JP2024053145A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁耐圧を向上させた半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、導電性を有するベース板と、前記ベース板上の絶縁基板と、半導体チップと、ケースと、第１および第２絶縁部材と、を備える。前記絶縁基板は、絶縁基材と、裏面側金属層と、複数の表面側金属層と、を含む。前記裏面側金属層は、前記ベース板と前記絶縁基材との間に設けられ、前記絶縁基材は、前記裏面金属層と前記複数の表面側金属層との間に設けられる。前記半導体チップは、前記絶縁基板の前記複数の表面側金属層のうちの１つの上に設けられる。前記ケースは、前記ベース板上において前記絶縁基板と前記半導体チップとを囲む。前記第１絶縁部材は、前記ベース板と前記ケースとに囲まれたスペース内に充填され、前記絶縁基板および前記半導体チップは、前記第１絶縁部材中に浸漬される。前記第２絶縁部材は、前記絶縁基板の前記絶縁基材の端部と前記第１絶縁部材との間に設けられる。
【選択図】図１

Description

実施形態は、半導体装置に関する。

半導体装置には、高い絶縁耐圧を有することが求められる。

特開２０１３－１５７５９８号公報

実施形態は、絶縁耐圧を向上させた半導体装置を提供する。

実施形態に係る半導体装置は、導電性を有するベース板と、絶縁基板と、半導体チップと、ケースと、第１絶縁部材と、第２絶縁部材と、を備える。前記絶縁基板は、前記ベース板上に、第１接続部材を介して配置され、絶縁基材と、裏面側金属層と、複数の表面側金属層と、を含む。前記裏面側金属層は、前記ベース板と前記絶縁基材との間に設けられ、前記絶縁基材は、前記裏面金属層と前記複数の表面側金属層との間に設けられる。前記第１接続部材は、前記ベース板と前記裏面側金属層との間に設けられる。前記半導体チップは、前記絶縁基板の前記複数の表面側金属層のうちの１つの表面側金属層上に、第２接続部材を介して設けられる。前記ケースは、前記ベース板上に設けられ、前記絶縁基板と前記半導体チップとを囲む。前記第１絶縁部材は、前記ベース板と前記ケースとに囲まれたスペース内に充填され、前記絶縁基板および前記半導体チップは、前記第１絶縁部材中に浸漬される。前記第２絶縁部材は、前記絶縁基板の前記絶縁基材の端部と前記第１絶縁部材との間に設けられ、前記第１絶縁部材の材料よりも絶縁耐圧が高い材料を含む。

実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。 実施形態に係る半導体装置を示す模式平面図である。 実施形態に係る半導体装置を模式的に示す部分断面図である。 実施形態の変形例に係る半導体装置を模式的に示す部分断面図である。 実施形態の別の変形例に係る半導体装置を模式的に示す部分断面図である。 実施形態の別の変形例に係る半導体装置を示す模式平面図である。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。

図１は、実施形態に係る半導体装置１を示す模式断面図である。半導体装置１は、例えば、電力制御用の半導体モジュールである。

半導体装置１は、ベース板１０と、絶縁基板２０と、半導体チップ３０と、を備える。ベース板１０は、導電性を有する。絶縁基板２０は、ベース板１０上に載置され、半導体チップ３０は、絶縁基板２０上に実装される。半導体チップ３０は、例えば、ＭＯＳトランジスタである。絶縁基板２０は、第１接続部材ＣＭ１を介して、ベース板１０に接続される。第１接続部材ＣＭ１は、例えば、はんだ材である。

絶縁基板２０は、絶縁基材２１と、裏面側金属層２３と、複数の表面側金属層２５と、を含む。絶縁基材２１は、例えば、酸化アルミニウムなどのセラミックスである。裏面側金属層２３は、絶縁基材２１の裏面上に設けられる。裏面側金属層２３は、ベース板１０と絶縁基材２１との間に設けられる。裏面側金属層２３は、例えば、金（Ａｕ）もしくは銅（Ｃｕ）を含む。第１接続部材ＣＭ１は、ベース板１０と裏面側金属層２３とを接続する。

表面側金属層２５は、絶縁基材２１の裏面とは反対側の表面上に設けられる。絶縁基材２１は、裏面側金属層２３と表面側金属層２５との間に位置する。表面側金属層２５は、例えば、ＡｕもしくはＣｕを含む。半導体チップ３０は、複数の表面側金属層２５のうちの１つの表面側金属層２５上にマウントされる。

半導体チップ３０は、裏面側電極３１と、表面側電極３３と、を有する。裏面側電極３１は、第２接続部材ＣＭ２を介して、絶縁基板２０の表面側金属層２５に接続される。裏面側電極３１は、例えば、ＭＯＳトランジスタのドレイン電極である。第２接続部材ＣＭ２は、例えば、はんだ材もしくは銀ペースト等である。第２接続部材ＣＭ２は、導電性を有し、裏面側電極３１は、第２接続部材ＣＭ２を介して、絶縁基板２０の表面側金属層２５に電気的に接続される。

半導体チップ３０の表面側電極３３は、例えば、ＭＯＳトランジスタのソース電極である。表面側電極３３は、半導体チップ３０の表面側に設けられ、例えば、金属ワイヤＭＷ１を介して、別の表面側金属層２５に電気的に接続される。また、半導体チップ３０がマウントされた表面側金属層２５は、金属ワイヤＭＷ２を介して、他の表面側金属層２５に電気的に接続される。

図１に示すように、半導体装置１は、ケース４０と、第１絶縁部材５０と、第２絶縁部材６０と、蓋７０と、をさらに備える。ケース４０は、ベース板１０上に設けられ、絶縁基板２０および半導体チップ３０を囲む。

第１絶縁部材５０は、ベース板１０とケース４０とに囲まれたスペースに充填される。第１絶縁部材５０は、例えば、シリコーンゲルである。絶縁基板２０および半導体チップ３０は、第１絶縁部材５０に浸漬される。蓋７０は、ベース板１０とケース４０とに囲まれたスペース内に、絶縁基板２０、半導体チップ３０および第１絶縁部材５０を封じる。

第２絶縁部材６０は、絶縁基板２０の絶縁基材２１の端部と第１絶縁部材５０との間に設けられる。第２絶縁部材６０は、第１絶縁部材５０の絶縁耐圧よりも高い絶縁耐圧を有する絶縁材料を含む。第２絶縁部材６０は、例えば、エポキシ樹脂もしくはポリイミドを含む。

なお、実施形態は上記の例に限定される訳ではない。例えば、絶縁基板２０上に複数の半導体チップ３０がマウントされても良いし、複数の絶縁基板２０をベース板１０上に配置する構成であってもよい。また、図１では、半導体チップ３０を外部回路に接続するために設けられる接続端子の図示を省略している。以下の実施例でも同様である。

図２は、実施形態に係る半導体装置１を示す模式平面図である。図２は、絶縁基板２０の表面側のレイアウトを示している。

絶縁基板２０は、表面側金属層２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄを含む。表面側金属層２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄは、相互に離間する。半導体チップ３０は、表面側金属層２５ａ上にマウントされる。絶縁基材２１は、Ｘ－Ｙ平面に平行な平面視において、例えば、四角形の形状を有する。

図２に示すように、半導体チップ３０は、制御電極３５をさらに有する。表面側電極３３および制御電極３５は、半導体チップ３０の表面側に並び、相互に離間する。表面側電極３３は、例えば、複数の金属ワイヤＭＷ１を介して、表面側金属層２５ｂに電気的に接続される。制御電極３５は、例えば、金属ワイヤＭＷ３を介して、表面側金属層２５ｄに電気的に接続される。

表面側金属層２５ａは、例えば、複数の金属ワイヤＭＷ２を介して、表面側金属層２５ｃに電気的に接続される。これにより、半導体チップ３０の裏面側電極３１は、表面側金属層２５ｃに電気的に接続される（図１参照）。

第２絶縁部材６０は、例えば、絶縁基板２０の絶縁基材２１の外縁に沿って、複数の表面側金属層２５を囲むように設けられる。なお、以下の説明では、複数の表面側金属層２５をそれぞれの符号により説明する場合と、表面側金属層２５として包括的に説明する場合がある。他の構成要素についても同様である。

図３は、実施形態に係る半導体装置１を模式的に示す部分断面図である。図３は、絶縁基板２０の端の構造を表している。ここでは第１絶縁部材５０の図示を省略している。

この例では、第２絶縁部材６０は、絶縁基材２１の端部２１ｅｐの表面側に設けられる。第１絶縁部材６０は、絶縁基材２１の表面および表面側金属層２５ｂの側面２５ｓに接するように設けられる。絶縁基材２１の端部２１ｅｐの表面側、表面側金属層２５ｂおよび空気もしくは絶縁ガスが接する点または線を三重点ＴＰと定義する。第２絶縁部材６０は、三重点ＴＰを覆うように設けられる。これにより、三重点ＴＰを起点として絶縁基材２１の表面に沿った沿面リーク経路ＳＬＰを介して、ベース板１０と絶縁基材２１との間に生じる放電を抑制できる。すなわち、半導体装置１の絶縁耐圧を向上させることができる。言い換えれば、第２絶縁部材６０を介在させることにより、第１絶縁部材５０が三重点に接する構造に比べて、絶縁耐圧を向上させることができる。

図４（ａ）および（ｂ）は、実施形態の変形例に係る半導体装置２および半導体装置３を模式的に示す部分断面図である。図４（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、絶縁基板２０の端の構造を表している。ここでは第１絶縁部材５０の図示を省略している。

図４（ａ）に示す半導体装置２では、第２絶縁部材６０は、絶縁基材２１の端部２１ｅｐを覆うように設けられる。第２絶縁部材６０は、絶縁基材２１の表面上に設けられる第１部分６０ａと、ベース板１０と絶縁基材２１の端部２１ｅｐとの間のスペースを充填した第２部分６０ｂとを含む。このように、第２部分６０ｂを設けることにより、ベース板１０と絶縁基材２１との間に生じる放電をさらに抑制し、絶縁耐圧をより向上させることができる。

図４（ｂ）に示す半導体装置３では、第２絶縁部材６０は、絶縁基材２１の端面２１ｅｓに接する第１部分６０ａと、ベース板１０と絶縁基材２１の端部２１ｅｐとの間のスペースを充填した第２部分６０ｂとを含む。第２部分６０ｂを設けることにより、ベース板１０と絶縁基材２１との間に生じる放電を抑制し、絶縁耐圧を向上させることができる。

この例では、第２絶縁部材６０は、絶縁基材２１の表面側には設けられない。このため、第２絶縁部材６０の形成過程において、表面側金属層２５のボンディング面が第２絶縁部材６０の成分により汚染されることがない。したがって、表面側金属層２５の表面の汚染により、表面側金属層２５ｂ上に接続される金属ワイヤＭＷ１のボンディング強度が低下することを回避できる。

図５（ａ）および（ｂ）は、実施形態の別の変形例に係る半導体装置４および半導体装置５を模式的に示す部分断面図である。図５（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、絶縁基板２０の端の構造を表している。半導体装置４および半導体装置５は、第３絶縁部材８０をさらに備える。ここでは第１絶縁部材５０の図示を省略している。

図５（ａ）に示す半導体装置４では、第２絶縁部材６０は、絶縁基材２１の表面側に設けられる。第２絶縁部材６０は、絶縁基材２１の端部２１ｅｐおよび表面側金属層２５ｂの側面２５ｓに接し、三重点ＴＰを覆うように設けられる。

第３絶縁部材８０は、表面側金属層２５ｂの金属ワイヤＭＷ１がボンディングされる表面の外縁上に設けられる。第３絶縁部材８０には、所謂、ソルダーレジストを用いる。第３絶縁部材８０は、例えば、フォトリソグラフィを用いて、絶縁基板２０の表面側の所望の位置に設けることができる。

第３絶縁部材８０は、例えば、表面側金属層２５ｂの金属ワイヤＭＷ１がボンディングされる領域と第２絶縁部材６０との間に設けられる。第２絶縁部材６０は、例えば、第３絶縁部材８０に接する。さらに、第３絶縁部材８０は、絶縁基材２１の表面に垂直な方向、例えば、Ｚ方向において、絶縁基材２１の表面から第３絶縁部材８０の頂点までの距離が、第２絶縁部材６０の同方向の厚さよりも長くなるように設けられる。すなわち、第３絶縁部材８０は、表面側金属層２５ｂの表面の金属ワイヤＭＷ１をボンディングする領域に第２絶縁部材６０が広がることを防ぐ。第３絶縁部材８０は、例えば、第２絶縁部材６０の材料に対して、非親和性を有する材料を含んでも良い。

図５（ｂ）に示す半導体装置５では、第３絶縁部材８０は、表面側金属層２５ｂの外縁上に設けられ、且つ、表面金属層２５ｂの側面２５ｓを覆うように設けられる。すなわち、第３絶縁部材８０は、表面側金属層２５ｂと第２絶縁部材６０との間に延在し、三重点ＴＰを覆う部分を有するように設けられても良い。

図６（ａ）および（ｂ）は、実施形態の別の変形例に係る半導体装置６および半導体装置７を示す模式平面図である。図６（ａ）および（ｂ）は、絶縁基板２０の表面側のレイアウトを示している。

図６（ａ）に示す半導体装置６では、第３絶縁部材８０は、各表面側金属層２５の金属ワイヤＭＷがボンディングされる領域もしくは半導体チップ３０がマウントされる領域と、第２絶縁部材６０と、の間に延在するように設けられる。

第２絶縁部材６０は、絶縁基材２１の端部２１ｅｐ（図５（ａ）参照）から隣り合う表面側金属層２５の間に延在するように設けられる。このため、第３絶縁部材８０も各表面側金属層２５の外縁に沿って、絶縁基材２１の端部２１ｅｐから第２絶縁部材６０により囲まれた領域の内側へ向かう方向に延在する。第３絶縁部材８０の第２絶縁部材６０に囲まれた領域の内側へ延在する部分の長さは、第２絶縁部材６０が隣り合う表面側金属層２５の間に延びる延伸長よりも長い。

図６（ｂ）に示す半導体装置７では、第３絶縁部材８０は、表面側金属層２５ａ～表面側金属層２５ｄのそれぞれの外縁に沿って、金属ワイヤＭＷ１～金属ワイヤＭＷ３がボンディングされる領域もしくは半導体チップ３０がマウントされる領域を囲むように設けられる。

なお、図６（ａ）および（ｂ）中に示す第３絶縁部材８０は、それぞれ、図５（ａ）および（ｂ）のいずれかに示す断面形状を有するように設けられる。このような第３絶縁部材８０を設けることにより、第２絶縁部材６０を形成する過程における各表面側金属層２５の表面汚染を防ぎ、半導体チップ３０および金属ワイヤＭＷ１～金属ワイヤＭＷ３のボンディング強度を向上させることができる。また、絶縁基材２１の端部２１ｅｐ上に塗布される樹脂の量を増やし、第２絶縁部材６０のＺ方向の厚さをより厚くすることが可能となる。これにより、各半導体装置の絶縁耐圧を向上させることができる。

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とその均等の範囲に含まれる。

１、２、３、４、５、６、７…半導体装置、 １０…ベース板、 ２０…絶縁基板、 ２１…絶縁基材、 ２１ｅｐ…端部、 ２１ｅｓ…端面、 ２３…裏面側金属層、 ２５、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ…表面側金属層、 ２５ｓ…側面、 ３０…半導体チップ、 ３１…裏面側電極、 ３３…表面側電極、 ３５…制御電極、 ４０…ケース、 ５０…第１絶縁部材、 ６０…第２絶縁部材、 ６０ａ…第１部分、 ６０ｂ…第２部分、 ７０…蓋、 ８０…第３絶縁部材、 ＣＭ１…第１接続部材、 ＣＭ２…第２接続部材、 ＭＷ１、ＭＷ２、ＭＷ３…金属ワイヤ、 ＴＰ…三重点

Claims (6)

1. 導電性を有するベース板と、
   前記ベース板上に、第１接続部材を介して配置され、絶縁基材と、裏面側金属層と、複数の表面側金属層と、を含む絶縁基板であって、前記裏面側金属層は、前記ベース板と前記絶縁基材との間に設けられ、前記絶縁基材は、前記裏面金属層と前記複数の表面側金属層との間に設けられ、前記第１接続部材は、前記ベース板と前記裏面側金属層との間に設けられる絶縁基板と、
   前記絶縁基板の前記複数の表面側金属層のうちの１つの上に、第２接続部材を介して設けられる半導体チップと、
   前記ベース板上に設けられ、前記絶縁基板と前記半導体チップとを囲むケースと、
   前記ベース板と前記ケースとに囲まれたスペース内に充填される第１絶縁部材であって、前記絶縁基板および前記半導体チップは、前記第１絶縁部材中に浸漬される、第１絶縁部材と、
   前記絶縁基板の前記絶縁基材の端部と前記第１絶縁部材との間に設けられ、前記第１絶縁部材の材料よりも絶縁耐圧が高い材料を含む第２絶縁部材と、
   を備えた半導体装置。
2. 前記第２絶縁部材は、前記絶縁基材の前記複数の表面側電極が設けられた表面上に設けられ、前記複数の表面側電極のそれぞれの前記絶縁基材の前記端部側に位置する側面と前記絶縁基材との接辺を覆う請求項１記載の半導体装置。
3. 前記絶縁基板の前記複数の表面側電極のそれぞれの前記絶縁基材の前記端部側の外縁に沿って設けられる第３絶縁部材をさらに備え、
   前記第２絶縁部材は、前記複数の表面側電極のそれぞれの前記側面および前記第３絶縁部材に接する請求項２記載の半導体装置。
4. 前記絶縁基板の前記複数の表面側電極のそれぞれにおいて、前記絶縁基材の前記端部側の外縁に沿って設けられ、前記複数の表面電極のそれぞれの前記側面を覆う第３絶縁部材をさらに備え、
   前記第３絶縁部材は、前記複数の表面側電極のそれぞれと前記第２絶縁部材との間に位置する部分を含む請求項２記載の半導体装置。
5. 前記第３絶縁部材は、前記絶縁基板の前記複数の表面側電極のそれぞれの外縁に沿って設けられ、
   前記複数の表面側電極の金属表面を露出させたボンディング面を囲む請求項３または４に記載の半導体装置。
6. 前記絶縁基板は、前記絶縁基材の前記端部と前記ベース板との間にスペースを有するように設けられ、
   前記第２絶縁部材は、前記絶縁基材の前記端部と前記ベース板との間の前記スペース中に延在する部分を有する請求項１または２に記載の半導体装置。

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