(57)【要約】【課題】半導体装置において半導体素子の放熱性を向上させる。【解決手段】半導体装置は、半導体素子と、第１の金属板と、放熱ブロックと、第２の金属板と、放熱材と、封止樹脂とを備える。半導体素子は、上面および下面を有する板状である。第１の金属板は、下面にはんだ付けされている。放熱ブロックは、半導体素子の外縁より内側において上面にはんだ付けされている。第２の金属板は、放熱ブロックにはんだ付けされている。放熱材は、少なくとも上面から放熱ブロックの外縁にわたって設けられている。封止樹脂は、第１の金属板と第２の金属板との間に、半導体素子、放熱ブロックおよび放熱材を封止する。放熱材は、封止樹脂以上の熱伝導率を有しているとともに、封止樹脂以上の体積抵抗率および封止樹脂以上の絶縁破壊耐圧の少なくとも一方を有している。【選択図】図１
2019110244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置であって、
上面および下面を有する板状の半導体素子と、
前記下面にはんだ付けされた第１の金属板と、
前記半導体素子の外縁より内側において前記上面にはんだ付けされた放熱ブロックと、
前記半導体素子とは反対側において前記放熱ブロックにはんだ付けされた第２の金属板と、
少なくとも前記上面から前記放熱ブロックの外縁にわたって設けられた放熱材と、
前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に、前記半導体素子、前記放熱ブロックおよび前記放熱材を封止する封止樹脂と、
を備えており、
前記放熱材は、前記封止樹脂の熱伝導率以上の熱伝導率を有しているとともに、前記封止樹脂の体積抵抗率以上の体積抵抗率と、前記封止樹脂の絶縁破壊耐圧以上の絶縁破壊耐圧の少なくとも一方を有している、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、半導体装置に関する技術を開示する。
【背景技術】
【０００２】
第１の金属板と第２の金属板との間に板状の半導体素子が挟まれており、その半導体素子が樹脂で封止されている半導体装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような半導体装置では、半導体素子の下面には、第１の金属板がはんだ付けされ、半導体素子の上面には、放熱ブロックを介して第２の金属板がはんだ付けされている。放熱ブロックは、半導体素子に対する配線の取り回しの関係から、半導体素子の上面の外縁の内側において上面にはんだ付けされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２６８４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の半導体装置では、半導体素子の上面のうち放熱ブロックによって覆いきれていない部位において十分に放熱できないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子と、第１の金属板と、放熱ブロックと、第２の金属板と、放熱材と、封止樹脂とを備えている。半導体素子は、上面および下面を有する板状のチップである。第１の金属板は、半導体素子の下面にはんだ付けされている。放熱ブロックは、半導体素子の外縁より内側において上面にはんだ付けされている。第２の金属板は、半導体素子とは反対側において放熱ブロックにはんだ付けされている。放熱材は、少なくとも半導体素子の上面から放熱ブロックの外縁にわたって設けられている。即ち、放熱材は、半導体素子の上面と放熱ブロックの間のはんだ層の縁を超えるように、半導体素子と放熱ブロックをつないでいる。封止樹脂は、第１の金属板と第２の金属板との間に、半導体素子、放熱ブロックおよび放熱材を封止する。放熱材は、封止樹脂の熱伝導率以上の熱伝導率を有している。さらに、放熱材は、封止樹脂の体積抵抗率以上の体積抵抗率および封止樹脂の絶縁破壊耐圧以上の絶縁破壊耐圧の少なくとも一方を有している。
【０００６】
上記形態の半導体装置によれば、半導体素子の上面のうち放熱ブロックによって覆いきれていない部位において、電気絶縁性を十分に確保した上で、上面から放熱ブロックにわたる放熱材によって熱抵抗を低減できる。その結果、半導体素子の放熱性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】第２実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第１実施例）図１は、第１実施例の半導体装置１００の構成を示す断面図である。半導体装置１００は、電気自動車用のパワーモジュールである。半導体装置１００は、半導体素子１１０と、放熱板１２０と、放熱ブロック１３０と、放熱板１４０と、ボンディングワイヤ１５０と、端子１６０とを備えている。放熱板１２０、１４０、放熱ブロック１３０、及び、端子１６０は、導電性の金属で作られている。半導体装置１００は、更に、放熱材３１０と、プライマ層３２０と、封止樹脂３３０とを備えている。
【０００９】
半導体装置１００の半導体素子１１０は、例えば、電力を制御するスイッチング素子である。半導体素子１１０は、上面１１２および下面１１４を有する板状を成している。半導体素子１１０の上面１１２および下面１１４には各種の電極（図示しない）が形成されている。半導体素子１１０の外縁１１６は、放熱板１２０の外縁より内側に位置している。
【００１０】
半導体装置１００の放熱板１２０は、はんだ２１０を介して半導体素子１１０の下面１１４に接合されている。より詳しくは、放熱板１２０は、下面１１４に設けられている電極に接合されている。放熱板１２０は、下面１１４にはんだ付けされた第１の金属板である。放熱板１２０は、半導体素子１１０より大きな幅を有する板状を成している。放熱板１２０は、半導体素子１１０の下面１１４の全域に、はんだ２１０を介して接合されている。
【００１１】
半導体装置１００の放熱ブロック１３０は、はんだ２２０を介して半導体素子１１０の上面１１２に接合されている。より詳しくは、放熱ブロック１３０は、上面１１２に設けられている別の電極に接合されている。放熱ブロック１３０は、半導体素子１１０より小さな幅を有する板状を成している。放熱ブロック１３０は、半導体素子１１０の外縁１１６より内側において、上面１１２にはんだ付けされている。放熱ブロック１３０の外縁１３６は、半導体素子１１０の外縁１１６より内側に位置している。半導体素子１１０の上面１１２には、半導体素子１１０の外縁１１６に沿って、はんだ２２０が施されていない部位が存在する。
【００１２】
半導体装置１００の放熱板１４０は、半導体素子１１０とは反対側において、はんだ２３０を介して放熱ブロック１３０に接合されている。放熱板１４０は、半導体素子１１０とは反対側において放熱ブロック１３０にはんだ付けされた第２の金属板である。放熱板１４０は、半導体素子１１０および放熱ブロック１３０より大きな幅を有する板状を成している。
【００１３】
半導体素子１１０は例えばトランジスタであり、放熱板１２０は、下面１１４に設けられているコレクタ電極に接合されており、放熱ブロック１３０は、上面１１２に設けられているエミッタ電極に接合されている。放熱ブロック１３０に接合されている放熱板１４０も、エミッタ電極と導通することになる。放熱板１２０、１４０は、半導体素子１１０の熱を放出する放熱板としての役割のほか、半導体素子１１０の電極と導通している端子としての役割も備えている。
【００１４】
半導体装置１００のボンディングワイヤ１５０は、半導体素子１１０の上面１１２に設けられている電極と端子１６０とを接続する金属線である。ボンディングワイヤ１５０は、封止樹脂３３０に封止されている。
【００１５】
半導体装置１００の端子１６０は、封止樹脂３３０から突出した金属板である。端子１６０は、封止樹脂３３０内においてボンディングワイヤ１５０と接続されている。
【００１６】
半導体装置１００の放熱材３１０は、半導体素子１１０の上面１１２から放熱ブロック１３０の外縁１３６にわたって設けられている。放熱材３１０は、半導体素子１１０の上面１１２の一部と、はんだ２２０の表面と、放熱ブロック１３０の外縁１３６の一部とを覆っている。放熱材３１０は、放熱ブロック１３０を一巡するように設けられている。
【００１７】
放熱材３１０は、封止樹脂３３０の熱伝導率以上の熱伝導率を有している。放熱材３１０の熱伝導率は、例えば、１．２４Ｗ／（ｍ・Ｋ）（ワット毎メートル毎ケルビン）である。これに対して、封止樹脂３３０の熱伝導率は、０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
【００１８】
放熱材３１０は、封止樹脂３３０の体積抵抗率以上の体積低効率および封止樹脂３３０の絶縁破壊耐圧以上の絶縁破壊耐圧の少なくとも一方を有している。具体的には、放熱材３１０の絶縁性能は、１．０×１０９Ω・ｍ（オーム・メートル）以上の体積抵抗率、および、１６ｋＶ／ｍｍ（キロボルト毎ミリメートル）以上の絶縁破壊耐圧の少なくとも一方を有している。なお、封止樹脂３３０の体積抵抗率は、１．０×１０９Ω・ｍ程度であり、封止樹脂３３０の絶縁破壊耐圧は、１６ｋＶ／ｍｍ程度である。
【００１９】
放熱材３１０は、変性シリコンを主成分とするグリスに金属粒子（例えば、銅、銀、アルミニウム、アルミナ、酸化マグネシウム、窒化アルミニウムなど）を分散させた放熱グリスである。放熱材３１０の物性（熱伝導率、体積低効率、絶縁破壊耐圧）は、グリスに分散させる金属粒子の種類および分量によって調整可能である。
【００２０】
半導体装置１００のプライマ層３２０は、封止樹脂３３０と他の部材との密着性を向上させる。プライマ層３２０は、半導体素子１１０、放熱板１２０、放熱ブロック１３０、放熱板１４０、はんだ２１０，２２０，２３０、ならびに、放熱材３１０などの各部材における封止樹脂３３０と密着する表面に形成されている。プライマ層３２０は、ポリアミド樹脂を主成分とする。
【００２１】
半導体装置１００の封止樹脂３３０は、放熱板１２０と放熱板１４０との間で、半導体素子１１０、放熱ブロック１３０および放熱材３１０を封止する。封止樹脂３３０は、更に、ボンディングワイヤ１５０、端子１６０の一部、ならびに、はんだ２１０，２２０，２３０を封止する。封止樹脂３３０は、エポキシ樹脂を主成分とする。
【００２２】
以上説明した第１実施例によれば、半導体素子１１０の上面１１２のうち放熱ブロック１３０によって覆いきれていない部位において、電気絶縁性を十分に確保した上で、上面１１２から放熱ブロック１３０にわたる放熱材３１０によって熱抵抗を低減できる。その結果、半導体素子１１０の放熱性を向上させることができる。
【００２３】
（第２実施例）図２は、第２実施例における半導体装置１００Ｂの構成を示す断面図である。半導体装置１００Ｂは、放熱材３１０およびプライマ層３２０に代えて、プライマ層３２０Ｂを備える点を除き、第１実施例の半導体装置１００と同様である。
【００２４】
半導体装置１００Ｂのプライマ層３２０Ｂは、半導体素子１１０、放熱板１２０、放熱ブロック１３０、放熱板１４０、ならびに、はんだ２１０，２２０，２３０などの各部材における封止樹脂３３０と密着する表面に形成されている。プライマ層３２０Ｂは、少なくとも半導体素子１１０の上面１１２から放熱ブロック１３０の外縁１３６にわたって設けられた放熱材として機能する。
【００２５】
プライマ層３２０Ｂの熱伝導率は、封止樹脂３３０の熱伝導率である０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。プライマ層３２０Ｂの絶縁性能は、封止樹脂３３０の体積低効率である１．０×１０９Ω・ｍ以上、および、封止樹脂３３０の絶縁破壊耐圧である１６ｋＶ／ｍｍ以上の少なくとも一方を満たしている。
【００２６】
プライマ層３２０Ｂは、金属粒子（例えば、銅、銀、アルミニウム、アルミナ、酸化マグネシウム、窒化アルミニウムなど）を分散させたポリアミド樹脂である。プライマ層３２０Ｂの物性（熱伝導率、体積低効率、絶縁破壊耐圧）は、ポリアミド樹脂に分散させる金属粒子の種類および分量によって調整可能である。
【００２７】
以上説明した第２実施例によれば、半導体素子１１０の上面１１２のうち放熱ブロック１３０によって覆いきれていない部位において、電気絶縁性を十分に確保した上で、上面１１２から放熱ブロック１３０にわたるプライマ層３２０Ｂによって熱抵抗を低減できる。その結果、半導体素子１１０の放熱性を向上させることができる。
【００２８】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。第２実施例において、半導体装置１００Ｂの製造工程において、プライマ層３２０Ｂを形成した後、プライマ層３２０Ｂの上から放熱板１２０、１４０の表面に粗化処理を施してもよい。これによって、放熱板１２０，１４０と封止樹脂３３０との密着性を向上させることができる。
【００２９】
以上、実施形態を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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、上述した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面において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、出願時の請求項に記載した組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面において説明した技術は、複数の目的を同時に達成するものであり、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】
【００３０】
１００、１００Ｂ：半導体装置
１１０：半導体素子
１１２：上面
１１４：下面
１１６：外縁
１２０、１４０：放熱板
１３０：放熱ブロック
１３６：外縁
１５０：ボンディングワイヤ
１６０：端子
３１０：放熱材
３２０：プライマ層
３２０Ｂ：プライマ層
３３０：封止樹脂
【図１】
2019110244.tif 000003
【図２】
2019110244.tif 000004