JP2016111141A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁樹脂シートの剥離や破壊が発生するおそれを低減させた半導体装置を提供する。【解決手段】本発明の半導体装置は、半導体素子の少なくとも１つの主面に、放熱部材、絶縁樹脂シート、および冷却器が順に接合されている。放熱部材は、絶縁樹脂シートに接合される第１部材と、半導体素子に接合される第２部材とを、貼り合わせたクラッド材で構成される。この第１部材は、冷却器と同じ材料または冷却器と同等の線膨張係数を有する材料で形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を封止したモジュールと、当該半導体素子を冷却する冷却器とを備えた、半導体装置に関する。

例えば、特許文献１に半導体装置が記載されている（図５）。この特許文献１に記載された半導体装置１００は、半導体素子（パワー素子１１０）に、放熱部材（ヒートスプレッダー１３０）、絶縁樹脂シート（絶縁シート１４０）、および冷却器（放熱フィン１５０）が、順に接合された構造をしている。半導体素子、放熱部材、および絶縁樹脂シートは、樹脂１６０で封止されてモジュール化されている。

特許第５５１１６２１号公報

上記特許文献１に記載された半導体装置の構造では、放熱部材と冷却器とに線膨張係数が異なる材料を用いることもある。しかし、放熱部材と冷却器とに線膨張係数が異なる材料を用いた場合、半導体装置に熱ストレスが加わった際に放熱部材と冷却器との間で線膨張に差が生じる。線膨張に差が生じると、特に放熱部材が絶縁樹脂シートと接合する境界部分、つまり絶縁樹脂シートの接合界面（図５における破線円の箇所）に高いせん断応力がかかる。このため、絶縁樹脂シートの剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みて、絶縁樹脂シートの剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減させた半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、半導体素子の少なくとも１つの主面に、放熱部材、絶縁樹脂シート、および冷却器が順に接合された半導体装置であって、放熱部材は、絶縁樹脂シートに接合される第１部材と、半導体素子に接合される第２部材とを、貼り合わせたクラッド材で構成され、第１部材が、冷却器と同じ材料または冷却器と同等の線膨張係数を有する材料で形成されていることを特徴とする。

この本発明の半導体装置によれば、放熱部材を、第１部材板と第２部材とを貼り合わせたクラッド材で構成している。この放熱部材は、第１部材側が絶縁樹脂シートを介して冷却器に接合され、第２部材側が半導体素子に接合される。そして、この第１部材を、冷却器と同じ材料（例えばアルミニウム）または冷却器と同等の線膨張係数を有する材料で形成している。これにより、半導体装置に熱ストレスが加わったときにおける、放熱部材の第１部材と冷却器との間で線膨張の差を、ほぼなくせる。よって、絶縁樹脂シートの接合界面にかかるせん断応力を減少させることができる。従って、本発明に係る半導体装置は、絶縁樹脂シートの剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減できる。

以上述べたように、本発明の半導体装置によれば、絶縁樹脂シートの剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減できる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置１の全体構造の断面を示す概略図 本発明に関わる参考例１の半導体装置２を説明する図 本発明に関わる参考例２の半導体装置３を説明する図 本発明の半導体装置１における縁樹脂シートの接合界面にかかるせん断応力の低減効果の一例を示す図 従来の半導体装置１００の一例を説明する断面図

以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体装置の実施形態について詳細に説明する。

本発明に係る半導体装置は、放熱部材の冷却器と対向する表面の線膨張係数と冷却器の放熱部材と対向する表面の線膨張係数とを、同一または同等に設定する。例えば、放熱部材を、第１部材と第２部材とを貼り合わせたクラッド材で構成し、第１部材を、冷却器と同じ材料または冷却器と同等の線膨張係数を有する材料で形成する。そして、放熱部材の第２部材側に半導体素子を接合し、放熱部材の第１部材側に絶縁樹脂シートを挟んで冷却器を接合する。これにより、半導体装置に熱ストレスが加わったときにおける、放熱部材の第１部材と冷却器との間で線膨張の差を、ほぼなくせる。よって、絶縁樹脂シートの接合界面にかかるせん断応力を減少させることができる。従って、本発明に係る半導体装置は、絶縁樹脂シートの剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減できる。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１の全体構造の断面を示す概略図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した半導体装置１における破線円の箇所を拡大表示した概略図である。図１では、複数の半導体素子を用いた、例えばインバータ回路を搭載した半導体装置であって、半導体素子を封止したモールドパッケージの両側の２箇所に放熱機構（放熱部材、絶縁樹脂シート、冷却器）を有した構成を例示している。

なお、図１に示した半導体装置１の構造は一例である。よって、モールドパッケージで封止される半導体素子は１つであってもよいし、モールドパッケージが有する放熱機構も半導体素子１０の少なくとも一方の主面側にだけ備えられていてもよい。

［半導体装置の全体構造］
本実施形態に係る半導体装置１は、複数の半導体素子１０、複数の放熱板１３、複数の絶縁樹脂シート１４、および複数の冷却器１５を備えている。この半導体装置１の構成要素のうち、複数の半導体素子１０および複数の放熱板１３は、例えばエポキシ樹脂などの材料からなる樹脂部材１６によって封止されて、モールドパッケージ化されている。

各半導体素子１０は、例えばパワートランジスタなどの、動作時に発熱する発熱性を持った電力用半導体素子である。半導体素子１０は、２つの主面を有する略四角平板の形状をしている。各半導体素子１０の各主面は、例えば半田などの接合部材やスペーサ部材などを介して、複数の放熱板１３とそれぞれ接合されている。この半導体素子１０は、例えば図示しないリード端子などを介して外部の回路基板と電気的に接続されている。

各放熱板１３は、熱伝導性に優れた材料で構成される放熱部材である。この放熱板１３は、各半導体素子１０で発生した熱を冷却器１５に逃がす、いわゆるヒートスプレッダーとしての役割を有する。本実施形態の放熱板１３は、２種類の金属板を貼り合わせたクラッド材である。このクラッド材の２種類の金属板のうち一方が、冷却器１５と同じ材料または冷却器１５と同等の線膨張係数を有する材料で形成される。図１で例示した放熱板１３は、冷却器１５と同じ材料からなる第１部材１３ａ（例えばアルミニウム（Ａｌ）の板）と、冷却器１５（第１部材）とは異なる材料からなる第２部材１３ｂ（例えば銅（Ｃｕ）の板）とを、貼り合わせた構成である。半導体素子１０は、放熱板１３の第２部材１３ｂ側に接合されている。放熱板１３の第１部材１３ａ側は、樹脂部材１６で覆われておらず、モールドパッケージの外部に露出している。

絶縁樹脂シート１４は、例えば高い熱伝導性を有した熱硬化樹脂材料で構成され、放熱板１３の熱を冷却器１５に伝える役割を担う。加えて、絶縁樹脂シート１４は、放熱板１３と冷却器１５とを電気的に絶縁する役割をも担う。高い熱伝導性を有した樹脂としては、高熱伝導セラミックを含有したアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを内部に充填した樹脂などが挙げられる。絶縁樹脂シート１４は、垂直断面視において、放熱板１３の端部よりもパッケージ外周側に伸びている。この絶縁樹脂シート１４は、製造過程におけるヒータープレス処理にて、放熱板１３と冷却器１５との間に挿入された状態で加熱しながら圧力がかけられ、硬化することにより放熱板１３と冷却器１５とを接着させる。

冷却器１５は、熱伝導性に優れた材料で構成されるヒートシンクなどである。冷却器１５は、モールドパッケージの外部に露出している放熱板１３の第１部材１３ａ（アルミニウム板）に、絶縁樹脂シート１４を挟んで接合されている。すなわち、この冷却器１５は、放熱板１３の第１部材１３ａから絶縁樹脂シート１４を介して伝わる熱を、モールドパッケージの外部に放出させる役割を有する。本実施形態の冷却器１５は、放熱板１３の第１部材１３ａと同じ材料である、アルミニウムで形成されている。冷却器１５は、垂直断面視において、絶縁樹脂シート１４の端部より外側に伸びている。

［半導体装置の作用および効果］
上述した本実施形態に係る半導体装置１の構成によれば、絶縁樹脂シート１４を挟んで向かい合う放熱板１３の第１部材１３ａと冷却器１５とが、同じアルミニウムで形成された部品となる。つまり、放熱板１３の第１部材１３ａと冷却器１５とが、同じ線膨張係数を有することとなる。このため、半導体装置１に熱ストレスが加わったとしても、放熱板１３の第１部材１３ａと冷却器１５との間で線膨張に差がほとんど生じない。よって、絶縁樹脂シート１４の接合界面にかかるせん断応力を減少させることができ、絶縁樹脂シート１４の剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減させることができる。

なお、発明者が行った実験では、上述した本実施形態に係る半導体装置１の構造において、絶縁樹脂シート１４の接合界面にかかるせん断応力を、従来と比べておおよそ７０％も低減できることが確認できた。図４を参照。

［本発明に関わる参考例］
上記実施形態では、放熱板１３を、冷却器１５と同じ材料からなる第１部材１３ａ（アルミニウム板）と第２部材１３ｂ（銅板）とを貼り合わせたクラッド材で構成した。すなわち、放熱板１３の線膨張係数を冷却器１５の線膨張係数に合わせた。以下の参考例では、上述した実施形態の構成とは異なる構成であって、絶縁樹脂シート１４の剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減させることができる構成を、図面を参照して説明する。

［参考例１］
図２（ａ）は、参考例１の半導体装置２の全体構造の断面を示す概略図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）における破線円の箇所を拡大表示した概略図である。この参考例１の構成は、冷却器２５の線膨張係数を放熱板２３の線膨張係数に合わせた構成である。

この構成によっても、半導体装置２に熱ストレスが加わったとしても、放熱板２３と冷却器２５との間で線膨張に差がほとんど生じない。よって、絶縁樹脂シート１４の接合界面にかかるせん断応力を減少させることができ、絶縁樹脂シート１４の剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減させることができる。

［参考例２］
図３（ａ）は、参考例２の半導体装置３の全体構造の断面を示す概略図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）における破線円の箇所を拡大表示した概略図である。この参考例２の構成は、絶縁樹脂シート３４を２層構造にする構成である。そして、絶縁樹脂シート３４の冷却器１５と接触する第１層３４ａの線膨張係数を、冷却器１５と同等の線膨張係数に設定する。例えば、冷却器１５がアルミニウムの材料で形成されていれば、第１層３４ａの線膨張係数をアルミニウムの線膨張係数に相当する２３ｐｐｍ／Ｋに設定する。また、絶縁樹脂シート１４の放熱板３３と接触する第２層３４ｂの線膨張係数を、放熱板３３と同等の線膨張係数に設定する。例えば、放熱板３３が銅の材料で形成されていれば、第２層３４ｂの線膨張係数を銅の線膨張係数に相当する１７ｐｐｍ／Ｋに設定する。

この構成では、半導体装置３に熱ストレスが加わったときに放熱板３３と冷却器１５との間に生じる線膨張の差を、絶縁樹脂シート３４自体が吸収する。よって、絶縁樹脂シート３４の接合界面にせん断応力がかかっても、絶縁樹脂シート３４の剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減させることができる。

本発明は、半導体素子と放熱部材とを封止したパワーモジュールに、当該半導体素子を冷却する冷却器を備えた、半導体装置などに利用可能である。

１、２、３、１００ 半導体装置
１０、１１０ 半導体素子
１３、２３、３３、１３０ 放熱板（放熱部材）
１４、３４、１４０ 絶縁樹脂シート
１５、２５、１５０ 冷却器
１６、１６０ 樹脂部材

Claims (1)

1. 半導体素子の少なくとも１つの主面に、放熱部材、絶縁樹脂シート、および冷却器が順に接合された半導体装置であって、
   前記放熱部材は、
   前記絶縁樹脂シートに接合される第１部材と、前記半導体素子に接合される第２部材とを、貼り合わせたクラッド材で構成され、
   前記第１部材が、前記冷却器と同じ材料または前記冷却器と同等の線膨張係数を有する材料で形成されていることを特徴とする、半導体装置。