JP6424600B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を封止した半導体モジュールに、当該半導体素子の熱を放出する放熱器および当該放熱器を冷却する冷却器を備えた半導体装置に関する。

例えば、特許文献１に、半導体素子を封止して半導体モジュールとしてパッケージ化させた半導体装置が記載されている。この特許文献１に記載された半導体装置は、モールド樹脂で封止されたパワー素子（半導体素子）に、ヒートスプレッダーおよび絶縁樹脂シートを介して、放熱フィン（放熱器）が接合された構造をしている。

また例えば、特許文献２に、半導体素子を冷却する冷却器を備えた半導体装置が記載されている。この特許文献２に記載された半導体装置は、半導体素子が絶縁板を介してヒートシンク（放熱器）と接合されており、冷却水路を有する冷却器がヒートシンクと熱接触するように設けられた構造をしている。

上述した２つの半導体装置をさらに進展させた構造として、例えば、特許文献１に示された樹脂封止によるパッケージ化の手法を特許文献２の半導体装置に採用し、さらにパッケージ化された半導体装置の両側にそれぞれ冷却器を設けた構造が考えられる。このような構造による半導体装置５の一例を、図４に示す。

図４に示す半導体装置５は、半導体素子１２の両側に放熱冷却機構（放熱板１３、絶縁樹脂シート１４、ヒートシンク１５、冷却器１７）を有した構成である。この半導体装置５の構造では、冷却器１７の冷却水路１７ａを流れる冷却水が冷却水路１７ａの外に漏れないようにする必要がある。このため、冷却水路１７ａを囲む側壁１７ｓの上端部とヒートシンク１５との間にシール部材１８が挿入される。

特許第５５１１６２１号公報 特開２０１３−１６１９９３号公報

ヒートシンク１５に冷却器１７を接合する時や半導体素子１２の動作に伴う冷熱ストレスがかかる時などに、冷却器１７に荷重がかかる。この冷却器１７にかかる荷重は、シール部材１８を通してヒートシンク１５の端部にかかる。しかし、図４に示す半導体装置５の構造では、垂直断面視において、半導体モジュール５０のエッジ部ｅ（絶縁樹脂シート１４と接するパッケージ面の端部）が、シール部材１８の外周位置よりも内側（冷却器１７の中心方向）にある。このため、ヒートシンク１５の端部にかかる荷重によって、半導体モジュール５０のエッジ部ｅを支点としたヒートシンク１５の変形を生じさせてしまう。このヒートシンク１５の変形によって、半導体モジュール５０のエッジ部ｅが接触する絶縁樹脂シート１４の箇所（図４における破線円の箇所）に高い応力がかかる。よって、絶縁樹脂シート１４の剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みて、絶縁樹脂シートの剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減させた半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、一方の主面に第１の放熱部材が接合され、他方の主面に第２の放熱部材が接合された半導体素子を、当該第１の放熱部材及び第２の放熱部材の一部を露出させて封止した半導体モジュールと、第１の放熱部材の第１の露出部を含む半導体モジュールの第１の放熱面に、第１の露出部を覆うように接合された第１の絶縁樹脂シートと、第１の絶縁樹脂シートの半導体モジュールが接合されていない面に接合された第１の放熱器と、第１の放熱器の第１の絶縁樹脂シートが接合されていない面と第１のシール部材を介して接合され、第１の冷却水路を流れる冷却水を用いて第１の放熱器を冷却する第１の冷却器と、第２の放熱部材の第２の露出部を含む半導体モジュールの第２の放熱面に、当該第２の露出部を覆うように接合された第２の絶縁樹脂シートと、第２の絶縁樹脂シートの半導体モジュールが接合されていない面に接合された第２の放熱器と、第２の放熱器の第２の絶縁樹脂シートが接合されていない面と第２のシール部材を介して接合され、第２の冷却水路を流れる冷却水を用いて第２の放熱器を冷却する第２の冷却器と、を備え、第１の絶縁樹脂シートの端部は、第１のシール部材の外周位置よりも外側に位置し、かつ、半導体モジュールの第１の放熱面の第１のエッジ部よりも内側に設けられ、第２の絶縁樹脂シートの端部は、第２のシール部材の外周位置よりも外側に位置し、かつ、半導体モジュールの第２の放熱面の第２のエッジ部よりも内側に設けられ、半導体モジュールの第１の放熱面の第１のエッジ部が、第１のシール部材の外周位置よりも外側に位置し、かつ、半導体モジュールの第２の放熱面の第２のエッジ部が、第２のシール部材の外周位置よりも外側に位置している、ことを特徴とする。

この本発明の半導体装置によれば、絶縁樹脂シートを、端部がシール部材の外周位置よりも外側になる形状にしている。また、半導体モジュールを、絶縁樹脂シートと接する放熱面のエッジ部がシール部材の外周位置よりも外側になる形状にしている。これにより、冷熱ストレスなどがかかって冷却器に荷重が加わっても、半導体モジュールのエッジ部を支点とした放熱器（ヒートシンク）の変形が生じなくなる。これにより、放熱器（ヒートシンク）の変形に伴う絶縁樹脂シートにかかる応力を、低減させることができる。従って、本発明に係る半導体装置は、絶縁樹脂シートの剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減できる。

以上述べたように、本発明の半導体装置によれば、絶縁樹脂シートの剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減できる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置１の全体構造の断面を示す概略図 半導体装置１の製造例を示す図 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置２の全体構造の断面を示す概略図 従来の半導体装置５の一例を説明する断面図

以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体装置の実施形態について詳細に説明する。

本発明に係る半導体装置は、半導体素子が封止された半導体モジュールのパッケージ形状を、冷却器の形状に応じて設定する。例えば、半導体モジュールのエッジ部を、放熱器（ヒートシンク）と冷却器の側壁との間に挿入されるシール部材の外周位置よりも外側の位置に設ける。また、半導体モジュールと放熱器との間に挿入される絶縁樹脂シートを、端部がシール部材の外周位置よりも外側の位置となるように設ける。この構造により、冷熱ストレスによって冷却器に荷重が加わっても、半導体モジュールのエッジ部を支点とした放熱器（ヒートシンク）の変形が生じなくなる。これにより、絶縁樹脂シートにかかる応力を低減させることができる。従って、本発明に係る半導体装置は、絶縁樹脂シートの剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減できる。

＜第１の実施形態＞
［半導体装置の全体構造］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置１の全体構造の断面を示す概略図である。本第１の実施形態に係る半導体装置１は、複数の半導体素子１２、複数の放熱板１３、複数の絶縁樹脂シート１４、複数のヒートシンク１５、および複数の冷却器１７を備えている。半導体装置１の構成要素のうち、複数の半導体素子１２および複数の放熱板１３は、例えばエポキシ樹脂などの材料からなる樹脂部材１６によって封止されて、半導体モジュール１０としてパッケージ化されている。

図１では、複数の半導体素子１２を用いた、例えばインバータ回路を搭載した半導体装置１であって、半導体素子１２の両側に放熱冷却機構（放熱板１３、絶縁樹脂シート１４、ヒートシンク１５、冷却器１７）を有した構成を例示している。

なお、図１に示した半導体装置１の構造は一例である。よって、半導体モジュール１０としてパッケージ化される半導体素子１２は１つであってもよいし、半導体モジュール１０が有する放熱冷却機構も半導体素子１２の少なくとも一方の主面側にだけ備えられていてもよい。

各半導体素子１２は、例えばパワートランジスタなどの、動作時に発熱する発熱性を持った電力用半導体素子である。半導体素子１２は、２つの主面を有する略四角平板の形状をしている。各半導体素子１２の各主面は、例えば半田などの接合部材やスペーサ部材などを介して、複数の放熱板１３とそれぞれ接合されている。この半導体素子１２は、例えば図示しないリード端子などを介して外部の回路基板と電気的に接続されている。

各放熱板１３は、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの熱伝導性に優れた材料で構成される放熱部材である。この放熱板１３は、各半導体素子１２で発生した熱をヒートシンク１５に逃がす、いわゆるヒートスプレッダーとしての役割を有する。放熱板１３の半導体素子１２が接合されていない面（以下、露出部という）は、樹脂部材１６で覆われておらず、半導体モジュール１０のパッケージ外部に露出している。以下、放熱板１３の露出部を含んだ半導体モジュール１０のパッケージ面、つまり半導体モジュール１０の絶縁樹脂シート１４に対向したパッケージ面を、放熱面という。

絶縁樹脂シート１４は、例えば高い熱伝導性を有した熱硬化樹脂材料で構成され、放熱板１３の熱をヒートシンク１５に伝える役割を担う。加えて、絶縁樹脂シート１４は、放熱板１３とヒートシンク１５とを電気的に絶縁する役割をも担う。高い熱伝導性を有した樹脂としては、高熱伝導セラミックを含有したアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを内部に充填した樹脂などが挙げられる。この絶縁樹脂シート１４は、半導体モジュール１０（の放熱面）とヒートシンク１５との間に挿入される。絶縁樹脂シート１４は、放熱板１３の露出部を覆い、後述するシール部材１８の外周位置よりも外側に端部が位置するように設けられる。

ヒートシンク１５は、例えば銅やアルミニウムなどの熱伝導性に優れた材料で構成される放熱器である。ヒートシンク１５は、接合される半導体モジュール１０（の放熱面）から絶縁樹脂シート１４を介して伝わる熱を、半導体モジュール１０の外部に放出させる役割を有する。図１に例示するように、本実施形態のヒートシンク１５は、略平板状の基部（天板）の中央部分に複数のフィンを設けた形状をしている。複数のフィンは、ヒートシンク１５の半導体モジュール１０が接合されていない面に立設されている。

冷却器１７は、少なくとも１面に凹状の冷却水路１７ａが形成された、略直方体形状の構成である。冷却器１７は、略平板状の底板１７ｂと、底板１７ｂの周縁部に垂直に立ち上がる側壁１７ｓとで、冷却水路１７ａを形成する。冷却器１７は、金属または樹脂などの材料で構成される。冷却水路１７ａは、ヒートシンク１５の複数のフィンを少なくとも内壁に非接触で収納できる開口形状かつ深さ形状を有している。冷却水路１７ａには、収納されるヒートシンク１５の複数のフィンを冷却するための冷却水が流れる。この冷却水は、図示しない流入口から供給され、ヒートシンク１５の複数のフィンが持つ熱を奪い取った後に、図示しない流出口から排出される。この冷却器１７は、冷却水路１７ａがヒートシンク１５に対向した状態で、側壁１７ｓにおいてヒートシンク１５と接合される。この接合により、冷却器１７の冷却水路１７ａがヒートシンク１５によって塞がれて、冷却水路１７ａの内部が冷却水の流路となる。接合される側壁１７ｓの上端部とヒートシンク１５の当接面との間には、例えばパッキンやガスケットなどのシール部材１８が挿入される。このシール部材１８によって、冷却水路１７ａを流れる冷却水が冷却水路１７ａの外に漏れることを防ぐ。

上述した絶縁樹脂シート１４、ヒートシンク１５、シール部材１８、および冷却器１７は、この順番で半導体モジュール１０の両側に配置させた状態で、半導体モジュール１０を挟む方向へ冷却器１７に圧力が加えられる（図２）。これにより、シール部材１８と冷却器１７の側壁１７ｓおよびヒートシンク１５とが密着して、図１に示す半導体装置１が形成される。

［半導体装置の特徴的構造］
本第１の実施形態に係る半導体装置１の特徴は、複数の半導体素子１２および複数の放熱板１３を樹脂部材１６で封止してなる半導体モジュール１０の形状にある。具体的には、垂直断面視において、半導体モジュール１０のエッジ部ｅ（絶縁樹脂シート１４と接するパッケージ面の端部）を、シール部材１８の外周位置よりも外側（冷却器１７の外縁方向）の位置に設ける（図１の点線を参照）。より好ましくは、垂直断面視において、半導体モジュール１０のエッジ部ｅを、冷却器１７の外縁よりも外側の位置に設ける。また、絶縁樹脂シート１４は、垂直断面視において、半導体モジュール１０のエッジ部ｅよりも、端部が内側（冷却器１７の中心方向）に位置している。

［半導体装置の作用および効果］
上述した第１の実施形態に係る半導体装置１の構成によれば、半導体モジュール１０のエッジ部ｅが、シール部材１８の外周位置よりも外側にある。また、半導体モジュール１０とヒートシンク１５との間に挿入される絶縁樹脂シート１４の端部が、シール部材１８の外周位置よりも外側の位置にある。このため、ヒートシンク１５に冷却器１７を接合する時や半導体素子１２の動作に伴う冷熱ストレスがかかる時などに、冷却器１７に荷重が加わっても、半導体モジュール１０のエッジ部ｅを支点としたヒートシンク１５の変形が生じなくなる。つまり、冷却器１７の側壁１７ｓによってヒートシンク１５の端部が受ける荷重を半導体モジュール１０の面で支えることができるので、ヒートシンク１５の変形が生じにくくなる。これにより、ヒートシンク１５の変形に伴う絶縁樹脂シート１４にかかる応力を、低減させることができる。従って、絶縁樹脂シート１４の剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減できる。

また、本第１の実施形態に係る半導体装置１の構成によれば、絶縁樹脂シート１４の端部を、半導体モジュール１０のエッジ部ｅよりも内側に設けている。つまり、絶縁樹脂シート１４が半導体モジュール１０のエッジ部ｅに重ならない。このため、冷却器１７の側壁１７ｓから受ける荷重によってヒートシンク１５の端部に変形が生じたとしても、半導体モジュール１０のエッジ部ｅが絶縁樹脂シート１４に接触しない。よって、絶縁樹脂シート１４は、半導体モジュール１０のエッジ部ｅからの直接的な応力を受けない。従って、絶縁樹脂シート１４の剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれをさらに低減できる。

なお、発明者が行った実験では、上述した本実施形態に係る半導体装置１の構造において、絶縁樹脂シート１４にかかる応力を、従来と比べておおよそ５０％も低減できることが確認できた。

＜参考例＞
［半導体装置の全体構造］
図３は、本発明の参考例に係る半導体装置２の全体構造の断面を示す概略図である。参考例に係る半導体装置２は、複数の半導体素子１２、複数の放熱板１３、複数の絶縁樹脂シート１４、複数のヒートシンク２５、および複数の冷却器２７を備えている。この参考例に係る半導体装置２の構成は、上記第１の実施形態に係る半導体装置１の構成と、ヒートシンク２５と冷却器２７とをシール部材を用いずに一体化した点が異なる。この半導体装置２において半導体装置１と同じ構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。

半導体装置２は、ヒートシンク２５と冷却器２７とを一体化することで、シール部材を用いることなく、冷却水路２７ａを流れる冷却水が冷却水路２７ａの外に漏れることを防いでいる。ヒートシンク２５と冷却器２７とを一体化する手法としては、例えば次のような手法がある。ヒートシンク２５をアルミニウムで形成し、冷却器２７を樹脂で形成して、レーザ照射などを用いて両者を異種接合する手法である。または、冷却器２７の金型を用意し、この金型内に収めたヒートシンク２５に対して樹脂を射出して、インサート成形する手法である。図３に例示した構造では、垂直断面視において、ヒートシンク２５の外縁と冷却器２７の外縁とを揃えて一体化しているが、これに限定されない。

［半導体装置の特徴的構造］
この半導体装置２の構成では、垂直断面視において、半導体モジュール２０のエッジ部ｅを、冷却器２７およびヒートシンク２５の外縁よりも外側の位置に設けている（図３）。また、絶縁樹脂シート１４の端部を、半導体モジュール２０のエッジ部ｅよりも内側に設けている。

［半導体装置の作用および効果］
参考例に係る半導体装置２の構造によれば、半導体モジュール１０のエッジ部ｅが、冷却器２７およびヒートシンク２５の外縁よりも外側にある。このため、ヒートシンク２５と冷却器２７とを一体化する時や半導体素子１２の動作に伴う冷熱ストレスがかかる時などに、冷却器２７に荷重が加わっても、半導体モジュール２０のエッジ部ｅを支点としたヒートシンク２５の変形が生じなくなる。これにより、ヒートシンク２５の変形に伴う絶縁樹脂シート１４にかかる応力を、低減させることができる。従って、絶縁樹脂シート１４の剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減できる。

また、参考例に係る半導体装置２の構造によれば、冷却器２７から受ける荷重によってヒートシンク２５の端部に変形が生じたとしても、半導体モジュール２０のエッジ部ｅが絶縁樹脂シート１４に接触しない。これにより、絶縁樹脂シート１４は、半導体モジュール２０のエッジ部ｅからの直接的な応力を受けない。従って、絶縁樹脂シート１４の剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれをさらに低減できる。

さらに、参考例に係る半導体装置２の構造によれば、シール部材を用いずにヒートシンク２５と冷却器２７とを一体化しているため、シール部材を省略した分だけ冷却器２７およびヒートシンク２５のサイズを縮小させることができる。

なお、発明者が行った実験では、上述した参考例の半導体装置２の構造において、絶縁樹脂シート１４にかかる応力を、従来と比べておおよそ５０％も低減できることが確認できた。

本発明は、半導体素子を封止した半導体モジュールに、当該半導体素子の熱を放出する放熱器および当該放熱器を冷却する冷却器を備えた半導体装置などに利用可能である。

１、２、５ 半導体装置
１０、２０、５０ 半導体モジュール
１２ 半導体素子
１３ 放熱板（放熱部材）
１４ 絶縁樹脂シート
１５、２５ ヒートシンク（放熱器）
１６ 樹脂部材
１７、２７ 冷却器
１７ａ、２７ａ 冷却水路
１７ｂ 底板
１７ｓ 側壁
１８ シール部材

Claims (1)

1. 半導体装置であって、
   一方の主面に第１の放熱部材が接合され、他方の主面に第２の放熱部材が接合された半導体素子を、当該第１の放熱部材及び第２の放熱部材の一部を露出させて封止した半導体モジュールと、
   前記第１の放熱部材の第１の露出部を含む前記半導体モジュールの第１の放熱面に、当該第１の露出部を覆うように接合された第１の絶縁樹脂シートと、
   前記第１の絶縁樹脂シートの前記半導体モジュールが接合されていない面に接合された第１の放熱器と、
   前記第１の放熱器の前記第１の絶縁樹脂シートが接合されていない面と第１のシール部材を介して接合され、第１の冷却水路を流れる冷却水を用いて前記第１の放熱器を冷却する第１の冷却器と、
   前記第２の放熱部材の第２の露出部を含む前記半導体モジュールの第２の放熱面に、当該第２の露出部を覆うように接合された第２の絶縁樹脂シートと、
   前記第２の絶縁樹脂シートの前記半導体モジュールが接合されていない面に接合された第２の放熱器と、
   前記第２の放熱器の前記第２の絶縁樹脂シートが接合されていない面と第２のシール部材を介して接合され、第２の冷却水路を流れる冷却水を用いて前記第２の放熱器を冷却する第２の冷却器と、
   を備え、
   前記第１の絶縁樹脂シートの端部は、前記第１のシール部材の外周位置よりも外側に位置し、かつ、前記半導体モジュールの前記第１の放熱面の第１のエッジ部よりも内側に設けられ、
   前記第２の絶縁樹脂シートの端部は、前記第２のシール部材の外周位置よりも外側に位置し、かつ、前記半導体モジュールの前記第２の放熱面の第２のエッジ部よりも内側に設けられ、
   前記半導体モジュールの前記第１の放熱面の前記第１のエッジ部が、前記第１のシール部材の外周位置よりも外側に位置し、かつ、前記半導体モジュールの前記第２の放熱面の前記第２のエッジ部が、前記第２のシール部材の外周位置よりも外側に位置していることを特徴とする、半導体装置。

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