JP2017041565A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導電性基板の反りを抑制しつつ、半導体素子の発熱を低減可能な半導体装置を提供すること。【解決手段】導電性基板１の表面の主面１１に接合された第１絶縁基板２、および、導電性基板１の主面とは反対側に位置する反対主面１２に接合された第２絶縁基板３と、第１絶縁基板２に周囲を囲まれ、導電性基板１の主面１１に接合された半導体素子４と、を備えることを特徴とする半導体層とした。半導体素子４は、導電性基板１の主面１１に直接実装しているため、第１絶縁基板２上に実装した場合と比較して、半導体素子４の抜熱効果を確保して、半導体素子４の発熱を低減することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。

半導体素子を用いた半導体装置では、半導体装置の冷却や放熱を行うヒートシンクを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この従来技術は、半導体装置の冷却に加え、導電性基板に反りや割れが生じるのを抑制することを目的する。

そこで、この従来技術は、導電性基板を中間層とし、その両面に第１絶縁基板と第２絶縁基板を有し、第１絶縁基板は導電性基板と接しない面側に電極層を有している。
さらに、電極層は、第１絶縁基板に形成した貫通孔を介して導電性基板に接続され、電極層上に半導体素子が実装されている。
従来技術では、このように、 中間層である導電性基板の両面に第１、第２絶縁基板を設けたため、両面の熱収縮性を略均等とし、導電性基板の反りや割れを低減できる。

特開２０１４−１６５２４０号公報

しかしながら、上述の従来の半導体装置では、半導体素子は第１絶縁基板の電極層上に配置されているため、半導体素子直下の第１絶縁基板によって導電性基板による抜熱効果が阻害され、半導体素子の発熱の抑制効果が十分に得られないという問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、導電性基板の反りを抑制しつつ、半導体素子の発熱を低減可能な半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置は、導電性基板の表面の第１面に接合された第１絶縁基板、および、前記導電性基板の前記第１面の反対側に位置する第２面に接合された第２絶縁基板を備える。
さらに、本発明の半導体装置は、前記第１絶縁基板に周囲を囲まれ、前記導電性基板の前記第１面に接合された半導体素子を備えることを特徴とする。

本発明の半導体装置にあっては、導電性基板において第１面と第２面との表裏両面に第１絶縁基板、第２絶縁基板を接合したため、導電性基板の第１面と第２面との熱膨張差を抑え、反りや割れの発生を抑制できる。
しかも、半導体素子を、導電性基板に直接実装したため、半導体素子と導電性基板との間に絶縁基板を介在させた場合と比較して、半導体素子の熱が導電性基板に伝達されやすく、発熱抑制効果を高めることができる。

実施の形態１の半導体装置を示す断面図であって、図２のＳ１−Ｓ１線の位置の断面を示している。 実施の形態１の半導体装置を示す平面図である。 実施の形態４の半導体装置を示す断面図である。 実施の形態５の半導体装置を示す断面図である。 実施の形態６の半導体装置を示す断面図である。

以下、本発明の半導体装置を実現する最良の形態を、図面に示す実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
まず、実施の形態１の半導体装置の構成を説明する。
図１は実施の形態１の半導体装置を示す断面図であり、図２は実施の形態１の半導体装置を示す平面図である。
図１に示すように、実施の形態１の半導体装置は、導電性基板１、第１絶縁基板２、第２絶縁基板３、半導体素子４を備えている。なお、半導体装置は、例えば、インバータなどの大電流、高電圧を制御するパワーモジュールなどとして用いることができる。

導電性基板１は、銅、アルミなどの導電性を有した金属などを素材とした基板である。
第１絶縁基板２は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素などの絶縁性を有した基板であり、導電性基板１の表面のうち、最も面積が広い第１面としての主面１１に接合されている。この第１絶縁基板２と導電性基板１との接合は、例えば、はんだ付けなどの金属接合により行っているが、導電性の接着剤を用いた接合としてもよい。また、図示を省略した爪などの係合部材により第１絶縁基板２を導電性基板１に係合し、第１絶縁基板２を主面１１に単に接触してもよい。

第２絶縁基板３は、第１絶縁基板２と同材質、同面積、同厚みの絶縁性を有した基板であり、導電性基板１の主面１１とは反対側の反対主面１２に接合されている。この第２絶縁基板３と導電性基板１との接合も、第１絶縁基板２と同様の金属接合とする。

なお、第２絶縁基板３において、導電性基板１の反対主面１２と接合する面３ａとは反対側の面３ｂには、冷却部材７が接合されている。この冷却部材７は、単に空気中に放熱することにより冷却するものや、外部からその内部に液体あるいは気体の冷却媒体を導入し、熱交換後、外部に排出するように、冷却媒体を循環させるものを用いることができる。

半導体素子４は、第１絶縁基板２の開口部２１に配置されて第１絶縁基板２に周囲を囲まれ、導電性基板１の主面１１に接合されている。
すなわち、第１絶縁基板２には、この第１絶縁基板２を貫通して開口部２１が形成されている。この開口部２１は、図２に示すように、平面形状が、半導体素子４よりも僅かに大きな略正方形状に形成されている。

半導体素子４は、前述のように、この開口部２１に、開口部２１の内周との間に僅かな隙間を介在させて配置され、導電性基板１の主面１１に接合されている。また、半導体素子４と導電性基板１との接合も、はんだ付けなどの金属接合により行っている。なお、図において、半導体素子４として、１個のみ示しているが、複数設けてもよい。

次に、半導体素子４および第１絶縁基板２の線膨張係数と厚さとについて説明する。
すなわち、本実施の形態１では、導電性基板１の主面１１の熱膨張が全体的に略均一となるとともに、反対主面１２の熱膨張と略等しくなるようにしている。
このため、第１絶縁基板２と第２絶縁基板３とは、同材質、同厚寸法に形成している。
さらに、半導体素子４の厚さは、その線膨脹係数に応じ、第１絶縁基板２の線膨脹係数と比較して線膨張係数が大きい方の厚さが、線膨張係数の小さい方の厚さよりも薄くなるよう設定する。
具体的には、半導体素子４の線膨張係数が第１絶縁基板２の線膨張係数より大きい場合は、半導体素子４の厚さを第１絶縁基板２の厚さよりも薄く形成する。
一方、半導体素子４の線膨張係数が第１絶縁基板２の線膨張係数より小さい場合は、半導体素子４の厚さを、第１絶縁基板２の厚さよりも厚く形成する。

ここで、本実施の形態１では、半導体素子４の線膨張係数が、第１絶縁基板２の線膨張係数（例えば、３〜５程度の炭化ケイ素や窒化アルミニウムやムライトなど）よりも、小さな素材（例えば、２〜３程度のケイ素など）を用いているものとする。このため、半導体素子４の厚さを第１絶縁基板２の厚さよりも僅かに厚く形成している。

また、本実施の形態１では、半導体素子４として、いわゆる縦型のものを用いている。このため、半導体素子４は、導電性基板１と接合する面４１と、導電性基板１とを電気的に接続している。また、半導体素子４において、導電性基板１と接合する面４１とは反対側の面４２を、第１絶縁基板２の電極面５にボンディングワイヤ６を介して接続している。

このボンディングワイヤ６による接続方向は、導電性基板１において半導体素子４に流れる電流の向き（矢印Ｉａ）と、半導体素子４から電極面５に流れる電流の向き（矢印Ｉｂ）とが、逆方向となるように接続している。

すなわち、導電性基板１では、側面１３に、電力供給用の外部接続用端子（図示省略）が設けられ、この図示を省略した外部接続用端子から半導体素子４へ矢印Ｉａの向きで電力が供給される。

そこで、電極面５は、第１絶縁基板２において、導電性基板１の主面１１と接合する面２ａとは反対側の面２ｂの上において、半導体素子４に対して、側面１３側に配置している。また、電極面５は、側面１３と同じ側の端部５ａに、外部との接続端子（図示省略）を備えており、半導体素子４において、図１において上側に位置する面４２の側面１３側と、電極面５の半導体素子４側とをボンディングワイヤ６により接続している。したがって、半導体素子４から電極面５への電流の流れが矢印Ｉｂの向きとなる。

（実施の形態１の作用）
次に、実施の形態１の作用を説明する。
導電性基板１の主面１１および反対主面１２には、同材質の第１絶縁基板２および第２絶縁基板３が接合されている。
このため、両面１１，１２の一方のみに絶縁基板を設けたものと比較して、導電性基板１の主面１１と反対主面１２との熱膨張差が小さく抑えられる。

これにより、半導体装置の駆動による発熱時の導電性基板１の反りや割れの発生を抑制することができる。
しかも、半導体素子４は、導電性基板１の主面１１に直接実装されているため、第１絶縁基板２上に実装した場合と比較して、導電性基板１への熱伝達による抜熱効果を確保して、半導体素子４の発熱を抑えることができる。

また、半導体素子４を導電性基板１の主面１１に直接実装するのにあたり、第１絶縁基板２に開口部２１を設け、この開口部２１の内周により半導体素子４の外周を囲んで、両者の間隔を狭く抑えている。
このため、半導体素子４を導電性基板１の主面１１に直接実装していても、主面１１における熱膨張係数の変動を抑えることができる。これにより、半導体素子４を実装するとともに第１絶縁基板２を接合した主面１１と、第２絶縁基板３の全面を接合した反対主面１２との熱膨張差を抑えて、導電性基板１の反りや割れの発生を抑えることができる。

加えて、本実施の形態１では、半導体素子４と第１絶縁基板２とで、線膨張係数が低い半導体素子４の厚さを、相対的に線膨張係数の高い第１絶縁基板２の厚さよりもよりも厚く形成した。
このため、半導体素子４と第１絶縁基板２とで、主面１１に作用する力の均一化を図り、半導体素子４と第１絶縁基板２とを同厚寸法に形成したものと比較して、主面１１と反対主面１２との熱膨張差を、一層抑えることができる。

さらに、半導体素子４への通電時には、導電性基板１の側面１３から半導体素子４へ向かって矢印Ｉａの向きで電流が流れる。そして、半導体素子４から電極面５の端部５ａに向かって、上記矢印Ｉａとは逆向きの矢印Ｉｂの向きに電流が流れる。

このように、導電性基板１の一端から半導体素子４へ向かって流れる電流（矢印Ｉａ）と、半導体素子４から電極面５へ向かって流れる電流（矢印Ｉｂ）とが逆向きのベクトル成分を有する。このため、半導体素子４の寄生インダクタンスを低減し、スイッチング時のサージ電圧を低減することができる。

（実施の形態１の効果）
以下に、実施の形態１の効果を列挙する。
１）実施の形態１の半導体装置は、
導電性基板１と、
この導電性基板１の表面の主面１１（第１面）に接合された第１絶縁基板２、および、導電性基板１の主面とは反対側に位置する反対主面１２（第２面）に接合された第２絶縁基板３と、
第１絶縁基板２に周囲を囲まれ、導電性基板１の主面１１に接合された半導体素子４と、
を備えることを特徴とする。
したがって、導電性基板１の両面１１，１２の一方のみに絶縁基板を設けたものと比較して、導電性基板１の主面１１と反対主面１２との熱膨張差を小さく抑え、半導体装置の使用時や試験時の導電性基板１の反りや割れの発生を抑制することができる。
しかも、半導体素子４は、導電性基板１の主面１１に直接実装しているため、第１絶縁基板２上に実装した場合と比較して、半導体素子４の抜熱効果を確保して、半導体素子４の発熱を低減することができる。
よって、導電性基板１の反りを抑制しつつ、半導体素子４の発熱を低減可能な半導体装置を提供することができる。

２）実施の形態１の半導体装置は、
第１絶縁基板２は、主面１１に接合する面２ａとは反対側の面２ｂ上に電極面５を有し、
半導体素子４と電極面５との接続方向が、導電性基板１の一端（側面１３）から半導体素子４へ向かって流れる電流の方向（矢印Ｉａ方向）に対して逆方向とされていることを特徴とする。
したがって、半導体素子４から電極面５の端部５ａに向かって流れる電流の向き（矢印Ｉｂ方向）が、導電性基板１の側面１３から半導体素子４へ向かって流れる電流の向き（矢印Ｉａ方向）と逆方向となる。
よって、導電性基板１の半導体素子４への電流と、半導体素子４から電極面５への電流とのベクトル成分とが逆向きとなり、半導体素子４の寄生インダクタンスを低減し、スイッチング時のサージ電圧を低減することができる。

３）実施の形態１の半導体装置は、
第１絶縁基板２と第２絶縁基板３とは、同材質により同厚寸法に形成され、
半導体素子４の厚さは、その線膨脹係数に応じ、第１絶縁基板２の線膨脹係数と比較して線膨張係数が大きい方の厚さが、線膨張係数の小さい方の厚さよりも薄くなるように設定されていることを特徴とする。
具体的には、半導体素子４は、その線膨張係数が第１絶縁基板２の線膨張係数より小さく、その厚さを、第１絶縁基板２の厚さよりも厚く形成した。
したがって、半導体装置の駆動による発熱時に、半導体素子４と第１絶縁基板２とを同厚寸法に形成したものと比較して、半導体素子４と第１絶縁基板２とから導電性基板１に作用する力の均等化を図ることができる。
これにより、主面１１に接触する第１絶縁基板２と半導体素子４との熱膨張の均一化を図り、上記１）の主面１１と反対主面１２との熱膨張差をさらに抑え、導電性基板１の反りや割れの発生を、よりいっそう抑制できる。

（他の実施の形態）
次に、他の実施の形態の半導体装置について説明する。
なお、他の実施の形態は、実施の形態１の変形例であるため、実施の形態１と共通する構成には実施の形態１と同じ符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点のみ説明する。

（実施の形態２）
この実施の形態２は、実施の形態１の変形例であり、半導体素子４の線膨張係数が、第１絶縁基板２の線膨張係数よりも大きい場合に、半導体素子４の厚さ寸法を第１絶縁基板２の厚さ寸法よりも薄く形成した例である。
例えば、第１絶縁基板２として、線膨脹係数が2〜4の範囲内の窒化ケイ素や炭化ケイ素を用い、半導体素子４として、線膨脹係数が4〜6の範囲内の、炭化ケイ素や窒化ガリウムなどを用いることができる。
なお、全体構造は、実施の形態１と同様であるので、図示は省略する。

したがって、実施の形態２の半導体装置は、上記１）２）の効果に加え、下記2-1）の効果を奏する。
2-1）実施の形態２の半導体装置は、
第１絶縁基板２と第２絶縁基板３とは、同材質により同厚寸法に形成され、
半導体素子４は、その線膨張係数が第１絶縁基板２の線膨張係数より大きいとともに、その厚さが、第１絶縁基板２の厚さよりも薄く形成されていることを特徴とする。
したがって、半導体装置の駆動による発熱時に、半導体素子４と第１絶縁基板２とから主面１１に作用する力の差を抑えて均一化を図ることができる。
これにより、主面１１に接触する第１絶縁基板２と半導体素子４との熱膨張の均一化を図り、上記１）の主面１１と反対主面１２との熱膨張差をさらに抑え、導電性基板１の反りや割れの発生を、よりいっそう抑制できる。

（実施の形態３）
この実施の形態３は、実施の形態１の変形例であり、第２絶縁基板３の線膨張係数を、第１絶縁基板２の線膨張係数以上、かつ、半導体素子４の線膨張係数以下に形成した例である。例えば、第１絶縁基板２を窒化ケイ素系（例えば、線膨張率2.8程度）により形成し、第２絶縁基板３を炭化ケイ素系（例えば、線膨張係数3.7程度）により形成し、半導体素子４を窒化ガリウム（例えば、線膨張係数4.5〜6.02程度）により形成することができる。なお、構成としては、実施の形態１と同様であるので、図示は省略する。

したがって、実施の形態３の半導体装置は、上記１）２）の効果に加え、下記3-1）の効果を奏する。
3-1）実施の形態３の半導体装置は、
第２絶縁基板３の線膨張係数は、第１絶縁基板２の線膨張係数以上、かつ、半導体素子４の線膨張係数以下であることを特徴とする。
したがって、第１絶縁基板２と第２絶縁基板３と半導体素子４とで、線膨張係数が異なる場合に、第２絶縁基板３の線膨張係数は、第１絶縁基板２の線膨張係数以上、かつ、半導体素子４の線膨張係数以下とする。これにより、主面１１と反対主面１２との熱膨張差を抑えることができ、設計自由度を高めることができる。

（実施の形態４）
実施の形態４は、実施の形態１の変形例である。
図３は実施の形態４の半導体装置を示す断面図であって、実施の形態４では、第２絶縁基板４０３において、第１絶縁基板２の開口部２１と対向する位置に、開口部４０３ａを設けた。

すなわち、第１絶縁基板２では、開口部２１と半導体素子４との間に、僅かではあるが隙間を有しており、その分、主面１１と反対主面１２との間に熱膨張差が生じる場合がある。
そこで、第２絶縁基板４０３では、開口部２１と半導体素子４との間の隙間に相当する開口部４０３ａを形成し、第１絶縁基板２および半導体素子４が接合される主面１１と、第２絶縁基板４０３が接合される反対主面１２との熱膨張差を、より小さくした。
これにより、半導体装置の使用時や試験時の導電性基板１の反りや割れの発生を、さらに抑制することができる。

実施の形態４の半導体装置は、上記１）〜３）の効果に加え、下記4-1）の効果を奏する。
4-1）実施の形態４の半導体装置は、
第２絶縁基板４０３に、第２絶縁基板４０３を貫通する開口部４０３ａを有することを特徴とする。
したがって、第１絶縁基板２および半導体素子４が接合される主面１１と、第２絶縁基板３が接合される反対主面１２との熱膨張差を、より小さくし、半導体装置の使用時や試験時の導電性基板１の反りや割れの発生を、さらに抑制することができる。

（実施の形態５）
実施の形態５は実施の形態１の変形例であり、図４に示すように、半導体素子５０４において、主面１１と接合した面５４１とは反対側の面５４２を、板状の導電性部材５０５に接続した例である。
なお、この半導体素子５０４の面５４２と導電性部材５０５との接続は、実施の形態１と同様にはんだ付けなどの金属接続により行う。

この実施の形態５では、半導体素子４の抜熱経路として、導電性基板１への経路に加え、導電性部材５０５を介して半導体素子４から第１絶縁基板２への経路が形成されるため、半導体素子４の熱性能をさらに向上できる。

したがって、実施の形態５の半導体装置は、上記１）〜３）の効果に加え、下記の5-1）の効果を奏する。
5-1）実施の形態５の半導体装置は、
第１絶縁基板２の導電性基板１と接合する面２ａとは反対側の面２ｂと、半導体素子５０４の導電性基板１と接合する面５４１とは反対側の面５４２と、を接合する板状の導電性部材５０５を有することを特徴とする。
したがって、半導体素子４の抜熱経路として、導電性部材５０５を介して半導体素子４から第１絶縁基板２への経路が追加形成されるため、半導体素子４の熱性能をさらに向上できる。

（実施の形態６）
実施の形態６は実施の形態５の変形例であって、図５に示す半導体素子６０４として、導電性基板１と接合する面に端子を有さない横型素子を用いた例である。

すなわち、図５に示す半導体素子６０４は、導電性基板１と接合する面６４１とは反対側の面６４２に、２つの端子（図示省略）を有している。そして、それぞれの端子を、導電性部材６５１，６５２と接合している。
したがって、横型の半導体素子６０４を用いた実施の形態６にあっても、上記１）〜３）および5-1）の効果を奏する。

以上、本発明の半導体装置を実施の形態に基づき説明してきたが、具体的な構成については、この実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

例えば、実施の形態において、導電性基板と、第１、第２絶縁基板および半導体素子と、の接合は、はんだによる接合としたが、両者は互いに接していれば、その接合は、はんだ付けに限定されない。
また、半導体素子が第１絶縁基板に周囲を囲まれた構造として、第１絶縁基板に、第１絶縁基板を貫通する開口部を形成し、半導体素子を開口部に設置した例を示したが、これに限定されない。例えば、第１絶縁基板に、導電性基板側に開口を有した凹部を形成し、この凹部内に配置して、半導体素子が第１絶縁基板に周囲を囲まれた構造としてもよい。
また、図４、図５では、冷却部材７を示していないが、実施の形態１と同様に冷却部材７を設けてもよい。

１ 導電性基板
２ 第１絶縁基板
２ａ （主面１１と接合する）面
２ｂ （面２ａとは反対側の）面
３ 第２絶縁基板
３ａ （主面１１と接合する）面
３ｂ （面３ａとは反対側の）面
４ 半導体素子
５ 電極面
１１ 主面（第１面）
１２ 反対主面（第２面）
２１ 開口部
４１ （主面１１と接合する）面
４２ （面４１とは反対側の）面
４０３ 第２絶縁基板
４０３ａ 開口部
５０４ 半導体素子
５０５ 導電性部材
６０４ 半導体素子
６５１ 導電性部材
６５２ 導電性部材

Claims (6)

1. 導電性基板と、
   この導電性基板の表面の第１面に接合された第１絶縁基板、および、前記導電性基板の前記第１面の反対側に位置する第２面に接合された第２絶縁基板と、
   前記第１絶縁基板に周囲を囲まれ、前記導電性基板の前記第１面に接合された半導体素子と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記第１絶縁基板は、前記導電性基板の前記第１面に接合する面とは反対側の面上に電極面を有し、
   前記半導体素子と前記電極面との接続方向が、前記導電性基板の一端から前記半導体素子へ供給される電流の方向に対して逆方向とされていることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、
   前記第１絶縁基板の前記導電性基板の前記第１面と接合する面とは反対側の面と、前記半導体素子の前記導電性基板と接合する面とは反対側の面と、を接合する板状の導電性部材を有することを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
   前記第１絶縁基板と前記第２絶縁基板とは、同材質により同厚寸法に形成され、
   前記半導体素子の厚さは、その線膨脹係数に応じ、前記第１絶縁基板の線膨脹係数と比較して線膨張係数が大きい方の厚さが、線膨張係数の小さい方の厚さよりも薄くなるように設定されていることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
   前記第２絶縁基板の線膨張係数は、前記第１絶縁基板の線膨張係数以上、かつ、前記半導体素子の線膨張係数以下であることを特徴とする半導体装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置において、
   前記第２絶縁基板は、前記第２絶縁基板を貫通する開口部を有することを特徴とする半導体装置。