JP7778271B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本開示は半導体装置及びその製造方法に関するものであり、特に、半導体素子の発熱をベース板を介して放熱する構造を持った半導体装置に関するものである。 This disclosure relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and in particular to a semiconductor device having a structure that dissipates heat generated by a semiconductor element through a base plate.
半導体素子における発熱を放熱する構造を持った半導体装置として例えば特許文献1に開示された半導体装置がある。 One example of a semiconductor device with a structure that dissipates heat generated in a semiconductor element is the semiconductor device disclosed in Patent Document 1.
特許文献1で開示された従来の半導体装置は、構成部品同士の熱膨張係数差に起因する半導体素子と接続配線との接合部に作用する熱応力の緩和する放熱機構を設けている。具体的には、従来の半導体装置は、熱応力緩衝部材を半導体素子と接続配線との間に介挿し、かつ、熱応力緩衝部材を半導体素子及び接続配線それぞれと接合することによって放熱機構を実現している。放熱機構に用いられる熱応力緩衝部材は、炭素基材または金属基材の焼結体に、上述した基材よりも融点の低い金属を浸透分散させた複合材から構成される。The conventional semiconductor device disclosed in Patent Document 1 is equipped with a heat dissipation mechanism that relieves thermal stress acting at the junction between the semiconductor element and the connecting wiring due to differences in the thermal expansion coefficients of the components. Specifically, the conventional semiconductor device achieves the heat dissipation mechanism by inserting a thermal stress buffer member between the semiconductor element and the connecting wiring and bonding the thermal stress buffer member to both the semiconductor element and the connecting wiring. The thermal stress buffer member used in the heat dissipation mechanism is composed of a composite material in which a sintered body of a carbon or metal base material is infiltrated and dispersed with a metal having a lower melting point than the aforementioned base material.
放熱機構を有する従来の半導体装置は、放熱機構として、絶縁基板を介して半導体素子を接合することにより、絶縁基板側から半導体素子を冷却する片面冷却方式を採用するのが一般的である。従来の半導体装置は、半導体素子の上面が封止樹脂層により封止されているため、通電動作時に半導体素子が発する熱が封止樹脂層内に蓄積される。封止樹脂層は半導体素子を基準として絶縁基板と反対側に設けられているため、上述した片面冷却方式を採用している従来の放熱機構では封止樹脂層内に蓄積された熱を放熱することが困難である。 Conventional semiconductor devices with heat dissipation mechanisms typically use a single-sided cooling method, in which the semiconductor element is bonded via an insulating substrate, cooling the semiconductor element from the insulating substrate side. In conventional semiconductor devices, the top surface of the semiconductor element is sealed with an encapsulating resin layer, causing heat generated by the semiconductor element during power-on operation to accumulate within the encapsulating resin layer. Because the encapsulating resin layer is located on the opposite side of the insulating substrate from the semiconductor element, conventional heat dissipation mechanisms that use the single-sided cooling method described above have difficulty dissipating the heat accumulated within the encapsulating resin layer.
一般的に半導体装置に使用される構成部品(以下、「部品」と略記する場合あり)の熱膨張係数は、装置内の部品が半導体素子、接続配線、絶縁基板、ベース板、封止樹脂層の場合、例えば{2×10-6/K~22×10-6/K}の範囲の値となる。したがって、従来の半導体装置の部品間の線膨張係数の最大差は20×10-6/Kを有することもある。 Generally, the thermal expansion coefficients of components (hereinafter sometimes abbreviated as "components") used in semiconductor devices are, for example, in the range of {2×10 -6 /K to 22×10 -6 /K} when the components in the device are semiconductor elements, connection wiring, insulating substrates, base plates, and sealing resin layers. Therefore, the maximum difference in linear expansion coefficient between components in conventional semiconductor devices can be as much as 20×10 -6 /K.
一般に、部品間の熱膨張係数差は9×10-6/K以下が望ましいとされていることから、従来の半導体装置における最大の熱膨張係数差は無視できない大きさを有している。特に、接続配線、ベース板は熱膨張係数差を大きくする部品となりやすい傾向がある。 In general, it is considered desirable for the difference in thermal expansion coefficient between components to be 9×10 −6 /K or less, so the maximum difference in thermal expansion coefficient in conventional semiconductor devices is not negligible. In particular, the connecting wiring and base plate tend to be components that increase the difference in thermal expansion coefficient.
このような状況下で、封止樹脂層は、すべての部品と接しており、特に熱膨張係数差の影響を大きく受ける。半導体装置内に含まれる部品として、上述した半導体素子、接続配線、絶縁基板、ベース板等が含まれる。Under these circumstances, the encapsulating resin layer is in contact with all components and is particularly affected by differences in thermal expansion coefficients. Components contained within a semiconductor device include the aforementioned semiconductor elements, connecting wiring, insulating substrates, base plates, etc.
半導体素子の通電動作時の接合部温度Tjが、例えば、125℃まで上昇すると仮定したとき、従来の半導体装置は片面冷却方式用の冷却機構を有しているため、各部品の温度は冷却機構の設計値温度近傍に収まる。しかしながら、半導体素子の上面に設けられた封止樹脂層は、125℃まで上昇して封止樹脂層の全体に熱が伝搬していく結果、各部品との熱膨張係数差によって各部品と剥離を起こすため、半導体装置の信頼性が低下してしまうという問題点があった。Assuming that the junction temperature Tj of a semiconductor element rises to, for example, 125°C during power-on operation, conventional semiconductor devices have a cooling mechanism for single-sided cooling, so the temperature of each component remains close to the design temperature of the cooling mechanism. However, the encapsulating resin layer on the top surface of the semiconductor element rises to 125°C, and heat propagates throughout the encapsulating resin layer. As a result, differences in the thermal expansion coefficients of the components cause delamination, reducing the reliability of the semiconductor device.
特許文献1で開示された従来の半導体装置では、半導体素子と接続配線との間に熱応力緩衝部材を介挿した構造を有している。このため、半導体素子の通電動作時における発熱を、熱応力緩衝部材を介して冷却することにより、半導体素子と封止樹脂層との界面に発生する熱応力を緩和し、半導体素子と封止樹脂層との間で剥離が発生するのを防ぎ、装置の信頼性を向上させている。 The conventional semiconductor device disclosed in Patent Document 1 has a structure in which a thermal stress buffer member is inserted between the semiconductor element and the connecting wiring. Therefore, by cooling the heat generated by the semiconductor element when it is energized via the thermal stress buffer member, the thermal stress generated at the interface between the semiconductor element and the encapsulating resin layer is alleviated, preventing peeling between the semiconductor element and the encapsulating resin layer and improving the reliability of the device.
しかしながら、熱応力緩衝部材は、主電流回路を構成する半導体素子と電気的に接続され、半導体素子の配線の一部として機能しているため、半導体素子の通電動作時に電気的損失が発生するという問題点があった。なお、電気的損失として、例えばインダクタンス上昇が考えられる。However, because the thermal stress buffer material is electrically connected to the semiconductor elements that make up the main current circuit and functions as part of the wiring of the semiconductor elements, there is a problem in that electrical loss occurs when the semiconductor elements are energized. One example of electrical loss is an increase in inductance.
本開示は、上記のような問題点を解決し、半導体素子の動作時における電気的損失を発生させることなく、装置の信頼性を向上させた半導体装置の構造を提供することを目的とする。 The present disclosure aims to solve the above-mentioned problems and provide a semiconductor device structure that improves the reliability of the device without causing electrical loss during operation of the semiconductor element.
本開示に係る半導体装置は、第1主面及び第2主面を有するベース板と、前記ベース板の第1主面側に設けられ、回路パターンを有する絶縁回路基板と、前記絶縁回路基板の第1主面側に設けられる少なくとも一つの半導体素子と、導電性を有し、複数の柱部と複数の柱部間に設けられた板部とを含み、前記絶縁回路基板及び前記少なくとも一つの半導体素子に対し第1主面側に前記板部が位置し、かつ、前記複数の柱部が前記ベース板の第1主面上に立設する態様で設けられる放熱用部材と、前記絶縁回路基板、前記少なくとも一つの半導体素子及び前記放熱用部材を覆って、前記ベース板の第1主面上に設けられる樹脂層とを備え、前記放熱用部材は、前記少なくとも一つの半導体素子の動作時において、前記放熱用部材と前記少なくとも一つの半導体素子との間の前記樹脂層が絶縁破壊を起こさないように、前記少なくとも一つの半導体素子から離れて設けられ、前記放熱用部材は、前記少なくとも一つの半導体素子から電気的に絶縁される。 The semiconductor device disclosed herein comprises a base plate having a first main surface and a second main surface; an insulated circuit board having a circuit pattern and provided on the first main surface side of the base plate; at least one semiconductor element provided on the first main surface side of the insulated circuit board; a heat dissipation member that is conductive and includes a plurality of pillars and a plate portion provided between the plurality of pillars, the plate portion being located on the first main surface side of the insulated circuit board and the at least one semiconductor element, and the plurality of pillars being provided upright on the first main surface of the base plate; and a resin layer provided on the first main surface of the base plate, covering the insulated circuit board, the at least one semiconductor element, and the heat dissipation member; the heat dissipation member is provided at a distance from the at least one semiconductor element to prevent dielectric breakdown in the resin layer between the heat dissipation member and the at least one semiconductor element when the at least one semiconductor element is in operation, and the heat dissipation member is electrically insulated from the at least one semiconductor element.
本開示の半導体装置における放熱用部材は、少なくとも一つの半導体素子から電気的に絶縁されているため、放熱用部材の存在により、少なくとも一つの半導体素子の動作時に電気的損失を発生させることはない。 The heat dissipation member in the semiconductor device disclosed herein is electrically insulated from at least one semiconductor element, so that the presence of the heat dissipation member does not cause electrical loss during operation of the at least one semiconductor element.
加えて、放熱用部材は、少なくとも一つの半導体素子の動作時において樹脂層が絶縁破壊を起こさないように、少なくとも一つの半導体素子から離れて設けられているため、少なくとも一つの半導体素子の動作時に樹脂層に絶縁破壊を生じさせることはない。 In addition, the heat dissipation member is located away from the at least one semiconductor element so that the resin layer does not experience dielectric breakdown when the at least one semiconductor element is operating, and therefore, dielectric breakdown does not occur in the resin layer when the at least one semiconductor element is operating.
さらに、放熱用部材は、導電性を有し、柱部がベース板の第1主面上に立設する態様で設けられているため、少なくとも一つの半導体素子の動作時に樹脂層に蓄積される熱を、放熱用部材及びベース板を含む放熱経路を介して放熱させる放熱機能を発揮することができる。 Furthermore, the heat dissipation member is conductive and has a column portion that stands upright on the first main surface of the base plate, so that it can perform a heat dissipation function by dissipating heat that accumulates in the resin layer during operation of at least one semiconductor element through a heat dissipation path that includes the heat dissipation member and the base plate.
したがって、本開示の半導体装置は、樹脂層と他の構成部品との熱膨張係数差による影響を緩和して、少なくとも一つの半導体素子、絶縁回路基板及びベース板それぞれと樹脂層との界面剥離を確実に回避することができる。 Therefore, the semiconductor device disclosed herein can mitigate the effects of differences in thermal expansion coefficients between the resin layer and other components, thereby reliably avoiding interfacial peeling between the resin layer and at least one semiconductor element, insulating circuit board, and base plate.
その結果、本開示の半導体装置は、少なくとも一つの半導体素子の動作時に電気的損失を発生させることなく、装置の信頼性を高めることができる。 As a result, the semiconductor device disclosed herein can improve the reliability of the device without generating electrical losses during operation of at least one semiconductor element.
本開示の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。 The objects, features, aspects, and advantages of the present disclosure will become more apparent from the following detailed description and accompanying drawings.
<実施の形態1>
図1は本開示の実施の形態1である半導体装置51の上面構造を示す平面図である。図2は図1で示す実施の形態1の半導体装置51のA-A断面構造を示す断面図である。図3は図1で示す実施の形態1の半導体装置51のB-B断面構造を示す断面図である。図1~図3それぞれにXYZ直交座標系を記している。なお、図1は半導体装置51の内部構造を明確に示すべく封止樹脂層8の図示を省略している。
First Embodiment
FIG. 1 is a plan view showing the top surface structure of a semiconductor device 51 according to a first embodiment of the present disclosure. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the A-A cross-sectional structure of the semiconductor device 51 according to the first embodiment shown in FIG. 1. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the B-B cross-sectional structure of the semiconductor device 51 according to the first embodiment shown in FIG. 1 to FIG. 3 each show an XYZ orthogonal coordinate system. Note that FIG. 1 omits the illustration of the sealing resin layer 8 in order to clearly show the internal structure of the semiconductor device 51.
以下、断面図である図2及び図3で示す半導体装置51の各構成部品に関し、紙面上端を「第1主面」と称し、紙面下端を「第2主面」と称して説明する。すなわち、半導体装置51の各部品において、+Z方向側の面が「第1主面」となり、-Z方向側の面が「第2主面」となる。 In the following description, the top of the page and the bottom of the page of each component of semiconductor device 51 shown in the cross-sectional views of Figures 2 and 3 will be referred to as the "first main surface" and the "second main surface," respectively. In other words, for each component of semiconductor device 51, the surface facing the +Z direction is the "first main surface," and the surface facing the -Z direction is the "second main surface."
例えば、ベース板である金属ベース板1の上面が第1主面となり、下面が第2主面となる。さらに、半導体装置51の構造を説明するに際し、各部品を基準として+Z方向を第1主面側と称し、-Z方向を第2主面側と称して説明する場合がある。For example, the top surface of the metal base plate 1, which serves as the base plate, is the first main surface, and the bottom surface is the second main surface. Furthermore, when explaining the structure of the semiconductor device 51, the +Z direction may be referred to as the first main surface side and the -Z direction may be referred to as the second main surface side, with each component as the reference.
図1~図3に示すように、ベース板である金属ベース板1の第1主面上に樹脂ケース2が設けられる。金属ベース板1は、アルミ合金や銅などの熱伝導に優れる材料を構成材料としている。 As shown in Figures 1 to 3, a resin case 2 is provided on the first main surface of a metal base plate 1, which serves as a base plate. The metal base plate 1 is made of a material with excellent thermal conductivity, such as an aluminum alloy or copper.
樹脂ケース2はXY平面で平面視して4辺構成の側壁による矩形状の枠体構造を呈しており、金属ベース板1の第1主面の周辺領域上に設けられる。樹脂ケース2の側壁上面上に複数の外部電極11が設けられる。図2では複数の外部電極11として2つの外部電極11を図示している。なお、樹脂ケース2は、PPS(Poly Phenylene Sulfide)やPBT(PolyButylen Terefthalate)等の耐熱性の高い樹脂を構成材料としている。 The resin case 2 has a rectangular frame structure with four side walls when viewed in the XY plane, and is provided on the peripheral region of the first main surface of the metal base plate 1. A plurality of external electrodes 11 are provided on the upper surfaces of the side walls of the resin case 2. Figure 2 illustrates two external electrodes 11 as the plurality of external electrodes 11. The resin case 2 is made of a highly heat-resistant resin such as PPS (Poly Phenylene Sulfide) or PBT (Poly Butylen Terefthalate).
金属ベース板1及び樹脂ケース2の組合せにより、金属ベース板1を底面とし、樹脂ケース2を側面とした、内部に収容領域を有する上部解放型の筐体が構成される。 The combination of the metal base plate 1 and the resin case 2 forms an open-top housing with an internal storage area, with the metal base plate 1 as the bottom and the resin case 2 as the side.
複数の外部電極11に対応して樹脂ケース2を側壁内面から内側にかけて複数の中間接続部材21が設けられる。図2では複数の中間接続部材21として2つの中間接続部材21を図示している。複数の外部電極11と複数の中間接続部材21との間で対応する外部電極11と中間接続部材21とが埋込接続線22を介して電気的に接続される。埋込接続線22は樹脂ケース2の側壁内部に埋め込まれて設けられる。このように、複数の外部電極11と複数の中間接続部材21と複数の埋込接続線22とが1対1に対応している。 A plurality of intermediate connection members 21 are provided in the resin case 2 from the inner surface of the side wall to the inside, corresponding to the plurality of external electrodes 11. In Figure 2, two intermediate connection members 21 are illustrated as the plurality of intermediate connection members 21. Corresponding external electrodes 11 and intermediate connection members 21 are electrically connected via embedded connection wires 22 between the plurality of external electrodes 11 and the plurality of intermediate connection members 21. The embedded connection wires 22 are embedded within the side wall of the resin case 2. In this way, there is a one-to-one correspondence between the plurality of external electrodes 11, the plurality of intermediate connection members 21, and the plurality of embedded connection wires 22.
金属ベース板1の第1主面上に絶縁回路基板3が設けられる。絶縁回路基板3は、金属ベース板1及び樹脂ケース2の組合せによる収容領域内に収まる態様で設けられる。An insulating circuit board 3 is provided on the first main surface of the metal base plate 1. The insulating circuit board 3 is provided in a manner that fits within the accommodating area formed by the combination of the metal base plate 1 and the resin case 2.
絶縁回路基板3は、絶縁層30と絶縁層30の両面に設けられた回路パターン5との組合せ構造の基板である。絶縁層30は、窒化アルミニウムや窒化ケイ素などの熱伝導性に優れたセラミックや樹脂等を構成材料としている。The insulating circuit board 3 is a substrate having a combined structure of an insulating layer 30 and a circuit pattern 5 provided on both sides of the insulating layer 30. The insulating layer 30 is made of a ceramic with excellent thermal conductivity, such as aluminum nitride or silicon nitride, or a resin.
絶縁層30の両面に回路パターン5が設けられる。回路パターン5はアルミ合金や銅等を構成材料としている。なお、図2及び図3並びに以降で示す断面図では、絶縁層30の第2主面上に設けられる回路パターン5の図示を省略している。 Circuit patterns 5 are provided on both sides of the insulating layer 30. The circuit patterns 5 are made of aluminum alloy, copper, or other materials. Note that in Figures 2 and 3 and the cross-sectional views shown below, the circuit patterns 5 provided on the second main surface of the insulating layer 30 are not shown.
さらに、回路パターン5の第1主面上に導電性接合材10を介して複数の半導体素子6が設けられる。図1~図3では複数の半導体素子として2つの半導体素子6を図示している。導電性接合材10ははんだや軟ろう等を構成材料としている。したがって、絶縁回路基板3の回路パターン5と複数の半導体素子6とは導電性接合材10を介して接合される。 Furthermore, a plurality of semiconductor elements 6 are provided on the first main surface of the circuit pattern 5 via a conductive adhesive 10. Figures 1 to 3 illustrate two semiconductor elements 6 as the plurality of semiconductor elements. The conductive adhesive 10 is made of solder, soft solder, or the like. Therefore, the circuit pattern 5 of the insulating circuit board 3 and the plurality of semiconductor elements 6 are bonded via the conductive adhesive 10.
複数の半導体素子6はそれぞれ電気的接続部材7を介して中間接続部材21に電気的に接続される。したがって、複数の半導体素子6の通電動作時に流れる信号を複数の外部電極11から得ることができる。 The multiple semiconductor elements 6 are each electrically connected to the intermediate connection member 21 via the electrical connection member 7. Therefore, signals that flow when the multiple semiconductor elements 6 are energized can be obtained from the multiple external electrodes 11.
なお、複数の半導体素子6それぞれとして、シリコン(Si)素材のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、ダイオード、逆導通IGBTが用いられることが多い。さらに、複数の半導体素子6それぞれとして、窒化ガリウム(GaN)系の様なSiに比べてバンドギャップの大きい素材を構成材料としたMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)やショットキーダイオード等を用いても良い。 It should be noted that silicon (Si) IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), diodes, and reverse conducting IGBTs are often used as each of the multiple semiconductor elements 6. Furthermore, each of the multiple semiconductor elements 6 may also be a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) or Schottky diode made of a material with a larger band gap than Si, such as gallium nitride (GaN).
また、絶縁回路基板3の第1主面側に搭載される半導体素子6の個数は限定されず、用途に応じて必要な個数の半導体素子6が搭載される。すなわち、実施の形態1の半導体装置51は少なくとも一つの半導体素子6を有しておれば良い。 Furthermore, the number of semiconductor elements 6 mounted on the first main surface of the insulating circuit board 3 is not limited, and the required number of semiconductor elements 6 may be mounted depending on the application. In other words, the semiconductor device 51 of embodiment 1 is required to have at least one semiconductor element 6.
以下、絶縁回路基板3、複数の半導体素子6及び複数の導電性接合材10を含む構造体を「中間構造体」と称する場合がある。 Hereinafter, the structure including the insulating circuit board 3, multiple semiconductor elements 6, and multiple conductive bonding materials 10 may be referred to as the "intermediate structure."
また、実施の形態1の半導体装置51では、電気的接続部材7を模式的に示している。すなわち、電気的接続部材7は、超音波ワイヤボンディング処理によりボンディング固定されるワイヤ等の線状接続部材と、主要部が板状に形成される板状接続部材とを含んでいる。図1~図3では電気的接続部材7を線状接続部材として図示している。 In addition, in the semiconductor device 51 of embodiment 1, the electrical connection member 7 is shown schematically. That is, the electrical connection member 7 includes a linear connection member such as a wire that is bonded and fixed by ultrasonic wire bonding processing, and a plate-shaped connection member whose main portion is formed in a plate shape. In Figures 1 to 3, the electrical connection member 7 is shown as a linear connection member.
このような構成において、複数の半導体素子6、電気的接続部材7、絶縁回路基板3の回路パターン5部分を含んで主電流回路が構成される。主電流回路は複数の半導体素子6の通電動作時に主要な電流が流れる回路となる。 In this configuration, a main current circuit is formed including multiple semiconductor elements 6, electrical connection members 7, and the circuit pattern 5 portion of the insulating circuit board 3. The main current circuit is the circuit through which the main current flows when the multiple semiconductor elements 6 are energized.
実施の形態1の半導体装置51は放熱用部材4をさらに備えることを特徴としている。放熱用部材4は導電性を有し、複数の柱部4bと複数の柱部4b間に設けられた1つの板部4aとを含み、図3に示すようにXZ断面において平門型を呈している。図3では複数の柱部4bとして2つの柱部4bを図示している。放熱用部材4の板部4aは、図1に示すようにXY平面で平面視して矩形状を呈している。 The semiconductor device 51 of embodiment 1 is characterized by further including a heat dissipation member 4. The heat dissipation member 4 is conductive, includes multiple pillars 4b and one plate 4a provided between the multiple pillars 4b, and has a flat gate shape in the XZ cross section as shown in Figure 3. Figure 3 illustrates two pillars 4b as the multiple pillars 4b. The plate 4a of the heat dissipation member 4 has a rectangular shape when viewed in plan in the XY plane as shown in Figure 1.
また、図3に示すように板部4aの第2主面と中間構造体を構成する各部品の第1主面とが対向するように配置される。具体的には、放熱用部材4の板部4aは、図2及び図3に示すように、絶縁回路基板3及び複数の半導体素子6それぞれの第1主面から+Z方向に距離を隔てた位置に配置される。すなわち、絶縁回路基板3及び複数の半導体素子6に対し第1主面側に放熱用部材4の板部4aが位置している。 Furthermore, as shown in Figure 3, the second main surface of the plate portion 4a is arranged to face the first main surface of each component that constitutes the intermediate structure. Specifically, as shown in Figures 2 and 3, the plate portion 4a of the heat dissipation member 4 is arranged at a distance in the +Z direction from the first main surfaces of the insulating circuit board 3 and the multiple semiconductor elements 6. In other words, the plate portion 4a of the heat dissipation member 4 is located on the first main surface side of the insulating circuit board 3 and the multiple semiconductor elements 6.
そして、図3に示すように、複数の柱部4bが上記中間構造体に接触することなく、金属ベース板1の第1主面上に立設する態様で設けられる。すなわち、複数の柱部4bの一部もしくは全ての下方端部が金属ベース板1の第1主面上で接触している。このように、放熱用部材4は上記中間構造体を跨ぐ態様で金属ベース板1の第1主面上に設けられている。 As shown in Figure 3, the multiple pillars 4b are provided upright on the first main surface of the metal base plate 1 without contacting the intermediate structure. In other words, the lower ends of some or all of the multiple pillars 4b are in contact with the first main surface of the metal base plate 1. In this way, the heat dissipation member 4 is provided on the first main surface of the metal base plate 1 so as to straddle the intermediate structure.
そして、樹脂ケース2の収容領域を塞ぐように樹脂層である封止樹脂層8が設けられる。すなわち、収容領域が封止樹脂層8の充填により封止されている。このように、樹脂層である封止樹脂層8は、絶縁回路基板3、回路パターン5、複数の半導体素子6、複数の電気的接続部材7及び放熱用部材4を覆って、金属ベース板1の第1主面上に設けられる。 Then, a resin layer, encapsulating resin layer 8, is provided to seal the storage area of resin case 2. In other words, the storage area is sealed by filling it with encapsulating resin layer 8. In this way, encapsulating resin layer 8 is provided on the first main surface of metal base plate 1, covering insulated circuit board 3, circuit pattern 5, multiple semiconductor elements 6, multiple electrical connection members 7, and heat dissipation member 4.
封止樹脂層8は、シリコーンゲルやエポキシ樹脂を構成材料として用いることが多いがこれに限定されるものではなく、所望の弾性率、耐熱性、接着性、線膨張係数等の物性を有しているものであれば構成材料とすることができる。 The sealing resin layer 8 is often made of silicone gel or epoxy resin, but is not limited to these. Any material can be used as long as it has the desired physical properties such as elastic modulus, heat resistance, adhesiveness, and linear expansion coefficient.
したがって、放熱用部材4の板部4aの第2主面と上記中間構造体との間に封止樹脂層8が存在する。すなわち、板部4aの第2主面と複数の半導体素子6それぞれの第1主面との間に封止樹脂層8が存在する。Therefore, the sealing resin layer 8 is present between the second main surface of the plate portion 4a of the heat dissipation member 4 and the intermediate structure. In other words, the sealing resin layer 8 is present between the second main surface of the plate portion 4a and the first main surface of each of the multiple semiconductor elements 6.
さらに、ベース板である金属ベース板1の第2主面側に冷却機構9が取り付けられる。冷却機構9は水冷方式または空冷方式を採用し、金属ベース板1を冷却する冷却動作を実行する。したがって、放熱用部材4は、金属ベース板1を介して冷却機構9の冷却動作によって冷却される。 Furthermore, a cooling mechanism 9 is attached to the second main surface side of the metal base plate 1, which is the base plate. The cooling mechanism 9 employs a water-cooling method or an air-cooling method and performs a cooling operation to cool the metal base plate 1. Therefore, the heat dissipation member 4 is cooled by the cooling operation of the cooling mechanism 9 via the metal base plate 1.
放熱用部材4は、複数の半導体素子6の通電動作時において、放熱用部材4と複数の半導体素子6との間の封止樹脂層8が絶縁破壊を起こさないように、複数の半導体素子6から離れて設けられる。加えて、放熱用部材4は複数の半導体素子6から電気的に絶縁されており、放熱用部材4の電位は0Vに設定されている。放熱用部材4の電位設定は例えば金属ベース板1に基準電位である0Vを設定する等により行われる。 The heat dissipation member 4 is positioned away from the multiple semiconductor elements 6 to prevent dielectric breakdown of the sealing resin layer 8 between the heat dissipation member 4 and the multiple semiconductor elements 6 when current is applied to the multiple semiconductor elements 6. In addition, the heat dissipation member 4 is electrically insulated from the multiple semiconductor elements 6, and the potential of the heat dissipation member 4 is set to 0V. The potential of the heat dissipation member 4 is set, for example, by setting the metal base plate 1 to a reference potential of 0V.
以下、放熱用部材4の配置について詳述する。例えば、封止樹脂層8が絶縁破壊電圧20kV/mmの封止樹脂を構成材料としており、複数の半導体素子6の動作電圧が600Vの場合、複数の半導体素子6の通電動作時において、複数の半導体素子6と放熱用部材4との間に30μmを超える絶縁距離分、離れた位置に放熱用部材4が設けられる。「30μm」は、動作電圧600Vを絶縁破壊電圧20kV/mmで除算して得られた値である。すなわち、「絶縁距離」は2つのファクター(封止樹脂層8の絶縁破壊電圧、半導体素子6の導電動作時の電圧)から算出することができる。The placement of the heat dissipation member 4 will be described in detail below. For example, if the encapsulating resin layer 8 is made of an encapsulating resin with a breakdown voltage of 20 kV/mm and the operating voltage of the semiconductor elements 6 is 600 V, the heat dissipation member 4 is positioned at an insulation distance of more than 30 μm between the semiconductor elements 6 and the heat dissipation member 4 when the semiconductor elements 6 are in electrical conduction. "30 μm" is the value obtained by dividing the operating voltage of 600 V by the breakdown voltage of 20 kV/mm. In other words, the "insulation distance" can be calculated from two factors (the breakdown voltage of the encapsulating resin layer 8 and the voltage when the semiconductor elements 6 are in electrical conduction operation).
具体的には、Z方向で対向する放熱用部材4における板部4aの第2主面と複数の半導体素子6それぞれの第1主面との距離が上記絶縁距離を満足するように設定される。加えて、複数の柱部4bそれぞれと複数の半導体素子6それぞれの側面との最短距離が上記絶縁距離を満足するように設定される。Specifically, the distance between the second main surface of the plate portion 4a of the heat dissipation member 4, which faces each other in the Z direction, and the first main surface of each of the multiple semiconductor elements 6 is set to satisfy the above-mentioned insulation distance. In addition, the shortest distance between each of the multiple column portions 4b and the side surface of each of the multiple semiconductor elements 6 is set to satisfy the above-mentioned insulation distance.
なお、複数の柱部4bそれぞれと複数の回路パターン5それぞれの側面との最短距離が上記絶縁距離を満足するように設定され、複数の電気的接続部材7それぞれと放熱用部材4との最短距離が上記絶縁距離を満足するように設定されることが望ましい。 It is desirable that the shortest distance between each of the multiple pillar portions 4b and the side of each of the multiple circuit patterns 5 be set so as to satisfy the above-mentioned insulation distance, and that the shortest distance between each of the multiple electrical connection members 7 and the heat dissipation member 4 be set so as to satisfy the above-mentioned insulation distance.
また、板部4a及び複数の柱部4bはそれぞれ複数の半導体素子6のいずれとも接触関係を有さないように配置し、放熱用部材4と複数の半導体素子6との間に封止樹脂層8を設けることにより、放熱用部材4は複数の半導体素子6と電気的に絶縁されている。 In addition, the plate portion 4a and the multiple pillar portions 4b are positioned so that they do not come into contact with any of the multiple semiconductor elements 6, and by providing an encapsulating resin layer 8 between the heat dissipation member 4 and the multiple semiconductor elements 6, the heat dissipation member 4 is electrically insulated from the multiple semiconductor elements 6.
このように、実施の形態1の半導体装置51における放熱用部材4は、複数の半導体素子6から電気的に絶縁されているため、放熱用部材4の存在により、複数の半導体素子6の動作時に電気的損失が発生することはない。 As such, the heat dissipation member 4 in the semiconductor device 51 of embodiment 1 is electrically insulated from the multiple semiconductor elements 6, and therefore the presence of the heat dissipation member 4 does not cause electrical loss when the multiple semiconductor elements 6 are operating.
加えて、放熱用部材4は、複数の半導体素子6の通電動作時において樹脂層である封止樹脂層8が絶縁破壊を起こさないように、複数の半導体素子から絶縁距離分、離れて設けられているため、複数の半導体素子の通電動作時に封止樹脂層8に絶縁破壊を生じさせることはない。 In addition, the heat dissipation member 4 is positioned an insulating distance away from the multiple semiconductor elements 6 to prevent dielectric breakdown in the sealing resin layer 8, which is a resin layer, when current is applied to the multiple semiconductor elements 6. Therefore, dielectric breakdown does not occur in the sealing resin layer 8 when current is applied to the multiple semiconductor elements.
一方、放熱用部材4は冷却機構9の冷却動作によって金属ベース板1を介して冷却されている。したがって、放熱用部材4は、複数の半導体素子6の通電動作時に封止樹脂層8に蓄積される熱を、放熱用部材4及び金属ベース板1を含む放熱経路を介して放熱させる放熱機能を発揮することができる。 On the other hand, the heat dissipation member 4 is cooled via the metal base plate 1 by the cooling action of the cooling mechanism 9. Therefore, the heat dissipation member 4 can perform a heat dissipation function by dissipating the heat accumulated in the sealing resin layer 8 when the multiple semiconductor elements 6 are energized, via a heat dissipation path including the heat dissipation member 4 and the metal base plate 1.
すなわち、放熱用部材4の板部4aの第2主面は封止樹脂層8と接触しているため、放熱用部材4の上述した放熱機能によって、封止樹脂層8内に蓄積された熱を効果的に放熱させることができる。 In other words, since the second main surface of the plate portion 4a of the heat dissipation member 4 is in contact with the sealing resin layer 8, the heat accumulated in the sealing resin layer 8 can be effectively dissipated by the above-mentioned heat dissipation function of the heat dissipation member 4.
このように、実施の形態1の半導体装置51は、放熱用部材4による放熱機能により、封止樹脂層8の各部品との熱膨張係数差による影響を緩和して、複数の半導体素子6、絶縁回路基板3及び金属ベース板1それぞれと封止樹脂層8との界面剥離を確実に回避することができる。 In this way, the semiconductor device 51 of embodiment 1 can mitigate the effects of differences in thermal expansion coefficients between the sealing resin layer 8 and each of the components through the heat dissipation function of the heat dissipation member 4, thereby reliably avoiding interfacial peeling between the sealing resin layer 8 and each of the multiple semiconductor elements 6, the insulating circuit board 3, and the metal base plate 1.
その結果、実施の形態1の半導体装置51は、複数の半導体素子6の通電動作時に電気的損失を発生させることなく、装置の信頼性を高めることができる。 As a result, the semiconductor device 51 of embodiment 1 can improve the reliability of the device without generating electrical losses when multiple semiconductor elements 6 are energized.
また、実施の形態1の半導体装置51において、複数の電気的接続部材7の配置に制約が課されていないため、複数の電気的接続部材7の配置の自由度は比較的高い。 Furthermore, in the semiconductor device 51 of embodiment 1, since no restrictions are imposed on the arrangement of the multiple electrical connection members 7, the degree of freedom in the arrangement of the multiple electrical connection members 7 is relatively high.
加えて、実施の形態1の半導体装置51は、封止樹脂層8の第1主面側を放熱用部材4、金属ベース板1及び冷却機構9の放熱経路で冷却する第1の冷却動作と、封止樹脂層8の第2主面側を絶縁回路基板3、金属ベース板1及び冷却機構9の放熱経路で冷却する第2の冷却動作とを併せて実行することにより、封止樹脂層8に対し両面冷却方式の冷却動作を行うことができる。 In addition, the semiconductor device 51 of embodiment 1 can perform a double-sided cooling operation on the sealing resin layer 8 by simultaneously performing a first cooling operation in which the first main surface side of the sealing resin layer 8 is cooled by the heat dissipation path of the heat dissipation member 4, the metal base plate 1, and the cooling mechanism 9, and a second cooling operation in which the second main surface side of the sealing resin layer 8 is cooled by the heat dissipation path of the insulating circuit board 3, the metal base plate 1, and the cooling mechanism 9.
このように、実施の形態1の半導体装置51は上述した第1及び第2の冷却動作を含む両面冷却方式の冷却動作を実行することにより、封止樹脂層8に蓄積される熱を効果的に放熱して封止樹脂層8の各構成部との熱膨張係数差による影響を緩和することができる。 In this way, by performing the double-sided cooling operation including the first and second cooling operations described above, the semiconductor device 51 of embodiment 1 can effectively dissipate the heat accumulated in the sealing resin layer 8 and mitigate the effects of differences in thermal expansion coefficients between the sealing resin layer 8 and each component part.
また、実施の形態1の半導体装置51は、1つの冷却機構9によって上述した両面冷却方式の冷却動作を実行することにより、装置構成の簡略化を図ることができる。 In addition, the semiconductor device 51 of embodiment 1 can simplify the device configuration by performing the cooling operation of the above-mentioned double-sided cooling method using a single cooling mechanism 9.
なお、実施の形態1の半導体装置51として複数の半導体素子6を有する構造を示したが、1つの半導体素子6を有する構造でも同様な効果を発揮することができる。すなわち、実施の形態1の半導体装置51は、少なくとも一つの半導体素子6を有する構造に適用することができる。 Although the semiconductor device 51 of embodiment 1 has been shown to have a structure having multiple semiconductor elements 6, the same effect can be achieved with a structure having one semiconductor element 6. In other words, the semiconductor device 51 of embodiment 1 can be applied to a structure having at least one semiconductor element 6.
<実施の形態2>
図4は本開示の実施の形態2である半導体装置52の上面構造を示す平面図である。図4にXYZ直交座標系を記している。なお、図4は半導体装置52の内部構造を明確に示すべく封止樹脂層8の図示を省略している。すなわち、図4は封止樹脂層8による樹脂封止が行われる前の状態を示している。
<Second Embodiment>
Fig. 4 is a plan view showing the top surface structure of a semiconductor device 52 according to a second embodiment of the present disclosure. An XYZ Cartesian coordinate system is depicted in Fig. 4. Note that Fig. 4 does not show the sealing resin layer 8 in order to clearly show the internal structure of the semiconductor device 52. In other words, Fig. 4 shows the state before resin sealing with the sealing resin layer 8 is performed.
以下、図1~図3で示した半導体装置51と同様な構成部は同一符号を付し説明を適宜省略し、実施の形態2の半導体装置52の特徴部分を中心に説明する。 In the following, components similar to those of the semiconductor device 51 shown in Figures 1 to 3 will be given the same symbols and descriptions will be omitted as appropriate, and the description will focus on the characteristic parts of the semiconductor device 52 of embodiment 2.
実施の形態2の半導体装置52は、放熱用部材4を放熱用部材42に置き換えた構造を呈している。 The semiconductor device 52 of embodiment 2 has a structure in which the heat dissipation member 4 is replaced with a heat dissipation member 42.
放熱用部材42は導電性を有し、複数の柱部42b(図示せず)と複数の柱部42b間に設けられた板部42aとを含んでいる。放熱用部材42の板部42aは、図4に示すように平面視して矩形状を呈し、平面視して複数の半導体素子6の大部分と重複するように配置される。具体的には、複数の半導体素子6の第1主面上における複数の電気的接続部材7との接合領域を除き、放熱用部材42の板部42aは平面視して複数の半導体素子6の第1主面と重複している。 The heat dissipation member 42 is conductive and includes a plurality of pillars 42b (not shown) and a plate 42a disposed between the pillars 42b. As shown in FIG. 4, the plate 42a of the heat dissipation member 42 has a rectangular shape in plan view and is positioned so as to overlap most of the semiconductor elements 6 in plan view. Specifically, except for the bonding areas with the electrical connection members 7 on the first main surfaces of the semiconductor elements 6, the plate 42a of the heat dissipation member 42 overlaps the first main surfaces of the semiconductor elements 6 in plan view.
放熱用部材42は、実施の形態1の放熱用部材4と同様、板部42aの第2主面と中間構造体の第1主面とが対向するように配置される。したがって、放熱用部材42の板部42aは、絶縁回路基板3及び複数の半導体素子6それぞれの第1主面から+Z方向に距離を隔てた位置に配置される。すなわち、絶縁回路基板3及び複数の半導体素子6に対し第1主面側に放熱用部材42の板部42aが位置している。 Like the heat dissipation member 4 of embodiment 1, the heat dissipation member 42 is arranged so that the second main surface of the plate portion 42a faces the first main surface of the intermediate structure. Therefore, the plate portion 42a of the heat dissipation member 42 is arranged at a distance in the +Z direction from the first main surfaces of the insulating circuit board 3 and the multiple semiconductor elements 6. In other words, the plate portion 42a of the heat dissipation member 42 is located on the first main surface side of the insulating circuit board 3 and the multiple semiconductor elements 6.
そして、複数の柱部42bは、実施の形態1の複数の柱部4bと同様、金属ベース板1の第1主面上に立設する態様で設けられる。すなわち、放熱用部材42は、実施の形態1の放熱用部材4と同様、中間構造体を跨ぐ態様で金属ベース板1の第1主面上に設けられている。 The plurality of pillars 42b are provided in a manner that they stand upright on the first main surface of the metal base plate 1, similar to the plurality of pillars 4b in embodiment 1. That is, the heat dissipation member 42 is provided on the first main surface of the metal base plate 1 in a manner that straddles the intermediate structure, similar to the heat dissipation member 4 in embodiment 1.
そして、放熱用部材42は、実施の形態1の放熱用部材4と同様、複数の半導体素子6の通電動作時において、放熱用部材42と複数の半導体素子6との間の封止樹脂層8が絶縁破壊を起こさないように、複数の半導体素子6から離れて設けられる。さらに、放熱用部材42は、実施の形態1の放熱用部材4と同様、複数の半導体素子6から電気的に絶縁されている。 The heat dissipation member 42, like the heat dissipation member 4 in embodiment 1, is located away from the semiconductor elements 6 so that the sealing resin layer 8 between the heat dissipation member 42 and the semiconductor elements 6 does not undergo dielectric breakdown when the semiconductor elements 6 are energized. Furthermore, like the heat dissipation member 4 in embodiment 1, the heat dissipation member 42 is electrically insulated from the semiconductor elements 6.
このような構成において、複数の半導体素子6の通電動作時の熱は、封止樹脂層8を介し半導体装置52の全体に伝搬される。 In this configuration, heat generated when multiple semiconductor elements 6 are energized is transmitted throughout the entire semiconductor device 52 via the sealing resin layer 8.
実施の形態2の半導体装置52において、複数の半導体素子6それぞれの第1主面の大部分と板部42aの第2主面とが対向している。このため、放熱用部材42、金属ベース板1、及び冷却機構9を含む放熱経路で冷却する第1の冷却動作によって、複数の半導体素子6から発生して封止樹脂層8に伝搬される熱を放熱して、複数の半導体素子6に近い封止樹脂層8の領域の温度上昇を最小限に抑えることができる。In the semiconductor device 52 of the second embodiment, most of the first main surface of each of the plurality of semiconductor elements 6 faces the second main surface of the plate portion 42a. Therefore, the first cooling operation, which cools along a heat dissipation path including the heat dissipation member 42, the metal base plate 1, and the cooling mechanism 9, dissipates heat generated from the plurality of semiconductor elements 6 and propagated to the encapsulating resin layer 8, thereby minimizing the temperature rise in the region of the encapsulating resin layer 8 close to the plurality of semiconductor elements 6.
したがって、実施の形態2の半導体装置52は、実施の形態1の半導体装置51と同様、複数の半導体素子6の動作時に電気的損失を発生させることなく、装置の信頼性を高めることができる。 Therefore, like the semiconductor device 51 of embodiment 1, the semiconductor device 52 of embodiment 2 can improve the reliability of the device without generating electrical losses during operation of the multiple semiconductor elements 6.
加えて、実施の形態2の半導体装置52は、実施の形態1と同様、1つの冷却機構9によって上述した両面冷却方式の冷却動作を実行することにより、装置構成の簡略化を図ることができる。 In addition, the semiconductor device 52 of embodiment 2, like embodiment 1, can simplify the device configuration by performing the cooling operation of the above-mentioned double-sided cooling method using a single cooling mechanism 9.
また、複数の半導体素子6は通電動作時に発熱状態となり、複数の半導体素子6と平面視重複する金属ベース板1の反り発生領域における反りが生じ易くなる。 In addition, the multiple semiconductor elements 6 generate heat when power is applied, making it easier for warping to occur in the warping areas of the metal base plate 1 that overlap with the multiple semiconductor elements 6 in a planar view.
一方、放熱用部材42の板部42aの第2主面は、複数の半導体素子6それぞれの第1主面の大部分と平面視して重複して比較的広い面積で設けられており、かつ、複数の柱部42bが金属ベース板1の第1主面上に設けられるため、主として柱部42bの働きにより、金属ベース板1の上記反り発生領域における反り変動を抑制することができる。 On the other hand, the second main surface of the plate portion 42a of the heat dissipation member 42 is provided over a relatively large area, overlapping most of the first main surface of each of the multiple semiconductor elements 6 in a planar view, and multiple column portions 42b are provided on the first main surface of the metal base plate 1, so that warpage fluctuations in the above-mentioned warpage-occurring region of the metal base plate 1 can be suppressed mainly by the action of the column portions 42b.
その結果、実施の形態2の半導体装置52は、装置全体の反り発生要因となる金属ベース板1の反り発生を抑制し、金属ベース板1の反り変動による封止樹脂層8と金属ベース板1との界面剥離を防止することにより、装置の信頼性をより高めることができる。 As a result, the semiconductor device 52 of embodiment 2 can further improve the reliability of the device by suppressing warping of the metal base plate 1, which is a factor in causing warping of the entire device, and preventing interfacial peeling between the sealing resin layer 8 and the metal base plate 1 due to fluctuations in warping of the metal base plate 1.
なお、金属ベース板1の上記反り発生領域における反り変動を効果的に抑制するために、放熱用部材42の板部42aの第2主面は、複数の半導体素子6の第1主面における面積総和の1/2以上で平面視して重複することが望ましい。板部42aを上記構造で設けることにより、板部42aの面積及び体積が拡張するため、金属ベース板1の反り変動抑制効果を高めることが期待できる。 In order to effectively suppress warpage fluctuations in the warpage-occurring region of the metal base plate 1, it is desirable that the second main surface of the plate portion 42a of the heat dissipation member 42 overlap in a planar view by at least half the total area of the first main surfaces of the multiple semiconductor elements 6. By providing the plate portion 42a with the above structure, the area and volume of the plate portion 42a are expanded, which is expected to enhance the warpage fluctuation suppression effect of the metal base plate 1.
なお、実施の形態2の半導体装置52においても、実施の形態1と同様、少なくとも一つの半導体素子6を有する構造に適用することができる。 In addition, the semiconductor device 52 of embodiment 2 can also be applied to a structure having at least one semiconductor element 6, as in embodiment 1.
<実施の形態3>
図5は本開示の実施の形態3である半導体装置53の断面構造を示す断面図である。図5にXYZ直交座標系を記している。なお、図5は、図1で示した半導体装置51のA-A断面に対応している。
<Third Embodiment>
5 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a semiconductor device 53 according to a third embodiment of the present disclosure. An XYZ orthogonal coordinate system is depicted in FIG. 5. Note that FIG. 5 corresponds to the AA cross section of the semiconductor device 51 shown in FIG.
以下、図1~図3で示した半導体装置51と同様な部品は同一符号を付し説明を適宜省略し、実施の形態3の半導体装置53の特徴部分を中心に説明する。 In the following, parts similar to those of the semiconductor device 51 shown in Figures 1 to 3 will be given the same symbols and descriptions will be omitted as appropriate, and the description will focus on the characteristic features of the semiconductor device 53 of embodiment 3.
実施の形態3の半導体装置53は、放熱用部材4を放熱用部材43に置き換えた構造を呈している。 The semiconductor device 53 of embodiment 3 has a structure in which the heat dissipation member 4 is replaced with a heat dissipation member 43.
放熱用部材43は導電性を有し、複数の柱部43b(図示せず)と複数の柱部43b間に設けられた板部43aとを含んでいる。放熱用部材43の形状は実施の形態1の放熱用部材4と実質的に同じであり、複数の柱部43bが複数の柱部4bに対応し、板部43aが板部4aに対応している。The heat dissipation member 43 is electrically conductive and includes multiple pillars 43b (not shown) and plate portions 43a provided between the multiple pillars 43b. The shape of the heat dissipation member 43 is substantially the same as the heat dissipation member 4 of embodiment 1, with the multiple pillars 43b corresponding to the multiple pillars 4b and the plate portions 43a corresponding to the plate portions 4a.
したがって、放熱用部材43は、実施の形態1の放熱用部材4と同様、複数の半導体素子6の通電動作時において、放熱用部材43と複数の半導体素子6との間の封止樹脂層8が絶縁破壊を起こさないように、複数の半導体素子6から離れて設けられる。さらに、放熱用部材43は、実施の形態1の放熱用部材4と同様、複数の半導体素子6から電気的に絶縁されている。Therefore, similar to the heat dissipation member 4 of embodiment 1, the heat dissipation member 43 is provided at a distance from the semiconductor elements 6 so that the sealing resin layer 8 between the heat dissipation member 43 and the semiconductor elements 6 does not undergo dielectric breakdown when the semiconductor elements 6 are energized. Furthermore, similar to the heat dissipation member 4 of embodiment 1, the heat dissipation member 43 is electrically insulated from the semiconductor elements 6.
前述したように、半導体装置53は、複数の半導体素子6、複数の電気的接続部材7、絶縁回路基板3、金属ベース板1等の多種の部品を使用しており、それぞれ熱膨張係数が異なる。 As mentioned above, the semiconductor device 53 uses a variety of components, such as multiple semiconductor elements 6, multiple electrical connection members 7, an insulating circuit board 3, and a metal base plate 1, each of which has a different thermal expansion coefficient.
複数の電気的接続部材7は、導電性を有する第1の材料を構成材料とし、複数の半導体素子6と電気的に接続されている。 The multiple electrical connection members 7 are made of a conductive first material and are electrically connected to the multiple semiconductor elements 6.
実施の形態3では、放熱用部材43の構成材料を半導体装置53に使用される材質に合わせることで半導体装置53内の熱膨張係数の不一致を少なくしている。 In embodiment 3, the constituent material of the heat dissipation member 43 is matched to the material used in the semiconductor device 53, thereby reducing the mismatch in thermal expansion coefficients within the semiconductor device 53.
例えば、電気的接続部材7の構成材料となる第1の材料がアルミまたは銅であった場合、放熱用部材43の構成材料も、アルミまたは銅の第1の材料とする。放熱用部材43の構成材料として、第1の材料であるアルミ、銅等の熱伝導率の良い材料を使用することにより、封止樹脂層8を効率よく冷却することができる。For example, if the first material constituting the electrical connection member 7 is aluminum or copper, the first material constituting the heat dissipation member 43 is also aluminum or copper. By using a first material with good thermal conductivity, such as aluminum or copper, as the first material constituting the heat dissipation member 43, the sealing resin layer 8 can be cooled efficiently.
このように、実施の形態3の半導体装置53は、導電性を有する第1の材料を構成材料とした電気的接続部材7に対し、放熱用部材43の構成材料を電気的接続部材7と同じ第1の材料としたことを特徴としている。第1の材料としては上述したアルミ、銅等が含まれる。 In this way, the semiconductor device 53 of embodiment 3 is characterized in that the constituent material of the heat dissipation member 43 is the same first material as the constituent material of the electrical connection member 7, which is made of a conductive first material. Examples of the first material include aluminum, copper, etc., as described above.
放熱用部材43は、実施の形態1の放熱用部材4と同様、複数の半導体素子6の通電動作時において、放熱用部材43と複数の半導体素子6との間の封止樹脂層8が絶縁破壊を起こさないように、複数の半導体素子6から離れて設けられる。さらに、放熱用部材43は、実施の形態1の放熱用部材4と同様、複数の半導体素子6から電気的に絶縁されている。 Like the heat dissipation member 4 in embodiment 1, the heat dissipation member 43 is positioned away from the semiconductor elements 6 so that the sealing resin layer 8 between the heat dissipation member 43 and the semiconductor elements 6 does not undergo dielectric breakdown when the semiconductor elements 6 are energized. Furthermore, like the heat dissipation member 4 in embodiment 1, the heat dissipation member 43 is electrically insulated from the semiconductor elements 6.
したがって、実施の形態3の半導体装置53は、実施の形態1と同様、複数の半導体素子6の動作時に電気的損失を発生させることなく、装置の信頼性を高めることができる。 Therefore, like embodiment 1, the semiconductor device 53 of embodiment 3 can improve the reliability of the device without generating electrical losses when the multiple semiconductor elements 6 are operating.
加えて、実施の形態3の半導体装置53は、実施の形態1と同様、1つの冷却機構9によって上述した両面冷却方式の冷却動作を実行することにより、装置構成の簡略化を図ることができる。 In addition, the semiconductor device 53 of embodiment 3, like embodiment 1, can simplify the device configuration by performing the cooling operation of the above-mentioned double-sided cooling method using a single cooling mechanism 9.
さらに、実施の形態3の半導体装置53は、電気的接続部材である電気的接続部材7の構成材料と放熱用部材43の構成材料とを共に同じ第1の材料としているため、複数の電気的接続部材7それぞれと放熱用部材43とは共に同一の熱膨張係数となる。 Furthermore, in the semiconductor device 53 of embodiment 3, the constituent material of the electrical connection member 7, which is an electrical connection member, and the constituent material of the heat dissipation member 43 are both the same first material, so that each of the multiple electrical connection members 7 and the heat dissipation member 43 have the same thermal expansion coefficient.
その結果、実施の形態3の半導体装置53は、封止樹脂層8内における複数の電気的接続部材7と放熱用部材43と間の熱膨張係数の差を“0”にすることができる。このため、実施の形態3の半導体装置53は、複数の電気的接続部材7と放熱用部材43との間の封止樹脂層8において熱膨張係数の差による影響を生じせることなく、放熱用部材43による放熱効果を高めて封止樹脂層8を効率良く冷却することができる。As a result, the semiconductor device 53 of embodiment 3 can reduce the difference in thermal expansion coefficient between the plurality of electrical connection members 7 and the heat dissipation member 43 within the sealing resin layer 8 to "0." Therefore, the semiconductor device 53 of embodiment 3 can enhance the heat dissipation effect of the heat dissipation member 43 and efficiently cool the sealing resin layer 8 without being affected by the difference in thermal expansion coefficient between the plurality of electrical connection members 7 and the heat dissipation member 43 in the sealing resin layer 8.
なお、実施の形態3の半導体装置53においても、実施の形態1及び実施の形態2と同様、少なくとも一つの半導体素子6を有する構造に適用することができる。 In addition, the semiconductor device 53 of embodiment 3 can also be applied to a structure having at least one semiconductor element 6, as in embodiments 1 and 2.
<実施の形態4>
図6は本開示の実施の形態4である半導体装置54の上面構造を示す平面図である。図7は図6で示す実施の形態4の半導体装置54のC-C断面構造を示す断面図である。図8は図6で示す実施の形態4の半導体装置54のD-D断面構造を示す断面図である。図6~図8それぞれにXYZ直交座標系を記している。なお、図6は半導体装置54の内部構造を明確に示すべく放熱用部材4及び封止樹脂層8の図示を省略している。
<Fourth Embodiment>
FIG. 6 is a plan view showing the top surface structure of a semiconductor device 54 according to a fourth embodiment of the present disclosure. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the CC cross-sectional structure of the semiconductor device 54 according to the fourth embodiment shown in FIG. 6. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the DD cross-sectional structure of the semiconductor device 54 according to the fourth embodiment shown in FIG. 6. An XYZ orthogonal coordinate system is depicted in each of FIGS. 6 to 8. Note that the heat dissipation member 4 and the sealing resin layer 8 are omitted from FIG. 6 to clearly show the internal structure of the semiconductor device 54.
以下、図1~図3で示した半導体装置51と同様な部品は同一符号を付し説明を適宜省略し、実施の形態4の半導体装置54の特徴部分を中心に説明する。 In the following, parts similar to those of the semiconductor device 51 shown in Figures 1 to 3 will be given the same symbols and descriptions will be omitted as appropriate, and the description will focus on the characteristic features of the semiconductor device 54 of embodiment 4.
実施の形態4の半導体装置54は、新たに金属リード配線部材12及び導電性接合材14を備え、放熱用部材4を放熱用部材44に置き換えた構造を呈している。 The semiconductor device 54 of embodiment 4 has a structure in which a metal lead wiring member 12 and a conductive bonding material 14 are newly provided, and the heat dissipation member 4 is replaced with a heat dissipation member 44.
放熱用部材44は導電性を有し、複数の柱部44b(図示せず)と複数の柱部44b間に設けられた板部44aとを含んでいる。放熱用部材44の板部44aは、平面視して矩形状を呈しており、かつ、図7に示すように、比較的広い放熱用部材形成領域R44を有している。The heat dissipation member 44 is electrically conductive and includes multiple pillars 44b (not shown) and plate portions 44a disposed between the pillars 44b. The plate portions 44a of the heat dissipation member 44 are rectangular in plan view and have a relatively large heat dissipation member forming region R44, as shown in Figure 7.
実施の形態4の半導体装置54は、図7及び図8に示すように、中間構造体と放熱用部材44との間に金属リード配線部材12及び複数の導電性接合材14をさらに有している。実施の形態4の半導体装置54では電気的接続部材7として、線状接続部材となる複数のワイヤ13と、板状接続部材となる金属リード配線部材12とを含んでいる。 As shown in Figures 7 and 8, the semiconductor device 54 of embodiment 4 further includes a metal lead wiring member 12 and multiple conductive bonding materials 14 between the intermediate structure and the heat dissipation member 44. The semiconductor device 54 of embodiment 4 includes, as the electrical connection member 7, multiple wires 13 that serve as linear connection members and a metal lead wiring member 12 that serves as a plate-shaped connection member.
複数の導電性接合材14は複数の半導体素子6に対応しており、金属リード配線部材12の第2主面が複数の導電性接合材14を介して複数の半導体素子6に電気的に接続される。すなわち、金属リード配線部材12は複数の導電性接合材14によって複数の半導体素子6と接合される。このように、複数の半導体素子6と複数の導電性接合材14とが1対1に対応している。なお、導電性接合材14ははんだや軟ろう等を構成材料としている。 The multiple conductive bonding materials 14 correspond to the multiple semiconductor elements 6, and the second main surface of the metal lead wiring member 12 is electrically connected to the multiple semiconductor elements 6 via the multiple conductive bonding materials 14. In other words, the metal lead wiring member 12 is bonded to the multiple semiconductor elements 6 by the multiple conductive bonding materials 14. In this way, there is a one-to-one correspondence between the multiple semiconductor elements 6 and the multiple conductive bonding materials 14. The conductive bonding materials 14 are made of solder, soft solder, or the like.
板状接続部材である金属リード配線部材12は平面視矩形状の板部12aと、図6に示すように、XY平面で平面視して板部12aの-Y方向側の辺の一部から-Y方向側に延在する接続部12bとを有している。板部12aが金属リード配線部材12の主要部となる。このように、金属リード配線部材12は主要部が板状で構成される板状接続部材である。 The metal lead wiring member 12, which is a plate-shaped connecting member, has a plate portion 12a that is rectangular in plan view, and a connection portion 12b that extends in the -Y direction from a portion of the -Y direction side of the plate portion 12a when viewed in the XY plane, as shown in Figure 6. The plate portion 12a is the main portion of the metal lead wiring member 12. In this way, the metal lead wiring member 12 is a plate-shaped connecting member whose main portion is configured in a plate shape.
図8に示すように、接続部12bは-Z方向に延びており、接続部12bの端部下端が絶縁回路基板3の回路パターン5の第1主面上に設けられる。したがって、金属リード配線部材12は接続部12bを介して回路パターン5と電気的に接続される。さらに、板部12aの第1主面と中間接続部材21とがワイヤ13を介して電気的に接続され、半導体素子6の第1主面と中間接続部材21とがワイヤ13を介して接続される。 As shown in Figure 8, the connection portion 12b extends in the -Z direction, and the lower end of the connection portion 12b is provided on the first main surface of the circuit pattern 5 of the insulating circuit board 3. Therefore, the metal lead wiring member 12 is electrically connected to the circuit pattern 5 via the connection portion 12b. Furthermore, the first main surface of the plate portion 12a and the intermediate connection member 21 are electrically connected via the wire 13, and the first main surface of the semiconductor element 6 and the intermediate connection member 21 are connected via the wire 13.
このように、金属リード配線部材12は、複数のワイヤ13、複数の半導体素子6、絶縁回路基板3の回路パターン5と共に主電流回路を構成している。特に、複数の導電性接合材14を介して複数の半導体素子6間に電流を流す板部12aの領域が主要配線領域R12となり、主要配線領域R12に比較的大きい電流が流れることが想定される。 In this way, the metal lead wiring member 12, together with the multiple wires 13, the multiple semiconductor elements 6, and the circuit pattern 5 of the insulating circuit board 3, constitutes a main current circuit. In particular, the area of the plate portion 12a through which current flows between the multiple semiconductor elements 6 via the multiple conductive bonding materials 14 becomes the main wiring region R12, and it is expected that a relatively large current will flow in the main wiring region R12.
なお、図6~図8に示すように、金属リード配線部材12の第1主面において平面視して複数の導電性接合材14のいずれかと重複する、または近い位置にある領域がワイヤ接合領域となる。ワイヤ接合領域内の少なくとも1箇所でワイヤ13を介して中間接続部材21と電気的に接続される。 As shown in Figures 6 to 8, the area on the first main surface of the metal lead wiring member 12 that overlaps or is close to one of the multiple conductive bonding materials 14 in a plan view is the wire bonding area. Electrical connection is made to the intermediate connection member 21 via the wire 13 at at least one location within the wire bonding area.
図7に示すように、中間接続部材21は埋込接続線22を介して外部電極11と電気的に接続されている。したがって、金属リード配線部材12のワイヤ接合領域は、ワイヤ13、中間接続部材21及び埋込接続線22を介して外部電極11と電気的に接続される。 As shown in Figure 7, the intermediate connection member 21 is electrically connected to the external electrode 11 via the buried connection wire 22. Therefore, the wire bonding region of the metal lead wiring member 12 is electrically connected to the external electrode 11 via the wire 13, the intermediate connection member 21, and the buried connection wire 22.
なお、図7では、外部電極11、中間接続部材21及び埋込接続線22をそれぞれ独立した部品として示しているが、外部電極11、中間接続部材21及び埋込接続線22を兼ねた金属板を樹脂ケース2内にインサート成形しても良い。 In Figure 7, the external electrode 11, intermediate connection member 21, and embedded connection wire 22 are shown as independent components, but a metal plate serving as the external electrode 11, intermediate connection member 21, and embedded connection wire 22 may also be insert-molded into the resin case 2.
金属リード配線部材12と外部電極11との電気的接続態様は、図6~図8で示した態様に限定されない。例えば、以下の第1~第3の接続態様が考えられる。 The electrical connection between the metal lead wiring member 12 and the external electrode 11 is not limited to the configurations shown in Figures 6 to 8. For example, the following first to third connection configurations are possible.
第1の接続態様は、金属リード配線部材12のワイヤ接合領域と外部電極11とをワイヤにより直接接続する態様である。 The first connection mode is a mode in which the wire bonding area of the metal lead wiring member 12 is directly connected to the external electrode 11 by a wire.
第2の接続態様は、ワイヤ13に替えて、例えばはんだや軟ろうなどの導電性接合材を用い、導電性接合部材によって金属リード配線部材12のワイヤ接合領域,中間接続部材21間を電気的に接続する態様である。 The second connection mode is a mode in which a conductive bonding material such as solder or soft solder is used instead of the wire 13, and the wire bonding area of the metal lead wiring member 12 and the intermediate connection member 21 are electrically connected by the conductive bonding member.
第3の接続態様は、板部12aを+X方向に沿って金属リード配線部材12の側壁に向けて延伸させ、樹脂ケース2の側壁内に設けられた埋込接続線22と板部12aとを接触させることにより、+X方向側に設けられた外部電極11及び埋込接続線22と板部12aとを一体化する態様である。 The third connection mode is a mode in which the plate portion 12a is extended along the +X direction toward the side wall of the metal lead wiring member 12, and the plate portion 12a is brought into contact with the embedded connection wire 22 provided within the side wall of the resin case 2, thereby integrating the external electrode 11 and embedded connection wire 22 provided on the +X direction side with the plate portion 12a.
以下、実施の形態4において、絶縁回路基板3、複数の半導体素子6、複数の導電性接合材10、金属リード配線部材12、及び複数の導電性接合材14を含む構造体を「拡張中間構造体」と称する場合がある。 Hereinafter, in embodiment 4, a structure including an insulating circuit board 3, a plurality of semiconductor elements 6, a plurality of conductive bonding materials 10, a metal lead wiring member 12, and a plurality of conductive bonding materials 14 may be referred to as an "extended intermediate structure."
放熱用部材44は、実施の形態1の放熱用部材4と同様、板部44aの第2主面と拡張中間構造体の第1主面とが対向するように配置される。したがって、放熱用部材44の板部44aは、金属リード配線部材12、絶縁回路基板3及び複数の半導体素子6それぞれの第1主面から距離を隔てた位置に配置される。 Like the heat dissipation member 4 of embodiment 1, the heat dissipation member 44 is positioned so that the second main surface of the plate portion 44a faces the first main surface of the expanded intermediate structure. Therefore, the plate portion 44a of the heat dissipation member 44 is positioned at a distance from the first main surfaces of the metal lead wiring member 12, the insulating circuit board 3, and the multiple semiconductor elements 6.
そして、放熱用部材44は、実施の形態1の放熱用部材4と同様、複数の柱部44bが金属ベース板1の第1主面上に立設する態様で設けられる。すなわち、放熱用部材44は、拡張中間構造体を跨ぐ態様で金属ベース板1の第1主面上に設けられている。 The heat dissipation member 44 is provided in a manner similar to the heat dissipation member 4 of embodiment 1, with multiple pillar portions 44b standing upright on the first main surface of the metal base plate 1. In other words, the heat dissipation member 44 is provided on the first main surface of the metal base plate 1 so as to straddle the extended intermediate structure.
そして、放熱用部材44は、複数の半導体素子6の通電動作時において、放熱用部材44と複数の半導体素子6との間の封止樹脂層8が絶縁破壊を起こさないように、金属リード配線部材12及び複数の半導体素子6から離れて設けられる。さらに、放熱用部材44は、金属リード配線部材12及び複数の半導体素子6から電気的に絶縁されている。The heat dissipation member 44 is located away from the metal lead wiring member 12 and the semiconductor elements 6 so that the sealing resin layer 8 between the heat dissipation member 44 and the semiconductor elements 6 does not undergo dielectric breakdown when the semiconductor elements 6 are energized. Furthermore, the heat dissipation member 44 is electrically insulated from the metal lead wiring member 12 and the semiconductor elements 6.
加えて、放熱用部材44の放熱用部材形成領域R44は金属リード配線部材12の主要配線領域R12を平面視して含んで配置される。すなわち、放熱用部材形成領域R44は主要配線領域R12より広い形状で、平面視して主要配線領域R12を全て含んでいる。 In addition, the heat dissipation member forming region R44 of the heat dissipation member 44 is arranged to include the main wiring region R12 of the metal lead wiring member 12 in a planar view. In other words, the heat dissipation member forming region R44 is wider than the main wiring region R12 and includes the entire main wiring region R12 in a planar view.
図6~図8で示した半導体装置54の構造では、複数の半導体素子6の第1主面上における複数の導電性接合材14による板部12aの第1主面との接合面積は、ワイヤ等の線状接続部材による配線構造と比較して大きいため、複数の半導体素子6の通電動作時に熱を多く伝搬する。 In the structure of the semiconductor device 54 shown in Figures 6 to 8, the bonding area between the first main surface of the plurality of semiconductor elements 6 and the first main surface of the plate portion 12a by the plurality of conductive bonding materials 14 is larger than that of a wiring structure using linear connecting members such as wires, and therefore, a large amount of heat is transmitted when the plurality of semiconductor elements 6 are electrically connected.
また、板状接続部材である金属リード配線部材12の体積はワイヤ13等の線状接続部材の体積と比較して大きい分、熱膨張量が大きいため、金属リード配線部材12の端部と封止樹脂層8との界面が剥離することにより、この剥離箇所を起点とした封止樹脂層8のクラックが発生しやすい。 In addition, the volume of the metal lead wiring member 12, which is a plate-shaped connecting member, is larger than the volume of linear connecting members such as the wire 13, and therefore has a large amount of thermal expansion.As a result, peeling occurs at the interface between the end of the metal lead wiring member 12 and the sealing resin layer 8, and cracks in the sealing resin layer 8 are likely to occur starting from this peeling point.
封止樹脂層8に発生したクラックが複数の半導体素子6のいずれかにまで進展すると、当該半導体素子6にダメージを与え、装置の信頼性が低下してしまう課題が存在する。 If a crack that occurs in the sealing resin layer 8 propagates to one of the multiple semiconductor elements 6, it can damage that semiconductor element 6, resulting in a decrease in the reliability of the device.
しかしながら、実施の形態4の半導体装置54は、放熱用部材44を含む放熱経路により封止樹脂層8を冷却し熱膨張を抑えることにより、金属リード配線部材12の熱膨張を抑え込み、金属リード配線部材12の端部と封止樹脂層8との剥離を抑制し、装置の信頼性を高い状態で維持することができる。 However, the semiconductor device 54 of embodiment 4 cools the sealing resin layer 8 through a heat dissipation path including the heat dissipation member 44, thereby suppressing thermal expansion of the metal lead wiring member 12, preventing peeling between the end of the metal lead wiring member 12 and the sealing resin layer 8, and maintaining high reliability of the device.
特に、前述したように、板部44aの放熱用部材形成領域R44は金属リード配線部材12の主要配線領域R12を含み、かつ、放熱用部材形成領域R44は主要配線領域R12より広いため、金属リード配線部材12の熱膨張を効果的に抑制することができる。 In particular, as mentioned above, the heat dissipation member forming region R44 of the plate portion 44a includes the main wiring region R12 of the metal lead wiring member 12, and since the heat dissipation member forming region R44 is wider than the main wiring region R12, thermal expansion of the metal lead wiring member 12 can be effectively suppressed.
このような構成において、複数の半導体素子6の通電動作時における複数の半導体素子6及び金属リード配線部材12からの熱は、封止樹脂層8を介し半導体装置54の全体に伝搬される。 In this configuration, when the multiple semiconductor elements 6 are energized, heat from the multiple semiconductor elements 6 and the metal lead wiring member 12 is propagated throughout the semiconductor device 54 via the sealing resin layer 8.
実施の形態4の半導体装置54において、複数の半導体素子6それぞれの第1主面の大部分と板部44aの第2主面とが対向し、かつ、金属リード配線部材12の主要配線領域R12を平面視して含む位置関係で放熱用部材形成領域R44が設定されている。このため、放熱用部材44、金属ベース板1及び冷却機構9を含む放熱経路で冷却する第1の冷却動作によって、複数の半導体素子6及び金属リード配線部材12から発生して封止樹脂層8に伝搬される熱を放熱して、複数の半導体素子6及び金属リード配線部材12に近い封止樹脂層8の領域の温度上昇を最小限に抑えることができる。In the semiconductor device 54 of embodiment 4, a large portion of the first main surface of each of the plurality of semiconductor elements 6 faces the second main surface of the plate portion 44a, and the heat dissipation member forming region R44 is positioned to include the main wiring region R12 of the metal lead wiring member 12 in a planar view. Therefore, the first cooling operation, which cools via a heat dissipation path including the heat dissipation member 44, the metal base plate 1, and the cooling mechanism 9, dissipates heat generated from the plurality of semiconductor elements 6 and the metal lead wiring member 12 and propagated to the encapsulating resin layer 8, thereby minimizing the temperature rise in the region of the encapsulating resin layer 8 near the plurality of semiconductor elements 6 and the metal lead wiring member 12.
したがって、実施の形態4の半導体装置54は、実施の形態1の半導体装置51と同様、複数の半導体素子6の動作時に電気的損失を発生させることなく、装置の信頼性を高めることができる。 Therefore, like the semiconductor device 51 of embodiment 1, the semiconductor device 54 of embodiment 4 can improve the reliability of the device without generating electrical losses during operation of the multiple semiconductor elements 6.
加えて、実施の形態4の半導体装置54は、実施の形態1と同様、1つの冷却機構9によって上述した両面冷却方式の冷却動作を実行することにより、装置構成の簡略化を図ることができる。 In addition, the semiconductor device 54 of embodiment 4, like embodiment 1, can simplify the device configuration by performing the cooling operation of the above-mentioned double-sided cooling method using a single cooling mechanism 9.
一方、板状接続部材である金属リード配線部材12は主要部として板部12aを有するため、複数の半導体素子6の通電動作時に板部12aの主要配線領域R12に比較的大きな電流を流すことができる。すなわち、実施の形態4の半導体装置54は比較的大きな電流を流すことができる。 On the other hand, since the metal lead wiring member 12, which is a plate-shaped connecting member, has a plate portion 12a as its main portion, a relatively large current can flow in the main wiring region R12 of the plate portion 12a when multiple semiconductor elements 6 are energized. In other words, the semiconductor device 54 of embodiment 4 can pass a relatively large current.
しかし、実施の形態4の半導体装置54は、主要配線領域R12に比較的大きな電流が流れる分、金属リード配線部材12の板部12aと封止樹脂層8との界面を起点とした剥離現象が起きやすくなっている。上記剥離現象が生じると複数の半導体素子6の一部が損傷を受ける等、複数の半導体素子6に不具合が生じやすい。However, in the semiconductor device 54 of embodiment 4, a relatively large current flows through the main wiring region R12, making it more susceptible to peeling that originates at the interface between the plate portion 12a of the metal lead wiring member 12 and the encapsulating resin layer 8. When this peeling occurs, defects in the multiple semiconductor elements 6 are likely to occur, such as damage to some of the multiple semiconductor elements 6.
実施の形態4の半導体装置54において、放熱用部材44の板部44aは、金属リード配線部材12の板部12aと平面視重複しているため、放熱用部材44を含む放熱経路で冷却する第1の冷却動作によって金属リード配線部材12を冷却して上記剥離現象を抑制することができる。 In the semiconductor device 54 of embodiment 4, the plate portion 44a of the heat dissipation member 44 overlaps the plate portion 12a of the metal lead wiring member 12 in a planar view, so that the metal lead wiring member 12 can be cooled by a first cooling operation that cools the metal lead wiring member 12 through a heat dissipation path including the heat dissipation member 44, thereby suppressing the above-mentioned peeling phenomenon.
特に、実施の形態4の放熱用部材44の板部44aは、金属リード配線部材12における主要配線領域R12を平面視して含んでいるため、金属リード配線部材12をより効果的に冷却することができる。 In particular, the plate portion 44a of the heat dissipation member 44 in embodiment 4 includes the main wiring region R12 of the metal lead wiring member 12 in a planar view, thereby allowing the metal lead wiring member 12 to be cooled more effectively.
その結果、実施の形態4の半導体装置54は、複数の半導体素子6の不具合を確実に回避して、比較的大きな電流を流す装置の信頼性の向上を図ることができる。 As a result, the semiconductor device 54 of embodiment 4 can reliably avoid malfunctions in multiple semiconductor elements 6 and improve the reliability of devices that pass relatively large currents.
また、金属リード配線部材12は、導電性接合材14を介した複数の半導体素子6との接合面積が比較的大きいため、実施の形態4の半導体装置54は、大電流化及び長寿命化を図ることができる。 In addition, since the metal lead wiring member 12 has a relatively large bonding area with multiple semiconductor elements 6 via the conductive bonding material 14, the semiconductor device 54 of embodiment 4 can achieve a large current and a long life.
さらに、板状接続部材である金属リード配線部材12は主要配線領域R12を含むため、複数の半導体素子6の通電動作時に主要配線領域R12に比較的大きな電流が流れ、発熱量が大きくなる。 Furthermore, since the metal lead wiring member 12, which is a plate-shaped connecting member, includes the main wiring region R12, a relatively large current flows through the main wiring region R12 when multiple semiconductor elements 6 are energized, resulting in a large amount of heat generation.
実施の形態4の放熱用部材44の板部44aは、金属リード配線部材12における主要配線領域R12を平面視して含んで配置されるため、板部44aを含む放熱経路で冷却する第1の冷却動作によって主要配線領域R12を効果的に冷却することができる。 The plate portion 44a of the heat dissipation member 44 in embodiment 4 is positioned to include the main wiring region R12 in the metal lead wiring member 12 in a planar view, so that the main wiring region R12 can be effectively cooled by the first cooling operation that cools through a heat dissipation path that includes the plate portion 44a.
その結果、実施の形態4の半導体装置54は、主要配線領域R12の発熱に伴う不具合を確実に回避して、比較的大電流を流す半導体装置54の信頼性の向上を図ることができる。 As a result, the semiconductor device 54 of embodiment 4 can reliably avoid problems associated with heat generation in the main wiring region R12, thereby improving the reliability of the semiconductor device 54, which passes a relatively large current.
なお、実施の形態4の半導体装置54においても、実施の形態1~実施の形態3と同様、少なくとも一つの半導体素子6を有する構造に適用することができる。 In addition, the semiconductor device 54 of embodiment 4 can also be applied to a structure having at least one semiconductor element 6, as in embodiments 1 to 3.
<実施の形態5>
図9は本開示の実施の形態5である半導体装置55の断面構造を示す断面図である。図9にXYZ直交座標系を記している。なお、図9は、図1で示した半導体装置51のA-A断面に対応している。
<Fifth Embodiment>
9 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a semiconductor device 55 according to a fifth embodiment of the present disclosure. An XYZ orthogonal coordinate system is depicted in Fig. 9. Fig. 9 corresponds to the AA cross section of the semiconductor device 51 shown in Fig. 1.
以下、図1~図3で示した半導体装置51と同様な部品は同一符号を付し説明を適宜省略し、実施の形態5の半導体装置55の特徴部分を中心に説明する。 In the following, parts similar to those of the semiconductor device 51 shown in Figures 1 to 3 will be given the same symbols and descriptions will be omitted as appropriate, and the description will focus on the characteristic features of the semiconductor device 55 of embodiment 5.
実施の形態5の半導体装置55は、複数の半導体素子6用の電気的接続部材7として、複数の線状接続部材である複数のワイヤ13を用いたことを特徴としている。複数のワイヤ13の構成材料として、一般的にはアルミや銅などの電気抵抗の低い金属素材が用いられる。 The semiconductor device 55 of embodiment 5 is characterized by using a plurality of wires 13, which are a plurality of linear connecting members, as the electrical connecting members 7 for a plurality of semiconductor elements 6. The wires 13 are generally made of a metal material with low electrical resistance, such as aluminum or copper.
複数の線状接続部材である複数のワイヤ13は、複数の半導体素子6間を電気的に接続する主要ワイヤ13mを含んでいる。この主要ワイヤ13mが主電流配線部材となる。 The multiple wires 13, which are multiple linear connecting members, include a main wire 13m that electrically connects between multiple semiconductor elements 6. This main wire 13m serves as the main current wiring member.
このように、複数のワイヤ13は、複数の半導体素子6、絶縁回路基板3の回路パターン5と共に主電流回路を構成している。複数のワイヤ13のうち、複数の半導体素子6間に電流を流す主電流配線部材として機能する主要ワイヤ13mに、比較的大きい電流が流れることが想定される。 In this way, the multiple wires 13, together with the multiple semiconductor elements 6 and the circuit pattern 5 of the insulating circuit board 3, form a main current circuit. Of the multiple wires 13, it is expected that a relatively large current will flow through the main wire 13m, which functions as a main current wiring member that passes current between the multiple semiconductor elements 6.
なお、主要ワイヤ13mを含む複数のワイヤ13それぞれは、超音波接合処理である超音波ワイヤボンディング処理によって両端が接合対象物に接合される。図9で示す半導体装置55において、接合対象物は、中間接続部材21または複数の半導体素子6のうちいずれかの第1主面となる。このように、超音波接合処理によって複数のワイヤ13の両端が接合端部として接合対象物に接合される。 Incidentally, both ends of each of the multiple wires 13, including the main wire 13m, are joined to the object to be joined by ultrasonic wire bonding, which is an ultrasonic joining process. In the semiconductor device 55 shown in Figure 9, the object to be joined is the first main surface of either the intermediate connecting member 21 or one of the multiple semiconductor elements 6. In this way, both ends of the multiple wires 13 are joined to the object to be joined as joining ends by ultrasonic bonding.
したがって、実施の形態5の半導体装置55の製造方法は、その一部として以下のステップ(a),(b)を含んでいる。 Therefore, the manufacturing method of the semiconductor device 55 of embodiment 5 includes the following steps (a) and (b) as part thereof.
ステップ(a)は、金属ベース板1の第1主面上に、絶縁回路基板3及び複数の半導体素子6を含む中間構造体を配置するステップである。 Step (a) is a step of placing an intermediate structure including an insulating circuit board 3 and multiple semiconductor elements 6 on the first main surface of the metal base plate 1.
ステップ(b)は、超音波接合処理を実行して、複数のワイヤ13それぞれの両端を接合対象物に接合するステップである。ここで、接合対象物として、複数の半導体素子6のいずれかの第1主面または複数の中間接続部材21の第1主面が含まれる。したがって、ステップ(b)は、超音波接合処理を実行して、複数のワイヤ13それぞれの一端を複数の半導体素子6のいずれかに接合するステップを含んでいる。 Step (b) is a step of performing an ultrasonic bonding process to bond both ends of each of the plurality of wires 13 to a bonding object. Here, the bonding object includes the first main surface of any of the plurality of semiconductor elements 6 or the first main surfaces of the plurality of intermediate connection members 21. Therefore, step (b) includes a step of performing an ultrasonic bonding process to bond one end of each of the plurality of wires 13 to any of the plurality of semiconductor elements 6.
例えば、超音波接合処理を実行して、主要ワイヤ13mの一端を複数の半導体素子6のうちの一方の第1主面上に接合し、主要ワイヤ13mの他端を複数の半導体素子6のうちの他方の第1主面上に接合する。この場合、主要ワイヤ13mの両端がそれぞれ接合端部となる。For example, ultrasonic bonding is performed to bond one end of the main wire 13m to the first main surface of one of the plurality of semiconductor elements 6, and the other end of the main wire 13m to the first main surface of the other of the plurality of semiconductor elements 6. In this case, both ends of the main wire 13m become bonding ends.
上記ステップ(a)は既存の製造工程によって行われ、上記ステップ(b)は超音波ワイヤボンディング処理を実行することによって行われ、上記ステップ(b)で超音波接合処理が施された複数のワイヤ13それぞれの端部が接合端部となる。 The above step (a) is performed using an existing manufacturing process, and the above step (b) is performed by performing an ultrasonic wire bonding process, and the ends of each of the multiple wires 13 subjected to the ultrasonic bonding process in the above step (b) become bonded ends.
以下、実施の形態5において、絶縁回路基板3、複数の半導体素子6、及び複数のワイヤ13を含む構造体を「拡張中間構造体」と称する場合がある。 Hereinafter, in embodiment 5, a structure including an insulating circuit board 3, multiple semiconductor elements 6, and multiple wires 13 may be referred to as an "extended intermediate structure."
放熱用部材45は、実施の形態3の放熱用部材43と同様、板部45aが平面視して複数の半導体素子6の大部分と重複するように配置される。 Similar to the heat dissipation member 43 of embodiment 3, the heat dissipation member 45 is positioned so that the plate portion 45a overlaps most of the multiple semiconductor elements 6 when viewed in a plan view.
放熱用部材45は、実施の形態1の放熱用部材4と同様、放熱用部材45の板部45aの第2主面と拡張中間構造体の第1主面とが対向するように配置される。したがって、放熱用部材45の板部45aは、絶縁回路基板3及び複数の半導体素子6それぞれの第1主面から距離を隔てた位置に配置される。 Like the heat dissipation member 4 of embodiment 1, the heat dissipation member 45 is positioned so that the second main surface of the plate portion 45a of the heat dissipation member 45 faces the first main surface of the extended intermediate structure. Therefore, the plate portion 45a of the heat dissipation member 45 is positioned at a distance from the first main surfaces of the insulating circuit board 3 and the multiple semiconductor elements 6.
そして、放熱用部材45は、実施の形態1の放熱用部材4と同様、複数の柱部45bが金属ベース板1の第1主面上に立設する態様で設けられる。すなわち、放熱用部材45は、拡張中間構造体を跨ぐ態様で金属ベース板1の第1主面上に設けられる。 The heat dissipation member 45 is provided in a manner similar to the heat dissipation member 4 of embodiment 1, with multiple pillar portions 45b standing upright on the first main surface of the metal base plate 1. In other words, the heat dissipation member 45 is provided on the first main surface of the metal base plate 1 so as to straddle the extended intermediate structure.
実施の形態5の半導体装置55における放熱用部材45は、複数の半導体素子6の通電動作時において、放熱用部材45と複数の半導体素子6との間の封止樹脂層8が絶縁破壊を起こさないように、主要ワイヤ13m及び複数の半導体素子6から離れて設けられる。さらに、放熱用部材45は、主要ワイヤ13m及び複数の半導体素子6から電気的に絶縁されている。 In the semiconductor device 55 of embodiment 5, the heat dissipation member 45 is located away from the main wire 13m and the multiple semiconductor elements 6 so that the sealing resin layer 8 between the heat dissipation member 45 and the multiple semiconductor elements 6 does not undergo dielectric breakdown when the multiple semiconductor elements 6 are energized. Furthermore, the heat dissipation member 45 is electrically insulated from the main wire 13m and the multiple semiconductor elements 6.
加えて、放熱用部材45の中央部の放熱用部材形成領域R45は主要ワイヤ13mを平面視して含むように配置される。すなわち、平面視して放熱用部材形成領域R45内に主要ワイヤ13mが存在する。 In addition, the heat dissipation member forming region R45 in the center of the heat dissipation member 45 is positioned to include the main wire 13m in a planar view. In other words, the main wire 13m is present within the heat dissipation member forming region R45 in a planar view.
図9で示した実施の形態5の半導体装置55において、複数の半導体素子6間を電気的に接続する主要ワイヤ13mには、複数の半導体素子6の通電動作時に比較的大きな電流が流れる。 In the semiconductor device 55 of embodiment 5 shown in Figure 9, a relatively large current flows through the main wire 13m that electrically connects multiple semiconductor elements 6 when the multiple semiconductor elements 6 are energized.
このため、主要ワイヤ13mと封止樹脂層8との界面が剥離することにより、この剥離箇所を起点とした封止樹脂層8のクラックが発生する傾向がある。 As a result, peeling occurs at the interface between the main wire 13m and the sealing resin layer 8, which tends to cause cracks in the sealing resin layer 8 to occur starting from this peeling point.
封止樹脂層8に発生したクラックが複数の半導体素子6のいずれかにまで進展すると、当該半導体素子6にダメージを与え、装置の信頼性が低下してしまう課題がある。 If a crack that occurs in the sealing resin layer 8 propagates to one of the multiple semiconductor elements 6, it can damage that semiconductor element 6, resulting in a decrease in the reliability of the device.
実施の形態5の半導体装置55において、主要ワイヤ13mを平面視して含むように放熱用部材形成領域R45が設定されている。 In the semiconductor device 55 of embodiment 5, the heat dissipation member forming region R45 is set to include the main wire 13m in a planar view.
このような構成の半導体装置55において、複数の半導体素子6及び主要ワイヤ13mの通電動作時の熱は、封止樹脂層8を介し半導体装置55の全体に伝搬される。この際、放熱用部材45、金属ベース板1、及び冷却機構9を含む放熱経路を介した第1の冷却動作によって、複数の半導体素子6及び主要ワイヤ13mから発生して封止樹脂層8に伝搬される熱が放熱されるため、複数の半導体素子6及び主要ワイヤ13mに近い封止樹脂層8の領域の温度上昇を最小限に抑えることができる。In a semiconductor device 55 configured in this manner, heat generated when current is applied to the multiple semiconductor elements 6 and main wires 13m is propagated throughout the entire semiconductor device 55 via the encapsulating resin layer 8. At this time, the first cooling operation via a heat dissipation path including the heat dissipation member 45, the metal base plate 1, and the cooling mechanism 9 dissipates the heat generated from the multiple semiconductor elements 6 and main wires 13m and propagated to the encapsulating resin layer 8, thereby minimizing the temperature rise in the area of the encapsulating resin layer 8 close to the multiple semiconductor elements 6 and main wires 13m.
したがって、実施の形態5の半導体装置55は、実施の形態1の半導体装置51と同様、複数の半導体素子6の動作時に電気的損失を発生させることなく、装置の信頼性を高めることができる。 Therefore, like the semiconductor device 51 of embodiment 1, the semiconductor device 55 of embodiment 5 can improve the reliability of the device without generating electrical losses when the multiple semiconductor elements 6 are operating.
加えて、実施の形態5の半導体装置55は、実施の形態1と同様、1つの冷却機構9によって両面冷却方式の冷却動作を実行することにより、装置構成の簡略化を図ることができる。 In addition, the semiconductor device 55 of embodiment 5, like embodiment 1, can simplify the device configuration by performing double-sided cooling operation using a single cooling mechanism 9.
実施の形態5の半導体装置55において、複数の線状接続部材である複数のワイヤ13それぞれの接合端部は、封止樹脂層8の熱膨張に伴い、複数の半導体素子6と電気的に非接続となる断線状態になる可能性がある。 In the semiconductor device 55 of embodiment 5, the joint ends of each of the multiple wires 13, which are multiple linear connecting members, may become disconnected and electrically disconnected from the multiple semiconductor elements 6 due to thermal expansion of the sealing resin layer 8.
すなわち、封止樹脂層8が熱膨張すると半導体素子6と封止樹脂層8との間の熱膨張係数差により、半導体素子6と複数のワイヤ13との接合部に応力がかかりワイヤ13に断線が起こる可能性がある。 In other words, when the encapsulating resin layer 8 thermally expands, the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor element 6 and the encapsulating resin layer 8 may cause stress at the joint between the semiconductor element 6 and the multiple wires 13, potentially causing the wires 13 to break.
実施の形態5の半導体装置55は、放熱用部材45の板部45aを含む放熱経路による第1の冷却動作によって封止樹脂層8に蓄積する熱を冷やすことにより、複数のワイヤ13のいずれかが断線状態となる現象を回避して半導体装置の信頼性の向上を図ることができる。 The semiconductor device 55 of embodiment 5 can avoid the phenomenon in which any of the multiple wires 13 becomes disconnected by cooling the heat accumulated in the sealing resin layer 8 through a first cooling operation using a heat dissipation path including the plate portion 45a of the heat dissipation member 45, thereby improving the reliability of the semiconductor device.
すなわち、実施の形態5の半導体装置55は、封止樹脂層8の内部に設けられた放熱用部材45の存在によって封止樹脂層8に蓄積される熱を冷やすため、封止樹脂層8の膨張を抑制しワイヤ13の断線を防止することができる。 In other words, the semiconductor device 55 of embodiment 5 cools the heat accumulated in the sealing resin layer 8 due to the presence of the heat dissipation member 45 provided inside the sealing resin layer 8, thereby suppressing expansion of the sealing resin layer 8 and preventing breakage of the wire 13.
また、実施の形態5の半導体装置55は複数のワイヤ13を電気的接続部材として用いているため配線の自由度が高い。したがって、半導体装置55に対し柔軟な回路設計を行うことができる。 In addition, the semiconductor device 55 of embodiment 5 uses multiple wires 13 as electrical connection members, allowing for a high degree of wiring freedom. Therefore, flexible circuit design can be performed for the semiconductor device 55.
複数のワイヤ13は主電流配線部材となる主要ワイヤ13mを含むため、複数の半導体素子6の通電動作時に主要ワイヤ13mに比較的大きな電流が流れ、発熱量が大きくなる。 Since the multiple wires 13 include a main wire 13m which serves as the main current wiring member, a relatively large current flows through the main wire 13m when the multiple semiconductor elements 6 are energized, resulting in a large amount of heat generation.
実施の形態5の半導体装置55において、放熱用部材45の板部45aにおける放熱用部材形成領域R45は、主要ワイヤ13mを平面視して含んで配置される。このため、柱部45bを含む放熱経路による第1の冷却動作によって主要ワイヤ13mを効果的に冷却することができる。In the semiconductor device 55 of embodiment 5, the heat dissipation member forming region R45 in the plate portion 45a of the heat dissipation member 45 is positioned to include the main wire 13m in a planar view. Therefore, the main wire 13m can be effectively cooled by the first cooling operation via the heat dissipation path including the column portion 45b.
その結果、実施の形態5の半導体装置55は、主要ワイヤ13mの発熱に伴う不具合を確実に回避して、主要ワイヤ13mに比較的大きな電流を流す装置の信頼性の向上を図ることができる。 As a result, the semiconductor device 55 of embodiment 5 can reliably avoid problems associated with heat generation in the main wire 13m and improve the reliability of devices that pass relatively large currents through the main wire 13m.
さらに、上述したステップ(a)及び(b)を含む製造方法で製造される実施の形態5の半導体装置55は、上記ステップ(b)によって複数の線状接続部材となる複数のワイヤ13それぞれの接合端部にて複数の半導体素子6のいずれかとの安定性の高い電気的接続状態を確保することができる。 Furthermore, the semiconductor device 55 of embodiment 5, which is manufactured using a manufacturing method including the above-mentioned steps (a) and (b), can ensure a highly stable electrical connection with any of the multiple semiconductor elements 6 at the joint ends of each of the multiple wires 13, which constitute the multiple linear connecting members, by the above-mentioned step (b).
なお、図9で示した構造では、複数のワイヤ13はそれぞれ単一配線単位で複数の半導体素子6のいずれかに接合されていたが、複数配線単位で複数の半導体素子6のいずれかに接合されても良い。また、複数配線単位で接合する際、複数配線を並べたリボン状の配線で接合するようにしてもよい。 In the structure shown in Figure 9, each of the multiple wires 13 is bonded to one of the multiple semiconductor elements 6 in single wiring units, but they may also be bonded to one of the multiple semiconductor elements 6 in multiple wiring units. Furthermore, when bonding multiple wiring units, they may be bonded using ribbon-shaped wiring in which multiple wirings are arranged.
なお、実施の形態5の半導体装置55においても、実施の形態1~実施の形態4と同様、少なくとも一つの半導体素子6を有する構造に適用することができる。 In addition, the semiconductor device 55 of embodiment 5 can also be applied to a structure having at least one semiconductor element 6, as in embodiments 1 to 4.
<実施の形態6>
図10は本開示の実施の形態6である半導体装置56の断面構造を示す断面図である。図10にXYZ直交座標系を記している。なお、図10は、図1で示した半導体装置51のA-A断面に対応している。
Sixth Embodiment
10 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a semiconductor device 56 according to a sixth embodiment of the present disclosure. An XYZ orthogonal coordinate system is depicted in Fig. 10. Fig. 10 corresponds to the A-A cross section of the semiconductor device 51 shown in Fig. 1.
以下、図1~図3で示した半導体装置51と同様な部品は同一符号を付し説明を適宜省略し、実施の形態6の半導体装置56の特徴部分を中心に説明する。 In the following, parts similar to those of the semiconductor device 51 shown in Figures 1 to 3 will be given the same symbols and descriptions will be omitted as appropriate, and the description will focus on the characteristic parts of the semiconductor device 56 of embodiment 6.
実施の形態6の半導体装置56は、複数の半導体素子6を複数のSiC半導体素子60に置き換えた構造を呈している。 The semiconductor device 56 of embodiment 6 has a structure in which multiple semiconductor elements 6 are replaced with multiple SiC semiconductor elements 60.
このような構成において、複数のSiC半導体素子60の通電動作時の熱は、封止樹脂層8を介し半導体装置56の全体に伝搬される。複数のSiC半導体素子60はそれぞれSiC(シリコンカーバイド)製の半導体素子であり、Si製の半導体素子と比較的して通電動作時の発熱量が大きい。このため、複数のSiC半導体素子60の動作温度は複数の半導体素子6の動作温度と比較して上昇度合が大きい。In this configuration, heat generated when the multiple SiC semiconductor elements 60 are energized is propagated throughout the entire semiconductor device 56 via the encapsulating resin layer 8. Each of the multiple SiC semiconductor elements 60 is made of silicon carbide (SiC), and generates a greater amount of heat when energized than semiconductor elements made of Si. As a result, the operating temperature of the multiple SiC semiconductor elements 60 increases at a greater rate than the operating temperature of the multiple semiconductor elements 6.
放熱用部材4は、実施の形態1と同様、複数のSiC半導体素子60の通電動作時において、放熱用部材4と複数のSiC半導体素子60との間の封止樹脂層8が絶縁破壊を起こさないように、複数のSiC半導体素子60から離れて設けられる。さらに、放熱用部材4は、複数のSiC半導体素子60から電気的に絶縁されている。As in embodiment 1, the heat dissipation member 4 is positioned away from the multiple SiC semiconductor elements 60 so that the sealing resin layer 8 between the heat dissipation member 4 and the multiple SiC semiconductor elements 60 does not undergo dielectric breakdown when the multiple SiC semiconductor elements 60 are energized. Furthermore, the heat dissipation member 4 is electrically insulated from the multiple SiC semiconductor elements 60.
したがって、実施の形態6の半導体装置56は、実施の形態1と同様、複数のSiC半導体素子60の通電動作時に電気的損失を発生させることなく、装置の信頼性を高めることができる。 Therefore, like embodiment 1, the semiconductor device 56 of embodiment 6 can improve the reliability of the device without generating electrical losses when multiple SiC semiconductor elements 60 are energized.
実施の形態6の半導体装置56は複数のSiC半導体素子60を有しているため、比較的大電流を流すことができ、高周波で動作し、高温環境下でも動作し、絶縁性が高く、オフ電圧が低いというSiC動作特性を基本的に有している。 The semiconductor device 56 of embodiment 6 has multiple SiC semiconductor elements 60, and therefore basically has the SiC operating characteristics of being able to pass a relatively large current, operating at high frequencies, operating in high-temperature environments, having high insulation properties, and a low off-state voltage.
加えて、実施の形態6の半導体装置56は、実施の形態1と同様、1つの冷却機構9によって上述した両面冷却方式の冷却動作を実行することにより、装置構成の簡略化を図ることができる。 In addition, the semiconductor device 56 of embodiment 6, like embodiment 1, can simplify the device configuration by performing the cooling operation of the above-mentioned double-sided cooling method using a single cooling mechanism 9.
実施の形態6の半導体装置56において、複数のSiC半導体素子60は通電動作時の発熱量が比較的大きいため、動作温度が上昇する。このため、半導体装置56の構成部品間の熱膨張係数差に起因する熱応力の影響が大きくなり、装置の信頼性を低下させる要因となる。In the semiconductor device 56 of embodiment 6, the multiple SiC semiconductor elements 60 generate a relatively large amount of heat when powered on, resulting in a rise in operating temperature. This increases the impact of thermal stress caused by differences in the thermal expansion coefficients between the components of the semiconductor device 56, which can reduce the reliability of the device.
一方、実施の形態6の半導体装置56は、複数のSiC半導体素子60の通電動作時に封止樹脂層8に蓄積される熱を、放熱用部材4及び金属ベース板1を含む放熱経路を介して放熱する放熱機能を有するため、封止樹脂層8の熱膨張を抑制することができる。 On the other hand, the semiconductor device 56 of embodiment 6 has a heat dissipation function that dissipates heat accumulated in the sealing resin layer 8 when multiple SiC semiconductor elements 60 are energized through a heat dissipation path including the heat dissipation member 4 and the metal base plate 1, thereby suppressing thermal expansion of the sealing resin layer 8.
その結果、実施の形態6の半導体装置56は、半導体装置56の構成部品間の熱膨張係数差に起因する熱応力の影響を最小限に抑え、上述したSiC動作特性を有する装置の信頼性の向上を図ることができる。 As a result, the semiconductor device 56 of embodiment 6 can minimize the effects of thermal stress caused by differences in thermal expansion coefficients between the components of the semiconductor device 56, thereby improving the reliability of devices having the above-mentioned SiC operating characteristics.
なお、図10で示した実施の形態6では、図1~図3で示した実施の形態1の構造に複数のSiC半導体素子60を設けた構造を示したが、実施の形態2~実施の形態5の構造に複数のSiC半導体素子60を設けた構造に変形することもできるのは勿論である。 In addition, in embodiment 6 shown in Figure 10, a structure in which multiple SiC semiconductor elements 60 are provided in the structure of embodiment 1 shown in Figures 1 to 3 is shown, but it is of course possible to modify the structure to one in which multiple SiC semiconductor elements 60 are provided in the structures of embodiments 2 to 5.
また、実施の形態6の半導体装置56においても、実施の形態1~実施の形態5と同様、少なくとも一つのSiC半導体素子60を有する構造に適用することができる。 Furthermore, the semiconductor device 56 of embodiment 6 can be applied to a structure having at least one SiC semiconductor element 60, as in embodiments 1 to 5.
本開示は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、本開示がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、本開示の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。Although the present disclosure has been described in detail, the above description is illustrative in all respects and does not limit the present disclosure. It is understood that countless variations not illustrated can be envisioned without departing from the scope of the present disclosure.
1 金属ベース板、2 樹脂ケース、3 絶縁回路基板、4,42~45 放熱用部材、4a,42a~45a 板部、4b,42b~45b 柱部、5 回路パターン、6 半導体素子、7 電気的接続部材、8 封止樹脂層、9 冷却機構、10,14 導電性接合材、11 外部電極、12 金属リード配線部材、13 ワイヤ、13m 主要ワイヤ、21 中間接続部材、22 埋込接続線、30 絶縁層、51~56 半導体装置、60 SiC半導体素子。1 Metal base plate, 2 Resin case, 3 Insulated circuit board, 4, 42-45 Heat dissipation member, 4a, 42a-45a Plate portion, 4b, 42b-45b Pillar portion, 5 Circuit pattern, 6 Semiconductor element, 7 Electrical connection member, 8 Sealing resin layer, 9 Cooling mechanism, 10, 14 Conductive bonding material, 11 External electrode, 12 Metal lead wiring member, 13 Wire, 13m Main wire, 21 Intermediate connection member, 22 Buried connection wire, 30 Insulating layer, 51-56 Semiconductor device, 60 SiC semiconductor element.
Claims (10)
前記ベース板の第1主面側に設けられ、回路パターンを有する絶縁回路基板と、
前記絶縁回路基板の第1主面側に設けられる少なくとも一つの半導体素子と、
導電性を有し、複数の柱部と複数の柱部間に設けられた板部とを含み、前記絶縁回路基板及び前記少なくとも一つの半導体素子に対し第1主面側に前記板部が位置し、かつ、前記複数の柱部が前記ベース板の第1主面上に立設する態様で設けられる放熱用部材と、
前記絶縁回路基板、前記少なくとも一つの半導体素子及び前記放熱用部材を覆って、前記ベース板の第1主面上に設けられる樹脂層とを備え、
前記放熱用部材は、前記少なくとも一つの半導体素子の動作時において、前記放熱用部材と前記少なくとも一つの半導体素子との間の前記樹脂層が絶縁破壊を起こさないように、前記少なくとも一つの半導体素子から離れて設けられ、
前記放熱用部材は、前記少なくとも一つの半導体素子から電気的に絶縁される、
半導体装置。 a base plate having a first major surface and a second major surface;
an insulating circuit board provided on a first main surface side of the base plate and having a circuit pattern;
at least one semiconductor element provided on a first main surface side of the insulating circuit board;
a heat dissipation member that is electrically conductive and includes a plurality of pillar portions and plate portions provided between the plurality of pillar portions, the plate portions being located on a first main surface side of the insulating circuit board and the at least one semiconductor element, and the plurality of pillar portions being provided in an upright position on the first main surface of the base plate;
a resin layer provided on the first main surface of the base plate to cover the insulating circuit board, the at least one semiconductor element, and the heat dissipation member,
the heat dissipation member is provided at a distance from the at least one semiconductor element so that dielectric breakdown does not occur in the resin layer between the heat dissipation member and the at least one semiconductor element during operation of the at least one semiconductor element;
the heat dissipation member is electrically insulated from the at least one semiconductor element;
Semiconductor device.
前記放熱用部材の前記板部は前記少なくとも一つの半導体素子と平面視重複して設けられる、
半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1,
the plate portion of the heat dissipation member is provided so as to overlap with the at least one semiconductor element in a plan view;
Semiconductor device.
導電性を有する第1の材料を構成材料とし、前記少なくとも一つの半導体素子と電気的に接続される電気的接続部材をさらに備え、
前記樹脂層は前記電気的接続部材をさらに覆って設けられ、
前記放熱用部材の構成材料は前記第1の材料である、
半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1 ,
an electrical connection member made of a first material having electrical conductivity and electrically connected to the at least one semiconductor element;
the resin layer is provided to further cover the electrical connection member,
The heat dissipation member is made of the first material.
Semiconductor device.
導電性を有し、前記少なくとも一つの半導体素子と電気的に接続される電気的接続部材をさらに備え、
前記電気的接続部材は、主要部が板状で構成される板状接続部材を含み、
前記放熱用部材の前記板部は前記板状接続部材と平面視重複しており、
前記板状接続部材は前記少なくとも一つの半導体素子と導電性接合材を介して接合され、
前記放熱用部材は、前記少なくとも一つの半導体素子の動作時において、前記放熱用部材,前記板状接続部材間の前記樹脂層が絶縁破壊を起こさないように、前記板状接続部材から離れて設けられる、
半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1 ,
Further, an electrical connection member is provided which is electrically conductive and electrically connected to the at least one semiconductor element,
the electrical connection member includes a plate-shaped connection member having a main portion configured in a plate shape,
the plate portion of the heat dissipation member overlaps with the plate-shaped connecting member in a plan view,
the plate-shaped connecting member is joined to the at least one semiconductor element via a conductive bonding material,
the heat dissipation member is provided at a distance from the plate-shaped connecting member so that dielectric breakdown does not occur in the resin layer between the heat dissipation member and the plate-shaped connecting member during operation of the at least one semiconductor element.
Semiconductor device.
前記少なくとも一つの半導体素子は複数の半導体素子を含み、
前記板状接続部材は、前記複数の半導体素子間の電流を流す主要配線領域を含み、
前記放熱用部材の前記板部は前記主要配線領域を平面視して含んで配置される、
半導体装置。 5. The semiconductor device according to claim 4,
the at least one semiconductor device includes a plurality of semiconductor devices;
the plate-shaped connecting member includes a main wiring region through which current flows between the plurality of semiconductor elements,
the plate portion of the heat dissipation member is disposed to include the main wiring region in plan view;
Semiconductor device.
導電性を有し、前記少なくとも一つの半導体素子と電気的に接続される電気的接続部材をさらに備え、
前記電気的接続部材は複数の線状接続部材であり、
前記複数の線状接続部材はそれぞれ前記少なくとも一つの半導体素子と接合される接合端部を有する、
半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1 ,
Further, an electrical connection member is provided which is electrically conductive and electrically connected to the at least one semiconductor element,
the electrical connection members are a plurality of linear connection members,
each of the plurality of linear connecting members has a joining end portion to be joined to the at least one semiconductor element;
Semiconductor device.
前記少なくとも一つの半導体素子は複数の半導体素子を含み、
前記複数の線状接続部材は前記複数の半導体素子間の電流を流す主電流配線部材を含み、
前記放熱用部材の前記板部は前記主電流配線部材を平面視して含んで配置される、
半導体装置。 7. The semiconductor device according to claim 6,
the at least one semiconductor device includes a plurality of semiconductor devices;
the plurality of linear connection members include a main current wiring member that passes current between the plurality of semiconductor elements,
the plate portion of the heat dissipation member is disposed to include the main current wiring member in a plan view.
Semiconductor device.
前記少なくとも一つの半導体素子は、各々がSiCを構成材料とした少なくとも一つのSiC半導体素子を含む、
半導体装置。 8. The semiconductor device according to claim 1,
The at least one semiconductor element includes at least one SiC semiconductor element each made of SiC.
Semiconductor device.
前記ベース板は金属ベース板を含み、
前記半導体装置は、
前記金属ベース板の第2主面側に設けられ、前記金属ベース板を冷却する冷却機構をさらに備える、
半導体装置。 8. The semiconductor device according to claim 1,
the base plate includes a metal base plate;
The semiconductor device includes:
a cooling mechanism provided on the second main surface side of the metal base plate to cool the metal base plate;
Semiconductor device.
前記半導体装置は請求項6記載の半導体装置を含み、
(a) 前記ベース板の第1主面上に、前記絶縁回路基板及び前記少なくとも一つの半導体素子を含む中間構造体を配置するステップと、
(b) 超音波接合処理を実行して、前記複数の線状接続部材それぞれの一端を前記少なくとも一つの半導体素子のいずれかに接合するステップとを含み、
前記ステップ(b)の実行後の前記複数の線状接続部材それぞれの一端が前記接合端部となる、
半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
The semiconductor device includes the semiconductor device according to claim 6,
(a) placing an intermediate structure including the insulating circuit board and the at least one semiconductor element on a first main surface of the base plate;
(b) performing an ultrasonic bonding process to bond one end of each of the plurality of linear connecting members to any one of the at least one semiconductor element;
After step (b) is performed, one end of each of the plurality of linear connecting members becomes the joint end portion.
A method for manufacturing a semiconductor device.
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