JP2016134601A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁板が放熱板から受ける熱応力を低減させることができる半導体装置を提供する。
【解決手段】本発明の半導体装置は、半導体素子と、この半導体素子の一方主面に接合された放熱ブロックとが、樹脂部材で封止された構成である。放熱ブロックは、半導体素子側から順に、放熱板、第１の金属板、絶縁板、および第２の金属板が接合された構成を有しており、第１の金属板の線膨張係数は、放熱板の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子と、当該半導体素子が発生する熱を放出する放熱ブロックとが、樹脂部材で封止された半導体装置に関する。

例えば、特許文献１に、半導体素子と、この半導体素子で発生した熱を放熱フィンへ導く放熱ブロックとを含み、全体を樹脂部材で封止してモールドパッケージ化した半導体装置が記載されている。放熱ブロックは、半導体素子側から順に、ヒートスプレッダーとして機能する金属板（放熱板）、金属箔、絶縁板、金属箔が積層された構造である。

特許第５３６５６２７号公報

放熱板の積層方向の厚みが大きいと、放熱板の厚みが小さい場合と比べて、絶縁板が放熱板から受ける熱応力が大きくなる。よって、絶縁板の破壊（クラックなど）が生じやすくなる。このため、半導体装置の絶縁性能（絶縁信頼性）を低下させるおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、絶縁板が放熱板から受ける熱応力を低減させることができる半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、半導体素子と、この半導体素子の一方主面に接合された放熱ブロックとが、樹脂部材で封止された半導体装置であって、放熱ブロックは、半導体素子側から順に、放熱板、第１の金属板、絶縁板、および第２の金属板が接合された構成を有しており、第１の金属板の線膨張係数は、放熱板の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする。

この本発明の半導体装置によれば、半導体素子の一方主面に、半導体素子側から順に、放熱板、第１の金属板、絶縁板、および第２の金属板が接合された構成において、第１の金属板の線膨張係数を放熱板の線膨張係数よりも小さくしている。これにより、線膨張の差によって絶縁板が放熱板から受ける熱応力を低減させることができる。従って、絶縁板の破壊（クラック）などの発生を抑制でき、絶縁性能（絶縁信頼性）が向上する。

以上述べたように、本発明の半導体装置によれば、絶縁板が放熱板から受ける熱応力を低減させることができる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置の全体構造の断面を示す概略図 本実施形態に係る半導体装置の変形例を説明する図 放熱板の厚みと熱抵抗との関係を説明する図 樹脂部材の線膨張係数とはんだ応力との関係を説明する図

以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体装置の実施形態について詳細に説明する。

［概要］
本発明に係る半導体装置は、半導体素子の各主面に、半導体素子側から順に、放熱板、第１の金属板、絶縁板、および第２の金属板が接合された構成を有する。この構成において、放熱板と絶縁板とを接合する第１の金属板の線膨張係数を、放熱板の線膨張係数よりも小さい値に設定する。これにより、線膨張の差によって絶縁板が放熱板から受ける熱応力を低減させることができる。従って、絶縁板の破壊（クラック）などの発生を抑制でき、絶縁性能（絶縁信頼性）が向上する。

［半導体装置の構造］
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１の全体構造の断面を示す概略図である。本実施形態に係る半導体装置１は、半導体素子１０と、放熱ブロック１２および２２と、冷却器１４および２４とを備えている。半導体素子１０、放熱ブロック１２、および放熱ブロック２２は、例えばエポキシ樹脂などの材料からなる樹脂部材２０によって封止されて、パッケージ化されている。

半導体素子１０は、例えばパワートランジスタなどの、動作時に発熱する発熱性を持った素子である。半導体素子１０は、２つの主面を有する略平板の形状をしている。

半導体素子１０の一方主面は、はんだ層１１を介して、放熱ブロック１２と接合されている。放熱ブロック１２は、放熱板１２ａ、第１の金属板１２ｂ、絶縁板１２ｃ、および第２の金属板１２ｄが、順に積層された構成である。放熱板１２ａが、はんだ層１１を介して半導体素子１０の一方主面と接合されている。放熱板１２ａと第１の金属板１２ｂとの間、第１の金属板１２ｂと絶縁板１２ｃとの間、および絶縁板１２ｃと第２の金属板１２ｄとの間は、はんだを用いずに、ロウ材を介したロウ付けなどによって接触面がそれぞれ直接接合されている。この放熱ブロック１２は、半導体素子１０で発生した熱を冷却器１４に逃がす、いわゆるヒートスプレッダーとしての役割を有する。

半導体素子１０の他方主面は、はんだ層２１を介して、放熱ブロック２２と接合されている。放熱ブロック２２は、放熱板２２ａ、第１の金属板２２ｂ、絶縁板２２ｃ、および第２の金属板２２ｄが、順に積層された構成である。放熱板２２ａが、はんだ層２１を介して半導体素子１０の他方主面と接合されている。放熱板２２ａと第１の金属板２２ｂとの間、第１の金属板２２ｂと絶縁板２２ｃとの間、および絶縁板２２ｃと第２の金属板２２ｄとの間は、はんだを用いずに、ロウ付けなどによってそれぞれ直接接合されている。この放熱ブロック２２は、半導体素子１０で発生した熱を冷却器２４に逃がす、いわゆるヒートスプレッダーとしての役割を有する。

放熱板１２ａおよび２２ａは、例えば銅（Ｃｕ）などの熱伝導性に優れた材料で構成される放熱部材である。放熱板１２ａおよび２２ａの厚み（板積層方向の厚み）は、熱抵抗の特性を考慮して、１ｍｍ以上が好ましく、さらに５ｍｍ以下が望ましい。これは、次の理由による。

放熱ブロック１２および２２の熱抵抗は、放熱板１２ａおよび２２ａの厚みおよび面積でほぼ決まる。しかし、放熱板１２ａおよび２２ａが薄く、例えば１ｍｍ未満だと、半導体素子１０の直下から周囲へ効率的に熱が広がらない。さらに、絶縁板１２ｃおよび２２ｃの材料として、熱容量が少なく熱伝導性が良くない窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などを用いると、絶縁板１２ｃから冷却器１４までの間および絶縁板２２ｃから冷却器２４までの間において、熱を周囲に拡散できない。すなわち、放熱できる面積が少なくなってしまうため、放熱ブロック１２および２２の熱抵抗が高くなってしまう。よって、放熱板１２ａおよび２２ａが薄い場合、半導体装置１の放熱性能が低下する。一方、放熱板１２ａおよび２２ａが厚く、例えば５ｍｍを超えると、半導体素子１０から冷却器１４および２４までの距離が長くなる。よって、放熱板１２ａおよび２２ａが厚い場合も、放熱ブロック１２および２２の熱抵抗が大きくなり、半導体装置１の放熱性能が低下する。図３を参照。

第１の金属板１２ｂおよび２２ｂは、例えばモリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）などの金属材料からなる。この第１の金属板１２ｂには、放熱板１２ａの材質よりも線膨張係数が小さい材質が用いられる。同様に、第１の金属板２２ｂには、放熱板２２ａの材質よりも線膨張係数が小さい材質が用いられる。

絶縁板１２ｃおよび２２ｃは、例えば窒化アルミニウムや窒化珪素などのセラミックで構成される絶縁部材である。この絶縁板１２ｃおよび２２ｃは、半導体素子１０の熱を冷却器１４および２４に伝えると共に、半導体素子１０と冷却器１４および２４とを電気的に絶縁する役割を担う。

第２の金属板１２ｄおよび２２ｄは、例えばアルミニウム（Ａｌ）などの金属材料からなる。第２の金属板１２ｄの絶縁板１２ｃが接合されていない面には、グリース１３を介して、冷却器１４が接合されている。また、第２の金属板２２ｄの絶縁板２２ｃが接合されていない面には、グリース２３を介して、冷却器２４が接合されている。

冷却器１４および２４は、例えば銅やアルミニウムなどの熱伝導性に優れた材料で構成されるヒートシンクである。

［半導体装置の作用および効果］
本実施形態に係る半導体装置１の構成によれば、放熱板１２ａと絶縁板１２ｃとを接合する第１の金属板１２ｂの線膨張係数を、放熱板１２ａの線膨張係数よりも小さい値に設定する。例えば、放熱板１２ａに銅（Ｃｕ）が用いられていれば、銅（Ｃｕ）よりも線膨張係数が小さいモリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）を、第１の金属板１２ｂに用いる。放熱板２２ａと第１の金属板２２ｂとに関する線膨張係数の設定についても同様である。

上記構成により、線膨張の差によって絶縁板１２ｃが放熱板１２ａから受ける熱応力を低減させることができる。また、線膨張の差によって絶縁板２２ｃが放熱板２２ａから受ける熱応力を低減させることができる。従って、絶縁板１２ｃおよび２２ｃの破壊（クラック）などの発生を抑制でき、絶縁性能（絶縁信頼性）が向上する。

また、上記構成により、第１の金属板１２ｂを挟んだ放熱板１２ａおよび絶縁板１２ｃからなる構成の見かけの線膨張係数を、放熱板１２ａ単体での線膨張係数よりも小さく抑えることができる。同様に、第１の金属板２２ｂを挟んだ放熱板２２ａおよび絶縁板２２ｃからなる構成の見かけの線膨張係数を、放熱板２２ａ単体での線膨張係数よりも小さく抑えることができる。このため、樹脂封止に用いる樹脂部材２０の線膨張係数を小さくしても（例えば、ガラス移転温度以下の線膨張係数を１３ｐｐｍ／Ｋ以下）、放熱ブロック１２および２２から樹脂が剥離することを抑制できる。樹脂部材２０の線膨張係数を小さくすれば、樹脂部材２０による半導体素子１０と放熱板１２ａとを接合するはんだ層１１の拘束力、および樹脂部材２０による半導体素子１０と放熱板２２ａとを接合するはんだ層２１の拘束力も、それぞれ向上する。よって、線膨張の差によってはんだ層１１および２１が放熱板１２ａおよび２２ａから受ける熱応力を低減させることができる。図４を参照。従って、はんだ層１１および２１の破壊（クラック）などの発生を抑制できる。

さらに、上記本発明の構成では、放熱板１２ａと絶縁板１２ｃとの間を第１の金属板１２ｂで接合しているので、従来構成で挿入されていた放熱板１２ａと絶縁板１２ｃとの間のグリース層を省くことができる。また、放熱板２２ａと絶縁板２２ｃとの間を第１の金属板２２ｂで接合しているので、従来構成で挿入されていた放熱板２２ａと絶縁板２２ｃとの間のグリース層を省くことができる。これにより、半導体装置１におけるグリースのポンプアウトの発生が少なくなるので、放熱性の低下および熱抵抗の上昇を抑制することができる。

［半導体装置の製造方法］
本実施形態に係る半導体装置１は、例えば次の手順によって製造することができる。まず、放熱板１２ａ、第１の金属板１２ｂ、絶縁板１２ｃ、および第２の金属板１２ｄをそれぞれ順番にロウ付けして放熱ブロック１２を形成する。ロウ付けは、一括して行ってもよいし、数回に分けて行ってもよい。次に、放熱ブロック１２の第２の金属板１２ｄを、リードフレームに接合する。次に、放熱ブロック１２の放熱板１２ａの一方面（第１の金属板１２ｂがロウ付けされていない面）を、半導体素子１０の一方主面にはんだ層１１を介して実装する。放熱ブロック２２についても同様に実装する。次に、両主面に放熱ブロック１２および２２が実装された半導体素子１０を、樹脂部材２０によって封止する。この際、第２の金属板１２ｄの絶縁板１２ｃがロウ付けされていない面および第２の金属板２２ｄの絶縁板２２ｃがロウ付けされていない面は、それぞれパッケージの外に露出している。この樹脂封止の工程には、トランスファモールド方式を用いることができる。次に、この露出した面に、グリース１３および２３を介して、冷却器１４および２４がそれぞれ接合される。

［半導体装置の変形例］
上述した半導体装置１の変形例を、幾つか説明する。

＜変形例１＞
上記実施形態では、放熱ブロックの構成として、半導体素子１０側から順に、はんだ層を介して、放熱板（Ｃｕ）、金属板（Ｍｏ）、絶縁板、および金属板を積層した構成であるとして説明した。しかし、放熱ブロックは、この構成以外にも次の構成とすることもできる。なお、モリブデン（Ｍｏ）は、タングステン（Ｗ）に置き換えてもよい。

・素子／はんだ／金属板（Ｍｏ）／放熱板（Ｃｕ）／絶縁板／金属板
・素子／はんだ／放熱板（Ｃｕ）／金属板（Ｍｏ）／金属板（Ｃｕ）／絶縁板／金属板
・素子／はんだ／金属板（Ｍｏ）／放熱板（Ｃｕ）／金属板（Ｍｏ）／絶縁板／金属板

＜変形例２＞
図２（ａ）に、変形例２による半導体装置２の構造断面を示す。この変形例２による半導体装置２では、半導体素子１０の一方主面だけに、はんだ層１１を介して、放熱ブロック１２が接合されている。放熱ブロック１２は、放熱板１２ａ、第１の金属板１２ｂ、絶縁板１２ｃ、および第２の金属板１２ｄが、順に積層された構成である。第２の金属板１２ｄの絶縁板１２ｃが接合されていない面には、グリース１３を介して、冷却器１４が接合されている。

＜変形例３＞
図２（ｂ）に、変形例３による半導体装置３の構造断面を示す。この変形例３による半導体装置３では、半導体素子１０の一方主面だけに、はんだ層１１を介して、放熱ブロック１２が接合されている。放熱ブロック１２は、放熱板１２ａ、第１の金属板１２ｂ、絶縁板１２ｃ、および第２の金属板１２ｄが、順に積層された構成である。この第２の金属板１２ｄの絶縁板１２ｃが接合されていない面には、グリースを介さずに、冷却器１４が直接接合されている。

＜変形例４＞
図２（ｃ）に、変形例４による半導体装置４の構造断面を示す。この変形例４による半導体装置４では、半導体素子１０の一方主面に、はんだ層１１を介して放熱ブロック１２が接合され、半導体素子１０の他方主面に、はんだ層２１を介して放熱ブロック２２が接合されている。放熱ブロック１２は、放熱板１２ａ、第１の金属板１２ｂ、絶縁板１２ｃ、および第２の金属板１２ｄが、順に積層された構成である。また、放熱ブロック２２は、放熱板２２ａ、第１の金属板２２ｂ、絶縁板２２ｃ、および第２の金属板２２ｄが、順に積層された構成である。この第２の金属板１２ｄの絶縁板１２ｃが接合されていない面には、グリースを介さずに、冷却器１４が直接接合されている。また、第２の金属板２２ｄの絶縁板２２ｃが接合されていない面には、グリースを介さずに、冷却器２４が直接接合されている。

本発明は、半導体素子と、当該半導体素子が発生する熱を放出する放熱ブロックとが、樹脂部材で封止された半導体装置などに利用可能である。

１、２、３、４ 半導体装置
１０ 半導体素子
１１、２１ はんだ層
１２、２２ 放熱ブロック
１２ａ、２２ａ 放熱板
１２ｂ、２２ｂ 第１の金属板
１２ｃ、２２ｃ 絶縁板
１２ｄ、２２ｄ 第２の金属板
１３、２３ グリース
１４、２４ 冷却器
２０ 樹脂部材

Claims (1)

1. 半導体素子と、当該半導体素子の一方主面に接合された放熱ブロックとが、樹脂部材で封止された半導体装置であって、
   前記放熱ブロックは、前記半導体素子側から順に、放熱板、第１の金属板、絶縁板、および第２の金属板が接合された構成を有しており、
   前記第１の金属板の線膨張係数は、前記放熱板の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする、半導体装置。

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