JP2008258448A - バスバーおよび半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性および冷却機能の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１０は、半導体素子、上面電極１６，および裏面電極１４が形成された半導体チップ１１ａ，１１ｂと、裏面電極１４に接続された金属配線２３と、上面電極１６、金属配線２３に接続されるバスバー１７，１８，２０を備えている。バスバー１７，１８，２０は、板状の金属層と、各金属層間を連結する連結部とを備えている。連結部がたとえばスポット溶接により形成されることで、適度の可撓性があり、かつ、大電流を流すのに適した、信頼性の高いバスバーが得られる。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置の電気的接続に用いられるバスバー、およびこれを備えた半導体装置に関する。

近年、電気自動車やハイブリッド車、燃料電池など、モータ駆動用のスイッチング素子を備えたパワーデバイス（半導体装置）として、ＩＧＢＴやＦＥＴを用いたモジュールが用いられている。特に、車載用の半導体装置においては、大電力化かつ小型化が必要となっている。

かかる要求に応えるべく、特許文献１には、パッケージに組み込まれた半導体チップと外部機器との電気的接続を行う接続導体の構造として、ボンディングワイヤに代わる束線，撚線，編組線を用いることにより、大電力の伝達を可能としつつ、はんだ接続工程で発生する熱収縮などに起因する引張応力を接続導体により吸収し、はんだ連結部の剥離，チップ割れなどのダメージの発生を防止しようとする技術が開示されている。

特開２００４−３１９７４０号公報

特許文献１の技術では、単線のボンディングワイヤに比べ、可撓性を維持しつつ必要な大電力を伝達することができる。しかしながら、束線等がバラバラになるのを防ぎ、各線に確実に電流を流すための構造が複雑になる。たとえば同公報の図２に拡大詳示されているように、各線に確実に電流を流すために接続導体と半導体チップとの接続部に端子を設けているが、熱サイクルを受けたときなどに、確実に各線に電流を流すためには端子の構造を強固なものにする必要がある。しかし、端子の構造を強固にすると、熱サイクルやはんだ付け時の応力によるはんだ連結部の剥離，チップ割れなどを生じるおそれがある。すなわち、大電力の伝達を確実に行おうとすると、信頼性の悪化を招くおそれがある。

本発明の目的は、大電力の伝達を可能としつつ、高い信頼性を確保しうるバスバー、およびこのバスバーを備えた半導体装置を提供することにある。

本発明のバスバーは、複数の金属層と、各金属層を部分的に連結する導電性の連結部とを備えている。

これにより、連結部を介して各金属層に確実に電流が流れるとともに、多数の線を集合した接続導体に比べ、板面に平行な方向には曲がりにくく、各金属層がばらばらに変位するのを容易に防ぐことができるとともに、板面に直交する方向には曲がりやすいという適度の可撓性を有している。したがって、たとえば、端部において強固な端子を設けずに、最下層の金属層と下地とをはんだ付けするだけにしておいて、各種の応力を吸収できるなど、信頼性の向上を図ることができる。

金属層は、複数の金属薄板であってよく、その場合には、連結部が、部分溶接により形成されていることにより、熱サイクルなどに対しても信頼性の高い連結を実現することができる。

また、金属層が、折りたたまれた１枚の金属薄板の各積層部であってもよく、その場合には折りたたみ部が連結部として機能する。

本発明の半導体装置は、半導体チップ、および半導体チップの電極部材に接続されるバスバーを備えており、バスバーは、複数の金属層と、各金属層を部分的に連結する導電性の連結部とを有している。また、半導体装置が、電極部材に接続される配線部材を備えている場合には、バスバーが配線部材に接続されていてもよい。

これにより、上述の効果を発揮するバスバーを備え、連結部を介して各金属層に確実に大電流を流しつつ、信頼性の高い半導体装置が得られる。

金属層は、複数の金属薄板であってよく、その場合には、連結部が、部分溶接により形成されていることにより、熱サイクルなどに対しても信頼性の高い連結を実現することができる。

また、金属層が、折りたたまれた１枚の金属薄板の各積層部であってもよく、その場合には折りたたみ部が連結部として機能する。

半導体素子が、パワーデバイスであることにより、大電流を流しつつ、信頼性を高く維持するという、本発明の効果が有効に活用される。

本発明のバスバーまたは半導体装置によると、大電力の伝達を可能としつつ、高い信頼性を確保することができる。

図１は、実施の形態におけるパワーユニットの構造を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態のパワーユニットは、放熱器５０の上に半導体装置１０を接合して構成されている。放熱器５０は、天板５０ａと天板５０ａに接合された容器５０ｂとからなり、天板５０ａには、半導体装置１０を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。本実施形態においては、矩形状貫通穴が多数設けられているが、１つだけでもよい。放熱器５０を構成する天板５０ａと容器５０ｂとは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ダイキャスト，押し出し，鍛造，鋳造，機械加工等によって製造することができる。また、放熱器５０の容器５０ｂには、熱交換媒体である冷却水の供給管５８ａと、冷却水の排出管５８ｂとが取り付けられている。

本実施の形態の組み立て工程においては、放熱器５０の天板５０ａに半導体装置１０が実装された後、天板５０ａが容器５０ｂに接合される。この接合は、機械かしめ等によって行われてもよい。また、本実施の形態では、放熱器５０は天板５０ａと容器５０ｂを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。

図２は、実施の形態におけるパワーユニットの平面図である。同図に示すように、天板５０ａの上には、樹脂ケース５３が取り付けられていて、樹脂ケース５３の開口部には、ヒートシンク部材２１，金属配線２３，半導体素子であるダイオードを内蔵した半導体チップ１１ａ、ＩＧＢＴを内蔵した半導体チップ１１ｂ等を備えた半導体装置１０が３カ所に配置されている。また、樹脂ケース５３には、長辺に沿って延びる電極端子層５６ａと、該電極端子層５６ａとほぼ平行な直線部および３つの分岐部を有する櫛状の電極端子層５６ｂとが形成されている。そして、金属配線２３と半導体チップ１１ｂおよび外部機器とは、バスバー１７によって電気的に接続され、電極端子層５６ａと金属配線２３とは、バスバー１８によって電気的に接続され、半導体チップ１１ａ，１１ｂの上面電極１６（図２においては図示せず）と金属配線２３とは、バスバー１９によって電気的に接続され、半導体チップ１１ａ，１１ｂの上面電極１６と電極端子層５６ｃとは、バスバー２０によって電気的に接続されている。また、ＩＧＢＴを内蔵した半導体チップ１１ｂの制御信号用電極２８（図２においては図示せず）と外部装置とを接続する制御信号用のボンディングワイヤ２４が延びている。

図３は、実施の形態に係るパワーユニットの図２に示すIII-III線における断面図である。本実施の形態のパワーユニットにおいて、放熱器５０の天板５０ａと容器５０ｂとの間の流路５１には、熱交換媒体としての冷却水が図３の紙面に直交する方向に流れている。また、半導体装置１０は、ダイオードが形成された半導体チップ１１ａと、ＩＧＢＴが形成された半導体チップ１１ｂとを備えている。半導体チップ１１ａ，１１ｂは、いずれも単結晶ＳｉＣ基板を用いて形成されており、上面および下面には、ダイオードまたはＩＧＢＴ（半導体素子）の活性領域に接続される上面電極１６および裏面電極１４がそれぞれ設けられている。特に、ＩＧＢＴが内蔵されている半導体チップ１１ｂの上面には、制御信号用電極２８（ゲート電極）が設けられている。さらに、半導体装置１０には、半導体チップ１１ａ，１１ｂで発生した熱を外方に放出するためのヒートシンク部材２１と、半導体チップ１１ａ，１１ｂの裏面電極１４に、はんだ，ろう材などによって接合され、Ｃｕ−Ｍｏ，Ｃｕ−Ｗなどの金属板から形成される金属配線２３と、ヒートシンク部材２１と金属配線２３との間に介在する接続層２６とが設けられている。また、各バスバー１７，１８，２０は、はんだ層３０により、下地の電極，金属配線に接続されている。

樹脂ケース５３は、上下２段に配線層を配置した段付き形状をしており、電極端子層５６ａは樹脂ケース５３の上段の配線層に配置され、電極端子層５６ｂは、樹脂ケース５３の下段の配線層に配置されている。電極端子層５６ｂの一部は、樹脂ケース５３の樹脂内に埋め込まれているが、図２に示す櫛の分岐部および直線部の端部においては、樹脂から露出している。

ヒートシンク部材２１は、平板部２１ａと、平板部２１ａから熱交換媒体である冷却水が流れる領域（流路５１）に向かって突出し、冷却水にさらさるフィン部２１ｂとからなっている。また、天板５０ａには、開口部を囲む溝５５が形成されていて、溝５５内にＯリング５４が装着されている。ヒートシンク部材２１の平板部２１ａは、Ｏリング５４を押圧していて、Ｏリング５４により、流路５１が外部空間から遮断されている。これにより、冷却水が外部に漏れないように流路５１が密閉されている。

本実施形態においては、ヒートシンク部材２１は、ＡｌＮ，ＳｉＮ，ＢＮ，ＳｉＣ，Ｓｉ−ＳｉＣなどにより構成されている。Ｓｉ−ＳｉＣは導電材料であり、ＡｌＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＢＮは絶縁材料であるが、いずれも常温における熱伝導率が１００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上で、熱抵抗が小さく、高い冷却性能を有している。また、これらの材料の熱膨張係数は、すべて１０（ｐｐｍ／Ｋ）以下であり、本実施の形態における半導体チップ１１ａ，１１ｂの基板材料である単結晶ＳｉＣの熱膨張係数は約４．６（ｐｐｍ／Ｋ）（ａ軸方向）であるので、ヒートシンク部材２１−半導体チップ１１ａ，１１ｂ間の熱膨張係数差が小さく、連結部の信頼性は高い。

接続層２６は、ヒートシンク部材２１が導電材料の場合には絶縁材料である必要があるが、ヒートシンク部材２１が絶縁材料のときには、導電材料であってよいし、絶縁材料であってもよい。たとえば、ヒートシンク部材２１が、絶縁材料であるＡｌＮ，ＳｉＮ，ＢＮ，ＳｉＣからなる場合には、ヒートシンク部材２１の表面にメタライズ層を形成しておいて、接続層２６としてはんだ層を形成すればよい。また、ヒートシンク部材２１がＳｉ−ＳｉＣからなる場合には、接続層２６として、無機フィラー混入エポキシ樹脂などの高熱伝導率樹脂層や、ＡｌＮ板などを形成すればよい。

ただし、本発明の半導体装置においては、ヒートシンク部材２１や接続層２６の材料および構造は本実施の形態に限定されるものではなく、たとえば、ヒートシンク部材２１をＡｌやＣｕなどの金属によって構成してもよい。その場合には、ヒートシンク部材２１−半導体チップ１１ａ，１１ｂ間の熱膨張係数差が大きくなるが、接続層２６に代えて、多層の応力吸収層を介在させたり、各層の間グリースを介在させて、熱応力を緩和することができる。

また、本実施の形態においては、金属配線２３がＣｕＭｏまたはＣｕＷにより構成されているが、これに限定されるものではなく、Ｃｕ配線，Ａｌ配線などを用いてもよい。ただし、Ｃｕ−Ｍｏ，Ｃｕ−Ｗは、熱膨張係数がＣｕ，Ａｌに比べて小さいので、熱応力の吸収機能が高いという利点がある。

本実施の形態では、ヒートシンク部材２１が、平板部２１ａと、該平板部２１から熱交換媒体が存在する領域に向かって突出するフィン部２１ｂとを有しているが、フィン部２１ｂは必ずしも設けられている必要はない。ただし、フィン部２１ｂが設けられていることにより、放熱機能の増大を図ることができる。

ヒートシンク部材２１との熱交換を行う熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、水であることが好ましい。ただし、水に代えて、ヘリウム，アルゴン，窒素，空気などの気体であってもよい。

−バスバーの構造−
本実施の形態の特徴は、金属配線−外部機器、半導体チップ−金属配線、金属配線−電極端子層、半導体チップ−電極端子層などの間を電気的に接続するために、従来用いられているボンディングワイヤに代えて、金属板を積層してなるバスバー１７〜２０を用いている点にある。以下、図４〜図７を参照しながら、バスバーの構造およびそのバリエーションについて説明する。

図４（ａ），（ｂ）は、実施形態における図５は、バスバー１７〜２０と下地との接続構造を示す断面図である。図４（ａ），（ｂ）に示すように、バスバー１７〜２０は、多数のＣｕ薄板４０（本実施の形態では６枚）を積層したものに、スポット溶接などの部分溶接を行なって、点状の部分的な連結部４１を設けることにより形成されている。すなわち、本実施の形態にいては、各Ｃｕ薄板４０が金属層であり、連結部４１が金属層同士を部分的に連結する連結部として機能する。そして、図５に示すように、バスバー１７〜２０の端部においては、端子を設けることなく、最下方のＣｕ薄板４０を下地（半導体チップの電極，電極端子層，金属配線など）にはんだ付けして、はんだ層３０を形成することにより、バスバー１７〜２０を下地に取り付けるようにしている。Ｃｕ薄板４０の厚みはたとえば０．１ｍｍ程度であり、幅はたとえば８ｍｍ程度である。この場合、バスバー１７〜２０全体の厚みは０．６ｍｍ程度であり、十分可撓性を保つことができる。なお、バスバーを構成する金属薄板の材料，寸法，枚数などは、伝達しなければならない電力，半導体チップのサイズ，使用温度範囲などの条件に応じて、適宜選択することができ、本実施の形態の材料，寸法，枚数などに限定されるものではない。

図４（ｂ）においては、Ｃｕ薄板４０同士の間に空間が存在するように見えるが、本実施の形態の構造では、Ｃｕ薄板４０同士の間にはほとんど空隙が存在しない。一方、Ｃｕ薄板に、Ｃｕ薄板ごとに部位を変えたコイニングによる凸部を形成しておいて、Ｃｕ薄板を積層した状態で重ねプロジェクション溶接することにより、Ｃｕ薄板同士の間に空間を確保することができる。その場合には、大電流による発熱を速やかに放散することができる。すなわち、１つの連結部４１がすべてのＣｕ薄板４０を連結している必要はなく、相隣接するＣｕ薄板同士を確実に連結していれば、後述する本発明の効果を発揮することができる。

本実施の形態の構造を有するバスバーは、特許文献１に記載されている束線，撚線，編組線からなる接続導体にくらべ、部分溶接などによって各Ｃｕ薄板４０を部分的に連結しているために、連結部４１を介して、各Ｃｕ薄板４０に確実に大電流を流すことができる。また、本実施の形態のバスバー１７〜２０では、板状部材であるＣｕ薄板４０の板面に平行な方向には曲がりにくいので、バスバーの変位は適度の制限を受ける。したがって、特許文献１に記載されている束線，撚線，編組線など、線を集合した接続導体のように、端子を設けたり、被覆絶縁層を設けなくても、ばらばらになるのを容易に防ぐことが可能になる。したがって、以下に述べるように、信頼性の向上を図ることができる。

すなわち、はんだ層３０にすべてのＣｕ薄板４０を直接接合する必要はなく、たとえば最下方のＣｕ薄板４０だけがはんだ付けされていてもよい。その結果、はんだ層３０や下地との熱膨張係数差などに起因する応力が加わっても、バスバー１７〜２０のはんだ層３０に近接する部分において柔軟に変形することにより、各種応力を緩和・吸収することができる。よって、熱サイクルやはんだ付け時の応力によるはんだ連結部の剥離，チップ割れなどの発生を抑制することができる。また、各Ｃｕ薄板４０が全面的に接合されたものではなく部分的に接合されているので、バスバー１７〜２０の全体が可撓性を有していて、実装後に曲げることも可能であるので、はんだ連結部に大きな応力を加えることもない。

ただし、本実施の形態のバスバー１７〜２０の端部に端子を設けてもよいが、端子を強固な構造にしなくても、連結部４１を介して各Ｃｕ薄板４０に確実に電流が流れる。したがって、その場合にも、端子を軟構造にして、各種応力を緩和・吸収することができ、高い信頼性を維持することができる。

また、特許文献１に記載されている束線，撚線，編組線などの線の集合体からなる接続導体では、ばらばらになったり、各方向に曲がって他の部材に接触するのを防ぐために絶縁被覆層を設ける必要性が大きい。それに対し、本実施の形態のバスバー１７〜２０では、板状部材であるＣｕ薄板４０の板面に平行な方向には曲がりにくいので、バスバーの変位は適度の制限を受ける。したがって、絶縁被覆層を設けなくてもばらばらになるのを防ぐことが可能である。ただし、バスバーが取り付けられる周囲の状況によっては、絶縁被覆層も設けてもよい。

また、バスバー１７は、外部機器と半導体チップ１１ｂとの２方向に分岐した構造を有する。このような分岐構造を有するバスバーを設けることにより、はんだ付け工程を提言することができるので、製造コストの削減を図ることができる。

（第１の変形例）
図６（ａ），（ｂ）は、第１の変形例におけるバスバーの一部を示す平面図およびVI-VI線における断面図である。この変形例においては、各Ｃｕ薄板４０同士をシーム溶接により部分的に連結する帯状の連結部４１を形成している。この場合にも、バスバー１７〜２０の連結部４１を介して各Ｃｕ薄板４０に確実に電流を流すことができるとともに、部分的に連結されているだけなので、適度の可撓性も有していることから、上記実施の形態と同じ効果を発揮することができる。本変形例の構造は、図４（ａ），（ｂ）に示す構造に比べ、連結部４１の面積が大きいので、大電力化には有利な構造といえる。

（第２の変形例）
図７は、第２の変形例におけるバスバーの断面図である。この変形例においては、Ｃｕ薄板４０は、１枚だけであり、１枚のＣｕ薄板４０を折りたたんで積層することにより、バスバー１７〜２０が形成されている。すなわち、各積層部４０ａが金属層であり、各折りたたみ部４０ｂが部分的な連結部として機能する。この変形例では、折りたたみ部４０ｂを介して各積層部４０ａに電流が流れることから、実施の形態のような溶接による連結部４１を設けなくても、大電流を流すことができる。また、折りたたみ部４０ｂによって各積層部４０ａが部分的に連結されているだけなので、適度の可撓性をも有していることから、上記実施の形態と同じ効果を発揮することができる。なお、折りたたまれたＣｕ薄板４０が確実に広がらないようにするために、溶接による連結部４１をさらに設けたり（破線部分参照）、全体的に周囲を束ねる部材（被覆絶縁フィルムなど）を設けてもよい。

（他の実施の形態）
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

上記実施の形態の溶接による連結部４１に代えて、リベットや、かしめなどの機械的な連結方法による連結部、あるいは導電性接着剤による部分的な連結部を設けてもよい。ただし、部分溶接による連結部は、頻繁に繰り返される熱サイクルに対して連結部が緩むことなく、大電流を流せるような強固な連結を実現することができる利点がある。部分溶接としては、上述のスポット溶接，シーム溶接，重ねプロジェクション溶接などの抵抗溶接だけでなく、レーザー溶接，ガス溶接，プラズマ溶接など、他の溶接法を用いることもできる。

上記実施の形態および変形例においては、バスバー１７〜２０を、Ｃｕ薄板４０を積層することにより形成したが、Ｃｕ薄板に代えて、アルミニウム薄板などの各種金属薄板や、各種合金の薄板を用いてもよい。また、薄板の枚数も上記実施の形態の枚数に限定されるものではない。

本発明の半導体装置における半導体チップは、ＳｉＣ基板を用いたものに限定されることはなく、Ｓｉを用いたものでもよいし、ＧａＮなどの他のワイドバンドギャップ半導体を用いたものでもよい。特に、半導体チップがパワーデバイスを搭載していることにより、本発明のバスバーによる、大電流を流しつつ、高い信頼性を発揮するという機能を有効に活用することができる。

上記実施の形態では、半導体チップ１１ａにダイオードが形成され、半導体チップ１１ｂに、ＩＧＢＴが形成されているが、ＭＯＳＦＥＴ，ＪＦＥＴなどが形成された半導体チップを用いてもよい。

上記実施の形態では、天板５０ａに多数の半導体装置１０を取り付ける構造を採ったが、天板を兼ねる単一のヒートシンク部材２１上に多数の半導体チップを搭載してもよい。

本発明のバスバーまたは半導体装置は、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ダイオード，ＪＦＥＴ等を搭載した各種機器に利用することができる。

実施の形態に係るパワーユニットの外観構造を示す斜視図である。 実施の形態に係るパワーユニットの平面図である。 実施の形態に係るパワーユニットのIII-III線における断面図である。 （ａ），（ｂ）は、実施の形態に係るバスバーの平面図およびIV-IV線における断面図である。 バスバーの下地への取付状態を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は、第１の変形例に係るバスバーの平面図およびVI-VI線における断面図である。 第２の変形例に係るバスバーの断面図である。

符号の説明

１０ 半導体装置
１１ａ 半導体チップ
１１ｂ 半導体チップ
１４ 裏面電極
１６ 上面電極
１７〜２０ バスバー
２１ ヒートシンク部材
２１ａ 平板部
２１ｂ フィン部
２２ 保護層
２３ 金属配線
２４ ボンディングワイヤ
２６ 接続層
２８ 制御信号用電極
３０ はんだ層
４０ Ｃｕ薄板
４０ａ 積層部
４０ｂ 折りたたみ部
４１ 連結部
５０ 放熱器
５０ａ 天板
５０ｂ 容器
５１ 流路
５３ 樹脂ケース
５６ａ−５６ｃ 電極端子層
５８ａ 供給管
５８ｂ 排出管

Claims (10)

1. 複数の金属層と、
   前記各金属層のうち相隣接する金属層同士を部分的に連結する導電性の連結部と、
   を備えているバスバー。
2. 請求項１記載のバスバーにおいて、
   前記金属層は、複数の金属薄板である、バスバー。
3. 請求項２記載のバスバーにおいて、
   前記連結部は、部分溶接により形成されている、バスバー。
4. 請求項１または３記載のバスバーにおいて、
   前記金属層は、折りたたまれた１枚の金属薄板の各積層部であり、
   前記連結部は、折りたたみ部である、バスバー。
5. 半導体素子、および半導体素子の電気的接続を行うための電極部材とを有する半導体チップと、
   前記半導体チップの電極部材に接続されるバスバーとを備えた半導体装置であって、
   前記バスバーは、
   複数の金属層と、
   前記各金属層のうち相隣接する金属層同士を部分的に連結する導電性の連結部と、
   を有している、半導体装置。
6. 請求項５記載の半導体装置において、
   前記金属層は、複数の金属薄板である、半導体装置。
7. 請求項６記載の半導体装置において、
   前記連結部は、部分溶接により形成されている、半導体装置。
8. 請求項５または７記載の半導体装置において、
   前記金属層は、折りたたまれた１枚の金属薄板の各積層部であり、
   前記連結部は、折りたたみ部である、半導体装置。
9. 請求項５〜８のいずれかに記載の半導体装置において、
   前記半導体素子は、パワーデバイスである、半導体装置。
10. 請求項５〜９のいずれかに記載の半導体装置において、
    前記半導体チップの上記電極部材に接続される配線部材をさらに備え、
    前記バスバーは、前記配線部材に接続されている、半導体装置。

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