(57)【要約】【課題】半導体素子の通電時の損失による温度上昇を低減する。【解決手段】半導体素子１と、第１の絶縁基板３ａと、第２の絶縁基板３ｂとを備え、半導体素子１の表裏両面一方の面に第１の絶縁基板３ａが、他方の面に第２の絶縁基板３ｂが、それぞれ接続されている。半導体素子１と第２の絶縁基板３ｂとの間には導体層４が設けられ、半導体素子１の外部接続端子と導体層４とは導通可能に接続されている。【選択図】  図１
2006019334.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、第１の絶縁基板と、第２の絶縁基板とを備え、
上記第１の絶縁基板は、上記半導体素子の表裏両面一方の面に接続され、
上記第２の絶縁基板は、上記半導体素子の他方の面に接続されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
導体層をさらに備え、
上記第２の絶縁基板は、上記半導体素子の他方の面に、上記導体層を介して接続され、
上記半導体素子の外部接続端子と上記導体層とは、導通可能に接続されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
上記第２の絶縁基板の、上記半導体素子が接続された面とは反対側の面に、冷却フィンをさらに備え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】
金属基板と、該金属基板上に設けられた第１の絶縁基板と、該第１の絶縁基板上に接続された半導体素子と、該半導体素子上に設けられた第２の絶縁基板と、該半導体素子を封止するための筐体と、筐体内に封入された絶縁体とを備えることを特徴とする内部絶縁型のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
導体層をさらに備え、
上記第２の絶縁基板は、上記半導体素子に上記導体層を介して接続され、
上記導体層は、上記半導体素子の外部接続端子と、上記パワー半導体モジュールの外部電極端子とに、それぞれ導通可能に接続されていることを特徴とする請求項４記載の内部絶縁型のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
上記第２の絶縁基板には冷却フィンが設けられていることを特徴とする請求項４記載の内部絶縁型のパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部絶縁型の半導体モジュールとそれに用いられる半導体装置とに係り、特に比較的大電流容量のパッケージ型パワー半導体モジュールに好適な半導体モジュール及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の内部絶縁型の半導体モジュールは、図２に示すように、シリコンを材料とする半導体素子１、半田２、絶縁基板３、金属層４、ろう材５、支持基板６、ゲル７、配線端子８、樹脂体９、空隙部１０、接着剤１１、冷却フィン１２、ネジ１３、外部配線１４、アルミを材料とする金属ワイヤ１５を備える。
【０００３】
絶縁基板３は、アルミナなどの絶縁材で作られ、その一方の面には、配線パターンが形成された金属層４ａがろう材５ａにより接合され、他方の面には、半田などによる接合を可能とする為の金属層４ｂがろう材５ｂにより接合されている。
【０００４】
そして、半導体素子１は絶縁基板３の一方の面に形成されている金属層４ａの所定の部分に半田２ａにより接合され、絶縁基板３のもう一方の面に形成されている金属層４ｂが支持基板６に半田２ｂにより積層される。また、半導体素子１は、金属ワイヤ１５を介して金属層４ａの所定の部分に導通可能に接続されている。支持基板６は、半導体素子１で発生した熱を拡散させるヒートシンクを兼ねている。
【０００５】
このような構造を備える内部絶縁型のパワー半導体モジュールは、例えば特開２０００−２２８４９０号公報などに記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２２８４９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
半導体素子１は通電時に発熱し、温度の上昇が１５０℃を越えると熱暴走し破壊にいたる為、半導体素子１は支持基板６側に配置してある冷却フィン１２により冷却される。このとき、半導体装置の冷却性能は、半導体素子１から冷却フィン１２までの熱抵抗により決まる。その為、半導体素子１の通電時の発熱が大きい場合は、冷却性能を上げる為、半導体素子１の面積を大きくすることで熱抵抗を小さくする必要があり、半導体装置の小型化を妨げる要因となっていた。
【０００８】
また、半導体素子１の支持基板６と反対の面は絶縁基板３の他の配線パターンと接続する金属ワイヤ１５があり、電位もアース電位ではない為、冷却フィン１２を接続することは困難であった。
【０００９】
さらには、半導体素子１と金属ワイヤ１５の材料であるシリコンとアルミの線膨張係数の差により熱サイクル時に、半導体素子１と金属ワイヤ１５の接合面に歪が発生することで亀裂が生じ、最後は半導体素子１から金属ワイヤ１５が剥離し、破壊に至ることがあった。
【００１０】
そこで本発明は、半導体装置の半導体素子の損失による温度上昇を、半導体素子を大きくすることなく低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、半導体素子の２平面からの冷却を可能とするため、半導体素子の表裏の２平面の半導体素子側からそれぞれ、半田、絶縁基板、冷却フィンを配置することにより、上記目的を達成する。
【００１２】
すなわち、本発明では、半導体素子と、第１の絶縁基板と、第２の絶縁基板とを備え、半導体素子の表裏両面一方の面に第１の絶縁基板が、他方の面に第２の絶縁基板が、それぞれ接続されている半導体装置が提供される。
【００１３】
なお、半導体素子と第２の絶縁基板との間に導体層を設け、この導体層と半導体素子の外部接続端子とを導通可能に接続すれば、装置をさらに小型化することができ、放熱効率も良いため望ましい。また、第２の絶縁基板の、上記半導体素子が接続された面とは反対側の面には、冷却フィン設けることが望ましい。
【００１４】
さらに本発明では、金属基板と、該金属基板上に設けられた第１の絶縁基板と、該第１の絶縁基板上に接続された半導体素子と、該半導体素子上に設けられた第２の絶縁基板と、該半導体素子を封止するための筐体と、筐体内に封入された絶縁体とを備える内部絶縁型のパワー半導体モジュールが提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、半導体素子を大きくすることなく半導体装置の半導体素子の損失による温度上昇を低減することができる。本発明の半導体装置には、半導体素子の両面に絶縁基板を介して冷却フィンが接続されていることで、半導体装置の冷却性能が高いため、大電流化により損失の大きな半導体素子を搭載しても半導体装置の大きさを小さくできるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、底面が金属基板、側面及び上面が有機樹脂で構成され、内部に複数個の半導体素子を搭載し、底面の金属基板上とモジュール内部に搭載する半導体素子との間に複数枚の絶縁基板を配置した内部絶縁型のパワー半導体装置を具体例に用いて、本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１７】
本発明のパワー半導体モジュールは、第２の絶縁基板が半導体素子にこの導体層を介して接続されるようにし、この導体層が半導体素子の外部接続端子とパワー半導体モジュールの外部電極端子とにそれぞれ導通可能に接続されていることが望ましい。また、第２の絶縁基板には冷却フィンが設けられていることが望ましい。このようにすることで、半導体素子の２つの平面方向に対して半導体素子側から半田、絶縁基板、半田、冷却フィンが配置され、半導体素子を２つの面から冷却することができることから、半導体素子の通電時の損失による温度上昇を低減することができる。
【実施例１】
【００１８】
本実施例の半導体モジュールは、図１に示すように、半導体素子１を挟んで上下に配置される複数の絶縁基板３ａ，３ｂを備える。支持基板６側の絶縁基板３ａの一方の面には配線パターンが形成された金属層４ａがろう材５ａにより接合され、他方の面には、半田などによる接合を可能とする為の金属層４ｂがろう材５ｂにより接合されている。
【００１９】
半導体素子１は、絶縁基板３ａの一方の面に形成された金属層４ａの所定の部分に半田２ａにより接合され、絶縁基板３ａのもう一方の面に形成されている金属層４ｂが支持基板６に半田２ｂにより積層される。なお、本実施例では、ひとつのモジュールに複数の半導体素子１が搭載されているが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２０】
支持基板６は、半導体素子１で発生した熱を拡散させるヒートシンクを兼ねている。モジュール内部は絶縁体であるゲル７が封入されている。このゲル７は、半導体素子１で発生した熱を拡散させるとともに、電位の異なる配線端子８ａと配線端子８ｂとの絶縁を保つ役目も果たす。なお、モジュール内部はゲル７に完全には充填されておらず、空隙部１０が設けられている。この空隙部１０により、半導体素子１の通電時の発熱によるゲル７の膨張による応力を緩和することができる。
【００２１】
電流入出力用の電位の異なる配線端子８ａおよび配線端子８ｂと電流制御用の信号入力用の配線端子８ｃは、支持基板６と接着剤１１により固着されている樹脂体９内部に埋め込まれており、金属層４ａに形成されている配線パターンの所定の部分と半田２ｃにより接続され、外部装置との電流、電圧の入出力を行う。
【００２２】
樹脂体９と支持基板６とは、ネジ１３ａにより冷却フィン１２へ取り付けられる。配線端子８ａ及び８ｂはネジ１３ｂにより外部配線１４へ取り付けられる。
【００２３】
半導体素子１の支持基板６側と反対の面は、絶縁基板３ｂの一方の面にろう材５ｄにより接合されている金属層４ｄ（本実施例では銅からなる）の所定の部分に半田２ｄにより接合され、その金属層４ｄは絶縁基板３ａの金属層４ａの所定の部分に半田２ｄにより接続されている。
【００２４】
一方、絶縁基板３ｂの半導体素子１と反対の面は、ろう材５ｃを介して金属層４ｃが接合され、金属層４ｃは冷却フィン１２ｂと半田２ｆにより接続される。この場合、半導体素子１と冷却フィン１２ｂは絶縁されている。また、本実施例では、複数個の半導体素子１のそれぞれに個別の冷却フィン１２ｂが接続される。
【００２５】
本実施例では、半導体素子１は一方の面を冷却フィン１２ａにより、もう一方の面を冷却フィン１２ｂにより冷却することができ、半導体素子の通電時の温度上昇を低減することができる。
【００２６】
また、半導体素子１と接続する半田２ａ及び２ｄはそれぞれ絶縁基板３ａ、３ｂに挟まれている為、絶縁基板３ａ，３ｂの材料を半導体素子の材料を、シリコンと線膨張係数の近い材質ＡｌＮにすれば、従来の半導体素子と金属ワイヤの接続よりも線膨張係数差を小さくできるため、熱サイクルに対する疲労寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施例１における半導体装置の実装方法を示した説明図である。
【図２】半導体装置の実装方法例を示した説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１：半導体素子、２：半田、２ａ：半導体素子下部の半田、２ｂ：絶縁基板下部の半田、２ｃ：配線端子下部の半田、２ｄ：半導体素子上部の半田、２ｅ：冷却フィン下部の半田、３：絶縁基板、３ａ：半導体素子下部の絶縁基板（第１の絶縁基板）、３ｂ：半導体素子上部の絶縁基板（第２の絶縁基板）、４：絶縁基板に接続された金属層、４ａ：３ａ絶縁基板上部の金属層、４ｂ：３ａ絶縁基板下部の金属層、４ｃ：３ｂ絶縁基板上部の金属層、４ｄ：３ｂ絶縁基板下部の金属層、５：絶縁基板と金属層を接続するろう材、５ａ：３ａ絶縁基板上部のろう材、５ｂ：３ａ絶縁基板下部のろう材、５ｃ：３ｂ絶縁基板上部のろう材、５ｄ：３ｂ絶縁基板下部のろう材、６：支持基板、７：ゲル、８：配線端子（外部電極端子）、８ａ：配線端子（電流端子（高電位））、８ｂ：配線端子（電流端子（低電位））、８ｃ：配線端子（信号端子）、９：樹脂体、９ａ：配線端子８ａと配線端子８ｂを有する樹脂体、９ｂ：樹脂体（蓋）、１０：空隙部、１１：接着剤、１２：冷却フィン、１２ａ：支持基板下部の冷却フィン、１２ｂ：半導体素子上部の冷却フィン、１３：ネジ、１３ａ：ネジ（支持基板６と外部冷却フィン１３とを接続）、１３ｂ：ネジ（配線端子８ａ、８ｂと外部配線１４とを接続）、１４：外部配線、１５：金属ワイヤ。
【図１】
2006019334.tif 000003
【図２】
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