JP7257977B2 - 半導体装置および半導体モジュール - Google Patents

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Description

本開示は、半導体装置および半導体モジュールに関する。
半導体装置の内部で発生する熱を放熱する構造として、半導体装置のベース板とヒートシンクとの間に放熱シートを設けたうえで、その半導体装置とヒートシンクとがネジ締めによって固定された構造が知られている。この構造においては、ベース板と放熱シートとの間の接触性、または、放熱シートとヒートシンクとの接触性が放熱性に影響する。
特許文献１には、切り欠き部を有するセラミック回路基板と、セラミック回路基板を押さえるモジュールキャップとで構成されるモジュール構造体が提案されている。
特許第３６６９９８０号公報
半導体装置のベース板とヒートシンクとの間に放熱部材が設けられ、かつ、その半導体装置とヒートシンクとがネジによって締め付けられる構成においては、ベース板はヒートシンクから反力を受ける。ベース板がその反力によって凹状に湾曲した場合、ベース板の中央部における面圧は小さくなる。そのため、半導体装置と放熱部材との間の接触性、または、放熱部材とヒートシンクとの接触性が悪化する。半導体装置の動作時には、ベース板の中央部に熱が集中する傾向があるため、中央部における接触性が不十分な場合、半導体装置の放熱性は低下する。
本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであり、放熱部材を介したヒートシンクへの放熱性が向上する半導体装置の提供を目的とする。
本開示に係る半導体装置は、ベース板、半導体チップ、ケース、放熱部材および複数の取付部を含む。半導体チップは、ベース板の表面側に保持される。ケースは、半導体チップを内側に収容するようにベース板の表面に設けられる。放熱部材は、ベース板の裏面に設けられ、半導体チップを冷却するためのヒートシンクに接触可能である。複数の取付部は、ケースをヒートシンクに取り付ける機能を有する。平面視において複数の取付部の位置を結んで定められる形状を構成する複数の辺のうち、長辺が延在する方向における放熱部材の端部は、その長辺を構成する２つの取付部の間に位置し、長辺が延在する方向におけるベース板の端部は、長辺を構成する２つの取付部の間に位置し、長辺が延在する方向における放熱部材の端部は、ベース板の端部よりも内側に位置し、長辺とは異なる辺が延在する方向における放熱部材の端部は、長辺上または長辺よりもケースの外周側に位置する。
本開示によれば、放熱部材を介したヒートシンクへの放熱性が向上する半導体装置の提供が可能である。
本開示の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白になる。
実施の形態１における半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態１におけるケースおよびベース板の構成を示す断面図である。 実施の形態１におけるベース板の構成を示す下面図である。 実施の形態１における放熱シートの構成を示す断面図である。 実施の形態１における放熱シートの構成を示す下面図である。 実施の形態１における半導体モジュールの構成を示す断面図である。 実施の形態１における半導体モジュールの製造工程の概略を示す図である。 実施の形態１における半導体モジュールの製造工程の概略を示す図である。 実施の形態１における半導体モジュールの製造工程の概略を示す図である。 実施の形態１における比較構造のケースおよびベース板の構成を示す断面図である。 実施の形態１における比較構造のベース板の構成を示す下面図である。 実施の形態１における比較構造の放熱シートの構成を示す断面図である。 実施の形態１における比較構造の放熱シートの構成を示す下面図である。 実施の形態１における比較構造の半導体装置がヒートシンクに取り付けられる工程の概略を示す図である。 実施の形態１における比較構造の半導体装置がヒートシンクに取り付けられる工程の概略を示す図である。 実施の形態１における比較構造の半導体装置がヒートシンクに取り付けられる工程の概略を示す図である。 実施の形態１の変形例における半導体モジュールの製造工程の概略を示す図である。 実施の形態２における半導体モジュールの構成を示す断面図である。 実施の形態２における半導体装置のケースおよびベース板の構成を示す断面図である。 実施の形態２における半導体装置のケースおよびベース板の構成を示す下面図である。 実施の形態２における放熱シートの構成を示す断面図である。 実施の形態２における放熱シートの構成を示す下面図である。 実施の形態２における半導体モジュールの製造工程の概略を示す図である。 実施の形態２における半導体モジュールの製造工程の概略を示す図である。 実施の形態２における半導体モジュールの製造工程の概略を示す図である。 実施の形態２における比較構造のケースおよびベース板の構成を示す断面図である。 実施の形態２における比較構造のケースおよびベース板の構成を示す下面図である。 実施の形態２における比較構造の放熱シートの構成を示す断面図である。 実施の形態２における比較構造の放熱シートの構成を示す下面図である。 実施の形態２における比較構造の半導体装置がヒートシンクに取り付けられる工程の概略を示す図である。 実施の形態２における比較構造の半導体装置がヒートシンクに取り付けられる工程の概略を示す図である。 実施の形態２における比較構造の半導体装置がヒートシンクに取り付けられる工程の概略を示す図である。 実施の形態４における放熱シートの構成を示す平面図である。 実施の形態５における半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態５におけるベース板の構成を示す下面図である。 実施の形態５における放熱シートの構成を示す断面図である。 実施の形態５における放熱シートの構成を示す下面図である。 実施の形態６における半導体モジュールの構成を示す上面図である。 実施の形態６における半導体モジュールの構成を示す断面図である。 実施の形態７における半導体モジュールの構成を示す上面図である。 実施の形態７における放熱シートの構成を示す上面図である。 実施の形態７における半導体モジュールの構成を示す断面図である。 実施の形態８における半導体モジュールの構成を示す上面図である。 実施の形態８における放熱シートおよびヒートシンクの構成を示す上面図である。 実施の形態８の変形例における半導体モジュールの構成を示す上面図である。 実施の形態９における半導体モジュールの構成を示す上面図である。 実施の形態９における半導体モジュールの構成を示す断面図である。 実施の形態１０における放熱シートの構成を示す上面図である。 実施の形態１０における放熱シートの構成を示す断面図である。
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１における半導体装置１００の構成を示す断面図である。
半導体装置１００は、ベース板１、絶縁基板２、半導体チップ３、ケース４、電極端子５、封止材６、フタ７、複数の取付部８および放熱部材９を含む。図２は、実施の形態１におけるケース４およびベース板１の構成を示す断面図である。図２においては、ケース４の内部構成の図示は省略されている。図３は、実施の形態１におけるベース板１の構成を示す下面図である。
ベース板１は、半導体装置１００の底部を構成している。実施の形態１におけるベース板１の平面形状は、長方形である。ベース板１の外周部には、後述する取付部８を構成する第１貫通穴８１が設けられている。
絶縁基板２は、ベース板１の表面にはんだ１１を介して接合されている。絶縁基板２は、樹脂製もしくはセラミック製の絶縁層２Ａと、その絶縁層２Ａの表面に設けられた回路パターン２Ｂとを含む。
半導体チップ３は、絶縁基板２の回路パターン２Ｂに、はんだ１２を介して接合されている。すなわち、半導体チップ３は、ベース板１の表面側に保持されている。実施の形態１においては、２つの半導体チップ３が回路パターン２Ｂ上に並べて配置されている。半導体チップ３は、例えば、Ｓｉ等の半導体、または、ＳｉＣ、ＧａＮ等のいわゆるワイドバンドギャップ半導体によって形成されている。半導体チップ３は、例えば、電力用半導体チップ（パワー半導体チップ）、そのパワー半導体チップを制御するための制御ＩＣ（Integrated Circuit）等である。半導体チップ３は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ショットキーバリアダイオード等である。
ケース４は、枠形状を有する。ケース４は、その枠形状の内側に半導体チップ３を収容するようにベース板１の表面に設けられている。ケース４は、接着材１３を介してベース板１に接合されている。実施の形態１において、平面視におけるケース４の外形は、長方形である。また、ケース４の裏面の大きさは、ベース板１の大きさと同じである。ケース４の外周部には、後述する取付部８を構成する第２貫通穴８２が設けられている。第２貫通穴８２は、例えばケース４に埋め込まれたブッシュによって形成される。
電極端子５は、例えば、ケース４に埋め込まれており、ケース４と一体の部品として形成されている。電極端子５の一端は、例えば、ワイヤ１４等の内部配線によって半導体チップ３に接続されている。電極端子５の他端は外部回路に接続可能なように設けられる。図１においては、電極端子５と半導体チップ３との間の内部配線の一部のみが示されている。
封止材６は、ケース４の枠形状の内側に充填され、絶縁基板２および半導体チップ３等を封止している。封止材６は絶縁材料によって形成されている。フタ７は、その封止材６の上方に被せられている。
複数の取付部８は、ケース４をヒートシンクに取り付けるために設けられている。言い換えると、取付部８は、半導体装置１００をヒートシンクに固定する機能を有する。実施の形態１における取付部８は、ベース板１に設けられた第１貫通穴８１と、ケース４に設けられた第２貫通穴８２とを含む。取付部８は、平面視において、ベース板１およびケース４の四隅（４つの角）に設けられている。第１貫通穴８１および第２貫通穴８２には、後述するネジが通される。
放熱部材９は、ベース板１の裏面に設けられる。放熱部材９は、半導体装置１００がヒートシンクに固定された場合に、そのヒートシンクに接触可能なように設けられている。実施の形態１における放熱部材９は、放熱シート９Ａである。図４および図５は、それぞれ、実施の形態１における放熱シート９Ａの構成を示す断面図および下面図である。図４および図５には、ベース板１の形状が破線で示されている。
取付部８はケース４の４つの角に設けられていることから、平面視において４つの取付部８の位置を結んで定められる形状は長方形である。それら取付部８の位置によって定められる長方形を構成する４つの辺のうち、長辺が延在する方向は、図１において横方向（左右方向）である。その長辺の延在方向における放熱シート９Ａの端部９Ｂ，９Ｃは、その長辺を構成する２つの取付部８の間に位置する。言い換えると、放熱シート９Ａは、その長辺を構成する２つの取付部８の内側に設けられている。
図６は、実施の形態１における半導体モジュール２００の構成を示す断面図である。図６においては、ケース４の内部構成の図示は省略されている。半導体モジュール２００は、半導体装置１００、ヒートシンク１０および複数の固定部８０を含む。
ヒートシンク１０は、放熱シート９Ａを介して、ベース板１の裏面に接触している。ヒートシンク１０は、半導体装置１００の駆動時に半導体チップ３を冷却する機能を有する。実施の形態１におけるヒートシンク１０には、半導体装置１００の取付部８の位置に対応して、ネジ穴１０Ａが設けられている。
固定部８０は、第１貫通穴８１および第２貫通穴８２を含む取付部８と、取付部８に通されるネジ１０Ｂと、ヒートシンク１０のネジ穴１０Ａとを含む。ネジ１０Ｂとネジ穴１０Ａとは互いに締め付けられる。それにより、固定部８０は、ケース４に対して、ヒートシンク１０が設けられている方向の応力を付与して、ケース４をヒートシンク１０に固定している。
図７から図９は、実施の形態１における半導体モジュール２００の製造工程の概略を示す図である。まず、半導体装置１００は、ヒートシンク１０上の予め定められた位置に載置される。具体的には、半導体装置１００の取付部８が、ヒートシンク１０のネジ穴１０Ａに一致するよう位置が合わせられる（図７）。左側の取付部８に通されたネジ１０Ｂと、ヒートシンク１０のネジ穴１０Ａとが、互いに締め付けられる（図８）。それにより、ケース４からヒートシンク１０の方向には軸力Ｆａが発生し、ヒートシンク１０からケース４の方向には反力Ｆｒが発生する。その軸力Ｆａは左側の取付部８において生じる。反力Ｆｒは、ヒートシンク１０と接触している放熱シート９Ａを介してベース板１に伝わるため、左側の取付部８に近接する放熱シート９Ａの端部９Ｂにおいて生じる。さらに、右側の取付部８に通されたネジ１０Ｂと、ネジ穴１０Ａとが、互いに締め付けられる（図９）。その結果、右側の取付部８において軸力Ｆａが発生し、その右側の取付部８に近接する放熱シート９Ａの端部９Ｃにおいて反力Ｆｒが発生する。反力Ｆｒが発生する位置の間を反力間距離と定義した場合、図５に示されるように、実施の形態１における反力間距離Ｌ１は、放熱シート９Ａの対角距離に対応する。
次に、４つの取付部８の位置を結んで定められる長方形の長辺が延在する方向における放熱シート９Ａの端部９Ｂ，９Ｃが、その長辺を構成する２つの取付部８の外側に位置する場合の構造を説明する。ここでは、その構造を比較構造という。図１０は、実施の形態１における比較構造のケース９４およびベース板９１の構成を示す断面図である。図１０においては、ケース９４の内部構成の図示は省略されている。図１１は、実施の形態１における比較構造のベース板９１の構成を示す下面図である。図１２および図１３は、それぞれ、実施の形態１における比較構造が有する放熱シート９９Ａの構成を示す断面図および下面図である。放熱シート９９Ａは、ケース９４の裏面およびベース板９１と同じ形状を有し、取付部９８に対応して貫通穴が設けられている。
図１４から図１６は、実施の形態１における比較構造の半導体装置９１０がヒートシンク１０に取り付けられる工程の概略を示す図である。まず、ヒートシンク１０上に放熱シート９９Ａが設置される。次に、半導体装置９１０の取付部９８が、ヒートシンク１０のネジ穴１０Ａに一致するよう位置が合わせられる（図１４）。左側の取付部９８に通されたネジ１０Ｂと、ヒートシンク１０のネジ穴１０Ａとが、互いに締め付けられる（図１５）。軸力Ｆａは左側の取付部９８において生じる。反力Ｆｒは、左側の取付部９８に近接する位置にて生じる。さらに、右側の取付部９８に通されたネジ１０Ｂと、ネジ穴１０Ａとが、互いに締め付けられる（図１６）。その結果、右側の取付部９８において軸力Ｆａが発生し、その右側の取付部９８に近接する位置において反力Ｆｒが発生する。したがって、図１３に示されるように、比較構造における反力間距離Ｌ２は、互いに対角に位置する取付部９８間の距離に対応する。このような状態では、ベース板９１はヒートシンク１０に対して凹状に撓みやすい。ベース板９１が凹状に撓んだ場合、例えば、ベース板９１の中央部において、ベース板９１と放熱シート９９Ａとの間に空隙が生じる。そのため、半導体モジュール９２０の放熱性が悪化する。
一方で、実施の形態１における半導体モジュール２００における反力間距離Ｌ１は、比較構造における反力間距離Ｌ２よりも短い。そのため、ベース板１の撓みが低減または防止される。言い換えると、ベース板１と放熱シート９Ａとの接触性、または、放熱シート９Ａとヒートシンク１０との接触性が改善し、半導体モジュール２００の放熱性は向上する。
以上をまとめると、実施の形態１における半導体装置１００は、ベース板１、半導体チップ３、ケース４、放熱部材９および複数の取付部８を含む。半導体チップ３は、ベース板１の表面側に保持される。ケース４は、半導体チップ３を内側に収容するようにベース板１の表面に設けられる。放熱部材９は、ベース板１の裏面に設けられ、半導体チップ３を冷却するためのヒートシンク１０に接触可能である。複数の取付部８は、ケース４をヒートシンク１０に取り付ける機能を有する。平面視において複数の取付部８の位置を結んで定められる形状を構成する複数の辺のうち、長辺が延在する方向における放熱部材９の端部９Ｂ，９Ｃは、長辺を構成する２つの取付部８の間に位置する。
このような構成により、放熱シート９Ａを介したヒートシンク１０への放熱性が改善する。そのため、従来のように、放熱シート９Ａに対する面圧低下の防止のため、取付部８の位置を調整するなどケース４の仕様を変更する必要がない。放熱シート９Ａの構成を変更するだけで、放熱シート９Ａに対する面圧が確保される。その結果、半導体装置１００の放熱性が改善される。また、このような構成によれば、ケース４の構造設計に自由度が確保されるため、半導体装置１００の小型化が可能である。また、半導体装置１００の駆動時の内部温度の上昇を防ぐことができ、パワーサイクルなどの信頼性が向上する。このような半導体装置１００は、例えば、発電システム、送電システム、効率的なエネルギー利用システム、エネルギー再生システム等で利用される。
実施の形態１における放熱シート９Ａは、比較構造における放熱シート９９Ａと比較して、ベース板１に接触する面積が削減されている。そのため、放熱シート９Ａがベース板１に接触していない領域においては、放熱効果が得られない。しかし、その領域は、半導体装置１００の外周部であり、発熱が集中する中央部から離れている。したがって、半導体装置１００においては、中央部の放熱シート９Ａに対する面圧の向上による放熱性の改善が支配的となる。
また、実施の形態１において、半導体チップ３は、ベース板１に接合された絶縁基板２に実装されているが、半導体チップ３の実装形態はそれに限定されるものでない。例えば、ベース板１の表面に絶縁層２Ａと回路パターン２Ｂとが一体として形成され、その回路パターン２Ｂ上に半導体チップ３が実装されていてもよい。そのような構成においては、ベース板１に絶縁基板２の機能が一体化されているため、放熱性が向上しかつコストが削減される。
放熱部材９は、放熱シート９Ａに限定されるものではなく、放熱グリース等であってもよい。放熱シート９Ａが放熱グリースと比較して変形しにくい場合には、放熱シート９Ａが効果的である。
ベース板１は、中央部の厚みが外周部に比べて厚くてもよい。そのような構成においては、ベース板１がヒートシンク１０に対して凹状に撓んだ場合であっても、ベース板１と放熱シート９Ａとの接触性、または、放熱シート９Ａとヒートシンク１０との接触が維持され、半導体モジュール２００の放熱性が確保される。
（実施の形態１の変形例）
実施の形態１の変形例における半導体モジュール２０１は、図６に示される半導体モジュール２００と同様である。ただし、その製造工程が異なる。図１７は、実施の形態１の変形例における半導体モジュール２０１の製造工程の概略を示す図である。半導体装置１０１には、放熱シート９Ａが予め設けられていない。半導体モジュール２０１の製造工程においては、まず、ヒートシンク１０上に放熱シート９Ａが載置される。放熱シート９Ａの形状および位置は、実施の形態１と同様である。その放熱シート９Ａ上に、半導体装置１０１が載置される。取付部８に通されたネジ１０Ｂと、ネジ穴１０Ａとが、互いに締め付けられる。このようにして形成される半導体モジュール２０１も、実施の形態１と同様の効果を奏する。
＜実施の形態２＞
実施の形態２における半導体装置および半導体モジュールを説明する。実施の形態２は実施の形態１の下位概念であり、実施の形態２における半導体装置および半導体モジュールは、実施の形態１における半導体装置１００および半導体モジュール２００の各構成をそれぞれ含む。なお、実施の形態１と同様の構成および動作については説明を省略する。
図１８は、実施の形態２における半導体モジュール２０２の構成を示す断面図である。図１９および図２０は、それぞれ、実施の形態２における半導体装置１０２のケース４およびベース板１の構成を示す断面図および下面図である。図１８および図１９においては、ケース４の内部構成の図示は省略されている。
実施の形態２においては、ベース板１の構成が、実施の形態１とは異なる。実施の形態２においても、取付部８（第２貫通穴８２）はケース４の４つの角にそれぞれ設けられていることから、平面視において４つの取付部８の位置を結んで定められる形状は長方形である。その長方形を構成する４つの辺のうち、長辺が延在する方向は、図１８において横方向（左右方向）である。ベース板１は、その長方形の長辺が延在する方向において、複数の取付部８の内側に設けられる。言い換えると、ベース板１は、ケース４の第２貫通穴８２の直下には設けられていない。よって、図１８に示されるように、半導体モジュール２０２の固定部８０は、第２貫通穴８２からなる取付部８、ネジ１０Ｂおよびネジ穴１０Ａで構成される。
図２１および図２２は、それぞれ、実施の形態２における放熱シート９Ａの構成を示す断面図および下面図である。図２１および図２２には、ベース板１の大きさが点線で示されている。
長辺の延在方向における放熱シート９Ａの端部９Ｂ，９Ｃは、ベース板１の端部１Ｂ，１Ｃよりも内側に位置している。さらに、その長辺とは異なる辺、つまり短辺が延在する方向（図２０および図２２において縦方向）における放熱シート９Ａの端部９Ｄ，９Ｅは、長辺上または長辺よりもケース４の外周側に位置する。
図２３から図２５は、実施の形態２における半導体モジュール２０２の製造工程の概略を示す図である。まず、半導体装置１０２は、ヒートシンク１０上の予め定められた位置に載置される。具体的には、半導体装置１０２の取付部８が、ヒートシンク１０のネジ穴１０Ａに一致するよう位置が合わせられる（図２３）。左側の取付部８に通されたネジ１０Ｂと、ヒートシンク１０のネジ穴１０Ａとが、互いに締め付けられる（図２４）。それにより、ケース４からヒートシンク１０の方向には軸力Ｆａが発生し、ヒートシンク１０からケース４の方向には反力Ｆｒが発生する。その軸力Ｆａは左側の取付部８において生じる。反力Ｆｒは、左側の取付部８に近接する放熱シート９Ａの端部９Ｂにおいて生じる。さらに、右側の取付部８に通されたネジ１０Ｂと、ネジ穴１０Ａとが、互いに締め付けられる（図２５）。その結果、右側の取付部８において軸力Ｆａが発生し、その右側の取付部８に近接する放熱シート９Ａの端部９Ｃにおいて反力Ｆｒが発生する。図２２に示されるように、実施の形態２における反力間距離Ｌ３は、放熱シート９Ａの対角距離に対応する。
次に、４つの取付部８の位置を結んで定められる長方形の長辺が延在する方向における放熱シート９Ａの端部９Ｂ，９Ｃが、その長辺を構成する２つの取付部８の外側に位置する場合の構造を説明する。ここでは、その構造を比較構造という。図２６は、実施の形態２における比較構造のケース９４およびベース板９１の構成を示す断面図である。図２６においては、ケース９４の内部構成の図示は省略されている。図２７は、実施の形態２における比較構造のケース９４およびベース板９１の構成を示す下面図である。図２８および図２９は、それぞれ、実施の形態２における比較構造が有する放熱シート９９Ａの構成を示す断面図および下面図である。放熱シート９９Ａは、ケース９４の底面と同じ形状を有し、取付部９８に対応して貫通穴が設けられている。
図３０から図３２は、実施の形態２における比較構造の半導体装置９１２がヒートシンク１０に取り付けられる工程の概略を示す図である。まず、ヒートシンク１０上に放熱シート９９Ａが設置される。次に、半導体装置９１２の取付部９８がヒートシンク１０のネジ穴１０Ａに一致するよう位置が合わせられる（図３０）。左側の取付部９８に通されたネジ１０Ｂと、ヒートシンク１０のネジ穴１０Ａとが、互いに締め付けられる（図３１）。軸力Ｆａは左側の取付部９８において生じる。反力Ｆｒは、左側の取付部９８に近接するベース板９１の端部９１Ｂにおいて生じる。さらに、右側の取付部９８に通されたネジ１０Ｂと、ネジ穴１０Ａとが、互いに締め付けられる（図３２）。その結果、右側の取付部９８において軸力Ｆａが発生し、その右側の取付部９８に近接するベース板９１の端部９１Ｃにおいて反力Ｆｒが発生する。したがって、図２７に示されるように、比較構造における反力間距離Ｌ４は、ベース板９１の対角距離に対応する。このような状態では、ベース板９１はヒートシンク１０に対して凹状に撓みやすい。ベース板９１が凹状に撓んだ場合、例えば、ベース板９１の中央部において、ベース板９１と放熱シート９９Ａとの間に空隙が生じる。そのため、半導体モジュール９２２の放熱性が悪化する。
実施の形態２における半導体モジュール２０２における反力間距離Ｌ３は、比較構造における反力間距離Ｌ４よりも短い。そのため、ベース板１の撓みが低減または防止される。言い換えると、ベース板１と放熱シート９Ａとの接触性、または、放熱シート９Ａとヒートシンク１０との接触性が改善し、半導体モジュール２０２の放熱性は向上する。実施の形態２における半導体装置１０２および半導体モジュール２０２は、実施の形態１と同様の効果を奏する。
＜実施の形態３＞
実施の形態３における半導体装置および半導体モジュールを説明する。実施の形態３は実施の形態１の下位概念であり、実施の形態３における半導体装置および半導体モジュールは、実施の形態１における半導体装置１００および半導体モジュール２００の各構成をそれぞれ含む。なお、実施の形態１または２と同様の構成および動作については説明を省略する。
実施の形態１および２に記載の半導体モジュール２００，２０１，２０２において、固定部８０は、ヒートシンク１０が設けられている方向の応力をケース４に対して付与している。すなわち、放熱シート９Ａは、ヒートシンク１０とベース板１との間で圧縮応力を受けながら、両者に挟持されている。その圧縮された状態において、放熱シート９Ａの膜厚は、２００μｍ以下であることが好ましい。
放熱シート９Ａに圧縮応力が加わっている場合、放熱シート９Ａの膜厚が厚いほどベース板１の撓み量が増える。しかし、その圧縮された状態における放熱シート９Ａの膜厚が２００ｕｍ以下である場合、ベース板１の撓みは低減する。そのため、ベース板１の中央部の放熱シート９Ａに対する面圧の低下が防止され、半導体モジュール２００，２０１，２０２の放熱性が向上する。
＜実施の形態４＞
実施の形態４における半導体装置および半導体モジュールを説明する。実施の形態４は実施の形態１の下位概念であり、実施の形態４における半導体装置および半導体モジュールは、実施の形態１における半導体装置１００および半導体モジュール２００の各構成をそれぞれ含む。なお、実施の形態１から３のいずれかと同様の構成および動作については説明を省略する。
実施の形態４における放熱シート９Ａは、平面視において少なくとも１つの角が面取りされた外形を有する。その面取りされる角は、放熱シート９Ａの平面形状を構成する複数の角のうち、取付部８に近い角であることが好ましい。図３３は、実施の形態４における放熱シート９Ａの構成を示す平面図である。放熱シート９Ａには、長方形の四隅にＣ面が設けられている。
このような構成により、放熱シート９Ａの面積の削減量を抑えつつ、反力間距離Ｌが短くなる。そのため、放熱シート９Ａとベース板１およびヒートシンク１０との接触面積が確保される。言い換えると、放熱シート９Ａに対する面圧が確保される。その結果、半導体モジュールの放熱性が改善する。
＜実施の形態５＞
実施の形態５における半導体装置および半導体モジュールを説明する。実施の形態５は実施の形態１の下位概念であり、実施の形態５における半導体装置および半導体モジュールは、実施の形態１における半導体装置１００および半導体モジュール２００の各構成をそれぞれ含む。なお、実施の形態１から４のいずれかと同様の構成および動作については説明を省略する。
図３４は、実施の形態５における半導体装置１０５の構成を示す断面図である。図３５は、半導体装置１０５のベース板１の構成を示す下面図である。図３６および図３７は、ぞれぞれ、実施の形態５における放熱シート９Ａの構成を示す断面図および下面図である。放熱シート９Ａは、半導体チップ３の直下、つまり下方に設けられる。
このような構成により、発熱が集中する半導体モジュールの中央部の放熱性が改善する。また、外周部付近の半導体チップ３の異常発熱も防止される。半導体モジュールの動作異常が低減する。
＜実施の形態６＞
実施の形態６における半導体装置および半導体モジュールを説明する。実施の形態６における半導体装置は、実施の形態１の変形例における半導体装置１０１の各構成を含む。なお、実施の形態１から５のいずれかと同様の構成および動作については説明を省略する。
図３８および図３９は、それぞれ、実施の形態６における半導体モジュール２０６の構成を示す上面図および断面図である。図３９は、図３８に記載された線分Ａ－Ａ’における断面を示す。図３９においては、ケース４の内部構成の図示は省略されている。また、図３９において、各部品のハッチングは省略している（これ以降の断面図において同様である。）。
取付部８の位置を結んで定められる長方形の長辺が延在する方向および短辺が延在する方向は、それぞれ、図３８における縦方向および横方向である。その縦方向における放熱部材９の端部を第１端部９Ｂ，９Ｃとし、横方向における端部を第２端部９Ｄ，９Ｅとする。第１端部９Ｂ，９Ｃは、実施の形態１と同様に、取付部８の位置を結んで定められる長方形の長辺を構成する２つの取付部８の間に位置する。第２端部９Ｄ，９Ｅは、ケース４の外側にはみ出している。
実施の形態６における半導体モジュール２０６の製造方法においては、まず、放熱シート９Ａがヒートシンク１０上に設置される。その際、放熱シート９Ａの第２端部９Ｄ，９Ｅが、テープ１６等でヒートシンク１０に仮止めされる。その状態で、放熱シート９Ａ上に半導体装置１０１が載置され、ネジ１０Ｂによってケース４とヒートシンク１０とが締め付けられる。この仮止め工程により、作業性が向上する。
＜実施の形態７＞
実施の形態７における半導体装置および半導体モジュールを説明する。実施の形態７における半導体装置は、実施の形態１の変形例における半導体装置１０１の各構成を含む。なお、実施の形態１から６のいずれかと同様の構成および動作については説明を省略する。
図４０は、実施の形態７における半導体モジュール２０７の構成を示す上面図である。図４１は、実施の形態７における放熱シート９Ａの構成を示す上面図である。図４２は、半導体モジュール２０７の構成を示す断面図である。図４２は、図４０に記載された線分Ｂ－Ｂ’における断面を示す。図４２においては、ケース４の内部構成の図示は省略されている。
実施の形態６と同様に、放熱シート９Ａの第２端部９Ｄ，９Ｅは、ケース４の外側にはみ出している。半導体モジュール２０７は、そのケース４の外側にはみ出した放熱シート９Ａをヒートシンク１０の方向に押し付けて固定する押さえ板１５を含む。ヒートシンク１０には、そのネジに締め付けられるネジ穴が設けられている。放熱シート９Ａには、そのネジを通すための穴が設けられている。押さえ板１５は、そのネジとネジ穴とが締め付けられることによって、ヒートシンク１０に固定される。
半導体装置１０１にて発生する熱は、ケース４からはみ出した放熱シート９Ａの第２端部９Ｄ，９Ｅの方向に広がってから、ヒートシンク１０に伝わる。半導体モジュール２０７の放熱性が向上する。
＜実施の形態８＞
実施の形態８における半導体装置および半導体モジュールを説明する。実施の形態８における半導体装置は、実施の形態１の変形例における半導体装置１０１の各構成を含む。なお、実施の形態１から７のいずれかと同様の構成および動作については説明を省略する。
図４３は、実施の形態８における半導体モジュール２０８の構成を示す上面図である。図４４は、実施の形態８における放熱シート９Ａおよびヒートシンク１０の構成を示す上面図である。
半導体モジュール２０８は、３つの半導体装置１０１を含む。３つの半導体装置１０１は、１つのヒートシンク１０上に取り付けられている。放熱シート９Ａの第１端部９Ｂ，９Ｃは、実施の形態６と同様に、取付部８の位置を結んで定められる長方形の長辺を構成する２つの取付部８の間に位置する。放熱シート９Ａの第２端部９Ｄ，９Ｅは、ケース４の外側にはみ出している。３つの半導体装置１０１とヒートシンク１０との間に挟持されたその放熱シート９Ａは、一体化された１つの部材である。
実施の形態８における半導体モジュール２０８の製造方法においては、まず、放熱シート９Ａがヒートシンク１０上に載置される。その放熱シート９Ａは、３つの半導体装置１０１を搭載することが可能である。この際、放熱シート９Ａはテープ１６等でヒートシンク１０に仮止めされる。その状態で、放熱シート９Ａ上に３つの半導体装置１０１が載置され、ネジ１０Ｂによってケース４とヒートシンク１０とが締め付けられる。このような製造工程により、放熱シート９Ａの設置作業が減るため、半導体装置１０８の取付け作業が効率的に行われる。また、実施の形態６に記載の効果も同様に生じる。
（実施の形態８の変形例）
図４５は、実施の形態８の変形例における半導体モジュール２０８Ａの構成を示す上面図である。半導体モジュール２０８Ａは、２つの半導体装置１０１を含む。その２つの半導体装置１０１は、１つの放熱シート９Ａ上に設けられている。また、半導体モジュール２０８Ａは、実施の形態７と同様に、押さえ板１５を含む。押さえ板１５は、２つの半導体装置１０１の間、および、２つの半導体装置１０１の外側の放熱シート９Ａを押さえる。このような半導体モジュール２０８Ａは、実施の形態６から８と同様の効果を奏する。
＜実施の形態９＞
実施の形態９における半導体装置および半導体モジュールを説明する。実施の形態９における半導体装置は、実施の形態１の変形例における半導体装置１０１の各構成を含む。なお、実施の形態１から８のいずれかと同様の構成および動作については説明を省略する。
図４６および図４７は、それぞれ、実施の形態９における半導体モジュール２０９の構成を示す上面図および断面図である。図４７は、図４６に記載された線分Ｃ－Ｃ’における断面を示す。図４７においては、ケース４の内部構成の図示は省略されている。
半導体モジュール２０９は、実施の形態６と同様に、押さえ板１５を含む。ただし、実施の形態９における押さえ板１５Ａは、放熱フィン含む放熱体である。半導体装置１０９にて発生する熱は、ケース４からはみ出した放熱シート９Ａに広がり、押さえ板１５Ａの放熱フィンから放熱される。半導体モジュール２０９の放熱性が向上する。
＜実施の形態１０＞
実施の形態１０における半導体装置および半導体モジュールを説明する。実施の形態１０は実施の形態１の下位概念であり、実施の形態１０における半導体装置および半導体モジュールは、実施の形態１における半導体装置１００および半導体モジュール２００の各構成をそれぞれ含む。なお、実施の形態１から９のいずれかと同様の構成および動作については説明を省略する。
図４８および図４９は、それぞれ、実施の形態１０における放熱シート９Ａの構成を示す上面図および断面図である。放熱シート９Ａは、外周部よりも中央部の膜厚が厚い。半導体装置の中央部におけるベース板１と放熱シート９Ａ、および、放熱シート９Ａとヒートシンク１０との接触性が改善する。そのため、半導体モジュールの放熱性が向上する。
＜実施の形態１１＞
実施の形態１１における半導体装置および半導体モジュールを説明する。実施の形態１１は実施の形態１の下位概念であり、実施の形態１１における半導体装置および半導体モジュールは、実施の形態１における半導体装置１００および半導体モジュール２００の各構成をそれぞれ含む。なお、実施の形態１から１０のいずれかと同様の構成および動作については説明を省略する。
実施の形態１１におけるケース４は、シリコーンを含む樹脂よりも硬い樹脂を含む接着材１３によって、ベース板１の表面に接着されている。接着材１３は、例えば、シリコーンなどの柔らかい材料製ではなく、エポキシなどの硬い樹脂製である。
ケース４が硬い樹脂によってベース板１に固定されるため、ケース４とベース板１とは一体の部品とみなせる。つまり、半導体装置の剛性には、ベース板１の剛性に、ケース４の剛性が付加される。取付部８におけるネジ１０Ｂの締め付け時にベース板１が撓みにくくなる。その結果、半導体モジュールの放熱性が向上する。
＜実施の形態１２＞
実施の形態１２における半導体装置および半導体モジュールを説明する。実施の形態１２は実施の形態１の下位概念であり、実施の形態１２における半導体装置および半導体モジュールは、実施の形態１における半導体装置１００および半導体モジュール２００の各構成をそれぞれ含む。なお、実施の形態１から１１のいずれかと同様の構成および動作については説明を省略する。
実施の形態１２における封止材６は、シリコーンを含む樹脂よりも硬い樹脂を含む。封止材６は、例えば、シリコーンなどの柔らかい材料製ではなく、エポキシなどの硬い樹脂製である。
半導体装置の剛性には、封止材６の剛性が付加される。取付部８におけるネジ１０Ｂの締め付け時にベース板１が撓みにくくなる。その結果、半導体モジュールの放熱性が向上する。
＜実施の形態１３＞
実施の形態１３における半導体装置および半導体モジュールを説明する。実施の形態１３は実施の形態１の下位概念であり、実施の形態１３における半導体装置および半導体モジュールは、実施の形態１における半導体装置１００および半導体モジュール２００の各構成をそれぞれ含む。なお、実施の形態１から１２のいずれかと同様の構成および動作については説明を省略する。
実施の形態１３における放熱シート９Ａは、グラファイト製である。放熱シート９Ａの面方向の熱伝達特性が良いため、半導体モジュールの中央部に集中した熱は面方向に伝わる。その熱は、ヒートシンク１０等に伝わるため、半導体モジュールの放熱性は向上する。
なお、本開示は、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
本開示は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、本開示がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、本開示の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
１ ベース板、２ 絶縁基板、３ 半導体チップ、４ ケース、５ 電極端子、６ 封止材、８ 取付部、９ 放熱部材、９Ａ 放熱シート、９Ｂ 端部、９Ｃ 端部、９Ｄ 端部、９Ｅ 端部、１０ ヒートシンク、１０Ａ ネジ穴、１０Ｂ ネジ、１３ 接着材、１５ 押さえ板、１５Ａ 押さえ板、８１ 第１貫通穴、８２ 第２貫通穴、１００ 半導体装置、１０１ 半導体装置、１０２ 半導体装置、１０５ 半導体装置、１０６ 半導体装置、１０７ 半導体装置、１０８ 半導体装置、１０８Ａ 半導体装置、１０９ 半導体装置、２００ 半導体モジュール、２０１ 半導体モジュール、２０２ 半導体モジュール、２０６ 半導体モジュール、２０７ 半導体モジュール、２０８ 半導体モジュール、２０８Ａ 半導体モジュール、２０９ 半導体モジュール、Ｆａ 軸力、Ｆｒ 反力、Ｌ１ 反力間距離、Ｌ２ 反力間距離、Ｌ３ 反力間距離、Ｌ４ 反力間距離。

Claims (15)

  1. ベース板と、
    前記ベース板の表面側に保持される半導体チップと、
    前記半導体チップを内側に収容するように前記ベース板の表面に設けられるケースと、
    前記ベース板の裏面に設けられ、前記半導体チップを冷却するためのヒートシンクに接触可能な放熱部材と、
    前記ケースを前記ヒートシンクに取り付けるための複数の取付部と、を備え、
    平面視において前記複数の取付部の位置を結んで定められる形状を構成する複数の辺のうち、長辺が延在する方向における前記放熱部材の端部は、前記長辺を構成する２つの取付部の間に位置し、
    前記長辺が延在する前記方向における前記ベース板の端部は、前記長辺を構成する前記２つの取付部の間に位置し、
    前記長辺が延在する前記方向における前記放熱部材の前記端部は、前記ベース板の前記端部よりも内側に位置し、
    前記長辺とは異なる辺が延在する方向における前記放熱部材の端部は、前記長辺上または前記長辺よりも前記ケースの外周側に位置する、半導体装置。
  2. ベース板と、
    前記ベース板の表面側に保持される半導体チップと、
    前記半導体チップを内側に収容するように前記ベース板の表面に設けられるケースと、
    前記ベース板の裏面に設けられ、前記半導体チップを冷却するためのヒートシンクに接触可能な放熱部材と、
    前記ケースを前記ヒートシンクに取り付けるための複数の取付部と、を備え、
    平面視において前記複数の取付部の位置を結んで定められる形状を構成する複数の辺のうち、長辺が延在する方向における前記放熱部材の端部は、前記長辺を構成する２つの取付部の間に位置し、
    前記放熱部材は、平面視において少なくとも１つの角が面取りされた外形を有する、半導体装置。
  3. ベース板と、
    前記ベース板の表面側に保持される半導体チップと、
    前記半導体チップを内側に収容するように前記ベース板の表面に設けられるケースと、
    前記ベース板の裏面に設けられ、前記半導体チップを冷却するためのヒートシンクに接触可能な放熱部材と、
    前記ケースを前記ヒートシンクに取り付けるための複数の取付部と、を備え、
    平面視において前記複数の取付部の位置を結んで定められる形状を構成する複数の辺のうち、長辺が延在する方向における前記放熱部材の端部は、前記長辺を構成する２つの取付部の間に位置し、
    前記放熱部材は、前記放熱部材の外周部よりも中央部の膜厚が厚い、半導体装置。
  4. 前記放熱部材は、平面視において少なくとも１つの角が面取りされた外形を有する、請求項１に記載の半導体装置。
  5. 前記放熱部材は、前記半導体チップの下方に設けられる、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記放熱部材は、前記放熱部材の外周部よりも中央部の膜厚が厚い、請求項１、請求項２、請求項４、または請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記ケースは、シリコーンを含む樹脂よりも硬い樹脂によって、前記ベース板の前記表面に接着されている、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記ケースの内側に設けられ、前記ケースに収容された前記半導体チップを封止する封止材をさらに備え、
    前記封止材は、シリコーンを含む樹脂よりも硬い樹脂を含む、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記放熱部材は、グラファイト製の放熱シートである、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置。
  10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の少なくとも１つの半導体装置と、
    前記ベース板の前記裏面に前記放熱部材を介して接触するよう設けられ、前記半導体チップを冷却するための前記ヒートシンクと、
    前記複数の取付部を介して、前記ケースを前記ヒートシンクに固定する複数の固定部と、を備え、
    前記複数の固定部は、
    前記ケースに対して前記ヒートシンクの方向の応力を付与して前記ケースを前記ヒートシンクに固定している、半導体モジュール。
  11. 前記ベース板と前記ヒートシンクとに挟持された前記放熱部材の膜厚は、２００μｍ以下である、請求項１０に記載の半導体モジュール。
  12. 前記長辺とは異なる辺が延在する方向における前記放熱部材の端部は、前記ケースの外側にはみ出している、請求項１０または請求項１１に記載の半導体モジュール。
  13. 前記ケースの外側にはみ出した前記放熱部材を前記ヒートシンクの方向に押し付ける押さえ板をさらに備える、請求項１２に記載の半導体モジュール。
  14. 前記押さえ板は、放熱フィン含む放熱体である、請求項１３に記載の半導体モジュール。
  15. 前記少なくとも１つの半導体装置は、複数の半導体装置であり、
    前記複数の半導体装置における前記放熱部材は、一体化されている、請求項１０から請求項１４のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
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