(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）当該半導体装置の使用に際して放熱器の固定対象となるベース基板と、（ｂ）絶縁板に表面電極と裏面電極を接合して成り、該裏面電極を介して前記ベース基板に固定された絶縁基板と、（ｃ）該絶縁基板に前記表面電極を介して固定された半導体素子と、（ｄ）該半導体素子を被う絶縁カバーと、（ｅ）該絶縁カバーの外部に前記半導体素子から取り出した電極を備えた半導体装置であって、
前記裏面電極が、前記絶縁板よりも大きく、
前記ベース基板が、前記裏面電極よりも小さくかつ前記絶縁板よりも大きな貫通孔を有し、
前記絶縁基板が、該貫通孔内に位置して、前記裏面電極の周縁部を介して前記ベース基板の裏面に固定されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記裏面電極が、前記表面電極よりも厚いことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ベース基板が、プラスチック材料から成ることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ベース基板が、前記絶縁カバーと一体成型されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ベース基板が複数個の貫通孔を有し、該貫通孔の各々に半導体素子を固定した絶縁基板を備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ベース基板が、複数の部分に分割されて成り、各部分が組み合わされて前記貫通孔を形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、大電力の制御に用いる半導体装置に関し、さらに詳細には、大電力制御用半導体装置の絶縁・放熱構造の改善に関する。
背景技術
大電力を制御可能な半導体装置は、例えば、交通システム、コンピューター等の分野における産業機器に使用される。かかる半導体装置においては、半導体素子の良好な電気絶縁と良好な放熱を確保することが必要となる。
従来、大電力制御用の半導体装置の構造は、図７に示すようなものであった。
半導体素子１は、絶縁基板３にはんだ２によって接合され、絶縁基板３は、裏面電極３２を介して、はんだ５によって銅製のベース板６に接合されている。絶縁基板３は、絶縁板３１の両面に表面電極４及び裏面電極３２を接合して形成されている。また、半導体素子１及び絶縁基板３は、絶縁性のカバー１１によって覆われ、絶縁カバー１１内には、ゲル９が開口部１１ａを介して充填され、エポキシ樹脂１０で封止されている。半導体素子１のエミッタ電極は、表面電極４１を介して主電極８１と接続され、コレクタ電極はアルミワイヤ１４、表面電極４２を介して主電極８２と接続されている。
かかる半導体装置の使用に際しては、外部回路の配線が主電極８１及び８２にナット１２によって接続され、放熱器（図示せず）が取り付け穴１３を用いてベース板６にねじ止めされる。外部回路から通電することにより半導体素子１から発生した熱は、絶縁基板３及びベース基板６を介して放熱器に伝えられる。半導体素子１と放熱器の間の熱抵抗を低減するため、絶縁基板３の全面が、はんだ５によってベース基板６に固定される。また、ベース基板６と放熱器の隙間には一般にサーマルグリースが塗付される。
しかし、従来の半導体装置においては、次のような問題があった。
半導体装置の製造工程において、絶縁基板３とベース基板６は、はんだ５の融解温度まで加熱され、冷却される。銅製のベース基板６は、セラミック製の絶縁板３１に対して約４倍の熱膨張係数を有するため、ベース基板６と絶縁基板３は異なる膨張／収縮を起こす。このため、絶縁基板３と接合されたベース基板６は、冷却過程において上面凸型に反り変形を起こす。ベース基板６が反り変形を起こすと、ベース基板６と放熱器の間の隙間が広がる。このため、ベース基板６と放熱器の間の熱抵抗が増加し、半導体素子１の放熱効率が低下する。
また、上記はんだ付けの際の加熱/冷却によって、又は半導体装置の電源オン／オフによる半導体素子１周辺の温度の上昇/下降によって、熱膨張係数の異なるベース基板６と絶縁基板３に挟まれたはんだ５に応力が加わる。この応力によって、はんだ５又はその接着面に亀裂が生じ易い。はんだ５又はその接着面に亀裂が生じると、絶縁基板３とベース基板６の間の熱抵抗が増加し、これによっても半導体素子１の放熱効率が低下する。
さらに、ベース基板６と放熱器をねじ止めする際に、互いの面が完全に平坦ではないため、ベース基板６及び絶縁基板３に曲げ応力が加わる。特に、ベース板６及び絶縁基板３が反り変形をしている場合に、曲げ応力が大きくなる。この曲げ応力によってセラミック製の絶縁板３１が割れると、半導体素子１が絶縁破壊を起こす。
発明の開示
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、半導体素子と放熱器の間の熱抵抗が低く、絶縁板の割れによる半導体素子の絶縁破壊の発生を抑制可能な半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、（ａ）ベース基板と、（ｂ）絶縁板に表面電極と裏面電極を接合して成り、該裏面電極を介して前記ベース基板に固定された絶縁基板と、（ｃ）該絶縁基板に前記表面電極を介して固定された半導体素子と、（ｄ）該半導体素子を被う絶縁カバーと、（ｅ）該絶縁カバーの外部に前記半導体素子から取り出した電極を備えた半導体装置であって、
前記裏面電極が、前記絶縁板よりも大きく、
前記ベース基板が、前記裏面電極よりも小さくかつ前記絶縁板よりも大きな貫通孔を有し、
前記絶縁基板が、該貫通孔内に位置して、前記裏面電極の周縁部を介して前記ベース基板の裏面に固定されたことを特徴とするものである。
本発明の半導体装置の使用に際しても、従来同様に放熱器がベース基板に固定される。しかし、従来と異なり、絶縁基板はベース基板を介さずに直接放熱器に接触する。このため、半導体素子から発生した熱は、絶縁基板から直接放熱器に伝わり、半導体素子と放熱器の間の熱抵抗が低減される。
また、絶縁基板はその裏面に設けられた裏面電極の周縁部においてのみベース基板に接触しているため、絶縁基板とベース基板の熱膨張係数の違いによる変形は殆ど発生しない。
さらに、放熱器をベース基板にねじ止めする際に絶縁板に加わる曲げ応力は、裏面電極によって緩和される。このため、絶縁板の割れによる半導体素子の絶縁破壊発生を抑制することができる。
また、本発明の半導体装置において、前記裏面電極が前記表面電極よりも厚いことが好ましい。これにより、半導体装置の温度が上昇した際に、表面電極側と裏面電極側に発生する応力の違いにより絶縁基板が下面凸型に変形する。絶縁基板が下面凸型に変形することにより、絶縁基板と放熱器の密着性が向上する。従って、半導体装置が高温となる程、半導体素子と放熱器の間の熱抵抗が減少して、放熱効率が向上する。
さらに、本発明においては、ベース基板は熱抵抗に関与しないため、種々の材料を使用可能である。例えば、ベース基板を、プラスチック材料により形成することが好ましい。これにより、半導体装置を軽量化できるからである。
またさらに、ベース基板と絶縁基板の材料を共通化して、ベース基板を前記絶縁カバーと一体に成型しても良い。ベース基板と絶縁カバーを一体成型することにより、半導体装置の構造を簡略化し、製造コストを低減することができる。
また、本発明の半導体装置において、前記ベース基板に複数個の貫通孔を設け、該貫通孔の各々に半導体素子を固定した絶縁基板を設置しても良い。これにより、複数の半導体素子について、共通の放熱器を用いて放熱することができる。
さらに、ベース基板を、複数の部分に分割し、各部分を組み合わせることにより貫通孔を形成するようにしても良い。これにより、ベース基板の構造が簡略化され、半導体装置の製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。
図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す底面図である。
図３は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す底面図である。
図４は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す底面図である。
図５は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。
図６は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。
図７は、従来の半導体装置を示す断面図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。半導体素子１を、絶縁基板３にはんだ２によって接合する。絶縁基板３は、窒化アルミニウム等の絶縁板３１に、銅又はアルミニウム等の表面電極４１及び４２を接合して形成する。裏面電極３２は、絶縁板３１よりも大きく形成する。
ベース基板６には、裏面電極３２よりも小さくかつ絶縁板３１よりも大きな貫通孔６ａを設ける。絶縁基板３は、貫通孔６ａ内に位置させ、裏面電極３２の周縁部を介してベース基板６の裏面に固定する。本発明においては、絶縁基板３とベース基板６の間の熱抵抗は問題とならないため、絶縁基板３とベース基板６の固定には、はんだ付けだけでなく、接着剤、溶接等種々の方法を使用可能である。
従来同様に、半導体素子１及び絶縁基板３は、絶縁性のカバー１１によって覆う。絶縁カバー１１には、例えば、ＰＰＳ等のプラスチック材料の成型品を用いることができる。絶縁カバー１１内には、電気絶縁性を向上するために開口部１１ａを介してゲル９を充填することが好ましい。また、半導体装置の耐湿性を向上するため、開口部１１ａはエポキシ樹脂１０によって封止することが好ましい。尚、半導体素子１及び絶縁基板３を絶縁カバーで覆うには、半導体素子１及び絶縁基板３に樹脂を直接モールドしても良い。
半導体素子１のエミッタ電極を、はんだ２によって表面電極４１と接続し、半導体素子１のコレクタ電極をアルミワイヤ１４によって表面電極４２と接続する。表面電極４１及び４２には、エミッタ用主電極８１及びコレクタ用主電極８２を接続し、絶縁カバー１１の外部に引き出す。
本発明の半導体装置の使用に際しても、放熱器（図示せず）が取り付け穴１３を用いてベース板６にねじ止めされる。本発明において、絶縁基板３は、ベース基板６に覆われずに露出し、ベース基板６の下面から突出しているため、放熱器に直接接触する。絶縁基板３と放熱器の隙間には熱伝導性の向上のためにサーマルグリースを塗付することが好ましい。外部回路から通電することにより半導体素子１から発生した熱は、絶縁基板３だけを介して放熱器に伝えられる。従って、絶縁基板３、はんだ５及びベース基板６を介して熱を伝えていた従来の構造に比べて、半導体素子１と放熱器の間の熱抵抗が低減される。
また、絶縁基板３はその裏面に設けられた裏面電極３２の周縁部においてのみベース基板６に接触している。従って、絶縁基板３とベース基板３２の熱膨張係数の違いによる変形は殆ど発生しない。
さらに、ベース基板６と放熱器をねじ止めする際に、裏面電極３２を介して絶縁板３１にも曲げ応力が加わるが、薄板である裏面電極３２は可撓性を有するため、絶縁板３１に加わる曲げ応力が緩和される。従って、絶縁板３１の割れ発生が抑制される。
図２は、図１に示す半導体装置の底面図である。本発明の半導体装置において、絶縁基板３の裏面に接合された裏面電極３２はベース基板６よりも突出しているため、放熱器には主に裏面電極３２だけが接触する。即ち、半導体装置と放熱器の接触面積は、従来よりも狭くなる。このため、従来と同じ締め付けトルクで放熱器を取り付けても、放熱器と半導体装置の間の接触圧力が従来よりも高くなり、熱抵抗が低減される。
また、高温時における半導体素子と放熱器の熱抵抗を低減するために、裏面電極３２を表面電極４よりも厚く形成することが好ましい。半導体装置の温度が上昇すると、表面電極４又は裏面電極３２と絶縁板３１との間の熱膨張係数の違いにより、表面電極４及び裏面電極３２から絶縁板３１に応力が加わる。この応力の大きさは電極の厚さに依存するため、裏面電極３２から加わる応力は、表面電極４から加わる応力よりも大きい。従って、温度が上昇することにより、絶縁基板３が下面凸型に変形する。絶縁基板３が下面凸型に変形すると、絶縁基板３と放熱器の密着性が向上し、半導体素子と放熱器の間の熱抵抗が低減される。即ち、放熱が必要な高温状態において熱抵抗が減少するという効果が得られる。
図７に示した従来の構造においては、裏面電極を表面電極よりも厚く設定しても、同様の効果を得ることはできなかった。絶縁基板３は、剛性の高いベース電極６に全面的にはんだ付けされていたため、電極の厚さの違いによる変形が起こり難かったからである。
尚、本発明の半導体装置において、ベース基板６は、半導体素子１の放熱に関与しないため、種々の材料によって形成可能である。例えば、ベース基板６を銅よりも安価な鉄を用いて形成しても良い。また、ベース基板６をプラスチック材料を用いて形成し、半導体装置を軽量化しても良い。
実施形態２
図３は、実施の形態２に係る半導体装置の底面図である。本実施の形態においては、複数の半導体素子を１つのパッケージに収納した半導体装置を提供する。１つのベース基板６に、例えば３つの貫通孔６ａを設ける。各々の貫通孔６ａ内に、半導体素子を固定した絶縁基板を、裏面電極３２を介して固定する。この構造によれば、３つの半導体素子について共通の放熱器を用いることができる。従って、放熱器の必要個数を減少し、また、放熱器の取り付け作業を簡略化することができる。
実施の形態３
図４及び図５は、実施の形態３に係る半導体装置の底面図及び断面図である。尚、図５においてベース基板兼絶縁カバー１６及び裏面電極３２以外は省略している。
本実施の形態半導体装置も、実施の形態２と同様に、複数の半導体素子を１つのパッケージに収納する。さらに本実施の形態においては、ベース基板１６を複数の部分に分割し、各部分を組み合わせることによって貫通孔１６ａを形成する。例えば、図４に示すようにベース基板１６を、５つの部分１６−１〜１６−５に分割する。このようにベース基板１６を分割することにより、ベース基板の形状が単純となり、ベース基板の成型が容易となる。
またさらに、本実施の形態においては、ベース基板と絶縁カバーを一体成型する。前述したようにベース基板は材料選択の幅が広いため、ベース基板を絶縁カバーと共通の材料を用いて一体成型することができる。ベース基板と絶縁カバーを一体成型することにより、半導体装置の部品点数を減少し、製造コストを低減することができる。例えば、図５に示すように、絶縁カバーの側壁がベース基板と連続した構造となるように、絶縁カバーとベース基板を一体成型をすれば良い。ベース基板１６−１〜１６−３には、対応する位置の絶縁カバーが一体化されている。絶縁カバーに充填するゲル材料の漏れを防ぐために、分割した部分１６−１〜１６−５を組み立てた後に、互いをシリコンゴム接着剤等によって接着することが好ましい。
尚、本実施の形態においては、ベース基板を分割し、分割した各ベース基板を絶縁カバーと一体成型する例について示したが、ベース基板を分割せずに、ベース基板と絶縁カバーを単一の成型品により構成しても良い。
実施の形態４
図６は、半導体素子１と主電極８２の接続方法が異なる実施形態を示す断面図である。本実施の形態においては、半導体素子１のコレクタ電極を、表面電極を介さずに直接主電極８２に接続する。接続には、例えば導電性接着剤を用いることができる。この構造によれば、コレクタ電極を接続する領域の表面電極が不要となるため、絶縁板３１を小面積化することができる。即ち、絶縁板３１の裏面電極３２に対する面積比を小さくすることができる。剛性が高い絶縁板３１の面積比を減少することによって、裏面電極３２の可撓性が増し、裏面電極３２と放熱器の密着が容易となる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【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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