JP2010287651A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子の対向する両主面に通電部材が接合されて封止された半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a current-carrying member is bonded to both opposing main surfaces of a semiconductor element and sealed.
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている(特許文献1参照)。互いに対向する第一および第二主表面を有する半導体素子と、第一主表面に接触し、貫通ビアを含む多層配線基板と、第二主表面に接触する導電性接合材とを備え、上記多層配線基板を用いて半導体素子と大電流用リードとの接続がなされた半導体装置における冷却構造の技術が記載されている。 Conventionally, as this type of technology, for example, those described in the following documents are known (see Patent Document 1). A semiconductor device having first and second main surfaces facing each other, a multilayer wiring substrate in contact with the first main surface and including a through via, and a conductive bonding material in contact with the second main surface. A technology of a cooling structure in a semiconductor device in which a semiconductor element and a large current lead are connected using a wiring board is described.
上記従来の半導体装置においては、半導体素子の第一主表面と大電流用リードとの間に、熱伝導率の悪い絶縁体を含む多層配線基板が配設されていた。このため、半導体素子の第一主表面側は、第二主表面側に比べて配設された絶縁体により熱抵抗が高くなり、放熱性が悪化するおそれがあった。 In the conventional semiconductor device, a multilayer wiring board including an insulator having poor thermal conductivity is disposed between the first main surface of the semiconductor element and the large current lead. For this reason, the first main surface side of the semiconductor element has a higher thermal resistance due to the insulator disposed as compared with the second main surface side, and there is a possibility that the heat dissipation property is deteriorated.
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱抵抗を低減して、放熱性を向上した半導体装置を提供することにある。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device with improved heat dissipation by reducing thermal resistance.
上記目的を達成するために、本発明は、第一の通電部材と第二の通電部材との間に介在する絶縁体に第一の開口部が形成され、第一の開口部は半導体素子の第一の主面に形成された第一の主面電極よりも大きくかつ半導体素子よりも小さく、この第一の開口部の内側で第一の主面電極と第一の通電部材とが第一の導電性接合体により電気的に接続されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a first opening is formed in an insulator interposed between a first energization member and a second energization member, and the first opening is formed of a semiconductor element. It is larger than the first main surface electrode formed on the first main surface and smaller than the semiconductor element, and the first main surface electrode and the first current-carrying member are first inside the first opening. It is electrically connected by the conductive joined body.
本発明によれば、絶縁体に形成された第一の開口部で半導体素子の第一の主面電極と第一の導電部材とが電気的に接続されているので、半導体装置の熱抵抗が低減されて放熱性を向上することができる。 According to the present invention, since the first main surface electrode of the semiconductor element and the first conductive member are electrically connected through the first opening formed in the insulator, the thermal resistance of the semiconductor device is reduced. It is reduced and heat dissipation can be improved.
以下、図面を用いて本発明を実施するための実施例を説明する。 Embodiments for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明の実施例1に係る半導体装置の構成を示す断面図である。図1に示す実施例1の半導体装置は、例えばIGBT等のパワー半導体素子で構成された半導体素子11を備え、この半導体素子11の一方の主面(第一の主面)がはんだ等からなる第一の接合体(導電性接合体)31を介して第一のバスバー(通電部材)21に接合され、かつ第一の主面に配設された第一の主面電極(図示せず)が第一のバスバー21に配設された対応する電極(図示せず)に接続されている。また、半導体素子11の他方の主面(第二の主面)がはんだ等からなる第二の接合体32を介して第二のバスバー22に接合され、かつ第二の主面に配設された第二の主面電極(図示せず)が第一のバスバー22に配設された対応する電極(図示せず)に接続されている。第一のバスバー21ならびに第二のバスバー22は、大電流を通電するための導電部材として機能し、銅やアルミニウムもしくはこれらの金属を含む合金等で構成される。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. The semiconductor device of Example 1 shown in FIG. 1 includes a
第一のバスバー21と第二のバスバー22との間には、両バスバーに接合した配線部材41が半導体素子11の周囲に配設されている。配線部材41は、絶縁体42の内部に導体パターン24が形成されて構成されている。絶縁体42に被覆された導体パターン24は、その一端がはんだ等の第三の接合体33を介して半導体素子11の第一の主面側に配設された信号系電極(図示せず)に電気的に接続される一方、他端がはんだ等の第四の接合体34を介して信号端子23に電気的に接続されている。信号端子23は、半導体素子11と装置外部とを電気的に接続する機能を有し、銅やアルミニウムもしくはこれらの金属を含む合金等で構成される。絶縁体42は、樹脂成形により形成された樹脂成型品で構成されている。
Between the
上記構成要素は、樹脂51により封止されて半導体装置として構成されている。樹脂51は、トランスファーモールドやポッティングなどによって形成されるエポキシやシリコーンなどで構成される。
The above components are sealed with a
図2は第一の主面側から見た半導体素子11の正面図である。図2において、半導体素子11の第一の主面には、エミッタ電極等からなる第一の主面電極12と、ゲート信号や半導体素子11の温度センサ等の信号系電極14が形成されている。信号系電極14は、第三の接合体33を介して図1に示す導体パターン24に接続されている。
FIG. 2 is a front view of the
図3は第二の主面側から見た半導体素子11の正面図である。図3において、半導体素子11の第二の主面には、例えばコレクタ電極等からなる第二の主面電極13が形成されている。
FIG. 3 is a front view of the
図4は第一のバスバー21側から見た配線部材41の正面図である。図4において、配線部材41は、絶縁体42の中に導体パターン24を内包して構成され、半導体素子11が位置する空間として第一の開口部43が形成されている。
FIG. 4 is a front view of the
図5は図4のA−A線に沿った断面図である。図5において、配線部材41に形成された第一の開口部43の面積は、半導体素子11の第一の主面電極12の面積よりも大きく、かつ半導体素子11の外形面積よりも小さく形成されている。また、第一の開口部43と、半導体素子11の第二の主面側に形成された第三の開口部45との間の配線部材41には、半導体素子11が配置収納される第二の開口部44が形成されている。第一の開口部43は、第二の開口部44に半導体素子11を配置した際に、図2に示すいずれの信号系電極14も第一の開口部43から露出しないように形成されている。
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. In FIG. 5, the area of the
また、第一の開口部43の深さ方向における絶縁体部42aの厚みBは、第一の接合体31の厚さと同等に設定され、絶縁体42の全体の厚みCは、半導体素子11を第一のバスバー21および第二のバスバー22に接合した後の所望の両バスバー間距離と同等に設定形成されている。
Further, the thickness B of the
図6は第二のバスバー22側から見た配線部材41の正面図である。図6において、絶縁体42に一部が被覆される導体パターン24のうち、露出部24a,24bは絶縁体42から露出されている。また、第二の開口部44の面積は、半導体素子11の外形面積と同等に設定されている。さらに、第三の開口部45の面積は、第二の開口部44の面積よりも大きく設定されている。第二の開口部44の中心位置と第三の開口部45の中心位置とはほぼ一致している。
FIG. 6 is a front view of the
上記したように、この実施例1では、半導体素子11は、第一の接合体31を介して第一のバスバー21に接合しているため、半導体素子11で発生する熱損失を第一のバスバー21に放熱することが可能となる。これにより、半導体素子11の熱抵抗を低減することが可能となり、放熱性を向上させることができる。
As described above, in the first embodiment, since the
また、以下に説明するように、半導体素子11や第一の接合体31、第二の接合体32の位置決めを行いつつ、1回のはんだ付け工程で実装可能となるため、工程を簡易化することができる。
In addition, as described below, the
図7は半導体素子11のはんだ付け工程前における図1に示す構成要件の断面図である。なお、図7は図1と天地逆(第一のバスバー21が図面下方、第二のバスバー22が図面上方)に記載されている。
7 is a cross-sectional view of the constituent requirements shown in FIG. 1 before the soldering process of the
第一のバスバー21上に、配線部材41を載置して、配線部材41の第一、第二ならびに第三の各開口部43,44,45のそれぞれに、第一の接合体31、半導体素子11、第二の接合体32を載置する。このときの第一の接合体31ならびに第二の接合体32は、それぞれ別体部品であり、本実施例1ではシート状のはんだ材料で構成されている。
The
第一の接合体31は、第一の開口部43のサイズと同等以下である。第一の開口部43の面積は半導体素子11の第一の主面電極12の面積よりも大きく、半導体素子11の外形面積よりも小さいため、第一の接合体31を第一の主面電極12と接する箇所に位置決めすることができる。
The first joined
また、第二の開口部44の面積は半導体素子11の外形面積と同等の大きさであり、第三の開口部45の面積は第二の接合体32の面積と同等以上である。その上、第二の開口部44と第三の開口部45の中心位置とはほぼ一致している。これにより、半導体素子11の第二の主面電極13の全体に、第二の接合体34を接触させた状態で位置決めすることができる。
The area of the
以上のように、配線部材41を用いて、半導体素子11、第一の接合体31、第二の接合体32の位置決めを一括して行うことができる。また、絶縁体42の絶縁体部42aの厚さBは、第一の接合体31の仕上り厚さと同等であるため、はんだ付け後の第一の接合体31の厚さを管理しやすくなる。
As described above, the positioning of the
さらに、半導体素子11は絶縁体42の絶縁体部42aに接しているため、はんだ付け工程で接合体が溶融した時に半導体素子11が傾いて接合体の厚さがばらつくことを低減することができる。
Furthermore, since the
また、絶縁体42の厚みCを両バスバー間の間隔と同等としているため、はんだ付け時に絶縁体42がスペーサとして機能し、第一のバスバー21と第二のバスバー22との関係をほぼ水平に保ちつつ、両バスバー間距離を管理することが可能となる。それに伴って、第二の接合体32の厚さも均一に管理することができる。
In addition, since the thickness C of the
図8は本発明の実施例2に係る半導体装置の構成を示す断面図である。この実施例2の特徴とするところは、先の実施例1に対して、配線部材41を多層配線基板で構成したことにあり、他は先の実施例1と同様である。配線部材41を構成する多層配線基板は、図9の断面図に示すように構成されている。図9において、多層配線基板は、4層の第一の絶縁基材461〜第四の絶縁基材464が積層されて形成されている。第一の絶縁基材461には、先の図5に示す第一の開口部43と同様の第一の開口部471が形成され、第二の絶縁基材462ならびに第三の絶縁基材463には、先の図5に示す第二の開口部44と同様の第二の開口部472と第三の開口部473とが形成され、第四の絶縁基材464には、先の図5に示す第三の開口部45と同様の第四の開口部474が形成されている。
FIG. 8 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The feature of the second embodiment is that the
また、第一の絶縁基材461には第一の導体パターン481が形成され、第二の絶縁基材462には第二の導体パターン482が形成され、第三の絶縁基材463には第三の導体パターン483が形成され、第四の絶縁基材464には第四の導体パターン484が形成されている。第一の導体パターン481は、第二の絶縁基材462に形成された貫通ビア25を介して第二の導体パターン482と電気的に接続され、第二の導体パターン482は、第三の絶縁基材463に形成された貫通ビア25を介して第三の導体パターン483と電気的に接続され、第三の導体パターン483は、第三の絶縁基材463に形成された貫通ビア25を介して第四の導体パターン484と電気的に接続されている。
In addition, the
また、第一の開口部471の深さ方向における絶縁体部421aの厚みBは、先の図5に示す絶縁体部42aの厚みBと同様であり、多層配線基板の全体の厚みCは、先の図5に示す絶縁体42の全体の厚みCと同様である。
Further, the thickness B of the
次に、図10に示す配線部材41を構成する多層配線基板の断面図を参照して、多層配線基板の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing a multilayer wiring board will be described with reference to a cross-sectional view of the multilayer wiring board constituting the
先ず、一層あたりの厚さが50〜100μm程度の各絶縁基材461〜464に、厚さ10〜30μm程度の導体パターン481〜484を対応して形成する。また、第二〜第四の絶縁基材462〜464に貫通ビア25を設けて、その貫通ビア25中に導電性ペーストを充填し、もしくは銅めっきを形成することで、各絶縁基材461〜464に形成された導体パターン481〜484間の接続を確保する。
First,
続いて、各絶縁基材461〜464にそれぞれ第一の開口部471〜第四の開口部474を形成する。その後、各絶縁基材461〜464を熱圧着したり、もしくは接着剤で張り合わせることにより、多層配線基板である配線部材41を形成する。
Subsequently, a
このように、本実施例2においては、先の実施例と同様の効果を得ることができることに加えて、精度良く厚みの管理がしやすい絶縁機材461〜464を用いて配線部材41を形成することで、各部位の寸法精度を確保しやすくなる。それにより、半導体素子11や第一の接合体31、第二の接合体32の位置決め精度を向上することができる。
As described above, in the second embodiment, in addition to obtaining the same effects as those of the previous embodiment, the
また、第一の開口部471〜第四の開口部474は、各絶縁基材461〜464を張り合わせて一体化した後、プレス加工や切削加工により形成してもよい。その際に、各絶縁基材461〜464を張り合わせる前に、各絶縁基材461〜464に対応して各開口部471〜474を形成する予定領域にレジストを塗布しておくことにより、確実に各開口部471〜474を形成しやすくなる。
The
なお、上記実施例2では、配線部材41は、4層の多層配線基板で構成しているが、多層配線基板の層数は4層に限ることはない。
In the second embodiment, the
図11は本発明の実施例3に係る半導体装置の構成を示す断面図であり、図12は第一のバスバー21側から見た配線部材41の正面図である。すなわち、図11は図12のA−A線に沿った断面図である。
11 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a front view of the
この実施例3の特徴とするところは、先の実施例1に対して、配線部材41を構成する絶縁体42内に導体パターン26を形成したことにあり、他は先の実施例1と同様である。
The feature of the third embodiment is that the
導体パターン26は、先に説明した導体パターン24と同様に銅やアルミニウム、もしくはこれらの金属を含む合金などから構成され、熱伝導性の良好な金属で構成されている。導体パターン26は、図12に示すように半導体素子11の外周に配置形成されて、第一のバスバー21に接する面が絶縁体42から露出され、半導体素子11の信号系電極14と接続される導体パターン24とは、電気的に接続されていない。
The
このような構成において、半導体素子11の外周に沿って絶縁体42に配置形成された導体パターン26は、第一のバスバー21と第二のバスバー22との間の熱伝導経路として機能する。したがって、半導体素子11で発生した熱は導体パターン26によって第一のバスバー21側に放熱しやすくなり、半導体素子11の熱抵抗を低減するが可能となる。
In such a configuration, the
また、本実施例3の半導体素子11をはんだ付けする際に、第一のバスバー21と第二のバスバー22との温度差を小さくすることができる。このため、第一の接合体31と第二の接合体32をほぼ同時に溶融及び凝固させることが可能となり、各接合体の厚さを管理制御しやすくなる。さらに、半導体素子11の外周に沿って導体パターン26を設けているため、配線部材41の反りを低減することが可能である。
Moreover, when soldering the
なお、本実施例3においては、導体パターン26は第一のバスバー21に接する面が絶縁体42から露出しているが、第一のバスバー21と第二のバスバー22との間の所望の絶縁性が確保できれば、この限りではない。すなわち、導体パターン26の第二のバスバー22に接する面が絶縁体42から露出してもよく、もしくはいずれのバスバー側にも絶縁体42から導体パターン26が露出していなくともよい。
In Example 3, the surface of the
図13は本発明の実施例4に係る半導体装置の構成を示す断面図であり、図14は第一のバスバー21側から見た配線部材41の正面図である。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to Example 4 of the present invention, and FIG. 14 is a front view of the
この実施例4の特徴とするところは、先の実施例1に対して、配線部材41を構成する絶縁体42に高熱伝導性樹脂47を形成したことにあり、他は先の実施例1と同様である。
The feature of the fourth embodiment is that a high thermal
高熱伝導性樹脂47は、アルミナやシリカ等の無機材料フィラーを含有した樹脂で構成され、半導体素子11の外周に沿って半導体素子11の第一の主面に接して配置形成されている。高熱伝導性樹脂47は、信号系電極14と接続される導体パターン24とは電気的に接続されていない。
The high thermal
このような構成においては、半導体素子11と第一のバスバー21との間に高熱伝導性樹脂47が配置形成されているので、半導体素子11で発生する熱損失を高熱伝導性樹脂47を介して第一のバスバー22へ放熱しやすくすることが可能となる。これにより、半導体素子11の熱抵抗を低減することができる。
In such a configuration, since the high thermal
なお、高熱伝導性樹脂47に代えて、アルミナ、窒化アルミニウム等の絶縁性のセラミックスで構成しても、同様の効果を得ることが可能である。
It should be noted that the same effect can be obtained by using insulating ceramics such as alumina and aluminum nitride instead of the high thermal
以上の各実施例1〜4において、第一〜第四の各接合体31〜34は、はんだに代えて、エポキシやウレタン等の樹脂に銀やカーボン等の導電性フィラーを含んだ導電性接着剤であってもかなわない。
In each of the above Examples 1 to 4, each of the first to fourth joined
なお、上記実施例1〜4は、適宜組み合わせて実施してもかまわない。 In addition, you may implement the said Examples 1-4 suitably combining.
11…半導体素子
12,13…主面電極
14…信号系電極
21,22…バスバー
23…信号端子
24,26,481〜484…導体パターン
24a,24b…露出部
25…貫通ビア
31〜34…接合体
41…配線部材
42…絶縁体
42a,421a…絶縁体部
43〜45,432,471〜474…開口部
47…高熱伝導性樹脂
51…樹脂
461〜464…絶縁機材
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記絶縁体は、前記半導体素子の第一の主面に形成された第一の主面電極よりも大きく、かつ前記半導体素子よりも小さい第一の開口部が形成され、前記第一の開口部の内側で前記第一の主面電極と前記第一の通電部材とが第一の導電性接合体により電気的に接続され、前記第一の開口部の深さと前記第一の導電性接合体の厚さとは同一である
ことを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device in which a semiconductor element is disposed between a first energization member and a second energization member that are disposed to face each other via an insulator,
The insulator has a first opening that is larger than the first main surface electrode formed on the first main surface of the semiconductor element and smaller than the semiconductor element, and the first opening The first main surface electrode and the first current-carrying member are electrically connected to each other by a first conductive joint, and the depth of the first opening and the first conductive joint The thickness of the semiconductor device is the same.
前記絶縁体は、開口寸法が前記半導体素子の外形寸法と同一の第二の開口部と、開口寸法が第二の導電性接合体の外形寸法と同一な第三の開口部とが形成され、前記第二の開口部の内側に前記半導体素子が配置され、前記第三の開口部の内側で前記半導体素子の第二の主面に形成された第二の主面電極と前記第二の通電部材とが前記第二の導電性接合体により電気的に接続されている
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The distance between the first energization member and the second energization member and the thickness of the insulator are the same,
The insulator is formed with a second opening whose opening dimension is the same as the outer dimension of the semiconductor element, and a third opening whose opening dimension is the same as the outer dimension of the second conductive joint, The semiconductor element is disposed inside the second opening, and the second main surface electrode formed on the second main surface of the semiconductor element inside the third opening and the second energization 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a member is electrically connected by the second conductive joined body.
ことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 The outer dimension of the second conductive joined body is larger than the outer dimension of the semiconductor element, and the centers of the second opening and the third opening coincide with each other. 2. The semiconductor device according to 2.
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein a heat conductor is provided inside the insulator on an outer periphery of the semiconductor element.
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。 5. The semiconductor device according to claim 1, wherein a high thermal conductive resin in contact with a first main surface of the semiconductor element is provided inside the insulator.
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。 The said insulator is comprised with the multilayer wiring board containing the wiring which electrically connects the said semiconductor element and the exterior of the said semiconductor device, The any one of Claims 1-5 characterized by the above-mentioned. Semiconductor device.
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the insulator is formed of a resin molded product.
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