JP5880318B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば大電流の制御などに用いられる半導体装置に関する。
特許文献1には、電力用半導体素子から発せられる熱を外部へ逃がす機能を有する半導体装置が開示されている。この半導体装置は冷媒液を通過させる導電性パイプを備えている。導電性パイプは電力用半導体素子やリードと接続されている。
特開2005−072411号公報
半導体装置には、十分な放熱機能を有することと、高い量産性を有することが要求される。しかしながら、特許文献1に開示の半導体装置の場合、導電性パイプの上に半導体素子やリードを固定した上で導電性パイプを覆うようにモールド樹脂を形成する必要がある。よって半導体装置の製造(組み立て)が複雑となり量産性に問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、十分な放熱機能と高い量産性を有する半導体装置を提供することを目的とする。
本願の発明に係る半導体装置は、筐体と、該筐体に固定された固定部と該固定部に接続された延伸部を有し、該延伸部は第1面と該第1面と反対側の第2面とを有する電極と、該第1面に固定された半導体素子と、該第2面の直下の領域を該筐体とともに囲むように、該筐体に固定された金属部材と、該金属部材、該筐体、及び該第2面で囲まれた領域に密閉された絶縁液と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、電極に絶縁液を直接接触させるので十分な放熱機能を得ることができ、しかも簡素な工程で高い量産性を実現できる。
本発明の実施の形態1に係る半導体装置の断面図である。 筐体と電極をインサート成形で一体成形したことを示す断面図である。 ワイヤボンディング等の処理後の半導体装置の断面図である。 絶縁液を注入したことを示す断面図である。 半導体装置が冷却器に固定されたことを示す断面図である。 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の断面図である。 トランスファーモールド工程後のモールド物を示す断面図である。 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変形例を示す断面図である。 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断面図である。 本発明の実施の形態8に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態9に係る半導体装置の断面図である。 薄化部がブレークしたことを示す断面図である。 本発明の実施の形態10に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態11に係る半導体装置の断面図である。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の断面図である。半導体装置10は、例えばPPS樹脂で形成された筐体12を備えている。筐体12には電極14の固定部14Aが固定されている。電極14は、固定部14Aと固定部14Aに接続された延伸部14Bを有している。延伸部14Bは第1面14aと、第1面14aと反対側の第2面14bとを有している。第1面14aには、例えばIGBTで形成された半導体素子16が固定されている。
筐体12には電極15の固定部15Aが固定されている。電極15は、固定部15Aと延伸部15Bを有している。延伸部15Bは第1面15aと第2面15bとを有している。第1面15aと半導体素子16はワイヤ18で接続されている。電極14と電極15は絶縁材12aで接続されている。絶縁材12aは、筐体12の一部であり筐体12と同じ材料で形成されている。絶縁材12aの底面と、電極14の第2面14bと、電極15の第2面15bは一平面を形成している。
電極14の第1面14a、電極15の第1面15a、半導体素子16、及びワイヤ18はシリコーンゲルで形成された封止体20で覆われている。封止体20の上方はふた22で覆われている。
筐体12の底面には金属部材24が固定されている。金属部材24は例えば銅で形成されている。金属部材24と筐体12の固定には、接着剤、ガスケット、ねじ、セムス(座金組込みねじ)、バンド、又はばねなどを用いることができる。金属部材24は、電極14の第2面14bの直下の領域と電極15の第2面15bの直下の領域を筐体12とともに囲んでいる。そして、金属部材24、筐体12、電極14の第2面14a、及び電極15の第2面15aで囲まれた領域に絶縁液26が密閉されている。絶縁液26の材料は、電気絶縁性と熱伝導性を有する限り特に限定されないが、ポリエチレングリコール又はシリコーンオイルを含む材料で形成してもよい。
ここで、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を説明する。まず、例えば銅板を打ち抜き曲げ加工して所望形状の電極14、15を製作する。その後、筐体と電極を一体的にインサート成形する。図2は、筐体と電極をインサート成形で一体成形したことを示す断面図である。金型の中に電極14、15を設置し、金型内にPPS樹脂を注入する。これにより筐体12と電極14、15とを一体成形する。
次いで、ワイヤボンディングなどを行う。図3は、ワイヤボンディング等の処理後の半導体装置の断面図である。電極14の第1面14aに半導体素子16をはんだ付けする。その後、電極15の第1面15aと半導体素子16をワイヤ18で接続する。そして、電極14の第1面14a、電極15の第1面15a、半導体素子16、及びワイヤ18を封止体20で覆う。その後、ふた22を形成する。
次いで、絶縁液を注入する。図4は、絶縁液を注入したことを示す断面図である。筐体12を反転させて、筐体12と第2面14a、15bで形成された凹部に絶縁液26を注入する。その後、金属部材24を筐体12に固定して図1の半導体装置10が完成する。
半導体素子16の電流が電極14、15を流れると電極14、15の温度が上昇する。電極が高温になると電極周辺の筐体が溶融したり半導体素子がダメージを受けたりするため、電極の放熱性を高めることが重要である。本発明の実施の形態1に係る半導体装置10によれば、絶縁液26が電極14、15に直接接しているので、電極14、15の熱は絶縁液26と金属部材24を介して速やかに外部に放出される。また、電極14の第1面14aに発熱源となる半導体素子16を固定し、第1面14aの裏面の第2面14bに絶縁液26が接するので、半導体素子16から絶縁液26までの距離が非常に近い。よって、半導体素子16で発生した熱を速やかに外部へ放出できる。
ところで、半導体装置10は、長手方向が鉛直方向と平行になるように固定されることが多い。図5は、半導体装置が冷却器に固定されたことを示す断面図である。冷却器30は例えばヒートシンクである。この場合、絶縁液26のうち電極14、15と接して温度上昇した部分は比重が低下するので浮力を有するようになる。この浮力により絶縁液26は図5に矢印で示す方向に対流するため、電極14、15の放熱を促進できる。このように、一定以上の流速で循環する絶縁液26は銅と同程度の熱伝導性を有するので、半導体装置10は十分な放熱機能を有している。
一般に、セラミック基板の表面に電極を固定して、裏面に金属部材(ベース板)を固定することがある。この場合セラミック基板の線膨張係数と金属部材の線膨張係数の差によりセラミック基板が割れることがあった。しかしながら、本発明の実施の形態1に係る半導体装置によれば絶縁液26が金属部材24と接するので、この問題を回避し半導体装置10の寿命をのばすことができる。
筐体12と電極14、15をインサート成形で形成したので、絶縁液26を密閉するための構造を容易に製造できる。また、電極14、15はインサート成形により筺体12に固定されているので、ワイヤボンド時の超音波パワーの散逸を防止できる。よって本発明の実施の形態1に係る半導体装置10は、高い量産性を有している。
繰り返し使用で半導体装置の劣化が進んだ場合、絶縁液が半導体素子近傍に漏れ出すことが考えられる。そのような事態に備えて、絶縁液26にシリコーンオイルを使うことで、シリコーンゲルで形成された封止体20と成分を近似させることができるので、半導体素子への影響を低減できる。
電極14、15の材料は銅に限定されずアルミでもよい。アルミは銅よりも素材コストが安い上に表面の不動態膜が安定しているため腐食しづらい。また、インサート成形により軟化し金属疲労に強くなるという利点もある。その他、本発明の特徴を失わない範囲において様々な変形が可能である。
実施の形態2.
図6は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の断面図である。実施の形態1に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態2に係る半導体装置はトランスファーモールド法で形成されたことを特徴とする。
図7は、トランスファーモールド工程後のモールド物を示す断面図である。筐体50は開口50aを有している。開口50aには電極52の第2面52bが露出している。図6に示すように、金属部材60は、筐体50とともに第2面52bの直下領域を囲むように筐体50に固定されている。そして、絶縁液62は第2面52b、筐体50、及び金属部材60により密閉されている。
筐体50をトランスファーモールド法で形成することで、封止体などが不要となるので、工程を簡素にできる。また電極52を筐体50の側面から外部にのばすことで、実施の形態1に係る半導体装置と比較して電極の折り曲げ回数を減らすことができる。しかも、電極52を筐体50の側面から外部にのばすことで、筐体内で電極を曲げる必要がなくなるので、トランスファーモールド工程において電極によって樹脂の流れが阻害されることを回避し電極と筐体の密着性を確保できる。
実施の形態3.
図8は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置の断面図である。実施の形態1に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態3に係る半導体装置は磁界変化手段で絶縁液の流動を促進することを特徴とする。
本発明の実施の形態3に係る半導体装置の絶縁液70は、液体に強磁性素材の粉末を含有させた磁性流体である。この絶縁液70内の磁界を変化させるために、筐体12に磁界変化手段72が固定されている。磁界変化手段72はコイルで形成されている。磁界変化手段72が、絶縁液70内の磁界を変化させることで、磁性流体である絶縁液70を流動させることができる。すなわち、磁界変化手段72であるコイルに流れる電流を変化させて絶縁液70内の磁界を変化させることで、半導体装置に機械的な力を加えることなく絶縁液70の流動を促進することができる。従って、半導体装置の放熱性を高めることができる。
ところで、強磁性素材の粉末は液体中に偏りなく分散していることが望ましい。ここで、強磁性素材のうち工業的利用が可能なものは無機固体素材が多く、液体のうち工業的利用に優れたものは有機素材(又は水)である。そのため、強磁性素材の粉末を液体に含有させた場合、強磁性素材が液体のなかで沈殿してしまうことがあった。
その対策として、粉末化した無機固体素材をシランカプリング剤などのカプリング剤で処理して有機親和性を付与する。そうすると、無機固体素材を有機液体に偏りなく分散させることができる。他の対策としては、有機素材のマイクロカプセル内に粉末化した強磁性素材を収容し、そのマイクロカプセルを有機液体に分散させることも有効である。他の対策としては、粉末化した強磁性素材を有機液体にコロイド状に分散させるために強磁性素材に界面活性剤などの分散剤を添加することも有効である。他の対策としては、絶縁液全体としてある程度の粘性を持たせることで強磁性素材の沈殿を抑制することも有効である。なお、絶縁液70は液体に強磁性素材の粉末を含有させたものに限定されず、強磁性を有する液体などでもよい。
実施の形態4.
図9は、本発明の実施の形態4に係る半導体装置の断面図である。実施の形態1に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態4係る半導体装置は絶縁液が筐体と電極の間へ侵入しないように保護膜を形成したことを特徴とする。
筐体12と電極14、15の境界と絶縁液26の間に保護膜80が形成されている。保護膜80は、筐体12と電極14、15の境界が絶縁液26と接しないように形成されている。保護膜80の材料は例えば、化学的に安定な表面を得るために表面を化成処理した金属である。保護膜80の厚みは、半導体装置の放熱性への影響を考慮して100μm以下にすることが好ましい。
絶縁液26が筐体12と電極14、15の境界(界面)に侵入すると絶縁液26が外部へもれるおそれがある。また、電極14、15が絶縁液26に接すると電極14、15が化学変化したり磨耗したりするおそれがある。しかし、本発明の実施の形態4に係る半導体装置によれば、保護膜80により絶縁液26が筐体12と電極14、15の間に侵入したり、絶縁液26が電極14、15に接したりすることを防止できる。
図10は、本発明の実施の形態4に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。変形例の半導体装置では筐体12と電極14、15の境界直下にのみ保護膜82を形成する。これにより電極14、15の第2面14b、15bの一部を絶縁液26と接触させて放熱性を高めることができる。なお、保護膜80の材料は化成処理した金属に限定されず、例えばポリイミドでもよい。
実施の形態5.
図11は、本発明の実施の形態5に係る半導体装置の断面図である。実施の形態1に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態5に係る半導体装置は筐体の一部が絶縁液に突き出たことを特徴とする。
筐体12の一部には、絶縁液26が密閉された領域に突き出る突起部12bが形成されている。ところで、半導体装置の放熱性を高めるためには、第2面14b、15b付近の絶縁液26を十分な流速で移動(循環)させる必要がある。本発明の実施の形態5に係る半導体装置によれば、突起部12bを第2面14b、15b付近に形成したので、この部分で流路形状が複雑化しレイノルズ数を増加させることができる。よって、絶縁液26のうち第2面14b、15b近傍で乱流が起こり第2面14b、15b付近の絶縁液26を十分な流速で移動(循環)させることができる。
なお、突起部12bの形状や位置は、第2面14b、15b付近の絶縁液26の流れを制限してこの部分に乱流を起こすものであれば特に限定されない。
実施の形態6.
図12は、本発明の実施の形態6に係る半導体装置の断面図である。実施の形態1に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態6係る半導体装置は電極の一部が絶縁液に浸ることを特徴とする。
電極14は、延伸部14Bに接続され、かつ絶縁液26に浸った浸漬部14Cを有する。よって、電極14の放熱性を高めることができる。なお、電極15にも浸漬部を形成しても良い。
実施の形態7.
図13は、本発明の実施の形態7に係る半導体装置の断面図である。実施の形態1に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態7に係る半導体装置は第2面に半導体素子が固定されたことを特徴とする。
電極14の第2面14bには浸漬半導体素子110が固定されている。浸漬半導体素子110は絶縁液26に接している。このように、延伸部14Bの第1面14aと第2面14bの両方に半導体素子を固定することで、半導体素子の実装密度を高めることができる。
実施の形態8.
図14は、本発明の実施の形態8に係る半導体装置の断面図である。実施の形態1に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態8係る半導体装置は高温時に絶縁液の成分を変化させることを特徴とする。
絶縁液26中にカプセル150が形成されている。カプセル150は、所定温度未満では化学的に安定であり、かつ所定温度以上で融解する材料で形成されている。所定温度とは、絶縁液26が発火する温度よりは低い温度である。例えば絶縁液26としてシリコーンオイルを用いたときには、カプセル150は250〜300℃で融解する材料で形成する。カプセル150の内には絶縁液26よりも燃えづらい難燃剤152が密閉されている。
本発明の実施の形態8に係る半導体装置によれば、高温時にカプセル150が融解して絶縁液26中に難燃剤152が混合する。よって、高温時に絶縁液26が発火することを防止できる。
所定温度以上で吸熱反応を起こす吸熱剤を絶縁液26に混合させてもよい。吸熱剤としては、例えば塩、金属水和物、又はホウ酸化合物などを用いることができる。この吸熱剤により、絶縁液の熱を吸収できる。なお、吸熱剤が吸熱反応を起こす温度としては、シリコーンオイルの発火を防止するためには250〜300℃が好ましく、筐体(PPS樹脂)の発火を防止するためには400℃程度が好ましい。
実施の形態9.
図15は、本発明の実施の形態9に係る半導体装置の断面図である。実施の形態1に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態9に係る半導体装置は筐体の一部が薄く形成されたことを特徴とする。
筐体12は、絶縁液26の圧力上昇時にブレークして絶縁液26を外部へ噴出するために、10気圧以上の圧力でブレークする薄化部12´を有する。図16は、薄化部がブレークしたことを示す断面図である。絶縁液26の内圧が10気圧程度まで上がると薄化部12´がブレークして絶縁液26が外部に噴出する。
半導体装置が意図しない短絡を起こし電流経路に大電流が流れることがある。その場合、封止体20、ワイヤ18、筐体12、及び電極14、15などが溶融したり昇華したりする。このような状況では半導体装置内が高温高圧状態となり、金属蒸気がプラズマ化しそのプラズマガスが近隣の半導体装置を短絡させることがある。例えばワイヤの温度が一気に沸点に達し、筐体の蒸発による圧力増加をうけてプラズマガスが拡散する。
本発明の実施の形態9に係る半導体装置は、このような短絡時に被害の拡大を防ぐものである。つまり、封止体20の気化などが原因で絶縁液26の圧力が上昇したときに、薄化部12´がブレークすることで絶縁液26が外部へ噴出する。これにより、半導体装置の内圧を外部へ逃がすことができる。また、絶縁液26が外部に噴出することで絶縁液26の成分(微粒子)がワイヤ18やその近傍に付着して、ワイヤなどがプラズマになってアークが発生したり新たな短絡を誘起したりすることを防止できる。
薄化部12´がブレークする圧力は10気圧に限定されない。半導体装置内の圧力が高くなりすぎる前に半導体装置の内圧を外部に逃がすことで半導体装置の大規模な破裂を防ぐことができれば、薄化部12´の厚さは特に限定されない。
実施の形態10.
図17は、本発明の実施の形態10に係る半導体装置の断面図である。実施の形態1に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態10に係る半導体装置は電極の第2面同士が対向したことを特徴とする。
第1電極160の第2面160bと第2電極162の第2面162bは一定間隔離間して対向している。金属部材164は、第1電極160の第2面160bと第2電極162の第2面162bの間の領域を筐体166とともに囲んでいる。そして、絶縁液168は、金属部材164、筐体166、第1電極160の第2面160b、及び第2電極162の第2面162bで囲まれた領域に密閉されている。
本発明の実施の形態10に係る半導体装置は、図1の半導体装置を2つ重ねて配置することで、2つの半導体装置で絶縁液を共有しつつ、半導体素子の実装密度を高めるものである。また、金属部材164は筐体166の側面に位置しているため、半導体素子16a、16bと金属部材164との距離を大きくとることができる。半導体素子16a、16bと金属部材164との距離を大きくすると、半導体素子16a、16bの電気絶縁性を高めることができる。
実施の形態11.
図18は、本発明の実施の形態11に係る半導体装置の断面図である。実施の形態1に係る半導体装置との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態11に係る半導体装置は絶縁液中で2つの電極が接続されることを特徴とする。
本発明の実施の形態11に係る半導体装置は、第1半導体装置170と第2半導体装置172を備えている。第1半導体装置170と第2半導体装置172は、筐体174により一体的に形成されている。第2半導体装置172には追加電極176が形成されている。追加電極176は図1の電極15と同じ構成である。そして、電極14と追加電極176は接続部178により、絶縁液180の中で接続されている。
金属部材182は、電極14の第2面14bの直下の領域と追加電極176の底面176bの直下の領域を筐体174とともに囲む。絶縁液180は、金属部材182、筐体174、電極14の第2面14b、及び追加電極176の底面176bで囲まれた領域に密閉されている。
本発明の実施の形態11に係る半導体装置によれば、電極14と追加電極176を絶縁液180内で接続するので半導体装置の構造を簡素にしつつ、放熱効果を高めることができる。このように絶縁液中で電極間を接続すると、大気中で接続する場合と比較して放電しづらい。そのため、2つの電極を少ない絶縁距離で結線できる。
なお、ここまでの実施の形態で説明した全ての特徴を適宜に組み合わせると、放熱性などを向上させることができる。
10 半導体装置、 12 筐体、 12´ 薄化部、 12a 絶縁材、 12b 突起部、 14 電極、 14a 第1面、 14b 第2面、 15 電極、 16 半導体素子、 18 ワイヤ、 20 封止体、 24 金属部材、 26 絶縁液、 30 冷却器、 50 筐体、 52 電極、 52b 第2面、 70 絶縁液、 72 電界変化手段、 80,82 保護膜、 110 浸漬半導体素子、 150 カプセル、 152 難燃剤、 178 接続部

Claims (14)

  1. 筐体と、
    前記筐体に固定された固定部と前記固定部に接続された延伸部を有し、前記延伸部は第1面と前記第1面と反対側の第2面とを有する電極と、
    前記第1面に固定された半導体素子と、
    前記第2面の直下の領域を前記筐体とともに囲むように、前記筐体に固定された金属部材と、
    前記金属部材、前記筐体、及び前記第2面で囲まれた領域に密閉された絶縁液と、を備えたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記筐体に固定され、前記絶縁液内の磁界を変化させる磁界変化手段を備え、
    前記絶縁液は磁界の変化により流動する磁性流体であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記筐体と前記電極の境界が前記絶縁液と接しないように、前記筐体と前記電極の境界と前記絶縁液の間に形成された保護膜を備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記筐体の一部には、前記絶縁液が密閉された領域に突き出る突起部が形成されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記電極は、前記延伸部に接続され、かつ前記絶縁液に浸った浸漬部を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記第2面に固定され、かつ前記絶縁液に接する浸漬半導体素子を備えたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。
  7. 前記絶縁液中に形成され、所定温度で融解するカプセルと、
    前記カプセル内に密閉された、前記絶縁液よりも燃えづらい難燃剤と、を備えたことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。
  8. 前記絶縁液には、所定温度以上で吸熱反応を起こす吸熱剤が含まれることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置。
  9. 前記筐体は、前記絶縁液の圧力上昇時にブレークして前記絶縁液を外部へ噴出するために、10気圧以上の圧力でブレークする薄化部を有することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置。
  10. 前記絶縁液はポリエチレングリコール又はシリコーンオイルを含むことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置。
  11. 前記半導体素子と前記第1面を覆うシリコーンゲルを備え、
    前記絶縁液はシリコーンオイルを含むことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置。
  12. 前記電極はアルミで形成されたことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の半導体装置。
  13. 前記電極は第1電極と第2電極を有し、
    前記第1電極の第2面と前記第2電極の第2面は一定間隔離間して対向し、
    前記金属部材は、前記第1電極の第2面と前記第2電極の第2面の間の領域を前記筐体とともに囲み、
    前記絶縁液は、前記金属部材、前記筐体、前記第1電極の第2面、及び前記第2電極の第2面で囲まれた領域に密閉されたことを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の半導体装置。
  14. 前記筐体に固定された追加電極と、
    前記電極と前記追加電極を前記絶縁液の中で接続する接続部と、を備え、
    前記金属部材は、前記電極の第2面の直下の領域と前記追加電極の底面の直下の領域を前記筐体とともに囲み、
    前記絶縁液は、前記金属部材、前記筐体、前記電極の第2面、及び前記追加電極の底面で囲まれた領域に密閉されたことを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の半導体装置。
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