WO2022201426A1 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

低コストで放熱性に優れた半導体装置を提供する。半導体装置は、ヒートスプレッダ、半導体素子、金属ブロック、端子および封止材を備える。半導体素子は、表面電極を含む。半導体素子は、ヒートスプレッダの上面に実装されている。金属ブロックは、接合面と放熱面とを含む。接合面は、半導体素子の表面電極に接合される。放熱面は、ヒートスプレッダの上面に絶縁部材を介して接続される。金属ブロックは、半導体素子の１つの辺の上方を跨ぐように設けられる。端子は、板形状を有する。端子の第１端は、金属ブロックに接合されている。端子の第２端は、第１端とは反対側に位置し、外部回路に接続可能に形成されている。封止材は、ヒートスプレッダと半導体素子と金属ブロックと端子の第１端とを封止している。端子の第２端は、封止材から露出している。

Description

半導体装置および半導体装置の製造方法

　本開示は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。

　半導体素子がスイッチング動作を行う際、半導体素子の内部抵抗によって熱が発生する。その熱はヒートスプレッダ等を介して冷却器へ放出される。例えば、特許文献１に記載の半導体装置は、半導体素子の表面に接合された金属体であるヒートシンクブロックとそのヒートシンクブロックに接合された上側ヒートシンクとを介して、半導体素子から冷却体への放熱経路を形成している。

特開２００３－２５８１６６号公報

　半導体素子の表面側に形成される放熱経路には、熱を伝え易くかつ熱容量が大きい部品で構成されることが好ましい。その一方で、半導体素子の表面電極に接続される端子は、加工性およびコストの観点から、薄板であることが好ましい。つまり、高い放熱性と低い生産コストを両立させることが困難であった。

　本開示は、上記の課題を解決するため、低コストで放熱性に優れた半導体装置を提供する。

　本開示に係る半導体装置は、ヒートスプレッダ、半導体素子、金属ブロック、端子および封止材を備える。半導体素子は、表面電極を含む。半導体素子は、ヒートスプレッダの上面に実装されている。金属ブロックは、接合面と少なくとも１つの放熱面とを含む。接合面は、半導体素子の表面電極に接合される。少なくとも１つの放熱面は、ヒートスプレッダの上面に絶縁部材を介して接続される。金属ブロックは、半導体素子の少なくとも１つの辺の上方を跨ぐように接合面からその少なくとも１つの放熱面に延伸している。端子は、第１端と第２端とを含む。第１端は、金属ブロックに接合されている。第２端は、第１端とは反対側に位置し、外部回路に接続可能に形成されている。封止材は、ヒートスプレッダと半導体素子と金属ブロックと端子の第１端とを封止している。端子の第２端は、封止材から露出している。

　本開示によれば、低コストで放熱性に優れた半導体装置が提供される。

　本開示の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白になる。

実施の形態１における半導体装置の構成を示す平面図である。 実施の形態１における半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態１における半導体素子の構成を示す平面図である。 実施の形態１における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 実施の形態２における半導体装置の構成を示す平面図である。 実施の形態２における半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態３における半導体装置の構成を示す平面図である。 実施の形態３における半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態４における半導体装置の構成を示す平面図である。 実施の形態４における半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態５における半導体装置の構成を示す平面図である。 実施の形態５における半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態６における半導体装置の構成を示す平面図である。 実施の形態６における半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態７における半導体装置の構成を示す平面図である。 実施の形態７における半導体装置の構成を示す断面図である。

　＜実施の形態１＞
　図１は、実施の形態１における半導体装置１０１の構成を示す平面図である。図２は、その半導体装置１０１の構成を示す断面図である。図２は、図１に示されるＡ－Ａ’における断面を示している。

　半導体装置１０１は、ヒートスプレッダ１、半導体素子２、金属ブロック３、第１主端子４Ａ、第２主端子４Ｂ、信号端子５、金属ワイヤ６、絶縁部材７、封止材８、絶縁シート９を含む。図１は、半導体素子２等の上方を覆う封止材８が透視された状態を示している。以下に示される平面図においても同様である。図２は、半導体装置１０１が放熱グリス１２を介して冷却器１１に実装された状態を示している。また、図２の断面図においては、ヒートスプレッダ１および封止材８のハッチングは、説明の都合上省略している。以下の断面図においても同様である。

　ヒートスプレッダ１は、例えば、金属で形成されている。ヒートスプレッダ１は、その上面に、接合材１５を介して半導体素子２を保持している。接合材１５は、例えば、はんだである。

　半導体素子２は、ヒートスプレッダ１の上面に実装されている。半導体素子２は、例えば、Ｓｉ等の半導体によって、または、ＳｉＣ、ＧａＮ、酸化ガリウム等のいわゆるワイドバンドギャップ半導体によって形成されている。半導体素子２は、パワー半導体素子、そのパワー半導体素子を制御するための制御ＩＣ（Integrated Circuit）等である。半導体素子２は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ショットキーバリアダイオード等である。または、半導体素子２は、ＩＧＢＴおよび還流ダイオードが１つの半導体基板内に形成されたＲＣ－ＩＧＢＴ（Reverse-Conducting IGBT）であってもよい。

　実施の形態１における半導体素子２は、ＩＧＢＴである。図３は、その半導体素子２の構成を示す平面図である。半導体素子２は、チップ状態であり、矩形の平面形状を有する。半導体素子２は、その表面に、表面電極２Ａ、制御電極２Ｂおよび終端領域２Ｃを含む。終端領域２Ｃの内側には、複数のＩＧＢＴセルが配列されたセル領域（図示せず）が設けられている。表面電極２Ａは、ＩＧＢＴのエミッタとして機能する電極パッドである。制御電極２Ｂは、ゲートパッド、エミッタセンスパッド、温度センスパッド等を含む。ゲートパッドは、ＩＧＢＴのゲートとして機能する。制御電極２Ｂは、信号端子５に金属ワイヤ６を介して接続されることから、信号用ワイヤパッドとも言う。終端領域２Ｃは、セル領域の周囲、つまりチップの外周部に設けられる。終端領域２Ｃは、半導体素子２の耐圧保持のための構造であるガードリングを含む。半導体素子２は、その裏面に、裏面電極（図示せず）を含む。裏面電極は、ＩＧＢＴのコレクタとして機能する。裏面電極は、接合材１５を介してヒートスプレッダ１の上面に接合されている。ここでは、裏面電極は、ヒートスプレッダ１の上面に設けられたダイパッド領域（図示せず）に接合される。

　金属ブロック３は、接合面３Ａと放熱面３Ｂとを含む。接合面３Ａおよび放熱面３Ｂは、金属ブロック３の下面に位置する。接合面３Ａは、半導体素子２の表面電極２Ａに接合材１６を介して接合される。接合材１６は、例えば、はんだである。放熱面３Ｂは、ヒートスプレッダ１の上面に絶縁部材７を介して接続される。より詳細には、放熱面３Ｂは絶縁部材７の上面に接触し、絶縁部材７の下面はヒートスプレッダ１の上面に接触している。金属ブロック３は、接合面３Ａと半導体素子２の表面電極２Ａとの接合部から、半導体素子２の１つの辺（図１において右側の辺）を通り越して半導体素子２の外側へ延伸し、下方に屈曲している。つまり、実施の形態１における金属ブロック３は、Ｌ字型の断面形状を有し、半導体素子２の１つの辺の上方を跨ぐように設けられている。

　金属ブロック３は、熱伝導率が高い材料で形成され、かつ、熱容量が大きい方が好ましい。金属ブロック３は、例えば、銅または銅を含む合金で形成されることが好ましい。銅または銅を含む合金は、はんだとの接合性が良い。銅または銅を含む合金で形成された金属ブロック３は、組み立て性に優れる。金属ブロック３は、線膨張係数が７ｐｐｍ／℃以上、１２ｐｐｍ／℃以下の材料で形成されることが好ましい。金属ブロック３の厚みは、例えば、２ｍｍ程度であることが好ましい。

　金属ブロック３は、接合面３Ａに貫通孔３Ｃを含む。貫通孔３Ｃは、金属ブロック３の上面と下面との間を貫通している。貫通孔３Ｃは、接合面３Ａのおおよそ中央に設けられている。言い換えると、平面視において、貫通孔３Ｃは、接合面３Ａと半導体素子２の表面電極２Ａとの接合部のおおよそ中央に設けられている。

　絶縁部材７は、エミッタおよびコレクタ間に印加される電圧に対して、必要な絶縁耐圧を確保する。絶縁部材７の厚みは、金属ブロック３からヒートスプレッダ１へ熱が効率的に伝わるように薄い方が好ましい。すなわち、絶縁部材７は、絶縁耐圧が確保される限り薄い方がよい。

　第１主端子４Ａは、板形状を有する。第１主端子４Ａは、一端と、その一端とは反対側に位置する他端とを含む。第１主端子４Ａの一端は、金属ブロック３の上面に接合材１７を介して接合される。接合材１７は、例えば、はんだである。第１主端子４Ａの他端は、封止材８の外部に導出されている。第１主端子４Ａの他端は、外部回路に接続可能に形成されている。第１主端子４Ａは、金属ブロック３を介して半導体素子２の表面電極２Ａに接続されたエミッタである。第１主端子４Ａは一端と他端との間に屈曲部を有する。

　第２主端子４Ｂは、板形状を有する。第２主端子４Ｂは、一端と、その一端とは反対側に位置する他端とを含む。第２主端子４Ｂの一端は、ヒートスプレッダ１の上面に接合材（図１４に示される接合材１８）を介して接合される。接合材１８は、例えば、はんだである。第２主端子４Ｂの他端は、封止材８の外部に導出されている。第２主端子４Ｂの他端は、外部回路に接続可能に形成されている。第２主端子４Ｂは、ヒートスプレッダ１を介して半導体素子２の裏面電極に接続されたコレクタである。第２主端子４Ｂは一端と他端との間に屈曲部を有する。

　信号端子５は、板形状を有する。信号端子５は、一端と、その一端とは反対側に位置する他端とを含む。信号端子５の一端は、金属ワイヤ６を介して制御電極２Ｂに接合される。金属ワイヤ６は、例えば、アルミワイヤである。信号端子５の他端は、封止材８の外部に導出されている。信号端子５の他端は、外部回路に接続可能に形成されている。信号端子５は一端と他端との間に屈曲部を有する。

　第１主端子４Ａ、第２主端子４Ｂおよび信号端子５は、例えば、銅または銅を含む合金で形成されることが好ましい。第１主端子４Ａ、第２主端子４Ｂおよび信号端子５は、金属ブロック３よりも薄い。第１主端子４Ａ、第２主端子４Ｂおよび信号端子５の厚みは、例えば、１ｍｍ以下であることが好ましい。第１主端子４Ａ、第２主端子４Ｂおよび信号端子５が金属ブロック３よりも薄いことから、半導体装置１０１の製造工程において、切断または曲げ加工が容易である。

　絶縁シート９は、ヒートスプレッダ１の下面に取り付けられている。絶縁シート９は、絶縁層９Ａと銅箔９Ｂとが一体化された構成を有する。絶縁層９Ａの厚みは、０．２ｍｍ程度である。銅箔９Ｂの厚みは、０．１ｍｍ程度である。

　封止材８は、ヒートスプレッダ１、半導体素子２、金属ブロック３、第１主端子４Ａの一端、第２主端子４Ｂの一端、金属ワイヤ６、信号端子５の一端および絶縁シート９の上面側を封止している。絶縁シート９の銅箔９Ｂの下面、第１主端子４Ａの他端、第２主端子４Ｂの他端および信号端子５の他端は、封止材８から露出している。封止材８は、例えば、モールド樹脂である。電力制御用のＩＧＢＴにおいては、エミッタとコレクタとの間に高い電圧が印加される。ＩＧＢＴの耐圧は、モールド樹脂および終端領域２Ｃのガードリングによって確保される。

　冷却器１１は、放熱グリス１２を介して半導体装置１０１に取り付けられている。放熱グリス１２は、絶縁シート９の銅箔９Ｂと冷却器１１との間に生じ得る微小な空間を埋めている。放熱グリス１２によって、絶縁シート９と冷却器１１との間において熱が伝わり易くなる。冷却器１１は、半導体素子２にて発生する熱を外部に放出する。

　次に実施の形態１における半導体装置１０１の製造方法を説明する。図４は、半導体装置１０１の製造方法を示すフローチャートである。

　ステップＳ１にて、半導体素子２が、ヒートスプレッダ１の上面に、接合材１５を介して実装される。

　ステップＳ２にて、金属ブロック３が、半導体素子２およびヒートスプレッダ１に対して所定の位置に載置される。その際、金属ブロック３の接合面３Ａの位置は、半導体素子２の表面電極２Ａの上方に合わせられる。より詳細には、平面視において、金属ブロック３の貫通孔３Ｃの位置が、半導体素子２の表面電極２Ａの中央付近に合わせられる。金属ブロック３の放熱面３Ｂの位置は、ヒートスプレッダ１の上面に設けられた絶縁部材７の上方に合わせられる。絶縁部材７は、予めヒートスプレッダ１の上面の所定の位置に設けられていてもよいし、このステップＳ２にて金属ブロック３とヒートスプレッダ１の間に挿入されてもよい。同様に、第１主端子４Ａ、第２主端子４Ｂおよび信号端子５が一体化されたリードフレームが、金属ブロック３およびヒートスプレッダ１に対して所定の位置に載置される。各部品の位置決めには、治具が用いられる。治具によって、金属ブロック３と半導体素子２との位置関係が一時的に固定された際、金属ブロック３の接合面３Ａと半導体素子２の表面電極２Ａとの間には、隙間が形成される。

　各部品が位置決めされた後、ヒートスプレッダ１、半導体素子２、金属ブロック３およびリードフレームにおけるそれぞれの接合箇所が接合材によって接合される。つまり、金属ブロック３が接合材１６によって半導体素子２に接合され、第１主端子４Ａが接合材１７によって金属ブロック３に接合され、第２主端子４Ｂが接合材１８によってヒートスプレッダ１に接合される。金属ブロック３と半導体素子２との接合工程においては、貫通孔３Ｃから溶融した接合材１６が供給される。接合材１６は、接合面３Ａと表面電極２Ａとの隙間に広がる。接合材１６は、例えば、はんだである。これにより、金属ブロック３が半導体素子２の１つの辺の上方を跨ぐように固定される。

　ステップＳ３にて、金属ワイヤ６が信号端子５と制御電極２Ｂとに超音波接合される。この工程は、いわゆるワイヤボンディング工程である。

　ステップＳ４にて、ヒートスプレッダ１、半導体素子２、金属ブロック３、第１主端子４Ａの一端、第２主端子４Ｂの一端、金属ワイヤ６、信号端子５の一端および絶縁シート９の上面側が、モールド金型のキャビティにセットされる。樹脂ペレットがポットにセットされる。溶融した樹脂が、プランジャーによって、ポットから加熱された金型に押し出される。樹脂は、ランナーを通って金型の注入用ゲートからキャビティに流れ込む。その後、樹脂が硬化し、ヒートスプレッダ１、半導体素子２、金属ブロック３、第１主端子４Ａの一端、第２主端子４Ｂの一端、金属ワイヤ６、信号端子５の一端および絶縁シート９の上面側が、封止される。その樹脂が封止材８に対応する。

　ステップＳ５にて、注入用ゲート部分で硬化した不要な樹脂が切り落とされ、パッケージが形成される。さらに、リードフレームの結合部が切断され、第１主端子４Ａ、第２主端子４Ｂおよび信号端子５が互いに分離される。第１主端子４Ａ、第２主端子４Ｂおよび信号端子５には、それぞれ所定の形状に曲げ加工が施される。以上で、半導体装置１０１が完成する。

　次に実施の形態１における半導体装置１０１の動作を説明する。第１主端子４Ａの他端および第２主端子４Ｂの他端は、それぞれバスバー（図示せず）に接続される。

　信号端子５からゲートパッドを介してＩＧＢＴのゲートとエミッタとの間に電圧が印加された場合、ＩＧＢＴが駆動する。すなわち、コレクタ側のバスバーから、第２主端子４Ｂ、ヒートスプレッダ１、半導体素子２、金属ブロック３、第１主端子４Ａ、エミッタ側のバスバーの順に電流が流れる。その際、半導体素子２の内部抵抗により熱が発生する。実施の形態１における半導体装置１０１は、その熱を半導体素子２の裏面からヒートスプレッダ１、絶縁シート９および放熱グリス１２を介して冷却器１１へ放出するだけでなく、半導体素子２の表面から金属ブロック３、絶縁部材７、ヒートスプレッダ１、絶縁シート９および放熱グリス１２を介して冷却器１１へ放出する。

　金属ブロック３は、熱を伝える機能および熱を溜める機能を有するため、高い熱伝導率を有する材料で形成されることが好ましく、また、金属ブロック３の熱容量は大きいことが好ましい。そのため、金属ブロック３は厚い方が好ましい。一方で、第１主端子４Ａは、半導体装置１０１の製造工程において、切断または曲げ加工が施されることから、金属ブロック３よりも薄いことが好ましい。金属ブロック３と第１主端子４Ａとが、一体の部品である場合、その一体の部品は、厚い部分と薄い部分とを有する。つまり、その部品は特殊かつ複雑な形状を有することから、生産コストが上昇する。一方で、半導体装置が金属ブロック３を備えない場合、半導体素子２で発生する熱は、薄板形状を有する第１主端子４Ａを介しても放出されるが、十分な放熱効果は期待できない。

　実施の形態１における金属ブロック３と第１主端子４Ａとは、互いに別の部品である。半導体装置１０１は、熱容量を大きくするため、第１主端子４Ａよりも厚い金属ブロック３を備え、加工性を良くするため、金属ブロック３よりも薄い第１主端子４Ａを備える。したがって、高い放熱性および低い生産コストの両方が達成される。

　電気自動車、ハイブリッド車などの電動車には、インバータ回路が備えられている。３相モータを駆動させるインバータ回路は、６個の半導体装置１０１が組み合わされた構成を有する。インバータ回路は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により、３相モータの回転数などを制御する。電動車が縁石に乗り上げるなど、モータが一時的にロックされる場合がある。この際、大電流が半導体素子２に流れる。大電流が流れる時間は、１秒以下程度の短い時間であるものの、半導体素子２で発生する熱量は大きい。

　実施の形態１における半導体装置１０１においては、その熱は半導体素子２の裏面からヒートスプレッダ１、絶縁シート９および放熱グリス１２を介して冷却器１１へ放出されるだけでなく、半導体素子２の表面から金属ブロック３、絶縁部材７、ヒートスプレッダ１、絶縁シート９および放熱グリス１２を介して冷却器１１へ放出される。そのため、高い放熱性が実現される。

　まとめると、実施の形態１における半導体装置１０１は、ヒートスプレッダ１、半導体素子２、金属ブロック３、第１主端子４Ａおよび封止材８を備える。半導体素子２は、表面電極２Ａを含む。半導体素子２は、ヒートスプレッダ１の上面に実装されている。金属ブロック３は、接合面３Ａと少なくとも１つの放熱面３Ｂとを含む。接合面３Ａは、半導体素子２の表面電極２Ａに接合される。少なくとも１つの放熱面３Ｂは、ヒートスプレッダ１の上面に絶縁部材７を介して接続される。金属ブロック３は、半導体素子２の少なくとも１つの辺の上方を跨ぐように接合面３Ａから少なくとも１つの放熱面３Ｂに延伸している。第１主端子４Ａは、第１端と第２端とを含む。第１端は、金属ブロック３に接合されている。第２端は、第１端とは反対側に位置し、外部回路に接続可能に形成されている。封止材８は、ヒートスプレッダ１と半導体素子２と金属ブロック３と第１主端子４Ａの第１端とを封止している。第１主端子４Ａの第２端は、封止材８から露出している。

　このような半導体装置１０１は、高い放熱性と低い生産コストとを両立する。半導体装置１０１は、電気自動車や電車等のモータを制御するインバータ回路、または回生用のコンバータ回路に使用される。

　また、実施の形態１における金属ブロック３は、接合面３Ａに貫通孔３Ｃを含む。金属ブロック３が銅または銅を含む合金で形成され、半導体素子２がＳｉで形成された場合、金属ブロック３の線膨張係数と半導体素子２の線膨張係数との差は大きい。金属ブロック３と半導体素子２との接合にリフロー工程が適用された場合、温度変化に伴う応力は大きい。接合材１６が板状のはんだおよびクリーム状のはんだのいずれであっても、リフロー工程の前後ではんだの厚みが変化する。実施の形態１においては、金属ブロック３の貫通孔３Ｃから溶融したはんだが供給される。そのため、接合材１６の厚みは、隙間の幅に一致し、一定値にコントロールされる。そのため、高い信頼性を有する半導体装置１０１が実現される。

　さらに、線膨張係数が７ｐｐｍ／℃以上、１２ｐｐｍ／℃以下の材料で金属ブロック３が形成されることにより、接合工程などの加熱の際のチップへの応力が小さくなる。そのため、半導体装置１０１の信頼性が向上する。

　熱伝導率が高いＳｉＣで半導体素子２が形成される場合、放熱性が向上するため、半導体素子２のサイズを小さくすることが可能である。

　＜実施の形態２＞
　実施の形態２における半導体装置および半導体装置の製造方法を説明する。実施の形態２において、実施の形態１と同様の構成要素には、同一の参照符号を付し、それらの詳細な説明は省略する。

　図５は、実施の形態２における半導体装置１０２の構成を示す平面図である。図６は、その半導体装置１０２の構成を示す断面図である。図６は、図５に示されるＢ－Ｂ’における断面を示している。

　金属ブロック３は、複数の放熱面３Ｂを含む。複数の放熱面３Ｂは、金属ブロック３の下面に位置する。ここでは、金属ブロック３は、第１放熱面３１Ｂと第２放熱面３２Ｂとを含む。第１放熱面３１Ｂおよび第２放熱面３２Ｂは、それぞれ絶縁部材７を介してヒートスプレッダ１の上面に接続されている。金属ブロック３の接合面３Ａは、第１放熱面３１Ｂと第２放熱面３２Ｂとの間に位置している。

　金属ブロック３は、接合面３Ａと半導体素子２の表面電極２Ａとの接合部から半導体素子２の第１辺（図５において上側の辺）を通り越して半導体素子２の外側へ延伸し、下方に屈曲している。その下方に屈曲した部分の下面が第１放熱面３１Ｂである。また金属ブロック３は、その接合部から半導体素子２の第１辺に対向する第２辺（図５において下側の辺）を通り越して半導体素子２の外側へ延伸し、下方に屈曲している。その屈曲した部分の下面が第２放熱面３２Ｂである。実施の形態２における金属ブロック３は、Ｕ字型の断面形状を有し、半導体素子２の２つの辺の上方を跨ぐように設けられている。

　絶縁部材７は、ヒートスプレッダ１の上面に形成された絶縁樹脂膜である。絶縁樹脂膜は、半導体素子２の裏面電極が接合されるダイパッド領域と第２主端子４Ｂが接合される端子接合領域（図示せず）とを除いた領域に形成されている。

　実施の形態２における半導体装置１０２の製造方法は、実施の形態１における製造方法と同様である。ただし、ステップＳ１において、ダイパッド領域および端子接合領域を除く領域に絶縁樹脂膜が予めコーティングされたヒートスプレッダ１が準備される。半導体素子２がそのヒートスプレッダ１のダイパッド領域に実装される。この際、ダイパッド領域は絶縁樹脂膜で囲われているため、はんだがダイパッド領域の周辺に流れ出ることがない。ステップＳ２において、金属ブロック３の接合面３Ａが半導体素子２の表面電極２Ａに接合され、かつ、第１放熱面３１Ｂおよび第２放熱面３２Ｂが絶縁樹脂膜を介してヒートスプレッダ１に接続される。

　このような半導体装置１０２においては、金属ブロック３が複数の放熱面３Ｂを有することから放熱性が向上する。例えば、ＩＧＢＴのチップ温度分布が平準化される。

　金属ブロック３の放熱面３Ｂが薄い絶縁樹脂膜を介してヒートスプレッダ１の上面に近接するため、良好な放熱性が得られる。さらに、絶縁樹脂膜の厚みは高い均一性を有することから、各放熱面３Ｂにおいて、均一な放熱性が実現される。実施の形態１のように、絶縁部材７を挿入する必要がないため、生産性が向上する。

　実施の形態２においては、金属ブロック３が半導体素子２の２つの辺の外側へ延伸する半導体装置１０２の例が示された。金属ブロック３は半導体素子２の３つの辺の外側へ延伸してもよい。３つの放熱面３Ｂが設けられることで、放熱性がさらに向上する。

　＜実施の形態３＞
　実施の形態３における半導体装置および半導体装置の製造方法を説明する。実施の形態３において、実施の形態１または２と同様の構成要素には、同一の参照符号を付し、それらの詳細な説明は省略する。

　図７は、実施の形態３における半導体装置１０３の構成を示す平面図である。図８は、その半導体装置１０３の構成を示す断面図である。図８は、図７に示されるＣ－Ｃ’における断面を示している。

　金属ブロック３は、凹部３Ｄを含む。凹部３Ｄは、金属ブロック３の下面に設けられる。凹部３Ｄは、接合面３Ａに対して金属ブロック３の下面から上面の方向に凹んでいる。

　凹部３Ｄは、接合面３Ａと半導体素子２の表面電極２Ａとが接合された接合部よりも外側に設けられる。実施の形態３における凹部３Ｄは、半導体素子２の終端領域２Ｃの上方つまりガードリングの上方に設けられた溝である。溝の延伸方向は、ガードリングの延伸方向に対応している。

　半導体装置１０３の製造方法は、実施の形態１における製造方法と同様である。ステップＳ４において、樹脂が金型内に注入される際、金属ブロック３の溝は、ガードリングの上方における樹脂の流動性を向上させる。そのため、気泡の発生が抑えられ、絶縁性が向上する。このような半導体装置１０３は、ガードリングの耐圧の低下を防止する。

　＜実施の形態４＞
　実施の形態４における半導体装置および半導体装置の製造方法を説明する。実施の形態４において、実施の形態１から３のいずれかと同様の構成要素には、同一の参照符号を付し、それらの詳細な説明は省略する。

　図９は、実施の形態４における半導体装置１０４の構成を示す平面図である。図１０は、その半導体装置１０４の構成を示す断面図である。図１０は、図９に示されるＤ－Ｄ’における断面を示している。

　金属ブロック３は、実施の形態３と同様に、凹部３Ｄとして、ガードリングの上方に設けられた溝を含む。実施の形態４における金属ブロック３は、その溝の底部と金属ブロック３の上面との間を貫通する孔３Ｅを含む。

　半導体装置１０４の製造方法、実施の形態１における製造方法と同様である。ステップＳ４において、樹脂が金型内に注入される際、孔３Ｅから容易に気泡が抜ける。このような半導体装置１０４は、ガードリングの耐圧の低下を防止する。

　＜実施の形態５＞
　実施の形態５における半導体装置および半導体装置の製造方法を説明する。実施の形態５において、実施の形態１から４のいずれかと同様の構成要素には、同一の参照符号を付し、それらの詳細な説明は省略する。

　図１１は、実施の形態５における半導体装置１０５の構成を示す平面図である。図１２は、その半導体装置１０５の構成を示す断面図である。図１２は、図１１に示されるＥ－Ｅ’における断面を示している。

　ヒートスプレッダ１の上面と金属ブロック３の放熱面３Ｂとの間の絶縁部材７が、封止材８である。すなわち、絶縁部材７は、モールド樹脂で形成される。金属ブロック３からヒートスプレッダ１への放熱性を向上させるため、放熱面３Ｂとヒートスプレッダ１との間のモールド樹脂は、必要な絶縁耐圧が確保される限り薄い方がよい。

　半導体装置１０５の製造方法、実施の形態１における製造方法と同様である。ただし、ステップＳ２において、ヒートスプレッダ１の上面と金属ブロック３の放熱面３Ｂとの間に隙間が形成された状態で、金属ブロック３等が接合される。つまり、ステップＳ２の完了後、ヒートスプレッダ１の上面と金属ブロック３の放熱面３Ｂとの間には、絶縁部材７は存在しない。ステップＳ４において、樹脂が、金属ブロック３の放熱面３Ｂとヒートスプレッダ１の上面との隙間に流し込まれ、絶縁部材７が形成される。

　金属ブロック３の放熱面３Ｂとヒートスプレッダ１の上面との隙間に注入されたモールド樹脂は、金属ブロック３とヒートスプレッダ１のとの絶縁機能、および、金属ブロック３からヒートスプレッダ１への放熱機能の両方を実現する。実施の形態１に示された絶縁部材７および実施の形態２に示された絶縁樹脂膜が不要となるため、低コスト化が実現される。

　＜実施の形態６＞
　実施の形態６における半導体装置および半導体装置の製造方法を説明する。実施の形態６において、実施の形態１から５のいずれかと同様の構成要素には、同一の参照符号を付し、それらの詳細な説明は省略する。

　図１３は、実施の形態６における半導体装置１０６の構成を示す平面図である。図１４は、その半導体装置１０６の構成を示す断面図である。図１４は、図１３に示されるＦ－Ｆ’における断面を示している。半導体装置１０６の製造方法は、実施の形態１における製造方法と同様である。ステップＳ５において、樹脂は、２つの注入用ゲート８Ａから注入される。図１３および図１４は、その注入用ゲート８Ａ内で硬化した樹脂が切り落とされる前の状態の半導体装置１０６を示している。

　金属ブロック３は、放熱面３Ｂの端部に斜面３Ｆを有する。

　半導体装置１０６の製造方法のステップＳ４において、樹脂を注入するための注入用ゲート８Ａが、金属ブロック３の放熱面３Ｂとヒートスプレッダ１の上面との隙間の横方向に設けられている。その注入用ゲート８Ａの高さは、ヒートスプレッダ１の上面の高さにおおよそ一致している。樹脂は、その注入用ゲート８Ａを介して金型のキャビティに充填される。

　金属ブロック３の放熱面３Ｂからヒートスプレッダ１へ効率良く熱を伝えるには、放熱面３Ｂとヒートスプレッダ１の上面との隙間は狭い方が好ましい。しかし、樹脂は粘性を有することから、狭い空間には充填されにくい。隙間が狭過ぎる場合、樹脂がその隙間に充填されず、ＩＧＢＴのコレクタとエミッタとがショートする。実施の形態６においては、注入用ゲート８Ａがヒートスプレッダ１の上面と略同一高さに設けられる。注入用ゲート８Ａから注入される樹脂は、ヒートスプレッダ１の上面に沿って流れ、さらには金属ブロック３の斜面３Ｆに誘導されて、その隙間に効率よく充填される。その結果、絶縁性の確保と放熱性の向上の両方を達成する半導体装置１０６が実現される。金属ブロック３が斜面３Ｆに代えて湾曲面を備える場合であっても、同様の効果を奏する。

　＜実施の形態７＞
　実施の形態７における半導体装置および半導体装置の製造方法を説明する。実施の形態７において、実施の形態１から６のいずれかと同様の構成要素には、同一の参照符号を付し、それらの詳細な説明は省略する。

　図１５は、実施の形態７における半導体装置１０７の構成を示す平面図である。図１６は、その半導体装置１０７の構成を示す断面図である。図１６は、図１５に示されるＧ－Ｇ’における断面を示している。図１５は、実施の形態６と同様に、注入用ゲート８Ａ内で硬化した樹脂が切り落とされる前の状態の半導体装置１０７を示している。

　金属ブロック３は、放熱面３Ｂに複数の細溝３Ｇを含む。それら筋状の細溝３Ｇの延伸方向は、注入用ゲート８Ａから、金属ブロック３の放熱面３Ｂとヒートスプレッダ１の上面との隙間へ向かう方向である。言い換えると、細溝３Ｇが延伸する先には注入用ゲート８Ａが設けられている。注入用ゲート８Ａから注入される樹脂は、筋状の細溝３Ｇを伝って充填されるため、充填性がさらに向上する。

　本開示は、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

　１　ヒートスプレッダ、２　半導体素子、２Ａ　表面電極、２Ｂ　制御電極、２Ｃ　終端領域、３　金属ブロック、３Ａ　接合面、３Ｂ　放熱面、３Ｃ　貫通孔、３Ｄ　凹部、３Ｅ　孔、３Ｆ　斜面、３Ｇ　細溝、４Ａ　第１主端子、４Ｂ　第２主端子、５　信号端子、６　金属ワイヤ、７　絶縁部材、８　封止材、８Ａ　注入用ゲート、９　絶縁シート、９Ａ　絶縁層、９Ｂ　銅箔、１１　冷却器、１２　放熱グリス、１５　接合材、１６　接合材、１７　接合材、３１Ｂ　第１放熱面、３２Ｂ　第２放熱面、１０１～１０７　半導体装置。

Claims (16)

1. 　ヒートスプレッダと、
   　表面電極を含み、前記ヒートスプレッダの上面に実装された半導体素子と、
   　前記半導体素子の前記表面電極に接合される接合面と、前記ヒートスプレッダの前記上面に絶縁部材を介して接続される少なくとも１つの放熱面と、を含み、前記半導体素子の少なくとも１つの辺の上方を跨ぐように前記接合面から前記少なくとも１つの放熱面に延伸する金属ブロックと、
   　前記金属ブロックに接合される第１端と、前記第１端とは反対側に位置し外部回路に接続可能に形成された第２端と、を含む端子と、
   　前記ヒートスプレッダと前記半導体素子と前記金属ブロックと前記端子の前記第１端とを封止している封止材と、を備え、
   　前記端子の前記第２端は、前記封止材から露出している、半導体装置。
2. 　前記金属ブロックは、前記接合面に貫通孔を含む、請求項１に記載の半導体装置。
3. 　前記絶縁部材は、前記ヒートスプレッダの前記上面に設けられた絶縁樹脂膜である、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 　前記少なくとも１つの放熱面は、複数の放熱面であり、
   　前記接合面は、前記複数の放熱面の間に位置して、前記表面電極に接合されており、
   　前記金属ブロックは、前記半導体素子の複数の辺の上方を跨ぐように前記接合面から前記複数の放熱面に延伸している、請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 　前記金属ブロックは、前記接合面と前記表面電極とが接合された接合部よりも外側に凹部を含み、
   　前記凹部は、前記接合面に対して前記金属ブロックの下面から前記上面の方向に凹んでいる、請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 　前記金属ブロックは、前記凹部の底部と前記金属ブロックの前記上面との間を貫通する孔を含む、請求項５に記載の半導体装置。
7. 　前記金属ブロックは、線膨張係数が７ｐｐｍ／℃以上、１２ｐｐｍ／℃以下の材料で形成される、請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 　前記半導体素子は、ＳｉＣで形成されている、請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
9. 　ヒートスプレッダと、
   　表面電極を含み、前記ヒートスプレッダの上面に実装された半導体素子と、
   　前記半導体素子の前記表面電極に接合される接合面と、前記ヒートスプレッダの前記上面に絶縁部材を介して接続される少なくとも１つの放熱面と、を含み、前記半導体素子の少なくとも１つの辺の上方を跨ぐように前記接合面から前記少なくとも１つの放熱面に延伸する金属ブロックと、
   　前記ヒートスプレッダと前記半導体素子と前記金属ブロックとを封止している封止材と、を備え、
   　前記絶縁部材は、前記封止材である、半導体装置。
10. 　前記金属ブロックは、前記放熱面に複数の細溝を含み、
    　前記複数の細溝の延伸方向は、一方向に揃っている、請求項９に記載の半導体装置。
11. 　前記金属ブロックは、前記放熱面の端部に斜面または湾曲面を有する、請求項９または請求項１０に記載の半導体装置。
12. 　前記金属ブロックは、線膨張係数が７ｐｐｍ／℃以上、１２ｐｐｍ／℃以下の材料で形成される、請求項９から請求項１１のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
13. 　前記半導体素子は、ＳｉＣで形成されている、請求項９から請求項１２のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
14. 　ヒートスプレッダの上面に半導体素子を実装する工程と、
    　前記半導体素子の少なくとも１つの辺の上方を跨ぐように金属ブロックを固定する工程と、を備え、
    　前記金属ブロックを固定する工程は、
    　前記金属ブロックの接合面を前記半導体素子の表面電極に接合する工程と、
    　前記金属ブロックの放熱面を前記ヒートスプレッダの前記上面に絶縁部材を介して接続する工程と、を含み、
    　前記金属ブロックの前記放熱面を接続する工程は、
    　前記ヒートスプレッダと前記半導体素子と前記金属ブロックとを封止するための封止材を、前記絶縁部材として、前記金属ブロックの前記放熱面と前記ヒートスプレッダの前記上面との隙間に注入する工程を、含み、
    　前記封止材は、前記金属ブロックの前記放熱面と前記ヒートスプレッダの前記上面との前記隙間の横方向に設けられた注入用ゲートを介して注入される、半導体装置の製造方法。
15. 　前記注入用ゲートの高さは、前記ヒートスプレッダの前記上面の高さに一致している、請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
16. 　前記金属ブロックは、前記放熱面に複数の細溝を含み、
    　前記複数の細溝の延伸方向は、前記注入用ゲートから前記隙間に向かう方向である、請求項１４または請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。

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