JP7342509B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、配線基板を備えた半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。

電力変換装置などに使用される半導体デバイスとして、例えば特許文献１に記載されているように、絶縁基板上に実装された複数の半導体素子間において、プリント基板を介して半導体素子同士を電気的に接続する半導体装置が知られている。この種の半導体装置においては、絶縁板の互に反対側に位置する主面及び裏面に第１導電体及び第２導電体が個別に設けられた配線基板を使用し、第１及び第２導電体の各々に電流を通電させて通電量を稼ぐことが知られている。

なお、本発明に関連する先行技術文献としては、上記の特許文献１の他に下記の特許文献２及び３が挙げられる。

特許文献２には、絶縁性の樹脂に磁性体の粉末を含ませた磁性体を金属板と配線部材との間に設けた電力用回路基板が開示されている。

また、特許文献３には、絶縁層の上面に上に向かって第１導体層、第１磁性層を順に積層し、絶縁層の下面に下に向かって第２導体層、第２磁性層を順に積層した電子装置基板が開示されている。

特開２００９－０６４８５２号公報 特開２０１０－０７３８３６号公報 特開２０１７－０４１６１７号公報

ところで、配線基板の第１及び第２導電体の各々に高周波電流（パルス電流）を通電させると、表皮効果の影響により第１及び第２導電体の各々の表面付近にのみ電流が流れるようになる。このため、第１及び第２導電体の回路抵抗が増大し、第１及び第２導電体でのジュール発熱が大きくなることが懸念される。

また、平面視したときに絶縁板を挟んで互に重なり合う第１及び第２導電体の各々に同一方向の高周波電流を流すと、第１及び第２導電体の双方が発する磁場により電流密度にムラができる近接効果の影響が発生する。このため、表皮効果と同様に第１及び第２導電体の回路抵抗が増大し、第１及び第２導電体でのジュール発熱が更に大きくなることが懸念される。

第１及び第２導電体でのジュール発熱が大きい場合は、第１及び第２導電体の面積を大きくする必要があり、配線基板の小型化を妨げる要因となる。この配線基板の小型化の妨げは、ひいては半導体装置の小型化の妨げを意味するため、改良の余地があった。

そこで、本発明者らは、近接効果は第１及び第２導電体の各々が発する磁界によって電流密度にムラができ、回路抵抗を増大させてジュール発熱が大きくなることから、第１及び第２導電体の各々が発する磁界に着目し、本発明をなした。

本発明の目的は、導電体の温度上昇を抑制することが可能な半導体装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る半導体装置は、互に反対側に位置する主面及び裏面を有する絶縁板と、絶縁板の主面側に配置された第１導電体と、絶縁板の裏面側に配置された第２導電体と、絶縁板の中に埋設され、かつ第１及び第２導電体よりも比透磁率が大きい磁性シートとを含む配線基板と、第１及び第２導電体に電気的に接続された半導体チップと、を備えている。

本発明の一態様によれば、導電体の温度上昇を抑制することが可能な半導体装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置の外観構成の一例を示す概略平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置において、配線基板の主面側の導電パターンの一例を示す概略平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置において、配線基板の磁性シートの平面パターンの一例を示す概略平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置において、半導体チップの配列の一例を示す概略平面図である。 図１のII－II切断線の位置で切った断面構造の一例を示す概略断面図である。 図１のIII－III切断線の位置で切った断面構造の一例を示す概略断面図である。 図１のIV－IV切断線の位置で切った断面構造の一例を示す概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の配線基板において、絶縁板の構成の一例を示す概略展開図である。 本発明の実施例に係る半導体装置において、配線基板の発熱温度の評価結果の一例を示す図である。 従来の半導体装置において、配線基板の導電体に通電される高周波電流と回路抵抗との関係の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の配線基板の一部において、平面視で配線基板の磁性シートの端部を第１導電体の端部と同じにした事例を示す図（（ａ）は（ｂ）のＶ－Ｖ切断線に沿った概略断面図，（ｂ）は概略平面図）である。 比較例として、平面視で配線基板の磁性シートの端部を第１導電体の端部よりも広くした事例を示す図（（ａ）は（ｂ）のVI－VI切断線に沿った概略断面図，（ｂ）は概略平面図）である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
なお、発明の実施形態及び実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

また、各図面は模式的なものであって、現実のものとは異なる場合がある。また、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものではない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

また、以下の実施形態では、空間内で互に直交する三方向において、同一平面内で互に直交する第１の方向及び第２の方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向とし、第１の方向及び第２の方向のそれぞれと直交する第３の方向をＺ方向とする。

また、本明細書において、「主電極」とは、ＩＧＢＴ（Ｉnsulated Ｇate Ｂipolar Ｔransistor）においてエミッタ電極又はコレクタ電極の何れか一方となる電極を意味する。電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）においてはソース電極又はドレイン電極の何れか一方となる電極を意味する。より具体的には、上記の「一方となる電極」を「第１主電極」として定義すれば、「他方の電極」は「第２主電極」となる。即ち、「第２主電極」とは、ＩＧＢＴにおいては第１主電極とはならないエミッタ電極又はコレクタ電極の何れか一方となる電極、ＦＥＴ，ＳＩＴにおいては上記第１主電極とはならないソース電極又はドレイン電極の何れか一方となる電極を意味する。以下の実施形態では、トランジスタ素子としての縦型ＭＯＳＦＥＴに着目して説明するので、第１主電極をドレイン電極、第２主電極をソース電極として説明する。

また、以下の実施形態では、１つの絶縁回路基板に導電ポストを介して１つの配線基板が支持された基板積層体を有する半導体装置に本発明を適用した一例について説明する。

＜半導体装置の構成＞
図５及び図６に示すように、本発明の一実施形態に係る半導体装置１は、基板積層体２と、この基板積層体２を封止する樹脂封止体８と、を備えている。

基板積層体２は、絶縁回路基板１０と、絶縁回路基板１０に実装された半導体チップ３と、絶縁回路基板１０のチップ実装面側に対向し、かつ半導体チップ３から離間して配置された配線基板２０と、を備えている。また、基板積層体２は、導電ポスト５ａ～５ｃ、第１主回路端子７ａ、第２主回路端子７ｂ及び制御端子７ｃを備えている。

図１に示すように、樹脂封止体８は、平面視の形状が長方形からなり、Ｘ方向（第１方向）である長手方向において互いに反対側に位置する一方の短辺８ａ及び他方の短辺８ｂと、Ｘ方向と直交するＹ方向（第２方向）である短手方向において互いに反対側に位置する一方の長辺８ｃ及び他方の長辺８ｄと、を有する。また、樹脂封止体８は、Ｘ方向及びＹ方向と直交するＺ方向（第３方向）に厚さを有する（図５参照）。樹脂封止体８は、例えば、トランスモールディング法により成形され、エポキシ系の熱硬化性絶縁樹脂で形成されている。

図４に示すように、絶縁回路基板１０は、平面視の形状が例えば長方形で形成され、Ｘ方向である長手方向において互いに反対側に位置する２つの短辺の延伸方向が樹脂封止体８の２つの短辺８ａ，８ｂの延伸方向と一致すると共に、Ｙ方向である短手方向において互いに反対側に位置する２つの長辺の延伸方向が樹脂封止体８の２つの長辺８ｃ，８ｄの延伸方向と一致するようにして配置されている。絶縁回路基板１０の４つの辺（２つの短辺及び２つの長辺）は、後述する絶縁板１１の４つの辺に対応する。

図４及び図５に示すように、絶縁回路基板１０は、絶縁板１１と、絶縁板１１の主面に固定された導電板１２と、絶縁板１１の主面とは反対側の裏面に固定された放熱板１３とを有する。この実施形態では、導電板１２は、互に絶縁分離された第１導電板１２ａ及び第２導電板１２ｂを含む構成になっている。絶縁回路基板１０は、例えばセラミック基板の主面及び裏面に銅が共晶接合された直接銅接合（ＤＣＢ）基板、セラミック基板の主面及び裏面に活性金属ろう付け（ＡＭＢ）法により金属が配置されたＡＭＢ基板などを採用可能である。セラミック基板の材料は、例えば、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等を採用可能である。この第１実施形態では、導電板１２及び放熱板１３は、金属材料として、例えば導電性及び熱伝導性に優れた銅（Ｃｕ）が用いられている。

図４に示すように、絶縁板１１は、平面視の形状が例えば長方形からなり、Ｘ方向である長手方向において互いに反対側に位置する２つの短辺の延伸方向が樹脂封止体８の２つの短辺８ａ，８ｂの延伸方向と一致すると共に、２つの長辺の延伸方向が樹脂封止体８の２つの長辺８ｃ，８ｄの延伸方向と一致している。この絶縁板１１の２つの短辺及び２つの長辺は、上述の絶縁回路基板１０の２つの短辺及び２つの長辺となる。

図４に示すように、第１導電板１２ａは、平面視の形状が例えば長方形のベタパターンからなり、長手方向がＸ方向と一致するようにして絶縁板１１の２つの短辺のうちの他方の短辺側（絶縁回路基板１０の他方の短辺側）に偏って配置されている。第２導電板１２ｂは、平面視の形状が例えば長方形のベタパターンからなり、長手方向がＹ方向と一致するようにして絶縁板１１の２つの短辺のうちの一方の短辺側（絶縁回路基板１０の一方の短辺１０ａ側）に偏って配置されている。第１導電板１２ａ及び第２導電板１２ｂは、第１導電板１２ａの方が数倍大きい面積で形成され、互に離間して絶縁分離されている。

放熱板１３は、詳細に図示していないが、平面視の形状が例えば長方形のベタパターンからなり、長手方向がＸ方向と一致するようにして絶縁板１１の４つの辺の内側に配置されている。この実施形態では、放熱板１３の表面が絶縁回路基板１０の裏面となり、放熱板１３の表面（絶縁回路基板１０の裏面）が樹脂封止体８の主面とは反対側の裏面から露出している。

図４に示すように、半導体チップ３は、この個数に限定されないが、例えば４つ配置されている。４つのうち２つの半導体チップ３は、絶縁回路基板１０の一方の長辺側に一方の長辺に沿って所定の間隔を空けて配置されている。残りの２つの半導体チップ３は、絶縁回路基板１０の他方の長辺側に他方の長辺に沿って所定の間隔を空けて配置されている。

半導体チップ３には、トランジスタ素子が搭載されている。そして、４つの半導体チップ３の各々のトランジスタ素子を並列に接続して１つのスイッチング素子が構成されている。トランジスタ素子としては、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の絶縁ゲート構造で、半導体チップ３の深さ方向に主電流が流れる縦型半導体素子が好適である。以下、トランジスタ素子としては、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる半導体基板を主体に構成された絶縁ゲート構造の縦型ＭＯＳＦＥＴを用いた場合で説明する。

図４から図６に示すように、半導体チップ３は、例えば、互に反対側に位置する２つの面のうちの一方の面である主面に第２主電極としてのソース電極３ｓ及び制御電極としてのゲート電極３ｇを有し、他方の面である裏面に第１主電極としてのドレイン電極３ｄを有する。

図５及び図６に示すように、半導体チップ３は、ドレイン電極３ｄが第１導電板１２ａに接合材として例えば半田１５を介在して固定され、電気的及び機械的に接続されている。４つの半導体チップ３は、各々のドレイン電極３ｄが互に並列に接続された状態で絶縁回路基板１０の主面にそれぞれ実装されている。

図５及び図６に示すように、配線基板２０は、絶縁回路基板１０の主面（チップ実装面）側に対向し、かつ半導体チップ３から離間して配置されている。そして、配線基板２０は、導電ポスト５ａ～５ｃ及び半導体チップ３を介して絶縁回路基板１０に支持されている。

図１から図３に示すように、配線基板２０は、平面視の形状が例えば長方形からなり、Ｘ方向である長手方向において互いに反対側に位置する２つの短辺の延伸方向が樹脂封止体８の２つの短辺８ａ，８ｂの延伸方向と一致すると共に、Ｙ方向である短手方向において互いに反対側に位置する２つの長辺の延伸方向が樹脂封止体８の２つの長辺８ｃ，８ｄの延伸方向と一致するようにして配置されている。

配線基板２０は、通常のプリント配線基板であり、これに限定されないが、例えば２層配線構造になっている。具体的には、図５から図８に示すように、配線基板２０は、互に反対側に位置する主面及び裏面を有する絶縁板２１と、絶縁板２１の主面側に配置された第１導電体２２ａ及び第１ゲート配線２２ｂと、絶縁板２１の裏面側に配置された第２導電体２３ａ及び第２ゲート配線２３ｂとを含む構成になっている。また、配線基板２０は、絶縁板２１の中に埋設され、かつ第１及び第２導電体２２ａ，２３ａよりも比透磁率（最大）が大きい磁性材料からなる磁性シート２４を含む構成になっている。

ここで、図８では、図２に示す第１及び第２ゲート配線２２ｂ，２３ｂや、後述する開口部２４ａ，２４ｂや貫通孔２５ａ，２５ｂなどの図示を省略している。

第１導電体２２ａ及び第１ゲート配線２２ｂは絶縁板２１の主面側に設けられた第１導電層を所定のパターンにパターンニングすることによって形成され、第２導電体２３ａ及び第２ゲート配線２３ｂも絶縁板２１の裏面側に設けられた第２導電層を所定のパターンにパターンニングすることによって形成されている。第１導電体２２ａ、第１ゲート配線２２ｂ、第２導電体２３ａ及び第２ゲート配線２３ｂは、例えば７５μｍ程度の厚さの銅箔又は銅を主成分とする合金箔で形成されている。

ここで、第１導電体２２ａ及び第１ゲート配線２２ｂは、第２導電体２３ａ及び第２ゲート配線２３ｂと同一のパターンで形成されている。したがって、第１導電体２２ａ及び第１ゲート配線２２ｂの平面パターンを図２に例示して説明し、第２導電体２３ａ及び第２ゲート配線２３ｂの平面パターンの図示及び説明は省略する。

図２に示すように、第１導電体２２ａは、平面視の形状が例えば長方形のベタパターンからなり、長手方向がＸ方向と一致するようにして絶縁板２１の中央に配置されている。第１ゲート配線２２ｂは、例えば２つ設けられている。一方のゲート配線２２ｂは、絶縁板２１の一方の長辺と第１導電体２２ａとの間に配置され、Ｘ方向に延伸している。他方のゲート配線２２ｂは、絶縁板２１の他方の長辺と第１導電体２２ａとの間に配置され、Ｘ方向に延伸している。２つのゲート配線２２ｂは、第１導電体２２ａから離間し、電気的に絶縁分離されている。

なお、第２導電体２３ａ及び第２ゲート配線２３ｂは、第１導電体２２ａ及び第１ゲート配線２２ｂと同一パターンで形成され、平面視で第１導電体２２ａ及び第１ゲート配線２２ｂと重なっている。そして、２つの第２ゲート配線２３ｂは、第２導電体２３ａから離間し、電気的に絶縁分離されている。第１導電体２２ａ及び第２導電体２３ａは、主回路電流を流す電流路として使用される。

図５から図８に示すように、絶縁板２１は、磁性シート２４の第１導電体２２ａ側に配置され、平面サイズが磁性シート２４の平面サイズよりも大きい第１絶縁層２１ａと、磁性シート２４の第２導電体２３ａ側に配置され、平面サイズが磁性シート２４の平面サイズよりも大きい第２絶縁層２１ｂとを有する。また、絶縁板２１は、磁性シート２４の周囲を囲むようにして第１絶縁層２１ａと第２絶縁層２１ｂとの間に配置された第３絶縁層２１ｃを有する。すなわち、磁性シート２４は、第１絶縁層２１ａ、第２絶縁層２１ｂ及び第３絶縁層２１ｃを含む絶縁板２１の中に埋設されている。第１から第３絶縁層２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、例えば絶縁性及び耐熱性に優れたポリイミド樹脂からなる樹脂シートで形成されている。第３絶縁層２１ｃは、絶縁性の接着材で形成してもよい。

磁性シート２４は、平面視したときの輪郭２４ｍが第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの各々の輪郭２２ａ_１，２３ａ_１と面一、又は第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの輪郭２２ａ_１，２３ａ_１よりも内側に位置している。この実施形態では、磁性シート２４の輪郭２４ｍは第１第２導電体２２ａ，２３ａの輪郭２２ａ１，２３ａ１と面一になっている。換言すれば、磁性シート２４は、平面視したときの外周の端部が第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの各々の外周の端部と揃っている。

磁性シート２４の比透磁率は、５～５０００００程度が好ましい。具体的な材料としては、ステンレス箔やニッケル箔、アモルファス箔（組成Ｆｅ－Ｓｉ－ＢやＣｏ－Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ－Ｍ）、パーマロイ箔（組成Ｆｅ－５０Ｎｉ系やＦｅ－８０Ｎｉ系）、ファインメット（登録商標）箔（日立金属株式会社製、組成Ｆｅ－Ｃｕ－Ｎｂ－Ｓｉ－Ｂ）などが好ましい。また、磁性シート２４の厚みは、厚いと磁性シート２４内に渦電流が流れ、磁性シート２４自体が発熱する恐れがあることから、１０μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。磁性シートの厚さが１０μｍより薄いと第１導電体２２ａおよび第２導電体２３ａに大電流が流れた時に磁性シートが磁気飽和するため好ましくない。
また、磁性シート２４は、銅箔又は銅を主成分とする合金箔よりも比誘電率が大きい磁性材料で形成することがより好ましい。

ここで、磁性シート２４がフローティング状態だと浮遊容量が付加されるため、磁性シート２４を第１及び第２導電体２２ａ，２３ａと同電位にすることが好ましい。この実施形態では、図５に示すように、磁性シート２４は、スルーホール配線２６を介して第１導電体２２ａに電気的に接続され、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａと同電位となる。

図５に示すように、第１導電ポスト５ａは、一端側が半導体チップ３のソース電極３ｓに接合材として例えば半田１６により電気的及び機械的に接続され、他端側が配線基板２０を貫通して配線基板２０に固定されると共に第１導電体２２ａ及び第２導電体２３ａと電気的及び機械的に接続されている。すなわち、第１導電ポスト５ａは、一端側が半導体チップ３を介して絶縁回路基板１０に固定され、他端側が配線基板２０に固定されている。第１導電ポスト５ａは、この本数に限定されないが、例えば１つの半導体チップ３に対して２本ずつ設けられている。

図５に示すように、第２導電ポスト５ｂは、一端側が絶縁回路基板１０の第２導電板１２ｂに接合材として例えば半田１６により電気的及び機械的に接続され、他端側が配線基板２０を貫通して配線基板２０に固定されると共に第１導電体２２ａ及び第２導電体２３ａと電気的及び機械的に接続されている。すなわち、第２導電ポスト５ｂは、一端側が絶縁回路基板１０に固定され、他端側が配線基板２０に固定されている。第２導電ポスト５ｂは、この本数に限定されないが、例えば２本設けられている。

図６に示すように、第３導電ポスト５ｃは、一端側が半導体チップ３のゲート電極３ｇに接合材として例えば半田１６により電気的及び機械的に接続され、他端側が配線基板２０に突き刺さるようにして固定されると共に第１ゲート配線２２ｂ及び第２ゲート配線２３ｂと電気的及び機械的に接続されている。すなわち、第３導電ポスト５ｃは、一端側が半導体チップ３を介して絶縁回路基板１０に固定され、端側が配線基板２０に固定されている。第３導電ポスト５ｃは、この本数に限定されないが、例えば、１つの半導体チップ３に対して１本ずつ設けられている。

第１主回路端子７ａ、第２主回路端子７ｂ及び制御端子７ｃの各々は、導電ピンからなり、図５及び図６に示すように、一部を除いて樹脂封止体８で封止され、一部が樹脂封止体８の外部に突出している。すなわち、第１主回路端子７ａ、第２主回路端子７ｂ及び制御端子７ｃの各々は、樹脂封止体８の厚さ方向（Ｚ方向）において、樹脂封止体８の内外に亘って延伸している。

図５に示すように、第１主回路端子７ａは、一端側が絶縁回路基板１０の第１導電板１２ａに接合材として例えば半田１６により電気的及び機械的に接続され、中間部が配線基板２０の貫通孔２５ａを貫通し、他端側が樹脂封止体８の主面から突出している。第２主回路端子７ｂは、一端側が絶縁回路基板１０の第２導電板１２ｂに接合材として例えば半田１６により電気的及び機械的に接続され、中間部が配線基板２０の貫通孔２５ｂを貫通し、他端側が樹脂封止体８の主面から突出している。

すなわち、第１主回路端子７ａは、半田１６、絶縁回路基板１０の第１導電板１２ａ及び半田１５を介して半導体チップ３のドレイン電極３ｄに電気的に接続されている。そして、半導体チップ３のソース電極３ｓは、半田１６、第１導電ポスト５ａ、配線基板２０の第１及び第２導電体２２ａ，２３ａ、第２導電ポスト５ｂ、半田１６、絶縁回路基板１０の第２導電板１２ｂ及び半田１６を介して第２主回路端子７ｂに電気的に接続されている。第１主回路端子７ａ及び第２主回路端子７ｂは、この本数に限定されないが、例えば２本ずつ設けられている。

図６に示すように、制御端子７ｃは、一端側が配線基板２０の主面側から配線基板２０を貫通し、他端側が樹脂封止体８の主面から突出している。すなわち、制御端子７ｃは、配線基板２０の第１及び第２ゲート配線２２ｂ，２３ｂ、第３導電ポスト５ｃ及び半田１６を介して半導体チップ３のゲート電極３ｇに電気的に接続されている。制御端子７ｃは、この本数に限定されないが、第１及び第２ゲート配線２２ｂ，２３ｂに対応して例えば２本設けられている。また、４つの半導体チップ３は、各々のソース電極３ｓが配線基板２０の第１及び第２導電体２２ａ，２３ａを介して互いに並列に接続されている。

図５に示すように、磁性シート２４は、第１導電ポスト５ａとの接触を回避するため、第１導電ポスト５ａが通過する部分に、第１導電ポスト５ａの径よりも広い開口部２４ａを有し、磁性シート２４の開口部２４ａにおける側壁は第１導電ポスト５ａから離間している。また、磁性シート２４は、第２導電ポスト５ｂとの接触を回避するため、第２導電ポスト５ｂが通過する部分に、第２導電ポスト５ｂの径よりも広い開口部２４ｂを有し、磁性シート２４の開口部２４ｂにおける側壁は第２導電ポスト５ｂから離間している。

＜半導体装置の主回路電流＞
次に、半導体装置の主回路電流の流れについて、図２、図５及び図６を参照して説明する。
制御端子７ｃから配線基板２０の第１及び第２ゲート配線２２ｂ，２３ｂを介して４つの半導体チップ３の各々のゲート電極３ｇに制御電圧を印加することによって、４つの半導体チップ３の各々のトランジスタ素子が通電状態となる。主回路電流は、第１主回路端子７ａから絶縁回路基板１０の第１導電板１２ａを通り、４つの半導体チップ３の各々のドレイン電極３ｄから各々のソース電極３ｓへと４つの半導体チップ３内を垂直に流れる。続いて、主回路電流は、４つの半導体チップ３の各々のソース電極３ｓから、第１導電ポスト５ａを介して配線基板２０の第１及び第２導電体２２ａ，２３ａを流れる。更に、主回路電流は、第２導電ポスト５ｂ、絶縁回路基板１０の第２導電板１２ｂを通り、第２主回路端子７ｂへと流れる。このとき、配線基板２０では、主回路電流は第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの両方を流れるので、主回路電流の通電量を稼ぐことができる。また、主回路電流は、第１導電体２２ａでは矢印Ｎ１の方向に流れ、第２導電体２３ａでは矢印Ｎ_２の方向に流れる。すなわち、主回路電流は、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの両方を同一方向（矢印Ｎ_１及びＮ_２）に流れる。

＜実施形態の効果＞
次に、この一実施形態の主な効果について、従来技術の問題点と共に説明する。なお、従来技術の説明においても、この実施形態の符号を用いる。

この実施形態に係る半導体装置１は、配線基板２０の第１導電体２２ａ及び第２導電体２３ａの両方に主回路電流を通電させて主回路電流の通電量を稼いでいる。そして、主回路電流は第１導電体２２ａ及び第２導電体２３ａを同一方向に流れる。このとき、主回路電流が高周波電流（パルス電流）の場合、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの双方から磁界が発生する。そして、従来技術では、この第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの双方から発する磁界によって第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの双方の電流密度にムラが生じる。すなわち、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａにおいて、絶縁板２１側とは反対側の部分に偏って電流が流れる。この現象を近接効果と呼んでいる。そして、近接効果の影響により、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの回路抵抗が増大し、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａでのジュール熱が大きくなることが懸念された。

これに対し、この実施形態の配線基板２０は、第１導電体２２ａと第２導電体２３ａとの間の絶縁板２１に第１及び第２導電体２２ａ，２３ａよりも比誘電率が大きい磁性材料からなる磁性シート２４を設けている。これにより、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの双方から発する磁界は磁性シート２４に取り込まれ、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの双方から発する磁界によって第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの双方の電流密度にムラが生じる近接効果を抑制することができる。この結果、高周波領域における第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの回路抵抗が低減し、配線基板２０の第１及び第２導電体２２ａ，２３ａでのジュール発熱を抑制することができる。したがって、第１及び第２導電体２２ａ，２２ｂの温度上昇を抑制することができる。

また、配線基板２０の第１及び第２導電体２２ａ，２３ａでのジュール発熱を抑制することができるので、配線基板２０の小型化を図ることができ、ひいては半導体装置１の小型化を図ることができる。

また、主回路電流が高周波電流の場合、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａに電流が流れ始めたことにより、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａを流れる電流の周囲に磁界が発生する。そして、この磁界の発生を抑制する方向に渦電流が発生する。そして、渦電流は、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの中心部を流れる電流とは反対向きであり、渦電流が第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの中心部を流れる電流を打ち消すため、第１及び第２導電体２２ａ，２３ｂの表面付近にのみ電流が流れる。この現象を表皮効果と呼んでいる。また、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａに流れる電流が同一方向の場合、双方の導電体に発する磁場により反発し合い、近接していない外側へ電流が流れる現象が起こる。この現象を近接効果と呼んでいる。従来技術では、これらの表皮効果、近接効果の影響により、図１０に示すように、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの回路抵抗が増大し、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａでのジュール熱が大きくなることが懸念された。

これに対し、この実施形態の配線基板２０は、第１導電体２２ａと第２導電体２３ａとの間の絶縁板２１に比誘電率が第１及び第２導電体２２ａ，２２ｂよりも比誘電率が大きい磁性材料からなる磁性シート２４を設けている。これにより、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの各々に発する磁界が抑制され、渦電流による損失が抑制されるため、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの表面付近にのみ電流が流れる表皮効果も抑制することができる。この結果、高周波領域における第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの回路抵抗が低減し、配線基板２０の第１及び第２導電体２２ａ，２３ａでのジュール発熱を更に抑制することができる。

また、この実施形態の配線基板２０は、磁性シート２４の厚さを薄くしても、第１絶縁層２１ａ及び第２絶縁層２１ｂの厚さの調整で第１導電体２２ａと第２導電体２３ａとの間の耐圧を確保することができる。

また、平面視したときに磁性シート２４の輪郭２４ｍが第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの輪郭２２ａ_１，２３ａ_１よりも外側に位置する場合、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの外側に食み出た磁性シート２４の部分が渦電流によりジュール発熱する。これに対し、この実施形態の配線基板２０では、平面視したときの磁性シート２４の輪郭２４ｍが第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの輪郭２２ａ_１，２３ａ_１と面一となっているので、渦電流による磁性シート２４のジュール発熱を抑制することができる。
なお、磁性シート２４は、平面視したときの輪郭２４ｍが第１及び第２導電体２２ａ，２３ａの輪郭２２ａ_１，２３ａ_１よりも内側に位置させる方が好ましい。

図９に、実施例としての一実施形態に係る半導体装置１と、比較例としての従来の半導体装置について、配線基板での発熱温度を測定した結果を示す。

図９に示すように、配線基板での発熱温度は、実施例の方が比較例よりも明らかに低くなっている。

したがって、一実施形態に係る半導体装置１においては、第１及び第２導電体２２ａ，２３ａでのジュール発熱の抑制に有効であることが確かめられた。

なお、第１導電体の間又は第２導電体の間にゲート配線を通す場合は、第１導電体の間にゲート配線を通す平面パターン、第２導電体の間にゲート配線を通す平面パターンのうちの何れか一方の平面パターンと同一の平面パターンで磁性シートを形成することが好ましい。

以上、本発明を上記一実施形態及び実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記一実施形態及び実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

例えば、上述の一実施形態に係る半導体装置１では、半導体チップ３に搭載されるトランジスタ素子として縦型ＭＯＳＦＥＴに着目して説明した。しかしながら、本発明はこれら限定されるものではなく、例えばトランジスタ素子としてＩＧＢＴが搭載された半導体チップを有する半導体装置にも適用することができる。

また、本発明は、トランジスタ素子を搭載した半導体チップと、整流素子を搭載した半導体チップとを有する半導体装置にも適用することができる。

また、上述の一実施形態では、半導体チップが実装された１つの絶縁回路基板１０に導電ポスト（５ａ～５ｃ）を介して配線基板２０が支持された基板積層体２を有する半導体装置１について説明した。しかしながら、本発明これに限定されるものではない。例えば半導体チップが実装された２つの絶縁回路基板に導電ポストを介して配線基板が支持された基板積層体を有する半導体装置にも適用することができる。

また、上述の実施形態では、磁性シート２４に開口部２４ａ及び２４ｂを設けて第１及び第２導電ポスト５ａ，５ｂとの接触を回避した場合について説明した。しかしながら、本発明はこれら限定されるものではなく、磁性シート２４の開口部２４ａ及び２４ｂを省略し、配線基板２０を貫通する第１及び第２導電ポスト５ａ，５ｂに磁性シート２４を接触させてもよい。この場合、スルーホール配線２６を省略しても、磁性シート２４を第１及び第２導電体２２ａ，２３ａと同電位にすることができる。

図１１（ａ）及び（ｂ）に、本発明の配線基板の一部において、平面視で配線基板の磁性シート２４の端部を第１導電体２２ａの端部と同じにした事例を示した。図１１（ａ）の第１導電体２２ａに高周波パルス電流を通電し、所定時間経過後の第１導電体２２ａの表面と第１絶縁層２１ａの露出した端部近傍の表面の温度を測定した。図１１（ｂ）に示すように、第１導電体２２ａの表面の温度が、６０．６℃、第１絶縁層２１ａの温度が３３．３℃であった。
図１２（ａ）及び（ｂ）に、図１１の構造に対する比較例として、平面視で配線基板の磁性シート２４の端部を第１導電体２２ａの端部よりも広くした事例を示した。図１１の事例と同様に、図１２（ａ）の第１導電体２２ａに高周波パルス電流を通電し、所定時間経過後の第１導電体２２ａの表面と第１絶縁層２１ａの露出した端部近傍の表面の温度を測定した。第１導電体２２ａ表面の温度が、１３３．８℃、第１絶縁層２１ａの温度が１４８．８℃であった。
図１１，１２の結果を比較すると、図１２（ａ）のように磁性シート２４の端部が第１導電体２２ａの端部よりも外側にはみ出すと、磁性シート２４と接する第１絶縁層２１ａの端部が高温になり、それに伴って、第１導電体２２ａの温度（図１２（ｂ）参照）が図１１（ａ）の第１導電体２２ａの温度（図１１（ｂ）参照）より高くなっていることが判る。磁性シート２４自体が磁性シート２４内部に生じる渦電流により発熱するため、通電による発熱以上に温度が上がったと推測される。したがって、磁性シート２４は、平面視したときの輪郭が第１導電体２２ａの輪郭と面一、又は第１導電体２２ａの輪郭よりも内側に位置していることで、磁性シート２４に渦電流が発生し難くでき、発熱を抑えることができる。さらに、この磁性シート２４の下に第２絶縁層２１ｂと第２導電体２３ａを配置した構造でも同様の効果がある。

１ 半導体装置
２ 基板積層体
３ 半導体チップ
３ｄ ドレイン電極
３ｓ ソース電極
５ａ 第１導電ポスト
５ｂ 第２導電ポスト
５ｃ 第３導電ポスト
７ａ 第１主回路端子
７ｂ 第２主回路端子
７ｃ 制御端子
８ 樹脂封止体
８ａ，８ｂ 短辺
８ｃ，８ｄ 長辺
１０ 絶縁回路基板
１２ 導電板
１２ａ 第１導電板
１２ｂ 第２導電板
１３ 放熱板
２０ 配線基板
２１ 絶縁板
２１ａ 第１絶縁層
２１ｂ 第２絶縁層
２１ｃ 第３絶縁層
２２ａ 第１導電体
２２ａ_１ 輪郭
２２ｂ 第１ゲート配線
２３ａ 第２導電体
２３ａ_１ 輪郭
２３ｂ 第２ゲート配線
２４ 磁性シート
２４ａ，２４ｂ 開口部
２４ｍ 輪郭
２５ａ，２５ｂ 貫通孔
２６ スルーホール配線

Claims (6)

1. 互に反対側に位置する主面及び裏面を有する絶縁板と、前記絶縁板の前記主面側に配置された第１導電体と、前記絶縁板の前記裏面側に配置された第２導電体と、前記絶縁板の中に埋設され、かつ前記第１及び第２導電体よりも比透磁率が大きい磁性シートとを含み、高周波電流である主回路電流が前記第１導電体及び前記第２導電体を同一方向に流れる配線基板と、
   前記第１及び第２導電体に電気的に接続された半導体チップと、
   を備え、
   前記磁性シートは、平面視したときの輪郭が前記第１及び第２導電体の輪郭と面一、又は前記第１及び第２導電体の輪郭よりも内側に位置していることを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１及び第２導電体は、銅箔又は銅を主成分とする合金箔で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記絶縁板は、
   前記磁性シートの前記第１導電体側に配置され、かつ外形サイズが前記磁性シートの外形サイズよりも大きい第１絶縁層と、
   前記磁性シートの前記第２導電体側に配置され、かつ外形サイズが前記磁性シートの外形サイズよりも大きい第２絶縁層と、
   前記磁性シートの周囲を囲み、かつ前記第１絶縁層と前記第２絶縁層との間に配置された第３絶縁層と、
   を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記磁性シートの比透磁率は、５以上５０００００以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記磁性シートの厚さは、１０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記磁性シートは、ステンレス箔、ニッケル箔、アモルファス箔、パーマロイ箔、ファインメット（登録商標）箔から選択されるいずれか１つであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。

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