JP5812974B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関するものであり、特に、実装基板が配置された容器を有する半導体装置に関するものである。
実装基板が配置された容器を有するパワーデバイスモジュール（半導体装置）は、広く用いられている。モジュールの回路は、実装基板に加えさらに、容器を塞ぐように配置された基板にも設けられ得る。これにより、回路が設けられる領域が広く確保できるので、半導体装置の大きさを小さくすることができる。
特開平６−４５７２１号公報によれば、混成集積回路装置（半導体装置）は、小信号系の回路素子が搭載された第１の基板と、パワー系の回路素子が搭載された第２の基板と、両基板を離間するケース材と、両基板を接続する弾性力を有する接続手段とを有する。接続手段は、ケース材に形成され、接続手段を保持するための孔に収納されている。第１の基板はケース材に螺子止めによって押止されており、これにより接続手段が圧縮される。この圧縮力によって接続手段が、両基板上に形成された両接続用パッドに接続される。これにより両基板が相互に接続される。この公報によれば、混成集積回路装置の完成後において、容易に基板の取り替えができ、しかも製造作業性を従来よりも著しく向上させることができる、とされている。
特開平６−４５７２１号公報
上記従来の技術によると、第１の基板（蓋）の螺子止めによる固定によって、第１および第２の基板の間で接続手段（接続部材）が圧縮される。これにより接続手段に圧縮力が加わる。この圧縮力によって接続手段が第１の基板に押し付けられることで接続手段が第１の基板に固定される。このため、接続手段の位置が規制されていないとすると、特に接続手段が圧縮される際に、第１の基板上における接続手段の位置が容易にずれてしまう。これを防止するためには、接続手段の位置を規制する構造を設ける必要がある。上記公報においてはこのような構造として、接続手段を収容する孔がケース材に形成されている。このような構造をケース材に設けると半導体装置の大きさが大きくなってしまう。またこのような構造をケース材に設ける位置は、基板およびケース材の配置によって制限を受けやすいことから、接続手段を電気特性上望ましい位置に設けることが困難な場合が多い。すなわち回路レイアウトの自由度が低い。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、大きさが小さく、回路レイアウトの自由度が高く、組立が容易な半導体装置を提供することである。
本発明の半導体装置は、容器と、実装基板と、蓋と、接続部材と、締具とを有する。容器は開口部を有する。実装基板は容器内に配置されている。実装基板は半導体チップおよび回路基板を有する。回路基板には半導体チップが実装されている。蓋は、裏面と、裏面と反対の表面とを有する。裏面は容器に面している。蓋は容器の開口部を塞いでいる。蓋には貫通孔が設けられている。蓋は回路パターンを有する。回路パターンの少なくとも一部は裏面上に位置している。接続部材は、接合部と、端子部と、螺子部とを有する。接合部は実装基板上に接合されている。端子部は蓋の裏面上において回路パターンに押し付けられている。螺子部は蓋の貫通孔に挿入されている。締具は蓋の表面上に配置されている。締具は螺子孔を有する。螺子孔には接続部材の螺子部が捩じ込まれている。
本発明によれば、接続部材の位置を規制する構造が、蓋の貫通孔によって簡易に設けられる。よってこのような構造が容器に設けられる場合に比して、半導体装置の大きさを小さくすることができ、かつ回路レイアウトの自由度を高めることができる。
また蓋の表面上に配置された締具の螺子孔に接続部材が捩じ込まれることで、接続部材を固定するとともに、蓋を固定することができる。よって半導体装置の組立が容易となる。
本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を概略的に示す平面図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う概略的な断面図である。 図２の半導体装置が有する接続部材の構成を概略的に示す斜視図である。 図２の半導体装置が有する締具の構成を概略的に示す斜視図である。 図２の変形例を示す概略断面図である。 図２の炭化珪素半導体装置に対応する等価回路を示す図である。 図５の炭化珪素半導体装置に対応する等価回路を示す図である。 図７の回路における電流の流れを説明する図である。 本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１および図２を参照して、パワーデバイスモジュール１０１（炭化珪素半導体装置）は、容器１０と、実装基板４０と、蓋５０と、金属柱６０（接続部材）と、螺子キャップ７０（締具）と、はんだ部９１、９２と、主端子８１〜８３（主端子８０と総称する）と、制御端子８９とを有する。
容器１０は、蓋５０によって塞がれた開口部ＯＰを有する。容器１０は、底面をなすベース１１と、側面をなす枠１２とを有する。ベース１１は、導体からなることが好ましく、金属からなることがより好ましく、たとえば銅からなる。枠１２は、絶縁体からなることが好ましく、たとえば樹脂からなる。
実装基板４０は容器１０内に配置されている。実装基板４０は、回路基板２０と、半導体チップ３０と、ボンディングワイヤ３１と、はんだ部３２とを有する。実装基板４０の回路基板２０は、ベース１１上にはんだ部９１によって接合されている。
回路基板２０は、絶縁基板２１と、表面パターン２２と、裏面パターン２３とを有する。絶縁基板２１は、絶縁体からなり、たとえばセラミック基板である。表面パターン２２および裏面パターン２３は、導体からなり、金属からなることが好ましく、たとえば銅からなる。
半導体チップ３０は回路基板２０上にはんだ部３２によって実装されている。はんだ部３２によって半導体チップ３０は回路基板２０に電気的に接続されている。またさらなる電気的接続のために、図２に示すように、半導体チップ３０と表面パターン２２とがボンディングワイヤ３１によって接続されていてもよい。ボンディングワイヤ３１は、たとえばアルミニウムからなる。半導体チップ３０は、パワーデバイス用のものである。半導体チップ３０は、たとえば、ゲートを有するトランジスタであり、本実施の形態においてはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。
蓋５０は、裏面Ｓ１と、裏面Ｓ１と反対の表面Ｓ２とを有する。裏面Ｓ１は容器１０に面している。蓋５０は板状部５１および回路パターン５２を有する。板状部５１は絶縁体からなる。板状部５１は、回路パターン５２を保持する絶縁基板としての機能を有する。回路パターン５２は、導体からなり、金属からなることが好ましく、たとえば銅からなる。回路パターン５２の少なくとも一部は裏面Ｓ１上に位置している。回路パターン５２は、図２に示すようにその全体が裏面Ｓ１上に位置してもよい。あるいは回路パターン５２の一部が板状部５１の内部に埋め込まれていてもよい。蓋５０には貫通孔ＴＨが設けられている。
金属柱６０（図３）は、ピン部６１（接合部）と、フランジ部６２（端子部）と、螺子部６３とを有する。ピン部６１は実装基板４０上に位置Ｐ１において接合されている。本実施の形態においてはピン部６１は実装基板４０の回路基板２０に接合されている。螺子部６３は蓋５０の貫通孔ＴＨに挿入されている。
螺子キャップ７０（図４）は、蓋５０の表面Ｓ２上に配置されている。螺子キャップ７０は螺子孔ＳＨを有する。螺子孔ＳＨには金属柱６０の螺子部６３が捩じ込まれている。螺子キャップ７０と金属柱６０のフランジ部６２とは貫通穴ＴＨの縁において蓋５０を挟んでいる。螺子キャップ７０が締められることによって、螺子キャップ７０とフランジ部６２との間隔が小さくなる。その結果、フランジ部６２が蓋５０の裏面Ｓ１上において回路パターン５２に押し付けられている。螺子キャップ７０は、蓋５０の表面Ｓ２において金属柱６０の螺子部６３が露出しないように、表面Ｓ２上において螺子部６３を覆っている。螺子キャップ７０は、絶縁体からなることが好ましく、たとえば樹脂からなる。
本実施の形態においては、半導体チップ３０の主電流を制御する機能を有するゲート電極が、表面パターン２２および金属柱６０を介して制御端子８９に接続されている。これにより半導体チップ３０は、金属柱６０のピン部６１を介して入力された外部信号に応じて、主電流のスイッチングを行うことができる。
本実施の形態のパワーデバイスモジュール１０１によれば、蓋５０の表面Ｓ２上に配置された螺子キャップ７０の螺子孔ＳＨに金属柱６０が捩じ込まれている。よって螺子キャップ７０を締めることによって、金属柱６０を固定するとともに、蓋５０も固定することができる。よってパワーデバイスモジュール１０１の組立が容易となる。
また金属柱６０の位置を規制する構造が蓋５０の貫通孔ＴＨによって簡易に設けられる。よってこのような構造が容器１０に設けられる場合に比して、パワーデバイスモジュール１０１の大きさを小さくすることができ、また回路レイアウトの自由度を高めることができる。回路レイアウトの自由度が高められることによる利点の例について、以下に具体的に説明する。
本実施の形態においては、半導体チップ３０のゲート電極へ制御信号を入力するために、制御端子８９につながった金属柱６０が回路基板２０の表面パターン２２に位置Ｐ１で接続されている。この接続位置を位置Ｐ１からより主端子８０に近い位置Ｐ２に変更することで得られるパワーデバイスモジュール１０２（図５）においては、回路における負帰還がより強められる。よって、金属柱６０が表面パターン２２に接続される位置が位置Ｐ１およびＰ２の間で調整されることで、負帰還を調整することができる。負帰還を調整することで、パワーデバイスモジュールの特性を調整することができる。
図６の等価回路はパワーデバイスモジュール１０１（図２）に対応しており、負帰還が実質的に無視できる状態を示している。図７の等価回路はパワーデバイスモジュール１０２（図５）に対応しており、図６におけるエミッタ配線およびゲート配線の間が一点鎖線で示すように離されることによって負帰還が無視できない程度に強められた状態を示している。負帰還の強さは、表面パターン２２またはボンディングワイヤ３１に起因した寄生インダクタンスの大きさに対応している。なお図６および図７においては、負荷として誘導発電機ＩＭが接続されている。
トランジスタの入力電圧Ｖｇは、負帰還有りの場合、
Ｖｇ＝Ｖｇ１＝ＶＧ−ＶＬ＝ＶＧ−ＬＳ×ｄｉ／ｄｔ
であり、負帰還無しの場合、
Ｖｇ＝Ｖｇ２
である。ここで、iは出力電流であり、ＶＧは外部入力電圧であり、Ｖｇはトランジスタの入力電圧(駆動電圧)であり、ＬＳは寄生インダクタンスであり、ＶＬは寄生インダクタンスＬＳにより発生するドロップ電圧でありＶＬ＝ＬＳ×ｄｉ／ｄｔである。よって負帰還有の場合、ＶＬが負帰還となり、ｉおよびＬＳが大きいほど負帰還が強くなる（Ｖｇ１＜Ｖｇ２）。
ｄｉ／ｄｔは、トランジスタをターンオンまたはターンオフする時に大きな絶対値を有する。
図８を参照して、トランジスタの増幅率をｈｆｅ、入力電流をｉｇとすると、
ｉ＝ｈｆｅ×ｉｇ
となる。入力電流ｉｇのうちコレクタへ流れる電流をｉｇｃとしエミッタへ流れる電流をｉｇｅとすると、キルヒホッフの法則より、
ｉ＝ｈｆｅ（（ＶＧ−Ｖｇ１−ＶＬ）／Ｒ−ｉｇｃ）
が満たされる。よって、ＶＬが大きくなればｉは小さくなる。またｄｉ／ｄｔはｉの時間変化率なので、ｉが小さくなるとｄｉ／ｄｔも小さくなる。ターンオフのときは、図８における電流および電圧の向き（符号）は図中矢印とは逆になる。またサージ電圧は、回路のインピーダンスＬとターンオフ時の−ｄｉ／ｄｔとの積、すなわちＬ×（−ｄｉ／ｄｔ）に対応する。よって負帰還が強められることによりｄｉ／ｄｔが小さくなれば、サージ電圧も小さくなる。
以上のように、ｄｉ／ｄｔまたはサージ電圧のようなパワーデバイスモジュールの特性が、負帰還の強さによって調整され得る。本実施の形態によれば、金属柱６０（図２または図５）の位置の自由度が高いので、金属柱６０の位置調整により負帰還の強さを容易に調整することができる。よってパワーデバイスモジュールの特性を容易に調整することができる。
（実施の形態２）
図９に示すように、パワーデバイスモジュール１０３（炭化珪素半導体装置）においては、パワーデバイスモジュール１０１は、半導体チップ３０に直接接合されたリード部材９０をさらに有する。リード部材９０は、導体からなり、好ましくは金属からなり、たとえば銅からなる。リード部材９０と半導体チップ３０との接合は、たとえば、超音波接合により行うことができる。金属柱６０のピン部６１はリード部材９０を介して半導体チップ３０に接合されている。ピン部６１とリード部材９０との接合は、たとえばはんだ付けにより行うことができる。なお、他の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、金属柱６０を、表面パターン２２を介することなく半導体チップ３０に電気的に接続することができる。また金属柱６０が半導体チップ３０にリード部材９０を介して接続されることで、金属柱６０の接続を容易に行なうことができる。なおリード部材９０を省略して、金属柱６０が半導体チップ３０に直接接合されてもよい。
上記各実施の形態においては、金属柱６０は制御端子８９に接続されるが、金属柱６０は、主電流の端子である主端子８０に接続されてもよい。この場合、金属柱６０中を主電流が流れることができる。また半導体チップ３０は、たとえばＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）など、ＩＧＢＴ以外のトランジスタであってもよく、またダイオードなど、トランジスタ以外の半導体チップであってもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１０ 容器、１１ ベース、１２ 枠、２０ 回路基板、２１ 絶縁基板、２２ 表面パターン、２３ 裏面パターン、３０ 半導体チップ、３１ ボンディングワイヤ、３２，９１，９２ はんだ部、４０ 実装基板、５０ 蓋、５１ 板状部、５２ 回路パターン、６０ 金属柱（接続部材）、６１ ピン部（接合部）、６２ フランジ部（端子部）、６３ 螺子部、７０ 螺子キャップ（締具）、８０，８１〜８３ 主端子、８９ 制御端子、９０ リード部材、１０１，１０２，１０３ パワーデバイスモジュール（半導体装置）、ＯＰ 開口部、Ｓ１ 裏面、Ｓ２ 表面、ＳＨ 螺子孔、ＴＨ 貫通孔。

Claims (5)

  1. 開口部を有する容器と、
    前記容器内に配置された実装基板とを備え、前記実装基板は、半導体チップと、前記半導体チップが実装された回路基板とを有し、さらに
    前記容器に面する裏面と、前記裏面と反対の表面とを有し、前記容器の前記開口部を塞ぐ蓋を備え、前記蓋には貫通孔が設けられており、前記蓋は回路パターンを有し、前記回路パターンの少なくとも一部は前記裏面上に位置し、さらに
    前記実装基板上に接合された接合部と、前記蓋の前記裏面上において前記回路パターンに押し付けられた端子部と、前記蓋の前記貫通孔に挿入された螺子部とを有する接続部材と、
    前記蓋の前記表面上に配置された締具とを備え、前記締具は、前記接続部材の前記螺子部が捩じ込まれた螺子孔を有する、半導体装置。
  2. 前記接続部材の前記接合部は、前記実装基板の前記回路基板に接合されている、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記接続部材の前記接合部は、前記実装基板の前記半導体チップに接合されている、請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体チップに直接接合されたリード部材をさらに備え、
    前記接続部材の前記接合部は、前記リード部材を介して前記半導体チップに接合されている、請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体チップは、前記接続部材の前記接合部を介して入力された外部信号に応じて主電流のスイッチングを行うものである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
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