JP2010062491A - Semiconductor device and composite semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the efficiency of cooling in a semiconductor device of double-sided heat dissipation type. <P>SOLUTION: A semiconductor device has a semiconductor element 1, a pair of metal plates 2, 3 which are electrically and thermally joined to each of a surface side and a backside of the semiconductor element 1 and hold the semiconductor element 1 therebetween and a first cooler 9 thermally joined to heat dissipation surfaces 2b, 3b, which are opposite surfaces of the semiconductor element 1 in the pair of metal plates 2, 3. In the semiconductor device, a second cooler 11 is interposed between the pair of metal plates 2, 3. The second cooler 11 is thermally connected to inner surfaces 2a, 3a, which are surfaces in the semiconductor element 1 side in the pair of metal plates 2, 3 and cools the pair of metal plates 2, 3. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、両面放熱型の半導体装置、および、このような半導体装置を２個備える複合半導体装置に関する。   The present invention relates to a double-sided heat radiation type semiconductor device and a composite semiconductor device including two such semiconductor devices.

従来より、この種の両面放熱型の半導体装置としては、半導体素子と、半導体素子の表面側、裏面側にそれぞれ電気的および熱的に接合され、半導体素子を挟む一対の金属板と、一対の金属板における半導体素子とは反対側の面である放熱面に熱的に接合された第１の冷却器とを備えたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。   Conventionally, this type of double-sided heat dissipation type semiconductor device includes a semiconductor element, a pair of metal plates that are electrically and thermally bonded to the front surface side and the back surface side of the semiconductor element, and sandwiches the semiconductor element, and a pair of The thing provided with the 1st cooler thermally joined to the thermal radiation surface which is the surface on the opposite side to the semiconductor element in a metal plate is proposed (for example, refer patent document 1).

また、このような半導体装置を２個備えた複合半導体装置としては、第１の冷却器の間に、半導体素子を一対の金属板に挟んでなるものを、２個挟み込むことにより構成されたものが一般的である。
特許第３５２５８３２号公報 Further, the composite semiconductor device including two such semiconductor devices is configured by sandwiching two semiconductor elements sandwiched between a pair of metal plates between the first coolers. Is common.
Japanese Patent No. 3525832

しかしながら、従来の半導体装置においては、一対の金属板の冷却は、当該一対の金属板の放熱面側のみで行われており、この構造においては、放熱性能のさらなる向上が困難であった。今後、半導体素子の大電流密度化のために、冷却効率の向上が必要となると予想される。   However, in the conventional semiconductor device, the cooling of the pair of metal plates is performed only on the heat dissipating surface side of the pair of metal plates, and it has been difficult to further improve the heat dissipating performance in this structure. In the future, it is expected that the cooling efficiency will need to be improved in order to increase the current density of semiconductor devices.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、両面放熱型の半導体装置、および、このような半導体装置を２個備える複合半導体装置において、冷却効率を向上させることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to improve cooling efficiency in a double-sided heat radiation type semiconductor device and a composite semiconductor device including two such semiconductor devices.

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明においては、一対の金属板（２、３）の間には第２の冷却器（１１）が介在されており、この第２の冷却器（１１）は、一対の金属板（２、３）における半導体素子（１）側の面である内面（２ａ、３ａ）に熱的に接続され、一対の金属板（２、３）を冷却するようになっていることを特徴とする。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a second cooler (11) is interposed between the pair of metal plates (2, 3). (11) is thermally connected to the inner surface (2a, 3a) which is the surface on the semiconductor element (1) side of the pair of metal plates (2, 3), and cools the pair of metal plates (2, 3). It is characterized by that.

それによれば、両面放熱型の半導体装置において、半導体素子（１）を挟む一対の金属板（２、３）の内面（２ａ、３ａ）側からも当該金属板が冷却されるので、冷却効率が向上する。   According to this, in the double-sided heat dissipation type semiconductor device, the metal plate is also cooled from the inner surface (2a, 3a) side of the pair of metal plates (2, 3) sandwiching the semiconductor element (1). improves.

ここで、請求項２に記載の発明のように、第２の冷却器（１１）は、第１の冷却器（９）の一部がそれぞれの金属板（２、３）の放熱面（２ｂ、３ｂ）から端面を超えて内面（２ａ、３ａ）まで折り曲げられたものとして構成されているものにできる。   Here, as in the second aspect of the invention, the second cooler (11) is configured such that a part of the first cooler (9) is a heat radiation surface (2b) of each metal plate (2, 3). 3b) can be configured to be bent from the end surface to the inner surface (2a, 3a).

請求項３に記載の発明では、両面放熱型の半導体装置（１００）を２個有する複合半導体装置において、それぞれの半導体装置（１００）においては、一対の金属板（２、３）の間には第２の冷却器（１１）が介在されるとともに、この第２の冷却器（１１）は、一対の金属板（２、３）における半導体素子（１）側の面である内面（２ａ、３ａ）に熱的に接続され、一対の金属板（２、３）を冷却するようになっており、さらに、それぞれの半導体装置（１００）においては、第２の冷却器（１１）が当該半導体装置の外方に突出した突出部（１１ｂ）を有しており、それぞれの半導体装置（１００）の第２の冷却器（１１）の突出部（１１ｂ）同士が、連結されていることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in a composite semiconductor device having two double-sided heat radiation type semiconductor devices (100), each semiconductor device (100) has a gap between a pair of metal plates (2, 3). The second cooler (11) is interposed, and the second cooler (11) is an inner surface (2a, 3a) that is a surface of the pair of metal plates (2, 3) on the semiconductor element (1) side. ) To cool the pair of metal plates (2, 3), and in each of the semiconductor devices (100), the second cooler (11) includes the semiconductor device. And the protrusions (11b) of the second cooler (11) of each semiconductor device (100) are connected to each other. To do.

それによれば、複合半導体装置における個々の両面放熱型の半導体装置において、半導体素子（１）を挟む一対の金属板（２、３）の内面（２ａ、３ａ）側からも当該金属板が冷却されるので、冷却効率が向上する。また、半導体装置（１００）の第２の冷却器（１１）の突出部（１１ｂ）同士が、連結されているので、当該第２の冷却器同士の一体化が図れる。   According to this, in each double-sided heat dissipation type semiconductor device in the composite semiconductor device, the metal plate is also cooled from the inner surface (2a, 3a) side of the pair of metal plates (2, 3) sandwiching the semiconductor element (1). Therefore, the cooling efficiency is improved. Moreover, since the protrusions (11b) of the second cooler (11) of the semiconductor device (100) are connected to each other, the second coolers can be integrated.

ここで、請求項４に記載の発明のように、それぞれの半導体装置（１００）の第２の冷却器（１１）が、内部を冷媒が流通することで冷却を行うものであるものとし、連結された部位を介して、半導体装置（１００）の第２の冷却器（１１）同士に、共通の冷媒が流れるようになっているものとしてもよい。それによれば、両半導体装置（１００）の第２の冷却器（１１）同士を共通の冷媒によって冷却することができる。   Here, as in the invention described in claim 4, the second cooler (11) of each semiconductor device (100) performs cooling by circulating a refrigerant therein, and is connected to the second cooler (11). The common refrigerant may flow between the second coolers (11) of the semiconductor device (100) through the formed portion. Accordingly, the second coolers (11) of both semiconductor devices (100) can be cooled by the common refrigerant.

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in the claim and this column is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other are given the same reference numerals in the drawings in order to simplify the description.

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置１００の概略断面構成を示す図である。また、図２は、この半導体装置１００を２個備える複合半導体装置の要部を示す外観斜視図であり、図２では後述する第１の冷却器９を省略した状態で示してある。この半導体装置１００は、たとえば自動車などの車両に搭載され、車両用電子装置を駆動するための装置として適用されるものである。 (First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic cross-sectional configuration of a semiconductor device 100 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an external perspective view showing a main part of a composite semiconductor device including two semiconductor devices 100. FIG. 2 shows a state in which a first cooler 9 described later is omitted. This semiconductor device 100 is mounted on a vehicle such as an automobile, for example, and is applied as a device for driving a vehicle electronic device.

本実施形態の半導体装置１００は、大きくは、半導体素子１を２枚の金属板２、３で挟み、半導体素子１を含む両金属板２、３の間をモールド樹脂６で封止し、各金属板２、３における半導体素子１とは反対側の面である放熱面２ｂ、３ｂをモールド樹脂６より露出させてなり、さらに各金属板２、３の放熱面２ｂ、３ｂに、それぞれ第１の冷却器９を接合してなる。   The semiconductor device 100 according to the present embodiment is roughly divided by sandwiching a semiconductor element 1 between two metal plates 2 and 3, and sealing between the metal plates 2 and 3 including the semiconductor element 1 with a mold resin 6. The heat dissipating surfaces 2b and 3b on the opposite side of the metal plates 2 and 3 from the semiconductor element 1 are exposed from the mold resin 6, and the heat dissipating surfaces 2b and 3b of the metal plates 2 and 3 are respectively exposed to the first. The cooler 9 is joined.

半導体素子１は、ここでは２個設けられているが、表裏の両面から電流の取り出しが可能な素子である。たとえば半導体素子１は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、ＦＷＤ（フライホイールダイオード）やパワートランジスタなどの縦型パワー素子などである。ここでは、半導体素子１は板状であり、その表面、裏面は図１中の上面、下面である。   Two semiconductor elements 1 are provided here, but are elements capable of taking out current from both the front and back surfaces. For example, the semiconductor element 1 is a vertical power element such as an IGBT (insulated gate bipolar transistor), an FWD (flywheel diode), or a power transistor. Here, the semiconductor element 1 is plate-shaped, and the front and back surfaces thereof are the top and bottom surfaces in FIG.

そして、半導体素子１の表裏両面は、当該半導体素子１の電極および放熱部材として機能する一対の金属板２、３にて挟まれている。これら金属板２、３は、銅合金もしくはアルミ合金等の熱伝導性および電気伝導性に優れた金属によって構成されており、ここでは、この種の一般的なものと同様に、実質的に矩形板状をなす。   The front and back surfaces of the semiconductor element 1 are sandwiched between a pair of metal plates 2 and 3 that function as electrodes and a heat dissipation member of the semiconductor element 1. These metal plates 2 and 3 are made of a metal having excellent thermal conductivity and electrical conductivity, such as a copper alloy or an aluminum alloy. Here, like this general type, the metal plates 2 and 3 are substantially rectangular. Form a plate.

ここで、一対の金属板２、３のうち第１の金属板２は、半導体素子１の表面（図１中の上面）側に設けられ、第２の金属板３は、半導体素子１の裏面（図１中の下面）側に設けられている。   Here, of the pair of metal plates 2 and 3, the first metal plate 2 is provided on the front surface (upper surface in FIG. 1) side of the semiconductor element 1, and the second metal plate 3 is the back surface of the semiconductor element 1. It is provided on the (lower surface in FIG. 1) side.

それにより、両金属板２、３は、互いの内面２ａ、３ａにて対向するとともに、半導体素子１を挟むように配置されている。また、各金属板２、３において内面２ａ、３ａは半導体素子１側の面であるが、この内面２ａ、３ａとは反対側の面である外面２ｂ、３ｂが上記放熱面２ｂ、３ｂとして構成されている。   Thereby, both the metal plates 2 and 3 are disposed so as to face each other on the inner surfaces 2a and 3a and sandwich the semiconductor element 1 therebetween. Further, in each metal plate 2, 3, the inner surfaces 2a, 3a are the surfaces on the semiconductor element 1 side, but the outer surfaces 2b, 3b which are the surfaces opposite to the inner surfaces 2a, 3a are configured as the heat radiating surfaces 2b, 3b. Has been.

そして、両金属板２、３の内面２ａ、３ａの間において、半導体素子１の表面と第１の金属板２の内面２ａとの間は、はんだ４によって電気的・熱的に接続されている。また、半導体素子１の裏面と第２の金属板３との間には、ブロック体５が介在している。   Between the inner surfaces 2 a and 3 a of both metal plates 2 and 3, the surface of the semiconductor element 1 and the inner surface 2 a of the first metal plate 2 are electrically and thermally connected by the solder 4. . A block body 5 is interposed between the back surface of the semiconductor element 1 and the second metal plate 3.

このブロック体５は、電気導電性、熱伝導性に優れた矩形ブロック状のもので、通常銅からなるが、モリブデンなどを用いてもよい。そして、半導体素子１とブロック体５との間、および、ブロック体５と第１の金属板２の内面２ａとの間は、それぞれ、はんだ４によって電気的・熱的に接続されている。   The block body 5 is a rectangular block having excellent electrical conductivity and thermal conductivity, and is usually made of copper, but molybdenum or the like may be used. The semiconductor element 1 and the block body 5 and the block body 5 and the inner surface 2a of the first metal plate 2 are electrically and thermally connected by the solder 4, respectively.

ここで、上記の各部を接続するはんだ４は、一般的な半導体装置の分野にて採用されるはんだ材料とすることができ、たとえば、すず−銅合金系はんだなどの鉛フリーはんだを採用することができる。   Here, the solder 4 that connects the above-described parts can be a solder material that is employed in the field of general semiconductor devices. For example, a lead-free solder such as a tin-copper alloy solder is employed. Can do.

そして、図１に示されるように、本実施形態の半導体装置１００においては、一対の金属板２、３およびこれに挟み込まれた半導体素子１、ブロック体５が、モールド樹脂６にて封止されている。このモールド樹脂６はエポキシ樹脂などの通常のモールド材料よりなり、成形金型を用いた樹脂成形などの一般的な手法によって作製されたものである。   As shown in FIG. 1, in the semiconductor device 100 of this embodiment, the pair of metal plates 2 and 3 and the semiconductor element 1 and the block body 5 sandwiched between them are sealed with a mold resin 6. ing. This mold resin 6 is made of a normal molding material such as an epoxy resin, and is produced by a general technique such as resin molding using a molding die.

また、図１に示されるように、一対の金属板２、３のそれぞれにおいて放熱面２ｂ、３ｂが、モールド樹脂６から露出している。これにより、本半導体装置１００は、半導体素子１の表裏両面のそれぞれにて、第１の金属板２、第２の金属板３を介した放熱が行われる両面放熱型の構成となっている。   Further, as shown in FIG. 1, the heat radiation surfaces 2 b and 3 b are exposed from the mold resin 6 in each of the pair of metal plates 2 and 3. As a result, the semiconductor device 100 has a double-sided radiation type configuration in which heat is radiated through the first metal plate 2 and the second metal plate 3 on both the front and back surfaces of the semiconductor element 1.

また、一対の金属板２、３は、はんだ４やブロック体５を介して、半導体素子１の表裏各面の図示しない電極に電気的に接続されている。そして、たとえば一対の平面矩形の金属板２、３のそれぞれの一部が、当該矩形の辺部からモールド樹脂６の外部まで突出した端子２ｃ、３ｃとして構成されており、この端子２ｃ、３ｃが外部と電気的に接続されるようになっている。なお、第２の金属板３の端子３ｃについては図２に示されている。   The pair of metal plates 2 and 3 are electrically connected to electrodes (not shown) on the front and back surfaces of the semiconductor element 1 through the solder 4 and the block body 5. For example, a part of each of the pair of planar rectangular metal plates 2 and 3 is configured as terminals 2c and 3c protruding from the sides of the rectangle to the outside of the mold resin 6, and the terminals 2c and 3c are It is designed to be electrically connected to the outside. The terminal 3c of the second metal plate 3 is shown in FIG.

また、図１に示されるように、半導体装置１００においては、第２の金属板３の周囲に、リード部７が設けられている。このリード部７は１本でもよいが、ここでは、図２に示されるように、通常のものと同様、複数本設けられている。このリード部７は、たとえば、半導体素子１の制御用端子などとして機能するものであり、一部がモールド樹脂６に封止され、残部が外部と接続されるためにモールド樹脂６から露出している。   Further, as shown in FIG. 1, in the semiconductor device 100, the lead portion 7 is provided around the second metal plate 3. One lead portion 7 may be provided, but here, as shown in FIG. 2, a plurality of lead portions 7 are provided as in the normal case. The lead portion 7 functions as, for example, a control terminal for the semiconductor element 1, and a part of the lead portion 7 is sealed with the mold resin 6, and the remaining portion is connected to the outside so that it is exposed from the mold resin 6. Yes.

そして、モールド樹脂６の内部では、半導体素子１の表面とリード部７とが、ボンディングワイヤ８を介して電気的・機械的に接続されている。このボンディングワイヤ８は、Ａｕ（金）やＡｌ（アルミ）などよりなる一般的なワイヤボンディングにより形成されたものである。   In the mold resin 6, the surface of the semiconductor element 1 and the lead portion 7 are electrically and mechanically connected via the bonding wire 8. The bonding wire 8 is formed by general wire bonding made of Au (gold) or Al (aluminum).

このような構成において、第１の金属板２と半導体素子１との間に介在するブロック体５は、この半導体素子１とリード部７とのワイヤボンディングを行うにあたって、上記ワイヤ８の高さを維持するために、半導体素子１のワイヤボンディング面と第１の金属板２との間の高さを確保している。   In such a configuration, the block body 5 interposed between the first metal plate 2 and the semiconductor element 1 has a height of the wire 8 when the wire bonding between the semiconductor element 1 and the lead portion 7 is performed. In order to maintain, the height between the wire bonding surface of the semiconductor element 1 and the first metal plate 2 is secured.

そして、本半導体装置１００では、第１の冷却器９は、各金属板２、３における半導体素子１とは反対側の面である放熱面２ｂ、３ｂ側に設けられ、放熱板２ｂ、３ｂと熱的に接合されている。つまり、両金属板２、３で半導体素子１を挟んだものが、さらに第１の冷却器９で挟まれた構成とされている。   And in this semiconductor device 100, the 1st cooler 9 is provided in the heat radiating surface 2b, 3b side which is the surface on the opposite side to the semiconductor element 1 in each metal plate 2, 3, and heat radiating plate 2b, 3b, Thermally bonded. That is, the structure in which the semiconductor element 1 is sandwiched between the two metal plates 2 and 3 is further sandwiched between the first coolers 9.

この第１の冷却器９は、たとえばアルミや銅などの熱伝導性に優れた金属よりなる板状のものであり、内部には、ポンプなどによって水やオイルなどの冷却液が流れる冷却流路９ａを備えている。   The first cooler 9 is a plate-shaped member made of a metal having excellent thermal conductivity, such as aluminum or copper, for example, and a cooling flow path through which a coolant such as water or oil flows by a pump or the like 9a.

第１の冷却器９は、各種の酸化膜や窒化膜などのセラミックスなどの電気絶縁材料よりなる絶縁層１０を介して、各金属板２、３の放熱面２ｂ、３ｂに接触させた状態で接合されている。   The first cooler 9 is in contact with the heat radiation surfaces 2b and 3b of the metal plates 2 and 3 through an insulating layer 10 made of an electrically insulating material such as ceramics such as various oxide films and nitride films. It is joined.

この絶縁層１０は、板状の部品でもよいし、第１の冷却器９または金属板２、３の放熱面２ｂ、３ｂに対して、スパッタや蒸着などで成膜されたものでもよい。そして、第１の冷却器９の固定は、この種の通常の半導体装置と同様に、たとえば、ねじやクリップなどの締結手段などにより行われる。   The insulating layer 10 may be a plate-shaped component, or may be formed by sputtering or vapor deposition on the first cooler 9 or the heat radiation surfaces 2b and 3b of the metal plates 2 and 3. The first cooler 9 is fixed by, for example, a fastening means such as a screw or a clip, as in this type of normal semiconductor device.

ここで、図２に示される複合半導体装置においては、図１に示される半導体装置１００が２個平面的に配列されたものである。   Here, in the composite semiconductor device shown in FIG. 2, two semiconductor devices 100 shown in FIG. 1 are arranged in a plane.

図２において、図示しない上記第１の冷却器は、図中の矢印で示すＸＹ平面に平行な一対の板状のものであり、その一対の第１の冷却器の間に、図２に示される２個の半導体装置１００の部分が挟まれたものである。つまり、２個の半導体装置１００の第１の冷却器９は、互いに共通のものである。そして、第１の冷却器の内面は、図１と同様に、各金属板２、３の放熱面２ｂ、３ｂに熱的に接続されている。   In FIG. 2, the first cooler (not shown) is a pair of plate-like members parallel to the XY plane indicated by an arrow in the figure, and is shown in FIG. 2 between the pair of first coolers. The two semiconductor devices 100 are sandwiched. That is, the first coolers 9 of the two semiconductor devices 100 are common to each other. And the inner surface of a 1st cooler is thermally connected to the thermal radiation surface 2b, 3b of each metal plate 2, 3 similarly to FIG.

また、図１に示されるように、本実施形態では、モールド樹脂６の内部にて、一対の金属板２、３の間には第２の冷却器１１が介在されている。そして、この第２の冷却器１１は、一対の金属板２、３における半導体素子１側の面である内面２ａ、３ａに熱的に接続され、当該内面２ａ、３ａ側からも一対の金属板２、３を冷却するようになっている。   As shown in FIG. 1, in the present embodiment, a second cooler 11 is interposed between the pair of metal plates 2 and 3 inside the mold resin 6. And this 2nd cooler 11 is thermally connected to the inner surfaces 2a and 3a which are the surfaces by the side of the semiconductor element 1 in a pair of metal plates 2 and 3, and a pair of metal plates are also from the said inner surfaces 2a and 3a side. 2 and 3 are cooled.

この第２の冷却器１１も、第１の冷却器９と同様に、たとえばアルミや銅などの熱伝導性に優れた金属よりなる板状のものであり、内部には、ポンプなどによって水やオイルなどの冷却液が流れる冷却流路１１ａを備えている。この第２の冷却器１１は、一対の金属板２、３の間において、半導体素子１やブロック体５の位置する部位以外の部位に設けられ、これら部材１、５に干渉しないようになっている。   Similarly to the first cooler 9, the second cooler 11 is also a plate-shaped member made of a metal having excellent thermal conductivity such as aluminum or copper. A cooling channel 11a through which a cooling liquid such as oil flows is provided. The second cooler 11 is provided between the pair of metal plates 2 and 3 at a portion other than the portion where the semiconductor element 1 and the block body 5 are located, and does not interfere with the members 1 and 5. Yes.

ここで、第２の冷却器１１と一対の金属板２、３の内面２ａ、３ａとの間には、絶縁層１２が介在し、この絶縁層１２によって、両部材１１と２、３との熱的接続および電気的絶縁が確保されている。   Here, an insulating layer 12 is interposed between the second cooler 11 and the inner surfaces 2 a and 3 a of the pair of metal plates 2 and 3, and the insulating layer 12 allows the members 11 and 2 and 3 to be connected to each other. Thermal connection and electrical insulation are ensured.

この絶縁層１２は、たとえば、ＳｉＣＮ（Ｓｉ炭化窒化膜）やＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）などよりなる。そして、この絶縁層１２は、第２の冷却器１１および金属板２、３のいずれかの面に対して、スパッタや蒸着などによって、必要な絶縁耐圧に応じた厚さ分、作製されたものである。   The insulating layer 12 is made of, for example, SiCN (Si carbonitride film) or DLC (diamond like carbon). And this insulating layer 12 was produced by the thickness according to the required withstand voltage with respect to any surface of the 2nd cooler 11 and the metal plates 2 and 3 by sputtering, vapor deposition, etc. It is.

また、図２に示されるように、さらに、それぞれの半導体装置１００においては、第２の冷却器１１が各半導体装置１００の外方に突出した突出部１１ｂを有している。そして、それぞれの半導体装置１００の第２の冷却器１１の突出部１１ｂ同士が、連結されている。   Further, as shown in FIG. 2, in each semiconductor device 100, the second cooler 11 has a protruding portion 11 b that protrudes outward of each semiconductor device 100. And the protrusion parts 11b of the 2nd cooler 11 of each semiconductor device 100 are connected.

ここで、上述したが、それぞれの半導体装置１００の第２の冷却器１１は、内部を冷却液すなわち冷媒が流通することで冷却を行うものである。図３は、この第２の冷却器１１の連結部分を拡大して示す概略断面図である。   Here, as described above, the second cooler 11 of each semiconductor device 100 performs cooling by circulating a coolant, that is, a refrigerant, inside. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged connection portion of the second cooler 11.

図３に示されるように、ここでは連結部分は、連結される第２の冷却器１１の突出部１１ｂ同士の一方と他方とで径を異ならせ、重ね継ぎ手構造としている。ここでは、図３に示されるように、当該連結部分のシール性を確保するために、ロウ付けなどによるシール部１１ｃを設けている。そして、この連結部分では、第２の冷却器１１の冷却流路１１ａ同士が連通しており、両半導体装置１００の第２の冷却器１１同士に、共通の冷媒が流れるようになっている。   As shown in FIG. 3, here, the connecting portion has a lap joint structure in which the diameter is different between one and the other of the protruding portions 11 b of the second cooler 11 to be connected. Here, as shown in FIG. 3, in order to ensure the sealing performance of the connecting portion, a seal portion 11c by brazing or the like is provided. And in this connection part, the cooling flow paths 11a of the second cooler 11 communicate with each other, and a common refrigerant flows between the second coolers 11 of both semiconductor devices 100.

なお、複合半導体装置は、２個の半導体装置１００を備えていればよいが、さらに３個以上の半導体装置１００が備えられていてもよい。そして、それら複数個の半導体装置１００のうちの２個が図１、図２に示されるような構成となっていればよい。図２では、２個の半導体装置１００のＹ方向の両側に、さらに図示しない半導体装置が設けられ第２の冷却器によって連結されたものとしている。   Note that the composite semiconductor device only needs to include two semiconductor devices 100, but may further include three or more semiconductor devices 100. Then, it is only necessary that two of the plurality of semiconductor devices 100 have a configuration as shown in FIGS. In FIG. 2, it is assumed that semiconductor devices (not shown) are further provided on both sides in the Y direction of the two semiconductor devices 100 and are connected by a second cooler.

かかる半導体装置１００の動作時には、半導体素子１の表裏の各面にて金属板２、３と半導体素子１とが電気的・熱的に接続されているため、金属板２、３は半導体素子１の電極および放熱板として機能する。   During the operation of the semiconductor device 100, the metal plates 2 and 3 and the semiconductor element 1 are electrically and thermally connected to the front and back surfaces of the semiconductor element 1. Functions as an electrode and a heat sink.

また、第１の冷却器９および第２の冷却器１１は、図示しないポンプなどにより各冷却器９、１１の冷却流路９ａ、１１ａに冷却液を流すことにより、半導体素子１の表裏の各面から金属板２、３を介して伝わる熱を放熱するようになっている。   In addition, the first cooler 9 and the second cooler 11 are configured so that each of the front and back sides of the semiconductor element 1 is flowed by flowing a coolant through the cooling flow paths 9a and 11a of the coolers 9 and 11 by a pump (not shown) or the like. Heat transmitted from the surface via the metal plates 2 and 3 is radiated.

次に、上記半導体装置１００の製造方法について述べる。まず、上記図１においてモールド樹脂６が無い状態のワークを作製する。このワークは、両金属板２、３の間に第２の冷却器１１を挟むと共に、第１の金属板２、半導体素子１、ブロック体５、第２の金属板３を、はんだ４を介して積層し接合し、リード部７と半導体素子１との間でワイヤボンディングを行うことにより、作製される。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device 100 will be described. First, a workpiece without the mold resin 6 in FIG. 1 is prepared. In this work, the second cooler 11 is sandwiched between the metal plates 2 and 3, and the first metal plate 2, the semiconductor element 1, the block body 5, and the second metal plate 3 are connected via the solder 4. Then, they are laminated and bonded, and wire bonding is performed between the lead portion 7 and the semiconductor element 1.

次に、このワークをモールド樹脂６により封止する。この樹脂封止は、金型を用いた一般的なトランスファーモールド法により行われる。当該ワークを当該金型にセットした状態で、金型内にモールド樹脂６を注入し充填することで、モールド樹脂６による封止が完了する。   Next, this work is sealed with a mold resin 6. This resin sealing is performed by a general transfer molding method using a mold. In a state where the workpiece is set in the mold, the mold resin 6 is injected and filled in the mold, whereby the sealing with the mold resin 6 is completed.

次に、締結などによって、モールド樹脂６より露出する金属板２、３の放熱面２ｂ、３ｂに、絶縁層１０を介して第１の冷却器９を取り付け固定する。こうして、本実施形態の半導体装置１００ができあがる。なお、上記複合半導体装置においては、第１の冷却器９を除く２個の半導体装置１００の部分を、互いの第２の冷却器１１にて連結し、一体化した後に、第１の冷却器９の取り付けを行えば上記複合半導体装置ができあがる。   Next, the first cooler 9 is attached and fixed to the heat radiating surfaces 2 b and 3 b of the metal plates 2 and 3 exposed from the mold resin 6 through the insulating layer 10 by fastening or the like. Thus, the semiconductor device 100 of this embodiment is completed. In the above-described composite semiconductor device, after the two semiconductor devices 100 except for the first cooler 9 are connected and integrated with each other by the second cooler 11, the first cooler is used. 9 is completed, the composite semiconductor device is completed.

ところで、本実施形態によれば、両面放熱型の半導体装置１００において、半導体素子１を挟む一対の金属板２、３の放熱面２ｂ、３ｂ側からだけでなく、内面２ａ、３ａ側からも第２の冷却器１１によって金属板２、３が冷却されるので、冷却効率が向上する。   By the way, according to the present embodiment, in the double-sided heat dissipation type semiconductor device 100, not only from the heat dissipation surfaces 2b and 3b side of the pair of metal plates 2 and 3 sandwiching the semiconductor element 1, but also from the inner surfaces 2a and 3a side. Since the metal plates 2 and 3 are cooled by the second cooler 11, the cooling efficiency is improved.

また、図２に示される複合半導体装置では、各半導体装置１００の第２の冷却器１１の突出部１１ｂ同士が、連結されるので、各第２の冷却器１２同士の一体化が図れる。そして、各半導体装置１００について、半導体素子１を挟む一対の金属板２、３の内面２ａ、３ａ側からも冷却されるので、冷却効率が向上する。   In the composite semiconductor device shown in FIG. 2, the protrusions 11 b of the second coolers 11 of each semiconductor device 100 are connected to each other, so that the second coolers 12 can be integrated. Since each semiconductor device 100 is also cooled from the inner surfaces 2a and 3a side of the pair of metal plates 2 and 3 sandwiching the semiconductor element 1, the cooling efficiency is improved.

（第２実施形態）
図４（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の要部を示す概略断面図であり、図４（ｂ）は、（ａ）中のＡ−Ａ概略断面図である。本実施形態は、上記第１実施形態に比べて、第２の冷却器１１の形状を変更したことが相違するものであり、ここでは、その相違点を中心に述べることとする。 (Second Embodiment)
FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing the main part of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a schematic cross-sectional view along AA in FIG. The present embodiment is different from the first embodiment in that the shape of the second cooler 11 is changed, and here, the difference will be mainly described.

上記第１実施形態では、図２に示されるように、金属板２、３の間では、第２の冷却器１１は２個の半導体素子１、１の間を通る真っ直ぐな形状であった。それに対して、本実施形態では、図４に示されるように、第２の冷却器１１は、両金属板２、３の間にて折れ曲がり形状となっており、ここでは、各半導体素子１を取り巻くように曲がっている。   In the first embodiment, as shown in FIG. 2, between the metal plates 2 and 3, the second cooler 11 has a straight shape that passes between the two semiconductor elements 1 and 1. On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG. 4, the second cooler 11 is bent between the two metal plates 2, 3. It bends around.

それにより、本実施形態では、第２の冷却器１１と両金属板２、３との接触面積をより大きくすることができ、冷却効率の向上の面で好ましいものとなる。   Thereby, in this embodiment, the contact area of the 2nd cooler 11 and both the metal plates 2 and 3 can be enlarged more, and it becomes a preferable thing at the surface of the improvement of cooling efficiency.

（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置の要部を示す概略断面図である。本実施形態は、上記第１実施形態に比べて、第２の冷却器１１の形状を変更したことが相違するものであり、その相違点を中心に述べることとする。 (Third embodiment)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a main part of a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. The present embodiment is different from the first embodiment in that the shape of the second cooler 11 is changed, and the difference will be mainly described.

ここでは、第２の冷却器１１は、第１の冷却器９の一部を、それぞれの金属板２、３の放熱面２ｂ、３ｂから端面を超えて内面２ａ、３ａまで折り曲げたものとして構成されている。ここでは、第１の冷却器９の周辺部が当該内面２ａ、３ａに向かってコの字形状に折り返されている。   Here, the second cooler 11 is configured such that a part of the first cooler 9 is bent from the heat radiation surfaces 2b and 3b of the respective metal plates 2 and 3 to the inner surfaces 2a and 3a beyond the end surfaces. Has been. Here, the peripheral part of the 1st cooler 9 is return | folded by the U shape toward the said inner surfaces 2a and 3a.

このような形状は折り曲げ加工や型成形などにより作製される。そして、この場合、両冷却流路９、１１が一体のものであるため、第１及び第２の冷却器９、１１の冷却流路９ａ、１１ａを共通の流路として構成することが可能となる。   Such a shape is produced by bending or molding. In this case, since both cooling flow paths 9 and 11 are integrated, it is possible to configure the cooling flow paths 9a and 11a of the first and second coolers 9 and 11 as a common flow path. Become.

（他の実施形態）
なお、一対の金属板２、３に挟まれる半導体素子１としては、両面に配置される一対の金属板２、３を電極や放熱板として用いることが可能なものであればよく、その数としては、上述のように２個あってもよいし、１個または３個以上でもよい。 (Other embodiments)
The semiconductor element 1 sandwiched between the pair of metal plates 2 and 3 may be any one as long as the pair of metal plates 2 and 3 disposed on both surfaces can be used as an electrode or a heat sink. As described above, there may be two, or one or three or more.

また、上述したように、ブロック体５は、半導体素子１と第１の金属板２との間に介在し、これら両部材１、２の間の高さを確保する役割を有するものであるが、可能であるならば、上記各実施形態において、ブロック体５は存在しないものであってもよい。この場合、たとえば、上記図１において、半導体素子１の表面と対向する第１の金属板２の内面２ａの部位を突出させ、この突出部と半導体素子１とを直接はんだ付けするようにしてもよい。   Further, as described above, the block body 5 is interposed between the semiconductor element 1 and the first metal plate 2 and has a role of ensuring the height between the members 1 and 2. If possible, in each of the above embodiments, the block body 5 may not exist. In this case, for example, in FIG. 1, the portion of the inner surface 2a of the first metal plate 2 facing the surface of the semiconductor element 1 is projected, and the protruding portion and the semiconductor element 1 are directly soldered. Good.

また、上記各実施形態では、冷却器９、１１は冷却流路９ａ、１１ａを内蔵する水冷式のものであったが、冷却器としては冷却流路を持たないものでもよく、たとえば、冷却フィンなどを持つ空冷式のものであってもよい。特に、第２の冷却器１１の場合、半導体装置１００の外方に突出した突出部１１ｂにて冷却フィンを持つようにすればよい。   Further, in each of the above embodiments, the coolers 9 and 11 are water-cooled types incorporating the cooling flow paths 9a and 11a. However, the coolers may not have a cooling flow path. It may be an air-cooled type having In particular, in the case of the second cooler 11, the cooling fins may be provided at the protruding portions 11 b protruding outward from the semiconductor device 100.

また、半導体装置としては、半導体素子と、半導体素子の表面側、裏面側にそれぞれ電気的および熱的に接合された金属板と、各金属板の放熱面に熱的に接合された冷却器とを備えるものであればよく、上記各実施形態に示されるようなモールド樹脂６が無い構成であってもよい。   Further, as a semiconductor device, a semiconductor element, a metal plate electrically and thermally bonded to the front surface side and the back surface side of the semiconductor element, respectively, and a cooler thermally bonded to the heat radiation surface of each metal plate The structure without the mold resin 6 as shown in the above embodiments may be used.

本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 第１実施形態に係る複合半導体装置の要部を示す外観斜視図である。1 is an external perspective view showing a main part of a composite semiconductor device according to a first embodiment. 図２における第２の冷却器の連結部分を拡大して示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which expands and shows the connection part of the 2nd cooler in FIG. （ａ）は本発明の第２実施形態に係る半導体装置の要部を示す概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ概略断面図である。(A) is a schematic sectional drawing which shows the principal part of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment of this invention, (b) is AA schematic sectional drawing in (a). 本発明の第３実施形態に係る半導体装置の要部を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the principal part of the semiconductor device which concerns on 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１ 半導体素子
２ 第１の金属板
２ａ 第１の金属板の放熱面
２ｂ 第１の金属板の内面
３ 第２の金属板
３ａ 第２の金属板の放熱面
３ｂ 第２の金属板の内面
９ 第１の冷却器
１１ 第２の冷却器
１１ｂ 第２の冷却器の突出部
１００ 半導体装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor element 2 1st metal plate 2a Heat dissipation surface of 1st metal plate 2b Inner surface of 1st metal plate 3 2nd metal plate 3a Heat dissipation surface of 2nd metal plate 3b Inner surface of 2nd metal plate 9 First cooler 11 Second cooler 11b Projection part of second cooler 100 Semiconductor device

Claims (4)

半導体素子（１）と、
前記半導体素子（１）の表面側、裏面側にそれぞれ電気的および熱的に接合され、前記半導体素子（１）を挟む一対の金属板（２、３）と、
前記一対の金属板（２、３）における前記半導体素子（１）とは反対側の面である放熱面（２ｂ、３ｂ）に熱的に接合された第１の冷却器（９）とを備える半導体装置において、
前記一対の金属板（２、３）の間には第２の冷却器（１１）が介在されており、
この第２の冷却器（１１）は、前記一対の金属板（２、３）における前記半導体素子（１）側の面である内面（２ａ、３ａ）に熱的に接続され、前記一対の金属板（２、３）を冷却するようになっていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor element (1);
A pair of metal plates (2, 3) that are electrically and thermally bonded to the front side and the back side of the semiconductor element (1), respectively, and sandwich the semiconductor element (1);
A first cooler (9) thermally joined to a heat radiating surface (2b, 3b) which is a surface opposite to the semiconductor element (1) in the pair of metal plates (2, 3); In semiconductor devices,
A second cooler (11) is interposed between the pair of metal plates (2, 3),
The second cooler (11) is thermally connected to inner surfaces (2a, 3a) which are surfaces of the pair of metal plates (2, 3) on the semiconductor element (1) side, and the pair of metals A semiconductor device characterized in that the plates (2, 3) are cooled. 前記第２の冷却器（１１）は、前記第１の冷却器（９）の一部がそれぞれの前記金属板（２、３）の放熱面（２ｂ、３ｂ）から端面を超えて内面（２ａ、３ａ）まで折り曲げられたものとして構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。   In the second cooler (11), a part of the first cooler (9) extends from the heat dissipating surface (2b, 3b) of the respective metal plate (2, 3) to the inner surface (2a 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is bent up to 3 a). 半導体素子（１）と、前記半導体素子（１）の表面側、裏面側にそれぞれ電気的および熱的に接合され、前記半導体素子（１）を挟む一対の金属板（２、３）と、前記一対の金属板（２、３）における前記半導体素子（１）とは反対側の面である放熱面（２ｂ、３ｂ）に熱的に接合された第１の冷却器（９）とを備える半導体装置（１００）を２個有しており、
それぞれの前記半導体装置（１００）においては、前記一対の金属板（２、３）の間には第２の冷却器（１１）が介在されるとともに、この第２の冷却器（１１）は、前記一対の金属板（２、３）における前記半導体素子（１）側の面である内面（２ａ、３ａ）に熱的に接続され、前記一対の金属板（２、３）を冷却するようになっており、
さらに、それぞれの前記半導体装置（１００）においては、前記第２の冷却器（１１）が当該半導体装置の外方に突出した突出部（１１ｂ）を有しており、
それぞれの前記半導体装置（１００）の前記第２の冷却器（１１）の前記突出部（１１ｂ）同士が、連結されていることを特徴とする複合半導体装置。 A semiconductor element (1), a pair of metal plates (2, 3) that are electrically and thermally bonded to the front side and the back side of the semiconductor element (1), respectively, and sandwich the semiconductor element (1); A semiconductor comprising a first cooler (9) thermally joined to a heat radiating surface (2b, 3b) which is a surface opposite to the semiconductor element (1) in the pair of metal plates (2, 3). Have two devices (100),
In each of the semiconductor devices (100), a second cooler (11) is interposed between the pair of metal plates (2, 3), and the second cooler (11) The pair of metal plates (2, 3) is thermally connected to inner surfaces (2a, 3a), which is a surface on the semiconductor element (1) side, so that the pair of metal plates (2, 3) is cooled. And
Further, in each of the semiconductor devices (100), the second cooler (11) has a protruding portion (11b) protruding outward from the semiconductor device,
The composite semiconductor device, wherein the protrusions (11b) of the second cooler (11) of each of the semiconductor devices (100) are connected to each other. それぞれの前記半導体装置（１００）の前記第２の冷却器（１１）は、内部を冷媒が流通することで冷却を行うものであり、
前記連結された部位を介して、前記半導体装置（１００）の前記第２の冷却器（１１）同士に、共通の冷媒が流れるようになっていることを特徴とする請求項３に記載の複合半導体装置。 The second cooler (11) of each of the semiconductor devices (100) performs cooling by circulating a refrigerant therein,
The composite refrigerant according to claim 3, wherein a common refrigerant flows between the second coolers (11) of the semiconductor device (100) through the connected portions. Semiconductor device.
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