JP3903681B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱を放散する半導体素子がパワーモジュール用基板に搭載された半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１４に示すように、従来の半導体装置として、ヒートシンク６に積層接着されたパワーモジュール用基板１の回路パターン２に半導体素子３が搭載されたものが知られている。通常パワーモジュール用基板１はＡｌＮにより形成され、回路パターン２はこの基板１の両面に積層接着された上側の銅板をエッチングすることにより形成される。ヒートシンク６は通常Ｃｕにより形成され、表面にＮｉめっきが形成される。パワーモジュール用基板１は下側に積層接着された銅板１ａをヒートシンク６にはんだ４により接着することにより積層接着され、半導体素子３は回路パターン２にはんだ付される。ヒートシンク６の表面には内周面に端子８が設けられた枠部材７がその半導体素子３を包囲するように接着され、端子８は半導体素子３の電極部にワイヤ又は平板９により接続される。
この半導体装置では、半導体素子３からの発熱量が比較的多いため、内部に冷却水を循環させることにより強制的に熱を外部に伝達する図示しない第１水冷式ヒートシンクに接合され、半導体素子が発した熱は回路パターン２、パワーモジュール用基板１、銅板１ａ、はんだ４及びヒートシンク６を介して図示しない第１水冷式ヒートシンクにより外部に放散されるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の半導体装置では、半導体素子３が発した熱はその下面からパワーモジュール用基板１等に伝導して放散されるので、その放熱量には一定の限界があり、半導体素子３の小型化には一定の限界があった。即ち、半導体素子３を小型化してパワーモジュール用基板１に接触する底面積が減少すると、半導体素子が発する熱の下面からの伝導量が減少し、半導体素子が発する熱の全てを第１水冷式ヒートシンクまで伝導させることができない不具合がある。
本発明の目的は、半導体素子の上面から熱を放散して半導体素子の小型化を促進する半導体装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、ヒートシンク１６に積層接着されたパワーモジュール用基板１１の回路パターン１２に半導体素子１３が搭載され、ヒートシンク１６の表面に枠部材１７が半導体素子１３を包囲するように接着され、半導体素子１３の電極部に端子１８が接続された半導体装置の改良である。
その特徴ある構成は、半導体素子１３に放熱用の補助基板２１が搭載され、補助基板２１は半導体素子１３に対向しかつ半導体素子１３の電極部に接続するＡｌ板２１ａが積層接着されたＡｌＮ板２１ｂであり、図６に示すように、Ａｌ板２１ａをハーフエッチングすることにより複数の突起２１ｃがＡｌ板２１ａに形成され、補助基板２１を半導体素子１３に圧接可能に構成された弾性体２７が設けられた蓋板２６が枠部材１７の上面に接着され、複数の突起２１ｃが弾性体２７の付勢力により半導体素子１３の電極部に接続されたところにある。
この請求項１に係る半導体装置では、半導体素子１３の下面から放散し切れない熱が半導体素子１３の上面から補助基板２１に伝導し、その熱はこの補助基板２１から外部に放散される。
パワーモジュール用基板１１はＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡｌ2Ｏ3により形成することが好ましい。このＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡｌ2Ｏ3を用いると熱伝導率、耐熱性及び強度等が向上するとともに、半導体素子１３と熱膨張率が整合する。補助基板２１として高熱伝導性であって熱膨張係数がパワーモジュール用基板１１に近似するＡｌＮ板２１ｂを使用するので、半導体素子１３に搭載された補助基板２１が熱により反ることなく、その熱は有効に補助基板２１に伝導して外部に放散される。Ａｌ板２１ａに形成された複数の突起２１ｃを弾性体２７の付勢力により半導体素子１３の電極部に接続するので、突起２１ｃを電極部に接続する独立した作業が不要になり、その接続作業を簡素化することができる。
【０００５】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、図１又は図２に示すように、端子１８が枠部材１７の内周面に設けられかつ直接（図２）又はワイヤ２２若しくは平板（図１）によりＡｌ板２１ａに接続されて半導体素子１３の電極部に接続された半導体装置である。
【０００６】
請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明であって、図３に示すように、補助基板２１に放熱フィン２３又は図示しない熱伝導バーが搭載された半導体装置である。
請求項３に係る半導体装置では、補助基板２１に放熱フィン２３又は熱伝導バーを搭載することにより、半導体素子１３から補助基板２１に伝導した熱を更に有効に外部に放散させる。
【０００７】
請求項４に係る発明は、図１に示すように、ヒートシンク１６に積層接着されたパワーモジュール用基板１１の回路パターン１２に半導体素子１３が搭載され、ヒートシンク１６の表面に枠部材１７が半導体素子１３を包囲するように接着され、半導体素子１３の電極部に端子１８が接続された半導体装置の改良である。
その特徴ある構成は、半導体素子１３に放熱用の補助基板２１が搭載され、補助基板２１は半導体素子１３に対向しかつ半導体素子１３の電極部に接続するＡｌ板２１ａが積層接着されたＡｌＮ板２１ｂであり、Ａｌ板２１ａをハーフエッチングすることにより複数の突起２１ｃがＡｌ板２１ａに形成され、複数の突起２１ｃが超音波により半導体素子１３の電極部に接続されたところにある。
この請求項４に係る半導体装置では、半導体素子１３の下面から放散し切れない熱が半 導体素子１３の上面から補助基板２１に伝導し、その熱はこの補助基板２１から外部に放散される。補助基板２１として高熱伝導性であって熱膨張係数がパワーモジュール用基板１１に近似するＡｌＮ板２１ｂを使用するので、半導体素子１３に搭載された補助基板２１が熱により反ることなく、その熱は有効に補助基板２１に伝導して外部に放散される。Ａｌ板２１ａの複数の突起２１ｃが超音波により半導体素子１３の電極部に確実に接続される。
【０００８】
請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明であって、図１又は図２に示すように、端子１８が枠部材１７の内周面に設けられかつ直接（図２）又はワイヤ２２若しくは平板（図１）によりＡｌ板２１ａに接続されて半導体素子１３の電極部に接続された半導体装置である。
【０００９】
請求項６に係る発明は、請求項５に係る発明であって、図３ないし図５に示すように、補助基板２１に放熱フィン２３又は図示しない熱伝導バー若しくは内部に冷却水が循環可能に形成された第２水冷式ヒートシンク２５が搭載された半導体装置である。
請求項６に係る半導体装置では、補助基板２１に放熱フィン２３又は熱伝導バー若しくは内部に冷却水が循環可能に形成された第２水冷式ヒートシンク２５を搭載することにより、半導体素子１３から補助基板２１に伝導した熱を更に有効に外部に放散させる。
【００１０】
請求項７に係る発明は、図１に示すように、ヒートシンク１６に積層接着されたパワーモジュール用基板１１の回路パターン１２に半導体素子１３が搭載され、ヒートシンク１６の表面に枠部材１７が半導体素子１３を包囲するように接着され、半導体素子１３の電極部に端子１８が接続された半導体装置の改良である。
その特徴ある構成は、図７又は図８に示すように、半導体素子１３に放熱用の補助基板３１が搭載され、補助基板３１は第１Ａｌ板３１ａとスルーホール３２を介して第１Ａｌ板３１ａに電気的に接続する第２Ａｌ板３１ｃが両面に積層接着されたＡｌＮ板３１ｂであり、第１Ａｌ板３１ａが半導体素子１３に対向しかつ半導体素子１３の電極部に接続するように補助基板３１が半導体素子１３に搭載され、第１Ａｌ板３１ａをハーフエッチングすることにより複数の突起３１ｄが第１Ａｌ板３１ａに形成され、複数の突起３１ｄが超音波により半導体素子１３の電極部に接続されたところにある。
この請求項７に係る半導体装置では、半導体素子１３の下面から放散し切れない熱が半導体素子１３の上面から補助基板３１に伝導し、その熱はこの補助基板３１から外部に放散される。第１Ａｌ板３１ａの複数の突起３１ｄが超音波により半導体素子１３の電極部に確実に接続される。
【００１１】
請求項８に係る発明は、請求項７に係る発明であって、図７又は図８に示すように、端子１８が枠部材１７の内周面に設けられかつ直接（図８）又はワイヤ２２若しくは平板（図７）により第２Ａｌ板３１ｃに接続されて半導体素子１３の電極部に接続された半導体装置である。
請求項８に係る半導体装置では、枠部材１７の開口端側に位置する補助基板３１の上側の第２Ａｌ板３１ｃと枠部材１７の内周面に設けられた端子１８，１８を接続することにより、半導体素子１３と端子１８，１８を電気的に接続できるので、その接続作業を比較的容易に行うことができ、その作業自体を簡素化することができる。
【００１２】
請求項９に係る発明は、請求項７に係る発明であって、図９に示すように、端子１８が第２Ａｌ板３１ｃに端子が立設されて半導体素子１３の電極部に接続された半導体装置である。
請求項９に係る半導体装置では、端子１８を第２Ａｌ板３１ｃに直接立設するので、半導体素子１３から補助基板３１に伝導した熱はこの端子１８に更に伝導して外部に放散するため、半導体素子１３からの熱を更に有効に外部に放散させることができる。
【００１３】
請求項１０に係る発明は、請求項８又は９に係る発明であって、図１０ないし図１２に示すように、第２Ａｌ板３１ｃをエッチングすることにより所定の回路パターンが形成され、前記第２Ａｌ板３１ｃのエッチングにより表出したＡｌＮ板３１ｂに放熱フィン２３又は熱伝導バー若しくは内部に冷却水が循環可能に形成された第２水冷式ヒートシンク２５が搭載された半導体装置である。
請求項１０に係る半導体装置では、ＡｌＮ板３１ｂに放熱フィン２３又は熱伝導バー若しくは内部に冷却水が循環可能に形成された第２水冷式ヒートシンク２５を搭載することにより、半導体素子１３からＡｌＮ板３１ｂに伝導した熱を更に有効に外部に放散させる。
【００１４】
請求項１１に係る発明は、図１に示すように、ヒートシンク１６に積層接着されたパワーモジュール用基板１１の回路パターン１２に半導体素子１３が搭載され、ヒートシンク１６の表面に枠部材１７が半導体素子１３を包囲するように接着され、半導体素子１３の電極部に端子１８が接続された半導体装置の改良である。
その特徴ある構成は、図１３に示すように、半導体素子１３に放熱用の補助基板４１が搭載され、補助基板４１はそれぞれＡｌ又はＣｕからなる第１及び第２接続板４１ａ，４１ｃが電気的に接続するように両面に積層接着されたモリブデン板４１ｂであり、第１接続板４１ａが半導体素子１３に対向しかつ半導体素子１３の電極部に接続するように補助基板４１が半導体素子１３に搭載され、第１接続板４１ａをハーフエッチングすることにより複数の突起４１ｄが第１接続板４１ａに形成され、複数の突起４１ｄが超音波により半導体素子１３の電極部に接続されたところにある。
この請求項１１に係る半導体装置では、半導体素子１３の下面から放散し切れない熱が半導体素子１３の上面から補助基板４１に伝導し、その熱はこの補助基板４１から外部に放散される。補助基板４１として電導性であって熱膨張係数がパワーモジュール用基板１１に近似するモリブデンを使用するので、スルーホールが不要になり、その熱は有効に補助基板４１に伝導して外部に放散される。第１接続板４１ａの複数の突起４１ｄが超音波により半導体素子１３の電極部に確実に接続される。
【００１５】
請求項１２に係る発明は、請求項１１に係る発明であって、図１３に示すように、端子１８が第２接続板４１ｃに立設されて半導体素子１３の電極部に接続された半導体装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１に示すように、本発明の半導体装置１０は回路パターン１２に半導体素子１３が搭載されたパワーモジュール用基板１１を有する。回路パターン１２はパワーモジュール用基板１１の両面に接着された金属箔の、上面側の金属箔をエッチング加工することにより作られる。パワーモジュール用基板１１への金属箔の接着は、金属箔がＣｕであってパワーモジュール用基板１１がＡｌ2Ｏ3又はＡｌＮにより形成される場合には活性金属法により行われる。金属箔がＡｌであってパワーモジュール用基板１１がＡｌ2Ｏ3又はＡｌＮにより形成される場合には、ろう材を介して積層接着される。このパワーモジュール用基板１１に接着された上側の金属箔をエッチング加工することにより作られた回路パターン１２には、半導体素子１３がはんだ１４により搭載される。
【００１７】
このパワーモジュール用基板１１はヒートシンク１６に積層接着される。ヒートシンク１６は表面にＮｉめっきが施されたＣｕ板又はＡｌＳｉＣ若しくはＣｕ−Ｍｏ板であって、パワーモジュール用基板１１の下面に接着された金属箔１１ａをこのヒートシンク１６にはんだ１４を介して積層接着することにより、パワーモジュール用基板１１はヒートシンク１６の表面に積層接着される。このヒートシンク１６にはドリル等の加工工具を用いた機械加工により貫通孔１６ａがパワーモジュール用基板１１を挟むようにそれぞれ形成され、このヒートシンク１６の表面には半導体素子を包囲するように枠部材１７が更に接着される。この枠部材１７は絶縁材料からなる樹脂成型品であって、パワーモジュール用基板１１を包囲する包囲部１７ａとヒートシンク１６の表面に接着されるフランジ部１７ｂとを有する。フランジ部１７ｂには、ヒートシンク１６の貫通孔１６ａに連通する連通孔１７ｃが形成され、包囲部１７ａの内周面には半導体素子１３に接続される端子１８，１８の下部が設けられる。
【００１８】
本発明の特徴ある構成は、半導体素子１３に放熱用の補助基板２１が搭載されたところにある。この実施の形態における補助基板２１はＡｌＮ板２１ｂと、このＡｌＮ板２１ｂの下面に積層接着された接続用Ａｌ板２１ａとを有する。接続用Ａｌ板２１ａは半導体素子１３に対向しかつ半導体素子１３の電極部に接続するように積層接着され、ＡｌＮ板２１ｂの上面には反り防止用Ａｌ板２４が積層接着される。Ａｌ板２１ａ，２４はＡｌ純度が９９．９８重量％以上であって、融点が６６０℃のものが使用される。Ａｌ板２１ａ，２４はこのＡｌ板２１ａ，２４より融点が低いＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介してＡｌＮ板２１ｂに積層接着される。即ち、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材は８４〜９７重量％のＡｌと３〜１３．５重量％のＳｉを含み、このろう材１６の溶解温度範囲は５７７〜６２０℃である。積層接着はＡｌＮ板２１ｂとＡｌ板２１ａ，２４との間にろう材であるＡｌ−Ｓｉろう材の箔を挟んだ状態でこれらに荷重４．９×１０4〜１．９×１０5Ｐａを加え、真空中で６００〜６５０℃に加熱することにより、Ａｌ板２１ａ，２４はぞれぞれＡｌＮ板２１ｂに接着される。
【００１９】
このようにＡｌＮ板２１ｂに接着された接続用Ａｌ板２１ａはハーフエッチングされ、半導体素子１３の電極部に接続する複数の突起２１ｃが形成される。図示しないが、ハーフエッチングは半導体素子１３の電極部に相応するようにＡｌ板２１ａにレジスト膜でマスキングを行い、この状態でＡｌ板２１ａをエッチング液に浸漬してマスキングされていない部分におけるＡｌ板２１ａの表面を貫通しない程度にエッチング除去することにより行われる。その後レジスト膜を除去することによりそのレジスト膜により覆われていた部分が他のエッチングされた部分から突出してマスキングした部分の数だけ複数の突起２１ｃが形成される。
【００２０】
突起２１ｃが形成された接続用Ａｌ板２１ａの端子１８に対応する部分には、予めＡｌからなるワイヤ又は平板２２，２２の一端が超音波により接合される。半導体素子１３に放熱用の補助基板２１を搭載する際に複数の突起２１ｃは超音波により半導体素子１３の図示しない電極部に接続される。これによりＡｌ板２１ａは半導体素子１３の電極部に電気的に接続され、その後ワイヤ又は平板２２，２２の他端は枠部材１７の内周面における端子１８，１８にそれぞれ接続され、その後蓋板２６を枠部材１７の上面に接着する。これにより半導体素子１３と端子１８，１８はこのＡｌ板２１ａを介して電気的に接続される。
【００２１】
このように構成された半導体装置１０では、半導体素子１３の下面から半導体素子１３が発した熱がパワーモジュール用基板１１及びヒートシンク１６を介して外部に放散される。一方、半導体素子１３の上面からはその熱が補助基板２１に伝導し、この補助基板２１から外部に放散される。また、ワイヤ又は平板２２，２２が比較的太い場合には補助基板２１に伝導した熱の一部がこのワイヤ又は平板２２，２２を介して端子１８，１８に伝導し、この端子１８，１８から外部に放散される。特に補助基板２１として高熱伝導性であって熱膨張係数がパワーモジュール用基板１１に近似するＡｌＮ板２１ｂを使用するので、半導体素子１３に搭載された補助基板２１が熱により反ることなく、その熱は有効に補助基板２１に伝導して外部に放散される。
【００２２】
なお、上述した第１の実施の形態では、端子１８，１８がワイヤ又は平板２２，２２によりＡｌ板２１ａに接続される例を示したが、図２に示すように、端子１８，１８を直接Ａｌ板２１ａに接続してもよい。このように端子１８，１８を直接Ａｌ板２１ａに接続すれば、端子１８，１８をＡｌ板２１ａに接続するワイヤ又は平板が不要になり、接続作業を簡素化することができるとともに、図のようにＡｌ板２１ａをパワーモジュール用基板１１から突出するように接着すれば、作業空間が確保される結果、端子１８，１８とＡｌ板２１ａの接続作業が更に容易になる。
また、上述した第１の実施の形態では補助基板２１に何も搭載しないが、半導体素子１３から熱を更に放散させたい場合には、補助基板２１に図３に示す放熱フィン２３又は図示しない熱伝導バー若しくは図４及び図５に示す内部に冷却水が循環可能に形成された第２水冷式ヒートシンク２５を更に搭載することもできる。図３に示す放熱フィン２３は補助基板２１の上面に積層接着された反り防止用Ａｌ板２４にはんだにより搭載したものである。一方、図４及び図５に示す第２水冷式ヒートシンク２５は蓋板の一部をくり抜き、補助基板２１上面にサーマルシート又はグリース３５を介して接着したものである。第２水冷式ヒートシンク２５は銅製であることが熱伝導が高い点から好ましい。これにより、半導体素子１３から補助基板２１に伝導した熱を更に有効に外部に放散させることができる。
【００２３】
更に、上述した第１の実施の形態では蓋板２６と補助基板２１との間に何も設けていないが、図６に示すように、補助基板２１を半導体素子１３に圧接可能に構成された弾性体２７を蓋板２６と補助基板２１との間に設けてもよい。図６に示す弾性体２７は高熱伝導性の銅板の両端を折返すように曲げたものであり、この弾性体２７はその折返された両端が蓋板２６に取付けられる。半導体素子１３に補助基板２１を搭載した状態で蓋板２６を枠部材１７の上面に接着することにより弾性体２７は補助基板２１に当接し、弾性体２７の付勢力によりその補助基板２１は半導体素子１３に押付けられる。補助基板２１の複数の突起２１ｃはその弾性体２７の付勢力により半導体素子１３の電極部に接続される。
【００２４】
また、弾性体２７としてＣｕ又はＡｌ等の熱伝導が良好な材料を用いれば、弾性体２７は半導体素子１３から補助基板２１に伝導した熱を更に蓋板２６まで伝導する熱伝導バーとしても機能して半導体素子１３の発する熱がより外部に有効に放散できる。この場合、弾性体２７の接触する補助基板２１の上面には、グリースを塗布しておくことが好ましい。なお、図示しないが、弾性体２７を蓋板２６と補助基板２１との間に設けることは、補助基板に放熱フィンを搭載した状態であってもよい。この場合、弾性体は放熱フィンを介して補助基板２１を半導体素子１３に押付け、複数の突起を半導体素子の電極部に接続する。これにより突起２１ｃの電極部への独立した接続作業が不要になり、その接続作業を更に簡素化することができる。
【００２５】
次に本発明の第２の実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する。図面中上述した実施の形態と同一符号は同一部品を示し繰返しての説明を省略する。
図７に示すように、この実施の形態における補助基板３１はＡｌＮ板３１ｂと、このＡｌＮ板３１ｂの下面に積層接着された第１Ａｌ板３１ａと、ＡｌＮ板３１ｂの上面に積層接着された第２Ａｌ板３１ｃとを有する。第１Ａｌ板３１ａは半導体素子１３に対向しかつこの半導体素子１３の電極部に接続する。第２Ａｌ板３１ｃは、ＡｌＮ板３１ｂのスルーホール３２を介してこの第１Ａｌ板３１ａに接続する。スルーホール３２は焼成前のグリーンシートの状態で加工したものを焼成するか、又は焼成後のセラミックスをレーザ加工又は超音波加工することにより作製される。このスルーホール３２にはＡｌが充填される。
【００２６】
第１及び第２Ａｌ板３１ａ，３１ｃはそれぞれＡｌ純度が９９．９８重量％以上であって、融点が６６０℃のものが使用され、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を介して上述した第１の実施の形態と同一の手順でＡｌＮ板３１ｂの両面に積層接着される。この積層接着の際にスルーホール３２は第１及び第２Ａｌ板３１ａ，３１ｃに接続し、第１及び第２Ａｌ板３１ａ，３１ｃはスルーホール３２を介して互いに電気的に接続される。半導体素子１３に対向する第１Ａｌ板３１ａはハーフエッチングされ、半導体素子１３の電極部に接続する複数の突起３１ｄが形成され、半導体素子１３にこの補助基板３１を搭載する際に複数の突起３１ｄは超音波によりその電極部に接続される。一方、ＡｌＮ板３１ｂに接着された第２Ａｌ板３１ｃはエッチングされ、所定の回路パターンが形成される。図示しないが、エッチングは第２Ａｌ板３１ｃにレジスト膜でマスキングを行い、この状態で第２Ａｌ板３１ｃをエッチング液に浸漬してマスキングされていない部分における第２Ａｌ板３１ｃを表出するまでエッチング除去することにより行われる。その後レジスト膜を除去することによりそのレジスト膜により覆われていた部分が所定の回路パターンとして形成される。第１Ａｌ板３１ａに電気的に接続する第２Ａｌ板３１ｃには枠部材１７の内周面に設けられた端子１８，１８がワイヤ又は平板２２，２２により接続され、半導体素子１３と端子１８，１８は電気的に接続される。
【００２７】
このように構成された半導体装置３０では、枠部材１７の開口端側に位置する補助基板３１の上側の第２Ａｌ板３１ｃと枠部材１７の内周面に設けられた端子１８，１８を接続することにより、半導体素子１３と端子１８，１８を電気的に接続できるので、その接続作業を比較的容易に行うことができ、その作業自体を簡素化することができる。これ以外の効果は上述した第１の実施の形態と同一であるので繰返しての説明を省略する。
【００２８】
なお、上述した第２の実施の形態では、端子１８，１８がワイヤ又は平板２２，２２により第２Ａｌ板３１ｃに接続される例を示したが、図８に示すように、端子１８，１８を直接第２Ａｌ板３１ｃに接続してもよい。このように端子１８，１８を直接第２Ａｌ板３１ｃに接続すれば、端子１８，１８を第２Ａｌ板３１ｃに接続するワイヤ又は平板が不要になり、接続作業を更に簡素化することができるとともに、図のように第２Ａｌ板３１ｃをＡＩＮ板３１ｂから突出するように接着すれば、端子１８，１８と第２Ａｌ板３１ｃの接続作業がなお一層容易になる。
【００２９】
また、上述した第２の実施の形態では、端子１８，１８が枠部材１７の内周面に設けられた例を示したが、図９に示すように、端子１８，１８を第２Ａｌ板３１ｃに直接立設してもよい。端子１８を第２Ａｌ板３１ｃに立設すれば、半導体素子１３から補助基板３１に伝導した熱はこの端子１８に更に伝導して外部に放散するため、半導体素子１３からの熱を更に有効に外部に放散させることができ、断面積の比較的大きい端子１８を立設することにより又は立設される端子１８の形状をフィン形状等の放熱し易い形状にすることによりその放散させる熱量に対応させることができる。
【００３０】
また、上述した第２の実施の形態では、補助基板３１に何も搭載しないが、図１０〜１２に示すように、第２Ａｌ板３１ｃのエッチングにより表出したＡｌＮ板３１ｂに放熱フィン２３又は熱伝導バー若しくは第２水冷式ヒートシンク２５を搭載してもよい。
【００３１】
次に本発明の第３の実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する。図面中上述した実施の形態と同一符号は同一部品を示し繰返しての説明を省略する。
図１３に示すように、この実施の形態における補助基板４１はモリブデン板４１ｂと、このモリブデン板４１ｂの下面に積層接着された第１接続板４１ａと、モリブデン板４１ｂの上面に積層接着された第２接続板４１ｃとを有する。第１接続板４１ａ及び第２接続板４１ｃはＡｌ又はＣｕからなり、第１接続板４１ａは半導体素子１３に対向しかつこの半導体素子１３に接続するように積層接着される。第１及び第２接続板４１ａ，４１ｃはろう材なしでモリブデン板４１ｂの両面に所定の圧力で機械的に圧接して接着される。ろう材を用いる場合であって、第１及び第２接続板４１ａ，４１ｃをＡｌであるときにはＡｌ系ろう材を、第１及び第２接続板４１ａ，４１ｃをＣｕであるときにはＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介してモリブデン板４１ｂの両面に電気的に接続するように積層接着することもできる。半導体素子１３に対向する第１接続板４１ａはハーフエッチングされ、半導体素子１３の電極部に接続する複数の突起４１ｄが形成され、半導体素子１３にこの補助基板４１を搭載する際に複数の突起４１ｄは超音波によりその電極部に接続される。一方、導電性を有するモリブデン板４１ｂを介して第２接続板４１ｃには端子１８，１８が直接立設される。
【００３２】
このように構成された半導体装置では、半導体素子１３が発した熱の一部は半導体素子１３の上面から補助基板４１に伝達され、この補助基板４１から外部に放散される。また、第２接続板４１ｃに端子１８，１８が直接立設されるので、補助基板４１に伝導した熱はこの端子１８，１８に更に伝導して外部に放散するため、半導体素子１３からの熱を更に有効に外部に放散させることができる。特に補助基板４１として電導性であって熱膨張係数がパワーモジュール用基板１１に近似するモリブデンを使用するので、ＡｌＮを使用した場合に必要とされたスルーホールが不要になり、その熱は有効に補助基板４１に伝導して外部に放散される。これ以外の効果は上述した第１及び第２の実施の形態と同一であるので繰返しての説明を省略する。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、半導体素子に放熱用の補助基板を搭載したので、半導体素子の下面から放散し切れない熱が半導体素子の上面からこの補助基板に伝導し、その放散し切れない熱をこの補助基板から外部に放散させることができる。この結果、半導体素子を小型化してパワーモジュール用基板に接触する底面積が減少しても、半導体素子が発する熱を有効に放散することができ、半導体素子の小型化を促進することができる。この場合、補助基板にＡｌ板が積層接着されたＡｌＮ板を使用すれば、補助基板が熱により反ることなく、熱を有効に補助基板に伝導して外部に放散することができ、補助基板に放熱フィン又は熱伝導バー若しくは内部に冷却水が循環可能に形成された第２水冷式ヒートシンクを搭載すれば、半導体素子から補助基板に伝導した熱を更に有効に外部に放散することができる。
【００３４】
また、補助基板はスルーホールを介して互いに接続する第１及び第２Ａｌ板が両面に積層接着されたＡｌＮ板であれば、第１Ａｌ板を半導体素子に対向させて電極部に接続すれば、枠部材の開口端側に位置する補助基板の上側の第２Ａｌ板と枠部材の内周面に設けられた端子を接続することにより、半導体素子と端子を電気的に接続できるので、その接続作業を比較的容易に行うことができ、端子を第２Ａｌ板に直接立設すれば、半導体素子から補助基板に伝導した熱はこの端子に更に伝導して外部に放散するため、半導体素子からの熱を更に有効に外部に放散させることができる。また、補助基板としてそれぞれＡｌ又はＣｕからなる第１及び第２接続板が電気的に接続するように両面に積層接着されたモリブデン板を使用すれば、モリブデンは導電材料であるので、スルーホールを設ける必要がなくなる。
【００３５】
更に、半導体素子の電極部に対向する補助基板をハーフエッチングすることにより複数の突起を形成し、この複数の突起を超音波により半導体素子の電極部に接続すれば、その突起を半導体素子の電極部に確実に接続することができる。また、枠部材に蓋板を接着する場合には弾性体をその蓋板に設けることにより、蓋板を枠部材の上面に接着するだけの簡単な作業で、複数の突起をその弾性体の付勢力により半導体素子の電極部に接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 端子がワイヤ又は平板によりＡｌ板に接続された本発明の第１の実施の形態における半導体装置の断面図。
【図２】 端子が直接Ａｌ板に接続された図１に対応する半導体装置の断面図。
【図３】 補助基板に放熱フィンが搭載された図１に対応する半導体装置の断面図。
【図４】 補助基板に第２ヒートシンクが搭載された図１に対応する半導体装置の断面図。
【図５】 補助基板に第２ヒートシンクが搭載された図２に対応する半導体装置の断面図。
【図６】 弾性体により補助基板が半導体素子に押付けられる図１に対応する半導体装置の断面図。
【図７】 端子がワイヤ又は平板により第２Ａｌ板に接続された本発明の第２の実施の形態における半導体装置の断面図。
【図８】 端子が直接第２Ａｌ板に接続された図７に対応する半導体装置の断面図。
【図９】 端子が第２Ａｌ板に立設された図７に対応する半導体装置の断面図。
【図１０】 補助基板に第２ヒートシンクが搭載された図７に対応する半導体装置の断面図。
【図１１】 補助基板に第２ヒートシンクが搭載された図８に対応する半導体装置の断面図。
【図１２】 補助基板に第２ヒートシンクが搭載された図９に対応する半導体装置の断面図。
【図１３】 ハーフエッチングにより形成された突起を有する本発明の第３の実施の形態における半導体装置の断面図。
【図１４】 従来例を示す図１に対応する断面図。
【符号の説明】
１１ パワーモジュール用基板
１２ 回路パターン
１３ 半導体素子
１６ ヒートシンク
１７ 枠部材
１８ 端子
２１，３１，４１ 補助基板
２１ａ Ａｌ板
２１ｂ ＡｌＮ板
２１ｃ 突起
２２ ワイヤ又は平板
２３ 放熱フィン
２５ 第２水冷式ヒートシンク
２６ 蓋板
２７ 弾性体
３１ａ 第１Ａｌ板
３１ｂ ＡｌＮ板
３１ｃ 第２Ａｌ板
３１ｄ 突起
３２ スルーホール
３５ サーマルシート又はグリース
４１ａ 第１接続板
４１ｂ モリブデン板
４１ｃ 第２接続板
４１ｄ 突起
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱を放散する半導体素子がパワーモジュール用基板に搭載された半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１４に示すように、従来の半導体装置として、ヒートシンク６に積層接着されたパワーモジュール用基板１の回路パターン２に半導体素子３が搭載されたものが知られている。通常パワーモジュール用基板１はＡｌＮにより形成され、回路パターン２はこの基板１の両面に積層接着された上側の銅板をエッチングすることにより形成される。ヒートシンク６は通常Ｃｕにより形成され、表面にＮｉめっきが形成される。パワーモジュール用基板１は下側に積層接着された銅板１ａをヒートシンク６にはんだ４により接着することにより積層接着され、半導体素子３は回路パターン２にはんだ付される。ヒートシンク６の表面には内周面に端子８が設けられた枠部材７がその半導体素子３を包囲するように接着され、端子８は半導体素子３の電極部にワイヤ又は平板９により接続される。
この半導体装置では、半導体素子３からの発熱量が比較的多いため、内部に冷却水を循環させることにより強制的に熱を外部に伝達する図示しない第１水冷式ヒートシンクに接合され、半導体素子が発した熱は回路パターン２、パワーモジュール用基板１、銅板１ａ、はんだ４及びヒートシンク６を介して図示しない第１水冷式ヒートシンクにより外部に放散されるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の半導体装置では、半導体素子３が発した熱はその下面からパワーモジュール用基板１等に伝導して放散されるので、その放熱量には一定の限界があり、半導体素子３の小型化には一定の限界があった。即ち、半導体素子３を小型化してパワーモジュール用基板１に接触する底面積が減少すると、半導体素子が発する熱の下面からの伝導量が減少し、半導体素子が発する熱の全てを第１水冷式ヒートシンクまで伝導させることができない不具合がある。
本発明の目的は、半導体素子の上面から熱を放散して半導体素子の小型化を促進する半導体装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、ヒートシンク１６に積層接着されたパワーモジュール用基板１１の回路パターン１２に半導体素子１３が搭載され、ヒートシンク１６の表面に枠部材１７が半導体素子１３を包囲するように接着され、半導体素子１３の電極部に端子１８が接続された半導体装置の改良である。
その特徴ある構成は、半導体素子１３に放熱用の補助基板２１が搭載され、補助基板２１は半導体素子１３に対向しかつ半導体素子１３の電極部に接続するＡｌ板２１ａが積層接着されたＡｌＮ板２１ｂであり、図６に示すように、Ａｌ板２１ａをハーフエッチングすることにより複数の突起２１ｃがＡｌ板２１ａに形成され、補助基板２１を半導体素子１３に圧接可能に構成された弾性体２７が設けられた蓋板２６が枠部材１７の上面に接着され、複数の突起２１ｃが弾性体２７の付勢力により半導体素子１３の電極部に接続されたところにある。
この請求項１に係る半導体装置では、半導体素子１３の下面から放散し切れない熱が半導体素子１３の上面から補助基板２１に伝導し、その熱はこの補助基板２１から外部に放散される。
パワーモジュール用基板１１はＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡｌ2Ｏ3により形成することが好ましい。このＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡｌ2Ｏ3を用いると熱伝導率、耐熱性及び強度等が向上するとともに、半導体素子１３と熱膨張率が整合する。補助基板２１として高熱伝導性であって熱膨張係数がパワーモジュール用基板１１に近似するＡｌＮ板２１ｂを使用するので、半導体素子１３に搭載された補助基板２１が熱により反ることなく、その熱は有効に補助基板２１に伝導して外部に放散される。Ａｌ板２１ａに形成された複数の突起２１ｃを弾性体２７の付勢力により半導体素子１３の電極部に接続するので、突起２１ｃを電極部に接続する独立した作業が不要になり、その接続作業を簡素化することができる。
【０００５】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、図１又は図２に示すように、端子１８が枠部材１７の内周面に設けられかつ直接（図２）又はワイヤ２２若しくは平板（図１）によりＡｌ板２１ａに接続されて半導体素子１３の電極部に接続された半導体装置である。
【０００６】
請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明であって、図３に示すように、補助基板２１に放熱フィン２３又は図示しない熱伝導バーが搭載された半導体装置である。
請求項３に係る半導体装置では、補助基板２１に放熱フィン２３又は熱伝導バーを搭載することにより、半導体素子１３から補助基板２１に伝導した熱を更に有効に外部に放散させる。
【０００７】
請求項４に係る発明は、図１に示すように、ヒートシンク１６に積層接着されたパワーモジュール用基板１１の回路パターン１２に半導体素子１３が搭載され、ヒートシンク１６の表面に枠部材１７が半導体素子１３を包囲するように接着され、半導体素子１３の電極部に端子１８が接続された半導体装置の改良である。
その特徴ある構成は、半導体素子１３に放熱用の補助基板２１が搭載され、補助基板２１は半導体素子１３に対向しかつ半導体素子１３の電極部に接続するＡｌ板２１ａが積層接着されたＡｌＮ板２１ｂであり、Ａｌ板２１ａをハーフエッチングすることにより複数の突起２１ｃがＡｌ板２１ａに形成され、複数の突起２１ｃが超音波により半導体素子１３の電極部に接続されたところにある。
この請求項４に係る半導体装置では、半導体素子１３の下面から放散し切れない熱が半 導体素子１３の上面から補助基板２１に伝導し、その熱はこの補助基板２１から外部に放散される。補助基板２１として高熱伝導性であって熱膨張係数がパワーモジュール用基板１１に近似するＡｌＮ板２１ｂを使用するので、半導体素子１３に搭載された補助基板２１が熱により反ることなく、その熱は有効に補助基板２１に伝導して外部に放散される。Ａｌ板２１ａの複数の突起２１ｃが超音波により半導体素子１３の電極部に確実に接続される。
【０００８】
請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明であって、図１又は図２に示すように、端子１８が枠部材１７の内周面に設けられかつ直接（図２）又はワイヤ２２若しくは平板（図１）によりＡｌ板２１ａに接続されて半導体素子１３の電極部に接続された半導体装置である。
【０００９】
請求項６に係る発明は、請求項５に係る発明であって、図３ないし図５に示すように、補助基板２１に放熱フィン２３又は図示しない熱伝導バー若しくは内部に冷却水が循環可能に形成された第２水冷式ヒートシンク２５が搭載された半導体装置である。
請求項６に係る半導体装置では、補助基板２１に放熱フィン２３又は熱伝導バー若しくは内部に冷却水が循環可能に形成された第２水冷式ヒートシンク２５を搭載することにより、半導体素子１３から補助基板２１に伝導した熱を更に有効に外部に放散させる。
【００１０】
請求項７に係る発明は、図１に示すように、ヒートシンク１６に積層接着されたパワーモジュール用基板１１の回路パターン１２に半導体素子１３が搭載され、ヒートシンク１６の表面に枠部材１７が半導体素子１３を包囲するように接着され、半導体素子１３の電極部に端子１８が接続された半導体装置の改良である。
その特徴ある構成は、図７又は図８に示すように、半導体素子１３に放熱用の補助基板３１が搭載され、補助基板３１は第１Ａｌ板３１ａとスルーホール３２を介して第１Ａｌ板３１ａに電気的に接続する第２Ａｌ板３１ｃが両面に積層接着されたＡｌＮ板３１ｂであり、第１Ａｌ板３１ａが半導体素子１３に対向しかつ半導体素子１３の電極部に接続するように補助基板３１が半導体素子１３に搭載され、第１Ａｌ板３１ａをハーフエッチングすることにより複数の突起３１ｄが第１Ａｌ板３１ａに形成され、複数の突起３１ｄが超音波により半導体素子１３の電極部に接続されたところにある。
この請求項７に係る半導体装置では、半導体素子１３の下面から放散し切れない熱が半導体素子１３の上面から補助基板３１に伝導し、その熱はこの補助基板３１から外部に放散される。第１Ａｌ板３１ａの複数の突起３１ｄが超音波により半導体素子１３の電極部に確実に接続される。
【００１１】
請求項８に係る発明は、請求項７に係る発明であって、図７又は図８に示すように、端子１８が枠部材１７の内周面に設けられかつ直接（図８）又はワイヤ２２若しくは平板（図７）により第２Ａｌ板３１ｃに接続されて半導体素子１３の電極部に接続された半導体装置である。
請求項８に係る半導体装置では、枠部材１７の開口端側に位置する補助基板３１の上側の第２Ａｌ板３１ｃと枠部材１７の内周面に設けられた端子１８，１８を接続することにより、半導体素子１３と端子１８，１８を電気的に接続できるので、その接続作業を比較的容易に行うことができ、その作業自体を簡素化することができる。
【００１２】
請求項９に係る発明は、請求項７に係る発明であって、図９に示すように、端子１８が第２Ａｌ板３１ｃに端子が立設されて半導体素子１３の電極部に接続された半導体装置である。
請求項９に係る半導体装置では、端子１８を第２Ａｌ板３１ｃに直接立設するので、半導体素子１３から補助基板３１に伝導した熱はこの端子１８に更に伝導して外部に放散するため、半導体素子１３からの熱を更に有効に外部に放散させることができる。
【００１３】
請求項１０に係る発明は、請求項８又は９に係る発明であって、図１０ないし図１２に示すように、第２Ａｌ板３１ｃをエッチングすることにより所定の回路パターンが形成され、前記第２Ａｌ板３１ｃのエッチングにより表出したＡｌＮ板３１ｂに放熱フィン２３又は熱伝導バー若しくは内部に冷却水が循環可能に形成された第２水冷式ヒートシンク２５が搭載された半導体装置である。
請求項１０に係る半導体装置では、ＡｌＮ板３１ｂに放熱フィン２３又は熱伝導バー若しくは内部に冷却水が循環可能に形成された第２水冷式ヒートシンク２５を搭載することにより、半導体素子１３からＡｌＮ板３１ｂに伝導した熱を更に有効に外部に放散させる。
【００１４】
請求項１１に係る発明は、図１に示すように、ヒートシンク１６に積層接着されたパワーモジュール用基板１１の回路パターン１２に半導体素子１３が搭載され、ヒートシンク１６の表面に枠部材１７が半導体素子１３を包囲するように接着され、半導体素子１３の電極部に端子１８が接続された半導体装置の改良である。
その特徴ある構成は、図１３に示すように、半導体素子１３に放熱用の補助基板４１が搭載され、補助基板４１はそれぞれＡｌ又はＣｕからなる第１及び第２接続板４１ａ，４１ｃが電気的に接続するように両面に積層接着されたモリブデン板４１ｂであり、第１接続板４１ａが半導体素子１３に対向しかつ半導体素子１３の電極部に接続するように補助基板４１が半導体素子１３に搭載され、第１接続板４１ａをハーフエッチングすることにより複数の突起４１ｄが第１接続板４１ａに形成され、複数の突起４１ｄが超音波により半導体素子１３の電極部に接続されたところにある。
この請求項１１に係る半導体装置では、半導体素子１３の下面から放散し切れない熱が半導体素子１３の上面から補助基板４１に伝導し、その熱はこの補助基板４１から外部に放散される。補助基板４１として電導性であって熱膨張係数がパワーモジュール用基板１１に近似するモリブデンを使用するので、スルーホールが不要になり、その熱は有効に補助基板４１に伝導して外部に放散される。第１接続板４１ａの複数の突起４１ｄが超音波により半導体素子１３の電極部に確実に接続される。
【００１５】
請求項１２に係る発明は、請求項１１に係る発明であって、図１３に示すように、端子１８が第２接続板４１ｃに立設されて半導体素子１３の電極部に接続された半導体装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１に示すように、本発明の半導体装置１０は回路パターン１２に半導体素子１３が搭載されたパワーモジュール用基板１１を有する。回路パターン１２はパワーモジュール用基板１１の両面に接着された金属箔の、上面側の金属箔をエッチング加工することにより作られる。パワーモジュール用基板１１への金属箔の接着は、金属箔がＣｕであってパワーモジュール用基板１１がＡｌ2Ｏ3又はＡｌＮにより形成される場合には活性金属法により行われる。金属箔がＡｌであってパワーモジュール用基板１１がＡｌ2Ｏ3又はＡｌＮにより形成される場合には、ろう材を介して積層接着される。このパワーモジュール用基板１１に接着された上側の金属箔をエッチング加工することにより作られた回路パターン１２には、半導体素子１３がはんだ１４により搭載される。
【００１７】
このパワーモジュール用基板１１はヒートシンク１６に積層接着される。ヒートシンク１６は表面にＮｉめっきが施されたＣｕ板又はＡｌＳｉＣ若しくはＣｕ−Ｍｏ板であって、パワーモジュール用基板１１の下面に接着された金属箔１１ａをこのヒートシンク１６にはんだ１４を介して積層接着することにより、パワーモジュール用基板１１はヒートシンク１６の表面に積層接着される。このヒートシンク１６にはドリル等の加工工具を用いた機械加工により貫通孔１６ａがパワーモジュール用基板１１を挟むようにそれぞれ形成され、このヒートシンク１６の表面には半導体素子を包囲するように枠部材１７が更に接着される。この枠部材１７は絶縁材料からなる樹脂成型品であって、パワーモジュール用基板１１を包囲する包囲部１７ａとヒートシンク１６の表面に接着されるフランジ部１７ｂとを有する。フランジ部１７ｂには、ヒートシンク１６の貫通孔１６ａに連通する連通孔１７ｃが形成され、包囲部１７ａの内周面には半導体素子１３に接続される端子１８，１８の下部が設けられる。
【００１８】
本発明の特徴ある構成は、半導体素子１３に放熱用の補助基板２１が搭載されたところにある。この実施の形態における補助基板２１はＡｌＮ板２１ｂと、このＡｌＮ板２１ｂの下面に積層接着された接続用Ａｌ板２１ａとを有する。接続用Ａｌ板２１ａは半導体素子１３に対向しかつ半導体素子１３の電極部に接続するように積層接着され、ＡｌＮ板２１ｂの上面には反り防止用Ａｌ板２４が積層接着される。Ａｌ板２１ａ，２４はＡｌ純度が９９．９８重量％以上であって、融点が６６０℃のものが使用される。Ａｌ板２１ａ，２４はこのＡｌ板２１ａ，２４より融点が低いＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介してＡｌＮ板２１ｂに積層接着される。即ち、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材は８４〜９７重量％のＡｌと３〜１３．５重量％のＳｉを含み、このろう材１６の溶解温度範囲は５７７〜６２０℃である。積層接着はＡｌＮ板２１ｂとＡｌ板２１ａ，２４との間にろう材であるＡｌ−Ｓｉろう材の箔を挟んだ状態でこれらに荷重４．９×１０4〜１．９×１０5Ｐａを加え、真空中で６００〜６５０℃に加熱することにより、Ａｌ板２１ａ，２４はぞれぞれＡｌＮ板２１ｂに接着される。
【００１９】
このようにＡｌＮ板２１ｂに接着された接続用Ａｌ板２１ａはハーフエッチングされ、半導体素子１３の電極部に接続する複数の突起２１ｃが形成される。図示しないが、ハーフエッチングは半導体素子１３の電極部に相応するようにＡｌ板２１ａにレジスト膜でマスキングを行い、この状態でＡｌ板２１ａをエッチング液に浸漬してマスキングされていない部分におけるＡｌ板２１ａの表面を貫通しない程度にエッチング除去することにより行われる。その後レジスト膜を除去することによりそのレジスト膜により覆われていた部分が他のエッチングされた部分から突出してマスキングした部分の数だけ複数の突起２１ｃが形成される。
【００２０】
突起２１ｃが形成された接続用Ａｌ板２１ａの端子１８に対応する部分には、予めＡｌからなるワイヤ又は平板２２，２２の一端が超音波により接合される。半導体素子１３に放熱用の補助基板２１を搭載する際に複数の突起２１ｃは超音波により半導体素子１３の図示しない電極部に接続される。これによりＡｌ板２１ａは半導体素子１３の電極部に電気的に接続され、その後ワイヤ又は平板２２，２２の他端は枠部材１７の内周面における端子１８，１８にそれぞれ接続され、その後蓋板２６を枠部材１７の上面に接着する。これにより半導体素子１３と端子１８，１８はこのＡｌ板２１ａを介して電気的に接続される。
【００２１】
このように構成された半導体装置１０では、半導体素子１３の下面から半導体素子１３が発した熱がパワーモジュール用基板１１及びヒートシンク１６を介して外部に放散される。一方、半導体素子１３の上面からはその熱が補助基板２１に伝導し、この補助基板２１から外部に放散される。また、ワイヤ又は平板２２，２２が比較的太い場合には補助基板２１に伝導した熱の一部がこのワイヤ又は平板２２，２２を介して端子１８，１８に伝導し、この端子１８，１８から外部に放散される。特に補助基板２１として高熱伝導性であって熱膨張係数がパワーモジュール用基板１１に近似するＡｌＮ板２１ｂを使用するので、半導体素子１３に搭載された補助基板２１が熱により反ることなく、その熱は有効に補助基板２１に伝導して外部に放散される。
【００２２】
なお、上述した第１の実施の形態では、端子１８，１８がワイヤ又は平板２２，２２によりＡｌ板２１ａに接続される例を示したが、図２に示すように、端子１８，１８を直接Ａｌ板２１ａに接続してもよい。このように端子１８，１８を直接Ａｌ板２１ａに接続すれば、端子１８，１８をＡｌ板２１ａに接続するワイヤ又は平板が不要になり、接続作業を簡素化することができるとともに、図のようにＡｌ板２１ａをパワーモジュール用基板１１から突出するように接着すれば、作業空間が確保される結果、端子１８，１８とＡｌ板２１ａの接続作業が更に容易になる。
また、上述した第１の実施の形態では補助基板２１に何も搭載しないが、半導体素子１３から熱を更に放散させたい場合には、補助基板２１に図３に示す放熱フィン２３又は図示しない熱伝導バー若しくは図４及び図５に示す内部に冷却水が循環可能に形成された第２水冷式ヒートシンク２５を更に搭載することもできる。図３に示す放熱フィン２３は補助基板２１の上面に積層接着された反り防止用Ａｌ板２４にはんだにより搭載したものである。一方、図４及び図５に示す第２水冷式ヒートシンク２５は蓋板の一部をくり抜き、補助基板２１上面にサーマルシート又はグリース３５を介して接着したものである。第２水冷式ヒートシンク２５は銅製であることが熱伝導が高い点から好ましい。これにより、半導体素子１３から補助基板２１に伝導した熱を更に有効に外部に放散させることができる。
【００２３】
更に、上述した第１の実施の形態では蓋板２６と補助基板２１との間に何も設けていないが、図６に示すように、補助基板２１を半導体素子１３に圧接可能に構成された弾性体２７を蓋板２６と補助基板２１との間に設けてもよい。図６に示す弾性体２７は高熱伝導性の銅板の両端を折返すように曲げたものであり、この弾性体２７はその折返された両端が蓋板２６に取付けられる。半導体素子１３に補助基板２１を搭載した状態で蓋板２６を枠部材１７の上面に接着することにより弾性体２７は補助基板２１に当接し、弾性体２７の付勢力によりその補助基板２１は半導体素子１３に押付けられる。補助基板２１の複数の突起２１ｃはその弾性体２７の付勢力により半導体素子１３の電極部に接続される。
【００２４】
また、弾性体２７としてＣｕ又はＡｌ等の熱伝導が良好な材料を用いれば、弾性体２７は半導体素子１３から補助基板２１に伝導した熱を更に蓋板２６まで伝導する熱伝導バーとしても機能して半導体素子１３の発する熱がより外部に有効に放散できる。この場合、弾性体２７の接触する補助基板２１の上面には、グリースを塗布しておくことが好ましい。なお、図示しないが、弾性体２７を蓋板２６と補助基板２１との間に設けることは、補助基板に放熱フィンを搭載した状態であってもよい。この場合、弾性体は放熱フィンを介して補助基板２１を半導体素子１３に押付け、複数の突起を半導体素子の電極部に接続する。これにより突起２１ｃの電極部への独立した接続作業が不要になり、その接続作業を更に簡素化することができる。
【００２５】
次に本発明の第２の実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する。図面中上述した実施の形態と同一符号は同一部品を示し繰返しての説明を省略する。
図７に示すように、この実施の形態における補助基板３１はＡｌＮ板３１ｂと、このＡｌＮ板３１ｂの下面に積層接着された第１Ａｌ板３１ａと、ＡｌＮ板３１ｂの上面に積層接着された第２Ａｌ板３１ｃとを有する。第１Ａｌ板３１ａは半導体素子１３に対向しかつこの半導体素子１３の電極部に接続する。第２Ａｌ板３１ｃは、ＡｌＮ板３１ｂのスルーホール３２を介してこの第１Ａｌ板３１ａに接続する。スルーホール３２は焼成前のグリーンシートの状態で加工したものを焼成するか、又は焼成後のセラミックスをレーザ加工又は超音波加工することにより作製される。このスルーホール３２にはＡｌが充填される。
【００２６】
第１及び第２Ａｌ板３１ａ，３１ｃはそれぞれＡｌ純度が９９．９８重量％以上であって、融点が６６０℃のものが使用され、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を介して上述した第１の実施の形態と同一の手順でＡｌＮ板３１ｂの両面に積層接着される。この積層接着の際にスルーホール３２は第１及び第２Ａｌ板３１ａ，３１ｃに接続し、第１及び第２Ａｌ板３１ａ，３１ｃはスルーホール３２を介して互いに電気的に接続される。半導体素子１３に対向する第１Ａｌ板３１ａはハーフエッチングされ、半導体素子１３の電極部に接続する複数の突起３１ｄが形成され、半導体素子１３にこの補助基板３１を搭載する際に複数の突起３１ｄは超音波によりその電極部に接続される。一方、ＡｌＮ板３１ｂに接着された第２Ａｌ板３１ｃはエッチングされ、所定の回路パターンが形成される。図示しないが、エッチングは第２Ａｌ板３１ｃにレジスト膜でマスキングを行い、この状態で第２Ａｌ板３１ｃをエッチング液に浸漬してマスキングされていない部分における第２Ａｌ板３１ｃを表出するまでエッチング除去することにより行われる。その後レジスト膜を除去することによりそのレジスト膜により覆われていた部分が所定の回路パターンとして形成される。第１Ａｌ板３１ａに電気的に接続する第２Ａｌ板３１ｃには枠部材１７の内周面に設けられた端子１８，１８がワイヤ又は平板２２，２２により接続され、半導体素子１３と端子１８，１８は電気的に接続される。
【００２７】
このように構成された半導体装置３０では、枠部材１７の開口端側に位置する補助基板３１の上側の第２Ａｌ板３１ｃと枠部材１７の内周面に設けられた端子１８，１８を接続することにより、半導体素子１３と端子１８，１８を電気的に接続できるので、その接続作業を比較的容易に行うことができ、その作業自体を簡素化することができる。これ以外の効果は上述した第１の実施の形態と同一であるので繰返しての説明を省略する。
【００２８】
なお、上述した第２の実施の形態では、端子１８，１８がワイヤ又は平板２２，２２により第２Ａｌ板３１ｃに接続される例を示したが、図８に示すように、端子１８，１８を直接第２Ａｌ板３１ｃに接続してもよい。このように端子１８，１８を直接第２Ａｌ板３１ｃに接続すれば、端子１８，１８を第２Ａｌ板３１ｃに接続するワイヤ又は平板が不要になり、接続作業を更に簡素化することができるとともに、図のように第２Ａｌ板３１ｃをＡＩＮ板３１ｂから突出するように接着すれば、端子１８，１８と第２Ａｌ板３１ｃの接続作業がなお一層容易になる。
【００２９】
また、上述した第２の実施の形態では、端子１８，１８が枠部材１７の内周面に設けられた例を示したが、図９に示すように、端子１８，１８を第２Ａｌ板３１ｃに直接立設してもよい。端子１８を第２Ａｌ板３１ｃに立設すれば、半導体素子１３から補助基板３１に伝導した熱はこの端子１８に更に伝導して外部に放散するため、半導体素子１３からの熱を更に有効に外部に放散させることができ、断面積の比較的大きい端子１８を立設することにより又は立設される端子１８の形状をフィン形状等の放熱し易い形状にすることによりその放散させる熱量に対応させることができる。
【００３０】
また、上述した第２の実施の形態では、補助基板３１に何も搭載しないが、図１０〜１２に示すように、第２Ａｌ板３１ｃのエッチングにより表出したＡｌＮ板３１ｂに放熱フィン２３又は熱伝導バー若しくは第２水冷式ヒートシンク２５を搭載してもよい。
【００３１】
次に本発明の第３の実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する。図面中上述した実施の形態と同一符号は同一部品を示し繰返しての説明を省略する。
図１３に示すように、この実施の形態における補助基板４１はモリブデン板４１ｂと、このモリブデン板４１ｂの下面に積層接着された第１接続板４１ａと、モリブデン板４１ｂの上面に積層接着された第２接続板４１ｃとを有する。第１接続板４１ａ及び第２接続板４１ｃはＡｌ又はＣｕからなり、第１接続板４１ａは半導体素子１３に対向しかつこの半導体素子１３に接続するように積層接着される。第１及び第２接続板４１ａ，４１ｃはろう材なしでモリブデン板４１ｂの両面に所定の圧力で機械的に圧接して接着される。ろう材を用いる場合であって、第１及び第２接続板４１ａ，４１ｃをＡｌであるときにはＡｌ系ろう材を、第１及び第２接続板４１ａ，４１ｃをＣｕであるときにはＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介してモリブデン板４１ｂの両面に電気的に接続するように積層接着することもできる。半導体素子１３に対向する第１接続板４１ａはハーフエッチングされ、半導体素子１３の電極部に接続する複数の突起４１ｄが形成され、半導体素子１３にこの補助基板４１を搭載する際に複数の突起４１ｄは超音波によりその電極部に接続される。一方、導電性を有するモリブデン板４１ｂを介して第２接続板４１ｃには端子１８，１８が直接立設される。
【００３２】
このように構成された半導体装置では、半導体素子１３が発した熱の一部は半導体素子１３の上面から補助基板４１に伝達され、この補助基板４１から外部に放散される。また、第２接続板４１ｃに端子１８，１８が直接立設されるので、補助基板４１に伝導した熱はこの端子１８，１８に更に伝導して外部に放散するため、半導体素子１３からの熱を更に有効に外部に放散させることができる。特に補助基板４１として電導性であって熱膨張係数がパワーモジュール用基板１１に近似するモリブデンを使用するので、ＡｌＮを使用した場合に必要とされたスルーホールが不要になり、その熱は有効に補助基板４１に伝導して外部に放散される。これ以外の効果は上述した第１及び第２の実施の形態と同一であるので繰返しての説明を省略する。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、半導体素子に放熱用の補助基板を搭載したので、半導体素子の下面から放散し切れない熱が半導体素子の上面からこの補助基板に伝導し、その放散し切れない熱をこの補助基板から外部に放散させることができる。この結果、半導体素子を小型化してパワーモジュール用基板に接触する底面積が減少しても、半導体素子が発する熱を有効に放散することができ、半導体素子の小型化を促進することができる。この場合、補助基板にＡｌ板が積層接着されたＡｌＮ板を使用すれば、補助基板が熱により反ることなく、熱を有効に補助基板に伝導して外部に放散することができ、補助基板に放熱フィン又は熱伝導バー若しくは内部に冷却水が循環可能に形成された第２水冷式ヒートシンクを搭載すれば、半導体素子から補助基板に伝導した熱を更に有効に外部に放散することができる。
【００３４】
また、補助基板はスルーホールを介して互いに接続する第１及び第２Ａｌ板が両面に積層接着されたＡｌＮ板であれば、第１Ａｌ板を半導体素子に対向させて電極部に接続すれば、枠部材の開口端側に位置する補助基板の上側の第２Ａｌ板と枠部材の内周面に設けられた端子を接続することにより、半導体素子と端子を電気的に接続できるので、その接続作業を比較的容易に行うことができ、端子を第２Ａｌ板に直接立設すれば、半導体素子から補助基板に伝導した熱はこの端子に更に伝導して外部に放散するため、半導体素子からの熱を更に有効に外部に放散させることができる。また、補助基板としてそれぞれＡｌ又はＣｕからなる第１及び第２接続板が電気的に接続するように両面に積層接着されたモリブデン板を使用すれば、モリブデンは導電材料であるので、スルーホールを設ける必要がなくなる。
【００３５】
更に、半導体素子の電極部に対向する補助基板をハーフエッチングすることにより複数の突起を形成し、この複数の突起を超音波により半導体素子の電極部に接続すれば、その突起を半導体素子の電極部に確実に接続することができる。また、枠部材に蓋板を接着する場合には弾性体をその蓋板に設けることにより、蓋板を枠部材の上面に接着するだけの簡単な作業で、複数の突起をその弾性体の付勢力により半導体素子の電極部に接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 端子がワイヤ又は平板によりＡｌ板に接続された本発明の第１の実施の形態における半導体装置の断面図。
【図２】 端子が直接Ａｌ板に接続された図１に対応する半導体装置の断面図。
【図３】 補助基板に放熱フィンが搭載された図１に対応する半導体装置の断面図。
【図４】 補助基板に第２ヒートシンクが搭載された図１に対応する半導体装置の断面図。
【図５】 補助基板に第２ヒートシンクが搭載された図２に対応する半導体装置の断面図。
【図６】 弾性体により補助基板が半導体素子に押付けられる図１に対応する半導体装置の断面図。
【図７】 端子がワイヤ又は平板により第２Ａｌ板に接続された本発明の第２の実施の形態における半導体装置の断面図。
【図８】 端子が直接第２Ａｌ板に接続された図７に対応する半導体装置の断面図。
【図９】 端子が第２Ａｌ板に立設された図７に対応する半導体装置の断面図。
【図１０】 補助基板に第２ヒートシンクが搭載された図７に対応する半導体装置の断面図。
【図１１】 補助基板に第２ヒートシンクが搭載された図８に対応する半導体装置の断面図。
【図１２】 補助基板に第２ヒートシンクが搭載された図９に対応する半導体装置の断面図。
【図１３】 ハーフエッチングにより形成された突起を有する本発明の第３の実施の形態における半導体装置の断面図。
【図１４】 従来例を示す図１に対応する断面図。
【符号の説明】
１１ パワーモジュール用基板
１２ 回路パターン
１３ 半導体素子
１６ ヒートシンク
１７ 枠部材
１８ 端子
２１，３１，４１ 補助基板
２１ａ Ａｌ板
２１ｂ ＡｌＮ板
２１ｃ 突起
２２ ワイヤ又は平板
２３ 放熱フィン
２５ 第２水冷式ヒートシンク
２６ 蓋板
２７ 弾性体
３１ａ 第１Ａｌ板
３１ｂ ＡｌＮ板
３１ｃ 第２Ａｌ板
３１ｄ 突起
３２ スルーホール
３５ サーマルシート又はグリース
４１ａ 第１接続板
４１ｂ モリブデン板
４１ｃ 第２接続板
４１ｄ 突起
Claims (12)
- ヒートシンク(16)に積層接着されたパワーモジュール用基板(11)の回路パターン(12)に半導体素子(13)が搭載され、前記ヒートシンク(16)の表面に枠部材(17)が前記半導体素子(13)を包囲するように接着され、前記半導体素子(13)の電極部に端子(18)が接続された半導体装置において、
前記半導体素子(13)に放熱用の補助基板(21)が搭載され、
前記補助基板 (21) は半導体素子 (13) に対向しかつ前記半導体素子 (13) の電極部に接続するＡｌ板 (21a) が積層接着されたＡｌＮ板 (21b) であり、
前記Ａｌ板 (21a) をハーフエッチングすることにより複数の突起 (21c) が前記Ａｌ板 (21a) に形成され、
前記補助基板 (21) を前記半導体素子 (13) に圧接可能に構成された弾性体 (27) が設けられた蓋板 (26) が枠部材 (17) の上面に接着され、前記複数の突起 (21c) が前記弾性体 (27) の付勢力により前記半導体素子 (13) の電極部に接続された
ことを特徴とする半導体装置。 - 端子(18)が枠部材(17)の内周面に設けられかつ直接又はワイヤ若しくは平板(22)により前記Ａｌ板(21a)に接続されて前記半導体素子(13)の電極部に接続された請求項１記載の半導体装置。
- 補助基板(21)に放熱フィン(23)又は熱伝導バーが搭載された請求項２記載の半導体装置。
- ヒートシンク(16)に積層接着されたパワーモジュール用基板(11)の回路パターン(12)に半導体素子(13)が搭載され、前記ヒートシンク(16)の表面に枠部材(17)が前記半導体素子(13)を包囲するように接着され、前記半導体素子(13)の電極部に端子(18)が接続された半導体装置において、
前記半導体素子(13)に放熱用の補助基板(21)が搭載され、
前記補助基板 (21) は半導体素子 (13) に対向しかつ前記半導体素子 (13) の電極部に接続するＡｌ板 (21a) が積層接着されたＡｌＮ板 (21b) であり、
前記Ａｌ板 (21a) をハーフエッチングすることにより複数の突起 (21c) が前記Ａｌ板 (21a) に形成され、前記複数の突起 (21c) が超音波により半導体素子 (13) の電極部に接続されたことを特徴とする半導体装置。 - 端子(18)が枠部材(17)の内周面に設けられかつ直接又はワイヤ若しくは平板(22)により前記Ａｌ板(21a)に接続されて前記半導体素子(13)の電極部に接続された請求項４記載の半導体装置。
- 補助基板(21)に放熱フィン(23)又は熱伝導バー若しくは内部に冷却水が循環可能に形成された第２水冷式ヒートシンク(25)が搭載された請求項５記載の半導体装置。
- ヒートシンク(16)に積層接着されたパワーモジュール用基板(11)の回路パターン(12)に半導体素子(13)が搭載され、前記ヒートシンク(16)の表面に枠部材(17)が前記半導体素子(13)を包囲するように接着され、前記半導体素子(13)の電極部に端子(18)が接続された半導体装置において、
前記半導体素子(13)に放熱用の補助基板(31)が搭載され、
前記補助基板 (31) は第１Ａｌ板 (31a) とスルーホール (32) を介して前記第１Ａｌ板 (31a) に電気的に接続する第２Ａｌ板 (31c) が両面に積層接着されたＡｌＮ板 (31b) であり、前記第１Ａｌ板 (31a) が半導体素子 (13) に対向しかつ前記半導体素子 (13) の電極部に接続するように前記補助基板 (31) が前記半導体素子 (13) に搭載され、
前記第１Ａｌ板 (31a) をハーフエッチングすることにより複数の突起 (31d) が前記第１Ａｌ板 (31a) に形成され、前記複数の突起 (31d) が超音波により半導体素子 (13) の電極部に接続されたことを特徴とする半導体装置。 - 端子(18)が枠部材(17)の内周面に設けられかつ直接又はワイヤ若しくは平板(22)により前記第２Ａｌ板(31c)に接続されて前記半導体素子(13)の電極部に接続された請求項７記載の半導体装置。
- 端子(18)が前記第２Ａｌ板(31c)に端子が立設されて前記半導体素子(13)の電極部に接続された請求項７記載の半導体装置。
- 第２Ａｌ板(31c)をエッチングすることにより所定の回路パターンが形成され、前記第２Ａｌ板(31c)のエッチングにより表出したＡｌＮ板(31b)に放熱フィン(23)又は熱伝導バー若しくは内部に冷却水が循環可能に形成された第２水冷式ヒートシンク(25)が搭載された請求項８又は９記載の半導体装置。
- ヒートシンク(16)に積層接着されたパワーモジュール用基板(11)の回路パターン(12)に半導体素子(13)が搭載され、前記ヒートシンク(16)の表面に枠部材(17)が前記半導体素子(13)を包囲するように接着され、前記半導体素子(13)の電極部に端子(18)が接続された半導体装置において、
前記半導体素子(13)に放熱用の補助基板(41)が搭載され、
前記補助基板 (41) はそれぞれＡｌ又はＣｕからなる第１及び第２接続板 (41a,41c) が電気的に接続するように両面に積層接着されたモリブデン板 (41b) であり、前記第１接続板 (41a) が半導体素子 (13) に対向しかつ前記半導体素子 (13) の電極部に接続するように前記補助基板 (41) が前記半導体素子 (13) に搭載され、
前記第１接続板 (41a) をハーフエッチングすることにより複数の突起 (41d) が前記第１接続板 (41a) に形成され、前記複数の突起 (41d) が超音波により半導体素子 (13) の電極部に接続されたことを特徴とする半導体装置。 - 端子(18)が前記第２接続板(41c)に立設されて前記半導体素子(13)の電極部に接続された請求項１１記載の半導体装置。
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