JP5467799B2 - 半導体装置 - Google Patents

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    • H01L2224/37138Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/45124Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/45144Gold (Au) as principal constituent
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    • H01L2224/48247Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item
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    • H01L2224/484Connecting portions
    • H01L2224/4847Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond
    • H01L2224/48472Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond the other connecting portion not on the bonding area also being a wedge bond, i.e. wedge-to-wedge
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    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/485Material
    • H01L2224/48505Material at the bonding interface
    • H01L2224/48599Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48617Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950 °C
    • H01L2224/48624Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/485Material
    • H01L2224/48505Material at the bonding interface
    • H01L2224/48599Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48638Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48644Gold (Au) as principal constituent
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    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/485Material
    • H01L2224/48505Material at the bonding interface
    • H01L2224/48599Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48638Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48655Nickel (Ni) as principal constituent
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    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/485Material
    • H01L2224/48505Material at the bonding interface
    • H01L2224/48599Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48663Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/48664Palladium (Pd) as principal constituent
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    • H01L2224/485Material
    • H01L2224/48505Material at the bonding interface
    • H01L2224/48699Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
    • H01L2224/487Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48717Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950 °C
    • H01L2224/48724Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/485Material
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    • H01L2224/48699Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
    • H01L2224/487Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48738Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48744Gold (Au) as principal constituent
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    • H01L2224/85438Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/92242Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector
    • H01L2224/92247Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector the second connecting process involving a wire connector
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Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET等の電力用トランジスタが形成された半導体チップを複数個組み合わせて構成した電力用半導体モジュールに適用して有効な技術に関する。
トランジスタ、ダイオードなどの複数個の電力用半導体チップを組み合せて構成した電力用半導体モジュールは、一般に半導体素子から発生する熱を拡散させる金属ベース板、半導体チップをマウントするための配線パターンが形成された配線層、配線層と金属ベース板とを絶縁する絶縁基板などによって構成されている。
近年、この種の電力用半導体モジュールは、実装面積の縮小や部品コストの低減を図るために小型化が進められており、例えば特許文献1には、双方向スイッチを構成する2個のトランジスタチップと2個のダイオードチップを1個の半導体パッケージに封止した双方向スイッチモジュールが開示されている。
特許文献2は、電力用トランジスタチップを樹脂封止した半導体パッケージの放熱性改善およびトランジスタのオン抵抗の低減を図るために、電力用トランジスタチップの電極パッドとリードとを厚い接続板で接続する技術を開示している。この文献に開示された接続板は、薄肉部と厚肉部を有する上面が平坦な金属板からなり、厚肉部の下面が導電性の接着剤を介してソース電極パッドに接続され、薄肉部の下面が導電性の接着剤を介してソースリードに接着されている。
特許文献3は、電力用トランジスタチップを樹脂封止した半導体パッケージにおいて、ワイヤボンディング用のツールがリードポストに接触しないように電力用トランジスタチップ表面のソース電極パッドおよびゲート電極パッドを配置し、安定したボンダビリティを得るための技術が開示されている。
特開2008−166461号公報 特開2005−243685号公報 特開2005−026294号公報
例えば三相モータ用インバータ回路やHブリッジモータ用インバータ回路には、複数個のIGBTチップと複数個のダイオードチップとを組み合わせて構成したスイッチモジュールが使用されている。
通常、この種のモータ用インバータ回路には、数十アンペアの大電流が流れるので、回路の配線抵抗や寄生インダクタンスが大きい場合には、モータの起動時や停止時の逆方向誘起電圧によって素子が破壊する恐れがある。
また、IGBTチップとダイオードチップとをリードフレームのダイパッド部に搭載する半導体パッケージの場合、チップとリードおよびそれらを接続するワイヤが樹脂封止体の内部で極めて近接して配置されるため、数100Vの高電圧が印加されるチップとワイヤとの間で放電が発生し、素子が破壊する恐れがある。
さらに、モータ用インバータ回路に使用されるスイッチモジュールは、チップからの発熱量が大きいので、放熱板に取り付けられた状態で使用される。そのため、スイッチモジュールを構成する半導体パッケージには、パッケージを放熱板に固定するためのネジ穴(貫通孔)が設けられている。しかし、このような貫通孔を備えた半導体パッケージは、貫通孔の周囲の樹脂とダイパッド部との界面が温度サイクルによって剥離し易いという問題がある。
本発明の目的は、信頼性の高い電力用半導体モジュールを提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
代表的な実施の形態による半導体装置は、絶縁性樹脂からなる封止体と、
前記封止体によって少なくとも一部が覆われ、かつそれぞれが第1電極を構成する第1および第2金属ベース板と、
下面に第1電極を有すると共に、上面に第2電極パッドと制御電極パッドとを有し、前記下面が導電性接着剤を介して前記第1金属ベース板の上面に固定された第1半導体チップと、
下面に第1電極を有すると共に、上面に第2電極パッドと制御電極パッドとを有し、前記下面が導電性接着剤を介して前記第2金属ベース板の上面に固定された第2半導体チップと、
それぞれの一端が前記封止体によって覆われ、他端が前記封止体の一側面から突出する第1および第2リードと、
前記第1半導体チップの前記第2電極パッドと前記第1リードの前記一端とを電気的に接続する第1導電材料と、
前記第2半導体チップの前記第2電極パッドと前記第2リードの前記一端とを電気的に接続する第2導電材料と、
を有し、
前記第1リードの前記一端は、前記第1金属ベース板の上面よりも上方に位置し、
前記第2リードの前記一端は、前記第2金属ベース板の上面よりも上方に位置しているものである。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。
金属ベース板上に実装された半導体チップとリードを接続する配線長が短縮されることにより、配線抵抗や寄生インダクタンスが小さくなるので、モータの起動時や停止時の逆方向誘起電圧によって半導体チップを破壊することを抑制できる。従って、電力用半導体モジュールの信頼性を向上させることができる。
本発明の実施の形態1である半導体パッケージの等価回路図である。 本発明の実施の形態1である半導体パッケージの外観を示す平面図である。 本発明の実施の形態1である半導体パッケージの放熱板取り付け面を示す平面図である。 本発明の実施の形態1である半導体パッケージの側面図である。 本発明の実施の形態1である半導体パッケージの内部構造を示す平面図である。 図5のA−A線に沿った断面図である。 (a)は、IGBTが形成された半導体チップ5Aの部分断面図、(b)は、IGBTの等価回路図である。 (a)は、ダイオードチップ8Aの断面図、(b)は、ダイオードの等価回路図である。 ダイパッド部とリードとの位置関係を示す半導体パッケージの概略断面図である。 ダイパッド部とリードとの位置関係を示す半導体パッケージの概略断面図である。 図5のB−B線に沿った断面図である。 図5のC−C線に沿った断面図である。 図5のD−D線に沿った断面図である。 本発明の実施の形態1である半導体パッケージの組み立て工程の全体フロー図である。 本発明の実施の形態1である半導体パッケージの製造方法を示す平面図である。 図15に続く半導体パッケージの製造方法を示す平面図である。 図16に続く半導体パッケージの製造方法を示す平面図である。 図17に続く半導体パッケージの製造方法を示す平面図である。 図18に続く半導体パッケージの製造方法を示す平面図である。 図19に続く半導体パッケージの製造方法を示す平面図である。 本発明の実施の形態1である半導体パッケージを配線基板に実装した状態を示す側面図である。 本発明の実施の形態1である半導体パッケージを使用した三相モータ用インバータ回路の例である。 本発明の実施の形態1である半導体パッケージを使用したHブリッジモータ用インバータ回路の例である。 本発明の実施の形態2である半導体パッケージの外観を示す平面図である。 本発明の実施の形態2である半導体パッケージの放熱板取り付け面を示す平面図である。 本発明の実施の形態2である半導体パッケージの側面図である。 本発明の実施の形態2である半導体パッケージの内部構造を示す平面図である。 図27のE−E線に沿った断面図である。 ダイパッド部とリードとの位置関係を示す半導体パッケージの概略断面図である。 ダイパッド部とリードとの位置関係を示す半導体パッケージの概略断面図である。 ダイパッド部に設けられた貫通孔の形状の別例を示す断面図である。 本発明の実施の形態2である半導体パッケージの製造方法を示す平面図である。 図32に続く半導体パッケージの製造方法を示す平面図である。 図33に続く半導体パッケージの製造方法を示す平面図である。 図34に続く半導体パッケージの製造方法を示す平面図である。 図35に続く半導体パッケージの製造方法を示す平面図である。 図36に続く半導体パッケージの製造方法を示す平面図である。 図37に続く半導体パッケージの製造方法を示す平面図である。 本発明の実施の形態2である半導体パッケージを配線基板に実装した状態を示す側面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体パッケージを示す平面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体パッケージを示す平面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体パッケージを示す平面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体パッケージを示す平面図である。 (a)は、MOSFETが形成された半導体チップの部分断面図、(b)は、MOSFETの等価回路図である。 IGBTとFETのオン電圧特性を比較したグラフである。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。また、以下の実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、平面図であってもハッチングを付す場合がある。
(実施の形態1)
本実施の形態では、モータ制御用のインバータ回路に用いられるスイッチモジュールに適用した半導体装置について説明する。
図1に、本実施の形態のスイッチモジュールの回路構成を示す。このスイッチ回路は、電流通路となる一対の端子(Vcc端子およびGND端子、電源端子およびグランド端子)間に接続された第1半導体スイッチQ1、第2半導体スイッチQ2、第1ダイオードDi1および第2ダイオードDi2を含んで構成されている。第1半導体スイッチQ1および第2半導体スイッチQ2のそれぞれは、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)で構成されており、第1ダイオードDi1および第2ダイオードDi2のそれぞれは、高速整流ダイオード(Fast Recovery Diodes)で構成されている。そして、第1半導体スイッチQ1のゲート電極および第2半導体スイッチQ2のゲート電極は、それぞれG1端子、G2端子に接続されており、第1半導体スイッチQ1のエミッタ電極および第2半導体スイッチQ2のコレクタ電極は、それぞれCOM端子に接続されている。さらに、第1半導体スイッチQ1のコレクタ電極はVcc端子、第2半導体スイッチQ2のエミッタ電極はGND端子に接続されている。
本実施の形態のスイッチモジュールは、いわゆるTO−3P類似の半導体パッケージに封止されている。図2は、スイッチモジュールを構成する半導体パッケージの外観を示す平面図、図3は、半導体パッケージの裏面(放熱板取り付け面)を示す平面図、図4は、半導体パッケージの側面図、図5は、半導体パッケージの内部構造を示す平面図、図6は、図5のA−A線に沿った断面図である。
スイッチモジュールを構成する半導体パッケージ1Aは、外観的には、偏平四角形状の封止体2Aの一側面から5本のリード3を平行に突出させた構造となっている。封止体2Aは、シリコンフィラーを含浸させたエポキシ樹脂からなり、リード3は、Cu(銅)またはFe−Ni(鉄−ニッケル)合金からなる。また、リード3の表面には、例えばNi(ニッケル)膜、Pd(パラジウム)膜およびAu(金)膜を積層した3層構造のメッキが施されている。
上記5本のリード3は、前記図1に示したスイッチ回路の5個の端子に対応している。すなわち、Vcc端子を構成するリード3(Vcc)、GND端子を構成するリード3(GND)、G1端子を構成するリード3(G1)、G2端子を構成するリード3(G2)およびCOM端子を構成するリード3(COM)である。各端子の配置順は、図2に示す平面図において左側から、G1端子を構成するリード3(G1)、Vcc端子を構成するリード3(Vcc)、COM端子を構成するリード3(COM)、G2端子を構成するリード3(G2)、およびGND端子を構成するリード3(GND)となっている。
封止体2Aの内部には、互いに分離された一対のダイパッド部(TAB1、TAB2)が封止されている。ダイパッド部(TAB1、TAB2)は、CuまたはFe−Ni合金からなる金属ベース板であり、放熱用ヘッダとしての機能を備えている。ダイパッド部(TAB1、TAB2)のそれぞれの一部は、封止体2Aの一側面(5本のリード3が配置された一側面と対向する一側面)から外部に突出している。また、ダイパッド部(TAB1、TAB2)のそれぞれの下面は、封止体2Aの下面から露出している。さらに、ダイパッド部(TAB1)は、Vcc端子を構成するリード3(Vcc)と一体に構成されており、ダイパッド部(TAB2)は、COM端子を構成するリード3(COM)と一体に構成されている。ダイパッド部(TAB1、TAB2)およびリード3の厚さは、例えば0.6mm程度である。
ダイパッド部(TAB1)の上面には、Pb−Sn−Ag半田、Sn−Sb半田などの半田やAgペーストのような導電性接着剤4を介して半導体チップ5Aが搭載されており、ダイパッド部(TAB2)の上面には、導電性接着剤4を介して半導体チップ5Bが搭載されている。半導体チップ5A、5Bのそれぞれには、第1電極としてコレクタ電極、第2電極としてエミッタ電極、制御電極としてゲート電極を有するIGBTが形成されている。半導体チップ5A、5Bのそれぞれは、平面的に見て四角形であり、一辺の長さは4mm程度である。
半導体チップ5A、5Bのそれぞれは、導電性接着剤4と接する下面がコレクタ電極となっている。半導体チップ5Aのコレクタ電極は、導電性接着剤4を介してダイパッド部(TAB1)と電気的に接続されているので、ダイパッド部(TAB1)と一体に形成されたリード3(Vcc)、すなわちVcc端子と電気的に接続されている。また、半導体チップ5Bのコレクタ電極は、導電性接着剤4を介してダイパッド部(TAB2)と電気的に接続されているので、ダイパッド部(TAB2)と一体に形成されたリード3(COM)、すなわちCOM端子と電気的に接続されている。
半導体チップ5A、5Bのそれぞれの上面には、IGBTのエミッタ電極と電気的に接続されたエミッタパッド6、およびゲート電極と電気的に接続されたゲートパッド7が形成されている。エミッタパッド6およびゲートパッド7は、例えばアルミニウム(Al)合金で構成されている。エミッタパッド6は、IGBTのオン抵抗を低減するために、ゲートパッド7よりも広い面積で形成されている。
図7(a)は、IGBTが形成された半導体チップ5Aの部分断面図、図7(b)は、IGBTの等価回路図である。ここでは、トレンチゲート構造を有するnチャネル型IGBTを例示している。なお、半導体チップ5Bの構造は、半導体チップ5Aと同一であるため、その説明は省略する。
型シリコン基板30上には、n型バッファー層31およびn型エピタキシャル層32が形成されており、n型エピタキシャル層32の表面には、p型拡散層33およびn型拡散層34が形成されている。また、n型拡散層34の一部には、n型拡散層34およびp型拡散層33を貫通してn型エピタキシャル層32に達する溝が形成されており、この溝の内部には、酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜35および多結晶シリコン膜からなるゲート電極36が形成されている。
型シリコン基板30、n型バッファー層31、n型エピタキシャル層32およびp型拡散層33は、IGBTのpnpトランジスタ部を構成し、p型拡散層33、n型拡散層34、ゲート絶縁膜35およびゲート電極36は、IGBTのMOSFET部を構成している。p型シリコン基板30の裏面にはコレクタ電極37が形成されており、p型拡散層33、n型拡散層34のそれぞれの上部にはエミッタ電極38が形成されている。
エミッタ電極38の上部には、p型シリコン基板30の最表面を覆う表面保護膜39が形成されている。エミッタ電極38は、Al合金膜からなり、表面保護膜39は、ポリイミド樹脂膜からなる。エミッタ電極38のうち、表面保護膜39で覆われていない領域、すなわち半導体チップ5Aの表面に露出した領域は、前述したエミッタパッド6を構成している。また、図示は省略するが、ゲート電極36には、エミッタ電極38と同層のAl合金膜からなるゲート引き出し電極が接続されている。ゲート引き出し電極のうち、表面保護膜39で覆われていない領域、すなわち半導体チップ5Aの表面に露出した領域は、前述したゲートパッド6を構成している。
図5に示すように、ダイパッド部(TAB1)の上面において、半導体チップ5Aと隣接する領域には、導電性接着剤4を介してダイオードチップ8Aが搭載されている。また、ダイパッド部(TAB2)の上面において、半導体チップ5Bと隣接する領域には、導電性接着剤4を介してダイオードチップ8Bが搭載されている。ダイオードチップ8A、8Bのそれぞれは、導電性接着剤4と接する下面にカソード電極が形成されており、上面にアノード電極が形成されている。また、ダイオードチップ8A、8Bのそれぞれの上面には、アノード電極の一部であるアノードパッド9が露出している。アノード電極およびカソード電極は、Au(金)膜からなる。
図8(a)は、ダイオードチップ8Aの断面図、図8(b)は、ダイオードの等価回路図である。なお、ダイオードチップ8Bの構造は、ダイオードチップ8Aと同一であるため、その説明は省略する。
型シリコン基板40上には、n型エピタキシャル層41が形成されており、n型エピタキシャル層41の表面には、p型拡散層42が形成されている。また、p型拡散層42の表面にはアノード電極43が形成されており、n型シリコン基板40の裏面にはカソード電極44が形成されている。
アノード電極43の上部には、n型シリコン基板40の最表面を覆う表面保護膜45が形成されている。アノード電極43は、Al合金膜からなり、表面保護膜45は、ポリイミド樹脂膜からなる。アノード電極43のうち、表面保護膜45で覆われていない領域、すなわちダイオードチップ8Aの表面に露出した領域は、前述したアノードパッド9を構成している。
図5に示すように、ダイオードチップ8Aのアノードパッド9、半導体チップ5Aのエミッタパッド6およびリード3(COM)は、1本のAlワイヤ10(導電材料)によって電気的に接続されており、半導体チップ5Aのゲートパッド7およびリード3(G1)は、1本のAlワイヤ11(導電材料)によって電気的に接続されている。また、ダイオードチップ8Bのアノードパッド9、半導体チップ5Bのエミッタパッド6およびリード3(G2)は、1本のAlワイヤ10によって電気的に接続されており、半導体チップ5Bのゲートパッド7およびリード3(GND)は、1本のAlワイヤ11によって電気的に接続されている。
ダイオードチップ8Aのアノードパッド9、半導体チップ5Aのエミッタパッド6およびリード3(COM)を接続するAlワイヤ10と、ダイオードチップ8Bのアノードパッド9、半導体チップ5Bのエミッタパッド6およびリード3(G2)を接続するAlワイヤ10は、スイッチ回路の電流通路となるので大電流が流れる。従って、これらのAlワイヤ10は、半導体チップ5Aのゲートパッド7とリード3(G1)を接続するAlワイヤ11および半導体チップ5Bのゲートパッド7とリード3(GND)を接続するAlワイヤ11よりも太い径を有している。Alワイヤ10の直径は、例えば300〜500μmであり、Alワイヤ11の直径は、例えば125〜150μmである。
このように、本実施の形態のスイッチモジュールは、ダイパッド部(TAB1)の上面に搭載した半導体チップ5Aとダイオードチップ8A、ダイパッド部(TAB2)の上面に搭載した半導体チップ5Bとダイオードチップ8B、リード3およびAlワイヤ10、11を上記のように接続することにより、1個の半導体パッケージ1Aで図1に示したスイッチ回路を実現している。
図9は、ダイパッド部(TAB1)とリード3(COM)との位置関係を示す半導体パッケージ1Aの概略断面図、図10は、ダイパッド部(TAB2)とリード3(G2)との位置関係を示す半導体パッケージ1Aの概略断面図である。
図9に示すように、ダイパッド部(TAB1)の近傍に配置されたリード3(COM)の一端部は、ダイパッド部(TAB1)の上面よりも上方に位置している。また、図10に示すように、ダイパッド部(TAB2)の近傍に配置されたリード3(G2)の一端部は、ダイパッド部(TAB2)の上面よりも上方に位置している。
前述したように、ダイパッド部(TAB1)の上面には、導電性接着剤4を介して半導体チップ5Aおよびダイオードチップ8Aが搭載されている。そして、ダイオードチップ8Aのアノードパッド9、半導体チップ5Aのエミッタパッド6およびリード3(COM)は、Alワイヤ10によって互いに接続されている。また、ダイパッド部(TAB2)の上面には、導電性接着剤4を介して半導体チップ5Bおよびダイオードチップ8Bが搭載されている。そして、ダイオードチップ8Bのアノードパッド9、半導体チップ5Bのエミッタパッド6およびリード3(G2)は、Alワイヤ10によって互いに接続されている。
このように、リード3(COM)の一端部をダイパッド部(TAB1)の上面よりも上方に位置させることにより、リード3(COM)の一端部をダイパッド部(TAB1)の上面と同じ高さにした場合に比べて、半導体チップ5Aのエミッタパッド6とリード3(COM)を接続するAlワイヤ10の長さが短くなるので、その分のAlワイヤ10の寄生インダクタンスおよび抵抗を低減することができる。同様に、リード3(G2)の一端部をダイパッド部(TAB2)の上面よりも上方に位置させた場合には、リード3(G2)の一端部をダイパッド部(TAB2)の上面と同じ高さにした場合に比べて、半導体チップ5Bのエミッタパッド6とリード3(G2)を接続するAlワイヤ10の長さが短くなるので、その分のAlワイヤ10の寄生インダクタンスおよび抵抗を低減することができる。
また、リード3(COM)の一端部をダイパッド部(TAB1)の上面と同じ高さにした場合には、半導体チップ5Aの周囲に流れ出た導電性接着剤4とその上方のAlワイヤ10との距離が接近するので、半導体チップ5Aの周囲に流れ出た導電性接着剤4の量が多い場合には、導電性接着剤4とAlワイヤ10とが短絡する恐れがある。これに対し、本実施の形態1の半導体装置は、リード3(COM)の一端部をダイパッド部(TAB1)の上面よりも上方に配置しており、半導体チップ5Aの周囲に流れ出た導電性接着剤4とその上方のAlワイヤ10との距離が離れているので、半導体チップ5Aの周囲に導電性接着剤4が多く流れ出た場合でもAlワイヤ10との短絡を防止することができる。
同様の理由により、リード3(G2)の一端部もダイパッド部(TAB2)の上面よりも上方に配置されているので、半導体チップ5Bの周囲に導電性接着剤4が多く流れ出た場合でもAlワイヤ10との短絡を防止することができる。
また、半導体チップ5Aのエミッタパッド6とリード3(COM)をAlワイヤ10で接続する際に、半導体チップ5Aの上面の最外周部とその上方のAlワイヤ10との距離が100μm程度まで接近すると、スイッチモジュールの動作時に半導体チップ5AとAlワイヤ10との間で放電が発生し、素子(IGBT)の破壊を引き起こす恐れがある。これは、IGBTを逆耐圧に保持したときに、前記図7(a)の破線で示した空乏層(D)の拡がりの外側に位置する半導体チップ5Aの最外周部が半導体チップ5Aの裏面(コレクタ電極)と同電位となり、数100Vの高電圧が印加されるためである。
しかし、本実施の形態のように、リード3(COM)の一端部をダイパッド部(TAB1)の上面よりも上方に位置させた場合には、リード3(COM)の一端部をダイパッド部(TAB1)の上面と同じ高さにした場合に比べて、半導体チップ5Aの上面の最外周部とその上方のAlワイヤ10との距離が離れるので、上記した半導体チップ5AとAlワイヤ10との間の放電を防止することができる。また、本実施の形態では、リード3(G2)の一端部をダイパッド部(TAB2)の上面よりも上方に配置しているので、上記と同様の理由により、半導体チップ5BとAlワイヤ10との間の放電を防止することができる。
また、ダイオードを逆耐圧に保持したときには、前記図8(a)に示すように、ダイオードチップ8Aの上面の最外周部が空乏層(D)の拡がりの外側に位置し、裏面(カソード電極44)と同電位となるので、数100Vの高電圧が印加される。従って、ダイオードチップ8A、8Bのアノードパッド9にAlワイヤ10を接続する際にも、ダイオードチップ8A、8Bの最外周部とAlワイヤ10との距離を少なくとも100μm以上離すことが望ましい。
図2、図3、図5に示すように、本実施の形態の半導体パッケージ1Aは、半導体チップ5A、5Bから外れる封止体2Aの中央部分に円形の貫通孔12が設けられている。この貫通孔12は、半導体パッケージ1Aを放熱板に固定する際に使用されるネジ穴である。このような貫通孔12を有する半導体パッケージ1Aは、貫通孔12の周囲の樹脂(封止体2A)とダイパッド部(TAB1、TAB2)との界面が温度サイクルによって剥離し易い。
その対策として、本実施の形態の半導体パッケージ1Aは、貫通孔12の周囲のダイパッド部(TAB1、TAB2)に樹脂固定用の長溝13が設けられている。図11は、図5のB−B線に沿った長溝13の断面構造を示している。図11に示すように、長溝13の内壁には、逆テーパ状の段差が形成されているため、長溝13の内部に入り込んだ樹脂がアンカー効果により抜け難い構造となっている。従って、このような長溝13を貫通孔12の周囲のダイパッド部(TAB1、TAB2)に設けることにより、封止体2Aとダイパッド部(TAB1、TAB2)との界面剥離を抑制することが可能となる。
また、本実施の形態の半導体パッケージ1Aは、半導体チップ5A、5Bやダイオードチップ8A、8Bが搭載される領域の周囲のダイパッド部(TAB1、TAB2)にも樹脂固定用の長溝14が設けられている。図12は、図5のC−C線に沿った長溝14の断面構造を示している。チップ搭載領域の周囲に設けられた長溝14は、ダイパッド部(TAB1、TAB2)の上面に半導体チップ5A、5Bやダイオードチップ8A、8Bを搭載する際に、導電性接着剤4がチップ搭載領域の外側に拡散するのを防ぐ機能も兼ね備えている。これらの長溝13、14は、ダイパッド部(TAB1、TAB2)の表面をプレス金型で叩くことによって形成される。
また、図13(図5のD−D線に沿った断面図)に示すように、ダイパッド部(TAB1、TAB2)の端部には、ダイパッド部(TAB1、TAB2)の他の領域に比べて厚さの薄い薄肉部15が設けられている。この薄肉部15は、ダイパッド部(TAB1、TAB2)の端部をプレス金型などで押し潰すことによって形成される。封止体2Aと接するダイパッド部(TAB1、TAB2)の端部にこのような薄肉部15を設けた場合は、ダイパッド部(TAB1、TAB2)の端部の断面が階段状となり、封止体2Aとの接着強度がアンカー効果により増すため、封止体2Aとダイパッド部(TAB1、TAB2)との界面剥離を抑制することが可能となる。
次に、本実施の形態の半導体パッケージ1Aの組み立て方法を説明する。図14は、組み立て工程の全体フロー図である。
まず、図15に示すように、パッケージ複数個分のダイパッド部(TAB1、TAB2)がタイバー16やフレーム17などによって連結されたリードフレームLF1を準備する。
次に、図16に示すように、各ダイパッド部(TAB1、TAB2)の上面のチップ搭載領域に導電性接着剤4を供給した後、各ダイパッド部(TAB1、TAB2)の上面に半導体チップ5A、5Bおよびダイオードチップ8A、8Bを搭載する。
次に、図17に示すように、半導体チップ5A、5B、ダイオードチップ8A、8Bおよびリード3をAlワイヤ10、11で電気的に接続する。Alワイヤ10、11の接続は、例えば超音波を利用したウェッジボンディング法を用いて行う。
次に、リードフレームLF1を図示しないモールド金型に装着し、図18に示すように、各ダイパッド部(TAB1、TAB2)の一部、半導体チップ5A、5B、ダイオードチップ8A、8BおよびAlワイヤ10、11を封止体2Aにより被覆する。
次に、図19に示すように、タイバー16を切断・除去し、続いてリード3の表面にメッキ(図示せず)を形成した後、図20に示すように、リードフレームLF1の不要箇所を切断・除去することにより、前記図2〜図5に示した本実施の形態の半導体パッケージ1Aが完成する。
図21は、本実施の形態の半導体パッケージ1Aをモータの配線基板20に実装した状態を示している。半導体パッケージ1Aを配線基板20に実装する際は、リード3の先端を配線基板20に挿入し、半田で固定する。その際、リード3同士の短絡を防ぐために、5本のリード3を1本置きに折り曲げて配線基板20に挿入してもよい。また、半導体パッケージ1Aの裏面にAlなどからなる放熱板21を取り付ける場合は、封止体2Aに設けられた貫通孔12にネジ22を挿入して放熱板21に固定する。その際、半導体パッケージ1Aの裏面に露出したダイパッド部(TAB1、TAB2)と放熱板21との短絡を防ぐために、半導体パッケージ1Aと放熱板21との間にシリコーンゴムなどからなる絶縁板23を介在させる。
図22は、本実施の形態のスイッチモジュール(半導体パッケージ1A)を3個使用した三相モータ用インバータ回路の例である。また、図23は、本実施の形態のスイッチモジュール(半導体パッケージ1A)を2個使用したHブリッジモータ用インバータ回路の例である。
このように、本実施の形態のスイッチモジュールは、多層配線基板等を使用せず、1つの金属板からなる熱拡散板(ヘッダ)を採用し、そのダイパッド部(TAB1、TAB2)の上面に半導体チップ5A、5Bおよびダイオードチップ8A、8Bを搭載し、これらのチップとリード3をAlワイヤ10、11で接続することにより、1個の半導体パッケージ1Aでスイッチモジュールを実現している。このように、多層配線基板等よりも材料コストが安い金属板からなる熱拡散板を用いた構造にすることにより、スイッチモジュールのコストダウンを図ることができる。また、伝熱に優れた金属版の熱拡散板を用いているので、半導体チップ5A、5Bで生じた熱を直接ダイパッド部(TAB1、TAB2)に拡散させることができ、放熱特性が良好なスイッチモジュールを実現することができる。
また、本実施の形態のスイッチモジュールは、ダイパッド部(TAB1)の近傍に配置されたリード3の一端部をダイパッド部(TAB1)の上面よりも上方に配置し、ダイパッド部(TAB2)の近傍に配置されたリード3の一端部をダイパッド部(TAB2)の上面よりも上方に配置している。これにより、リード3の一端部をダイパッド部(TAB2)の上面よりも上方に配置しない場合に比べて、ダイパッド部(TAB1、TAB2)に搭載された半導体チップ5A、5Bとリード3を接続するAlワイヤ10の長さを短くすることができるので、Alワイヤ10の寄生インダクタンスおよび抵抗を低減することができる。従って、スイッチモジュールの高性能化を図ることができる。さらに寄生インダクタンスおよび抵抗が小さくなることにより、モータの起動時や停止時の逆方向誘起電圧によって半導体チップを破壊することを抑制できる。従って、電力用半導体モジュールの信頼性を向上させることができる。
また、半導体チップ5A、5Bのそれぞれの上面の最外周部とAlワイヤ10との距離が離れることにより、半導体チップ5A、5BとAlワイヤ10との間の放電を防止することができるので、スイッチモジュールの信頼性を向上させることができる。
(実施の形態2)
図24は、本実施の形態の半導体パッケージの外観を示す平面図、図25は、半導体パッケージの裏面(放熱板取り付け面)を示す平面図、図26は、半導体パッケージの側面図、図27は、半導体パッケージの内部構造を示す平面図、図28は、図27のE−E線に沿った半導体パッケージの断面図である。
前記実施の形態1の半導体パッケージ1Aは、ダイパッド部(TAB1、TAB2)の下面が封止体2Aの下面から露出した構造になっているが、本実施の形態の半導体パッケージ1Bは、ダイパッド部(TAB3、TAB4)が封止体2Aによって完全に被覆された構造になっている。
封止体2Bの一側面から平行に突出した5本のリード3は、前記実施の形態1と同じく、前記図1に示したスイッチ回路の5個の端子に対応している。すなわち、5本のリード3は、Vcc端子を構成するリード3(Vcc)、GND端子を構成するリード3(GND)、G1端子を構成するリード3(G1)、G2端子を構成するリード3(G2)およびCOM端子を構成するリード3(COM)からなる。また、封止体2Bの内部に封止された一対のダイパッド部(TAB3、TAB4)のうち、ダイパッド部(TAB3)は、Vcc端子を構成するリード3(Vcc)と一体に構成されており、ダイパッド部(TAB4)は、COM端子を構成するリード3(COM)と一体に構成されている。なお、各端子の配置順は、前述の実施の形態1の半導体パッケージと同一である。
本実施の形態では、ダイパッド部(TAB3、TAB4)を封止体2Bによって完全に被覆しているので、ダイパッド部(TAB3、TAB4)を前記実施の形態1のダイパッド部(TAB1、TAB2)よりも厚い板厚で構成することによって、熱容量を増やしている。ダイパッド部(TAB3、TAB4)およびリード3の厚さは、例えば0.9mmである。
ダイパッド部(TAB3)の上面には、導電性接着剤4を介して半導体チップ5Aおよびダイオードチップ8Aが搭載されており、ダイパッド部(TAB4)の上面には、導電性接着剤4を介して半導体チップ5Bおよびダイオードチップ8Bが搭載されている。半導体チップ5A、5Bおよびダイオードチップ8A、8Bは、前記実施の形態1で使用したものと同一である。
前記実施の形態1と同じく、ダイオードチップ8Aのアノードパッド9、半導体チップ5Aのエミッタパッド6およびリード3(COM)は、1本のAlワイヤ10によって電気的に接続されており、半導体チップ5Aのゲートパッド7およびリード3(G1)は、1本のAlワイヤ11によって電気的に接続されている。また、ダイオードチップ8Bのアノードパッド9、半導体チップ5Bのエミッタパッド6およびリード3(G2)は、1本のAlワイヤ10によって電気的に接続されており、半導体チップ5Bのゲートパッド7およびリード3(GND)は、1本のAlワイヤ11によって電気的に接続されている。そして、これにより、前記図1に示したスイッチ回路が実現されている。
図29に示すように、ダイパッド部(TAB3)の近傍に配置されたリード3(COM)の一端部は、ダイパッド部(TAB3)の上面よりも上方に位置している。また、図30に示すように、ダイパッド部(TAB4)の近傍に配置されたリード3(G2)の一端部は、ダイパッド部(TAB4)の上面よりも上方に位置している。これにより、前記実施の形態1で説明した種々の効果と同様の効果を得ることができる。
本実施の形態の半導体パッケージ1Bは、半導体チップ5A、5Bから外れる封止体2Bの中央部分に円形の貫通孔18が設けられている。この貫通孔18は、半導体パッケージ1Aの貫通孔12と同じく、半導体パッケージ1Bを放熱板に固定する際に使用されるネジ穴である。
そこで、本実施の形態の半導体パッケージ1Bは、貫通孔18の周囲の樹脂(封止体2B)とダイパッド部(TAB3、TAB4)との界面が温度サイクルによって剥離するのを防止するために、貫通孔18の周囲のダイパッド部(TAB3、TAB4)に貫通孔18よりも径の小さい複数の貫通孔19が設けられている。これにより、ダイパッド部(TAB3、TAB4)の上面側の樹脂と下面側の樹脂とが貫通孔19を通じて連結されるので、アンカー効果により封止体2Bとダイパッド部(TAB3、TAB4)との接着強度が向上し、界面剥離を抑制することが可能となる。貫通孔19の径は、図28に示すように、ダイパッド部(TAB3、TAB4)の上面側と下面側とで同じであってもよいが、図31に示すように、ダイパッド部(TAB3、TAB4)の上面側と下面側とで異なるようにしてもよい。このようにした場合は、貫通孔19の内部において、ダイパッド部(TAB3、TAB4)と樹脂との接着強度が増すため、封止体2Bとダイパッド部(TAB3、TAB4)との界面剥離をより確実に抑制することが可能となる。
また、本実施の形態の半導体パッケージ1Bは、前記実施の形態1の半導体パッケージ1Aと同様、半導体チップ5A、5Bやダイオードチップ8A、8Bが搭載される領域の周囲のダイパッド部(TAB3、TAB4)に樹脂固定用の長溝14が設けられている。前述したように、この長溝14は、ダイパッド部(TAB3、TAB4)の上面に半導体チップ5A、5Bやダイオードチップ8A、8Bを搭載する際に、導電性接着剤4がチップ搭載領域の外側に広がるのを防ぐ機能も兼ね備えている。
本実施の形態の半導体パッケージ1Bを組み立てるには、まず、図32に示すように、パッケージ複数個分のダイパッド部(TAB3、TAB4)がタイバー24およびフレーム25によって連結されたリードフレームLF2を準備する。
次に、各ダイパッド部(TAB3、TAB4)のチップ搭載領域に導電性接着剤4を供給した後、図33に示すように、半導体チップ5A、5Bおよびダイオードチップ8A、8Bを搭載する。
次に、図34に示すように、半導体チップ5A、5B、ダイオードチップ8A、8Bおよびリード3をAlワイヤ10、11で電気的に接続する。Alワイヤ10、11の接続は、超音波を利用したウェッジボンディング法を用いて行う。
次に、リードフレームLF2を図示しないモールド金型に装着し、図35に示すように、各ダイパッド部(TAB3、TAB4)の一部、半導体チップ5A、5B、ダイオードチップ8A、8BおよびAlワイヤ10、11をモールド樹脂26で被覆した後、図36に示すように、モールド樹脂26の外部に露出した各ダイパッド部(TAB3、TAB4)をポッティング樹脂27で被覆する。これにより、ダイパッド部(TAB3、TAB4)、半導体チップ5A、5B、ダイオードチップ8A、8BおよびAlワイヤ10、11がモールド樹脂26とポッティング樹脂27とからなる封止体2Bによって被覆される。
次に、図37に示すように、タイバー24を切断・除去し、続いてリード3の表面に図示しないメッキを形成した後、図38に示すように、リードフレームLF2の不要箇所を切断・除去することにより、前記図24〜図28に示した本実施の形態の半導体パッケージ1Bが完成する。
図39は、本実施の形態の半導体パッケージ1Bをモータの配線基板20に実装した状態を示している。半導体パッケージ1Bを配線基板20に実装する際は、前記実施の形態1の半導体パッケージ1Aと同様、リード3の先端を配線基板20に挿入し、半田で固定する。その際、リード3同士の短絡を防ぐために、5本のリード3を1本置きに折り曲げて配線基板20に挿入してもよい。また、半導体パッケージ1Bの裏面にAlなどからなる放熱板21を取り付ける場合は、封止体2Bに設けられた貫通孔18にネジ22を挿入して放熱板21に固定する。
本実施の形態2の半導体パッケージ1Bは、封止体2Bの外部にダイパッド部(TAB3、TAB4)が露出していないので、前記実施の形態1の半導体パッケージ1Aのように、放熱板21との間に絶縁板23を介在させる必要はない。従って、前記実施の形態1の半導体パッケージ1Aに比べて放熱板21への取り付けを簡単に行うことができる。他方、封止体2Aの外部にダイパッド部(TAB1、TAB2)が露出している前記実施の形態1の半導体パッケージ1Aは、本実施の形態の半導体パッケージ1Bに比べて放熱特性が優れている。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
例えばダイパッド部(TAB1、TAB2)の上面に搭載する半導体チップ5A、5Bとダイオードチップ8A、8Bの位置を変えてもよい。すなわち、前記実施の形態1、2では、リード3の近傍に半導体チップ5A、5Bを配置し、リード3から離れた位置にダイオードチップ8A、8Bを配置したが、図40に示すように、リード3の近傍にダイオードチップ8A、8Bを配置し、リード3から離れた位置に半導体チップ5A、5Bを配置してもよい。この場合でも前記実施の形態1、2で前述した効果と同様の効果を得ることができる。また、半導体チップ5A、5Bとダイオードチップ8A、8Bが十分小さな場合は、図41に示すように、半導体チップ5A、5Bとダイオードチップ8A、8Bを5本のリード3の配列方向に沿って並べてもよい。この場合は、半導体チップ5A、5Bのエミッタパッド6とリード3を接続するAlワイヤ10、およびダイオードチップ8A、8Bのアノードパッド9とリード3を接続するAlワイヤ10がそれぞれ必要となるが、それぞれのAlワイヤ10の長さを短縮することができる。
また、前記実施の形態1、2では、大電流が流れるエミッタパッド6やアノードパッド9とリード3を接続する手段として、ゲートパッド7に接続されるAlワイヤ11よりも径の大きいAlワイヤ10を用いたが、図42に示すように、Alワイヤ10に代えてAlリボン28(導電材料)を用いることもできる。また、図43に示すように、Cuクリップ29(導電材料)を用いてもよい。ここで、Alリボンとは、Alを主成分とする導電材料で構成された帯状の結線材料を意味している。Alリボンは、極めて薄いため、リードや半導体チップのパッドに接続する際には、長さやループ形状を任意に設定することができるという特徴がある。これに対し、Cuクリップは、あらかじめ所望の形状となるように成形された帯状の結線材料である。
このように幅広のAlリボンやCuクリップを用いることにより、Alワイヤよりも断面積が大きくなるので、IGBTのオン抵抗を低減することができる。
さらに、エミッタパッド6やアノードパッド9とリード3を接続する手段として、AlリボンやCuクリップを用いる場合には、ゲートパッド7とリード3を接続する手段として、Auワイヤを用いるとさらにIGBTのオン抵抗を低減することができる場合もある。Auワイヤは、Alワイヤに比べて細線化が容易であることから、Alワイヤよりも径の小さいAuワイヤを用いることができる。これにより、Auワイヤが接続されるゲートパッド7の面積を小さくすることができるので、その分、エミッタパッド6の面積を大きくすることができる。従って、幅の広いAlリボンやCuクリップをエミッタパッド6に接続することができるので、IGBTのオン抵抗をより低減することができる。
また、前記実施の形態1、2では、スイッチ回路の半導体スイッチとしてIGBTを用いたが、IGBT以外のトランジスタ、例えばMOSFETを用いることもできる。MOSFETを用いた場合は、コレクタ電極がドレイン電極に対応し、エミッタ電極がソース電極に対応することになる。なお、MOSFETは、nチャネル型MOSFET、pチャネル型MOSFET、いずれの場合も有りうる。
図44(a)は、MOSFETが形成された半導体チップ5Cの部分断面図、図44(b)は、MOSFETの等価回路図である。なお、図44(a)は、プレーナ構造を有するnチャネル型MOSFETを例示している。
型シリコン基板50上には、n型エピタキシャル層51が形成されており、n型エピタキシャル層51の表面には、p型拡散層52およびn型拡散層53が形成されている。また、p型拡散層52およびn型拡散層53の上部には、多結晶シリコン膜などからなるゲート電極54が形成されており、ゲート電極54の上部には、ソース電極55が形成されている。このMOSFETは、n型シリコン基板50およびn型エピタキシャル層51がドレインを構成しているので、n型シリコン基板50の裏面にドレイン電極56が形成されている。
ソース電極55の上部には、n型シリコン基板50の最表面を覆う表面保護膜57が形成されている。ソース電極55は、Al合金膜からなり、表面保護膜57は、ポリイミド樹脂膜からなる。ソース電極55のうち、表面保護膜57で覆われていない領域、すなわち半導体チップ5Cの表面に露出した領域は、ソースパッドを構成している。
MOSFETの場合も、逆耐圧に保持したときに空乏層(D)の拡がりの外側に位置する半導体チップ5Cの最外周部が裏面電極(ドレイン電極56)と同電位となり、数100Vの高電圧が印加される。従って、スイッチ回路の半導体スイッチとしてMOSFETを用いる場合でも、半導体チップ5Cの最外周部とAlワイヤとの距離を十分に確保する必要がある。
図45は、IGBTとFETのオン電圧特性を比較したグラフである。ここでは、オン電圧を300Vに設定したときの特性を比較している。
IGBTは、p型基板とその上部のn型層との間のpn接合が順バイアスされる必要があるので、低電流領域ではFETに比べてオン電圧が高くなってしまう。しかし、大電流領域では、FETチップよりも小さいサイズのチップで小さいオン電圧により電流を制御することができる。
他方、n型基板を使用するFETは、図44に示すように、チップ内に寄生ダイオードが形成されるため、別途にダイオードチップを付加する必要がない。これに対し、p型基板を使用するIGBTは、チップ内に寄生ダイオードが形成されないので、別途にダイオードチップを付加する必要がある。
前記実施の形態1、2では、スイッチモジュールに適用した例を説明したが、本発明は、複数個の電力用半導体チップを組み合わせて構成した各種電力用半導体モジュールに適用することができる。
本発明は、複数個の電力用半導体チップを組み合わせて構成した電力用半導体モジュールに適用することができる。
1A、1B 半導体パッケージ
2A、2B 封止体
3 リード
4 導電性接着剤
5A、5B、5C 半導体チップ
6 エミッタパッド
7 ゲートパッド
8A、8B ダイオードチップ
9 アノードパッド
10、11 Alワイヤ
12 貫通孔
13、14 長溝
15 薄肉部
16 タイバー
17 フレーム
18、19 貫通孔
20 配線基板
21 放熱板
22 ネジ
23 絶縁板
24 タイバー
25 フレーム
26 モールド樹脂
27 ポッティング樹脂
28 Alリボン
29 Cuクリップ
30 p型シリコン基板
31 n型バッファー層
32 n型エピタキシャル層
33 p型拡散層
34 n型拡散層
35 ゲート絶縁膜
36 ゲート電極
37 コレクタ電極
38 エミッタ電極
39 表面保護膜
40 n型シリコン基板
41 n型エピタキシャル層
42 p型拡散層
43 アノード電極
44 カソード電極
45 表面保護膜
50 n型シリコン基板
51 n型エピタキシャル層
52 p型拡散層
53 n型拡散層
54 ゲート電極
55 ソース電極
56 ドレイン電極
57 表面保護膜
LF1、LF2 リードフレーム
TAB1、TAB2、TAB3、TAB4 ダイパッド部(金属ベース板)

Claims (12)

  1. 絶縁性樹脂からなる封止体と、
    前記封止体によってそれぞれの一部が覆われた第1および第2金属ベース板と、
    第1面に第1電極を有すると共に、前記第1面に対向する第2面に第2電極パッドと制御電極パッドとを有し、前記第1面が前記第1金属ベース板の上面に固定され、電気的に接続された第1半導体チップと、
    第1面に第1電極を有すると共に、前記第1面に対向する第2面に第2電極パッドと制御電極パッドとを有し、前記第1面が前記第2金属ベース板の上面に固定され、電気的に接続された第2半導体チップと、
    第1面に第1電極を有し、前記第1面に対向する第2面に第2電極を有し、前記第1面が前記第1金属ベース板の上面に固定され、電気的に接続された第1ダイオードチップと、
    それぞれの一端が前記封止体によって覆われ、他端が前記封止体の一側面から突出する第1、第2、第3及び第4リードと、
    前記第1半導体チップの前記第2電極パッドと前記第1リードの前記一端とを電気的に接続する第1導電材料と、
    前記第2半導体チップの前記第2電極パッドと前記第2リードの前記一端とを電気的に接続する第2導電材料と、
    前記第1半導体チップの前記制御電極パッドと前記第3リードの前記一端とを電気的に接続する第3導電材料と、
    前記第2半導体チップの前記制御電極パッドと前記第4リードの前記一端とを電気的に接続する第4導電材料と、
    前記第1ダイオードチップの第2電極と前記第1半導体チップの第2電極パッドとを電気的に接続する第5導電材料と、
    を有し、
    前記第1リードの前記一端は、前記第1金属ベース板の上面よりも上方に位置し、
    前記第2リードの前記一端は、前記第2金属ベース板の上面よりも上方に位置し、
    前記第1導電材料前記第3導電材料および前記第5導電材料はワイヤからなり、前記第1導電材料および前記第5導電材料のワイヤ径は前記第3導電材料のワイヤ径よりも大であり、
    平面視で前記第1半導体チップの最外周部と前記第1導電材料とが交差する位置において、断面視で前記第1導電材料は前記第1半導体チップの最外周から100μm以上離れており、
    平面視で前記第5導電材料が前記第1ダイオードチップの最外周と交差する位置において、断面視で前記第5導電材料は前記第1ダイオードチップの最外周から100μm以上離れていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第2導電材料と前記第4導電材料とはワイヤからなり、前記第2導電材料のワイヤ径は前記第4導電材料のワイヤ径よりも大であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 平面視で前記第2半導体チップの最外周部と前記第2導電材料とが交差する位置において、断面視で前記第2導電材料は前記第2半導体チップの最外周から100μm以上離れていることを特徴とする請求項記載の半導体装置。
  4. 更に、第1面に第1電極を有し、前記第1面に対向する第2面に第2電極を有し、前記第1面が前記第2金属ベース板の上面に固定され、電気的に接続された第2ダイオードチップと、
    前記第2ダイオードチップの第2電極と前記第2半導体チップの第2電極パッドとを電気的に接続する第6導電材料と、
    を有し、前記第6導電材料が前記第2ダイオードチップの最外周と交差する位置において、前記第6導電材料は前記第2ダイオードチップの最外周から100μm以上離れていることを特徴とする請求項記載の半導体装置。
  5. 前記第1半導体チップは、前記第1ダイオードチップよりも前記第1リードの前記一端に近いことを特徴とする請求項記載の半導体装置。
  6. 前記第2半導体チップは、前記第2ダイオードチップよりも前記第2リードの前記一端に近いことを特徴とする請求項記載の半導体装置。
  7. 前記第1半導体チップの第2電極パッドの面積は、前記第1半導体チップの制御電極パッドの面積よりも大であることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
  8. 前記第2半導体チップの第2電極パッドの面積は、前記第2半導体チップの制御電極パッドの面積よりも大であることを特徴とする請求項記載の半導体装置。
  9. 前記第1から前記第4導電材料はAlワイヤからなることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
  10. 一端が前記第1金属ベース板と電気的に接続され、他端が前記封止体の前記一側面から突出する第5リードを有し、
    前記第1リードは、前記第2金属ベース板と電気的に接続され、
    平面視において、前記第1リードは前記第3および第4リードの間に配置され、前記第2リードは前記第1および第4リードの間に配置され、前記第5リードは前記第1および第3リードの間に配置されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  11. 前記第1リードは外部に電圧を出力する出力端子であり、前記第5リードは外部から電源電圧が供給される電源端子であり、前記第2リードは外部から接地電圧が供給されるグランド端子であることを特徴とする請求項10記載の半導体装置。
  12. 前記第1および第2半導体チップはそれぞれIGBTを備え、
    前記第1および第2半導体チップの第1電極は、前記IGBTのコレクタ電極であり、前記第1および第2半導体チップの第2電極は、前記IGBTのエミッタ電極であることを特徴とする請求項11記載の半導体装置
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