JP2006310377A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体チップ１０４と、導電性の接合材３を介して半導体チップ１０４が面接合されるブスバー６ｅｃと、半導体チップ１０４およびブスバー６ｅｃに接続されてこれら半導体チップ１０４およびブスバー６ｅｃからの信号を入力または出力する端子群と、ブスバー６ｅｃと端子群を一体化する樹脂モールド７とを備え、端子群は、ボンディングワイヤ４により半導体チップ１０４と接続される第１の端子と、導電性の接合材３１を介してブスバー６ｅｃと面接合される第２の端子５２とを有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体素子が接合されたブスバーと信号入出力用の複数の端子を有する半導体装置に関する。

従来より、この種の半導体装置を用いて、電気自動車の電力変換回路を構成したものが知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の装置では、ブスバー上に半導体チップを面接合するとともに、ブスバーの側端部近傍に信号入出力用の複数の端子を配設し、これら端子と半導体チップをボンディングワイヤで接続する。

特開２００２−３５３３８０号公報

ところで、端子には半導体チップからの信号だけでなく、ブスバーからの信号も入力される。しかしながら、この場合に端子とブスバーをボンディングワイヤで接続したのでは、ブスバーにワイヤボンディングのためのツールスペースが必要となり、ブスバーが大型化して、小型の半導体装置を提供することが困難である。

本発明による半導体装置は、半導体チップと、導電性の接合材を介して半導体チップが面接合されるブスバーと、半導体チップおよびブスバーに接続されてこれら半導体チップおよびブスバーからの信号を入力または出力する端子群と、ブスバーと端子群を一体化する樹脂モールドとを備え、端子群が、ボンディングワイヤにより半導体チップと接続される第１の端子と、導電性の接合材を介してブスバーと面接合される第２の端子とを有することを特徴とする。

本発明によれば、半導体チップと第１の端子をボンディングワイヤにより接続し、ブスバーと第２の端子を導電性の接合材を介して面接合するので、ブスバーと端子をボンディングワイヤで接続するためのスペースが不要となり、半導体装置を小型化することができる。

−第１の実施の形態−
以下、図１〜図８を参照して本発明による半導体装置の第１の実施の形態について説明する。
図１は、第１の実施の形態に係る半導体装置を示す図であり、とくに電気自動車に搭載される三相インバータの回路図を示している。なお、図１では、ＩＧＢＴ１０１〜１０６とダイオード２０１〜２０６を用いて直流Ｐ，Ｎを交流Ｕ，Ｖ，Ｗに変換しているが、トランジスタ、サイリスタ等の半導体チップを用いたものでもよい。

ＩＧＢＴ１０１〜１０３のコレクタ（ドレイン）はそれぞれＰ極用ブスバー６ｃに接続され、ＩＧＢＴ１０４〜１０６のエミッタ（ソース）はそれぞれＮ極用ブスバー６ｅに接続されている。ＩＧＢＴ１０１のエミッタおよびＩＧＢＴ１０４のコレクタはそれぞれインバータ出力用（Ｕ相）のブスバー６ｅｃに接続され、ＩＧＢＴ１０２のエミッタおよびＩＧＢＴ１０５のコレクタはそれぞれＶ相用のブスバー６ｅｃに接続され、ＩＧＢＴ１０３のエミッタおよびＩＧＢＴ１０６のコレクタはそれぞれＷ相用のブスバー６ｅｃに接続されている。なお、ＩＧＢＴ１０１〜１０６のゲートは、後述する信号入出力用の端子５（図３参照）に接続されている。各ＩＧＢＴ１０１〜１０６にはそれぞれダイオード２０１〜２０６が並列に接続されている。

図２は図１の一部（Ｕ相のインバータ回路）を示しており、図３はこの回路図に対応した半導体モジュールの平面図，図４の図３のIV-IV線断面図である。なお、Ｖ相およびＷ相に対応した半導体モジュールの構成も同様であり、それらの図示および説明を省略する。本実施の形態では各相毎に半導体モジュールを構成しているが、図１に示すＵ，Ｖ，Ｗ相を一体の半導体モジュールとしてもよい。

図３，４においてＩＧＢＴ１０１，１０４のチップ裏面側（ブスバー６ｃ，６ｅｃ側）にはコレクタ用電極がそれぞれ形成され、チップ表面側にはエミッタ用電極およびゲート用電極がそれぞれ形成されている。また、ダイオード２０１，２０４のチップ裏面側（ブスバー６ｃ，６ｅｃ側）にはカソード用電極がそれぞれ形成され、チップ表面側にはアノード用電極がそれぞれ形成されている。

ＩＧＢＴ１０１およびダイオード２０１はブスバー６ｃ上に設けられ、各チップの裏面は導電性の接合材３を介してブスバー６ｃに面接合されている。接合材３にはハンダや導電性接着剤等が用いられる。ＩＧＢＴ１０４およびダイオード２０４についても、同様にしてブスバー６ｅｃ上に固着される。図３に示すようにＩＧＢＴ１０１，１０４とダイオード２０１，２０４は、略矩形状の縁部７ａを有する樹脂モールド７内に、ダイオード２０１，２０４が内側に、ＩＧＢＴ１０１，１０４が外側となるように配設されている。

ＩＧＢＴ１０１，１０４の外側、すなわちＩＧＢＴ１０１，１０４と樹脂モールド７の縁部７ａの間には端子ユニット５０が配置されている。端子ユニット５０は、平面部５ａと鉛直部５ｂを有する断面略Ｌ字状の複数の端子５を樹脂成形（一次モールド）により一体化したものであり、ＩＧＢＴ１０１，１０４とブスバー６ｃ，６ｅｃからの信号は端子５を介して上部の駆動信号制御基板１１に入出力される。

ブスバー６ｃ，６ｅｃ，６ｅと端子ユニット５０は樹脂モールド７（二次モールド）により一体化される。樹脂モールド７は、各ブスバー６ｃ，６ｅｃ，６ｅと端子ユニット５０の隙間に充填されてこれらを一体化する結合部７ｂと、縁部７ａとによりモールドケースを形成し、半導体装置のケーシングとしても機能する。また、樹脂モールド７は電位の異なるブスバー６ｃ，６ｅｃ，６ｅ間を電気的に絶縁する絶縁体としても機能する。

樹脂モールド７によりブスバー６ｃ，６ｅｃ，６ｅと端子ユニット５０が一体化されると、図３に示すように半導体チップ１０１，１０４，２０１，２０４はそれぞれボンディングワイヤ４によりブスバー６ｃ，６ｅｃ，６ｅと端子５に接続される。すなわちＩＧＢＴ１０１のエミッタとブスバー６ｅｃ，ダイオード２０１のアノードとブスバー６ｅｃ，ＩＧＢＴ１０４のエミッタとブスバー６ｅ，ダイオード２０４のアノードとブスバー６ｅ，ＩＧＢＴ１０１，１０４と端子５がそれぞれボンディングワイヤ４により接続される。なお、ブスバー６ｅｃ，６ｃと端子５（端子５２）はボンディングワイヤ４を用いずに接続されるが、この点についての詳細は後述する。

一体化されたブスバー６ｃ，６ｅｃ，６ｅは、絶縁体９を挟んでヒートシンク１０に取り付けられる。樹脂モールド７の縁部７ａの内側空間にはシリコンゲルやエポキシ樹脂等の絶縁封止材８が封入される。封止剤８は、空中放電等による半導体チップのコレクタ，エミッタ間の短絡防止、半導体チップ１０１，１０４，２０１，２０４への汚染物付着の防止、結露による絶縁不良の防止、ボンディングワイヤの保護等を目的として封入される。

封止剤８が封入された後、図４に示すように樹脂モールド７の縁部７ａおよび端子５の鉛直部５ｂに沿って樹脂モールド７の上部に駆動信号制御基板１１が取り付けられ、樹脂モールド７の内側上部は基板１１によって覆われる。このとき端子５の鉛直部５ｂに駆動信号制御基板１１が接続され、ＩＧＢＴ１０１，１０４およびブスバー６ｅｃ，６ｃからの信号が端子５を介して基板１１に入力される。駆動信号制御基板１１はこれらの信号に基づき例えば半導体装置の異常検出等を行うが、この点についての説明は省略する。

第１の実施の形態に係る半導体装置の特徴的構成について説明する。図５は図４の要部拡大図（紙面右側の端子５の拡大図）であり、図６は樹脂モールド７により一体化された後の端子５の斜視図である。なお、半導体装置の左右に配置される端子５の形状は互いに等しいため、紙面左側の端子５については図示を省略する。

端子ユニット５０は、互いに等間隔ｔ１を隔てて配設された複数の端子５１と、端子５１から距離ｔ２だけ離れて配設された端子５２とを有する。端子５１はＩＧＢＴ１０４に接続される端子であり、端子５２はブスバー６ｅｃに接続される端子である。端子５１には例えばＩＧＢＴ１０４に設けられた不図示の温度センサからの信号、エミッタセンス信号，ゲート信号等が入力または出力される。端子５２にはブスバー６ｅｃからのコレクタ信号が入力される。

端子５１はそれぞれ樹脂モールド７を介してブスバー６ｅｃの上方に配設され、端子５１とブスバー６ｅｃは絶縁されている。各端子５１の平面部５ａの上面の高さは互いに等しく、ＩＧＢＴ１０４の上面の高さとほぼ同等である。なお、実施例においては、各端子５１の平面部５ａとＩＧＢＴ１０４の上面の高さを略同等としたが、両者の高さは異なってもよい。各端子５１の平面部５ａの上面は露出し、この露出部にボンディングワイヤ４が接続される。端子５１の形状を図４の紙面左側にも示す。

一方、端子５２の平面部５ａは端子５１の平面部５ａよりも下方に位置し、端子５２の下面は導電性の接合材３１を介してブスバー６ｅｃの上面に接合されている。これにより端子５２とブスバー６ｅｃをボンディングワイヤ４で接続することなく、ブスバー６ｅｃからの信号を端子５２に入力することができる。端子５１，５２間には電位差があり、端子５１，５２間の放電によって入出力信号に誤差が生じることを防ぐため、端子５１，５２間のクリアランスｔ２は各端子５１間のクリアランスｔ１よりも大きく設定されている（ｔ２＞ｔ１）。

端子５２とブスバー６ｅｃを接合する接合材３１として、例えば端子５２の平面部５ａの形状に対応して予め略矩形状に形成されたシート状のハンダペレットを用いることができる。この場合、ブスバー６ｅｃの上面と端子５２の下面の間に固形状のハンダペレット３１を介装した状態で端子ユニット５０とブスバー６ｅｃを二次モールドする。その後、ブスバー６ｅｃの上面を加熱し、ハンダペレット３１を熱溶融させて端子５２とブスバー６ｅｃを接合して、端子５１とＩＧＢＴ１０４をボンディングワイヤ４で接続する。これにより端子５２とブスバー６ｅｃの接合が容易となる。特に、ＩＧＢＴ１０４とブスバー６ｅｃｔとをリフローハンダによって接合する場合には、リフローハンダ工程でＩＧＢＴ１０４と端子５１とをブスバー６ｅｃに接合することができるため、工程を短縮することが可能となる。

なお、ハンダペレット３１を用いずに端子５２とブスバー６ｅｃを接合してもよい。例えば端子５２に予めハンダメッキを施しておいてもよい。端子５２の上部にハンダを盛って、端子５２の周囲をハンダで覆って端子５２とブスバー６ｅｃをハンダ付けしてもよい。ハンダ以外に導電性接着剤を用いて接合してもよい。

第１の実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）端子５２とブスバー６ｅｃをハンダペレット３１を介して面接合するようにしたので、樹脂モールド７内で端子５２とブスバー６ｅｃをボンディングワイヤ４で接続するためのツールスペースを設ける必要がなく、半導体装置を小型化することができる。すなわち図７に示すように端子５２とブスバー６ｅｃをボンディングワイヤ４で接続する場合、ＩＧＢＴ１０４の側方にボンディングワイヤ４で接続するためのスペースＳＰが必要となるためブスバー６ｅｃが大型化し、半導体装置も大型化するが、本実施の形態ではこのスペースＳＰが不要であるため、図３に示すように半導体装置を小型化することができる。

（２）端子５２の平面部５ａをブスバー６ｅｃの上方に配置するとともに、その平面部５ａが端子５１の平面部５ａよりも下方に位置するようにしたので、端子５１，５２間に段差が設けられ、端子５１，５２間の沿面距離を大きくすることができる。その結果、平面部５ａにおける端子５１，５２間のクリアランス（図６のｔ３）を小さく設定することができ、装置の小型化を図ることができる。端子５１，５２間のクリアランスｔ３を小さく設定した例を図８に示す。図８では鉛直部５ｂにおける端子５１，５２間のクリアランスｔ２を確保するため、端子５２を紙面奥方にオフセットしているが、オフセットせずに端子５１，５２間に凸部を設けて沿面距離を大きくすることもできる。

（３）端子５２とブスバー６ｅｃ間にハンダペレット３１をセットして二次モールドし、その後、ハンダペレットを熱溶融して接合するようにしたので、端子５２とブスバー６ｅｃを容易にハンダ付けすることができる。その結果、効率よくハンダ付けを行うことができ、製造コストの増加を抑えることができる。

−第２の実施の形態−
図９〜１１を参照して本発明による半導体装置の第２の実施の形態について説明する。なお、以下では第１の実施の形態との相違点を主に説明する。
第２の実施の形態では、端子５２とブスバー６ｅｃの間のハンダの厚さを一定に保つため、端子５２に突起部を設ける。

図９は第２の実施の形態に係る半導体装置の要部を示す断面図である。なお、図５と同一の箇所には同一の符号を付す。図９に示すように端子５２の平面部５ａの下面には下方に向けて突起部５ｃが設けられ、突起部５ｃの先端はハンダペレット３１を貫通してブスバー６ｅｃの上面に当接している。これにより端子５２の平面部５ａとブスバー６ｅｃとのクリアランスが一定となり、ハンダの厚さを一定に保つことができる。

第２の実施の形態に係るハンダペレット３１の正面図および平面図を図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示す。ハンダペレット３１の中央には貫通孔３１ａが開口され、貫通孔３１ａを突起部５ｃが貫通する。これにより端子５２に対してハンダペレット３１が位置決めされ、ハンダペレット３１をセットした状態で移動し、あるいは振動等が作用した場合にハンダペレット３１の位置ずれを防ぐことができる。

このように第２の実施の形態では端子５２に突起部５ｃを設けるようにしたので、ハンダの厚さを一定に保つことができ、熱ストレスによるハンダ部の応力が緩和され、接合の信頼性が向上する。また、突起部５ｃが貫通孔３１ａを貫通してハンダペレット３１が位置決めされるので、ハンダペレット３１の位置ずれを防ぐことができ、ハンダ付け不良を低減できる。

図９では突起部５ｃを端子５２の平面部５ａのほぼ中央に設けたが、図１１に示すように平面部５ａの端部に設けてもよい。この場合、ハンダペレット３１が突起部５ｃと樹脂モールド７とに挟まれ、ハンダペレット３１を位置決めすることができる。

−第３の実施の形態−
図１２，１３を参照して本発明による半導体装置の第３の実施の形態について説明する。なお、以下では第２の実施の形態との相違点を主に説明する。
第２の実施の形態では、端子５２に突起部５ｃを設けたが、第３の実施の形態ではバスバー６ｅｃに突起部を設ける。

図１２は第３の実施の形態に係る半導体装置の要部を示す断面図である。なお、図９と同一の箇所には同一の符号を付す。図１２に示すようにブスバー６ｅｃの上面には上方に向けて一対の突起部６ａが設けられ、突起部６ａの先端はハンダペレット３１を貫通して端子５２の平面部５ａの下面に当接している。これにより端子５２の平面部５ａとブスバー６ｅｃとのクリアランスが一定となり、ハンダの厚さを一定に保つことができる。

第３の実施の形態に係るハンダペレット３１の正面図および平面図を図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示す。ハンダペレット３１には突起部６ａに対応して一対の貫通孔３１ｂが開口され、各貫通孔３１ｂを突起部６ａが貫通する。これによりブスバー６ｅｃに対してハンダペレット３１が位置決めされ、ハンダペレット３１の位置ずれを防ぐことができる。

このように第３の実施の形態ではブスバー６ｅｃに突起部６ａを設けるようにしたので、ハンダの厚さを一定に保つことができる。また、突起部６ａが貫通孔３１ｂを貫通してハンダペレット３１が位置決めされるので、ハンダペレット３１の位置ずれを防ぐことができる。さらにブスバー６ｅｃに対してハンダペレット３１が位置決めされるので、ハンダペレット３１のセットが容易である。ハンダペレット３１が２カ所の突起部６ａで位置決めされるのでハンダペレット３１の回転方向のずれも防止できる。

−第４の実施の形態−
図１４，１５を参照して本発明による半導体装置の第４の実施の形態について説明する。なお、以下では第２の実施の形態との相違点を主に説明する。
第２の実施の形態では、端子５２に突起部５ｃを設けたが、第４の実施の形態ではさらにブスバー６ｅｃに凹部を設ける。

図１４は第４の実施の形態に係る半導体装置の要部を示す断面図である。なお、図９と同一の箇所には同一の符号を付す。ブスバー６ｅｃの上面には凹部６ｂが設けられている。図示は省略するが凹部６ｂは平面視略矩形状であり、この凹部６ｂに対応してハンダペレット３の端部には略矩形状の突起部３１ｃが設けられている。なお、突起部３１ｃが設けられてはいるが、ハンダペレット３１は全体としては略シート状である。凹部６ｂには突起部３１ｃが嵌合し、ブスバー６ｅｃに対しハンダペレット３１が位置決めされる。ハンダペレット３１の突起部３１には略矩形状の貫通孔３１ｄが開口され、貫通孔３１ｄに端子５２の突起部５ｃが嵌合する。これによりハンダペレット３１を介してブスバー６ｅｃに対し端子５２が位置決めされる。

このように第４の実施の形態ではブスバー６ｅｃに凹部６ｂを設け、この凹部６ｂにハンダペレット３１の突起部３１ｃを嵌合し、突起部３１ｃの貫通孔３１ｄに端子５２の突起部５ｃを嵌合するようにしたので、ハンダペレット３１を介してブスバー６ｅｃに対し端子５２が位置決めされ、端子５２の位置ずれを防止することができる。また、端子５２の突起部５ｃは凹部６ｃにより拘束されるので、熱応力による端子５２の曲がりを抑制できる。その結果、端子５１，５２間のクリアランスを確保することができ、端子５１，５２間の放電による絶縁不良を防止することができる。

−第５の実施の形態−
図１６を参照して本発明による半導体装置の第５の実施の形態について説明する。なお、以下では第２の実施の形態との相違点を主に説明する。
第５の実施の形態では端子５２に易曲部を設けて、ハンダ部の熱応力を緩和する。

図１６は第５の実施の形態に係る半導体装置の要部を示す断面図である。なお、図９と同一の箇所には同一の符号を付す。図１５に示すように端子５２の平面部５ａには易曲部５ｄが設けられ、易局部５ｄよりも先端において端子５２がブスバー６ｅｃにハンダ付けされている。これにより熱応力により樹脂モールド７のケースが反ったときに、易曲部５ｄが変形し、ケースの反りを吸収することができる。

このように第５の実施の形態では、端子５２の平面部５ａに剛性が小さい易曲部５ｄを設けるようにしたので、樹脂モールド７のケースの反りを易曲部５ｄが吸収してハンダ部に応力が作用することを防止することができ、ハンダ付け不良を防止することができる。なお、端子５２のハンダ付けされる部位（平面部５ａ）に対してハンダ付けされない部位（鉛直部５ｂ）が相対変形するように易曲部５ｄを設けるのであれば、易曲部５ｄの位置，形状は図１６に示したものに限定されない。

上記実施の形態では、ブスバー６ｅｃの上面に端子５２を面接合するようにしたが、導電性の接合材を介してブスバー６ｅｃに端子５２が面接合されるのであれば、端子５２の接合位置は上述したものに限定されない。半導体チップ（ＩＧＢＴ１０４）およびブスバー６ｅｃからの信号を入力する端子群として、端子ユニット５０に端子５１（第１の端子）と端子５２（第２の端子）を配設したが、端子５１，５２をユニット化せずに配設してもよい。端子５１，５２を略Ｌ字形状としたが、端子５１，５２の形状はこれに限らない。また、本実施例においてはＵ，Ｖ，Ｗ相の３相インバータに適用した例を示したが、単相あるいは３相以外の多相インバータであっても適用可能である。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の半導体装置に限定されない。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記実施形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係になんら限定も拘束もされない。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置を示す回路図。 図１の一部を示す図。 図２の回路図に対応した半導体モジュールの平面図。 図３のIV-IV線断面図。 図４の要部拡大図。 第１の実施の形態に係る端子の二次モールド後の斜視図。 本発明と対比する半導体装置の問題点を示す図。 図６の変形例を示す図。 第２の実施の形態に係る半導体装置の要部を示す断面図。 第２の実施の形態に係るハンダペレットの正面図および平面図。 図９の変形例を示す図。 第３の実施の形態に係る半導体装置の要部を示す断面図。 第３の実施の形態に係るハンダペレットの正面図および平面図。 第４の実施の形態に係る半導体装置の要部を示す断面図。 第４の実施の形態に係るハンダペレットの正面図および平面図。 第５の実施の形態に係る半導体装置の要部を示す断面図。

符号の説明

４ ボンディングワイヤ
５，５１，５２ 端子
５ｃ 突起部
５ｄ 易曲部
６ｃ，６ｅｃ，６ｅ ブスバー
６ａ 突起部
６ｂ 凹部
７ 樹脂モールド
３１ ハンダペレット
３１ａ，３１ｂ，３１ｄ 貫通孔
１０１〜１０６ ＩＧＢＴ
２０１〜２０６ ダイオード

Claims (7)

1. 半導体チップと、
   導電性の接合材を介して前記半導体チップが面接合されるブスバーと、
   前記半導体チップおよび前記ブスバーに接続されてこれら半導体チップおよびブスバーからの信号を入力または出力する端子群と、
   前記ブスバーと前記端子群を一体化する樹脂モールドとを備え、
   前記端子群は、ボンディングワイヤにより前記半導体チップと接続される第１の端子と、導電性の接合材を介して前記ブスバーと面接合される第２の端子とを有することを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記第２の端子は、前記接合材を介して前記ブスバーの上面に面接合されるとともに、前記第１の端子よりも下方に配設されることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項２に記載の半導体装置において、
   前記第２の端子は、前記接合材を介さずに前記ブスバーの上面に当接する突起部を有することを特徴とする半導体装置。
4. 請求項２に記載の半導体装置において、
   前記ブスバーは、前記接合材を介さずに前記第２の端子の下面に当接する突起部を有することを特徴とする半導体装置。
5. 請求項２に記載の半導体装置において、
   前記第２の端子は、下方に突設された突起部を有し、
   前記ブスバーは、この突起部が嵌合する凹部を上面に有することを特徴とする半導体装置。
6. 請求項３〜５のいずれか１項に記載の半導体装置において、
   前記接合材は、前記ブスバーと前記第２の端子の間に介装された後に熱溶融される略シート状の固形部材であり、前記突起部が貫通する位置決め用の貫通孔を有することを特徴とする半導体装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置において、
   前記第２の端子は、前記接合材が接合される部位に対し前記接合材が接合されない部位が相対変形するように剛性が小さい易曲部を有することを特徴とする半導体装置。

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