(57)【要約】【課題】回路の小型化が可能な半導体装置を提供する。【解決手段】実施形態の半導体装置は、放熱板と、放熱板上に設けられ、絶縁板と、絶縁板の上側に設けられ上部導電層と、絶縁板の下側に設けられる下部導電層と、を有する実装基板と、上部導電層上に設けられる半導体素子と、実装基板の上方に設けられるホルダと、ホルダに保持され、半導体素子と電気的に接続される端子と、上部導電層と放熱板とを電気的に接続する接続部材と、実装基板を実装基板の側面に沿って取り囲み、ホルダをホルダの側面に沿って取り囲むケースと、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱板と、
前記放熱板上に設けられ、絶縁板と、前記絶縁板の上側に設けられ上部導電層と、前記絶縁板の下側に設けられる下部導電層と、を有する実装基板と、
前記上部導電層上に設けられる半導体素子と、
前記実装基板の上方に設けられるホルダと、
前記ホルダに保持され、前記半導体素子と電気的に接続される端子と、
前記上部導電層と前記放熱板とを電気的に接続する接続部材と、
前記実装基板を前記実装基板の側面に沿って取り囲み、前記ホルダを前記ホルダの側面に沿って取り囲むケースと、
を備える半導体装置。
【請求項２】
前記接続部材の一端が前記上部導電層の上面に第１の接合層を間に挟んで接続され、前記接続部材の他端が前記放熱板の上面に第２の接合層を間に挟んで接続される請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記接続部材が前記ホルダに保持される請求項１又は請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記上部導電層、前記下部導電層及び前記接続部材が同一材料である請求項１乃至請求項３いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項５】
前記接続部材が金属ペーストであり、前記金属ペーストと前記上部導電層、前記金属ペーストと前記放熱板が直接接する請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用の半導体装置の一例として、放熱板上の実装基板に半導体チップが実装され、半導体チップの上方に設けられたホルダに保持された端子と半導体チップとが電気的に接続されたパワーモジュールがある。このようなパワーモジュールを低コストで製造可能な構造が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−５５１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、回路の小型化が可能な半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の半導体装置は、放熱板と、前記放熱板上に設けられ、絶縁板と、前記絶縁板の上側に設けられ上部導電層と、前記絶縁板の下側に設けられる下部導電層と、を有する実装基板と、前記上部導電層上に設けられる半導体素子と、前記実装基板の上方に設けられるホルダと、前記ホルダに保持され、前記半導体素子と電気的に接続される端子と、前記上部導電層と前記放熱板とを電気的に接続する接続部材と、前記実装基板を前記実装基板の側面に沿って取り囲み、前記ホルダを前記ホルダの側面に沿って取り囲むケースと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図２】第１の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図３】第１の実施形態の半導体装置の模式上面図。
【図４】第２の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図５】第３の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図６】第４の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図７】第５の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図８】第６の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一の部材等には同一の符号を付し、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する。
【０００８】
また、以下の説明では、「上」、「下」、「上方」、「下方」、「上面」、「下面」は、あくまで各部品等の相対的位置関係を示し、必ずしも重力方向との関係を規定する用語ではない。
【０００９】
（第１の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、放熱板と、放熱板上に設けられ、絶縁板と、絶縁板の上側に設けられ上部導電層と、絶縁板の下側に設けられる下部導電層と、を有する実装基板と、上部導電層上に設けられる半導体素子と、実装基板の上方に設けられるホルダと、ホルダに保持され、半導体素子と電気的に接続される端子と、上部導電層と放熱板とを電気的に接続する接続部材と、実装基板を実装基板の側面に沿って取り囲み、ホルダをホルダの側面に沿って取り囲むケースと、を備える。
【００１０】
図１及び図２は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。図３は本実施形態の半導体装置の模式上面図である。図１は、図３のＡＡ’断面である。図２は、図３のＢＢ’断面である。なお、図３は、実装基板上方の封止樹脂やホルダを除いた状態での上面図である。
【００１１】
本実施形態の半導体装置１００は、放熱板１０、実装基板１２、第１の半導体素子１４、第２の半導体素子１６、ホルダ１８、第１の端子２０、第２の端子２２、接続部材２４、ケース２６、第１の封止樹脂層２８、第２の封止樹脂層３０を備える。
【００１２】
半導体装置１００は、例えば、樹脂封止型のパワーモジュールである。また、半導体装置１００は、放熱板１０が第１の半導体素子１４、第２の半導体素子１６と電気的に接続され、電気的な端子として機能する。半導体装置１００は、いわゆる、非絶縁型パワーモジュールである。
【００１３】
第１の半導体素子１４及び第２の半導体素子１６は、例えば、ダイオードである。第１の半導体素子１４及び第２の半導体素子１６は、必ずしも、ダイオードに限られるものではなく、例えば、サイリスタやトランジスタ等、その他の半導体素子であってもかまわない。
【００１４】
放熱板１０は導電性材料であり、例えば、金属や金属とセラミックスの複合材料で形成される。放熱板１０は、例えば、銅、アルミニウム、ＡｌＳｉＣである。放熱板１０は、第１の半導体素子１４及び第２の半導体素子１６で発生する熱を放熱する機能、及び、電気的な端子としての機能を備える。
【００１５】
実装基板１２は、絶縁板１２ａと、絶縁板１２ａの上側に設けられる上部導電層１２ｂと、絶縁板１２ａの下側に設けられる下部導電層１２ｃを備える。上部導電層１２ｂは、例えば、複数の領域に分離されている。絶縁板１２ａは、例えば、セラミックス板である。また、上部導電層１２ｂ及び下部導電層１２ｃは、例えば、ニッケルメッキされた銅で形成される。
【００１６】
実装基板１２は、放熱板１０上に設けられる。例えば、放熱板１０と、実装基板１２の下部導電層１２ｃが接合層３２ａにより接合される。接合層３２ａは、例えば、はんだである。
【００１７】
第１の半導体素子１４及び第２の半導体素子１６は、実装基板１２の上部導電層１２ｂ上に、接合層３２ｂ、３２ｃにより接続される。接合層３２ｂ、３２ｃは、例えば、接合層３２ａのはんだよりも高融点の高融点はんだである。
【００１８】
第１の半導体素子１４及び第２の半導体素子１６は、それぞれ、ボンディングワイヤ３４により、隣接する上部導電層１２ｂにボンディングされる。ボンディングワイヤ３４は、例えば、アルミニウムである。
【００１９】
実装基板１２の上方には、ホルダ１８が設けられる。ホルダ１８は、例えば、樹脂で形成されている。ホルダ１８は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂である。
【００２０】
半導体装置１００は、ホルダ１８に保持される第１の端子２０と第２の端子２２を備える。第１の端子２０は接合層３２ｄにより、上部導電層１２ｂに接続される。また、第２の端子２２は接合層３２ｅにより、上部導電層１２ｂに接続される。
【００２１】
第１の端子２０及び第２の端子２２は、例えば、ニッケルメッキされた銅で形成される。
接合層３２ｄ及び３２ｅは、例えば、はんだである。第１の端子２０と第２の端子２２は、電気的に第１の半導体素子１４又は第２の半導体素子１６に接続される。
【００２２】
接続部材２４は、実装基板１２の上部導電層１２ｂと放熱板１０とを電気的に接続する。接続部材２４は導電性材料であり、例えば、ニッケルメッキされた銅で形成される。接続部材２４の一端が、上部導電層１２ｂの上面に第１の接合層３６ａを間に挟んで接続される。また、接続部材２４の他端が、放熱板１０の上面に第２の接合層３６ｂを挟んで接続される。第１の接合層３６ａ及び第２の接合層３６ｂは、例えば、はんだである。
【００２３】
本実施形態の半導体装置１００では、３つに分離した上部導電層１２ｂのうちの１個のみが放熱板１０と電気的に接続される。
【００２４】
接続部材２４により、第１の半導体素子１４及び第２の半導体素子１６が電気的に放熱板１０と接続され、放熱板２４が電気的な端子として機能する。
【００２５】
上部導電層１２ｂ、下部導電層１２ｃ、接続部材２４が同一材料で形成されることが、熱膨張率の違いにより発生するストレスを緩和する観点、低抵抗材料を用い電気抵抗を低下させる観点から望ましい。
【００２６】
ケース２６は、放熱板１０の周縁部上に設けられる。ケース２６は、実装基板１２を実装基板１２の側面に沿って取り囲み、実装基板１２、第１の半導体素子１４、第２の半導体素子１６を保護する。また、ケース２６は、ホルダ１８をホルダ１８の側面に沿って取り囲む。ケース２６は、例えば、樹脂で形成されている。ケース２６は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂である。
【００２７】
実装基板１２は、第１の封止樹脂層２８と、第２の封止樹脂層３０によって封止される。第１の封止樹脂層２８は、例えば、シリコーンゲルである。また、第２の封止樹脂層３０は、例えば、エポキシ樹脂である。第１の封止樹脂層２８と、第２の封止樹脂層３０との間には、例えば、空隙が設けられる。第１の封止樹脂層２８と、第２の封止樹脂層３０は、実装基板１２、第１の半導体素子１４、第２の半導体素子１６を保護する機能を備える。
【００２８】
半導体装置１００は、実装基板１２の上部導電層１２ｂと放熱板１０とが電気的に接続され、放熱板１０が電気的な端子として機能する非絶縁型パワーモジュールである。本実施形態の半導体装置１００は放熱板１０を電気的な端子とすることで、半導体装置１００を回路に組み込む際に、放熱板１０を回路の電源線となるバスバーに接続することが可能となる。したがって、バスバーを介して放熱できるため、放熱板１０に対して放熱フィンを設けることが不要となる。よって、本実施形態の半導体装置１００によれば、半導体装置１００を組み込む回路の小型化が可能となる。
【００２９】
上部導電層１２ｂと放熱板１０とを電気的に接続する構造として、例えば、実装基板１２の上部導電層１２ｂと下部絶縁層１２ｃを、絶縁板１２ａを挟み込む、断面がＵ字形状の導電性部材として一体化する構造が考えられる。しかしながら、この構造では、実装基板１２が汎用的に用いられない特殊な構造となる。このため、例えば、実装基板１２の生産の自動化が困難であったり、実装基板１２の多数個取りによる生産が困難であったりする。したがって、実装基板１２の生産にかかるコストが上乗せされ、半導体装置の製造コストが増大するという問題がある。
【００３０】
本実施形態の半導体装置１００では、接続部材２４により、実装基板１２の上部導電層１２ｂと放熱板１０とを電気的に接続する。したがって、上部導電層１２ｂと下部絶縁層１２ｃが分離された汎用的な実装基板１２を適用することが可能となる。よって、低コストで製造可能で、かつ、回路の小型化を可能とする非絶縁型パワーモジュールを提供することが可能となる。
【００３１】
（第２の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、接続部材がホルダに保持される以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
【００３２】
図４は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。図１に対応する断面である。
【００３３】
図４に示すように半導体装置２００の接続部材２４がホルダ１８に保持される。この構成により、製造の際の部品点数を減少させることができる。したがって、製造プロセスが簡略になり、一層製造コストを低減することが可能となる。
【００３４】
（第３の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、接続部材の一端が放熱板と実装基板との間に設けられること以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
【００３５】
図５は、本実施形態の半導体装置３００の模式断面図である。図１に対応する断面である。
【００３６】
図５に示すように、接続部材２４の一端が放熱板１０と実装基板１２の間に挿入されて設けられる。具体的には、接続部材２４の一端の下面は接合層３８ａにより放熱板１０の上面に接続され、接続部材２４の一端の上面は接合層３８ｂにより実装基板１２の下部導電層１２ｃ下面に接続される。
【００３７】
本実施形態によれば、第１の実施形態同様、低コストで製造可能で、かつ、回路の小型化を可能とする非絶縁型パワーモジュールを提供することが可能となる。また、接続部材２４と放熱板１０との間の接触面積が増大し、接続部材２４と放熱板１０との間のコンタクト抵抗を低減することが可能となる。
【００３８】
（第４の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、放熱板の上面に凸部が設けられ、この凸部と接続部材の一端が接続されること以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
【００３９】
図６は、本実施形態の半導体装置４００の模式断面図である。図１に対応する断面である。
【００４０】
図６に示すように、放熱板１０に凸部１０ａが設けられる。接続部材２４は平板形状である。そして、接続部材２４の一端が、接合層３６ｂにより凸部１０ａに接続される。
【００４１】
本実施形態によれば、第１の実施形態同様、低コストで製造可能で、かつ、回路の小型化を可能とする非絶縁型パワーモジュールを提供することが可能となる。また、接続部材２４を平板形状にすることが可能となり、さらに製造が容易となる。
【００４２】
（第５の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、接続部材が金属ペーストであり、金属ペーストと上部導電層、金属ペーストと放熱板が直接接すること以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
【００４３】
図７は、本実施形態の半導体装置５００の模式断面図である。図１に対応する断面である。
【００４４】
図７に示すように、半導体装置５００においては、接続部材２４が金属ペーストである。接続部材２４は、実装基板１２の側面に沿って設けられる。接続部材２４である金属ペーストと上部導電層１２ｂの上面、金属ペーストと放熱板１０の上面が直接接する。金属ペーストは、例えば、はんだや銀ペーストである。
【００４５】
本実施形態によれば、第１の実施形態同様、低コストで製造可能で、かつ、回路の小型化を可能とする非絶縁型パワーモジュールを提供することが可能となる。また、接続部材２４を金属ペーストとすることで、製造の際の部品点数を減少させることができる。したがって、製造プロセスが簡略になり、一層製造コストを低減することが可能となる。
【００４６】
（第６の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、上部導電層と放熱板が、実装基板に設けられたスルーホールを用いて電気的に接続されること以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
【００４７】
図８は、本実施形態の半導体装置６００の模式断面図である。図１に対応する断面である。
【００４８】
図８に示すように、半導体装置６００においては、実装基板１２に設けられたスルーホール４０を埋め込む金属ペーストが、接続部材２４となる。金属ペーストは、例えば、はんだや銀ペーストである。
【００４９】
本実施形態によれば、第１の実施形態同様、低コストで製造可能で、かつ、回路の小型化を可能とする非絶縁型パワーモジュールを提供することが可能となる。また、スルーホールを用いることで、製造の際の部品点数を減少させることができる。したがって、製造プロセスが簡略になり、一層製造コストを低減することが可能となる。また、接続部材２４を実装基板１２の外側に設けることが不要となり半導体装置のサイズの縮小が可能となる。
【００５０】
以上、実施形態では、半導体素子が２個の場合を例に説明したが、半導体素子の数は２個に限られるものではなく、１個であっても３個以上であっても構わない。
【００５１】
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。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。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】
【００５２】
１０      放熱板
１２      実装基板
１２ａ    絶縁板
１２ｂ    上部導電層
１２ｃ    下部導電層
１４      第１の半導体素子
１６      第２の半導体素子
１８      ホルダ
２０      第１の端子
２２      第２の端子
２４      接続部材
２６      ケース
３６ａ    第１の接合層
３６ｂ    第２の接合層
１００    半導体装置
２００    半導体装置
３００    半導体装置
４００    半導体装置
５００    半導体装置
６００    半導体装置
【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】
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【図８】
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