JP7480715B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本開示は、半導体装置に関する。
特許文献1には、半導体チップと、半導体チップの上面に一端の下面が接続される外部端子であるリード電極と、半導体チップの下面側に配置される冷却機構と、放熱機構とを備えた半導体装置が開示されている。放熱機構は、リード電極の一端よりも他端側の下面と冷却機構との間に熱的に結合して配置され、かつ、少なくとも1つの絶縁層を含む。
特許第6590952号公報
特許文献1の半導体装置では、リード電極の下に放熱機構として放熱ブロックを設け、半導体チップおよびリード電極を放熱させている。このような構造では、放熱ブロックを基板上にリード電極とは別に配置する必要がある。このため、放熱ブロックの位置決めが困難となり、製造が容易にできないおそれがあった。
本開示は、上述の課題を解決するためになされたもので、リード電極を容易に放熱させることができる半導体装置を得ることを目的とする。
本開示に係る半導体装置は、絶縁層と、前記絶縁層の上面に設けられた第1導体パタンと、前記絶縁層の上面と反対側の裏面に設けられた裏面パタンと、前記第1導体パタンに接合された半導体チップと、前記裏面パタンに接合されたベース板と、前記ベース板の上において前記絶縁層及び前記半導体チップを囲むケースと、前記ケースの内部を絶縁封止する封止樹脂と、前記半導体チップの上面に接合され、前記ケースの外部まで延びる電極部と、前記絶縁層の上面に設けられた放熱パタンと、を備え、前記電極部には、前記半導体チップに接合された部分と前記ケースの外部に露出した部分との間に、前記放熱パタンと接合された接合部が設けられ、前記接合部は、前記電極部のうち前記半導体チップの制御電極に接合された部分と前記ケースの外部に露出した部分との間に設けられる。
本開示に係る半導体装置では、放熱パタンを用いて、電極部から放熱パタンに放熱させることができる。従って、電極部を容易に放熱させることができる
実施の形態1に係る半導体装置の平面図である。 実施の形態1に係る半導体装置の断面図である。 熱の伝わり方を説明する図である。 実施の形態2に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態3に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態3に係る屈曲部を別の方向から見た図である。 実施の形態4に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態5に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態6に係る半導体装置の平面図である。 実施の形態6に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態7に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態8に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態9に係る半導体装置の断面図である。
各本実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る半導体装置100の平面図である。図2は、実施の形態1に係る半導体装置100の断面図である。図2は、図1をA-A直線で切断することで得られる断面図である。以下では、半導体装置100がIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)とFWDi(Free Wheeling Diode)を1つずつ備える1in1パッケージである例について説明する。これに限らず、半導体装置100は半導体チップを少なくとも1つ備えれば良い。半導体装置100は、例えば大電流の制御に用いられる。
半導体装置100は絶縁基板5を備える。絶縁基板5は、絶縁層1と、絶縁層1の上面に設けられた導体パタン2および放熱パタン4と、絶縁層1の上面と反対側の裏面に設けられた裏面パタン3を有する。導体パタン2は回路パタンである。放熱パタン4と導体パタン2は独立している。
絶縁層1は薄板状である。絶縁層1は、例えばAlN、Al2O3等のセラミックから形成される。絶縁層1は、セラミックフィラー入りのエポキシ樹脂等の有機絶縁材料から形成されても良い。絶縁基板5は、絶縁層1を金属で上下から挟みこみ、熱プレスすることで製造される。絶縁層1の上下に貼りつけられた金属をエッチング法等で加工することにより、導体パタン2、裏面パタン3および放熱パタン4が形成される。この際、必要な絶縁距離が確保される。パタンの材料としては、一般に銅またはアルミが用いられる。
裏面パタン3は、はんだ6でベース板7に接合される。なお、本実施の形態および他の実施の形態において、はんだ接合は他の金属接合で代替されても良い。金属接合には、例えばAg焼結接合等の熱伝導率が高い接合方法が含まれる。ベース板7には、Cu、Al、AlSiC等の熱伝導率の高い材料が使用されることが望ましい。ベース板7の材料は、ベース板7の反り等の設計要件により選択するのが望ましい。
導体パタン2には、半導体チップ8、10が接合される。半導体チップ8は、例えばIGBTチップであり、はんだ9で導体パタン2上に接合される。半導体チップ10は、例えばFwDiチップであり、はんだ11で導体パタン2上に接合される。半導体チップ8、10は、RC(Reverse-Conducting)-IGBTチップであっても良い。
半導体チップ8、10の上面には、電極部18が接合される。電極部18はパッケージの外部まで延びる。電極部18はパタンおよびワイヤを介さずにパッケージの外部に至る。本実施の形態では、パッケージはケース16から構成される。半導体チップ8は、はんだ12で電極部18と接合される。半導体チップ10は、はんだ13で電極部18と接合される。
電極部18は、パッケージの外部に露出した部分である露出部18aを有する。露出部18aは、ケース16の上面から突出する。電極部18には、半導体チップ8、10に接合された部分18bと露出部18aとの間に、放熱パタン4と接合された接合部18cが設けられる。接合部18cは、はんだ14により放熱パタン4と接続される。
また、導体パタン2は電極部17と接合され、電極部17と電気的に接続されている。電極部17は、パッケージの外部に露出した部分である露出部17aを有する。露出部17aはケース16から突出する。電極部17と導体パタン2の接合には、はんだ等による金属接合または超音波金属接合等が用いられる。
本実施の形態の電極部18は、1つの導電性部材から形成される。電極部18は例えば平板状の導体である。これに限らず、電極部18のうち半導体チップ8、10に接合された部分18bと、露出部18aとは、電気的および熱的に接合されていれば別部品であっても良い。電極部17についても同様である。
半導体チップ8は図示しない制御電極を有する。制御電極には、外部と接続される信号用電極が電気的に接続される。半導体チップ8は、制御電極と信号用電極を介して、外部からの制御を受ける。これにより、電極部17から半導体チップ8を通り電極部18へ流れる電流が制御される。
電極部18と電極部17はケース16に固定されている。ケース16の内部は封止樹脂15により絶縁封止される。これにより、ケース16内部の絶縁性が保たれる。封止樹脂15は、例えばシリコーンゲルである。封止樹脂15はエポキシ等の熱硬化性樹脂であっても良い。封止樹脂15は、要求される設計要件により選択することができる。
本実施の形態の半導体装置100のように、ワイヤボンディングに代えて、半導体チップ上にリードフレームがはんだ等で接合された構造が採用されることがある。この構造によれば、半導体装置100の小型化および長寿命化が可能となる。半導体チップ上にリードフレームが直接接合される構造では、パッケージの外側に突出した外部接続用の端子に半導体チップの熱が伝わり、端子が高温となる可能性がある。
本実施の形態では平面視において、半導体チップ10から露出部18aまでの距離L2より、露出部18aから放熱パタン4までの距離L1が短い。つまりL2>L1となる。図3は、熱の伝わり方を説明する図である。本実施の形態では、半導体チップ8、10が発する熱が露出部18aに伝わる途中で、熱を放熱パタン4に伝えることができる。さらに、放熱パタン4に伝わった熱を、絶縁基板5、ベース板7、および、ベース板7の下にサーマールインターフェイスマテリアルを介して取り付けられた図示しない放熱フィンに逃がすことができる。従って、露出部18aの温度の上昇を抑制することができる。
また、絶縁基板5に放熱パタン4が設けられていない場合、例えば電極部18と絶縁層1とを放熱ブロック等を介して接続して、電極部18を放熱させることが考えられる。このような構造では、放熱ブロックを電極部18、絶縁基板5とは別に配置する工程が必要となる。また、絶縁層1として絶縁シートを用いる場合、絶縁層1に放熱ブロックを配置することが、絶縁シートを硬化させるプロセスに影響を及ぼす可能性がある。また、放熱ブロックを配置するための領域を絶縁層1上に確保できないおそれがある。さらに、絶縁距離の確保を考慮すると、放熱ブロックの位置決めが容易ではない可能性がある。従って、半導体装置の製造が困難となる可能性がある。
これに対し、本実施の形態では、絶縁基板5と一体化された状態で放熱パタン4が設けられる。このため、放熱パタン4と電極部18を熱的に接続して、半導体チップ8、10および電極部18を容易に放熱させることができる。特に本実施の形態では、放熱パタン4と電極部18をはんだ14で接合すれば良く、組立が容易となる。また、放熱ブロックが不要であり、材料費を抑制できる。
また、放熱パタン4と電極部18を放熱ブロック等を介して接続する場合にも、予め絶縁基板5に設けられた放熱パタン4上に放熱ブロックを設ければ良い。このため、放熱ブロックの位置決めを容易に実施できる。従って、半導体チップ8、10および電極部18を容易に放熱させることができる。
また、放熱パタン4は絶縁基板5の一部として設けられる。この場合、放熱パタン4を高精度で形成できる。従って、絶縁基板5の絶縁性を安定化させることができる。
絶縁基板5、はんだ6、ベース板7の構成は、必要な絶縁性能と放熱性能が確保されれば、変更されても良い。例えばはんだ6およびベース板7は設けられなくても良い。この場合、裏面パタン3が、ベース板7が設けられる領域まで拡張され、図示しない放熱フィンと接触しても良い。つまり、裏面パタン3、はんだ6およびベース板7が1つの導体部を構成しても良い。
また、電極部18の接合部18cと放熱パタン4は、はんだ接合またはAg焼結接合等により、接合材によって接合される。これに限らず、接合部18cと放熱パタン4は直接接合されても良い。直接接合は例えば超音波接合により実施できる。
また、半導体チップ8、10はワイドバンドギャップ半導体によって形成されても良い。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである。本実施の形態によれば、ワイドバンドギャップ半導体により形成された半導体装置100が高温動作する場合にも、半導体チップ8、10および電極部18を容易に放熱させることができる。
これらの変形は、以下の実施の形態に係る半導体装置について適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る半導体装置については実施の形態1との共通点が多いので、実施の形態1との相違点を中心に説明する。
実施の形態2.
図4は、実施の形態2に係る半導体装置200の断面図である。図2では、半導体装置200のうち放熱パタン4の近傍のみが示されている。半導体チップ8、10の上面に接合される電極部218は、放熱パタン4に向かって突出する凸部218dを有する。電極部218のうち放熱パタン4との接合部は、凸部218dに設けられる。凸部218dは、例えば電極部218が折り曲げられることで形成されている。
本実施の形態では凸部218dにより、放熱パタン4と電極部218との距離を縮めることができる。従って、熱抵抗を低減させ、放熱効率を向上させることができる。また、電極部218は、凸部218dと放熱パタン4とが接触するように設計されても良い。この場合、超音波接合などの直接接合方式を用いて、凸部218dと放熱パタン4とを接合できる。
実施の形態3.
図5は、実施の形態3に係る半導体装置300の断面図である。半導体装置300の電極部318は、主部118と、屈曲部319とを有する。主部118は、半導体チップ8、10に接合され、パッケージの外部まで延びる。屈曲部319は、主部118のうち半導体チップ8、10に接合された部分と、パッケージの外部に露出した部分との間で、主部118から分岐する。
図6は、実施の形態3に係る屈曲部319を別の方向から見た図である。屈曲部319は、放熱パタン4に向かって下方に屈曲する。屈曲部319のうち主部118と反対側の端部319aは、放熱パタン4に沿って延びる。電極部318において放熱パタン4との接合部は、屈曲部319の端部319aに設けられる。
本実施の形態では屈曲部319が設けられることで、放熱パタン4と電極部318との距離を縮めることができる。従って、熱抵抗を低減させ、放熱効率を向上させることができる。屈曲部319は、電極部318の一部を折り曲げて形成されても良い。屈曲部319を折り曲げて形成することで、端部319aの位置および高さを調節できる。従って、放熱パタン4の位置および厚さの自由度を向上できる。
電極部318は、端部319aと放熱パタン4とが接触するように設計されても良い。この場合、超音波接合などの直接接合方式を用いて、凸部218dと放熱パタン4とを接合できる。超音波接合ツール等がパッケージに入らない場合には、はんだ接合等で端部319aと放熱パタン4とを接合しても良い。
実施の形態4.
図7は、実施の形態4に係る半導体装置400の断面図である。半導体装置400の電極部418は、主部118と、導体ブロック420とを有する。主部118は、半導体チップ8、10に接合され、パッケージの外部まで延びる。導体ブロック420は、主部118と放熱パタン4との間に接合される。電極部418において放熱パタン4との接合部は、導体ブロック420に設けられる。導体ブロック420と主部118とは、はんだ421で接合される。導体ブロック420と放熱パタン4とは、はんだ422で接合される。本実施の形態では、導体ブロック420により電極部418と放熱パタン4との間の熱抵抗を低減させ、放熱効率を向上させることができる。
実施の形態5.
図8は、実施の形態5に係る半導体装置500の断面図である。半導体装置500の電極部518は、主部118と、金属ピン523とを有する。主部118は、半導体チップ8、10に接合され、パッケージの外部まで延びる。主部118には貫通孔118aが形成される。貫通孔118aには、金属ピン523が挿入されている。金属ピン23は例えば円柱状である。金属ピン523は、貫通孔118aにおいて主部118とはんだ524で接合される。また、金属ピン523と放熱パタン4は、はんだ525で接合される。電極部518において放熱パタン4との接合部は、金属ピン523に設けられる。
本実施の形態では、金属ピン523により電極部518と放熱パタン4との間の熱抵抗を低減させ、放熱効率を向上させることができる。また、貫通孔118aによって、はんだ付けのリフロー時に金属ピン523の位置決めができる。従って、安定した製造が可能となり、精度よく組立ができる。これにより、放熱パタン4を縮小することができる。
実施の形態6.
図9は、実施の形態6に係る半導体装置600の平面図である。図10は、実施の形態6に係る半導体装置600の断面図である。図10は、図9を一点鎖線B-Bで切断することで得られる断面図である。半導体装置600は絶縁基板605を備える。絶縁基板605は、絶縁層1と、絶縁層1の上面に設けられた導体パタン2および放熱パタン4、604と、絶縁層1の上面と反対側の裏面に設けられた導体部603を有する。放熱パタン4、604と導体パタン2は独立している。放熱パタン4、604と導体パタン2は絶縁層1と接合され、絶縁層1はベース板である導体部603と接合される。
導体パタン2には、半導体チップ635が接合される。半導体チップ635は、例えばRC-IGBTチップである。半導体チップ635の上面には、電極部640が接合される。電極部640は、プリント基板636と、パッケージの外部まで延びる外部接続部617、618、631を有する。外部接続部617、618、631の端部には、それぞれケース16から突出した露出部17a、18a、631aが形成される。
プリント基板636は、絶縁層626と、絶縁層626の上面に設けられた導体パタン627と、絶縁層626の裏面に設けられた導体パタン628、630を有する。導体パタン627は外部接続部617と接合される。導体パタン627と外部接続部617は、はんだ等の接合材によって接合されても良く、直接接合されても良い。
プリント基板636にはスルーホール629が形成される。スルーホール629は絶縁層626を貫通する。導体パタン627はスルーホール629を介して、絶縁層626の裏面に設けられたランド629aと接続される。ランド629aは、はんだ634を介して、導体パタン2と接合される。
導体パタン628は、半導体チップ635の上面にはんだ13により電気的に接合される。また、導体パタン628は外部接続部618と接合されている。導体パタン628と外部接続部618は、はんだ等の接合材によって接合されても良く、直接接合されても良い。
導体パタン628は、外部接続部618との接合部と半導体チップ635との接合部の間で、はんだ14によって放熱パタン4へ接合されている。このように、電極部640において放熱パタン4との接合部は、導体パタン628に設けられる。
導体パタン627、628は例えば銅板から形成される。導体パタン627、628の厚さは、大電流を流すために例えば35μm以上であることが望ましい。また、スルーホール629は、絶縁層626の貫通孔に例えばCuめっきを施すことにより形成される。Cuめっきは例えば15μm以上であることが望ましい。
本実施の形態では、半導体チップ635が発した熱が露出部17a、18aに伝わる前に、熱を放熱パタン4へ逃がすことができる。従って、露出部17a、18aの温度の上昇を抑制することができる。また、プリント基板636を用いることで、実施の形態1よりも半導体装置600を小型化することが可能となる。また、絶縁層626の上面と裏面とで電流の流れる方向が反対となるように、プリント基板636を平行平板化しても良い。これにより、磁界による打消し効果が発生し、インダクタンスLsを低減できる。従って、半導体装置600の性能を向上でき、高周波動作等が可能となる。
また、導体パタン630は信号用パタンである。導体パタン630は、外部接続部631と接合される。導体パタン630と外部接続部631は、はんだ等の接合材によって接合されても良く、直接接合されても良い。導体パタン630は、半導体チップ635の制御電極とはんだ632で接合される。半導体チップ635は、外部接続部631、制御電極を介して入力された信号により、オンオフが制御される。
電極部640のうち、半導体チップ635の制御電極に接合された部分と、露出部631aとの間には、放熱パタン604との接合部が設けられる。導体パタン630は、はんだ633にて放熱パタン604と接合される。導体パタン630と放熱パタン604は、はんだ等の接合材によって接合されても良く、直接接合されても良い。本実施の形態では、信号用電極である外部接続部631の温度の上昇を抑制できる。
実施の形態7.
図11は、実施の形態7に係る半導体装置700の断面図である。半導体装置700の電極部740は、導体パタン628と放熱パタン4との間に接合された導体ブロック420を有する。導体ブロック420には、放熱パタン4との接合部が設けられる。導体ブロック420と導体パタン628とは、はんだ421で接合される。導体ブロック420と放熱パタン4とは、はんだ422で接合される。本実施の形態では、導体ブロック420により電極部640と放熱パタン4との間の熱抵抗を低減させ、放熱効率を向上させることができる。
実施の形態8.
図12は、実施の形態8に係る半導体装置800の断面図である。半導体装置800の電極部840は、プリント基板836を有する。プリント基板836は、スルーホール829を有する。スルーホール829は導体パタン628と接続されている。電極部840は、スルーホール829に挿入され、スルーホール829と接合された金属ピン523を有する。金属ピン523は、スルーホール829とはんだ524で接合される。また、金属ピン523と放熱パタン4は、はんだ525で接合される。このように、電極部840において放熱パタン4との接合部は、金属ピン523に設けられる。
本実施の形態では、金属ピン523により電極部840と放熱パタン4との間の熱抵抗を低減させ、放熱効率を向上させることができる。また、スルーホール829によって、金属ピン523位置決めができる。従って、精度よく組立ができる。これにより、放熱パタン4を縮小することができる。
実施の形態9.
図13は、実施の形態9に係る半導体装置900の断面図である。半導体装置900では、絶縁基板905に半導体チップ635の制御電極と電気的に接続された放熱パタン604が設けられる。実施の形態6では、プリント基板636の導体パタン630に、半導体チップ635の制御電極、放熱パタン604および外部接続部631が接合された。これに対し本実施の形態では、半導体チップ635の制御電極パットと放熱パタン604はワイヤ940で接続される。また、放熱パタン604と外部接続部631はワイヤ940で接続される。ワイヤ940は、例えばアルミワイヤである。
なお、各実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いても良い。
1 絶縁層、2 導体パタン、3 裏面パタン、4 放熱パタン、5 絶縁基板、7 ベース板、8、10 半導体チップ、15 封止樹脂、16 ケース、17 電極部、17a 露出部、18 電極部、18a 露出部、18b 半導体チップに接合された部分部分、18c 接合部、23 金属ピン、100 半導体装置、118 主部、118a 貫通孔、200 半導体装置、218 電極部、218d 凸部、300 半導体装置、318 電極部、319 屈曲部、319a 端部、400 半導体装置、418 電極部、420 導体ブロック、500 半導体装置、518 電極部、523 金属ピン、600 半導体装置、603 導体部、604 放熱パタン、605 絶縁基板、617 外部接続部、618 外部接続部、626 絶縁層、627 導体パタン、628 導体パタン、629 スルーホール、629a ランド、630 導体パタン、631 外部接続部、631a 露出部、635 半導体チップ、636 プリント基板、640 電極部、700 半導体装置、740 電極部、800 半導体装置、829 スルーホール、836 プリント基板、840 電極部、900 半導体装置、905 絶縁基板、940 ワイヤ

Claims (12)

  1. 絶縁層と、
    前記絶縁層の上面に設けられた第1導体パタンと、
    前記絶縁層の上面と反対側の裏面に設けられた裏面パタンと、
    前記第1導体パタンに接合された半導体チップと、
    前記裏面パタンに接合されたベース板と、
    前記ベース板の上において前記絶縁層及び前記半導体チップを囲むケースと、
    前記ケースの内部を絶縁封止する封止樹脂と、
    前記半導体チップの上面に接合され、前記ケースの外部まで延びる電極部と、
    前記絶縁層の上面に設けられた放熱パタンと、
    を備え、
    前記電極部には、前記半導体チップに接合された部分と前記ケースの外部に露出した部分との間に、前記放熱パタンと接合された接合部が設けられ
    前記接合部は、前記電極部のうち前記半導体チップの制御電極に接合された部分と前記ケースの外部に露出した部分との間に設けられることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記接合部と前記放熱パタンは接合材によって接合されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記接合部と前記放熱パタンは直接接合されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記電極部は、前記放熱パタンに向かって突出する凸部を有し、
    前記接合部は、前記凸部に設けられることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記電極部は、
    前記半導体チップに接合され前記ケースの外部まで延びる主部と、
    前記半導体チップに接合された部分と前記ケースの外部に露出した部分との間で前記主部から分岐し、前記放熱パタンに向かって屈曲し、前記主部と反対側の端部が前記放熱パタンに沿って延びる屈曲部と、
    を有し、
    前記接合部は、前記屈曲部の前記主部と反対側の端部に設けられることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記電極部は、貫通孔が形成され、前記貫通孔に挿入された金属ピンを有し、
    前記接合部は、前記金属ピンに設けられることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の半導体装置。
  7. 前記電極部は、前記半導体チップの上面に接合された第2導体パタンを有するプリント基板と、前記第2導体パタンと接合され前記ケースの外部まで延びる外部接続部を有することを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の半導体装置。
  8. 前記接合部は、前記第2導体パタンに設けられることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
  9. 前記電極部は、前記第2導体パタンと前記放熱パタンとの間に接合され、前記接合部が設けられる導体ブロックを有することを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
  10. 前記プリント基板は、前記第2導体パタンと接続されたスルーホールを有し、
    前記電極部は、前記スルーホールに挿入された金属ピンを有し、
    前記接合部は、前記金属ピンに設けられることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置
  11. 前記半導体チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項1から1の何れか1項に記載の半導体装置。
  12. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
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