JP2013214549A - 半導体装置及びそれを用いたユニット - Google Patents

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恭子 本間
Satoru Hara
悟 原
Takashi Togasaki
隆 栂嵜
Naoyuki Tajima
尚之 田嶋
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Abstract

【課題】 より放熱性の高い半導体装置及びそれを用いたユニットを提供する。
【解決手段】 主面と、前記主面の対向する側の面である裏面Ｍ２に電極が設けられてい
る半導体素子と、前記半導体素子の前記裏面Ｍ２上に設けられ、電気的に接続して設けら
れている第１電極端子Ｔ１が接続しており、導電性の材料から形成されている冷却器と、
前記半導体素子の主面上に設けられ、第２電極端子Ｔ２と電気的に接続しているリードフ
レームと、前記冷却器の前記半導体素子が設けられている側に形成されており、前記半導
体素子と、前記リードフレームと、前記リードフレームと電気的に接続している前記第２
電極端子Ｔ２の一方の端部を覆うように設けられている封止樹脂１２と、を有することを
特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置及びそれを用いたユニットに関する。
ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)やパワーＭＯＳ−ＦＥＴなどの半導体
素子は高耐圧、大電流での利用に好適であり産業用、民生用機器などにおいて幅広い用途
を有する。このような半導体素子は発熱体でもあるため、半導体装置の熱抵抗を低減し半
導体素子で発生した熱を速やかに半導体装置の外部に排出できる構造であることが好まし
い。
従来の半導体装置は、冷却器と半導体素子との絶縁材料を設けている。しかし、このよ
うに半導体素子と冷却器との間に絶縁材料を設けると、絶縁材料の熱伝導率が低いために
十分に冷却することができないという課題があった。
特開２０１０−２８７８６９号公報
そこで本発明では、より放熱性の高い半導体装置及びそれを用いたユニットの提供を目
的とする。
上記目的を達成するために、実施形態の半導体装置は、主面と、主面の対向する側の面
である裏面に電極が設けられている半導体素子と、半導体素子の裏面上に設けられ、電気
的に接続して設けられている第１電極端子が接続しており、導電性の材料から形成されて
いる冷却器と、半導体素子の主面上に設けられ、第２電極端子と電気的に接続しているリ
ードフレームと、冷却器の半導体素子が設けられている側に形成されており、半導体素子
と、リードフレームと、リードフレームと電気的に接続している第２電極端子の一方の端
部を覆うように設けられている封止樹脂と、を有していることを特徴としている。
また、実施形態の半導体装置を用いたユニットは、主面と、主面の対向する側の面であ
る裏面に電極が設けられている半導体素子と、半導体素子の裏面上に設けられ、電気的に
接続して設けられている第１電極端子が接続しており、導電性の材料から形成されている
冷却器と、半導体素子の主面上に設けられ、第２電極端子と電気的に接続しているリード
フレームと、冷却器の半導体素子が設けられている側に形成されており、半導体素子と、
リードフレームと、リードフレームと電気的に接続している第２電極端子の一方の端部を
覆うように設けられている封止樹脂と、を有する半導体装置と、開口部が形成されている
冷却管と、を有し、冷却管の開口部の周縁は、少なくとも絶縁材料を介して半導体装置の
冷却器の第１電極端子と第２電極端子とが設けられている側の端部と接続していることを
特徴としている。
第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図。 第１の実施形態に係る半導体装置を用いたユニットを示す断面図。 第２の実施形態に係る半導体装置を用いたユニットを示す断面図。 第３の実施形態に係る半導体装置を示す断面図。 第３の実施形態に係る半導体装置を用いたユニットを示す断面図。
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ
符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体装置の断面図である。本実施形態に係る半導体装
置１は、第１半導体素子２と、第１冷却器４と、第１リードフレーム５と、第２冷却器７
と、第２半導体素子９と、第２リードフレーム１０と、第２電極端子Ｔ２と、封止樹脂１
２とから構成されている。
第１，第２半導体素子２，９は、ＩＧＢＴチップ２ａ，９ａ及びＩＧＢＴチップ２ａ，
９ａの電力の逆流を防ぐためのダイオード２ｂ，９ｂが設けられており、それぞれ主面Ｍ
１，Ｍ４及びその対向側の面である裏面Ｍ２，Ｍ３に電極が設けられている。
第１冷却器４は、第１半導体素子２の裏面Ｍ２側に配置されており、第１半導体素子２
の裏面Ｍ２に対して例えば半田や銀ペーストなどの導電性の材料から形成されている導電
材３を介して電気的に接続している。すなわち、配線回路の機能を兼ねるように設けられ
ている。そのため、回路に応じて分割や形状の加工（図示せず）が施されており、回路に
基づいて第１半導体素子２が第１冷却器４上に設けられている。
また、第１冷却器４は第１半導体素子２と接続している側とは対向する側に冷却フィン
４ａが形成されており、第１半導体素子２から発生した熱を効率よく放熱するために設け
られている。
第１冷却器４は本実施形態では銅から形成されているが、これに限られることはなく例
えばアルミ等の導電性を有する材質であればどの様な材質でもよい。
また、第１冷却器４は例えば銅やアルミ、金等の導電性材料から形成されている第１電
極端子Ｔ１が接続しており、このように第１電極端子Ｔ１を直接第１冷却器４に接続させ
ることにより、第１冷却器４を介して第１半導体素子２へと電力を供給することが可能と
なる。また、第１電極端子Ｔ１から供給される電力が第１半導体素子２までの間に設けら
れている構成が導電材３と第１冷却器４と少ないため、電力の損失が非常に少ない。更に
、第１冷却器４上に直接第１半導体素子２を設けているため、小型化することが可能とな
る。
第１リードフレーム５は、例えば銅等の導電性の板状の材質から形成されており、第１
半導体素子２の主面Ｍ１側に配置されている。そして、第１半導体素子２の主面Ｍ１に対
して導電材３を介して電気的に接続している。
また、第１リードフレーム５は例えば半田や銀ペーストなどの導電性の材料から形成さ
れている導電材６を介して第２冷却器７と電気的に接続している。このように、第１半導
体素子２から送られる電力をワイヤーでなくリードフレームを用いることにより、電力の
損失を少なくし、より多くの電力を第２冷却器７へと供給することができる。
第２冷却器７は、第２半導体素子９の裏面Ｍ３側に配置されており、第２半導体素子２
の裏面Ｍ２に対して例えば半田や銀ペーストなどの導電性の材料から形成されている導電
材８を介して電気的に接続している。そして、第２冷却器７は、第１リードフレーム５と
第２半導体素子９とが同じ面で電気的に接続するように配置している。すなわち、第２冷
却器７は配線回路の機能を兼ねるように設けられている。そのため、回路に応じて分割や
形状の加工（図示せず）が施されており、回路に基づいて第２半導体素子９が第２冷却器
７上に設けられている。
このように、第２冷却器７上に第２半導体素子９を設ける構成にすることにより、電力
の損失を抑制することが可能となる。更に、小型化することが可能となる。
また、第２冷却器７は、第１リードフレーム５と第２半導体素子９とが接続している側
とは対向する側に冷却フィン７ａが形成されている。これにより、第２半導体素子９から
発生した熱を効率よく放熱することができる。
第２リードフレーム１０は、例えば銅等の導電性の板状の材質から形成されており、第
２半導体素子９の主面Ｍ４に配置されている。そして、第２半導体素子９の主面Ｍ４に対
して導電材８を介して電気的に接続している。
また、第２リードフレーム１０は、例えば半田や銀ペーストなどの導電性の材料から形
成されている導電材１１を介して第２電極端子Ｔ２と電気的に接続している。このように
、第２半導体素子９から送られる電力をワイヤーでなくリードフレームを用いることによ
り、電力の損失を少なくし、より多くの電力を第２電極端子Ｔ２へと供給することができ
る。
第２電極端子Ｔ２は、Ｌ字の形状に形成されており、例えば銅やアルミ、金等の導電性
材料から形成されている。また、第２電極端子Ｔ２は、第２リードフレーム１０から供給
された電力を外部へと取り出すために設けられており、第２冷却器７と間隔をあけて配置
されている。このように設けることにより、第２冷却器７と電気的に接続することを抑制
している。
封止樹脂１２は、第１，第２冷却器４，７の第１，第２半導体素子２，９が設けられて
いる側に設けられ、第１，第２半導体素子２，９と、第１，第２リードフレーム５，１０
と、隣り合う第１，第２冷却器４，７の側面Ｓ１，Ｓ２の間を封止するように設けられて
いる。そして、第１電極Ｔ１と第１電極Ｔ１が設けられている第１冷却器４の端部は露出
するように設けられている。第２電極端子Ｔ２は第２リードフレーム１０と接続している
一方の端部は封止樹脂１２により封止され、他方の端部は露出するように設けられている
。また、第２電極端子Ｔ２が配置されている第２冷却器７の端部は露出するように設けら
れている。更に、封止樹脂１２は第２冷却器７と第２電極端子Ｔ２との間に樹脂が設けら
れており、電気的に絶縁するために設けられている。
封止樹脂１２の材質としては、例えばエポキシ樹脂やウレタン樹脂、シリコン樹脂等の
樹脂系材料から形成されている。
次に、半導体装置を用いたユニットについて図２（ａ），（ｂ）を用いて説明する。図
２（ａ）に示すように、半導体装置を用いたユニット１００は、半導体装置１に絶縁部材
２１と、冷却管２３とを設けた構造となっている。
絶縁部材２１は、絶縁性の材質により形成されており、半導体装置１よりも外周が広く
なるように形成されている。
また、絶縁部材２１は、半導体装置１と例えばゴム系材料から形成された緩衝材２０を
介し、螺子Ｎ１により固定されて設けられている。また、螺子Ｎ１は緩衝材２０を貫通し
、螺子Ｎ１の端部が絶縁部材２１内で止まるように螺合している。これにより、冷却管２
３内を矢印Ｙ方向に流れる冷却液２４が螺号している部分に入り込むことを抑制すること
が可能となる。
冷却液２４は、例えばフロリナートなどの絶縁性の液体が用いられている。特にフロリ
ナートは熱的にも化学的にも安定性が高く、不燃性、無毒、無臭であるため安全性が高い
。また、不活性であるため、金属や樹脂、ゴム系材料を侵さないため、冷却用の液体とし
て適している。
そして、絶縁部材２１は、開口部２１ａと支持部２１ｂが設けられている。開口部２１
ａは半導体装置１の放熱フィン４ａ，７ａを一定の間隔をあけて囲むように形成されてい
る。これに伴い、緩衝材２０も同様に半導体装置１の放熱フィン４ａ，７ａを一定の間隔
をあけて囲むように形成されている。支持部２１ｂは、半導体装置１の隣り合う第１，第
２冷却器４，７の側面Ｓ１，Ｓ２を封止している封止樹脂１２を覆う緩衝材２０に接する
ように設けられ、第１，第２冷却器４，７の側面Ｓ１，Ｓ２の周縁を支持するように設け
られている。このように支持部２１ｂを設けることにより、封止樹脂１２内に冷却液２４
が入り込むことを抑制することが可能となる。
冷却管２３は、金属性の材質から形成されており、絶縁部材２１と例えばゴム系材料か
ら形成された緩衝材２２を介し、螺子Ｎ２により固定されて設けられている。また、螺子
Ｎ２は緩衝材２０を貫通し、螺子Ｎ２の端部が冷却管２３内で止まるように螺合している
。これにより、冷却管２３内を矢印Ｙ方向に流れる例えば絶縁性の液体である冷却液２４
が螺号している部分に入り込むことを抑制することが可能となる。
また、冷却管２３は開口部２３ａが形成されており、絶縁部材２１の開口部２１ａより
も広くなるように開口部２３ａが形成されている。すなわち、冷却管２３の開口部２３ａ
の周縁は、絶縁部材２１を介して半導体装置１の第１，第２冷却器４，７の第１，第２電
極端子Ｔ１，Ｔ２が設けられている側の端部と接続しており、冷却フィン４ａ，７ａを囲
むように形成されている。
なお、図２（ａ）では緩衝材２０，２２内を貫通して螺子Ｎ１，Ｎ２が設けられた半導
体装置を用いたユニット１００となっているが、緩衝材２０，２２のかわりに図２（ｂ）
に示すように、螺子Ｎ１，Ｎ２から開口部２１ａ，２３ｂ側に例えばゴム系材料から形成
されたシールリング３０，３１を設けた半導体装置を用いたユニット２００となっていて
もよい。
（第２の実施形態）
第２の実施形態について図３を参照しつつ説明する。本実施形態については第１の実施
形態と異なる部分について主に説明する。なお、本実施形態に関しては、第１の実施形態
に関して説明した部分と同一部分を同一符号で付し、その説明を適宜省略する。
本実施形態の半導体装置は第１の実施形態と同様のものを用いており、半導体装置を用
いたユニットの構造が異なっている。本実施形態の半導体装置を用いたユニット３００は
、第１の実施形態で説明した半導体装置１を、絶縁部材２１を介さずに冷却管４１上に設
けている。
冷却管４１は、金属性の材質から形成されており、半導体装置１と絶縁性の材料から形
成されている接着材４０を介し、固定されて設けられている。
また、冷却管４１は、開口部４１ａと支持部４１ｂが設けられている。開口部４１ａは
半導体装置１の冷却フィン４ａ，７ａを一定の間隔をあけて囲むように形成されている。
支持部４１ｂは、冷却管４１と連続して形成されており、接着材４０を介して半導体装置
１の隣り合う第１，第２冷却器４，７の側面Ｓ１，Ｓ２を封止している封止樹脂１２を覆
い、第１，第２冷却器４，７を支持するように設けられている。このように支持部２１ｂ
を設けることにより、封止樹脂１２内に冷却液２４が入り込むことを抑制することが可能
となる。
このように、絶縁部材２１を介さずに冷却管４１上に半導体装置１を設けることにより
、部品を減らすことが可能となるので、より小型化させることが可能となる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態について図４，図５を参照しつつ説明する。本実施形態については第１
の実施形態と異なる部分について主に説明する。なお、本実施形態に関しては、第１の実
施形態に関して説明した部分と同一部分を同一符号で付し、その説明を適宜省略する。
図４に示すように。本実施形態の半導体装置４００は、第１の実施形態で説明した半導
体装置１の冷却フィン４ａ，４ｂが設けられている側を覆うように絶縁層１３が設けられ
ている。
絶縁層１３は、例えばセラミックス、ＤＬＣ（Diamond-Like Carbon）、アルマイト、
ＳｉＮ、ＳｉＯ２等の無機材料や、有機樹脂材料等、絶縁性を有する材質から形成されて
いる。また、絶縁層１３を設ける際には、蒸着や浸漬塗布、電着塗装等によって設けてい
る。
次に、半導体装置４００を用いた半導体装置のユニット５００について説明する。図５
に示すように、本実施形態の半導体装置のユニット５００は本実施形態の半導体装置４０
０の絶縁層１３が形成されている面と、第１の実施形態で用いた冷却管２３とを接着材５
０を介して固定されて設けられている。また、接着剤５０は、絶縁性の材料から形成され
ている。
このように、本実施形態の半導体装置のユニット５００は半導体装置４００の冷却フィ
ン４ａ，７ａ側に絶縁層１３が設けられているため、半導体装置４００に冷却水２４が入
り込むことを抑制することができる。また、冷却管２３に半導体装置４００を支持するた
めの支持部を形成させなくとも、第１，第２冷却器４，７を支持するための強度を確保す
ることが可能となる。そのため、冷却管２３に複雑な開口部２３ａを形成しなくてもよい
ので、より容易に半導体装置のユニット５００を形成することが可能となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したも
のであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その
他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種
々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、半導体装置４００を、第１の実
施形態のように絶縁部材２１を冷却管２３との間に設けて半導体装置のユニットを形成さ
せてもよい。また、半導体装置４００と第２の実施形態のように支持部４１ｂが形成され
ている冷却管４１とを固定し設けてもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や
要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる
。
１，４００…半導体装置
２…第１半導体素子
２ａ，９ａ…ＩＧＢＴチップ
２ｂ，９ｂ…ダイオード
３，６，８，１１…導電材
４…第１冷却器
４ａ，７ａ…冷却フィン
５…第１リードフレーム
７…第２冷却器
９…第２半導体素子
１０…第２リードフレーム
１２…封止樹脂
１３…絶縁層
２０，２２…緩衝材
２１…絶縁部材
２１ａ，２３ａ，４１ａ…開口部
２１ｂ，４１ｂ…支持部
２３，４１…冷却管
２４…冷却液
３０，３１…シールリング
４０，５０…接着材
１００，２００，３００，５００…半導体装置を用いたユニット
Ｍ１，Ｍ４…主面
Ｍ２，Ｍ３…裏面
Ｔ１…第１電極端子
Ｔ２…第２電極端子
Ｓ１…第１冷却器の側面
Ｓ２…第２冷却器の側面
Ｎ１，Ｎ２…螺子
Ｙ…矢印

Claims (12)

  1. 主面と、前記主面の対向する側の面である裏面に電極が設けられている半導体素子と、
    前記半導体素子の前記裏面上に設けられ、電気的に接続して設けられている第１電極端
    子が接続しており、導電性の材料から形成されている冷却器と、
    前記半導体素子の主面上に設けられ、第２電極端子と電気的に接続しているリードフレ
    ームと、
    前記冷却器の前記半導体素子が設けられている側に形成されており、前記半導体素子と
    、前記リードフレームと、前記リードフレームと電気的に接続している前記第２電極端子
    の一方の端部を覆うように設けられている封止樹脂と、
    を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記冷却器は、前記半導体装置が設けられている側と対向する側に冷却フィンが設けら
    れていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記封止樹脂は更に前記冷却器と前記電極端子との間を封止していることを特徴とする
    請求項１または請求項２に記載の半導体装置
  4. 前記冷却器は、前記半導体装置が設けられている側と対向する側に絶縁層が形成されて
    いることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体素子は第１半導体素子と第２半導体素子とを有し、
    前記冷却器は第１冷却器と第２冷却器とを有し、
    前記リードフレームは第１リードフレームと第２リードフレームとを有しており、
    前記第１半導体素子は前記第１冷却器に設けられ、前記第２半導体素子は前記第２冷却
    器に設けられ、前記第１リードフレームは前記第１半導体素子と第２冷却器とを電気的に
    接続するように設けられ、前記第２リードフレームは前記第２電極端子と接続しているこ
    とを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記封止樹脂は更に前記第１冷却器と前記第２冷却器が対向する側面の間を封止してい
    ることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
  7. 主面と、前記主面の対向する側の面である裏面に電極が設けられている半導体素子と、
    前記半導体素子の前記裏面上に設けられ、電気的に接続して設けられている第１電極端子
    が接続しており、導電性の材料から形成されている冷却器と、前記半導体素子の主面上に
    設けられ、第２電極端子と電気的に接続しているリードフレームと、前記冷却器の前記半
    導体素子が設けられている側に形成されており、前記半導体素子と、前記リードフレーム
    と、前記リードフレームと電気的に接続している前記第２電極端子の一方の端部を覆うよ
    うに設けられている封止樹脂と、を有する半導体装置と、
    開口部が形成されている冷却管と、
    を有し、
    前記冷却管の前記開口部の周縁は、前記半導体装置の前記冷却器の前記第１電極端子が
    設けられている側の端部と、前記第２電極端子が設けられている側の端部とが少なくとも
    絶縁材料を介して接続していることを特徴とする半導体装置を用いたユニット。
  8. 前記冷却器は、前記半導体装置が設けられている側と対向する側に冷却フィンが設けら
    れており、前記冷却管の前記開口部は前記冷却フィンと一定の間隔をあけて囲むように形
    成されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置を用いたユニット。
  9. 前記絶縁材料は、前記半導体装置の前記冷却フィンと一定の間隔をあけて囲むように形
    成されていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の半導体装置を用いたユニ
    ット。
  10. 前記冷却器は、前記半導体装置が設けられている側と対向する側に絶縁層が形成されて
    おり、前記絶縁材料は前記冷却管と前記絶縁層との間に設けられていることを特徴とする
    請求項７乃至請求項９に記載の半導体装置を用いたユニット。
  11. 前記半導体素子は第１半導体素子と第２半導体素子とを有し、
    前記冷却器は第１冷却器と第２冷却器とを有し、
    前記リードフレームは第１リードフレームと第２リードフレームとを有しており、
    前記第１半導体素子は前記第１冷却器に設けられ、前記第２半導体素子は前記第２冷却
    器に設けられ、前記第１リードフレームは前記第１半導体素子と第２冷却器とを電気的に
    接続するように設けられ、前記第２リードフレームは前記第２電極端子と接続するように
    設けられており、
    前記絶縁材料は前記第１冷却器と前記第２冷却器が対向する側面の周縁を覆い支持する
    支持部が設けられていることを特徴とする請求項７乃至請求項１０に記載の半導体装置を
    用いたユニット。
  12. 前記半導体素子は第１半導体素子と第２半導体素子とを有し、
    前記冷却器は第１冷却器と第２冷却器とを有し、
    前記リードフレームは第１リードフレームと第２リードフレームとを有しており、
    前記第１半導体素子は前記第１冷却器に設けられ、前記第２半導体素子は前記第２冷却
    器に設けられ、前記第１リードフレームは前記第１半導体素子と第２冷却器とを電気的に
    接続するように設けられ、前記第２リードフレームは前記第２電極端子と接続するように
    設けられており、
    前記冷却管は前記第１冷却器と前記第２冷却器が対向する側面の周縁を前記絶縁材料を
    介して覆い支持する支持部が設けられていることを特徴とする請求項７乃至請求項１０に
    記載の半導体装置を用いたユニット。
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