JP7026688B2 - 半導体チップを接続する第１および第２接続要素を備えた半導体モジュールおよび製造方法 - Google Patents

半導体チップを接続する第１および第２接続要素を備えた半導体モジュールおよび製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、基板と、基板に配置されている半導体チップと、半導体チップを半導体モジュールの別の半導体チップに電気的に接続する第１接続要素とを備えた半導体モジュールに関しており、第１接続要素は、少なくとも一部の領域において、半導体チップと、基板と、別の半導体チップとに平面的に接触している。さらに本発明は、半導体モジュールを製造する方法に関する。
本発明において関心が向けられるのは、例えばエレクトロニクスまたはパワーエレクトロニクスの一部であってよい半導体モジュールである。このような半導体モジュールには、１つの基板に配置されている少なくとも１つの半導体チップが含まれている。この半導体チップは、半導体モジュールの別のコンポーネントに電気的に接続される。例えば、半導体チップは、基板に配置されている１つ以上の導体路に接続可能である。さらに半導体チップは、半導体モジュールの別の構成部分もしくは半導体チップに電気的に接続可能である。従来技術からは、半導体チップを電気的に接触接続する種々異なる方法が公知である。
半導体チップを接触接続するために頻繁に使用される一形態は、ワイヤボンディングである。しかしながらボンディングワイヤと半導体チップとのコンタクト箇所は、弱い箇所として知られている。その理由は、コンタクト面が比較的小さいからである。さらにワイヤボンディングには、半導体モジュール内で電磁干渉が発生することがあり、これによって電磁適合性（ＥＭＣ）が十分に保証されないという欠点が伴う。さらにボンディングワイヤにおける負荷により、温度が上昇することがある。これにより、熱膨張、ひいては応力が生じることがある。この場合にこれは損傷に結び付くことがある。
さらに従来技術からは、半導体チップと、リボンとも称されることがあるバンドとを接触接続することが公知である。個々のバンドは、ボンディングワイヤよりも大きな断面を有するため、ボンディングワイヤに比べ、同じ導体断面を実現するために必要なバンドの個数は少なくなる。しかしながら半導体チップの表面にバンドを接触接続するためには、より大きな面積が必要である。したがって、もはや比較的良好な電流容量を実現することはできない。さらに、電磁干渉が照射されることも排除されず、また半導体モジュールが、所定の動作状態において振動傾向を有することが判明している。
米国特許出願公開第２００７／０４０２５２号明細書）には、半導体パワーチップを有する半導体パワーチップコンポーネントが開示されており、半導体パワーチップは、その上面に少なくとも１つの面積の大きな電極と、その背面に面積の大きな電極とを有する。上面の電極は、接続要素を介して平面導体フレームの内部平面導体に電気的に接続されている。接続要素は、上面の電極から内部平面導体に延在するボンディングストライプを有する。ボンディングストライプの上面には、付加的に、上面の電極から内部平面導体に至るボンディングワイヤが配置されている。
さらに従来技術からは、半導体チップを接触接続するためにフレキシブルプレートを使用することが公知である。ここでは、半導体チップは、例えばフレキシブルプレートとして構成可能な、前もって作製された接続要素によって広い面積で接触接続される。これにより、コンタクト面を格段に大きくすることが可能である。しかしながら接続要素の有効断面は、ワイヤボンディングの場合よりも小さい。ここでは、有効断面の改善は、接続要素もしくはフレキシブルプレートの層厚を大きくすることによってのみ可能である。
独国実用新案第９１０９２９５号明細書には、上面にコンタクト面を有するチップ構成要素を備えた電子回路装置が記載されている。コンタクト面は、導電性の接続要素によって、支持体の対応する接続面に、かつ／または別のチップ構成要素の対応するコンタクト面に導電的に接続されている。接続要素は、絶縁層に接着され、構造化された金属層によって形成可能である。
さらに独国特許出願公開第１０２００８０４５３３８号明細書には、支持体と、支持体に被着された半導体チップとを有する半導体デバイスが記載されている。さらに半導体構成要素には、半導体チップおよび支持体にデポジットされた、第１の厚さを有する第１線路と、半導体チップおよび支持体にデポジットされた、第２の厚さを有する第２線路とが含まれており、第１の厚さは、第２の厚さよりも小さい。
しかしながら接続要素を薄くかつフレキシブルに構成すると、接続要素の弾力性および膨張は良好になり、接続要素は、半導体チップと共に弾性変形することができ、これにより、接続要素の持続的な変形が発生することはない。しかしながら層厚が小さいため、接続要素の電流容量は十分ではない。また、接続要素内の温度変動幅が増大し、これにより、半導体チップの性能を十二分に利用できない場合もあり得る。しかしながら接続要素の層厚を増大させると、このことは、接続要素がもはや十分にフレキシブルにはならず、温度変化の際に半導体チップと共に膨張しないことになり得る。したがって十分な頑強さを保証することはできない。
本発明の課題は、冒頭に述べた形態の半導体モジュール内の電気接続をどのようにしてより高い信頼性で構成できるかという解決手段を示すことである。
この課題は、本発明により、それぞれの独立請求項に記載された特徴的構成を有する半導体モジュールと、方法とによって解決される。本発明の有利な発展形態は、従属請求項の対象である。
本発明による半導体モジュールは、基板を有する。さらに半導体モジュールは、この基板に配置されている半導体チップを有する。さらに半導体モジュールは、半導体チップを半導体モジュールの別の半導体チップに電気的に接続する第１接続要素を有し、第１接続要素は、少なくとも一部の領域において、半導体チップと、基板と、別の半導体チップと平面的に接触している。最後に半導体モジュールは、半導体チップと、別の半導体チップとを電気的に接続する第２接続要素を有し、第２接続要素は、ワイヤとして構成されている。
半導体モジュールは、例えばパワーエレクトロニクスに使用することが可能である。半導体モジュールは、電気絶縁性の材料から形成することが可能な基板を有する。好ましくは、基板は、セラミックから作製される。この基板には半導体チップが配置されている。ダイと称することも可能な半導体チップは、特に、ケーシングに収容されていない半導体構成要素である。半導体チップは、例えば、ダイオード、トランジスタなどとして構成可能である。さらに半導体モジュールは、基板に配置されているかもしくは基板に被着されている導体路を有することが可能である。さらに半導体モジュールは、別の構成要素もしくは電子素子を有していてよい。別の構成要素とは、別の半導体チップであってよい。さらに半導体モジュールは、電気的な第１接続要素を有する。この電気的な第１接続要素は、半導体チップと、別の半導体チップとを電気的に接続するために使用される。第１接続要素は、これが、半導体チップの一領域に、また基板の一領域に平面的に接触するように構成されている。さらに第１接続要素は、別の半導体チップの一領域に平面的に接触することが可能である。第１接続要素は、特に積層化された構造体として、またはフレキシブルなプレートとして構成されていてよい。
本発明の重要な一態様によれば、半導体モジュールが、第１接続要素に加えて、第２接続要素を有するように規定される。この第２接続要素も、半導体チップと、別の半導体チップとを電気的に接続するために使用される。第２接続要素は、ワイヤとして構成される。第２接続要素が、複数のワイヤを有するように規定することも可能である。例えば、第２接続要素をボンディングワイヤとして構成してよい。第２接続要素により、第１接続要素の電流容量が、格段に改善される。第１接続要素は、特に、インダクタンスの低い整流路を形成し、これによって半導体チップにおけるスイッチング損失を最小化するために使用される。さらに第１接続要素により、必然的に、スイッチング過程中の電磁干渉が小さくなるという利点が得られる。第２接続要素により、半導体チップと、別の半導体チップとの間の電気接続部の電流容量が増大する。したがって、全体として半導体チップに対し、より信頼性の高い電気的な接続を設けることができる。
さらに、第１接続要素は、電気絶縁性のシートと、このシートに被着される金属層とを有する。例えば、第１接続要素は、いわゆるＳｉＰＬＩＴ（登録商標）法によって形成することができる（ＳｉＰＬＩＴ Siemens Planar Interconnect Technology）。ここでは最初に、半導体チップと、基板と、別の半導体チップとに電気絶縁性のシートを被着することができ、これにより、この電気絶縁性のシートが、これらのコンポーネントに接触する。引き続いてシートを相応に構造化することができる。このシートには、次に金属層を被着することができる。いわゆるＳｋｉｎ（登録商標）技術によって第１接続要素を形成するように規定することも可能である。ここでは焼結法によって金属層をシートに被着することができる。これにより、第１接続要素を作製するために公知の方法を利用することができる。
好ましくは、第２接続要素は、半導体チップとは反対側の、第１接続要素の面に配置されている。すなわち、ワイヤは、第１接続要素の上方の並列な電流路として被着される。これにより、ボンディングワイヤの温度変動がより小さくなる。さらにワイヤは、第１接続要素に電気的に接続される。これにより、ワイヤのより良好な接触接続を実現することができる。第１接続要素なしにただ１つのワイヤが使用される場合、ワイヤは、一般に半導体チップに直接、接続される。この際に生じる比較的小さなコンタクト面により、損傷が発生することがある。したがって頑強な電気的な接続を形成することができる。
別の一実施形態によれば、第１接続要素をフレキシブルに構成することができる。基本的には、半導体モジュールの接続すべきコンポーネントにフレキシブルな、導電性のプレートを被着することにより、第１接続要素を形成することができる。これにより、例えば、電気的な接続の際のコンタクト面を格段に増大させることができる。さらに温度変動に依存する膨張を確実に補償することができる。
さらに、第２接続要素が、少なくとも一部の領域において、あらかじめ設定された湾曲部を有すると有利である。言い換えると、ワイヤは、一部の領域においてアーチ状に構成することができる。第２接続要素のこの構成により、実現できるのは、これが所定の弾性を有することである。したがって温度差による、半導体モジュールの個々のコンポーネントの膨張を補償することができる。
別の一実施形態によれば、半導体モジュールは、半導体チップと、第１接続要素との間に配置されている少なくとも１つの絶縁要素を有する。この絶縁要素は、好ましくは電気絶縁材料から作製される。特にこの絶縁要素は、半導体チップの縁部領域に配置することが可能である。半導体チップの縁部領域には、遮断能力を担う、半導体チップの対応する構造が設けられている。この絶縁要素により、これらの構造が電気的に接続されることを阻止することができる。したがってこの絶縁要素により、確実な縁部絶縁を実現することができる。
さらに、半導体モジュールが、半導体チップとは反対側の、基板の面において、基板に接続されている底部プレートを有すると有利である。例えば、底部プレートは、金属から形成することが可能である。底部プレートは、炭化ケイ素および／またはアルミニウムを含有する材料から形成することも可能である。底部プレートにより、半導体モジュールもしくは半導体チップの動作時に発生する熱を、確実に排出することができる。
さらに、半導体モジュールが、複数の制御回路を有するように規定することができる。この場合にこれらの制御回路では、第１接続要素だけを電気的な接続に使用することができる。これらの制御回路では、一般に、電流負荷は小さい。これにより、電磁干渉または影響が取り除かれるかもしくは最小化される。
半導体モジュールは、パワーエレクトロニクスまたは別のエレクトロニクスコンポーネントに使用可能である。パワーエレクトロニクスもしくはエレクトロニクスコンポーネントが、複数の半導体モジュールを有するように規定することも可能である。半導体チップは、特にトランジスタ、例えばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴとして構成することが可能である。半導体チップは、パワー半導体構成要素として構成されていてもよい。
本発明による方法は、半導体モジュールの製造に使用される。ここでは基板を形成する。さらに基板に半導体チップを配置する。さらに、半導体チップと、半導体モジュールの別の半導体チップとを電気的に接続する第１接続要素を形成し、これにより、第１接続要素が、少なくとも一部の領域において、半導体チップと、基板と、別の半導体チップとに平面的に接触するようにする。さらに、半導体チップと、別の半導体チップとを電気的に接続する、ワイヤとして構成された第２接続要素を形成する。本発明による方法により、本発明による半導体モジュールを製造することができる。さらに第１接続要素を形成するため、電気絶縁性のシートに金属層を被着する。
ここで特に規定されるのは、最初に第１接続要素を、少なくとも一部の領域において、半導体チップと、基板と、別の半導体チップとに被着し、引き続いて第２接続要素を、少なくとも一部の領域において、第１接続要素に被着することである。これにより、公知の第１接続要素もしくはフレキシブルプレートに比べて薄い層厚で、第１接続要素を構成することができる。これにより、作製のプロセスがより容易になる。さらに、第１接続要素は、公知の接続要素に比べて、より高い弾性を有し、さらに、より良好に半導体チップの表面に被着することが可能である。さらに、第１接続要素と半導体チップとの間の確実な接続を、熱膨張係数が異なる場合であっても保証することができる。したがって、全体として頑強かつ確実な接続を実現することができる。
別の一実施形態によれば、第１接続要素を形成するため、焼結、はんだ付けおよび／または電気めっき法を用いてシートに金属層を被着する。すでに説明したように、第１接続要素は、積層された構造体またはフレキシブルプレートとして構成可能である。第１接続要素は、金属層が被着される電気絶縁性のシートを有していてよい。金属層は、例えば銅、アルミニウム、金などから作製可能である。したがって簡単かつ確実な仕方で第１接続要素を作製することができる。
本発明による半導体モジュールに関連して示した好ましい実施形態およびその利点は、本発明による方法にも対応して当てはまる。
有利な実施例に基づき、また添付の図面を参照して本発明を詳しく説明する。
第１実施形態の、従来技術による半導体モジュールを示す図である。 別の実施形態の、従来技術による半導体モジュールを示す図である。 第１接続要素および第２接続要素を備えた半導体モジュールを示す図である。
複数の図面において、同じ要素または機能的に同じ要素には同じ参照符号が付されている。
図１には、第１実施形態の、従来技術による半導体モジュール１が示されている。半導体モジュール１は、側面断面図で示されている。半導体モジュール１には、電気絶縁性の材料から形成されている基板２が含まれている。例えば、基板２は、セラミックから形成されていてよい。さらに半導体モジュール１には、基板２の下面４に接続されている底部プレート３が含まれている。底部プレート３は、金属から形成されていてよい。基板２の上面５には、半導体チップ６が設けられている。半導体チップ６は、ダイと称することも可能である。さらに基板２の上面５には導体路７が設けられている。半導体チップ６は、ボンディングワイヤ８によって導体路に電気的に接続されている。ボンディングワイヤ８は、半導体チップ６の上面９に配置されている。さらに半導体チップ６は、その下面において導電層と電気的に接続可能である。半導体チップ６は、この導電層を介して、別の構成要素に接続されるまたはこの別の構成要素を駆動制御することが可能である。
図２には、別の実施形態の、従来技術による半導体モジュール１が示されている。図１に示した半導体モジュール１と比較すると、半導体チップ６と、導体路７とは、フレキシブルな接続要素１０によって互いに接続されている。このフレキシブルな接続要素１０は、半導体チップ６、基板２および導体路７の領域に平面的に載置されている。接続要素１０は、例えば、導体路７と、基板２と、半導体チップ６とにシートを被着することによって形成することができる。引き続いてこのシートは、相応に構造化可能である。構造化されたシートには次に金属層を被着することができる。接続要素１０が、フレキシブルな導電性のプレートとして構成されており、このプレートが、導体路７と、基板２と、半導体チップ６とに被着されるように規定することも可能である。さらに、半導体チップ６と、接続要素１０との間に配置されている絶縁要素１１が設けられている。これらの絶縁要素１１は、縁部を絶縁するために使用される。
図３には、別の半導体モジュール１が示されている。ここでは半導体モジュールは、図２に示した接続要素１０のように構成されている第１接続要素１２を有する。第１接続要素１２は、接続要素１０よりも層厚が小さい。さらに半導体モジュール１は、ここではボンディングワイヤ８として構成されている第２接続要素１３を有する。ここでは第２接続要素は、第１接続要素１２の上面１４に被着されている。
したがって第２接続要素１３もしくはボンディングワイヤ８は、フレキシブルプレートもしくは第１接続要素１２の上方の並列の電流路を成す。第１接続要素１２は、半導体チップ６における摩擦のない整流に使用される、インダクタンスの低い整流路を形成する。第２接続要素１３もしくはボンディングワイヤ８により、電流容量を高めることができる。したがって半導体チップ６と導体路７との間に、信頼性が高くかつ頑強な接続部を形成することができる。この接続部は、半導体チップ６と、半導体モジュール１の別の半導体チップとを接続するためにも使用可能である。

Claims (6)

  1. 基板（２）と、前記基板（２）に配置されている半導体チップ（６）と、前記半導体チップ（６）を半導体モジュール（１）の別の半導体チップに電気的に接続する第１接続要素（１２）とを備えた半導体モジュール（１）であって、
    前記第１接続要素（１２）が、少なくとも一部の領域において、前記半導体チップ（６）と、前記基板（２）と、前記別の半導体チップとに平面的に接触しており、
    前記第１接続要素（１２）は、電気絶縁性のシートと、前記シートに被着された金属層とを有する、半導体モジュール（１）において、
    前記半導体モジュール（１）は、前記半導体チップ（６）と、前記別の半導体チップとを電気的に接続する、ワイヤとして構成されている第２接続要素（１３）を有し、
    前記第２接続要素（１３）は、前記半導体チップ（６）とは反対側の、前記第１接続要素（１２）の面（１４）に配置され、
    前記第２接続要素（１３）は、少なくとも一部の領域において、あらかじめ設定された湾曲部を有し、該領域は、前記半導体チップ（６）上に配置された前記第１接続要素（１２）の部分と前記第２接続要素（１３）との複数の電気的接続部の間の領域を含み、
    前記第１接続要素（１２）は、フレキシブルな、導電性のプレートで構成され、
    前記半導体モジュール（１）は、制御回路を有し、前記制御回路は、前記第１接続要素（１２）だけを電気的な接続に使用する、
    ことを特徴とする、半導体モジュール（１）。
  2. 前記半導体モジュール（６）は、前記半導体チップ（６）と、前記第１接続要素（１２）との間に配置されている少なくとも１つの絶縁要素（１１）を有する、ことを特徴とする、請求項１記載の半導体モジュール（１）。
  3. 前記半導体モジュール（１）は、前記半導体チップ（６）とは反対側の、前記基板（２）の面（４）において、前記基板（２）に接続されている底部プレート（３）を有する、ことを特徴とする、請求項１または２記載の半導体モジュール（１）。
  4. 半導体モジュール（１）を製造する方法であって、基板（２）を形成し、前記基板（２）に半導体チップ（６）を配置し、前記半導体チップ（６）と、前記半導体モジュール（１）の別の半導体チップとを電気的に接続する第１接続要素（１２）を形成し、これにより、前記第１接続要素（１２）が、少なくとも一部の領域において、前記半導体チップ（６）と、前記基板（２）と、前記別の半導体チップとに平面的に接触するようにし、
    前記第１接続要素（１２）を形成するために、電気絶縁性のシートに金属層を被着する、半導体モジュール（１）を製造する方法において、
    前記半導体チップ（６）と、前記別の半導体チップとを電気的に接続する、ワイヤとして構成された第２接続要素（１３）を形成し、
    前記第２接続要素（１３）は、前記半導体チップ（６）とは反対側の、前記第１接続要素（１２）の面（１４）に配置され、
    前記第２接続要素（１３）は、少なくとも一部の領域において、あらかじめ設定された湾曲部を有し、該領域は、前記半導体チップ（６）上に配置された前記第１接続要素（１２）の部分と前記第２接続要素（１３）との複数の電気的接続部の間の領域を含み、
    前記第１接続要素（１２）は、フレキシブルな、導電性のプレートで構成され、
    前記半導体モジュール（１）は、制御回路を有し、前記制御回路は、前記第１接続要素（１２）だけを電気的な接続に使用する、
    ことを特徴とする、半導体モジュール（１）を製造する方法。
  5. 最初に前記第１接続要素（１２）を、少なくとも一部の領域において、前記半導体チップ（６）と、前記基板（２）と、前記別の半導体チップとに被着し、引き続いて前記第２接続要素（１３）を、少なくとも一部の領域において、前記第１接続要素（１２）に被着する、ことを特徴とする、請求項４記載の方法。
  6. 前記第１接続要素（１２）を形成するために、焼結、はんだ付けおよび／または電気めっき法を用いて前記シートに前記金属層を被着する、ことを特徴とする、請求項４または５記載の方法。
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