JP2020129600A - Semiconductor device and power conversion device - Google Patents

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泰明 早見
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Abstract

To relax stress at a junction of a semiconductor device without increasing the manufacturing cost.SOLUTION: A semiconductor device 1 according to the present invention includes: a semiconductor element 3 having an insulating bonding surface; a first metal plate 5, one surface of which is metal-bonded to the bonding surface of the semiconductor element 3; and a second metal plate 7 metal-bonded to the other surface of the first metal plate 5. The linear expansion coefficient of the first metal plate 5 is larger than the linear expansion coefficient of the semiconductor element 3 and smaller than the linear expansion coefficient of the second metal plate 7, and the thermal conductivity of the first metal plate 5 is larger than the thermal conductivity of the second metal plate 7.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、金属板に半導体素子を接合した半導体装置及びその半導体装置を備えた電力変換装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a semiconductor element is bonded to a metal plate and a power conversion device including the semiconductor device.

半導体装置や電力変換装置の出力が増大していくのに対して、装置は小型化していくのに伴って、放熱性能の向上が求められていた。このような課題に対して、半導体に絶縁基板を介して冷却器が接合されたパワーモジュールが従来から提案されているが、半導体素子と冷却器の間の線膨張係数の差によって応力が発生し、半導体素子と冷却器の間の接合部材にクラックが生じ、要求される寿命期間において十分な放熱性能が維持できなかった。 While the output of the semiconductor device and the power conversion device is increasing, the heat dissipation performance is required to be improved as the device is downsized. To solve such a problem, a power module in which a cooler is bonded to a semiconductor via an insulating substrate has been conventionally proposed, but stress is generated due to a difference in linear expansion coefficient between the semiconductor element and the cooler. As a result, cracks occurred in the joint member between the semiconductor element and the cooler, and sufficient heat dissipation performance could not be maintained during the required life period.

そこで、特許文献1に開示された従来の半導体装置では、厚さ0.05mm以上0.1mm以下の薄い半導体素子を用いることによって、半導体素子と冷却器との間の線膨張係数の差によって発生する応力を、半導体素子に吸収させていた。 Therefore, in the conventional semiconductor device disclosed in Patent Document 1, when a thin semiconductor element having a thickness of 0.05 mm or more and 0.1 mm or less is used, it is caused by a difference in linear expansion coefficient between the semiconductor element and the cooler. The stress generated is absorbed in the semiconductor element.

国際公開WO2017/183222International publication WO2017/183222

しかしながら、上述した従来の半導体装置では、応力を吸収するために半導体素子を薄くしていたので、製造コストが増大してしまうという問題点があった。 However, in the above-described conventional semiconductor device, since the semiconductor element is made thin to absorb the stress, there is a problem that the manufacturing cost increases.

そこで、本発明は上記実情に鑑みて提案されたものであり、製造コストを増大させることなく半導体素子の接合部における応力を緩和することのできる半導体装置及び電力変換装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been proposed in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a power conversion device capable of relieving stress in a joint portion of a semiconductor element without increasing manufacturing cost. To do.

上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る半導体装置は、第1の金属板の一方の面に半導体素子を金属接合し、第1の金属板の他方の面に第2の金属板を金属接合する。そして、第1の金属板の線膨張係数は半導体素子の線膨張係数より大きく、第2の金属板の線膨張係数より小さく、第1の金属板の熱伝導率は第2の金属板の熱伝導率より大きいことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a semiconductor device according to one aspect of the present invention has a semiconductor element metal-bonded to one surface of a first metal plate and a second metal plate to the other surface of the first metal plate. The metal plates are metal-bonded. The linear expansion coefficient of the first metal plate is larger than the linear expansion coefficient of the semiconductor element and smaller than the linear expansion coefficient of the second metal plate, and the thermal conductivity of the first metal plate is equal to that of the second metal plate. It is characterized by being larger than the conductivity.

本発明によれば、製造コストを増大させることなく半導体素子の接合部における応力を緩和することができる。 According to the present invention, it is possible to relieve the stress in the joint portion of the semiconductor element without increasing the manufacturing cost.

図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の構造を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing the structure of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図3は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置を構成する半導体素子の構造を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing the structure of a semiconductor element that constitutes the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。FIG. 4 is a sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図5は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の構造を示す平面図である。FIG. 5 is a plan view showing the structure of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図6は、本発明の第3実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。FIG. 6 is a sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. 図7は、本発明の第3実施形態に係る半導体装置の構造を示す平面図である。FIG. 7 is a plan view showing the structure of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. 図8は、本発明の第4実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。FIG. 8 is a sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the fourth exemplary embodiment of the present invention. 図9は、本発明の第4実施形態に係る半導体装置の構造を示す平面図である。FIG. 9 is a plan view showing the structure of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. 図10は、本発明の第5実施形態に係る電力変換装置の構造を示す断面図である。FIG. 10: is sectional drawing which shows the structure of the power converter device which concerns on 5th Embodiment of this invention. 図11は、本発明の第5実施形態に係る電力変換装置の構造を示す平面図である。FIG. 11: is a top view which shows the structure of the power converter device which concerns on 5th Embodiment of this invention.

[第1実施形態]
以下、本発明を適用した第1実施形態について図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same parts are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

図1は本実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図であり、図2は平面図である。図1、2に示すように、本実施形態に係る半導体装置1は、半導体素子3と、第1の金属板5と、第2の金属板7とを備えている。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to this embodiment, and FIG. 2 is a plan view. As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor device 1 according to the present embodiment includes a semiconductor element 3, a first metal plate 5, and a second metal plate 7.

半導体素子3は、珪素(Si)、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)等から成り、第1の金属板5と接合される接合面は絶縁性を有している。例えば、半導体素子3は、図3に示すような金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)で構成されている。図3に示す半導体素子3は、基板31上に、ウェル領域32と、ソース領域33と、ドリフト領域34と、ドレイン領域35と、ゲート絶縁膜36と、ゲート電極37と、ソース電極38と、ドレイン電極39とが形成されている。 The semiconductor element 3 is made of silicon (Si), silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), or the like, and the bonding surface bonded to the first metal plate 5 has an insulating property. For example, the semiconductor element 3 is composed of a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) as shown in FIG. The semiconductor device 3 shown in FIG. 3 includes a well region 32, a source region 33, a drift region 34, a drain region 35, a gate insulating film 36, a gate electrode 37, a source electrode 38, and a substrate 31 on a substrate 31. A drain electrode 39 is formed.

ここで、基板31は、絶縁体からなる平板であり、例えば炭化珪素(SiC)が材料として使用可能である。基板31は、不純物濃度を極めて低くすることによってシート抵抗を高くしているので、絶縁性を有している。また、基板31内に絶縁物を介在させることによって、絶縁性を具備させてもよい。 Here, the substrate 31 is a flat plate made of an insulator, and silicon carbide (SiC) can be used as a material, for example. The substrate 31 has an insulating property because the sheet resistance is increased by making the impurity concentration extremely low. Insulation may be provided by interposing an insulator in the substrate 31.

したがって、図3に示すような構造を備えていることにより、半導体素子3では、絶縁層を設けなくても、第1の金属板5と接合される接合面が絶縁性を備えている。 Therefore, by providing the structure as shown in FIG. 3, in the semiconductor element 3, the bonding surface to be bonded to the first metal plate 5 has the insulating property without providing the insulating layer.

第1の金属板5は、半導体素子3の接合面に一方の面が金属接合され、他方の面に第2の金属板7が金属接合されている。本実施形態では、第1の金属板5の上面に半導体素子3が接合され、下面に第2の金属板7が接合されている。半導体素子3と第1の金属板5との間の接合方法は、圧接やはんだ付け等の金属接合であり、第1の金属板5と第2の金属板7との間の接合方法も圧接やはんだ付け等の金属接合である。 One surface of the first metal plate 5 is metal-bonded to the bonding surface of the semiconductor element 3, and the second metal plate 7 is metal-bonded to the other surface. In the present embodiment, the semiconductor element 3 is bonded to the upper surface of the first metal plate 5, and the second metal plate 7 is bonded to the lower surface. The joining method between the semiconductor element 3 and the first metal plate 5 is metal joining such as pressure welding or soldering, and the joining method between the first metal plate 5 and the second metal sheet 7 is also pressure joining. Metal joining such as soldering and soldering.

また、図2に示すように、第1の金属板5の平面の面積は、半導体素子3の平面の面積よりも大きくなっている。第1の金属板5は、銅(Cu)で形成されているが、銅の代わりに金(Au)や銀(Ag)で形成してもよい。さらに、第1の金属板5の厚さは1mm以上であることが好ましい。 Further, as shown in FIG. 2, the area of the plane of the first metal plate 5 is larger than the area of the plane of the semiconductor element 3. The first metal plate 5 is formed of copper (Cu), but may be formed of gold (Au) or silver (Ag) instead of copper. Further, the thickness of the first metal plate 5 is preferably 1 mm or more.

第2の金属板7は、第1の金属板5の他方の面に金属接合され、半導体素子3の熱を放出して冷却するための冷却器として機能する。図1、2に示すように、第2の金属板7の平面の面積は、第1の金属板5と同一であり、半導体素子3の平面の面積よりも大きくなっている。また、第2の金属板7は、アルミニウム(Al)で形成されている。 The second metal plate 7 is metal-bonded to the other surface of the first metal plate 5, and functions as a cooler for releasing the heat of the semiconductor element 3 to cool it. As shown in FIGS. 1 and 2, the area of the plane of the second metal plate 7 is the same as that of the first metal plate 5, and is larger than the area of the plane of the semiconductor element 3. The second metal plate 7 is made of aluminum (Al).

図1、2に示す構造の半導体装置1において、本実施形態では、第1の金属板5の線膨張係数を、半導体素子3の線膨張係数よりも大きく、第2の金属板7の線膨張係数よりも小さくしている。このように、線膨張係数が半導体素子3と第2の金属板7との間になる第1の金属板5を、半導体素子3と第2の金属板7との間に挟むことによって、半導体素子3を接合する接合部の応力を緩和することができる。したがって、本実施形態では、応力を吸収するために半導体素子を薄くする必要がないので、製造コストを増大させることなく半導体素子の接合部における応力を緩和することができる。 In the semiconductor device 1 having the structure shown in FIGS. 1 and 2, in the present embodiment, the linear expansion coefficient of the first metal plate 5 is larger than the linear expansion coefficient of the semiconductor element 3, and the linear expansion coefficient of the second metal plate 7 is larger. It is smaller than the coefficient. Thus, by sandwiching the first metal plate 5 having a linear expansion coefficient between the semiconductor element 3 and the second metal plate 7 between the semiconductor element 3 and the second metal plate 7, the semiconductor It is possible to relieve the stress at the joint where the element 3 is joined. Therefore, in the present embodiment, it is not necessary to thin the semiconductor element in order to absorb the stress, so that the stress at the joint portion of the semiconductor element can be relaxed without increasing the manufacturing cost.

また、従来の半導体装置では、応力を吸収するために半導体素子を薄くしていたので、半導体素子と絶縁基板が近接して熱抵抗が悪化するという課題もあった。しかし、本実施形態に係る半導体装置1では、半導体素子3を薄くする必要がないので、熱抵抗を低減することもできる。 Further, in the conventional semiconductor device, since the semiconductor element is made thin in order to absorb the stress, there is a problem that the semiconductor element and the insulating substrate are close to each other and the thermal resistance is deteriorated. However, in the semiconductor device 1 according to this embodiment, it is not necessary to make the semiconductor element 3 thin, so that the thermal resistance can be reduced.

さらに、本実施形態に係る半導体装置1では、第1の金属板5の熱伝導率を、第2の金属板7の熱伝導率よりも大きくしている。このように、半導体素子3と第2の金属板7との間に、第2の金属板7よりも熱伝導率が大きい第1の金属板5を挟むことによって、半導体素子3からの熱を放熱する放熱性能を向上させることができる。 Further, in the semiconductor device 1 according to the present embodiment, the thermal conductivity of the first metal plate 5 is made higher than that of the second metal plate 7. As described above, by sandwiching the first metal plate 5 having a higher thermal conductivity than the second metal plate 7 between the semiconductor device 3 and the second metal plate 7, heat from the semiconductor device 3 is absorbed. The heat radiation performance for radiating heat can be improved.

尚、本実施形態に係る半導体装置1では、第1の金属板5の線膨張係数を、半導体素子3の線膨張係数よりも大きく、第2の金属板7の線膨張係数よりも小さくし、尚且つ、第1の金属板5の熱伝導率を、第2の金属板7の熱伝導率よりも大きくしている。したがって、上述した効果を同時に実現することができる。 In the semiconductor device 1 according to the present embodiment, the linear expansion coefficient of the first metal plate 5 is larger than the linear expansion coefficient of the semiconductor element 3 and smaller than the linear expansion coefficient of the second metal plate 7, Moreover, the thermal conductivity of the first metal plate 5 is set to be higher than that of the second metal plate 7. Therefore, the effects described above can be realized at the same time.

また、本実施形態に係る半導体装置1では、第1の金属板5と接合される半導体素子3の接合面が絶縁性を有している。これにより、半導体素子3は、絶縁層や絶縁基板を設けることなく、第1の金属板5と接合されるので、熱抵抗をさらに低減することができる。 Further, in the semiconductor device 1 according to this embodiment, the bonding surface of the semiconductor element 3 bonded to the first metal plate 5 has an insulating property. Thereby, the semiconductor element 3 is bonded to the first metal plate 5 without providing an insulating layer or an insulating substrate, so that the thermal resistance can be further reduced.

さらに、本実施形態に係る半導体装置1では、第1の金属板5を銅で形成し、第2の金属板7をアルミニウムで形成している。これにより、第1の金属板5の線膨張係数を、半導体素子3の線膨張係数よりも大きく、第2の金属板7の線膨張係数よりも小さくすることができる。また、第1の金属板5を銅で形成し、第2の金属板7をアルミニウムで形成したことにより、第1の金属板5の熱伝導率を、第2の金属板7の熱伝導率よりも大きくすることができる。 Further, in the semiconductor device 1 according to this embodiment, the first metal plate 5 is made of copper and the second metal plate 7 is made of aluminum. Thereby, the linear expansion coefficient of the first metal plate 5 can be made larger than the linear expansion coefficient of the semiconductor element 3 and smaller than the linear expansion coefficient of the second metal plate 7. In addition, since the first metal plate 5 is made of copper and the second metal plate 7 is made of aluminum, the thermal conductivity of the first metal plate 5 is made equal to that of the second metal plate 7. Can be greater than.

したがって、本実施形態に係る半導体装置1では、上述した線膨張係数の条件と熱伝導率の条件を同時に満たすことが可能となる。すなわち、半導体素子とアルミニウムの冷却器との間に銅の金属板を挟むことによって、上述した線膨張係数の条件と熱伝導率の条件を同時に満たすことができる。これにより、製造コストを増大させることなく接合部における応力を緩和できるとともに、半導体素子3からの熱を放熱する放熱性能を向上させ、熱抵抗を低減することもできる。すなわち、これらの効果をすべて同時に発揮できる半導体装置を実現することができる。 Therefore, in the semiconductor device 1 according to the present embodiment, it is possible to simultaneously satisfy the above-mentioned conditions of the linear expansion coefficient and the conditions of the thermal conductivity. That is, by sandwiching the copper metal plate between the semiconductor element and the aluminum cooler, it is possible to simultaneously satisfy the conditions of the coefficient of linear expansion and the conditions of the thermal conductivity described above. As a result, the stress in the joint portion can be relaxed without increasing the manufacturing cost, and the heat radiation performance for radiating the heat from the semiconductor element 3 can be improved and the thermal resistance can be reduced. That is, it is possible to realize a semiconductor device that can exert all of these effects at the same time.

また、本実施形態に係る半導体装置1では、第1の金属板5の厚さを1mm以上としている。半導体装置1は小型化していくので、半導体素子3の面積は小さくなっていくが、半導体素子3の面積を小さくすると、第1の金属板5の厚さは厚くする必要がある。このとき、第1の金属板5の厚さを1mm以上としておけば、半導体素子3の線膨張係数と第2の金属板7の線膨張係数との間に差があったとしても、その影響を第1の金属板5で軽減することが可能となる。したがって、第1の金属板5の厚さを1mm以上とすることにより、半導体素子3の接合部における応力を緩和することができる。 Further, in the semiconductor device 1 according to the present embodiment, the thickness of the first metal plate 5 is 1 mm or more. As the semiconductor device 1 becomes smaller, the area of the semiconductor element 3 becomes smaller. However, if the area of the semiconductor element 3 becomes smaller, the thickness of the first metal plate 5 needs to be increased. At this time, if the thickness of the first metal plate 5 is set to 1 mm or more, even if there is a difference between the coefficient of linear expansion of the semiconductor element 3 and the coefficient of linear expansion of the second metal plate 7, the influence thereof. Can be reduced by the first metal plate 5. Therefore, by setting the thickness of the first metal plate 5 to 1 mm or more, the stress at the joint portion of the semiconductor element 3 can be relaxed.

[第2実施形態]
以下、本発明を適用した第2実施形態について図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a second embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same parts are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

図4は本実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図であり、図5は平面図である。図4、5に示すように、本実施形態に係る半導体装置1は、第2の金属板7に水冷冷却構造を設けたことが、第1実施形態と相違している。図4では、水冷冷却構造として、水路72が第2の金属板7に設けられている。 FIG. 4 is a sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIG. 5 is a plan view. As shown in FIGS. 4 and 5, the semiconductor device 1 according to the present embodiment differs from the first embodiment in that a water cooling structure is provided on the second metal plate 7. In FIG. 4, a water channel 72 is provided in the second metal plate 7 as a water cooling/cooling structure.

図4に示す水路72は、多穴管もしくはコルゲートフィン構造の水路であればよく、この他にも櫛葉構造やピンフィン構造であってもよい。また、水冷冷却構造の代わりに、空冷冷却構造であってもよい。 The water channel 72 shown in FIG. 4 may be a water channel having a multi-hole tube or a corrugated fin structure, and may have a comb leaf structure or a pin fin structure in addition to this. Further, an air cooling structure may be used instead of the water cooling structure.

このように本実施形態に係る半導体装置1では、第2の金属板7が水冷冷却構造を備えているので、半導体素子3からの熱を放熱する放熱性能をさらに向上させることができる。また、第2の金属板7は、水路を備えている分だけ金属部分の体積が減少するので、半導体素子3の接合部における応力をさらに低減することができる。 As described above, in the semiconductor device 1 according to the present embodiment, the second metal plate 7 has the water-cooled cooling structure, so that the heat radiation performance for radiating the heat from the semiconductor element 3 can be further improved. Moreover, since the volume of the metal portion of the second metal plate 7 is reduced due to the provision of the water channel, the stress at the joint portion of the semiconductor element 3 can be further reduced.

[第3実施形態]
以下、本発明を適用した第3実施形態について図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
[Third Embodiment]
Hereinafter, a third embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same parts are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

図6は本実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図であり、図7は平面図である。図6、7に示すように、本実施形態に係る半導体装置1は、半導体素子3を複数設けたことが、第2実施形態と相違している。図6、7では、2個の半導体素子3A、3Bが隣接して第1の金属板5の上面に配置されている。ただし、半導体素子3は、2個である必要はなく、3個以上設けてもよい。尚、図6、7では、図4、5に示す第2実施形態の半導体装置1に複数の半導体素子3A、3Bを設けた場合を例示しているが、図1、2に示す第1実施形態の半導体装置1に複数の半導体素子を設けてもよい。 FIG. 6 is a sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIG. 7 is a plan view. As shown in FIGS. 6 and 7, the semiconductor device 1 according to the present embodiment differs from the second embodiment in that a plurality of semiconductor elements 3 are provided. In FIGS. 6 and 7, two semiconductor elements 3A and 3B are arranged adjacent to each other on the upper surface of the first metal plate 5. However, the number of semiconductor elements 3 need not be two, and may be three or more. Although FIGS. 6 and 7 exemplify a case where the semiconductor device 1 of the second embodiment shown in FIGS. 4 and 5 is provided with a plurality of semiconductor elements 3A and 3B, the first embodiment shown in FIGS. The semiconductor device 1 of the embodiment may be provided with a plurality of semiconductor elements.

このように本実施形態に係る半導体装置1では、半導体素子3を複数備えているので、半導体素子3を接合する接合部の応力をさらに低減することができる。 As described above, since the semiconductor device 1 according to the present embodiment includes the plurality of semiconductor elements 3, it is possible to further reduce the stress in the joint portion that joins the semiconductor elements 3.

[第4実施形態]
以下、本発明を適用した第4実施形態について図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
Hereinafter, a fourth embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same parts are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

図8は本実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図であり、図9は平面図である。図8、9に示すように、本実施形態に係る半導体装置1は、第1の金属板5の上面に絶縁基板9を金属接合したことが、第3実施形態と相違している。絶縁基板9は、複数の半導体素子3A、3Bに隣接して配置され、第1の金属板5の上面において半導体素子3A、3Bよりも大きな面積を占めている。ただし、絶縁基板9は1個である必要はなく、2個以上設けてもよい。尚、図8、9では、図6、7に示す第3実施形態の半導体装置1に絶縁基板9を設けた場合を例示しているが、第1及び第2実施形態の半導体装置1に絶縁基板9を設けてもよい。 FIG. 8 is a sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIG. 9 is a plan view. As shown in FIGS. 8 and 9, the semiconductor device 1 according to the present embodiment differs from the third embodiment in that the insulating substrate 9 is metal-bonded to the upper surface of the first metal plate 5. The insulating substrate 9 is arranged adjacent to the plurality of semiconductor elements 3A and 3B, and occupies a larger area on the upper surface of the first metal plate 5 than the semiconductor elements 3A and 3B. However, the number of the insulating substrate 9 need not be one and may be two or more. 8 and 9 illustrate the case where the insulating substrate 9 is provided in the semiconductor device 1 of the third embodiment shown in FIGS. 6 and 7, but the semiconductor device 1 of the first and second embodiments is insulated. The substrate 9 may be provided.

絶縁基板9は、絶縁体で形成された基板であり、半導体素子3と同様の材料で形成されていればよい。例えば、絶縁基板9は、図3に示した半導体素子3の基板31と同様に、絶縁体からなる平板であり、例えば炭化珪素(SiC)を材料として使用する。 The insulating substrate 9 is a substrate made of an insulator, and may be made of the same material as the semiconductor element 3. For example, the insulating substrate 9 is a flat plate made of an insulator, like the substrate 31 of the semiconductor element 3 shown in FIG. 3, and uses, for example, silicon carbide (SiC) as a material.

このように本実施形態に係る半導体装置1では、第1の金属板5の上面に絶縁基板9を金属接合したので、半導体素子3A、3Bの接合部における応力をさらに緩和することができる。 As described above, in the semiconductor device 1 according to the present embodiment, the insulating substrate 9 is metal-bonded to the upper surface of the first metal plate 5, so that the stress at the bonding portions of the semiconductor elements 3A and 3B can be further relieved.

[第5実施形態]
以下、本発明を適用した第5実施形態について図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
[Fifth Embodiment]
Hereinafter, a fifth embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same parts are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

図10は本実施形態に係る電力変換装置の構造を示す断面図であり、図11は平面図である。本実施形態に係る電力変換装置100は、例えばインバータ等の装置であり、図10、11に示すように2個の半導体装置1A、1Bを備え、第2の金属板7を共有している。半導体装置1A、1Bは第2の金属板7の長辺方向に並んで配置されている。ただし、半導体装置1A、1Bは、2個である必要はなく、3個以上であってもよい。尚、図10、11では、図8、9に示す第4実施形態の半導体装置1を複数備えた場合を例示しているが、第1〜第3実施形態の半導体装置を複数備えていてもよい。 FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of the power conversion device according to this embodiment, and FIG. 11 is a plan view. The power conversion device 100 according to the present embodiment is a device such as an inverter, and includes two semiconductor devices 1A and 1B as shown in FIGS. 10 and 11, and shares the second metal plate 7. The semiconductor devices 1A and 1B are arranged side by side in the long side direction of the second metal plate 7. However, the number of semiconductor devices 1A and 1B does not have to be two, and may be three or more. 10 and 11 exemplify a case where a plurality of semiconductor devices 1 of the fourth embodiment shown in FIGS. 8 and 9 are provided, but a plurality of semiconductor devices of the first to third embodiments may be provided. Good.

電力変換装置100は、複数の第1の金属板5A、5Bが1つの第2の金属板7の上面に金属接合された構造となっている。さらに、第1の金属板5Aの上面には複数の半導体素子3C、3Dが金属接合され、第1の金属板5Bの上面には複数の半導体素子3E、3Fが金属接合されている。したがって、電力変換装置100は、第2の金属板7を共有した複数の半導体装置1A、1Bを備えている。 The power conversion device 100 has a structure in which a plurality of first metal plates 5A and 5B are metal-bonded to the upper surface of one second metal plate 7. Further, the plurality of semiconductor elements 3C and 3D are metal-bonded to the upper surface of the first metal plate 5A, and the plurality of semiconductor elements 3E and 3F are metal-bonded to the upper surface of the first metal plate 5B. Therefore, the power conversion device 100 includes a plurality of semiconductor devices 1A and 1B sharing the second metal plate 7.

このように本実施形態に係る電力変換装置100では、第1〜第4実施形態の半導体装置を備えているので、製造コストを増大させることなく半導体素子の接合部における応力を緩和できるとともに、放熱性能を向上させ、熱抵抗を低減することができる。 As described above, since the power conversion device 100 according to the present embodiment includes the semiconductor devices of the first to fourth embodiments, it is possible to relieve the stress in the joint portion of the semiconductor element without increasing the manufacturing cost and to dissipate the heat. The performance can be improved and the thermal resistance can be reduced.

特に、本実施形態に係る電力変換装置100では、複数の第1の金属板5A、5Bを1つの第2の金属板7の上面に金属接合させた構造となっているので、第2の金属板7を共有することができ、部品点数を削減することができる。 In particular, the power conversion device 100 according to the present embodiment has a structure in which the plurality of first metal plates 5A and 5B are metal-bonded to the upper surface of one second metal plate 7, so that the second metal The plate 7 can be shared, and the number of parts can be reduced.

なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。 The above-mentioned embodiment is an example of the present invention. For this reason, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and even in a form other than this embodiment, as long as it does not deviate from the technical idea of the present invention, depending on the design etc. Of course, various modifications are possible.

1 半導体装置
3、3A、3B、3C、3D、3E、3F 半導体素子
5、5A、5B 第1の金属板
7 第2の金属板
9、9A、9B 絶縁基板
31 基板
32 ウェル領域
33 ソース領域
34 ドリフト領域
35 ドレイン領域
36 ゲート絶縁膜
37 ゲート電極
38 ソース電極
39 ドレイン電極
72 水路
100 電力変換装置
1 Semiconductor Device 3, 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F Semiconductor Element 5, 5A, 5B First Metal Plate 7 Second Metal Plate 9, 9A, 9B Insulating Substrate 31 Substrate 32 Well Region 33 Source Region 34 Drift region 35 Drain region 36 Gate insulating film 37 Gate electrode 38 Source electrode 39 Drain electrode 72 Water channel 100 Power converter

Claims (7)

絶縁性の接合面を有する半導体素子と、
前記半導体素子の接合面に一方の面が金属接合された第1の金属板と、
前記第1の金属板の他方の面に金属接合された第2の金属板とを備え、
前記第1の金属板の線膨張係数は、前記半導体素子の線膨張係数より大きく、前記第2の金属板の線膨張係数より小さく、
前記第1の金属板の熱伝導率は、前記第2の金属板の熱伝導率より大きいことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor element having an insulating joint surface;
A first metal plate having one surface metal-bonded to the bonding surface of the semiconductor element;
A second metal plate metal-bonded to the other surface of the first metal plate,
The linear expansion coefficient of the first metal plate is larger than the linear expansion coefficient of the semiconductor element and smaller than the linear expansion coefficient of the second metal plate,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a thermal conductivity of the first metal plate is higher than a thermal conductivity of the second metal plate.
前記第2の金属板は、水冷冷却構造を備えていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the second metal plate has a water cooling structure. 前記半導体素子を複数備えていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, further comprising a plurality of the semiconductor elements. 前記第1の金属板の一方の面に絶縁基板を金属接合したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein an insulating substrate is metal-bonded to one surface of the first metal plate. 前記第1の金属板は銅で形成され、前記第2の金属板はアルミニウムで形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the first metal plate is formed of copper, and the second metal plate is formed of aluminum. 前記第1の金属板の厚さは1mm以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。 The thickness of the said 1st metal plate is 1 mm or more, The semiconductor device of any one of Claims 1-5 characterized by the above-mentioned. 請求項1〜6のいずれか1項に記載された半導体装置の1つの前記第2の金属板に、複数の前記第1の金属板を金属接合したことを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device, wherein a plurality of the first metal plates are metal-bonded to one of the second metal plates of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 6.
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