JP6953859B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子と該半導体素子による熱を放熱するヒートスプレッダとを樹脂封止して一体構造とした半導体モジュールを備えた半導体装置に関する。

従来、特許文献１において、半導体パワー素子などの発熱体を駆動させた際の熱を放熱するヒートシンクを備える冷却構造体が開示されている。この冷却構造体は、発熱体と、ヒートシンクと、発熱体とヒートシンクとを接続する絶縁接着層と、ヒートシンクの一部および発熱体を覆うモールド樹脂と、水などの冷却流体が流れる流路を有する冷却流体通流容器とを備える。そして、この冷却構造体は、ヒートシンクのうちモールド樹脂から露出する部分が冷却流体に接して配置されることで、発熱体の熱がヒートシンクに伝導され、当該ヒートシンクが冷却流体により冷却される構造とされている。

特開２００９−１３５５２４号公報

しかしながら、この冷却構造体は、発熱体とヒートシンクとの間に絶縁接着層が介在しているため、発熱体から生じる熱がヒートシンクに伝わりにくく、熱抵抗が大きい構造、すなわち放熱性が低い構造となっている。放熱性を高めるためには、ヒートシンクとしてＤＢＡ(Direct Bonded Aluminum)基板やＤＢＣ(Direct Bonded Copper)基板などを用いることも考えられるが、この場合、熱抵抗を下げることができるものの、コストが高くなってしまう。

また、水などの冷却流体がヒートシンクとの接触面側からヒートシンクとモールド樹脂との界面に侵入した場合には、発熱体や絶縁接着層の劣化を引き起こし、絶縁不良や熱抵抗の増大などの不具合が生じるおそれがあり、信頼性向上の観点から改良の余地がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、半導体素子などの発熱体、ヒートスプレッダおよびこれらを覆う樹脂部材を備え、放熱性および信頼性の高い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に記載の半導体装置は、表裏の関係にある一面（１０ａ）および他面（１０ｂ）を有する第１ヒートスプレッダ（１０）と、一面上に搭載された半導体素子（２０）と、半導体素子および第１ヒートスプレッダの一部を覆うモールド樹脂（３０）と、第１ヒートスプレッダの表面のうち他面を含む一部の領域に形成された第１絶縁層（４０）と、を備える。このような構成において、第１ヒートスプレッダは、他面がモールド樹脂より露出すると共に、他面に凹凸形状とされた第１フィン部（１１）が形成されており、第１絶縁層は、第１フィン部を覆うと共に、第１ヒートスプレッダのうち一面と他面とを繋ぐ面を側面（１０ｃ）として、側面のうちモールド樹脂との界面領域であって、一面側の端部と他面側の端部との間の少なくとも一部の領域において、一面に対する法線方向から見て第１ヒートスプレッダを取り囲む閉環状に形成されており、半導体素子を挟んで第１ヒートスプレッダと対向配置されると共に、半導体素子と熱的に接続された第２ヒートスプレッダ（５０）を備え、第２ヒートスプレッダは、第１ヒートスプレッダ側の面の反対面（５０ｂ）がモールド樹脂から露出すると共に、反対面に凹凸形状とされた第２フィン部（５１）が形成されており、第２フィン部は、第２絶縁層（５２）により覆われており、第２絶縁層のうち反対面側を覆う部分は、表面保護層（５３）により覆われている。

これにより、ヒートスプレッダの一面上に搭載された半導体素子から生じる熱がヒートスプレッダの一面側から冷却部であるフィン部が形成された他面側へ拡散された後、熱が伝わったフィン部が絶縁層を介して冷却流体に晒されることで冷却される構造となる。また、絶縁層は、フィン部を含む他面を覆うと共に、ヒートスプレッダのうち一面と他面とを繋ぐ面である側面のうちモールド樹脂との界面領域において一面に対する法線方向から見てヒートスプレッダを取り囲む閉環状に形成されている。そのため、ヒートスプレッダの側面の一部が絶縁層を介してモールド樹脂に覆われることでモールド樹脂との密着性が向上し、ヒートスプレッダの側面とモールド樹脂との間に水などの冷却流体が侵入することによる不具合が抑制される構造となる。よって、半導体素子から生じる熱が効率的に放熱されると共に、ヒートスプレッダとモールド樹脂との界面に水などの冷却流体が侵入することによる不具合が抑制され、従来に比べて、放熱性および信頼性の高い半導体装置となる。

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。

第１実施形態の半導体装置を示す平面模式図である。 図１中の一点鎖線II−II間の断面を示す断面図である。 第１実施形態の半導体装置のうちフィン部を示す図であり、（ａ）はヒートスプレッダの他面側から見た平面模式図であり、（ｂ）は、（ａ）中の二点鎖線IIIb-IIIb間の断面を示す断面図である。 冷却流体を流す流路を備える冷却器に第１実施形態の半導体装置を装着した様子を示す図である。 半導体装置における絶縁層の配置例を示す断面図である。 半導体装置における絶縁層の配置と熱抵抗との関係を示す図である。 第２実施形態の半導体装置を示す断面図である。 第３実施形態の半導体装置を示す断面図である。 第４実施形態の半導体装置を示す斜視図である。 図９に示す半導体装置の断面図である。 第５実施形態の半導体装置を示す図であり、（ａ）は第５実施形態の半導体装置の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）中のXIB-XIB間の第５実施形態の半導体装置の断面図である。 他の実施形態の半導体装置を示す断面図である。

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実施形態の半導体装置Ｓ１について、図１〜図５を参照して述べる。本実施形態の半導体装置Ｓ１は、例えば自動車などの車両などに搭載される半導体装置などに用いられる。

図１では、後述するヒートスプレッダ１０の一面１０ａ側から本実施形態の半導体装置Ｓ１を見たときの平面レイアウトの一例を示しており、後述するモールド樹脂３０の外郭線を破線で示している。図２では、構成を分かり易くするために、後述する絶縁層４０および表面保護層４１の厚みを誇張して示している。図３（ａ）では、後述するフィン部１１を他面１０ｂ側から見た様子を示しており、便宜的に図３（ａ）中の左右方向をｘ軸方向とし、紙面上においてｘ軸に対する垂直方向をｙ軸方向とし、ｘｙ平面に対する法線方向をｚ軸方向としている。また、図３（ａ）では、後述するピン１２の配置を分かり易くするために、ピン１２のｘ軸方向およびｙ軸方向に沿った中心線を一点鎖線で示し、ピン１２の径を表すための補助線を破線で示している。図３（ｂ）では、図３（ｂ）中の左右方向をｘ軸方向とし、紙面上においてｘ軸に対する垂直方向をｚ軸方向とし、ｘｚ平面に対する法線方向をｙ軸方向としており、ピン１２の高さを表すための補助線を破線で示している。図５では、後述するヒートスプレッダ１０を便宜的に３つの領域、すなわち導体部１０１、熱拡散部１０２および冷却部１０３に区分した際におけるこれらの境界線を破線で示している。

本実施形態の半導体装置Ｓ１は、図１もしくは図２に示すように、ヒートスプレッダ１０と、リード部１４、１５と、半導体素子２０と、リード部１４、１５と半導体素子２０とを電気的に接続する配線部材２３、２４と、これらを覆うモールド樹脂３０とを備える。そして、ヒートスプレッダ１０は、表裏の関係にある一面１０ａと他面１０ｂとを有し、他面１０ｂには凹凸形状とされたフィン部１１が形成されている。

ヒートスプレッダ１０は、例えばＣｕ、Ａｌなどの熱伝導率が高く、電気抵抗が低い金属材料により構成され、半導体素子２０から生じる熱を拡散する役割と、半導体素子２０の電流経路としての役割を果たす。ヒートスプレッダ１０は、例えば、略四角板にて構成され、その四角板の一辺から張り出すリード部１３を備えている。リード部１３は、その一部がモールド樹脂３０から露出すると共に、ヒートスプレッダ１０のうちリード部１３以外の部分よりも板厚が薄くされており、配線部材としての役割を果たす。

ヒートスプレッダ１０は、図２に示すように、他面１０ｂがモールド樹脂３０より露出している。ヒートスプレッダ１０の他面１０ｂには、凹凸形状とされたフィン部１１が形成されている。

フィン部１１は、例えば図３（ｂ）もしくは図４に示すように、ヒートスプレッダ１０の他面１０ｂから突き出した柱状のピン１２が複数形成されることにより、凹凸形状とされている。フィン部１１は、後述する絶縁層４０を介して、例えば水や空気などの冷却流体に晒されることで、半導体素子２０から生じる熱を冷却流体に向けて放出し、半導体装置Ｓ１の温度を下げる冷却部としての役割を果たす。

ピン１２は、例えば図３（ａ）に示すように、図３中のｘ軸方向およびｙ軸方向に沿って直線的かつ規則的に配列されている。本実施形態では、ピン１２は、ｘ軸方向に沿って隣接する他のピン１２との距離と、ｙ軸方向に沿って隣接する別の他のピン１２との距離とが同じとなるように配置されている。ピン１２は、例えば図３（ｂ）に示すように、他面１０ｂに対する法線方向のうち一面１０ａから他面１０ｂに向かう方向を上方向として、他面１０ｂから上方向へ垂直に突き出す円柱形状とされている。

ピン１２は、例えば、図３（ａ）もしくは図３（ｂ）に示すように、ｘ軸方向に沿って隣接する他のピン１２との間隔をＸとし、ｙ軸方向に沿って隣接する他のピン１２との間隔をＹとし、高さをＨとして、それぞれ４ｍｍとされている。また、図３（ａ）に示すようにピン１２の直径をＤとすると、ピン１２の直径Ｄは、例えば、２ｍｍとされている。

なお、ピン１２は、上記の配列例だけでなく、ｘ軸方向に沿って直線的に配列された一列のピン１２と、当該一列のピン１２とｙ軸方向に沿って隣接する他の一列ピン１２とがｘ軸方向におけるピン１２の位置を交互にずらした千鳥配列や他の配列とされてもよい。また、ピン１２は、円柱形状だけでなく、多角柱形状や他の形状とされてもよいし、他面１０ｂから上方向に垂直方向に突き出すだけでなく、他の方向に傾いて突き出す形状とされてもよい。さらに、ピン１２同士の間隔Ｘ、Ｙ、ピン１２の直径Ｄや高さＨなどについても、適宜変更されてもよい。

半導体素子２０は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）などの半導体パワー素子であり、図２に示すように、ヒートスプレッダ１０の一面１０ａ上に図示しないはんだなどの接合材を介して搭載されている。

半導体素子２０は、例えば図１に示すように四角形板状とされ、ヒートスプレッダ１０側の面に図示しない第１電極が形成され、ヒートスプレッダ１０側の反対面に第２電極２１、第３電極２２が形成されている。本実施形態では、例えば、半導体素子２０がＩＧＢＴである場合には、第１電極はコレクタ、第２電極２１はエミッタ、第３電極２２はゲートとされている。なお、半導体素子２０は、通常の半導体プロセスにより形成される。

なお、上記では、半導体素子２０がＩＧＢＴとされた例について説明したが、ＦＷＤ（フリーホイールダイオード）などの半導体素子とされてもよいし、ＩＧＢＴとＦＷＤとが形成された半導体素子とされてもよい。

第１電極は、本実施形態では、はんだなどを介してヒートスプレッダ１０と電気的に接続されている。第２電極２１は、図示しないはんだなどを介して例えば銅などによりなる配線部材２３が接続され、配線部材２３を介して銅などによりなるリード部１４と電気的に接続されている。第３電極２２は、例えばアルミニウムなどによりなるワイヤ２４がワイヤボンディングされ、ワイヤ２４を介して銅などによりなるリード部１５と電気的に接続されている。リード部１４、１５は、リード部１３と同様に、ヒートスプレッダ１０のうちリード部１３以外の板厚よりも薄くされ、配線部材としての役割を果たす。

モールド樹脂３０は、図１もしくは図２に示すように、例えば熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂などの樹脂材料で構成され、ヒートスプレッダ１０のうち他面１０ｂと異なる部分、リード部１４、１５の一部、半導体素子２０および配線部材２３、２４を覆っている。

絶縁層４０は、本実施形態では、ヒートスプレッダ１０のうちフィン部１１を含む他面１０ｂ、および一面１０ａと他面１０ｂとを繋ぐ側面１０ｃの一部の領域に形成されている。絶縁層４０は、側面１０ｃのうちモールド樹脂３０との界面領域であって、少なくとも一面１０ａ側の端部と他面１０ｂ側の端部との間の一部の領域において、他面１０ｂに対する法線方向から見てヒートスプレッダ１０を取り囲む閉環状となるように形成されている。この理由については、後ほど説明する。

絶縁層４０は、例えば図４に示すように、冷却流体が流れる流路２０１を備える冷却器２００にフィン部１１側を向けて半導体装置Ｓ１を図示しないＯリングなどを用いてセットした際に、冷却器２００と該半導体装置との絶縁を確保するための絶縁部材である。

なお、冷却器２００は、例えばアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属材料によりなり、半導体装置Ｓ１をセットして該半導体装置Ｓ１のうちフィン部１１を流路２０１に露出させるための開口部２０２が形成されており、必要に応じて任意の形状とされる。また、半導体装置Ｓ１を冷却器２００にセットする際には、フィン部１１が冷却器２００の流路２０１の内壁面に接触するように配置されることが冷却効率の向上の観点から好ましい。さらに、図４では、冷却器２００の開口部２０２とヒートスプレッダ１０との隙間を極力少なくする観点から、他面１０ｂ側に段差１０ｄが形成されている例について示している。このように、半導体装置Ｓ１は、他面１０ｂ側の形状が必要に応じて適宜変更されてもよい。

絶縁層４０は、例えば、樹脂材料やセラミック材料などにより構成され、溶射、スピンコート、加熱圧着や真空圧着などの手法により形成される。絶縁層４０は、絶縁性や信頼性の確保の観点から、使用する材料の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）にもよるが、当該絶縁層が形成される他面１０ｂもしくは側面１０ｃに対する積層方向における厚みが１０〜６５０μｍの範囲内とすることが好ましい。また、絶縁層４０は、放熱性確保の観点から熱伝導率が０．０１〜１００Ｗ／ｍＫの範囲内の樹脂材料もしくはセラミック材料により構成されることが好ましい。

絶縁層４０のうちフィン部１１を含む他面１０ｂ側の部分は、本実施形態では、図２に示すように、表面保護層４１により覆われている。

表面保護層４１は、絶縁層４０の保護や放熱性の向上の観点から、絶縁層４０のうち他面１０ｂ側の部分を覆うように形成されている。表面保護層４１は、特に冷却流体として水やＬＬＣを使用する場合などに、絶縁層４０を保護する役割を果たす。より具体的には、表面保護層４１は、特に冷却流体として水を用いる場合、防錆防食機能を果たす。

表面保護層４１は、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ａｕ、Ａｇからなる群のいずれか１つを主成分とする金属もしくは当該金属の酸化物により構成される。また、表面保護層４１は、例えば、上記群のうち２つ以上の金属を有してなる合金もしくは当該合金の酸化物またはフッ素系樹脂により構成されてもよい。例えば、表面保護層４１は、上記群の金属のうちＡｌが用いられる場合であれば、Ａｌの酸化物としてアルマイトにより構成される。

表面保護層４１は、例えばメッキ、スパッタリング、蒸着や金属箔溶接などの手法により絶縁層４０上に積層される。表面保護層４１は、特に絶縁層４０の保護の観点から、積層方向における厚みが０．０２〜１００μｍの範囲内とされることが好ましい。

なお、表面保護層４１は、上記群から選ばれる１つの金属もしくは２つ以上の金属を有してなる合金を主成分とする構成とされているが、他の金属や不可避の不純物などが含まれていてもよい。また、「主成分」とは、表面保護層４１全体のうち例えば８５〜９９．９９ｖｏｌ％を占める成分をいう。

以上が本実施形態の半導体装置Ｓ１の構成であり、通常の半導体実装プロセスにより製造される。

次に、絶縁層４０がヒートスプレッダ１０のフィン部１１を含む他面１０ｂ側に形成された構成とされることによる効果について、図５、図６を参照して説明する。

本発明者らは、半導体パワー素子がヒートスプレッダ上に搭載された構成の半導体装置における放熱性の向上について鋭意検討を行った。その結果、絶縁層４０の配置により、半導体装置の放熱性が大きく変わることを突き止めた。

具体的には、本発明者らは、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、絶縁層４０の配置が異なる３つの半導体装置をモデルとして、これらの半導体装置における熱抵抗をシミュレーションにより試算した。

シミュレーションにおいては、ヒートスプレッダ１０を便宜的に３つの領域、すなわち導体部１０１、熱拡散部１０２および冷却部１０３の領域に区分した。具体的には、導体部１０１は、ヒートスプレッダ１０のうち半導体素子２０が搭載された一面１０ａを含む領域である。熱拡散部１０２は、ヒートスプレッダ１０のうちフィン部１１が形成された他面１０ｂを含む領域を冷却部１０３として、導体部１０１と冷却部１０３とに挟まれた領域である。

図５（ａ）に示す半導体装置は、導体部１０１と熱拡散部１０２との間に絶縁層４０が形成されたものである。図５（ｂ）に示す半導体装置は、熱拡散部１０２と冷却部１０３との間に絶縁層４０が形成されたものである。図５（ｃ）に示す半導体装置は、冷却部１０３上に絶縁層４０が形成されたものであり、本実施形態の半導体装置Ｓ１の絶縁層４０配置に相当する構造とされている。

また、図６中の横軸の絶縁層の配置Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれ図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）に記載の半導体装置に対応しており、配置Ａ、Ｂ、Ｃの順に絶縁層４０が半導体素子２０から離れた位置に形成された構成とされる。

なお、図５に示す半導体装置における導体部１０１、熱拡散部１０２および冷却部１０３の板厚は、それぞれ０．３ｍｍ、２．０ｍｍ、１．０ｍｍとした。冷却部１０３の板厚は、フィン部と異なる部分のものである。また、熱抵抗の試算にあたっては、絶縁層４０を構成する材料の熱伝導率を１Ｗ／ｍＫとし、絶縁層４０の配置以外の条件については同一とした。

シミュレーションによれば、図６に示すように、絶縁層４０がヒートスプレッダ１０のうち半導体素子２０が搭載された一面１０ａから遠い位置に形成された構成ほどその熱抵抗が下がることが判明した。具体的には、配置Ａの半導体装置の熱抵抗を１とした場合、配置Ｂの半導体装置の熱抵抗については０．３５、配置Ｃの半導体装置の熱抵抗については０．２４であった。つまり、図６に示す結果は、本実施形態の半導体装置に相当する配置Ｃとすることで、配置Ａの半導体装置に対してその熱抵抗を約７６％低減できることを示唆している。また、このシミュレーションは、絶縁層４０が金属材料に比べて熱伝導率が１〜２桁小さい材料で構成された場合の試算であるため、熱伝導率が低い材料を絶縁層４０として用いても、半導体装置の放熱性が向上することを示している。

絶縁層４０が半導体素子２０から遠くに配置されるほど熱抵抗が下がる理由については、半導体素子２０で生じた熱が拡散された後に冷却部１０３から放熱されることとなるためであると考えられる。

次に、ヒートスプレッダ１０の側面１０ｃにおける絶縁層４０の配置について説明する。

絶縁層４０は、側面１０ｃのうちモールド樹脂３０との界面領域において、一面１０ａもしくは他面１０ｂに対する法線方向から見て、ヒートスプレッダ１０を取り囲む閉環状となるように形成されている。このように側面１０ｃが絶縁層４０を介してモールド樹脂３０に覆われることで、ヒートスプレッダ１０とモールド樹脂３０との線膨張係数差が緩和され、ヒートスプレッダ１０とモールド樹脂３０との間の側面１０ｃにおける密着性が向上する。

このように密着性が向上すると、図４に示すように、水などの冷却流体に他面１０ｂの一部およびフィン部１１が晒された際に、冷却流体がヒートスプレッダ１０とモールド樹脂３０との間に侵入しにくくなる。そのため、冷却流体が半導体装置Ｓ１内に侵入することによる絶縁層４０や半導体素子２０の劣化などの不具合が抑制され、信頼性が向上する構造となる。

なお、本実施形態では、図２に示すように、側面１０ｃの全域に絶縁層４０が形成された例を示したが、絶縁層４０は、側面１０ｃにおいてヒートスプレッダ１０を取り囲む閉環状とされていればよく、必ずしも側面１０ｃの全域に形成されていなくてもよい。絶縁層４０は、側面１０ｃのうち他面１０ｂ側の端部の領域、言い換えると冷却流体の侵入経路となりうる領域を含む領域に形成されていることが好ましい。

本実施形態によれば、絶縁層４０がヒートスプレッダ１０のうち半導体素子２０から遠い他面１０ｂ側に配置され、ヒートスプレッダ１０の側面１０ｃに閉環状に形成されるため、従来に比べて、放熱性および信頼性の高い半導体装置となる。

（第２実施形態）
第２実施形態の半導体装置Ｓ２について、図７を参照して述べる。図７では、本実施形態の半導体装置の断面であって、上記第１実施形態で説明した図２に相当する位置における断面を示している。

本実施形態の半導体装置Ｓ２は、図７に示すように、上記第１実施形態の半導体装置Ｓ１に加えて、さらにもう１つのヒートスプレッダ５０を備えた構成とされている。本実施形態の半導体装置Ｓ２は、第１ヒートスプレッダ１０と第２ヒートスプレッダ５０とを備え、半導体素子２０から生じた熱がこれらのヒートスプレッダ１０、５０により放熱される両面放熱構造とされている点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。

なお、第２ヒートスプレッダ５０の構成要素を第１ヒートスプレッダ１０の構成要素と区別しやすくするため、以下の説明においては、便宜的に、第１ヒートスプレッダ１０の絶縁層４０を第１絶縁層とし、表面保護層４１を第１表面保護層とする。

第２ヒートスプレッダ５０は、図７に示すように、一面５０ａが図示しないはんだなどを介して半導体素子２０と熱的に接続されている。第２ヒートスプレッダ５０は、一面５０ａの反対の他面５０ｂに第２フィン部５１が形成されている。

第２ヒートスプレッダ５０は、図７に示すように、第１ヒートスプレッダ１０と同様に、第２フィン部５１を含む他面５０ｂがモールド樹脂３０より露出し、他面５０ｂ、および一面５０ａと他面５０ｂとを繋ぐ側面５０ｃに第２絶縁層５２が形成されている。第２ヒートスプレッダ５０は、第２絶縁層５２のうち第２フィン部５１を含む他面５０ｂ側の領域が第２表面保護層５３により覆われている。

なお、第２ヒートスプレッダ５０、第２絶縁層５２、第２表面保護層５３は、それぞれ第１ヒートスプレッダ１０、第１絶縁層、第１表面保護層と同様の材料により構成される。また、第２絶縁層５２のうち他面５０ｂ側に形成されている部分は、第２表面保護層５３により覆われている。さらに、上記第１実施形態におけるリード部１４および配線部材２３、もしくはリード部１５および配線部材２４に替えて、第２ヒートスプレッダ５０を用いることで、第２ヒートスプレッダ５０は、電流回路および放熱部材として機能する。

また、上記第１実施形態と同様に、例えば半導体素子２０のうちゲート電極として機能する電極などにワイヤボンディングを施す場合には、ワイヤとヒートスプレッダとの接触防止の観点から、図示しないスペーサ部材を用いてもよい。具体的には、例えば、半導体素子２０と第２ヒートスプレッダ５０との間に、銅などの金属によりなり、これらの両部材を電気的、熱的に接続するスペーサ部材が挿入された構成とされていてもよい。

本実施形態によれば、半導体素子２０から生じた熱が２つのヒートスプレッダ１０、５０により両面に放熱される構造となるため、上記第１実施形態の効果に加えて、さらに放熱性が高い半導体装置となる。

（第３実施形態）
第３実施形態の半導体装置Ｓ３について、図８を参照して述べる。図８では、本実施形態の半導体装置Ｓ３の断面であって、上記第１実施形態で説明した図２に相当する位置における断面を示している。

本実施形態の半導体装置Ｓ３は、ヒートスプレッダ１０、５０、６０、７０および２つの半導体素子２０、８０を備える。このような構成において、ヒートスプレッダ１０、５０および半導体素子２０を備えるグループ、およびヒートスプレッダ６０、７０および半導体素子８０を備えるグループは、それぞれ１つの半導体回路として機能する。そして、２つの半導体素子２０、８０およびヒートスプレッダ１０、５０、６０、７０の一部がモールド樹脂３０より封止されると共に、ヒートスプレッダ５０とヒートスプレッダ６０とが電気的に接続されている。このように本実施形態の半導体装置Ｓ３は、いわゆる２ｉｎ１構造とされている点において、上記第２実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。

第１ヒートスプレッダ１０は、図８に示すように、一面１０ａ上に半導体素子２０が搭載されている。第１ヒートスプレッダ１０は、他面１０ｂのうち半導体素子２０が搭載された位置に対応する部分にフィン部１１が形成されている。他面１０ｂおよび側面１０ｃは、上記第１実施形態と同様に、絶縁層４０により覆われている。他面１０ｂ側は、フィン部１１を含めて表面保護層４１により覆われている。

第２ヒートスプレッダ５０は、図８に示すように、第１ヒートスプレッダ１０と半導体素子２０を隔てて向き合うと共に、一面５０ａ側が半導体素子２０と熱的に接続されている。第２ヒートスプレッダ５０は、一面５０ａの反対の他面５０ｂのうち半導体素子２０が搭載された位置に対応する部分にフィン部５１が形成されている。他面５０ｂおよび側面５０ｃは、上記第１実施形態と同様に、絶縁層４０により覆われている。他面１０ｂ側に形成された絶縁層４０は、フィン部１１を含めて表面保護層４１により覆われている。

第２ヒートスプレッダ５０は、第３ヒートスプレッダ６０と電気的に接続され、電流経路として用いられる突起部５４が形成されている。突起部５４は、はんだなどの導電性の接合材６５を介して後述する第３ヒートスプレッダ６０に形成された突起部６４と電気的に接続されている。

第３ヒートスプレッダ６０は、図８に示すように、一面６０ａ上に半導体素子８０が搭載されている。第３ヒートスプレッダ６０は、他面６０ｂのうち半導体素子８０が搭載された位置に対応する部分にフィン部６１が形成されている。他面６０ｂおよび側面６０ｃは、上記第１実施形態と同様に、絶縁層６２により覆われている。他面６０ｂ側に形成された絶縁層６２は、フィン部６１を含めて表面保護層６３により覆われている。

第３ヒートスプレッダ６０は、第２ヒートスプレッダ５０と電気的に接続され、電流経路として用いられる突起部６４が形成されている。突起部６４は、接合材６５を介して突起部５４と電気的に接続されている。

第４ヒートスプレッダ７０は、図８に示すように、第３ヒートスプレッダ６０と半導体素子８０を隔てて向き合うと共に、一面７０ａ側が半導体素子８０と熱的に接続されている。第４ヒートスプレッダ７０は、一面７０ａの反対の他面７０ｂのうち半導体素子８０が搭載された位置に対応する部分にフィン部７１が形成されている。他面７０ｂおよび側面７０ｃは、上記第１実施形態と同様に、絶縁層７２により覆われている。他面７０ｂ側は、フィン部７１を含めて表面保護層７３により覆われている。

半導体素子８０は、半導体素子２０と同様に、ＩＧＢＴやＦＷＤなどを備える素子である。

なお、フィン部６１、７１は、例えば、上記第１実施形態と同様に、複数のピンが設けられることで凹凸形状とされた領域であるが、その形状が適宜変更されてもよい。また、上記第２実施形態と同様に、必要に応じて図示しないスペーサ材が用いられた構成とされてもよい。

本実施形態によれば、２つの半導体素子２０、８０を駆動させることができ、放熱性および信頼性が高い半導体装置となる。

（第４実施形態）
第４実施形態の半導体装置Ｓ４について、図９、図１０を参照して述べる。図１０は、図９中の冷却流体導入ポート２ｃ、冷却流体排出ポート２ｄの２つの延設方向を通る平面で本実施形態の半導体装置Ｓ４を切断した場合の断面に相当する。また、図１０では、見やすくするために後述する半導体モジュールＳ３における絶縁層４０、表面保護層４１、突起部５４、６４および接合材６５を省略している。

本実施形態の半導体装置Ｓ４は、図９に示すように、上記第３実施形態の半導体装置Ｓ３（以下の説明においては、「半導体モジュールＳ３」という）を複数備え、冷却機構２を有するインバータに適用した例である。本実施形態では、半導体モジュールＳ３以外の特徴部分について主に説明する。

このインバータは、プレート状とされた３つの半導体モジュールＳ３と、冷却機構２とを備え、外部の直流電源に基づいて図示しない負荷（例えばモータなど）を駆動するためのものである。負荷を駆動するための回路構成については、任意のインバータの回路構成を採用できるため、ここではその説明を省略する。

冷却機構２は、熱伝導率の高いアルミなどの金属にて形成され、図１０に示すように複数のプレート２ａ、フィン２ｂ、冷却流体導入ポート２ｃ、冷却流体排出ポート２ｄ等によって構成されている。複数のプレート２ａおよびフィン２ｂは、２枚のプレート２ａおよび１枚のフィン２ｂを一組として、２枚のプレート２ａによって１枚のフィン２ｂを挟み込んだ状態でろう付けもしくは溶接などによって接合されている。これにより、複数のプレート２ａおよびフィン２ｂは、その内部に冷却水などの冷却流体を流す冷却流体通路２ｅを構成している。

複数のプレート２ａは、半導体モジュールＳ３を嵌め込み、半導体モジュールＳ３に形成されたフィン部１１、５１、６１、７１を冷却流体通路２ｅに露出させるための開口部２ａａが形成されている。フィン２ｂは、例えば図１０の紙面垂直方向において波打った形状のウェーブフィンとされている。フィン２ｂは、波打ったフィン２ｂの山および谷の部分がフィン２ｂを挟み込む２枚のプレート２ａに接触することで、紙面左右方向に伸びる冷却流体通路２ｅが複数本形成されている。

各プレート２ａおよびフィン２ｂのうち冷却流体導入ポート２ｃおよび冷却流体排出ポート２ｄと交差する部分には連通孔が形成されている。そして、各プレート２ａおよびフィン２ｂによって形成される各冷却流体通路２ｅは、冷却流体導入ポート２ｃおよび冷却流体排出ポート２ｄによって繋がれている。このため、冷却流体導入ポート２ｃから導入された冷却流体が図９中矢印に示したように各冷却流体通路２ｅを通過したのち冷却流体排出ポート２ｄを通じて排出されるようになっている。

このように構成された冷却機構２における２枚のプレート２ａおよび１枚のフィン２ｂで構成される各組の間には隙間が設けられており、この隙間に各半導体モジュールＳ３が挟み込まれ、絶縁部材などを介して固定されている。例えば、２枚のプレート２ａおよび１枚のフィン２ｂを接合して１つの冷却流体通路２ｅを構成した後、プレート２ａの開口部２ａａに半導体モジュールＳ３のフィン部１１、６１もしくはフィン部５１、７１を嵌め込む。その後、別の２枚のプレート２ａおよび１枚のフィン２ｂを用意し、一方のプレート２ａを半導体モジュールＳ３のうち冷却流体通路２ｅから露出するフィン部１１、６１もしくはフィン部５１、７１に開口部２ａａを嵌め込む。次いで、この状態で半導体モジュールＳ３に嵌め込んだ一方のプレート２ａと他方のプレート２ａおよびフィン２ｂとを接合する。これを繰り返すことにより、冷却機構２に半導体モジュールＳ３が固定される。このようにして、３つの半導体モジュールＳ３が備えられたインバータ１が構成される。

各半導体モジュールＳ３は、図１０に示すように、フィン部１１、５１、６１、７１が冷却流体通路２ｅに露出しつつ、該フィン部１１、５１、６１、７１が冷却流体通路２ｅの内壁面に接触する状態とされている。これにより、各半導体モジュールＳ３は、冷却機構２に導入された冷却流体によりヒートスプレッダ１０、５０、６０、７０のうち冷却流体通路２ｅへの露出面から冷却される。

なお、各半導体モジュールＳ３は、冷却機構２に嵌め込むために、ヒートスプレッダ１０、５０、６０、７０のうちフィン部１１、５１、６１、７１が形成された面に、該フィン部１１、５１、６１、７１が冷却流体通路２ｅへ突き出るように段差が形成されている。具体的には、ヒートスプレッダ１０、５０、６０、７０それぞれの他面側に、段差１０ｄ、５０ｄ、６０ｄ、７０ｄが形成されている。また、上記第１実施形態で述べたのと同様に、ヒートスプレッダ１０、５０、６０、７０のうちフィン部１１、５１、６１、７１が形成される面の形状は、図１０に示す例に限られず、適宜変更されてもよい。

本実施形態のように、インバータに適用された場合、従来に比べて、放熱性および信頼性が高い半導体モジュールを使用するため、放熱性および信頼性が高いインバータとなる。

（第５実施形態）
第５実施形態の半導体装置Ｓ５について、図１１を参照して述べる。図１１では、上記第４実施形態における各半導体モジュールＳ３の配置を変更した例を示しているが、構成を分かり易くするために、冷却機構２のうち各半導体モジュールＳ３のヒートスプレッダ５０、７０側を覆う流路を省略している。また、図１１では、図１０と同様に、見やすくするために、半導体モジュールＳ３における絶縁層４０、表面保護層４１、突起部５４、６４および接合材６５を省略している。

本実施形態の半導体装置Ｓ５は、上記第４実施形態と同様にインバータとされたものであるが、３つの半導体モジュールＳ３が一方向に積み重ねるように配置されておらず、冷却機構２を構成するプレート２ａの一面のなす平面方向に並べて配置されている。そして、本実施形態における冷却機構２の構成が、半導体モジュールＳ３の配置変更に伴って、上記第４実施形態で説明した構成から変更されている。上記の点で本実施形態の半導体装置Ｓ５は、上記第４実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点を主に説明する。

図１１に示すように、３つの半導体モジュールＳ３は、冷却機構２を構成するプレート２ａの一面のなす平面方向に沿って並べて配置されている。言い換えると、上記第４実施形態における半導体モジュールＳ３の配置を積み置きとした場合、本実施形態では、半導体モジュールＳ３は、一平面上に平置きされている。

冷却機構２は、本実施形態では、平置きされた３つの半導体モジュールＳ３を挟持するように２つの冷却流体通路２ｅが形成された構成とされ、１つの冷却流体通路２ｅが、３つの半導体モジュールＳ３を冷却するための流路として共通化された構成とされている。つまり、冷却機構２は、２つの冷却流体通路２ｅにより３つの半導体モジュールＳ３を両面から冷却する構造とされている。

なお、冷却流体通路２ｅは、上記第４実施形態では、２枚のプレート２ａと１枚のフィン２ｂにより構成されていたが、本実施形態では、２枚のプレート２ａで構成されている。

本実施形態によれば、半導体モジュールＳ３を平置きすることで、インバータを構成する冷却機構２の厚みが上記第４実施形態よりも薄くなるため、放熱性および信頼性を高めつつ、より薄型化されたインバータとなる。

（他の実施形態）
なお、上記した各実施形態に示した半導体装置は、本発明の半導体装置の一例を示したものであり、上記の各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、絶縁層４０のうち他面１０ｂ側の部分が表面保護層４１で覆われた構造とされた例について説明した。しかし、冷却流体として空気を用いる場合や冷却流体として水やＬＬＣを用いるが、絶縁層４０が耐水性の高い材料により構成される場合などにおいては、表面保護層４１のない構成の半導体装置とされてもよい。

上記各実施形態では、ヒートスプレッダ１０の他面１０ｂおよび側面１０ｃに絶縁層４０が形成された例について説明したが、絶縁層４０は、図１２に示すように、ヒートスプレッダ１０の表面のうちモールド樹脂３０との界面全域を覆うように形成されてもよい。また、絶縁層４０は、半導体素子２０とモールド樹脂３０との界面に形成されてもよい。

これにより、絶縁層４０がヒートスプレッダ１０および半導体素子２０とモールド樹脂３０との界面全域を連続的に覆うことで、モールド樹脂３０との密着性が向上するため、上記各実施形態よりもさらに信頼性の高い半導体装置となる。

なお、図１２では、上記第１実施形態の半導体装置Ｓ１において、絶縁層４０をヒートスプレッダ１０とモールド樹脂３０との界面全域に形成した例について示したが、第１実施形態以外の上記各実施形態においても、同様の絶縁層形成がなされてもよい。具体的には、上記第１実施形態以外の実施形態において、絶縁層がヒートスプレッダ１０、５０、６０、７０および半導体素子２０、８０とモールド樹脂３０との界面全域に形成された構造とされてもよい。

１０ ヒートスプレッダ
１１ フィン部
１２ ピン
２０ 半導体素子
３０ モールド樹脂
４０ 絶縁層
４１ 表面保護層

Claims (9)

1. 表裏の関係にある一面（１０ａ）および他面（１０ｂ）を有する第１ヒートスプレッダ（１０）と、
   前記一面上に搭載された半導体素子（２０）と、
   前記半導体素子および前記第１ヒートスプレッダの一部を覆うモールド樹脂（３０）と、
   前記第１ヒートスプレッダの表面のうち前記他面を含む一部の領域に形成された第１絶縁層（４０）と、を備え、
   前記第１ヒートスプレッダは、前記他面が前記モールド樹脂より露出すると共に、前記他面に凹凸形状とされた第１フィン部（１１）が形成されており、
   前記第１絶縁層は、前記第１フィン部を覆うと共に、前記第１ヒートスプレッダのうち前記一面と前記他面とを繋ぐ面を側面（１０ｃ）として、前記側面のうち前記モールド樹脂との界面領域であって、前記一面側の端部と前記他面側の端部との間の少なくとも一部の領域において、前記一面に対する法線方向から見て前記第１ヒートスプレッダを取り囲む閉環状に形成されており、
   前記半導体素子を挟んで前記第１ヒートスプレッダと対向配置されると共に、前記半導体素子と熱的に接続された第２ヒートスプレッダ（５０）を備え、
   前記第２ヒートスプレッダは、前記第１ヒートスプレッダ側の面の反対面（５０ｂ）が前記モールド樹脂から露出すると共に、前記反対面に凹凸形状とされた第２フィン部（５１）が形成されており、
   前記第２フィン部は、第２絶縁層（５２）により覆われており、
   前記第２絶縁層のうち前記反対面側を覆う部分は、表面保護層（５３）により覆われている半導体装置。
2. 前記第１絶縁層は、前記側面のうち少なくとも前記他面側の端部を含む領域に形成されている請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１絶縁層は、前記表面のうち前記モールド樹脂との界面全域に形成されている請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第１絶縁層は、熱伝導率が０．０１〜１００Ｗ／ｍＫの範囲内である樹脂材料もしくはセラミック材料により構成されている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置。
5. 前記第１絶縁層は、前記表面のうち該第１絶縁層が形成された面に対する法線方向における厚みが１０〜６５０μｍの範囲内である請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置。
6. 前記表面保護層を第１表面保護層として、前記第１絶縁層のうち前記第１フィン部を覆う部分は、防錆防食機能を有する第２表面保護層（４１）により覆われている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体装置。
7. 前記第１表面保護層および前記第２表面保護層は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ａｕ、Ａｇからなる群のいずれか１つを主成分とする金属もしくは当該金属の酸化物もしくは前記群のうち２つ以上の金属を有してなる合金もしくは当該合金の酸化物またはフッ素系樹脂によりなる請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記第１フィン部は、前記他面から突き出す複数のピン（１２）が互いに離れて配置されることで凹凸形状とされている請求項１ないし７のいずれか１つに記載の半導体装置。
9. 前記半導体素子を第１半導体素子として、第２半導体素子（８０）と、第３ヒートスプレッダ（６０）と、第４ヒートスプレッダ（７０）とをさらに備え、
   前記第２半導体素子は、前記第３ヒートスプレッダの一面（６０ａ）上に搭載され、
   前記第３ヒートスプレッダは、前記一面の反対側の他面（６０ｂ）に凹凸形状とされた第３フィン部（６１）が形成されており、
   前記第４ヒートスプレッダは、前記第３ヒートスプレッダと前記第２半導体素子を挟んで向き合って配置され、前記第２半導体素子と熱的に接続されると共に、前記第２半導体素子の反対側の他面（７０ｂ）に凹凸形状とされた第４フィン部（７１）が形成されており、
   前記第３ヒートスプレッダの前記他面と前記第４ヒートスプレッダの前記他面は、前記モールド樹脂より露出しており、
   前記第３ヒートスプレッダの前記他面は、前記第３フィン部と共に、第３絶縁層（６２）、表面保護層（６３）の順に覆われており、
   前記第４ヒートスプレッダの前記他面は、前記第４フィン部と共に、第４絶縁層（７２）、表面保護層（７３）の順に覆われており、
   前記第１半導体素子、前記第１ヒートスプレッダおよび前記第２ヒートスプレッダを第１のモジュールとし、前記第２半導体素子、前記第３ヒートスプレッダおよび前記第４ヒートスプレッダを第２のモジュールとして、前記第１のモジュールと前記第２のモジュールとは、電気的に接続されると共に、一部が前記モールド樹脂により覆われている請求項１ないし８のいずれか１つに記載の半導体装置。

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