KR20140088181A - 반도체 장치 - Google Patents

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KR20140088181A
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KR
South Korea
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resin
circuit board
heat dissipating
dissipating device
semiconductor device
Prior art date
Application number
KR1020147014321A
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요시타카 이와타
쇼고 모리
다이조 가미야마
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가부시키가이샤 도요다 지도숏키
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Abstract

반도체 장치는, 세라믹 또는 수지로 이루어지며 실장면을 갖는 냉각부와, 냉각부의 실장면에 실장됨과 함께 소자 실장면을 갖는 금속제(製)의 회로 기판과, 회로 기판의 소자 실장면에 실장된 반도체 소자를 구비한다. 적어도 소자 실장면에 대응하는 회로 기판의 부분이 냉각부에 대하여 수지로 덮여 있다.

Description

반도체 장치{SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 세라믹 또는 수지로 이루어지는 냉각부를 갖는 반도체 장치에 관한 것이다.
종래, 회로 기판(DBA(Direct Brazed Aluminum) 기판)에 방열 장치(히트 싱크)를 접합하여 모듈화한 반도체 장치(반도체 모듈)가 알려져 있다. 당해 회로 기판은, 질화 알루미늄 등의 세라믹 기판(절연 기판)의 표리 양면에 순(純)알루미늄 등의 금속판을 접합하여 형성되어 있다. 예를 들면, 특허문헌 1 참조. 이런 종류의 반도체 장치에서는, 반도체 소자가 발하는 열이 방열 장치에 의해 방출된다.
일본공개특허공보 2006-294699호
그런데, 특허문헌 1의 반도체 장치와 같이 금속제(製)(알루미늄)의 방열 장치를 채용한 경우는, 회로 기판 및 방열 장치의 선팽창 계수의 상위(相違)에 기인하여 열응력이 발생하여, 반도체 소자와 회로 기판과의 사이의 접합부나 회로 기판과 방열 장치와의 사이의 접합부에 박리가 발생할 가능성이 있다. 따라서, 특허문헌 1의 반도체 장치에서는, 각 접합부에 있어서의 소망하는 신뢰성을 얻기 위해, 회로 기판과 방열 장치와의 사이에 열응력을 완화시키는 응력 완화 부재가 개재되어 있다.
본 발명의 목적은, 반도체 소자와 회로 기판과의 사이의 접합부나, 회로 기판과 냉각부와의 사이의 접합부의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시 형태는, 세라믹 또는 수지로 이루어지며 실장면을 갖는 냉각부와, 냉각부의 실장면에 실장됨과 함께 소자 실장면을 갖는 금속제의 회로 기판과, 회로 기판의 소자 실장면에 실장된 반도체 소자를 구비하는 반도체 장치가 제공된다. 적어도 소자 실장면에 대응하는 회로 기판의 부분이 냉각부에 대하여 수지로 덮여 있다.
이 구성에 의하면, 세라믹 또는 수지로 이루어지는 냉각부를 채용함과 함께, 적어도 소자 실장면에 대응하는 회로 기판의 부분을 냉각부에 대하여 수지로 덮음으로써, 반도체 소자와 회로 기판과의 사이의 접합부나 회로 기판과 냉각부와의 사이의 접합부의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 즉, 수지에 의해 열적인 변형을 억제할 수 있기 때문에, 각 접합부의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 장치를 나타내는 정면도이다.
도 2는 다른 예의 반도체 장치를 나타내는 정면도이다.
도 3은 다른 예의 반도체 장치를 나타내는 정면도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 장치를 도 1에 따라 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 반도체 장치(10)는, 냉각부로서의 방열 장치(11)를 구비하고 있다. 방열 장치(11)는, 세라믹으로 이루어지는 기체(base body; 11A)와, 당해 기체(11A)에 형성되어 당해 기체(11A)의 내부에 냉매를 흘리는 복수개의 냉매 유로(T)를 갖는다. 방열 장치(11)의 실장면(냉각 대상물의 탑재면)(12)에는, 회로 기판으로서의 금속 회로판(14)이 접합되어 있다. 금속 회로판(14)에는, 전자 부품으로서의 반도체 소자(13)가 소자 실장면(14a)에 실장되어 있다. 즉, 금속 회로판(14)은, 방열 장치(11)와 반도체 소자(13)와의 사이에 직접 개재되어 있다. 금속 회로판(14)은, 배선층(전극) 및 접합층으로서 기능함과 함께, 순알루미늄(예를 들면, 공업용 알루미늄인 1000계 알루미늄) 또는 구리에 의해 형성되어 있다. 반도체 소자(13)로서는, 예를 들면 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)나 다이오드가 이용된다. 금속 회로판(14)과 반도체 소자(13)와의 접합에는 납땜이 이용된다. 금속 회로판(14)과 방열 장치(11)와의 접합에는 경납땜이 이용된다. 또한, 방열 장치(11)에는, 방열 장치(11) 내에 냉매를 공급하는 도시하지 않은 공급관이나, 방열 장치(11) 내를 유통한 냉매를 외부로 배출하는 도시하지 않은 배출관도 접속되어 있다.
반도체 장치(10)에 있어서 반도체 소자(13)의 단자에는, 외부 접속 단자가 되는 금속제의 도전판(15)이 접합되어 있다. 또한, 반도체 장치(10)에 있어서 방열 장치(11)의 실장면(12)에는, 외부 접속 단자가 되는 금속제의 접속핀(16)이 접합되어 있다. 반도체 소자(13)와 접속핀(16)과는, 배선재인 와이어(W)를 통하여 전기적으로 서로 접속되어 있다. 도전판(15) 및 접속핀(16)은, 구리에 의해 형성되어 있다. 또한, 반도체 소자(13)와 도전판(15)과의 사이의 접합 및, 방열 장치(11)와 접속핀(16)과의 사이의 접합에는, 납땜 또는 경납땜이 이용된다.
방열 장치(11)를 구성하는 세라믹 재료로서는, 예를 들면, 산화 알루미늄, 질화 규소, 탄화 규소, 질화 알루미늄 및, 알루미나·지르코늄이 이용된다. 방열 장치(11)의 냉각 방식으로서 수냉식을 채용하는 경우, 세라믹 재료는 높은 내수성을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 세라믹 재료는, 반도체 소자(13)의 발열에 의한 응력 완화의 관점에서 생각하면, 반도체 소자(13)의 선팽창 계수에 가까운 선팽창 계수를 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 금속 회로판(14)은, 선팽창 계수가 가까운 방열 장치(11)와 반도체 소자(13)와의 사이에 직접 개재되게 된다. 즉, 금속 회로판(14)은 방열 장치(11) 및 반도체 소자(13)와 직접 접한다. 또한, 방열 장치(11) 및 반도체 소자(13)의 각각의 선팽창 계수는, 금속 회로판(14)의 선팽창 계수보다도 작다.
그리고, 본 실시 형태의 반도체 장치(10)는, 방열 장치(11)의 전체 및, 방열 장치(11)의 실장면(12)에 실장된 각종 부품을 덮도록, 수지(17)에 의해 덮여 있는, 즉 수지(17)로 몰드되어 있다. 방열 장치(11)의 전체란, 실장면(12)에 더하여, 실장면(12)의 반대면(저면(底面)) 및 측면을 포함하는, 전면(全面)이다. 또한, 실장면(12)에 실장되는 각종 부품 중, 반도체 소자(13) 및 금속 회로판(14) 모두가 수지(17)로 덮여 있다. 즉, 금속 회로판(14)에 있어서 반도체 소자(13)를 실장하는 소자 실장면(14a)에 대해서도 수지(17)로 덮여 있다. 실장면(12)에 실장되는 각종 부품 중, 외부 접속되는 부품에 대해서는, 일부가 수지(17)로 덮이고, 나머지 부분은 수지(17)의 밖으로 노출되어 있다. 또한, 외부 접속되는 부품은, 도전판(15), 접속핀(16), 전술한 공급관이나 배출관 등의 부품이다. 또한, 몰드용의 수지(17)는, 에폭시 수지로 이루어진다. 반도체 소자(13), 금속 회로판(14), 도전판(15) 및, 접속핀(16) 등의 각종 부품이 접합됨과 함께, 반도체 소자(13)와 접속핀(16)과의 와이어(W)에 의한 본딩이 행해진 후에, 수지(17)에 의한 몰드가 행해진다. 그리고, 수지(17)에 의한 몰드는, 반도체 소자(13)와 금속 회로판(14)과의 납땜이나, 방열 장치(11)와 금속 회로판(14)과의 경납땜시의 온도보다도 낮은 온도에서 행해진다.
이하, 본 실시 형태의 반도체 장치(10)의 작용을 설명한다.
냉매 공급원으로부터 공급된 냉매는, 방열 장치(11)에 접속되는 공급관으로부터 각 냉매 유로(T)로 유입한다. 각 냉매 유로(T)에 유입한 냉매는, 동일 방향으로 흐른다. 이와 같이 냉매가 냉매 유로(T)를 흐르면, 금속 회로판(14)을 통하여 방열 장치(11)에 전달된 반도체 소자(13)의 열은, 냉매 유로(T)를 흐르는 냉매에 의해 방출된다. 그리고, 냉매 유로(T)를 유통한 열교환 후의 냉매는, 방열 장치(11)에 접속되는 배출관으로부터 외부로 배출된다. 또한, 본 실시 형태의 방열 장치(11)는, 세라믹 재료로 형성되어 있는 점에서, 냉각 기능에 더하여 절연 기능도 갖는다.
따라서, 본 실시 형태에 의하면, 이하에 나타내는 효과를 얻을 수 있다.
(1) 본 실시 형태의 반도체 장치(10)에서는, 절연부와 냉매의 유로를 일체 형성한 세라믹제의 방열 장치(11)가 채용되고, 그 방열 장치(11)를 포함하는 반도체 장치(10)가 수지(17)로 덮여 있는, 즉 수지(17)로 몰드되어 있다. 세라믹제의 방열 장치(11)는, 장치 자체에 절연 기능 및 냉각 기능의 쌍방을 갖는다. 그 때문에, 종래와 같이 금속제의 방열 장치에 DBA 기판(세라믹 등으로 이루어지는 절연 기판의 양면에 금속판을 접합한 기판)을 접합하는 경우에 비하여, 반도체 장치(10)의 구성을 간소화할 수 있다. 즉, 본 실시 형태의 반도체 장치(10)는, 방열 장치(11)에 대하여 반도체 소자(13)가 실장되는 금속 회로판(14)을 직접 접합하기 때문에, 반도체 장치(10)의 구성을 간소화할 수 있다.
(2) 세라믹제의 방열 장치(11)를 채용함으로써, 반도체 장치(10)는 원래 열응력이 발생하기 어려운 구조를 갖는다. 또한, 반도체 장치(10)는 수지(17)로 몰드되어 있기 때문에, 반도체 소자(13)와 금속 회로판(14)과의 사이의 접합부나, 금속 회로판(14)과 방열 장치(11)와의 사이의 접합부의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 즉, 몰드된 수지(17)에 의해 열적인 변형을 억제할 수 있기 때문에, 각 접합부의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시 형태의 반도체 장치(10)에 의하면, 세라믹제의 방열 장치(11)를 채용함으로써, 종래의 반도체 장치에 있어서 회로 기판과 방열 장치와의 사이에 개재되어 있던 응력 완화 부재는 불필요해진다.
(3) 금속 회로판(14)의 선팽창 계수보다도 작은 선팽창 계수를 갖는 반도체 소자(13)와 세라믹으로 이루어지는 방열 장치(11)와의 사이에 금속 회로판(14)을 직접 개재시킴으로써, 열응력의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 각 접합부의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.
(4) 반도체 소자(13) 및 금속 회로판(14)의 전체가 수지(17)로 덮여 있다. 이것은, 이들 부품을 방열 장치(11)에 대하여 고정하기 위한 구조, 예를 들면, 반도체 소자(13) 및 금속 회로판(14)을 방열 장치(11)를 향하여 밀어 붙이기 위한 체결 구조를 불필요하게 한다. 따라서, 반도체 장치(10)의 구성을 더욱 간소화할 수 있다.
(5) 반도체 소자(13) 및 금속 회로판(14)에 더하여, 방열 장치(11)의 전체를 수지(17)로 덮음으로써, 반도체 장치(10)의 취급을 용이하게 할 수 있다. 방열 장치(11)가 세라믹제인 경우, 그 방열 장치(11)는, 금속성의 방열 장치(11)에 비하여 강도적으로는 뒤떨어진다. 그러나, 방열 장치(11) 전체를 수지(17)로 덮음으로써 방열 장치(11)의 보호 성능이 향상되기 때문에, 반도체 장치(10) 의 취급이 용이해짐과 함께, 장기적으로 양호한 방열 성능을 실현할 수 있다. 특히, 반도체 장치(10)를 차재(車載)하는 경우 등의 장착 공정에 있어서는, 취급이 용이해짐으로써 작업성을 향상시킬 수 있어, 효과적이다.
(6) 방열 장치(11)의 전체를 수지(17)로 덮음으로써, 방열 장치(11)의 밀폐성의 향상을 도모할 수 있다. 따라서, 방열 성능을 향상시킬 수 있다.
(7) 반도체 장치(10)를 수지(17)로 몰드하여 각 접합부의 신뢰성을 향상시킴으로써, 반도체 장치(10)로서의 성능(신뢰성)을 장기에 걸쳐 유지할 수 있다. 즉, 반도체 장치(10)의 열화를 억제할 수 있다.
(8) 수지(17) 및 세라믹의 선팽창 계수의 차이가 작기 때문에, 수지(17)와 세라믹제의 방열 장치(11)와의 사이의 접합부의 소망하는 신뢰성도 얻을 수 있다. 즉, 수지(17)와 방열 장치(11)와의 사이의 접합부에 박리가 발생하기 어렵기 때문에, 몰드된 수지(17)에 의해 발생할 수 있는 상기의 효과 (2), (4), (5)∼(7)을 장기에 걸쳐 유지할 수 있다.
(9) 세라믹제의 방열 장치(11)를 채용함으로써, 반도체 장치(10)의 간소화에 더하여 반도체 장치(10)의 소형화를 도모할 수 있다. 따라서, 반도체 장치(10)를 차재하는 경우에 있어서 반도체 장치(10)가 점유하는 스페이스를 작게 할 수 있어, 설계의 자유도를 넓힐 수 있다.
또한, 본 실시 형태는 이하와 같이 변경해도 좋다.
○ 방열 장치(11)의 전체를 수지(17)로 덮는 구성 대신에, 도 2에 나타내는 바와 같이, 수지(17)로 몰드하는 영역은 방열 장치(11)의 측면의 일부로 저감되어도 좋다. 즉, 방열 장치(11)의 실장면(12)의 반대면의 전체는, 수지(17)로 덮는 일 없이 노출된다. 방열 장치(11)의 실장면(12)의 전체와 측면의 일부가 수지(17)로 몰드되어 있다. 이것에 의하면, 상기 반대면에 있어서도 발열체를 냉각할 수 있다. 또한, 수지(17)의 양을 저감시킬 수 있기 때문에, 반도체 장치(10)의 제조 비용 저감에 기여할 수 있다. 또한, 수지(17)의 양을 적게 함으로써, 몰드된 수지(17)로부터 받는 응력을 완화시킬 수 있다.
○ 방열 장치(11)의 전체를 수지(17)로 덮는 구성 대신에, 도 3에 나타내는 바와 같이, 수지(17)로 몰드하는 영역은 방열 장치(11)의 실장면(12)으로만 저감되어도 좋다. 방열 장치(11)의 실장면(12)만이 수지(17)로 몰드되어 있다. 즉, 방열 장치(11)의 실장면(12)의 반대면의 전체는, 수지(17)로 덮는 일 없이 노출된다. 또한, 방열 장치(11)의 측면의 전체도 노출된다. 이것에 의하면, 도 2를 이용하여 설명한 상기 다른 예와 동일한 효과를 얻을 수 있음과 함께, 수지(17)의 양을 더욱 저감시킬 수 있다.
○ 도 2 및 도 3을 이용한 다른 예에 있어서, 방열 장치(11)의 반대면에 발열체를 접합하는 경우에 있어서, 그 발열체를 포함하여 전체를 수지(17)로 몰드해도 좋다.
○ 방열 장치(11)를 세라믹 대신에, 수지로 형성해도 좋다.
○ 방열 장치(11)에 실장되는 각종 부품의 구성을 변경해도 좋다.
○ 방열 장치(11)에 있어서의 냉매 유로(T)는, 평면에서 볼 때 직선 형상의 통로라도 좋고, 평면에서 볼 때 파선 형상 또는 지그재그 형상의 통로라도 좋다. 파선 형상 또는 지그재그 형상의 통로에서는, 직선 형상의 통로에 비하여 냉매의 흐름을 어지럽혀, 난류 효과에 의해 냉각 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
○ 방열 장치(11)로 유통시키는 냉매는, 액체 상태의 냉매라도 좋고, 기체 상태의 냉매라도 좋다.

Claims (7)

  1. 반도체 장치로서,
    세라믹 또는 수지로 이루어지며 실장면을 갖는 냉각부와,
    상기 냉각부의 상기 실장면에 실장됨과 함께, 소자 실장면을 갖는 금속제(製)의 회로 기판과,
    상기 회로 기판의 상기 소자 실장면에 실장된 반도체 소자를 구비하고,
    적어도 상기 소자 실장면에 대응하는 상기 회로 기판의 부분이 상기 냉각부에 대하여 수지로 덮여 있는 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는 세라믹으로 이루어지는 반도체 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반도체 소자 및 상기 냉각부의 각각의 선팽창 계수는 상기 회로 기판의 선팽창 계수보다도 작고, 상기 반도체 소자와 상기 냉각부와의 사이에 상기 회로 기판이 직접 개재되어 있는 반도체 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 소자, 상기 회로 기판 및, 상기 냉각부의 전체가 수지로 덮여 있는 반도체 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 소자 및, 상기 회로 기판의 전체가 수지로 덮여 있고, 상기 냉각부는 상기 실장면과는 반대측에 위치하는 반대면을 갖고, 상기 냉각부는 적어도 상기 반대면의 전체를 노출하도록 수지로 덮여 있는 반도체 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 냉각부는 측면을 갖고, 상기 냉각부의 상기 실장면의 전체와 상기 측면의 일부가 수지로 덮여 있는 반도체 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 냉각부는 측면을 갖고, 상기 냉각부의 상기 측면의 전체 및 상기 반대면의 전체를 노출하도록 상기 냉각부의 상기 실장면이 수지로 덮여 있는 반도체 장치.

KR1020147014321A 2011-12-12 2012-11-07 반도체 장치 KR20140088181A (ko)

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