(57)【要約】【課題】ヒートスプレッダの放熱性能を低下させずに、絶縁信頼性を確保した半導体パワーモジュールを得ること。【解決手段】凸状の半導体素子実装部を一方の面に設けたヒートスプレッダと、半導体素子実装部の面である半導体素子搭載面に固定された半導体素子と、半導体素子実装部を取り囲んで、ヒートスプレッダの一方の面を覆う熱膨張抑止材と、半導体素子、および熱膨張抑止材を包む封止樹脂とを備え、熱膨張抑止材は、ヒートスプレッダよりも熱膨張係数が低い材料で形成された。【選択図】図３
2020202298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸状の半導体素子実装部を一方の面に設けたヒートスプレッダと、
前記半導体素子実装部の面である半導体素子搭載面に固定された半導体素子と、
前記半導体素子実装部を取り囲んで、前記ヒートスプレッダの一方の面を覆う熱膨張抑止材と、
前記半導体素子、および前記熱膨張抑止材を包む封止樹脂と、を備え、
前記熱膨張抑止材は、前記ヒートスプレッダよりも熱膨張係数が低い材料で形成されていることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項２】
前記熱膨張抑止材は、前記封止樹脂よりも熱膨張係数が低い材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項３】
前記熱膨張抑止材は、前記封止樹脂よりも弾性率が低い材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項４】
前記ヒートスプレッダの前記熱膨張抑止材に覆われた面である熱膨張抑止材搭載面に対して、前記半導体素子実装部の側面が垂直であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項５】
前記半導体素子実装部の側面が多段に形成されたことを特徴とする請求項４に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項６】
前記半導体素子実装部の側面と前記ヒートスプレッダの前記熱膨張抑止材に覆われた面である熱膨張抑止材搭載面の成す角は鈍角に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項７】
前記半導体素子実装部の側面と前記ヒートスプレッダの前記熱膨張抑止材に覆われた面である熱膨張抑止材搭載面の成す角は鋭角に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項８】
前記半導体素子実装部の側面は、前記半導体素子搭載面の外周から前記ヒートスプレッダの端部まで傾斜した傾斜面であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項９】
前記半導体素子の側面から前記半導体素子実装部の側面までの距離は、０よりも大きく１ｍｍよりも小さい値であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１０】
前記半導体素子実装部の側面から前記ヒートスプレッダの側面に向かう方向の前記熱膨張抑止材の幅は、１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１１】
前記熱膨張抑止材の厚みの最大値が前記半導体素子実装部の凸状の高さの値よりも大きい又は小さいことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１２】
前記熱膨張抑止材を前記半導体素子搭載面の外周部を覆うように設けたことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１３】
前記熱膨張抑止材と前記半導体素子実装部とが離間していることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１４】
前記熱膨張抑止材を前記ヒートスプレッダの端部を覆うように設けたことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１５】
前記ヒートスプレッダの一方の面に、前記熱膨張抑止材に満たされた第１の溝が設けられ、前記半導体素子実装部は前記第１の溝に取り囲まれていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１６】
前記第１の溝の外側に前記第１の溝を取り囲む前記熱膨張抑止材に満たされた１以上の第２の溝を設けたことを特徴とする請求項１５に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１７】
前記ヒートスプレッダの他方の面に絶縁層を設けたことを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１８】
前記熱膨張抑止材は、シート状の繊維体に熱硬化性樹脂を含浸させた材料で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１９】
前記熱膨張抑止材は、金属材料又は熱硬化性樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項２０】
前記半導体素子の材料は炭化ケイ素であることを特徴とする請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、半導体パワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子を搭載した半導体パワーモジュールとして、半導体素子をエポキシ樹脂などの熱硬化樹脂で封止したトランスファーモールド型の半導体パワーモジュール、および半導体素子をゲル状の樹脂で封止したゲル封止型の半導体パワーモジュールが用いられている。特にトランスファーモールド型の半導体パワーモジュールは、小型で信頼性に優れているため、電力制御などに広く用いられている。
【０００３】
半導体パワーモジュールの小型化および大容量化に伴い、半導体素子で発生した熱を効率よく放熱するために、従来の半導体パワーモジュールには熱伝導性に優れた金属で作製されたヒートスプレッダが設けられている。例えば、半導体素子がはんだ等で接合された銅製のヒートスプレッダを樹脂で封止した半導体パワーモジュールが開示されている。半導体パワーモジュールのさらなる大容量化に伴い、半導体素子の発熱量も増加するが、従来以上に厳しい温度環境下においても動作することが半導体パワーモジュールに要求されている。半導体素子とヒートスプレッダの熱膨張係数の違いから、封止樹脂に及ぼす伸縮量の差が原因となり、特に温度サイクル時において半導体素子と封止樹脂の界面では応力が増加する。応力が増加した結果、半導体素子の端部付近において封止樹脂の剥離、および封止樹脂のクラックが発生し、半導体パワーモジュールの絶縁性能の低下を招くという課題が生じていた。
【０００４】
この課題を解決するために、ヒートスプレッダの材料に、高熱伝導度を有するＡｌ、Ｃｕ、Ｚｎ等の金属材料と、粉状、繊維状あるいは多孔状の熱膨張抑止材との混合体、または低熱膨張係数を有するＦｅ−Ｎｉ合金とＣｕの混合体を用いて、ヒートスプレッダと半導体素子の熱膨張係数の差に起因した封止樹脂の剥離、および封止樹脂のクラックを抑制したトランスファーモールド型の半導体パワーモジュールが開示されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２６８１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１においては、ヒートスプレッダと半導体素子の熱膨張係数の差に起因した封止樹脂の剥離、および封止樹脂のクラックを抑制することはできる。しかしながら、ヒートスプレッダは熱膨張抑止材などが含まれた混合体であるため、半導体素子で発生した熱の拡散が熱膨張抑抑止材などにより阻害され、ヒートスプレッダの放熱性能が低下するという課題があった。
【０００７】
本願は前記のような課題を解決するためになされたものであり、ヒートスプレッダの放熱性能を低下させずに、絶縁信頼性を確保した半導体パワーモジュールを得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願に開示される半導体パワーモジュールは、凸状の半導体素子実装部を一方の面に設けたヒートスプレッダと、半導体素子実装部の面である半導体素子搭載面に固定された半導体素子と、半導体素子実装部を取り囲んで、ヒートスプレッダの一方の面を覆う熱膨張抑止材と、半導体素子、および熱膨張抑止材を包む封止樹脂とを備え、熱膨張抑止材は、ヒートスプレッダよりも熱膨張係数が低い材料で形成されるものである。
【発明の効果】
【０００９】
本願に開示される半導体パワーモジュールによれば、ヒートスプレッダの放熱性能を低下させずに、半導体パワーモジュールの絶縁信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの外観を示す平面図である。
【図２】実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの内部を模式的に示した平面図である。
【図３】図２の一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図である。
【図４】図２の一点鎖線Ｂ−Ｂにおける断面図である。
【図５】図４の点線で囲まれた部分を拡大して模式的に示した断面図である。
【図６】実施の形態２に係る半導体パワーモジュールの内部を模式的に示した断面図である。
【図７】図６の点線で囲まれた部分を拡大して模式的に示した断面図である。
【図８】実施の形態３に係る半導体パワーモジュールの内部を模式的に示した断面図である。
【図９】図８の点線で囲まれた部分を拡大して模式的に示した断面図である。
【図１０】実施の形態４に係る半導体パワーモジュールの内部を模式的に示した断面図である。
【図１１】図１０の点線で囲まれた部分を拡大して模式的に示した断面図である。
【図１２】実施の形態５に係る半導体パワーモジュールの内部を模式的に示した断面図である。
【図１３】図１２の点線で囲まれた部分を拡大して模式的に示した断面図である。
【図１４】実施の形態６に係る半導体パワーモジュールの内部を模式的に示した平面図である。
【図１５】図１４の一点鎖線Ｃ−Ｃにおける断面図である。
【図１６】図１５の点線で囲まれた部分を拡大して模式的に示した断面図である。
【図１７】実施の形態６に係る別の半導体パワーモジュールの内部を拡大して模式的に示した断面図である。
【図１８】実施の形態７に係る半導体パワーモジュールの内部を拡大して模式的に示した断面図である。
【図１９】実施の形態７に係る別の半導体パワーモジュールの内部を拡大して模式的に示した断面図である。
【図２０】実施の形態７に係る別の半導体パワーモジュールの内部を拡大して模式的に示した断面図である。
【図２１】実施の形態７に係る別の半導体パワーモジュールの内部を拡大して模式的に示した断面図である。
【図２２】実施の形態７に係る別の半導体パワーモジュールの内部を拡大して模式的に示した断面図である。
【図２３】実施の形態７に係る別の半導体パワーモジュールの内部を拡大して模式的に示した断面図である。
【図２４】実施の形態８に係る半導体パワーモジュールの内部を模式的に示した平面図である。
【図２５】実施の形態８に係る別の半導体パワーモジュールの内部を拡大して模式的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本願の実施の形態による半導体パワーモジュールを図に基づいて説明する。各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は半導体パワーモジュール１００の外観を示す平面図、図２はヒートスプレッダ３より上の封止樹脂４を取り除いて半導体パワーモジュール１００の内部を模式的に示した平面図、図３は図２の一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図、図４は図２の一点鎖線Ｂ−Ｂにおける断面図、図５は図４の点線で囲まれた部分を拡大して模式的に示した断面図である。なお、図３と図４は封止樹脂４も含めて示した。また、これらの図は模式的に示したものであり、実際の半導体パワーモジュールの各部の寸法関係とは異なるものである。半導体パワーモジュール１００は、半導体素子１と半導体素子１を搭載したヒートスプレッダ３を封止樹脂４で封止したトランスファーモールド型の半導体パワーモジュールで、例えば電力制御に用いられるものである。以下、半導体パワーモジュール１００の構成の詳細について説明する。
【００１３】
半導体パワーモジュール１００は、凸状の半導体素子実装部３ａを一方の面に設けたヒートスプレッダ３と、半導体素子実装部３ａの面である半導体素子搭載面３ｂに固定された半導体素子１と、半導体素子１およびヒートスプレッダ３のそれぞれに接続された電極２と、半導体素子実装部３ａを取り囲んでヒートスプレッダ３の一方の面を覆う熱膨張抑止材５と、電極２の半導体素子１およびヒートスプレッダ３と接合された部分、半導体素子１、および熱膨張抑止材５を包む封止樹脂４とから構成される。図２に示すように、半導体パワーモジュール１００には２つの半導体素子１を搭載したがこれに限るものではなく、半導体パワーモジュール１００の用途に応じて必要な数の半導体素子１を半導体パワーモジュール１００に搭載して構わない。
【００１４】
半導体素子１は電力を制御するための素子である。半導体素子１には、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、電界効果トランジスタ）またはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などのスイッチング素子、還流ダイオードのような整流素子が用いられる。半導体素子１は、シリコン製の半導体素子に限らず、シリコンに比べてバンドギャップの大きいワイドバンドギャップ半導体を用いてもよい。ワイドバンドギャップ半導体を構成する材料としては、例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、または窒化ガリウムがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失が低いため、半導体パワーモジュール１００の小型化が可能となる。なお、半導体パワーモジュール１００にシリコン製の半導体素子とワイドバンドギャップ半導体を混載しても構わない。
【００１５】
ヒートスプレッダ３は、熱伝導度が高く、放熱性の優れた銅またはアルミニウムなどの金属で、例えば切削加工、またはプレス加工により作製される。図５に示すように、半導体素子実装部３ａの側面３ｅは、ヒートスプレッダ３の熱膨張抑止材５で覆われた面である熱膨張抑止材搭載面３ｃに対して垂直である。半導体素子１は表裏面に電極パッド（図示せず）を備えた縦型構造の半導体で、図３または図４に示すように、半導体素子１の裏面側が半導体素子搭載面３ｂにはんだまたは銀接合材料などの第二の接合材７を介して固定される。半導体素子１は、電極２を介して半導体パワーモジュール１００の外部と接続される。電極２は銅またはアルミニウムなどで作製される。電極２ａは、半導体素子１の表面側とはんだなどの第一の接合材６を介して接合される。電極２ｂは、図４に示すように、半導体素子１の表面側とボンディングワイヤ９を介して接合される。電極２ｃは、図３に示すように、ヒートスプレッダ３と第一の接合材６を介して接合され、半導体素子１の裏面側の電極パッドと接続される。熱膨張抑止材搭載面３ｃは、ディンプル加工またはブラスト加工などを施して表面祖度を上げることで、ヒートスプレッダ３に対する熱膨張抑止材５の接着性が増加する。これにより、熱膨張抑止材５の耐剥離および耐クラック性が向上する。また、熱膨張抑止材搭載面３ｃは、多段で構成して表面積を増加させ、ヒートスプレッダ３に対する熱膨張抑止材５の接着性を増加させてもよい。ヒートスプレッダ３の他方の面３ｄは、封止樹脂４で封止されておらず、外部に露出している。半導体素子１で発生した熱は、他方の面３ｄから外部に放熱される。なお、半導体素子実装部３ａの側面３ｅは、半導体素子１の外形に合わせた形状で構成されているがこれに限るものではなく、側面３ｅを曲面または複数の面などで形成して熱膨張抑止材５との接触面積を増加させても構わない。また、半導体素子１は縦型構造の半導体に限らず、一方の面にのみ電極パッドを備えた横型構造の半導体素子でも構わない。
【００１６】
熱膨張抑止材５はヒートスプレッダ３よりも熱膨張係数が低い材料で形成され、ヒートスプレッダ３の熱膨張および熱収縮による封止樹脂４への影響を低減させる目的で設けられる。ヒートスプレッダ３の熱膨張および熱収縮により半導体素子１と封止樹脂４との界面で応力が増加すると、半導体素子１の端部付近において封止樹脂４の剥離、および封止樹脂４のクラックが発生し、半導体パワーモジュール１００の絶縁性能が低下することになる。熱膨張抑止材５は、例えばヒートスプレッダ３より熱膨張係数の低い繊維状の補強材料（例えば炭素繊維）に熱硬化性樹脂（例えばポリアミド、ポリカーボネート）を含浸させたプリプレグである。この熱膨張抑止材５は、熱膨張抑止材搭載面３ｃに加圧、加熱により接着される。また、他の熱膨張抑止材５として、ヒートスプレッダ３より熱膨張係数の低い熱硬化性樹脂材料が用いられる。熱硬化性樹脂材料は、例えばビスフェノール型またはフェノールノボラック型などのエポキシ樹脂である。この熱膨張抑止材５は、熱膨張抑止材搭載面３ｃに成形して形成される。この熱膨張抑止材５が、封止樹脂４の熱膨張係数よりも、熱膨張係数が低い材料で形成されていれば、半導体素子１と封止樹脂４の界面の低応力化が可能で、半導体素子１の端部付近における封止樹脂４の剥離、および封止樹脂４のクラックの発生がさらに抑制される。この熱膨張抑止材５が、封止樹脂４の弾性率よりも、弾性率が低い材料で形成されていても、半導体素子１と封止樹脂４の界面の低応力化が可能で、半導体素子１の端部付近における封止樹脂４の剥離、および封止樹脂４のクラックの発生がさらに抑制される。また、他の熱膨張抑止材５として、ヒートスプレッダ３より熱膨張係数が低い金属材料が用いられる。金属材料は、例えば炭素鋼またはクロム鋼の低熱膨張金属である。この熱膨張抑止材５は、熱膨張抑止材搭載面３ｃに、例えば接着剤で接着して設けられる。
【００１７】
封止樹脂４は熱硬化性樹脂材料で、例えば熱膨張係数の小さい溶融シリカなどの硬質無機粉末が充填されたエポキシ樹脂であり、トランスファーモールド成形により形成される。半導体パワーモジュール１００の放熱性、動作時の発熱量、および動作温度に依存するが、エポキシ樹脂は一般的なビスフェノール型もしくはフェノールノボラック型などを用いることができる。なお、半導体素子１を封止して保護することができれば、封止樹脂４はこれらの材料に限定されるものではない。例えば半導体素子１の動作温度の高温化に伴い、ナフタレン型または多官能型を用いた耐熱性の高い樹脂を用いてもよい。また、封止樹脂４の熱膨張係数は、環境温度の範囲内において半導体素子１と封止樹脂４の界面に発生する応力を低減するために、半導体素子１の熱膨張係数に近づけておくことが望ましい。例えば、炭化ケイ素の熱膨張係数は、４×１０−６［１／℃］である。しかし、樹脂材料の特性上、熱膨張係数を小さくするためには、熱膨張係数の小さい溶融シリカなど硬質無機粉末の含有量が増えて弾性率が高くなり、その結果、半導体素子の端部に発生する応力が増大してしまう。したがって、一般的に封止樹脂４の熱膨張係数は１０×１０−６〜１６×１０−６［１／℃］程度の間で調整される。
【００１８】
ヒートスプレッダ３の寸法について、図５を用いて説明する。半導体素子１の側面から半導体素子実装部３ａの側面３ｅまでの距離をＡ、熱膨張抑止材搭載面３ｃから半導体素子搭載面３ｂまでの高さをＢ、ヒートスプレッダ３の厚みをＣ、半導体素子実装部３ａの側面３ｅからヒートスプレッダ３の側面３ｆに向かう方向の熱膨張抑止材５の幅をＤとする。ここでは、幅Ｄと半導体素子実装部３ａの側面３ｅからヒートスプレッダ３の側面３ｆまでの距離、および熱膨張抑止材５の厚みと高さＢが等しくなるように熱膨張抑止材５は設けられる。距離Ａは、半導体素子１の寸法に関わらず、０よりも大きく１ｍｍよりも小さい値であり、０＜Ａ＜１ｍｍと規定される。このＡの範囲は、シミュレーションにより算出したものである。距離Ａが０より小さくなると半導体素子搭載面３ｂが半導体素子１の外形よりも小さくなり、半導体素子１の発熱に対してヒートスプレッダ３の放熱性能が著しく低下するため、半導体素子１の温度が上昇して、半導体素子１が故障するおそれがある。また、距離Ａが１ｍｍ以上になると、半導体素子１の端部に及ぼす熱膨張抑止材５の効果が著しく低下するため、温度サイクル時の半導体素子１の端部と封止樹脂４の界面に発生する応力が増加して、封止樹脂４の剥離および封止樹脂４のクラックが発生し、半導体パワーモジュール１００の絶縁信頼性が低下する。
【００１９】
高さＢ、厚みＣ、幅Ｄの関係は、Ｄ＜（Ｃ−Ｂ）で規定される。幅Ｄが、高さ（Ｃ−Ｂ）より大きくなると、半導体素子１で発生した熱のヒートスプレッダ３を通じた拡散が、熱膨張抑止材５を搭載するヒートスプレッダ３の形状および熱膨張抑止材５によって阻害され、ヒートスプレッダ３の放熱性に悪影響を及ぼす。また、幅Ｄは、半導体素子１の寸法に関わらず、１ｍｍ以上と規定される。幅Ｄが１ｍｍより小さくなると、熱膨張抑止材５の効果が著しく低下する。効果の低下により温度サイクル時の半導体素子１の端部と封止樹脂４の界面に発生する応力が増加して、封止樹脂４の剥離および封止樹脂４のクラックが発生し、半導体パワーモジュール１００の絶縁信頼性が低下する。
【００２０】
なお、図２に示すように、半導体パワーモジュール１００の内部で半導体素子１と接続される配線には、電極２とボンディングワイヤ９を用いているが、所望の電流密度の電流を流すことが可能であれば、特に接続配線はこれらに限定されない。ただし、ボンディングワイヤ９による配線に比べて、電極２による配線の方が半導体素子１の端部における応力が高くなるため、熱膨張抑止材５を用いて低応力化している。また、回路構成などに応じて配線形態を選択することで、様々な半導体パワーモジュール１００の構成が可能である。同一の半導体パワーモジュール１００の内部であっても、切断する位置により断面形状は多種多様であるが、いずれの半導体パワーモジュールにおいても、熱膨張抑止材５を適用することで、半導体素子１と封止樹脂４との界面の低応力化は可能である。
【００２１】
以上のように、この半導体パワーモジュール１００は凸状の半導体素子実装部３ａを取り囲むようにヒートスプレッダ３を覆う熱膨張抑止材５を備え、熱膨張抑止材５はヒートスプレッダ３よりも熱膨張係数が低い材料で形成されているため、ヒートスプレッダ３の放熱性能を低下させずに、半導体素子１の端部付近における封止樹脂４の剥離、および封止樹脂４のクラックの発生が抑制され、半導体パワーモジュール１００の絶縁信頼性を確保することができる。また、熱膨張抑止材５を封止樹脂４よりも熱膨張係数が低い材料で形成した場合、半導体素子１と封止樹脂４の界面の応力を低下させることができる。熱膨張抑止材５を封止樹脂４よりも弾性率が低い材料で形成した場合、半導体素子１と封止樹脂４の界面の応力を低下させることができる。また、半導体素子実装部３ａの側面３ｅは熱膨張抑止材搭載面３ｃに対して垂直であるため、熱膨張抑止材５を熱膨張抑止材搭載面３ｃに容易に設けることができる。また、半導体素子１の側面から半導体素子実装部３ａの側面３ｅまでの距離は０よりも大きく１ｍｍよりも小さい値であるため、半導体素子１と封止樹脂４の界面の応力を低下させることができる。また、半導体素子実装部３ａの側面３ｅからヒートスプレッダ３の側面３ｆに向かう方向の熱膨張抑止材５の幅は１ｍｍ以上であるため、半導体素子１と封止樹脂４の界面の応力を低下させることができる。熱膨張抑止材５をシート状の繊維体に熱硬化性樹脂を含浸させた材料で形成した場合、容易に熱膨張抑止材５をヒートスプレッダ３に接着することができる。熱膨張抑止材５を金属材料で形成した場合、剛性が高く熱膨張抑止材５の経年劣化が抑制され、他の材料と比較して低熱膨張である。熱膨張抑止材５を熱硬化性樹脂で形成した場合、封止樹脂４との接着性がよく、封止樹脂４の剥離耐性を向上させることができる。半導体素子１を炭化ケイ素で構成した場合、半導体パワーモジュール１００は低損失、高耐圧で、高温での動作が可能となる。
【００２２】
実施の形態２．
実施の形態２に係る半導体パワーモジュール１００について説明する。図６は半導体パワーモジュール１００の内部を模式的に示した断面図、図７は図６の点線で囲まれた部分を拡大して模式的に示した断面図である。図６の断面で示した領域は、図４と同様である。実施の形態２に係る半導体パワーモジュール１００は、半導体素子実装部３ａの側面３ｅが実施の形態１とは異なる構成になっている。
【００２３】
半導体素子実装部３ａの側面３ｅとヒートスプレッダ３の熱膨張抑止材５に覆われた面である熱膨張抑止材搭載面３ｃの成す角は鈍角に形成されている。半導体素子実装部３ａの側面３ｅが傾斜してヒートスプレッダ３の側面３ｆの方向に半導体素子実装部３ａの底部の側を突出させたため、実施の形態１の構成と比較して、半導体素子１で生じた熱をヒートスプレッダ３の内部から外部に向けて効率よく拡散できる。本実施の形態にて開示した半導体パワーモジュール１００の構造は、より高温での動作に適している。
【００２４】
以上のように、この半導体パワーモジュール１００は半導体素子実装部３ａの側面３ｅとヒートスプレッダ３の熱膨張抑止材５に覆われた面である熱膨張抑止材搭載面３ｃの成す角を鈍角に形成したため、半導体素子１で生じた熱をヒートスプレッダ３の内部から外部に向けて容易に拡散することができる。
【００２５】
実施の形態３．
実施の形態３に係る半導体パワーモジュール１００について説明する。図８は半導体パワーモジュール１００の内部を模式的に示した断面図、図９は図８の点線で囲まれた部分を拡大して模式的に示した断面図である。図８の断面で示した領域は、図４と同様である。実施の形態３に係る半導体パワーモジュール１００は、半導体素子実装部３ａの側面３ｅが実施の形態１とは異なる構成になっている。
【００２６】
半導体素子実装部３ａの側面３ｅとヒートスプレッダ３の熱膨張抑止材５に覆われた面である熱膨張抑止材搭載面３ｃの成す角は鋭角に形成されている。半導体素子実装部３ａの側面３ｅが傾斜してヒートスプレッダ３の側面３ｆの方向に半導体素子実装部３ａの半導体素子搭載面３ｂの側を突出させたため、実施の形態１の構成と比較して、ヒートスプレッダ３と熱膨張抑止材５の接触面積が増加し、ヒートスプレッダ３と熱膨張抑止材５の接着性が向上する。また、半導体素子実装部３ａと対向する熱膨張抑止材５の側面５ａは、半導体素子実装部３ａの側面３ｅよりも下になるため、熱膨張抑止材５の剥離はさらに抑制される。
【００２７】
以上のように、この半導体パワーモジュール１００は半導体素子実装部３ａの側面３ｅとヒートスプレッダ３の熱膨張抑止材５に覆われた面である熱膨張抑止材搭載面３ｃの成す角を鋭角に形成したため、ヒートスプレッダ３と熱膨張抑止材５の接着性を向上することができる。また、熱膨張抑止材５の剥離による絶縁信頼性の低下を抑制することができる。
【００２８】
実施の形態４．
実施の形態４に係る半導体パワーモジュール１００について説明する。図１０は半導体パワーモジュール１００の内部を模式的に示した断面図、図１１は図１０の点線で囲まれた部分を拡大して模式的に示した断面図である。図１０の断面で示した領域は、図４と同様である。実施の形態４に係る半導体パワーモジュール１００は、実施の形態１で示した半導体素子実装部３ａの側面３ｅが実施の形態１とは異なる構成になっている。
【００２９】
半導体素子実装部３ａの側面３ｅは、多段で形成されている。本実施の形態４においては、図１１に示すように、実施の形態１の構成と比較して半導体素子実装部３ａの高さが高くなるように段が追加され、側面３ｅが２段で構成されている。ヒートスプレッダ３と熱膨張抑止材５の接触面積が増加するため、ヒートスプレッダ３と熱膨張抑止材５の接着性が向上する。なお、側面３ｅの多段の構成は２段に限るものではなく、実施の形態１で示したＤ＜（Ｃ−Ｂ）の関係を維持する範囲で段数を増加させても構わない。
【００３０】
以上のように、この半導体パワーモジュール１００は半導体素子実装部３ａの側面３ｅを多段としたため、ヒートスプレッダ３と熱膨張抑止材５の接着性を向上することができ、熱膨張抑止材５の剥離による絶縁信頼性の低下を抑制することができる。
【００３１】
実施の形態５．
実施の形態５に係る半導体パワーモジュール１００について説明する。図１２は半導体パワーモジュール１００の内部を模式的に示した断面図、図１３は図１２の点線で囲まれた部分を拡大して模式的に示した断面図である。図１２の断面で示した領域は、図４と同様である。実施の形態５に係る半導体パワーモジュール１００は、半導体素子実装部３ａの側面３ｅが実施の形態１とは異なる構成になっている。
【００３２】
半導体素子実装部３ａの側面３ｅは、半導体素子搭載面３ｂの外周からヒートスプレッダ３の側面３ｆまで傾斜した傾斜面である。本実施の形態５においては、図１３に示すように、側面３ｅである傾斜面を熱膨張抑止材搭載面としたものである。半導体素子１で生じた熱をヒートスプレッダ３の内部から外部に向けてさらに拡散できる。本実施の形態にて開示した半導体パワーモジュール１００の構造は、より高温での動作に適している。
【００３３】
以上のように、この半導体パワーモジュール１００は半導体素子実装部３ａの側面３ｅを半導体素子搭載面３ｂの外周からヒートスプレッダ３の側面３ｆまで傾斜した傾斜面としたため、半導体素子１で生じた熱をヒートスプレッダ３の内部から外部に向けて容易に拡散することができる。
【００３４】
実施の形態６．
実施の形態６に係る半導体パワーモジュール１００について説明する。図１４は封止樹脂４を取り除いて半導体パワーモジュール１００の内部を模式的に示した平面図、図１５は図１４の一点鎖線Ｃ−Ｃにおける断面図、図１６は図１５の点線で囲まれた部分を拡大して模式的に示した断面図である。実施の形態６に係る半導体パワーモジュール１００は、ヒートスプレッダ３の熱膨張抑止材５を設ける部位の形状が実施の形態１とは異なる構成になっている。
【００３５】
ヒートスプレッダ３の一方の面に、熱膨張抑止材５に満たされた第１の溝３ｇが設けられ、図１４に示すように、半導体素子実装部３ａは第１の溝３ｇに取り囲まれている。図１６に示すように、半導体素子１の側面から半導体素子実装部３ａの側面３ｅまでの距離をＡ、溝３ｇの幅（以下、溝幅と記す）をＥとする。距離Ａは、実施の形態１と同様に、半導体素子１の寸法に関わらず、０＜Ａ＜１ｍｍで規定される。このＡの範囲は、シミュレーションにより算出したものである。また、溝幅Ｅである熱膨張抑止材５の設置幅は、半導体素子１の寸法に関わらず、１ｍｍ以上と規定される。溝幅Ｅが１ｍｍより小さくなると、熱膨張抑止材５の効果が著しく低下し、温度サイクル時の半導体素子１の端部と封止樹脂４の界面に発生する応力が増加して、封止樹脂４の剥離および封止樹脂４のクラックが発生し、半導体パワーモジュール１００の絶縁信頼性が低下する。
【００３６】
なお、図１６には１つの第１の溝３ｇを設けた構成について示したがこれに限るものではなく、距離Ａ、溝幅Ｅの規定を満たすものであれば、第１の溝３ｇの外側に第１の溝３ｇを取り囲む熱膨張抑止材５に満たされた１以上の第２の溝を設け、さらに溝の個数を増やして構成しても構わない。図１７には、１つの第２の溝３ｈを加えた例を示す。複数の溝を設置することによって、よりヒートスプレッダ３と封止樹脂４の熱膨張係数差を下げ、ヒートスプレッダ３の熱膨張および熱収縮による封止樹脂４への影響を低減することができるため、半導体素子１と封止樹脂４の界面で生じる封止樹脂４の剥離および封止樹脂４のクラックをさらに抑制できる。
【００３７】
以上のように、この半導体パワーモジュール１００はヒートスプレッダ３の一方の面に、熱膨張抑止材５に満たされた第１の溝３ｇが設けられ、半導体素子実装部３ａは第１の溝３ｇに取り囲まれているため、ヒートスプレッダ３の大きさに関わらず、必要最小限の分量の熱膨張抑止材５でヒートスプレッダ３の放熱性能を低下させずに、半導体素子１の端部付近における封止樹脂４の剥離、および封止樹脂４のクラックの発生が抑制され、半導体パワーモジュール１００の絶縁信頼性を確保することができる。また、第２の溝３ｈを追加して設置した場合、半導体素子１と封止樹脂４の界面で生じる封止樹脂４の剥離および封止樹脂４のクラックをさらに抑制することができる。
【００３８】
実施の形態７．
実施の形態７に係る半導体パワーモジュール１００について説明する。図１８は半導体パワーモジュール１００の内部を拡大して模式的に示した断面図、図１９から図２３はそれぞれ別の半導体パワーモジュール１００の内部を拡大して模式的に示した断面図である。実施の形態７に係る半導体パワーモジュール１００は、熱膨張抑止材５の断面形状が実施の形態１とは異なる構成になっている。
【００３９】
図５に示すように、実施の形態１での熱膨張抑止材５の厚みは高さＢと同一であり、熱膨張抑止材５の幅Ｄは半導体素子実装部３ａの側面３ｅからヒートスプレッダ３の側面３ｆまでの距離と同一であった。実施の形態７では、図１８に示すように、熱膨張抑止材５の厚みの最大値が半導体素子実装部３ａの凸状の高さの値よりも大きい。熱膨張抑止材５を半導体素子搭載面３ｂの高さよりも高く設けて熱膨張抑止材５の体積を増加させることで、半導体素子１と封止樹脂４の界面の応力をさらに低下させ、半導体素子１の端部付近における封止樹脂４の剥離、および封止樹脂４のクラックの発生がさらに抑制される。また、半導体素子１の近傍において熱膨張抑止材５と封止樹脂４の接触面積を増加させることで、封止樹脂４の剥離耐性は増加する。なお、熱膨張抑止材５の上部は、封止樹脂４と熱膨張抑止材５の接着性向上のために、例えば凹凸形状を備えてもよい。
【００４０】
また、図１９に示すように、熱膨張抑止材５の厚みの最大値が半導体素子実装部３ａの凸状の高さの値よりも小さくてもよく、図２０に示すように、熱膨張抑止材５と半導体素子実装部３ａとが離間していてもよい。これらの構成に示されるように半導体素子１の近傍において熱膨張抑止材５と封止樹脂４の接触面積を増加させることで、封止樹脂４の剥離耐性は増加する。
【００４１】
また、図２１に示すように、熱膨張抑止材５を半導体素子搭載面３ｂの外周部を覆うように設けてもよい。熱膨張抑止材５は、図２２に示すように、ヒートスプレッダ３の端部を覆うように設けてもよい。これらの構成に示されるようにヒートスプレッダ３と熱膨張抑止材５の接触面積を増加させることで、ヒートスプレッダ３と熱膨張抑止材５の接着性が向上する。
【００４２】
また、図２３に示すように、熱膨張抑止材５の幅Ｄが１ｍｍ以上という規定を満たせば、幅Ｄを半導体素子実装部３ａの側面３ｅからヒートスプレッダ３の側面３ｆまでの距離よりも小さくしてもよい。ヒートスプレッダ３の大きさは、想定される半導体素子１の発熱量等に応じて決定されるため、半導体素子実装部３ａの側面３ｅからヒートスプレッダ３の側面３ｆまでの距離は１ｍｍ以上となることもある。幅Ｄが１ｍｍ以上の規定を満たせば、ヒートスプレッダ３の大きさに関わらず、必要最小限の分量の熱膨張抑止材５の設置で構わない。
【００４３】
以上のように、この半導体パワーモジュール１００は熱膨張抑止材５の厚みの最大値が半導体素子実装部３ａの凸状の高さの値よりも大きいため、熱膨張抑止材５の体積を増加させることで、半導体素子１の端部付近における封止樹脂４の剥離、および封止樹脂４のクラックの発生をさらに抑制することができる。また、熱膨張抑止材５を半導体素子搭載面３ｂの外周部を覆うように設けた場合、ヒートスプレッダ３と熱膨張抑止材５の接触面積が増加するため、ヒートスプレッダ３と熱膨張抑止材５の接着性を向上させることができる。また、熱膨張抑止材５の厚みの最大値が半導体素子実装部３ａの凸状の高さの値よりも大きく又は小さく設けた場合、半導体素子１の近傍において熱膨張抑止材５と封止樹脂４の接触面積が増加するため、封止樹脂４の剥離耐性を増加させることができる。また、熱膨張抑止材５と半導体素子実装部３ａとが離間している場合、半導体素子１の近傍において熱膨張抑止材５と封止樹脂４の接触面積が増加するため、封止樹脂４の剥離耐性を増加させることができる。また、熱膨張抑止材をヒートスプレッダ３の端部を覆うように設けた場合、ヒートスプレッダ３と熱膨張抑止材５の接触面積が増加するため、ヒートスプレッダ３と熱膨張抑止材５の接着性を向上させることができる。
【００４４】
実施の形態８．
実施の形態８に係る半導体パワーモジュール１００について説明する。図２４は半導体パワーモジュール１００の内部を模式的に示した断面図、図２５は図２４の点線で囲まれた部分を拡大して模式的に示した断面図である。図２４の断面で示した領域は、図４と同様である。実施の形態８に係る半導体パワーモジュール１００は、ヒートスプレッダ３の他方の面３ｄの側が実施の形態１とは異なる構成になっている。
【００４５】
半導体パワーモジュール１００は、図２５に示すように、ヒートスプレッダ３の他方の面３ｄに絶縁層１０を設け、絶縁層１０に金属板１１が設けられる。絶縁層１０は、例えば、エポキシ樹脂に熱伝導性に優れたシリカ、アルミナなどの無機粉末が充填された絶縁シートである。絶縁層１０は、例えば、他方の面３ｄに接着剤で貼り付けて設けられる。金属板１１は、例えば板状の銅またはアルミニウムで、一方の面は絶縁層１０に接着剤で貼り付けられ、他方の面は外部に露出し半導体素子１で生じた熱を放熱する。また金属板１１は、絶縁層１０を外部から保護する。なお金属板１１は、板状に限られず、金属箔であっても構わない。
【００４６】
絶縁層１０を設ける理由について説明する。半導体パワーモジュール１００の動作時、ヒートスプレッダ３の他方の面３ｄには、半導体素子１に生じる熱を外部へ効率よく放熱するために、ダイカスト等で成形された冷却器が設けられる。他方の面３ｄに絶縁層１０がない場合、半導体パワーモジュール１００と冷却器とを接合する接合材に絶縁性能を持たせる必要があるため、接合材の選択肢が狭まることになる。しかしながら、他方の面３ｄに絶縁層１０を設けた場合、接合材に絶縁性能が不要なため、接合材の選択肢が広がる。接合材の選択肢を広げるために、絶縁層１０は設けられる。
【００４７】
以上のように、この半導体パワーモジュール１００はヒートスプレッダ３の他方の面３ｄに絶縁層１０を設けたため、接合材の選択肢を広げることができる。また、絶縁層１０に金属板１１を設けた場合、放熱は促進され、絶縁層１０を外部から保護することができる。
【００４８】
また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００４９】
１  半導体素子、２  電極、３  ヒートスプレッダ、３ａ  半導体素子実装部、３ｂ  半導体素子搭載面、３ｃ  熱膨張抑止材搭載面、３ｄ  他方の面、３ｅ  側面、３ｆ  側面、３ｇ  第１の溝、３ｈ  第２の溝、４  封止樹脂、５  熱膨張抑止材、５ａ  側面、６  第一の接合材、７  第二の接合材、９  ボンディングワイヤ、１０  絶縁層、１１  金属板
【図１】
2020202298.tif 000003
【図２】
2020202298.tif 000004
【図３】
2020202298.tif 000005
【図４】
2020202298.tif 000006
【図５】
2020202298.tif 000007
【図６】
2020202298.tif 000008
【図７】
2020202298.tif 000009
【図８】
2020202298.tif 000010
【図９】
2020202298.tif 000011
【図１０】
2020202298.tif 000012
【図１１】
2020202298.tif 000013
【図１２】
2020202298.tif 000014
【図１３】
2020202298.tif 000015
【図１４】
2020202298.tif 000016
【図１５】
2020202298.tif 000017
【図１６】
2020202298.tif 000018
【図１７】
2020202298.tif 000019
【図１８】
2020202298.tif 000020
【図１９】
2020202298.tif 000021
【図２０】
2020202298.tif 000022
【図２１】
2020202298.tif 000023
【図２２】
2020202298.tif 000024
【図２３】
2020202298.tif 000025
【図２４】
2020202298.tif 000026
【図２５】
2020202298.tif 000027
【手続補正書】
【提出日】令和2年9月15日(2020.9.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸状の半導体素子実装部を一方の面に設けたヒートスプレッダと、
前記半導体素子実装部の面である半導体素子搭載面に固定された半導体素子と、
前記半導体素子実装部を取り囲んで、前記ヒートスプレッダの一方の面を覆う熱膨張抑止材と、
前記半導体素子、および前記熱膨張抑止材を包む封止樹脂と、を備え、
前記半導体素子の側面から前記半導体素子実装部の側面までの距離は、０よりも大きく１ｍｍよりも小さい値であり、
前記熱膨張抑止材は、前記ヒートスプレッダよりも熱膨張係数が低い材料で形成されていることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項２】
前記熱膨張抑止材は、前記封止樹脂よりも熱膨張係数が低い材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項３】
前記熱膨張抑止材は、前記封止樹脂よりも弾性率が低い材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項４】
前記ヒートスプレッダの前記熱膨張抑止材に覆われた面である熱膨張抑止材搭載面に対して、前記半導体素子実装部の側面が垂直であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項５】
前記半導体素子実装部の側面が多段に形成されたことを特徴とする請求項４に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項６】
前記半導体素子実装部の側面と前記ヒートスプレッダの前記熱膨張抑止材に覆われた面である熱膨張抑止材搭載面の成す角は鈍角に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項７】
前記半導体素子実装部の側面と前記ヒートスプレッダの前記熱膨張抑止材に覆われた面である熱膨張抑止材搭載面の成す角は鋭角に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項８】
前記半導体素子実装部の側面は、前記半導体素子搭載面の外周から前記ヒートスプレッダの端部まで傾斜した傾斜面であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項９】
前記半導体素子実装部の側面から前記ヒートスプレッダの側面に向かう方向の前記熱膨張抑止材の幅は、１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１０】
前記熱膨張抑止材の厚みの最大値が前記半導体素子実装部の凸状の高さの値よりも大きい又は小さいことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１１】
前記熱膨張抑止材を前記半導体素子搭載面の外周部を覆うように設けたことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１２】
前記熱膨張抑止材と前記半導体素子実装部とが離間していることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１３】
前記熱膨張抑止材を前記ヒートスプレッダの端部を覆うように設けたことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１４】
前記ヒートスプレッダの一方の面に、前記熱膨張抑止材に満たされた第１の溝が設けられ、前記半導体素子実装部は前記第１の溝に取り囲まれていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１５】
前記第１の溝の外側に前記第１の溝を取り囲む前記熱膨張抑止材に満たされた１以上の第２の溝を設けたことを特徴とする請求項１４に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１６】
前記ヒートスプレッダの他方の面に絶縁層を設けたことを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１７】
前記熱膨張抑止材は、シート状の繊維体に熱硬化性樹脂を含浸させた材料で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１８】
前記熱膨張抑止材は、金属材料又は熱硬化性樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項１９】
前記半導体素子の材料は炭化ケイ素であることを特徴とする請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本願に開示される半導体パワーモジュールは、凸状の半導体素子実装部を一方の面に設けたヒートスプレッダと、半導体素子実装部の面である半導体素子搭載面に固定された半導体素子と、半導体素子実装部を取り囲んで、ヒートスプレッダの一方の面を覆う熱膨張抑止材と、半導体素子、および熱膨張抑止材を包む封止樹脂とを備え、半導体素子の側面から半導体素子実装部の側面までの距離は、０よりも大きく１ｍｍよりも小さい値であり、熱膨張抑止材は、ヒートスプレッダよりも熱膨張係数が低い材料で形成されるものである。