JP7261602B2 - 半導体装置及び電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属板に半導体素子を接合した半導体装置及びその半導体装置を備えた電力変換装置に関する。

半導体装置や電力変換装置の出力が増大していくのに対して、装置は小型化していくのに伴って、放熱性能の向上が求められていた。このような課題に対して、半導体に絶縁基板を介して冷却器が接合されたパワーモジュールが従来から提案されているが、半導体素子と冷却器の間の線膨張係数の差によって応力が発生し、半導体素子と冷却器の間の接合部材にクラックが生じ、要求される寿命期間において十分な放熱性能が維持できなかった。

そこで、特許文献１に開示された従来の半導体装置では、厚さ０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の薄い半導体素子を用いることによって、半導体素子と冷却器との間の線膨張係数の差によって発生する応力を、半導体素子に吸収させていた。

国際公開ＷＯ２０１７／１８３２２２

しかしながら、上述した従来の半導体装置では、応力を吸収するために半導体素子を薄くしていたので、製造コストが増大してしまうという問題点があった。

そこで、本発明は上記実情に鑑みて提案されたものであり、製造コストを増大させることなく半導体素子の接合部における応力を緩和することのできる半導体装置及び電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る半導体装置は、第１の金属板の一方の面に半導体素子を金属接合し、第１の金属板の他方の面に第２の金属板を金属接合する。そして、第１の金属板の線膨張係数は半導体素子の線膨張係数より大きく、第２の金属板の線膨張係数より小さく、第１の金属板の熱伝導率は第２の金属板の熱伝導率より大きいことを特徴とする。

本発明によれば、製造コストを増大させることなく半導体素子の接合部における応力を緩和することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の構造を示す平面図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置を構成する半導体素子の構造を示す斜視図である。 図４は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 図５は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の構造を示す平面図である。 図６は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 図７は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置の構造を示す平面図である。 図８は、本発明の第４実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 図９は、本発明の第４実施形態に係る半導体装置の構造を示す平面図である。 図１０は、本発明の第５実施形態に係る電力変換装置の構造を示す断面図である。 図１１は、本発明の第５実施形態に係る電力変換装置の構造を示す平面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明を適用した第１実施形態について図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

図１は本実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図であり、図２は平面図である。図１、２に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、半導体素子３と、第１の金属板５と、第２の金属板７とを備えている。

半導体素子３は、珪素（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等から成り、第１の金属板５と接合される接合面は絶縁性を有している。例えば、半導体素子３は、図３に示すような金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）で構成されている。図３に示す半導体素子３は、基板３１上に、ウェル領域３２と、ソース領域３３と、ドリフト領域３４と、ドレイン領域３５と、ゲート絶縁膜３６と、ゲート電極３７と、ソース電極３８と、ドレイン電極３９とが形成されている。

ここで、基板３１は、絶縁体からなる平板であり、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）が材料として使用可能である。基板３１は、不純物濃度を極めて低くすることによってシート抵抗を高くしているので、絶縁性を有している。また、基板３１内に絶縁物を介在させることによって、絶縁性を具備させてもよい。

したがって、図３に示すような構造を備えていることにより、半導体素子３では、絶縁層を設けなくても、第１の金属板５と接合される接合面が絶縁性を備えている。

第１の金属板５は、半導体素子３の接合面に一方の面が金属接合され、他方の面に第２の金属板７が金属接合されている。本実施形態では、第１の金属板５の上面に半導体素子３が接合され、下面に第２の金属板７が接合されている。半導体素子３と第１の金属板５との間の接合方法は、圧接やはんだ付け等の金属接合であり、第１の金属板５と第２の金属板７との間の接合方法も圧接やはんだ付け等の金属接合である。

また、図２に示すように、第１の金属板５の平面の面積は、半導体素子３の平面の面積よりも大きくなっている。第１の金属板５は、銅（Ｃｕ）で形成されているが、銅の代わりに金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）で形成してもよい。さらに、第１の金属板５の厚さは１ｍｍ以上であることが好ましい。

第２の金属板７は、第１の金属板５の他方の面に金属接合され、半導体素子３の熱を放出して冷却するための冷却器として機能する。図１、２に示すように、第２の金属板７の平面の面積は、第１の金属板５と同一であり、半導体素子３の平面の面積よりも大きくなっている。また、第２の金属板７は、アルミニウム（Ａｌ）で形成されている。

図１、２に示す構造の半導体装置１において、本実施形態では、第１の金属板５の線膨張係数を、半導体素子３の線膨張係数よりも大きく、第２の金属板７の線膨張係数よりも小さくしている。このように、線膨張係数が半導体素子３と第２の金属板７との間になる第１の金属板５を、半導体素子３と第２の金属板７との間に挟むことによって、半導体素子３を接合する接合部の応力を緩和することができる。したがって、本実施形態では、応力を吸収するために半導体素子を薄くする必要がないので、製造コストを増大させることなく半導体素子の接合部における応力を緩和することができる。

また、従来の半導体装置では、応力を吸収するために半導体素子を薄くしていたので、半導体素子と絶縁基板が近接して熱抵抗が悪化するという課題もあった。しかし、本実施形態に係る半導体装置１では、半導体素子３を薄くする必要がないので、熱抵抗を低減することもできる。

さらに、本実施形態に係る半導体装置１では、第１の金属板５の熱伝導率を、第２の金属板７の熱伝導率よりも大きくしている。このように、半導体素子３と第２の金属板７との間に、第２の金属板７よりも熱伝導率が大きい第１の金属板５を挟むことによって、半導体素子３からの熱を放熱する放熱性能を向上させることができる。

尚、本実施形態に係る半導体装置１では、第１の金属板５の線膨張係数を、半導体素子３の線膨張係数よりも大きく、第２の金属板７の線膨張係数よりも小さくし、尚且つ、第１の金属板５の熱伝導率を、第２の金属板７の熱伝導率よりも大きくしている。したがって、上述した効果を同時に実現することができる。

また、本実施形態に係る半導体装置１では、第１の金属板５と接合される半導体素子３の接合面が絶縁性を有している。これにより、半導体素子３は、絶縁層や絶縁基板を設けることなく、第１の金属板５と接合されるので、熱抵抗をさらに低減することができる。

さらに、本実施形態に係る半導体装置１では、第１の金属板５を銅で形成し、第２の金属板７をアルミニウムで形成している。これにより、第１の金属板５の線膨張係数を、半導体素子３の線膨張係数よりも大きく、第２の金属板７の線膨張係数よりも小さくすることができる。また、第１の金属板５を銅で形成し、第２の金属板７をアルミニウムで形成したことにより、第１の金属板５の熱伝導率を、第２の金属板７の熱伝導率よりも大きくすることができる。

したがって、本実施形態に係る半導体装置１では、上述した線膨張係数の条件と熱伝導率の条件を同時に満たすことが可能となる。すなわち、半導体素子とアルミニウムの冷却器との間に銅の金属板を挟むことによって、上述した線膨張係数の条件と熱伝導率の条件を同時に満たすことができる。これにより、製造コストを増大させることなく接合部における応力を緩和できるとともに、半導体素子３からの熱を放熱する放熱性能を向上させ、熱抵抗を低減することもできる。すなわち、これらの効果をすべて同時に発揮できる半導体装置を実現することができる。

また、本実施形態に係る半導体装置１では、第１の金属板５の厚さを１ｍｍ以上としている。半導体装置１は小型化していくので、半導体素子３の面積は小さくなっていくが、半導体素子３の面積を小さくすると、第１の金属板５の厚さは厚くする必要がある。このとき、第１の金属板５の厚さを１ｍｍ以上としておけば、半導体素子３の線膨張係数と第２の金属板７の線膨張係数との間に差があったとしても、その影響を第１の金属板５で軽減することが可能となる。したがって、第１の金属板５の厚さを１ｍｍ以上とすることにより、半導体素子３の接合部における応力を緩和することができる。

［第２実施形態］
以下、本発明を適用した第２実施形態について図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

図４は本実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図であり、図５は平面図である。図４、５に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、第２の金属板７に水冷冷却構造を設けたことが、第１実施形態と相違している。図４では、水冷冷却構造として、水路７２が第２の金属板７に設けられている。

図４に示す水路７２は、多穴管もしくはコルゲートフィン構造の水路であればよく、この他にも櫛葉構造やピンフィン構造であってもよい。また、水冷冷却構造の代わりに、空冷冷却構造であってもよい。

このように本実施形態に係る半導体装置１では、第２の金属板７が水冷冷却構造を備えているので、半導体素子３からの熱を放熱する放熱性能をさらに向上させることができる。また、第２の金属板７は、水路を備えている分だけ金属部分の体積が減少するので、半導体素子３の接合部における応力をさらに低減することができる。

［第３実施形態］
以下、本発明を適用した第３実施形態について図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

図６は本実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図であり、図７は平面図である。図６、７に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、半導体素子３を複数設けたことが、第２実施形態と相違している。図６、７では、２個の半導体素子３Ａ、３Ｂが隣接して第１の金属板５の上面に配置されている。ただし、半導体素子３は、２個である必要はなく、３個以上設けてもよい。尚、図６、７では、図４、５に示す第２実施形態の半導体装置１に複数の半導体素子３Ａ、３Ｂを設けた場合を例示しているが、図１、２に示す第１実施形態の半導体装置１に複数の半導体素子を設けてもよい。

このように本実施形態に係る半導体装置１では、半導体素子３を複数備えているので、半導体素子３を接合する接合部の応力をさらに低減することができる。

［第４実施形態］
以下、本発明を適用した第４実施形態について図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

図８は本実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図であり、図９は平面図である。図８、９に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、第１の金属板５の上面に絶縁基板９を金属接合したことが、第３実施形態と相違している。絶縁基板９は、複数の半導体素子３Ａ、３Ｂに隣接して配置され、第１の金属板５の上面において半導体素子３Ａ、３Ｂよりも大きな面積を占めている。ただし、絶縁基板９は１個である必要はなく、２個以上設けてもよい。尚、図８、９では、図６、７に示す第３実施形態の半導体装置１に絶縁基板９を設けた場合を例示しているが、第１及び第２実施形態の半導体装置１に絶縁基板９を設けてもよい。

絶縁基板９は、絶縁体で形成された基板であり、半導体素子３と同様の材料で形成されていればよい。例えば、絶縁基板９は、図３に示した半導体素子３の基板３１と同様に、絶縁体からなる平板であり、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）を材料として使用する。

このように本実施形態に係る半導体装置１では、第１の金属板５の上面に絶縁基板９を金属接合したので、半導体素子３Ａ、３Ｂの接合部における応力をさらに緩和することができる。

［第５実施形態］
以下、本発明を適用した第５実施形態について図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

図１０は本実施形態に係る電力変換装置の構造を示す断面図であり、図１１は平面図である。本実施形態に係る電力変換装置１００は、例えばインバータ等の装置であり、図１０、１１に示すように２個の半導体装置１Ａ、１Ｂを備え、第２の金属板７を共有している。半導体装置１Ａ、１Ｂは第２の金属板７の長辺方向に並んで配置されている。ただし、半導体装置１Ａ、１Ｂは、２個である必要はなく、３個以上であってもよい。尚、図１０、１１では、図８、９に示す第４実施形態の半導体装置１を複数備えた場合を例示しているが、第１～第３実施形態の半導体装置を複数備えていてもよい。

電力変換装置１００は、複数の第１の金属板５Ａ、５Ｂが１つの第２の金属板７の上面に金属接合された構造となっている。さらに、第１の金属板５Ａの上面には複数の半導体素子３Ｃ、３Ｄが金属接合され、第１の金属板５Ｂの上面には複数の半導体素子３Ｅ、３Ｆが金属接合されている。したがって、電力変換装置１００は、第２の金属板７を共有した複数の半導体装置１Ａ、１Ｂを備えている。

このように本実施形態に係る電力変換装置１００では、第１～第４実施形態の半導体装置を備えているので、製造コストを増大させることなく半導体素子の接合部における応力を緩和できるとともに、放熱性能を向上させ、熱抵抗を低減することができる。

特に、本実施形態に係る電力変換装置１００では、複数の第１の金属板５Ａ、５Ｂを１つの第２の金属板７の上面に金属接合させた構造となっているので、第２の金属板７を共有することができ、部品点数を削減することができる。

なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

１ 半導体装置
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆ 半導体素子
５、５Ａ、５Ｂ 第１の金属板
７ 第２の金属板
９、９Ａ、９Ｂ 絶縁基板
３１ 基板
３２ ウェル領域
３３ ソース領域
３４ ドリフト領域
３５ ドレイン領域
３６ ゲート絶縁膜
３７ ゲート電極
３８ ソース電極
３９ ドレイン電極
７２ 水路
１００ 電力変換装置

Claims (7)

1. 絶縁性の接合面を有する半導体素子と、
   前記半導体素子の接合面に一方の面が金属接合された第１の金属板と、
   前記第１の金属板の他方の面に金属接合された第２の金属板とを備え、
   前記第１の金属板の線膨張係数は、前記半導体素子の線膨張係数より大きく、前記第２の金属板の線膨張係数より小さく、
   前記第１の金属板の熱伝導率は、前記第２の金属板の熱伝導率より大きいことを特徴とする半導体装置。
2. 前記第２の金属板は、水冷冷却構造を備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体素子を複数備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記第１の金属板の一方の面に絶縁基板を金属接合したことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記第１の金属板は銅で形成され、前記第２の金属板はアルミニウムで形成されていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記第１の金属板の厚さは１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載された半導体装置の１つの前記第２の金属板に、複数の前記第１の金属板を金属接合したことを特徴とする電力変換装置。

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