JP2015005566A - 半導体素子及び半導体素子の温度検出装置及び半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップが樹脂モールドされている場合でも、半導体チップのジャンクション温度を精度良く検出することができる半導体素子を提供する。
【解決手段】半導体素子１は、基板２にはんだ層７を介して固定されたヒートスプレッダ４、及びヒートスプレッダ４にはんだ層６を介して固定された半導体チップ３を備える。半導体チップ３及びヒートスプレッダ４は樹脂部材５によりモールドされている。この半導体素子１は、半導体チップ３に当接するはんだ層６に測温接点１３が埋め込まれた熱電対１０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂モールドされた半導体チップを備える半導体素子、半導体素子の温度検出装置、及び半導体素子の製造方法に関する。

半導体素子は、半導体チップに供給される電流と印加される電圧とにより半導体チップ内部のＰＮ接合部（ジャンクション）に損失が発生して発熱する。この半導体チップのＰＮ接合部の温度はジャンクション温度と呼ばれる。通常、半導体チップのジャンクションには許容温度が存在し、ジャンクション温度が許容温度を超えると半導体チップの劣化を招く。そのため、半導体素子の熱設計や耐久試験を精度良く行うためには、半導体チップのジャンクション温度を高い精度で検出することが重要となる。従来、半導体チップのジャンクション温度を推定する方法としては、特許文献１に記載の方法がある。特許文献１では、半導体素子の周囲の雰囲気温度に基づいて半導体チップのジャンクション温度を推定している。

特開２０１２−２１８９７号公報

ところで、半導体素子には、ベアチップの状態で基板上に実装された半導体チップを有するとともに、この半導体チップが樹脂モールドされた構造からなるものがある。このような半導体素子について特許文献１に記載の方法で半導体チップのジャンクション温度を推定する場合、モールド樹脂の熱抵抗を考慮してジャンクション温度を推定しなければならない。そのためジャンクション温度を精度良く推定することが困難であった。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体チップが樹脂モールドされている場合でも、半導体チップのジャンクション温度を精度良く検出することができる半導体素子、半導体素子の温度検出装置、及び半導体素子の製造方法に関する。

上記課題を解決するために、基板に接合層を介して固定された半導体チップを有し、前記半導体チップが樹脂モールドされてなる半導体素子において、前記半導体チップに当接する接合層に測温接点が埋め込まれた熱電対を備えることとした。

この構成によれば、熱電対により半導体チップの実際の温度、あるいはそれに近い温度を検出することができる。したがって、熱電対の検出温度を利用すれば、半導体チップの実際の温度、あるいはそれに近い温度に基づいてジャンクション温度を推定することができるため、ジャンクション温度を精度良く推定することができる。

上記半導体素子について、前記熱電対の測温接点は、前記半導体チップに当接していることが好ましい。
この構成によれば、熱電対の測温接点の温度が半導体チップの温度と略同一の温度となるため、熱電対における半導体チップの温度検出精度が向上する。そのためジャンクション温度の推定精度を更に向上させることができる。

ところで、半導体チップでは、ボンディングワイヤとの接合部も発熱し易い。すなわち、半導体チップにおけるボンディングワイヤとの接合部は、自身の発熱と、ＰＮ接合部の発熱との相乗効果により特に発熱し易い部位となっている。

そこで上記半導体素子について、前記熱電対の測温接点は、前記半導体チップにおけるボンディングワイヤとの接合部に対向する位置に配置されていることが好ましい。
この構成によれば、半導体チップにおいて特に発熱し易い部位の温度を熱電対により検出することができるため、その検出温度を利用することにより、例えば半導体素子の熱設計や耐久試験等を精度良く行うことが可能となる。

また上記半導体素子について、前記半導体チップに当接する接合層を第１接合層とするとき、前記基板に第２接合層を介して固定されたヒートスプレッダを更に備え、前記半導体チップは、前記第１接合層を介して前記ヒートスプレッダに固定され、前記ヒートスプレッダには、前記熱電対の測温接点が挿入される凹部が形成されていることが好ましい。

この構成によれば、熱電対の測温接点の一部がヒートスプレッダの凹部に挿入されるため、第１接合層内に位置する測温接点の部位を小さくすることができる。これにより第１接合層を薄くすることができるため、半導体素子を小型化することができる。

そして半導体素子の温度測定装置としては、前記熱電対の出力が入力される入力部、及び前記入力部と電気的に絶縁された出力部を有し、前記熱電対から前記入力部に入力された電気信号に応じた電気信号を前記出力部から出力する絶縁回路と、前記絶縁回路から出力される電気信号に基づいて前記熱電対の測温接点の温度を検出する計測器と、を備えることが好ましい。

この構成によれば、熱電対と計測器との電気的な接続が絶縁回路により絶縁されているため、半導体チップからの熱電対を介した計測器への電流の回り込みを防止することができる。これにより、計測器に入力される信号に、半導体チップからの電流の周り込みに起因したノイズが混入することがないため、熱電対の測温接点の温度を精度良く検出することが可能となる。

また半導体素子の製造方法としては、前記ヒートスプレッダの凹部に前記熱電対の測温接点を配置した後、第１接合部材により前記半導体チップを前記ヒートスプレッダに固定して１次成形品を成形する工程と、前記１次成形品を第２接合部材により前記基板に固定する工程と、前記基板上に固定された１次成形品を前記熱電対と共に樹脂モールドする工程と、を備えることが好ましい。

この製造方法によれば、ヒートスプレッダの凹部に熱電対の測温接点を配置する作業を行って以降は、熱電対を有していない半導体素子の製造工程をほぼそのまま用いることができる。すなわち半導体素子の製造工程を大幅に変更する必要がない。そのため熱電対を備える半導体素子を容易に製造することができる。

この半導体素子によれば、半導体チップが樹脂モールドされている場合でも、半導体チップのジャンクション温度を精度良く検出することができる。

半導体素子の一実施形態についてその断面構造を示す断面図。 実施形態の半導体素子についてそのヒートスプレッダの平面構造を示す平面図。 図２のＡ−Ａ線に沿った断面構造を示す断面図。 実施形態の半導体素子についてその半導体チップの平面構造を示す平面図。 実施形態の半導体素子の製造工程を示すフローチャート。 半導体素子の変形例についてその断面構造を示す断面図。 半導体素子の他の変形例についてその断面構造を示す断面図。 半導体素子の他の変形例についてその断面構造を示す断面図。

以下、図１〜図５を参照して半導体素子の一実施形態について説明する。
図１に示すように、半導体素子１は、基板２にベアチップの状態で実装された半導体チップ３、及び半導体チップ３と基板２との間に介装されたヒートスプレッダ４を備えている。半導体素子１は、半導体チップ３及びヒートスプレッダ４が樹脂部材５によりモールド（封止）された構造からなる。

半導体チップ３はバイポーラトランジスタやＦＥＴ（Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated gate bipolar transistor）等からなる。半導体チップ３は、アルミニウム等からなる複数のボンディングワイヤ８を介して基板２上のパターンに電気的に接続されている。また半導体チップ３は、ヒートスプレッダ４に対して第１はんだ層６を介して固定されている。第１はんだ層６は、半導体チップ３とヒートスプレッダ４とを接合する第１接合層の一例であり、例えば鉛フリーはんだや鉛含有はんだなどからなる。

ヒートスプレッダ４は、ニッケルめっきが表面に施された銅板等からなり、半導体チップ３から発生する熱を吸収して外部に放出することにより半導体チップ３を冷却する。ヒートスプレッダ４は、基板２に対して第２はんだ層７を介して固定されている。第２はんだ層７は、基板２とヒートスプレッダ４とを接合する第２接合層の一例であり、例えば鉛フリーはんだや鉛含有はんだなどからなる。

また半導体素子１には、半導体チップ３の温度を検出する熱電対１０が埋め込まれている。熱電対１０は、樹脂部材５に一部が埋め込まれたコネクタ部１１、及びコネクタ部１１から第１はんだ層６の内部に延びる２本の金属線１２ａ，１２ｂを有している。金属線１２ａ，１２ｂは互いに異なる金属材料からなる。金属線１２ａ，１２ｂの基準接点（冷接点）はコネクタ部１１の内部に配置されている。また金属線１２ａ，１２ｂのそれぞれの先端部は、第１はんだ層６の内部に配置された球状の測温接点１３にて互いに接合されている。なお金属線１２ａ，１２ｂにおける測温接点１３により覆われた部分以外の外部に露出した部分は、例えばポリイミドなどの耐熱性及び絶縁性を有する被覆部材によりコーティングされている。また測温接点１３は、その外周面が半導体チップ３の底面３ａに当接するとともに、ヒートスプレッダ４の上面４ａに形成された凹部４ｂに挿入されている。

次に、図２〜図４を参照して、ヒートスプレッダ４の凹部４ｂ周辺の構造について詳述する。図２は、ヒートスプレッダ４の平面構造を、図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面構造を示す。また図４は、半導体チップ３の平面構造を示す。

図２及び図３に示すように、ヒートスプレッダ４の上面４ａの中央部には、測温接点１３の外径よりも若干大きい内径を有する半球状の凹部４ｂが形成されている。この凹部４ｂに熱電対１０の測温接点１３が挿入されることにより、測温接点１３は、ヒートスプレッダ４の中央部に配置される。これにより図４に示すように、測温接点１３は、半導体チップ３におけるボンディングワイヤ８との接合部Ｐに対向するように配置される。なお図２及び図３に示すように、ヒートスプレッダ４の上面４ａには、金属線１２ａ，１２ｂとヒートスプレッダ４との干渉を回避すべく、凹部４ｂからヒートスプレッダ４の外周面まで延びる直線状の溝部４ｃが形成されている。

こうした構造からなる熱電対１０では、半導体チップ３から発生する熱により測温接点１３の温度が上昇すると、コネクタ部１１における金属線１２ａ，１２ｂの基準接点と測温接点１３との間に温度差が生じ、その温度差に応じた熱起電力が金属線１２ａ，１２ｂに発生する。そして図１に示すように、熱電対１０は、この熱起電力を出力線１４ａ，１４ｂ間の電位差として出力する。

熱電対１０の出力線１４ａ，１４ｂは絶縁回路２０を介して計測器３０に接続されている。これら絶縁回路２０及び計測器３０により、熱電対１０により検出される温度、すなわち測温接点１３の温度を検出する温度検出装置４０が構成されている。

絶縁回路２０は、例えばフォトカプラ等からなり、熱電対１０の出力線１４ａ，１４ｂにそれぞれ接続された入力部２１ａ，２１ｂ、及び入力部２１ａ，２１ｂと電気的に絶縁された出力部２２ａ，２２ｂを有している。絶縁回路２０は、入力部２１ａ，２１ｂに入力される電気信号に応じた電気信号を出力部２２ａ，２２ｂからそれぞれ出力する。絶縁回路２０の出力部２２ａ，２２ｂは配線４１ａ，４１ｂを介して計測器３０に接続されている。

計測器３０は、配線４１ａ，４１ｂを介して絶縁回路２０の出力部２２ａ，２２ｂ間の電位差を、換言すれば熱電対１０の出力線１４ａ，１４ｂ間の電位差を検出する。そして計測器３０は、検出した熱電対１０の出力線１４ａ，１４ｂ間の電位差に基づいて測温接点１３の温度を検出する。

次に、本実施形態の半導体素子１及び温度検出装置４０の作用について説明する。
熱電対１０では、測温接点１３が半導体チップ３の底面３ａに当接しているため、測温接点１３の温度が半導体チップ３の温度と略同一の温度となる。そのため熱電対１０は半導体チップ３の実際の温度に近い温度、あるいはそれに近い温度を検出することができる。また測温接点１３が半導体チップ３に当接していれば、半導体チップ３の温度が変化したとき、測温接点１３の温度が即座に変化する。そのため半導体チップ３の温度変化に対する熱電対１０の応答性を向上させることもできる。

このように本実施形態の熱電対１０は半導体チップ３の温度を精度良く検出することができる。したがって、計測器３０により検出される温度に基づいて半導体チップ３のジャンクション温度を推定すれば、半導体チップ３の実際の温度、あるいはそれに近い温度に基づいてジャンクション温度を推定することができるため、ジャンクション温度を精度良く推定することができる。そして半導体チップ３のジャンクション温度を精度良く検出することができれば、ジャンクション温度に基づき実行される半導体チップ３の温度保護制御等を精度良く実行することが可能となる。そのため半導体チップ３の発熱をより的確に抑制することができる。またパワーサイクル試験等の耐久試験では、印加条件に対する半導体チップ３の温度変化を精度良く検出することができるため、耐久試験の信頼性を向上させることもできる。

ところで、半導体素子１の熱設計や耐久試験等を精度良く行うためには、半導体チップ３の発熱し易い部分の温度を検出することが有効である。ここで半導体チップ３の発熱し易い部分としては、ＰＮ接合部の他、ボンディングワイヤ８との接合部がある。すなわち、半導体チップ３におけるボンディングワイヤ８との接合部は、自身の発熱と、ＰＮ接合部の発熱との相乗効果により特に発熱し易い部分となっている。この点、図４に示すように、熱電対１０の測温接点１３は、半導体チップ３におけるボンディングワイヤ８との接合部Ｐに対向するように配置されているため、熱電対１０は、半導体チップ３において特に発熱し易い部分の温度を検出することができる。そのため半導体素子１の熱設計や耐久試験を精度良く行うことが可能となる。

また図１に示すように、半導体素子１では、熱電対１０の測温接点１３がヒートスプレッダ４の凹部４ｂに挿入されているため、測温接点１３の一部のみが第１はんだ層６内に位置している。そのため第１はんだ層６を薄くすることができるため、半導体素子１を小型化することができる。また凹部４ｂの深さ（内径）を適宜調整すれば、第１はんだ層６内に位置する測温接点１３の部位の大きさを調整することができるため、第１はんだ層６の厚さを調整することができる。これにより、例えばヒートスプレッダ４と半導体チップ３との間で十分な固定強度が得られるように第１はんだ層６の厚さを適宜調整することができる。

さらに図１に示すように、熱電対１０の出力線１４ａ，１４ｂは絶縁回路２０を介して計測器３０に接続されているため、半導体チップ３から熱電対１０を介した計測器３０への電流の回り込みを防止することができる。これにより計測器３０に入力される電気信号に、半導体チップ３からの電流の回り込みに起因するノイズが混入することがないため、熱電対１０の測温接点１３の温度を精度良く検出することができる。また半導体チップ３からの電流の回り込みに起因する計測器３０の故障を防止することもできる。

次に、図５を参照して、半導体素子１の製造方法について説明する。
図５に示すように、半導体素子１の製造に際しては、まず、ヒートスプレッダ４の凹部４ｂに熱電対１０の測温接点１３を挿入した後（ステップＳ１）、第１接合部材としてのはんだによりヒートスプレッダ４に半導体チップ３をダイボンディング（固定）する（ステップＳ２）。その際、ヒートスプレッダ４の凹部４ｂ及び溝部４ｃに流れ込むはんだにより、熱電対１０の測温接点１３及び金属線１２ａ，１２ｂの一部が半導体チップ３及びヒートスプレッダ４に対して固定される。このステップＳ２の工程を経て１次成形品の成形が完了する。続いて、第２接合部材としてのクリームはんだを基板２に塗布した後（ステップＳ３）、基板２のクリームはんだが塗布された部分に１次成形品をマウントする（ステップＳ４）。そして、１次成形品がマウントされた基板２をリフロー炉に投入し、リフロー炉でクリームはんだを溶融させて基板２に１次成形品を固定する（ステップＳ５）。こうして基板２に対する半導体チップ３及びヒートスプレッダ４の固定が完了する。

続いて、半導体チップ３と基板２上のパターンとの間にワイヤボンディングを施し（ステップＳ６）、半導体チップ３と基板２上のパターンとをボンディングワイヤ８により電気的に接続する。その後、半導体チップ３、ヒートスプレッダ４、及び熱電対１０の一部を樹脂部材５でモールドすることで（ステップＳ７）、半導体素子１の製造が完了する。

このような製造方法によれば、ヒートスプレッダ４の凹部４ｂに熱電対１０の測温接点１３を挿入するステップＳ１の工程を行って以降は、熱電対１０を有していない半導体素子の製造工程をほぼそのまま用いることができる。すなわち半導体素子の製造工程を大幅に変更する必要がない。そのため、熱電対１０を備える半導体素子１を容易に製造することができる。また半導体素子１への熱電対１０の取り付けに特別な治具が不要であるため、製造コストを低減することもできる。

以上説明したように、本実施形態の半導体素子１、温度検出装置４０、及び半導体素子１の製造方法によれば以下の効果が得られる。
（１）半導体素子１では、半導体チップ３に当接する第１はんだ層６に熱電対１０の測温接点１３を埋め込むこととした。これにより熱電対１０により半導体チップ３の実際の温度、あるいはそれに近い温度を検出することができるため、熱電対１０の検出温度に基づいて半導体チップ３のジャンクション温度を推定すれば、ジャンクション温度を精度良く推定することができる。

（２）熱電対１０の測温接点１３を半導体チップ３に当接させることとした。これにより熱電対１０における半導体チップ３の温度検出精度が向上するため、半導体チップ３のジャンクション温度の推定精度を更に向上させることができる。

（３）熱電対１０の測温接点１３を、半導体チップ３におけるボンディングワイヤ８との接合部Ｐに対向する位置に配置することとした。これにより半導体チップ３において特に発熱し易い部位の温度を検出することができるため、半導体素子１の熱設計や耐久試験を精度良く行うことができる。

（４）ヒートスプレッダ４には、熱電対１０の測温接点１３を挿入するための凹部４ｂを形成することとした。これにより第１はんだ層６を薄くすることができるため、半導体素子１を小型化することができる。また凹部４ｂの深さを調整することにより、第１はんだ層６の厚さを適宜調整することができるため、例えばヒートスプレッダ４と半導体チップ３との間で十分な固定強度が得られるように第１はんだ層６の厚さを設定することもできる。

（５）熱電対１０の出力線１４ａ，１４ｂには、絶縁回路２０を介して計測器３０を接続することとした。これにより半導体チップ３からの熱電対１０を介した計測器３０への電流の回り込みを防止することができるため、熱電対１０の測温接点１３の温度を精度良く検出することができる。また電流の回り込みに起因する計測器３０の故障を防止することもできる。

（６）半導体素子１の製造を、図５に示した手順で行うこととした。これにより、熱電対を有していない半導体素子の製造工程をほぼそのまま用いることができるため、半導体素子１を容易に製造することができる。

なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・熱電対１０の測温接点１３の外径が第１はんだ層６の厚さよりも小さい場合には、測温接点１３全体を第１はんだ層６内に埋め込むことができる。このような場合には、ヒートスプレッダ４から凹部４ｂを省略してもよい。また熱電対１０の金属線１２ａ，１２ｂとヒートスプレッダ４とが干渉しない場合には、ヒートスプレッダ４から溝部４ｃを省略してもよい。

・図６に示すように、熱電対１０の測温接点１３を、半導体チップ３におけるボンディングワイヤ８との接合部Ｐに対向する位置からずれた位置に配置してもよい。また図７に示すように、熱電対１０の測温接点１３を、半導体チップ３の底面３ａから離間させてもよい。いずれの構成であっても、熱電対１０により半導体チップ３の実際の温度、あるいはそれに近い温度を検出することができるため、計測器３０の検出温度に基づいて半導体チップ３のジャンクション温度を推定すれば、その推定精度を確保することが可能である。

・上記実施形態では、基板２と半導体チップ３との間にヒートスプレッダ４を介装したが、基板２が、例えばセラミックス基板などの放熱性に優れた部材からなる場合には、ヒートスプレッダ４を省略してもよい。この場合、図８に示すように、基板２にはんだ層９を介して半導体チップ３を固定する。そしてはんだ層９に熱電対１０の測温接点１３を埋め込めばよい。

・上記実施形態では、温度検出装置４０を絶縁回路２０及び計測器３０により構成したが、温度検出装置４０から絶縁回路２０を省略してもよい。
・上記実施形態では、半導体チップ３とヒートスプレッダ４とを接合する第１接合層、及び基板２とヒートスプレッダ４とを接合する第２接合層にはんだを用いたが、これに限らず、適宜の接合部材を用いることが可能である。

・上記実施形態では、熱電対１０の測温接点１３を球状に形成したが、例えば立方体状に形成するなど、測温接点１３の形状は適宜変更可能である。

Ｐ…接合部、１…半導体素子、２…基板、３…半導体チップ、４…ヒートスプレッダ、４ｂ…凹部、６…第１はんだ層（第１接合層）、７…第２はんだ層（第２接合層）、８…ボンディングワイヤ、９…はんだ層（接合層）、１０…熱電対、１３…測温接点、２０…絶縁回路、２１ａ，２１ｂ…入力部、２２ａ，２２ｂ…出力部、３０…計測器、４０…温度検出装置。

Claims (6)

1. 基板に接合層を介して固定された半導体チップを有し、
   前記半導体チップが樹脂モールドされてなる半導体素子において、
   前記半導体チップに当接する接合層に測温接点が埋め込まれた熱電対を備えることを特徴とする半導体素子。
2. 請求項１に記載の半導体素子において、
   前記熱電対の測温接点は、前記半導体チップに当接していることを特徴とする半導体素子。
3. 請求項１又は２に記載の半導体素子において、
   前記熱電対の測温接点は、前記半導体チップにおけるボンディングワイヤとの接合部に対向する位置に配置されていることを特徴とする半導体素子。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体素子において、
   前記半導体チップに当接する接合層を第１接合層とするとき、
   前記基板に第２接合層を介して固定されたヒートスプレッダを更に備え、
   前記半導体チップは、前記第１接合層を介して前記ヒートスプレッダに固定され、
   前記ヒートスプレッダには、前記熱電対の測温接点が挿入される凹部が形成されていることを特徴とする半導体素子。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体素子と、
   前記熱電対の出力が入力される入力部、及び前記入力部と電気的に絶縁された出力部を有し、前記熱電対から前記入力部に入力された電気信号に応じた電気信号を前記出力部から出力する絶縁回路と、
   前記絶縁回路から出力される電気信号に基づいて前記熱電対の測温接点の温度を検出する計測器と、を備える半導体素子の温度検出装置。
6. 請求項４に記載の半導体素子の製造方法であって、
   前記ヒートスプレッダの凹部に前記熱電対の測温接点を配置した後、第１接合部材により前記半導体チップを前記ヒートスプレッダに固定して１次成形品を成形する工程と、
   前記１次成形品を第２接合部材により前記基板に固定する工程と、
   前記基板上に固定された１次成形品を前記熱電対と共に樹脂モールドする工程と、を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。