JP5845634B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、あらゆる電子回路装置に使用される半導体装置に関する。
導電性を有する素子搭載部材の表面上に半導体素子が固着されるとともに、半導体素子上の電極が、ワイヤボンディングによってリードフレームに接続された状態で、半導体素子、素子搭載部材および金属ワイヤが覆われるように、合成樹脂材料によって封止した半導体装置に関する従来技術があった（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に開示された半導体装置においては、素子搭載部材の下面に絶縁シートが接合されている。絶縁シートは、封止体を形成する合成樹脂材料よりも熱伝動性の大きい樹脂材料を基材として形成されており、半導体素子の下方における絶縁性を維持しながら熱抵抗を低減させている。
また、絶縁シートの下面には、さらに金属シートが固着されている。金属シートはアルミニウム箔等によって形成されており、その下面は封止体から露出している。上述した絶縁シートおよび金属シートは、それぞれ所定の厚みに形成されており、半導体素子に発生した熱を、素子搭載部材、絶縁シートおよび金属シートを介して下方へと放出している。
特許文献１に開示された絶縁シートは、半導体装置の製造工程の初期段階において、その硬度が十分ではなく作業性が悪いという問題がある。また、樹脂封止後の外力によって、絶縁シートに割れやかけが発生し、絶縁が不十分となることも考えられた。
上述した金属シートは、これらの問題を解決するための構成である。すなわち、絶縁シートの下面に金属シートを接合させ、製造時の作業性を向上させるとともに、絶縁シートに発生する割れやかけを低減している。さらに、金属シートによって、半導体素子の下方における熱抵抗の低減をある程度行っている。
特開２００５―３５３８０５号公報（第５−６頁、図３）
しかしながら、特許文献１に記載された半導体装置は、半導体素子の下面に素子搭載部材、絶縁シートおよび金属シートが接合された３層構造となっており、熱抵抗の低減に対しては未だ不十分な構成であった。
また、素子搭載部材、絶縁シートおよび金属シートを含んだ３層構造により、半導体装置の厚み方向の寸法が増大するという課題もあった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却性に優れコンパクトな半導体装置を提供することにある。
上述した課題を解決するために、請求項１に係る半導体装置の発明の構成は、半導体素子と、半導体素子の表面に形成された表面電極に対して接続された導電部材と、半導体素子の裏面電極に対して接合された導電性金属板と、導電性金属板に対し、半導体素子が接合された側の反対側に接合されたセラミックス板と、導電部材に対し、表面電極が接続された側の反対側に接合された表側金属板と、表側金属板に対し、導電部材が接合された側の反対側に接合された表側セラミックス板と、セラミックス板の導電性金属板に接合された側の反対側の面および表側セラミックス板の表側金属板に接合された側の反対側の面が露出した状態で、半導体素子、導電性金属板、セラミックス板、導電部材、表側金属板および表側セラミックス板を覆う封止体と、を備えたことである。
請求項２に係る発明の構成は、請求項１の半導体装置において、導電性金属板あるいは表側金属板は、半導体素子または導電部材に接合される前に、予めセラミックス板または表側セラミックス板に対して接合されていることである。
請求項３に係る発明の構成は、請求項１または２の半導体装置において、セラミックス板または表側セラミックス板は、アルミナにより形成され、導電性金属板あるいは表側金属板は、アルミニウム板により形成されていることである。
請求項４に係る発明の構成は、請求項１または２の半導体装置において、セラミックス板または表側セラミックス板は、窒化アルミニウムにより形成され、導電性金属板あるいは表側金属板は、アルミニウム板により形成されていることである。
請求項５に係る発明の構成は、請求項１または２の半導体装置において、セラミックス板または表側セラミックス板は、窒化ケイ素により形成され、導電性金属板あるいは表側金属板は、銅板により形成されていることである。
請求項１に係る半導体装置によれば、導電性金属板に接合されたセラミックス板が十分な機械的強度と絶縁耐圧を有しているため、半導体素子の裏面側を、導電性金属板と、導電性金属板に接合されたセラミックス板とによる２層構造にすることができる。これにより、半導体素子から導電性金属板およびセラミックス板を介した経路の熱抵抗を低減でき、半導体素子の冷却性を向上させることができる。
また、半導体素子の裏面側を、導電性金属板およびセラミックス板による２層構造にしたことにより、半導体装置を厚み方向に小型化することができる。
また、導電部材に対し、表面電極が接続された側の反対側に接合された表側金属板と、表側金属板に対し、導電部材が接合された側の反対側に接合された表側セラミックス板と、を備え、表側セラミックス板は、表側金属板に接合された側の反対側の面が封止体から露出していることにより、半導体素子の表面側にも放熱構造を形成することができ、半導体装置の冷却性をさらに向上することができる。
請求項２に係る半導体装置によれば、導電性金属板あるいは表側金属板は、半導体素子または導電部材に接合される前に、予めセラミックス板または表側セラミックス板に対して接合されていることにより、セラミックス板または表側セラミックス板の半導体素子への接続工程および封止工程を容易に行うことができ、低コストの半導体装置にすることができる。
請求項３に係る半導体装置によれば、セラミックス板または表側セラミックス板は、アルミナにより形成され、導電性金属板あるいは表側金属板は、アルミニウム板により形成されていることにより、軽量で機械的強度の大きい半導体装置にすることができる。
請求項４に係る半導体装置によれば、セラミックス板または表側セラミックス板は、窒化アルミニウムにより形成され、導電性金属板あるいは表側金属板は、アルミニウム板により形成されていることにより、軽量で放熱性のよい半導体装置にすることができる。
請求項５に係る半導体装置によれば、セラミックス板または表側セラミックス板は、窒化ケイ素により形成され、導電性金属板あるいは表側金属板は、銅板により形成されていることにより、耐熱性が高く放熱性のよい半導体装置にすることができる。
本発明の関連発明による半導体装置を示した縦断面図 本発明の実施形態による半導体装置を示した縦断面図
＜関連発明＞
図１に基づき、本発明の関連発明による半導体装置１について説明する。本関連発明による半導体装置１の用途は特定のものに限られず、あらゆる電子回路に適用することが可能である。尚、説明中において、図１における上方を半導体装置１の上方とし、下方を半導体装置１の下方とする。また、半導体チップ２の上方の面を半導体チップ２の表面とし、下方の面を半導体チップ２の裏面として説明する。
半導体装置１の半導体チップ２（半導体素子に該当する）は、ＩＧＢＴ、パワートランジスタ、パワーＩＣといったスイッチング機能を有するパワー半導体であるが、本発明による半導体装置１に使用可能なものは、特にこれに限定されるものではない。半導体チップ２の表面には、複数の電極パッド３ａ、３ｂ（表面電極に該当する）が形成されている。また、半導体チップ２の裏面には、裏面電極３ｃが形成されている。
図１に示すように、半導体チップ２の電極パッド３ａ、３ｂには、金属ワイヤ４によってリード端子５ａおよび制御リード端子５ｂ（ともに導電部材に該当する）がそれぞれ接続されている（ワイヤボンディング）。リード端子５ａおよび制御リード端子５ｂは外部との間で信号伝達を行う部材であり、ともに銅板あるいはアルミニウム板等の導電板材により形成されている。金属ワイヤ４は、金線あるいはアルミニウムにより形成されており、電極パッド３ａ、３ｂとリード端子５ａおよび制御リード端子５ｂは、ボールボンディングあるいはウェッジボンディング等によって接続されている。
一方、半導体チップ２の裏面電極３ｃには、はんだ６によりダイパッド７（導電性金属板に該当する）が接合されている（はんだボンディング）。ダイパッド７は略平板状を呈し、銅、アルミニウム等の導電性金属によって一体に形成されている。半導体チップ２に対して、ダイパッド７は共晶金属結合法あるいは導電性樹脂材料による樹脂接着法等によって接合してもよい。また、封止される前にはリード端子５ａおよび制御リード端子５ｂがダイパッド７に対して連結された状態とし、封止後にリード加工によって互いを分離するようにしてもよい。
ダイパッド７において、半導体チップ２が接合された側の反対側の面には絶縁板８（セラミックス板に該当する）が接合されている。絶縁板８はセラミックスにより形成されており、所定量以上の強度・剛性、耐熱性、熱伝動性を有するとともに、熱膨張率が所定値よりも低いといった特性を有している。また、絶縁板８は所定の絶縁性を備えており、これに限定されるものではないが、例えば、ＡＣ３ｋＶ〜４ｋＶの絶縁耐圧を有している。
本関連発明においては、ダイパッド７が半導体素子２に接合される以前に、ダイパッド７と絶縁板８とが予め接合されて一体とされ、導体回路付絶縁基板ＣＳが形成されている。
導体回路付絶縁基板ＣＳに含まれる絶縁板８を形成する材料と、ダイパッド７を形成する材料との組み合わせとしては、絶縁板８を形成する材料を酸化アルミニウム（Al2O3、アルミナ）とし、ダイパッド７を形成する材料をアルミニウム板とすることができる。または、絶縁板８を形成する材料を窒化アルミニウム（AlN）とし、ダイパッド７を形成する材料をアルミニウム板とすることができる。もしくは、絶縁板８を形成する材料を窒化ケイ素（Si3N4）とし、ダイパッド７を形成する材料を銅板とすることができるが、絶縁板８およびダイパッド７を形成する材料は、これらの組み合わせに限定されるものではない。
窒化アルミニウムによる絶縁板８と、アルミニウム板によるダイパッド７とは、Al-Si系ロウ材により互いに接合される。また、窒化ケイ素による絶縁板８と、銅板によるダイパッド７とは、Ag-Cu系ロウ材により互いに接合される。しかしながら、絶縁板８とダイパッド７との接合方法は上述した方法に限定されるものではなく、双方に含まれる金属による共晶反応による接合方法、あるいは接着剤による接合方法によってもよい。
図1に示したように、半導体チップ２、電極パッド３ａ、３ｂ、裏面電極３ｃ、金属ワイヤ４、リード端子５ａ、制御リード端子５ｂ、ダイパッド７および絶縁板８は、エポキシ樹脂等の合成樹脂材料による樹脂筐体９（封止体に該当する）で覆われている。これにより、上述した各部材は樹脂筐体９内に封入され（リード端子５ａおよび制御リード端子５ｂについては、それぞれ一部が樹脂筐体９から突出している）、水、異物等から保護される。半導体装置１は、樹脂筐体９によって封入された状態で、絶縁板８の下面（ダイパッド７に接合された側と反対側の面）が露出している。
半導体装置１の下面には、サーマルグリス１０を介してヒートシンク（熱交換器）１１が接合されている。ヒートシンク１１は、半導体装置１をその下端面において冷却している。
次に、上述した半導体装置１の製造工程について簡単に説明する。
最初に、ダイパッド７と絶縁板８とが予め接合されて形成された導体回路付絶縁基板ＣＳの上面（ダイパッド７側）に、はんだボンディングにより半導体チップ２の裏面電極３ｃを接合する（ダイボンディング工程）。
次に、半導体チップ２の電極パッド３ａ、３ｂを、それぞれリード端子５ａおよび制御リード端子５ｂに対し金属ワイヤ４によって接続する（ワイヤボンディング工程）。
最後に、半導体チップ２、リード端子５ａ、制御リード端子５ｂおよび導体回路付絶縁基板ＣＳを覆うとともに、導体回路付絶縁基板ＣＳの底面（絶縁板８）が露出するように、合成樹脂材料を充填して樹脂筐体９を形成し、半導体装置１を完成させる（封止工程）。
本関連発明によれば、ダイパッド７に接合された絶縁板８が十分な機械的強度と絶縁耐圧を有しているため、半導体チップ２の裏面側を、ダイパッド７と、ダイパッド７に接合された絶縁板８とによる２層構造にすることができる。これにより、半導体チップ２からダイパッド７および絶縁板８を介した経路の熱抵抗を低減でき、半導体チップ２の冷却性を向上させることができる。
また、半導体チップ２の裏面側を、ダイパッド７および絶縁板８による２層構造にしたことにより、半導体装置１を厚み方向に小型化することができる。
また、セラミックス板により形成された絶縁板８は、十分な絶縁耐圧を有しているため、絶縁板８の下面に樹脂材料を封止する必要がなく、半導体チップ２の放熱性を向上できるとともに、半導体装置１を厚み方向にさらに小型化することができる。
また、ダイパッド７は、半導体チップ２に接合される前に、予め絶縁板８に対して接合されていることにより、絶縁板８を半導体チップ２へ接続するダイボンディング工程および封止工程を容易に行うことができ、低コストの半導体装置１にすることができる。
また、絶縁板８がアルミナにより形成され、ダイパッド７がアルミニウム板により形成された場合、軽量で機械的強度の大きい半導体装置１にすることができる。
また、絶縁板８が窒化アルミニウムにより形成され、ダイパッド７がアルミニウム板により形成された場合、軽量で放熱性のよい半導体装置１にすることができる。
また、絶縁板８が窒化ケイ素により形成され、ダイパッド７が銅板により形成された場合、耐熱性が高く放熱性のよい半導体装置１にすることができる。
＜実施形態＞
次に、図２に基づき、本発明の実施形態による半導体装置１Ａについて説明する。関連発明の場合と同様に、説明中において、図２における上方を半導体装置１Ａの上方とし、下方を半導体装置１Ａの下方とする。また、半導体チップ２の上方の面を半導体チップ２の表面とし、下方の面を半導体チップ２の裏面として説明する。
本実施形態による半導体装置１Ａにおいて、半導体チップ２よりも下方に配置された部材の構成は関連発明による半導体装置１の場合と同様であるため、これらについての説明は省略する。
半導体装置１Ａにおいて、電極パッド３ａ、３ｂの上面には複数のインナリード１２ａ、１２ｂが接合されている（ワイヤレスボンディング）。インナリード１２ａ、１２ｂは、例えば、銅材によって形成され、ＴＡＢ(Tape Automated Bonding)、フリップチップ(Flip-chip)等の熱圧着により、それぞれ電極パッド３ａ、３ｂ上に接合される。
図２に示したように、各々のインナリード１２ａ、１２ｂは、熱圧着によってリード端子５ａおよび制御リード端子５ｂに接合されている（本実施形態において、インナリード１２ａ、１２ｂ、リード端子５ａおよび制御リード端子５ｂを包含した構成が導電部材に該当する）。リード端子５ａおよび制御リード端子５ｂは、関連発明の半導体装置１に含まれるものと同様の部材である。
一方のインナリード１２ａの電極パッド３ａが接続された側の反対側（上面）には、はんだ６により導体回路付絶縁基板ＣＳ１が接合されている（導体回路付絶縁基板ＣＳ１のうち、インナリード１２ａに接合されたダイパッド１３が表側金属板に該当し、ダイパッド１３に対し、インナリード１２ａが接合された側の反対側に接合された絶縁板１４が表側セラミックス板に該当する）。
本実施形態における導体回路付絶縁基板ＣＳ１に含まれる絶縁板１４とダイパッド１３とをそれぞれ形成する材料の組み合わせ、それぞれの形状、絶縁板１４とダイパッド１３との接合方法およびその他の性質は、関連発明における導体回路付絶縁基板ＣＳのものと同様である。
また、半導体チップ２の上方に配置された導体回路付絶縁基板ＣＳ１についても、ダイパッド１３がインナリード１２ａに接合される以前に、ダイパッド１３と絶縁板１４とが予め接合されて一体に形成されている。

図２に示したように、半導体チップ２、電極パッド３ａ、３ｂ、裏面電極３ｃ、リード端子５ａ、制御リード端子５ｂ、インナリード１２ａ、１２ｂおよび導体回路付絶縁基板ＣＳ、ＣＳ１は、樹脂筐体９で覆われている。これにより、上述した各部材は樹脂筐体９内に封入され（リード端子５ａおよび制御リード端子５ｂについては、それぞれ一部が樹脂筐体９から突出している）、水、異物等から保護される。
半導体装置１Ａは、樹脂筐体９によって封入された状態で、半導体チップ２の下方に配置された絶縁板８の下面と、半導体チップ２の上方に配置された絶縁板１４の上面（ダイパッド１３に接合された側の反対側の面）とが露出している。
図２に示したように、半導体装置１Ａの上面および下面には、サーマルグリス１０を介してヒートシンク１１がそれぞれ接合されている。ヒートシンク１１は、半導体装置１Ａをその上下端面において冷却している。
本実施形態によれば、半導体チップ２の上方に配置された導体回路付絶縁基板ＣＳ１は、インナリード１２ａに対し下面が接合されたダイパッド１３と、ダイパッド１３に対し下面が接合された絶縁板１４とを備え、絶縁板１４は上面が樹脂筐体９から露出していることにより、半導体チップ２の表面側にも放熱構造を形成することができ、半導体装置１Ａの冷却性をさらに向上することができる。
＜他の実施形態＞
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。
ダイパッド７、１３が半導体素子２またはインナリード１２ａに接合される以前に、ダイパッド７、１３と絶縁板８、１４とが予め接合されていなければならないわけではなく、ダイパッド７、１３が半導体素子２またはインナリード１２ａに接合された後に、ダイパッド７、１３と絶縁板８、１４とを接合するようにしてもよい。
図面中、１，１Ａは半導体装置、２は半導体チップ（半導体素子）、３ａ，３ｂは電極パッド（表面電極）、３ｃは裏面電極、５ａはリード端子（導電部材）、５ｂは制御リード端子（導電部材）、７はダイパッド（導電性金属板）、８は絶縁板（セラミックス板）、９は樹脂筐体（封止体）、１２ａ，１２ｂはインナリード（導電部材）、１３はダイパッド（表側金属板）、１４は絶縁板（表側セラミックス板）を示している。

Claims (5)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子の表面に形成された表面電極に対して接続された導電部材と、
    前記半導体素子の裏面電極に対して接合された導電性金属板と、
    前記導電性金属板に対し、前記半導体素子が接合された側の反対側に接合されたセラミックス板と、
    前記導電部材に対し、前記表面電極が接続された側の反対側に接合された表側金属板と、
    前記表側金属板に対し、前記導電部材が接合された側の反対側に接合された表側セラミックス板と、
    前記セラミックス板の前記導電性金属板に接合された側の反対側の面および前記表側セラミックス板の前記表側金属板に接合された側の反対側の面が露出した状態で、前記半導体素子、前記導電性金属板、前記セラミックス板、前記導電部材、前記表側金属板および前記表側セラミックス板を覆う封止体と、
    を備えた半導体装置。
  2. 前記導電性金属板あるいは前記表側金属板は、
    前記半導体素子または前記導電部材に接合される前に、予め前記セラミックス板または前記表側セラミックス板に対して接合されている請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記セラミックス板または前記表側セラミックス板は、
    アルミナにより形成され、
    前記導電性金属板あるいは前記表側金属板は、
    アルミニウム板により形成されている請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記セラミックス板または前記表側セラミックス板は、
    窒化アルミニウムにより形成され、
    前記導電性金属板あるいは前記表側金属板は、
    アルミニウム板により形成されている請求項１または２に記載の半導体装置。
  5. 前記セラミックス板または前記表側セラミックス板は、
    窒化ケイ素により形成され、
    前記導電性金属板あるいは前記表側金属板は、
    銅板により形成されている請求項１または２に記載の半導体装置。
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