JP6480098B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば大電流の制御などに用いられる半導体装置に関する。

特許文献１には、ベース板を有しないベースレス構造の半導体装置が開示されている。この半導体装置は、絶縁基板を接着剤でケースに固定するものである。

特開平７−３２６７１１号公報

ベースレス構造の半導体装置は、ベース板がないので剛性が低い。そのため、ねじ締めなどにより半導体装置をヒートシンクに固定する際に絶縁基板に力が及ぼされ、絶縁基板が上に凸に反ることがある。絶縁基板が上に凸に反ると絶縁基板にクラックが生じたり、絶縁基板とヒートシンクとの間の熱抵抗が増加したりする問題があった。

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、絶縁基板が上に凸に反ることを抑制でき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、絶縁基板と、該絶縁基板の上面に固定された半導体素子と、該半導体素子を囲む包囲部を有する、樹脂で形成されたケースと、端部が該包囲部に固定され、該絶縁基板の上に位置する金属支持体と、該絶縁基板が上に凸に反らないように、該金属支持体から下方に伸びる押さえ部と、該絶縁基板と該ケースを接着する接着剤と、を備え、該絶縁基板は、該金属支持体の復元力が付与された該押さえ部により下方に押圧されることで下に凸に反り、該絶縁基板の下面は該ケースの下面よりも下に位置することを特徴とする。

本発明によれば、押さえ部が絶縁基板の上方への変位を阻止するので、絶縁基板が上に凸に反ることを抑制できる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 半導体装置の平面図である。 金属支持体等の斜視図である。 半導体装置をヒートシンクに固定することを示す図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。 半導体装置の一部断面図である。 接着剤を熱硬化させる工程を説明する図である。 本発明の実施の形態５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に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態７に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態８に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態９に係る半導体装置の断面図である。

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は絶縁基板１２を備えている。絶縁基板１２は、セラミック基板１４、セラミック基板１４の上面側に形成された金属パターン１６、及びセラミック基板１４の下面側に形成された金属膜１８を備えている。金属パターン１６と金属膜１８は例えばアルミで形成されている。このように、絶縁基板１２は、セラミック基板１４の両面にアルミを形成した構成である。

絶縁基板１２の上面には、はんだ２０によって、半導体素子２２が固定されている。半導体素子２２は、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)又はダイオードなどであるが、特にこれらに限定されない。

半導体装置１０は、例えばＰＰＳ樹脂（ポリフェニレンサルファイド樹脂）で形成されたケース３０を備えている。ケース３０は、包囲部３０Ａ、延伸部３０Ｂ、及び押さえ部３０Ｃを備えている。包囲部３０Ａは半導体素子２２を囲む部分である。延伸部３０Ｂは、包囲部３０Ａから絶縁基板１２の上方に伸びる部分である。押さえ部３０Ｃは、絶縁基板１２が上に凸に反らないように、絶縁基板１２の上方から絶縁基板１２の中央部を押さえる部分である。

延伸部３０Ｂには金属支持体４０が乗せられている。金属支持体４０は棒状の銅で形成されている。金属支持体４０の端部は、例えばインサート成形により、包囲部３０Ａに固定されている。つまり、金属支持体４０の端部は包囲部３０Ａに埋め込まれている。この金属支持体４０は、絶縁基板１２の上に位置している。

図２は、半導体装置１０の平面図である。ケース３０の包囲部３０Ａの四隅には貫通孔３０Ｄが形成されている。そして、金属支持体４０は絶縁基板１２の中央部を横断するように設けられている。押さえ部３０Ｃの位置は、破線で示されているとおり、絶縁基板１２の中央の直上である。

図３は、金属支持体４０等の斜視図である。金属支持体４０は、延伸部３０Ｂ及び押さえ部３０Ｃの直上に位置している。押さえ部３０Ｃは金属支持体４０から下方に伸びているので、押さえ部３０Ｃの上方への変位は金属支持体４０によって抑制されている。

図１の説明に戻る。絶縁基板１２とケース３０は接着剤３２で接着されている。具体的には、ケース３０の包囲部３０Ａの側面３０ａとセラミック基板１４が接着剤３２で接着されている。また、ケース３０の段差部３０ｂにセラミック基板１４の端部が接触している。

図４は、半導体装置１０をヒートシンク５０に固定することを示す図である。ヒートシンク５０の表面には放熱グリス５２が塗布されている。また、ヒートシンク５０にはねじ穴５０Ａが形成されている。貫通孔３０Ｄを通したねじ５４をヒートシンク５０のねじ穴５０Ａに締める。これにより、放熱グリス５２を介して、金属膜１８とヒートシンク５０を接触させる。本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０は、上記のとおり、ヒートシンク５０に固定される。

半導体装置１０をヒートシンク５０に取り付ける際のねじ締めによりケース３０が歪むと、絶縁基板１２が上に凸に反るおそれがある。しかしながら、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０では、押さえ部３０Ｃが絶縁基板１２の中央部を下方に押さえつけるので、絶縁基板１２が上に凸に反ることを抑制できる。しかも、押さえ部３０Ｃの上には金属支持体４０があるので、押さえ部３０Ｃが絶縁基板１２に押されて上方に変位することはない。従って、絶縁基板１２が上に凸に反ることを確実に防止できる。

また、半導体装置１０を構成する部材間には線膨張係数差が存在する。そのため、パワーサイクルなどの温度変化により、絶縁基板が上下方向に変位すると、はんだに引張応力を及ぼすと考えられる。はんだに引張応力が及ぼされると、はんだにクラックが入るおそれがある。しかしながら、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０は、押さえ部３０Ｃにより絶縁基板１２の変位を抑制するため、はんだ２０のクラックを防止できる。さらに、絶縁基板１２の変位抑制により、放熱グリス５２などの放熱材が絶縁基板１２とヒートシンク５０の間から押し出されるポンピングアウトを抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る金属支持体４０は銅で形成され、ケース３０はＰＰＳ樹脂で形成されているので、金属支持体４０とケース３０の熱膨張係数はほぼ等しい。従って、金属支持体４０とケース３０の熱膨張係数の差により両者が変形することを回避できるので、上記の効果を確実に得ることができる。

ところで、絶縁基板１２の金属パターン１６と金属膜１８はアルミで形成されているので、これらを銅で形成した場合などと比較して、絶縁基板１２の剛性は低い。剛性の低い絶縁基板１２の反りは、押さえ部３０Ｃ及び金属支持体４０の剛性を高めることなく容易に抑制できる。従って、押さえ部３０Ｃと金属支持体４０の材料として剛性の低い材料を採用できるので、材料選択の幅が広がる。また、押さえ部３０Ｃと金属支持体４０の厚さ又は幅を小さくして、コスト削減することもできる。

金属支持体４０の形状は、絶縁基板１２が上に凸に反ることを防止できれば、特に限定されない。例えば、金属支持体として平板を用いても良い。また、金属支持体を十字型に形成して、金属支持体の４つの端部を包囲部３０Ａに固定してもよい。この場合、十字型の金属支持体のクロスする部分を押さえ部の直上に位置させると、押さえ部の変位抑制効果を高めることができる。

押さえ部３０Ｃは絶縁基板１２に接触することが好ましいが、押さえ部３０Ｃと絶縁基板１２の間に僅かな隙間があっても、絶縁基板１２が大きく上に凸に反ることを抑制できる。従って、押さえ部３０Ｃと絶縁基板１２は接触させなくてもよい。

半導体素子２２は珪素で形成されることが多いが、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドがある。ワイドバンドギャップ半導体で形成した半導体素子２２は、珪素で形成した半導体素子よりも、高電流密度で発熱量が大きい。この場合、絶縁基板１２が大きく反ることが懸念されるが、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０では、押さえ部３０Ｃにより絶縁基板１２の反りを抑制できる。その他、本発明の特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。なお、これらの変形は以下の実施の形態に係る半導体装置にも応用できる。

以下の実施の形態に係る半導体装置については、実施の形態１に係る半導体装置１０と共通点が多いので、半導体装置１０との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。この半導体装置は、押さえ部３０Ｅと押さえ部３０Ｆを備えている。押さえ部３０Ｅと押さえ部３０Ｆが絶縁基板１２に接することで、絶縁基板１２が上に凸に反ることを防止する。このように、押さえ部を複数備えることで絶縁基板１２が上に凸に反ることを確実に防止できる。

ところで、絶縁基板が反るとき絶縁基板は中央部で変位量が最大となる。そのため、実施の形態１では押さえ部３０Ｃで絶縁基板１２の中央部を押さえた。しかしながら、絶縁基板の反りを抑制できる限り、実施の形態２に係る押さえ部３０Ｅ、３０Ｆのように絶縁基板１２の非中央部を押さえてもよい。また、押さえ部の数は特に限定されない。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。押さえ部６０は、例えばゴムなどの弾性体で形成されている。押さえ部６０はケース３０とは別部材である。押さえ部６０により絶縁基板１２が上に凸に反ることを抑制できる。また、絶縁基板１２を上に凸に反らせる力が非常に強い場合、押さえ部により絶縁基板の変位を完全に防止してしまうと、絶縁基板のクラックの原因となる。しかし、弾性体により絶縁基板の僅かな反りを許容することで、クラックを防止できる。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。絶縁基板１２は、押さえ部３０Ｃにより下方に押圧されることで下に凸に反っている。また、絶縁基板１２の下面はケース３０の下面よりも下に位置している。

本発明の実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を説明する。図８は、絶縁基板１２とケース３０を接着する前の半導体装置の一部断面図である。接着剤３２は塗布されているだけで、熱硬化前である。絶縁基板１２の下面はケース３０の下面よりも距離ｙだけ下に位置している。

接着剤３２を熱硬化させる工程について、図９を参照しつつ説明する。この工程では、ねじ穴７０Ａを有するキュアベース板７０を利用する。まず、ねじ７２をケース３０の貫通孔３０Ｄに通しねじ穴７０Ａに締めることで、半導体装置をキュアベース板７０に固定する。このとき、絶縁基板１２の下面とケース３０の下面が同じ高さとなるため、金属支持体４０が上に凸に反る。

次いで、キュアベース板７０から絶縁基板１２に熱供給して、接着剤３２を熱硬化させる。こうして、絶縁基板１２とケース３０を接着する。次いで、ねじ７２を緩めて半導体装置をキュアベース板７０から取り出すと、弾性を有する金属支持体４０の復元力により押さえ部３０Ｃが下方に変位する。そして押さえ部３０Ｃにより絶縁基板１２が下方に押圧され、絶縁基板１２が下に凸に反る。

ここで、絶縁基板が上に凸に反ると、絶縁基板とヒートシンクの接触面積が少なくなるので、熱抵抗が悪化する。しかし、本発明の実施の形態４に係る半導体装置は、押さえ部３０Ｃにより絶縁基板１２を下に凸に反らせることができるので、熱抵抗の悪化を回避できる。

実施の形態５．
図１０は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置の断面図である。金属支持体４０は凹部４０Ａを有している。そして、凹部４０Ａはケース３０の樹脂３０Ｇで満たされている。樹脂３０Ｇはインサート成形で形成できる。凹部４０Ａに樹脂３０Ｇを満たすことで、金属支持体４０とケース３０の接合面積を増やすことができるので、押さえ部３０Ｃの剛性を高めることができる。よって、絶縁基板１２が上に凸に反ることを確実に防止できる。

実施の形態６．
図１１は、本発明の実施の形態６に係る半導体装置の断面図である。絶縁基板１２は接着剤３２のみを介して包囲部３０Ａと接している。そのため、絶縁基板１２と包囲部３０Ａは直接接触していない。絶縁基板１２の外周部がケース３０よりもヤング率の小さい接着剤３２のみと接することで、絶縁基板１２の変位の応力が緩和され絶縁基板１２が割れにくくなる。

実施の形態７．
図１２は、本発明の実施の形態７に係る半導体装置の断面図である。この半導体装置は、金属支持体４０に接続された電極８０を備えている。また、金属支持体４０と電極８０を同一部材で形成しても良い。そして、金属支持体４０はワイヤ８２、８４により半導体素子２２に接続されている。そのため、金属支持体４０は、押さえ部３０Ｃを固定する機能に加えて、半導体素子２２の電極としての機能も有する。従って、半導体装置内における部品の実装密度を高め半導体装置内部の空間を効率的に利用できる。これは、半導体装置の小型化に寄与する。

実施の形態８．
図１３は、本発明の実施の形態８に係る半導体装置の断面図である。押さえ部９０は金属支持体４０と一体的に金属で形成されている。そして、押さえ部９０は、はんだ９２により半導体素子２２の電極に固定されている。従って、電極８０と半導体素子２２をワイヤなどで接続する必要がないので、製造コストを低減できる。なお、更に製造コストを低減するために、電極８０、金属支持体４０、及び押さえ部９０を一体的に金属で形成しても良い。

実施の形態９．
図１４は、本発明の実施の形態９に係る半導体装置の断面図である。押さえ部９０は金属支持体４０と一体的に金属で形成されている。そして、押さえ部９０は、半導体素子２２の裏面電極と電気的に接続された金属パターン１６に固定されている。押さえ部９０の応力、絶縁基板１２が上に凸に反ろうとする力、又はこれら両方の力により、はんだを用いることなく、押さえ部９０と金属パターン１６が接触している。押さえ部９０と金属パターン１６の固定を確実にするためにはんだを用いてもよい。

本発明の実施の形態９に係る半導体装置によれば、電極８０と金属パターン１６をワイヤなどで接続する必要がないので、製造コストを低減できる。なお、更に製造コストを低減するために、電極８０、金属支持体４０、及び押さえ部９０を一体的に金属で形成しても良い。

絶縁基板１２は半導体素子２２よりも破壊耐量が高い。そのため、押さえ部９０を絶縁基板１２に固定する本発明の実施の形態９に係る半導体装置は、押さえ部を半導体素子に固定する実施の形態８の半導体装置と比較して、押さえ部９０が下方に及ぼす力を大きくすることができる。よって、絶縁基板１２の変位を確実に抑制できる。

なお、ここまでで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もよい。

１０ 半導体装置、 １２ 絶縁基板、 １４ セラミック基板、 １６ 金属パターン、 １８ 金属膜、 ２０ はんだ、 ２２ 半導体素子、 ３０ ケース、 ３０Ａ 包囲部、 ３０Ｂ 延伸部、 ３０Ｃ 押さえ部、 ３０Ｄ 貫通孔、 ４０ 金属支持体

Claims (8)

1. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板の上面に固定された半導体素子と、
   前記半導体素子を囲む包囲部を有する、樹脂で形成されたケースと、
   端部が前記包囲部に固定され、前記絶縁基板の上に位置する金属支持体と、
   前記絶縁基板が上に凸に反らないように、前記金属支持体から下方に伸びる押さえ部と、
   前記絶縁基板と前記ケースを接着する接着剤と、を備え、
   前記絶縁基板は、前記金属支持体の復元力が付与された前記押さえ部により下方に押圧されることで下に凸に反り、
   前記絶縁基板の下面は前記ケースの下面よりも下に位置することを特徴とする半導体装置。
2. 前記押さえ部を複数備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記押さえ部を弾性体で形成したことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記金属支持体は銅で形成され、
   前記樹脂はＰＰＳ樹脂であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記絶縁基板は前記接着剤のみを介して前記包囲部と接したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記絶縁基板は、セラミック基板の両面にアルミを形成した構成であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。

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