JP3410969B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP3410969B2 JP17597198A JP17597198A JP3410969B2 JP 3410969 B2 JP3410969 B2 JP 3410969B2 JP 17597198 A JP17597198 A JP 17597198A JP 17597198 A JP17597198 A JP 17597198A JP 3410969 B2 JP3410969 B2 JP 3410969B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体チップ
と、この半導体チップを制御する制御回路とを同一容器
内に収納して構成される半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のパワー半導体モジュールの構造を
図9に示す。図において、1は金属ベースであり、2,
2はそれぞれ絶縁配線基板である。上記各絶縁配線基板
2は、セラミック基板の表裏両面に例えばCu等の金属
からなる導電体層が形成されたものである。各絶縁配線
基板2は、裏面に形成されている導電体層が半田付けさ
れることにより、金属ベース1上に固着されている。各
絶縁配線基板2の表面に形成されている導電体層上に
は、それぞれ複数個の半導体チップ3が半田付けにより
固着されている。
【0003】上記金属ベース1は樹脂ケース4に固定さ
れており、上記各半導体チップ3上の電極及び上記各絶
縁配線基板2の表面上の導電体層は、樹脂ケース4に設
けられた電極5と、ボンディングワイヤ6を介して相互
に接続されている。さらに樹脂ケース4の電極5は、樹
脂ケース4の内部に埋め込まれたCu等の金属からなる
信号配線7を経由して、樹脂ケース4の上部に設けられ
た外部端子8に導かれている。
【0004】また、樹脂ケース4の内部には、それぞれ
ピン(電極)9が内部に埋め込まれた複数の支柱10が
底部から突出するように設けられている。そして、これ
ら複数の支柱10によって制御用基板11が支持されて
おり、上記ピン9が制御用基板11上の所定の配線パタ
ーンに貫通されかつ半田付けされることによって、制御
用基板11の固定及び電気的接続が図られている。この
制御用基板11上にはIC(集積回路)等の種々の実装
部品が載置され、これらは図示しない配線パターンによ
って相互に結線されて制御回路が構成されており、この
制御回路で上記半導体チップ3を制御するための信号が
発生される。そして、制御用基板11上に構成された制
御回路で発生された信号は、制御用基板11上の図示し
ない配線パターン、ピン9、電極5及びボンディングワ
イヤ6を経由して半導体チップ3上の電極に供給され
る。
【0005】図10は、図9に示した従来のパワー半導
体モジュールの平面図であり、ここでは制御用基板11
は図示を省略している。この例では、各半導体チップ3
は、チップ裏面にコレクタ電極が形成され、チップ表面
上に複数個(本例では4個)のエミッタ電極E及び1個
のゲート電極Gが形成されたIGBT(Insulated Gate
Bipolar Transistor )の場合である。
【0006】図示のように、各半導体チップ3表面上の
ゲート電極Gは、ボンディングワイヤ6によって樹脂ケ
ース4の電極5に接続されており、さらにこの電極5は
ピン9を介して制御用基板11に接続されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところで、図9及び図
10に示した従来のパワー半導体モジュールは、樹脂ケ
ース4の電極5にボンディングワイヤ6を接続して回路
を構成しなければならず、制御用基板11で発生される
制御系の信号を各半導体チップ3に供給する際も、メイ
ンの信号と同様に樹脂ケース4に接続するスペースを必
要とする。このため、複数個の半導体チップを用いる時
は、装置全体が大型化し、それがコストアップにつなが
るという問題があった。
【0008】また、樹脂ケース4との接続の制限から、
半導体チップ3の配置にも制約があり、配線のインダク
タンス成分が大きくなってしまうという問題が発生し、
信頼性の低下につながるという悪影響が生じていた。
【0009】ここで、制御信号系(ゲート制御信号)の
電極を、半導体チップ周辺に設けられた樹脂ケース上に
設けているのは、ワイヤボンディング接続の工程を連続
して行うことができ、ワイヤボンディング工程を一工程
とすることができるためである。
【0010】なお、装置全体の大型化については、図1
0に示すように、ゲート中継用の電極(電極5)とピン
9の分のスペースが必要になるためである。また、イン
ダクタンス成分の増加については、特にエミッタ、コレ
クタ配線の配線長が大きな影響を与える。
【0011】従って、この発明は、半導体チップ上の制
御電極を、樹脂ケース上の電極とは別の、半導体チップ
の上方に設置された制御用基板に形成されている配線パ
ターンと、ボンディングワイヤ等により直接接続するこ
とにより、理想的な半導体チップ配置とし、小型で低イ
ンダクタンス性能を合わせ持つ半導体装置を提供するこ
とを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】この発明の半導体装置
は、金属ベースと、上記金属ベース上に固着された絶縁
配線基板と、上記絶縁配線基板上に固着され、上面に制
御電極を有する少なくとも1個の半導体チップと、上記
半導体チップの上方に設置され、半導体チップを制御す
るための制御回路を構成する複数の部品が搭載され、か
つ複数の配線パターンが形成された制御用基板と、上記
半導体チップの制御電極と上記制御用基板の配線パター
ンとをそれぞれ電気的に接続するボンディングワイヤと
を具備し、上記絶縁配線基板は、互い対向する第1及び
第2表面を有する絶縁基板と、この絶縁基板の第1及び
第2表面のそれぞれに形成された導電体層とからなるこ
を特徴とする。
【0013】この発明の半導体装置は、金属ベースと、
上記金属ベース上に固着された絶縁配線基板と、上記絶
縁配線基板上に固着され、上面に制御電極を有する少な
くとも1個の半導体チップと、上記半導体チップの上方
に設置され、半導体チップを制御するための制御回路を
構成する複数の部品が搭載され、かつ複数の配線パター
ンが形成された制御用基板と、それぞれ一端及び他端を
有し、一端が上記半導体チップの制御電極に半田により
接続され、他端が上記制御用基板の配線パターンに半田
により接続された線状配線とを具備し、上記絶縁配線基
板は、互い対向する第1及び第2表面を有する絶縁基板
と、この絶縁基板の第1及び第2表面のそれぞれに形成
されている導電体層とからなることを特徴とする。
【0014】この発明の半導体装置は、金属ベースと、
上記金属ベース上に固着された絶縁配線基板と、上記絶
縁配線基板上に固着され、上面に制御電極を有する少な
くとも1個の半導体チップと、上記半導体チップの上方
に設置され、半導体チップを制御するための制御回路を
構成する複数の部品が搭載され、かつ複数の配線パター
ンが形成された制御用基板と、上記半導体チップの制御
電極と上記制御用基板の配線パターンとの間に設けら
れ、両者を電気的に接続する圧接機構とを具備し、上記
絶縁配線基板は、互い対向する第1及び第2表面を有す
る絶縁基板と、この絶縁基板の第1及び第2表面のそれ
ぞれに形成されている導電体層とからなることを特徴と
する。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明を
実施の形態により説明する。図1はこの発明の第1の実
施の形態に係るパワー半導体モジュールの断面図であ
る。なお、従来のものと対応する箇所には同じ符号を付
して説明を行う。
【0016】図において、1は金属ベースであり、2,
2はそれぞれ絶縁配線基板である。上記各絶縁配線基板
2は、セラミック基板の表裏両面に例えばCu等の金属
からなる導電体層が形成されたものである。各絶縁配線
基板2は、裏面に形成されている導電体層が半田付けさ
れることにより、金属ベース1上に固着されている。
3,3は半導体チップであり、これら各半導体チップ3
の裏面全面には電極が形成されており、表面には複数の
電極が電気的に分離して形成されている。そして、各半
導体チップ3は、裏面に形成されている全面電極が、各
絶縁配線基板2の表面に形成されている導電体層上に半
田付けされることにより、絶縁配線基板2上に固着され
ている。
【0017】上記金属ベース1は樹脂ケース4に固定さ
れている。上記半導体チップ3表面上の特定の電極相互
間、半導体チップ3表面上の特定の電極と絶縁配線基板
2の表面上の導電体層との間、絶縁配線基板2の表面上
の導電体層と樹脂ケース4に設けられた電極5との間及
び半導体チップ3表面上の特定の電極と樹脂ケース4に
設けられた電極5との間は、ボンディングワイヤ6aを
介して電気的に接続されている。さらに樹脂ケース4の
電極5は、樹脂ケース4の内部に埋め込まれたCu等の
金属からなる信号配線7を経由して、樹脂ケース4の上
部に設けられた外部端子8に導かれている。
【0018】また、樹脂ケース4の上部付近内側には段
差部12が設けられており、この段差部12に制御用基
板11が載置され、接着剤等を用いて固定されている。
この制御用基板11上には、従来と同様にIC(集積回
路)等の種々の実装部品が載置され、これらは図示しな
い配線パターンによって相互に結線されて制御回路が構
成されており、この制御回路で半導体チップ3を制御す
るための信号が発生される。
【0019】さらに制御用基板11には複数の開口部1
3が形成されており、制御用基板11で発生された信号
は、制御用基板11上の図示しない配線パターンと上記
半導体チップ3表面上の特定の電極とを直接に接続する
ように、上記開口部13を通過するボンディングワイヤ
6bを経由して半導体チップ3に供給されるようになっ
ている。
【0020】なお、制御用基板11上には、外部から信
号を入力するための複数の信号電極14が突出するよう
に設けられている。図2は、図1に示したパワー半導体
モジュールの平面図であり、制御用基板11は図示を省
略している。この例では、各半導体チップ3は、チップ
裏面の全面電極としてコレクタ電極が、チップ表面上に
複数個(本例では4個)のエミッタ電極E及び1個のゲ
ート電極Gが形成されたIGBTである。
【0021】図示のように、各半導体チップ(IGBT
チップ)3表面上のエミッタ電極Eはボンディングワイ
ヤ6aを介して最終的に樹脂ケース4の外部端子8に接
続されている。これに対して、ゲート電極Gは図1に示
すように、ボンディングワイヤ6bによって制御用基板
11上の所定の配線パターン(図2では図示せず)に直
接に接続されている。
【0022】図3及び図4は制御用基板11の異なる例
を示す平面図である。図3に示した制御用基板11は図
1の実施の形態で使用されているものであり、開口部1
3の他に複数の信号電極14が形成され、かつ複数の実
装部品15が載置されている。また、16は制御用基板
11の一辺部形成された切欠部である。この切欠部16
にボンディングワイヤ6bを通して、制御用基板11の
配線パターンと半導体チップ3の表面上のゲート電極G
とを電気的に接続してもよい。
【0023】なお、樹脂ケース4に設けられている段差
部12は、図3に示すように樹脂ケース4の平面形状が
方形の場合に四辺の全てに設けても良いし、一部の辺
(例えば対向する2辺)に設けても良い。
【0024】図4に示した制御用基板11は、ボンディ
ングワイヤ6bを通すための開口部13を設ける代わり
に、制御用基板11自体を複数の部分(この例では3つ
の部分)に分割したものである。この場合、ボンディン
グワイヤ6bは分割された基板の隙間17に通す。
【0025】図5は上記実施の形態によるパワー半導体
モジュールの等価回路図である。制御用基板11には実
装部品15として複数個(この例では2個)のIC(集
積回路)21や、各ICの出力にそれぞれの一端が接続
された3個の抵抗22が設けられている。そして、上記
各抵抗22の各他端は、半導体チップ3(この例では6
個のIGBTチップ)の各ゲート電極にそれぞれ接続さ
れている。上記6個の半導体チップ3はそれぞれ3個ず
つ2組に分割されており、一方の組の3個の半導体チッ
プ3のコレクタ電極は正極性の電源電圧が供給される外
部端子Pに共通に接続され、エミッタ電極は出力用の外
部端子OUTに共通に接続される。他方の組の3個の半
導体チップ3のコレクタ電極は上記外部端子OUTに共
通に接続され、エミッタ電極はグランド電位が供給され
る外部端子Nに共通に接続されている。
【0026】このような構成によれば、図10に示すよ
うにゲート電極Gを接続する際に使用した樹脂ケース4
上の電極5(中継用の電極5)が不要になるので、半導
体チップを理想的な形で配置することが可能となり、装
置全体の小型化を実現することができる。さらに、半導
体チップ3のコレクタ電極C、エミッタ電極Eと接続さ
れる外部端子8を、半導体チップ3により近い位置に配
置することができるので、コレクタ、エミッタ接続用の
ボンディングワイヤ6aの長さを短くすることができ
る。これによって配線の低インダクタンス化を達成する
ことができる。
【0027】なお、上記制御用基板11の代わりに金属
配線体を用いるようにしてもよい。この金属配線体を用
いて制御回路の実装を行う場合には、金属配線体自体が
配線となるため、所定の形状に加工する必要がある。こ
の場合、制御回路を構成する各部品はモジュールの外部
に設けることがあり、このような場合、制御用基板は配
線としてのみ用いられる。
【0028】また、最終的には、制御用基板上の樹脂ケ
ース開口部をカバー板で覆うことによりモジュールとし
て完成する。この際、先の電極14はカバー板より突出
した状態になる。
【0029】図6はこの発明の他の実施の形態によるパ
ワー半導体モジュールの断面図である。この実施の形態
では、半導体チップ3表面上の特定の電極(図2中のゲ
ート電極G)と制御用基板11の配線パターンとの接続
を配線18の半田付けによって行っている。さらに、半
導体チップ3表面上の特定の電極(図2中のエミッタ電
極E)と別な半導体チップ3が固着されている絶縁配線
基板2の表面上の導電体層上との間及び半導体チップ3
表面上の特定の電極(図2中のエミッタ電極E)と樹脂
ケース4の電極5との接続を、金属配線板19を半田付
けすることによって行っている。半導体チップ3表面上
の電極の配置を工夫することにより、このような接続も
可能となる。
【0030】さらにこの実施の形態のものでは、一つの
絶縁配線基板2上の導電体層と外部端子8との間の電気
的接続を、従来のようなボンディングワイヤを用いるこ
となしに、外部端子8を絶縁配線基板2表面上の導電体
層と一体化形成することにより実現している。
【0031】図7はこの発明のさらに他の実施の形態に
よるパワー半導体モジュールの断面図である。この実施
の形態では、半導体チップ3表面上の複数の各電極及び
一つの絶縁配線基板2表面上の導電体層と制御用基板1
1の配線パターンとの電気的接続を、圧接機構により行
うようにした場合である。この圧接機構としては内部に
スプリングが挿入された圧接用の金属ピン20が用いら
れる。
【0032】なお、上記各実施の形態において、半導体
チップのコレクタ電極と接続されている絶縁配線基板2
表面上の導電体層と外部端子8との電気的接続を溶接に
よって行うこともできる。
【0033】図8はこの発明の別の実施の形態によるパ
ワー半導体モジュールの断面図である。この実施の形態
では、図1中の金属ベース1として平板状のものではな
く、自冷、水冷、空冷など各種方式による金属放熱フィ
ン23を用いるようにしたものである。なお、図6、図
7の実施の形態においても、金属ベース1としての放熱
フィン23を用いることができる。
【0034】この発明は上記実施の形態に限定されるも
のではなく、種々の変形が可能であることはいうまでも
ない。例えば図1に示した実施の形態では、樹脂ケース
4に制御用基板11を固定するために、樹脂ケース4の
上部付近内側に段差部12を設け、この段差部12に制
御用基板11を載置し、接着剤等を用いて固定する場合
について説明したが、これは段差に加えて、ストライプ
状の支持部を樹脂ケース4に一体成形してその上に制御
用基板11を載置、固定するように構成してもよい。そ
の際は、制御用基板11の開口部13がストライプ状の
支持部に重ならないように配置する必要がある。
【0035】
【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
理想的な半導体チップ配置とし、小型で低インダクタン
ス性能を合わせ持つ半導体装置を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施の形態に係るパワー半導
体モジュールの断面図。
【図2】図1に示したパワー半導体モジュールの平面
図。
【図3】図1に示したパワー半導体モジュールで使用さ
れる制御用基板の平面図。
【図4】図3とは異なる制御用基板の平面図。
【図5】図1のパワー半導体モジュールの等価回路図。
【図6】この発明の他の実施の形態によるパワー半導体
モジュールの断面図。
【図7】この発明のさらに他の実施の形態によるパワー
半導体モジュールの断面図。
【図8】この発明の別の実施の形態によるパワー半導体
モジュールの断面図。
【図9】従来のパワー半導体モジュールの断面図。
【図10】図9に示した従来のパワー半導体モジュール
の平面図。
【符号の説明】
1…金属ベース、 2…絶縁配線基板、 3…半導体チップ、 4…樹脂ケース、 5…電極、 6、6a、6b…ボンディングワイヤ、 7…信号配線、 8…外部端子、 12…段差部、 13…開口部、 14…制御信号電極、 15…実装部品、 16…切欠部、 17…基板の隙間、 18…配線、 19…金属配線板、 20…圧接用の金属ピン、 23…放熱フィン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−283638(JP,A) 特開 平9−107068(JP,A) 実開 平5−87956(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 23/48 H01L 25/07 H01L 25/18 H01L 21/60

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属ベースと、 上記金属ベース上に固着された絶縁配線基板と、 上記絶縁配線基板上に固着され、上面に制御電極を有す
    る少なくとも1個の半導体チップと、 上記半導体チップの上方に設置され、半導体チップを制
    御するための制御回路を構成する複数の部品が搭載さ
    れ、かつ複数の配線パターンが形成された制御用基板
    と、 上記半導体チップの制御電極と上記制御用基板の配線パ
    ターンとをそれぞれ電気的に接続するボンディングワイ
    ヤとを具備し、 上記絶縁配線基板は、互い対向する第1及び第2表面を
    有する絶縁基板と、この絶縁基板の第1及び第2表面の
    それぞれに形成された導電体層とからなること を特徴と
    する半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記制御用基板には、前記ボンディング
    ワイヤが通過する開口部が形成されていることを特徴と
    する請求項1に記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記制御用基板には、前記ボンディング
    ワイヤが通過する切り欠き部が形成されていることを特
    徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 前記制御用基板が複数の部分に分割され
    ることによって、前記ボンディングワイヤが通過する隙
    間を各制御用基板部分相互間に有することを特徴とする
    請求項1に記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】 前記半導体チップは、前記絶縁配線基板
    の前記第1もしくは第2表面に形成されている前記導電
    体層上に半田によって固着されていることを特徴とする
    請求項1に記載の半導体装置。
  6. 【請求項6】 前記金属ベースが放熱フィンであること
    を特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  7. 【請求項7】 金属ベースと、 上記金属ベース上に固着された絶縁配線基板と、 上記絶縁配線基板上に固着され、上面に制御電極を有す
    る少なくとも1個の半導体チップと、 上記半導体チップの上方に設置され、半導体チップを制
    御するための制御回路を構成する複数の部品が搭載さ
    れ、かつ複数の配線パターンが形成された制御用基板
    と、 それぞれ一端及び他端を有し、一端が上記半導体チップ
    の制御電極に半田により接続され、他端が上記制御用基
    板の配線パターンに半田により接続された線状配線とを
    具備し、 上記絶縁配線基板は、互い対向する第1及び第2表面を
    有する絶縁基板と、この絶縁基板の第1及び第2表面の
    それぞれに形成されている導電体層とからなること を特
    徴とする半導体装置。
  8. 【請求項8】 前記半導体チップは、前記絶縁配線基板
    の前記第1もしくは第2表面に形成されている前記導電
    体層上に半田によって固着されていることを特徴とする
    請求項7に記載の半導体装置。
  9. 【請求項9】 前記金属ベースが放熱フィンであること
    を特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
  10. 【請求項10】 金属ベースと、 上記金属ベース上に固着された絶縁配線基板と、 上記絶縁配線基板上に固着され、上面に制御電極を有す
    る少なくとも1個の半導体チップと、 上記半導体チップの上方に設置され、半導体チップを制
    御するための制御回路を構成する複数の部品が搭載さ
    れ、かつ複数の配線パターンが形成された制御用基板
    と、 上記半導体チップの制御電極と上記制御用基板の配線パ
    ターンとの間に設けられ、両者を電気的に接続する圧接
    機構とを具備し、 上記絶縁配線基板は、互い対向する第1及び第2表面を
    有する絶縁基板と、この絶縁基板の第1及び第2表面の
    それぞれに形成されている導電体層とからなること を特
    徴とする半導体装置。
  11. 【請求項11】 前記圧接機構は、前記制御電極と前記
    制御用基板の配線パターンとの間に設けられた圧接用の
    金属ピンを含むことを特徴とする請求項10に記載の半
    導体装置。
  12. 【請求項12】 前記半導体チップは、前記絶縁配線基
    板の前記第1もしくは第2表面に形成されている前記導
    電体層上に半田によって固着されていることを特徴とす
    請求項10に記載の半導体装置。
  13. 【請求項13】 前記金属ベースが放熱フィンであるこ
    とを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。
  14. 【請求項14】 金属ベースと、 互い対向する第1及び第2表面を有する絶縁基板及びこ
    の絶縁基板の第1及び第2表面に形成されている第1及
    び第2導電体層を有し、上記第1導電体層が半田によっ
    て上記金属ベース上に固着された複数の絶縁配線基板
    と、 互い対向する第1及び第2表面を有し、第1表面にはコ
    レクタ電極が形成され、第2表面にはゲート電極とエミ
    ッタ電極とが電気的に分離して形成され、コレクタ電極
    が半田によって上記絶縁配線基板の第2導電体層上に固
    着された少なくとも1個のIGBTチップと、 上記IGBTチップの上方に設置され、IGBTチップ
    を制御するための制御回路を構成する複数の部品が搭載
    され、かつ複数の配線パターンが形成された制御用基板
    と、 上記IGBTチップのゲート電極と上記制御用基板の配
    線パターンとをそれぞれ電気的に接続するボンディング
    ワイヤとを具備したことを特徴と半導体装置。
  15. 【請求項15】 前記制御用基板には、前記ボンディン
    グワイヤが通過する開口部が形成されていることを特徴
    とする請求項14に記載の半導体装置。
  16. 【請求項16】 前記制御用基板には、前記ボンディン
    グワイヤが通過する切り欠き部が形成されていることを
    特徴とする請求項14に記載の半導体装置。
  17. 【請求項17】 前記制御用基板が複数の部分に分割さ
    れることによって、前記ボンディングワイヤが通過する
    隙間を各制御用基板部分相互間に有することを特徴とす
    請求項14に記載の半導体装置。
  18. 【請求項18】 前記金属ベースが放熱フィンであるこ
    とを特徴とする請求項14に記載の半導体装置。
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