JP2021082617A - 半導体装置 - Google Patents

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弘晃 伊東
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優太 市倉
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Asami Mizutani
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尚隆 飯尾
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Abstract

【課題】信頼性を向上させた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、第１表面と、前記第１表面の裏面側に位置する第２表面と、を有する第１電極板と、前記第１電極板の前記第１表面に対向して配置された第２電極板と、前記第１電極板と前記第２電極板との間に配置され、前記第１電極板および前記第２電極板に接続された少なくとも１つの半導体素子と、前記第１電極板の前記第２表面に対向して配置される第１冷却器と、前記第１電極板と前記第１冷却器の間に配置され、両者に接合される第１中間部材と、を備える。前記第１中間部材は、第１線膨張係数を有する第１層と、第２線膨張係数を有する第２層と、を含む積層構造を有し、前記第１電極板と前記第２層との間に前記第１層が位置するように配置される。前記第１電極板の材料の線膨張係数は、前記第２線膨張係数よりも前記第１線膨張係数に近く、前記第１冷却器の材料の線膨張係数は、前記第１線膨張係数よりも前記第２線膨張係数に近い。【選択図】図１

Description

実施形態は、半導体装置に関する。
数キロボルト（ｋＶ）の高電圧や、数キロアンペア（ｋＡ）の大電流を取り扱う半導体装置では、温度上昇を抑制するために、複数の半導体スイッチング素子を並列接続して動作させる場合がある。例えば、パワー半導体モジュールには、並列接続された複数のスイッチング素子を単一のパッケージに搭載したものがある。
特許第３２５８２００号公報 特許第４３８５３２４号公報 特許第６１６６７０１号公報
実施形態は、信頼性を向上させた半導体装置を提供する。
実施形態に係る半導体装置は、第１表面と、前記第１表面の裏面側に位置する第２表面と、を有する第１電極板と、前記第１電極板の前記第１表面に対向して配置された第２電極板と、前記第１電極板と前記第２電極板との間に配置され、前記第１電極板および前記第２電極板に接続された少なくとも１つの半導体素子と、前記第１電極板の前記第２表面に対向して配置される第１冷却器と、前記第１電極板と前記第１冷却器の間に配置され、両者に接合される第１中間部材と、を備える。前記第１中間部材は、第１線膨張係数を有する第１層と、第２線膨張係数を有する第２層と、を含む積層構造を有し、前記第１層は、前記第１電極板と前記第２層との間に位置するように配置される。前記第１電極板の材料の線膨張係数は、前記第２線膨張係数よりも前記第１線膨張係数に近く、前記第１冷却器の材料の線膨張係数は、前記第１線膨張係数よりも前記第２線膨張係数に近い。
第１実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。 第１実施形態に係る半導体装置の水平断面を示す模式図である。 第１実施形態に係る半導体装置を模式的に示す部分断面図である。 第１実施形態に係る半導体装置を模式的に示す斜視図である。 第１実施形態に係る半導体装置の接続構造を示す模式断面図である。 第１実施形態に係る半導体装置の特性を示す模式断面図である。 第１実施形態に係る半導体装置の特性を示すグラフである。 第２実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置を模式的に示す部分断面図である。 比較例に係る半導体装置を模式的に示す部分断面図である。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体装置１を示す模式断面図である。半導体装置１は、例えば、パワー半導体モジュールである。
半導体装置１は、複数のサブモジュール１０と、冷却器２０と、を備える。サブモジュール１０は、例えば、アルミニウムの冷却器２０の上に配置される。冷却器２０は、サブモジュール１０に接続されるマウント部２３を有する。
マウント部２３は、例えば、上方（Ｚ方向）に突き出た突起であり、サブモジュール１０の下面側の開口に挿入される。サブモジュール１０の開口とマウント部２３との間には、樹脂部材３７が配置され、サブモジュール１０と冷却器２０との間の接続部が封じられる。樹脂部材３７は、少なくともサブモジュール１０の開口部を充填し、サブモジュール１０と冷却器２０との間の接合部を保護する。
さらに、冷却器２０の上面に配置された複数のサブモジュール１０を覆うケース３０が配置される。ケース３０は、側壁３３とカバー３５とを含む。側壁３３は、複数のサブモジュール１０を囲むように設けられ、冷却器２０に接続される。カバー３５は、複数のサブモジュール１０の上面を覆う。ケース３０の材料には、例えば、エポキシ樹脂などが用いられる。
図２は、第１実施形態に係る半導体装置１の水平断面を示す模式図である。図２は、サブモジュール１０の水平断面を示す模式図であり、図１中に示すＡ−Ａ線に沿った断面を表している。
図２に示すように、サブモジュール１０は、半導体素子４０を含む。半導体素子４０は、電極板５０の上にマウントされ、樹脂部材６５により封じられる。電極板５０の上には、少なくとも１つの半導体素子４０が配置される。この例では、２つの半導体素子４０が配置される。
半導体素子４０は、例えば、電力変換に用いられるパワー半導体素子である。そのようなパワー半導体素子は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の制御ゲートを有するスイッチング素子、または、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode）等のダイオードである。半導体装置１は、スイッチング素子を含むサブモジュール、および、ダイオード素子を含むサブモジュールの両方を内蔵しても良い。また、１つのサブモジュール内にスイッチング素子とダイオード素子の両方が混在してもよい。
半導体素子４０は、例えば、その上面に主電極４３と、ゲート電極４５と、を有する。主電極４３は、例えば、エミッタ電極もしくはソース電極であり、上方に配置される電極板７０（図３参照）に接続される。一方、半導体素子４０の裏面側に配置されるコレクタ電極もしくはドレイン電極は、電極板５０に接続される。さらに、ゲート電極４５には、例えば、ゲート端子８０がボンディングされる。
サブモジュール１０は、例えば、鉄などの金属を含むケース６０を含む。ケース６０は、後述の樹脂部材６５よりも高い剛性を有し、半導体素子４０、電極板５０および電極板７０を囲むように配置される（図３参照）。例えば、サブモジュール１０に搭載された半導体素子４０のうちの１つに大きな短絡電流が流れるような故障が生じた場合、ケース６０は、その周辺に配置された別のサブモジュール１０に影響を及ぼすような爆発的故障を防ぐ機能を有していてもよい。
図３は、第１実施形態に係る半導体装置１を模式的に示す部分断面図である。図３は、サブモジュール１０の断面構造を示す模式図である。サブモジュール１０は、半導体素子４０と、電極板５０と、電極板７０と、ケース６０と、を含む。
図３に示すように、例えば、２つの半導体素子４０が、電極板５０と電極板７０との間に配置される。半導体素子４０は、例えば、電極板５０および電極板７０に図示しない接合部材を介して電気的に接続されている。
電極板７０は、複数の凸部７３を有する。複数の凸部７３は、例えば、電極板７０に一体に設けられても良いし、電極板７０に接合されたものでも良い。凸部７３は、図示しない接続部材を介して半導体素子４０の主電極４３に接続される。
サブモジュール１０は、中間部材９０をさらに含む。中間部材９０は、冷却器２０と電極板５０との間に配置される。中間部材９０は、導電性を有する板状の部材である。また、中間部材９０は、複数の金属層を積層した構造を有する複合部材である。
サブモジュール１０は、例えば、半導体素子４０と、電極板５０と、電極板７０と、ケース６０と、中間部材９０と、を樹脂モールドした構造を有する。ケース６０は、半導体素子４０と、電極板５０と、電極板７０と、中間部材９０と、を囲むように配置され、その下面に開口６０Ｂを有する。開口６０Ｂは、中間部材９０の下面よりも狭い開口面積を有する。例えば、開口６０Ｂは、Ｚ方向に見て、中間部材９０の外縁よりも内側に位置する。
サブモジュール１０は、樹脂部材６５によりモールドされる。樹脂部材６５は、ケース６０の内部に充填され、また、ケース６０の外面を覆う。また、サブモジュール１０の下面には、開口１０Ｂが設けられる。開口１０Ｂは、ケース６０の開口６０Ｂの内側に位置する。開口１０Ｂは、その底面に中間部材９０の下面を露出させる。サブモジュール１０は、例えば、真空成形を用いて形成される。樹脂部材６５は、例えば、熱硬化性樹脂である。
冷却器２０のマウント部２３は、サブモジュール１０の下面の開口１０Ｂに挿入され、接合部材２５を介して中間部材９０に接合される。電極板５０は、接合部材５５を介して中間部材９０に接合される。これにより、冷却器２０と電極板５０とが電気的に接続される。接合部材２５および接合部材５５は、例えば、ハンダ材である。接合部材２５は、例えば、接合部材５５の融点よりも低い融点を有する。これにより、接合部材５５を溶融させることなく、サブモジュール１０を冷却器２０の上にマウントすることができるので、半導体装置１の組み立てが容易になる。
半導体素子４０において発生するジュール熱は、電極板５０、中間部材９０および冷却器２０を介して外部に放散される。冷却器２０は、複数の空洞２０Ｓを有する。例えば、空洞２０Ｓに冷却液を循環させることにより、半導体素子４０において発生するジュール熱を効果的に放散させることができる。
冷却器２０のマウント部２３が挿入された開口１０Ｂには、樹脂部材３７が充填される。冷却器２０と中間部材９０との間の接続部は、樹脂部材３７により封止られる。また、電極板５０と中間部材９０との間の接続部も樹脂部材６５により封じられる。
図４は、第１実施形態に係る半導体装置１の構成を模式的に示す斜視図である。図４に示すように、複数のサブモジュール１０が冷却器２０の上面に配置される。なお、図４では、複数のサブモジュール１０を囲むケース３０およびその内部に配置される樹脂の表示を省略している。
サブモジュール１０において、ケース６０は、ゲート端子８０の延在方向の側面にも開口を有する。そして、ゲート端子８０は、ケース６０の内部に充填された図示しない樹脂部材６５から延出するように設けられる。また、電極板７０に接続された電極端子８３も、ゲート端子８０と同じ方向に延出するように設けられる。
各サブモジュール１０の電極端子８３は、接続導体８５を介してバスバー８７に接続される。これにより、電極板５０と電極板７０との間に配置された複数の半導体素子４０を、冷却器２０とバスバー８７との間に並列接続できる。
例えば、半導体装置１の図示しない正極は、冷却器２０および電極板５０を介して半導体素子４０に電気的に接続される。一方、半導体装置１の図示しない負極は、バスバー８７および電極板７０を介して半導体素子４０に電気的に接続される。
このような半導体装置１において、電極板５０、電極板７０およびゲート端子８０の材料は、例えば、電気伝導性および熱伝導性が高い銅またはアルミニウムを主成分として含む金属材料である。また、冷却器２０の材料も銅またはアルミニウムを主成分として含む金属材料である。
本実施形態に係る半導体装置１では、冷却器２０と電極板５０との間に中間部材９０を配置することにより、その信頼性を向上させることができる。例えば、図１０に示す比較例に係るサブモジュール１０Ｘでは、冷却器２０と電極板５０との間に中間部材９０が配置されず、冷却器２０と電極板５０とが接合部材２５を介して接合されている。
例えば、体積比率の大きい冷却器２０には、軽量化を図るために、比重の軽いアルミニウムを用いることが好ましい。一方、電極板５０および７０には、電気抵抗率が小さく、熱伝導率が大きい銅を用いることが好ましい。結果として、冷却器２０の材料と電極板５０の材料とが異なる場合がある。
高電圧および大電流を制御する半導体装置１では、冷却器２０を用いたとしても、サブモジュール１０の温度上昇を完全に抑制することは難しい。このため、冷却器２０の熱膨張と電極板５０の熱膨張の違いに起因する歪が、接合部材２５に加わる。
図１０中の矢印で示すように、アルミニウムを材料とする冷却器２０の熱膨張は、銅を材料とする電極板５０の熱膨張よりも大きい。そして、この違いに起因する熱歪により、接合部材２５が劣化し、半導体装置１の信頼性に影響を与えることがある。これに対し、半導体装置１では、中間部材９０を配置することにより、接合部材２５および接合部材５５に加わる熱歪を緩和することが可能となる。これにより、半導体装置１の信頼性を向上させることができる。
図５は、第１実施形態に係る半導体装置１の接続構造を示す模式断面図である。図５は、冷却器２０と中間部材９０との間、および、電極板５０と中間部材９０との間の接続構造を表した模式図である。
中間部材９０は、少なくとも２つの異なる金属層を含む板状部材である。中間部材９０は、例えば、第１層９３および第２層９５を含む。第１層９３は、電極板５０と第２層９５との間に位置し、第１層厚Ｔ１を有する。第１層９３は、第２層９５の線膨張係数よりも電極板５０の材料の線膨張係数に近い値の線膨張係数を有する。
第２層９５は、冷却器２０のマウント部２３と第１層９３との間に位置し、第２層厚Ｔ２を有する。第２層９５は、第１層９３の線膨張係数よりも冷却器２０の材料の線膨張係数に近い値の線膨張係数を有する。
例えば、第１層９３は、電極板５０と同じ材料を含む。また、第２層９５は、冷却器２０と同じ材料を含む。第１層９３は、例えば、銅を含む金属層であり、第２層９５は、例えば、アルミニウムを含む金属層である。
中間部材９０は、例えば、冷却器２０と第２層９５との間に位置する第３層９７をさらに含むことができる。例えば、冷却器２０と中間部材９０とを接合する接合部材２５に対する第２層９５の濡れ性が低い場合、接合部材２５に対する濡れ性の高い第３層９７を配置することが好ましい。第３層９７は、例えば、銅を含む金属層である。
例えば、サブモジュール１０を冷却器２０の上にマウントする場合、接合部材２５に対する濡れ性を向上させるために、サブモジュール１０の下面側の開口１０Ｂ（図３参照）に露出された中間部材９０の表層を、例えば、機械的加工により除去することが好ましい。これにより、サブモジュール１０の形成過程において中間部材９０の露出面に生じる酸化膜もしくは汚れなどを除去し、中間部材９０の接合部材２５に対する濡れ性を向上させることができる。結果として、第３層９７の接合部材２５に接する部分の第３層厚Ｔ３は、樹脂部材６５に覆われる周辺部の第４層厚Ｔ４よりも薄くなる。
また、第３層９７に代えて、中間部材９０の露出面に、接合部材２５に対する濡れ性の高い材料、例えば、ニッケルもしくは銅などのメッキ層を形成しても良い。さらに、冷却器２０のマウント部２３の表面にも、接合部材２５に対する濡れ性の高い材料をメッキすることが好ましい。これにより、サブモジュール１０と冷却器２０との間の接合強度を向上させることができる。
図６は、第１実施形態に係る半導体装置１の特性を示す模式断面図である。図６は、冷却器２０と電極板５０との間に配置された中間部材９０の作用を例示する模式図である。図６中に示す矢印は、各部材の熱膨張を模式的に表している。
図６に示すように、中間部材９０の第１層９３は、電極板５０の熱膨張と略同一の熱膨張を有する。このため、電極板５０と第１層９３との間に位置する接合部材５５に加わる熱歪を緩和することができる。また、第１層９３は、第２層９５の熱膨張が接合部材５５に与える影響を抑制できる第１層厚Ｔ１（図５参照）を有する。
中間部材９０の第２層９５は、冷却器２０の熱膨張と略同一の熱膨張を有する。このため、冷却器２０と第２層９５との間に位置する接合部材２５に加わる熱歪を緩和することができる。第２層９５は、第１層９３の熱膨張が接合部材２５に与える影響を抑制できる第２層厚Ｔ２を有する。
第３層９７は、第２層による接合部材２５の歪緩和の効果を妨げない第３層厚Ｔ３を有する。例えば、第３層厚Ｔ３は、第２層厚Ｔ２よりも薄い（図５参照）。さらに、第１層９３と第３層９７に同じ材料、例えば、銅を用いた場合、第１層厚Ｔ１は、第３層厚Ｔ３よりも厚い。
また、樹脂部材３７と樹脂部材６５は、異なる線膨張係数を有する。例えば、冷却器２０と中間部材９０との間に位置する接合部材２５の端部を覆う樹脂部材３７には、冷却器２０の材料の線膨張係数に近い値の線膨張係数を有する材料を用いる。一方、電極板５０と中間部材９０との間に位置する接合部材５５の端部を覆う樹脂部材６５には、電極板５０の材料の線膨張係数に近い値の線膨張係数を有する材料を用いる。
例えば、樹脂部材３７には、銅の線膨張係数よりもアルミニウムの線膨張係数に近い値の線膨張係数を有する材料を用いる。樹脂部材６５には、例えば、アルミニウムの線膨張係数よりも銅の線膨張係数に近い値の線膨張係数を有する材料を用いる。樹脂部材３７および樹脂部材６５は、例えば、エポキシ樹脂であり、樹脂部材３７は、樹脂部材６５とは異なる組成のエポキシ樹脂である。
半導体装置１では、動作時の温度変化によってサブモジュール１０が熱膨張もしくは熱収縮した際に、冷却器２０の材料と電極板５０の材料との間の線膨張係数の差に起因する接合部材２５および５５の歪（熱変形）を、中間部材９０が緩和する。
さらに、樹脂部材３７により冷却器２０と中間部材９０との間に位置する接合部材２５を封止し、樹脂部材６５により電極板５０と中間部材９０との間の接合部材５５を封止することにより、接合部材２５および５５の熱変形を効果的に抑制することができる。例えば、樹脂部材３７の線膨張係数を冷却器２０の材料の線膨張係数に近い値とし、樹脂部材６５の線膨張係数を電極板５０の材料の線膨張係数に近い値とすることにより、接合部材２５および５５の歪を大幅に抑制することができる。
図７は、第１実施形態に係る半導体装置１の特性を示すグラフである。図７は、接合部材の歪と、半導体装置１の寿命と、の関係を示すグラフである。横軸は、接合部材の歪の大きさであり、縦軸は、温度上昇および低下のサイクル数で表される装置寿命である。
図７に示すように、冷却器２０と電極板５０とを直接接合した場合に比べて、中間部材を介在させることにより、熱歪を低減し、装置寿命を延ばすことができる。また、接合部を樹脂部材で封じることにより、さらに熱歪を低減し、装置寿命を延ばすことができる。
このように、冷却器２０と電極板５０との間に中間部材９０を介在させることによる歪の低減効果、および、各接合部を樹脂部材３７および６５で封止することによる歪の低減効果により、図１０に示すサブモジュール１０Ｘを用いる場合と比べて、半導体装置１の寿命を大幅に延ばすことができる。
さらに、中間部材９０の下面をケース６０の開口６０Ｂよりも広くすることにより、サブモジュール１０の防爆効果を向上させることができる。例えば、何らかの要因により半導体素子４０が故障し、大きな短絡電流が流れると、例えば、接合部材の気化により、半導体素子４０を封じた樹脂部材６５の内圧が上昇する。このため、電極板５０と電極板７０を互いに離間させる方向に荷重が生じるが、ケース６０は、その荷重に耐え、電極板５０と電極板７０の離間を防ぐ。その結果、サブモジュール１０の破裂（爆発的故障）を抑制することが可能となり、半導体素子４０のいずれかが故障したとしても半導体装置１への通電を継続することができる。例えば、半導体装置１を多段化して構成される電力変換器の運転継続を実現することができる。
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態に係る半導体装置２を示す模式断面図である。半導体装置２は、２つの冷却器１２０および１３０の間に配置された複数のサブモジュール１１０を有する。
サブモジュール１１０は、樹脂部材１６５によりモールドされ、下面および上面にそれぞれ開口１１０Ｂおよび１１０Ｔを有する。冷却器１２０は、サブモジュール１１０の開口１１０Ｂの内部に露出された中間部材９０に接続される。冷却器１３０は、サブモジュール１１０の開口１１０Ｔの内部に露出された中間部材１９０に接続される。
半導体装置２の側面には、ケース１４０が配置される。冷却器１２０、１３０およびケース１４０に囲まれた空間には、樹脂部材１３７がサブモジュール１１０を封止するように充填される。
半導体装置２では、上下に２つの冷却器１２０および１３０を配置することにより、半導体素子４０の熱を、上下両面から放熱することができる。これにより、放熱性能を向上させることができる。
図９は、第２実施形態に係る半導体装置２を模式的に示す部分断面図である。図９は、サブモジュール１１０の断面構造を示す模式図である。サブモジュール１１０は、半導体素子４０と、電極板５０と、電極板７０と、を含む。少なくとも１つの半導体素子４０が、電極板５０と電極板７０との間に配置される。
サブモジュール１１０は、中間部材９０と、中間部材１９０と、をさらに含む。冷却器１２０は、中間部材９０を介して電極板５０に電気的に接続される。冷却器１３０は、中間部材１９０を介して電極板７０に電気的に接続される。半導体装置２は、例えば、冷却器１２０に接続された図示しない正極と、冷却器１３０に接続された図示しない負極と、を有する。
中間部材１９０は、例えば、第１層１９３と、第２層１９５と、第３層１９７と、を含む板状複合材である。中間部材１９０は、接合部材７５を介して電極板７０に接合される。また、冷却器１３０は、接合部材１３５を介して中間部材１９０に接合される。接合部材７５および接合部材１３５は、例えば、ハンダ材である。接合部材７５は、例えば、接合部材１３５の融点よりも高い融点を有する。
第１層１９３は、電極板７０と第２層１９５との間に位置し、第２層１９５の線膨張係数よりも電極板７０の材料の線膨張係数に近い値の線膨張係数を有する。
第２層１９５は、冷却器１３０と第１層１９３との間に位置し、第１層１９３の線膨張係数よりも冷却器１３０の材料の線膨張係数に近い値の線膨張係数を有する。
第３層１９７は、冷却器１３０と第２層１９５との間に位置し、第２層１９５の材料よりも接合部材１３５に対する濡れ性が高い。第３層１９７は、第２層１９５よりも薄い層厚を有する。また、第３層１９７は、接合部材１３５に接する部分の層厚が、周辺部の層厚よりも薄くなるように設けられる（図５参照）。
本実施形態でも、電極板５０および７０の材料と、冷却器１２０および１３０の材料とが異なる。中間部材９０および１９０は、接合部材５５、７５、１２５、１３５の熱変形（熱歪）を抑制し、半導体装置の信頼性を向上させる。
例えば、電極板５０および電極板７０の材料は、銅もしくは銅合金であり、冷却器１２０および１３０の材料は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金である。
中間部材９０の第１層９３および中間部材１９０の第１層１９３は、例えば、銅を主成分とする金属層である。中間部材９０の第２層９５および中間部材１９０の第２層１９５は、例えば、アルミニウムを主成分とする金属層である。
さらに、中間部材９０の第３層９７および中間部材１９０の第３層１９７は、例えば、銅を主成分とする金属層である。第３層９７の層厚は、第１層９３の層厚よりも薄く、第３層１９７の層厚は、第１層１９３の層厚よりも薄く設けられる。
樹脂部材１３７は、中間部材９０と冷却器１２０の接合部を覆い、中間部材１９０と冷却器１３０の接合部を覆うように設けられる。樹脂部材１３７は、半導体装置２の内部全体に充填される必要はなく、少なくとも中間部材９０と冷却器１２０の接合部、冷却器１３０と中間部材１９０との接合部を覆うように配置されていれば良い。
本実施例においても、電極板５０と冷却器１２０との間の接合部材、および、電極板７０と冷却器１３０との間の接合部材の熱歪を、中間部材９０および１９０で緩和すると共に、樹脂部材１３７および樹脂部材６５により接合部材の熱歪を大幅に低減することができる。これにより、半導体装置２の信頼性を向上させることができる。
また、サブモジュール１１０は、半導体素子４０、電極板５０、７０、中間部材９０および１９０を囲むように配置されるケース１６０を含む。ケース１６０は、上面および下面にそれぞれ開口１６０Ｂおよび１６０Ｔを有する。
開口１６０Ｂは、下方から見て中間部材９０の下面の内側に位置するように設けられる。また、開口１６０Ｔは、上方から見て、中間部材１９０の上面の内側に位置するように設けられる。これにより、半導体素子４０の故障によるサブモジュール１１０の爆発的破壊を回避することができる。
さらに、冷却器１２０および１３０を正負の電極として用いることができるため、サブモジュール１１０の電極板７０を相互に接続する接続導体８５およびやバスバー８７を配置する必要がなく、構成を簡略化できる。
上記の半導体装置１および２は例示であり、実施形態は、これらに限定される訳ではない。例えば、半導体装置１および２に比べて低電圧および低電流の用途に用いられる装置では、サブモジュール１０および１１０は、ケース６０および１６０を含まない構成であっても良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１、２…半導体装置、 １０、１０Ｘ、１１０…サブモジュール、 １０Ｂ…開口、 ２０、１２０、１３０…冷却器、 ２０Ｓ…空洞、 ２３…マウント部、 ２５、５５、７５、１３５…接合部材、 ３０、６０、１４０、１６０…ケース、 ３３…側壁、 ３５…カバー、 ３７、６５、１３７、１６５…樹脂部材、 ４０…半導体素子、 ４３…主電極、 ４５…ゲート電極、 ５０、７０…電極板、 ６０Ｂ、１１０Ｂ、１１０Ｔ、１６０Ｂ、１６０Ｔ…開口、 ７３…凸部、 ８０…ゲート端子、 ８３…電極端子、 ８５…接続導体、 ８７…バスバー、 ９０、１９０…中間部材、 ９３、１９３…第１層、 ９５、１９５…第２層、 ９７、１９７…第３層

Claims (10)

  1. 第１表面と、前記第１表面の裏面側に位置する第２表面と、を有する第１電極板と、
    前記第１電極板の前記第１表面に対向して配置された第２電極板と、
    前記第１電極板と前記第２電極板との間に配置され、前記第１電極板および前記第２電極板に接続された少なくとも１つの半導体素子と、
    前記第１電極板の前記第２表面に対向して配置される第１冷却器と、
    前記第１電極板と前記第１冷却器の間に配置され、両者に接合される第１中間部材と、
    を備え、
    前記第１中間部材は、第１線膨張係数を有する第１層と、第２線膨張係数を有する第２層と、を含む積層構造を有し、前記第１電極板と前記第２層との間に前記第１層が位置するように配置され、
    前記第１電極板の材料の線膨張係数は、前記第２線膨張係数よりも前記第１線膨張係数に近く、
    前記第１冷却器の材料の線膨張係数は、前記第１線膨張係数よりも前記第２線膨張係数に近い半導体装置。
  2. 前記第１電極板と前記第１中間部材との間に配置された第１接合部材と、
    前記第１冷却器と前記第１中間部材との間に配置された第２接合部材と、
    をさらに備えた半導体装置。
  3. 前記第１接合部材の融点は、前記第２接合部材の融点よりも高い請求項２記載の半導体装置。
  4. 前記中間部材は、前記第２接合部材に対するぬれ性が前記第２層よりも高い第３層をさらに含み、
    前記第３層は、前記第２層と前記第２接合部材との間に配置され、前記第２接合部材と接する部分において前記第２層よりも薄い層厚を有する請求項２または３に記載の半導体装置。
  5. 前記第１接合部材の端および前記第２接合部材の端を覆う樹脂部材をさらに備えた請求項２〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
  6. 前記樹脂部材は、前記第１接合部材の端を覆う第１樹脂部材と、前記第２接合部材の端を覆う第２樹脂部材と、を含み、
    前記第１樹脂部材の線膨張係数は、前記第２樹脂部材の線膨張係数とは異なる値を有する請求項５記載の半導体装置。
  7. 前記第２電極板、前記半導体素子、前記第１電極板および前記中間部材を囲む第１ケースと、
    前記第１ケースの外側に配置された第２ケースと、
    をさらに備え、
    前記第１ケースは、前記第１樹脂部材よりも剛性が高く、
    前記第１ケースは、前記中間部材の一部を露出させる開口を有し、
    前記第１冷却器は、前記第１ケースの開口内に延在し、前記中間部材の前記一部に接合される部分を有する請求項６記載の半導体装置。
  8. 前記中間部材の前記第１層は、前記第１電極板と同じ材料を含み、
    前記中間部材の前記第２層は、前記第１冷却器と同じ材料を含む請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体装置。
  9. 前記第１層は、銅を含む金属層であり、
    前記第２層は、アルミニウムを含む金属層である請求項８記載の半導体装置。
  10. 前記第２電極板に対向して配置された第２冷却器と、
    前記第２電極板と前記第２冷却器との間に配置された第２中間部材と、
    をさらに備え、
    前記第２電極板は、前記第１電極板と前記第２冷却器との間に位置し、
    前記第２中間部材は、第３線膨張係数を有する第３層と、第４線膨張係数を有する第４層と、を含む積層構造を有し、前記第２電極板と前記第４層との間に前記第３層が位置するように配置され、
    前記第２電極板の材料の線膨張係数は、前記第４線膨張係数よりも前記第３線膨張係数に近く、
    前記第２冷却器の材料の線膨張係数は、前記第３線膨張係数よりも前記第４線膨張係数に近い請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体装置。
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JP4949535B2 (ja) * 2010-01-27 2012-06-13 京セラ株式会社 複合体およびそれを用いた半導体装置、半導体モジュールならびにその製法
JP5434986B2 (ja) * 2011-08-10 2014-03-05 株式会社デンソー 半導体モジュールおよびそれを備えた半導体装置
CN104054173B (zh) * 2012-01-25 2017-06-30 三菱电机株式会社 功率用半导体装置
JP5949935B2 (ja) * 2012-10-25 2016-07-13 三菱電機株式会社 半導体装置
CN205752150U (zh) * 2013-08-28 2016-11-30 三菱电机株式会社 半导体装置
JP6272512B2 (ja) * 2015-01-26 2018-01-31 三菱電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法

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