特開2016-225413(P2016-225413A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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  • 特開2016225413-半導体モジュール 図000003
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2016-225413(P2016-225413A)
(43)【公開日】2016年12月28日
(54)【発明の名称】半導体モジュール
(51)【国際特許分類】
   H01L 23/29 20060101AFI20161205BHJP
   H05K 7/20 20060101ALI20161205BHJP
【FI】
   H01L23/36 A
   H05K7/20 F
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】OL
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2015-108806(P2015-108806)
(22)【出願日】2015年5月28日
(71)【出願人】
【識別番号】000001247
【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト
(74)【代理人】
【識別番号】100087701
【弁理士】
【氏名又は名称】稲岡 耕作
(74)【代理人】
【識別番号】100101328
【弁理士】
【氏名又は名称】川崎 実夫
(74)【代理人】
【識別番号】100086391
【弁理士】
【氏名又は名称】香山 秀幸
(72)【発明者】
【氏名】稗田 貴仁
(72)【発明者】
【氏名】中井 基生
(72)【発明者】
【氏名】内田 修弘
(72)【発明者】
【氏名】谷 直樹
【テーマコード(参考)】
5E322
5F136
【Fターム(参考)】
5E322AA02
5E322AB06
5E322EA10
5E322FA04
5F136BA30
5F136BB04
5F136BB18
5F136BC03
5F136DA27
5F136EA13
(57)【要約】
【課題】スイッチング素子の非電極面からヒートスプレッダを介して効率的に放熱が行えるとともに、ヒートスプレッダのスイッチング素子への接合時にヒートスプレッダと基板との間隔を一定に保つことができるようになる、半導体装置を提供する。
【解決手段】第1〜第6のスイッチング素子Tr1〜Tr6は、その電極面10aが基板2の第2の主面2bに対向した状態で、基板2の第2の主面2bに接合されている。各スイッチング素子Tr1〜Tr6の非電極面10bに、対応するヒートスプレッダ3が接合されている。各ヒートスプレッダ3は、一方向に長い矩形の平面形状を有する直方体状のヒートスプレッダ本体31と、ヒートスプレッダ本体31の表面(上面)の両端部からそれぞれ立ち上がる一対の立上部(間隔規制部)32,33とからなる。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1の主面と第2の主面とを有する基板と、
複数の電極が設けられている電極面と、前記電極面の反対側の表面であって、電極が設けられていない非電極面とを有し、前記電極面が前記基板の前記第2の主面に対向した状態で、前記基板に接合された横型半導体素子からなるスイッチング素子と、
前記スイッチング素子の前記非電極面に接合されたヒートスプレッダとを含み、
前記ヒートスプレッダは、前記基板との間隔を規定するための間隔規定部を有する、半導体装置。
【請求項2】
前記ヒートスプレッダの前記スイッチング素子に接合されている方とは反対側の面に接合されたヒートシンクをさらに含む、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記スイッチング素子は、複数のスイッチング素子を含み、
前記複数のスイッチング素子毎に、前記ヒートスプレッダが設けられている、請求項1または2に記載の半導体装置。
【請求項4】
請前記ヒートスプレッダにおける前記スイッチング素子に接合されている方とは反対側の面を含む前記ヒートスプレッダの一部を除いて、前記スイッチング素子および前記ヒートスプレッダを封止する封止樹脂をさらに含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、例えば電動パワーステアリング装置のインバータ回路に用いられる半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
電動パワーステアリング装置のインバータ回路においては、スイッチング素子が短時間で急激に発熱するおそれがある。そこで、スイッチング素子が接合された基板の裏面にヒートシンクを接合した構造とすることにより、スイッチング素子で発熱した熱をヒートシンクによって吸収するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2009−200525号公報
【発明の概要】
【0004】
従来においては、一方の表面にドレイン電極(またはコレクタ電極)が設けられ、他方の表面にソース電極(またはエミッタ電極)およびゲート電極(またはベース電極)が設けられた縦型半導体素子が、スイッチング素子として用いられるのが一般的である。
一方の表面にドレイン電極(またはコレクタ電極)、ソース電極(またはエミッタ電極)およびゲート電極(またはベース電極)が設けられ、他方の表面に電極が設けられていない横型半導体素子を、スイッチング素子として用いることが考えられる。横型半導体素子の一例は、GaNを主材料としたスイッチング素子である。横型半導体素子をスイッチング素子として用いる場合には、一方の表面に設けられた電極の面積は、縦型半導体素子のドレイン電極(またはコレクタ電極)の面積よりも小さい。このため、横型半導体素子では、電極が設けられている一方の表面(以下、「電極面」という場合がある。)の熱抵抗は、縦型半導体素子のドレイン電極(またはコレクタ電極)が設けられている表面の熱抵抗に比べて大きくなる。そこで、横型半導体素子をスイッチング素子として用いる場合には、電極面で電気的接続を行い、電極が設けられてない他方の表面(以下、「非電極面」という場合がある。)から放熱する構造をとる必要がある。
【0005】
この発明の目的は、スイッチング素子で発生した熱をスイッチング素子の非電極面からヒートスプレッダを介して効率的に放熱することができるとともに、ヒートスプレッダのスイッチング素子への接合時にヒートスプレッダと基板との間隔を一定に保つことが容易となる、半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
請求項1記載の発明は、第1の主面(2a)と第2の主面(2b)とを有する基板(2)と、複数の電極(11,12,13)が設けられている電極面(10a)と、前記電極面の反対側の表面であって、電極が設けられていない非電極面(10b)とを有し、前記電極面が前記基板の前記第2の主面に対向した状態で、前記基板に接合された横型半導体素子からなるスイッチング素子(Tr1〜Tr6)と、前記スイッチング素子の前記非電極面に接合されたヒートスプレッダ(3)とを含み、前記ヒートスプレッダは、前記基板との間隔を規定するための間隔規定部(32,33)を有する、半導体装置(1)である。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、むろん、この発明の範囲は当該実施形態に限定されない。以下、この項において同じ。
【0007】
この構成では、スイッチング素子の非電極面にヒートスプレッダが接合されているので、スイッチング素子で発生した熱をスイッチング素子の非電極面からヒートスプレッダを介して効率的に放熱できるようになる。また、ヒートスプレッダは、基板との間隔を規定するための間隔規定部を有しているので、ヒートスプレッダのスイッチング素子への接合時に、ヒートスプレッダと基板との間隔を一定に保つことが容易となる。これにより、例えば、複数のヒートスプレッダに対して1つのヒートシンクを取り付ける場合に、これらの複数のヒートスプレッダと基板との間隔が一定となるため、ヒートシンクの取り付けが容易となる。
【0008】
請求項2記載の発明は、前記ヒートスプレッダにおける前記スイッチング素子に接合されている方とは反対側の面に接合されたヒートシンクをさらに含む、請求項1に記載の半導体装置である。
請求項3記載の発明は、前記スイッチング素子は、複数のスイッチング素子を含み、前記複数のスイッチング素子毎に、前記ヒートスプレッダが設けられている、請求項1または2に記載の半導体装置である。
【0009】
請求項4記載の発明は、前記ヒートスプレッダにおける前記スイッチング素子に接合されている方とは反対側の面を含む前記ヒートスプレッダの一部を除いて、前記スイッチング素子および前記ヒートスプレッダを封止する封止樹脂をさらに含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1】本発明の一実施形態に係る半導体装置が適用されたパワーモジュールを示す平面図であって、基板を取り除いた状態での平面図である。
図2図2は、図1のII-II線に沿う拡大断面図である。
図3図3は、インバータ回路を示す電気回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、この発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置が適用されたパワーモジュールを示す平面図であって、基板を取り除いた状態での平面図を示している。図2は、図1のII-II線に沿う拡大断面図である。
このパワーモジュール1は、図3に示すような、電動パワーステアリング装置(EPS:electric power steering)用のインバータ回路100を実現するためのモジュールである。図3に示すインバータ回路100は、平滑コンデンサCと、複数のスイッチング素子Tr1〜Tr6と、各スイッチング素子Tr1〜Tr6に逆並列接続された複数のダイオード素子Di1〜Di6とを含む。平滑コンデンサCは、電源Vcの両端子間に接続されている。
【0012】
複数のスイッチング素子Tr1〜Tr6は、U相用のハイサイドの第1のスイッチング素子Tr1と、それに直列に接続されたU相用のローサイドの第2のスイッチング素子Tr2と、V相用のハイサイドの第3のスイッチング素子Tr3と、それに直列に接続されたV相用のローサイドの第4のスイッチング素子Tr4と、W相用のハイサイドの第5のスイッチング素子Tr5と、それに直列に接続されたW相用のローサイドの第6のスイッチング素子Tr6とを含む。この実施形態では、各スイッチング素子Tr1〜Tr6は、GaNを主材料としたGaN−FETから構成されている。第1〜第6のスイッチング素子Tr1〜Tr6には、第1〜第6のダイオードDi1〜Di6が逆並列接続されている。
【0013】
第1、第3および第5のスイッチング素子Tr1,Tr3,Tr5のドレインは、電源Vcの正極側端子に接続されている。第1、第3および第5のスイッチング素子Tr1,Tr3,Tr5のソースは、それぞれ第2、第4および第6のスイッチング素子Tr2,Tr4,Tr6のドレインに接続されている。第2、第4および第6のスイッチング素子Tr2,Tr4,Tr6のソースは、電源Vcの負極側端子に接続されている。
【0014】
第1のスイッチング素子Tr1と第2のスイッチング素子Tr2との接続点は、電動モータ50のU相ステータ巻線51に接続されている。第3のスイッチング素子Tr3と第4のスイッチング素子Tr4との接続点は、電動モータ50のV相ステータ巻線52に接続されている。第5のスイッチング素子Tr5と第6のスイッチング素子Tr6との接続点は、電動モータ50のW相ステータ巻線53に接続されている。各スイッチング素子Tr1〜Tr6のゲートは、モータ制御回路(図示略)に接続されている。
【0015】
図1および図2を参照して、パワーモジュール1は、基板2と、複数のスイッチング素子Tr1〜Tr6と、複数のヒートスプレッダ3と、ヒートシンク4とを含む。パワーモジュール1は、図3に示されている複数のダイオード素子Di1〜Di6および平滑コンデンサCを含んでいるが、説明の便宜上、図1および図2では図示を省略している。
基板2は、この実施形態では、平面視で円形に形成されている。基板2は、セラミック基板、ガラスエポキシ基板等からなる。基板2は、第1の主面2a(図2の上面)と、第1の主面2aとは反対側の第2の主面2b(図2の下面)を有している。基板2の第1の主面2aには、モータ制御回路(図示略)が実装されている。基板2の第2の主面2bには、インバータ回路100を形成するための配線パターン(図示略)が形成されている。基板2の第2の主面2b上に、複数のスイッチング素子Tr1〜Tr6、複数のダイオード素子Di1〜Di6(図1および図2では図示略)および平滑コンデンサC(図1および図2では図示略)が実装されている。
【0016】
各スイッチング素子Tr1〜Tr6は、一方向に長い矩形の平面形状を有する直方体形状である。各スイッチング素子Tr1〜Tr6は、複数の電極が設けられている電極面(図2の上面)10aと、電極面の反対側の表面であって、電極が設けられていない非電極面(図2の下面)10bとを有している。各スイッチング素子Tr1〜Tr6の非電極面10bには、金属薄膜(図示略)が形成されている。
【0017】
各スイッチング素子Tr1〜Tr6の電極面10aには、複数のドレイン電極11と、複数のソース電極12と、1つのゲート電極13とが設けられている。各ドレイン電極11および各ソース電極12は、平面視において、電極面10aの短手方向に細長い矩形状である。複数のドレイン電極11と複数のソース電極12とは、電極面10aの長手方向に等間隔をおいて交互に配置されている。ゲート電極13は、平面視で正方形に近い矩形状であり、電極面10aの一端側の幅中央部に配置されている。なお、ドレイン電極11とソース電極12とは、互いに対向するように櫛歯状に形成されていてもよい。
【0018】
第1〜第6のスイッチング素子Tr1〜Tr6は、その電極面10aが基板2の第2の主面2bに対向した状態で、基板2の第2の主面2bに接合されている。具体的には、第1〜第6のスイッチング素子Tr1〜Tr6の電極11,12,13の表面が、基板2の第2の主面2bに形成された配線パターンに、図示しない半田を介して接合されている。
第1スイッチング素子Tr1および第2スイッチング素子Tr2は、平面視において、それらの長手方向が一致するように一列状に並んで配置されている。第3スイッチング素子Tr3および第4スイッチング素子Tr4は、平面視において、それらの長手方向が一致するように一列状に並んで配置されている。第5スイッチング素子Tr5および第6スイッチング素子Tr6は、平面視において、それらの長手方向が一致するように一列状に並んで配置されている。第1および第2スイッチング素子Tr1,Tr2の組、第3および第4スイッチング素子Tr3,Tr4の組ならびに第5および第6スイッチング素子Tr5,Tr6の組は、それぞれ、平面視で基板2の外周円に内接する正方形の4つの辺のうちの3つの辺に対応するような位置に配置されている。
【0019】
6つのスイッチング素子Tr1〜Tr6に対応して、6つの金属製のヒートスプレッダ3が設けられている。各スイッチング素子Tr1〜Tr6の非電極面10bに、対応するヒートスプレッダ3が接合されている。この実施形態では、ヒートスプレッダ3は、銅系材料で作られている。各ヒートスプレッダ3は、一方向に長い矩形の平面形状を有する直方体状のヒートスプレッダ本体31と、ヒートスプレッダ本体31の表面(上面)の両端部からそれぞれ立ち上がる一対の立上部32,33とからなる。ヒートスプレッダ本体31の表面(上面)の長さおよび幅は、それぞれスイッチング素子Tr1〜Tr6の非電極面10bの長さおよび幅よりも大きい。各スイッチング素子Tr1〜Tr6の非電極面10bは、対応するヒートスプレッダ3のヒートスプレッダ本体31の表面(上面)の中央部に半田21を介して接合されている。
【0020】
各ヒートスプレッダ3の立上部32,33の長さ(高さ)は、スイッチング素子Tr1〜Tr6の電極11〜13を含めた厚さよりも少し大きな長さに設定されている。各ヒートスプレッダ3の立上部32,33は、当該ヒートスプレッダ3のヒートスプレッダ本体31と基板2の第2の主面2bとの間隔を一定にするための間隔規定部を構成している。各ヒートスプレッダ3の立上部32,33の先端は、基板2の第2の主面2bに当接している。基板2の第2の主面2b側には、各スイッチング素子Tr1〜Tr6および各ヒートスプレッダ3の大部分を封止する封止樹脂5が形成されている。各ヒートスプレッダ3におけるスイッチング素子Tr1〜Tr6に接合されている方とは反対側の面を含むヒートスプレッダ3の一部分は、封止樹脂5によって封止されておらず、封止樹脂5から外方に突出している。
【0021】
複数のヒートスプレッダ3におけるスイッチング素子Tr1〜Tr6に接合されている方とは反対側の面に、放熱シート(熱伝導性シート)22を介してヒートシンク4が接合されている。この実施形態では、ヒートシンク4はアルミニウム製である。
前述のパワーモジュール1は、例えば次のようにして製造される。まず、第1の主面2aにモータ制御回路が実装されかつ第2の主面2bにインバータ回路100を形成するための配線パターンが形成された基板2を用意する。次に、基板2の第2の主面2bに、インバータ回路100を構成するスイッチング素子Tr1〜Tr6等の電気部品を接合する。次に、スイッチング素子Tr1〜Tr6の非電極面10bに半田ペースト21を塗布した後、各ヒートスプレッダ3の立上部32,33の先端を基板2の第2の主面2bに押し当てながら、各ヒートスプレッダ3をスイッチング素子Tr1〜Tr6の非電極面10bに接合する。
【0022】
この後、基板2の第2の主面2b側に、各スイッチング素子Tr1〜Tr6および各ヒートスプレッダ3の大部分を封止する封止樹脂5を形成する。最後に、複数のヒートスプレッダ3におけるスイッチング素子Tr1〜Tr6に接合されている方とは反対側の面に、放熱シート22を介してヒートシンク4を接合する。
なお、基板2の第2の主面2bへのスイッチング素子Tr1〜Tr6等の電気部品の接合と、ヒートスプレッダ3のスイッチング素子Tr1〜Tr6の非電極面10bへの接合とを同時に行うようにしてもよい。
【0023】
前述の実施形態では、スイッチング素子Tr1〜Tr6の非電極面10bにヒートスプレッダ3が接合されており、ヒートスプレッダ3におけるスイッチング素子Tr1〜Tr6に接合されている方とは反対側の面にヒートシンク4が接合されている。これにより、スイッチング素子Tr1〜Tr6で発生した熱を、スイッチング素子Tr1〜Tr6の非電極面10bからヒートスプレッダ3を介してヒートシンク4に効率よく伝達することができる。このため、スイッチング素子Tr1〜Tr6で発生した熱をその非電極面10bから効率よく放熱することができる。
【0024】
また、各ヒートスプレッダ3は、基板2との間隔を規定するための立上部32,33(間隔規定部)を有しているので、各ヒートスプレッダ3のスイッチング素子Tr1〜Tr6への接合時に、ヒートスプレッダ本体31と基板2との間隔を一定に保つことが容易となる。これにより、各ヒートスプレッダ3と基板2との間隔を一定に保つことができるので、複数のヒートスプレッダ3へのヒートシンク4の取り付けが容易となる。
【0025】
以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、ヒートスプレッダ3はスイッチング素子Tr1〜Tr6毎に設けられているが、複数のスイッチング素子に対して1つのヒートスプレッダが設けられもよい。つまり、複数のスイッチング素子に、1つのヒートスプレッダが接合されてもよい。言い換えれば、1つのヒートスプレッダに、複数のスイッチング素子が接合されてもよい。例えば、1つのヒートスプレッダに、2つのスイッチング素子Tr1,Tr2が接合されてもよい。
【0026】
また、前述の実施形態では、1つのヒートスプレッダ3に2つの間隔規定部32,33(立上部)が設けられているが、1つのヒートスプレッダ3に対して間隔規定部は1つのみ設けられていてもよいし、3個以上設けられていてもよい。
また、前述の実施形態では、基板2の一方の主面2bにインバータ回路100が実装され、他方の主面2aにモータ制御回路が実装されているが、モータ制御回路はインバータ回路100が実装される基板2とは別の基板に実装されてもよい。
【0027】
この発明を電動パワーステアリング装置のインバータ回路に適用した場合について説明したが、この発明は、電動パワーステアリング装置以外に用いられるインバータ回路等にも適用することができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【0028】
1…パワーモジュール、2…基板、3…ヒートスプレッダ、4…ヒートシンク、5…封止樹脂、21…半田、22…放熱シート、31…ヒートスプレッダ本体、32,33…立上部(間隔規制部)、Tr1〜Tr6…スイッチング素子、100…インバータ回路
図1
図2
図3