JP3841007B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップがその両面に設けられた導体部材により狭持された構造を有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来技術】
半導体チップの表裏両面から放熱するとともに表裏両面に電流を流す構成の半導体装置として、図3に示す概略断面図のような構成が考えられる。
【0003】
図3に示されるように、この半導体装置は、2つの半導体チップ101、102を並列接続しつつ、第1の導体部材103及び第3の導体部材106と第2の導体部材105との間に、これら2つの半導体チップ101、102を狭持して、第2の導体部材105と第3の導体部材106との間を樹脂109でモールドしたものである。
【0004】
そして、2つの半導体チップとしては、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)が形成された半導体チップ(以下、IGBTチップと略す)101とフライホイールダイオード(FWD:Free Wheeling Diode)が形成された半導体チップ(以下、FWDチップと略す)102とを用いている。
【0005】
また、上記第1の導体部材103は、半導体チップ101、102の素子形成面(表面)101a、102aにそれぞれ配置されている。
【0006】
尚、この第1の導体部材103のうち、IGBTチップ101の表面101aに配置された第1の導体部材103は、後述するボンディングワイヤ108が設けられる領域を確保するために設けられており、一方、FWDチップ102の表面102aに配置された第1の導体部材103は、後述する第3の導体部材106が傾かないように高さを調整するために設けられている。
【0007】
また、上記第2の導体部材105は、IGBTチップ101の裏面101b(コレクタ)及びFWDチップ102の裏面102b(カソード)に接続されており、上記第3の導体部材106は、IGBTチップ101の表面101a(エミッタ)及びFWDチップ102の表面102a(アノード)に接続されている。
【0008】
これらの第1〜第3の導体部材103、105、106は、半導体チップ101、102からの放熱を行うと同時に、半導体チップ101、102との電気的な経路となっている。
【0009】
従って、放熱性を確保し電気抵抗を小さくするために、半導体チップ101、102と第1〜第3の導体部材103、105、106とは、はんだなどの電気伝導性及び熱伝導性を有する接合部材104により接合されている。
【0010】
また、図示しないが、IGBTチップ101の表面101aの所望の位置に形成されたゲート電極は、ボンディングワイヤ108により制御用端子107に電気的に接続されている。
【0011】
そして、第2及び第3の導体部材105、106のうちの半導体チップ101、102又は第1の導体部材103と接合されている面とは反対側の面105b、106aが露出するようにして、半導体チップ101、102、第1〜第3の導体部材103、105、106、制御用端子107及びボンディングワイヤ108が封止部材109により封止されている。
【0012】
さらに、第2及び第3の導体部材105、106のうちの封止部材109から露出した部位を冷却部材(図示せず)などに当接させて、半導体チップ101、102からの放熱を促進している。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記従来技術のような半導体装置においては、IGBTチップ101がオンオフ動作することによりFWDチップ102から発生するサージ電圧が、半導体装置と外部とを接続するために設けられた配線に乗ってしまい、それによって、半導体装置の外部にサージ電圧が輻射され、周辺電子装置の誤作動やラジオの受信障害を誘引することが懸念される。
【0014】
ここで、このサージ電圧について図4を用いて具体的に説明する。
【0015】
まず、IGBTチップ101のコレクタ―エミッタ間に電源(Vcc)110から電圧が印加された状態で、IGBTチップ101にゲート電圧が印加されるとIGBTチップ101はオン状態となり、図中▲1▼のように電流が流れる。
【0016】
続いて、IGBTチップ101のゲート電圧を低下させてIGBTチップ101をオフ状態にすると、負荷インダンスタンスの影響により、図中▲2▼のように電流が流れ、FWDチップ102はオン状態になる。
【0017】
続いて、IGBTチップ101にゲート電圧を印加してIGBTチップ101をオン状態にさせると、図中▲3▼−1のように電流が流れるが、オン状態のFWDチップ102は逆バイアス状態になるため、FWDチップ102の内部に空乏層が広がり、図中▲3▼―2のように蓄積していたキャリアの放出が行われることにより、図中▲3▼のように電流が流れる。
【0018】
この際に、FWDチップ102からIGBTチップ101に逆方向電流が流れることによって、浮遊インダクタンス成分111によりFWDチップ102からサージ電圧が発生する。
【0019】
そこで、本発明の目的は、上記問題点に鑑み、サージ電圧を抑制した半導体装置を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の半導体装置は、一方の導体部材と、この導体部材の上に接続された半導体チップと、この半導体チップの上に接続された他方の導体部材とを備え、2つの導体部材により半導体チップを狭持しつつ、半導体チップに形成された素子と2つの導体部材とを各々電気的に接続した半導体装置において、半導体チップは、それぞれ並列に接続された複数の半導体チップから構成されており、複数の半導体チップとして、少なくともIGBTチップと還流用ダイオードとを用いたものであって、2つの導体部材の間、且つ、IGBTチップと還流用ダイオードとの間に介在されるとともに、IGBTチップ及び還流用ダイオードに対して、2つの導体部材を介して並列に接続されたコンデンサを設けたことを特徴としている。
【0021】
請求項1に記載の発明によれば、半導体チップから発生したサージ電圧をコンデンサによって吸収することができるため、サージ電圧が半導体装置の外部に輻射することを防止でき、周辺電子装置の誤作動やラジオの受信障害を防止することができる。
【0022】
請求項2に記載の半導体装置は、半導体チップと一方の導体部材との間または半導体チップと他方の導体部材との間の少なくともどちらか一方には電極ブロックが設けられていることを特徴としている。
【0023】
コンデンサと半導体チップの高さが異なると、コンデンサ及び半導体チップの両面に設けられる放熱板が傾いてしまうことが考えられるが、請求項2に記載の発明によれば、半導体チップと電極ブロックの高さとコンデンサの高さが同じになるように電極ブロックの高さを調整することにより、放熱板の傾きを防止することができる。
【0024】
請求項3に記載の半導体装置は、2つの放熱板の間を樹脂で封止したことを特徴としている。
【0025】
請求項3に記載の発明によれば、2つの放熱板の間を樹脂で封止したことによって、樹脂で半導体チップ及びコンデンサと放熱板を互いに拘束することができるため、両者の接合部のストレスを緩和することができる。また、半導体チップ、コンデンサ及び放熱板を外部環境から保護することができる。
【0026】
請求項4に記載の半導体装置は、コンデンサは、半田を介して2つの導体部材と電気的に接続されていることを特徴としている。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を、図面に従って説明する。
【0029】
図1には、本発明の一実施形態に係る半導体装置の概略断面図を示す。
【0030】
この図1に示されるように、本実施形態の半導体装置は、2つの半導体チップ1、2を並列接続しつつ、第1の導体部材3及び第3の導体部材6と第2の導体部材5との間に各半導体チップ1、2を狭持して、第2の導体部材5と第3の導体部材6との間を樹脂9でモールドしたものである。
【0031】
そして、本実施形態では、半導体チップとして、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)が形成された半導体チップ(以下、IGBTチップと略す)1とフライホイールダイオード(FWD:Free Wheeling Diode)が形成された半導体チップ(以下、FWDチップと略す)2とを用いている。尚、これらの半導体チップ1、2は、主としてシリコンからなり、厚みは0.5mm程度である。
【0032】
以下、各半導体チップ1、2の外表面のうち、素子形成面側の面を表面1a、2aといい、この表面1a、2aとは反対側の面を裏面1b、2bという。尚、図示しないが、IGBTチップ1の表面1aにはエミッタ電極、ゲート電極が形成されており、裏面1bにはコレクタ電極が形成されている。
【0033】
各半導体チップ1、2の表面1a、2aには、第1の導体部材としてのヒートシンク3の裏面3bが電気伝導性を有する接合部材としてのはんだ4を介して接合されている。
【0034】
尚、このヒートシンク3のうち、IGBTチップ1の表面1aに配置されたヒートシンク3は、後述するボンディングワイヤ8が設けられる領域を確保するために設けられており、一方、FWDチップ2の表面2aに配置されたヒートシンク3は、後述する第3の導体部材6が傾かないように高さを調整するために設けられている。
【0035】
また、このヒートシンク3のうち、IGBTチップ1とヒートシンク3との接合面積は、IGBTチップ1のエミッタ電極とほぼ同じ大きさになっている。ここで、ほぼ同じ大きさとは、エミッタ電極と可能な限り大きな面積で接合し、且つIGBTチップ1のエミッタ電極の外側に形成されヒートシンク3とは電気的に接続したくない部位とは接合されないようにすることを示す。ここで、ヒートシンク3とは電気的に接続したくない部位とは、IGBTチップ1の表面1aにおいて、ヒートシンク3と接触すると、ヒートシンク3を介してエミッタ電極と同電位になってしまい不具合を生じる部位のことを示す。
【0036】
従って、IGBTチップ1とヒートシンク3との接合面積を、IGBTチップ1のエミッタ電極とほぼ同じ大きさにすることにより、好適にIGBTチップ1とヒートシンク3とを接合することができる。
【0037】
また、各半導体チップ1、2の裏面1b、2bには、電気伝導性を有する接合部材としてのはんだ4を介して、第2の導体部材5の表面5aが接合(電気的に接続)されており、ヒートシンク3の裏面3bとは反対側の面である表面3aには、電気伝導性を有する接合部材としてのはんだ4を介して、第3の導体部材6の裏面が接合(電気的に接続)されている。
【0038】
ヒートシンク3としては、電気導電性を有する金属部材を用いることができ、本実施形態では、ヒートシンク3としてCuを用いており、第2及び第3の導体部材5、6としてCu合金を用いている。
【0039】
また、ヒートシンク3のうち、各半導体チップ1、2及び第3の導体部材6と接合されている部分には、はんだ4の濡れ性を良くするためにNiメッキなどの表面処理が施されており、それ以外の外表面、つまり後述の封止部材と接触している部位は酸化されている。また、第2及び第3の導体部材5、6の外表面は全面がNiメッキされている。
【0040】
また、第2の導体部材5と第3の導体部材6との間には、はんだ4を介して、各半導体チップ1、2の素子に対して並列に接続されたコンデンサ14が設けられている。
【0041】
また、図示しないが、IGBTチップ1の表面1aの所望の位置に形成されたゲート電極は、ボンディングワイヤ8により制御用端子7と電気的に接続されている。
【0042】
そして、各半導体チップ1、2、ヒートシンク3、コンデンサ14、第2の導体部材5の表面5a、第3の導体部材6の裏面6b、ボンディングワイヤ8、及び制御用端子7の一部が、一括して封止部材としての樹脂9により封止されている。
【0043】
これにより、第2の導体部材5の裏面5bと第3の導体部材6の表面6a、及び制御用端子7の一部が露出した状態で各部材1〜8、14が封止された構成となっている。この樹脂9としては、例えば、エポキシ系モールド樹脂を用いることができる。尚、この場合、各部材1〜8、14を樹脂9でモールドするに当たっては、上下型からなる成形型(図示しない)を使用している。
【0044】
また、樹脂9と第2及び第3の導体部材5、6との密着力、樹脂9と各半導体チップ1、2との密着力、並びに、樹脂9とヒートシンク3との密着力、樹脂9とコンデンサ14との密着力を強くするために、上記樹脂9をモールドする前に、ポリアミド樹脂などのコーティング樹脂(図示しない)を、第2及び第3の導体部材5、6、各半導体チップ1、2、ヒートシンク3及びコンデンサ14の表面に塗布しておくことが好ましい。
【0045】
尚、図1に図示しない位置において、第2の導体部材5、第3の導体部材6は樹脂9を図面横方向に貫通して延在する端子領域を有しており、各々コレクタ端子、エミッタ端子を構成している。
【0046】
このようにして、本実施形態の半導体装置が構成されており、この半導体装置では、各半導体チップ1、2からの発熱を、熱伝導性にも優れたはんだ4を介してヒートシンク3と第2及び第3の導体部材5、6に伝え、第2の導体部材5の裏面5b及び第3の導体部材6の表面6aから放熱を行うことができるようになっている。
【0047】
さらに、第2及び第3の導体部材5、6のうちの封止部材9から露出した部位を冷却部材(図示せず)などに当接させて、半導体チップ1、2からの放熱を促進している。
【0048】
このように、本実施形態では、第2の導体部材5と第3の導体部材6との間に介在されるとともに、FWDチップ2の素子に対して並列に接続されたコンデンサ14を、樹脂9によってFWDチップ2などと一体的にモールドしている。
【0049】
それにより、FWDチップ2から発生したサージ電圧をコンデンサ14によって吸収することができるため、コンデンサ14とFWDチップ2とを接続するために設けられた配線に乗って半導体装置の外部に輻射することを防止でき、周辺電子装置の誤作動やラジオの受信障害を防止することができる。
【0050】
また、本実施形態のように、コンデンサ14をFWDチップ2などと一体的にモールドしたことにより、コンデンサ14とFWDチップ2とを接続するための配線を短くすることができる。
【0051】
それによって、配線における配線インダクタンスを小さくすることができるため、サージ電圧の輻射量を低減することができる。
【0052】
このように、本実施形態によれば、FWDチップ2から発生したサージ電圧が配線に乗って半導体装置の外部に輻射することを防止できるとともに、コンデンサ14とFWDチップ2とを接続するための配線における配線長及び配線インダクタンスを小さくすることができるため、それによって、FWDチップ2から発生したサージ電圧を効果的に抑制することができる。
【0053】
さらに、本実施形態によれば、コンデンサ14からの発熱を、熱伝導性にも優れたはんだ4を介して第2及び第3の導体部材5、6に伝え、第2の導体部材5の裏面5b及び第3の導体部材6の表面6aから放熱を行うことができるようになっている。
【0054】
次に、上記構成の半導体装置の製造方法について、本製造方法を概略断面図にて示す工程図である図2を参照して説明する。
【0055】
まず、第2及び第3の導体部材5、6を板状のCu合金部材などからパンチングなどにより形成する。その後、第2及び第3の導体部材5、6の外表面全面にNiメッキを施す。
【0056】
また、ヒートシンク3を形成するための板状のCu部材を用意する。そして、このCu部材の表裏両面にNiメッキを施す。その後、パンチングなどにより、Niメッキを施したCu部材からヒートシンク3の大きさのCu部材を形成し、このCu部材をプレスすることにより、ヒートシンク3が完成する。
【0057】
これにより、ヒートシンク3の外表面のうち、各半導体チップ1、2及び第3の導体部材6と接合する部位はNiメッキが施され、それ以外の部位は、パンチングによりメッキされていない部位が露出し、プレスによりメッキが剥がれた状態となる。
【0058】
続いて、図2(a)に示されるように、第2の導体部材5の表面5a上にはんだ4を介して各半導体チップ1、2及びコンデンサ14を接合する。次に、各半導体チップ1、2の表面1a、2a上にはんだ4を介してヒートシンク3を接合する。
【0059】
これらの各半導体チップ1、2と第2の導体部材5及びヒートシンク3との接合及び第2の導体部材5とコンデンサ14との接合に用いられるはんだ4は、比較的融点の高いものを用いており、例えば、Sn(錫)10wt%、Pb(鉛)90wt%よりなる融点が320℃であるはんだ(以下、高温はんだという)4を用いることができる。これにより、図2(a)に示す状態となり、このものをワーク10とする。その後、図示していないが、IGBTチップ1と制御用端子7とをボンディングワイヤ8により電気的に接続する。
【0060】
次に、図2(b)に示されるように、第3の導体部材6の裏面6bを上にして治具11上に搭載し、第3の導体部材6の裏面6bの所望の位置にはんだ4を配設し、上記図2(a)に示すワーク10を裏返しにして第3の導体部材6上に搭載する。この第3の導体部材6とヒートシンク3及びコンデンサ14との間のはんだ4は、上記高温はんだ4よりも融点の低いものを用いている。例えば、Snが90wt%以上含有され融点が240℃のものを用いることができる。以下、このはんだ4を低温はんだ4という。
【0061】
さらに、第2の導体部材5の裏面5b上に板状の重り12を載せる。また、治具11には、第2及び第3の導体部材5、6間の距離を規定するために一定の高さを持ったスペーサ13が備えられる。この状態が図2(b)に示す状態である。そして、この状態で加熱炉などに入れ、低温はんだ4のみをリフローさせる。
【0062】
その結果、重り12によりワーク10が加圧され、図2(c)に示されるように、低温はんだ4が押しつぶされ、第3の導体部材6の裏面6bと第2の導体部材5の表面5aとの距離がスペーサ13の高さになる。これにより、第2の導体部材5と第3の導体部材6の平行度が調整される。
【0063】
また、各半導体チップ1、2とヒートシンク3とを位置合わせ、つまりIGBTチップ1のエミッタ電極のみとヒートシンク3とが接合するようにした形状で高温はんだ4により接合し、ヒートシンク3と第3の導体部材6とは低温はんだ4により接合している。そのため、第3の導体部材6を接合する際に、高温はんだ4が溶融することはないため、好適に各半導体チップ1、2とヒートシンク3との接合位置を維持することができる。
【0064】
因みに、高温はんだ4及び低温はんだ4の融点が、各々320℃、240℃である場合、低温はんだ4のリフロー温度を250℃にすると好適である。
【0065】
続いて、ポリアミド樹脂を、第2及び第3の導体部材5、6、各半導体チップ1、2、ヒートシンク3及びコンデンサ14の表面に塗布する。この場合、例えばディッピング(浸漬)により塗布しても良いし、ポリアミド樹脂塗布用のディスペンサのノズルから滴下(または噴霧)することにより塗布しても良い。尚、制御用端子7やボンディングワイヤ8の表面にも、ポリアミド樹脂を塗布しておくことが好ましい。
【0066】
その後、各部材1〜8、14を上記図1に示すように樹脂封止することによって半導体装置が完成する。
【0067】
ここで、この樹脂封止する際に、Niメッキがヒートシンク3の全面に施されている場合、低温はんだ4と高温はんだ4が所望の部位以外の部位に濡れ広がり、低温はんだ4と高温はんだ4が混合してしまい、その結果、低温はんだ4よりも更に融点の低い共晶はんだが形成され、樹脂9の温度(例えば、180℃程度)によりはんだ(共晶はんだ)4が溶融してしまうことがある。
【0068】
一般に、ヒートシンク3に対してNiメッキを施す場合は、各半導体チップ1、2と第3の導体部材6との間に配置する形状にヒートシンク3を成形した後に、ヒートシンク3をメッキ装置に入れてヒートシンク3の外表面にメッキを施す方法が考えられるが、この方法を用いると、ヒートシンク3の外表面全面にメッキが施されてしまう。
【0069】
そこで、本実施形態では、ヒートシンク3のうち、各半導体チップ1、2及び第3の導体部材6と接合している部位のみにNiメッキを施すようにしている。従って、低温はんだ4と高温はんだ4とは、Cuの酸化面を挟んで配置された状態となる。Cuの酸化面とはんだ4との濡れ性は低いため、高温はんだ4あるいは低温はんだ4が所望の接合部以外の部位に濡れ広がって、高温はんだ4と低温はんだ4が混合することを抑制できる。
【0070】
尚、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、様々な態様に適用可能である。
【0071】
例えば、上記実施形態では、接合部材としては、はんだ4を用いる例について示したが、これに限られるものではなく、その他にAgペーストなどを用いることができる。また、各接合部材として必ずしも同一のものを用いなくてもよい。
【0073】
また、半導体チップ1、2と第1の導体部材3との高さとコンデンサ14の高さを均一にするために、以下のような構成にしてもよい。例えば、半導体チップ1、2と第1の導体部材3との高さよりもコンデンサ14の高さの方が低い場合には、コンデンサ14と第2の導体部材5及び第3の導体部材6との間に、高さ調整用の導体部材を設けることが考えられる。また、コンデンサ14の高さよりも半導体チップ1、2と第1の導体部材3との高さの方が低い場合には、第2の導体部材5または第3の導体部材6の少なくともどちらか一方におけるコンデンサ14が搭載される領域に凹部を設け、この凹部にコンデンサ14を搭載することが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。
【図2】図1に示す半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図3】従来技術の半導体装置の概略断面図である。
【図4】サージ電圧の発生を説明するための回路図である。
【符号の説明】
1…IGBTチップ(半導体チップ)、
2…FWDチップ(半導体チップ)
3…ヒートシンク(第1の導体部材)、
4…はんだ(接合部材)、
5…第2の導体部材、
6…第3の導体部材、
1a、2a、3a、5a、6a…各部材の表面、
1b、2b、3b、5b、6b…各部材の裏面、
7…制御用端子、
8…ボンディングワイヤ、
9…樹脂(封止部材)、
10…ワーク、
12…重り、
13…スペーサ、
14…コンデンサ。
Claims (4)
- 一方の導体部材と、この導体部材の上に接続された半導体チップと、この半導体チップの上に接続された他方の導体部材とを備え、前記2つの導体部材により前記半導体チップを狭持しつつ、前記半導体チップに形成された素子と前記2つの導体部材とを各々電気的に接続した半導体装置において、
前記半導体チップは、それぞれ並列に接続された複数の半導体チップから構成されており、前記複数の半導体チップとして、少なくともIGBTチップと還流用ダイオードとを用いたものであって、
前記2つの導体部材の間、且つ、前記IGBTチップと前記還流用ダイオードとの間に介在されるとともに、前記IGBTチップ及び前記還流用ダイオードに対して、前記2つの導体部材を介して並列に接続されたコンデンサを設けたことを特徴とする半導体装置。 - 前記半導体チップと前記一方の導体部材との間または前記半導体チップと前記他方の導体部材との間の少なくともどちらか一方には電極ブロックが設けら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。
- 前記2つの放熱板の間を樹脂で封止したことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記コンデンサは、半田を介して前記2つの導体部材と電気的に接続されていることを特徴とする請求項1乃至3何れか1つに記載の半導体装置。
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