JP2019009295A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体装置において、接合材の収縮に起因する冷却板の反りを抑制することで冷却性能の低下を抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。【解決手段】半導体装置１００は、絶縁体１上に配置された回路パターン２を備える冷却板１１と、冷却板１１と対面して配置され、絶縁体１上に配置された回路パターン２を備える冷却板１２と、冷却板１１の回路パターン２と冷却板１２の回路パターン２との間に接合材により接合された半導体チップ１５と、冷却板１１および冷却板１２の外周部を保持し、かつ、冷却板１１および冷却板１２の一部と半導体チップ１５とを収容するケース１３とを備え、半導体チップ１５は、冷却板１１と冷却板１２との間の半導体チップ搭載部１１ａ，１２ａに搭載され、ケース１３における半導体チップ搭載部１１ａ，１２ａおよびその周辺に対応する部分の上下幅は、ケース１３における他の部分の上下幅より大きい。【選択図】図１
Description
本発明は、半導体チップの上面と下面の両方を冷却する両面冷却構造を有する半導体装置に関するものである。
半導体装置には、半導体チップの上面と下面の両方を冷却する両面冷却構造を有するものがある。従来の両面冷却構造を有する半導体装置では、例えば、半導体チップの上面と下面にＣｕ材からなる一対の放熱板がはんだで接合され、一対の放熱板の間に絶縁材が封止されている。
例えば特許文献１には、絶縁性薄板上に金属製放熱板を積層し、金属製放熱板上に金属製薄板を積層したものを、半導体チップの上面と下面に接合した構造を有する半導体装置が提案されている。
しかし、特許文献１に記載の半導体装置では、半導体チップを金属製薄板に接合する際に生じる接合材の収縮により、金属製薄板の半導体チップ搭載部が半導体チップ側に引き込まれる。これにより、上下の冷却板が反るため上側の金属製薄板と下側の金属製薄板との平行度が悪くなり、半導体装置の冷却性能が低下するという問題があった。
そこで、本発明は、半導体装置において、接合材の収縮に起因する冷却板の反りを抑制することで冷却性能の低下を抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体装置は、絶縁体上に配置された回路パターンを備える第１冷却板と、前記第１冷却板と対面して配置され、絶縁体上に配置された回路パターンを備える第２冷却板と、前記第１冷却板の前記回路パターンと前記第２冷却板の前記回路パターンとの間に接合材により接合された半導体チップと、前記第１冷却板および前記第２冷却板の外周部を保持し、かつ、前記第１冷却板および前記第２冷却板の一部と前記半導体チップとを収容するケースとを備え、前記半導体チップは、前記第１冷却板と前記第２冷却板との間の半導体チップ搭載部に搭載され、前記ケースにおける前記半導体チップ搭載部およびその周辺に対応する部分の上下幅は、前記ケースにおける他の部分の上下幅より大きいものである。
本発明によれば、ケースにおける半導体チップ搭載部およびその周辺に対応する部分の上下幅は、ケースにおける他の部分の上下幅より大きい。したがって、半導体チップの接合時に接合材が収縮しても冷却板が反ることを抑制できる。これにより、上側の冷却板と下側の冷却板との平行度を最適な値に維持することができるため、半導体装置の冷却性能の低下を抑制できる。
＜実施の形態＞
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態に係る半導体装置１００の断面図である。図２は、半導体装置１００が備えるケース１３の斜視図である。
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態に係る半導体装置１００の断面図である。図２は、半導体装置１００が備えるケース１３の斜視図である。
図１に示すように、半導体装置１００は、第１冷却板としての冷却板１１、第２冷却板としての冷却板１２、半導体チップ１５、およびケース１３を備えている。半導体装置１００は、例えば自動車用半導体モジュールである。
冷却板１１は、絶縁体１および回路パターン２を備えている。絶縁体１は平板状であり、例えばＳｉ3Ｎ4、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3またはＺｒＡｌ2Ｏ3により構成されている。回路パターン２は、絶縁体１の上面において周縁部より内側に配置されており、絶縁体１および回路パターン２は一体化されている。回路パターン２は、例えばＣｕなどの金属により構成されている。冷却板１１は、絶縁体１の下面から突出する複数の放熱フィン４をさらに備えている。
各冷却板１１，１２では、絶縁体１および回路パターン２は一体化されているため、絶縁体１と放熱フィン４との間にグリスを使用する必要がなくなる。グリスはポンプアウト等で熱抵抗が劣化する材料であるが、半導体装置１００では絶縁体１と放熱フィン４との間にグリスを使用しないため、長期的な熱抵抗のばらつきを抑制することが可能となる。
冷却板１２は、冷却板１１と同じ部材であり、冷却板１１を上下逆にしたものである。冷却板１２は、冷却板１１と対面した状態で冷却板１１の上側に配置されている。
半導体チップ１５は、冷却板１１の回路パターン２と冷却板１２の回路パターン２との間の半導体チップ搭載部１１ａ，１２ａに搭載されている。より具体的には、半導体チップ１５の上面は接合材により冷却板１２の回路パターン２に接合され、半導体チップ１５の下面は冷却板１１の回路パターン２に接合されている。なお、接合材は、例えばはんだである。
半導体チップ１５が冷却板１２の回路パターン２と冷却板１１の回路パターン２に接続されることで電気回路を構成している。また、半導体チップ１５で発生した熱は、回路パターン２および絶縁体１を介して放熱フィン４に伝達され、放熱フィン４から放熱される。すなわち、冷却板１１の回路パターン２の上面、および冷却板１２の回路パターン２の下面は冷却面である。
図１に示すように、半導体チップ搭載部１１ａは冷却板１１の回路パターン２の上面の中央部に位置し、半導体チップ搭載部１２ａは冷却板１２の回路パターン２の下面の中央部に位置している。なお、半導体チップ１５の個数に応じて半導体チップ搭載部１１ａ，１２ａの位置および大きさは異なる。
図１と図２に示すように、ケース１３は、前側面部１３ａ、後側面部１３ｂ、左側面部１３ｃ、および右側面部１３ｄを備えており、上下方向は開放されている。ケース１３は、冷却板１１および冷却板１２の外周部を保持し、かつ、冷却板１１および冷却板１２の一部と半導体チップ１５とを収容する。より具体的には、冷却板１１の絶縁体１の上端部は他の部分より横方向の厚みが薄くなっており、また冷却板１２の絶縁体１の下端部は他の部分より横方向の厚みが薄くなっている。これにより、冷却板１１の絶縁体１の上端部および冷却板１２の絶縁体１の下端部における外周部全体に渡って段差３が形成されている。
段差３に、ケース１３が嵌め込まれている。冷却板１１，１２の絶縁体１のうちケース１３が嵌め込まれる部分は横方向の厚みが薄くなっており、それ以外の部分は横方向の厚みが厚くなっている。ケース１３は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、またはエポキシなどの樹脂により構成されている。なお、図１では、前側面部１３ａは断面の手前側に位置し、図１の断面に表れないため点線で示されている。
ケース１３の内部、すなわち、冷却板１１および冷却板１２で囲まれた空間に、絶縁材１４が封止されている。絶縁材１４は、例えば樹脂またはゲルにより構成されている。
次に、本実施の形態の特徴であるケース１３の形状について説明する。図１と図２に示すように、ケース１３における半導体チップ搭載部１１ａ，１２ａおよびその周辺に対応する部分の上下幅は、ケース１３における他の部分の上下幅より大きい。より具体的には、ケース１３の上下幅は連続的にカーブ状に変化しており、ケース１３の前側面部１３ａの上端は、横方向中央部へ行く程上方に突出し、かつ、前側面部１３ａの下端は、横方向中央部へ行く程下方に突出している。後側面部１３ｂ、左側面部１３ｃ、および右側面部１３ｄの形状についても、前側面部１３ａの場合と同様であるため説明を省略する。
なお、ケース１３の上下幅は必ずしも連続的に変化している必要はなく、ケース１３における半導体チップ搭載部１１ａ，１２ａおよびその周辺に対応する部分のみ、上端が上方に突出し下端が下方に突出していてもよい。
また、ケース１３における半導体チップ搭載部１１ａ，１２ａおよびその周辺に対応する部分とは、ケース１３における半導体チップ搭載部１１ａ，１２ａおよびその周辺に対面する部分であり、例えば図２の仮想線で示した部分である。
従来の半導体装置では、ケースの各側面は直線状であった。そのため、半導体チップを回路パターンに接合する際に生じる接合材の収縮により、回路パターンの半導体チップ搭載部が半導体チップ側に引き込まれていた。すなわち、下側の回路パターンの半導体チップ搭載部が上方に引き込まれて上方に凸形状となり、上側の回路パターンの半導体チップ搭載部が下方に引き込まれて下方に凸形状となる。このように、上下の回路パターンが反るため上側の回路パターンと下側の回路パターンとの平行度が悪くなり、半導体装置の冷却性能が低下するという問題があった。
これに対して本実施の形態では、接合材の収縮により回路パターン２の半導体チップ搭載部１１ａ，１２ａが半導体チップ１５側に引き込まれることを抑制するために、ケース１３における半導体チップ搭載部１１ａ，１２ａおよびその周辺に対応する部分の上下幅は、ケース１３における他の部分の上下幅より大きく設計されている。これにより、ケース１３における半導体チップ搭載部１１ａ，１２ａおよびその周辺に対応する部分の剛性が向上し、接合材の収縮により回路パターン２の半導体チップ搭載部１１ａ，１２ａが半導体チップ１５側に引き込まれることを抑制できる。
このようにすることで、上下の冷却面の平行度を保証した上で、絶縁材１４を冷却板１１および冷却板１２で囲まれた空間内に閉じ込めることが可能となる。ケース１３の外側の冷却板１１，１２の部分、特に放熱フィン４に絶縁材１４が付着することを抑制できるため、絶縁材１４が付着した箇所を切削するなどの追加工が不要となる。
以上のように、実施の形態に係る半導体装置１００では、ケース１３における半導体チップ搭載部１１ａ，１２ａおよびその周辺に対応する部分の上下幅は、ケース１３における他の部分の上下幅より大きい。したがって、半導体チップ１５の接合時に接合材が収縮しても冷却板１１，１２が反ることを抑制できる。これにより、上側の冷却板１２と下側の冷却板１１との平行度を最適な値に維持することができるため、半導体装置１００の冷却性能の低下を抑制できる。
ケース１３の上下幅は連続的に変化するため、ケース１３における半導体チップ１５が配置されない冷却板１１，１２の端部を除く部分に対応する部分の剛性を従来よりも向上させることができる。これにより、半導体チップ１５の個数が増えた場合にも対応することが可能となる。
半導体装置１００は自動車用半導体モジュールであるため、信頼性と放熱性の向上が要求される自動車用半導体装置にとって有益である。以上より、半導体装置１００の小型化、耐久性向上、および歩留り向上が可能となる。
（変形例）
次に、実施の形態の変形例について説明する。図３は、実施の形態の変形例に係る半導体装置１００Ａの断面図である。
次に、実施の形態の変形例について説明する。図３は、実施の形態の変形例に係る半導体装置１００Ａの断面図である。
図３に示すように、半導体装置１００Ａでは、ケース１３は開口部１６，１７をさらに備えている。開口部１６は、ケース１３内に絶縁材１４を注入するための第１開口部であり、左側面部１３ｃに設けられている。開口部１７は、絶縁材１４の注入時にエア抜きをするための第２開口部であり、右側面部１３ｄに設けられている。開口部１７は、開口部１６に対向する位置であり、かつ、開口部１６より上方に設けられているため、絶縁材１４の注入時にケース１３内のエアと一緒に絶縁材１４がケース１３の外部に流出することを抑制できる。また、ケース１３内に絶縁材１４が封止されるため、ケース１３の外部にある放熱フィン４に絶縁材１４が付着することを抑制できる。
なお、開口部１６および開口部１７は互いに対向する位置にあればよく、この関係を満たすのであれば、前側面部１３ａ、後側面部１３ｂ、左側面部１３ｃ、および右側面部１３ｄのいずれに設けられていてもよい。
以上のように、実施の形態の変形例に係る半導体装置１００Ａでは、ケース１３は、ケース１３内に絶縁材１４を注入するための開口部１６と、絶縁材１４の注入時にエア抜きをするための開口部１７とを備えたため、注入用の開口部１６およびエア抜き用の開口部１７の両方をケース１３に設けることができる。これにより、部品点数を削減し、半導体装置１００Ａの組立性を向上させることができる。開口部１７は、開口部１６に対向する位置であり、かつ、開口部１６より上方に設けられたため、絶縁材１４の注入時にケース１３内のエアと一緒に絶縁材１４がケース１３の外部に流出することを抑制できる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ 絶縁体、２ 回路パターン、１１ 冷却板、１１ａ 半導体チップ搭載部、１２ 冷却板、１２ａ 半導体チップ搭載部、１３ ケース、１５ 半導体チップ、１６ 開口部、１７ 開口部、１００ 半導体装置、１００Ａ 半導体装置。
Claims (4)
- 絶縁体上に配置された回路パターンを備える第１冷却板と、
前記第１冷却板と対面して配置され、絶縁体上に配置された回路パターンを備える第２冷却板と、
前記第１冷却板の前記回路パターンと前記第２冷却板の前記回路パターンとの間に接合材により接合された半導体チップと、
前記第１冷却板および前記第２冷却板の外周部を保持し、かつ、前記第１冷却板および前記第２冷却板の一部と前記半導体チップとを収容するケースと、
を備え、
前記半導体チップは、前記第１冷却板と前記第２冷却板との間の半導体チップ搭載部に搭載され、
前記ケースにおける前記半導体チップ搭載部およびその周辺に対応する部分の上下幅は、前記ケースにおける他の部分の上下幅より大きい、半導体装置。 - 前記ケースの上下幅は連続的に変化する、請求項１記載の半導体装置。
- 前記ケースは、前記ケース内に絶縁材を注入するための第１開口部と、前記絶縁材の注入時にエア抜きをするための第２開口部とを備え、
前記第２開口部は、前記第１開口部に対向する位置であり、かつ、前記第１開口部より上方に設けられた、請求項１記載の半導体装置。 - 前記半導体装置は自動車用半導体モジュールである、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
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