JP6922002B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

実施形態は、半導体装置に関する。
複数の半導体素子を並列接続することにより、数キロアンペア（ｋＡ）の大電流のスイッチングを可能とした半導体装置がある。そして、複数の半導体装置を直列接続することにより、数キロボルト（ｋＶ）の高電圧下で動作する電力変換装置を構成できる。このような電力変換装置は、直列接続された半導体装置の１つが短絡故障しても残る半導体装置により動作を継続できる冗長性を有することが好ましい。そのためには、半導体装置の短絡時における爆発的破損を回避できる防爆構造が必要であるが、低コストで実現することは難しい。また、電力変換装置の小型化への障害でもある。
特許第３２５８２００号公報 特許第４３８５３２４号公報
実施形態は、小型化および抵コスト化が可能な防爆構造を有する半導体装置を提供する。
実施形態に係る半導体装置は、並列接続された複数の半導体素子ユニットを備える。半導体素子ユニットは、第１金属部材と、前記第１金属部材に対向する第２金属部材と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に配置された少なくとも１つの半導体素子と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に前記半導体素子を封じた樹脂部材と、前記第１金属部材と前記第２金属部材とを囲むように設けられ、前記樹脂部材よりも高強度である強化部材と、を含む。
第１実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。 第１実施形態に係る半導体素子モジュールを模式的に示す斜視図である。 第１実施形態に係る半導体素子モジュールを示す模式断面図である。 第１実施形態に係る半導体素子モジュールを示す別の模式断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。 第２実施形態に係る半導体素子モジュールを模式的に示す斜視図である。 第３実施形態に係る半導体素子モジュールを示す模式断面図である。 第３実施形態に係る半導体素子モジュールを示す別の模式断面図である。 比較例に係る半導体素子モジュールを示す模式断面図である。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体装置１を示す模式断面図である。半導体装置１は、複数の半導体素子モジュールＳＭ１、冷却部材１０ａおよび１０ｂを備える。半導体素子モジュールＳＭ１は、冷却部材１０ａおよび１０ｂの間に配置される。半導体素子モジュールＳＭ１は、冷却部材１０ａおよび１０ｂをそれぞれ共通電極として並列接続される。
冷却部材１０ａおよび１０ｂは、それぞれ空隙１３を有し、空隙１３の内部に突出した冷却フィン１５を有する。例えば、純水などの冷却液を空隙１３の内部に循環させ、半導体素子モジュールＳＭ１から熱を放散させる。
半導体素子モジュールＳＭ１は、金属部材２０と、金属部材３０と、少なくとも１つの半導体素子４０と、を含む。半導体素子４０は、金属部材２０と金属部材３０との間に配置される。
半導体素子４０は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等のトランジスタ素子、または、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode）等のダイオード素子である。１つの半導体素子モジュールＳＭ１が、トランジスタ素子とダイオード素子の両方を含んでもよい。金属部材２０および金属部材３０は、例えば、銅またはアルミニウムを主成分として含む。
図２は、半導体素子モジュールＳＭ１の断面を示す模式図である。半導体素子モジュールＳＭ１は、強化部材５０と、ケース６０と、樹脂部材７０と、樹脂部材７５と、をさらに含む。
強化部材５０は、金属部材２０および３０を囲むように設けられる。強化部材５０は、例えば、金属部材である。ケース６０は、例えば、樹脂部材からなり、金属部材２０、３０、半導体素子４０および強化部材５０をその内部に収容する。また、強化部材５０には、セラミック部材を用いることもできる。その場合、ケース６０は省略できる。
図２に示すように、金属部材３０は、その下面に突出部３０ａを有する。半導体素子４０は、金属部材２０と突出部３０ａとの間に配置される。突出部３０ａは、金属部材３０と一体に設けられても良いし、金属部材３０の下面に付設された導電部材であっても良い。金属部材３０の下面には、半導体素子４０と同数の突出部３０ａが設けられる。
半導体素子４０の表面４０Ｔには、例えば、エミッタ電極、ソース電極、もしくはカソード電極である第１電極（図示しない）が設けられる。第１電極は、図示しない導電性接合材により突出部３０ａに接続される。突出部３０ａは、Ｚ方向に見て、例えば、第１電極にフィットする形状を有する。
一方、半導体素子４０の裏面４０Ｂには、例えば、コレクタ電極、ドレイン電極もしくはアノード電極である第２電極（図示しない）が設けられる。第２電極は、図示しない導電性接合材を介して金属部材２０に接続される。
樹脂部材７０は、強化部材５０の内部空間を充填するように設けられる。樹脂部材７０の一部は、金属部材２０と金属部材３０との間に半導体素子４０を封じる。また、樹脂部材７０の一部は、金属部材２０と強化部材５０との間、および、金属部材３０と強化部材５０との間に充填される。
樹脂部材７５は、強化部材５０とケース６０との間に充填される。樹脂部材７０および７５は、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂であり、真空成形を用いて形成される。
図３は、第１実施形態に係る半導体素子モジュールＳＭ１を模式的に示す斜視図である。図３では、半導体素子モジュールＳＭ１の構造を示すために樹脂部材７０を省略している。
図３に示すように、半導体素子モジュールＳＭ１は、その上面に金属部材３０の一部を露出させた開口ＯＰを有する。強化部材５０およびケース６０は、それぞれ開口ＯＰに対応する開口を有する。また、半導体素子モジュールＳＭ１は、図示しない下面にも金属部材２０の一部を露出させた開口ＯＰを有する。金属部材２０および３０は、開口ＯＰを介して冷却部材１０ａおよび１０ｂに接続される（図１参照）。
半導体素子モジュールＳＭ１は、ゲート端子８０と、接続導体８５と、をさらに含む。ゲート端子８０は、半導体素子４０のゲート電極に接続され、金属部材２０と金属部材３０との間の空間から外部へ延出する。強化部材５０およびケース６０は、例えば、ゲート端子８０の延在方向が開放された略直方体の箱形状を有する。接続導体８５は、例えば、金属部材３０と強化部材５０とを電気的に接続する。これにより、強化部材５０は、金属部材３０と同電位になる。なお、強化部材５０がセラミック部材等の絶縁体である場合、接続導体８５は設けられない。
図４は、第１実施形態の半導体素子モジュールＳＭ１の別の断面を示す模式図である。図４は、金属部材２０の上に配置された半導体素子４０を示す断面図である。半導体素子４０は、例えば、トランジスタ素子であり、ゲート電極４５を有する。
図４に示すように、金属部材２０の上に２つの半導体素子４０が配置される。半導体素子４０は、その表面４０Ｔに設けられたエミッタ電極４３（もしくはソース電極）と、ゲート電極４５と、を有する。ゲート電極４５には、ゲート端子８０が接続される。ゲート端子８０は、樹脂部材７０から半導体素子モジュールＳＭ１の外側へ延出される。ゲート端子８０は、例えば、銅またはアルミニウムを主成分として含む金属材料からなり、図示しない制御回路に接続される。
金属部材２０、３０および半導体素子４０は、例えば、一面が開放された箱状の強化部材５０の内部に収納される。また、強化部材５０を覆うケース６０も一面が開放された箱状の形状を有する。ゲート端子８０は、強化部材５０およびケース６０の開放部から外部へ延出される。
図５は、比較例に係る半導体素子モジュールＳＭ２を示す模式断面図である。半導体素子モジュールＳＭ２は、ケース６０に収容された金属部材２０、３０、半導体素子４０ａおよび４０ｂを含む。半導体素子４０ａおよび４０ｂは、金属部材２０と金属部材３０との間に配置される。ケース６０の内部には、樹脂部材７０が充填され、半導体素子４０ａおよび４０ｂは、金属部材２０と金属部材３０との間に封じられる。また、図５に示すように、半導体素子モジュールＳＭ２は、強化部材５０を含まない。
例えば、半導体素子４０のうちの１つが短絡故障すると、金属部材２０と金属部材３０との間が導通状態となる。例えば、半導体素子４０ａが短絡故障したとすれば、他の正常な半導体素子４０ｂが電流遮断した際に、半導体素子モジュールＳＭ２に流れる電流は、半導体素子４０ａに集中する。または、半導体素子４０ａの導通抵抗が、他の正常な半導体素子４０ｂの導通抵抗（チャネル抵抗）よりも低くなるため、半導体素子モジュールＳＭ２に流れる電流は、半導体素子４０ａに集中する。いずれの場合でも、半導体素子４０ａに過電流が流れ、例えば、半導体素子４０ａと金属部材２０もしくは３０との間に設けられた接合部材、および、半導体素子４０ａの一部がジュール熱により溶融され、気化する。これにより、半導体素子４０ａを封じた樹脂部材７０の内圧が上昇する。
この結果、樹脂部材７０は、例えば、金属部材２０および３０を上下に分離する方向に働く圧力により破断され、例えば、き裂ＣＲが横方向に延びる。そして、き裂ＣＲがケース６０に達すると、ケース６０に圧力が加わる。ケース６０がその圧力に耐える強度を有しない場合、半導体素子モジュールＳＭ２の爆発的破損に至ることがある。
これに対し、実施形態に係る半導体素子モジュールＳＭ１は、金属部材２０および３０を囲む強化部材５０を有する。強化部材５０には、ケース６０および樹脂部材７０よりも高い強度の材料が用いられる。ここで、強度とは、例えば、材料破断時の引張荷重を材料の断面積（初期断面積または破断時の断面積）で割った値である。また、材料の引張強度もしくは圧縮強度であっても良い。強化部材５０には、例えば、樹脂部材よりも高強度の金属材料またはセラミック材料を用いる。
さらに、強化部材５０は、樹脂部材よりも靱性が高いことが望ましい。「靱性が高い」とは、材料の強さ（引張強度）と延性が共に大きいことを意味し、靱性が高い材料の例として、金属材料を挙げることができる。強化部材５０は、例えば、鉄、ステンレス鋼、またはアルミニウムを主成分として含む。
例えば、強化部材５０に金属部材を用いた場合、その靱性はケース６０よりも高く、高い延性を有する。このため、内圧を受けた強化部材５０は、き裂ＣＲを起点として上下に延びるように変形する。すなわち、強化部材５０は、その延性によって破断することなく柔軟に変形する。このため、き裂ＣＲが、ケース６０に達することを防ぎ、強化部材５０の外側を覆う樹脂部材７５およびケース６０に加わる力が低減される。
さらに、強化部材５０を箱形状とすることにより、金属部材２０と金属部材３０とが、上下に離間する方向に変位もしくは変形しようとした場合、その変位および変形を抑制することができる。
また、強化部材５０として破断強度の高いセラミック材料を用いた場合、き裂ＣＲが到達しても、強化部材５０が内圧により変形および破断されることはなく、樹脂部材７０の分離を抑制することができる。また、箱状の強化部材５０の内部に収容された金属部材２０および金属部材３０の離間も抑制される。
このように、強化部材５０には、故障時の樹脂部材７０の内圧に耐える材料を用いるため、半導体素子４０の短絡故障に起因する爆発的な破損を回避することが可能となる。
なお、強化部材５０は、その一部がケース６０の内面に接するように配置されても良い。すなわち、強化部材５０とケース６０との間に設けられる樹脂部材７５を省略しても良い。強化部材５０は、例えば、ケース６０に対して相対的に移動可能に配置される。これにより、強化部材５０の変形に起因する応力がケース６０に加わることを回避できる。すなわち、強化部材５０がケース６０の内面に接していても、強化部材５０がケース６０の内面に沿って変形可能な構造にすることにより、ケースに加わる応力を吸収させることができる。
さらに、樹脂部材７０および樹脂部材７５が、強化部材５０を完全に封止しており、電気的絶縁性を確保できていれば、外側の樹脂部材７５を最外周として、ケース６０を省略することもできる。
このような防爆構造は、例えば、半導体装置１の全体を覆う防爆構造に比べて簡素化され、低コストで実現可能である。また、半導体装置１の小型化にも寄与する。
また、上記の例では、金属部材３０と強化部材５０を電気的に接続する接続導体８５を示したが、本実施形態は、これに限定される訳ではなく、金属部材２０と強化部材５０との間を電気的に接続しても良い。すなわち、強化部材５０は、金属部材２０および３０のいずれか一方と同電位であれば良い。
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る半導体装置２を示す模式断面図である。半導体装置２は、冷却部材１０の上に配置された複数の半導体素子モジュールＳＭ３を有する。
半導体素子モジュールＳＭ３は、金属部材２０、３０、半導体素子４０、強化部材１５０およびケース１６０を含む。半導体素子４０は、金属部材２０および３０の間に配置され、樹脂部材７０により封じられる。強化部材１５０は、金属部材２０および３０を囲むように設けられる。ケース１６０は、金属部材２０、３０、半導体素子４０および強化部材１５０を収容する。強化部材１５０は、例えば、金属部材もしくはセラミック部材であり、ケース１６０は、例えば、樹脂部材等の絶縁材である。
強化部材１５０およびケース１６０は、それぞれ下面に開口ＯＰを有する箱状に設けられる。開口ＯＰは、金属部材２０の下面の一部を露出させる。そして、冷却部材１０は、開口ＯＰを通して金属部材２０に接続される凸部を有する。
図７は、半導体素子モジュールＳＭ３を模式的に示す斜視図である。強化部材１５０およびケース１６０は、それぞれ一面を開放した箱型形状を有する。なお、図７では、半導体素子モジュールＳＭ３の構造を示すために、その内部に充填された樹脂部材を省略している。
強化部材１５０は、金属部材２０および３０にそれぞれ対抗する下面および上面を有し、図示しない下面に開口ＯＰに対応する開口を有する。ケース１６０は、金属部材２０および３０の側面を露出させた開放部を有し、その下面に開口ＯＰに対応する開口を有する。
図７に示すように、半導体素子モジュールＳＭ３は、配線端子３５と、ゲート端子８０と、接続導体８５と、をさらに含む。配線端子３５は、金属部材３０に接続され、強化部材１５０およびケース１６０のそれぞれの開放部から外部に延出される。例えば、図示しない配線プレート（もしくはバスバー）を配線端子３５に接続し、冷却部材１０の上に配置された複数の半導体素子モジュールＳＭ３（図６参照）を並列接続する。
ゲート端子８０は、半導体素子４０のゲート電極４５に接続され、強化部材１５０およびケース１６０のそれぞれの開放部から外部に延出される。ゲート端子８０は、例えば、図示しない制御回路に電気的に接続される。接続導体８５は、例えば、金属部材３０と強化部材１５０とを電気的に接続するために設けられる。
半導体装置２では、例えば、半導体素子モジュールＳＭ１に接続される冷却部材１０ａおよび１０ｂ（図１参照）の一方を省略することにより、装置構成を簡略化できる。上記の例では、半導体素子モジュールＳＭ３の下面側に配置される冷却部材１０を示したが、実施形態はこれに限定される訳ではない。すなわち、冷却部材１０を半導体素子モジュールＳＭ３の上面側に配置する構成としても良い。
また、冷却部材１０を半導体素子モジュールＳＭ３に直接接続する必要がない場合には、強化部材１５０およびケース１６０に設けられる開口ＯＰを省略しても良い。その場合は、金属部材２０および３０のそれぞれに配線端子３５を接続し、図示しない配線プレートを配線端子３５に接続することにより、複数の半導体素子モジュールＳＭ３を並列接続する構成とする。
本実施形態においても、強化部材１５０を設けることにより、半導体素子モジュールＳＭ３の短絡時における爆発的破損を回避することができる。このような防爆構造は、低コストで実現可能であり、半導体装置２の小型化にも寄与する。
（第３実施形態）
図８は、第３実施形態に係る半導体素子モジュールＳＭ４を示す模式断面図である。半導体素子モジュールＳＭ４は、金属部材２０、３０、半導体素子４０およびケース２６０を含む。ケース２６０は、強化部材２５０と、樹脂部材２６５と、を含む。
半導体素子４０は、金属部材２０および３０の間に配置され、金属部材２０および３０と共にケース２６０の内部に収容される。ケース２６０の内部には、樹脂部材７０が充填され、半導体素子４０は、金属部材２０および３０の内部に封じられる。強化部材２５０は、金属部材２０および３０を囲むように配置される。
図９は、半導体素子モジュールＳＭ４を示す別の模式断面図である。図９は、金属部材２０の上に配置された半導体素子４０を示す模式図である。
半導体素子４０は、その表面４０Ｔに設けられたエミッタ電極４３（もしくはソース電極）と、ゲート電極４５と、を含む。ケース２６０は、一面が開放された箱型形状を有し、金属部材２０および３０のそれぞれの３つの側面に対向するように配置された強化部材２５０を含む。ゲート電極４５に接続されるゲート端子８０は、ケース２６０の開放部から外部へ延出される。
本実施形態でも、ケース２６０が強化部材２５０を含むことにより、半導体素子モジュールＳＭ４の短絡時における爆発的破損を回避することができる。また、強化部材２５０をケース２６０の内部に一体化して配置することにより部品点数を減らし、半導体素子モジュールＳＭ４の製造効率を向上させることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (9)

  1. 並列接続された複数の半導体素子ユニットを備え、
    前記半導体素子ユニットは、
    第１金属部材と、
    前記第１金属部材に対向する第２金属部材と、
    前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に配置された少なくとも１つの半導体素子と、
    前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に前記半導体素子を封じた樹脂部材と、
    前記第１金属部材と前記第２金属部材とを囲むように設けられ、前記樹脂部材よりも高強度である強化部材と、
    を含み、
    前記強化部材は、前記第１金属部材および前記第２金属部材の少なくともいずれか一方を部分的に露出させた開口を有する半導体装置。
  2. 並列接続された複数の半導体素子ユニットを備え、
    前記半導体素子ユニットは、
    第１金属部材と、
    前記第１金属部材に対向する第２金属部材と、
    前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に配置された少なくとも１つの半導体素子と、
    前記第１金属部材と前記第２金属部材とを囲むように設けられた強化部材と、
    前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に前記半導体素子を封じ、前記強化部材を覆うように設けられた樹脂部材と、
    を含み、
    前記強化部材は、前記樹脂部材よりも高強度であり、前記第１金属部材および前記第２金属部材の少なくともいずれか一方を部分的に露出させた開口を有する半導体装置。
  3. 前記強化部材は、金属を含む請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記強化部材は、前記第１金属部材および前記第２金属部材のいずれか一方に電気的に接続された請求項３記載の半導体装置。
  5. 前記強化部材は、セラミックを含む請求項１または２に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体素子に接続され、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間から延出されたリードをさらに備え、
    前記強化部材は、前記リードの延在方向に設けられた開放部を有する請求項１または２に記載の半導体装置。
  7. 前記半導体素子は、第１電極と、前記第１電極の反対側に配置された第２電極と有し、
    前記第１金属部材は、前記第１電極に接続され、前記第２金属部材は、前記第２電極に接続される請求項１または２に記載の半導体装置。
  8. 前記第１金属部材は、前記第１電極に接続される凸部を有する請求項８記載の半導体装置。
  9. 前記樹脂部材は、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間のスペースに充填されると共に、前記強化部材と前記第１金属部材との間のスペースおよび前記強化部材と前記第２金属部材との間のスペースにも充填される請求項１または２に記載の半導体装置。
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