JP2010225952A - 半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の半導体チップを搭載し、小型化且つ高密度の半導体モジュールを提供する。

【解決手段】放熱性を有し、高熱伝導率をもつ銅、銅合金等で構成されるリードフレーム2上に、下層チップ11と中間層チップ12と上層チップ13が積層された積層構造が一つまたは、複数搭載されている。 前記下層チップと前記中間層チップをパワー半導体素子により構成し、前記上層チップを制御回路素子または、センサ回路により構成している。

【選択図】図1

Description

本発明は、複数の半導体チップを搭載して構成される小型化の半導体モジュールに関する。
図6は従来のチップオンチップ方式の半導体装置を示す平面図である。支持板21上に第1の半導体素子積層体22と第2の半導体素子積層体23と制御回路素子24を構成している。第1の半導体素子積層体22は第1のパワー半導体素子25と第2のパワー半導体素子26が順次積層固着されている。また、第2の半導体素子積層体23は第3のパワー半導体素子27と第4のパワー半導体素子28が順次積層固着されている。これにより、例えば、冷陰極蛍光放電管、自動車のランプ等を駆動するために、H型ブリッジ回路を構成している。このような半導体装置が従来技術として知られている。
図6を構成する各部品(素子等)が支持板21として、銅製のリードフレーム上に搭載され、パッケージ内に樹脂封止されて半導体モジュールが構成される。この半導体モジュールを小型化するためには、各部品を高密度に実装することが必要である。このために。例えば、特許文献1においては、リードフレーム上で部品(素子)を積層することにより高密度化をした半導体モジュールが記載されている。
再表2005/018001号公報
しかしながら、従来技術は、特許文献1に記載の構造において、パワー半導体素子は積層構造になっているが、制御回路素子は支持板の平面上に配置されているため、平面における小型化が配慮されていないという課題がある。
従って、平面上に適切に半導体素子を配置し小型化ができる高密度の半導体モジュールを得ることは困難であった。
上記の課題を解決するために、本発明は、以下に掲げる構成とした。本発明の半導体モジュールは、半導体素子が形成された下層チップ上に、半導体素子が形成された中間層チップが積層され、中間層チップ上に半導体素子が形成された上層チップが積層された積層構造が基板上に設置された構成を具備する半導体モジュールであって、前記下層チップと前記中間層チップをパワー半導体素子により構成し、前記上層チップを制御回路素子により構成したことを特徴とする。また、上層チップをセンサ回路素子により構成したことを特徴とする。また、1つ以上の前記積層構造が前記基板上に設置されたことを特徴とする。また、基板が放熱性を有することを特徴とする。
本発明は、以上のように構成されているので、ハーフブリッジ回路等の制御を行うことのできる小型化で高密度の半導体モジュールを得る効果を奏する。
本発明の実施例1に係る半導体モジュールを示す平面図である。 本発明の実施例1に係る半導体モジュールを示す断面図である。 本発明の実施例1に係る半導体モジュールの回路図である。 本発明の実施例2に係る半導体モジュールを示す平面図である。 本発明の実施例3に係る半導体モジュールを示す平面図である。 従来の半導体モジュールを示す平面図である。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。この半導体モジュールにおいては、パワー半導体素子が積層され、これらの積層構造の上に制御回路素子が積層され配置される。
図1は、本発明の実施例1に係わる半導体モジュール1の構成の平面図であり、図2は、そのI−I方向における断面図である。実際にはこの構造の半導体モジュール1は、パッケージ内で樹脂封止されているが、図2では樹脂封止体4の記載は省略されている。
また、図3は本発明の実施例1に係わる半導体モジュール1の回路図である。すなわち、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)31、32、制御回路33が含まれ、IGBT31、32を用いたハーフブリッジ回路が構成されている。ここでは、高熱伝導率をもつ銅、銅合金等の素材で構成されるリードフレーム(基板)2上に、ハイサイド(高電位側)のIGBT31を内蔵する下層チップ11とローサイド(低電位側)のIGBT32を内蔵する中間層チップ12が積層された積層構造が搭載されている。更に、この積層構造の上に、制御回路33を内蔵する上層チップ13が積層搭載される。なお、リードフレーム(基板)2と下層チップ11との間、及び下層チップ11と中間層チップ12との間は互いにはんだ8によって接合されている。また、中間層チップ12と上層チップ13とは絶縁性接着材9によって接合されている。(図2参照)
リードフレーム2上に搭載されたこれらの各チップ間における電気的接続は、各チップの上面に形成された複数のパッド7間に接続されたボンディングワイヤ3(例えば38μmφの金線)によってなされ、上記の回路が構成される。ただし、図3における接続点A(IGBT31のエミッタとIGBT32のコレクタの接続点)におけるこれらの接続は、それぞれ下層チップ11と中間層チップ12間のはんだ8によって行われる。図3におけるOUT端子に接続されるパッドは、図1に示すリードフレーム2の一方の側面の外部リード6に接続され、IGBT31のコレクタ(接続点B)はリードフレーム2の他方の側面の外部リード6に接続される。
また、この半導体モジュールの入出力は、チップ上のパッド7と、パッケージの外側に形成された複数の外部リード6とがボンディングワイヤ3で接続されることによって外部と接続される構成となっている。また、パッケージは図1における上下の両側に複数のリードが取り出され、図2におけるリードフレーム2の下面が露出した構成のSOP(Small Outline Package)となっている。なお、リードフレーム2の四隅には、外部リード5が放熱のために放熱端子として直接接合されている。
このように
半導体モジュール1においては、下層チップ11と中間層チップ12の上面に更に上層チップ13が搭載され、一つの積層体を構成している。
更に、パワー半導体素子は発熱が大きいため、この熱は、はんだ8を介して、高い熱伝導率をもつリードフレーム2の下面から放熱され、更に、リードフレーム15の4隅の外部リード5を介して効率的に放熱される。また、モールド材を介してパッケージからも放熱される。
これに対し、特許文献1に記載の構造においては、パワー半導体素子のみが積層され、制御回路素子はその上に積層されていない。平面上での配置が考慮されていない。
従って、この半導体モジュール1においては、縦方向にチップを積層したために、平面上の配置(寸法)を小さくすることができる。また、この半導体モジュール1を高密度とすることもできる。
また、例えば、IGBTを4個用いる構成として、例えば、フルブリッジ回路1個の構成を用いた場合には、図4にその平面図を示すように、ハイサイド側のIGBTを内蔵する下層チップ11、14上にそれぞれローサイド側のIGBTを内蔵する中間層チップ12、15が積層され、更に、制御回路素子として上層チップ13、16が積層された積層構造が横1列にリードフレーム2上に搭載配列される。樹脂封止体4の記載は省略している。
また、例えば、IGBTを6個用いる構成として、例えば、ハーフブリッッジ回路3個とした場合や、フルブリッジ回路1個とハーフブリッジ1個の構成を用いた場合には、図5にその平面図を示すように、ハイサイド側のIGBTを内蔵する下層チップ11、14、17上にそれぞれローサイド側のIGBTを内蔵する中間層チップ12、15、18が積層され、更に、制御回路素子として、上層チップ13、16、19が積層された積層構造が横1列にリードフレーム2上に搭載配列される。樹脂封止体4の記載は省略している。
また、三相モータ駆動回路としても利用することができる。
図4、図5の構成においても、制御回路素子が積層上端に接合されており、積層体数が可変するが、平面上に置かれる制御回路素子の面積分が小型化することができるという上記の点は同様である。
また、上記の例では、基板として銅製のリードフレームを用いた場合につき記載したが、これに限られるものではなく、例えば絶縁性のセラミック基板等を用いることも可能である。
また、上記の例では、上層チップとして制御回路素子を用いた場合につき記載したが、これに限られるものではなく、例えばセンサIC、ホールIC、熱検知素子等を用いることも可能である。
なお、上記の例では、IGBTが形成されたチップを下層チップ及び中間層チップとした積層構造を用いた例につき記載したが、これに限られるものではない。例えば、パワーMOSFET、パワーダイオード等、他の半導体素子であって、特に大電流で駆動する素子が形成されたチップを同様に積層して用いることができることは明らかである。この場合、図3に示す回路構成以外の回路においても同様の構成とすることができる。
1、 半導体モジュール
2、 リードフレーム(基板)
3、 ボンディングワイヤ
4、 樹脂封止体
5、 外部リード(放熱端子)
6、 外部リード
7、 パッド
8、 はんだ
9、 絶縁接着材
11、14、17、 下層チップ
12、15、18、 中間層チップ
13、16、19、 上層チップ
21、 支持板
22、 第1の半導体素子積層体
23、 第2の半導体素子積層体
24、 制御回路素子
25、 第1のパワー半導体素子
26、 第2のパワー半導体素子
27、 第3のパワー半導体素子
28、 第4のパワー半導体素子
31、32、 IGBT
33、 制御回路(IC)

Claims (4)

  1. 半導体素子が形成された下層チップ上に、半導体素子が形成された中間層チップが積層され、中間層チップ上に半導体素子が形成された上層チップが積層された積層構造が基板上に設置された構成を具備する半導体モジュールであって、前記下層チップと前記中間層チップをパワー半導体素子により構成し、前記上層チップを制御回路素子により構成したことを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記上層チップをセンサ回路素子により構成したことを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュール。
  3. 1つ以上の前記積層構造が前記基板上に設置されたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体モジュール。
  4. 前記基板が放熱性を有することを特徴とする請求項1乃至請求項3に記載の半導体モジュール。
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