JP2019201159A - 逆導通型半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】放熱性能を向上させ、熱破壊耐量の向上による信頼性の確保が可能な逆導通型半導体装置を提供する。【解決手段】上面１ａ、第１の辺１ｂ及び第１の辺１ｂに直交する第２の辺１ｃを有する半導体チップ１と、半導体チップ１に設けられ、ストライプ状の複数の主電流通路を有するトランジスタ部１２と、半導体チップ１に設けられ、複数の主電流通路に平行に延伸する複数の複数のダイオード部１４と、トランジスタ部１２及び複数のダイオード部１４の上面１ａに設けられた上面電極９と、複数のダイオード部１４の上方で、接合部材を介して上面電極９に電気的に接続される矩形状の平板部１０ａを有する配線部材１０とを備える。配線部材１０が平板部１０ａの端部から上面電極９の反対方向に立ち上がる導電部１０ｂを有し、平板部１０ａの端部が第１の辺１ｂに平行に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のスイッチング素子とこのスイッチング素子の保護ダイオードを同一半導体チップに集積した逆導通型半導体装置に関する。
逆導通ＩＧＢＴ（ＲＣ−ＩＧＢＴ）では、スイッチング素子であるＩＧＢＴと、このＩＧＢＴの保護ダイオードである還流（フリーホイーリング）ダイオード（ＦＷＤ）が同一半導体チップに形成される（特許文献１〜４参照）。ＲＣ−ＩＧＢＴのエミッタ電極は、ボンディングワイヤやリードフレーム等の配線部材で外部接続端子と接続される。
ＦＷＤのアクティブショートサーキットが発生した場合、電流二乗時間積（Ｉ2ｔ）耐量によってＲＣ−ＩＧＢＴ等の逆導通型半導体装置の熱破壊耐量が決定される。ＦＷＤのＩ2ｔ耐量は、保護ダイオードであるＦＷＤの機械的冷却性能に依存する。ＦＷＤの活性部面積を増加するとＩ2ｔ耐量を向上させることができる。しかし、保護ダイオードであるＦＷＤの活性面積を増加させると、チップサイズが大きくなる。
また、電力用の逆導通型半導体装置では、安全且つ安定に動作させるために通電時に発生する熱を効率的に発散させる必要がある。特許文献５及び６には、ＩＧＢＴの構造部材による冷却性が示唆されている。しかし、ＲＣ−ＩＧＢＴのＦＷＤの通電時における耐量に関する記述はない。
特開２０１７‐１６８７９２号公報 特開２００８‐３００５２８号公報 特開２０１７‐１４７４３５号公報 特開２００４‐３６３３２８号公報 特開２００１‐３５２０６６号公報 特開平８‐３３０４６５号公報
本発明は上記課題に着目してなされたものであって、放熱性能を向上させ、熱破壊耐量の向上による信頼性の確保が可能な逆導通型半導体装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、(a) 平面視において、上面、第１の辺及び第１の辺に直交する第２の辺を有し、複数のトランジスタ部及び複数のダイオード部が交互に配置され、複数のトランジスタ部及び複数のダイオード部の上面側に上面電極が設けられた半導体チップと、(b) ダイオード部の上方において、接合部材を介して上面電極に金属学的に接合される矩形の平板部を有する配線部材と、を備え、(c) 複数のトランジスタ部は、それぞれ、平面視において第１の辺に平行に延伸するストライプ状のパターンを有し、半導体チップの上面に垂直な方向に主電流通路を構成し、(d) 複数のダイオード部は、それぞれ、平面視において第１の辺に平行に延伸するストライプ状のパターンを有し、半導体チップの上面に垂直な方向に環流電流通路を構成する逆導通型半導体装置である。本発明の一態様に係る逆導通型半導体装置においては、配線部材が平板部の端部から上面電極の反対方向に立ち上がる導電部を有し、平板部の端部が第１の辺に平行に配置されている。
本発明に係る逆導通型半導体装置によれば、放熱性能を向上させ、熱破壊耐量の向上による信頼性の確保が可能な逆導通型半導体装置を提供することができる。
本発明の実施形態に係る逆導通型半導体装置の一例を示す上面図である。 図１のＡ−Ａ線から垂直にきった逆導通型半導体装置の断面概略図である。 本発明の実施形態に係る逆導通型半導体装置に用いるＲＣ−ＩＧＢＴを説明する回路図である。 逆導通型半導体装置の一例を示す上面図である。 逆導通型半導体装置において、リードフレームとワイヤボンディングの耐量の一例を示す表である。 本発明の実施形態に係る逆導通型半導体装置の発熱シミュレーションの結果の一例を説明する斜視図である。 本発明の実施形態に係る逆導通型半導体装置の発熱シミュレーションの結果の一例を説明する斜視図である。 逆導通型半導体装置におけるダイオード部に対する配線部材の配置の一例を示す上面図である。 逆導通型半導体装置におけるダイオード部に対する配線部材の配置の他の例を示す上面図である。 図８に示した配線部材の配置において、保護ダイオード（ＦＷＤ）を発熱させた場合の変形量のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。 図９に示した配線部材の配置において、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）を発熱させた場合の変形量のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。 図１０及び図１１に示したシミュレーション結果の最大変形量の一例を示す表である。 本発明の実施形態に係る逆導通型半導体装置におけるダイオード部に対する配線部材の配置の一例を示す上面図である。 本発明の実施形態に係る逆導通型半導体装置におけるダイオード部に対する配線部材の配置の他の例を示す上面図である。 図１３に示した配線部材の配置において、保護ダイオード（ＦＷＤ）を発熱させた場合の変形量のシミュレーション結果の一例を示す表である。 図１４に示した配線部材の配置において、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）を発熱させた場合の変形量のシミュレーション結果の一例を示す表である。 図１５及び図１６に示したシミュレーション結果の最大変形量の一例を示す表である。 本発明の実施形態に係る逆導通型半導体装置の一例を示す断面図である。
以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各装置や各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判定すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
また、以下の説明における「左右」や「上下」の方向は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。よって、例えば、紙面を９０度回転すれば「左右」と「上下」とは交換して読まれ、紙面を１８０度回転すれば「左」が「右」に、「右」が「左」になることは勿論である。また以下の説明では、第１導電型がｐ型、第２導電型がｎ型の場合について例示的に説明する。しかし、導電型を逆の関係に選択して、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型としても構わない。またｐやｎに付す＋や−は、＋及び−が付記されていない半導体領域に比して、それぞれ相対的に不純物密度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。ただし同じｐとｐとが付された半導体領域であっても、それぞれの半導体領域の不純物密度が厳密に同じであることを意味するものではない。
（実施形態）
本発明の実施形態に係る逆導通型半導体装置１００は、図１及び図２に示すように、半導体チップ１、及び配線部材１０を備える。半導体チップ１は、平面視において、上面１ａ、第１の辺１ｂおよび第１の辺１ｂに直交する第２の辺１ｃを有する。半導体チップ１には、少なくとも配線部材１０の下方において、複数のトランジスタ部１２及び複数のダイオード部１４が交互に配置される。複数のトランジスタ部１２及び複数のダイオード部１４の上面側には上面電極９が設けられる。半導体チップ１は平面視において矩形であってよく、第１の辺１ｂ及び第２の辺１ｃの長さが等しくてもよいし、第１の辺１ｂが第２の辺１ｃより長くてもよい。
逆導通型半導体装置１００は、図３の等価回路に示すように、スイッチング素子２としてのＩＧＢＴと、このスイッチング素子２の環流電流を流す保護ダイオード４としてＦＷＤを１チップに集積したＲＣ−ＩＧＢＴである。図３の等価回路表示では単体の素子で包括的に表示しているが、実際の半導体チップ１内のレイアウトとしてはマルチチャネル構造をなしている。
半導体チップ１の内部の活性領域３には、トランジスタ部１２の複数の主電流通路及び複数のダイオード部１４の還流電流通路が、交互に配置され、それぞれ図１の紙面に垂直方向（Ｚ軸方向）に電流を流すように設けられる。トランジスタ部１２は、平面視においてストライプ状になるように、主電流通路がＺ軸方向に延在するマルチチャネル構造である。トランジスタ部１２は、それぞれ、平面視において第１の辺１ｂに平行に延伸する。
複数のダイオード部１４も、平面視においてストライプ状である。ダイオード部１４は、それぞれ、平面視において第１の辺１ｂに平行に延伸する。保護ダイオード４を構成する複数のダイオード部１４を介してＺ軸方向に環流電流が流れる。即ち、マルチチャネル構造を構成するようにストライプ状のダイオード部１４が設けられている。
なお、図１等において、便宜的に右手系ＸＹＺ座標が示され、半導体チップ１の上面がＸＹ面に平行に配置され、半導体チップ１の上方がＺ軸の正方向と一致している。また本明細書において、平面視において、とは、半導体チップ１の上面をＺ軸の正方向から視た場合を意味する。
逆導通型半導体装置１００においてトランジスタ部１２は、半導体チップ１の厚み方向、つまり半導体チップ１の上面に垂直な方向（Ｚ軸方向）に形成された縦型のＩＧＢＴの複数のチャネル領域のパターンで構成されている。同様に、逆導通型半導体装置１００において、複数のダイオード部１４は半導体チップ１の厚み方向に形成された縦型のＦＷＤを構成している。主電流通路及び環流電流通路のストライプパターンは、平面視において、図１に示す半導体チップ１の第１の辺１ｂの方向（Ｘ軸方向）に互いに平行に延伸する。逆導通型半導体装置１００では、半導体チップ１の半導体材料として珪素（Ｓｉ）を用いる。しかし、半導体材料はＳｉに限定されるものではなく、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）等のＳｉの禁制帯幅１．１ｅＶよりも広いワイドバンドギャップ半導体材料が使用可能である。なお、活性領域３の周辺部には、図示しないセンス回路、保護回路、及び制御回路等の周辺回路やゲートパッドが設けられてもよい。
活性領域３の上面には、スイッチング素子２の上面電極（ＩＧＢＴの場合は「エミッタ電極」）９が設けられ、スイッチング素子２の主電極領域（ＩＧＢＴの場合は「エミッタ領域」）に電気的に接続される。上面電極９は金属層等の導電層から構成される。図３から理解できるように、上面電極９は、更に保護ダイオード４のアノード領域に電気的に接続される。活性領域３の下面には、スイッチング素子２の下面電極（ＩＧＢＴの場合は「コレクタ電極」）が設けられ、スイッチング素子２の他の主電極領域（ＩＧＢＴの場合は「コレクタ領域」）に電気的に接続される。図３から理解できるように、下面電極は、更に保護ダイオード４のカソード領域に電気的に接続される。図示を省略した下面電極も金属層等の導電層から構成されるが、上面電極９と同一材料である必要はない。
逆導通型半導体装置１００のトランジスタ部１２では、上面電極９と下面主電極の間を、半導体チップ１の主面に垂直方向に主電流が、主電流通路となる複数のチャネル領域を介して流れる。同様に、実施形態に係る逆導通型半導体装置において、上面電極９と下面電極の間を複数のダイオード部１４を介して、トランジスタ部１２の主電流と反対方向に環流電流が、半導体チップ１の主面に垂直方向に流れる。上面電極９は、主電流通路と前記環流電流通路を電気的に接続する。
少なくともダイオード部１４の上方において、上面電極９には、図１に示すように、矩形の平板部１０ａを有する配線部材１０が接合部材２０を介して金属学的に接合される。図２に示すように、配線部材１０は、接合部材２０を挟んで上面電極９に面し、上面電極９に金属学的に接合する平板部１０ａと、平板部１０ａの端部からエミッタ電極の反対方向（Ｚ軸の正方向）に立ち上がる導電部１０ｂを有する。平板部１０ａの端部は半導体チップ１の第１の辺１ｂに平行に配置されてよい。平板部１０ａの下方の半導体チップ１の内部では、ダイオード部１４とトランジスタ部１２の主電流通路が、ストライプ状に交互に配置されている。
配線部材１０として、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等からなるリードフレーム、金属板、金属箔等が用いられる。平板部１０ａ及び導電部１０ｂはプレス加工により成形されてよい。平板部１０ａと導電部１０ｂとの間の角度は略９０°であってもよく、鈍角であってもよい。平板部１０ａの形状は、平面視において、矩形の他、台形であってもよく、また、角が面取りされた形状でもよい。平板部１０ａのＸ軸方向の幅とＹ軸方向の幅は同じでもよいし、Ｘ軸方向の幅がＹ軸方向の幅より大きくてもよい。導電部１０ｂは平坦部１０ａの端部のすべてに接続してもよいし、端部の一部に接続してもよい。配線部材１０は、半導体装置１００において、図示しない別の回路に金属学的に接続されてよいし、外部回路に電気的に接続されてもよい。接合部材２０としては、はんだ等の合金材料が用いられる。
＜Ｉ2ｔ耐量＞
図４は、半導体チップ１におけるＲＣ−ＩＧＢＴの他の構造を示す。図示を省略しているが、このＲＣ−ＩＧＢＴも、図３と同様な等価回路表示が可能である。図４の平面パターンでは、ストライプ状のダイオード部１４ａが、ＩＧＢＴ部（トランジスタ部）１２ａの主電流通路と交互に活性領域３の端部まで延伸している。図４に示す半導体チップ１にはワイヤボンディングまたはリードフレームを電気的に接続できる。
図４において破線で示す領域１６に、リードフレーム等の配線部材及びボンディングワイヤを接触すると、配線部材はボンディングワイヤに比べて接触面積を増加できる。例えば、図５の表に示すように、ワイヤボンディングの接触面積を１として、リードフレームの接触面積は１３．１倍増加する。図５の表において「ＦＷＤ活性領域」と示した活性領域３内の複数のダイオード部１４ａが全体で占有する面積は、リードフレーム及びワイヤボンディングで同一面積である。図５の表において「ＦＷＤ Ｉ2ｔ耐量」と示した保護ダイオード４の通電時のＩ2ｔ耐量は、リードフレームの方が、ワイヤボンディングに比べて１．３倍大きくなる。このように、リードフレームでは接触面積の増加により放熱面積が増加するため、Ｉ2ｔ耐量が向上する。
保護ダイオード４の通電時の発熱について、シミュレーションを行った。シミュレーションは有限要素法解析ソフトＡＮＳＹＳ（登録商標）を用いて行った。図６は、他の実施例に係る逆導通型半導体装置（ＲＣ−ＩＧＢＴ）２００を構成する複数のダイオード部１４ａの配置構造である。ストライプ状をなす複数のダイオード部１４ａの平面パターンは半導体チップ１の端部まで延伸し、配線部材１０の平板部１０ａが占有する接合領域外に達している。図６に示すように、１４２℃〜１５８℃の範囲の高温部が配線部材１０の平板部１０ａが占有する接合領域外に広がっている。シミュレーションにおいて、半導体チップ１は長方形であり、長辺の長さを約１８ｍｍ、短辺の長さを約１３ｍｍとした。厚みを約９０μｍとした。また平板部１０ａのＸ軸方向の幅を約６．５ｍｍ、Ｙ軸方向の幅を約７ｍｍ、厚みを約０．７ｍｍとした。
一方、図７は、逆導通型半導体装置（ＲＣ−ＩＧＢＴ）１００を構成する複数のダイオード部１４の配置構造である。逆導通型半導体装置１００では、複数のダイオード部１４を平板部１０ａが占有する接合領域内に制限して、複数のダイオード部１４の全領域が配線部材１０で覆われるように配置している。つまり、複数のダイオード部１４の全領域が、平面視において、平板部１０ａで覆われている。
平面視において、逆導通型半導体装置１００のダイオード部１４の全体が占有する面積は、逆導通型半導体装置２００のダイオード部１４ａの全体が占有する面積と同じ面積である。図７に示すように、１４２℃〜１５８℃の範囲の高温部は配線部材１０の平板部１０ａが占有する接合領域内に収まっている。即ち、複数のダイオード部１４が平板部１０ａの占有する接合領域内に配置されているので、保護ダイオード４の通電時に複数のダイオード部１４で発生する熱が配線部材１０に吸収される。その結果、実施形態に係る逆導通型半導体装置では、Ｉ2ｔ耐量を増加させ、熱破壊耐量の向上による信頼性の確保が可能となる。
このように、逆導通型半導体装置１００では、平板部１０ａが占有する接合領域のみに複数のダイオード部１４のパターンを配置することにより、複数のダイオード部１４の発熱時の温度を抑制することができる。この結果、逆導通型半導体装置１００のＩ2ｔ耐量を増加できる。ダイオード部１４を複数のストライプではなく、例えば正方形で配置してもよい。正方形に構成されたダイオード部１４がなすダイオード部の発熱時の冷却は、ストライプ状の複数のダイオード部１４の場合と同様に可能であるが、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）２の発熱時における冷却性能と相反する。配線部材の下方に配置されるトランジスタ部１２がダイオード部１４の間に配置されないため、スイッチング素子２の通電時の発熱における冷却が不十分となる。したがって、スイッチング素子２の通電時の冷却性能を考慮すると、図７に示したように、ストライプ状に複数のダイオード部１４とトランジスタ部１２の主電流通路とを交互に配置することが望ましい。
平面視において、配線部材１０で覆われた複数のダイオード部１４の全体が占有する面積が、配線部材１０の平板部１０ａの面積に対して２０％以上、６０％以下、好ましくは、２５％以上、５０％以下であることが望ましい。保護ダイオード４の通電時の冷却性能を確保するために、配線部材１０の下方領域の複数のダイオード部１４の全体が占有する面積は、平板部１０ａの面積に対して２０％以上が望ましい。また、複数のダイオード部１４の全体が占有する面積を増加させると、それに応じてトランジスタ部１２の面積が減少する。ＲＣ−ＩＧＢＴの性能は、保護ダイオード４とスイッチング素子（ＩＧＢＴ）２の設置面積のバランスで決定される。半導体チップ１の内部において保護ダイオード４が占有する面積を増大させてスイッチング素子（ＩＧＢＴ）２が占有する面積を減少させるとオン抵抗の増加を招く。そのため、配線部材１０の下方領域の複数のダイオード部１４の全体が占有する面積は、平板部１０ａの面積に対して６０％以下が望ましい。半導体チップ１の活性領域に配置するスイッチング素子部１２とダイオード部１４の面積比やピッチは、通電時の発熱以外の所望のデバイス特性を考慮して決定されてよい。
＜機械的変形量＞
図８は、配線部材１０の平板部１０ａの端部を、複数のダイオード部１４ａのストライプのパターンの延伸方向（Ｘ軸方向）に平行に配置した逆導通型半導体装置２００を示す。図８に示す構造では配線部材１０の平板部１０ａから立ち上がる導電部１０ｂの主面の方向は、複数のダイオード部１４ａのストライプパターンの延伸方向に平行に配置される。
また、図９は、配線部材１０の平板部１０ａの端部を、複数のダイオード部１４ａのストライプパターンの延伸方向と直交する向きに配置した逆導通型半導体装置３００を示す。図９において、Ｘ軸方向が配線部材１０の平板部１０ａの長手方向であり、Ｙ軸方向が短手方向となる。配線部材１０の導電部１０ｂの主面の方向は、複数のダイオード部１４ａのストライプパターンの延伸方向に直交するように配置される。図９においては、配線部材１０の上方（平板部１０ａの主面に垂直となる方向；Ｚ軸方向）から見た導電部１０ｂの端部の形状が、ダイオード部１４ａのストライプパターンの延伸方向に直交する方向を長辺方向とする細長い長方形として示されている。
図１０及び図１１は、図８及び図９に示した逆導通型半導体装置２００、３００について、保護ダイオード４及びスイッチング素子２それぞれの通電時の発熱によるチップ１の変形量をＡＮＳＹＳ（登録商標）によるシミュレーションで求めた結果である。図中、破線は逆導通型半導体装置２００の変形量を、実線は逆導通型半導体装置３００の変形量を、示す。また太い破線及び太い実線は、半導体チップ１の中心をとおり、Ｘ軸方向に延伸する線に沿った変形量を示す。細い破線及び細い実線は、半導体チップ１の中心をとおり、Ｙ軸方向に延伸する線に沿った変形量を示す。図１２は、逆導通型半導体装置２００、３００について、通電時の発熱による半導体チップ１の変形量の面内での最大値を「最大変形量」として示す。表中、上段は保護ダイオード４通電時の最大変形量を、下段はスイッチング素子２通電時の最大変形量を示す。なお、最大変形量が得られる面内の位置は、必ずしも図１０及び図１１の測定位置とは合致しないので、図１０及び図１１のグラフでの変形量の最大値と図１２の表に示す最大変形量とは異なる場合がある。
図１０には、保護ダイオード４の通電時の発熱によるチップ１の変形量のシミュレーション結果を示す。図１０のグラフ及び図１２の表に示すように、配線部材１０の平板部１０ａの端部を複数のダイオード部１４ａのストライプパターンの延伸方向に平行に配置した逆導通型半導体装置２００の場合、最大変形量は１０μｍ程度である。一方、平板部１０ａの端部を複数のダイオード部１４ａのストライプパターンの延伸方向に直交する向きに配置した逆導通型半導体装置３００の場合、最大変形量は５０μｍ以上である。このように、複数のダイオード部１４ａのストライプパターンの延伸方向に対して、平板部１０ａの短辺の方向及び導電部１０ｂの主面の方向を平行に配置するほうが半導体チップ１の最大変形量を低減することができる。
図１１には、スイッチング素子２の通電時の発熱によるチップ１の変形量のシミュレーション結果を示す。図１１のグラフ及び図１２の表に示すように、平板部１０ａの端部を複数のダイオード部１４ａのストライプパターンの延伸方向に平行に配置した逆導通型半導体装置２００の場合、最大変形量は２０μｍ程度である。一方、平板部１０ａの端部を複数のダイオード部１４ａのストライプパターンの延伸方向に直交する向きに配置した逆導通型半導体装置３００の場合、最大変形量は１９０μｍ程度である。このように、複数のダイオード部１４ａのストライプパターンの延伸方向に対して、平板部１０ａの端部及び導電部１０ｂの主面の方向を平行に配置するほうが半導体チップ１の最大変形量を低減することができる。
図１３は、矩形状の平板部１０ａの端部を、複数のダイオード部１４のストライプパターンの延伸方向（ｘ軸方向）に平行に配置した逆導通型半導体装置１００を示す。配線部材１０の導電部１０ｂの主面の方向は、複数のダイオード部１４のストライプパターンの延伸方向に平行に配置される。逆導通型半導体装置１００では、平面視において、ダイオード部１４が平坦部１０ａの下方にのみ形成されている。
また、図１４は、矩形状の平板部１０ａの端部を、複数のダイオード部１４のストライプパターンの延伸方向に直交する向きに配置した逆導通型半導体装置４００を示す。導電部１０ｂの主面の方向は、複数のダイオード部１４のストライプパターンの延伸方向に直交するように配置される。逆導通型半導体装置４００では、平面視において、ダイオード部１４が平坦部１０ａの下方にのみ形成されている。
図１５及び図１６は、図１３及び図１４に示した逆導通型半導体装置１００、４００について、保護ダイオード４及びスイッチング素子２それぞれの通電時の発熱によるチップ１の変形量をＡＮＳＹＳ（登録商標）によるシミュレーションで求めた結果である。図中、破線は逆導通型半導体装置１００の変形量を、実線は逆導通型半導体装置４００の変形量を、示す。また太い破線及び太い実線は、半導体チップ１の中心をとおり、Ｘ軸方向に延伸する線に沿った変形量を示す。細い破線及び細い実線は、半導体チップ１の中心をとおり、Ｙ軸方向に延伸する線に沿った変形量を示す。図１７は、逆導通型半導体装置１００、４００について、通電時の発熱による半導体チップ１の変形量の面内での最大値を「最大変形量」として示す。表中、上段は保護ダイオード４通電時の最大変形量を、下段はスイッチング素子２通電時の最大変形量を示す。なお、最大変形量が得られる面内の位置は、必ずしも図１５及び図１６の測定位置とは合致しないので、図１５及び図１６のグラフでの変形量の最大値と図１７の表に示す最大変形量とは異なる場合がある。
図１５には、保護ダイオード４の通電時の発熱によるチップ１の変形量のシミュレーション結果を示す。図１５のグラフ及び図１７の表に示すように、平板部１０ａの端部を複数のダイオード部１４のストライプパターンの延伸方向に平行に配置した逆導通型半導体装置１００の場合、最大変形量は４μｍ程度である。一方、平板部１０ａの端部を複数のダイオード部１４のストライプパターンの延伸方向に直交する向きに配置した逆導通型半導体装置４００の場合、最大変形量は６μｍ程度である。このように、複数のダイオード部１４のストライプパターンの延伸方向に対して、平板部１０ａの端部及び導電部１０ｂの主面の方向を平行に配置するほうが半導体チップ１の最大変形量を低減することができる。
図１６には、スイッチング素子２の通電時の発熱によるチップ１の変形量のシミュレーション結果を示す。図１６のグラフ及び図１７の表に示すように、平板部１０ａの端部を複数のダイオード部１４のストライプパターンの延伸方向に平行に配置した逆導通型半導体装置１００の場合、最大変形量は２５μｍ程度である。一方、平板部１０ａの端部を複数のダイオード部１４のストライプパターンの延伸方向に直交する向きに配置した逆導通型半導体装置４００の場合、最大変形量は３３μｍ程度である。このように、複数のダイオード部１４のストライプパターンの延伸方向に対して、平板部１０ａの端部及び導電部１０ｂの主面の方向を平行に配置するほうが半導体チップ１の最大変形量を低減することができる。
また、図１２及び図１７の表に示すように、逆導通型半導体装置１００，２００の最大変形量は、逆導通型半導体装置３００，４００に比べて低減されている。特に、逆導通型半導体装置１００では、保護ダイオード４の通電時の発熱に対する半導体チップ１の変形量を低減することができる。このように、複数のダイオード部１４を平板部１０ａの直下に配置することにより、保護ダイオード４及びスイッチング素子２の通電時の発熱による半導体チップ１の変形を抑制することができる。
保護ダイオード４の通電及びスイッチング素子２の通電を繰り返すことにより、半導体チップ１と平板部１０ａとの間の接合部材２０に応力が加わる。そのため、接合部材２０による接合が劣化し、破壊耐量が減少する。逆導通型半導体装置１００，２００では、半導体チップ１の変形量を低減できるので、破壊耐量の減少を抑制することができ、信頼性の確保可能となる。
図１８は、図２に示した断面図の要部を示し、半導体チップ１の活性領域の構造を示す。半導体チップ１は半導体基板７００を有する。半導体基板７００は、ダイオード部１４においてｎ−型のドリフト領域７１０を有する。それぞれのｐ型ボディ領域７２０は、ドリフト領域７１０内に上面電極９の下面に接するように設けられる。さらに、トランジスタ部１２において、半導体基板７００の上面に接する部分に、ｐ型ボディ領域７２０一つ毎に２箇所のｎ＋型のエミッタ領域７３０が設けられる。エミッタ領域７３０に接続してゲート電極７４０が設けられる。ゲート電極７４０を覆う層間絶縁膜７４２は、エミッタ領域７３０の上面に、異なるｐ型ボディ領域７２０内のエミッタ領域７３０にわたって設けられる。ダイオード部１４において、それぞれのｐ型ボディ領域７２０の間にまたがってダイオード部絶縁膜７４４が設けられる。上面電極９は、半導体基板７００の上面、層間絶縁膜７４２、ダイオード部絶縁膜７４４の上面を覆って設けられる。上面電極９は、エミッタ電極として機能する。配線部材１０は、接合部材２０によって上面電極９に接続される。ドリフト領域の下部の半導体基板７００の下面と接する領域には、トランジスタ部１２においては、ｐ＋型のコレクタ領域７５０が設けられる。一方、ダイオード部１４においては、ｎ＋型のカソード領域７６０が設けられる。コレクタ領域７５０及びカソード領域７６０の下面に下面電極（図示しない）を設けてよい。活性領域の構造は、図１８に示したプレーナー構造のほか、トレンチ構造でもよい。
図１に示すように、半導体チップ１の形状は、平面視において、正方形または長方形であってよい。第１の辺１ｂ（長辺）の長さは９ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であってよい。第１の辺１ｂ（長辺）の長さに対する第２の辺１ｃ（短辺）の長さ比は０．５以上１以下であってよい。チップ１の厚みは６０μｍ以上、１２０μｍ以下であってよい。また板部１０ａのＸ軸方向の幅は３ｍｍ以上、１２ｍｍ以下であってよい。平板部１０ａのＹ軸方向の幅はＸ軸方向の幅に対し０．５以上１．１以下であってよい。平板部１０ａの厚みは０．２ｍｍ以上、３ｍｍ以下であってよい。
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は一つの実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。特に、実施形態に係る逆導通型半導体装置として、スイッチング素子であるＩＧＢＴと、このＩＧＢＴを保護するＦＷＤが同一半導体チップに集積化されたＲＣ−ＩＧＢＴについて例示したが、ＲＣ−ＩＧＢＴに限定されるものではない。実施形態に係る逆導通型半導体装置は、半導体チップの主面に垂直方向に主電流が流れる縦型のスイッチング素子と、この主電流の反対方向に還流電流を流す縦型の保護ダイオードを備えた構造であれば構わない。例えば逆導通型半導体装置を構成するスイッチング素子は、ゲートターンオフ（ＧＴＯ）サイリスタや静電誘導（ＳＩ）サイリスタ等のサイリスタであっても構わない。
このように、上記の実施形態の開示の趣旨を理解すれば、当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が本発明に含まれ得ることが明らかとなろう。又、上記の実施形態及び各変形例において説明される各構成を任意に応用した構成等、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の例示的説明から妥当な、特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
１・・・半導体チップ
２・・・スイッチング素子
３・・・活性領域
４・・・保護ダイオード
９・・・上面電極（エミッタ電極）
１０・・・配線部材
１０ａ・・・平板部
１０ｂ・・・導電部
１２、１２ａ・・・トランジスタ部
１４、１４ａ・・・ダイオード部（環流電流通路）
２０・・・接合部材
１００，２００，３００，４００ 逆導通型半導体装置

Claims (6)

  1. 平面視において、上面、第１の辺及び前記第１の辺に直交する第２の辺を有し、複数のトランジスタ部及び複数のダイオード部が交互に配置され、前記複数のトランジスタ部及び前記複数のダイオード部の上面側に上面電極が設けられた半導体チップと、
    前記ダイオード部の上方において、接合部材を介して前記上面電極に金属学的に接合される矩形の平板部を有する配線部材と、を備え、
    前記複数のトランジスタ部は、それぞれ、平面視において前記第１の辺に平行に延伸するストライプ状のパターンを有し、前記半導体チップの上面に垂直な方向に主電流通路を構成し、
    前記複数のダイオード部は、それぞれ、平面視において前記第１の辺に平行に延伸するストライプ状のパターンを有し、前記半導体チップの上面に垂直な方向に環流電流通路を構成し、
    更に、前記配線部材が前記平板部の端部から前記上面電極の反対方向に立ち上がる導電部を有し、前記平板部の端部が前記第１の辺に平行に配置されている逆導通型半導体装置。
  2. 前記半導体チップは平面視において矩形であり、前記第１の辺が前記第２の辺より長い請求項１に記載の逆導通型半導体装置。
  3. 前記複数のダイオード部の環流電流通路は、前記複数のトランジスタ部の主電流通路の一部を挟んで、互いに平行に延伸することを特徴とする請求項１に記載の逆導通型半導体装置。
  4. 前記導電部が、外部回路に電気的に接続され得る請求項１〜３のいずれか１項に記載の逆導通型半導体装置。
  5. 前記複数のダイオード部の全領域が、平面視において、前記平板部で覆われる請求項１〜４のいずれか１項に記載の逆導通型半導体装置。
  6. 平面視において、前記平板部で覆われた前記ダイオード部の面積が、前記平板部の面積に対して２０％以上、６０％以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載の逆導通型半導体装置。
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