CN1204623C - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

在IGBT模块等的大功率半导体装置中，降低由焊丝等的配线金属引起的配线电阻和自电感。至少有3个以上相互重叠的电力端子(3，4，8)，以在电力端子中规定的2个电力端子之间夹着至少一块半导体芯片(2，5)的形式电连接的半导体装置。而且，位于上述重叠的电力端子中的一端的电力端子(3)和位于重叠的电力端子中的另一端的电力端子(4)是在同一个方向上引出的。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及例如IGBT模块等的大功率半导体装置，并且特别涉及适用于必须降低功率损耗的半导体装置的构造。
背景技术
我们知道作为大功率半导体装置的一个例子，已有的IGBT模块的构造例如如图9所示。
将IGBT芯片65的收集极一侧和二极管芯片66的n层一侧分别焊接在由铜导体(DBC：Direct Bond Copper，直接焊接铜)夹着氧化铝等的绝缘基片67构成的DBC基片的表面Cu图案63上，从芯片上经过例如200～500μmφ的Al焊丝64，使IGBT芯片65的发射极一侧和二极管芯片66的p层一侧与外部电力端子61连接起来。表面Cu图案63与外部电力端子62连接。将这样的构造放置在散热片69上。此外，在图9(a)中我们省略了栅极端子70的图示。
发明内容
但是，在如图9所示的已有的模块构造中，因为外部电力端子61和芯片65，66通过焊丝64连接起来，所以存在着由焊丝64引起的配线电阻和自电感增加那样的问题。
因而，鉴于上述已有构造中的问题，本发明的目的是提供降低由焊丝等的配线金属引起的配线电阻和自电感，进一步有良好的散热性的例如IGBT模块等的大功率半导体装置。
本发明的半导体装置包括：相互重叠配置的至少3个电力端子；和具有第一主表面和与该第一主表面平行相对的第二主表面的至少一块半导体芯片；其中，上述第一和第二主表面夹在上述至少3个电力端子中规定的2个电力端子之间并与上述至少3个电力端子中规定的2个电力端子平行，以使上述至少一块半导体芯片的上述第一和第二主表面通过焊接或压接与上述规定的2个电力端子电连接。
又，该半导体装置是在上述重叠的电力端子中一端的电力端子和在上述重叠的电力端子中另一端的电力端子沿同一个方向引出的半导体装置，进一步，该半导体装置是位于上述重叠的电力端子中中间位置的电力端子，但是位于上述一端或上述另一端的电力端子是沿着相反方向或成90°的方向上引出的半导体装置。
又，该半导体装置是夹在上述2个电力端子之间的上述至少一块半导体芯片，一个面通过焊接或压接与上述2个电力端子的一个电力端子连接，另一个面经过缓冲片通过焊接或压接与另一个电力端子连接的半导体装置。
又，上述至少一块的半导体芯片，使在上述重叠的电力端子中一端的电力端子和在另一端的电力端子中流过的电流沿相反的方向流动那样地进行动作。
又，上述至少一个晶体管具有控制电极焊盘，上述控制电极与上述控制电极焊盘通过焊丝连接，或者通过夹在上述控制电极与上述控制电极焊盘之间的缓冲片直接连接。又，该半导体装置是夹在上述电力端子之间的至少一块半导体芯片由多块半导体芯片构成，在上述多块半导体芯片之间设置绝缘层的半导体装置，进一步，该半导体装置是在上述多块半导体芯片上包含至少一个晶体管和至少一个二极管，控制电极与上述晶体管连接的半导体装置，是上述控制电极和上述晶体管的控制电极焊盘通过焊丝连接，或者通过夹住缓冲片直接连接的半导体装置，上述控制电极是在位于上述电力端子的一端或上述电力端子的另一端的电力端子的相反方向或成90°的方向上引出的半导体装置。
又，在上述电力端子中的一端的电力端子和在另一端的电力端子具有使在上述相互重叠的电力端子中任意2个电力端子之间可以压接连接半导体芯片那样的螺钉固定构造。
附图说明
图1是表示本发明的第1个实施形态的图，(a)是半桥式构成的IGBT模块的电路图，(b)是半桥式构成的IGBT模块的截面图，(c)是半桥式构成的IGBT模块的平面图。
图2表示与第2个实施形态有关的6合1构造的IGBT模块，(a)是6合1构造中的IGBT模块的电路图，(b)是在6合1构造中的IGBT模块的内部平面图。
图3是作为第3个实施形态变更控制端子的配置时的内部平面图。
图4是作为第4个实施形态变更芯片配置时的内部平面图。
图5是表示第5个实施形态的图，是变更第1个实施形态的中继电力端子的配置时的内部平面图。
图6是表示第6个实施形态的图，是分割第2个实施形态的外部电力端子时的内部平面图。
图7是表示第7个实施形态的图，(a)是在第1个实施形态中芯片的两面与各个电力端子压接连接时的图，(b)是在第1个实施形态中芯片的一个面与电力端子压接连接，另一个面与电力端子焊接连接时的图，(c)是上述压接连接时的内部平面图。
图8是表示第8个实施形态的图，(a)是使在第1个实施形态中IGBT一方的IGBT的极性反转的电路图，(b)是(a)的截面构造图。
图9是已有的IGBT的构造图(a)和电路图(b)。
具体实施方式
图9所示的已有IGBT模块，用IGBT芯片和Cu图案通过焊丝与外部电力端子连接。这时，在需要大电流的模块中，通过增加焊丝的根数可以适应大电流，但是因为使用了具有某种长度的焊丝，所以电阻和由其长度引起的自电感增大。
因此，为了对付与本发明有关的焊丝电阻和自电感增大的问题，本发明提出通过图1(b)所示的IGBT芯片与外部电力端子直接连接减少由使用焊丝产生的电阻部分和自电感部分的构造。
这时，配置在上部和下部的外部电力端子采用其中的电流沿相互相反的方向流动的构造，由于互感的效果达到降低电感的目的，同时通过可以将外部电力端子作为散热片使用的构造，从而不需要使用其它部件的散热片，可以降低热阻和削减部件，实现低成本化。
即，本发明，例如在IGBT模块中，通过将外部电力端子直接与IGBT芯片的上面电极和下面电极连接，可以达到电力配线部分的低电阻化和低电感化，进一步达到低成本化的目的。
下面，我们根据所附附图表示的具体例子详细地说明本发明。下面的说明是关于本发明的一个实施形态，我们的目的对本发明的一般原理进行图解，但是本发明不限定于在该实施形态中具体所述的构成。本发明除了在本说明书中详细述说的IGBT模块外，也可以适用于例如可控硅整流器和功率晶体管以及功率IC等。在下面的详细说明和图面的记载中，相同的要素用相同的参照标号来表示。
(第1个实施形态)
图1表示本发明的第1个实施形态，显示具有半桥式构成的IGBT模块1。该IGBT模块1的电路图如图1(a)所示，IGBT模块的概略截面图如图1(b)所示，而模块内部的概略平面图如图1(c)所示。
图1(a)所示的IGBT半桥式电路，与2个IGBT元件2串联地连接，一个IGBT元件的收集极7和另一个IGBT元件的发射极分别与第1和第2个外部电力端子3，4连接。而且二极管5分别并联地与各个IGBT元件的发射极6和收集极7连接。又在2个IGBT元件之间连接着作为第3个外部电力端子的中继电力端子8。2个IGBT元件2的栅极9分别与控制端子10，21连接。
IGBT模块的构造如图1(b)和图1(c)所示。在图1(b)中，将第1个IGBT芯片11的收集极一侧的电极和第1个二极管芯片12的n层一侧的电极例如通过焊接等方法与下部的第1个外部电力端子3连接起来。也可以用导电性树脂进行连接。此外，为了确保IGBT芯片11和二极管芯片12的相互绝缘性，在IGBT芯片11和二极管芯片12的周围，配置例如由聚酰亚胺树脂或环氧树脂等形成的绝缘体层22。外部电力端子3，4和中继电力端子8一般用热导性和电导性良好的铜或铜合金制成。而且需要时也可以用DBC基片。这些端子也有作为散热部件将各个芯片上产生的热发散出去的功能。
在上述IGBT芯片11的发射极表面13和二极管芯片12的p层表面71上形成容易电连接的金属膜，为了缓冲应力，例如用通过钼薄片等的缓冲片15焊接中继电力端子8等的方法进行连接。中继电力端子8也与第1个电力端子相同，可以用铜或铜合金或需要时用DBC基片。
控制端子10同样地也通过缓冲片15与IGBT芯片11的栅极表面14连接。该控制端子也可以形成在预先构成IGBT模块1的外壳的模铸树脂支架17上。需要时，在中继电力端子8和控制端子10之间设置绝缘层16。作为另一种构造，也可以通过丝焊使控制端子10和栅极表面14连接起来(请参照图3的控制端子38和焊丝39)。
在与外部电力端子3情形相同的方法中，用焊接等的方法进一步使第2个IGBT芯片18和第2个二极管芯片19与中继电力端子8连接。进一步用焊接等的方法通过缓冲片15使第2个外部电力端子4与各个第2个芯片18，19的表面连接。外部电力端子4同样也可以用铜或铜合金或DBC基片制成。在该实施形态中，外部电力端子3，4和中继电力端子8有细长的薄片形状，有与半导体芯片连接的区域54和向外部引出的区域55，而且为了能够向外部进行良好的热发散有足够的厚度。
在这样的配置中至少外部电力端子3和外部电力端子4相互相对地并行配列，并使流过各个外部电力端子3，4的电流沿相反的方向20，21流动那样地进行配置。
又，同样地用焊接或键合等的方法使控制端子21也与第2个IGBT芯片18的栅极表面20连接。在图1(b)中，表示了通过焊接连接控制端子21的例子，但是也可以同样地通过丝焊和第1个IGBT芯片11的控制端子10连接。需要时，在第2个外部电力端子4和控制端子21之间设置绝缘层16。通过预先将该控制端子21形成在树脂支架17上能使组合作业变得容易。
又，在IGBT芯片11，18和二极管芯片12，19的周围配置例如由聚酰亚胺树脂和硅酮树脂等形成的绝缘体层22，可以确保芯片间和电极相互间的绝缘性。
模块内部的平面图如图1(c)所示。第2个外部电力端子4是完全覆盖IGBT芯片18的发射极23和第2个二极管芯片19的p层一侧的电极24那样构成的。在外部电力端子4和中继电力端子8上形成为了与使用该IGBT模块的电力装置的电力端子连接的贯通孔72。对于图中未画出的外部电力端子3也是一样的。
因为通过采用这样的构成，在IGBT芯片11，18的电极和外部电力端子3，4，8之间的连接是短距离的而且是面的连接，所以大幅度地减少了由于内部配线引起的电压下降。而且，因为外部电力端子3和4的配列是为了降低由于配线引起的电感成分，使电流沿相互相反的方向流动那样的配列，所以可以达到降低互感的目的。
进一步，因为除了外部电力端子3和4以外，使中继电力端子8也有作为散热片的功能，所以不需要连接新的散热片，能够达到减少在装配模块或使用模块时的工序数和削减成本的目的。
又，因为不需要用于布置配线的绝缘基片，所以也可以不使用比金属热传导率差的绝缘基片，从而能够实现低热阻化。
(第2个实施形态)
图2表示作为本发明的第2个实施形态的6合1的构造的IGBT模块25。该IGBT模块的电路图如图2(a)所示，而模块内部平面图如图2(b)所示。
第2个实施形态将第1个实施形态的IGBT模块的电路3个并列地连接起来形成1个模块。在下面一侧的3个IGBT 28的上方，配置上面一侧的3个IGBT 26，各个上下的IGBT26，27分别串联连接形成3相构造。又，在下面一侧的3个二极管29的上方，配置上面一侧的3个二极管27，各个二极管分别与对应的IGBT并联连接。
各相分别在第1个外部电力端子30和第2个外部电力端子31上使3相一体化地进行耦合。在各相的上侧和下侧元件的连接点上形成中继电力端子32，形成与各个IGBT26，27的栅极连接的控制端子33，34。关于内部构造与图1(b)和图1(c)所示的第1个实施形态相同，但是为了确保各相间的绝缘设置了绝缘层35。树脂支架36形成模块25的外壳。
由于第2个实施形态有上述构成，所以除了第1个实施形态中所述的效果外，在使用3相模块时还能够实现构造的简要化和装置的小型化。
(第3个实施形态)
图3表示改变了第1个实施形态的控制端子21，10和第2个外部电力端子4的构造的第3个实施形态的内部平面图。与第1个实施形态不同的地方是采用通过焊丝39(或焊接)连接IGBT芯片37和控制端子38，从模块40的中心部分取出控制端子38的构造。又，它是需要时通过使信号系的发射端子41接近控制端子38，直接从外部电力端子4输出的构成。通过这样的构成，将IGBT模块用于电力控制装置等时，使与控制装置的控制系统电路耦合，特别是配线的回转变得容易了。
(第4个实施形态)
图4表示改变了第1个实施形态的芯片配置的第4个实施形态的内部平面图。与第1个实施形态不同的地方是变更了IGBT芯片37和二极管芯片43的位置。又，关于控制端子38的配置，第1个实施形态和第3个实施形态的构造是可以适用的。
因为通过这样的构成，IGBT芯片37与第2个外部电力端子4的外部连接位置的距离变得更短了，所以成为能够实现更低电阻化和更低电感化的构造。需要时，可以使信号系的发射端子41接近控制端子38那样地进行配置。
(第5个实施形态)
第5个实施形态，如图5所示，改变了第1个实施形态的中继电力端子8的配置。图5表示了第5个实施形态的内部平面图。与第1个实施形态不同的地方是中继电力端子8的引出方向相对于第2个外部电力端子的引出方向成90°的角度。
通过采用这样的构成，中继电力端子8和外部电力端子45之间的距离变短，能够达到降低外部电力端子45和中继电力端子8之间的电阻的目的。
(第6个实施形态)
第6个实施形态的构造如图6所示。第6个实施形态是将在图2所示的第2个实施形态中的第2个外部电力端子31和图中没有画出的第1个外部电力端子分别分割成3相，图6表示它的内部平面图。与第2个实施形态不同的地方是，如上所述，将图2的第2个外部电力端子31(对第1个外部电力端子也一样)三分割化成在每个相上的外部电力端子44～46。
通过采用这样的构成，在简单3个并列地配置使用第1个实施形态的IGBT模块1的应用中，可以达到模块部分的小型化和减少装配工序数的目的，从而能够达到模块部分的低成本化。
(第7个实施形态)
图7表示代替在实施例1中的各个半导体芯片与各个电力端子的焊接连接，采用压接连接的实施形态。图7(a)是IGBT芯片和二极管芯片的上下两面也压接连接47的情形，图7(b)是只有各个芯片的单面(下面)压接连接47，而另一个面焊接连接42的情形。图7(c)表示采用压接连接时的内部平面图。
以从外部电力端子4通过缓冲片15例如通过蒸镀等形成Al电极作为压接面的IGBT或二极管等的半导体芯片18，19，中继电力端子8，例如由钼片形成的缓冲片15，半导体芯片11，12，外部电力端子3的顺序进行层积，有分别压接连接47半导体芯片的两个面的电极面的构造(a)，或压接连接47各个半导体芯片的一侧的电极面与另一侧的电极面焊接连接42的构造(b)。采用压接方式时，如图7(c)所示在用于压接的外部电力端子上设置螺钉固定孔48，按压上下外部电力端子3，4进行固定。通过采取这样的构成，能够达到降低接触电阻的目的。
(第8个实施形态)
图8表示使在第1个实施形态中的2个IGBT元件中的一侧的IGBT 52(图8中的上侧)的极性反转的构成。伴随着该反转也使对应一侧的二极管73反转。而且使一方的IGBT52的发射极与第4个电力端子连接，另一方的IGBT 53的发射极与第5个电力端子连接，双方的收集极7相互连接并与共通的电力端子51连接。
图8(a)表示该电路图，图8(b)表示截面构造图。
在这种构成中，通过第4个电力端子49和第5个电力端子50连接，具有两个IGBT元件52，53的并列连接很容易，通过这样的连接可以取得很多电力的优点。
通过使用本发明，因为半导体芯片和电力端子的连接是短距离并且是面连接，所以除了大幅度地减少由于内部配线引起的电压下降外，使外部电力端子的电感成分降低那样地电流沿相互相反的方向流动配列，所以能够达到降低互感的目的。
进一步，因为上下两端的电力端子，而且中继电力端子也有作为散热片的功能，所以不需要追加连接新的其它散热片，能够减少工序负担，削减成本。又，因为也不需要用于配线布置的绝缘基片，所以也可以不使用比金属热传导率差的绝缘基片，成为能够实现低热阻化的构造。
以上，我们用图说明了本发明的几个实施例，但是在这里所述的本发明的实施形态只是一个例子，在不脱离本发明的技术范围时，可以作出种种的变化是不言而喻的。又，本发明除了IGBT模块以外，还可以适用于可控硅整流器，GTO模块，大功率IC等的大功率半导体元件。
此外，本发明不限定在上述实施形态，在实施阶段在不脱离本发明要旨的范围内可以作出种种的变化。进一步，在上述实施形态中包含各种阶段的发明，通过用揭示的多个构成要件进行适当的组合，能够提取种种发明。当即便例如从实施形态所示的全部构成要件中删除几个构成要件，也能够解决本发明要解决的课题栏中所述课题中的至少一个，能够得到在本发明的效果栏中所述效果中的一个时，就能够将删除该构成要件的效果作为一个发明提取出来。

Claims (10)

1.一种半导体装置，包括：
相互重叠配置的至少3个电力端子；和
至少一块具有第一主表面和与该第一主表面平行相对的第二主表面的半导体芯片，上述至少一块半导体芯片由绝缘材料所包围，其特征是：
上述第一和第二主表面平行地夹在上述至少3个电力端子中规定的2个电力端子之间，以使上述至少一块半导体芯片的上述第一和第二主表面通过焊接或压接与上述规定的2个电力端子电连接。
2.权利要求1所述的半导体装置，其特征是在上述重叠的电力端子中，最上面的电力端子和最下面的电力端子在同一个方向上引出。
3.权利要求2所述的半导体装置，其特征是位于上述重叠的电力端子中中间位置的电力端子是在与最上面的或者最下面的电力端子相反的方向或者成90°角的方向上引出的。
4.权利要求1所述的半导体装置，其特征是上述第二主表面通过缓冲片连接着上述规定的2个电力端子中的一个电力端子。
5.权利要求1所述的半导体装置，其特征是在上述至少一块半导体芯片动作时，在上述重叠的电力端子中最上面的电力端子和最下面的电力端子中流动的电流方向相反。
6.权利要求1所述的半导体装置，其特征是夹在上述电力端子之间的至少一块半导体芯片是由多块半导体芯片构成的，在上述多块半导体芯片之间设置绝缘层。
7.权利要求6所述的半导体装置，其特征是在上述多块半导体芯片中包含至少一个晶体管和至少一个二极管，其中，至少一个控制电极与上述至少一个晶体管连接，以控制上述至少一个晶体管。
8.权利要求7所述的半导体装置，其特征是上述至少一个晶体管具有控制电极焊盘，上述控制电极与上述控制电极焊盘通过焊丝连接，或者通过夹在上述控制电极与上述控制电极焊盘之间的缓冲片直接连接。
9.权利要求7所述的半导体装置，其特征是上述控制电极是在与上述重叠的电力端子中最上面的电力端子或最下面的电力端子相反的方向或者成90°角的方向上引出的。
10.权利要求4中所述的半导体装置，其特征是在上述相互重叠的电力端子中，最上面的电力端子和最下面的电力端子具有螺钉固定构造，以使上述相互重叠的电力端子中的任意2个电力端子之间可以压接连接半导体芯片。
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