JPH11204693A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH11204693A
JPH11204693A JP530698A JP530698A JPH11204693A JP H11204693 A JPH11204693 A JP H11204693A JP 530698 A JP530698 A JP 530698A JP 530698 A JP530698 A JP 530698A JP H11204693 A JPH11204693 A JP H11204693A
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JP
Japan
Prior art keywords
cooling body
semiconductor device
insulating substrate
plate
sealing member
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Pending
Application number
JP530698A
Other languages
English (en)
Inventor
Kunio Shiokawa
国夫 塩川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
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  • Structures Or Materials For Encapsulating Or Coating Semiconductor Devices Or Solid State Devices (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】高い絶縁性と高い熱伝導性を有し、また製造工
程も簡易な、冷却体と封止部材を有する半導体装置を提
供する。 【解決手段】金属製の板状の冷却体4の板面上に2枚の
金属板2a、2bに挟まれた絶縁板3からなる3層板を
介して半導体チップ1が固着され、少なくとも半導体チ
ップ、3層板および冷却体の板面は絶縁性の封止部材5
により封止されている半導体装置において、前記封止部
材は樹脂であり、前記冷却体の側面は封止部材により被
覆されていることとする。また、前記冷却体の側面には
突起が設けられていると良い。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はIGBT(絶縁ゲー
トバイポーラトランジスタ)やサイリスタなどのパワー
デバイス用の放熱用の冷却体を有する半導体装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】IGBTやサイリスタなどのパワーデバ
イス用の半導体チップが通電動作中に発生する熱を外部
に放熱するため、半導体チップが金属などの熱伝導の良
い冷却体に固着され、また外気に対する絶縁や保護のた
め冷却体の一部と共に樹脂などの封止部材によって封止
されてなる半導体装置は多い。
【0003】図5は従来の1つの構造の半導体装置の断
面図である。半導体チップ1と金属製の冷却体4との間
に、上下金属板2aおよび2b付き絶縁基板3からなる
3層板を介在させ、絶縁基板3によって半導体チップ1
と冷却体との間の絶縁をもたせ、半導体チップ1と絶縁
基板3を低剛性のゲル5により封止し、半導体チップの
信頼性を確保していた。その外側を樹脂製のケース7a
および蓋7bで囲ってゲル5の外形を維持していた。
【0004】図6は従来の他の構造の半導体装置の断面
図である。半導体チップ1は銅板2にはんだ付けされて
おり、外気との絶縁を樹脂封止6により行い、銅板の冷
却体4への固着および絶縁は同じ封止樹脂6の薄層によ
り行われている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前者では、3
層板は絶縁性および熱伝導性は後者の樹脂薄層より優れ
てはいるが、製造ラインにおいて、ゲルは硬化に時間を
要する。さらに低剛性であるため半導体装置の外形を保
持するためにケースや蓋を必要とする。すなわち、部品
点数および工程数は多く、生産性が低いという問題があ
った。
【0006】また、後者では、生産性は高いが、絶縁性
を高めるためには金属板と冷却体の間の樹脂薄層を厚く
する必要があった。そのため樹脂薄層の熱伝導が低下
し、パワー通電時に発熱部であるチップと冷却体との間
の熱抵抗が高くなり、チップ温度は上昇し、信頼性が確
保できないという問題があった。本発明の目的は、上記
の2種の半導体装置の長所を併せた高い絶縁性と高い熱
伝導性を有し、また製造工程も簡易な、冷却体と封止部
材を有する半導体装置を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、金属製の板状の冷却体の板面上に2枚の金属板に
挟まれた絶縁板からなる3層板を介して半導体チップが
固着され、少なくとも半導体チップ、3層板および冷却
体の板面は絶縁性の封止部材により封止されている半導
体装置において、前記封止部材は樹脂であり、前記冷却
体の側面は封止部材により被覆されていることとする。
【0008】前記冷却体の側面には突起が設けられてい
ると良い。前記突起の高さは0.5 mm以上1.5 mm以下であ
ると良い。前記冷却体の端辺と前記絶縁基板の端辺との
距離は3 mm以上であると良い。前記絶縁基板の両面に配
された金属板からの張出長さは0.5 mm以下であると良
い。
【0009】
【発明の実施の形態】図1は本発明に係る半導体装置の
断面図である。半導体チップ1は2枚の金属板(上部金
属板2a、下部金属板2b)付き絶縁基板3からなる3
層板を介して冷却体4に固着され、冷却体4の側面から
絶縁基板3および半導体チップ1は封止樹脂5によって
被覆封止されている。このように、従来の2種の構造を
併用して、上下金属板付き絶縁基板によりチップと冷却
体間の絶縁を行い、外気との絶縁を樹脂封止により行う
ようにしたため、チップと冷却体間の熱抵抗は低く、通
電時のチップ温度も低く抑えられるため、信頼性が確保
できる。また、半導体装置全体を樹脂封止するため、外
気との絶縁性に優れ、さらに製造ラインにおいては樹脂
の硬化時間が短いため、生産性が高いことが期待でき
る。
【0010】しかし、上記の半導体装置においても、半
導体装置が冷却体の板面寸法が数10mmと大型の場合は、
熱衝撃が半導体装置に負荷された時の冷却体と封止樹脂
との熱膨張差が大きいので、冷却体の側面では封止樹脂
は剥離しやすい。側面で発生した剥離(剥離方向応力は
図1の符号F)がさらに進み絶縁基板まで到達すると、
絶縁基板に応力集中が生じ、割れが発生し、割れはさら
に金属板の間の部分にも進展するため、絶縁不良が生じ
る場合があることが判った。
【0011】図2は本発明に係る側面に突起を有する冷
却体を用いた半導体装置の断面図である。図2の大部分
は図1と同じ構成部材なので説明は異なっている部材の
みとする。本発明に係る突起4tは以下の機構により剥
離方向応力Fを抑制している。突起4tは冷却体4と封
止樹脂5との界面の面積を増加させることにより、冷却
体側面での剥離方向の引張応力による剥離を防止してい
る。また突起4tの高さAを次のように定めたので冷却
体の側面で剥離した場合でも、冷却体の半導体側の面に
垂直な剥離方向応力(F)の増加は抑制される。1辺の
長さL の冷却体では、突起の高さAが、実用上の最大の
温度上昇(ΔT )に対する熱膨張差以上であれば、突起
から封止樹脂ははずれないから、熱膨張係数差をΔαと
して、この条件は次式で与えられる。
【0012】
【数1】A≧ L×ΔT ×Δα ここで典型例として、 L=150 mm、Δα≒10-5/℃、Δ
T≒150 ℃とすると、A=0.2mm であるから、A≧0.5
mmとしておけば剥離が生じても、封止樹脂は突起から外
れることはない。
【0013】また、突起の高さには特性上の制限はない
が、突起の作製の容易さや封止樹脂の突起間への回り込
み等からは1.5 mmを限度とした。剥離方向応力の減少は
突起が1段の場合でも現れるが、2段の場合はさらに減
少は大きい。冷却体の製造方法としては、冷却体の側面
に溝または凹みを切削して突起を残す方法が簡便であ
る。
【0014】なお、突起は他の形状でもよい。図3は本
発明に係る突起を有する冷却体の平面図であり、(a)
は一体の突起であり、(b)分割された突起である。突
起は符号4tとしてある。この他にも多数の小円柱、小
角柱なども可能である。また、上記のように、剥離方向
の応力は絶縁基板と封止樹脂および金属板の収縮度合い
の差異により生じるので、絶縁基板端辺と冷却体端辺距
離(図2の符号B)をある程度取っておくことが、剥離
方向の応力を低減させることになる。この距離Cは3 mm
以上であることが、実験結果として得られた(実施例2
参照)。
【0015】さらに、冷却体と封止樹脂間の接着界面に
剥離が発生・進展した場合、絶縁基板に封止樹脂の応力
が懸かるが、絶縁基板の上下の金属板に近い部分の封止
樹脂の応力は小さいので、絶縁基板の安全限界応力以下
であるような部分に、絶縁基板の周縁部を位置させるこ
とにより、絶縁基板の亀裂発生を防止することができ
る。半導体製品の絶縁性要求仕様上、絶縁基板は上下の
金属板より大きくしなければならないが、本発明によれ
ば上下金属板周縁よりの絶縁基板の張出長さ(図2の符
号C)を0.5mm 以下にすれば、この条件が満たされるこ
とが実験的に判った(実施例3参照)。
【0016】以下、実施例において上記の作用と効果を
明らかにすることにする。 実施例1 冷却体は75mm×100mm 、厚さ3 mmの銅板とし、その側面
に厚さ0.5mm 、高さ0.5 mmの側面を一周する板状の突起
を設け(図2)、封止樹脂と冷却体の熱による剥離の絶
縁基板の亀裂発生への影響を調べた。
【0017】絶縁基板は厚さ0.64mmの焼結アルミナ板で
ある。金属板は2枚とも厚さ0.25mmの銅板であり、アル
ミナ板の両面に焼成接合されている。絶縁基板と金属板
の側面は段差はなく同一面であり、寸法は69mm×94mmと
した。35mm×24mmの半導体チップ4個を上部金属板へは
んだ付けした。下部金属板の冷却体への接着もはんだ付
けとした。
【0018】封止樹脂としてエポキシ樹脂で冷却体の側
面および金属板および半導体チップを封止した。封止樹
脂の厚さは、冷却体表面では7 mmとし、冷却体側面では
7 mmとした。表1に冷却体側面の突起の有無と、封止樹
脂の冷却体側面における応力解析結果と絶縁基板の亀裂
発生との関係を示す。
【0019】
【表1】
【0020】突起を設けることにより、剥離方向(冷却
体側面の垂線方向)の発生応力が低下している。この低
下は突起が1つの場合よりも、2つの場合のほうが、よ
り顕著に表れている。そして、突起がない場合は、絶縁
基板に亀裂が発生した。絶縁基板の亀裂は半導体チップ
と冷却体の間の絶縁不良を生じるので半導体装置として
は好ましくない。 実施例2 実施例1における1段の突起がある冷却体の半導体装置
について、冷却体側面と絶縁基板側面の距離(図2の符
号B)と封止樹脂の剥離方向応力および封止樹脂の剥離
の剥離との関係を調べた。その結果を表2に示す。
【0021】
【表2】
【0022】この結果から、距離を3 mm以上とすること
により、剥離方向応力が低減し、封止樹脂は剥離しない
ことが判る。 実施例3 実施例1における1段の突起付きおよび突起なしの冷却
体を用いた半導体装置おいて、絶縁基板上下金属板から
の絶縁基板の張り出し長さ(図2の符号C)を変え、絶
縁基板に懸かる応力の大きさを調べた。
【0023】図4は絶縁基板上下金属板からの絶縁基板
の張り出し長さと絶縁基板の応力の関係を示すグラフで
ある。カーブaは突起が1段付きの冷却体の場合であ
り、カーブbは突起無しの冷却体の場合である。直線c
はアルミナ基板の安全限界応力である。カーブaは突起
の効果により、張り出し長さに関わらず直線c以下であ
るが、カーブbは全体に応力が大きくなっている。しか
し、張り出し長さが0.5mm 以下であれば、突起がなくて
も安全限界応力以下であることが判る。
【0024】
【発明の効果】本発明によれば、金属製の板状の冷却体
の板面上に2枚の金属板に挟まれた絶縁板からなる3層
板を介して半導体チップが固着され、少なくとも半導体
チップ、3層板および冷却体の板面は絶縁性の封止部材
により封止されている半導体装置において、前記封止部
材を封止樹脂とし、冷却体の側面も封止部材により被覆
したので、半導体チップと冷却体との間は3層板による
高い絶縁性と高い熱伝導性を有し、また絶縁性の高い封
止樹脂で被覆したので外形の保持と絶縁性は確保されて
いる。また、ケースは不要であり製造は簡便である。
【0025】さらに、冷却体の側面には突起を設けたの
で、側面からの封止樹脂の剥離は抑制され、強い熱衝撃
に耐えられる。冷却体の端辺と前記絶縁基板の端辺との
距離は3 mm以上としたため、剥離方向の応力は低下し、
絶縁基板の亀裂は生じなくなる。絶縁基板の両面に配さ
れた金属板からの張出長さを0.5 mm以下としたため、絶
縁基板の周縁部に懸かる樹脂の応力は小さく、冷却体に
突部がなくとも絶縁基板の周縁部に亀裂は生じなくな
る。
【0026】従って、上記の効果によって、本発明に係
る半導体装置の熱的信頼性は向上している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体装置の断面図
【図2】本発明に係る側面に突起を有する冷却体を用い
た半導体装置の断面図
【図3】本発明に係る突起を有する冷却体の平面図であ
り、(a)は一体の突起であり、(b)分割された突起
である。
【図4】絶縁基板上下金属板からの絶縁基板の張り出し
長さと絶縁基板の応力応力の関係を示すグラフ
【図5】従来の1つの構造の半導体装置の断面図
【図6】従来の他の構造の半導体装置の断面図
【符号の説明】
1 半導体チップ 2 金属板 2a 上部金属板 2b 下部金属板 3 絶縁板 4 冷却体 4t 突起 5 封止樹脂 6 ゲル 7a ケース 7b 蓋 A 凸部高さ B 絶縁板端辺と冷却体端辺間距離 C 絶縁板張出長さ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属製の板状の冷却体の板面上に2枚の金
    属板に挟まれた絶縁板からなる3層板を介して半導体チ
    ップが固着され、少なくとも半導体チップ、3層板およ
    び冷却体の板面は絶縁性の封止部材により封止されてい
    る半導体装置において、前記封止部材は樹脂であり、前
    記冷却体の側面は封止部材により被覆されていることを
    特徴とする半導体装置
  2. 【請求項2】前記冷却体の側面には突起が設けられてい
    ることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置
  3. 【請求項3】前記突起の高さは0.5 mm以上1.5 mm以下で
    あることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置
  4. 【請求項4】前記冷却体の端辺と前記絶縁基板の端辺と
    の距離は3 mm以上であることを特徴とする請求項1ない
    し3に記載の半導体装置
  5. 【請求項5】絶縁基板の両面に配された金属板からの張
    出長さは0.5 mm以下であることを特徴とする請求項1な
    いし4に記載の半導体装置
JP530698A 1998-01-14 1998-01-14 半導体装置 Pending JPH11204693A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007115983A (ja) * 2005-10-21 2007-05-10 Shin Kobe Electric Mach Co Ltd 配線板
JP2010074961A (ja) * 2008-09-18 2010-04-02 Fuji Electric Systems Co Ltd 高電圧用の半導体電力変換装置
JP2013008748A (ja) * 2011-06-22 2013-01-10 Denso Corp 半導体装置
JP2014007294A (ja) * 2012-06-25 2014-01-16 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置およびその製造方法
US9029994B2 (en) 2011-06-09 2015-05-12 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor device

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