JP2006303290A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートシンクを設けることなく、冷却性能に優れた小型の半導体装置を実現する。
【解決手段】 かかる半導体装置は、第１、第２のリードフレームと、互いに対向する第１、第２の主面に対して平行に延びる貫通孔を有する導電ベース板と、前記導電ベース板の前記第１、第２の主面上に配設された第１、第２の絶縁基板と、前記第１、第２の絶縁基板上にそれぞれ形成され、前記第１のリードフレームに電気的に接続された第１、第２の導電ブロックと、前記第１の導電ブロック上に実装され、該第１の導電ブロックに電気的に接続された第１の裏面電極と前記第２のリードフレームに電気的に接続された第１の表面電極とを含む第１の半導体チップと、前記第２の導電ブロック上に実装され、該第２の導電ブロックに電気的に接続された第２の裏面電極と第２のリードフレームに電気的に接続された第２の表面電極とを含む第２の半導体チップとを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、とりわけ半導体チップから生じる熱を放散させる冷却手段を有する半導体装置に関する。

電力用半導体装置（パワーモジュール）は、一般に、自動車や産業機器に搭載された高出力の交流モータなどに大電流を供給するための電源供給装置などに広く用いられている。こうしたパワーモジュールは、概略、ベース板の一方の主面上に固定された絶縁基板と、絶縁基板上に実装された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）チップや金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）チップなどの電力用スイッチング素子とを備える。また、パワーモジュールは、電源供給装置に組み込まれる際、金属などの良好な熱伝導性を有するヒートシンクとベース板の他方の主面との間に、高い熱伝導率を有するシリコーングリスを均一に塗布して、両者を密接に当接させることにより、電力用スイッチング素子から生じる熱を、ヒートシンクを介して確実に放散させる。

また、ヒートシンクを介して放熱させる代わりに、ベース板にその主面と平行に延びる冷却液体用流路を設けて、これに冷却材を流すことにより、電力用スイッチング素子からの熱を放熱させるパワーモジュールがいくつか提案されている。

例えば、特許文献１に開示されたパワーモジュールによれば、電力用トランジスタまたは電力用ダイオード１が絶縁基板２上に実装され、絶縁基板２が放熱ベース３の一方の主面上に配設されている。この放熱ベース３の内部には、冷却液体用流路３１が穿設されている。使用に際しては、冷却液体用流路３１に冷却水などの冷媒を流して放熱ベース３を冷却し、ヒートシンクを不要にすることが開示されている。
特開平９−９２７６２号公報

同様に、特許文献２によれば、冷却基板１０の上面中央に、半田などの接合層１６を介して、半導体チップ１８が固定された半導体素子が開示されている。冷却基板１０は、２枚の金属板１０Ａ、１０Ｂを接合してなり、一方の金属板１０Ｂに断面半円状の連続的な凸部を形成することにより内部に冷却材通路１２を形成することが示唆されている。このように構成された半導体素子において、冷却材通路１２に冷却材を流すことにより、温度上昇を防ぐことが開示されている。
特開平４−６１３６４号公報

さらに、特許文献３よれば、内部が中空で冷却流路１９が構成されている冷却器１２の上部に絶縁基板２が接台され、絶縁基板２の上部に金属電極３が接台され、金属電極３の上部に絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ４１〜４６とダイオード１３１〜１３６が接合された電力用半導体装置が開示されている。
特開２００１−７７２６０公報

一方、特許文献４の電気自動車の駆動装置は、３相インバータ回路３２〜３４を有し、各インバータ回路は、複数の冷却通路３６ｃを含む冷却基板３６の一方の主面上にベース３３ａが配設され、ベース３３ａ上にはセラミックス基板３３ｂが接合され、その上には１組のトランジスタ３３ｃ，３３ｄが配設されている。また、冷却基板３６の他方の主面上には、ベース３５ａが配設され、ベース３５ａ上にはセラミックス基板３５ｂが接合され、その上にはトランジスタ３５ｃおよびトランス３５ｄが配設されている。さらに、特許文献４は、液冷装置から供給される冷却水が冷却通路３６ｃに流れることにより、冷却基板３６が冷却されることを開示している。
特開平６−３０３７０４号公報

さらに、特許文献５の両面冷却型半導体カード型モジュールは、第１の伝熱部材５の上側主面上に半田を介して接合された半導体チップ２，３と、半導体チップ２，３上に配設されたスペーサ５１，５２と、同様に半田を介してスペーサ５１，５２上に接合された第２の伝熱部材６とを有する。また、この半導体カード型モジュールは、第１および第２の伝熱部材５，６を外側主面に被着されたセラミック薄膜１１を有し、全体が冷凍サイクル装置１０１のエバポレータである冷却チューブ１００により挟持されている。こうして、この半導体カード型モジュールの半導体チップ２，３を冷却することができる。
特開２００１−３０８２３７号公報

しかしながら、上記特許文献１〜３の半導体装置によれば、複数の半導体チップが絶縁基板の同一主面上に実装されるため、半導体装置の電源供給装置（周辺装置）に対する実装面積が大きくなり、半導体装置自体の小型化を阻害するものであった。

また、上記特許文献４の電気自動車の駆動装置は、冷却基板の両方の主面上にベースおよびセラミック基板を介してトランスを含む構成部品が配設されており、駆動装置の全体の小型化を図るものであって、パワーモジュールを含む各構成部品の小型化を解決課題とするものではない。

さらに、特許文献５の両面冷却型半導体カード型モジュールによれば、半導体チップで生じた熱は、スペーサ、第１および第２の伝熱部材、およびその外側主面に被着されたセラミック薄膜を介して、すなわち数多くの部材を介して間接的に、冷却チューブにより放熱されるので、放熱性が必ずしも良好でなかった。

そこで本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、ヒートシンクを必要とせず、半導体装置の主面に平行な方向の寸法（実装面積）が低減された小型の半導体装置を提供することを目的とする。
また本発明は、半導体チップをより直接的に冷却する良好な冷却性能を有する半導体装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる半導体装置は、第１および第２のリードフレームと、互いに対向する第１および第２の主面を含み、該第１および第２の主面に対して実質的に平行に延びる少なくとも１つの貫通孔を有する導電ベース板と、前記導電ベース板の前記第１および第２の主面上に配設された第１および第２の絶縁基板と、前記第１のおよび第２の絶縁基板上にそれぞれ形成され、前記第１のリードフレームに電気的に接続された第１および第２の導電ブロックと、前記第１の導電ブロック上に実装され、該第１の導電ブロックに電気的に接続された第１の裏面電極と前記第２のリードフレームに電気的に接続された第１の表面電極とを含む少なくとも１つの第１の半導体チップと、前記第２の導電ブロック上に実装され、該第２の導電ブロックに電気的に接続された第２の裏面電極と第２のリードフレームに電気的に接続された第２の表面電極とを含む少なくとも１つの第２の半導体チップとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ヒートシンクを設けることなく、優れた冷却性能を有する小型の半導体装置を実現することができる。

以下、添付図面を参照して本発明に係る半導体装置の実施の形態を説明する。各実施の形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば、「上方」および「下方」など）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。

実施の形態１．
図１〜図３を参照しながら、本発明に係る半導体装置（パワーモジュール）の実施の形態１について以下に説明する。図１に示すパワーモジュール１は、概略、良好な熱伝導性を有する銅などの金属材料からなり、上側主面１２および下側主面１４を含む金属ベース板１０と、金属ベース板１０の上側主面１２および下側主面１４の上に固定された上側および下側絶縁基板（第１および第２の絶縁基板）１６，１８を備える。各絶縁基板１６，１８は、金属ベース板１０に当接しない表面上に銅板などからなる上側および下側導電ブロック（第１および第２の導電ブロック）２０，２２を有し、各導電ブロック２０，２２上には、上側および下側半導体チップ（第１および第２の半導体チップ）３０，４０が半田などの導電性接着剤（図示せず）を用いて実装されている。
なお、図１〜図３では、上側および下側半導体チップ３０，４０をそれぞれ１つずつ図示したが、複数の半導体チップを互いに絶縁された導電ブロック２０，２２上に実装してもよい。

この実施の形態においては、上側および下側半導体チップ３０，４０は、それぞれ絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）チップなどの電力スイッチング素子、およびフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）チップなどの電力用ダイオード素子である。ＩＧＢＴチップ３０は、上から見た図２に示すように、上方に面したゲート電極（制御電極）３２およびエミッタ電極（表面電極）３４と、下方に面し、上側導電ブロック２０に当接して電気的に接続されたコレクタ電極（裏面電極、図示せず）とを有する。同様に、ＦＷＤチップ４０は、下から見た図３に示すように、下方に面したアノード電極（表面電極）４２と、上方に面し、下側の導電ブロック２２に当接して電気的に接続されたアノード電極（裏面電極、図示せず）とを有する。

また、このパワーモジュール１は、アルミニウムなどからなる導電性ワイヤ５０を介して、上側導電ブロック２０と電気的に接続された正極側リードフレーム（第１のリードフレーム）５２と、ＩＧＢＴチップ３０のエミッタ電極３４およびＦＷＤチップ４０のアノード電極４２に電気的に接続された負極側リードフレーム（第２のリードフレーム）５４と、ゲート電極３２に電気的に接続された制御用リードフレーム（第３のリードフレーム）５６とを有する。

さらに、実施の形態１によれば、金属ベース板１０の上側主面１２および下側主面１４に実質的に平行に延びる少なくとも１つ、好適には複数の貫通孔７０およびこれに連結された導管７２が設けられている。導管７２は、任意の材料からなり、貫通孔７０の両方の開口部に液密に連結してもよいし、あるいは管状部材を貫通孔７０に挿通させることにより形成してもよい。

加えて、このパワーモジュール１は、金属ベース板１０、絶縁基板１６，１８、半導体チップ３０，４０、および導電性ワイヤ５０の全体を包囲し、正極側、負極側、および制御用のリードフレーム５２，５４，５６の一部が露出するように、トランスファモールド成型された樹脂パッケージ（一点鎖線７４で示す）を有する。すなわち、パワーモジュール１は、トランスファモールド型パワーモジュールとして構成される。ただし、例えば、金属ベース板１０の四方を任意の固定手段を用いて、図示しない樹脂ケースに固定することにより、基板タイプのパワーモジュールとして形成することも可能である。

このように構成されたパワーモジュール１において、図示しない冷却媒体供給源から、金属ベース板１０内に形成された貫通孔７０へ冷却水などの冷媒媒体を供給することにより、半導体チップ３０，４０で生じた熱を金属ベース板１０から直接的に放熱させることができる。このように、このパワーモジュール１は、ヒートシンクを介して間接的に放熱させる従前の半導体装置よりも極めて優れた冷却機能を有する。
また、ヒートシンクを設ける必要がないので、部品点数を少なくすることができ、組み立て作業性が格段に改善される。
さらに、半導体チップ３０，４０は、上側導電ブロック２０および下側導電ブロック２２上に実装されているので、複数の半導体チップが絶縁基板の同一主面上に並設された従来技術によるパワーモジュールと比して、パワーモジュール１の実装面積を半減させることができる。

付言すると、この実施の形態の金属ベース板１０は、絶縁基板１６，１８により、上側および下側導電ブロック２０，２２および半導体チップ３０，４０とは電気的に絶縁されているので、金属ベース板１０の貫通孔７０に連結された導管７２を任意の材料（例えば、金属）を用いて形成することができる。

実施の形態２．
次に、図４〜図７を参照しながら、本発明に係る半導体装置（パワーモジュール）の実施の形態２について以下に説明する。図４に示すパワーモジュール２は、概略、良好な熱伝導性を有する銅などの金属材料からなり、上側主面１２および下側主面１４を含む金属ベース板１０と、金属ベース板１０の上側主面１２および下側主面１４の上に、半田などの導電性接着剤（図示せず）を用いて、絶縁基板を介することなく直接的に実装された半導体チップ（ＩＧＢＴチップ３０およびＦＷＤチップ４０）とを備える。

実施の形態２のパワーモジュール２において、実施の形態１と同様、ＩＧＢＴチップ３０は、上から見た図５に示すように、上方に面したゲート電極（制御電極）３２およびエミッタ電極（表面電極）３４と、下方に面し、金属ベース板１０の上側主面１２に当接するコレクタ電極（裏面電極、図示せず）とを有する。同様に、ＦＷＤチップ４０は、下から見た図６に示すように、下方に面したアノード電極（表面電極）４２と、上方に面し、金属ベース板１０の下側主面１４に当接するアノード電極（裏面電極、図示せず）とを有する。

また、このパワーモジュール２は、実施の形態１と同様、アルミニウムなどからなる導電性ワイヤ５０を介して、金属ベース板１０と電気的に接続された正極側リードフレーム（第１のリードフレーム）５２と、ＩＧＢＴチップ３０のエミッタ電極３４およびＦＷＤチップ４０のアノード電極４２に電気的に接続された負極側リードフレーム（第２のリードフレーム）５４と、ゲート電極３２に電気的に接続された制御用リードフレーム（第３のリードフレーム）５６とを有する。

さらに、パワーモジュール２は、金属ベース板１０の上側主面１２および下側主面１４に実質的に平行に延びる少なくとも１つ、好適には複数の貫通孔８０と、これに挿通された絶縁材料からなる導管８２とを有する。

実施の形態２のパワーモジュール２は、実施の形態１と同様、金属ベース板１０、半導体チップ３０，４０、および導電性ワイヤ５０の全体を包囲し、正極側、負極側、および制御用リードフレーム５２，５４，５６の一部が露出するように、トランスファモールド成型された樹脂パッケージ（一点鎖線７４で示す）として構成することができるが、これに限定されることなく、基板型のパワーモジュールとして形成することもできる。

このように構成されたパワーモジュール２は、図示しない冷却媒体供給源から、金属ベース板１０内に形成された貫通孔８０へ冷却水などの冷媒媒体を供給することにより、半導体チップ３０，４０で生じた熱を金属ベース板１０から直接的に放熱させることができる。実施の形態１のパワーモジュール１と比較して、パワーモジュール２は、絶縁基板を具備していないので、放熱効果をよりいっそう改善し、上側主面１２および下側主面１４に垂直な方向の厚みを低減できるとともに、部品点数をさらに低減できるので、アセンブリ工程をより簡略化することができる。
また、半導体チップ３０，４０は、金属ベース板１０の上側および下側主面１２，１４上に実装されているので、複数の半導体チップが１つの絶縁基板の同一主面上に並設される従来式のものより実装面積を実質的に小さくすることができる。
さらに、貫通孔８０に挿通された導管８２は、絶縁材料を用いて構成されるので、金属ベース板１０および正極側リードフレーム５２に対する冷媒媒体の絶縁性を確実に維持することができる。

なお、実施の形態２の変形例のパワーモジュール２は、図７に示すように、ランド部（金属ベース板１０に相当）とリード部（第１のリードフレーム５２に相当）が一体に形成された第１のリードフレーム５３を有していてもよい。これにより、更なる部品点数の削減、および生産コストの低減が可能となる。
また、上述の実施の形態では、各リードフレーム５２，５４，５６を各半導体チップ３０，４０のゲート電極３２、エミッタ電極３４、およびアノード電極４２に電気的に接続するために、導電性ワイヤ５０を用いたが、半田を用いて、各リードフレームを上記チップ電極に直接接合してもよい。

実施の形態３．
次に、図８〜図９を参照しながら、本発明に係る半導体装置（パワーモジュール）の実施の形態３について以下に説明する。図８に示すパワーモジュール３は、概略、良好な熱伝導性を有する銅などの金属材料からなり、上側主面１２，１４および下側主面１３，１５を含む上側および下側金属ベース板（第１および第２の金属ベース板）１０，１１と、上側の金属ベース板１０の下側主面１４と下側の金属ベース板１１の上側主面１３との間に挟持された１つまたはそれ以上の半導体チップ（ＩＧＢＴチップ３０またはＦＷＤチップ４０）とを備える。

より具体的には、ＩＧＢＴチップ３０またはＦＷＤチップ４０は、半田などの導電性接着材（図示せず）を用いて下側の金属ベース板１０の上側主面１３上に直接実装され、ＩＧＢＴチップ３０のコレクタ電極およびＦＷＤチップ４０のカソード電極（ともに図示せず）が第１の金属ベース板１０に電気的に接続される。またＩＧＢＴチップ３０およびＦＷＤチップ４０は、ほぼ同じ高さを有するように設計されており、上側の金属ベース板１０は、同様に半田などの導電性接着材を用いてＩＧＢＴチップ３０のエミッタ電極３４およびＦＷＤチップ４０のアノード電極４２に接合される。

このパワーモジュール３は、実施の形態１および２と同様、アルミニウムなどからなる導電性ワイヤ５０を介して、上側金属ベース板１０に電気的に接続された正極側リードフレーム（第１のリードフレーム）５２と、下側の金属ベース板１０に電気的に接続された負極側リードフレーム（第２のリードフレーム）５４と、ゲート電極３２に電気的に接続された制御用リードフレーム（第３のリードフレーム）５６とを有する。すなわち、パワーモジュール３の上側金属ベース板１０は、ＩＧＢＴチップ３０ゲート電極３２とは接合されないように構成される。

さらに、パワーモジュール３は、実施の形態１および２と同様、各金属ベース板１０，１１の上側主面１２，１３および下側主面１４，１５に実質的に平行に延びる少なくとも１つ、好適には複数の貫通孔８０と、これに挿通された絶縁材料からなる導管８２とを有する。

またパワーモジュール３は、上記の実施の形態と同様、各金属ベース板１０，１１、半導体チップ３０，４０、および導電性ワイヤ５０の全体を包囲し、正極側、負極側、および制御用リードフレーム５２，５４，５６の一部が露出するように、トランスファモールド成型された樹脂パッケージ（一点鎖線７４で示す）として構成することができるが、これに限定されることなく、基板型のパワーモジュールとして形成することもできる。

こうしてパワーモジュール３は、図示しない冷却媒体供給源から、金属ベース板１０，１１内に形成された貫通孔８０へ冷却水などの冷媒媒体を供給することにより、半導体チップ３０，４０で生じた熱を各金属ベース板１０，１１から直接的に放熱させることができる。実施の形態１，２のパワーモジュール１，２と比較すると、パワーモジュール３は、半導体チップ３０，４０の上方および下方から放熱させることができるので、上述のパワーモジュール１，２よりさらに放熱効果を改善することができる。

本発明にかかるパワーモジュールの第１の実施の形態を示す概略的な断面図である。 図１に示すパワーモジュールを上から見た概略的な平面図である。 図１に示すパワーモジュールを上から見た概略的な底面図である。 本発明にかかるパワーモジュールの第２の実施の形態を示す概略的な断面図である。 図４に示すパワーモジュールを上から見た概略的な平面図である。 図４に示すパワーモジュールを上から見た概略的な底面図である。 第２の実施の形態の変形例を示す概略的な断面図である。 本発明にかかるパワーモジュールの第３の実施の形態を示す概略的な断面図である。 図８に示すパワーモジュールを上から見た概略的な平面図である。

符号の説明

１〜３ 半導体装置（パワーモジュール）、１０，１１ 金属ベース板、１２，１３ 上側主面（第１の主面）、１４，１５ 下側主面（第２の主面）、１６上側絶縁基板（第１の絶縁基板）、１８ 下側絶縁基板（第２の絶縁基板）、２０ 上側導電ブロック（第１の導電ブロック）、２２ 下側導電ブロック（第２の導電ブロック）、３０ 上側半導体チップ（第１の半導体チップ：ＩＧＢＴチップ）、３２ ゲート電極（制御電極）、３４ エミッタ電極（表面電極）、４０ 下側半導体チップ（第２の半導体チップ：ＦＷＤチップ）、４２ アノード電極（表面電極）、５０ 導電性ワイヤ、５２ 正極側リードフレーム（第１のリードフレーム）、５４ 負極側リードフレーム（第２のリードフレーム）、５６ 制御用リードフレーム（第３のリードフレーム）、７０，８０ 貫通孔、７２，８２ 導管。

Claims (5)

1. 第１および第２のリードフレームと、
   互いに対向する第１および第２の主面を含み、該第１および第２の主面に対して実質的に平行に延びる少なくとも１つの貫通孔を有する導電ベース板と、
   前記導電ベース板の前記第１および第２の主面上に配設された第１および第２の絶縁基板と、
   前記第１のおよび第２の絶縁基板上にそれぞれ形成され、前記第１のリードフレームに電気的に接続された第１および第２の導電ブロックと、
   前記第１の導電ブロック上に実装され、該第１の導電ブロックに電気的に接続された第１の裏面電極と前記第２のリードフレームに電気的に接続された第１の表面電極とを含む少なくとも１つの第１の半導体チップと、
   前記第２の導電ブロック上に実装され、該第２の導電ブロックに電気的に接続された第２の裏面電極と第２のリードフレームに電気的に接続された第２の表面電極とを含む少なくとも１つの第２の半導体チップとを備えたことを特徴とする半導体装置。
2. 第１および第２のリードフレームと、
   互いに対向する第１および第２の主面を含む導電ベース板であって、該第１および第２の主面に対して実質的に平行に延びる少なくとも１つの貫通孔を有し、前記第１のリードフレームに電気的に接続される導電ベース板と、
   前記導電ベース板の前記第１の主面上に実装され、該導電ベース板に電気的に接続された第１の裏面電極と前記第２のリードフレームに電気的に接続される第１の表面電極とを有する第１の半導体チップと、
   前記導電ベース板の前記第２の主面上に実装され、該導電ベース板に電気的に接続された第２の裏面電極と前記第２のリードフレームに電気的に接続された第２の表面電極とを含む少なくとも１つの第２の半導体チップとを備えたことを特徴とする半導体装置。
3. 前記貫通孔内に配設された絶縁性材料からなる導管をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 第１および第２のリードフレームと、
   互いに対向する第１および第２の主面を含む第１および第２の導電ベース板であって、該第１および第２の主面に対して実質的に平行に延びる少なくとも１つの貫通孔を有し、前記第１および第２のリードフレームにそれぞれに電気的に接続される第１および第２の導電ベース板と、
   前記第１および第２の導電ベース板に挟持され、前記第１の導電ベース板に電気的に接続された表面電極と、前記第２の導電ベース板に電気的に接続された裏面電極とを有する第１および第２の半導体チップとを備えたことを特徴とする半導体装置。
5. 制御信号が供給される第３のリードフレームをさらに備え、
   前記第１の半導体チップは、前記第３のリードフレームに電気的に接続された制御電極を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の半導体装置。
   
   

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