JP2022143295A - 半導体装置 - Google Patents

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JP2022143295A
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electrode
conductive plate
semiconductor device
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雅之 内田
Masayuki Uchida
哲也 山本
Tetsuya Yamamoto
利英 高橋
Toshihide Takahashi
克哉 佐藤
Katsuya Sato
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

【課題】信頼性が高い半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、第1電極を有する第1チップと、前記第1チップから離隔した配線部材と、第2電極を有し、前記第1チップと前記配線部材との間に配置された第2チップと、前記第1電極上に配置され、前記第1チップから前記第2チップに向かう第1方向と交差する第2方向の最大寸法が、前記第1チップの前記第2方向の最大寸法よりも大きく、前記第1電極に電気的に接続された第1導電板と、前記第2電極上に配置され、前記第2方向の最大寸法が、前記第2チップの前記第2方向の最大寸法よりも大きく、前記第2電極に電気的に接続された第2導電板と、前記第1導電板において前記第1チップよりも前記第2方向に突出した部分、前記第2導電板において前記第2チップよりも前記第2方向に突出した部分、及び前記配線部材に接合された第1ワイヤと、を備える。【選択図】図2

Description

実施形態は、半導体装置に関する。
従来から、複数のチップをボンディングワイヤで電気的に接続した半導体装置が知られている。
特開2015-5583号公報
実施形態は、信頼性が高い半導体装置を提供することを目的とする。
実施形態に係る半導体装置は、第1電極を有する第1チップと、前記第1チップから離隔した配線部材と、第2電極を有し、前記第1チップと前記配線部材との間に配置された第2チップと、前記第1電極上に配置され、前記第1チップから前記第2チップに向かう第1方向と交差する第2方向の最大寸法が、前記第1チップの前記第2方向の最大寸法よりも大きく、前記第1電極に電気的に接続された第1導電板と、前記第2電極上に配置され、前記第2方向の最大寸法が、前記第2チップの前記第2方向の最大寸法よりも大きく、前記第2電極に電気的に接続された第2導電板と、前記第1導電板において前記第1チップよりも前記第2方向に突出した部分、前記第2導電板において前記第2チップよりも前記第2方向に突出した部分、及び前記配線部材に接合された第1ワイヤと、を備える。
実施形態に係る半導体装置を示す上面図である。 図1の破線Aで囲まれた領域を拡大した上面図である。 図2のB-B’線における断面図である。 図1の破線Aで囲まれた領域を拡大し、かつ、図1における導電板及びワイヤを省略した上面図である。 図1の破線Aで囲まれた領域を拡大し、かつ、図1におけるワイヤを省略した上面図である。 参考例における半導体装置の一部を拡大して示す上面図である。
図1は、本実施形態に係る半導体装置を示す上面図である。
図2は、図1の破線Aで囲まれた領域を拡大した上面図である。
図3は、図2のB-B’線における断面図である。
本実施形態に係る半導体装置100は、パワー半導体装置である。半導体装置100は、例えば、自動車や列車等の車両に搭載され、車両に搭載されたモータのスイッチング制御に用いられる。このような半導体装置100は、大電流を出力することが要求される。ただし、半導体装置の適用対象は、上記に特に限定されない。
半導体装置100は、図1に示すように、基板110と、基板110上に配置されたドレイン接続用のリードフレーム121と、基板110上に配置された複数のゲート接続用のリードフレーム122と、基板110上に配置された複数のソース接続用のリードフレーム123(配線部材)と、を備える。半導体装置100は、図2及び図3に示すように、ドレイン接続用のリードフレーム121上に配置された複数のチップ130と、複数のチップ130のそれぞれの上に配置された複数の導電板140と、複数のワイヤ151、152、153、154と、を更に備える。
以下、半導体装置100の各部について詳述する。以下では、説明をわかりやすくするために、XYZ直交座標系を用いる。基板110からチップ130に向かう方向を「Z方向」とする。また、Z方向を「上方向」とし、Z方向の逆方向を「下方向」とするが、これらの方向は重力方向とは無関係である。また、Z方向と直交する方向を「X方向」とする。また、Z方向及びX方向と直交する方向を「Y方向」とする。
基板110は、例えば絶縁材料からなる。基板110の形状は、平板状である。基板110の上面視における形状は、X方向を長手方向とし、角部を丸めた矩形状である。ただし、基板110の形状は、上記に限定されない。基板110の表面は、図3に示すように、X方向及びY方向に概ね平行な上面110a及び下面110bを有する。
基板110の上面110aには、ドレイン接続用のリードフレーム121、ゲート接続用のリードフレーム122、及びソース接続用のリードフレーム123が配置されている。基板110の下には、金属板等の放熱部材を配置してもよい。
各リードフレーム121、122、123は、銅(Cu)等の金属材料からなる。各リードフレーム121、122、123の形状は、平板状である。
ドレイン接続用のリードフレーム121は、図1に示すように、複数の支持部121aと、複数の接続部121bと、を有する。
各支持部121aの上には、本実施形態では10個のチップ130が配置されている。各支持部121a上において、10個のチップ130は、X方向に2列、Y方向に5行の行列をなすように配置されている。ただし、各支持部上に配置されるチップの数は、2以上である限り上記の数に限定されない。また、各支持部上におけるチップの配置は、上記に限定されない。
本実施形態では、半導体装置100に設けられた支持部121aの数は、8つである。8つの支持部121aは、Y方向に2つの支持部121aが隣り合い、X方向に4つの支持部121aが並ぶように配置されている。
本実施形態では、半導体装置100に設けられた接続部121bの数は、4つである。4つの接続部121bのうちの一つは、最も-X側かつ最も+Y側に位置する支持部121aと、最も+X側かつ最も+Y側に位置する支持部121aを接続している。4つの接続部121bのうちの他の一つは、最も-X側かつ最も-Y側に位置する支持部121aと、最も+X側かつ最も-Y側に位置する支持部121aを接続している。4つの接続部121bのうちの他の一つは、最も-X側かつ最も+Y側に位置する支持部121aと、最も-X側かつ最も-Y側に位置する支持部121aを接続している。4つの接続部121bのうちの他の一つは、最も+X側かつ最も+Y側に位置する支持部121aと、最も+X側かつ最も-Y側に位置する支持部121aを接続している。ただし、支持部の数及び配置は、上記に限定されない。
半導体装置100は、本実施形態では、ドレイン接続用のリードフレーム121の8つの支持部121aに対応して、8つのゲート接続用のリードフレーム122を備える。各ゲート接続用のリードフレーム122は、対応する支持部121aとX方向において隣り合うように配置されている。具体的には、各ゲート接続用のリードフレーム122は、X方向において対応する支持部121aよりも内側に配置されている。各ゲート接続用のリードフレーム122は、Y方向に延びている。ただし、ゲート接続用のリードフレームの形状及び位置は、上記に限定されない。
同様に、半導体装置100は、本実施形態では、ドレイン接続用のリードフレーム121の8つの支持部121aに対応して、8つのソース接続用のリードフレーム123を備える。各ソース接続用のリードフレーム123は、対応する支持部121aとの間に、ゲート接続用のリードフレーム122を挟み込むように配置されている。具体的には、各ソース接続用のリードフレーム123は、X方向において対応するドレイン接続用のリードフレーム121及びゲート接続用のリードフレーム122よりも内側に配置されている。
最も-X側かつ最も+Y側に位置するソース接続用のリードフレーム123は、その+X側に位置する支持部121aに連なっている。最も+X側かつ最も+Y側に位置するソース接続用のリードフレーム123は、その-X側に位置する支持部121aに連なっている。最も-X側かつ最も-Y側に位置するソース接続用のリードフレーム123は、その+X側に位置する支持部121aに連なっている。最も+X側かつ最も-Y側に位置するソース接続用のリードフレーム123は、その-X側に位置する支持部121aに連なっている。他のソース接続用のリードフレーム123は、それぞれ、支持部121aに連なっておらず、Y方向に延びている。ただし、ソース接続用のリードフレームの形状及び位置は、上記に限定されない。
ゲート接続用のリードフレーム122は、ドレイン接続用のリードフレーム121及びソース接続用のリードフレーム123に対して離隔している。
図4は、図1の破線Aで囲まれた領域を拡大し、かつ、図1における導電板及びワイヤを省略した上面図である。
各チップ130は、本実施形態では、MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)である。各チップ130の形状は、概ね平板状である。各チップ130の上面視における形状は、矩形である。ただし、各チップの形状は、上記に限定されない。
各チップ130の表面は、図3に示すように、ドレイン接続用のリードフレーム121と対向する下面130aと、下面130aの反対側に位置する上面130bと、を有する。下面130aには、ドレイン電極131が設けられている。ドレイン電極131は、ドレイン接続用のリードフレーム121に電気的に接続されている。上面130bには、図4に示すように、ゲート電極132及びソース電極133が設けられている。
ドレイン電極131、ゲート電極132、及びソース電極133のそれぞれは、本実施形態ではアルミニウム(Al)を主材として含む。ドレイン電極、ゲート電極132、及びソース電極133のそれぞれは、純度が95%以上100以下のアルミニウム(Al)からなる。ただし、ドレイン電極、ゲート電極、及びソース電極のそれぞれを構成する材料は、金属等の導電性材料である限り、上記に限定されない。
上面視におけるゲート電極132の形状は、略矩形である。ゲート電極132は、上面130bのX方向における端部であって、Y方向における中央部に配置されている。ただし、ゲート電極の形状及び位置は、上記に限定されない。
上面視においてソース電極133は、略矩形の第1領域133aと、第1領域133aからX方向に突出し、Y方向に相互に離隔した一対の第2領域133bと、を有する。一対の第2領域133bの間にゲート電極132が配置されている。各チップ130において、ゲート電極132とソース電極133との間は、電気的に絶縁されている。
図5は、図1の破線Aで囲まれた領域を拡大し、かつ、図1におけるワイヤを省略した上面図である。
各チップ130のソース電極133上には、導電板140が配置されている。導電板140は、例えば銅(Cu)等の金属材料からなる。導電板140の形状は、概ね平板状である。
導電板140は、ゲート電極132を露出しており、ゲート電極132に対して電気的に絶縁されている。具体的には、導電板140の側面には、ゲート電極132を露出するようにX方向に凹んだ凹み141が形成されている。ただし、導電板の形状は、上記に限定されない。例えば、導電板の上面視における形状は、矩形であり、導電板は、X方向においてゲート電極から離隔していてもよい。
導電板140のY方向の最大寸法L1は、チップ130のY方向の最大寸法L2よりも大きい。そのため、導電板140のY方向の両端部は、チップ130から突出している。ただし、導電板のY方向の一端部がチップから突出し、Y方向の他端部はチップから突出していなくてもよい。また、導電板140のX方向の最大寸法L3は、チップ130のX方向の最大寸法L4よりも小さい。ただし、導電板のX方向の最大寸法とチップのX方向の最大寸法との大小関係は、上記に限定されない。
図3に示すように、導電板140は、金属層160及び接合部材170を介して、チップ130のソース電極133に電気的に接続されている。具体的には、ソース電極133の上には、金(Au)を含む金属層160が設けられている。そして、金属層160と導電板150とが、半田又は焼結材等から成る接合部材170により、接合されている。前述したように、ソース電極133は、アルミニウム(Al)を主材としているため、半田又は焼結材等により、導電板150を直接ソース電極133に接合することは難しい。これに対して、本実施形態では、金(Au)を含む金属層160でソース電極133を被覆することで、金属層160を介して導電板150をソース電極133に接合できる。ただし、導電板とソース電極との接続構造は、上記に限定されない。
図2に示すように、X方向に隣り合うチップ130は、並列に接続される。以下、X方向に隣り合うチップ130のうち、ソース接続用のリードフレーム123から遠い方のチップ130を「第1チップ130A」という。また、X方向に隣り合うチップ130のうち、ソース接続用のリードフレーム123に近い方のチップ130を「第2チップ130B」という。換言すれば、第2チップ130Bは、ソース接続用のリードフレーム123と第1チップ130Aとの間に位置するチップ130である。また、第1チップ130A上の導電板140を「第1導電板140A」といい、第2チップ130B上の導電板140を「第2導電板140B」という。
第1チップ130A及び第2チップ130Bのゲート電極132は、ゲート接続用のリードフレーム122と、ワイヤ151(第2ワイヤ)を介して電気的に接続されている。具体的には、ワイヤ151の一端部は、第1チップ130Aのゲート電極132にワイヤーボンディングにより接合されている。また、ワイヤ151の他端部は、ゲート接続用のリードフレーム122にワイヤーボンディングにより接合されている。また、ワイヤ151の中間部は、第2チップ130Bのゲート電極132にワイヤーボンディングにより接合されている。なお、図2では、説明をわかりやすくするために、各ワイヤ151~154のチップ130への接合部を黒く塗りつぶした円で示している。
また、第1チップ130A及び第2チップ130Bのソース電極133は、ソース接続用のリードフレーム122と、2本のワイヤ152(第1ワイヤ)を介して電気的に接続されている。具体的には、各ワイヤ152の一端部は、第1導電板140Aにおいて第1チップ130AからY方向に突出した部分に、ワイヤーボンディングにより接合されている。また、各ワイヤ152の他端部は、ソース接続用のリードフレーム123にワイヤーボンディングにより接合されている。また、各ワイヤ152の中間部は、第2導電板140Bにおいて第2チップ130BからY方向に突出した部分に、ワイヤーボンディングにより接合されている。
2本のワイヤ152のうちの一方は、第1導電板140AのY方向における一端部及び第2導電板140BのY方向における一端部に接続されている。2本のワイヤ152のうちの他方は、第1導電板140AのY方向における他端部及び第2導電板140BのY方向における他端部に接続されている。
また、第1チップ130A及び第2チップ130Bのソース電極133は、ソース接続用のリードフレーム122と、更に2本のワイヤ153(第3ワイヤ)を介して電気的に接続されている。具体的には、各ワイヤ153の一端部は、第1導電板140Aにおいて第1チップ130Aの直上に位置する部分に、ワイヤーボンディングにより接合されている。また、各ワイヤ153の他端部は、ソース接続用のリードフレーム123にワイヤーボンディングにより接合されている。また、各ワイヤ153の中間部は、第2導電板140Bにおいて第2チップ130Bの直上に位置する部分に、ワイヤーボンディングにより接合されている。
また、第2チップ130Bのソース電極133は、ソース接続用のリードフレーム122と、2本のワイヤ154を介して電気的に接続されている。具体的には、各ワイヤ154の一端部は、第2導電板140Bにおいて第2チップ130Bの直上に位置する部分に、ワイヤーボンディングにより接合されている。また、各ワイヤ154の他端部は、ソース接続用のリードフレーム123にワイヤーボンディングにより接合されている。
2本のワイヤ154は、上面視でY方向にワイヤ151を挟み込むように配置されている。また、2本のワイヤ153は、上面視でY方向にワイヤ151、154を挟み込むように配置されている。
ワイヤ152、153、154の第1チップ130Aへの接合部のX方向における位置は、相互に異なる。同様に、ワイヤ152、153、154の第2チップ130Bへの接合部のX方向における位置は、相互に異なる。ただし、ワイヤ152、153、154の第1チップ130Aへの接合部の位置は同じであってもよいし、ワイヤ152、153、154の第2チップ130Bへの接合部のX方向における位置は、同じであってもよい。また、図1及び図2では、上面視においてワイヤ153とワイヤ154が重ならない状態を示しているが、上面視においてワイヤ153とワイヤ154が部分的に重なっていてもよい。
このように、複数のワイヤ152、153により、X方向に隣り合うチップ130が並列に接続される。これにより、半導体装置100が出力可能な電流量を増加させることができる。なお、X方向に隣り合うチップ130とソース接続用のリードフレーム123との電気的な接続に用いられるワイヤの数は、6本に限定されない。また、ワイヤは、3以上のチップと、ソース接続用のリードフレームと、並列に接続してもよい。また、各導電板においてチップから突出した部分には、2本以上のワイヤが接合されていてもよい。
図6は、参考例における半導体装置の一部を拡大して示す上面図である。
参考例における半導体装置100Aは、導電板140が設けられていない点で本実施形態における半導体装置100と相違する。導電板140が設けられていない場合、チップ130のソース電極133に接合できるワイヤの数は、ソース電極133の面積に依存する。
特に、第2チップ130Bのソース電極133に接合できるワイヤの数は、第1チップ130Aのソース電極133に接合できるワイヤの数よりも少ない場合がある。具体的には、第1チップ130Aのソース電極133には、ワイヤ153とX方向に延びる同一直線上に、ワイヤ152Aの一端部を接合できたとしても、第2チップ130Bのソース電極133には、ワイヤ153、154が接合されているため、ワイヤ152Aの中間部を接合する場所がない場合がある。このような場合、ワイヤ152Aは、第1チップ130Aのソース電極133及びソース接続用のリードフレーム123に接合され、第2チップ130Bのソース電極133には接合されない。
そのため、参考例における半導体装置100Aのような形態では、ワイヤ152Aの接合部間の長さは、本実施形態におけるワイヤ152の接合部間の長さよりも長くなる。ワイヤ152Aの接合部間の長さが長くなるほど、温度変化が生じた際の変形量が大きくなる。変形量が大きいほど、ワイヤ152Aの接合部に作用する応力が大きくなるため、接合部が破断し易くなる。
これに対して、本実施形態に係る半導体装置100においては、図2に示すように、各チップ130の上には、導電板140が設けられている。そして、ワイヤ152の中間部は、ソース接続用のリードフレーム123に近い方のチップ130のソース電極133の上の導電板140に接合されている。そのため、ワイヤ152の接合部間の長さが長くなることを抑制できる。これにより、ワイヤ152の接合部が破断することを抑制できる。その結果、信頼性が高い半導体装置100を提供できる。
次に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態に係る半導体装置100においては、第1チップ130A上に第1導電板140Aが配置されており、第2チップ130B上に第2導電板140Bが配置されている。そして、第1導電板140Aの、第1チップ130Aから第2チップ130Bに向かう第1方向(X方向)と交差する第2方向(Y方向)の最大寸法L1は、第1チップ130AのY方向の最大寸法L2よりも大きい。同様に、第2導電板140BのY方向の最大寸法L1は、第2チップのY方向の最大寸法L2よりも大きい。そして、ワイヤ152は、第1導電板140Aにおいて第1チップ130AよりもY方向に突出した部分、第2導電板140Bにおいて第2チップ130BよりもY方向に突出した部分、及びソース接続用のリードフレーム123に接合されている。そのため、ワイヤ152の長さが長くなることを抑制できる。これにより、ワイヤ152の温度変化による変形量が大きくなることを抑制できる。その結果、温度変化によりワイヤ152の接合部が破断することを抑制できる。以上により、信頼性が高い半導体装置100を提供できる。
また、各導電板140は、各チップ130のゲート電極132を露出している。そのため、第1チップ130Aのゲート電極132と、第2チップ130Bのゲート電極132を、ワイヤ151で電気的に接続できる。
また、半導体装置100は、第1導電板140Aにおいて第1チップ130Aの直上に位置する部分、第2導電板140Bにおいて第2チップ130Bの直上に位置する部分、及びソース接続用のリードフレーム123に接合されたワイヤ153を更に備える。そのため、半導体装置100が出力可能な電流量を増加させることができる。
また、第1導電板140AのX方向の最大寸法L3は、第1チップ130AのX方向の最大寸法L4よりも小さく、第2導電板140BのX方向の最大寸法L3は、第2チップ130BのX方向の最大寸法L4よりも小さい。そのため、第1導電板140Aと第2導電板140Bとが近接することを抑制できる。
また、ソース電極133は、アルミニウム(Al)を含み、ソース電極133上には、金(Au)を含む金属層160が設けられている。そのため、半田又は焼結材等の接合部材170により、ソース電極133と導電板140とを接合できる。
上記実施形態では、配線部材がリードフレームである例を説明した。ただし、配線部材は、第1チップの第1電極及び第2チップの第2電極に電気的に接続され、半導体装置の配線を構成する部材であればよい。したがって、配線部材は、例えば端子や基板に設けられた配線層であってもよい。
以上、本発明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。これらの新規な実施形態は、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及びその等価物の範囲に含まれる。
100 :半導体装置
110 :基板
110a :上面
110b :下面
121 :ドレイン接続用のリードフレーム
121a :支持部
121b :接続部
122 :ゲート接続用のリードフレーム
123 :ソース接続用のリードフレーム
130 :チップ
130A :第1チップ
130B :第2チップ
130a :下面
130b :上面
131 :ドレイン電極
132 :ゲート電極
133 :ソース電極
133a :第1領域
133b :第2領域
140 :導電板
140A :第1導電板
140B :第2導電板
141 :凹み
150 :導電板
151 :ワイヤ
152 :ワイヤ
153 :ワイヤ
154 :ワイヤ
160 :金属層
170 :接合部材
L1 :導電板のY方向の最大寸法
L2 :チップのY方向の最大寸法
L3 :導電板のX方向の最大寸法
L4 :チップのX方向の最大寸法

Claims (6)

  1. 第1電極を有する第1チップと、
    前記第1チップから離隔した配線部材と、
    第2電極を有し、前記第1チップと前記配線部材との間に配置された第2チップと、
    前記第1電極上に配置され、前記第1チップから前記第2チップに向かう第1方向と交差する第2方向の最大寸法が、前記第1チップの前記第2方向の最大寸法よりも大きく、前記第1電極に電気的に接続された第1導電板と、
    前記第2電極上に配置され、前記第2方向の最大寸法が、前記第2チップの前記第2方向の最大寸法よりも大きく、前記第2電極に電気的に接続された第2導電板と、
    前記第1導電板において前記第1チップよりも前記第2方向に突出した部分、前記第2導電板において前記第2チップよりも前記第2方向に突出した部分、及び前記配線部材に接合された第1ワイヤと、
    を備える半導体装置。
  2. 前記第1チップは、前記第1電極が設けられた面に配置された第3電極を更に有し、
    前記第1導電板は、前記第3電極を露出しており、
    前記第2チップは、前記第2電極が設けられた面に配置された第4電極を更に有し、
    前記第2導電板は、前記第4電極を露出しており、
    前記第3電極に接合され、前記第3電極から前記第4電極に向かって延び、前記第4電極に接合された第2ワイヤを更に備える請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第1チップ及び前記第2チップは、それぞれMOSFETであり、
    前記第1電極は、前記第1チップのソース電極であり、
    前記第3電極は、前記第1チップのゲート電極であり、
    前記第2電極は、前記第2チップのソース電極であり、
    前記第4電極は、前記第2チップのゲート電極である請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記第1導電板において前記第1チップの直上に位置する部分、前記第2導電板において前記第2チップの直上に位置する部分、及び前記配線部材に接合された第3ワイヤを更に備える請求項1~3のいずれか1つに記載の半導体装置。
  5. 前記第1導電板の前記第1方向の最大寸法は、前記第1チップの前記第1方向の最大寸法よりも小さく、
    前記第2導電板の前記第1方向の最大寸法は、前記第2チップの前記第1方向の最大寸法よりも小さい請求項1~4のいずれか1つに記載の半導体装置。
  6. 前記第1電極及び前記第2電極は、それぞれアルミニウムを含み、
    前記第1電極上に配置され、金を含む第1金属層と、
    前記第2電極上に配置され、金を含む第2金属層と、
    前記第1金属層と前記第1導電板との間に位置し、前記第1金属層と前記第1導電板を接合する導電性の第1接合部材と、
    前記第2金属層と前記第1導電板との間に位置し、前記第2金属層と前記第2導電板を接合する導電性の第2接合部材と、
    を更に備える請求項1~5のいずれか1つに記載の半導体装置。
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