JP2016004796A - パワーモジュールおよびその製造方法 - Google Patents
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- H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
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- H01L2224/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/36—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process
- H01L2224/37—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process of an individual strap connector
- H01L2224/37001—Core members of the connector
- H01L2224/37099—Material
- H01L2224/371—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/37117—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
- H01L2224/37124—Aluminium [Al] as principal constituent
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- H01L2224/40491—Connecting portions connected to auxiliary connecting means on the bonding areas being an additional member attached to the bonding area through an adhesive or solder, e.g. buffer pad
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- H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
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- H01L23/18—Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device
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- H01L2924/19101—Disposition of discrete passive components
- H01L2924/19107—Disposition of discrete passive components off-chip wires
Abstract
Description
―比較例1―
比較例1に係るパワーモジュール100Aの主要部の模式的平面パターン構成は、図1(a)に示すように表わされ、図1(a)のI−I線に沿う模式的断面構造は、図1(b)に示すように表わされる。
比較例2に係るパワーモジュール100Aの主要部の模式的平面パターン構成は、図2(a)に示すように表わされ、図2(a)のII−II線に沿う模式的断面構造は、図2(b)に示すように表わされる。また、比較例2の変形例に係るパワーモジュール100Aであって、図2(a)のII−II線に沿う模式的断面構造は、図3に示すように表わされる。
(パワーモジュール)
第1の実施の形態に係るパワーモジュール100の主要部の模式的平面パターン構成は、図4(a)に示すように表わされ、図4(a)のIII−III線に沿う模式的断面構造は、図4(b)に示すように表わされる。
第1の実施の形態に係るパワーモジュール100の製造方法の一工程を説明する模式的平面パターン構成は、図5(a)に示すように表わされる(その1)。また、図5(a)のIV−IV線に沿う模式的断面構造は、図5(b)に示すように表わされる。
(a)まず、図5(a)および図5(b)に示すように、絶縁基板14を準備し、セラミックス基板9の表面側銅箔をパターニングする。このパターニング工程の結果として、図図5(a)および図5(b)に示すように、セラミックス基板9上には、ドレイン電極パターン5・ソース電極パターン6・ソース信号電極パターン7・ゲート信号電極パターン8が形成される。ここで、絶縁基板14としては、例えば、DBC(Direct Bonding Copper)基板、DBA(Direct Brazed Aluminum)基板若しくはAMB(Active Metal Brazed, Active Metal Bond)基板などを適用可能である。なお、DBC基板の代わりに、有機絶縁樹脂層を絶縁層基板として適用しても良い。
(b)次に、図6(a)および図6(b)に示すように、絶縁基板14上に半導体デバイス1を半田付け工程によって形成する。すなわち、ドレイン電極パターン5上にチップ下半田層4を介して、半導体デバイス1の裏面電極(ドレイン電極)を電気的に接続する。
(c)次に、図6(a)および図6(b)に示すように、半導体デバイス1の表面側には、ソースパッド電極3・ゲートパッド電極2が配置されているため、ソースパッド電極3・ゲートパッド電極2に対して、チップ上半田層16・ゲートパッド電極上半田層23を形成する。同様に、ソース電極パターン6上にソース電極パターン上半田層17を形成する。
(d)次に、図7に示すように、アセンブル工程によって、ソース用分割リードフレーム20とゲートパッド電極用分割リードフレーム22とを絶縁部(分割部)21を介して接続し、分割リードフレーム構造(20・21・22)を形成する。
(e)さらに、図7に示すように、分割リードフレーム構造(20・21・22)を、半導体デバイス1を表面側に搭載した絶縁基板14上にアライメントする。
(f)次に、図8(a)および図8(b)に示すように、半田付け工程によって、ソース用分割リードフレーム20とソース電極パターン6およびソースパッド電極3間をソース電極パターン上半田層17・チップ上半田層16を介して電気的に接続する。同時に、ゲートパッド電極用分割リードフレーム22とゲートパッド電極2間をゲートパッド電極上半田層23を介して電気的に接続する。
(g)次に、図4(a)および図4(b)に示すように、ゲートパッド電極用分割リードフレーム22とゲート信号電極パターン8間をゲート信号ボンディングワイヤ13を用いて接続する。また、ソース用分割リードフレーム20とソース信号電極パターン7間をソース信号ボンディングワイヤ12を用いて接続する。
以上の製造工程においては、ソース電極パターン上半田層17・チップ上半田層16は予め、ソース用分割リードフレーム20側に形成しても良い。同様に、ゲートパッド電極上半田層23は、ゲートパッド電極用分割リードフレーム22側に形成しても良い。この場合には、ソースパッド電極3・ゲートパッド電極2に対して、チップ上半田層16・ゲートパッド電極上半田層23を形成し、ソース電極パターン6上にソース電極パターン上半田層17を形成する工程は省略可能である。
(a1)まず、図5(a)および図5(b)に示すように、絶縁基板14を準備し、セラミックス基板9の表面側銅箔をパターニングする。
(b1)次に、図7の上部図面に示すように、アセンブル工程によって、ソース用分割リードフレーム20とゲートパッド電極用分割リードフレーム22とを絶縁部(分割部)21を介して接続し、分割リードフレーム構造(20・21・22)を形成する。
(c1)次に、図8(a)および図8(b)に示すように、半田付け工程によって、ドレイン電極パターン5上にチップ下半田層4を介して、半導体デバイス1を電気的に接続する。同時に、ソース用分割リードフレーム20とソース電極パターン6およびソースパッド電極3間をソース電極パターン上半田層17・チップ上半田層16を介して電気的に接続する。同時に、ゲートパッド電極用分割リードフレーム22とゲートパッド電極2間をゲートパッド電極上半田層23を介して電気的に接続する。
(d1)次に、図4(a)および図4(b)に示すように、ゲートパッド電極用分割リードフレーム22とゲート信号電極パターン8間をゲート信号ボンディングワイヤ13を用いて接続する。また、ソース用分割リードフレーム20とソース信号電極パターン7間をソース信号ボンディングワイヤ12を用いて接続する。
第1の実施の形態の変形例に係るパワーモジュール100であって、図4(a)のIII−III線に沿う模式的断面構造は、図9に示すように表わされる。
の主要部の模式的平面パターン構成は、図10に示すように表わされる。また、図10のVII−VII線に沿う模式的断面構造は、図11に示すように表わされ、図10のVIII−VIII線に沿う模式的断面構造は、図12に示すように表わされる。
第2の実施の形態に係るパワーモジュールの製造方法の一工程を説明する模式的断面構造は、図13および図14に示すように表される。
(a)まず、図5(a)および図5(b)に示すように、絶縁基板14を準備し、セラミックス基板9の表面側銅箔をパターニングする。このパターニング工程の結果として、図図5(a)および図5(b)に示すように、セラミックス基板9上には、ドレイン電極パターン5・ソース電極パターン6・ソース信号電極パターン7・ゲート信号電極パターン8が形成される。ここで、絶縁基板14としては、例えば、DBC基板、DBA基板若しくはAMB基板などを適用可能である。なお、DBC基板の代わりに、有機絶縁樹脂層を絶縁層基板として適用しても良い。
(b)次に、図6(a)および図6(b)に示すように、絶縁基板14上に半導体デバイス1を半田付け工程によって形成する。すなわち、ドレイン電極パターン5上にチップ下半田層4を介して、半導体デバイス1の裏面電極(ドレイン電極)を電気的に接続する。
(c)次に、半導体デバイス1の表面側には、ソースパッド電極3・ゲートパッド電極2が配置されているため、ソースパッド電極3・ゲートパッド電極2に対して、チップ上半田層16・ゲートパッド電極上半田層23を形成する。同様に、ソース電極パターン6上にソース電極パターン上半田層17を形成する。
(d)次に、図13・図14の上部図面に示すように、アセンブル工程によって、ソース用分割リードフレーム20とゲートパッド電極用分割リードフレーム22とを絶縁部(分割部)21を介して接続し、ソース用分割リードフレーム20とソース信号用分割リードフレーム26と一体化接続し、ゲートパッド電極用分割リードフレーム22とゲート用分割リードフレーム24とを一体化接続し、分割リードフレーム構造(20・21・22・24・26)を形成する。
(e)さらに、図13・図14に示すように、分割リードフレーム構造(20・21・22・24・26)を、半導体デバイス1を表面側に搭載した絶縁基板14上にアライメントする。
(f)次に、図10〜図12に示すように、半田付け工程によって、ソース用分割リードフレーム20とソース電極パターン6およびソースパッド電極3間をソース電極パターン上半田層17・チップ上半田層16を介して電気的に接続する。同時に、ゲートパッド電極用分割リードフレーム22とゲートパッド電極2間をゲートパッド電極上半田層23を介して電気的に接続する。同時に、ゲート用分割リードフレーム24とゲート信号電極パターン8間をゲート用分割リードフレーム下半田層25を介して電気的に接続し、ソース信号用分割リードフレーム26とソース信号電極パターン7間をソース信号用分割リードフレーム下半田層27を介して電気的に接続する。
以上の製造工程においては、ソース電極パターン上半田層17・チップ上半田層16は予め、ソース用分割リードフレーム20側に形成しても良い。同様に、ゲートパッド電極上半田層23は予め、ゲートパッド電極用分割リードフレーム22側に形成しても良い。同様に、ゲート用分割リードフレーム下半田層25は予め、ゲート用分割リードフレーム24側に形成しても良い。同様に、ソース信号用分割リードフレーム下半田層27は予め、ソース信号用分割リードフレーム26側に形成しても良い。この場合には、ソースパッド電極3・ゲートパッド電極2に対して、チップ上半田層16・ゲートパッド電極上半田層23を形成し、ソース電極パターン6上にソース電極パターン上半田層17を形成し、ソース信号電極パターン7・ゲート信号電極パターン8上にソース信号用分割リードフレーム下半田層27・ゲート用分割リードフレーム下半田層25を形成する工程は省略可能である。
(a1)まず、図5(a)および図5(b)に示すように、絶縁基板14を準備し、セラミックス基板9の表面側銅箔をパターニングする。
(b1)次に、図13・図14の上部図面に示すように、アセンブル工程によって、ソース用分割リードフレーム20とゲートパッド電極用分割リードフレーム22・ゲート用分割リードフレーム24とを絶縁部(分割部)21を介して接続し、かつソース用分割リードフレーム20とソース信号用分割リードフレーム26とを一体化接続し、ゲートパッド電極用分割リードフレーム22とゲート用分割リードフレーム24とを一体化接続し、分割リードフレーム構造(20・21・22・24・26)を形成する。
(c1)次に、図13・図14および図10〜図12に示すように、半田付け工程によって、ドレイン電極パターン5上にチップ下半田層4を介して、半導体デバイス1を接続する。同時に、ソース用分割リードフレーム20とソース電極パターン6およびソースパッド電極3間をソース電極パターン上半田層17・チップ上半田層16を介して接続する。同時に、ゲートパッド電極用分割リードフレーム22とゲートパッド電極2間をゲートパッド電極上半田層23を介して接続する。同時に、ゲート用分割リードフレーム24とゲート信号電極パターン8間をゲート用分割リードフレーム下半田層25を介して接続し、ソース信号用分割リードフレーム26とソース信号電極パターン7間をソース信号用分割リードフレーム下半田層27を介して接続する。
第2の実施の形態の変形例に係るパワーモジュール100であって、図10のVII−VII線に沿う模式的断面構造は、図15に示すように表わされ、図10のVIII−VIII線に沿う模式的断面構造は、図16に示すように表わされる。
第3の実施の形態に係るパワーモジュール200であって、ツーインワンモジュール(2 in 1 Module:ハーフブリッジ内蔵モジュール)において、樹脂層115を形成前の模式的平面パターン構成は図17に示すように表され、樹脂層115を形成後の模式的鳥瞰構成は図19に示すように表される。また、第3の実施の形態に係るパワーモジュールであって、半導体デバイスとしてSiC MISFETを適用した図17に対応したツーインワンモジュール(ハーフブリッジ内蔵モジュール)の回路構成は、図18に示すように表される。
以下、実施の形態に係るパワーモジュールの具体例を説明する。もちろん、以下に説明するパワーモジュールにおいても、分割リードフレーム構造を採用している。
また、実施の形態に係るパワーモジュール220であって、ワンインワンモジュールのSiC MISFETの詳細回路表現は、図21に示すように表される。
実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスの例であって、SiC MISFETの模式的断面構造は、図23(a)に示すように表され、IGBTの模式的断面構造は、図23(b)に示すように表される。
実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイス110の例であって、SiC DIMISFETの模式的断面構造は、図26に示すように表される。
実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイス110の例であって、SiC TMISFETの模式的断面構造は、図27に示すように表される。
次に、図29を参照して、半導体デバイスとしてSiC MISFETを適用した実施の形態に係るパワーモジュールを用いて構成した3相交流インバータ140について説明する。
上記のように、本実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
2…ゲートパッド電極
3…ソースパッド電極
4…チップ下半田層
5…ドレイン電極パターン(銅箔)
6…ソース電極パターン(銅箔)
7、SL1、SL4…ソース信号電極パターン(銅箔)
8、GL1・GL4…ゲート信号電極パターン(銅箔)
9…基板(セラミックス基板)
10…裏面電極パターン(銅箔)
11…ソースボンディングワイヤ
12…ソース信号ボンディングワイヤ
13…ゲート信号ボンディングワイヤ
14…絶縁基板
15…リードフレーム
16…チップ上半田層
17…ソース電極パターン上半田層
18…応力緩和層
19…応力緩和層上半田層
20、201、204…第1リードフレーム(分割リードフレーム、ソース用分割リードフレーム)
21…絶縁部(分割部)
22、221、224…第2リードフレーム(ゲートパッド電極用分割リードフレーム)
23…ゲートパッド電極上半田層
24、241、244…第4リードフレーム(ゲート用分割リードフレーム)
25…ゲート用分割リードフレーム下半田層
26、261、264…第3リードフレーム(ソース信号用分割リードフレーム)
27…ソース信号用分割リードフレーム下半田層
321、324、32n…主配線導体(電極パターン)
100、100A、200、200A、200T、220…パワーモジュール
115…樹脂層
1241、1244…信号基板
Claims (26)
- 半導体デバイスと、
前記半導体デバイスの上面に接合されたリードフレームと
を備えることを特徴とするパワーモジュール。 - 前記リードフレームは、複数に分割されたことを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール。
- 前記複数に分割されたリードフレームは、
主電流が導通する第1リードフレームと、
前記第1リードフレームと電気的に絶縁された第2リードフレームと
を備えることを特徴とする請求項2に記載のパワーモジュール。 - 基板と、
前記基板上に配置された第1電極パターン、第2電極パターン、第1信号電極パターンおよび第2信号電極パターンと、
前記第2電極パターン上に配置され、表面側に第1パッド電極および第2パッド電極を有する半導体デバイスと、
前記第1電極パターンおよび前記第1パッド電極に接合された第1リードフレームと、
前記第2パッド電極と接合された第2リードフレームと
を備えることを特徴とするパワーモジュール。 - 前記第1リードフレームと前記第1信号電極パターンとの間を接続する第1ボンディングワイヤと、
前記第2リードフレームと前記第2信号電極パターンとの間を接続する第2ボンディングワイヤと
を備えることを特徴とする請求項4に記載のパワーモジュール。 - 前記第1リードフレームと電気的に接続され、かつ前記第1信号電極パターン上に配置された第3リードフレームと、
前記第2リードフレームと電気的に接続され、かつ前記第2信号電極パターン上に配置された第4リードフレームと
を備えることを特徴とする請求項4に記載のパワーモジュール。 - 前記第1パッド電極上に配置されたチップ上半田層と、
前記チップ上半田層上に配置され、前記チップ上半田層に加わる応力を緩和する応力緩和層と、
前記前記応力緩和層上に配置された応力緩和層上半田層と
を備え、前記第1リードフレームは、前記応力緩和層を介して、第1パッド電極に接続されることを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載のパワーモジュール。 - 前記応力緩和層は、低熱膨張係数金属層で形成されることを特徴とする請求項7に記載のパワーモジュール。
- 前記低熱膨張係数金属層は、CuMo、CuW、Mo、若しくはWのいずれかを備えることを特徴とする請求項8に記載のパワーモジュール。
- 前記応力緩和層は、Cu、Al、コバール、若しくはインバーのいずれかを備えることを特徴とする請求項8に記載のパワーモジュール。
- 前記第1リードフレームと前記第2リードフレームは、絶縁部を介してアセンブル接続されることを特徴とする請求項3〜10のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 前記絶縁部は、エポキシ系樹脂若しくはシリコーン系樹脂を備えることを特徴とする請求項11に記載のパワーモジュール。
- 前記第1リードフレームは、Cu、Al、Cu合金、Al合金またはこれらを1つ以上含む合金を備えることを特徴とする請求項3〜12のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 前記第2リードフレームは、Cu、Al、若しくはCuMoのいずれかを備えることを特徴とする請求項3〜12のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 前記第3リードフレームは、前記第1リードフレームと同一材料を備えることを特徴とする請求項6に記載のパワーモジュール。
- 前記第4リードフレームは、前記第2リードフレームと同一材料を備えることを特徴とする請求項6に記載のパワーモジュール。
- 前記基板は、絶縁基板を備えることを特徴とする請求項4〜16のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 前記絶縁基板は、DBC基板、DBA基板若しくはAMB基板のいずれかであることを特徴とする請求項17に記載のパワーモジュール。
- 前記基板は、有機絶縁樹脂層を備えることを特徴とする請求項4〜16のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 前記パワーモジュールは、ワンインワン、ツーインワン、フォーインワン、シックスインワンもしくはセブンインワン型のいずれかに形成されることを特徴とする請求項1〜19のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 前記半導体デバイスは、IGBT、ダイオード、Si系MISFET、SiC系MISFET、GaNFETのいずれかを備えることを特徴とする請求項1〜20のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
- 基板上に第1電極パターン、第2電極パターン、第1信号電極パターンおよび第2信号電極パターンを形成する工程と、
前記第2電極パターン上に、表面側に第1パッド電極および第2パッド電極を有する半導体デバイスを形成する工程と、
第1リードフレームと第2リードフレームと絶縁部とをアセンブルする工程と、
前記第1電極パターンおよび前記第1パッド電極に第1リードフレームを接合し、前記第2パッド電極と第2リードフレームを接合する工程と
を有することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 - 基板上に第1電極パターン、第2電極パターン、第1信号電極パターンおよび第2信号電極パターンを形成する工程と、
第1リードフレームと第2リードフレームと絶縁部とをアセンブルする工程と、
前記第2電極パターン上に、表面側に第1パッド電極および第2パッド電極を有する半導体デバイスを形成すると共に、前記第1電極パターンおよび前記第1パッド電極に前記第1リードフレームを接合し、前記第2パッド電極と前記第2リードフレームを接合する工程と
を有することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 - 前記第1リードフレームと前記第1信号電極パターン間を第1信号ボンディングワイヤを用いて接続する工程と、
前記第2リードフレームと前記第2信号電極パターン間を第2信号ボンディングワイヤを用いて接続する工程と
を有することを特徴とする請求項22または23に記載のパワーモジュールの製造方法。 - 基板上に第1電極パターン、第2電極パターン、第1信号電極パターンおよび第2信号電極パターンを形成する工程と、
前記第2電極パターン上に、表面側に第1パッド電極および第2パッド電極を有する半導体デバイスを形成する工程と、
第1リードフレームと第2リードフレームとを絶縁部を介して接続し、前記第1リードフレームと第3リードフレームとを一体化接続し、前記第2リードフレームと第4リードフレームとを一体化接続し、分割リードフレーム構造をアセンブルする工程と、
前記第1電極パターンおよび前記第1パッド電極に前記第1リードフレームを接合し、前記第2パッド電極と第2リードフレームを接合し、前記第1信号電極パターンと前記第3リードフレームを接合し、前記第2信号電極パターンと前記第4リードフレームを接合する工程と
を有することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 - 基板上に第1電極パターン、第2電極パターン、第1信号電極パターンおよび第2信号電極パターンを形成する工程と、
第1リードフレームと第2リードフレームとを絶縁部を介して接続し、前記第1リードフレームと第3リードフレームとを一体化接続し、前記第2リードフレームと第4リードフレームとを一体化接続し、分割リードフレーム構造をアセンブルする工程と、
前記第2電極パターン上に、表面側に第1パッド電極および第2パッド電極を有する半導体デバイスを形成すると共に、前記第1電極パターンおよび前記第1パッド電極に前記第1リードフレームを接合し、前記第2パッド電極と第2リードフレームを接合し、前記第1信号電極パターンと前記第3リードフレームを接合し、前記第2信号電極パターンと前記第4リードフレームを接合する工程と
を有することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
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