(57)【要約】【課題】主端子からの放熱を向上させることができる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、金属ベースと、金属ベースに接着された枠形状の樹脂ケースと、主電極を有し、樹脂ケースの内側に配置された半導体チップと、半導体チップの主電極と電気的に接続され、樹脂ケースに一体的に固定され、樹脂ケースの内側で露出する内側の端部、及び樹脂ケースの外側で露出する外側の端部を有する主端子と、金属ベースと主端子の内側の端部との間に、金属ベースに接して配置され、樹脂ケースよりも熱伝導率が高い放熱部材と、を備えている。【選択図】図１
2017017109.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ベースと、
前記金属ベースに接着された枠形状の樹脂ケースと、
主電極を有し、前記樹脂ケースの内側に配置された半導体チップと、
前記半導体チップの前記主電極と電気的に接続され、前記樹脂ケースに一体的に固定され、前記樹脂ケースの内側で露出する内側の端部、及び前記樹脂ケースの外側で露出する外側の端部を有する主端子と、
前記金属ベースと前記主端子の前記内側の端部との間に、前記金属ベースに接して配置され、前記樹脂ケースよりも熱伝導率が高い放熱部材と、
を備えた半導体装置。
【請求項２】
前記放熱部材の幅が前記主端子の幅よりも大きい請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記放熱部材が複数の前記主端子にわたって延びて配置された請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記放熱部材が、金属ブロックである請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記放熱部材が、熱伝導性樹脂である請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記熱伝導性樹脂が、前記主端子を覆う請求項５記載の半導体装置。
【請求項７】
前記熱伝導性樹脂が、前記樹脂ケースの一部を構成する請求項５記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力制御などに用いられる半導体装置であるパワー半導体モジュールの一例を図９に示す。パワー半導体モジュール１０１は、金属ベース１０２と、積層基板１０３と、半導体チップ１０５と、該金属ベースに接着された枠形状の樹脂ケース１０６と、該樹脂ケース１０６に一体的に固定された外部端子とを備えている。
【０００３】
パワー半導体モジュール１０１の外部端子は、大きく分けて２種類あり、その一つは主端子１０７である。主端子１０７は、半導体チップ１０５の主電極等を経由して主電流を流すことが主な機能である。もう一つは制御端子である。制御端子は、半導体チップの制御電極に制御信号を入力することや主電流検出用の信号を導くことなどが主な機能である。
【０００４】
主端子１０７は、例えばインサート成形により樹脂ケース１０６に一体的に固定されている。主端子１０７の一端は樹脂ケース１０６の内側で露出していて、積層基板１０３の回路板又は半導体チップ１０５の主電極にボンディングワイヤ等により電気的に接続されている。主端子１０７の他端は樹脂ケースの外側で露出していて、バスバー等を経由して他の装置と接続される。
【０００５】
主端子１０７に電流が流れると、主端子１０７自体の電気抵抗によって主端子１０７が発熱する。主端子１０７が発熱すると、パワー半導体モジュール１０１全体の温度を上昇させるおそれがある。また主端子１０７が発熱すると、バスバー等を経由して接続される他の装置の温度を上昇させるおそれがある。近年、パワー半導体モジュールは、小型化及び高電流密度化が求められていることから、主端子の発熱の影響を低減させることが求められている。
【０００６】
端子が導電性基板上に絶縁層を介して配置され、該端子の該導電性基板側の面と接するように、金属部材が設けられた半導体装置がある（特許文献１）。しかし、主端子が複数個並んで配置されている場合、特許文献１に記載の金属部材の幅は、主端子間の絶縁距離を確保する必要があるために制限される。したがって、主端子からの放熱にも限界がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−１７５６１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記の問題を有利に解決するものであり、主端子からの放熱を向上させることができる半導体装置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】
【０００９】
本発明の一態様の半導体装置は、金属ベースと、前記金属ベースに接着された枠形状の樹脂ケースと、主電極を有し、前記樹脂ケースの内側に配置された半導体チップと、前記半導体チップの前記主電極と電気的に接続され、前記樹脂ケースに一体的に固定され、前記樹脂ケースの内側で露出する内側の端部、及び前記樹脂ケースの外側で露出する外側の端部を有する主端子と、前記金属ベースと前記主端子の前記内側の端部との間に、前記金属ベースに接して配置され、前記樹脂ケースよりも熱伝導率が高い放熱部材と、を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体装置によれば、主端子からの放熱を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態の半導体装置の模式的な断面図である。
【図２】図１の半導体装置の放熱の説明図である。
【図３】図１の半導体装置の主端子近傍の平面図ある。
【図４】図１の半導体装置の変形例の模式的な断面図である。
【図５】図１の半導体装置の変形例の模式的な断面図である。
【図６】本発明の別の実施形態の模式的な断面図である。
【図７】図６の半導体装置の放熱の説明図である。
【図８】本発明の別の実施形態の模式的な断面図である。
【図９】従来の半導体装置の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施形態１）
以下、本発明の半導体装置の実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
図１に模式的な断面図で示す本実施形態の半導体装置であるパワー半導体モジュール１は、金属ベース２と、半導体チップ５と、樹脂ケース６と、主端子７と、放熱部材である金属ブロック８と備えている。パワー半導体モジュール１は、更に積層基板３と、ボンディングワイヤ９と、封止材１０とを備えている。
【００１３】
金属ベース２は、熱伝導性が良好な金属、例えば銅やアルミ等よりなり、半導体チップ５や主端子７から発生する熱を外部に放熱する。金属ベース２は、略四角形の平面形状を有している。
積層基板３は、金属ベース２よりも小さい略四角形の平面形状を有している。積層基板３は、回路板３ｃと、絶縁板３ａと、金属板３ｂとが積層されて構成されている。絶縁板３ａ及び金属板３ｂは、略四角形の平面形状を有している。また、回路板３ｃは、パワー半導体モジュール１内部の所定の回路を構成するパターン形状を有している。絶縁板３ａは例えば窒化アルミニウムや窒化珪素、酸化アルミニウム等の絶縁性セラミックスよりなり、金属板３ｂ、回路板３ｃは、例えば銅やアルミよりなる。積層基板３は、例えばＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｂｏｎｄ）基板や、ＡＭＢ（Ａｃｔｉｖｅ  Ｍｅｔａｌ  Ｂｌａｚｉｎｇ）基板を用いることができる。積層基板３の金属板３ｂと、金属ベース２の主面とが、接合材４、例えばはんだにより接合されている。
【００１４】
半導体チップ５は、おもて面に主電極と制御電極が設けられ、裏面に別の主電極が設けられている。そして、裏面の主電極がはんだ４を介して、回路板３ｃの一つの領域に電気的かつ機械的に接続されている。「電気的かつ機械的に接続されている」とは、対象物同士が直接接合により接続されている場合に限られず、はんだや金属焼結材などの導電性の接合材を介して対象物同士が接続されている場合も含むものとし、以下の説明でも同様である。おもて面の主電極は、図示しない配線部材、例えばボンディングワイヤによって、回路板３ｃ又は主端子と電気的に接続されている。おもて面の制御電極は、図示しない配線部材、例えばボンディングワイヤによって、回路板３ｃ又は制御端子と電気的に接続されている。
【００１５】
半導体チップ５は、具体的には、例えばパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などである。半導体チップ５はシリコン半導体からなるものでもよいし、ＳｉＣ半導体からなるものでもよい。半導体チップ５が炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなるパワーＭＯＳＦＥＴである場合は、シリコンからなる半導体チップに比べて高耐圧で、かつ高周波でのスイッチングが可能であるために、本実施形態の半導体装置の半導体チップ５として最適である。もっとも、半導体チップ５は、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴに限定されず、スイッチングの動作が可能な半導体素子の一個又は複数個の組み合わせであればよい。
【００１６】
金属ベース２の周縁には、枠形状の樹脂ケース６が、設けられ、図示しない接着剤で接着されている。そして、樹脂ケース６の内側には、積層基板３及び半導体チップ５が配置されている。樹脂ケース６は、ＰＰＳ樹脂やＰＢＴ樹脂、ウレタン樹脂等の絶縁性樹脂よりなる。樹脂ケース６には、主端子７が一体的に固定されている。主端子７は、内側の端部７ａが樹脂ケース６の内側で露出し、外側の端部７ｂが樹脂ケース６の上部から外側に露出している。また、主端子７の各端部はＬ字形に折り曲げられている。本実施の形態においては、主端子７の内側の端部７ａと回路板３ｃとが、ボンディングワイヤ９で電気的に接続されている。
【００１７】
樹脂ケース６の枠内は、積層基板３、半導体チップ５及びボンディングワイヤ９の絶縁性を高めるため、ゲル状の封止材１０で封止されている。また樹脂ケース６の上部には、図示しない蓋が固定されている。蓋と、樹脂ケース６と、金属ベース２とにより、パワー半導体モジュール１の筐体が構成されている。
【００１８】
主端子７の内側の端部７ａと金属ベース２との間に、金属ベース２に接して放熱部材である金属ブロック８が配置されている。金属ブロック８は、例えば銅やアルミニウム等の熱伝導性の高い金属材料からなる。熱膨張を考慮すると、金属ブロック８の材料は、金属ベース２の材料と同じであることが熱応力を抑制できるので好ましい。金属ブロック８は、樹脂ケース６よりも熱伝導率が高く、熱伝導性が良い。
【００１９】
主端子７の内側の端部７ａと金属ブロック８との間には、樹脂ケース６が介在していて、これにより主端子７と金属ベース２との間の絶縁性を確保している。換言すれば、内側の端部７ａと金属ブロック８とは、絶縁性を確保するのに十分な距離Ｌを有している。放熱を考慮すると内側の端部７ａと金属ブロック８との距離は、絶縁性を確保するのに最小限な厚さとすることが好ましい。具体的には０．５ｍｍも距離があれば十分である。
【００２０】
金属ブロック８は、金属ベース２に接着、はんだ接合、ろう付け等により固定することができる。接着剤により接着することで、金属ブロック８と金属ベース２とを容易に固定することができる。接着剤を用いる場合、接着に必要な最低限の量とすることで放熱性を高めることができる。一方、はんだ接合やろう付けで金属ブロックを固定することで、金属ベース２への放熱性をさらに高めることができる。
また、接着剤を金属ベース２の側面２ａと樹脂ケース６とが接する部分にのみ塗布することで、金属ベース２の側面２ａと樹脂ケース６とを固定することもできる。この場合には、金属ブロック８と金属ベース２との間に接着剤を塗布しない例も可能である。
【００２１】
パワー半導体モジュール１の組み立て工程において、金属ブロック８を金属ベース２に固定した後、金属ベース２及び金属ブロック８に対して樹脂ケース６を接着剤で固定することができる。また、金属ブロック８と主端子７とをインサート成形により樹脂ケース６に一体的に固定した後、一体化した金属ブロック８及び樹脂ケース６を金属ベース２に対して接着剤で固定することもできる。インサート成形で金属ブロック８及び樹脂ケース６を一体化することで、金属ブロック８を金属ベース２に配置する作業性を向上させることができる。
図２に、図１に示したパワー半導体モジュール１の放熱の経路及び大きさを模式的に矢印で示す。図面中、大きい矢印ほど放熱量が大きいことを示している。
【００２２】
本実施形態のパワー半導体モジュール１は、金属ベース２と主端子７の内側の端部７ａとの間に、樹脂ケース６よりも熱伝導率が高い金属ブロック８を備える。そのため、主端子７から発生した熱を、内側の端部７ａから金属ブロック８を経由して効率よく金属ベース２に放熱することができる。したがって、ボンディングワイヤ９から積層基板３を経由した放熱に加えて、金属ブロック８を経由した放熱か可能になるから、主端子７からの放熱を従来よりも向上させることができる。
【００２３】
図３に、図１の示したパワー半導体モジュール１の主端子７近傍の平面図を示す。なお図３では、本発明の理解を容易にするために半導体チップ５等の図示を省略している。
特許文献１に記載された半導体装置は、端子に接して金属部材が配置されている。そのため、複数の端子を並べて配置する場合、金属部材の幅を大きくとると金属部材同士が接触し、結果として端子同士が短絡する恐れがある。
一方、図３（ａ）に示すように、本実施の形態においては、複数の主端子７を配置する場合、それらに対応する金属ブロック８の幅は、主端子７の幅よりも大きくすることができる。理由は以下の通りである。各金属ブロック８を近接させた場合でも、主端子７と金属ブロック８との間には樹脂ケース６が介在しているので、主端子７と金属ブロック８との絶縁性は確保されている。そのため、金属ブロック８同士がたとえ接触していたとしても、主端子７同士の絶縁性は確保することができるからである。したがって、本実施の形態においては、金属ブロック８から金属ベース２までの放熱経路の幅を大きくでき、より放熱性を向上させることができる。
さらに、図３（ｂ）に示すように、主端子７が複数個を並列に配置されている場合には、複数個の主端子７にわたって延びる一体的な金属ブロック８を配置することができる。金属ブロック８は広幅であるほど、放熱効果を向上させることができる。さらに、複数の金属ブロック８をそれぞれ配置する必要が無くなるため、製造工程も簡略化することができる。
【００２４】
本実施形態のパワー半導体モジュール１の変形例として、図４に示すように金属ブロック８の代わりに、樹脂ケース６よりも熱伝導率が高いセラミックブロック８Ａを用いることもできる。
本実施形態のパワー半導体モジュール１の変形例として、図５に示すように金属ブロック８の代わりに、金属ベース２が、金属ブロック８と同一形状の突起２ｂを有している態様とすることもできる。
【００２５】
図６に示す模式的な断面図を用いて本発明の別の実施形態のパワー半導体モジュール１１を説明する。なお、図６に示したパワー半導体モジュール１１において、図１に示した部材と同一部材には同一符号を付している。そのため以下の説明では、各部材について既に説明したのと重複する説明は省略する。
【００２６】
図６のパワー半導体モジュール１１は、樹脂ケース６よりも熱伝導率が高い放熱部材として、熱伝導性樹脂８Ｂを金属ベース２と主端子７との内側の端部７ａとの間に配置している。より詳しくは、熱伝導性樹脂８Ｂは、樹脂ケース６の一部を構成して、主端子７を覆い、金属ベース２と接して配置されている。
【００２７】
熱伝導性樹脂８Ｂは、樹脂ケース６材料であるＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）樹脂やウレタン樹脂よりも熱伝導率の高い樹脂を用いることができる。ＰＰＳ樹脂やＰＢＴ樹脂やウレタン樹脂は、熱伝導率の上限が０．３３Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。そこで、熱伝導性樹脂８Ｂとして、例えば熱伝導率が１７Ｗ／ｍ・Ｋ以上の樹脂を用いることにより、主端子７からの放熱を向上させることができる。また、熱伝導性樹脂８Ｂとしては、樹脂中に高熱伝導フィラーを添加することにより、熱伝導率を高めた樹脂を用いることもできる。
【００２８】
熱伝導性樹脂８Ｂは、絶縁性を有する樹脂である。したがって、金属ベース２と主端子７の内側の端部７ａとの間に、熱伝導性の低い樹脂ケース６の樹脂を介在させないで、熱伝導性樹脂８Ｂのみを配置することができる。
【００２９】
主端子７を覆うように配置されている熱伝導性樹脂８Ｂは、主端子７と熱伝導性樹脂８Ｂとのインサート成形により一体化することができる。一体化された主端子７及び熱伝導性樹脂８Ｂを、樹脂ケース６の成形金型に取り付けて、インサート成形することにより、主端子７及び熱伝導性樹脂８Ｂが一体化された樹脂ケース６が得られる。
図７に、図６に示したパワー半導体モジュール１の放熱の経路及び大きさを模式的に矢印で示す。図面中、大きい矢印ほど放熱量が大きいことを示している。
【００３０】
本実施形態のパワー半導体モジュール１１は、熱伝導性樹脂８Ｂを金属ベース２と主端子７の内側の端部７ａとの間に、樹脂ケース６よりも熱伝導率が高い熱伝導性樹脂８Ｂを備える。そのため、主端子７から発生した熱を、内側の端部７ａから熱伝導性樹脂８Ｂを経由して効率よく金属ベース２に放熱することができる。したがって、ボンディングワイヤ９から積層基板３を経由した放熱に加えて、熱伝導性樹脂８Ｂを経由した放熱か可能になるから、主端子７からの放熱を従来よりも向上させることができる。
【００３１】
熱伝導性樹脂８Ｂは、金属ベース２に接して主端子７の内側の端部７ａとの間のみに配置してもよい。また、図６に図示したように、熱伝導性樹脂８Ｂは、樹脂ケース６の一部を構成して主端子７を覆うように配置することができる。熱伝導性樹脂８Ｂを、主端子７を覆うように配置すると、主端子７との接触面積が大きいので、主端子７からの熱の放熱性をさらに向上させることができる。
【００３２】
熱伝導性樹脂８Ｂの位置は、樹脂ケース６内で比較的自由に配置することができる。例えば、金属ベース２と主端子７の内側の端部７ａとの間に最小限の量で熱伝導性樹脂８Ｂを配置すると、コストアップを抑制することができる。また、樹脂ケース６の外側の側壁まで熱伝導性樹脂８Ｂを配置して、主端子７からの熱を樹脂ケース６の側壁から放熱させることもできる。さらにこの場合は、樹脂ケース６の側壁の表面を凹凸にして、表面積を増大させて放熱性を高めることもできる。
【００３３】
図８に示す模式的な断面図を用いて、本発明の別の実施形態のパワー半導体モジュール２１を説明する。なお、図８において、図１及び図６に用いた部材と同一の部材には同一の符号を付しているので、以下では、既に説明したのと重複する説明は省略する。
図８のパワー半導体モジュール２１は、金属ベース２と主端子７の内側の端部７ａとの間に、金属ベース２に接して金属ブロック８が配置されている。さらに、主端子７を覆うように熱伝導性樹脂８Ｂが配置されている。
【００３４】
本実施形態のパワー半導体モジュール２１は、放熱部材である金属ブロック８及び熱伝導性樹脂８Ｂを備えることから、主端子７が発熱したときの熱を、内側の端部７ａからさらに効率的に金属ベース２に放熱することができる。
【００３５】
本実施形態のパワー半導体モジュールの製造方法について説明する。
図１に示した、金属ブロック８を備えるパワー半導体モジュール１の製造方法の一例は、主端子７と金属ブロック８とを一体的に固定した樹脂ケース６を成形する工程を含む。この工程は、より具体的には、（１）インサート成形用金型に、主端子７と金属ブロック８とをセットし、（２）インサート成形用金型の上下の金型を位置合わせし、（３）樹脂ケース６用の樹脂を金型内に充填させ、固化後、（４）上下の金型を開いて樹脂ケース６を取り出して冷却し、（５）バリ取りをして完成させる。この（１）〜（５）の工程は、主端子を一体的に固定した樹脂ケース６の成形工程と同様であり、従来から製造工程を増加させずに主端子７の放熱性を向上させたパワー半導体モジュールを製造することができる。
【００３６】
図６に示した、熱伝導性樹脂８Ｂを備えるパワー半導体モジュール１１の製造方法の一例は、主端子７と熱伝導性樹脂８Ｂとを一体的に固定した樹脂ケース６を成形する工程を含む。この工程は、より具体的には、（１）第１のインサート成形用金型に、主端子７をセットし、（２）第１のインサート成形用金型の上下の金型を位置合わせし、（３）熱伝導性樹脂８Ｂを金型内に充填させ、固化後、（４）上下の金型を開いて一体化した主端子７及び熱伝導性樹脂８Ｂを取り出して冷却し、（５）バリ取りをして主端子部材を完成させる。（６）次いで、第２のインサート成形用金型に、主端子部材をセットし、（７）第２のインサート成形用金型の上下の金型を位置合わせし、（８）樹脂ケース６用の樹脂を金型内に充填させ、固化後、（９）上下の金型を開いて樹脂ケース６を取り出して冷却し、（１０）バリ取りをして完成させる。この（１）〜（１０）の工程は、主端子を一体的に固定した樹脂ケース６の成形工程と同様であり、従来から製造工程を増加させずに主端子７の放熱性を向上させたパワー半導体モジュールを製造することができる。
。
【００３７】
以上、本発明の半導体装置を図面及び実施形態を用いて具体的に説明したが、本発明の半導体装置は、実施形態及び図面の記載に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で幾多の変形が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１、１１、２１  パワー半導体モジュール
２  金属ベース
３  積層基板
３ａ  絶縁板
３ｂ  金属板
３ｃ  回路板
４  接合材
５  半導体チップ
６  樹脂ケース
７  主端子
７ａ  内側の端部
７ｂ  外側の端部
８  金属ブロック
８Ａ  セラミックブロック
８Ｂ  熱伝導性樹脂
９  ボンディングワイヤ
１０  封止材
【図１】
2017017109.tif 000003
【図２】
2017017109.tif 000004
【図３】
2017017109.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017017109.tif 000009
【図８】
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【図９】
2017017109.tif 000011