JP6033215B2 - Power module semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、パワーモジュール半導体装置に関し、特に、放熱特性を改善したパワーモジュール半導体装置に関する。   The present invention relates to a power module semiconductor device, and more particularly to a power module semiconductor device having improved heat dissipation characteristics.

現在多くの研究機関において、シリコンカーバイド(SiC:Silicon Carbide)デバイスの研究開発が行われている。SiCデバイスの特徴として、低オン抵抗、高速スイッチングおよび高温動作などを挙げることができる。   Currently, many research institutions are conducting research and development of silicon carbide (SiC) devices. Characteristics of the SiC device include low on-resistance, high-speed switching, and high-temperature operation.

従来、半導体パワーモジュールの分野で使用されている絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)などのSiデバイスでは、動作可能な温度範囲が150℃程度までであるため、従来のSn−Ag系などの低融点半田を使用しても駆動することが可能であった。   Conventionally, in an Si device such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) used in the field of semiconductor power modules, the operable temperature range is up to about 150 ° C., so the conventional Sn-Ag system It was possible to drive even using low melting point solder such as.

しかしながら、SiCデバイスでは、理論的に、約400℃まで動作可能であり、従来の低融点半田を使用する場合、SiCデバイスを高温で駆動すると、低融点半田による結合部が溶融し、電極間のショート、SiCデバイスとベースプレート間の剥離などを生じ、SiCデバイスの信頼性を損なうものとなっていた。   However, the SiC device can theoretically operate up to about 400 ° C. When the conventional low melting point solder is used, when the SiC device is driven at a high temperature, the joint portion by the low melting point solder is melted, and the gap between the electrodes is melted. Short-circuiting, peeling between the SiC device and the base plate, and the like have occurred, impairing the reliability of the SiC device.

このため、SiCデバイスを高温で駆動することができず、SiCデバイスの特徴を最大限に生かすことができなかった。   For this reason, the SiC device cannot be driven at a high temperature, and the characteristics of the SiC device cannot be fully utilized.

SiCデバイスの相互接続方法および低熱抵抗パッケージについては、既に開示されている(例えば、特許文献1および特許文献2参照。)。特許文献1および特許文献2においては、SiCデバイスを収容するパッケージの形成方法が開示されており、SiCデバイスは、他の部品若しくは導電性表面に対して、TLP接合技術を用いて結合されている。   A method for interconnecting SiC devices and a low thermal resistance package have already been disclosed (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose a method of forming a package that accommodates a SiC device, and the SiC device is bonded to another component or a conductive surface by using a TLP bonding technique. .

また、半導体素子を裏面から冷却器を介して液体冷却する機器についても開示されている(例えば、特許文献3参照。)。   An apparatus that cools a semiconductor element from the back surface via a cooler is also disclosed (for example, see Patent Document 3).

国際公開第WO2006/074165号International Publication No. WO2006 / 074165 米国特許出願公開第US2006/0151871号明細書US Patent Application Publication No. US2006 / 0151871 特開2010−245329号公報JP 2010-245329 A

本発明の目的は、放熱特性に優れたパワーモジュール半導体装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a power module semiconductor device having excellent heat dissipation characteristics.

上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、第1銅プレート層と、前記第1銅プレート層上に配置された半導体デバイスと、前記半導体デバイス上に配置された熱伝導性絶縁層と、前記熱伝導性絶縁層に開口された第1開口部を介して前記半導体デバイス表面に接続された第1端子電極と、前記熱伝導性絶縁層に開口された第2開口部を介して前記第1銅プレート層に接続された第2端子電極と、前記熱伝導性絶縁層上に配置された第2銅プレート層とを備え、前記熱伝導性絶縁層と前記第2銅プレート層の積層構造の一部に熱応力を緩和するための応力緩和構造を有し、前記半導体デバイスの裏面と表面の両面から放熱を行うパワーモジュール半導体装置が提供される。 According to one aspect of the present invention for achieving the above object, a first copper plate layer, a semiconductor device disposed on the first copper plate layer, and a thermally conductive insulation disposed on the semiconductor device. A first terminal electrode connected to the surface of the semiconductor device via a first opening opened in the thermally conductive insulating layer, and a second opening opened in the thermally conductive insulating layer. A second terminal electrode connected to the first copper plate layer, and a second copper plate layer disposed on the thermally conductive insulating layer , wherein the thermally conductive insulating layer and the second copper plate layer There is provided a power module semiconductor device having a stress relaxation structure for relaxing thermal stress in a part of the laminated structure, and radiating heat from both the back surface and the front surface of the semiconductor device.

本発明の他の態様によれば、第1銅プレート層と、前記第1銅プレート層上に配置された半導体デバイスと、前記半導体デバイス上に配置された熱伝導性絶縁層と、前記熱伝導性絶縁層に開口された第1開口部を介して前記半導体デバイス表面に接続された第1端子電極と、前記熱伝導性絶縁層に開口された第2開口部を介して前記第1銅プレート層に接続された第2端子電極とを備え、前記第1銅プレート層は、裏面に第2銅プレート層を有する第1セラミック基板上に配置され、前記第1セラミック基板上に配置された第2セラミック基板と、前記第2セラミック基板上、前記熱伝導性絶縁層との間に配置された第3セラミック基板と、前記熱伝導性絶縁層上に配置された第4セラミック基板とを備え、前記第1〜第4セラミック基板は、積層面において互いに接着樹脂層で接着されており、前記半導体デバイスの裏面と表面の両面から放熱を行うパワーモジュール半導体装置が提供される。According to another aspect of the present invention, a first copper plate layer, a semiconductor device disposed on the first copper plate layer, a thermally conductive insulating layer disposed on the semiconductor device, and the heat conduction A first terminal electrode connected to the surface of the semiconductor device through a first opening formed in the conductive insulating layer, and the first copper plate through a second opening formed in the thermally conductive insulating layer. A second terminal electrode connected to the layer, wherein the first copper plate layer is disposed on a first ceramic substrate having a second copper plate layer on a back surface, and the first copper plate layer is disposed on the first ceramic substrate. Two ceramic substrates, a third ceramic substrate disposed on the second ceramic substrate and between the thermally conductive insulating layers, and a fourth ceramic substrate disposed on the thermally conductive insulating layers, The first to fourth ceramic substrates are Are bonded by adhesive resin layer to each other in the lamination plane, the semiconductor device of the power module semiconductor device for performing the heat radiation from both the back and the surface is provided.

本発明の他の態様によれば、第1銅プレート層と、前記第1銅プレート層上に配置された半導体デバイスと、前記半導体デバイス上に配置された熱伝導性絶縁層と、前記熱伝導性絶縁層に開口された第1開口部を介して前記半導体デバイス表面に接続された第1端子電極と、前記熱伝導性絶縁層に開口された第2開口部を介して前記第1銅プレート層に接続された第2端子電極とを備え、前記熱伝導性絶縁層は、前記半導体デバイスを被覆するコーナー部分に削除部を形成しており、前記半導体デバイスの裏面と表面の両面から放熱を行うパワーモジュール半導体装置が提供される。According to another aspect of the present invention, a first copper plate layer, a semiconductor device disposed on the first copper plate layer, a thermally conductive insulating layer disposed on the semiconductor device, and the heat conduction A first terminal electrode connected to the surface of the semiconductor device through a first opening formed in the conductive insulating layer, and the first copper plate through a second opening formed in the thermally conductive insulating layer. A second terminal electrode connected to the layer, wherein the thermally conductive insulating layer forms a deletion portion at a corner portion covering the semiconductor device, and radiates heat from both the back surface and the front surface of the semiconductor device. A power module semiconductor device is provided.

本発明によれば、放熱特性に優れたパワーモジュール半導体装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the power module semiconductor device excellent in the heat dissipation characteristic can be provided.

(a)第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の模式的平面パターン構成図、(b)図1(a)のI−I線に沿う模式的断面構造図。(A) The typical plane pattern block diagram of the power module semiconductor device which concerns on 1st Embodiment, (b) The typical cross-section figure along the II line | wire of Fig.1 (a). 第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の模式的分解組み立て図。The typical disassembled assembly drawing of the power module semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 図1(b)のA部分の拡大図。The enlarged view of A part of FIG.1 (b). 第1の実施の形態の変形例1に係るパワーモジュール半導体装置の模式的断面構造図。The typical cross-section figure of the power module semiconductor device which concerns on the modification 1 of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の変形例2に係るパワーモジュール半導体装置の模式的断面構造図。The typical cross-section figure of the power module semiconductor device which concerns on the modification 2 of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の変形例3に係るパワーモジュール半導体装置の模式的断面構造図。The typical cross-section figure of the power module semiconductor device which concerns on the modification 3 of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の変形例4に係るパワーモジュール半導体装置の模式的断面構造図。The typical cross-section figure of the power module semiconductor device which concerns on the modification 4 of 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置を搭載したパワーモジュール部とゲートドライブ部の配線接続を説明する模式的平面パターン構成図。The typical plane pattern block diagram explaining the wiring connection of the power module part and gate drive part which mount the power module semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の近傍にゲートドライブ回路を搭載したパワーモジュール部を説明する模式的平面パターン構成図。The typical plane pattern block diagram explaining the power module part which mounted the gate drive circuit in the vicinity of the power module semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置を用いて構成した3相インバータの模式的回路構成図。The typical circuit block diagram of the three-phase inverter comprised using the power module semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置に適用する半導体デバイスの例であって、SiC・MOSFETの模式的断面構造図。It is an example of the semiconductor device applied to the power module semiconductor device which concerns on 1st Embodiment, Comprising: The typical cross-section figure of SiC * MOSFET. (a)第2の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の模式的断面構造図、(b)図12(a)に適用するDBC基板の模式的断面構造図。(A) The typical cross-section figure of the power module semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment, (b) The typical cross-section figure of the DBC board | substrate applied to Fig.12 (a). 第2の実施の形態の変形例1に係るパワーモジュール半導体装置の模式的断面構造図。The typical cross-section figure of the power module semiconductor device which concerns on the modification 1 of 2nd Embodiment. 第2の実施の形態の変形例2に係るパワーモジュール半導体装置の模式的平面パターン構成図。The typical plane pattern block diagram of the power module semiconductor device which concerns on the modification 2 of 2nd Embodiment. 図14のII−II線に沿う模式的断面構造図。FIG. 15 is a schematic sectional view taken along line II-II in FIG. 14. 第2の実施の形態の変形例3に係るパワーモジュール半導体装置の模式的断面構造図。The typical cross-section figure of the power module semiconductor device which concerns on the modification 3 of 2nd Embodiment. 第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の模式的平面パターン構成図。The typical plane pattern block diagram of the power module semiconductor device which concerns on 3rd Embodiment. 図17のIII−III線に沿う模式的断面構造図。FIG. 18 is a schematic cross-sectional structure diagram taken along line III-III in FIG. 17. 第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の模式的分解組み立て図。The typical disassembled assembly drawing of the power module semiconductor device which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施の形態の変形例に係るパワーモジュール半導体装置の模式的断面構造図。The typical cross-section figure of the power module semiconductor device which concerns on the modification of 3rd Embodiment. 第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置を3相インバータに適用した例であって、熱伝導性絶縁フィルムの模式的平面パターン構成図。It is an example which applied the power module semiconductor device which concerns on 3rd Embodiment to a three-phase inverter, Comprising: The typical plane pattern block diagram of a heat conductive insulating film. 第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の半導体デバイス近傍の熱伝導性絶縁フィルムの模式的平面パターン構成図。The typical plane pattern block diagram of the heat conductive insulating film of the semiconductor device vicinity of the power module semiconductor device which concerns on 3rd Embodiment. 図22のIV−IV線に沿う模式的断面構造図。FIG. 24 is a schematic cross-sectional structure diagram taken along line IV-IV in FIG. 22. 第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の半導体デバイスおよび第2端子電極近傍の熱伝導性絶縁フィルムの模式的平面パターン構成図。The typical plane pattern block diagram of the semiconductor device of the power module semiconductor device which concerns on 3rd Embodiment, and the heat conductive insulating film of the 2nd terminal electrode vicinity. 図24のV−V線に沿う模式的断面構造図。FIG. 25 is a schematic sectional view taken along line VV in FIG. 24. 第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の半導体デバイス近傍の熱伝導性絶縁フィルムの別の模式的平面パターン構成図。The another typical plane pattern block diagram of the heat conductive insulating film of the semiconductor device vicinity of the power module semiconductor device which concerns on 3rd Embodiment. 第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の模式的断面構造図。The typical cross-section figure of the power module semiconductor device which concerns on 4th Embodiment. 図27の応力緩和構造部分の拡大図。The enlarged view of the stress relaxation structure part of FIG. 第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置において、熱応力が加わった状態の模式的断面構造図。In the power module semiconductor device which concerns on 4th Embodiment, the typical cross-section figure of the state to which the thermal stress was added. 第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置を3相インバータに適用した例であって、応力緩和構造の配置パターンを説明する模式的平面パターン構成図。FIG. 10 is a schematic planar pattern configuration diagram illustrating an arrangement pattern of a stress relaxation structure, which is an example in which a power module semiconductor device according to a fourth embodiment is applied to a three-phase inverter. 図30の半導体デバイス近傍の拡大図。FIG. 31 is an enlarged view of the vicinity of the semiconductor device of FIG. 30. 図30において、熱応力が加わった状態の模式的平面パターン構成図。In FIG. 30, the typical plane pattern block diagram of the state to which the thermal stress was added. 第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置において、応力緩和構造部分の模式的断面構造であって、(a)三角構造例、(b)矩形構造例、(c)台形構造例、(d)半円構造例、(e)別の矩形構造例、(f)別の半円構造例。In the power module semiconductor device which concerns on 4th Embodiment, it is typical sectional structure of the stress relaxation structure part, Comprising: (a) Triangular structure example, (b) Rectangular structure example, (c) Trapezoid structure example, (d ) Semicircular structure example, (e) Another rectangular structure example, (f) Another semicircular structure example. 第5の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の模式的断面構造図。The typical cross-section figure of the power module semiconductor device which concerns on 5th Embodiment. 第5の実施の形態の変形例1に係るパワーモジュール半導体装置の模式的断面構造図。The typical cross-section figure of the power module semiconductor device which concerns on the modification 1 of 5th Embodiment. 第5の実施の形態の変形例2に係るパワーモジュール半導体装置の模式的平面パターン構成図。The typical plane pattern block diagram of the power module semiconductor device which concerns on the modification 2 of 5th Embodiment. 図36のVI−VI線に沿う模式的断面構造図。FIG. 37 is a schematic sectional view taken along line VI-VI in FIG. 36. 第5の実施の形態の変形例3に係るパワーモジュール半導体装置の模式的平面パターン構成図。The typical plane pattern block diagram of the power module semiconductor device which concerns on the modification 3 of 5th Embodiment. 比較例に係るパワーモジュール半導体装置の柱状電極構造部分の模式的鳥瞰構造図。The typical bird's-eye view structure figure of the columnar electrode structure part of the power module semiconductor device which concerns on a comparative example. 比較例に係るパワーモジュール半導体装置の模式的鳥瞰構造図。The typical bird's-eye view structure figure of the power module semiconductor device which concerns on a comparative example. 第6の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の模式的鳥瞰構造図。The typical bird's-eye view structure figure of the power module semiconductor device which concerns on 6th Embodiment. 第6の実施の形態の変形例に係るパワーモジュール半導体装置の模式的鳥瞰構造図。The typical bird's-eye view structure figure of the power module semiconductor device which concerns on the modification of 6th Embodiment. 第6の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置に適用する金属板の模式的平面パターン構成であって、(a)矩形スリットの例、(b)長円形スリットの例、(c)複数の円形パターンの例、(d))別の矩形スリットの例。It is a typical plane pattern structure of the metal plate applied to the power module semiconductor device which concerns on 6th Embodiment and its modification, Comprising: (a) Example of rectangular slit, (b) Example of oval slit, (c ) Example of multiple circular patterns, (d) Example of another rectangular slit. 第6の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置に適用する金属板のスリット端部の模式的平面パターン構成であって、(a)矩形構造例、(b)楔型構造例、(c)鋭角三角構造例。It is a typical plane pattern structure of the slit edge part of the metal plate applied to the power module semiconductor device which concerns on 6th Embodiment, Comprising: (a) Rectangular structure example, (b) Wedge type structure example, (c) Acute angle Triangular structure example. 第7の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置に適用するヒートスプレッダの鳥瞰構造であって、(a)半導体デバイスを搭載する部分に高熱伝導率金属層を埋め込む構造例、(b)図45(a)上にDBC基板を配置した構造例、(c)半導体デバイスおよび端子電極を搭載する部分に高熱伝導率金属層を埋め込む構造例、(d)放熱セラミック基板を搭載する部分に高熱伝導率金属層を埋め込む構造例、(e)半導体デバイスを搭載する部分およびネジ穴から遠い部分に高熱伝導率金属層を埋め込む構造例。FIG. 45A is a bird's-eye view structure of a heat spreader applied to a power module semiconductor device according to a seventh embodiment, in which (a) a structural example in which a high thermal conductivity metal layer is embedded in a portion on which a semiconductor device is mounted; ) A structural example in which a DBC substrate is arranged on top, (c) A structural example in which a high thermal conductivity metal layer is embedded in a portion on which a semiconductor device and terminal electrodes are mounted, (d) A high thermal conductivity metal layer in a portion on which a heat dissipation ceramic substrate is mounted. (E) An example of a structure in which a high thermal conductivity metal layer is embedded in a portion on which a semiconductor device is mounted and a portion far from a screw hole. 第8の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置において、高周波駆動を説明する回路図。The circuit diagram explaining the high frequency drive in the power module semiconductor device which concerns on 8th Embodiment. 第8の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置において、反射波を考慮した高周波駆動を説明する回路図。The circuit diagram explaining the high frequency drive which considered the reflected wave in the power module semiconductor device which concerns on 8th Embodiment. 第8の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置において、金属配線の表面・裏面を粗面化する構成例の説明図。Explanatory drawing of the structural example which roughens the surface and back surface of metal wiring in the power module semiconductor device which concerns on 8th Embodiment.

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。   Further, the embodiments described below exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the embodiments of the present invention include the material, shape, structure, The layout is not specified as follows. Various modifications can be made to the embodiment of the present invention within the scope of the claims.

[第1の実施の形態]
第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、図1〜図3に示すように、第1銅プレート層161と、第1銅プレート層161上に配置された半導体デバイス24と、半導体デバイス24上に配置された第1セラミック基板181と、第1セラミック基板181に開口された第1開口部2を介して半導体デバイス24表面に接続された第1端子電極10と、第1セラミック基板181に開口された第2開口部3を介して第1銅プレート層161に接続された第2端子電極12とを備える。ここで、第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、半導体デバイス24の裏面と表面の両面から放熱を行うことができる。
[First embodiment]
Power module semiconductor device 1 according to the first embodiment, as shown in FIGS. 1 to 3, 1 and the first copper plate layer 16, the semiconductor device 24 disposed on a first copper plate layer 16 1 A first ceramic substrate 18 1 disposed on the semiconductor device 24; a first terminal electrode 10 connected to the surface of the semiconductor device 24 through a first opening 2 opened in the first ceramic substrate 18 1 ; and a second terminal electrode 12 connected to the first copper plate layer 16 1 through the second opening 3 opened in the first ceramic substrate 18 1. Here, the power module semiconductor device 1 according to the first embodiment can radiate heat from both the back surface and the front surface of the semiconductor device 24.

図1〜図3に示すように、例えば、第1端子電極10は、第1開口部2を介して、半導体デバイス24のソースコンタクトCS/ゲートコンタクトCGに接続され、第2端子電極12は、第2開口部3を介して、半導体デバイス24のドレインコンタクトCDに接続される。   As shown in FIGS. 1 to 3, for example, the first terminal electrode 10 is connected to the source contact CS / gate contact CG of the semiconductor device 24 through the first opening 2, and the second terminal electrode 12 is The drain contact CD of the semiconductor device 24 is connected through the second opening 3.

また、第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1において、第1銅プレート層161は、裏面に第2銅プレート層162を有する第2セラミック基板182上に配置されていても良い。Further, in the power module semiconductor device 1 according to the first embodiment, the first copper plate layer 16 1 may be disposed on the second ceramic substrate 182 on which a second copper plate layer 16 2 on the back surface good.

また、第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、図1に示すように、第2セラミック基板182上に配置された第3セラミック基板183と、第3セラミック基板183上、第1セラミック基板181との間に配置された第4セラミック基板184と、第1セラミック基板181上に配置された第5セラミック基板185とを備えていても良い。ここで、第1〜第5セラミック基板181〜185は、積層面において互いに接着樹脂層20で接着されている。ここで、接着樹脂層20には、例えば、エポキシ系樹脂もしくはシリコーン系樹脂などを適用することができる。Further, as shown in FIG. 1, the power module semiconductor device 1 according to the first embodiment includes a third ceramic substrate 18 3 disposed on the second ceramic substrate 18 2 , and a third ceramic substrate 18 3 . , a fourth ceramic substrate 18 4 disposed between the 1 and the first ceramic substrate 18, the fifth may include a ceramic substrate 18 5 disposed on the first ceramic substrate 18 1 on. Here, the first to fifth ceramic substrates 18 1 to 18 5 are bonded to each other with the adhesive resin layer 20 on the laminated surface. Here, for example, an epoxy resin or a silicone resin can be applied to the adhesive resin layer 20.

また、第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、図1に示すように、第1端子電極10、第2端子電極12、および第5セラミック基板185上に配置された保護層14を備えていても良い。ここで、保護層14には、例えば、PPS(ポリフェニルサルファイド)などを適用することができる。The power module semiconductor device 1 according to the first embodiment, as shown in FIG. 1, the first terminal electrode 10, a protective layer disposed on the second terminal electrode 12, and a fifth ceramic substrate 18 5 on 14 may be provided. Here, for example, PPS (polyphenyl sulfide) can be applied to the protective layer 14.

第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置は、図3に示すように、第1銅プレート層16と半導体デバイス24間には、銅合金または銅モリブデン電極層25を備えていても良い。また、半導体デバイス24と第1端子電極10・銅合金または銅モリブデン電極層25間は、半田層24aによって接続され、銅合金または銅モリブデン電極層25と第1銅プレート層16間は、半田層25aによって接続されている。このように、第1銅プレート層16と半導体デバイス24間に、銅合金または銅モリブデン電極層25を配置することによって、半導体デバイス24と第1銅プレート層16との間の密着性を向上し、熱伝導性を良好にすることができる。25は、銅合金またはモリブデン(Mo)からなる電極層であっても良い。   The power module semiconductor device according to the first embodiment may include a copper alloy or copper molybdenum electrode layer 25 between the first copper plate layer 16 and the semiconductor device 24, as shown in FIG. The semiconductor device 24 and the first terminal electrode 10 / copper alloy or copper molybdenum electrode layer 25 are connected by a solder layer 24a, and the copper alloy or copper molybdenum electrode layer 25 and the first copper plate layer 16 are connected by a solder layer. 25a is connected. Thus, by arranging the copper alloy or copper molybdenum electrode layer 25 between the first copper plate layer 16 and the semiconductor device 24, the adhesion between the semiconductor device 24 and the first copper plate layer 16 is improved. The thermal conductivity can be improved. 25 may be an electrode layer made of copper alloy or molybdenum (Mo).

また、第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置において、第1〜第5セラミック基板181〜185は、例えば、窒化アルミニウム(AlN)、酸化アルミニウム(Al23、)、若しくは窒化シリコン(SiN)のいずれかで形成されていても良い。このような材料で形成することによって、熱伝導性を良好にすることができる。In the power module semiconductor device according to the first embodiment, the first to fifth ceramic substrates 18 1 to 18 5 are made of, for example, aluminum nitride (AlN), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or nitride It may be formed of any of silicon (SiN). By forming with such a material, thermal conductivity can be improved.

第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置においては、半導体デバイス24表面・裏面の両面から放熱を行う構造とすることで、裏面のみから放熱する時よりも、大電力動作時の半導体デバイス24表面の温度を10℃以上下げることが可能となる。   In the power module semiconductor device according to the first embodiment, the semiconductor device 24 is configured to perform heat dissipation from both the front and back surfaces of the semiconductor device 24, so that the semiconductor device 24 can be operated at a higher power than when the heat is radiated only from the back surface. It becomes possible to lower the surface temperature by 10 ° C. or more.

例えば、半導体デバイス24をSiCで形成したSiCMOSFETにおいても200℃以上の高温動作では、電気抵抗が上昇するため、半導体デバイス24の両面から放熱を行う構造とすることで、大電力動作時の半導体デバイス24の損失を低減することができる。   For example, a SiC MOSFET in which the semiconductor device 24 is formed of SiC also has a structure in which heat is radiated from both sides of the semiconductor device 24 because the electrical resistance increases at a high temperature operation of 200 ° C. or higher. The loss of 24 can be reduced.

第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置においては、第1〜第5セラミック基板181〜185を層状に貼り付けることで、高放熱性の構造を実現することができる。In the power module semiconductor device according to the first embodiment, a high heat dissipation structure can be realized by attaching the first to fifth ceramic substrates 18 1 to 18 5 in layers.

第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置においては、図1(b)の全体の高さは、3mm程度と薄くすることができ、従来構造に比較して、約60%薄層化可能である。   In the power module semiconductor device according to the first embodiment, the overall height of FIG. 1B can be reduced to about 3 mm, and can be reduced by about 60% compared to the conventional structure. It is.

第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置においては、半導体デバイスの表裏両面から放熱することにより、小型化、高放熱化を実現することができる。   In the power module semiconductor device according to the first embodiment, it is possible to realize miniaturization and high heat dissipation by dissipating heat from both the front and back surfaces of the semiconductor device.

(変形例)
第1の実施の形態の変形例1〜4に係るパワーモジュール半導体装置1においては、図4〜図7に示すように、第1端子電極10・第2端子電極12は、屈曲した端子電極先端部0a・12aを備えていても良い。このような屈曲した端子電極先端部10a・12aを備えることによって、後述するヒートスプレッダとの密着性を向上させ、或いは第1端子電極10・第2端子電極12からの電極取り出しを容易にすることができる。このような屈曲した端子電極先端部0a・12aは、第1端子電極10・第2端子電極12をエッチング加工することによっても形成することができる。
(Modification)
In the power module semiconductor device 1 according to the first to fourth modifications of the first embodiment, as shown in FIGS. 4 to 7, the first terminal electrode 10 and the second terminal electrode 12 are bent terminal electrode tips. The units 0a and 12a may be provided. By providing such bent terminal electrode tips 10a and 12a, it is possible to improve adhesion to a heat spreader described later, or to easily take out the electrodes from the first terminal electrode 10 and the second terminal electrode 12. it can. Such bent terminal electrode tip portions 0a and 12a can also be formed by etching the first terminal electrode 10 and the second terminal electrode 12.

第1の実施の形態の変形例3に係るパワーモジュール半導体装置1においては、図6に示すように、エッチング加工によって、端子電極内側コーナー部10b・12bが滑らかな曲面を有する例が示されている。   In the power module semiconductor device 1 according to the third modification of the first embodiment, as shown in FIG. 6, an example is shown in which the terminal electrode inner corner portions 10b and 12b have smooth curved surfaces by etching. Yes.

一方、第1の実施の形態の変形例4に係るパワーモジュール半導体装置1においては、図7に示すように、エッチング加工によって、端子電極内側コーナー部10c・12cがオーバーエッチングされた曲面を有する例が示されている。第1端子電極10・第2端子電極12のエッチング時のエッチング液の濃度、配合、時間、温度などの加工条件を調整することによって、図5〜図7に示すように、第1端子電極10・第2端子電極12の端子電極先端部0a・12aの形状を加工可能である。   On the other hand, in the power module semiconductor device 1 according to the modification 4 of the first embodiment, as shown in FIG. 7, an example in which the terminal electrode inner corner portions 10c and 12c have a curved surface that is over-etched by etching processing. It is shown. By adjusting the processing conditions such as the concentration, composition, time, and temperature of the etchant during etching of the first terminal electrode 10 and the second terminal electrode 12, as shown in FIGS. The shape of the terminal electrode tip portions 0a and 12a of the second terminal electrode 12 can be processed.

第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置を搭載したパワーモジュール部52とゲートドライブ部50の配線接続を説明する模式的平面パターン構成は、図8に示すように表される。図8において、パワーモジュール部52には、3相交流インバータ用のパワーモジュール半導体装置601〜606が配置されており、パワーモジュール半導体装置601〜606は、ゲートドライブ部50との間を、それぞれゲート駆動配線101〜106により接続されている。A schematic plane pattern configuration for explaining the wiring connection between the power module unit 52 and the gate drive unit 50 on which the power module semiconductor device according to the first embodiment is mounted is expressed as shown in FIG. In FIG. 8, power module semiconductor devices 60 1 to 60 6 for three-phase AC inverters are arranged in the power module unit 52, and the power module semiconductor devices 60 1 to 60 6 are connected to the gate drive unit 50. Are connected by gate drive wirings 10 1 to 10 6 , respectively.

また、第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置601〜606の近傍にゲートドライブ回路701〜706を搭載したパワーモジュール部80の模式的平面パターン構成は、図9に示すように表される。図9の例では、パワーモジュール半導体装置601〜606の近傍にゲートドライブ回路701〜706を配置することによって、ゲートドライブ信号の信号遅延を低減し、3相交流インバータ用のパワーモジュール半導体装置601〜606の高周波、高効率の動作を実現可能である。Moreover, a schematic plane pattern configuration of the power module unit 80 equipped with the gate drive circuit 70 1 to 70 6 in the vicinity of the power module semiconductor device 60 1 to 60 6 according to the first embodiment, as shown in FIG. 9 It is expressed in In the example of FIG. 9, by placing the gate drive circuit 70 1 to 70 6 in the vicinity of the power module semiconductor device 60 1 to 60 6, to reduce the signal delay of the gate drive signals, the power module for three-phase AC inverter High-frequency and high-efficiency operations of the semiconductor devices 60 1 to 60 6 can be realized.

(パワーモジュールの構成)
第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置を用いて構成した3相インバータの模式的回路構成は、図10に示すように、ゲートドライブ部50と、ゲートドライブ部50に接続されたパワーモジュール部52と、3相モータ部53とを備える。パワーモジュール部52は、3相モータ部53のU相、V相、W相に対応して、U、V、W相のインバータが接続されている。
(Configuration of power module)
As shown in FIG. 10, the schematic circuit configuration of the three-phase inverter configured using the power module semiconductor device according to the first embodiment includes a gate drive unit 50 and a power module connected to the gate drive unit 50. Part 52 and a three-phase motor part 53. The power module unit 52 is connected to U, V, and W phase inverters corresponding to the U phase, V phase, and W phase of the three-phase motor unit 53.

パワーモジュール部52は、コンデンサCが接続されたプラス端子(+)とマイナス端子(−)間に、インバータ構成のSiC・MOSFETQ1・Q2、Q3・Q4、およびQ5・Q6が接続されている。さらに、SiC・MOSFETQ1〜Q6のソース・ドレイン間には、ダイオードD1〜D6がそれぞれ逆並列に接続されている。   In the power module 52, the inverter-structured SiC MOSFETs Q1 and Q2, Q3 and Q4, and Q5 and Q6 are connected between the plus terminal (+) and the minus terminal (−) to which the capacitor C is connected. Furthermore, diodes D1 to D6 are connected in antiparallel between the sources and drains of the SiC MOSFETs Q1 to Q6, respectively.

第1の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置は、両面冷却構造を備えるため、このようなパワーモジュール半導体装置を用いて構成した3相インバータは、裏面のみから放熱する時よりも、大電力動作時の半導体デバイス24表面の温度を10℃以上下げることが可能となり、大電力動作時の損失を低減することができ、しかも薄層化により、小型化、高効率化を実現することができる。   Since the power module semiconductor device according to the first embodiment and its modification includes a double-sided cooling structure, the three-phase inverter configured using such a power module semiconductor device is more than when radiating heat only from the back surface. The temperature of the surface of the semiconductor device 24 at the time of high power operation can be lowered by 10 ° C. or more, the loss at the time of high power operation can be reduced, and further, downsizing and high efficiency can be realized by thinning the layer. be able to.

第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置に適用する半導体デバイス24の例として、SiC・MOSFETの模式的断面構造は、図11に示すように、n-エピタキシャル成長層126と、n-エピタキシャル成長層126の表面側に形成されたpベース領域128と、pベース領域128の表面に形成されたソース領域130と、pベース領域128間のn-エピタキシャル成長層126の表面上に配置されたゲート絶縁膜132と、ゲート絶縁膜132上に配置されたゲート電極138と、ソース領域130に接続されたソース電極134と、n-エピタキシャル成長層126の表面と反対側の裏面に配置されたn+ドレイン領域(n+基板)124と、n+ドレイン領域(n+基板)124に接続されたドレイン電極136とを備える。As an example of the semiconductor device 24 applied to the power module semiconductor device according to the first embodiment, a schematic cross-sectional structure of an SiC • MOSFET includes an n epitaxial growth layer 126 and an n epitaxial growth layer as shown in FIG. P base region 128 formed on the surface side of 126, source region 130 formed on the surface of p base region 128, and gate insulating film disposed on the surface of n epitaxial growth layer 126 between p base regions 128. 132, a gate electrode 138 disposed on the gate insulating film 132, a source electrode 134 connected to the source region 130, and an n + drain region disposed on the back surface opposite to the surface of the n epitaxial growth layer 126 ( n + substrate) 124 and drain electrode 136 connected to n + drain region (n + substrate) 124. Prepare.

ドレイン電極136は、例えば、図3に示すように、半田層24a、銅合金または銅モリブデン電極層25、半田層25aを介して、第1銅プレート層161に接続されている。The drain electrode 136 is, for example, as shown in FIG. 3, the solder layer 24a, a copper alloy or a copper molybdenum electrode layer 25 via the solder layer 25a, and is connected to the first copper plate layer 16 1.

なお、第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置に適用する半導体デバイスの例として、SiC・MOSFETの代わりに、GaNFETなどを適用することもできる。   As an example of the semiconductor device applied to the power module semiconductor device according to the first embodiment, a GaNFET or the like can be applied instead of the SiC • MOSFET.

第1の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置は、両面冷却構造を備えるため、熱放散が容易となり、ヒートスプレッダの軽量化、半導体デバイスの熱暴走の抑制、高周波特性および消費電力効率などの性能向上をはかることができ、結果として、電力変換効率を増大することができる。   Since the power module semiconductor device according to the first embodiment and its modification has a double-sided cooling structure, heat dissipation is facilitated, the heat spreader is lightened, the thermal runaway of the semiconductor device is suppressed, high frequency characteristics and power consumption efficiency As a result, power conversion efficiency can be increased.

[第2の実施の形態]
第2の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1の模式的断面構造は、図12(a)に示すように、半導体デバイス24と、半導体デバイス24の表面側に配置された第1DBC基板(16a・18a・16a)と、半導体デバイス24の裏面側に配置された第2DBC基板(16b・18b・16b)と、第1DBC基板(16a・18a・16a)に接続された第1端子電極10と、第2DBC基板(16b・18b・16b)に接続された第2端子電極12とを備える。ここで、第2の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、半導体デバイス24の裏面と表面の両面から放熱を行うことができる。
[Second Embodiment]
As shown in FIG. 12A, a schematic cross-sectional structure of the power module semiconductor device 1 according to the second embodiment includes a semiconductor device 24 and a first DBC substrate (16a) disposed on the surface side of the semiconductor device 24. 18a, 16a), a second DBC substrate (16b, 18b, 16b) disposed on the back side of the semiconductor device 24, a first terminal electrode 10 connected to the first DBC substrate (16a, 18a, 16a), And a second terminal electrode 12 connected to the second DBC substrate (16b, 18b, 16b). Here, the power module semiconductor device 1 according to the second embodiment can radiate heat from both the back surface and the front surface of the semiconductor device 24.

図12(a)に適用するDBC基板の模式的断面構造は、図12(b)に示すように、セラミック基板18と、セラミック基板18の表面と裏面に配置された銅(Cu)プレート層16とを備える。   As shown in FIG. 12B, a schematic cross-sectional structure of the DBC substrate applied to FIG. 12A includes a ceramic substrate 18 and a copper (Cu) plate layer 16 disposed on the front and back surfaces of the ceramic substrate 18. With.

また、第2の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1において、半導体デバイス24と、第1DBC基板(16a・18a・16a)と、第2DBC基板(16b・18b・16b)と、第1端子電極10と、第2端子電極12とを封止する封止樹脂層22を備えていても良い。ここで、封止樹脂層22は、例えば、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、若しくはシリコーン系樹脂などを適用可能である。   In the power module semiconductor device 1 according to the second embodiment, the semiconductor device 24, the first DBC substrates (16a, 18a, 16a), the second DBC substrates (16b, 18b, 16b), and the first terminal electrodes 10 and the second terminal electrode 12 may be provided with a sealing resin layer 22. Here, for example, a polyimide resin, an epoxy resin, or a silicone resin can be applied to the sealing resin layer 22.

第2の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1においては、DBC基板を半導体デバイス24の表と裏の両側に接合することにより、裏面からだけでなく表面からも放熱することが可能になる。   In the power module semiconductor device 1 according to the second embodiment, it is possible to dissipate heat not only from the back surface but also from the front surface by bonding the DBC substrate to both the front and back sides of the semiconductor device 24.

第2の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1においては、半導体デバイス24の両面から放熱を行う構造とすることで、裏面のみから放熱する時よりも、大電力動作時の半導体デバイス24表面の温度を10℃以上下げることが可能となる。   In the power module semiconductor device 1 according to the second embodiment, the surface of the semiconductor device 24 at the time of high power operation is more than that when the heat is radiated from only the back surface by adopting a structure that radiates heat from both sides of the semiconductor device 24. The temperature can be lowered by 10 ° C. or more.

例えば、半導体デバイス24をSiCで形成したSiCMOSFETにおいても200℃以上の高温動作では、電気抵抗が上昇するため、半導体デバイス24の両面から放熱を行う構造とすることで、大電力動作時の半導体デバイス24の損失を低減することができる。   For example, a SiC MOSFET in which the semiconductor device 24 is formed of SiC also has a structure in which heat is radiated from both sides of the semiconductor device 24 because the electrical resistance increases at a high temperature operation of 200 ° C. or higher. The loss of 24 can be reduced.

また、第2の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置においては、半導体デバイスの表裏両面から放熱することにより、小型化、高放熱化を実現することができる。   Moreover, in the power module semiconductor device according to the second embodiment, it is possible to realize miniaturization and high heat dissipation by dissipating heat from both the front and back surfaces of the semiconductor device.

(変形例)
第2の実施の形態の変形例1に係るパワーモジュール半導体装置1の模式的断面構造は、図13に示すように、第2端子電極12は、屈曲した端子電極先端部12aを備えていても良い。このような屈曲した端子電極先端部12aを備えることによって、後述するヒートスプレッダとの密着性を向上させ、或いは第2端子電極12からの電極取り出しを容易にすることができる。このような屈曲した端子電極先端部12aは、第2端子電極12をエッチング加工することによって形成することができる。
(Modification)
As shown in FIG. 13, the schematic cross-sectional structure of the power module semiconductor device 1 according to the first modification of the second embodiment is such that the second terminal electrode 12 includes a bent terminal electrode tip 12 a. good. By providing such a bent terminal electrode distal end portion 12a, it is possible to improve adhesion with a heat spreader described later, or to easily take out the electrode from the second terminal electrode 12. Such a bent terminal electrode tip 12a can be formed by etching the second terminal electrode 12.

また、第2の実施の形態の変形例2に係るパワーモジュール半導体装置の模式的平面パターン構成は、図14に示すように表され、図14のII−II線に沿う模式的断面構造は、図15に示すように表される。   Further, a schematic planar pattern configuration of the power module semiconductor device according to the second modification of the second embodiment is expressed as shown in FIG. 14, and a schematic cross-sectional structure along the line II-II in FIG. It is expressed as shown in FIG.

第2の実施の形態の変形例2に係るパワーモジュール半導体装置1は、図14および図15に示すように、半導体デバイス24と第1DBC基板(16a・18a・16a)間を接続する柱状電極48をさらに備えていても良い。   As shown in FIGS. 14 and 15, the power module semiconductor device 1 according to the second modification of the second embodiment includes a columnar electrode 48 that connects between the semiconductor device 24 and the first DBC substrate (16a, 18a, 16a). May be further provided.

図14および図15に示すように、第1端子電極10は、ゲートコンタクトCG/ソースコンタクトCSにおいて、第1DBC基板(16a・18a・16a)の銅(Cu)プレート層16aと接続され、第2端子電極12は、ドレインコンタクトCDにおいて、第2DBC基板(16b・18b・16b)の銅(Cu)プレート層16bと接続されている。   As shown in FIGS. 14 and 15, the first terminal electrode 10 is connected to the copper (Cu) plate layer 16a of the first DBC substrate (16a, 18a, 16a) at the gate contact CG / source contact CS, The terminal electrode 12 is connected to the copper (Cu) plate layer 16b of the second DBC substrate (16b, 18b, 16b) at the drain contact CD.

第2の実施の形態の変形例2に係るパワーモジュール半導体装置1においても、図15に示すように、半導体デバイス24と、第1DBC基板(16a・18a・16a)と、第2DBC基板(16b・18b・16b)と、第1端子電極10と、第2端子電極12と、柱状電極48を封止する封止樹脂層22を備えていても良い。   Also in the power module semiconductor device 1 according to the second modification of the second embodiment, as shown in FIG. 15, the semiconductor device 24, the first DBC substrate (16 a, 18 a, 16 a), and the second DBC substrate (16 b. 18b and 16b), the first terminal electrode 10, the second terminal electrode 12, and the sealing resin layer 22 for sealing the columnar electrode 48 may be provided.

また、第2の実施の形態の変形例3に係るパワーモジュール半導体装置1の模式的断面構造は、図16に示すように、図13と同様に、第2端子電極12が屈曲した端子電極先端部12aを備えていても良い。   Further, as shown in FIG. 16, the schematic cross-sectional structure of the power module semiconductor device 1 according to the third modification of the second embodiment is similar to FIG. 13, and the tip of the terminal electrode in which the second terminal electrode 12 is bent. The part 12a may be provided.

第2の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置は、両面冷却構造を備えるため、熱放散が容易となり、ヒートスプレッダの軽量化、半導体デバイスの熱暴走の抑制、高周波特性および消費電力効率などの性能向上をはかることができ、結果として、電力変換効率を増大することができる。   Since the power module semiconductor device according to the second embodiment and its modification has a double-sided cooling structure, heat dissipation is facilitated, the heat spreader is lightened, the thermal runaway of the semiconductor device is suppressed, high frequency characteristics and power consumption efficiency. As a result, power conversion efficiency can be increased.

[第3の実施の形態]
第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、図17〜図19に示すように、第1銅プレート層16・16Gと、第1銅プレート層16・16G上に配置された半導体デバイス24と、半導体デバイス24上に配置された熱伝導性絶縁フィルム54と、熱伝導性絶縁フィルム54に開口された第1開口部2を介して半導体デバイス24表面に接続された第1端子電極10と、熱伝導性絶縁フィルム54に開口された第2開口部3を介して第1銅プレート層16に接続された第2端子電極12とを備える。ここで、第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、半導体デバイス24の裏面と表面の両面から放熱を行うことができる。
[Third embodiment]
As shown in FIGS. 17 to 19, the power module semiconductor device 1 according to the third embodiment includes a first copper plate layer 16 and 16G and a semiconductor device disposed on the first copper plate layer 16 and 16G. 24, a thermally conductive insulating film 54 disposed on the semiconductor device 24, and a first terminal electrode 10 connected to the surface of the semiconductor device 24 through a first opening 2 opened in the thermally conductive insulating film 54. And the second terminal electrode 12 connected to the first copper plate layer 16 through the second opening 3 opened in the heat conductive insulating film 54. Here, the power module semiconductor device 1 according to the third embodiment can radiate heat from both the back surface and the front surface of the semiconductor device 24.

また、第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、図17および図19に示すように、熱伝導性絶縁フィルム54に開口された第3開口部4を介して第1銅プレート層16G表面に接続されたゲート端子電極8を備える。ここで、第1銅プレート層16Gは、ゲート配線電極8Gを介して、半導体デバイス24のゲート電極138に接続されている。   In addition, as shown in FIGS. 17 and 19, the power module semiconductor device 1 according to the third embodiment includes the first copper plate layer through the third opening 4 opened in the heat conductive insulating film 54. A gate terminal electrode 8 connected to the 16G surface is provided. Here, the first copper plate layer 16G is connected to the gate electrode 138 of the semiconductor device 24 via the gate wiring electrode 8G.

図17〜図19に示すように、例えば、第1端子電極10は、第1開口部2を介して、半導体デバイス24のソースコンタクトCS/ゲートコンタクトCGに接続され、第2端子電極12は、第2開口部3を介して、半導体デバイス24のドレインコンタクトCDに接続され、ゲート端子電極8は、第3開口部4を介して、銅プレート層16G表面のゲートコンタクトCGに接続される。   As shown in FIGS. 17 to 19, for example, the first terminal electrode 10 is connected to the source contact CS / gate contact CG of the semiconductor device 24 through the first opening 2, and the second terminal electrode 12 is Via the second opening 3, it is connected to the drain contact CD of the semiconductor device 24, and the gate terminal electrode 8 is connected via the third opening 4 to the gate contact CG on the surface of the copper plate layer 16 </ b> G.

さらに、図18および図19に示すように、第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1全体は、セラミック基板18上に配置されたセラミックパッケージ外壁56に収納されている。ここで、セラミック基板18上に配置されたセラミックパッケージ外壁56は、図18に示すように、側面部のみならず、上面部も備える。尚、中空部分には、希ガス、若しくは窒素ガスなどが封入されていても良い。   Further, as shown in FIGS. 18 and 19, the entire power module semiconductor device 1 according to the third embodiment is housed in a ceramic package outer wall 56 disposed on the ceramic substrate 18. Here, the ceramic package outer wall 56 disposed on the ceramic substrate 18 includes not only a side surface portion but also an upper surface portion as shown in FIG. The hollow portion may be filled with rare gas or nitrogen gas.

また、第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、図17〜図19に示すように、第1銅プレート層161は、裏面に第2銅プレート層162を有するセラミック基板18上に配置されていても良い。The power module semiconductor device 1 according to the third embodiment, as shown in FIGS. 17 to 19, first copper plate layer 16 1, the ceramic substrate 18 having a second copper plate layer 16 2 on the back surface It may be arranged above.

また、第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、図3と同様に、第1銅プレート層161と半導体デバイス24間には、銅合金または銅モリブデン電極層25を備えていても良い。また、半導体デバイス24と第1端子電極10・銅合金または銅モリブデン電極層25間は、半田層24aによって接続され、銅合金または銅モリブデン電極層25と第1銅プレート層161間は、半田層25aによって接続されていても良い。このように、第1銅プレート層161と半導体デバイス24間に、銅合金または銅モリブデン電極層25を配置することによって、半導体デバイス24と第1銅プレート層161との間の密着性を向上し、熱伝導性を良好にすることができる。The power module semiconductor device 1 according to the third embodiment, like FIG. 3, between the first copper plate layer 16 1 and the semiconductor device 24, comprise a copper alloy or a copper molybdenum electrode layer 25 Also good. Further, while the semiconductor device 24 and the first terminal electrode 10-copper alloy or a copper molybdenum electrode layer 25 is connected by the solder layer 24a, a copper alloy or a copper molybdenum electrode layer 25 first copper plate layer 16 1 between the solder They may be connected by the layer 25a. Thus, between the first copper plate layer 16 1 and the semiconductor device 24, by placing a copper alloy or a copper molybdenum electrode layer 25, the adhesion between the semiconductor device 24 and the first copper plate layer 16 1 The heat conductivity can be improved.

また、第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1において、セラミック基板18は、例えば、窒化アルミニウム(AlN)、酸化アルミニウム(Al23、)、若しくは窒化シリコン(SiN)のいずれかで形成されていても良い。このような材料で形成することによって、熱伝導性を良好にすることができる。In the power module semiconductor device 1 according to the third embodiment, the ceramic substrate 18 is, for example, any one of aluminum nitride (AlN), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or silicon nitride (SiN). It may be formed. By forming with such a material, thermal conductivity can be improved.

また、第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1において、第1端子電極10および第2端子電極12は、図4〜図7、或いは図13および図16と同様に、屈曲した端子電極先端部を備えていても良い。   In the power module semiconductor device 1 according to the third embodiment, the first terminal electrode 10 and the second terminal electrode 12 are bent terminal electrodes as in FIGS. 4 to 7 or FIGS. 13 and 16. You may provide the front-end | tip part.

また、第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1において、熱伝導性絶縁フィルム54は、例えば、ポリイミドフィルムなどを適用可能である。   In the power module semiconductor device 1 according to the third embodiment, for example, a polyimide film can be applied as the heat conductive insulating film 54.

尚、ポリイミドフィルムは、熱圧着により形成することができる。また、ポリイミドフィルムの厚さは、例えば、約50μmである。   The polyimide film can be formed by thermocompression bonding. Moreover, the thickness of a polyimide film is about 50 micrometers, for example.

電気的な絶縁性能は、ポリイミドフィルムのみで充分であるため、第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の厚さは、実質的に放熱用第1銅プレート層161のCu板の厚さが主要な厚さに寄与する。このため、第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の全体的な厚さを相対的に薄く形成することができる。Electrical insulation performance, since it is sufficient only in a polyimide film, the thickness of the power module semiconductor device according to the third embodiment, the thickness of the first copper plate layer 16 1 of the Cu plate for substantially radiator Contributes to the main thickness. For this reason, the overall thickness of the power module semiconductor device according to the third embodiment can be formed relatively thin.

(変形例)
第3の実施の形態の変形例に係るパワーモジュール半導体装置1は、図20に示すように、熱伝導性絶縁フィルム54上に第2銅プレート層163をさらに備えていても良い。ここで、第2銅プレート層163の厚さは、例えば、約50μm〜2mm程度である。
(Modification)
Power module semiconductor device 1 according to a modification of the third embodiment, as shown in FIG. 20, on the heat conductive insulating film 54 may be further provided with a second copper plate layer 16 3. Here, the thickness of the second copper plate layer 16 3 is, for example, about 50 μm to 2 mm.

第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1においては、半導体デバイス24の表面上に熱伝導性絶縁フィルムを形成し、半導体デバイス24の裏面上に第1銅プレート層161および裏面に第2銅プレート層162を有するセラミック基板18を形成することによって、裏面からだけでなく表面からも放熱することが可能になる。In the power module semiconductor device 1 according to the third embodiment, the thermally conductive insulating film formed on the surface of the semiconductor device 24, first the first copper plate layer 16 1 and the rear surface on the back surface of the semiconductor device 24 by forming the ceramic substrate 18 having a second copper plate layer 16 2, it is possible to heat radiation from the surface as well as from the back.

第3の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置1においては、半導体デバイス24の両面から放熱を行う構造とすることで、裏面のみから放熱する時よりも、大電力動作時の半導体デバイス24表面の温度を10℃以上下げることが可能となる。   In the power module semiconductor device 1 according to the third embodiment and its modification, the semiconductor device 24 is configured to radiate heat from both sides of the semiconductor device 24, so that the semiconductor is operated at higher power than when radiated only from the back side. The temperature of the surface of the device 24 can be lowered by 10 ° C. or more.

例えば、半導体デバイス24をSiCで形成したSiCMOSFETにおいても200℃以上の高温動作では、電気抵抗が上昇するため、半導体デバイス24の両面から放熱を行う構造とすることで、大電力動作時の半導体デバイス24の損失を低減することができる。   For example, a SiC MOSFET in which the semiconductor device 24 is formed of SiC also has a structure in which heat is radiated from both sides of the semiconductor device 24 because the electrical resistance increases at a high temperature operation of 200 ° C. or higher. The loss of 24 can be reduced.

また、第3の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置1においては、半導体デバイスの表裏両面から放熱することにより、小型化、高放熱化を実現することができる。   Further, in the power module semiconductor device 1 according to the third embodiment and the modification thereof, it is possible to realize miniaturization and high heat dissipation by dissipating heat from both the front and back surfaces of the semiconductor device.

第3の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置は、両面冷却構造を備えるため、熱放散が容易となり、ヒートスプレッダの軽量化、半導体デバイスの熱暴走の抑制、高周波特性および消費電力効率などの性能向上をはかることができ、結果として、電力変換効率を増大することができる。   Since the power module semiconductor device according to the third embodiment and its modification has a double-sided cooling structure, heat dissipation is facilitated, the heat spreader is reduced in weight, the thermal runaway of the semiconductor device is suppressed, high frequency characteristics and power consumption efficiency As a result, power conversion efficiency can be increased.

―熱伝導性絶縁フィルムによる被覆例―
第3の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置を3相インバータに適用した配置例において、熱伝導性絶縁フィルム54の模式的平面パターン構成は、図21に示すように表される。図21において、インバータを構成する半導体デバイス241・244、242・245、243・246上に開口部56aを設けると共に、第1銅プレート層161に対する開口部58が設けられている。
―Example of coating with thermally conductive insulating film―
In an arrangement example in which the power module semiconductor device according to the third embodiment and its modification is applied to a three-phase inverter, a schematic planar pattern configuration of the heat conductive insulating film 54 is expressed as shown in FIG. . In Figure 21, semiconductor devices 24 1 - 24 4 constituting an inverter, 24 2, 24 5, 24 3, 24 6 over with an opening 56a, the opening 58 is provided for the first copper plate layer 16 1 ing.

第3の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置の半導体デバイス24近傍の熱伝導性絶縁フィルム54の模式的平面パターン構成は、図22に示すように表され、図22のIV−IV線に沿う模式的断面構造は、図23に示すように表される。   A schematic planar pattern configuration of the heat conductive insulating film 54 in the vicinity of the semiconductor device 24 of the power module semiconductor device according to the third embodiment and the modification thereof is expressed as shown in FIG. A schematic cross-sectional structure along line IV is expressed as shown in FIG.

第3の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置において、熱伝導性絶縁フィルム54は、図22に示すように、半導体デバイス24を被覆するコーナー部分Cに、削除部54aを形成しても良い。このように、半導体デバイス24を被覆するコーナー部分Cに、削除部54aを形成することによって、図23に示される半導体デバイス24の角部Bを被覆する熱伝導性絶縁フィルム54のステップカバレッジを良好にすることができる。尚、図23に示す例では、半導体デバイス24と第1銅プレート層161間は、半田層24aで接続される例が示されている。In the power module semiconductor device according to the third embodiment and the modification thereof, the thermally conductive insulating film 54 has a deletion portion 54a formed in a corner portion C covering the semiconductor device 24 as shown in FIG. May be. In this way, by forming the deleted portion 54a in the corner portion C covering the semiconductor device 24, the step coverage of the thermally conductive insulating film 54 covering the corner portion B of the semiconductor device 24 shown in FIG. 23 is improved. Can be. In the example shown in FIG. 23, the semiconductor device 24 and the first copper plate layer 16 1 between the example that is connected by a solder layer 24a is illustrated.

第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置において、半導体デバイス24および第2端子電極12の配線部近傍の熱伝導性絶縁フィルム54の模式的平面パターン構成例は、図24に示すように表され、図24のV−V線に沿う模式的断面構造は、図25に示すように表される。図24および図25に示すように、第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置において、半導体デバイス24を被覆するコーナー部分に、削除部54aを形成して、図25に示される半導体デバイス24の角部を被覆する熱伝導性絶縁フィルム54のステップカバレッジを良好にしている。   In the power module semiconductor device according to the third embodiment, a schematic planar pattern configuration example of the thermally conductive insulating film 54 in the vicinity of the wiring portions of the semiconductor device 24 and the second terminal electrode 12 is shown in FIG. A schematic cross-sectional structure taken along line VV in FIG. 24 is expressed as shown in FIG. As shown in FIGS. 24 and 25, in the power module semiconductor device according to the third embodiment, a deletion portion 54a is formed in a corner portion covering the semiconductor device 24, and the semiconductor device 24 shown in FIG. The step coverage of the thermally conductive insulating film 54 covering the corners is improved.

また、図24および図25に示すように、熱伝導性絶縁フィルム54に開口された第1開口部2を介して半導体デバイス24表面上のソースコンタクトCSと第1端子電極10とを接続し、熱伝導性絶縁フィルム54に開口された第2開口部3を介して第1銅プレート層16上のドレインコンタクトCDと第2端子電極12とを接続している。   Further, as shown in FIGS. 24 and 25, the source contact CS on the surface of the semiconductor device 24 and the first terminal electrode 10 are connected through the first opening 2 opened in the heat conductive insulating film 54, The drain contact CD on the first copper plate layer 16 and the second terminal electrode 12 are connected through the second opening 3 opened in the heat conductive insulating film 54.

第3の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置の半導体デバイス24近傍の熱伝導性絶縁フィルム54の別の模式的平面パターン構成は、図26に示すように表される。図26の削除部54bは、図22の削除部54aに比べて、削除部54bの面積が小さい。   Another schematic planar pattern configuration of the heat conductive insulating film 54 in the vicinity of the semiconductor device 24 of the power module semiconductor device according to the third embodiment and its modification is expressed as shown in FIG. The deletion unit 54b of FIG. 26 has a smaller area of the deletion unit 54b than the deletion unit 54a of FIG.

第3の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置において、熱伝導性絶縁フィルム54は、半導体デバイス24を被覆するコーナー部分に、削除部54bを形成することによって、図23に示される半導体デバイス24の角部Bを被覆する熱伝導性絶縁フィルム54のステップカバレッジを良好にすることができる。   In the power module semiconductor device according to the third embodiment and the modification thereof, the thermally conductive insulating film 54 is shown in FIG. 23 by forming a deletion portion 54b in a corner portion covering the semiconductor device 24. The step coverage of the heat conductive insulating film 54 covering the corner B of the semiconductor device 24 can be improved.

[第4の実施の形態]
第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、図27に示すように、第1銅プレート層16S・16Gと、第1銅プレート層16S上に配置された半導体デバイス24と、半導体デバイス24上に配置された熱伝導性絶縁フィルム64と、熱伝導性絶縁フィルム64に開口された第1開口部を介して半導体デバイス24表面に接続された第2銅プレート層68Sと、熱伝導性絶縁フィルム64に開口された第2開口部を介して第1銅プレート層16Gに接続された第2銅プレート層68Gとを備える。
[Fourth embodiment]
As shown in FIG. 27, the power module semiconductor device 1 according to the fourth embodiment includes a first copper plate layer 16S and 16G, a semiconductor device 24 disposed on the first copper plate layer 16S, and a semiconductor device. A thermally conductive insulating film 64 disposed on the semiconductor device 24; a second copper plate layer 68S connected to the surface of the semiconductor device 24 through a first opening opened in the thermally conductive insulating film 64; And a second copper plate layer 68G connected to the first copper plate layer 16G through a second opening opened in the insulating film 64.

また、第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、図27に示すように、第1銅プレート層16S・16Gは、裏面に第3銅プレート層16を有するセラミック基板18上に配置されていても良い。ここで、第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、半導体デバイス24の裏面と表面の両面から放熱を行うことができる。   In the power module semiconductor device 1 according to the fourth embodiment, as shown in FIG. 27, the first copper plate layers 16S and 16G are arranged on the ceramic substrate 18 having the third copper plate layer 16 on the back surface. May be. Here, the power module semiconductor device 1 according to the fourth embodiment can radiate heat from both the back surface and the front surface of the semiconductor device 24.

図27の応力緩和構造部分の拡大構造は、図28に示すように表され、凸型形状の熱伝導性絶縁フィルム64と、この凸型形状の熱伝導性絶縁フィルム64上に積層された銅プレート層68とを備える。セラミック基板18と凸型形状の熱伝導性絶縁フィルム64間には、空隙部74を備える。   The enlarged structure of the stress relaxation structure portion of FIG. 27 is expressed as shown in FIG. 28, and has a convex heat conductive insulating film 64 and copper laminated on the convex heat conductive insulating film 64. A plate layer 68. A gap 74 is provided between the ceramic substrate 18 and the convex heat conductive insulating film 64.

第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、図27に示すように、熱伝導性絶縁フィルム64上に第2銅プレート層68S・68Gを備える。   As shown in FIG. 27, the power module semiconductor device 1 according to the fourth embodiment includes second copper plate layers 68S and 68G on a heat conductive insulating film 64.

また、第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、図27〜図28に示すように、熱伝導性絶縁フィルム64と第2銅プレート層68Sの積層構造の一部に熱応力を緩和するための応力緩和構造72を有する。   In addition, as shown in FIGS. 27 to 28, the power module semiconductor device 1 according to the fourth embodiment applies thermal stress to a part of the laminated structure of the heat conductive insulating film 64 and the second copper plate layer 68S. A stress relaxation structure 72 for relaxing is provided.

第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1において、熱応力が加わった状態の模式的断面構造は、図29に示すように表される。   In the power module semiconductor device 1 according to the fourth embodiment, a schematic cross-sectional structure in a state where thermal stress is applied is expressed as shown in FIG.

第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1において、応力緩和構造72は、図29に示すように、熱応力によるセラミック基板18の反りによって、引延ばされるように形成されている。   In the power module semiconductor device 1 according to the fourth embodiment, the stress relaxation structure 72 is formed to be stretched by warping of the ceramic substrate 18 due to thermal stress, as shown in FIG.

第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置を3相インバータに適用した配置例であっての配置パターンを説明する模式的平面パターン構成は、図30に示すように表される。図30おいて、応力緩和構造72は、インバータを構成する半導体デバイス241・244、242・245、243・246の周囲を取り囲むように、セラミック基板18上に配置されている。A schematic planar pattern configuration for explaining an arrangement pattern, which is an arrangement example in which the power module semiconductor device according to the fourth embodiment is applied to a three-phase inverter, is expressed as shown in FIG. In FIG. 30, the stress relaxation structure 72 is disposed on the ceramic substrate 18 so as to surround the semiconductor devices 24 1 , 24 4 , 24 2 , 24 5 , 24 3 , 24 6 constituting the inverter. .

また、図30の半導体デバイス24近傍の拡大は、図31に示すように表され、図31において、熱応力が加わった状態の模式的平面パターン構成は、図32に示すように表される。   Further, the enlargement of the vicinity of the semiconductor device 24 in FIG. 30 is expressed as shown in FIG. 31, and in FIG. 31, a schematic planar pattern configuration in a state where thermal stress is applied is expressed as shown in FIG.

第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1において、応力緩和構造72は、図30〜図32に示すように、セラミック基板18の反りによって、引延ばされる方向に垂直な方向に延伸して配置されていても良い。   In the power module semiconductor device 1 according to the fourth embodiment, the stress relaxation structure 72 is stretched in a direction perpendicular to the stretched direction due to warping of the ceramic substrate 18 as shown in FIGS. 30 to 32. It may be arranged.

第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置において、応力緩和構造部分の模式的断面構造であって、三角構造例は図33(a)に示すように表され、矩形構造例は、図33(b)に示すように表され、台形構造例は、図33(c)に示すように表され、半円構造例は、図33(d)に示すように表され、別の矩形構造例は、図33(e)に示すように表され、別の半円構造例は、図33(f)に示すように表される。   In the power module semiconductor device according to the fourth embodiment, it is a schematic cross-sectional structure of the stress relaxation structure portion, and an example of a triangular structure is represented as shown in FIG. 33A, and an example of a rectangular structure is shown in FIG. (B), a trapezoidal structure example is represented as shown in FIG. 33 (c), a semicircular structure example is represented as shown in FIG. 33 (d), and another rectangular structure example. Is represented as shown in FIG. 33 (e), and another semicircular structure example is represented as shown in FIG. 33 (f).

第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置において、応力緩和構造72は、図33(a)〜図33(f)に示すように、セラミック基板18の反りによって、引延ばされる方向の断面が、三角形、矩形、半円形、台形のいずれかを基調とするパターンを備えていても良い。   In the power module semiconductor device according to the fourth embodiment, as shown in FIGS. 33A to 33F, the stress relaxation structure 72 has a cross section in a direction in which the stress relaxation structure 72 is extended due to warpage of the ceramic substrate 18. , A pattern based on any one of a triangle, a rectangle, a semicircle, and a trapezoid may be provided.

第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1においては、半導体デバイス24の表面上に、熱伝導性絶縁フィルム64と第2銅プレート層68Sを形成し、セラミック基板18の表面上に熱伝導性絶縁フィルム64と第2銅プレート層68Sからなる応力緩和構造を形成し、半導体デバイス24の裏面上に第1銅プレート層16Sおよび裏面に第3銅プレート層16を有するセラミック基板18を形成することによって、裏面からだけでなく表面からも放熱することが可能になる。   In the power module semiconductor device 1 according to the fourth embodiment, the heat conductive insulating film 64 and the second copper plate layer 68S are formed on the surface of the semiconductor device 24, and the heat conduction is performed on the surface of the ceramic substrate 18. The stress relaxation structure composed of the conductive insulating film 64 and the second copper plate layer 68S is formed, and the ceramic substrate 18 having the first copper plate layer 16S on the back surface of the semiconductor device 24 and the third copper plate layer 16 on the back surface is formed. Therefore, it is possible to dissipate heat not only from the back surface but also from the front surface.

第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1においては、半導体デバイス24の両面から放熱を行う構造とすることで、裏面のみから放熱する時よりも、大電力動作時の半導体デバイス24表面の温度を10℃以上下げることが可能となる。   In the power module semiconductor device 1 according to the fourth embodiment, the surface of the semiconductor device 24 at the time of high power operation is more than that when the heat is radiated from only the back surface by adopting a structure that radiates heat from both sides of the semiconductor device 24. The temperature can be lowered by 10 ° C. or more.

例えば、半導体デバイス24をSiCで形成したSiCMOSFETにおいても200℃以上の高温動作では、電気抵抗が上昇するため、半導体デバイス24の両面から放熱を行う構造とすることで、大電力動作時の半導体デバイス24の損失を低減することができる。   For example, a SiC MOSFET in which the semiconductor device 24 is formed of SiC also has a structure in which heat is radiated from both sides of the semiconductor device 24 because the electrical resistance increases at a high temperature operation of 200 ° C. or higher. The loss of 24 can be reduced.

また、第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置においては、応力緩和構造によって、セラミック基板の反りに伴う応力を緩和し、クラックの発生を抑制することができる。   Further, in the power module semiconductor device according to the fourth embodiment, the stress relaxation structure can relieve the stress accompanying the warp of the ceramic substrate and suppress the occurrence of cracks.

また、第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置においては、半導体デバイス24の表裏両面から放熱することにより、小型化、高放熱化を実現することができる。   Further, in the power module semiconductor device according to the fourth embodiment, it is possible to realize miniaturization and high heat dissipation by dissipating heat from both the front and back surfaces of the semiconductor device 24.

また、第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置においては、半導体デバイスの表裏両面から放熱することにより、小型化、高放熱化を実現することができる。   Further, in the power module semiconductor device according to the fourth embodiment, it is possible to realize miniaturization and high heat dissipation by dissipating heat from both the front and back surfaces of the semiconductor device.

第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置は、両面冷却構造を備えるため、熱放散が容易となり、ヒートスプレッダの軽量化、半導体デバイスの熱暴走の抑制、高周波特性および消費電力効率などの性能向上をはかることができ、結果として、電力変換効率を増大することができる。   Since the power module semiconductor device according to the fourth embodiment has a double-sided cooling structure, heat dissipation is facilitated, the heat spreader is reduced in weight, the thermal runaway of the semiconductor device is suppressed, the high frequency characteristics and the power consumption efficiency are improved. As a result, power conversion efficiency can be increased.

[第5の実施の形態]
第5の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、図34に示すように、第1銅プレート層161と、第1銅プレート層161(16D)上に配置された半導体デバイス24と、半導体デバイス24上に配置された第1セラミック基板181と、第1セラミック基板181に開口された第1開口部を介して半導体デバイス24表面に接続された第1端子電極10と、1セラミック基板181上に配置され、半導体デバイス24を駆動するゲートドライブ集積回路76とを備える。ここで、第5の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、半導体デバイス24の裏面と表面の両面から放熱を行うことができる。
[Fifth embodiment]
As shown in FIG. 34, the power module semiconductor device 1 according to the fifth embodiment includes a first copper plate layer 16 1 and a semiconductor device 24 disposed on the first copper plate layer 16 1 (16D). A first ceramic substrate 18 1 disposed on the semiconductor device 24; a first terminal electrode 10 connected to the surface of the semiconductor device 24 through a first opening opened in the first ceramic substrate 18 1 ; And a gate drive integrated circuit 76 which is disposed on the ceramic substrate 18 1 and drives the semiconductor device 24. Here, the power module semiconductor device 1 according to the fifth embodiment can radiate heat from both the back surface and the front surface of the semiconductor device 24.

また、第5の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1において、第1銅プレート層161は、裏面に第2銅プレート層162を有する第2セラミック基板182上に配置されていても良い。また、第1端子電極10は、第2セラミック基板182上に配置された第1銅プレート層161(16S)に接続されている。Further, in the power module semiconductor device 1 according to the fifth embodiment, the first copper plate layer 16 1 may be disposed on the second ceramic substrate 182 on which a second copper plate layer 16 2 on the back surface good. The first terminal electrode 10 is connected to a first copper plate layer 16 1 (16S) disposed on the second ceramic substrate 18 2 .

また、第5の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、図34に示すように、第2セラミック基板182上に配置された第3セラミック基板183と、第3セラミック基板183上、第1セラミック基板181との間に配置された第4セラミック基板184と、第1セラミック基板181上に配置された第5セラミック基板185と、ゲートドライブ集積回路76上に封止樹脂層22を介して配置された第6セラミック基板186とを備えていても良い。In addition, as shown in FIG. 34, the power module semiconductor device 1 according to the fifth embodiment includes a third ceramic substrate 18 3 disposed on the second ceramic substrate 18 2 and a third ceramic substrate 18 3 . , a fourth ceramic substrate 18 4 disposed between the first ceramic substrate 18 1, a fifth ceramic substrate 18 5 disposed on the first ceramic substrate 181 on the sealing on the gate driver integrated circuit 76 6 may be provided with a ceramic substrate 18 6 arranged through the resin layer 22.

また、半導体デバイス24とゲートドライブ集積回路76との間は、ゲート端子電極8を介して接続され、さらに、ゲートドライブ集積回路76には、ゲート端子電極8Iが接続されている。   The semiconductor device 24 and the gate drive integrated circuit 76 are connected via the gate terminal electrode 8, and the gate drive integrated circuit 76 is connected to the gate terminal electrode 8I.

また、第5の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、図34に示すように、第1端子電極10、ゲート端子電極8、第6セラミック基板186およびゲート端子電極8I上に配置された第7セラミック基板187と、第7セラミック基板187上に配置された保護層14を備えていても良い。ここで、保護層14には、例えば、PPS(ポリフェニルサルファイド)などを適用することができる。また、第1〜第7セラミック基板181〜185は、積層面において互いに接着樹脂層20で接着されている。ここで、接着樹脂層20には、例えば、エポキシ系樹脂もしくはシリコーン系樹脂などを適用することができる。The power module semiconductor device 1 according to the fifth embodiment, as shown in FIG. 34, the first terminal electrode 10, the gate terminal electrode 8 is disposed on the sixth ceramic substrate 18 6 and the gate on the terminal electrode 8I and a seventh ceramic substrate 18 7, it may be provided with a protective layer 14 disposed on the seventh ceramic substrate 18 7. Here, for example, PPS (polyphenyl sulfide) can be applied to the protective layer 14. The first to seventh ceramic substrates 18 1 to 18 5 are bonded to each other with the adhesive resin layer 20 on the laminated surface. Here, for example, an epoxy resin or a silicone resin can be applied to the adhesive resin layer 20.

第5の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置によれば、半導体デバイス24上にセラミック基板を層状に重ねて形成し、その中にゲートドライブ集積回路76を搭載することで、半導体デバイス24とゲートドライブ集積回路76の距離を近付けて配置することができるため、ゲート駆動用配線にノイズが重畳することを抑えることができる。   According to the power module semiconductor device of the fifth embodiment, a ceramic substrate is formed in a layered manner on the semiconductor device 24, and the gate drive integrated circuit 76 is mounted therein, whereby the semiconductor device 24 and the gate are mounted. Since the drive integrated circuits 76 can be arranged close to each other, it is possible to suppress noise from being superimposed on the gate driving wiring.

また、第5の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置によれば、層状に積み重ねたセラミック基板の間に、銅プレート層や半導体デバイスを内蔵することで、ゲートドライブ集積回路もパワーモジュール半導体装置内に内蔵することができ、パワーモジュール半導体装置の小型化を図ることができる。   Further, according to the power module semiconductor device according to the fifth embodiment, the gate drive integrated circuit is also provided in the power module semiconductor device by incorporating the copper plate layer and the semiconductor device between the ceramic substrates stacked in layers. The power module semiconductor device can be miniaturized.

(変形例)
第5の実施の形態の変形例1に係るパワーモジュール半導体装置1は、図35に示すように、第1銅プレート層161(16D)と、第1銅プレート層161(16D)上に配置された半導体デバイス24と、半導体デバイス24上に配置された熱伝導性絶縁フィルム54と、熱伝導性絶縁フィルム54に開口された開口部を介して半導体デバイス24表面に接続された第1端子電極10と、熱伝導性絶縁フィルム54上に配置されたゲートドライブ集積回路76とを備える。ここで、第5の実施の形態の変形例1に係るパワーモジュール半導体装置1は、半導体デバイス24の裏面と表面の両面から放熱を行うことができる。また、第1端子電極10は、セラミック基板181上に配置された第1銅プレート層161(16S)に接続されている。
(Modification)
As shown in FIG. 35, the power module semiconductor device 1 according to the first modification of the fifth embodiment is formed on the first copper plate layer 16 1 (16D) and the first copper plate layer 16 1 (16D). A semiconductor device 24 arranged, a heat conductive insulating film 54 arranged on the semiconductor device 24, and a first terminal connected to the surface of the semiconductor device 24 through an opening formed in the heat conductive insulating film 54 The electrode 10 and a gate drive integrated circuit 76 disposed on the thermally conductive insulating film 54 are provided. Here, the power module semiconductor device 1 according to the first modification of the fifth embodiment can radiate heat from both the back surface and the front surface of the semiconductor device 24. The first terminal electrode 10 is connected to a first copper plate layer 16 1 (16S) disposed on the ceramic substrate 18 1 .

また、半導体デバイス24とゲートドライブ集積回路76との間は、ゲート端子電極8を介して接続され、さらに、ゲートドライブ集積回路76には、ゲート端子電極8Iが接続されている。   The semiconductor device 24 and the gate drive integrated circuit 76 are connected via the gate terminal electrode 8, and the gate drive integrated circuit 76 is connected to the gate terminal electrode 8I.

第5の実施の形態の変形例1に係るパワーモジュール半導体装置によれば、半導体デバイス24上に熱伝導性絶縁フィルムを形成し、熱伝導性絶縁フィルム上にゲートドライブ集積回路76を搭載することで、半導体デバイス24とゲートドライブ集積回路76の距離を近付けて配置することができるため、ゲート駆動用配線にノイズが重畳することを抑えることができる。   According to the power module semiconductor device according to the first modification of the fifth embodiment, the heat conductive insulating film is formed on the semiconductor device 24, and the gate drive integrated circuit 76 is mounted on the heat conductive insulating film. Thus, since the semiconductor device 24 and the gate drive integrated circuit 76 can be arranged close to each other, it is possible to suppress noise from being superimposed on the gate driving wiring.

また、第5の実施の形態の変形例1に係るパワーモジュール半導体装置によれば、半導体デバイス24上に熱伝導性絶縁フィルムを形成し、銅プレート層や半導体デバイスを内蔵することで、ゲートドライブ集積回路もパワーモジュール半導体装置内に内蔵することができ、パワーモジュール半導体装置の小型化を図ることができる。   Moreover, according to the power module semiconductor device which concerns on the modification 1 of 5th Embodiment, a heat conductive insulating film is formed on the semiconductor device 24, and a gate drive is built in by incorporating a copper plate layer and a semiconductor device. The integrated circuit can also be incorporated in the power module semiconductor device, and the power module semiconductor device can be miniaturized.

第5の実施の形態の変形例2に係るパワーモジュール半導体装置の模式的平面パターン構成は、図36に示すように表され、図36のVI−VI線に沿う模式的断面構造は、図37に示すように表される。   A schematic planar pattern configuration of the power module semiconductor device according to the second modification of the fifth embodiment is expressed as shown in FIG. 36, and a schematic cross-sectional structure taken along line VI-VI in FIG. It is expressed as shown in

第5の実施の形態の変形例2に係るパワーモジュール半導体装置は、図36〜図37に示すように、第1銅プレート層16Dと、第1銅プレート層16D上に配置された半導体デバイス24と、半導体デバイス24上に配置された熱伝導性絶縁フィルム54と、熱伝導性絶縁フィルム54に配置されたゲートドライブ集積回路76と、半導体デバイス24表面に接続された第1端子電極10(CS)およびゲート配線電極8Gと、ゲートドライブ集積回路76とゲート配線電極8Gとを接続するゲート配線電極82とを備える。ここで、第5の実施の形態の変形例2に係るパワーモジュール半導体装置1は、半導体デバイス24の裏面と表面の両面から放熱を行うことができる。   The power module semiconductor device according to the second modification of the fifth embodiment includes a first copper plate layer 16D and a semiconductor device 24 disposed on the first copper plate layer 16D, as shown in FIGS. A thermally conductive insulating film 54 disposed on the semiconductor device 24; a gate drive integrated circuit 76 disposed on the thermally conductive insulating film 54; and a first terminal electrode 10 (CS) connected to the surface of the semiconductor device 24. ) And a gate wiring electrode 8G, and a gate wiring electrode 82 for connecting the gate drive integrated circuit 76 and the gate wiring electrode 8G. Here, the power module semiconductor device 1 according to the second modification of the fifth embodiment can radiate heat from both the back surface and the front surface of the semiconductor device 24.

第5の実施の形態の変形例2に係るパワーモジュール半導体装置によれば、半導体デバイス24上に熱伝導性絶縁フィルムを介してゲートドライブ集積回路76を配置することで、ゲートドライブ集積回路もパワーモジュール半導体装置内に内蔵することができ、パワーモジュール半導体装置の小型化を図ることができる。   According to the power module semiconductor device according to the second modification of the fifth embodiment, the gate drive integrated circuit is also powered by disposing the gate drive integrated circuit 76 on the semiconductor device 24 via the heat conductive insulating film. The module can be built in the module semiconductor device, and the power module semiconductor device can be downsized.

また、第5の実施の形態の変形例2に係るパワーモジュール半導体装置においては、ゲート配線電極82を流れる信号電流IGLの向きと、半導体デバイス24内を流れる電流IGTの向きが反対になることから、ゲート配線電極82に伴うインダクタンス成分を打ち消すことができる。Further, in the power module semiconductor device according to the second modification of the fifth embodiment, the direction of the signal current IGL flowing through the gate wiring electrode 82 is opposite to the direction of the current IGT flowing through the semiconductor device 24. Therefore, the inductance component accompanying the gate wiring electrode 82 can be canceled out.

第5の実施の形態の変形例3に係るパワーモジュール半導体装置の模式的平面パターン構成は、図38に示すように表される。第5の実施の形態の変形例3に係るパワーモジュール半導体装置においては、半導体デバイス24表面に接続されたゲート配線電極8Gと、ゲートドライブ集積回路76とゲート配線電極8Gとを接続するゲート配線電極82のパターンレイアウトが異なるが、その他の構成は、変形例3に係るパワーモジュール半導体装置と同様である。   A schematic planar pattern configuration of the power module semiconductor device according to the third modification of the fifth embodiment is expressed as shown in FIG. In the power module semiconductor device according to Modification 3 of the fifth embodiment, the gate wiring electrode 8G connected to the surface of the semiconductor device 24 and the gate wiring electrode connecting the gate drive integrated circuit 76 and the gate wiring electrode 8G. Although the pattern layout of 82 is different, other configurations are the same as those of the power module semiconductor device according to the third modification.

第5の実施の形態の変形例3に係るパワーモジュール半導体装置においても、半導体デバイス24上に熱伝導性絶縁フィルムを介してゲートドライブ集積回路76を配置することで、ゲートドライブ集積回路もパワーモジュール半導体装置内に内蔵することができ、パワーモジュール半導体装置の小型化を図ることができる。   Also in the power module semiconductor device according to the third modification of the fifth embodiment, the gate drive integrated circuit and the power module are arranged on the semiconductor device 24 through the heat conductive insulating film. The power module semiconductor device can be miniaturized because it can be built in the semiconductor device.

また、第5の実施の形態の変形例3に係るパワーモジュール半導体装置においても、ゲート配線電極82を流れる信号電流IGLの向きと、半導体デバイス24内を流れる電流IGTの向きが反対になることから、ゲート配線電極82に伴うインダクタンス成分を打ち消すことができる。Also in the power module semiconductor device according to a third modification of the fifth embodiment, the direction of the signal current I GL flowing through the gate wiring electrode 82, the direction of the current I GT flowing semiconductor device 24 is reversed Therefore, the inductance component accompanying the gate wiring electrode 82 can be canceled out.

[第6の実施の形態]
比較例に係るパワーモジュール半導体装置の柱状電極構造部分の模式的鳥瞰構造は、図39に示すように、セラミック基板18と、セラミック基板18上に配置された半導体デバイス24と、半導体デバイス24上に配置された柱状電極90と、柱状電極90上に配置された金属板92とを備える。
[Sixth embodiment]
A schematic bird's-eye view structure of the columnar electrode structure portion of the power module semiconductor device according to the comparative example includes a ceramic substrate 18, a semiconductor device 24 arranged on the ceramic substrate 18, and a semiconductor device 24, as shown in FIG. A columnar electrode 90 disposed and a metal plate 92 disposed on the columnar electrode 90 are provided.

また、比較例に係るパワーモジュール半導体装置の模式的鳥瞰構造は、図40に示すように、ヒートスプレッダ100と、ヒートスプレッダ100上に配置されたセラミック基板18と、セラミック基板18上に配置された半導体デバイス241、242、243と、半導体デバイス241、242、243上に配置された柱状電極901、902、903と、柱状電極901、902、903上に配置された金属板92とを備える。Further, a schematic bird's-eye view structure of the power module semiconductor device according to the comparative example includes a heat spreader 100, a ceramic substrate 18 disposed on the heat spreader 100, and a semiconductor device disposed on the ceramic substrate 18, as shown in FIG. 24 1 , 24 2 , 24 3 , columnar electrodes 90 1 , 90 2 , 90 3 disposed on the semiconductor devices 24 1 , 24 2 , 24 3 , and columnar electrodes 90 1 , 90 2 , 90 3 The metal plate 92 is provided.

比較例に係るパワーモジュール半導体装置は、柱状電極を使用することで、電気的にも熱的にもモジュール性能が向上する。しかしながら、図40に示すように、柱状電極構造とした時に、ヒートスプレッダ100の反りの方向A+―A+/A−―A−と、金属板92の反りの方向C+―C+/C−―C−が直交しているため、歩留まりが低下する。   The power module semiconductor device according to the comparative example uses the columnar electrode, so that the module performance is improved both electrically and thermally. However, as shown in FIG. 40, when the columnar electrode structure is used, the heat spreader 100 warp direction A + -A + / A--A- and the metal plate 92 warp direction C + -C + / C--C- Since they are orthogonal, the yield decreases.

第6の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1の模式的鳥瞰構造は、図41に示すように、ヒートスプレッダ100と、ヒートスプレッダ100上に配置されたセラミック基板18と、セラミック基板18上に配置された半導体デバイス241、242、243と、半導体デバイス241、242、243上に配置された柱状電極901、902、903と、柱状電極901、902、903上に配置された金属板94とを備える。ここで、金属板94は、図41に示すように、スリット構造を備える。ここで、第6の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、半導体デバイス24の裏面と表面の両面から放熱を行うことができる。As shown in FIG. 41, a schematic bird's-eye view structure of the power module semiconductor device 1 according to the sixth embodiment is disposed on the heat spreader 100, the ceramic substrate 18 disposed on the heat spreader 100, and the ceramic substrate 18. Semiconductor devices 24 1 , 24 2 , 24 3 , columnar electrodes 90 1 , 90 2 , 90 3 disposed on the semiconductor devices 24 1 , 24 2 , 24 3 , and columnar electrodes 90 1 , 90 2 , 90 3 And a metal plate 94 disposed thereon. Here, the metal plate 94 includes a slit structure as shown in FIG. Here, the power module semiconductor device 1 according to the sixth embodiment can radiate heat from both the back surface and the front surface of the semiconductor device 24.

第6の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1の模式的鳥瞰構造は、図41に示すように、ヒートスプレッダ100の反りの方向A+―A+/A−―A−と、スリット構造を備える金属板94の反りの方向B+―B+/B−―B−が平行になされているため、歩留まりが向上する。また、柱状電極901、902、903を使用することで、電気的にも熱的にもモジュール性能が向上する。The schematic bird's-eye view structure of the power module semiconductor device 1 according to the sixth embodiment is, as shown in FIG. 41, a metal plate having a warp direction A + −A + / A−−A− of the heat spreader 100 and a slit structure. Since the warp direction B + −B + / B−−B− of 94 is made parallel, the yield is improved. Further, by using the columnar electrodes 90 1 , 90 2 , 90 3 , module performance is improved both electrically and thermally.

第6の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1においては、半導体デバイス上に柱状電極を立てる構造のモジュールを作製する際に、柱上の金属板の形をヒートスプレッダの形に合わせる構造にすることで、機械的な応力を抑え、金属接合部のクラックの発生を抑制することができる。   In the power module semiconductor device 1 according to the sixth embodiment, when a module having a structure in which a columnar electrode is erected on a semiconductor device is manufactured, the shape of the metal plate on the column is matched with the shape of the heat spreader. Therefore, mechanical stress can be suppressed and the occurrence of cracks in the metal joint can be suppressed.

第6の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1においては、モジュールの温度が上昇、下降する時の金属材料の反りが、金属接合部分に応力を発生させるため、ヒートスプレッダ100の反りの方向と柱上の金属板94の反りの方向を合わせるように形状を揃えることで、応力を小さくし、金属接合後の冷却時に発生する応力を抑え、組み立て歩留まりを増大することができる。   In the power module semiconductor device 1 according to the sixth embodiment, the warp of the metal material when the temperature of the module rises and falls generates stress in the metal joint portion. By aligning the shape of the upper metal plate 94 so as to match the warping direction, the stress can be reduced, the stress generated during cooling after metal bonding can be suppressed, and the assembly yield can be increased.

ヒートスプレッダ100と柱上の金属板94の反りの方向を合わせなかったときの組み立て歩留まりは、18モジュール中5モジュールが良品であり、約28%であるが、ヒートスプレッダ100と柱上の金属板94の反りの方向を合わせたときの組み立て歩留まりは、18モジュール中18モジュールが良品であり、100%である。   The assembly yield when the warp directions of the heat spreader 100 and the metal plate 94 on the pillar are not matched is 5% out of 18 modules, which is about 28%. However, the assembly yield of the heat spreader 100 and the metal plate 94 on the pillar is about 28%. The assembly yield when the directions of warpage are matched is 18% out of 18 modules, which is 100%.

長方形の金属は、反りが発生する際に、長手方向に反るため、ヒートスプレッダ100と柱上の金属板94のそれぞれの長手方向を同じ向きにすることで、ヒートスプレッダと柱上の金属板の反りの方向を合わせることができる。   Since the rectangular metal warps in the longitudinal direction when warping occurs, warping of the heat spreader and the metal plate on the pillar is made by making the longitudinal directions of the heat spreader 100 and the metal plate 94 on the pillar the same direction. Can be aligned.

(変形例)
第6の実施の形態の変形例に係るパワーモジュール半導体装置1の模式的鳥瞰構造は、図42に示すように、DBC基板(16・18・16)と、DBC基板(16・18・16)上に配置された複数の半導体デバイス24と、複数の半導体デバイス24上に配置された熱伝導性絶縁フィルム54と、熱伝導性絶縁フィルム54に開口された開口部を介して半導体デバイス24上に配置された柱状電極90と、柱状電極90上に配置されたスリット構造を有する金属板94とを備える。ここで、第6の実施の形態の変形例に係るパワーモジュール半導体装置1は、半導体デバイス24の裏面と表面の両面から放熱を行うことができる。
(Modification)
As shown in FIG. 42, a schematic bird's-eye view structure of the power module semiconductor device 1 according to the modification of the sixth embodiment includes a DBC substrate (16, 18, 16) and a DBC substrate (16, 18, 16). A plurality of semiconductor devices 24 disposed above, a heat conductive insulating film 54 disposed on the plurality of semiconductor devices 24, and the semiconductor device 24 through openings formed in the heat conductive insulating film 54. A columnar electrode 90 disposed and a metal plate 94 having a slit structure disposed on the columnar electrode 90 are provided. Here, the power module semiconductor device 1 according to the modification of the sixth embodiment can radiate heat from both the back surface and the front surface of the semiconductor device 24.

第6の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置に適用可能な金属板94の模式的平面パターン構成であって、矩形スリットを有する例は、図43(a)に示すように表され、長円形スリットを有する例は、図43(b)に示すように表され、複数の円形パターンを有する例は、図43(c)に示すように表され、別の矩形スリット有する例は、図43(d)に示すように表される。第6の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置に適用可能な金属板94のスリット端部の模式的平面パターン構成であって、矩形構造例は、図44(a)に示すように表され、楔型構造例は、図44(b)に示すように表され、鋭角三角構造例は、図44(c)に示すように表される。   A schematic planar pattern configuration of the metal plate 94 applicable to the power module semiconductor device according to the sixth embodiment and its modification, and an example having a rectangular slit is shown in FIG. 43 (a). An example having an oval slit is represented as shown in FIG. 43 (b), an example having a plurality of circular patterns is represented as shown in FIG. 43 (c), and an example having another rectangular slit is , As shown in FIG. FIG. 44A shows a schematic planar pattern configuration of the slit end portion of the metal plate 94 applicable to the power module semiconductor device according to the sixth embodiment and its modification. An example of a wedge-shaped structure is represented as shown in FIG. 44 (b), and an example of an acute angle triangular structure is represented as shown in FIG. 44 (c).

第6の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置において、スリット形状は、ヒートスプレッダの長手方向に沿う櫛形、長方形、円形ドット配列のいずれかであっても良い。   In the power module semiconductor device according to the sixth embodiment and its modification, the slit shape may be any one of a comb shape, a rectangle, and a circular dot array along the longitudinal direction of the heat spreader.

また、第6の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置において、スリット形状は、ヒートスプレッダの長手方向に沿う櫛形もしくは長方形を備え、かつスリット形状の端部は、曲線形、矩形もしくは三角形を有していても良い。   Further, in the power module semiconductor device according to the sixth embodiment and the modification thereof, the slit shape has a comb shape or a rectangle along the longitudinal direction of the heat spreader, and the end portion of the slit shape has a curved shape, a rectangle or a triangle. You may have.

第6の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置においては、柱状電極および金属板を適用することによって、さらに放熱性能の向上を図ることができる。   In the power module semiconductor device according to the sixth embodiment and its modification, the heat radiation performance can be further improved by applying the columnar electrode and the metal plate.

第6の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置においては、半導体デバイスの表裏両面から放熱することにより、小型化、高放熱化を実現することができる。   In the power module semiconductor device according to the sixth embodiment and the modification thereof, it is possible to realize miniaturization and high heat dissipation by dissipating heat from both the front and back surfaces of the semiconductor device.

第6の実施の形態およびその変形例に係るパワーモジュール半導体装置は、両面冷却構造を備えるため、熱放散が容易となり、ヒートスプレッダの軽量化、半導体デバイスの熱暴走の抑制、高周波特性および消費電力効率などの性能向上をはかることができ、結果として、電力変換効率を増大することができる。   Since the power module semiconductor device according to the sixth embodiment and its modification has a double-sided cooling structure, heat dissipation is facilitated, the heat spreader is reduced in weight, the thermal runaway of the semiconductor device is suppressed, high-frequency characteristics, and power consumption efficiency As a result, power conversion efficiency can be increased.

[第7の実施の形態]
第7の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置に適用するヒートスプレッダの鳥瞰構造であって、半導体デバイスを搭載する部分に高熱伝導率金属層を埋め込む構造例は、図45(a)に示すように表され、図45(a)上にDBC基板を配置した構造例は、図45(b)に示すように表される。
[Seventh embodiment]
FIG. 45A shows a bird's eye view structure of a heat spreader applied to a power module semiconductor device according to the seventh embodiment, in which a high thermal conductivity metal layer is embedded in a portion where a semiconductor device is mounted. An example of a structure in which a DBC substrate is arranged on FIG. 45A is represented as shown in FIG.

また、第7の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置に適用するヒートスプレッダの鳥瞰構造であって、半導体デバイスおよび端子電極を搭載する部分に高熱伝導率金属層を埋め込む構造例は、図45(c)に示すように表され、放熱セラミック基板を搭載する部分に高熱伝導率金属層を埋め込む構造例は、図45(d)に示すように表される。   FIG. 45 (c) shows a bird's eye view structure of a heat spreader applied to the power module semiconductor device according to the seventh embodiment, in which a high thermal conductivity metal layer is embedded in a portion where a semiconductor device and terminal electrodes are mounted. An example of a structure in which a high thermal conductivity metal layer is embedded in a portion where a heat dissipation ceramic substrate is mounted is represented as shown in FIG.

また、第7の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置に適用するヒートスプレッダの鳥瞰構造であって、半導体デバイスを搭載する部分およびネジ穴から遠い部分に高熱伝導率金属層を埋め込む構造例は、図45(e)に示すように表される。   Further, a bird's eye view structure of a heat spreader applied to the power module semiconductor device according to the seventh embodiment, and a structure example in which a high thermal conductivity metal layer is embedded in a portion mounting a semiconductor device and a portion far from a screw hole is shown in FIG. 45 (e).

第7の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1において、ヒートスプレッダ102は、図45(a)に示すように、半導体デバイス24を搭載する部分に、高熱伝導率金属層104を埋め込む構造を備えていても良い。   In the power module semiconductor device 1 according to the seventh embodiment, the heat spreader 102 has a structure in which the high thermal conductivity metal layer 104 is embedded in the portion where the semiconductor device 24 is mounted, as shown in FIG. May be.

また、第7の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1において、ヒートスプレッダ102上には、図45(b)に示すように、さらにDBC基板(18・16D)を備えていても良い。   In the power module semiconductor device 1 according to the seventh embodiment, a DBC substrate (18 / 16D) may be further provided on the heat spreader 102 as shown in FIG.

また、第7の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1において、ヒートスプレッダ102は、図45(c)に示すように、さらに第1端子電極10おとび第2端子電極12を搭載する部分に、高熱伝導率金属層105を埋め込む構造を備えていても良い。   In the power module semiconductor device 1 according to the seventh embodiment, as shown in FIG. 45C, the heat spreader 102 further includes a portion on which the first terminal electrode 10 and the second terminal electrode 12 are mounted. A structure in which the high thermal conductivity metal layer 105 is embedded may be provided.

また、第7の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1において、ヒートスプレッダ102は、図45(d)に示すように、セラミック基板18を搭載する部分に、高熱伝導率金属層106を埋め込む構造を備えていても良い。   Further, in the power module semiconductor device 1 according to the seventh embodiment, the heat spreader 102 has a structure in which the high thermal conductivity metal layer 106 is embedded in the portion where the ceramic substrate 18 is mounted, as shown in FIG. You may have.

また、第7の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1において、ヒートスプレッダ102は、半導体デバイス24を搭載する部分、およびヒートスプレッダ102を固定するために形成されたネジ穴110から遠い部分に高熱伝導率金属層104・108を埋め込む構造を備えていても良い。   Further, in the power module semiconductor device 1 according to the seventh embodiment, the heat spreader 102 has a high thermal conductivity in a portion where the semiconductor device 24 is mounted and a portion far from the screw hole 110 formed for fixing the heat spreader 102. A structure in which the metal layers 104 and 108 are embedded may be provided.

また、第7の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1において、ヒートスプレッダ102はCuMoで形成され、かつ高熱伝導率金属層104・105・106・108は、Cuで形成されていても良い。   In the power module semiconductor device 1 according to the seventh embodiment, the heat spreader 102 may be made of CuMo, and the high thermal conductivity metal layers 104, 105, 106, and 108 may be made of Cu.

半導体デバイス下は、Cu材をヒートスプレッダとして、Cu材の周りをCuMo材とすることで、低応力、高放熱のヒートスプレッダを形成することができ、しかも高放熱で反りが少ないヒートスプレッダを形成することができる。   Under the semiconductor device, by using a Cu material as a heat spreader and a CuMo material around the Cu material, a heat spreader having low stress and high heat dissipation can be formed, and a heat spreader with high heat dissipation and less warpage can be formed. it can.

第7の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1においては、ヒートスプレッダ102の半導体デバイス24下を高熱伝導の銅で形成して、それ以外のヒートスプレッダ全体をCuMoのような低線熱膨張率でかつ高強度の金属で形成することで、低応力、高放熱のモジュールを提供することができる。   In the power module semiconductor device 1 according to the seventh embodiment, the heat spreader 102 is formed under the semiconductor device 24 with high thermal conductivity copper, and the other heat spreader has a low linear thermal expansion coefficient such as CuMo. By forming with a high-strength metal, a module with low stress and high heat dissipation can be provided.

第7の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1においては、ヒートスプレッダ102の半導体デバイス24下にCuなどの低熱抵抗の材料を使用することで、大電力動作時の半導体デバイスの温度を10℃以上下げることが可能となる。また、CuMoのような低線熱膨張率の材料を使用することで、半導体デバイス下の金属接合部の応力を10%以上下げることが可能となる。   In the power module semiconductor device 1 according to the seventh embodiment, by using a low thermal resistance material such as Cu under the semiconductor device 24 of the heat spreader 102, the temperature of the semiconductor device during high power operation is 10 ° C. or higher. Can be lowered. Further, by using a material having a low coefficient of linear thermal expansion such as CuMo, it is possible to reduce the stress of the metal joint portion under the semiconductor device by 10% or more.

[第8の実施の形態]
第8の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置において、高周波駆動を説明する回路構成は、図46に示すように、ゲートドライブ部50と、ゲートドライブ部50から供給されたゲートドライブ信号VGを供給される半導体デバイスQとを備える。
[Eighth embodiment]
In the power module semiconductor device according to the eighth embodiment, as shown in FIG. 46, the circuit configuration for explaining the high-frequency drive includes a gate drive unit 50 and a gate drive signal V G supplied from the gate drive unit 50. And a supplied semiconductor device Q.

第8の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置において、反射波Irを考慮した高周波駆動を説明する回路構成は、図47に示すように、ゲートドライブ部50と、ゲートドライブ部50から供給されたゲートドライブ信号VGを供給される半導体デバイスQとを備え、ゲートドライブ部50から半導体デバイスQまでの金属配線の配線長Lをゲートドライブ信号波長の半波長の奇数倍としている。In the power module semiconductor device according to the eighth embodiment, the circuit configuration for explaining the high frequency driving in consideration of the reflected wave Ir is supplied from the gate drive unit 50 and the gate drive unit 50 as shown in FIG. The semiconductor device Q is supplied with the gate drive signal V G, and the wiring length L of the metal wiring from the gate drive unit 50 to the semiconductor device Q is an odd multiple of the half wavelength of the gate drive signal wavelength.

また、半導体デバイスQのゲート電極は、金属材料で形成されていることが望ましい。   The gate electrode of the semiconductor device Q is preferably made of a metal material.

第8の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置において、半導体デバイスQを高周波駆動する時に、ゲートドライブ部50からゲートドライブ信号VGを半導体デバイスQに入力した時、半導体デバイスQへの入射波Iiと、半導体デバイスQから反射してくる反射波Irが弱め合わないように、ゲートドライブ信号VGの半波長の奇数倍の配線長Lとする。In the power module semiconductor device according to the eighth embodiment, a semiconductor device Q when high-frequency driving, when the input from the gate drive unit 50 of the gate drive signal V G to the semiconductor device Q, incident wave Ii to semiconductor devices Q When, as reflected wave Ir reflected from the semiconductor device Q is not Awa weaken, and the gate drive signal V wiring length of an odd multiple of the half wavelength of G L.

半導体デバイスQを10kHz〜20kHzで動作させるときには、動作周波数がスイッチング時間に対応する周波数帯域に比べて充分に小さいため、特性上大きな影響はない。しかしながら、動作周波数が、例えば10MHzを超えると、スイッチング時間は無視できなくなり、入力信号の反射波の影響が出るようになる。   When the semiconductor device Q is operated at 10 kHz to 20 kHz, the operating frequency is sufficiently smaller than the frequency band corresponding to the switching time, so that there is no significant influence on characteristics. However, when the operating frequency exceeds, for example, 10 MHz, the switching time cannot be ignored and the influence of the reflected wave of the input signal comes out.

低周波駆動のときは、半導体デバイスQのゲート電極は、シート抵抗に値が、約数100mΩ/□〜約数Ω/□のポリシリコンを使用していても特性上大きな影響はないが、高周波駆動では、ゲートへの入力インピーダンスを下げるためにゲート電極を金属電極で形成する必要があり、これにより動作周波数を数MHzまで上昇することが可能となる。   When driving at a low frequency, the gate electrode of the semiconductor device Q does not have a significant effect on characteristics even if polysilicon having a sheet resistance value of about several hundred mΩ / □ to about several Ω / □ is used. In driving, it is necessary to form the gate electrode with a metal electrode in order to lower the input impedance to the gate, which makes it possible to increase the operating frequency to several MHz.

非接触給電やDC−DCコンバータでは、高周波駆動することで効率が上昇し、或いは使用する部品を小型化できる。高周波駆動する時に、ゲートドライブ部50からゲートドライブ信号VGを半導体デバイスQに入力した時、半導体デバイスQへの入射波Iiと、半導体デバイスQから反射してくる反射波Irが弱め合わないように、ゲートドライブ信号VGの半波長の奇数倍の配線長Lとする。このように、パワーモジュールへ入力するゲートドライブ信号を、ゲートドライブ部50から半導体デバイスQへの配線長Lを駆動周波数の半波長の奇数倍の長さにすることで、入射波と反射波の打ち消しをなくすことができる。In the non-contact power supply and the DC-DC converter, the efficiency is increased by driving at a high frequency, or components to be used can be reduced in size. When high-frequency driving, when the input from the gate drive unit 50 of the gate drive signal V G to the semiconductor device Q, the incident wave Ii to semiconductor devices Q, so that the reflected wave Ir does Awa weaken reflected from the semiconductor device Q Further, the wiring length L is an odd multiple of the half wavelength of the gate drive signal V G. As described above, the gate drive signal input to the power module is configured such that the wiring length L from the gate drive unit 50 to the semiconductor device Q is set to an odd multiple of the half wavelength of the drive frequency. Cancellation can be eliminated.

より詳細には、ゲートドライブ部50から半導体デバイスQのゲート酸化膜までの配線長を駆動周波数の半波長の奇数倍の長さにすると良い。   More specifically, the wiring length from the gate drive unit 50 to the gate oxide film of the semiconductor device Q is preferably an odd multiple of a half wavelength of the drive frequency.

ここで、半導体デバイスQは、Si、SiCもしくはGaN系半導体のいずれかである。   Here, the semiconductor device Q is one of Si, SiC, or a GaN-based semiconductor.

第8の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置において、複数チップを同相で駆動する制御時に、パワーモジュールへ入力するゲートドライブ信号を、ゲートドライブ部50から半導体デバイスQへの配線長Lを駆動周波数の半波長の奇数倍の長さにすることで、入射波と反射波の打ち消しをなくすことが、特に有効である。   In the power module semiconductor device according to the eighth embodiment, the gate drive signal input to the power module is controlled by the wiring length L from the gate drive unit 50 to the semiconductor device Q during the control of driving a plurality of chips in phase It is particularly effective to eliminate the cancellation of the incident wave and the reflected wave by setting the length to an odd multiple of the half wavelength.

第8の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置において、DBC基板(16・18・16)上に配置された半導体デバイス24とボンディングワイヤBWで接続された配線基板98上の金属配線96の表面96a・裏面96bを粗面化する構成例は、図48に示すように表される。   In the power module semiconductor device according to the eighth embodiment, the surface 96a of the metal wiring 96 on the wiring substrate 98 connected to the semiconductor device 24 arranged on the DBC substrate (16, 18, 16) by the bonding wire BW. A configuration example in which the back surface 96b is roughened is expressed as shown in FIG.

第8の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置において、金属配線96の表面96a・裏面96bともに粗面形成し、周辺材料との接着性を上げると共に、金属配線96の表面96aと裏面96bで、信号伝達速度を調整し、整合化することができる。   In the power module semiconductor device according to the eighth embodiment, both the front surface 96a and the back surface 96b of the metal wiring 96 are roughened to improve the adhesion with peripheral materials, and at the front surface 96a and the back surface 96b of the metal wiring 96, Signal transmission speed can be adjusted and matched.

以上に述べたように、本発明によれば、放熱特性に優れたパワーモジュール半導体装置を提供することができる。   As described above, according to the present invention, a power module semiconductor device having excellent heat dissipation characteristics can be provided.

[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は実施の形態および変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
As described above, the present invention has been described by the embodiments and the modifications. However, it should be understood that the descriptions and drawings constituting a part of this disclosure are exemplary and limit the present invention. Absent. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。   As described above, the present invention includes various embodiments not described herein.

本発明の半導体装置は、電気自動車、ハイブリッド自動車、産業用機器、インバータ、家電製品に搭載されるパワー半導体モジュール、インテリジェントパワーモジュールなどパワーデバイス全般に適用可能である。   The semiconductor device of the present invention can be applied to power devices in general such as an electric vehicle, a hybrid vehicle, an industrial device, an inverter, a power semiconductor module mounted on a home appliance, and an intelligent power module.

1、60、601〜606…パワーモジュール半導体装置
2…第1開口部
3…第2開口部
4…第3開口部
8G、82、96…ゲート配線電極
8、8I、10、101〜106、12…端子電極
101〜106…ゲート駆動配線
10a、12a…端子電極先端部
10b、10c、12b、12c…端子電極内側コーナー部
14…保護層(PPS)
15…DBC基板
16、161、162、163、16a、16b、16G、16S、16D、68、68S、68G…銅(Cu)プレート層
18、181〜187、18a、18b…セラミック基板
20…接着樹脂層
22…封止樹脂層
24、241〜246…半導体デバイス
24a、25a…半田層
25…銅合金または銅モリブデン電極層
48、90、901〜903…柱状電極
50…ゲートドライブ部
52…パワーモジュール部
53…3相モータ部
54、64…熱伝導性絶縁フィルム
54a、54b…削除部
56…セラミックパッケージ外壁
56a、58…開口部
701〜706…ゲートドライブ回路
72…応力緩和構造
74…空隙部
76…ゲートドライブ集積回路
80…半導体パワーモジュール実装基板
92、94…金属板
96…金属配線
96a…表面
96b…裏面
98…配線基板
100、102…ヒートスプレッダ
104、105、106、108…高熱伝導金属層
110…ネジ穴
124…n+ドレイン領域(n+基板)
126…n-エピタキシャル成長層
128…ベース領域
130…ソース/ドレイン領域
132…ゲート絶縁膜
134…ソース電極
136…ドレイン電極
138…ゲート電極
CS…ソースコンタクト
CG…ゲートコンタクト
CD…ドレインコンタクト
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 60, 60 1-60 6 ... Power module semiconductor device 2 ... 1st opening part 3 ... 2nd opening part 4 ... 3rd opening part 8G, 82, 96 ... Gate wiring electrode 8, 8I, 10, 10 1- 10 6 , 12 ... terminal electrodes 10 1 to 10 6 ... gate drive wirings 10a, 12a ... terminal electrode tip portions 10b, 10c, 12b, 12c ... terminal electrode inner corner 14 ... protective layer (PPS)
15 ... DBC substrates 16, 16 1 , 16 2 , 16 3 , 16a, 16b, 16G, 16S, 16D, 68, 68S, 68G ... Copper (Cu) plate layers 18, 18 1 to 18 7 , 18a, 18b ... Ceramic Substrate 20 ... Adhesive resin layer 22 ... Sealing resin layers 24, 24 1 to 24 6 ... Semiconductor devices 24a, 25a ... Solder layer 25 ... Copper alloy or copper molybdenum electrode layers 48, 90, 90 1 to 90 3 ... Columnar electrodes 50 ... Gate drive part 52 ... Power module part 53 ... Three-phase motor parts 54, 64 ... Heat conductive insulating films 54a, 54b ... Delete part 56 ... Ceramic package outer walls 56a, 58 ... Opening parts 70 1 to 70 6 ... Gate drive circuit 72 ... Stress relaxation structure 74 ... Air gap 76 ... Gate drive integrated circuit 80 ... Semiconductor power module mounting substrate 92, 94 ... Metal plate 96 ... Metal Line 96a ...... surface 96b ... rear surface 98 ... wiring board 100, 102 ... heat spreader 104,105,106,108 ... high thermal conductivity metal layer 110 ... the screw holes 124 ... n + drain region (n + substrate)
126 ... n - epitaxial growth layer 128 ... base region 130 ... source / drain region 132 ... gate insulating film 134 ... source electrode 136 ... drain electrode 138 ... gate electrode CS ... source contact CG ... gate contact CD ... drain contact

Claims (23)

第1銅プレート層と、
前記第1銅プレート層上に配置された半導体デバイスと、
前記半導体デバイス上に配置された熱伝導性絶縁層と、
前記熱伝導性絶縁層に開口された第1開口部を介して前記半導体デバイス表面に接続された第1端子電極と、
前記熱伝導性絶縁層に開口された第2開口部を介して前記第1銅プレート層に接続された第2端子電極と、
前記熱伝導性絶縁層上に配置された第2銅プレート層と
を備え、
前記熱伝導性絶縁層と前記第2銅プレート層の積層構造の一部に熱応力を緩和するための応力緩和構造を有し、
前記半導体デバイスの裏面と表面の両面から放熱を行うことを特徴とするパワーモジュール半導体装置。
A first copper plate layer;
A semiconductor device disposed on the first copper plate layer;
A thermally conductive insulating layer disposed on the semiconductor device;
A first terminal electrode connected to the surface of the semiconductor device through a first opening formed in the thermally conductive insulating layer;
A second terminal electrode connected to the first copper plate layer through a second opening formed in the thermally conductive insulating layer;
A second copper plate layer disposed on the thermally conductive insulating layer;
A stress relaxation structure for relaxing thermal stress in a part of the laminated structure of the thermally conductive insulating layer and the second copper plate layer;
A power module semiconductor device, wherein heat is radiated from both a back surface and a front surface of the semiconductor device.
第1銅プレート層と、
前記第1銅プレート層上に配置された半導体デバイスと、
前記半導体デバイス上に配置された熱伝導性絶縁層と、
前記熱伝導性絶縁層に開口された第1開口部を介して前記半導体デバイス表面に接続された第1端子電極と、
前記熱伝導性絶縁層に開口された第2開口部を介して前記第1銅プレート層に接続された第2端子電極と
を備え、
前記第1銅プレート層は、裏面に第2銅プレート層を有する第1セラミック基板上に配置され、
前記第1セラミック基板上に配置された第2セラミック基板と、
前記第2セラミック基板上、前記熱伝導性絶縁層との間に配置された第3セラミック基板と、
前記熱伝導性絶縁層上に配置された第4セラミック基板と
を備え、前記第1〜第4セラミック基板は、積層面において互いに接着樹脂層で接着されており、
前記半導体デバイスの裏面と表面の両面から放熱を行うことを特徴とするパワーモジュール半導体装置。
A first copper plate layer;
A semiconductor device disposed on the first copper plate layer;
A thermally conductive insulating layer disposed on the semiconductor device;
A first terminal electrode connected to the surface of the semiconductor device through a first opening formed in the thermally conductive insulating layer;
A second terminal electrode connected to the first copper plate layer through a second opening opened in the thermally conductive insulating layer;
The first copper plate layer is disposed on a first ceramic substrate having a second copper plate layer on a back surface;
A second ceramic substrate disposed on the first ceramic substrate;
A third ceramic substrate disposed on the second ceramic substrate and between the thermally conductive insulating layers;
A fourth ceramic substrate disposed on the thermally conductive insulating layer, and the first to fourth ceramic substrates are bonded to each other on the laminated surface with an adhesive resin layer,
A power module semiconductor device, wherein heat is radiated from both a back surface and a front surface of the semiconductor device.
前記第1銅プレート層と前記半導体デバイス間には、モリブデン−銅合金または銅モリブデンのいずれかからなる電極層を備えることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール半導体装置。   2. The power module semiconductor device according to claim 1, wherein an electrode layer made of either molybdenum-copper alloy or copper-molybdenum is provided between the first copper plate layer and the semiconductor device. 前記半導体デバイス上に配置された柱状電極をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール半導体装置。   The power module semiconductor device according to claim 1, further comprising a columnar electrode disposed on the semiconductor device. 前記パワーモジュール半導体装置を搭載するヒートスプレッダと、
前記柱状電極上に配置された金属板と
を備え、前記金属板と前記ヒートスプレッダの反りの方向を合わせたことを特徴とする請求項4に記載のパワーモジュール半導体装置。
A heat spreader on which the power module semiconductor device is mounted;
The power module semiconductor device according to claim 4, further comprising: a metal plate disposed on the columnar electrode, wherein the warp directions of the metal plate and the heat spreader are matched.
前記ヒートスプレッダ上にはさらにDBC基板を備えることを特徴とする請求項5に記載のパワーモジュール半導体装置。   The power module semiconductor device according to claim 5, further comprising a DBC substrate on the heat spreader. 前記半導体デバイスのゲート電極は、金属材料で形成されたことを特徴とする請求項6に記載のパワーモジュール半導体装置。   The power module semiconductor device according to claim 6, wherein the gate electrode of the semiconductor device is formed of a metal material. 前記第1銅プレート層は、裏面に第2銅プレート層を有するセラミック基板上に配置されたことを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール半導体装置。   The power module semiconductor device according to claim 1, wherein the first copper plate layer is disposed on a ceramic substrate having a second copper plate layer on a back surface. 前記第1銅プレート層と前記半導体デバイス間には、銅合金または銅モリブデン電極層を備えることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール半導体装置。   The power module semiconductor device according to claim 1, further comprising a copper alloy or a copper molybdenum electrode layer between the first copper plate layer and the semiconductor device. 第1銅プレート層と、
前記第1銅プレート層上に配置された半導体デバイスと、
前記半導体デバイス上に配置された熱伝導性絶縁層と、
前記熱伝導性絶縁層に開口された第1開口部を介して前記半導体デバイス表面に接続された第1端子電極と、
前記熱伝導性絶縁層に開口された第2開口部を介して前記第1銅プレート層に接続された第2端子電極と
を備え、
前記熱伝導性絶縁層は、前記半導体デバイスを被覆するコーナー部分に削除部を形成しており、
前記半導体デバイスの裏面と表面の両面から放熱を行うことを特徴とするパワーモジュール半導体装置。
A first copper plate layer;
A semiconductor device disposed on the first copper plate layer;
A thermally conductive insulating layer disposed on the semiconductor device;
A first terminal electrode connected to the surface of the semiconductor device through a first opening formed in the thermally conductive insulating layer;
A second terminal electrode connected to the first copper plate layer through a second opening opened in the thermally conductive insulating layer;
The thermally conductive insulating layer forms a deletion portion at a corner portion covering the semiconductor device,
A power module semiconductor device, wherein heat is radiated from both a back surface and a front surface of the semiconductor device.
前記応力緩和構造は、前記半導体デバイスの周囲を取り囲み配置されることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール半導体装置。   The power module semiconductor device according to claim 1, wherein the stress relaxation structure is disposed so as to surround a periphery of the semiconductor device. 前記応力緩和構造は、前記セラミック基板の反りによって、引延ばされる方向に垂直な方向に延伸して配置されることを特徴とする請求項8に記載のパワーモジュール半導体装置。   9. The power module semiconductor device according to claim 8, wherein the stress relaxation structure is arranged to extend in a direction perpendicular to a direction in which the stress relaxation structure is warped by the warp of the ceramic substrate. 前記応力緩和構造は、前記セラミック基板の反りによって、引延ばされる方向の断面が、三角形、矩形、半円形、台形のいずれかを基調とするパターンを有することを特徴とする請求項8に記載のパワーモジュール半導体装置。   9. The stress relaxation structure according to claim 8, wherein a cross section in a direction extended by warping of the ceramic substrate has a pattern based on any one of a triangle, a rectangle, a semicircle, and a trapezoid. Power module semiconductor device. 前記パワーモジュール半導体装置を搭載するヒートスプレッダをさらに備え、
前記第1端子電極は、前記半導体デバイス上に配置された柱状電極と、前記柱状電極上に配置された金属板とを備え、
前記金属板と前記ヒートスプレッダの反りの方向を合わせたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のパワーモジュール半導体装置。
A heat spreader on which the power module semiconductor device is mounted;
The first terminal electrode includes a columnar electrode disposed on the semiconductor device, and a metal plate disposed on the columnar electrode,
The power module semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein directions of warpage of the metal plate and the heat spreader are matched.
前記金属板は、前記ヒートスプレッダの長手方向に沿ってスリット形状を備えることを特徴とする請求項5または14に記載のパワーモジュール半導体装置。   The power module semiconductor device according to claim 5, wherein the metal plate has a slit shape along a longitudinal direction of the heat spreader. 前記スリット形状は、前記ヒートスプレッダの長手方向に沿う櫛形、長方形、円形ドット配列のいずれかであることを特徴とする請求項15に記載のパワーモジュール半導体装置。   The power module semiconductor device according to claim 15, wherein the slit shape is any one of a comb shape, a rectangular shape, and a circular dot arrangement along a longitudinal direction of the heat spreader. 前記スリット形状は、前記ヒートスプレッダの長手方向に沿う櫛形もしくは長方形を備え、かつ前記スリット形状の端部は、曲線形、矩形もしくは三角形を有することを特徴とする請求項15に記載のパワーモジュール半導体装置。   The power module semiconductor device according to claim 15, wherein the slit shape includes a comb shape or a rectangle along a longitudinal direction of the heat spreader, and an end portion of the slit shape has a curved shape, a rectangle, or a triangle. . 前記ヒートスプレッダは、前記半導体デバイスを搭載する部分に、高熱伝導率の金属を埋め込む構造を備えることを特徴とする請求項5または14に記載のパワーモジュール半導体装置。   The power module semiconductor device according to claim 5 or 14, wherein the heat spreader includes a structure in which a metal having high thermal conductivity is embedded in a portion where the semiconductor device is mounted. 前記ヒートスプレッダは、さらに前記第1端子電極および前記第2端子電極を搭載する部分と、前記熱伝導性絶縁層を搭載する部分とのいずれか一方または両方に、高熱伝導率の金属を埋め込む構造を備えることを特徴とする請求項5に記載のパワーモジュール半導体装置。 The heat spreader further has a structure in which a metal having a high thermal conductivity is embedded in either or both of a portion where the first terminal electrode and the second terminal electrode are mounted and a portion where the heat conductive insulating layer is mounted. The power module semiconductor device according to claim 5 , wherein the power module semiconductor device is provided. 前記ヒートスプレッダは、前記半導体デバイスを搭載する部分、および前記ヒートスプレッダを固定するために形成されたネジ穴から遠い部分に高熱伝導率の金属を埋め込む構造を備えることを特徴とする請求項5または14に記載のパワーモジュール半導体装置。   15. The heat spreader includes a structure in which a metal having a high thermal conductivity is embedded in a portion on which the semiconductor device is mounted and a portion far from a screw hole formed to fix the heat spreader. The power module semiconductor device described. 前記ヒートスプレッダはCuMoで形成され、かつ前記高熱伝導率の金属は、Cuで形成されたことを特徴とする請求項18〜20のいずれか1項に記載のパワーモジュール半導体装置。   21. The power module semiconductor device according to claim 18, wherein the heat spreader is made of CuMo, and the high thermal conductivity metal is made of Cu. 前記熱伝導性絶縁層上に前記半導体デバイスを駆動するゲートドライブ集積回路をさらに備えることを特徴とする請求項1〜3、8〜21のいずれか1項に記載のパワーモジュール半導体装置。   The power module semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, further comprising a gate drive integrated circuit for driving the semiconductor device on the thermally conductive insulating layer. 前記半導体デバイスを駆動するためのゲートドライブ回路を備え、
前記ゲートドライブ回路から前記半導体デバイスまでの金属配線の配線長をゲートドライブ信号波長の半波長の奇数倍とし、
前記半導体デバイスのゲート電極は、金属材料で形成され、
前記金属配線の表面と裏面に粗面化し、前記金属配線の表面と裏面で、信号伝達速度を合わせたことを特徴とする請求項請求項1〜3、8〜21のいずれか1項に記載のパワーモジュール半導体装置。
A gate drive circuit for driving the semiconductor device;
The wiring length of the metal wiring from the gate drive circuit to the semiconductor device is an odd multiple of a half wavelength of the gate drive signal wavelength,
The gate electrode of the semiconductor device is formed of a metal material,
The surface roughness and the back surface of the metal wiring are roughened, and the signal transmission speed is matched between the surface and the back surface of the metal wiring. Power module semiconductor device.
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