JP5932701B2

JP5932701B2 - 半導体装置

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Publication number: JP5932701B2
Application number: JP2013071218A
Authority: JP
Inventors: 浩之東野; 一法師　茂俊; 茂俊一法師; 林田　幸昌; 幸昌林田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP2014195024A

Description

この発明は、半導体装置に関し、特に半導体装置と外部機器とを接続する外部接続電極の冷却構造を備えた半導体装置に関する。

一般に、半導体装置は、ベース板、基板、電子素子、およびこれらを接続する接合材、配線材、ならびに半導体装置と外部機器とを接続する外部接続電極などから構成される。電子素子としては、例えばＭＯＳＦＥＴ、ダイオード、ＩＧＢＴなどの半導体素子の他、コイルなどが想定される。装置が動作して電流が流れると、電子素子に加えて、配線材、外部接続電極など自体にジュール熱が発生する。特に、半導体装置と外部機器とを電気的に接続する外部接続電極には比較的大電流が流れる。このとき、外部接続電極に大きいジュール熱が発生すると、当該電極およびその周辺の部材、接合部が破壊されるおそれがある。したがって、信頼性の観点から、外部接続電極の冷却構造を設けることが好ましい。

例えば、特許文献１の電子部品冷却構造では、金属板とその表面に設けられて金属板を電気絶縁するゴム層とを有するガスケットが、電子部品を収納するケースとケースの蓋となるカバーとの間に挟持されており、このガスケットには、ケース内にあるバスバーまで延びるアームが設けられている。バスバーで発生したジュール熱は、ガスケット内のアームを伝熱し、ケースに至り放熱される。

一方、特許文献２の冷却装置には、ＩＧＢＴなどのパワーモジュールとコンデンサなどとを接続するバスバーで発熱したジュール熱を、ヒートシンクを含む冷却器に伝熱するための冷却板が設けられている。

特開２０１１−２２２８４５号公報特開２００１−８６７６９号公報

しかし、特許文献１の冷却構造の場合、ガスケットがケースとカバーとの間に挟持されるため、装置の大きさがガスケットの厚み分だけ増してしまい、装置の小型化が阻害されるという問題がある。さらに、ガスケットを挟持する必要があることから、設置位置が限定されるという問題も想定される。

また、特許文献２の冷却装置の場合、冷却器のヒートシンクはＩＧＢＴなどのパワーモジュールの下に配置されているため、バスバーからヒートシンクまで距離が長くなり、したがって効率的な冷却が困難になるという問題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、外部接続電極を効率良く冷却できる半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、金属製の放熱板と、放熱板の上に設けられ、かつ配線パターンが形成された基板と、配線パターンの上に搭載された半導体素子と、半導体素子に電気的に接続された複数の導電性部材とを備えている。複数の導電性部材は、半導体装置の外部に延出する外部接続電極を含み、外部接続電極には、電気絶縁材を介して放熱板に接する伝熱部が設けられている。

本発明に係る半導体装置によれば、放熱板に接する伝熱部が設けられたことにより、外部接続電極から放熱板に至る最短のまたは最短に近い放熱経路が得られ、外部接続電極を効率良く冷却できる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の一例を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の他の例を示す断面図であり、（ａ）は２つの外部接続電極に、（ｂ）は３つの外部接続電極に伝熱部が設けられた場合について示す。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の第１変形例を示す、図１に対応する断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の第１変形例を示す、図２（ａ）に対応する断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の第１変形例を示す、図２（ｂ）に対応する断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の第２変形例を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図であり、（ａ）は伝熱部が外部接続電極と一体成型である場合、（ｂ）は伝熱部が外部接続電極と別部材である場合について示す。本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図であり、（ａ）は伝熱部が外部接続電極と一体成型である場合、（ｂ）は伝熱部が外部接続電極と別部材である場合について示す。本発明の実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図であり、（ａ）は伝熱部が外部接続電極と一体成型である場合、（ｂ）は伝熱部が外部接続電極と別部材である場合について示す。本発明の実施の形態５に係る半導体装置を示す断面図であり、（ａ）は伝熱部が外部接続電極と一体成型である場合、（ｂ）は伝熱部が外部接続電極と別部材である場合について示す。従来技術に係る半導体装置を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る半導体装置について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、明細書および各図面にて、同一の符号は同様の構成を指す。また、明細書中で上、下などの向きを表す用語は、装置を実際に設置する方向を限定するものではない。また、各図では、電子素子などのハッチングを省略して図示している。

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一例を示す断面図である。
図１に示すように、半導体装置１は、外部接続電極２〜４と、装置１を外装する樹脂ケース５と、装置１の一面（下面）を構成するベース板６と、そのベース板６上に第１の接合材７を用いて接合され、両面に配線パターン８ａ，８ｂが形成された基板９と、配線パターン８ａ上に第２の接合材１１を用いて接合された電子素子１２と、などを備える。電子素子１２と配線パターン８ａとは、配線用ワイヤ１０によって電気的に接続される。実際には、図示したよりも多くの配線用ワイヤ１０が設けられる。ケース５内を空気で満たす代わりに、電気絶縁性を高めるために、樹脂ケース５内に例えばシリコンゲルが充填されてもよく、或いは、ケース５内がモールド樹脂などで封止されてもよい。また、装置１内には、複数の基板９、電子素子１２などが存在する。

なお、外部接続電極２〜４に加えて配線用ワイヤ１０も、特許請求の範囲の導電性部材に含まれ、ベース板６は、特許請求の範囲の放熱板の一例に相当する。電子素子１２は、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード、ＩＧＢＴなどの半導体素子の他、半導体基板をベースとするコイルなどでもよい。例示したように、特許請求の範囲の半導体素子は、電力用半導体素子に限られない。

外部接続電極２〜４は、樹脂ケース５内を引き回され、はんだなどの接合材、超音波接合などによって配線パターン８ａに接合され、したがって電子素子１２に電気的に接続されている。符号３ａ，４ａは、半導体装置１から外部へ露出して外部機器に電気的に接続される外部接続電極３，４の端子部を示す。図示しないが、外部接続電極２にも同様に端子部が設けられており、即ち図示しない電子素子に電気的に接続されている。外部接続電極２〜４の一部は、基板９の主面に平行に、或いは沿って延びている。なお、外部接続電極の数は３つに限られない。

また、外部接続電極２〜４には、第１の電気絶縁材１０２を介してベース板６に接する伝熱部１０１が設けられている。この伝熱部１０１は板状（或いは平板状）である。或いは、筒状、棒状など他の形状でもよい。また、伝熱部１０１とベース板６との接触面積を増加させて放熱性を高めるために、例えば波板状に形成されてもよい。

図１では、１つの外部接続電極のみに伝熱部１０１が設けられているが、図２（ａ）に示すように、２つの外部接続電極に設けられてもよく、図２（ｂ）に示すようにすべての外部接続電極に設けられてもよい。

図１に戻り、伝熱部１０１は、外部接続電極２の基板９の主面に平行な部分から、当該主面と直交する、或いは交差する方向に向かって突出している。また、伝熱部１０１は、基板間の隙間にてベース板６に接する。これにより、装置１の小型化が阻害されないという利点がある。図２（ａ），（ｂ）に示すように、突出した伝熱部１０１は適宜屈曲してベース板６に接する。

ベース板６は、外部接続電極２〜４と電気的に絶縁されている。ベース板６のベース面６ａには、半導体装置１を冷却するために放熱器、冷却器など（図示せず）が取付けられる。例えば、放熱フィン、冷媒ジャケットなどが取り付けられる。

次に、各部品の材料などを例示する。外部接続電極２〜４には銅などの導電性材料を用いる。ベース板６には、銅またはアルミニウムのような放熱性に優れた金属材料、或いはアルミニウム・シリコンカーバイト（ＡｌＳｉＣ）のような熱膨張率が低く放熱性の高い複合材料を用いる。基板９には、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材料を用いる。配線用ワイヤ１０には、アルミニウムまたは銅のような導電性に優れた材料を用いる。配線用ワイヤ１０の形状として、線形状の代わりにワイヤ幅が太い板状のワイヤ（リボンワイヤ）を用いてもよい。接合材７，１１には、はんだの他、導電性接着剤を用いてもよい。電子素子１２には、シリコン、シリコンカーバイドなどを用いる。電気絶縁材１０２には、放熱性に優れた絶縁材料を用いることが好ましい。

従来技術に係る半導体装置の断面図を、比較例として図９に示している。なお、比較例の半導体装置は、伝熱部１０１を有しない点以外は本実施形態による半導体装置１と同様に図示しており、図９では図１などと同一の符号を付している。
半導体装置１に通電すると、電子素子１２が発熱するほか、外部接続電極２〜４にも電流が流れ、ジュール熱を発生する。比較例の構造によれば、外部接続電極２〜４で発生したジュール熱は、各外部接続電極からパターン８、基板９、第１の接合材７およびベース板６を経る伝熱経路（第１の伝熱経路）と、各外部接続電極２〜４からその端子部３ａ，４ａを経る伝熱経路（第２の伝熱経路）とで半導体装置１の外部へ放熱される。このとき、発生するジュール熱が大きい場合には、外部接続電極２〜４の放熱が充分とならず、したがって装置１が高温になることが懸念される。

一方、図１，２に示した本実施形態の構成によれば、上記の第１、第２の伝熱経路に加えて、各外部接続電極から伝熱部１０１、絶縁材１０２およびベース板６を経る伝熱経路（第３の伝熱経路）で装置１の外部へ放熱される。特に、この第３の伝熱経路は、外部接続電極２〜４とベース板６とを最短経路または最短経路に近い経路で接続できるため、外部接続電極２〜４を効率良く冷却できる。

図３Ａ〜３Ｃは、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の第１変形例を示す断面図である。
図１では、伝熱部１０１が外部接続電極２〜４と一体成型された場合について説明したが、それぞれ図１、図２（ａ），（ｂ）に対応する図３Ａ〜３Ｃに示すように、伝熱部１０１を外部接続電極２〜４と別部材として（例えば冷却プレートとして）設けることもできる。このとき、同図に示すように、伝熱部１０１と外部接続電極２〜４との間に第２の電気絶縁材１０３を設けて伝熱部１０１の電気絶縁性を高めることができる。以下の説明において、伝熱部１０１を別部材として設ける場合には、第２の絶縁材１０３を設けて図示している。ただし、第１の絶縁材１０２により伝熱部１０１の電気絶縁性は確保されるため、必ずしも設ける必要はない。また、伝熱部１０１を外部接続電極２〜４と異なる材料で作成してもよく、第２の絶縁材１０３を第１の絶縁材１０２と異なる材料で作成してもよい。

図４は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の第２変形例を示す断面図である。
図４（ａ）では、伝熱部１０１の下端（ベース板６側）に存在する第１の絶縁材１０２を伝熱部１０１の側方にまで延設している。図４（ｂ）では、伝熱部１０１を外部接続電極２と別部材として設けるとともに、第２の絶縁材１０３が設けられる部分にまで第１の絶縁材１０２を延設している。即ち、この第２変形例のように、絶縁材が、伝熱部１０１の端部だけでなく面上に存在してもよい。

以下で実施の形態２〜４を説明する際に参照する図５〜７では、外部接続電極２に伝熱部１０１を設ける場合について説明している。ただし、これに限定されることなく、図１，２と同様に、外部接続電極２〜４のいずれか、複数またはすべてに伝熱部１０１を設けることができる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。
この実施形態２は、伝熱部１０１、第１の絶縁材１０２および第２の絶縁材１０３の部分のみで実施形態１と異なる。それゆえ、実施形態１と重複する部分については詳細な説明を省略する。

本実施形態の特徴は、外部接続電極２に複数の伝熱部１０１が設けられたことである。また、複数の伝熱部１０１は、板状の伝熱部１０１の主面と直交する、或いは交差する方向に、互いに所定の距離を隔てて並列に設けられている。伝熱部１０１は、図５（ａ）では外部接続電極２と一体成型され、図５（ｂ）では別部材として設けられている。

本実施形態によれば、複数の伝熱部１０１が設けられたことにより、上記第３の伝熱経路での放熱性が向上する。それゆえ、外部接続電極２をさらに効率良く冷却できる。また、伝熱部１０１が互いに並列に設けられたことにより、伝熱部１０１の設置領域を小さくできる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。
この実施形態３は、伝熱部１０１の形状のみで実施形態１と異なる。それゆえ、以下では実施形態１と異なる。それゆえ、実施形態１と重複する部分については詳細な説明を省略する。

本実施形態の特徴は、伝熱部１０１に屈曲部１０４が設けられたことである。屈曲部１０４は、温度サイクルの印加などにより外部接続電極２に加わる応力（熱応力）を吸収するように屈曲し、或いは折れ曲がっている。即ち、熱応力に応じて屈曲部１０４が弾性力を生じるようになっている。屈曲部１０４の存在により、伝熱部１０１の長さＬ_２（図６参照）は、外部接続電極２からベース板６までの直線距離Ｌ_１よりも長くなる。伝熱部１０１は、図６（ａ）では第１の外部接続電極２と一体成型され、図６（ｂ）では別部材として設けられている。別部材として設けられる場合、例えば伝熱部１０１として板ばねを用いることができる。

図６では、屈曲部１０４が略Ｓ字状に屈曲した場合を図示しているが、これに限定されることなく、例えばＺ字状、「＜」状、「⊂」状などに屈曲してもよく、これらを組み合わせた屈曲の仕方でもよい。

本実施形態によれば、まず、伝熱部１０１を設けたことにより、放熱性の向上という先に説明した効果を得ることができる。さらに、発熱が大きい場合には、伝熱部１０１に熱応力が作用して伝熱部１０１が変形することが懸念されるところ、屈曲部１０４が設けられたことにより、伝熱部１０１に加わる熱応力を緩和し、伝熱部１０１の変形を抑制できる。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。
この実施形態４は、伝熱部１０１および第１の絶縁材１０２の形状のみで実施形態１と異なる。それゆえ、実施形態１と重複する部分については詳細な説明を省略する。

本実施形態の特徴は、伝熱部１０１と絶縁材１０２との接触面積Ｓ_２（図７参照）が、伝熱部１０１の断面積Ｓ_１より大きいことである。断面積Ｓ_１は、接触面積Ｓ_２と平行な面での断面積である。本実施形態において、断面積Ｓ_１は、外部接続電極２と伝熱部１０１との接触面積に等しい。伝熱部１０１は、図７（ａ）では第１の外部接続電極２と一体成型され、図７（ｂ）では別部材として設けられている。

本実施形態によれば、まず、伝熱部１０１を設けたことにより、放熱性の向上という先に説明した効果を得ることができる。また、伝熱部１０１とベース板６との接触面積を大きくしたことにより、外部接続電極２をさらに効率良く冷却できる。

実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置を示す断面図である。
なお、この実施形態５は、外部接続電極２〜４周辺の構成のみが、実施形態１と異なる。それゆえ、実施形態１と重複する部分については詳細な説明を省略する。

本実施形態の特徴は、外部接続電極同士を熱的に接続するモールド材２０１が設けられていることである。具体的には、熱的に接続される外部接続電極のそれぞれ一部がモールド材２０１により一体化されている。モールド材２０１は、装置１内を満たす空気よりも熱伝導率の大きい材料、例えば樹脂、ゴムなどの非金属系材料からなる。図８では、すべての外部接続電極２〜４について一体化されているが、これに限定されることなく、２つ以上の外部接続電極について一体化されていればよい。また、装置１内に複数のモールド材２０１が設けられてもよい。

本実施形態によれば、空気よりも熱伝導率の大きい材料からなるモールド材２０１により、外部接続電極２〜４の相互間に温度差がある場合に、高温の外部接続電極から低温の外部接続電極への伝熱が促進される。これにより、外部接続電極の温度を均等化できるため、外部接続電極でのヒートスポットの発生を抑制できる。

さらに、外部接続電極２〜４は、熱的に接続された部分で、モールド材２０１により相互に保持される。これにより、ねじり、曲げなどに対する電極２〜４の変形を抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、これらの実施形態は、適宜組み合わせることができる。また、各図は本発明の一例を示したものであり、本発明は他の種々の形態をとることができる。例えば、図示した各外部接続電極、電子素子、配線用ワイヤ、基板パターン、基板、接合材などの配置は一例であり、種々の構造によって、配置を最適化することができる。

また、本発明では、外部接続電極２〜４とベース板６との間に伝熱部１０１による放熱経路を設けたが、伝熱部１０１にベース板６を貫通させて、冷媒ジャケットなどに直接接触させてもよい。そのとき、例えば、図４を参照して説明したように、伝熱部１０１の周囲を絶縁材１０２で覆うことにより、伝熱部１０１と周囲との電気絶縁を保持することができる。

１半導体装置、２〜４外部接続電極、３ａ，４ａ端子部、５樹脂ケース、６ベース板、６ａベース面、７第１の接合材、８配線パターン、９基板、１０配線用ワイヤ、１１第２の接合材、１２電子素子、１０１伝熱部、１０２第１の電気絶縁材、１０３第２の電気絶縁材、１０４屈曲部、２０１モールド材。

Claims

金属製の放熱板と、
前記放熱板の上に設けられ、かつ配線パターンが形成された基板と、
前記配線パターンの上に搭載された半導体素子と、
前記半導体素子に電気的に接続された複数の導電性部材とを備えた半導体装置であって、
前記複数の導電性部材は、前記半導体装置の外部に延出する外部接続電極を含み、
前記外部接続電極は、前記配線パターンの上に接合されると共に前記基板の主面に対して交差して延びる第１部分と、該第１部分に接続されると共に前記基板の主面に沿って延びる第２部分とを有し、
前記外部接続電極には、前記外部接続電極の第２部分から突出する伝熱部が設けられ、
前記伝熱部は、電気絶縁材を介して前記放熱板に接することを特徴とする半導体装置。
前記半導体装置は、前記基板を複数個備え、
前記伝熱部の一端は、前記外部接続電極の第２部分に接し、前記伝熱部の他端は、前記基板間の隙間にて前記放熱板に接することを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
前記外部接続電極には、複数の板状の伝熱部が、それぞれ該伝熱部の主面と交差する方向に、互いに所定の距離を隔てて並列に設けられたことを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体装置。
前記伝熱部は、前記外部接続電極に生じる応力を吸収する屈曲部を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記複数の導電性部材は、前記伝熱部が設けられた第１の外部接続電極に加えて第２の外部接続電極を含み、
前記半導体装置は、
空気より熱伝導率が大きい材料からなり、前記第１の外部接続電極の一部と前記第２の外部接続電極の一部とを熱的に接続するモールド部をさらに備えたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記伝熱部は、外部接続電極と別部材として設けられるとともに、第２の電気絶縁材を介して前記外部接続電極に接することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
金属製の放熱板と、
前記放熱板の上に設けられ、かつ配線パターンが形成された２つの基板と、
各配線パターンの上に搭載された半導体素子と、
各半導体素子に電気的に接続された複数の導電性部材とを備えた半導体装置であって、
前記複数の導電性部材は、半導体装置の外部に延出する外部接続電極を含み、
前記外部接続電極には、電気絶縁材を介して放熱板に接する伝熱部が設けられ、
前記外部接続電極の一部は、各基板の主面に沿って延び、
前記伝熱部の一端は、前記外部接続電極の一部に接し、前記伝熱部の他端は、前記２つの基板の隙間にて前記放熱板に接することを特徴とする半導体装置。