JP2017103279A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a semiconductor device.
数キロボルト(kV)の高電圧や数キロアンペア(kA)の大電流を取り扱う半導体装置では、動作時の温度上昇を極力抑制する必要があり、スイッチング素子を多数個並列接続して動作させる場合がある。 In semiconductor devices that handle high voltages of several kilovolts (kV) and large currents of several kiloamperes (kA), it is necessary to suppress the temperature rise during operation as much as possible, and there are cases where a large number of switching elements are connected in parallel. is there.
並列に接続された複数のスイッチング素子を単一のパッケージに搭載した半導体モジュールがある。このような半導体モジュールでは、低熱抵抗を実現するとともに、高い安全性を確保する必要がある。 There is a semiconductor module in which a plurality of switching elements connected in parallel are mounted in a single package. In such a semiconductor module, it is necessary to realize low thermal resistance and ensure high safety.
実施形態の目的は、安全性が高い大電流出力が可能な半導体装置を提供することである。 An object of the embodiment is to provide a semiconductor device capable of high current output with high safety.
実施形態に係る半導体装置は、第1導体と、一方の面に第1電極を有し、他方の面に第2電極を有する半導体チップと、前記第1導体と前記第1電極との間に設けられた導電性の第1接合材と、第1面を有する第1部分と、前記第1部分と半導体チップとの間に設けられ前記第1面の面積よりも狭い面積の第2面を有する第2部分と、を有する第2導体と、前記第2電極と前記第2面との間に設けられた導電性の第2接合材と、前記半導体チップの少なくとも周縁部を覆うように設けられた樹脂部材と、を備える。 The semiconductor device according to the embodiment includes a first conductor, a semiconductor chip having a first electrode on one surface and a second electrode on the other surface, and between the first conductor and the first electrode. A conductive first bonding material provided; a first portion having a first surface; and a second surface having a smaller area than the first surface provided between the first portion and the semiconductor chip. A second conductor having a second conductor, a conductive second bonding material provided between the second electrode and the second surface, and at least a peripheral portion of the semiconductor chip. A resin member.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
(第1の実施形態)
図1(a)〜図1(c)は、第1の実施形態に係る半導体装置を例示する正面図(図1(a))、平面図(図1(b))、および底面図(図1(c))である。
図2(a)は、図1(b)のA−A'矢視断面図である。図2(b)は、図2(a)のB−B'矢視断面図である。
図3(a)は、半導体チップの平面図であり、図3(b)は、半導体チップの底面図である。図3(c)は、図2(a)のC部拡大図である。
図4は、半導体装置のゲート配線基板の底面図である。
図5(a)は、第1の実施形態の半導体装置を例示する斜視図であり、図5(b)は、図5(a)の半導体装置の分解組立図である。
図1(a)〜図1(c)、図2(a)および図2(b)に示すように、本実施形態の半導体装置1は、第1導体10と、半導体チップ12と、導電性接合材14,18と、第2導体16と、樹脂部材20と、を備える。半導体装置1は、ゲート配線基板22をさらに備える。また、半導体装置1は、コレクタ引出電極31と、エミッタ引出電極30と、ゲート引出電極32と、を含む。コレクタ引出電極31は、第1導体10に電気的に接続されている。エミッタ引出電極30は、第2導体16に電気的に接続されている。ゲート引出電極32は、ゲート配線基板22に内部で電気的に接続されている。コレクタ引出電極31、エミッタ引出電極30、およびゲート引出電極32は、これらを介して半導体装置1の内部で、半導体チップ12の各電極にそれぞれ電気的に接続されている。これらの引出電極は、外部回路との接続に用いられる。コレクタ引出電極31やエミッタ引出電極30には、外部回路との接続をボルト等によって行うことができるように、引出部分のほぼ中央にボルト挿通口が設けられていてもよい。後述するように、第1導体10および第2導体16は、半導体チップ12のコレクタ電極12bおよびエミッタ電極12cにそれぞれ電気的に接続されており、半導体装置1は、第1導体10および第2導体16を用いて外部回路に接続されてもよい。第1導体10および第2導体16は、外部に露出した面にヒートシンク(図示せず)を接続することによって、半導体装置1の熱抵抗および過渡熱抵抗を低減させる。半導体装置1は、複数個の半導体チップ12を含んでいる。以下では、半導体チップ12の面に平行な方向で互いに直交するX軸およびY軸をとり、X軸およびY軸に直交し半導体チップのコレクタ電極12bからエミッタ電極12cに向かう方向を正とするZ軸をとった直交座標系を用いる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
1A to 1C are a front view (FIG. 1A), a plan view (FIG. 1B), and a bottom view (FIG. 1) illustrating the semiconductor device according to the first embodiment. 1 (c)).
Fig.2 (a) is AA 'arrow sectional drawing of FIG.1 (b). FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG.
FIG. 3A is a plan view of the semiconductor chip, and FIG. 3B is a bottom view of the semiconductor chip. FIG.3 (c) is the C section enlarged view of Fig.2 (a).
FIG. 4 is a bottom view of the gate wiring substrate of the semiconductor device.
FIG. 5A is a perspective view illustrating the semiconductor device of the first embodiment, and FIG. 5B is an exploded view of the semiconductor device of FIG.
As shown in FIG. 1A to FIG. 1C, FIG. 2A, and FIG. 2B, the
半導体チップ12は、図1(b)、図1(c)および図2(b)に示すように、X軸方向に沿って3個、Y軸方向に沿って3個の3×3のマトリクス状に配列されている。図2(a)および図2(b)に示すように、それぞれの半導体チップ12は、ほぼ同一のXY平面内に配列されている。半導体装置1に含まれる半導体チップ12の個数は、3×3に限らず、たとえば必要な出力電流容量に応じて任意に設定することができる。X軸方向の個数とY軸方向の個数は異なってもいてもよく、たとえば、1×3や、6×7等のマトリクスであってもよい。
As shown in FIG. 1B, FIG. 1C, and FIG. 2B, the
半導体チップ12は、電力用半導体チップであり、たとえば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、あるいはMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等の制御電極を有するスイッチング素子である。半導体チップ12は、FRD(Fast Recovery Diode)等のダイオードであってもよい。これらの半導体チップ12は、すべて同一のチップでなくてもよく、IGBT等のスイッチング素子のチップおよびFRD等のダイオードのチップが混在していてもよい。
The
以下では、半導体チップ12が、IGBTチップの場合について説明する。図3(a)および図3(b)に示すように、半導体チップ12は、半導体基板12aと、コレクタ電極12bと、エミッタ電極12cと、ゲート電極12dと、を含む。半導体基板12aは、たとえばシリコン(Si)であり、図示しないが、IGBTチップの場合には、p層と、p層上に設けられたn層と、n層内に設けられた活性領域等とを含んでいる。半導体基板12aは、Si以外にも、炭化シリコン(SiC)や窒化ガリウム(GaN)等であってもよい。コレクタ電極12bは、半導体基板12aの一方の面に設けられている。コレクタ電極12bは、たとえばニッケル(Ni)や金(Au)等を含む合金が半導体基板12aの一方の面にメッキされており、半導体基板12aとオーミック接合されている。エミッタ電極12cおよびゲート電極12dは、半導体基板12aのコレクタ電極12bとは反対側の面に設けられている。ゲート電極12dは、制御電極であるためほとんど電流が流れないので、ゲート電極12dの面積は、エミッタ電極12cの面積よりも小さい。ゲート電極12dには、ゲート配線基板22と電気的に接続するためにゲート導体13が接続され、ゲート導体13の端部を接続できる程度の面積である。ゲート電極12dは、この例では半導体チップ12の4つの角のうちの1つの角の近傍に設けられている。エミッタ電極12cおよびゲート電極12dは、たとえばアルミニウム(Al)等を蒸着やスパッタ等を用いて半導体チップ12の活性層上に形成される。エミッタ電極12cとゲート電極12dとは、絶縁層12eによって電気的に絶縁されている。
Hereinafter, a case where the
図3(c)に示すように、コレクタ電極12bは、導電性接合材14を介して、第1導体10に接合され、第1導体10と電気的に接続されている。半導体チップ12のエミッタ電極12cは、導電性接合材18を介して、第2導体16に接合され、第2導体16と電気的に接続されている。半導体チップ12は、第1導体10と、第2導体16との間に挟持され、導電性接合材14,18によって、第1導体10と第2導体16との間の位置に保持されている。半導体チップ12は、少なくともその周縁部が樹脂部材20によって覆われている。樹脂部材20は、半導体チップ12の周囲および周縁を、半導体チップ12が空気に触れないように密着して覆っている。樹脂部材20は、たとえばメラミン系樹脂等の熱硬化性樹脂である。樹脂部材20が半導体チップ12の少なくとも周縁を密着して覆っているので、半導体チップ12が急激に発熱した場合に、半導体チップ12の周辺の空気や気泡が膨張して半導体装置1が爆発することを防止する。
As shown in FIG. 3C, the
第1導体10は、平板10aとポスト部10bとを含む。平板10aは、XY平面にほぼ平行な第1主面17aを有する平板状の部分である。ポスト部10bは、平板10aの第1主面17aとは反対側の面からZ軸の正方向に延びる角柱状の部分である。ポスト部10bの開放された端部には、XY平面にほぼ平行な第2主面17bが設けられている。ポスト部10bの第2主面17bは、ほぼ正方形状であり、導電性接合材14を介して半導体チップ12のコレクタ電極12bに接合される。第1導体10には、たとえば、銅または銅を含む合金等を含む高導電率かつ高熱伝導度を有する金属材料が用いられている。
The
第2導体16は、平板16aとポスト部16bとを含む。平板16aは、XY平面にほぼ平行な第1主面19aを有する平板状の部分である。ポスト部16bは、平板16aの第1主面19aとは反対側の面からZ軸の負方向に延びる角柱状の部分である。ポスト部16bの開放された端部には、XY平面にほぼ平行な第2主面19bが設けられている。ポスト部16bの第2主面19bは、ほぼ正方形状であり、導電性接合材18を介して半導体チップ12のエミッタ電極12cに接合されている。そのため、エミッタ電極12cは、第2導体16に電気的に接続されている。第2導体16は、第1導体10と同じ金属材料が用いられ、たとえば、銅または銅を含む合金等が用いられている。
The
第2導体16は、第1導体10と同じ形状を有するようにしてもよいし、異なる形状にしてもよい。たとえば、第1導体10のポスト部10bの第2主面17bの面積と、第2導体16のポスト部16bの第2主面19bの面積とを異なるように設定してもよい。一般的には、半導体チップ12のコレクタ電極12bの面積は、エミッタ電極12cの面積よりも大きいので、それぞれの面積に合わせて第2主面17b,19bの面積を設定することによって、十分な接合面積を確保するとともに、組立工程を容易にすることができる。また、ポスト部10b,16bは、平板10a,16aとのそれぞれの接続部分は、直角をなすように設けられる場合に限らず、接続部分に曲率をもたせたり、鈍角を有する面で接続するようにしたりしてもよい。ポスト部10b,16bの形状も角柱に限らず、多角柱や円柱等であってもよい。製造方法の説明において詳述するように、隣接するポスト部10b,16b間には樹脂部材20が充填されるので、平板10aとポスト部10bとの接続部分には、曲率をもたせたり、鈍角を有する面をなすようにしたりすることによって、樹脂部材20を均一に充填することができる。さらに、ポスト部10b,16bのZ軸方向の長さ(高さ)は、同一であってもよく、異なっていてもよい。また、第1導体10または第2導体16のいずれか一方は、ポスト部を有さず、平板のみであってもよい。
The
第1導体10と半導体チップ12のコレクタ電極12bとの接合には、導電性接合材14が用いられる。第2導体16と半導体チップ12の第2導体16との接合には導電性接合材18が用いられる。導電性接合材14,18は、たとえばハンダが用いられる。ハンダ以外にも銀粒子等の導電性粒子を含む導電性接着剤等が用いられる。導電性接合材14,18の材料には、コレクタ電極12b,エミッタ電極12cの材質に応じて異なる導電性接合材を用いてもよく、同じ材料を用いてもよい。
A
XY平面にマトリクス状に配列された複数の半導体チップ12は、コレクタ電極12bによって第1導体10にそれぞれ電気的に接続され、エミッタ電極12cによって第2導体16にそれぞれ電気的に接続されている。そして、半導体チップ12は、第1導体10と第2導体16とに挟持され、第1導体10と第2導体16との間の位置に保持されている。
The plurality of
半導体チップ12のゲート電極12dは、ゲート導体13を介してゲート配線基板22に接続されている。ゲート導体13は、たとえばAlを含む合金製のワイヤである。超音波圧着等を用いて、ゲート導体13の一端がゲート電極12dに接続される。
The
半導体チップ12のゲート電極12dは、Z軸方向に延びているゲート導体13を介してゲート配線基板22に接続される。図4に示すように、ゲート配線基板22は、基板22aと配線22bと接続パッド22dとを含んでいる。基板22aは、開口部22cを有している。開口部22cは、第2導体16のポスト部16bのXY平面に平行な断面の形状に開口された部分であり、ポスト部16bに対応する位置に設けられている。基板22aは、たとえばポリイミド製の絶縁材料が用いられたフレキシブル基板である。ゲート配線基板22には、フレキシブル基板に限らず、エポキシ基板やセラミック基板等を用いてもよい。配線22bは、基板22a上に設けられている。配線22bは、X軸方向に平行な配線22b1〜22b3と、Y軸に平行な配線22b4とを含んでいる。配線22b1〜22b3は、Y軸方向にほぼ等間隔に離隔して配置されている。配線22b4には、配線22b1〜22b3の一端が接続されている。接続パッド22dは、半導体チップ12のゲート電極12dの位置に対応する位置に設けられている。この例の場合には、半導体チップ12は、3×3のマトリクス状に配列されるので、接続パッド22dは、3×3=9個設けられている。配線22b1〜22b3は、X軸方向に配列された接続パッド22dとそれぞれ接続されている。つまり、接続パッド22dは、X軸方向に配線22b1から22b3によって基板22aの一方の側に引き出されている。そして、引き出された配線は、配線22b4によって相互に接続されている。基板22a上の一方の側には、ゲート引出電極32のための接続パッド22fが設けられている。接続パッド22fと配線22b4との間に、配線22b5が設けられており、配線22b4は接続パッド22fに電気的に接続されている。接続パッド22fには、後述するように、ゲート引出電極32がハンダ接合等により接続され、半導体装置1内に設けられた複数の半導体チップ12のゲート電極12dが相互に接続されて、ゲート引出電極32に電気的に接続される。
The
なお、ゲート配線基板22の基板22a上に設けられる配線22bや接続パッド22d等の配置は、半導体チップ12の電極の配置等に応じて任意に設定することができる。また、複数の半導体チップ12をスイッチング動作させる場合に、各半導体チップ12のスイッチング速度のバランスをとるために、配線22bの幅や長さを半導体チップ12の位置によって変更したり、隣接する接続パッド22dの間に抵抗等のインピーダンス素子等を追加することができる。
The arrangement of the
本実施形態の半導体装置1は、ケース24をさらに備える。ケース24は、第1導体10の平板10aおよび第2導体16の平板16aの外周部分を取り囲むように設けられる。ケース24は、XY平面に平行な断面が方形または長方形の筒状体である。ケース24の一面には、樹脂注入のための注入孔26が設けられている。注入孔26は、たとえばケース24の一面のほぼ中央に長方形状に開口されている。開口の形状は、長方形状に限らず、正方形、円形等であってもよい。注入孔26は、第1導体10、第2導体16、およびケース24で囲まれた内部の空間に熱硬化性樹脂を充填するための開口である。ケース24は、樹脂部材20の充填時に樹脂部材20が充填される領域を画定する。ケース24の一面には、その他にゲート引出電極32のための端子取出孔28が開口されている。これらの開口部は、この例ではケース24の同一の面に設けられているが、任意の面および位置に設けることができる。ケース24は、たとえば、ポリカーボネートやポリイミド等の耐熱性の合成樹脂等が用いられる。
The
このようにして、複数の半導体チップ12が並列に接続された半導体装置1を構成することができる。
In this way, the
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法を説明する。
図5(a)に示すように、本実施形態の半導体装置1は、XY平面に平行な面がほぼ方形を含む直方体形状を有している。半導体装置1は、XY平面に平行な2つの面の側に第1導体10と第2導体16とを含む。半導体装置1の側面は、ケース24によって囲まれており、YZ平面に平行な一面には、エミッタ引出電極30、ゲート引出電極32およびコレクタ引出電極31を含む。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described.
As shown in FIG. 5A, the
図5(b)に示すように、半導体チップ12は、第1導体10のポスト部10bの第2主面17b上に導電性接合材14を介して接続される。導電性接合材14は、たとえばハンダであるが、半導体チップ12のコレクタ電極12bの材質等により適切な接合材料が選定される。
As shown in FIG. 5B, the
第2導体16のポスト部16bは、ゲート配線基板22の開口部22cに挿通される。第2導体16は、平板16aの第1主面19aとは反対側の面で、ゲート配線基板22の基板22aと接続される。第2導体16とゲート配線基板22との接続には、たとえば熱硬化性接着剤等が用いられる。
The
半導体チップ12は、コレクタ電極12bが第1導体10のポスト部10bに接続されている。エミッタ電極12cは、第2導体16のポスト部16bの第2主面19bに、ハンダ等の導電性接合材18で接続される。半導体チップ12のゲート電極12dには、ゲート導体13の一端が接続されている。ゲート導体13の他端は、ゲート配線基板22の接続パッド22dにハンダ等により接続される。エミッタ電極12cやゲート電極12dのための導電性接合材18には、これらの電極の材質等に応じて適切な接合材料が選定される。
In the
ケース24は、2つの部分24a,24bに分割されている。部分24aの分割された一面には、ゲート引出電極32のための端子取出孔28の一部が開口されている。ゲート引出電極32は、端子取出孔28に挿通され、ゲート配線基板22を介してゲート電極12dに接続される。ゲート引出電極32は、ゲート配線基板22の接続パッド22fにハンダ等によって接続される。ケース24の部分24bの分割された一面には、ゲート引出電極32のための端子取出孔28の残りの一部が開口されている。ケース24の部分24bを部分24aに接続したときに、注入孔26および端子取出孔28が開口されるように、取出孔の位置を合わせるようにして部分24aおよび部分24bが接合される。ケース24の部分24a,24b同士は、たとえば接着剤等で接続される。部分24a,24bは、第1導体10および第2導体16とたとえば接着剤等で接続される。接着剤は、たとえば熱硬化性接着剤であってもよく、紫外線硬化性接着剤等であってもよい。コレクタ引出電極31およびエミッタ引出電極30は、外部回路との接続のためにケース24よりも外側に張り出すように設けられる。コレクタ引出電極31およびエミッタ引出電極30には、それぞれ外部回路との接続のためのボルト挿通孔が設けられていてもよい。コレクタ引出電極31は、平板10aの端部からX軸方向に延びるように設けられ、エミッタ引出電極30は、平板16aの端部からX軸方向に延びるように設けられている。コレクタ引出電極31およびエミッタ引出電極30は、たとえば第1導体10および第2導体16とそれぞれ一体で成形されていてもよく、それぞれ溶接等によって第1導体10および第2導体16に接続されていてもよい。コレクタ引出電極31は、たとえば第1導体10と一体で成形されていてもよく、溶接等によって第1導体10に接続されていてもよい。
The
ケース24に開口された注入孔26から樹脂を注入する。注入された樹脂は、第1導体10、第2導体16、およびケース24で囲まれた空間に充填される。樹脂の充填には、たとえば真空注型技術を用いることによって、樹脂部材20と、これを取り囲む第1導体10等の部材との間に気泡が残存しないようにすることができる。そのため、樹脂部材20を半導体チップ12や導電性接合材14,18等に密着させることができ、急激な加熱時の気泡による爆発を防止することができる。
Resin is injected from an
上述のように組み立てられた半導体装置1では、複数個の半導体チップ12のコレクタ電極12bは、第1導体10によって相互に接続されている。複数個の半導体チップ12のエミッタ電極12cは、第2導体16によって相互に接続されている。複数個の半導体チップ12のゲート電極12dは、ゲート配線基板22に設けられた配線22bおよび接続パッド22dによって相互に接続されている。以上のようにして、複数の半導体チップ12が並列に接続された半導体装置1を製造することができる。
In the
次に、本実施形態の半導体装置1の作用および効果について説明する。
大電流を得るために、複数の半導体チップを並列に接続して、1パッケージ化する手法として、圧接型パッケージが知られている。圧接型パッケージは、多数の半導体チップを一括して圧接するとともに、各半導体チップを均等に圧接することによって、低電気抵抗と低熱抵抗とを両立するものである。圧接型パッケージの場合には、圧接した状態を維持するために、皿バネによって圧接型パッケージに荷重を加えるスタック構造が必要となる。そのため、部材コストの低減には限界があり、軽量化も困難である。また、多数の半導体チップを一括して均等に圧接するために、パッケージの各構成部材には高い加工精度や組立精度が要求され、量産性に対する障壁が高い。
Next, operations and effects of the
In order to obtain a large current, a pressure contact type package is known as a method of connecting a plurality of semiconductor chips in parallel to form one package. The pressure-welding type package achieves both low electrical resistance and low thermal resistance by pressing a large number of semiconductor chips together and pressing each semiconductor chip evenly. In the case of a pressure contact type package, in order to maintain the pressure contact state, a stack structure is required in which a load is applied to the pressure contact type package by a disc spring. Therefore, there is a limit to reducing the member cost, and it is difficult to reduce the weight. In addition, in order to press a large number of semiconductor chips uniformly and collectively, each component of the package is required to have high processing accuracy and assembly accuracy, and there is a high barrier to mass productivity.
一方、大電流を取り扱う半導体装置では、故障や破損等が生じた場合に、急激な発熱を伴うため、半導体装置の内部に空気や気泡等が残存していると、爆発することがある。そのため、半導体装置のパッケージには、防爆対策を施す必要がある。半導体装置の防爆対策パッケージとしては、高強度で高い剛性を有する材料であるセラミック材料等を外囲器に用いる方法があるが、部材コスト低減の妨げとなる。また、圧接構造にバネ部材を併用したもの等が知られているが、圧接構造にさらに複雑な構造を追加することとなり、量産性はもとより、製造コストの低減にさらなる困難を伴う。さらに、バネ部材を放熱経路に挿入することとなるので、熱抵抗を低減させることが難しい。トランスファモールドによる樹脂封止によれば、内部気泡の除去が可能なため、比較的に廉価で防爆対策パッケージを実現し得る。しかしながら、トランスファモールド技術を用いる場合には、大型のパッケージを実現することが困難なため、トランスファモールドされた製品をさらに複数個並列接続して用いる必要がある。また、トランスファモールドによって封止する場合には、半導体チップと引出電極との間の電気的接続をボンディングワイヤやリードフレーム等を用いて行うので、低電気抵抗化および低熱抵抗化に制約がある。 On the other hand, in a semiconductor device that handles a large current, when a failure or breakage occurs, it suddenly generates heat. Therefore, if air or bubbles remain inside the semiconductor device, the semiconductor device may explode. Therefore, it is necessary to take an explosion-proof measure for the package of the semiconductor device. As an explosion-proof package for a semiconductor device, there is a method of using a ceramic material or the like, which is a high-strength and high-rigidity material, for an envelope, but this hinders cost reduction of members. In addition, a structure in which a spring member is used in combination with the pressure contact structure is known. However, a more complicated structure is added to the pressure contact structure, which causes further difficulty in reducing the manufacturing cost as well as mass productivity. Furthermore, since the spring member is inserted into the heat dissipation path, it is difficult to reduce the thermal resistance. According to the resin sealing by the transfer mold, the internal bubbles can be removed, so that an explosion-proof package can be realized at a relatively low cost. However, when the transfer molding technique is used, it is difficult to realize a large package, and it is necessary to connect a plurality of transfer molded products in parallel. Further, in the case of sealing by transfer molding, since electrical connection between the semiconductor chip and the extraction electrode is performed using a bonding wire, a lead frame, or the like, there are restrictions on low electric resistance and low thermal resistance.
本実施形態の半導体装置1は、半導体チップ12を第1導体10および第2導体16によって挟持する。そして、半導体チップ12と第1導体10との接続をハンダ等の導電性接合材14によって行い、半導体チップ12と第2導体16との接続をハンダ等の導電性接合材18によって行う。そのため、半導体装置1では、圧接型パッケージのような高い加工精度や組立精度を必要とせず、既存の組立技術を用いて製造することができる。ボンディングワイヤ等を用いずに、第1導体10および第2導体16によって、相互の半導体チップ12を電気的に接続を行うので、低電気抵抗化を実現することができる。第1導体10および第2導体16の熱容量を大きくすることができるので、過渡熱抵抗も低減させることができる。
In the
本実施形態の半導体装置1では、樹脂部材20が半導体チップ12の少なくとも周縁部を覆っているので、半導体チップ12が急激に発熱した場合であっても、半導体チップ12の周囲には爆発の原因となる空気や気泡等が存在しないので、爆発することがない。
In the
第1導体10は、平板10aとポスト部10bとを有しており、第2導体16は平板16aとポスト部16bとを有している。これらの部材および半導体チップ12によって形成される空間に樹脂部材20が充填されるので、半導体装置1の内部から空気や気泡がほぼ完全に除かれる。そのため、半導体装置1では、良好な防爆性能が実現されるとともに、外部からの力に対する機械的強度を確保することができる。
The
本実施形態の半導体装置1では、さらに第1導体10および第2導体16の外周を取り囲むケース24が設けられているので、第1導体10、第2導体16、および半導体チップ12で形成される空間に樹脂部材20を容易に充填することができる。したがって、所望の防爆性能が実現された半導体装置1が容易に実現される。
In the
第1導体10および第2導体16は、周知の金属材料の加工技術を用いて製造されることができる。たとえば、板金押し出しや打ち抜き、鋳造、鍛造等の技術を用いることによって、任意の寸法の部材が容易に実現できる。またケース24は、第1導体10や第2導体16の寸法に合わせて容易に製造することができる。したがって、本実施形態の半導体装置1では、搭載して並列に接続される半導体チップの個数を任意に設定することができ、トランスファモールドでは実現できない大型のパッケージを製造することが可能となる。
The
樹脂部材20として、高熱伝導度を有する樹脂材料を用いることによって、さらに低熱抵抗化を向上させることができる。
By using a resin material having high thermal conductivity as the
なお、上述では、半導体チップ12がIGBTである場合について説明をしたが、半導体チップ12は、IGBTに限らない。コレクタ電極をドレイン電極とし、エミッタ電極をソース電極とすることによって、半導体チップ12としてMOSFETを用いることができる。また、コレクタ電極をアノード電極とし、エミッタ電極をカソード電極とすることによって、半導体チップ12をFRD等のダイオードとして用いることができる。なお、半導体チップ12としてダイオードを用いる場合には、ゲート配線基板22は、あってもなくてもよい。さらに、IGBT等のスイッチング制御素子とダイオードとを混載することも可能である。
In the above description, the
また、上述では、ポスト部10bとポスト部16bとの間には、それぞれ1つずつの半導体チップ12を配置することとして説明をしたが、ポスト部10bとポスト部16bとの間に複数の半導体チップを配置するようにしてももちろんよい。この場合には、同一のポスト部10b,16bには、同じ種類の半導体チップを設ける場合に限らず、異なる種類の半導体チップを設けるようにしてもよい。たとえば、IGBTのチップとFRDのチップとを同一のポスト部10b,16bに配置するようにしてもよい。
In the above description, one
(第2の実施形態)
半導体チップ12の周囲に設ける樹脂部材20は、複数種類の樹脂部材を含むようにしてもよい。
図6(a)は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図であり、図6(b)は、図6(a)のD−D'矢視断面図である。
図7は、本実施形態の半導体装置の第1樹脂部材のためのカバーを例示する斜視図である。
図6(a)および図6(b)に示すように、本実施形態の半導体装置1aは、カバー56をさらに備える。半導体装置1aの樹脂部材20は、第1樹脂部材20aと、第2樹脂部材20bとを含む。第1樹脂部材20aは、カバー56内に充填されている。半導体装置1aの他の構成要素は、第1の実施形態の半導体装置1の構成要素と同じであり、詳細な説明を省略する。
(Second Embodiment)
The
FIG. 6A is a cross-sectional view illustrating the semiconductor device according to this embodiment, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line DD ′ in FIG.
FIG. 7 is a perspective view illustrating a cover for the first resin member of the semiconductor device of this embodiment.
As shown in FIGS. 6A and 6B, the
図7に示すように、第1樹脂部材のためのカバー56は、2つの部分56a,56cに分割されている。一方の部分56aは、第1導体10のポスト部10bに対応する位置に、ポスト部10bのXY平面に平行な断面の形状および面積とほぼ同じ形状および面積の開口56bを有している。部分56aの四方の縁部は、Z軸の正方向にほぼ90°屈曲されており、部分56aは、下(Z軸の負の方向)に凸となっている。他方の部分56cには、第2導体16のポスト部16bおよびゲート導体13に対応する位置に、ポスト部16bのXY平面に平行な断面の形状および面積とほぼ同じ形状および面積と、ゲート導体13が挿通するための面積を有する開口56dを有している。部分56cの四方の縁部は、Z軸の負方向にほぼ90°屈曲されており、部分56cは、上(Z軸の正の方向)に凸となっている。部分56aおよび部分56cそれぞれの縁部を合わせることによって、カバー56の内部に第1樹脂部材20aのための空間ができる。第1樹脂部材20aは、カバー56内に充填される。カバー56は、たとえば、ポリイミド等の熱硬化性樹脂を用いて成形されている。なお、カバー56の部分56cの屈曲された縁部には、第1樹脂部材20aのための注入孔58が開口されている。
As shown in FIG. 7, the
カバー56は、部分56aの開口56bに第1導体10のポスト部10bが挿通され、部分56cの開口56dに第2導体16のポスト部16bが挿通される。そのため、半導体チップ12は、カバー56の内部の空間に配置される。半導体チップ12が配置されたカバー56の内部には、第1樹脂部材20aが充填されている。カバー56とケース24との間には、第2樹脂部材20bが充填されている。第1樹脂部材20aの圧縮強さは、第2樹脂部材20bの圧縮強さよりも小さい。第1樹脂部材20aの圧縮強さは、たとえばエポキシ系樹脂の場合には150MPaであり、第2樹脂部材20bの圧縮強さは、たとえばメラミン系樹脂の場合には200MPaである。
In the
次に、本実施形態の半導体装置1aの製造方法について説明する。
本実施形態の半導体装置1aでは、第1の実施形態の半導体装置1の製造工程にいくつかの工程を追加することによって製造することができる。同一の製造工程については、詳細な説明を省略する。
本実施形態の半導体装置1aでは、第1導体10のポスト部10bの第2主面17b上に半導体チップ12を接続する前に、ポスト部10bにカバー56の部分56aの開口56bを挿通する。このとき、カバー56の部分56aのZ軸方向の位置決めをするために、ポスト部10bの周囲の適切な位置にフランジfpを設けてもよい。
Next, a method for manufacturing the
The
In the
ポスト部10bの第2主面17bにハンダ等の導電性接合材14を塗布して半導体チップ12を接続する。
The
開口56dの位置が、第2導体16のポスト部16bの位置に対応するようにカバー56の部分56cを部分56a上に配置し、部分56a,56c同士を接続する。部分56a,56c同士は、たとえば紫外線硬化性の接着剤等で接続することができる。
The
第1導体10と第2導体16とを接続し、ケース24を接続する前に、注入孔58から第1樹脂部材20aを注入し、カバー56の内部を第1樹脂部材20aで充填し、硬化させる。
Before connecting the
以降、第1の実施形態の半導体装置1の製造方法と同様の工程を実行することによって半導体装置1aを製造することができる。
Thereafter, the
本実施形態の半導体装置1aの作用および効果について、以下説明する。
本実施形態の半導体装置1aでは、半導体チップ12の周辺には、第1樹脂部材20aが充填され、さらにその外側には、第2樹脂部材20bが充填されている。半導体チップ12が急激に発熱した場合には、半導体チップ12、ハンダ等の導電性接合材14,18、第1導体10、および第2導体16は、それぞれの膨張係数によって熱膨張する。これら各材料の膨張係数が相違することによって、半導体チップ12あるいは導電性接合材14,18の特定の箇所に応力が集中し、その箇所に割れや剥離等が生じることがある。そして、発熱原因が除去された場合であっても、半導体装置の性能が復帰しない等の不具合が生じるおそれがある。本実施形態の半導体装置1aでは、半導体チップ12の少なくとも周縁とその外側が異なる圧縮強さの樹脂部材で覆われている。本実施形態の半導体装置1aでは、半導体チップ12から第1導体10に向かって、かつ、半導体チップ12から第2導体16に向かって、圧縮強さが大きくなるように樹脂部材が選定されている。そのため、2種類の樹脂部材が半導体チップ12とその他の部材の熱膨張係数の相違を吸収する。したがって、本実施形態の半導体装置1aでは、上述のような応力集中が緩和され、不可逆な故障が回避される。
The operation and effect of the
In the
(第3の実施形態)
図8は、第3の実施形態に係る半導体装置を例示する図であり、図8(a)は、図8(b)のE−E'矢視断面図、図8(b)は、平面図、図8(c)は、底面図である。
上述の実施形態の半導体装置1,1aでは、ケース24は、たとえば、第1導体10および第2導体16に接着剤等によって接続されていたが、屋外設置される機器等では、大きな機械振動や温度変動等、厳しい設置環境にさらされる場合がある。そこで、図8(a)〜図8(c)に示すように、本実施形態の半導体装置1bでは、ネジ36をさらに備える。ケース24は、ネジ36を挿通する挿通孔34を有している。第1導体10および第2導体16には、ケース24の挿通孔34に対応するそれぞれの位置にあらかじめメネジ37を切っておく必要がある。ネジ36の個数および取付位置については、半導体装置1bの寸法および必要強度に応じて適切かつ任意に設定することができる。ケース24に開口される挿通孔34、並びに第1導体10および第2導体16のメネジ37の個数は、ネジ36の個数によって決定される。なお、ネジ36として、ネジ挿通時にメネジを切りながら進むセルフタッピングネジを用いる場合には、第1導体10および第2導体16にあらかじめメネジを切っておく必要はない。
(Third embodiment)
8A and 8B are diagrams illustrating a semiconductor device according to the third embodiment. FIG. 8A is a cross-sectional view taken along the line EE ′ of FIG. 8B, and FIG. FIG. 8 (c) is a bottom view.
In the
本実施形態の半導体装置1bの作用および効果について説明する。
本実施形態の半導体装置1bでは、半導体チップ12が第1導体10と第2導体16とに挟持され、導電性接合材14,18を介して接続されているので、上述の実施形態の半導体装置1,1aと同様にZ軸方向の力を含む応力に対しては高い強度を有する。それに加えて、半導体装置1bでは、ケース24と第1導体10とがネジ36で接続され、ケース24と第2導体16とがネジ36で接続されている。また、半導体装置1bでは、ケース24が第1導体10および第2導体16の周囲、すなわち側面から支持し、X軸方向およびY軸方向にネジ36によって締め付けられている。したがって、半導体装置1bでは、XY平面に平行な力を含む応力に対して強度を向上させることができる。このようにして、本実施形態の半導体装置1bでは、屋外等の設置環境等においても高い機械的強度を有し、信頼性の向上をはかることができる。
The operation and effect of the
In the
(第4の実施形態)
図9は、本実施形態に係る半導体装置を例示する図であり、図9(a)は、図9(b)のF−F'矢視断面図であり、図9(b)は、平面図であり、図9(c)は、底面図である。
上述した実施形態の半導体装置1〜1bを含め、第1導体10の第1主面17aおよび第2導体16の第1主面19aは、それぞれヒートシンクに熱的に接続されて半導体チップ12で発生した熱を効率よく放熱する。本実施形態の半導体装置1cでは、ヒートシンクに容易に取り付けられるように、第1導体10および第2導体16の形状が、上述した他の実施形態の半導体装置1〜1bと相違する。
(Fourth embodiment)
FIG. 9 is a diagram illustrating the semiconductor device according to this embodiment. FIG. 9A is a cross-sectional view taken along the line FF ′ of FIG. 9B, and FIG. FIG. 9C is a bottom view.
The first
図9(a)〜図9(c)に示すように、本実施形態の半導体装置1cは、第1導体10と、第2導体16と、を備える。第1導体10は、平板10aとポスト部10bとを含む。平板10aの外周部には、フランジ10cが設けられている。フランジ10cは、平板10aの外周部に設けられている。フランジ10cは、第1導体10が第2導体16およびケース24と組み合わされたときに、ケース24の面の位置からX軸およびY軸方向に延出している。フランジ10cは、Z軸方向に開口された複数の取付ネジのための挿通孔10dを含む。挿通孔10dには、第1導体10の第1主面17aをヒートシンク(図示せず)に密着させた後、ネジを挿通して第1導体10とヒートシンクとを固定する。第2導体16は、平板16aとポスト部16bとを含んでいる。平板16aは、フランジ16cを含んでいる。フランジ16cは、平板16aの外周部に設けられている。フランジ16cは、第2導体16を第1導体10およびケース24と組み合わせたときに、ケース24の面の位置からX軸方向およびY軸方向に延出している。フランジ16cは、Z軸方向に開口された、取付ネジのための複数の挿通孔16dを含む。挿通孔16dには、第2導体16の第1主面19aをヒートシンク(図示せず)に密着させた後、ネジ(図示せず)を挿通して第2導体16とヒートシンクとを固定する。
As shown in FIGS. 9A to 9C, the
本実施形態の半導体装置1cは、第1導体10のフランジ10cおよび第2導体16のフランジ16cにそれぞれ挿通孔10dおよび16dを含んでいる。そのため、半導体装置1cは、ヒートシンクを容易に取り付けて、固定することができる。ヒートシンクに半導体装置1cをネジ止めすることによって、第1導体10とヒートシンクのとの熱抵抗、および、第2導体16とヒートシンクとの熱抵抗を小さくすることができる。
The
(第5の実施形態)
図10(a)は、本実施形態の半導体装置のゲート配線基板の底面図である。図10(b)は、本実施形態の半導体装置の第2導体を例示する底面図である。図10(c)は、図10(b)のG−G'矢視断面図である。図10(d)は、図10(F)のH−H'矢視断面図である。
図11(a)は、本実施形態の半導体装置の第2導体にゲート配線基板を配置した状態を例示する底面図である。図11(b)は、図11(a)のK−K'矢視断面図である。
上述した半導体装置1〜1cでは、各半導体チップ12のゲート電極12dを相互に接続するためにゲート配線基板22が用いられている。ゲート配線基板22は、第2導体16のポスト部16bに対応する形状および位置に開口部22cを有する絶縁性の基板22aを含んでいる。基板22aには、各半導体チップ12のゲート電極12dに対応する位置に接続パッド22dが設けられ、接続パッド22d同士は、接続配線22eで接続されている。それぞれの接続パッド22dは、ゲート導体13を介して各半導体チップ12のゲート電極12dに接続されている。本実施形態の半導体装置では、他の実施形態の場合とは異なる形状のゲート配線基板52を備える。なお、基板の材質等については、第1の実施形態の半導体装置1等と同じなので、詳細な説明を省略する。
(Fifth embodiment)
FIG. 10A is a bottom view of the gate wiring substrate of the semiconductor device of this embodiment. FIG. 10B is a bottom view illustrating the second conductor of the semiconductor device of this embodiment. FIG.10 (c) is GG 'arrow sectional drawing of FIG.10 (b). FIG. 10D is a cross-sectional view taken along the line HH ′ of FIG.
FIG. 11A is a bottom view illustrating a state in which the gate wiring substrate is disposed on the second conductor of the semiconductor device of this embodiment. FIG.11 (b) is KK 'arrow sectional drawing of Fig.11 (a).
In the
図10(a)に示すように、本実施形態の半導体装置のゲート配線基板52は、基板52aと、配線52bと、接続パッド52d,52fと、を含む。基板52aの一方の面の全面には導電体が設けられており、配線52bを形成している。したがって、配線52bの形状は、基板52aの形状と同じであり、以下では基板52aの形状として説明する。基板52aは、第1部分52a1と第2部分52a2と第3部分52a3とを含む。第1部分52a1は、X軸方向に延びている。第2部分52a2は、第1部分52a1とほぼ同じ長さを有し、第1部分52a1にほぼ平行して延びている。第3部分52a3は、両方の端部において第1部分52a1および第2部分52a2の一方の端部に接続され、Y軸方向に延びている。第1部分52a1は、X軸に平行な縁部にY軸方向に突出する複数の接続パッド52dを有する。第2部分52a2は、X軸に平行な縁部にY軸方向に突出する複数の接続パッド52dを有する。接続パッド52dは、それぞれ半導体チップ12のゲート電極12dに対応する位置に配置されている。ゲート配線基板52は、さらに接続パッド52fと第3部分52a3との間に第4部分52a4を有している。各接続パッド52dは、基板52aの第1部分52a1、第2部分52a2、第3部分52a3および第4部分52a4によって引き出され、接続パッド52fに電気的に接続されている。
As shown in FIG. 10A, the
図10(b)〜図10(d)に示すように、第2導体16のポスト部16bは、第2主面19bの側の1つの角部に切欠部16eを有する。切欠部16eは、半導体チップ12のゲート電極12dに対応する位置に設けられている。切欠部16eのZ軸方向の深さは、ゲート配線基板52の厚さ程度に設定されている。切欠部16eのXY平面上の形状および面積は、ゲート配線基板22の接続パッド22dの形状および面積と同程度に設定されている。ポスト部16bは、上述の実施形態の場合と同様に、平板16aの第1主面19aとは反対側の面に、X軸方向に3個、Y軸方向に3個設けられ、3×3のマトリクス状に配列されている。ここで、ポスト部16bの符号を左上からX軸の正の方向に向かって、また、Y軸の正の方向に向かって順に、16b1〜16b9とする。切欠部16eの位置は、ポスト部16b1〜16b9の位置によって異なっている。ポスト部16b1〜16b6では、図の右下隅に設けられ、ポスト部16b7〜16b9では、図の左上隅に設けられている。半導体チップ12のゲート電極12dを半導体基板12aの角部に配置した場合には、半導体チップ12の配置角度を変えることによって、ゲート電極12dの位置を変えることができる。本実施形態の半導体装置では、ゲート配線基板52の第2部分52a2を第1部分52a1よりも幅広に設定し、ポスト部16b4〜16b9に配置された半導体チップ12に共通に用いている。そのため、ポスト部16b7〜16b9に配置される半導体チップ12の搭載角度は、他のポスト部16b1〜16b8に配置される半導体チップ12の搭載角度に対して底面視で時計回りに180°回転されている。
As shown in FIGS. 10B to 10D, the
図11(a)に示すように、ゲート配線基板52は、接続パッド52d等の導電体部分がZ軸方向の負方向に向くように第2導体16のポスト部16bの側に配置される。ゲート配線基板52は、接続パッド52dが、ポスト部16bの切欠部16eにはめ込むように配置される。接続パッド52dと、切欠部16eとは、たとえば紫外線硬化型の接着剤等で接続される。
As shown in FIG. 11A, the
図11(b)に示すように、半導体チップ12のコレクタ電極12bおよびエミッタ電極12cは、ポスト部10bおよび16bにそれぞれハンダ接合される際に、ゲート電極12dは、接続パッド52dにハンダ接合される。半導体チップ12のゲート電極12dは、ハンダ54を介して接続パッド52dに接続され、配線52bによって他の半導体チップ12のゲート電極12dと接続されるとともに、接続パッド52fによって、外部回路に接続される。
As shown in FIG. 11B, when the
上述の実施形態の半導体装置によれば、ゲート導体13を介することなく、ゲート電極12dと直接ゲート配線基板52とを接続することができる。そのため、樹脂部材20の注入時等にゲート導体13が樹脂の注入圧力で流される等により接続不良を生ずるおそれが少なくなり、製造工程を簡素化することができる。また、ゲート配線基板52の基板52aの部材量を少なくすることができ、低コスト化が可能になる。
According to the semiconductor device of the above-described embodiment, the
(第6の実施形態)
図12(a)は、第1導体のポスト部の正面図、図12(b)は、第2導体のポスト部の正面図、図12(c)は、第1導体のポスト部の平面図である。なお、第2導体のポスト部の底面図は、第1導体のポスト部の平面図と同じである。
本実施形態の半導体装置の第1導体10は、平板10aとポスト部10bとを含んでいる。図12(a)に示すように、ポスト部10bの側面には、表面から突出する複数の凸部10fが設けられている。凸部10fは、ポスト部10bの側面の周囲をネジ山状に取り巻いている。半導体装置の第2導体16についても、ポスト部16bには、凸部16fが設けられている。図12(b)に示すように、凸部16fは、ポスト部16bの周囲をネジ山状に取り巻いている。図12(a)〜図12(c)に示すように、凸部10f,16fの面10g,16gは、Z軸に平行な法線ベクトルの成分を含んでいる。
(Sixth embodiment)
12A is a front view of the post portion of the first conductor, FIG. 12B is a front view of the post portion of the second conductor, and FIG. 12C is a plan view of the post portion of the first conductor. It is. The bottom view of the post portion of the second conductor is the same as the plan view of the post portion of the first conductor.
The
ポスト部10b,16bの側面には、多数の凸部10f,16fがそれぞれ形成されているので、ポスト部10b,16bの表面積が大きくなる。そのため、ポスト部10b,16bの側面と、樹脂部材20との接触面積が増大する。したがって、ポスト部10b,16bと樹脂部材20との接合強度が増大し、耐湿性等の信頼度が向上する。また、ポスト部10b,16bと樹脂部材20との接触熱抵抗が低減し、半導体装置の放熱性能が向上する。さらに、凸部10f,16fは、Z軸に平行な法線成分を含む面10g,16gを有している。そのため、Z軸方向の力に対して、面10g,16gが応力を受けるので、凸部10f,16fがない場合よりも接合強度が向上する。したがって、ポスト部10b,16bと樹脂部材20との密着力が向上し、半導体装置では、温度サイクルや熱衝撃等による耐性や機械的強度が向上する。
Since the
(第7の実施形態)
図13は、本実施形態に係る半導体装置を例示する図であり、図13(a)は、平面図であり、図13(b)は、図13(a)のM−M'矢視断面図である。
図14(a)は、本実施形態の半導体装置の半導体素子の部分を例示する断面図である。図14(b)は、本実施形態の半導体装置のゲート配線基板を例示する平面図である。
図15は、本実施形態の半導体装置を例示する一部分解組立図である。
図13(a)および図13(b)に示すように、本実施形態の半導体装置70は、半導体素子72と、導電性接合材74,76と、を備える。
(Seventh embodiment)
13A and 13B are diagrams illustrating the semiconductor device according to this embodiment. FIG. 13A is a plan view, and FIG. 13B is a cross-sectional view taken along line MM ′ in FIG. FIG.
FIG. 14A is a cross-sectional view illustrating a portion of the semiconductor element of the semiconductor device of this embodiment. FIG. 14B is a plan view illustrating a gate wiring substrate of the semiconductor device of this embodiment.
FIG. 15 is a partially exploded view illustrating the semiconductor device of this embodiment.
As shown in FIGS. 13A and 13B, the
図14(a)に示すように、半導体素子72は、第1導体80と、半導体チップ12と、導電性接合材84,88と、第2導体86と、樹脂部材90aと、を含む。半導体チップ12は、上述した他の実施形態の場合と同じであり詳細な説明を省略する。第1導体80は、平板80aとポスト部80bとを含む。ポスト部80bは、平板80aの第1主面87aとは反対側の面に設けられている。ポスト部80bの開放された面である第2主面87bには、半導体チップ12のコレクタ電極12bが接続される。第2導体86は、平板86aとポスト部86bとを含む。ポスト部86bは、平板86aの第1主面89aとは反対側の面に設けられている。ポスト部86bの開放された面である第2主面89bは、半導体チップ12のエミッタ電極12cに接続される。したがって、半導体チップ12は、導電性接合材84を介して第1導体80に接合され、電気的に接続されている。半導体チップ12は、導電性接合材88を介して第2導体86に接合され、電気的に接続されている。以上のようにして、半導体チップ12は、導電性接合材84,88を介して、第1導体80と、第2導体86とに挟持され、導電性接合材84,88によって固定される。半導体チップ12は、少なくともその周縁部が樹脂部材90aによって空気に触れないように覆われている。樹脂部材90aは好ましくは、圧縮強さが小さい低応力樹脂部材である。半導体チップ12のゲート電極12dには、ゲート導体13の一端が接続されており、ゲート電極の他端は開放されている。半導体素子72は、以上のように構成され、XY平面でマトリクス状に複数個配列されて、隣接する半導体素子72の第1導体80の平板80a同士が導電性接合材74によって相互に接続される。第2導体86の平板80a同士も導電性接合材76によって相互に接続される。導電性接合材74,76は導電性の導電性接合材であり、すべての半導体素子72の第1導体80および第2導体86は、それぞれ電気的に接続される。導電性接合材74,76は、たとえば導電性粒子を含む導電性接着剤等である。
As shown in FIG. 14A, the
図14(b)に示すゲート配線基板52は、上述した第5の実施形態において説明したゲート配線基板と同じものである。
The
本実施形態の半導体装置70の製造方法について説明する。
半導体素子72が以下のようにして必要数量製造される。
A method for manufacturing the
The required number of
半導体チップ12のコレクタ電極12bは、第1導体80のポスト部80bの第2主面87b上に塗布されたハンダ等の導電性接合材84によって第1導体80と接合され、電気的に接続される。
The
エミッタ電極12cは、第2導体86のポスト部86bの第2主面89b上に塗布されたハンダ等の導電性接合材88によって、第2導体86と接合され、電気的に接続される。
The
半導体チップ12の周縁部を覆うように設けられた封入金型(図示せず)によって、第1樹脂部材90aを半導体チップ12の周縁に形成する。
The
上述した半導体素子72が必要な個数分製造された後、半導体素子72は、XY平面上に3×3のマトリクス状に配列され、導電性接合材84,86によって互いに接合される。マトリクス状に配列された半導体素子の符号をX軸の正方向に、また、Y軸の正方向に順に721〜729とする。
After the necessary number of the
図15に示すように、マトリクス状に配列された半導体素子72の、隣接するポスト部16bの間にゲート配線基板52を挿入する。この例の場合には、半導体素子721,724,727のポスト部と、半導体素子722,725,728のポスト部との間には、基板52aの第1部分52a1を挿入する。半導体素子722,725,728のポスト部と、半導体素子723,726,729のポスト部との間には、基板52aの第2部分52a2を挿入する。ゲート配線基板52の接続パッド52dの位置が、各半導体チップ12のゲート電極12dに接続されたゲート導体13の他端の位置に合うようにゲート配線基板52は、挿入される。位置決めの後、接続パッド52dとゲート導体13の他端とをハンダ接合する。
As shown in FIG. 15, a
その後、分割されたケースを接続し、樹脂注入を行い、樹脂部材90bを充填する。樹脂部材90bは、樹脂部材90aよりも圧縮強さが大きい樹脂材料である。
Thereafter, the divided cases are connected, resin is injected, and the
本実施形態の半導体装置70では、同一の半導体素子72を個別に製造した後に半導体素子72を接合するので、すべての半導体チップを同時に搭載する他の実施形態の場合に比べて高い歩留りが期待できる。また、同一の半導体素子72を多数製造するため、量産効果により低コスト化が可能となる。
In the
半導体チップ12の周囲に第1樹脂部材90aを設ける場合には、専用の樹脂注入金型を用いることによって、第1樹脂部材のためのカバーが不要となるので、低コスト化が可能になる。
When the
半導体素子72を単独でも半導体装置70を構成することができ、また、第1導体および第2導体を新たに設計しなくても、任意の数のマトリクスを構成することができるので、設計の自由度が高い。
The
(第8の実施形態)
図16は、本実施形態の半導体装置を例示する図であり、図16(a)は平面図、図16(b)は、図16(a)のN−N'矢視断面図である。
図17(a)は、図16(b)のP−P'矢視断面図である。図17(b)は、図16(b)のQ−Q'矢視断面図である。図17(c)は、R−R'矢視断面図である。
図18は、本実施形態の半導体装置の一部を例示する、図16(a)のN−N'矢視断面に相当する断面図である。
図19は、本実施形態の半導体装置の一部を例示する斜視図である。
図20(a)〜図20(d)は、本実施形態の半導体装置の導電性弾性部材のバリエーションを例示する断面図である。
図21は、本実施形態の半導体装置の短絡板を例示する平面図である。
図22は、本実施形態の半導体装置の動作を説明するための断面図である。
図16(a)および図16(b)に示すように、本実施形態の半導体装置100は、複数の第1導体110と、複数の第2導体116と、弾性部材120,122と、半導体チップ12と、樹脂部材20と、弾性部を有する導電部材130,134と、短絡板132,136と、を備える。
(Eighth embodiment)
16A and 16B are diagrams illustrating the semiconductor device of this embodiment. FIG. 16A is a plan view, and FIG. 16B is a cross-sectional view taken along line NN ′ of FIG.
FIG. 17A is a cross-sectional view taken along the line PP ′ of FIG. FIG. 17B is a cross-sectional view taken along the line QQ ′ of FIG. FIG. 17C is a cross-sectional view taken along the line RR ′.
FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a part of the semiconductor device of this embodiment and corresponding to a cross section taken along line NN ′ of FIG.
FIG. 19 is a perspective view illustrating a part of the semiconductor device of this embodiment.
FIG. 20A to FIG. 20D are cross-sectional views illustrating variations of the conductive elastic member of the semiconductor device of this embodiment.
FIG. 21 is a plan view illustrating a short-circuit plate of the semiconductor device of this embodiment.
FIG. 22 is a cross-sectional view for explaining the operation of the semiconductor device of this embodiment.
As shown in FIGS. 16A and 16B, the
複数の第1導体110のそれぞれは、平板110aと、ポスト部110bとを含む。平板110aは、XY平面に平行な第1主面117aを有するほぼ方形または長方形の板状体であり、方形または長方形の各辺は、X軸およびY軸に沿って配置されている。この例では、第1導体110は、X軸方向に3個、Y軸方向に3個、つまり、3×3のマトリクス状に配列されている。ポスト部110bは、平板110aの第1主面117aとは反対側の面から、平板110aのほぼ中央部でZ軸の正方向に延びる柱状体である。この柱状体の側面の各辺は、X軸およびY軸に平行に配置されている。第1導体110は、たとえば銅または銅を主成分とする合金であり、電気的および熱的良導体である。
Each of the plurality of
マトリクス状に配列され、隣接する第1導体110の平板110aの側面同士の間には、弾性部材120が設けられている。弾性部材120は、第1導体110等の金属に比べて十分に弾性率が小さい材料であり、たとえば加熱硬化型接着性シリコン等のように硬化後にゴム状になり、十分小さい弾性率を有する材料である。後述するように、導電部材130および短絡板132によって隣接する第1導体の電気的および熱的接続が確保されるので、弾性部材120自体に導電性や熱伝導性は必ずしも要求されない。弾性部材120には、銀等の導電性粒子を含む導電性樹脂材料を用いたものを用いてももちろんかまわないが、繰り替えしの応力吸収による変形に対する耐性が優先される。
An
マトリクス状に配列された複数の第1導体110の周囲には、周辺導体140,141,142が設けられている。周辺導体140は、X軸方向に沿って設けられ、周辺導体142は、Y軸方向に沿って設けられている。周辺導体141は、周辺導体140および周辺導体142の両方に隣接するように設けられている。つまり、複数の第1導体110のうち、X軸に沿う辺に隣接する第1導体110を有さない側に、周辺導体140は配列され、Y軸に沿う辺に隣接する第1導体110を有さない側に周辺導体142は配列されている。周辺導体141は、第1導体110および周辺導体140,142が配列された角部に設けられている。これら周辺導体140〜142も、第1導体110と同様に、隣接する導体と弾性部材120によって接続されている。周辺導体140〜142は、第1導体110と同一の金属材料が用いられている。周辺導体140〜142は、第1導体110とともに、電流および熱流の経路を提供するので、後述する導電部材130および短絡板132にも接続されている。なお、周辺導体140〜142は、用いられなくともよい。周辺導体140〜142が用いられない場合には、半導体装置1は、小型化されることが可能になる。
図17(a)〜図17(c)に示すように、導電部材130は、ポスト部110bの側面周囲を取り囲むように配置されている。導電部材130の下端131b(図19)は、平板110aの第1主面117aとは反対側の面に接続されている。短絡板132は、ポスト部110bを挿通するように設けられている。短絡板132は、導電部材130の上端131aに接続されている。つまり、短絡板132によって、導電部材130の上端131a(図19)は、電気的かつ熱的に接続されており、導電部材130の下端131bは、第1導体に電気的かつ熱的に接続されている。そのため、隣接する第1導体110は、導電部材130および短絡板132によって電気的かつ熱的に接続されている。したがって、図18に示すように、複数の第1導体110、導電部材130および短絡板132は、1つの電気的および熱的な導体102をなしている。
As shown in FIGS. 17A to 17C, the
図19に示すように、導電部材130は、第1導体110のポスト部110bの周囲を取り囲むようにして設けられる。ポスト部110bの側面と導電部材130とは、密着させて配置してもよいが、導電部材130と短絡板132との接続のための精度の余裕を考慮した場合には、導電部材130は、ポスト部110bの外周をある程度のクリアランスをもって取り囲むように配置するのが好ましい。
As shown in FIG. 19, the
導電部材130は、上端131aと、下端131bと、側面131cとを含む。導電部材130は、側面131cを有する閉じた筒状体である。上端131aは、1つのXY平面に含まれ、そのXY平面において短絡板132と電気的かつ熱的に接続される。下端131bは、他のXY平面に含まれ、そのXY平面において第1導体110と電気的かつ熱的に接続される。側面131cは、図20(a)に示すように、側面131cを取り巻く1つの山折り部131dを有する蛇腹構造を含んでいる。山折り部131dは、筒状体である側面131cの外側に向かって屈曲している部分である。この屈曲部は、鋭角で屈曲されていても、曲面状であってもよい。側面131cは、蛇腹構造を含んでいるので、XYZの各方向の変位に対して自在に追従することができる。つまり、側面131cは、XYZの各方向の成分を含む応力を吸収することができる。導電部材130の側面131cは、蛇腹構造のような変位を吸収する構造を有しているので、第1導体110の熱膨張により弾性部材120が応力を受けて変位した場合であっても、弾性部材120と同程度の弾性率を有する部材として機能する。
The
導電部材の側面の形状は、XYZの各方向の成分を含む応力を吸収することができればよく、いくつかの形状のバリエーションが考慮される。図20(b)に示すように、導電部材130aは、上端132aと、下端132bと、側面132cとを含み、側面132cは、1つの谷折り部132dを有する蛇腹構造を含んでいる。谷折り部132dとは、筒状体である側面132cの内側に向かって屈曲する部分である。山折り部と同様に、屈曲部は、鋭角であっても、曲面であってもかまわない。山折り部131dに代えて谷折り部132dとしても、導電部材130aは、XYZの各方向の変位に対して自在に追従することができる。他のバリエーションとして、図20(c)に示すように、導電部材130bは、上端133aと、下端133bと、側面133cとを含んでおり、側面133cは、2つの山折り部133dと1つの谷折り部133eとを有する蛇腹構造であってもよい。導電部材の蛇腹構造において、山折り部および谷折り部の数は、適切かつ任意に設定することができる。このように、蛇腹構造では、山折り部および谷折り部のうち少なくとも1つを含んでいればよいが、山折り部や谷折り部の数が多いほど、微小な変位にも追従することができる。また、導電部材は、XYZの各方向の成分を含む応力を吸収する形状を有していればよく、その形状は蛇腹構造に限るものではない。図20(d)および図20(e)に示すように、導電部材130cは、短冊状の側面部材134cを含んでおり、側面部材134cは、下端134bに向かってひろがるように加工され、上端134aで接続された形状等であってもよい。曲面状に加工された側面部材134cを用いることによって、導電部材130cは、XYZ各方向の変位に対して追従することができる。曲面加工は、図示のようなS字状や、その他の形状とすることができる。
The shape of the side surface of the conductive member only needs to be able to absorb stress including components in each direction of XYZ, and some shape variations are considered. As shown in FIG. 20B, the
導電部材130には、銅または銅を主成分とする合金のように、導電率および熱伝導率が高い材料が用いられる。導電部材130は、銅または銅を主成分とする合金等の薄板を蛇腹形状の押出金型等を用いて成形される。
The
図21に示すように、短絡板132は、ポスト部110bが設けられた位置に、ポスト部110bの数だけ設けられた開口172を有する。開口172は、ポスト部110bのXY平面に沿った断面の形状および面積にほぼ等しくなるように開口されている。短絡板132は、銅または銅を主成分とする合金のように、導電率および熱伝導率が高い材料が用いられる。
As shown in FIG. 21, the short-
なお、上述では、導電部材130および短絡板132は、異なる部材として説明をしたが、押出成形技術等を用いて一体として成形してもよい。
In the above description, the
複数の第2導体116のそれぞれは、平板116aと、ポスト部116bとを含む。平板116aは、XY平面に平行な面を有するほぼ方形または長方形の板状体であり、方形または長方形の各辺は、X軸およびY軸に沿って配置されている。この例では、第1導体と同様に3×3のマトリクス状に配列されている。隣接する第2導体116の平板116aの側面同士の間には、弾性部材122が設けられている。ポスト部116bは、平板116aの第1主面119aとは反対側の面から、平板116aのほぼ中央部でZ軸の負方向に延びる柱状体である。柱状体の側面の各辺は、X軸およびY軸に平行である。導電部材134は、ポスト部116bの側面周囲を取り囲むように配置されている。導電部材134の下端135bは、平板116aの第1主面119aとは反対側の面に接続されている。短絡板136は、ポスト部116bを挿通するように設けられている。短絡板136は、導電部材134の上端135aに接続されている。図16および図18等に示すように、第2導体116、導電部材134および短絡板136は、第1導体110、導電部材134および短絡板136とほぼ同一に形成されており、1つの電気的かつ熱的な導体104をなしている。
Each of the plurality of
導電部材134および短絡板136は、上述した導電部材130および短絡板132と同様に成形等することができる。
The
他の構成要素については、たとえば第5の実施形態の半導体装置と同じであり、同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。 Other components are the same as those of the semiconductor device of the fifth embodiment, for example, and are given the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.
次に、本実施形態の半導体装置100の製造方法について説明する。
まず、複数の第1導体110が、この例では、3×3のマトリクス状に配列され、接着剤である弾性部材120によって相互に接続される。
Next, a method for manufacturing the
First, a plurality of
弾性部材120の硬化後、3×3個のポスト部110bを挿通するように、導電部材130を配置し、平板110aと導電部材130の下端131bとをハンダ等により接合する。
After the
短絡板132の各開口172にポスト部110bを挿通し、導電部材130の上端131aと短絡板132とをハンダ等により接合する。
The
なお、導電部材130と平板110aや短絡板132との接合にはハンダに限らず、導電性の接着剤等周知の接続技術を用いることができる。
It should be noted that the connection between the
第1導体110と同様に、複数の第2導体116を3×3のマトリクス状に配列し、相互に弾性部材122によって接続する。
Similar to the
弾性部材122の硬化後、3×3個のポスト部116bを挿通するように、導電部材134を配置し、平板116aと導電部材134の下端135bとをハンダ等により接合する。
After the
短絡板136の各開口176にポスト部116bを挿通し、導電部材134の上端135aと短絡板136とをハンダ等により接合する。
The
ポスト部110bの第2主面117bにハンダ等の導電性接合材14を介して半導体チップ12を配置し、ポスト部110bと半導体チップ12のコレクタ電極12bとを接続する。ポスト部110bの第2主面117bとは、図18に示すように、第1導体110の第1主面117aとは反対側の面である。
The
ポスト部116bの第2主面119bには、ハンダ等の導電性接合材18を介して半導体チップ12のエミッタ電極12cが接続される。
The
ゲート配線基板52がポスト部110b,116bの間に挿通され、半導体チップ12の各ゲート電極12dとゲート配線基板52上の各接続パッド52dとがハンダ等により接続される。
The
上述の構成部分の周囲にケース24を取り付ける。
A
ケース24に開口されている注入孔26から樹脂を注入して硬化させる。
Resin is injected from the
上述のように組み立てられた半導体装置100では、複数個の半導体チップ12のコレクタ電極12bは、第1導体110、導電部材130および短絡板132を含む導体102によって相互に接続されている。複数個の半導体チップ12のエミッタ電極12cは、第2導体116、導電部材134および短絡板136を含む導体104によって相互に接続されている。複数個の半導体チップ12のゲート電極12dは、ゲート配線基板52に設けられた配線52bおよび接続パッド52dによって相互に接続されている。以上のようにして、複数の半導体チップ12が並列に接続された半導体装置100を製造することができる。
In the
次に、本実施形態の半導体装置100の動作について説明する。
半導体装置100は、多くの場合には、冷却器とともに用いることによって大電流かつ低損失で動作させることができる。図22に示すように、冷却器150は、2つの冷却板152,154を含んでいる。冷却器150は、空冷または液冷いずれでもよい。空冷の冷却器の場合には、たとえば、2つの冷却板152,154の放熱側は、多数のフィンが形成されており、液冷の場合には、たとえば、冷却板152,154の内部等に冷却媒体が流すヒートパイプが形成されている。上下の冷却板152,154は、熱抵抗を低減させるために、それぞれ第1導体110、第2導体116のそれぞれの第1主面117a,119aに密着するように固定される。平型半導体素子用の冷却器の場合には、上下の冷却板152,154を、互いに絶縁されたボルトナット等を用いてZ軸方向に締め上げることによって第1主面117a,119aへの密着度を確保し、低熱抵抗化を実現する。つまり、冷却板152,154は、一旦取り付けられると、Z軸方向にはほぼ可動することができない。
Next, the operation of the
In many cases, the
上述のように冷却器150を取り付けた状態で、並列に接続された半導体チップ12に通電する。半導体チップ12の発熱に応じて、第1導体110および第2導体116が膨張する。第1導体110および第2導体116は、XYZの各方向に均等に膨張しようとするが、Z軸方向については、冷却器150の冷却板152,154が固定されているため、この方向の変位に相当する膨張量は、他の方向に向かう。半導体チップ12には、図22の矢印a1〜a3,a11〜a13のように、Z軸方向の膨張量にもとづく応力が印加される。一方で、ポスト部110b,116bの側面は、樹脂部材20が充填されている方向に向かって膨張する。樹脂部材20は、半導体チップ12や導電性接合材14,18に比べて弾性率が小さいので、膨張にもとづく応力をある程度吸収することができる。さらに、弾性部材120,122は、樹脂部材20に比べても弾性率が小さいので、樹脂部材20によって吸収されなかった応力は、弾性部材120,122によって吸収される。つまり、矢印a1〜a3,a11〜a13方向の応力の一部は、矢印a4〜a9,a14〜a19のようにX軸(図22では断面図のため図示されないが、およびY軸)の方向の成分として主として弾性部材120,122に印加される。そして、弾性部材120,122の弾性によって、熱膨張にもとづいて発生した応力が吸収される。
With the cooler 150 attached as described above, the semiconductor chips 12 connected in parallel are energized. The
隣接する第1導体110および第2導体116は、低弾性率の部分を有する導電部材130,134および短絡板132,136によって電気的および熱的に接続されている。導電部材130,134の下端131b,135bは、弾性部材120,122上をまたいで接続されているが、導電部材130,134の側面131c,135cの蛇腹構造は、弾性部材120,122と同程度の弾性率を有しており、弾性部材120,122と樹脂部材20との弾性の差による変位差を吸収するように変位する。したがって、複数の第1導体110同士および複数の第2導体116同士の電気的および熱的に良好な導体の状態が維持される。
The adjacent
以下では、より定量的に、半導体装置100の動作を説明する。半導体装置100の第1導体110または第2導体116が銅からなり、第1導体110または第2導体116が55℃上昇(初期温度t0=25℃の場合に、t=80℃に上昇)した場合を考えると、そのときの熱応力σは、以下の式(1)で求めることができる。
Hereinafter, the operation of the
σ=α・(t−t0)・E (1)
ここで、αは、線膨張係数であり、Eはヤング率である。
σ = α · (t−t0) · E (1)
Here, α is a linear expansion coefficient, and E is a Young's modulus.
以下では、線膨張係数およびヤング率として銅の物理定数を用いる。
σ=17.7×10−6[℃−1]×55[℃]×129.8[GPa]
≒0.1[GPa]
Below, the physical constant of copper is used as a linear expansion coefficient and a Young's modulus.
σ = 17.7 × 10 −6 [° C. −1 ] × 55 [° C.] × 129.8 [GPa]
≒ 0.1 [GPa]
つまり、半導体チップ12には、0.1GPa程度の応力が印加されることとなり、半導体チップ12は、この応力により、割れ、剥離等の不具合を生じ得る。
That is, a stress of about 0.1 GPa is applied to the
一方、銅の線膨張係数αから、第1導体110または第2導体116の膨張量ΔLを計算すると、以下のようになる。
ΔL=17.7×10−6[℃−1]×55[℃]×L×100[%]
≒0.1[%]×L
On the other hand, when the amount of expansion ΔL of the
ΔL = 17.7 × 10 −6 [° C. −1 ] × 55 [° C.] × L × 100 [%]
≒ 0.1 [%] × L
第1導体110または第2導体116のZ軸方向の長さを、たとえばL=20[mm]とすると、ΔL=20[μm]となる。したがって、弾性部材120,122は、20μm程度の変位を吸収する程度の弾性率を有していればよい。より具体的には、弾性部材120,122のヤング率は、銅のヤング率の1/1000以下である必要がある。一般的なシリコーンゴム等のヤング率は、数MPa〜10数MPa程度であり、上述の要求を十分満たすことができる。
If the length of the
次に、本実施形態の半導体装置100の作用および効果について説明する。
上述したように、本実施形態の半導体装置100では、隣接する第1導体110および第2導体116それぞれの間に弾性部材120,122を有している。そのため、第1導体110および第2導体116の熱膨張にもとづく変位は、弾性部材120,122によって吸収される。また、隣接する第1導体110同士および第2導体116同士を電気的かつ熱的に接続する導電部材130,134は、蛇腹構造のような低弾性率構造の側面131c,135cを有している。そのため、導体102,104は、電気的および熱的接続状態を維持することができる。したがって、信頼性が高い大電流の半導体装置を実現することができる。
Next, functions and effects of the
As described above, the
一般に、半導体チップ12の配置によって電流の偏りが生じ、半導体チップ12自体のオン電圧やスイッチング速度等のばらつきがあるため、半導体チップ12によって発熱量が異なる。このような状態では、発熱量の大きい半導体チップ12に直接熱結合する第1導体110および第2導体116の膨張量が他に比べて大きくなり、対象の半導体チップ12では、変形や剥離等の不具合を生じるおそれが高くなると考えられる。このような状況は、冷却器150の有無によらず考慮される必要がある。本実施形態の半導体装置100では、弾性部材120,122および導電部材130,134は、膨張量に応じた変位を吸収することができるので、信頼性の高い半導体装置が実現される。
Generally, current deviation occurs depending on the arrangement of the
(第9の実施形態)
図23は、本実施形態の半導体装置を例示する、図16(b)のR−R'矢視断面に相当する断面図である。
図24は、本実施形態の半導体装置の一部を例示する斜視図である。
上述の実施形態の半導体装置100では、導電部材130,134を第1導体110および第2導体116のそれぞれのポスト部110b,116bの周囲を取り巻くように配置したが、他の配置であってもよい。
(Ninth embodiment)
FIG. 23 is a cross-sectional view illustrating the semiconductor device of this embodiment and corresponding to the cross section taken along the line RR ′ of FIG.
FIG. 24 is a perspective view illustrating a part of the semiconductor device of this embodiment.
In the
図23に示すように、導電部材130fは、隣接する第1導体110のポスト部110bの対向する角部の間に配置されている。図24に示すように、導電部材130fの下端135bは、隣接する第1導体110の平板110a上にハンダ等によって接続されている。図示しないが、導電部材130fの上端135aは、短絡板132とハンダ等によって接続される。
As shown in FIG. 23, the
このように、導電部材130f,134fは、適切かつ任意の位置で短絡板132,136に接続することができる。導電部材130f,134fおよび短絡板132,136は、複数の第1導体110および複数の第2導体116がそれぞれ単一の導体102,104をなすための構成部材であるとともに、並列に接続された複数の半導体チップ12間の電流アンバランスが生じた場合の電流経路となることができる。複数の半導体チップ12間の電流アンバランスの原因はさまざま考えられるが、電流経路の不均等による場合には、導電部材の配置位置によって、均等に近づけることができる。
As described above, the
(第10の実施形態)
図25は、本実施形態の半導体装置を例示する、図16(a)のN−N'矢視断面に相当する断面図である。
図25に示すように、本実施形態の半導体装置100bは、絶縁層162,164をさらに備える。絶縁層162は、冷却器150の冷却板152と第1導体110の第1主面117aとの間に設けられている。絶縁層164は、冷却板154と第2導体116の第1主面119aとの間に設けられている。また、半導体装置100bは、コレクタ引出電極31とエミッタ引出電極30とをさらに備える。コレクタ引出電極31およびエミッタ引出電極30は、第1の実施形態の半導体装置1等において説明した、コレクタ電極12bおよびエミッタ電極12cのための引出電極である。したがって、詳細な説明は省略するが、本実施形態においては、第1導体110および第2導体116がそれぞれ絶縁層162,164によって電気的に絶縁されているため、コレクタ引出電極31およびエミッタ引出電極30は、外部回路との接続のために必要となる。
(Tenth embodiment)
FIG. 25 is a cross-sectional view illustrating the semiconductor device of this embodiment and corresponding to a cross section taken along line NN ′ of FIG.
As shown in FIG. 25, the
絶縁層162,164は、第1導体110と冷却板152との間の電気的絶縁、および、第2導体116と冷却板154との電気的絶縁をとるためにそれぞれ設けられる。絶縁層162,164は、いわゆる絶縁シートであり、たとえば樹脂製である。絶縁層162,164が低弾性率を有する場合には、冷却器150を設置したときに冷却板152,154を固定しながら、第1導体110や第2導体116の熱膨張による応力を吸収することができる。
The insulating
本実施形態の半導体装置100bの作用および効果について説明する。
本実施形態の半導体装置100bでは、冷却器150と第1導体110、第2導体116がそれぞれ電気的に絶縁されるので、冷却器150をゼロ電位とすることができる。そのため、たとえばエチレングリコールのような導電性を有する液体を冷却器150の冷媒として用いることができる。第1導体110および第2導体116と冷却器150が絶縁されておらず、冷却板152,154がそれぞれ電位をもつ場合には、非伝導性の冷媒として純水等を用いるが、冷媒の導電率管理装置等を要することとなり、システムが大型化する傾向にある。本実施形態の半導体装置100bでは、冷媒には導電性か否かを問わず用いることができるので冷却器150の構造等を簡易にすることができ、システムの小型化が可能になる。
The operation and effect of the
In the
絶縁層162,164として弾性を有するゴム状素材等を用いた場合には、第1導体110および第2導体116の熱膨張による応力を吸収することができ、より信頼性の高い半導体装置100bを実現することができる。
In the case where an elastic rubber-like material or the like is used as the insulating
以上説明した実施形態によれば、安全性が高い大電流出力が可能な半導体装置を実現することができる。 According to the embodiment described above, it is possible to realize a semiconductor device capable of high current output with high safety.
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。 As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalents thereof. Further, the above-described embodiments can be implemented in combination with each other.
1〜1c 半導体装置、10 第1導体、10a 平板、10b ポスト部、10c フランジ、10d 挿通孔、10f 凸部、10g 面、12 半導体チップ、12a 半導体基板、12b コレクタ電極、12c エミッタ電極、12d ゲート電極、13 ゲート導体、14 導電性接合材、16 第2導体、16a 平板、16b ポスト部、16c フランジ、16d 挿通孔、16e 切欠部、16f 凸部、16g 面、17a 第1主面、17b 第2主面、18 導電性接合材、19a 第1主面、19b 第2主面、20 樹脂部材、20a 第1樹脂部材、20b 第2樹脂部材、22 ゲート配線基板、22a 基板、22b 配線、22c 開口部、22d 接続パッド、22f 接続パッド、24 ケース、26 注入孔、27〜29 端子取出孔、30 エミッタ引出電極、31 コレクタ引出電極、32 ゲート引出電極、34 挿通孔、36 取付ネジ、37 メネジ、52 ゲート配線基板、52a 基板、52b 配線、52d 接続パッド、52f 接続パッド、54 ハンダ、56 カバー、58 注入孔、70 半導体装置、72 半導体素子、74,76 導電性接合材、78 ケース、80 第1導体、80a 平板、80b ポスト部、84 導電性接合材、86 第2導体、86a 平板、86b ポスト部、88 導電性接合材、100,100b 半導体装置、110 第1導体、110a 平板、110b ポスト部、116 第2導体、116a 平板、116b ポスト部、117a,119a 第1主面、120,122 弾性部材、130,134 導電部材、132,136 短絡板、150 冷却器、152,154 冷却板、162,164 絶縁層 1-1c Semiconductor device, 10 1st conductor, 10a flat plate, 10b post part, 10c flange, 10d insertion hole, 10f convex part, 10g surface, 12 semiconductor chip, 12a semiconductor substrate, 12b collector electrode, 12c emitter electrode, 12d gate Electrode, 13 Gate conductor, 14 Conductive bonding material, 16 Second conductor, 16a Flat plate, 16b Post part, 16c Flange, 16d Insertion hole, 16e Notch part, 16f Convex part, 16g surface, 17a First main surface, 17b First 2 main surfaces, 18 conductive bonding material, 19a first main surface, 19b second main surface, 20 resin member, 20a first resin member, 20b second resin member, 22 gate wiring substrate, 22a substrate, 22b wiring, 22c Opening, 22d connection pad, 22f connection pad, 24 case, 26 injection hole, 27-29 Terminal extraction hole, 30 emitter extraction electrode, 31 collector extraction electrode, 32 gate extraction electrode, 34 insertion hole, 36 mounting screw, 37 female screw, 52 gate wiring substrate, 52a substrate, 52b wiring, 52d connection pad, 52f connection pad, 54 Solder, 56 cover, 58 injection hole, 70 semiconductor device, 72 semiconductor element, 74, 76 conductive bonding material, 78 case, 80 first conductor, 80a flat plate, 80b post portion, 84 conductive bonding material, 86 second conductor , 86a flat plate, 86b post portion, 88 conductive bonding material, 100, 100b semiconductor device, 110 first conductor, 110a flat plate, 110b post portion, 116 second conductor, 116a flat plate, 116b post portion, 117a, 119a first main Surface, 120, 122 elastic member, 130, 134 conductive member, 132,136 Short-circuit plate, 150 cooler, 152,154 Cooling plate, 162,164 Insulating layer
Claims (13)
一方の面に第1電極を有し、他方の面に第2電極を有する半導体チップと、
前記第1導体と前記第1電極との間に設けられた導電性の第1接合材と、
第1面を有する第1部分と、前記第1部分と半導体チップとの間に設けられ前記第1面の面積よりも狭い面積の第2面を有する第2部分と、を有する第2導体と、
前記第2電極と前記第2面との間に設けられた導電性の第2接合材と、
前記半導体チップの少なくとも周縁部を覆うように設けられた樹脂部材と、
を備えた半導体装置。 A first conductor;
A semiconductor chip having a first electrode on one side and a second electrode on the other side;
A conductive first bonding material provided between the first conductor and the first electrode;
A second conductor having a first portion having a first surface, and a second portion having a second surface which is provided between the first portion and the semiconductor chip and has an area smaller than the area of the first surface; ,
A conductive second bonding material provided between the second electrode and the second surface;
A resin member provided so as to cover at least a peripheral portion of the semiconductor chip;
A semiconductor device comprising:
前記第2導体と前記制御電極との間に設けられ、前記制御電極に接続された配線を含む基板をさらに備えた請求項1〜3のいずれか1つの記載の半導体装置。 The semiconductor chip further has a control electrode on the other surface,
The semiconductor device according to claim 1, further comprising a substrate that is provided between the second conductor and the control electrode and includes a wiring connected to the control electrode.
前記樹脂部材は、前記第1導体、前記第2導体および前記ケース部材によって囲まれた部分に充填された請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体装置。 A case member surrounding the first conductor and the second conductor;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the resin member is filled in a portion surrounded by the first conductor, the second conductor, and the case member.
一方の面にそれぞれ第1電極を有し、他方の面にそれぞれ第2電極を有する複数の半導体チップと、
前記第1導体と前記各第1電極との間に設けられた導電性の第1接合材と、
第1面をそれぞれ有する第1部分と、前記第1部分と前記複数の半導体チップとの間にそれぞれ設けられ前記第1面の面積よりも狭い面積の第2面を有する複数の第2部分と、を有する第2導体と、
前記第2電極と前記第2面との間にそれぞれ設けられた導電性の第2接合材と、
前記複数の半導体チップのそれぞれの少なくとも周縁部を覆うように設けられた樹脂部材と、
を備えた半導体装置。 A first conductor;
A plurality of semiconductor chips each having a first electrode on one side and a second electrode on the other side;
A conductive first bonding material provided between the first conductor and each first electrode;
A first portion each having a first surface; and a plurality of second portions each having a second surface provided between the first portion and the plurality of semiconductor chips and having an area smaller than the area of the first surface; A second conductor having
A conductive second bonding material provided between the second electrode and the second surface;
A resin member provided to cover at least the peripheral edge of each of the plurality of semiconductor chips;
A semiconductor device comprising:
一方の面に第1電極を有し、他方の面に第2電極を有する半導体チップと、前記第1導体と前記第1電極との間に設けられた導電性の第1接合材と、第1面を有する第1部分と、前記第1部分と半導体チップとの間に設けられ前記第1面の面積よりも狭い面積の第2面を有する第2部分と、を有する第2導体と、前記第2電極と前記第2面との間に設けられた導電性の第2接合材と、前記半導体チップの少なくとも周縁部を覆うように設けられた樹脂部材と、を有する複数の半導体素子と、
前記複数の半導体素子のそれぞれの前記第1導体同士を接続する導電性の第3接合材と、
前記複数の半導体素子のそれぞれの前記第2導体同士を接続する導電性の第4接合材と、
を備えた半導体装置。 A first conductor;
A semiconductor chip having a first electrode on one side and a second electrode on the other side; a conductive first bonding material provided between the first conductor and the first electrode; A second conductor having a first portion having one surface, and a second portion having a second surface which is provided between the first portion and the semiconductor chip and has an area smaller than the area of the first surface; A plurality of semiconductor elements comprising: a conductive second bonding material provided between the second electrode and the second surface; and a resin member provided so as to cover at least a peripheral portion of the semiconductor chip; ,
A conductive third bonding material for connecting the first conductors of each of the plurality of semiconductor elements;
A conductive fourth bonding material connecting the second conductors of each of the plurality of semiconductor elements;
A semiconductor device comprising:
第2導体と、
前記第1導体と前記第2導体との間に設けられた第1弾性部材と、
第1面を有する第1部分と、前記第1部分と前記第1導体との間に設けられ前記第1面の面積よりも狭い面積の第2面を有する第2部分と、を有する第3導体と、
第3面を有する第3部分と、前記第3部分と前記第2導体との間に設けられ前記第3面の面積よりも狭い面積の第4面を有する第4部分と、を有する第4導体と、
前記第1部分と前記第3部分との間に設けられた第2弾性部材と、
前記第1導体と前記第3導体との間で、前記第1導体に電気的に接続された第1端部と、
前記第2導体と前記第4導体との間で、前記第2導体に電気的に接続された第2端部と、
前記第1端部と前記第2端部との間に弾性を有する第5部分を含む第1導電部材と、
前記第1導体と前記第1部分との間で、前記第1部分に電気的に接続された第3端部と、
前記第2導体と前記第3部分との間で、前記第3部分に電気的に接続された第4端部と、
前記第3端部と前記第4端部との間に弾性を有する第6部分を含む第2導電部材と、
前記第1導体と前記第2部分との間に設けられ、一方の面に第1電極と他方の面に第2電極とを有し、前記第1電極と前記第1導体との間の接合材によって前記第1導体に接続され、前記第2電極と前記第2部分との間の接合材によって前記第2部分に接続された第1半導体チップと、
前記第2導体と前記第4部分との間に設けられ、一方の面に第3電極と他方の面に第4電極とを有し、前記第3電極と前記第2導体との間の接合材によって前記第2導体に接続され、前記第4電極と前記第4部分との間の接合材によって前記第4部分に接続された第2半導体チップと、
前記第1半導体チップおよび前記第2半導体チップの少なくとも周縁部を覆う樹脂部材と、
を備えた半導体装置。 A first conductor;
A second conductor;
A first elastic member provided between the first conductor and the second conductor;
A third portion having a first portion having a first surface, and a second portion having a second surface provided between the first portion and the first conductor and having an area smaller than the area of the first surface. Conductors,
A fourth portion having a third portion having a third surface, and a fourth portion having a fourth surface provided between the third portion and the second conductor and having an area smaller than the area of the third surface. Conductors,
A second elastic member provided between the first part and the third part;
A first end electrically connected to the first conductor between the first conductor and the third conductor;
A second end electrically connected to the second conductor between the second conductor and the fourth conductor;
A first conductive member including a fifth portion having elasticity between the first end and the second end;
A third end electrically connected to the first portion between the first conductor and the first portion;
A fourth end electrically connected to the third portion between the second conductor and the third portion;
A second conductive member including a sixth portion having elasticity between the third end and the fourth end;
A junction between the first conductor and the second conductor, having a first electrode on one surface and a second electrode on the other surface, the junction between the first electrode and the first conductor A first semiconductor chip connected to the first conductor by a material and connected to the second portion by a bonding material between the second electrode and the second portion;
A junction between the third conductor and the second conductor, provided between the second conductor and the fourth portion, having a third electrode on one side and a fourth electrode on the other side. A second semiconductor chip connected to the second conductor by a material and connected to the fourth portion by a bonding material between the fourth electrode and the fourth portion;
A resin member covering at least a peripheral portion of the first semiconductor chip and the second semiconductor chip;
A semiconductor device comprising:
前記第1導体の第1半導体チップが設けられたのとは反対側の面および前記第2導体の第2半導体チップが設けられたのとは反対側の面に設けられた第2絶縁層と、
をさらに備え、
前記第1導体は、第1方向に延伸する第1端子を有し、
前記第3導体は、第2方向に延伸する第2端子を有する請求項10〜12のいずれか1つに記載の半導体装置。 A first insulating layer provided on the first main surface and the second main surface;
A second insulating layer provided on a surface opposite to the first semiconductor chip of the first conductor and on a surface opposite to the second semiconductor chip of the second conductor; ,
Further comprising
The first conductor has a first terminal extending in a first direction;
The semiconductor device according to claim 10, wherein the third conductor has a second terminal extending in the second direction.
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