JP4066644B2 - 半導体装置、半導体装置の配線方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の半導体素子が樹脂等のケースに封入された半導体装置及び半導体装置の配線方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
パワーモジュールは、スイッチング素子の大容量化、スイッチング周波数の高周波数化により、パワーモジュール内部の回路インダクタンスの低減が重要な課題となっている。
【0003】
回路インダクタンスの低減方法として、例えば、特開2001−102519号公報に、半導体素子の第1の電極と接続される第1電極パターンと、半導体素子の第2電極と接続される第2電極パターンとが形成されたパワー半導体モジュールにおいて、第2電極パターンの上部に、第1電極パターンと接続される第1電極配線導体と、第2電極パターンと接続される第2電極配線導体とを設けることで、回路の寄生インダクタンスを減らすことが提案されている。
【0004】
また、半導体モジュールの小型化、信頼性の向上、低コスト化を実現するために樹脂等のケースに外部接続端子を有する配線導体をインサート成形することが考えられている。
図5は、複数のMOSトランジスタ15が内蔵された半導体モジュール11の内部構造を示している。
【0005】
外部接続端子13と半導体素子15のソースを接続するための配線導体と、外部接続端子14と半導体素子15のドレインを接続するための配線導体とが樹脂ケース12にインサートされている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
特開2001−102519号公報に記載の発明においては、構造が複雑となり、組み付け工数が増大するという欠点がある。
図5に示す半導体モジュール11においては、外部接続端子14と外部接続端子13とが別の辺に設けられ、それぞれの辺に設けられたボンディング用のパッドを介して半導体素子15と接続される構造となっている。
【0007】
しかしながら、図5に示すような配線構造では、ドレイン電流が流れる電流通路とソース電流が流れる電流通路を平行に配置することができないので、回路の寄生インダクタンスを低減させることが困難である。
本発明の課題は、組み付け工数を増大させることなく、寄生インダクタンスを低減させることである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、複数の半導体素子がケースに封入された半導体装置であって、半導体素子の主電流が流れ、それぞれ一端に外部接続端子を有する第1及び第2の配線導体を、両者が平行に延出し、かつ第1及び第2の配線導体に流れる電流の向きがお互いに逆向きになるようにケースの外周辺にインサートし、前記半導体素子の第1の電極と接続される前記第1の配線導体の第1の接続部を前記ケースの外周辺における第1の辺から露出するように設け、前記半導体素子の第2の電極と接続される前記第2の配線導体の第2の接続部を前記ケースの外周辺における前記第1の辺と異なる辺から露出するように設けた。
【0009】
この発明によれば、第1の配線導体と第2の配線導体とを平行に延出させ、両者を流れる電流の方向を逆にすることで、第1及び第2の配線導体による寄生インダクタンスを減らすことができる。
上記の発明において、前記第1の配線導体の第1の外部接続端子を、樹脂ケースの外周部の第1の辺の端部近傍から前記樹脂ケースの外部に露出させ、前記第2の配線導体の第2の外部接続端子を、前記第1の辺と異なる外周部の辺から前記樹脂ケースの外部に露出させても良い。
【0010】
このように構成することで、第1の配線導体と第2の配線導体の樹脂ケースにインサートされた部分が平行に延出し、かつ平行に延出する部分を流れる電流の方向を逆向きにできる。これにより、例えば、第1の外部接続端子から流入する電流が、樹脂ケースにインサートされた第1の配線導体を通り、半導体素子の第1の電極に流入する。さらに、半導体素子の第2の電極から、第1の配線導体と平行に延出する第2の配線導体を通って第2の外部接続端子から外部に出力される。従って、第1の配線導体を流れる電流の方向と、第2の配線導体を流れる電流の方向が逆向きとなり、第1及び第2の配線導体の寄生インダクタンスを減らすことができる。
【0012】
上記の発明において、前記第1の配線導体の第1の外部接続端子を前記ケースの外周辺の一辺に設け、前記第2の配線導体の第2の外部接続端子を前記ケースの外周辺以外の部分に設けた。
【0013】
このように構成することで、外部接続端子を樹脂ケース等の外周以外の位置に設けることができるので、半導体装置と接続される外部回路の配線の自由度が増える。
上記の発明において、前記第1の配線導体と前記第2の配線導体の延出する面を、前記ケースの底面と平行に、かつ両者の延出する面が対向するようにしても良い。
【0014】
このように構成することで、第1の配線導体と第2の配線導体とによる寄生インダクタンスをさらに減らすことができる。
上記の発明において、前記第1の配線導体と第2の配線導体が平行に延出する面を、前記ケースの底面に対して立設させても良い。
【0015】
このように構成することで、半導体装置の寄生インダクタンスを減らし、小型化を実現できる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態のパワー半導体モジュール(半導体装置)21の内部構造を示す図である。
【0017】
第1の実施の形態のパワー半導体モジュール(以下、半導体モジュールという)21は、MOSトランジスタからなる6個の半導体素子23a〜23cが内蔵され、半導体素子23a〜23cのドレイン電極と接続されるドレイン電極配線導体24と、ソース電極と接続されるソース電極配線導体25とが樹脂等からなるケース22と一体にインサート成形されている。
【0018】
この実施の形態では、ドレイン電極、ソース電極とは、半導体素子23a〜23cのドレイン、ソース、または、それらのワイヤボンディング用の接続領域、あるいは半導体素子23a〜23cと直接接続された導体層またはワイヤ、金属板等により接続された導体層に設けられたワイヤボンディング用の接続領域などを指している。
【0019】
ドレイン電極配線導体24は、ケース22の外周部の1辺22aにインサートされており、一端が辺22aの右端部近傍の上部から外部に延出(露出)して外部接続端子24aを形成している。
また、ドレイン電極配線導体24の他端は、平板状の形状で、ケース22の外周部の辺22aに沿って延出している。辺22aに沿って延出するドレイン電極配線導体24は、ケース22の段部の下段で露出し接続部24bを形成している。接続部24bは、半導体素子23a〜23cのドレイン電極と接続されている基板の導体層26とワイヤボンディングにより接続される。
【0020】
ソース電極配線導体25は、ケース22の辺22a及び辺22cにインサートされており、一端がケース22の辺22cの左端部近傍で外部に延出して外部接続端子25aを形成している。ソース電極配線導体25の他端は、平板状の形状で、ドレイン電極配線導体24と平行に延出している。また、ソース電極配線導体25は、辺22aの段部の上段で露出し、半導体素子23a〜23cのソース電極と接続される接続部25bを形成している。
【0021】
ケース22の段部の下段に形成されるドレイン電極配線導体24の接続部24bは、上段のソース電極配線導体25の接続部25bの端面より右側、つまり半導体素子23a〜23cとの距離が短くなる位置に設けられている。従って、半導体素子23a〜23cのドレイン電極及びソース電極とのワイヤボンディングを、半導体素子23a〜23cの上方から見てワイヤが重なる位置で行う場合でも、先に下段の接続部24bとドレイン電極とをワイヤボンディングした後、当該ボンディングワイヤを跨ぐように上段の接続部25bとソース電極とのワイヤボンディングをすることができるため、下部のワイヤが上部のワイヤのボンディング作業の妨げにならない。
【0022】
ケース22の段部の上段のソース電極配線導体25と下段のドレイン電極配線導体24の露出していない部分は、樹脂等のケース22により確実に絶縁されている。
ここで、上記のような構成の半導体モジュール21の内部を流れる電流の方向について説明する。
【0023】
今、ドレイン電極配線導体24の外部接続端子24aからソース電極配線導体25の外部接続端子25aの方向に電流が流れるとすると、外部接続端子24aから流入する電流は、ケース22の下側の段部に沿って延出する接続部24bを通り、さらに、基板の導体層26を通り半導体素子23a〜23cのドレイン電極に流入する。ドレイン電極に流入した電流は、半導体素子23a〜23cのソース電極から、ドレイン電極配線導体24の接続部24bと平行に延出するソース電極配線導体25の接続部25bを通り、外部接続端子25aから外部に出力される。
【0024】
すなわち、ドレイン電極配線導体24の外部接続端子24aから流入する電流は、辺22aと平行に延出するドレイン電極配線導体24の接続部24bを、図1の下方向に流れ半導体素子23a〜23cのドレイン電極に流入する。そして、半導体素子23a〜23cのソース電極から流れ出す電流は、ソース電極配線導体25の接続部25bを、図1の上方向に流れ、外部接続端子25aから外部に流出する。
【0025】
この第1の実施の形態は、ドレイン電極配線導体24とソース電極配線導体25をケース22にインサートし、ドレイン電極配線導体24の外部接続端子24aを辺22aの端部近傍に設け、ドレイン電極配線導体24とソース電極配線導体25とをケース22の辺22aに平行に延出させることで、ドレイン電極配線導体24を流れる電流の方向と、ソース電極配線導体25を流れる電流の方向を逆向きにすることができる。
【0026】
これにより、ドレイン電極配線導体24を流れる電流とソース電極配線導体25に流れる電流とにより発生する磁束が互いに打ち消されるので、半導体モジュール22内部の寄生インダクタンスを減らすことができる。
本実施の形態においては、下段の接続部24bとドレイン電極とを接続し、上段の接続部25bとソース電極とを接続したが、これに限られるものではなく、下段の接続部とソース電極、上段の接続部とドレイン電極とをそれぞれ接続するようにしてもよい。
【0027】
次に、図2は、本発明の第2の実施の形態の半導体モジュール31の内部構造を示す図である。
第2の実施の形態は、ドレイン電極配線導体34が、ケース32の外周部の辺32aと手前側の辺32cにインサートされ、ソース電極配線導体35が、ケース32の外周部の辺32bと辺32aにインサートされている。
【0028】
ドレイン電極配線導体34は、一端がケース32の1辺32aの右端部近傍の上部から外部に延出して外部接続端子34aを形成している。ドレイン電極配線導体34の他端は、平板状の形状で、辺32aに沿って延出して中間部34bを形成し、さらに辺32aと手前側の辺32cとの交わる隅の部分で略90°曲げられて辺32cに沿って延出し、ケース32cの段部で露出して接続部34cを形成している。上記の接続部34cは、半導体素子23a〜23cのドレイン電極と接続された基板の導体層36とワイヤにより接続される。
【0029】
すなわち、ドレイン電極配線導体34の接続部34cは、後述するソース電極配線導体35の外部接続端子35aの設けられる辺32bと対向する辺32cに設けられている。
ソース電極配線導体35の一端は、ケース32の辺32bの略中央部の上部から外部に延出して外部接続端子35aを形成している。また、ソース電極配線導体35の他端は、平板状または四角柱状の形状で、ドレイン電極配線導体34の中間部34bの上方に平行に延出して半導体素子23a〜23cのソース電極と接続される接続部35bを形成している。
【0030】
ここで、上記のような構成の半導体モジュール31内部を流れる電流について説明する。
今、ドレイン電極配線導体34の外部接続端子34aからソース電極配線導体35の外部接続端子35aの方向に電流が流れるとすると、外部接続端子34aから流れ込んだ電流は、ケース32の段部の下段に沿って延出するドレイン電極配線導体34の接続部34cから導体層36に流入する。導体層36に流入した電流は、半導体素子23a〜23cのドレイン電極に流入し、半導体素子23a〜23cのソース電極からソース電極配線導体35の接続部35bを通り、外部接続端子35aから出力される。
【0031】
すなわち、ドレイン電極の外部接続端子34aから流入する電流は、辺32aと平行に延出するドレイン電極配線導体34の中間部34bを、図2の下方向に流れ、90°曲がった接続部34cから半導体素子23a〜23cのドレイン電極に流入する。半導体素子23a〜23cのドレイン電極に流入した電流は、ソース電極を通り、ドレイン電極配線導体34と平行に延出するソース電極配線導体35の接続部35bを、図2の上方向に流れ、外部接続端子35aから外部に流出する。
【0032】
この第2の実施の形態は、ドレイン電極配線導体34の外部接続端子34aをケース32の辺32aの右端部近傍から外部に延出させ、ソース電極配線導体35の外部接続端子35aを、辺32aの左側の辺32bから外部に延出させ、さらに、ドレイン電極配線導体34とソース電極配線導体35とを平行に延出させることで、辺32aにおいて、ドレイン電極配線導体34を流れる電流と、ソース電極配線導体35を流れる電流の向きを逆にすることができる。
【0033】
これにより、ドレイン電極配線導体34とソース電極配線導体35に流れる電流により発生する磁束が相殺されるので、半導体モジュール31内部の寄生インダクタンスを減少させることができる。
また、ドレイン電極配線導体34の接続部34cを、ソース電極配線導体35の接続部35bの設けられている辺32aとは異なる辺32cに設けることで、接続部34cと導体36(半導体素子23a〜23cのドレインと接続されている)との間のワイヤボンディングと、接続部35bと半導体素子23a〜23cのソース電極との間のワイヤボンディングを離れた位置で行うことができ、ボンディング作業の制約を少なくできる。
【0034】
次に、図3は、第3の実施の形態の半導体モジュールの内部構造を示す図である。
第3の実施の形態も、ドレイン電極配線導体44とソース電極配線導体45は、インサート成形によりケース42と一体に構成されている。
【0035】
ドレイン電極配線導体44はケース42の外周部の辺42aにインサートされており、一端がケース42の1辺42aの上部から外部に延出して外部接続端子44aを形成している。ドレイン電極配線導体44の他端は、平板状の形状で、辺42aに沿って延出し、ケース42の段部で露出して接続部44bを形成している。上記の接続部44bは、半導体素子23a〜23cのドレイン電極と接続された基板の導体層46とワイヤ等により接続される。
【0036】
ソース電極配線導体45は、ケース42の外周部の辺42aにインサートされ、一端が、ケース42の底面と平行に、辺42aと直交する方向に延出し、さらに底面に対して鉛直上方向に外部に延出して外部接続端子45aを形成している。なお、外部接続端子45aは、ワイヤボンディング時には底面に対して鉛直上方に形成されており、ワイヤボンディング後にワイヤボンディング部上方に折り曲げられるため、実際には外部接続端子45aがワイヤボンディング作業の妨げとなることはない。
【0037】
ソース電極配線導体45の他端は、平板状または四角柱状の形状で、ドレイン電極配線導体44の上方に平行に延出して半導体素子23a〜23cのソース電極と接続される接続部45bを形成している。
この第3の実施の形態も、前述した第1の実施の形態と同様に、外部接続端子44aから流入する電流が、辺42aと平行に延出するドレイン電極配線導体44の接続部44bを、図3の下方向に流れ、半導体素子23a〜23cのドレイン電極に流入する。そして、半導体素子23a〜23cのソース電極から流出する電流が、ソース電極配線導体45の接続部45bを、図3の上方向に流れ、外部接続端子45aから外部に流出する。
【0038】
従って、辺42aにおいて、ドレイン電極配線導体44を流れる電流とソース電極配線導体45を流れる電流の向きが逆向きとなるので、電流により発生する磁束が相殺される。これにより、半導体モジュール41内部の寄生インダクタンスを減らすことができる。さらに、第3の実施の形態では、外部接続端子45aの位置が、ケース42の外周部に限定されないので、外部回路の接続部の配置に合わせて外部接続端子45aの位置を変更することができる。更に、半導体モジュール41を小型にすることもできる。
【0039】
なお、ソース電極配線導体45の外部接続端子45aを外周部の辺に配置し、ドレイン側の外部接続端子44aを外周以外の位置に配置しても良い。あるいは、ワイヤボンディングの妨げとならないようにスペースが確保できる場合には、両方の外部接続端子をケース42の外周部以外の位置に配置することもできる。
【0040】
次に、図4は、本発明の第4の実施の形態の半導体モジュールの内部構造を示す図である。
第4の実施の形態も、ドレイン電極配線導体54とソース電極配線導体55は、インサート成形によりケース52と一体に構成されている。
【0041】
ドレイン電極配線導体54はケース52の外周部の辺52aと52cにインサートされており、一端が辺52aの右端部近傍の上部から外部に延出して外部接続端子54aを形成している。ドレイン電極配線導体54の他端は、辺52a及び52cに沿って延出し、辺52aに沿う部分では板状であり、ケース52の底面に対して垂直に立設されている一方、辺52cに沿う部分では断面が略L字状の形状になっている。そして、辺52cの段部でL字状の下部が露出して接続部54cを形成している。上記の接続部54cは、半導体素子23a〜23cのドレイン電極と接続された基板の導体層56とワイヤ等により接続される。
【0042】
ソース電極配線導体55は、ケース52の外周部の辺52aと辺52bにインサートされ、一端は辺52bの略中央の上部の位置で外部に延出して外部接続端子55aを形成している。ソース電極配線導体55の他端は、断面が略L字状の形状でケース52の底面に対して垂直に立設し、ドレイン電極配線導体54と平行に延出し、段部で露出して接続部55bを形成している。当該接続部55bは、半導体素子23a〜23cのソース電極と接続される。
【0043】
第4の実施の形態の半導体モジュール51の内部を流れる電流は、基本的には前述した第2の実施の形態と同様である。
すなわち、ドレイン電極配線導体54の外部接続端子54aから流入する電流は、ケース52の辺52a及び辺52cに沿って延出するドレイン電極配線導体54の接続部54cを通り導体層56に流れ込む。導体層56に流入した電流は、半導体素子23a〜23cのドレイン電極に流入し、半導体素子23a〜23cのソース電極から、ケース52の側面及び底面に沿って延出するソース電極配線導体55の接続部55bを通り、外部接続端子55aから外部に流出する。
【0044】
従って、辺52aと平行に延出するドレイン電極配線導体54には、図4の下方向に電流が流れ、ドレイン電極配線導体54と平行に延出するソース電極配線導体55には、ドレイン電極配線導体54に流れる電流とは逆向きの電流(図4の上方向に流れる電流)が流れる。
【0045】
これにより、ドレイン電極配線導体54を流れる電流と、ソース電極配線導体55を流れる電流により発生する磁束が互いに打ち消されるので、半導体モジュール51内部の寄生インダクタンスを減少させることができる。また、ドレイン電極配線導体54と導体層56との間のワイヤボンディングと、ソース電極配線導体55と半導体素子23a〜23cとの間のワイヤボンディングを、ケース52の異なる辺で行うことができるのでボンディング作業の制約条件が少なくなる。また、ドレイン電極配線導体54とソース電極配線導体55の対向する面が、ケース52の底面に対して垂直な方向となっているので、ドレイン電極配線導体54及びソース電極配線導体55のケース52の底面積に占める割合を少なくできる。
【0046】
本発明は、上述した実施の形態に限らず、以下のように構成することもできる。
(a)ドレイン電極配線導体24,34,44及び54の外部接続端子24a、34a、44a及び54aと、ソース電極配線導体25,35,45及び55の外部接続端子25a、35a、45a及び55aは、ケースの右側または左側の隣接する辺に限らず相対する辺に設けても良い。その場合も、ドレイン電極配線導体24,34,44及び54とソース電極配線導体25,35,45及び55が平行となるように延出させれば良い。
(b)ドレイン電極配線導体24,34,44及び54と、ソース電極配線導体25,35,45及び55の配置は、実施の形態のものに限らず、両者の配置を逆にしても良い。
(c)本発明は、MOSトランジスタに限らず、バイポーラトランジスタ、サイリスタ、GTO、IGBT等の他のスイッチング素子を用いる半導体モジュールにも適用できる。
(d)各端子は必ずしもケース辺の上面から突出させる必要はなく、例えばケース外側側面から側方に延出させてもよいし、更に上方へ曲げてもよい。或いは、ケース内側側面から側方に延出させてもよく、更に上方へ曲げてもよい。
(e)第1の実施の形態又は第3の実施の形態のように、階段状の接続部を設けている場合には、必ずしも上部ワイヤと下部ワイヤを重ねる必要はなく、一方を横にずらして重ならないようにしてもよい。この場合にはワイヤボンディングの順序の自由度が上がる。
【0047】
【発明の効果】
本発明によれば、第1の配線導体と第2の配線導体とを平行に延出させ、両者の電流の方向を逆にすることで、第1及び第2の配線導体による寄生インダクタンスを減らすことができる。また、ワイヤボンディング作業の制約を少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態の半導体モジュールの内部構造を示す図である。
【図2】第2の実施の形態の半導体モジュールの内部構造を示す図である。
【図3】第3の実施の形態の半導体モジュールの内部構造を示す図である。
【図4】第4の実施の形態の半導体モジュールの内部構造を示す図である。
【図5】従来の半導体モジュールの内部構造を示す図である。
【符号の説明】
11,21,31,41,51 半導体モジュール
23a〜23c 半導体素子
24、34,44,54 ドレイン電極配線導体
24a、34a、44a、54a ドレイン電極配線導体の外部接続端子
24b、34c、44b、54c ドレイン電極配線導体の接続部
25,35,45,55 ソース電極配線導体
25a、35a、45a、55a ソース電極配線導体の外部接続端子
25b、35b、45b、55b ソース電極配線導体の接続部
Claims (7)
- 複数の半導体素子がケースに封入された半導体装置であって、
半導体素子の主電流が流れ、それぞれ一端に外部接続端子を有する第1及び第2の配線導体を、両者が平行に延出し、かつ第1及び第2の配線導体に流れる電流の向きがお互いに逆向きになるようにケースの外周辺にインサートし、
前記半導体素子の第1の電極と接続される前記第1の配線導体の第1の接続部を前記ケースの外周辺における第1の辺から露出するように設け、前記半導体素子の第2の電極と接続される前記第2の配線導体の第2の接続部を前記ケースの外周辺における前記第1の辺と異なる辺から露出するように設けたことを特徴とする半導体装置。 - 前記ケースは樹脂ケースであって、
前記第1の配線導体の第1の外部接続端子を、前記樹脂ケースの外周辺の一辺の端部近傍から前記樹脂ケースの外部に露出させ、前記第2の配線導体の第2の外部接続端子を、前記樹脂ケースの前記第1の外部接続端子が設けられた辺と異なる辺から前記樹脂ケースの外部に露出させた請求項1記載の半導体装置。 - 前記第1の配線導体の第1の外部接続端子を前記ケースの外周辺の一辺に設け、前記第2の配線導体の第2の外部接続端子を前記ケースの外周辺以外の部分に設けた請求項1記載の半導体装置。
- 前記第1の配線導体と前記第2の配線導体の平行に延出する面を、前記ケースの底面と平行に、かつ両者の延出する面が対向するようにした請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記第1の配線導体と前記第2の配線導体が平行に延出する面を、前記ケースの底面に対して立設させた請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 複数の半導体素子がケースに封入された半導体装置の配線方法であって、
半導体素子の主電流が流れ、それぞれ一端に外部接続端子を有する第1及び第2の配線導体を、両者が平行に延出し、かつ第1及び第2の配線導体に流れる電流の向きがお互いに逆向きになるようにケースの外周辺にインサートし、
前記ケースの外周辺における第1の辺から露出するように設けた前記第1の配線導体の第1の接続部と前記半導体素子の第1の電極とをワイヤボンディングにより接続し、前記ケースの外周辺における前記第1の辺と異なる辺から露出するように設けた前記第2の配線導体の第2の接続部と前記半導体素子の第2の電極とをワイヤボンディングにより接続することを特徴とする半導体装置の配線方法。 - 前記ケースは樹脂ケースであって、
前記第1の配線導体の第1の外部接続端子を、前記樹脂ケースの外周辺の一辺の端部近傍から前記樹脂ケースの外部に露出させ、前記第2の配線導体の第2の外部接続端子を、前記樹脂ケースの前記第1の外部接続端子が設けられた辺と異なる辺から前記樹脂ケースの外部に露出させた請求項6記載の半導体装置の配線方法。
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