JP4492242B2 - 半導体パッケージ - Google Patents

Description

本発明は電力用半導体パッケージ等の半導体パッケージに関する。

従来の電力用半導体パッケージにおいては、たとえば、強固な金属板の一主面に固定された絶縁板の上にアノード配線とカソード配線が形成されていて、半導体チップの裏面に設けられたアノード電極が前記アノード配線に面接着される形で固定、かつ、電気的に接続されており、一方、半導体チップの表面に設けられたカソード配線と、絶縁板上のカソード配線との間は金属製ワイヤによって電気的に接続されており、前記金属板の裏面以外の構造がプラスチック製の外殻にて覆われていて、前記アノード配線とカソード配線は外殻を貫通してその外部に端子を出している。このパッケージは、外部に露出した金属板を外部冷却器に熱的に接続して半導体チップからの熱を逃がす構造となっている。

上記のような電力用半導体パッケージにおいては、半導体チップの裏面側は、半導体チップと金属板との間に熱伝導率の高い絶縁板を使っているので、良好な放熱が可能であるが、半導体チップの表面側は、チップと絶縁板上の配線との間の接続にボンディングワイヤを使っているので、表面側からの本格的な冷却ができなかった。また、ボンディングワイヤが所定の空間を占有するのでパッケージ全体の体積に下限がもうけられてしまっていた。さらに、半導体チップの片面のみが熱膨張率の異なる物質と接続していることから、温度変化によって半導体チップに過大な応力がかからないよう、前記金属板は一定の剛性を確保するために分厚い必要があり、それによって放熱性に上限がもうけられてしまっていた。

本発明は以上のような状況を鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、放熱特性が良好で、かつ、コンパクトな半導体パッケージを提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明においては次のような構成をとる。すなわち、対向する２つの主面に、それぞれ、第１および第２の主電極を有する半導体チップの前記第１および第２の主電極にそれぞれ、低電気抵抗かつ低熱抵抗で接続する第１および第２の板状主配線を有し、前記第１および第２の板状主配線の、前記接続部以外にそれぞれ、外部接続用端子を有し、前記第１の板状主配線の、前記第１の主電極と接する面とは反対側の面に、絶縁膜を介して少なくとも一箇所が低熱抵抗で接続する、金属板からなる第１の外殻と、前記第２の板状主配線の、前記第２の主電極と接する面とは反対側の面に、絶縁膜を介して少なくとも一箇所が低熱抵抗で接続する、金属板からなる第２の外殻とを有し、前記第１と第２の板状主配線のうち、前記半導体チップと接続している部分と、前記外部接続用端子部を除く領域が、互いの一主面を平行近接させていることを特徴とする半導体パッケージを構成する。

本発明によれば、半導体チップの対向する２つの主面のそれぞれに設けられた主電極から外殻への熱伝導による放熱が可能である半導体パッケージを構成にすることにより、放熱特性が良好で、かつ、コンパクトな半導体パッケージを提供することができる。

次に、本発明を、図を使って詳しく説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明第１の実施の形態である半導体パッケージを説明する断面図である。また、図２は、図１に示した半導体パッケージを上部から眺めた平面図であり、図２中の線分Ａ−Ａ’を通る面における断面図が図１で示されている。

図１中、１は、対向する２つの主面に、それぞれ、第１の主電極であるカソード電極２と第２の主電極であるアノード電極３とを有する半導体チップであり、１２および１３は、それぞれ、前記第１の主電極に面接触することによって低電気抵抗かつ低熱抵抗で接続する第１の板状主配線であるカソード配線、および、前記第２の主電極に面接触することによって低電気抵抗かつ低熱抵抗で接続する第２の板状主配線であるアノード配線であり、３２は、前記第１の板状主配線の、前記第１の主電極と接する面とは反対側の面に、絶縁膜４２を介して面接触することによって少なくとも一箇所が低熱抵抗で接続する第１の外殻であり、３３は、前記第２の板状主配線の、前記第２の主電極と接する面とは反対側の面に、絶縁膜４３を介して面接触することによって少なくとも一箇所が低熱抵抗で接続する第２の外殻であり、２２、２３は、前記第１および第２の板状主配線のそれぞれに個別に接続する外部接続用端子である。

ここで、半導体チップ１は厚さ数十〜数百μｍのダイオードチップである。図２中の点線は、パッケージ内部の半導体チップ１の存在位置を示している。図１に示すとおり、半導体チップ１の表面にはカソード電極２、裏面にはアノード電極３がある。また、図中、１２はカソード配線、１３はアノード配線であり、いずれも１００〜３００μｍ程度の薄い金属板で構成されている。図２中の鎖線は、パッケージ内部にあるこれら配線の存在位置を示している。この２つの配線は、図１に示すように、それぞれ前記カソード電極２、アノード電極３と半田（図示せず）などによって電気的に接続されていて、かつ、互いに絶縁を確保しながら近接平行している。よって、半導体チップ１が動作した際には、互いに対向した向きに同じ量の電流が流れるので、このような構成によってパッケージ内のインダクタンスは最小限に抑えられる。

３２、３３は厚さ数百μｍの金属板からなる外殻で、図１に示すように、互いの外殻周辺部３０にて遍く隙間無く接着されている。さらに、両者の内部には、厚さ数〜数十μｍの絶縁膜４２、４３が形成されている。これらは、有機物あるいは蒸着あるいはエアロゾルデポジション法、印刷法などによって形成されたアルミナや酸化珪素などの無機絶縁物である。膜の厚みは膜の材質の耐電圧特性と半導体チップ１の耐圧によって設計される。もちろん、従来と同じように、焼結によって形成した絶縁用セラミクス板を使ってもよい。その場合、セラミクス板の厚さは従来使われてきたものよりも薄くてよい。半導体チップ１もセラミクス板も反りによる引っ張り応力には弱いが、本発明の構造では半導体チップ１の両面にほぼ同じ形で接続されるので、従来例とくらべて半導体チップ１に対してかかる応力も表裏対称なので、反りに留意した剛性を持たせる必要がなく、従来より肉薄の絶縁膜４２、４３を用いてもよい。

本実施の形態においては、半導体チップ１の両主面から、電極、配線、外殻間の接続を通して良好な放熱が可能であり、かつ、従来は数ｃｍの厚みだったパッケージが１〜数ｍｍの厚みになるというパッケージのコンパクト化も可能となる。

また、図１では、カソード配線１２ならびにアノード配線１３は絶縁膜４２、４３と全面で接触しているが、図３のように、少なくとも半導体チップ１と接続している部分の裏側で接続していればよい。接続は、絶縁膜４２、４３の表面に金属薄膜を形成し、これにそれぞれ配線１２、１３を半田付けするなど、従来の方法に依ればよい。図１のように、外殻３２、３３の内面全域に絶縁膜４２、４３をもち、上記金属薄膜による接続部が半導体チップ１に隣接した領域のみに限られる、という構成でもよい。

また、外殻３２、３３には半導体チップ１の存在する領域から離れたところに孔５２、５３があり、それぞれ前記配線１２、１３が外部接続用端子２２、２３として露出している。その孔と端子２２、２３との間の隙間は絶縁物６２、６３が充填されている。よって、接着によって一体化した外殻３２、３３の内部は気密性が保たれている。パッケージ内部は、適当な絶縁物で充填してもよいし、不活性気体を充填してもよい。ガスを充填する際は、内圧を陰圧にしておく方がよい。半導体チップ１が発熱すると内部の気体が膨張し、内圧が高まる。もし、内部が陽圧になると、上述した各接続部を引き剥がす力が発生してしまうので、内部の気圧は大気圧が低く、内部温度がパッケージの定格温度になった状態でも負圧になっていることが望ましい。たとえば、この半導体パッケージが標高の高い場所で使用することを想定して外気圧を仮に５．１×１０^４Ｐａ（０.５気圧）とし、パッケージの設計上の上限温度を１５０℃とした場合、この条件でも内部が陽圧にならないためには、内部の気圧が０℃において３．４×１０^４Ｐａ（１／３気圧）以下であることが必要である。

なお、図１では２つの端子２２、２３を両側に出していたが、図４に示したように、片側に出してもよい。図５は、図４に示した半導体パッケージを上部から眺めた平面図であり、図中の線分Ａ−Ａ’を通る面における断面図が図４で示されている。また、図６は、同じく図５中の線分Ｂ−Ｂ’を通る面における断面図である。

さらに、端子２２、２３の出し方は、図７のように端子２２、２３が飛び出していてもよい。さらに、図８ならびに図９に示すように、端子部にてパッケージに貫通する接続用の孔をもうけてもよい。図９は、図８に示した半導体パッケージを上部から眺めた平面図であり、図中の線分Ｂ−Ｂ’を通る面における断面図が図８で示されている。

以上、ここでは内部に半導体チップ１を１つもつパッケージをもって説明したが、当然、パッケージ内には複数のチップがあってよいし、一対の主電極のほかに制御電極をもつトランジスタチップに対応したパッケージも、この範疇に入る。

また、図１０は、端子２２、２３の出し方について別の方式をとった場合の断面図であり、図１に対応する。この形態では、端子２２、２３は外殻３２、３３に孔を穿って取り出すのではなく、端子間に絶縁膜４０を介在させた状態で、外殻３２、３３の外周の接合部の一部から取り出す。この場合にも、外殻３２、３３は、適当な接着手段によって、内部の気密性が保たれるように接着されているものとする。

ここには図示しない外部装置の状況によっては、このような形態の方が便利なこともある。

さらに、図１１は、別の形態を示す断面図である。図中、３４は外殻３２、３３に設けられ外殻３２、３３を取り囲む鍔で、流体が外部へ漏れ出さない構造をもっている。この形態では、本発明のパッケージが薄型で、半導体チップ１両面からの均等な冷却が可能で、さらに内部の気密が保たれていることを利用して、パッケージ自体を放熱フィンの役割を果たすものとして流水管８の中に埋め込んだ構成となっている。もちろん、パッケージを流水管の隔壁から着脱できるようにしてあってもよい。

また、上記のようなパッケージで、半導体チップ１の厚さはチップが可撓性となるように数十μｍの厚さにし、その他、アノード配線、カソード配線、外殻なども可撓性を有する素材からなるようにし、パッケージ全体が可撓性を有するようにすれば、そのパッケージは、たとえば断面が円形な流水管の外側に撓ませて張り付けることができ、実装形態の制約が少なくなる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明第２の実施の形態を、図１２を使って説明する。この図では、外殻３２、３３の半導体チップ１とは反対側の面に放熱フィン７０が接続している。半導体チップ１が高温になっても、端子部は高温にしてはいけない場合が多い。とはいえ、配線１２、１３が繋がっているので、これらを半導体チップ１との接続部から端子２２、２３までの間で冷却する必要がある。そこで、図のような板状の放熱フィン７０は通常、その一辺を外殻３２、３３と繋げるが、そうすると今度は放熱フィンを介して半導体チップ１からの熱伝達が支配的になってしまう。そこで、図のように、放熱フィンにスリット７１をもうけてこれを抑制する。もちろん、それぞれ独立した放熱フィンを備えても良い。また、外殻を伝って高温が端子部側に伝わってもいけないので、そのような懸念がある場合は図のように熱を伝導させる絶縁膜４２を一部途絶させる方法もある。

本発明の第１の実施の形態を説明する断面図である。 図１に示した形態の平面図である。 図１に示した形態の変形例を説明する断面図である。 図１に示した形態の変形例を説明する断面図である。 図４に示した形態の平面図である。 図４に示した形態の別の断面図である。 図６に示した形態に準ずる別の形態を説明する断面図である。 図６に示した形態に準ずる別の形態を説明する断面図である。 図８に示した形態の平面図である。 図１に示した形態の変形例を説明する断面図である。 図１に示した形態の変形例を説明する断面図である。 本発明の第２の実施の形態を説明する断面図である。

符号の説明

１…半導体チップ、２…カソード電極、３…アノード電極、８…流水管、１２…カソード配線、１３…アノード配線、２２、２３…外部接続用端子、３０…外殻周辺部、３２、３３…外殻、３４…鍔、４０、４２、４３…絶縁膜、５２、５３…孔、６２、６３…絶縁物、７０…放熱フィン、７１…スリット。

Claims (6)

1. 対向する２つの主面に、それぞれ、第１および第２の主電極を有する半導体チップと、
   前記第１および第２の主電極にそれぞれ、低電気抵抗かつ低熱抵抗で接続する第１および第２の板状主配線を有し、
   前記第１および第２の板状主配線の、前記接続部以外にそれぞれ、外部接続用端子を有し、
   前記第１の板状主配線の、前記第１の主電極と接する面とは反対側の面に、絶縁膜を介して少なくとも一箇所が低熱抵抗で接続する、金属板からなる第１の外殻を有し、
   前記第２の板状主配線の、前記第２の主電極と接する面とは反対側の面に、絶縁膜を介して少なくとも一箇所が低熱抵抗で接続する、金属板からなる第２の外殻を有し、
   前記第１と第２の板状主配線のうち、前記半導体チップと接続している部分と、前記外部接続用端子部を除く領域が、互いの一主面を平行近接させている、
   ことを特徴とする半導体パッケージ。
2. 前記第１および第２の板状主配線のそれぞれに個別に接続する外部接続用端子は、ぞれぞれ、前記第１の外殻の一部に穿たれた孔および前記第２の外殻の一部に穿たれた孔から露出し、
   前記孔と前記外部接続用端子との間は絶縁物で埋められ、
   前記第１の外殻の外周部と前記第２の外殻の外周部とが遍く接着され、
   該接着によって一体化した前記第１および第２の外殻の内部は気密性が保たれていることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
3. 前記第１および第２の板状主配線のそれぞれに個別に接続する外部接続用端子は前記第１の外殻と前記第２の外殻との間から外部に露出し、
   前記第１の外殻の外周部と前記第２の外殻の外周部とが遍く接着され、
   該接着によって一体化した前記第１および第２の外殻の内部は気密性が保たれていることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
4. 前記一体化した第１および第２の外殻の内部の圧力が、０℃において３．４×１０^４Ｐａ以下であることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体パッケージ。
5. 前記第１または第２の外殻の、前記半導体チップとは反対側の面に放熱フィンが接続していることを特徴とする、請求項１、２、３または４に記載の半導体パッケージ。
6. 前記半導体チップが可撓性を有し、
   前記第１および第２の主配線ならびに前記第１および第２の外殻が可撓性を有する素材からなり、装置全体が可撓性を有することを特徴とする前記請求項１、２、３、４または５に記載の半導体パッケージ。

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