JP3235421U - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】汎用部品を利用して十分な放熱性を確保しつつ、搭載スペースを抑制して容易に組立ができる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１２−１は、半導体素子と、熱伝導性を有する絶縁層が形成された金属基板２７と、半導体素子を第１所定位置に配置するための第１位置決め部材２３を有する樹脂部材２６と、を備え、半導体素子は、第１位置決め部材２３により第１所定位置に配置された状態で、金属基板２７の絶縁層上に接着剤ＢＤにより接着されている。【選択図】図２

Description

本開示は、半導体装置に関する。

従来、半導体を用いて構成される電力変換装置において、パワー半導体は発熱量が大きいためヒートシンクにねじや板ばねを介して固定し、直接ヒートシンクに放熱する構造が広く採用されていた。

特開２０２１−０９３４８５号公報

しかしながら、上記構成を採用する場合、パワー半導体をヒートシンクに固定する際に治具を利用する必要があったり、駆動回路基板にハンダ等で接続する際にパワー半導体がヒートシンクに搭載された状態での実施が必要だったり、組立性が課題となっていた。

また、板ばねやねじでパワー半導体を固定する場合、絶縁性を考慮する必要があり、絶縁部材の配置のために、搭載スペースが大きくなり容積悪化に繋がるおそれがあった。

上記課題を解決するため、パワー半導体と駆動回路が一体となったパワーモジュールを使用することが考えられるが、専用設計部品となるため汎用性が低く、一般的に材料コストが高くなるといった新たな課題が生じていた。

本開示が解決しようとする課題は、汎用部品を利用して十分な放熱性を確保しつつ、搭載スペースを抑制して容易に組立が可能な半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することである。

本開示の一態様に係る半導体装置は、半導体素子と、熱伝導性を有する絶縁層が形成された金属基板と、半導体素子を第１所定位置に配置するための第１位置決め部材を有する樹脂部材と、を備え、半導体素子は、第１位置決め部材により第１所定位置に配置された状態で、金属基板の絶縁層上に接着剤により接着されている。

本開示によれば、パワー半導体素子として汎用部品を利用して十分な放熱性を確保しつつ、搭載スペースを抑制して容易に組立ができる。

実施形態にかかる半導体装置を備えた車載用の電子機器の平面図。 半導体装置の部分断面図。 モールドの部分断面図。 モールド内にパワートランジスタを収納した状態の説明図。 モールドの収納枠部付近について＋Ｚ方向に見た場合の説明図。 Ｘ−Ｚ平面上の所定方向から見た金属基板の外観斜視図。 モールドに金属基板を締結する直前の状態の説明図。 パワートランジスタの押圧状態の説明図。 樹脂製基板の取り付け状態の説明図。

以下、本考案の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、実施形態にかかる半導体装置を備えた車載用の電子機器の平面図である。
図１においては、理解の容易のため、半導体装置を構成している放熱板として機能する金属基板及び筐体カバーは図示を省略している。

また図１においては、左右方向（右が＋）をＸ方向とし、上下方向（上が＋）をＹ方向とし、紙面に垂直方向（手前が＋）をＺ方向とするものとする。
以下においては、図１の方向を基準として方向については説明するものとする。

電子機器１０は、大電力を供給する電力供給装置として構成されており、金属製あるいは樹脂製の筐体本体１１と、Ｙ方向に沿って配置され、Ｘ方向に延在し、それぞれ複数の半導体素子としてのパワー半導体ＰＤが配置され、電力変換を行う複数（図１では、３個）の半導体装置１２−１〜１２−３と、を備えている。
ここで、パワー半導体ＰＤの概念としては、パワートランジスタ及びパワーダイオードが含まれる。

次に半導体装置１２−１〜１２−３の構成について説明する。
半導体装置１２−１〜１２−３は、同様の構成であるので、以下では、半導体装置１２−１を例として説明する。

図２は、半導体装置の部分断面図である。
本実施形態においては、半導体装置１２−１として電力変換回路を構成した場合について説明する。

半導体装置１２−１は、＋Ｚ方向から−Ｚ方向に向かって（図２中、上から下に向かって）、接続部品２１やコンデンサ等の各種素子が載置された樹脂製基板２２と、パワー半導体ＰＤの配置位置を規制するための第１位置決め部材として機能する収納枠部２３、後述の放熱板として機能する金属基板の配置位置を規制するための第１位置決めピン２４及び樹脂製基板２２の配置位置を規制するための第２位置決めピン２５を備えた樹脂部材としてのモールド２６と、収納枠部２３内に収納されたパワー半導体ＰＤと、放熱板として機能し、パワー半導体ＰＤに接着剤ＢＤにより接着された金属基板２７と、を備えている。

樹脂製基板２２としては、電子機器１０の使用環境（周囲温度等）あるいは本実施形態では電力変換回路であるが、形成する電子回路（電力変換回路、高周波回路等）の特性に適したものを用いることが可能である。
例えば、ガラスエポキシ基板、ガラスコンポジット基板、テフロン（登録商標）基板、紙エポキシ基板、紙フェノール基板等の一般的なプリント配線基板を用いることが可能である。

図３は、モールドの部分断面図である。
モールド２６は、モールド本体２６Ａを有し、モールド本体２６Ａの第１の面ＳＦ１（−Ｚ方向の面）には、金属基板２７の配置位置を規制し、位置決めを行うための第１位置決めピン２４が−Ｚ方向に沿って突設されている。

また、モールド本体２６Ａの第１の面ＳＦ１に対向する第２の面ＳＦ２（＋Ｚ方向の面）には、樹脂製基板２２の配置位置を規制し、位置決めを行うための第２位置決めピン２５が＋Ｚ方向に沿って突設されている。

モールド本体２６Ａの第１の面ＳＦ１には、＋Ｚ方向視した場合に、略長方形状を有する凹部をなす、すなわち、略箱形形状の収納枠部２３が形成されている。
なお、収納枠部２３の形状は、これに限られるものでは無く、収納するパワー半導体ＰＤの収納位置が変動しないように格納できる形状であればよい。

この収納枠部２３の＋Ｚ方向の面には、パワー半導体ＰＤを金属基板２７に接着する際にパワー半導体ＰＤの＋Ｚ方向の面を押圧して、金属基板２７の接着剤の塗布部分に圧着させる治具を挿入するための治具挿入開口３１及び図示しないねじ部材が螺合されて、金属基板２７が締結される締結用孔３４が複数形成されている。

この場合に用いられる接着剤ＢＤとしては、電子機器１０が車載用機器である場合には、例えば、−４０℃〜１２５℃の温度範囲で接着力を維持することができるようにシリコン樹脂系材料で構成された接着剤ＢＤが用いられる。

また、接着剤ＢＤの硬化方式としては、金属基板２７の定着作業及び半導体素子の押圧作業などの作業時間の確保の観点から、加熱硬化型接着剤が望ましいが、作業時間が確保できるのであれば、２液混合型等他の方式の接着剤でも適用が可能である。

また、室温等の通常の温度域で用いられる電子機器であれば、シリコン樹脂系接着剤に限らず、ウレタン樹脂系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤等を用いることも可能である。

また収納枠部２３の周面には、パワー半導体ＰＤに当接して、パワー半導体ＰＤを所定位置に保持する複数の薄板状のリブ３５、３６が収納枠部２３の中央方向に向かって（Ｙ方向あるいはＸ方向に沿って）立設されている。

さらに収納枠部２３の＋Ｚ方向の面には、＋Ｚ方向視した（図中、下方向から上方向を見た）場合に、すり鉢形状を有し、第２の面ＳＦ２側にパワー半導体ＰＤの端子が挿通される端子挿通部３７が設けられている。

また、モールド２６のモールド本体２６Ａの第２の面ＳＦ２には、樹脂製基板２２の配置位置を規制するための第１位置決めピン２４が＋Ｚ方向に突設されている。また第２の面ＳＦ２には、配置された樹脂製基板２２に係合して、樹脂製基板２２を固定状態とする係合突起３２、３３が＋Ｚ方向に突設されている。さらに第２の面ＳＦ２には、樹脂製基板２２に当接して、係合突起３２，３３と協働して樹脂製基板２２を固定状態とする支持突起３８が複数設けられている。

また、金属基板２７のモールド２６及びパワー半導体ＰＤに対向する面には、一面に絶縁層ＩＭが形成され、さらにパワー半導体ＰＤに対応する位置には絶縁層ＩＭ上に接着剤ＢＤが配置されて、パワー半導体ＰＤと金属基板２７とを、物理的及び熱的に結合している。

これらの結果、本実施形態によれば、パワー半導体素子ＰＤにおいて発生した熱を確実に金属基板２７側に伝達して、放熱させることができるので、発熱する半導体素子としてとして汎用部品を利用して十分な放熱性を確保しつつ、搭載スペースを抑制して容易に半導体装置、ひいては、電子機器の組立が行える。

次に実施形態の半導体装置の製造工程について説明する。
以下の説明においては、図３乃至図７を参照して説明する。
まず図３に示したように、所望のパワー半導体ＰＤに対応する形状を有するモールド２６を準備する。

図４は、モールド内にパワートランジスタを収納した状態の説明図である。
続いて、パワー半導体ＰＤの一対の端子Ｔをそれぞれ端子挿通部３７に挿通しつつ、パワー半導体ＰＤを収納枠部２３内に収納する。

図５は、モールドの収納枠部付近について＋Ｚ方向に見た場合の説明図である。
図５に示すように収納枠部２３内には、パワー半導体ＰＤが収納され、端子挿通部３７には、パワー半導体ＰＤの端子Ｔが挿通されている。
さらにパワー半導体ＰＤの周面には、リブ３５、３６が当接してパワー半導体ＰＤを所定位置に保持することとなる。

ここで、金属基板２７の構成について説明する。
図６は、Ｘ−Ｚ平面上の所定方向から見た金属基板の外観斜視図である。
金属基板２７は、図６に示すように、金属基板本体４１を有している。
この金属基板本体４１を構成する材料としては、放熱性を重視するため、熱伝導性の高いアルミニウムや銅などの金属が用いられる。

この金属基板本体４１の＋Ｚ方向表面の全面には、高熱伝導率を有する絶縁層ＩＭが形成されている。
この場合において、高熱伝導率を有する絶縁層ＩＭとしては、熱伝導性ポリマー（例えば、エポキシ樹脂）や、熱伝導性ポリマー（例えば、エポキシ樹脂）に炭化シリコン（ＳｉＣ）あるいは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）をフィラーとして混ぜ込んだもの等が用いられている。

そして＋Ｘ方向端部及び−Ｘ方向端部には、Ｚ方向に連通する位置決め用孔４２がそれぞれ一つずつ設けられている。
この位置決め用孔４２には、第１位置決めピン２４が挿通されて、位置決めがなされることとなる。

さらに金属基板本体４１は、周縁部及び中央部にモールド２６に締結するための図示しないねじ部材が挿入されるＺ方向に連通する締結用孔４３が複数（図６では、１０個）設けられている。

そして、金属基板本体４１の長手方向には、二つの長方形状を有する接着剤塗布部４４が設けられている。
そしてこの接着剤塗布部４４には、上述したように、たとえば、シリコン樹脂系材料で構成された接着剤ＢＤが組立直前に塗布されている。

図７は、モールドに金属基板を締結する直前の状態の説明図である。
そして、図７に示すように、一対の位置決め用孔４２に、対応する第１位置決めピン２４を挿通しつつ、金属基板２７の金属基板本体４１をモールド２６のモールド本体２６Ａに当接させる。
そして、モールド本体２６Ａに金属基板本体４１が当接した状態で、図示しないねじ部材を締結用孔４３及び締結用孔４３に対応する位置に設けられているモールド本体２６Ａの複数の締結用孔３４に図示しないねじ部材を挿入する。

その後、締結用孔３４の内面に形成されているねじ溝にねじ部材を螺合して、金属基板２７をモールド２６に締結する。

ところで、この状態においては、パワー半導体ＰＤは、収納枠部２３及び金属基板２７で囲まれた空間内に収納されているだけであり、配線もなされていないので、固定されていない状態となっている。

図８は、パワートランジスタの押圧状態の説明図である。
そこで、治具挿入開口３１内にパワー半導体ＰＤを金属基板２７の接着剤塗布部４４、ひいては、接着剤塗布部４４に塗布された接着剤ＢＤに当接させて、押圧するための治具ＴＬを挿入し、矢印ＡＲ方向にパワー半導体ＰＤを押圧する。

以上の説明は、一つのパワー半導体ＰＤを押圧する場合のものであったが、モールド２６に対応する一の金属基板に対向する位置に複数のパワー半導体ＰＤが存在する場合には、同時に複数の治具ＴＬを各パワー半導体ＰＤの対応する開口内に挿入して同時並行して押圧作業を行うようにすることも可能である。

この場合には、各パワー半導体ＰＤに対する押圧力が一定範囲となるように制御するのが望ましい。

この結果、パワー半導体ＰＤの金属基板２７に対向する面は、接着剤塗布部４４に塗布された接着剤ＢＤと密着する。
この状態において、接着剤ＢＤとして、熱硬化性樹脂を用いている場合には、半導体装置１２を硬化炉に導入し、高温で加熱して接着剤ＢＤを硬化させる。
これにより、接着剤ＢＤの硬化とともに金属基板２７上に形成されている高熱伝導率の絶縁材料に対し、物理的及び熱的に強固に結合される。

この結果、実際にパワー半導体ＰＤを駆動させた場合に発生した熱を接着剤ＢＤ及び高熱伝導率絶縁層を介して効率良く、金属基板２７側に伝達して、高効率でパワー半導体ＰＤを長期にわたって駆動させることができる。

図９は、樹脂製基板の取り付け状態の説明図である。
続いて、パワー半導体ＰＤが、接着剤ＢＤにより金属基板２７と絶縁状態で熱的に結合した状態を確保できたなら、樹脂製基板２２の図示しない位置決め用孔にモールド２６の第２位置決めピン２５を挿入しつつ、係合突起３２については＋Ｙ方向にたわませ、係合突起３３については−Ｘ方向にたわませて、係合突起３２，３３と支持突起３８との間に樹脂製基板２２を押し込むことで、樹脂製基板２２を固定状態とする。

このとき、パワー半導体ＰＤの端子Ｔを樹脂製基板２２の端子挿入孔に挿入し、半田により電気的に樹脂製基板２２上の配線と、パワー半導体ＰＤの端子Ｔとを電気的に接続する。

以下、同様にして、全てのパワー半導体ＰＤの端子を樹脂製基板２２上の配線と接続することにより、電子機器１０を構成することができる。

以上の説明のように、本実施形態によれば、半導体素子としてのパワー半導体ＰＤにおいて発生した熱を確実に金属基板２７側に伝達して、放熱させることができるので、発熱する半導体素子として汎用部品を利用して低熱抵抗な放熱経路を確保して、十分な放熱性を確保した電子機器を得ることができる。

また、半導体素子として汎用部品を利用しても、半導体素子の搭載スペースを抑制しつつ半導体装置をモジュール化できるので、電子機器の組立が容易に行える。
さらに本実施形態によれば、半導体素子の固定に板ばねや、ねじを用いる必要が無いため、半導体素子の小型低背化を図ることができ、ひいては、半導体装置の小型低背化、ひいては、電子機器の小型低背化を図ることができる。

また、実施形態の半導体装置の製造方法としては、以下の態様となる。
第１位置決め部材を有する樹脂部材の第１面の側に半導体素子を前記第１位置決め部材により所定位置に配置する工程と、
熱伝導性を有する絶縁層が形成された金属基板の前記絶縁層上の前記半導体素子の配置位置に対応する位置に接着剤を塗布する工程と、
前記樹脂部材に前記金属基板を、前記半導体素子を覆うように締結する工程と、
前記樹脂部材の前記半導体素子に対向する位置に設けられた開口から前記半導体素子を前記金属基板に押しつけるように押圧する工程と、
前記接着剤を硬化させる工程と、
前記樹脂部材の前記第１面と対向する第２面の側に配線基板を配置し、前記半導体素子の端子を配線基板に電気的に接続する工程と、
を備えた半導体装置の製造方法。

以上、本開示の各実施の形態について説明したが、本開示は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本考案の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

以上の説明においては、半導体素子として、特に冷却の効果が大きく得られるパワートランジスタ（パワー半導体素子）の場合を例として説明したが、高効率で冷却が必要とされる半導体素子、あるいは、コイル、抵抗等の他の発熱する素子であって、金属基板に接着可能な素子であれば同様に適用が可能である。

１０ 電子機器
１１ 筐体本体
１２ 半導体装置
２１ 種素子
２２ 樹脂製基板
２３ 収納枠部（第１位置決め部材）
２４ 位置決めピン（第２位置決め部材）
２５ 位置決めピン
２６ モールド
２６Ａ モールド本体
２７ 金属基板
３１ 治具挿入開口
３２ 係合突起
３４ 締結用孔
３５ リブ
３７ 端子挿通部
３８ 支持突起
４１ 金属基板本体
４２ 位置決め用孔
４３ 締結用孔
４４ 接着剤塗布部
ＡＲ 矢印
ＢＤ 接着剤
ＩＭ 絶縁層
ＰＤ パワートランジスタ（半導体素子、パワー半導体素子）
ＳＦ１ 第１の面
ＳＦ２ 第２の面
Ｔ 端子
ＴＬ 治具

Claims (5)

1. 半導体素子と、
   熱伝導性を有する絶縁層が形成された金属基板と、
   前記半導体素子を第１所定位置に配置するための第１位置決め部材を有する樹脂部材と、を備え、
   前記半導体素子は、前記第１位置決め部材により前記第１所定位置に配置された状態で、前記金属基板の前記絶縁層上に接着剤により接着されている、
   半導体装置。
2. 前記樹脂部材は、前記金属基板を第２所定位置に配置するための第２位置決め部材を有する、
   請求項１記載の半導体装置。
3. 前記半導体素子及び前記金属基板は、前記樹脂部材の第１面の側に配置され、
   前記樹脂部材の前記第１面と対向する第２の面の側には、前記半導体素子が電気的に接続された基板が配置されている、
   請求項１または請求項２記載の半導体装置。
4. 前記金属基板は、前記樹脂部材に締結されており、
   前記樹脂部材は、前記第１所定位置に配置された前記半導体素子に対向する位置に前記半導体素子を治具により押圧して、前記接着剤に当接させるための開口が設けられている、
   請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記半導体素子は、電力変換を行うパワー半導体素子である、
   請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。

Images