JP7422945B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents

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Description

本開示は、電力用半導体装置に関し、特に、温度センスダイオードを備える電力用半導体装置に関するものである。
例えば、電気自動車や電車などのモータを制御するインバータや電源回生用のコンバータなどに用いられる電力用半導体装置として、電力用半導体素子の温度を測定するための温度センスダイオードを備えるものが知られている。例えば下記の特許文献１には、電力用半導体素子の表面電極上に、リードフレームとともに温度センスダイオードのチップを実装した電力用半導体装置が開示されている。
特開２０１９－１８６５１０号公報
電力用半導体素子の表面電極上に、リードフレームとともに温度センスダイオードのチップを実装する場合、リードフレームと温度センスダイオードとの間の絶縁の信頼性を確保することが課題となる。
本開示は以上のような課題を解決するためになされたものであり、電力用半導体素子の表面電極上に実装されるリードフレームと温度センスダイオードとの間の絶縁の信頼性向上を目的とする。
本開示に係る電力用半導体装置は、電力用半導体素子のチップである電力用半導体チップと、前記電力用半導体チップの主電極の１つである表面電極上の第１領域に搭載された温度センスダイオード素子のチップである温度センスダイオードチップと、前記表面電極上の第２領域に接続されたリードフレームと、前記リードフレームの前記温度センスダイオードチップに対向する側面に設けられた絶縁膜と、を備える。
本開示によれば、リードフレームの温度センスダイオードチップに対向する側面に絶縁膜が設けられたことで、リードフレームと温度センスダイオードとの間の絶縁の信頼性が向上する。
本開示の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
実施の形態１に係る電力用半導体装置の上面図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置の側面図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置の主要部の上面図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置の主要部の断面図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置の主要部の上面図である。 実施の形態２に係る電力用半導体装置の主要部の上面図である。 実施の形態２に係る電力用半導体装置の主要部の上面図である。 実施の形態３に係る電力用半導体装置の主要部の上面図である。 実施の形態４に係る電力用半導体装置の主要部の上面図である。 実施の形態４に係る電力用半導体装置の主要部の上面図である。 実施の形態５に係る電力用半導体装置の主要部の断面図である。 実施の形態５に係る電力用半導体装置の主要部の断面図である。 実施の形態５に係る電力用半導体装置の主要部の断面図である。 実施の形態６に係る電力用半導体装置の主要部の断面図である。
＜実施の形態１＞
図１および図２は、実施の形態１に係る電力用半導体装置１００の上面図および側面図である。図１および図２では、電力用半導体装置１００の表面を覆うモールド樹脂２０を透過して示している（モールド樹脂２０はその外形のみが示されている）。また、図３および図４は、電力用半導体装置１００の主要部（電力用半導体チップ１の近傍）の上面図および断面図である。
図１および図２のように、電力用半導体装置１００において、電力用半導体素子のチップである電力用半導体チップ１は、ヒートスプレッダ２上に実装されている。すなわち、電力用半導体チップ１の下面は、はんだ等の接合部材３を用いてヒートスプレッダ２の上面に接合されている。
図３に示すように、電力用半導体チップ１の上面には、主電極の１つである表面電極１ａが形成されており、表面電極１ａ上に、温度センスダイオード素子のチップである温度センスダイオードチップ４と、リードフレーム５とが実装されている。図２に示すように、温度センスダイオードチップ４およびリードフレーム５の下面は、接合部材６を用いて表面電極１ａの上面に接合されている。
表面電極１ａにおいて、温度センスダイオードチップ４が搭載される領域を第１領域、リードフレーム５が接続する領域を第２領域とすると、本実施の形態では、第１領域は表面電極１ａの中央部に規定され、第２領域は表面電極１ａの外側に規定されている。また、図３および図４に示すように、リードフレーム５は、第１領域に対応する部分に開口部を有しており、温度センスダイオードチップ４は、リードフレーム５の開口部内に配設されている。この開口部の寸法は、温度センスダイオードチップ４の外形寸法よりもわずかに（０．２ｍｍ～２ｍｍ程度）大きいことが好ましい。
ここで、リードフレーム５の温度センスダイオードチップ４に対向する側面、すなわちリードフレーム５の開口部の側壁は、例えば樹脂などからなる絶縁膜５ａでコーティングされている。リードフレーム５の温度センスダイオードチップ４に対向する側面に絶縁膜５ａが設けられることで、リードフレーム５と温度センスダイオードチップ４との間の絶縁の信頼性が向上するという効果が得られる。
電力用半導体チップ１は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）、ショットキーバリアダイオード、ＰＮ接合ダイオードなど、任意の素子でよい。ここでは、電力用半導体チップ１がＩＧＢＴであるものと仮定する。すなわち、電力用半導体チップ１上面の表面電極１ａはエミッタ電極であり、それに接続するリードフレーム５は、電力用半導体装置１００のエミッタ端子となる。また、電力用半導体チップ１の下面にはコレクタ電極（不図示）が形成されており、当該コレクタ電極は接合部材３を通して導電性を持つ金属などから成るヒートスプレッダ２と電気的に接続される。そのため、本実施の形態では、図１のように、電力用半導体装置１００のエミッタ端子となるリードフレーム７が、ヒートスプレッダ２に接合されている。また、図３のように、電力用半導体チップ１の上面には、さらにＩＧＢＴのゲート電極に接続したゲートパッド１ｂが設けられ、ゲートパッド１ｂは、ゲート電圧印加用のワイヤであるゲート用ワイヤ８ｗ（例えばアルミワイヤ）を介して電力用半導体装置１００のゲート端子８（図１）に接続される。
また、本実施の形態では、温度センスダイオードチップ４は、上面にアノード電極４ａ、下面にカソード電極（不図示）を備えている。温度センスダイオードチップ４のアノード電極４ａは、アノード電極の電圧測定用のワイヤであるアノード用ワイヤ９ｗ（例えばアルミワイヤ）を介して電力用半導体装置１００のアノード端子９（図１）に接続される。温度センスダイオードチップ４のカソード電極は、接合部材６を介して電力用半導体チップ１の表面電極１ａに接続されている。図３のように、電力用半導体チップ１の上面には、さらに表面電極１ａと電気的に接続されたカソードパッド１ｃが設けられ、カソードパッド１ｃはカソード電極の電圧測定用のワイヤであるカソード用ワイヤ１０ｗ（例えばアルミワイヤ）を介して電力用半導体装置１００のカソード端子１０（図１）に接続される。
ヒートスプレッダ２の下面には、絶縁シート１１を介して、ヒートスプレッダ２の放熱性を高めるための金属箔１２が設けられている。
電力用半導体装置１００は、以上の要素がモールド樹脂１３によって封止されることで構成される。ただし、リードフレーム５、リードフレーム７、ゲート端子８、アノード端子９およびカソード端子１０の一部分、ならびに金属箔１２の下面はモールド樹脂１３から露出される。
次に、電力用半導体装置１００の製造方法の主要な工程について説明する。電力用半導体装置１００は、主に以下のダイボンド工程、フレーム接合工程、ワイドボンド工程、モールド工程およびリード加工工程を経て形成される。
ダイボンド工程では、電力用半導体チップ１をヒートスプレッダ２上に接合部材３を用いて実装する。
フレーム接合工程では、ゲート端子８、アノード端子９、カソード端子１０などの信号端子およびリードフレーム５，７などの主端子が一体となった構造体（以下「リードフレーム構造体」という）と、温度センスダイオードチップ４とを、ヒートスプレッダ２およびその上に実装された電力用半導体チップ１に接合部材６を用いて接合する。このとき、温度センスダイオードチップ４は、リードフレーム５の開口部に収まるように位置決めされる。
ワイヤボンド工程では、信号端子（ゲート端子８、アノード端子９、カソード端子１０など）ならびに電力用半導体チップ１および温度センスダイオードチップ４の電極（表面電極１ａ、ゲートパッド１ｂ、カソードパッド１ｃ、アノード電極４ａなど）に、ワイヤ（ゲート用ワイヤ８ｗ、アノード用ワイヤ９ｗ、カソード用ワイヤ１０ｗなど）を超音波接合する。
モールド工程では、まず、ダイボンド工程、フレーム接合工程およびワイドボンド工程を経た電力用半導体チップ１、ヒートスプレッダ２、温度センスダイオードチップ４、リードフレーム構造体などを、金属箔１２を備える絶縁シート１１とともに金型のキャビティにセットし、ポットに樹脂ペレットをセットする。そして、金型を高温にしてから、溶融した樹脂をプランジャーによりポットから押し出し、ランナーを通して金型のゲートからキャビティに流し込み、高温下で樹脂を硬化させることでモールド樹脂１３を形成する。
リード加工工程では、モールド工程後の電力用半導体装置１００を金型から取り出し、ゲートカットを行い、リードフレーム構造体からタイバーや枠などの不要な部分をプレスにより切断することで電力用半導体装置１００の主端子（リードフレーム７，８）および信号端子（ゲート端子８、アノード端子９、カソード端子１０）を形成する。そして、主端子および信号端子を、規定の形状に曲げ加工することで、電力用半導体装置１００が完成する。
次に、電力用半導体装置１００の動作について説明する。電力用半導体装置１００のゲート端子８とリードフレーム７との間に閾値以上の電圧を印加すると、ＩＧＢＴである電力用半導体チップ１のゲート－エミッタ間にその電圧が印加され、電力用半導体チップ１がオン状態になり、リードフレーム５、ヒートスプレッダ２、電力用半導体チップ１およびリードフレーム７を通して電流が流れる。電力用半導体チップ１は電流が流れるとき内部の抵抗成分により発熱する。
温度センスダイオードチップ４は、この発熱による電力用半導体チップ１の破壊を未然に防ぐために電力用半導体チップ１の温度を測定する。電力用半導体チップ１の温度は、温度センスダイオードチップ４のアノードとカソード間の電圧、すなわち電力用半導体装置１００のアノード端子９とカソード端子１０との間の電圧から計算される。
温度センスダイオードを電力用半導体チップ１の内部に組み込むことも可能であるが、温度センスダイオードを電力用半導体チップ１とは別のチップ（温度センスダイオードチップ４）とする方が、電力用半導体チップ１のチップサイズを小さくできるため、例えば、電力用半導体チップ１をＳｉよりも高価なＳｉＣを用いて形成する場合などに、コスト低減効果が大きい。さらに、温度センスダイオードチップ４を電力用半導体チップ１の表面電極１ａの中央付近に接合すれば、電力用半導体チップ１の動作領域内に温度センスダイオードを配置でき、電力用半導体チップ１の温度を直接的に測定することができる。
従来、電力用半導体チップ１の表面電極１ａの中央部に温度センスダイオードチップ４を搭載させ、なお且つ、表面電極１ａにリードフレーム５を接合しようとすると、温度センスダイオードチップ４とリードフレーム５との間の絶縁を保つのは容易ではなかった。しかし、本実施の形態に係る電力用半導体装置１００では、リードフレーム５の温度センスダイオードチップ４に対向する側面が絶縁膜５ａでコーティングされているため、リードフレーム５と温度センスダイオードチップ４との間の絶縁を保つことができる。
図３および図４には、リードフレーム５が温度センスダイオードチップ４の配置される領域（第１領域）に開口部を有する構成を示したが、リードフレーム５の形状はこれに限られない。例えば図５のように、リードフレーム５が温度センスダイオードチップ４の配置される領域に切り欠き（スリット）が形成されたＵ字形状部を有していてもよい。温度センスダイオードチップ４は、リードフレーム５のＵ字形状部に三方が囲まれる位置に配設される。この場合も、リードフレーム５の温度センスダイオードチップ４に対向する側面、すなわち、Ｕ字形状部の切り欠きの側壁を絶縁膜５ａでコーティングすることで、リードフレーム５と温度センスダイオードチップ４との間の絶縁を保つことができる。
＜実施の形態２＞
図６および図７は、実施の形態２に係る電力用半導体装置１００の主要部（電力用半導体チップ１の近傍）の上面図である。図６は、リードフレーム５が温度センスダイオードチップ４の配置される領域（第１領域）に開口部を有する構成例であり、図７は、リードフレーム５が温度センスダイオードチップ４の配置される領域に切り欠き（スリット）が形成されたＵ字形状部を有する構成例である。図６と図７とは、リードフレーム５の形状が異なるのみで、それ以外は同じである。
実施の形態２では、温度センスダイオードチップ４の上面に、アノード電極４ａとカソード電極４ｃとの両方が設けられている。アノード電極４ａは、アノード用ワイヤ９ｗを通して電力用半導体装置１００のアノード端子９に接続され、カソード電極４ｃはカソード用ワイヤ１０ｗを通して電力用半導体装置１００のカソード端子１０に接続される。
実施の形態１ではカソード電極が温度センスダイオードチップ４の下面に配置されており、電力用半導体チップ１のエミッタ電極と共通化されていたため、温度センスダイオードチップ４のカソード電位が電力用半導体チップ１のエミッタ電位とともに変動し、その電位変動が温度の測定結果に影響するおそれがある。それに対し、実施の形態２では、温度センスダイオードチップ４のカソード電極４ｃが電力用半導体チップ１のエミッタ電極とは独立して設けられているため、電力用半導体チップ１の通電による電位変動の影響を受けにくく、温度センスダイオードチップ４は電力用半導体チップ１の温度をより正確に測定できる。
＜実施の形態３＞
図８は、実施の形態３に係る電力用半導体装置１００の主要部（電力用半導体チップ１の近傍）の上面図である。図８において、リードフレーム５は、温度センスダイオードチップ４の配置される領域に切り欠き（スリット）が形成されたＵ字形状部を有する。
実施の形態１と同様に、温度センスダイオードチップ４のカソード電極は当該チップの下面に配置されて、電力用半導体チップ１の表面電極１ａに接合されており、電力用半導体チップ１のエミッタ電極と共通化されている。実施の形態３では、図８のように、表面電極１ａの一部分に、第３領域として、カソード用ワイヤ１０ｗが接合されるカソードパッド１ｃを設けている。よって、表面電極１ａにおいて、カソード用ワイヤ１０ｗが接合されるカソードパッド１ｃ（第３領域）と温度センスダイオードチップ４が接合される領域（第１領域）との間に、リードフレーム５が接合される領域（第２領域）が介在しない。したがって、カソード用ワイヤ１０ｗの電位が電力用半導体チップ１の通電による電位変動の影響を受けにくく、実施の形態２と同様に、温度センスダイオードチップ４は電力用半導体チップ１の温度をより正確に測定できる。
図８では、リードフレーム５がＵ字形状部を有する構成例を示したが、実施の形態３は、リードフレーム５が温度センスダイオードチップ４の配置される領域（第１領域）に開口部を有する構成に対しても適用可能であり、その場合は、開口部内に第１領域と第３領域の両方を配置すればよい。
＜実施の形態４＞
図９および図１０は、実施の形態４に係る電力用半導体装置１００の主要部（電力用半導体チップ１の近傍）の上面図である。図９は、リードフレーム５が温度センスダイオードチップ４の配置される領域（第１領域）に開口部を有する構成例であり、図１０は、リードフレーム５が温度センスダイオードチップ４の配置される領域に切り欠き（スリット）が形成されたＵ字形状部を有する構成例である。図９と図１０とは、リードフレーム５の形状が異なるのみで、それ以外は同じである。
実施の形態４では、リードフレーム５が電力用半導体チップ１の表面電極１ａから延びる方向が、温度センスダイオードチップ４のカソード電極の電圧測定用のワイヤであるカソード用ワイヤ１０ｗがカソードパッド１ｃから延びる方向に直交する。この構成では、カソード用ワイヤ１０ｗが、電力用半導体チップ１のオン（通電）とオフ（非通電）とが切り替わるときに発生する磁界による誘導を受けにくいため、温度センスダイオードチップ４は電力用半導体チップ１の温度をより正確に測定できる。
＜実施の形態５＞
図１１、図１２および図１３は、実施の形態５に係る電力用半導体装置１００の主要部（電力用半導体チップ１の近傍）の断面図である。図１１、図１２および図１３は、リードフレーム５の形状が異なるのみで、それ以外は同じである。また、これらの図は、リードフレーム５が温度センスダイオードチップ４の配置される領域（第１領域）に開口部を有する構成例であるが、リードフレーム５は、温度センスダイオードチップ４の配置される領域に切り欠き（スリット）が形成されたＵ字形状部を有する構成でもよい。
実施の形態５では、リードフレーム５は、少なくとも温度センスダイオードチップ４に対向する部分において、リードフレーム５の上面の高さが温度センスダイオードチップ４の上面の高さよりも低くなるように構成されている。
図１１は、リードフレーム５の全体の厚さを薄くして、リードフレーム５の上面の高さが温度センスダイオードチップ４の上面の高さよりも低くした例である。このリードフレーム５は、温度センスダイオードチップ４よりも厚さが薄い金属板（銅板など）を用いてリードフレーム５を加工することで形成できる。
図１２は、リードフレーム５の温度センスダイオードチップ４に対向する部分が、温度センスダイオードチップ４の上面の高さよりも低くなるように、リードフレーム５の上面に段差を設けた例である。このリードフレーム５は、リードフレーム５の温度センスダイオードチップ４に対向する部分を押しつぶして、その部分の厚さを温度センスダイオードチップ４の厚さよりも薄くすることで形成できる。
図１３は、リードフレーム５の温度センスダイオードチップ４に対向する部分の上面を、リードフレーム５の端部側が低くなるように傾斜させることで、リードフレーム５の温度センスダイオードチップ４に対向する部分が、温度センスダイオードチップ４の上面の高さよりも低くなるようにした例である。このリードフレーム５は、リードフレーム５の温度センスダイオードチップ４に対向する部分を面取り加工して、その部分の厚さを温度センスダイオードチップ４の厚さよりも薄くすることで形成できる。
実施の形態５では、温度センスダイオードチップ４の上面が、リードフレーム５の温度センスダイオードチップ４に対向する部分の上面よりも高くなるため、電力用半導体チップ１の表面電極１ａ上にリードフレーム５と同時に温度センスダイオードチップ４を実装する工程が容易になる。また、温度センスダイオードチップ４上面のアノード電極４ａにアノード用ワイヤ９ｗを接合する際に、ボンディングツールがリードフレーム５に干渉するのを防止する効果も得られる。
また、図１１のリードフレーム５の形成は温度センスダイオードチップ４よりも薄い金属板を材料に用いる必要があるが、図１２および図１３のリードフレーム５は、温度センスダイオードチップ４よりも厚い金属板からも形成できるため、リードフレーム５の材料の選択肢が広がるという利点がある。
＜実施の形態６＞
図１４は、実施の形態６に係る電力用半導体装置１００の主要部（電力用半導体チップ１の近傍）の断面図である。図１４は、リードフレーム５が温度センスダイオードチップ４の配置される領域（第１領域）に開口部を有する構成例であるが、リードフレーム５は、温度センスダイオードチップ４の配置される領域に切り欠き（スリット）が形成されたＵ字形状部を有する構成でもよい。
実施の形態６の電力用半導体装置１００では、リードフレーム５は、はんだから成る接合部材６を用いて電力用半導体チップ１の表面電極１ａに接合されているが、温度センスダイオードチップ４は、銀（ａＧ）からなるＡｇ接合部材１４を用いて電力用半導体チップ１の表面電極１ａに接合されている。
Ａｇ接合部材１４は、はんだと比較して熱抵抗が低く、またボイドの発生が少ないことから、実施の形態６によれば、電力用半導体チップ１の熱が効率よく温度センスダイオードチップ４に伝わるようになり、温度センスダイオードチップ４が電力用半導体チップ１の温度をより正確に測定できるようになる。
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、省略したりすることが可能である。
上記した説明は、すべての態様において、例示であって、例示されていない無数の変形例が想定され得るものと解される。
１００ 電力用半導体装置、１ 電力用半導体チップ、１ａ 表面電極、１ｂ ゲートパッド、１ｃ カソードパッド、２ ヒートスプレッダ、３ 接合部材、４ 温度センスダイオードチップ、４ａ アノード電極、４ｃ カソード電極、５ リードフレーム、５ａ 絶縁膜、６ 接合部材、７ リードフレーム、８ ゲート端子、８ｗ ゲート用ワイヤ、９ アノード端子、９ｗ アノード用ワイヤ、１０ カソード端子、１０ｗ カソード用ワイヤ、１１ 絶縁シート、１２ 金属箔、１３ モールド樹脂、１４ Ａｇ接合部材。

Claims (11)

  1. 電力用半導体素子のチップである電力用半導体チップと、
    前記電力用半導体チップの主電極の１つである表面電極上の第１領域に搭載された温度センスダイオード素子のチップである温度センスダイオードチップと、
    前記表面電極上の第２領域に接続されたリードフレームと、
    前記リードフレームの前記温度センスダイオードチップに対向する側面に設けられた絶縁膜と、
    を備える電力用半導体装置。
  2. 前記温度センスダイオードチップは、前記表面電極の中央部に搭載されている、
    請求項１に記載の電力用半導体装置。
  3. 前記リードフレームは開口部を有しており、
    前記温度センスダイオードチップは、前記リードフレームの前記開口部内に配設されている、
    請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。
  4. 前記リードフレームはＵ字形状部を有しており、
    前記温度センスダイオードチップは、前記リードフレームの前記Ｕ字形状部に三方が囲まれる位置に配設されている、
    請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。
  5. 前記温度センスダイオードチップは、上面にアノード電極とカソード電極との両方を備えている、
    請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
  6. 前記温度センスダイオードチップは、下面に前記表面電極と接続したカソード電極を備え、
    前記カソード電極の電圧測定用のワイヤが、前記表面電極上の第３領域に接続されており、
    前記第３領域と前記第１領域との間に前記第２領域が介在していない、
    請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
  7. 前記温度センスダイオードチップは、下面に前記表面電極と接続したカソード電極を備え、
    前記リードフレームが前記表面電極から延びる方向は、前記カソード電極の電圧測定用のワイヤが延びる方向に直交する、
    請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
  8. 少なくとも前記リードフレームの前記温度センスダイオードチップに対向する部分において、前記リードフレームの上面の高さは、前記温度センスダイオードチップの上面の高さよりも低い、
    請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
  9. 前記リードフレームの上面は、前記温度センスダイオードチップに対向する部分が低くなるように段差を有している、
    請求項８に記載の電力用半導体装置。
  10. 少なくとも前記リードフレームの前記温度センスダイオードチップに対向する部分の上面は、前記リードフレームの端部側が低くなるように傾斜している、
    請求項８に記載の電力用半導体装置。
  11. 前記温度センスダイオードチップは、銀を用いて前記表面電極に接合されており、
    前記リードフレームは、はんだを用いて前記表面電極に接合されている、
    請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
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