JP2006245182A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】電力半導体素子のチップサイズがアルミニウムワイヤーの径寸法で決定されてしまうことの無い半導体装置を提供する。
【解決手段】ＩＧＢＴ１のエミッタ電極上には、第１及び第２接続電極が互いに相対する様に分離・形成され、ダイオード２のアノード電極上にも互いに相対する様に分離された第１及び第２接続電極が形成されている。引き出し電極４の一方の側面部４ＳＰ１からは内側に折り曲げられた第１電極配線部５Ａが形成され、他方の側面部４ＳＰ２からも第２電極配線部５Ｂが、第１電極配線部５Ａと相対する様に分離・形成されている。ＩＧＢＴ１に相対する位置にある第１及び第２電極配線部５Ａ，５Ｂはそれぞれ第１及び第２接続電極にのみ半田付けされ、同様に、ダイオード２に相対する位置にある第１及び第２電極配線部５Ａ，５Ｂもそれぞれ第１及び第２接続電極にのみ半田付けされている。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力半導体素子と、当該電力半導体素子の電流を引き出す電極との接続に関する。
モータ等を駆動するパワーエレクトロニクスでは、スイッチング素子として、定格電圧が３００Ｖ以上の領域ではその特性からＩＧＢＴが使用されており、又、スイッチング素子に並列に接続された還流用のフリーホイールダイオードが使用されている。
インバータ回路は直流と交流との変換機であり、スイッチング素子であるＩＧＢＴとフリーホイールダイオードとで構成され、ＩＧＢＴ及びフリーホイールダイオードの各々は４素子又は６素子でモータ制御用に使用される。インバータ回路は、直流端子が直流電源に接続されており、ＩＧＢＴをスイッチングさせることで直流電圧を交流電圧に変換し、負荷であるモータに給電する。
ＩＧＢＴとフリーホイールダイオードとがそれぞれ６素子あるインバータ回路の製品では、同一基板上に、１個のＩＧＢＴと１個のフリーホイールダイオードとから成るペアーが６個配置されている。そして、この６個のペアーは筐体の内部に形成されており、筐体には、外部コレクタ電極、外部エミッタ電極及び外部ゲート電極が形成されている。これらの外部電極と、ＩＧＢＴとフリーホイールダイオードとの１ペアーは、アルミニウムワイヤーにより接続されている。
特開平９−１７２１３６号公報 特開２００２−４３５０８号公報 特開２００４−２２８４６１号公報
ＩＧＢＴの特性の向上及びＩＧＢＴチップのシュリンク化に伴い、現在のＩＧＢＴチップのサイズは、１０年前と較べると、１／２〜１／４以下にまで小さくなっている。他方で、インバータ回路の製品段階では、ＩＧＢＴとダイオードとをアルミニウムワイヤーにより互いに接続しているため、上記の通りＩＧＢＴのチップサイズが小さくなると、アルミニウムワイヤーを打つべきチップ表面領域の面積が減らざるを得なくなる。ところが、アルミニウムワイヤーに流せる電流値には制限があるため（その値が決まっているため）、チップサイズがアルミニウムワイヤーの径寸法で決定されてしまうと言う、上記のチップサイズの小型化の傾向とは相反する問題点が最近発生している。
又、チップの上部側からアルミニウムワイヤーをチップに直接的に接続するため、チップの上部へ熱が逃げにくいと言う問題点も発生している。
更に、Ｈｅａｔ Ｃｙｃｌｅ（Ｈ／Ｃ）の寿命がアルミニウムワイヤーとの接触面積で決まるため、現在の製品は、要求値が高くなった最近のＨ／Ｃ寿命の要求を満足することも出来なくなって来ている。
この発明は、斯かる技術的状況に鑑み成されたものであり、電力半導体素子のチップサイズがアルミニウムワイヤーの径寸法で決定されてしまうことがなく、電力半導体素子のチップサイズの小型化に対応可能であり、しかも、製造上の様々な利点を奏し得る、半導体装置を提供することを、その目的としている。
本発明の主題に係る半導体装置は、表面及び裏面上にそれぞれ形成された第１及び第２主電極を備える電力半導体素子と、前記電力半導体素子の前記第２主電極と電気的に接続された金属板と、前記第１主電極上に互いに相対する様に分離形成された第１及び第２接続電極と、その一方の側面部から下方に向けて形成された第１電極配線部と、前記一方の側面部に対向する他方の側面部から下方に向けて前記第１電極配線部と相対する様に前記第１電極配線部とは分離して形成された第２電極配線部とを備える引き出し電極とを備え、前記第１電極配線部は前記第１接続電極とのみ電気的に接続されている一方、前記第２電極配線部は前記第２接続電極とのみ電気的に接続されていることを特徴とする。
以下、この発明の主題の様々な具体化を、添付図面を基に、その効果・利点と共に、詳述する。
本発明の主題によれば、電力半導体素子のチップサイズの小型化に対応可能な半導体装置を提供することが出来る。
（実施の形態１）
本実施の形態の特徴点は、引き出し配線（後述する電極配線部に相当）の分割に対応して、電力半導体素子の表面電極（第１主電極）上の接続電極をも分割し、分割された引き出し配線とそれに対応する分割された接続電極同士を相対させて電気的に接続した点にある。以下、インバータ回路のＩＧＢＴとダイオードとの１ペアーに関して、上記特徴点を図面に基づき具体的に記載する。
図１は、本実施の形態の一例に係る半導体装置の構成を示す正面図（Ａ）とその側面図（Ｂ）である。又、図２は、上部側の引き出し電極４の構成を示す正面図（Ａ）、下面図（Ｂ）及び側面図（Ｃ）である。又、図３は、下面の電極に該当する裏面金属板３上に搭載された電力半導体素子、即ち、ＩＧＢＴ１及びダイオード２を示す上面図である。図１及び図３中、符号Ｄ１は第１方向に該当し、符号Ｄ２は第１方向Ｄ１と直交する第２方向である。更に、図４は、図３のＩＧＢＴ１の上面構成を拡大化して示す上面図である。
図１に示す通り、ＩＧＢＴ１のコレクタ電極（第２主電極）１ＰＥ２及びダイオード２のカソード電極（第２主電極）２ＰＥ２は、それぞれ半田６，７によって、裏面金属板３の表面上に電気的に接続されている。
図３及び図４に示す通り、第１主電極をその上に形成すべきＩＧＢＴ１の表面の周囲には、通常のＩＧＢＴと同様に、ゲートパッドと繋がったゲート配線ＧＬが形成されており、このゲート配線ＧＬを取り囲む様に、分割領域ＤＲが当該表面に形成されている。そして、この分割領域ＤＲ内には、第１主電極は形成されてはいない。つまり、分割領域ＤＲで囲まれた内側のＩＧＢＴ１の表面上に、エミッタ電極（第１主電極）１ＰＥ１が配置されている。特に、ＩＧＢＴ１の表面中央に於いて第２方向Ｄ２に沿って延在する分割領域ＤＲ１の存在によって、エミッタ電極１ＰＥ１は第２方向Ｄ２に関して上下に２分割されている。即ち、エミッタ電極１ＰＥ１は、上部側のエミッタ電極１ＰＥ１Ａと、下部側のエミッタ電極１ＰＥ１Ｂとに分割されている。しかも、分割領域ＤＲの内で第１方向Ｄ１に沿って櫛歯状に延びた６本の分割領域ＤＲ２の存在により、上部側のエミッタ電極１ＰＥ１Ａは第２方向Ｄ２に沿って略４分割された状態にあり、同様に、下部側のエミッタ電極１ＰＥ１Ｂも第２方向Ｄ２に沿ってあたかも４分割された状態にある。そして、エミッタ電極１ＰＥ１の各分割部分上に、接続電極１０が形成されている。即ち、上部側のエミッタ電極１ＰＥ１Ａの各分割部分上に形成された接続電極１０である第１接続電極１０Ａは、分割領域ＤＲ１を介在して、下部側のエミッタ電極１ＰＥ１Ｂの対応する分割部分上に形成された接続電極１０である第２接続電極１０Ｂと相対している。換言すれば、第１接続電極１０Ａ及びそれと相対する第２接続電極１０Ｂは共に第１方向Ｄ１に沿って形成されており、且つ、第２方向Ｄ２に関して分割されている。これらの接続電極１０は、後述する接続電極１１と同様に、最表面にＡｕが形成された金属であり、この構造により同電極１０との半田付けを可能としている。
更に、エミッタ電極１ＰＥ１を上部側のエミッタ電極１ＰＥ１Ａと下部側のエミッタ電極１ＰＥ１Ｂとに２分割する分割領域ＤＲ１の略中央部分には、ＩＧＢＴチップの温度をモニターする温度センス１２が配置されている。図４中、符号１２Ｌ１，１２Ｌ２は温度センス１２の入力用及び出力用配線である。
尚、温度センス１２を設けない場合には、分割領域ＤＲ１を設ける必要性はない。つまり、斯かる場合には、エミッタ電極１ＰＥ１は上下に２分割されない。
同様に、図３に示す様に、ダイオード２の表面に形成されたアノード電極（第１主電極に相当）２ＰＥ１の上にも、第１及び第２接続金属１１Ａ，１１Ｂが互いに相対する様に第２方向Ｄ２に関して分割・形成されている（便宜上、両者１１Ａ，１１Ｂを接続金属１１と総称する）。
他方、第２方向Ｄ２に延在し且つ相対する様に分割された電極配線部５を備える引き出し電極４は、１個の金属体から電極配線部５と一体的に形成されるものである。引き出し電極４の構造は次の通りである。図１及び図２に明示する通り、第２方向Ｄ２に延びた、引き出し電極４の一方の側面部（第１側面部）４ＳＰ１からは、下方に向けて延在し且つ縦断面形状が略Ｌ字型となる様に内側に折り曲げられた第１電極配線部（第１引き出し配線とも称す）５Ａが、形成されている。しかも、第１側面部４ＳＰ１に対向する引き出し電極４の他方の側面部（第２側面部）４ＳＰ２からも、下方に向けて延在し且つ第１電極配線部５Ａの先端部と相対しつつ、同じく縦断面形状が略Ｌ字型となる様に内側に折り曲げられた第２電極配線部（第２引き出し配線とも称す）５Ｂが、形成されている。即ち、引き出し電極４は、互いに相対する様に第２方向Ｄ２に関して分割された第１及び第２電極配線部５Ａ，５Ｂを有している。そして、互いに相対し合う第１及び第２電極配線部５Ａ，５Ｂの各ペアーと、ＩＧＢＴ１の、互いに相対し合う第１及び第２接続電極１０Ａ，１０Ｂの各ペアーとの位置関係は相対している。従って、互いに相対し合う第１及び第２電極配線部５Ａ，５Ｂの４ペアーの各々は、互いに相対し合う第１及び第２接続電極１０Ａ，１０Ｂの４ペアーの内の対応するものと、位置関係の上で、相対している。この様な位置関係の相対は、ダイオード２に関しても言える。図１及び図３に示す通り、ダイオード２との接続用の、引き出し電極４に於ける第１及び第２電極配線部５Ａ，５Ｂの１ペアーは、ダイオード２側の互いに相対し合う第１及び第２接続電極１１Ａ，１１Ｂの１ペアーと、位置関係の上で、相対している。
この様な電極配線部５Ａ，５Ｂの分割、斯かる分割に対応した接続電極１０Ａ，１０Ｂ（１１Ａ，１１Ｂ）の分割及び上記の位置関係の相対に伴い、第１及び第２電極配線部５Ａ，５Ｂを半田付けするだけで、ＩＧＢＴ１のエミッタ電極１ＰＥ１及びダイオード２のアノード電極２ＰＥ１は、引き出し配線５Ａと接続電極１０Ａ（１１Ａ）との接合及び引き出し配線５Ｂと接続電極１０Ｂ（１１Ｂ）との接合を介して、引き出し電極４と電気的に接続される。即ち、第１電極配線部５Ａの各々の底部（略平坦面）５ＡＢは、相対する第１接続電極１０Ａ（１１Ａ）とのみ、半田８（９）により電気的に接続される一方、第２電極配線部５Ｂの各々の底部（略平坦面）５ＢＢは、相対する第２接続電極１０Ｂ（１１Ｂ）とのみ、半田８（９）により電気的に接続される。従って、ＩＧＢＴ１のエミッタ電極１ＰＥ１とダイオード２のアノード電極２ＰＥ１を結ぶためのアルミニウムワイヤーは不要となる。
以上の様に形成された半導体装置は、その後、樹脂等で封じされ、インバータ回路に於けるスイッチング素子とフリーホイールダイオードとの１ペアーとなる。この様なペアーを複数個使用することで、最終製品としてのインバータ回路が形成される。
＜利点その１＞
本実施の形態では、第１主電極上に形成された接続電極１０，１１は相対する様に分割されており、且つ、引き出し電極４の電極配線部５も相対する様に分割されており、加えて、第１接続電極１０Ａ，１１Ａと対応する第１電極配線部５Ａとの位置は相対関係にあると共に、第２接続電極１０Ｂ，１１Ｂと対応する第２電極配線部５Ｂとの位置も相対関係にあるので、ＩＧＢＴ１とダイオード２とに引き出し配線５を半田付けする際の位置決めが簡単になると言う製造上のメリットがある。
＜利点その２＞
又、本実施の形態では接続電極１０，１１を相対する様に第２方向Ｄ２に関して分割しているので、各接続電極１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂへの半田摘出量を調整することで、半田８，９の厚みを均一にし易いと言う製造上のメリットがある。つまり、接続電極の面積が大面積になればなる程、面と面との間に均一に半田の厚さをコントロールすることが難しくなるからである。換言すれば、チップが大きいと、チップの中で半田溜りが形成され易くなる。
本利点に関しては、ＩＧＢＴ１とダイオード２とが同時に形成される場合を示したが、ＩＧＢＴ又はダイオードの何れか一つが形成される場合にも、同様に当該利点が得られる。
＜利点その３＞
又、図１の構造では、ＩＧＢＴ１とダイオード２とを裏面金属板３上に第２方向Ｄ２に沿って並んで配置し、且つ、両者１，２をそれらの上部に位置する引き出し電極４の延在方向Ｄ２に沿って並んで配置すると共に、引き出し電極４の側面の内でＩＧＢＴ１の上部に該当する部分及びダイオード２の上部に該当する部分のそれぞれから、同様に、電極配線部５（５Ａ，５Ｂ）を内側に向けて折り曲げて形成している。しかも、引き出し電極４と電極配線部５（５Ａ，５Ｂ）とは一体化されている。この様な引き出し電極４を利用することで、引き出し電極４と電極配線部５とから成る上面側リードフレームを、ＩＧＢＴ１及びダイオード２の分割された接続電極１０，１１に、１工程（相対位置関係にある電極配線部５と対応する接続電極１０，１１との半田付け工程）で電気的に接合させることが可能となる。この点で、ＩＧＢＴ及びダイオードの接続端子を別々に形成する場合と比較すると、上面側リードフレームの形成が簡単になる。
＜利点その４＞
既述した通り、ＩＧＢＴ１の上部に位置する引き出し電極４に平行に延在した分割領域ＤＲ１内には温度センス１２が形成されている。従って、ＩＧＢＴチップの端以外の場所の温度をモニターすることが可能である。特に、温度センス１２は、ＩＧＢＴ１の表面中央に、即ち、分割領域ＤＲ１の中央部内に配設されているので、温度が最も高くなるＩＧＢＴチップ中央の温度をモニターすることが出来る。
図１及び図４に示す通り、ＩＧＢＴ１は引き出し電極４乃至は引き出し配線５に平行な分割領域ＤＲ１を有するので、図５に例示する様に、第２方向Ｄ２（横方向）に関するエミッタ電極１ＰＥ１乃至は接続電極１０の分離数によらずに、ＩＧＢＴチップ中央に温度センス１２を配置することが出来る。
又、図６にダイオード２の色々な場合の上面図を示すが、図４に例示したＩＧＢＴ１と同様に、引き出し電極４と平行に延在する分離領域ＤＲをダイオードチップ表面の第１方向Ｄ１に関する中央部に設けて、この分離領域ＤＲの中央部、従ってダイオードチップ表面中央部に温度センスを配置する様にしても良い。斯かる場合にも、ダイオードチップ中央の温度をモニターすることが可能となる。
（実施の形態２）
本実施の形態は、図１に例示した半導体装置の製造方法に関しており、図７乃至図９は、図１の半導体装置を製造する工程の各段階に於ける同装置の縦断面図である。
先ず図７に示す工程に於いて、裏面の電極となる金属基板３を用意する。
次に図８に示す工程に於いて、表面と裏面とに電極を有し且つ当該表面上に相対する様に分割・形成された第１及び第２接続電極を有するＩＧＢＴ１及びダイオード２を、半田６，７によって、裏面金属基板３の表面に半田付けする。ここで、第１及び第２接続電極は、ＩＧＢＴ１及びダイオード２がウエハ状態にある際に、その最表面にＡｕを有する金属を蒸着する、あるいは、メッキをすることで、形成される。
次に図９に示す工程に於いて、予め一体的に形成された引き出し電極４の相対・分離された各電極配線部の底部（図１の底部５ＡＢ，５ＢＢを参照）が、当該電極配線部に対応する接続電極と相対する様に、引き出し電極４をＩＧＢＴ１及びダイオード２の上部に配置した上で（引き出し電極４の位置決め）、半田８，９を用いて、各電極配線部を当該電極配線部に相対する接続電極に半田付けし、これによって、引き出し電極４とＩＧＢＴ１及びダイオード２とを電気的に接続する。
以上の様にして形成された半導体装置は、その後、樹脂等で封じされ、最終製品に組み立てられる。
（付記）
本発明で言う「電力半導体素子」の概念には、実施の形態１で例示したＩＧＢＴの他に、パワーＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子や、ダイオードが、含まれる。
以上、本発明の実施の形態を詳細に開示し記述したが、以上の記述は本発明の適用可能な局面を例示したものであって、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、記述した局面に対する様々な修正や変形例を、この発明の範囲から逸脱することの無い範囲内で考えることが可能である。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す図である。 実施の形態１に於ける引き出し電極の構成を示す図である。 実施の形態１に係るＩＧＢＴとフリーホイールダイオードが裏面金属板上に搭載されている状態を示す平面図である。 実施の形態１に係るＩＧＢＴの表面上の構成を拡大的に示す平面図である。 実施の形態１に係るＩＧＢＴの接続電極の構成を模式的に示す平面図である。 実施の形態１に係るダイオードの接続電極の構成を模式的に示す平面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造工程を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造工程を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造工程を示す縦断面図である。
符号の説明
１ ＩＧＢＴ、２ダイオード、３ 裏面金属板、４ 引き出し電極、５，５Ａ，５Ｂ 電極配線部、６，７，８，９ 半田、１０，１１ 接続電極、１２ 温度センス。

Claims (6)

  1. 表面及び裏面上にそれぞれ形成された第１及び第２主電極を備える電力半導体素子と、
    前記電力半導体素子の前記第２主電極と電気的に接続された金属板と、
    前記第１主電極上に互いに相対する様に分離形成された第１及び第２接続電極と、
    その一方の側面部から下方に向けて形成された第１電極配線部と、前記一方の側面部に対向する他方の側面部から下方に向けて前記第１電極配線部と相対する様に前記第１電極配線部とは分離して形成された第２電極配線部とを備える引き出し電極とを備え、
    前記第１電極配線部は前記第１接続電極とのみ電気的に接続されている一方、
    前記第２電極配線部は前記第２接続電極とのみ電気的に接続されていることを特徴とする、
    半導体装置。
  2. 請求項１記載の半導体装置であって、
    前記第１及び第２接続電極は共に第１方向に沿って形成されており、
    前記引き出し電極は前記第１方向と直交する第２方向に延在しており、
    前記第１及び第２接続電極は前記第２方向に関して分割されていることを特徴とする、
    半導体装置。
  3. 請求項２記載の半導体装置であって、
    前記第１及び第２電極配線部は共に内側に折り曲げられて互いに相対していることを特徴とする、
    半導体装置。
  4. 請求項２記載の半導体装置であって、
    前記第１主電極は、前記第１接続電極と前記第２接続電極との間の領域に於いて２分割されて、前記第１主電極が存在しない分割領域が前記第１接続電極と前記第２接続電極との間の前記電力半導体素子の表面に形成されており、
    前記電力半導体素子の温度をモニターする温度センスが前記分割領域上に形成されていることを特徴とする、
    半導体装置。
  5. 請求項４記載の半導体装置であって、
    前記温度センスが前記電力半導体素子の前記表面の中央に配設されていることを特徴とする、
    半導体装置。
  6. その上に互いに相対する様に分離形成された第１及び第２接続電極が形成された第１主電極及び前記第１主電極に対向する第２主電極を備える電力半導体素子の前記第２主電極を金属板の表面と電気的に接続する工程と、
    その一方の側面部から下方に向けて形成された第１電極配線部と、前記一方の側面部に対向する他方の側面部から下方に向けて前記第１電極配線部と相対する様に前記第１電極配線部とは分離して形成された第２電極配線部とを備える引き出し電極の内で、前記第１電極配線部を前記第１接続電極にのみ電気的に接続すると共に、前記第２電極配線部を前記第２接続電極にのみ電気的に接続する工程とを備えることを特徴とする、
    半導体装置の製造方法。
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