JP4935783B2 - 半導体装置および複合半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、両面放熱型の半導体装置、および、このような半導体装置を２個備える複合半導体装置に関する。

従来より、この種の両面放熱型の半導体装置としては、半導体素子と、半導体素子の表面側、裏面側にそれぞれ電気的および熱的に接合され、半導体素子を挟む一対の金属板と、一対の金属板における半導体素子とは反対側の面である放熱面に熱的に接合された第１の冷却器とを備えたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、このような半導体装置を２個備えた複合半導体装置としては、第１の冷却器の間に、半導体素子を一対の金属板に挟んでなるものを、２個挟み込むことにより構成されたものが一般的である。
特許第３５２５８３２号公報

しかしながら、従来の半導体装置においては、一対の金属板の冷却は、当該一対の金属板の放熱面側のみで行われており、この構造においては、放熱性能のさらなる向上が困難であった。今後、半導体素子の大電流密度化のために、冷却効率の向上が必要となると予想される。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、両面放熱型の半導体装置、および、このような半導体装置を２個備える複合半導体装置において、冷却効率を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明においては、一対の金属板（２、３）の間には第２の冷却器（１１）が介在されており、この第２の冷却器（１１）は、一対の金属板（２、３）における半導体素子（１）側の面である内面（２ａ、３ａ）に熱的に接続され、一対の金属板（２、３）を冷却するようになっていることを特徴とする。

それによれば、両面放熱型の半導体装置において、半導体素子（１）を挟む一対の金属板（２、３）の内面（２ａ、３ａ）側からも当該金属板が冷却されるので、冷却効率が向上する。

ここで、請求項２に記載の発明のように、第２の冷却器（１１）は、第１の冷却器（９）の一部がそれぞれの金属板（２、３）の放熱面（２ｂ、３ｂ）から端面を超えて内面（２ａ、３ａ）まで折り曲げられたものとして構成されているものにできる。

請求項３に記載の発明では、両面放熱型の半導体装置（１００）を２個有する複合半導体装置において、それぞれの半導体装置（１００）においては、一対の金属板（２、３）の間には第２の冷却器（１１）が介在されるとともに、この第２の冷却器（１１）は、一対の金属板（２、３）における半導体素子（１）側の面である内面（２ａ、３ａ）に熱的に接続され、一対の金属板（２、３）を冷却するようになっており、さらに、それぞれの半導体装置（１００）においては、第２の冷却器（１１）が当該半導体装置の外方に突出した突出部（１１ｂ）を有しており、それぞれの半導体装置（１００）の第２の冷却器（１１）の突出部（１１ｂ）同士が、連結されていることを特徴とする。

それによれば、複合半導体装置における個々の両面放熱型の半導体装置において、半導体素子（１）を挟む一対の金属板（２、３）の内面（２ａ、３ａ）側からも当該金属板が冷却されるので、冷却効率が向上する。また、半導体装置（１００）の第２の冷却器（１１）の突出部（１１ｂ）同士が、連結されているので、当該第２の冷却器同士の一体化が図れる。

ここで、請求項４に記載の発明のように、それぞれの半導体装置（１００）の第２の冷却器（１１）が、内部を冷媒が流通することで冷却を行うものであるものとし、連結された部位を介して、半導体装置（１００）の第２の冷却器（１１）同士に、共通の冷媒が流れるようになっているものとしてもよい。それによれば、両半導体装置（１００）の第２の冷却器（１１）同士を共通の冷媒によって冷却することができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置１００の概略断面構成を示す図である。また、図２は、この半導体装置１００を２個備える複合半導体装置の要部を示す外観斜視図であり、図２では後述する第１の冷却器９を省略した状態で示してある。この半導体装置１００は、たとえば自動車などの車両に搭載され、車両用電子装置を駆動するための装置として適用されるものである。

本実施形態の半導体装置１００は、大きくは、半導体素子１を２枚の金属板２、３で挟み、半導体素子１を含む両金属板２、３の間をモールド樹脂６で封止し、各金属板２、３における半導体素子１とは反対側の面である放熱面２ｂ、３ｂをモールド樹脂６より露出させてなり、さらに各金属板２、３の放熱面２ｂ、３ｂに、それぞれ第１の冷却器９を接合してなる。

半導体素子１は、ここでは２個設けられているが、表裏の両面から電流の取り出しが可能な素子である。たとえば半導体素子１は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、ＦＷＤ（フライホイールダイオード）やパワートランジスタなどの縦型パワー素子などである。ここでは、半導体素子１は板状であり、その表面、裏面は図１中の上面、下面である。

そして、半導体素子１の表裏両面は、当該半導体素子１の電極および放熱部材として機能する一対の金属板２、３にて挟まれている。これら金属板２、３は、銅合金もしくはアルミ合金等の熱伝導性および電気伝導性に優れた金属によって構成されており、ここでは、この種の一般的なものと同様に、実質的に矩形板状をなす。

ここで、一対の金属板２、３のうち第１の金属板２は、半導体素子１の表面（図１中の上面）側に設けられ、第２の金属板３は、半導体素子１の裏面（図１中の下面）側に設けられている。

それにより、両金属板２、３は、互いの内面２ａ、３ａにて対向するとともに、半導体素子１を挟むように配置されている。また、各金属板２、３において内面２ａ、３ａは半導体素子１側の面であるが、この内面２ａ、３ａとは反対側の面である外面２ｂ、３ｂが上記放熱面２ｂ、３ｂとして構成されている。

そして、両金属板２、３の内面２ａ、３ａの間において、半導体素子１の表面と第１の金属板２の内面２ａとの間は、はんだ４によって電気的・熱的に接続されている。また、半導体素子１の裏面と第２の金属板３との間には、ブロック体５が介在している。

このブロック体５は、電気導電性、熱伝導性に優れた矩形ブロック状のもので、通常銅からなるが、モリブデンなどを用いてもよい。そして、半導体素子１とブロック体５との間、および、ブロック体５と第１の金属板２の内面２ａとの間は、それぞれ、はんだ４によって電気的・熱的に接続されている。

ここで、上記の各部を接続するはんだ４は、一般的な半導体装置の分野にて採用されるはんだ材料とすることができ、たとえば、すず−銅合金系はんだなどの鉛フリーはんだを採用することができる。

そして、図１に示されるように、本実施形態の半導体装置１００においては、一対の金属板２、３およびこれに挟み込まれた半導体素子１、ブロック体５が、モールド樹脂６にて封止されている。このモールド樹脂６はエポキシ樹脂などの通常のモールド材料よりなり、成形金型を用いた樹脂成形などの一般的な手法によって作製されたものである。

また、図１に示されるように、一対の金属板２、３のそれぞれにおいて放熱面２ｂ、３ｂが、モールド樹脂６から露出している。これにより、本半導体装置１００は、半導体素子１の表裏両面のそれぞれにて、第１の金属板２、第２の金属板３を介した放熱が行われる両面放熱型の構成となっている。

また、一対の金属板２、３は、はんだ４やブロック体５を介して、半導体素子１の表裏各面の図示しない電極に電気的に接続されている。そして、たとえば一対の平面矩形の金属板２、３のそれぞれの一部が、当該矩形の辺部からモールド樹脂６の外部まで突出した端子２ｃ、３ｃとして構成されており、この端子２ｃ、３ｃが外部と電気的に接続されるようになっている。なお、第２の金属板３の端子３ｃについては図２に示されている。

また、図１に示されるように、半導体装置１００においては、第２の金属板３の周囲に、リード部７が設けられている。このリード部７は１本でもよいが、ここでは、図２に示されるように、通常のものと同様、複数本設けられている。このリード部７は、たとえば、半導体素子１の制御用端子などとして機能するものであり、一部がモールド樹脂６に封止され、残部が外部と接続されるためにモールド樹脂６から露出している。

そして、モールド樹脂６の内部では、半導体素子１の表面とリード部７とが、ボンディングワイヤ８を介して電気的・機械的に接続されている。このボンディングワイヤ８は、Ａｕ（金）やＡｌ（アルミ）などよりなる一般的なワイヤボンディングにより形成されたものである。

このような構成において、第１の金属板２と半導体素子１との間に介在するブロック体５は、この半導体素子１とリード部７とのワイヤボンディングを行うにあたって、上記ワイヤ８の高さを維持するために、半導体素子１のワイヤボンディング面と第１の金属板２との間の高さを確保している。

そして、本半導体装置１００では、第１の冷却器９は、各金属板２、３における半導体素子１とは反対側の面である放熱面２ｂ、３ｂ側に設けられ、放熱板２ｂ、３ｂと熱的に接合されている。つまり、両金属板２、３で半導体素子１を挟んだものが、さらに第１の冷却器９で挟まれた構成とされている。

この第１の冷却器９は、たとえばアルミや銅などの熱伝導性に優れた金属よりなる板状のものであり、内部には、ポンプなどによって水やオイルなどの冷却液が流れる冷却流路９ａを備えている。

第１の冷却器９は、各種の酸化膜や窒化膜などのセラミックスなどの電気絶縁材料よりなる絶縁層１０を介して、各金属板２、３の放熱面２ｂ、３ｂに接触させた状態で接合されている。

この絶縁層１０は、板状の部品でもよいし、第１の冷却器９または金属板２、３の放熱面２ｂ、３ｂに対して、スパッタや蒸着などで成膜されたものでもよい。そして、第１の冷却器９の固定は、この種の通常の半導体装置と同様に、たとえば、ねじやクリップなどの締結手段などにより行われる。

ここで、図２に示される複合半導体装置においては、図１に示される半導体装置１００が２個平面的に配列されたものである。

図２において、図示しない上記第１の冷却器は、図中の矢印で示すＸＹ平面に平行な一対の板状のものであり、その一対の第１の冷却器の間に、図２に示される２個の半導体装置１００の部分が挟まれたものである。つまり、２個の半導体装置１００の第１の冷却器９は、互いに共通のものである。そして、第１の冷却器の内面は、図１と同様に、各金属板２、３の放熱面２ｂ、３ｂに熱的に接続されている。

また、図１に示されるように、本実施形態では、モールド樹脂６の内部にて、一対の金属板２、３の間には第２の冷却器１１が介在されている。そして、この第２の冷却器１１は、一対の金属板２、３における半導体素子１側の面である内面２ａ、３ａに熱的に接続され、当該内面２ａ、３ａ側からも一対の金属板２、３を冷却するようになっている。

この第２の冷却器１１も、第１の冷却器９と同様に、たとえばアルミや銅などの熱伝導性に優れた金属よりなる板状のものであり、内部には、ポンプなどによって水やオイルなどの冷却液が流れる冷却流路１１ａを備えている。この第２の冷却器１１は、一対の金属板２、３の間において、半導体素子１やブロック体５の位置する部位以外の部位に設けられ、これら部材１、５に干渉しないようになっている。

ここで、第２の冷却器１１と一対の金属板２、３の内面２ａ、３ａとの間には、絶縁層１２が介在し、この絶縁層１２によって、両部材１１と２、３との熱的接続および電気的絶縁が確保されている。

この絶縁層１２は、たとえば、ＳｉＣＮ（Ｓｉ炭化窒化膜）やＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）などよりなる。そして、この絶縁層１２は、第２の冷却器１１および金属板２、３のいずれかの面に対して、スパッタや蒸着などによって、必要な絶縁耐圧に応じた厚さ分、作製されたものである。

また、図２に示されるように、さらに、それぞれの半導体装置１００においては、第２の冷却器１１が各半導体装置１００の外方に突出した突出部１１ｂを有している。そして、それぞれの半導体装置１００の第２の冷却器１１の突出部１１ｂ同士が、連結されている。

ここで、上述したが、それぞれの半導体装置１００の第２の冷却器１１は、内部を冷却液すなわち冷媒が流通することで冷却を行うものである。図３は、この第２の冷却器１１の連結部分を拡大して示す概略断面図である。

図３に示されるように、ここでは連結部分は、連結される第２の冷却器１１の突出部１１ｂ同士の一方と他方とで径を異ならせ、重ね継ぎ手構造としている。ここでは、図３に示されるように、当該連結部分のシール性を確保するために、ロウ付けなどによるシール部１１ｃを設けている。そして、この連結部分では、第２の冷却器１１の冷却流路１１ａ同士が連通しており、両半導体装置１００の第２の冷却器１１同士に、共通の冷媒が流れるようになっている。

なお、複合半導体装置は、２個の半導体装置１００を備えていればよいが、さらに３個以上の半導体装置１００が備えられていてもよい。そして、それら複数個の半導体装置１００のうちの２個が図１、図２に示されるような構成となっていればよい。図２では、２個の半導体装置１００のＹ方向の両側に、さらに図示しない半導体装置が設けられ第２の冷却器によって連結されたものとしている。

かかる半導体装置１００の動作時には、半導体素子１の表裏の各面にて金属板２、３と半導体素子１とが電気的・熱的に接続されているため、金属板２、３は半導体素子１の電極および放熱板として機能する。

また、第１の冷却器９および第２の冷却器１１は、図示しないポンプなどにより各冷却器９、１１の冷却流路９ａ、１１ａに冷却液を流すことにより、半導体素子１の表裏の各面から金属板２、３を介して伝わる熱を放熱するようになっている。

次に、上記半導体装置１００の製造方法について述べる。まず、上記図１においてモールド樹脂６が無い状態のワークを作製する。このワークは、両金属板２、３の間に第２の冷却器１１を挟むと共に、第１の金属板２、半導体素子１、ブロック体５、第２の金属板３を、はんだ４を介して積層し接合し、リード部７と半導体素子１との間でワイヤボンディングを行うことにより、作製される。

次に、このワークをモールド樹脂６により封止する。この樹脂封止は、金型を用いた一般的なトランスファーモールド法により行われる。当該ワークを当該金型にセットした状態で、金型内にモールド樹脂６を注入し充填することで、モールド樹脂６による封止が完了する。

次に、締結などによって、モールド樹脂６より露出する金属板２、３の放熱面２ｂ、３ｂに、絶縁層１０を介して第１の冷却器９を取り付け固定する。こうして、本実施形態の半導体装置１００ができあがる。なお、上記複合半導体装置においては、第１の冷却器９を除く２個の半導体装置１００の部分を、互いの第２の冷却器１１にて連結し、一体化した後に、第１の冷却器９の取り付けを行えば上記複合半導体装置ができあがる。

ところで、本実施形態によれば、両面放熱型の半導体装置１００において、半導体素子１を挟む一対の金属板２、３の放熱面２ｂ、３ｂ側からだけでなく、内面２ａ、３ａ側からも第２の冷却器１１によって金属板２、３が冷却されるので、冷却効率が向上する。

また、図２に示される複合半導体装置では、各半導体装置１００の第２の冷却器１１の突出部１１ｂ同士が、連結されるので、各第２の冷却器１２同士の一体化が図れる。そして、各半導体装置１００について、半導体素子１を挟む一対の金属板２、３の内面２ａ、３ａ側からも冷却されるので、冷却効率が向上する。

（第２実施形態）
図４（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の要部を示す概略断面図であり、図４（ｂ）は、（ａ）中のＡ−Ａ概略断面図である。本実施形態は、上記第１実施形態に比べて、第２の冷却器１１の形状を変更したことが相違するものであり、ここでは、その相違点を中心に述べることとする。

上記第１実施形態では、図２に示されるように、金属板２、３の間では、第２の冷却器１１は２個の半導体素子１、１の間を通る真っ直ぐな形状であった。それに対して、本実施形態では、図４に示されるように、第２の冷却器１１は、両金属板２、３の間にて折れ曲がり形状となっており、ここでは、各半導体素子１を取り巻くように曲がっている。

それにより、本実施形態では、第２の冷却器１１と両金属板２、３との接触面積をより大きくすることができ、冷却効率の向上の面で好ましいものとなる。

（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置の要部を示す概略断面図である。本実施形態は、上記第１実施形態に比べて、第２の冷却器１１の形状を変更したことが相違するものであり、その相違点を中心に述べることとする。

ここでは、第２の冷却器１１は、第１の冷却器９の一部を、それぞれの金属板２、３の放熱面２ｂ、３ｂから端面を超えて内面２ａ、３ａまで折り曲げたものとして構成されている。ここでは、第１の冷却器９の周辺部が当該内面２ａ、３ａに向かってコの字形状に折り返されている。

このような形状は折り曲げ加工や型成形などにより作製される。そして、この場合、両冷却流路９、１１が一体のものであるため、第１及び第２の冷却器９、１１の冷却流路９ａ、１１ａを共通の流路として構成することが可能となる。

（他の実施形態）
なお、一対の金属板２、３に挟まれる半導体素子１としては、両面に配置される一対の金属板２、３を電極や放熱板として用いることが可能なものであればよく、その数としては、上述のように２個あってもよいし、１個または３個以上でもよい。

また、上述したように、ブロック体５は、半導体素子１と第１の金属板２との間に介在し、これら両部材１、２の間の高さを確保する役割を有するものであるが、可能であるならば、上記各実施形態において、ブロック体５は存在しないものであってもよい。この場合、たとえば、上記図１において、半導体素子１の表面と対向する第１の金属板２の内面２ａの部位を突出させ、この突出部と半導体素子１とを直接はんだ付けするようにしてもよい。

また、上記各実施形態では、冷却器９、１１は冷却流路９ａ、１１ａを内蔵する水冷式のものであったが、冷却器としては冷却流路を持たないものでもよく、たとえば、冷却フィンなどを持つ空冷式のものであってもよい。特に、第２の冷却器１１の場合、半導体装置１００の外方に突出した突出部１１ｂにて冷却フィンを持つようにすればよい。

また、半導体装置としては、半導体素子と、半導体素子の表面側、裏面側にそれぞれ電気的および熱的に接合された金属板と、各金属板の放熱面に熱的に接合された冷却器とを備えるものであればよく、上記各実施形態に示されるようなモールド樹脂６が無い構成であってもよい。

本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。 第１実施形態に係る複合半導体装置の要部を示す外観斜視図である。 図２における第２の冷却器の連結部分を拡大して示す概略断面図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係る半導体装置の要部を示す概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ概略断面図である。 本発明の第３実施形態に係る半導体装置の要部を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 半導体素子
２ 第１の金属板
２ａ 第１の金属板の放熱面
２ｂ 第１の金属板の内面
３ 第２の金属板
３ａ 第２の金属板の放熱面
３ｂ 第２の金属板の内面
９ 第１の冷却器
１１ 第２の冷却器
１１ｂ 第２の冷却器の突出部
１００ 半導体装置

Claims (4)

1. 半導体素子（１）と、
   前記半導体素子（１）の表面側、裏面側にそれぞれ電気的および熱的に接合され、前記半導体素子（１）を挟む一対の金属板（２、３）と、
   前記一対の金属板（２、３）における前記半導体素子（１）とは反対側の面である放熱面（２ｂ、３ｂ）に熱的に接合された第１の冷却器（９）とを備える半導体装置において、
   前記一対の金属板（２、３）の間には第２の冷却器（１１）が介在されており、
   この第２の冷却器（１１）は、前記一対の金属板（２、３）における前記半導体素子（１）側の面である内面（２ａ、３ａ）に熱的に接続され、前記一対の金属板（２、３）を冷却するようになっていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記第２の冷却器（１１）は、前記第１の冷却器（９）の一部がそれぞれの前記金属板（２、３）の放熱面（２ｂ、３ｂ）から端面を超えて内面（２ａ、３ａ）まで折り曲げられたものとして構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 半導体素子（１）と、前記半導体素子（１）の表面側、裏面側にそれぞれ電気的および熱的に接合され、前記半導体素子（１）を挟む一対の金属板（２、３）と、前記一対の金属板（２、３）における前記半導体素子（１）とは反対側の面である放熱面（２ｂ、３ｂ）に熱的に接合された第１の冷却器（９）とを備える半導体装置（１００）を２個有しており、
   それぞれの前記半導体装置（１００）においては、前記一対の金属板（２、３）の間には第２の冷却器（１１）が介在されるとともに、この第２の冷却器（１１）は、前記一対の金属板（２、３）における前記半導体素子（１）側の面である内面（２ａ、３ａ）に熱的に接続され、前記一対の金属板（２、３）を冷却するようになっており、
   さらに、それぞれの前記半導体装置（１００）においては、前記第２の冷却器（１１）が当該半導体装置の外方に突出した突出部（１１ｂ）を有しており、
   それぞれの前記半導体装置（１００）の前記第２の冷却器（１１）の前記突出部（１１ｂ）同士が、連結されていることを特徴とする複合半導体装置。
4. それぞれの前記半導体装置（１００）の前記第２の冷却器（１１）は、内部を冷媒が流通することで冷却を行うものであり、
   前記連結された部位を介して、前記半導体装置（１００）の前記第２の冷却器（１１）同士に、共通の冷媒が流れるようになっていることを特徴とする請求項３に記載の複合半導体装置。

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