JP5669657B2

JP5669657B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP5669657B2
Application number: JP2011086924A
Authority: JP
Inventors: 磐浅　辰哉; 辰哉磐浅; 智宏稗田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2031-04-11
Also published as: JP2012222173A

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、放熱フィンに取付けられる電力用の半導体装置に関するものである。

一般に、パワーモジュールと称される半導体装置では、高電圧で大電流を制御するため発熱量が比較的高く、半導体装置を冷却させる必要がある。

従来、この種の半導体装置では、絶縁回路基板としてのセラミックス基板の一方の表面にアルミニウム回路基板がはんだ付けされ、セラミックス基板の他方の表面に放熱用のアルミニウムベースが接合されている。このアルミニウムベースは、さらに、ヒートシンクとしての放熱フィンに取り付けられている。一般的な半導体装置では、アルミニウムベースの外周部分に設けられた貫通穴に雄ねじを挿通し、挿通させた雄ねじを放熱フィンに締付けることによってアルミニウムベース等を放熱フィンに取り付けている。

アルミニウムベース等が放熱フィンに取り付けられた半導体装置では、アルミニウム回路基板から発生する熱と、半導体装置の周囲を取り囲む外気の温度の影響によって、放熱フィンに対してアルミニウムベースが変形することがある。アルミニウムベースが変形すると、放熱フィンとアルミニウムベースとの間に隙間ができてしまい、アルミニウム基板において発生した熱を十分に放熱することができなくなる。

また、アルミニウム回路基板を搭載したセラミックス基板がアルミニウムベースに対して反ってしまい、セラミックス基板とアルミニウムベースとの間に隙間できてしまって放熱が阻害されることがある。放熱が十分に行われないと、最悪の場合には、半導体装置が破壊されてしまうことが想定される。

このような問題に対して、たとえば、特許文献１では、放熱フィンに対して凹曲面をなすように反った絶縁回路基板を備えた半導体装置が提案されている。すなわち、反った絶縁回路基板の中央付近を雄ねじ等にて押圧する構造が提案されている。

特開２００４−２８８８２８号公報

本発明は、パワーモジュールの開発の一環でなされたものであり、その目的は、放熱が効率的に行われる半導体装置を提供することである。

本発明の半導体装置は、放熱フィンと金属ベースと絶縁基板と回路基板と覆い部材と押え部材とを備えている。金属ベースは放熱フィンに固定されている。絶縁基板は金属ベースに搭載されている。回路基板は絶縁基板に搭載され、所定の半導体素子が形成されている。覆い部材は、絶縁基板を覆うように金属ベースに取り付けられている。押え部材は、覆い部材と絶縁基板との間に設けられ、絶縁基板および回路基板のいずれかの中央部の一箇所を上方から押え付ける。金属ベースは、金属ベースにおける外周部分の一箇所のみをねじで放熱フィンに留めることによって放熱フィンに固定されている。

本発明の半導体装置によれば、放熱を効率的に行うことができ、半導体装置の破壊を未然に防ぐことができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の上面図である。同実施の形態において、図１に示す断面線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。比較例に係る半導体装置と、その問題点を説明するための断面図である。同実施の形態において、作用効果を説明するための断面図である。本発明の実施の形態２に係る半導体装置の上面図である。同実施の形態において、図５に示す断面線ＶＩ−ＶＩにおける断面図である。本発明の実施の形態３に係る半導体装置の上面図である。同実施の形態において、図７に示す断面線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩにおける断面図である。本発明の実施の形態４に係る半導体装置の上面図である。同実施の形態において、図９に示す断面線Ｘ−Ｘにおける断面図である。同実施の形態において、作用効果を説明するための断面図である。本発明の実施の形態５に係る半導体装置の上面図である。同実施の形態において、図１２に示す断面線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩにおける断面図である。本発明の実施の形態６に係る半導体装置の上面図である。同実施の形態において、図１４に示す断面線ＸＶ−ＸＶにおける断面図である。本発明の実施の形態７に係る半導体装置の上面図である。同実施の形態において、図１６に示す断面線ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩにおける断面図である。

実施の形態１
本発明の実施の形態１に係る半導体装置（パワーモジュール）について説明する。図１および図２に示すように、絶縁回路基板としてのセラミックス基板ＣＳの一方の表面には、アルミニウム回路基板ＡＳがはんだ付けされている。アルミニウム回路基板には、電力を制御する所定の半導体素子（図示せず）が形成されている。一方、セラミックス基板ＣＳの他方の表面には、放熱用のアルミニウムベースＡＢが接合されている。

そのアルミニウムベースＡＢのうち、たとえば、長手方向の一端側の外周部分の１箇所に貫通孔ＡＨが形成されている。その貫通孔ＡＨに雄ねじを挿通して放熱フィンＦＮに設けた雌ねじに螺合することにより、アルミニウムベースＡＢが放熱フィンＦＮに固定されている。

上述した半導体装置では、アルミニウムベースＡＢは、長手方向の一端側の１箇所において雄ねじによって放熱フィンＦＮに固定されている。これにより、比較例に係る半導体装置に比べて、アルミニウムベースの変形等を抑制することができる。このことについて説明する。

図３に示すように、比較例に係る半導体装置では、セラミックス基板ＨＣＳの一方の表面にアルミニウム回路基板ＨＡＳがはんだ付けされ、セラミックス基板ＨＣＳの他方の表面にアルミニウムベースＨＡＢが接合されている。そのアルミニウムベースＨＡＢのうち、外周部分における、長手方向の一端側と他端側との２箇所に貫通孔（図示せず）が形成されている。その２箇所の貫通孔に雄ねじＨＳＲを挿通して放熱フィンＨＦＮに設けた雌ねじに螺合することにより、アルミニウムベースＨＡＢが放熱フィンＨＦＮに固定されている。

半導体装置の使用によって、アルミニウム回路基板ＨＡＳに形成されている半導体素子（図示せず）から熱が発生する。そうすると、発生した熱によってアルミニウムベースＨＡＢが膨張を始める。このとき、アルミニウムベースＨＡＢは、その長手方向の一端側と他端側との２箇所において放熱フィンＨＦＮに固定されて放熱フィンＨＦＮに拘束されている。

このため、図３の矢印ＹＨに示すように、雄ねじＨＳＲによって固定されている部分からアルミニウムベースＡＢが膨張して、放熱フィンＨＦＮに対してアルミニウムベースＨＡＢが反ってしまい、アルミニウムベースＨＡＢと放熱フィンＨＦＮとの間に隙間ができてしまう。隙間ができてしまうと、アルミニウム回路基板ＨＡＳにおいて発生してアルミニウムベースＨＡＢに伝導した熱が放熱フィンＨＦＮに伝導するのが妨げられてしまうことになる。その結果、放熱が良好に行われなくなって、半導体装置が破壊されてしまうことがある。

これに対して、上述した半導体装置では、アルミニウムベースＡＢは長手方向の一端側の１箇所において放熱フィンＦＮに固定されて、他端側では放熱フィンＦＮに固定されていない。このため、図４の矢印Ｙ１に示すように、雄ねじＳＲによって固定されている一端側の部分から膨張するアルミニウムベースＡＢは、他端側において拘束されずに膨張することができる。これにより、放熱フィンＦＮに対してアルミニウムベースＡＢが反ってしまうのを防止して、アルミニウムベースＡＢと放熱フィンＦＮとの間に隙間ができるのを抑制することすることができる。その結果、半導体装置において発生する熱を効率的に放熱することができ、半導体装置の破壊を未然に防ぐことができる。

また、比較例に係る半導体装置では、アルミニウムベースＨＡＢに２箇所の貫通孔が設けられているのに対して、上述した半導体装置では、アルミニウムベースＡＢに設ける貫通孔は１箇所でよく、その分、アルミニウムベースＡＢのサイズを小さくすることができ、半導体装置の小型化に寄与することができる。さらに、貫通孔が１箇所であることで、作業効率も上がり、生産コストの削減に寄与することができる。

実施の形態２
本発明の実施の形態２に係る半導体装置（パワーモジュール）について説明する。図５および図６に示すように、アルミニウムベースＡＢは、アルミニウムベースＡＢと雄ねじＳＲのねじ頭との間に樹脂材ＲＭを介在させて放熱フィンＦＮに固定されている。なお、これ以外の構成については、図１および図２に示す半導体装置と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を繰り返さないこととする。

上述した半導体装置では、実施の形態１において説明した半導体装置と同様に、アルミニウムベースＡＢが長手方向の一端側の１箇所において放熱フィンＦＮに固定されていることで、放熱フィンＦＮに対してアルミニウムベースＡＢが反ってしまうのを防止することができる効果に加えて、次のような効果が得られる。

すなわち、アルミニウムベースＡＢが樹脂材ＲＭを介在させるようにして雄ねじＳＲによって放熱フィンＦＮに固定されていることで、雄ねじＳＲの緩みが抑制されて、アルミニウムベースＡＢを放熱フィンＦＮに密着させて放熱を効率的に行うことができる。

実施の形態３
本発明の実施の形態３に係る半導体装置（パワーモジュール）について説明する。図７および図８に示すように、アルミニウムベースＡＢは、アルミニウムベースＡＢと雄ねじＳＲのねじ頭との間に金属ワッシャＭＷを介在させて放熱フィンＦＮに固定されている。なお、これ以外の構成については、図１および図２に示す半導体装置と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を繰り返さないこととする。

すなわち、アルミニウムベースＡＢが金属ワッシャＭＷを介在させるようにして雄ねじＳＲによって放熱フィンＦＮに固定されていることで、雄ねじＳＲの緩みがさらに抑制されて、アルミニウムベースＡＢを放熱フィンＦＮに密着させて放熱を効率的に行うことができる。

実施の形態４
本発明の実施の形態４に係る半導体装置（パワーモジュール）について説明する。図９および図１０に示すように、アルミニウム回路基板ＡＳが搭載されたセラミックス基板ＣＳを覆うように、樹脂ケースＲＦがアルミニウムベースＡＢに取り付けられている。その樹脂ケースＲＦの天板部分とセラミックス基板ＣＳとの間に、セラミックス基板ＣＳの中央付近の一箇所を上方から押え付ける樹脂の押え部材ＰＭＲが設けられている。また、樹脂ケースＲＦの内側にはゲルＧＥが充填されている。さらに、アルミニウムベースＡＢは、雄ねじＳＲによって放熱フィンＦＮに固定されている。

パワーモジュールでは、アルミニウム回路基板ＡＳにおいて発生した熱と、アルミニウムベースＡＢの線膨張係数とセラミックス基板ＣＳの線膨張係数の違いによって、セラミックス基板ＣＳがアルミニウムベースＡＢに対して反ってしまうことがある。

上述した半導体装置では、図１１に示すように、アルミニウムベースＡＢに取り付けられた樹脂ケースＲＦの天板部分とセラミックス基板ＣＳとの間に、セラミックス基板ＣＳの中央付近の一箇所を上方から押え付ける樹脂の押え部材ＰＭＲが設けられている。これにより、アルミニウムベースＡＢの熱による変形に伴って、セラミックス基板ＣＳが変形しようとするのを効果的に抑制（矢印Ｙ２）することができる。その結果、アルミニウム回路基板ＡＳにおいて発生した熱を、セラミックス基板ＣＳからアルミニウムベースＡＢを経て放熱フィンＦＮに効率よく伝導させることができる。また、セラミックス基板ＣＳの変形を抑制することで、アルミニウム回路基板ＡＳの回路面を有効に使用することができる。

実施の形態５
本発明の実施の形態５に係る半導体装置（パワーモジュール）について説明する。図１２および図１３に示すように、樹脂ケースＲＦの天板部分とセラミックス基板ＣＳとの間に、セラミックス基板ＣＳの中央付近の一箇所を上方から押え付ける金属の押え部材ＰＭＭが設けられている。なお、これ以外の構成については、図９および図１０に示す半導体装置の構成と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を繰り返さないこととする。

上述した半導体装置では、アルミニウムベースＡＢに取り付けられた樹脂ケースＲＦの天板部分とセラミックス基板ＣＳとの間に、セラミックス基板ＣＳの中央付近の一箇所を上方から押え付ける金属の押え部材ＰＭＭが設けられている。これにより、アルミニウムベースＡＢの熱による変形に伴って、セラミックス基板ＣＳが変形しようとするのを確実に抑制することができる。その結果、アルミニウム回路基板ＡＳにおいて発生した熱を、セラミックス基板ＣＳからアルミニウムベースＡＢを経て放熱フィンＦＮに効率よく伝導させることができる。また、セラミックス基板ＣＳの変形を抑制することで、アルミニウム回路基板ＡＳの回路面を有効に使用することができる。

実施の形態６
本発明の実施の形態６に係る半導体装置（パワーモジュール）について説明する。図１４および図１５に示すように、アルミニウム回路基板ＡＳが搭載されたセラミックス基板ＣＳを覆うように、樹脂ケースＲＦがアルミニウムベースＡＢに取り付けられている。その樹脂ケースＲＦの天板部分とセラミックス基板ＣＳとの間に、アルミニウム回路基板ＡＳの中央付近の一箇所を上方から押え付ける樹脂の押え部材ＰＭＲが設けられている。また、樹脂ケースＲＦの内側にはゲルＧＥが充填されている。なお、これ以外の構成については、図９および図１０に示す半導体装置の構成と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を繰り返さないこととする。

上述した半導体装置では、アルミニウムベースＡＢに取り付けられた樹脂ケースＲＦの天板部分とセラミックス基板ＣＳとの間に、アルミニウム回路基板ＡＳの中央付近の一箇所を上方から押え付ける樹脂の押え部材ＰＭＲが設けられている。これにより、アルミニウムベースＡＢの熱による変形に伴って、セラミックス基板ＣＳが変形しようとするのを効果的に抑制することができる。その結果、アルミニウム回路基板ＡＳにおいて発生した熱を、セラミックス基板ＣＳからアルミニウムベースＡＢを経て放熱フィンＦＮに効率よく伝導させることができる。また、セラミックス基板ＣＳの変形を抑制することで、アルミニウム回路基板ＡＳの回路面を有効に使用することができる。

実施の形態７
本発明の実施の形態７（パワーモジュール）について説明する。図１６および図１７に示すように、アルミニウム回路基板ＡＳが搭載されたセラミックス基板ＣＳを覆うように、樹脂ケースＲＦがアルミニウムベースＡＢに取り付けられている。その樹脂ケースＲＦの天板部分とセラミックス基板ＣＳとの間に、アルミニウム回路基板ＡＳの中央付近の一箇所を上方から押え付ける金属の押え部材ＰＭＭが設けられている。なお、これ以外の構成については、図９および図１０に示す半導体装置の構成と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を繰り返さないこととする。

上述した半導体装置では、アルミニウムベースＡＢに取り付けられた樹脂ケースＲＦの天板部分とセラミックス基板ＣＳとの間に、アルミニウム回路基板ＡＳの中央付近の一箇所を上方から押え付ける金属の押え部材ＰＭＭが設けられている。これにより、アルミニウムベースＡＢの熱による変形に伴って、セラミックス基板ＣＳが変形しようとするのを確実に抑制することができる。その結果、アルミニウム回路基板ＡＳにおいて発生した熱を、セラミックス基板ＣＳからアルミニウムベースＡＢを経て放熱フィンＦＮに効率よく伝導させることができる。また、セラミックス基板ＣＳの変形を抑制することで、アルミニウム回路基板ＡＳの回路面を有効に使用することができる。

なお、実施の形態４〜７では、アルミニウムベースＡＢをその２箇所において雄ねじＳＲにより放熱フィンＦＮに固定する場合を例に挙げたが、実施の形態１〜３のように、アルミニウムベースＡＢをその１箇所において雄ねじＳＲにより放熱フィンＦＮに固定した構造に対しても、押え部材ＰＭＲ，ＰＭＭを適用することが可能である。また、樹脂の押え部材ＰＭＲの場合、樹脂ケースＲＦとは別体の部材であってもよいし、樹脂ケースＲＦと一体的に形成された部材であってもよい。

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、電力を制御するパワーモジュールに有効に利用される。

ＰＤ半導体装置、ＡＢアルミニウムベース、ＣＳセラミックス基板、ＡＳアルミニウム回路基板、ＦＮ放熱フィン、ＳＲ雄ねじ、ＲＭ樹脂材、ＭＷ金属ワッシャ、ＲＦ樹脂ケース、ＧＥゲル、ＰＭＲ押え部材、ＰＭＭ押え部材。

Claims

放熱フィンと、
前記放熱フィンに固定された金属ベースと、
前記金属ベースに搭載された絶縁基板と、
前記絶縁基板に搭載され、所定の半導体素子が形成された回路基板と、
前記絶縁基板を覆うように前記金属ベースに取り付けられた覆い部材と、
前記覆い部材と前記絶縁基板との間に設けられ、前記絶縁基板および前記回路基板のいずれかの中央部の一箇所を上方から押え付ける押え部材と
を備え、
前記金属ベースは、前記金属ベースにおける外周部分の一箇所のみをねじで前記放熱フィンに留めることによって前記放熱フィンに固定された、半導体装置。
前記ねじは、樹脂材を介在させて前記放熱フィンに留められた、請求項１記載の半導体装置。
前記ねじは、金属ワッシャを介在させて前記放熱フィンに留められた、請求項１記載の半導体装置。
前記押え部材は樹脂である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記押え部材と前記覆い部材は一体的に形成された、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記押え部材は金属である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。