JP7270576B2

JP7270576B2 - 半導体装置

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Publication number: JP7270576B2
Application number: JP2020074662A
Authority: JP
Inventors: 利成平井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2023-05-10
Anticipated expiration: 2040-04-20
Also published as: JP2021174795A

Description

本開示は、半導体装置に関するものである。

半導体装置では、発熱部材である半導体素子で発生した熱を、放熱部材を介して放熱することで冷却を行っている。例えば、特許文献１には、半導体素子の両面側に放熱部材を設けて、半導体素子の両面側から放熱を可能とする構造が開示されている。

国際公開第２０１５／０４９９４４号

特許文献１に記載の技術では、放熱部材はプリント基板を介して半導体素子の真上と真下に設けられている。ヒートシンク等の冷却器が半導体装置に取り付けられる際、冷却器は放熱部材の真上と真下に取り付けられるため、半導体装置の両面側に取り付けられた冷却器から放熱部材を介して半導体素子の両面側に力が加わる。そのため、半導体素子に大きな応力がかかり、半導体素子の信頼性が低下するという問題があった。

そこで、本開示は、半導体装置に冷却器が取り付けられる際、半導体素子にかかる応力を緩和することが可能な技術を提供することを目的とする。

本開示に係る半導体装置は、横方向に間隔をあけて配置された２つの基板と、２つの前記基板に跨って搭載された半導体素子と、一端部が前記半導体素子の表面に接続された第１接続部材と、一端部が前記半導体素子の裏面における２つの前記基板から露出する部分に接続された第２接続部材と、２つの前記基板、前記半導体素子、前記第１接続部材、および前記第２接続部材を封止する封止材と、前記第１接続部材の他端部と電気的に接続され、かつ、一方の前記基板の表面側から上方に延び、上端部が前記封止材から露出する第１電極端子と、前記第２接続部材の他端部と電気的に接続され、かつ、一方の前記基板の裏面側から下方に延び、下端部が前記封止材から露出する第２電極端子とを備え、前記第１電極端子および前記第２電極端子は、放熱機能を有し、前記半導体素子に対して横方向に離間する位置に設けられたものである。

本開示によれば、半導体装置に冷却器が取り付けられる際、冷却器のバスバーが第１電極端子および第２電極端子にそれぞれ接続される。バスバーから第１電極端子および第２電極端子に力が加わるが、第１電極端子および第２電極端子は、半導体素子に対して横方向に離間する位置に設けられたため、半導体素子にかかる応力を緩和することができる。

実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。実施の形態１に係る半導体装置の斜視図である。実施の形態１に係る半導体装置に冷却器のバスバーが取り付けられた状態を示す平面図である。実施の形態１に係る半導体装置に冷却器のバスバーが取り付けられた状態を示す断面図である。実施の形態１に係る半導体装置が上下方向に２つ配置され、これらに冷却器のバスバーが取り付けられた状態を示す断面図である。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３に係る半導体装置の断面図である。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５に係る半導体装置の断面図である。実施の形態６に係る半導体装置の断面図である。

＜実施の形態１＞
実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置１００の断面図である。図２は、半導体装置１００の斜視図である。図３は、半導体装置１００に冷却器のバスバー１１０が取り付けられた状態を示す平面図である。図４は、半導体装置１００に冷却器のバスバー１１０が取り付けられた状態を示す断面図である。図５は、半導体装置１００が縦方向に２つ配置され、これらに冷却器のバスバー１１０が取り付けられた状態を示す断面図である。

図１と図２に示すように、半導体装置１００は、２つの基板１４，１４ａ、２つの電極ピン１２、半導体素子１１、２つの電極１３，１３ａ、封止材１０、および２つの電極端子１３ｂ，１３ｃを備えている。

２つの基板１４，１４ａは、横方向に間隔をあけて配置されている。半導体素子１１は、２つの基板１４，１４ａに跨って搭載されている。そのため、半導体素子１１の裏面における端部を除く部分は、基板１４，１４ａの表面に対向しておらず、基板１４，１４ａから露出している。

半導体素子１１は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。半導体素子１１は、Ｓｉを用いて構成されていてもよいし、ＳｉＣ、ＧａＮ、およびＧａ₂Ｏ₃等のワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されていてもよい。

２つの電極ピン１２は制御信号用の電極ピンであり、基板１４の表面に設けられた回路パターン１７に接続されている。２つの電極ピン１２は回路パターン１７から上方に延び、２つの電極ピン１２の上端部は封止材１０から露出している。回路パターン１７と半導体素子１１は、ワイヤ１６を用いて接続されている。電極ピン１２は回路パターン１７に接続されているため、半導体素子１１を駆動するための外部の駆動用回路と接続できるようになっている。

電極１３は、一端部が半導体素子１１の表面に接続され、他端部が基板１４ａの表面に設けられた回路パターン１３ｄに接続されている。電極１３ａは、一端部が半導体素子１１の裏面における２つの基板１４，１４ａから露出する部分に接続され、他端部が基板１４ａの裏面に設けられた回路パターン１３ｅに接続されている。電極１３，１３ａはそれぞれダイレクトリードボンディングを行うための第１電極および第２電極である。また、電極１３は第１接続部材に相当し、電極１３ａは第２接続部材に相当する。

封止材１０は、２つの基板１４，１４ａ、半導体素子１１、および電極１３，１３ａを封止している。封止材１０は、半導体装置１００のパッケージを構成しており、直方体状に形成されている。封止材１０は、例えばエポキシ樹脂からなる。これにより、半導体装置１００は、低気圧および低温、かつ耐振動性が要求される環境、例えば航空機のような高度２０００ｍ以上の環境で使用される場合にも対応可能である。

第１電極端子としての電極端子１３ｂは、電極１３の他端部と電気的に接続されている。電極端子１３ｂは基板１４ａの表面側から上方に延び、電極端子１３ｂの上端部は封止材１０から露出している。電極端子１３ｂは電極としての機能の他に放熱機能を有し、半導体素子１１で発生した熱を放熱するために冷却器のバスバー１１０（図３～図５参照）と接続される。

電極１３と電極端子１３ｂとの電気的接続について具体的に説明する。基板１４ａの表面に、第１回路パターンとしての回路パターン１３ｄが設けられている。電極１３の他端部が回路パターン１３ｄの表面に接続されるとともに、電極端子１３ｂの下端部がはんだ１５を介して回路パターン１３ｄの表面に接続されることで、電極１３と電極端子１３ｂとが電気的に接続されている。

第２電極端子としての電極端子１３ｃは、電極１３ａの他端部と電気的に接続されている。電極端子１３ｃは基板１４ａの裏面側から下方に延び、電極端子１３ｃの下端部は封止材１０から露出している。電極端子１３ｃは電極としての機能の他に放熱機能を有し、半導体素子１１で発生した熱を放熱するために冷却器のバスバー１１０（図３～図５参照）と接続される。

電極１３ａと電極端子１３ｃとの電気的接続について具体的に説明する。基板１４ａの裏面に、第２回路パターンとしての回路パターン１３ｅが設けられている。電極１３ａの他端部と回路パターン１３ｅの裏面が接続されるとともに、電極端子１３ｃの上端部がはんだ１５を介して回路パターン１３ｅの裏面に接続されることで、電極１３ａと電極端子１３ｃとが電気的に接続されている。

電極端子１３ｂ，１３ｃは、半導体素子１１に対して横方向に離間する位置に設けられ、さらに基板１４ａを挟んで対向する位置に設けられている。

次に、図３～図５を用いて半導体装置１００の作用と効果について説明する。図３～図５に示すように、半導体装置１００に冷却器のバスバー１１０が取り付けられる際、バスバー１１０が電極端子１３ｂ，１３ｃに接続される。バスバー１１０から電極端子１３ｂ，１３ｃに力が加わるが、電極端子１３ｂ，１３ｃは、半導体素子１１に対して横方向に離間する位置に設けられたため、半導体素子１１にかかる応力を緩和することができる。これにより、半導体素子１１の信頼性を向上させることができる。

また、電極端子１３ｂ，１３ｃは基板１４ａを挟んで対向する位置に設けられているため、バスバー１１０の押圧により基板１４ａにかかる応力が基板１４ａの両面で均一になる。これにより、基板１４ａが割れることを抑制できる。

電極１３，１３ａはそれぞれダイレクトリードボンディングを行うための電極であり、半導体装置１００は、基板１４ａの表面に設けられかつ電極１３の他端部と電極端子１３ｂとを電気的に接続する回路パターン１３ｄと、基板１４ａの裏面に設けられかつ電極１３ａの他端部と電極端子１３ｃとを電気的に接続する回路パターン１３ｅとをさらに備えている。

したがって、半導体装置１００の冷却性能を向上させることができる。これにより、半導体素子１１を駆動するうえでボトルネックの１つであった高温動作においてさらに高い電流での通電が可能となる。また、半導体装置１００の内部インダクタンスを低減することができるため、例えば半導体素子１１の動作で発生するスパイク電圧を低減することができる。さらに、例えば数秒ほどの短時間での繰り返しによる温度サイクルであるパワーサイクル耐量を向上させることができる。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体装置１００Ａについて説明する。図６は、実施の形態２に係る半導体装置１００Ａの断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態１では、半導体装置１００は２つの基板１４，１４ａを備えていたが、実施の形態２では、図６に示すように、半導体装置１００Ａは表面から裏面にかけて貫通する複数のスルーホール１８を有する１つの基板１４を備えている。

複数のスルーホール１８は、基板１４の中央部に設けられている。基板１４の表面における中央部には第１回路パターンとしての回路パターン１７ａが設けられ、基板１４の表面における中央部よりも一端部側には回路パターン１３ｄが設けられている。基板１４の裏面における中央部には第２回路パターンとしての回路パターン１７ｂが設けられ、基板１４の裏面における中央部よりも一端部側には回路パターン１３ｅが設けられている。回路パターン１７ａと回路パターン１７ｂは基板１４を介して対向しており、複数のスルーホール１８を介して導通している。

半導体素子１１は、基板１４の表面に設けられた回路パターン１７ａに搭載されている。電極１３は、一端部が半導体素子１１の表面に接続され、他端部が基板１４の表面に設けられた回路パターン１３ｄに接続されている。電極１３ａは、一端部が基板の裏面に設けられた回路パターン１７ｂに接続され、他端部が基板１４ａの裏面に設けられた回路パターン１３ｅに接続されている。

次に、半導体装置１００Ａの効果について説明する。実施の形態１の場合と同様に、電極端子１３ｂ，１３ｃは、半導体素子１１に対して横方向に離間する位置に設けられたため、半導体素子１１にかかる応力を緩和することができる。これにより、半導体素子１１の信頼性を向上させることができる。

また、半導体装置１００Ａは表面から裏面にかけて貫通する複数のスルーホール１８を有する基板１４を備え、回路パターン１７ａと回路パターン１７ｂは、複数のスルーホール１８を介して導通しているため、実施の形態１のように、２つの基板１４，１４ａを設けて半導体素子１１の裏面を基板１４，１４ａから露出させる必要がなくなる。これにより、実施の形態１の場合と比べて半導体素子１１と基板１４との接合強度が向上する。

また、基板１４の表面に設けられた回路パターン１７ａに半導体素子１１が搭載されるため、実施の形態１の場合と比べて半導体素子１１の搭載工程が簡単になることから、半導体装置１００Ａの製造効率が向上する。

＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係る半導体装置１００Ｂについて説明する。図７は、実施の形態３に係る半導体装置１００Ｂの断面図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態２では、半導体装置１００Ａは複数のスルーホール１８を有する基板１４を備えていたが、実施の形態３では、図７に示すように、半導体装置１００Ｂは表面と裏面が露出した状態で回路パターン１７ｃが埋め込まれた基板１４を備えている。

回路パターン１７ｃは、基板１４の中央部に埋め込まれている。基板１４における中央部よりも一端部側の表面には回路パターン１３ｄが設けられ、基板１４における中央部よりも一端部側の裏面には回路パターン１３ｅが設けられている。

半導体素子１１は、基板１４に埋め込まれた回路パターン１７ｃの表面に搭載されている。電極１３は、一端部が半導体素子１１の表面に接続され、他端部が基板１４の表面に設けられた回路パターン１３ｄに接続されている。電極１３ａは、一端部が基板に埋め込まれた回路パターン１７ｃの裏面に接続され、他端部が基板１４ａの裏面に設けられた回路パターン１３ｅに接続されている。

次に、半導体装置１００Ｂの効果について説明する。実施の形態１の場合と同様に、電極端子１３ｂ，１３ｃは、半導体素子１１に対して横方向に離間する位置に設けられたため、半導体素子１１にかかる応力を緩和することができる。これにより、半導体素子１１の信頼性を向上させることができる。

また、半導体装置１００Ｂは、表面と裏面が露出した状態で回路パターン１７ｃが埋め込まれた基板１４を備えているため、２つの基板１４，１４ａを設けて半導体素子１１の裏面を基板１４から露出させる必要がなくなる。これにより、実施の形態１の場合と比べて半導体素子１１と基板１４との接合強度が向上する。

また、基板１４に埋め込まれた回路パターン１７ｃに半導体素子１１が搭載されるため、２つの基板１４，１４ａに搭載される場合と比べて半導体素子１１の搭載工程が簡単になることから、半導体装置１００Ｂの製造効率が向上する。

＜実施の形態４＞
次に、実施の形態４に係る半導体装置１００Ｃについて説明する。図８は、実施の形態４に係る半導体装置１００Ｃの断面図である。なお、実施の形態４において、実施の形態１～３で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態１では、電極１３の他端部は基板１４ａの表面に設けられた回路パターン１３ｄを介して電極端子１３ｂに接続され、電極１３ａの他端部は基板１４ａの裏面に設けられた回路パターン１３ｅを介して電極端子１３ｃに接続されていた。これに対して、実施の形態４では、図８に示すように、電極１３，１３ａの他端部は電極端子１３ｂ，１３ｃの側面にそれぞれ直に接続されている。すなわち、電極１３，１３ａの他端部はそれぞれ回路パターン１３ｄ，１３ｅを介さずに電極端子１３ｂ，１３ｃに接続されている。

次に、半導体装置１００Ｃの効果について説明する。実施の形態１の場合と同様に、電極端子１３ｂ，１３ｃは、半導体素子１１に対して横方向に離間する位置に設けられたため、半導体素子１１にかかる応力を緩和することができる。これにより、半導体素子１１の信頼性を向上させることができる。

また、電極１３，１３ａの他端部は電極端子１３ｂ，１３ｃにそれぞれ直に接続されているため、半導体素子１１で発生した熱について回路パターン１３ｄ，１３ｅを介さずに電極端子１３ｂ，１３ｃに直接伝達することができる。これにより、半導体装置１００Ｃの放熱効果が向上し、かつ、半導体装置１００Ｃの内部インダクタンスをさらに低減することができる。

＜実施の形態５＞
次に、実施の形態５に係る半導体装置１００Ｄについて説明する。図９は、実施の形態５に係る半導体装置１００Ｄの断面図である。なお、実施の形態５において、実施の形態１～４で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態１では、電極１３を用いて半導体素子１１の表面と回路パターン１３ｄとが接続されていた。これに対して、実施の形態５では、図９に示すように、半導体装置１００Ｄは電極１３に代えて、半導体素子１１の表面と回路パターン１３ｄとを接続するワイヤ１６を備えている。すなわち、半導体素子１１と電極との接続工程を簡単にするために、半導体素子１１の表面側の接続をダイレクトリードボンディング接続ではなく、ワイヤ接続にしている。ここで、半導体素子１１の裏面側の接続はダイレクトリードボンディング接続のままである。

なお、半導体素子１１の表面側の接続をダイレクトリードボンディング接続のままにし、半導体素子１１の裏面側の接続をワイヤ接続にしてもよい。

次に、半導体装置１００Ｄの効果について説明する。実施の形態１の場合と同様に、電極端子１３ｂ，１３ｃは、半導体素子１１に対して横方向に離間する位置に設けられたため、半導体素子１１にかかる応力を緩和することができる。これにより、半導体素子１１の信頼性を向上させることができる。

また、半導体装置１００Ｄは、電極１３または電極１３ａに代えて、半導体素子１１の表面と回路パターン１３ｄとを接続、または半導体素子１１の裏面における２つの基板１４，１４ａから露出する部分と回路パターン１３ｅとを接続するワイヤ１６を備えている。

したがって、半導体素子１１の両面側の接続をダイレクトリードボンディング接続にする場合と比べて、半導体素子１１と電極との接続工程が簡単になるため、半導体装置１００Ｄの製造効率が向上する。

＜実施の形態６＞
次に、実施の形態６に係る半導体装置１００Ｅについて説明する。図１０は、実施の形態６に係る半導体装置１００Ｅの断面図である。なお、実施の形態６において、実施の形態１～５で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態６では、図１０に示すように、半導体装置１００Ｅは、実施の形態１に係る半導体装置１００に対して、封止材１０の外周に設けられた凹凸部１９をさらに備えている。

凹凸部１９は、電極端子１３ｂ，１３ｃの間の絶縁距離を長くするために、直方体状の封止材１０を構成する６つの面に設けられている。凹凸部１９は、図１０において紙面の手前側から奥側にかけて延在している。

なお、凹凸部１９は、実施の形態２～５に係る半導体装置１００Ａ～１００Ｄに設けられていてもよい。

次に、半導体装置１００Ｅの効果について説明する。実施の形態１の場合と同様に、電極端子１３ｂ，１３ｃは、半導体素子１１に対して横方向に離間する位置に設けられたため、半導体素子１１にかかる応力を緩和することができる。これにより、半導体素子１１の信頼性を向上させることができる。

また、特に高高度では、電極端子１３ｂ，１３ｃの間における必要な絶縁距離が地上と比べて大きく、例えば高度１２０００ｍを想定した場合、地上の４倍程度の絶縁距離が必要となるため、従来は半導体装置の外部で必要な絶縁距離を確保していた。これに対して、実施の形態６に係る半導体装置１００Ｅでは、封止材１０の外周に凹凸部１９が設けられているため、半導体装置１００Ｅ自身で必要な絶縁距離を確保することができる。これにより、半導体装置１００Ｅの外部で絶縁距離を確保する必要がなくなる。

なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１０封止材、１１半導体素子、１３，１３ａ電極、１３ｂ，１３ｃ電極端子、１３ｄ，１３ｅ回路パターン、１４，１４ａ基板、１６ワイヤ、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ回路パターン、１８スルーホール、１９凹凸部、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ半導体装置。

Claims

横方向に間隔をあけて配置された２つの基板と、
２つの前記基板に跨って搭載された半導体素子と、
一端部が前記半導体素子の表面に接続された第１接続部材と、
一端部が前記半導体素子の裏面における２つの前記基板から露出する部分に接続された第２接続部材と、
２つの前記基板、前記半導体素子、前記第１接続部材、および前記第２接続部材を封止する封止材と、
前記第１接続部材の他端部と電気的に接続され、かつ、一方の前記基板の表面側から上方に延び、上端部が前記封止材から露出する第１電極端子と、
前記第２接続部材の他端部と電気的に接続され、かつ、一方の前記基板の裏面側から下方に延び、下端部が前記封止材から露出する第２電極端子と、を備え、
前記第１電極端子および前記第２電極端子は、放熱機能を有し、前記半導体素子に対して横方向に離間する位置に設けられた、半導体装置。
前記第１接続部材および前記第２接続部材は、それぞれダイレクトリードボンディングを行うための第１電極および第２電極であり、
一方の前記基板の表面に設けられかつ前記第１電極の他端部と前記第１電極端子とを電気的に接続する第１回路パターンと、一方の前記基板の裏面に設けられかつ前記第２電極の他端部と前記第２電極端子とを電気的に接続する第２回路パターンとをさらに備えた、請求項１に記載の半導体装置。
前記第１接続部材および前記第２接続部材は、それぞれダイレクトリードボンディングを行うための第１電極および第２電極であり、
前記第１電極および前記第２電極は、前記第１電極端子および前記第２電極端子にそれぞれ直に接続された、請求項１に記載の半導体装置。
前記第１電極または前記第２電極に代えて、前記半導体素子の表面と前記第１回路パターンとを接続、または前記半導体素子の裏面における２つの前記基板から露出する部分と前記第２回路パターンとを接続するワイヤを備えた、請求項２に記載の半導体装置。
表面から裏面にかけて貫通する複数のスルーホールを有する基板と、
前記基板の表面と裏面にそれぞれ設けられ、複数の前記スルーホールを介して導通する第１回路パターンおよび第２回路パターンと、
前記第１回路パターンに搭載された半導体素子と、
一端部が前記半導体素子の表面に接続された第１接続部材と、
一端部が前記第２回路パターンに接続された第２接続部材と、
前記基板、前記第１回路パターン、前記第２回路パターン、前記半導体素子、前記第１接続部材、および前記第２接続部材を封止する封止材と、
前記第１接続部材の他端部と電気的に接続され、かつ、前記基板の表面側から上方に延び、上端部が前記封止材から露出する第１電極端子と、
前記第２接続部材の他端部と電気的に接続され、かつ、前記基板の裏面側から下方に延び、下端部が前記封止材から露出する第２電極端子と、を備え、
前記第１電極端子および前記第２電極端子は、放熱機能を有し、前記半導体素子に対して横方向に離間する位置に設けられた、半導体装置。
表面と裏面が露出した状態で回路パターンが埋め込まれた基板と、
前記回路パターンの表面に搭載された半導体素子と、
一端部が前記半導体素子の表面に接続された第１接続部材と、
一端部が前記回路パターンの裏面に接続された第２接続部材と、
前記基板、前記半導体素子、前記第１接続部材、および前記第２接続部材を封止する封止材と、
前記第１接続部材の他端部と電気的に接続され、かつ、前記基板の表面側から上方に延び、上端部が前記封止材から露出する第１電極端子と、
前記第２接続部材の他端部と電気的に接続され、かつ、前記基板の裏面側から下方に延び、下端部が前記封止材から露出する第２電極端子と、を備え、
前記第１電極端子および前記第２電極端子は、放熱機能を有し、前記半導体素子に対して横方向に離間する位置に設けられた、半導体装置。
前記第１接続部材および前記第２接続部材は、それぞれダイレクトリードボンディングを行うための第１電極および第２電極である、請求項５または請求項６に記載の半導体装置。
前記封止材の外周に凹凸部が設けられた、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。