KR20160103486A - 반도체 장치 및 반도체 모듈 - Google Patents

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요시미츠 구와하라
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가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

본 발명의 실시 형태는, 신뢰성의 향상을 가능하게 하는 압접형의 반도체 장치를 제공한다.
실시 형태의 반도체 장치는, 취약부를 갖는 프레임체와, 프레임체의 내측에 배치되고, 제1 면에 제1 전극, 제1 면과 반대측인 제2 면에 제2 전극을 갖는 복수의 반도체 소자와, 제1 면측에 설치되고, 제1 전극과 전기적으로 접속되는 제1 전극 블록과, 제2 면측에 설치되고, 제2 전극과 전기적으로 접속되는 제2 전극 블록을 구비하고, 프레임체, 제1 전극 블록 및 제2 전극 블록은 폐공간을 구성하고, 취약부는 폐공간에 대향한다.

Description

반도체 장치 및 반도체 모듈{SEMICONDUCTOR DEVICE AND SEMICONDUCTOR MODULE}
본 출원은, 일본 특허 출원 제2015-34539호(출원일:2015년 2월 24일)를 기초 출원으로 하는 우선권을 향수한다. 본 출원은 이 기초 출원을 참조함으로써 기초 출원의 모든 내용을 포함한다.
본 발명의 실시 형태는, 반도체 장치 및 반도체 모듈에 관한 것이다.
압접형 반도체 장치는, 절연성의 프레임체 내부의 반도체 소자가, 상하의 전극 블록 사이에 끼워져, 공기 밀봉된 구조를 구비한다. 상하의 전극 블록에 외부로부터 가압력이 가해짐으로써, 내부의 전기적 접촉이 유지된다. 또한, 압접형 반도체 장치는, 양면 방열에 의한 파워 밀도 향상과, 고전압·대전류 하에서의 고신뢰성을 실현한다.
압접형 반도체 장치는, 내부의 반도체 소자가 파괴되어도, 반도체 장치 자체가 파손되지 않고 단락된다. 이로 인해, 압접형 반도체 장치를 직렬로 접속해서 사용함으로써, 반도체 소자의 파괴 후에도, 즉시 시스템을 정지시키지 않고 가동이 가능해지는 등, 용장 설계하기 쉽다고 하는 이점이 있다.
그러나, 파괴된 반도체 소자는 과부하 상태가 계속되면, 현저한 온도 상승에 의해 반도체 소자의 용융이 발생하여, 내부 압력이 상승해서 폭발에 이를 우려가 있다. 폭발이 발생하면 반도체 장치의 조각이 비산하여, 반도체 장치 주변의 회로나 냉각 장치를 손상시켜, 시스템이 가동 불가능해질 우려가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 신뢰성의 향상을 가능하게 하는 압접형 반도체 장치를 제공하는 데 있다.
실시 형태의 반도체 장치는, 취약부를 갖는 프레임체와, 상기 프레임체의 내측에 배치되고, 제1 면에 제1 전극, 제1 면과 반대측인 제2 면에 제2 전극을 갖는 복수의 반도체 소자와, 상기 제1 면측에 설치되고, 상기 제1 전극과 전기적으로 접속되는 제1 전극 블록과, 상기 제2 면측에 설치되고, 상기 제2 전극과 전기적으로 접속되는 제2 전극 블록을 구비하고, 상기 프레임체, 상기 제1 전극 블록 및 상기 제2 전극 블록은 폐공간을 구성하고, 상기 취약부는 상기 폐공간에 대향한다.
도 1의 (a) 내지 (c)는 제1 실시 형태의 반도체 장치의 모식도.
도 2의 (a) 및 (b)는 제2 실시 형태의 반도체 장치의 모식도.
도 3은 제3 실시 형태의 반도체 장치의 모식 단면도.
도 4는 제4 실시 형태의 하우징의 모식도.
도 5는 제5 실시 형태의 반도체 모듈의 모식 측면도.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 동일한 부재 등에는 동일한 부호를 붙이고, 한번 설명한 부재 등에 대해서는 적절히 그 설명을 생략한다.
(제1 실시 형태)
본 실시 형태의 반도체 장치는, 취약부를 갖는 프레임체와, 프레임체의 내측에 배치되고, 제1 면에 제1 전극, 제1 면과 반대측인 제2 면에 제2 전극을 갖는 복수의 반도체 소자와, 제1 면측에 설치되고, 제1 전극과 전기적으로 접속되는 제1 전극 블록과, 제2 면측에 설치되고, 제2 전극과 전기적으로 접속되는 제2 전극 블록을 구비한다. 그리고, 프레임체, 제1 전극 블록 및 제2 전극 블록은 폐공간을 구성하고, 취약부는 폐공간에 대향한다.
도 1은 본 실시 형태의 반도체 장치의 모식도이다. 도 1의 (a)가 모식 단면도, 도 1의 (b)가 모식 측면도, 도 1의 (c)가 반도체 소자의 모식 단면도이다. 도 1의 (b)는 반도체 장치를, 도 1의 (a) 중 흰 화살표 방향에서 본 경우의 측면도이다. 본 실시 형태의 반도체 장치(100)는 압접형 반도체 장치이다.
본 실시 형태의 반도체 장치(100)는 복수의 반도체 소자(10)를 내부에 배치한다. 도 1의 (c)에 도시한 바와 같이, 반도체 소자(10)는 제1 면에 제1 전극(10a), 제1 면과 반대측인 제2 면에 제2 전극(10b)을 구비한다. 제1 전극(10a)과 제2 전극(10b) 사이가, 반도체 소자 영역(10c)이다.
반도체 소자(10)는, 예를 들어 실리콘(Si)을 사용한 IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)이다. IEGT는 전자 주입 촉진 효과를 구비하는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)이다. 제1 전극(10a)은, 예를 들어 이미터 전극이다. 제2 전극(10b)은, 예를 들어 콜렉터 전극이다. 반도체 소자(10)는 도시하지 않은 게이트 전극을 구비한다.
또한, 반도체 소자(10)는 상하에 전극을 구비하는 디바이스라면, 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 FRD(Fast Recovery Diode) 등의 다이오드여도 상관없다. 또한, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)여도 상관없다. 또한, 예를 들어 IEGT와 FRD가 혼재되어도 상관없다. 또한, 실리콘에 한하지 않고, 탄화 규소(SiC)를 사용한 디바이스여도 상관없다.
반도체 소자(10)는 절연성의 프레임체(이하, 하우징이라고도 칭함)(12)의 내측에 배치된다. 절연성의 하우징(12)은, 예를 들어 원통형이며, 세라믹스로 형성된다. 하우징(12)은, 예를 들어 제1 전극(10a)과 제2 전극(10b)의 절연성(연면 거리)을 유지하기 위한 돌기부(12a)를 구비한다.
하우징(12)은, 예를 들어 알루미나이다. 알루미나 이외에도, 예를 들어 질화규소, 지르코니아, 질화알루미늄 등을 사용하는 것도 가능하다.
하우징(12)의 내벽에는, 예를 들어 쿠션재(15)가 설치되어 있다. 쿠션재(15)는, 예를 들어 실리콘제 러버이다.
복수의 반도체 소자(10)는, 수지 프레임(14)으로 지지된다. 수지 프레임(14)은 반도체 종단부 영역의 절연 거리를 확보하고, 복수의 반도체 소자(10)를 얼라인먼트하는 기능을 구비한다.
또한, 반도체 소자(10)의 제1 면측에는 열보상판(16a)이, 제2 면측에는 열보상판(16b)이 설치된다. 열보상판(16a), 열보상판(16b)에는, 반도체 소자(10)와 열팽창 계수가 가까운 재료가 적용된다. 예를 들어, 반도체 소자(10)가 실리콘인 경우에는, 실리콘과 열팽창 계수가 가까운 몰리브덴이 재료로서 적용된다.
반도체 소자(10)의 제1 면측에는, 제1 전극 블록(18)이 설치된다. 또한, 반도체 소자(10)의 제2 면측에는, 제2 전극 블록(20)이 설치된다. 제1 전극 블록(18) 및 제2 전극 블록(20)은 원형이다.
제1 전극 블록(18)은 열보상판(16a)에 접해서 설치된다. 제2 전극 블록(20)은 열보상판(16b)에 접해서 설치된다. 제1 전극 블록(18) 및 제2 전극 블록(20)은, 금속, 예를 들어 구리로 형성된다.
제1 전극 블록(18)과 하우징(12)은, 제1 프린지(22)에 의해 접속된다. 제1 프린지(22)는, 금속, 예를 들어 철 니켈 합금으로 형성된다.
제1 전극 블록(18)과 제1 프린지(22)는, 예를 들어 용접에 의해 접속된다. 또한, 제1 프린지(22)와 하우징(12)은, 예를 들어 납땜에 의해 접속된다.
제2 전극 블록(20)과 하우징(12)은, 제2 프린지(24)에 의해 접속된다. 제2 프린지(24)는, 금속, 예를 들어 철 니켈 합금으로 형성된다.
제2 전극 블록(20)과 제2 프린지(24)는, 예를 들어 용접에 의해 접속된다. 또한, 제2 프린지(24)와 하우징(12)은, 예를 들어 납땜에 의해 접속된다.
반도체 소자(10)가 수용되는 반도체 장치의 내부는, 하우징(12), 제1 전극 블록(18), 제2 전극 블록(20), 제1 프린지(22), 제2 프린지(24)에 의해 공기 밀봉된다. 즉, 하우징(프레임체)(12), 제1 전극 블록(18) 및 제2 전극 블록(20)에 의해 폐공간이 형성된다. 반도체 장치의 내부에는, 불활성 가스, 예를 들어 질소 가스가 충전된다. 불활성 가스를 충전함으로써, 내부의 반도체 소자(10), 열보상판(16a), 열보상판(16b) 등이 산화되는 것을 방지한다.
제1 프린지(22), 제2 프린지(24)는, 예를 들어 판상의 금속이며, 적당한 강도의 스프링 특성을 구비한다. 이로 인해, 반도체 장치의 외부로부터, 제1 전극 블록(18)과 제2 전극 블록(20)에 가압력이 가해지면, 반도체 소자(10), 열보상판(16a), 열보상판(16b), 제1 전극 블록(18), 제2 전극 블록(20)이 서로 밀착하여, 양호한 전기적 접촉이 유지된다. 따라서, 제1 전극 블록(18)이 제1 전극(10a)과, 제2 전극 블록(20)이 제2 전극(10b)와 전기적으로 도통한다.
하우징(12)은, 국소적으로 압력에 대한 내성이 낮은 영역인 취약부(30)를 구비한다. 이 취약부(30)는 하우징(프레임체)(12), 제1 전극 블록(18) 및 제2 전극 블록(20)으로 형성된 폐공간과 대향한다. 취약부(30)는 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 하우징(12)에 설치된 구멍(30a)과, 구멍(30a)을 막는 마개(30b)이다. 마개(30b)에 의해, 하우징(12) 내부의 기밀성이 유지된다.
마개(30b)의 재질은, 예를 들어 수지이다. 마개(30b)의 재질은, 예를 들어 테플론(등록 상표)이다.
또한, 취약부(30)는 하우징(12)에 복수 개소 설치되어도 상관없다.
이어서, 본 실시 형태의 반도체 장치(100)의 작용·효과에 대해서 설명한다.
예를 들어, 반도체 소자(10)에 과전류가 인가되어 파괴되어 쇼트된 후, 과부하 상태가 계속되면, 현저한 온도 상승에 의해 반도체 소자(10)의 용융이 발생하여, 반도체 장치(100)가 폭발에 이를 우려가 있다. 폭발이 발생하면 하우징(12) 등이 파손됨으로써 반도체 장치(100)의 조각이 비산한다. 비산한 조각에 의해, 반도체 장치 주변의 회로나 냉각 장치 등이 손상되어, 반도체 장치를 내장한 시스템이 가동 불가능해질 우려가 있다.
본 실시 형태에 따르면, 일부러 국소적으로 압력 또는 온도에 대한 내성이 낮은 취약부(30)를 하우징(12)에 설치한다. 이에 의해, 예를 들어 내부의 압력 또는 온도가 상승한 경우에, 반도체 장치(100)가 폭발에 이르기 전에, 취약부(30)가 파괴된다.
구체적으로는, 예를 들어 내부의 압력이 상승한 경우에, 마개(30b)가 구멍(30a)으로부터 빠짐으로써 내부의 압력이 개방되어 반도체 장치(100)의 폭발을 방지한다. 또한, 예를 들어 내부의 온도가 상승한 경우에, 마개(30b)가 용융 혹은 연화됨으로써, 구멍(30a)이 도통하여, 내부의 압력이 개방되어 반도체 장치(100)의 폭발을 방지한다. 따라서, 반도체 장치의 조각이 비산하여, 반도체 장치 주변의 회로나 냉각 장치 등이 손상되는 것을 억제한다.
또한, 취약부(30)를 설치함으로써, 반도체 소자(10)의 파괴에 의해 야기되는 반도체 장치(100)의 파괴 개소가 예측 가능하게 된다. 따라서, 반도체 소자(10)가 파괴됨으로써, 반도체 장치(100)의 조각이 비산하는 경우가 있다 하더라도, 미리, 취약부(30) 근방에, 손상을 받기 쉬운 회로나 부품 등을 배치하지 않는 시스템 설계를 행함으로써 시스템의 2차적 손상을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 쿠션재(15)에 의해, 반도체 소자(10)의 파괴가 발생한 경우에도, 하우징(12)에의 대미지가 경감된다.
이상, 본 실시 형태에 따르면, 폭발의 발생을 억제하여, 높은 신뢰성을 갖춘 압접형의 반도체 장치(100)가 실현된다. 또한, 가령, 폭발이 발생했다 하더라도, 시스템의 2차적 손상을 미연에 방지하는 반도체 장치(100)가 실현된다.
또한, 취약부(30)가 상온 시의 하우징(12) 내부의 압력의 2배 이상 10배 이하의 내성을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 범위를 하회하면, 반도체 소자(10)가 파괴되지 않은 상태에서 취약부(30)가 파괴될 우려가 있다. 상기 범위를 상회하면, 취약부(30)의 파괴보다도 전에, 반도체 장치(100)의 폭발이 발생할 우려가 있다.
또한, 취약부(30)를 구성하는 구멍(30a)의 형상은, 원형에 한하지 않고, 삼각형, 사각형 등, 그 외의 형상이어도 상관없다.
(제2 실시 형태)
본 실시 형태의 반도체 장치는, 취약부가, 프레임체의 막 두께가 국소적으로 얇은 부분인 것 이외에는, 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 따라서, 제1 실시 형태와 중복된 내용에 대해서는 기술을 생략한다.
도 2는 본 실시 형태의 반도체 장치의 모식도이다. 도 2의 (a)가 모식 단면도, 도 2의 (b)가 모식 측면도이다. 도 2의 (b)는 도 2의 (a) 중 흰 화살표 방향에서 본 경우의 측면도이다. 본 실시 형태의 반도체 장치(200)는 압접형 반도체 장치이다.
취약부(30)에서는, 하우징(12)의 막 두께가 국소적으로 얇게 되어 있다. 이로 인해, 하우징(12)의 다른 개소보다 용이하게 파괴가 발생한다.
본 실시 형태에 따르면, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 폭발의 발생을 억제하여, 높은 신뢰성을 갖춘 압접형 반도체 장치(200)가 실현된다. 또한, 가령, 폭발이 발생했다 하더라도, 시스템의 2차적 손상을 미연에 방지하는 반도체 장치(200)가 실현된다.
(제3 실시 형태)
본 실시 형태의 반도체 장치는, 프레임체의 외주부에 수지의 도포층이 설치되는 것 이외에는, 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 따라서, 제1 실시 형태와 중복된 내용에 대해서는 기술을 생략한다.
도 3은 본 실시 형태의 반도체 장치의 모식 단면도이다. 본 실시 형태의 반도체 장치(300)는 압접형 반도체 장치이다.
하우징(12)의 외주부에 수지의 도포층(32)이 설치되어 있다. 수지의 도포층(32)은, 예를 들어 FRP(Fiber Reinforced Plastics)이다.
본 실시 형태에 따르면, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 폭발의 발생을 억제하여, 높은 신뢰성을 갖춘 압접형의 반도체 장치(300)가 실현된다. 또한, 가령, 폭발이 발생했다 하더라도, 시스템의 2차적 손상을 미연에 방지하는 반도체 장치(300)가 실현된다. 또한, 수지의 도포층(32)을 형성함으로써 하우징(12)이 파괴된 경우에도, 반도체 장치(300)의 조각 등의 비산을 억제하는 것이 가능하게 된다.
(제4 실시 형태)
본 실시 형태의 반도체 장치는, 프레임체 내에 금속제의 망을 구비하는 것 이외에는, 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 따라서, 제1 실시 형태와 중복된 내용에 대해서는 기술을 생략한다.
도 4는 본 실시 형태의 반도체 장치의 하우징의 모식도이다.
본 실시 형태의 반도체 장치는, 하우징(12) 내부에, 금속제의 망(34)을 구비한다. 금속제의 망(34)은, 예를 들어 하우징(12)을 소결에 의해 제조하는 경우에, 하우징(12) 내에 형성된다.
이상, 본 실시 형태에 따르면, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 폭발의 발생을 억제하여, 높은 신뢰성을 갖춘 압접형 반도체 장치가 실현된다. 또한, 가령, 폭발이 발생했다 하더라도, 시스템의 2차적 손상을 미연에 방지하는 반도체 장치가 실현된다. 또한, 금속제의 망(34)을 구비함으로써, 취약부(30) 이외의 부분의 파괴강도가 높아져, 반도체 장치의 신뢰성이 한층 향상된다.
(제5 실시 형태)
본 실시 형태의 반도체 모듈은, 취약부를 갖는 프레임체와, 프레임체의 내측에 배치되고, 제1 면에 제1 전극, 제1 면과 반대측인 제2 면에 제2 전극을 갖는 복수의 반도체 소자와, 제1 면측에 설치되고, 제1 전극과 전기적으로 접속되는 제1 전극 블록과, 제2 면측에 설치되고, 제2 전극과 전기적으로 접속되는 제2 전극 블록을 갖고, 프레임체, 제1 전극 블록 및 제2 전극 블록이 폐공간을 구성하고, 취약부가 이 폐공간에 대향하는 반도체 장치를 복수 구비한다. 그리고, 각각의 취약부의 위치가 한 방향으로 정렬되도록 직렬로 접속된다.
도 5는 본 실시 형태의 반도체 모듈의 모식 측면도이다. 본 실시 형태의 반도체 모듈은, 제1 실시 형태의 반도체 장치(100)가 4개 직렬로 접속된다.
도 5에 도시한 바와 같이, 4개의 반도체 장치(100)가 각각의 취약부(30)의 위치가 한 방향으로 정렬되도록 접속된다. 4개의 반도체 장치(100)는, 예를 들어 도시하지 않은 지지 프레임에 의해, 서로의 전극이 압착되도록 고정된다.
본 실시 형태의 반도체 모듈에서는, 취약부(30)의 위치를 정렬시킴으로써, 어느 반도체 장치(100)가 파괴되었다 하더라도, 파괴의 영향이 발생하는 방향을 한정할 수 있다.
따라서, 미리, 취약부(30)가 존재하는 방향으로, 손상을 받기 쉬운 회로나 부품 등을 배치하지 않는 시스템 설계를 행함으로써, 시스템의 2차적 손상을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 접속되는 반도체 장치(100)의 수는, 4개로 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 2개 또는 3개, 혹은 5개 이상이어도 상관없다.
본 발명의 몇 가지 실시 형태를 설명했지만, 이들 실시 형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하지 않고 있다. 이들 신규 실시 형태는, 그 외의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 예를 들어, 일 실시 형태의 구성 요소를 다른 실시 형태의 구성 요소와 치환 또는 변경해도 된다. 이들 실시 형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허 청구 범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.
10 : 반도체 소자
10a : 제1 전극
10b : 제2 전극
12 : 프레임체
18 : 제1 전극 블록
20 : 제2 전극 블록
30 : 취약부
30a : 구멍
30b : 마개

Claims (5)

  1. 취약부를 갖는 프레임체와,
    상기 프레임체의 내측에 배치되고, 제1 면에 제1 전극, 제1 면과 반대측인 제2 면에 제2 전극을 갖는 복수의 반도체 소자와,
    상기 제1 면측에 설치되고, 상기 제1 전극과 전기적으로 접속되는 제1 전극 블록과,
    상기 제2 면측에 설치되고, 상기 제2 전극과 전기적으로 접속되는 제2 전극 블록
    을 구비하고,
    상기 프레임체, 상기 제1 전극 블록 및 상기 제2 전극 블록은 폐공간을 구성하고, 상기 취약부는 상기 폐공간에 대향하는 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 취약부가, 상기 프레임체에 설치된 구멍과, 상기 구멍을 막는 마개인 반도체 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 마개가 수지인 반도체 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 취약부가, 상기 프레임체의 막 두께가 국소적으로 얇은 부분인 반도체 장치.
  5. 취약부를 갖는 프레임체와, 상기 프레임체의 내측에 배치되고, 제1 면에 제1 전극, 제1 면과 반대측인 제2 면에 제2 전극을 갖는 복수의 반도체 소자와, 상기 제1 면측에 설치되고, 상기 제1 전극과 전기적으로 접속되는 제1 전극 블록과, 상기 제2 면측에 설치되고, 상기 제2 전극과 전기적으로 접속되는 제2 전극 블록을 갖고, 상기 프레임체, 상기 제1 전극 블록 및 상기 제2 전극 블록은 폐공간을 구성하고, 상기 취약부는 상기 폐공간에 대향하는 반도체 장치를 복수 구비하고,
    각각의 취약부의 위치가 한 방향으로 정렬되도록 직렬로 접속되는 반도체 모듈.
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