JP2019067949A - 半導体装置 - Google Patents

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semiconductor device
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真悟 土持
Shingo TSUCHIMOCHI
真悟 土持
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Abstract

【課題】複数の半導体素子を有する半導体装置において絶縁基板に生じる熱応力を低減する。【解決手段】半導体装置１０は、第１絶縁層３４の両面に金属層３６、３８がそれぞれ設けられた第１絶縁基板２６と、第１絶縁基板２６の一方側の金属層３６上に配置された第１半導体素子２０と、第２絶縁層５４の両面に金属層５６、５８がそれぞれ設けられた第２絶縁基板４６と、第２絶縁基板４６の一方側の金属層５６上に配置された第２半導体素子４０と、第１半導体素子２０及び前記第２半導体素子４０を封止する封止体１２とを備える。第１絶縁基板２６の他方側の金属層３８及び第２絶縁基板４６の他方側の金属層５８は、封止体１２の平坦な第１表面１２ｂに露出している。【選択図】図３

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。
特許文献１に、絶縁基板を用いた半導体装置が開示されている。絶縁基板は、主に電力系の回路に用いられる基板であり、例えばセラミックで構成された絶縁層の両面に、銅やアルミニウム等による金属層がそれぞれ設けられた構造を有する。特許文献１に記載の半導体装置は、絶縁基板と、絶縁基板の一方側の金属層上に実装された複数の半導体素子とを備える。
特開２０１２−１４６７６０号公報
絶縁基板では、絶縁層と金属層との間で線膨張係数が異なるので、温度変化に伴って熱応力が生じ易い。この絶縁基板に生じ得る熱応力は、絶縁基板のサイズに応じて大きくなる。従って、熱応力に起因する絶縁基板へのダメージを抑制するためには、絶縁基板のサイズを小さくすることが考えられる。しかしながら、複数の半導体素子を有する半導体装置では、半導体素子の数に応じて絶縁基板に必要とされるサイズも大きくなり、絶縁基板に生じ得る熱応力も大きくなってしまう。
上記の実情を鑑み、本明細書は、複数の半導体素子を有する半導体装置において、絶縁基板に生じる熱応力も低減し得る技術を提供する。
上記の課題を解決するために、本明細書は、半導体装置を開示する。この半導体装置は、絶縁層の両面に金属層がそれぞれ設けられた第１絶縁基板と、第１絶縁基板の一方側の金属層上に配置された第１半導体素子と、絶縁層の両面に金属層がそれぞれ設けられた第２絶縁基板と、第２絶縁基板の一方側の金属層上に配置された第２半導体素子と、第１半導体素子及び前記第２半導体素子を封止する封止体とを備える。第１絶縁基板の他方側の金属層及び第２絶縁基板の他方側の金属層は、封止体の平坦な第１表面に露出している。
従来技術では、複数の半導体素子に対して、単一の絶縁基板が採用されていた。絶縁基板であれば、絶縁層上において金属層のパターンを自由に分割することができるので、絶縁基板自体を分割する必要が生じないためである。しかしながら、本技術では複数の半導体素子に対して、複数の絶縁基板が敢えて採用されている。即ち、上記した半導体装置では、第１絶縁基板と第２絶縁基板とが設けられ、第１絶縁基板上に第１半導体素子が配置され、第２絶縁基板上に第２半導体素子が配置されている。第１絶縁基板と第２絶縁基板は、封止体の平坦な同一の表面に露出しており、このような位置関係にある第１絶縁基板と第２絶縁基板は、従来技術において単一の絶縁基板によって構成されていたものである。これに対して、本技術では複数の絶縁基板を敢えて採用し、各々の絶縁基板のサイズを小型化することによって、絶縁基板に生じる熱応力を低減する。
実施例の半導体装置１０の平面図を示す。 実施例の半導体装置１０の内部構造を示す。 図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図を示す。 図１中のＩＶ−ＩＶ線における断面図を示す。 （Ａ）、（Ｂ）の各図は、下側絶縁基板２６、４６の変形例であって、特に、金属層３６、３８の接触面積ＣＡ１、ＣＡ２に係る変形例を説明する。 （Ａ）、（Ｂ）の各図は、下側絶縁基板２６、４６の変形例であって、特に、金属層３６、３８の厚みＴＨ１、ＴＨ２に係る変形例を説明する。 冷却器７０の間に配置された半導体装置１０を示す。 （Ａ）、（Ｂ）の各図は、第１導体スペーサ２４の熱膨張に起因するはんだ層２５の歪を説明する。 実施例の半導体装置１０の一変形例であって、共通上側絶縁基板１２２を採用したものを示す。 実施例の半導体装置１０の一変形例であって、共通下側絶縁基板１２６を採用したものを示す。 （Ａ）、（Ｂ）の各図は、実施例の半導体装置１０の構造とその採用例を説明する図。 （Ａ）、（Ｂ）の各図は、他の実施形態の半導体装置２１０の構造とその採用例を説明する図。 （Ａ）、（Ｂ）の各図は、他の実施形態の半導体装置３１０の構造とその採用例を説明する図。 実施例の半導体装置１０を採用したパワーユニット４００を模式的に示す図。 パワーユニット４００に採用された第２の半導体装置４１０の構造を模式的に示す図。
本技術の一実施形態では、半導体装置が、絶縁層の両面に金属層がそれぞれ設けられた第３絶縁基板と、絶縁層の両面に金属層がそれぞれ設けられた第４絶縁基板とをさらに備えてもよい。この場合、第３絶縁基板は、第１半導体素子を挟んで第１絶縁基板と対向しているとともに、一方側の金属層が第１半導体素子へ電気的に接続されているとよい。第４絶縁基板は、第２半導体素子を挟んで第２絶縁基板と対向しているとともに、その一方の金属層が第２半導体素子へ電気的に接続されているとよい。そして、第３絶縁基板の他方側の金属層及び第４絶縁基板の他方側の金属層は、封止体の第１表面とは反対側に位置する平坦な第２表面に露出しているとよい。このような構成によると、比較的にサイズの小さい絶縁基板のみを用いて、封止体の両面に絶縁基板が露出する両面冷却構造を実現することができる。
上記した実施形態では、第１半導体素子と第３絶縁基板との間に配置された第１導体スペーサと、第２半導体素子と第４絶縁基板との間に配置された第２導体スペーサとをさらに備えてもよい。この場合、第１導体スペーサ及び第２導体スペーサの各線膨張係数は、第１絶縁基板及び第２絶縁基板の金属層の線膨張係数よりも小さく、かつ、封止体の線膨張係数よりも小さいとよい。このような構成によると、各半導体素子の近傍で生じる熱膨張のアンバランスが抑制され、熱膨張に起因する局所的な応力や歪の発生が抑制される。
上記した実施形態では、第１絶縁基板及び第２絶縁基板の金属層の材料が銅であり、第１導体スペーサ及び第２導体スペーサの材料が銅−モリブデン合金又は銅−タングステン合金であってもよい。これらの材料は、上記した線膨張係数に係る要件を満たすとともに、優れた導電性を有する。
本技術の一実施形態では、第１絶縁基板と第２絶縁基板の少なくとも一方において、一方側の金属層の厚みの方が、他方側の金属層の厚みよりも大きくてもよい。このような構成によると、半導体素子に近接する金属層の熱容量が大きくなるので、半導体素子の温度変化を緩和することができる。
本技術の一実施形態では、第１絶縁基板と第２絶縁基板の少なくとも一方において、前記他方側の金属層の厚みの方が、前記一方側の金属層の厚みよりも大きくてもよい。このような構成によると、半導体素子に近接する金属層の熱膨張が、絶縁層によって抑制されやすいので、当該金属層の熱膨張に起因する熱応力や歪を低減することができる。
本技術の一実施形態では、第１絶縁基板と第２絶縁基板の少なくとも一方において、一方側の金属層の厚みの方が、他方側の金属層の厚みと等しくてもよい。このような構成によると、絶縁層の両側に位置する金属層の熱膨張が均衡するので、絶縁層に作用する熱応力が低減される。
本技術の一実施形態では、特に限定されないが、絶縁基板がＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板であってよい。なお、ＤＢＣ基板は、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板とも称される。
図面を参照して、実施例の半導体装置１０について説明する。本実施例の半導体装置１０は、例えば電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車といった電動自動車において、コンバータやインバータといった電力変換回路に用いることができる。但し、半導体装置１０の用途は特に限定されない。半導体装置１０は、様々な装置や回路に広く採用することができる。
図１、図２、図３、図４に示すように、半導体装置１０は、第１半導体素子２０と、第２半導体素子４０と、封止体１２と、複数の外部接続端子１４、１５、１６、１８、１９を備える。第１半導体素子２０と第２半導体素子４０は、封止体１２の内部に封止されている。封止体１２は、特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂といった熱硬化性樹脂で構成されている。各々の外部接続端子１４、１５、１６、１８、１９は、封止体１２の外部から内部に亘って延びており、封止体１２の内部で第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０の少なくとも一方に電気的に接続されている。一例ではあるが、複数の外部接続端子１４、１５、１６、１８、１９には、電力用であるＰ端子１４、Ｎ端子１５及びＯ端子１６と、信号用である複数の第１信号端子１８及び複数の第２信号端子１９が含まれる。
第１半導体素子２０は、上面電極２０ａと下面電極２０ｂとを有する。上面電極２０ａは第１半導体素子２０の上面に位置しており、下面電極２０ｂは第１半導体素子２０の下面に位置している。第１半導体素子２０は、上下一対の電極２０ａ、２０ｂを有する縦型の半導体素子である。同様に、第２半導体素子４０は、上面電極４０ａと下面電極４０ｂとを有する。上面電極４０ａは第２半導体素子４０の上面に位置しており、下面電極４０ｂは第２半導体素子４０の下面に位置する。即ち、第２半導体素子４０についても、上下一対の電極４０ａ、４０ｂを有する縦型の半導体素子である。本実施例における第１半導体素子２０と第２半導体素子４０は、互いに同種の半導体素子であり、詳しくはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とダイオードとを内蔵するＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting IGBT）素子である。
但し、第１半導体素子２０と第２半導体素子４０の各々は、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子に限定されず、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）素子といった他のパワー半導体素子であってもよい。あるいは、第１半導体素子２０と第２半導体素子４０の各々は、ダイオード素子とＩＧＢＴ素子（又はＭＯＳＦＥＴ素子）といった二以上の半導体素子に置き換えられてもよい。第１半導体素子２０と第２半導体素子４０の具体的な構成は特に限定されず、各種の半導体素子を採用することができる。この場合、第１半導体素子２０と第２半導体素子４０は、互いに異種の半導体素子であってもよい。また、第１半導体素子２０と第２半導体素子４０の各々は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）といった各種の半導体材料を用いて構成されることができる。
半導体装置１０は、第１上側絶縁基板２２と第１導体スペーサ２４と第１下側絶縁基板２６とをさらに備える。第１上側絶縁基板２２は、絶縁層２８と、絶縁層２８の一方側に設けられた内側金属層３０と、絶縁層２８の他方側に設けられた外側金属層３２とを有する。内側金属層３０と外側金属層３２は、絶縁層２８によって互いに絶縁されている。第１上側絶縁基板２２の内側金属層３０は、第１導体スペーサ２４を介して、第１半導体素子２０の上面電極２０ａに電気的に接続されている。特に限定されないが、本実施例ではこの接続にはんだ付けが採用されており、第１上側絶縁基板２２と第１導体スペーサ２４との間、及び、第１導体スペーサ２４と第１半導体素子２０との間に、それぞれはんだ層２３、２５が形成されている。
一例ではあるが、本実施例における第１上側絶縁基板２２は、ＤＢＣ基板である。絶縁層２８は、例えば酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化アルミニウム等といったセラミックで構成されており、内側金属層３０と外側金属層３２とのそれぞれは、銅で構成されている。但し、第１上側絶縁基板２２はＤＢＣ基板に限定されない。絶縁層２８については、セラミックに限定されず、他の絶縁体で構成されてもよい。内側金属層３０と外側金属層３２とについては、銅に限定されず、他の金属で構成されてもよい。そして、絶縁層２８と各金属層３０、３２との間の接合構造についても、特に限定されない。また、本実施例における第１導体スペーサ２４は、銅−モリブデン合金によって構成されている。但し、第１導体スペーサ２４についても、銅−モリブデン合金に限定されず、例えば純銅又はその他の銅合金といった他の導体で構成されてもよい。
第１下側絶縁基板２６は、絶縁層３４と、絶縁層３４の一方側に設けられた内側金属層３６と、絶縁層３４の他方側に設けられた外側金属層３８とを有する。内側金属層３６と外側金属層３８は、絶縁層３４によって互いに絶縁されている。第１下側絶縁基板２６の内側金属層３６は、第１半導体素子２０の下面電極２０ｂに電気的に接続されている。特に限定されないが、本実施例ではこの接続にはんだ付けが採用されており、第１半導体素子２０と第１下側絶縁基板２６との間に、はんだ層２７が形成されている。
一例ではあるが、本実施例における第１下側絶縁基板２６は、ＤＢＣ基板である。絶縁層３４は、例えば酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化アルミニウム等といったセラミックで構成されており、内側金属層３６と外側金属層３８とのそれぞれは、銅で構成されている。但し、第１下側絶縁基板２６はＤＢＣ基板に限定されない。絶縁層３４については、セラミックに限定されず、他の絶縁体で構成されてもよい。内側金属層３６と外側金属層３８とについては、銅に限定されず、他の金属で構成されてもよい。そして、絶縁層３４と各金属層３６、３８との間の接合構造についても、特に限定されない。
第１上側絶縁基板２２の外側金属層３２は、封止体１２の平坦な上面１２ａに露出している。これにより、第１上側絶縁基板２２は、半導体装置１０の電気回路の一部を構成するだけでなく、主に第１半導体素子２０の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。同様に、第１下側絶縁基板２６の外側金属層３８は、封止体１２の下面１２ｂに露出している。これにより、第１下側絶縁基板２６についても、半導体装置１０の電気回路の一部を構成するだけでなく、主に第１半導体素子２０の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。このように、本実施例の半導体装置１０は、封止体１２の上下の両面１２ａ、１２ｂに外側金属層３２、３８が露出する両面冷却構造を有する。
半導体装置１０は、第２上側絶縁基板４２と第２導体スペーサ４４と第２下側絶縁基板４６とをさらに備える。第２上側絶縁基板４２は、絶縁層４８と、絶縁層４８の一方側に設けられた内側金属層５０と、絶縁層４８の他方側に設けられた外側金属層５２とを有する。内側金属層５０と外側金属層５２は、絶縁層４８によって互いに絶縁されている。第２上側絶縁基板４２の内側金属層５０は、第２導体スペーサ４４を介して、第２半導体素子４０の上面電極４０ａに電気的に接続されている。特に限定されないが、本実施例ではこの接続にはんだ付けが採用されており、第２上側絶縁基板４２と第２導体スペーサ４４との間、及び、第２導体スペーサ４４と第２半導体素子４０との間に、それぞれはんだ層４３、４５が形成されている。
一例ではあるが、本実施例における第２上側絶縁基板４２は、ＤＢＣ基板である。絶縁層４８は、例えば酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化アルミニウム等といったセラミックで構成されており、内側金属層５０と外側金属層５２とのそれぞれは、銅で構成されている。但し、第２上側絶縁基板４２はＤＢＣ基板に限定されない。絶縁層４８については、セラミックに限定されず、他の絶縁体で構成されてもよい。内側金属層５０と外側金属層５２とについては、銅に限定されず、他の金属で構成されてもよい。そして、絶縁層４８と各金属層５０、５２との間の接合構造についても、特に限定されない。また、本実施例における第２導体スペーサ４４は、銅−モリブデン合金によって構成されている。但し、第２導体スペーサ４４についても、銅−モリブデン合金に限定されず、例えば純銅又はその他の銅合金といった他の導体で構成されてもよい。
第２下側絶縁基板４６は、絶縁層５４と、絶縁層５４の一方側に設けられた内側金属層５６と、絶縁層５４の他方側に設けられた外側金属層５８とを有する。内側金属層５６と外側金属層５８は、絶縁層５４によって互いに絶縁されている。第２下側絶縁基板４６の内側金属層５６は、第２半導体素子４０の下面電極４０ｂに電気的に接続されている。特に限定されないが、本実施例ではこの接続にはんだ付けが採用されており、第２半導体素子４０と第１下側絶縁基板４６との間に、はんだ層４７が形成されている。
一例ではあるが、本実施例における第２下側絶縁基板４６は、ＤＢＣ基板である。絶縁層５４は、例えば酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化アルミニウム等といったセラミックで構成されており、内側金属層５６と外側金属層５８とのそれぞれは、銅で構成されている。但し、第２下側絶縁基板４６はＤＢＣ基板に限定されない。絶縁層５４については、セラミックに限定されず、他の絶縁体で構成されてもよい。内側金属層５６と外側金属層５８とについては、銅に限定されず、他の金属で構成されてもよい。そして、絶縁層５４と各金属層５６、５８との間の接合構造についても、特に限定されない。
第２上側絶縁基板４２の外側金属層５２は、封止体１２の平坦な上面１２ａに露出している。これにより、第２上側絶縁基板４２は、半導体装置１０の電気回路の一部を構成するだけでなく、主に第２半導体素子４０の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。同様に、第２下側絶縁基板４６の外側金属層５８は、封止体１２の平坦な下面１２ｂに露出している。これにより、第２下側絶縁基板４６は、半導体装置１０の電気回路の一部を構成するだけでなく、主に第２半導体素子４０の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。このように、本実施例の半導体装置１０は、第２半導体素子４０に関しても、封止体１２の上下の両面１２ａ、１２ｂに外側金属層３２、３８が露出する両面冷却構造を有する。
半導体装置１０はさらに、導体で構成された継手６０を有する。継手６０は、封止体１２の内部に位置しており、第１上側絶縁基板２２の内側金属層３０と第２下側絶縁基板４６の内側金属層５６との間を電気的に接続している。これにより、第１半導体素子２０と第２半導体素子４０は、継手６０を介して直列に接続されている。一例ではあるが、本実施例の継手６０は銅で構成されており、第１上側絶縁基板２２の内側金属層３０にはんだ層６２を介して接合されているとともに、第２下側絶縁基板４６の内側金属層５６には溶接によって接合されている。
前述したように、半導体装置１０は、外部接続端子として、Ｐ端子１４、Ｎ端子１５及びＯ端子１６を備える。本実施例におけるＰ端子１４、Ｎ端子１５及びＯ端子１６は、銅で構成されている。但し、Ｐ端子１４、Ｎ端子１５及びＯ端子１６は、銅に限定されず、他の導体で構成されてもよい。Ｐ端子１４は、封止体１２の内部において、第１下側絶縁基板２６の内側金属層３６に接合されている。Ｎ端子１５は、封止体１２の内部において、第２上側絶縁基板４２の内側金属層５０に接合されている。そして、Ｏ端子１６は、第２下側絶縁基板４６の内側金属層５６に接合されている。一例ではあるが、Ｐ端子１４及びＯ端子１６は、それぞれ第１下側絶縁基板２６の内側金属層３６及び第２下側絶縁基板４６の内側金属層５６に、溶接によって接合されている。なお、本明細書の図中に示す範囲ＷＬは、溶接による接合箇所を示す。
複数の第１信号端子１８は、ボンディングワイヤ１８ａを介して第１半導体素子２０に接続されており、複数の第２信号端子１９は、ボンディングワイヤ１９ａを介して第２半導体素子４０に接続されている。なお、第１信号端子１８及び第２信号端子１９の数や具体的な構成は特に限定されない。また、半導体装置１０は、第１信号端子１８及び第２信号端子１９を必ずしも備える必要はない。
本実施例の半導体装置１０では、第１下側絶縁基板２６と第２下側絶縁基板４６とが設けられ、第１下側絶縁基板２６上に第１半導体素子２０が配置され、第２下側絶縁基板４６上に第２半導体素子４０が配置されている。ここで、第１下側絶縁基板２６と第２下側絶縁基板４６は、封止体１２の平坦な同一の下面１２ｂに露出している。このような位置関係にある第１下側絶縁基板２６と第２下側絶縁基板４６は、従来技術では、単一の絶縁基板によって構成されていたものである。絶縁基板であれば、絶縁層上において金属層のパターンを自由に分割することができるので、絶縁基板自体を分割する必要が生じないためである。しかしながら、本実施例では分割された二つの下側絶縁基板２６、４６が敢えて採用されており、これによって、各々の下側絶縁基板２６、４６には比較的にサイズの小さなものが採用されている。各々の下側絶縁基板２６、４６のサイズが小型化されたことで、各々の下側絶縁基板２６、４６に生じる熱応力が低減される。なお、第１下側絶縁基板２６は、本技術における第１絶縁基板の一例であり、第２下側絶縁基板４６は、本技術における第２絶縁基板の一例である。
本実施例の半導体装置１０は、第１上側絶縁基板２２と第２上側絶縁基板４２をさらに備え、第１上側絶縁基板２２と第２上側絶縁基板４２の各外側金属層３２、５２は、封止体１２の平坦な同一の上面１２ａに露出している。即ち、半導体装置１０は両面冷却構造を有する。第１上側絶縁基板２２と第２上側絶縁基板４２についても、従来技術では単一の絶縁基板によって構成されていたものである。しかしながら、本実施例では分割された二つの上側絶縁基板２２、４２が敢えて採用されており、これによって、各々の上側絶縁基板２２、４２には比較的にサイズの小さなものが採用されている。各々の上側絶縁基板２２、４２のサイズが小型化されたことで、各々の下側絶縁基板２２、４２に生じる熱応力が低減される。なお、第１上側絶縁基板２２は、本技術における第３絶縁基板の一例であり、第２上側絶縁基板４２は、本技術における第４絶縁基板の一例である。
図３、図４から理解されるように、本実施例における第１下側絶縁基板２６では、絶縁層３４と内側金属層３６との間の接触面積が、絶縁層３４と外側金属層３８との間の接触面積と等しい。このような構成によると、内側金属層３６と外側金属層３８とに生じる熱膨張が均衡して、絶縁層３４に作用する熱応力が低減される。しかしながら、他の実施形態として、図５（Ａ）に示すように、絶縁層３４と内側金属層３６との間の接触面積ＣＡ１よりも、絶縁層３４と外側金属層３８との間の接触面積ＣＡ２の方が大きくてもよい。このような構成によると、内側金属層３６と外側金属層３８との間の沿面距離ＣＤを維持しつつ、第１下側絶縁基板２６の放熱性を高めることができる。あるいは、図５（Ｂ）に示すように、絶縁層３４と外側金属層３８との間の接触面積ＣＡ２よりも、絶縁層３４と内側金属層３６との間の接触面積ＣＡ１の方が大きくてもよい。このような構成によると、内側金属層３６と外側金属層３８との間の沿面距離ＣＤを維持しつつ、第１半導体素子２０の配置に関する自由度を高めることができる。これらの点については、第２下側絶縁基板４６においても同様であり、重複する説明は省略する。
図６（Ａ）に示すように、本実施例における第１下側絶縁基板２６では、内側金属層３６の厚みＴＨ１が、外側金属層３８の厚みＴＨ２よりも大きい。このような構成によると、第１半導体素子２０に近接する内側金属層３６の熱容量が大きくなるので、第１半導体素子２０の温度変化を緩和することができる。但し、他の実施形態として、図６（Ｂ）に示すように、外側金属層３８の厚みＴＨ２が、内側金属層３６の厚みＴＨ１よりも大きくてもよい。このような構成によると、第１半導体素子２０に近接する内側金属層３６の熱膨張が、絶縁層３４によって抑制されやすいので、例えば第１半導体素子２０と第１下側絶縁基板２６との間に位置するはんだ層２７に生じる熱応力が抑制される。あるいは、内側金属層３６の厚みＴＨ１が、外側金属層３８の厚みＴＨ２と等しくてもよい。このような構成によると、内側金属層３６と外側金属層３８とに生じる熱膨張が均衡するので、絶縁層３４に作用する熱応力が低減される。
本実施例の半導体装置１０では、封止体１２の上面１２ａ及び下面１２ｂに露出する外側金属層３２、３８、５２、５８が、絶縁層２８、３４、４８、５４によって電気的に絶縁されている。従って、図７に示すように、封止体１２の上面１２ａ及び下面１２ｂには、絶縁板を介在させることなく、冷却器７０を配置することができる。この場合、半導体装置１０と冷却器７０との間には、必要に応じて放熱グリス７２を介在させるとよい。この放熱グリス７２に関して、仮に半導体装置１０と冷却器７０との間に絶縁板を配置した場合、絶縁板の両面に放熱グリス７２を介在させる必要がある。即ち、半導体装置１０と冷却器７０との間に、放熱グリス７２の層が二層形成される。これに対して、本実施例の半導体装置１０では、絶縁板を介在させる必要がないので、半導体装置１０と冷却器７０との間には、放熱グリス７２の層が一層のみ形成される。放熱グリス７２の層が削減されることで、半導体装置１０から冷却器７０への熱抵抗が低減される。
前述したように、本実施例における第１導体スペーサ２４及び第２導体スペーサ４４は、銅−モリブデン合金によって構成されている。銅−モリブデン合金の線膨張係数は、内側金属層３６、５６を構成する銅の線膨張係数や、封止体１２を構成するエポキシ樹脂の線膨張係数よりも小さい。このように、第１導体スペーサ２４及び第２導体スペーサ４４の各線膨張係数が、内側金属層３６、５６の線膨張係数よりも小さく、かつ、封止体１２の線膨張係数よりも小さいと、第１導体スペーサ２４と第１半導体素子２０との間に位置するはんだ層２５や、第２導体スペーサ４４と第２半導体素子４０との間に位置するはんだ層４５に生じる歪を低減することができる。例えば図８（Ａ）に示すように、第１導体スペーサ２４が仮に銅で構成されていると、第１導体スペーサ２４に生じる熱膨張量は比較的に大きくなる。その一方で、第１半導体素子２０及び第１下側絶縁基板２６に生じる熱膨張量は比較的に小さい。この場合、第１半導体素子２０の上下で熱膨張量に大きな差が生じ、その結果、第１導体スペーサ２４と第１半導体素子２０との間に位置するはんだ層２５に大きな歪が生じ、はんだ層２５の劣化や損傷といった問題が生じる。これに対して、図８（Ｂ）に示すように、第１導体スペーサ２４が線膨張係数の小さな材料で構成されていると、第１半導体素子２０の上側で生じる熱膨張量が抑制されることから、はんだ層２５に生じる歪が抑制される。この点については、第２導体スペーサ４４についても同様である。なお、第１導体スペーサ２４及び第２導体スペーサ４４を構成する材料としては、特に限定されないが、銅−モリブデン合金の他に、例えば銅−タングステン合金が挙げられる。
図９に示すように、本実施例における半導体装置１０では、第１上側絶縁基板２２及び第２上側絶縁基板４２が、単一の共通上側絶縁基板１２２に変更されてもよい。共通上側絶縁基板１２２は、共通絶縁層１２８と、共通絶縁層１２８の一方側に設けられた第１内側金属層１３０及び第２内側金属層１５０と、共通絶縁層１２８の他方側に設けられた共通外側金属層１３２とを有する。第１内側金属層１３０は、第１導体スペーサ２４を介して第１半導体素子２０の上面電極２０ａに接続されており、第２内側金属層１５０は、第２導体スペーサ４４を介して第２半導体素子４０の上面電極４０ａに接続されている。また、第１内側金属層１３０には、継手６０が一体に形成されている。そして、共通外側金属層１３２は、封止体１２の上面１２ａに露出している。
第１上側絶縁基板２２及び第２上側絶縁基板４２が、単一の共通上側絶縁基板１２２で構成されていると、第１内側金属層１３０又は第２内側金属層１５０を広く形成することができるので、例えば継手６０を第１内側金属層１３０へ一体に形成することができる。継手６０が第１内側金属層１３０（即ち、共通上側絶縁基板１２２）へ一体に形成されていると、半導体装置１０の製造工程を簡略化することができる。
上記に代えて、図１０に示すように、本実施例における半導体装置１０では、第１下側絶縁基板２６及び第２下側絶縁基板４６が、単一の共通下側絶縁基板１２６に変更されている。共通下側絶縁基板１２６は、共通絶縁層１３４と、共通絶縁層１３４の一方側に設けられた第１内側金属層１３６及び第２内側金属層１５６と、共通絶縁層１３４の他方側に設けられた共通外側金属層１３８とを有する。第１内側金属層１３６は、第１半導体素子２０の下面電極２０ｂに接続されており、第２内側金属層１５６は、第２半導体素子４０の下面電極４０ｂに接続されている。
第１下側絶縁基板２６及び第２下側絶縁基板４６が、単一の共通下側絶縁基板１２６で構成されていると、半導体装置１０の放熱性を高めることができる。特に、第１下側絶縁基板２６及び第２下側絶縁基板４６は、それぞれ第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０に近接している。そのような第１下側絶縁基板２６及び第２下側絶縁基板４６が、放熱性に優れる共通上側絶縁基板１２２で構成されていることで、半導体装置１０の放熱性が効果的に改善される。
図１１（Ａ）（Ｂ）に示すように、半導体装置１０は、二つの半導体素子２０、４０を内蔵しており、二つの半導体素子２０、４０が直列に接続された構造を有する。ここで、各々の半導体素子２０、４０は、ＲＣ−ＩＧＢＴである。従って、半導体装置１０は、例えばインバータ回路２において、一対の上下アームを構成する構成要素として採用することができる。しかしながら、本明細書が開示する技術は、半導体素子２０、４０の数やそれらの接続構造に制限されることなく、例えば図１２、図１３に示すような、各種の半導体装置２１０、３１０にも採用することができる。
図１２（Ａ）（Ｂ）に示すように、他の一実施形態の半導体装置２１０は、三つの半導体素子２２０を内蔵しており、それらの半導体素子２２０はＰ端子２１４にそれぞれ接続されている。そして、三つの半導体素子２２０には、それぞれＵ端子２０２、Ｖ端子２０４及びＷ端子２０６が接続されている。各々の半導体素子２２０は、特に限定されないが、ＲＣ−ＩＧＢＴである。この半導体装置２１０は、例えばインバータ回路２において、三つの上アームを構成する構成要素として採用することができる。半導体装置２１０の具体的な構成については特に限定されない。但し、半導体装置２１０は、三つの下側絶縁基板２２６を備えている。各々の下側絶縁基板２２６は、絶縁層２３４と、絶縁層２３４の一方側に位置する内側金属層２３６と、絶縁層２３４の他方側に位置する外側金属層２３８とを有する。各々の下側絶縁基板２２６の内側金属層２３６には、三つの半導体素子２２０のうちの対応する一つが実装されている。半導体装置２１０は、半導体素子２２０を封止する封止体２１２を有しており、三つの絶縁基板２２６の外側金属層２３８は封止体２１２の平坦な同一の表面に露出する。なお、三つの下側絶縁基板２２６のうちの二つが、単一の絶縁基板によって構成されてもよい。
図１３（Ａ）（Ｂ）に示すように、他の一実施形態の半導体装置３１０は、六つの半導体素子３２０を内蔵しており、それらがインバータ回路２を構成するように接続されている。各々の半導体素子３２０は、特に限定されないが、ＲＣ−ＩＧＢＴである。このような半導体装置３１０によると、インバータ回路２を単独で構成することができる。半導体装置３１０の具体的な構成については特に限定されない。但し、半導体装置３１０は、六つの下側絶縁基板３２６を備えている。各々の下側絶縁基板３２６は、絶縁層３３４と、絶縁層３３４の一方側に位置する内側金属層３３６と、絶縁層３３４の他方側に位置する外側金属層３３８とを有する。各々の下側絶縁基板３２６の内側金属層３３６には、六つの半導体素子２２０のうちの対応する一つが実装されている。半導体装置３１０は、半導体素子３２０を封止する封止体３１２を有しており、六つの絶縁基板３２６の各外側金属層３３８は封止体３１２の平坦な同一の表面に露出する。なお、六つの下側絶縁基板３２６のうちの少なくとも二つが、単一の絶縁基板によって構成されてもよい。
図１４、図１５を参照して、本実施例の半導体装置１０を採用したパワーユニット４００について説明する。このパワーユニット４００は、複数の半導体装置１０、４１０と複数の冷却器７０とを備え、半導体装置１０、４１０と冷却器７０とが交互に配置されている。複数の半導体装置１０、４１０には、本実施例の半導体装置１０に加えて、第２の半導体装置４１０が含まれる。図１５に示すように、第２の半導体装置４１０は、本実施例の半導体装置１０と類似する構造を有する。但し、第２の半導体装置４１０では、本実施例の半導体装置１０と比較すると、四つの絶縁基板２２、２６、４２、４６に代えて、四つの放熱板４２２、４２６、４４２、４４６が採用されている。各々の放熱板４２２、４２６、４４２、４４６は、例えば銅といった導体で構成されており、絶縁層２８、３４、４８、５４を有していない。従って、第２の半導体装置４１０と冷却器７０との間には絶縁板７４が配置されており、それによって両者が電気的に絶縁されている。また、絶縁板７４の両側には、放熱グリス７２の層が形成されている。
前述したように、本実施例の半導体装置１０と冷却器７０との間には、絶縁板７４を配置する必要がない。これに対して、第２の半導体装置４１０と冷却器７０との間には、絶縁板７４が配置される必要がある。従って、本実施例の半導体装置１０の厚みＤ１と、第２の半導体装置４１０の厚みＤ２とが仮に同じであると、複数の冷却器７０の各間隔を、配置される半導体装置１０、４１０に応じて変更する必要が生じる。この場合、複数の冷却器７０の汎用性が低下する。そのことから、パワーユニット４００では、本実施例の半導体装置１０の厚みＤ１よりも、第２の半導体装置４１０の厚みＤ２の方が小さく設計されており、それによって複数の冷却器７０は等間隔に配置されている。ここで、パワーユニット４００では、本実施例の半導体装置１０の半導体素子２０、４０に、例えば炭化シリコンといったワイドバンドギャップの半導体が採用されており、第２の半導体装置４１０の半導体素子２０、４０には、シリコンが採用されている。即ち、複数の半導体装置１０、４１０のなかで、ワイドバンドギャップの半導体が採用され、比較的に大きな熱応力が生じ得るものに対して、絶縁層２８、３４、４８、５４を内蔵する構造が採用されている。
以上、いくつか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。本明細書又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る。
１０、２１０、３１０：半導体装置
１２：封止体
１４、２１４、３１４：Ｐ端子
１５：Ｎ端子
１６：Ｏ端子
１８、１９：信号端子
２０、４０、：半導体素子
２２、４２：上側絶縁基板
２４、４４：導体スペーサ
２６、４６、２２６、３２６：下側絶縁基板
２８、４８：上側絶縁基板の絶縁層
３０、５０：上側絶縁基板の内側金属層
３２、５２：上側絶縁基板の外側金属層
３４、５４：下側絶縁基板の絶縁層
３６、５６、２３６、３３６：下側絶縁基板の内側金属層
３６ｃ、５６ｃ：内側金属層の周側面
３８、５８：下側絶縁基板の外側金属層
６０、２６０、３６０：継手
７０：冷却器
７２：放熱グリス
７４：絶縁板
１２２：共通上側絶縁基板
１２６：共通下側絶縁基板
１２８：共通上側絶縁基板の共通絶縁層
１３０、１５０：共通上側絶縁基板の第１内側金属層
１３２：共通上側絶縁基板の共通外側金属層
１３４：共通下側絶縁基板の共通絶縁層
１３６、１５６：共通下側絶縁基板の内側金属層
１３８：共通下側絶縁基板の共通外側金属層
２０２、３０２：Ｕ端子
２０４、３０４：Ｖ端子
２０６、３０６：Ｗ端子
４００：パワーユニット
４１０：第２の半導体装置
４２２、４２６、４４２、４４６：放熱板
ＣＡ１、ＣＡ２：接触面積
ＣＤ：沿面距離
Ｄ１：パワーユニットに採用された本実施例の半導体装置の厚み
Ｄ２：パワーユニットに採用された第２の半導体装置の厚み
ＴＨ１：下側絶縁基板の内側金属層の厚み
ＴＨ２：下側絶縁基板の外側金属層の厚み
ＷＬ：溶接による接合箇所

Claims (8)

  1. 絶縁層の両面に金属層がそれぞれ設けられた第１絶縁基板と、
    前記第１絶縁基板の一方側の金属層上に配置された第１半導体素子と、
    絶縁層の両面に金属層がそれぞれ設けられた第２絶縁基板と、
    前記第２絶縁基板の一方側の金属層上に配置された第２半導体素子と、
    前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子を封止する封止体と、
    を備え、
    前記第１絶縁基板の他方側の金属層及び前記第２絶縁基板の他方側の金属層は、前記封止体の平坦な第１表面に露出している、半導体装置。
  2. 絶縁層の両面に金属層がそれぞれ設けられた第３絶縁基板と、
    絶縁層の両面に金属層がそれぞれ設けられた第４絶縁基板と、をさらに備え、
    前記第３絶縁基板は、前記第１半導体素子を挟んで前記第１絶縁基板と対向しているとともに、一方側の金属層が前記第１半導体素子へ電気的に接続されており、
    前記第４絶縁基板は、前記第２半導体素子を挟んで前記第２絶縁基板と対向しているとともに、一方側の金属層が前記第２半導体素子へ電気的に接続されており、
    前記第３絶縁基板の他方側の金属層及び前記第４絶縁基板の他方側の金属層は、前記封止体の前記第１表面とは反対側に位置する平坦な第２表面に露出している、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第１半導体素子と前記第３絶縁基板との間に配置された第１導体スペーサと、
    前記第２半導体素子と前記第４絶縁基板との間に配置された第２導体スペーサと、をさらに備え、
    前記第１導体スペーサ及び前記第２導体スペーサの各線膨張係数は、前記第１絶縁基板及び前記第２絶縁基板の前記金属層の線膨張係数よりも小さく、かつ、前記封止体の線膨張係数よりも小さい、請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記第１絶縁基板及び前記第２絶縁基板の前記金属層の材料は銅であり、
    前記第１導体スペーサ及び前記第２導体スペーサの材料は、銅−モリブデン合金又は銅−タングステン合金である、請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記第１絶縁基板と前記第２絶縁基板の少なくとも一方では、前記一方側の金属層の厚みの方が、前記他方側の金属層の厚みよりも大きい、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記第１絶縁基板と前記第２絶縁基板の少なくとも一方では、前記他方側の金属層の厚みの方が、前記一方側の金属層の厚みよりも大きい、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記第１絶縁基板と前記第２絶縁基板の少なくとも一方では、前記一方側の金属層の厚みの方が、前記他方側の金属層の厚みと等しい、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記第１絶縁基板と前記第２絶縁基板の少なくとも一方は、ＤＢＣ基板である、請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置。
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