JP6638567B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、放熱機能を有する絶縁構造体を備えた半導体装置に関するものである。
発熱素子を有する半導体装置では、高温化を抑制するために、発熱素子が発した熱を放出させる必要がある。このため、発熱素子を金属製のヒートシンクに貼り付け、ヒートシンクを介して効率的に放熱が行われるようにしている。ただし、発熱素子と外部との絶縁を図ることが必要となることから、ヒートシンクを２枚重ねの構造とし、２枚のヒートシンクの間に絶縁材を挟むことで絶縁構造体を構成している。
絶縁構造体としては、２枚のヒートシンクの間に絶縁材として樹脂材料を挟み込む構造（以下、第１絶縁構造という）や、特許文献１に示されるように、２枚のヒートシンクの間にセラミックスを挟み込む構造（以下、第２絶縁構造という）がある。
しかしながら、第１絶縁構造のように絶縁材として樹脂材料を適用する場合、樹脂材料の放熱性が低いことから、熱伝達率を高めるために樹脂材料にフィラーを多量に含有させる必要がある。フィラーの含有量を増やすほど放熱性が向上するが、絶縁性が低下することから、放熱性と絶縁性とがトレードオフの関係となり、両者を共に向上させることは難しい。また、第１絶縁構造では、樹脂成分の劣化や吸水性に基づく湿度等に対する信頼性の低下が懸念される。
一方、第２絶縁構造のように絶縁材としてセラミックスを適用する場合、放熱性と絶縁性の両方を得ることができる。ところが、セラミックスの線膨張係数がヒートシンクを構成する銅などの金属材料の線膨張係数と大きく異なることから、セラミックスとヒートシンクとの線膨張係数差に起因する熱応力緩和の為に、はんだをセラミックスとヒートシンクとの間に配置する必要がある。このように熱応力緩和用の材料が必要になるし、製品の製造コスト増大を招くことになる。
本発明は上記点に鑑みて、絶縁材の熱応力緩和のためのはんだを要しなくても、放熱性と絶縁性の両立を図ることができる絶縁構造体を有する半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、板状の半導体チップ（１０）と、半導体チップの少なくとも一面側に配置され、半導体チップで発した熱を放出させる放熱構造体（２０、３０）と、を有する半導体装置であって、放熱構造体は、半導体チップ側に配置される第１金属層（２１、３１）と、第１金属層に対して半導体チップと反対側に配置される第２金属層（２２、３２）と、第１金属層と第２金属層との間に配置された接合材（２３、３３）と、を有し、接合材は、無機材料層（２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、３３ａ、３３ｂ、３３ｄ）を含み、該無機材料層によって第１金属層と第２金属層との間が絶縁されている。また、接合材は、第１金属層に接する無機材料層の一部と、第２金属層に接する無機材料層の他の一部と、一部と他の一部との間に配置されている共に一部と他の一部との間を接合する導通材料にて構成された接合膜（２３ｃ、３３ｃ）とを有している。
このように、放熱構造体に無機材料層、例えばガラスを含む接合材を用いるようにしている。このため、半導体チップと露出面との絶縁性を確保することが可能となる。また、接合材を無機材料層を含む構成としていることから、セラミックスで構成する場合と比較して、線膨張係数を第１金属層や第２金属層に近似させることが可能となる。さらに、接合材を樹脂で構成する場合のようにフィラーを含有させなくても高い放熱性を有している。このため、絶縁材となる接合材の熱応力緩和のためのはんだを要しなくても、放熱性と絶縁性の両立を図ることが可能となる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。まず、図１を参照して、本実施形態にかかる半導体装置の構成について説明する。
第１実施形態について説明する。まず、図１を参照して、本実施形態にかかる半導体装置の構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態の半導体装置１００は、半導体チップ１０、第１放熱構造体２０、第２放熱構造体３０および放熱ブロック４０と、これらの間を接合する接合材５０と、これらを封止するモールド樹脂６０などを備えて構成されている。
具体的には、半導体チップ１０のうち紙面下方に位置する一面側を下面、紙面上方に位置する他面側を上面として、半導体チップ１０の下面と第１放熱構造体２０の上面との間は接合材５０によって接合されている。また、半導体チップ１０の上面と放熱ブロック４０の下面との間も接合材５０を介して接合されている。さらに、放熱ブロック４０と第２放熱構造体３０との間も接合材５０によって接合されている。
本実施形態の場合、接合材５０は導電材料であるはんだ等によって構成されており、半導体チップ１０、第１放熱構造体２０、第２放熱構造体３０および放熱ブロック４０の相互間が物理的にも電気的にも接続された形態とされている。なお、接合材５０としては、はんだ以外のもの、例えば導電性接着剤等を用いることもでき、電気的な接続を行わずに物理的な接合のみを行う場合には、導電材料でない材料で構成されていても良い。
このような構成により、半導体チップ１０の上面では、接合材５０、放熱ブロック４０、接合材５０および第２放熱構造体３０を介して放熱が行われ、半導体チップ１０の下面では、接合材５０から第１放熱構造体２０を介して放熱が行われるようになっている。
半導体チップ１０は、発熱素子などが形成された発熱部品に相当するものである。発熱素子としては、例えば縦型のＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やＭＯＳＦＥＴ、ダイオード等のパワー半導体素子が挙げられる。本実施形態の場合、半導体チップ１０には、発熱素子として縦型のＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴが備えてある。
半導体チップ１０は、例えば矩形状の薄板状とされている。そして、半導体チップ１０の上面における一部に放熱ブロック４０が接合され、放熱ブロック４０よりも外側において制御端子を構成するリードフレーム７０がボンディングワイヤ８０を介して電気的に接続されている。例えば、半導体チップ１０に対して縦型のＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴを備えている場合、リードフレーム７０はゲートに接続され、放熱ブロック４０は表面電極、すなわちＩＧＢＴの場合のエミッタ電極やＭＯＳＦＥＴの場合のソース電極に接続される。一方、半導体チップ１０の裏面については全面が第１放熱構造体２０に接続されている。これにより、例えば半導体チップ１０の裏面電極と第１放熱構造体２０とが接続される。
第１放熱構造体２０は、第１金属層および第２金属層に相当する第１ヒートシンク２１と第２ヒートシンク２２とが接合材２３を介して接合された構造とされ、平板状とされている。第１ヒートシンク２１は、第１放熱構造体２０のうち半導体チップ１０に接合される表面を構成しており、本実施形態の場合は半導体チップ１０の下面側に接合材５０を介して物理的および電気的に接続されている。第２ヒートシンク２２は、第１放熱構造体２０のうち第１ヒートシンク２１を挟んで半導体チップ１０と反対側に配置されている。接合材２３は、第１ヒートシンク２１と第２ヒートシンク２２との間を接合しつつ、これらの間を絶縁する機能を有している。
第１ヒートシンク２１および第２ヒートシンク２２は、熱伝達率の高い材質で構成されており、例えば銅やアルミニウムなどの金属によって構成されている。本実施形態の場合、第１ヒートシンク２１は、半導体チップ１０に流れる電流経路も構成している。具体的には、第１ヒートシンク２１にはモールド樹脂６０の外部まで引き出されたリード部２１ａが備えられ、第１ヒートシンク２１を通じて半導体チップ１０の裏面が外部と電気的に接続可能となっている。リード部２１ａは、第１ヒートシンク２１の表面に対する面方向の一方向に引き出されている。
また、第１放熱構造体２０のうち半導体チップ１０と反対側の表面、つまり第２ヒートシンク２２の下面はモールド樹脂６０から露出させられている。この下面が放熱面とされることで、半導体チップ１０で発した熱の放出が行われる。
接合材２３は、第１ヒートシンク２１と第２ヒートシンク２２とを接合しつつ、これらの間を絶縁する。具体的には、接合材２３を薄膜状の無機材料層によって構成しており、本実施形態の場合には無機材料であるガラスで構成している。ガラスで構成した接合材２３の薄膜は、第１ヒートシンク２１や第２ヒートシンク２２の構成材料に合わせて薄さなどが設定され、接合材２３の線膨張係数が第１ヒートシンク２１や第２ヒートシンク２２と近似するようにしている。例えば、第１ヒートシンク２１や第２ヒートシンク２２の構成材料が銅である場合、銅の線膨張係数が１７ｐｐｍ／℃程度である。このため、接合材２３を含めた第１放熱構造体２０の全体を合成した線膨張係数が１７ｐｐｍ／℃に近づくように接合材２３の薄さなどを設定し、例えば接合材２３をｎｍオーダの薄さとしている。このようにすることで、接合材２３の線膨張係数を第１ヒートシンク２１や第２ヒートシンク２２の線膨張係数と近似させている。これにより、第１放熱構造体２０をモールド樹脂６０に封止しても、線膨張係数差に起因する熱応力によるクラックなどを抑制でき、高い信頼性が得られる放熱構造とすることが可能となる。
同様に、第２放熱構造体３０は、第１金属層および第２金属層に相当する第１ヒートシンク３１と第２ヒートシンク３２とが接合材３３を介して接合された構造とされ、平板状とされている。第１ヒートシンク３１は、第２放熱構造体３０のうち半導体チップ１０に接合される表面を構成しており、本実施形態の場合は半導体チップ１０の上面側に接合材５０や放熱ブロック４０を介して物理的および電気的に接続されている。第２ヒートシンク３２は、第２放熱構造体３０のうち第１ヒートシンク３１を挟んで半導体チップ１０と反対側に配置されている。接合材３３は、第１ヒートシンク３１と第２ヒートシンク３２との間を接合しつつ、これらの間を絶縁する機能を有している。
第１ヒートシンク３１および第２ヒートシンク３２は、熱伝達率の高い材質で構成されており、例えば銅やアルミニウムなどの金属によって構成されている。本実施形態の場合、第１ヒートシンク３１は、半導体チップ１０に流れる電流経路も構成している。具体的には、第１ヒートシンク３１にはモールド樹脂６０の外部まで引き出されたリード部３１ａが備えられ、第１ヒートシンク３１を通じて半導体チップ１０の上面が外部と電気的に接続可能となっている。リード部３１ａは、第１ヒートシンク３１の表面に対する面方向の一方向に引き出されている。
また、第２放熱構造体３０のうち半導体チップ１０と反対側の表面、つまり第２ヒートシンク３２の上面はモールド樹脂６０から露出させられている。この上面も放熱面とされることで、半導体チップ１０で発した熱の放出が行われる。
接合材３３については、第１放熱構造体２０に備えられる接合材２３と同様のものとされている。第２放熱構造体３０についても、接合材３３を含めた第２放熱構造体３０の全体を合成した線膨張係数が１７ｐｐｍ／℃に近づくように接合材３３の薄さなどを設定している。このため、第２放熱構造体３０も、高い信頼性が得られる放熱構造となっている。
モールド樹脂６０は、半導体チップ１０、第１放熱構造体２０、第２放熱構造体３０および放熱ブロック４０などを封止している。モールド樹脂６０からは、第１放熱構造体２０における第２ヒートシンク２２の下面やリード部２１ａの一端、第２放熱構造体３０における第２ヒートシンク３２の上面やリード部３１ａの一端、リードフレーム７０の一部が露出させられている。露出させられたリード部２１ａやリード部３１ａおよびリードフレーム７０の各端部において、外部と電気的に接続可能とされている。また、露出させられた第２ヒートシンク２２の下面や第２ヒートシンク３２の上面を放熱面として、半導体チップ１０で発した熱の放出が行われるようになっている。
なお、リードフレーム７０は、上記したように半導体チップ１０の上面の所望箇所にボンディングワイヤ８０を介して接続されている。ボンディングワイヤ８０による接合箇所についてはモールド樹脂６０によって覆われており、リードフレーム７０のうちボンディングワイヤ８０との接合箇所よりも先端位置がモールド樹脂６０から露出させられている。
以上のような構造によって、本実施形態にかかる半導体装置１００が構成されている。このように構成される半導体装置１００は、例えば自動車におけるインバータ回路などに用いられる。そして、使用時には半導体チップ１０が熱を発するため、その熱を放出させるために、半導体装置１００は例えば図示しない冷却器に取り付けられ、第２ヒートシンク２２、３２の露出面が冷却器内の冷媒に曝されるように組みつけられる。
このような構成とされる場合、冷却器内の冷媒に曝される露出面が半導体チップ１０と絶縁されている必要がある。これに対して、本実施形態にかかる半導体装置１００では、第１放熱構造体２０および第２放熱構造体３０の接合材２３、３３を無機材料、具体的にはガラスで構成していることから、半導体チップ１０と露出面との絶縁性を確保することが可能となる。
また、接合材２３、３３を無機材料によって構成していることから、セラミックスで構成する場合と比較して、線膨張係数を第１ヒートシンク２１、３１や第２ヒートシンク２２、３２に近似させることが可能となる。さらに、接合材２３、３３を樹脂で構成する場合のようにフィラーを含有させなくても高い放熱性を有している。このため、絶縁材となる接合材２３、３３の熱応力緩和のためのはんだを要しなくても、放熱性と絶縁性の両立を図ることが可能となる。
このような構造の半導体装置１００は、基本的には従来と同様の製造方法によって製造され、第１放熱構造体２０および第２放熱構造体３０の製造工程についてのみ従来と異なったものとなる。
具体的には、第１放熱構造体２０および第２放熱構造体３０については、例えば図２に示すような方法によって製造している。まず、第１ヒートシンク２１、３１の下面側にガラスなどの無機材料で構成される接合材２３、３３を貼り付ける。そして、第２ヒートシンク２２、３２の上面側に接合材２３、３３側を向けるようにして第１ヒートシンク２１、３１を設置し、熱圧着などによって接合材２３、３３を介して第１ヒートシンク２１、３１と第２ヒートシンク２２、３２とを接合する。これにより、第１放熱構造体２０および第２放熱構造体３０を製造できる。なお、ここでは、第１ヒートシンク２１、３１の下面側に接合材２３、３３を貼り付けるようにしたが、第２ヒートシンク２２、３２の上面側に接合材２３、３３を貼り付けるようにしても良い。
このとき、第１ヒートシンク２１や第２ヒートシンク２２を構成する金属材料と無機材料との接合性が低い場合には、第１ヒートシンク２１や第２ヒートシンク２２のうち接合材２３側の面を平坦化処理した後、プラズマ処理しておく。このようにすれば、第１ヒートシンク２１や第２ヒートシンク２２と接合材２３との接合性を高めることが可能となる。
（第１実施形態の変形例）
第１実施形態では、図２に示したように無機材料で構成された接合材２３を貼り付けた第１ヒートシンク２１を用意し、接合材２３に対して第２ヒートシンク２２を接合することで第１放熱構造体２０を製造した。第２放熱構造体３０についても同様の方法によって製造した。
第１実施形態では、図２に示したように無機材料で構成された接合材２３を貼り付けた第１ヒートシンク２１を用意し、接合材２３に対して第２ヒートシンク２２を接合することで第１放熱構造体２０を製造した。第２放熱構造体３０についても同様の方法によって製造した。
これに対して、図３に示すように、第１ヒートシンク２１、３１の下面と第２ヒートシンク２２、３２の上面それぞれに無機材料にて構成される接合材２３、３３の一部を薄く形成しておく。そして、その一部同士を固相接合などによって貼り合わせることで第１放熱構造体２０や第２放熱構造体３０を製造しても良い。このような製造方法としても、第１実施形態と同様の構造の第１放熱構造体２０および第２放熱構造体３０を製造することができる。
（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して第１放熱構造体２０および第２放熱構造体３０の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して第１放熱構造体２０および第２放熱構造体３０の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図４に示すように、本実施形態では、第１放熱構造体２０および第２放熱構造体３０の接合材２３、３３を無機材料のみではなく、無機材料と第１ヒートシンク２１、３１もしくは第２ヒートシンク２２、３２との接合を補助する材料を備えるようにしている。具体的には、接合材２３、３３のうち第１ヒートシンク２１、３１もしくは第２ヒートシンク２２、３２側に配置される部分を無機材料層２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂとし、その間に接合膜２３ｃ、３３ｃを配置している。接合膜２３ｃとしては、無機材料層２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂとの接合性が良い材料、例えば金や銅などの導通材料を用いている。
無機材料層２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂ同士は接合し難い場合があるが、本実施形態のように無機材料層２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂの間に接合膜２３ｃ、３３ｃを備えることにより、接合が容易になる。このような構造としても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、接合膜２３ｃ、３３ｃを導通材料で構成する場合、接合材２３、３３の一部が導通材料で構成されることになる。この場合でも、無機材料層２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂによって絶縁性を確保することができる。
このような構成の第１放熱構造体２０および第２放熱構造体３０については、次のように製造可能である。まず、図５に示すように、第１ヒートシンク２１、３１の下面と第２ヒートシンク２２、３２の上面それぞれに無機材料層２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂを薄く形成しておく。さらに、各無機材料層２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂの表面に接合膜２３ｃ、３３ｃの一部を薄く形成しておく。そして、例えば第１ヒートシンク２１、３１および第２ヒートシンク２２、３２を押圧することにより接合膜２３ｃ、３３ｃ同士を熱圧着で貼り合わせる。このような製造方法により、本実施形態の第１放熱構造体２０および第２放熱構造体３０を製造することができる。
（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態も、第１実施形態に対して第１放熱構造体２０および第２放熱構造体３０の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
第３実施形態について説明する。本実施形態も、第１実施形態に対して第１放熱構造体２０および第２放熱構造体３０の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図６に示すように、本実施形態も、第１放熱構造体２０および第２放熱構造体３０の接合材２３、３３を無機材料のみではなく、無機材料と第１ヒートシンク２１、３１もしくは第２ヒートシンク２２、３２との接合を補助する材料を備えるようにしている。具体的には、接合材２３、３３のうち第１ヒートシンク２１、３１を無機材料層２３ｄ、３３ｄとし、第２ヒートシンク２２、３２側に接合膜２３ｅ、３３ｅを配置している。接合膜２３ｅ、３３ｅとしては、無機材料層２３ｄ、３３ｄとの接合性が良い材料、例えば金や銅などの導通材料を用いている。
無機材料層２３ｄ、３３ｄを熱圧着などによって直接ヒートシンク材料に接合しようとすると接合し難い場合がある。しかしながら、本実施形態のように無機材料層２３ｄ、２３ｄと第２ヒートシンク２２、３２との間に接合膜２３ｅ、３３ｅを備えることにより、接合が容易になる。このような構造としても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、接合膜２３ｅ、３３ｅを導通材料で構成する場合、接合材２３、３３の一部が導通材料で構成されることになる。この場合でも、無機材料層２３ｄ、３３ｄによって絶縁性を確保することができる。
このような構成の第１放熱構造体２０および第２放熱構造体３０については、次のように製造可能である。まず、図７に示すように、第１ヒートシンク２１、３１の下面に無機材料層２３ｄ、３３ｄおよび接合膜２３ｅ、３３ｅを形成しておく。そして、第２ヒートシンク２２、３２を接合膜２３ｅ、３３ｅと対向するように配置し、例えば第１ヒートシンク２１、３１および第２ヒートシンク２２、３２を押圧することにより接合膜２３ｅ、３３ｅを第２ヒートシンク２２、３２に熱圧着で貼り合わせる。このような製造方法により、本実施形態の第１放熱構造体２０および第２放熱構造体３０を製造することができる。
（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
例えば、上記各実施形態では、放熱機能を有する絶縁構造体を備えた半導体装置の一例を挙げたが、他の構造の半導体装置であっても良い。例えば、上記各実施形態では、半導体チップの上面と下面の両面に放熱構造体を備えた構造を例に挙げたが、少なくとも一面側に放熱構造体が備えられていれば良い。
また、第１ヒートシンクと第２ヒートシンクがそれぞれ板状のもので構成された放熱構造体を例に挙げて説明したが、板状である必要はない。例えば、第２ヒートシンク２２、３２を冷却器の一部によって構成することもできるし、放熱フィンなどが一体となった構造のものとされていても良い。
さらに、接合材に含まれる無機材料層をガラスで構成する場合について説明したが、ガラス以外の無機材料によって構成しても良い。例えば、変形可能な低弾性セラミックスなどのような非結晶材にて無機材料層を構成しても良い。低弾性セラミックスとしては、例えばｅｕｒｅｋｉｔｅ社製の柔軟性を有するフィルム状のセラミックスなどを用いることができる。
１０ 半導体チップ
２０、３０ 第１、第２放熱構造体
２１、２２、３１、３２ 第１、第２ヒートシンク
２３ 接合材
２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、３３ａ、３３ｂ、３３ｄ 無機材料層
２３ｃ、２３ｅ、３３ｃ、３３ｅ 接合膜
４０ 放熱ブロック
６０ モールド樹脂
１００ 半導体装置
２０、３０ 第１、第２放熱構造体
２１、２２、３１、３２ 第１、第２ヒートシンク
２３ 接合材
２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、３３ａ、３３ｂ、３３ｄ 無機材料層
２３ｃ、２３ｅ、３３ｃ、３３ｅ 接合膜
４０ 放熱ブロック
６０ モールド樹脂
１００ 半導体装置
Claims (1)
- 板状の半導体チップ（１０）と、
前記半導体チップの少なくとも一面側に配置され、前記半導体チップで発した熱を放出させる放熱構造体（２０、３０）と、を有する半導体装置であって、
前記放熱構造体は、前記半導体チップ側に配置される第１金属層（２１、３１）と、
前記第１金属層に対して前記半導体チップと反対側に配置される第２金属層（２２、３２）と、
前記第１金属層と前記第２金属層との間に配置された接合材（２３、３３）と、を有し、
前記接合材は、無機材料層（２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、３３ａ、３３ｂ、３３ｄ）を含み、該無機材料層によって前記第１金属層と前記第２金属層との間が絶縁されており、
前記接合材は、前記第１金属層に接する前記無機材料層の一部と、前記第２金属層に接する前記無機材料層の他の一部と、前記一部と前記他の一部との間に配置されている共に前記一部と前記他の一部との間を接合する導通材料にて構成された接合膜（２３ｃ、３３ｃ）とを有している半導体装置。
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