JP7200825B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。
特許文献１に、半導体装置が開示されている。この半導体装置は、積層配置された上側導電板、中間導電板及び下側導電板と、上側導電板と中間導電板との間に位置する第１半導体素子と、中間導電板と下側導電板との間に位置する第２半導体素子と、第１半導体素子及び第２半導体素子を封止するとともに、上側導電板、中間導電板及び下側導電板を一体に保持する封止体とを備える。
特開２０１６－３６０４７号公報
上記した半導体装置では、第１半導体素子及び第２半導体素子のそれぞれが、通電によって発熱する。第１半導体素子及び第２半導体素子が発熱すると、それらに隣接する三つの導電板の温度も上昇して、各々の導電板には熱膨張が生じる。特に、第１半導体素子と第２半導体素子との間に位置する中間導電板は、上側導電板及び下側導電板よりも高温となりやすく、比較的に大きく熱膨張する傾向がある。このような不均一な熱膨張は、半導体装置内の歪を局所的に増大させることがあり、例えば半導体装置の耐久性を低下させるおそれがある。
本明細書は、三以上の導電板が積層された半導体装置において、中間導電板の温度上昇を抑制し得る技術を提供する。
本明細書が開示する半導体装置は、積層配置された上側導電板、中間導電板及び下側導電板と、上側導電板と中間導電板との間に位置しており、上側導電板と中間導電板とのそれぞれに電気的に接続された第１半導体素子と、中間導電板と下側導電板との間に位置しており、中間導電板と下側導電板とのそれぞれに電気的に接続された第２半導体素子と、第１半導体素子及び第２半導体素子を封止するとともに、上側導電板、中間導電板及び下側導電板を一体に保持する封止体とを備える。中間導電板は、封止体の内部で第１半導体素子及び第２半導体素子に接合された本体部と、封止体の表面から外部に露出された露出部を有している。中間導電板の露出部における厚みは、中間導電板の本体部における厚みと等しい、又はそれよりも大きい。
上記した半導体装置では、中間導電板が封止体の表面から外部に露出されているので、中間導電板の熱が外部へ放出されやすい。これにより、中間導電板の温度上昇を有意に抑制することができる。
実施例の半導体装置１０の外観を示す。 図１中のＩＩ－ＩＩ線における断面図を示す。 図１中のＩＩＩ－ＩＩＩ線における断面図を示す。 実施例の半導体装置１０の回路構造を示す。 一変形例の半導体装置１０Ａの構成を模式的に示す断面図であって、図２に示す断面図に対応する。 一変形例の半導体装置１０Ｂの構成を模式的に示す断面図であって、図２に示す断面図に対応する。 一変形例の半導体装置１０Ｃの構成を模式的に示す断面図であって、図２に示す断面図に対応する。 一変形例の半導体装置１０Ｄの構成を模式的に示す断面図であって、図２に示す断面図に対応する。 一変形例の半導体装置１０Ｅの構成を模式的に示す断面図であって、図２に示す断面図に対応する。
本技術の一実施形態において、中間導電板の露出部における厚みは、中間導電板の本体部における厚みよりも大きくてもよい。このような構成によると、中間導電板の熱が外部へより放出されやすい。
本技術の一実施形態において、封止体は、上面と、その反対側に位置する下面とを有してもよい。この場合、上側導電板は、封止体の上面において外部に露出されており、下側導電板は、封止体の下面において外部に露出されていてもよい。このような構成によると、第１半導体素子及び第２半導体素子の熱が、上側導電板及び下側導電板を介して外部へ放出されやすい。
上記した実施形態において、封止体は、上面と下面との間に広がる側面を有してもよい。この場合、中間導電板の露出部は、封止体の側面において外部に露出されていてもよい。このような構成によると、中間導電板を封止体の表面へ容易に露出させることができる。
加えて、又は代えて、中間導電板の露出部は、封止体の上面と下面との少なくとも一方において外部に露出されていてもよい。このような構成によると、例えば半導体装置に冷却器を隣接配置することで、中間導電板を上側導電板及び／又は下側導電板と同時に冷却することができる。
図１－図４を参照して、実施例の半導体装置１０を説明する。本実施例の半導体装置１０は、例えば電気自動車の電力制御装置に採用され、コンバータやインバータといった電力変換回路の一部を構成することができる。なお、本明細書における電気自動車は、車輪を駆動するモータを有する自動車を広く意味し、例えば、外部の電力によって充電される電気自動車、モータに加えてエンジンを有するハイブリッド車、及び燃料電池を電源とする燃料電池車等を含む。
半導体装置１０は、複数の半導体素子１２、１４と、複数の導電板１６、１８、２０と、封止体３０とを備える。封止体３０は、複数の半導体素子１２、１４を封止するとともに、複数の導電板１６、１８、２０を一体に保持している。封止体３０は、絶縁性の材料で構成されている。特に限定されないが、本実施例における封止体３０は、例えばエポキシ樹脂といった、封止用の樹脂材料で構成されている。
封止体３０は、概して板形状を有しており、上面３０ａ、下面３０ｂ、第１端面３０ｃ、第２端面３０ｄ、第１側面３０ｅ及び第２側面３０ｆを有する。上面３０ａと下面３０ｂは、互いに反対側に位置しており、第１端面３０ｃ、第２端面３０ｄ、第１側面３０ｅ及び第２側面３０ｆの各々は、上面３０ａと下面３０ｂとの間に広がっている。そして、第１端面３０ｃと第２端面３０ｄとが互いに反対側に位置し、第１側面３０ｅと第２側面３０ｆとが互いに反対側に位置する。
複数の半導体素子１２、１４は、第１半導体素子１２と、第２半導体素子１４とを含む。第１半導体素子１２と第２半導体素子１４は、パワー半導体素子であって、互いに同一の構造を有する。各々の半導体素子１２、１４は、半導体基板１２ａ、１４ａ、第１主電極１２ｂ、１４ｂ、第２主電極１２ｃ、１４ｃ及び複数の信号電極１２ｄ、１４ｄを備える。半導体基板１２ａ、１４ａは、特に限定されないが、シリコン基板、炭化シリコン基板又は窒化物半導体基板であってもよい。
第１主電極１２ｂ、１４ｂは、半導体基板１２ａ、１４ａの表面に位置しており、第２主電極１２ｃ、１４ｃは、半導体基板１２ａ、１４ａの裏面に位置している。第１主電極１２ｂ、１４ｂと第２主電極１２ｃ、１４ｃは、半導体基板１２ａ、１４ａを介して互いに電気的に接続される。特に限定されないが、各々の半導体素子１２、１４は、スイッチング素子であり、第１主電極１２ｂ、１４ｂと第２主電極１２ｃ、１４ｃとの間を、選択的に導通及び遮断することができる。複数の信号電極１２ｄ、１４ｄは、第１主電極１２ｂ、１４ｂと同じく、半導体基板１２ａ、１４ａの第１の表面に位置している。各々の信号電極１２ｄ、１４ｄは、第１主電極１２ｂ、１４ｂ及び第２主電極１２ｃ、１４ｃよりも十分に小さい。但し、半導体基板１２ａ、１４ａの表面には、第１主電極１２ｂ、１４ｂと複数の信号電極１２ｄ、１４ｄとの両者が位置するので、第１主電極１２ｂ、１４ｂの面積は、第２主電極１２ｃ、１４ｃの面積よりも小さい。第１主電極１２ｂ、１４ｂ、第２主電極１２ｃ、１４ｃ及び信号電極１２ｄ、１４ｄは、アルミニウム、ニッケル又は金といった、一又は複数種類の金属を用いて構成されることができる。
一例ではあるが、図４に示すように、本実施例における各々の半導体素子１２、１４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とダイオードとが一体化されたＲＣ（Reverse Conducting）－ＩＧＢＴである。第１主電極１２ｂ、１４ｂは、ＩＧＢＴのエミッタ及びダイオードのアノードに接続されており、第２主電極１２ｃ、１４ｃは、ＩＧＢＴのコレクタ及びダイオードのカソードに接続されている。そして、複数の信号電極１２ｄ、１４ｄの一つは、ＩＧＢＴのゲートに接続されている。なお、他の実施形態として、第１半導体素子１２及び／又は第２半導体素子１４は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）であってもよい。この場合、第１主電極１２ｂ、１４ｂは、ＭＯＳＦＥＴのソースに接続され、第２主電極１２ｃ、１４ｃは、ＭＯＳＦＥＴのドレインに接続される。そして、複数の信号電極１２ｄ、１４ｄの一つは、ＭＯＳＦＥＴのゲートに接続される。
複数の導電板１６、１８、２０は、上側導電板１６、中間導電板２０及び下側導電板１８を含む。各々の導電板１６、２０、１８は、少なくとも部分的に導電性を有する板状の部材である。三つの導電板１６、２０、１８は積層配置されており、それらの間に複数の半導体素子１２、１４が配置されている。即ち、第１半導体素子１２は、上側導電板１６と中間導電板２０との間に位置しており、上側導電板１６と中間導電板２０とのそれぞれに電気的に接続されている。第２半導体素子１４は、中間導電板２０と下側導電板１８との間に位置しており、中間導電板２０と下側導電板１８とのそれぞれに電気的に接続されている。なお、上側導電板１６と中間導電板２０との間には、二以上の第１半導体素子１２が設けられてもよい。この場合、二以上の第１半導体素子１２は、同じ種類（即ち、同じ構造）の半導体素子であってもよいし、互いに異なる種類（即ち、異なる構造）の半導体素子であってもよい。同様に、中間導電板２０と下側導電板１８との間には、二以上の同じ種類又は異なる種類の第２半導体素子１４が設けられてもよい。
上側導電板１６、中間導電板２０及び下側導電板１８は、導電性を有する板状部材であり、少なくとも一部が導体で構成されている。一例ではあるが、本実施例における各々の導電板１６、２０、１８は、金属板であって、銅で構成されている。上側導電板１６は、第１導体スペーサ１３を介して、第１半導体素子１２の第１主電極１２ｂと電気的に接続されている。中間導電板２０は、第１半導体素子１２の第２主電極１２ｃと電気的に接続されている。特に限定されないが、上側導電板１６と第１導体スペーサ１３との間、第１導体スペーサ１３と第１半導体素子１２の第１主電極１２ｂとの間、及び、第１半導体素子１２の第２主電極１２ｃと中間導電板２０との間は、導電性を有する接合層５０、５２、５４（例えば、はんだ層）を介して互いに接合されている。
中間導電板２０はさらに、第２導体スペーサ１５を介して、第２半導体素子１４の第１主電極１４ｂとも電気的に接続されている。そして、下側導電板１８は、第２半導体素子１４の第２主電極１４ｃと電気的に接続されている。特に限定されないが、中間導電板２０と第２導体スペーサ１５との間、第２導体スペーサ１５と第２半導体素子１４の第１主電極１４ｂとの間、及び、第２半導体素子１４の第２主電極１４ｃと下側導電板１８との間は、導電性を有する接合層６０、６２、６４（例えば、はんだ層）を介して互いに接合されている。
上側導電板１６は、封止体３０の上面３０ａにおいて外部に露出されている。これにより、上側導電板１６は、半導体装置１０において電気回路の一部を構成するだけでなく、半導体素子１２、１４の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。同様に、下側導電板１８は、封止体３０の下面３０ｂにおいて外部に露出されている。従って、下側導電板１８もまた、半導体装置１０において電気回路の一部を構成するだけでなく、半導体素子１２、１４の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。
加えて、本実施例の半導体装置１０では、中間導電板２０も封止体３０の側面３０ｅ、３０ｆにおいて外部に露出されており、放熱板として機能することができる。図２に示すように、中間導電板２０は、封止体３０の内部で第１半導体素子１２及び第２半導体素子１４に接合された本体部２０ａと、封止体３０の側面３０ｅ、３０ｆから外部に露出された露出部２０ｂとを有する。そして、中間導電板２０の露出部２０ｂにおける厚みＴｂは、中間導電板２０の本体部２０ａにおける厚みＴａと等しいか、それよりも大きい。
半導体装置１０は、複数の電力端子３２、３４、３６と、複数の信号端子４０、４２とを備える。これらの端子３２、３４、３６、４０、４２は、特に限定されないが、銅といった金属で構成されている。複数の電力端子３２、３４、３６は、封止体３０の第２端面３０ｄから突出している。複数の信号端子４０、４２は、封止体３０の第１端面３０ｃから突出している。但し、これらの端子３２、３４、３６、４０、４２の位置や形状といった具体的な構造は、特に限定されない。
複数の電力端子３２、３４、３６には、第１電力端子３２、第２電力端子３４及び第３電力端子３６が含まれる。第１電力端子３２は、封止体３０の内部において、上側導電板１６と電気的に接続されている。これにより、第１半導体素子１２の第１主電極１２ｂは、上側導電板１６を介して第１電力端子３２と電気的に接続されている。特に限定されないが、第１電力端子３２は、上側導電板１６と一体に形成されてもよい。
第２電力端子３４は、封止体３０の内部において、中間導電板２０と電気的に接続されている。これにより、第１半導体素子１２の第２主電極１２ｃ、及び、第２半導体素子１４の第１主電極１２ｂは、中間導電板２０を介して第２電力端子３４と電気的に接続されている。特に限定されないが、第２電力端子３４は、中間導電板２０と一体に形成されてもよい。第３電力端子３６は、封止体３０の内部において、下側導電板１８と電気的に接続されている。これにより、第２半導体素子１４の第２主電極１４ｃは、下側導電板１８を介して第３電力端子３６と電気的に接続されている。特に限定されないが、第３電力端子３６は、下側導電板１８と一体に形成されてもよい。
複数の信号端子４０、４２には、複数の第１信号端子４０と複数の第２信号端子４２が含まれる。複数の第１信号端子４０は、封止体３０の内部において、第１半導体素子１２の複数の信号電極１２ｄとそれぞれ電気的に接続されている。特に限定されないが、第１信号端子４０と信号電極１２ｄとの間は、導電性を有する接合層５６（例えば、はんだ層）を介して互いに接合されている。同様に、複数の第２信号端子４２は、封止体３０の内部において、第２半導体素子１４の複数の信号電極１４ｄとそれぞれ電気的に接続されている。特に限定されないが、第２信号端子４２と信号電極１４ｄとの間は、導電性を有する接合層６６（例えば、はんだ層）を介して互いに接合されている。
以上の構成により、本実施例の半導体装置１０は、コンバータやインバータといった電力変換回路に組み込まれ、電流を導通及び遮断するスイッチング回路を構成することができる。第１半導体素子１２及び第２半導体素子１４に電流が流れると、第１半導体素子１２及び第２半導体素子１４がそれぞれ発熱する。第１半導体素子１２及び第２半導体素子１４が発熱すると、それらに隣接する三つの導電板１６、１８、２０の温度も上昇して、各々の導電板１６、１８、２０には熱膨張が生じる。特に、第１半導体素子１２と第２半導体素子１４との間に位置する中間導電板２０は、上側導電板１６及び下側導電板１８よりも高温となりやすい。
そのことから、本実施例の半導体装置１０では、中間導電板２０が封止体３０の側面３０ｅ、３０ｆにおいて外部に露出されており、中間導電板２０の熱が外部へ放出されやすい。これにより、中間導電板２０の温度上昇が有意に抑制される。特に、中間導電板２０の露出部２０ｂに接するよう冷却器を配置することで、中間導電板２０の温度上昇が抑制するとともに、第１半導体素子１２及び第２半導体素子１４の両者を効率的に冷却することができる。
図５は、一変形例の半導体装置１０Ａを示す。図５に示すように、中間導電板２０の露出部２０ｂにおける厚みＴｂは、中間導電板２０の本体部２０ａにおける厚みＴａよりも、十分に大きくしてもよい。この場合、露出部２０ｂにおける厚みＴｂは、本体部２０ａにおける厚みＴａの二倍以上であってもよい。このような構成によると、中間導電板２０の温度上昇をさらに抑制することができる。加えて、中間導電板２０の形状は、三つの導電板１６、１８、２０の積層方向（図５の上下方向）において対称であってもよい。このような構成によると、第１半導体素子１２と第２半導体素子１４との温度差を小さくすることができる。中間導電板２０の温度上昇をさらに抑制することができる。
図６は、他の一変形例の半導体装置１０Ｂを示す。図６に示すように、中間導電板２０の露出部２０ｂは、封止体３０の上面３０ａ（又は下面３０ｂ）において外部に露出されてもよい。即ち、中間導電板２０の露出部２０ｂは、上側導電板１６及び／又は下側導電板１８と共に、封止体３０の同じ表面から露出されていてもよい。このような構成によると、封止体３０の上面３０ａ又は下面３０ｂに沿って冷却器を配置することにより、中間導電板２０と上側導電板１６／又は下側導電板１８とを同時に冷却することができる。
図７は、他の一変形例の半導体装置１０Ｃを示す。図７に示すように、中間導電板２０の露出部２０ｂは、封止体３０の上面３０ａ及び下面３０ｂの両方において外部に露出されてもよい。このような構成によると、封止体３０の上面３０ａ及び下面３０ｂのそれぞれに冷却器を配置することにより、中間導電板２０を二つの冷却器によって効率よく冷却することができる。
図８は、他の一変形例の半導体装置１０Ｄを示す。図８に示すように、中間導電板２０の露出部２０ｂは、封止体３０の側面３０ｅ、３０ｆ、上面３０ａ及び下面３０ｂのそれぞれにおいて外部に露出されてもよい。このような構成によると、中間導電板２０が広く外部へ露出されるので、中間導電板２０からより多くの熱を外部へ放出することができる。
図９は、他の一変形例の半導体装置１０Ｅを示す。図９に示すように、封止体３０は、中間導電板２０によって、第１封止体３０Ｘと第２封止体３０Ｙとに分割されていてもよい。第１封止体３０Ｘは、上側導電板１６と中間導電板２０との間に充填されており、第１半導体素子１２を封止している。第２封止体３０Ｙは、中間導電板２０と下側導電板１８との間に充填されており、第２半導体素子１４を封止している。この半導体装置１０Ｅにおいても、中間導電板２０は、封止体３０の内部で第１半導体素子１２及び第２半導体素子１４に接合された本体部２０ａと、封止体３０の表面から外部に露出された露出部２０ｂを有している。そして、中間導電板２０の露出部２０ｂにおける厚みＴｂは、中間導電板２０の本体部２０ａにおける厚みＴａと等しいか、又は当該厚みＴａよりも大きくなっている。
以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書、又は、図面に説明した技術要素は、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書又は図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
１０：半導体装置
１２：第１半導体素子
１４：第２半導体素子
１６：上側導電板
１８：下側導電板
２０；中間導電板
２０ａ：中間導電板の本体部
２０ｂ：中間導電板の露出部
３０：封止体
３２、３４、３６：電力端子
４０、４２：信号端子

Claims (4)

  1. 積層配置された上側導電板、中間導電板及び下側導電板と、
    前記上側導電板と前記中間導電板との間に位置しており、前記上側導電板と前記中間導電板とのそれぞれに電気的に接続された第１半導体素子と、
    前記中間導電板と前記下側導電板との間に位置しており、前記中間導電板と前記下側導電板とのそれぞれに電気的に接続された第２半導体素子と、
    前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子を封止するとともに、前記上側導電板、前記中間導電板及び前記下側導電板を一体に保持する封止体と、
    を備え、
    前記中間導電板は、前記封止体の内部で前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子に接合された本体部と、前記封止体の表面から外部に露出された露出部を有しており、
    前記中間導電板の前記露出部における厚みは、前記中間導電板の前記本体部における厚みよりも大きく、
    前記中間導電板の形状は、前記上側導電板、前記中間導電板及び前記下側導電板の積層方向において対称である、
    半導体装置。
  2. 前記封止体は、上面と前記上面の反対側に位置する下面とを有し、
    前記上側導電板は、前記封止体の前記上面において外部に露出されており、
    前記下側導電板は、前記封止体の前記下面において外部に露出されている、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記封止体は、前記上面と前記下面との間に広がる側面を有し、
    前記中間導電板の前記露出部は、前記封止体の前記側面において外部に露出されている、請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記中間導電板の前記露出部は、前記封止体の前記上面と前記下面との両方において外部に露出されている、請求項２又は３に記載の半導体装置。
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