(57)【要約】【課題】本発明は、簡素な構成で半導体素子を宇宙線から保護できる半導体装置とモジュールを提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る半導体装置は、半導体素子を格納したモジュールと、該モジュールの外部で該半導体素子と電気的に接続された制御基板と、該モジュールの該制御基板に対向する面に固定された、シールド板と金属板を有する保護板と、を備え、該シールド板は、該モジュールから該制御基板に向かう電磁波を遮蔽する材料で形成され、該金属板は、該シールド板よりも宇宙線から該半導体素子を遮蔽する材料で形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を格納したモジュールと、
前記モジュールの外部で前記半導体素子と電気的に接続された制御基板と、
前記モジュールの前記制御基板に対向する面に固定された、シールド板と金属板を有する保護板と、を備え、
前記シールド板は、前記モジュールから前記制御基板に向かう電磁波を遮蔽する材料で形成され、
前記金属板は、前記シールド板よりも宇宙線から前記半導体素子を遮蔽する材料で形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記シールド板はアルミで形成され、
前記金属板は銅又は鉛で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
半導体素子を格納したモジュールと、
前記モジュールの外部で前記半導体素子と電気的に接続された制御基板と、
前記モジュールの前記制御基板に対向する面に固定された保護板と、を備え、
前記保護板は、前記モジュールから前記制御基板に向かう電磁波を遮蔽する材料と、アルミよりも宇宙線から前記半導体素子を遮蔽する材料との合金で形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記合金は、アルミと銅の合金、又はアルミと鉛の合金であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
銅よりも宇宙線を遮蔽する材料で形成された遮蔽部を少なくとも一部に有する土台と、
前記土台の上に固定された半導体素子と、を備えたことを特徴とするモジュール。
【請求項６】
前記遮蔽部は鉛で形成されたことを特徴とする請求項５に記載のモジュール。
【請求項７】
前記遮蔽部は、複数の板を有し、
前記複数の板は、それぞれが、異なる宇宙線の成分を遮蔽する材料で形成されたことを特徴とする請求項５に記載のモジュール。
【請求項８】
前記遮蔽部は、複数の宇宙線の成分を遮蔽する合金で形成されたことを特徴とする請求項５に記載のモジュール。
【請求項９】
前記遮蔽部は、内部に流体を流す構造を有するウォータージャケットで形成されたことを特徴とする請求項５に記載のモジュール。
【請求項１０】
前記流体は、水又はホウ酸を含むことを特徴とする請求項９に記載のモジュール。
【請求項１１】
ベース板と、
前記ベース板の上に形成された、宇宙線を遮蔽する材料と熱伝導材とをフィラーとする絶縁基板と、
前記絶縁基板の上に形成された半導体素子と、を備えたことを特徴とするモジュール。
【請求項１２】
半導体素子を格納したモジュールと、
宇宙線を遮蔽する材料で形成された部分を有し、前記モジュールに重なるように前記モジュールに対して固定された大容量コンデンサと、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
ベース板と、表面、前記ベース板に対向する裏面、及び側面を有し前記ベース板に固定された半導体素子と、を有するモジュールと、
前記側面が鉛直方向を向くように前記モジュールを固定する固定部材と、を備え、
前記側面は、前記表面及び前記裏面よりも面積が小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
宇宙線を遮蔽する遮蔽部を少なくとも一部に有する土台と、
前記土台の上に固定された半導体素子と、を有するモジュールを備え、        
前記モジュールは、鉛直上方から見て前記遮蔽部が前記半導体素子を覆い隠すように傾けられていることを特徴とするモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電力変換などに用いられる半導体装置とモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体素子を格納するパッケージが開示されている。このパッケージは、放射線から半導体素子を遮蔽するために放射線遮蔽材で形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−１０２５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
放射線を含む宇宙線は鉛直上方から半導体素子に入射する。従って、宇宙線から半導体素子を遮蔽するためには、半導体素子の上方に放射線遮蔽材を配置すれば十分である。ところが、特許文献１に開示のパッケージは半導体素子を覆うように形成するので、構成が複雑になる問題があった。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、簡素な構成で半導体素子を宇宙線から保護できる半導体装置、及びモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る半導体装置は、半導体素子を格納したモジュールと、該モジュールの外部で該半導体素子と電気的に接続された制御基板と、該モジュールの該制御基板に対向する面に固定された、シールド板と金属板を有する保護板と、を備え、該シールド板は、該モジュールから該制御基板に向かう電磁波を遮蔽する材料で形成され、該金属板は、該シールド板よりも宇宙線から該半導体素子を遮蔽する材料で形成されたことを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る他の半導体装置は、半導体素子を格納したモジュールと、該モジュールの外部で該半導体素子と電気的に接続された制御基板と、該モジュールの該制御基板に対向する面に固定された保護板と、を備え、該保護板は、該モジュールから該制御基板に向かう電磁波を遮蔽する材料と、アルミよりも宇宙線から該半導体素子を遮蔽する材料との合金で形成されたことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るモジュールは、銅よりも宇宙線を遮蔽する材料で形成された遮蔽部を少なくとも一部に有する土台と、該土台の上に固定された半導体素子と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る他のモジュールは、ベース板と、該ベース板の上に形成された、宇宙線を遮蔽する材料と熱伝導材とをフィラーとする絶縁基板と、該絶縁基板の上に形成された半導体素子と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る他のモジュールは、半導体素子を格納したモジュールと、宇宙線を遮蔽する材料で形成された部分を有し、該モジュールに重なるように該モジュールに対して固定された大容量コンデンサと、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る他の半導体装置は、ベース板と、表面、該ベース板に対向する裏面、及び側面を有し該ベース板に固定された半導体素子と、を有するモジュールと、該側面が鉛直方向を向くように該モジュールを固定する固定部材と、を備え、該側面は、該表面及び該裏面よりも面積が小さいことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る他のモジュールは、宇宙線を遮蔽する遮蔽部を少なくとも一部に有する土台と、該土台の上に固定された半導体素子と、を有し、該モジュールは、鉛直上方から見て該遮蔽部が該半導体素子を覆い隠すように傾けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡素な構成で半導体素子を宇宙線から保護できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の斜視図である。
【図２】図１のモジュールの断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係るモジュールの断面図である。
【図５】本発明の実施の形態４に係るモジュールの断面図である。
【図６】本発明の実施の形態５に係るモジュールの断面図である。
【図７】本発明の実施の形態６に係るモジュールの断面図である。
【図８】本発明の実施の形態６に係るモジュールを反転させて用いることを示す斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態７に係るモジュールの断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態７に係るモジュールを反転させて用いることを示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態８に係る半導体装置の断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態９に係る半導体装置の断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態１０に係るモジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の斜視図である。半導体装置１０は、半導体素子を格納したモジュール１２を有している。モジュール１２は、例えばＩＧＢＴなどで形成された半導体素子をトランスファーモールド法で樹脂封止したものである。半導体装置１０は、モジュール１２から外部に伸びる主端子１４と制御端子１６を有している。制御端子１６には制御基板１８が接続されている。これにより、制御基板１８は、モジュール１２の外部で半導体素子と電気的に接続されている。
【００１６】
モジュール１２の制御基板１８に対向する面には、保護板２０が固定されている。保護板２０は宇宙線と電磁波を遮蔽するものである。保護板２０は、シールド板２２と金属板２４を有している。シールド板２２はアルミで形成されている。金属板２４は銅で形成されている。
【００１７】
図２は、図１のモジュールの断面図である。モジュール１２は、金属層１２ａを有している。金属層１２ａの上には、絶縁層１２ｂを介してベース板１２ｃが形成されている。ベース板１２ｃの上には、はんだ１２ｄにより半導体素子１２ｅが固定されている。半導体素子１２ｅは、ワイヤ１２ｆにより、主端子１４及び制御端子１６に接続されている。半導体素子１２ｅは、モールド樹脂１２ｇで覆われている。
【００１８】
ところで、半導体装置には、鉛直上方からガンマ線などを含む宇宙線が入射してくる。宇宙線が半導体素子に欠陥を与え半導体素子が劣化することがあった。ところが、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０によれば、図１矢印に入射してくる宇宙線を銅で形成した金属板２４が遮断する。よって、宇宙線が半導体素子に到達することを回避できる。
【００１９】
また、半導体素子１２ｅのオンオフにより生じる電磁波（ノイズ）はシールド板２２で遮断できる。よって、ノイズにより制御基板１８が誤動作を起こすなどの弊害を回避できる。このように保護板２０は、モジュール１２から制御基板１８に向かう電磁波をシールド板２２で遮蔽し、金属板２４で宇宙線から半導体素子を遮蔽する。なお、保護板２０はモジュール１２と制御基板１８の間に位置しているので、モジュール１２の熱から制御基板１８を熱遮蔽することも可能となる。
【００２０】
ところで、アルミで形成されたシールド板２２は宇宙線を遮蔽する能力があるが、遮蔽効果が十分ではない。そこで、アルミよりも宇宙線を遮蔽する能力の高い銅で金属板２４を形成することで、宇宙線の遮蔽効果を高めることができる。従って、金属板２４は、アルミよりも宇宙線を遮蔽する能力の高い材料で形成される必要がある。アルミよりも宇宙線を遮蔽する能力の高い材料として、銅でなく鉛を採用してもよい。鉛で金属板を形成すると、銅で金属板を形成したときよりも、宇宙線を遮蔽する能力を高めることができる。
【００２１】
本発明の実施の形態１に係るシールド板２２は、モジュール１２から制御基板１８に向かう電磁波を遮蔽する材料で形成されれば特に限定されない。また、金属板２４の材料は、シールド板２２よりも宇宙線から半導体素子を遮蔽できる材料で形成されれば特に限定されない。
【００２２】
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の斜視図である。実施の形態１との相違点を中心に説明する。モジュール１２の制御基板１８に対向する面には保護板３０が固定されている。保護板３０は、アルミと銅の合金で形成されている。
【００２３】
実施の形態１に係るシールド板と金属板は、各々の形状を安定させるために最低限の厚みが必要なので薄板化しづらい。しかしながら、保護板３０をアルミと銅の合金で形成すると、実施の形態１の保護板と同様の効果を得つつ、保護板３０を薄く形成できる。
【００２４】
保護板３０は、モジュール１２から制御基板１８に向かう電磁波を遮蔽する材料と、アルミよりも宇宙線から半導体素子を遮蔽できる材料との合金で形成されればよい。例えばアルミと鉛の合金で保護板を形成してもよい。
【００２５】
実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係るモジュールの断面図である。図２に示すモジュールとの相違点を中心に説明する。金属層１２ａ´及びベース板１２ｃ´は鉛で形成されている。このモジュールは、金属層１２ａ´及びベース板１２ｃ´が半導体素子１２ｅよりも鉛直上方に位置するように配置される。
【００２６】
本発明の実施の形態３に係るモジュールによれば、図４の矢印方向に入射する宇宙線は金属層１２ａ´及びベース板１２ｃ´によって遮断されるので、宇宙線が半導体素子１２ｅに到達することを防止できる。また、金属層１２ａ´にヒートシンクを取り付けた場合、モジュールの熱を上方に逃がすことができるのでモジュールの放熱が容易となる。
【００２７】
本発明の実施の形態３では、半導体素子１２ｅを固定する土台として金属層１２ａ´、絶縁層１２ｂ、及びベース板１２ｃ´を有することとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、金属層１２ａ´又はベース板１２ｃ´の一方を銅で形成してもよい。このように、半導体素子１２ｅを固定する土台の少なくとも一部に鉛を材料とする「遮蔽部」を形成すれば、土台全体を銅で形成した場合よりも宇宙線を遮断できるようになる。
【００２８】
実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４に係るモジュールの断面図である。図２に示すモジュールとの相違点を中心に説明する。銅で形成されたベース板１２ｃと接して複数の板１２ｚが形成されている。複数の板１２ｚは、それぞれが異なる宇宙線の成分を遮蔽する材料で形成されている。具体的には、板１２ｘは、宇宙線に含まれるガンマ線を遮蔽する鉛で形成されている。板１２ｙは、宇宙線に含まれる中性子線を遮蔽する軽元素を含む炭素化合物、ホウ素化合物、金属水酸化化合物、又はセラミック等で形成されている。このモジュールは、複数の板１２ｚが半導体素子１２ｅよりも鉛直上方に位置するように配置される。
【００２９】
このように、それぞれが異なる宇宙線の成分を遮蔽する材料で形成された複数の板１２ｚを有することで、宇宙線の遮蔽効果を高めることができる。本発明の実施の形態４では、複数の板１２ｚとして２枚の板を用いたが、３枚以上の板を用いてもよい。なお、一般に半導体素子１２ｅを固定する土台はある程度厚く形成しても問題がないため、複数の板１２ｚに多くの板を含ませることができる。
【００３０】
複数の板１２ｚは、ベース板１２ｃと絶縁層１２ｂの間に形成してもよい。また、本発明の実施の形態４では、半導体素子１２ｅを固定する土台として金属層１２ａ、絶縁層１２ｂ、ベース板１２ｃ、及び複数の板１２ｚを有することとしたが本発明はこれに限定されない。半導体素子１２ｅを固定する土台は、銅よりも宇宙線を遮蔽する材料で形成された遮蔽部である複数の板１２ｚを少なくとも一部に有するように形成すればよい。
【００３１】
実施の形態５．
図６は、本発明の実施の形態５に係るモジュールの断面図である。図２に示すモジュールとの相違点を中心に説明する。ベース板は、複数の宇宙線の成分を遮蔽する合金１２ｃ´´で形成されている。合金１２ｃ´´は、鉛と、軽元素を含む炭素化合物の合金で形成されている。このモジュールは、合金１２ｃ´´が半導体素子１２ｅよりも鉛直上方に位置するように配置される。
【００３２】
実施の形態４で説明したように複数の板を形成すると、ある板と別の板の間の熱膨張率の違いから、両者間の密着度が低下することがあった。複数の板を構成する板が相互に密着しないと半導体素子の放熱が困難となる。特に板が大面積で形成された場合には放熱の問題が顕在化する。そこで、本発明の実施の形態５に係るモジュールのように、複数の板を合金化すると、上述の密着度の問題を解消できる。
【００３３】
本発明の実施の形態５では、半導体素子１２ｅを固定する土台として金属層１２ａ、絶縁層１２ｂ、及び合金１２ｃ´´を有することとしたがこれに限定されない。半導体素子１２ｅを固定する土台は、銅よりも宇宙線を遮蔽する材料で形成された遮蔽部である合金１２ｃ´´を少なくとも一部に有するように形成すればよい。
【００３４】
実施の形態６．
図７は、本発明の実施の形態６に係るモジュールの断面図である。図２に示すモジュールとの相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態６に係るモジュールは、内部に流体４２を流す構造を有するウォータージャケット４０を有している。ウォータージャケット４０は銅よりも宇宙線を遮蔽する材料で形成されている。ウォータージャケット４０にははんだ４４を用いて半導体素子４６が固定されている。ウォータージャケット４０の内部を流れる流体４２は、水又はホウ酸を含む。
【００３５】
図８は、本発明の実施の形態６に係るモジュールを反転させて用いることを示す斜視図である。このモジュールは、ウォータージャケット４０が半導体素子４６よりも鉛直上方に位置するように配置される。そして、ウォータージャケット４０の内部に水又はホウ酸を含む流体４２を流しつつ、半導体素子４６に通電する。なお、このモジュールは、水冷インバータを構成するものであるが、詳細な構成の説明は省略する。
【００３６】
本発明の実施の形態６に係るモジュールによれば、ウォータージャケット４０が宇宙線を遮断するので半導体素子４６を宇宙線から保護できる。また、ウォータージャケット４０の内部を流れる流体４２は水又はホウ酸を含むので、流体４２に宇宙線を吸収させることができる。
【００３７】
本発明の実施の形態６では、半導体素子４６を固定する土台であるウォータージャケット４０の全体を銅よりも宇宙線を遮蔽する材料で形成したが本発明はこれに限定されない。ウォータージャケット４０は、銅よりも宇宙線を遮蔽する材料で形成された遮蔽部を少なくとも一部に有するように形成すればよい。従って、遮蔽部は銅よりも宇宙線を遮蔽する材料で形成しつつ、他の部分は鉄、アルミ、その他の純金属、又は合金で形成してもよい。
【００３８】
実施の形態７．
図９は、本発明の実施の形態７に係るモジュールの断面図である。このモジュールはベース板５０を有する。ベース板５０の上には絶縁基板５２が形成されている。絶縁基板５２は、宇宙線を遮蔽する材料と熱伝導材とをフィラーとして形成されている。絶縁基板５２の上には、回路パターン５４が形成されている。回路パターン５４には、はんだ５６により半導体素子５８が形成されている。ベース板５０、絶縁基板５２、回路パターン５４、はんだ５６、及び半導体素子５８は、ベース板５０の裏面を外部に露出させるようにして、ケース６０とふた６２によって覆われている。
【００３９】
図１０は、本発明の実施の形態７に係るモジュールを反転させて用いることを示す断面図である。このモジュールは、絶縁基板５２が半導体素子５８よりも鉛直上方に位置するように配置される。宇宙線は図１０の矢印方向から入射し、絶縁基板５２で遮蔽される。よって、半導体素子を宇宙線から保護できる。また、ベース板５０の材料として、宇宙線の遮蔽とは無関係に、軽量、高熱伝導、低コストなものを選定できる。なお、ベース板５０は半導体素子５８を固定する土台の一部であるので、ベース板５０を実施の形態３から実施の形態６までに示したように構成してもよい。
【００４０】
実施の形態８．
図１１は、本発明の実施の形態８に係る半導体装置の断面図である。この半導体装置は、モジュール１００を有する。モジュール１００は、ベース板１００ａを有している。ベース板１００ａには回路パターン１００ｂ、及びはんだ１００ｃを介して半導体素子１００ｄが固定されている。ベース板１００ａ、回路パターン１００ｂ、はんだ１００ｃ、及び半導体素子１００ｄは、ケース１０２及びふた１０４からなる構造に格納されている。
【００４１】
モジュール１００には、モジュール１００に重なるように大容量コンデンサ１０６が固定されている。大容量コンデンサ１０６は、固定部材１０８によってモジュール１００に対して固定されている。大容量コンデンサ１０６は、宇宙線を遮蔽する材料で形成された部分を有する。具体的には、大容量コンデンサ１０６の外ケースは銅又は鉛で形成されている。当該外ケースの中にコンデンサとなるエレメントが格納されている。宇宙線は図１０の矢印方向から入射し、大容量コンデンサ１０６の外ケースで遮蔽される。よって、半導体素子１００ｄを宇宙線から保護できる。
【００４２】
本発明の実施の形態８に係る半導体装置では、大容量コンデンサ１０６の外ケースを銅又は鉛で形成することとしたが、大容量コンデンサ１０６の一部に宇宙線を遮蔽できる部分を形成すればこれに限定されない。例えば、金属箔と誘電体を有するコンデンサにおいて、金属箔の部分を宇宙線を遮蔽する材料で形成してもよい。
【００４３】
実施の形態９．
図１２は、本発明の実施の形態９に係る半導体装置の断面図である。この半導体装置は、モジュール１１０を有している。モジュール１１０は、図２のモジュールと同じである。このモジュールの半導体素子１２ｅは、表面１２ｈ、ベース板１２ｃに対向する裏面１２ｉ、及び側面１２ｊを有している。側面１２ｊは、表面１２ｈ及び裏面１２ｉよりも面積が小さい。そして、モジュール１１０は、側面１２ｊが鉛直方向を向くように固定部材１１２に固定されている。
【００４４】
宇宙線は図１２の矢印方向から入射する。半導体素子１２ｅの側面１２ｊは面積が小さいので、半導体素子１２ｅに入射する宇宙線の量を減らすことができる。よって、半導体素子１２ｅを宇宙線から保護できる。
【００４５】
実施の形態１０．
図１３は、本発明の実施の形態１０に係るモジュールの断面図である。このモジュールは、実施の形態３で説明した図４のモジュールと同一の構成を有する。このモジュールは、鉛直上方から見て遮蔽部（ベース板１２ｃ´と金属層１２ａ´）が半導体素子１２ｅを覆い隠すように傾けられている。
【００４６】
宇宙線は図１３の矢印方向から入射する。宇宙線は、遮蔽部で遮蔽されるので、宇宙線から半導体素子１２ｅを保護できる。なお、遮蔽部は、実施の形態３から実施の形態７のいずれの構成をとるものでもよい。つまり、宇宙線を遮蔽する遮蔽部を少なくとも一部に有する土台に半導体素子１２ｅを固定し、上述のように傾ければ、半導体素子１２ｅを保護できる。
【符号の説明】
【００４７】
１０  半導体装置、  １２  モジュール、  １２ａ  金属層、  １２ｂ  絶縁層、  １２ｃ  ベース板、  １２ｃ´´  合金、  １２ｄ  はんだ、  １２ｅ  半導体素子、  １２ｆ  ワイヤ、  １２ｈ  表面、  １２ｉ  裏面、  １２ｊ  側面、  １２ｚ  複数の板、  １４  主端子、  １６  制御端子、  １８  制御基板、  ２０  保護板、  ２２  シールド板、  ２４  金属板、  ３０  保護板、  ４０  ウォータージャケット、  ４２  流体、  ４４  はんだ、  ４６  半導体素子、  ５０  ベース板、  ５２  絶縁基板、  ５４  回路パターン、  ５６  はんだ、  ５８  半導体素子、  ６０  ケース、  ６２  ふた、  １００  モジュール、  １００ａ  ベース板、  １００ｂ  回路パターン、  １００ｃ  はんだ、  １００ｄ  半導体素子、  １０２  ケース、  １０４  ふた、  １０６  大容量コンデンサ、  １０８  固定部材、  １１０  モジュール、  １１２  固定部材
【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】
2013160684.tif 000009
【図８】
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【図９】
2013160684.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2013160684.tif 000013
【図１２】
2013160684.tif 000014
【図１３】
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