JP7363587B2 - semiconductor equipment - Google Patents
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Description
この明細書における開示は、半導体装置に関する。 The disclosure in this specification relates to a semiconductor device.
特許文献1は、半導体装置を開示している。この半導体装置は、両面に主電極を有する半導体素子を備えている。先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。
特許文献1において、半導体素子の熱は、第1主電極に接合された導電性部材を介する経路と、第2主電極に接合された導電性部材を介する経路により、絶縁部材に伝達される。導電性部材のそれぞれは、導電性接着剤を用いて絶縁部材に接合されており、熱抵抗が大きい。また、下アームを構成する半導体チップを、上下アーム回路の上アームを構成する半導体チップに対して、上下を反転させて実装している。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、電力変換装置にはさらなる改良が求められている。
In
開示されるひとつの目的は、放熱性に優れた半導体装置を提供することにある。 One object of the disclosure is to provide a semiconductor device with excellent heat dissipation.
開示される他のひとつの目的は、高い放熱性を有しつつ、構造が簡素化された半導体装置を提供することにある。 Another object of the disclosure is to provide a semiconductor device with a simplified structure while having high heat dissipation.
ここに開示された半導体装置は、
セラミックを材料として構成され、表面および表面と板厚方向において反対の裏面を有する絶縁基材(51)と、表面に設けられた表面金属体(52)と、を有する配線基板(50)と、
表面との対向面に設けられた第1主電極(41C)と、対向面とは反対の面に設けられた第2主電極(41E)と、をそれぞれ有し、上下アーム回路を構成する複数の半導体素子(40)と、
第2主電極に接合された複数の導電部材(60)と、を備える。
The semiconductor device disclosed herein is
A wiring board (50) made of ceramic and having an insulating base material (51) having a front surface and a back surface opposite to the front surface in the thickness direction, and a surface metal body (52) provided on the front surface;
A plurality of electrodes each having a first main electrode (41C) provided on a surface facing the front surface and a second main electrode (41E) provided on a surface opposite to the facing surface, and forming an upper and lower arm circuit. a semiconductor element (40);
A plurality of conductive members (60) joined to the second main electrode.
複数の半導体素子は、上下アーム回路の上アームを構成する上アーム素子(40H)と、下アームを構成する下アーム素子(40L)と、を含み、
表面金属体は、上アーム素子の第1主電極に接合された第1金属部(521)と、第1金属部とは電気的に分離された少なくともひとつの第2金属部(522)と、下アーム素子の第1主電極に接合された第3金属部(523)と、第1金属部、第2金属部、および第3金属部とは電気的に分離された少なくともひとつの第4金属部(524)と、を有し、
導電部材は、上アーム素子の第2主電極と第2金属部とに接合されるとともに、第3金属部に電気的に接続された第1導電部材(61)と、下アーム素子の第2主電極と第4金属部とに接合された第2導電部材(62)と、を含み、
第2金属部は、第3金属部と電気的に分離された、配線機能を提供しないダミー配線部であり、
第1導電部材は、表面金属体のうち、第2金属部および第3金属部に接合されている。
The plurality of semiconductor elements includes an upper arm element (40H) that constitutes an upper arm of the upper and lower arm circuit, and a lower arm element (40L) that constitutes a lower arm,
The surface metal body includes a first metal part (521) joined to the first main electrode of the upper arm element, at least one second metal part (522) electrically separated from the first metal part, The third metal part (523) joined to the first main electrode of the lower arm element, and at least one fourth metal part electrically separated from the first metal part, second metal part, and third metal part. (524);
The conductive member is joined to the second main electrode and the second metal part of the upper arm element, and the first conductive member (61) electrically connected to the third metal part, and the second conductive member (61) of the lower arm element. a second conductive member (62) joined to the main electrode and the fourth metal part;
The second metal part is a dummy wiring part that is electrically isolated from the third metal part and does not provide a wiring function,
The first conductive member is joined to the second metal portion and the third metal portion of the surface metal body.
開示された半導体装置によると、上アーム素子の熱は、第1主電極に接合された第1金属部を介して、セラミックを材料とする絶縁基材に伝達される。また、第2主電極に接合された第1導電部材および第2金属部を介して、絶縁基材に伝達される。第1金属部および第2金属部は、配線基板の表面金属体として提供されており、絶縁基材との接合界面の熱抵抗が小さい。よって、上アーム素子の生じた熱を効果的に放熱することができる。 According to the disclosed semiconductor device, heat from the upper arm element is transmitted to the insulating base material made of ceramic through the first metal part joined to the first main electrode. Further, the power is transmitted to the insulating base material via the first conductive member and the second metal part joined to the second main electrode. The first metal part and the second metal part are provided as surface metal bodies of the wiring board, and have low thermal resistance at the bonding interface with the insulating base material. Therefore, the heat generated by the upper arm element can be effectively dissipated.
同様に、下アーム素子の熱は、第1主電極に接合された第3金属部を介して、セラミックを材料とする絶縁基材に伝達される。また、第2主電極に接合された第2導電部材および第4金属部を介して、絶縁基材に伝達される。第3金属部および第4金属部も表面金属体として提供されており、絶縁基材との接合界面の熱抵抗が小さい。よって、下アーム素子の生じた熱を効果的に放熱することができる。この結果、放熱性に優れた半導体装置を提供することができる。 Similarly, the heat of the lower arm element is transmitted to the insulating base material made of ceramic through the third metal part joined to the first main electrode. Further, the power is transmitted to the insulating base material via the second conductive member and the fourth metal part joined to the second main electrode. The third metal part and the fourth metal part are also provided as surface metal bodies, and have low thermal resistance at the bonding interface with the insulating base material. Therefore, the heat generated by the lower arm element can be effectively radiated. As a result, it is possible to provide a semiconductor device with excellent heat dissipation.
開示された半導体装置によると、上アーム素子および下アーム素子のいずれも、第1主電極が表面金属体に接合され、第2主電極が導電部材に接合されている。すなわち、上アーム素子および下アーム素子において、板厚方向における同じ側の面に第1主電極を設けている。主電極の配置が互いに同じであるため、構造を簡素化することができる。この結果、高い放熱性を有しつつ、構造が簡素化された半導体装置を提供することができる。 According to the disclosed semiconductor device, in both the upper arm element and the lower arm element, the first main electrode is joined to the surface metal body, and the second main electrode is joined to the conductive member. That is, in the upper arm element and the lower arm element, the first main electrode is provided on the same side surface in the plate thickness direction. Since the main electrodes are arranged in the same way, the structure can be simplified. As a result, it is possible to provide a semiconductor device with a simplified structure while having high heat dissipation.
この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。 The multiple aspects disclosed in this specification employ different technical means to achieve their respective objectives. The claims and the reference numerals in parentheses described in this section exemplarily indicate correspondence with parts of the embodiment described later, and are not intended to limit the technical scope. The objects, features, and advantages disclosed in this specification will become more apparent by reference to the subsequent detailed description and accompanying drawings.
図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび/または構造的に対応する部分には同一の参照符号を付与する。 A plurality of embodiments will be described with reference to the drawings. In several embodiments, functionally and/or structurally corresponding parts are provided with the same reference numerals.
本実施形態の半導体装置は、たとえば、回転電機を駆動源とする移動体の電力変換装置に適用される。移動体は、たとえば、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、燃料電池車(FCV)などの電動車両、ドローンなどの飛行体、船舶、建設機械、農業機械である。以下では、車両に適用される例について説明する。 The semiconductor device of this embodiment is applied, for example, to a power converter device for a moving object that uses a rotating electric machine as a drive source. The moving object is, for example, an electric vehicle such as an electric vehicle (EV), a hybrid vehicle (HV), or a fuel cell vehicle (FCV), a flying object such as a drone, a ship, a construction machine, or an agricultural machine. An example applied to a vehicle will be described below.
(第1実施形態)
先ず、図1に基づき、車両の駆動システムの概略構成について説明する。
(First embodiment)
First, based on FIG. 1, a schematic configuration of a vehicle drive system will be described.
<車両の駆動システム>
図1に示すように、車両の駆動システム1は、直流電源2と、モータジェネレータ3と、電力変換装置4を備えている。
<Vehicle drive system>
As shown in FIG. 1, a
直流電源2は、充放電可能な二次電池で構成された直流電圧源である。二次電池は、たとえばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池である。モータジェネレータ3は、三相交流方式の回転電機である。モータジェネレータ3は、車両の走行駆動源、すなわち電動機として機能する。モータジェネレータ3は、回生時に発電機として機能する。電力変換装置4は、直流電源2とモータジェネレータ3との間で電力変換を行う。
The
<電力変換装置>
次に、図1に基づき、電力変換装置4の回路構成について説明する。電力変換装置4は、平滑コンデンサ5と、インバータ6を備えている。
<Power converter>
Next, the circuit configuration of the
平滑コンデンサ5は、主として、直流電源2から供給される直流電圧を平滑化する。平滑コンデンサ5は、高電位側の電力ラインであるPライン7と低電位側の電力ラインであるNライン8とに接続されている。Pライン7は直流電源2の正極に接続され、Nライン8は直流電源2の負極に接続されている。平滑コンデンサ5の正極は、直流電源2とインバータ6との間において、Pライン7に接続されている。同じく負極は、直流電源2とインバータ6との間において、Nライン8に接続されている。平滑コンデンサ5は、直流電源2に並列に接続されている。
The smoothing
インバータ6は、DC-AC変換回路である。インバータ6は、図示しない制御回路によるスイッチング制御にしたがって、直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータジェネレータ3へ出力する。これにより、モータジェネレータ3は、所定のトルクを発生するように駆動する。インバータ6は、車両の回生制動時、車輪からの回転力を受けてモータジェネレータ3が発電した三相交流電圧を、制御回路によるスイッチング制御にしたがって直流電圧に変換し、Pライン7へ出力する。このように、インバータ6は、直流電源2とモータジェネレータ3との間で双方向の電力変換を行う。
インバータ6は、三相分の上下アーム回路9を備えて構成されている。上下アーム回路9は、レグと称されることがある。上下アーム回路9は、上アーム9Hと、下アーム9Lをそれぞれ有している。上アーム9Hと下アーム9Lは、上アーム9HをPライン7側として、Pライン7とNライン8との間で直列接続されている。上アーム9Hと下アーム9Lとの接続点は、出力ライン10を介して、モータジェネレータ3における対応する相の巻線に接続されている。インバータ6は、6つのアームを有している。
The
本実施形態では、各アームを構成するスイッチング素子として、nチャネル型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ11(以下、IGBT11と示す)を採用している。IGBT11のそれぞれには、還流用のダイオード12が逆並列に接続されている。上アーム9Hにおいて、IGBT11のコレクタが、Pライン7に接続されている。下アーム9Lにおいて、IGBT11のエミッタが、Nライン8に接続されている。そして、上アーム9HにおけるIGBT11のエミッタと、下アーム9LにおけるIGBT11のコレクタが相互に接続されている。ダイオード12のアノードは対応するIGBT11のエミッタに接続され、カソードはコレクタに接続されている。
In this embodiment, an n-channel type insulated gate bipolar transistor 11 (hereinafter referred to as IGBT 11) is employed as a switching element constituting each arm. A freewheeling
電力変換装置4は、電力変換回路として、コンバータをさらに備えてもよい。コンバータは、直流電圧を異なる値の直流電圧に変換するDC-DC変換回路である。コンバータは、直流電源2と平滑コンデンサ5との間に設けられる。コンバータは、たとえばリアクトルと、上記した上下アーム回路9を備えて構成される。電力変換装置4は、直流電源2からの電源ノイズを除去するフィルタコンデンサを備えてもよい。フィルタコンデンサは、直流電源2とコンバータとの間に設けられる。
The
電力変換装置4は、インバータ6などを構成するスイッチング素子の駆動回路を備えてもよい。駆動回路は、制御回路の駆動指令に基づいて、対応するアームのIGBT11のゲートに駆動電圧を供給する。駆動回路は、駆動電圧の印加により、対応するIGBT11を駆動、すなわちオン駆動、オフ駆動させる。駆動回路は、ドライバと称されることがある。
The
電力変換装置4は、スイッチング素子の制御回路を備えてもよい。制御回路は、IGBT11を動作させるための駆動指令を生成し、駆動回路に出力する。制御回路は、図示しない上位ECUから入力されるトルク要求、各種センサにて検出された信号に基づいて、駆動指令を生成する。各種センサとして、たとえば電流センサ、回転角センサ、電圧センサがある。電流センサは、各相の巻線に流れる相電流を検出する。回転角センサは、モータジェネレータ3の回転子の回転角を検出する。電圧センサは、平滑コンデンサ5の両端電圧を検出する。制御回路は、駆動指令としてPWM信号を出力する。制御回路は、たとえばマイコン(マイクロコンピュータ)を備えて構成されている。ECUは、Electronic Control Unitの略称である。PWMは、Pulse Width Modulationの略称である。
The
<半導体装置>
次に、図2~図6に基づき、電力変換装置4(インバータ6)を構成する半導体装置について説明する。図2は、半導体装置20の斜視図である。図2では、便宜上、封止樹脂体30内の要素および封止樹脂体30により隠れる要素を示すために、封止樹脂体30を部分的に透過させている。図3は、配線基板50を示す平面図である。図3では、半導体素子40および接合部材80を合わせて図示している。ただし、半導体素子40のエミッタ電極41E上の接合部材80については、便宜上、記載を省略している。図4は、封止樹脂体30および延設部621を省略した半導体装置20の平面図である。図5は、図4のV-V線に沿う半導体装置20の断面図である。図6は、図4のVI-VI線に沿う半導体装置20の断面図である。
<Semiconductor device>
Next, a semiconductor device constituting the power conversion device 4 (inverter 6) will be described based on FIGS. 2 to 6. FIG. 2 is a perspective view of the
以下では、配線基板50(絶縁基材51)の板厚方向をZ方向と示す。Z方向に直交する方向であって、半導体素子40の並び方向をX方向と示す。Z方向およびX方向の両方向に直交する方向をY方向と示す。特に断わりのない限り、Z方向から平面視した形状、換言すればX方向およびY方向により規定されるXY面に沿う形状を平面形状とする。Z方向からの平面視を、単に平面視と示すことがある。
Hereinafter, the thickness direction of the wiring board 50 (insulating base material 51) will be referred to as the Z direction. The direction perpendicular to the Z direction and the direction in which the
図2~図6に示すように、半導体装置20は、封止樹脂体30と、複数の半導体素子40と、配線基板50と、複数の導電部材60と、複数の外部接続端子70を備えている。本実施形態の半導体装置20は、一相分の上下アーム回路9を構成する。たとえば3つの半導体装置20により、インバータ6が構成される。
As shown in FIGS. 2 to 6, the
封止樹脂体30は、半導体装置20を構成する他の要素の一部を封止している。他の要素の残りの部分は、封止樹脂体30の外に露出している。封止樹脂体30は、たとえばエポキシ系樹脂を材料として形成されている。封止樹脂体30は、たとえばトランスファモールド法により成形されている。封止樹脂体30は平面略矩形状をなしている。封止樹脂体30は、一面30aと、Z方向において一面30aとは反対の面である裏面30bを有している。一面30aおよび裏面30bは、たとえば平坦面となっている。
The sealing
半導体素子40は、シリコン(Si)、シリコンよりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体などを材料とする半導体基板に、素子が形成されてなる。ワイドバンドギャップ半導体としては、たとえばシリコンカーバイド(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga2O3)、ダイヤモンドがある。半導体素子40は、半導体チップと称されることがある。
The
素子は、Z方向に主電流が流れるように縦型構造をなしている。縦型素子として、IGBT、MOSFET、ダイオードなどを採用することができる。本実施形態では、縦型素子として、ひとつのアームを構成するIGBT11およびダイオード12が形成されている。縦型素子は、RC(Reverse Conducting)-IGBTである。半導体素子40は、図示しないゲート電極を有している。ゲート電極は、たとえばトレンチ構造をなしている。
The element has a vertical structure so that the main current flows in the Z direction. IGBT, MOSFET, diode, etc. can be used as the vertical element. In this embodiment, an
半導体素子40は、自身の板厚方向、すなわちZ方向における両面に、素子の主電極を有している。具体的には、主電極として、配線基板50に対向する一面側にコレクタ電極41Cを有し、コレクタ電極41Cの形成面とは反対の面にエミッタ電極41Eを有している。コレクタ電極41Cはダイオード12のカソード電極を兼ねており、エミッタ電極41Eはダイオード12のアノード電極を兼ねている。コレクタ電極41Cが第1主電極に相当し、エミッタ電極41Eが第2主電極に相当する。
The
半導体素子40は、平面略矩形状をなしている。コレクタ電極41Cは、半導体基板の一面のほぼ全面に形成されている。半導体素子40は、裏面においてエミッタ電極41Eとは異なる位置に形成されたパッド41Pを有している。エミッタ電極41Eおよびパッド41Pは、半導体基板の裏面に設けられた図示しない保護膜からそれぞれ露出している。エミッタ電極41Eは、半導体素子40の裏面の一部分に形成されている。パッド41Pは、信号用の電極である。パッドは、IGBT11用のゲートパッドなどを含んでいる。裏面において、X方向の一端側にエミッタ電極41Eが形成され、他端側にパッド41Pが形成されている。
The
半導体装置20は、上記した構成の半導体素子40を複数備えている。半導体装置20は、半導体素子40として、上アーム9Hを構成する半導体素子40Hと、下アーム9Lを構成する半導体素子40Lを含んでいる。半導体素子40Hが上アーム素子に相当し、半導体素子40Lが下アーム素子に相当する。本実施形態の半導体装置20は、2つの半導体素子40、すなわち半導体素子40Hおよび半導体素子40Lをそれぞれひとつ備えている。
The
半導体素子40H、40Lは、互いに同じ構成を有しており、Z方向において互いにほぼ同じ高さに位置している。半導体素子40H、40Lは、お互いのコレクタ電極41CがZ方向における同じ側となり、お互いにエミッタ電極41EがZ方向における同じ側となるように配置されている。半導体素子40H、40Lは、X方向に並んで配置されている。本実施形態では、X方向においてエミッタ電極41E側の端部が向き合うように配置されている。
The
配線基板50は、絶縁基材51と、金属体52、53を有している。絶縁基材51は、セラミックを材料として形成された板状の部材である。絶縁基材51は、セラミック基板と称されることがある。セラミックとしては、熱伝導性が良好な、酸化物系セラミック、窒化物系セラミックを採用することができる。より詳しくは、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化シリコン(シリコンナイトライド)などを採用することができる。絶縁基材51は、平面略矩形状をなしている。
The
配線基板50は、Z方向において、半導体素子40の一面側、すなわちコレクタ電極41C側に配置されている。絶縁基材51は、表面51aと、配線基板50(絶縁基材51)の板厚方向であるZ方向において表面51aとは反対の面である裏面51bを有している。絶縁基材51の表面51aに金属体52が設けられ、裏面51bに金属体53が設けられている。金属体52が表面金属体に相当し、金属体53が裏面金属体に相当する。
The
金属体52、53は、たとえば、金属板、金属箔、金属膜として提供される。本実施形態では、配線基板50として、DBC(Direct Bonded Copper)基板を採用している。金属体52、53は、銅(Cu)板、または、銅箔として提供される。金属体52、53の厚みは、たとえば0.2mm~0.8mm程度である。金属体52、53のそれぞれは、絶縁基材51(たとえばアルミナ)に直接接合されている。配線基板50は、銅が貼り付けられた厚銅基板である。
The
金属体52の少なくとも一部は、配線機能を提供する。金属体52は、第1金属部521と、第2金属部522と、第3金属部523と、第4金属部524を有している。以下では、単に、金属部521、522、523、524と称することがある。
At least a portion of the
第1金属部521上には、半導体素子40Hが配置されている。第1金属部521は、半導体素子40Hと積層体を形成している。積層体の積層方向は、Z方向に略平行である。第1金属部521は、接合部材80を介して、半導体素子40Hのコレクタ電極41Cに接続されている。第1金属部521は、コレクタ電極41Cに接合されている。第1金属部521は、配線機能を提供する。
A
同様に、第3金属部523上には、半導体素子40Lが配置されている。第3金属部523は、半導体素子40Lと積層体を形成している。第3金属部523は、接合部材80を介して、半導体素子40Lのコレクタ電極41Cに接続されている。第3金属部523は、コレクタ電極41Cに接合されている。第3金属部523は、配線機能を提供する。
Similarly, the
第2金属部522は、導電部材60のひとつである第1導電部材61に接合されている。第2金属部522も、接合部材80を介して、第1導電部材61に接続されている。第2金属部522は、第1導電部材61にはんだ接合されている。本実施形態の第2金属部522は、配線機能を提供しないダミー配線部である。第2金属部522は、第3金属部523と電気的に分離されている。
The
第4金属部524は、導電部材60のひとつである第2導電部材62に接合されている。第4金属部524も、接合部材80を介して、第2導電部材62に接続されている。第4金属部524は、第2導電部材62にはんだ接合されている。本実施形態の第4金属部524は、配線機能を提供しないダミー配線部である。第4金属部524は、他の金属部521、522、523と電気的に分離されている。
The
接合部材80は、金属体52、53と絶縁基材51との接合に較べて、低温での接合が可能な部材である。たとえば、はんだや、銀(Ag)、銅などの金属焼結体を採用することができる。本実施形態では、接合部材80として、はんだを採用している。第1金属部521および第3金属部523は、対応するコレクタ電極41Cにはんだ接合されている。第2金属部522および第4金属部524は、対応する導電部材60にはんだ接合されている。
The joining
たとえば図3に示すように、絶縁基材51の表面51aには、ひとつの第1金属部521と、2つの第2金属部522と、ひとつの第3金属部523と、2つの第4金属部524が配置されている。金属部521、522、523、524のそれぞれは、X方向を長手方向、Y方向を短手方向とする平面略形状をなしている。
For example, as shown in FIG. 3, the
Y方向において、2つの第2金属部522の間に第1金属部521が配置され、第2金属部522、第1金属部521、第2金属部522の順に並んでいる。第2金属部522のそれぞれと第1金属部521との間には、電気的に分離するための所定の隙間が設けられている。第1金属部521は、平面視において半導体素子40Hを内包するように設けられている。金属部521、522のX方向の長さは、半導体素子40Hよりも長く、互いに略等しい。Y方向の長さは、半導体素子40Hが配置される第1金属部521のほうが、第2金属部522のそれぞれよりも長い。
In the Y direction, the
同様に、X方向において、2つの第4金属部524の間に第3金属部523が配置され、第4金属部524、第3金属部523、第4金属部524の順に並んでいる。第4金属部524のそれぞれと第3金属部523との間には、電気的に分離するための所定の隙間が設けられている。第3金属部523は、平面視において半導体素子40Lを内包するように設けられている。金属部523、524のX方向の長さは、半導体素子40Lよりも長く、互いに略等しい。Y方向の長さは、半導体素子40Lが配置される第3金属部523のほうが、第4金属部524のそれぞれよりも長い。
Similarly, in the X direction, the
本実施形態では、金属部521、523のY方向の長さが、互いに略等しい。また、金属部522、524のY方向の長さが、互いに略等しい。金属部521、523は、X方向に並んでいる。同様に、金属部522、524は、X方向に並んでいる。金属体52は、X方向において絶縁基材51を二等分する仮想的な中心線CLに対して、線対称配置となっている。金属体52のZ方向の長さ、すなわち厚みは、面内で略等しい。すなわち、金属部521、522、523、524の厚み、互いに略等しい。
In this embodiment, the lengths of the
金属体53は、絶縁基材51によって、金属体52とは電気的に分離されている。金属体53は、放熱板(ヒートシンク)として機能する。金属体53の平面形状は特に限定されない。金属体52とは異なる平面形状(パターン)にしてもよい。本実施形態では、金属体53を、平面視において金属体52と略一致するように構成している。金属体53の厚みは、金属体52の厚み以上である。本実施形態では、金属体52、53の厚みが略等しい。金属体53における絶縁基材51との接合面と反対の面は、裏面30bと略面一の状態で、封止樹脂体30から露出している。金属体53が露出面53aを有することで、半導体装置20の外へ効果的に放熱することができる。
The
導電部材60は、配線機能および放熱(伝熱)機能を提供すべく、導電性、熱伝導性に優れた導電材料を用いて形成されている。本実施形態では、銅、銅合金などの金属を材料として平板状をなしている。導電部材60は、接合部材80を介してエミッタ電極41Eに接続されている。導電部材60は、エミッタ電極41Eに、はんだ接合されている。半導体装置20は、導電部材60として、第1導電部材61と、第2導電部材62を含んでいる。
The
第1導電部材61は、半導体素子40Hのエミッタ電極41Eに、接合部材80を介して接続されている。第1導電部材61は、ダミー配線部である第2金属部522、および、配線機能を提供する第3金属部523に、接合部材80を介して接合されている。第1導電部材61は、対応するエミッタ電極41E、第2金属部522、および第3金属部523に、はんだ接合されている。第1導電部材61は、半導体素子40Hの生じた熱を、第2金属部522に伝達する機能を果たす。第1導電部材61は、半導体素子40Hのエミッタ電極41Eと半導体素子40Lのコレクタ電極41Cとを、電気的に中継する機能を果たす。
The first
図4に示すように、第1導電部材61は、Y方向を長手方向、X方向を短手方向とする平面略矩形状をなしている。平面視において、第1導電部材61は、半導体素子40Hを内包している。Y方向において、第1導電部材61の一方の端部が、第2金属部522のひとつに接合され、他方の端部が第2金属部522の他のひとつに接合されている。そして、第1導電部材61の中央部が、エミッタ電極41Eに接合されている。また、X方向において、第1導電部材61は、金属部521、523を跨ぐように配置されている。第1導電部材61は、平面視において、第1金属部521において半導体素子40Hが配置された部分を含む一部分と、第3金属部523において半導体素子40Lが配置された部分よりも金属部521寄りの一部分とに重なるように、配置されている。理想的な実装状態において、第1導電部材61も、中心線CLを対称軸として線対称である。
As shown in FIG. 4, the first
第2導電部材62は、半導体素子40Lのエミッタ電極41Eに、接合部材80を介して接続されている。第2導電部材62は、ダミー配線部である第4金属部524に、接合部材80を介して接続されている。第2導電部材62は、対応するエミッタ電極41Eおよび第4金属部524に、はんだ接合されている。第2導電部材62は、半導体素子40Lの生じた熱を、第4金属部524に伝達する機能を果たす。
The second
第2導電部材62は、本体部620と、延設部621を有している。本体部620は、エミッタ電極41Eおよび第4金属部524に、はんだ接合されている。本体部620は、第1導電部材61同様、Y方向を長手方向、X方向を短手方向とする平面略矩形状をなしている。平面視において、本体部620は、半導体素子40Lを内包している。Y方向において、本体部620の一方の端部が、第4金属部524のひとつに接合され、他方の端部が第4金属部524の他のひとつに接合されている。そして、本体部620の中央部が、エミッタ電極41Eに接合されている。なお、図6に示すように、第1導電部材61および本体部620のZ方向の長さ(厚み)は、金属体52よりも厚い。
The second
延設部621は、本体部620から延びた部分である。延設部621は、たとえば接合により、本体部620に連なっている。延設部621は、一体的な構成により、本体部620に連なってもよい。本体部620および延設部621は、共通する部材を加工することで一体的に構成される。延設部621は、本体部620と後述する負極端子70Nとを電気的に中継している。図2および図5に示すように、本実施形態の延設部621は、第1導電部材61をX方向に横切っている。延設部621は、第1導電部材61との間に所定の間隔を有して対向配置されている。延設部621は、本体部620における半導体素子40Lとの接合面と反対の面において、第1導電部材61側の端部付近に接続されている。
The
外部接続端子70は、銅、銅合金などの金属材料を用いて形成されている。外部接続端子70は、主電極に接続された主端子として、正極端子70Pと、負極端子70Nと、出力端子70Aを含んでいる。正極端子70Pは、平滑コンデンサ5の正極、すなわちPライン7に電気的に接続される。正極端子70Pは、高電位側の直流端子、高電位電源端子、P端子と称されることがある。負極端子70Nは、平滑コンデンサ5の負極、すなわちNライン8に電気的に接続される。負極端子70Nは、低電位側の直流端子、低電位電源端子、N端子と称されることがある。出力端子70Aは、出力ライン10を介してモータジェネレータ3の巻線に電気的に接続される。出力端子70Aは、交流端子と称されることがある。
The
正極端子70Pは、第1金属部521に接合されている。正極端子70Pは、第1金属部521を介して、半導体素子40Hのコレクタ電極41Cに電気的に接続されている。本実施形態の正極端子70Pは、X方向において、封止樹脂体30の内外にわたって延設されている。正極端子70Pは、封止樹脂体30のひとつの側面30cから外部に突出している。封止樹脂体30内において、正極端子70Pの一端は、はんだなどの図示しない接合部材を介して、第1金属部521に接合されている。図4に示すように、正極端子70Pは、第1金属部521において第1導電部材61が重ならない部分(一端)に接合されている。正極端子70Pの他端は、封止樹脂体30の外に位置している。
The
負極端子70Nは、第2導電部材62に接合されている。負極端子70Nは、第2導電部材62を介して、半導体素子40Lのエミッタ電極41Eに電気的に接続されている。本実施形態の負極端子70Nは、X方向において、封止樹脂体30の内外にわたって延設されている。負極端子70Nは、Y方向において正極端子70Pに並設されており、正極端子70Pと同じ側面30cから外部に突出している。正極端子70Pおよび負極端子70Nの並設により、配線インダクタンスを低減することができる。負極端子70Nは、封止樹脂体30内において、第2導電部材62に連なっている。負極端子70Nは、第2導電部材62に対して一体的に設けられることで連なってもよいし、別部材として設けられ、接合により連なってもよい。本実施形態では、負極端子70Nの一端が、図示しない接合部材を介して、第2導電部材62の延設部621に接合されている。負極端子70Nの他端は、封止樹脂体30の外に位置している。
The
出力端子70Aは、半導体素子40Hのエミッタ電極41Eおよび半導体素子40Lのコレクタ電極41Cに電気的に接続されている。本実施形態の出力端子70Aは、X方向において、封止樹脂体30の内外にわたって延設されている。出力端子70Aは、側面30dとは反対の側面30dから外部に突出している。封止樹脂体30内において、出力端子70Aの一端は、図示しない接合部材を介して、第3金属部523に接合されている。出力端子70A、第3金属部523において第2導電部材62が重ならない部分(一端)に接合されている。出力端子70Aの他端は、封止樹脂体30の外に位置している。
The
外部接続端子70は、半導体素子40のパッド41Pに接続された信号端子70Sを含んでいる。信号端子70Sは、たとえば、ボンディングワイヤなどを介して、パッド41Pに電気的に接続されている。信号端子70Sは、正極端子70P、負極端子70N、および出力端子70Aと共通のリードフレームに構成されている。本実施形態の半導体装置20は、ひとつの半導体素子40に対して、3本の信号端子70Sを備えている。半導体素子40Hに対応する信号端子70Sは、Y方向において負極端子70Nとの間に正極端子70Pを挟むように配置され、側面30cから外部に突出している。半導体素子40Lに対応する信号端子70Sは、Y方向において出力端子70Aと並んで配置され、側面30dから外部に突出している。
The
なお、外部接続端子は、必要に応じて屈曲部を有してもよい。たとえば、制御回路や駆動回路が形成された回路基板が、Z方向において一面30aの上方に配置される場合、信号端子70Sは、封止樹脂体30の外に屈曲部を有し、屈曲部よりも先端側の部分は、Z方向に延設されて回路基板に実装される。
Note that the external connection terminal may have a bent portion as necessary. For example, when a circuit board on which a control circuit and a drive circuit are formed is arranged above one
<第1実施形態のまとめ>
図6において、二点鎖線の矢印は、半導体素子40Lから配線基板50への伝熱経路を示している。本実施形態の半導体装置20によると、通電により半導体素子40Lが生じた熱は、コレクタ電極41Cに接合された第3金属部523を介して、セラミックを材料とする絶縁基材51に伝達される。第3金属部523は配線基板50の金属体52として提供されており、第3金属部523と絶縁基材51との接合界面の熱抵抗が小さい。
<Summary of the first embodiment>
In FIG. 6, the two-dot chain arrow indicates a heat transfer path from the
また、半導体素子40Lの熱は、エミッタ電極41Eに接合された第2導電部材62(導電部材60)および第4金属部524を介して、絶縁基材51に伝達される。第4金属部524も金属体52として提供されており、第4金属部524と絶縁基材51との接合界面の熱抵抗が小さい。両面側から半導体素子40Lの熱を逃がしつつ、半導体装置20のひとつの面(裏面30b)側から放熱することができる。
Further, the heat of the
半導体素子40Hから配線基板50への伝熱経路についても、半導体素子40Lの伝熱経路と同様である。通電により半導体素子40Hが生じた熱は、コレクタ電極41Cに接合された第1金属部521を介して、セラミックを材料とする絶縁基材51に伝達される。第1金属部521は配線基板50の金属体52として提供されており、第1金属部521と絶縁基材51との接合界面の熱抵抗が小さい。
The heat transfer path from the
また、半導体素子40Hの熱は、エミッタ電極41Eに接合された第1導電部材61(導電部材60)、第2金属部522、および第3金属部523を介して、絶縁基材51に伝達される。金属部522、523も金属体52として提供されており、金属部522、523と絶縁基材51との接合界面の熱抵抗が小さい。両面側から半導体素子40Hの熱を逃がしつつ、半導体装置20のひとつの面(裏面30b)側から放熱することができる。この結果、導電性接着剤による接着接合に較べて、放熱性に優れた半導体装置20を提供することができる。
Further, the heat of the
また、半導体素子40H、40Lは、お互いのコレクタ電極41CがZ方向における同じ側となり、お互いにエミッタ電極41EがZ方向における同じ側となるように配置されている。よって、反転配置の構成に較べて、半導体装置20の構造を簡素化することができる。半導体素子40(40H、40L)は、同じ側の面にパッド41Pを有しているため、パッド41Pへの電気的な接続(たとえばワイヤボンディング)が容易である。この結果、接続構造を簡素化することができる。
Furthermore, the
特に本実施形態では、金属部521、522、523、524を含む金属体52と、絶縁基材51とが、直接接合されている。接合材を用いないため、接合界面の熱抵抗をより小さくし、放熱性を高めることができる。
In particular, in this embodiment, the
さらに本実施形態では、配線基板50が、絶縁基材51の裏面51bに接合された金属体53を有している。半導体素子40(40H、40L)の熱は、絶縁基材51を介して金属体53に伝達される。よって、放熱性を高めることができる。また、裏面51b側にも金属を配置することで、半導体装置20に反りが生じるのを抑制することができる。絶縁基材51の表面51a側には、金属体52だけでなく、半導体素子40や導電部材60が配置されている。よって、表面51a側の構造体とのバランスがとれるように、金属体53を金属体52よりも厚くしてもよい。
Furthermore, in this embodiment, the
厚銅基板である配線基板50において、絶縁基材51と金属体52との接合方法は、上記した直接接合に限定されない。図7に示す変形例のように、活性金属を含むろう材54により接合してもよい。図7は、図6に対応している。ろう材54は、チタン(Ti)などの活性金属を含んだAg系、Cu系、Ag-Cu系の接合材である。図7では、金属体53も、ろう材54により絶縁基材51に接合されている。ろう材54は、窒化物セラミックを材料とする絶縁基材51に好適である。ろう材54を用いることで、接合界面での濡れ性が良好となり、熱抵抗を小さくすることができる。また、金属体52がアルミニウムの場合、アルミ溶湯接合法を用いてもよい。
In the
いずれの接合方法でも、絶縁基材51と金属体52(53)を接合して厚銅基板を形成する際には、高温状態にする必要である。たとえば、直接接合法の場合、銅の融点直下、具体的には1000~1100℃程度の加熱が必要である。半導体素子のコレクタ電極と金属体との接合部、エミッタ電極と導電部材との接合部、導電部材と金属体との接合部にも、上記した高温での接合を採用すると、加熱状態から常温に戻したときの温度差による残留歪が半導体素子に作用してしまう。
In any of the bonding methods, when bonding the insulating
これに対し、本実施形態では、配線基板50を形成する接合よりも低温での接合が可能な接合部材80(たとえば、はんだ)を用いている。接合部材80は、200~300℃での接合が可能である。したがって、半導体素子40に作用する残留歪、すなわち素子歪を低減することができる。また、金属体52と絶縁基材51との接合には、厚銅基板を形成する接合法(たとえば、直接接合法)を用いるため、上記したように熱抵抗を小さくすることができる。また、絶縁基材51(セラミック)と金属体52(53)との接合部において、接続信頼性を確保することができる。
In contrast, in this embodiment, a bonding member 80 (for example, solder) that can be bonded at a lower temperature than the bonding that forms the
さらに本実施形態では、第2金属部522が、第3金属部523とは電気的に分離された、配線機能を提供しないダミー配線部である。第1導電部材61は、金属部522、523に接合されている。配線基板50において回路が形成される表面51a側に、配線機能を提供しない第2金属部522を敢えて設けることで、絶縁基材51との接合界面の熱抵抗を小さくし、これにより放熱性を高めることができる。
Furthermore, in this embodiment, the
さらに本実施形態では、第1導電部材61が、平面視において第1金属部521と半導体素子40Hとの積層体を跨ぐように配置されている。第1導電部材61において、2つの第2金属部522との接合部の間に、半導体素子40H(エミッタ電極41E)との接合部が位置している。これにより、半導体素子40Hの熱が、第1導電部材61においてZ方向と直交する方向(X方向)に拡散する。したがって、放熱性を高めることができる。本実施形態では、中心線CLに対して線対称配置である。対称性がよいため、反りを抑制することができる。
Furthermore, in this embodiment, the first
同様に、第2導電部材62が、平面視において第3金属部523と半導体素子40Lとの積層体を跨ぐように配置されている。第2導電部材62において、2つの第4金属部524との接合部の間に、半導体素子40L(エミッタ電極41E)との接合部が位置している。これにより、半導体素子40Lの熱が、第2導電部材62においてZ方向と直交する方向(X方向)に拡散する。したがって、放熱性を高めることができる。本実施形態では、中心線CLに対して線対称配置である。対称性がよいため、反りを抑制することができる。
Similarly, the second
導電部材60の厚みは、上記した例に限定されない。導電部材60の厚みを、金属体52の厚み以下にしてもよい。本実施形態では、導電部材60が金属体52よりも厚いため、導電部材60においてZ方向と直交する方向に熱が拡散しやすい。これによっても、放熱性を高めることができる。なお、第2導電部材62の厚みとは、本体部620の厚みである。また、導電部材60の線膨張係数を、金属体52と異ならせてもよい。たとえば、導電部材60の線膨張係数を、少なくともZ方向において金属体52よりも小さくすることで、素子歪を低減することができる。
The thickness of the
導電部材60の形状は、平板状に限定されない。たとえば、図8に示す変形例のように、第2導電部材62が、基部63と、基部63に連なる凸部64a、64bを有してもよい。図8は、図6に対応している。第2導電部材62は、異形条である。凸部64a、64bは、基部63における半導体素子40L側の面から突出している。凸部64aは、平面視においてエミッタ電極41Eと重なる位置に設けられており、凸部64aの先端がエミッタ電極41Eに接合されている。凸部64bは、平面視において第4金属部524と重なる位置に設けられており、凸部64bの先端が第4金属部524に接合されている。凸部64aを設けることで、信号端子70Sを半導体素子40Lのパッド41Pに接続しやすくなる。凸部64bを設けることで、第2導電部材62と第4金属部524との間に介在する接合部材80を薄くし、放熱性を高めることができる。凸部64a、64bの一方のみを有する構成としてもよい。
The shape of the
図9に示す変形例のように、凸部64aを基部63から分離してもよい。このような凸部64aは、ターミナルと称されることがある。図9は、図6に対応している。凸部64aは、接合部材64cを介して基部63に連なっている。接合部材64cとしては、接合部材80と同じ材料を用いることができる。これによれば、図8と同等の効果を奏することができる。接合部材64cが介在する分、図8の構成に較べて、エミッタ側の伝熱経路において熱抵抗が大きくなる。凸部64bを、基部63から分離してもよい。なお、図8および図9では、一例として第2導電部材62について示したが、第1導電部材61にも同様の構成を用いることができる。
The
(第2実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、第2金属部522をダミー配線部とした。これに代えて、第2金属部522に配線機能をもたせてもよい。先行実施形態では、第1導電部材61を金属部522、523に接合していた。これに代えて、第2金属部522のみに接合するようにしてもよい。
(Second embodiment)
This embodiment is a modification based on the previous embodiment, and the description of the previous embodiment can be used. In the preceding embodiment, the
図10は、本実施形態の半導体装置20において、配線基板50を示す平面図であり、図3に対応している。図10では、図3同様、半導体素子40および接合部材80を合わせて図示している。ただし、半導体素子40のエミッタ電極41E上の接合部材80については、便宜上、記載を省略している。図11は、封止樹脂体30および延設部621を省略した半導体装置20の平面図であり、図4に対応している。図12は、図11のXII-XII線に沿う半導体装置20の断面図であり、図5に対応している。
FIG. 10 is a plan view showing the
2つの第2金属部522は、第3金属部523に連なっている。一体的に構成された金属部522、523は、略Y字状をなしている。第1導電部材61は、Y方向に延設されており、両端付近において第2金属部522のそれぞれに接合されている。そして、第2金属部522との接合部の間で、半導体素子40Lのエミッタ電極41Eに接合されている。第1導電部材61は、平面視において金属部523、524とは重なっておらず、第3金属部523との間に接合部を形成していない。第1導電部材61は、第2金属部522を介して、第3金属部523に電気的に接続されている。それ以外の構成は、先行実施形態に記載の構成(たとえば図4参照)と同じである。よって、先行実施形態に記載の効果を奏することができる。
The two
<第2実施形態のまとめ>
上記したように、第2金属部522が第3金属部523に連なっている。そして、第1導電部材61が、第2金属部522のみに接合されている。これにより、第1導電部材61(導電部材60)と配線基板50の金属体52との接合数を低減することができる。具体的には、先行実施形態の5つに対して、本実施形態では4つになる。したがって、製造工程の簡素化、コストの低減を図ることができる。
<Summary of the second embodiment>
As described above, the
先行実施形態では、半導体素子40Hのエミッタ電極41Eから、第1導電部材61を介して第3金属部523に電流が流れる。これに対し、本実施形態では、半導体素子40Hのエミッタ電極41Eから、第1導電部材61を介して2つの第2金属部522のそれぞれに電流が流れる。このように、2つの電流経路が形成される。よって、配線インダクタンスを低減することができる。
In the preceding embodiment, a current flows from the
(第3実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、Y方向において、2つの第2金属部522の間に第1金属部521を設け、2つの第4金属部524の間に第3金属部523を設けた。これに対し、金属体52を、上記した例とは異なる配置にしてもよい。先行実施形態では、出力端子70Aを、半導体素子40の並び方向であるX方向であって、正極端子70Pおよび負極端子70Nとは反対向きに延設した。これに対し、外部接続端子70を、上記した例とは異なる配置にしてもよい。先行実施形態では、第2導電部材62が延設部621を有していた。これに代えて、延設部621を排除した構成としてもよい。
(Third embodiment)
This embodiment is a modification based on the previous embodiment, and the description of the previous embodiment can be used. In the preceding embodiment, the
図13は、本実施形態の半導体装置20において、封止樹脂体30を省略した平面図である。配線基板50は、金属体52として、金属部521、522、523、524をそれぞれひとつ有している。こいの配線基板50は、先行実施形態(図4参照)に対して、金属部522、524をひとつずつ排除した構成となっている。第1導電部材61は、金属部522、523に接合されている。第2導電部材62は、第4金属部524に接合されている。第2導電部材62は、延設部621を有しておらず、先行実施形態に記載の本体部620に相当する部分のみを有している。
FIG. 13 is a plan view of the
正極端子70Pは、一端が第1金属部521に接合され、Y方向に延設されている。負極端子70Nは、第2導電部材62に連なっており、Y方向であって正極端子70Pと同じ側に延設されている。正極端子70Pおよび負極端子70Nは、X方向において並んで配置されている。出力端子70Aは、先行実施形態同様、第3金属部523に接合されて、X方向に延設されている。
The
<第3実施形態のまとめ>
上記した構成によっても、先行実施形態に記載の構成同様、高い放熱性を有しつつ、パッド41Pへの接続が容易な半導体装置20を提供することができる。正極端子70Pと負極端子70NがX方向に並んで配置されているため、配線インダクタンスを低減することができる。また、第2導電部材62の延設部621を排除できるため、導電部材60の構成を簡素化することができる。なお、第2実施形態(図11参照)に対して、金属部522、524をひとつずつ排除した構成とし、正極端子70Pおよび負極端子70Nを図13同様の配置としてもよい。
<Summary of the third embodiment>
With the above-described configuration, as in the configuration described in the preceding embodiment, it is possible to provide the
図14に示す変形例では、金属体52が、2つの第2金属部522と、2つの第4金属部524を有している。第2金属部522のひとつは第1金属部521に対してY方向に並設されており、他のひとつは第1金属部521に対してX方向に並設されている。同様に、第4金属部524のひとつは第3金属部523に対してY方向に並設されており、他のひとつは第3金属部523に対してX方向に並設されている。X方向において、第2金属部522、第1金属部521、第3金属部523、第4金属部524の順に並んでいる。Y方向に並設された金属部522、524は、X方向に並んでいる。第1導電部材61は、平面略L字状をなしており、第1金属部521と半導体素子40Hとの積層体を跨ぐように配置され、その両端付近で第2金属部522に接合されている。
In the modification shown in FIG. 14, the
第2導電部材62は、図13同様、延設部621を有していない。負極端子70Nは、第2導電部材62に連なっている。正極端子70P、負極端子70N、および出力端子70Aは、Y方向であって互いに同じ側に延設されている。X方向において、正極端子70P、負極端子70N、および出力端子70Aの順に並んでいる。図14の構成も、図13同様の効果を奏することできる。また、金属部522、524をそれぞれ2つ有するため、図13に示す構成よりも、放熱性を高めることができる。なお、図14からY方向に並設された金属部522、524を排除した構成としてもよい。
The second
(第4実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、導電部材60として、金属部材の例を示した。すなわち、導電部材60が熱伝導等方性を有していた。これに代えて、熱伝導異方性を有する導電部材を用いてもよい。
(Fourth embodiment)
This embodiment is a modification based on the previous embodiment, and the description of the previous embodiment can be used. In the preceding embodiment, a metal member was used as the
図15は、本実施形態の半導体装置20を示す断面図であり、図6に対応している。半導体装置20は、熱伝導異方性を有する第2導電部材62(導電部材60)を備えている。第2導電部材62の本体部620は、グラファイトを材料とする板材65をその板厚方向に複数枚積層し、一体化して構成されている。第2導電部材62は、たとえば、複数の板材65を積層した後に焼付けすることによって、或いは、ガス状とした材料(グラファイト材料)を平面の上に順次吹き付けていくことで、形成される。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing the
グラファイトは、炭素原子が隣接の炭素原子と平面内で3方向に共有結合を形成し、縮合六員環を形成した構造(層状構造)を有しており、各層間をファンデルワールス力で結び付けた異方性を有している。この層状構造のため、層に対して平行方向と垂直方向で性質が異なっている。具体的には、互いに直交する関係にある3軸方向のうち、2軸方向、すなわち上記平行方向に高熱伝導性(1000W/mK程度)を有し、残りの1軸方向、すなわち上記垂直方向に平行方向よりも低い熱伝導性(5~200W/mK程度)を有する。すなわち、熱伝導の異方性を有している。 Graphite has a structure (layered structure) in which carbon atoms form covalent bonds with adjacent carbon atoms in three directions within a plane to form a condensed six-membered ring, and each layer is connected by van der Waals forces. It has anisotropy. Because of this layered structure, the properties are different in the parallel and perpendicular directions to the layers. Specifically, it has high thermal conductivity (approximately 1000 W/mK) in two of the three axes that are orthogonal to each other, that is, the above-mentioned parallel direction, and has high thermal conductivity (about 1000 W/mK) in the remaining one axis direction, that is, the above-mentioned perpendicular direction. It has lower thermal conductivity (approximately 5 to 200 W/mK) than in the parallel direction. That is, it has anisotropy of heat conduction.
板材65は平面長方形をなしており、その板厚方向が、グラファイトの上記垂直方向と一致し、平面長方向の長手方向および短手方向がグラファイトの上記平行方向と一致している。よって、第2導電部材62は、X方向およびY方向に高熱伝導性を有している。
The
第2導電部材62の本体部620は、板材65による積層体の表面に、接合部材80との接合性を向上させるための金属層66を有している。金属層66は、スパッタや蒸着などの物理的堆積法やめっき法により形成されるものであり、積層体において少なくとも半導体素子40L側の面に形成されている。本実施形態では、延設部621との接合性を向上させるために、半導体素子40L側の面と反対の面にも、金属層66が形成されている。金属層66は、単層構造でもよいし、多層構造でもよい。それ以外の構成は、先行実施形態に記載の構成(図6参照)と同じである。
The
図示を省略するが、第1導電部材61も、本体部620と同様の構成である。第1導電部材61は、グラファイトの板材65による積層体の表面であって、少なくとも半導体素子40H側の面に金属層66を有している。
Although not shown, the first
<第4実施形態のまとめ>
本実施形態の導電部材60は、Z方向に直交する方向の熱伝導率が、Z方向の熱伝導率よりも高くなるように、配置されている。これにより、半導体素子40のエミッタ電極41E側から伝達された熱を、Z方向に直交する方向、すなわちXY平面内に効果的に拡散することができる。半導体素子40の熱が、半導体素子40の直上から、半導体素子40と重ならない位置に拡がる。よって、放熱性を向上することができる。
<Summary of the fourth embodiment>
The
導電部材60の構成材料は、グラファイトに限定されない。熱伝導異方性を有するものであれば採用することができる。熱伝導異方性を有する導電部材60は、先行実施形態に示した種々の構成との組み合わせが可能である。熱伝導異方性を有する導電部材60を、第1導電部材61および第2導電部材62のいずれかに適用してもよいし、両方に適用してもよい。延設部621を有する第2導電部材62の本体部620に適用してもよいし、延設部621を有さない第2導電部材62に適用してもよい。
The constituent material of the
グラファイトの板材65を積層した導電部材60の場合、上記したように、Z方向の熱伝導率が、Z方向に直交する方向の熱伝導率よりも低い。そこで、図16に示す変形例のように、導電部材60に金属柱67を設けてもよい。図16は、図15に対応している。金属柱67は、板材65に形成された貫通孔内に、金属が配置されて形成されている。貫通孔は、板材65による積層体を、Z方向に貫通している。貫通孔は、金属層66を底としてもよいし、積層体を金属層66ごと貫通してもよい。
In the case of the
金属は、積層体の貫通孔を少なからず埋めている。貫通孔を完全に埋めていてもよいし、孔中心付近に空洞部を有してもよい。金属柱67は、導電部材60を実装する前に、予め形成されてもよいし、実装時に形成されてもよい。本実施形態では、貫通孔の壁面に、接合部材80に対する濡れ性が良好な金属薄膜が設けられ、貫通孔内に接合部材80(たとえば、はんだ)が濡れ拡がって、金属柱67が形成されている。導電部材60は、複数の金属柱67を有している。金属柱67の一部は、平面視において、エミッタ電極41Eと重なる位置に形成されている。別の金属柱67は、平面視において、第2金属部522または第4金属部524と重なる位置に形成されている。
The metal fills a considerable amount of the through holes in the laminate. The through hole may be completely filled, or a hollow portion may be provided near the center of the hole. The
このように、導電部材60に金属柱67を設けることで、Z方向に直交する方向へ拡散した熱を、金属柱67によりZ方向に伝達することができる。よって、エミッタ電極41E側の伝熱経路による放熱性を高めることができる。
By providing the
グラファイトの板材65を有する導電部材60の配置は、上記した例に限定されない。たとえば、図17に示す変形例のように、複数の板材65をX方向に積層した構成としてもよい。図17は、図4のうち半導体素子40L側の部分に対応しており、便宜上、外部接続端子70を省略している。この場合、板厚方向であるX方向において熱伝導性が低く、Y方向およびZ方向において熱伝導性が高い。よって、半導体素子40Lの熱を、第2導電部材62においてZ方向およびY方向に伝達し、第4金属部524に伝えることができる。第1導電部材61に適用した場合も、同等の効果を奏する。
The arrangement of the
(第5実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、熱伝導異方性の導電部材60を用いた。これに代えて、ヒートパイプを用いてもよい。
(Fifth embodiment)
This embodiment is a modification based on the previous embodiment, and the description of the previous embodiment can be used. In the preceding embodiment, a
図18は、本実施形態の半導体装置20を示す断面図であり、図6に対応している。半導体装置20は、第2導電部材62(導電部材60)を備えている。第2導電部材62の本体部620は、密閉パイプ68と、密閉パイプ68内に配置された液体69を有している。このような第2導電部材62(本体部620)は、ヒートパイプと称されることがある。密閉パイプ68は密閉容器である。密閉パイプ68は、たとえば溶接により、端部が閉じられてなる。液体69は、水などの、動作環境において蒸発(気化)と凝縮(液化)可能な液体である。それ以外の構成は、先行実施形態に記載の構成(図6参照)と同じである。図示を省略するが、第1導電部材61も、本体部620と同様の構成である。
FIG. 18 is a cross-sectional view showing the
<第5実施形態のまとめ>
図18中の一点鎖線の矢印は、液体69およびその蒸気の移動を示している。導電部材60(ヒートパイプ)によれば、半導体素子40の熱により、半導体素子40の直上部分の温度が上昇し、液体69が蒸発する。このとき、蒸発潜熱を吸収する。蒸気は、導電部材60において温度が低い部分に高速で移動する。導電部材60は、接合部材80を介して配線基板50の金属体52に接続されている。よって、導電部材60において、金属体52との接合部の温度が低い。
<Summary of the fifth embodiment>
The dashed-dotted arrows in FIG. 18 indicate the movement of the liquid 69 and its vapor. According to the conductive member 60 (heat pipe), the temperature of the portion directly above the
蒸気は低温部、すなわち金属体52との接合部で凝縮する。このとき、蒸発潜熱を放出する。熱は、接合部材80および金属体52を経由して、絶縁基材51、ひいては金属体53に伝達される。凝縮した液体69は、半導体素子40の直上に還流される。よって、熱輸送量を増やすことができる。これにより、放熱性を向上することができる。
The vapor condenses at the low temperature section, ie at the junction with the
上記した導電部材60は、先行実施形態に示した種々の構成との組み合わせが可能である。ヒートパイプを、第1導電部材61および第2導電部材62のいずれかに適用してもよいし、両方に適用してもよい。延設部621を有する第2導電部材62の本体部620に適用してもよいし、延設部621を排除した第2導電部材62に適用してもよい。
The above-described
(他の実施形態)
この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば、開示は、実施形態において示された部品および/または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および/または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および/または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。
(Other embodiments)
The disclosure in this specification, drawings, etc. is not limited to the illustrated embodiments. The disclosure includes the illustrated embodiments and variations thereon by those skilled in the art. For example, the disclosure is not limited to the combinations of parts and/or elements illustrated in the embodiments. The disclosure can be implemented in various combinations. The disclosure may have additional parts that can be added to the embodiments. The disclosure includes those in which parts and/or elements of the embodiments are omitted. The disclosure encompasses any substitutions or combinations of parts and/or elements between one embodiment and other embodiments. The disclosed technical scope is not limited to the description of the embodiments. The technical scope of some of the disclosed technical scopes is indicated by the description of the claims, and should be understood to include equivalent meanings and all changes within the scope of the claims.
明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。 The disclosure in the specification, drawings, etc. is not limited by the scope of the claims. The disclosure in the specification, drawings, etc. includes the technical ideas described in the claims, and further extends to a more diverse and broader range of technical ideas than the technical ideas described in the claims. Therefore, various technical ideas can be extracted from the disclosure of the specification, drawings, etc. without being restricted by the claims.
電力変換回路(インバータ6)を構成するスイッチング素子は、IGBT11に限定されない。たとえば、MOSFETを用いてもよい。
The switching elements that constitute the power conversion circuit (inverter 6) are not limited to the
半導体素子40H、40Lの数は、上記した例に限定されない。複数の半導体素子40Hを第1金属部521と第1導電部材61との間に配置し、互いに並列接続してもよい。同様に、複数の半導体素子40Lを第3金属部523と第2導電部材62との間に配置し、互いに並列接続してもよい。
The number of
配線基板50として銅貼り基板の例を示したが、これに限定されない。たとえば、めっき、スパッタ、蒸着などにより、金属体52、53が形成されてもよい。金属体52、53を有する両面基板の例を示したが、これに限定されない。配線基板50は、少なくとも金属体52を有せばよい。金属体53を排除した構成の場合、たとえば、絶縁基材51から、外部の熱交換部に放熱してもよい。
Although a copper-clad board is shown as an example of the
半導体装置20が、封止樹脂体30を備える例を示したが、これに限定されない。封止樹脂体30を排除した構成としてもよい。
Although an example has been shown in which the
配線基板50は、金属体52として、半導体素子40Hが接合される第1金属部521と、少なくともひとつの第2金属部522と、半導体素子40Lが接合される第3金属部523と、少なくともひとつの第4金属部524を有せばよい。第1導電部材61は、半導体素子40Hのエミッタ電極41Eおよび第2金属部522に接合され、第3金属部523に電気的に接続されればよい。第2導電部材62は、半導体素子40Lのエミッタ電極41Eおよび第4金属部524に接合されればよい。
The
コレクタ電極41Cを第1主電極、エミッタ電極41Eを第2主電極にする例を示したが、これに限定されない。たとえば、エミッタ電極41Eを第1主電極、コレクタ電極41Cを第2主電極にしてもよい。この場合、エミッタ電極41Eが対応する金属部521、523に接合され、コレクタ電極41Cが対応する導電部材60に接合される。
Although an example has been shown in which the
1…駆動システム、2…直流電源、3…モータジェネレータ、4…電力変換装置、5…平滑コンデンサ、6…インバータ、7…Pライン、8…Nライン、9…上下アーム回路、9H…上アーム、9L…下アーム、10…出力ライン、11…IGBT、12…ダイオード、20…半導体装置、30…封止樹脂体、30a…一面、30b…裏面、30c、30d…側面、40、40H、40L…半導体素子、41C…コレクタ電極、41E…エミッタ電極、41P…パッド、50…配線基板、51…絶縁基材、51a…表面、51b…裏面、52、53…金属体、521…第1金属部、522、522A、522B…第2金属部、523…第3金属部、524…第4金属部、53a…露出面、54…ろう材、60…導電部材、61…第1導電部材、62…第2導電部材、620…本体部、621…延設部、63…基部、64a、64b…凸部、64c…接合部材、65…板材、66…金属層、67…金属柱、68…密閉パイプ、69…液体、70…外部接続端子、70A…出力端子、70N…負極端子、70P…正極端子、70S…信号端子、80…接合部材 1... Drive system, 2... DC power supply, 3... Motor generator, 4... Power converter, 5... Smoothing capacitor, 6... Inverter, 7... P line, 8... N line, 9... Upper and lower arm circuit, 9H... Upper arm , 9L...lower arm, 10...output line, 11...IGBT, 12...diode, 20...semiconductor device, 30...sealing resin body, 30a...one side, 30b...back side, 30c, 30d...side surface, 40, 40H, 40L ... Semiconductor element, 41C... Collector electrode, 41E... Emitter electrode, 41P... Pad, 50... Wiring board, 51... Insulating base material, 51a... Front surface, 51b... Back surface, 52, 53... Metal body, 521... First metal part , 522, 522A, 522B...second metal part, 523...third metal part, 524...fourth metal part, 53a...exposed surface, 54...brazing material, 60...conductive member, 61...first conductive member, 62... 2nd conductive member, 620... Main body part, 621... Extension part, 63... Base, 64a, 64b... Convex part, 64c... Joining member, 65... Plate material, 66... Metal layer, 67... Metal column, 68... Sealed pipe , 69...Liquid, 70...External connection terminal, 70A...Output terminal, 70N...Negative terminal, 70P...Positive terminal, 70S...Signal terminal, 80...Joining member
Claims (10)
前記表面との対向面に設けられた第1主電極(41C)と、前記対向面とは反対の面に設けられた第2主電極(41E)と、をそれぞれ有し、上下アーム回路を構成する複数の半導体素子(40)と、
前記第2主電極に接合された複数の導電部材(60)と、
を備え、
前記複数の半導体素子は、前記上下アーム回路の上アームを構成する上アーム素子(40H)と、下アームを構成する下アーム素子(40L)と、を含み、
前記表面金属体は、前記上アーム素子の前記第1主電極に接合された第1金属部(521)と、前記第1金属部とは電気的に分離された少なくともひとつの第2金属部(522)と、前記下アーム素子の前記第1主電極に接合された第3金属部(523)と、前記第1金属部、前記第2金属部、および前記第3金属部とは電気的に分離された少なくともひとつの第4金属部(524)と、を有し、
前記導電部材は、前記上アーム素子の前記第2主電極と前記第2金属部とに接合されるとともに、前記第3金属部に電気的に接続された第1導電部材(61)と、前記下アーム素子の前記第2主電極と前記第4金属部とに接合された第2導電部材(62)と、を含み、
前記第2金属部は、前記第3金属部と電気的に分離された、配線機能を提供しないダミー配線部であり、
前記第1導電部材は、前記表面金属体のうち、前記第2金属部および前記第3金属部に接合されている半導体装置。 A wiring board (50) that is made of ceramic and has an insulating base material (51) having a front surface and a back surface opposite to the front surface in the thickness direction, and a surface metal body (52) provided on the front surface. and,
A first main electrode (41C) provided on a surface opposite to the surface, and a second main electrode (41E) provided on a surface opposite to the opposing surface, forming an upper and lower arm circuit. a plurality of semiconductor elements (40),
a plurality of conductive members (60) joined to the second main electrode;
Equipped with
The plurality of semiconductor elements include an upper arm element (40H) forming an upper arm of the upper and lower arm circuit, and a lower arm element (40L) forming a lower arm,
The surface metal body includes a first metal part (521) joined to the first main electrode of the upper arm element, and at least one second metal part (521) electrically separated from the first metal part. 522), a third metal part (523) joined to the first main electrode of the lower arm element, the first metal part, the second metal part, and the third metal part are electrically connected to each other. at least one separated fourth metal part (524),
The conductive member is joined to the second main electrode and the second metal part of the upper arm element, and also includes a first conductive member (61) electrically connected to the third metal part; a second conductive member (62) joined to the second main electrode and the fourth metal part of the lower arm element;
The second metal part is a dummy wiring part that is electrically isolated from the third metal part and does not provide a wiring function,
In the semiconductor device, the first conductive member is joined to the second metal part and the third metal part of the surface metal body.
前記第1導電部材は、2つの前記第2金属部のそれぞれに接合されている請求項1に記載の半導体装置。 a first conductive member is arranged to straddle the stack of the first metal part and the upper arm element,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first conductive member is joined to each of the two second metal parts.
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