JP2020205326A - Semiconductor device - Google Patents
Semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2020205326A JP2020205326A JP2019111885A JP2019111885A JP2020205326A JP 2020205326 A JP2020205326 A JP 2020205326A JP 2019111885 A JP2019111885 A JP 2019111885A JP 2019111885 A JP2019111885 A JP 2019111885A JP 2020205326 A JP2020205326 A JP 2020205326A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metal plate
- temperature
- semiconductor device
- semiconductor element
- power semiconductor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に、電力用半導体素子及び当該電力用半導体素子の温度検出のための温度検出素子を有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a power semiconductor element and a semiconductor device having a temperature detection element for temperature detection of the power semiconductor element.
電力用半導体装置では、電力用半導体素子(パワー半導体素子)からの熱を放散するため、銅などの熱伝導率の高い金属板上にパワー半導体素子を接合などによって実装することが行われている。 In a power semiconductor device, in order to dissipate heat from a power semiconductor element (power semiconductor element), the power semiconductor element is mounted on a metal plate having high thermal conductivity such as copper by bonding or the like. ..
このような半導体装置では、発熱源であるパワー半導体素子の温度監視、温度異常検出、パワー半導体素子の制御等のために温度検出素子を設けることが行われている。 In such a semiconductor device, a temperature detecting element is provided for temperature monitoring of the power semiconductor element which is a heat generating source, temperature abnormality detection, control of the power semiconductor element, and the like.
例えば、特許文献1には、絶縁基板上に形成された金属配線層の上面に、半導体素子及び温度センサが半田によって接合された半導体装置が開示されている。半導体素子及び温度センサは金属配線層上で所定間隔をおいて配置されていることが開示されている。
For example,
また、特許文献2には、絶縁基板の上に形成された銅板上に、半田層を介して半導体チップが実装された半導体装置が開示されている。当該半導体チップ上には、当該半導体チップの温度を検出するダイオードが形成されている。 Further, Patent Document 2 discloses a semiconductor device in which a semiconductor chip is mounted on a copper plate formed on an insulating substrate via a solder layer. A diode for detecting the temperature of the semiconductor chip is formed on the semiconductor chip.
半導体素子、特にパワー半導体素子を有する半導体装置においては、熱源となるパワー半導体素子の温度を高精度に計測し、パワー半導体素子及び半導体装置の状態を正確に検出できることが求められる。 In a semiconductor element, particularly a semiconductor device having a power semiconductor element, it is required to be able to measure the temperature of the power semiconductor element as a heat source with high accuracy and accurately detect the state of the power semiconductor element and the semiconductor device.
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、半導体素子、特にパワー半導体素子の温度を高精度かつ高速に検出することができ、装置の異常や劣化を高精度かつ高速に検出することができる半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and can detect the temperature of a semiconductor element, particularly a power semiconductor element, with high accuracy and high speed, and detect an abnormality or deterioration of an apparatus with high accuracy and high speed. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of capable of providing a semiconductor device.
また、高い熱伝導特性及び放熱効果を有し、高性能で、劣化の小さい高信頼度の半導体装置を提供することを目的とする。また、マルチチップ構成などの高密度な半導体装置においても、高効率で高い信頼度の半導体装置を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device having high heat conduction characteristics and heat dissipation effect, high performance, and little deterioration. Another object of the present invention is to provide a highly efficient and highly reliable semiconductor device even in a high-density semiconductor device such as a multi-chip configuration.
本発明の半導体装置は、金属板を表面に有する絶縁基板と、金属板上に導電性接合材により接合された半導体素子と、絶縁板及び温度検出素子からなり、前記温度検出素子が前記絶縁板を介して当該金属板に接合された少なくとも1つの温度センサと、を有する。 The semiconductor device of the present invention comprises an insulating substrate having a metal plate on its surface, a semiconductor element bonded to the metal plate by a conductive bonding material, an insulating plate and a temperature detecting element, and the temperature detecting element is the insulating plate. It has at least one temperature sensor, which is joined to the metal plate via the above.
以下に本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、以下の説明及び添付図面においては、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符号を付している。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below. In the following description and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to substantially the same or equivalent parts.
図1Aは、実施例1の半導体装置10の上面を模式的に示す平面図である。また、図1Bは、図1AのA−A線に沿った半導体装置10の断面を模式的に示す断面図であり、図1Cは、図1AのB−B線に沿った半導体装置10の断面を模式的に示す断面図である。
FIG. 1A is a plan view schematically showing the upper surface of the
図1Aに示すように、パワートランジスタなどの半導体素子11及び温度センサ21が、積層基板33の上層である金属板33C1上に実装されて構成されている。
As shown in FIG. 1A, a
図1Bに示すように、半導体装置10は、金属等からなる冷却体30、冷却体30上にサーマルコンパウンド31によって密着され、金属等からなる支持基板32、支持基板32上に接合材によって接合された積層基板33、及び、積層基板33上に実装されさた半導体素子11及び温度センサ21からなる。
As shown in FIG. 1B, the
なお、以下においては、半導体素子11がパワー半導体素子である場合を例に説明するが、本発明は、パワー半導体素子に限らず、発熱する半導体素子について適用することができる。
In the following, a case where the
また、図1Bに示すように、金属板33C1は積層基板33の上面の金属層(銅回路板)33Cの一部である。より詳細には、積層基板33は、絶縁基板(セラミック基板)33Bに銅回路板をDCB(Direct Copper Bond)法、若しくはAMB(Active Metal Brazing)法、によって接合した放熱用積層基板であり、高熱伝導性及び高電気導電性を兼ね備えた、高絶縁耐圧の積層基板である。積層基板33の下面には金属層(銅回路板)33Aが接合されている。前記セラミック基板は、熱伝導度の高いセラミックス、例えば酸化アルミニウム(アルミナ)や窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素などが用いられる。なお、DCB法で製造した積層基板をDCB基板、AMB法で製造した積層基板をAMB基板という。
Further, as shown in FIG. 1B, the metal plate 33C1 is a part of the metal layer (copper circuit plate) 33C on the upper surface of the laminated
図1Cに示すように、金属板33C2は金属層33Cの他の一部であり、金属板33C1とは間隙25によって離間して形成されている。なお、金属板33C2は、金属板33C1と物理的に接続されていても、また接続されていなくとも良い。間隙25は、パターニングした銅板を接合することにより、又は銅板を全面に接合した後にエッチング等によりパターニングして形成される。
As shown in FIG. 1C, the metal plate 33C2 is another part of the
なお、以下においては、積層基板33の上層である回路板を金属層33Cとして、パワー半導体素子11及び温度センサ21が共通に接合された回路板の部分を金属板33C1として説明する。
In the following, the circuit board which is the upper layer of the laminated
なお、接合層12、22等に用いられる接合材又は接合層としては、はんだ材や銀(Ag)などの金属粒子含有低温焼結材や銀ナノペースト等を用いることができる。
As the bonding material or bonding layer used for the
以下に、パワー半導体素子11及び温度センサ21の構成及び配置について詳細に説明する。
The configuration and arrangement of the
上記したように、パワー半導体素子11及び温度センサ21が、共通の金属板である金属板33C1に接合されて実装されている。パワー半導体素子11は、金属板33C1に接合材によって接合されている。
As described above, the
パワー半導体素子11は、これには限定されないが、縦型半導体素子であることが好ましく、例えば縦型MOSFET又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。例えば、パワー半導体素子11が、縦型MOSFETである場合はドレインが金属板33C1に接合され、縦型IGBTである場合はコレクタが金属板33C1に導電性の接合材からなる接合層12によって接合されている。
The
温度センサ21は温度検出素子(sensing element)24と、温度検出素子24が接合材からなる接合層22によって接合された絶縁板23とからなる。温度検出素子は例えば、ダイオード、トランジスタ、サーミスタなどが可能である。温度検出素子は、パワー半導体素子(裏面電極)と電気的に絶縁される必要がある。従って、温度検出素子が金属板33C上に配置される場合は、絶縁板23を介して金属板33C上に温度検出素子は配置される。また、金属板33Cと特に素子の上面、底面に電極を有する素子(縦型温度検出素子)は、素子の接する箇所の温度検出感度が高いので好ましい。絶縁板23が接合層22によって金属板33C1に接合されることによって、温度センサ21が金属板33C1に接合されている。以下においても、絶縁板23を介して金属板33C1に接合された温度検出素子24、すなわち絶縁板23及び温度検出素子24を合わせて温度センサ21と称して説明する。接合層22は、熱導電性を有する材料で、はんだ材や銀(Ag)などの金属粒子含有低温焼結材や銀ナノペースト等を用いることができる。また、樹脂を含有していてもよい。
The
絶縁板23として例えばセラミック基板等が用いられている。温度検出素子24は、これらには限定されないが、例えばpnダイオード、又は表面実装型のサーミスタである。絶縁板23は、熱伝導度の高いセラミックス、例えば酸化アルミニウム(アルミナ)セラミックや窒化アルミニウムセラミック等の高熱伝導性のセラミック基板、又はセラミック基板等の絶縁基板の表裏に銅などの導電性板が形成されたDCB基板などの積層基板が好適である。また、耐熱性樹脂を含有した基板でもよい。具体的には、窒化アルミニウム等のセラミックス絶縁基板の両面に銅板等の導電性板がDCB法により接合されたDCB基板を用いることができる。セラミックス絶縁基板の両面に銅板等が形成されているため、温度センサや積層基板の金属層33Cと接合する際に、密着性の高い接合が容易であり、接合層22として、銀(Ag)などの金属粒子含有低温焼結材の他にもはんだ材も利用できるため好ましい。絶縁基板23がセラミック基板である場合は、銀(Ag)などの金属粒子含有低温焼結材や樹脂を含有した接合材などが用いることができる。なお、以下の実施例ではDCB基板を記しているがこれに限定されるもものではない。
For example, a ceramic substrate or the like is used as the insulating
図1Aには、金属層33Cが間隙(金属層非形成領域又は分離領域)25を有し、2つの部分(金属板)からなる場合を例に説明したが、1つの金属板として形成されていても良い。例えば、金属層33Cが絶縁体33Bの全体を覆うように形成され、その上にパワー半導体素子11及び温度センサ21が実装されていても良い。
In FIG. 1A, a case where the
本発明によれば、温度検出素子24は絶縁板23によって金属板33C1と電気的に絶縁され、パワー半導体素子11及び温度センサ21が、共通の金属板である金属板33C1に接合されて実装されている。
According to the present invention, the
温度検出素子の裏面とパワー半導体素子の裏面が同一の金属板上に配置されると、少なくともどちらかの素子が正常に稼働できなくなってしまう。そのため、温度検出素子とパワー半導体素子は、電気的に絶縁されて配置される必要がある。このようにするためには、積層基板33の金属板は、エッチング等でパターニング(分離)され、絶縁基板が露出した状態で、温度検出素子とパワー半導体素子とは、分離された金属板に配置される場合がある(従来構造)。この場合、共通の前記金属板上に配置されない構造となり、パワー半導体素子及び温度検出素子が互いに熱的に分離された金属板上に設けられる。
If the back surface of the temperature detection element and the back surface of the power semiconductor element are arranged on the same metal plate, at least one of the elements cannot operate normally. Therefore, the temperature detection element and the power semiconductor element need to be electrically insulated and arranged. In order to do so, the metal plate of the
一方、本発明はパワー半導体素子及び温度検出素子が互いに熱的に分離された金属板上に設けられた場合と異なり、パワー半導体素子11と温度検出素子24との間の熱抵抗が小さいので、パワー半導体素子11の温度を高精度かつ高速に検出することができる。また、パワー半導体素子11及び半導体装置の異常や劣化を高精度かつ高速に検出することができる。
On the other hand, in the present invention, unlike the case where the power semiconductor element and the temperature detecting element are provided on a metal plate thermally separated from each other, the thermal resistance between the
また、金属層33Cのパターニングによる分離部が無いので、パワー半導体素子11からの金属板中における水平方向の熱伝達が阻害されず熱抵抗が小さく、ひいては支持基板32や冷却体30への熱の伝達が良好に行われ、高い放熱効果が得られる。
Further, since there is no separation portion due to the patterning of the
さらに、高い放熱効果が得られるため、支持基板32や冷却体30との接合に用いられている半田のクラックや、サーマルコンパウンドの枯渇などの不具合を防止することができ、高性能で、劣化の小さい高信頼度の半導体装置を実現することができる。
Furthermore, since a high heat dissipation effect can be obtained, it is possible to prevent problems such as cracks in the solder used for joining the
このように、早期に異常を検出することができるので、電力を調整して半導体装置の寿命を延ばすことができる。従って、温度検出素子24の検出温度に基づいて異常や劣化を検出し、パワー半導体素子11及び半導体装置を制御する構成の装置とすることができる。
In this way, since the abnormality can be detected at an early stage, the electric power can be adjusted to extend the life of the semiconductor device. Therefore, the device can be configured to detect an abnormality or deterioration based on the detected temperature of the
具体的には、温度センサ信号から異常であるか否かの判定をする判定部と、異常と判定された場合にパワー半導体素子11の電力を抑制し、正常に戻った判定された場合に通常の電力とするよう制御する制御部とを有する半導体装置とすることができる。
Specifically, a determination unit that determines whether or not there is an abnormality from the temperature sensor signal, and a determination unit that suppresses the power of the
図2は、実施例2の半導体装置10の上面を模式的に示す平面図である。半導体装置10は、1つのパワー半導体素子11と、2つの温度センサ21A及び21Bを有している。温度センサ21Aは絶縁板23Aと、絶縁板23Aを介して金属板33C1に接合された温度検出素子24Aとからなり、同様に、温度センサ21Bは絶縁板23Bと、絶縁板23Bを介して金属板33C1に接合されたと温度検出素子24Bとからなる。なお、以下において、複数の温度センサについて、これらを特に区別しない場合には、温度センサ21と総称して説明する。
FIG. 2 is a plan view schematically showing the upper surface of the
図2に示すように、パワー半導体素子11及び温度センサ21Aの間隔D1は、パワー半導体素子11及び温度センサ21Bの間隔D2よりも小さい(D1<D2)。
As shown in FIG. 2, the distance D1 between the
本実施例においては、パワー半導体素子11との間隔(距離)が互いに異なる温度センサ21A(第1の温度センサ)と温度センサ21B(第2の温度センサ)とが設けられている。
In this embodiment, a
例えば、温度センサ21Aをパワー半導体素子11の近傍(隣接した位置)に、温度センサ21Bをパワー半導体素子11より離れた金属板33C1の端部に配置することができる。上記構成によれば、金属板中における面内方向の熱伝導が阻害されないので、これらの温度をモニタすることによってパワー半導体素子11及び半導体装置10の温度、及び劣化状態や素子寿命を、高精度かつ高速に測定又は推定することができる。具体的には、発熱体であるパワー半導体素子11から発する熱により、パワー半導体素子11からの距離に対して温度分布を有する。パワー半導体素子11からの距離の異なる複数の場所に温度センサ21が配置されると、その測定温度から温度勾配を把握することができる。
For example, the
この配置により、単に、ある箇所の温度を測定するのではわからない故障の前兆も把握することができる。例えば、モジュールの内部で、パワー半導体素子11の下部の、はんだ接合部やセラミック基板などでクラックが生じる場合である。はんだやセラミック基板の内部にクラックが生じると冷却器方向への放熱が悪くなり、熱は水平方向に伝わるので、温度勾配が通常よりなだらかになる。
With this arrangement, it is possible to grasp the precursor of a failure that cannot be understood by simply measuring the temperature at a certain point. For example, there is a case where a crack occurs in a solder joint or a ceramic substrate at the lower part of the
一方、従来構造の場合は、金属板が分離されているので、横方向への熱の伝わりは少なく、温度勾配の変化は小さい。そのため、検出感度は低い。また、パワー半導体素子やその周辺の通電部に過電流が流れる場合(電気的なショートなど)は、パワー半導体素子等に発熱が生じて、温度が上昇する。そのため、周辺の温度勾配は急峻になる。 On the other hand, in the case of the conventional structure, since the metal plate is separated, the heat transfer in the lateral direction is small and the change in the temperature gradient is small. Therefore, the detection sensitivity is low. Further, when an overcurrent flows through the power semiconductor element or the energized portion around it (electrical short circuit, etc.), heat is generated in the power semiconductor element or the like, and the temperature rises. Therefore, the surrounding temperature gradient becomes steep.
図3は、実施例3の半導体装置10の上面を模式的に示す平面図である。半導体装置10において、複数のパワー半導体素子11と、複数の温度センサ21とがこれらに共通の金属板33C1上に接合されて載置されている。
FIG. 3 is a plan view schematically showing the upper surface of the
より詳細には、複数のパワー半導体素子11及び複数の温度センサ21が金属板33C1上に整列して載置されている。本実施例においては、複数のパワー半導体素子11及び複数の温度センサ21が、第1方向(x方向)とこれに垂直な第2方向(y方向)にマトリクス配置されている。
More specifically, a plurality of
また、複数のパワー半導体素子11及び複数の温度センサ21の載置領域(フットプリント)の各々は矩形形状を有し、当該矩形の各辺はx方向及びy方向に沿って配列されている。
Further, each of the mounting regions (footprints) of the plurality of
第1の温度センサ21Aは他の温度センサ(すなわち、第2の温度センサ21B)よりも当該マトリクス配置領域の中心に近い位置に配されている。
The
例えば、図3に示すように、第1の温度センサ21Aが金属板33C1の中央部に、他の温度センサ21Bが金属板33C1の端部に配置されることが好適である。
For example, as shown in FIG. 3, it is preferable that the
本実施例においては、パワー半導体素子11がマルチチップ実装された大容量の半導体装置10を、パワー半導体素子11及び温度センサ21が接合される金属板をパターン分離すること無く実現される。
In this embodiment, a large-
過電流通電などによる発熱異常(発熱源の異常)、あるいは接合層の破損やクラックの発生時(冷却状態の異常)、など異常状態に応じて異なる温度分布プロファイルが生じる。本発明によれば、金属板中における熱伝導が阻害されないので、これらの異常状態を、高精度かつ高速に計測し、識別することができる。 Different temperature distribution profiles occur depending on the abnormal state such as heat generation abnormality due to overcurrent energization (heat generation source abnormality), or when the joint layer is damaged or cracks occur (cooling state abnormality). According to the present invention, since heat conduction in the metal plate is not inhibited, these abnormal states can be measured and identified with high accuracy and high speed.
加えて、本実施例においては、パワー半導体素子11に対して近接配置した温度センサ21Aと、温度センサ21Aとは当該パワー半導体素子11からの距離の異なる温度センサ21が構成されてもよい。これにより、特定のパワー半導体素子11の動作における温度状態と熱拡散によって生じる温度勾配の検出が可能となる。
In addition, in this embodiment, the
具体的な配置としては、温度センサ21A、21Bの他に、図3の3行3列の配置の場合、1行目(上段)中央、2行目(中段)左右、3行(下段)の中央の少なくとも一か所に配置されることが好ましい。また、この場合、温度センサ21Bがなくても良い。
As a specific arrangement, in addition to the
例えば、温度センサ21Aと1行目(上段)中央に温度センサ21とが配置される場合は、いずれのパワー半導体素子11からも距離の異なる2つの温度センサ21を配置することができる。
For example, when the
なお、一部のパワー半導体素子11に関しては近接した温度センサ21の対のみを有するものもあるが、図3に示す例においては、熱干渉の影響で高温化する中心部、パワー半導体素子11の配置外縁部に相当する配置構成例を示しており、発熱源近傍の温度と、発熱源から離れた位置で温度を検出することにより、前述した異常の種別に応じた状態の切り分けを比較的効率良く行える構成を有する。
Some
図4は、実施例4の半導体装置10の上面を模式的に示す平面図である。半導体装置10において、複数のパワー半導体素子11と、複数の温度センサ21とがこれらに共通の金属板33C1上に接合されて載置されている。
FIG. 4 is a plan view schematically showing the upper surface of the
実施例4においては、当該複数の温度センサのうち少なくとも2つがパワー半導体素子11の1つに隣接して配されている。具体的には、3つの温度センサ21Aが、装置の中央に配されたパワー半導体素子11に隣接して配されている。また、温度センサ21Bが装置の端部に配されている。例えば、このように配置することにより、パワー半導体素子11からx方向に伝わる熱(温度)とy方向に伝わる熱(温度)を把握することができる。そのため、パワー半導体素子11のどの場所に異常が生じたかを推定することができる。
In the fourth embodiment, at least two of the plurality of temperature sensors are arranged adjacent to one of the
本発明によれば、マルチチップ実装された大容量の半導体装置10においても、複数の温度センサが隣接して置かれた発熱源の異常あるいは冷却状態の異常など異常状態に応じた異常を、高精度かつ高速に計測し、識別することができる。
According to the present invention, even in a large-
実施例3の場合と同様に、本実施例において、パワー半導体素子11に対して近接配置した温度センサ21Aと、温度センサ21Aとは当該パワー半導体素子11からの距離の異なる温度センサ21が構成されてもよい。これにより、特定のパワー半導体素子11の動作における温度状態と熱拡散によって生じる温度勾配の検出が可能となる。
Similar to the case of the third embodiment, in the present embodiment, the
すなわち、特定のパワー半導体素子11からの距離の異なる少なくとも2つの温度センサ21を有するように構成されるのが好ましい。発熱源近傍の温度と、発熱源から離れた位置での温度を検出することにより、前述した異常や不具合の種別や状態の切り分けを迅速かつ高精度に行うことができる。
That is, it is preferable to have at least two
図5は、実施例5の半導体装置10の上面を模式的に示す平面図である。本実施例において、温度センサ21が接合された絶縁板23としてDCB基板が用いられている。
FIG. 5 is a plan view schematically showing the upper surface of the
図5に示すように、パワー半導体素子11がマルチチップ実装された配置領域の中央部に配置された温度検出素子24A及び端部に配置された温度検出素子24Bは、それぞれDCB基板である絶縁板23A、23Bに接合され、載置されている。すなわち、温度センサ21Aは温度検出素子24A及び絶縁板23Aからなり、温度センサ21Bは温度検出素子24B及び絶縁板23Bからなる。
As shown in FIG. 5, the
温度検出素子24が載置されたDCB基板(絶縁板23)の上層(導電層)には互いに電気的に分離された回路配線23C1及び23C2が形成されている。すなわち、回路配線23C1及び23C2はDCB基板の絶縁基板上の銅板等の導電性板の一部であり、互いに絶縁されて同一絶縁基板上に隣接して配置されている。
Circuit wirings 23C1 and 23C2 electrically separated from each other are formed on the upper layer (conductive layer) of the DCB substrate (insulating plate 23) on which the
温度検出素子24の底面の電極は配線23C1に電気的に接続されており、温度検出素子24の上面の電極は配線23C2に接続し得るようになっている。すなわち、温度検出素子24の両電極(正電極及び負電極)を互いに電気的に分離して接続可能な配線構造を有している。
The electrode on the bottom surface of the
従って、特に素子の上面、底面に電極を有する素子(縦型温度検出素子)の場合は、上記構成によれば、DCB基板(絶縁板23)の配線幅を縮小することができ、特にマルチチップ実装の場合のパワー半導体素子11の実装可能エリアを増大させることができる。従って、パワー半導体素子11を高密度で実装可能で、放熱に優れた半導体装置10を実現することができる。また、実装されたパワー半導体素子11の温度を高精度に計測することが可能である。
Therefore, particularly in the case of an element (vertical temperature detection element) having electrodes on the upper and lower surfaces of the element, the wiring width of the DCB substrate (insulating plate 23) can be reduced according to the above configuration, and particularly in the case of a multi-chip. The mountable area of the
なお、本実施例の改変例として、温度検出素子24が載置されたDCB基板(絶縁板23)の回路配線上に更にDCB基板を載置することによって、金属板33C1上の配線幅を更に低減することができるので、高密度で実装可能で、放熱に優れた半導体装置10を実現することができる。
As a modified example of this embodiment, the wiring width on the metal plate 33C1 is further increased by further mounting the DCB substrate on the circuit wiring of the DCB substrate (insulating plate 23) on which the
図6A―6Dは、パワー半導体素子11及び温度センサ21が共通に載置された金属板33C1の好適な形成領域を示している。
6A-6D show a suitable forming region of the metal plate 33C1 on which the
図6Aは、図1Aに示した場合について、金属板33C1の基本的な形成領域を模式的に示す平面図である。金属板33C1は少なくとも、パワー半導体素子11の載置領域の全体及び温度センサ21の載置領域の全体を含み、当該載置領域(フットプリント)の両者に外接する矩形領域MRの全体に亘って延在していることが好ましい。当該矩形領域MRの金属板部分がパワー半導体素子11と温度センサ21との間の主たる熱伝導に寄与するからである。
FIG. 6A is a plan view schematically showing a basic forming region of the metal plate 33C1 in the case shown in FIG. 1A. The metal plate 33C1 includes at least the entire mounting region of the
図6Bは、図2に示した場合と同様に複数の温度センサ21を有する半導体装置10について、金属板33C1の基本的な形成領域を模式的に示す平面図である。この場合、金属板33C1は少なくとも、パワー半導体素子11及びパワー半導体素子11に隣接する温度センサ21Aの載置領域の全体を含み、当該載置領域の両者に外接する矩形領域MR1と、パワー半導体素子11及びパワー半導体素子11に隣接する温度センサ21Bの載置領域の全体を含み、当該載置領域の両者に外接する矩形領域MR2との合成領域の全体に亘って延在していることが好ましい。
FIG. 6B is a plan view schematically showing a basic forming region of the metal plate 33C1 for the
すなわち、金属板33C1は少なくとも、矩形領域MR1と矩形領域MR2との合成領域であるL字上の領域の全体に亘って延在していることが好ましい。 That is, it is preferable that the metal plate 33C1 extends at least over the entire L-shaped region which is a composite region of the rectangular region MR1 and the rectangular region MR2.
図6Cは、図3に示した場合と同様に複数の半導体素子11及び複数の温度センサ21がマトリクス配列された場合の金属板33C1の形成領域を模式的に示す平面図である。この場合、金属板33C1は少なくとも、マトリクス配列された複数の半導体素子11及び複数の温度センサ21の全体の載置領域を含み、当該載置領域に外接する矩形領域MR3の全体に亘って延在していることが好ましい。
FIG. 6C is a plan view schematically showing a formation region of the metal plate 33C1 when a plurality of
図6Dは、図6Cの場合と同様な、複数の半導体素子11及び複数の温度センサ21がマトリクス配列された場合の金属板33C1の形成領域を模式的に示す平面図である。
FIG. 6D is a plan view schematically showing a formation region of the metal plate 33C1 when a plurality of
図6Dに示すように、複数の半導体素子11及び複数の温度センサ21の全体の載置領域は矩形である必要はない。また、複数の半導体素子11及び複数の温度センサ21がマトリクス配列されていることが好ましいが、互いにずれて配列されていてもよい。
As shown in FIG. 6D, the entire mounting area of the plurality of
これらの場合においても、金属板33C1は少なくとも、複数の半導体素子11及び複数の温度センサ21の全体の載置領域を含み、当該載置領域に外接する矩形領域MR4の全体に亘って延在していることが好ましい。なお、金属板33C1の形成領域MRが矩形の場合について説明したが、円状又は楕円状でも構わない。
Even in these cases, the metal plate 33C1 includes at least the entire mounting region of the plurality of
図6Eは、半導体素子11又は温度センサ21の全体の載置領域が矩形ではない場合の改変例を示している。半導体素子11又は温度センサ21の全体の載置領域は任意の形状を有していてもよい。また、半導体素子11及び温度センサ21の載置領域の何れかが大きいかは問わない。
FIG. 6E shows an example of modification when the entire mounting area of the
例えば、図6Eは、複数の半導体素子11及び複数の温度センサ21の全体の載置領域の端部に位置する温度センサ21Bの形状(載置領域)が円形である場合を示している。この場合においても、金属板33C1は少なくとも、複数の半導体素子11及び複数の温度センサ21の全体の載置領域を含み、当該載置領域に外接する矩形領域MR5の全体に亘って延在していることが好ましい。
For example, FIG. 6E shows a case where the shape (mounting area) of the
上記構成によれば、金属板中における熱伝導が阻害されないので、半導体素子11の温度を温度センサ21によってモニタすることによってパワー半導体素子11及び半導体装置10の温度、及び劣化状態や素子寿命を、高精度かつ高速に測定又は推定することができる。
According to the above configuration, heat conduction in the metal plate is not hindered. Therefore, by monitoring the temperature of the
上記したように、パワー半導体素子11は、縦型半導体素子であることが好ましいが、これには限定されない。特に、パワー半導体素子11は、表面領域に部分絶縁領域の形成が困難なSiC、GaO2、GaN、ダイヤモンドなどのワイドギャップ(WBG)半導体素子であることが好適である。
As described above, the
これらのパワー半導体素子11に、製造が容易で低コストのSi製のダイオードを温度検出素子24として組み合わせて用いることで、高効率で高密度な、劣化の少ない高信頼性の半導体装置10を低コストで実現することができる。
By using these
10:半導体装置、11:半導体素子、21,21A,21B:温度センサ、23:絶縁板、24:温度検出素子、30:冷却体、32:支持基板、33:絶縁基板、33A:金属層、33B:絶縁体、33C:金属層、33C1:金属板 10: Semiconductor device, 11: Semiconductor element, 21,21A, 21B: Temperature sensor, 23: Insulation plate, 24: Temperature detection element, 30: Cooler, 32: Support substrate, 33: Insulation substrate, 33A: Metal layer, 33B: Insulator, 33C: Metal layer, 33C1: Metal plate
Claims (9)
前記金属板上に導電性接合材により接合された半導体素子と、
絶縁板及び温度検出素子からなり、前記温度検出素子が前記絶縁板を介して前記金属板に接合された少なくとも1つの温度センサと、
を有する半導体装置。 A laminated substrate having a metal plate on the surface of the insulating plate,
A semiconductor element bonded to the metal plate by a conductive bonding material and
A temperature sensor composed of an insulating plate and a temperature detecting element, and the temperature detecting element is bonded to the metal plate via the insulating plate.
Semiconductor device with.
当該複数の温度センサのうち少なくとも1つは他の温度センサよりも前記半導体素子に近い位置に配されている、請求項1に記載の半導体装置。 A plurality of the temperature sensors are joined on the metal plate,
The semiconductor device according to claim 1, wherein at least one of the plurality of temperature sensors is arranged at a position closer to the semiconductor element than the other temperature sensors.
前記金属板は少なくとも、前記マトリクス配列の前記複数の半導体素子及び前記複数の温度センサの載置領域を含み前記載置領域に外接する矩形領域の全体に亘って延在している、請求項3に記載の半導体装置。 The plurality of semiconductor elements and the plurality of temperature sensors are arranged in a matrix.
3. The metal plate extends over the entire rectangular region circumscribing the previously described mounting region, including at least the mounting regions of the plurality of semiconductor elements and the plurality of temperature sensors in the matrix arrangement. The semiconductor device described in 1.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019111885A JP2020205326A (en) | 2019-06-17 | 2019-06-17 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019111885A JP2020205326A (en) | 2019-06-17 | 2019-06-17 | Semiconductor device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020205326A true JP2020205326A (en) | 2020-12-24 |
Family
ID=73837516
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019111885A Pending JP2020205326A (en) | 2019-06-17 | 2019-06-17 | Semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2020205326A (en) |
-
2019
- 2019-06-17 JP JP2019111885A patent/JP2020205326A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7871848B2 (en) | Semiconductor power module package without temperature sensor mounted thereon and method of fabricating the same | |
JP4089143B2 (en) | Power semiconductor device | |
JP5736226B2 (en) | Method for determining the temperature of a power semiconductor | |
US20140131709A1 (en) | Semiconductor Package with Temperature Sensor | |
JP7206652B2 (en) | Semiconductor devices, semiconductor packages, semiconductor modules, and semiconductor circuit devices | |
JP7476989B2 (en) | Semiconductor Module | |
JP2009212302A (en) | Semiconductor module and method of manufacturing the same | |
JP6727428B2 (en) | Semiconductor device | |
JP5168870B2 (en) | Semiconductor device | |
JP2014003095A (en) | Semiconductor device | |
US11610830B2 (en) | Power semiconductor module and method for fabricating the same | |
US10128345B2 (en) | Semiconductor device | |
JP4097613B2 (en) | Semiconductor device | |
JP6849660B2 (en) | Semiconductor device | |
KR20140050686A (en) | Semiconductor device and method for manufacturing same | |
JP5709161B2 (en) | Power semiconductor module | |
JP5369868B2 (en) | Semiconductor device | |
KR102586458B1 (en) | semiconductor sub-assembly and semiconductor power module | |
JP5549611B2 (en) | Silicon carbide semiconductor device | |
JP2012160602A (en) | Semiconductor device | |
JP7380062B2 (en) | semiconductor module | |
JP4673360B2 (en) | Semiconductor device | |
JP2020205326A (en) | Semiconductor device | |
JP2013113638A (en) | Semiconductor device | |
KR102600398B1 (en) | One Chip Gas Sensitive Device using Thermal Conductivity |