JP5693395B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に電力用半導体素子により電流を制御する電力用半導体装置に関するものであり、より詳しくは、電力用半導体素子を搭載したセラミック絶縁基板が金属ベース板に固定される電力用の半導体装置に関する。

従来の電力用半導体装置は、以下のような構成を有する。即ち、電力用半導体素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やＦＷＤＩ（還流ダイオード）は、窒化アルミニウムなどのセラミック材料に銅パターンを貼り付けてなる絶縁基板に搭載されている。この絶縁基板は、放熱板として銅やアルミニウムなどの高熱伝導材料からなる金属ベース板に、はんだ付けなどで固定される。さらに、この金属ベース板は、放熱グリースを介してアルミニウム製のヒートシンクにネジ止めにより固定され、ヒートシンクからＩＧＢＴやＦＷＤＩで発生した熱が外部へ放出される。

このような従来の電力用半導体装置において、金属ベース板をヒートシンクにネジ止めする際、金属ベース板が反っていたり、ヒートシンクが反っていたりすると、ネジ止めによって過大な締め付け力が作用することで、金属ベース板に固定された絶縁基板が割れるという問題があり、金属ベース板及びヒートシンクの平面度を厳しく規定する必要があった。

また、このような問題を回避するため、金属ベース板におけるネジ止め用の各貫通穴の周囲に溝を形成し、ネジ止めの際に生じる応力をこの溝部に集中させることで、絶縁基板の割れを防止する構造が提案されている（例えば特許文献１）。

特開平７−２０２０８８号公報（図２）

特許文献１に開示されるような、ネジ止め用の各貫通穴の周囲に溝を形成した金属ベース板を用いた構造では、絶縁基板に作用する応力は緩和されるものの、金属ベース板として比較的柔らかいアルミニウム材を用いた場合や、比較的薄い金属ベース板を用いた場合には、溝部で金属ベース板自体が撓んでしまう。その結果、金属ベース板とヒートシンクとの間に介在させる放熱グリースが厚くなり、金属ベース板とヒートシンクとの接触熱抵抗が大きくなる傾向にあった。昨今、電力用半導体素子の発熱密度が増加しており、放熱グリース部分での熱抵抗を低減する必要があることから、放熱グリースが厚くなりやすい構造は、避けねばならない。

本発明は、絶縁基板の割れを防止し、かつ従来に比べて放熱性を向上させた半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における半導体装置は、ネジ止めされる方形状の金属製ベース板の第１主面には、発熱性の半導体素子を実装した絶縁基板が接合される半導体装置であって、上記金属製ベース板は、ネジ止め用貫通穴と、溝とを備え、ネジ止め用貫通穴は、金属製ベース板の対向する二辺にそれぞれ隣接して設けられ、第１主面を含み金属製ベース板を貫通する穴であり、溝は、凹状であり、第１主面における絶縁基板以外の空き領域において、一方のネジ止め用貫通穴と絶縁基板との間に設けられ、金属製ベース板の対向する二辺に沿った絶縁基板の一辺に沿って延在する、ことを特徴とする。

本発明の一態様における半導体装置によれば、金属製ベース板に設けたネジ止め用貫通穴の一方と絶縁基板との間に溝を設けたことから、金属製ベース板がネジ止めされるときに撓んでしまう場合でも、金属製ベース板は溝部分を中心にして撓むことができる。この溝は、絶縁基板以外の領域に位置し絶縁基板の一辺に沿って延在することから、金属製ベース板が撓んだ場合でも絶縁基板の割れを防止することができ、かつ、金属製ベース板がネジ止めされる際に、グリースを金属製ベース板における一方向、つまり溝の延在方向に対して直角又はほぼ直角な方向へ流動させることができる。さらに、金属製ベース板が溝部分に対応して撓むことで、溝に対応する部分でグリース厚を相対的に厚くし絶縁基板に対応する部分でグリース厚を相対的に薄くすることができる。したがって、金属製ベース板の放熱性を向上させることができる。

また、金属製ベース板に溝が形成されていることで、金属製ベース板に絶縁基板を接合するときや、金属製ベース板に樹脂ケースを設けるときに、溝をその目印に使用することもできる。よって、作業の視認性を向上させ、作業時間を短縮し、また作業ミスを削減することも可能となる。

本発明の実施の形態１による電力用半導体装置の断面図である。 図１に示す電力用半導体装置における、絶縁基板を接合した金属製ベース板の平面図である。 図１に示す電力用半導体装置の金属製ベース板とヒートシンクとの間の放熱グリースの厚みの変化を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態２による電力用半導体装置における、絶縁基板を接合した金属製ベース板の配置を示す平面図である。 本発明の実施の形態３による電力用半導体装置における、絶縁基板を接合した金属製ベース板の配置を示す平面図である。 図５に示す電力用半導体装置の変形例を示す図であって、絶縁基板を接合した金属製ベース板の平面図である。

本発明の実施形態である半導体装置、特に電力用半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下に説明するように、本発明の実施形態における半導体装置の構造は放熱性に優れることから、特に電力用半導体装置に有効である。しかしながら、電力用半導体装置に限定することなく、本発明は、一般的に半導体装置に適用することが可能である。

実施の形態１．
図１には、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１１０の断面図が示されている。電力用半導体装置１１０は、ネジ止めされる方形状の金属製ベース板に、発熱性の半導体装置を実装した絶縁基板を接合した半導体装置であり、その基本的構成部分としては、金属製ベース板１００、絶縁基板２、半導体装置（下記のＩＧＢＴ５、ＦＷＤＩ６が相当）を有する。また、図２は、絶縁基板２を接合した金属製ベース板１００における下記溝１０２の位置関係を示した平面図である。

金属製ベース板１００は、方形状の金属製の板材からなり、放熱部材に相当する下記のヒートシンク１１にネジ止めされる部材である。本実施の形態１では、金属製ベース板１００は、３０ｍｍ×１００ｍｍ×厚さ３ｍｍの長方形でアルミニウム製の板材であり、金属製ベース板１００の第１主面１００ａには、絶縁基板２が接合される。以下で説明するように本実施の形態１の電力用半導体装置１１０は高放熱性を達成する観点から、金属製ベース板１００は、本実施形態１におけるように長方形状が好ましいが、これに限定するものではなく、方形状であればよく例えば正方形であってもよい。

また、金属製ベース板１００は、２つのネジ止め用貫通穴１０１ａ，１０１ｂ（総称して「１０１」と記す場合もある）、及び、本実施形態１の電力用半導体装置１１０において特徴的構成の一つである溝１０２を有する。溝１０２については、以下で詳しく説明する。

また、金属製ベース板１００がアルミニウム製のヒートシンク１１にネジ止めされた後、金属製ベース板１００の外周縁部分には、枠状の樹脂ケース３が接着される。樹脂ケース３の上端部分には、外部電極４が固定されている。

絶縁基板２は、本実施の形態１では窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなり、その上下面には銅パターン２ａが貼付されている。金属製ベース板１００の第１主面１００ａに対して、絶縁基板２の下面の銅パターン２ａが、はんだ１３にてはんだ付けされ、絶縁基板２は、金属製ベース板１００の第１主面１００ａに接合される。一方、絶縁基板２の上面の銅パターン２ａには、電力用半導体素子であるＩＧＢＴ５及びＦＷＤＩ６における各裏面電極がはんだ付けされる。

ＩＧＢＴ５及びＦＷＤＩ６における各表面電極には、アルミニウムワイヤ７が超音波ワイヤボンディングにより接合され、アルミニウムワイヤ７は、樹脂ケース３の外部電極４に接続される。また、絶縁基板２の上面の銅パターン２ａと外部電極４ともアルミニウムワイヤ７で接続される。

さらに、アルミニウムワイヤ７によるボンディングの終了後、樹脂ケース３の内側には、シリコーンゲル８が充填され、金属製ベース板１００の第１主面１００ａ上の絶縁基板２、ＩＧＢＴ５、ＦＷＤＩ６、アルミニウムワイヤ７等がシリコーンゲル８にて封止され、絶縁の確保及び異物の侵入防止がなされる。さらにシリコーンゲル８の表面は、蓋９で覆われる。

このように構成される電力用半導体装置１１０では、ＩＧＢＴ５及びＦＷＤＩ６で発生する熱を外部へ放熱する必要があるため、第１主面１００ａに対向する金属製ベース板１００の第２主面とヒートシンク１１との間には放熱グリース１０が塗布され、金属製ベース板１００に設けたネジ止め部である貫通穴１０１にネジ１２を挿通して、金属製ベース板１００とヒートシンク１１とはネジ止めされる。よって、電力用半導体装置１１０の動作中では、ＩＧＢＴ５及びＦＷＤＩ６で発生した熱は、ヒートシンク１１より外部へ放散される。尚、樹脂ケース３にもネジ止め用の穴を設けて、樹脂ケース３とともに金属製ベース板１００をヒートシンク１１にネジ止めする構成を採ることもできる。

次に、金属製ベース板１００における、２つのネジ止め用貫通穴１０１及び第１主面１００ａに形成した溝１０２について説明する。
各ネジ止め用貫通穴１０１ａ，１０１ｂは、金属製ベース板１００において対向する二辺１００ｂ，１００ｃ（図２）にそれぞれ隣接して一つずつ形成され、第１主面１００ａを含み金属製ベース板１００を貫通している。本実施形態１では、対向する二辺１００ｂ，１００ｃは、長方形状の金属製ベース板１００における短辺に対応する。

溝１０２は、金属製ベース板１００の第１主面１００ａにおける絶縁基板２以外の空き領域１００ｄにおいて、一方のネジ止め用貫通穴１０１ａと絶縁基板２との間に位置する凹状の溝であり、金属製ベース板１００の対向する二辺１００ｂ、１００ｃに沿って配置される、絶縁基板２の一辺２ｂに沿って平行で一直線状に延在する。このような溝１０２は、例えばＶ字形状、Ｕ字形状等の形状を有し、Ｖ字形状は例えばプレス加工にて、Ｕ字形状は例えばエッチング加工にて形成可能である。また、本実施形態１では、溝１０２は、１本であるが、空き領域１００ｄに複数本が互いに隣接して平行に形成されてもよい。また、本実施形態１では、溝１０２は、金属製ベース板１００の外形をプレス加工で打ち抜く前に、機械加工によって形成される。また、図１に示すように本実施形態１では、溝１０２は、第１主面１００ａに形成しているが、第１主面１００ａに対向する、金属製ベース板１００の第２主面において溝１０２と同位置に形成しても良い。

溝１０２の設置理由、及びその位置の選定理由について説明する。
上述したように特許文献１には、金属ベース板の四隅に配置されるそれぞれのネジ止め用貫通穴の周囲に溝を形成することが開示されている。このように溝を配置することにより、金属ベース板を放熱フィンにネジ止めする際、ネジ止め用の全ての貫通穴の周囲が溝によって撓むことが可能となり、絶縁基板へ作用する応力は緩和される。しかしながら、金属ベース板と放熱フィンとの間に塗布した放熱グリースは、金属ベース板の四隅で囲い込まれる形態となる。よって、金属ベース板の四隅における各ネジ止め用貫通穴の周囲に溝を形成する構成は、金属ベース板の面外への放熱グリースの流動を阻害し、その結果、絶縁基板に対応する箇所において放熱グリースが厚くなりやすく、放熱性の低下を招来する。

このような問題を解決するために、本実施形態１の電力用半導体装置１１０は、上述のように、一方のネジ止め用貫通穴１０１ａと絶縁基板２との間に、絶縁基板２の一辺２ｂに沿って平行で一直線状で一箇所に溝１０２を設けた。
溝１０２を設けることで、従来と同様に、金属製ベース板１００をヒートシンク１１にネジ止めする際に生じる応力を溝１０２に集中させることができ、絶縁基板２の割れを防止することができる。

さらに、溝１０２を設けた構成において、溝１０２を形成した近傍の貫通穴１０１ａからネジ止めを行うことで、対向する貫通穴１０１ｂをネジ止めする際には、金属製ベース板１００の長辺１００ｅが延在する方向１００ｆへ放熱グリース１０を流動させることが可能となる。このとき、溝１０２に対応して金属製ベース板１００が撓んだ場合には、溝１０２を中心とした撓み厚さ分まで、放熱グリース１０が流動可能である。このように放熱グリース１０が厚くなる部分が絶縁基板２の外側となる。その結果、絶縁基板２に対応する箇所では、放熱グリース１０は相対的に薄くなり熱伝達の抵抗が小さくなることから、従来に比べて放熱性が向上する。

図３を参照して説明すると、放熱グリース１０の厚みは、発熱するＩＧＢＴ５及びＦＷＤＩ６が搭載された絶縁基板２の領域外に形成した溝１０２の直下部分における厚みが相対的に厚くなり、絶縁基板２に対応した部分では相対的に薄くなる。よって、ＩＧＢＴ５及びＦＷＤＩ６の実質的な熱抵抗を低減することが可能となり、放熱性に優れた電力用半導体装置１１０を提供することが可能となる。また、余分な冷却装置が不要となることから、省エネルギーにも寄与する。

尚、樹脂ケース３は、金属製ベース板１００に樹脂接着されており、かつ樹脂ケース３自体も靭性を有するため、金属製ベース板１００の変形に追従することができ、問題は生じない。

また、溝１０２は、以下のような効果も生じさせる。
即ち、溝１０２を設けることにより、金属製ベース板１００は、その長辺１００ｅの垂直２等分線を対称軸としたときに非対称な形状となる。この形状にすることによって、絶縁基板２を金属製ベース板１００にはんだ付けする際、及び、樹脂ケース３を金属製ベース板１００に接着する際に、溝１０２は取り付け方向を決定する目印となる。よって、はんだ付け際にジグが必要な場合等において、視認性が向上するため、作業性及び生産性が向上する。特に、金属製ベース板１００への樹脂ケース３の接着では、その方向を間違えると修正も困難であることから、作業ミスの軽減による生産性の向上を図ることができる。よって、電力用半導体装置１１０の構成は、製品の歩留まりの向上にも寄与する。

金属製ベース板１００の材質として、本実施の形態１ではアルミニウムを例に採ったが、銅を用いることもできる。銅は、一般的にアルミニウムに比べると硬いことから、上述した溝１０２を有する構造がより有効となる。
また、溝１０２の加工方法としては、機械加工の他、エッチングによっても形成することが可能である。
また、絶縁基板２に関して、本実施の形態１でははんだ付けしているが、ろう付けなど一体化されていても同様の効果が発揮される。

実施の形態２．
図２に示すように、実施の形態１では、電力用半導体装置１１０が一つである構成について説明した。本実施の形態２では、複数の電力用半導体装置を設けた構成について説明を行う。

図４は、本発明の実施の形態２における電力用半導体装置１１０−２における金属製ベース板１００及び絶縁基板２の配置を示した平面図であり、図４では、金属製ベース板１００を含む図２に示す構成を３つ配列した構成を示している。３つの、金属製ベース板１００及び絶縁基板２の構成は、図１を参照して説明した構成と同じであるので、ここでの説明は省略する。

電力用半導体装置１１０−２では、それぞれの金属製ベース板１００における短辺に相当する辺１００ｂ、１００ｃが一直線となるようにして３つの金属製ベース板１００を配列している。よって、溝１０２は、３つの金属製ベース板１００を通して一直線又はほぼ一直線に延在する。

このように配列された３つの金属製ベース板１００に対して、これら全てをカバーするように一つの樹脂ケース３が設置され、電力用半導体装置１１０−２を構成する。また、３つの金属製ベース板１００に対して、これらを載置するように一つのヒートシンク１１が設けられる。

例えば、特許文献１に開示されるような金属ベース板を複数配列して電力用半導体装置を構成した場合、実施の形態１でも説明したように、金属ベース板を放熱フィンにネジ止めする際、複数の金属ベース板の内、内側に配置された金属ベース板側へ放熱グリースが流動する。よって、内側の金属ベース板の直下での放熱グリースが厚くなりやすく、熱抵抗が大きくなりやすい。

そこで、図４に示す本実施の形態２における電力用半導体装置１１０−２のように、一方のネジ止め用貫通穴１０１ａと絶縁基板２との間に、絶縁基板２の一辺２ｂに沿って平行で一直線状で一箇所に溝１０２を設ける。この結果、本実施の形態２における電力用半導体装置１１０−２においても、実施の形態１における電力用半導体装置１１０が奏する効果と同一の効果を奏することができる。即ち、金属製ベース板１００をネジ止めする際、放熱グリース１０を金属製ベース板１００の長辺１００ｅの方向１００ｆに流動させ、絶縁基板２に対応する箇所で放熱グリース１０の厚みを相対的に薄くすることが可能となる。よって、放熱性に優れた電力用半導体装置１１０−２を提供することが可能となる。また、溝１０２を目印に用いることもでき、視認性の向上により作業性及び生産性が向上する。

実施の形態３．
本実施の形態３における電力用半導体装置においても複数の電力用半導体装置を設けた構成を有する。図５に示すように、本実施の形態３における電力用半導体装置１１０−３と、実施の形態２における電力用半導体装置１１０−２との相違点は、絶縁基板２を接合した金属製ベース板１００の数が相違する他に、絶縁基板２を接合した一つの金属製ベース板１００において、その四隅部分にネジ止め用貫通穴１０１ａ、１０１ｂを配置した点で相違する。即ち、一つの金属製ベース板１００において、一方の短辺に相当する辺１００ｂの近傍で、金属製ベース板１００における２つの角部のそれぞれには、ネジ止め用貫通穴１０１ａが形成され、他方の短辺に相当する辺１００ｃの近傍で、金属製ベース板１００における２つの角部のそれぞれには、ネジ止め用貫通穴１０１ｂが形成される。

また、本実施の形態３では、絶縁基板２を接合した一つの金属製ベース板１００の大きさは、６０ｍｍ×１３０ｍｍ×厚さ３ｍｍのアルミニウムであり、短辺に相当する辺１００ｂ、１００ｃが一直線となるようにして５つの金属製ベース板１００を配列している。よって、溝１０２は、５つの金属製ベース板１００を通して一直線又はほぼ一直線に延在する。尚、それぞれの、絶縁基板２を接合した金属製ベース板１００における構成は、実施の形態１で説明したものに同じであり、ここでの説明は省略する。

このように配列された５つの金属製ベース板１００に対して、これら全てをカバーするように一つの樹脂ケース３が設置され、電力用半導体装置１１０−３を構成する。また、５つの金属製ベース板１００に対して、これらを載置するように一つのヒートシンク１１が設けられる。

一般的に、一つの金属ベース板の面積が大きくなると、短辺側の各１点のみでは、ヒートシンクに対して金属ベース板を十分に固定することができず、例えば図５に示すように、金属ベース板の角部４ヶ所にそれぞれネジ止め用の貫通穴を設けてネジ止めすることが多い。このような構成では、ネジの位置が金属ベース板の長辺１００ｅの近傍となるため、ネジ止めを行う際の、放熱グリースの流動が長辺方向１００ｆではなく、対角方向となる。一方、実施の形態２の説明で述べた通り、中央部に配置される金属ベース板では、放熱グリースが金属ベース板の短辺方向に流動した場合には、隣接する金属ベース板からの流入により、放熱グリースが厚くなってしまう。

そこで、図５に示す本実施の形態３における電力用半導体装置１１０−３のように、各金属製ベース板１００において、その短辺に相当する辺１００ｂに隣接して２つのネジ止め用貫通穴１０１ａを設け、かつこれらのネジ止め用貫通穴１０１ａと絶縁基板２との間に溝１０２を設けて、それぞれの金属製ベース板１００を通して溝１０２を一直線状に配置した。

このように構成することで、各金属製ベース板１００では、その四隅でネジ止めする構造であっても、上述した実施の形態１の場合と同様に、溝１０２を形成した近傍の貫通穴１０１ａからネジ止めすることで、金属製ベース板１００の長辺１００ｅが延在する方向１００ｆに放熱グリース１０を流動させることが可能となる。その結果、絶縁基板２に対応する箇所では放熱グリース１０が薄くなり、熱伝達の抵抗が小さくなるので放熱性が向上する。また、絶縁基板２への応力の軽減を図ることもできる。

一方、並列設置する金属製ベース板１００の数が多くなると、ネジ止めする数が増加し、金属製ベース板１００をヒートシンク１１に固定するための作業量が増加する。そこで、図６に示す電力用半導体装置１１０−４のように、ネジ止め用貫通穴１０１ａ、１０１ｂを、それぞれの金属製ベース板１００において、方向１００ｆにおける長辺１００ｅ上の両端部に位置させて、隣接する金属製ベース板１００同士で半分ずつ共有するように配置することもできる。つまり、それぞれの金属製ベース板１００では、ネジ止め用貫通穴１０１ａ、１０１ｂは、半円状の切欠きとなり、半円状の切欠きは、金属製ベース板１００の長辺１００ｅ同士が対向して隣接することで、ネジ止め用貫通穴１０１ａ、１０１ｂとして機能する。

このように構成することで、電力用半導体装置１１０−４では、電力用半導体装置１１０−３に比べてネジ止めする数をほぼ半分とすることができ、作業工程を削減することが可能となる。

また、電力用半導体装置１１０−３、１１０−４においても、実施の形態１，２で述べたように、溝１０２を目印として用いることも可能であり、樹脂ケース３を接着するときの金属製ベース板１００の方向視認性が向上し、作業性及び生産性を向上させることができる。特に、電力用半導体装置１１０−３、１１０−４のように、金属製ベース板１００の数が増えると、樹脂ケース３の接着工程における作業ミスが発生した場合には、その修正作業は非常に煩雑となる。よって、溝１０２を用いた視認性の向上による作業性の向上は、重要なポイントになり、電力用半導体装置１１０−３、１１０−４では、溝１０２は非常に有効な手段となる。

２ 絶縁基板、３ 樹脂ケース、５ ＩＧＢＴ、６ ＦＷＤＩ、
１０ 放熱グリース、１１ ヒートシンク、
１００ 金属製ベース板、１００ａ 第１主面、１００ｂ、１００ｃ 辺、
１００ｄ 空き領域、
１０１ａ，１０１ｂ ネジ止め用貫通穴、１０２ 溝、
１１０ 電力用半導体装置、１１０−２〜１１０−４ 電力用半導体装置。

Claims (4)

1. ネジ止めされる方形状の金属製ベース板の第１主面には、発熱性の半導体素子を実装した絶縁基板が接合される半導体装置であって、
   上記金属製ベース板は、ネジ止め用貫通穴と、溝とを備え、
   ネジ止め用貫通穴は、金属製ベース板の対向する二辺にそれぞれ隣接して設けられ、第１主面を含み金属製ベース板を貫通する穴であり、
   溝は、凹状であり、第１主面における絶縁基板以外の空き領域において、いずれか一方のネジ止め用貫通穴と絶縁基板との間のみに設けられ、金属製ベース板の対向する二辺に沿った絶縁基板の一辺に沿って延在する、
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 複数の金属製ベース板を有し、それぞれの金属製ベース板における上記溝は、複数の金属製ベース板を通してほぼ一直線状に配置される、請求項１記載の半導体装置。
3. 各金属製ベース板における四隅部近傍にネジ止め用貫通穴を設けた、請求項２記載の半導体装置。
4. 各金属製ベース板は長方形状であり、それぞれの金属製ベース板は、各短辺を一直線状に配置して配列され、ネジ止め用貫通穴は、隣接する金属製ベース板において隣接する長辺上の両端部に位置して、隣接する金属製ベース板同士で半分ずつ共有して設けられる、請求項２記載の半導体装置。

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