JP2007042814A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体チップが小型化されても十分な放熱が可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】 アノード電極２１が形成された上面と、アノード電極２１の対極となるカソード電極２６が形成された上面に対向する底面と、上面と底面の間に形成された側面を有し、底面の短辺に対する上面と底面との間の距離（厚さ）の比率が１／４以上ある半導体チップ２０、半導体チップ２０を収容可能な、底のある壁面を持つ凹部を有する配線金属板１１が、主面側に固定された絶縁基板１５、アノード電極２１を底から最も遠い位置に配置して、半導体チップ２０を配線金属板１１の凹部に収容し、カソード電極２６と配線金属板１１とを接続する半田５１、側面と配線金属板１１とを接続する熱伝導材５３、及び、アノード電極２１に電気的に接続されたワイヤ４１を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、高い放熱特性を必要とする半導体チップが小型化された半導体装置に関する。

近年、機器の小型化の要求は強い。機器の実装基板において、パワー半導体素子を形成した半導体チップあるいは半導体チップをパッケージに組み込んだパワー半導体装置（以下、半導体装置という）の関与する電源部分等の占める割合は大きく、小型化を実現するために、パワー半導体素子あるいは半導体チップは、より高周波での動作が可能となるように設計されることが多い。高周波化、すなわち、動作周波数が上がる程、高体積効率の電力変換が可能となり、動作に適した低損失なパワー半導体素子は、その素子サイズを小さくすることが可能となるからである。

ところで、パワーダイオード、並びに、サイリスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、及び、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子を有する半導体チップ及び半導体装置は、比較的高い電圧を印加して正電極と負電極との間に大電流が流されるため、あるいは、スイッチング損失等が発生するために著しく発熱する。従って、この熱を放熱して、許容温度以下に維持することにより、パワー半導体素子は性能を発揮できる。

半導体装置の放熱構造は、例えば、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ等）の底面全面に負電極であるコレクタ電極が形成され、このコレクタ電極が銅張りのセラミック基板の表面に、半田接合されて、更に、パワー半導体素子の上面に正電極であるエミッタ電極が形成され、アルミ線をセラミック基板の銅パターンにワイヤボンディングしてある例が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

この開示された半導体素子の形状は、正電極及び負電極が形成される長方形の上面及び底面の一辺の長さが、上面と底面との距離、すなわち、厚さの数倍乃至それ以上である薄い板状であることが想定されているために、発生した熱は、底面の負電極と接合した半田及び銅板を介して、また、上面の正電極からアルミ線を介して、セラミック基板の方向に放熱される。しかしながら、高周波動作を可能とし、電力変換効率を上げて、小型化されたパワー半導体素子を有する半導体チップにおいて、上面及び底面の面積が小さくなると、底面から半田及び銅板を介して、あるいは上面からワイヤを介して行われる放熱が、十分でなくなるという問題が発生する。
特開平１１−１６３０４５号公報（第２、３頁、図４）

本発明は、半導体チップが小型化されても十分な放熱が可能な半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様の半導体装置は、第１の電極が形成された上面、前記第１の電極の対極となる第２の電極が形成された前記上面に対向する底面、及び前記上面と前記底面の間に形成された側面を有し、前記底面の短辺に対する前記上面と前記底面との間の距離（厚さ）の比率が１／４以上ある半導体チップと、前記半導体チップを収容可能な、底のある壁面を持つ凹部を有する第１の導電材が、主面側に固定された支持部材と、前記第１の電極を前記底から最も遠い位置に配置して、前記半導体チップを前記第１の導電材の凹部に収容し、前記第２の電極と前記第１の導電材とを接続する導電性接着材、及び、前記側面と前記第１の導電材とを接続する熱伝導材と、前記第１の電極に電気的に接続された第２の導電材とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の別の態様の半導体装置は、第１の電極が形成された上面、前記第１の電極の対極となる第２の電極が形成された前記上面に対向する底面、及び前記上面と前記底面の間に形成された側面を有し、前記底面の短辺に対する前記上面と前記底面との間の距離（厚さ）の比率が１／４以上ある半導体チップと、前記半導体チップを収容可能な、１直線方向に開放され、他の方向に壁面を持つ貫通孔または溝を有する第１の導電材が、主面側に、前記１直線を前記主面に平行にして、固定された支持部材と、前記第１の電極と前記第２の電極とを前記１直線に垂直に配置して、前記半導体チップを前記第１の導電材の前記貫通孔または前記溝に収容し、前記第１の電極に電気的に接続された第２の導電材、前記第２の電極と電気的に接続された第３の導電材、及び前記側面と前記第１の導電材とを接続する熱伝導材とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の別の態様の半導体装置は、第１の電極が形成された上面、前記第１の電極の対極となる第２の電極が形成された前記上面に対向する底面、及び前記上面と前記底面の間に形成された側面を有し、前記底面の短辺に対する前記上面と前記底面との間の距離（厚さ）の比率が１／４以上ある半導体チップと、前記半導体チップを載置可能に形成された第１の導電材が、主面側に固定された支持部材と、前記半導体チップを前記第１の導電材に載置し、前記第２の電極と前記第１の導電材とを接続する導電性接着材と、前記第１の電極に電気的に接続された部分の断面積が小さく、前記第１の電極より離れた部分の断面積が大きな第１の導電材とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、半導体チップが小型化されても十分な放熱が可能な半導体装置を提供することが可能である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。各図では、同一の構成要素には同一の符号を付す。図面において、要部は拡大して示される。また、正電極と負電極から構成されるパワーダイオードを半導体チップの例として説明するが、他に制御用電極を有する、例えば、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ等については、第１の電極の側に制御用電極及び絶縁膜等が別に形成されていると考えて差し支えないので、以下の実施例では、説明を省略する。

本発明の実施例１に係る半導体装置について、図１乃至図３を参照しながら説明する。図１は半導体装置を概略的に示すもので、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図２は半導体装置の主要構成要素である半導体チップを概略的に示すもので、図２（ａ）は全体の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った半導体チップの周辺部を示す断面図である。図３は側面から放熱を行う場合の半導体チップの形状と接触可能面積の関係を模式的に示すもので、図３（ａ）は計算に使用する半導体チップの寸法比を示す斜視図、図３（ｂ）は寸法比に基づく接触可能面積の倍率を示す図である。

図１に示すように、半導体装置１は、第１の電極であるアノード電極２１が形成された上面と、アノード電極２１の対極となる第２の電極であるカソード電極２６が形成された上面に対向する底面と、上面と底面の間に形成された側面を有し、底面をなすほぼ正方形の１辺に対する厚さの比率が約１であるほぼ立方体形状の半導体チップ２０、半導体チップ２０を収容可能な底のある壁面を持つ凹部を有する第１の導電材である配線金属板１１が、主面である上部表面側に固定された支持部材である絶縁基板１５、アノード電極２１を底から最も遠い位置に配置して、半導体チップ２０を配線金属板１１の凹部に収容し、カソード電極２６と配線金属板１１とを接続する導電性接着材である半田５１及び半導体チップ２０の側面と配線金属板１１とを接続する熱伝導材５３、及び、アノード電極２１に電気的に接続された第２の導電材であるワイヤ４１とを備えている。

絶縁基板１５は、例えば、アルミナ等のセラミックからできている。絶縁基板１５の表面に、庇のように張り出した鍔のある内側が凹部である枡状をなした、例えば、銅からなる配線金属板１１が、枡の部分を埋め込むように形成され、固定されている。枡の部分の内側の底面と半導体チップ２０の底面とは、半田５１を介して、固着されている。内側の側面と半導体チップ２０の側面とは、例えば、熱伝導性且つ絶縁性のシリコーン等からなる熱伝導材５３を介して接触している。なお、熱伝導材５３を介してとは、枡の部分の内側の側面と半導体チップ２０の側面が直接接触している部分がある場合も含んでいる。また、配線金属板１１は、電気配線としての機能を損なわない範囲で、枡の部分の一部を切り欠いた構造であっても差し支えない。

半導体チップ２０の上面は、配線金属板１１の鍔の部分の表面とほぼ同一の面をなすように配置されている。配線金属板１１の枡の部分から延びる鍔の部分は、例えば、図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う方向には長く伸び、この長く伸びた鍔の部分を他の電極端子等（図示略）に接続することが可能である。半導体チップ２０の上面中央部のアノード電極２１の中央部には、例えば、アルミニウムからなるワイヤ４１がボンディングされて、ワイヤ４１の他端は、例えば、絶縁基板１５上の他の電極端子（図示略）と接続される。

半田５１は、半導体チップ２０のカソード電極２６と配線金属板１１とを電気的及び熱伝導的に接続している。熱伝導材５３は、半導体チップ２０の側面と配線金属板１１の側面とを熱伝導的に接続している。配線金属板１１は、電気的な導通路としての役割と共に、半導体チップ２０で発生した熱を、接続された絶縁基板１５の方向に伝導する熱伝導板としての役割を担っている。ワイヤ４１は、電気的な導通路としての役割と共に、熱伝導路としての役割を担っている。

図２（a）に示すように、半導体チップ２０は、上面の中央部に広く、ほぼ正方形に形成されたアノード電極２１、その周辺部外側に正方形の枠を形成した絶縁膜２３、及び、更に周辺部外側に正方形の枠を形成した端部電極２４を有している。それぞれの正方形の角の部分は、丸みを有していても差し支えない。なお、半導体チップ２０は、パワーダイオードの例を示しているが、サイリスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、及びＩＧＢＴ等のスイッチング素子、その他の素子、あるいは、これらの素子を含む複合素子であって差し支えない。

図２（ｂ）に示すように、半導体チップ２０の上面中央部（図面左方向）から絶縁膜２３近傍に至るまで、アノード電極２１の下側にｐ＋型アノード層３５、ｐ＋型アノード層３５の下側に半導体チップ２０の周辺部まで延びるｎ−型カソード層３３、更に、ｎ−型カソード層３３の下側に半導体チップ２０の周辺部まで延びるｎ＋型カソード層３１が形成されている。絶縁膜２３の下側に接触して、ｐ＋型アノード層３５に接続したｐ−型リサーフ（RESURF, REduced SURface Field）層３６が形成されている。端部電極２４の下側には、ｎ＋型ストップ層３８が形成されている。そして、ｎ＋型カソード層３１の下面側底面にカソード電極２６が形成されている。電極以外の側面は、全てｎ型の半導体層が表面に露出するように形成されている。

絶縁膜２３と端部電極２４、及びこれらの下側の領域を緩和領域２５と称し、この緩和領域２５を有する終端部は、局所的に電界が集中することのない構成となっている。また、この緩和領域２５は、主要電流が流れないので、発熱は無視できる程度に小さい。緩和領域２５は、半導体チップ２０に要求される耐圧によって決まり、適する幅を有する領域に形成される。

以上のような本発明の実施例１の半導体装置１では、底面がほぼ正方形で、正方形の１辺に対する厚さの比率が約１の立方体形状の半導体チップ２０が、その底面及び側面を熱伝導性の半田５１及び熱伝導材５３をそれぞれ介して、導電パターン１１及び絶縁基板１５に熱伝導可能に接続されている。例えば、半導体チップ２０が、半田５１を介して底面だけを導電パターン１１に接続される場合に比較して、この半導体装置１では、半導体チップ２０は、約５倍の接触面積で導電パターン１１に接続されている。その結果、高周波動作が可能で小型化された半導体チップ２０の単位体積当たりの発熱量の増加は大きくなるが、半導体装置１は、半導体チップ２０で発生した熱を十分に放熱することが可能となる。

つまり、小型化された半導体チップ２０は、底面（または上面）の面積に対して、厚さが相対的に大きくなるが、底面に加えて側面からの放熱経路を確保することにより、半導体チップ２０の特性を発揮することが可能となる。側面も加えて放熱経路を確保する構成は、パワーダイオードを有する半導体チップ２０に限定されず、他の種類のパワー半導体素子を有する半導体チップ及び半導体装置に適用できることはいうまでもない。また、熱伝導材５３は、絶縁性なので、側面に露出する半導体の導電型や電極の有無等に影響を与えることはなく、また、例えば、ｐｎ接合が露出しているような他の種類の側面構造からなる半導体チップを有する半導体装置に適用しても差し支えない。

なお、側面を放熱経路に使用する半導体チップの形状と熱伝導のための接触可能面積との関係について、発明者が検討した結果を説明する。

図３（ａ）に示すように、半導体チップを直方体として、底面の長方形の短辺を１と固定して、半導体チップの厚さの比率をＸ、底面の長辺の長さの比率をＹとする。そして、接触可能な面を底面及び側面として、底面と側面の面積の和（ＳＡ）が、底面の面積（Ｓ１）より大きいほど、熱伝導の可能性が大きいとして、ＳＡがＳ１の何倍になるかを、Ｘ及びＹをパラメータとして見積もった。

図３（ｂ）に示すように、横軸を厚さの比率（Ｘ）として、縦軸を接触可能面積倍率（ＳＡ／Ｓ１）とする。Ｙ＝１、すなわち、底面が正方形の場合、例えば、Ｘが１／４のとき、接触可能面積倍率は２倍となる。本実施例の場合、Ｘが約１なので、接触可能面積倍率は約５倍となり、放熱経路として大きな効果があることが予想される。Ｙが大きくなると、底面は正方形からずれて行くが、例えば、Ｙが１０を越えて大きくなっても、Ｘが１／４のときに、接触可能面積倍率は１．５倍程度を確保できる。通常の半導体チップは、Ｙが２程度までの形状に作製されることが多く、例えば、Ｙが２の場合、接触可能面積倍率は約１．７５倍となる。半導体装置として、放熱の効果が明らかに見えてくる接触可能面積倍率は、１．５から２であることを得ており、Ｘを１／４乃至それ以上にすることは妥当である。なお、Ｘが１／４以下であっても、放熱効果を少しでも上げたい場合は、本実施例を適用することは差し支えない。

本発明の実施例２に係る半導体装置について、図４を参照しながら説明する。図４は半導体装置を概略的に示す断面図である。本実施例は、半導体チップを収容する枡状の部分が絶縁基板の表面に突出している点が上記実施例１と異なる。以下では、上記実施例１と同一構成部分には同一の符号を付し、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。

図４に示すように、半導体装置２は、半導体チップ２０、上部表面に、半導体チップ２０を収容可能に形成した、第１の導電材である、例えば、銅からなる配線金属板６１、及び、同様に第１の導電材である、例えば、銅からなる熱伝導板６３が固定された絶縁基板６５、アノード電極２１に電気的に接続されたワイヤ４１、カソード電極２６と配線金属板６１との間に配設された半田５１、及び、半導体チップ２０の側面と熱伝導板６３との間に配設された熱伝導材５３とを備えている。

例えば、アルミナ等からなる絶縁基板６５の表面に、平板状の配線金属板６１が固定されている。配線金属板６１の上面に、底面を配線金属板６１として、側面を熱伝導板６３で囲んだ枡形が形成され、固定されている。枡の底面をなす配線金属板６１が、図面左右方向に長く伸び、この長く伸びた部分を他の電極端子等（図示略）に接続することが可能である。半導体チップ２０の上面は、枡の側面をなす熱伝導板６３の上部の端面の部分とほぼ同一の面をなすように配置されている。

半田５１は、半導体チップ２０のカソード電極２６と配線金属板６１とを電気的及び熱伝導的に接続している。熱伝導材５３は、半導体チップ２０の側面と熱伝導板６３の側面とを熱伝導的に接続している。熱伝導板６３は、下部の端面を配線金属板６１に熱伝導的に接続されている。配線金属板６１は、電気的な導通路としての役割と共に、半導体チップ２０で発生した熱を、接続された絶縁基板６５の方向に伝導する熱伝導板としての役割を担っている。

以上のような本発明の実施例２の半導体装置２では、半導体チップ２０が、その底面及び側面を熱伝導性の半田５１及び熱伝導材５３をそれぞれ介して、導電パターン６１及び熱伝導板６３に伝導可能に接続され、更に、絶縁基板６５に接続されている。つまり、半導体装置２は、半導体チップ２０の底面と４つの側面が熱伝導的に絶縁基板６５に接続されており、実施例１の半導体装置１に匹敵する熱伝導が可能となり、半導体チップ２０で発生した熱を十分に放熱することが可能となる。なお、熱伝導板６３の厚さは、発熱量に応じて、適切な厚さとすることは差し支えない。

従って、半導体装置２は、実施例１と同様な効果が得られる他に、熱伝導板の枡形の部分を埋め込むための穴を絶縁基板６５に形成する必要がなく、工程削減によるコスト抑制が可能となる。

本発明の実施例３に係る半導体装置について、図５を参照しながら説明する。図５は半導体装置を概略的に示す断面図である。本実施例は、半導体チップを複数個収容している点が上記実施例１と異なる。以下では、上記実施例１と同一構成部分には同一の符号を付し、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。

図５に示すように、半導体装置３は、半導体チップ２０、上部表面に、複数の半導体チップ２０を収容可能に形成した、例えば、銅からなる配線金属板７１、及び、同様な、例えば、銅からなる熱伝導板７３が固定された絶縁基板７５、アノード電極２１に電気的に接続された導電材であるワイヤ４１、カソード電極２６と、例えば、銅からなる配線金属板７１との間に配設された半田５１、及び、半導体チップ２０の側面と配線金属板７１または熱伝導板７３との間に配設された熱伝導材５３とを備えている。

絶縁基板７５の表面に、絶縁基板７５に接する部分には庇のように張り出した鍔がある配線金属板７１が、熱伝導板７３によって複数の枡をなすように仕切られて、枡の部分を埋め込むように形成され、固定されている。つまり、熱伝導板７３には、両側から、半導体チップ２０の側面が接触している。

個々の半導体チップ２０の上面は、熱伝導板７３の上面及び配線金属板７１の鍔の部分の表面と、ほぼ同一の面をなすように配置されている。配線金属板７１の鍔の部分は、例えば、図面左右方向に長く伸び、この長く伸びた鍔の部分を他の電極端子等（図示略）に接続することが可能である。

半田５１は、半導体チップ２０のカソード電極２６と配線金属板７１とを電気的及び熱伝導的に接続している。熱伝導材５３は、半導体チップ２０の側面と配線金属板７１の側面とを熱伝導的に接続している。熱伝導板７３は、下部の端面を配線金属板７１に熱伝導的に接続されている。配線金属板７１は、電気的な導通路としての役割と共に、半導体チップ２０で発生した熱を、接続された絶縁基板７５の方向に伝導する熱伝導板としての役割を担っている。

以上のような本発明の実施例３の半導体装置３では、半導体チップ２０が、その底面及び側面を熱伝導性の半田５１及び熱伝導材５３をそれぞれ介して、導電パターン７１及び熱伝導板７３に伝導可能に接続され、更に、絶縁基板７５に接続されている。つまり、半導体装置３は、個々の半導体チップ２０の底面と４つの側面が熱伝導的に絶縁基板７５に接続されており、実施例１の半導体装置１に匹敵する熱伝導が可能となり、複数の半導体チップ２０で発生した熱を十分に放熱することが可能となる。なお、熱伝導板７３の厚さは、発熱量に応じて、適切な厚さとすることは差し支えない。

実施例１と同様な効果の他に、半導体装置３は、小型化された半導体チップ２０の個数を適宜選択することにより、要求される電流容量等に細かく且つ容易に対応できる。

本発明の実施例４に係る半導体装置について、図６を参照しながら説明する。図６は半導体装置を概略的に示す断面図である。本実施例は、半導体チップを複数個収容している点が上記実施例２と異なる。以下では、上記実施例１乃至実施例３と同一構成部分には同一の符号を付し、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。

図６に示すように、半導体装置４は、半導体チップ２０、上部表面に、複数の半導体チップ２０を収容可能に形成した、例えば、銅からなる配線金属板８１、及び、同様な、例えば、銅からなる熱伝導板８３が固定された絶縁基板８５、アノード電極２１に電気的に接続されたワイヤ４１、カソード電極２６と配線金属板８１との間に配設された半田５１、及び、半導体チップ２０の側面と熱伝導板８３との間に配設された熱伝導材５３とを備えている。

絶縁基板８５の表面に、平板状の配線金属板８１が固定されている。配線金属板８１の上面に、底面を配線金属板８１として、側面を熱伝導板８３で囲んだ複数の枡が形成され、固定されている。隣接する枡の熱伝導板８３は互いに共有されている。つまり、仕切り位置の熱伝導板８３には、両側から、半導体チップ２０の側面が接触している。

個々の半導体チップ２０の上面、及び、熱伝導板８３の上面は、ほぼ同一の面をなすように配置されている。枡の底面をなす配線金属板８１は、図面左右方向に長く伸び、この長く伸びた部分を他の電極端子等（図示略）に接続することが可能である。

半田５１及び熱伝導材５３は、実施例１乃至実施例３で説明したものと同様な役割を担っている。熱伝導板８３及び配線金属板８１は、位置や個数は必ずしも同じではないものの、実施例１乃至実施例３で説明した同名称の構成要素と同様な役割を担っている。

以上のような本発明の実施例４の半導体装置４は、実施例２の持つ熱伝導的な経路と同様な経路を有し、実施例２と同様な効果を有している。また、半導体装置４は、実施例３の持つ熱伝導的な経路と一部同様な経路を有し、実施例３の効果と同様な効果を有している。つまり、半導体装置４は、複数の半導体チップ２０で発生した熱を十分に放熱することが可能となる。

本発明の実施例５に係る半導体装置について、図７を参照しながら説明する。図７は半導体装置を概略的に示すもので、図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。本実施例は、半導体チップを横置きにしている点が上記実施例と異なる。すなわち、小型化された半導体チップの、単位体積当たりの発熱量の増加が上記実施例に比較して小さい場合である。以下では、上記実施例２と同一構成部分には同一の符号を付し、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。

図７に示すように、半導体装置５は、半導体チップ２０ａ、上部表面に、半導体チップ２０を横置きに収容可能なように４角柱に貫通孔を有する管状に形成された、例えば、銅からなる熱伝導板９３ａ、９３ｂ、９３ｃが固定された絶縁基板６５、アノード電極２１とカソード電極２６を貫通孔の開口部に配置して、横置きに収容された半導体チップ２０のアノード電極２１に電気的に接続されたワイヤ４１、カソード電極２６に電気的に接続された第３の導電材であるワイヤ４１、及び、熱伝導板９３ａ、９３ｂ、９３ｃと半導体チップ２０ａの側面との間に配設された熱伝導材５３とを備えている。なお、半導体チップ２０ａは、単位体積当たりの発熱量の増加が上記実施例に比較して小さいことが異なるが、上記実施例の半導体チップ２０と同じ形状を有している。

図７（ａ）に示すように、絶縁基板６５の表面に固定された熱伝導板９３ａ、熱伝導板９３ａの上方に、絶縁基板６５の表面に垂直なΠ字型の左右支柱部を構成する熱伝導板９３ｂ、及び絶縁基板６５の表面に平行なΠ字型の頭頂部を構成する熱伝導板９３ｃが、組み合わされて空孔を形成している。熱伝導板９３ａ、９３ｂ、９３ｃのなす空孔の中に、熱伝導材５３を介して、半導体チップ２０ａが、その側面と熱伝導板９３ａ、９３ｂ、９３ｃとが対向するように固定されている。

図７（ｂ）に示すように、半導体チップ２０ａの対向する２組の２側面は、絶縁基板６５の表面に、それぞれ、平行及び垂直に位置し、半導体チップ２０ａの上面と底面は、絶縁基板６５の表面に垂直な関係にある。半導体チップ２０ａの上面及び底面は、熱伝導板９３ｂ、９３ｃの端部が形成するそれぞれの面とほぼ同一の面をなすように、すなわち、熱伝導板９３ａ、９３ｂ、９３ｃのなす空孔に蓋をするように配置されている。

熱伝導板９３ａは、熱伝導板９３ｂに垂直な方向に、長く延びるように形成されている。アノード電極２１及びカソード電極２６に接続されたワイヤ４１の他端は、それぞれ、例えば、絶縁基板６５上の他の電極端子（図示略）と接続される。

熱伝導材５３は、半導体チップ２０ａの側面と熱伝導板９３ａ、９３ｂ、９３ｃの内面とを熱伝導的に接続している。熱伝導板９３ｃは、両端部を熱伝導板９３ｂに熱伝導的に接続され、熱伝導板９３ｂは、それぞれの端部を熱伝導板９３ａに熱伝導的に接続され、熱伝導板９３ａは、絶縁基板６５に熱伝導的に接続されている。

以上のような本発明の実施例５の半導体装置５では、半導体チップ２０ａで発生した熱は、それぞれの側面から、熱伝導板９３ａ、９３ｂ、９３ｃを経由して、主に絶縁基板６５に放熱される。また、上面及び底面から、ワイヤ４１を経由して放熱される。つまり、高周波動作が可能で小型化された半導体チップ２０ａの単位体積当たりの発熱量の増加が比較的小さな半導体装置５は、半導体チップ２０ａで発生した熱を十分に放熱することが可能となる。なお、半導体装置５は、半導体チップ２０ａが必要としている放熱量が、本実施例より小さい場合、例えば、熱伝導板９３ｃを省略した溝形構造とすることは差し支えない。

更に、半導体装置５は、半田を使用することなく半導体チップ２０ａを熱伝導的に絶縁基板６５に接続することができる。従って、半導体装置５は、半田工程における熱的なダメージの抑制及び工程削減によるコスト抑制が可能となる。

本発明の実施例６に係る半導体装置について、図８を参照しながら説明する。図８は半導体装置を概略的に示す断面図である。本実施例は、半導体チップの側面に熱伝導板の配設がなく、先端細線ワイヤを使用する点が上記実施例と異なる。すなわち、小型化された半導体チップの、単位体積当たりの発熱量の増加が上記実施例に比較して小さい場合である。以下では、上記実施例２と同一構成部分には同一の符号を付し、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。

図８に示すように、半導体装置６は、半導体チップ２０ｂ、上部表面に前記半導体チップを載置可能に形成された配線金属板６１を有する絶縁基板６５、半導体チップ２０ｂを配線金属板６１に載置し、アノード電極２１に電気的に接続された部分の断面積が小さく、アノード電極２１より離れた部分の断面積が大きな先端細線ワイヤ１０１、カソード電極２６と配線金属板６１との間に配設された半田５１とを備えている。なお、半導体チップ２０ｂは、単位体積当たりの発熱量の増加が上記実施例に比較して小さいことが異なるが、上記実施例の半導体チップ２０と同じ形状を有している。

先端細線ワイヤ１０１の一端は、電流許容範囲及び小型化された半導体チップ２０ｂの上面中央部のアノード電極２１の面積を超えない程度に細く、例えば、５０μｍ径の細線部１０２を有し、アノード電極２１より離れた部分は太く、例えば、２５０μｍ径の太線部１０３を有している。先端細線ワイヤ１０１の太線部１０３側の他端は、例えば、絶縁基板６５上の他の電極端子（図示略）と接続される。先端細線ワイヤ１０１は電気的な導通路としての役割と共に、半導体チップ２０ｂで発生した熱を、接続された絶縁基板６５上の他の電極端子に伝導する熱伝導路としての役割を担っている。

半田５１は、半導体チップ２０ｂのカソード電極２６と配線金属板６１とを電気的及び熱伝導的に接続している。

上記のような本発明の実施例６の半導体装置６は、半導体チップ２０ｂの底面が熱伝導的に絶縁基板６５に接続され、上面が絶縁基板６５上の他の電極端子に熱伝導的に接続されているので、半導体チップ２０ｂで発生した熱を十分に放熱することが可能となる。

つまり、単位体積当たりの発熱量の増加が比較的小さな場合において、熱伝導板を配設する必要がないので、工程削減及び材料削減により、半導体装置６の作製コストの抑制が可能となる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。

例えば、小型化されたパワー半導体素子を有する半導体チップから、それぞれの要求に見合って、十分な放熱が可能な半導体装置を実施例１から実施例６で説明した。しかしながら、多様な要求の中から別の放熱特性に合わせる場合、実施例１から実施例６で説明した構成要素を適宜組み合わせて、新たな半導体装置を作製することは可能である。

また、実施例では、半導体チップの上面が配線金属板あるいは熱伝導板の端面とほぼ同一面となる場合を説明したが、同一面とならなくても差し支えない。

また、実施例では、導電性接着材として半田を用いる例を示したが、エポキシ樹脂等に導電性材料として銀、金、銅、炭素等の導電性の材料を混入させた導電性樹脂接着材を使用しても差し支えない。

また、実施例では、熱伝導材が、半導体チップの側面に接触する例を示したが、熱伝導材は絶縁性なので、半導体チップの上面に掛かる構成としても差し支えない。

また、実施例では、熱伝導材が、絶縁性である場合を説明したが、導電性であっても差し支えない。例えば、絶縁性樹脂の中に銀、金、銅、炭素等の導電性の材料を混入させた導電性材料、または、グラファイトシート等であっても差し支えない。

また、実施例では、支持基板としてセラミック基板を用いる例を示したが、セラミック基板を、例えば、モリブデン、タングステンのような金属材料に置き換えても差し支えない。

また、実施例では、同一種類の半導体チップを複数個組み込んだ半導体装置の例を説明したが、組み込む半導体チップは別種類のものであっても差し支えない。半導体チップの大きさや形状も必ずしも同一である必要はない。

また、実施例では、ワイヤはアルミニウムの例を示したが、その他の金属、例えば、金、銅等であっても差し支えない。更に、断面が円形に限らず、例えば、断面が扁平な長方形をしたリボン状であっても差し支えない。

また、実施例では、半導体チップの材料は限定してないが、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ダイヤモンド（Ｃ）、その他であって差し支えない。

本発明の実施例１に係る半導体装置を概略的に示すもので、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図。 本発明の実施例１に係る半導体装置の主要構成要素である半導体チップを概略的に示すもので、図２（ａ）は全体の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った半導体チップの周辺部を示す断面図。 本発明の実施例１に係る半導体装置の主要構成要素である半導体チップ形状と接触可能面積の関係を模式的に示すもので、図３（ａ）は半導体チップの寸法比を示す斜視図、図３（ｂ）は接触可能面積の倍率を示す図。 本発明の実施例２に係る半導体装置を概略的に示す断面図。 本発明の実施例３に係る半導体装置を概略的に示す断面図。 本発明の実施例４に係る半導体装置を概略的に示す断面図。 本発明の実施例５に係る半導体装置を概略的に示すもので、図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図。 本発明の実施例６に係る半導体装置を概略的に示す断面図。

符号の説明

１、２、３、４、５、６ 半導体装置
１１、６１、７１、８１ 配線金属板
１５、６５、７５、８５ 絶縁基板
２０、２０ａ、２０ｂ 半導体チップ
２１ アノード電極
２３ 絶縁膜
２４ 端部電極
２５ 緩衝領域
２６ カソード電極
３１ ｎ＋型カソード層
３３ ｎ−型カソード層
３５ ｐ＋型アノード層
３６ ｐ−型リサーフ層
３８ ｎ＋型ストッパ層
４１ ワイヤ
５１ 半田
５３ 熱伝導材
６３、７３、８３、９３ａ、９３ｂ、９３ｃ 熱伝導板
１０１ 先端細線ワイヤ
１０２ 細線部
１０３ 太線部

Claims (5)

1. 第１の電極が形成された上面、前記第１の電極の対極となる第２の電極が形成された前記上面に対向する底面、及び前記上面と前記底面の間に形成された側面を有し、前記底面の短辺に対する前記上面と前記底面との間の距離（厚さ）の比率が１／４以上ある半導体チップと、
   前記半導体チップを収容可能な、底のある壁面を持つ凹部を有する第１の導電材が、主面側に固定された支持部材と、
   前記第１の電極を前記底から最も遠い位置に配置して、前記半導体チップを前記第１の導電材の凹部に収容し、前記第２の電極と前記第１の導電材とを接続する導電性接着材、及び、前記側面と前記第１の導電材とを接続する熱伝導材と、
   前記第１の電極に電気的に接続された第２の導電材と、
   を備えていることを特徴とする半導体装置。
2. 第１の電極が形成された上面、前記第１の電極の対極となる第２の電極が形成された前記上面に対向する底面、及び前記上面と前記底面の間に形成された側面を有し、前記底面の短辺に対する前記上面と前記底面との間の距離（厚さ）の比率が１／４以上ある半導体チップと、
   前記半導体チップを収容可能な、１直線方向に開放され、他の方向に壁面を持つ貫通孔または溝を有する第１の導電材が、主面側に、前記１直線を前記主面に平行にして、固定された支持部材と、
   前記第１の電極と前記第２の電極とを前記１直線に垂直に配置して、前記半導体チップを前記第１の導電材の前記貫通孔または前記溝に収容し、前記第１の電極に電気的に接続された第２の導電材、前記第２の電極と電気的に接続された第３の導電材、及び前記側面と前記第１の導電材とを接続する熱伝導材と、
   を備えていることを特徴とする半導体装置。
3. 前記半導体チップの側面は４つの面からなり、各側面は、前記熱伝導材または前記第１の導電材に接触していることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 第１の電極が形成された上面、前記第１の電極の対極となる第２の電極が形成された前記上面に対向する底面、及び前記上面と前記底面の間に形成された側面を有し、前記底面の短辺に対する前記上面と前記底面との間の距離（厚さ）の比率が１／４以上ある半導体チップと、
   前記半導体チップを載置可能に形成された第１の導電材が、主面側に固定された支持部材と、
   前記半導体チップを前記第１の導電材に載置し、前記第２の電極と前記第１の導電材とを接続する導電性接着材と、
   前記第１の電極に電気的に接続された部分の断面積が小さく、前記第１の電極より離れた部分の断面積が大きな第１の導電材と、
   を備えていることを特徴とする半導体装置。
5. 前記半導体チップは、複数個からなることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の半導体装置。

Images