JP7358996B2

JP7358996B2 - 半導体装置

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Publication number: JP7358996B2
Application number: JP2020002309A
Authority: JP
Inventors: 彰平長井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2023-10-11
Anticipated expiration: 2040-01-09
Also published as: JP2021111683A

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。半導体装置では、絶縁材料で構成されている基板本体の内部に、半導体素子が内蔵されている。また、基板本体にはセラミック基板を有する絶縁回路基板が接続されている。

米国特許出願公開第２０１６／１３３５５８号明細書

上記した半導体装置は、半導体素子が基板本体に内蔵されている。この場合、半導体素子で発生した熱が、基板本体の内部に滞りやすく、基板本体に不均一な温度分布を招き得る。基板本体は薄く平たい部材であるので、そこに不均一な温度分布が生じてしまうと、反りや波打ちといった変形が容易に生じてしまう。この課題を解決するために、半導体素子に加えて、絶縁回路基板を基板本体へ内蔵することが考えられる。絶縁回路基板は、比較的に剛性の高いセラミック基板を有している。従って、この絶縁回路基板を基板本体の内部に配置することによって、基板本体の反りや波打ちを抑制することができる。

しかしながら、絶縁回路基板のセラミック基板は、熱伝導性に劣るという側面も有する。従って、基板本体に絶縁回路基板が内蔵されていると、基板本体における熱伝導が阻害されることによって、半導体素子の温度がこれまでよりも高くなるおそれがある。本明細書は、基板本体に半導体素子と絶縁回路基板とを内蔵した構造において、半導体素子で生じた熱を基板本体に広く拡散させ、半導体素子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、絶縁材料で構成された基板本体と、絶縁回路基板と、半導体素子と、回路層と、複数のビアとを備える。絶縁回路基板は、基板本体の内部に配置されており、セラミック基板を有している。半導体素子は、基板本体の内部で絶縁回路基板上に配置されている。回路層は、基板本体において絶縁回路基板の上方又は下方に位置しており、絶縁回路基板に対して平行に延びている。複数のビアは、回路層から絶縁回路基板に向けて延びている。絶縁回路基板は、セラミック基板の一方側に設けられており、半導体素子が配置されている第１導体パターンと、セラミック基板の一方側に設けられているとともに、第１導体パターンから電気的に絶縁された第２導体パターンとをさらに有する。複数のビアは、回路層と半導体素子との間を接続する第１のビアと、回路層と第２導体パターンとの間を接続する第２のビアとを有する。

上記した半導体装置では、絶縁回路基板が、セラミック基板の一方側において、第１導体パターンと、第２導体パターンとを有する。第１導体パターンには、半導体素子が配置されており、半導体素子には、第１のビアを介して回路層と接続されている。これにより、半導体素子で発生した熱は、先ず、第１のビアを介して回路層へ伝達される。回路層へ伝達された熱は、回路層を伝うことにより、基板本体に沿って拡散することができる。しかしながら、回路層では、必要とされる回路構造に応じて回路パターンが設計され、単に熱拡散のみを目的として、その回路パターンを変更することは難しい。従って、回路層だけでは、半導体素子で発生した熱を、基板本体に沿って広く拡散することが難しい。

そこで、回路層には、第２のビアを介して、セラミック基板上の第２導体パターンが接続されている。これにより、回路層の熱は、第２のビアを介して、第２導体パターンへ伝達される。そして、第２導体パターンへ伝達された熱は、第２導体パターンをさらに伝うことにより、基板本体に沿って拡散することができる。第２導体パターンは、半導体装置において付加的な構成であってよく、広範な熱拡散を実現するために、セラミック基板上の余剰なスペースへ自由に設けることができる。即ち、半導体素子で生じた熱が、基板本体に広く拡散することとなり、半導体素子の温度上昇が抑制される。

実施例１の半導体装置１０の内部構造を示す断面図。半導体装置１０内における半導体素子２２からの熱拡散経路を模式的に示す図。実施例２の半導体装置１００の内部構造を示す断面図。実施例３の半導体装置２００の内部構造を示す断面図。実施例４の半導体装置３００の内部構造を示す断面図。

（実施例１）図１、図２を参照して、実施例１の半導体装置１０について説明する。半導体装置１０は、例えば電動自動車の電力変換装置に採用され、例えばインバータ回路といった電力変換回路の一部を構成することができる。ここでいう電動自動車とは、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。

図１に示すように、半導体装置１０は、基板本体１２と、絶縁回路基板１４と、半導体素子２２と、上側回路層２４及び下側回路層２６とを備える。基板本体１２は、主に絶縁材料を用いて構成されている。基板本体１２の内部には、絶縁回路基板１４及び半導体素子２２が配置されている。半導体素子２２は、絶縁回路基板１４上に配置されている。上側回路層２４は、基板本体１２の上面上に位置し、下側回路層２６は、基板本体１２の下面上に位置する。詳細には図示されていないが、各回路層２４、２６には、半導体装置１０が例えば電力変換回路の一部を構成するために、必要とされる回路パターンが形成されている。

半導体素子２２は、パワー半導体素子であって、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、又は他のスイッチング素子である。半導体素子２２は、半導体基板と一対の主電極２２ａ、２２ｂとを含む。半導体素子２２は、半導体基板を介して、一対の主電極２２ａ、２２ｂの間を導通又は遮断することができる。一対の主電極２２ａ、２２ｂは、半導体基板の上面側に位置する上面電極２２ａと、半導体基板の下面側に位置する下面電極２２ｂを有する。

絶縁回路基板１４は、セラミック基板１６と、セラミック基板１６の上面側に設けられた上側導体層１８と、セラミック基板１６の下面側に位置する下側導体層２０とを有する。一例ではあるが、絶縁回路基板１４は、ＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板である。セラミック基板１６は、例えば、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化アルミニウム等のセラミック材料を用いて構成されている。上側導体層１８及び下側導体層２０は、銅で構成されている。

上側導体層１８は、セラミック基板１６上において、複数の導体パターン１８ａ、１８ｂを有する。複数の導体パターン１８ａ、１８ｂには、第１導体パターン１８ａと第２導体パターン１８ｂが含まれる。第１導体パターン１８ａには、半導体素子２２が配置されている。第１導体パターン１８ａは、半導体素子２２の下面電極２２ｂに接続されている。第２導体パターン１８ｂは、絶縁回路基板１４において、第１導体パターン１８ａから電気的に絶縁されている。第２導体パターン１８ｂは、第１導体パターン１８ａの部分を除いて、セラミック基板１６の全体に亘って広く延びている。

下側導体層２０は、セラミック基板１６上において、複数の導体パターン２０ａ、２０ｂを有する。複数の導体パターン２０ａには、第３導体パターン２０ａと、第４導体パターン２０ｂとが含まれる。第３導体パターン２０ａは、上側導体層１８の第１導体パターン１８ａに対して、セラミック基板１６を挟んで反対側に位置しており、第１導体パターン１８ａと同じ範囲に形成されている。第４導体パターン２０ｂは、上側導体層１８の第２導体パターン１８ｂに対して、セラミック基板１６を挟んで反対側に位置しており、第２導体パターン１８ｂと同じ範囲に形成されている。

但し、第３導体パターン２０ａ及び第４導体パターン２０ｂは上記した構成に限定されず、様々に変更可能である。なお、絶縁回路基板１４を積層方向に沿って観察したときに、第３導体パターン２０ａは、第１導体パターン１８ａと少なくとも部分的に重なっていてよく、第４導体パターン２０ｂは、第２導体パターン１８ｂと少なくとも部分的に重なっているとよい。

半導体装置１０は、複数のビア２８を備える。各々のビア２８は、基板本体１２に形成された穴であり、導体で被覆又は充填されている。複数のビア２８は、各々の回路層２４、２６から絶縁回路基板１４に向かって延びている。複数のビア２８には、一又は複数の第１のビア２８ａ、一又は複数の第２のビア２８ｂ、一又は複数の第３のビア２８ｃ及び一又は複数の第４のビア２８ｄが含まれる。各々の第１のビア２８ａは、半導体素子２２上に位置しており、半導体素子２２の上面電極２２ａと、上側回路層２４との間を接続している。各々の第２のビア２８ｂは、第２導体パターン１８ｂ上に位置しており、上側回路層２４と、絶縁回路基板１４の第２導体パターン１８ｂとの間を接続している。各々の第３のビア２８ｃは、絶縁回路基板１４の第３導体パターン２０ａと下側回路層２６とを接続しており、各々の第４のビア２８ｄは、第４導体パターン２０ｂと下側回路層２６とを接続している。なお、ビア２８を被覆又は充填する導体には、例えば銅といった熱伝導性に優れた材料を採用することができる。

また、半導体装置１０は、図１では図示されない位置に、他の複数のビアをさらに備える。その複数のビアには、例えば、上側回路層２４と絶縁回路基板１４の第１導体パターン１８ａとの間を接続するものが含まれており、半導体素子２２の下面電極２２ｂは、当該ビアを介して上側回路層２４と電気的に接続されている。なお、上側回路層２４には、複数の回路パターンが設けられており、半導体素子２２の上面電極２２ａと下面電極２２ｂとは、それぞれ異なる回路パターンへ電気的に接続されている。そして、それらの回路パターンには、半導体装置１０が組み込まれる外部の電力回路が接続される。

また、上記したが、基板本体１２は、絶縁材料で構成されている。詳しくは、基板本体１２は、第１絶縁層３０及び第２絶縁層３２を有する。第１絶縁層３０及び第２絶縁層３２は、例えば樹脂材料といった、絶縁性を有する材料を用いて構成されている。第１絶縁層３０には、絶縁回路基板１４及び半導体素子２２が埋め込まれており、一体に形成されている。第２絶縁層３２は、上側回路層２４と第１絶縁層３０との間、及び下側回路層２６と絶縁回路基板１４との間に充填されている。但し、第１絶縁層３０及び第２絶縁層３２の具体的構成は特に限定されない。第１絶縁層３０及び第２絶縁層３２は異なる種類の材料を用いて構成されていてもよいし、同一種類の材料を用いて構成されていてもよい。

上述した半導体装置１０は、半導体素子２２が基板本体１２に内蔵されている。この場合、半導体素子２２で発生した熱が、基板本体１２の内部に滞りやすく、基板本体１２に不均一な温度分布が生じることがある。基板本体１２は薄く平たい部材であるので、そこに不均一な温度分布が生じてしまうと、反りや波打ちといった変形が容易に生じてしまう。この課題を解決するために、半導体素子２２に加えて、絶縁回路基板１４を基板本体１２へ内蔵することが考えられる。絶縁回路基板１４は、比較的に剛性の高いセラミック基板１６を有している。従って、この絶縁回路基板１４を基板本体１２の内部に配置することによって、基板本体１２の反りや波打ちを抑制することができる。

しかしながら、絶縁回路基板１４のセラミック基板１６は、熱伝導性に劣るという側面も有する。従って、基板本体１２に絶縁回路基板１４が内蔵されていると、基板本体１２における熱伝導が阻害されることによって、半導体素子２２の温度がこれまでよりも高くなるおそれがある。

上記の課題を解決するために、本実施例の半導体装置１０では、以下の点において工夫がされている。一つは、絶縁回路基板１４が、セラミック基板１６の上面側において、第１導体パターン１８ａと、第２導体パターン１８ｂとを有する。第１導体パターン１８ａには、半導体素子２２が配置されており、半導体素子２２には、第１のビア２８ａを介して上側回路層２４と接続されている。これにより、半導体素子２２で発生した熱は、先ず、第１のビア２８ａを介して回路層２４へ伝達される（図２の矢印ａ参照）。上側回路層２４へ伝達された熱は、上側回路層２４を伝うことにより、基板本体１２に沿って拡散することができる（図２の矢印ｂ参照）。しかしながら、上側回路層２４には、必要とされる回路構造に応じて回路パターンが設計されている。そのため、単に熱拡散のみを目的として、その回路パターンを変更することは難しい。従って、上側回路層２４だけでは、半導体素子２２で発生した熱を、基板本体１２に沿って広く拡散することが難しい。

そこで、さらに、上側回路層２４には、第２のビア２８ｂを介して、セラミック基板１６上の第２導体パターン１８ｂが接続されている。これにより、上側回路層２４の熱は、第２のビア２８ｂを介して、第２導体パターン１８ｂへ伝達される（図２の矢印ｃ参照）。そして、第２導体パターン１８ｂへ伝達された熱は、第２導体パターン１８ｂをさらに伝うことにより、基板本体１２に沿って拡散することができる（図２の矢印ｄ参照）。第２導体パターン１８ｂは、半導体装置１０において付加的な構成であってよく、広範な熱拡散を実現するために、セラミック基板１６上の余剰なスペースへ自由に設けることができる。即ち、半導体素子２２で生じた熱が、基板本体１２に広く拡散することとなり、半導体素子２２の温度上昇が抑制される。

本実施例の半導体装置１０は、上述した実施形態に限られず、様々な実施形態によって構成することができる。半導体装置１０の他の実施形態について以下の実施例で説明する。

（実施例２）図３を参照して、実施例２の半導体装置１００について説明する。図３に示すように、実施例２の半導体装置１００は、実施例１の半導体装置１０と比較して、絶縁回路基板１４の第４導体パターン１２０ｂの構造が部分的に変更されている。実施例２の他の部分については実施例１と同様に構成することができ、重複する説明は省略する。

本実施例における第４導体パターン１２０ｂは、セラミック基板１６を挟んで第２導体パターン１８ｂの反対側に位置する。但し、第４導体パターン１２０ｂは、第２導体パターン１８ｂとは異なるパターン形状で設けられている。このような構成であっても、第１のビア２８ａ、上側回路層２４、及び第２のビア２８ｂを介して第２導体パターン１８ｂへ伝達された熱は、第２導体パターン１８ｂをさらに伝うことにより、基板本体１２に沿って拡散することができる。即ち、半導体素子２２で生じた熱が、基板本体１２に広く拡散することとなり、半導体素子２２の温度上昇が抑制される。

（実施例３）図４を参照して、実施例３の半導体装置２００について説明する。図４に示すように、実施例１の半導体装置１０の構成に加え、実施例３の半導体装置２００は、ゲート駆動回路２４０をさらに備える。実施例３の半導体装置２００の他の部分については、実施例１と同様に構成することができ、重複する説明は省略する。

本実施例における半導体装置２００では、ゲート駆動回路２４０が、基板本体１２の内部において絶縁回路基板１４上に配置されている。詳しくは、ゲート駆動回路２４０が、第２のビア２８ｂと第２導体パターン１８ｂとの間に位置している。この場合、第２のビア２８ｂと第２導体パターン１８ｂは、ゲート駆動回路２４０を介して、電気的に接続されている。このように、第２のビア２８ｂと第２導体パターン１８ｂとの間には、ゲート駆動回路２４０又はその他の電気部品（例えば他の半導体素子）が介在してもよく、この場合でも、第２のビア２８ｂの熱は、ゲート駆動回路２４０等を介して第２導体パターン１８ｂへ伝達される。そして、第２導体パターン１８ｂへ伝達された熱は、第２導体パターン１８ｂをさらに伝うことにより、基板本体１２に沿って拡散することができる。即ち、半導体素子２２で生じた熱が、基板本体１２に広く拡散することとなり、半導体素子２２の温度上昇が抑制される。

なお、ゲート駆動回路２４０は、第２のビア２８ｂ、上側回路層２４及び複数の第１のビア２８ａの一つを介して、半導体素子２２の信号電極に接続されており、半導体素子２２のスイッチングを制御することができる。

（実施例４）図５を参照して、実施例４の半導体装置３００について説明する、図５に示すように、実施例４の半導体装置３００は、実施例１の半導体装置１０と比較して、絶縁回路基板３１４の構成が異なっている。実施例４の半導体装置３００の他の部分の構成については、実施例１と同様に構成することができ、重複する説明は省略する。

絶縁回路基板３１４は、セラミック基板１６と、セラミック基板１６の上面側に設けられた上側導体層１８のみを有している。即ち、セラミック基板１６の下面側には、下側導体層２０が存在していない。このような構成であっても、第１のビア２８ａ、上側回路層２４、及び第２のビア２８ｂを介して第２導体パターン１８ｂへ伝達された熱は、第２導体パターン１８ｂをさらに伝うことにより、基板本体１２に沿って拡散することができる。即ち、半導体素子２２で生じた熱が、基板本体１２に広く拡散することとなり、半導体素子２２の温度上昇が抑制される。なお、上記構成の場合、絶縁回路基板３１４のセラミック基板１６の下面には、下側回路層２６が隣接している。

本実施例の半導体装置１０、１００、２００、３００は、いわゆる基板型半導体装置である。半導体装置１０、１００、２００、３００の回路層２４、２６は、この基板本体１２の上面及び下面上に設けられている。半導体装置１０、１００、２００、３００は、上記した構成に限定されず、例えば基板本体１２が多層基板構造を有しており、回路層２４、２６は、基板本体１２内部に位置していてもよい。この場合、回路層２４、２６は、基板本体１２において、少なくとも絶縁回路基板１４、３１４の上方又は下方に位置していればよい。また、基板本体１２に内蔵される半導体素子２２は一つに限定されず、基板本体１２には、複数の半導体素子２２が内蔵されていてもよい。

本実施例の半導体装置１０、１００、２００、３００では、半導体素子２２の半導体基板を構成する材料については特に限定されず、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）といった各種の半導体材料を採用することができる。また、本実施例における絶縁回路基板１４、３１４は、ＤＢＣ基板が採用されている。但し、絶縁回路基板１４、３１４は、ＤＢＣ基板に限定されず、例えばＤＢＡ（Direct Bonded Aluminum）基板又は、ＡＭＢ基板であってもよい。ここでいうＡＭＢ基板とは、活性金属ろう付け（Active Metal Brazing）を用いて製造された絶縁回路基板を広く意味し、例えば活性金属ろう付け銅（Active Metal Brazed Copper）回路基板が挙げられる。

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、１００、２００、３００：半導体装置
１２：基板本体
１４、３１４：絶縁回路基板
１６：セラミック基板
１８ａ：第１導体パターン
１８ｂ：第２導体パターン
２２：半導体素子
２４、２６：回路層
２８：複数のビア
２８ａ：第１のビア
２８ｂ：第２のビア

Claims

絶縁材料で構成された基板本体と、
前記基板本体の内部に配置されており、セラミック基板を有する絶縁回路基板と、
前記基板本体の内部で前記絶縁回路基板上に配置された半導体素子と、
前記基板本体において前記絶縁回路基板の上方に位置しており、前記絶縁回路基板に対して平行に延びる上側回路層と、
前記基板本体において前記絶縁回路基板の下方に位置しており、前記絶縁回路基板に対して平行に延びる下側回路層と、
前記上側回路層又は前記下側回路層から前記絶縁回路基板に向けて前記基板本体内を延びる複数のビアと、
を備え、
前記絶縁回路基板は、
前記セラミック基板の上面に設けられており、前記半導体素子が配置されている第１導体パターンと、
前記セラミック基板の前記上面に設けられているとともに、前記第１導体パターンから電気的に絶縁された第２導体パターンと、
前記セラミック基板の下面に設けられており、前記第１導体パターンの反対側に位置する第３導体パターンと、
前記セラミック基板の前記下面に設けられており、前記第２導体パターンの反対側に位置する第４導体パターンと、をさらに有し、
前記複数のビアは、
前記上側回路層と前記半導体素子との間を接続する第１のビアと、
前記上側回路層と前記第２導体パターンとの間を接続する第２のビアと、
前記下側回路層と前記第３導体パターンとの間を接続する第３のビアと、
前記下側回路層と前記第４導体パターンとの間を接続する第４のビアと、を有し、
前記絶縁回路基板を積層方向に沿って見たときに、前記第３導体パターンは、前記第１導体パターンと少なくとも部分的に重なっており、前記第４導体パターンは、前記第２導体パターンと少なくとも部分的に重なっている、
半導体装置。
前記絶縁回路基板を前記積層方向に沿って見たときに、前記第３導体パターンの位置は、前記第１導体パターンの位置と略一致しており、前記第４導体パターンの位置は、前記第２導体パターンの位置と略一致している、請求項１に記載の半導体装置。