JP5060453B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、主電極に主電流を流す半導体チップを有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a semiconductor chip for supplying a main current to a main electrode.
半導体装置、特に、電力用半導体モジュールは、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)に代表される電力制御用半導体チップまたは整流用ダイオードチップを、絶縁基板を介して放熱用支持基板に取付けている。前記絶縁基板の両面に導体膜を備え、電力制御用半導体チップ等と絶縁基板上面の導体膜、絶縁基板下面の導体膜と放熱用支持基板はそれぞれ、はんだや高熱伝導の接着剤等で接合されている。電力制御用半導体チップ等の表面と半導体装置の端子は、アルミニウム(Al)材等によるワイヤボンディングにより直接的または絶縁基板上面の導体膜を経由して接続されている。 In a semiconductor device, in particular, a power semiconductor module, a power control semiconductor chip represented by an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a rectifying diode chip is attached to a heat dissipation support substrate via an insulating substrate. Conductor films are provided on both sides of the insulating substrate, and the power control semiconductor chip and the like are connected to the conductor film on the upper surface of the insulating substrate, and the conductor film on the lower surface of the insulating substrate and the support substrate for heat dissipation are bonded to each other with solder or a high thermal conductive adhesive. ing. The surface of the power control semiconductor chip or the like and the terminal of the semiconductor device are connected directly or via a conductor film on the upper surface of the insulating substrate by wire bonding using an aluminum (Al) material or the like.
半導体装置の動作時に、電力制御用半導体チップ等に発生する熱は、主に電力制御用半導体チップの下面から絶縁基板及び放熱用金属板を経て、半導体装置の外へ放熱される。半導体装置の放熱(冷却)構造に関しては、特開2001−332664号公報等で提案されている。
半導体装置の放熱の経路としては、電力制御用半導体チップの下面から絶縁基板及び放熱用金属板を経る経路だけでなく、電力制御用半導体チップ等の上面からそこに接続するボンディングワイヤを経る経路も考えられる。しかし、電力制御用半導体チップ等の上面からボンディングワイヤを経る経路は、半導体装置の動作時には、ボンディングワイヤに大電流が流れ、ボンディングワイヤ自身も発熱するため、ボンディングワイヤを経由した放熱は期待できないと従来から考えられていた。 The heat dissipation path of the semiconductor device includes not only the path from the lower surface of the power control semiconductor chip through the insulating substrate and the metal plate for heat dissipation, but also the path from the upper surface of the power control semiconductor chip or the like to the bonding wire connected thereto. Conceivable. However, the path through the bonding wire from the upper surface of the power control semiconductor chip or the like is that a large current flows through the bonding wire and the bonding wire itself generates heat during operation of the semiconductor device, so heat dissipation through the bonding wire cannot be expected. It has been thought of in the past.
一般に、ボンディングワイヤは、良導体であり、熱伝導率も高いことから、大量の熱を伝導できるのであるが、それでも、ボンディングワイヤが、電力制御用半導体チップ等で発生した熱を、伝導できないのは、前記のようにボンディングワイヤ自身も発熱しているからである。しかし、ボンディングワイヤは、電力制御用半導体チップ等に容易に接続できるので、ボンディングワイヤを発熱しないように電力制御用半導体チップ等に接続できれば、放熱用に好適であると考えられる。
そこで、本発明の目的は、ボンディングワイヤを用いて効率的に放熱することができる半導体装置を提供することにある。
In general, bonding wires are good conductors and have high thermal conductivity, so they can conduct a large amount of heat. Nevertheless, bonding wires cannot conduct heat generated by power control semiconductor chips, etc. This is because the bonding wire itself generates heat as described above. However, since the bonding wire can be easily connected to a power control semiconductor chip or the like, if the bonding wire can be connected to the power control semiconductor chip or the like so as not to generate heat, it is considered suitable for heat dissipation.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of efficiently radiating heat using a bonding wire.
前記目的を達成するために、本発明は、半導体チップと放熱用支持基板との間に設けられた絶縁基板上に設置され電流又は電圧を外部と入出力する外部導出端子に接続せず主電流が流れないダミー導体膜と、半導体チップの主電極とダミー導体膜を接続するボンディングワイヤとを有することを特徴としている。 In order to achieve the above object , the present invention provides a main current that is installed on an insulating substrate provided between a semiconductor chip and a support substrate for heat dissipation without being connected to an external lead-out terminal that inputs / outputs current or voltage to / from the outside. A dummy conductor film that does not flow, and a bonding wire that connects the main electrode of the semiconductor chip and the dummy conductor film.
本発明によれば、ボンディングワイヤを用いて効率的に放熱することができる半導体装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor device which can thermally radiate efficiently using a bonding wire can be provided.
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In each figure, common portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1に、本発明の実施形態に係る半導体装置10の平面図を示し、図2に、図1のA−A方向の矢視断面図を示す。
FIG. 1 is a plan view of a
半導体装置(電力用半導体モジュール)10は、IGBTやFET(電界効果トランジスタ)に代表される(電力制御用)半導体チップ1aと整流用ダイオードチップ(半導体チップ)1bを、絶縁基板2を介して放熱用支持基板(ヒートシンク)4に取付けている。絶縁基板2の上面に導体膜3aを備え、半導体チップ1a、1bの下面と導体膜3aとは、半田5a、5bや高熱伝導の接着剤等で接合されている。また、絶縁基板2の下面に導体膜3eを備え、導体膜3eと放熱用支持基板4の上面とは、半田6や高熱伝導の接着剤等で接合されている。
The semiconductor device (power semiconductor module) 10 radiates heat from the
半導体チップ1aには、主電流を流す主電極11b(半導体チップ1aがIGBTであればエミッタ電極に対応する)と、制御電極11aが設けられている。制御電極11aに制御電流を流すことで、主電極11bを流れる主電流を制御することができる。半導体チップ1aの主電極11bと、半導体チップ1bの上面(一方の電極)とは、ボンディングワイヤ9b、9hによって接続され、半導体チップ1bの上面(一方の電極)は、ボンディングワイヤ9aによって外部導出端子7aに接続されている。また、半導体チップ1aの下面の主電極と、半導体チップ1bの下面(他方の電極)とは、絶縁基板2の上面に設けられている導体膜3aによって接続され、導体膜3aは、ボンディングワイヤ9cによって外部導出端子7bに接続されている。このように、半導体チップ1aと半導体チップ1bとは、外部導出端子7aと外部導出端子7bの端子間に、並列接続されている。
The
絶縁基板2は、半導体チップ1a、1bと放熱用支持基板4との間に設けられている。絶縁基板2は、主電流が流れることで半導体チップ1a、1bに生じる熱を、放熱用支持基板4へ伝導させる。
The
放熱用支持基板4は、主電流が流れることで半導体チップ1a、1bに生じる熱を、絶縁基板2から受け、外部に放熱する。放熱用支持基板4の部材には、例えば銅(Cu)を用いることができる。
The heat dissipation support substrate 4 receives heat generated in the
そして、半導体装置10は、絶縁基板2の上面に設けられるダミー導体膜3dを有している。ダミー導体膜3dは、ボンディングワイヤ9iによって主電極11bに接続しているが、電流又は電圧を外部と入出力する外部導出端子7a〜7dは接続しておらず、ダミー導体膜3dに、主電流が流れることはない。ダミー導体膜3dは、導体膜3aから離れ絶縁されている。なお、ダミー導体膜3dは、ボンディングワイヤ9iによって主電極11bに接続しているので、主電極11bと同電位になっている。ダミー導体膜3dは、主電極11bの電位の変動に伴って電位が変動し、その際に電流が流れ充放電されるが、主電流ほどの大電流が長時間にわたり流れることはない。このため、ボンディングワイヤ9iが過度に発熱することはなく、ボンディングワイヤ9iは、半導体チップ1aのボンディングワイヤ9iの接続する主電極11bの周辺で発生した熱を、吸収しダミー導体膜3dへ伝導させることができる。ダミー導体膜3dへ伝導した熱は、絶縁基板2、半田6、放熱用支持基板4を順に経由して外部に放出される。このように、ダミー導体膜3dとダミー導体膜3dに接続するボンディングワイヤ9iを用いて効率的に放熱することができる。
The
ところで、主電極11bには、主電流を流すために、ボンディングワイヤ9b、9hが接続されているが、そのボンディングワイヤ9b、9hの本数は、ボンディングワイヤの9b、9hの径(断面積)と主電極11bの面積とで決まる接続可能な最大の本数に達している場合がある。このような場合には、ボンディングワイヤ9bと、ボンディングワイヤ9iとを、主電極11b上で1本のボンディングワイヤを切断することなく主電極11b上の1点に接続することで、形成する。すなわち、ボンディングワイヤ9bと、ボンディングワイヤ9iとは、連続した1本のボンディングワイヤで形成されている。1本のボンディングワイヤの主電極11bとの接続点から一方の側は、ボンディングワイヤ9bとして機能し、他方の側は、ボンディングワイヤ9iとして機能している。このようにすれば、ダミー導体膜3dに接続するボンディングワイヤ9iを、ボンディングワイヤ9b、9hの本数によらず、確実に主電極11bに接続することができる。なお、このような接続は、ボンディングワイヤ9b、9hの本数が多く、接続可能な最大の本数に達している場合に限って使用するものではなく、本数が少なくても多くても使用してよい。そして、このような接続によれば、熱は、ボンディングワイヤ9bと主電極11bとの接合面で主に集中するところ、その集中箇所にボンディングワイヤ9iを接続できるので効率よく熱を吸収でき優先的に冷却することができるからである。
Incidentally,
また、半導体装置10は、絶縁基板2の上面に設けられるモニタ導体膜3cを有している。モニタ導体膜3cは、少なくとも2本以上のボンディングワイヤ9eによって主電極11bに接続しており、電流又は電圧を外部に出力する外部導出端子7cにボンディングワイヤ9gによって接続している。モニタ導体膜3cは、導体膜3aとダミー導体膜3dとから離れ絶縁されている。外部導出端子7cは、外部から半導体チップ1aをモニタするための端子であるので、外部導出端子7c、さらには、モニタ導体膜3cに、主電流のような大電流が流れることはない。モニタ導体膜3cと、少なくとも2本以上のボンディングワイヤ9eに、主電流のような大電流が流れないので、ボンディングワイヤ9eが過度に発熱することはなく、ボンディングワイヤ9eは、半導体チップ1aのボンディングワイヤ9eの接続する主電極11bの周辺で発生した熱を、吸収しモニタ導体膜3cへ伝導させる。
Further, the
半導体チップ1aをモニタするために電流又は電圧を外部に出力するのであれば、流れる電流も小さいので、モニタ導体膜3cと主電極11bとの間を接続するボンディングワイヤ9eの本数は、1本でよいが、少なくとも2本以上接続することにより、ボンディングワイヤ9eによって半導体チップ1aから吸収・放出される熱量を増やすことができる。モニタ導体膜3cへ伝導した熱は、絶縁基板2、半田6、放熱用支持基板4を順に経由して外部に放出される。このように、モニタ導体膜3cとモニタ導体膜3cに接続する少なくとも2本以上のボンディングワイヤ9eを用いて効率的に放熱することができる。
If a current or voltage is output to monitor the
また、半導体装置10は、絶縁基板2の上面に設けられる制御導体膜3bを有している。制御導体膜3bは、少なくとも2本以上のボンディングワイヤ9dによって制御電極11aに接続しており、電流又は電圧を外部から入力する外部導出端子7dにボンディングワイヤ9fによって接続している。制御導体膜3bは、導体膜3aとダミー導体膜3dとモニタ導体膜3cとから離れ絶縁されている。外部導出端子7dは、外部から半導体チップ1aを制御するための端子であるので、外部導出端子7d、さらには、制御導体膜3bに、主電流のような大電流が流れることはない。制御導体膜3bと、少なくとも2本以上のボンディングワイヤ9dに、主電流のような大電流が流れないので、ボンディングワイヤ9dが過度に発熱することはなく、ボンディングワイヤ9dは、半導体チップ1aのボンディングワイヤ9dの接続する制御電極11aの周辺の主電極11bで発生した熱を、吸収し制御導体膜3bへ伝導させる。
Further, the
半導体チップ1aを制御するために電流又は電圧を外部から入力するのであれば、流れる電流も小さいので、制御導体膜3bと制御電極11aとの間を接続するボンディングワイヤ9dの本数は、前記したボンディングワイヤ9eと同様、1本でよいが、少なくとも2本以上接続することにより、ボンディングワイヤ9dによって半導体チップ1aから吸収・放出される熱量を増やすことができる。制御導体膜3bへ伝導した熱は、絶縁基板2、半田6、放熱用支持基板4を順に経由して外部に放出される。このように、制御導体膜3bと制御導体膜3bに接続する少なくとも2本以上のボンディングワイヤ9dを用いて効率的に放熱することができる。ボンディングワイヤ9a〜9iには、例えばアルミニウム(Al)材を用いることができる。
If current or voltage is input from the outside in order to control the
絶縁基板2の周囲には、樹脂形成ケース8が設けられ、樹脂形成ケース8は、下部を放熱用支持基板4の外周部に固定されている。樹脂形成ケース8は、外部導出端子7a〜7dを内側から外側へ貫通させながら支持している。その樹脂形成ケース8の内側には、シリコーンゲルのような充填剤12が充填されている。なお、図1は、充填剤12を透視して描かれている。
A
本実施形態によれば、主電流の通電に寄与しないダミー導体膜3dと半導体チップ1aの表面の主電極11bを接続することにより、半導体チップ1bの表面からボンディングワイヤ9iを介する絶縁基板2への伝熱路を副放熱路とすることができる。ボンディングワイヤ9iに主電流が流れず、ボンディングワイヤ9iに流れる電流をごく小さくできるので、半導体装置10の動作に伴う発熱はボンディングワイヤ9iでは抑えられ、ボンディングワイヤ9iを放熱器としてのみ利用することができるので、効率良く放熱することが可能となる。また、主電極11bに接続するボンディングワイヤの表面積が、ボンディングワイヤ9b、9hにボンディングワイヤ9iを加えたことにより、増えるので、ボンディングワイヤ表面からの放熱性を向上させることができる。また、本実施形態の従来技術との変更点は、絶縁基板2上にダミー導体膜3dを形成するために絶縁基板2の上面の導体膜形成時のレイアウトを変更する点と、及び、ボンディングワイヤ9iを形成するためにワイヤボンディング時のレイアウトを変更する点である。従って、製造プロセスは従来技術を変更することなく用い、簡単な変更点のみで、本実施形態を実施でき、半導体装置10の放熱性を向上させることができる。
According to the present embodiment, by connecting the
1a 半導体チップ(IGBT)
1b 半導体チップ(ダイオード)
2 絶縁基板
3a 導体膜
3b 制御導体膜
3c モニタ導体膜
3d ダミー導体膜
3e 導体膜
4 放熱用支持基板(ヒートシンク)
5a、5b、6 半田
7a、7b、7c、7d 外部導出端子
8 樹脂形成ケース
9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h ボンディングワイヤ
10 半導体装置
11a 制御電極
11b 主電極(エミッタ電極)
12 充填剤(シリコーンゲル)
1a Semiconductor chip (IGBT)
1b Semiconductor chip (diode)
2 Insulating
5a, 5b, 6
12 Filler (silicone gel)
Claims (2)
前記主電流が流れ前記半導体チップで生じる熱を外部に放熱する放熱用支持基板と、
前記半導体チップと前記放熱用支持基板との間に設けられ、前記熱を伝導させる絶縁基板と、
前記絶縁基板上に設けられ、電流又は電圧を外部と入出力する外部導出端子に接続せず、前記主電流が流れないダミー導体膜と、
前記主電極と前記ダミー導体膜を接続するボンディングワイヤとを有することを特徴とする半導体装置。 A semiconductor chip for supplying a main current to the main electrode;
A support substrate for heat dissipation in which the main current flows and radiates heat generated in the semiconductor chip to the outside;
An insulating substrate that is provided between the semiconductor chip and the heat dissipation support substrate and conducts the heat;
A dummy conductor film that is provided on the insulating substrate and is not connected to an external lead-out terminal that inputs and outputs current or voltage to and from the outside, and the main current does not flow;
A semiconductor device comprising: a bonding wire connecting the main electrode and the dummy conductor film.
前記主電流を流すボンディングワイヤと、前記主電極と前記ダミー導体膜を接続するボンディングワイヤとは、前記主電極上で連続していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 A bonding wire connected to the main electrode and for flowing the main current;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the bonding wire for flowing the main current and the bonding wire for connecting the main electrode and the dummy conductor film are continuous on the main electrode .
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
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