JP2016225413A - 半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】スイッチング素子の非電極面からヒートスプレッダを介して効率的に放熱が行えるとともに、ヒートスプレッダのスイッチング素子への接合時にヒートスプレッダと基板との間隔を一定に保つことができるようになる、半導体装置を提供する。
【解決手段】第１〜第６のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６は、その電極面１０ａが基板２の第２の主面２ｂに対向した状態で、基板２の第２の主面２ｂに接合されている。各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の非電極面１０ｂに、対応するヒートスプレッダ３が接合されている。各ヒートスプレッダ３は、一方向に長い矩形の平面形状を有する直方体状のヒートスプレッダ本体３１と、ヒートスプレッダ本体３１の表面（上面）の両端部からそれぞれ立ち上がる一対の立上部(間隔規制部)３２，３３とからなる。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えば電動パワーステアリング装置のインバータ回路に用いられる半導体装置に関する。
電動パワーステアリング装置のインバータ回路においては、スイッチング素子が短時間で急激に発熱するおそれがある。そこで、スイッチング素子が接合された基板の裏面にヒートシンクを接合した構造とすることにより、スイッチング素子で発熱した熱をヒートシンクによって吸収するようにしている。
特開２００９−２００５２５号公報
従来においては、一方の表面にドレイン電極（またはコレクタ電極）が設けられ、他方の表面にソース電極（またはエミッタ電極）およびゲート電極（またはベース電極）が設けられた縦型半導体素子が、スイッチング素子として用いられるのが一般的である。
一方の表面にドレイン電極（またはコレクタ電極）、ソース電極（またはエミッタ電極）およびゲート電極（またはベース電極）が設けられ、他方の表面に電極が設けられていない横型半導体素子を、スイッチング素子として用いることが考えられる。横型半導体素子の一例は、ＧａＮを主材料としたスイッチング素子である。横型半導体素子をスイッチング素子として用いる場合には、一方の表面に設けられた電極の面積は、縦型半導体素子のドレイン電極（またはコレクタ電極）の面積よりも小さい。このため、横型半導体素子では、電極が設けられている一方の表面（以下、「電極面」という場合がある。）の熱抵抗は、縦型半導体素子のドレイン電極（またはコレクタ電極）が設けられている表面の熱抵抗に比べて大きくなる。そこで、横型半導体素子をスイッチング素子として用いる場合には、電極面で電気的接続を行い、電極が設けられてない他方の表面（以下、「非電極面」という場合がある。）から放熱する構造をとる必要がある。
この発明の目的は、スイッチング素子で発生した熱をスイッチング素子の非電極面からヒートスプレッダを介して効率的に放熱することができるとともに、ヒートスプレッダのスイッチング素子への接合時にヒートスプレッダと基板との間隔を一定に保つことが容易となる、半導体装置を提供することである。
請求項１記載の発明は、第１の主面（２ａ）と第２の主面（２ｂ）とを有する基板（２）と、複数の電極（１１，１２，１３）が設けられている電極面（１０ａ）と、前記電極面の反対側の表面であって、電極が設けられていない非電極面（１０ｂ）とを有し、前記電極面が前記基板の前記第２の主面に対向した状態で、前記基板に接合された横型半導体素子からなるスイッチング素子（Ｔｒ１〜Ｔｒ６）と、前記スイッチング素子の前記非電極面に接合されたヒートスプレッダ（３）とを含み、前記ヒートスプレッダは、前記基板との間隔を規定するための間隔規定部（３２，３３）を有する、半導体装置（１）である。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、むろん、この発明の範囲は当該実施形態に限定されない。以下、この項において同じ。
この構成では、スイッチング素子の非電極面にヒートスプレッダが接合されているので、スイッチング素子で発生した熱をスイッチング素子の非電極面からヒートスプレッダを介して効率的に放熱できるようになる。また、ヒートスプレッダは、基板との間隔を規定するための間隔規定部を有しているので、ヒートスプレッダのスイッチング素子への接合時に、ヒートスプレッダと基板との間隔を一定に保つことが容易となる。これにより、例えば、複数のヒートスプレッダに対して１つのヒートシンクを取り付ける場合に、これらの複数のヒートスプレッダと基板との間隔が一定となるため、ヒートシンクの取り付けが容易となる。
請求項２記載の発明は、前記ヒートスプレッダにおける前記スイッチング素子に接合されている方とは反対側の面に接合されたヒートシンクをさらに含む、請求項１に記載の半導体装置である。
請求項３記載の発明は、前記スイッチング素子は、複数のスイッチング素子を含み、前記複数のスイッチング素子毎に、前記ヒートスプレッダが設けられている、請求項１または２に記載の半導体装置である。
請求項４記載の発明は、前記ヒートスプレッダにおける前記スイッチング素子に接合されている方とは反対側の面を含む前記ヒートスプレッダの一部を除いて、前記スイッチング素子および前記ヒートスプレッダを封止する封止樹脂をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
本発明の一実施形態に係る半導体装置が適用されたパワーモジュールを示す平面図であって、基板を取り除いた状態での平面図である。 図２は、図１のII-II線に沿う拡大断面図である。 図３は、インバータ回路を示す電気回路図である。
以下、この発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置が適用されたパワーモジュールを示す平面図であって、基板を取り除いた状態での平面図を示している。図２は、図１のII-II線に沿う拡大断面図である。
このパワーモジュール１は、図３に示すような、電動パワーステアリング装置(ＥＰＳ:electric power steering）用のインバータ回路１００を実現するためのモジュールである。図３に示すインバータ回路１００は、平滑コンデンサＣと、複数のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６と、各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６に逆並列接続された複数のダイオード素子Ｄｉ１〜Ｄｉ６とを含む。平滑コンデンサＣは、電源Ｖｃの両端子間に接続されている。
複数のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６は、Ｕ相用のハイサイドの第１のスイッチング素子Ｔｒ１と、それに直列に接続されたＵ相用のローサイドの第２のスイッチング素子Ｔｒ２と、Ｖ相用のハイサイドの第３のスイッチング素子Ｔｒ３と、それに直列に接続されたＶ相用のローサイドの第４のスイッチング素子Ｔｒ４と、Ｗ相用のハイサイドの第５のスイッチング素子Ｔｒ５と、それに直列に接続されたＷ相用のローサイドの第６のスイッチング素子Ｔｒ６とを含む。この実施形態では、各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６は、ＧａＮを主材料としたＧａＮ−ＦＥＴから構成されている。第１〜第６のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６には、第１〜第６のダイオードＤｉ１〜Ｄｉ６が逆並列接続されている。
第１、第３および第５のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ３，Ｔｒ５のドレインは、電源Ｖｃの正極側端子に接続されている。第１、第３および第５のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ３，Ｔｒ５のソースは、それぞれ第２、第４および第６のスイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ４，Ｔｒ６のドレインに接続されている。第２、第４および第６のスイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ４，Ｔｒ６のソースは、電源Ｖｃの負極側端子に接続されている。
第１のスイッチング素子Ｔｒ１と第２のスイッチング素子Ｔｒ２との接続点は、電動モータ５０のＵ相ステータ巻線５１に接続されている。第３のスイッチング素子Ｔｒ３と第４のスイッチング素子Ｔｒ４との接続点は、電動モータ５０のＶ相ステータ巻線５２に接続されている。第５のスイッチング素子Ｔｒ５と第６のスイッチング素子Ｔｒ６との接続点は、電動モータ５０のＷ相ステータ巻線５３に接続されている。各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６のゲートは、モータ制御回路（図示略）に接続されている。
図１および図２を参照して、パワーモジュール１は、基板２と、複数のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６と、複数のヒートスプレッダ３と、ヒートシンク４とを含む。パワーモジュール１は、図３に示されている複数のダイオード素子Ｄｉ１〜Ｄｉ６および平滑コンデンサＣを含んでいるが、説明の便宜上、図１および図２では図示を省略している。
基板２は、この実施形態では、平面視で円形に形成されている。基板２は、セラミック基板、ガラスエポキシ基板等からなる。基板２は、第１の主面２ａ（図２の上面）と、第１の主面２ａとは反対側の第２の主面２ｂ（図２の下面）を有している。基板２の第１の主面２ａには、モータ制御回路（図示略）が実装されている。基板２の第２の主面２ｂには、インバータ回路１００を形成するための配線パターン（図示略）が形成されている。基板２の第２の主面２ｂ上に、複数のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６、複数のダイオード素子Ｄｉ１〜Ｄｉ６（図１および図２では図示略）および平滑コンデンサＣ（図１および図２では図示略）が実装されている。
各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６は、一方向に長い矩形の平面形状を有する直方体形状である。各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６は、複数の電極が設けられている電極面（図２の上面）１０ａと、電極面の反対側の表面であって、電極が設けられていない非電極面（図２の下面）１０ｂとを有している。各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の非電極面１０ｂには、金属薄膜（図示略）が形成されている。
各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の電極面１０ａには、複数のドレイン電極１１と、複数のソース電極１２と、１つのゲート電極１３とが設けられている。各ドレイン電極１１および各ソース電極１２は、平面視において、電極面１０ａの短手方向に細長い矩形状である。複数のドレイン電極１１と複数のソース電極１２とは、電極面１０ａの長手方向に等間隔をおいて交互に配置されている。ゲート電極１３は、平面視で正方形に近い矩形状であり、電極面１０ａの一端側の幅中央部に配置されている。なお、ドレイン電極１１とソース電極１２とは、互いに対向するように櫛歯状に形成されていてもよい。
第１〜第６のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６は、その電極面１０ａが基板２の第２の主面２ｂに対向した状態で、基板２の第２の主面２ｂに接合されている。具体的には、第１〜第６のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の電極１１，１２，１３の表面が、基板２の第２の主面２ｂに形成された配線パターンに、図示しない半田を介して接合されている。
第１スイッチング素子Ｔｒ１および第２スイッチング素子Ｔｒ２は、平面視において、それらの長手方向が一致するように一列状に並んで配置されている。第３スイッチング素子Ｔｒ３および第４スイッチング素子Ｔｒ４は、平面視において、それらの長手方向が一致するように一列状に並んで配置されている。第５スイッチング素子Ｔｒ５および第６スイッチング素子Ｔｒ６は、平面視において、それらの長手方向が一致するように一列状に並んで配置されている。第１および第２スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２の組、第３および第４スイッチング素子Ｔｒ３，Ｔｒ４の組ならびに第５および第６スイッチング素子Ｔｒ５，Ｔｒ６の組は、それぞれ、平面視で基板２の外周円に内接する正方形の４つの辺のうちの３つの辺に対応するような位置に配置されている。
６つのスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６に対応して、６つの金属製のヒートスプレッダ３が設けられている。各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の非電極面１０ｂに、対応するヒートスプレッダ３が接合されている。この実施形態では、ヒートスプレッダ３は、銅系材料で作られている。各ヒートスプレッダ３は、一方向に長い矩形の平面形状を有する直方体状のヒートスプレッダ本体３１と、ヒートスプレッダ本体３１の表面（上面）の両端部からそれぞれ立ち上がる一対の立上部３２，３３とからなる。ヒートスプレッダ本体３１の表面（上面）の長さおよび幅は、それぞれスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の非電極面１０ｂの長さおよび幅よりも大きい。各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の非電極面１０ｂは、対応するヒートスプレッダ３のヒートスプレッダ本体３１の表面（上面）の中央部に半田２１を介して接合されている。
各ヒートスプレッダ３の立上部３２，３３の長さ（高さ）は、スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の電極１１〜１３を含めた厚さよりも少し大きな長さに設定されている。各ヒートスプレッダ３の立上部３２，３３は、当該ヒートスプレッダ３のヒートスプレッダ本体３１と基板２の第２の主面２ｂとの間隔を一定にするための間隔規定部を構成している。各ヒートスプレッダ３の立上部３２，３３の先端は、基板２の第２の主面２ｂに当接している。基板２の第２の主面２ｂ側には、各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６および各ヒートスプレッダ３の大部分を封止する封止樹脂５が形成されている。各ヒートスプレッダ３におけるスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６に接合されている方とは反対側の面を含むヒートスプレッダ３の一部分は、封止樹脂５によって封止されておらず、封止樹脂５から外方に突出している。
複数のヒートスプレッダ３におけるスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６に接合されている方とは反対側の面に、放熱シート（熱伝導性シート）２２を介してヒートシンク４が接合されている。この実施形態では、ヒートシンク４はアルミニウム製である。
前述のパワーモジュール１は、例えば次のようにして製造される。まず、第１の主面２ａにモータ制御回路が実装されかつ第２の主面２ｂにインバータ回路１００を形成するための配線パターンが形成された基板２を用意する。次に、基板２の第２の主面２ｂに、インバータ回路１００を構成するスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６等の電気部品を接合する。次に、スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の非電極面１０ｂに半田ペースト２１を塗布した後、各ヒートスプレッダ３の立上部３２，３３の先端を基板２の第２の主面２ｂに押し当てながら、各ヒートスプレッダ３をスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の非電極面１０ｂに接合する。
この後、基板２の第２の主面２ｂ側に、各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６および各ヒートスプレッダ３の大部分を封止する封止樹脂５を形成する。最後に、複数のヒートスプレッダ３におけるスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６に接合されている方とは反対側の面に、放熱シート２２を介してヒートシンク４を接合する。
なお、基板２の第２の主面２ｂへのスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６等の電気部品の接合と、ヒートスプレッダ３のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の非電極面１０ｂへの接合とを同時に行うようにしてもよい。
前述の実施形態では、スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の非電極面１０ｂにヒートスプレッダ３が接合されており、ヒートスプレッダ３におけるスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６に接合されている方とは反対側の面にヒートシンク４が接合されている。これにより、スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６で発生した熱を、スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の非電極面１０ｂからヒートスプレッダ３を介してヒートシンク４に効率よく伝達することができる。このため、スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６で発生した熱をその非電極面１０ｂから効率よく放熱することができる。
また、各ヒートスプレッダ３は、基板２との間隔を規定するための立上部３２，３３（間隔規定部）を有しているので、各ヒートスプレッダ３のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６への接合時に、ヒートスプレッダ本体３１と基板２との間隔を一定に保つことが容易となる。これにより、各ヒートスプレッダ３と基板２との間隔を一定に保つことができるので、複数のヒートスプレッダ３へのヒートシンク４の取り付けが容易となる。
以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、ヒートスプレッダ３はスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６毎に設けられているが、複数のスイッチング素子に対して１つのヒートスプレッダが設けられもよい。つまり、複数のスイッチング素子に、１つのヒートスプレッダが接合されてもよい。言い換えれば、１つのヒートスプレッダに、複数のスイッチング素子が接合されてもよい。例えば、１つのヒートスプレッダに、２つのスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２が接合されてもよい。
また、前述の実施形態では、１つのヒートスプレッダ３に２つの間隔規定部３２，３３（立上部）が設けられているが、１つのヒートスプレッダ３に対して間隔規定部は１つのみ設けられていてもよいし、３個以上設けられていてもよい。
また、前述の実施形態では、基板２の一方の主面２ｂにインバータ回路１００が実装され、他方の主面２ａにモータ制御回路が実装されているが、モータ制御回路はインバータ回路１００が実装される基板２とは別の基板に実装されてもよい。
この発明を電動パワーステアリング装置のインバータ回路に適用した場合について説明したが、この発明は、電動パワーステアリング装置以外に用いられるインバータ回路等にも適用することができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
１…パワーモジュール、２…基板、３…ヒートスプレッダ、４…ヒートシンク、５…封止樹脂、２１…半田、２２…放熱シート、３１…ヒートスプレッダ本体、３２，３３…立上部(間隔規制部)、Ｔｒ１〜Ｔｒ６…スイッチング素子、１００…インバータ回路

Claims (4)

  1. 第１の主面と第２の主面とを有する基板と、
    複数の電極が設けられている電極面と、前記電極面の反対側の表面であって、電極が設けられていない非電極面とを有し、前記電極面が前記基板の前記第２の主面に対向した状態で、前記基板に接合された横型半導体素子からなるスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子の前記非電極面に接合されたヒートスプレッダとを含み、
    前記ヒートスプレッダは、前記基板との間隔を規定するための間隔規定部を有する、半導体装置。
  2. 前記ヒートスプレッダの前記スイッチング素子に接合されている方とは反対側の面に接合されたヒートシンクをさらに含む、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記スイッチング素子は、複数のスイッチング素子を含み、
    前記複数のスイッチング素子毎に、前記ヒートスプレッダが設けられている、請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 請前記ヒートスプレッダにおける前記スイッチング素子に接合されている方とは反対側の面を含む前記ヒートスプレッダの一部を除いて、前記スイッチング素子および前記ヒートスプレッダを封止する封止樹脂をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
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