CN110998988B

CN110998988B - 半导体装置

Info

Publication number: CN110998988B
Application number: CN201780093341.XA
Authority: CN
Inventors: 秦佑贵; 山本彰; 荒木慎太郎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2021-11-30
Anticipated expiration: 2037-07-21
Also published as: DE112017007766T5; JP6780781B2; US11212908B2; WO2019016932A1; JPWO2019016932A1; CN110998988A; US20200196432A1

Abstract

具有：金属体(30b)，其形成有贯通孔(30c)；插座(30a)，其以不堵塞该贯通孔的方式覆盖该金属体；连接端子(30d)，其与该金属体(30b)直接连接或者电连接，露出至该插座的外部；控制基板(10)，其具有金属图案(10B)和电路图案(10A)；以及半导体芯片(20)，其具有不与该金属体相接地穿过该贯通孔而与该电路图案连接的控制端子(TK)，该连接端子(30d)与该金属图案(10B)直接连接或者电连接。

Description

半导体装置

技术领域

本发明涉及例如用于大功率的控制的半导体装置。

背景技术

例如，就被称为功率用半导体装置的对大功率进行处理的半导体装置而言，在半导体元件设置控制端子，通过该控制端子进行向栅极的电压施加、用于电流检测以及温度检测的信号的取出。为了将该控制端子与控制用基板连接，控制端子需要具有某种程度的长度。另外，由于控制端子是裸露的，所以容易受到来自外部的噪声的影响。

就要求高可靠性的功率用半导体装置等而言，需要通过将控制端子与控制基板直接连接并进行焊接而将两者可靠地固定。作为电连接而通常使用的插座等能够简单地拆卸的连接并不优选。因此，从半导体元件至控制基板为止露出比较长的控制端子部。露出至外部的控制端子容易接收外来噪声，有时会产生误动作或者信号的误检测。此外，外来噪声例如是来自半导体元件的噪声或者来自负载配线的噪声。

在专利文献1中公开了具有屏蔽件的电子部件用插座。在专利文献2中公开了通过将端子与基板直接连接、使屏蔽电位与端子接触而具有屏蔽效果的构造。

专利文献1：日本特开2013-239278号公报

专利文献2：日本特开2004-200235号公报

发明内容

从接触电阻或者耐振动性的观点出发，专利文献1所公开的电子部件用插座存在不能应用于要求高可靠性的功率用半导体装置等的问题。在专利文献2所公开的技术中，必须使屏蔽电位与任意端子的电位一致，因此，因配线电感的影响而产生噪声电压，不能提供稳定的屏蔽。例如，在以发射极端子为基准进行了屏蔽的情况下，在栅极通断的瞬间，在栅极-发射极间流过大电流，因此，担心由于与控制端子相比更靠控制基板侧的发射极配线的电感的影响，使噪声电压叠加至屏蔽件。另外，在以阴极端子为基准进行了屏蔽的情况下，为了稳定地测定阳极-阴极间的电位，有时在控制基板的传感器电路内直接连结电感器，因此，阴极不与GND电位直接连结，不能得到稳定的屏蔽效果。

本发明是为了解决上述问题而提出的，目的在于提供一种能够抑制噪声的影响的半导体装置。

本发明涉及的半导体装置的特征在于，具有：金属体，其形成有贯通孔；插座，其以不堵塞该贯通孔的方式覆盖该金属体；连接端子，其与该金属体连接，露出至该插座的外部；控制基板，其具有金属图案和电路图案；以及半导体芯片，其具有不与该金属体相接地穿过该贯通孔而与该电路图案连接的控制端子，该连接端子与该金属图案连接。

本发明的其他特征在下面得以明确。

发明的效果

根据本发明，由于将用于控制端子的屏蔽的金属体与控制基板的金属图案连接，所以能够提供抑制了噪声的影响的半导体装置。

附图说明

图1是实施方式1涉及的半导体装置的结构图。

图2是屏蔽构造和控制端子的斜视图。

图3是半导体装置的剖面图。

图4是半导体装置的其他的剖面图。

图5是实施方式2涉及的半导体装置的屏蔽构造的斜视图。

图6是实施方式2涉及的半导体装置的剖面图。

图7是实施方式3涉及的半导体装置的屏蔽构造的斜视图。

图8是实施方式3涉及的半导体装置的剖面图。

图9是实施方式4涉及的半导体装置的屏蔽构造的斜视图。

图10是实施方式5涉及的半导体装置的屏蔽构造的斜视图。

图11是实施方式5涉及的半导体装置的剖面图。

图12是实施方式6涉及的半导体装置的屏蔽构造的斜视图。

图13是实施方式7涉及的半导体装置的屏蔽构造的斜视图。

图14是实施方式7涉及的半导体装置的剖面图。

图15是实施方式8涉及的半导体装置的剖面图。

图16是实施方式9涉及的半导体装置的剖面图。

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式涉及的半导体装置进行说明。对于相同或者对应的结构要素标注相同的标号，有时省略重复说明。

实施方式1.

图1是实施方式1涉及的半导体装置的结构图。该半导体装置具有控制基板10。控制基板10例如具有基板、构成电路的多个器件、对器件进行连接的电路图案、以及金属图案。在图1中示出了控制基板10具有驱动电路12、传感器电路14以及配线电感16。

控制基板10通过控制端子TG、TS、TE、TA、TK与半导体芯片20连接。在半导体芯片20形成有IGBT 20a和二极管20b。也可以在半导体芯片20形成其他种类的器件。半导体芯片20具有延伸至外部的控制端子TG、TS、TE、TA、TK。控制端子TG、TS、TE、TA、TK分别与IGBT 20a的栅极、信号端子、发射极、二极管20b的阳极、阴极连接。

例如，就要求高可靠性的功率用半导体装置而言，需要通过将裸露的控制端子TG、TS、TE、TA、TK与控制基板10连接，来取得控制基板10与半导体芯片20的电连接。因此，从半导体芯片20至控制基板10露出比较长的控制端子TG、TS、TE、TA、TK。为了保护这样的控制端子TG、TS、TE、TA、TK不受外部噪声的影响，设置有屏蔽构造30。屏蔽构造30将控制端子TG、TS、TE、TA、TK覆盖。

图2是屏蔽构造30和控制端子TG、TS、TE、TA、TK的斜视图。屏蔽构造30具有形成有贯通孔30c的金属体30b。金属体30b的材料只要是具有屏蔽效果的金属，则没有特别限定，例如能够是Al或者Cu。在金属体30b形成有在z方向上贯通金属体30b的5个贯通孔30c。

金属体30b被插座30a覆盖。插座30a以不堵塞贯通孔30c的方式覆盖金属体30b。例如，使插座30a与金属体30b的上下表面接触。优选插座30a的材料是绝缘体。

在金属体30b连接有连接端子30d。连接端子30d露出至插座30a的外部。连接端子30d是将金属体30b与外部连接的端子。更详细而言，连接端子30d是用于将金属体30b与处于控制基板10之上的提供作为屏蔽基准的电位的部分连接的端子。例如，优选连接端子30d与传感器电路那样不流过大电流、配线电感所引起的噪声的影响小的电路的GND电位连接。

在插座30a的侧面安装有安装部30e。在安装部30e形成有螺纹孔30f。在图2中示出了两个安装部30e被安装于插座30a。

控制端子TG、TS、TE、TA、TK具有L字形的形状。控制端子TG、TS、TE、TA、TK不与金属体30b相接地穿过贯通孔30c。控制端子TG、TS、TE、TA、TK不与金属体30b电接触。控制端子TG、TS、TE、TA、TK的在x方向上延伸的部分与半导体芯片20连接，在z方向上延伸的部分与控制基板10连接。

图3是半导体装置的剖面图。在控制基板10设置有贯通孔10a、10b。在控制基板10的上表面形成有电路图案10A和金属图案10B。控制端子TK将贯通孔10a贯通。控制端子TK通过焊料40与电路图案10A连接。其他控制端子也能够同样地与电路图案连接。

连接端子30d将贯通孔10b贯通。连接端子30d通过焊料42与金属图案10B连接。即，连接端子30d穿过控制基板10的贯通孔10b而焊接于在控制基板10的上表面形成的金属图案10B。金属图案10B是提供由金属体30b形成的屏蔽的基准电位的图案。例如，优选将提供传感器电路的GND电位的金属设为金属图案10B。

图4是半导体装置的其他的剖面图。在控制基板10形成有贯通孔10c。螺钉50、52穿过贯通孔10c而螺纹连接于安装部30e的螺纹孔30f。这样，控制基板10被固定于安装部30e。

从控制基板10的驱动电路12经由控制端子TG向IGBT 20a的栅极传输栅极驱动信号。控制基板10从控制端子TS接收信号电流，检测控制端子TE的发射极电位，从控制端子TA、TK检测二极管20b的电流，由此，监视半导体芯片20的动作。由于控制端子TG、TS、TE、TA、TK被金属体30b覆盖，因此，能够抑制来自外部的噪声对控制端子TG、TS、TE、TA、TK的影响。具体而言，能够抑制由外部的电压变化或者电流变化引起的感应噪声，防止误动作，能够使电流感测或者温度感测等感测稳定。并且，由于连接端子30d与插座30a一体化，因此，通过使连接端子30d穿过控制基板10的贯通孔10b，能够实现控制端子TG、TS、TE、TA、TK与控制基板10的定位。

在通过屏蔽构造30覆盖与控制基板10电连接的控制端子TG、TS、TE、TA、TK的情况下，将屏蔽构造30的金属体30b与噪声难以叠加的稳定的电位连接是重要的。因此，在实施方式1中，将连接端子30d与控制基板10的金属图案10B连接。通过将控制基板10的金属图案中的电位稳定的金属图案选定为金属图案10B，从而能够得到稳定的屏蔽效果。这样的金属图案例如是传感器电路的GND图案。能够将提供想要设为金属体30b的基准电位的电位的金属图案选定为金属图案10B。

在半导体装置的组装工艺中，首先，将控制端子TG、TS、TE、TA、TK插入至贯通孔30c的下方，使控制端子TG、TS、TE、TA、TK向图2的z正方向移动。此时，通过将金属体30b的贯通孔30c形成为下端宽度最大的锥形，从而能够容易地将控制端子TG、TS、TE、TA、TK向贯通孔30c插入。通过使控制端子TG、TS、TE、TA、TK进一步向z正方向移动，从而使控制端子TG、TS、TE、TA、TK穿过控制基板10的贯通孔。

然后，将控制端子TG、TS、TE、TA、TK与电路图案进行焊接。将多个电路图案形成于控制基板10，向一个控制端子连接一个电路图案。为了防止在安装控制端子TG、TS、TE、TA、TK时控制端子弯曲或者伴随这样的弯曲而导致相邻的控制端子接触，优选使金属体30b的贯通孔30c的内径小于控制基板10的贯通孔的内径。

实施方式1涉及的半导体装置在不失去其特征的范围内能够进行各种变形。例如，控制端子的数量能够与半导体芯片20的结构相应地变化。上述的变形例也能够应用于下面的实施方式涉及的半导体装置。此外，下面的实施方式涉及的半导体装置与实施方式1的共同点多，因此，以与实施方式1的不同点为中心进行说明。

实施方式2.

图5是实施方式2涉及的半导体装置的屏蔽构造30的斜视图。该屏蔽构造30具有连接端子30d、30g。连接端子30d、30g从插座30a的侧面露出至外部。图6是实施方式2涉及的半导体装置的剖面图。连接端子30d、30g穿过控制基板10的贯通孔10b、10c到达控制基板10之上。连接端子30d、30g通过焊料42、44与金属图案10B、10C连接。金属图案10B、10C也可以在控制基板10之上相连接。

在将控制端子TG、TS、TE、TA、TK和连接端子30d、30g焊接于控制基板10时，通过将连接端子30d、30g插入至控制基板10的预定的贯通孔，从而能够相对于控制基板10对屏蔽构造30进行定位。另外，屏蔽构造30通过连接端子30d、30g被稳定地固定于控制基板10，因此，不需要使用螺钉将屏蔽构造30固定于控制基板10。因此，能够省略图2的安装部30e，因此，适于半导体装置的小型化。此外，通过设置多个连接端子能够获得上述效果，因此，连接端子的数量不限定于两个。

实施方式3.

图7是实施方式3涉及的半导体装置的屏蔽构造30的斜视图。该半导体装置具有与金属体30b连接的连接端子30h、30i、30j、30k。连接端子30h、30i、30j、30k在插座30a的上表面露出。

图8是实施方式3涉及的半导体装置的剖面图。半导体芯片20设置于控制基板10之下。金属图案10B、10C形成于控制基板10的下表面侧。所有的连接端子30h、30i、30j、30k与在控制基板10的下表面侧设置的金属图案连接。在图8中示出了连接端子30h、30i通过焊料46、48与金属图案10C、10B连接。

这样，在实施方式3中，在控制基板10的下表面即屏蔽构造安装面对连接端子进行焊接。因此，能够在回流焊工序中将表面安装部件固定于控制基板10的上表面，与此同时，将连接端子30h、30i、30j、30k固定于金属图案。因此，实施方式3涉及的半导体装置适于制造工序的简化。

实施方式4.

图9是实施方式4涉及的半导体装置的屏蔽构造30的斜视图。金属体30m、30n、30o被插座30a覆盖。在金属体30m、30n、30o分别连接有连接端子30p、30q、30r。控制端子TG、TS、TE、TA、TK是半导体芯片的端子。

控制端子TG的一部分处于金属体30m的贯通孔30c中，控制端子TS的一部分处于金属体30n的贯通孔中，控制端子TA的一部分处于金属体30o的贯通孔中。控制端子TE、TK没有被金属体覆盖。控制端子TE、TK是与控制端子TG、TS、TA并列设置、且不穿过金属体的贯通孔地将插座30a贯通的非保护控制端子。

在实施方式4中，并不是通过金属体集中地将所有的控制端子包围，而是通过金属体单独地将特别想要抑制噪声影响的控制端子覆盖。特别想要抑制噪声影响的控制端子例如是栅极端子即控制端子TG、电流感测端子即控制端子TS以及阳极端子即控制端子TA。能够根据需要决定通过金属体覆盖哪个控制端子。根据图9所示的构造，与通过金属体覆盖所有的控制端子的情况相比，能够抑制屏蔽构造的材料费。另外，能够阻断来自相邻的控制端子的噪声。

实施方式5.

图10是实施方式5涉及的半导体装置的屏蔽构造30的斜视图。连接端子30s设置于安装部30e之上，并且还设置于螺纹孔30f中。连接端子30s在插座30a中与金属体30b连接。

图11是实施方式5涉及的半导体装置的剖面图。螺钉50穿过控制基板10的贯通孔而螺纹连接于安装部30e的螺纹孔30f，由此，控制基板10被固定于安装部30e。此时，螺钉50与金属图案10B接触。螺钉50通过螺纹连接于安装部30e的螺纹孔30f而与连接端子30s相接。即，螺钉50的头部与金属图案10B相接，轴部与连接端子30s相接。由此，金属图案10B与连接端子30s电连接。

通过将连接端子30s设置于安装部30e，能够使螺钉50与连接端子30s接触。通过使螺钉50与金属图案10B接触，能够将连接端子30s与金属图案10B电连接。根据实施方式5的半导体装置，不需要在控制基板10设置用于连接端子30s的贯通孔，因此，能够提高在控制基板10形成的电路图案的自由度。

在实施方式5中，将连接端子30s设置于螺纹孔30f中。但是，只要能够将连接端子和螺钉连接，也可以不将连接端子设置于螺纹孔。例如，也可以将连接端子形成于安装部30e的下表面，使与螺钉50嵌合的螺母与该连接端子接触。

实施方式6.

图12是实施方式6涉及的半导体装置的屏蔽构造30的斜视图。在插座30a中设置有金属体30t、30u、30v。在金属体30t、30u、30v分别连接有连接端子30w、30x、30y。连接端子30w、30x、30y与控制基板的金属图案连接。

在图12中，G表示供控制端子TG插入的部分，E表示供控制端子TE插入的部分，S表示供控制端子TS插入的部分，A表示供控制端子TA插入的部分，K表示供控制端子TK插入的部分。因此，金属体30t将控制端子TG和控制端子TE覆盖，金属体30u将控制端子TS和控制端子TE覆盖，金属体30v将控制端子TA和控制端子TK覆盖。所有的控制端子与金属体绝缘。

这样，在实施方式6中，通过一个金属体覆盖成对的信号的控制端子。由此，成对的信号的往路回路的阻抗一致，因此，特别是在以差动方式对信号进行操作时，能够减小噪声的影响。

在实施方式6中，作为成对的信号，举出了在控制端子TG传输的栅极信号和在控制端子TE传输的发射极电流、在控制端子TS传输的信号电流和在控制端子TE传输的发射极电流、以及在控制端子TA流动的阳极电流和在控制端子TK流动的阴极电流。但是，作为成对的信号也可以采用上述未说明的组合。一般而言，作为控制端子，具有第1控制端子和流过与第1控制端子的电流成比例的电流的第2控制端子，通过金属体将第1控制端子和第2控制端子覆盖，从而能够得到上述效果。

实施方式7.

图13是实施方式7涉及的半导体装置的屏蔽构造30的斜视图。在插座30a的上表面设置有定位用凸部31。凸部31是在朝向控制基板10的方向即轴向上延伸的凸起。图14是实施方式7涉及的半导体装置的剖面图。在控制基板10的下表面具有凹部10E，凸部31收纳于该凹部10E。通过将凸部31插入至凹部10E，能够将半导体芯片20安装于控制基板10的预定位置。并且，通过设置凸部31，能够省略图2的安装部30e，因此，与图2的情况相比能够减小控制基板10的安装面积。因此，能够提高在控制基板形成的电路图案的自由度。

实施方式8.

图15是实施方式8涉及的半导体装置的剖面图。在插座30a的上表面设置有凸部60、62。凸部的数量只要是多个，则没有特别限定。在凸部60、62之间设置有金属体30b的贯通孔30c，控制端子TK穿过该贯通孔30c。凸部60、62设置于宽度x1的范围。换言之，从凸部60的与贯通孔30c相反侧的面至凸部62的与贯通孔30c相反侧的面为止的距离为x1。

在控制基板10形成有定位孔10i。定位孔10i的宽度为x1。使通过虚线表示的控制基板10向z负方向移动或者使屏蔽构造30向z正方向移动，使控制基板10位于通过实线表示的位置。此时，通过将凸部60、62插入至定位孔10i，从而将屏蔽构造30安装于控制基板10的预定位置。根据该构造，能够进行各控制端子处的定位，能够使得在组装时不易产生位置偏移。

实施方式9.

在实施方式9中，以与实施方式8不同的方法相对于控制基板10对屏蔽构造30进行定位。图16是实施方式9涉及的半导体装置的剖面图。金属体30b具有与插座30a相比延伸至更上方的多个金属体凸部37、39。金属体凸部37、39设置于宽度x1的范围。换言之，从金属体凸部37的与贯通孔30c相反侧的面至金属体凸部39的与贯通孔30c相反侧的面为止的距离为x1。

在控制基板10形成有定位孔10i。定位孔10i的宽度为x1。使通过虚线表示的控制基板10向z负方向移动或者使屏蔽构造30向z正方向移动，使控制基板10位于通过实线表示的位置。此时，通过将金属体凸部37、39插入至定位孔10i，从而将屏蔽构造30安装于控制基板10的预定位置。根据该构造，能够进行各控制端子处的定位，能够使得在组装时难以产生位置偏移。并且，能够取消实施方式8的凸部60、62。

作为实施方式8、9的屏蔽构造30，能够采用实施方式1-7的构造的任意者所说明的屏蔽构造。此外，也可以对上述各实施方式涉及的半导体装置的特征进行组合来提高本发明的效果。

标号的说明

10控制基板，20半导体芯片，30屏蔽构造，30a插座，30b金属体，30c贯通孔，30d连接端子，30e安装部，TG、TS、TE、TA、TK控制端子。

Claims

1.一种半导体装置，其特征在于，具有：

金属体，其形成有贯通孔；

插座，其以不堵塞所述贯通孔的方式覆盖所述金属体；

连接端子，其与所述金属体连接，露出至所述插座的外部；

控制基板，其具有金属图案和电路图案；以及

半导体芯片，其具有不与所述金属体相接地穿过所述贯通孔而与所述电路图案连接的控制端子，

所述连接端子与所述金属图案连接。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，具有：

安装部，其安装于所述插座的侧面，该安装部形成有螺纹孔；以及

螺钉，其穿过所述控制基板的贯通孔而螺纹连接于所述螺纹孔，由此，将所述控制基板固定于所述安装部。

3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，

所述连接端子穿过所述控制基板的贯通孔而焊接于在所述控制基板的上表面形成的所述金属图案。

4.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，

设置有多个所述连接端子。

5.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，

所述半导体芯片设置于所述控制基板之下，所述金属图案形成于所述控制基板的下表面侧。

6.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，

所述半导体芯片具有非保护控制端子，该非保护控制端子与所述控制端子并列设置，该非保护控制端子不穿过所述贯通孔地贯通所述插座。

7.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，具有：

螺钉，其穿过所述控制基板的贯通孔而螺纹连接于所述螺纹孔，由此，将所述控制基板固定于所述安装部，

所述连接端子被设置于所述安装部，从而与所述螺钉相接，

所述螺钉与所述金属图案接触。

8.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于，

所述连接端子设置于所述螺纹孔中。

9.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，

所述控制端子具有第1控制端子和流过与所述第1控制端子的电流成比例的电流的第2控制端子，

所述金属体将所述第1控制端子和所述第2控制端子覆盖。

10.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，

在所述插座的上表面设置定位用凸部，

在所述控制基板的下表面具有凹部，所述定位用凸部收纳于所述凹部。

11.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，

在所述插座的上表面设置多个凸部，

在所述控制基板形成定位孔，

所述多个凸部被插入至所述定位孔。

12.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，

所述金属体具有与所述插座相比延伸至更上方的多个金属体凸部，

在所述控制基板形成定位孔，

所述多个金属体凸部被插入至所述定位孔。