JP6365322B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば大電流のスイッチングに用いられる半導体装置に関する。

特許文献１には、チップと、チップを覆う樹脂を備えた半導体装置が開示されている。

特開平０５−０８２６７２号公報

複数の半導体素子を搭載する半導体装置では、複数の半導体素子のそれぞれから発生する熱が干渉し、半導体装置の温度が高くなる問題があった。その結果半導体素子が劣化する問題があった。

半導体素子の温度上昇を抑制するために、半導体素子間の距離を大きくすると半導体装置が大型化してしまう問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、小型化に好適な、良好な放熱性を有する半導体装置を提供することを目的とする。

本願の発明に係る半導体装置は、複数の半導体素子と、該複数の半導体素子を覆うモールド樹脂と、下面と側面が該モールド樹脂に埋め込まれることで上面だけが露出し、該複数の半導体素子の上に位置する金属板と、を備え、該モールド樹脂の厚み方向に、該金属板と該モールド樹脂を貫く第１貫通穴が設けられたことを特徴とする。

本発明によれば、新しい放熱経路を提供したり、半導体素子間の熱の往来を抑制したりすることで、小型化に好適な、良好な放熱性を有する半導体装置を提供することができる。

実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 半導体素子と第１貫通穴の位置関係を示す平面図である。 半導体装置の斜視図である。 ヒートシンクに固定された半導体装置の断面図である。 比較例の半導体装置の放熱経路を示す図である。 実施の形態１に係る半導体装置の放熱経路を示す図である。 実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態５に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態６に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態７に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態８に係る半導体装置の斜視図である。 変形例に係る半導体装置の斜視図である。

本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０の断面図である。半導体装置１０は、半導体素子１２、１４を備えている。半導体素子１２は例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの大電流をスイッチングするスイッチング素子である。半導体素子１４は例えば還流ダイオード（Free Wheeling Diode）である。

半導体素子１２の裏面のコレクタと半導体素子１４の裏面のカソードは、はんだによってフレーム１６に固定されている。半導体素子１２、１４の熱抵抗を下げるために、フレーム１６は例えば銅または銅合金で形成されている。フレーム１６にはめっき処理を施してもよい。

半導体素子１２、１４の裏面に接するフレーム１６には、絶縁シート１８が接している。絶縁シート１８には金属箔２０が接している。金属箔２０の材料は例えば銅である。半導体素子１２の上面のエミッタと半導体素子１４の上面のアノードはワイヤ２２ａで接続されている。半導体素子１４のアノードはワイヤ２２ｂにより、フレーム１６とは別のフレームに接続されている。ワイヤ２２ａ、２２ｂは例えば太線アルミワイヤである。

半導体素子１２、１４はモールド樹脂２４で覆われている。フレーム１６の一部と金属箔２０の裏面はモールド樹脂２４の外に露出している。モールド樹脂２４の中から外にリード端子２６が伸びている。モールド樹脂２４の中のリード端子２６には、樹脂ペースト等で制御ＩＣ２８が固定されている。制御ＩＣ２８はワイヤ２２ｃで半導体素子１２のゲートに接続されている。ワイヤ２２ｃは例えば細線金ワイヤである。制御ＩＣ２８は、半導体素子１２のゲートに半導体素子１２のオンオフを切り替える制御信号を伝送する。このように、半導体装置１０は、トランスファーモールド型のパワーモジュールを構成している。

モールド樹脂２４の上には金属板３２が設けられている。金属板３２の材料は、放熱性の良い材料であれば特に限定されないが、例えば銅である。金属板３２は、複数の半導体素子の上に位置している。そして、モールド樹脂２４の厚み方向に、金属板３２とモールド樹脂２４を貫く第１貫通穴３４が設けられている。本発明の実施の形態１では、第１貫通穴３４は、金属板３２とモールド樹脂２４に加えて、絶縁シート１８と金属箔２０を貫いている。

図２は、半導体素子と第１貫通穴の位置関係を示す平面図である。モールド樹脂の中には、半導体素子１２、１４に加えて半導体素子４０、４２がある。半導体素子４０、４２は、それぞれＩＧＢＴと還流ダイオードである。半導体素子４０のコレクタと半導体素子４２のカソードがフレーム１７に固定されている。半導体素子４０のエミッタと半導体素子４２のアノードがワイヤ接続されている。したがって、半導体装置１０は、２つのアームを有するレグを構成している。

第１貫通穴３４は、平面視で、複数の半導体素子の間に設けられている。具体的には、第１貫通穴３４は、半導体素子１２と半導体素子４０の間に設けられている。ところで、金属板３２は、モールド樹脂２４の中で特に高温になりやすい場所の上に設ける。特に高温になりやすい場所とは、本発明の実施の形態１では、半導体素子１２と半導体素子４０の間である。したがって、金属板３２は、少なくとも半導体素子１２と半導体素子４０の間の直上に設ける。しかし、金属板３２は放熱性を高める機能を有するので、半導体素子間の上だけでなく、半導体素子が形成された領域全体の上に設けることが好ましい。具体的には、半導体素子１２、１４、４０、４２が形成された領域全体の上に金属板３２を設けることが好ましい。

図３は、半導体装置の斜視図である。第１貫通穴３４はモールド樹脂２４のほぼ中央に設けられている。図４は、ヒートシンクに固定された半導体装置の断面図である。ヒートシンク５０は、平坦部５０ａと平坦部５０ａに接続されたフィン部分５０ｂを備えている。ヒートシンク５０にはねじ穴５０ｃが設けられている。半導体装置は、このねじ穴５０ｃに挿入されたねじ５２によってヒートシンク５０に固定されている。ねじ５２の頭部は金属板３２と接触している。ねじ５２の軸部（ねじ山が刻まれた部分）は第１貫通穴３４を通りねじ穴５０ｃに螺合されている。

半導体装置１０がヒートシンク５０にねじ止めされた状態では、半導体装置の裏面に露出した金属箔２０が、金属箔２０とヒートシンク５０の間に設けられたグリスを介してヒートシンク５０に接する。

ここで、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の特徴の理解を容易にするために、比較例について説明する。図５は、比較例の半導体装置の放熱経路を示す図である。比較例の半導体装置は、図１の半導体装置とほぼ同じであるが、第１貫通穴３４がない点で図１の半導体装置と異なる。比較例の半導体装置の放熱経路としては、半導体素子から、フレーム、絶縁シート、金属箔、及びグリスを経由してヒートシンクに至る第１経路と、半導体素子からモールド樹脂を介して金属板に至る第２経路がある。

図６は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の放熱経路を示す図である。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の放熱経路としては、前述の第１経路と第２経路に加えて、半導体素子から、モールド樹脂２４、金属板３２及びねじ５２を経由してヒートシンク５０に至る第３経路がある。したがって、従って比較例の半導体装置にはない第３経路により半導体装置の放熱性を高めることができる。第３経路は半導体装置に第１貫通穴３４を開けて簡単に形成できるので、半導体装置を大型化する必要はない。よって、実施の形態１の半導体装置は小型化に好適である。

第１貫通穴３４は、第１貫通穴がない場合に、複数の半導体素子の熱干渉によって温度が最大となる場所に形成することが好ましい。温度が最大となる場所に第１貫通穴を形成することでこの位置での放熱を促進できる。本発明の実施の形態１では、半導体素子１２と半導体素子４０の間の位置が、熱干渉によって温度が最大になる場所であるので、半導体素子１２と半導体素子４０の間に第１貫通穴を形成した。

第１貫通穴３４の位置は変更可能である。第１貫通穴３４は必ずしも温度が最大となる場所に形成しなくてもよい。例えば複数の半導体素子が設けられた領域全体が高温になる場合は、複数の半導体素子が設けられた、ある程度広がりのある領域のどこかに第１貫通穴３４を設ければ、十分に放熱性を高めることができる。なお、第１貫通穴３４を設ける際には、ワイヤを切断したり、半導体素子にダメージを与えたりしないよう注意する必要がある。

金属箔２０は省略しても良い。その場合、絶縁シート１８とヒートシンク５０の間にグリスを設ける。絶縁シート１８を省略して、半導体素子の裏面をモールド樹脂２４で覆ってもよい。そのような構造はフルモールド構造と呼ばれている。

第１貫通穴３４は複数設けてもよい。第１貫通穴３４を複数設けると第３経路の数を増やすことができるので、更なる放熱性の向上が可能となる。第１貫通穴にねじを通さず、第１貫通穴を半導体素子の空冷に用いることも有効である。これらの変形は以下の実施の形態に係る半導体装置に適宜応用できる。なお、以下の実施の形態に係る半導体装置は、実施の形態１との共通点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。モールド樹脂２４に、モールド樹脂２４を厚み方向に貫通する第２貫通穴６０が複数形成されている。第２貫通穴６０は、半導体素子、ワイヤ、及びフレームの絶縁を確保できる位置に形成する。第２貫通穴６０は必ずしも金属板３２を貫通する必要はなく、半導体装置の任意の位置に形成する。半導体装置を空冷する場合、第２貫通穴６０を空気が通ることができ、対流による放熱が可能となる。また、水冷の場合、第２貫通穴６０に水（冷媒）を通すことにより放熱性を高めることができる。

実施の形態３.
図８は、実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。第２貫通穴６２の開口幅はモールド樹脂２４の上面側と下面側で異なっている。本発明の実施の形態３に係る半導体装置では、半導体装置の上方から下方へ空気が流れることを想定し、第２貫通穴６２の開口幅をモールド樹脂２４の上面側でモールド樹脂２４の下面側より大きくした。これにより、第２貫通穴６２に空気が流入しやすくなり、半導体装置の熱を対流により放熱することができる。

実施の形態４．
図９は、実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。ヒートシンク５０に、第２貫通穴６０に通じる貫通穴５０ｄが形成されている。これにより、貫通穴５０ｄと第２貫通穴６０の一方から他方へ空気が流れるので、半導体装置の熱を対流により放熱することができる。

実施の形態５．
図１０は、実施の形態５に係る半導体装置の断面図である。半導体素子１２の直上のモールド樹脂２４を横方向に貫く第１横方向貫通穴７０が形成されている。第１横方向貫通穴７０の他にも、モールド樹脂２４を横方向に貫く横方向貫通穴が形成されている。

第１横方向貫通穴７０は半導体素子１２のすぐ近くの穴であるため、第１横方向貫通穴７０に空気が流入することで、対流によって半導体装置の放熱性を高めることができる。他の横方向貫通穴にも空気が流入することで半導体装置の放熱性が高まる。また、水冷の場合、これらの穴に水を通すことにより放熱性を高めることができる。なお、第１横方向貫通穴７０は、複数の半導体素子のいずれか１つの半導体素子の直上のモールド樹脂２４を横方向に貫くものであればよい。半導体素子のすぐ近くに横方向貫通穴を形成することで、放熱性を十分に高めることができる。

実施の形態６．
図１１は、実施の形態６に係る半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態６に係る半導体装置は、半導体素子の裏面側には絶縁シートがなく、半導体素子の全方位にモールド樹脂があるものである。つまり、モールド樹脂２４は、複数の半導体素子の下面を覆っている。半導体素子１２の直下のモールド樹脂２４を横方向に貫く第２横方向貫通穴７２が形成されている。第２横方向貫通穴は半導体素子１２のすぐ近くにあるので、第２横方向貫通穴７２に空気が流入することで、対流によって半導体装置の放熱性を高めることができる。また、水冷の場合、穴に水を通すことにより放熱性を高めることができる。

第２横方向貫通穴は、複数の半導体素子のいずれか１つの半導体素子の直下のモールド樹脂２４を横方向に貫くものであればよい。よって、半導体素子１２の直下以外の位置に第２横方向貫通穴を形成してもよい。なお、第１横方向貫通穴７０と第２横方向貫通穴７２は半導体素子、ワイヤ及びフレームがない部分に設ける。

実施の形態７．
図１２は、実施の形態７に係る半導体装置の断面図である。金属箔２０の上に複数の絶縁シート１８が設けられている。複数の絶縁シート１８のそれぞれに半導体素子８０が設けられている。半導体素子８０は、モールド樹脂２４に覆われている。図１２には６つの半導体素子８０が示されているが、その中の1つを第１半導体素子８０ａとし、第１半導体素子８０ａの隣の半導体素子を第２半導体素子８０ｂとする。半導体素子の間のモールド樹脂には凹部２４ａが形成されている。例えば、第１半導体素子８０ａと第２半導体素子８０ｂの間のモールド樹脂２４には、凹部２４ａが形成されている。

図１２では半導体素子８０の電気的接続に関する要素は省略したが、凹部２４ａは、そのような電気的接続を阻害しないように設ける。凹部２４ａを設けることで、半導体素子同士の熱干渉が軽減される。つまり、ある半導体素子で発生した熱が他の半導体素子へ熱伝導する経路を凹部２４ａで遮断することで、半導体素子間の熱干渉を防ぐことができる。凹部２４ａの形状は、図１２に示す切り込みに限定されず、例えばＵ字溝などでもよい。

実施の形態８．
図１３は、実施の形態８に係る半導体装置の斜視図である。モールド樹脂２４によって第１半導体素子９０ａと第２半導体素子９０ｂが覆われている。第１半導体素子９０ａは、第１コレクタと第１エミッタと第１ゲートを有するスイッチング素子であり、第２半導体素子９０ｂは、第２コレクタと第２エミッタと第２ゲートを有するスイッチング素子である。モールド樹脂２４の中で第１エミッタと第２コレクタが接続されている。

第１半導体素子９０ａの裏面側に第１絶縁シート１８ａが設けられている。第２半導体素子９０ｂの裏面側に第１絶縁シート１８ａと接触しない第２絶縁シート１８ｂが設けられている。

実施の形態８に係る半導体装置は、Ｐ側の半導体素子として機能する第１半導体素子９０ａとＮ側の半導体素子として機能する第２半導体素子９０ｂを有するモータ駆動用インバータ装置を構成している。そして、第１半導体素子９０ａの絶縁に用いられる第１絶縁シート１８ａと第２半導体素子９０ｂの絶縁に用いられる第２絶縁シート１８ｂを分割することで、第１半導体素子９０ａと第２半導体素子９０ｂの間の熱干渉を抑制することができる。

本発明の実施の形態８に係る半導体装置は様々な変形が可能である。例えば、第１半導体素子はコレクタとエミッタとゲートを有するスイッチング素子とし、第２半導体素子はゲートに接続された制御ＩＣとしてもよい。この場合、制御ＩＣとゲートがワイヤ接続される。こうすると、所謂パワーチップである第１半導体素子直下の絶縁シート(第１絶縁シート１８ａ)と、制御ＩＣ直下の絶縁シート（第２絶縁シート１８ｂ）が分割されることになる。これにより、パワーチップと制御ＩＣの熱干渉を抑制することができる。

図１４は、別の変形例に係る半導体装置の斜視図である。第１絶縁シート１８ａ及び第２絶縁シート１８ｂと同じ材料で形成された接続部１８ｃが設けられている。接続部１８ｃは、第１絶縁シート１８ａと第２絶縁シート１８ｂが対向しつつ接触しない部分を残しつつ、第１絶縁シート１８ａと第２絶縁シート１８ｂを接続するものである。言い換えれば、接続部１８ｃは、第１絶縁シート１８ａと第２絶縁シート１８ｂの端部を接続する。これにより、熱干渉抑制の効果を享受しつつ、絶縁シートの位置ズレを防止できる。

ここまでに説明した各実施の形態に係る半導体装置の特徴は適宜に組み合わせて用いてもよい。

１０ 半導体装置、 １２,１４,４０,４２ 半導体素子、 １６,１７ フレーム、 １８,１８ａ,１８ｂ 絶縁シート、 １８ｃ 接続部、 ２０ 金属箔、 ２４ モールド樹脂、 ３２ 金属板、 ３４ 第１貫通穴、 ５０ ヒートシンク、 ５０ｃ ねじ穴、 ５０ｄ 貫通穴、 ６０,６２ 第２貫通穴、 ７０ 第１横方向貫通穴、 ７２ 第２横方向貫通穴

Claims (8)

1. 複数の半導体素子と、
   前記複数の半導体素子を覆うモールド樹脂と、
   下面と側面が前記モールド樹脂に埋め込まれることで上面だけが露出し、前記複数の半導体素子の上に位置する金属板と、を備え、
   前記モールド樹脂の厚み方向に、前記金属板と前記モールド樹脂を貫く第１貫通穴が設けられたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１貫通穴は、平面視で、前記複数の半導体素子の間に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. ねじ穴を有するヒートシンクと、
   頭部が前記金属板と接触し、軸部が前記第１貫通穴を通り前記ねじ穴に螺合されたねじと、を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記複数の半導体素子の裏面に接するフレームと、
   前記フレームに接する絶縁シートと、
   前記絶縁シートと前記ヒートシンクの間に設けられたグリスと、を備えたことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記複数の半導体素子の裏面に接するフレームと、
   前記フレームに接する絶縁シートと、
   前記絶縁シートに接する金属箔と、
   前記金属箔と前記ヒートシンクの間に設けられたグリスと、を備えたことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
6. 前記モールド樹脂に、前記モールド樹脂を厚み方向に貫通する第２貫通穴が形成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記第２貫通穴の開口幅は前記モールド樹脂の上面側と下面側で異なることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記モールド樹脂に、前記モールド樹脂を厚み方向に貫通する第２貫通穴が形成され、
   前記ヒートシンクに、前記第２貫通穴に通じる貫通穴が形成されたことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。

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