JP5710995B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体素子等の半導体素子を備えた半導体装置に係り、半導体素子の温度を検出するための構造の改良に関する。

半導体装置としては、たとえばパワー半導体素子等の半導体素子を備え、インバータ等の電力変換装置を構成するパワーモジュールがある。パワーモジュールでは、パワー半導体素子の発熱量が大きいので、パワー半導体素子は、金属配線層や絶縁層等を介して放熱板上に設けられている。半導体素子の熱破壊を防止するために、半導体素子の温度を温度センサにより検出し、その検出温度に基づき温度制御を行っている。

半導体素子で発生した熱は、半導体素子を中心として放熱板に向けて拡散しながら伝導する。この場合、温度センサへの熱伝導は、金属配線層等の他の部材を介してなされるため、半導体素子の実際の温度と温度センサの測定温度とには温度差ΔＴｊｓが生じる。温度差ΔＴｊｓは、半導体素子の発熱量に比例して増加するため、半導体素子の保護が必要な高温状態では、通常、発生熱量が大きく、温度差ΔＴｊｓは大きい。

そこで温度制御では、温度差ΔＴｊｓを予め設定しておき、半導体素子の保護制御温度Ｔｐは、数１の数式に示されるように、半導体素子の保証温度Ｔｓと温度差ΔＴｊｓとの差として規定されている。パワーモジュールでは、温度センサによる測定温度Ｔｄが保護制御温度Ｔｐを超えないように制御を行っており、通常、温度センサによる測定温度Ｔｄが保護制御温度Ｔｐを超えたとき、半導体素子への通電量を減らしている。この場合、過熱防止の要求特性を満足するために、温度差ΔＴｊｓは、バラつきを考慮して許容可能な最大値に設定され、その最大値は、構造的要因と半導体素子の最大熱量を考慮して決定される。

［数１］
Ｔｐ＝Ｔｓ−ΔＴｊｓ

ここで、数１の数式から判るように、温度差ΔＴｊｓが大きい場合、保護制御温度Ｔｐが低く設定されるため、実際の動作では、保証温度Ｔｓに対して余裕があるにも関わらず、通電量を減らすように温度制御を行っており、半導体素子の性能を十分に発揮させることができない。そこで、温度差ΔＴｊｓを小さく設定して、半導体素子の温度検出を精度良く行うために、各種技術が提案されている。

たとえば特許文献１の技術では、放熱板の表面に凹部を形成し、放熱板よりも熱伝導率の高い材料からなる良熱伝導層を放熱板の凹部に配置している。良熱伝導層上に、絶縁層および金属配線層を介して半導体素子を設け、温度センサを良熱伝導層に密着させて設け、温度センサにより良熱伝導層の温度を測定することにより、半導体素子の温度を検出している。この技術では、半導体素子で発生した熱は、金属配線層および絶縁層を通じて良熱伝導層に伝導し、その良熱伝導層から温度センサに効率良く伝導する。これにより、半導体素子の温度検出の高精度化を図っている。

特開２００４−３１４８５号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、良熱伝導層を別途設ける必要があり、しかも、放熱板の表面を加工する必要があるため、重量およびコストが増加してしまう。また、良熱伝導層は、放熱板と接触しているだけであって、放熱板に接合されていないため、実際には放熱への寄与が小さい。しかも、放熱板の有効放熱部を減少させているため、半導体素子の温度上昇を招く虞がある。

仮に良熱伝導層を放熱板に接合した場合、良熱伝導層の熱は直ちに放熱板に伝導してしまうため、温度センサによる測定温度は、半導体素子の実際の温度との差が非常に大きくなってしまう。また、この場合、多数の半導体チップの検出を行うことができない。さらに、特許文献１の技術では、半導体素子で発生した熱が、金属配線層、絶縁層、および、放熱板を通じて、良熱伝導層に伝導する態様を提案しているが、この態様では、半導体素子から温度センサまでの経路において放熱板を介在させているため、上記問題は深刻である。

したがって、本発明は、良熱伝導層を設けることによる不具合を解消することができるとともに、温度差ΔＴｊｓを小さく設定することにより、半導体素子の温度検出の高精度化を図ることができる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置は、絶縁基板と、絶縁基板の一面に形成された第１金属配線層および第２金属配線層と、第１金属配線層に接合された少なくとも１つの半導体素子と、第２金属配線層に接合され、絶縁基板の温度を測定することにより半導体素子の温度を検出する温度センサと、第１金属配線層と半導体素子とを接合する第１接合部材と、第２金属配線層と温度センサとを接合する第２接合部材と、絶縁基板の他面に形成された金属層と、絶縁基板の他面に対向するようにして金属層に接合された放熱部材と、金属層と放熱部材とを接合する第３接合部材とを備え、放熱部材における絶縁基板の他面に対向する面では、温度センサの直下領域から温度センサ側の端部に向けて、相手部位との間に空間が形成され、放熱部材における絶縁基板の他面に対向する面では、半導体素子の直下領域の全ては、第３接合部材により金属層と接合され、半導体素子の温度センサ側端面と第３接合部材の温度センサの直下領域側端面との間隔を温度センサの熱抵抗率の変化率に基づいて設定されていることを特徴とする。

本発明の半導体装置では、半導体素子は、第１金属配線層および第１接合部材を介して絶縁基板の一面上に形成され、温度センサは、第２金属配線層および第２接合部材を介して絶縁基板の一面上に形成されており、温度センサは、絶縁基板の温度を測定することにより半導体素子の温度を検出する。半導体素子で発生した熱は、半導体素子を中心として、第１接合部材、第１金属配線層、絶縁基板、および、第３接合部材を通じて放熱部材に伝導する。

ここで本発明の半導体装置では、放熱部材における絶縁基板の他面に対向する面では、温度センサの直下領域から温度センサ側の端部に向けて、相手部位との間に空間が形成されているから、たとえば絶縁基板における温度センサの直下部分は片持ち梁の形態で存在することができる。これにより、片持ち梁部分（温度センサの直下部分）を他の部材から断熱することができるので、片持ち梁部分から放熱部材へ向かって熱が拡散することを防止することができる。したがって、定常状態では片持ち梁部分の温度を略均一とすることができるので、半導体素子の温度と温度センサによる測定温度との温度差ΔＴｊｓを小さくすることができ、その結果、半導体素子の温度検出の高精度化を図ることができる。よって、数１の数式から判るように、半導体素子の保護制御温度Ｔｐを高く設定することができるので、半導体素子の本来の性能を十分に発揮させることができる。

このように本発明の半導体装置では、良熱伝導層を別途設けることなく、上記効果を得ることができるから、放熱部材の表面に加工が不要となり、その結果、重量およびコストを低減することができる。また、放熱部材の有効放熱部を減少させていないから、放熱部材による放熱を十分に行うことができる。さらに、半導体素子から放熱部材までの経路において良熱伝導層を介在させていないから、半導体素子から発生した熱は、直ちに放熱部材に伝導しない。これにより、温度センサによる測定温度と半導体素子の実際の温度との差をさらに小さくすることができる。その結果、多数の半導体チップの検出を行うことができる。

本発明の半導体装置では、放熱部材における絶縁基板の他面に対向する面では、半導体素子の直下領域の全ては、第３接合部材により金属層と接合されている。これにより、放熱部材における半導体素子の直下領域の全ては、第３接合部材により金属層と接合されているから、半導体素子から放熱部材までの放熱経路を十分に確保することができる。したがって、装置の熱抵抗の上昇を抑制することができるから、半導体素子の熱破壊を効果的に防止することができる。

本発明の半導体装置によれば、良熱伝導層を設けることによる不具合を解消することができるとともに、半導体素子の温度と温度センサによる測定温度との温度差ΔＴｊｓを小さく設定することにより、半導体素子の温度検出の高精度化を図ることができる等の効果を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置の概略構成を表す側断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の概略構成を表す下面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の変形例の概略構成を表す下面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の他の変形例の概略構成を表す側断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の他の変形例の概略構成を表す側断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の他の変形例の概略構成を表す側断面図である。 比較例の半導体装置の概略構成を表す側断面図である。 Ｒthj-c（モジュール熱抵抗率）の変化率と、はんだ端面と半導体素子端面の間隔との関係を表すグラフである。 Ｒthj-s（温度センサ熱抵抗率）の変化率と、はんだ端面と半導体素子端面の間隔との関係を表すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の概略構成を表す側断面図である。半導体装置１００は、絶縁基板１０１を備え、絶縁基板１０１の上面には、たとえば銅（Ｃｕ）からなる金属配線層１０２（第１金属配線層，第２金属配線層）が形成されている。金属配線層１０２の上面には、半導体素子１０４および温度センサ１０６が接合されている。半導体素子１０４は、はんだ１０３（第１接合部材）により接合され、温度センサ１０６は、はんだ１０５（第２接合部材）により接合されている。

半導体素子１０４と温度センサ１０６は、金属配線層１０２上で所定間隔をおいて配置されている。半導体素子１０４は、たとえば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (ＩＧＢＴ）等のパワー半導体素子である。温度センサ１０６は、絶縁基板１０１の温度を測定することにより、半導体素子１０４の温度を検出している。温度センサ１０６は、たとえば白金温度センサである。

絶縁基板１０１の下面には、たとえば銅からなる金属層１０７が形成されている。金属層１０７は、はんだ１０８（第３接合部材）を介して、絶縁基板１０１を放熱板１０９（放熱部材）に接合させるとともに、熱膨張等による絶縁基板１０１の反りを防止するために設けられており、金属配線層１０２と同じ材料からなる。金属層１０７の下面には、はんだ１０８により、たとえば銅からなる放熱板１０９（放熱部材）が接合されている。放熱板１０９は、半導体素子１０４で発生した熱を放出するヒートスプレッダとしての機能を有する。

放熱板１０９における絶縁基板１０１の下面に対向する面（上面）では、温度センサ１０６の直下領域から温度センサ１０６側の端部に向けて金属層１０７と接合されていなく、たとえば金属層１０７との間に空間１１０が形成されている。空間１１０の上の基板部分（金属配線層１０２、絶縁基板１０１、および、金属層１０７）は、浮上して片持ち梁の形態（以下、片持ち梁部分）として存在している。放熱板１０９の上面では、半導体素子１０４の直下領域の全ては、はんだ１０８により金属層１０７と接合されていることが好適である。

具体的には、図１に示す形態では、はんだ１０８の左端面（温度センサ１０６側の端面）は、水平方向において、半導体素子１０４の左端面（温度センサ１０６側の端面）と温度センサ１０６の右端面（半導体素子１０４側の端面）との間に位置し、空間１１０は、はんだ１０８の左端面から左方向（半導体素子１０４から温度センサ１０６へ向かう方向）に向けて形成され、外部に開放されている。この場合、はんだ１０８の左端面の断面形状は、図２に示すように直線状でもよいし、図３に示すように曲線状でもよく、特に限定されるものではない。図２，３に示す形態では、はんだ１０８の形成領域（図の斜線）は、半導体素子１０４の配置領域（図の破線）を包含するようにして設けられ、その面積は、半導体素子１０４の配置領域の面積よりも大きい。

また、図４に示すように、はんだ１０８の左端面ｌは、温度センサ１０６の右端面ｍの直下領域に位置してもよく、この場合、はんだ１０８の左端面ｌは、温度センサ１０６の右端面ｍから半導体素子１０４の幅Ｗの１／３までの位置の間に位置することが必要である。さらに温度センサ１０６の直下領域において、図５に示すように、金属層１０７も設けずに、絶縁基板１０１の下面を露出させるようにして空間１１０を形成してもよい。また、半導体素子１０４と温度センサ１０６との間で電気絶縁性を確保するために、図６に示すように金属配線層１０２を金属配線層１０２Ａ（第１金属配線層）および金属配線層１０２Ｂ（第２金属配線層）から構成し、金属配線層１０２Ａ，１０２Ｂを離間させてもよい。

温度センサ１０６による半導体素子１０４の温度検出について、おもに図１，７を参照して説明する。装置の動作時に半導体素子１０６で発生した熱は、半導体素子１０４を中心として、はんだ１０３、金属配線層１０２、絶縁基板１０１、金属層１０７、および、はんだ１０８を通じて放熱板１０９に伝導する。

この場合、温度センサ１０６への熱伝導は、おもにはんだ１０３、金属配線層１０２、および、はんだ１０５を通じてなされるため、半導体素子１０４の実際の温度と温度センサ１０６の測定温度とには温度差ΔＴｊｓが生じる。温度制御は、半導体素子の保護制御温度Ｔｐと保証温度Ｔｓとの関係を規定した数１の数式に基づき、温度センサ１０６による測定温度Ｔｄが保護制御温度Ｔｐを超えないように制御を行う。

ここで、図７に示すように金属層１０７の下面の全面にはんだ１８が形成されている比較例の形態の半導体装置１０では、はんだ１８が半導体素子１０４の直下領域から温度センサ１０６の直下領域まで延在している。このため、半導体素子１０４の発熱中、絶縁基板１０１では、半導体素子１０４の直下領域を中心にして略円状に等温度線が形成されるため、絶縁基板１０１上の金属配線層１０２に接合された温度センサ１０６と半導体素子１０４との温度差ΔＴｊｓが大きい。具体的には、図７に示す比較例で、半導体素子１０４のＡ点での温度Ｔａ、温度センサ１０６のＢ点での温度Ｔｂ、絶縁基板１０１における半導体素子１０４と温度センサ１０６との間の部分のＣ点での温度Ｔｃの関係は、数２の関係となり、温度差ΔＴｊｓ（ＴａとＴｂとの差）は大きい。

［数２］
Ｔａ＞Ｔｃ＞Ｔｂ

これに対して本実施形態では、図１に示すように、放熱板１０９の上面では、はんだ１０８の左端面が半導体素子１０４の左端面と温度センサ１０４の右端面との間に位置し、空間１１０が、はんだ１０８の左端面から左方向に向けて形成され、外部に開放されている。これにより絶縁基板１０１における温度センサ１０６の直下部分は片持ち梁の形態で存在することができるから、片持ち梁部分を他の部材から断熱することができる。

したがって、片持ち梁部分から放熱板１０９へ向かって熱が拡散することを防止することができるから、定常状態では片持ち梁部分の温度を略均一とすることができる。すなわち、温度センサ１０６のＢ点での温度Ｔｂ、片持ち梁部分の根元部のＣ点での温度Ｔｃとは略等しくなり、図１に示す実施形態では、半導体素子１０４のＡ点での温度Ｔａ、温度センサ１０６のＢ点での温度Ｔｂ、片持ち梁部分の根元部のＣ点（絶縁基板１０１において図７のＣ点と同一位置）での温度Ｔｃの関係は、数３の関係となる。このように温度差ΔＴｊｓ（ＴａとＴｂとの差）を小さくすることができるから、半導体素子の温度検出の高精度化を図ることができる。

［数３］
Ｔａ＞Ｔｃ≒Ｔｂ

なお、図６に示す態様では、熱伝導性が高い金属配線層１０２において半導体素子１０４の直下領域の部分と温度センサ１０６の直下領域の部分とが接続されていないため、熱伝導性は、それら部位が接続されている図１〜５に示す態様のものと比較して低い。しかしながら、本実施形態では、上記のように定常状態において片持ち梁部分の温度が略均一になっていれば上記効果が得られるから、熱伝導性が低くても問題はない。図１〜５に示す態様では、熱伝導性が良好であるから、たとえば片持ち梁部分の温度が略均一となるまでの時間が短くなり、過渡的な熱の変化に対する温度センサ１０６の追従性が良くなるというメリットがある。

本実施形態では、放熱板１０９の上面での半導体素子１０４の直下領域は、はんだ１０８により金属層１０７と接合されていることが好適である。図８は、Ｒthj-c（モジュール熱抵抗率）の変化率と、はんだ端面と半導体素子端面の間隔との関係を表すグラフである。図８では、図４に示す半導体素子１０４の左端面の位置を原点とし、はんだ１０８の左端面ｌが原点よりも左側（温度センサ１０６側）に位置するときに図８の横軸の間隔をプラスとし、はんだ１０８の端面ｌが原点よりも右側（半導体素子１０４側）に位置するときに図８の横軸の間隔をマイナスとしている。

図８から判るように、はんだ１０８の左端面ｌが、半導体素子１０４の左端面（原点）よりも左側に位置するときに、モジュール熱抵抗率の変化率は非常に低い値を示すが、はんだ１０８の左端面ｌが、半導体素子１０４の左端面（原点）の近傍領域に位置すると、モジュール熱抵抗率は急激に上昇し、はんだ１０８の左端面ｌが、半導体素子１０４の直下領域内に位置するとき、モジュール熱抵抗率が非常に大きくなる。したがって、モジュール熱抵抗率の増大を防止するために、はんだ１０８の左端面ｌが、半導体素子１０４の左端面（原点）よりも左側に位置することが好適である（すなわち、放熱板１０９の上面での半導体素子１０４の直下領域の全ては、はんだ１０８により金属層１０７と接合されていることが好適である）。

図９は、Ｒthj-s（温度センサ熱抵抗率）の変化率と、はんだ端面と半導体素子端面の間隔との関係を表すグラフである。図９から判るように、はんだ１０８の左端面ｌが、右側 （半導体素子１０４側）に向かうに従って温度センサ熱抵抗率の変化率が０に近づいていき、間隔が６ｍｍよりも大きくなると、温度センサ熱抵抗率の変化率は、略一定（略０）となり、放熱特性が飽和する。したがって、はんだ１０８の左端面ｌが、半導体素子１０４の左端面（０ｍｍの位置）から６ｍｍまでの位置に配置されることが好適である。

以上のように本実施形態では、半導体素子１０４の実際の温度と温度センサ１０６による測定温度との温度差ΔＴｊｓを小さくすることができ、半導体素子１０４の温度検出の高精度化を図ることができる。これにより、数１の数式から判るように、半導体素子１０４の保護制御温度Ｔｐを高く設定することができるので、半導体素子１０４の本来の性能を十分に発揮させることができる。また、良熱伝導層を別途設けることなく、上記効果を得ることができるから、放熱板１０９の表面に加工が不要となり、その結果、重量およびコストを低減することができる。また、放熱板１０９の有効放熱部を減少させていないから、放熱板１０９による放熱を十分に行うことができる。さらに、半導体素子１０４から放熱板１０９までの経路において良熱伝導層を介在させていないから、半導体素子１０４から発生した熱は、直ちに放熱板１０９に伝導しない。これにより、温度センサ１０６による測定温度と半導体素子１０４の実際の温度との差をさらに小さくすることができる。その結果、多数の半導体素子１０４の検出を行うことができる。

特に、放熱板１０９における半導体素子１０４の直下領域の全ては、はんだ１０８により金属層１０７と接合されているから、半導体素子１０４から放熱板１０９までの放熱経路を十分に確保することができる。したがって、半導体装置１００の熱抵抗の上昇を抑制することができるから、半導体素子の熱破壊を効果的に防止することができる。

上記実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば上記実施形態では、本発明の第１接合部材、第２接合部材、および、第３接合部材の材料としてはんだを用いたが、はんだの代わりにろう材を用いてもよい。また、空間１１０に断熱材を設けてもよい。また、半導体素子１０４を複数設けてもよい。

１００…半導体装置、１０１…絶縁基板、１０２…金属配線層（第１金属配線層，第２金属配線層）、１０２Ａ…金属配線層（第１金属配線層）、１０２Ｂ…金属配線層（第２金属配線層）、１０３…はんだ（第１接合部材）、１０４…半導体素子、１０５…はんだ（第２接合部材）、１０６…温度センサ、１０７…金属層、１０８…はんだ（第３接合部材）、１０９…放熱板（放熱部材）、１１０…空間

Claims (2)

1. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板の一面に形成された第１金属配線層および第２金属配線層と、
   前記第１金属配線層に接合された少なくとも１つの半導体素子と、
   前記第２金属配線層に接合され、前記絶縁基板の温度を測定することにより前記半導体素子の温度を検出する温度センサと、
   前記第１金属配線層と前記半導体素子とを接合する第１接合部材と、
   前記第２金属配線層と前記温度センサとを接合する第２接合部材と、
   前記絶縁基板の他面に形成された金属層と、
   前記絶縁基板の他面に対向するようにして前記金属層に接合された放熱部材と、
   前記金属層と前記放熱部材とを接合する第３接合部材とを備え、
   前記放熱部材における前記絶縁基板の前記他面に対向する面では、前記温度センサの直下領域から温度センサ側の端部に向けて、相手部位との間に空間が形成され、
   前記放熱部材における前記絶縁基板の他面に対向する面では、前記半導体素子の直下領域の全ては、前記第３接合部材により前記金属層と接合され、
   前記半導体素子の前記温度センサ側端面と前記第３接合部材の前記温度センサの直下領域側端面との間隔が前記温度センサの熱抵抗率の変化率に基づいて設定されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記半導体素子の前記温度センサ側端面と前記第３接合部材の前記温度センサの直下領域側端面との間隔は、前記温度センサの熱抵抗率の変化率が略一定となる放熱特性が飽和する位置に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

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