JP2022045180A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】配線基板の導電層に高周波電流を通電させたときの導電層の温度上昇を抑制することが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】第1絶縁層21aと、第1絶縁層21aの一方の主面側に配置された第1導電層22aと、第1絶縁層21aの他方の主面側に配置された第2導電層23aと、第1絶縁層21aと第1又は第2導電層22a,23aとの間に配置され、第1及び第2導電層22a,23aよりも比透磁率が高い磁性層24と、第1絶縁層21aと第1又は第2導電層22a,23aとの間に配置され、第1及び第2導電層22a,23aよりも少なくとも面方向の熱伝導率が高い炭素層27とを含む配線基板20と、第1及び第2導電層22a,23aに電気的に接続された半導体チップ3と、配線基板20から離間して配置され、半導体チップ3を搭載した絶縁回路基板10とを備える。【選択図】図2

Description

本発明は、半導体装置(半導体モジュール)に関する。
電力変換装置等に使用される半導体装置として、絶縁回路基板上に実装された複数の半導体素子間において、プリント基板を介して半導体素子同士を電気的に接続する半導体装置が知られている(特許文献1参照)。特許文献1に記載の半導体装置においては、絶縁板を第1導電層及び第2導電層で挟んだ配線基板を使用し、第1及び第2導電層のそれぞれに電流を通電させて通電量を稼ぐことができる。
また、特許文献2には、ロウパスフィルタに内蔵される伝送線路構造チップが、第1の二重層金属箔と、第2の二重層金属箔と、第1及び第2の二重層金属箔の間に形成される絶縁体層とから構成されることが開示され、更に、エナメル銅線の外周にグラファイト層及び銀ペースト層を順に配置した構成が開示されている。また、特許文献3には、絶縁基板と、絶縁基板上に配置された半導体デバイスと、一端が半導体デバイスの表面側に接続され、他端が絶縁基板に繋がる異方性な熱伝導率を備えるグラファイトプレートとを備え、半導体デバイスの表面側の熱を、グラファイトプレートを介して絶縁基板へ伝達するパワーモジュールが開示されている。
国際公開第2014/061211号 特開2011-176558号公報 特開2019-71399号公報
特許文献1に記載の半導体装置において、配線基板の第1及び第2導電層のそれぞれに高周波電流(パルス電流)を通電させると、第1及び第2導電層のそれぞれの表面付近にのみ電流が流れる表皮効果が発生する。この表皮効果の影響により、第1及び第2導電層の回路抵抗が増大し、第1及び第2導電層でのジュール発熱が大きくなり、第1及び第2導電層の温度が上昇することが懸念される。第1及び第2導電層の温度上昇が大きい場合は、第1及び第2導電層の面積を大きくする必要があり、配線基板の小型化を妨げ、ひいては半導体装置の小型化の妨げる要因となる。
上記課題に鑑み、本発明は、配線基板の導電層に高周波電流を通電させたときの導電層の温度上昇を抑制することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、(a)第1絶縁層と、第1絶縁層の一方の主面側に配置された第1導電層と、第1絶縁層の他方の主面側に配置された第2導電層と、第1絶縁層と第1又は第2導電層との間に配置され、第1及び第2導電層よりも比透磁率が高い磁性層と、第1絶縁層と第1又は第2導電層との間に配置され、第1及び第2導電層よりも少なくとも面方向の熱伝導率が高い炭素層と、を含む配線基板と、(b)第1及び第2導電層に電気的に接続された半導体チップと、(c)配線基板から離間して配置され、半導体チップを搭載した絶縁回路基板とを備える半導体装置であることを要旨とする。
本発明によれば、配線基板の導電層に高周波電流を通電させたときの導電層の温度上昇を抑制することが可能な半導体装置を提供することができる。
本発明の実施形態に係る半導体装置を示す概略平面図である。 図1のII-II切断線の位置で切った概略断面図である。 図1のIII-III切断線の位置で切った概略断面図である。 図1のIV-IV切断線の位置で切った概略断面図である。 本発明の実施形態に係る半導体チップの配列を示す概略平面図である。 本発明の実施形態に係る配線基板の導電層の平面パターンを示す概略平面図である。 本発明の実施形態に係る配線基板の構成を示す概略展開図である。 本発明の実施形態に係る配線基板の磁性層の平面パターンを示す概略平面図である。 本発明の実施形態に係る配線基板の炭素層の平面パターンを示す概略平面図である。 従来の半導体装置の配線基板の導電層に通電される高周波電流と回路抵抗との関係を示すグラフである。 本発明の実施例及び比較例に係る半導体装置の配線基板の発熱温度の評価結果を示すグラフである。 本発明の実施形態の第1変形例に係る半導体装置を示す概略断面図である。 本発明の実施形態の第2変形例に係る半導体装置を示す概略断面図である。 本発明の実施形態の第3変形例に係る半導体装置を示す概略断面図である。 本発明の実施形態の第4変形例に係る半導体装置を示す概略断面図である。 本発明の実施形態の第5変形例に係る半導体装置を示す概略断面図である。 本発明の実施形態の第6変形例に係る半導体装置を示す概略断面図である。 本発明の実施形態の第7変形例に係る半導体装置を示す概略断面図である。
以下、図面を参照して、実施形態及び第1~第7変形例を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は実際のものとは異なる場合がある。また、図面相互間においても寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。また、以下の実施形態及び第1~第7変形例は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。
また、以下の実施形態及び第1~第7変形例では、「第1主電極」とは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)においてはエミッタ電極又はコレクタ電極となる電極を意味し、電界効果トランジスタ(FET)や静電誘導トランジスタ(SIT)においてはソース電極又はドレイン電極となる電極を意味する。また、「第2主電極」とは、IGBTにおいては上記第1主電極とはならないエミッタ電極又はコレクタ電極となる電極を意味し、FETやSITにおいては上記第1主電極とはならないソース電極又はドレイン電極となる電極を意味する。以下の実施形態及び第1~第7変形例では、トランジスタ素子としてのMOSFETを例示するので、第1主電極をドレイン電極、第2主電極をソース電極として説明する。
また、以下の実施形態及び第1~第7変形例では、空間内で互いに直交する三方向において、同一平面内で互いに直交する第1方向及び第2方向をそれぞれX方向、Y方向とし、第1方向及び第2方向のそれぞれと直交する第3方向をZ方向とする。
(実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係る半導体装置1の平面図を示す。図1のII-II切断線の位置で切った断面構造を図2に示し、図1のIII-III切断線の位置で切った断面構造を図3に示し、図1のIV-IV切断線の位置で切った断面構造を図4に示す。
本発明の実施形態に係る半導体装置1は、図2~図4に示すように、基板積層体2と、基板積層体2を封止する樹脂封止体8とを備える。基板積層体2は、絶縁回路基板10と、絶縁回路基板10に実装された半導体チップ3と、絶縁回路基板10のチップ実装面側に対向し、且つ半導体チップ3から離間して配置された配線基板20とを備える。更に、基板積層体2は、第1導電ポスト5a、第2導電ポスト5b、第3導電ポスト5c、第1主回路端子7a、第2主回路端子7b及び制御端子7cを備える。
樹脂封止体8は、例えばエポキシ系の熱硬化性絶縁樹脂で構成されている。樹脂封止体8は、例えばトランスモールディング法により成形される。樹脂封止体8は、図1に示すように、平面視の形状が長方形からなり、X方向(第1方向)である長手方向において互いに反対側に位置する一方の短辺8a及び他方の短辺8bと、X方向と直交するY方向(第2方向)である短手方向において互いに反対側に位置する一方の長辺8c及び他方の長辺8dとを有する。樹脂封止体8は、X方向及びY方向と直交するZ方向(第3方向)に厚さを有する(図2~図4参照)。
図2~図4に示すように、絶縁回路基板10は、絶縁板11と、絶縁板11の一方の主面に配置された導電板12と、絶縁板11の一方の主面とは反対側の他方の主面に配置された放熱板13とを有する。導電板12は、互いに絶縁分離された第1導電板12a及び第2導電板12bを含む。
絶縁回路基板10は、例えばセラミック基板の一方の主面及び他方の主面に銅が共晶接合された直接銅接合(DCB)基板、セラミック基板の一方の主面及び他方の主面に活性金属ろう付け(AMB)法により金属が配置されたAMB基板等を採用可能である。絶縁板11の材料は、例えば、窒化珪素(Si)、窒化アルミニウム(AlN)、アルミナ(Al)等を採用可能である。導電板12及び放熱板13は、金属材料として、例えば導電性及び熱伝導性に優れた銅(Cu)が用いられている。
図5に示すように、絶縁回路基板10の絶縁板11は、平面視の形状が例えば長方形であり、X方向である長手方向において互いに反対側に位置する2つの短辺11a,11bの延伸方向が樹脂封止体8の2つの短辺8a,8bの延伸方向と一致すると共に、Y方向である短手方向において互いに反対側に位置する2つの長辺11c,11dの延伸方向が樹脂封止体8の2つの長辺8c,8dの延伸方向と一致するようにして配置されている。
絶縁回路基板10の第1導電板12aは、平面視の形状が例えば長方形のベタパターンからなり、長手方向がX方向と一致するようにして絶縁板11の一方の短辺11b側(絶縁回路基板10の一方の短辺側)に偏って配置されている。第2導電板12bは、平面視の形状が例えば長方形のベタパターンからなり、長手方向がY方向と一致するようにして絶縁板11の他方の短辺11a側(絶縁回路基板10の他方の短辺側)に偏って配置されている。第1導電板12aは、第2導電板12bよりも数倍大きい面積を有する。
放熱板13は、詳細に図示していないが、平面視の形状が例えば長方形のベタパターンからなり、長手方向がX方向と一致するようにして絶縁板11の内側に配置されている。実施形態では、放熱板13の表面が絶縁回路基板10の他方の主面となり、放熱板13の表面(絶縁回路基板10の他方の主面)が樹脂封止体8の一方の主面とは反対側の他方の主面から露出している。
図5に示すように、半導体チップ3は、個数は限定されないが、例えば4つ配置されている。4つの半導体チップ3のうちの2つの半導体チップ3は、絶縁板11の一方の長辺11c側に、長辺11cに沿って所定の間隔を空けて配置されている。残りの2つの半導体チップ3は、絶縁板11の他方の長辺11d側に、長辺11dに沿って所定の間隔を空けて配置されている。
半導体チップ3には、トランジスタ素子が搭載されている。4つの半導体チップ3のそれぞれのトランジスタ素子を並列に接続して1つのスイッチング素子が構成されている。トランジスタ素子としては、MOSFETやIGBT等の絶縁ゲート構造で、半導体チップ3の深さ方向に主電流が流れる縦型半導体素子が好適である。
実施形態では、トランジスタ素子として、炭化珪素(SiC)からなる半導体基板を主体に構成された絶縁ゲート構造の縦型MOSFETを用いる場合を説明する。なお、半導体基板としては、例えばシリコン(Si)基板で構成してもよく、或いは窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga)等のワイドバンドギャップ半導体基板で構成してもよい。
図2、図3及び図5に示すように、半導体チップ3は、例えば、互いに反対側に位置する2つの主面のうちの一方の主面に第2主電極としてのソース電極3s及び制御電極としてのゲート電極3gを有し、他方の主面に第1主電極としてのドレイン電極3dを有する。
図2及び図3に示すように、半導体チップ3のドレイン電極3dは、はんだ等の接合材15を介して第1導電板12aに接合され、電気的及び機械的に接続されている。4つの半導体チップ3は、それぞれのドレイン電極3dが互いに並列に接続された状態で絶縁回路基板10の一方の主面にそれぞれ実装されている。
図2~図4に示すように、配線基板20は、絶縁回路基板10の一方の主面(チップ実装面)側に対向し、且つ半導体チップ3から離間して配置されている。配線基板20は、第1導電ポスト5a、第2導電ポスト5b及び第3導電ポスト5c及び半導体チップ3を介して絶縁回路基板10に支持されている。
図6に示すように、配線基板20は、平面視の形状が例えば長方形からなり、X方向である長手方向において互いに反対側に位置する2つの短辺20a,20bの延伸方向が樹脂封止体8の2つの短辺8a,8bの延伸方向と一致すると共に、Y方向である短手方向において互いに反対側に位置する2つの長辺20c,20dの延伸方向が樹脂封止体8の2つの長辺8c,8dの延伸方向と一致するようにして配置されている。
図2~図4、図6及び図7に示すように、配線基板20は、互いに反対側に位置する一方の主面及び他方の主面を有する絶縁板21と、絶縁板21の一方の主面側に配置された第1導電層22a及び第1ゲート配線22bと、絶縁板21の他方の主面側に配置された第2導電層23a及び第2ゲート配線23bとを含む。なお、図7では、図6に示す第1ゲート配線22b及び第2ゲート配線23bや、磁性層24の開口部24a,24b、炭素層27の開口部27a,27b、貫通孔25a,25b等の図示を省略している。
配線基板20は、絶縁板21の中に埋設され、第1導電層22a及び第2導電層23aよりも比透磁率(最大)が高い磁性材料からなる磁性層(磁性シート)24と、絶縁板21の中に埋設され、第1導電層22a及び第2導電層23aよりも熱伝導率が高い炭素層27とを含む。実施形態では、磁性層24及び炭素層27が積層して配置されている。
第1導電層22a及び第1ゲート配線22bは、絶縁板21の一方の主面側に設けられた第1導電層を所定のパターンにパターニングすることによって形成される。第2導電層23a及び第2ゲート配線23bは、絶縁板21の他方の主面側に設けられた第2導電層を所定のパターンにパターニングすることによって形成されている。第1導電層22a、第1ゲート配線22b、第2導電層23a及び第2ゲート配線23bは、例えば75μm程度の厚さを有する。第1導電層22a、第1ゲート配線22b、第2導電層23a及び第2ゲート配線23bは、例えば銅箔又は銅を主成分とする合金箔で形成されている。
第1導電層22a及び第1ゲート配線22bは、第2導電層23a及び第2ゲート配線23bと同一のパターンで形成されている。したがって、第1導電層22a及び第1ゲート配線22bの平面パターンを図6に例示して説明し、第2導電層23a及び第2ゲート配線23bの平面パターンの図示及び説明は省略する。
図6に示すように、第1導電層22aは、平面視の形状が例えば長方形のベタパターンからなり、長手方向がX方向と一致するようにして絶縁板21の中央に配置されている。第1ゲート配線22bは、例えば2つ設けられている。一方のゲート配線22bは、配線基板20の一方の長辺20cと第1導電層22aとの間に配置され、X方向に延伸している。他方のゲート配線22bは、配線基板20の他方の長辺20dと第1導電層22aとの間に配置され、X方向に延伸している。2つのゲート配線22bは、第1導電層22aから離間し、電気的に絶縁分離されている。
第2導電層23a及び第2ゲート配線23bは、第1導電層22a及び第1ゲート配線22bと同一パターンで形成され、平面視で第1導電層22a及び第1ゲート配線22bと重なっている。2つの第2ゲート配線23bは、第2導電層23aから離間し、電気的に絶縁分離されている。第1導電層22a及び第2導電層23aは、主回路電流を流す電流路として使用される。
図2~図4、図6及び図7に示すように、絶縁板21は、磁性層24及び炭素層27の第1導電層22a側に配置され、平面サイズが磁性層24及び炭素層27の平面サイズよりも大きい第1絶縁層21aと、磁性層24及び炭素層27の第2導電層23a側に配置され、平面サイズが磁性層24及び炭素層27の平面サイズよりも大きい第2絶縁層21bと、磁性層24及び炭素層27の周囲を囲むようにして第1絶縁層21aと第2絶縁層21bとの間に配置された第3絶縁層21cを有する。第1絶縁層21a、第2絶縁層21b及び第3絶縁層21cは、例えば絶縁性及び耐熱性に優れたポリイミド樹脂からなる樹脂シートで形成されている。第3絶縁層21cは、例えば絶縁性の接着材で形成してもよい。第1絶縁層21a、第2絶縁層21b及び第3絶縁層21cは、例えば熱圧着により、磁性層24及び炭素層27と一体化している。
即ち、磁性層24及び炭素層27は、第1絶縁層21a、第2絶縁層21b及び第3絶縁層21cを含む絶縁板21の中に埋設されている。磁性層24の第2導電層23a側の一方の主面は、第2絶縁層21bの一方の主面に接し、磁性層24の第1導電層22a側の他方の主面は、炭素層27の第2導電層23a側の一方の主面に接している。炭素層27の第1導電層22a側の他方の主面は、第1絶縁層21aの他方の主面に接している。
図2~図4、図7及び図8に示すように、磁性層24は、平面視における輪郭24mが第1導電層22aの輪郭22a1及び第2導電層23aの輪郭23a1と面一、又は第1導電層22aの輪郭22a1及び第2導電層23aの輪郭23a1よりも内側に位置している。実施形態では、磁性層24の輪郭24mは第1導電層22aの輪郭22a1及び第2導電層23aの輪郭23a1と面一になっている。換言すれば、磁性層24は、平面視における外周の端部が第1導電層22a及び第2導電層23aのそれぞれの外周の端部と揃っている。
磁性層24の比透磁率は、5~500000程度が好ましく、600~500000程度がより好ましい。磁性層24の具体的な材料としては、ステンレス箔やニッケル箔、アモルファス箔(組成Fe-Si-BやCo-Fe-Si-B-M)、パーマロイ箔(組成Fe-50Ni系やFe-80Ni系)、ファインメット(登録商標)箔(日立金属株式会社製、組成Fe-Cu-Nb-Si-B)等が好ましい。磁性層24は、銅箔又は銅を主成分とする合金箔よりも比透磁率が高い磁性材料で形成することがより好ましい。磁性層24は、例えばシート状のものを使用してもよい。或いは、磁性層24は、めっき、スパッタリング、又は蒸着等により形成されていてもよい。
磁性層24の厚みは、1μm以上50μm以下が好ましく、10μm以上50μm以下がより好ましい。磁性層24の厚みを50μm以下とすることにより、磁性層24内に渦電流が流れることに起因する磁性層24自体の発熱を防止することができる。また、磁性層の厚みを10μm以上とすることにより、第1導電層22a及び第2導電層23aに大電流が流れた時に磁性層24の磁気飽和を防止することができる。なお、磁性層24の厚さを薄くしても、第1絶縁層21a及び第2絶縁層21bの厚さを調整することにより、第1導電層22aと第2導電層23aとの間の耐圧を確保することができる。
図2~図4、図7及び図9に示すように、炭素層27は、平面視における輪郭27mが第1導電層22aの輪郭22a1及び第2導電層23aの輪郭23a1と面一、又は第1導電層22aの輪郭22a1及び第2導電層23aの輪郭23a1よりも内側に位置している。実施形態では、炭素層27の輪郭27mは磁性層24の輪郭24mと一致しており、第1導電層22aの輪郭22a1及び第2導電層23aの輪郭23a1と面一になっている。換言すれば、炭素層27は、平面視における外周の端部が第1導電層22a及び第2導電層23aのそれぞれの外周の端部と揃っている。
炭素層27の輪郭27mは磁性層24の輪郭24mと必ずしも一致していなくてもよく、炭素層27の輪郭27mは磁性層24の輪郭24mよりも内側又は外側に位置していてもよい。炭素層27の厚さは、磁性層24の厚さと同一であってもよく、磁性層24よりも厚くてもよく、磁性層24よりも薄くてもよい。
炭素層27の少なくとも面方向(X方向及びY方向)における熱伝導率は、第1導電層22a及び第2導電層23aの熱伝導率(例えば銅の熱伝導率である約400W/mK)よりも高い。炭素層27としては、例えばシート状のグラファイト(グラファイトシート)又はグラフェン(グラフェンシート)等の炭素を含む層が使用可能である。炭素層27は、炭素繊維や、炭素繊維を用いた複合材料で構成されていてもよい。例えば、炭素繊維を用いた複合材料としては、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)や炭素繊維強化炭素複合材料等が挙げられる。例えば、シート状の炭素層27を接着剤により磁性層24と接着してもよい。
グラフェンは、炭素原子が結合した1原子層のシート状の物質であり、グラファイトは、複数のグラフェンシートの積層構造からなる。グラファイト又はグラフェンは、熱伝導率に異方性を有する。グラファイト又はグラフェンを炭素層27に用いる場合には、炭素層27の厚さ方向(Z方向)の熱伝導率(例えば約5W/mK程度)よりも、面方向(X方向及びY方向)の熱伝導率(例えば約1500W/mK程度)が高い材料を使用すれば、炭素層27の面方向に熱を瞬時に拡散させることができる。
ここで、磁性層24及び炭素層27が電気的に浮遊状態であると浮遊容量が付加されるため、磁性層24及び炭素層27を第1導電層22a及び第2導電層23aと同電位にすることが好ましい。実施形態では、図2に示すように、磁性層24及び炭素層27は、スルーホール配線26を介して第1導電層22aに電気的に接続され、第1導電層22a及び第2導電層23aと同電位となる。
図2に示すように、第1導電ポスト5aは、一端側が半導体チップ3のソース電極3sにはんだ等の接合材16により電気的及び機械的に接続され、他端側が配線基板20を貫通して配線基板20に固定されると共に第1導電層22a及び第2導電層23aと電気的及び機械的に接続されている。即ち、第1導電ポスト5aの一端側が半導体チップ3を介して絶縁回路基板10に固定され、第1導電ポスト5aの他端側が配線基板20に固定されている。第1導電ポスト5aは、この本数に限定されないが、例えば1つの半導体チップ3に対して2本ずつ設けられている。
図2に示すように、第2導電ポスト5bは、一端側が絶縁回路基板10の第2導電板12bにはんだ等の接合材16により電気的及び機械的に接続され、他端側が配線基板20を貫通して配線基板20に固定されると共に第1導電層22a及び第2導電層23aと電気的及び機械的に接続されている。即ち、第2導電ポスト5bの一端側が絶縁回路基板10に固定され、第2導電ポスト5bの他端側が配線基板20に固定されている。第2導電ポスト5bは、この本数に限定されないが、例えば2本設けられている。
図3に示すように、第3導電ポスト5cは、一端側が半導体チップ3のゲート電極3gにはんだ等の接合材16により電気的及び機械的に接続され、他端側が配線基板20を貫通して固定されると共に第1ゲート配線22b及び第2ゲート配線23bと電気的及び機械的に接続されている。即ち、第3導電ポスト5cの一端側が半導体チップ3を介して絶縁回路基板10に固定され、第3導電ポスト5cの端側が配線基板20に固定されている。第3導電ポスト5cは、この本数に限定されないが、例えば、1つの半導体チップ3に対して1本ずつ設けられている。
図1~図4に示すように、第1主回路端子7a、第2主回路端子7b及び制御端子7cのそれぞれは、一部を除いて樹脂封止体8で封止され、一部が樹脂封止体8の外部に突出している。即ち、第1主回路端子7a、第2主回路端子7b及び制御端子7cのそれぞれは、樹脂封止体8の厚さ方向(Z方向)において、樹脂封止体8の内外に亘って延伸している。第1主回路端子7a、第2主回路端子7b及び制御端子7cのそれぞれは、導電ピンからなる。
図2に示すように、第1主回路端子7aは、一端側が絶縁回路基板10の第1導電板12aにはんだ等の接合材16により電気的及び機械的に接続され、中間部が配線基板20の貫通孔25aを貫通し、他端側が樹脂封止体8の一方の主面から突出している。第2主回路端子7bは、一端側が絶縁回路基板10の第2導電板12bにはんだ等の接合材16により電気的及び機械的に接続され、中間部が配線基板20の貫通孔25bを貫通し、他端側が樹脂封止体8の一方の主面から突出している。
即ち、第1主回路端子7aは、接合材16、絶縁回路基板10の第1導電板12a及び接合材15を介して半導体チップ3のドレイン電極3dに電気的に接続されている。半導体チップ3のソース電極3sは、接合材16、第1導電ポスト5a、配線基板20の第1導電層22a及び第2導電層23a、第2導電ポスト5b、接合材16、絶縁回路基板10の第2導電板12b及び接合材16を介して第2主回路端子7bに電気的に接続されている。4つの半導体チップ3は、それぞれのソース電極3sが配線基板20の第1導電層22a及び第2導電層23aを介して互いに並列に接続されている。第1主回路端子7a及び第2主回路端子7bは、この本数に限定されないが、例えば2本ずつ設けられている。
図3に示すように、制御端子7cは、一端側が配線基板20の一方の主面側から配線基板20を貫通し、他端側が樹脂封止体8の一方の主面から突出している。即ち、制御端子7cは、配線基板20の第1ゲート配線22b及び第2ゲート配線23b、第3導電ポスト5c及び接合材16を介して半導体チップ3のゲート電極3gに電気的に接続されている。制御端子7cは、この本数に限定されないが、第1ゲート配線22b及び第2ゲート配線23bに対応して例えば2本設けられている。4つの半導体チップ3のそれぞれのゲート電極3gは、配線基板20の第1ゲート配線22b及び第2ゲート配線23bを介して互いに並列に接続されている。
図2及び図8に示すように、磁性層24は、第1導電ポスト5aとの接触を回避するため、第1導電ポスト5aが通過する部分に、第1導電ポスト5aの径よりも広い開口部24aを有し、磁性層24の開口部24aにおける側壁は第1導電ポスト5aから離間している。磁性層24は、第2導電ポスト5bとの接触を回避するため、第2導電ポスト5bが通過する部分に、第2導電ポスト5bの径よりも広い開口部24bを有し、磁性層24の開口部24bにおける側壁は第2導電ポスト5bから離間している。
図2及び図9に示すように、炭素層27は、第1導電ポスト5aとの接触を回避するため、第1導電ポスト5aが通過する部分に、第1導電ポスト5aの径よりも広い開口部27aを有し、炭素層27の開口部27aにおける側壁は第1導電ポスト5aから離間している。炭素層27は、第2導電ポスト5bとの接触を回避するため、第2導電ポスト5bが通過する部分に、第2導電ポスト5bの径よりも広い開口部27bを有し、炭素層27の開口部27bにおける側壁は第2導電ポスト5bから離間している。
<半導体装置の主回路電流>
次に、本発明の実施形態に係る半導体装置1の主回路電流の流れについて、図2、図3及び図6を参照して説明する。制御端子7cから配線基板20の第1ゲート配線22b及び第2ゲート配線23bを介して4つの半導体チップ3のそれぞれのゲート電極3gに制御電圧を印加することによって、4つの半導体チップ3のそれぞれのトランジスタ素子が通電状態となる。
主回路電流は、第1主回路端子7aから絶縁回路基板10の第1導電板12aを通り、4つの半導体チップ3のそれぞれのドレイン電極3dからそれぞれのソース電極3sへと4つの半導体チップ3内を垂直に流れる。更に、主回路電流は、4つの半導体チップ3のそれぞれのソース電極3sから、第1導電ポスト5aを介して配線基板20の第1導電層22a及び第2導電層23aを流れる。更に、主回路電流は、第2導電ポスト5b、絶縁回路基板10の第2導電板12bを通り、第2主回路端子7bへと流れる。
このとき、配線基板20では、主回路電流は第1導電層22a及び第2導電層23aの両方を流れるので、主回路電流の通電量を稼ぐことができる。また、主回路電流は、第1導電層22aでは矢印N1の方向に流れ、第2導電層23aでは矢印N2の方向に流れる。即ち、主回路電流は、第1導電層22a及び第2導電層23aの両方を同一方向(矢印N1及びN2)に流れる。
<実施形態の効果>
本発明の実施形態に係る半導体装置1において、主回路電流が高周波電流(パルス電流)の場合、第1導電層22a及び第2導電層23aの双方から磁界が発生し、この磁界の発生を抑制する方向に渦電流が発生する。渦電流は、第1導電層22a及び第2導電層23aの中心部を流れる電流とは反対向きであり、渦電流が第1導電層22a及び第2導電層23aの中心部を流れる電流を打ち消すため、第1導電層22a及び第2導電層23aの表面付近にのみ電流が流れる表皮効果が発生する。また、第1導電層22a及び第2導電層23aに流れる電流が同一方向であるため、第1導電層22a及び第2導電層23aの双方に発する磁場により反発し合い、近接していない外側へ電流が流れる近接効果が発生する。
ここで、従来の半導体装置のように、配線基板が単層の絶縁層を第1導電層及び第2導電層で挟んだ通常のプリント基板である場合には、上記表皮効果及び近接効果の影響により、図10に示すように、第1導電層及び第2導電層の回路抵抗が増大し、第1導電層及び第2導電層でのジュール熱が大きくなることが懸念される。
これに対して、本発明の実施形態に係る半導体装置1によれば、配線基板20の第1導電層22aと第2導電層23aとの間に、第1導電層22a及び第2導電層23aよりも比透磁率が高い磁性材料からなる磁性層24を設けている。これにより、第1導電層22a及び第2導電層23aの双方から発する磁界は磁性層24に取り込まれるため、表皮効果及び近接効果を抑制することができる。この結果、高周波領域における第1導電層22a及び第2導電層23aの回路抵抗が低減し、配線基板20の第1導電層22a及び第2導電層23aでのジュール発熱を抑制することができるので、第1導電層22a及び第2導電層23aの温度上昇を抑制することができる。この結果、配線基板20の小型化を図ることができ、ひいては半導体装置1の小型化を図ることができる。
更に、配線基板20の第1導電層22aと第2導電層23aとの間に、第1導電層22a及び第2導電層23aよりも熱伝導率が高い炭素層27を設けることにより、配線基板20に篭った熱を炭素層27を介して拡散させることができるので、配線基板20の放熱性(熱拡散性)を向上させることができる。よって、第1導電層22a及び第2導電層23aの温度上昇を抑制することができる。
更に、第1導電層22a及び第2導電層23aで発生する磁界を炭素層27が取り込み、近接効果及び表皮効果を更に抑制することができる。この結果、高周波領域における第1導電層22a及び第2導電層23aの回路抵抗が更に低減し、配線基板20の第1導電層22a及び第2導電層23aでのジュール発熱を更に抑制することができるので、第1導電層22a及び第2導電層23aの温度上昇を更に抑制することができる。
また、平面視における磁性層24の輪郭24m及び炭素層27の輪郭27mのそれぞれが、第1導電層22aの輪郭22a1及び第2導電層23aの輪郭23a1よりも外側に位置する場合、第1導電層22a及び第2導電層23aの外側に食み出た磁性層24及び炭素層27の部分が渦電流によりジュール発熱する。これに対して、実施形態の配線基板20では、平面視における磁性層24の輪郭24m及び炭素層27の輪郭27mのそれぞれが、第1導電層22aの輪郭22a1及び第2導電層23aの輪郭23a1と面一又は第1導電層22aの輪郭22a1及び第2導電層23aの輪郭23a1よりも内側に位置することにより、渦電流による磁性層24及び炭素層27のジュール発熱を抑制することができる。
図11は、実施形態に係る半導体装置1の実施例と、配線基板が単層の絶縁層を第1導電層及び第2導電層で挟んだ通常のプリント基板である比較例について、配線基板での発熱温度を測定した結果を示す。図11に示すように、配線基板での発熱温度は、実施例の方が比較例よりも明らかに低くなっている。したがって、実施形態に係る半導体装置1によれば、第1導電層22a及び第2導電層23aでのジュール発熱を抑制することができることが確かめられた。
(第1変形例)
本発明の実施形態の第1変形例に係る半導体装置1は、図12に示すように、磁性層24及び炭素層27の位置が逆となっている点が、図2に示した本発明の実施形態に係る半導体装置1と異なる。磁性層24の一方の主面は炭素層27の一方の主面と接し、磁性層24の他方の主面は第1絶縁層21aの一方の主面と接している。炭素層27の他方の主面は、第2絶縁層21bの一方の主面に接している。第1変形例に係る半導体装置1の他の構成は、本発明の実施形態に係る半導体装置1と同様であるので、重複した説明を省略する。
第1変形例に係る半導体装置1によれば、磁性層24及び炭素層27の位置が逆となっている場合でも、本発明の実施形態に係る半導体装置1と同様の効果を奏する。
(第2変形例)
本発明の実施形態の第2変形例に係る半導体装置1は、図13に示すように、第2絶縁層21bが無い点が、図2に示した本発明の実施形態に係る半導体装置1と異なる。磁性層24の他方の主面は、第2導電層23aに接している。第1導電層22a及び第2導電層23aの間には第1絶縁層21aが配置されているため、第1導電層22a及び第2導電層23aの間の絶縁は保持されている。第2変形例に係る半導体装置1の他の構成は、本発明の実施形態に係る半導体装置1と同様であるので、重複した説明を省略する。
第2変形例に係る半導体装置によれば、第2絶縁層21bが無く、磁性層24が第2導電層23aに接している場合でも、本発明の実施形態に係る半導体装置1と同様の効果を奏する。なお、図2に示した本発明の実施形態に係る半導体装置1において、第1絶縁層21aが無く、炭素層27の一方の主面が第1導電層22aに接している場合も同様の効果を奏する。
(第3変形例)
本発明の実施形態の第3変形例に係る半導体装置1は、図14に示すように、第2絶縁層21bが無いことに加え、磁性層24及び炭素層27の位置が逆となっている点が、図2に示した本発明の実施形態に係る半導体装置1と異なる。磁性層24の一方の主面は炭素層27の一方の主面と接し、磁性層24の他方の主面は第1絶縁層21aの一方の主面と接している。炭素層27の他方の主面は、第2導電層23aに接している。第3変形例に係る半導体装置1の他の構成は、本発明の実施形態に係る半導体装置1と同様であるので、重複した説明を省略する。
第3変形例に係る半導体装置1によれば、第2絶縁層21bが無く、磁性層24及び炭素層27が互いに逆の位置となっている場合でも、本発明の実施形態に係る半導体装置1と同様の効果を奏する。なお、図2に示した本発明の実施形態に係る半導体装置において、第1絶縁層21aが無く、磁性層24及び炭素層27が互いに逆の位置となり、磁性層24の他方の主面が第1導電層22aに接している場合も同様の効果を奏する。
(第4変形例)
本発明の実施形態の第4変形例に係る半導体装置1は、図15に示すように、磁性層24と炭素層27との間に第3絶縁層21dが配置されている点が、図2に示した本発明の実施形態に係る半導体装置1と異なる。炭素層27の周囲には、第4絶縁層21eが配置されている。磁性層24の周囲には、第5絶縁層21fが配置されている。第3絶縁層21d、第4絶縁層21e及び第5絶縁層21fは、例えばポリイミド樹脂からなる樹脂シートで形成されている。第4絶縁層21e及び第5絶縁層21fは、例えば絶縁性の接着材で形成してもよい。第4変形例に係る半導体装置1の他の構成は、本発明の実施形態に係る半導体装置1と同様であるので、重複した説明を省略する。
第4変形例に係る半導体装置1によれば、磁性層24と炭素層27との間に第3絶縁層21dが配置されている場合でも、本発明の実施形態に係る半導体装置1と同様の効果を奏する。
(第5変形例)
本発明の実施形態の第5変形例に係る半導体装置1は、図16に示すように、磁性層24及び炭素層27が互いに逆の位置となっていることに加え、磁性層24と炭素層27との間に第3絶縁層21dが配置されている点が、図2に示した本発明の実施形態に係る半導体装置1と異なる。磁性層24の周囲には、第4絶縁層21eが配置されている。炭素層27の周囲には、第5絶縁層21fが配置されている。第5変形例に係る半導体装置1の他の構成は、本発明の実施形態に係る半導体装置1と同様であるので、重複した説明を省略する。
第5変形例に係る半導体装置1によれば、磁性層24及び炭素層27が互いに逆の位置となり、磁性層24と炭素層27との間に第3絶縁層21dが配置されている場合でも、本発明の実施形態に係る半導体装置1と同様の効果を奏する。
(第6変形例)
本発明の実施形態の第6変形例に係る半導体装置1は、図17に示すように、複数の炭素層27,28が磁性層24を挟むように設けられている点が、図2に示した本発明の実施形態に係る半導体装置1と異なる。複数の炭素層27,28は、互いに同一の材料で構成してもよく、互いに異なる材料で構成してもよい。炭素層28の輪郭28mは、炭素層27の輪郭27mと一致しているが、これに限定されない。炭素層28には、第1導電ポスト5aとの接触を回避するように開口部28aが設けられている。第6変形例に係る半導体装置1の他の構成は、本発明の実施形態に係る半導体装置1と同様であるので、重複した説明を省略する。
第6変形例に係る半導体装置1によれば、複数の炭素層27,28が磁性層24を挟むように設けられている場合でも、本発明の実施形態に係る半導体装置1と同様の効果を奏する。なお、図2に示した本発明の実施形態に係る半導体装置1において、複数の磁性層24が炭素層27を挟むように配置されていてもよい。このように、炭素層27及び磁性層24は、互いに層数が異なっていてもよい。
(第7変形例)
本発明の実施形態の第7変形例に係る半導体装置1は、図18に示すように、複数の炭素層27,28が積層するように設けられている点が、図2に示した本発明の実施形態に係る半導体装置1と異なる。複数の炭素層27,28は、互いに同一の材料で構成してもよく、互いに異なる材料で構成してもよい。図18では2層の炭素層27,28を例示するが、3層以上の炭素層を有していてもよい。第7変形例に係る半導体装置1の他の構成は、本発明の実施形態に係る半導体装置1と同様であるので、重複した説明を省略する。
第7変形例に係る半導体装置1によれば、複数の炭素層27,28が積層するように設けられている場合でも、本発明の実施形態に係る半導体装置1と同様の効果を奏する。なお、図2に示した本発明の実施形態に係る半導体装置1において、複数の磁性層24が積層するように配置されていてもよい。
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は実施形態及び第1~第7変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、実施形態及び第1~第7変形例では、半導体チップ3に搭載されるトランジスタ素子として縦型MOSFETにである場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えばトランジスタ素子としてIGBTが搭載された半導体チップを有する半導体装置にも適用することができる。また、本発明は、トランジスタ素子を搭載した半導体チップと、整流素子を搭載した半導体チップとを有する半導体装置にも適用することができる。
また、実施形態及び第1~第7変形例では、半導体チップが実装された1つの絶縁回路基板10に第1導電ポスト5a、第2導電ポスト5b及び第3導電ポスト5cを介して配線基板20が支持された基板積層体2を有する半導体装置1について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば半導体チップが実装された2つの絶縁回路基板に導電ポストを介して配線基板が支持された基板積層体を有する半導体装置にも適用することができる。
また、実施形態及び第1~第7変形例では、磁性層24に開口部24a,24bを設けると共に、炭素層27に開口部27a,27bを設けることにより、第1導電ポスト5a及び第2導電ポスト5bとの接触を回避した場合について説明した。しかしながら、本発明はこれら限定されるものではなく、磁性層24の開口部24a,24b及び炭素層27に開口部27a,27bを省略し、配線基板20を貫通する第1導電ポスト5a及び第2導電ポスト5bに磁性層24及び炭素層27を接触させてもよい。この場合、スルーホール配線26を省略しても、磁性層24及び炭素層27を第1導電層22a及び第2導電層23aと同電位にすることができる。
また、実施形態及び第1~第7変形例がそれぞれ開示する構成を、矛盾の生じない範囲で適宜組み合わせることができる。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
1…半導体装置
2…基板積層体
3…半導体チップ
3d…ドレイン電極
3g…ゲート電極
3s…ソース電極
5a…第1導電ポスト
5b…第2導電ポスト
5c…第3導電ポスト
7c…制御端子
8…樹脂封止体
8a,8b…短辺
8c,8d…長辺
10…絶縁回路基板
11…絶縁板
11a,11b…短辺
11c,11d…長辺
12…導電板
13…放熱板
15,16…接合材
20…配線基板
20a,20b…短辺
20c,20d…長辺
21…絶縁板
22a…第1導電層
22a1…輪郭
22b…第1ゲート配線
23a…第2導電層
23a1…輪郭
23b…第2ゲート配線
24…磁性層
24a,24b…開口部
24m…輪郭
25a,25b…貫通孔
26…スルーホール配線
27,28…炭素層
27a,27b,28a…開口部
27m,28m…輪郭

Claims (17)

  1. 第1絶縁層と、前記第1絶縁層の一方の主面側に配置された第1導電層と、前記第1絶縁層の他方の主面側に配置された第2導電層と、前記第1絶縁層と前記第1又は第2導電層との間に配置され、前記第1及び第2導電層よりも比透磁率が高い磁性層と、前記第1絶縁層と前記第1又は第2導電層との間に配置され、前記第1及び第2導電層よりも少なくとも面方向の熱伝導率が高い炭素層と、を含む配線基板と、
    前記第1及び第2導電層に電気的に接続された半導体チップと、
    前記配線基板から離間して配置され、前記半導体チップを搭載した絶縁回路基板と、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記磁性層及び前記炭素層が互いに接することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記配線基板は、前記第1絶縁層と前記第2導電層との間に配置された第2絶縁層を更に含み、
    前記磁性層及び前記炭素層が、前記第1絶縁層と前記第2絶縁層との間に配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記磁性層及び前記炭素層の一方が前記第2絶縁層に接し、
    前記磁性層及び前記炭素層の他方が前記第1絶縁層に接する
    ことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記配線基板は、前記磁性層及び前記炭素層を囲むように配置された第3絶縁層を更に含むことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  6. 前記磁性層及び前記炭素層が、前記第1絶縁層と前記第2導電層との間に配置され、
    前記磁性層及び前記炭素層の一方が前記第2導電層に接し、
    前記磁性層及び前記炭素層の他方が前記第1絶縁層に接する
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  7. 前記配線基板は、
    前記第1絶縁層と前記第2導電層との間に配置された第2絶縁層と、
    前記第1絶縁層と前記第2絶縁層との間に配置された第3絶縁層と、
    を更に含み、
    前記磁性層及び前記炭素層の一方が、前記第1絶縁層と前記第3絶縁層との間に配置され、
    前記磁性層及び前記炭素層の他方が、前記第3絶縁層と前記第2絶縁層との間に配置される
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  8. 前記炭素層が、前記磁性層を挟むように複数配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  9. 前記炭素層が、互いに接するように複数配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  10. 前記第1及び第2導電層には、同一方向に電流が流れることを特徴とする請求項1~9のいずれか一項に記載の半導体装置。
  11. 前記第1及び第2導電層は、銅箔又は銅を主成分とする合金箔からなることを特徴とする請求項1~10のいずれか一項に記載の半導体装置。
  12. 前記磁性層の比透磁率は、5以上500000以下であることを特徴とする請求項1~11のいずれか一項に記載の半導体装置。
  13. 前記磁性層の厚さは、10μm以上50μm以下であることを特徴とする請求項1~12のいずれか一項に記載の半導体装置。
  14. 前記磁性層は、ステンレス箔、ニッケル箔、アモルファス箔、パーマロイ箔、ファインメット(登録商標)箔から選択されるいずれか1つであることを特徴とする請求項1~13のいずれか一項に記載の半導体装置。
  15. 前記炭素層が、グラファイト又はグラフェンからなることを特徴とする請求項1~14のいずれか一項に記載の半導体装置。
  16. 前記磁性層及び前記炭素層のそれぞれの外形サイズは、前記第1絶縁層の外形サイズよりも小さいことを特徴とする請求項1~15のいずれか一項に記載の半導体装置。
  17. 前記磁性層及び前記炭素層のそれぞれは、平面視における輪郭が前記第1及び第2導電層の輪郭と面一、又は前記第1及び第2導電層の輪郭よりも内側に位置していることを特徴とする請求項1~16のいずれか一項に記載の半導体装置。
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