JP2016092222A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、半導体素子を封止したパワーカードと冷却器が絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置に関し、半導体装置が備える部材間の接合性を高めるとともに接合層の厚みに起因する寸法公差を小さくするための技術を提供する。【解決手段】半導体装置２は、半導体素子を封止したパワーカード１０と冷却器３が絶縁板６を挟んで積層されている。半導体装置２は、パワーカード１０と絶縁板６との間に位置するとともにパワーカード１０及び絶縁板６に溶着している金属板８と、絶縁板６と冷却器３との間に位置するとともに絶縁板６及び冷却器３に溶着している金属板１１と、を備える。【選択図】図１

Description

本明細書は、半導体装置に関する。特に、半導体素子を封止したパワーカードと冷却器が絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置に関する。

半導体素子を封止したパワーカードと冷却器が絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置が知られている（例えば特許文献１）。そのような半導体装置においては、パワーカードと絶縁部材の相対的位置、あるいは、冷却器と絶縁部材の相対的位置を正確に定める必要がある。特許文献１の半導体装置では、パワーカードと絶縁部材との間、及び、絶縁部材と冷却器の間の少なくとも一方が接着剤によって接合されている。接着剤は、アルミナ添加シリコーンよりなる熱伝導性接着剤である。

特開２００５−０９３５９３号公報

特許文献１の技術によると、接着剤の経時劣化により、接着強度が低下する可能性がある。また、各部材を固定する際の接着剤の厚さを目的の厚さに調節することが困難であるため、個々の半導体装置について、積層体の寸法にばらつきが生じる可能性もある。本明細書では、半導体装置が備える部材間の接合性を高めるとともに接合層の厚みに起因する寸法公差を小さくするための技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子を封止したパワーカードと冷却器が絶縁部材を挟んで積層されているデバイスである。この半導体装置は、下記の第１の金属部材及び第２の金属部材のうちの少なくとも一方を備える。第１の金属部材は、パワーカードと絶縁部材との間に位置するとともに、パワーカード及び絶縁部材に溶着している。第２の金属部材は、絶縁部材と冷却部材との間に位置するとともに、絶縁部材及び冷却部材に溶着している。当該構成によると、特許文献１に開示された接着剤による接合の場合と比較して、以下の利点がある。即ち、金属部材は、接着剤よりも経時劣化しにくい。また、金属部材は、接着剤よりも、その厚さを調節しやすい。従って接合層の厚みに起因する積層体の寸法公差が小さくなる。

第１実施例の半導体装置の斜視図である。 第１実施例のパワーカードを裏面からみた斜視図である。 図１の座標系におけるＸＹ平面でカットした第１実施例の半導体装置の断面図である。 図１の座標系におけるＸＺ平面でカットした第１実施例の半導体装置の断面図である。 図１の座標系におけるＸＹ平面でカットした第２実施例の半導体装置の断面図である。 半導体装置の製造方法が備える積層工程を示す図である。 半導体装置の製造方法が備える積層工程を示す図である。 半導体装置の製造方法が備える積層工程を示す図である。 半導体装置の製造方法が備える積層工程を示す図である。 半導体装置の製造方法が備える加圧工程及び溶着工程を示す図である。

（第１実施例）図面を参照して実施例の半導体装置２を説明する。図１は、第１実施例の半導体装置２の斜視図である。半導体装置２は、複数のパワーカード１０と複数の冷却器３が積層されたユニットである。なお、図１では、一つのパワーカードだけに符号１０を付し、他のパワーカードには符号を省略している。同様に一つの冷却器だけに符号３を付し、他の冷却器には符号を省略している。また、半導体装置２の全体が見えるように、半導体装置２を収容するケース３１は仮想線で描いてある。なお、パワーカード１０と絶縁板６の間、及び、絶縁板６と冷却器３の間には仮止め用の接着部材が塗布されているが、図１と図２では接着部材の図示は省略している。

一つのパワーカード１０には４個の半導体素子が収容されている。４個の半導体素子は、具体的には、２個のトランジスタＴａ、Ｔｂと、２個のダイオードＤａ、Ｄｂである。パワーカード１０の内部構造は後に詳しく説明する。冷却器３を通る冷媒により、半導体素子が冷却される。冷媒は液体であり、典型的には水である。

パワーカード１０と冷却器３は、共に平板型であり、複数の側面のうち最大面積の平坦面が対向するように積層されている。パワーカード１０と冷却器３は交互に積層されており、ユニットの積層方向の両端には冷却器３が位置している。パワーカード１０と冷却器３の間には絶縁板６が挟まれている。パワーカード１０と絶縁板６の間、及び絶縁板６と冷却器３の間には、夫々、金属板８、１１が挟まれている。各パワーカード１０は、その両面の夫々に、絶縁板６と２個の金属板８、１１を挟んで冷却器３が対向している。金属板８、１１は、比較的熱伝導率が高く、比較的柔らかく（例えばヤング率が低く）、かつ、比較的融点が低い金属を利用するのが好ましい。好ましくは、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、最も好ましくは、スズが利用される。金属板８、１１の厚さは、熱伝導率を確保するため、例えば、１０〜５０μｍに設計されている。

複数の冷却器３は、連結パイプ５ａ、５ｂで連結されている。積層方向の一端の冷却器３には、冷媒供給管４ａと冷媒排出管４ｂが連結されている。冷媒供給管４ａを通じて供給される冷媒は、連結パイプ５ａを通じて全ての冷却器３に分配される。冷媒は各冷却器３を通る間に隣接するパワーカード１０から熱を吸収する。各冷却器３を通った冷媒は連結パイプ５ｂを通り、冷媒排出管４ｂから排出される。

半導体装置２はケース３１に収容される際、積層方向の一端側に板バネ３２が挿入される。その板バネ３２により、パワーカード１０と絶縁板６と冷却器３と金属板８、１１の積層体には、積層方向の両側から荷重が加えられる。その荷重は、例えば３［ｋＮ］である。３［ｋＮ］という高い荷重は、金属板８、１１を塑性変形させる。その結果、金属板８、１１は、両側の部材（即ち、パワーカード１０と絶縁板６と冷却器３）の表面に凹凸があったとしても、これらの部材に密着することができる。即ち、金属板８、１１と両側の部材との接触面積を大きくすることができる。後述するが、半導体装置２の製造工程において、金属板８、１１は、溶融され、両側の部材を溶着している。これにより、金属板８、１１と両側の部材との接触面積をより大きくすることができる。そのため、パワーカード１０から冷却器３への伝熱効率が高まる。即ち、パワーカード１０は、絶縁板６と金属板８、１１を介して、冷却器３に熱を奪われやすくなる。半導体装置２は、半導体素子（２個のトランジスタＴａ、Ｔｂと２個のダイオードＤａ、Ｄｂ）を収容したパワーカード１０と冷却器３が絶縁板６を挟んで積層されているデバイスである。また、半導体装置２は、パワーカード１０と絶縁板６が金属板８を介して密着し、絶縁板６と冷却器３が金属板１１を介して密着するようにそれらの積層方向に荷重が加えられているデバイスである。

パワーカード１０を説明する。パワーカード１０において、絶縁板６と金属板８を挟んで対向する一方の平坦面１０ａには、放熱板１６ａ、１６ｂが露出している。説明の便宜上、平坦面１０ａをパワーカード１０の正面と称する。パワーカード１０を裏面（Ｘ軸の負方向）からみた図を図２に示す。平坦面１０ａとは反対側の平坦面１０ｂには、別の放熱板１７が露出している。平坦面１０ｂには金属板８を挟んで別の絶縁板６が接しており、その絶縁板６には金属板１１を挟んで別の冷却器３が接している。パワーカード１０は、両面の夫々が金属板８を挟んで絶縁板６と接しており、各絶縁板６は金属板１１を挟んで冷却器３と接している。パワーカード１０の上面（図中Ｚ軸の正方向を向く面）からは３本の電極端子７ａ、７ｂ、７ｃが伸びており、下面（図中Ｚ軸方向の負方向を向く面）からは制御端子２９が伸びている。

ここからは、図１、図２とともに図３と図４を参照してパワーカード１０の内部構造を説明する。図３は、図１のパワーカード１０を図中の座標系のＸＹ面に平行な平面であってトランジスタＴａとＴｂを横切る平面でカットした断面図である。図４は、図１のパワーカード１０を図中の座標系のＸＺ面に平行な平面でカットした断面図であってトランジスタＴａとダイオードＤａを横切る平面でカットした断面図である。別言すれば、図４は、図３のIV−IV線に沿った断面図であり、図３は図４のIII−III線に沿った断面図である。

４個の半導体素子（トランジスタＴａ、Ｔｂ、ダイオードＤａ、Ｄｂ）は、樹脂製の筐体１３に封止されている。筐体１３は、射出成形により半導体素子を封止する。いずれの半導体素子も平坦なチップであり、その平坦面が筐体１３の平坦面（パワーカード１０の平坦面１０ａ、１０ｂ）と平行になるように配置されている。なお、以下では、パワーカード１０の平坦面１０ａ、１０ｂを筐体１３の平坦面１０ａ、１０ｂと称する場合がある。

トランジスタＴａ（Ｔｂ）のチップの一方の平坦面にはコレクタ電極が露出しており、他方の平坦面にはエミッタ電極が露出している。トランジスタＴａ（Ｔｂ）のゲートは、チップの一方の平坦面の端に設けられている。トランジスタＴａの一方の平坦面の電極はハンダ１５により放熱板１６ａの裏面に接合している。放熱板１６ａのおもて面は、筐体１３の表面に露出している。トランジスタＴａの他方の平坦面の電極は、ハンダ１５と導電部材（スペーサ１４）を介して放熱板１７の裏面に接合している。放熱板１７のおもて面は、筐体１３の表面に露出している。トランジスタＴａの他方の平坦面の端にはゲートが位置しており、そのゲートはワイヤを介して制御端子２９に接続されている。図４では、ワイヤは破線で描いてある。トランジスタＴｂも同様の構造を有している。

図４によく示されているように、放熱板１６ａは、電極端子７ａの一部である。筐体内部で放熱板１６ａの側縁から延設部が伸びており、その延設部は筐体１３の内部を通り、筐体１３の上面（図中の座標系のＺ軸正方向を向く面）から外部へ伸びている。即ち、トランジスタＴａの電極を外部の他のデバイスと接続するための電極端子７ａにおいて、筐体１３の平坦面１０ａに露出している部位が放熱板１６ａに相当する。電極端子７ａはトランジスタＴａの電極と接しているので、トランジスタＴａの内部の熱を伝えやすい。その電極端子７ａの一部が放熱板１６ａとして筐体１３から露出しているので、放熱板１６ａにはトランジスタＴａの内部の熱がよく伝わる。一方、冷却器３はアルミニウム（導電性の金属）で作られているので、放熱板１６ａと絶縁する必要がある。それゆえ、半導体装置２は、冷却器３と放熱板１６ａ（パワーカード１０）との間に絶縁板６を挟んでいる。絶縁板６は、薄くて絶縁性が高く、伝熱性も良いセラミックスで作られている。放熱板１６ａ（電極端子７ａ）は、導電性と伝熱性に優れた銅で作られている。スペーサ１４も、導電性と伝熱性に優れた銅で作られている。

ダイオードＤａ、Ｄｂも平坦なチップであり、一方の平坦面にアノード電極が露出しており、他方の平坦面にカソード電極が露出している。ダイオードＤａの一方の平坦面に露出している電極も、トランジスタＴａと同様に、ハンダ１５を介して放熱板１６ａの裏面に接続している。トランジスタＴａの他方の面の電極はハンダ１５とスペーサ１４を介して放熱板１７の裏面（筐体１３に対向する面）に接続している。ダイオードＤａの他方の面の電極も、ハンダ１５とスペーサ１４を介して放熱板１７の裏面に接続している。即ち、トランジスタＴａとダイオードＤａは、放熱板１６ａ（即ち電極端子７ａ）と放熱板１７の間で並列（逆並列）に接続されている。放熱板１７も、放熱板１６ａと同様に電極端子７ｃの一部である。

トランジスタＴｂとダイオードＤｂの組も、トランジスタＴａとダイオードＤａの組と同様の構造を有している。トランジスタＴａとダイオードＤｂの一方の面の電極はハンダ１５を介して放熱板１６ｂの裏面に接続されており、他方の面の電極はハンダ１５とスペーサ１４を介して放熱板１７の裏面に接続している。トランジスタＴｂとダイオードＤｂも、筐体１３の内部で並列（逆並列）に接続されている。放熱板１６ｂも、放熱板１６ａと同様に、電極端子７ｂの一部である。

第１実施例の半導体装置２では、金属板８が、パワーカード１０と絶縁板６との間に位置し、パワーカード１０及び絶縁板６に溶着している。また、金属板１１が、絶縁板６と冷却器３との間に位置し、絶縁板６及び冷却器３に溶着している。金属板８、１１に代えて、金属よりも流動性が高い接着剤を利用する構成（以下では、比較の構成と呼ぶ）を採用することが考えられる。しかしながら、比較の構成では、接着剤の経時劣化により、接着強度が低下する可能性がある。また、各部材を固定する際の接着剤の厚さを目的の厚さに調節することが困難であるため、個々の半導体装置２について、積層体の寸法にばらつきが生じる可能性もある。また、比較の構成において、特に接着剤としてグリスを利用した場合では、ポンピングやブリードアウトと呼ばれる現象等により各部材の間からグリスが垂れ落ちることが起こり得る。

一方において、第１実施例の構成によると、比較の構成において生じる上記の各問題を解消し得る。即ち、金属板８、１１は、接着剤よりも経時劣化しにくいため、部材間の接合性を高めることができる。また、金属板８、１１は、接着剤よりも流動性が低く、その厚さを調節しやすいため、接合層の厚みに起因する積層体の寸法公差を小さくすることができる。

（第２実施例）第２実施例の半導体装置２を説明する。第２実施例の半導体装置２は、金属板の態様が第１実施例とは異なるだけである。それゆえ、半導体装置２全体の説明は省略する。図５に、図１の座標系におけるＸＹ平面でカットした第２実施例の半導体装置２の断面図を示す。

第２実施例の半導体装置２では、パワーカード１０と絶縁板６の間、及び絶縁板６と冷却器３の間には、夫々、金属板１０８、１１１が挟まれている。金属板１０８では、金属部材１０８ａが金属部材１０８ｂでメッキ処理されている。金属板１１１では、金属部材１１１ａが金属部材１１１ｂでメッキ処理されている。金属部材１０８ａ、１１１ａは、例えば、銅が利用される。金属部材１０８ｂ、１１１ｂとして利用される金属は、金属板８、１１と同様である。第２実施例でも、第１実施例と同様の効果を奏することができる。

（第３実施例）第３実施例は、第１実施例の半導体装置２の製造方法に関する。製造方法は、積層工程、加圧工程、及び、溶着工程を備える。

図６〜９を参照して積層工程を説明する。図６では、平坦面１０ａ、１０ｂの四隅に仮止め用の接着部材１８を塗布した後に、パワーカード１０に金属板８を接着する。図７では、パワーカード１０に接着している金属板８の平坦面とは反対側の平坦面の四隅に仮止め用の接着部材１９を塗布した後に、金属板８に絶縁板６を接着する。図８では、金属板８に接着している絶縁板６の平坦面とは反対側の平坦面の四隅に仮止め用の接着部材２０を塗布した後に、絶縁板６に金属板１１を接着する。これにより、パワーカード１０と、絶縁板６と、金属板８、１１と、が積層される。図９では、連結パイプ５ａ、５ｂで連結されている複数個の冷却器３を準備し、隣り合う２個の冷却器３の間に、図８で作製された積層体を挿入する。これにより、パワーカード１０と、絶縁板６と、金属板８、１１と、冷却器３と、が積層される。

続いて、図１０を参照して加圧工程を説明する。図９で作製された積層体をケース３１に収容し、積層方向の一端側に板バネ３２を挿入する。その板バネ３２により、パワーカード１０と絶縁板６と冷却器３と金属板８、１１の積層体には、積層方向の両側から荷重が加えられる。第１実施例で説明したように、金属板８、１１は、塑性変形し、両側の部材に密着する。

続いて、図１０を参照して溶着工程を説明する。まず、冷媒供給管４ａから高温流体を流入させる。高温流体は、例えば、金属板８、１１が融点よりも高い温度（例えば２２０〜２４０度）の温風である。流入した高温流体は、連結パイプ５ａを介して、各冷却器３に流れる。これにより、冷却器３の間に位置する金属板８、１１は溶融する。各冷却器３を通過した高温流体は、連結パイプ５ｂを介して、冷媒排出管４ｂから流出する。金属板８、１１が溶融した後に、金属板８、１１を冷却する。金属板８、１１は、冷媒供給管４ａから冷媒を流入させることによって冷却されてもよいし、放冷されてもよい。これにより、金属板８、１１は、両側の部材を溶着する。以上の工程によって半導体装置２を製造することができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図では、理解を助けるため、金属板の層の厚み、放熱板の厚みなどを強調して描いることに留意されたい。

実施例では、パワーカード１０と絶縁板６の間、及び、絶縁板６と冷却器３の間には、夫々、金属板８、１１が挟まれている。変形例では、２個の金属板８と２個の金属板１１のうち、少なくとも１個の金属板が挟まれていればよく、その他の金属板に代えて、グリス等の接着部材が挟まれていてもよい。

実施例では、金属板８、１１を両側の部材に溶着しているが、変形例では、溶着していなくてもよい。即ち、半導体装置２の製造方法において、溶着工程を省略してもよい。本変形例でも、実施例ほどではないが、金属板８、１１が両側の部材に密着しているため、半導体装置２が備える部材間の接合性を高めるとともに接合層の厚みに起因する寸法公差を小さくすることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、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合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合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し得るものであり、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。

２：半導体装置
３：冷却器
４ａ：冷媒供給管
４ｂ：冷媒排出管
５ａ、５ｂ：連結パイプ
６：絶縁板
７ａ：電極端子
７ｂ：電極端子
７ｃ：電極端子
８、１１、１０８、１１１：金属板
１０：パワーカード
１０ａ、１０ｂ：平坦面
１３：筐体
１４：スペーサ
１５：ハンダ
１６ａ、１６ｂ、１７：放熱板
１８、１９、２０：接着部材
２９：制御端子
３１：ケース
３２：板バネ
１０８ａ、１０８ｂ、１１１ａ、１１１ｂ：金属部材
Ｄａ、Ｄｂ：ダイオード（半導体素子）
Ｔａ、Ｔｂ：トランジスタ（半導体素子）

Claims (1)

1. 半導体素子を封止したパワーカードと冷却器が絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置であって、
   前記パワーカードと前記絶縁部材との間に位置するとともに前記パワーカード及び前記絶縁部材に溶着している第１の金属部材、及び、前記絶縁部材と前記冷却器との間に位置するとともに前記絶縁部材及び前記冷却器に溶着している第２の金属部材のうちの少なくとも一方の金属部材を備える半導体装置。