JP4375299B2 - パワー半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は内部絶縁型のパワー半導体装置に係り、特に大電流容量のパッケージ型パワー半導体モジュールに好適なパワー半導体装置に関する。

従来技術のパワー半導体モジュールの断面構造を図２に示す。図２において、符号１は半導体素子、２ａ、２ｂ、２ｃはソルダー、３は絶縁基板、４ａ、４ｂは金属層、５ａ、５ｂはろう材、６は支持基板、７はゲル、８は金属ワイヤ、９ａ、９ｂ、９ｃは配線端子、１０は樹脂体、１１は空隙部、１２は接着剤である。

図２の絶縁基板３は、アルミナ、窒化珪素などの電気絶縁材で作られ、その一方の面には、配線パターンが形成された金属層４ａがろう材５ａにより接合され、他方の面には、半田などによる接合を可能とするための金属層４ｂが、ろう材５ｂにより接合されている。半導体素子１は、絶縁基板３の一方の面に形成されている金属層４ａの所定の部分にソルダー２ａにより接合され、絶縁基板３のもう一方の面に形成されている金属層４ｂが支持基板６にソルダー２ｂにより積層される。そして、これらの半導体素子１は、金属ワイヤ８により、金属層４ａの所定の部分に対して配線が施されている。

支持基板６は、半導体素子１で発生した熱を拡散させるヒートシンクを兼ねており銅などの熱伝導率の高い物質で作られる。ゲル７は半導体素子１を外部雰囲気から遮断するとともに、電位の異なる配線端子９ａと配線端子９ｂとの絶縁を保つ役目もする。

電流入出力用の電位の異なる配線端子９ａおよび配線端子９ｂと電流制御用の信号入力用の配線端子９ｃは、支持基板６と接着剤１２により固着されている樹脂体１０内部に埋め込まれており、金属層４ａに形成されている配線パターンの所定の部分とソルダー２ｃにより接続され、外部装置との電流、電圧の入出力を行う。空隙部１１は半導体素子１の通電時の発熱によるゲル７の膨張による応力を緩和するものである。このような従来技術のパワー半導体モジュールの例が特許文献１に開示されている。

特開２００３−６８９７９号公報（図１、（００１３）段落から（００１５）段落の記載。）

従来技術の半導体装置では、半導体素子に流れる電流は、ＯＮ／ＯＦＦ制御され、ＯＮ時には温度上昇、ＯＦＦ時には温度低下を繰り返すが、この温度サイクルにより、半導体モジュールに内蔵したソルダーや金属ワイヤが疲労し、最終的には、断線などが生じるといった問題がある。

このため、この種の半導体装置では、温度上昇を低く抑えて長寿命化を図ることが重要な課題である。半導体素子のサイズを大きくすることにより、熱抵抗を低くし、温度上昇を低く抑えることが考えられるが、半導体モジュールの形状が大きくなり実用的ではない。

また、前記の従来技術の半導体装置では、半導体素子から発生される熱は半導体素子を接着しているソルダー、絶縁基板、支持基板を介し、下方向に放熱されるが、半導体素子上部からの放熱は、半導体素子を覆っているゲル（樹脂）の熱伝導率が低いために期待ができない問題もある。

本発明の目的は、放熱性に優れたパワー半導体装置を提供することである。

本発明のパワー半導体装置は、半導体素子上部に電極配線を配置し、高放熱樹脂を介してその上部に金属製冷却板を配置し、パワー半導体装置の上面と下面の両面に放熱面を備えている。

本発明のパワー半導体装置は、半導体素子上部に電極配線を配置し、高放熱樹脂を介してその上部に金属製冷却板を配置し、この金属製冷却板がモジュール上面から半導体素子部に向けて突き出るようにその板厚が厚くなっている。

本発明のパワー半導体装置によれば、パワー半導体装置の上面と下面の両面から内部の半導体素子の発熱を放熱できる。

本発明のパワー半導体モジュールの詳細を図面を用いながら説明する。

本実施例のパワー半導体モジュールを図１を用いて説明する。図１は本発明のパワー半導体モジュールの断面模式図である。この図１において、符号１はシリコン半導体基板に形成したＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ、電力用ダイオードや還流用ダイオードなどの半導体素子、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄはソルダー、３は絶縁基板、４ａ、４ｂは金属層、５ａ、５ｂはろう材、６は支持基板、７ａは高放熱樹脂、８は金属ワイヤ、８ａは電極配線、９ａ、９ｂ、９ｃは配線端子、１０は樹脂体、１２は接着剤、１３は金属製冷却板である。

絶縁基板３は、窒化珪素、アルミナなどの電気絶縁材で作られ、その一方の面には、配線パターンが形成された金属層４ａがろう材５ａにより接合され、他方の面には、半田などによる接合を可能とするための金属層４ｂがろう材５ｂにより接合されている。

そして、複数個の半導体素子１は、絶縁基板３の一方の面に形成されている金属層４ａの所定の部分にソルダー２ａにより接合され、絶縁基板３のもう一方の面に形成されている金属層４ｂが支持基板６にソルダー２ｂにより積層される。そして、これらの半導体素子１の制御信号用配線は、金、アルミニウム、アルミ合金などの材質の金属ワイヤ８により、金属層４ａの所定の部分に対して配線が施されている。また、半導体素子１の主電流用配線はソルダー２ｄにより接着された電極配線８ａ（図１ではリードフレーム。）を介し、金属層４ａの所定の部分に対して配線が施されている。本実施例でこのようにリードフレームを介して配線してあるのは、金属ワイヤで配線する場合よりも、パワー半導体モジュールの高さを低く抑えることができるためである。支持基板６は、銅や銅合金などの金属で作られ、半導体素子１で発生した熱を拡散させるヒートシンクを兼ねている。

本実施例の半導体モジュールの特徴である高放熱樹脂７ａは、半導体素子１で発生した熱を拡散させるとともに、電位の異なる配線端子９ａと配線端子９ｂとの絶縁を保つ役目もする。

電流入出力用の電位の異なる配線端子９ａおよび配線端子９ｂと電流制御用の信号を入力する配線端子９ｃは、支持基板６と接着剤１２により固着されている樹脂体１０内部に埋め込まれており、その一端を金属層４ａに形成されている配線パターンの所定の部分とソルダー２ｃにより接続され、他端を図１に示すように、樹脂体１０の側面から突き出している。

金属製冷却板１３は樹脂体１０で囲んだ半導体モジュールの上面に配置し、樹脂体１０の内側に、図１に示すよう設けた段差部に設置することにより、その高さを制御することができる。また、金属製冷却板１３には１つ或いは複数の貫通穴を設けてあり、貫通穴から高放熱樹脂７ａの充填を可能とする。

また、本実施例の半導体モジュールでは、図１に示すように半導体モジュール上面に露出した金属製冷却板１３の面積が絶縁基板３の面積より広く、支持基板６の面積より狭くして放熱を促進しているが、金属製冷却板１３の面積を支持基板６の面積と同じかそれより広くしてさらに放熱を促進してもよい。

本実施例の半導体モジュールに充填する高放熱樹脂７ａは、熱伝導率１０Ｗ／ｍＫの樹脂である。本実施例の半導体モジュールでは、半導体素子１上部の電極配線８ａ（リードフレーム）と上部の金属製冷却板１３とに挟まれた高放熱樹脂７ａの厚みを０.４mm とすることにより、全体の発熱量の３０％程度を上部の金属製冷却板１３から放熱することが可能となる。高放熱樹脂７ａの厚さは薄い程熱抵抗が小さくなって、上部の金属製冷却板１３からの放熱効果は高いが、０.２mm 〜２mmが好ましい。すなわち、電極配線８ａと上部の金属冷却板１３の絶縁のため少なくとも０.２mm 以上は必要であり、また、高放熱樹脂７ａの厚みを２mm以上とすると熱抵抗が大きくなって、上部の金属製冷却板１３から放熱することが可能な熱が全体の発熱量の１０％以下となる。

本実施例での半導体モジュールに適用できる高放熱樹脂７ａは、熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ以上であればよく、好ましくは１０Ｗ／ｍＫ以上であればよい。高放熱樹脂７ａは、樹脂単体であっても良いし、例えば、樹脂に電気絶縁性のフィラを配合した樹脂組成物であっても良い。また、高放熱樹脂７ａがトランスファ成型できる材質であれば、図１の樹脂体１０を省いた一体成型した半導体モジュールとしても良い。

なお、本実施例の半導体モジュールは内部で半導体素子１や電極配線８ａと支持基板６や金属製冷却板１３とが絶縁されているので、半導体モジュールの上面や下面に金属製の冷却フィンなどを絶縁材を介さずにそのまま設置できる。

本実施例を図３を用いて説明する。本実施例の半導体モジュールでは、実施例１の半導体モジュールの上部に配置した金属製冷却板１３を、半導体モジュール上面全体を覆うように配置するのではなく、発熱量が大きな半導体素子１の上面を含む一部分に配置し、この金属製冷却板１３の断面形状を板厚が異なるニ段以上の段差がある図３に示すような凸形状にした。金属製冷却板１３は上部蓋１４の穴部に埋め込まれる構成となる。この部分以外は実施例１と同じ構成である。

本実施例の半導体モジュール内では、金属ワイヤ８及び電極配線８ａはその接合部の温度変化により発生する応力を緩和するために、半導体モジュールの高さ方向にループを形成してある。そのためにこのループ部分の絶縁を確保するために、このループ部分では高放熱樹脂７ａを厚くし、金属製冷却板１３を離して配置しなければならない。

金属製冷却板１３を、図３に示すような発熱源の半導体素子１側に向けて凸の形状で、モジュール上面側に露出した面が平坦な形状とすることにより、金属ワイヤ８及び電極配線８ａの半導体モジュール内の配置に伴う高さ方向の制限を受けずに半導体素子１上部の電極配線８ａと金属製冷却板１３に挟まれる高放熱樹脂７ａの厚さを最小に抑えることができ、かつ放熱効果を高めることが可能となる。

本実施例の半導体モジュールに適用できる高放熱樹脂７ａは、実施例１と同様に熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ以上であればよく、好ましくは１０Ｗ／ｍＫ以上であればよい。高放熱樹脂７ａは、樹脂単体であっても良いし、例えば、樹脂に電気絶縁性のフィラを配合した樹脂組成物であっても良い。また、高放熱樹脂７ａがトランスファ成型できる材質であれば、図３の樹脂体１０を省いた一体成型した半導体モジュールとしても良い。

図３では、半導体素子１と金属製冷却板１３とがそれぞれ１つの場合を示しているが、半導体素子１が複数個モジュールに搭載されている場合には、各半導体素子１に対応した位置に金属製冷却板１３を配置するとよい。また、例えば複数のＩＧＢＴ半導体チップと、複数の還流ダイオードチップとが搭載されて半導体モジュールの場合に発熱量の大きな半導体素子１、すなわち複数のＩＧＢＴ半導体チップに対応した位置にだけ金属製冷却板１３を配置してもよい。

なお、本実施例の半導体モジュールも実施例１の半導体モジュールと同様に、内部で半導体素子１や電極配線８ａ、８ｂと支持基板６や金属製冷却板１３とが絶縁されているので、半導体モジュールの上面や下面に金属製の冷却フィンなどを絶縁材を介さずにそのまま設置できる。

実施例１の半導体モジュールの断面模式図である。 従来技術の半導体モジュールの断面模式図である。 実施例２の半導体モジュールの断面模式図である。

符号の説明

１…半導体素子、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ…ソルダー、３…絶縁基板、４ａ、４ｂ…金属層、５ａ、５ｂ…ろう材、６…支持基板、７…ゲル、７ａ…高放熱樹脂、８…金属ワイヤ、８ａ…電極配線、９ａ、９ｂ、９ｃ…配線端子、１０…樹脂体、１１…空隙部、１２…接着剤、１３…金属製冷却板、１４…上部蓋。

Claims (4)

1. 底面の金属支持基板と、該金属支持基板にろう材を介して搭載した絶縁基板と、該絶縁基板に別のろう材と金属層とを介して搭載した半導体素子と、該半導体素子の上に熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ以上の絶縁樹脂を介して配置した金属製冷却板とを備えたパワー半導体装置において、前記金属製冷却板が前記半導体素子に向かって凸の形状であって、パワー半導体装置上面に露出した前記金属冷却板が平坦であることを特徴とするパワー半導体装置。
2. 請求項１に記載のパワー半導体装置において、前記パワー半導体装置上面に露出した前
   記金属冷却板の面積が前記半導体素子を搭載した絶縁基板の面積より小さいことを特徴と
   するパワー半導体装置。
3. 請求項２に記載のパワー半導体装置において、前記パワー半導体装置が複数個の半導体素子と、複数個の前記金属製冷却板を備えていることを特徴とするパワー半導体装置。
4. 請求項２に記載のパワー半導体装置において、前記絶縁基板に搭載された半導体素子が、シリコンチップに形成したＩＧＢＴであることを特徴とするパワー半導体装置。

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