JP2012004171A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の温度勾配を低減するとともに、半導体装置における放熱性能を向上すること。
【解決手段】電気回路に実装されるＩＧＢＴ（半導体素子）１１と、電気回路１００に形成されＩＧＢＴ１１との間で電気的に接続される回路パターン２１と、ＩＧＢＴ１１と回路パターン２１との間に介在して両者を電気的に接続する接続層３０と、を備える。接続層３０は、ＩＧＢＴ１１と回路パターン２１とを機械的に接合するはんだ層３２と、駆動時に温度が最大になるＩＧＢＴ１１の一部に臨んで設けられはんだ層３２と比較して電気抵抗が高いダイオード３１と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子が実装される半導体装置に関するものである。

従来から、半導体素子の発熱を放熱するためのヒートシンクを備える半導体装置が用いられている。

特許文献１には、ヒートシンクにおける半導体素子に対向する部分の熱抵抗を、その周囲部分の熱抵抗よりも高くなるように設定した電子基板が開示されている。この電子基板では、ヒートシンク自体における半導体素子の発熱の分散性を高め、ヒートシンクの温度勾配を低減している。

特開２００９−１８８３２９号公報

しかしながら、引用文献１に記載の電子基板では、ヒートシンクにおける半導体素子に対向する部分の熱抵抗が大きくなるように設定している。この場合、もともと熱抵抗が高い半導体素子中心近傍の熱流路の熱抵抗が高く設定されるため、半導体素子から放熱されにくくなり、半導体素子の温度が上昇するおそれがある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、半導体装置における放熱性能を確保しつつ半導体素子の温度勾配を低減することを目的とする。

本発明の半導体装置は、電気回路に実装される半導体素子と、電気回路に形成され半導体素子との間で電気的に接続される回路パターンと、半導体素子と回路パターンとの間に介在して両者を電気的に接続する接続層と、を備える。接続層は、半導体素子と回路パターンとを機械的に接合する接合部と、駆動時に温度が最大になる半導体素子の一部に臨んで設けられ、接合部と比較して電気抵抗が高い高抵抗部と、を有することを特徴とする。

本発明では、駆動時に温度が最大になる半導体素子の一部に臨んで高抵抗部が設けられる。この高抵抗部に流れる電流は、低抵抗部に流れる電流と比較して小さいため、高抵抗部における電流の流れによる発熱が抑制される。したがって、半導体素子における放熱性能を確保しつつ半導体素子の温度勾配を低減できる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置が適用される電気回路の一例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の半導体素子の温度を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
まず、図１から図３を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置１０、及び半導体装置１０が適用される電気回路１００の一例について説明する。

図１に示される電気回路１００は、たとえば電動自動車やハイブリッド車などの電動車に搭載されるインバーターに使用されるものである。電気回路１００は、複数の半導体装置１０を備える。

半導体装置１０は、論理回路を構成する半導体素子としてのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）１１を備える。また、半導体装置１０は、ＩＧＢＴ１１が実装される基板２０と、ＩＧＢＴ１１と基板２０とを電気的に接続する接続層３０とを備える。

ＩＧＢＴ１１は、高速スイッチング制御によってコントロールされ、大電流を制御可能である。なお、ＩＧＢＴ１１に代えて、厚さ方向に電流が流れる他の半導体チップを半導体素子として用いてもよい。

ＩＧＢＴ１１は、上面及び下面の各々に電極を有する半導体チップである。ＩＧＢＴ１１は、下面の電極から電流が入力され、上面の電極から電流を出力する。つまり、ＩＧＢＴ１１には、下面から上面に向けて、厚さ方向に電流が流れる。これとは逆に、上面から下面に向けて電流が流れるようにＩＧＢＴ１１を用いてもよい。

ＩＧＢＴ１１の下面は、接続層３０を介して基板２０の回路パターン２１と電気的に接続される。ＩＧＢＴ１１の下面は、全面が接続層３０を介して基板２０に接合される。ここでは、ＩＧＢＴ１１下面の接合部の中央近傍を中央部１１ａとし、中央部１１ａの周辺を周辺部１１ｂとする。

ＩＧＢＴ１１の上面には、三本のワイヤ１２がワイヤボンディングされる。そのうち一本のワイヤ１２ａは、図示しないコントローラからの信号をＩＧＢＴ１１に入力するたものものである。他の二本のワイヤ１２ｂ，１２ｃは、ＩＧＢＴ１１から出力された電流を外部に導くためのものである。

ＩＧＢＴ１１は、電流の流れに伴って全面が略均一に発熱する。ＩＧＢＴ１１の発熱は、基板２０を挟んでＩＧＢＴ１１と対向して設けられる放熱器４０に伝導される。ＩＧＢＴ１１の発熱は、放熱器４０に至るまでに拡散するが、このときＩＧＢＴ１１の中央部１１ａの発熱は、逃げ場がないため充分に拡散できずに放熱器４０に伝導される。

そのため、ＩＧＢＴ１１の中央部１１ａから放熱器４０に至る熱流路は、熱抵抗が高く熱が伝導されにくい。一方、ＩＧＢＴ１１の周辺部１１ｂから放熱器４０に至る熱流路は、中央部１１ａと比較すると熱抵抗が低く熱が伝導されやすい。これにより、ＩＧＢＴ１１の駆動時には、中央部１１ａの温度が周辺部１１ｂの温度と比較して高くなり、温度勾配が大きくなる。そこで、半導体装置１０では、ＩＧＢＴ１１における温度勾配を小さくするために、接続層３０を以下のように構成する。

図２に示すように、接続層３０は、ＩＧＢＴ１１と回路パターン２１とを機械的に接合する接合部としてのはんだ層３２と、はんだ層３２と比較して電気抵抗が高い高抵抗部としてのダイオード３１とを備える。

ダイオード３１は、駆動時に温度が最大になるＩＧＢＴ１１の一部に臨んで設けられる。ここでは、ダイオード３１は、ＩＧＢＴ１１の中央部１１ａに臨んで設けられる。ダイオード３１は、ＩＧＢＴ１１と同程度の厚さの金属で矩形である。ダイオード３１の熱抵抗は、はんだ層３２と同程度である。これにより、ダイオード３１が設けられたときにも、ＩＧＢＴ１１から放熱器までの熱抵抗の増加が抑制され、放熱性能が確保される。

ダイオード３１は、はんだ層３２と比べて電気抵抗が高い。よって、ダイオード３１を流れる電流は、はんだ層３２を流れる電流と比べて小さい。即ち、ダイオード３１が設けられることで、回路パターン２１からダイオード３１を介してＩＧＢＴ１１の中央部１１ａに流れる電流が小さくなり、その分だけ周囲のはんだ層３２に流れる電流が大きくなる。

はんだ層３２の外径は、ＩＧＢＴ１１と略同一であり、ダイオード３１の周囲に設けられる。はんだ層３２は、はんだペレットによって形成される。はんだペレットは、ダイオード３１とともにＩＧＢＴ１１と基板２０との間に固体の状態で配置される。はんだペレットは、ＩＧＢＴ１１の上面及び基板２０の下面から熱を加えることによって溶融してダイオード３１を内包し、そのまま冷却されることによって固化する。

次に、主に図３を参照して、半導体装置１０における接続層３０の作用について説明する。

図３の横軸は、ＩＧＢＴ１１の中心からの距離であり、図３の縦軸は、ＩＧＢＴ１１の温度である。図３において、曲線Ａは、半導体装置１０におけるＩＧＢＴ１１の中心からの距離に対する温度を示すグラフである。曲線Ｂは、曲線Ａと比較するための比較例であり、接続層３０にダイオード３１を設けず、接続層３０の全てをはんだ層のみで形成した場合のＩＧＢＴ１１の温度を示すグラフである。これらのグラフの傾きが温度勾配であり、この温度勾配が大きいほどＩＧＢＴ１１の部位間の温度差が大きいこととなる。

曲線Ｂに示すように、接続層３０の全てがはんだ層である場合には、ＩＧＢＴ１１は、放熱性の低い中央部１１ａの温度が最も高くなる。ＩＧＢＴ１１の発熱は中心からの距離にかかわらず略均等である。周辺部１１ｂは、中央部１１ａと比べて放熱性が高いため、冷却されて温度が低くなる。この結果、中央部１１ａの温度が周辺部１１ｂと比べて局所的に高温になり、温度勾配が大きくなる。

これに対して半導体装置１０では、接続層３０の略中央にダイオード３１を設けたことによって、ＩＧＢＴ１１の中央部１１ａの温度が低くなって温度勾配が小さくなり、局所的に高温になることを防止できる。

具体的に説明すると、ダイオード３１は、はんだ層３２と比べて電気抵抗が大きいため、ＩＧＢＴ１１の中央部１１ａに流れる電流より、周辺部１１ｂに流れる電流の方が大きくなる。よって、電流の流れによる発熱は、周辺部１１ｂに比べて中央部１１ａの方が小さくなる。したがって、半導体装置１０では、放熱性の低い中央部１１ａの発熱を抑制し、その分の熱を放熱性の高い周辺部１１ｂに積極的に導くことで、ＩＧＢＴ１１の温度勾配を低減できる。

また、ダイオード３１の熱抵抗は、はんだ層３２と同程度であるため、ダイオード３１が設けられてもＩＧＢＴ１１からダイオード３１を介して放熱器４０に至る熱流路の熱抵抗は増加しない。よって、接続層３０がダイオード３１を備える場合にもＩＧＢＴ１１の放熱性能を確保できる。

以上の実施の形態によれば、以下に示す効果を奏する。

駆動時に温度が最大になるＩＧＢＴ１１の一部に臨んでダイオード３１が設けられる。ダイオード３１に流れる電流は、はんだ層３２に流れる電流と比較して小さいため、ダイオード３１における電流の流れによる発熱が抑制される。したがって、ＩＧＢＴ１１の放熱性能を確保しつつ温度勾配を低減できる。この結果、ＩＧＢＴ１１が駆動中に高熱になることが抑制され、半導体装置１０の長期信頼性が確保される。

（第２の実施の形態）
以下、図４を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置１１０について説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した実施の形態と同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

第２の実施の形態は、複数のＩＧＢＴ１１が同一平面上に実装される点で、第１の実施の形態とは相違する。

半導体装置１１０は、単一の基板２０の同一の面上に近接して実装される一対のＩＧＢＴ１１を備える。ここでは、一対のＩＧＢＴ１１のうち一方をＩＧＢＴ１１１とし、他方をＩＧＢＴ１１２とする。また、ＩＧＢＴ１１１，１１２下面の接合部において互いに対向する部分をそれぞれ対向部１１１ａ，１１２ａとし、その周辺の残りの部分をそれぞれ周辺部１１１ｂ，１１２ｂとする。

一対のＩＧＢＴ１１は、一対の接続層１３０によって基板２０の回路パターン２１に電気的に接続される。具体的には、ＩＧＢＴ１１１は、接続層１３０ａを介して回路パターン２１と接続され、ＩＧＢＴ１１２は、接続層１３０ｂを介して回路パターン２１と接続される。

ＩＧＢＴ１１１，１１２の発熱は、基板２０を挟んでＩＧＢＴ１１１，１１２と対向して設けられる放熱器４０に伝導される。ＩＧＢＴ１１１，１１２の発熱は、放熱器４０に至るまでに拡散するが、近接したＩＧＢＴ１１１，１１２間では、熱流干渉によって温度が上昇する。即ち、ＩＧＢＴ１１１の対向部１１１ａ及びＩＧＢＴ１１２の対向部１１２ａの発熱は、逃げ場がないため充分に拡散できずに放熱器４０に伝導される。

そのため、ＩＧＢＴ１１１，１１２の対向部１１１ａ，１１２ａから放熱器４０に至る熱流路は、熱抵抗が高く熱が伝導されにくい。一方、ＩＧＢＴ１１１，１１２の周辺部１１１ｂ，１１２ｂから放熱器４０に至る熱流路は、対向部１１１ａ，１１２ａと比較すると熱抵抗が低く熱が伝導されやすい。これにより、ＩＧＢＴ１１１，１１２の駆動時には、対向部１１１ａ，１１２ａの温度が周辺部１１１ｂ，１１２ｂの温度と比較して高くなり、温度勾配が大きくなる。そこで、半導体装置１１０では、一対のＩＧＢＴ１１１，１１２における温度勾配を小さくするために、接続層１３０ａ，１３０ｂを以下のように構成する。

接続層１３０ａ，１３０ｂは、ＩＧＢＴ１１と回路パターン２１とを機械的に接合する接合部としてのはんだ層１３２ａ，１３２ｂと、はんだ層１３２ａ，１３２ｂと比較して電気抵抗が高い高抵抗部としての一対のダイオード３１とを備える。ここでは、一対のダイオード３１のうち接続層１３０ａに設けられるものをダイオード１３１ａとし、接続層１３０ｂに設けられるものをダイオード１３１ｂとする。

ダイオード１３１ａ，１３１ｂは、それぞれ対向部１１１ａ，１１２ａに対応して設けられる。ダイオード１３１ａ，１３１ｂは、基板２０上で互いに対向するように配置される。

はんだ層１３２ａ，１３２ｂは、それぞれ周辺部１１１ｂ，１１２ｂに対応して設けられる。

半導体装置１１０では、接続層１３０におけるＩＧＢＴ１１１とＩＧＢＴ１１２とが対向する部分にそれぞれダイオード３１を設けたことによって、熱流干渉によって温度が上昇するＩＧＢＴ１１１の対向部１１１ａ，１１２ａの温度が低くなって温度勾配が小さくなり、局所的に高温になることを防止できる。

具体的には、ダイオード３１は、はんだ層１３２と比べて電気抵抗が大きいため、ＩＧＢＴ１１１，１１２の対向部１１１ａ，１１２ａに流れる電流より、周辺部１１１ｂ，１１２ｂに流れる電流の方が大きくなる。よって、電流の流れによる発熱は、周辺部１１１ｂ，１１２ｂに比べて対向部１１１ａ，１１２ａの方が小さくなる。即ち、半導体装置１１０では、放熱性の低い対向部１１１ａ，１１２ａの発熱を抑制し、その分の熱を放熱性の高い周辺部１１１ｂ，１１２ｂに積極的に導いている。

以上の実施の形態によれば、ＩＧＢＴ１１１，１１２を近接して設けた場合におけるＩＧＢＴ１１１，１１２間の熱流干渉による温度の上昇を低減できる。したがって、ＩＧＢＴ１１１，１１２の放熱性能を確保しつつ温度勾配を低減できる。

（第３の実施の形態）
以下、図５を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置２１０について説明する。

第３の実施の形態は、単一のＩＧＢＴ１１を挟んで対向する一対の基板２２０が設けられる点で、上述した実施の形態とは相違する。

ＩＧＢＴ１１は、一対の基板２２０に挟持され、上面及び下面がそれぞれ接続層２３０ａ，２３０ｂを介して基板２２０に電気的に接続される。

ＩＧＢＴ１１の上面及び下面は、接続層２３０ａ，２３０ｂを介して上下の基板２２０の回路パターン２２１と電気的に接続される。ＩＧＢＴ１１の下面は、全面が接続層２３０ａを介して一方の基板２２０に接合される。ＩＧＢＴ１１の上面は、コントローラからの信号が入力される端子部を除いた面が接続層２３０ｂを介して他方の基板２２０に接合される。

ＩＧＢＴ１１の発熱は、各々の基板２２０を挟んでＩＧＢＴ１１と対向して設けられる一対の放熱器４０に伝導される。ＩＧＢＴ１１の発熱は、放熱器４０に至るまでに拡散するが、このときＩＧＢＴ１１の中央部１１ａの発熱は、逃げ場がないため充分に拡散できずに放熱器４０に伝導される。

そのため、ＩＧＢＴ１１の中央部１１ａから放熱器４０に至る熱流路は、熱抵抗が高く熱が伝導されにくい。一方、ＩＧＢＴ１１の周辺部１１ｂから放熱器４０に至る熱流路は、中央部１１ａと比較すると熱抵抗が低く熱が伝導されやすい。これにより、ＩＧＢＴ１１の駆動時には、中央部１１ａの温度が周辺部１１ｂの温度と比較して高くなり、温度勾配が大きくなる。そこで、半導体装置２１０では、ＩＧＢＴ１１における温度勾配を小さくするために、接続層２３０ａ，２３０ｂを以下のように構成する。

ＩＧＢＴ１１の下面と基板２２０とを接続する接続層２３０ａは、ＩＧＢＴ１１と回路パターン２２１とを機械的に接合する接合部としてのはんだ層２３２ａと、はんだ層２３２ａと比較して電気抵抗が高い高抵抗部としてのダイオード３１とを備える。

一方、ＩＧＢＴ１１上面と基板２２０とを接続する接続層２３０ｂは、全体がはんだ層２３２ｂである。

ダイオード３１は、ここでは接続層２３０ａにのみ設けられるが、少なくともいずれか一方の基板２２０に臨んで設けられればよい。よって、ダイオード３１を接続層２３０ａに設けず、接続層２３０ｂにのみ設けてもよい。また、ダイオード３１を、接続層２３０ａ，２３０ｂのそれぞれに設けてもよい。

半導体装置２１０では、一方の接続層２３０ａの略中央にダイオード３１を設けたことによって、ＩＧＢＴ１１の中央部１１ａの温度が低くなって温度勾配が小さくなり、局所的に高温になることを防止できる。

具体的に説明すると、ダイオード３１は、はんだ層２３２ａと比べて電気抵抗が大きいため、ＩＧＢＴ１１の中央部１１ａに流れる電流より、周辺部１１ｂに流れる電流の方が大きくなる。よって、電流の流れによる発熱は、周辺部１１ｂに比べて中央部１１ａの方が小さくなる。即ち、半導体装置２１０では、放熱性の低い中央部１１ａの発熱を抑制し、その分の熱を放熱性の高い周辺部１１ｂに積極的に導いている。

ここで、ダイオード３１は、一方の接続層２３０ａにのみ設けられる。ＩＧＢＴ１１の上下の接続層２３０ａ，２３０ｂのうちいずれか一方にダイオード３１が設けられることによって、ＩＧＢＴ１１の発熱は、中央部１１ａから周辺部１１ｂに分散される。よって、ダイオード３１は接続層２３０ａ，２３０ｂの少なくともいずれか一方に設けられるため、部品点数増加によるコスト増を抑えつつ、温度勾配を低減できる。

以上の実施の形態によれば、接続層２３０ａにダイオード３１を設けたため、ＩＧＢＴ１１の放熱性能を確保しつつ温度勾配を低減できる。また、一方の接続層２３０ａにのみダイオード３１を設けたため、部品点数増加によるコストを抑制することができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、はんだ層を、はんだペレットではなく、クリームはんだによって形成してもよい。また、はんだ層は、ＩＧＢＴと基板の回路パターンとを電気的に接続するとともに機械的に接合できればよいため、ＡＣＦ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ：異方性導電接着フィルム）等であってもよい。

１００ 電気回路
１０ 半導体装置
１１ ＩＧＢＴ（半導体素子）
１１ａ 中央部
１１ｂ 周辺部
２０ 基板
２１ 回路パターン
３０ 接続層
３１ ダイオード（高抵抗部）
３２ はんだ層（接合部）
１１０ 半導体装置
２１０ 半導体装置

Claims (6)

1. 電気回路に実装される半導体素子と、
   前記電気回路に形成され、前記半導体素子との間で電気的に接続される回路パターンと、
   前記半導体素子と前記回路パターンとの間に介在して両者を電気的に接続する接続層と、を備える半導体装置であって、
   前記接続層は、
   前記半導体素子と前記回路パターンとを機械的に接合する接合部と、
   駆動時に温度が最大になる前記半導体素子の一部に臨んで設けられ、前記接合部と比較して電気抵抗が高い高抵抗部と、を有することを特徴とする半導体装置。
2. 前記高抵抗部は、前記半導体素子の中央に臨んで設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記回路パターンの同一平面上に実装される一対の前記半導体素子と、
   前記一対の半導体素子と前記回路パターンとを各々接合する一対の接続層と、を備え、
   前記一対の接続層は、互いに対向して設けられる前記高抵抗部をそれぞれ備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記半導体素子を挟んで対向する一対の前記回路パターンを備え、
   前記高抵抗部は、いずれか一方の前記回路パターンに対向して設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記高抵抗部は、金属で形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の半導体装置。
6. 前記高抵抗部は、前記半導体素子と同程度の厚さに形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の半導体装置。

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