JP5971015B2 - 半導体装置 - Google Patents

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、半導体素子を樹脂で覆う半導体装置が開示されている。半導体素子に接続された主電極（端子部材）は樹脂の外に伸びている。樹脂の外において、主電極にはヒートシンクが接合されている。

特開２００４−４７８５０号公報

表面電極と裏面電極を有する半導体素子において裏面電極にベース板を取り付けて裏面電極を冷却することが多いが、表面電極側では冷却が十分ではなかった。表面電極と表面電極に接続された主電極は熱膨張係数が異なるので、半導体素子のスイッチング動作やＤＣ連続通電に伴う熱サイクルにより主電極と半導体素子の接続部分にストレスが発生し、この部分にクラックや剥離が生じることがあった。

特に、主電極のうち、半導体素子の表面電極に接続された面と反対の面に樹脂が形成されている場合には表面電極側の冷却が困難であった。また、既存の半導体装置の構造を維持しつつ、半導体素子の表面電極側を冷却して半導体装置の信頼性を高めることが求められていた。

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、信頼性の高い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、表面電極と裏面電極を有する半導体素子と、該表面電
極に接続された主電極と、該裏面電極に接続されたベース板と、該主電極が外部に伸びる
ように該半導体素子を覆う樹脂と、該樹脂の外で該主電極を冷却する冷却器と、を備え、
該主電極の該表面電極に接続された面と反対の面には該樹脂が形成され、該半導体素子は第１半導体素子と第２半導体素子を有し、該主電極は、該第１半導体素子の表面電極に接続された第１主電極と、該第２半導体素子の表面電極に接続された第２主電極を有し、該冷却器は、該第１主電極と該第２主電極をまとめて冷却することを特徴とする。

本発明によれば、半導体素子の表面電極に接続された主電極を冷却するので、半導体装置の信頼性を高めることができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 図１の平面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の平面図である。 図３の破線における断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の変形例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平面図である。

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、半導体素子１２、１４を備えている。半導体素子１２は例えばＩＧＢＴで形成されている。半導体素子１２は、半導体素子１２のエミッタと接続された表面電極１２ａ、コレクタと接続された裏面電極１２ｂ、及びゲートと接続されたゲート電極１２ｃを有している。半導体素子１４は、例えばＩＧＢＴに接続される還流ダイオードで形成されている。半導体素子１４は表面電極１４ａと裏面電極１４ｂを有している。

裏面電極１２ｂ、１４ｂにはベース板１６が接続されている。裏面電極１２ｂ、１４ｂとベース板１６は例えばはんだで接続されている。ベース板１６は例えば銅などの導電材で形成されている。ベース板１６には例えばセラミックや樹脂などで絶縁シート１８が貼り付けられている。絶縁シート１８には絶縁シート１８を保護するための銅箔２０が固定されている。銅箔２０には、例えば半田付け、超音波接合、ロウ付け、溶接、又は接着剤などでヒートシンクが固定されることが好ましい。

裏面電極１２ｂ、１４ｂと外部の電気的接続のために、ベース板１６にはＰ電極２２が固定されている。表面電極１２ａ、１４ａにはＮ電極（以後、主電極２８と称する）が、例えばはんだで接続されている。半導体素子１２のゲート電極１２ｃにはアルミワイヤ２４を介して制御端子２６が接続されている。なお、Ｐ電極２２、制御端子２６、及び主電極２８は、例えば銅などの導電材で形成されている。

半導体素子１２、１４、ベース板１６、絶縁シート１８、銅箔２０、Ｐ電極２２、アルミワイヤ２４、制御端子２６、及び主電極２８は、Ｐ電極２２、制御端子２６、及び主電極２８が外部に伸び、かつ銅箔２０の裏面を露出させるようにして、樹脂３０に覆われている。図１から分かるように、Ｐ電極２２、制御端子２６、及び主電極２８は、樹脂３０の側面から外部に露出している。主電極２８の表面電極１２ａ、１４ａに接続された面と反対の面には樹脂３０が形成されている。なおこのような樹脂に覆われた構造はトランスファーモールドパワーモジュール（Ｔ−ＰＭ）と称されることがある。

主電極２８のうち樹脂３０の外に伸びる部分には冷却器が取り付けられている。冷却器は、上部冷却部４０と下部冷却部５０を備えている。上部冷却部４０は、絶縁シート４２を介して主電極２８の上面に熱接触している。上部冷却部４０の内部には冷媒４４が流れている。下部冷却部５０は、絶縁シート５２を介して主電極２８の下面に熱接触している。下部冷却部５０の内部には冷媒５４が流れている。絶縁シート４２、５２は例えばセラミックや絶縁シートで形成される。

上部冷却部４０の上面には固定板４６が接触している。下部冷却部５０の下面には固定板５６が接触している。そして、固定板４６と固定板５６をねじ６０で固定することで、上部冷却部４０と下部冷却部５０を主電極２８の方向へ押し付けるように、上部冷却部４０と下部冷却部５０を主電極２８に対して固定している。固定板４６、５６及びねじ６０をまとめて固定具と称することがある。図２は、図１の平面図である。上部冷却部４０の内部を、冷媒が矢印の方向に流れて主電極２８を冷却する。下部冷却部についても同様である。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置によれば、主電極２８を上部冷却部４０と下部冷却部５０で冷却することができる。そのため主電極２８と半導体素子１２、１４の接続部分における熱サイクルに起因するストレスを抑制して、半導体装置の信頼性を高めることができる。さらに、固定具により上部冷却部４０と下部冷却部５０を主電極２８に押し付けるようにしたので、主電極２８の放熱を促進できる。

ところで、本発明の実施の形態１に係る冷却器（上部冷却部４０と下部冷却部５０）は、Ｔ−ＰＭに外付けすることができるので、Ｔ−ＰＭ自体は従来から用いられていた構造を維持できる。

半導体素子１２、１４はＩＧＢＴやダイオードに限定されない。また、半導体素子１２、１４は珪素によって形成されてもよいし、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイアモンドがある。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る半導体装置については実施の形態１に係る半導体装置と共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。図３は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の平面図である。この半導体装置は、第１主電極２８ａと第２主電極２８ｂを有している。第１主電極２８ａは樹脂３０ａから外部に伸びている。第２主電極２８ｂは樹脂３０ｂから外部に伸びている。樹脂３０ａ、３０ｂの内部は実施の形態１の樹脂３０の内部と同じである。樹脂３０ａの内部の半導体素子を第１半導体素子と称し、樹脂３０ｂの内部の半導体素子を第２半導体素子と称する。

樹脂３０ａはシリコングリス１００ａを介して共通ベース板１０２に固定されている。樹脂３０ｂはシリコングリス１００ｂを介して共通ベース板１０２に固定されている。共通ベース板１０２は、裏面を露出させつつケース１０４に収容されている。ケース１０４は、第１主電極２８ａと第２主電極２８ｂが外部に伸びるように第１半導体素子と第２半導体素子を収容するものである。共通ベース板１０２の裏面には共通ベース板１０２と熱接触することで樹脂の中のベース板と熱接触するベース板冷却器１１０が取り付けられている。ベース板冷却器１１０の内部では冷媒１１２が図３の左から右方向へ流れる。

第１主電極２８ａと第２主電極２８ｂをまとめて冷却するために、第１主電極２８ａと第２主電極２８ｂには冷却器が取り付けられている。冷却器の基本的な構造は、実施の形態１の冷却器と同様である。図３には、ねじ６０と固定板１２０で第１主電極２８ａと第２主電極２８ｂに固定された上部冷却部１２２が描かれている。上部冷却部１２２の内部では冷媒が図３の上から下方向へ流れる。

図４は、図３の破線における断面図である。ベース板冷却器１１０は、シリコングリス２００を介して共通ベース板１０２に固定されている。ベース板冷却器１１０により、第１半導体素子と第２半導体素子の裏面電極側の放熱ができる。他方、第１半導体素子と第２半導体素子の表面電極側の放熱は、内部を冷媒１２４が流れる上部冷却部１２２と内部を冷媒１３４が流れる下部冷却部１３２を有する冷却器により行う。この冷却器はケース１０４の中に形成されている。なお、固定具は実施の形態１と同様である。

図４に示されるように、樹脂３０ａは押さえ板２０２により共通ベース板１０２に押し付けられている。押さえ板２０２の上方には、電磁誘導ノイズを遮蔽するためのシールド板２０４が設置されている。シールド板２０４の上方には、駆動回路や保護回路などを実装したプリント配線基板２０６が設置されている。制御端子２６ａは、押さえ板２０２、シールド板２０４、及びプリント配線基板２０６のスルーホールを貫通して、プリント配線基板２０６の所定位置とはんだ付けされている。樹脂３０ｂから伸びる制御端子２６ｂも同様である。

複数のＴ−ＰＭを実装するＩＰＭなどの半導体装置においては、熱干渉や電流のアンバランスにより、一部の半導体素子が他の半導体素子に比べて高温になる熱的アンバランスが生ずることがある。熱的アンバランスは半導体装置の信頼性を低下させるので回避することが好ましい。本発明の実施の形態２に係る半導体装置によれば、上部冷却部１２２と下部冷却部２３２により第１主電極２８ａと第２主電極２８ｂをまとめて冷却するので、実施の形態１に記載した効果に加えて上述の熱的アンバランスの問題を回避できる。

本発明の実施の形態２に係る半導体装置は、複数の半導体素子から伸びる複数の主電極を一括して１つの冷却器で冷却することを特徴とする。この特徴を失わない限りにおいて様々な変形が可能である。図５は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。冷却器（上部冷却部１２２と下部冷却部１３２）はケース１０４の外に形成されている。そのため、ケース１０４及びケース１０４内の構造は従来から用いられていた構造をそのまま利用できる。また、本発明の実施の形態２に係る半導体装置は、少なくとも実施の形態１と同程度の変形は可能である。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る半導体装置については、実施の形態２に係る半導体装置と共通点が多いので実施の形態２との相違点を中心に説明する。図６は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の平面図である。ベース板冷却器１１０の冷媒が流れる流路は、上部冷却部１２２の冷媒が流れる流路及び下部冷却部の冷媒が流れる流路とつながっている。具体的には、ベース板冷却器１１０と上部冷却部１２２が接続管１３０で接続されている。同様に、ベース板冷却器１１０と下部冷却部が接続管で接続される。

本発明の実施の形態３に係る半導体装置は、第１主電極２８ａ及び第２主電極２８ｂに熱接触する冷却器の冷媒と、共通ベース板１０２に熱接触するベース板冷却器１１０の冷媒を共用することを特徴とする。この特徴を失わない限りにおいて様々な変形が可能である。例えば、実施の形態１に係る半導体装置において、主電極を冷却する冷媒とベース板を冷却する冷媒を共用してもよい。また、本発明の実施の形態３に係る半導体装置は、少なくとも実施の形態１、２と同程度の変形は可能である。

１０ 半導体装置、 １２ 半導体素子、 １２ａ 表面電極、 １２ｂ 裏面電極、 １２ｃ ゲート電極、 １４ 半導体素子、 １４ａ 表面電極、 １４ｂ 裏面電極、 １６ ベース板、 １８ 絶縁シート、 ２０ 銅箔、 ２２ Ｐ電極、 ２６ 制御端子、 ２８ 主電極、 ２８ａ 第１主電極、 ２８ｂ 第２主電極、 ３０樹脂、 ４０ 上部冷却部、 ４２ 絶縁シート、 ４４ 冷媒、 ４６ 固定板、 ５０ 下部冷却部、５２ 絶縁シート、 ５４ 冷媒、 ５６ 固定板、 １０２ 共通ベース板、 １０４ ケース、 １１０ ベース板冷却器、 １１２ 冷媒、 １２２ 上部冷却部、 １３０ 接続管

Claims (7)

1. 表面電極と裏面電極を有する半導体素子と、
   前記表面電極に接続された主電極と、
   前記裏面電極に接続されたベース板と、
   前記主電極が外部に伸びるように前記半導体素子を覆う樹脂と、
   前記樹脂の外で前記主電極を冷却する冷却器と、を備え、
   前記主電極の前記表面電極に接続された面と反対の面には前記樹脂が形成され、
   前記半導体素子は第１半導体素子と第２半導体素子を有し、
   前記主電極は、前記第１半導体素子の表面電極に接続された第１主電極と、前記第２半導体素子の表面電極に接続された第２主電極を有し、
   前記冷却器は前記第１主電極と前記第２主電極をまとめて冷却することを特徴とする半導体装置。
2. 前記冷却器は、
   前記第１主電極と前記第２主電極の上面に熱接触し、内部を冷媒が流れる上部冷却部と、
   前記第１主電極と前記第２主電極の下面に熱接触し、内部を冷媒が流れる下部冷却部と、
   前記上部冷却部と前記下部冷却部を前記第１主電極と前記第２主電極の方向へ押し付けるように、前記上部冷却部と前記下部冷却部を前記第１主電極と前記第２主電極に固定する固定具と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ベース板と熱接触し、内部を冷媒が流れるベース板冷却器を備え、
   前記ベース板冷却器の冷媒が流れる流路は、前記上部冷却部の冷媒が流れる流路及び前記下部冷却部の冷媒が流れる流路とつながることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第１主電極と前記第２主電極が外部に伸びるように前記第１半導体素子と前記第２半導体素子を収容するケースを有し、
   前記冷却器は前記ケースの中に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記第１主電極と前記第２主電極が外部に伸びるように前記第１半導体素子と前記第２半導体素子を収容するケースを有し、
   前記冷却器は前記ケースの外に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
6. 前記半導体素子はワイドバンドギャップ半導体によって形成され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. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイアモンドであることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。

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