JP2012186288A - 電力用半導体装置と電力用半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、簡単な製造方法を採用しつつ、小型化に有利な電力用半導体装置と電力用半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本願の発明にかかる電力用半導体装置は、第１パワーチップを有する第１構造体と、第２パワーチップを有する第２構造体と、該第１パワーチップと該第２パワーチップが間隔をあけて対向するように該第１構造体と該第２構造体を支持する支持体と、該第１パワーチップと該第２パワーチップを電気的に接続するワイヤと、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の基板を備えた電力用半導体装置と電力用半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１には、２枚の基板が間隔をあけて対向するように設けられた電力用半導体装置が開示されている。２枚の基板の間にはこれらと接するように端子が配置されている。この端子により両基板上の素子が電気的に接続されている。

特開２００４−３１１６８５号公報 特開平１１−１２１６９１号公報 特開２００６−３１９３１３号公報 特開２００７−９６２５２号公報 特開２００４−１４００６８号公報 特開２０１０−１６９４７号公報

２枚の基板の間に端子を設けるには、各基板に端子用の回路パターンを形成する必要がある。端子用の回路パターンを形成すると、電力用半導体装置の小型化を妨げることがあった。また、端子を端子用の回路パターンに正確に配置しなければならないので製造工程が複雑化する。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、簡単な製造方法を採用でき、かつ小型化に有利な電力用半導体装置と電力用半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本願の発明に係る電力用半導体装置は、第１パワーチップを有する第１構造体と、第２パワーチップを有する第２構造体と、該第１パワーチップと該第２パワーチップが間隔をあけて対向するように該第１構造体と該第２構造体を支持する支持体と、該第１パワーチップと該第２パワーチップを電気的に接続するワイヤと、を備えたことを特徴とする。

本願の発明に係る電力用半導体装置の製造方法は、一平面に、第１パワーチップを有する第１構造体と第２パワーチップを有する第２構造体を並べる工程と、第１パワーチップと第２パワーチップが電気的に接続されるようにワイヤボンディングを行う工程と、該第１パワーチップと該第２パワーチップが間隔をあけて対向するように、第１構造体と第２構造体を対向させる工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、簡単な方法で小型化に有利な電力用半導体装置を製造できる。

本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の断面斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 一平面に２枚のベース板を並べた状態を示す図である。 ワイヤボンディング処理後の第１構造体と第２構造体の平面図である。 ハーフブリッジ回路を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の変形例を示す断面斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態２に係る第１構造体と第２構造体が一平面に並べられた状態を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の断面斜視図である。電力用半導体装置１０は第１ラミネート基板１２を備えている。第１ラミネート基板１２は、絶縁基板１２ａ並びにその両面に形成された金属パターン１２ｂ及び１２ｃを備えている。第１ラミネート基板１２の金属パターン１２ｂには還流ダイオード１４及びＩＧＢＴ１６が固定されている。以後、第１ラミネート基板１２に固定されるパワーチップ、すなわち還流ダイオード１４のチップとＩＧＢＴ１６のチップの少なくとも一方を「第１パワーチップ」と称することがある。

第１ラミネート基板１２の第１パワーチップが固定された面と反対の面には第１ベース板１８が固定されている。以後、第１ラミネート基板１２、第１パワーチップ、及び第１ベース板１８を備えた構造を第１構造体と称する。

電力用半導体装置１０は第２ラミネート基板２２を備えている。第２ラミネート基板２２は、絶縁基板２２ａ並びにその両面に形成された金属パターン２２ｂ及び２２ｃを備えている。この第２ラミネート基板２２は前述の第１ラミネート基板１２と間隔をあけて対向している。第２ラミネート基板２２の金属パターン２２ｂには還流ダイオード２４及びＩＧＢＴ２６が固定されている。以後、第２ラミネート基板２２に固定されるパワーチップ、すなわち還流ダイオード２４のチップとＩＧＢＴ２６のチップの少なくとも一方を「第２パワーチップ」と称することがある。

第２ラミネート基板２２の第２パワーチップが固定された面と反対の面には第２ベース板２８が固定されている。以後、第２ラミネート基板２２、第２パワーチップ、及び第２ベース板２８を備えた構造を第２構造体と称する。

第１構造体と第２構造体はケース３４により固定（支持）されている。ケース３４は、第１パワーチップが第２パワーチップと間隔をあけて対向するように、第１構造体と第２構造体を支持する支持体として機能している。このケース３４は、第１ベース板１８及び第２ベース板２８に固定され、かつ第１パワーチップ、及び第２パワーチップを囲むように形成されている。

還流ダイオード２４はワイヤ３０により金属パターン１２ｂに接続されている。ＩＧＢＴ２６はワイヤ３２により金属パターン１２ｂに接続されている。ワイヤ３０及び３２は、第１パワーチップと第２パワーチップを電気的に接続するものである。

図２は本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。以後このフローチャートに沿って本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の製造方法を説明する。まず一平面に第１構造体と第２構造体（２枚のベース板）を並べる（ステップ４０）。図３は一平面に第１構造体と第２構造体を並べた状態を示す図である。図３の中央線の右側には第１構造体が配置され、左側には第２構造体が配置されている。

次いで、第１パワーチップと第２パワーチップが電気的に接続されるようにワイヤボンディングを実施する（ステップ４２）。このワイヤボンディングは、第１構造体と第２構造体が備える２枚のベース板を並べた状態で実施する。図４はワイヤボンディング処理後の第１構造体と第２構造体の平面図である。ワイヤ３０は還流ダイオード２４のアノードと金属パターン１２ｂを接続する。これにより還流ダイオード２４のアノードは、ＩＧＢＴ１６のコレクタ及び還流ダイオード１４のカソードと接続される。ワイヤ３２はＩＧＢＴ２６のエミッタと金属パターン１２ｂを接続する。これにより、ＩＧＢＴ２６のエミッタは、ＩＧＢＴ１６のコレクタ及び還流ダイオード１４のカソードに接続される。さらにＩＧＢＴ２６のエミッタと還流ダイオード２４のアノードが接続され、ＩＧＢＴ１６のエミッタと還流ダイオード１４のアノードも接続される。これらの接続により、第１構造体と第２構造体でハーフブリッジ回路を形成している。図５はハーフブリッジ回路を示す図である。

次いで、第１パワーチップと第２パワーチップが間隔をあけて対向するように、第１構造体と第２構造体（２枚のベース板）を対向させる（ステップ４４）。この工程では、第１構造体と第２構造体を図４の中央線に沿って折りたたむようにして、第１構造体と第２構造体とを間隔をあけて対向させる。このとき、第１ベース板１８と第２ベース板２８の間にケース３４を挟む。この工程を終えると第１構造体と第２構造体はケース３４で固定（支持）され、図１の電力用半導体装置１０を得る。

間隔をあけて対向する２つのパワーチップを、端子により電気的に接続する場合、当該端子専用の金属パターンが必要となり電力用半導体装置の小型化に適さない。ところが、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置によれば、ワイヤ３０及び３２により第１パワーチップと第２パワーチップが電気的に接続される。よって、端子専用の金属パターンは不要となり電力用半導体装置の小型化に有利となる。また、一平面に第１構造体と第２構造体を並べてワイヤ３０及び３２などをワイヤボンディングで形成し、その後に構造体同士を対向させるので、上述の小型化に有利な電力用半導体装置を簡単に製造できる。

さらに、第１構造体と第２構造体を対向するように配置することにより以下の４つの効果を得ることができる。第１に、パワーチップを実装できる面積を増やすことができるので、パワーチップ間の距離を十分に確保しパワーチップ間の熱干渉を抑制できる。

第２に、２枚のラミネート基板を隣接して並べた場合と比較して、ラミネート基板間の絶縁距離を長くすることができる。第３に、第１ベース板１８及び第２ベース板２８の両方から放熱させ、高熱による電力用半導体装置の変形を抑制することができる。第４に、第１ベース板１８と第２ベース板２８の両方に冷却フィンを取り付けて電力用半導体装置の冷却能力を向上させることができる。

図６は本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の変形例を示す断面斜視図である。この電力用半導体装置は、第１ベース板１８に固定されたひだ状構造の第１冷却フィン５０を備えている。第１冷却フィン５０は第１ベース板１８の上方に伸びている。第２ベース板２８にはひだ状構造の第２冷却フィン５２が固定されている。第２冷却フィン５２は第２ベース板２８の下方に伸びている。すなわち、第１冷却フィン５０は第２冷却フィン５２と反対方向に伸びている。そのため第１構造体と第２構造体を同時かつ均等に冷却できる。第１構造体と第２構造体を均等に冷却することは、熱応力の偏在による電力用半導体装置の変形抑制に有効である。

本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置は、単相ハーフブリッジ回路を構成しているが、パワーチップを用いる限りどのような回路を構成してもよい。例えば、電力用半導体装置で２相又は３相などの多相ブリッジ回路を構成しても、ダイオードを用いたコンバータ回路を構成しても上述の効果を得ることができる。

ケース３４は、第１パワーチップと第２パワーチップが間隔をあけて対向するように第１構造体と第２構造体を支持する支持体であれば特に限定されない。従って、ケースは第１ベース板１８と第２ベース板２８の間に「挿入する」ものに限定されない。

実施の形態２．
図７は本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態２では、実施の形態１に係る電力用半導体装置１０の構成要素と同一又は対応するものについては、実施の形態１と同一の符号を付して説明を省略する。

電力用半導体装置６０は、第１構造体の構成要素と第２構造体の構成要素が、第１構造体と第２構造体の中間において第１構造体及び第２構造体と平行に伸びる面を対称面とした面対称となるように配置される。第１構造体と第２構造体の厚みは等しくなっている。第１パワーチップと第２パワーチップは、ワイヤ６２及び６４により電気的に接続されている。

電力用半導体装置６０は、実施の形態１に係る電力用半導体装置の製造方法と同様に製造される。図８は、本発明の実施の形態２に係る第１構造体と第２構造体が一平面に並べられた状態を示す図である。第１構造体の構成要素と第２構造体の構成要素は中央線（破線）を対称線とする線対称となっている。図８に示すワイヤ６２及び６４などはワイヤボンディングで形成される。その後に、第１構造体及び第２構造体を対向させる。

ところで、第１構造体にかかる熱応力の分布と第２構造体にかかる熱応力の分布が一致しない場合、ベース板が反ったり、基板が割れたりして電力用半導体装置が変形することがあった。ところが、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置６０によれば、第１構造体の構成要素と第２構造体の構成要素が面対称になるように配置されているので、第１構造体にかかる熱応力の分布と第２構造体にかかる熱応力の分布は一致する。従って、双方の熱応力は打ち消しあうので、電力用半導体装置の変形を抑制できる。なお、電力用半導体装置６０の第１ベース板１８及び第２ベース板２８のそれぞれに冷却フィンを取り付け、両冷却フィンのひだを反対方向に伸ばすと電力用半導体装置の変形抑制効果を高めることができる。

１２ 第１ラミネート基板、 １４，１６ 第１パワーチップ、 １８ 第１ベース板、 ２２ 第２ラミネート基板、 ２４，２６ 第２パワーチップ、 ２８ 第２ベース板、 ３０，３２ ワイヤ、 ３４ ケース（支持体）、 ５０ 第１冷却フィン、 ５２ 第２冷却フィン、 ６２，６４ ワイヤ

Claims (6)

1. 第１パワーチップを有する第１構造体と、
   第２パワーチップを有する第２構造体と、
   前記第１パワーチップと前記第２パワーチップが間隔をあけて対向するように前記第１構造体と前記第２構造体を支持する支持体と、
   前記第１パワーチップと前記第２パワーチップを電気的に接続するワイヤと、を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
2. 前記第１構造体は、
   前記第１パワーチップが固定された第１ラミネート基板と、
   前記第１ラミネート基板の前記第１パワーチップが固定された面と反対の面に固定された第１ベース板と、を有し、
   前記第２構造体は、
   前記第２パワーチップが固定され、前記第１ラミネート基板と対向する第２ラミネート基板と、
   前記第２ラミネート基板の前記第２パワーチップが固定された面と反対の面に固定された第２ベース板と、を有することを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
3. 前記支持体は、前記第１ベース板及び前記第２ベース板に固定され、かつ前記第１パワーチップと前記第２パワーチップを囲むように形成されたケースであることを特徴とする請求項２に記載の電力用半導体装置。
4. 前記第１ベース板に固定されたひだ状構造の第１冷却フィンと、
   前記第１冷却フィンと反対方向に伸びるように前記第２ベース板に固定されたひだ状構造の第２冷却フィンと、を備えたことを特徴とする請求項２又は３に記載の電力用半導体装置。
5. 前記第１構造体の構成要素と前記第２構造体の構成要素は、前記第１構造体と前記第２構造体の中間において前記第１構造体及び前記第２構造体と平行に伸びる面を対称面とした面対称となるように配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
6. 一平面に、第１パワーチップを有する第１構造体と第２パワーチップを有する第２構造体を並べる工程と、
   前記第１パワーチップと前記第２パワーチップが電気的に接続されるようにワイヤボンディングを行う工程と、
   前記第１パワーチップと前記第２パワーチップが間隔をあけて対向するように、第１構造体と第２構造体を対向させる工程と、を備えたことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。

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