JP2017224751A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書が開示する技術は、パワーカードと冷却器とが絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置に関し、絶縁性の確保と、半導体装置の厚み維持の両立を図る。
【解決手段】
半導体装置２は、半導体素子Ｔａ、Ｔｂを収容したパワーカード１０と冷却器３とが絶縁板６ａ、６ｂを挟んで積層されているとともに積層方向に加圧されている。パワーカード１０の表面には、半導体素子Ｔａ、Ｔｂで発生する熱を放出する導電性の放熱板１６ａ、１６ｂ、１７が露出している。絶縁板６ａ、６ｂには、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７に対向する位置に孔が形成されている。孔には、絶縁板６ａ、６ｂよりも軟らかい絶縁部材８ａ、８ｂが充填されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子を収容したパワーカードと冷却器とが絶縁部材を挟んで積層されているとともに積層方向に加圧されている半導体装置に関する。

半導体素子を収容したパワーカードと冷却器と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）。特許文献１の半導体装置では、パワーカードの表面に、半導体素子で発生する熱を放出する導電性の放熱部材が露出している。導電性の放熱部材と冷却器を絶縁するために、それらの間に絶縁部材が挟まれている。絶縁部材を介した放熱部材から冷却器への熱伝導の効率を高めるため、パワーカードと冷却器と絶縁部材の積層体は、それらの積層方向に加圧されている。

特開２００７−１６５６２０号公報

上記の半導体装置では、絶縁部材と冷却器の接触面、あるいは、絶縁部材と放熱板の接触面が理想的に平面であれば、絶縁部材の接触面全体が均等に加圧される。しかし、いずれかの部材の表面に突起が存在していると、絶縁部材は不均一に加圧され、絶縁部材が割れて絶縁性が低下する虞がある。部材表面の凹凸を吸収すべく、柔らかい材料で作られた絶縁部材を採用すると、パワーカードと絶縁部材と冷却器の積層方向に加える圧力のばらつきに応じてパワーカードと絶縁部材と冷却器の積層体（半導体装置）の厚みが変化してしまう。本明細書は、パワーカードと冷却器とが絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置に関し、絶縁性の確保と、半導体装置の厚み維持の両立を図る技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子を収容したパワーカードと冷却器とが第１の絶縁部材を挟んで積層されているとともに積層方向に加圧されている。パワーカードの表面には、半導体素子で発生する熱を放出する導電性の放熱部材が露出している。パワーカードの表面では、導電性の放熱部材が露出している位置での絶縁が重要である。第１の絶縁部材には、放熱部材に対向する位置に孔が形成されており、孔には、第１の絶縁部材よりも軟らかい第２の絶縁部材が充填されている。当該構成によると、仮に第１の絶縁部材の表面に突起が存在しており、第１の絶縁部材が割れたとしても、第２の絶縁部材は軟らかいので第１の割れの影響を受けることなく絶縁性を確保し続けることができる。一方、第１部材が仮に割れたとしても、厚み変わらないので、半導体装置（冷却器と絶縁部材とパワーカードの積層体）の厚みは保たれる。本明細書が開示する半導体装置は、パワーカードと冷却器の間の絶縁性の確保と半導体装置の厚み保持の両立が図れる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の半導体装置の斜視図である。 図１の座標系におけるＸＹ平面でカットした半導体装置の断面図である。 絶縁板の平面図である。

（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が積層されたデバイスである。より詳しくは、半導体装置２は、半導体素子（Ｔａ、Ｔｂ、Ｄａ、Ｄｂ）を収容したパワーカード１０と冷却器３とが絶縁板６ａ、６ｂを挟んで積層されているとともに積層方向に加圧されているデバイスである。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、図１では、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。１個のパワーカード１０は、２個の冷却器３に挟まれる。パワーカード１０と一方の冷却器３との間、及び、パワーカード１０と他方の冷却器３との間には、それぞれ絶縁板６ａ、６ｂが挟まれている。また、図１は、理解し易いように、１個のパワーカード１０とパワーカード１０を挟む２個の絶縁板６ａ、６ｂを半導体装置２から抜き出して描いてある。

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。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、半導体装置２の積層方向の両端には冷却器が位置している。複数の冷却器３は、連結パイプ５ａ、５ｂで連結されている。半導体装置２の積層方向の一端に位置する冷却器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、積層方向の他端側に板バネ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６ａ、６ｂと冷却器３の積層された半導体装置２には、積層方向の両側から加圧される。積層方向の加圧により、パワーカード１０と絶縁板６ａ、６ｂと冷却器３が密着し、冷却効率が高まる。パワーカード１０は、直接的には絶縁板６ａ、６ｂに熱を奪われる。

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６ａと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。平坦面１０ａとは反対側の平坦面１０ｂには、別の放熱板１７（図１では不図示）が露出している。平坦面１０ｂにはグリスを挟んで絶縁板６ｂが接している。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。

図２及び図３を参照してパワーカード１０と冷却器３とに挟まれている絶縁板６ａ、６ｂについて説明する。図２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。

先に、パワーカード１０の内部構造を説明する。４個の半導体素子（トランジスタＴａ、Ｔｂ、ダイオードＤａ、Ｄｂ）は、樹脂製のパッケージ１３に収容されている。パッケージ１３は、射出成形により形成され、半導体素子を封止する。なお、以下では、パワーカード１０の平坦面１０ａ、１０ｂをパッケージ１３の平坦面１０ａ、１０ｂと称する場合がある。

いずれの半導体素子も平坦なチップである。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の表面は、パッケージ１３の平坦面１０ａ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、導電性のスペーサ１４を介してハンダ１５により放熱板１７の裏面に接合している。放熱板１７の表面は、パッケージ１３の平坦面１０ｂに露出している。なお、トランジスタＴａ（Ｔｂ）のゲート電極は、チップの一方の平坦面の端に設けられている。また、トランジスタＴｂの各電極もトランジスタＴａと同様に、ハンダ１５とスペーサ１４を利用して放熱板１６ｂと放熱板１７に接合している。放熱板１６ａ、１６ｂ、１７（電極端子７ａ、７ｂ、７ｃ）及びスペーサ１４は、導電性と伝熱性に優れた銅で作られている。

放熱板１６ａは、電極端子７ａの一部である。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、パッケージ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。

放熱板１６ｂ、１７も夫々、放熱板１６ａと同様に、電極端子７ｂ、７ｃの一部である。また、ダイオードＤａ、Ｄｂも、トランジスタＴａ、Ｔｂと同様に、平坦なチップである。ダイオードＤａ、Ｄｂの平坦面に露出している電極は、トランジスタＴａ、Ｔｂと同様に、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７に接続している。

絶縁板６ａ、６ｂ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。なお、図では、理解を助けるため、絶縁板６ａ、６ｂの厚みを強調して描いることに留意されたい。図３を参照して絶縁板６ａについて説明する。絶縁板６ａには、放熱板１６ａ、１６ｂに対向する位置に孔が形成されている。当該孔は、放熱板１６ａと放熱板１６ｂの間のパッケージ１３の領域にも対向している。当該孔には、絶縁部材８ａが充填されている。絶縁部材８ａは、絶縁板６ａ、６ｂよりも軟らかい絶縁材料（例えば窒化ホウ素（ＢＮ）、エポキシ材等）で形成されている。なお、本明細書において、物質の硬さとは、物質の硬さを表わすいずれかの尺度（例えばブリネル硬さ、ビッカース硬さ、ロックウェル硬さ等）によって決定される値を意味している。絶縁板６ｂは、絶縁板６ａと同じ形状である。絶縁板６ｂには、放熱板１７に対向する位置に孔が形成されている。当該孔には、絶縁部材８ｂが充填されている。絶縁部材８ｂは、絶縁部材８ａと同じ材料で形成されている。

電極端子７ａはトランジスタＴａの電極と接しており、電極端子７ｂはトランジスタＴｂの電極と接しており、電極端子７ｃはトランジスタＴａ、Ｔｂの電極と接している。そのため、電極端子７ａ〜７ｃは、トランジスタの内部の熱を伝えやすい。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、１６ｂ、１７と絶縁する必要がある。それゆえ、冷却器３と放熱板１６ａ、１６ｂとの間に絶縁部材８ａが挟まれており、冷却器３と放熱板１７との間に絶縁部材８ｂが挟まれている。

本実施例の効果について説明する。従来は、硬質の均一材料で作られた絶縁板が採用されていた。その場合、絶縁板、パワーカード、冷却器のいずれかの部材の表面に突起が存在していると、絶縁板は不均一に加圧され、絶縁板が割れて絶縁性が低下する虞があった。部材表面の凹凸を吸収すべく、柔らかい材料で作られた絶縁部材を採用すると、パワーカードと絶縁板と冷却器の積層方向に加える圧力のばらつきに応じてパワーカードと絶縁部材と冷却器の積層体（半導体装置）の厚みが変化してしまう。実施例の半導体装置２では、放熱板１６ａ、１６ｂに対向する位置に孔が形成されている絶縁板６ａと、その孔に充填されている絶縁板６ａよりも柔らかい絶縁部材８ａを採用する。仮に柔らかい絶縁部材８のみであると、積層方向の圧力の変化に応じて絶縁部材８ａの厚みが変化してしまう。即ち、半導体装置２の厚み（冷却器３とパワーカード１０の積層方向の厚み）が変化してしまう。一方、実施例の半導体装置２では、絶縁板６ａは硬いので、積層方向の圧力が変化してもその厚みを保持することができる。絶縁板６ａは、半導体装置２の厚みを保持する。他方、硬い絶縁板６ａは、圧力により割れる虞がある。絶縁板が割れると絶縁性能が低下する虞がある。しかし、実施例の半導体装置２では、絶縁板６ａは、絶縁性のパッケージ１３と対向しているが、導電性の放熱板１６ａ、１６ｂに対向していない。絶縁板６ａの導電性の放熱板１６ａ、１６ｂに対向している領域には孔が設けられており、その孔には、絶縁板６ａよりも柔らかい絶縁部材８ａが充填されている。実施例の半導体装置２では、絶縁板６ａの孔に充填された絶縁部材８ａは絶縁板６ａより柔らかく、絶縁板６ａの破損の影響を受けずに、放熱板１６ａ、１６ｂと冷却器３の間の絶縁性を保持することができる。実施例の半導体装置２は、パワーカード１０と冷却器３の間の絶縁性の確保と半導体装置２の厚み保持の両立が図れる。パワーカード１０の絶縁板６ａとは反対側に配置された絶縁板６ｂと絶縁部材８ｂについても同様である。

絶縁板６ｂは、導電性の放熱板１７が露出している位置（即ち、絶縁の必要性が高い位置）に対向しているので、絶縁板６ａと同様に、絶縁の必要性が高い位置において半導体装置の絶縁を維持することができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。本実施例では、絶縁板６ａには、放熱板１６ａ、１６ｂに対向する位置に１個の孔が軽形成されている。変形例では、絶縁板６ａには、放熱板１６ａに対向する位置に１個の孔が形成され、放熱板１６ｂに対向する位置に別の１個の孔が形成されていてもよい。そして、２個の孔のそれぞれに絶縁部材８ａが充填されていてもよい。

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
６ａ、６ｂ：絶縁板
８ａ、８ｂ：絶縁部材
１０：パワーカード
１６ａ、１６ｂ、１７：放熱板

Claims (1)

1. 半導体素子を収容したパワーカードと冷却器とが第１の絶縁部材を挟んで積層されているとともに積層方向に加圧されている半導体装置であって、
   前記パワーカードの表面には、前記半導体素子で発生する熱を放出する導電性の放熱部材が露出しており、
   前記第１の絶縁部材には、前記放熱部材に対向する位置に孔が形成されており、
   前記孔には、前記第１の絶縁部材よりも軟らかい第２の絶縁部材が充填されている、半導体装置。

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