JP2021145083A - 配線構造及び半導体モジュール - Google Patents

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joint
lead frame
semiconductor chip
wall
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忠彦 佐藤
Tadahiko Sato
忠彦 佐藤
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Abstract

【課題】半導体モジュールの低背化を実現すること。【解決手段】リードフレーム(5)の一方側に配置される半導体チップに接合される接合部(51)と、リードフレームの他方側に配置される接続対象に接合される接合部(52)と、第1接合部と第2接合部とを連結する連結部(53)とを有するリードフレーム構造において、連結部に、接合部(51)及び接合部(52)の主面(51a、52a)と交差する壁部(531、532)を設け、当該壁部で接合部(51)の一部と接合部(52)の一部とを連結する構成とした。【選択図】図1

Description

本発明は、配線構造及び半導体モジュールに関する。
半導体モジュールは、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、FWD(Free Wheeling Diode)等が形成された半導体チップが設けられ、産業用途としてエレベータなどのモータ駆動制御インバータ等に利用されている。また、近年では、車載用モータ駆動制御インバータにも広く利用されている。車載用モータ駆動制御インバータでは、燃費向上のため小型・軽量化や、エンジンルーム内の配置のため高温動作環境での長期信頼性が要求される。
このような小型・軽量化や高温動作環境での長期信頼性の要求に対応するために、半導体チップと電極パターンとの間を金属板配線方式で接続する半導体モジュールが知られている。金属板配線方式とは、金属板の型加工により成形された金属板配線を用いて、半導体チップを支持固定し、半導体チップと電極パターン等とを接続する方式である。従来、このような金属板配線方式を利用した半導体モジュールにおいて、封止樹脂の未充填領域の発生を防ぐために、金属板配線の配線部に貫通孔を設け、貫通孔を介して絶縁樹脂を充填可能とするものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2006−202885号公報
しかしながら、特許文献1に記載の半導体モジュールにおいては、例えば、補助エミッタ電極など金属板配線の一部から同電位のボンディングワイヤを結線する場合、金属板配線の上方側を通るようにボンディングワイヤを引き回す必要がある。この場合、ボンディングワイヤの一部が金属板配線の上方側に配置されることとなり、半導体モジュールを低背化することが困難となっている。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、半導体モジュールの低背化を実現することができる配線構造及び半導体モジュールを提供することを目的の1つとする。
本実施形態の配線構造は、半導体チップと、前記半導体チップに対する接続対象とを電気的に接続する配線構造であって、導電部材の一方側に配置され、前記半導体チップに接合される第1接合部と、前記導電部材の他方側に配置され、前記接続対象に接合される第2接合部と、前記第1接合部と前記第2接合部とを連結する連結部と、を有し、前記連結部は、前記第1接合部及び前記第2接合部の主面と交差する壁部で構成され、当該壁部が前記第1接合部の一部と前記第2接合部の一部とを連結することを特徴としている。
本発明によれば、半導体モジュールの低背化を実現することが可能である。
本発明の第1の実施形態に係る配線構造が適用される半導体モジュールの構成を示す斜視図である。 第1の実施形態に係る半導体モジュールが有する導電部材の周辺の平面図である。 第1の実施形態に係る半導体モジュールが有する導電部材の展開図である。 第2の実施形態に係る配線構造が適用された半導体モジュールの構成を示す斜視図である。 第2の実施形態に係る半導体モジュールが有する導電部材の周辺の平面図である。 第2の実施形態に係る半導体モジュールに適用される半導体チップの構成を示す模式図である。 第2の実施形態に係る半導体モジュールが有する導電部材の展開図である。 第2の実施形態に係る半導体チップ上に設けられるセンサ配線の周辺の構成を示す模式図である。 第3の実施形態に係る配線構造が適用された半導体モジュールの構成を示す斜視図である。 第3の実施形態に係る半導体モジュールが有する導電部材の周辺の平面図である。 第3の実施形態に係る半導体モジュールが有する導電部材の展開図である。 本発明の変形例に係る配線構造の模式図である。 従来の金属板配線方式における金属板周辺の拡大図である。
車載用モータ駆動制御インバータ等に利用される半導体モジュールでは、小型・軽量化や高温動作環境での長期信頼性の要求に対応するために、半導体チップと電極パターンとの間を金属板配線で接続する金属板配線方式を採用するものが知られている。以下、従来の金属板配線方式における金属板周辺の構成について、図13を参照して説明する。なお、金属板配線方式で利用される金属板は、リードフレームと呼ばれてもよい。以下においては、金属板配線方式で利用される導電部材について、適宜、リードフレームと呼ぶものとする。
図13は、従来の金属板配線方式における金属板周辺の拡大図である。図13A及び図13Bにおいては、それぞれ従来の金属板配線の構成について示す斜視図及び上面図を示している。ここでは、説明の便宜上、図13に示す上下方向、左右方向及び前後方向を金属板(リードフレーム)の上下方向、左右方向及び前後方向として説明を行う。
図13に示すように、例えば、リードフレーム91は、電極パターン92上に設けられた半導体チップ93と、電極パターン92と離間して配置された電極パターン94に接合され、これらを電気的に接続する。電極パターン92、94は、不図示の絶縁基板上に設けられている。半導体チップ93は、不図示のはんだにより電極パターン92の上面に接合されている。
リードフレーム91は、金属板に曲げ加工を施して構成され、概して水平方向(図13に示す前後方向)に延在すると共に、その前方側及び後方側で下方側に屈曲する形状を有している。より具体的には、リードフレーム91は、一方側(前方側)の端部に設けられ、半導体チップ93の上面に接合される第1接合部911と、リードフレーム91の他方側(後方側)の端部に設けられ、電極パターン94の上面に接合される第2接合部912と、これらの第1接合部911及び第2接合部912を連結する連結部913とを有する。
連結部913は、第1接合部911よりも上方側に配置され、その前縁から垂下して設けられる垂下部913aを有している。垂下部913aは、第1接合部911の後縁に接続される。同様に、連結部913は、第2接合部912よりも上方側に配置され、その後縁から垂下して設けられる垂下部913bを有している。第1接合部911と第2接合部912とは、平行に構成されている。例えば、第1接合部911は、第2接合部912よりも高い位置に配置されるが、これに限定されない。
図13においては、電極パターン94を挟んで電極パターン92と反対側に金属端子95が設けられている。金属端子95は、図示しない樹脂ケースに埋設されている。金属端子95と第1接合部911の上面との間には、ボンディングワイヤ96が接続されている。ボンディングワイヤ96は、第1接合部911(金属端子95)から連結部913の上方側を通るように引き回されて金属端子95(第1接合部911)に接続されている。この場合、ボンディングワイヤ96の一部がリードフレーム91の上方側に配置されることとなり、半導体モジュールを低背化することが困難となっている。
本発明者は、第1接合部911及び第2接合部912を連結する連結部913が、第1接合部911及び第2接合部912よりも上方側の位置を第1接合部911及び第2接合部912と略平行に延在して配置されるリードフレーム91の構成が半導体モジュールの低背化を阻害する要因となっていることに着目した。そして、ボンディングワイヤ96の引き回しを阻害しないリードフレーム91の構成を採用することが、半導体モジュールの低背化に寄与することを見出し、本発明に想到した。
すなわち、本発明の骨子は、リードフレーム(導電部材)の一方側に配置される半導体チップに接合される第1接合部と、リードフレームの他方側に配置される接続対象に接合される第2接合部と、第1接合部と第2接合部とを連結する連結部とを有する配線構造において、連結部を、第1接合部及び第2接合部の主面と交差する壁部で構成し、当該壁部で第1接合部の一部と第2接合部の一部とを連結することである。
本発明によれば、第1接合部の一部と第2接合部の一部が、第1接合部及び第2接合部の主面と交差する壁部で連結されることから、連結部が、第1接合部及び第2接合部よりも上方側の位置を第1接合部及び第2接合部と略平行に延在して配置されることがない。このため、側面視にて、連結部を構成する壁部と重複する空間を利用してボンディングワイヤを引き回すことができる。この結果、ボンディングワイヤを低い位置に配置することができるので、半導体モジュールの低背化を実現することができる。
以下、本発明の実施の形態に係る配線構造が適用される半導体モジュールの構成について、図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る配線構造が適用される半導体モジュール1の構成を示す斜視図である。以下においては、説明の便宜上、図1に示す前後方向、上下方向及び左右方向を半導体モジュール1の前後方向、上下方向及び左右方向として説明するものとする。しかしながら、本明細書上で用いる上下方向は、必ずしも重力方向に限定されない。
図1に示すように、半導体モジュール1は、上面に電極パターン2(2a、2b)が設けられた絶縁基板3を備えている。絶縁基板3の上面には、離間して配置された電極パターン2a、2bが設けられている。例えば、電極パターン2a、2bは、銅(Cu)やアルミニウム(Al)など金属の箔や板などで構成される。電極パターン2にはニッケル(Ni)などのメッキ層が設けられてもよい。なお、電極パターン2bは、後述するリードフレーム5の接続対象の一例を構成する。
電極パターン2aの上面には、不図示のはんだを介して半導体チップ4が接合されている。例えば、半導体チップ4は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等のスイッチング素子、FWD(Free Wheeling Diode)などのダイオード等の半導体素子で構成される。半導体チップ4には、IGBTとFWDを一体化したRC(Reverse Conducting)−IGBT、逆バイアスに対して十分な耐圧を有するRB(Reverse Blocking)−IGBT等の半導体素子で構成されてもよい。半導体チップ4は、シリコン(Si)、炭化けい素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などの半導体基板を用いて形成されてよい。
半導体チップ4の上面及び電極パターン2bの上面には、電気接続用の配線として、リードフレーム5が接合されている。リードフレーム5は、金属板に曲げ加工を施して構成され、概して水平方向(図1に示す前後方向)に延在する形状を有している。リードフレーム5は、その一方側(図1に示す前方側)に配置された半導体チップ4と、その他方側(図1に示す後方側)に配置された電極パターン2bとを電気的に接続する。なお、リードフレーム5の構成については後述する。
絶縁基板3の下面には、図示しない電極パターンが設けられている。この電極パターンは、絶縁基板3の下面にはんだ接合されている。絶縁基板3は、この電極パターンを挟んで金属基板6に接合(はんだ接合)されている。金属基板6は、例えば、図示しない放熱フィンを有し、半導体モジュール1の駆動に伴って発生する熱を放熱する役割を果たす。
半導体モジュール1は、モジュールを構成する部材を収容する樹脂ケース7を備えている。樹脂ケース7は、上方側に開口した形状を有する。樹脂ケース7の一部には、金属端子8が埋め込まれている。金属端子8は、その一部が樹脂ケース7の後面部71に設けられた凹部72の上面から露出する一方、その他部が後面部71の外壁面(例えば、図1に示す後方側の外壁面)から露出している。凹部72の上面から露出する金属端子8の一部と、後述するリードフレーム5の接合部51の上面との間には、ボンディングワイヤ9が接続されている。
樹脂ケース7の内部には、上記のように構成された半導体モジュール1の構成部品が配置される。このように構成部品が配置された状態で、樹脂ケース7の内部には、エポキシなどの硬化性樹脂や、シリコーンゲル等を含む封止樹脂(図示略)が充填される。このように封止樹脂を充填することで、半導体チップ4等が絶縁保護される。
ここで、本実施の形態に係る半導体モジュール1が有するリードフレーム5の構成について、図1及び図2を参照して説明する。図2は、第1の実施形態に係る半導体モジュール1が有するリードフレーム5の周辺の平面図である。図2において、図1と共通の構成については、同一の符号を付与し、説明を省略する。
図1及び図2に示すように、リードフレーム5は、一方側(前方側)の端部に設けられ、半導体チップ4の上面に接合される接合部51と、リードフレーム5の他方側(後方側)の端部に設けられ、電極パターン2bの上面に接合される接合部52と、これらの接合部51と接合部52とを連結する連結部53とを有する。接合部51は、第1接合部の一例を構成し、接合部52は、第2接合部の一例を構成する。
接合部51は、はんだを介して半導体チップ4の上面に接合されている。接合部51は、前後方向及び左右方向に延在する主面51aを有している。ここで、主面51aとは、接合部51の面のうち、最も面積が大きい面と、その裏面を指す。接合部52は、はんだを介して電極パターン2bの上面に接合されている。接合部52は、前後方向及び左右方向に延在する主面52aを有している。ここで、主面52aとは、接合部52の面のうち、最も面積が大きい面と、その裏面を指す。電極パターン2bは、接合部52の接続対象の一例を構成する。なお、接合部52の接続対象は、電極パターン2bに限定されず、半導体モジュール1の外部端子や他の半導体チップなどの構成が含まれる。
連結部53は、接合部51の主面51a及び接合部52の主面52aと交差する一対の壁部531、532を有している。壁部531、532は、壁部531、532の面が接合部51の主面51a及び接合部52の主面52aと直交する方向(より具体的には、上方側)に延びるように設けられている。しかしながら、壁部531、532の構成についてはこれに限定されない。例えば、壁部531、532は、接合部51の主面51a及び接合部52の主面52aに対して傾斜する方向に延びるように設けられてもよい。
壁部531、532は、それぞれ接合部51の主面51aの一部と、接合部52の主面52aの一部とを連結する。本実施の形態に係る半導体モジュール1において、壁部531は、接合部51の主面51aの左方側の側縁部(左側縁部)と、接合部52の主面52aの左縁部とを連結する。同様に、壁部532は、接合部51の主面51aの右方側の側縁部(右側縁部)と、接合部52の主面52aの右側縁部とを連結する。
壁部531の下端側の中央には、開口部531aが設けられている。開口部531aは、接合部51と接合部52との間(両者の前後方向の間)において、下方側(接合部51、52側)に向けて開口している。このように開口部531aが設けられることにより、壁部531は、アーチ状又は弧状の形状を有し、接合部51の主面51aの左側縁部と、接合部52の左側縁部とをアーチ状又は弧状に連結する構成を有している。すなわち、壁部531は、前方側下端部及び後方側下端部でそれぞれ接合部51及び接合部52に接続される一方、両者の間の領域で接合部51及び接合部52から離間する位置で延在している。
同様に、壁部532の下端側には、開口部532aが設けられている。開口部532aは、接合部51と接合部52との間(両者の前後方向の間)において、下方側(接合部51、52側)に向けて開口している。このように開口部532aが設けられることにより、壁部532は、アーチ状又は弧状の形状を有し、接合部51の主面51aの右側縁部と、接合部52の右側縁部とをアーチ状又は弧状に連結する構成を有している。すなわち、壁部532は、前方側下端部及び後方側下端部でそれぞれ接合部51及び接合部52に接続される一方、両者の間の領域で接合部51及び接合部52から離間する位置で延在している。
なお、本実施の形態に係る半導体モジュール1においては、連結部53を構成する壁部531、532が平面で構成される場合について説明しているが(図1及び図2参照)、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、壁部531、532は、ボンディングワイヤ9の引き回しに影響を与えない範囲内で、その一部に屈曲する形状を有していてもよい。また、連結部53が一対の壁部531、532で構成される場合について説明しているが、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、連結部53は、壁部531のみ、或いは、壁部532のみで構成することも可能である。
ここで、第1の実施形態に係るリードフレーム5の構成について、図3を参照しながら説明する。図3は、第1の実施形態に係る半導体モジュール1が有するリードフレーム5の展開図である。リードフレーム5は、所定の厚みを有する金属板に対して曲げ加工(型加工)を施すことで形成される。金属板は全体に亘って同一の厚み寸法を有してよい。
図3に示すように、リードフレーム5の材料となる金属板50は、平面視にて、概して長方形状を有している。金属板50は、前後方向に長辺を有し、左右方向に短辺を有した状態で配置されている。金属板50の四隅部には、面取り加工が施されている。金属板50の中央には、概して長方形状の開口部501が形成されている。開口部501は、左右方向に長辺を有し、前後方向に短辺を有した状態で形成されている。
図3に示す金属板50においては、開口部501の中心Cから同一の長さLaだけ離間した位置に折り曲げ線L1、L2が設定されている。すなわち、これらの折り曲げ線L1、L2は、開口部の中心Cから長さLaだけ離間した位置で前後方向に沿って直線状に延びている。一方、開口部501の左右方向の端部を通る直線L3、L4は、中心Cから同一の長さLbだけ離間した位置で前後方向に沿って直線上に延びている。ここで、長さLbは、長さLaよりも長い。このため、折り曲げ線L1、L2は、開口部501の左右方向の端部を通る直線L3、L4よりも内側の位置に配置されている。
リードフレーム5は、これらの折り曲げ線L1、L2よりも左右方向の外側部分を上方側に折り曲げることにより形成される。言い換えると、リードフレーム5は、折り曲げ線L1、L2よりも左右方向の外側部分を、折り曲げ線L1、L2の内側部分に対して谷折りすることで形成される。図3に示す金属板50において、折り曲げ線L1、L2よりも左右方向の外側に配置される部分は、それぞれ壁部531、532を構成する。一方、折り曲げ線L1、L2よりも内側に配置される部分は、前方側部分において接合部51を構成し、後方側部分において接合部52を構成する。また、折り曲げ線L1よりも外側(左方側)に配置される開口部501の一部は、開口部531aを構成する。同様に、折り曲げ線L2よりも右方側に配置される開口部501の一部は、開口部532aを構成する。
第1の実施形態に係る半導体モジュール1においては、このように形成されるリードフレーム5が、半導体チップ4の上面及び電極パターン2bの上面に接合されることで、半導体チップ4と電極パターン2bとが電気的に接続される。この場合において、リードフレーム5を構成する壁部531、532は、接合部51及び接合部52と実質的に直交する方向に延びて配置されている。このため、壁部531と壁部532との間には、リードフレーム5の一部が配置されることはない。第1の実施形態に係る半導体モジュール1では、この接合部51と接合部52との間の空間にボンディングワイヤ9を配置している。
第1の実施形態に係るリードフレーム5においては、接合部51の一部と接合部52の一部が、接合部51及び接合部52の主面51a、52aと交差する壁部531、532で連結されている。このため、連結部53が、接合部51及び接合部52よりも上方側の位置を接合部51及び接合部52と略平行に延在して配置されることがない。これにより、側面視にて連結部53を構成する壁部531、532と重複する空間を利用してボンディングワイヤ9を引き回すことができる。この結果、ボンディングワイヤ9を低い位置に配置することができるので、半導体モジュール1の低背化を実現することができる。
壁部531、532の幅の合計は、第1接合部51の幅または第2接合部52の幅以上であることが好ましい。図3に示すように、壁部531の上端531tと開口部531aの間の長さLc1を壁部531の幅、壁部532の上端532tと開口部532aの間の長さLc2を壁部532の幅とするとき、Lc1とLc2の和は好ましくは、第1接合部51の幅2La以上、または、第2接合部51の幅2La以上である。壁部531、532の幅Lc1、Lc2は同じでも異なってもよい。壁部531、532はそれぞれ、第1接合部51と第2接合部52の間において、Lc1、Lc2以上の幅を有することが望ましい。このような幅を有する壁部531、532により、連結部53における電気抵抗、発熱や損失を抑制できる。壁部531の上端531tおよび壁部532の上端532tは、樹脂ケース7の上面の高さ以下、好ましくは、樹脂ケース7に充填される封止樹脂上面の高さ以下であってよい。
さらに、第1接合部51と壁部531,532の交線の長さをL51、第2接合部52と壁部531,532の交線の長さをL52とするとき、壁部531、532の幅Lc1、Lc2は好ましくは、L51以上および/またはL52以上である。
また、連結部53を構成する壁部531、532は、接合部51及び接合部52と実質的に直交する方向に延びることから、上面視にて、壁部531と壁部532との間には、リードフレーム5の一部が配置されることはない(図2参照)。図13に示すような従来のリードフレームでは、連結部913の下部に配置された異物を確認することが困難であったが、上記のように連結部53を構成することにより、異物の確認作業を簡単に行うことができる。また、図13に示すような従来のリードフレームでは、連結部913の下方部分を樹脂封止することが困難であったが、上記のように連結部53を構成することにより、該当部分に適切に封止樹脂を充填することができる。
接合部51,52の主面と壁部531、532の接合部側の主面がなす角度θ(図1参照)は、90度以上135度以下、好ましくは90度以上120度以下、さらに好ましくは実質的に90度であってよい。角度θが、135度以下であるとワイヤ9を接合部51、52にボンディングする時のツールの干渉を避け、壁部531、532の幅Lc1、Lc2を大きくして連結部53の電気抵抗を小さくすることができ、120度以下であるとリードフレーム5周辺への封止材の充填が容易になり、実質的に90度であると連結部53下側の検査が容易になる。
また、連結部53を構成する壁部531、532の下端部には、下方側に開口した開口部531a、532aが形成されている。これにより、半導体チップ4の側縁部近傍における応力集中が好ましくない部分を回避しながら、半導体チップ4と電極パターン2aとを電気的に接続することができる。
さらに、リードフレーム5においては、リードフレーム5の材料となる金属板50に曲げ加工を施すことで、開口部531a、532aを有する壁部531、532が形成される。これにより、金属板50に曲げ加工を施すだけで連結部53が形成されることから、複雑な加工工程を必要とすることなく、リードフレーム5を製造することができる。
特に、金属板50のうち、接合部51及び接合部52の外側部分に曲げ加工を施すことで壁部531、532を形成している。このため、曲げ加工の過程で接合部51及び接合部52の位置が上下方向に移動することはない。このため、接合部51の主面51aと接合部52の主面52aとを平行に配置し易くすることができる。これにより、リードフレーム5の内部応力によって半導体モジュール1を構成する絶縁基板3に反りが発生する事態を抑制することができる。図13に示すような従来のリードフレームの構成では、リードフレームの延在方向に直交する方向に曲げ加工が行われる結果、第1接合部911と第2接合部912とが平行に配置されない場合がある。この場合には、リードフレームの内部応力によって絶縁基板に反りが発生し得る。上記のように金属板50に対する曲げ加工を行うことでリードフレーム5を形成することにより、このような反りの発生を抑制することができる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態に係るリードフレームは、接合部51及びその周辺の構成が異なる点において、第1の実施形態に係るリードフレーム5と相違する。以下、第2の実施形態に係るリードフレームの構成について、第1の実施形態との相違点を中心に説明する。図4は、本発明の第2の実施形態に係るリードフレーム5Aが適用された半導体モジュール1の構成を示す斜視図である。図5は、第2の実施形態に係る半導体モジュール1が有するリードフレーム5Aの周辺の平面図である。図4及び図5において、図1及び図2と共通の構成については、同一の符号を付与して説明を省略する。
図4及び図5に示すように、リードフレーム5Aは、接合部51が左右方向に分割されている点及び分割された接合部51を連結する補助連結部54を有する点において第1の実施形態に係るリードフレーム5と相違する。
接合部51は、左右方向に分割された一対の接合部51b及び接合部51cを有している。接合部51bと接合部51cとの間には、前後方向に沿ってスリット51dが形成されている。接合部51は、このスリット51dにより接合部51bと接合部51cとに分割されている。スリット51dは、後述する半導体チップ4上のセンサ配線49の一部に沿って形成されている。また、スリット51dは、後述する半導体チップ4上の温度センスダイオード48に対応する位置に配置されている。さらに、スリット51dの前端部は、後述する補助連結部54の開口部54aに連続して設けられている。
補助連結部54は、接合部51(接合部51b及び接合部51c)の前方側に配置されている。補助連結部54は、接合部51の前縁部に連続して設けられている。補助連結部54は、接合部51の前縁部から上方側に延びている。補助連結部54は、接合部51よりも上方側の位置にて、接合部51bと接合部51cとを連結している。補助連結部54の下端部であって左右方向の中央近傍には、開口部54aが形成されている。この開口部54aは、接合部51を分割するスリット51dに連続して設けられている。
ここで、第2の実施形態に係る半導体モジュール1に適用される半導体チップ4の構成について、図6を参照して説明する。図6は、第2の実施形態に係る半導体モジュール1に適用される半導体チップ4の構成を示す模式図である。
図6に示すように、半導体チップ4の上面には、表面電極としてエミッタ電極41が設けられている。エミッタ電極41は、半導体チップ4の上面の大部分を占めている。エミッタ電極41は、ソース電極と呼ばれてもよい。エミッタ電極41の右端部には、補助エミッタ電極42が前方側に突出して設けられている。エミッタ電極41の前方側であって、補助エミッタ電極42の左方側には、アノード電極43、カソード電極44、ゲート電極45及び電流センス電極46が並べて設けられている。
半導体チップ4の上面の外周近傍には、ゲートランナー47が設けられている。ゲートランナー47は、ゲート配線の一例を構成する。ゲートランナー47は、エミッタ電極41、補助エミッタ電極42、アノード電極43、カソード電極44、ゲート電極45及び電流センス電極46の外側にて、環状に構成されている。ゲートランナー47は、半導体チップ4の前端部にてゲート電極45に接続されている。
エミッタ電極41の左右方向の中央部には、前端部から後方側に向かって切欠き部41aが形成されている。切欠き部41aは、エミッタ電極41の前後方向の中央近傍まで形成されている。切欠き部41aの後端部近傍には、温度センスダイオード48が設けられている。温度センスダイオード48は、温度センサの一例を構成するものであり、半導体チップ4の温度を検出する。温度センスダイオード48には、一対のセンサ配線49(49a、49b)が接続されている。センサ配線49a、49bは、切欠き部41aを通ってそれぞれアノード電極43及びカソード電極44に接続されている。ここでは、切欠き部41aに一対のセンサ配線49(49a、49b)が配置される場合について説明しているが、これに限定されない。例えば、切欠き部41aには、ゲートランナー47が配置されてもよい。
ここで、第2の実施形態に係るリードフレーム5Aの構成について、図7を参照しながら説明する。図7は、第2の実施形態に係る半導体モジュール1が有するリードフレーム5Aの展開図である。図7において、図3と共通の構成については同一の符号を付与し、その説明を省略する。リードフレーム5Aは、全体に亘って同一の厚み寸法を有する金属板に対して曲げ加工(型加工)を施すことで形成される。
図7に示すように、リードフレーム5Aの材料となる金属板50Aは、左右方向の中央において、前方側に突出する突出部502が設けられる点、並びに、開口部501の前方側に切欠き部503が形成される点において、第1の実施形態に係る金属板50と相違する。突出部502は、金属板50Aの前方側の外周辺に沿って配置される折り曲げ線L5よりも前方側に突出して設けられている。切欠き部503は、前後方向に延伸し、開口部501から突出部502における折り曲げ線L5よりも前方側の位置まで形成されている。
リードフレーム5Aは、折り曲げ線L1、L2よりも左右方向の外側部分を上方側に折り曲げると共に、折り曲げ線L5よりも前方側部分を上方側に折り曲げることにより形成される。言い換えると、リードフレーム5Aは、折り曲げ線L1、L2よりも左右方向の外側部分を折り曲げ線L1、L2の内側部分に対して谷折りすると共に、折り曲げ線L5よりも前方側部分を折り曲げ線L5の後方側部分に対して谷折りすることで形成される。図7に示す金属板50Aにおいて、突出部502は、補助連結部54を構成する。また、切欠き部503における折り曲げ線L5よりも後方側に配置される部分は、スリット51dを構成する。一方、切欠き部503における折り曲げ線L5よりも前方側に配置される部分は、補助連結部54の開口部54aを構成する。
第2の実施形態に係る半導体モジュール1においては、このように形成されるリードフレーム5Aが、半導体チップ4の上面及び電極パターン2bの上面に接合されることで、半導体チップ4と電極パターン2bとが電気的に接続される。この場合において、リードフレーム5Aを構成する接合部51は、図5に示すように、スリット51dが半導体チップ4のセンサ配線49に対応するように配置される。このため、センサ配線49の上方側には、リードフレーム5Aの一部(接合部51)が配置されることがない。これにより、センサ配線49の上方側へのリードフレーム5Aの配置に起因して半導体チップ4が破損する事態の発生を防止することができる。
ここで、半導体チップ4におけるセンサ配線49の周辺の構成について、図8を参照して説明する。図8は、半導体チップ4上に設けられるセンサ配線49の周辺の構成を示す模式図である。図8Aにおいては、図6に示す破線A−A線の断面を示している。図8Bにおいては、参照例として、スリット51dが形成されていない接合部51が接合される場合の半導体チップ4のセンサ配線49の周辺の構成を示している。なお、図8Bにおいては、説明の便宜上、第2の実施形態で使用される符号を付与している。
図8Aに示すように、半導体チップ4においては、半導体チップ4を構成する層間絶縁膜4a上にエミッタ電極41及びセンサ配線49a、49bが設けられている。エミッタ電極41上には、メッキ電極4bが設けられている。センサ配線49a、49b上には、これらの絶縁を確保するためにポリイミド4cが設けられている。接合部51に形成されたスリット51dは、ポリイミド4cの上方側に配置される。
接合部51を構成する接合部51bは、ポリイミド4cの左方側に配置されるメッキ電極4bにはんだ4dを介して接合される。同様に、接合部51を構成する接合部51cは、ポリイミド4cの右方側に配置されるメッキ電極4bにはんだ4dを介して接合される。このため、接合部51b、51cを半導体チップ4に接合する際、ポリイミド4cに対してはんだ4dが押し付けられることはない。
一方、図8Bに示すように、接合部51にスリット51dが形成されていない場合、接合部51は、メッキ電極4bに対応する位置に配置されたはんだ4dによりメッキ電極4bに接合される。この場合、はんだ4dがポリイミド4c上に配置されると、ポリイミド4cの上方側に配置された接合部51の一部によりはんだ4dの一部がポリイミド4cに押し付けられる。この場合、例えば、ポリイミド4cに傷が入っていると、はんだ4dがポリイミド4cの内部に入り込んでセンサ配線49に接触してしまう。この結果、リードフレーム5Aとセンサ配線49とが電気的に接続されることとなり、半導体チップ4が破損する事態が発生し得る。第2の実施形態に係るリードフレーム5Aでは、接合部51にスリット51dを設けることにより、このような半導体チップ4の破損を防止している。
第2の実施形態に係るリードフレーム5Aにおいては、半導体チップ4上に設けられるセンサ配線49に対応する位置にスリット51dが設けられることから、半導体チップ4に対してリードフレーム5Aを接合する際に、接合に伴う押圧力に起因して半導体チップ4が破損する事態を防止することができる。特に、リードフレーム5Aにおいては、切欠き部503を形成しておいた金属板50Aに曲げ加工を施すだけでスリット51dを形成することができるので、複雑な加工工程を必要とすることなく半導体チップ4の破損を防止できるリードフレーム5Aを形成することができる。
また、第2の実施形態に係るリードフレーム5Aにおいては、スリット51dにより分割された接合部51bと接合部51cとを連結する補助連結部54を備えている。これにより、スリット51dを設けた場合であっても、接合部51bと接合部51cとを一部材として取り扱うことができるので、リードフレーム5Aに電流を流れ易くすることができると共に、半導体モジュール1を組み立てる際の作業効率を向上することができる。特に、リードフレーム5Aにおいては、突出部502を形成しておいた金属板50Aに曲げ加工を施すだけで補助連結部54を形成することができるので、複雑な加工工程を必要とすることなく導電性及び作業性に優れたリードフレーム5Aを形成することができる。
さらに、第2の実施形態に係るリードフレーム5Aにおいて、接合部51には、半導体チップ4上に設けられる温度センスダイオード48に対応する位置にスリット51dが設けられることから、リードフレーム5Aを接合する際に接合部51の下面で温度センスダイオード48が閉塞されるのを防止することができる。これにより、接合部51の上面側に露出した状態で半導体チップ4の温度を検出することができるので、温度センスダイオード48による検出精度を向上することができる。
(第3の実施形態)
第3の実施形態に係るリードフレームは、接合部51の構成が異なる点において、第2の実施形態に係るリードフレーム5と相違する。以下、第3の実施形態に係るリードフレームの構成について、第2の実施形態との相違点を中心に説明する。図9は、本発明の第3の実施形態に係るリードフレーム5Bが適用された半導体モジュール1の構成を示す斜視図である。図10は、第3の実施形態に係る半導体モジュール1が有するリードフレーム5Bの周辺の平面図である。図9及び図10において、図4及び図5と共通の構成については、同一の符号を付与して説明を省略する。
図9及び図10に示すように、リードフレーム5Bは、接合部51が前後方向に分割されている点において第2の実施形態に係るリードフレーム5と相違する。なお、リードフレーム5Bにおいて、補助連結部54は設けられていない。
接合部51は、前後方向に分割された一対の接合部51e及び接合部51fを有している。接合部51eと接合部51fとの間には、左右方向に沿ってスリット51gが形成されている。接合部51は、このスリット51gにより接合部51eと接合部51fとに分割されている。スリット51gは、第2の実施形態に係るスリット51dと同様に、半導体チップ4上のセンサ配線49の一部に沿って形成され、半導体チップ4上の温度センスダイオード48に対応する位置に配置されている。さらに、スリット51gの左端部は、壁部531の下端部に形成された開口部531bに連続して設けられている。同様に、スリット51gの右端部は、壁部532の下端部に形成された開口部532bに連続して設けられている。
図10に示すように、リードフレーム5Bが接合される半導体チップ4は、平面視にて、90度回転している点で、第2の実施形態に係る半導体モジュール1と相違する。半導体チップ4の構成は、第2の実施形態に係る半導体チップ4と同一である。
ここで、第3の実施形態に係るリードフレーム5Bの構成について、図11を参照しながら説明する。図11は、第3の実施形態に係る半導体モジュール1が有するリードフレーム5Bの展開図である。図11において、図7と共通の構成については同一の符号を付与し、その説明を省略する。リードフレーム5Bは、全体に亘って同一の厚み寸法を有する金属板に対して曲げ加工(型加工)を施すことで形成される。
図11に示すように、リードフレーム5Bの材料となる金属板50Bは、開口部501の前方側にて切欠き部504が形成される点及び突出部502が設けられていない点において、第2の実施形態に係る金属板50Aと相違する。切欠き部504は、左右方向に沿って形成されている。切欠き部504の左方側端部は、折り曲げ線L1よりも左方側の位置に配置され、切欠き部504の右方側端部は、折り曲げ線L2よりも右方側の位置に配置されている。
リードフレーム5Bは、これらの折り曲げ線L1、L2よりも左右方向の外側部分を上方側に折り曲げることにより形成される。図11に示す金属板50Bにおいて、切欠き部504は、接合部51のスリット51gを構成する。また、この切欠き部504よりも前方側であって、折り曲げ線L1と折り曲げ線L2との間に配置される部分は、接合部51eを構成する。一方、切欠き部504よりも後方側であって、折り曲げ線L1と折り曲げ線L2との間に配置される部分は、接合部51fを構成する。切欠き部504における折り曲げ線L1よりも左方側に配置される部分は、開口部531bを構成する。また、切欠き部504における折り曲げ線L2よりも右方側に配置される部分は、開口部532bを構成する。
第3の実施形態に係る半導体モジュール1においては、このように形成されるリードフレーム5Bが、半導体チップ4の上面及び電極パターン2bの上面に接合されることで、半導体チップ4と電極パターン2bとが電気的に接続される。この場合において、リードフレーム5Bを構成する接合部51は、図10に示すように、スリット51gが半導体チップ4のセンサ配線49に対応するように配置される。このため、センサ配線49の上方側には、リードフレーム5Bの一部(接合部51)が配置されることがない。これにより、第2の実施形態と同様に、センサ配線49の上方側へのリードフレーム5Bの配置に起因して半導体チップ4が破損する事態の発生を防止することができる。
(変形例)
図12は配線構造の変形例を示す。
図12Aの例において、リードフレーム105は、第1の実施形態のリードフレーム5と同様の形状であり、スイッチング素子を含む半導体チップ104tとダイオードを含む半導体チップ104dを電気的に接続する。リードフレーム105は、一対の接合部151、151と、接合部151、151に立設された一対の壁部1531、1532とを含む。一方の接合部151は半導体チップ104tの上面電極に接合され、他方の接合部151は半導体チップ104dの上面電極に接合される。
図12Bの例において、リードフレーム105は、一の電極パターン102上に設けられた2つの半導体チップ104と、他の電極パターン102を電気的に接続する。リードフレーム105および一の電極パターン102により2つの半導体チップ104は並列接続される。リードフレーム105は、一対の接合部151、151と、接合部152と、接合部151、151、152に立設された一対の壁部1531、1532とを含む。壁部1531、1532は、それぞれ下端側に2つの開口部を有する。接合部151、151は半導体チップ104、104の上面電極に接合され、接合部152は他の電極パターン102に接合される。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
例えば、上記実施形態においては、リードフレーム5(5A、5B)の接合部51及び接合部52は、同一平面上に配置される半導体チップ4及び電極パターン2bに接合される場合について説明している。しかしながら、リードフレーム5の構成については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、高低差のある平面に配置される接合対象に接合可能とすべく、接合部51又は接合部52の下面の一部に高さ調整用の凸部を設けることは実施の形態として好ましい。このような凸部は、例えば、接合部52の下面において、均等に離間して配置され、電極パターン2b側に突出する凸部52bで構成される(図10参照)。このように接合部51又は接合部52の下面の一部に高さ調整用の凸部を設けることにより、半導体チップ4及び電極パターン2bの位置に高低差が存在する場合でも、適切にこれらに接合部51及び接合部52を接合することができる。
また、上記実施形態においては、リードフレーム5の連結部53を構成する壁部531、532が接合部51、52の側縁部(左縁部、右縁部)を連結する場合について示している。しかしながら、壁部531、532が連結する位置については、これに限定されず、適宜変更が可能である。例えば、壁部532は、接合部51の主面51aの右側縁部よりも内側の位置と、接合部52の主面52aの右側縁部よりも内側の位置とを連結してもよい。なお、この場合には、上記実施の形態と異なり、接合部51、52の上面に対して溶接等による接合処理を行う必要がある。
下記に、上記の実施の形態における特徴点を整理する。
上記実施の形態に係る配線構造は、半導体チップと、前記半導体チップに対する接続対象とを電気的に接続する配線構造であって、導電部材の一方側に配置され、前記半導体チップに接合される第1接合部と、前記導電部材の他方側に配置され、前記接続対象に接合される第2接合部と、前記第1接合部と前記第2接合部とを連結する連結部と、を有し、前記連結部は、前記第1接合部及び前記第2接合部の主面と交差する壁部で構成され、当該壁部が前記第1接合部の一部と前記第2接合部の一部とを連結する。この構成によれば、第1接合部の一部と第2接合部の一部が、第1接合部及び第2接合部の主面と交差する壁部で連結されることから、連結部が、第1接合部及び第2接合部よりも上方側の位置を第1接合部及び第2接合部と略平行に延在して配置されることがない。このため、側面視にて、連結部を構成する壁部と重複する空間を利用してボンディングワイヤを引き回すことができる。この結果、ボンディングワイヤを低い位置に配置することができるので、半導体モジュールの低背化を実現することができる。
上記実施の形態に係る配線構造において、前記壁部の下端部には、前記第1接合部と前記第2接合部との間で前記第1接合部及び前記第2接合部側に開口した開口部が形成される。この構成によれば、壁部の下端部に開口部が形成されることから、半導体チップや接続対象において、応力集中が好ましくない部分を回避しながら、半導体チップと接続対象とを電気的に接続することができる。
上記実施の形態に係る配線構造においては、前記第1接合部及び前記第2接合部を含む前記導電部材の材料となる金属板に曲げ加工を施すことで、前記開口部を有する前記壁部を形成する。この構成によれば、導電部材の材料となる金属板に曲げ加工を施すだけで開口部を有する壁部が形成されることから、複雑な加工工程を必要とすることなく、導電部材を製造することができる。
上記実施の形態に係る配線構造において、前記第1接合部は、前記半導体チップ上に設けられる温度センサ、センサ配線及びゲート配線の少なくとも1つに対応する位置にスリットを有する。この構成によれば、半導体チップ上に設けられる温度センサ、センサ配線及びゲート配線の少なくとも1つに対応する位置にスリットが設けられることから、ゲート配線やセンサ配線の場合には、これらの上方側への導電部材の配置に起因して半導体素子が破損する事態の発生を防止することができる。温度センサの場合には、第1接合部の下面で温度センサが閉塞されるのを防止することができるので、第1接合部の上面側に露出した状態で半導体チップの温度を検出でき、温度センサによる検出精度を向上することができる。
上記実施の形態に係る配線構造において、前記スリットにより分割された前記第1接合部の部分同士を連結する補助連結部を有する。この構成によれば、スリットにより分割された第1接合部の部分同士が補助連結部により連結されることから、スリットを設けた場合であっても、第1接合部と第2接合部とを一部材として取り扱うことができるので、導電部材に電流を流れ易くすることができると共に、半導体モジュールを組み立てる際の作業効率を向上することができる。
上記実施の形態に係る配線構造において、前記第1接合部及び前記第2接合部の少なくとも一方の下面に高さ調整用の凸部を有する。この構成によれば、第1接合部及び第2接合部の少なくとも一方の下面に高さ調整用の凸部が設けられることから、半導体チップ及び接続対象の位置に高低差が存在する場合でも、適切にこれらに第1接合部及び第2接合部を接合することができる。
上記実施の形態に係る配線構造において、前記壁部の幅は、前記第1接合部の幅または前記第2接合部の幅以上である。この構成によれば、壁部の幅が第1接合部の幅または第2接合部の幅以上に構成されることから、壁部における電気抵抗、発熱や損失を抑制することができる。
上記実施の形態に係る配線構造において、前記壁部の幅は、前記第1接合部と前記壁部の交線の長さまたは前記第2接合部と前記壁部の交線の長さ以上である。この構成によれば、壁部の幅が第1接合部と壁部の交線の長さまたは第2接合部と壁部の交線の長さ以上に構成されることから、壁部における電気抵抗、発熱や損失を抑制することができる。
上記実施の形態に係る半導体モジュールは、上記したいずれかの配線構造を有することを特徴とする。この構成によれば、上述した配線構造で得られる効果を半導体モジュールで得ることができる。
本発明の半導体モジュールは、半導体モジュールの低背化を実現することができるという効果を有し、車載用モータ駆動制御インバータなどの小型・軽量化や高温動作環境での長期信頼性が要求される半導体モジュールに好適である。
1 :半導体モジュール
2、2a、2b:電極パターン
3 :絶縁基板
4 :半導体チップ
5、5A、5B :リードフレーム
6 :金属基板
7 :樹脂ケース
8 :金属端子
9 :ボンディングワイヤ
10 :樹脂ケース
41 :エミッタ電極
41a :切欠き部
42 :補助エミッタ電極
43 :アノード電極
44 :カソード電極
45 :ゲート電極
46 :電流センス電極
47 :ゲートランナー
48 :温度センスダイオード
49、49a、49b:センサ配線
50、50A、50B:金属板
51 :接合部
51a :主面
51b、51c:接合部
51d :スリット
51e、51f:接合部
51g :スリット
52 :接合部
52a :主面
52b :凸部
53 :連結部
531 :壁部
531a、531b:開口部
532 :壁部
532a、532b:開口部
54 :補助連結部
54a :開口部

Claims (9)

  1. 半導体チップと、前記半導体チップに対する接続対象とを電気的に接続する導電部材と、を備える配線構造であって、
    前記導電部材は、
    前記導電部材の一方側に配置され、前記半導体チップに接合される第1接合部と、
    前記導電部材の他方側に配置され、前記接続対象に接合される第2接合部と、
    前記第1接合部及び前記第2接合部の主面と交差する壁部で構成され、前記壁部が前記第1接合部の一部と前記第2接合部の一部とを連結する連結部と、を有する、
    配線構造。
  2. 前記壁部の下端側に、前記第1接合部と前記第2接合部との間で前記第1接合部及び前記第2接合部側に開口した開口部が形成されている請求項1に記載の配線構造。
  3. 前記第1接合部及び前記第2接合部を含む前記導電部材の材料となる金属板に曲げ加工を施すことで、前記開口部を有する前記壁部を形成する請求項2に記載の配線構造。
  4. 前記第1接合部は、前記半導体チップ上に設けられる温度センサ、センサ配線及びゲート配線の少なくとも1つに対応する位置にスリットを有する請求項1から請求項3のいずれかに記載の配線構造。
  5. 前記スリットにより分割された前記第1接合部の部分同士を連結する補助連結部を有する請求項4に記載の配線構造。
  6. 前記第1接合部及び前記第2接合部の少なくとも一方の下面に高さ調整用の凸部を有する請求項1から請求項5のいずれかに記載の配線構造。
  7. 前記壁部の幅は、前記第1接合部の幅または前記第2接合部の幅以上である請求項1から請求項6のいずれかに記載の配線構造。
  8. 前記壁部の幅は、前記第1接合部と前記壁部の交線の長さまたは前記第2接合部と前記壁部の交線の長さ以上である請求項7に記載の配線構造。
  9. 請求項1から請求項8のいずれかに記載の配線構造を有する半導体モジュール。
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