０の製造コスト低減に寄与することができる。また、樹脂１７の量を少なくすることで、樹脂モールドによって樹脂１７から受ける応力を緩和させることができる。
○ 放熱装置１１の全体を樹脂１７にて覆う構成に代えて、図３に示すように、樹脂モールドする領域を放熱装置１１の実装面１２にとどめても良い。すなわち、放熱装置１１の実装面１２の反対面を樹脂１７にて覆わず、露出させる構成とする。これによれば、図２を用いて説明した上記別例と同様の効果を得ることができるとともに、樹脂１７の量をさらに低減させることができる。
○ また、図２及び図３を用いた別例において、放熱装置１１の反対面に発熱体を接合する場合において、その発熱体を含めて全体を樹脂モールドしても良い。
○ 放熱装置１１をセラミックに代えて、樹脂にて形成しても良い。
○ 放熱装置１１に実装される各種部品の構成を変更しても良い。
○ 放熱装置１１における冷媒流路Ｔは、平面視直線状の通路でも良いし、平面視波線状の通路でも良い。波線状の通路の場合は、直線状の通路に比して冷媒の流れを乱し、乱流効果によって冷却性能をさらに向上させることができる。
○ 放熱装置１１に流通させる冷媒は、液体状の冷媒でも良いし、気体状の冷媒でも良い。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（イ）前記半導体素子、及び前記回路基板の全体が樹脂モールドされている一方で、前記冷却部は前記実装面に対する反対面を含んで樹脂モールドされずに前記反対面が露出されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載の半導体装置。
１０…半導体装置、１１…放熱装置、１２…実装面、１３…半導体素子、１４…金属回路板、１４ａ…素子実装面、１７…樹脂。

Claims (4)

  1. セラミック又は樹脂からなる冷却部の実装面に金属製の回路基板を介して半導体素子を実装した半導体装置であって、
    前記回路基板の素子実装面を含む少なくとも一部を前記冷却部に対して樹脂モールドしたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記冷却部は、セラミックからなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記半導体素子及び前記冷却部の線膨張係数は前記回路基板よりも小さく、前記半導体素子と前記冷却部との間に前記回路基板を介在させていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体素子、前記回路基板、及び前記冷却部の全体が樹脂モールドされていることを特徴とする請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載の半導体装置。
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