(57)【要約】【課題】半導体素子（15）が接合部材（25）によって熱拡散部材（16）上に固定される半導体装置（10）の出力電力を増加させる。【解決手段】半導体素子（15）と、半導体素子（15）の下に積層されて半導体素子（15）が発する熱を拡散させて伝達させる熱拡散部材（16）と、半導体素子（15）と熱拡散部材（16）との間に設けられて半導体素子（15）を熱拡散部材（16）に熱結合させる接合部材（25）とを備える半導体装置（10）を、半導体素子（15）の温度が接合部材（25）の沸点以下であれば融点以上でも動作可能に構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子（15）と、
上記半導体素子（15）の下に積層されて半導体素子（15）が発する熱を拡散させて伝達させる熱拡散部材（16）と、
上記半導体素子（15）と熱拡散部材（16）との間に設けられて該半導体素子（15）を熱拡散部材（16）に熱結合させる接合部材（25）とを備える半導体装置であって、
上記半導体素子（15）の温度が上記接合部材（25）の融点以上で沸点未満となる状態でも動作可能に構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記接合部材（25）は、上記半導体装置（10）の動作前は上記半導体素子（15）を上記熱拡散部材（16）に固定していることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
上記熱拡散部材（16）の上面には、上記半導体装置（10）の動作中に融解した接合部材（25）が流出するのを防止するために該接合部材（25）の周囲を囲う流出防止部材（30）が設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１又は２において、
上記熱拡散部材（16）の上面には凹部（31）が形成され、
上記接合部材（25）は、上記熱拡散部材（16）の凹部（31）に収容されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１つにおいて、
上記接合部材（25）が融解した状態でも上記半導体素子（15）を固定する固定部材（32）を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１つにおいて、
上記半導体素子（15）と上記熱拡散部材（16）とを密閉状に収容するケーシング（35）を備え、
上記ケーシング（35）内には、不活性ガスが封入されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至５の何れか１つにおいて、
上記接合部材（25）は、モールド樹脂（36）により覆われていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか１つにおいて、
上記半導体素子（15）は、ＳｉＣ素子であることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子が熱拡散部材上に設置される半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体素子が熱拡散部材上に設置される半導体装置が知られている。この種の半導体装置で熱拡散部材上に設置される半導体素子は、通電時に多量の熱を発生する、いわゆるパワー半導体である。パワー半導体には、例えばパワートランジスタやＩＧＢＴなどがある。この種の半導体装置の一例が特許文献１に開示されている。
【０００３】
具体的に、特許文献１には、半導体素子とヒートシンクとアイランドとが上から順番に積層された半導体素子が記載されている。ヒートシンクは、熱拡散部材を構成しており、半導体素子が発する熱を拡散させてアイランドへ伝達させる。ヒートシンクは、半導体素子よりも平面形状が大きくなっている。半導体素子は、接合部材であるダイマウント材を介してヒートシンク上に固定されている。ダイマウント材には、半導体素子とアイランドとを電気的に接続するためにハンダや導電性接着剤などの導電性の部材が用いられる。
【特許文献１】特開２００６−１４７９１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来の半導体装置では、半導体素子を熱拡散部材上に固定する接合部材が融解しないように半導体装置を動作させていた。つまり、半導体素子の温度が接合部材の融点を下回るように半導体素子の電流値が制限されていた。このため、従来の半導体装置では、半導体素子の出力電力が制限されるという問題があった。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体素子が接合部材によって熱拡散部材上に固定される半導体装置の出力電力を増加させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、半導体素子（15）と、上記半導体素子（15）の下に積層されて半導体素子（15）が発する熱を拡散させて伝達させる熱拡散部材（16）と、上記半導体素子（15）と熱拡散部材（16）との間に設けられて該半導体素子（15）を熱拡散部材（16）に熱結合させる接合部材（25）とを備える半導体装置（10）を対象とする。そして、この半導体装置（10）は、上記半導体素子（15）の温度が上記接合部材（25）の融点以上で沸点未満となる状態でも動作可能に構成されている。
【０００７】
第１の発明では、半導体装置（10）が、半導体素子（15）の温度が接合部材（25）の沸点未満であれば融点以上でも動作可能に構成されている。半導体素子（15）の温度が融点以上になると、接合部材（25）が融解する。接合部材（25）が融解しても、接合部材（25）は一般的に表面張力が比較的大きいので半導体素子（15）と熱拡散部材（16）との間に付着して、半導体素子（15）と熱拡散部材（16）とを熱結合し続ける。従って、接合部材（25）が融解した状態でも半導体装置（10）が動作可能である。そして、半導体素子（15）の温度が低下して接合部材（25）が凝固すると、接合部材（25）によって半導体素子（15）が熱拡散部材（16）上に固定され、接合部材（25）が半導体素子（15）と熱拡散部材（16）とを熱結合し続ける。このように、接合部材（25）が融解したり凝固しても、半導体装置（10）が動作可能な状態が維持される。このため、この半導体装置（10）は、半導体素子（15）の電流値が半導体素子（15）の温度が接合部材（25）の融点を上回るような値になる状態にも制御することが可能である。
【０００８】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記接合部材（25）が、上記半導体装置（10）の動作前は上記半導体素子（15）を上記熱拡散部材（16）に固定している。
【０００９】
第２の発明では、接合部材（25）の融点は、常温以上である。接合部材（25）は、半導体装置（10）の動作前は、固体の状態であり、半導体素子（15）と熱拡散部材（16）とを熱結合するだけでなく機械的に結合している。
【００１０】
第３の発明は、上記第１又は第２の発明において、上記熱拡散部材（16）の上面には、上記半導体装置（10）の動作中に融解した接合部材（25）が流出するのを防止するために該接合部材（25）の周囲を囲う流出防止部材（30）が設けられている。
【００１１】
第３の発明では、流出防止部材（30）が接合部材（25）を囲っている。従って、半導体素子（15）の温度が上昇して接合部材（25）が融解しても、接合部材（25）が流出防止部材（30）内から流出しない。この第２の発明では、接合部材（25）が流出することが確実に阻止される。
【００１２】
第４の発明は、上記第１又は第２の発明において、上記熱拡散部材（16）の上面には凹部（31）が形成され、上記接合部材（25）は、上記熱拡散部材（16）の凹部（31）に収容されている。
【００１３】
第４の発明では、凹部（31）の壁面が接合部材（25）を囲っている。従って、半導体素子（15）の温度が上昇して接合部材（25）が融解しても、接合部材（25）が凹部（31）から流出しない。この第３の発明では、接合部材（25）が流出することが確実に阻止される。
【００１４】
第５の発明は、上記第１乃至第４の何れか１つの発明において、上記接合部材（25）が融解した状態でも上記半導体素子（15）を固定する固定部材（32）を備えている。
【００１５】
第５の発明では、接合部材（25）が融解した状態でも固定部材（32）が半導体素子（15）を固定している。従って、例えば熱拡散部材（16）の上面が傾斜しているような場合でも、接合部材（25）の融解時に半導体素子（15）が設置された位置から移動しない。
【００１６】
第６の発明は、上記第１乃至第５の何れか１つの発明において、上記半導体素子（15）と上記熱拡散部材（16）とを密閉状に収容するケーシング（35）を備え、上記ケーシング（35）内には、不活性ガスが封入されている。
【００１７】
第６の発明では、ケーシング（35）内に不活性ガスが封入されている。つまり、半導体素子（15）と熱拡散部材（16）とを覆う気体のほとんどが不活性ガスになり、半導体素子（15）と熱拡散部材（16）とを接合する接合部材（25）に空気がほとんど接触しない。
【００１８】
第７の発明は、上記第１乃至第５の何れか１つの発明において、上記接合部材（25）が、モールド樹脂（36）により覆われている。
【００１９】
第７の発明では、モールド樹脂（36）が接合部材（25）を覆うように設けられている。従って、接合部材（25）の周囲には気体がほとんど侵入することがなく、接合部材（25）に空気がほとんど接触しない。
【００２０】
第８の発明は、上記第１乃至第７の何れか１つの発明において、上記半導体素子（15）が、ＳｉＣ素子である。
【００２１】
第８の発明では、半導体素子（15）がＳｉＣ素子である。ＳｉＣ素子は、耐熱温度が接合部材（25）として通常用いられるハンダなどの融点よりも高い。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、半導体素子（15）の電流値が半導体素子（15）の温度が接合部材（25）の融点を上回るような値になっても動作するように、半導体装置（10）が構成されている。つまり、この半導体装置（10）では、半導体素子（15）の温度が接合部材（25）の融点を下回るように半導体素子（15）の電流値を制限する必要がない。従って、半導体素子（15）の温度が接合部材（25）の融点を下回るように半導体素子（15）の電流値を制限する場合に比べて、半導体素子（15）の電流の最高値を増大させることができるので、半導体装置（10）の出力電力を増加させることができる。
【００２３】
また、上記第３の発明では、流出防止部材（30）によって接合部材（25）を囲うことで、接合部材（25）が流出することが確実に阻止される。従って、接合部材（25）が融解しても半導体素子（15）と熱拡散部材（16）とが熱結合される状態が確実に維持されるので、半導体装置（10）の信頼性を向上させることができる。
【００２４】
また、上記第４の発明では、接合部材（25）を囲う凹部（31）を熱拡散部材（16）の上面に形成することで、接合部材（25）が流出することが確実に阻止される。従って、接合部材（25）が融解しても半導体素子（15）と熱拡散部材（16）とが熱結合される状態が確実に維持されるので、半導体装置（10）の信頼性を向上させることができる。
【００２５】
また、上記第５の発明では、固定部材（32）を設けることで、接合部材（25）が融解しても半導体素子（15）が設置された位置から移動しないようにしている。従って、半導体素子（15）の移動に起因する故障を確実に防止できるので、半導体装置（10）の信頼性を向上させることができる。
【００２６】
また、上記第６の発明では、ケーシング（35）内に不活性ガスを封入することで、接合部材（25）に空気が接触しないようにしている。従って、半導体素子（15）の温度変化により半導体装置（10）が融解と凝固とを繰り返しても、接合部材（25）が酸化しにくくなる。
【００２７】
また、上記第７の発明では、モールド樹脂（36）によって接合部材（25）を覆うことで、接合部材（25）に空気が接触しないようにしている。従って、半導体素子（15）の温度変化により半導体装置（10）が融解と凝固とを繰り返しても、接合部材（25）が酸化しにくくなる。
【００２８】
また、上記第８の発明では、半導体素子（15）が、耐熱温度が接合部材（25）として通常用いられるハンダ等の融点よりも高いＳｉＣ素子である。つまり、半導体素子（15）の温度が接合部材（25）の融点以上になっても半導体素子（15）が耐熱可能であり損傷しない。従って、半導体素子（15）の温度が接合部材（25）の融点以上でも動作させる場合における半導体装置（10）の信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３０】
本実施形態の半導体装置（10）は、例えば空気調和装置の冷媒回路に接続される圧縮機のモータに供給される電流の周波数を制御するモータ制御装置として用いられるものである。この半導体装置（10）は、図１に示すように、半導体素子（15）と、ヒートスプレッダ（16）と、導電体パターン（17）と、電気絶縁層（18）と、実装基盤（19）と、冷却ジャケット（20）とが順番に積層されて構成されている。なお、図示しないが、実装基板（19）上には、半導体素子（15）とヒートスプレッダ（16）とが一対に組み合わされたものが複数組設けられている。
【００３１】
半導体素子（15）は、通電時に多量の熱を発生する、いわゆるパワー半導体である。半導体素子（15）は、パワー半導体であるＩＧＢＴ、パワートランジスタ等として構成されている。また、半導体素子（15）は、ＳｉＣ素子である。半導体素子（15）は、導電性の接合部材（25）によってヒートスプレッダ（16）上に固定されている。
【００３２】
接合部材（25）は、例えば融点が２００℃から２５０℃のハンダである。接合部材（25）は、半導体装置（10）の動作前には半導体素子（15）と熱拡散部材（16）とを機械的に結合し、半導体装置（10）の動作中には半導体素子（15）と熱拡散部材（16）とを少なくとも熱的に結合する。なお、接合部材（25）は、ハンダではなくて導電性接着剤でもよい。
【００３３】
ここで、半導体素子（15）は、ヒートスプレッダ（16）に接触する面積が小さいほど、ヒートスプレッダ（16）を介しての放熱量が小さくなるので、同じ電流値で比較すると動作温度が高くなる。従って、半導体素子（15）は、小型化するほど動作温度が高くなる。また、ＳｉＣ素子として構成された半導体素子（15）は、耐熱温度が約４００℃であり、耐熱温度がＳｉ素子の耐熱温度（約１５０℃）よりも大きい。このため、本実施形態の半導体素子（15）は、小型化して動作温度が高くなってもＳｉ素子より耐熱温度に余裕があるので、Ｓｉ素子として構成されたものよりも小型に構成されている。
【００３４】
ヒートスプレッダ（16）は、熱拡散部材として構成されており、半導体素子（15）が発する熱を拡散させて伝達させるためのものである。ヒートスプレッダ（16）は、導電体パターン（17）上に固定されている。ヒートスプレッダ（16）の固定には、例えば融点が２００℃から２５０℃のハンダが用いられている。ヒートスプレッダ（16）は、半導体素子（15）よりも面積が大きくなっている。
【００３５】
導電体パターン（17）は、回路部を構成しており、半導体素子（15）同士を電気的に接続するためのものである。導電体パターン（17）は、ヒートスプレッダ（16）が設置されて半導体素子（15）の下面に電気的に接続される部分と、図示しないアルミワイヤを介して半導体素子（15）の端子に接続される部分とを備えている。導電体パターン（17）は、例えば銅箔により構成されている。
【００３６】
実装基板（19）は、矩形状に形成されたアルミ基板である。電気絶縁層（18）は、実装基板（19）の上面を被覆している。電気絶縁層（18）は、導電体パターン（17）と実装基盤（19）とを電気的に絶縁している。なお、実装基板（19）は、樹脂基板など他の材料の基板であってもよい。
【００３７】
冷却ジャケット（20）は、実装基板（19）の背面を覆うように設けられている。冷却ジャケット（20）には、半導体素子（15）から実装基板（19）に伝達される熱を放熱するためのフィンが複数設けられている（図示省略）。
【００３８】
また、この半導体装置（10）は、ケーシング（35）を備えている。ケーシング（35）は、下端が開口する箱状に形成されている。ケーシング（35）は、下端が冷却ジャケット（20）の端部に固定されている。ケーシング（35）内には、半導体素子（15）と熱拡散部材（16）とを密閉状に収容する収容空間（37）が形成されている。ケーシング（35）内には例えばヘリウムやアルゴンなどの不活性ガスが封入されて、収容空間（37）は不活性ガスで満たされている。
【００３９】
本実施形態の半導体装置（10）は、例えば半導体素子（15）の電流値を検出するための電流検出回路により、半導体素子（15）の電流値が制御されている。この半導体装置（10）は、動作状態によっては、半導体素子（15）の電流値が半導体素子（15）の温度が接合部材（25）の融点以上になるような値に制御される場合がある。この場合、半導体素子（15）の温度が接合部材（25）の融点を上回り、接合部材（25）が融解する。
【００４０】
しかし、接合部材（25）は、表面張力が比較的大きく半導体素子（15）とヒートスプレッダ（16）との間に付着するので、半導体素子（15）の周囲から流出しない。従って、接合部材（25）が融解している状態でも、半導体素子（15）とヒートスプレッダ（16）とが接合部材（25）によって熱結合されるので、半導体装置（10）は動作可能になっている。そして、半導体素子（15）の温度が低下して接合部材（25）が凝固すると、接合部材（25）によって半導体素子（15）が熱拡散部材（16）上に固定され、接合部材（25）が半導体素子（15）と熱拡散部材（16）とを熱結合し続ける。
【００４１】
−実施形態の効果−
本実施形態では、半導体素子（15）の電流値が半導体素子（15）の温度が接合部材（25）の融点を上回るような値になっても動作するように、半導体装置（10）が構成されている。つまり、この半導体装置（10）では、半導体素子（15）の温度が接合部材（25）の融点を下回るように半導体素子（15）の電流値を制限する必要がない。従って、半導体素子（15）の温度が接合部材（25）の融点を下回るように半導体素子（15）の電流値を制限する場合に比べて、半導体素子（15）の電流の最高値を増大させることができるので、半導体装置（10）の出力電力を増加させることができる。
【００４２】
また、本実施形態では、半導体素子（15）の温度を接合部材（25）の融点以下に制限する必要がないので、素子を流れる電流値を従来と同程度にした場合には、冷却ジャケット（20）を小型化することが可能である。これにより、半導体装置（10）のコンパクト化を図ることができる。
【００４３】
また、本実施形態では、ケーシング（35）内に不活性ガスを封入することで、接合部材（25）に空気が接触しないようにしている。従って、半導体素子（15）の温度変化により半導体装置（10）が融解と凝固とを繰り返しても、接合部材（25）が酸化しにくくなる。
【００４４】
また、本実施形態では、半導体素子（15）が、耐熱温度が接合部材（25）として通常用いられるハンダ等の融点よりも高いＳｉＣ素子である。つまり、半導体素子（15）の温度が接合部材（25）の融点以上になっても半導体素子（15）が耐熱可能であり損傷しない。従って、半導体素子（15）の温度が接合部材（25）の融点以上でも動作させる場合における半導体装置（10）の信頼性を向上させることができる。
【００４５】
−実施形態の変形例−
実施形態の変形例について説明する。この変形例では、図２に示すように、半導体素子（15）を機械的に固定するための固定部材（32）が設けられている。
【００４６】
具体的に、固定部材（32）は、下端が導電体パターン（17）の上面に固定される第１の柱部と、下端が半導体素子（15）に固定される第２の柱部と、第１の柱部と第２の柱部とを接続する梁部とを備えている。固定部材（32）は、接合部材（25）が融解した状態でも半導体素子（15）を固定する。従って、例えば熱拡散部材（16）の上面が傾斜しているような場合でも、接合部材（25）の融解時に半導体素子（15）が設置された位置から移動しない。この変形例では、半導体素子（15）の移動に起因する故障を確実に防止できるので、半導体装置（10）の信頼性を向上させることができる。
【００４７】
なお、固定部材（32）は、一端が導電体パターン（17）ではなく、例えばケーシング（35）など他の場所に固定されていたもよい。また、固定部材（32）は、半導体素子（15）を下側に押し付けて固定するワイヤー状の部材（ボンディングワイヤ等）であってもよい。
【００４８】
《その他の実施形態》
上記実施形態は、以下の変形例のように構成してもよい。
【００４９】
−第１変形例−
上記実施形態について、図３に示すように、凹部（31）を形成してもよい。凹部（31）は、平面形状が半導体素子（15）よりも大きくする。半導体素子（15）は、接合部材（25）により凹部（31）でヒートスプレッダ（16）上に固定される。凹部（31）の壁面は、接合部材（25）を囲っている。
【００５０】
この第１変形例では、接合部材（25）を囲う凹部（31）を熱拡散部材（16）の上面に形成することで、接合部材（25）が流出することが確実に阻止される。従って、接合部材（25）が融解しても半導体素子（15）と熱拡散部材（16）とが熱結合される状態が確実に維持されるので、半導体装置（10）の信頼性を向上させることができる。
【００５１】
−第２変形例−
上記実施形態について、図４及び図５に示すように、ヒートスプレッダ（16）の上面に流出防止部材（30）を設けてもよい。流出防止部材（30）は、矩形の枠状に形成される。流出防止部材（30）は、半導体素子（15）や接合部材（25）を囲うように配置され、ヒートスプレッダ（16）の上面に固定される。
【００５２】
この第２変形例では、流出防止部材（30）によって接合部材（25）を囲うことで、接合部材（25）が流出することが確実に阻止される。従って、接合部材（25）が融解しても半導体素子（15）と熱拡散部材（16）とが熱結合される状態が確実に維持されるので、半導体装置（10）の信頼性を向上させることができる。
【００５３】
−第３変形例−
上記実施形態について、図６に示すように、例えばポリイミドのような耐熱樹脂からなるモールド樹脂（36）を、接合部材（25）を覆うように設けてもよい。モールド樹脂（36）は、半導体素子（15）やヒートスプレッダ（16）を覆うように設けられる。なお、この場合は、上記実施形態のように、ケーシング（35）内に不活性ガスを封入しなくてもよい。
【００５４】
この第３変形例では、モールド樹脂（36）によって接合部材（25）を覆うことで、接合部材（25）に空気がほとんど接触しない。従って、半導体素子（15）の温度変化により半導体装置（10）が融解と凝固とを繰り返しても、接合部材（25）が酸化しにくくなる。
【００５５】
−第４変形例−
上記実施形態について、半導体素子（15）が、ＳｉＣ素子以外の他のワイドバンドギャップ半導体（例えばＧａＮ素子、ダイヤモンド素子）であってもよい。なお、ワイドギャップ半導体素子は、Ｓｉ素子に比べてバンドギャップが大きい半導体素子である。なお、ワイドギャップ半導体素子は、少なくとも１．２ｅＶ以上、更には２．０ｅＶ以上のバンドギャップを有することが好ましい。また、半導体素子（15）が、ワイドバンドギャップ半導体以外の半導体素子でＳｉ素子以外のものであってもよい。
【００５６】
なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上説明したように、本発明は、半導体素子が熱拡散部材上に設置される半導体装置について有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。
【図２】本発明の実施形態の変形例に係る半導体装置の概略断面図である。
【図３】その他の実施形態の第１変形例に係る半導体装置の概略断面図である。
【図４】その他の実施形態の第２変形例に係る半導体装置の概略断面図である。
【図５】その他の実施形態の第２変形例に係るヒートスプレッダの平面図である。
【図６】その他の実施形態の第３変形例に係る半導体装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
10  半導体装置
15  半導体素子
16  ヒートスプレッダ（熱拡散部材）  
17  導電体パターン（回路部）
25  接合部材
30  流出防止部材
31  凹部
32  固定部材
35  ケーシング
36  モールド樹脂
【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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