JP6737306B2 - Semiconductor device - Google Patents
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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。 The present invention relates to a semiconductor device used for switching a large current, for example.
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。 Patent Document 1 discloses a semiconductor device including a chip and a resin covering the chip.
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。 In a semiconductor device including a plurality of semiconductor elements, there is a problem that heat generated from each of the plurality of semiconductor elements interferes with each other and the temperature of the semiconductor device increases. As a result, there is a problem that the semiconductor element deteriorates.
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。 If the distance between the semiconductor elements is increased in order to suppress the temperature rise of the semiconductor elements, there is a problem that the semiconductor device becomes larger.
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。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device suitable for miniaturization and having good heat dissipation.
本願の発明に係る半導体装置は、第1半導体素子と、第2半導体素子と、該第1半導体素子と該第2半導体素子を覆うモールド樹脂と、該第1半導体素子の裏面側に設けられた第1絶縁シートと、該第2半導体素子の裏面側に設けられた第2絶縁シートと、該第1絶縁シートと該第2絶縁シートが対向しつつ接触しない部分を残しつつ、該第1絶縁シートと該第2絶縁シートの端部だけを接続する接続部と、を備えたことを特徴とする。
A semiconductor device according to the invention of the present application is provided on a first semiconductor element, a second semiconductor element, a mold resin that covers the first semiconductor element and the second semiconductor element, and a back surface side of the first semiconductor element. The first insulating sheet, the second insulating sheet provided on the back surface side of the second semiconductor element, and the first insulating sheet while leaving a portion where the first insulating sheet and the second insulating sheet face each other but do not contact each other. It is characterized by comprising a sheet and a connecting portion for connecting only an end portion of the second insulating sheet.
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。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having a good heat dissipation property, which is suitable for miniaturization, by providing a new heat dissipation path and suppressing the heat transfer between the semiconductor elements.
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。 A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and repeated description may be omitted.
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。
Embodiment 1.
FIG. 1 is a sectional view of a
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。
The collector on the back surface of the
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。
An
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。
The
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。
A
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。
FIG. 2 is a plan view showing the positional relationship between the semiconductor element and the first through hole. In the mold resin, in addition to the
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。
The first through
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。
FIG. 3 is a perspective view of the semiconductor device. The first through
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。
When the
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。
Here, a comparative example will be described in order to facilitate understanding of the features of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram showing a heat dissipation path of the semiconductor device of the comparative example. The semiconductor device of the comparative example is almost the same as the semiconductor device of FIG. 1, but is different from the semiconductor device of FIG. 1 in that the first through
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。
FIG. 6 is a diagram showing heat dissipation paths of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. As the heat dissipation path of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, in addition to the first path and the second path described above, the
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。
It is preferable that the first through
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。
The position of the first through
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。
The
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。
A plurality of first through
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。
Embodiment 2.
FIG. 7 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment. A plurality of second through
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。
Embodiment 3.
FIG. 8 is a sectional view of the semiconductor device according to the third embodiment. The opening width of the second through
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。
Fourth Embodiment
FIG. 9 is a sectional view of the semiconductor device according to the fourth embodiment. A through
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。
Embodiment 5.
FIG. 10 is a sectional view of the semiconductor device according to the fifth embodiment. A first lateral through
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。
Since the first lateral through
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。
Sixth Embodiment
FIG. 11 is a sectional view of the semiconductor device according to the sixth embodiment. In the semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention, there is no insulating sheet on the back surface side of the semiconductor element, and the molding resin is provided in all directions of the semiconductor element. That is, the
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。
The second lateral through-hole may be any hole as long as it laterally penetrates through the
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。
FIG. 12 is a sectional view of the semiconductor device according to the seventh embodiment. A plurality of insulating
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。
Although the elements relating to the electrical connection of the
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。
Eighth embodiment.
FIG. 13 is a perspective view of the semiconductor device according to the eighth embodiment. The
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。
The first insulating
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。
The semiconductor device according to the eighth embodiment constitutes a motor drive inverter device having a
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。
The semiconductor device according to the eighth embodiment of the present invention can be variously modified. For example, the first semiconductor element may be a switching element having a collector, an emitter, and a gate, and the second semiconductor element may be a control IC connected to the gate. In this case, the control IC and the gate are wire-connected. By doing so, the insulating sheet (first insulating
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。
FIG. 14 is a perspective view of a semiconductor device according to another modification. A connecting
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。 The features of the semiconductor device according to each of the embodiments described so far may be appropriately combined and used.
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 10 semiconductor device, 12, 14, 40, 42 semiconductor element, 16, 17 frame, 18, 18a, 18b insulating sheet, 18c connection part, 20 metal foil, 24 mold resin, 32 metal plate, 34 first through hole, 50 Heat sink, 50c screw hole, 50d through hole, 60,62 second through hole, 70 first lateral through hole, 72 second lateral through hole
Claims (1)
第2半導体素子と、 A second semiconductor element,
前記第1半導体素子と前記第2半導体素子を覆うモールド樹脂と、 A mold resin covering the first semiconductor element and the second semiconductor element,
前記第1半導体素子の裏面側に設けられた第1絶縁シートと、 A first insulating sheet provided on the back surface side of the first semiconductor element;
前記第2半導体素子の裏面側に設けられた第2絶縁シートと、 A second insulating sheet provided on the back surface side of the second semiconductor element;
前記第1絶縁シートと前記第2絶縁シートが対向しつつ接触しない部分を残しつつ、前記第1絶縁シートと前記第2絶縁シートの端部だけを接続する接続部と、を備えたことを特徴とする半導体装置。 A connecting portion that connects only the end portions of the first insulating sheet and the second insulating sheet while leaving a portion where the first insulating sheet and the second insulating sheet face each other but do not contact each other. Semiconductor device.
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