JP2012190944A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性に優れるとともに、機械的強度の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】 この発明の半導体装置１は、金属ベース板４，８上に樹脂絶縁層５，９および導体層６，１０が形成され導体層６，１０同士が対向して配置される一対の絶縁金属基板３，７と、両絶縁金属基板３，７の導体層６，１０に接続された半導体チップ２と、両絶縁金属基板３，７の導体層６，１０に接続されたリード１１〜１３と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体装置に関する。

近年ＩＧＢＴ、スーパージャンクション型のＭＯＳなどを搭載する半導体装置では、半導体チップの面積あたりの許容電流が大きくなっており、チップ温度が上昇し、放熱が困難になっている。そのため、半導体装置の許容電流量が、パッケージの放熱性で決められてしまうことになっている。

図８に一般的な半導体装置を示す。このような半導体装置は、例えば特許文献１に開示されている。図８に示すように、半導体装置２００は、フレーム２０１、リード２０４〜２０６、半導体チップ２０２およびこれらを封止する樹脂２０３から構成される。フレーム２０１上に半導体チップ２０２がマウントされる。フレーム２０１に連結されていないリード２０５，２０６は、図示しないワイヤボンディングにより半導体チップ２０２に接続される。この半導体装置２００は、フレーム２０１の一端側で放熱部材であるヒートシンク２０６にビス２０５を用いて固定される。フレーム２０１は裏面（図で見て右面）が露出しており、半導体装置２００は発熱するために、この裏面をヒートシンク２０６に密着させることで放熱を行う。半導体装置２００は、リード２０４を、プリント基板２１０に設けられたスルホールに挿入し、半田付けによりこの挿入部を固定して使用される。

半導体装置２００は側面から見て非対称な形状をしており、放熱はほぼヒートシンク２０６が取付けられた裏面（図８の左の）からのみ行われている。そのため、半導体装置２００の表裏で温度が異なるため、発熱による変形（反り）を制御することが困難であった。例えば図８でみて、表面である左側は、熱が逃げにくいために変形量が大きい。このため、半導体装置２００が左に凸に反り、結果ヒートシンク２０６と半導体装置２００の密着性も損なわれる。変形量が著しい場合、半導体チップ２０２とフレーム２０１との接合部が剥がれるなどして、部品が破損するおそれがある。

そこで、特許文献２では、図９に示すように、半導体チップ３０２を、セラミック基板３０３，３０４の両面に金属板３０５〜３０８を備えた絶縁基板（例えば、ＤＢＣ（Direct Bonding Copper）基板など。）により狭持し、半導体チップ３０２に圧接される金属板３０５，３０７にリード３０９〜３１１を接続し、リード３０９〜３１１の一部および金属板３０６，３０８のセラミック基板３０３，３０４と反対側の面３０６Ａ，３０８Ａを残して全体を樹脂３１２で封止して構成することが開示されている。

この構成では、放熱部材として機能する金属板３０６，３０８が半導体装置３００の表裏両側に存在するため、有効な放熱面積を稼げ、樹脂３１２の変形を抑制出来る反面、絶縁基板に主に強度を与えているのが脆性を有するセラミック基板３０３，３０４であるため、衝撃や外的応力が半導体装置３００に作用するとセラミック基板３０３，３０４が割れるおそれがある。したがって、半導体装置３００の強度が十分でなく、汎用性に乏しくなるおそれがあった。

特開平６−０７７３５５号公報 特開２０１０−２３９０３３号公報

本発明は、上記の課題に鑑みて、放熱性に優れるとともに、機械的強度の高い半導体装置を提供することを目的とする。

この発明の半導体装置は、金属ベース板上に樹脂絶縁層および導体層が形成され前記導体層同士が対向して配置される一対の絶縁金属基板と、前記両絶縁金属基板の前記導体層に接続された半導体チップと、前記両絶縁金属基板の前記導体層に接続されたリードと、を備える。

この構成によると、放熱部材として機能する金属ベース板が半導体装置の表裏両側に存在するため、有効な放熱面積を稼げ、樹脂の変形を抑制出来る。また、絶縁金属基板に強度を与える基材として、じん性を有する厚みの大きな金属ベース板を使用している。したがって、一対の絶縁金属基板が割れにくくなる。これにより、半導体装置の機械的強度が向上する。

また、本発明の半導体装置では、前記一対の絶縁金属基板間の隙間に充填され、前記導体層、前記半導体チップ、および前記リードを封止する樹脂層を備える。

この構成によると、十分な厚みがある金属ベース板の樹脂層以外の面全体が空気に露出されているので、金属ベース板自体がヒートシンクとして機能する。このため、別途ヒートシンクを設ける必要がなく、半導体装置をプリント基板に搭載する際の搭載スペースを縮小でき、半導体装置をヒートシンクに取り付けるためのビス穴などが不要になり、半導体装置を小型化することに寄与する。

また、本発明の半導体装置では、前記両絶縁基板に形成された前記導体層の面積がほぼ等しくされる。

この構成によると、半導体チップの熱が両方の導体層に均一に伝達されるため、半導体装置の表裏両面から均等に放熱することが出来る。

この発明によれば、放熱性に優れるとともに、機械的強度の高い半導体装置を提供することが出来る。

本発明の一実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 半導体チップの一例であるＩＧＢＴを示す上面図（ａ）、下面図（ｂ）および断面図（ｃ）である。 第１の絶縁金属基板を導体層の側から見た平面図である。 第１の絶縁金属基板上に半導体チップおよびリードをマウントした状態を示す平面図である。 第２の絶縁金属基板を導体層の側から見た平面図である。 第２の絶縁金属基板の導体パターンとの半導体チップの配置関係を説明する平面図である。 第１の絶縁金属基板上に半導体チップおよびリードをマウントした状態で、第２の絶縁金属基板を重ねて絶縁層に半導体チップを固定する工程を説明する断面図である。 従来技術の一例に係る半導体装置を示す斜視図（ａ）および断面図（ｂ）である。 従来技術の他の例に係る半導体装置を示す断面図である。

この発明の一実施形態に係る半導体装置を添付図面を参照しながら説明する。半導体装置１は、図１に断面図を示すように、半導体チップ２、第１，第２の絶縁金属基板３，７、およびリード１１〜１３を有している。

半導体チップ２としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やスーパージャンクション型のＭＯＳが好適に使用されるが、これらに限定されない。図２は、ＩＧＢＴの一例を示しており、ウエハ２１の表面には、一隅部を残してほぼ全面にエミッタ２２が、一隅部にゲート２３が形成されている。ウエハ２１の裏面には、全面にコレクタ２４が形成されている。

図１に示すように、第１の絶縁金属基板３は、金属ベース板４上に樹脂絶縁層５および導体層６が順に積層される。第２の絶縁金属基板７も同様に、金属ベース板８上に樹脂絶縁層９および導体層１０が順に積層される。このような絶縁金属基板は、ＩＭＳ（Insulated Metal Substrate）として一般に入手可能なものである。金属ベース板は、アルミ等の高熱伝導性の金属材料から形成され、熱拡散層として機能する。また金属ベース板は材料自体に靭性があり、しかも図示のごとく樹脂絶縁層や導体層よりも厚みが大きく形成されているため、絶縁金属基板に十分な強度を与えている。樹脂絶縁層５，９は、エポキシ樹脂などの樹脂材料から形成され、絶縁層として機能する。導体層６，１０は、銅箔などの導体材料から形成される。導体層６，１０は、半導体チップ２のエミッタ２２、ゲート２３、コレクタ２４と導通を取るためのパターンがエッチングにより形成される。

図３に、第１の絶縁金属基板３の導体層６のパターン形状を示す。樹脂絶縁層５上に、半導体チップ２のコレクタ２４（図２参照。）に面するコレクタパターン６１Ａとこのコレクタパターン６１Ａに連続して設けられたチップリードパターン６１Ｂとから成る、凸字を上下反転させた形状の裏面側パターン６１が形成され、その裏面側パターン６１のチップリードパターン６１Ｂの左右に、リードパターン６２，６３が形成されている。

図５、図６に、第２の絶縁金属基板７の導体層１０のパターン形状を示す。樹脂絶縁層９上に、第１の表面側パターン１０１および第２の表面側パターン１０２が形成される。第１の表面側パターン１０１は、半導体チップ２の表面のエミッタ２２と面するエミッタパターン１０１Ａとこのエミッタパターン１０１Ａに連続して設けられたリードパターン１０１Ｂとから構成される。第１の表面側パターン１０１は、半導体チップ２のゲート２３に接しないような切欠が設けられた、階段形状を呈している。第２の表面側パターン１０２は、第１の表面側パターン１０１の切欠に位置するゲートパターン１０２Ａとこのゲートパターン１０２Ａに連続して設けられたリードパターン１０２Ｂとから構成される。第２の表面側パターン１０２は、まずＬ字状のパターンを形成し、その後途中に絶縁部１４を形成し、２つの絶縁されたゲートパターン１０２Ａとリードパターン１０２Ｂから構成される。これらゲートパターン１０２Ａとリードパターン１０２Ｂ間の絶縁層１４により、半導体チップ２のゲート２３とリードパターン１０２Ｂに接続されるリード１３とを絶縁している。

このように、導体層６，９のパターンは非常に類似した形状をしており、面積もほぼ等しい。そのため、半導体チップ２の熱は何れか一方に早く伝達することがなく、両方に均一に伝達するため、絶縁金属基板３，７の両方から均等に放熱することが出来る。従って、表裏で温度差が生じることがないため、半導体装置１の変形を抑制し、高い放熱効果を得ることが出来る。

上記のようなパターンが形成された第１および第２の絶縁金属基板３，７上に半導体チップ２およびリード１１〜１３がマウントされる。図３〜図６に基づいて、各絶縁金属基板３，７のパターンと半導体チップ２との配置関係を説明する。図４は、半導体装置１を図１の上側から見て絶縁金属基板７を省略した状態を示す。図のように、第１の絶縁金属基板３の導体層６のコレクタパターン６１Ａ上に、半導体チップ２の裏面のコレクタ２４が位置している。図６は、半導体装置１を図１の下側から見て絶縁基板３、及び半導体チップ２のコレクタ２４とウエハ２１を省略した状態を示す。図のように、第２の絶縁金属基板７の導体層１０のエミッタパターン１０１Ａおよびゲートパターン１０２Ａ上に半導体チップ２の表面のエミッタ２２およびゲート２３がそれぞれ位置している。そして、チップリードパターン６１Ｂ，１０３にリード１１の一端部が位置し、リードパターン６２、１０１Ｂにリード１２の一端部が位置し，リードパターン６３，１０２Ｂに、リード１３の一端部がそれぞれ位置している。リード１１〜１３の一端部を除く部分は絶縁金属基板３，７の外部に導出されている。

次に、上記のように構成される半導体装置１の製造手順を図３〜図７を参照して説明する。まず、金属基板４の絶縁層５上に、図３に示すパターン形状に導体層６を形成して製造された第１の絶縁金属基板３に、図４に示す配置のように、コレクタパターン６１Ａ上に、半導体チップ２のコレクタ２４側を半田付けする。その後、同図に示すように、チップリードパターン６１Ｂ、リードパターン６２，６３に、リード１１，１２，１３の一端部を配置して半田付けする。なお、半田の代わりに、導電性の接着剤を使用しても構わない。

次に、金属基板８の絶縁層８上に、図５に示すパターン形状に導体層１０を形成して製造された第２の絶縁金属基板７を、図７のように、第１の絶縁金属基板３の角部Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２（図３参照。）と、第２の絶縁金属基板７の角部Ａ１’，Ａ２’，Ｂ１’，Ｂ２’（図５参照。）を対向させて、半導体チップ２とリード１１〜１３とを第１、第２の絶縁金属基板３，７で挟み込んで、図６の配置に第２の絶縁金属基板７のエミッタパターン１０１Ａ、ゲートパターン１０２Ａに半導体チップ２のエミッタ２２、ゲート２３をそれぞれ半田付けするとともに、チップリードパターン１０３、リードパターン１０１Ｂ，１０２Ｂにそれぞれリード１１〜１３を半田付けする。なお、半田の代わりに、導電性の接着剤を使用しても構わない。最後に、第１、第２の絶縁金属基板３，７間の隙間に樹脂１５を充填し、全体を一体的に固定する。これにより、導体層６，１０、半導体チップ２、およびリード１１〜１３の一部が封止される。

本実施の形態によると、放熱部材として機能する金属ベース板４，８が半導体装置２００の表裏両側に存在するため、有効な放熱面積を稼げ、放熱効果を高めることが出来る。また、半導体装置１は表裏両側で対称な構造なので、何れか一方のみ樹脂の変形量が大きくなることがなく、樹脂の変形を抑制出来、半導体チップ２が導体層６，９から剥離したり破損したりすることが防止出来る。また、金属ベース板４，８は厚みが十分あり、また金属ベース板４，８の内側以外の面が全て空気に露出されているので、金属ベース板４，８自体がヒートシンクとして機能する。このため、別途ヒートシンクを設ける必要がなく、半導体装置１をプリント基板に搭載する際の搭載スペースを縮小することに寄与する。このように、ヒートシンクを省略することができるため、半導体装置をヒートシンクに取り付けるためのビス穴などを形成するスペースを設ける必要がく、半導体装置を小型化することが出来る。

本実施の形態に係る半導体装置１では、絶縁金属基板３，７に強度を与える基材として、じん性を有する厚みの大きな金属ベース板４，８を使用している。したがって、第１，第２の絶縁金属基板３，７が割れにくくなる。これにより、半導体装置１の機械的強度が向上する。

また、樹脂を大量に充填する場合、気泡が混入することで熱伝導が妨げられたり、樹脂が破損しやすくなるなどの問題が発生することがあるが、本実施例に拠れば、絶縁金属基板３，７間にできる隙間にのみ樹脂を充填して半導体装置１を一体化しているため、充填する樹脂量が少ないので、気泡の混入を抑制することが出来る。そのため、割れにくく、高い放熱効果を持つ半導体装置を得ることが出来る。

更に、本実施の形態によれば、絶縁金属基板３，７に類似した形状のほぼ等しい面積の導体層６，９を形成しているため、半導体チップの熱が両方の導体層に均一に伝達され、半導体装置の表裏両面から均等に放熱することが出来る。そのため、熱の偏りがなく、半導体装置の変形を抑制する効果がある。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、この発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…半導体装置
２…半導体チップ
３…第１の絶縁金属基板
７…第２の絶縁金属基板
４，８…金属ベース板
５，９…樹脂層
６，１０…導体層
１１〜１３…リード
１５…樹脂

Claims (3)

1. 金属ベース板上に樹脂絶縁層および導体層が形成され前記導体層同士が対向して配置される一対の絶縁金属基板と、
   前記両絶縁金属基板の前記導体層に接続された半導体チップと、
   前記両絶縁金属基板の前記導体層に接続されたリードと、
   を備える半導体装置。
2. 前記一対の絶縁金属基板間の隙間に充填され、前記導体層、前記半導体チップ、および前記リードを封止する樹脂層を備える請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記両絶縁基板に形成された前記導体層の面積がほぼ等しくされる請求項１又は２に記載の半導体装置。

Images