JP2016146444A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、特許文献1にはプリント基板および2枚のセラミック絶縁基板を用いて、高さ方向に回路を構成したモジュールについて記載されているが、その具体的な製造方法については特に例示されていない。
実施形態1のパワー半導体モジュールは、電子部品としてシャント抵抗を備える例である。
図1は、本発明の実施形態1のパワー半導体モジュール10の模式的な断面図である。
パワー半導体モジュール10は、絶縁基板11、半導体チップ12、半導体チップ13、第1のプリント基板14、第1の導電ポスト15、第2のプリント基板16、第2の導電ポスト17及び電子部品としてのシャント抵抗18を備えている。
半導体チップ12の裏面にはドレイン電極が形成されていて、このドレイン電極と第1領域11b1とが、接合材としてのはんだ20により電気的かつ機械的に接続されている。また、半導体チップ13の裏面にはカソード電極が形成されていて、このカソード電極と第1領域11b1とが、はんだ20により電気的かつ機械的に接続されている。
半導体チップ12と逆並列に接続されるダイオードの例である半導体チップ13は、おもて面にアノード電極を有し、裏面にカソード電極を有している。
絶縁層14aは、ドレイン端子19A、ゲート端子19C、ソース端子19B、補助ソース端子19D及び導電ポスト15Aを通す貫通孔14hを有している。
金属層14bの第1領域14b1は、半導体チップ12のソース電極、半導体チップ13のアノード電極及び絶縁基板11の回路板11bの第2領域11b2及び第5領域11b5を、第1のプリント基板14に向けて投影させた領域を少なくとも部分的に含むように形成されている。換言すれば、第1領域14b1は、半導体チップ12のソース電極、半導体チップ13のアノード電極及び絶縁基板11の回路板11bの第2領域11b2及び第5領域11b5と、少なくとも部分的に重なるように、絶縁層14aの主面の外側寄りに形成されている。また、第1領域14b1は、絶縁基板11の回路板11bの第1領域11b1に電気的かつ機械的に接続されているドレイン端子19Aとは非接触であり、第2領域11b2及び第5領域11b5に電気的かつ機械的に接合されているソース端子19Bとも非接触である。
金属層14bの第1領域14b1及び第2領域14b2は、インダクタンスを低減するために、なるべく絶縁層14aの面上における面積を大きくしている。
以下の説明では、個別の導電ポスト15A〜15Eを総称して第1の導電ポスト15という。
第2のプリント基板16の絶縁層16aは、ドレイン端子19A、ソース端子19B、ゲート端子19C、補助ソース端子19Dを挿通させる孔16hを有している。また、この絶縁層16aは、導電ポスト15A(第2の導電ポスト17)を挿通させる孔を有している。
もっとも、第2の導電ポスト17は図1に示した例に限られず、一端が第2のプリント基板16の回路層16bに接続され、他端が第1のプリント基板14の金属層14b、半導体チップ12のソース電極、ゲート電極、半導体チップ13のアノード電極、絶縁基板11の回路板11bのいずれか一つに接続されたものとすることができる。
金属層16cの変形例として、半導体チップ12又は半導体チップ13の放熱のために、第2の導電ポスト17と接触するような構成とすることもできる。
第1領域16b1に、第2の導電ポスト17(導電ポスト15A)の端部が接続される。また、第2の導電ポスト17は、半導体チップ12のソース電極にも接続される。
第2のプリント基板16の絶縁層16aの材料は、第1のプリント基板14の絶縁層14aと同様とすることができる。回路層16b、金属層16cの材料は、第1のプリント基板14の金属層14bと同様に導電性の金属、例えは銅からなるものとすることができる。
また、金属層16cの変形例として当該金属層16cを第2の導電ポスト17に接続すれば、半導体チップ12からの熱がより効率的にパワー半導体モジュール10内部で伝熱されるため、放熱性を向上させることができる。
また、別の変形例として第2のプリント基板の回路層16bは、第1領域16b1及び第2領域16b2以外に、放熱性及びシールド性向上のための領域を設けてもよい。
実施形態2のパワー半導体モジュールは、電子部品としてコンデンサを備える例である。
図7〜12を用いて、本発明の実施形態2のパワー半導体モジュール30を説明する。なお、図7〜12において、図1〜図6と同一の部材については、同一の符号を付している。
図9に、図7のIX−IX線の位置における平面図を示す。図9は、第1のプリント基板24の絶縁層24aと金属層24bとが示されている。
金属層24bは、第1領域24b1及び第2領域24b2を含んでいる。第1領域24b1は、図3に示された実施形態1における第1領域14b1と比べると、ほぼ同じ範囲で設けられているが、ソース端子19B及び補助ソース端子19Dにも電気的に接続するように設けられている点で第1領域14b1とは相違している。第2領域24b2は、図3に示された実施形態1における第1領域14b1と同じ範囲で設けられている。第1のプリント基板24は、上記した第1領域24b1が設けられている範囲を除いて実施形態1の第1のプリント基板14と同じ構成を有しているので、既に実施形態1のパワー半導体モジュール10において第1のプリント基板14によって説明したのと重複する説明は省略する。
第2のプリント基板26は、絶縁層26aと、絶縁層26aの面のうち絶縁基板11より遠い側の面に設けられた回路層26bと、絶縁層26aの面のうち絶縁基板11より近い側の面に設けられた金属層26cとで構成されている。回路層26bには、電子部品であるコンデンサ22が搭載されている。
第2のプリント基板26の固定は、実施形態1の第2のプリント基板16と同様とすることができる。
そして、第1領域26b1に、ドレイン端子19Aが接続される。
回路層26bの第1領域26b1及び第2領域26b2の間で、第1領域26b1と第2領域26b2とを接続するように、コンデンサ22がはんだ20により取り付けられている。
また、本実施形態のパワー半導体モジュール30が、第2のプリント基板26及び第2の導電ポスト17を備えていることによる効果は、先に説明した実施形態1のパワー半導体モジュール10が、第2のプリント基板26及び第2の導電ポスト17を備えていることによる効果と同じである。
実施形態3のパワー半導体モジュールは、電子部品としてサーミスタを備える例である。
図13〜18を用いて、本発明の実施形態3のパワー半導体モジュール50を説明する。なお、図13〜18において、図1〜図12と同一部材については同一の符号を付している。
第1のプリント基板24は、上記した第1領域24b1及び第2領域24b2が設けられている範囲を含めて実施形態2の第1のプリント基板24と同じ構成を有しているので、既に実施形態2のパワー半導体モジュール30において第1のプリント基板24によって説明したのと重複する説明は省略する。
第2のプリント基板36は、絶縁層36aと、絶縁層36aの面のうち絶縁基板11より遠い側の面に設けられた回路層36bと、絶縁層36aの面のうち絶縁基板11より近い側の面に設けられた金属層36cとで構成されている。回路層36bには、電子部品であるサーミスタ23が搭載されている。
第2のプリント基板36の固定は、実施形態1の第2のプリント基板16と同様とすることができる。
図17に、図7のXVII−XVII線の位置における平面図を示す。図17において第2のプリント基板36の回路層36bは、絶縁層36aの一方の面に選択的に形成された第1領域36b1と第2領域36b2と第3領域36b3を含んでいる。
第2の導電ポスト17の一端の近傍において、回路層36bの第2領域36b2及び第3領域36b3にそれぞれ電気的に接続するように、サーミスタ23がはんだ20により取り付けられている。
サーミスタ23は、図17では1個であるが、個数は特に限定されない。複数個の電子部品を取り付ける場合に、第2のプリント基板16に加えて、第3のプリント基板等を用いるように、3枚以上のプリント基板を用いることもできる。
図19及び図20を用いて、本発明の製造方法1を説明する。
製造方法1は第1のプリント基板14及び第2のプリント基板16を一体化し、さらに一体化された第1のプリント基板14及び第2のプリント基板16を、絶縁基板11に一度に取り付ける方法である。
最初に、絶縁基板11、半導体チップ12、半導体チップ13、第1のプリント基板14、第1の導電ポスト15、第2のプリント基板16、シャント抵抗18、ドレイン端子19A、ソース端子19B、ゲート端子19C、補助ソース端子19Dを準備する。
次に、第1のプリント基板14の所定の位置に、第1の導電ポスト15を、はんだやロウ付け、又はカシメにより電気的かつ機械的に接続し、また、ドレイン端子19A、ソース端子19B、ゲート端子19C、補助ソース端子19Dを、貫通孔14hを通してはんだで接合する。
また、第2のプリント基板16の所定の位置に、シャント抵抗18及びセンス端子21をはんだ20により固定する。
このとき、図19に示すように、第1のプリント基板14と第2のプリント基板16とが所定の間隔を維持できるように、第1のプリント基板14と第2のプリント基板16との間に、ウレタン樹脂等の絶縁樹脂27を注入し、熱硬化工程などにより固化してもよい。これにより、一体化した第1のプリント基板14と第2のプリント基板16を、後の工程で容易に扱うことができるようになるため、有効である。絶縁樹脂27は、少なくとも、外部端子19A〜19Dよりも細い径である導電ポスト17を覆うように配置すれば、後の工程で導電ポスト17の変形を効果的に防止することができるので、有効である。
また、第1のプリント基板14と第2のプリント基板16を所定の間隔を維持できるようにするため、ドレイン端子19A、ソース端子19Bの太径の部分19Ab、19Bbを活用しても良い。
次に、絶縁基板11の回路板11bの第1領域11b1上の所定の位置にはんだペースト20を塗布し、このはんだペースト20上に半導体チップ12及び半導体チップ13を載置する。また、回路板11bの第2領域11b1〜第5領域11b5上の所定の位置に同様にはんだペースト20を塗布する。これは、回路板11bと、ドレイン端子19A、ソース端子19B、ゲート端子19C、補助ソース端子19D、導電ポスト15D及び導電ポスト15Eとの間を接続するための接合材として機能する。
次に、加熱炉によりはんだペースト20をリフローさせて、絶縁基板11、半導体チップ12、半導体チップ13、第1のプリント基板14、導電ポスト15、ドレイン端子19A、ソース端子19B、ゲート端子19C及び補助ソース端子19Dを接合する。
最後に、図20に示すように、上記構成部材全体を、外部端子19A〜19Dの先端や、金属板11Cの裏面が露出するように、モールド工程などを用いて絶縁樹脂28で封止する。絶縁樹脂27および絶縁樹脂28により、半導体チップ12や半導体チップ13などの破損を防止することができる。
なお、絶縁樹脂27および絶縁樹脂28は、同じ樹脂材料を用いても良いし、異なる樹脂材料を用いても良い。同じ樹脂材料を用いれば、絶縁樹脂27と絶縁樹脂28の密着性を向上させることができる。また、絶縁樹脂27では容易に熱硬化する樹脂材料を用い、絶縁樹脂28では絶縁性に優れた材料を用いることにより、製造コストと信頼性を両立させたパワー半導体モジュール10を実現することができる。
製造方法2は、絶縁基板11に、第1のプリント基板14及び第2のプリント基板16を順次に取り付ける方法である。
最初に、絶縁基板11、半導体チップ12、半導体チップ13、第1のプリント基板14、第1の導電ポスト15、第2のプリント基板16、シャント抵抗18、ドレイン端子19A、ソース端子19B、ゲート端子19C、補助ソース端子19Dを準備する。
次に、第1のプリント基板14の所定の位置に、第1の導電ポスト15をはんだやロウ付け、又はカシメにより電気的かつ機械的に接続する。図21に示すパワー半導体モジュール10の分解図に、第1のプリント基板14と導電ポスト15との一体物を示す。
また、第2のプリント基板16の所定の位置に、シャント抵抗18及びセンス端子21をはんだ20により固定する。図21に、第2のプリント基板16とシャント抵抗18とセンス端子21との一体物を示す。
次に、半導体チップ12及び半導体チップ13の電極上にはんだペースト20を塗布し、絶縁基板11と第1のプリント基板14とを位置合わせする。この位置合わせは、絶縁基板11、半導体チップ12及び半導体チップ13の少なくともいずれかを基準に行うことができる。
次に、図23に示すように、絶縁基板11の回路板11bの第1領域11b1にドレイン端子19Aを、第2領域11b2及び第5領域11b5にソース端子19Bを、第3領域11b3にゲート端子19Cを、第4領域11b4に補助ソース端子19Dをはんだ等の接合材、超音波接合又は溶接により電気的かつ機械的に接続する。その際、各端子はプリント基板14の貫通孔14hを挿通させてから、回路板11bに接続される。
次に、第2のプリント基板16を、第1のプリント基板14に対して位置合わせする。この位置合わせは、横方向(絶縁板11aの主面と平行な方向)については、第2のプリント基板16の貫通孔16hに、第2の導電ポスト17(導電ポスト15A)を通すことで行うことができる。また、ドレイン端子19A、ソース端子19B、ゲート端子19C及び補助ソース端子19Dを用いて、横方向の位置合わせを行っても良い。
また、縦方向(絶縁板11aの主面と垂直な方向)の位置合わせについては、ドレイン端子19A、ソース端子19Bの太径の部分19Ab、19Bbを活用しても良い。また、第2のプリント基板16を配置する前に、第1のプリント基板14上にスペーサを配置して、さらにスペーサ上に第2のプリント基板16を配置して行うこともできる。この場合、後述の第2のプリント基板16を取り付ける工程の後に、スペーサを取り外す工程を行えば良い。スペーサを用いることにより、ドレイン端子19A、ソース端子19Bに太径の部分19Ab、19Bbを別途加工する工程が不要となるため、製造コストが低減できる。
最後に、図24に示すように第2のプリント基板16の回路層16bの第1領域16b1と、第2の導電ポスト17(導電ポスト15A)とをはんだで接合し、第1領域16b1とソース端子19Bとをはんだで接合する。その後は製造方法1と同様に、上記構成部材全体を、外部端子19A〜19Dの先端や、金属板11Cの裏面が露出するように、モールド工程などを用いて絶縁樹脂で封止する。
11 絶縁基板
12、13 半導体チップ
14、24 第1のプリント基板
15 第1の導電ポスト
16、26、36 第2のプリント基板
17 第2の導電ポスト
18 シャント抵抗
19A ドレイン端子
19B ソース端子
19C ゲート端子
22 コンデンサ
23 サーミスタ
Claims (14)
- 絶縁板と、前記絶縁板の主面に設けられた回路板を有する絶縁基板と、
おもて面に電極を有し、裏面が前記絶縁基板の回路板に固定された半導体素子と、
前記絶縁板の主面に対向して設けられた第1のプリント基板と、
一端が前記半導体素子の前記電極又は前記絶縁基板の前記回路板に接続され、他端が前記第1のプリント基板に接続された第1の導電ポストと、
前記絶縁板の主面に対向し、前記第1のプリント基板よりも前記絶縁基板から離れて設けられ、絶縁層と、前記絶縁層の面のうち前記絶縁基板から遠い側の面に設けられた回路層を有する第2のプリント基板と、
前記第2のプリント基板の前記回路層に固定された電子部品と、
前記第2のプリント基板の前記絶縁層に設けられた貫通孔に挿通され、一端が前記第1のプリント基板、前記半導体素子の前記電極及び前記絶縁基板の前記回路板のいずれか一つに接続され、他端が前記第2のプリント基板に接続された第2の導電ポストと、
を備えた半導体装置。 - 前記第2のプリント基板が、前記絶縁層の面のうち前記絶縁基板から近い側の面に設けられた金属層を更に有する請求項1記載の半導体装置。
- 前記金属層が前記半導体素子に対向する位置に設けられた請求項2記載の半導体装置。
- 前記第2の導電ポストが、前記第2のプリント基板の前記回路層と、前記半導体素子の前記電極とを直接接続する請求項1記載の半導体装置。
- ソース端子をさらに備え、
前記半導体素子は前記おもて面にソース電極を有するパワーMOSFETであり、
前記第2のプリント基板の前記回路層は第1領域及び第2領域を有し、
前記第2の導電ポストの前記一端が前記パワーMOSFETの前記ソース電極に接続され、前記他端が前記第1領域に接続され、
前記ソース端子は前記第2領域に接続され、
前記電子部品は前記第1領域と前記第2領域の間に接続される請求項1記載の半導体装置。 - 前記電子部品が、シャント抵抗である請求項5記載の半導体装置。
- ドレイン端子及びソース端子をさらに備え、
前記半導体素子は前記おもて面にソース電極を有し、裏面にドレイン電極を有するパワーMOSFETであり、
前記第2のプリント基板の回路層は第1領域及び第2領域を有し、
前記第2の導電ポストの前記一端が前記パワーMOSFETのソース電極に接続され、前記他端が前記第1領域に接続され、
前記ソース端子は前記1領域に接続され、
前記ドレイン端子は前記ドレイン電極及び前記第2領域と接続され、
前記電子部品は前記第1領域と前記第2領域の間に接続される請求項1記載の半導体装置。 - 前記電子部品が、コンデンサである請求項7記載の半導体装置。
- 前記第2のプリント基板の前記回路層と、前記電子部品が電気的に接続されていない請求項1記載の半導体装置。
- 前記電子部品が、サーミスタである請求項9記載の半導体装置。
- 絶縁板と、前記絶縁板の主面に設けられた回路板を有する絶縁基板と、
前記絶縁板の主面に対向して設けられた第1のプリント基板と、
前記絶縁板の主面に対向し、前記第1のプリント基板よりも前記絶縁基板から離れて設けられた第2のプリント基板と、
前記第1のプリント基板と前記第2のプリント基板を接続する導電ポストと、
を備えた半導体装置を製造する方法であって、
前記第1のプリント基板及び前記第2のプリント基板を、前記導電ポストを介して一体化する工程と、
一体化された前記第1のプリント基板及び前記第2のプリント基板を、前記絶縁基板に対して取り付ける工程と、
を含む半導体装置の製造方法。 - 前記第1のプリント基板及び前記第2のプリント基板を一体化する工程において、前記第1のプリント基板及び前記第2のプリント基板との間に絶縁樹脂を注入して固化する工程を含む請求項11記載の半導体装置の製造方法。
- 絶縁板と、前記絶縁板の主面に設けられた回路板を有する絶縁基板と、
前記絶縁板の主面に対向して設けられた第1のプリント基板と、
前記絶縁板の主面に対向し、前記第1のプリント基板よりも前記絶縁基板から離れて設けられた第2のプリント基板と、
前記第1のプリント基板と前記第2のプリント基板を接続する導電ポストと、
を備えた半導体装置を製造する方法であって、
前記第1のプリント基板を、前記絶縁基板に対して取り付ける工程と、
前記第2のプリント基板を、少なくとも前記導電ポストにより位置合わせして前記第1のプリント基板と間隔を有するように取り付ける工程と、
を含む半導体装置の製造方法。 - 前記第1のプリント基板を取り付ける工程の後に、前記第1のプリント基板及び前記第2のプリント基板との間にスペーサを配置する工程をさらに含み、
前記第2のプリント基板を取り付ける工程の後に、前記スペーサを取り外す工程をさらに含む請求項13記載の半導体装置の製造方法。
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