JP2007012726A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】絶縁基板4の主面に半導体チップ(IGBT6a,FWD6b)をマウントし、該半導体チップの上面電極とその電極に対応して絶縁基板に形成した配線用パターンとの間をワイヤ7で配線した半導体装置において、配線用パターンをパターン4c〜4f分けた上で、半導体チップをマウントする主面導体パターン4a,4bの上面周域に積層したセラミック絶縁層11を介して2階建て式に層設する。これにより、配線用パターンに規制されることなく主面導体パターンの投影面積を拡張し、半導体チップからの熱流束を基板の面方向に広く分散させて絶縁基板の熱抵抗低化が図れる。
【選択図】 図1
Description
ここで、パワー半導体モジュールの一般的なパッケージ構造を図5に示す。図において、1はモジュールの支持板を兼ねた放熱用金属ベース、2はアルミナなどのセラミック板3の表,裏両面に導体パターン(銅箔)4,5を形成して前記金属ベース1に載置接合した絶縁基板(例えばDirect Copper Bonding基板)、6は絶縁基板2の主面側に形成した導体パターン(回路パターン)4にマウントした半導体チップ(例えばIGBT(Insulated Gate-Bipolar Transistor))、7は半導体チップ6の上面側電極(エミッタ,ゲート)とこれに対応する主面側の回路パターンとの間に配線したワイヤリード、8は外囲樹脂ケース、9はヒートシンク(放熱フィン)であり、通電に伴い半導体チップ6に生じた発熱は絶縁基板2,金属ベース1を伝熱経路としてヒートシンク9に伝熱して系外に放熱される。
西村,望月,高橋,「新絶縁基板を用いた次世代IGBTモジュール技術」,富士時報,富士電機ホールディングス株式会社,平成16年9月10日,第77巻,第5号,p.321−325
これに対し、現状では半導体モジュールのパッケージ小形化の要求から絶縁基板の外形サイズが制約されることに加えて、従来構造の絶縁基板は主面側の導体パターン4が、半導体チップ6をマウントするパターンとワイヤ7を接続するパターンとに分けてセラミック板3の面上に分散形成されていることから、半導体チップに生じた熱流束の面方向への広がりが制限を受けるようになる。
ここで、絶縁基板2の主面側に形成した導体パターンは、図示のように上アームと下アームのIGBT6a,FWD6bを組別に分けてマウントするパターン4a,4bと、前記の各端子に対応するリード接続用の配線用パターン4c,4d,4eと切り離してセラミック板3の面上にパターン形成されている。
このために、半導体チップ(IGBT6a,FWD6b)からの熱流束は、パターン4a,4bの投影面積,輪郭形状に規制されて絶縁基板2の面方向へ十分に広がることができず、このままでは非特許文献1に述べられている熱抵抗の低減,熱放散性の向上効果を十分に発揮させることが困難となる。
前記配線用パターンを、絶縁基板の主面側に形成して半導体チップをマウントする主面導体パターンの上に絶縁層を介して層設するものとし(請求項1)、具体的には次記のような態様で構成することができる。
(1)前記の配線用パターンをセラミック絶縁層の上面に形成し、該セラミック絶縁層の裏面をメタライズした上で絶縁基板の主面導体パターンにろう付けする(請求項2)。
(2)前記の配線用パターンをセラミック絶縁層の上面に形成し、該セラミック絶縁層を絶縁基板の主面導体パターンに接着剤で固着する(請求項3)。
(3)前記の配線用パターンを、噴射成膜法により絶縁基板の主面導体パターン上に成膜したセラミック絶縁層の上面に形成する(請求項4)。
(4)また、前記各項の半導体装置において、絶縁基板の主面側導体パターンと導電接続する配線用パターンについては、その絶縁層に形成したスルーホールを介して絶縁基板の主面導体パターンに接続する(請求項5)、あるいはワイヤもしくはリボン状リードを介して絶縁基板の主面導体パターンに接続する(請求項6)。
(5)さらに、前記の配線用パターンを導体箔として絶縁層の上面からはみ出すように延長して形成し、その導体箔の延長部をパッケージ外方に引き出して外部端子として使用する(請求項7)。
また、配線用パターンはセラミック絶縁層を介して絶縁基板の主面側に層設することで、そのセラミック絶縁層が補強材の役目を果たして絶縁基板の剛性,強度を高めることができてパッケージの信頼性が向上する。
加えて、前記の絶縁層を噴射成膜法(エアロゾルデポジッション法)により形成することで、基板との一体性を高めて信頼性,放熱性がより一層向上する。
さらに、前記の配線用パターンを導体箔として絶縁層の上面からはみ出すように延長して形成し、この延長部分を外部端子として使用するようにしたことで、外囲ケースの外部端子が不要となって部品点数の削減とともに、パッケージをコンパクトに構成できる。
ここで、前記の配線用パターン4c〜4eは、絶縁基板2と同様な工法でセラミック絶縁層11の上面にあらかじめ成膜しておき、このセラミック絶縁層11を半導体モジュールの組立工程に合わせて次記のような接合方法で絶縁基板2の主面に層設することができる。すなわち、セラミック絶縁層11の裏面には、あらかじめ絶縁基板2の裏面側導体パターン5と同様な工法で銅箔を成膜するか、もしくはメタライズしておき、絶縁基板2の主面に半導体チップをマウントする工程で、同時にセラミック絶縁層11をろう付けする。あるいは、絶縁基板2の製造工程でセラミック絶縁層11を接合する。
また、図1に戻って、図示実施例では配線用パターン4fをセラミック絶縁層11とともに主面導体パターン4aと4bの間に跨がって層設した上で、セラミック絶縁層11に形成したスルーホール12を介して配線用パターン4fを下アーム(図6(b)の等価回路参照)に対応する主面導体パターン4bに導電接続するようにしている。
図4(a),(b)において、絶縁基板2に対してその主面側にはセラミック基板3の面域に主面導体パターン(銅箔)4aが形成され、その導体パターン4aの中央には半導体チップとしてIGBT6aがマウントされている。また、導体パターン4aの周縁部には半導体チップの上面電極(半導体チップがIGBTの場合はエミッタ電極,ゲート電極、半導体チップがFWDである場合にはカソード)に対応する配線用パターン4d,4eがセラミック絶縁層11を介して層設されている。ここで、配線用パターン4d,4eはIGBT6aを中央にしてその左右両側に対向する辺に振り分けて平行に設けられており、外部端子10(E,C,G)は配線用パターン4d,4eのパターンエンドと対向する絶縁基板2の上辺側に一列に並べて設けられている。そして、各配線用パターン4d,4eとIGBT6aの上面電極(エミッタ電極,ゲート電極)との間にワイヤリード7を配線している。
なお、配線用パターン4d,4eの形成方法,および外囲ケース8(図5参照)への組み付け等については実施例1と同様であって説明を省略する。また、配線用パターン4d,4eを実施例3と同様に導体箔(銅箔あるいはアルミ箔)として絶縁層11の上面から側方へはみ出すように延長して形成し、この導体箔のはみ出し延長部分を上方に起立させて外部端子として使用することも可能である。
また、上述の各実施例は、いずれも図4で述べた構成の半導体モジュール(半導体チップをマウントした絶縁基板2を放熱用金属ベース1に載置)への適用について述べたが、これに限定されるものではなく、例えば半導体チップをリードフレームにマウントしてその周域を樹脂で封止した上で、放熱フィンに直付けするようにした樹脂封止型パッケージに適用しても同様な効果を奏することができる。
2 絶縁基板
3 セラミック板
4 主面側導体パターン
4a,4b 主面導体パターン
4c〜4f 配線用パターン
6 半導体チップ
6a IGBT
6b FWD
7 リードワイヤ
8 外囲ケース
10 外部端子
11 セラミック絶縁層
12 スルーホール
13 リボン状リード
Claims (7)
- 絶縁基板の主面に半導体チップをマウントし、該半導体チップの上面電極とその電極に対応して絶縁基板の主面側に形成した配線用パターンとの間をリード配線した半導体装置において、
前記の配線用パターンを、絶縁基板の主面側に形成して半導体チップをマウントする主面導体パターンの上に絶縁層を介して層設したことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、配線用パターンをセラミック絶縁層の上面に形成し、該セラミック絶縁層の裏面をメタライズした上で絶縁基板の主面導体パターンにろう付けしたことを特徴とする半導体装置。
- 請求項1記載の半導体装置において、配線用パターンをセラミック絶縁層の上面に形成し、該セラミック絶縁層を絶縁基板の主面導体パターンに接着して固着したことを特徴とする半導体装置。
- 請求項1記載の半導体装置において、配線用パターンを、噴射成膜法により絶縁基板の主面導体パターン上に成膜したセラミック絶縁層の上面に形成したことを特徴とする半導体装置。
- 請求項1ないし4記載の半導体装置において、絶縁基板の主面側導体パターンと導電接続する配線用パターンについては、その絶縁層に形成したスルーホールを介して絶縁基板の主面導体パターンに接続したことを特徴とする半導体装置。
- 請求項1ないし4記載の半導体装置において、絶縁基板の主面側導体パターンと導電接続する配線用パターンについては、ワイヤもしくはリボン状のリードを介して絶縁基板の主面導体パターンに接続したことを特徴とする半導体装置。
- 請求項1ないし4記載の半導体装置において、配線用パターンを導体箔として絶縁層の上面からはみ出すように延長して形成し、その延長部分をパッケージの外方に引き出して外部端子としたことを特徴とする半導体装置。
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