JP5840933B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば乗用車、トラック、バス等の車両や家庭用機器又は産業用機器に適用されて好適な半導体装置に関する。
ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＩＰＭ（Intelligent Power Module）等のスイッチング素子つまり半導体素子が実装される半導体装置においては、半導体素子は発熱部品となり、効果的な冷却が要求される。
このような発熱部品から発生する熱を正面側及び背面側においてヒートシンク等の放熱板により適宜冷却するための技術として、例えば特許文献１に記載されているような技術がある。正面側と背面側の一対の放熱板及び半導体素子は、組み合わされた後、樹脂によりモールドされてモジュールつまり、半導体装置とされる。
ところで、前述した樹脂と放熱板、半導体素子との間においては、熱膨張係数の差が大きく、モールド時の硬化収縮に伴って放熱板とモールド樹脂との間に剥離が発生しやすい。従来技術ではこの剥離を防止することが、必ずしも適切に行うことはできていなかった。
本発明は、上記問題に鑑み、放熱板とモールド樹脂との間の剥離の発生を適切に防止す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。
上記の課題を解決するため、本発明による半導体装置は、
正面及び背面を有する半導体素子と、当該半導体素子の正面側に位置して前記半導体素子の熱を放熱する正面側放熱板と、前記半導体素子の背面側に位置して前記熱を放熱する背面側放熱板と、前記正面側放熱板と前記半導体素子との面方向の間隔を調節する調節部材と、を含む半導体装置であって、前記正面側放熱板の正面と前記背面側放熱板の背面を除いて前記半導体装置を覆う封止材を含み、前記調節部材は前記封止材よりも熱硬化収縮率が大きい樹脂層を含み、前記樹脂層を一対の金属部材にて面方向に挟持してなることを特徴とする。
正面及び背面を有する半導体素子と、当該半導体素子の正面側に位置して前記半導体素子の熱を放熱する正面側放熱板と、前記半導体素子の背面側に位置して前記熱を放熱する背面側放熱板と、前記正面側放熱板と前記半導体素子との面方向の間隔を調節する調節部材と、を含む半導体装置であって、前記正面側放熱板の正面と前記背面側放熱板の背面を除いて前記半導体装置を覆う封止材を含み、前記調節部材は前記封止材よりも熱硬化収縮率が大きい樹脂層を含み、前記樹脂層を一対の金属部材にて面方向に挟持してなることを特徴とする。
ここで、前記半導体装置において、前記樹脂層は前記一対の金属部材のうち前記樹脂層の正面側に位置する金属部材よりも前記面方向から視た面積が大きいこととしてもよい。また、前記樹脂層は当該樹脂層の伝熱性を高める粒子を含有することとしてもよく、前記一対の金属部材のうち前記樹脂層の背面側に位置する金属部材から電極が引き出されることとしてもよい。
本発明によれば、正面側放熱板及び背面側放熱板の面方向に対して封止材が硬化時に収縮しても、半導体素子と調節部材の面方向の合計長さを、この収縮に合わせて樹脂層を収縮させることによって短くすることとすることができる。これによって、正面側放熱板及び背面側放熱板の面方向の離隔距離と封止材の面方向の寸法を硬化収縮の前後で一致させて、正面側放熱板の背面側と封止材の正面側との間、及び、背面側放熱板の正面側と封止材の背面側との間の界面に剥離が発生することを防止することができる。
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。
本実施例の半導体装置１は、図１（ａ）に示すように、正面側から視て、四角形状かつ平板状の半導体素子２を、正面側のヒートシンク３（正面側放熱板）の背面側、かつ、背面側のヒートシンク４（背面側放熱板）の正面側に左右方向に並列して含み、主にそれらの外周側を封止材５にてモールド樹脂成形されて、横長の直方体状に構成されるものである。なお、図１（ａ）中、上方に突出している柵形状部分はパワーリードを示し、下方に突出している幅細の柵形状部分は信号端子を示す。
図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡＡ‘断面である。本実施例の半導体装置１は、正面及び背面を有する半導体素子２と、半導体素子２の正面側に位置して半導体素子２の熱を放熱するヒートシンク３と、半導体素子２の背面側に位置して熱を放熱するヒートシンク４と、ヒートシンク３と半導体素子２との面方向の間隔を調節するブロック６（調節部材）と、を含む。封止材５は、正面側放熱板３の正面と背面側放熱板４の背面を除いて半導体装置１を覆い封止している。
ブロック６は封止材５を構成する樹脂よりも熱硬化収縮率が大きい平板状の樹脂層６１を含む。ここでは、封止材５を構成する樹脂の熱硬化収縮率にヒートシンク３の背面とヒートシンク４の正面との離隔距離を乗じた値と、樹脂層６１の熱硬化収縮率に樹脂層６１の厚みを乗じた値が同等となるように設定する。
ブロック６は樹脂層６１を一対の平板状の金属部材６２、６３にて面方向に挟持して構成されている。一対の金属部材６２、６３のうち背面側に位置する金属部材６３から電極６３ａが引き出されることとしている。電極６３ａは上述したパワーリードを構成する。また、樹脂層６１は樹脂層６１自身の伝熱性を高める粒子である、例えばアルミナ等のセラミック粒子を適宜含有している。
本実施例のヒートシンク３及びヒートシンク４は、銅、アルミニウムなど、熱伝導性及び電気伝導性の高い平板状の母材を、例えばプレス加工により例えば長方形状の形態に打ち抜いて構成される。また、金属部材６２、６３についても熱伝導性及び電気伝導性の高い平板状の母材を、例えばプレス加工により例えば正方形状の形態に打ち抜いて構成される。
以下に半導体装置１の積層構造について図２を用いて示す。図２（ａ）に示すように、ヒートシンク４の正面側と半導体素子２の背面との間は、下側半田層７を介して電気的、熱的に接続されている。半導体素子２の正面側とブロック６の金属部材６３の背面は上側半田層８を介して電気的、熱的に接続されている。金属部材６２の正面とヒートシンク３の背面側は第三半田層９を介して熱的に接続される。
下側半田層７、上側半田層８、第三半田層９は、それぞれフィレット状の半田を、ヒートシンク３と金属部材６２との間、金属部材６３と半導体素子２との間、半導体素子２とヒートシンク４との間に載置した状態で、上述した封止材５によるモールドに先立って、加熱することにより形成される。なお、図４に示すように、それぞれの接合面の濡れ性の大小関係から、下側半田層７は下側が長辺の台形状をなし、上側半田層８は下側が若干長辺をなす台形状をなし、第三半田層９は上側が長辺の台形状をなす。
なお、本実施例のブロック６はこの加熱接合工程に先立って一体部品として接合されたものを用意しているが、樹脂層６１と金属部材６２、金属部材６３の相互間の接合については、この半田の加熱接合工程において平行して行ってもよい。
さらに図４に示すように、金属部材６３からは端子６３ａが引き出され、ヒートシンク４からは端子４ａが引き出されてパワーリードを構成する。図１（ｂ）では図示を省略したが、図４で示すように、樹脂層６１は一対の金属部材６２、６３のうち正面側に位置する金属部材６２よりも面方向から視た面積が大きいこととしている。
本実施例の半導体装置１によれば、調節部材を柱状の銅ブロック６０単体とする従来構造である図２（ｂ）図３と比較して、樹脂層６１を含むことにより、以下のような作用効果を得ることができる。すなわちヒートシンク３、ヒートシンク４に対して面方向に離隔する方向に封止材５が硬化時に収縮しても、この収縮に合わせて樹脂層６１も収縮することから、半導体素子２とブロック６の三つの半田層を含めた面方向の合計長さが短くなり、封止材５の硬化時の収縮代を樹脂層６１の収縮により吸収して、ヒートシンク３、ヒートシンク４と封止材５との界面に剥離が発生することを防止することができる。
また、樹脂層６１の上述した面方向における熱硬化収縮率について封止材５を構成する樹脂よりも大きくしていることから、封止材５を構成する樹脂のヒートシンク３の背面とヒートシンク４の正面との間の離隔距離分の収縮量を、この離隔距離よりも短い厚みを有する薄い樹脂層６１により吸収することができる。
また、樹脂層６１をなるべく薄くすることに加えて、樹脂層６１が例えばセラミック等の熱伝導性を高める粒子を含有していることにより、半導体素子２からブロック６を介してヒートシンク３に至る熱伝導を半導体素子２の冷却に必要な分だけ確保して、ヒートシンク３による放熱性を確保した上で、封止材５の正面側とヒートシンク３の背面側との間、及び、封止材５の背面側とヒートシンク４の正面側との間にそれぞれ剥離が発生することを防止することができる。なお、図４中ヒートシンク３、４の左右方向の側面と、ヒートシンク３、４を連結するブロック６、半導体素子２、三つの半田層が一体となった柱状部分の側面については、封止材５を構成する樹脂の反対側の面が解放されているので剥離は発生しない。
また、図２（ｂ）及び図３に示す銅ブロック６０を含む形態に比べると、ヒートシンク３の背面側に位置する第三半田層９を前述した加熱により形成する際に、銅ブロック６０の正面から溢れた半田は、銅ブロック６０の側面における濡れ性が高いことから、この側面を濡れ性に伴って伸展して半導体素子２まで到達してしまいショート等の電気的不具合を招くおそれがあったが、本実施例の半導体装置１においては、樹脂層６１の側面は濡れ性が低いことから、この半田の半導体素子２側への移動を阻止することができる。これにより、電気的不具合を招くことを防止することができる。
さらに、本実施例の半導体装置１においては、樹脂層６１は一対の金属部材６２、６３のうち正面側に位置する金属部材６２よりも面方向から視た面積が大きいこととしているので、樹脂層６１が金属部材６２よりも側面側にはみ出す部分が、半田の移動、伸展を阻止するダムの役目と沿面距離をより長くする役目の双方を果たすため、これによっても、より確実に半田の移動を防止することができる。
また、図４に示した断面構造から明らかなように、本実施例の半導体装置１においては、金属部材６３から端子６３ａを引き出すこととし、樹脂層６１により、金属部材６３と金属部材６２とは電気的に絶縁して、ヒートシンク３には熱のみを伝えることとしているので、ヒートシンク３側には、ヒートシンク３を冷却する図示しない冷却器に対して絶縁部材Ｉを設ける必要がない。このため、図３に示す従来構造に比べて、樹脂シートである絶縁部材Ｉの個数を１／２とすることができる。
以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。
例えば本実施例においては図４中において上側を正面側として、ブロック６を上側に設ける構成を示したが、ブロック６を下側にも上下方向に線対称に設けて、ブロック６にヒートシンク４と半導体素子２との間隔を調節する機能を具備させ、図４中ではヒートシンク４から端子４ａを引き出す構成を、下側のブロック６の半導体素子２側に位置する金属部材６３から引き出した端子６３ａに置換することもできる。この構成を採れば、ヒートシンク４側の絶縁部材Ｉも必要のないものとすることができる。また、ブロック６を下側のみに設ける構成を採用することもできる。
本発明は、正面と背面の双方にヒートシンクを具備した両面タイプの半導体装置に関するものであり、一対のヒートシンクを連結する部分に、封止材を構成する樹脂よりも熱硬化性収縮率の高い樹脂層を挟み込むことによって、封止材を構成する樹脂が硬化時に収縮しても、その収縮代と同じ寸法だけ、樹脂層を圧縮させて、ヒートシンクを連結する部分の寸法も圧縮させることができる。このため、封止材がヒートシンクの厚み方向にヒートシンクから離隔する方向に熱硬化時に圧縮しても、ヒートシンクと封止材との間に剥離が発生することを防止することができる。
このように本発明は、半導体装置の製品としての信頼性、耐久性を高めることができるため、種々の半導体関連装置に適用して有益なものである。もちろん、乗用車、トラック、バス等の様々な車両のインバータ等に適用される半導体モジュールに適用しても有益なものである。
１ 半導体装置
２ 半導体素子
３ ヒートシンク（正面側放熱板）
４ ヒートシンク（背面側放熱板）
４ａ 端子
５ 封止材
６ ブロック（調節部材）
６１ 樹脂層
６２ 金属部材（正面側）
６３ 金属部材（背面側）
６３ａ 端子
６０ 銅ブロック
７ 下側半田層
８ 上側半田層
９ 第三半田層
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Claims (4)
- 正面及び背面を有する半導体素子と、当該半導体素子の正面側に位置して前記半導体素子の熱を放熱する正面側放熱板と、前記半導体素子の背面側に位置して前記熱を放熱する背面側放熱板と、前記正面側放熱板と前記半導体素子との面方向の間隔を調節する調節部材と、を含む半導体装置であって、
前記正面側放熱板の正面と前記背面側放熱板の背面を除いて前記半導体装置を覆う封止材を含み、
前記調節部材は前記封止材よりも熱硬化収縮率が大きい樹脂層を含み、前記樹脂層を一対の金属部材にて面方向に挟持してなることを特徴とする半導体装置。 - 前記樹脂層は前記一対の金属部材のうち前記樹脂層の正面側に位置する金属部材よりも前記面方向から視た面積が大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記樹脂層は当該樹脂層の伝熱性を高める粒子を含有することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
- 前記一対の金属部材のうち前記樹脂層の背面側に位置する金属部材から電極が引き出されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
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