JP5754398B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば大電流の制御に用いられる半導体装置に関する。
特許文献１には、半導体チップとコンデンサが同一基板上に形成された半導体装置が開示されている。特許文献２には、モータ一体型の自動車用パワーモジュールが開示されている。
特開２００１−２５０８９０号公報 特開２０１０−２１３４４７号公報
電源から半導体素子へ供給する電力を整流するためにコンデンサを用いることがある。しかし半導体素子とコンデンサの距離が離れるとインダクタンスが大きくなり、サージ電圧が増加する。よって、半導体素子と整流用のコンデンサは近接させることが好ましい。また、車両用の半導体装置では、半導体装置の設置面積を低減することと、半導体装置の搭載性（設置のしやすさ）が高いことが求められている。
これらの理由から、半導体素子とコンデンサを有する半導体装置をできるだけ小さくする必要がある。ところが、特許文献１に開示の半導体装置では、基板上の離れた場所に半導体素子とコンデンサを搭載するので半導体素子とコンデンサの距離を短くできなかった。また、特許文献２に開示の半導体装置は半導体素子とコンデンサが別部品となっているため、搭載性を向上させる必要があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、半導体素子とコンデンサを近接配置でき、かつ高い搭載性を有する半導体装置を提供することを目的とする。
本願の発明に係る半導体装置は、半導体素子と、該半導体素子の上面に電気的に接続された第１電極と、複数の第１櫛歯部と該複数の第１櫛歯部を連結する第１連結部とを有し、該半導体素子の下面に面接触した第１内部電極と、該第１内部電極と電気的に接続された第２電極と、該複数の第１櫛歯部に接触せず該複数の第１櫛歯部の間に進入する複数の第２櫛歯部と、該複数の第２櫛歯部を連結する第２連結部とを有し、該第１電極の下面に電気的に接続された第２内部電極と、該複数の第１櫛歯部と該複数の第２櫛歯部の間を埋める下部誘電体と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、半導体素子とコンデンサを近接配置でき、かつ高い搭載性を有する半導体装置を提供できる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０の搭載例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置でハーフブリッジ回路を構成したことを示す図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置でＣＲＤスナバ回路を構成したことを示す図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。半導体装置１０は、半導体素子１２を有している。半導体素子１２は上面にエミッタが形成され下面にコレクタが形成されたＩＧＢＴである。半導体素子１２の上面には、はんだ１４を介して第１電極１６が電気的に接続されている。第１電極１６はエミッタ電極として機能する。
半導体素子１２の下面には、第１内部電極１８が電気的に接続されている。第１内部電極１８は、複数の第１櫛歯部１８ａと複数の第１櫛歯部１８ａを連結する第１連結部１８ｂとを有している。複数の第１櫛歯部１８ａの櫛歯部はそれぞれ平行に伸びている。複数の第１櫛歯部の１つの櫛歯が半導体素子１２の下面と面接触している。
第１内部電極１８には第２電極２０が電気的に接続されている。第２電極２０はコレクタ電極として機能する。第１内部電極１８と対向する位置に第２内部電極２２が形成されている。第２内部電極２２は、複数の第２櫛歯部２２ａと複数の第２櫛歯部２２ａを連結する第２連結部２２ｂとを有している。複数の第２櫛歯部２２ａの櫛歯部はそれぞれ平行に伸びている。複数の第２櫛歯部２２ａは複数の第１櫛歯部１８ａに接触せず複数の第１櫛歯部１８ａの間に進入している。すなわち、複数の第１櫛歯部１８ａと複数の第２櫛歯部２２ａは、接触せずにかみ合うように配置されている。
複数の第１櫛歯部１８ａと複数の第２櫛歯部２２ａの間は下部誘電体２４で埋められている。下部誘電体２４はセラミックで形成されている。これにより下部誘電体２４、複数の第１櫛歯部１８ａ、及び複数の第２櫛歯部２２ａを有し、複数の第１櫛歯部１８ａと複数の第２櫛歯部２２ａを電極とするコンデンサが形成されている。なお、下部誘電体２４には凹部２４ａが形成されている。
第２内部電極２２は、第１電極１６の下面に電気的に接続されている。具体的には、複数の第２櫛歯部２２ａの１つの櫛歯がはんだ２６を介して第１電極１６の下面と電気的に接続されている。半導体素子１２、第１内部電極１８、及び第２内部電極２２を覆い、第１電極１６の一部、第２電極２０の一部、及び下部誘電体２４の一部を外部に露出させる樹脂３０が形成されている。樹脂３０は、トランスファーモールド法で形成されたものである。前述の凹部２４ａは樹脂３０と接する部分に形成されているため、凹部２４ａには樹脂３０が満たされている。
図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０の搭載例を示す斜視図である。半導体装置１０は、冷却体５０の上の接合材５２によって冷却体５０と固定される。そして、下部誘電体２４の下面が熱伝導材５４と接触することで、半導体装置１０の放熱性を高めることができる。
下部誘電体２４は、絶縁膜として半導体素子１２を半導体装置１０の外部から絶縁する。これにより半導体素子１２と冷却体５０を絶縁できる。さらに下部誘電体２４は、前述の通りコンデンサの電極間材料としても機能する。すなわち、下部誘電体２４は、半導体素子１２の絶縁膜としての機能と、コンデンサの誘電体としての機能を併せ持つ。また、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０は、樹脂３０内部において半導体素子１２とコンデンサを隣接させたため半導体素子１２とコンデンサを十分に近接させて低インダクタンスとすることができる。しかも、半導体素子１２とコンデンサをトランスファーモールド法で一体的に重ねて形成したので半導体装置１０の設置面積を低減して冷却体などへの搭載性を高めることができる。
また、半導体装置１０の下部から冷却することにより、コンデンサと半導体素子１２の両方を冷却することが可能となる。なお、凹部２４ａに樹脂を満たすことで樹脂３０の剥がれを防止するアンカー効果をもたせることができる。
ところで、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０は様々な用途がある。例えば半導体装置１０を用いてブリッジ回路を構成することができる。図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置でハーフブリッジ回路を構成したことを示す図である。半導体装置１０の第１内部電極１８、下部誘電体２４、及び第２内部電極２２からなるコンデンサは整流コンデンサＣ１として用いることができる。
また、半導体装置１０でスナバ回路を構成することもできる。図４は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置でＣＲＤスナバ回路を構成したことを示す図である。第１内部電極１８、下部誘電体２４、及び第２内部電極２２からなるコンデンサをスナバ回路のコンデンサＣ２として用いることができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の下部誘電体２４はセラミック以外の材料で形成してもよい。下部誘電体２４は、絶縁体と誘電体の両方の性質を有するもので形成されれば特に限定されない。例えば下部誘電体をセラミック以外の無機物で形成してもよいし、樹脂フィルム等の有機物で形成してもよい。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の凹部２４ａは、下部誘電体２４に限らず第１内部電極１８又は第２内部電極２２の樹脂３０と接する部分に形成してもよい。凹部を形成する部分を増やすことで、樹脂の剥がれを防止する効果を高めることができる。
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。実施の形態１との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態２に係る半導体装置は、第３内部電極６０を有している。第３内部電極６０は、複数の第３櫛歯部６０ａと複数の第３櫛歯部６０ａを連結する第３連結部６０ｂとを有している。第３内部電極６０は、はんだ６２を介して第２電極２０に電気的に接続されている。具体的には複数の第３櫛歯部６０ａの１つの櫛歯がはんだを介して第２電極２０の上面に接続されている。なお、第３内部電極６０は、半導体素子１２の上面側に形成されている。
第３内部電極６０と対向する位置に第４内部電極６４が形成されている。第４内部電極６４は、複数の第３櫛歯部６０ａに接触せず複数の第３櫛歯部６０ａの間に進入する複数の第４櫛歯部６４ａと、複数の第４櫛歯部６４ａを連結する第４連結部６４ｂとを有している。第４内部電極６４は、第１電極１６の上面に電気的に接続されている。具体的には、複数の第４櫛歯部６４ａの１つの櫛歯が第１電極１６の上面に面接触している。
さらに、上部誘電体６６が複数の第３櫛歯部６０ａと複数の第４櫛歯部６４ａの間を埋めている。これにより上部誘電体６６、複数の第３櫛歯部６０ａ、及び複数の第４櫛歯部６４ａを有し、複数の第３櫛歯部６０ａと複数の第４櫛歯部６４ａを電極とするコンデンサが形成されている。
樹脂３０は、半導体素子１２、第１内部電極１８、第２内部電極２２、第３内部電極６０、及び第４内部電極６４を覆い、第１電極１６の一部、第２電極２０の一部、下部誘電体２４の一部、及び上部誘電体６６の一部を外部に露出させている。
本発明の実施の形態２に係る半導体装置によれば、半導体装置の下面と上面の両方から誘電体が露出しているので、半導体装置の下面と上面の両方から半導体装置を冷却することができる。また、半導体素子１２の上側と下側にコンデンサを形成したので、コンデンサの容量設定の自由度を高くすることができる。
なお、本発明の実施の形態２に係る半導体装置は、少なくとも実施の形態１と同程度の変形や応用が可能である。例えば、下部誘電体２４と上部誘電体６６を樹脂フィルムで形成してもよい。
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。実施の形態１との相違点を中心に説明する。第１内部電極１００と第２内部電極１０２は上下方向に対向している。具体的には、第１連結部１００ｂは半導体素子１２の下面と面接触している。また、複数の第１櫛歯部１００ａは第１連結部１００ｂから下方に伸びている。第２連結部１０２ｂの上面は第１連結部１００ｂに対向している。そして、複数の第２櫛歯部１０２ａは第２連結部１０２ｂから上方に伸びている。
第１電極１０４は、はんだ１４を介して半導体素子１２の上面と電気的に接続されるとともに第２連結部１０２ｂの上面と面接触するように、屈曲した形状である。樹脂３０は、半導体素子１２、及び第１内部電極１００を覆い、第１電極１０４の一部、第２電極２０の一部、第２連結部１０２ｂの下面を外部に露出させるように形成されている。
本発明の実施の形態３に係る半導体装置によれば、複数の第１櫛歯部１００ａが第１連結部１００ｂから下方に伸び、複数の第２櫛歯部１０２ａは第２連結部１０２ｂから上方に伸び、第２連結部１０２ｂの下面は外部に露出している。よって、半導体素子１２で発生した熱を速やかに外部に逃がすことができるので、半導体装置の放熱性を高めることができる。なお本発明の実施の形態３に係る半導体装置は、少なくとも実施の形態１と同程度の変形や応用が可能である。
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。実施の形態３との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態４に係る半導体装置は、第３内部電極１２４を有している。第３内部電極１２４は、複数の第３櫛歯部１２４ａと複数の第３櫛歯部を連結する第３連結部１２４ｂとを有している。第３内部電極１２４は、はんだ１２６を介して第２電極２０の上面に電気的に接続されている。この第３内部電極１２４は、半導体素子１２の上面側に形成されている。
第３内部電極１２４と対向する位置に第４内部電極１２８が形成されている。第４内部電極１２８は、複数の第３櫛歯部１２４ａに接触せず複数の第３櫛歯部１２４ａの間に進入する複数の第４櫛歯部１２８ａと、複数の第４櫛歯部１２８ａを連結する第４連結部１２８ｂとを有している。第４内部電極１２８は、はんだ１３０を介して第１電極１０４の上面に電気的に接続されている。具体的には、第４連結部１２８ｂの下面ははんだ１３０により第１電極１０４の上面と電気的に接続されている。
上部誘電体１３２は、複数の第３櫛歯部１２４ａと複数の第４櫛歯部１２８ａの間を埋めている。これにより上部誘電体１３２、複数の第３櫛歯部１２４ａ、及び複数の第４櫛歯部１２８ａを有し、複数の第３櫛歯部１２４ａと複数の第４櫛歯部１２８ａを電極とするコンデンサが形成される。
樹脂３０は、半導体素子１２、第１内部電極１００、第４内部電極１２８を覆い、第１電極１０４の一部、第２電極２０の一部、第２連結部１０２ｂの下面、及び第３連結部１２４ｂの上面を外部に露出させている。
本発明の実施の形態４に係る半導体装置は、実施の形態３に係る半導体装置の半導体素子の上方にコンデンサを追加したものである。従って、本発明の実施の形態４に係る半導体装置によれば、半導体装置の下面と上面の両方から冷却することができる。半導体素子の上方では、複数の第４櫛歯部１２８ａが第４連結部１２８ｂから上方に伸び、第３連結部１２４ｂの下面は第４連結部１２８ｂに対向し、複数の第３櫛歯部１２４ａが第３連結部１２４ｂから下方に伸びているので放熱が容易となる。
また、半導体素子１２の上側と下側にコンデンサを形成したので、コンデンサの容量設定の自由度を高くすることができる。なお本発明の実施の形態４に係る半導体装置は、少なくとも実施の形態１、３と同程度の変形や応用が可能である。
１０ 半導体装置、 １２ 半導体素子、 １４ はんだ、 １６ 第１電極、 １８ａ 複数の第１櫛歯部、 １８ｂ 第１連結部、 １８ 第１内部電極、 ２０ 第２電極、 ２２ａ 複数の第２櫛歯部、 ２２ｂ 第２連結部、 ２２ 第２内部電極、 ２４ 下部誘電体、 ２４ａ 凹部、 ３０ 樹脂、 ５０ 冷却体、 ５２ 接合材、 ５４ 熱伝導材、 ６０ａ 複数の第３櫛歯部、 ６０ｂ 第３連結部、 ６０ 第３内部電極、 ６２ はんだ、 ６４ａ 複数の第４櫛歯部、 ６４ｂ 第４連結部、 ６４ 第４内部電極、 ６６ 上部誘電体

Claims (12)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子の上面に電気的に接続された第１電極と、
    複数の第１櫛歯部と前記複数の第１櫛歯部を連結する第１連結部とを有し、前記半導体素子の下面に面接触した第１内部電極と、
    前記第１内部電極と電気的に接続された第２電極と、
    前記複数の第１櫛歯部に接触せず前記複数の第１櫛歯部の間に進入する複数の第２櫛歯部と、前記複数の第２櫛歯部を連結する第２連結部とを有し、前記第１電極の下面に電気的に接続された第２内部電極と、
    前記複数の第１櫛歯部と前記複数の第２櫛歯部の間を埋める下部誘電体と、を備えたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体素子、前記第１内部電極、及び前記第２内部電極を覆い、前記第１電極の一部、前記第２電極の一部、及び前記下部誘電体の一部を外部に露出させる樹脂を備え、
    前記複数の第１櫛歯部の１つの櫛歯が前記半導体素子の下面と面接触したことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 複数の第３櫛歯部と、前記複数の第３櫛歯部を連結する第３連結部とを有し、前記第２電極に電気的に接続され、前記半導体素子の上面側に形成された第３内部電極と、
    前記複数の第３櫛歯部に接触せず前記複数の第３櫛歯部の間に進入する複数の第４櫛歯部と、前記複数の第４櫛歯部を連結する第４連結部とを有し、前記第１電極の上面に電気的に接続された第４内部電極と、
    前記複数の第３櫛歯部と前記複数の第４櫛歯部の間を埋める上部誘電体と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体素子、前記第１内部電極、前記第２内部電極、前記第３内部電極、及び前記第４内部電極を覆い、前記第１電極の一部、前記第２電極の一部、前記下部誘電体の一部、及び前記上部誘電体の一部を外部に露出させる樹脂を備えたことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体素子、及び前記第１内部電極を覆い、前記第１電極の一部、及び前記第２電極の一部を外部に露出させる樹脂を備え、
    前記第１連結部は前記半導体素子の下面と面接触し、
    前記複数の第１櫛歯部は前記第１連結部から下方に伸び、
    前記第２連結部の上面は前記第１連結部に対向し、
    前記樹脂は、前記第２連結部の下面を外部に露出させることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体素子、前記第１内部電極、及び前記第４内部電極を覆い、前記第１電極の一部、及び前記第２電極の一部を外部に露出させる樹脂を備え、
    前記第１連結部は前記半導体素子の下面と面接触し、
    前記複数の第１櫛歯部は前記第１連結部から下方に伸び、
    前記第２連結部の上面は前記第１連結部に対向し
    前記第４連結部の下面は前記第１電極の上面と対向しつつ電気的に接続され、
    前記複数の第４櫛歯部は前記第４連結部から上方に伸び、
    前記第３連結部の下面は前記第４連結部に対向し、
    前記樹脂は前記第２連結部の下面、及び前記第３連結部の上面を外部に露出させることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  7. 前記下部誘電体は樹脂フィルム又はセラミックで形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  8. 前記下部誘電体と前記上部誘電体は樹脂フィルム又はセラミックで形成されたことを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体装置。
  9. 前記第１内部電極、前記下部誘電体、及び前記第２内部電極からなるコンデンサを整流コンデンサとして用いたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  10. 前記第１内部電極、前記下部誘電体、及び前記第２内部電極からなるコンデンサをスナバ回路のコンデンサとして用いたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  11. 前記下部誘電体、前記第１内部電極、又は前記第２内部電極の前記樹脂と接する部分に凹部を有し、
    前記凹部に前記樹脂が満たされたことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  12. 冷却体と、
    前記冷却体の上に設けられた熱伝導材と、を備え、
    前記下部誘電体の下面が前記熱伝導材に接触することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
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