JP6493277B2

JP6493277B2 - 半導体装置

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Publication number: JP6493277B2
Application number: JP2016072923A
Authority: JP
Inventors: 宗彦増谷; 繁和東元
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: JP2017183656A

Description

本発明は、半導体装置に関する。

半導体装置は、金属製の放熱部材（ヒートシンク）と、半導体素子及び基板を有するとともに放熱部材の面に搭載される半導体モジュールと、放熱部材に取り付けられるとともに複数の半導体モジュールを収容する樹脂製のケースとを備えている。ケースは、複数の基板の周囲を囲む周壁と、周壁の内側を複数の空間に区画する区画壁とを有している。空間には、半導体モジュールが少なくとも一つ収容されている。そして、例えば特許文献１のように、空間には、半導体モジュールを異物等から保護するために、半導体モジュールを覆う樹脂が封止されている。

特許第５６３８６２３号公報

半導体素子の発熱等によって放熱部材及び樹脂が膨脹すると、半導体装置において全体的に反りが生じる。すると、樹脂に応力が加わって樹脂に割れが生じてしまう虞がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、樹脂の割れを抑制することができる半導体装置を提供することにある。

上記課題を解決する半導体装置は、金属製の放熱部材と、第１の半導体素子と第２の半導体素子と基板とを備え、前記第１の半導体素子の下面電極が前記基板のパターンにベアチップ実装されるとともに前記第２の半導体素子の下面電極が前記基板のパターンにベアチップ実装されてなり、前記放熱部材の面に搭載される半導体モジュールと、前記基板の周囲を囲む周壁と、前記周壁の内側において複数の空間に区画する第１の区画壁とを有し、前記放熱部材の面に固定される樹脂製のケースと、を有し、前記空間に前記半導体モジュールが少なくとも一つ収容されており、前記空間に前記半導体モジュールを覆う樹脂が封止されている半導体装置であって、前記第１の区画壁の上面には第１のスリットが設けられており、前記第１の半導体素子の上面電極と前記第２の半導体素子の上面電極とは板状の導電部材によって互いに電気的に接続されており、前記導電部材は前記第１の半導体素子の上面電極に接合される第１の接合部と、前記第２の半導体素子の上面電極に接合される第２の接合部と、前記第１の接合部から延設されて前記第１の半導体素子から離れる方向に屈曲する第１の屈曲部と、前記第２の接合部から延設されて前記第２の半導体素子から離れる方向に屈曲する第２の屈曲部と、前記第１の屈曲部から前記第２の屈曲部まで延設される平面状の平面部とを有するとともに、前記樹脂によって覆われており、前記樹脂の露出面から前記平面部までの上下方向の距離は前記露出面から前記第１のスリットの下端までの上下方向の距離よりも小さい。

半導体素子の発熱等によって放熱部材及び樹脂が膨張すると、樹脂が第１の区画壁を押圧する。このとき、樹脂の露出面から平面部までの上下方向の距離は樹脂の露出面から第１のスリットの下端までの上下方向の距離よりも小さいため、第１の区画壁が、第１のスリットが形成された分だけ変形が許容され、この第１の区画壁の変形によって、樹脂に加わる応力が緩和される。よって、樹脂の割れを抑制することができる。

この発明によれば、樹脂の割れを抑制することができる。

実施形態における半導体装置を示す斜視図。図１における２−２線断面図。導電部材と半導体素子との関係を説明する斜視図。別の実施形態における半導体装置の一部分を示す斜視図。別の実施形態における半導体装置の断面図。別の実施形態における半導体装置を示す斜視図。

以下、半導体装置を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１及び図２に示すように、半導体装置１０は、金属製（本実施形態ではアルミニウム製）の放熱部材１１（ヒートシンク）と、放熱部材１１の面１１ａに搭載される半導体モジュール４０と、半導体モジュール４０が収容される樹脂製のケース２０とを備えている。

半導体モジュール４０は、例えばＩＧＢＴやダイオード等の半導体素子１２と基板１３と導電部材１８とを備えている。半導体モジュール４０は、４つの半導体素子１２の下面電極１２ａが基板１３のパターンにベアチップ実装されてなる。半導体素子１２の上面電極１２ｂには導電部材１８が接続されている。

ケース２０は、複数の基板１３（本実施形態では６つ）の周囲を囲む平面視長方形状の周壁２１と、周壁２１の内側において周壁２１の長手方向（図１に示す矢印Ｘ１の方向）に対して複数（本実施形態では三つ）の空間２２に区画する第１の区画壁２３とを有する。空間２２は、平面視において、周壁２１の短手方向（図１に示す矢印Ｙ１の方向）を長手方向とする平面視長四角形状である。第１の区画壁２３は、空間２２の長手方向（周壁２１の短手方向）に沿って延びている。各空間２２には、半導体モジュール４０が二つずつ空間２２の長手方向に並んで収容されている。なお、空間２２には半導体モジュール４０が少なくとも一つ収容されていればよい。

図２において拡大して示すように、基板１３は、放熱部材１１の面１１ａに接合される金属層１４と、金属層１４における放熱部材１１の面１１ａとは反対側に積層される絶縁層１５と、絶縁層１５における金属層１４とは反対側に積層される配線層１６とを有する。そして、配線層１６における絶縁層１５とは反対側の実装面１６ａに半導体素子１２が実装されている。

また、基板１３には、一端が基板１３のパターンを含む配線層１６に接続されるとともに他端が図示しない電源端子及び図示しない負荷に電気的に接続される板状の電極１７が実装されている。電源端子は例えばバッテリの端子である。負荷は例えばモータである。電極１７は、配線層１６に接合される平板状の接合部１７ａと、接合部１７ａから接合部１７ａに対して直交する方向に屈曲して延びるとともに図示しない電源端子及び図示しない負荷に電気的に接続される平板状の端子部１７ｂとを有する。端子部１７ｂは、空間２２から突出している。また、導電部材１８は、４つの半導体素子１２を電気的に接続する。導電部材１８は、各半導体素子１２の上面電極１２ｂに接合されている。なお、導電部材１８は板状である。

図３に示すように、導電部材１８は、４つの半導体素子１２のうちの第１の半導体素子１２１の上面電極１２ｂに接合される第１の接合部１８ａと、４つの半導体素子１２のうちの第２の半導体素子１２２の上面電極１２ｂに接合される第２の接合部１８ｂとを有する。また、導電部材１８は、第１の接合部１８ａから延設されて第１の半導体素子１２１から離れる方向に屈曲する第１の屈曲部１８ｃと、第２の接合部１８ｂから延設されて第２の半導体素子１２２から離れる方向に屈曲する第２の屈曲部１８ｄと、第１の屈曲部１８ｃから第２の屈曲部１８ｄまで延設される平面状の平面部１８ｅとを有する。

さらに、導電部材１８は、４つの半導体素子１２のうちの第３の半導体素子１２３の上面電極１２ｂに接合される第３の接合部１８ｆと、４つの半導体素子１２のうちの第４の半導体素子１２４の上面電極１２ｂに接合される第４の接合部１８ｇとを有する。また、導電部材１８は、第３の接合部１８ｆから延設されて第３の半導体素子１２３から離れる方向に屈曲する第３の屈曲部１８ｈと、第４の接合部１８ｇから延設されて第４の半導体素子１２４から離れる方向に屈曲する第４の屈曲部１８ｉとを有する。平面部１８ｅは第３の屈曲部１８ｈ及び第４の屈曲部１８ｉまで延設されている。すなわち、平面部１８ｅは、第１の屈曲部１８ｃ、第２の屈曲部１８ｄ、第３の屈曲部１８ｈ及び第４の屈曲部１８ｉそれぞれに連続している。

図２に示すように、各空間２２には、半導体モジュール４０を覆う樹脂２５が封止されている。詳細には、電極１７の接合部１７ａを含む一部、導電部材１８、基板１３及び半導体素子１２が、樹脂２５に覆われている。電極１７の端子部１７ｂを含む他端は樹脂２５から露出している。樹脂２５は、基板１３、半導体素子１２及び導電部材１８を異物等から保護する。樹脂２５は、例えばエポキシ樹脂である。

各第１の区画壁２３の上面には、第１のスリット２６が形成されている。第１のスリット２６は、第１の区画壁２３における放熱部材１１とは反対側の端面２３ｅから放熱部材１１に向けて凹設されている。また、第１のスリット２６は、平面視すると、空間２２の長手方向に沿って延びている。本実施形態では、第１のスリット２６の内側は空気層である。樹脂２５の露出面２５ｅから平面部１８ｅまでの上下方向の距離Ｈ１は露出面２５ｅから第１のスリット２６の下端２６ｅまでの上下方向の距離Ｈ２よりも小さい。

次に、本実施形態の作用について説明する。
半導体素子１２の発熱等によって放熱部材１１及び樹脂２５が膨脹すると、半導体装置１０において全体的に反りが生じる。そして、放熱部材１１及び樹脂２５が膨張して、樹脂２５が第１の区画壁２３を押圧する。このとき、樹脂２５の露出面２５ｅから平面部１８ｅまでの上下方向の距離Ｈ１は露出面２５ｅから第１のスリット２６の下端２６ｅまでの上下方向の距離Ｈ２よりも小さいため、第１の区画壁２３が、第１のスリット２６が形成された分だけ変形が許容され、この第１の区画壁２３の変形によって、樹脂２５に加わる応力が緩和される。よって、樹脂２５の割れが抑制される。例えば、端子部１７ｂの周辺の樹脂２５を起点として樹脂２５に割れが生じ易いが、端子部１７ｂの周辺の樹脂２５を起点とした樹脂２５の割れが抑制される。また、平面部１８ｅを覆う樹脂２５の厚みが薄いため、割れが生じ易いが、この割れが抑制される。

上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）第１の区画壁２３に第１のスリット２６を形成し、樹脂２５の露出面２５ｅから平面部１８ｅまでの上下方向の距離Ｈ１を露出面２５ｅから第１のスリット２６の下端２６ｅまでの上下方向の距離Ｈ２よりも小さくした。半導体素子１２の発熱等によって放熱部材１１及び樹脂２５が膨張すると、樹脂２５が第１の区画壁２３を押圧する。このとき、樹脂２５の露出面２５ｅから平面部１８ｅまでの上下方向の距離Ｈ１は露出面２５ｅから第１のスリット２６の下端２６ｅまでの上下方向の距離Ｈ２よりも小さいため、第１の区画壁２３が、第１のスリット２６が形成された分だけ変形が許容され、この第１の区画壁２３の変形によって、樹脂２５に加わる応力が緩和される。よって、樹脂２５の割れを抑制することができる。

（２）平面部１８ｅは第３の屈曲部１８ｈ及び第４の屈曲部１８ｉまで延設している。これによれば、平面部１８ｅの面積が大きくなり、平面部１８ｅを覆う樹脂２５の割れが発生し易いが、樹脂２５の露出面２５ｅから平面部１８ｅまでの上下方向の距離Ｈ１は露出面２５ｅから第１のスリット２６の下端２６ｅまでの上下方向の距離Ｈ２よりも小さいため、平面部１８ｅを覆う樹脂２５の割れを抑制することができる。

（３）基板１３には、一端が基板１３のパターンに接続されるとともに、他端が樹脂２５から露出する板状の電極１７が実装されている。これによれば、他端が樹脂２５から露出する板状の電極１７が基板１３に実装されていたとしても、露出する電極１７の他端の樹脂２５を起点とした樹脂２５の割れを抑制することができる。特に、端子部１７ｂの周辺の樹脂２５を起点として樹脂２５に割れが生じ易いが、端子部１７ｂの周辺の樹脂２５を起点とした樹脂２５の割れを抑制することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図４に示すように、第１の区画壁２３における第１のスリット２６とは異なる部位に、隣り合う空間２２同士を連通する開口部２３ｈが形成されており、開口部２３ｈの少なくとも一部が樹脂２５で覆われていてもよい。第１の区画壁２３には、第１のスリット２６が二つ形成されている。両第１のスリット２６は、平面視すると、空間２２の長手方向に沿って延びている。両第１のスリット２６は、空間２２の長手方向に沿って配置されている。開口部２３ｈは、第１の区画壁２３における両第１のスリット２６の間に配置されるとともに、端面２３ｅから凹設されている。これによれば、各空間２２に封止される樹脂２５が固化する前では、樹脂２５が開口部２３ｈを介して隣り合う空間２２を行き来できるようになるため、各空間２２に封止される樹脂２５の露出面２５ｅから平面部１８ｅまでの上下方向の距離Ｈ１のばらつきを低減させることができる。

○ 図５に示すように、周壁２１に、第２のスリット２７を形成してもよい。第２のスリット２７は、周壁２１における放熱部材１１とは反対側の端面２１ｅから放熱部材１１に向けて凹設されている。樹脂２５の露出面２５ｅから平面部１８ｅまでの上下方向の距離Ｈ１は露出面２５ｅから第２のスリット２７の下端２７ｅまでの上下方向の距離Ｈ３よりも小さい。半導体素子１２の発熱等によって放熱部材１１及び樹脂２５が膨脹すると、樹脂２５が周壁２１を押圧する。このとき、樹脂２５の露出面２５ｅから平面部１８ｅまでの上下方向の距離Ｈ１は露出面２５ｅから第２のスリット２７の下端２７ｅまでの上下方向の距離Ｈ３よりも小さいため、周壁２１が、第２のスリット２７が形成された分だけ変形が許容され、この周壁２１の変形によって、樹脂２５に加わる応力が緩和される。よって、樹脂２５の割れをさらに抑制することができる。

○ 図６に示すように、周壁２１の内側において周壁２１の短手方向に対して複数（図６の実施形態では二つ）の空間３２に区画する第２の区画壁３３を備えてもよい。第２の区画壁３３の外底面と放熱部材１１の面１１ａとは離間している。そして、第２の区画壁３３の外底面と放熱部材１１の面１１ａとの間を、周壁２１の短手方向で隣り合う半導体モジュール４０同士を電気的に接続する接続端子１９が通過している。周壁２１の短手方向で隣り合う空間３２に封止される樹脂２５同士は、第２の区画壁３３の外底面と放熱部材１１の面１１ａとの間を介して繋がっている。なお、図６において、樹脂２５の図示を説明の都合上省略している。第２の区画壁３３には、第１の区画壁２３と同様な第３のスリット２８が形成されている。樹脂２５の露出面２５ｅから平面部１８ｅまでの上下方向の距離Ｈ１は露出面２５ｅから第３のスリット２８の下端までの上下方向の距離よりも小さい。

これによれば、樹脂２５を小分けすることができる。そして、小分けされた樹脂２５が膨張して、樹脂２５が第２の区画壁３３を押圧する。このとき、樹脂２５の露出面２５ｅから平面部１８ｅまでの上下方向の距離Ｈ１は露出面２５ｅから第３のスリット２８の下端までの上下方向の距離よりも小さいため、第２の区画壁３３が、第３のスリット２８が形成された分だけ変形が許容され、この第２の区画壁３３の変形によって、樹脂２５に加わる応力が緩和される。

○ 実施形態において、半導体装置１０が電極１７を備えていない構成であってもよい。
○ 実施形態において、第１のスリット２６内に液体や固体等が入れられていてもよい。例えば、固体の場合、低弾性のスポンジやゴム等が好ましい。

○ 実施形態において、例えば、第１のスリット２６ではなく、第１の区画壁２３の内部に中空部を形成してもよい。
○ 実施形態において、樹脂２５の露出面２５ｅが、第１の区画壁２３の端面２３ｅと同じ高さに位置していてもよい。

○ 実施形態において、半導体素子１２は樹脂によってモールドされたものであってもよい。
○ 実施形態において、半導体モジュール４０の数は特に限定されるものではない。

○ 実施形態において、空間２２の数は、二つであってもよいし、四つ以上であってもよい。
○ 実施形態において、半導体モジュール４０における半導体素子１２は、２枚の基板１３にそれぞれ２個ずつ実装されているものであってもよいし、４枚の基板１３にそれぞれ１個ずつ実装されているものであってもよい。

１０…半導体装置、１１…放熱部材、１１ａ…面、１２…半導体素子、１２ａ…下面電極、１２ｂ…上面電極、１３…基板、１７…電極、１８…導電部材、１８ａ…第１の接合部、１８ｂ…第２の接合部、１８ｃ…第１の屈曲部、１８ｄ…第２の屈曲部、１８ｅ…平面部、１８ｆ…第３の接合部、１８ｇ…第４の接合部、１８ｈ…第３の屈曲部、１８ｉ…第４の屈曲部、２０…ケース、２１…周壁、２２，３２…空間、２３…第１の区画壁、２３ｈ…開口部、２５…樹脂、２５ｅ…露出面、２６…第１のスリット、２６ｅ，２７ｅ…下端、２７…第２のスリット、２８…第３のスリット、３３…第２の区画壁、４０…半導体モジュール、１２１…第１の半導体素子、１２２…第２の半導体素子、１２３…第３の半導体素子、１２４…第４の半導体素子。

Claims

金属製の放熱部材と、
第１の半導体素子と第２の半導体素子と基板とを備え、前記第１の半導体素子の下面電極が前記基板のパターンにベアチップ実装されるとともに前記第２の半導体素子の下面電極が前記基板のパターンにベアチップ実装されてなり、前記放熱部材の面に搭載される半導体モジュールと、
前記基板の周囲を囲む周壁と、前記周壁の内側において複数の空間に区画する第１の区画壁とを有し、前記放熱部材の面に固定される樹脂製のケースと、を有し、
前記空間に前記半導体モジュールが少なくとも一つ収容されており、
前記空間に前記半導体モジュールを覆う樹脂が封止されている半導体装置であって、
前記第１の区画壁の上面には第１のスリットが設けられており、
前記第１の半導体素子の上面電極と前記第２の半導体素子の上面電極とは板状の導電部材によって互いに電気的に接続されており、
前記導電部材は前記第１の半導体素子の上面電極に接合される第１の接合部と、前記第２の半導体素子の上面電極に接合される第２の接合部と、前記第１の接合部から延設されて前記第１の半導体素子から離れる方向に屈曲する第１の屈曲部と、前記第２の接合部から延設されて前記第２の半導体素子から離れる方向に屈曲する第２の屈曲部と、前記第１の屈曲部から前記第２の屈曲部まで延設される平面状の平面部とを有するとともに、前記樹脂によって覆われており、
前記樹脂の露出面から前記平面部までの上下方向の距離は前記露出面から前記第１のスリットの下端までの上下方向の距離よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
前記基板のパターンには第３の半導体素子の下面電極がベアチップ実装されるとともに第４の半導体素子の下面電極がベアチップ実装され、前記導電部材は前記第３の半導体素子の上面電極に接合される第３の接合部と、前記第４の半導体素子の上面電極に接合される第４の接合部と、前記第３の接合部から延設されて前記第３の半導体素子から離れる方向に屈曲する第３の屈曲部と、前記第４の接合部から延設されて前記第４の半導体素子から離れる方向に屈曲する第４の屈曲部と、を有し、
前記平面部は前記第３の屈曲部及び前記第４の屈曲部まで延設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。
前記基板には、
一端が前記基板のパターンに接続されるとともに、他端が前記樹脂から露出する板状の電極が実装されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
前記第１の区画壁における前記第１のスリットとは異なる部位には、隣り合う前記空間同士を連通する開口部が形成されており、前記開口部の少なくとも一部は前記樹脂で覆われていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記周壁には、第２のスリットが形成されており、
前記樹脂の露出面から前記平面部までの上下方向の距離は前記露出面から前記第２のスリットの下端までの上下方向の距離よりも小さいことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記周壁の内側において前記周壁の短手方向に対して複数の空間に区画する第２の区画壁を有し、
前記第２の区画壁には、第３のスリットが形成されており、
前記樹脂の露出面から前記平面部までの上下方向の距離は前記露出面から前記第３のスリットの下端までの上下方向の距離よりも小さいことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。