JP5101971B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に係り、より詳しくはパワー半導体を搭載するインバータ、サイリスタ、パワーモジュールなどのパワー半導体モジュール装置し利用できる半導体装置に関するものである。

パワー半導体モジュール装置（以下「パワーモジュール」という）は、エアコン等の各種家電機器や、エレベーター、産業機械、電車、ハイブリッド電気自動車や電気自動車等、各種インバータ制御の電力機器などに用いられ、パワーデバイスと称されている。

従来より、比較的大容量のパワーモジュールには、通常絶縁樹脂が用いられた外装ケースと金属板からなる放熱体が組合された筐体をなし、この外装ケースの中に各電子部品が納められている。この放熱体は熱伝導性グリースを介して冷却放熱フィンや水冷放熱体などの冷却器上に取り付けられる。

外装ケースの内側において、放熱体上には表裏に金属板（箔）が形成されたセラミックス製絶縁基板が半田により接合されている。通常、裏側（放熱体側）の金属板（箔）はセラミックス製絶縁基板のほぼ全面を覆っており、表側（放熱体を半田付けしない側）は金属板（箔）により回路パターンが形成されており、セラミックス金属絶縁回路基板をなしている。前記回路パターン上には、パワー半導体素子やチップ部品等が半田付けされる。また、外装ケースに配置された、外部接続端子と前記回路パターンはボンディングワイヤによって接続されている。

前記各電子部品を設置した上で、外装ケース内側にはシリコーンゲル、エポキシ樹脂などの封止樹脂が充填されている。封止樹脂は更にエポキシ樹脂などの固型樹脂により封止され、この固型樹脂上に外装ケースと同種又は異なる材質の端子ホルダが固定されている。

前記構成のパワーモジュールにおいては、１ｋＶを超える高電圧のものや、半導体の動作温度が１００℃を超えるものでは、半導体素子と放熱体との間の放熱性及び絶縁性が重要な特性となっている。

このため、従来の構成においては、絶縁基板として熱伝導性と絶縁特性に優れた、アルミナや窒化アルミニウムなどの材質のセラミックス基板が用いられている。また、放熱体と冷却器との間には熱伝導性グリースを介在させて、放熱体から冷却器へ効率よく熱を逃がすようにしている。なお、放熱体と冷却器は通常ネジ止めされ固定されている。

具体的には、前記従来の構成の電気的特性（特に絶縁性）と耐久性、信頼性を改善するために、半導体素子が配置される金属板（マウント用導電体）と放熱体との間を、シート状放熱絶縁体により接続し、且つ前記金属板の端部に接して絶縁樹脂を配置する構造が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００５−２１０００６号公報

前記特許文献１に記載の構造では、前記金属板と放熱手段との接続部分の熱伝導率３Ｗ／ｍ・Ｋ以上と、絶縁破壊強度３０ｋＶ／ｍｍ以上とを共に得ることができるようにしている。

さらに従来の構成との対比で述べれば、従来のセラミックス絶縁基板の代わりに樹脂製のシート状放熱絶縁体を配置し、絶縁特性を確保するために、前記金属板の端部を絶縁樹脂で封止したものである。これにより、従来セラミックス絶縁基板では、熱衝撃などでセラミックス絶縁基板が割れ、絶縁破壊を起こすなどの問題を排除しているものである。

また、簡易な構造にて十分な放熱性能を確保できるパワーモジュールとして、半導体素子等が配置される金属板（配線）と放熱体（ヒートシンク）が絶縁性接着剤（絶縁性樹脂）で接着されている構成が提案されている（特許文献２参照）。
これにより、電気自動車、ハイブリッドカー等、パワーモジュールの設置スペースの制約が大きい分野において有効利用でき、特に、半導体素子温度が１５０〜２５０℃程度、使用電源電圧２００〜７５０Ｖ、最大電圧７００〜１５００Ｖ程度でのインバータへの利用が期待される。
特開２００５−１５９０４８号公報

しかしながら、従来の技術では半導体装置をアセンブリする時や半導体装置の通電時に発生する熱や熱サイクル（ヒートサイクル）に由来する熱応力、言い換えれば、セラミックス基板と金属板の熱膨張係数の差から発生する熱応力により、セラミックス基板が割れるおそれがあった。また、前記熱膨張係数の差より放熱体が反り、冷却器との密着が良好でなくなり、放熱性の面で問題が発生するおそれがあった。
更に、特許文献１、２では、セラミックス基板を使用しないためにセラミックス基板が割れる心配はなくなり信頼性は向上するが、樹脂のシートや樹脂の接着剤を使用するために、セラミックス基板と比べて熱伝導率が１０分の１以下となり十分ではなかった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、通電時に発生する熱による、セラミックス基板の割れ及び放熱体の反りを抑制しうる半導体装置を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、セラミックス基板を化学的に接合しないで、放熱体上に配設することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の半導体装置は、金属からなる放熱体と、樹脂からなる外装ケースとにより内部に収容部を形成する半導体装置であって、該収容部が、該放熱体に接しているセラミックス基板と、該セラミックス基板に接している金属部材と、該金属部材の上に搭載された電子部品と、該収容部から該収容部の外部に通じる電極と、を有することを特徴とする。

また、本発明の半導体装置の好適形態は、前記金属部材をセラミックス基板に押圧する手段を設けることや、前記セラミックス基板を前記放熱体に押圧する手段を設けることや、前記外装ケースの収容部を樹脂で封止し、前記収容部を蓋で覆うことを特徴とする。

更に、本発明の半導体装置の他の好適形態は、前記外装ケースに前記電極が形成されており、該電極と前記電子部品又は前記金属部材とがボンディングワイヤによって接続されていることを特徴とする。

更にまた、本発明の半導体装置の更に他の好適形態は、前記放熱体が、アルミニウム、アルミニウム合金、銅又は銅合金であることや、前記放熱体が、放熱板、放熱フィン付き放熱板又は水冷放熱体であることを特徴とする。

本発明によれば、セラミックス基板を化学的に接合しないで、放熱体上に配設することとしたため、通電時に発生する熱による、セラミックス基板の割れ及び放熱体の反りを抑制しうる半導体装置を提供できる。

以下、本発明の半導体装置について詳細に説明する。

上述の如く、本発明の半導体装置は、放熱体と外装ケースとで形成された収容部を備えた半導体装置である。
また、上記収容部は、該放熱体に接しているセラミックス基板と、該セラミックス基板に接している金属部材と、該金属部材の上に搭載された電子部品と、該収容部から該収容部の外部に通じる電極とを有する。

図１に半導体装置の一実施形態の断面概略図を示す。
図１に示すように、放熱体１の上には、筒状の外装ケース２が配設されている。この放熱体１と外装ケース２とは、例えば熱可塑性樹脂等で接合できる。外装ケース２の内部且つ放熱体１の表面には、接着剤を使用せずに、セラミックス基板３と、所定の回路を形成しうる金属部材４とが順次配設されている。この金属部材４の上には、半導体素子やチップ部品等の電子部品５が半田で接合されている。また、外装ケース２の内壁には一端を外部に有する電極６が配設され、電子部品５とボンディングワイヤ７により電気的に接続されている。なお、このボンディングワイヤ７は、外装ケース２に接触しないように設計される。外装ケース２の内側に絶縁樹脂８を入れ、更に固体樹脂を外装ケース２の蓋９として封止し、半導体装置が得られる。
このように、本発明の半導体装置は、セラミックス基板が化学的に接合されていない構造であるため、その割れは発生せず信頼性が大幅に向上することとなる。また、セラミックス基板と放熱体の熱膨張係数の差より放熱体が反ることもなくなった。更に、絶縁にセラミックス基板を使用したので熱伝導率の低下も抑制することができる。

ここで、上記放熱体は、金属で構成される。例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、又は銅合金からなることが好ましい。
また、放熱体としては、熱伝導率の高いもの、具体的には１５０Ｗ/ｍＫ以上の熱伝導率を持つものが良い。このため、前記放熱体には、放熱板、放熱フィン付き放熱板、水冷放熱体などを設けることが好ましい。
更に、前記放熱体のセラミックス板と接する表面には、図２に示すように、絶縁層１０を配設することが好ましい。例えば、前記放熱体をアルミニウム又はアルミニウム合金とし、前記絶縁層がアルミナとすることができる。このとき、アルミナにはアルミニウムの陽極酸化により、アルマイト処理を施すことが好ましい。
なお、外装ケースと放熱体との接着性を考慮すると、放熱体の少なくとも外装ケースを接着する側は平面であることが好ましい。

一方、前記外装ケースは、樹脂から構成される。例えば、図１に示すように、放熱体の上面に対して略垂直な壁を４方に有し、これらは樹脂系接着剤で放熱体に接合できる。また、樹脂の中には、例えばポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレートなどを主成分とし、更に必要に応じて無機質フィラーを充填した外装ケースを使用してもよい。放熱体に接着された前記外装ケースにより、略直方体の形状の空間、即ち電子部品の収容部が内部に形成される。
かかる収容部には、絶縁のためのセラミックス基板と、セラミックス基板に接している金属部材と、該金属部材の上に搭載された電子部品等を、放熱体上に順次配設する。また、半導体チップ等の電子部品に接続され、該収容部の外部に通電しうる電極を配設する。

前記セラミックス基板は、収容部内且つ放熱体上に設けられており、厚さが約０．２５〜２ｍｍ程度であることが好ましい。
また、放熱体との密着性を良くし、熱伝導性の劣化を防ぐために、セラミックス基板の放熱体との着接面は、例えばラップ研磨などにより、表面粗さＲａを１μｍ以下、より好ましくは０．５μｍ以下とすることがよい。このようなセラミックス基板であれば、該セラミックス基板上に金属板を当て、金属板と放熱体間の絶縁耐圧を測定すると少なくとも１ｋＶ以上を確保できる。セラミックスの反りやうねりも小さい方が良い。
更に、セラミックス板の厚さは、例えば０．３ｍｍ〜１ｍｍとすることが好ましい。
前記セラミックス基板は、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素などのセラミックス粉から製造できるが、特に熱伝導率が高く絶縁性に優れた窒化アルミニウムを用いることが好ましい。

前記金属部材は、例えば、アルミニウムや銅などの導電率及び熱伝導率が高いものを用いることが好ましい。また、前記金属部材は、半導体素子などのチップ部品を搭載する回路として用いられるため、板形状が好ましい。

前記電極は、収容部内から外装ケース外に通電可能であり、外部は外部電極となっている。前記電極は、例えば前記外装ケースの内壁に沿って取り付けることができる。電極材料としては、例えば、金、銅、アルミニウムなどの金属線などが使用できる。
また、前記金属部材又は電子部品と電極とはボンディングワイヤ等によって、電気的に接続することが好ましい。

また、前記外装ケースの収容部は、上述のように、セラミックス基板、金属部材、電子部品、電極、ボンディングワイヤなどを配設した後に、該収容部内に樹脂を充填し、蓋で覆うことが好ましい。
かかる樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、例えば、シリコーンゲル、シリコーンゴム、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂などが挙げられる。蓋は、例えばシリコーンゲル、シリコーンゴム、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂などが使用できる。

上述の収容部内において、前記金属部材をセラミックス基板に押圧する手段や、前記セラミックス基板を前記放熱体に押圧する手段を配設することが好ましい。
例えば、外装ケースや蓋に、バネ状、ピン状の部品等を配設して、金属部材やセラミックス基板を押さえつけることができる。

（実施例１）
まず、放熱体としてアルミニウム放熱板と、電極が組みこまれた略直方体の上下の蓋のない箱状の樹脂外装ケースを準備した。アルミニウム板と樹脂外装ケースをエポキシ系の熱可塑性樹脂で接合した。
放熱板と外装ケースとでできた内部の空間、すなわち電子部品などの収容部に、セラミックス基板として厚さが０．６ｍｍ、表面粗さＲａが両面とも１μｍ以下の窒化アルミニウム基板を準備し、収容部に設置した。このとき、放熱板とセラミックス基板上に金属板を置いて、これらの間の絶縁耐圧を測定したところ、２ｋＶ以上であった。
一方、所定の回路を形成するような金属板を準備し、その上に半導体素子やチップ部品を予め半田で接合した。その電子部品が接合された金属板を前記セラミックス基板の上に設置した。さらに、半導体チップの電極または金属板と、前記樹脂外装ケースに形成された電極をアルミニウムのワイヤーボンディングにより電気的に接続した。なお、このワイヤーボンディングに用いたボンディング装置は、前記外装ケースに接触しないように、設計されている。
さらに、この上に絶縁用のエポキシ樹脂を入れ、さらに固体樹脂を入れ外装ケースに蓋をして、半導体装置を完成させた。

（実施例２）
放熱体に陽極酸化によるアルマイト処理を施した以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して半導体装置を作製した。このとき、実施例１と同様に放熱板と金属板との絶縁耐圧を測定したところ、２ｋＶ以上をクリアした。

実施例１で得た半導体装置の断面を示す概略図である。 実施例２で得た半導体装置の断面を示す概略図である。

符号の説明

１ 放熱体
２ 外装ケース
３ セラミックス基板
４ 金属部材
５ 電子部品
６ 電極
７ ボンディングワイヤ
８ 絶縁樹脂
９ 蓋
１０ 絶縁層

Claims (7)

1. 金属からなる放熱体と、樹脂からなる外装ケースにより収容部が形成され、この収容部内において、放熱体上にセラミックス基板が接着剤を使用せずに且つ化学的に接合しないで配設され、このセラミックス基板上に金属部材が接着剤を使用せずに且つ化学的に接合しないで配設され、この金属部材上に電子部品が搭載され、この電子部品または金属部材に電極が接続され、収容部内に絶縁樹脂が充填されて収容部が封止されていることを特徴とする、半導体装置。
2. 前記セラミックス基板が前記放熱体に接触していることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記金属部材が前記セラミックス基板に接触していることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記絶縁樹脂が蓋で覆われていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 前記電極が前記外装ケースの内壁に配設され、前記電極の一端が外部に延び、他端がボンディングワイヤによって前記電子部品または前記金属部材に接続されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 前記放熱体が、アルミニウム、アルミニウム合金、銅または銅合金からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
7. 前記放熱体が、放熱板、放熱フィン付き放熱板または水冷放熱体であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置。

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