JP3923716B2

JP3923716B2 - 半導体装置

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Publication number: JP3923716B2
Application number: JP2000301068A
Authority: JP
Inventors: 道明日吉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2020-09-29
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置に関するもので、特に産業用、電鉄用電力変換装置に使用される大電流、高電圧のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールに係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＧＢＴはバイポーラトランジスタとＭＯＳＦＥＴを複合、一体化して、両デバイスの優れた特徴を生かしつつ、同時にそれらの弱点を克服した複合型デバイスであり、今日における代表的なパワーデバイスとして広く用いられている。また、ＩＧＢＴは複数のチップによる並列動作が容易であり、他のパワーデバイスと組み合わせてモジュール化することにより更に大容量化が実現出来る。
【０００３】
従来のＩＧＢＴモジュールについて図７を用いて説明する。図７はＩＧＢＴモジュールの断面図である。
【０００４】
図示するように、ベースプレート１１０上にセラミック基板１３０を設け、両者をハンダ１２０により接合している。セラミック基板１３０は、絶縁性のセラミックプレート１３０−１の裏面に銅板１３０−２を、表面にパターニングされた銅板１３０−３〜１３０−５を配した構造を有している。セラミックプレート１３０−１の表面上の銅板１３０−３〜１３０−５はそれぞれ、ＩＧＢＴのエミッタ、コレクタ、ゲート用の配線として用いられる（以下、それぞれエミッタ配線、コレクタ配線、ゲート配線と呼ぶ）。そして、コレクタ配線１３０−４上にＩＧＢＴチップ１５０を設け、ＩＧＢＴチップ１５０の裏面（半導体基板面）をハンダ１４０によってコレクタ配線１３０−４上に接着している。また、ゲート配線１３０−５内にはゲート抵抗２２０を設け、ハンダ２１０により接着している。
【０００５】
そして、ＩＧＢＴチップ１５０の表面に形成されたエミッタ領域とエミッタ配線１３０−３との間をボンディングワイヤ１９０によって接続し、更にゲート領域とゲート抵抗２２０との間をボンディングワイヤ１９０によって接続している。
【０００６】
更に、エミッタ、コレクタ、ゲート配線１３０−３〜１３０−５上に、それぞれエミッタターミナル、コレクタターミナル、ゲートターミナル２００−１〜２００−３を設け、ハンダ２１０により接着している。
【０００７】
そして、上記構造を樹脂ケース２３０に格納し、上面を樹脂キャップ２４０で封止している。更に樹脂ケース２３０、樹脂キャップ２４０により封止された内部を封止樹脂２５０によって充填することにより、ＩＧＢＴモジュール１００が形成されている。
【０００８】
上記構造のＩＧＢＴモジュールには、従来、以下に示すような問題点があった。
【０００９】
（１）ＩＧＢＴモジュールのアセンブリ工程が複雑である。
【００１０】
上記構造のＩＧＢＴモジュール１００のアセンブリ工程の概略は、セラミック基板１３０上へのＩＧＢＴチップ１５０のハンダ接合、次にセラミック基板１３０へのベースプレート１１０及び各ターミナル２００−１〜２００−３のハンダ接合、そして、樹脂封止という流れになる。通常、セラミック基板１３０上へのＩＧＢＴチップ１５０のハンダ接合は、高融点ハンダ１４０を用いて行い、ベースプレート１１０及び各ターミナル２００−１〜２００−３のハンダ接合はそれより融点の低い低融点ハンダ１２０、２１０を用いて行う。そのため、ベースプレート１１０のハンダ接合と各ターミナル２００−１〜２００−３のハンダ接合は同時に行う必要があり、且つこの工程は自動化することが困難であった。その結果、アセンブリ工程は非常に煩雑で、複雑化し、時間的、人的コストが大きいという問題があった。
【００１１】
（２）ＩＧＢＴモジュールの平面レイアウトにおける自由度と面積効率が悪い。
【００１２】
ＩＧＢＴモジュール１００のセラミックプレート１３０−１上には、電気的に分離されたエミッタ、コレクタ、ゲート配線１３０−３〜１３０−５が設けられている。これは、アセンブリ工程時にセラミックプレート１３０−１上に１枚の銅板を搭載し、この銅板をパターニングすることにより形成する。これらの銅板１３０−３〜１３０−５には大電流、高電圧が供給される各ターミナル２００−１〜２００−３がそれぞれ搭載される。そのため、各々の間での絶縁を十分に維持できるように、各々が一定の間隔を有するようにパターニングしなければならない。すなわち、ＩＧＢＴチップの定格が大きくなるほど絶縁維持のために確保しなければならない領域が大きくなり、ＩＧＢＴモジュールの面積効率が悪くなる。その結果、搭載できるチップサイズが小さくなるという問題があった。更に高い絶縁性を維持するために、ＩＧＢＴチップ１５０や各配線１３０−３〜１３０−５、各ターミナル２００−１〜２００−３の配置の自由度が奪われるという問題があった。
【００１３】
（３）ＩＧＢＴモジュールの耐圧に限界がある。
【００１４】
上記構造のＩＧＢＴモジュール１００における封止樹脂２５０は、ＩＧＢＴチップ１５０及びボンディングワイヤ１９０を被覆しており、封止用として用いられる。また同時に、ＩＧＢＴチップ１５０上及び各配線１３０−３〜１３０−５間における絶縁維持のために用いられる。この樹脂２５０の材料にはシリコーンゲルが広く使用されている。シリコーンゲルの特長は軟性が高いという点にあり、ＩＧＢＴモジュール１００に激しい温度変動が加わった場合にボンディングワイヤ１９０が熱ストレスを受けることを防止できる。しかしシリコーンゲルは、空孔を多数有しているために体積抵抗が比較的小さいこと、ゲルクラックが生じやすいこと、そして吸湿によって絶縁性が低下するという問題がある。
【００１５】
特に、近年の半導体チップの高耐圧化に伴って、ＩＧＢＴモジュールには４５００Ｖ以上の耐圧を有するパッケージが求められており、現在のシリコーンゲルでは耐圧保持能力の限界が来ている。高耐圧を維持するという観点ではシリコーンゲルよりも、例えばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、硬化型シリコーン樹脂等の方が優れているが、これらはＩＧＢＴモジュールの封止用樹脂としては適当でない。なぜなら樹脂には、一般的に絶縁性が上がるにつれてその硬度も上昇する傾向があり、このような高絶縁性の樹脂を用いて封止を行うと、ボンディングワイヤ１９０に不要な熱ストレスがかかり、ボンディングワイヤ１９０の断線など原因となるためである。その結果シリコーンゲル等の、軟性は高いが絶縁性の低い材料の使用を強いられ、耐圧向上が非常に困難な状況にある。
【００１６】
また、複数のＩＧＢＴチップの実装されたＩＧＢＴモジュールでは上記（２）で説明した問題が更に深刻化すると共に、熱抵抗という新たな問題も発生する。
【００１７】
図８は複数のＩＧＢＴチップを実装したＩＧＢＴモジュールの平面図である。
【００１８】
図示するようにセラミックプレート１３０−１上の中央部には、セラミックプレート１３０−１を２分するようにして、エミッタ配線１３０−３が逆Ｔ字状に設けられ、エミッタ配線１３０−３の周辺を囲むようにしてコレクタ配線１３０−４が設けられ、更にその外周にエミッタセンス用配線１３０−３’及びゲート配線１３０−５が設けられている。上記コレクタ配線１３０−４上には、例えば４つのＩＧＢＴチップ１５０−１〜１５０−４、及びＦＲＤ（Fast Recovery Diode）チップ２６０−１、２６０−２が搭載されている。そして、ＩＧＢＴチップ１５０−１〜１５０−４の表面上のエミッタ領域、ゲート領域はそれぞれエミッタ配線１３０−３、ゲート配線１３０−５にボンディングワイヤ１９０により接続され、ＦＲＤチップ２６０−１、２６０−２の表面上のアノード領域もエミッタ配線１３０−３にボンディングワイヤ１９０により接続されている。なお、エミッタターミナル及びコレクタターミナルはそれぞれ、銅板１３０−３、１３０−４上の領域Ｅ、領域Ｃに配置される。
【００１９】
図示するように、上記構造のＩＧＢＴモジュール１００では、コレクタターミナルからエミッタターミナルまでの電流経路が、ＩＧＢＴチップ１５０−１、１５０−２とＩＧＢＴチップ１５０−３、１５０−４とで異なっており、ＩＧＢＴチップ１５０−１、１５０−２を介在する電流経路の方が長い。そのため、ＩＧＢＴチップ１５０−１、１５０−２についてのコレクタターミナルからエミッタターミナルまでの配線に寄生的に存在するインダクタンスが、ＩＧＢＴチップ１５０−３、１５０−４のそれよりも大きい。このように、各ＩＧＢＴチップの電流経路の寄生インダクタンスが異なると、例えばスイッチング動作時におけるタイミングのアンバランスが生じ、発振の原因となる。
【００２０】
そのため、各ＩＧＢＴチップ１５０−１〜１５０−４のそれぞれにおける、コレクタターミナルからエミッタターミナルまでの電流経路長を等しくすること等により、寄生インダクタンスの均一化を図る必要がある。図９はこの対策を施したＩＧＢＴモジュールの平面図である。図示するように、この例ではＩＧＢＴチップ１５０−３、１５０−４のエミッタ領域からエミッタターミナルまでの電流経路長を大きくして、ＩＧＢＴチップ１５０−１、１５０−２の電流経路長と等しくすることにより、各ＩＧＢＴチップ１５０−１〜１５０−４のそれぞれの電流経路に存在する寄生インダクタンスを等しくしている。
【００２１】
上記のような複数のＩＧＢＴチップを実装したＩＧＢＴモジュールでは、更に次のような問題が新たに発生する。
【００２２】
（４）ＩＧＢＴモジュールの平面レイアウトにおける自由度と面積効率が更に悪化する。
【００２３】
上記（２）で説明したように、単一のＩＧＢＴチップを実装するＩＧＢＴモジュールですら、平面レイアウトにおける自由度と面積効率が悪化する問題を内在していた。当然、ＩＧＢＴチップを複数実装したＩＧＢＴモジュールでは、この問題は更に厳しくなる。すなわち、各配線間の絶縁を維持し、且つ寄生インダクタンスを均一化するような設計は非常に困難であるという問題があった。
【００２４】
（５）熱抵抗が増大し、ＩＧＢＴチップの発熱量が増加する。
【００２５】
近年、半導体素子の高耐圧化が進展していることについては前述したとおりである。高耐圧化すなわち大容量化が進展すると、半導体チップのチップサイズも大きくなる。上記（２）、（４）で説明したように、ＩＧＢＴモジュールは面積効率が悪く、設計に大きな制約を受けるため、更にチップサイズが増大するような場合には、隣接するＩＧＢＴチップ間の距離が確保できなくなる。その結果、各チップの発熱が熱干渉を起こし熱抵抗が増大するという問題があった。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来構造のＩＧＢＴモジュールでは、ＩＧＢＴチップを搭載したセラミック基板とベースプレートとの間のハンダ接合と、セラミック基板と電力ターミナルとの間のハンダ接合とを同時に行う必要がある。更に、この工程の自動化が困難である。そのため、アセンブリ工程が煩雑で且つ複雑化し、時間的、人的コストが大きいという問題があった。
【００２７】
また、エミッタ、コレクタ、ゲート用の配線には、大電流、高電圧が与えられる各ターミナルが搭載されるため、各々の間での絶縁を十分に維持できるように一定の間隔を有するようにパターニングしなければならない。そのため面積効率が悪化し、搭載できるチップサイズが小さくなるという問題があった。更に、高い絶縁性を維持するためにＩＧＢＴチップや配線、各ターミナルの配置に自由度が奪われるという問題があった。
【００２８】
更に、封止樹脂に高絶縁性のものを用いると、ＩＧＢＴチップと配線間のボンディングワイヤに不要な熱ストレスがかかりボンディングワイヤの断線など原因となるため、低絶縁性樹脂の使用が強いられる。その結果、ＩＧＢＴモジュールの耐圧向上が非常に困難であるという問題があった。
【００２９】
また、複数のＩＧＢＴチップを搭載するＩＧＢＴモジュールでは、各ＩＧＢＴチップの電流経路に寄生的に存在するインダクタンスが均一になるよう、配線を設計する必要がある。その結果、ＩＧＢＴモジュールの平面レイアウトにおける自由度と面積効率が更に悪化する。
【００３０】
また、半導体チップの大容量化に伴ってチップサイズが大きくなると、更に面積効率が悪化し、設計に大きな制約を受けるため、隣接するＩＧＢＴチップ間の距離が確保できなくなる。その結果、各チップの発熱が熱干渉を起こし熱抵抗が増大するという問題があった。
【００３１】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、アセンブリ工程を簡単化することにより製造コストを削減できる半導体装置を提供することにある。
【００３２】
また、この発明の第２の目的は、面積効率を向上し、平面レイアウトの自由度が得られる半導体装置を提供することにある。
【００３３】
また、この発明の第３の目的は、耐圧を向上できる半導体装置を提供することにある。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
この発明の一態様に係る半導体装置は、表面上に配線の設けられた絶縁性基板と、前記配線上に実装された半導体チップと、前記配線上に形成され、少なくとも前記半導体チップ縁部を被覆する絶縁部材と、前記絶縁部材上に形成され、前記半導体チップの表面及び前記配線に電気的に接続された配線層と、前記絶縁性基板上に、前記半導体チップ及び前記配線を被覆するようにして設けられた封止樹脂とを具備する。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００４３】
この発明の第１の実施形態に係る半導体装置について、図１を用いて説明する。図１はＩＧＢＴモジュールの断面図である。
【００４４】
図示するように、ベースプレート１１上にセラミック基板１３を設け、両者をハンダ１２により接合している。セラミック基板１３は、絶縁性のセラミックプレート１３−１の両面に銅板１３−２を配した構造を有している。そして、このセラミック基板１３の表面上の銅板１３−２上にＩＧＢＴチップ１５を設け、ハンダ１４によってＩＧＢＴチップ１５を銅板１３−２に接着している。セラミック基板１３の表面上の銅板１３−２は、ＩＧＢＴチップ１５のコレクタ配線として機能するもので（以下第１コレクタ配線１３−２と呼ぶ）、ＩＧＢＴチップ１５の裏面とハンダ１４を介して電気的に接続されている。
【００４５】
そして上記第１コレクタ配線１３−２上に、その一部がＩＧＢＴチップ１５の縁部を覆うようにして絶縁部材１６を設けている。この絶縁部材１６は、高絶縁性樹脂１７によって、ＩＧＢＴチップ１５上及び第１コレクタ配線１３−２上に接着されている。絶縁部材１６上には、各々が電気的に分離された銅板１８−１〜１８−３を設けている。これらの銅板１８−１〜１８−３は、それぞれＩＧＢＴチップのゲート、エミッタ、コレクタ用の配線として機能する（以下、それぞれゲート配線、エミッタ配線、第２コレクタ配線と呼ぶ）。通常、ＩＧＢＴチップは表面（素子形成面）にゲート領域、エミッタ領域を有しているため、これらの領域とゲート配線１８−１、エミッタ配線１８−２の間はそれぞれ、Ａｌなどのボンディングワイヤ１９によって直接、電気的に接続している。一方、ＩＧＢＴチップのコレクタ領域は半導体基板面に形成されるため、第２コレクタ配線１８−３と第１コレクタ配線１３−２との間をボンディングワイヤ１９により接続し、コレクタ領域と第２コレクタ配線１８−３との間を第１コレクタ配線１３−２とハンダ１４とを介して電気的に接続している。また、各配線１８−１〜１８−３上には、それぞれゲートターミナル２０−１、エミッタターミナル２０−２、コレクタターミナル２０−３を設け、両者をハンダ２１により接合している。なお、ゲート用配線１８−１内にはゲート抵抗２２を更に設けている。
【００４６】
そして、上記構造を樹脂ケース２３に格納し、上面を樹脂キャップ２４で封止している。更に樹脂ケース２３、樹脂キャップ２４により封止された内部をシリコーンゲル等の軟性を有する樹脂２５によって充填することにより、ＩＧＢＴモジュール１０が形成されている。
【００４７】
上記のように、本実施形態に係るＩＧＢＴモジュール１０は、ＩＧＢＴチップ１５とゲート、エミッタ、コレクタの各ターミナル２０−１〜２０−３との間に絶縁部材１６を設けている。各配線１８−１〜１８−３が形成された絶縁部材１６上への各ターミナル２０−１〜２０−３のハンダ接合は、ＩＧＢＴモジュール１０のアセンブリ前に行うことが出来、更にそれらの工程は自動化することが可能である。
【００４８】
そして、ＩＧＢＴモジュール１０のアセンブリは、コレクタ配線１３−２上へのＩＧＢＴチップ１５の高融点ハンダ１４によるハンダ接合、セラミックプレート１３−１裏面の銅板１３−２へのベースプレート１１の低融点ハンダ１２によるハンダ接合、各ターミナル２０−１〜２０−３と一体成形化された絶縁部材１６の搭載、そして樹脂封止により行う（以下、各配線１８−１〜１８−３が形成された絶縁部材１６を中間配線体と呼ぶ）。
【００４９】
このように中間配線体を用いることにより、アセンブリ時における各ターミナル２０−１〜２０−３のハンダ接合が不要となる。すなわち、各ターミナルと一体成形化された中間配線体の搭載にはハンダ接合が不要であるため、各ターミナルの搭載とベースプレート１１とセラミック基板１３とのハンダ接合とを同時に行う必要がない。また、各ターミナルの中間配線体への実装工程と、その中間配線体及びベースプレートへのセラミック基板の実装工程を自動化することが可能であるため、ＩＧＢＴモジュールのアセンブリ工程の大幅な簡略化、煩雑さの解消が実現でき、時間的、人的コストを低減できると共に製造歩留まりの向上に寄与する。
【００５０】
また、中間配線体を用いれば、ＩＧＢＴモジュールの面積効率を向上し、平面レイアウトの自由度を大幅に向上できる。本実施形態ではセラミックプレート１３−１上に第１コレクタ配線１３−２を設け、この第２コレクタ配線１３−２上に絶縁部材１６を介してゲート配線１８−１、エミッタ配線１８−２、第２コレクタ配線１８−３を設けている。この第２コレクタ配線１８−３は、少なくとも第１コレクタ配線１３−２のボンディングエリアとコレクタターミナル２０−３のボンディングエリアが確保できれば良く、その他の領域はゲート配線１８−１、エミッタ配線１８−２用のスペースとして使用できる。このスペースは、第１コレクタ配線１３−２と異なる平面にあるため、セラミックプレート１３−１からＩＧＢＴチップ１５が占有する面積を除いた面積とほぼ同じ広さがある。そのため、各配線の設計が容易になり、平面レイアウトの自由度を向上できる。
【００５１】
また、図１に示すように、中間配線体はその一部がＩＧＢＴチップ１５の一部を被覆するようにして配置されている。そのため、両者がオーバーラップしている領域を空きエリアとして使用できるので、ＩＧＢＴモジュールの平面レイアウトにおける自由度の向上に寄与する。
【００５２】
更に本実施形態によれば、封止樹脂２５にシリコーンゲルを用いつつ、ＩＧＢＴモジュールの耐圧を向上できる。なぜなら、ＩＧＢＴチップ１５と接する中間配線体を、高絶縁性樹脂１７によってＩＧＢＴチップ１５及び第１コレクタ配線１３−２上に接着している。通常、半導体チップにおける電界集中箇所はチップ縁部、特に角部である。この電界集中箇所を上記高絶縁性樹脂１７が被覆しているので、この領域での絶縁破壊の発生を効果的に防止できる。その結果、従来では困難であった、耐圧４５００Ｖ以上の大容量ＩＧＢＴモジュールが実現できる。更に、ＩＧＢＴチップ１５の中間配線体が被覆しない領域は、特に電界集中箇所とはならないので低絶縁性で軟性の高いシリコーンゲルを用いることで十分に絶縁を維持できる。このように、ＩＧＢＴチップ１５の電界集中箇所を被覆する樹脂には高絶縁性のものを、それ以外を被覆する樹脂には低絶縁性の材料を使用することで、ＩＧＢＴモジュール１０の耐圧を向上できる。同時に、ボンディングワイヤ１９が設けられた領域はシリコーンゲルにより封止されることとなるので、ボンディングワイヤ１９に余計な応力がかかることを防止し、ＩＧＢＴモジュールの信頼性の向上にも寄与する。
【００５３】
図２は本実施形態の変形例について示しており、ＩＧＢＴモジュールの断面図である。
【００５４】
図示するように、本変形例は上記実施形態においてベースプレート１１を廃したものである。すなわち、ＩＧＢＴモジュール１０は絶縁性部材１６によって十分な強度が得られるので、ベースプレートが不要になる。
【００５５】
ベースプレート１１を廃することによって、アセンブリ工程でのハンダ接合が必要となるのは、第１コレクタ配線１３−２上へのＩＧＢＴチップ１５搭載時のみとなるので、更にアセンブリ工程を簡単化出来、製造コストを低減できる。
【００５６】
なお、中間配線体にはＰＣＢ（Pre-Circuit Board）等を使用できるので、製造コストの増大を抑えつつ、上記効果が得られる。
【００５７】
このように、本実施形態によれば、ＩＧＢＴモジュールのアセンブリ工程の簡単化、平面レイアウトの自由度及び耐圧の向上という効果を、製造コストの大幅な増大を回避しつつ実現できる。
【００５８】
次にこの発明の第２の実施形態に係る半導体装置について、図３、図４（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図３はＩＧＢＴモジュールの平面図、図４（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図３におけるＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【００５９】
図示するように本実施形態に係るＩＧＢＴモジュールはベースプレートを廃したものである。そして、絶縁性のセラミックプレート１３−１の両面に銅板１３−２が配されたセラミック基板１３の表面上の銅板１３−２上に、４つのＩＧＢＴチップ１５−１〜１５−４、ＦＲＤチップ２６−１、２６−２を設け、ハンダ接合により各チップの裏面（半導体基板面）を銅板１３−２に接着している。これらのチップは、セラミック基板１３の中心部を取り囲むようにして配置されており、セラミックプレート１３−１の表面上に設けられた銅板１３−２に電気的に接続されている。ＦＲＤは、電子線照射やプロトン照射によりキャリアのライフタイムを制御されたフライホイーリング用の高速整流ダイオードである。
【００６０】
第１の実施形態で説明したように、ＩＧＢＴチップ１５−１〜１５−４は半導体基板面にコレクタ領域を有するため、ＩＧＢＴチップ１５−１〜１５−４に接する銅板１３−２は第１コレクタ配線として機能する。一方セラミック基板１３裏面の銅板１３−２は、セラミック基板１３全体に均等に熱を分散させる放熱用として用いる。
【００６１】
更に、上記セラミック基板１３上に、セラミック基板１３の中央部、及び各チップ１５−１〜１５−４、２６−１、２６−２が位置する領域に開口部を有するＰＣＢ１６を設けている。このＰＣＢ１６は多層配線１８−１〜１８−３を有しており、それぞれはゲート配線、エミッタ配線、第２コレクタ配線となる。なお、第２コレクタ配線１８−３はＰＣＢ表面上の配線が用いられ、ゲート配線１８−１はＰＣＢ表面から１層目の内部配線が用いられ、エミッタ配線１８−２はＰＣＢ表面及びＰＣＢ表面から２層目の内部配線が用いられる。
【００６２】
図５はＰＣＢ１６の平面図であり、特にＰＣＢ１６上に設けた各配線について示している。図示するように、ＰＣＢ１６は中央部に設けられた開口部２７−１、ＩＧＢＴチップが位置する場所に設けられた開口部２７−２、及びＦＲＤチップが位置する場所に設けられた開口部２７−３の各開口を有している。そして、中央の開口部２７−１の縁部を取り囲むようにして第２コレクタ配線１８−３をその表面に有し、この第２コレクタ配線１８−３を取り囲み、且つ第２コレクタ配線１８−３と電気的に離隔するようにしてエミッタ配線１８−２を、表面及び表面から２層目のレベル（図示せず）に有している。また、開口部２７−２、２７−３を取り囲むようにして、ＰＣＢ縁部の表面及び表面から２層目のレベル（図示せず）にも、エミッタ配線１８−２を有している。更に、ＰＣＢ１６の中央部に対して相対するＩＧＢＴチップ１５−１、１５−３とＩＧＢＴチップ１５−２、１５−４のゲートを接続する為のゲート配線１８−１を、ＰＣＢ１６縁部のＰＣＢ表面上と表面から第２層目のエミッタ配線１８−２との間、すなわち表面から第１層目のレベルに有している。なお、ＰＣＢ１６縁部のエミッタ配線１８−２はＩＧＢＴチップのエミッタ領域と同電位を有するが、ＩＧＢＴチップの出力電流の電流経路となるものではない。
【００６３】
そして、上記ＰＣＢ１６表面上のエミッタ配線１８−２と、ＩＧＢＴチップ１５−１〜１５−４の表面のエミッタ領域とをボンディングワイヤ１９により接続している。また、ＰＣＢ１６表面から１層目のゲート配線１８−１と、ＩＧＢＴチップ１５−１〜１５−４の表面のゲート領域とをボンディングワイヤ１９により接続している。更に、ＰＣＢ１６の中央部に設けられた開口部２７−１に露出する第１コレクタ配線１３−２と第２コレクタ配線１８−３との間もボンディングワイヤ１９により接続し、この第１コレクタ配線１３−２を介してＩＧＢＴチップ１５−１〜１５−４のコレクタ領域とＰＣＢ１６上の第２コレクタ配線１８−３とを電気的に接続している。なお、ＦＲＤチップ２６−１、２６−２の表面上のアノード領域と、ＰＣＢ１６表面上のエミッタ配線１８−２との間、ＦＲＤチップ２６−１、２６−２の半導体基板面のカソード領域と接続する第１コレクタ配線１３−２と第２コレクタ配線１８−３との間もボンディングワイヤ１９により接続している。
【００６４】
更に、上記エミッタ配線１８−２上にエミッタターミナル２０−２を設け、コレクタ配線１８−３上にコレクタターミナル２０−３を設けている。ゲート配線１８−１内には、ゲート抵抗２２を更に設け、ゲート配線１８−１の中間の位置にゲートターミナル２０−１を設けている。また、ＰＣＢ１６上にはエミッタセンスターミナル２８を更に設けている。エミッタセンスターミナル２８はエミッタ電位取り出し用の端子である。
【００６５】
大容量のＩＧＢＴモジュールでは、エミッタターミナル２０−２から大電流が出力されるため、エミッタターミナル２０−２から直接電位を取り出そうとすると、電位の取り出し部において大きな電圧降下が発生する。そのため、エミッタ電位の取り出しはエミッタターミナル２０−２から直接行わずに、電流出力端子とならないエミッタセンスターミナル２８で行い、このエミッタセンスターミナル２０−２から取り出したエミッタ電位を基準にゲート電位を設定している。
【００６６】
そして全体が樹脂ケース２４に格納され、その内部を樹脂２５で充填することでＩＧＢＴモジュール１０が構成されている。
【００６７】
上記のような構造によれば、各配線１８−１〜１８−３を有するＰＣＢである中間配線体を用いることにより、第１の実施形態と同様、アセンブリ時におけるハンダ接合を省くことが出来るため、製造工程を簡略化できる。また、平面レイアウトの自由度が向上するため、本実施形態のようにセラミック基板１３の中心部にエミッタターミナル２０−２、コレクタターミナル２０−３が位置し、その周辺を各ＩＧＢＴチップ、ＦＲＤチップが取り囲むようなレイアウトが可能となる。そして本構造によれば、コレクタターミナルからエミッタターミナルまでの電流経路長を各チップ間で均一に出来るため、配線間の寄生インダクタンスや配線抵抗が各チップ間において均等になり、ＩＧＢＴモジュールの電気的特性を向上できる。同時に、各ＩＧＢＴチップ、ＦＲＤチップ間の距離を十分に確保できるので、熱抵抗の低下も実現できる。
【００６８】
また、中間配線体として多層配線を有するＰＣＢを用いることにより、ゲート配線１８−１とエミッタ配線１８−２とをオーバーラップさせることが出来、寄生インダクタンスの低減に寄与する。
【００６９】
なお、本実施形態においても、ＰＣＢとＩＧＢＴチップとの間に、第１の実施形態と同様、高絶縁性樹脂を設けることによりＩＧＢＴモジュールの耐圧の向上を図ることが可能である。
【００７０】
また、ＩＧＢＴチップ及びＦＲＤチップのセラミック基板上における配置は図示したものに限られず、配線抵抗や寄生インダクタンスを問題にならない程度に低減できる配置であれば限定されるものではない。
【００７１】
このように、面積効率を向上させて平面レイアウトの自由度を増すことにより、各配線間の絶縁維持、寄生インダクタンスの軽減、及び熱抵抗の軽減を図ることが出来る。
【００７２】
更に、本実施形態においてはＩＧＢＴチップとＦＲＤチップとからなるＩＧＢＴモジュールについて説明したが、例えばパワーＭＯＳトランジスタ等、他のパワーデバイスとの組み合わせによってＩＧＢＴモジュールを形成した場合についても本発明を適用できるのは言うまでもない。
【００７３】
また、ＩＧＢＴモジュールの耐圧の向上のみが問題となり、その他の問題点が無視できるような場合には、その絶縁維持に必要な部分にのみ絶縁部材１６を配置してもかまわない。図６は第１、第２の実施形態の変形例について説明するためのもので、上記ケースにおけるＩＧＢＴモジュールの断面図である。
【００７４】
図示するように、基本的な構造は従来技術で説明した図７の構造と同様である。本構造において、絶縁維持に問題となる領域は、電界集中箇所となるＩＧＢＴチップ縁部及び各配線が隣接する部分である。そのため、本変形例では、それらの領域上に絶縁部材１６を配置しており、更にその間に高絶縁性樹脂１７を設けている。このように、耐圧低下の直接的な原因となる部分は絶縁部材１６、高絶縁性樹脂１７により絶縁を図り、その他の領域はシリコーンゲル２５により絶縁を図ることで、ボンディングワイヤ１９に生じる熱ストレスを緩和しつつ、ＩＧＢＴモジュールの耐圧を向上できる。
【００７５】
また、上記第１、第２の実施形態ではＩＧＢＴチップやＦＲＤチップと各配線、及び配線間のボンディングにワイヤを用いた例について説明したが、勿論ボンディングはワイヤに限られるものではなく、例えばリードフレーム等によって行ってもかまわない。
【００７６】
なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、アセンブリ工程を簡単化することにより製造コストを削減できる半導体装置を提供できる。
【００７８】
また、面積効率を向上し、平面レイアウトの自由度が得られる半導体装置を提供できる。
【００７９】
更に、耐圧を向上できる半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係るＩＧＢＴモジュールの断面図。
【図２】この発明の第１の実施形態の変形例に係るＩＧＢＴモジュールの断面図。
【図３】この発明の第２の実施形態に係るＩＧＢＴモジュールの平面図。
【図４】この発明の第２の実施形態に係るＩＧＢＴの断面図であり、（ａ）図は図３のＡ−Ａ’線に沿った断面図、（ｂ）図はＢ−Ｂ’線に沿った断面図。
【図５】この発明の第２の実施形態に係るＩＧＢＴモジュールの中間配線体の平面図であり、絶縁部材上の配線パターンを示す図。
【図６】この発明の第１、第２の実施形態の変形例に係るＩＧＢＴモジュールの断面図。
【図７】従来のＩＧＢＴモジュールの断面図。
【図８】従来の複数のＩＧＢＴチップを搭載したＩＧＢＴモジュールの平面図。
【図９】従来の複数のＩＧＢＴチップを搭載し、寄生インダクタンスの均一化が図られたＩＧＢＴモジュールの平面図。
【符号の説明】
１０、１００…ＩＧＢＴモジュール
１１、１１０…ベースプレート
１２、１４、２１、１２０、１４０、２１０…ハンダ
１３、１３０…セラミック基板
１３−１、１３０−１…セラミックプレート
１３−２〜１３−５、１８−１〜１８−３、１３０−２〜１３０−５、１３０−３’…銅板
１５、１５−１〜１５−４、１５０、１５０−１〜１５０−４…ＩＧＢＴチップ
１６…絶縁部材
１７…高絶縁性樹脂
１９、１９０…ボンディングワイヤ
２０−１〜２０−３、２００−１〜２００−３…ターミナル
２２、２２０…ゲート抵抗
２３、２０…樹脂ケース
２４、２４０…樹脂キャップ
２５、２５０…封止樹脂
２６−１、２６−２、２６０−１、２６０−２…ＦＲＤチップ
２７−１〜２７−３…開口部
２８…エミッタセンスターミナル

Claims

表面上に配線の設けられた絶縁性基板と、
前記配線上に実装された半導体チップと、
前記配線上に形成され、少なくとも前記半導体チップ縁部を被覆する絶縁部材と、
前記絶縁部材上に形成され、前記半導体チップの表面及び前記配線に電気的に接続された配線層と、
前記絶縁性基板上に、前記半導体チップ及び前記配線を被覆するようにして設けられた封止樹脂と
を具備することを特徴とする半導体装置。
前記配線層上に設けられた外部接続端子を更に備え、
前記配線上には前記半導体チップが複数実装され、
前記絶縁部材は、前記配線上に前記半導体チップを被覆するようにして設けられ、底面において前記半導体チップ表面の一部を露出させる第１開口部と、底面において前記配線の一部を露出させる第２開口部とを備え、
前記配線層は、前記第１開口部内に露出される前記半導体チップ表面、及び前記第２開口部内に露出される前記配線と電気的に接続され、
前記外部接続端子は信号を受ける入力端子と、信号を出力する出力端子とを含み、前記配線層は、前記入力端子から前記半導体チップを介して前記出力端子に達する電流経路が、各半導体チップ間で実質的に等しくなるように形成される
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記半導体チップは、前記絶縁性基板面内において、前記絶縁性基板面内の中心部を取り囲むようにして配置され、
前記第１開口部は、前記半導体チップが位置する場所に設けられ、
前記第２開口部は、前記半導体チップにより取り囲まれる前記中心部に設けられる
ことを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
前記絶縁部材と前記半導体チップとの間に設けられ、前記封止樹脂よりも高絶縁性及び低軟性の特性を有する絶縁性樹脂を更に備える
ことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の半導体装置。
前記絶縁性樹脂は、前記絶縁部材と前記配線との間にも設けられる
ことを特徴とする請求項４記載の半導体装置。