JPWO2015025447A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

半導体装置を構成する基本構造を共通化して生産効率の向上を図るとともに、十分な冷却性能を確保可能な半導体装置を提供する。第１面（３ａ）と、第１面（３ａ）の反対側に位置する第２面（３ｂ）と、第１面（３ａ）から第２面（３ｂ）まで貫通する貫通孔（１６）を有する支持板（３）と、半導体チップ（１５）と、突出した金属ブロック（１４）を有し、支持板（３）の第１面（３ａ）に固定され、金属ブロック（１４）は貫通孔（１６）を通じて第２面（３ｂ）まで貫通している半導体ユニット（２）を備えている。

Description

本発明は、半導体装置に関し、特にパワー半導体チップを搭載したパワー半導体モジュールに関する。
インバータ装置、無停電電源装置、工作機械、産業用ロボット等では、その本体装置とは独立して半導体装置（パワー半導体モジュール）が使用されている。
従来のパワー半導体モジュールとしては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。従来のパワー半導体モジュールの構成を図４に示す。このパワー半導体モジュールは、ヒートシンク１０１と、絶縁基板１０３と、半導体チップ１０２と、樹脂ケース１０４などで構成されている。ヒートシンク１０１は、熱伝導性の高いベース１０１ａおよび冷却フィン１０１ｂで構成される。そして、ベース１０１ａ上に半導体チップ１０２を実装した絶縁基板１０３が固着されている。また、半導体チップ１０２および絶縁基板１０３が樹脂ケース１０４で囲まれている。さらに、半導体チップ１０２のおもて面電極にはボンディングワイヤ１０５が接合され、絶縁基板１０３の回路板１０６と電気的に接続されている。また、樹脂ケース１０４の上端を蓋１０７で覆い、蓋１０７を貫通して上方に突出する外部端子１０８が回路板１０６上に配置されている。
また、特許文献２には、複数の半導体ユニットとボルト締めユニットを弾性接着剤で一体化し、ボルト締めユニットでヒートシンクに固定可能としたパワー半導体モジュールが記載されている。
特開２００７−１９４４４２号公報 特開２０１１−１４２１２４号公報
近年の電力変換装置の需要の高まりと、半導体チップの特性の向上により、需要に応じてさまざまな定格のパワー半導体モジュールを用意する必要がある。
特許文献１に記載のパワー半導体モジュールでは、半導体チップ１０２、絶縁基板１０３、樹脂ケース１０４、蓋体１０７および端子１０８を各定格に応じてそれぞれ用意する必要がある。
さらに、製造に必要な治工具もそれぞれの定格で必要となるため、製造コストの低減が困難という課題がある。
一方、特許文献２に記載のパワー半導体モジュールは、一つの定格の半導体ユニットを複数組み合わせることにより、さまざまな定格のパワー半導体モジュールを用意することができる。しかしながら、大容量の定格で半導体ユニットが多数必要となった場合、中央部の半導体ユニットはボルト締めユニットと離れて配置される。さらに、各半導体ユニットおよびボルト締めユニットは弾性接着剤で固定されていることから、ボルト締めユニットと離れた半導体ユニットには、ヒートシンクへの圧接力が伝わりにくい。そのため、当該半導体ユニットに搭載された半導体チップの冷却効率が減少するという課題がある。
そこで、本発明では、上記従来例の問題点に着目してなされたものであり、半導体装置を構成する基本構造を共通化して、生産効率の向上を図るとともに、十分な冷却効率を確保可能な半導体装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、第１面と、第１面の反対側に位置する第２面と、第１面から第２面まで貫通する貫通孔を有する支持板と、半導体チップと、外部電極と、突出した金属ブロックを有し、第１面に固定され、金属ブロックは貫通孔を通じて第２面まで貫通している半導体ユニットを備えている。
本発明によれば、半導体装置の基本構成を共通化して生産効率の向上を図ることができるとともに、十分な冷却効率を確保可能な半導体装置を提供することができる。
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の一実施形態を示す断面図である。 図１の半導体ユニットを示す拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の一実施形態を示す断面図である。 従来例を示す断面図である。
以下、図１〜図３を参照して本発明の実施の形態について説明する。
なお、本出願の記載に用いられている「電気的かつ機械的に接続されている」という用語は、対象物同士が直接接合により接続されている場合に限られず、ハンダや金属焼結材などの導電性の接合材を介して対象物同士が接続されている場合も含むものとする。
図１は本発明に係る半導体装置の第１の実施形態の全体構成を示す断面図、図２は図１の半導体ユニットを示す拡大断面図である。
本発明に係る半導体装置としてのパワー半導体モジュール１は、半導体ユニット２と、支持板３を備えている。そして、支持板３がヒートシンク４に固定されている。
半導体ユニット２は、図２に示すように、半導体チップ１５と、金属ブロック１４を有する。また、半導体ユニット２は、回路板１３や絶縁板１２、外部電極１９、２０、２１、封止樹脂２２なども有する。
半導体チップ１５は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やパワーＭＯＳＦＥＴ、還流ダイオード（ＦＷＤ）等のパワー半導体素子である。
金属ブロック１４は、円柱状であり、封止樹脂２２から外方に突出している。そして、この突出部分の厚さは、支持板３の厚さより厚く、またその外周面に雄ねじ部１４ａを備えている。雄ねじ部１４ａは、精密機械加工により形成できる。
支持板３は、第１面３ａと、第１面３ａの反対側に位置する第２面３ｂと、第１面３ａから第２面３ｂまで貫通する貫通孔１６を有する。また、貫通孔１６の内周面に、雄ねじ部１４ａに対応した雌ねじ部１６ａを有する。雌ねじ部１６ａは、精密機械加工によって形成できる。またさらに、支持板３は外縁に取付孔１７を有する。支持板３は、例えば熱伝導性が高いＣｕやＡｌ、線膨張係数の低いＷやＭｏなどの単体材料で構成される。あるいは、支持板３は、熱伝導性が高くかつ線膨張係数の低い、Ｃｕ−Ｃ、Ａｌ−Ｃ、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗ、Ｓｉ−ＳｉＣなどの複合材料で構成される。
また、回路板１３と対向して、金属層１８ａを有する配線基板１８が配置されている。そして、配線基板１８の金属層１８ａには、導電ポスト１８ｂの一端が電気的かつ機械的に接続されている。さらに、導電ポスト１８ｂの他端は、半導体チップ１５のおもて面電極、もしくは回路板１３に電気的かつ機械的に接続されている。すなわち、半導体ユニット２の内部配線を、従来のボンディングワイヤではなく、配線基板１８および導電ポスト１８ｂで行っている。また、回路板１３や配線基板１８の金属層１８ｂに、接続端子１９、２０、２１が電気的かつ機械的に接続されている。
絶縁板１２、回路板１３、半導体チップ１５、配線基板１８は、例えばエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂である封止樹脂２２で覆われている。また封止樹脂２２は、その側面に、沿面距離を延長するための凹凸を備えている。さらに封止樹脂２２は、その表面に、図２に示すように、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、ＢＮなどの無機材料で構成される保護膜２３を備えることが好ましい。そして、封止樹脂２２から、金属ブロック１４および接続端子１９〜２１が外方に突出している。
そして、上記構成を有する２つの半導体ユニット２を、金属ブロック１４の雄ねじ部１４ａを用いて、支持板３の雌ねじ部１６ａに第１面３ａ側から螺合させる。そして、封止樹脂２２の底面を支持板３の上面に接触させて、支持板３に固定する。またその際、金属ブロック１４の端面は、支持板３の第２面３ｂより所定の距離突出させる。
また、２つの半導体ユニット２からそれぞれ突出する接続端子１９〜２１の間を電気的に接続して、所望の回路を構成する外部端子２５が備わっている。外部端子２５は、例えば平板形状のバスバー２６、２７および２８と、これらのバスバーに接続された端子部２９、３０および３１とで構成されている。
そして、半導体ユニット２や外部端子２５を、絶縁樹脂などで構成される筐体３２で覆い、端子部２９〜３１を筐体３２から外方に突出させる。これにより、本発明の一態様である２ｉｎ１のパワー半導体モジュールとなる半導体装置１が構成される。
そして、上記構成を有する半導体装置１を用いる場合には、半導体装置１をヒートシンク４の固定面４ａに固定する。支持板３の取付孔１７とヒートシンク４の雌ねじ部４ｂの位置を合わせ、取付孔１７に止めねじ３３を挿通して雌ねじ部４ｂに螺合させる。この際、２つの半導体ユニット２の金属ブロック１４の端面は、支持板３の第２面３ｂから同じ高さで突出していることから、金属ブロック１４と固定面４ａは直接接触する。
このように、上記実施形態によると、半導体チップ１５と、突出した金属ブロック１４を有する半導体ユニット２を支持板３に固定し、この支持板３をヒートシンク４に止めねじ３３によって固定している。これにより、一つの定格の半導体ユニット２を支持板３で複数組み合わせることができ、さまざまな定格のパワー半導体モジュールを用意することができる。また、半導体ユニット２の金属ブロック１４が直接ヒートシンク４に接触している。このため、半導体チップ１５からの発熱を、金属ブロック１４を介して直接ヒートシンク４に放熱することができ、冷却効率を改善することができる。
さらに、複数の半導体ユニット２は、螺合により、支持板３に固定されていることから、第２面３ｂからの突出量を正確に調整することができる。したがって、ヒートシンク４の固定面４ａと、それぞれの半導体ユニット２の金属ブロック１４との接触状態を良好に保持することができる。しかも、特許文献２に記載のように弾性接着剤を介してではなく、支持板３を介して半導体ユニット２をヒートシンク４に圧接させることができるため、中央部の半導体ユニットでも十分な冷却効率を確保することができる。
また、半導体ユニット２の支持板３への固定を螺合させるだけで可能なため、製造コストを低減することができる。
因みに、前述した従来例のように、半導体チップ１０２を搭載した絶縁基板１０３を直接ヒートシンク１０１のベース１０１ａに半田付け等によって接合する場合には、位置決めのための治工具が必要となる。また、放熱板とベース１０１ａとの間に半田を介在させる必要があり、直接放熱板とベース１０１ａとを接触させることができないとともに、複数の絶縁基板１０３をベース１０１ａに接合する場合に、平坦度を確保しながら接合することができない。しかしながら、本実施形態では、上述したように、半導体ユニット２の金属ブロック１４を支持板３に螺合させるので、高精度の機械加工を行うことにより、金属ブロック１４の支持板３からの突出量を正確に調整することができ、複数の半導体ユニット２の金属ブロック１４の端面における平坦度を正確に確保することができる。
図３は本発明に係る半導体装置の第２の実施形態の全体構成を示す断面図である。図３には、図１に示した半導体装置１と同一の部材については同一の符号を付しており、以下では重複する記載を省略する。
本発明に係る半導体装置の一態様であるパワー半導体モジュール５０は、伝熱板４０と、ボルト４１をさらに備えている。
伝熱板４０は、第１面４０ａとその反対側に位置する第２面４０ｂとを有している。伝熱板４０は、第２面４０ｂが筐体３２の端子面３２ａに、接着材などを用いて固定されている。また、筐体３２の端子面３２ａから突出している外部端子２５の端子部２９〜３１を、Ｌ字状に折り曲げた状態で伝熱板４０の第２面４０ｂに設けられた端子孔４１に挿通している。さらに、端子部２９〜３１は第１面４０ａから挿通されたボルト４２および第２主面から挿通されたナット４３を用いて固定している。このとき、筐体３２の端子面３２ａにナット４３を嵌め込んで回り止めを行う凹部５０を形成することが好ましい。
これにより、半導体装置５０において、筐体３２の端子面３２ａ側からの放熱特性を改善することができる。また、伝熱板４０の第１面４０ａに設けられた締結孔４４を用いることにより、さらなる外部装置を半導体装置５０に固定することも可能である。なぜなら、伝熱板４０は、接着剤とボルト４２およびナット４３で固定された端子部２９〜３１という２つの手段を用いて、筐体３２と強固に固定されているからである。
なお、上記実施形態においては、半導体ユニット２の金属ブロック１４を支持板３の第２面３ｂから突出させる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、金属ブロック１４の端面と、支持板３の第２面３ｂとが同一平面となるようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、半導体チップ１５と接続端子１９〜２１との電気的接続を導電ポスト１８ｂおよび配線基板１８で行う場合について説明した。しかしながら、本発明は、上記構成に限定されるものではなく、突出した金属ブロック１４を有しさえすれば、従来例のようにボンディングワイヤを用いて電気的接続を行っても良い。
また、上記実施形態においては、半導体ユニット２が絶縁板１２を備えた絶縁型の半導体ユニットである場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、絶縁板１２を有さない非絶縁型の半導体ユニットであっても、上記と同様に支持板３に固定することができる。
また、上記実施形態では、支持板３に２つの半導体ユニット２を固定する場合について説明したが、これに限定されるものではない。所望の定格に必要な半導体ユニットの数に応じて、支持板３に雌ねじ部１６ａを有する貫通孔１６を形成すればよいものである。
また、上記実施形態では、半導体ユニット２に１つの半導体チップ１５を有する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、回路板１３に２以上の半導体チップを固定するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、支持板３をヒートシンク４に止めねじ３３によって固定する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ヒートシンク４に固定した雄ねじ部を支持板３に挿通して、第１面３ａより突出させ、この雄ねじ部にナットを螺合させるようにしてもよい。要は、支持板３に支持した金属ブロックがヒートシンク４に接触した状態で固定されればよく、任意の固定手段を適用することができる。
以上、本発明の半導体装置を図面及び実施形態を用いて具体的に説明したが、本発明の半導体装置は、実施形態及び図面の記載に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で幾多の変形が可能である。
１、５０ 半導体装置
２ 半導体ユニット
３ 支持板
３ａ 第１面
３ｂ 第２面
４ ヒートシンク
１２ 絶縁板
１３ 回路板
１４ 金属ブロック
１４ａ 雄ねじ部
１５ 半導体チップ
１６ 貫通孔
１６ａ 雌ねじ部
１７ 取付孔
１８ 配線基板
１９〜２１ 接続端子
２２ 封止樹脂
２３ 保護膜
２５ 外部端子
２９〜３１ 端子部
３２ 筐体
４０ 伝熱板
４１ ボルト
４２ ナット
近年の電力変換装置の需要の高まりと、半導体チップの特性の向上により、需要に応じてさまざまな定格のパワー半導体モジュールを用意する必要がある。
特許文献１に記載のパワー半導体モジュールでは、半導体チップ１０２、絶縁基板１０３、樹脂ケース１０４、蓋１０７および端子１０８を各定格に応じてそれぞれ用意する必要がある。
さらに、製造に必要な治工具もそれぞれの定格で必要となるため、製造コストの低減が困難という課題がある。
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、第１面と、第１面の反対側に位置する第２面と、第１面から前記第２面まで貫通する貫通孔を有する支持板と、半導体チップと、突出した金属ブロックを有し、第１面に固定され、金属ブロックは貫通孔を通じて第２面まで貫通している半導体ユニットとを備え、半導体ユニットは、絶縁板、および記絶縁板のおもて面に固定された回路板をさらに有し、半導体チップは回路板に固定され、金属ブロックは絶縁板の裏面に固定されている。
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 図１の半導体ユニットを示す拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 従来例を示す断面図である。
半導体ユニット２は、図２に示すように、半導体チップ１５と、金属ブロック１４を有する。また、半導体ユニット２は、回路板１３や絶縁板１２、接続端子１９、２０、２１、封止樹脂２２なども有する。
半導体チップ１５は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やパワーＭＯＳＦＥＴ、還流ダイオード（ＦＷＤ）等のパワー半導体素子である。
金属ブロック１４は、円柱状であり、封止樹脂２２から外方に突出している。そして、この突出部分の厚さは、支持板３の厚さより厚く、またその外周面に雄ねじ部１４ａを備えている。雄ねじ部１４ａは、精密機械加工により形成できる。
また、回路板１３と対向して、金属層１８ａを有する配線基板１８が配置されている。そして、配線基板１８の金属層１８ａには、導電ポスト１８ｂの一端が電気的かつ機械的に接続されている。さらに、導電ポスト１８ｂの他端は、半導体チップ１５のおもて面電極、もしくは回路板１３に電気的かつ機械的に接続されている。すなわち、半導体ユニット２の内部配線を、従来のボンディングワイヤではなく、配線基板１８および導電ポスト１８ｂで行っている。また、回路板１３や配線基板１８の金属層１８ａに、接続端子１９、２０、２１が電気的かつ機械的に接続されている。
図３は本発明に係る半導体装置の第２の実施形態の全体構成を示す断面図である。図３には、図１に示した半導体装置１と同一の部材については同一の符号を付しており、以下では重複する記載を省略する。
本発明に係る半導体装置の一態様であるパワー半導体モジュール５０は、伝熱板４０と、ボルト４１をさらに備えている。
伝熱板４０は、第１面４０ａとその反対側に位置する第２面４０ｂとを有している。伝熱板４０は、第２面４０ｂが筐体３２の端子面３２ａに、接着材などを用いて固定されている。また、筐体３２の端子面３２ａから突出している外部端子２５の端子部２９〜３１を、Ｌ字状に折り曲げた状態で伝熱板４０の第２面４０ｂに設けられた端子孔４１に挿通している。さらに、端子部２９〜３１は第１面４０ａから挿通されたボルト４２および第２主面から挿通されたナット４３を用いて固定している。このとき、筐体３２の端子面３２ａにナット４３を嵌め込んで回り止めを行う凹部５１を形成することが好ましい。
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、絶縁板、この絶縁板のおもて面に固定された回路板、この回路基板に固定された半導体チップ、及び絶縁板の裏面に固定された放熱用の金属ブロックを備えた半導体ユニットと、第１面と、第１面の反対側に位置する第２面と、第１面から第２面まで貫通する貫通孔を有し、この貫通孔内に第１面から金属ブロックを挿入した状態で支持し、この金属ブロックの前記第２面側をヒートシンクに接触させる支持板とを備えている。

Claims (12)

  1. 第１面と、前記第１面の反対側に位置する第２面と、前記第１面から前記第２面まで貫通する貫通孔を有する支持板と、
    半導体チップと、突出した金属ブロックを有し、前記第１面に固定され、前記金属ブロックは前記貫通孔を通じて前記第２面まで貫通している半導体ユニットと、
    を備えた半導体装置。
  2. 前記半導体ユニットは、絶縁板、および前記絶縁板のおもて面に固定された回路板をさらに有し、
    前記半導体チップは前記回路板に固定され、
    前記金属ブロックは前記絶縁板の裏面に固定された請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記金属ブロックが、前記第２面から突出している請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記金属ブロックは雄ねじ部を備え、
    前記貫通孔は雌ねじ部を備え、
    前記半導体ユニットは、前記雄ねじ部と前記雌ねじ部との螺合により、前記第１面に固定されている請求項１に記載の半導体装置。
  5. 前記支持板は複数の前記貫通孔を有し、
    前記複数の貫通孔に、複数の前記半導体ユニットがそれぞれ固定されている請求項１に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体ユニットは外部電極をさらに有し、
    複数の前記半導体ユニットが有する前記外部電極をそれぞれ接続する外部端子をさらに備えた請求項５に記載の半導体装置。
  7. 複数の前記半導体ユニットおよび前記外部端子を覆う筐体と、
    前記筐体に固定される伝熱板と、
    をさらに備えた請求項６記載の半導体装置。
  8. 前記伝熱板は、前記外部端子を挿入する端子孔を有する請求項７記載の半導体装置。
  9. 前記半導体ユニットは、前記半導体チップを覆う封止樹脂を有する請求項１に記載の半導体装置。
  10. 前記支持板は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ−Ｃ、Ａｌ−Ｃ、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｓｉ−ＳｉＣの何れか１つで構成されている請求項１に記載の半導体装置。
  11. 前記半導体ユニットは、側面に凹凸を有する請求項１に記載の半導体装置。
  12. 前記半導体ユニットは、表面にＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉ０２、ＢＮの何れか１つで構成される保護膜を有する請求項１に記載の半導体装置。
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