JP2019016744A

JP2019016744A - Semiconductor device

Info

Publication number: JP2019016744A
Application number: JP2017134867A
Authority: JP
Inventors: 久里　裕二; Yuuji Kuri; 裕二久里; 真輝山成; Naoki Yamanari; 渡邉　尚威; Naotake Watanabe; 尚威渡邉; 伊東　弘晃; Hiroaki Ito; 弘晃伊東; 大部　利春; Toshiharu Obe; 利春大部; 和靖瀧本; Kazuyasu Takimoto; 関谷　洋紀; Hironori Sekiya; 洋紀関谷; 優太市倉
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2019-01-31
Anticipated expiration: 2037-07-10
Also published as: JP6845758B2

Abstract

To provide a semiconductor device capable of suppressing explosive breakage at a short-circuit failure.SOLUTION: A semiconductor device comprises: a first metal plate; a second metal plate opposed to the first metal plate; and a plurality of semiconductor element modules arranged between the first metal plate and the second metal plate. The semiconductor element module comprises: a first metal member connected with the first metal plate; a second metal member connected with the second metal plate; a semiconductor element arranged between the first metal member and the second metal member; and a resin member that encapsulates the semiconductor element between the first metal member and the second metal member. The resin member contains: a resin base; and a filler dispersed in the resin base and whose thermal conductivity is higher than that of the resin base.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

実施形態は、半導体装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a semiconductor device.

耐圧数kVを有するMW級の電力変換器は、大電流容量の半導体装置を用いて構成される。このような半導体装置は、並列実装された複数の半導体素子を含むが、そのうちの１つが短絡故障した場合、その素子に短絡電流が集中し、爆発的な破壊に至ることがある。半導体装置の短絡故障に適宜対応し、電力変換器を安定に動作させるためには、そのような破壊モードを抑制することが重要である。 An MW class power converter having a withstand voltage of several kV is configured using a semiconductor device having a large current capacity. Such a semiconductor device includes a plurality of semiconductor elements mounted in parallel. When one of them is short-circuited, a short-circuit current is concentrated on the element, which may cause explosive destruction. It is important to suppress such a destruction mode in order to appropriately cope with a short circuit failure of the semiconductor device and to operate the power converter stably.

特開平１０−１１６９３９号公報JP-A-10-116939

実施形態は、短絡故障時における爆発的破壊を抑制できる半導体装置を提供する。 The embodiment provides a semiconductor device capable of suppressing explosive destruction at the time of a short circuit failure.

実施形態に係る半導体装置は、第１金属板と、前記第１金属板に向き合う第２金属板と、前記第１金属板と前記第２金属板との間に配置された複数の半導体素子モジュールと、を備える。前記半導体素子モジュールは、前記第１金属板に接続された第１金属部材と、前記第２金属板に接続された第２金属部材と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に配置された半導体素子と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に前記半導体素子を封じた樹脂部材と、を有する。前記樹脂部材は、樹脂ベースと、前記樹脂ベース中に分散された前記樹脂ベースよりも熱伝導率が高いフィラーと、を含む。 A semiconductor device according to an embodiment includes a first metal plate, a second metal plate facing the first metal plate, and a plurality of semiconductor element modules disposed between the first metal plate and the second metal plate. And comprising. The semiconductor element module includes a first metal member connected to the first metal plate, a second metal member connected to the second metal plate, and between the first metal member and the second metal member. And a resin member sealing the semiconductor element between the first metal member and the second metal member. The resin member includes a resin base and a filler having a higher thermal conductivity than the resin base dispersed in the resin base.

実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor device according to an embodiment. 実施形態に係る半導体素子モジュールを示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the semiconductor element module which concerns on embodiment. 比較例に係る半導体素子モジュールを示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the semiconductor element module which concerns on a comparative example. 実施形態に係る半導体素子モジュールを示す模式図である。It is a mimetic diagram showing a semiconductor element module concerning an embodiment. 実施形態に係る半導体素子モジュールを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the semiconductor element module which concerns on embodiment. 実施形態の変形例に係る半導体素子モジュールを示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the semiconductor element module which concerns on the modification of embodiment. 実施形態の別の変形例に係る半導体素子モジュールを示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the semiconductor element module which concerns on another modification of embodiment.

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. The same parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof will be omitted as appropriate, and different parts will be described. The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.

さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。 Furthermore, the arrangement and configuration of each part will be described using the X-axis, Y-axis, and Z-axis shown in each drawing. The X axis, the Y axis, and the Z axis are orthogonal to each other and represent the X direction, the Y direction, and the Z direction, respectively. Further, the Z direction may be described as the upper side and the opposite direction as the lower side.

図１は、実施形態に係る半導体装置１００を示す模式断面図である。半導体装置１００は、例えば、大電流型半導体装置であり、複数の半導体素子モジュール１を含む。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor device 100 according to the embodiment. The semiconductor device 100 is, for example, a large current type semiconductor device, and includes a plurality of semiconductor element modules 1.

図２は、半導体素子モジュール１を示す模式断面図である。
図１に示すように、半導体装置１００は、金属板１０と、金属板２０と、２以上の半導体素子モジュール１と、を備える。金属板１０は、主面１０ａと、その反対側の主面１０ｂとを有する。金属板２０は、金属板１０の主面１０ａに向き合う主面２０ａと、その反対側の主面２０ｂと、を有する。半導体素子モジュール１は、金属板１０と、金属板２０との間に配置される。金属板１０および２０には、例えば、銅のような電気伝導性と熱伝導性に優れた材料を用いる。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the semiconductor element module 1.
As shown in FIG. 1, the semiconductor device 100 includes a metal plate 10, a metal plate 20, and two or more semiconductor element modules 1. The metal plate 10 has a main surface 10a and a main surface 10b on the opposite side. The metal plate 20 has a main surface 20a facing the main surface 10a of the metal plate 10 and a main surface 20b on the opposite side. The semiconductor element module 1 is disposed between the metal plate 10 and the metal plate 20. For the metal plates 10 and 20, for example, a material having excellent electrical conductivity and thermal conductivity such as copper is used.

金属板１０は、接合部材３０を介して半導体素子モジュール１に接続される。金属板２０は、接合部材４０を介して半導体素子モジュール１に接続される。接合部材３０および４０は、金属ハンダもしくは銀ペースト等の導電性接着剤である。 The metal plate 10 is connected to the semiconductor element module 1 via the bonding member 30. The metal plate 20 is connected to the semiconductor element module 1 via the bonding member 40. The joining members 30 and 40 are conductive adhesives such as metal solder or silver paste.

さらに、金属板１０および２０の側面にケース５０が付設され、金属板１０と金属板２０との間の空間が密閉される。金属板１０と金属板２０との間の空間には、例えば、ＳＦ_６等の絶縁ガスもしくはゲル状の絶縁部材が充填される。 Furthermore, a case 50 is attached to the side surfaces of the metal plates 10 and 20, and the space between the metal plate 10 and the metal plate 20 is sealed. The space between the metal plate 10 and the metal plate 20 is filled with, for example, an insulating gas such as SF ₆ or a gel-like insulating member.

半導体装置１００では、例えば、半導体素子１５（図２参照）をモジュール化した後に、金属板１０と金属板２０との間に配置する。このため、半導体素子モジュール１を特性試験した後に実装することが可能であり、製造過程における半導体素子１５の故障に起因する半導体装置１００の不良を大幅に低減することができる。また、金属板１０と金属板２０との間に半導体素子１５を直接実装する構造では、金属板１０および２０の半導体素子１５に接続される表面に高い平坦度が要求される。これに対して、半導体装置１００では、半導体素子１５をモジュール化した後に実装することから、加工精度を緩和することが可能であり、製造コストを低減することができる。 In the semiconductor device 100, for example, the semiconductor element 15 (see FIG. 2) is modularized and then disposed between the metal plate 10 and the metal plate 20. For this reason, it is possible to mount the semiconductor element module 1 after performing a characteristic test, and it is possible to greatly reduce defects in the semiconductor device 100 due to a failure of the semiconductor element 15 in the manufacturing process. Further, in the structure in which the semiconductor element 15 is directly mounted between the metal plate 10 and the metal plate 20, high flatness is required for the surfaces of the metal plates 10 and 20 connected to the semiconductor element 15. On the other hand, in the semiconductor device 100, since the semiconductor element 15 is mounted after being modularized, the processing accuracy can be relaxed and the manufacturing cost can be reduced.

図２に示すように、半導体素子モジュール１は、金属部材１１と、金属部材１３と、半導体素子１５と、樹脂部材１７と、を含む。半導体素子１５は、金属部材１１と金属部材１３との間に配置される。 As shown in FIG. 2, the semiconductor element module 1 includes a metal member 11, a metal member 13, a semiconductor element 15, and a resin member 17. The semiconductor element 15 is disposed between the metal member 11 and the metal member 13.

金属部材１１および１３は、例えば、電極プレートであり、銅もしくはアルミニウムなどの電気伝導性と熱伝導性に優れた材料を用いる。例えば、金属部材１１および１３は同じ材料で構成される。また、金属部材１１と金属部材１３の形状の違いによる熱歪みの差を低減するために、線膨張係数の異なる材料を用いることも可能である。 The metal members 11 and 13 are, for example, electrode plates, and a material having excellent electrical conductivity and thermal conductivity such as copper or aluminum is used. For example, the metal members 11 and 13 are made of the same material. Further, in order to reduce the difference in thermal strain due to the difference in shape between the metal member 11 and the metal member 13, materials having different linear expansion coefficients can be used.

金属部材１１および１３には、所謂、加工硬化（もしくは歪硬化）された金属板を用いても良い。金属部材１１および１３には、例えば、プレス加工により硬化されたアルミニウム板を用いることができる。金属材料を加工硬化させることにより、例えば、その融点を下げることができる。 For the metal members 11 and 13, a so-called work-hardened (or strain-hardened) metal plate may be used. For the metal members 11 and 13, for example, an aluminum plate hardened by press working can be used. By melting the metal material, for example, the melting point can be lowered.

半導体素子１５は、樹脂部材１７を用いて金属部材１１および１３の間に封止される。例えば、真空状態の樹脂成型用金型内に樹脂を注入し、固化させる。これにより、金属部材１１、１３および半導体素子１５の近傍に気泡を残さずに樹脂部材１７を形成することができる。 The semiconductor element 15 is sealed between the metal members 11 and 13 using a resin member 17. For example, the resin is injected into a vacuum mold for resin molding and solidified. Thereby, the resin member 17 can be formed without leaving bubbles in the vicinity of the metal members 11 and 13 and the semiconductor element 15.

樹脂部材１７は、例えば、メラミン系樹脂等の熱硬化性樹脂である。また、樹脂部材１７は、樹脂ベース２１と、フィラー２３および２５と、を含む。フィラー２３および２５には、樹脂ベース２１よりも熱伝導率の高い材料を用いる。また、フィラー２５の粒径は、フィラー２３の粒径よりも大きい。すなわち、粒径の異なるフィラーを用いることにより、粒径の揃ったフィラーを分散する場合に比べて充填率を高くすることができる。これにより、樹脂部材１７の熱伝導率をより大きくすることができる。 The resin member 17 is, for example, a thermosetting resin such as a melamine resin. The resin member 17 includes a resin base 21 and fillers 23 and 25. For the fillers 23 and 25, a material having a higher thermal conductivity than the resin base 21 is used. The particle size of the filler 25 is larger than the particle size of the filler 23. That is, by using fillers having different particle diameters, the filling rate can be increased as compared with the case where fillers having uniform particle diameters are dispersed. Thereby, the thermal conductivity of the resin member 17 can be further increased.

フィラー２３および２５には、例えば、窒化アルミニウム、窒化シリコンなどのセラミックスを用いる。表１に示すように、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、フィラーとして多用されるガラスもしくは窒化ボロンよりも大きな熱伝導率を有する。また、フィラー２３および２５として金属粒子を用いても良い。

For the

fillers

23 and 25, for example, ceramics such as aluminum nitride and silicon nitride are used. As shown in Table 1, aluminum nitride (AlN) has a larger thermal conductivity than glass or boron nitride, which is frequently used as a filler. Further, metal particles may be used as the

fillers

23 and 25.

半導体素子１５は、電力スイッチング用半導体チップであり、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、あるいは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。また、半導体装置１００に用いられる複数の半導体素子１５の一部は、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode）等のダイオードであっても良い。 The semiconductor element 15 is a power switching semiconductor chip and is, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). Further, some of the plurality of semiconductor elements 15 used in the semiconductor device 100 may be diodes such as FRD (Fast Recovery Diode).

半導体素子１５は、コレクタ電極とエミッタ電極（もしくは、ドレイン電極とソース電極、またはアノード電極とカソード電極）を有する。金属部材１１は、例えば、半導体素子１５のコレクタ電極に接合部材１８を介して接続される。金属部材１３は、例えば、半導体素子１５のエミッタ電極に接合部材１９を介して接続される。接合部材１８および１９は、金属ハンダもしくは銀ペースト等の導電性接着剤である。 The semiconductor element 15 has a collector electrode and an emitter electrode (or a drain electrode and a source electrode, or an anode electrode and a cathode electrode). For example, the metal member 11 is connected to the collector electrode of the semiconductor element 15 via the bonding member 18. For example, the metal member 13 is connected to the emitter electrode of the semiconductor element 15 via the bonding member 19. The joining members 18 and 19 are conductive adhesives such as metal solder or silver paste.

金属部材１３は、例えば、第１部分１３ａと、第２部分１３ｂと、を含む。第２部分１３ｂは、第１部分１３ａと半導体素子１５との間に位置する。半導体素子１５は、接合部材１９を介して第２部分１３ｂに接続される。第２部分１３ｂは、例えば、半導体素子１５のエミッタ電極にフィットする形状を有する。 The metal member 13 includes, for example, a first portion 13a and a second portion 13b. The second portion 13 b is located between the first portion 13 a and the semiconductor element 15. The semiconductor element 15 is connected to the second portion 13 b through the bonding member 19. For example, the second portion 13 b has a shape that fits the emitter electrode of the semiconductor element 15.

接合部材１８および１９には、接合部材３０および４０よりも高い融点を有する材料を用いることが好ましい。接合部材１８および１９には、例えば、錫と銀を含む融点２２０℃程度のハンダを使用し、接合部材３０および４０には、例えば、錫と銀と銅を含む融点２００℃程度のハンダを使用する。 It is preferable to use a material having a higher melting point than the joining members 30 and 40 for the joining members 18 and 19. For the joining members 18 and 19, for example, solder having a melting point of about 220 ° C. containing tin and silver is used, and for the joining members 30 and 40, for example, solder having a melting point of about 200 ° C. containing tin, silver and copper is used. To do.

例えば、半導体素子モジュール１を金属板１０および金属板２０にハンダ付けする際に、半導体素子モジュール１の内部において接合部材１８、１９が再溶融すると、樹脂部材１７にクラックが発生し、接合部材１８、１９の流出などによる故障が懸念される。本実施形態によれば、半導体素子モジュール１をハンダ付けするために接合部材３０および４０を加熱する際に、接合部材１８、１９の温度を融点以下に抑えることができる。これにより、接合部材１８、１９の再溶融を防ぎつつ、接合部材３０および４０を溶融させてハンダ付けすることが可能であり、半導体素子モジュール１の信頼性を向上させることができる。 For example, when the semiconductor element module 1 is soldered to the metal plate 10 and the metal plate 20, if the joining members 18 and 19 are remelted inside the semiconductor element module 1, a crack is generated in the resin member 17, and the joining member 18. There is a concern about failure due to the outflow of 19. According to the present embodiment, when the bonding members 30 and 40 are heated to solder the semiconductor element module 1, the temperature of the bonding members 18 and 19 can be suppressed to the melting point or lower. Thereby, it is possible to melt and solder the joining members 30 and 40 while preventing re-melting of the joining members 18 and 19, and to improve the reliability of the semiconductor element module 1.

図３は、比較例に係る半導体素子モジュール２を示す模式断面図である。半導体素子モジュール２は、金属部材１１と、金属部材１３と、半導体素子１５と、樹脂部材２７と、を含む。半導体素子モジュール２において、樹脂部材２７は、例えば、樹脂ベース２１と同じ材料を含み、フィラー２３および２５を含まない点で、樹脂部材１７とは異なる。すなわち、樹脂部材２７の熱伝導率は、樹脂部材１７の熱伝導率よりも低い。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor element module 2 according to a comparative example. The semiconductor element module 2 includes a metal member 11, a metal member 13, a semiconductor element 15, and a resin member 27. In the semiconductor element module 2, the resin member 27 is different from the resin member 17 in that, for example, the resin member 27 includes the same material as the resin base 21 and does not include the fillers 23 and 25. That is, the thermal conductivity of the resin member 27 is lower than the thermal conductivity of the resin member 17.

例えば、半導体素子１５が短絡故障し、半導体素子モジュール２に短絡電流が流れると、樹脂部材２７により封止された半導体素子１５の温度がジュール熱により上昇し、接合部材１８、１９および他の金属部分が溶融する。さらに、樹脂部材２７にクラックＣＤが発生し、内部の溶融物が外部へ飛散する。この結果、半導体素子１５と金属部材１１もしくは１３との間に隙間が生じ、アーク放電等に起因する爆発的破壊に進展する可能性がある。 For example, when a short circuit failure occurs in the semiconductor element 15 and a short circuit current flows in the semiconductor element module 2, the temperature of the semiconductor element 15 sealed by the resin member 27 rises due to Joule heat, and the joining members 18, 19 and other metals The part melts. Further, a crack CD is generated in the resin member 27, and the internal melt is scattered outside. As a result, a gap is generated between the semiconductor element 15 and the metal member 11 or 13, and there is a possibility of progressing to explosive destruction caused by arc discharge or the like.

これに対し、本実施形態に係る半導体素子モジュール１では、樹脂部材１７にフィラー２３および２５を分散させることにより、その熱伝導率を大きくし、半導体素子１５から外部への熱放散を促進することができる。これにより、半導体素子１５の短絡故障時における温度上昇を抑制することが可能となり、クラックＣＤを抑制し、爆発的破壊を回避することができる。 On the other hand, in the semiconductor element module 1 according to the present embodiment, the fillers 23 and 25 are dispersed in the resin member 17, thereby increasing the thermal conductivity and promoting the heat dissipation from the semiconductor element 15 to the outside. Can do. Thereby, it becomes possible to suppress the temperature rise at the time of the short circuit failure of the semiconductor element 15, to suppress the crack CD, and to avoid explosive destruction.

フィラー２３および２５の材料としては、セラミックス、例えば、窒化アルミニウムを用いることが望ましい。また、ベリリウム酸化物もしくは炭化シリコン（ＳｉＣ）を用いることも可能であるが、ベリリウム酸化物は毒性を有するために用途が限定される。また、炭化シリコンは、半導体であり、樹脂部材１７の絶縁耐圧を低下させる恐れがある。 As the material of the fillers 23 and 25, it is desirable to use ceramics, for example, aluminum nitride. Although beryllium oxide or silicon carbide (SiC) can be used, beryllium oxide is limited in its use because of its toxicity. Further, silicon carbide is a semiconductor, and there is a possibility that the withstand voltage of the resin member 17 is lowered.

また、フィラー２３および２５の材料として金属を用いることも可能である。金属の熱伝導率は、窒化アルミニウムよりも大きい。したがって、樹脂部材１７への充填量を、セラミックスよりも少なくすることが可能であり、熱伝導率の低減と絶縁耐圧の維持を両立させることができる。 It is also possible to use a metal as the material for the fillers 23 and 25. The thermal conductivity of metal is greater than that of aluminum nitride. Therefore, it is possible to make the filling amount into the resin member 17 smaller than that of ceramics, and it is possible to achieve both reduction of thermal conductivity and maintenance of dielectric strength.

さらに、フィラー２３および２５の材料として、金属部材１１、１３もしくは接合部材１８、１９と同じ金属材料、または、それらと固溶体を形成する金属材料を用いることが好ましい。例えば、錫（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）を用いることができる。このような材料を用いたフィラー２３および２５は、短絡故障時の発熱により溶融した金属を覆い、凝固させる。これにより、低抵抗の電流経路が形成され、発熱を抑制することができる。その結果、半導体素子モジュール１の爆発的破壊を回避し、短絡状態を維持することができる。 Further, as the material of the fillers 23 and 25, it is preferable to use the same metal material as that of the metal members 11, 13 or the joining members 18, 19, or a metal material that forms a solid solution therewith. For example, tin (Sn), copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), or silver (Ag) can be used. Fillers 23 and 25 using such a material cover and solidify the molten metal due to heat generated at the time of a short circuit failure. Thereby, a low-resistance current path is formed, and heat generation can be suppressed. As a result, the explosive destruction of the semiconductor element module 1 can be avoided and the short circuit state can be maintained.

図４（ａ）および図４（ｂ）は、半導体素子モジュール１を示す別の模式図である。 FIG. 4A and FIG. 4B are other schematic views showing the semiconductor element module 1.

図４（ａ）は、半導体素子モジュール１の断面図であり、図４（ｂ）は、半導体素子モジュール１の外観を示す斜視図である。なお、図４（ａ）は、図２とは別の断面であり、樹脂部材１７に分散されたフィラー２３および２５の図示を省略している。 FIG. 4A is a cross-sectional view of the semiconductor element module 1, and FIG. 4B is a perspective view showing the appearance of the semiconductor element module 1. 4A is a cross section different from that in FIG. 2, and the fillers 23 and 25 dispersed in the resin member 17 are not shown.

図４（ａ）に示すように、半導体素子モジュール１は、樹脂部材１７に付設されたゲート端子３１を有する。半導体素子１５は、例えば、金属ワイヤを介してゲート端子３１に接続されるゲート電極（図５（ａ）参照）を含む。金属部材１１の底面１１Ｂおよび金属部材１３の上面１３Ｔは、樹脂部材１７から露出される。 As shown in FIG. 4A, the semiconductor element module 1 has a gate terminal 31 attached to the resin member 17. The semiconductor element 15 includes, for example, a gate electrode (see FIG. 5A) connected to the gate terminal 31 via a metal wire. The bottom surface 11B of the metal member 11 and the top surface 13T of the metal member 13 are exposed from the resin member 17.

図４（ｂ）に示すように、樹脂部材１７は、半導体素子モジュール１の側面を囲むように設けられる。ゲート端子３１は、樹脂部材１７から横方向に突出するように付設される。また、半導体素子モジュール１の上面には、金属部材１３の上面１３Ｔが露出される。一方、図示しない下面には、金属部材１１の底面１１Ｂが露出される。 As shown in FIG. 4B, the resin member 17 is provided so as to surround the side surface of the semiconductor element module 1. The gate terminal 31 is attached so as to protrude laterally from the resin member 17. Further, the upper surface 13T of the metal member 13 is exposed on the upper surface of the semiconductor element module 1. On the other hand, the bottom surface 11B of the metal member 11 is exposed on the lower surface (not shown).

このように、半導体素子モジュール１からゲート端子３１が突出した構造とすることにより、試験装置のプローブをゲート端子３１に接続し、半導体素子１５のゲート電極に電圧を印加することができる。さらに、半導体素子モジュール１の下面および上面に露出した金属部材１１および１３に電圧を印加することにより半導体素子モジュール１の電気試験を実施することができる。 In this way, by adopting a structure in which the gate terminal 31 protrudes from the semiconductor element module 1, it is possible to connect the probe of the test apparatus to the gate terminal 31 and apply a voltage to the gate electrode of the semiconductor element 15. Furthermore, the electrical test of the semiconductor element module 1 can be performed by applying a voltage to the metal members 11 and 13 exposed on the lower surface and the upper surface of the semiconductor element module 1.

図５（ａ）および図５（ｂ）は、半導体素子モジュール１の構成を模式的に示す斜視図である。図５（ａ）は、金属部材１１上にマウントされた半導体素子１５を示す斜視図である。図５（ｂ）は、金属部材１３を示す斜視図である。 FIG. 5A and FIG. 5B are perspective views schematically showing the configuration of the semiconductor element module 1. FIG. 5A is a perspective view showing the semiconductor element 15 mounted on the metal member 11. FIG. 5B is a perspective view showing the metal member 13.

図５（ａ）に示すように、金属部材１１の上に、例えば、２つの半導体素子１５がマウントされる。金属部材１１の上に配置される半導体素子１５の数は任意であり、１つでも良いし、３つ以上でも良い。 As shown in FIG. 5A, for example, two semiconductor elements 15 are mounted on the metal member 11. The number of the semiconductor elements 15 arranged on the metal member 11 is arbitrary, and may be one or three or more.

半導体素子１５は、その表面に、エミッタ電極１５ｅと、ゲート電極１５ｇと、を有する。ゲート電極１５ｇは、例えば、金属ワイヤを介してゲート端子３１に接続される。また、半導体素子１５は、図示しない裏面にコレクタ電極を有し、金属部材１１は、接合部材１８（図４（ａ）参照）を介してコレクタ電極に接続される。 The semiconductor element 15 has an emitter electrode 15e and a gate electrode 15g on the surface thereof. The gate electrode 15g is connected to the gate terminal 31 through a metal wire, for example. Further, the semiconductor element 15 has a collector electrode on the back surface (not shown), and the metal member 11 is connected to the collector electrode via the bonding member 18 (see FIG. 4A).

図５（ｂ）に示すように、金属部材１３は、第１部分１３ａと、第２部分１３ｂと、を含む。さらに、金属部材１３は、リセス部１３ｒを有する。第２部分１３ｂは、接合部材１９（図４（ａ）参照）を介してエミッタ電極１５ｅに電気的に接続される。リセス部１３ｒは、ゲート電極１５ｇに接続される金属ワイヤおよびゲート端子３１に干渉する部分を除去するために設けられる。リセス部１３ｒは、半導体素子１５の上に金属部材１３を重ねた時、ゲート電極１５ｇが露出されるように設けられる。 As shown in FIG. 5B, the metal member 13 includes a first portion 13a and a second portion 13b. Further, the metal member 13 has a recess portion 13r. The second portion 13b is electrically connected to the emitter electrode 15e via the bonding member 19 (see FIG. 4A). The recess 13r is provided to remove the metal wire connected to the gate electrode 15g and the portion that interferes with the gate terminal 31. The recess 13r is provided such that the gate electrode 15g is exposed when the metal member 13 is stacked on the semiconductor element 15.

第２部分１３ｂは、Ｚ方向に見て第１部分１３ａの内側に位置するように設けられ、エミッタ電極１５ｅにフィットする形状を有する。第２部分１３ｂの表面は、例えば、エミッタ電極１５ｅと略同じ形状、もしくは、相似形である。第１部分１３ａの上に設けられる第２部分１３ｂの数は、半導体素子１５と同数である。 The second portion 13b is provided so as to be located inside the first portion 13a when viewed in the Z direction, and has a shape that fits the emitter electrode 15e. The surface of the second portion 13b has, for example, substantially the same shape as the emitter electrode 15e or a similar shape. The number of the second portions 13 b provided on the first portion 13 a is the same as that of the semiconductor element 15.

金属部材１１の厚さは、例えば、４ｍｍ以上である。また、金属部材１３の第１部分の厚さと第２部分の厚さの和も４ｍｍ以上である。 The thickness of the metal member 11 is 4 mm or more, for example. Further, the sum of the thickness of the first portion and the thickness of the second portion of the metal member 13 is also 4 mm or more.

図６は、実施形態の変形例に係る半導体素子モジュール３を示す模式断面図である。半導体素子モジュール３は、金属部材４１と、金属部材４３と、半導体素子１５と、樹脂部材４７と、を含む。半導体素子１５は、金属部材４１と金属部材４３との間に配置される。半導体素子１５は、接合部材１８を介して金属部材４１に接続され、接合部材１９を介して金属部材４３に接続される。樹脂部材４７は、金属部材４１と金属部材４３との間に半導体素子１５を封じるように設けられる。樹脂部材４７は、図示しないフィラー２３および２５を含んでも良いし、また、フィラー２３および２５を含まない構成でもよい。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor element module 3 according to a modification of the embodiment. The semiconductor element module 3 includes a metal member 41, a metal member 43, a semiconductor element 15, and a resin member 47. The semiconductor element 15 is disposed between the metal member 41 and the metal member 43. The semiconductor element 15 is connected to the metal member 41 via the bonding member 18 and is connected to the metal member 43 via the bonding member 19. The resin member 47 is provided so as to seal the semiconductor element 15 between the metal member 41 and the metal member 43. The resin member 47 may include fillers 23 and 25 (not shown), or may not include the fillers 23 and 25.

金属部材４１は、コア４１ａと、金属膜４１ｂと、を含む。金属膜４１ｂは、コア４１ａを覆うように設けられる。コア４１ａは、銅もしくはアルミニウムのような電気伝導性と熱伝導性に優れた金属である。金属膜４１ｂは、例えば、ニッケル膜もしくはコバルト膜であり、メッキ法を用いて形成される。 The metal member 41 includes a core 41a and a metal film 41b. The metal film 41b is provided so as to cover the core 41a. The core 41a is a metal having excellent electrical and thermal conductivity such as copper or aluminum. The metal film 41b is, for example, a nickel film or a cobalt film, and is formed using a plating method.

金属部材４３は、コア４３ａと、金属膜４３ｂと、を含む。金属膜４３ｂは、コア４３ａを覆うように設けられる。コア４３ａは、銅もしくはアルミニウムのような電気伝導性と熱伝導性に優れた金属である。金属膜４３ｂは、例えば、ニッケル膜もしくはコバルト膜であり、メッキ法を用いて形成される。 The metal member 43 includes a core 43a and a metal film 43b. The metal film 43b is provided so as to cover the core 43a. The core 43a is a metal having excellent electrical conductivity and thermal conductivity, such as copper or aluminum. The metal film 43b is, for example, a nickel film or a cobalt film, and is formed using a plating method.

例えば、半導体素子１５が短絡故障した場合、半導体素子１５を流れる短絡電流により接合部材１８および１９が溶融される。半導体素子モジュール３では、金属膜４１ｂおよび４３ｂが接合部材１８および１９とそれぞれ固溶体を形成し、低抵抗の電流路を形成する。これにより、発熱が抑制され、爆発的な破壊を回避することができる。結果として、半導体素子モジュール３の短絡状態を維持することができる。さらに、樹脂部材４７にフィラー２３および２５を分散することにより放熱を促進し、爆発的破壊をより確実に防ぐ構成としても良い。 For example, when the semiconductor element 15 is short-circuited, the joining members 18 and 19 are melted by a short-circuit current flowing through the semiconductor element 15. In the semiconductor element module 3, the metal films 41 b and 43 b form solid solutions with the joining members 18 and 19, respectively, and form a low-resistance current path. Thereby, heat generation is suppressed, and explosive destruction can be avoided. As a result, the short circuit state of the semiconductor element module 3 can be maintained. Furthermore, it is good also as a structure which promotes heat dissipation by disperse | distributing the fillers 23 and 25 to the resin member 47, and prevents explosive destruction more reliably.

図７は、実施形態の別の変形例に係る半導体素子モジュール４を示す模式断面図である。半導体素子モジュール４は、金属部材５１と、金属部材５３と、半導体素子１５と、樹脂部材１７と、を含む。半導体素子１５は、金属部材５１と金属部材５３との間に配置される。半導体素子１５は、接合部材１８を介して金属部材５１に接続され、接合部材１９を介して金属部材５３に接続される。樹脂部材１７は、樹脂ベース２１、フィラー２３および２５を含む。金属部材５１は、その内部に空洞５１ａを有する。また、金属部材５３は、その内部に空洞５３ａを含む。 FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor element module 4 according to another modification of the embodiment. The semiconductor element module 4 includes a metal member 51, a metal member 53, a semiconductor element 15, and a resin member 17. The semiconductor element 15 is disposed between the metal member 51 and the metal member 53. The semiconductor element 15 is connected to the metal member 51 via the bonding member 18 and is connected to the metal member 53 via the bonding member 19. The resin member 17 includes a resin base 21 and fillers 23 and 25. The metal member 51 has a cavity 51a therein. Moreover, the metal member 53 includes a cavity 53a therein.

半導体素子モジュール４は、熱伝導率を向上させた樹脂部材１７を含む。これにより、半導体素子１５の熱を効率良く外部に放散させることができる。金属部材５１および５３に空洞５１ａおよび５３ａを設けると、熱伝導率の低下を招くが、例えば、樹脂部材１７を介した熱の放散により、これを相殺することができる。半導体素子モジュール４では、金属部材５１および５３に空洞５１ａおよび５３ａを設けることにより、その軽量化を図ることができる。これにより、半導体装置１００を軽量化することができる。 The semiconductor element module 4 includes a resin member 17 with improved thermal conductivity. Thereby, the heat of the semiconductor element 15 can be efficiently dissipated to the outside. When the cavities 51a and 53a are provided in the metal members 51 and 53, the thermal conductivity is lowered. However, this can be offset by the dissipation of heat through the resin member 17, for example. In the semiconductor element module 4, the metal members 51 and 53 can be reduced in weight by providing the cavities 51a and 53a. Thereby, the semiconductor device 100 can be reduced in weight.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

１、２、３、４…半導体素子モジュール、１０、２０…金属板、１０ａ、１０ｂ、２０ａ、２０ｂ…主面、１１、１３、４１、４３、５１、５３…金属部材、１１Ｂ…底面、１３Ｔ…上面、１３ａ…第１部分、１３ｂ…第２部分、１３ｒ…リセス部、１５…半導体素子、１５ｅ…エミッタ電極、１５ｇ…ゲート電極、１７、２７、４７…樹脂部材、１８、１９、３０、４０…接合部材、２１…樹脂ベース、２３、２５…フィラー、３１…ゲート端子、４１ａ、４３ａ…コア、４１ｂ、４３ｂ…金属膜、５０…ケース、５１ａ、５３ａ…空洞、１００…半導体装置、ＣＤ…クラック 1, 2, 3, 4 ... Semiconductor element module, 10, 20 ... Metal plate, 10a, 10b, 20a, 20b ... Main surface, 11, 13, 41, 43, 51, 53 ... Metal member, 11B ... Bottom surface, 13T ... upper surface, 13a ... first part, 13b ... second part, 13r ... recess part, 15 ... semiconductor element, 15e ... emitter electrode, 15g ... gate electrode, 17, 27, 47 ... resin member, 18, 19, 30, DESCRIPTION OF SYMBOLS 40 ... Joining member, 21 ... Resin base, 23, 25 ... Filler, 31 ... Gate terminal, 41a, 43a ... Core, 41b, 43b ... Metal film, 50 ... Case, 51a, 53a ... Cavity, 100 ... Semiconductor device, CD …crack

Claims

第１金属板と、
前記第１金属板に向き合う第２金属板と、
前記第１金属板と前記第２金属板との間に配置された複数の半導体素子モジュールと、
を備え、
前記半導体素子モジュールは、前記第１金属板に接続された第１金属部材と、前記第２金属板に接続された第２金属部材と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に配置された半導体素子と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に前記半導体素子を封じた樹脂部材と、を有し、
前記樹脂部材は、樹脂ベースと、前記樹脂ベース中に分散された前記樹脂ベースよりも熱伝導率が高いフィラーと、を含む半導体装置。 A first metal plate;
A second metal plate facing the first metal plate;
A plurality of semiconductor element modules disposed between the first metal plate and the second metal plate;
With
The semiconductor element module includes a first metal member connected to the first metal plate, a second metal member connected to the second metal plate, and between the first metal member and the second metal member. And a resin member that seals the semiconductor element between the first metal member and the second metal member, and
The resin member includes a resin base and a filler having a higher thermal conductivity than the resin base dispersed in the resin base.

前記フィラーは、窒化アルミニウムを含む請求項１記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the filler includes aluminum nitride.

前記フィラーは、前記第１金属部材および前記第２金属部材の少なくともいずれか一方と同じ金属を含むか、前記一方に含まれる金属と固溶体を作る金属を含む請求項１記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the filler includes the same metal as at least one of the first metal member and the second metal member, or includes a metal that forms a solid solution with the metal included in the first metal member.

前記フィラーは、錫、銅、ニッケル、コバルトおよび銀のうちの少なくとも１つを含む請求項１記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the filler includes at least one of tin, copper, nickel, cobalt, and silver.

第１金属板と、
前記第１金属板に向き合う第２金属板と、
前記第１金属板と前記第２金属板との間に配置された複数の半導体素子モジュールと、
を備え、
前記半導体素子モジュールは、前記第１金属板に接続された第１金属部材と、前記第２金属板に接続された第２金属部材と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に接合部材を介して配置された半導体素子と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に前記半導体素子を封じた樹脂部材と、を有し、
前記第１金属部材および前記第２金属部材は、前記接合部材と固溶体を形成する金属膜と、前記金属膜に覆われた金属コアと、を含む半導体装置。 A first metal plate;
A second metal plate facing the first metal plate;
A plurality of semiconductor element modules disposed between the first metal plate and the second metal plate;
With
The semiconductor element module includes a first metal member connected to the first metal plate, a second metal member connected to the second metal plate, and between the first metal member and the second metal member. A semiconductor element disposed via a bonding member, and a resin member sealing the semiconductor element between the first metal member and the second metal member,
The first metal member and the second metal member include a metal film that forms a solid solution with the bonding member, and a metal core covered with the metal film.

前記樹脂部材は、樹脂ベースと、前記樹脂ベース中に分散された前記樹脂ベースよりも熱伝導率が高いフィラーと、を含む請求項５記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5, wherein the resin member includes a resin base and a filler having a higher thermal conductivity than the resin base dispersed in the resin base.

前記金属膜は、ニッケルもしくはコバルトを含む請求項５または６に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5, wherein the metal film contains nickel or cobalt.