JP7342713B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。

特許文献１に、半導体装置が開示されている。半導体装置は、絶縁材料で構成された基板本体と、基板本体の内部で、基板本体に垂直な方向に沿って重畳配置された第１半導体素子及び第２半導体素子とを備える。

特開２００７－２９４６１１号公報

上記した半導体装置は、半導体素子が絶縁材料で構成された基板本体に内蔵されている。この場合、半導体素子で発生した熱が、基板本体の内部に滞りやすく、局所的な温度上昇を招き得る。特に、基板本体の内部で二つの半導体素子が重畳配置されていると、二つの半導体素子の間に熱がこもり、その位置で高温となるおそれがある。本明細書は、基板本体内部に二つの半導体素子を重畳配置した構造において、二つの半導体素子の間の熱をその外に向けて効果的に伝達させる技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、絶縁材料で構成された基板本体と、基板本体の内部で、基板本体に垂直な方向に沿って重畳配置された第１半導体素子及び第２半導体素子と、基板本体の内部で、第１半導体素子と第２半導体素子との間に介在している熱伝導部材とを備える。熱伝導部材の少なくとも一部は、第１半導体素子と第２半導体素子との間において、基板本体に平行な方向に沿って延びている。熱伝導部材は、熱伝導率に異方性を有しており、基板本体に平行な方向における熱伝導部材の熱伝導率は、基板本体に垂直な方向における熱伝導部材の熱伝導率よりも高い。

上記した半導体装置では、第１半導体素子と第２半導体素子との間に介在する熱伝導部材が、熱伝導率に異方性を有している。特に、基板本体に平行な方向における熱伝導部材の熱伝導率は、基板本体に垂直な方向における熱伝導部材の熱伝導率よりも高い。このような構成によると、二つの半導体素子の間にこもる熱が、熱伝導部材によって、二つの半導体素子の間の外に向けて効果的に伝達される。従って、基板本体の内部における局所的な温度上昇を抑制することができる。

実施例１の半導体装置１０の内部構造を示す断面図。 実施例２の半導体装置１００の内部構造を示す断面図。 実施例３の半導体装置２００の内部構造を示す断面図。 実施例４の半導体装置３００の内部構造を示す断面図。 実施例５の半導体装置４００の内部構造を示す断面図。

（実施例１）図１を参照して、実施例１の半導体装置１０について説明する。半導体装置１０は、例えば電動自動車の電力変換装置に採用され、例えばインバータ回路といった電力変換回路の一部を構成することができる。ここでいう電動自動車とは、車輪を駆動するモータを有する自動車を広く意味し、例えば、外部の電力によって充電される電気自動車、モータに加えてエンジンを有するハイブリッド車、及び燃料電池を電源とする燃料電池車等を含む。

図１に示すように、半導体装置１０は、基板本体１２と、複数の半導体素子１４、１６と、上側回路層２４と、下側回路層２６とを備える。基板本体１２は、主に絶縁材料を用いて構成されている。基板本体１２は、概して板状の部材であり、図面における左右方向及び奥行き方向に対して平行に延びている。基板本体１２の内部には、複数の半導体素子１４、１６が配置されている。複数の半導体素子１４、１６は、複数の第１半導体素子１４と、複数の第２半導体素子１６とが含まれる。

上側回路層２４は、基板本体１２の上面側に位置し、下側回路層２６は、基板本体１２の下面側に位置する。詳細には図示されていないが、各回路層２４、２６には、複数の回路パターンが形成されている。それにより、半導体装置１０は、例えばインバータといった電力変換回路の一部を構成することができる。一例ではあるが、複数の回路パターンには、上側回路層２４に設けられた負極端子パターン、信号回路パターン及び中間端子パターンと、下側回路層２６に設けられた正極端子パターン、及び、図示されない信号回路パターンとが含まれる。

半導体装置１０は、複数の単位構造２０を有する。各々の単位構造２０では、複数の第１半導体素子１４のうちの一つと、複数の第２半導体素子１６のうちの一つとが、重畳配置されて直列に接続されている。これにより、各々の単位構造２０は、電力変換回路の一対の上下アームを構成する。単位構造２０は、第１半導体素子１４及び第２半導体素子１６に加え、第１導体板１５及び第２導体板１７と、熱伝導部材１８とを備える。第１半導体素子１４及び第２半導体素子１６は、基板本体１２に対して垂直な方向に沿って重畳配置されている。熱伝導部材１８は、第１半導体素子１４と第２半導体素子１６との間に介在している。第１半導体素子１４は、熱伝導部材１８を介して第２半導体素子１６に電気的に接続されている。また、複数の単位構造２０は、基板本体１２の内部において、基板本体１２に平行な方向に沿って配列されている。

各々の半導体素子１４、１６は、パワー半導体素子であって、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、又は他のスイッチング素子である。第１半導体素子１４は、半導体基板と、一対の主電極１４ａ、１４ｂと、複数の信号電極１４ｃとを有する。一対の主電極１４ａ、１４ｂは、電力回路に接続されており、第１半導体素子１４は、半導体基板を介して、一対の主電極１４ａ、１４ｂの間を導通又は遮断することができる。一対の主電極１４ａ、１４ｂは、半導体基板の上面側に位置する上面電極１４ａと、半導体基板の下面側に位置する下面電極１４ｂである。また、複数の信号電極１４ｃは、信号回路に接続されており、半導体基板の上面側に位置する。なお、第２半導体素子１６も、第１半導体素子１４と同様に構成することができ、上面電極１６ａ、下面電極１６ｂ及び複数の信号電極を有している。

各導体板１５、１７は、概して板形状を有し、例えば銅といった導体材料を用いて形成されている。第１導体板１５には、その上面１５ａ上に第１半導体素子１４が配置されており、第１導体板１５は、第１半導体素子１４の下面電極１４ｂに接続されている。第２導体板１７には、その上面１７ａ上に第２半導体素子１６が配置されており、第２導体板１７は、第２半導体素子１６の下面電極１６ｂに接続されている。

第１導体板１５には、その周縁部に突出部１５ｂが設けられている。突出部１５ｂは、第１導体板１５の上面１５ａに対して上方に突出している。同様に、第２導体板１７にも、その周縁部に突出部１７ｂが設けられている。この突出部１７ｂについても、第２導体板１７の上面１７ａに対して上方に突出している。突出部１５ｂ、１７ｂは、各々の導体板１５、１７において、周縁部の全体に亘って設けられてもよいし、部分的に設けられてもよい。

上述したが、熱伝導部材１８は、第１半導体素子１４と、第２半導体素子１６との間に介在する。詳しくは、熱伝導部材１８は、第１導体板１５の下方に位置し、第１導体板１５を介して第１半導体素子１４の下面電極１４ｂに接続されている。また、熱伝導部材１８は、第２半導体素子１６の上方に位置し、第２半導体素子１６の上面電極１６ａに接続されている。後述するように、本実施例における熱伝導部材１８は、グラファイトを用いて構成されており、導電性を有する。従って、第１半導体素子１４の下面電極１４ｂと、第２半導体素子１６の上面電極１６ａは、熱伝導部材１８を介して電気的に接続されている。これにより、第１半導体素子１４と第２半導体素子１６は、熱伝導部材１８を介して直列に接続される。

熱伝導部材１８は、特に限定されないが、板状又はシート状の部材である。熱伝導部材１８の少なくとも一部は、第１半導体素子１４と第２半導体素子１６との間において、基板本体１２に平行な方向に沿って延びている。特に限定されないが、本実施例の熱伝導部材１８は、第１半導体素子１４と第２半導体素子１６との間から基板本体１２に平行な方向に沿って外側に延びている。

さらに、本実施例の熱伝導部材１８は、熱伝導率に異方性を有している。熱伝導部材１８の面内方向における熱伝導率は、熱伝導部材１８の厚み方向における熱伝導率よりも高い。ここで、熱伝導部材１８の面内方向とは、板状又はシート状の部材である熱伝導部材１８に平行な方向であって、即ち、熱伝導部材１８の厚み方向に対して垂直な方向である。従って、熱伝導部材１８の熱伝導率は、基板本体１２に垂直な方向よりも、基板本体１２に平行な方向において高くなっている。一例ではあるが、熱伝導部材１８は、シート状のグラファイトを用いて構成されている。この場合、熱伝導部材１８の内部では、平面状のグラファイト結晶が、熱伝導部材１８の厚み方向に積層された構造が形成されている。

半導体装置１０は、複数のビア２８を備える。各々のビア２８は、基板本体１２に形成された穴であり、導体で被覆又は充填されている。複数のビア２８は、各々の回路層２４、２６から単位構造２０に向かって延びている。複数のビア２８には、基板本体１２の上面側に位置する一又は複数の第１のビア２８ａ、一又は複数の第２のビア２８ｂ、及び一又は複数の第３のビア２８ｃと、基板本体１２の下面側に位置する一又は複数の第４のビア２８ｄとが含まれる。各々の第１のビア２８ａ及び各々の第２のビア２８ｂは、第１半導体素子１４上に位置しており、各々の第３のビア２８ｃは、第１導体板１５の突出部１５ｂ上に位置している。

各々の第１のビア２８ａは、第１半導体素子１４の上面電極１４ａと、上側回路層２４の負極端子パターンとの間を接続している。各々の第２のビア２８ｂは、第１半導体素子１４の信号電極１４ｃと上側回路層２４の信号端子パターンとの間を接続している。各々の第３のビア２８ｃは、第１半導体素子１４の下面電極１４ｂと、上側回路層２４の中間端子パターンとの間を、第１導体板１５を介して接続している。他方、各々の第４のビア２８ｄは、第２半導体素子１６の下面電極１６ｂと、下側回路層２６の正極端子パターンとの間を、第２導体板１７を介して接続している。

また、半導体装置１０は、図１では図示されない位置に、他の複数のビアをさらに備える。その複数のビアには、例えば、第２半導体素子１６の信号電極と下側回路層２６の間を接続するビアが含まれており、第２半導体素子１６の信号電極は、当該ビアを介して下側回路層２６と電気的に接続されている。これらの回路パターンには、半導体装置１０が組み込まれる外部の電力回路が接続される。なお、ビア２８を被覆又は充填する導体には、例えば銅といった熱伝導性に優れた材料を採用することができる。

以上のように、本実施例の半導体装置１０では、複数の半導体素子１４、１６が基板本体１２に内蔵されている。この場合、各々の半導体素子１４、１６で発生した熱が、基板本体１２の内部に滞りやすく、局所的な温度上昇を招き得る。特に、本実施例のように基板本体１２の内部で二つの半導体素子１４、１６が重畳配置されていると、二つの半導体素子１４、１６の間に熱がこもり、その位置で高温となるおそれがある。

上記の課題を解決するために、本実施例の半導体装置１０では、第１半導体素子１４と第２半導体素子１６との間に介在する熱伝導部材１８が、熱伝導率に異方性を有している。特に、基板本体１２に平行な方向における熱伝導部材１８の熱伝導率は、基板本体１２に垂直な方向における熱伝導部材１８の熱伝導率よりも高い。このような構成によると、二つの半導体素子１４、１６の間にこもる熱が、熱伝導部材１８によって、二つの半導体素子１４の間の外に向けて効果的に伝達される。従って、基板本体１２の内部における局所的な温度上昇を抑制することができる。

加えて、本実施例における熱伝導部材１８は、第１半導体素子１４と第２半導体素子１６との間から、基板本体１２と平行な方向に沿って外側へ延びている。このような構成によると、二つの半導体素子１４、１６の間にこもる熱は、熱伝導部材１８を伝うことにより、基板本体１２の広い範囲に拡散される。この熱伝導部材１８は、基板本体１２の内部において、半導体素子１４、１６等が存在しない余剰なスペースへ自由に設けることができる。

本実施例の半導体装置１０では、第１半導体素子１４は第１導体板１５上に設けられており、第２半導体素子１６は第２導体板１７上に設けられている。このような構成によると、第１導体板１５及び第２導体板１７を設けていない場合よりも、熱容量が大きくなる。これにより、第１半導体素子１４と第２半導体素子１６との間の温度上昇が抑制される。但し、半導体装置１０は、第１導体板１５及び第２導体板１７を備えていなくてもよい。

本実施例の半導体装置１０では、基板本体１２の内部において、二つの単位構造２０が配置されている。基板本体１２配置される単位構造２０の数は、一又は三以上であってよい。例えば、基板本体１２の内部に三つの単位構造２０が配置される場合、半導体装置１０単体で、三相交流のインバータ回路を構成することができる。

特に限定されないが、本実施例における基板本体１２は、第１絶縁層３０及び第２絶縁層３２を有する。第１絶縁層３０及び第２絶縁層３２は、例えば樹脂材料といった、絶縁性を有する材料を用いて構成されている。第１絶縁層３０には、複数の単位構造２０が埋め込まれており、一体に形成されている。第２絶縁層３２は、上側回路層２４と第１絶縁層３０との間、及び下側回路層２６と第１絶縁層３０との間に充填されている。但し、第１絶縁層３０及び第２絶縁層３２の具体的構成は特に限定されない。第１絶縁層３０及び第２絶縁層３２は異なる種類の材料を用いて構成されていてもよいし、同一種類の材料を用いて構成されていてもよい。

本実施例の半導体装置１０は、上述した実施形態に限られず、様々な実施形態によって構成することができる。他の実施形態について以下の実施例で説明する。

（実施例２）図２を参照して、実施例２の半導体装置１００について説明する。図２に示すように、実施例２の半導体装置１００は、実施例１における熱伝導部材１８に代えて、熱伝導部材１１８を備える。実施例２の熱伝導部材１１８以外の他の部分については実施例１と同様に構成することができ、重複する説明は省略する。

実施例２における熱伝導部材１１８には、ヒートパイプが採用されている。ここでのヒートパイプは、導体で構成されたパイプ中を作動液が移動することで、熱移動させるものをいう。熱伝導部材１１８は、実施例１と同様に、熱伝導率に異方性を有しており、基板本体１２に平行な方向における熱伝導部材１１８の熱伝導率は、基板本体１２に垂直な方向における熱伝導部材１１８の熱伝導率よりも高い。このような構成によっても、二つの半導体素子１４、１６の間にこもる熱が、熱伝導部材１１８によって、二つの半導体素子１４の間の外に向けて効果的に伝達される。

（実施例３）図３を参照して、実施例３の半導体装置２００について説明する。図３に示すように、実施例３の半導体装置２００は、実施例１における熱伝導部材１８に代えて、熱伝導部材２１８を備える。実施例３の熱伝導部材２１８以外の他の部分については実施例１と同様に構成することができ、重複する説明は省略する。

実施例３における熱伝導部材２１８には、ベイパーチャンバが採用されている。ここでのベイパーチャンバは、中空構造の導体部材内を蒸気が移動することで、熱移動させるものをいう。熱伝導部材２１８は、実施例１と同様に、熱伝導率に異方性を有しており、基板本体１２に平行な方向における熱伝導部材２１８の熱伝導率は、基板本体１２に垂直な方向における熱伝導部材２１８の熱伝導率よりも高い。このような構成によっても、二つの半導体素子１４、１６の間にこもる熱が、熱伝導部材２１８によって、二つの半導体素子１４の間の外に向けて効果的に伝達される。

（実施例４）図４を参照して、実施例４の半導体装置３００について説明する。図４に示すように、実施例４の半導体装置３００は、実施例１における熱伝導部材１８に代えて、熱伝導部材３１８を備える。実施例４における熱伝導部材３１８は、実施例１における熱伝導部材１８と比較して形状が変更されている。実施例４の熱伝導部材３１８以外の他の部分については実施例１と同様に構成することができ、重複する説明は省略する。

本実施例における熱伝導部材３１８は、第１半導体素子１４と第２半導体素子１６との間に介在し、且つ、第１半導体素子１４と第２半導体素子１６との間から外側に向かって突出していない。このような構成によると、二つの半導体素子１４、１６の間にこもる熱が、熱伝導部材３１８によって、二つの半導体素子１４の間の外に向けて効果的に伝達される。従って、基板本体１２の内部における局所的な温度上昇を抑制することができる。

（実施例５）図５を参照して、実施例５の半導体装置４００について説明する。図５に示すように、実施例５の半導体装置４００は、実施例１における熱伝導部材１８に代えて、熱伝導部材４１８を備える。実施例５における熱伝導部材４１８は、実施例１における熱伝導部材１８と比較して形状が変更されている。実施例５の熱伝導部材４１８を除く他の部分については実施例１と同様に構成することができ、重複する説明は省略する。

本実施例における熱伝導部材４１８は、第１半導体素子１４と第２半導体素子１６との間に介在し、且つ、第１半導体素子１４と第２半導体素子１６との間から外側に向かって延びている。このような構成によると、二つの半導体素子１４、１６の間にこもる熱は、熱伝導部材４１８を伝うことにより、基板本体１２の平行な方向に沿って拡散される。さらに、本実施例の熱伝導部材４１８は、第１半導体素子１４と第２半導体素子１６との間の外側で、下側回路層２６に向けて延びている。これにより、二つの半導体素子１４、１６の間にこもる熱は、熱伝導部材４１８を通じて、下側回路層２６へと伝達される。そして、下側回路層２６に伝達された熱は、下側回路層２６の回路パターンを伝って、基板本体１２に広く拡散される。ここで、熱伝導部材４１８が接続される下側回路層２６は、電力回路に関係しない他の回路パターンであってよい。なお、熱伝導部材４１８は、下側回路層２６に限定されず、上側回路層２４に向けて延びていてもよい。

以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書、又は、図面に説明した技術要素は、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書又は図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０、１００、２００、３００、４００：半導体装置
１２：基板本体
１４、１６：半導体素子
１５、１７：導体板
１８、１１８、２１８、３１８、４１８：熱伝導部材
２０：単位構造
２４、２６：回路層
２８、２８ａ－２８ｄ：ビア
３０、３２：絶縁層

Claims (4)

1. 電動自動車に用いられる半導体装置であって、
   絶縁材料で構成された基板本体と、
   前記基板本体の内部で、前記基板本体に垂直な方向に沿って重畳配置された第１半導体素子及び第２半導体素子と、
   前記基板本体の内部で、前記第１半導体素子と前記第２半導体素子との間に介在している熱伝導部材と、
   を備え、
   前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子の各々は、上面電極と下面電極とを有し、前記上面電極と前記下面電極との間で通電可能なパワー半導体素子であり、
   前記熱伝導部材は導電性を有しており、前記第１半導体素子の下面電極は、前記熱伝導部材を介して、前記第２半導体素子の上面電極と電気的に接続されており、
   前記熱伝導部材の少なくとも一部は、前記第１半導体素子と前記第２半導体素子との間とその外側において、前記基板本体に平行な方向に沿って延びており、
   前記熱伝導部材は、熱伝導率に異方性を有しており、前記平行な方向における前記熱伝導部材の熱伝導率は、前記垂直な方向における前記熱伝導部材の熱伝導率よりも高い、
   半導体装置。
2. 前記基板本体の内部で、上面に前記第１半導体素子が配置された第１導体板と、
   前記基板本体の内部で、上面に前記第２半導体素子が配置された第２導体板と、をさらに備え、
   前記第１導体板及び前記第２導体板の各々には、その周縁部に、前記上面に対して突出する突出部が設けられている、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記熱伝導部材は、ヒートパイプ又はベイパーチャンバを含む、請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記基板本体の上面又は下面に位置する回路層をさらに備え、
   前記熱伝導部材は、前記第１半導体素子と前記第２半導体素子との間の外側で、前記回路層まで延びている、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。

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