(57)【要約】【課題】小型化可能な防爆構造を有する半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、第１金属部材と、前記第１金属部材に近接して配置された第２金属部材と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に並列配置された少なくとも２つの半導体素子と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に充填され、前記半導体素子を封じた樹脂部材と、を備える。前記半導体素子は、前記第１金属部材に第１接合部材を介して電気的に接続され、前記第２金属部材に第２接合部材を介して電気的に接続される。前記樹脂部材は、前記半導体素子の間に設けられた第１部分と、前記半導体素子の外側を囲む第２部分と、を含み、前記第１部分の強度は、前記第２部分の強度よりも低い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属部材と、
前記第１金属部材に近接して配置された第２金属部材と、
前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に並列配置された少なくとも２つの半導体素子と、
前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に充填され、前記半導体素子を封じた樹脂部材と、
を備え、
前記半導体素子は、前記第１金属部材に第１接合部材を介して電気的に接続され、前記第２金属部材に第２接合部材を介して電気的に接続され、
前記樹脂部材は、前記半導体素子の間に設けられた第１部分と、前記半導体素子の外側を囲む第２部分と、を含み、前記第１部分の強度は、前記第２部分の強度よりも低い半導体装置。
【請求項２】
前記半導体素子間の間隔は、前記樹脂部材の外面から前記半導体素子に至る距離よりも狭い請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１部分は、前記第２部分とは異なる組成を有する請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１部分は、中空構造を有する請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記樹脂部材は、前記第１部分の内部に設けられた第３部分をさらに有し、
前記第３部分の強度は、前記第１部分の強度および前記第２部分の強度よりも低い請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体素子は、シリコンを含み、
前記第１接合部材および前記第２接合部材の少なくともいずれか一方は、シリコンの融点よりも低い融点を有するシリコン化合物を構成する元素を含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１接合部材および前記第２接合部材の少なくともいずれか一方は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）および錫（Ｓｎ）のうちの少なくとも１つの元素を含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体装置。
【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】
複数の半導体装置を直列接続した構造を有し、数メガワットの電力を制御する電力変換器がある。このような電力変換器は、複数の半導体装置のうちの１つが短絡故障しても残りの半導体装置により電力制御を継続できる冗長度を有する。しかしながら、半導体装置の爆発的破損に至るような短絡故障が発生すると、電力制御機能を維持することはできない。このため、２つの導体間に半導体素子を圧接し、セラミック製の外囲器の内部に封じた防爆構造の半導体装置が用いられるが、小型化および低コスト化を実現することは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３２５８２００号
【特許文献２】特許第４３８５３２４号
【特許文献３】特許第４２９２６８６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実施形態は、小型化および低コスト化が可能な防爆構造を有する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金属部材と、前記第１金属部材に近接して配置された第２金属部材と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に並列配置された少なくとも２つの半導体素子と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に充填され、前記半導体素子を封じた樹脂部材と、を備える。前記半導体素子は、前記第１金属部材に第１接合部材を介して電気的に接続され、前記第２金属部材に第２接合部材を介して電気的に接続される。前記樹脂部材は、前記半導体素子の間に設けられた第１部分と、前記半導体素子の外側を囲む第２部分と、を含み、前記第１部分の強度は、前記第２部分の強度よりも低い。
【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断面図である。
【図２】実施形態に係る半導体モジュールを示す模式断面図である。
【図３】実施形態に係る半導体モジュールの短絡状態を示す模式断面図である。
【図４】実施形態の変形例に係る半導体モジュールを示す模式断面図である。
【図５】実施形態の別の変形例に係る半導体モジュールを示す模式断面図である。
【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は実施形態に係る半導体装置１を示す模式断面図である。半導体装置１は、ベースプレート１０と、配線プレート２０と、複数の半導体モジュールＳＭと、を含む。半導体モジュールＳＭは、ベースプレート１０と配線プレート２０との間に配置され、並列接続される。例えば、半導体モジュールＳＭの定格電流をＩＲとすれば、Ｎ個の半導体モジュールＳＭを並列配置することにより、定格電流Ｎ×ＩＲの半導体装置１を構成できる。さらに、複数の半導体装置１を直列接続することにより、高耐圧の電力変換器を構成できる。
【００１０】
図１に示すように、半導体モジュールＳＭは、ベースプレート１０の上面に接合部材１５を介して実装される。ベースプレート１０は、例えば、銅板であり、電極およびヒートシンクを兼ねる。接合部材１５は、例えば、ハンダ材、導電性接着剤、金属粒子の焼結体、金属間化合物等である。
【００１１】
配線プレート２０は、半導体モジュールＳＭの上面に接合部材２５を介して接続される。配線プレート２０は、例えば、銅板であり、複数の半導体モジュールＳＭを並列接続するように設けられる。接合部材２５は、例えば、ハンダ材、導電性接着剤、金属粒子の焼結体、金属間化合物等である。
【００１２】
半導体モジュールＳＭは、例えば、外囲器３０によりベースプレート１０上に気密封止される。ベースプレート１０と外囲器３０との間の空間には、例えば、ゲル状の絶縁材もしくは絶縁ガスが充填される。
【００１３】
図２は、実施形態に係る半導体モジュールＳＭ１を示す模式断面図である。半導体モジュールＳＭ１は、少なくとも２つの半導体素子７０と、金属プレート５０と、金属プレート６０と、を含む。半導体素子７０は、金属プレート５０と金属プレート６０との間に配置される。
【００１４】
半導体素子７０は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等のスイッチング素子、もしくは、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode）、ＰＩＮ（P-Intrinsic-N）ダイオード等である。また、スイッチング素子とダイオードを組み合せて金属プレート５０と金属プレート６０との間に配置しても良い。
【００１５】
図２に示す半導体モジュールＳＭ１は、例えば、半導体素子７０ａおよび７０ｂを含む。以下、本明細書では、半導体素子７０ａおよび７０ｂを個別に説明する場合と、半導体素子７０として包括的に説明する場合がある。半導体装置１の他の構成要素についても同様である。
【００１６】
図２に示すように、半導体素子７０ａおよび７０ｂは、それぞれ接合部材５５を介して金属プレート５０の上面に実装される。金属プレート６０は、接合部材６５を介して半導体素子７０の上面に接続される。例えば、半導体素子７０ａおよび７０ｂのエミッタ側（もしくはソース側、カソード側）を金属プレート５０に接続し、金属プレート６０は、コレクタ側（もしくはドレイン側、アノード側）に接続される。
【００１７】
金属プレート５０および６０は、例えば、銅板であり、１ｍｍ以上の厚さを有する。金属プレート５０および６０は、好ましくは、２ｍｍ以上、より好ましくは４ｍｍ以上の厚さを有する。金属プレート５０および６０は、例えば、同じ材料で構成することができる。また、半導体モジュールＳＭ１の熱歪みを抑制するために、金属プレート６０に金属プレート５０とは線膨張係数の異なる材料を用いても良い。
【００１８】
接合部材５５および６５は、例えば、ハンダ材、導電性接着剤、金属粒子の焼結体、金属間化合物等である。接合部材５５および６５は、例えば、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）および錫（Ｓｎ）のうちのいずれか１つの元素を含む。また、接合部材５５および６５は、好ましくは、接合部材１５および２５の融点よりも高い融点を有する。
【００１９】
さらに、金属プレート５０と金属プレート６０との間に樹脂部材８０および８５を設け、半導体素子７０ａおよび７０ｂを封入する。樹脂部材８５は、半導体素子７０ａと半導体素子７０ｂとの間に充填される。また、樹脂部材８０は、半導体素子７０ａおよび７０ｂを囲むように充填される。樹脂部材８０および８５は、別々の部材であっても良いし、一体に成形された部材であっても良い。
【００２０】
樹脂部材８５は、樹脂部材８０よりも強度が低くなるように形成される。樹脂部材８５は、例えば、樹脂部材８０とは異なる組成を有する。すなわち、樹脂部材８５は、樹脂部材８０とは異なる種類の樹脂を用いて形成できる。また、樹脂部材８５は、例えば、分散されたフィラーの量が樹脂部材８０とは異なるように形成される。
【００２１】
さらに、金属プレート５０の上面に沿った方向、例えば、Ｘ方向における半導体素子７０ａと半導体素子７０ｂとの間隔Ｗ１は、樹脂部材８０の外面８０Ｓから半導体素子７０までの距離Ｗ２よりも狭くなるように設けられる。これにより、樹脂部材８０および８５が同じ組成を有していても、樹脂部材８５の強度を樹脂部材８０の強度よりも低くすることができる。樹脂部材８０および８５には、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂や、シリコーンゴム、シリコーンゲルを用いることができる。
【００２２】
ここで、樹脂部材の「強度」とは、例えば、樹脂部材８０および８５をＺ方向に伸長させる力によりクラックもしくはき裂が発生し、樹脂部材８０および８５が分断される時点の荷重を意味する。また、樹脂部材８０および８５のそれぞれを構成する材料の伸長強度もしくは圧縮強度であっても良い。
【００２３】
樹脂部材８０および８５は、例えば、真空成形を用いて形成される。すなわち、半導体素子７０を実装した金属プレート５０および６０を金型の内部に配置し、その内部を真空引きした後、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を充填し、硬化させることにより形成される。例えば、樹脂部材８５を先に充填し硬化させた後、樹脂部材８０を半導体素子７０の周りに充填する２段階の成形方法を用いる。また、半導体素子７０の間に空間を残して樹脂部材８０を成形した後に、樹脂部材８５を充填しても良い。この際、樹脂部材８０は、金属プレート５０の下面および金属プレート６０の上面が露出されるように成型される。
【００２４】
図３は、実施形態に係る半導体モジュールＳＭ１の短絡状態を示す模式断面図である。例えば、半導体素子７０ａが短絡故障し、半導体装置１に短絡電流が流れた後の状態を模式的に表している。
【００２５】
半導体素子７０ａが短絡故障し、半導体装置１に含まれる他の半導体素子７０が正常であれば、半導体装置１のオン電流の大部分（短絡電流）が半導体素子７０ａに集中する。このため、半導体素子７０ａは、ジュール熱により周囲の部材とともに溶融して導電性溶融物ＭＣとなり、導通経路ＩＰ１を形成する。さらに、導電性溶融物ＭＣの一部が気化し、金属プレート５０および６０の間に形成されたスペースＭＳの内圧が上昇する。このため、樹脂部材８０および８５にき裂ＣＲ１およびＣＲ２がそれぞれ発生する。
【００２６】
樹脂部材８５の強度は、樹脂部材８０の強度よりも低いため、例えば、樹脂部材８５のき裂ＣＲ２は、樹脂部材８０のき裂ＣＲ１よりも早く伸長し、半導体素子７０ｂに達する。このため、ジュール熱により気化した導電性溶融物ＭＣは、き裂ＣＲ１を介して半導体素子７０ｂに達し、その側面に付着する。その結果、半導体素子７０ｂの側面に別の導電性溶融物ＭＣを介した導通経路ＩＰ２が形成され、半導体モジュールＳＭ１の導通抵抗が低下する。
【００２７】
さらに、半導体素子７０ｂの内部にき裂ＣＲ３が形成されると、その内部に付着した導電性溶融物により導通経路ＩＰ３が形成され、半導体モジュールＳＭ１の導通抵抗は、さらに低下する。これにより、半導体モジュールＳＭ１におけるジュール熱の発生が抑制され、半導体装置１の爆発的破壊を回避することができる。
【００２８】
例えば、樹脂部材８５の強度が樹脂部材８０の強度と同等、もしくは、それ以上であれば、内圧の上昇と共に樹脂部材８０のき裂ＣＲ１も伸長し、導電性溶融物がき裂ＣＲ１を介して半導体モジュールＳＭ１の外に飛散する。このため、導電性溶融物ＭＣの量が減少し、導通経路ＩＰ１の抵抗が上昇、もしくは、導通経路ＩＰ１が遮断され、半導体モジュールＳＭ１の導通抵抗が増大する。これにより、ジュール熱が増加し、スペースＭＳの内圧がさらに上昇する。結果として、半導体装置１の爆発的な破壊につながる場合がある。
【００２９】
本実施形態では、半導体モジュールＳＭ１における樹脂部材８５の強度を樹脂部材８０の強度よりも低くすることにより、半導体装置１の爆発的な破壊を回避することができる。さらに、半導体素子７０の材料と化合し低融点の導電性溶融物ＭＣを形成する材料を接合部材５５および６５に用いるこが好ましい。
【００３０】
例えば、半導体素子７０ａと金属プレート５０の間および金属プレート６０との間に設けられた接合部材５５および６５は、ジュール熱により最初に溶融され、半導体素子７０ａの材料と化合する。これにより生じる導電性溶融物ＭＣの融点が低くければ、より多くの導電性溶融物ＭＣが気化する。この結果、半導体素子７０ｂの側面に付着する導電性溶融物ＭＣの量が増え、導通経路ＩＰ２の抵抗をより低減することができる。例えば、半導体素子７０の材料がシリコンであれば、接合部材５５および６５は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）および錫（Ｓｎ）のうちのいずれか１つの元素を含むことが好ましい。
【００３１】
図４および図５は、実施形態の変形例に係る半導体モジュールＳＭ２およびＳＭ３を示す模式断面図である。いずれも金属プレート５０および６０の間に半導体素子７０を配置した構造を有する。また、半導体素子７０は、樹脂部材８０および８５によりモールドされている。樹脂部材８０および８５は、同じ材料を用いて形成されても良いし、異なる材料を用いて形成されても良い。
【００３２】
図４に示す半導体モジュールＳＭ２では、樹脂部材８５の内部に空洞ＡＧが設けられる。これにより、樹脂部材８５の強度を低下させることができる。その結果、半導体素子７０ａが短絡故障した時、隣接する半導体素子７０ｂの側面に導電性溶融物ＭＣが付着し易くなる（図３参照）。これにより、半導体モジュールＳＭ２の短絡故障後の導通抵抗を低減することができる。
【００３３】
図５に示す半導体モジュールＳＭ３では、樹脂部材８５の内部に別の樹脂部材８７が設けられる。樹脂部材８７には、樹脂部材８５の材料よりも伸長強度もしくは圧縮強度が低い材料を用いる。これにより、隣接する半導体素子７０の間に設けられる樹脂部材８５および８７の強度が樹脂部材８０の強度よりも低下する。結果として、半導体モジュールＳＭ３の短絡後の導通抵抗を低減することができる。
【００３４】
上記の通り、実施形態に係る半導体装置１では、強度の低い樹脂部材８５を含む半導体モジュールＳＭ１〜ＳＭ３を備えることにより、爆発的破壊につながる短絡故障を回避することができる。
【００３５】
例えば、ベースプレート１０上に複数の半導体素子７０を直接配置し、配線プレート２０を半導体素子７０に圧接する構成の半導体装置では、短絡時の導通抵抗を低減するための圧接機構の構成が複雑となり小型化が難しい。
【００３６】
また、圧接型の半導体装置では、導通抵抗を低減するために、ベースプレート１０と半導体素子７０の接触面積、および、配線プレート２０と半導体素子７０の接触面積を広くする必要がある。このため、ベースプレート１０および配線プレート２０の半導体素子７０に接する表面の平坦度を高くしなければならず、製造コストを低減することが難しい。
【００３７】
これに対し、半導体モジュールＳＭ１〜ＳＭ３では、半導体素子７０は、金属プレート５０および６０に接合部材５５および６５を介して接続される。また、半導体モジュールＳＭ１〜ＳＭ３は、接合部材１５および２５を介してベースプレート１０および配線プレート２０に接続される。したがって、圧接機構が省略され、半導体装置１の小型化が容易となる。また、接合部材１５、２５、５５および６５を用いることにより、ベースプレート１０、配線プレート２０、金属プレート５０および６０の各表面に求められる平坦度が緩和され、製造コストを低減することが可能となる。
【００３８】
また、圧接型の半導体装置では、チップ状態で半導体素子７０を検査した後に実装する。このため、高電圧、高電流下の検査を実施することは難しい。また、半導体素子７０が圧接時の荷重により破壊される怖れもある。これに対し、半導体モジュールＳＭ１〜ＳＭ３では、高電圧、高電流下での検査が可能である。また、半導体モジュールＳＭ１〜ＳＭ３が実装時に故障する可能性も小さい。このため、半導体装置１では、その製造歩留りを向上させることができる。
【００３９】
なお、上記の半導体装置１および半導体モジュールＳＭ１〜ＳＭ３は例示であり、実施形態はこれらに限定されるものではない。例えば、配線プレート２０と金属プレート６０との間に別の金属部材および接合部材を介在させた構造であっても良い。また、ベースプレート１０と金属プレート５０との間の電気的な接続についても同様である。
【００４０】
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】
【００４１】
１…半導体装置、  １０…ベースプレート、  １５、２５、５５、６５…接合部材、  ２０…配線プレート、  ３０…外囲器、  ５０、６０…金属プレート、  ７０…半導体素子、  ８０、８５、８７…樹脂部材、  ８０Ｓ…外面、  ＡＧ…空洞、  ＣＲ１、ＣＲ２、ＣＲ３…き裂、  ＭＣ…導電性溶融物、  ＭＳ…スペース、  ＩＰ１、ＩＰ２、ＩＰ３…導通経路、  ＳＭ、ＳＭ１、ＳＭ２、ＳＭ３…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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