(57)【要約】【課題】  半導体装置において、熱膨張に起因する半導体素子の破損を防止し得る。【解決手段】  半導体装置は、半導体素子と、はんだを介して半導体素子に接合された第１の放熱板と、半導体素子を挟んで第１の放熱板に対向する第２の放熱板と、を有する一対の放熱板と、半導体素子及び第２の放熱板の間に位置しているとともに、半導体素子及び第２の放熱板のそれぞれとはんだを介して接合されたスペーサブロックと、一対の放熱板の間に充填されているとともに、スペーサブロックを構成する材料よりも熱伝導率が低い樹脂と、を備える。スペーサブロックは、樹脂内に突出する突出部を備える。突出部は、樹脂を介して半導体素子に対向しているとともに、その先端は、上面視において半導体素子の外側に位置している。【選択図】図２
2017123447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
はんだを介して前記半導体素子に接合された第１の放熱板と、前記半導体素子を挟んで前記第１の放熱板に対向する第２の放熱板と、を有する一対の放熱板と、
前記半導体素子及び前記第２の放熱板の間に位置しているとともに、前記半導体素子及び前記第２の放熱板のそれぞれとはんだを介して接合されたスペーサブロックと、
前記一対の放熱板の間に充填されているとともに、前記スペーサブロックを構成する材料よりも熱伝導率が低い樹脂と、を備え、
前記スペーサブロックは、前記樹脂内に突出する突出部を備え、
前記突出部は、前記樹脂を介して前記半導体素子に対向しているとともに、その先端は、上面視において前記半導体素子の外側に位置している、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、半導体装置が開示されている。この半導体装置は、半導体素子と、一対の放熱板と、ヒートシンクブロック（即ちスペーサブロック）と、樹脂とを備える。一対の放熱板は、はんだを介して半導体素子に接合している第１の放熱板と、半導体素子を挟んで第１の放熱板に対向する第２の放熱板と、を有する。スペーサブロックは、半導体素子及び第２の放熱板の間に位置しているとともに、半導体素子及び第２の放熱板のそれぞれとはんだを介して接合している。樹脂は、一対の放熱板の間に充填されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１２４４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の半導体装置が動作時に発熱すると、半導体装置の構成部材がそれぞれ熱膨張する。ここで、それぞれの構成部材は、熱伝導率が異なることから、均一に熱膨張しない。具体的には、スペーサブロックは、熱伝導率が比較的高いので、温度上昇幅が大きく、その結果、膨張量も大きくなる。一方、同じく一対の放熱板の間に位置する樹脂については、スペーサブロックよりも熱伝導率が低いので、温度上昇幅が小さく、その結果、膨張量も小さくなる。この熱膨張量の差に起因して、半導体素子の樹脂に接触する部分には、当該樹脂から引っ張り力が作用する。それにより、半導体素子が破損するおそれがある。本明細書では、半導体装置において、熱膨張に起因する半導体素子の破損を防止し得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書で開示される半導体装置は、半導体素子と、はんだを介して半導体素子に接合された第１の放熱板と、半導体素子を挟んで第１の放熱板に対向する第２の放熱板と、を有する一対の放熱板と、半導体素子及び第２の放熱板の間に位置しているとともに、半導体素子及び第２の放熱板のそれぞれとはんだを介して接合されたスペーサブロックと、一対の放熱板の間に充填されているとともに、スペーサブロックを構成する材料よりも熱伝導率が低い樹脂と、を備える。スペーサブロックは、樹脂内に突出する突出部を備える。突出部は、樹脂を介して半導体素子に対向しているとともに、その先端は、上面視において半導体素子の外側に位置している。
【０００６】
上記の半導体装置では、スペーサブロックの突出部を介して、スペーサブロックの熱が樹脂の広い範囲に伝達される。これにより、スペーサブロックと樹脂との温度差が低減される。特に突出部の先端は、上面視において半導体素子の外側に位置しているので、半導体素子と放熱板（詳しくは第２の放熱板）の間に位置する樹脂の温度を十分に高めることができる。これにより、スペーサブロックと樹脂との間で膨張量の差が小さくなる。その結果、半導体装置において、熱膨張に起因する半導体素子の破損を防止し得る。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施例の半導体装置１０の正面図。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線における断面図。
【図３】図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図。
【図４】第１実施例の半導体装置１０の回路構成を示す回路図。
【図５】第１実施例の第１スペーサブロック４２の上面図。
【図６】半導体装置１０内で熱が伝達される様子を模式的に示す図。
【図７】比較例の半導体装置１００の各構成部材が熱膨張する様子を模式的に示す図。
【図８】第１実施例の半導体装置１０の各構成部材が熱膨張する様子を模式的に示す図。
【図９】第２実施例の半導体装置１０の断面図。
【図１０】第２実施例の第１スペーサブロック４２の上面図。
【図１１】第３実施例の第１スペーサブロック４２の上面図。
【図１２】第２及び第３実施例の変形例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第１実施例）
図面を参照して、第１実施例の半導体装置１０について説明する。本実施例の半導体装置１０は、一例ではあるが、電力の変換や制御を行うための電力変換装置に用いられ、特に、インバータ回路の一つの上下アームを構成する。図１〜図４に示すように、半導体装置１０は、第１半導体素子１２と、第２半導体素子１４と、第１半導体素子１２及び第２半導体素子１４を封止する封止体２０を備える。第１半導体素子１２と第２半導体素子１４は、許容電流が１００アンペア以上であり、パワー半導体素子に属するものである。図４に示すように、第１半導体素子１２と第２半導体素子１４は、電気的に直列に接続されている。一例ではあるが、第１半導体素子１２と第２半導体素子１４のそれぞれは、単一の半導体基板にトランジスタ素子とダイオード素子が形成された半導体素子であり、互いに等しい構造及び特性を有する。なお、第１半導体素子１２及び第２半導体素子１４の構成は特に限定されない。第１半導体素子１２及び第２半導体素子１４は、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）といったトランジスタ素子であってよく、また、必ずしもダイオード素子を内蔵する必要はない。
【０００９】
封止体２０は、樹脂材料で構成されている。なお、封止体２０を構成する材料は特に限定されず、パワー半導体素子向けの各種の封止材が採用可能である。封止体２０は、概して板状の形状を有しており、正面２１、背面２２、上面２３、下面２４、右側面２５及び左側面２６を有する。正面２１は、図面においてＸ軸正方向側の面である。背面２２は、図面においてＸ軸負方向側の面であり、正面２１の反対側に位置する。上面２３は、図面においてＺ軸正方向側の面であり、正面２１及び背面２２と隣り合う。下面２４は、図面においてＺ軸負方向側の面であり、上面２３の反対側に位置する。下面２４は、正面２１及び背面２２と隣り合う。右側面２５は、図面においてＹ軸負方向側の面であり、正面２１、背面２２、上面２３及び下面２４と隣り合う。左側面２６は、図面においてＹ軸正方向側の面であり、右側面２５の反対側に位置する。左側面２６は、正面２１、背面２２、上面２３及び下面２４と隣り合う。
【００１０】
封止体２０の正面２１及び背面２２は、互いに平行な平面であり、それらの法線はＸ軸に平行である。半導体装置１０が二つの冷却器の間に配置されたときに、封止体２０の正面２１及び背面２２は、それぞれ隣接する冷却器にグリスを介して対向する。
【００１１】
図１〜図４に示すように、半導体装置１０はさらに、二つの第１放熱板３６、３８と、二つの第２放熱板３２、３４とを備える。二つの第１放熱板３６、３８は、封止体２０の背面２２に露出している。二つの第２放熱板３２、３４は、封止体２０の正面２１に露出している。換言すると、封止体２０は、放熱板３２、３６の間、及び放熱板３４、３８の間に充填されている。それぞれの放熱板３２、３４、３６、３８は、封止体２０を構成する材料よりも熱伝導率の高い材料で構成されており、半導体装置１０内で発生した熱（特に半導体素子１２、１４の発熱）を、半導体装置１０の外部へ放出する。一例ではあるが、本実施例における放熱板３２、３４、３６、３８は、金属材料（詳しくは銅）で構成されている。放熱板３２、３４、３６、３８を構成する材料は特に限定されない。放熱板３２、３４、３６、３８の一部又は全部を、セラミック材料その他の熱伝達率に優れた材料で構成することができる。また、封止体２０の正面２１又は背面２２に露出する放熱板の位置、大きさ、数も特に限定されない。
【００１２】
図２を参照して、封止体２０の内部の構成について説明する。なお、下記する説明は一例であり、半導体装置１０の構成を限定するものではない。図２に示すように、一方の第１放熱板３６は、はんだ層５３を介して第１半導体素子１２の下面電極１２ｂに接合されている。また、一方の第２放熱板３２は、第１スペーサブロック４２及びはんだ層５１、５２を介して、第１半導体素子１２の上面電極１２ａに接合されている。即ち、第１放熱板３６と第２放熱板３２は、第１半導体素子１２を挟んで対向する一対の放熱板を構成している。
【００１３】
第１スペーサブロック４２は、第１半導体素子１２及び第２放熱板３２の間に位置している。第１スペーサブロック４２は、はんだ層５２を介して第１半導体素子１２と接合され、はんだ層５１を介して第２放熱板３２と接合されている。第１スペーサブロック４２は、金属材料（詳しくは銅）で形成されており、封止体２０を構成する材料よりも高い熱伝達率を有する。これらにより、第１半導体素子１２は、封止体２０の背面２２に露出する第１放熱板３６と、封止体２０の正面２１に露出する第２放熱板３２の両者と熱的に接続されている。第１半導体素子１２で発生した熱は、第１放熱板３６及び第２放熱板３２へ伝達され、半導体装置１０の外部へ放出される。
【００１４】
図２、３、５に示すように、第１スペーサブロック４２は、はんだ層５１、５２に接触する中央部４２ａと、封止体２０内に突出する突出部４２ｂと、を備える。突出部４２ｂは、封止体２０を介して第１半導体素子１２に対向している。突出部４２ｂの先端は、Ｘ軸負方向に見ると（即ち半導体装置１０の上面視において）、第１半導体素子１２の外側に位置している。
【００１５】
第２半導体素子１４についても、同様の構成が採用されている。即ち、他方の第１放熱板３８は、はんだ層５６を介して第２半導体素子１４の下面電極１４ｂに接合されている。また、他方の第２放熱板３４は、第２スペーサブロック４４及びはんだ層５４、５５を介して、第２半導体素子１４の上面電極１４ａに接合されている。即ち、第１放熱板３８と第２放熱板３４は、第２半導体素子１４を挟んで対向する一対の放熱板を構成している。第２スペーサブロック４４は、金属材料（詳しくは銅）で形成されており、封止体２０を構成する材料よりも高い熱伝達率を有する。これらにより、第２半導体素子１４は、封止体２０の背面２２に露出する第１放熱板３８と、封止体２０の正面２１に露出する第２放熱板３４の両者と熱的に接続されている。第２半導体素子１４で発生した熱は、第１放熱板３８及び第２放熱板３４へ伝達され、半導体装置１０の外部へ放出される。
【００１６】
第１スペーサブロック４２と同様に、第２スペーサブロック４４は、はんだ層５４、５５に接触する中央部４４ａと、封止体２０内に突出する突出部４４ｂと、を備える。突出部４４ｂは、封止体２０を介して第２半導体素子１４に対向している。突出部４４ｂの先端は、Ｘ軸負方向に見ると（即ち半導体装置１０の上面視において）、第２半導体素子１４の外側に位置している。
【００１７】
本実施例の半導体装置１０では、二つの第１放熱板３６、３８、二つの第２放熱板３２、３４、第１スペーサブロック４２及び第２スペーサブロック４４が、単に放熱用の部材ではなく、第１半導体素子１２及び第２半導体素子１４へ電気的に接続された導電経路を構成する。ここで、第２半導体素子１４の下面電極１４ｂに接続された第１放熱板３８の継手３９と、第１半導体素子１２の上面電極１２ａに接続された第２放熱板３２の継手３３は、はんだ層５７を介して接合されており、互いに電気的に接続されている。これにより、第１半導体素子１２と第２半導体素子１４が電気的に直列に接続されている。
【００１８】
図１、図３に示すように、半導体装置１０はさらに、複数の第１信号端子６２と、複数の第２信号端子６４とを備える。それぞれの第１信号端子６２及び第２信号端子６４は、封止体２０の上面２３から、図面においてＺ軸正方向に突出している。図３に示すように、複数の第１信号端子６２は、第１半導体素子１２に設けられた複数の信号パッド１２ｃへ電気的に接続されている。突出部４２ｂが、封止体２０を介して第１半導体素子１２に対向している（即ち、突出部４２ｂ及び第１半導体素子１２の間に隙間がある）ので、複数の第１信号端子６２及び複数の信号パッド１２ｃを適切に接続することができる。一例であるが、複数の第１信号端子６２には、ゲート信号用の信号端子、温度センス用の信号端子及び電流センス用の信号端子が含まれる。同様に、図示省略するが、複数の第２信号端子６４は、第２半導体素子１４に設けられた複数の信号パッドへ電気的に接続されている。複数の第１信号端子６２にも、例えば、ゲート信号用の信号端子、温度センス用の信号端子及び電流センス用の信号端子が含まれる。
【００１９】
半導体装置１０はさらに、正極端子６６と負極端子６７と出力端子６８とを備える。正極端子６６、負極端子６７及び出力端子６８は、封止体２０の下面２４から、図面においてＺ軸負方向に突出している。正極端子６６は、第１半導体素子１２の下面電極１２ｂに接合された第１放熱板３６と電気的に接続されている。負極端子６７は、第２半導体素子１４の上面電極１４ａに第２スペーサブロック４４を介して接合された第２放熱板３４と電気的に接続されている。そして、出力端子６８は、第２半導体素子１４の下面電極１４ｂに接合された第１放熱板３８と電気的に接続されている。これにより、正極端子６６は第１半導体素子１２の下面電極１２ｂと電気的に接続され、負極端子６７は第２半導体素子１４の上面電極１４ａと電気的に接続され、出力端子６８は第１半導体素子１２の上面電極１２ａ及び第２半導体素子１４の下面電極１４ｂと電気的に接続されている（図４参照）。
【００２０】
次いで、図６を参照して半導体装置１０が動作時に発熱する場合に、半導体装置１０の各構成部材に熱が移動する様子を説明する。まず、半導体装置１０が動作時すると、第１半導体素子１２が発熱する。第１半導体素子１２で発生した熱は、はんだ層５５を介して、第１スペーサブロック４２の中央部４２ａを通過し、突出部４２ｂに伝達される（矢印Ｈ１参照）。そして、突出部４２ｂに伝達された熱は、封止体２０へさらに伝達される（矢印Ｈ２参照）。即ち、第１スペーサブロック４２が、封止体２０内に突出した突出部４２ｂを備えることによって、突出部４２ｂを介して、第１スペーサブロック４２の熱が封止体２０の広い範囲に伝達される。特に突出部４２ｂの先端は、半導体装置１０の上面視において第１半導体素子１２の外側に位置しているので、第１半導体素子１２と第２放熱板３２の間に位置する封止体２０の温度を十分に高めることができる。これにより、第１スペーサブロック４２と封止体２０との温度差が低減される。なお、第１半導体素子１２で発生した熱は放熱板３２、３６にも伝達するが、これについては説明を省略する。
【００２１】
図示省略しているが、半導体装置１０が動作時すると、第２半導体素子１４も発熱する。第１半導体素子１２で発生した熱と同様に、第２半導体素子１４で発生した熱も、突出部４４ｂを介して、封止体２０の広い範囲に伝達される。
【００２２】
次いで、図７、図８を参照して本実施例の半導体装置１０の効果を説明する。図７には、比較例の半導体装置１００が発熱することによって、各構成部材が膨張する様子が示されている。比較例の半導体装置１００では、本実施例の半導体装置１０とは異なり、スペーサブロック４２、４４が突出部４２ｂ、４４ｂを備えていない（第２スペーサブロック４４については図示省略）。また、封止体２０は、スペーサブロック４２、４４に比べて、熱伝導率が低い。そのため、第１半導体素子１２で発生した熱が封止体２０の広い範囲に伝達しない。これにより、スペーサブロック４２、４４と封止体２０との温度差が増大する。スペーサブロック４２、４４の温度は比較的に大きく上昇するので、スペーサブロック４２、４４の膨張量Ｌ１は比較的に大きい。一方、封止体２０の温度は比較的に小さく上昇するので、スペーサブロック４２、４４の膨張量Ｌ２は比較的に小さい。即ち、第１スペーサブロック４２の膨張量Ｌ１と、封止体２０の膨張量Ｌ２と、の差は大きい。当該差に起因して、第１半導体素子１２の封止体２０に接触する部分には、封止体２０から引っ張り力Ｆ１が作用する。それにより、第１半導体素子１２が破損するおそれがある。
【００２３】
同様に、第２スペーサブロック４４の膨張量Ｌ１と、封止体２０の膨張量Ｌ２と、の差に起因して、第２半導体素子１４の封止体２０に接触する部分には、封止体２０から引っ張り力Ｆ１が作用する。それにより、第２半導体素子１４が破損するおそれがある。
【００２４】
図８には、本実施例の半導体装置１０が発熱することによって、各構成部材が膨張する様子が示されている。上述したように、本実施例では、第１スペーサブロック４２と封止体２０との温度差が低減される。そのため、第１スペーサブロック４２の膨張量Ｌ３と、封止体２０の膨張量Ｌ４との間の差は比較的に小さい。当該差に起因して、第１半導体素子１２の封止体２０に接触する部分には、封止体２０から引っ張り力Ｆ２が作用し得る。しかしながら、本実施例における膨張量Ｌ３、Ｌ４の差は、比較例の膨張量Ｌ１、Ｌ２の差よりも小さいので、引っ張り力Ｆ２は引っ張り力Ｆ１よりも小さい。そのため、本実施例の半導体装置１０では、比較例に比べて、第１半導体素子１２が破損しにくくなっている。同様に、本実施例の半導体装置１０では、比較例に比べて、第２半導体素子１４が破損しにくくなっている。即ち、本実施例の半導体装置１０によると、熱膨張に起因する半導体素子１２、１４の破損を防止することができる。
【００２５】
（第２実施例）
図９、図１０に示すように、第２実施例では、第１スペーサブロック４２の突出部４２ｂが、複数個の突起４２ｂ１を備える。複数個の突起４２ｂ１の一部は、突出部４２ｂの一方の表面に位置しており、Ｘ軸正方向に向かって突出している。複数個の突起４２ｂ１の残りは、突出部４２ｂの他方の表面に位置しており、Ｘ軸負方向に向かって突出している。図１０に示すように、複数の突起４２ｂ１は、互いに平行でＺ軸方向に沿って伸びている。突出部４２ｂが複数個の突起４２ｂ１を備えることによって、第１スペーサブロック４２と封止体２０との接触面積が増大し、第１スペーサブロック４２の熱が封止体２０により効率よく伝達される。これにより、第１スペーサブロック４２と封止体２０との間で膨張量の差がより小さくなる。同様に、第２スペーサブロック４４の突出部４４ｂは、複数個の突起４４ｂ１を備える。複数個の突起４４ｂ１は、複数個の突起４２ｂ１と同様の構成である。突出部４４ｂが複数個の突起４４ｂ１を備えることによって、第２スペーサブロック４４と封止体２０との接触面積が増大し、第２スペーサブロック４４の熱が封止体２０により効率よく伝達される。これにより、第２スペーサブロック４４と封止体２０との間で膨張量の差がより小さくなる。その結果、熱膨張に起因する半導体素子１２、１４の破損をより効果的に防止することができる。
【００２６】
（第３実施例）
本実施例では、複数個の突起４２ｂ１、４４ｂ１の形状のみが第２実施例とは異なる。本実施例では、複数個の突起が離散的（例えばマトリクス状）に配置されている。一例ではあるが、各突起４２ｂ１は円錐状、円柱状又は半球状であり、図１１に示すように上面視において円形である。図示省略するが、第２スペーサブロック４４の突出部４４ｂにおいても、同様の形状を有する複数の突起４４ｂ１を、離散的に配置することができる。本実施例の構成によっても、第２実施例と同様の効果を奏することができる。なお、図１２に示すように、上述した第２及び第３実施例において、複数個の突起４２ｂ１、４４ｂ１は、各スペーサブロック４２、４４の突出部４２ｂ、４４ｂの一方の表面（特に第１又は第２半導体素子１２、１４に対向する表面）のみに設けてもよい。
【００２７】
以上、いくつか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。以下に、本明細書の開示内容から把握される技術的事項を列記する。なお、以下に記載する技術的事項は、それぞれが独立した技術的事項であり、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る。
【符号の説明】
【００２８】
１０、１００：半導体装置
１２：第１半導体素子
１２ａ：上面電極
１２ｂ：下面電極
１２ｃ：信号パッド
１４：第２半導体素子
１４ａ：上面電極
１４ｂ：下面電極
２０：封止体
２１：封止体の正面
２２：封止体の背面
２３：封止体の上面
２４：封止体の下面
２５：封止体の右側面
２６：封止体の左側面
３２、３４：第２放熱板
３３、３９：継手
３６、３８：第１放熱板
４２、４４：スペーサブロック
４２ａ、４４ａ：中央部
４２ｂ、４４ｂ：突出部
４２ｂ１、４４ｂ１：突起
５１〜５７：はんだ層
６２：第１信号端子
６４：第２信号端子
６６：正極端子
６７：負極端子
６８：出力端子
Ｆ１、Ｆ２：引っ張り力
Ｌ１〜Ｌ４：膨張量
【図１】
2017123447.tif 000003
【図２】
2017123447.tif 000004
【図３】
2017123447.tif 000005
【図４】
2017123447.tif 000006
【図５】
2017123447.tif 000007
【図６】
2017123447.tif 000008
【図７】
2017123447.tif 000009
【図８】
2017123447.tif 000010
【図９】
2017123447.tif 000011
【図１０】
2017123447.tif 000012
【図１１】
2017123447.tif 000013
【図１２】
2017123447.tif 000014