JPWO2013121521A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

半導体素子1の下面に冷却フィン9が接合されている。樹脂10が半導体素子1を封止する。樹脂10の下面から冷却フィン9の一部が突出している。冷却器11は、開口12を有する。樹脂10から突出した冷却フィン9が冷却器11の開口12に挿入されている。樹脂10の下面と冷却器11が、接着材などの接合材13により接合されている。これにより、部品点数削減・軽量化を実現しつつ、熱伝導性と接合強度の両立を図ることができる。

Description

本発明は、樹脂モールドされた半導体パッケージを冷却装置に接合した半導体装置に関する。
従来のパッケージ型パワーモジュールでは、半導体素子をゲル封止する必要があり、組み立て工程数が多く、部品コストが高かった。そこで、半導体素子をトランスファモールドしたパワーモジュールが開発されている(例えば、特許文献1参照)。樹脂モールドされた半導体パッケージは冷却のために冷却装置に固定する必要があり、ねじ等を用いて固定する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2001−250890号公報 特許第4583122号公報
ねじ等を用いた固定方法では、部品点数が増加し、重量が増えるという問題があった。一方、ねじ等を用いずに半導体パッケージを冷却装置に接合する方法も検討されているが、冷却部分と接合部分が同じであるため、熱伝導性と接合強度の両立を図ることができなかった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は部品点数削減・軽量化を実現しつつ、熱伝導性と接合強度の両立を図ることができる半導体装置を得るものである。
本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子に接合された冷却体と、前記半導体素子を封止する樹脂と、開口を有する冷却器とを備え、前記樹脂の主面から前記冷却体の一部が突出し、前記樹脂から突出した前記冷却体が前記冷却器の前記開口に挿入され、前記樹脂の前記主面と前記冷却器が接合材により接合されていることを特徴とする。
本発明により、部品点数削減・軽量化を実現しつつ、熱伝導性と接合強度の両立を図ることができる。
本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態2に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態3に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態4に係る半導体装置を示す断面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す断面図である。半導体素子1はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのパワー半導体素子である。半導体素子1の制御端子(ゲート)がワイヤ2を介して信号電極3に接続されている。半導体素子1の下面(コレクタ)が、絶縁板4上に設けられた回路パターン5を介して高圧電極6に接続されている。半導体素子1の上面(エミッタ)がはんだ7を介して高圧電極8に接続されている。
冷却フィン9が、回路パターン5及び絶縁板4を介して半導体素子1の下面に接合されている。樹脂10が半導体素子1などを封止している(トランスファモールド)。樹脂10の下面から冷却フィン9の一部が突出している。信号電極3及び高圧電極6,8も樹脂10から導出されている。
この樹脂モールドされた半導体パッケージが冷却器11に接合されている。冷却器11は、開口12を有する。樹脂10から突出した冷却フィン9が冷却器11の開口12に挿入されている。樹脂10の下面と冷却器11が、接着材などの接合材13により接合されている。冷却器11は、開口12内において冷却フィン9に冷媒を供給する。これにより、冷却フィン9を介して半導体素子1が冷却される。
このように冷却部分と接合部分を明確に分けることで、熱伝導性と接合強度の両立を図ることができる。例えば、半導体素子1が高温動作して冷却部分が高温になった場合でも、接合部分の温度変化を抑制する。このため、高温動作保証品であるSiCの半導体素子1を用いることができる。そして、ねじ等の構造部品を追加する必要が無いため、部品点数削減・軽量化を実現することもできる。
また、従来の装置では冷却体と冷却器の間に熱伝導材を挟むため、熱伝導材の厚みに応じて半導体装置が反る。しかし、本実施の形態では、冷却フィン9を冷却器11の開口12に挿入するため、装置の反りの影響を受けずに冷却性能を確保できる。
また、半導体素子1と冷却フィン9の間に絶縁板4が設けられているため、冷媒として水などの導電性流体を用いることができる。これにより、冷却性能を確保することができる。ただし、冷媒が空気や絶縁流体などの絶縁板である場合には絶縁板4を省略して冷却フィン9上に半導体素子1や回路パターン5を設けてもよい。
また、樹脂10の下面には、接合材13との接合強度を高めるための表面処理が施されていることが好ましい。例えば、接合表面を荒くする親水化処理が施されていることが好ましい。
実施の形態2.
図2は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置を示す断面図である。樹脂10の下面に凹部14が設けられ、接合材13が凹部14に回り込んでアンカーとなる。これにより、接合面積が増加するため、接合強度が向上する。その他の構成は実施の形態1と同様である。
実施の形態3.
図3は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置を示す断面図である。本実施の形態は、冷却能力を向上させた両面冷却構造に本発明を適用したものである。
実施の形態1の構成に以下のような構成が追加されている。即ち、冷却フィン15が半導体素子1の上面に高圧電極8及び絶縁板16を介して接合されている。冷却器17は、開口18を有する。樹脂10の上面から冷却フィン15の一部が突出している。樹脂10から突出した冷却フィン15が冷却器17の開口18に挿入されている。樹脂10の上面と冷却器17が接合材19により接合されている。
半導体素子1の上側の冷却構造についても、実施の形態1のような半導体素子1の下側の冷却構造と同様の効果を得ることができる。なお、樹脂10の上面と下面に実施の形態2のようなアンカー構造を設けてもよい。
実施の形態4.
図3は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置を示す断面図である。冷却フィン9は、セラミックの絶縁材20と高熱伝導性の導電材21のコンポジット構造である。その他の構成は実施の形態1と同様である。
このように絶縁材20の内部に導電材21を内装することで、冷却フィン9の熱伝導率を向上することができる。また、導電材21は絶縁材20により半導体素子1とは電気的に絶縁しているため、絶縁性を確保することもできる。
なお、冷却器11の開口12に挿入される部分において、導電材21が絶縁材20から露出していてもよい。また、本実施の形態のような冷却フィン9のコンポジット構造を実施の形態2,3に適用してもよい。
1 半導体素子
4 絶縁板
9 冷却フィン(第1の冷却体)
10 樹脂
11 冷却器(第1の冷却器)
12 開口(第1の開口)
13 接合材(第1の接合材)
14 凹部
15 冷却フィン(第2の冷却体)
17 冷却器(第2の冷却器)
18 開口(第2の開口)
19 接合材(第2の接合材)
20 絶縁材
21 導電材

Claims (8)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子に接合された冷却体と、
    前記半導体素子を封止する樹脂と、
    開口を有する冷却器とを備え、
    前記樹脂の主面から前記冷却体の一部が突出し、
    前記樹脂から突出した前記冷却体が前記冷却器の前記開口に挿入され、
    前記樹脂の前記主面と前記冷却器が接合材により接合されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記冷却器は、前記開口内において前記冷却体に冷媒を供給することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記半導体素子と前記冷却体の間に設けられた絶縁板を更に備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記樹脂の前記主面には、前記接合材との接合強度を高めるための表面処理が施されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記表面処理は、接合表面を荒くする親水化処理であることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
  6. 前記樹脂の前記主面には凹部が設けられ、
    前記接合材が前記凹部に回り込んでアンカーとなることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の半導体装置。
  7. 前記冷却体は、前記半導体素子の下面に接合された第1の冷却体と、前記半導体素子の上面に接合された第2の冷却体とを有し
    前記冷却器は、第1の開口を有する第1の冷却器と、第2の開口を有する第2の冷却器とを有し、
    前記樹脂の下面から前記第1の冷却体の一部が突出し、
    前記樹脂の上面から前記第2の冷却体の一部が突出し、
    前記樹脂から突出した前記第1の冷却体が前記第1の冷却器の前記第1の開口に挿入され、
    前記樹脂から突出した前記第2の冷却体が前記第2の冷却器の前記第2の開口に挿入され、
    前記樹脂の前記下面と前記第1の冷却器が第1の接合材により接合され、
    前記樹脂の前記上面と前記第2の冷却器が第2の接合材により接合されていることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の半導体装置。
  8. 前記冷却体は、絶縁材と導電材のコンポジット構造であることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の半導体装置。
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