(57)【要約】【課題】本明細書は、半導体素子を封止したパワーカードと冷却器が絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置に関し、半導体が備える部材間から接着部材が流出することを抑制するとともに接合層の厚みに起因する寸法公差を小さくするための技術を提供する。【解決手段】半導体装置２では、半導体素子を封止したパワーカード１０と冷却器３が絶縁板６を挟んで積層されている。半導体装置２では、パワーカード１０と絶縁板６との間、及び、冷却器３と絶縁板６との間が接着剤９によって接着されている。絶縁板６は、接着剤９を囲む凸条６ｂを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を封止したパワーカードと冷却器が絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置であって、
前記パワーカードと前記絶縁部材の間、及び、前記冷却器と前記絶縁部材の間の少なくとも一方が、接着部材によって接着されており、
前記パワーカードと前記絶縁部材と前記冷却器とのいずれか一の面であって、前記接着部材によって接着されている前記面は、前記接着部材を囲む凸部を備える半導体装置。
【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。特に、半導体素子を封止したパワーカードと冷却器が絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子を封止したパワーカードと冷却器が絶縁部材を挟んで積層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）。そのような半導体装置においては、パワーカードと絶縁部材の相対的位置、あるいは、冷却器と絶縁部材の相対的位置を正確に定める必要がある。特許文献１の半導体装置では、パワーカードと絶縁部材との間、及び、絶縁部材と冷却器の間の少なくとも一方が接着剤によって接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−０９３５９３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の技術では、接着剤は流動性を有するため、各部材を固定する際に各部材間から流出しやすく、各部材を固定する際の接着剤の厚さを目的の厚さに調節することが困難である。その結果、個々の半導体装置について、積層体の寸法にばらつきが生じる可能性がある。本明細書では、半導体が備える部材間から接着部材が流出することを抑制するとともに接合層の厚みに起因する寸法公差を小さくするための技術を提供する。
【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、半導体素子を封止したパワーカードと冷却器が絶縁部材を挟んで積層されているデバイスである。この半導体装置は、パワーカードと絶縁部材と冷却器とのいずれか一の面であって、接着部材によって接着されている面に、接着剤を囲む凸部を備える。当該構成によると、接着部材によって各部材を固定する際に、凸部の側面で接着部材がせき止められ得る。また、接着部材の厚さは、絶縁部材に接着すべき部材と凸部の上面とが接触する場合に、下限値となる。そのため、接着部材の厚さが小さくなりすぎることを抑制し得る。即ち、半導体装置が備える部材間から接着部材が流出することを抑制するとともに接合層の厚みに起因する寸法公差を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１実施例の半導体装置の斜視図である。
【図２】第１実施例のパワーカードを裏面からみた斜視図である。
【図３】図１の座標系におけるＸＹ平面でカットした第１実施例の半導体装置の断面図である。
【図４】図１の座標系におけるＸＺ平面でカットした第１実施例の半導体装置の断面図である。
【図５】図１の座標系におけるＸＹ平面でカットした第２実施例の半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
（第１実施例）図面を参照して実施例の半導体装置２を説明する。図１は、第１実施例の半導体装置２の斜視図である。半導体装置２は、複数のパワーカード１０と複数の冷却器３が積層されたユニットである。なお、図１では、一つのパワーカードだけに符号１０を付し、他のパワーカードには符号を省略している。同様に一つの冷却器だけに符号３を付し、他の冷却器には符号を省略している。また、半導体装置２の全体が見えるように、半導体装置２を収容するケース３１は仮想線で描いてある。なお、パワーカード１０と絶縁板６の間、及び、絶縁板６と冷却器３の間には接着剤が塗布されているが、図１と図２では接着剤の図示は省略している。
【０００８】
一つのパワーカード１０には４個の半導体素子が収容されている。４個の半導体素子は、具体的には、２個のトランジスタＴａ、Ｔｂと、２個のダイオードＤａ、Ｄｂである。パワーカード１０の内部構造は後に詳しく説明する。冷却器３を通る冷媒により、半導体素子が冷却される。冷媒は液体であり、典型的には水である。
【０００９】
パワーカード１０と冷却器３は、共に平板型であり、複数の側面のうち最大面積の平坦面が対向するように積層されている。パワーカード１０と冷却器３は交互に積層されており、ユニットの積層方向の両端には冷却器３が位置している。パワーカード１０と冷却器３の間には絶縁板６が挟まれている。各パワーカード１０は、その両面の夫々に、絶縁板６を挟んで冷却器３が対向している。絶縁板６は、板状部６ａと凸条６ｂとを備える。凸条６ｂは、板状部６ａの両面上に位置する。凸条６ｂは、板状部６ａの外縁と略同形（即ち矩形）であるが、板状部６ａの外周よりもやや小さい。凸条６ｂの四辺の夫々の中点付近には、切欠きが設けられている。図示省略の接着剤は、凸条６ｂの内側に塗布されている。即ち、凸条６ｂは、積層方向と直交する面内で接着剤を囲んでいる。凸条６ｂの上面は、絶縁板６の両側の部材（即ちパワーカード１０及び冷却器３）に接している。
【００１０】
複数の冷却器３は、連結パイプ５ａ、５ｂで連結されている。積層方向の一端の冷却器３には、冷媒供給管４ａと冷媒排出管４ｂが連結されている。冷媒供給管４ａを通じて供給される冷媒は、連結パイプ５ａを通じて全ての冷却器３に分配される。冷媒は各冷却器３を通る間に隣接するパワーカード１０から熱を吸収する。各冷却器３を通った冷媒は連結パイプ５ｂを通り、冷媒排出管４ｂから排出される。
【００１１】
半導体装置２はケース３１に収容される際、積層方向の一端側に板バネ３２が挿入される。その板バネ３２により、パワーカード１０と絶縁板６と冷却器３の積層体には、積層方向の両側から荷重が加えられる。その荷重は、例えば３［ｋＮ］である。パワーカード１０と絶縁板６の間、及び、冷却器３と絶縁板６の間には接着剤が塗布されるが、３［ｋＮ］という高い荷重は、接着剤の層を薄く引き延ばし、パワーカード１０から冷却器３への伝熱効率を高める。パワーカード１０は、直接的には絶縁板６に熱を奪われる。それゆえ、絶縁板６は、冷却部材に相当する。半導体装置２は、半導体素子（２個のトランジスタＴａ、Ｔｂと２個のダイオードＤａ、Ｄｂ）を収容したパワーカード１０にグリスを挟んで絶縁板６（冷却部材）が接しているとともに、パワーカード１０と絶縁板６が密着するようにそれらの積層方向に荷重が加えられているデバイスである。
【００１２】
パワーカード１０を説明する。パワーカード１０において、絶縁板６と対向する一方の平坦面１０ａには、放熱板１６ａ、１６ｂが露出している。説明の便宜上、平坦面１０ａをパワーカード１０の正面と称する。パワーカード１０を裏面（Ｘ軸の負方向）からみた図を図２に示す。平坦面１０ａとは反対側の平坦面１０ｂには、別の放熱板１７が露出している。平坦面１０ｂには別の絶縁板６が接しており、その絶縁板６には別の冷却器３が接している。パワーカード１０は、両面の夫々が絶縁板６と接しており、各絶縁板６は冷却器３と接している。パワーカード１０の上面（図中Ｚ軸の正方向を向く面）からは３本の電極端子７ａ、７ｂ、７ｃが伸びており、下面（図中Ｚ軸方向の負方向を向く面）からは制御端子２９が伸びている。
【００１３】
ここからは、図１、図２とともに図３と図４を参照してパワーカード１０の内部構造を説明する。図３は、図１のパワーカード１０を図中の座標系のＸＹ面に平行な平面であってトランジスタＴａとＴｂを横切る平面でカットした断面図である。図４は、図１のパワーカード１０を図中の座標系のＸＺ面に平行な平面でカットした断面図であってトランジスタＴａとダイオードＤａを横切る平面でカットした断面図である。別言すれば、図４は、図３のIV−IV線に沿った断面図であり、図３は図４のIII−III線に沿った断面図である。
【００１４】
４個の半導体素子（トランジスタＴａ、Ｔｂ、ダイオードＤａ、Ｄｂ）は、樹脂製の筐体１３に封止されている。筐体１３は、射出成形により半導体素子を封止する。いずれの半導体素子も平坦なチップであり、その平坦面が筐体１３の平坦面（パワーカード１０の平坦面１０ａ、１０ｂ）と平行になるように配置されている。なお、以下では、パワーカード１０の平坦面１０ａ、１０ｂを筐体１３の平坦面１０ａ、１０ｂと称する場合がある。
【００１５】
トランジスタＴａ（Ｔｂ）のチップの一方の平坦面にはコレクタ電極が露出しており、他方の平坦面にはエミッタ電極が露出している。トランジスタＴａ（Ｔｂ）のゲートは、チップの一方の平坦面の端に設けられている。トランジスタＴａの一方の平坦面の電極はハンダ１５により放熱板１６ａの裏面に接合している。放熱板１６ａのおもて面は、筐体１３の表面に露出している。トランジスタＴａの他方の平坦面の電極は、ハンダ１５と導電部材（スペーサ１４）を介して放熱板１７の裏面に接合している。放熱板１７のおもて面は、筐体１３の表面に露出している。トランジスタＴａの他方の平坦面の端にはゲートが位置しており、そのゲートはワイヤを介して制御端子２９に接続されている。図４では、ワイヤは破線で描いてある。トランジスタＴｂも同様の構造を有している。
【００１６】
図４によく示されているように、放熱板１６ａは、電極端子７ａの一部である。筐体内部で放熱板１６ａの側縁から延設部が伸びており、その延設部は筐体１３の内部を通り、筐体１３の上面（図中の座標系のＺ軸正方向を向く面）から外部へ伸びている。即ち、トランジスタＴａの電極を外部の他のデバイスと接続するための電極端子７ａにおいて、筐体１３の平坦面１０ａに露出している部位が放熱板１６ａに相当する。電極端子７ａはトランジスタＴａの電極と接しているので、トランジスタＴａの内部の熱を伝えやすい。その電極端子７ａの一部が放熱板１６ａとして筐体１３から露出しているので、放熱板１６ａにはトランジスタＴａの内部の熱がよく伝わる。一方、冷却器３はアルミニウム（導電性の金属）で作られているので、放熱板１６ａと絶縁する必要がある。それゆえ、半導体装置２は、冷却器３と放熱板１６ａ（パワーカード１０）との間に絶縁板６を挟んでいる。絶縁板６は、薄くて絶縁性が高く、伝熱性も良いセラミックスで作られている。放熱板１６ａ（電極端子７ａ）は、導電性と伝熱性に優れた銅で作られている。スペーサ１４も、導電性と伝熱性に優れた銅で作られている。
【００１７】
ダイオードＤａ、Ｄｂも平坦なチップであり、一方の平坦面にアノード電極が露出しており、他方の平坦面にカソード電極が露出している。ダイオードＤａの一方の平坦面に露出している電極も、トランジスタＴａと同様に、ハンダ１５を介して放熱板１６ａの裏面に接続している。トランジスタＴａの他方の面の電極はハンダ１５とスペーサ１４を介して放熱板１７の裏面（筐体１３に対向する面）に接続している。ダイオードＤａの他方の面の電極も、ハンダ１５とスペーサ１４を介して放熱板１７の裏面に接続している。即ち、トランジスタＴａとダイオードＤａは、放熱板１６ａ（即ち電極端子７ａ）と放熱板１７の間で並列（逆並列）に接続されている。放熱板１７も、放熱板１６ａと同様に電極端子７ｃの一部である。
【００１８】
トランジスタＴｂとダイオードＤｂの組も、トランジスタＴａとダイオードＤａの組と同様の構造を有している。トランジスタＴａとダイオードＤｂの一方の面の電極はハンダ１５を介して放熱板１６ｂの裏面に接続されており、他方の面の電極はハンダ１５とスペーサ１４を介して放熱板１７の裏面に接続している。トランジスタＴｂとダイオードＤｂも、筐体１３の内部で並列（逆並列）に接続されている。放熱板１６ｂも、放熱板１６ａと同様に、電極端子７ｂの一部である。
【００１９】
第１実施例の半導体装置２では、半導体素子を封止したパワーカード１０と冷却器３が絶縁板６を挟んで積層されている。半導体装置２では、パワーカード１０と絶縁板６との間、及び、冷却器３と絶縁板６との間が接着剤９によって接着されている。絶縁板６は、接着剤９を囲む凸条６ｂを備える。そのため、接着剤９によって各部材を固定する際に、凸条６ｂの側面で接着剤９がせき止められ得る。また、接着剤９の厚さは、絶縁板６に接着すべき部材と凸条６ｂの上面とが接触しているため、凸条６ｂの高さに一致する。そのため、接着部材の厚さが小さくなりすぎる（即ち、凸条６ｂの高さよりも小さくなる）ことを抑制することができる。即ち、半導体装置２が備える部材間から接着剤９が流出することを抑制するとともに接合層の厚みに起因する寸法公差を小さくすることができる。
【００２０】
凸条６ｂには、４個の切欠きが設けられている。そのため、過量の接着剤９が絶縁板６に塗布されたとしても、切欠きから排出される余分な接着剤９を回収することができる。
【００２１】
（第２実施例）第２実施例の半導体装置２を説明する。第２実施例の半導体装置２は、絶縁板６に代えて、冷却器３とパワーカード１０が凸条を備えている点が第１実施例とは異なるだけである。それゆえ、半導体装置２全体の説明は省略する。図５に、図１の座標系におけるＸＹ平面でカットした第２実施例の半導体装置２の断面図を示す。
【００２２】
第２実施例の半導体装置２では、絶縁板６は凸条６ｂを備えていない。冷却器３は、絶縁板６に対向する面に凸条３ａに備える。凸条３ａは、第１実施例において冷却器３側に位置する凸条６ｂと同一の位置を占める。パワーカード１０は、平坦面１０ａ，１０ｂに凸条１０ｃを備える。凸条１０ｃは、第１実施例においてパワーカード１０側に位置する凸条６ｂと同一の位置を占める。図５からは明らかでないが、凸条３ａ、１０ｃは、第１実施例の凸条６ｂと同様の形状であり、切欠きが設けられている。第２実施例でも、第１実施例と同様の効果を奏することができる。
【００２３】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図では、理解を助けるため、放熱板の厚みなどを強調して描いることに留意されたい。
【００２４】
第１実施例では、凸条６ｂは、絶縁板６の両面に設けられているが、片面のみに設けられていてもよい。この場合に、凸条６ｂが設けられていない面には、接着剤に代えてグリスが塗布されていてもよい。第２実施例の凸条３ａ、１０ｃも同様に、どちらか一方のみが設けられていてもよい。
【００２５】
実施例では、凸条には切欠きが設けられているが、変形例では、省略してもよい。
【００２６】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に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、出願時請求項記載の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例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、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】
【００２７】
２：半導体装置
３：冷却器
３ａ、６ｂ、１０ｃ：凸条
４ａ：冷媒供給管
４ｂ：冷媒排出管
５ａ、５ｂ：連結パイプ
６：絶縁板
６ａ：板状部
７ａ：電極端子
７ｂ：電極端子
７ｃ：電極端子
８、１１：金属板
９：接着剤
１０：パワーカード
１０ａ、１０ｂ：平坦面
１３：筐体
１４：スペーサ
１５：ハンダ
１６ａ、１６ｂ、１７：放熱板
２９：制御端子
３１：ケース
３２：板バネ
Ｄａ、Ｄｂ：ダイオード（半導体素子）
Ｔａ、Ｔｂ：トランジスタ（半導体素子）
【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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