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JP2004014863A - Power semiconductor device - Google Patents

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Publication number
JP2004014863A
JP2004014863A JP2002167521A JP2002167521A JP2004014863A JP 2004014863 A JP2004014863 A JP 2004014863A JP 2002167521 A JP2002167521 A JP 2002167521A JP 2002167521 A JP2002167521 A JP 2002167521A JP 2004014863 A JP2004014863 A JP 2004014863A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
power semiconductor
heat
semiconductor device
radiator
insulating resin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002167521A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Isao Umezaki
梅嵜　勲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2002167521A priority Critical patent/JP2004014863A/en
Publication of JP2004014863A publication Critical patent/JP2004014863A/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power semiconductor device which is more easily and inexpensively manufactured and improves the heat radiation effect. <P>SOLUTION: The power semiconductor device is provided with a power semiconductor element (10), and an insulating substrate (12) for packaging the power semiconductor element; a first radiator (14) for packaging the insulating substrate; a case (20) mounted on the first radiator for surrounding the insulating substrate and the power semiconductor element; a second radiator (28) which faces the power semiconductor element, and is positioned within the case with its peripheral edge in contact with the inner surface of the case; and a gel-state insulating resin (26) which fills a space composed of the first radiator, the case and the second radiator. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱機構を備えた電力用半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電力用半導体装置において、半導体チップから発生する熱は、半導体チップの下部に伝えられて放熱される。図４は、従来の電力用半導体装置の断面図である。図４において、電力用半導体装置は、半導体チップ１１０、半導体チップ１１０を搭載する絶縁基板１１２、絶縁基板１１２を搭載するベース基板１１４、半導体チップ１１０と絶縁基板１１２を接続する半田１１６、絶縁基板１１２とベース基板１１４を接続する半田１１８、および、ベース基板１１４上に取り付けられて半導体チップ１１０や絶縁基板１１２を覆うケース１２０を備える。半導体チップ１１０は、ワイヤボンディング１２２によって、ケース１２０に取り付けられた電極１２４に接続される。さらに、電力用半導体装置は、ケース１２０内部において半導体チップ１１０の周囲に充填されたゲル状絶縁樹脂１２６、および、ケース１２０内部においてゲル状絶縁樹脂１２６の上に充填された熱硬化性樹脂１２８を備える。ゲル状絶縁樹脂１２６は、シリコン樹脂等であり、熱硬化性樹脂１２８は、封止用のエポキシ樹脂等である。それらの樹脂は、ケース１２０における半導体チップ１１０の上面に対向する位置に形成された複数の開口部から流し込まれる。開口部は、ケース１２０内部にゲル状絶縁樹脂１２６を充填した後、熱硬化性樹脂１２８を流し込んで、それを硬化することにより塞がれる。
【０００３】
図４の電力用半導体装置において、半導体チップ１１０から発生する熱は、半導体チップ１１０の上面が熱伝導性の悪いシリコン樹脂１２６で覆われるため、絶縁基板１１２を介して、半導体チップ１１０下部のベース基板１１４（銅等で構成されヒートシンクの役割を果たす）に伝えられる。このとき、半導体チップ１１０下部の半田１１６および半田１１８は、電力用半導体装置の動作周波数に同期して温度上昇と温度下降とを繰り返す。この従来の電力用半導体装置においては、一定時間における温度上昇と温度下降の繰り返し数（以下、「温度周波数」という。）や温度上昇幅が一定の範囲を越えると、半田クラック等の半田疲労が発生し、その装置の温度耐久性の低下や寿命の短縮を引き起こすため、電力用半導体装置を動作させる条件が制限されるという問題があった。
【０００４】
例えば、実開平２−１３２９５５号公報は、半導体素子（半導体チップ）の上面に対向する位置にアルミ製ヒートシンクを設けて、その上部ヒートシンクと半導体素子の下部に設置された下部ヒートシンクの両方のヒートシンクによって半導体素子の放熱を行う構造を開示している。このように、半導体素子の上部のヒートシンクによっても放熱を行えるようにすれば、図４の半田１１６および半田１１８において、温度周波数や温度上昇幅を小さく抑えることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、半導体素子の上部に放熱体を設けた電力用半導体装置を、より簡単に、かつ、より安価に製造することが望まれる。また、電力用半導体装置の放熱効果をより高めることが望まれる。
【０００６】
本発明の目的は、より簡単に、かつ、より安価に製造することができる放熱効果の高い電力用半導体装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電力用半導体装置は、電力半導体素子と、その電力半導体素子を搭載する絶縁基板と、その絶縁基板を搭載する第１の放熱体と、前記の第１の放熱体上に取り付けられて前記の絶縁基板および前記の電力半導体素子を囲うケースと、前記の電力半導体素子に対向して、前記のケースの内部に、その周縁部が前記のケースの内側表面に接して位置された第２の放熱体と、前記の第１の放熱体、前記のケースおよび前記の第２の放熱体によって構成された空間に充填されたゲル状絶縁樹脂とを備える。
【０００８】
好ましくは、前記の電力用半導体装置において、前記のケースの内側表面に前記の第２の放熱体を支持する支持構造が設けられ、前記の第２の放熱体の周縁部の少なくとも一部がその支持構造によって支持される。
【０００９】
好ましくは、前記の電力用半導体装置において、前記の第２の放熱体は、前記のゲル状絶縁樹脂よりも熱容量が大きく、蓄熱体として機能する。
【００１０】
好ましくは、前記の電力用半導体装置において、前記の第２の放熱体と前記のゲル状絶縁樹脂との間に、前記のゲル状絶縁樹脂よりも熱伝導性がよい材料から成る放熱促進体が挿入される。
【００１１】
好ましくは、前記の放熱促進体は金属板であり、前記の金属板の周縁部の少なくとも一部が前記の支持構造によって支持される。
【００１２】
好ましくは、前記の放熱促進体は、その長手方向の一端および他端が、それぞれ、前記の第２の放熱体および前記のゲル状絶縁樹脂に埋め込まれた１以上の金属棒である。
【００１３】
好ましくは、前記の電力用半導体装置において、前記の第２の放熱体は、ヒートシンクである。
【００１４】
好ましくは、前記のヒートシンクの前記のゲル状絶縁樹脂に接する表面は、凹凸形状である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態による電力用半導体装置の構造を図式的に示す断面図である。図１において、電力用半導体装置は、半導体チップ１０、半導体チップ１０を搭載する絶縁基板１２、絶縁基板１２を搭載するベース基板１４、半導体チップ１０と絶縁基板１２を接続する半田１６、絶縁基板１２とベース基板１４を接続する半田１８、ベース基板１４上に取り付けられて半導体チップ１０や絶縁基板１２を囲うケース２０を備える。半導体チップ１０は、ボンディングワイヤ２２によって、ケース２０に取り付けられた電極２４に接続される。さらに、この電力用半導体装置は、ケース２０の内部において半導体チップ１０の周囲に充填されたゲル状絶縁樹脂２６、ケース２０の内部においてその絶縁樹脂２６の上部に充填された熱容量の大きな蓄熱材料２８、および、絶縁樹脂２６と蓄熱材料２８との境界に位置された金属板３０を備える。ケース２０の内側（半導体チップ１０側）の表面には、ケース２０の内側に突出する凸部３２とケース２０の内側表面から窪んだ凹部３４が形成されている。金属板３０は、凸部３２によって支持され、蓄熱材料２８は、凹部３４によって支持される。半導体チップ１０および絶縁基板１２は、ベース基板１４、ケース２０および金属板３０によって形成された空間に収容される。その空間内において、半導体チップ１０や絶縁基板１２の周囲にはゲル状の絶縁樹脂２６が充填される。その絶縁樹脂２６は、例えば、シリコン樹脂である。蓄熱材料２８は、ケース２０の上部の開口を覆うように位置され、その蓄熱材料２８の端部は、ケース２０の内側表面に接している。ベース基板１４は、銅等で構成され、ヒートシンクの役割を果たす。
【００１６】
上述の構造の電力用半導体装置を動作させると、半導体チップ１０から発生する熱は、絶縁基板１２を介して、半導体チップ１０の下部のベース基板１４に伝えられ、同時に、金属板３０を介して、半導体チップ１０の上部の蓄熱材料２８に伝えられる。
【００１７】
本実施の形態による電力用半導体装置の構造において、半導体チップ１０の上部に絶縁樹脂２６よりも熱容量の大きな蓄熱材料２８を設けたことにより、半導体チップ１０から放出される熱を一時的に蓄熱材料２８に蓄えることができる。これにより、半導体チップ１０を高周波で動作させる場合であっても、半導体チップ１０下部の半田１６および半田１８における温度周波数および温度上昇幅を小さく抑えることができる。結果として、電力用半導体装置の温度耐久性の低下や、電力用半導体装置の寿命の短縮を防ぐことができる。
【００１８】
また、本実施の形態による電力用半導体装置においては、蓄熱材料２８が、絶縁樹脂２６全体を覆う蓋の役割を果たす。よって、蓄熱材料２８が、ヒートシンクとしての役割と半導体チップ１０を封止する材料の役割を同時に果たすので、ヒートシンクと封止材料を別々に設ける必要がなくなる。また、従来の電力用半導体装置（図４）と比較すると、ケース１２０に開口部を形成したり、その開口部から樹脂を注入する等の面倒な工程を省くことができる。結果として、電力用半導体装置を、より簡単に、かつ、より安価に製造することができる。
【００１９】
さらに、本実施の形態による電力用半導体装置の構造において、絶縁樹脂２６と蓄熱材料２８との境界に熱伝導性のよい金属板３０を挿入することにより、半導体チップ１０から放出された熱は、金属板３０を介して、容易に蓄熱材料２８に伝えられる。つまり、金属板３０を挿入することにより、半導体チップ１０の放熱を促進することができる。
【００２０】
また、本実施の形態による電力用半導体装置には、ケース２０の内側表面に、金属板３０を支持する凸部３２が形成されており、絶縁樹脂２６と蓄熱材料２８との境界を正確に把握することができる。これにより、絶縁樹脂２６の充填量を見極めることが容易となる。従来の電力用半導体装置（図４）においては、絶縁樹脂１２６および熱硬化性樹脂１２８の量を制御して、それらをケース１２０内部に注入する必要があったが、本実施の形態の電力用半導体装置を製造する場合には、この手間を省くことができる。結果として、電力用半導体装置を、より簡単に、かつ、より安価に製造することが可能となる。また、凸部３２を設けたことにより、製造過程で、金属板３０がゲル状絶縁樹脂２６に落下することを防ぐことができる。従って、半導体チップ１０やボンディングワイヤ２２等の破損を防ぐことができる。
【００２１】
さらに、本実施の形態による電力半導体装置において、ケースの内側表面に、蓄熱材料２８を支持する凹部３４を設けたことにより、製造過程で、蓄熱材料２８がゲル状絶縁樹脂２６に落下することを防ぐことができる。従って、半導体チップ１０やボンディングワイヤ２２等の破損を防ぐことができる。
【００２２】
なお、上述の凸部３２および凹部３４は、それぞれ、金属板３０および蓄熱材料２８の周縁部の一部を支持するものであっても、全部を支持するものであってもよい。
【００２３】
なお、本実施の形態による電力半導体装置においては、金属板３０および蓄熱材料２８を、それぞれ、凸部３２および凹部３４によって支持しているが、凹部３４は必ずしも必要ではなく、省略できる。凹部３４を省略した場合であっても、蓄熱材料２８は、金属板３０により支持されるので、ゲル状絶縁樹脂２８に落下することを防ぐことができる。また、本実施の形態による凹部３４を省略した場合に、凸部３２は、その形状に限られない。絶縁樹脂２６の充填量を見極めることができ、また、金属板３０および蓄熱材料２８がゲル状絶縁樹脂２６に落下することを防ぐことができれば、例えば、金属板３０がはめ込まれる凹部等の他の任意の形状であってよい。
【００２４】
なお、本実施の形態による電力用半導体装置おいて、絶縁樹脂２６と蓄熱材料２８との境界に金属板３０を挿入したが、熱伝導性の優れた材料であれば、金属に限らず他の任意の材料を使用できる。また、半導体チップ１０から放出された熱を蓄熱材料２８に伝えることができれば、その熱伝導性の優れた材料は、板状の形状に限らず、他の任意の形状であってよい。例えば、図２に示されるように、絶縁樹脂２６と蓄熱材料２８との境界に複数の金属棒４０を挿入してもよい。その場合、それぞれの金属棒４０は、その長手方向の２の端部が、それぞれ、絶縁樹脂２６または蓄熱材料２８に埋め込まれており、半導体チップ１０から放出された熱を蓄熱材料２８に容易に伝えることができる。この場合であっても、本実施の形態による電力用半導体装置と同様の結果が得られる。
【００２５】
なお、本実施の形態による電力用半導体装置において、蓄熱材料２８は、ゲル状または液体であってもよい。
【００２６】
なお、本実施の形態による電力用半導体装置において、絶縁樹脂２６と蓄熱材料２８との境界に金属板３０を挿入したが、これは省略できる。その場合であっても、半導体チップ１０から放出される熱を一時的に蓄熱材料２８に蓄えることができ、電力用半導体装置の温度耐久性の低下や、電力用半導体装置の寿命の短縮を防ぐことができる。また、この場合には、凸部３２が省略できる。凸部３２が省略されても、凹部３４によって蓄熱材料２８が支持され、蓄熱材料２８がゲル状絶縁樹脂２６に落下することを防ぐことができる。また、その凹部３４は、絶縁樹脂２６の充填量を見極めることに役立つ。さらに、その凹部３４は、上述の効果を達成できれば、他の任意の形状であってよい。
【００２７】
なお、本実施の形態による電力用半導体装置において、半導体チップ１０上部の放熱体を蓄熱材料２８としたが、これは、ヒートシンクであってもよい。半導体チップ１０上部の放熱体がヒートシンクの場合、半導体チップ１０から放出される熱をそのヒートシンクによって放熱することができ、半導体チップ１０を高周波で動作させる場合であっても、半導体チップ１０下部の半田１６および半田１８における温度周波数および温度上昇幅を小さく抑えることができる。結果として、電力用半導体装置の温度耐久性の低下や、電力用半導体装置の寿命の短縮を防ぐことができる。また、ヒートシンク５０は、絶縁樹脂２６全体を覆う蓋の役割を果たす。蓄熱材料２８の代わりにヒートシンク５０を用いた場合、金属板３０を挿入する代わりに、半導体チップ１０から放出された熱が容易にヒートシンク５０に伝えられるように、つまり、半導体チップ１０の放熱を促進することができるように、絶縁樹脂２６に当接するヒートシンク５０の表面を凹凸形状にすることが好ましい。図３は、上述の構成を備えた電力用半導体装置の構造を図式的に示す断面図である。半導体チップ１０上部の放熱体がヒートシンク５０であっても、半導体チップ１０上部の放熱体が蓄熱材料２８である電力用半導体装置（図１）において得られる効果と同一の効果が得られる。さらに、図４において、絶縁樹脂２６の充填量を見極めることができ、また、ヒートシンク５０がゲル状絶縁樹脂２６に落下することを防ぐことができれば、凸部３２および凹部３４は、どちらか一方が省略されてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明による電力用半導体装置によれば、電力半導体素子と、その電力半導体素子を搭載する絶縁基板と、その絶縁基板を搭載する第１の放熱体と、前記第１の放熱体上に取り付けられて絶縁基板および電力半導体素子を囲うケースと、電力半導体素子に対向して、ケースの内部に、その周縁部がケースの内側表面に接して位置された第２の放熱体と、第１の放熱体、ケースおよび第２の放熱体によって構成された空間に充填されたゲル状絶縁樹脂とを備え、第２の放熱体が、ヒートシンクとしての役割と電力半導体素子を封止する材料の役割を同時に果たし、ヒートシンクと封止材料を別々に設ける必要がなくなくなるので、電力用半導体装置を、より簡単に、かつ、より安価に製造することができる。
【００２９】
本発明による電力用半導体装置によれば、ケースの内側表面に前記第２の放熱体を支持する支持構造が設けられ、前記第２の放熱体の周縁部の少なくとも一部がその支持構造によって支持されるので、ゲル状絶縁樹脂と第２の放熱体との境界を正確に把握することができ、ゲル状絶縁樹脂の充填量を見極めることが容易となる。結果として、電力用半導体装置を、より簡単に、かつ、より安価に製造することが可能となる。また、支持構造が第２の放熱体を支持するので、第２の放熱体がゲル状絶縁樹脂に落下することを防ぐことができる。
【００３０】
本発明による電力用半導体装置によれば、第２の放熱体は、ゲル状絶縁樹脂よりも熱容量が大きく、蓄熱体として機能するので、電力半導体素子から放出される熱を一時的にその材料に蓄えることができ、電力半導体素子を高周波で動作させる場合であっても、電力用半導体装置の温度耐久性の低下や、電力用半導体装置の寿命の短縮を防ぐことができる。
【００３１】
本発明による電力用半導体装置によれば、ゲル状絶縁樹脂と第２の放熱体との間に、絶縁樹脂よりも熱伝導性がよい材料から成る放熱促進体を挿入するので、電力半導体素子から放出された熱は、その放熱促進体を介して、容易に第２の放熱体に伝えられる。つまり、放熱促進体を挿入することにより、電力半導体素子の放熱を促進することができる。
【００３２】
本発明による電力用半導体装置によれば、ゲル状絶縁樹脂と第２の放熱体との間に、ゲル状絶縁樹脂よりも熱伝導性がよい材料から成る金属板を挿入するので、電力半導体素子から放出された熱は、その金属板を介して、容易に第２の放熱体に伝えられる。つまり、金属板を挿入することにより、電力半導体素子の放熱を促進することができる。
【００３３】
本発明による電力用半導体装置によれば、ゲル状絶縁樹脂と第２の放熱体との間に、ゲル状絶縁樹脂よりも熱伝導性がよい材料から成り、かつ、その長手方向の一端および他端が、それぞれ、第２の放熱体およびゲル状絶縁樹脂に埋め込まれた１以上の金属棒を挿入するので、電力半導体素子から放出された熱は、その金属棒を介して、容易に第２の放熱体に伝えられる。つまり、金属棒を挿入することにより、電力半導体素子の放熱を促進することができる。
【００３４】
本発明による電力用半導体装置によれば、第２の放熱体が、ヒートシンクから成るので、電力半導体素子から放出される熱をそのヒートシンクによって放熱することができ、電力半導体素子を高周波で動作させる場合であっても、電力用半導体装置の温度耐久性の低下や、電力用半導体装置の寿命の短縮を防ぐことができる。
【００３５】
本発明による電力用半導体装置によれば、ヒートシンクのゲル状絶縁樹脂に接する表面が凹凸形状であるので、電力半導体素子から放出された熱は、その凹凸形状の表面を介して、容易にヒートシンクに伝えられる。つまり、ヒートシンクの絶縁樹脂に接する表面を凹凸形状にすることにより、電力半導体素子の放熱を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電力用半導体装置の構造を示す断面図。
【図２】本発明による別の電力用半導体装置の構造を示す断面図。
【図３】本発明による更なる別の電力用半導体装置の構造を示す断面図。
【図４】従来の電力用半導体装置の構造を示す断面図。
【符号の説明】
１０　半導体チップ、　１２　絶縁基板、　１４　ベース基板、　１６　半導体チップ１０と絶縁基板１２を接続する半田、　１８　絶縁基板１２とベース基板１４を接続する半田、　２０　ケース、　２２　ボンディングワイヤ、　２４電極、　２６　絶縁樹脂、　２８　蓄熱材料、　３０　金属板、　３２　凸部、　３４　凹部、　４０　金属棒、　５０　ヒートシンク[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power semiconductor device provided with a heat dissipation mechanism.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a power semiconductor device, heat generated from a semiconductor chip is transmitted to a lower portion of the semiconductor chip and radiated. FIG. 4 is a sectional view of a conventional power semiconductor device. 4, a power semiconductor device includes a semiconductor chip 110, an insulating substrate 112 on which the semiconductor chip 110 is mounted, a base substrate 114 on which the insulating substrate 112 is mounted, a solder 116 for connecting the semiconductor chip 110 and the insulating substrate 112, and an insulating substrate 112. And a case 120 attached to the base substrate 114 to cover the semiconductor chip 110 and the insulating substrate 112. The semiconductor chip 110 is connected to the electrode 124 attached to the case 120 by wire bonding 122. Further, the power semiconductor device includes a gel insulating resin 126 filled around the semiconductor chip 110 inside the case 120 and a thermosetting resin 128 filled on the gel insulating resin 126 inside the case 120. Prepare. The gel-like insulating resin 126 is a silicone resin or the like, and the thermosetting resin 128 is an epoxy resin or the like for sealing. These resins are poured from a plurality of openings formed at positions facing the upper surface of the semiconductor chip 110 in the case 120. After filling the inside of the case 120 with the gel-like insulating resin 126, the opening is closed by pouring the thermosetting resin 128 and curing it.
[0003]
In the power semiconductor device of FIG. 4, heat generated from the semiconductor chip 110 is covered with the silicon resin 126 having poor thermal conductivity by the silicon resin 126. It is transmitted to the substrate 114 (made of copper or the like and serving as a heat sink). At this time, the temperature of the solder 116 and the solder 118 below the semiconductor chip 110 are repeatedly increased and decreased in synchronization with the operating frequency of the power semiconductor device. In this conventional power semiconductor device, when the number of repetitions of temperature rise and temperature fall over a certain period of time (hereinafter referred to as “temperature frequency”) or the temperature rise width exceeds a certain range, solder fatigue such as solder cracks occurs. As a result, the temperature durability of the device is reduced and the life of the device is shortened, so that there is a problem that conditions for operating the power semiconductor device are limited.
[0004]
For example, Japanese Unexamined Utility Model Publication No. Hei. 2-132555 discloses that an aluminum heat sink is provided at a position facing the upper surface of a semiconductor element (semiconductor chip), and both the upper heat sink and the lower heat sink installed below the semiconductor element are used. A structure for radiating heat of a semiconductor element is disclosed. As described above, if heat can be dissipated also by the heat sink above the semiconductor element, the temperature frequency and the temperature rise width of the solder 116 and the solder 118 in FIG. 4 can be reduced.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, it is desired to manufacture a power semiconductor device provided with a heat radiator above a semiconductor element more simply and at lower cost. Further, it is desired to further enhance the heat radiation effect of the power semiconductor device.
[0006]
An object of the present invention is to provide a power semiconductor device having a high heat radiation effect, which can be manufactured more easily and at a lower cost.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A power semiconductor device according to the present invention includes a power semiconductor element, an insulating substrate on which the power semiconductor element is mounted, a first radiator on which the insulating substrate is mounted, and a power radiator mounted on the first radiator. A case surrounding the insulating substrate and the power semiconductor element, and a second part whose peripheral edge is located in contact with the inner surface of the case inside the case facing the power semiconductor element. 2 radiator, and a gel insulating resin filled in a space defined by the first radiator, the case, and the second radiator.
[0008]
Preferably, in the power semiconductor device, a support structure for supporting the second radiator is provided on an inner surface of the case, and at least a part of a peripheral portion of the second radiator is provided on the inner surface of the case. Supported by the support structure.
[0009]
Preferably, in the power semiconductor device, the second radiator has a larger heat capacity than the gel insulating resin and functions as a heat storage.
[0010]
Preferably, in the power semiconductor device, between the second heat radiator and the gel insulating resin, a heat radiation promoting body made of a material having higher thermal conductivity than the gel insulating resin is provided. Inserted.
[0011]
Preferably, the heat-dissipating body is a metal plate, and at least a part of a peripheral portion of the metal plate is supported by the support structure.
[0012]
Preferably, the heat-dissipating body is one or more metal rods having one end and the other end in the longitudinal direction embedded in the second heat-sink and the gel-like insulating resin, respectively.
[0013]
Preferably, in the power semiconductor device, the second radiator is a heat sink.
[0014]
Preferably, a surface of the heat sink in contact with the gel insulating resin has an uneven shape.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a sectional view schematically showing a structure of a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a power semiconductor device includes a semiconductor chip 10, an insulating substrate 12 on which the semiconductor chip 10 is mounted, a base substrate 14 on which the insulating substrate 12 is mounted, a solder 16 for connecting the semiconductor chip 10 and the insulating substrate 12, and an insulating substrate 12. And a case 20 attached to the base substrate 14 and surrounding the semiconductor chip 10 and the insulating substrate 12. The semiconductor chip 10 is connected to electrodes 24 attached to the case 20 by bonding wires 22. Further, the power semiconductor device has a gel insulating resin 26 filled around the semiconductor chip 10 inside the case 20, and a heat storage material 28 having a large heat capacity filled above the insulating resin 26 inside the case 20. And a metal plate 30 located at a boundary between the insulating resin 26 and the heat storage material 28. On the inner surface of the case 20 (on the side of the semiconductor chip 10), a convex portion 32 protruding inside the case 20 and a concave portion 34 recessed from the inner surface of the case 20 are formed. The metal plate 30 is supported by the convex portions 32, and the heat storage material 28 is supported by the concave portions 34. The semiconductor chip 10 and the insulating substrate 12 are accommodated in a space formed by the base substrate 14, the case 20, and the metal plate 30. In that space, the periphery of the semiconductor chip 10 and the insulating substrate 12 is filled with a gel-like insulating resin 26. The insulating resin 26 is, for example, a silicon resin. The heat storage material 28 is positioned so as to cover the upper opening of the case 20, and the end of the heat storage material 28 is in contact with the inner surface of the case 20. The base substrate 14 is made of copper or the like and plays a role of a heat sink.
[0016]
When the power semiconductor device having the above-described structure is operated, heat generated from the semiconductor chip 10 is transmitted to the base substrate 14 below the semiconductor chip 10 via the insulating substrate 12, and at the same time, via the metal plate 30. Is transferred to the heat storage material 28 on the upper part of the semiconductor chip 10.
[0017]
In the structure of the power semiconductor device according to the present embodiment, the heat storage material 28 having a larger heat capacity than the insulating resin 26 is provided above the semiconductor chip 10 so that the heat released from the semiconductor chip 10 is temporarily stored in the heat storage material. 28. Accordingly, even when the semiconductor chip 10 is operated at a high frequency, the temperature frequency and the temperature rise width of the solder 16 and the solder 18 under the semiconductor chip 10 can be suppressed to be small. As a result, it is possible to prevent a decrease in the temperature durability of the power semiconductor device and a reduction in the life of the power semiconductor device.
[0018]
Further, in the power semiconductor device according to the present embodiment, heat storage material 28 serves as a lid that covers the entire insulating resin 26. Therefore, since the heat storage material 28 simultaneously functions as a heat sink and a material for sealing the semiconductor chip 10, it is not necessary to separately provide the heat sink and the sealing material. Further, as compared with the conventional power semiconductor device (FIG. 4), it is possible to omit a troublesome process such as forming an opening in the case 120 or injecting a resin through the opening. As a result, the power semiconductor device can be manufactured more easily and at lower cost.
[0019]
Further, in the structure of the power semiconductor device according to the present embodiment, by inserting a metal plate 30 having good thermal conductivity at the boundary between insulating resin 26 and heat storage material 28, heat released from semiconductor chip 10 The heat is easily transmitted to the heat storage material 28 via the metal plate 30. That is, heat radiation of the semiconductor chip 10 can be promoted by inserting the metal plate 30.
[0020]
Further, in the power semiconductor device according to the present embodiment, a convex portion 32 for supporting the metal plate 30 is formed on the inner surface of the case 20, so that the boundary between the insulating resin 26 and the heat storage material 28 can be accurately grasped. can do. This makes it easy to determine the filling amount of the insulating resin 26. In the conventional power semiconductor device (FIG. 4), it is necessary to control the amounts of the insulating resin 126 and the thermosetting resin 128 and to inject them into the case 120. When manufacturing a semiconductor device, this trouble can be omitted. As a result, the power semiconductor device can be manufactured more easily and at lower cost. In addition, the provision of the convex portions 32 can prevent the metal plate 30 from dropping on the gel-like insulating resin 26 during the manufacturing process. Therefore, damage to the semiconductor chip 10, the bonding wires 22, and the like can be prevented.
[0021]
Further, in the power semiconductor device according to the present embodiment, by providing concave portion 34 for supporting heat storage material 28 on the inner surface of the case, heat storage material 28 is prevented from dropping on gel-like insulating resin 26 during the manufacturing process. Can be prevented. Therefore, damage to the semiconductor chip 10, the bonding wires 22, and the like can be prevented.
[0022]
In addition, the above-mentioned convex part 32 and concave part 34 may support a part of the peripheral part of the metal plate 30 and the heat storage material 28, respectively, or may support the whole.
[0023]
In the power semiconductor device according to the present embodiment, the metal plate 30 and the heat storage material 28 are supported by the convex portions 32 and the concave portions 34, respectively. However, the concave portions 34 are not necessarily required and can be omitted. Even when the concave portion 34 is omitted, the heat storage material 28 is supported by the metal plate 30, so that it is possible to prevent the heat storage material 28 from dropping into the gel insulating resin 28. When the concave portion 34 according to the present embodiment is omitted, the convex portion 32 is not limited to the shape. If the filling amount of the insulating resin 26 can be determined, and if the metal plate 30 and the heat storage material 28 can be prevented from dropping on the gel-like insulating resin 26, for example, other recesses such as a concave portion into which the metal plate 30 is fitted can be used. It may be of any shape.
[0024]
In the power semiconductor device according to the present embodiment, the metal plate 30 is inserted at the boundary between the insulating resin 26 and the heat storage material 28. Any material can be used. In addition, as long as the heat released from the semiconductor chip 10 can be transmitted to the heat storage material 28, the material having excellent heat conductivity is not limited to a plate shape, and may have any other shape. For example, as shown in FIG. 2, a plurality of metal rods 40 may be inserted at the boundary between the insulating resin 26 and the heat storage material 28. In this case, the two ends of each metal rod 40 in the longitudinal direction are embedded in the insulating resin 26 or the heat storage material 28, respectively, and the heat released from the semiconductor chip 10 can be easily transferred to the heat storage material 28. Can tell. Even in this case, a result similar to that of the power semiconductor device according to the present embodiment can be obtained.
[0025]
In the power semiconductor device according to the present embodiment, heat storage material 28 may be a gel or a liquid.
[0026]
In the power semiconductor device according to the present embodiment, the metal plate 30 is inserted at the boundary between the insulating resin 26 and the heat storage material 28, but this can be omitted. Even in such a case, the heat released from the semiconductor chip 10 can be temporarily stored in the heat storage material 28, thereby preventing the temperature durability of the power semiconductor device from being lowered and the life of the power semiconductor device from being shortened. be able to. In this case, the projection 32 can be omitted. Even if the convex part 32 is omitted, the heat storage material 28 is supported by the concave part 34, and it is possible to prevent the heat storage material 28 from dropping on the gel insulating resin 26. Further, the concave portion 34 is useful for determining the filling amount of the insulating resin 26. Further, the concave portion 34 may have any other shape as long as the above-described effects can be achieved.
[0027]
In the power semiconductor device according to the present embodiment, the heat radiator above the semiconductor chip 10 is the heat storage material 28, but it may be a heat sink. When the radiator above the semiconductor chip 10 is a heat sink, the heat radiated from the semiconductor chip 10 can be radiated by the heat sink, and even when the semiconductor chip 10 is operated at a high frequency, the solder below the semiconductor chip 10 can be used. The temperature frequency and the temperature rise in the solder 16 and the solder 18 can be kept small. As a result, it is possible to prevent a decrease in the temperature durability of the power semiconductor device and a reduction in the life of the power semiconductor device. Further, the heat sink 50 plays a role of a lid that covers the entire insulating resin 26. When the heat sink 50 is used instead of the heat storage material 28, instead of inserting the metal plate 30, the heat released from the semiconductor chip 10 is easily transmitted to the heat sink 50, that is, the heat radiation of the semiconductor chip 10 is promoted. It is preferable that the surface of the heat sink 50 that is in contact with the insulating resin 26 has an uneven shape so that the insulating resin 26 can be formed. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the power semiconductor device having the above configuration. Even if the radiator above the semiconductor chip 10 is the heat sink 50, the same effect as that obtained in the power semiconductor device (FIG. 1) in which the radiator above the semiconductor chip 10 is the heat storage material 28 can be obtained. Furthermore, in FIG. 4, if the filling amount of the insulating resin 26 can be determined and if the heat sink 50 can be prevented from dropping on the gel-like insulating resin 26, one of the convex portion 32 and the concave portion 34 will be formed. It may be omitted.
[0028]
【The invention's effect】
According to the power semiconductor device of the present invention, a power semiconductor element, an insulating substrate on which the power semiconductor element is mounted, a first radiator on which the insulating substrate is mounted, and a power radiator mounted on the first radiator A case that surrounds the insulating substrate and the power semiconductor element, a second heat radiator that is positioned inside the case and faces the power semiconductor element, and a peripheral edge of the case is in contact with the inner surface of the case; A gel insulating resin filled in a space defined by the body, the case, and the second radiator, wherein the second radiator simultaneously functions as a heat sink and a material for sealing the power semiconductor element. As a result, since it is not necessary to provide the heat sink and the sealing material separately, the power semiconductor device can be manufactured more easily and at lower cost.
[0029]
According to the power semiconductor device of the present invention, the support structure for supporting the second radiator is provided on the inner surface of the case, and at least a part of the peripheral portion of the second radiator is supported by the support structure. Therefore, the boundary between the gel insulating resin and the second heat radiator can be accurately grasped, and it becomes easy to determine the filling amount of the gel insulating resin. As a result, the power semiconductor device can be manufactured more easily and at lower cost. Further, since the support structure supports the second heat radiator, it is possible to prevent the second heat radiator from dropping on the gel insulating resin.
[0030]
According to the power semiconductor device of the present invention, the second radiator has a larger heat capacity than the gel insulating resin and functions as a heat storage, so that the heat radiated from the power semiconductor element is temporarily transferred to the material. Even when the power semiconductor element is operated at a high frequency, a reduction in the temperature durability of the power semiconductor device and a reduction in the life of the power semiconductor device can be prevented.
[0031]
According to the power semiconductor device of the present invention, since the heat dissipation promoting member made of a material having better thermal conductivity than the insulating resin is inserted between the gel insulating resin and the second heat radiating member, the power semiconductor element The released heat is easily transmitted to the second radiator through the radiator. That is, the heat radiation of the power semiconductor element can be promoted by inserting the heat radiation promoting body.
[0032]
According to the power semiconductor device of the present invention, since the metal plate made of a material having better thermal conductivity than the gel insulating resin is inserted between the gel insulating resin and the second heat radiator, the power semiconductor element Is easily transmitted to the second radiator through the metal plate. That is, heat radiation of the power semiconductor element can be promoted by inserting the metal plate.
[0033]
According to the power semiconductor device of the present invention, between the gel-like insulating resin and the second radiator, a material having a better thermal conductivity than the gel-like insulating resin, and one end in the longitudinal direction and the other Since the ends respectively insert one or more metal rods embedded in the second radiator and the gel-like insulating resin, heat released from the power semiconductor element can be easily transferred to the second through the metal rods. To the heat sink. That is, the heat radiation of the power semiconductor element can be promoted by inserting the metal rod.
[0034]
According to the power semiconductor device of the present invention, since the second radiator is formed of the heat sink, the heat radiated from the power semiconductor element can be radiated by the heat sink, and the power semiconductor element is operated at a high frequency. Even with this, it is possible to prevent a decrease in the temperature durability of the power semiconductor device and a reduction in the life of the power semiconductor device.
[0035]
According to the power semiconductor device of the present invention, since the surface of the heat sink in contact with the gel-like insulating resin has an irregular shape, the heat released from the power semiconductor element easily passes through the uneven surface to the heat sink. Reportedly. In other words, by making the surface of the heat sink in contact with the insulating resin uneven, heat radiation of the power semiconductor element can be promoted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a power semiconductor device according to the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing the structure of another power semiconductor device according to the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing the structure of still another power semiconductor device according to the present invention.
FIG. 4 is a sectional view showing the structure of a conventional power semiconductor device.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 semiconductor chip, 12 insulating substrate, 14 base substrate, 16 solder connecting semiconductor chip 10 and insulating substrate 12, 18 solder connecting insulating substrate 12 and base substrate 14, 20 case, 22 bonding wires, 24 electrodes, 26 insulating Resin, 28 heat storage material, 30 metal plate, 32 convex part, 34 concave part, 40 metal rod, 50 heat sink

Claims (8)

電力半導体素子と、その電力半導体素子を搭載する絶縁基板と、その絶縁基板を搭載する第１の放熱体と、前記第１の放熱体上に取り付けられて前記絶縁基板および前記電力半導体素子を囲うケースと、前記電力半導体素子に対向して、前記ケースの内部に、その周縁部が前記ケースの内側表面に接して位置された第２の放熱体と、前記第１の放熱体、前記ケースおよび前記第２の放熱体によって構成された空間に充填されたゲル状絶縁樹脂とを備える電力用半導体装置。A power semiconductor element, an insulating substrate on which the power semiconductor element is mounted, a first radiator on which the insulating substrate is mounted, and mounted on the first radiator to surround the insulating substrate and the power semiconductor element. A case, a second heat radiator whose peripheral edge is located in contact with the inner surface of the case, inside the case, facing the power semiconductor element, the first heat radiator, the case, and A power semiconductor device comprising: a gel insulating resin that fills a space defined by the second heat radiator. 前記ケースの内側表面に前記第２の放熱体を支持する支持構造が設けられ、前記第２の放熱体の周縁部の少なくとも一部がその支持構造によって支持されることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。2. A support structure for supporting the second heat radiator is provided on an inner surface of the case, and at least a part of a peripheral portion of the second heat radiator is supported by the support structure. 3. The power semiconductor device according to claim 1. 前記第２の放熱体が、前記ゲル状絶縁樹脂よりも熱容量が大きく、蓄熱体として機能することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。3. The power semiconductor device according to claim 1, wherein the second heat radiator has a larger heat capacity than the gel insulating resin and functions as a heat storage body. 4. 前記第２の放熱体と前記ゲル状絶縁樹脂との間に、前記ゲル状絶縁樹脂よりも熱伝導性がよい材料から成る放熱促進体が挿入されることを特徴とする請求項３に記載の電力用半導体装置。4. The heat-dissipating body made of a material having better thermal conductivity than the gel-like insulating resin is inserted between the second heat-radiating body and the gel-like insulating resin. 5. Power semiconductor device. 前記放熱促進体が金属板であり、前記金属板の周縁部の少なくとも一部が前記支持構造によって支持されることを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体装置。5. The power semiconductor device according to claim 4, wherein the heat radiation promoting body is a metal plate, and at least a part of a peripheral edge of the metal plate is supported by the support structure. 6. 前記放熱促進体は、その長手方向の一端および他端が、それぞれ、前記第２の放熱体および前記ゲル状絶縁樹脂に埋め込まれた１以上の金属棒であることを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体装置。The one end and the other end in the longitudinal direction of the heat dissipation body are one or more metal rods embedded in the second heat dissipation body and the gel insulating resin, respectively. The power semiconductor device according to claim 1. 前記第２の放熱体がヒートシンクであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。3. The power semiconductor device according to claim 1, wherein the second radiator is a heat sink. 前記ヒートシンクの前記ゲル状絶縁樹脂に接する表面が、凹凸形状であることを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置。The power semiconductor device according to claim 7, wherein a surface of the heat sink in contact with the gel insulating resin has an uneven shape.
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