JP4108909B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、パワー半導体モジュール等の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来のパワー半導体モジュールの概略構成を示す説明図であり、図５における(a)，(b)及び(c)は、それぞれ平面図、縦断面図及び裏面図を示している。このパワー半導体モジュールでは、収納空間２４において、パワー半導体素子である複数のシリコンチップ３が絶縁セラミック基板１１（基板本体１１ａとその表裏面に銅等で形成された回路パターン１１ｂとの３層構造）の表主面の回路パターン１１ｂ上に半田１８によって半田付けされて、樹脂製のケース２内に収納されている。ケース２には、外部接続端子１がインサートされ、ケース底部にはヒートシンクとして機能する銅ベース板１７が配置されており、その銅ベース板１７の上に絶縁セラミック基板１１の裏主面の回路パターン１１ｂが半田１８によって半田付けされ、各シリコンチップ３と外部接続端子１とがワイヤ１３で接続されている。そして、収納空間２４にシリコンゲル２３が充填され、さらにその上部がエポキシ樹脂１４で封止され、収納空間２４の上部が蓋体２５で閉じられる。なお、３１はパワー半導体素モジュール自体の取り付け穴である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のパワー半導体モジュールのように、絶縁セラミック基板１１上に複数のシリコンチップ３を半田付けする構成では、それらシリコンチップ３のうち一つだけが不良となった場合でも、モジュール全体を不良品としなければならず、多くの正常なシリコンチップ３を無駄にしてしまうという問題点があった。
【０００４】
また、多くのシリコンチップ３を一つの絶縁セラミック基板１１上に搭載すると、絶縁セラミック基板１１のサイズが大きくなり、基板割れ、半田ボイド不良の発生が高くなるという問題点もあった。
【０００５】
この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、一部のパワー半導体素子が不良となっても、そのパワー半導体素子を含む必要最小限の取り替え作業だけで良品とすることができる半導体装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る請求項１記載の本願発明は、外部接続端子が設けられたケース内に複数のパワー半導体素子を収納してなる半導体装置であって、前記複数のパワー半導体素子のうち、少なくとも一部のパワー半導体素子それぞれを専用の樹脂パッケージで封止し、前記樹脂パッケージから露出した端子を前記ケース内で前記外部接続端子に接続し、前記ケース内における前記樹脂パッケージから露出した端子と前記外部接続端子との接続をねじ止めによって行っている。
【０００７】
また、請求項２の発明は、請求項１記載の半導体装置であって、前記複数のパワー半導体素子すべてを２以上の前記樹脂パッケージに分けて封止している。
【０００８】
また、請求項３の発明は、請求項１記載の半導体装置であって、前記複数のパワー半導体素子は、前記樹脂パッケージで封止されずに所定の基板の表面上に実装されたパワー半導体素子を含み、ヒートシンクを前記所定の基板の裏面に当接させている。
【０００９】
また、請求項４の発明は、請求項３記載の半導体装置であって、前記ヒートシンクは前記樹脂パッケージにさらに当接される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。なお、図５に示す従来例と同一または同等の部材には一部同一符号を付している。
【００１２】
＜実施の形態１＞
図１は、この発明の実施の形態１である半導体装置の概略の構成を示す説明図であり、図１の(a)，(b)及び(c)は、それぞれ一部破断した平面図、縦断面図及び裏面図を示している。実施の形態１の半導体装置は、外部接続端子１をインサートした樹脂製のケース２内に、パワー半導体素子である複数のシリコンチップを収納して構成されるパワー半導体モジュールである。
【００１３】
図２は樹脂パッケージの概略の構成を示す説明図であり、図２の(a)，(b)及び(c)は、それぞれ一部破断した平面図、縦断面図及び裏面図を示している。各シリコンチップ３は、図２に示すように、２つのディスクリートタイプの樹脂パッケージ４に分けて封止される。
【００１４】
すなわち、一つまたは複数のシリコンチップ３が、絶縁セラミック基板１１（基板本体１１ａとその表裏面に銅等で形成された回路パターン１１ｂとの３層構造）の表主面上に形成された回路パターン１１ｂに半田１８による半田付けにより実装され、その絶縁セラミック基板１１の裏主面がヒートシンクである銅ベース板１２に半田１８によって半田付けされる。さらに、絶縁セラミック基板１１の主表面上の回路パターン１１ｂに端子５が半田１８によって半田付けされ、各シリコンチップ３と端子５とがワイヤ１３及び回路パターン１１ｂによって電気的に接続された後で、シリコンチップ３を搭載した絶縁セラミック基板１１及び端子５を含む銅ベース板１２上の主要部がエポキシ樹脂１４によって封止され、樹脂パッケージ４とされる。
【００１５】
このようにして、複数のシリコンチップ３が、ここでは２つの樹脂パッケージ４に分けて封止され、図１に示すように、各樹脂パッケージ４から露出した端子５は、対応する外部接続端子１にねじ６により接続される。また、各樹脂パッケージ４は、ケース２の底部にねじ７により固定されている。さらに、ケース２の底部の樹脂パッケージ４が配置される部分には、放熱用窓８が開口させてあり、ケース２の上部開口９は蓋体１０によって閉じられる。なお、３１は実施の形態１の半導体装置自体の取り付け穴である。
【００１６】
このような構成としたパワー半導体モジュールでは、一方の樹脂パッケージ４に封止されているシリコンチップ３に不良があった場合、該当する樹脂パッケージ４を同一機能の新たな樹脂パッケージ４と取り替えることにより良品とすることができるので、製品の不良率を大幅に低減できる。また、もう一方の樹脂パッケージ４やケース２を無駄にすることなく、そのまま使用することができる。
【００１７】
このように、実施の形態１の半導体装置は、樹脂パッケージ４単位の取り替え作業という、必要最小限の取り替え作業によって良品とすることができる。
【００１８】
また、樹脂パッケージ４から露出するシリコンチップ３用の端子５と外部接続端子１とはねじ６で接続され、樹脂パッケージ４そのものも、例えばその銅ベース板１２のねじ孔１５などを利用してねじ７でケース２に固定されているので、前記取替え作業を汎用工具を用いて簡単かつ迅速に行うことができる。さらに、樹脂パッケージ４を種類の異なる別の樹脂パッケージ４と交換することもできるので、ケース２をそのまま利用して特性の異なるパワー半導体モジュールを容易に作製することができる。
【００１９】
加えて、複数のシリコンチップ３が２つの樹脂パッケージ４に分けて封止されるため、複数のシリコンチップ３を１つの絶縁セラミック基板１１上に搭載する従来構造に比べ、絶縁セラミック基板１１のサイズを小さくすることができるため、基板割れ、半田ボイド不良の発生の低減化を図ることができる。
【００２０】
＜実施の形態２＞
図３はこの発明の実施の形態２である半導体装置の概略の構成を示す説明図であり、図３の(a)，(b)及び(c)は、それぞれ一部破断した平面図、縦断面図及び裏面図を示している。実施の形態２の半導体装置も、外部接続端子１をインサートした樹脂製のケース２内に、パワー半導体素子である複数のシリコンチップを収納して構成されるパワー半導体モジュールである。
【００２１】
このパワー半導体モジュールでは、外部接続端子１をインサートした樹脂製のケース２内を２つの収納空間２１，２２に区分して、一方の収納空間２１には、実施の形態１で示した一つの樹脂パッケージ４を収納し、他方の収納空間２２には、樹脂パッケージ４で封止しない複数のシリコンチップ３を収納している。なお、樹脂パッケージ４で封止しないシリコンチップ３には、樹脂パッケージ４で封止するシリコンチップ３よりも発熱量が大きいものが含まれる。
【００２２】
収納空間２１内への樹脂パッケージ４の収納構造は、図１及び図２で示した実施の形態１の場合と同様であり、ここではその説明を省略する。収納空間２２へのシリコンチップ３の収納は、図５で示した従来例の場合と同様である。すなわち、複数のシリコンチップ３は、絶縁セラミック基板１１の表主面上に形成された回路パターン１１ｂに半田１８による半田付けにより実装され、その絶縁セラミック基板１１が収納空間２２内に収納されている。収納空間２２の底部にはヒートシンクである銅ベース板１９が設置され、絶縁セラミック基板１１の裏主面が半田１８による半田付けにより銅ベース板１９に当接させてある。
【００２３】
また、絶縁セラミック基板１１上のシリコンチップ３，３間や、シリコンチップ３と対応する外部接続端子１との間や、絶縁セラミック基板１１上の回路パターン１１ｂと対応する外部接続端子１との間がワイヤ１３で接続される。このように、絶縁セラミック基板１１を収納空間２２に収納した後に、その収納空間２２にはシリコンゲル２３が充填され、さらにその上部がエポキシ樹脂１４で封止され、最後にその収納空間２２の上部開口２９が蓋体３０で閉じられる。なお、図３の(a)では、収納空間２２内にシリコンゲル２３やエポキシ樹脂１４を充填しない状態を示している。
【００２４】
このパワー半導体モジュールでも、樹脂パッケージ４で封止したシリコンチップ３に不良があった場合には、その樹脂パッケージ４を取り替えることができるので、製品の不良率を低減できる。
【００２５】
また、このパワー半導体モジュールでは、樹脂パッケージ４で封止されず、樹脂パッケージ４に含まれるシリコンチップ３よりも発熱量の大きいシリコンチップ３を搭載した絶縁セラミック基板１１の裏主面を、半田１８による半田付けにより収納空間２２の底部に設置されたヒートシンクである銅ベース板１９の表面に当接させて接続している。
【００２６】
したがって、実施の形態２の半導体装置では、樹脂パッケージ４で封止されたシリコンチップ３と樹脂封止されずに絶縁セラミック基板１１上に実装されたシリコンチップ３とをケース２の収納空間２１，２２内にそれぞれ混在させることにより、設計自由度の向上を図ることができる。
【００２７】
また、樹脂封止されずに絶縁セラミック基板１１上に実装されたシリコンチップ３からの発熱は、銅ベース板１９を介した放熱作用によって効率良く放熱することができる。図３の(c)に示すように、銅ベース板１９の表面積は、樹脂パッケージ４の銅ベース板１２の表面積に比べて十分広く形成されているため、発熱量の大きい収納空間２２内のシリコンチップ３からの発熱を銅ベース板１９によって効率良く放熱できる。
【００２８】
＜実施の形態３＞
図４はこの発明の実施の形態３でよる半導体装置の概略の構成を示す説明図であり、図４の(a)，(b)及び(c)は、それぞれ一部破断した平面図、縦断面図及び裏面図を示している。実施の形態３の半導体装置も、外部接続端子１をインサートした樹脂製のケース２内に、パワー半導体素子である複数のシリコンチップ３を収納して構成されるパワー半導体モジュールである。
【００２９】
このパワー半導体モジュールでは、実施の形態２のパワー半導体モジュールにおいて、収納空間２１に収納される樹脂パッケージ４と、収納空間２２に収納されるシリコンチップ３とに共通のヒートシンクである共通銅ベース板１６を、ケース２の底部の全域にわたって設置している。
【００３０】
すなわち、シリコンチップ３を搭載した収納空間２２内の絶縁セラミック基板１１の裏主面を、共通銅ベース板１６の表面に半田１８による半田付けにより当接させて接続すると共に、収納空間２１内の樹脂パッケージ４も同じ共通銅ベース板１６の表面に当接させ、ねじ２７を用いたねじ止めにより接続している。その他の構成は、実施の形態２の場合と同様である。
【００３１】
図４の(c)に示すように、共通銅ベース板１６の表面積はケース２の底面積に相当する十分広い形成面積を有しており、放熱作用が格段に優れているため、収納空間２１及び収納空間２２のいずれのシリコンチップ３からの発熱も効率良く放熱できる。
【００３２】
また、ヒートシンクである共通銅ベース板１６が収納空間２１の樹脂パッケージ４と収納空間２２の絶縁セラミック基板１１との間で共通化されるので、組立が簡単になる。
【００３３】
＜その他＞
なお、前記各実施の形態では、樹脂パッケージ４から露出した端子５と外部接続端子１との接続をねじ止めにより行う場合を示したが、これに限らず、リード線や半田付けにより接続しても良い。また、樹脂パッケージ４も、前記各実施の形態の場合のように、ケース２にねじ７で固定する場合に限らず、その他の態様によって、ケース２内に安定良く収納するようにしても良い。
【００３４】
前記各実施の形態は、複数のシリコンチップ３のうち一部のシリコンチップ３が当該一部のシリコンチップ３に専用の樹脂パッケージ４で封止された例を示しており、実施の形態１では複数のシリコンチップ３のすべてが２つの樹脂パッケージ４に分けて封止された例を示し、実施の形態２及び実施の形態３では、複数のシリコンチップ３の一部のみが一つの樹脂パッケージ４で封止された例を示している。
【００３５】
また、前記各実施の形態では、複数のシリコンチップ３の一部を樹脂パッケージ４に封止する例として、２以上のシリコンチップ３を一つの樹脂パッケージ４で封止した例を示したが、一つのシリコンチップ３を一つの樹脂パッケージ４で封止する構成も考えられる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明における請求項１記載の半導体装置は、複数のパワー半導体素子の一部のパワー半導体素子を当該一部のパワー半導体素子専用の樹脂パッケージで封止し、樹脂パッケージから露出したパワー半導体素子用の端子をケース内で外部接続端子に接続したため、樹脂パッケージに封止されている一部のパワー半導体素子に不良があった場合でも、一部のパワー半導体素子に専用の樹脂パッケージを同一機能の新たな樹脂パッケージと取り替えるという、必要最小限の取り替え作業によって良品とすることができる。その結果、製品としての不良率を大幅に低減できる。
加えて、請求項１記載の半導体装置は、樹脂パッケージから露出した端子と外部接続端子との接続をねじ止めにより行っているため、樹脂パッケージの取り替え作業を簡単に行うことができる。
【００３７】
請求項２記載の半導体装置は、２以上の樹脂パッケージのうち一部の樹脂パッケージに封止されているシリコンチップに不良があった場合、該当する樹脂パッケージを同一機能の新たな樹脂パッケージと取り替えることにより良品とすることができるので、製品の不良率を大幅に低減でき、他の樹脂パッケージやケースを無駄にすることなく、そのまま使用することができる。
【００３８】
さらに、２以上の樹脂パッケージそれぞれにおいて、種類の異なる別の樹脂パッケージと交換することもできるので、ケースをそのまま利用して特性の異なる製品を容易に作製することができる。
【００３９】
請求項３記載の半導体装置は、樹脂パッケージで封止されたパワー半導体素子と樹脂封止されずに所定の基板上に実装されたパワー半導体素子とをケース内に混在させることにより、設計自由度の向上を図ることができる。
【００４０】
また、所定の基板上に実装されたパワー半導体素子は、ヒートシンクを介した放熱作用によって、その発熱を効率良く放熱することができる。
【００４１】
請求項４記載の半導体装置は、樹脂パッケージと所定の基板との間でヒートシンクが共通化されるため、組立が簡単になる。
【００４２】
さらに、樹脂パッケージ内のパワー半導体素子による発熱も上記ヒートシンクを介した放熱作用によって効率良く放熱できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１である半導体装置の概略の構成を示す説明図である。
【図２】 樹脂パッケージの概略の構成を示す説明図である。
【図３】 この発明の実施の形態２である半導体装置の概略の構成を示す説明図である。
【図４】 この発明の実施の形態３よる半導体装置の概略の構成を示す説明図である。
【図５】 従来の半導体装置の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 外部接続端子、２ ケース、３ シリコンチップ（パワー半導体素子）、４ 樹脂パッケージ、５ 端子、６ ねじ、１１ 絶縁セラミック基板、１２，１９ 銅ベース板（ヒートシンク）、１４ エポキシ樹脂、１６ 共通銅ベース板。

Claims (4)

  1. 外部接続端子が設けられたケース内に複数のパワー半導体素子を収納してなる半導体装置であって、
    前記複数のパワー半導体素子のうち、少なくとも一部のパワー半導体素子それぞれを専用の樹脂パッケージで封止し、前記樹脂パッケージから露出した端子を前記ケース内で前記外部接続端子に接続し、
    前記ケース内における前記樹脂パッケージから露出した端子と前記外部接続端子との接続をねじ止めによって行ったことを特徴とする、
    半導体装置。
  2. 請求項１記載の半導体装置であって、
    前記複数のパワー半導体素子すべてを２以上の前記樹脂パッケージに分けて封止したことを特徴とする、
    半導体装置。
  3. 請求項１記載の半導体装置であって、
    前記複数のパワー半導体素子は、前記樹脂パッケージで封止されずに所定の基板の表面上に実装されたパワー半導体素子を含み、
    ヒートシンクを前記所定の基板の裏面に当接させたことを特徴とする、
    半導体装置。
  4. 請求項３記載の半導体装置であって、
    前記ヒートシンクは前記樹脂パッケージにさらに当接される、
    半導体装置。
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