JP2004303850A

JP2004303850A - 半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP2004303850A
Application number: JP2003093177A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Onishi; 宏幸大西; Toshiaki Nagase; 俊昭長瀬; Jun Ishikawa; 純石川; Motomare Shimokawa; 元希下河; Koichi Akagawa; 宏一赤川
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】半導体装置の小型化、およびその製造工程の簡素化を図る。
【解決手段】ベース基板１の上面に半導体素子２が半田付けされている。下段電極３および上段電極４は、電極インサートケース５と一体的に形成されて保持されている。電極インサートケース５は、接着剤７によりベース基板１に固定され、下段電極３は、半田８によりベース基板１に電気的に接触している。上段電極４は、ボンディングワイヤ９により半導体素子２に電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に係り、特に、電力用半導体モジュールの実装構造およびその実装方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体装置の小型化やその製造工程の簡素化に関する要求は強く、電力用半導体モジュールにおいても例外ではなかった。
電力用半導体モジュールの小型化を図るための一手法としては、例えば、半導体チップの主電流入力領域および主電流出力領域をそのチップの上面および底面に形成し、そのチップを導体パターンの上に配置する構成が知られている。この構成によれば、半導体チップの主電流入力領域または主電流出力領域の一方が半導体モジュール内の導体パターンに直接的に接続されるので、その間の配線が不要になり、モジュールの小型化に寄与する。（例えば、特許文献１、２参照。）
また、パワー半導体モジュールの製造工程の簡素化を図るための手法としては、例えば、半導体チップおよびそれに接続する配線パターンを保護するための樹脂ケースに電極の一部を埋め込んだ（インサートした）構造が知られている。すなわち、この構造によれば、ケースおよび電極が予め一体的に形成されており、その電極がインサートされているケースを基板に取り付けることにより、電極が基板上の所定の領域に電気的に接続されるようになっているので、製造工程が簡単になる。（例えば、特許文献３参照。）
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−８３９５号公報（図１、要約、段落００３０〜００３１など）
【０００４】
【特許文献２】
特開昭６３−３１８１４７号公報（図３、第１ページ）
【０００５】
【特許文献３】
特開平２−１５４４５７号公報（図１、第２ページ）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した特許文献１〜３に記載の構造よりも、さらに小型化および製造工程の簡素化を図りたいという要求がある。すなわち、特許文献１〜３に記載の半導体装置は、金属ベース基板上に絶縁層を設け、さらにその上に電極板または金属膜を形成したうえで、その電極板または金属膜に半導体チップを接触させる構造となっているので、さらなる小型化および製造工程の簡素化の可能性が考えられる。
【０００７】
さらなる小型化および製造工程の簡素化を図る構造としては、例えば、特許文献１〜３に記載の金属ベース基板を当該半導体装置の主電流の流れる経路として利用する形態が考えられる。この場合、半導体チップは、金属ベース基板に直接的に接触するように配置される。しかし、この構造では、樹脂ケースにインサートされている電極と金属ベース基板との間を電気的に接続するためボンディングワイヤが必要になる。このため、上記電極および金属ベース基板の双方にワイヤボンディングのための領域を形成する必要があり、半導体装置の小型化が十分とはいえない。また、製造工程の面でも、その簡素化が十分とはいえない。
【０００８】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、半導体装置の小型化、およびその製造工程の簡素化を図ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、導電性のベース基板と、一方の面に第１の主電流領域を有するとともに他方の面に第２の主電流領域を有しその第１の主電流領域が上記ベース基板に電気的に接続するようにそのベース基板上に配置された半導体素子と、上記半導体素子を取り囲むようにして上記ベース基板に固定されたケースと、上記ケースと一体的に形成され半田または導電性接着剤により上記ベース基板に電気的に接続された第１の電極と、上記第１の電極から絶縁された状態で上記ケースと一体的に形成され上記半導体素子の第２の主電流領域にボンディングワイヤを介して電気的に接続された第２の電極、を有する。
【００１０】
この半導体装置は、半導体素子の第１の主電流領域がベース基板を介して第１の電極に接続され、半導体素子の第２の主電流領域がボンディングワイヤを介して第２の電極に接続される構成であるが、第１の電極とベース基板との間は、半田または導電性接着剤により電気的に接続されている。したがって、ボンディングワイヤの本数が削減されると共に、そのための領域も少なくなるので、半導体装置の小型化が図れる。
【００１１】
本発明の半導体装置の製造方法は、導電性のベース基板上に半導体素子を電気的に接触させる第１の工程と、互いに絶縁された第１および第２の電極がインサートされているケースを接着剤を用いて上記ベース基板に固定する第２の工程と、上記第２の工程と同時に上記第１の電極を半田または導電性接着剤を用いて上記ベース基板に電気的に接触させる第３の工程と、上記第２の電極をボンディングワイヤを介して上記半導体素子に電気的に接続する第４の工程、を有する。
【００１２】
この方法によれば、第１の電極をベース基板に接触させる工程が、ケースをそのベース基板に固定する工程と同時に行われる。すなわち、第１の電極をベース基板に接触させる工程を他の工程から独立して行う必要はない。したがって、半導体装置の製造に要する工程が削減される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、実施形態の半導体装置の内部構造を示す斜視図である。なお、この半導体装置は、大電流を制御する電力用半導体モジュールである。
【００１４】
ベース基板１は、例えば、導電性の金属ベース基板である。なお、ベース基板１の材質は、特に限定されるものではないが、その融点が少なくとも半田の融点よりも十分に高い材質であるものとする。また、ベース基板１は、単なる金属ベースに限定されるものではなく、例えば、金属ベース上に絶縁膜を介して積層される導体薄膜が所要の回路配線パターンに加工されている絶縁放熱基板であってもよい。
【００１５】
半導体素子２は、特に限定されるものではないが、例えば、ＭＯＳトランジスタが形成された半導体チップである。また、半導体素子２の上面には第１の主電流領域が形成されており、その底面には第２の主電流領域が形成されている。ここで、半導体素子２がＭＯＳトランジスタチップであるものとすると、第１の主電流領域はそのＭＯＳトランジスタのソース領域であり、第２の主電流領域はそのＭＯＳトランジスタのドレイン領域である。そして、この場合、そのＭＯＳトランジスタのドレイン領域が半田等によりベース基板１に電気的に接続されている。
【００１６】
下段電極（第１の電極）３および上段電極（第２の電極）４は、当該半導体装置の主電流入力／出力用の電極であり、電極インサートケース５と一体的に形成されている。ここで、下段電極３および上段電極４は、樹脂等の絶縁材６により互いに電気的に絶縁された状態で電極インサートケース５に保持されている。ただし、この絶縁材６は、電極インサートケース５の一部であってもよい。また、下段電極３および上段電極４は、それぞれ、Ｌ字形状に折れ曲がっており、絶縁材６を介して互いに重なり合うように設けられている。なお、下段電極３および上段電極４は、半導体素子２がＭＯＳトランジスタチップであるものとすると、それぞれ、ドレイン電極およびソース電極である。
【００１７】
電極インサートケース５は、例えば絶縁性の樹脂等により形成されており、半導体素子２を取り囲むようにして、接着剤７によりベース基板１に固定されている。また、下段電極３は、半田８によりベース基板１に電気的に接触している。さらに、上段電極４は、ボンディングワイヤ９により、各半導体素子２のソース領域に電気的に接続している。なお、図１では、半導体素子２に制御信号（例えば、ゲート信号）を与えるための配線等は省略されている。
【００１８】
上記構成の半導体装置において、半導体素子２がオン状態であるときは、例えば、上段電極４から入力される電流は、ボンディングワイヤ９、半導体素子２、ベース基板１を介して下段電極３に導かれ、そこから出力されることになる。
図２は、従来の半導体装置の内部構造を示す斜視図である。なお、この半導体装置は、実施形態の半導体装置の効果を説明するための比較対照であって、上述した特許文献１〜３に記載の構造とは異なっている。また、図１および図２において共通して使用されている符号は、同じものを指し示している。
【００１９】
従来の半導体装置においては、図２に示すように、下段電極１１は、接着剤１２によりベース基板１に固定されている。ここで、この接着剤１２は、絶縁性の接着剤であり、例えば、電極インサートケース５をベース基板１に固定するための接着剤７と同じものである。また、下段電極１１は、ボンディングワイヤ１３を介してベース基板１に電気的に接続されている。そして、半導体素子２がオン状態であるときは、例えば、上段電極４から入力される電流は、ボンディングワイヤ９、半導体素子２、ベース基板１、ボンディングワイヤ１３を介して下段電極１１に導かれ、そこから出力されることになる。
【００２０】
図３は、実施形態の半導体装置における効果を説明する図である。図３（ａ）に示す実施形態の構造と、図３（ｂ）に示す従来の構造とを比較すると、従来の構造では、下段電極１１は、絶縁性の接着剤１２によりベース基板１に固定されているので、ボンディングワイヤ１３によりベース基板１に電気的に接続されている。このため、下段電極１１は、図３（ｂ）に示すように、ボンディングワイヤ１３を接続するための領域を設ける必要があるので、上段電極４に対して「長さａ」だけ突出するように形成しなければならない。同様に、従来の構造では、ベース基板１上にボンディングワイヤ１３を接続するための領域を設ける必要があるので、そのための領域として「幅ｂ」を確保する必要がある。
【００２１】
これに対して、実施形態の構造では、下段電極３とベース基板１との間は、半田８により直接的に接続されるようになっている。このため、実施形態の構造では、ボンディングワイヤ１３が不要であり、「長さａ」および「幅ｂ」を確保する必要がない。したがって、実施形態の半導体装置は、従来の半導体装置と比較して、小型化が実現される。
【００２２】
図４は、図１に示す実施形態の半導体装置の製造方法を説明する図である。なお、ここでは、本発明に係わる主要な工程（すなわち、ベース基板１の上面に半導体素子２が半田付けされた後の工程）を示すものとする。
ステップＳ１では、電極インサートケース５をベース基板１に固定するための接着剤７をベース基板１上の対応する領域に塗布する。また、下段電極３をベース基板１に電気的に接触させるための半田８をベース基板１上の対応する領域に設ける。ここで、半田８は、特に限定されるものではなく、ペースト半田であってもよいし、板半田であってもよい。なお、半田８は、必ずしも下段電極３の底面の全面に相当する領域に設ける必要はなく、下段電極３の底面の一部に接触するように設けるようにしてもよい。ただし、ベース基板１と下段電極３との間の電流容量を確保するに十分な面積に半田８が設けられている必要がある。
【００２３】
そして、電極インサートケース５が接着剤７に接触し、かつ下段電極３が半田８に接触するように、下段電極３および上段電極４がインサートされた電極インサートケース５がベース基板１上の所定の位置に設定される。
ステップＳ２では、電極インサートケース５が設定された状態で、熱処理が行われる。ここで、この熱処理は、接着剤７が十分に硬化する温度であって、且つ半田８が十分に融解する温度である。なお、接着剤７の硬化温度および半田８の融点は、同程度（例えば、１２０〜１３０℃程度）であるものとする。そして、この熱処理により、接着剤７が硬化し、同時に、半田８が融解する。すなわち、この熱処理により電極インサートケース５がベース基板１に固定される。また、この熱処理により半田８が融解すると、その後、その半田８が固化することにより、下段電極３はベース基板１に電気的に接触した状態になる。
【００２４】
なお、半田８としてペースト半田を使用する合は、窒素雰囲気でリフローを行い、板半田を使用する場合は、半田表面の酸化物等を還元するために水素雰囲気でリフローを行うことが望ましい。
ステップＳ３では、ボンディングワイヤ９を用いて上段電極４と半導体素子２との間を接続する。
【００２５】
図５は、図２に示す実施形態の半導体装置の製造方法を説明する図である。ステップＳ１１では、電極インサートケース５をベース基板１に固定するための接着剤７、および下段電極１１をベース基板１に固定するための接着剤１２をベース基板１上の対応する領域に塗布する。そして、下段電極１１および上段電極４がインサートされた電極インサートケース５が所定の位置に設定される。
【００２６】
ステップＳ１２では、熱処理により、接着剤７、１２を硬化させる。そして、ステップＳ１３において、ボンディングワイヤ９を用いて上段電極４と半導体素子２との間を接続すると共に、ボンディングワイヤ１３を用いて下段電極３とベース基板１との間を接続する。
【００２７】
ここで、図４に示す実施形態の製造方法と、図５に示す従来の製造方法とを比較すると、実施形態の方法では、ステップＳ２の熱処理において下段電極３とベース基板１との間が電気的に接続されるので、それらの間をボンディングワイヤ１３で接続する工程が不要である。即ち、実施形態の方法によれば、図５に示す従来の方法と比べ、半導体装置の生産に要する工程数を削減でき、その結果、生産時間および生産コストが抑制されることになる。
【００２８】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、更に種々変形して実施することができる。例えば、上述の例では、下段電極３は、半田８によってベース基板１に電気的に接触されているが、半田８のかわりに導電性接着剤を用いてもよい。
【００２９】
また、半導体素子２の数や配置、あるいは、電極（下段電極３、上段電極４）の形状は、特に限定されるものではない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体装置の小型化およびその生産コストの抑制を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の半導体装置の内部構造を示す斜視図である。
【図２】従来の半導体装置の内部構造を示す斜視図である。
【図３】実施形態の半導体装置における効果を説明する図である。
【図４】図１に示す実施形態の半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図５】図２に示す従来の半導体装置の製造方法を説明する図である。
【符号の説明】
１ベース基板
２半導体素子
３下段電極（第１の電極）
４上段電極（第２の電極）
５電極インサートケース（ケース）
７接着剤
８半田
９ボンディングワイヤ

Claims

導電性のベース基板と、
一方の面に第１の主電流領域を有するとともに、他方の面に第２の主電流領域を有し、その第１の主電流領域が上記ベース基板に電気的に接続するようにそのベース基板上に配置された半導体素子と、
上記半導体素子を取り囲むようにして上記ベース基板に固定されたケースと、
上記ケースと一体的に形成され、半田または導電性接着剤により上記ベース基板に電気的に接続された第１の電極と、
上記第１の電極から絶縁された状態で上記ケースと一体的に形成され、上記半導体素子の第２の主電流領域にボンディングワイヤを介して電気的に接続された第２の電極、
を有することを特徴とする半導体装置。
導電性のベース基板上に半導体素子を電気的に接触させる第１の工程と、
互いに絶縁された第１および第２の電極がインサートされているケースを接着剤を用いて上記ベース基板に固定する第２の工程と、
上記第２の工程と同時に、上記第１の電極を半田または導電性接着剤を用いて上記ベース基板に電気的に接触させる第３の工程と、
上記第２の電極をボンディングワイヤを介して上記半導体素子に電気的に接続する第４の工程、
を有することを特長とする半導体装置の製造方法。