JP6598740B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関するものである。
半導体装置は、発電および送電から効率的なエネルギーの利用および再生まであらゆる場面で利用されている。半導体装置では、放熱板上に電流回路パターンを備えた絶縁基板が配置され、電流回路パターン上に電流スイッチング素子などの半導体素子が配置されている。電流回路パターンは、外部との電気的接続部としての端子を備えた一方の電極にワイヤを介して接続されている。また、半導体素子は別のワイヤを介して他方の電極に接続されている。これらの電極は樹脂製のケースに内蔵されており、放熱板と一方の電極との間および、２つの電極間に熱伝導部材が配置されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１０−４５３９９号公報
特許文献１に記載の構造では、熱伝導部材を用いることにより、電極で発生した熱を放熱板へ放熱する際の放熱性を高めることができる。しかし、ヤング率と横弾性係数で示される、熱伝導部材の剛性がケースよりも低い場合には、超音波によるワイヤ接合時に振動が電極にうまく伝わらないため、電極とワイヤとの接合性が悪くなるという問題がある。
そこで、本発明は、電極とワイヤとの接合性を損なうことなく、電極で発生した熱を放熱板へ放熱する際の放熱性を高めることが可能な技術を提供することを目的としている。
本発明に係る半導体装置は、放熱板と、前記放熱板上に配置された絶縁基板と、前記絶縁基板上に配置された半導体素子と、前記放熱板の上面側、前記絶縁基板および半導体素子を囲む樹脂製のケースと、前記ケースで囲まれた内側の領域に存在する部分を有し、当該部分の一方面にワイヤを介して前記半導体素子と電気的に接続された電極とを備え、前記電極における前記ケースで囲まれた内側の領域に存在する部分において、前記ワイヤが接続された位置の他方面に、前記ケースの内壁から前記放熱板の上面側に延びる樹脂部が配置され、前記電極における前記ケースで囲まれた内側の領域に存在する部分において、前記ワイヤが接続されていない位置の他方面に、前記樹脂部よりも高い熱伝導特性を有する熱伝導部材が配置されたものである。
本発明によれば、電極におけるケースで囲まれた内側の領域に存在する部分において、ワイヤが接続された位置の他方面に、ケースの内壁から放熱板の上面側に延びる樹脂部が配置され、電極におけるケースで囲まれた内側の領域に存在する部分において、ワイヤが接続されていない位置の他方面に、樹脂部よりも高い熱伝導特性を有する熱伝導部材が配置された。したがって、電極とワイヤとの接合性を損なうことなく、電極で発生した熱を放熱板へ放熱する際の放熱性を高めることができる。
実施の形態１に係る半導体装置におけるワイヤが接続されていない位置の断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置におけるワイヤが接続された位置の断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の電極におけるケースで囲まれた内側の領域に存在する部分の斜視図である。 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２に係る半導体装置の電極におけるコイニング加工面の一例を示す底面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の電極におけるコイニング加工面の他の例を示す底面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の電極におけるコイニング加工面の他の例を示す底面図である。 実施の形態３の図１相当図である。 実施の形態３の図４相当図である。
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置におけるワイヤ７，９が接続されていない位置の断面図であり、図２は、ワイヤ７，９が接続された位置の断面図である。図３は、電極６，８におけるケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分の斜視図である。
図１〜図３に示すように、半導体装置は、放熱板１と、絶縁基板４と、半導体素子５と、電極６，８と、ケース１０とを備えている。放熱板１は、例えば熱伝導性の高い銅などの金属で構成されている。絶縁基板４は、放熱板１の上面に配置されている。絶縁基板４の上面と下面には、電流回路パターン２，３がそれぞれ形成されている。絶縁基板４の上面には、電流回路パターン２を介して、例えば電流スイッチング素子などの半導体素子５が配置されている。
樹脂製のケース１０は、放熱板１の上面の周縁部に接合され、放熱板１の上面側、絶縁基板４および半導体素子５を囲んでいる。また、ケース１０内には、例えばシリコーンゲル（図示省略）などが充填されている。
電極６，８は、ケース１０に内蔵されている。電極８は、外部と電気的接続される電気接続部としての端子８ａを備えている。また、図１と図２には図示されていないが、電極６も、外部と電気的接続される電気接続部としての端子を備えている。電極８は、ケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分を有し、当該部分の一方面である上面の一部にワイヤ９を介して半導体素子５の上部電極（図示省略）と電気的に接続されている。
電極６は、ケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分を有し、当該部分の一方面である上面の一部にワイヤ７を介して電流回路パターン２と電気的に接続されている。ここで、電流回路パターン２は半導体素子５の下部電極（図示省略）と接続されている。すなわち、電極６は、ケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分の上面の一部にワイヤ７を介して半導体素子５と電気的に接続されている。
ここで、電極６，８におけるケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分とは、電極６，８における端子８ａとは反対側の水平部（以下、単に「水平部」という）の端部である。なお、図１〜図３では、電極６，８におけるケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分の上面の手前側と奥側にワイヤ７，９がそれぞれ接続され、当該部分の中央部にはワイヤ７，９が接続されていない。
図２と図３に示すように、電極８におけるケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分において、ワイヤ９が接続された位置の他方面である下面に、ケース１０の内壁から放熱板１の上面側に延びる樹脂部１０ｂが配置されている。また、図１と図３に示すように、電極８におけるケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分において、ワイヤ９が接続されていない位置の下面に、樹脂部１０ｂよりも高い熱伝導特性を有する熱伝導部材１２が配置されている。
図２と図３に示すように、電極６におけるケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分において、ワイヤ７が接続された位置の他方面である下面に、ケース１０の内壁から放熱板１の上面側に延びる樹脂部１０ａが配置されている。また、図１と図３に示すように、電極６におけるケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分において、ワイヤ７が接続されていない位置の下面に、樹脂部１０ａよりも高い熱伝導特性を有する熱伝導部材１１が配置されている。また、図１に示すように、電極６におけるケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分は、電極８の場合よりも長くなっており、熱伝導部材１１の一部はケース１０内に埋め込まれている。
次に、実施の形態１に係る半導体装置から得られる効果について説明する。従来の構造では、電極におけるケースで囲まれた内側の領域に存在する部分の下面全体に熱伝導部材が配置されていた。ヤング率と横弾性係数で示される、熱伝導部材の剛性はケースよりも低い場合、超音波によるワイヤ接合時に振動が電極にうまく伝わらないため、電極とワイヤとの接合性が悪くなるという問題があった。
これに対して、実施の形態１に係る半導体装置では、電極６，８におけるケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分において、ワイヤ７，９が接続されていない位置の下面に、樹脂部１０ａ，１０ｂよりも高い熱伝導特性を有する熱伝導部材１１，１２がそれぞれ配置されたため、電極６，８で発生した熱を放熱板１へ放熱する際の放熱性を高めることができる。また、電極６，８におけるケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分において、ワイヤ７，９が接続された位置の下面に、ケース１０の内壁から放熱板１の上面側に延びる樹脂部１０ａ，１０ｂがそれぞれ配置されたため、この箇所の剛性がケースと同じである。そのため、超音波によるワイヤ接合時に振動が電極に伝わりやすくなり、電極６，８とワイヤ７，９との接合性が悪くなることを抑制できる。
したがって、電極６，８とワイヤ７，９との接合性を損なうことなく、電極６，８で発生した熱を放熱板１へ放熱する際の放熱性を高めることができる。さらに、電極６，８とワイヤ７，９との接合性を損なわないことから、半導体装置の長期使用が可能となる。
＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体装置について説明する。図４は、実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
実施の形態２では、電極６，８におけるケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分の他方面である下面には、凹凸状のコイニング加工面１３，１４が形成されている。より具体的には、電極６，８におけるケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分だけではなく、ケース１０内に埋め込まれた部分を含む水平部全体の下面にコイニング加工面１３，１４が形成されている。
ケース１０において、樹脂部１０ａ，１０ｂを含む電極６，８の水平部の下面に対応する位置には、コイニング加工面１３，１４に嵌合する凹凸部１０ｃ，１０ｄがそれぞれ形成されている。
次に、コイニング加工面１３，１４の詳細について説明する。図５は、実施の形態２に係る半導体装置の電極６におけるコイニング加工面１３の一例を示す底面図である。図６および図７は、実施の形態２に係る半導体装置の電極６におけるコイニング加工面１３の他の例を示す底面図である。なお、電極６のコイニング加工面１３と電極８のコイニング加工面１４とは略同様であるため、ここでは電極６のコイニング加工面１３について説明する。
図５に示すように、コイニング加工面１３は、例えば電極６の水平部の下面１３ａと、下面１３ａに形成された円環状の凸部１３ｂとで構成されている。また、図６に示すように、コイニング加工面１３は、水平部の下面１３ａと、互いに交差する２方向の線状の凸部１３ｂとで構成されていてもよい。さらに、図７に示すように、コイニング加工面１３は、水平部の下面１３ａと、頂部１３ｃを有する側面視にて三角形状の凸部１３ｂとで構成されていてもよい。なお、図５〜図７において、コイニング加工面１３の凹凸を逆にしてもよい。
以上のように、実施の形態２に係る半導体装置では、電極６，８におけるケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分の下面は凹凸状に形成され、電極６，８におけるケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分の下面に、ケース１０の内壁から放熱板１の上面側に延び、かつ、当該部分の下面に嵌合する凹凸部１０ｃ，１０ｄをそれぞれ有する樹脂部１０ａ，１０ｂがそれぞれ配置された。
したがって、電極６，８におけるケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分と樹脂部１０ａ，１０ｂとの間の接触面積が増加するため、当該部分と樹脂部１０ａ，１０ｂとの間の熱伝達係数が高まり、当該部分と樹脂部１０ａ，１０ｂとの間で熱移動が促進される。電極６，８側から移動した熱は、ケース１０と放熱板１との接触面および接合面を通じて放熱板１側へ放熱されるため、電極６，８の放熱性を高めることが可能となる。また、電極６，８におけるケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分の下面に、熱伝導部材１１，１２が配置されないため、電極６，８とワイヤ７，９との接合性に影響を与えない。以上より、電極６，８とワイヤ７，９との接合性を損なうことなく、電極６，８で発生した熱の放熱板１への放熱性を高めることができる。
特に電極６，８が、例えばピン端子などの他端子よりも発熱量の大きな主電極である場合には、半導体装置全体の熱設計が容易となる。
なお、実施の形態１の場合と同様に、電極６，８におけるケース１０で囲まれた内側の領域に存在する部分において、ワイヤ７，９が接続されていない位置の下面に熱伝導部材１１，１２をそれぞれ配置してもよい。熱伝導部材１１，１２にも、コイニング加工面１３，１４に嵌合する凹凸部をそれぞれ形成することで実現できる。この場合も、上記の場合と同様に、電極６，８とワイヤ７，９との接合性を損なうことなく、電極６，８で発生した熱の放熱板１への放熱性を高めることができる。
＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係る半導体装置について説明する。図８は、実施の形態３の図１相当図であり、図９は、実施の形態３の図４相当図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
図８と図９に示すように、実施の形態３に係る半導体装置は、実施の形態１，２の放熱板１および絶縁基板４に代えて、下部に放熱部１５ａを有する絶縁基板１５を備えている。絶縁基板１５は、一体型絶縁基板であり、下部に形成された放熱部１５ａと、上部に形成された絶縁部１５ｂとを備えている。絶縁部１５ｂの上面に、電流回路パターン２が形成されている。絶縁基板１５は、絶縁性を有しかつ放熱性の高い材質で構成されている。より具体的には、絶縁基板１５は、例えば熱伝導性の高い樹脂またはセラミックなどで構成されている。なお、図８は、実施の形態１に係る半導体装置に絶縁基板１５を採用した場合を示す図であり、図９は、実施の形態２に係る半導体装置に絶縁基板１５を採用した場合を示す図である。
以上のように、実施の形態３に係る半導体装置では、放熱板１および絶縁基板４に代えて、下部に放熱部１５ａを有する絶縁基板１５を備えたため、種々の放熱部１５ａと絶縁部１５ｂとを組み合わせた絶縁基板１５を準備することで、半導体素子５のサイズおよび必要な放熱性に合わせて最適な絶縁基板１５を選択することができる。これにより、半導体素子５のサイズおよび放熱性の設計幅を広げることができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ 放熱板、４ 絶縁基板、５ 半導体素子、６，８ 電極、７，９ ワイヤ、１０ ケース、１０ａ，１０ｂ 樹脂部、１１，１２ 熱伝導部材、１３，１４ 凹凸部、１５ 絶縁基板、１５ａ 放熱部。

Claims (2)

  1. 放熱板と、
    前記放熱板上に配置された絶縁基板と、
    前記絶縁基板上に配置された半導体素子と、
    前記放熱板の上面側、前記絶縁基板および前記半導体素子を囲む樹脂製のケースと、
    前記ケースで囲まれた内側の領域に存在する部分を有し、当該部分の一方面にワイヤを介して前記半導体素子と電気的に接続された電極と、
    を備え、
    前記電極における前記ケースで囲まれた内側の領域に存在する部分において、前記ワイヤが接続された位置の他方面に、前記ケースの内壁から前記放熱板の上面側に延びる樹脂部が配置され、
    前記電極における前記ケースで囲まれた内側の領域に存在する部分において、前記ワイヤが接続されていない位置の他方面に、前記樹脂部よりも高い熱伝導特性を有する熱伝導部材が配置された、半導体装置。
  2. 前記放熱板および前記絶縁基板に代えて、下部に放熱部を有する絶縁基板を備えた、請求項１記載の半導体装置。
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