(57)【要約】【課題】信頼性を向上させた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、第１電極板と、前記第１電極板に対向する第２電極板と、前記第１電極板と前記第２電極板との間に配置された複数の半導体素子と、前記第１電極板と前記複数の半導体素子との間にそれぞれ配置された複数の金属板と、を備える。前記複数の半導体素子は、前記第１電極板および前記第２電極板に並列接続され、前記第１電極板の中央部と前記第２電極板の中央部との間に配置された第１半導体素子と、前記第１半導体素子よりも外側に配置された第２半導体素子を含む。前記第１電極板と前記第１半導体素子との間に配置された第１金属板は、前記第１電極から前記第２電極に向かう第１方向に沿った第１厚を有する。前記第１電極板と前記第２半導体素子との間に配置された第２金属板は、前記第１方向に沿った第２厚を有し、前記第２厚は、前記第１厚よりも厚い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極板と、
前記第１電極板に対向する第２電極板と、
前記第１電極板と前記第２電極板との間に配置され、前記第１電極板および前記第２電極板に並列接続された複数の半導体素子と、
前記第１電極板と前記複数の半導体素子との間にそれぞれ配置された複数の金属板と、
を備え、
前記複数の半導体素子は、前記第１電極板の中央部と前記第２電極板の中央部との間に配置された第１半導体素子と、前記第１半導体素子よりも外側に配置された第２半導体素子を含み、
前記第１電極板と前記第１半導体素子との間に配置された、前記複数の金属板のうちの第１金属板は、前記第１電極から前記第２電極に向かう第１方向に沿った第１厚を有し、
前記第１電極板と前記第２半導体素子との間に配置された、前記複数の金属板のうちの第２金属板は、前記第１方向に沿った第２厚を有し、前記第２厚は、前記第１厚よりも厚い半導体装置。
【請求項２】
前記第１電極板は、前記複数の半導体素子に前記複数の金属板を介して電気的に接続された複数の第１インナーポールを有する請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２電極板と前記複数の半導体素子との間にそれぞれ配置された、前記複数の金属板とは別の金属板をさらに備え、
前記第２電極板は、前記複数の半導体素子にそれぞれ前記別の金属板を介して電気的に接続された複数の第２インナーポールを有する請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記複数の第１金属板の材料は、前記第１電極板の材料よりも高い硬度を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項５】
第１電極板と、
前記第１電極板に対向する第２電極板と、
前記第１電極板と前記第２電極板との間に配置され、前記第１電極板および前記第２電極板に並列接続された複数の半導体素子と、
前記第１電極板と前記複数の半導体素子との間にそれぞれ配置された複数の金属板と、
を備え、
前記複数の半導体素子は、前記第１電極板の中央部と前記第２電極板の中央部との間に配置された第１半導体素子と、前記第１半導体素子よりも外側に配置された第２半導体素子を含み、
前記第１半導体素子は、前記第１電極から前記第２電極に向かう第１方向に沿った第１厚を有し、
前記第２半導体素子は、前記第１方向に沿った第２厚を有し、前記第２厚は、前記第１厚よりも厚い半導体装置。
【請求項６】
第１電極板と、
前記第１電極板に対向する第２電極板と、
前記第１電極板と前記第２電極板との間に配置され、前記第１電極板および前記第２電極板に並列接続された複数の半導体素子と、
前記第１電極板と前記複数の半導体素子との間にそれぞれ配置された複数の金属板と、
を備え、
前記複数の半導体素子は、前記第１電極板の中央部と前記第２電極板の中央部との間に配置された第１半導体素子と、前記第１半導体素子よりも外側に配置された第２半導体素子を含み、
前記第１電極板は、前記第２電極板に向き合う面に設けられた、第１インナーポールと、第２インナーポールと、を含み、
前記第１半導体素子は、前記複数の金属板のうちの第１金属板を介して前記第１インナーポールに電気的に接続され、
前記第２半導体素子は、前記複数の金属板のうちの第２金属板を介して前記第２インナーポールに電気的に接続され、
前記第１電極板から前記第２電極板に向かう方向において、前記第１インナーポールの高さは、前記第２インナーポールの高さよりも低い半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力制御用の半導体装置には、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate bipolar transistor）、ダイオードなどの半導体素子を２つの電極板の間に並列配置したものがある。半導体素子は、２つの電極板間に流れる大電流をスイッチング制御するために、例えば、２つの電極板に圧接され、電気的に接続される。しかしながら、２つの電極板間において高温動作時の熱の放散が不均一になると、各電極板内の熱膨張差に起因して、半導体素子に加わる圧力に不均一が生じる。このため、高温動作時に半導体素子が破壊する可能性が生じ、半導体装置の信頼性を低下させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１５００６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実施形態は、信頼性を向上させた半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る半導体装置は、第１電極板と、前記第１電極板に対向する第２電極板と、前記第１電極板と前記第２電極板との間に配置された複数の半導体素子と、前記第１電極板と前記複数の半導体素子との間にそれぞれ配置された複数の第１金属板と、を備える。前記複数の半導体素子は、前記第１電極板および前記第２電極板に並列接続され、前記第１電極板の中央部と前記第２電極板の中央部との間に配置された第１半導体素子と、前記第１半導体素子よりも外側に配置された第２半導体素子を含む。前記第１電極板と前記第１半導体素子との間に配置された複数の金属板のうちの第１金属板は、前記第１電極から前記第２電極に向かう第１方向に沿った第１厚を有する。前記第１電極板と前記第２半導体素子との間に配置された複数の金属板のうちの第２金属板は、前記第１方向に沿った第２厚を有し、前記第２厚は、前記第１厚よりも厚い。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
【図２】実施形態に係る半導体装置の構成要素を示す模式図である。
【図３】比較例に係る半導体装置を示す模式図である。
【図４】実施形態の変形例に係る半導体装置の構成要素を示す模式図である。
【図５】実施形態の別の変形例に係る半導体装置の構成要素を示す模式図である。
【図６】実施形態のさらなる別の変形例に係る半導体装置の構成要素を示す模式図である。
【図７】実施形態の変形例に係る半導体装置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
【０００８】
さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
【０００９】
図１（ａ）および（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置１を示す模式図である。図１（ａ）は、模式断面図であり、図１（ｂ）は、模式平面図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）中に示すＡ−Ａ線に沿った断面を表す模式図である。
【００１０】
図１（ａ）に示すように、半導体装置１は、電極板１０と、電極板２０と、複数の半導体素子３０と、を含む。半導体素子３０は、電極板１０と電極板２０との間に配置され、電極板１０および電極板２０に電気的に並列接続される。
【００１１】
電極板１０および電極板２０は、例えば、銅もしくはアルミニウムなどの低い電気低効率および高い熱伝導率を有する材料を含む。複数の半導体素子３０は、例えば、ＩＧＢＴおよびダイオードを含む。
【００１２】
半導体装置１は、金属板３３、金属板３５、加圧板４０、加圧板５０、絶縁板４５および絶縁板５５をさらに含む。電極板１０および電極板２０は、加圧板４０と加圧板５０との間に配置される。絶縁板４５は、電極板１０と加圧板４０との間に配置される。絶縁板５５は、電極板２０と加圧板５０との間に配置される。
【００１３】
加圧板４０および５０は、例えば、アルミニウムもしくは鉄などを含む。絶縁板４５および５５は、例えば、樹脂を含む。絶縁板４５は、加圧板４０を電極板１０から電気的に絶縁する。絶縁板５５は、加圧板５０を電極板２０から電気的に絶縁する。
【００１４】
電極板１０は、例えば、複数のインナーポール１３を有し、電極板２０は、複数のインナーポール２３を有する。半導体素子３０は、それぞれ、インナーポール１３とインナーポール２３との間に配置される。金属板３３は、インナーポール１３と半導体素子３０との間に配置される。金属板３５は、インナーポール２３と半導体素子３０との間に配置される。
【００１５】
インナーポール１３は、電極板１０から電極板２０に向かう方向（例えば、Ｚ方向）における高さＨ１を有する。インナーポール２３は、電極板２０から電極板１０に向かう方向（例えば、−Ｚ方向）における高さＨ２を有する。高さＨ１は、例えば、高さＨ２よりも低い。
【００１６】
金属板３３および金属板３５は、例えば、電極板１０および電極板２０の硬度よりも高い硬度を有する。金属板３３および金属板３５は、例えば、モリブデンを含む。
【００１７】
金属板３３は、加圧板４０と加圧板５０との間に加えられる圧力により、半導体素子３０および電極板１０に圧接される。金属板３５は、加圧板４０と加圧板５０との間に加えられる圧力により、半導体素子３０および電極板２０に圧接される。これにより、半導体素子３０は、電極板１０および電極板２０に電気的に接続される。
【００１８】
電極板１０は、接続端子１５を含み、電極板２０は、接続端子２５を含む。半導体装置１は、接続端子１５および２５を介して外部から供給される大電流を、並列接続された複数の半導体素子３０によりスイッチング制御するように構成される。
【００１９】
図１（ｂ）は、電極板１０上の半導体素子３０の配置を例示する平面図である。複数の半導体素子３０は、第１半導体素子３０ａおよび第２半導体素子３０ｂを含む。第１半導体素子３０ａは、電極板１０の中央に配置される。第２半導体素子３０ｂは、電極板１０の中央から外縁に向かう方向において、外縁に最も近い位置に配置される。以下、第１半導体素子３０ａと第２半導体素子３０ｂとを区別して説明する場合と、半導体素子３０と総称して言及する場合がある。他の構成要素についても同様である。
【００２０】
図２は、実施形態に係る半導体装置１の構成要素を示す模式図である。図２は、加圧板４０と加圧板５０との間に圧力を加える前の、電極板１０、電極板２０、半導体素子３０、金属板３３および金属板３５の配置を表す模式図である。
【００２１】
図２に示すように、第１半導体素子３０ａは、金属板３３と金属板３５ａとの間に配置される。金属板３５ａは、複数の金属板３３のうちの１つである。第２半導体素子３０ｂは、金属板３３と第２金属板３５ｂとの間に配置される。金属板３５ｂは、複数の金属板３５のうちの１つである。
【００２２】
金属板３３は、それぞれ均等なＺ方向の厚さを有する。また、半導体素子３０も均等なＺ方向の厚さを有する。インナーポール１３および２３も、それぞれ均等な高さＨ１およびＨ２を有する。
【００２３】
金属板３５ａは、Ｚ方向の厚さＴＳ１を有する。金属板３５ｂは、Ｚ方向の厚さＴＳ２を有する。金属板３５ｂは、厚さＴＳ２が厚さＴＳ１よりも厚くなるように設けられる。また、金属板３５ａと金属板３５ｂとの間に位置する金属板３５は、例えば、厚さＴＳ１と同じ、もしくは、厚さＴＳ１よりも厚く、厚さＴＳ２よりも薄いＺ方向の厚さを有する。
【００２４】
金属板３５ｂは、加圧板４０と加圧板５０との間に圧力を加えた時に、全ての金属板３５がインナーポール２３に接するように設けられる。すなわち、金属板３５ｂは、例えば、金属板３５ｂに接するインナーポール２３ｂが変形し、全ての金属板３５がインナーポール２３に接するように設けられる。言い換えれば、厚さＴＳ２と厚さＴＳ１との差は、全ての金属板３５がインナーポール２３に接することが可能な範囲を超えないように設定される。
【００２５】
図３は、比較例に係る半導体装置２を示す模式図である。図３は、図１（ｂ）中に示すＡ−Ａ線に沿った断面を表す模式図である。また、図３には、高温時（動作時）において、半導体素子３０に加わる圧力も示している。半導体装置２では、金属板３５も均等なＺ方向の厚さを有する。なお、図３では、インナーポール２３の熱膨張の差を示すために、インナーポール２３の長さを変えて表している。このため、電極板２０と金属板３５の一部が離間するように表されているが、両者が実際に離間する訳ではない。
【００２６】
例えば、電極板１０と電極板２０との間に半導体素子３０を高密度に配置した場合、電極板１０および電極板２０の中央に配置した第１半導体素子３０ａからの熱は、第１半導体素子３０ａよりも外側に配置した第２半導体素子３０ｂからの熱に比べて放散され難い。したがって、電極板１０および電極板２０の中央の温度は、外周部の温度に比べて高くなる。このため、電極板１０および電極板２０の中央における熱膨張がそれぞれの外周部の熱膨張よりも大きくなる。したがって、高温時における半導体素子３０に加わる圧力が不均一となり、例えば、第１半導体素子３０ａおよび金属板３５ａに加わる圧力は、第２半導体素子３０ｂおよび金属板３５ｂに加わる圧力よりも大きくなる。
【００２７】
さらに、半導体素子３０のスイッチング動作により高温状態（ＯＮ状態）と低温状態（オフ状態）が繰り返されると、高温時に高い圧力が加わる金属板３５ａの熱疲労、例えば、塑性変形が大きくなる。これにより、半導体素子３０に加わる圧力の均一性が劣化し、半導体素子３０の破壊に至る場合がある。
【００２８】
半導体装置１では、インナーポール２３ｂと第２半導体素子３０ｂとの間に位置する金属板３５ｂのＺ方向の厚さを、インナーポール２３ａと第１半導体素子３０ａとの間に位置する金属板３５ａのＺ方向の厚さよりも厚くする。これにより、高温時（動作時）における熱膨張の差を、金属層３５ａと金属層３５ｂの厚さの差で吸収し、半導体素子３０に均一に圧力を加えることができる。この結果、例えば、金属板３５ａの熱疲労による塑性変形を抑制し、半導体装置１の信頼性を向上させることができる。
【００２９】
図４は、実施形態の変形例に係る半導体装置３の構成要素を示す模式図である。図４は、加圧板４０と加圧板５０との間に圧力を加える前の、電極板１０、電極板２０、半導体素子３０、金属板３３および金属板３５の配置を表す模式図である。
【００３０】
図４では、第１半導体素子３０ａおよび第２半導体素子３０ｂに加えて、第３半導体素子３０ｃを示す。第３半導体素子３０ｃは、複数の半導体素子３０の１つであり、第１半導体素子３０ａと第２半導体素子３０ｂとの間に配置される。また、複数の金属板３５は、金属板３５ｃをさらに含む。第３半導体素子は、金属板３３と金属板３５ｃとの間に位置する。
【００３１】
この例でも、金属板３３は、それぞれ均等なＺ方向の厚さを有する。また、半導体素子３０も均等なＺ方向の厚さを有する。インナーポール１３および２３も、それぞれ均等な高さＨ１およびＨ２を有する。
【００３２】
金属板３５ａは、インナーポール２３ａと第１半導体素子３０ａとの間に配置され、Ｚ方向の厚さＴＳ１を有する。金属板３５ｂは、インナーポール２３ｂと第２半導体素子３０ｂとの間に配置され、Ｚ方向の厚さＴＳ２を有する。また、金属板３５ｃは、インナーポール２３ｃと第３半導体素子３０ｂとの間に配置され、Ｚ方向の厚さＴＳ３を有する。
【００３３】
金属板３５の厚さは、ＴＳ１＜ＴＳ３＜ＴＳ２の関係を有する。すなわち、金属板３５は、電極板２０の中央から外縁に向かう方向（例えば、Ｘ方向およびＹ方向）において、Ｚ方向の厚さが厚くなるように配置される。これにより、動作時に半導体素子３０に加わる圧力の均一性を向上させ、半導体装置３の信頼性を向上させることができる。
【００３４】
図５は、実施形態の別の変形例に係る半導体装置４の構成要素を示す模式図である。図５は、加圧板４０と加圧板５０との間に圧力を加える前の、電極板１０、電極板２０、半導体素子３０、金属板３３および金属板３５の配置を表す模式図である。
【００３５】
この例では、金属板３３は、それぞれ均等なＺ方向の厚さを有する。また、金属板３５も均等なＺ方向の厚さを有する。インナーポール１３および２３も、それぞれ均等な高さＨ１およびＨ２を有する。
【００３６】
図５に示すように、第１半導体素子３０ａは、Ｚ方向の厚さＴＣ１を有し、第２半導体素子３０ｂは、Ｚ方向の厚さＴＣ２を有する。第２半導体素子３０ｂは、ＴＣ２＞ＴＣ１となるように配置される。厚さＴＣ２と厚さＴＣ１との差は、加圧板４０と加圧板５０との間に圧力を加えた時に、全ての金属板３５がインナーポール２３に接することを可能とする範囲を超えないように設定される。
【００３７】
第３半導体素子３０ｃは、第１半導体素子３０ａと第２半導体素子３０ｂとの間に配置され、厚さＴＣ２よりも薄いＺ方向の厚さを有する。また、第３半導体素子３０ｃは、第１半導体素子３０ａのＺ方向の厚さＴＣ１と同じＺ方向の厚さを有しても良い。
【００３８】
半導体装置４では、第１半導体素子３０ａよりも厚い第２半導体素子３０ｂを配置することにより、動作時に半導体素子３０に加わる圧力の均一性を向上させ、信頼性を向上させることができる。
【００３９】
図６（ａ）および（ｂ）は、実施形態の変形例に係る半導体装置５、６の構成要素を示す模式図である。図６（ａ）および（ｂ）は、加圧板４０と加圧板５０との間に圧力を加える前の、電極板１０、電極板２０、半導体素子３０、金属板３３および金属板３５の配置を表す模式図である。
【００４０】
図６（ａ）および（ｂ）では、電極板１０と電極板２０との間に配置される、第１半導体素子３０は、それぞれ同じＺ方向の厚さを有し、金属板３５ｃは、それぞれ同じＺ方向の厚さを有する。 これらの例では、例えば、電極板２０は、インナーポール２３のＺ方向の高さＨ２が異なるように設けられる。
【００４１】
図６（ａ）に示す半導体装置５では、電極板２０の上面（インナーポール２３が配置される面の反対側に位置する面）に平行な方向において、電極板２０の外縁に最も近い位置に配置されるインナーポール２３ｂは、例えば、Ｚ方向の高さＨ２ｂを有する。また、インナーポール２３ｂよりも内側に位置するインナーポール２３は、Ｚ方向の高さＨ２ａを有する。この例では、インナーポール２３のＺ方向の高さは、Ｈ２ｂ＞Ｈ２ａの関係を有する。
【００４２】
図６（ｂ）に示す半導体装置６では、電極板２０は、その中央に配置されるインナーポール２３ａと、インナーポール２３ｂと、インナーポール２３ｃと、を含む。インナーポール２３ａは、電極板２０の下面の中央に配置される。インナーポール２３ｃは、インナーポール２３ａとインナーポール２３ｂとの間に位置する。インナーポール２３ａは、Ｚ方向の高さＨ２ａを有し、インナーポール２３ｃは、Ｚ方向の高さＨ２ｃを有する。この例では、インナーポール２３のＺ方向の高さは、Ｈ２ｂ＞Ｈ２ｃ＞Ｈ２ａの関係を有する。
【００４３】
半導体装置５、６では、電極板２０のインナーポール２３のＺ方向の高さを変えることにより、動作時に半導体素子３０に加わる圧力の均一性を向上させ、信頼性を向上させることができる。また、実施形態は、この例に限定される訳ではなく、電極板１０に設けられるインナーポール１３の高さを変えても良い。
【００４４】
図７は、実施形態の変形例に係る半導体装置７を示す模式図である。半導体装置７は、加圧板４０と加圧板５０との間に、複数の半導体モジュールＭ１〜Ｍ３を積層した構成を有する。半導体装置７では、高電圧下における高電流のスイッチング制御を実施できる。
【００４５】
半導体モジュールＭ１〜Ｍ３は、それぞれ、電極板１０と、電極板２０と、半導体素子３０と、金属板３３と、第２金属板３５と、を含む。半導体モジュールＭ１〜Ｍ３は、冷却板６０を介して積層される。冷却板６０は、例えば、アルミニウムを材料とし、冷却媒体を循環させる流路６３を含む。
【００４６】
半導体モジュールＭ１〜Ｍ３は、それぞれ、金属板３５ａ、金属板３５ｂ、金属板３５ｃを含む。金属板３５ａは、Ｚ方向の厚さＴＳ１を有し、金属板３５ｂは、Ｚ方向の厚さＴＳ２を有する。金属板３５ｃは、Ｚ方向の厚さＴＳ３を有する（図４参照）。金属板３５の厚さは、ＴＳ１、ＴＳ３＜ＴＳ２の関係を有する。
【００４７】
また、半導体モジュールＭ１〜Ｍ３は、第１半導体素子３０ａと、第２半導体素子３０ｂと、第３半導体素子３０ｃと、を含み（図５参照）、第２半導体素子３０ｂのＺ方向の厚さＴＣ２が、第１半導体素子３０ａのＺ方向の厚さＴＣ１および第３半導体素子３０ｃのＺ方向の厚さＴＣ３よりも厚くなるように構成しても良い。
【００４８】
これにより、動作時に半導体素子３０に加わる圧力を均一化し（図３参照）、半導体装置７の信頼性を向上させることができる。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１、２、３、４、５、６、７…半導体装置、  １０、２０…電極板、  １３、２３、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ…インナーポール、  １５、２５…接続端子、  ３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…半導体素子、  ３３、３５、３５ａ、３５ｂ、３５ｃ…金属板、  ４０、５０…加圧板、  ４５、５５…絶縁板、  ６０…冷却板、  ６３…流路、  Ｍ１〜Ｍ３…半導体モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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