JPWO2017179736A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

本開示の半導体装置は、ヒートシンク層と、配線層と、ヒートシンク層および配線層の間に半導体素子を有する回路ユニットと、絶縁材からなる第１流路部材と、絶縁材からなる第２流路部材とを備え、回路ユニットが、第１流路部材および第２流路部材の間に位置し、配線層が、第１流路部材または第２流路部材に面している。

Description

本開示は、半導体装置に関する。
鉄道車両等の電力変換装置として、大電力用の半導体装置が広く用いられている。このような半導体装置としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等の半導体素子を採用したインバータ等がある。そして、大電力用の半導体装置の場合、スイッチングロスまたは導通ロスによる発熱量が膨大となることから、冷却対策を講じる必要があった。
例えば、特許文献１に記載された半導体装置は、２枚のリードフレームの間に半導体素子が挟持され、各リードフレームの外側に冷媒を流すための冷媒流路を有したセラミックチューブが設けられている。そして、半導体素子と信号線とがワイヤボンディングによって接続されている。
特開２００８−１０３６２３号公報
本開示の半導体装置は、ヒートシンク層と、配線層と、前記ヒートシンク層および前記配線層の間に半導体素子とを有する回路ユニットと、絶縁材からなる第１流路部材と、絶縁材からなる第２流路部材とを備える。そして、前記回路ユニットが、前記第１流路部材および前記第２流路部材の間に位置する。また、前記配線層が、前記第１流路部材または前記第２流路部材に面している。
本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
本開示の半導体装置の第１実施例を模式的に示す断面図である。 本開示の半導体装置の第１実施例の回路ユニットの概略正面図である。 本開示の半導体装置の第１実施例の回路ユニットの概略背面図である。 本開示の半導体装置の第１実施例の回路ユニットの変形例を横から見た概略図である。 本開示の半導体装置の第２実施例を模式的に示す断面図である。 本開示の半導体装置の第３実施例を模式的に示す断面図である。 本開示の半導体装置の第４実施例を模式的に示す断面図である。 本開示の半導体装置の第５実施例を模式的に示す断面図である。
半導体装置において、リードフレームを介して、セラミックチューブを流れる冷媒と半導体素子とで熱交換を行う場合は、半導体素子を冷却することができるものの、信号のやり取りを行う配線であるワイヤボンディングがセラミックチューブと接していないために、ワイヤボンディングの冷却が不十分となり、ワイヤボンディングが熱を帯びることで、半導体素子が正常に機能しないという問題が発生するおそれがある。
本開示の半導体装置は、半導体素子を効率的に冷却することができるとともに、信号のやり取りを行う配線層の熱も効率的に除去することができる。
以下に、本開示の半導体装置について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下で参照する各図には、本開示の半導体装置の特徴を説明するために必要な構成部材のみを示している。従って、本開示の半導体装置は、各図に示されていない周知の構成部材をさらに備えていても構わない。
図１は、本開示の半導体装置の第１実施例を模式的に示す断面図である。
図１に示す半導体装置１００は、第１流路部材１１および第２流路部材２１の間に、ヒートシンク層１３と、配線層１６ａ〜１６ｄと、ヒートシンク層１３および配線層１６ａ〜１６ｄの間に半導体素子１４とを有する回路ユニット１０を挟持している。
そして、第１流路部材１１および第２流路部材２１は、その内部に冷却媒体（以下「冷媒」とも称する。）を流すための冷媒流路１２，２２を有する。ここで、冷媒としては、冷却可能な液体や気体であれば構わない。例えば、液体の冷媒としては、純水やガルデン等を用いてもよく、防錆剤が添加されていてもよい。このように、冷媒流路１２，２２に冷媒を流すことで、回路ユニット１０を両側から冷却することができる。そして、回路ユニット１０において、配線層１６ａ〜１６ｄが第２流路部材２１に面していることで、信号のやり取りの際に配線層１６ａ〜１６ｄに生じた熱を効率的に除くことができる。そのため、本開示の半導体装置１００においては、半導体素子１４が保有する機能の低下が少ない。さらに、ヒートシンク層１３が第１流路部材１１に面していることで、配線層１６ａ〜１６ｄおよびヒートシンク層１３を介して、半導体素子１４を効率よく冷却することができる。
また、第１流路部材１１および第２流路部材２１は、絶縁材で構成されていることから、配線層１６ａ〜１６ｄおよびヒートシンク層１３を直接形成することが可能となり、配線層１６ａ〜１６ｄやヒートシンク層１３の熱をすぐに第１流路部材１１や第２流路部材２１に受け渡すことができる。
ここで、絶縁材としては、アルミナ質セラミックス、アルミナ−ジルコニア複合セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックス、窒化珪素質セラミックス等のセラミックスであってもよい。特に、窒化珪素質セラミックスは、優れた熱伝導率および機械的強度を兼ね備えることから、窒化珪素質セラミックスで第１流路部材１１および第２流路部材２１を構成することで、本開示の半導体装置１００は、優れた冷却効率および機械的強度を兼ね備えたものとなる。
ここで、例えば、窒化珪素質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、窒化珪素を７０質量％以上含有するものである。そして、第１流路部材１１や第２流路部材２１の材質は、以下の方法により確認することができる。まず、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて測定し、得られた２θ（２θは、回折角度である。）の値をＪＣＰＤＳカードで同定する。次に、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置（ＩＣＰ）または蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）を用いて、各成分の定量分析を行う。ここで、ＸＲＤにおいて、窒化珪素の存在が確認され、ＩＣＰまたはＸＲＦで測定した珪素（Ｓｉ）の含有量から窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）に換算した含有量が７０質量％以上であれば、窒化珪素質セラミックスである。なお、他のセラミックスについても同様である。
また、第１流路部材１１および第２流路部材２１をセラミックスで構成する方法としては、金型を用意し坏土を押し出す押出法、グリーンシートを積層して作成する積層法等があるが、積層法であれば、冷媒流路１２，２２の構造を自由に設計することができる。
図２Ａは、本開示の半導体装置の第１実施例の回路ユニットの概略正面図である。図２Ａにおいては、第１流路部材１１を取り外した状態で配線層１６ａ〜１６ｄに向かって見た図を示している。さらに、図２Ａでは、同様に構成されている４本の配線層１６ａ〜１６ｄにおいて、配線層１６ａ〜１６ｄが、ろう材または半田１５ａ〜１５ｄを介して半導体素子（例えばＩＧＢＴ）１４に接続されている様子が示されている。なお、図２Ａにおいて、隠れている構成である、ろう材または半田１５ａ〜１５ｄを破線で示している。
そして、図２Ｂは、本開示の半導体装置の第１実施例の回路ユニットの概略背面図であり、上記図２Ａに対応する図である。図２Ｂにおいても、隠れている構成および一部隠れている部分の、半導体素子１４および配線層１６ａ〜１６ｄを破線で示している。
さらに、図２Ｃは、本開示の半導体装置の第１実施例の回路ユニットの変形例を横から見た概略図である。図２Ｃの変形例１０ａでは、半導体素子１４のコレクタがヒートシンク層１３側に、半導体素子１４のゲートが配線層１６ａ側に、半導体素子１４のエミットが配線層１６ｅ側にあり、半導体素子１４のコレクタがヒートシンク層１３と接続し、半導体素子１４のゲートがろう材または半田１５ａを介して配線層１６ａと接続し、半導体素子１４のエミッタが配線層１６ｅと接続した場合を示している。なお、半導体素子１４がＩＧＢＴである場合、第２流路部材２１に他の配線層を設け、半導体素子１４のコレクタおよびエミッタに接続することによって、ＩＧＢＴパワーモジュールとして機能させることができる。
そして、回路ユニット１０を構成する配線層１６ａ〜１６ｄは、外部の装置や信号端子等に接続するための配線または端子である。また、回路ユニット１０を構成するヒートシンク層１３は、半導体素子１４の熱を第１流路部材１１に受け渡すための部材である。なお、ヒートシンク層１３は、電極として機能してもよい。また、半導体素子１４は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等であり、他の回路素子であるコンデンサや抵抗等を有していてもよい。
回路ユニット１０を構成する配線層１６ａ〜１６ｄおよびヒートシンク層１３は、金属で構成されていればよいが、金属の中でも、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等で構成されていれば、優れた熱伝導率を有するものとなる。なお、配線層１６ａ〜１６ｄは、図１に示すように、ろう材または半田１５ａ〜１５ｄを介して半導体素子１４に接続されていてもよい。同様に、ヒートシンク層１３は、図示されていないが、ろう材、半田、または金、銀、銅を主成分としたナノ金属ペーストを介して半導体素子１４に接続されていてもよい。なお、ろう材または半田１５ａ〜１５ｄは、公知のものを用いればよく、例えば、銀系ろう材や錫系半田を用いればよい。
ここで、配線層１６ａ〜１６ｄやヒートシンク層１３（総じて、以下金属層と記載する場合がある。）の形成方法としては、銅板やアルミニウム板等の金属板を第１流路部材１１または第２流路部材２１に直接貼り付けるＤＢＣ（Direct Bond Copper）法やＤＢＡ(Direct Bond Aluminum)法、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ等の活性金属を添加した銀および銅のろう材を介して金属板を接合するＡＭＢ（Active Metal Bonding）法、金属成分を主成分としたペーストを用いて形成する印刷法、チタンやクロムを下地層としスパッタリングで金属層を形成するスパッタ法、チタンやクロムを下地層とするか、または、微細な凹凸を形成した後に、金属層を形成するめっき法等がある。
ここで、めっき法を用いる場合、第１流路部材１１および第２流路部材２１に金属層を形成する際に熱応力がかからないので、長期の熱サイクルにおいてもクラックが生じにくい半導体装置１００とすることができ、信頼性を向上することができる。
図３Ａは、本開示の半導体装置の第２実施例を模式的に示す断面図である。ここで、半導体装置２００の回路ユニット２０は、上記回路ユニット１０と同様の積層構造を成すユニットであり、同じく、配線層２６ａ〜２６ｄが、上記の第１流路部材１１に面しており、効率的に冷却される。
なお、回路ユニット１０，２０は、必ずしも同様の積層構造を有していなくてもよい。例えば、上記回路ユニット１０，２０において、各層を構成する素子または部材が一部異なっている場合であっても、例えばヒートシンク層１３，２３の厚さを変えることによって、上記の素子等の厚みの差異を吸収し、応力的な歪を生じさせることなく第１流路部材１１および第２流路部材２１の間に収まるように構成してもよい。
ここで、図３Ａに示されるように、回路ユニット１０と回路ユニット２０とは、互いに隣接して配置され、上下が反対、即ち、「ヒートシンク層→半導体素子→配線層」と「配線層→半導体素子→ヒートシンク層」のように、互いに積層順序が逆になっている。
つまり、図３Ａにおいては、第１流路部材１１から第２流路部材２１への方向で定義される並びにおいて、ヒートシンク層１３、半導体素子１４、配線層１６ａ〜１６ｄの順を第１回路ユニット１０とし、配線層２６ａ〜２６ｄ、半導体素子２４、ヒートシンク層２３の順が第２回路ユニット２０としている。そして、半導体装置２００において２つの回路ユニット１０，２０が上記のように隣接して位置していることで、配線層１６ａ〜１６ｄおよび配線層２６ａ〜２６ｄが、第１流路部材１１または第２流路部材２１に面しているため、効率的に冷却させることができる。さらに、隣り合う回路ユニット１０，２０を上下逆に積層して配置することで、熱および熱応力の点でバランスをとることができる。
一般に、セラミックスと金属とは熱膨張係数が異なるため、この差により熱応力が生じるが、図３Ａに示されるように、隣り合う回路ユニット１０，２０を上下逆に積層させることにより、上記のような熱応力が重畳する状況を回避し、その弊害を最小限に抑えることが可能となる。なお、隣り合う回路ユニット１０，２０は２つに限らず３つでもよいし、前後に並んでいてもよい。さらに、前後左右に複数の回路ユニットが並んでいてもよい。なお、図３Ａに示す半導体装置２００を製造する場合は、まず、第１流路部材１１および第２流路部材２１に、それぞれヒートシンク層１３、２３および配線層１６ａ〜１６ｄ、２６ａ〜２６ｄを形成する。その後、ヒートシンク層１３、２３にそれぞれ半導体素子１４、２４をろう材、半田またはナノ金属ペーストを介して接合し、ろう材または半田１５ａ〜１５ｄ、２５ａ〜２５ｄを配線層１６ａ〜１６ｄ、２６ａ〜２６ｄの所定の位置に配置した後、第１流路部材１１と第２流路部材２１を積層し、半田リフロー工程を通すことによって、効率よく半導体装置２００を製造することができる。
図３Ｂは、本開示の半導体装置の第３実施例を模式的に示す断面図である。図３Ｂの半導体装置２０１は、上記図３Ａの半導体装置２００に連結管５１，６１を備えるものである。そして、第１流路部材１１または第２流路部材２１に連結管５１，６１を接合するために、連結管５１，６１と、第１流路部材１１または第２流路部材２１との対向面間に接着層１５ｅを有している。この接着層１５ｅは、接着剤（例えば、シリコン系のろう材やポリイミド系の接着剤）を、第１流路部材１１または第２流路部材２１と連結管５１，６１との間に塗布した後、半田リフロー工程に通すことで形成される。これにより、半導体素子１４，２４−配線層１６ａ〜１６ｄ，２６ａ〜２６ｄ間の半田（またはろう材）付けと同時に、連結管５１，６１の接合も可能になる。
ここで、本開示の半導体装置２０１は、連結管５１，６１と、第１流路部材１１または第２流路部材２１との対向面間に接着層１５ｅを有しているが、連結管５１，６１における外周面から第１流路部材１１または第２流路部材２１にわたって接着層１５ｅの一部が位置していてもよい。ここで、連結管５１，６１における外周面とは、対向面に隣接する面である。そして、このような構成を満足するならば、接着層１５ｅにより、冷媒流路５２，６２を流れる冷媒が、第１流路部材１１または第２流路部材２１と連結管５１，６１との間から漏れることをより抑制することができる。また、接着層１５ｅの一部は、連結管５１，６１の冷媒流路５２，６２の内面から第１流路部材１１または第２流路部材２１にわたって位置していても、冷媒流路５２，６２を流れる冷媒が、第１流路部材１１または第２流路部材２１と連結管５１，６１との間から漏れることをより抑制することができる。
図４は、本開示の半導体装置の第４実施例を模式的に示す断面図である。図４に示す半導体装置３００は、上記図３Ｂにおける半導体装置２０１を上下に２段重ね、さらに、冷媒流入用のパイプ９１および冷媒流出用のパイプ１０１を加えた構成となっており、各冷媒流路の内部を冷媒が還流する。また、第１流路部材１１、回路ユニット１０、２０および第２流路部材２１によって、１組の冷却ユニット１９を構成し、同じく、第１流路部材３１、回路ユニット３０，４０および第２流路部材４１によって、１組の冷却ユニット３９を構成する。図４に示すように、第１流路部材１１および第２流路部材４１は、冷却ユニット１９，３９で兼用している部材である。ここで、図４における回路ユニット３０，４０は、上記の回路ユニット１０，２０と同様の積層構造を成すユニットであるが、必ずしも同様の積層構造を有していなくてもよい。
上記の半導体装置３００の特徴としては、まず、連結管５１，６１，７１，８１で、第２流路部材２１と第１流路部材１１（または第２流路部材４１）と第１流路部材３１とを連結することにより、冷却ユニットを３次元的に構成することができ、この場合においても熱的および応力的にバランスをとることが可能となる点である。さらに、ろう材ペースト等を所定の箇所に配置し、熱処理等を行うことによって、スタックタイプのパワーモジュールを構成することが可能となり、高密度の回路を構成しつつ、冷却効率の高い半導体装置３００を実現することができる点が特徴である。
図５は、本開示に係る半導体装置の第５実施例を模式的に示す断面図である。図５に示す半導体装置４００は、連結管を一体化させたパイプを採用した場合の実施例であり、切欠き１１２を有するパイプ１１１を予め用意しておき、上記の冷却ユニットと連結させることによって、スタックタイプのパワーモジュールの構築を容易に行うことができる。なお、図５に示す半導体装置４００を製造する場合、リング状のスペーサを用意し、複数の流路部材間における切欠き１１２に対応する位置にスペーサを配置することにより、複数の流路部材に跨って位置するパイプ１１１の挿通を容易に行うことができる。なお。このようなリング状のスペーサは、パイプ１１１が破損した際に、液漏れを防ぐ効果もある。
なお、上記の半導体装置３００，４００においても、上記の半導体装置２０１と同様に、連結管５１，６１，７１，８１、パイプ９１，１０１，１１１、リング状のスペーサと接合するために、予め接着剤（例えば、シリコン系のろう材やポリイミド系の接着剤）を塗布し、半田リフロー工程に通すことで、半導体素子−配線層間の半田付けと同時に、上記連結管５１，６１，７１，８１、パイプ９１，１０１，１１１、リング状のスペーサとの接合も可能になる。なお、連結管５１，６１，７１，８１、パイプ９１，１０１，１１１、リング状のスペーサは半田リフロー工程に耐えられる素材である、例えば、金属、樹脂、セラミックスであるのがよい。なお、樹脂ならばポリイミドであるのがよい。また、回路ユニット１０，２０，３０，４０は樹脂モールドで封止することによって、半導体装置３００，４００としての信頼性を高めることができる。樹脂モールドとしては、シリコーンゲルやエポキシ樹脂を用いればよい。なお、樹脂モールドは、回路ユニット１０，２０，３０，４０だけでなく、連結管５１，６１，７１，８１、パイプ９１，１０１，１１１、リング状のスペーサもまとめて樹脂モールドすることによって、連結管５１，６１，７１，８１、パイプ９１，１０１，１１１、リング状のスペーサと、第１流路部材１１，３１および第２流路部材２１，４１との接合部を補強することができる。
本開示は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本開示の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、請求の範囲に属する変形や変更は全て本開示の範囲内のものである。
１０，２０，３０，４０ 回路ユニット
１１，３１ 第１流路部材
２１，４１ 第２流路部材
１２，２２，３２，４２ 冷媒流路
１３，２３ ヒートシンク層
１４，２４ 半導体素子
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ ろう材または半田
１５ｅ 接着層
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ 配線層
１９，３９ 冷却ユニット
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ ろう材または半田
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ 配線層
５１，６１，７１，８１ 連結管
５２，６２，７２，８２ 冷媒流路
９２，１０２ 冷媒流路
９１，１０１，１１１ パイプ
１００，２００，２０１，３００，４００ 半導体装置
１１２ 切欠き

Claims (7)

  1. ヒートシンク層と、配線層と、前記ヒートシンク層および前記配線層の間に半導体素子とを有する回路ユニットと、
    絶縁材からなる第１流路部材と、
    絶縁材からなる第２流路部材とを備え、
    前記回路ユニットが、前記第１流路部材および前記第２流路部材の間に位置し、前記配線層が、前記第１流路部材または前記第２流路部材に面している半導体装置。
  2. 前記回路ユニット内における前記第１流路部材から前記第２流路部材への並びにおいて、
    前記ヒートシンク層、前記半導体素子、前記配線層の順を第１回路ユニットと、前記配線層、前記半導体素子、前記ヒートシンク層の順を第２回路ユニットとしたとき、前記第１回路ユニットと前記第２回路ユニットとが隣接して位置している請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第１流路部材、前記回路ユニット、前記第２流路部材を１組の冷却ユニットとしたとき、
    ２組の冷却ユニットにおいて、前記第１流路部材または前記第２流路部材を兼用している請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記第１流路部材と前記第２流路部材とが連結管で接続されている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記第１流路部材および前記第２流路部材が、窒化珪素質セラミックスからなる請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 前記連結管と、前記第１流路部材または前記第２流路部材との対向面間に接着層を有しているとともに、
    前記連結管における外周面から前記第１流路部材または前記第２流路部材にわたって前記接着層の一部が位置している請求項４または請求項５に記載の半導体装置。
  7. 請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記半導体素子と前記配線層との間にろう材または半田を配置し、
    前記第１流路部材と前記連結管との間および前記第２流路部材と前記連結管との間に接着剤を配置した後、熱処理することで、前記半導体素子および前記配線層と、前記第１流路部材および前記連結管と、前記第２流路部材および前記連結管とを接合する半導体装置の製造方法。
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