阅读说明：本技术 半导体装置 (Semiconductor device with a plurality of semiconductor chips ) 是由 伊东弘晃 市仓优太 渡边尚威 田多伸光 平塚大祐 田代匠太 水谷麻美 关谷洋纪 久里 于 2018-08-08 设计创作，主要内容包括：半导体装置具备并联连接的多个半导体元件单元。半导体元件单元包括：第一金属部件；第二金属部件,与所述第一金属部件对置；至少一个半导体元件,配置于所述第一金属部件与所述第二金属部件之间；树脂部件,在所述第一金属部件与所述第二金属部件之间密封所述半导体元件；强化部件,以包围所述第一金属部件与所述第二金属部件的方式设置,且比所述树脂部件的强度高。(The semiconductor device includes a plurality of semiconductor element units connected in parallel. The semiconductor element unit includes: a first metal member; a second metal member opposed to the first metal member; at least one semiconductor element disposed between the first metal member and the second metal member; a resin member that seals the semiconductor element between the first metal member and the second metal member; and a reinforcing member that is provided so as to surround the first metal member and the second metal member and has a higher strength than the resin member.)

半导体装置

技术领域

实施方式涉及半导体装置。

背景技术

存在通过将多个半导体元件并联连接，而使几千安(kA)的大电流的开关成为可能的半导体装置。而且，通过将多个半导体装置串联连接，能够构成在几千伏(kV)的高电压下动作的电力转换装置。这样的电力转换装置优选具有即使串联连接的半导体装置中的一个半导体装置发生短路故障也能够通过剩余的半导体装置继续动作的冗余性。为此，需要能够避免半导体装置短路时的爆发性破损的防爆构造，但难以以低成本实现。另外，对电力转换装置的小型化也是障碍。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本专利第3258200号公报

专利文献2:日本专利第4385324号公报

发明内容

发明要解决的课题

实施方式提供一种具有能够实现小型化以及低成本化的防爆构造的半导体装置。

用来解决课题的手段

实施方式的半导体装置具备并联连接的多个半导体元件单元。半导体元件单元包括：第一金属部件；第二金属部件，与所述第一金属部件对置；至少一个半导体元件，配置于所述第一金属部件与所述第二金属部件之间；树脂部件，在所述第一金属部件与所述第二金属部件之间密封所述半导体元件；强化部件，以包围所述第一金属部件与所述第二金属部件的方式设置，且比所述树脂部件的强度高。

附图说明

图1是表示第一实施方式的半导体装置的示意剖面图。

图2是示意地表示第一实施方式的半导体元件模块的立体图。

图3是表示第一实施方式的半导体元件模块的示意剖面图。

图4是表示第一实施方式的半导体元件模块的另一示意剖面图。

图5是表示第二实施方式的半导体装置的示意剖面图。

图6是示意地表示第二实施方式的半导体元件模块的立体图。

图7是表示第三实施方式的半导体元件模块的示意剖面图。

图8是表示第三实施方式的半导体元件模块的另一示意剖面图。

图9是表示比较例的半导体元件模块的示意剖面图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式进行说明。对附图中的相同的部分标注相同的编号并适当省略其详细说明，对不同的部分进行说明。另外，附图是模式性的或概念性的，各部分的厚度与宽度的关系、部分间的大小的比率等并不一定与现实相同。另外，即使在表示相同的部分的情况下，也有根据附图而将相互的尺寸、比率不同地表示的情况。

而且，使用各图中所示的X轴、Y轴以及Z轴对各部分的配置以及构成进行说明。X轴、Y轴、Z轴相互正交，分别表示X方向、Y方向、Z方向。另外，有时将Z方向设为上方，将其相反方向设为下方来进行说明。

(第一实施方式)

图1是表示第一实施方式的半导体装置1的示意剖面图。半导体装置1具备多个半导体元件模块SM1、以及冷却部件10a及10b。半导体元件模块SM1配置于冷却部件10a及10b之间。半导体元件模块SM1分别与冷却部件10a及10b并联连接作为共用电极。

冷却部件10a及10b分别具有空隙13，并具有向空隙13的内部突出的冷却翅片15。例如，使纯水等冷却液在空隙13的内部循环，使热量从半导体元件模块SM1扩散。

半导体元件模块SM1包括金属部件20、金属部件30、以及至少一个半导体元件40。半导体元件40配置于金属部件20与金属部件30之间。

半导体元件40例如是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体型场效应晶体管)等晶体管元件、或者FRD(Fast Recovery Diode，快恢复二极管)等二极管元件。一个半导体元件模块SM1也可以包含晶体管元件与二极管元件这两方。金属部件20以及金属部件30例如包含铜或者铝作为主要成分。

图2是表示半导体元件模块SM1的截面的示意图。半导体元件模块SM1还包括强化部件50、壳体60、树脂部件70、以及树脂部件75。

强化部件50以包围金属部件20及30的方式设置。强化部件50例如为金属部件。壳体60例如由树脂部件构成，将金属部件20、30、半导体元件40以及强化部件50收容在其内部。另外，在强化部件50中也能够使用陶瓷部件。在该情况下，壳体60能够省略。

如图2所示，金属部件30在其下表面具有突出部30a。半导体元件40配置于金属部件20与突出部30a之间。突出部30a可以与金属部件30一体地设置，也可以是附属设置在金属部件30的下表面的导电部件。在金属部件30的下表面设置与半导体元件40数量相同的突出部30a。

在半导体元件40的表面40T例如设置作为发射极电极、源极电极、或阴极电极的第一电极(未图示)。第一电极通过未图示的导电性接合材料与突出部30a连接。在从Z方向观察时，突出部30a例如具有与第一电极匹配的形状。

另一方面，在半导体元件40的背面40B例如设置作为集电极电极、漏极电极或阳极电极的第二电极(未图示)。第二电极经由未图示的导电性接合材料与金属部件20连接。

树脂部件70以填充强化部件50的内部空间的方式设置。树脂部件70的一部分在金属部件20与金属部件30之间密封半导体元件40。另外，树脂部件70的一部分填充于金属部件20与强化部件50之间以及金属部件30与强化部件50之间。

树脂部件75填充于强化部件50与壳体60之间。树脂部件70以及75例如是环氧树脂等热固性树脂，使用真空成型而形成。

图3是示意地表示第一实施方式的半导体元件模块SM1的立体图。在图3中，为了表示半导体元件模块SM1的构造而省略了树脂部件70。

如图3所示，半导体元件模块SM1在其上表面具有使金属部件30的一部分露出的开口OP。强化部件50以及壳体60分别具有与开口OP对应的开口。另外，半导体元件模块SM1在未图示的下表面也具有使金属部件20的一部分露出的开口OP。金属部件20及30经由开口OP而与冷却部件10a及10b连接(参照图1)。

半导体元件模块SM1还包括栅极端子80和连接导体85。栅极端子80与半导体元件40的栅极电极连接，并从金属部件20与金属部件30之间的空间向外部延伸突出。强化部件50以及壳体60例如具有栅极端子80的延伸方向被开放的大致立方体的箱形状。连接导体85例如将金属部件30与强化部件50电连接。由此，强化部件50与金属部件30成为相同的电位。另外，在强化部件50为陶瓷部件等绝缘体的情况下，不设置连接导体85。

图4是表示第一实施方式的半导体元件模块SM1的另一截面的示意图。图4是表示配置于金属部件20上的半导体元件40的剖面图。半导体元件40例如为晶体管元件，具有栅极电极45。

如图4所示，在金属部件20上配置两个半导体元件40。半导体元件40具有设于其表面40T的发射极电极43(或源极电极)、以及栅极电极45。在栅极电极45上连接栅极端子80。栅极端子80从树脂部件70向半导体元件模块SM1的外侧延伸突出。栅极端子80例如由包含铜或者铝作为主要成分的金属材料构成，与未图示的控制电路连接。

金属部件20、30以及半导体元件40例如收纳于一面被开放的箱状的强化部件50的内部。另外，覆盖强化部件50的壳体60也具有一面被开放的箱状的形状。栅极端子80从强化部件50以及壳体60的开放部向外部延伸突出。

图5是表示比较例的半导体元件模块SM2的示意剖面图。半导体元件模块SM2包括收容于壳体60的金属部件20、30、半导体元件40a及40b含。半导体元件40a及40b配置于金属部件20与金属部件30之间。在壳体60的内部填充有树脂部件70，半导体元件40a及40b被密封在金属部件20与金属部件30之间。另外，如图5所示，半导体元件模块SM2不包括强化部件50。

例如，当半导体元件40中的一个半导体元件发生短路故障时，金属部件20与金属部件30之间成为导通状态。例如，如果假设半导体元件40a发生了短路故障，则在其他正常的半导体元件40b电流切断时，流经半导体元件模块SM2的电流集中在半导体元件40a。或者，由于半导体元件40a的导通电阻比其他正常的半导体元件40b的导通电阻(沟道电阻)低，因此流经半导体元件模块SM2的电流集中在半导体元件40a。无论在哪种情况下，过电流都流过半导体元件40a，例如设于半导体元件40a与金属部件20或30之间的接合部件以及半导体元件40a的一部分因焦耳热而熔融、气化。由此，密封半导体元件40a的树脂部件70的内压上升。

其结果，树脂部件70例如因在使金属部件20及30沿上下分离的方向上作用的压力而断裂，例如裂缝CR在横向上延伸。然后，当裂缝CR达到壳体60时，对壳体60施加压力。在壳体60不具有耐受该压力的强度的情况下，有时会导致半导体元件模块SM2的爆发性破损。

与此相对，实施方式的半导体元件模块SM1具有包围金属部件20及30的强化部件50。在强化部件50中使用比壳体60以及树脂部件70的强度高的材料。这里，强度是指，例如将材料断裂时的拉伸负载除以材料的截面面积(初始截面面积或者断裂时的截面面积)而得的值。另外，也可以是材料的拉伸强度或压缩强度。在强化部件50中，例如使用比树脂部件的强度高的金属材料或者陶瓷材料。

而且，强化部件50优选韧性比树脂部件的韧性高。“韧性高”是指，材料的强度(拉伸强度)与延展性均较大，作为韧性高的材料的例子，能够列举金属材料。强化部件50例如包含铁、不锈钢、或者铝作为主要成分。

例如，在强化部件50中使用了金属部件的情况下，其韧性比壳体60的韧性高，并具有较高的延展性。因此，受到了内压的强化部件50以裂缝CR为起点而以沿上下延伸的方式变形。即，强化部件50因其延展性不会断裂而是柔软地变形。因此，防止了裂缝CR达到壳体60，降低了对覆盖强化部件50的外侧的树脂部件75以及壳体60施加的力。

而且，通过将强化部件50形成为箱形状，在金属部件20与金属部件30欲向沿上下分离的方向位移或变形的情况下，能够抑制其位移以及变形。

另外，在使用了断裂强度高的陶瓷材料作为强化部件50的情况下，即使裂缝CR到达，强化部件50也不会因内压而变形以及断裂，能够抑制树脂部件70的分离。另外，也可抑制收容于箱状的强化部件50的内部的金属部件20以及金属部件30的分离。

如此，由于在强化部件50中使用耐受故障时的树脂部件70的内压的材料，因此能够避免由半导体元件40的短路故障所引起的爆发性破损。

另外，强化部件50也可以配置为，其一部分与壳体60的内表面相接。即，也可以省略设于强化部件50与壳体60之间的树脂部件75。强化部件50例如以能够与壳体60相对地移动的方式配置。由此，能够避免由强化部件50的变形所引起的应力施加于壳体60。即，即使强化部件50与壳体60的内表面相接，通过形成为强化部件50能够沿壳体60的内表面进行变形的构造，也能够吸收施加于壳体的应力。

而且，树脂部件70以及树脂部件75将强化部件50完全密封，若能够确保电绝缘性，也能够将外侧的树脂部件75作为最外周而省略壳体60。

这样的防爆构造例如与覆盖半导体装置1的整体的防爆构造相比得到简化，能够以低成本实现。另外，也有助于半导体装置1的小型化。

另外，在上述的例子中，示出了将金属部件30与强化部件50电连接的连接导体85，但本实施方式并不限定于此，也可以将金属部件20与强化部件50之间电连接。即，强化部件50只要与金属部件20及30中的某一方为相同的电位即可。

(第二实施方式)

图6是表示第二实施方式的半导体装置2的示意剖面图。半导体装置2具有配置于冷却部件10之上的多个半导体元件模块SM3。

半导体元件模块SM3包括金属部件20、30、半导体元件40、强化部件150以及壳体160。半导体元件40配置于金属部件20及30之间，并被树脂部件70密封。强化部件150以包围金属部件20及30的方式设置。壳体160收容金属部件20、30、半导体元件40以及强化部件150。强化部件150例如是金属部件或陶瓷部件，壳体160例如是树脂部件等绝缘材。

强化部件150以及壳体160分别设置为在下表面具有开口OP的箱状。开口OP使金属部件20的下表面的一部分露出。而且，冷却部件10具有通过开口OP与金属部件20连接的凸部。

图7是示意地表示半导体元件模块SM3的立体图。强化部件150以及壳体160分别具有一面开放的箱型形状。另外，在图7中，为了表示半导体元件模块SM3的构造而省略了填充于其内部的树脂部件。

强化部件150具有分别与金属部件20及30对抗的下表面以及上表面，在未图示的下表面具有与开口OP对应的开口。壳体160具有使金属部件20及30的侧面露出的开放部，在其下表面具有与开口OP对应的开口。

如图7所示，半导体元件模块SM3还包括布线端子35、栅极端子80、以及连接导体85。布线端子35与金属部件30连接，从强化部件150以及壳体160各自的开放部向外部延伸突出。例如，将未图示的布线板(或汇流条)与布线端子35连接，并将配置于冷却部件10之上的多个半导体元件模块SM3(参照图6)并联连接。

栅极端子80与半导体元件40的栅极电极45连接，并从强化部件150以及壳体160各自的开放部向外部延伸突出。栅极端子80例如与未图示的控制电路电连接。连接导体85例如为了将金属部件30与强化部件150电连接而设置。

在半导体装置2中，例如能够通过省略与半导体元件模块SM1连接的冷却部件10a及10b(参照图1)中的一方来简化装置构成。在上述的例子中，示出了配置于半导体元件模块SM3的下表面侧的冷却部件10，但实施方式并不限定于此。即，也能够采用将冷却部件10配置于半导体元件模块SM3的上表面侧的构成。

另外，在无需将冷却部件10与半导体元件模块SM3直接连接的情况下，也可以省略设于强化部件150以及壳体160的开口OP。在该情况下，将布线端子35分别与金属部件20及30连接，将未图示的布线板与布线端子35连接，由此形成为将多个半导体元件模块SM3并联连接的构成。

在本实施方式中，通过设置强化部件150，也能够避免半导体元件模块SM3短路时的爆发性破损。这样的防爆构造能够以低成本实现，也有助于半导体装置2的小型化。

(第三实施方式)

图8是表示第三实施方式的半导体元件模块SM4的示意剖面图。半导体元件模块SM4包括金属部件20、30、半导体元件40以及壳体260。壳体260包括强化部件250和树脂部件265。

半导体元件40配置于金属部件20及30之间，与金属部件20及30一同收容于壳体260的内部。在壳体260的内部填充有树脂部件70，半导体元件40被密封在金属部件20及30的内部。强化部件250以包围金属部件20及30的方式配置。

图9是表示半导体元件模块SM4的另一示意剖面图。图9是表示配置于金属部件20上的半导体元件40的示意图。

半导体元件40包括设于其表面40T的发射极电极43(或源极电极)、以及栅极电极45。壳体260具有一面被开放的箱型形状，包括以与金属部件20及30各自的三个侧面对置的方式配置的强化部件250。连接于栅极电极45的栅极端子80从壳体260的开放部向外部延伸突出。

在本实施方式中，通过壳体260包含强化部件250，也能够避免半导体元件模块SM4短路时的爆发性破损。另外，通过将强化部件250一体化地配置于壳体260的内部，能够减少部件数量，并提高半导体元件模块SM4的制造效率。

虽然对本发明的几个实施方式进行了说明了，但这些实施方式是作为例子而提出的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围或主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等效的范围中。