(57)【要約】【課題】  表面側放熱板と半導体素子と裏面側放熱板が、その順で積層されており、動作時に発熱する半導体素子の熱を放熱板に放熱して冷却する半導体モジュールにおいて、半導体素子の最高温度を正確に検出する技術を提供する。【解決手段】  半導体モジュールでは、表面側放熱板と半導体素子と裏面側放熱板が、その順で積層されている。積層方向から見たときに、前記半導体素子は、周縁耐圧領域によって囲繞されるアクティブ領域と、前記アクティブ領域によって囲繞される温度検出部を備えており、前記積層方向から見たときに前記温度検出部と重なりあう範囲において、前記表面側放熱板と前記裏面側放熱板の少なくとも一方が、前記半導体素子から離間していてもよい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面側放熱板と半導体素子と裏面側放熱板が、その順で積層されている半導体モジュールであって、
積層方向から見たときに、前記半導体素子は、周縁耐圧領域によって囲繞されるアクティブ領域と、前記アクティブ領域によって囲繞される温度検出部を備えており、
前記積層方向から見たときに前記温度検出部と重なりあう範囲において、前記表面側放熱板と前記裏面側放熱板の少なくとも一方が、前記半導体素子から離間している、半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書では、表面側放熱板と半導体素子と裏面側放熱板が、その順で積層されている半導体モジュールを開示する。
【背景技術】
【０００２】
上記の半導体モジュールでは、動作時に発熱する半導体素子の熱を放熱板に放熱して冷却する。また、半導体素子の温度を検出し、その温度が所定値を超えないように制御して半導体素子が過熱されないようにすることがある。半導体素子内の温度分布は一様でなく、半導体素子を過熱から保護するためには、半導体素子内の最高温度を検出する必要がある。
【０００３】
通常の半導体素子の場合、積層方向から見たときに、半導体素子は周縁耐圧領域とアクティブ領域を備えており、周縁耐圧領域がアクティブ領域を囲繞する関係となっている。多くの場合、表面側放熱板と裏面側放熱板の一方は、周縁耐圧領域とアクティブ領域の両者に跨って延びているのに対し、表面側放熱板と裏面側放熱板の他方は、アクティブ領域内に留まっており、周縁耐圧領域に及んでいない。
【０００４】
特許文献１の技術では、周縁耐圧領域内に温度検出部（実施例では温度センスダイオード）を配置する。周縁耐圧領域では、前記した他方の放熱板が配置されていないために放熱効率が低く、半導体素子内の温度分布において最高温度となる領域であるとされている。特許文献１の技術は、放熱効率が低い周縁耐圧領域に温度検出部を配置して最高温度を検出しようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２１１０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、周縁耐圧領域は発熱領域でなく、動作時に発熱するアクティブ領域の熱が伝熱して昇温する関係にある。アクティブ領域の発熱量が急変する場合、特許文献１の技術では、温度変化の検出タイミングが遅れることになる。即ち、最高温度を追従性よく検出することができない。
【０００７】
また、通常の半導体素子の表面と裏面のいずれかでは、周縁耐圧領域を絶縁保護膜で覆う。本明細書では、周縁耐圧領域が絶縁保護膜で覆われている側を表側とする。半導体素子の表面側では、絶縁保護膜で囲繞される範囲内に表面側電極を形成している。この構造の場合、絶縁保護膜と表面側電極の高さが相違することがあり、表面側放熱板の存在範囲が表面側電極の形成範囲内に留まっている関係を採用する。このときに、表面側放熱板の存在範囲を表面側電極の形成範囲に一致させることが難しく、前者を後者よりも小さくすることになる。この結果、アクティブ領域内（特に周縁耐圧領域に隣接する個所）には表面側放熱板に接しない範囲が形成されることになる。実際には、アクティブ領域内にあって表面側放熱板に接しない範囲が最高温度となる。特許文献１の技術では、周縁耐圧領域に温度検出部が配置されており、最高温度を検出できない。
【０００８】
本明細書では、半導体素子の最高温度をより正確に検出する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書で開示する半導体モジュールでは、表面側放熱板と半導体素子と裏面側放熱板が、その順で積層されている。積層方向から見たときに、前記半導体素子は、周縁耐圧領域によって囲繞されるアクティブ領域と、前記アクティブ領域によって囲繞される温度検出部を備えており、前記積層方向から見たときに前記温度検出部と重なりあう範囲において、前記表面側放熱板と前記裏面側放熱板の少なくとも一方が、前記半導体素子から離間している。
【００１０】
上記の構成では、積層方向から見たときに温度検出素子と重なりあう範囲において、表面側放熱板と裏面側放熱板の少なくとも一方が半導体素子から離間している。このため、温度検出部と重なり合う範囲から表面側放熱板と裏面側放熱板の少なくとも一方に熱が放熱されない。また、温度検出部は、アクティブ領域によって囲繞されている。このため、アクティブ領域内にあって周縁耐圧領域に隣接する個所に表面側放熱板が接触しない範囲が形成されている場合でも、温度検出部の近傍の温度は、アクティブ領域内の周縁耐圧領域に隣接する個所の温度よりも高くなる。アクティブ領域内にあって周縁耐圧領域に隣接する個所では、周縁耐圧領域に放熱して冷却されるためである。これらの結果、温度検出部の近傍は、半導体素子内において最高温度となる。これにより、温度検出部によって、半導体素子内の最高温度を正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施例の半導体モジュールの断面図である。
【図２】第１実施例の半導体モジュールを積層方向から見た図である。
【図３】第２実施例の半導体モジュールの断面図である。
【図４】第２実施例の半導体モジュールを積層方向から見た図である。
【図５】第３実施例の半導体モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施例）
図１及び図２を参照して、第１実施例を説明する。第１実施例の半導体モジュール１０は、電気自動車やハイブリット自動車等の車両に搭載される。また、半導体モジュール１０は、車両のパワーコントロールユニットを構成する電力変換器に搭載される。半導体モジュール１０は、パワーカードと呼ばれることもある。半導体モジュール１０は、電力変換器を構成する冷却器（図示省略）の間に配置される。半導体モジュール１０は、冷却器によって冷却される。
【００１３】
図１及び図２に示すように、半導体モジュール１０は、半導体素子２０と、表面側放熱板４０と、表面側第２放熱板５０と、裏面側放熱板６０を備える。図１に示すように、裏面側放熱板６０、半導体素子２０と、表面側放熱板４０と、表面側第２放熱板５０が、その順でＺ方向に向かって積層されている。図１は、半導体モジュール１０をＸＺ平面と平行に切断して得られる断面図である。裏面側放熱板６０と、半導体素子２０と、表面側放熱板４０と、表面側第２放熱板５０は、樹脂製のパッケージによって封止されている。なお、図１及び図２では、図面を見易くするために、パッケージが省略されている。パッケージは、裏面側放熱板６０の下面と表面側第２放熱板５０の上面を除く面を覆う。図１において、上下方向が規定されている。
【００１４】
半導体素子２０は、平板形状を有する。半導体素子２０は、例えば、シリコンや炭化ケイ素等から作製されている。半導体素子２０は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（即ちＩＧＢＴ）や金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（即ちＭＯＳＦＥＴ）等の素子構造を有する。素子構造がＩＧＢＴである場合、半導体素子２０は、エミッタ領域、コレクタ領域、ボディ領域、ドリフト領域、ゲート電極等を有する（図示省略）。
【００１５】
半導体素子２０は、周縁耐圧領域２０ａと、アクティブ領域２０ｂと、温度検出部３４と、表面側電極２６と、裏面側電極２８と、絶縁保護膜３０を備える。半導体素子２０を積層方向（即ちＺ方向）から見ると、周縁耐圧領域２０ａは、半導体素子２０の周縁に位置している。周縁耐圧領域２０ａは、半導体素子２０の耐圧を維持する領域である。
【００１６】
半導体素子２０を積層方向から見ると、アクティブ領域２０ｂは、周縁耐圧領域２０ａによって囲繞されている。なお、図１では、周縁耐圧領域２０ａとアクティブ領域２０ｂの境界が破線によって図示されている。アクティブ領域２０ｂ内を電流が流れると、アクティブ領域２０ｂは発熱する。
【００１７】
温度検出部３４は、半導体素子２０の中央部２０ｃに位置している。半導体素子２０を積層方向から見ると、温度検出部３４は、アクティブ領域２０ｂによって囲繞されている。温度検出部３４は、アクティブ領域２０ｂ内に封止されている。温度検出部３４は、例えば、ダイオードである。温度検出部３４は、周囲の温度に応じて抵抗値が変化する。温度検出部３４に接続される電流センサ（図示省略）を使用して、温度検出部３４の抵抗値を検出することで、温度検出部３４の温度が検出される。
【００１８】
半導体素子２０の裏面２４の全体には、裏面側電極２８が配置されている。図１では、半導体素子２０の裏面２４は、半導体素子２０の下面を表す。半導体素子２０を積層方向から見ると、裏面側電極２８は、周縁耐圧領域２０ａとアクティブ領域２０ｂの両者を覆う。裏面側電極２８は、導電性を有する。裏面側電極２８は、例えば、ニッケル等から作製されている。裏面側電極２８は、例えば、半導体素子２０内のコレクタ領域と導通している。
【００１９】
半導体素子２０の表面２２には、表面側電極２６が配置されている。図１では、半導体素子２０の表面２２は、半導体素子２０の上面を表す。半導体素子２０の表面２２は、半導体素子２０の裏面２４と反対側の面である。半導体素子２０を積層方向から見ると、表面側電極２６は、アクティブ領域２０ｂを覆っており、周縁耐圧領域２０ａを覆っていない。半導体素子２０を積層方向から見ると、表面側電極２６の端部は、周縁耐圧領域２０ａとアクティブ領域２０ｂの境界に位置している。表面側電極２６は、導電性を有する。表面側電極２６は、例えば、アルミシリコン合金等から作製されている。表面側電極２６は、例えば、半導体素子２０内のエミッタ領域と導通している。
【００２０】
半導体素子２０の表面２２には、絶縁保護膜３０が配置されている。半導体素子２０を積層方向から見ると、絶縁保護膜３０は、周縁耐圧領域２０ａを覆っており、アクティブ領域２０ｂを覆っていない。絶縁保護膜３０は、表面側電極２６と当接している。半導体素子２０を積層方向から見ると、絶縁保護膜３０と表面側電極２６の境界の位置は、周縁耐圧領域２０ａとアクティブ領域２０ｂの境界の位置と一致する。絶縁保護膜３０の厚み（即ち積層方向の幅）は、表面側電極２６の厚み（即ち積層方向の幅）よりも厚い。
【００２１】
絶縁保護膜３０は、絶縁性を有する。絶縁保護膜３０は、絶縁材料から作製されている。絶縁保護膜３０上には、例えば、温度検出部３４に導通するパッド（図示省略）と、ゲート電極に導通するパッド（図示省略）等が配置されている。
【００２２】
半導体素子２０の裏面２４には、裏面側放熱板６０が配置されている。裏面側放熱板６０は、図示省略の接合材によって、半導体素子２０の裏面２４（即ち裏面側電極２８）に接合されている。接合材は、例えば、はんだ等である。裏面側放熱板６０は、半導体素子２０の裏面２４の全体を覆う。裏面側放熱板６０は、平板形状を有する。裏面側放熱板６０は、導電性と熱伝導性を有する。裏面側放熱板６０は、例えば、銅やアルミニウム等から作製されている。裏面側放熱板６０を積層方向から見ると、裏面側放熱板６０は、周縁耐圧領域２０ａとアクティブ領域２０ｂの両者に跨って配置されている。
【００２３】
裏面側放熱板６０には、図示省略の負極端子又は図示省略の正極端子が接続される。裏面側放熱板６０の下面には、図示省略の絶縁膜を介して冷却器が当接する。
【００２４】
半導体素子２０の表面２２には、表面側放熱板４０が配置されている。表面側放熱板４０は、図示省略の接合材によって、半導体素子２０の表面２２に接合されている。表面側放熱板４０は、平板形状を有する。表面側放熱板４０は、導電性と熱伝導性を有する。表面側放熱板４０は、例えば、銅やアルミニウム等から作製されている。表面側放熱板４０は、半導体素子２０と表面側第２放熱板５０の間に配置されている。表面側第２放熱板５０については、後で詳しく説明する。表面側放熱板４０は、半導体素子２０と表面側第２放熱板５０の間のスペーサとしての機能を有する。
【００２５】
表面側放熱板４０を積層方向から見ると、表面側放熱板４０は、アクティブ領域２０ｂに配置されている。表面側放熱板４０は、半導体素子２０の表面２２内にあってアクティブ領域２０ｂに重なりあう範囲（即ち表面側電極２６）に接合されている。表面側放熱板４０は、絶縁保護膜３０に囲繞されている。表面側放熱板４０は、絶縁保護膜３０から離間している。アクティブ領域２０ｂ内にあって周縁耐圧領域２０ａに隣接する範囲は、表面側放熱板４０に覆われていない。以下では、この範囲を露出領域２２ｃと呼ぶ。
【００２６】
表面側放熱板４０は、開口部４２を有する。開口部４２は、表面側放熱板４０を積層方向に貫通している。開口部４２は、表面側放熱板４０の中央部４０ａに位置している。積層方向において、表面側放熱板４０の中央部４０ａは、半導体素子２０の中央部２０ｃと重なっている。
【００２７】
図２に示すように、表面側放熱板４０を積層方向から見ると、開口部４２は、矩形形状を有する。図２は、半導体モジュール１０を積層方向から見た上面図である。また、図２では、ＸＹ平面における表面側放熱板４０と温度検出部３４の位置関係を理解し易くするために、表面側第２放熱板５０の図示が省略されている。また、図２では、温度検出部３４が破線で図示されている。開口部４２のＸ方向における幅とＹ方向における幅とのそれぞれは、積層方向に対して一定である。表面側放熱板４０を積層方向から見ると、開口部４２の内部に温度検出部３４が配置されている。図１に示すように、積層方向において、開口部４２は、温度検出部３４と重なって配置されている。積層方向において、表面側放熱板４０は、半導体素子２０の表面２２内にあって温度検出部３４と重なりあう範囲から離間している。即ち、表面側放熱板４０は、半導体素子２０内にあって温度検出部３４と重なりあう範囲に接合されていない。以下では、この範囲を、表面側非接合領域２２ｂと呼ぶ。
【００２８】
表面側放熱板４０の上面には、表面側第２放熱板５０が配置されている。表面側第２放熱板５０は、図示省略の接合材によって、表面側放熱板４０の上面に接合されている。表面側第２放熱板５０は、表面側放熱板４０の上面の全体を覆う。表面側第２放熱板５０は、表面側放熱板４０の開口部４２の上端を閉塞する。表面側第２放熱板５０は、平板形状を有する。表面側第２放熱板５０は、例えば、銅やアルミニウム等から作製されている。表面側第２放熱板５０は、導電性と熱伝導性を備える。
【００２９】
表面側第２放熱板５０には、図示省略の中性端子が接続される。表面側第２放熱板５０の上面には、図示省略の絶縁膜を介して冷却器が当接する。
【００３０】
次に、半導体素子２０の発熱の挙動を説明する。まず、半導体素子２０に電圧を印加すると、アクティブ領域２０ｂ内において、半導体素子２０の裏面２４から表面２２に向かって電流が流れる。これにより、アクティブ領域２０ｂが発熱する。この結果、半導体素子２０の温度が上昇する。半導体素子２０の熱は、半導体素子２０の裏面２４から裏面側放熱板６０に伝わる。裏面側放熱板６０の熱は、冷却器に放熱される。また、半導体素子２０の熱は、半導体素子２０の表面２２から表面側放熱板４０を介して表面側第２放熱板５０に伝わる。表面側第２放熱板５０の熱は、冷却器に放熱される。
【００３１】
（効果）
このとき、半導体素子２０の熱は、半導体素子２０の表面２２内にあって表面側放熱板４０と接合する範囲から表面側放熱板４０に放熱される。一方、半導体素子２０の熱は、半導体素子２０の表面２２内にあって表面側放熱板４０と接合していない範囲から表面側放熱板４０に放熱されない。このため、露出領域２２ｃと表面側非接合領域２２ｂの熱は、表面側放熱板４０に放熱されない。
【００３２】
露出領域２２ｃは、周縁耐圧領域２０ａに隣接しており、露出領域２２ｃの熱は、周縁耐圧領域２０ａに放熱される。また、温度検出部３４は、アクティブ領域２０ｂによって囲繞されている。このため、表面側非接合領域２２ｂの温度は、露出領域２２ｃの温度よりも高い。これらの結果、表面側非接合領域２２ｂの温度は、半導体素子２０内において最高となる。これにより、温度検出部３４によって、半導体素子２０の最高温度を正確に検出することができる。
【００３３】
（第２実施例）
図３及び図４を参照して、第２実施例を説明する。第２実施例では、第１実施例と異なる点を説明し、第１実施例と同様の点については同様の符号を付して説明を省略する。図３に示すように、表面側放熱板４０は、凹部１４２を有する。凹部１４２は、表面側放熱板４０の下面から上方に向かって凹んでいる。凹部１４２は、表面側放熱板４０の中央部４０ａに位置している。積層方向において、凹部１４２は、半導体素子２０の中央部２０ｃと重なっている。凹部１４２のＸ方向における幅とＹ方向における幅のそれぞれは、積層方向に対して一定である。
【００３４】
図４に示すように、表面側放熱板４０を積層方向から見ると、凹部１４２の内部に温度検出部３４が配置されている。図４では、ＸＹ平面における凹部１４２と温度検出部３４との位置関係を理解し易くするために、表面側第２放熱板５０の図示が省略されている。また、図４では、温度検出部３４が破線で図示されており、凹部１４２が一点鎖線で図示されている。図３に示すように、積層方向において、凹部１４２は、温度検出部３４と重なって配置されている。積層方向において、表面側放熱板４０は、半導体素子２０内の表面側非接合領域２２ｂから離間している。積層方向において、凹部１４２と重なる範囲における表面側放熱板４０の厚み（即ち積層方向の幅）は、凹部１４２と重ならない範囲における表面側放熱板４０の厚みよりも薄い。
【００３５】
（第３実施例）
図５を参照して、第３実施例を説明する。第３実施例では、第１実施例と異なる点を説明し、第１実施例と同様の点については同様の符号を付して説明を省略する。図５に示すように、表面側放熱板４０は、第１実施例の開口部４２を有していない。表面側放熱板４０は、連続して延びる平板形状を有する。
【００３６】
裏面側放熱板６０は、開口部２６２を有する。開口部２６２は、裏面側放熱板６０を積層方向に貫通している。開口部２６２は、裏面側放熱板６０の中央部６０ａに位置している。開口部２６２は、温度検出部３４の下方に位置している。開口部２６２のＸ方向における幅とＹ方向における幅のそれぞれは、積層方向に対して一定である。積層方向において、開口部２６２は、温度検出部３４と重なっている。裏面側放熱板６０は、積層方向において半導体素子２０の裏面２４内にあって温度検出部３４と重なりあう範囲から離間している。即ち、裏面側放熱板６０は、積層方向において半導体素子２０内にあって温度検出部３４と重なりあう範囲に接合されていない。以下では、この範囲を裏面側非接合領域２４ｂと呼ぶ。
【００３７】
（効果）
半導体素子２０が発熱すると、半導体素子２０の熱は、半導体素子２０の裏面２４から裏面側放熱板６０に放熱される。このとき、半導体素子２０の熱は、裏面側非接合領域２４ｂから裏面側放熱板６０に放熱されない。また、露出領域２２ｃの熱は、隣接する周縁耐圧領域２０ａに放熱される。また、温度検出部３４は、アクティブ領域２０ｂによって囲繞されている。このため、裏面側非接合領域２４ｂの温度は、露出領域２２ｃの温度よりも高い。これらの結果、裏面側非接合領域２４ｂの温度は、半導体素子２０内において最高となる。これにより、温度検出部３４によって、半導体素子２０の最高温度を正確に検出することができる。
【００３８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
【００３９】
（変形例）
（１）上記の第３実施例では、裏面側放熱板６０は、開口部２６２を有する。しかしながら、裏面側放熱板６０は、開口部２６２を有しておらず、凹部を有していてもよい。この場合、凹部は、裏面側放熱板６０の上面から下方に向かって凹んでおり、裏面側放熱板６０の中央部６０ａに位置していてもよい。
【００４０】
（２）上記の実施例では、表面側放熱板４０又は裏面側放熱板６０が、開口部４２、２６２又は凹部１４２を有している。しかしながら、表面側放熱板４０と裏面側放熱板６０の両方が、開口部又は凹部を有していてもよい。
【００４１】
（３）上記の実施例では、表面側放熱板４０と、表面側第２放熱板５０と、裏面側放熱板６０は、導通性と熱伝導性を有する。しかしながら、表面側放熱板４０と、表面側第２放熱板５０と、裏面側放熱板６０は、熱伝導性のみを有しており、半導体素子２０の熱を冷却器に放熱する機能のみを有していてもよい。この場合、半導体モジュール１０は、表面側電極２６と裏面側電極２８のそれぞれに導通する導通部をさらに備えている。
【００４２】
（４）上記の実施例では、表面側放熱板４０と表面側第２放熱板５０は、別部材である。しかしながら、表面側放熱板４０と表面側第２放熱板５０は、一体化した一枚板であってもよい。あるいは、半導体モジュール１０は、表面側第２放熱板５０を備えていなくてもよい。
【００４３】
本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４４】
１０    ：半導体モジュール
２０    ：半導体素子
２０ａ  ：周縁耐圧領域
２０ｂ  ：アクティブ領域
２２    ：表面
２２ｂ  ：表面側非接合領域
２２ｃ  ：露出領域
２４    ：裏面
２４ｂ  ：裏面側非接合領域
２６    ：表面側電極
２８    ：裏面側電極
３０    ：絶縁保護膜
３４    ：温度検出部
４０    ：表面側放熱板
４２    ：開口部
５０    ：表面側第２放熱板
６０    ：裏面側放熱板
１４２  ：凹部
２６２  ：開口部
【図１】
2020068320.tif 000003
【図２】
2020068320.tif 000004
【図３】
2020068320.tif 000005
【図４】
2020068320.tif 000006
【図５】
2020068320.tif 000007