以下、図面に基づいて複数の実施形態を説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。
Below, several embodiments will be described with reference to the drawings. Note that in each embodiment, corresponding components are given the same reference numerals, and duplicated descriptions may be omitted. When only a portion of the configuration is described in each embodiment, the configuration of the other embodiment described above can be applied to the other portions of the configuration. In addition to the combinations of configurations explicitly stated in the description of each embodiment, configurations of several embodiments can be partially combined together even if not explicitly stated, as long as there is no particular problem with the combination.
本実施形態の半導体装置は、たとえば、回転電機を駆動源とする移動体の電力変換装置に適用される。移動体は、たとえば、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)などの電動車両、ドローンなどの飛行体、船舶、建設機械、農業機械である。以下では、車両に適用される例について説明する。
The semiconductor device of this embodiment is applied, for example, to a power conversion device of a moving body that uses a rotating electric machine as a drive source. The moving body is, for example, an electric vehicle such as an electric vehicle (EV), a hybrid vehicle (HV), or a plug-in hybrid vehicle (PHV), an aircraft such as a drone, a ship, a construction machine, or an agricultural machine. An example of application to a vehicle is described below.
(第1実施形態)
まず、図1に基づき、車両の駆動システム1の概略構成について説明する。
First Embodiment
First, a schematic configuration of a vehicle drive system 1 will be described with reference to FIG.
<車両の駆動システム>
図1に示すように、車両の駆動システム1は、直流電源2と、モータジェネレータ3と、電力変換装置4を備えている。
<Vehicle drive system>
As shown in FIG. 1 , a vehicle drive system 1 includes a DC power supply 2 , a motor generator 3 , and a power conversion device 4 .
直流電源2は、充放電可能な二次電池で構成された直流電圧源である。二次電池は、たとえばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池である。モータジェネレータ3は、三相交流方式の回転電機である。モータジェネレータ3は、車両の走行駆動源、すなわち電動機として機能する。モータジェネレータ3は、回生時に発電機として機能する。電力変換装置4は、直流電源2とモータジェネレータ3との間で電力変換を行う。
The DC power source 2 is a DC voltage source composed of a chargeable and dischargeable secondary battery. The secondary battery is, for example, a lithium-ion battery or a nickel-metal hydride battery. The motor generator 3 is a three-phase AC rotating electric machine. The motor generator 3 functions as a drive source for the vehicle, i.e., an electric motor. The motor generator 3 functions as a generator during regeneration. The power conversion device 4 converts power between the DC power source 2 and the motor generator 3.
<電力変換装置>
次に、図1に基づき、電力変換装置4の回路構成について説明する。電力変換装置4は、電力変換回路を備えている。本実施形態の電力変換装置4は、平滑コンデンサ5と、電力変換回路であるインバータ6を備えている。
<Power conversion device>
Next, a circuit configuration of the power conversion device 4 will be described with reference to Fig. 1. The power conversion device 4 includes a power conversion circuit. The power conversion device 4 of this embodiment includes a smoothing capacitor 5 and an inverter 6 which is a power conversion circuit.
平滑コンデンサ5は、主として、直流電源2から供給される直流電圧を平滑化する。平滑コンデンサ5は、高電位側の電源ラインであるPライン7と低電位側の電源ラインであるNライン8とに接続されている。Pライン7は直流電源2の正極に接続され、Nライン8は直流電源2の負極に接続されている。平滑コンデンサ5の正極は、直流電源2とインバータ6との間において、Pライン7に接続されている。平滑コンデンサ5の負極は、直流電源2とインバータ6との間において、Nライン8に接続されている。平滑コンデンサ5は、直流電源2に並列に接続されている。
The smoothing capacitor 5 mainly smoothes the DC voltage supplied from the DC power supply 2. The smoothing capacitor 5 is connected to the P line 7, which is the high-potential power supply line, and the N line 8, which is the low-potential power supply line. The P line 7 is connected to the positive electrode of the DC power supply 2, and the N line 8 is connected to the negative electrode of the DC power supply 2. The positive electrode of the smoothing capacitor 5 is connected to the P line 7 between the DC power supply 2 and the inverter 6. The negative electrode of the smoothing capacitor 5 is connected to the N line 8 between the DC power supply 2 and the inverter 6. The smoothing capacitor 5 is connected in parallel to the DC power supply 2.
インバータ6は、DC-AC変換回路である。インバータ6は、図示しない制御回路によるスイッチング制御にしたがって、直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータジェネレータ3へ出力する。これにより、モータジェネレータ3は、所定のトルクを発生するように駆動する。インバータ6は、車両の回生制動時、車輪からの回転力を受けてモータジェネレータ3が発電した三相交流電圧を、制御回路によるスイッチング制御にしたがって直流電圧に変換し、Pライン7へ出力する。このように、インバータ6は、直流電源2とモータジェネレータ3との間で双方向の電力変換を行う。
The inverter 6 is a DC-AC conversion circuit. In accordance with switching control by a control circuit (not shown), the inverter 6 converts DC voltage into three-phase AC voltage and outputs it to the motor generator 3. This drives the motor generator 3 to generate a predetermined torque. During regenerative braking of the vehicle, the inverter 6 converts the three-phase AC voltage generated by the motor generator 3 in response to rotational force from the wheels into DC voltage in accordance with switching control by the control circuit and outputs it to the P line 7. In this way, the inverter 6 performs bidirectional power conversion between the DC power source 2 and the motor generator 3.
インバータ6は、三相分の上下アーム回路9を備えて構成されている。上下アーム回路9は、レグと称されることがある。上下アーム回路9は、上アーム9Hと、下アーム9Lをそれぞれ有している。上アーム9Hおよび下アーム9Lは、上アーム9HをPライン7側として、Pライン7とNライン8との間で直列接続されている。上アーム9Hと下アーム9Lとの接続点は、出力ライン10を介して、モータジェネレータ3における対応する相の巻線3aに接続されている。インバータ6は、6つのアームを有している。各アームは、スイッチング素子を備えて構成されている。Pライン7、Nライン8、および出力ライン10それぞれの少なくとも一部は、たとえばバスバーなどの導電部材により構成される。
The inverter 6 is configured with upper and lower arm circuits 9 for three phases. The upper and lower arm circuits 9 are sometimes referred to as legs. Each of the upper and lower arm circuits 9 has an upper arm 9H and a lower arm 9L. The upper arm 9H and the lower arm 9L are connected in series between the P line 7 and the N line 8, with the upper arm 9H on the P line 7 side. The connection point between the upper arm 9H and the lower arm 9L is connected to the winding 3a of the corresponding phase in the motor generator 3 via an output line 10. The inverter 6 has six arms. Each arm is configured with a switching element. At least a portion of each of the P line 7, the N line 8, and the output line 10 is configured with a conductive member such as a bus bar.
本実施形態では、各アームを構成するスイッチング素子として、nチャネル型のMOSFET11を採用している。各アームを構成するスイッチング素子の数は特に限定されない。ひとつでもよいし、複数でもよい。MOSFETは、Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistorの略称である。
In this embodiment, an n-channel MOSFET 11 is used as the switching element that constitutes each arm. There is no particular limit to the number of switching elements that constitute each arm. There may be one or more. MOSFET is an abbreviation for Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor.
一例として、本実施形態では、各アームが2つのMOSFET11を有している。ひとつのアームを構成する2つのMOSFET11は、並列接続されている。上アーム9Hにおいて、並列接続された2つのMOSFET11のドレインが、Pライン7に接続されている。下アーム9Lにおいて、並列接続された2つのMOSFET11のソースが、Nライン8に接続されている。上アーム9Hにおいて並列接続された2つのMOSFET11のソースと、下アーム9Lにおいて並列接続された2つのMOSFET11のドレインが、相互に接続されている。並列接続された2つのMOSFET11は、共通のゲート駆動信号(駆動電圧)により、同じタイミングでオン駆動、オフ駆動する。
As an example, in this embodiment, each arm has two MOSFETs 11. The two MOSFETs 11 constituting one arm are connected in parallel. In the upper arm 9H, the drains of the two MOSFETs 11 connected in parallel are connected to the P line 7. In the lower arm 9L, the sources of the two MOSFETs 11 connected in parallel are connected to the N line 8. The sources of the two MOSFETs 11 connected in parallel in the upper arm 9H and the drains of the two MOSFETs 11 connected in parallel in the lower arm 9L are connected to each other. The two MOSFETs 11 connected in parallel are turned on and off at the same time by a common gate drive signal (drive voltage).
MOSFET11のそれぞれには、還流用のダイオード12が逆並列に接続されている。ダイオード12は、MOSFET11の寄生ダイオード(ボディダイオード)でもよいし、寄生ダイオードとは別に設けたものでもよい。ダイオード12のアノードは対応するMOSFET11のソースに接続され、カソードはドレインに接続されている。一相分の上下アーム回路9は、ひとつの半導体装置20により提供される。半導体装置20の詳細については後述する。
A freewheeling diode 12 is connected in inverse parallel to each MOSFET 11. The diode 12 may be a parasitic diode (body diode) of the MOSFET 11, or may be provided separately from the parasitic diode. The anode of the diode 12 is connected to the source of the corresponding MOSFET 11, and the cathode is connected to the drain. The upper and lower arm circuits 9 for one phase are provided by one semiconductor device 20. Details of the semiconductor device 20 will be described later.
電力変換装置4は、電力変換回路として、コンバータをさらに備えてもよい。コンバータは、直流電圧を異なる値の直流電圧に変換するDC-DC変換回路である。コンバータは、直流電源2と平滑コンデンサ5との間に設けられる。コンバータは、たとえばリアクトルと、上記した上下アーム回路9を備えて構成される。この構成によれば、昇降圧が可能である。電力変換装置4は、直流電源2からの電源ノイズを除去するフィルタコンデンサを備えてもよい。フィルタコンデンサは、直流電源2とコンバータとの間に設けられる。
The power conversion device 4 may further include a converter as a power conversion circuit. The converter is a DC-DC conversion circuit that converts a DC voltage into a DC voltage of a different value. The converter is provided between the DC power source 2 and the smoothing capacitor 5. The converter is configured to include, for example, a reactor and the above-mentioned upper and lower arm circuits 9. With this configuration, voltage can be increased or decreased. The power conversion device 4 may also include a filter capacitor that removes power supply noise from the DC power source 2. The filter capacitor is provided between the DC power source 2 and the converter.
電力変換装置4は、インバータ6などを構成するスイッチング素子の駆動回路を備えてもよい。駆動回路は、制御回路の駆動指令に基づいて、対応するアームのMOSFET11のゲートに駆動電圧を供給する。駆動回路は、駆動電圧の印加により、対応するMOSFET11を駆動、すなわちオン駆動、オフ駆動させる。駆動回路は、ドライバと称されることがある。
The power conversion device 4 may include a drive circuit for switching elements constituting the inverter 6, etc. The drive circuit supplies a drive voltage to the gate of the MOSFET 11 of the corresponding arm based on a drive command from the control circuit. The drive circuit drives the corresponding MOSFET 11, i.e., turns it on and off, by applying the drive voltage. The drive circuit is sometimes called a driver.
電力変換装置4は、スイッチング素子の制御回路を備えてもよい。制御回路は、MOSFET11を動作させるための駆動指令を生成し、駆動回路に出力する。制御回路は、たとえば図示しない上位ECUから入力されるトルク要求、各種センサにて検出された信号に基づいて、駆動指令を生成する。ECUは、Electronic Control Unitの略称である。
The power conversion device 4 may include a control circuit for the switching element. The control circuit generates a drive command for operating the MOSFET 11 and outputs it to the drive circuit. The control circuit generates the drive command based on, for example, a torque request input from a higher-level ECU (not shown) and signals detected by various sensors. ECU is an abbreviation for Electronic Control Unit.
各種センサとして、たとえば電流センサ、回転角センサ、電圧センサがある。電流センサは、各相の巻線3aに流れる相電流を検出する。回転角センサは、モータジェネレータ3の回転子の回転角を検出する。電圧センサは、平滑コンデンサ5の両端電圧を検出する。制御回路は、駆動指令として、たとえばPWM信号を出力する。制御回路は、たとえばプロセッサおよびメモリを備えて構成されている。PWMは、Pulse Width Modulationの略称である。
The various sensors include, for example, a current sensor, a rotation angle sensor, and a voltage sensor. The current sensor detects the phase current flowing through the winding 3a of each phase. The rotation angle sensor detects the rotation angle of the rotor of the motor generator 3. The voltage sensor detects the voltage across the smoothing capacitor 5. The control circuit outputs, for example, a PWM signal as a drive command. The control circuit is configured to include, for example, a processor and a memory. PWM is an abbreviation for Pulse Width Modulation.
<半導体装置>
次に、図2~図13に基づき、半導体装置について説明する。図2は、半導体装置20の斜視図である。図3は、図2同様に半導体装置20の斜視図である。図3は、内部構造を示す透過図である。図4は、半導体装置20の平面図である。図4は、内部構造を示す透過図である。図5は、図4のV-V線に沿う断面図である。図6は、図4のVI-VI線に沿う断面図である。図7は、図4のVII-VII線に沿う断面図である。図8は、図4のVIII-VIII線に沿う断面図である。図9は、図8に一点鎖線で示す領域IXを拡大した図である。
<Semiconductor Device>
Next, the semiconductor device will be described with reference to Figs. 2 to 13. Fig. 2 is a perspective view of the semiconductor device 20. Fig. 3 is a perspective view of the semiconductor device 20 similar to Fig. 2. Fig. 3 is a see-through view showing the internal structure. Fig. 4 is a plan view of the semiconductor device 20. Fig. 4 is a see-through view showing the internal structure. Fig. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in Fig. 4. Fig. 6 is a cross-sectional view taken along line VI-VI in Fig. 4. Fig. 7 is a cross-sectional view taken along line VII-VII in Fig. 4. Fig. 8 is a cross-sectional view taken along line VIII-VIII in Fig. 4. Fig. 9 is an enlarged view of region IX indicated by a dashed line in Fig. 8.
図10は、半導体装置20を説明するための分解斜視図である。図10では、便宜上、リードフレーム94を示している。図11は、基板50に半導体素子40が実装された状態を示す平面図である。図12は、基板50において表面金属体52の回路パターンを示す平面図である。図13は、基板60において表面金属体62の回路パターンを示す平面図である。
Figure 10 is an exploded perspective view for explaining the semiconductor device 20. For convenience, a lead frame 94 is shown in Figure 10. Figure 11 is a plan view showing a state in which a semiconductor element 40 is mounted on a substrate 50. Figure 12 is a plan view showing the circuit pattern of a surface metal body 52 on the substrate 50. Figure 13 is a plan view showing the circuit pattern of a surface metal body 62 on the substrate 60.
以下において、半導体素子(半導体基板)の板厚方向をZ方向とする。Z方向に直交し、上アーム9Hを構成する半導体素子と、下アーム9Lを構成する半導体素子の並び方向をY方向とする。Z方向およびY方向の両方向に直交する方向をX方向とする。特に断わりのない限り、Z方向から平面視した形状、換言すればX方向およびY方向により規定されるXY面に沿う形状を平面形状とする。Z方向からの平面視を、単に平面視と示すことがある。また、配置とは搭載面に限定されず、平面視において重なる位置関係にある場合に、配置と示すことがある。
In the following, the thickness direction of the semiconductor element (semiconductor substrate) is referred to as the Z direction. The direction perpendicular to the Z direction, in which the semiconductor elements constituting the upper arm 9H and the semiconductor elements constituting the lower arm 9L are arranged, is referred to as the Y direction. The direction perpendicular to both the Z direction and the Y direction is referred to as the X direction. Unless otherwise specified, the shape viewed from the Z direction, in other words the shape along the XY plane defined by the X and Y directions, is referred to as the planar shape. The planar view from the Z direction is sometimes simply referred to as the planar view. Furthermore, the arrangement is not limited to the mounting surface, and may be referred to as an arrangement when there is an overlapping positional relationship in a planar view.
図2~図13に示すように、半導体装置20は、上記した上下アーム回路9のひとつ、つまり一相分の上下アーム回路9を構成する。半導体装置20は、封止体30と、半導体素子40と、基板50、60と、導電スペーサ70と、アーム接続部80と、外部接続端子90を備えている。
As shown in Figures 2 to 13, the semiconductor device 20 constitutes one of the upper and lower arm circuits 9 described above, i.e., one phase of the upper and lower arm circuit 9. The semiconductor device 20 includes a sealing body 30, a semiconductor element 40, substrates 50 and 60, a conductive spacer 70, an arm connection portion 80, and an external connection terminal 90.
封止体30は、半導体装置20を構成する他の要素の一部を封止している。他の要素の残りの部分は、封止体30の外に露出している。封止体30は、たとえば樹脂を材料とする。樹脂の一例は、エポキシ系樹脂である。封止体30は、樹脂を材料として、たとえばトランスファモールド法により成形されている。このような封止体30は、封止樹脂体、モールド樹脂、樹脂成形体と称されることがある。封止体30は、たとえばゲルを用いて形成されてもよい。ゲルは、たとえば一対の基板50、60の対向領域に充填(配置)される。
The sealing body 30 seals a portion of the other elements constituting the semiconductor device 20. The remaining portions of the other elements are exposed to the outside of the sealing body 30. The sealing body 30 is made of, for example, a resin. One example of a resin is an epoxy resin. The sealing body 30 is made of a resin and is molded, for example, by a transfer molding method. Such a sealing body 30 may be called a sealing resin body, a molded resin, or a resin molded body. The sealing body 30 may be formed, for example, using a gel. The gel is filled (placed) in the opposing regions of the pair of substrates 50, 60.
図2~図4に示すように、封止体30は平面略矩形状をなしている。封止体30は、外郭をなす表面として、一面30aと、Z方向において一面30aとは反対の面である裏面30bを有している。一面30aおよび裏面30bは、たとえば平坦面である。また、一面30aと裏面30bとをつなぐ面である側面を有している。側面は、外部接続端子90が突出する2つの側面30c、30dを含んでいる。側面30dは、X方向において側面30cとは反対の面である。
As shown in Figures 2 to 4, the sealing body 30 has a generally rectangular shape in plan view. The sealing body 30 has one surface 30a as a surface forming an outer shell, and a back surface 30b that is the surface opposite to the one surface 30a in the Z direction. The one surface 30a and the back surface 30b are, for example, flat surfaces. The sealing body 30 also has side surfaces that connect the one surface 30a and the back surface 30b. The side surfaces include two side surfaces 30c, 30d from which the external connection terminals 90 protrude. The side surface 30d is the surface opposite to the side surface 30c in the X direction.
半導体素子40は、シリコン(Si)、シリコンよりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体などを材料とする半導体基板に、スイッチング素子が形成されてなる。ワイドバンドギャップ半導体としては、たとえばシリコンカーバイド(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga2O3)、ダイヤモンドがある。半導体素子40は、パワー素子、半導体チップと称されることがある。
The semiconductor element 40 is formed by forming a switching element on a semiconductor substrate made of silicon (Si), a wide band gap semiconductor having a wider band gap than silicon, or the like. Examples of wide band gap semiconductors include silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), gallium oxide ( Ga2O3 ), and diamond. The semiconductor element 40 is sometimes called a power element or a semiconductor chip.
本実施形態の半導体素子40は、SiCを材料とする半導体基板に、上記したnチャネル型のMOSFET11が形成されてなる。MOSFET11は、半導体素子40(半導体基板)の板厚方向、つまりZ方向に主電流が流れるように縦型構造をなしている。半導体素子40は、自身の板厚方向、すなわちZ方向における両面に、スイッチング素子の主電極を有している。具体的には、主電極として、一面にドレイン電極40Dを有し、一面とはZ方向において反対の面である裏面にソース電極40Sを有している。
The semiconductor element 40 of this embodiment is formed by forming the above-mentioned n-channel MOSFET 11 on a semiconductor substrate made of SiC. The MOSFET 11 has a vertical structure so that the main current flows in the thickness direction of the semiconductor element 40 (semiconductor substrate), i.e., in the Z direction. The semiconductor element 40 has main electrodes of the switching element on both sides in its thickness direction, i.e., in the Z direction. Specifically, as main electrodes, it has a drain electrode 40D on one side and a source electrode 40S on the back side, which is the side opposite to the one side in the Z direction.
ダイオード12が寄生ダイオードの場合、ソース電極40Sがアノード電極を兼ね、ドレイン電極40Dがカソード電極を兼ねる。ダイオード12は、MOSFET11とは別チップに構成されてもよい。ドレイン電極40Dは高電位側の主電極(第1主電極)であり、ソース電極40Sは低電位側の主電極(第2主電極)である。以下では、ドレイン電極40D、ソース電極40Sを、主電極40D、40Sと示すことがある。
When the diode 12 is a parasitic diode, the source electrode 40S also serves as the anode electrode, and the drain electrode 40D also serves as the cathode electrode. The diode 12 may be configured on a chip separate from the MOSFET 11. The drain electrode 40D is the main electrode on the high potential side (first main electrode), and the source electrode 40S is the main electrode on the low potential side (second main electrode). In the following, the drain electrode 40D and the source electrode 40S may be referred to as the main electrodes 40D and 40S.
半導体素子40は、平面略矩形状をなしている。図11に示すように、半導体素子40は、裏面においてソース電極40Sとは異なる位置に形成されたパッド40Pを有している。ソース電極40Sおよびパッド40Pは、半導体基板の裏面上に形成された図示しない保護膜から露出している。ドレイン電極40Dは、一面のほぼ全面に形成されている。ソース電極40Sは、半導体素子40の裏面の一部分に形成されている。平面視において、ドレイン電極40Dは、ソース電極40Sよりも面積が大きい。
The semiconductor element 40 has a generally rectangular shape in plan view. As shown in FIG. 11, the semiconductor element 40 has a pad 40P formed on the back surface at a position different from the source electrode 40S. The source electrode 40S and the pad 40P are exposed from a protective film (not shown) formed on the back surface of the semiconductor substrate. The drain electrode 40D is formed on almost the entire surface. The source electrode 40S is formed on a portion of the back surface of the semiconductor element 40. In a plan view, the drain electrode 40D has a larger area than the source electrode 40S.
パッド40Pは、信号用の電極である。パッド40Pは、ソース電極40Sと電気的に分離されている。パッド40Pは、Y方向において、ソース電極40Sの形成領域とは反対側の端部に形成されている。パッド40Pは、ゲート電極用のパッドを含む。
The pad 40P is an electrode for signals. The pad 40P is electrically isolated from the source electrode 40S. The pad 40P is formed at the end opposite the formation area of the source electrode 40S in the Y direction. The pad 40P includes a pad for a gate electrode.
半導体装置20は、上記構成の半導体素子40を複数備えている。各半導体素子40の構成は、互いに共通である。複数の半導体素子40は、上アーム9Hを構成する半導体素子40Hと、下アーム9Lを構成する半導体素子40Lを含む。半導体素子40Hは、上アーム素子、半導体素子40Lは下アーム素子と称されることがある。半導体素子40H、40Lのそれぞれは、ひとつのアームを構成するアーム素子である。本実施形態の半導体装置20は、2つの半導体素子40Hと、2つの半導体素子40Lを備えている。2つの半導体素子40Hは、X方向に並んでいる。同様に、2つの半導体素子40Lは、X方向に並んでいる。半導体素子40Hと半導体素子40Lは、Y方向に並んでいる。Y方向は、半導体素子40の板厚方向であるZ方向に直交する第1方向である。X方向は、Z方向および第1方向(Y方向)に直交する第2方向である。半導体装置20は、半導体素子40Hと半導体素子40LとによるY方向に沿う列を、2列有している。
The semiconductor device 20 includes a plurality of semiconductor elements 40 having the above-described configuration. The configuration of each semiconductor element 40 is common to each other. The plurality of semiconductor elements 40 includes a semiconductor element 40H constituting the upper arm 9H and a semiconductor element 40L constituting the lower arm 9L. The semiconductor element 40H is sometimes referred to as an upper arm element, and the semiconductor element 40L is sometimes referred to as a lower arm element. Each of the semiconductor elements 40H and 40L is an arm element constituting one arm. The semiconductor device 20 of this embodiment includes two semiconductor elements 40H and two semiconductor elements 40L. The two semiconductor elements 40H are aligned in the X direction. Similarly, the two semiconductor elements 40L are aligned in the X direction. The semiconductor elements 40H and 40L are aligned in the Y direction. The Y direction is a first direction perpendicular to the Z direction, which is the plate thickness direction of the semiconductor element 40. The X direction is a second direction perpendicular to the Z direction and the first direction (Y direction). The semiconductor device 20 has two rows of semiconductor elements 40H and 40L arranged along the Y direction.
各半導体素子40は、Z方向において互いにほぼ同じ位置に配置されている。各半導体素子40のドレイン電極40Dは、基板50に対向している。各半導体素子40のソース電極40Sは、基板60に対向している。
The semiconductor elements 40 are arranged at approximately the same positions as each other in the Z direction. The drain electrode 40D of each semiconductor element 40 faces the substrate 50. The source electrode 40S of each semiconductor element 40 faces the substrate 60.
基板50、60は、Z方向において、複数の半導体素子40を挟むように配置されている。基板50、60は、Z方向において互いに少なくとも一部が対向するように配置されている。基板50、60は、平面視において複数の半導体素子40(40H、40L)のすべてを内包している。
The substrates 50 and 60 are arranged in the Z direction to sandwich the multiple semiconductor elements 40. The substrates 50 and 60 are arranged so that at least a portion of each substrate faces each other in the Z direction. The substrates 50 and 60 contain all of the multiple semiconductor elements 40 (40H, 40L) in a plan view.
基板50は、半導体素子40に対して、ドレイン電極40D側に配置されている。基板60は、半導体素子40に対して、ソース電極40S側に配置されている。基板50は、後述するようにドレイン電極40Dと電気的に接続され、配線機能を提供する。同様に、基板60は、ソース電極40Sに電気的に接続され、配線機能を提供する。このため、基板50、60は、配線基板と称されることがある。基板50はドレイン基板と称され、基板60はソース基板と称されることがある。基板50、60は、半導体素子40の生じた熱を放熱する放熱機能を提供する。このため、基板50、60は、放熱部材と称されることがある。半導体素子40をZ方向に挟む一対の基板50、60のうち、基板50は第1基板であり、基板60は第2基板である。
The substrate 50 is disposed on the drain electrode 40D side of the semiconductor element 40. The substrate 60 is disposed on the source electrode 40S side of the semiconductor element 40. The substrate 50 is electrically connected to the drain electrode 40D as described below, and provides a wiring function. Similarly, the substrate 60 is electrically connected to the source electrode 40S, and provides a wiring function. For this reason, the substrates 50 and 60 are sometimes referred to as wiring substrates. The substrate 50 is sometimes referred to as a drain substrate, and the substrate 60 is sometimes referred to as a source substrate. The substrates 50 and 60 provide a heat dissipation function for dissipating heat generated by the semiconductor element 40. For this reason, the substrates 50 and 60 are sometimes referred to as heat dissipation members. Of the pair of substrates 50 and 60 that sandwich the semiconductor element 40 in the Z direction, the substrate 50 is the first substrate, and the substrate 60 is the second substrate.
基板50は、半導体素子40と対向する対向面50aと、対向面50aとは反対の面である裏面50bを有している。基板50は、絶縁基材51と、表面金属体52と、裏面金属体53を備えている。基板50は、絶縁基材51と金属体52、53とが積層された基板である。基板60は、半導体素子40と対向する対向面60aと、対向面60aとは反対の面である裏面60bを有している。基板60は、絶縁基材61と、表面金属体62と、裏面金属体63を備えている。基板60は、絶縁基材61と金属体62、63とが積層された基板である。第1基板である基板50において、絶縁基材51は第1絶縁基材、表面金属体52は第1表面金属体、裏面金属体53は第1裏面金属体である。第2基板である基板60において、絶縁基材61は第2絶縁基材、表面金属体62は第2表面金属体、裏面金属体63は第2裏面金属体である。以下では、表面金属体52、62、および、裏面金属体53、63を、単に金属体52、53、62、63と示すことがある。
The substrate 50 has an opposing surface 50a facing the semiconductor element 40 and a back surface 50b opposite the opposing surface 50a. The substrate 50 includes an insulating substrate 51, a front metal body 52, and a back metal body 53. The substrate 50 is a substrate in which the insulating substrate 51 and the metal bodies 52 and 53 are laminated. The substrate 60 has an opposing surface 60a facing the semiconductor element 40 and a back surface 60b opposite the opposing surface 60a. The substrate 60 includes an insulating substrate 61, a front metal body 62, and a back metal body 63. The substrate 60 is a substrate in which the insulating substrate 61 and the metal bodies 62 and 63 are laminated. In the substrate 50, which is the first substrate, the insulating substrate 51 is the first insulating substrate, the front metal body 52 is the first front metal body, and the back metal body 53 is the first back metal body. In the substrate 60, which is the second substrate, the insulating substrate 61 is the second insulating substrate, the front surface metal body 62 is the second front surface metal body, and the rear surface metal body 63 is the second rear surface metal body. Hereinafter, the front surface metal bodies 52, 62 and the rear surface metal bodies 53, 63 may be simply referred to as metal bodies 52, 53, 62, 63.
絶縁基材51は、表面金属体52と裏面金属体53とを電気的に分離する。同様に、絶縁基材61は、表面金属体62と裏面金属体63とを電気的に分離する。絶縁基材51、61は、絶縁層と称されることがある。絶縁基材51、61の材料は、樹脂、または、無機材料のセラミックである。樹脂としては、たとえばエポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂などを用いることができる。セラミックとしては、たとえばAl2O3(alumina)、Si3N4(silicon nitride)などを用いることができる。絶縁基材51、61が樹脂の場合、基板50、60は、金属樹脂基板と称されることがある。絶縁基材51、61がセラミックの場合、基板50、60は、金属セラミック基板と称されることがある。
The insulating substrate 51 electrically separates the front metal body 52 from the back metal body 53. Similarly, the insulating substrate 61 electrically separates the front metal body 62 from the back metal body 63. The insulating substrates 51 and 61 are sometimes referred to as insulating layers. The material of the insulating substrates 51 and 61 is resin or ceramic, which is an inorganic material. For example, epoxy resin or polyimide resin can be used as the resin. For example, Al 2 O 3 (alumina) or Si 3 N 4 (silicon nitride) can be used as the ceramic. When the insulating substrates 51 and 61 are resin, the substrates 50 and 60 are sometimes referred to as metal-resin substrates. When the insulating substrates 51 and 61 are ceramic, the substrates 50 and 60 are sometimes referred to as metal-ceramic substrates.
樹脂材料を用いた絶縁基材51、61の場合、放熱性、絶縁性などを向上させるために、樹脂内に無機系のフィラー(無機系充填材)を含んでもよい。フィラーの添加により、線膨張係数を調整してもよい。フィラーとしては、たとえばAl2O3、SiO2(silicon dioxide)、AlN(aluminum nitride)、BN(boron nitride)などを用いることができる。絶縁基材51、61は、フィラーを1種類のみ含んでもよいし、複数種類含んでもよい。
In the case of the insulating base material 51, 61 using a resin material, an inorganic filler (inorganic filling material) may be contained in the resin in order to improve heat dissipation and insulation properties. The linear expansion coefficient may be adjusted by adding a filler. As the filler, for example, Al 2 O 3 , SiO 2 (silicon dioxide), AlN (aluminum nitride), BN (boron nitride), etc. may be used. The insulating base material 51, 61 may contain only one type of filler or may contain multiple types of fillers.
放熱性や絶縁性を考慮すると、樹脂系の場合、絶縁基材51、61それぞれの厚み、つまりZ方向の長さは、50μm~300μm程度が好ましい。セラミック系の場合、絶縁基材51、61の厚みは、200μm~500μm程度が好ましい。Z方向において、絶縁基材51、61の表面は内面、つまり半導体素子40側の面であり、Z方向において表面と反対の面である裏面は外面である。絶縁基材51、61は、材料構成を共通(同一)としてもよいし、互いに異ならせてもよい。本実施形態では、樹脂系の絶縁基材51、61を採用しており、材料構成は共通である。絶縁基材51、61の線膨張係数は、樹脂にフィラーを添加することで、封止体30とほぼ同じ値に調整されている。樹脂にフィラーを添加することで、絶縁基材51、61および封止体30の線膨張係数は、金属体52、53、62、63を構成する金属(Cu)に近い値となっている。
Considering heat dissipation and insulation, in the case of a resin-based insulating substrate, the thickness of each of the insulating substrates 51 and 61, that is, the length in the Z direction, is preferably about 50 μm to 300 μm. In the case of a ceramic-based insulating substrate, the thickness of the insulating substrates 51 and 61 is preferably about 200 μm to 500 μm. In the Z direction, the front surface of the insulating substrates 51 and 61 is the inner surface, that is, the surface on the semiconductor element 40 side, and the back surface, which is the surface opposite the front surface in the Z direction, is the outer surface. The insulating substrates 51 and 61 may have the same material composition or may be different from each other. In this embodiment, the resin-based insulating substrates 51 and 61 are used, and the material composition is the same. The linear expansion coefficient of the insulating substrates 51 and 61 is adjusted to approximately the same value as that of the sealing body 30 by adding a filler to the resin. By adding filler to the resin, the linear expansion coefficient of the insulating substrates 51, 61 and the sealing body 30 is close to that of the metal (Cu) that constitutes the metal bodies 52, 53, 62, and 63.
金属体52、53、62、63は、たとえば、金属板または金属箔として提供される。金属体52、53、62、63は、CuやAlなどの導電性、熱伝導性が良好な金属を材料として形成されている。金属体52、53、62、63それぞれの厚みは、たとえば0.1mm~3mm程度である。表面金属体52は、Z方向において、絶縁基材51の表面に配置されている。裏面金属体53は、絶縁基材51の裏面に配置されている。同様に、表面金属体62は、Z方向において、絶縁基材61の表面に配置されている。裏面金属体63は、絶縁基材61の裏面に配置されている。絶縁基材51、61は,Z方向において半導体素子40との対向面である。図5~図9などに示すように、本実施形態では、表面金属体52が、裏面金属体53よりも厚い。表面金属体62が、裏面金属体63よりも厚い。ドレイン電極40D側の表面金属体52が、ソース電極40S側の表面金属体62よりも厚い。この構成に代えて、裏面金属体53、63を対応する表面金属体52、62より厚くしてもよい。表面金属体52と裏面金属体53との厚みをほぼ等しくしてもよいし、表面金属体62と裏面金属体63との厚みをほぼ等しくしてもよい。
The metal bodies 52, 53, 62, and 63 are provided, for example, as metal plates or metal foils. The metal bodies 52, 53, 62, and 63 are formed from metals with good electrical conductivity and thermal conductivity, such as Cu and Al. The thickness of each of the metal bodies 52, 53, 62, and 63 is, for example, about 0.1 mm to 3 mm. The front metal body 52 is disposed on the front surface of the insulating substrate 51 in the Z direction. The back metal body 53 is disposed on the back surface of the insulating substrate 51. Similarly, the front metal body 62 is disposed on the front surface of the insulating substrate 61 in the Z direction. The back metal body 63 is disposed on the back surface of the insulating substrate 61. The insulating substrates 51 and 61 are opposed to the semiconductor element 40 in the Z direction. As shown in Figures 5 to 9, in this embodiment, the front metal body 52 is thicker than the back metal body 53. The front metal body 62 is thicker than the back metal body 63. The front surface metal body 52 on the drain electrode 40D side is thicker than the front surface metal body 62 on the source electrode 40S side. Alternatively, the back surface metal bodies 53, 63 may be made thicker than the corresponding front surface metal bodies 52, 62. The front surface metal body 52 and the back surface metal body 53 may be made approximately equal in thickness, or the front surface metal body 62 and the back surface metal body 63 may be made approximately equal in thickness.
表面金属体52、62は、パターニングされている。表面金属体52、62は、配線、つまり回路を提供する。このため、表面金属体52、62は、回路パターン、配線層、回路導体と称されることがある。表面金属体52、62は、金属表面に、Ni系やAuなどのめっき膜を備えてもよい。以下では、表面金属体52、62のパターンを、回路パターンと示すことがある。表面金属体52と、絶縁基材51の表面における表面金属体52の非配置領域とが、基板50の対向面50aをなしている。同様に、表面金属体62と、絶縁基材61の表面における表面金属体62の非配置領域とが、基板60の対向面60aをなしている。
The surface metal bodies 52, 62 are patterned. The surface metal bodies 52, 62 provide wiring, i.e., circuits. For this reason, the surface metal bodies 52, 62 may be referred to as a circuit pattern, wiring layer, or circuit conductor. The surface metal bodies 52, 62 may have a plating film of Ni-based or Au, etc., on the metal surface. Hereinafter, the pattern of the surface metal bodies 52, 62 may be referred to as a circuit pattern. The surface metal body 52 and the non-placement area of the surface metal body 52 on the surface of the insulating base material 51 form the opposing surface 50a of the substrate 50. Similarly, the surface metal body 62 and the non-placement area of the surface metal body 62 on the surface of the insulating base material 61 form the opposing surface 60a of the substrate 60.
たとえば、プレス加工やエッチングなどにより所定形状にパターニングした表面金属体52、62を準備し、絶縁基材51、61と裏面金属体53、63との二層構造の積層体に密着させて、基板50、60を形成してもよい。表面金属体52、62、絶縁基材51、61、裏面金属体53、63の三層構造の積層体を形成した後、切削やエッチングにより、表面金属体52、62をパターニングしてもよい。
For example, the front metal bodies 52, 62 may be prepared by patterning into a predetermined shape by pressing or etching, and then attached to a two-layer laminate of the insulating base material 51, 61 and the back metal body 53, 63 to form the substrates 50, 60. After forming a three-layer laminate of the front metal bodies 52, 62, the insulating base material 51, 61, and the back metal body 53, 63, the front metal bodies 52, 62 may be patterned by cutting or etching.
表面金属体52は、図11などに示すように、P配線54と、中継配線55を有している。P配線54と中継配線55は、所定の間隔(ギャップ)により、電気的に分離されている。このギャップには、封止体30が充填されている。
As shown in FIG. 11, the surface metal body 52 has a P wiring 54 and a relay wiring 55. The P wiring 54 and the relay wiring 55 are electrically separated by a predetermined distance (gap). This gap is filled with the sealing body 30.
P配線54は、後述するP端子91Pおよび半導体素子40Hのドレイン電極40Dに接続されている。P配線54は、P端子91Pと半導体素子40Hのドレイン電極40Dとを電気的に接続している。P配線54は、正極配線、高電位電源配線と称されることがある。中継配線55は、半導体素子40Lのドレイン電極40D、アーム接続部80、および出力端子92に接続されている。中継配線55は、アーム接続部80と半導体素子40Lのドレイン電極40Dとを電気的に接続している。中継配線55は、半導体素子40Hのソース電極40Sおよび半導体素子40Lのドレイン電極と出力端子92とを電気的に接続する。表面金属体52(第1表面金属体)において、P配線54は第1電源配線であり、中継配線55は第1中継配線である。
The P wiring 54 is connected to the P terminal 91P and the drain electrode 40D of the semiconductor element 40H, which will be described later. The P wiring 54 electrically connects the P terminal 91P and the drain electrode 40D of the semiconductor element 40H. The P wiring 54 is sometimes referred to as a positive wiring or a high potential power supply wiring. The relay wiring 55 is connected to the drain electrode 40D of the semiconductor element 40L, the arm connection part 80, and the output terminal 92. The relay wiring 55 electrically connects the arm connection part 80 and the drain electrode 40D of the semiconductor element 40L. The relay wiring 55 electrically connects the source electrode 40S of the semiconductor element 40H and the drain electrode of the semiconductor element 40L to the output terminal 92. In the surface metal body 52 (first surface metal body), the P wiring 54 is the first power supply wiring, and the relay wiring 55 is the first relay wiring.
P配線54と中継配線55は、Y方向に並んで配置されている。Y方向において、P配線54は電源端子91側に配置され、中継配線55は出力端子92側に配置されている。換言すると、P配線54は封止体30の側面30cに対して近い位置に配置され、中継配線55は側面30dに対して近い位置に配置されている。
The P wiring 54 and the relay wiring 55 are arranged side by side in the Y direction. In the Y direction, the P wiring 54 is arranged on the power supply terminal 91 side, and the relay wiring 55 is arranged on the output terminal 92 side. In other words, the P wiring 54 is arranged close to the side surface 30c of the sealing body 30, and the relay wiring 55 is arranged close to the side surface 30d.
P配線54は、切り欠き540を有している。切り欠き540は、X方向を長手方向とする平面略矩形状の4辺のひとつに開口している。切り欠き540は、側面30cと対向する辺において、X方向における略中央に設けられている。P配線54は、基部541と、一対の延設部542を有している。基部541および一対の延設部542が、切り欠き540を規定している。P配線54は、平面略U字状(凹字状)をなしている。
The P wiring 54 has a notch 540. The notch 540 opens on one of the four sides of a substantially rectangular shape in plan, with the X direction as the longitudinal direction. The notch 540 is provided on the side facing the side surface 30c, approximately in the center in the X direction. The P wiring 54 has a base 541 and a pair of extensions 542. The base 541 and the pair of extensions 542 define the notch 540. The P wiring 54 has a substantially U-shape (concave shape) in plan.
基部541は、切り欠き540および延設部542よりも中継配線55側の部分であり、平面略矩形状をなしている。基部541は、平面視において半導体素子40Hに重なっている。つまり、半導体素子40Hは、基部541に配置されている。半導体素子40Hのドレイン電極40Dは、基部541に接続されている。
The base 541 is a portion closer to the relay wiring 55 than the notch 540 and the extension 542, and has a generally rectangular shape in plan view. The base 541 overlaps the semiconductor element 40H in plan view. In other words, the semiconductor element 40H is disposed on the base 541. The drain electrode 40D of the semiconductor element 40H is connected to the base 541.
2つの延設部542は、基部541から、互いに同じ方向、具体的にはY方向であって封止体30の側面30c側に延びている。延設部542のひとつは基部541におけるX方向の一端付近に連なっており、他のひとつは、基部541の他端付近に連なっている。P配線54のU字の両端部、つまり、2つの延設部542における基部541とは反対側の端部は、Y方向において互いにほぼ同じ位置である。一対の延設部542は、X方向において切り欠き540を挟んでいる。Y方向の長さは、基部541のほうが、切り欠き540の深さおよび延設部542よりも長い。
The two extensions 542 extend from the base 541 in the same direction, specifically in the Y direction, toward the side surface 30c of the sealing body 30. One of the extensions 542 is connected to the vicinity of one end of the base 541 in the X direction, and the other is connected to the vicinity of the other end of the base 541. Both ends of the U-shape of the P wiring 54, that is, the ends of the two extensions 542 opposite the base 541, are at approximately the same position in the Y direction. The pair of extensions 542 sandwich the notch 540 in the X direction. The length of the base 541 in the Y direction is longer than the depth of the notch 540 and the extensions 542.
中継配線55も、切り欠き550を有している。切り欠き550は、平面略矩形状の4辺のひとつに開口している。切り欠き550は、側面30dと対向する辺において、X方向における略中央に設けられている。つまり、表面金属体52において、Y方向の端部のひとつに切り欠き540が設けられ、端部の他のひとつに切り欠き550が設けられている。
The relay wiring 55 also has a notch 550. The notch 550 opens on one of the four sides of the approximately rectangular shape in plan view. The notch 550 is provided in approximately the center in the X direction on the side opposite the side surface 30d. In other words, the surface metal body 52 has a notch 540 provided on one of the ends in the Y direction, and a notch 550 provided on the other end.
中継配線55は、基部551と、一対の延設部552を有している。基部551および一対の延設部552が、切り欠き550を規定している。中継配線55は、平面略U字状(凹字状)をなしている。基部551は、切り欠き550および延設部552よりもP配線54側の部分であり、平面略矩形状をなしている。基部551は、平面視において半導体素子40Lに重なっている。つまり、半導体素子40Lは、基部551に配置されている。半導体素子40Lのドレイン電極40Dは、基部551に接続されている。
The relay wiring 55 has a base 551 and a pair of extensions 552. The base 551 and the pair of extensions 552 define a notch 550. The relay wiring 55 has a generally U-shape (concave shape) in plan. The base 551 is a portion closer to the P wiring 54 than the notch 550 and the extensions 552, and has a generally rectangular shape in plan. The base 551 overlaps the semiconductor element 40L in a planar view. That is, the semiconductor element 40L is disposed on the base 551. The drain electrode 40D of the semiconductor element 40L is connected to the base 551.
2つの延設部552は、基部551から、互いに同じ方向、具体的にはY方向であって封止体30の側面30d側に延びている。延設部552のひとつは基部551におけるX方向の一端付近に連なっており、他のひとつは、基部551の他端付近に連なっている。中継配線55のU字の両端部、つまり、2つの延設部552における基部551とは反対側の端部は、Y方向において互いにほぼ同じ位置である。一対の延設部552は、X方向において切り欠き550を挟んでいる。Y方向の長さは、基部551のほうが、切り欠き550の深さおよび延設部552よりも長い。
The two extensions 552 extend from the base 551 in the same direction, specifically the Y direction, toward the side surface 30d of the sealing body 30. One of the extensions 552 is connected to the vicinity of one end of the base 551 in the X direction, and the other is connected to the vicinity of the other end of the base 551. Both ends of the U-shape of the relay wiring 55, that is, the ends of the two extensions 552 opposite the base 551, are at approximately the same position in the Y direction. The pair of extensions 552 sandwich the notch 550 in the X direction. The length of the base 551 in the Y direction is longer than the depth of the notch 550 and the extensions 552.
一方、表面金属体62は、図10および図13などに示すように、N配線64と、中継配線65を有している。N配線64と中継配線65は、所定の間隔(ギャップ)により、電気的に分離されている。このギャップには、封止体30が充填されている。
On the other hand, the surface metal body 62 has an N wiring 64 and a relay wiring 65, as shown in Figures 10 and 13. The N wiring 64 and the relay wiring 65 are electrically separated by a predetermined distance (gap). This gap is filled with the sealing body 30.
N配線64は、後述するN端子91Nおよび半導体素子40Lのソース電極40Sに接続されている。N配線64は、N端子91Nと半導体素子40Lのソース電極40Sとを電気的に接続している。N配線64は、N配線と称されることがある。中継配線65は、半導体素子40Hのソース電極40Sおよびアーム接続部80に接続されている。中継配線65は、半導体素子40Hのソース電極40Sとアーム接続部80とを電気的に接続している。表面金属体62(第2表面金属体)において、N配線64は第2電源配線であり、中継配線65は第2中継配線である。
The N wiring 64 is connected to the N terminal 91N and the source electrode 40S of the semiconductor element 40L, which will be described later. The N wiring 64 electrically connects the N terminal 91N and the source electrode 40S of the semiconductor element 40L. The N wiring 64 is sometimes referred to as the N wiring. The relay wiring 65 is connected to the source electrode 40S of the semiconductor element 40H and the arm connection part 80. The relay wiring 65 electrically connects the source electrode 40S of the semiconductor element 40H and the arm connection part 80. In the surface metal body 62 (second surface metal body), the N wiring 64 is the second power supply wiring, and the relay wiring 65 is the second relay wiring.
N配線64は、基部640と、一対の延設部641を有している。N配線64は、平面略U字状をなしている。基部640は、Y方向において中継配線65と並んで配置されている。基部640は、Y方向において側面30d側に配置されている。基部640は、X方向を長手方向とする平面略矩形状をなしている。図15に示すように、基部640は、平面視において半導体素子40Lに重なっている。つまり、半導体素子40Lは、基部640に配置されている。半導体素子40Lのソース電極40Sは、基部640に接続されている。
The N wiring 64 has a base 640 and a pair of extensions 641. The N wiring 64 has a generally U-shape in plan view. The base 640 is arranged alongside the relay wiring 65 in the Y direction. The base 640 is arranged on the side surface 30d in the Y direction. The base 640 has a generally rectangular shape in plan view with the X direction as its longitudinal direction. As shown in FIG. 15, the base 640 overlaps the semiconductor element 40L in plan view. That is, the semiconductor element 40L is arranged on the base 640. The source electrode 40S of the semiconductor element 40L is connected to the base 640.
2つの延設部641は、基部640から、互いに同じ方向、具体的にはY方向であって封止体30の側面30c側に延びている。延設部641のひとつは基部640におけるX方向の一端付近に連なっており、他のひとつは、基部640の他端付近に連なっている。N配線64のU字の両端部、つまり、2つの延設部641における基部640とは反対側の端部は、Y方向において互いにほぼ同じ位置である。
The two extensions 641 extend from the base 640 in the same direction, specifically the Y direction, toward the side surface 30c of the sealing body 30. One of the extensions 641 is connected to the vicinity of one end of the base 640 in the X direction, and the other is connected to the vicinity of the other end of the base 640. Both ends of the U-shape of the N wiring 64, that is, the ends of the two extensions 641 opposite the base 640, are at approximately the same position in the Y direction.
一対の延設部641は、X方向において表面金属体62の両端をなしている。一対の延設部641は、基板60の端部付近に配置されている。平面視において、一対の延設部641のそれぞれの一部が、P配線54に重なっている。Y方向の長さは、延設部641のほうが、基部640よりも長い。N配線64も、切り欠き642を有している。切り欠き642は、Y方向を長手方向とする平面略矩形状の4辺のひとつに開口している。切り欠き642は、側面30cと対向する辺において、X方向における略中央に設けられている。基部640および一対の延設部641が、切り欠き642を規定している。
The pair of extensions 641 form both ends of the surface metal body 62 in the X direction. The pair of extensions 641 are disposed near the ends of the substrate 60. In a plan view, a portion of each of the pair of extensions 641 overlaps the P wiring 54. The length of the extensions 641 in the Y direction is longer than that of the base 640. The N wiring 64 also has a notch 642. The notch 642 opens on one of the four sides of a substantially rectangular shape in plan view with the Y direction as the longitudinal direction. The notch 642 is provided on the side facing the side surface 30c, approximately in the center in the X direction. The base 640 and the pair of extensions 641 define the notch 642.
中継配線65は、上記したように、N配線64、具体的には基部640とY方向に並んで配置されている。Y方向において、中継配線65は、封止体30の側面30cに対して近い位置に配置され、基部640は側面30dに対して近い位置に配置されている。中継配線65は、X方向において一対の延設部641の間に配置されている。中継配線65は、一対の延設部641により挟まれている。中継配線65は、切り欠き642内に配置されている。中継配線65は、N配線64との間に所定の間隔(ギャップ)を有して配置されている。平面視において、中継配線65の一部はP配線54に重なり、他の一部は中継配線55に重なっている。
As described above, the relay wiring 65 is arranged in line with the N wiring 64, specifically the base 640, in the Y direction. In the Y direction, the relay wiring 65 is arranged close to the side surface 30c of the sealing body 30, and the base 640 is arranged close to the side surface 30d. The relay wiring 65 is arranged between a pair of extension parts 641 in the X direction. The relay wiring 65 is sandwiched between the pair of extension parts 641. The relay wiring 65 is arranged in the cutout 642. The relay wiring 65 is arranged with a predetermined interval (gap) between it and the N wiring 64. In a plan view, a part of the relay wiring 65 overlaps with the P wiring 54, and another part overlaps with the relay wiring 55.
図15に示すように、中継配線65は、平面視において半導体素子40Hに重なっている。つまり、半導体素子40Hは、中継配線65に配置されている。半導体素子40Hのソース電極40Sは、中継配線65に接続されている。表面金属体62の回路パターンのより詳細な例については後述する。
As shown in FIG. 15, the relay wiring 65 overlaps the semiconductor element 40H in a plan view. In other words, the semiconductor element 40H is disposed on the relay wiring 65. The source electrode 40S of the semiconductor element 40H is connected to the relay wiring 65. A more detailed example of the circuit pattern of the surface metal body 62 will be described later.
裏面金属体53、63は、絶縁基材51、61により、半導体素子40を含む回路とは電気的に分離されている。裏面金属体53、63は、金属ベース基板と称されることがある。半導体素子40の生じた熱は、表面金属体52、62および絶縁基材51、61を介して、裏面金属体53、63に伝わる。裏面金属体53、63は、放熱機能を提供する。本実施形態の裏面金属体53、63は、平面略矩形状をなしており、その外形輪郭が表面金属体52、62の外形輪郭とほぼ一致している。裏面金属体53、63は、絶縁基材51、61の裏面のほぼ全域に配置された、いわゆるベタ導体である。上記したように、フィラーの添加により絶縁基材51、61の線膨張係数を調整しているため、表裏でパターンを変えても反りを抑制することができる。もちろん、裏面金属体53、63を、平面視において表面金属体52、62と一致するように、パターニングしてもよい。
The back metal body 53, 63 is electrically isolated from the circuit including the semiconductor element 40 by the insulating substrate 51, 61. The back metal body 53, 63 is sometimes called a metal base substrate. The heat generated by the semiconductor element 40 is transferred to the back metal body 53, 63 through the front metal body 52, 62 and the insulating substrate 51, 61. The back metal body 53, 63 provides a heat dissipation function. The back metal body 53, 63 of this embodiment has a substantially rectangular shape in plan view, and its outer contour almost coincides with the outer contour of the front metal body 52, 62. The back metal body 53, 63 is a so-called solid conductor arranged over almost the entire back surface of the insulating substrate 51, 61. As described above, the linear expansion coefficient of the insulating substrate 51, 61 is adjusted by adding a filler, so that warping can be suppressed even if the patterns are changed on the front and back. Of course, the back metal bodies 53, 63 may be patterned so that they coincide with the front metal bodies 52, 62 in a plan view.
本実施形態の裏面金属体53、63は、対応する絶縁基材51、61の裏面のほぼ全域に配置されている。放熱効果をさらに高めるために、裏面金属体53、63の少なくともひとつは、封止体30から露出してもよい。本実施形態では、裏面金属体53が封止体30の一面30aから露出し、裏面金属体63が裏面30bから露出している。裏面金属体53の露出面は、一面30aと略面一である。裏面金属体63の露出面は、裏面30bと略面一である。裏面金属体53、63が、基板50、60の裏面50b、60bをなしている。
The back metal bodies 53, 63 in this embodiment are disposed over almost the entire back surface of the corresponding insulating substrate 51, 61. To further enhance the heat dissipation effect, at least one of the back metal bodies 53, 63 may be exposed from the sealing body 30. In this embodiment, the back metal body 53 is exposed from one surface 30a of the sealing body 30, and the back metal body 63 is exposed from the back surface 30b. The exposed surface of the back metal body 53 is approximately flush with the one surface 30a. The exposed surface of the back metal body 63 is approximately flush with the back surface 30b. The back metal bodies 53, 63 form the back surfaces 50b, 60b of the substrates 50, 60.
導電スペーサ70は、半導体素子40と基板60との間に、所定の間隔を確保するスペーサ機能を提供する。たとえば導電スペーサ70は、半導体素子40のパッド40Pに、対応する信号端子93を電気的に接続するための高さを確保する。導電スペーサ70は、半導体素子40のソース電極40Sと基板60との電気伝導、熱伝導経路の途中に位置し、配線機能および放熱機能を提供する。導電スペーサ70は、Cuなどの導電性、熱伝導性が良好な金属材料を含んでいる。導電スペーサ70は、表面にめっき膜を備えてもよい。導電スペーサ70は、平面視においてソース電極40Sとほぼ同じ大きさを有する平面略矩形状の柱状体である。
The conductive spacer 70 provides a spacer function that ensures a predetermined distance between the semiconductor element 40 and the substrate 60. For example, the conductive spacer 70 ensures a height for electrically connecting the corresponding signal terminal 93 to the pad 40P of the semiconductor element 40. The conductive spacer 70 is located midway along the electrical and thermal conduction paths between the source electrode 40S of the semiconductor element 40 and the substrate 60, and provides wiring and heat dissipation functions. The conductive spacer 70 contains a metal material with good electrical and thermal conductivity, such as Cu. The conductive spacer 70 may have a plating film on its surface. The conductive spacer 70 is a columnar body that is approximately rectangular in plan view and has approximately the same size as the source electrode 40S in a plan view.
導電スペーサ70は、ターミナル、ターミナルブロック、金属ブロック体と称されることがある。半導体装置20は、半導体素子40と同数の導電スペーサ70を備えている。具体的には、4つの導電スペーサ70を備えている。導電スペーサ70は、半導体素子40に個別に接続されている。
The conductive spacers 70 may be referred to as terminals, terminal blocks, or metal blocks. The semiconductor device 20 includes the same number of conductive spacers 70 as the semiconductor elements 40. Specifically, the semiconductor device 20 includes four conductive spacers 70. The conductive spacers 70 are individually connected to the semiconductor elements 40.
アーム接続部80は、中継配線55、65を電気的に接続する。つまり、アーム接続部80は、上アーム9Hと下アーム9Lとを電気的に接続する。アーム接続部80は,Y方向において、半導体素子40Hと半導体素子40Lの間に設けられている。アーム接続部80は、平面視において中継配線55と中継配線65との重なり領域に設けられている。本実施形態のアーム接続部80は、継手部81と、後述する接合材103を備えて構成される。
The arm connection part 80 electrically connects the relay wiring 55, 65. That is, the arm connection part 80 electrically connects the upper arm 9H and the lower arm 9L. The arm connection part 80 is provided between the semiconductor element 40H and the semiconductor element 40L in the Y direction. The arm connection part 80 is provided in the overlapping area of the relay wiring 55 and the relay wiring 65 in a plan view. The arm connection part 80 in this embodiment is configured with a joint part 81 and a bonding material 103 described later.
継手部81は、表面金属体52、62とは別に設けられた金属柱状体である。このような継手部81は、継手ターミナルと称されることがある。Z方向において、継手部81の端部のひとつと中継配線55との間に接合材103が介在し、端部の他のひとつと中継配線65との間に接合材103が介在している。
The joint part 81 is a metal columnar body provided separately from the surface metal bodies 52, 62. Such a joint part 81 is sometimes called a joint terminal. In the Z direction, a bonding material 103 is interposed between one end of the joint part 81 and the relay wiring 55, and a bonding material 103 is interposed between the other end and the relay wiring 65.
これに代えて、継手部81は、表面金属体52、62の少なくともひとつに一体的に連なるものでもよい。つまり、継手部81は、基板50、60の一部として表面金属体52、62と一体的に設けたものでもよい。アーム接続部80は、継手部81を備えない構成としてもよい。つまり、アーム接続部80が、接合材103のみを備える構成としてもよい。
Alternatively, the joint portion 81 may be integrally connected to at least one of the surface metal bodies 52, 62. In other words, the joint portion 81 may be provided integrally with the surface metal bodies 52, 62 as part of the substrates 50, 60. The arm connection portion 80 may not include the joint portion 81. In other words, the arm connection portion 80 may include only the bonding material 103.
外部接続端子90は、半導体装置20を外部機器と電気的に接続するための端子である。外部接続端子90は、銅などの導電性が良好な金属材料を用いて形成されている。外部接続端子90は、たとえば板材である。外部接続端子90は、リードと称されることがある。外部接続端子90は、電源端子91と、出力端子92と、信号端子93を備えている。電源端子91は、P端子91Pと、N端子91Nを備えている。P端子91P、N端子91N、および出力端子92は、半導体素子40の主電極と電気的に接続される主端子である。信号端子93は、上アーム9H側の信号端子93Hと、下アーム9L側の信号端子93Lを備えている。
The external connection terminal 90 is a terminal for electrically connecting the semiconductor device 20 to an external device. The external connection terminal 90 is formed using a metal material with good conductivity such as copper. The external connection terminal 90 is, for example, a plate material. The external connection terminal 90 is sometimes called a lead. The external connection terminal 90 includes a power terminal 91, an output terminal 92, and a signal terminal 93. The power terminal 91 includes a P terminal 91P and an N terminal 91N. The P terminal 91P, the N terminal 91N, and the output terminal 92 are main terminals electrically connected to the main electrodes of the semiconductor element 40. The signal terminal 93 includes a signal terminal 93H on the upper arm 9H side and a signal terminal 93L on the lower arm 9L side.
電源端子91は、上記した電源ライン7、8に電気的に接続される外部接続端子90である。P端子91Pは、平滑コンデンサ5の正極端子に電気的に接続される。P端子91Pは、正極端子、高電位電源端子と称されることがある。P端子91Pは、表面金属体52のP配線54に接続されている。つまり、P端子91Pは、上アーム9Hを構成する半導体素子40Hのドレイン電極40Dに接続されている。
The power supply terminal 91 is an external connection terminal 90 that is electrically connected to the power supply lines 7 and 8 described above. The P terminal 91P is electrically connected to the positive terminal of the smoothing capacitor 5. The P terminal 91P is sometimes referred to as a positive terminal or a high potential power supply terminal. The P terminal 91P is connected to the P wiring 54 of the surface metal body 52. In other words, the P terminal 91P is connected to the drain electrode 40D of the semiconductor element 40H that constitutes the upper arm 9H.
P端子91Pは、P配線54におけるY方向の一端付近に接続されている。P端子91Pは、P配線54との接続部(接合部)からY方向に延び、側面30cにおいてZ方向の中央付近から封止体30の外に突出している。本実施形態の半導体装置20は、2本のP端子91Pを備えている。図11に示すように、P端子91Pのひとつは一対の延設部542のひとつに接続され、他のひとつは一対の延設部542の他のひとつに接続されている。P端子91Pは、平面視においてN端子91Nと隣り合うように、延設部542のそれぞれにおいて切り欠き540に近い位置、つまり内寄りに配置されている。2つのP端子91Pは、X方向に並んで配置されている。2つのP端子91Pは、Z方向においてほぼ同じ位置に配置されている。
The P terminal 91P is connected to the P wiring 54 near one end in the Y direction. The P terminal 91P extends in the Y direction from the connection (joint) with the P wiring 54, and protrudes from the center of the side surface 30c in the Z direction to the outside of the sealing body 30. The semiconductor device 20 of this embodiment has two P terminals 91P. As shown in FIG. 11, one of the P terminals 91P is connected to one of the pair of extension parts 542, and the other is connected to the other of the pair of extension parts 542. The P terminal 91P is disposed in a position close to the notch 540, that is, on the inner side, in each of the extension parts 542 so as to be adjacent to the N terminal 91N in a plan view. The two P terminals 91P are disposed side by side in the X direction. The two P terminals 91P are disposed at approximately the same position in the Z direction.
N端子91Nは、平滑コンデンサ5の負極端子に電気的に接続される。N端子91Nは負極端子、低電位電源端子と称されることがある。N端子91Nは、表面金属体62のN配線64に接続されている。つまり、N端子91Nは、下アーム9Lを構成する半導体素子40Lのソース電極40Sに接続されている。
The N terminal 91N is electrically connected to the negative terminal of the smoothing capacitor 5. The N terminal 91N is sometimes referred to as the negative terminal or low potential power supply terminal. The N terminal 91N is connected to the N wiring 64 of the surface metal body 62. In other words, the N terminal 91N is connected to the source electrode 40S of the semiconductor element 40L that constitutes the lower arm 9L.
N端子91Nは、N配線64におけるY方向の一端付近に接続されている。N端子91Nは、N配線64との接合部からY方向に延び、側面30cにおいてZ方向の中央付近から封止体30の外に突出している。半導体装置20は、2本のN端子91Nを備えている。図15などに示すように、N端子91Nのひとつは一対の延設部641のひとつに接続され、他のひとつは一対の延設部641の他のひとつに接続されている。2つのN端子91Nは、Y方向に並んで配置されている。2つのN端子91Nは、Z方向においてほぼ同じ位置に配置されている。
The N terminal 91N is connected to the N wiring 64 near one end in the Y direction. The N terminal 91N extends in the Y direction from the joint with the N wiring 64, and protrudes outside the sealing body 30 from near the center in the Z direction on the side surface 30c. The semiconductor device 20 has two N terminals 91N. As shown in FIG. 15 etc., one of the N terminals 91N is connected to one of the pair of extension portions 641, and the other is connected to the other one of the pair of extension portions 641. The two N terminals 91N are arranged side by side in the Y direction. The two N terminals 91N are arranged at approximately the same position in the Z direction.
2つのN端子91Nは、X方向において2つのP端子91Pの外側に配置されている。平面視において、N端子91NのひとつはP端子91Pのひとつの近傍に配置され、N端子91Nの他のひとつはP端子91Pの他のひとつの近傍に配置されている。X方向において隣り合うN端子91NとP端子91Pは、封止体30から突出した部分を含む一部分において、互いに側面が対向している。
The two N terminals 91N are arranged outside the two P terminals 91P in the X direction. In a plan view, one of the N terminals 91N is arranged near one of the P terminals 91P, and the other N terminal 91N is arranged near the other P terminal 91P. The N terminal 91N and P terminal 91P adjacent to each other in the X direction have their sides facing each other in a portion that includes a portion protruding from the sealing body 30.
出力端子92は、モータジェネレータ3の対応する相の巻線3a(固定子コイル)に電気的に接続される。出力端子92は、O端子、交流端子などと称されることがある。図3および図7に示すように、出力端子92は、基板50における表面金属体52の中継配線55に接続されている。つまり、出力端子92は、上アーム9Hと下アーム9Lとの接続点に接続されている。
The output terminal 92 is electrically connected to the winding 3a (stator coil) of the corresponding phase of the motor generator 3. The output terminal 92 may be referred to as an O terminal, an AC terminal, etc. As shown in Figures 3 and 7, the output terminal 92 is connected to the relay wiring 55 of the surface metal body 52 on the substrate 50. In other words, the output terminal 92 is connected to the connection point between the upper arm 9H and the lower arm 9L.
出力端子92は、中継配線55におけるY方向の一端付近に接続されている。出力端子92は、中継配線55との接合部からY方向に延び、側面30dにおいてZ方向の中央付近から封止体30の外に突出している。半導体装置20は、2本の出力端子92を備えている。出力端子92のひとつは一対の延設部552のひとつに接続され、他のひとつは一対の延設部552の他のひとつに接続されている。2つの出力端子92は、X方向に並んで配置されている。2つの出力端子92は、Z方向においてほぼ同じ位置に配置されている。
The output terminal 92 is connected to the relay wiring 55 near one end in the Y direction. The output terminal 92 extends in the Y direction from the joint with the relay wiring 55, and protrudes outside the sealing body 30 from near the center in the Z direction on the side surface 30d. The semiconductor device 20 has two output terminals 92. One of the output terminals 92 is connected to one of the pair of extension portions 552, and the other is connected to the other of the pair of extension portions 552. The two output terminals 92 are arranged side by side in the X direction. The two output terminals 92 are arranged at approximately the same position in the Z direction.
信号端子93は、図示しない駆動回路(ドライバ)と電気的に接続される。信号端子93Hは、ボンディングワイヤ110などの接続部材を介して、半導体素子40Hのパッド40Pに電気的に接続されている。信号端子93Hの本数は特に限定されるものではない。信号端子93Hは、少なくとも半導体素子40Hのゲート電極に駆動電圧を印加するための端子を少なくとも含めばよい。本実施形態の半導体装置20は、2本の信号端子93Hを備えている。信号端子93Hのひとつは、ゲート電極用の端子である。ゲート電極用の信号端子93Hには、2つの半導体素子40Hのゲート電極用のパッド40Pが電気的に接続されている。信号端子93Hは、平面視においてP配線54の切り欠き540に重なる位置に配置されている。信号端子93Hにおいて、ボンディングワイヤ110との接合部は、表面金属体52ではなく、絶縁基材51と対向している。2本の信号端子93Hは、X方向に横並びで配置されている。
The signal terminal 93 is electrically connected to a drive circuit (driver) not shown. The signal terminal 93H is electrically connected to the pad 40P of the semiconductor element 40H via a connection member such as a bonding wire 110. The number of signal terminals 93H is not particularly limited. The signal terminal 93H may include at least a terminal for applying a drive voltage to the gate electrode of the semiconductor element 40H. The semiconductor device 20 of this embodiment has two signal terminals 93H. One of the signal terminals 93H is a terminal for a gate electrode. The gate electrode pads 40P of the two semiconductor elements 40H are electrically connected to the signal terminal 93H for the gate electrode. The signal terminal 93H is arranged at a position overlapping the notch 540 of the P wiring 54 in a plan view. In the signal terminal 93H, the joint with the bonding wire 110 faces the insulating substrate 51, not the surface metal body 52. The two signal terminals 93H are arranged side by side in the X direction.
信号端子93Hは、ボンディングワイヤ110との接合部からY方向に延び、側面30cにおいてZ方向の中央付近から封止体30の外に突出している。信号端子93Hの突出部の少なくとも一部は、電源端子91と同方向に延びている。信号端子93Hは、X方向において、2つのP端子91Pの間に配置されている。つまり、側面30cから突出する外部接続端子90は、X方向において、N端子91N、P端子91P、2本の信号端子93H、P端子91P、N端子91Nの順に配置されている。
The signal terminal 93H extends in the Y direction from the joint with the bonding wire 110, and protrudes from the side surface 30c near the center in the Z direction outside the sealing body 30. At least a part of the protruding portion of the signal terminal 93H extends in the same direction as the power terminal 91. The signal terminal 93H is disposed between the two P terminals 91P in the X direction. In other words, the external connection terminals 90 protruding from the side surface 30c are disposed in the following order in the X direction: N terminal 91N, P terminal 91P, two signal terminals 93H, P terminal 91P, and N terminal 91N.
信号端子93Lは、ボンディングワイヤ110などの接続部材を介して、半導体素子40Lのパッド40Pに電気的に接続されている。信号端子93Lの本数は特に限定されるものではない。信号端子93Lは、少なくとも半導体素子40Lのゲート電極に駆動電圧を印加するための端子を少なくとも含めばよい。本実施形態の半導体装置20は、4本の信号端子93Lを備えている。信号端子93Lのひとつは、ゲート電極用の端子である。ゲート電極用の信号端子93Lには、2つの半導体素子40Lのゲート電極用のパッド40Pが電気的に接続されている。信号端子93Lは、平面視において中継配線55の切り欠き550に重なる位置に配置されている。信号端子93Lにおいて、ボンディングワイヤ110との接合部は、表面金属体52ではなく、絶縁基材51と対向している。4本の信号端子93Lは、X方向に横並びで配置されている。
The signal terminal 93L is electrically connected to the pad 40P of the semiconductor element 40L via a connecting member such as a bonding wire 110. The number of signal terminals 93L is not particularly limited. The signal terminal 93L may include at least a terminal for applying a drive voltage to the gate electrode of the semiconductor element 40L. The semiconductor device 20 of this embodiment has four signal terminals 93L. One of the signal terminals 93L is a terminal for a gate electrode. The gate electrode pads 40P of the two semiconductor elements 40L are electrically connected to the signal terminal 93L for the gate electrode. The signal terminal 93L is arranged at a position overlapping the notch 550 of the relay wiring 55 in a plan view. In the signal terminal 93L, the joint with the bonding wire 110 faces the insulating substrate 51, not the surface metal body 52. The four signal terminals 93L are arranged side by side in the X direction.
信号端子93Lは、ボンディングワイヤ110との接合部からY方向に延び、側面30dにおいてZ方向の中央付近から封止体30の外に突出している。信号端子93Lの突出部の少なくとも一部は、出力端子92と同方向に延びている。信号端子93Lは、X方向において、2つの出力端子92の間に配置されている。つまり、側面30dから突出する外部接続端子90は、X方向において、出力端子92、4本の信号端子93L、出力端子92の順に配置されている。
The signal terminal 93L extends in the Y direction from the joint with the bonding wire 110, and protrudes from the side surface 30d near the center in the Z direction outside the sealing body 30. At least a portion of the protruding portion of the signal terminal 93L extends in the same direction as the output terminal 92. The signal terminal 93L is disposed between the two output terminals 92 in the X direction. In other words, the external connection terminals 90 protruding from the side surface 30d are disposed in the following order in the X direction: the output terminal 92, the four signal terminals 93L, and the output terminal 92.
半導体素子40のドレイン電極40Dは、接合材100を介して表面金属体52に接合されている。半導体素子40のソース電極40Sは、接合材101を介して導電スペーサ70に接合されている。導電スペーサ70は、接合材102を介して表面金属体62に接合されている。継手部81は、接合材103を介して金属体52、62に接合されている。外部接続端子90のうち、主端子であるP端子91P、N端子91N、および出力端子92は、接合材104を介して対応する表面金属体52、62に接合されている。
The drain electrode 40D of the semiconductor element 40 is joined to the surface metal body 52 via a bonding material 100. The source electrode 40S of the semiconductor element 40 is joined to the conductive spacer 70 via a bonding material 101. The conductive spacer 70 is joined to the surface metal body 62 via a bonding material 102. The joint portion 81 is joined to the metal bodies 52, 62 via a bonding material 103. Of the external connection terminals 90, the P terminal 91P, N terminal 91N, and output terminal 92, which are main terminals, are joined to the corresponding surface metal bodies 52, 62 via a bonding material 104.
接合材100~104は、導電性を有する接合材である。たとえば、接合材100~104として、はんだを採用することができる。はんだの一例は、Snの他に、Cu、Niなどを含む多元系の鉛フリーはんだである。はんだに代えて、焼結銀などのシンター系の接合材を用いてもよい。P端子91P、N端子91N、および出力端子92は、接合材104を介さずに、対応する表面金属体52、62に直接的に接合されてもよい。P端子91P、N端子91N、および出力端子92は、たとえば超音波接合、摩擦撹拌接合、レーザ溶接などにより、表面金属体52、62に直接接合されてもよい。継手部81が基板50、60とは別に設けられる場合、継手部81は、表面金属体52、62に直接接合されてもよい。
The bonding materials 100 to 104 are conductive bonding materials. For example, solder can be used as the bonding materials 100 to 104. An example of solder is a multi-element lead-free solder containing Cu, Ni, and the like in addition to Sn. A sintered bonding material such as sintered silver may be used instead of solder. The P terminal 91P, the N terminal 91N, and the output terminal 92 may be directly bonded to the corresponding surface metal bodies 52, 62 without using the bonding material 104. The P terminal 91P, the N terminal 91N, and the output terminal 92 may be directly bonded to the surface metal bodies 52, 62 by, for example, ultrasonic bonding, friction stir bonding, laser welding, or the like. When the joint portion 81 is provided separately from the substrates 50, 60, the joint portion 81 may be directly bonded to the surface metal bodies 52, 62.
上記したように、半導体装置20では、封止体30によって一相分の上下アーム回路9を構成する複数の半導体素子40が封止されている。封止体30は、複数の半導体素子40、基板50の一部、基板60の一部、複数の導電スペーサ70、アーム接続部80、および外部接続端子90それぞれの一部を、一体的に封止している。封止体30は、基板50、60において、絶縁基材51、61および表面金属体52、62を封止している。
As described above, in the semiconductor device 20, the multiple semiconductor elements 40 that constitute the upper and lower arm circuits 9 for one phase are sealed by the sealing body 30. The sealing body 30 integrally seals the multiple semiconductor elements 40, a part of the substrate 50, a part of the substrate 60, the multiple conductive spacers 70, the arm connection portion 80, and a part of each of the external connection terminals 90. The sealing body 30 seals the insulating substrates 51, 61 and the surface metal bodies 52, 62 in the substrates 50, 60.
半導体素子40は、Z方向において、基板50、60の間に配置されている。半導体素子40は、対向配置された基板50、60によって挟まれている。これにより、半導体素子40の熱を、Z方向において両側に放熱することができる。半導体装置20は、両面放熱構造をなしている。基板50の裏面50bは、封止体30の一面30aと略面一となっている。基板60の裏面60bは、封止体30の裏面30bと略面一となっている。裏面50b、60bが露出面であるため、放熱性を高めることができる。
The semiconductor element 40 is disposed between the substrates 50 and 60 in the Z direction. The semiconductor element 40 is sandwiched between the substrates 50 and 60, which are disposed opposite each other. This allows the heat of the semiconductor element 40 to be dissipated to both sides in the Z direction. The semiconductor device 20 has a double-sided heat dissipation structure. The back surface 50b of the substrate 50 is approximately flush with one surface 30a of the sealing body 30. The back surface 60b of the substrate 60 is approximately flush with the back surface 30b of the sealing body 30. Because the back surfaces 50b and 60b are exposed surfaces, heat dissipation can be improved.
<製造方法>
次に、図10に基づき、半導体装置20の製造方法の一例について説明する。図10では、その後の組付けが分かり易いように、基板50、と基板60とを対向させて図示している。
<Production Method>
Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor device 20 will be described with reference to Fig. 10. In Fig. 10, the substrate 50 and the substrate 60 are shown facing each other in order to make the subsequent assembly easier to understand.
まず、半導体素子40、基板50、60、導電スペーサ70、継手部81、およびリードフレーム94をそれぞれ準備する。リードフレーム94は、図10に示すように、外部接続端子90を備えている。リードフレーム94は、金属板にプレスなどの加工を施すことで形成されている。外部接続端子90は、タイバー94aを介して外周フレーム94bに支持されている。
First, the semiconductor element 40, the substrates 50 and 60, the conductive spacer 70, the joint portion 81, and the lead frame 94 are prepared. As shown in FIG. 10, the lead frame 94 has external connection terminals 90. The lead frame 94 is formed by subjecting a metal plate to processing such as pressing. The external connection terminals 90 are supported by the outer frame 94b via tie bars 94a.
次いで、基板50に対して、半導体素子40、継手部81、および外部接続端子90を接合(接続)する。また、半導体素子40に導電スペーサ70を接合する。
Next, the semiconductor element 40, the joint portion 81, and the external connection terminal 90 are joined (connected) to the substrate 50. In addition, the conductive spacer 70 is joined to the semiconductor element 40.
このとき、基板50上に、リードフレーム94および半導体素子40を配置する。また、半導体素子40のソース電極40S上に導電スペーサ70を配置する。リードフレーム94については、外部接続端子90のそれぞれの一部が平面視において基板50に重なるように配置する。具体的には、P端子91PおよびN端子91Nが、表面金属体52のP配線54に重なり、出力端子92が中継配線55に重なるように配置する。また、信号端子93Hが切り欠き540から露出する絶縁基材51に重なり、信号端子93Lが切り欠き550から露出する絶縁基材51に重なるように配置する。
At this time, the lead frame 94 and the semiconductor element 40 are placed on the substrate 50. In addition, a conductive spacer 70 is placed on the source electrode 40S of the semiconductor element 40. The lead frame 94 is placed so that each of the external connection terminals 90 partially overlaps the substrate 50 in a plan view. Specifically, the P terminal 91P and the N terminal 91N are placed so that they overlap the P wiring 54 of the surface metal body 52, and the output terminal 92 overlaps the relay wiring 55. In addition, the signal terminal 93H is placed so that it overlaps the insulating base material 51 exposed from the cutout 540, and the signal terminal 93L is placed so that it overlaps the insulating base material 51 exposed from the cutout 550.
そして、接合材100により、半導体素子40のドレイン電極40Dと表面金属体52とを接合する。接合材101により、ソース電極40Sと導電スペーサ70とを接合する。接合材103により、継手部81と表面金属体52とを接合する。接合材104により、P端子91Pおよび出力端子92と表面金属体52とを接合する。たとえば、はんだの場合、リフローによって一括で接合を行うことができる。図10は、この接合状態を示している。
Then, the drain electrode 40D of the semiconductor element 40 is bonded to the surface metal body 52 with a bonding material 100. The source electrode 40S is bonded to the conductive spacer 70 with a bonding material 101. The joint portion 81 is bonded to the surface metal body 52 with a bonding material 103. The P terminal 91P and the output terminal 92 are bonded to the surface metal body 52 with a bonding material 104. For example, in the case of solder, the bonding can be performed all at once by reflow. Figure 10 shows this bonded state.
次いで、半導体素子40Hのパッド40Pと信号端子93Hとを、ボンディングワイヤ110により電気的に接続する。同様に、半導体素子40Lのパッド40Pと信号端子93Lとを、ボンディングワイヤ110により電気的に接続する。
Next, the pad 40P of the semiconductor element 40H and the signal terminal 93H are electrically connected by a bonding wire 110. Similarly, the pad 40P of the semiconductor element 40L and the signal terminal 93L are electrically connected by a bonding wire 110.
次いで、基板60を接合(接続)する。接合材102を介して、半導体素子40のソース電極40Sと表面金属体62とを接合する。接合材103を介して、継手部81と表面金属体62とを接合する。接合材104を介して、N端子91Nと表面金属体62とを接合する。たとえば、はんだの場合、リフローによって一括で接合を行うことができる。
Then, the substrate 60 is bonded (connected). The source electrode 40S of the semiconductor element 40 is bonded to the surface metal body 62 via a bonding material 102. The joint portion 81 is bonded to the surface metal body 62 via a bonding material 103. The N terminal 91N is bonded to the surface metal body 62 via a bonding material 104. For example, in the case of solder, the bonding can be performed all at once by reflow.
次いで、トランスファモールド法により封止体30の成形を行う。図示を省略するが、本実施形態では、基板50、60が完全に被覆されるように封止体30を成形し、成形後に切削を行う。封止体30を基板50、60の裏面金属体53、63の一部ごと切削する。これにより、裏面50b、60bを露出させる。裏面50bは封止体30の一面30aと略面一となり、裏面60bは裏面30bと略面一となる。なお、裏面50b、60bを成形金型のキャビティ壁面に押し当て、密着させた状態で、封止体30を成形してもよい。この場合、封止体30を成形した時点で、裏面50b、60bが封止体30から露出する。このため、成形後の切削が不要となる。
Next, the sealing body 30 is molded by the transfer molding method. Although not shown in the figure, in this embodiment, the sealing body 30 is molded so that the substrates 50 and 60 are completely covered, and cutting is performed after molding. The sealing body 30 is cut together with a part of the rear metal body 53, 63 of the substrates 50 and 60. This exposes the rear surfaces 50b and 60b. The rear surface 50b is approximately flush with one surface 30a of the sealing body 30, and the rear surface 60b is approximately flush with the rear surface 30b. The sealing body 30 may be molded with the rear surfaces 50b and 60b pressed against the cavity wall surface of the molding die and in close contact with each other. In this case, the rear surfaces 50b and 60b are exposed from the sealing body 30 at the time when the sealing body 30 is molded. Therefore, cutting after molding is not necessary.
次いで、リードフレーム94において、タイバー94a、外周フレーム94bなどの不要部分を除去する。以上により、半導体装置20を得ることができる。
Next, unnecessary parts of the lead frame 94, such as the tie bars 94a and the outer peripheral frame 94b, are removed. In this manner, the semiconductor device 20 can be obtained.
<位置関係>
次に、図14および図15に基づき、半導体素子40、表面金属体52、62の回路パターン、アーム接続部80、および回路パターンに接続される外部接続端子90の位置関係について説明する。図14は、表面金属体52の回路パターン、半導体素子40、端子の配置を示す図である。図15は、表面金属体62の回路パターン、半導体素子40、端子の配置を示す図である。図14および図15では、便宜上、回路パターンに接続される外部接続端子90のみを図示している。図14では、表面金属体52に接続される主電極(ドレイン電極40D)が分かりやすいように、半導体素子40の配置領域にDと示している。同様に、図15では、表面金属体62に接続される主電極(ソース電極40S)が分かりやすいように、半導体素子40の配置領域にSと示している。
<Location>
Next, the positional relationship between the semiconductor element 40, the circuit patterns of the front surface metal bodies 52 and 62, the arm connection portion 80, and the external connection terminal 90 connected to the circuit pattern will be described with reference to Figs. 14 and 15. Fig. 14 is a diagram showing the arrangement of the circuit pattern of the front surface metal body 52, the semiconductor element 40, and the terminals. Fig. 15 is a diagram showing the arrangement of the circuit pattern of the front surface metal body 62, the semiconductor element 40, and the terminals. For convenience, Figs. 14 and 15 show only the external connection terminal 90 connected to the circuit pattern. In Fig. 14, the arrangement area of the semiconductor element 40 is indicated as D so that the main electrode (drain electrode 40D) connected to the front surface metal body 52 can be easily seen. Similarly, in Fig. 15, the arrangement area of the semiconductor element 40 is indicated as S so that the main electrode (source electrode 40S) connected to the front surface metal body 62 can be easily seen.
図14に示す仮想線CL1は、ひとつのアームを構成する2つの半導体素子40の中点を通る仮想的な線である。仮想線CL1は、2つの半導体素子40の並び方向における中点(中央)を通り、Y方向に延びている。仮想線CL1は、たとえば2つの半導体素子40Hの中点を通る線である。半導体素子40Hに代えて、半導体素子40Lの中点を通る線としてもよい。
The imaginary line CL1 shown in FIG. 14 is an imaginary line that passes through the midpoints of the two semiconductor elements 40 that make up one arm. The imaginary line CL1 passes through the midpoint (center) of the two semiconductor elements 40 in the arrangement direction, and extends in the Y direction. The imaginary line CL1 is, for example, a line that passes through the midpoint of the two semiconductor elements 40H. Instead of the semiconductor element 40H, it may be a line that passes through the midpoint of the semiconductor element 40L.
図14に示すように、2つの半導体素子40Hの配置は、仮想線CL1に対して略線対称である。同様に、2つの半導体素子40Lの配置も、仮想線CL1に対して略線対称である。ここで、略線対称とは、製造ばらつき程度の誤差を許容し得る。表面金属体52の回路パターンも、仮想線CL1に対して略線対称である。つまり、P配線54および中継配線55のそれぞれが、仮想線CL1に対して略線対称である。
As shown in FIG. 14, the arrangement of the two semiconductor elements 40H is approximately line-symmetrical with respect to the imaginary line CL1. Similarly, the arrangement of the two semiconductor elements 40L is also approximately line-symmetrical with respect to the imaginary line CL1. Here, approximately line-symmetrical allows for an error of the order of manufacturing variation. The circuit pattern of the surface metal body 52 is also approximately line-symmetrical with respect to the imaginary line CL1. In other words, each of the P wiring 54 and the relay wiring 55 is approximately line-symmetrical with respect to the imaginary line CL1.
中継配線55に接続されるアーム接続部80の配置も、仮想線CL1に対して略線対称である。表面金属体52に接続された外部接続端子90の配置も、仮想線CL1に対して略線対称である。つまり、2つのP端子91Pの配置も、仮想線CL1に対して略線対称である。2つの出力端子92の配置も、仮想線CL1に対して略線対称である。
The arrangement of the arm connection portion 80 connected to the relay wiring 55 is also approximately line-symmetrical with respect to the imaginary line CL1. The arrangement of the external connection terminal 90 connected to the surface metal body 52 is also approximately line-symmetrical with respect to the imaginary line CL1. In other words, the arrangement of the two P terminals 91P is also approximately line-symmetrical with respect to the imaginary line CL1. The arrangement of the two output terminals 92 is also approximately line-symmetrical with respect to the imaginary line CL1.
図14同様、図15にも仮想線CL1を示している。半導体素子40H、40Lの配置は、図14と同様である。図15に示すように、表面金属体62の回路パターンも、仮想線CL1に対して略線対称である。つまり、N配線64および中継配線65のそれぞれが、仮想線CL1に対して略線対称である。中継配線65に接続されるアーム接続部80の配置も、図14同様、仮想線CL1に対して略線対称である。表面金属体62に接続された外部接続端子90である2つのN端子91Nの配置も、仮想線CL1に対して略線対称である。
As in FIG. 14, FIG. 15 also shows a virtual line CL1. The arrangement of the semiconductor elements 40H, 40L is the same as in FIG. 14. As shown in FIG. 15, the circuit pattern of the surface metal body 62 is also approximately line-symmetrical with respect to the virtual line CL1. That is, each of the N wiring 64 and the relay wiring 65 is approximately line-symmetrical with respect to the virtual line CL1. As in FIG. 14, the arrangement of the arm connection portion 80 connected to the relay wiring 65 is also approximately line-symmetrical with respect to the virtual line CL1. The arrangement of the two N terminals 91N, which are external connection terminals 90 connected to the surface metal body 62, is also approximately line-symmetrical with respect to the virtual line CL1.
<回路パターン>
次に、図15に基づき、表面金属体62の回路パターンについてさらに詳しく説明する。図15に示す一点鎖線は、それぞれの領域の境界を示している。
<Circuit pattern>
Next, the circuit pattern of the surface metal body 62 will be described in more detail with reference to Fig. 15. The dashed dotted lines shown in Fig. 15 indicate the boundaries of the respective regions.
上記したように、基板60の表面金属体62は、N配線64と、中継配線65を有している。N配線64は、基部640と、一対の延設部641を有している。一対の延設部641は、基部640からY方向であって封止体30の側面30c側に延びている。N配線64は、表面金属体62の外形輪郭を規定している。中継配線65は、一対の延設部641によって挟まれている。中継配線65は、N配線64の切り欠き642内に配置されている。
As described above, the surface metal body 62 of the substrate 60 has an N wiring 64 and a relay wiring 65. The N wiring 64 has a base 640 and a pair of extension parts 641. The pair of extension parts 641 extend from the base 640 in the Y direction toward the side surface 30c of the sealing body 30. The N wiring 64 defines the outer contour of the surface metal body 62. The relay wiring 65 is sandwiched between the pair of extension parts 641. The relay wiring 65 is disposed within the cutout 642 of the N wiring 64.
図15に示すように、中継配線65は、Y方向の一端として端部650を有している。端部650は、Y方向において基部640側の端部である。一方、N配線64の基部640は、端部650との対向辺640aを有している。対向辺640aは、基部640において、一対の延設部641の間の部分である。また、基部640は、半導体素子40Lの配置領域640bを有している。配置領域640bは、図15に二点鎖線で示すように、半導体素子40Lの外形輪郭によって規定される。配置領域640bは、平面視において半導体素子40Lに重なる領域を含み、複数の半導体素子40Lを含む場合には素子間の領域も含む。素子間の領域とは、半導体素子40Lの並び方向において、半導体素子40L同士の対向領域である。
15, the relay wiring 65 has an end 650 as one end in the Y direction. The end 650 is an end on the base 640 side in the Y direction. On the other hand, the base 640 of the N wiring 64 has an opposing side 640a with respect to the end 650. The opposing side 640a is a portion of the base 640 between a pair of extension parts 641. The base 640 also has an arrangement region 640b for the semiconductor element 40L. The arrangement region 640b is defined by the outer contour of the semiconductor element 40L as shown by the two-dot chain line in FIG. 15. The arrangement region 640b includes an area overlapping the semiconductor element 40L in a plan view, and also includes an area between the elements when multiple semiconductor elements 40L are included. The area between the elements is an opposing area between the semiconductor elements 40L in the arrangement direction of the semiconductor elements 40L.
ここで、X方向の長さL1、L2、L3を、以下のように定義する。長さL1は、図15に示すように中継配線65の端部650の長さである。長さL2は、基部640の対向辺640aの長さである。長さL3は、基部640における配置領域640bの長さである。本実施形態では、L1<L2<L3の関係を満たしている。
Here, the lengths L1, L2, and L3 in the X direction are defined as follows. Length L1 is the length of the end 650 of the relay wiring 65 as shown in FIG. 15. Length L2 is the length of the opposing side 640a of the base 640. Length L3 is the length of the placement area 640b in the base 640. In this embodiment, the relationship L1<L2<L3 is satisfied.
本実施形態の中継配線65は、縮幅部651aを有している。縮幅部651aは、端部650を含む。縮幅部651aは、端部650からY方向に所定範囲の部分である。縮幅部651aのX方向の長さ、つまり幅は、端部650で最小である。縮幅部651aにおいて、任意の第1位置の幅W1は、第1位置よりも端部650から離れた第2位置の幅W2以下である。
The relay wiring 65 of this embodiment has a reduced width portion 651a. The reduced width portion 651a includes the end portion 650. The reduced width portion 651a is a portion within a predetermined range in the Y direction from the end portion 650. The length in the X direction of the reduced width portion 651a, i.e., the width, is smallest at the end portion 650. In the reduced width portion 651a, the width W1 at an arbitrary first position is equal to or smaller than the width W2 at a second position that is farther from the end portion 650 than the first position.
縮幅部651aの幅は、たとえばY方向に所定長さごと、段階的に縮小してもよい。つまり、縮幅部651aのX方向の端部が、階段状に変化してもよい。本実施形態では、縮幅部651aのX方向の長さが、基部640に近いほど短くなっている。つまり、縮幅部651aの幅は、基部640に向けて連続的に縮小している。アーム接続部80は、縮幅部651aに配置されている。
The width of the reduced width portion 651a may be reduced stepwise, for example, by a predetermined length in the Y direction. In other words, the end of the reduced width portion 651a in the X direction may change in a step-like manner. In this embodiment, the length of the reduced width portion 651a in the X direction is shorter the closer it is to the base 640. In other words, the width of the reduced width portion 651a is continuously reduced toward the base 640. The arm connection portion 80 is disposed in the reduced width portion 651a.
中継配線65は、端部650を含む縮幅部651aのみを有してもよい。この場合、半導体素子40Hも縮幅部651aに配置される。本実施形態の中継配線65は、定幅部651bを有している。定幅部651bは、縮幅部651aに連なっており、Y方向の所定範囲にわたって幅が一定の部分である。そして、半導体素子40Hは、定幅部651bに配置されている。
The relay wiring 65 may have only the reduced width portion 651a including the end portion 650. In this case, the semiconductor element 40H is also disposed in the reduced width portion 651a. In this embodiment, the relay wiring 65 has a constant width portion 651b. The constant width portion 651b is connected to the reduced width portion 651a and has a constant width over a predetermined range in the Y direction. The semiconductor element 40H is disposed in the constant width portion 651b.
本実施形態の中継配線65は、さらに縮幅部651cを有している。縮幅部651cは、端部650とは反対の端部652を含む。縮幅部651cは、縮幅部651aとは反対で、定幅部651bに連なっている。縮幅部651cの幅は、端部652で最小である。縮幅部651cにおいて、任意の第1位置の幅は、第1位置よりも端部652から離れた第2位置の幅以下である。本実施形態において、縮幅部651cの幅は、端部652に向けて連続的に縮小している。中継配線65において、縮幅部651a、651cは、定幅部651bから離れるほど、幅が狭くなっている。
The relay wiring 65 of this embodiment further has a reduced width portion 651c. The reduced width portion 651c includes an end portion 652 opposite the end portion 650. The reduced width portion 651c is opposite the reduced width portion 651a and is connected to the constant width portion 651b. The width of the reduced width portion 651c is smallest at the end portion 652. In the reduced width portion 651c, the width at an arbitrary first position is equal to or smaller than the width at a second position that is farther from the end portion 652 than the first position. In this embodiment, the width of the reduced width portion 651c is continuously reduced toward the end portion 652. In the relay wiring 65, the reduced width portions 651a and 651c become narrower the further away they are from the constant width portion 651b.
本実施形態では、N配線64と中継配線65との間隔が対向領域の全域でほぼ一定である。N配線64の延設部641は、中継配線65との間隔がほぼ一定となるようにパターニングされている。延設部641のそれぞれは、拡幅部641aと、定幅部641bと、拡幅部641cを有している。
In this embodiment, the distance between the N wiring 64 and the relay wiring 65 is approximately constant throughout the entire opposing region. The extension portion 641 of the N wiring 64 is patterned so that the distance between the N wiring 64 and the relay wiring 65 is approximately constant. Each of the extension portions 641 has a widened portion 641a, a constant width portion 641b, and a widened portion 641c.
拡幅部641aは、基部640に連なり、基部640との境界からY方向に所定範囲の部分である。拡幅部641aのX方向の長さ、つまり幅は、基部640との境界で最大である。拡幅部641aにおいて、任意の第1位置の幅は、第1位置よりも基部640から離れた第2位置の幅以上である。本実施形態の拡幅部641aの幅は、基部640に向けて連続的に拡大している。定幅部641bは、拡幅部641aに連なり、Y方向の所定範囲にわたって幅が一定の部分である。定幅部641bは、中継配線65の定幅部651bに対向している。
The widened portion 641a is connected to the base 640 and is a portion that is a predetermined range in the Y direction from the boundary with the base 640. The length in the X direction of the widened portion 641a, i.e., the width, is maximum at the boundary with the base 640. In the widened portion 641a, the width at an arbitrary first position is equal to or greater than the width at a second position that is farther from the base 640 than the first position. In this embodiment, the width of the widened portion 641a increases continuously toward the base 640. The constant width portion 641b is connected to the widened portion 641a and is a portion whose width is constant over a predetermined range in the Y direction. The constant width portion 641b faces the constant width portion 651b of the relay wiring 65.
拡幅部641cは、拡幅部641aとは反対で、定幅部641bに連なっている。拡幅部641aは、縮幅部651cよりも側面30cに近い位置まで延びている。拡幅部641cは、延設部641の先端部641dを含む。拡幅部641cの幅は、先端部641dで最大である。拡幅部641cにおいて、任意の第1位置の幅は、第1位置よりも先端部641dから離れた第2位置の幅以上である。本実施形態において、拡幅部641cの幅は、縮幅部651cとの対向部分において先端部641dに向けて連続的に拡大している。拡幅部641cにおいて、対向部分よりも先端部641d側の部分は、定幅となっている。N配線64において、拡幅部641cの一部および拡幅部641aは、定幅部641bから離れるほど、幅が広くなっている。
The widening portion 641c is opposite to the widening portion 641a and is connected to the constant width portion 641b. The widening portion 641a extends to a position closer to the side surface 30c than the narrowing portion 651c. The widening portion 641c includes the tip 641d of the extension portion 641. The width of the widening portion 641c is maximum at the tip 641d. In the widening portion 641c, the width at any first position is equal to or greater than the width at a second position farther from the tip 641d than the first position. In this embodiment, the width of the widening portion 641c is continuously enlarged toward the tip 641d in the portion facing the narrowing portion 651c. In the widening portion 641c, the portion closer to the tip 641d than the facing portion has a constant width. In the N wiring 64, a portion of the widened portion 641c and the widened portion 641a become wider the further away from the fixed width portion 641b.
<電流経路>
次に、図16~図20に基づき、電流経路について説明する。図16は、参考例のPN電流ループを示す図である。参考例では、各要素の符号を、半導体装置20の関連する要素の符号の末尾にrを付加したものとしている。参考例の構成は、信号端子93Lrの本数と、N配線64rおよび中継配線65rのパターンが異なる点を除けば、半導体装置20とほぼ同じである。図17は、本実施形態の半導体装置20におけるPN電流ループを示す図である。図18は、半導体装置20をX方向から見た側面図において、PN電流ループを示す図である。PN電流ループとは、P端子91PからN端子91Nまでの電流経路のループ形状を指す。
<Current Path>
Next, the current path will be described with reference to Figs. 16 to 20. Fig. 16 is a diagram showing a PN current loop of a reference example. In the reference example, the reference symbol of each element is the reference symbol of the related element of the semiconductor device 20 with r added to the end. The configuration of the reference example is almost the same as that of the semiconductor device 20, except that the number of signal terminals 93Lr and the patterns of the N wiring 64r and relay wiring 65r are different. Fig. 17 is a diagram showing a PN current loop in the semiconductor device 20 of this embodiment. Fig. 18 is a diagram showing a PN current loop in a side view of the semiconductor device 20 seen from the X direction. The PN current loop refers to the loop shape of the current path from the P terminal 91P to the N terminal 91N.
インダクタンスを検討する上では、P端子91P→P配線54→半導体素子40H→中継配線65→アーム接続部80→中継配線55→半導体素子40L→N配線64→N端子91NのPN電流ループについて考慮する。このため、PN電流ループが分かりやすいように、P端子91PからN端子91Nまでを連続する実線で示している。実際は、同時にオンしないように、半導体素子40H、40Lが制御される。便宜上、半導体素子40Hのひとつと半導体素子40Lのひとつについての電流経路のみを示すが、半導体素子40Hの他のひとつと半導体素子40Lの他のひとつについても同様である。
When examining inductance, the PN current loop of P terminal 91P → P wiring 54 → semiconductor element 40H → relay wiring 65 → arm connection part 80 → relay wiring 55 → semiconductor element 40L → N wiring 64 → N terminal 91N is taken into consideration. For this reason, to make the PN current loop easier to understand, a continuous solid line is shown from P terminal 91P to N terminal 91N. In reality, semiconductor elements 40H and 40L are controlled so that they are not turned on at the same time. For convenience, only the current path for one semiconductor element 40H and one semiconductor element 40L is shown, but the same is true for the other semiconductor element 40H and the other semiconductor element 40L.
図19および図20は、電磁界シミュレーションの結果を示している。図19は、図18に示した参考例の電流密度を示している。図20は、図16に示した本実施形態の構成について電流密度を示している。電磁界シミュレーションの条件は、表面金属体62の回路パターンが異なる点を除けば、互いに共通とした。図19、図20では、電流密度が低いほど粗(淡色)であり、高いほど密(濃色)である。
Figures 19 and 20 show the results of electromagnetic field simulations. Figure 19 shows the current density of the reference example shown in Figure 18. Figure 20 shows the current density for the configuration of this embodiment shown in Figure 16. The conditions for the electromagnetic field simulations were the same for both, except that the circuit patterns of the surface metal body 62 were different. In Figures 19 and 20, the lower the current density, the coarser it is (lighter color), and the higher the current density, the denser it is (darker color).
図16に示すように、参考例の半導体装置20rにおいて、中継配線65rは、平面略矩形状をなしている。中継配線65rの端部650rの長さは、基部640rにおける半導体素子40Lrの配置領域640brの長さとほぼ等しい。基部640rにおける対向辺640arの長さは、配置領域640brよりも長い。このため、図16の実線矢印で示すように、平面略矩形状の半導体素子40Lrに対して、ひとつの辺400rから電流が入り、別の辺401rから電流が出る。辺400rは、中継配線65rとの対向辺である。辺401rは、2つの半導体素子40Lrが互いに対向する辺とは反対の辺である。このように、電流は、半導体素子40LrからX方向外側に流れるため、PN電流ループが大きい。図19に示すシミュレーション結果からも、電流が、半導体素子40Lrから基部640rをX方向外側に流れることが明らかである。
16, in the semiconductor device 20r of the reference example, the relay wiring 65r has a substantially rectangular shape in plan. The length of the end 650r of the relay wiring 65r is substantially equal to the length of the placement area 640br of the semiconductor element 40Lr in the base 640r. The length of the opposing side 640ar in the base 640r is longer than the placement area 640br. For this reason, as shown by the solid arrow in FIG. 16, a current enters the substantially rectangular semiconductor element 40Lr from one side 400r and exits from another side 401r. The side 400r is the side opposing the relay wiring 65r. The side 401r is the side opposite to the side where the two semiconductor elements 40Lr face each other. In this way, the current flows from the semiconductor element 40Lr outward in the X direction, so the PN current loop is large. The simulation results shown in FIG. 19 also clearly show that current flows from the semiconductor element 40Lr through the base 640r outward in the X direction.
一方、本実施形態の半導体装置20では、上記したように、N配線64および中継配線65がパターニングされ、半導体素子40Lと所定の位置関係を満たしている。この位置関係により、図17に示すように、N配線64(延設部641)が、平面視において半導体素子40Lのひとつの辺400の上方にも存在する。辺400は、中継配線65との対向辺である。よって、半導体素子40Lの辺400から電流が入り、同じ辺400から電流が出る。半導体素子40LからN端子91Nに向かう電流のうち、特に半導体素子40Lの近傍においてY方向成分が増加する。図20に示すシミュレーション結果からも、電流が、半導体素子40LからY方向成分を有して流れることが明らかである。
On the other hand, in the semiconductor device 20 of this embodiment, as described above, the N wiring 64 and the relay wiring 65 are patterned and satisfy a predetermined positional relationship with the semiconductor element 40L. Due to this positional relationship, as shown in FIG. 17, the N wiring 64 (extension portion 641) is also present above one side 400 of the semiconductor element 40L in a planar view. The side 400 is the side opposite the relay wiring 65. Therefore, a current enters from the side 400 of the semiconductor element 40L and exits from the same side 400. The Y-direction component of the current flowing from the semiconductor element 40L to the N terminal 91N increases, especially in the vicinity of the semiconductor element 40L. It is also clear from the simulation results shown in FIG. 20 that the current flows from the semiconductor element 40L with a Y-direction component.
このように、N配線64を流れる電流が、中継配線65に近づき、N配線64による電流経路、つまり半導体素子40LとN端子91Nとの間の電流経路が短くなる。したがって、参考例に較べてPN電流ループが小さい。図18に示すように、PN電流ループは、Z方向においても小さい。P配線54とN配線64が、Z方向において対向している。また、中継配線55とN配線64が、Z方向において対向している。
In this way, the current flowing through the N wiring 64 approaches the relay wiring 65, and the current path through the N wiring 64, i.e., the current path between the semiconductor element 40L and the N terminal 91N, becomes shorter. Therefore, the PN current loop is smaller than in the reference example. As shown in FIG. 18, the PN current loop is also small in the Z direction. The P wiring 54 and the N wiring 64 face each other in the Z direction. Also, the relay wiring 55 and the N wiring 64 face each other in the Z direction.
<第1実施形態のまとめ>
主回路配線のインダクタンスが大きい場合、サージ電圧が大きくなる。耐圧を確保すべく半導体素子を厚くすると定常損失が増加する。定常損失を低減するためには、素子面積を大きくする必要がある。また、スイッチング速度を抑えることで、サージ電圧を低減することもできる。この場合、モータジェネレータへの出力が小さくなる。このように、インダクタンスが大きいと、半導体素子の体格が大きくなる、または、出力が小さくなる。
Summary of the First Embodiment
If the inductance of the main circuit wiring is large, the surge voltage will be large. If the semiconductor element is made thicker to ensure the withstand voltage, steady-state loss will increase. In order to reduce steady-state loss, the element area must be increased. Surge voltage can also be reduced by slowing down the switching speed. In this case, the output to the motor generator will be smaller. Thus, if the inductance is large, the size of the semiconductor element will be larger or the output will be smaller.
電流が互いに逆向きに流れる部材を対向配置すると、電流により生じる磁束の打ち消し効果により、インダクタンスを低減することができる。主回路配線のPN電流ループがより小さいと、逆向きに電流が流れる部材が互いに近づき、磁束の打ち消し効果が高まるため、インダクタンスを低減することができる。
When components through which currents flow in opposite directions are arranged opposite each other, the inductance can be reduced due to the cancellation effect of the magnetic fluxes generated by the currents. If the PN current loops in the main circuit wiring are smaller, the components through which currents flow in opposite directions are closer to each other, which increases the cancellation effect of the magnetic fluxes, thereby reducing the inductance.
本実施形態では、半導体素子40H、40LをY方向に並んで配置し、アーム接続部80を半導体素子40H、40Lの間に配置している。主端子のうち、電源端子91(91P、91N)を同一方向に引き出している。また、Y方向において、P配線54を電源端子91側に配置し、中継配線55を反対側に配置している。Y方向において、中継配線65を電源端子91側に配置し、N配線64の基部640を反対側に配置している。そして、N配線64の延設部641を、中継配線65を挟むように電源端子91側に延ばしている。
In this embodiment, the semiconductor elements 40H, 40L are arranged side by side in the Y direction, and the arm connection portion 80 is arranged between the semiconductor elements 40H, 40L. Of the main terminals, the power supply terminals 91 (91P, 91N) are drawn out in the same direction. In addition, in the Y direction, the P wiring 54 is arranged on the power supply terminal 91 side, and the relay wiring 55 is arranged on the opposite side. In the Y direction, the relay wiring 65 is arranged on the power supply terminal 91 side, and the base 640 of the N wiring 64 is arranged on the opposite side. The extension portion 641 of the N wiring 64 extends toward the power supply terminal 91 side so as to sandwich the relay wiring 65.
このような構成により、PN電流ループが小さくなる。これにより、主回路配線のインダクタンスを低減することができる。たとえば、P端子91PとN端子91Nの並設により、インダクタンスを低減することができる。中継配線65とN配線64も所定の間隔を有して配置(並設)されている。これにより、インダクタンスを低減することができる。また、N配線64の延設部641がP配線54に対向している。これにより、インダクタンスを低減することができる。
This configuration reduces the PN current loop. This allows the inductance of the main circuit wiring to be reduced. For example, the inductance can be reduced by arranging the P terminal 91P and the N terminal 91N side by side. The relay wiring 65 and the N wiring 64 are also arranged (side by side) with a predetermined distance between them. This allows the inductance to be reduced. In addition, the extension portion 641 of the N wiring 64 faces the P wiring 54. This allows the inductance to be reduced.
本実施形態では、基板50の表面金属体52および基板60の表面金属体62が、半導体素子40に対する配線機能を提供する。表面金属体52、62は、封止体30によって封止されている。従来のように沿面距離を確保しなくてもよいため、N配線64と中継配線65とを近づけて配置することができる。これにより、磁束打消しの効果が高まり、インダクタンスをさらに低減することができる。
In this embodiment, the surface metal body 52 of the substrate 50 and the surface metal body 62 of the substrate 60 provide the wiring function for the semiconductor element 40. The surface metal bodies 52, 62 are sealed by the sealing body 30. Since there is no need to ensure a creepage distance as in the conventional case, the N wiring 64 and the relay wiring 65 can be arranged close to each other. This enhances the effect of canceling magnetic flux, and further reduces inductance.
また、図15に示したように、中継配線65の端部650の長さL1、基部640の対向辺640aの長さL2、基部640における半導体素子40Lの配置領域640bの長さL3が、L1<L2<L3の関係を満たしている。この寸法関係を満たすことで、上記したように、半導体素子40Lのひとつの辺400から電流が入り、同じ辺400から電流が出る。半導体素子40LからN端子91Nに向かう電流のうち、特に半導体素子40Lの近傍においてY方向成分が増加する。これにより、N配線64による電流経路、つまり半導体素子40LとN端子91Nとの間の電流経路が短くなり、PN電流ループが小さくなる。よって、主回路配線のインダクタンスをさらに低減することができる。
As shown in FIG. 15, the length L1 of the end 650 of the relay wiring 65, the length L2 of the opposing side 640a of the base 640, and the length L3 of the placement area 640b of the semiconductor element 40L in the base 640 satisfy the relationship L1<L2<L3. By satisfying this dimensional relationship, as described above, a current enters from one side 400 of the semiconductor element 40L and exits from the same side 400. The Y-direction component of the current flowing from the semiconductor element 40L to the N-terminal 91N increases, especially in the vicinity of the semiconductor element 40L. This shortens the current path through the N-wiring 64, that is, the current path between the semiconductor element 40L and the N-terminal 91N, and the PN current loop becomes smaller. Therefore, the inductance of the main circuit wiring can be further reduced.
また、電流の周波数が高いほど、表皮効果により、N配線64の延設部641と中継配線65との対向辺に、電流が集中する。これにより、PN電流ループをさらに小さくし、ひいてはインダクタンスをさらに小さくすることができる。
In addition, the higher the current frequency, the more the current concentrates on the opposing side of the extension 641 of the N wiring 64 and the relay wiring 65 due to the skin effect. This makes it possible to further reduce the PN current loop and, therefore, the inductance.
本実施形態では、図15に示したように、中継配線65が縮幅部651aを有している。これにより、延設部641において、縮幅部651aと対向する部分の幅を広くすることができる。よって、表面金属体62、ひいては基板60の体格を変えることなく、通電による発熱を抑制することができる。つまり、インダクタンスを低減しつつ、発熱を抑制することができる。
In this embodiment, as shown in FIG. 15, the relay wiring 65 has a reduced width portion 651a. This allows the width of the portion of the extension portion 641 that faces the reduced width portion 651a to be increased. This makes it possible to suppress heat generation due to current flow without changing the size of the surface metal body 62, and thus the substrate 60. In other words, heat generation can be suppressed while reducing inductance.
特に本実施形態では、縮幅部651aのX方向の長さが、基部640に近いほど短くなっている。つまり、縮幅部651aの幅は、基部640に向けて連続的に縮小している。中継配線65の縮幅部651aは、テーパ形状である。これにより、中継配線65と延設部641との間隔を一定としやすい。つまり、延設部641を中継配線65により近づけ、PN電流ループを小さくすることができる。また、延設部641の幅を広くし、発熱を抑制することができる。
In particular, in this embodiment, the length of the narrowed portion 651a in the X direction becomes shorter as it approaches the base 640. In other words, the width of the narrowed portion 651a continuously decreases toward the base 640. The narrowed portion 651a of the relay wiring 65 has a tapered shape. This makes it easier to maintain a constant distance between the relay wiring 65 and the extension portion 641. In other words, the extension portion 641 can be brought closer to the relay wiring 65, making the PN current loop smaller. In addition, the width of the extension portion 641 can be increased to suppress heat generation.
本実施形態では、中継配線65が、定幅部651bを有している。そして、半導体素子40Hは、定幅部651bに配置されている。縮幅部651aおよび定幅部651bを有する中継配線65は、平面視において野球のホームベースと同一または類似の形状を有している。これによれば、半導体素子40Hが縮幅部651aに配置される構成に較べて、延設部641の幅を広くすることができる。よって、表面金属体62、ひいては基板60の体格を変えることなく、通電による発熱を抑制することができる。つまり、インダクタンスを低減しつつ、発熱を抑制することができる。
In this embodiment, the relay wiring 65 has a constant width portion 651b. The semiconductor element 40H is disposed in the constant width portion 651b. The relay wiring 65 having the reduced width portion 651a and the constant width portion 651b has a shape that is the same as or similar to a baseball home base in a plan view. This allows the width of the extension portion 641 to be wider than in a configuration in which the semiconductor element 40H is disposed in the reduced width portion 651a. Therefore, heat generation due to current flow can be suppressed without changing the size of the surface metal body 62 and thus the substrate 60. In other words, heat generation can be suppressed while reducing inductance.
本実施形態では、半導体装置20が、2つの半導体素子40Hと、2つの半導体素子40Lを備えている。2つの半導体素子40Hは、X方向に並んで配置されている。同様に、2つの半導体素子40Lは、X方向に並んで配置されている。このように、半導体素子40Hと半導体素子40Lの並び方向(Y方向)に対して直交する方向(X方向)に、ひとつのアームを構成する半導体素子40を並設している。X方向において、一対の延設部641が、中継配線65を挟んでいる。これにより、電流偏りを抑制することができる。
In this embodiment, the semiconductor device 20 includes two semiconductor elements 40H and two semiconductor elements 40L. The two semiconductor elements 40H are arranged side by side in the X direction. Similarly, the two semiconductor elements 40L are arranged side by side in the X direction. In this way, the semiconductor elements 40 constituting one arm are arranged side by side in a direction (X direction) perpendicular to the arrangement direction (Y direction) of the semiconductor elements 40H and 40L. In the X direction, a pair of extension portions 641 sandwich the relay wiring 65. This makes it possible to suppress current bias.
半導体装置20は、一対の延設部641と個別に接続するように先端が2つに分岐したひとつのN端子91Nを備えてもよい。本実施形態では、半導体装置20が2本のN端子91Nを備えており、N端子91Nは、一対の延設部641に対して個別に接続されている。これによれば、2本のN端子91Nの間に、他の外部接続端子90を配置しやすい。間に配置した外部接続端子90を避けなくてもよいので、体格を小型化することができる。
The semiconductor device 20 may be provided with one N terminal 91N whose tip is branched into two so as to be individually connected to the pair of extension parts 641. In this embodiment, the semiconductor device 20 is provided with two N terminals 91N, and the N terminals 91N are individually connected to the pair of extension parts 641. This makes it easy to arrange another external connection terminal 90 between the two N terminals 91N. Since there is no need to avoid the external connection terminal 90 arranged between them, the size can be made smaller.
半導体装置20は、P端子91Pをひとつのみ備えてもよい。本実施形態では、半導体装置20が、2本のP端子91Pを備えている。そして、X方向において、N端子91N、P端子91P、信号端子93H、P端子91P、N端子91Nの順に配置されている。X方向の両端側において、P端子91PとN端子91Nが並設されている。よって、PN電流ループを小さくしやすい。また、外部接続端子90がX方向に規則性をもって配置されているため、上記したように、半導体素子40、表面金属体52、62の回路パターン、および外部接続端子90について、線対称性を確保しやすくなる。これにより、電流偏りを抑制することができる。
The semiconductor device 20 may have only one P terminal 91P. In this embodiment, the semiconductor device 20 has two P terminals 91P. In the X direction, the N terminal 91N, P terminal 91P, signal terminal 93H, P terminal 91P, and N terminal 91N are arranged in this order. The P terminal 91P and the N terminal 91N are arranged side by side at both ends in the X direction. This makes it easier to make the PN current loop small. In addition, since the external connection terminals 90 are arranged with regularity in the X direction, it is easier to ensure linear symmetry for the circuit patterns of the semiconductor element 40, the surface metal bodies 52 and 62, and the external connection terminals 90, as described above. This makes it possible to suppress current bias.
本実施形態では、封止体30の側面30cからP端子91PおよびN端子91Nが突出し、側面30dから出力端子92が突出している。このように、平滑コンデンサ5に接続されるP端子91PおよびN端子91Nを同一方向に引き出し、出力端子92を反対方向に引き出している。これにより、平滑コンデンサ5との接続性およびモータジェネレータ3との接続性を向上することができる。また、P端子91PとN端子91Nとの並設により、インダクタンスを低減することができる。このような端子配列により、PN電流ループを小さくしやすい。
In this embodiment, the P terminal 91P and the N terminal 91N protrude from the side surface 30c of the sealing body 30, and the output terminal 92 protrudes from the side surface 30d. In this way, the P terminal 91P and the N terminal 91N connected to the smoothing capacitor 5 are drawn out in the same direction, and the output terminal 92 is drawn out in the opposite direction. This improves the connectivity with the smoothing capacitor 5 and the connectivity with the motor generator 3. Furthermore, by arranging the P terminal 91P and the N terminal 91N in parallel, the inductance can be reduced. This terminal arrangement makes it easier to make the PN current loop smaller.
<変形例>
半導体素子40H、40Lのそれぞれを複数備える例として、2つずつ備える例を示したが、これに限定されない。3つ以上備えてもよい。たとえば3つの半導体素子40HがX方向に並んで配置され、3つの半導体素子40LがX方向に並んで配置された構成としてもよい。表面金属体62の回路パターンおよび半導体素子40の配置は、上記した例に限定されない。たとえば図21、図22に示すようにしてもよい。図21および図22では、便宜上、絶縁基材51よりも裏面30b側の封止体30を省略して図示している。また、基板60のうち、絶縁基材61および裏面金属体63を省略して図示している。図17同様、PN電流ループを実線矢印で示している。図21および図22では、半導体装置20が、2本の信号端子93Lを備えている。
<Modification>
As an example of the semiconductor elements 40H and 40L, two of each are provided, but the present invention is not limited thereto. Three or more may be provided. For example, three semiconductor elements 40H may be arranged side by side in the X direction, and three semiconductor elements 40L may be arranged side by side in the X direction. The circuit pattern of the front metal body 62 and the arrangement of the semiconductor elements 40 are not limited to the above example. For example, they may be as shown in FIG. 21 and FIG. 22. In FIG. 21 and FIG. 22, for convenience, the sealing body 30 on the back surface 30b side of the insulating base material 51 is omitted. In addition, the insulating base material 61 and the back surface metal body 63 of the substrate 60 are omitted. As in FIG. 17, the PN current loop is indicated by a solid arrow. In FIG. 21 and FIG. 22, the semiconductor device 20 includes two signal terminals 93L.
図21では、半導体装置20が、2つのアーム接続部80を備えている。中継配線65は、平面略矩形状をなしている。2つのアーム接続部80は、端部650の近傍で、X方向に並んで配置されている。2つの半導体素子40Lの間隔は、上記した例(図17参照)よりも大きい。半導体素子40Lの配置領域640bの長さが、上記した例よりも長い。これにより、L1<L2<L3の関係を満たしている。よって、半導体素子40Lの辺400から電流が入り、同じ辺400から電流が出る。このような構成としても、N配線64による電流経路が短くなり、PN電流ループを小さくすることができる。ただし、図17に示した構成のほうが、N配線64の幅、特に延設部641の幅を広くすることができる。また、図17に示す構成の場合、アーム接続部80はひとつでよい。
21, the semiconductor device 20 has two arm connection parts 80. The relay wiring 65 has a substantially rectangular shape in plan view. The two arm connection parts 80 are arranged side by side in the X direction near the end 650. The distance between the two semiconductor elements 40L is larger than in the above example (see FIG. 17). The length of the placement area 640b of the semiconductor element 40L is longer than in the above example. This satisfies the relationship L1<L2<L3. Therefore, a current enters from the side 400 of the semiconductor element 40L, and a current exits from the same side 400. Even with this configuration, the current path through the N wiring 64 is shorter, and the PN current loop can be made smaller. However, the configuration shown in FIG. 17 allows the width of the N wiring 64, especially the width of the extension part 641, to be wider. Also, in the case of the configuration shown in FIG. 17, only one arm connection part 80 is required.
図22では、半導体装置20が、半導体素子40H、40Lをそれぞれひとつのみ備えている。この例では、配置領域640bが、半導体素子40Lの外形輪郭と一致する。ひとつの半導体素子40H、40LのX方向の長さは、上記した例(図17参照)よりも長い。これにより、L1<L2<L3の関係を満たしている。よって、半導体素子40Lの辺400から電流が入り、同じ辺400から電流が出る。このような構成としても、N配線64による電流経路が短くなり、PN電流ループを小さくすることができる。
In FIG. 22, the semiconductor device 20 includes only one each of the semiconductor elements 40H and 40L. In this example, the placement area 640b coincides with the outer contour of the semiconductor element 40L. The length in the X direction of each of the semiconductor elements 40H and 40L is longer than in the example described above (see FIG. 17). This satisfies the relationship L1<L2<L3. Therefore, current enters from the side 400 of the semiconductor element 40L, and current exits from the same side 400. Even with this configuration, the current path through the N wiring 64 is shortened, and the PN current loop can be made smaller.
外部接続端子90の配置は上記した例に限定されない。たとえば、P端子91PをX方向外側、N端子91Nを内側に配置してもよい。この場合、図23および図24に示すように、半導体素子40や回路パターンも逆となる。図23は、基板50を示している。図24は、基板60を示している。
The arrangement of the external connection terminals 90 is not limited to the above example. For example, the P terminals 91P may be arranged on the outside in the X direction, and the N terminals 91N on the inside. In this case, the semiconductor elements 40 and the circuit patterns are also reversed, as shown in Figures 23 and 24. Figure 23 shows a substrate 50. Figure 24 shows a substrate 60.
図23に示すように、基板50の表面金属体52の回路パターンは、図15に示した基板60の表面金属体62の回路パターンと同一である。P配線54は、図15に示したN配線64と同一のパターンである。N配線64上に半導体素子40Hが配置されている。中継配線55は、図15に示した中継配線65と同一のパターンである。中継配線55上に、半導体素子40Lおよびアーム接続部80が配置されている。
As shown in FIG. 23, the circuit pattern of the surface metal body 52 of the substrate 50 is the same as the circuit pattern of the surface metal body 62 of the substrate 60 shown in FIG. 15. The P wiring 54 has the same pattern as the N wiring 64 shown in FIG. 15. The semiconductor element 40H is disposed on the N wiring 64. The relay wiring 55 has the same pattern as the relay wiring 65 shown in FIG. 15. The semiconductor element 40L and the arm connection portion 80 are disposed on the relay wiring 55.
図24に示すように、基板60の表面金属体62の回路パターンは、図14に示した基板50の表面金属体52の回路パターンと同一である。N配線64は、図14に示したP配線54と同一のパターンである。N配線64上に半導体素子40Lが配置されている。中継配線65は、図14に示した中継配線55と同一のパターンである。中継配線65上に、半導体素子40Hおよびアーム接続部80が配置されている。
As shown in FIG. 24, the circuit pattern of the surface metal body 62 of the substrate 60 is the same as the circuit pattern of the surface metal body 52 of the substrate 50 shown in FIG. 14. The N wiring 64 has the same pattern as the P wiring 54 shown in FIG. 14. The semiconductor element 40L is disposed on the N wiring 64. The relay wiring 65 has the same pattern as the relay wiring 55 shown in FIG. 14. The semiconductor element 40H and the arm connection portion 80 are disposed on the relay wiring 65.
図23および図24に示す構成の場合、上記した第1と第2の関係性が逆となる。半導体素子40Lが第1素子、半導体素子40Hが第2素子である。ソース電極40Sが第1主電極、ドレイン電極40Dが第2主電極である。基板60が第1基板、基板50が第2基板である。絶縁基材61が第1絶縁基材、表面金属体62が第1表面金属体、裏面金属体63が第1裏面金属体である。絶縁基材51が第2絶縁基材、表面金属体52が第2表面金属体、裏面金属体53が第2裏面金属体である。
In the case of the configurations shown in Figures 23 and 24, the first and second relationships described above are reversed. The semiconductor element 40L is the first element, and the semiconductor element 40H is the second element. The source electrode 40S is the first main electrode, and the drain electrode 40D is the second main electrode. The substrate 60 is the first substrate, and the substrate 50 is the second substrate. The insulating substrate 61 is the first insulating substrate, the front surface metal body 62 is the first front surface metal body, and the rear surface metal body 63 is the first rear surface metal body. The insulating substrate 51 is the second insulating substrate, the front surface metal body 52 is the second front surface metal body, and the rear surface metal body 53 is the second rear surface metal body.
(第2実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。スイッチング時の過渡電流アンバランスを抑制するため、本実施形態に記載のように、複数の半導体素子が並列接続される表面金属体を所定構造としてもよい。
Second Embodiment
This embodiment is a modified example based on the preceding embodiment, and the description of the preceding embodiment can be used. In order to suppress the transient current imbalance during switching, as described in this embodiment, the surface metal body to which the multiple semiconductor elements are connected in parallel may have a predetermined structure.
<半導体装置>
まず、図25に基づき、本実施形態の半導体装置20について説明する。図25は、本実施形態に係る半導体装置20を示す断面図である。図25は、図8に対応している。
<Semiconductor Device>
First, the semiconductor device 20 according to the present embodiment will be described with reference to Fig. 25. Fig. 25 is a cross-sectional view showing the semiconductor device 20 according to the present embodiment. Fig. 25 corresponds to Fig. 8.
本実施形態の半導体装置20は、先行実施形態に記載の構成(図2~図15参照)と同様の構成を有している。半導体装置20は、一相分の上下アーム回路9を構成する。図25に示すように、半導体装置20は、上アーム素子である2つの半導体素子40Hを含む複数の半導体素子40と、半導体素子40をZ方向において挟むように配置された基板50、60と、封止体30を備えている。基板50の表面金属体52は、半導体素子40の高電位側の第1主電極であるドレイン電極40Dに接続されている。基板60の表面金属体62は、半導体素子40の低電位側の第2主電極であるソース電極40Sに接続されている。図示しないが、半導体装置20は、下アーム素子である2つの半導体素子40Lを備えている。
The semiconductor device 20 of this embodiment has a configuration similar to that described in the preceding embodiment (see Figures 2 to 15). The semiconductor device 20 constitutes one phase of upper and lower arm circuits 9. As shown in Figure 25, the semiconductor device 20 includes a plurality of semiconductor elements 40 including two semiconductor elements 40H that are upper arm elements, substrates 50 and 60 arranged to sandwich the semiconductor elements 40 in the Z direction, and a sealing body 30. The surface metal body 52 of the substrate 50 is connected to the drain electrode 40D, which is the first main electrode on the high potential side of the semiconductor element 40. The surface metal body 62 of the substrate 60 is connected to the source electrode 40S, which is the second main electrode on the low potential side of the semiconductor element 40. Although not shown, the semiconductor device 20 includes two semiconductor elements 40L that are lower arm elements.
表面金属体62は、先行実施形態同様、仮想線CL1に対して略線対称である。図25に示すように、本実施形態では、表面金属体62の中継配線65が、スリット653を有している。後述するように、N配線64は、スリット643を有している。
The surface metal body 62 is substantially symmetrical with respect to the imaginary line CL1, as in the previous embodiment. As shown in FIG. 25, in this embodiment, the relay wiring 65 of the surface metal body 62 has a slit 653. As described later, the N wiring 64 has a slit 643.
<過渡電流アンバランスの抑制効果>
次いで、図26および図27に基づき、スイッチング時の過渡電流アンバランスの抑制効果について説明する。図26は、ひとつのアームを構成する2つの半導体素子40(MOSFET11)の等価回路図である。図27は、電位を分かりやすく示したイメージ図(電位図)である。
<Suppression effect of transient current imbalance>
Next, the effect of suppressing transient current imbalance during switching will be described with reference to Fig. 26 and Fig. 27. Fig. 26 is an equivalent circuit diagram of two semiconductor elements 40 (MOSFETs 11) that constitute one arm. Fig. 27 is an image diagram (potential diagram) that clearly shows potentials.
図26および図27では、並列接続されたMOSFET11のひとつをMOSFET1、他のひとつをMOSFET2と示している。ドレイン電極側の配線(以下、ドレイン配線と示す)のインダクタンスをLd、ソース電極側の配線(以下、ソース配線)のインダクタンスをLsと示している。ゲート電位をVg、MOSFET1のソース電極の電位をVks1、MOSFET2のソース電極の電位をVks1、共通のソース電位をVsと示している。電位Vks1と電位Vks2の中点電位をVmと示している。中点電位Vmは一定である。
Vm=(Vks1+Vks2)/2である。
26 and 27, one of the MOSFETs 11 connected in parallel is shown as MOSFET1, and the other is shown as MOSFET2. The inductance of the wiring on the drain electrode side (hereinafter referred to as drain wiring) is shown as Ld, and the inductance of the wiring on the source electrode side (hereinafter referred to as source wiring) is shown as Ls. The gate potential is shown as Vg, the potential of the source electrode of MOSFET1 as Vks1, the potential of the source electrode of MOSFET2 as Vks1, and the common source potential as Vs. The midpoint potential between the potentials Vks1 and Vks2 is shown as Vm. The midpoint potential Vm is constant.
Vm=(Vks1+Vks2)/2.
また、MOSFET1のゲート電圧をVgs1、MOSFET2のゲート電圧をVgs2と示している。ターンオンによりMOSFET1に流れる電流をI1、電流I1が流れたときにインダクタンスLsの両端間に発生する電圧をΔVs1と示している。同様に、ターンオンによりMOSFET2に流れる電流をI2、電流I2が流れたときにインダクタンスLsの両端間に発生する電圧をΔVs2と示している。
ΔVs1=Ls×dI1/dtである。
ΔVs2=Ls×dI2/dtである。
Also, the gate voltage of MOSFET1 is denoted as Vgs1, and the gate voltage of MOSFET2 is denoted as Vgs2. The current flowing through MOSFET1 when it is turned on is denoted as I1, and the voltage generated across inductance Ls when current I1 flows is denoted as ΔVs1. Similarly, the current flowing through MOSFET2 when it is turned on is denoted as I2, and the voltage generated across inductance Ls when current I2 flows is denoted as ΔVs2.
ΔVs1=Ls×dI1/dt.
ΔVs2=Ls×dI2/dt.
MOSFET11の特性ばらつきにより、図26に示すように、電流I1よりも大きい電流I2(I2>I1)が流れるとする。このとき、インダクタンスLsに発生する電圧ΔVsは、ΔVs1<ΔVs2となる。つまり、図27に示すように、中点電位Vmに対してソース電極の電位Vks2が持ち上がり、電位Vks1が下がる。よって、ゲート電圧Vgs1>ゲート電圧Vgs2となる。ゲート電圧Vgs2を絞るため、電流I2は小さくなる。このように、ソース配線のインダクタンスLsは、並列接続された半導体素子40(MOSFET11)の特性ばらつきによるスイッチング時の過渡電流アンバランスを抑制する機能を有する。
Assume that a current I2 (I2>I1) larger than the current I1 flows due to the characteristic variation of the MOSFET 11, as shown in FIG. 26. At this time, the voltage ΔVs generated in the inductance Ls is ΔVs1<ΔVs2. That is, as shown in FIG. 27, the potential Vks2 of the source electrode rises relative to the midpoint potential Vm, and the potential Vks1 falls. Therefore, the gate voltage Vgs1>gate voltage Vgs2. To reduce the gate voltage Vgs2, the current I2 becomes smaller. In this way, the inductance Ls of the source wiring has the function of suppressing the transient current imbalance during switching caused by the characteristic variation of the semiconductor element 40 (MOSFET 11) connected in parallel.
しかしながら、ソース配線のインダクタンスLsが小さいと、上記した過渡電流アンバランスを抑制する機能が損なわれる。これにより、スイッチング損失に偏りが生じ、熱設計にマージンをとる必要が生じてしまう。
However, if the inductance Ls of the source wiring is small, the function of suppressing the above-mentioned transient current imbalance is lost. This causes a bias in the switching loss, making it necessary to include a margin in the thermal design.
<基板の回路パターン>
次に、図28に基づき、本実施形態の半導体装置20における表面金属体62の回路パターンについて説明する。図28は、図15に対応している。図28では、図15同様、接続される主電極を明確化するために、ソース電極40SをSと示している。
<Circuit pattern on board>
Next, the circuit pattern of the front surface metal body 62 in the semiconductor device 20 of this embodiment will be described with reference to Fig. 28. Fig. 28 corresponds to Fig. 15. In Fig. 28, like Fig. 15, the source electrode 40S is indicated as S in order to clarify the main electrode to which it is connected.
N配線64および中継配線65は、半導体素子40のソース電極40Sが接続されるソース配線である。N配線64は、スリット643を有する点で、先行実施形態のパターンと異なっている。同様に、中継配線65は、スリット653を有することで、先行実施形態のパターンと異なっている。スリット643、653を有する点を除けば、先行実施形態に記載の構成と同じである。
The N wiring 64 and the relay wiring 65 are source wirings to which the source electrode 40S of the semiconductor element 40 is connected. The N wiring 64 differs from the pattern of the preceding embodiment in that it has a slit 643. Similarly, the relay wiring 65 differs from the pattern of the preceding embodiment in that it has a slit 653. Except for the slits 643 and 653, the configuration is the same as that described in the preceding embodiment.
スリット643は、N配線64をその厚み方向(Z方向)に貫通している。スリット643は、基部640において2つの半導体素子40Lの対向領域に重なる位置に設けられている。対向領域とは、半導体素子40Lの並び方向において、半導体素子40Lが互いに対向する領域である。つまりスリット643は、Z方向の平面視において、下アーム素子である半導体素子40Lの間に設けられている。スリット643は、基部640において、半導体素子40Lとの電気的な接続部の間に設けられている。スリット643は、半導体素子40Lの間から、半導体素子40H、40Lの並び方向であるY方向に延びている。スリット643は、基部640の対向辺640aに開口している。スリット643は、X方向においてN配線64の略中央位置に設けられている。
The slit 643 penetrates the N wiring 64 in its thickness direction (Z direction). The slit 643 is provided at a position in the base 640 where it overlaps with the opposing regions of the two semiconductor elements 40L. The opposing regions are regions where the semiconductor elements 40L face each other in the arrangement direction of the semiconductor elements 40L. That is, the slit 643 is provided between the semiconductor elements 40L, which are the lower arm elements, in a plan view in the Z direction. The slit 643 is provided at the base 640 between the electrical connection parts with the semiconductor element 40L. The slit 643 extends from between the semiconductor elements 40L in the Y direction, which is the arrangement direction of the semiconductor elements 40H and 40L. The slit 643 opens at the opposing side 640a of the base 640. The slit 643 is provided at approximately the center position of the N wiring 64 in the X direction.
このように、スリット643は、半導体素子40Lのソース電極40SからY方向において主端子であるN端子91Nの配置側、つまり電流の流れる側に延びている。スリット643は、基部640の端部640cに開口していない。スリット643は、半導体素子40Lの対向領域の下端近傍まで設けられている。スリット643は、N配線64を半導体素子40Lのひとつが接続された領域と、他のひとつが接続された領域とに区画している。スリット643は、半導体素子40Lのソース電極40Sの電流経路、つまりソース電流経路を分離している。
In this way, the slit 643 extends in the Y direction from the source electrode 40S of the semiconductor element 40L to the side where the N terminal 91N, which is the main terminal, is arranged, that is, the side where the current flows. The slit 643 does not open to the end 640c of the base 640. The slit 643 is provided up to the vicinity of the lower end of the facing region of the semiconductor element 40L. The slit 643 divides the N wiring 64 into an area to which one of the semiconductor elements 40L is connected and an area to which the other one is connected. The slit 643 separates the current path of the source electrode 40S of the semiconductor element 40L, that is, the source current path.
スリット653は、中継配線65をその厚み方向(Z方向)に貫通している。スリット653は、中継配線65において、2つの半導体素子40Hの対向領域に重なる位置に設けられている。つまりスリット653は、平面視において、半導体素子40Hの間に設けられている。スリット653は、中継配線65において、半導体素子40Hとの電気的な接続部の間に設けられている。スリット653は、半導体素子40Hの間からY方向に延びている。スリット653は、端部652に開口している。スリット653は、端部652から半導体素子40Hの間(対向領域)を横切り、アーム接続部80の近傍まで延びている。スリット653は、X方向において中継配線65の略中央位置に設けられている。
The slit 653 penetrates the relay wiring 65 in its thickness direction (Z direction). The slit 653 is provided in the relay wiring 65 at a position that overlaps the opposing regions of the two semiconductor elements 40H. That is, the slit 653 is provided between the semiconductor elements 40H in a plan view. The slit 653 is provided in the relay wiring 65 between the electrical connection parts with the semiconductor element 40H. The slit 653 extends in the Y direction from between the semiconductor elements 40H. The slit 653 opens at the end 652. The slit 653 crosses from the end 652 between the semiconductor elements 40H (opposing region) and extends to the vicinity of the arm connection part 80. The slit 653 is provided at approximately the center position of the relay wiring 65 in the X direction.
このように、スリット653は、半導体素子40Hのソース電極40SからY方向においてアーム接続部80側に延びている。スリット653は、半導体素子40Hのソース電極40Sから電流の流れる側に延びている。スリット653は、端部650に開口していない。スリット643は、アーム接続部80の手前まで設けられている。スリット653は、中継配線65を半導体素子40Hのひとつが接続された領域と、他のひとつが接続された領域とに区画している。スリット653は、半導体素子40Hのソース電極40Sの電流経路、つまりソース電流経路を分離している。
In this way, the slit 653 extends from the source electrode 40S of the semiconductor element 40H toward the arm connection part 80 in the Y direction. The slit 653 extends from the source electrode 40S of the semiconductor element 40H toward the side where the current flows. The slit 653 does not open to the end part 650. The slit 643 is provided up to just before the arm connection part 80. The slit 653 divides the relay wiring 65 into an area to which one of the semiconductor elements 40H is connected and an area to which the other one is connected. The slit 653 separates the current path of the source electrode 40S of the semiconductor element 40H, i.e., the source current path.
<第2実施形態のまとめ>
図29は、ソース電流経路を示している。実線矢印は半導体素子40H側のソース電流経路を示し、破線矢印は半導体素子40L側のソース電流経路を示している。上記したように、本実施形態では、低電位側の主電極であるソース電極40Sが接続される表面金属体62に、スリット643、653を設けている。
<Summary of the Second Embodiment>
29 shows the source current path. The solid arrow indicates the source current path on the semiconductor element 40H side, and the dashed arrow indicates the source current path on the semiconductor element 40L side. As described above, in this embodiment, the slits 643, 653 are provided in the front surface metal body 62 to which the source electrode 40S, which is the main electrode on the low potential side, is connected.
スリット643は、半導体素子40Lが並列接続されるN配線64において、隣り合う半導体素子40Lの間に設けられている。スリット643は、N配線64を区画し、各半導体素子40Lのソース電流経路を分離する。これにより、半導体素子40Lのソース電極40Sから出た電流(ソース電流)がソース電極40Sの近傍で合流するのを抑制することができる。つまり、ソース電流の合流地点が、平面視においてソース電極40Sから遠ざかる。したがって、2つの半導体素子40L(MOSFET11)の並列回路において、ソース配線のインダクタンスLsを、スリット643を設けない構成に較べて大きくすることができる。インダクタンスLsが大きいため、2つの半導体素子40Lの特性にばらつき(ずれ)があっても、スイッチング時の過渡電流アンバランスを抑制することができる。スリット643を設けることで、半導体素子40Lの高集積化を維持したまま過渡電流アンバランスを抑制することができる。
The slits 643 are provided between adjacent semiconductor elements 40L in the N wiring 64 to which the semiconductor elements 40L are connected in parallel. The slits 643 divide the N wiring 64 and separate the source current paths of each semiconductor element 40L. This makes it possible to suppress the current (source current) coming out of the source electrode 40S of the semiconductor element 40L from merging in the vicinity of the source electrode 40S. In other words, the merging point of the source current is farther away from the source electrode 40S in a plan view. Therefore, in a parallel circuit of two semiconductor elements 40L (MOSFET 11), the inductance Ls of the source wiring can be made larger than a configuration without the slits 643. Since the inductance Ls is large, even if there is a variation (deviation) in the characteristics of the two semiconductor elements 40L, the transient current imbalance during switching can be suppressed. By providing the slits 643, the transient current imbalance can be suppressed while maintaining the high integration of the semiconductor elements 40L.
同様に、中継配線65がスリット653を有している。スリット653は、2つの半導体素子40Hの間に設けられている。スリット653は、中継配線65を区画し、各半導体素子40Hのソース電流経路を分離する。これにより、半導体素子40Hのソース電極40Sから出た電流(ソース電流)がソース電極40Sの近傍で合流するのを抑制することができる。つまり、ソース電流の合流地点が、平面視においてソース電極40Sから遠ざかる。したがって、2つの半導体素子40Hの並列回路において、ソース配線のインダクタンスLsを、スリット653を設けない構成に較べて大きくすることができる。インダクタンスLsが大きいため、2つの半導体素子40Hの特性にばらつき(ずれ)があっても、スイッチング時の過渡電流アンバランスを抑制することができる。スリット653を設けることで、半導体素子40Hの高集積化を維持したまま過渡電流アンバランスを抑制することができる。
Similarly, the relay wiring 65 has a slit 653. The slit 653 is provided between the two semiconductor elements 40H. The slit 653 divides the relay wiring 65 and separates the source current paths of the semiconductor elements 40H. This makes it possible to suppress the current (source current) coming out of the source electrode 40S of the semiconductor element 40H from merging in the vicinity of the source electrode 40S. In other words, the merging point of the source current is farther away from the source electrode 40S in a plan view. Therefore, in a parallel circuit of two semiconductor elements 40H, the inductance Ls of the source wiring can be made larger than a configuration without the slit 653. Since the inductance Ls is large, even if there is a variation (deviation) in the characteristics of the two semiconductor elements 40H, the transient current imbalance during switching can be suppressed. By providing the slit 653, the transient current imbalance can be suppressed while maintaining the high integration of the semiconductor element 40H.
本実施形態では、スリット643が、隣り合う半導体素子40Lの間から、Y方向であってN端子91N側に延びている。スリット643は、半導体素子40Lのソース電極40Sから電流の流れる側に延びている。これにより、各半導体素子40Lのソース電流経路をより長い距離で分離することができる。したがって、半導体素子40Lの並列回路において、ソース配線のインダクタンスLsをより大きくすることができる。つまり、過渡電流アンバランスの抑制効果を高めることができる。
In this embodiment, the slit 643 extends from between adjacent semiconductor elements 40L in the Y direction toward the N terminal 91N. The slit 643 extends from the source electrode 40S of the semiconductor element 40L toward the side where the current flows. This allows the source current paths of each semiconductor element 40L to be separated by a longer distance. Therefore, in the parallel circuit of the semiconductor elements 40L, the inductance Ls of the source wiring can be made larger. In other words, the effect of suppressing transient current imbalance can be improved.
同様に、スリット653が、隣り合う半導体素子40Hの間から、Y方向であってアーム接続部80側に延びている。スリット653は、半導体素子40Hのソース電極40Sから電流の流れる側に延びている。これにより、各半導体素子40Lのソース電流経路をより長い距離で分離することができる。したがって、半導体素子40Hの並列回路において、ソース配線のインダクタンスLsをより大きくすることができる。つまり、過渡電流アンバランスの抑制効果を高めることができる。
Similarly, the slit 653 extends from between adjacent semiconductor elements 40H in the Y direction toward the arm connection portion 80. The slit 653 extends from the source electrode 40S of the semiconductor element 40H toward the side where the current flows. This allows the source current paths of each semiconductor element 40L to be separated by a longer distance. Therefore, in the parallel circuit of the semiconductor elements 40H, the inductance Ls of the source wiring can be made larger. In other words, the effect of suppressing transient current imbalance can be improved.
図30は、図29のXXX-XXX線に沿う断面図である。本実施形態では、継手部81、継手部81と中継配線55を接続する接合材103、継手部81と中継配線65を接続する接合材103が、中継配線55、65を電気的に接続するアーム接続部80を構成する。継手部81は、基板50、60とは別部材である。アーム接続部80は、半導体素子40Hのソース電極40Sに接続された中継配線65と、半導体素子40Lのドレイン電極40Dに接続された中継配線55とを、電気的に接続する。
Figure 30 is a cross-sectional view taken along line XXX-XXX in Figure 29. In this embodiment, the joint 81, the bonding material 103 connecting the joint 81 and the relay wiring 55, and the bonding material 103 connecting the joint 81 and the relay wiring 65 constitute the arm connection 80 that electrically connects the relay wirings 55, 65. The joint 81 is a separate member from the substrates 50, 60. The arm connection 80 electrically connects the relay wiring 65 connected to the source electrode 40S of the semiconductor element 40H and the relay wiring 55 connected to the drain electrode 40D of the semiconductor element 40L.
<変形例>
上記した例では、複数の半導体素子40が、半導体素子40H、40Lをそれぞれ2つずつ含む例を示したが、これに限定されない。半導体素子40H、40Lの一方を2つ含み、他方をひとつ含む構成としてもよい。この場合、表面金属体62の2つの配線(64、65)のうち、複数の半導体素子40が並列接続されてひとつのアームを構成する配線にスリットを設ければよい。たとえば、半導体素子40Hを2つ含み、半導体素子40Lをひとつ含む構成の場合、N配線64にスリット643を設けず、半導体素子40Hが接続される中継配線65にスリット653を設ければよい。このように、複数の半導体素子40は、半導体素子40H、40Lのうちの少なくとも一方のアーム素子を2つ含んでもよい。
<Modification>
In the above example, the multiple semiconductor elements 40 include two each of the semiconductor elements 40H and 40L, but this is not limiting. The multiple semiconductor elements 40 may include two of the semiconductor elements 40H and 40L and one of the other. In this case, a slit may be provided in one of the two wirings (64, 65) of the front metal body 62, in which the multiple semiconductor elements 40 are connected in parallel to form one arm. For example, in the case of a configuration including two semiconductor elements 40H and one semiconductor element 40L, the slit 643 is not provided in the N wiring 64, and the slit 653 is provided in the relay wiring 65 to which the semiconductor element 40H is connected. In this way, the multiple semiconductor elements 40 may include two arm elements of at least one of the semiconductor elements 40H and 40L.
並列接続される半導体素子40の数は2つに限定されない。3つ以上の半導体素子40が並列接続されて、ひとつのアームを構成してもよい。たとえば3つの半導体素子40Hを含む構成の場合、X方向に並んで配置された3つの半導体素子40Hに対し、平面視において隣り合う半導体素子40Hの間にスリット653をそれぞれ設ければよい。複数の半導体素子40は、半導体素子40H、40Lのうちの少なくとも一方のアーム素子を複数含めばよい。両方のアーム素子を複数含む、つまり複数の半導体素子40Hと、複数の半導体素子40Lを含んでもよい。
The number of semiconductor elements 40 connected in parallel is not limited to two. Three or more semiconductor elements 40 may be connected in parallel to form one arm. For example, in the case of a configuration including three semiconductor elements 40H, slits 653 may be provided between adjacent semiconductor elements 40H in a plan view for the three semiconductor elements 40H arranged side by side in the X direction. The multiple semiconductor elements 40 may include multiple arm elements of at least one of the semiconductor elements 40H, 40L. It may also include multiple arm elements of both, that is, multiple semiconductor elements 40H and multiple semiconductor elements 40L.
N端子91Nの配置は、上記した例に限定されない。たとえばP端子91Pが封止体30の側面30cから突出し、N端子91Nが側面30dから突出する構成としてもよい。この場合、N配線64のパターンは、たとえばP配線54や中継配線55に類似の形状となる。つまり、基部640から封止体30の側面30d側に、延設部641が延びる。この構成の場合にも、スリット643は、少なくとも半導体素子40Lの間に設けられればよい。また、スリット643を、半導体素子40Lの対向領域から、対向領域の外側であってN端子91N側に延びる構成とすることで、インダクタンスLsをより大きくすることができる。
The arrangement of the N terminal 91N is not limited to the above example. For example, the P terminal 91P may protrude from the side surface 30c of the sealing body 30, and the N terminal 91N may protrude from the side surface 30d. In this case, the pattern of the N wiring 64 has a shape similar to that of the P wiring 54 or the relay wiring 55. That is, the extension portion 641 extends from the base 640 to the side surface 30d of the sealing body 30. Even in this configuration, the slit 643 only needs to be provided at least between the semiconductor elements 40L. In addition, by configuring the slit 643 to extend from the opposing region of the semiconductor element 40L to the outside of the opposing region toward the N terminal 91N side, the inductance Ls can be further increased.
半導体素子40の間に設けるスリット643、653をひとつとしたが、これに限定されない。スリット643、653の少なくとも一方を複数としてもよい。
Although only one slit 643, 653 is provided between the semiconductor elements 40, this is not limiting. At least one of the slits 643, 653 may be multiple.
スリット643、653が、表面金属体62の端部のひとつに開口する例を示したが、これに限定されない。たとえば図31および図32に示す例では、スリット643が、基部640の対向辺640aから端部640cまで、Y方向に延びている。スリット643は、基部640、ひいてはN配線64を二分割している。スリット643は、半導体素子40Lの対向領域を横切っている。分割されたN配線64のひとつに半導体素子40Lのひとつが配置され、N配線64の他のひとつに半導体素子40Lの他のひとつが配置されている。同様に、スリット653は、中継配線65の端部652から端部650まで、Y方向に延びている。スリット653は、中継配線65を二分割している。分割された中継配線65のひとつに半導体素子40Hのひとつが配置され、中継配線65の他のひとつに半導体素子40Hの他のひとつが配置されている。
The slits 643 and 653 are shown in an example in which they open at one of the ends of the surface metal body 62, but are not limited thereto. For example, in the example shown in FIG. 31 and FIG. 32, the slit 643 extends in the Y direction from the opposing side 640a of the base 640 to the end 640c. The slit 643 divides the base 640 and thus the N wiring 64 into two parts. The slit 643 crosses the opposing region of the semiconductor element 40L. One of the semiconductor elements 40L is disposed in one of the divided N wirings 64, and the other one of the semiconductor elements 40L is disposed in the other one of the N wirings 64. Similarly, the slit 653 extends in the Y direction from the end 652 of the relay wiring 65 to the end 650. The slit 653 divides the relay wiring 65 into two parts. One of the semiconductor elements 40H is disposed in one of the divided relay wirings 65, and the other one of the semiconductor elements 40H is disposed in the other one of the relay wirings 65.
スリット643、653は互いに連なり、Y方向に延びるひとつのスリットをなしている。表面金属体62は、仮想線CL1に対して略線対称である。図33は、ソース電流経路を示している。実線矢印は半導体素子40Hのソース電流経路を示し、破線矢印は半導体素子40Lのソース電流経路を示している。上記したように、スリット643が、N配線64を二分割している。これにより、半導体素子40Lのひとつのソース電流と、他のひとつのソース電流が、基板60上において合流しない。ソース電流の合流地点がより遠ざかるため、ソース配線のインダクタンスLsをさらに大きくすることができる。
The slits 643 and 653 are connected to each other to form a single slit extending in the Y direction. The surface metal body 62 is approximately linearly symmetrical with respect to the imaginary line CL1. FIG. 33 shows the source current path. The solid arrow indicates the source current path of the semiconductor element 40H, and the dashed arrow indicates the source current path of the semiconductor element 40L. As described above, the slit 643 divides the N wiring 64 into two. This prevents one source current of the semiconductor element 40L and the other source current from joining together on the substrate 60. Since the joining point of the source currents is farther away, the inductance Ls of the source wiring can be further increased.
同様に、スリット653が、中継配線65を二分割している。これにより、半導体素子40Hのソース電流と他のひとつソース電流が、基板60上において合流しない。ソース電流の合流地点がより遠ざかるため、ソース配線のインダクタンスLsをさらに大きくすることができる。以上により、過渡電流アンバランスの抑制効果を高めることができる。図31、図32、および図33は、変形例を示す図である。図31は、図28に対応している。図32は、図11に対応している。図33は、図29に対応している。
Similarly, the slit 653 divides the relay wiring 65 into two. This prevents the source current of the semiconductor element 40H and another source current from merging on the substrate 60. Since the merging point of the source currents is farther away, the inductance Ls of the source wiring can be further increased. As a result, the effect of suppressing transient current imbalance can be improved. Figures 31, 32, and 33 are diagrams showing modified examples. Figure 31 corresponds to Figure 28. Figure 32 corresponds to Figure 11. Figure 33 corresponds to Figure 29.
図31~図33に示す例では、中継配線65の分割に合わせて、アーム接続部80を中継配線65と同数に分割している。アーム接続部80は、中継配線65に対して個別に接続されている。これによれば、アーム接続部80においてもソース電流が合流しないため、インダクタンスLsをより大きくすることができる。
In the example shown in Figures 31 to 33, the arm connection parts 80 are divided into the same number as the relay wirings 65 in accordance with the division of the relay wirings 65. The arm connection parts 80 are individually connected to the relay wirings 65. This prevents the source currents from merging at the arm connection parts 80, making it possible to further increase the inductance Ls.
上記した変形例の構成において、さらに基板50の表面金属体52にスリットを設けてもよい。図34および図35に示すように、表面金属体52のうち、中継配線55は、スリット553を有している。スリット553は、中継配線55の端部551aに開口している。端部551aは、Y方向においてP配線54と対向している。スリット553は、Y方向に延び、2つに分割されたアーム接続部80を横切って、半導体素子40Lの対向領域(間)に達している。スリット553は、半導体素子40Lの対向領域の下端近傍まで設けられている。
In the configuration of the above-mentioned modified example, a slit may be further provided in the surface metal body 52 of the substrate 50. As shown in Figures 34 and 35, the relay wiring 55 of the surface metal body 52 has a slit 553. The slit 553 opens at an end 551a of the relay wiring 55. The end 551a faces the P wiring 54 in the Y direction. The slit 553 extends in the Y direction, crosses the arm connection portion 80 divided into two, and reaches the opposing area (between) of the semiconductor element 40L. The slit 553 is provided up to the vicinity of the lower end of the opposing area of the semiconductor element 40L.
このような構成を採用すると、図35に示すように、一組の半導体素子40H、40Lによる第1の電流経路と、別の組の半導体素子40H、40Lによる第2の電流経路とが、半導体装置20内において、ほぼ完全に分離される。電流の合流地点は、N端子91Nの外に設けられる。このため、ソース配線のインダクタンスLsをさらに大きくすることができる。図34および図35は、変形例を示す図である。図34は、図32に対応している。図35は、図33に対応している。なお、半導体装置20は、複数のN端子91Nを接続するNバスバーを備えてもよい。この場合、Nバスバーで電流が合流する。N端子91Nを接続するNバスバーを、たとえば平滑コンデンサ5側が備えてもよい。
When such a configuration is adopted, as shown in FIG. 35, a first current path by one pair of semiconductor elements 40H, 40L and a second current path by another pair of semiconductor elements 40H, 40L are almost completely separated within the semiconductor device 20. The current joining point is provided outside the N terminal 91N. This allows the inductance Ls of the source wiring to be further increased. FIGS. 34 and 35 are diagrams showing modified examples. FIG. 34 corresponds to FIG. 32. FIG. 35 corresponds to FIG. 33. Note that the semiconductor device 20 may include an N bus bar that connects multiple N terminals 91N. In this case, the currents join at the N bus bar. The N bus bar that connects the N terminals 91N may be provided, for example, on the smoothing capacitor 5 side.
アーム接続部80が、継手部81と、継手部81の両端側に配置される接合材103により構成される例を示したが、これに限定されない。図36に示す例では、継手部81が、基板60と一体的に設けられている。継手部81は、中継配線65からZ方向に延びる突起部として設けられている。導電スペーサ70も、継手部81同様、突起部として表面金属体62と一体的に設けられている。
An example in which the arm connection part 80 is composed of a joint part 81 and bonding material 103 arranged on both ends of the joint part 81 has been shown, but this is not limiting. In the example shown in FIG. 36, the joint part 81 is provided integrally with the substrate 60. The joint part 81 is provided as a protrusion extending in the Z direction from the relay wiring 65. The conductive spacer 70, like the joint part 81, is also provided integrally with the surface metal body 62 as a protrusion.
突起部を有する表面金属体62は、たとえば異形条の金属板をプレス加工によりパターニングし、絶縁基材61に貼り付けることで形成してもよい。突起部を有する表面金属体62は、厚Cuをエッチングすることで形成してもよい。基板60とは別部材の金属体を表面金属体62に直接接合することで形成してもよい。図36に示す構成では、中継配線65の突起部である継手部81と、継手部81の先端と中継配線55との間に介在する接合材103が、アーム接続部80を構成する。図36は、図30に対応する図である。
The surface metal body 62 having the protrusions may be formed, for example, by patterning a metal plate with a multi-gauge strip by press processing and attaching it to the insulating substrate 61. The surface metal body 62 having the protrusions may be formed by etching thick Cu. It may also be formed by directly bonding a metal body that is a separate member from the substrate 60 to the surface metal body 62. In the configuration shown in FIG. 36, the joint portion 81, which is the protrusion of the relay wiring 65, and the bonding material 103 interposed between the tip of the joint portion 81 and the relay wiring 55 constitute the arm connection portion 80. FIG. 36 is a view corresponding to FIG. 30.
図37に示す例では、継手部81を排除した構成としている。接合材103が、中継配線55、65を電気的に接続している。接合材103が、アーム接続部80を構成する。図37では、導電スペーサ70も排除しており、半導体素子40のソース電極40Sは、接合材101を介して表面金属体62に接続されている。図示を省略するが、アーム接続部80が、接合材103を備えず、継手部81のみを備える構成としてもよい。この場合、継手部81は、中継配線55、65に直接接合される。
In the example shown in FIG. 37, the joint portion 81 is eliminated. The bonding material 103 electrically connects the relay wirings 55 and 65. The bonding material 103 constitutes the arm connection portion 80. In FIG. 37, the conductive spacer 70 is also eliminated, and the source electrode 40S of the semiconductor element 40 is connected to the surface metal body 62 via the bonding material 101. Although not shown, the arm connection portion 80 may be configured to include only the joint portion 81 without the bonding material 103. In this case, the joint portion 81 is directly bonded to the relay wirings 55 and 65.
基板50、60の回路パターンは、上記した例に限定されない。図38に示す基板60は、図24に示した回路パターンに、スリット643、653を適用した例を示している。図38に示す例において、スリット643は、隣り合う半導体素子40Lの間に設けられている。スリット643は、半導体素子40Lの間から、Y方向であってN端子91N側、つまりソース電流の流れる側に延びている。スリット653は、隣り合う半導体素子40Hの間に設けられている。スリット653は、半導体素子40Hの間から、Y方向であってアーム接続部80側に延びている。
The circuit patterns of the substrates 50 and 60 are not limited to the above examples. The substrate 60 shown in FIG. 38 shows an example in which slits 643 and 653 are applied to the circuit pattern shown in FIG. 24. In the example shown in FIG. 38, the slit 643 is provided between adjacent semiconductor elements 40L. The slit 643 extends from between the semiconductor elements 40L in the Y direction toward the N terminal 91N, that is, the side where the source current flows. The slit 653 is provided between adjacent semiconductor elements 40H. The slit 653 extends from between the semiconductor elements 40H in the Y direction toward the arm connection portion 80.
本実施形態において、外部接続端子90の配置は、図示した例に限定されない。P端子91Pは、たとえばX方向の両端で、P配線54に接続されてもよい。N端子91Nは、たとえばX方向の両端でN配線64に接続されてもよい。この場合、N端子91Nは、延設部641に接続されてもよい。N配線64から延設部641を排除し、基部640に接続されてもよい。出力端子92は、たとえばX方向の両端で中継配線55に接続されてもよい。
In this embodiment, the arrangement of the external connection terminals 90 is not limited to the example shown in the figure. The P terminal 91P may be connected to the P wiring 54 at both ends in the X direction, for example. The N terminal 91N may be connected to the N wiring 64 at both ends in the X direction, for example. In this case, the N terminal 91N may be connected to the extension portion 641. The extension portion 641 may be removed from the N wiring 64 and connected to the base portion 640. The output terminal 92 may be connected to the relay wiring 55 at both ends in the X direction, for example.
本実施形態に記載の構成は、第1実施形態およびその変形例に記載の構成のいずれとも組み合わせが可能である。
The configuration described in this embodiment can be combined with any of the configurations described in the first embodiment and its modified examples.
(第3実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。半導体素子の熱を効果的に逃がすため、本実施形態に記載のように、半導体素子よりも上方の厚みと下方の厚みとが所定の関係を満たすようにしてもよい。
Third Embodiment
This embodiment is a modified example based on the preceding embodiment, and the description of the preceding embodiment can be used in this embodiment. In order to effectively dissipate heat from the semiconductor element, the thickness above the semiconductor element and the thickness below the semiconductor element may satisfy a predetermined relationship, as described in this embodiment.
<高温時の反り>
鋭意検討により、樹脂を材料とする絶縁基材51、61を採用し、フィラーの添加によって線膨張係数を金属体52、53、62、63に近づけても、図39に示すように半導体装置20に反りが生じ得ることが明らかとなった。図39は、半導体素子40の動作時、つまり高温時の半導体装置20の状態を示している。図中の一点鎖線は、反りの方向を示す参考線である。
<Warping at high temperatures>
Through careful investigation, it has become clear that even if insulating base materials 51, 61 made of resin are used and the linear expansion coefficient is made closer to that of metal bodies 52, 53, 62, 63 by adding filler, warping may occur in semiconductor device 20 as shown in Fig. 39. Fig. 39 shows the state of semiconductor device 20 when semiconductor element 40 is in operation, that is, at high temperatures. The dashed line in the figure is a reference line showing the direction of warping.
図39に示す構成は、先行実施形態(図5参照)に記載の構成と同様である。図39では、便宜上、外部接続端子90を省略して図示している。図39では、半導体装置20と冷却器120の熱交換部121とが、所定方向であるZ方向に並んで配置されている。熱交換部121は、半導体装置を挟むように、Z方向において半導体装置20の両側に配置されている。熱交換部121のそれぞれと半導体装置20との間には、シリコーンゲルなどの熱伝導部材130が配置されている。冷却器120は、熱交換部121の流路内に冷媒が流通することで、半導体装置20を冷却する。流路に流す冷媒としては、水やアンモニアなどの相変化する冷媒や、エチレングリコール系などの相変化しない冷媒を用いることができる。熱伝導部材130は、サーマルインターフェイスマテリアル(TIM)と称されることがある。熱伝導部材130は、熱交換部121と半導体装置20との対向面に追従し、対向面間の隙間を埋める。
The configuration shown in FIG. 39 is the same as that described in the preceding embodiment (see FIG. 5). For convenience, the external connection terminal 90 is omitted in FIG. 39. In FIG. 39, the semiconductor device 20 and the heat exchanger 121 of the cooler 120 are arranged side by side in the Z direction, which is a predetermined direction. The heat exchanger 121 is arranged on both sides of the semiconductor device 20 in the Z direction so as to sandwich the semiconductor device. A heat conductive member 130 such as silicone gel is arranged between each of the heat exchanger 121 and the semiconductor device 20. The cooler 120 cools the semiconductor device 20 by circulating a refrigerant in the flow path of the heat exchanger 121. As the refrigerant flowing in the flow path, a refrigerant that changes phase, such as water or ammonia, or a refrigerant that does not change phase, such as an ethylene glycol-based refrigerant, can be used. The heat conductive member 130 is sometimes called a thermal interface material (TIM). The heat conductive member 130 follows the opposing surfaces of the heat exchanger 121 and the semiconductor device 20 and fills the gap between the opposing surfaces.
上記したように、半導体素子40において、高電位側の主電極であるドレイン電極40Dのほうが、低電位側の主電極であるソース電極40Sよりも電極面積が大きい。また、ソース電極40Sと基板60との間には導電スペーサ70が介在するのに対し、ドレイン電極40Dと基板50との間には導電スペーサ70が介在しない。つまり、熱抵抗は、半導体素子40から基板50への伝熱経路のほうが、半導体素子40から基板60への伝熱経路よりも小さい。このような構成の半導体装置20においては、基板50側への放熱を効果的に行うことが求められる。
As described above, in the semiconductor element 40, the drain electrode 40D, which is the main electrode on the high potential side, has a larger electrode area than the source electrode 40S, which is the main electrode on the low potential side. In addition, a conductive spacer 70 is interposed between the source electrode 40S and the substrate 60, whereas a conductive spacer 70 is not interposed between the drain electrode 40D and the substrate 50. In other words, the thermal resistance of the heat transfer path from the semiconductor element 40 to the substrate 50 is smaller than that of the heat transfer path from the semiconductor element 40 to the substrate 60. In a semiconductor device 20 configured in this way, it is required to effectively dissipate heat to the substrate 50 side.
図39に示すように基板50側が凹、基板60側が凸となる反りが生じると、露出面である基板50の裏面50bと熱交換部121との対向距離が長くなり、介在する熱伝導部材130が厚くなる。これにより、基板50と熱交換部121との間の熱抵抗が増大し、半導体装置20と冷却器120(熱交換部121)と間で熱伝達(熱交換)し難くなる。半導体素子40の熱を効果的に逃がす、つまり半導体装置20を効率よく冷やすには、図39に示す反りの状態は好ましいものではない。図39では、半導体装置20の両面側に冷却器120(熱交換部121)を配置する両面冷却構造の例を示した。しかしながら、Z方向において基板50側にのみ冷却器120を配置した片面冷却構造についても、同様の課題がある。
When warping occurs with the substrate 50 side concave and the substrate 60 side convex as shown in FIG. 39, the distance between the exposed back surface 50b of the substrate 50 and the heat exchanger 121 becomes longer, and the intervening heat conductive member 130 becomes thicker. This increases the thermal resistance between the substrate 50 and the heat exchanger 121, making it difficult to transfer heat (exchange heat) between the semiconductor device 20 and the cooler 120 (heat exchanger 121). The warping state shown in FIG. 39 is not preferable for effectively releasing the heat of the semiconductor element 40, that is, for efficiently cooling the semiconductor device 20. FIG. 39 shows an example of a double-sided cooling structure in which the cooler 120 (heat exchanger 121) is arranged on both sides of the semiconductor device 20. However, a single-sided cooling structure in which the cooler 120 is arranged only on the substrate 50 side in the Z direction also has the same problem.
<半導体装置の構造>
鋭意検討により、半導体装置20において半導体素子40よりも基板50側の部分の厚みと基板60側の部分の厚みとの大小関係により、半導体装置20の反りを制御できることが明らかとなった。本実施形態の半導体装置20は、この知見に基づいた構成を有している。図40は、本実施形態の半導体装置20を示す断面図である。図40では、半導体装置20に反りのない理想的な状態を示している。
<Structure of Semiconductor Device>
Through careful investigation, it has become clear that the warpage of the semiconductor device 20 can be controlled by controlling the thickness relationship between the portion of the semiconductor device 20 closer to the substrate 50 than the semiconductor element 40 and the portion of the semiconductor device 20 closer to the substrate 60. The semiconductor device 20 of this embodiment has a configuration based on this finding. Fig. 40 is a cross-sectional view showing the semiconductor device 20 of this embodiment. Fig. 40 shows an ideal state in which the semiconductor device 20 is free of warpage.
本実施形態の半導体装置20は、先行実施形態に記載の構成(図2~図13参照)と同様の構成を有している。図40では、図39同様、半導体装置20とともに、冷却器120の熱交換部121と、熱伝導部材130を示している。つまり、図40は、半導体装置20、冷却器120、および熱伝導部材130を備える半導体モジュール140を示している。半導体モジュール140は、一例として、一対の熱交換部121にて半導体装置20を挟む両面冷却構造を有している。半導体装置20は、所定方向であるZ方向において冷却器120(熱交換部121)と並んで配置されている。冷却器120は、半導体装置20の両側に配置されている。
The semiconductor device 20 of this embodiment has a configuration similar to that described in the preceding embodiment (see Figures 2 to 13). Like Figure 39, Figure 40 shows the heat exchange section 121 of the cooler 120 and the heat conduction member 130 along with the semiconductor device 20. That is, Figure 40 shows a semiconductor module 140 including the semiconductor device 20, the cooler 120, and the heat conduction member 130. As an example, the semiconductor module 140 has a double-sided cooling structure in which the semiconductor device 20 is sandwiched between a pair of heat exchange sections 121. The semiconductor device 20 is arranged alongside the cooler 120 (heat exchange section 121) in the Z direction, which is a predetermined direction. The coolers 120 are arranged on both sides of the semiconductor device 20.
裏面金属体53、63は、基板50、60の裏面50b、60bとして、封止体30から露出している。冷却器120の熱交換部121のひとつは、封止体30の一面30aおよび裏面50bに対向配置され、熱交換部121の他のひとつは封止体30の裏面30bおよび裏面60bに対向配置されている。半導体装置20と熱交換部121との対向面間には、熱伝導部材130がそれぞれ配置されている。熱伝導部材130は、半導体装置20および熱交換部121に密着している。
The rear surface metal bodies 53, 63 are exposed from the sealing body 30 as the rear surfaces 50b, 60b of the substrates 50, 60. One of the heat exchange sections 121 of the cooler 120 is disposed facing one surface 30a and the rear surface 50b of the sealing body 30, and the other of the heat exchange sections 121 is disposed facing the rear surfaces 30b and 60b of the sealing body 30. A heat conductive member 130 is disposed between the opposing surfaces of the semiconductor device 20 and the heat exchange section 121. The heat conductive member 130 is in close contact with the semiconductor device 20 and the heat exchange section 121.
半導体装置20は、半導体素子40よりも基板50側の厚みT1と、半導体素子40よりも基板60側の厚みT2とがT1≧T2の関係を満たすように構成されている。その他の構成については、先行実施形態(図5参照)に記載の構成と同様である。厚みT1は、接合材101、導電スペーサ70、接合材102、および基板60のそれぞれの厚みのトータルの厚みである。厚みT2は、接合材100および基板50のそれぞれの厚みのトータルの厚みである。T1≧T2の関係を満たすため、基板50は、基板60よりも厚い。基板50は、導電スペーサ70よりも厚い。基板50において、金属体52、53は絶縁基材51よりも厚い。基板60において、金属体62、63は、絶縁基材61よりも厚い。厚みの関係を除く部分の構成は、第1実施形態に記載の構成と同様である。
The semiconductor device 20 is configured such that the thickness T1 on the substrate 50 side of the semiconductor element 40 and the thickness T2 on the substrate 60 side of the semiconductor element 40 satisfy the relationship T1 ≧ T2. The other configurations are the same as those described in the preceding embodiment (see FIG. 5). The thickness T1 is the total thickness of the bonding material 101, the conductive spacer 70, the bonding material 102, and the substrate 60. The thickness T2 is the total thickness of the bonding material 100 and the substrate 50. Since the relationship T1 ≧ T2 is satisfied, the substrate 50 is thicker than the substrate 60. The substrate 50 is thicker than the conductive spacer 70. In the substrate 50, the metal bodies 52 and 53 are thicker than the insulating substrate 51. In the substrate 60, the metal bodies 62 and 63 are thicker than the insulating substrate 61. The configurations of the parts other than the thickness relationship are the same as those described in the first embodiment.
<シミュレーション結果>
図41~図43は、熱応力シミュレーションの結果を示している。図41は、図40に示した半導体装置20の室温(RT)時の状態を示している。図42は、図40に示した半導体装置20の高温時の状態を示している。高温時とは、通電により半導体素子40が発熱しているとき、つまり半導体素子40の動作時である。図41および図42に示すように、高温時には半導体装置20に反りが生じる。本実施形態では、上記したようにT1≧T2の関係を満たしているため、図42に破線矢印で示すように、基板50側の膨張量のほうが基板60側の膨張量よりも大きい。金属体52、53、62、63を構成するCuの線膨張係数がもっとも大きく、基板50が厚いからである。これにより、第1基板である基板50側に凸、第2基板である基板60側に凹の反りが生じる。図42中の一点鎖線は、反りの方向を示す参考線である。
<Simulation results>
41 to 43 show the results of thermal stress simulation. FIG. 41 shows the state of the semiconductor device 20 shown in FIG. 40 at room temperature (RT). FIG. 42 shows the state of the semiconductor device 20 shown in FIG. 40 at high temperature. At high temperature, the semiconductor element 40 generates heat due to current flow, that is, when the semiconductor element 40 is in operation. As shown in FIG. 41 and FIG. 42, warping occurs in the semiconductor device 20 at high temperature. In this embodiment, since the relationship T1≧T2 is satisfied as described above, the expansion amount on the substrate 50 side is larger than the expansion amount on the substrate 60 side, as shown by the dashed arrow in FIG. 42. This is because the linear expansion coefficient of Cu constituting the metal bodies 52, 53, 62, and 63 is the largest, and the substrate 50 is thick. As a result, a convex warp occurs on the substrate 50 side, which is the first substrate, and a concave warp occurs on the substrate 60 side, which is the second substrate. The dashed line in FIG. 42 is a reference line indicating the direction of warping.
図43は、厚みT1、T2の比と、高温時における反り量の関係を示している。このシミュレーションにおいて、半導体素子40、導電スペーサ70、および接合材100、101、102については同一(共通)とし、基板50および基板60の厚みを調整して、厚み比T1:T2が所定値となるように調整した。材料構成については、同一(共通)とした。図43に示す縦軸は反り量を示しており、任意単位(a.u.)である。反り量は、0(ゼロ)よりも上方の場合に基板50側に凸、基板60側に凹の反りであることを示し、0(ゼロ)よりも下方の場合に基板50側に凹、基板60側に凸の反りであることを示している。T1:T2は、1:2、1:1.3、1:1、1.5:1の4水準とした。
Figure 43 shows the relationship between the ratio of thicknesses T1 and T2 and the amount of warping at high temperatures. In this simulation, the semiconductor element 40, conductive spacer 70, and bonding materials 100, 101, and 102 were all the same (common), and the thicknesses of the substrate 50 and substrate 60 were adjusted so that the thickness ratio T1:T2 was a predetermined value. The material configuration was all the same (common). The vertical axis in Figure 43 shows the amount of warping, and is in arbitrary units (a.u.). The amount of warping above 0 (zero) indicates that the warping is convex toward the substrate 50 side and concave toward the substrate 60 side, and below 0 (zero) indicates that the warping is concave toward the substrate 50 side and convex toward the substrate 60 side. T1:T2 was set to four levels: 1:2, 1:1.3, 1:1, and 1.5:1.
図43に示すように、T1:T2=1:2の場合、基板50側に凹、基板60側に凸の反りが生じ、基板60側に凸の反り量が4水準の中で最大であった。T1:T2=1:1.3の場合、基板50側に凹、基板60側に凸の反りが生じ、基板60側に凸の反り量はT1:T2=1:2よりも小さくなった。T1:T2=1:1にすると、基板50側に凸、基板60側に凹の反りに転じた。T1:T2=1.5:1にすると、基板50側に凸、基板60側に凹の反りが生じ、基板50側に凸の反り量が4水準の中で最大であった。
As shown in Figure 43, when T1:T2 = 1:2, concave warping occurred on the substrate 50 side and convex warping occurred on the substrate 60 side, with the amount of convex warping on the substrate 60 side being the largest among the four levels. When T1:T2 = 1:1.3, concave warping occurred on the substrate 50 side and convex warping on the substrate 60 side, with the amount of convex warping on the substrate 60 side being smaller than that of T1:T2 = 1:2. When T1:T2 = 1:1, the warping changed to convex warping on the substrate 50 side and concave warping on the substrate 60 side. When T1:T2 = 1.5:1, convex warping occurred on the substrate 50 side and concave warping on the substrate 60 side, with the amount of convex warping on the substrate 50 side being the largest among the four levels.
このように、T1<T2の場合には、基板50側に凹、基板60側に凸の反りが生じ、T1≧T2の場合には、基板50側に凸、基板60側に凹の反りを生じることが明らかとなった。つまり、T1≧T2の関係を満たすことで、高温時に生じる反りを、基板50側に凸、基板60側に凹の反りに制御できることが明らかとなった。また、T1に対してT2が大きいほど基板60側に凸の反り量が大きくなり、T2に対してT1が大きいほど基板50側に凸の反り量が大きくなることが明らかとなった。
Thus, it was revealed that when T1<T2, concave warping occurs on the substrate 50 side and convex warping occurs on the substrate 60 side, and when T1≧T2, convex warping occurs on the substrate 50 side and concave warping occurs on the substrate 60 side. In other words, it was revealed that by satisfying the relationship T1≧T2, it is possible to control the warping that occurs at high temperatures to be convex on the substrate 50 side and concave on the substrate 60 side. It was also revealed that the greater T2 is relative to T1, the greater the amount of convex warping on the substrate 60 side, and the greater T1 is relative to T2, the greater the amount of convex warping on the substrate 50 side.
<第3実施形態のまとめ>
本実施形態では、半導体装置20が、上記した厚みT1≧厚みT2の関係を満たしている。半導体素子40と基板50との間に導電スペーサ70を介さない側の厚みT1が、半導体素子40と基板60との間に導電スペーサ70を介する側の厚みT2以上である。これにより、半導体素子40の動作時(高温時)において、半導体装置20に、基板50側に凸、基板60側に凹の反りが生じる。よって、放熱性に対する寄与率が高い基板50側における半導体装置20と冷却器120(熱交換部121)との対向距離を、厚みT1<厚みT2の関係を満たす構成に較べて狭くすることができる。対向距離が狭くなるため、半導体装置20と冷却器120との間の熱抵抗が小さくなる。これにより、半導体素子40の生じた熱を半導体装置20の外部に効率よく逃がすことができる。換言すれば、半導体装置20の冷却効率を高めることができる。
<Summary of the Third Embodiment>
In this embodiment, the semiconductor device 20 satisfies the above-mentioned relationship of thickness T1 ≧ thickness T2. The thickness T1 on the side where the conductive spacer 70 is not interposed between the semiconductor element 40 and the substrate 50 is equal to or greater than the thickness T2 on the side where the conductive spacer 70 is interposed between the semiconductor element 40 and the substrate 60. As a result, when the semiconductor element 40 is in operation (at high temperature), the semiconductor device 20 is warped in a convex manner toward the substrate 50 side and a concave manner toward the substrate 60 side. Therefore, the facing distance between the semiconductor device 20 and the cooler 120 (heat exchange section 121) on the substrate 50 side, which has a high contribution rate to heat dissipation, can be narrowed compared to a configuration that satisfies the relationship of thickness T1 < thickness T2. Since the facing distance is narrowed, the thermal resistance between the semiconductor device 20 and the cooler 120 is reduced. As a result, the heat generated by the semiconductor element 40 can be efficiently released to the outside of the semiconductor device 20. In other words, the cooling efficiency of the semiconductor device 20 can be improved.
具体的には、半導体装置20と冷却器120との間に介在する熱伝導部材130の厚みが、厚みT1<厚みT2の関係を満たす構成に較べて薄くなる。これにより、半導体装置20と冷却器120との間の熱抵抗が小さくなり、半導体装置20と冷却器120との間で熱交換しやすくなる。よって、半導体素子40の生じた熱を半導体装置20の外部に効率よく逃がすことができる。
Specifically, the thickness of the thermally conductive member 130 interposed between the semiconductor device 20 and the cooler 120 is thinner than in a configuration that satisfies the relationship of thickness T1 < thickness T2. This reduces the thermal resistance between the semiconductor device 20 and the cooler 120, making it easier to exchange heat between the semiconductor device 20 and the cooler 120. Therefore, the heat generated by the semiconductor element 40 can be efficiently released to the outside of the semiconductor device 20.
本実施形態では、裏面金属体53が封止体30から露出している。裏面金属体53が封止体30により覆われる構成に較べて、放熱性を高めることができる。同様に、裏面金属体63が封止体30から露出している。裏面金属体63が封止体30により覆われる構成に較べて、放熱性を高めることができる。
In this embodiment, the rear surface metal body 53 is exposed from the sealing body 30. Compared to a configuration in which the rear surface metal body 53 is covered by the sealing body 30, heat dissipation can be improved. Similarly, the rear surface metal body 63 is exposed from the sealing body 30. Compared to a configuration in which the rear surface metal body 63 is covered by the sealing body 30, heat dissipation can be improved.
<変形例>
両面放熱構造の例を示したが、これに限定されない。半導体装置20は、主として基板50側から効率よく熱を逃がしたい。よって、半導体装置20に対し、Z方向において基板50側のみに冷却器120(熱交換部121)を配置してもよい。このような片面放熱構造においても、T1≧T2の関係を満たすことで高温時に基板50側に凸の反りとなる。これにより、半導体装置20と冷却器120との間の熱抵抗を小さくなる。よって、半導体素子40の生じた熱を効率よく逃がすことができる。
<Modification>
Although an example of a double-sided heat dissipation structure is shown, the present invention is not limited to this. It is desired that the semiconductor device 20 efficiently dissipates heat mainly from the substrate 50 side. Therefore, the cooler 120 (heat exchange section 121) may be arranged only on the substrate 50 side in the Z direction with respect to the semiconductor device 20. Even in such a single-sided heat dissipation structure, by satisfying the relationship T1≧T2, a convex warp is formed on the substrate 50 side at high temperatures. This reduces the thermal resistance between the semiconductor device 20 and the cooler 120. Therefore, the heat generated by the semiconductor element 40 can be efficiently dissipated.
裏面金属体53、63の両方が、封止体30から露出する例を示したが、これに限定されない。たとえば裏面金属体53のみが露出する構成としてもよい。
Although an example in which both rear surface metal bodies 53 and 63 are exposed from the sealing body 30 has been shown, this is not limiting. For example, a configuration in which only the rear surface metal body 53 is exposed may also be used.
半導体装置20が、上アーム9Hを構成する半導体素子40Hと、下アーム9Lを構成する半導体素子40を備える例を示したが、これに限定されない。アームのひとつを構成する半導体素子40のみを備えてもよい。半導体装置20は、たとえばひとつの半導体素子40のみを備えてもよい。半導体装置20は、半導体素子40と、半導体素子40を挟むように配置された一対の基板50、60と、半導体素子40と基板60との間に介在する導電スペーサ70を備えればよい。
The semiconductor device 20 has an example in which it includes a semiconductor element 40H that constitutes the upper arm 9H and a semiconductor element 40 that constitutes the lower arm 9L, but is not limited to this. It may include only a semiconductor element 40 that constitutes one of the arms. The semiconductor device 20 may include, for example, only one semiconductor element 40. The semiconductor device 20 may include a semiconductor element 40, a pair of substrates 50, 60 arranged to sandwich the semiconductor element 40, and a conductive spacer 70 interposed between the semiconductor element 40 and the substrate 60.
基板50において、金属体52、53の厚みの関係については特に言及しなかった。たとえば図44に示すように、表面金属体52を裏面金属体53より厚くしてもよい。半導体素子40の第1主電極であるドレイン電極40Dは表面金属体52に接合されている。表面金属体52と半導体素子40との間の熱抵抗は小さい。半導体素子40に近い表面金属体52を厚くすることで、半導体素子40の生じた熱を効果的に拡散させることができる。つまり、半導体素子40の熱を、効率よく逃がすことができる。図44は、変形例を示す断面図である。図44は、図41に対応している。
No particular mention was made of the relationship between the thicknesses of the metal bodies 52, 53 in the substrate 50. For example, as shown in FIG. 44, the front surface metal body 52 may be made thicker than the back surface metal body 53. The drain electrode 40D, which is the first main electrode of the semiconductor element 40, is joined to the front surface metal body 52. The thermal resistance between the front surface metal body 52 and the semiconductor element 40 is small. By making the front surface metal body 52 closer to the semiconductor element 40 thicker, the heat generated by the semiconductor element 40 can be effectively diffused. In other words, the heat of the semiconductor element 40 can be efficiently dissipated. FIG. 44 is a cross-sectional view showing a modified example. FIG. 44 corresponds to FIG. 41.
図44に示すように、表面金属体62を裏面金属体63より厚くしてもよい。半導体素子40に近い表面金属体62を厚くすることで、半導体素子40の生じた熱を効果的に拡散させることができる。
As shown in FIG. 44, the front metal body 62 may be made thicker than the back metal body 63. By making the front metal body 62 closer to the semiconductor element 40 thicker, the heat generated by the semiconductor element 40 can be diffused more effectively.
上記したように、両面に主電極を有する半導体素子40の熱は、主として熱抵抗の小さい基板50側に伝わる。このため、図45に示すように、表面金属体62を裏面金属体63より薄くしてもよい。これにより、基板60の厚みを薄くし、ひいては半導体装置20の体格を小型化することが可能となる。厚い金属体が不要となるため、コストを低減することもできる。図45は、変形例を示す断面図である。図45は、図44に対応している。図45では、表面金属体52が裏面金属体53よりも厚く、表面金属体62が裏面金属体63よりも薄い。よって、半導体素子40の熱を効率よく逃がしつつ、体格小型化や低コスト化を図ることができる。
As described above, the heat of the semiconductor element 40 having main electrodes on both sides is mainly transferred to the substrate 50 side, which has a smaller thermal resistance. For this reason, as shown in FIG. 45, the front metal body 62 may be made thinner than the back metal body 63. This makes it possible to reduce the thickness of the substrate 60 and thus the size of the semiconductor device 20. Since a thick metal body is not required, costs can also be reduced. FIG. 45 is a cross-sectional view showing a modified example. FIG. 45 corresponds to FIG. 44. In FIG. 45, the front metal body 52 is thicker than the back metal body 53, and the front metal body 62 is thinner than the back metal body 63. Therefore, it is possible to efficiently dissipate heat from the semiconductor element 40 while achieving a smaller size and lower costs.
本実施形態に記載の構成は、第1実施形態、第2実施形態、および変形例に記載の構成のいずれとも組み合わせが可能である。
The configuration described in this embodiment can be combined with any of the configurations described in the first embodiment, second embodiment, and modified example.
(第4実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。接続信頼性を高めるため、本実施形態に記載のように、基板と信号端子とが所定の位置関係を満たすようにしてもよい。
Fourth Embodiment
This embodiment is a modified example based on the preceding embodiment, and the description of the preceding embodiment can be used. In order to improve connection reliability, the substrate and the signal terminals may be arranged to satisfy a predetermined positional relationship as described in this embodiment.
<半導体装置>
まず、図46および図47に基づき、本実施形態の半導体装置20について説明する。図46は、本実施形態に係る半導体装置20において、信号端子93の周辺を示している。図46では、基板50と信号端子93との位置関係を示すために、半導体装置20の要素の一部を省略して図示している。図47は、図46のXLVII-XLVII線に沿う断面図である。図46および図47では、一例として、下アーム9L側の信号端子93Lについて説明する。
<Semiconductor Device>
First, the semiconductor device 20 of this embodiment will be described with reference to Fig. 46 and Fig. 47. Fig. 46 shows the periphery of the signal terminal 93 in the semiconductor device 20 of this embodiment. In Fig. 46, some of the elements of the semiconductor device 20 are omitted in order to show the positional relationship between the substrate 50 and the signal terminal 93. Fig. 47 is a cross-sectional view taken along line XLVII-XLVII in Fig. 46. In Figs. 46 and 47, the signal terminal 93L on the lower arm 9L side will be described as an example.
本実施形態の半導体装置20は、先行実施形態に記載の構成(図2~図13参照)と同様の構成を有している。図46に示すように、半導体装置20は、2つの半導体素子40Lを備えている。半導体素子40Lは、一面に第1主電極であるドレイン電極40Dを有し、裏面に第2主電極であるソース電極40Sと信号用のパッド40Pを有している。半導体装置20は、信号端子93Lを4本備えている。各信号端子93Lは、Y方向に延設されて、封止体30の側面30dから外部に突出している。4本の信号端子93Lは、Z方向の平面視において出力端子92の間でX方向に並んで配置されている。
The semiconductor device 20 of this embodiment has a configuration similar to that described in the preceding embodiment (see Figures 2 to 13). As shown in Figure 46, the semiconductor device 20 has two semiconductor elements 40L. The semiconductor element 40L has a drain electrode 40D, which is a first main electrode, on one side, and a source electrode 40S, which is a second main electrode, and a signal pad 40P on the back side. The semiconductor device 20 has four signal terminals 93L. Each signal terminal 93L extends in the Y direction and protrudes to the outside from the side surface 30d of the sealing body 30. The four signal terminals 93L are arranged in a line in the X direction between the output terminals 92 when viewed in a plan view in the Z direction.
<信号端子の形状および配置>
次に、図46および図47に基づき、信号端子93の形状および配置などについて説明する。
<Shape and arrangement of signal terminals>
Next, the shape and arrangement of the signal terminals 93 will be described with reference to FIGS.
図46に示すように、各信号端子93Lは、平面視において基板50に重なる重なり部930と、基板50に重ならない非重なり部931を有している。重なり部930は、Z方向において基板50に対向している。
As shown in FIG. 46, each signal terminal 93L has an overlapping portion 930 that overlaps with the substrate 50 in a plan view, and a non-overlapping portion 931 that does not overlap with the substrate 50. The overlapping portion 930 faces the substrate 50 in the Z direction.
重なり部930は、信号端子93Lにおいて、半導体素子40L側の端部から所定範囲の部分である。非重なり部931は、重なり部930を除く部分である。重なり部930は、ドレイン電極40Dが電気的に接続される基板50のうち、絶縁基材51に重なっている。重なり部930の全域が絶縁基材51に重なっている。重なり部930は、絶縁基材51において表面金属体52から露出する露出部510に重なっている。このように、信号端子93Lは、基板50上まで延設されている。つまり、信号端子93Lは、平面視において基板50に重なる位置まで差し込み配置されている。
The overlapping portion 930 is a portion of the signal terminal 93L within a predetermined range from the end on the semiconductor element 40L side. The non-overlapping portion 931 is the portion excluding the overlapping portion 930. The overlapping portion 930 overlaps the insulating base material 51 of the substrate 50 to which the drain electrode 40D is electrically connected. The entire overlapping portion 930 overlaps the insulating base material 51. The overlapping portion 930 overlaps the exposed portion 510 exposed from the surface metal body 52 of the insulating base material 51. In this way, the signal terminal 93L is extended onto the substrate 50. In other words, the signal terminal 93L is inserted and positioned to a position where it overlaps the substrate 50 in a plan view.
4本のうち、2本の信号端子93Lは、重なり部930は、主部930aと、突出部930bを有している。他の2本の信号端子93Lは、突出部930bを有していない。主部930aは、信号端子93Lの主たる延設方向であるY方向に延びている。突出部930bは、主部930aに連なっており、主部930aから突出している。突出部930bは、主部930aとは異なる方向に延びている。突出部930bは、分枝部と称されることがある。主部930aの平面形状は、平面略L字状、略Y字状、略T字状など多様な形状を採用できる。図46に示す例では、信号端子93Lのひとつが平面略L字状をなし、信号端子93Lの他のひとつが平面略T字状をなしている。
Of the four signal terminals 93L, the overlapping portion 930 of two signal terminals 93L has a main portion 930a and a protruding portion 930b. The other two signal terminals 93L do not have a protruding portion 930b. The main portion 930a extends in the Y direction, which is the main extension direction of the signal terminal 93L. The protruding portion 930b is connected to the main portion 930a and protrudes from the main portion 930a. The protruding portion 930b extends in a direction different from that of the main portion 930a. The protruding portion 930b is sometimes called a branch portion. The planar shape of the main portion 930a can be various shapes such as a planar approximately L-shape, a planar approximately Y-shape, or a planar approximately T-shape. In the example shown in FIG. 46, one of the signal terminals 93L is planar approximately L-shaped, and the other signal terminal 93L is planar approximately T-shaped.
先行実施形態(図11参照)に記載したように、表面金属体52の中継配線55は、切り欠き550を有している。信号端子93Lの重なり部930は、絶縁基材51において、切り欠き550から露出する部分に重なっている。4本の信号端子93Lは、平面視において出力端子92の間でX方向に並んで配置されている。各信号端子93Lは、タイバー痕93aを有している。タイバー痕93aは、先行実施形態に記載(図10参照)したように、リードフレーム94のタイバー94aを切除する際に、信号端子93Lの側面に残る痕跡である。タイバー痕93aは、切断痕と称されることがある。各信号端子93Lは、X方向における両側面にタイバー痕93aを有している。タイバー痕93aは、非重なり部931において、封止体30の外部位置に設けられている。
As described in the previous embodiment (see FIG. 11), the relay wiring 55 of the surface metal body 52 has a notch 550. The overlapping portion 930 of the signal terminal 93L overlaps with the portion of the insulating substrate 51 exposed from the notch 550. The four signal terminals 93L are arranged in a line in the X direction between the output terminals 92 in a plan view. Each signal terminal 93L has a tie bar mark 93a. As described in the previous embodiment (see FIG. 10), the tie bar mark 93a is a mark left on the side of the signal terminal 93L when the tie bar 94a of the lead frame 94 is cut off. The tie bar mark 93a is sometimes called a cut mark. Each signal terminal 93L has a tie bar mark 93a on both side surfaces in the X direction. The tie bar mark 93a is provided in the non-overlapping portion 931 at an external position of the sealing body 30.
各信号端子93Lは、図47に示すように、接合部93bと、先端部93cと、屈曲部93dと、延設部93eを有している。接合部93bは、接続部材であるボンディングワイヤ110が接合された部分である。接合部93bは、好ましくは、XY平面に略平行な部分を含む。接合部93bが、信号端子93Lにおいて絶縁基材51(露出部510)の表面にもっとも近い部分である。本実施形態の接合部93bは、絶縁基材51の表面に対して浮いている。接合部93bは、絶縁基材51に接触しておらず、接合部93bの下面と絶縁基材51の表面との隙間には、封止体30が入り込んで隙間を埋めている。ボンディングワイヤ110は、ソース電極40Sと同一面に形成されたパッド40Pと信号端子93Lとを電気的に接続している。
As shown in FIG. 47, each signal terminal 93L has a joint 93b, a tip 93c, a bent portion 93d, and an extension 93e. The joint 93b is a portion to which a bonding wire 110, which is a connecting member, is joined. The joint 93b preferably includes a portion that is approximately parallel to the XY plane. The joint 93b is the portion of the signal terminal 93L that is closest to the surface of the insulating substrate 51 (exposed portion 510). In this embodiment, the joint 93b is floating with respect to the surface of the insulating substrate 51. The joint 93b is not in contact with the insulating substrate 51, and the sealing body 30 fills the gap between the lower surface of the joint 93b and the surface of the insulating substrate 51. The bonding wire 110 electrically connects the pad 40P formed on the same surface as the source electrode 40S to the signal terminal 93L.
先端部93cは、接合部93bよりも先端側、つまり半導体素子40(40L)側の部分である。先端部93cは、接合部93bよりも上方、つまりZ方向において絶縁基材51の表面から離れた位置に配置されている。先端部93cは、接合部93bから離れるほど上方に持ち上がっている。先端部93cは、ZY断面においてR形状を有している。屈曲部93dは、接合部93bと、接合部93bよりも後端側の部分である延設部93eとの間に設けられている。屈曲部93dは、延設部93eを接合部93bよりも上方、つまり絶縁基材51の表面から離れた位置とするように屈曲している。屈曲部93dは、曲げ加工により、信号端子93の他の部分、具体的には接合部93b、先端部93c、および延設部93eよりも断面積が小さい。つまり細い。延設部93eは、接合部93bよりも後端側の部分である。延設部93eは、Y方向に延び、封止体30の内外にわたって配置されている。
The tip 93c is located on the tip side of the joint 93b, that is, on the semiconductor element 40 (40L) side. The tip 93c is located above the joint 93b, that is, at a position farther from the surface of the insulating substrate 51 in the Z direction. The tip 93c rises upward as it moves away from the joint 93b. The tip 93c has an R-shape in the ZY cross section. The bent portion 93d is provided between the joint 93b and the extension portion 93e, which is a portion on the rear end side of the joint 93b. The bent portion 93d is bent so that the extension portion 93e is located above the joint 93b, that is, away from the surface of the insulating substrate 51. The bent portion 93d has a smaller cross-sectional area than other portions of the signal terminal 93, specifically the joint 93b, the tip 93c, and the extension portion 93e, due to the bending process. In other words, it is thin. The extension portion 93e is a portion on the rear end side of the joint 93b. The extension portion 93e extends in the Y direction and is disposed on both the inside and outside of the sealing body 30.
接合部93b、先端部93c、屈曲部93dの少なくとも一部は、上記した重なり部930に含まれる。延設部93eの少なくとも一部は、非重なり部931に含まれる。本実施形態では、延設部93eの全域が非重なり部931に含まれている。各信号端子93Lは、プレス打ち抜きにより形成されている。信号端子93Lにおいて、絶縁基材51との対向面がプレスR面93fであり、対向面の裏面が打ち抜きによりバリの生じるバリ面93gである。上記以外の構成は、第1実施形態に記載の構成と同様である。
At least a portion of the joint portion 93b, the tip portion 93c, and the bent portion 93d are included in the overlapping portion 930 described above. At least a portion of the extension portion 93e is included in the non-overlapping portion 931. In this embodiment, the entire extension portion 93e is included in the non-overlapping portion 931. Each signal terminal 93L is formed by press punching. In the signal terminal 93L, the surface facing the insulating substrate 51 is the press R surface 93f, and the back surface of the facing surface is the burr surface 93g where burrs are generated by punching. The configuration other than the above is the same as the configuration described in the first embodiment.
<ボンディングワイヤの接続方法>
次に、図48に基づき、上記した構造の信号端子93とボンディングワイヤ110との接続方法について説明する。図48は、ワイヤボンディングを説明する図である。図48に示す符号111は、信号端子93Lを押さえる治具である。符号112は、超音波接合用のツールである。ツール112は、超音波接合装置と称されることがある。図48に示す一点鎖線は、治具111に押されて撓んだ信号端子93Lの位置を示している。
<Bonding wire connection method>
Next, a method of connecting the signal terminal 93 having the above-mentioned structure to the bonding wire 110 will be described with reference to Fig. 48. Fig. 48 is a diagram for explaining wire bonding. Reference numeral 111 shown in Fig. 48 denotes a jig for holding the signal terminal 93L. Reference numeral 112 denotes a tool for ultrasonic bonding. The tool 112 is sometimes called an ultrasonic bonding device. The dashed line shown in Fig. 48 indicates the position of the signal terminal 93L that is bent by being pressed by the jig 111.
図48に示すように、まず、信号端子93Lの重なり部930が絶縁基材51に重なるように位置決めし、ワイヤ110aを接合する部分にセットする。そして、治具111によりZ方向に加圧して信号端子93Lを弾性変形させ、重なり部930を絶縁基材51の表面に接触させる。治具111は、信号端子93Lの重なり部930またはその近傍を押さえる。
As shown in FIG. 48, first, the overlapping portion 930 of the signal terminal 93L is positioned so as to overlap the insulating substrate 51, and the wire 110a is set in the portion to be joined. Then, pressure is applied in the Z direction by the jig 111 to elastically deform the signal terminal 93L, and the overlapping portion 930 is brought into contact with the surface of the insulating substrate 51. The jig 111 presses the overlapping portion 930 of the signal terminal 93L or the vicinity thereof.
そして、信号端子93Lが絶縁基材51に接触した状態で、ツール112により超音波接合を行う。絶縁基材51によって信号端子93Lを受けるため、受け治具を別途用意しなくてもよい。超音波接合が完了してツール112および治具111を信号端子93Lから離すと、弾性変形状態から解放されて加圧前の位置に戻る。信号端子93Lは、リードフレーム94の一部である。信号端子93Lはタイバー94aによって外周フレーム94bに支持されているため、加圧力が解放されると元の位置に戻る。
Then, with the signal terminal 93L in contact with the insulating base material 51, ultrasonic bonding is performed using the tool 112. Because the signal terminal 93L is received by the insulating base material 51, a separate receiving jig is not required. When ultrasonic bonding is completed and the tool 112 and jig 111 are released from the signal terminal 93L, the signal terminal 93L is released from its elastically deformed state and returns to the position it was in before pressure was applied. The signal terminal 93L is part of the lead frame 94. Because the signal terminal 93L is supported by the tie bar 94a on the outer frame 94b, it returns to its original position when pressure is released.
以上においては、信号端子93Lを例に説明した。しかしながら、上記構成を上アーム9H側の信号端子93Hに適用してもよい。信号端子93H、93Lがともに、上記構成を有してもよい。先行実施形態に記載の構成(図11参照)では、信号端子93H、93Lのそれぞれが、絶縁基材51の露出部に重なっている。表面金属体52のP配線54は切り欠き540を有しており、信号端子93Hは切り欠き540から露出する絶縁基材51の表面に重なっている。
The above description has been given using the signal terminal 93L as an example. However, the above configuration may also be applied to the signal terminal 93H on the upper arm 9H side. Both signal terminals 93H and 93L may have the above configuration. In the configuration described in the previous embodiment (see FIG. 11), each of the signal terminals 93H and 93L overlaps the exposed portion of the insulating substrate 51. The P wiring 54 of the surface metal body 52 has a notch 540, and the signal terminal 93H overlaps the surface of the insulating substrate 51 exposed from the notch 540.
<第4実施形態のまとめ>
本実施形態では、信号端子93(93L)が、絶縁基材51の露出部510に重なっている。しかしながら、信号端子93は、露出部510に対して非接合である。つまり、信号端子93は、絶縁基材51、ひいては基板50に固定されていない。これにより、信号端子93は、半導体装置20を構成する各要素の公差内での寸法ばらつき、各要素を組み付ける際の組付けばらつきなどを吸収することができる。したがって、封止体30の成形時において、信号端子93における半導体素子40との電気的な接続部(接合部)に応力が集中するのを抑制することができる。この結果、接続信頼性の高い半導体装置20を提供することができる。
<Summary of the Fourth Embodiment>
In this embodiment, the signal terminal 93 (93L) overlaps the exposed portion 510 of the insulating base material 51. However, the signal terminal 93 is not bonded to the exposed portion 510. That is, the signal terminal 93 is not fixed to the insulating base material 51, and thus to the substrate 50. This allows the signal terminal 93 to absorb dimensional variations within the tolerances of the elements constituting the semiconductor device 20, as well as assembly variations when assembling the elements. Therefore, during molding of the sealing body 30, it is possible to suppress stress concentration on the electrical connection portion (joint portion) of the signal terminal 93 with the semiconductor element 40. As a result, it is possible to provide a semiconductor device 20 with high connection reliability.
本実施形態では、信号端子93を、基板50に重なる位置まで、つまり基板50上まで、差し込んで配置している。このような配置を採用することで、Y方向において信号端子93が半導体素子40(40L)のパッド40Pに近づく。よって、基板50と重ならない位置のみに信号端子93を配置する構成に較べて、接続部材であるボンディングワイヤ110の長さを短くすることができる。ボンディングワイヤ110の長さを短くできるため、トランスファモールド法などによる封止体30の成形時において、ワイヤ流れ、ワイヤ流れによる短絡、ワイヤの断線などが生じるのを抑制することができる。
In this embodiment, the signal terminal 93 is inserted and positioned up to a position where it overlaps the substrate 50, that is, onto the substrate 50. By adopting such a positioning, the signal terminal 93 approaches the pad 40P of the semiconductor element 40 (40L) in the Y direction. Therefore, the length of the bonding wire 110, which is the connecting member, can be made shorter than in a configuration in which the signal terminal 93 is positioned only at a position where it does not overlap the substrate 50. Since the length of the bonding wire 110 can be made shorter, it is possible to suppress the occurrence of wire sweep, short circuits due to wire sweep, wire breakage, etc., when molding the sealing body 30 by a transfer molding method or the like.
本実施形態では、信号端子93の重なり部930が、絶縁基材51の露出部510の表面に対して浮いている。そして、重なり部930の下面と露出部510の表面との間に、封止体30が介在している。封止体30は、接合部93bと露出部510との間にも介在している。これによれば、板厚方向において製造ばらつきが大きくても、ばらつきを吸収することができる。また、信号端子93が絶縁基材51の上方に位置するため、裏面金属体53との絶縁距離を確保しやすくなる。
In this embodiment, the overlapping portion 930 of the signal terminal 93 is floating above the surface of the exposed portion 510 of the insulating base material 51. The sealing body 30 is interposed between the lower surface of the overlapping portion 930 and the surface of the exposed portion 510. The sealing body 30 is also interposed between the joint portion 93b and the exposed portion 510. This makes it possible to absorb the manufacturing variation even if there is a large variation in the plate thickness direction. In addition, since the signal terminal 93 is located above the insulating base material 51, it is easy to ensure an insulating distance from the back metal body 53.
本実施形態では、表面金属体52が、切り欠き550(540)を有している。切り欠き550は、Z方向に直交する一方向であるY方向の端部に開口している。そして、信号端子93の重なり部930は、切り欠き550から露出する露出部510の表面に重なっている。このように、基板50の表面金属体52に切り欠き550を設けることで、表面金属体52と信号端子93との絶縁距離を確保しつつ、基板50の体格の増大を抑制することができる。
In this embodiment, the surface metal body 52 has a notch 550 (540). The notch 550 opens at an end in the Y direction, which is a direction perpendicular to the Z direction. The overlapping portion 930 of the signal terminal 93 overlaps the surface of the exposed portion 510 exposed from the notch 550. In this way, by providing the notch 550 in the surface metal body 52 of the substrate 50, it is possible to suppress an increase in the size of the substrate 50 while ensuring the insulation distance between the surface metal body 52 and the signal terminal 93.
本実施形態では、信号端子93の非重なり部931は、タイバー痕93aを有している。上記したように、信号端子93Lは、リードフレーム94の一部であり、タイバー94aによって外周フレーム94bに支持されている。したがって、加圧によって信号端子93を撓ませて絶縁基材51の露出部510に接触させ、この接触状態で超音波接合によりボンディングワイヤ110を接合することができる。そして、接合完了後に加圧力を開放することで、元の位置に戻る。
In this embodiment, the non-overlapping portion 931 of the signal terminal 93 has a tie bar mark 93a. As described above, the signal terminal 93L is part of the lead frame 94, and is supported by the tie bar 94a on the outer frame 94b. Therefore, the signal terminal 93 is bent by applying pressure and brought into contact with the exposed portion 510 of the insulating substrate 51, and in this contact state, the bonding wire 110 can be joined by ultrasonic bonding. Then, by releasing the pressure after joining is completed, the signal terminal 93 returns to its original position.
本実施形態では、信号端子93が、接合部93bと延設部93eの間に屈曲部93dを有している。屈曲部93dにより、延設部93eは、Z方向において接合部93bよりも露出部510(絶縁基材51)から離れた位置に配置されている。このように屈曲部93dを有することで、Z方向の体格増大を抑制しつつ、信号端子93と裏面金属体53との絶縁距離を確保することができる。
In this embodiment, the signal terminal 93 has a bent portion 93d between the joint portion 93b and the extension portion 93e. The bent portion 93d positions the extension portion 93e at a position farther from the exposed portion 510 (insulating substrate 51) in the Z direction than the joint portion 93b. By having the bent portion 93d in this manner, it is possible to ensure the insulation distance between the signal terminal 93 and the back metal body 53 while suppressing an increase in size in the Z direction.
本実施形態では、信号端子93が先端部93cを有している。先端部93cは、Z方向において接合部93bよりも露出部510(絶縁基材51)から離れている。これにより、上記した接合時(超音波接合時)などにおいて、信号端子93の先端が絶縁基材51に傷をつけるのを抑制することができる。つまり、絶縁性能が低下するのを抑制することができる。特に本実施形態では、先端部93cが接合部93bから離れるほど上方に持ち上がっているため、先端部93cが絶縁基材51により接触し難い。また、先端部93cがZY断面においてR形状を有しているため、仮に接触したとしても絶縁基材51に傷がつくのを抑制することができる。
In this embodiment, the signal terminal 93 has a tip 93c. The tip 93c is farther from the exposed portion 510 (insulating substrate 51) in the Z direction than the joint 93b. This makes it possible to prevent the tip of the signal terminal 93 from scratching the insulating substrate 51 during the above-mentioned joining (ultrasonic joining) and the like. In other words, it is possible to prevent the insulation performance from deteriorating. In particular, in this embodiment, the tip 93c is raised upward as it moves away from the joint 93b, so that the tip 93c is less likely to come into contact with the insulating substrate 51. In addition, since the tip 93c has an R-shape in the ZY cross section, even if it does come into contact, it is possible to prevent the insulating substrate 51 from being scratched.
対向面がバリ面93gの場合、絶縁基材51に傷がつき、絶縁性能が低下する虞がある。本実施形態では、露出部510との対向面側がプレスR面93fとなり、対向面の裏面側がバリ面93gとなるように、信号端子93が構成されている。これにより、絶縁基材51の絶縁性能が低下するのを抑制することができる。
If the opposing surface is a burr surface 93g, the insulating base material 51 may be scratched, and the insulating performance may be reduced. In this embodiment, the signal terminal 93 is configured so that the surface facing the exposed portion 510 is a pressed R surface 93f, and the back side of the opposing surface is a burr surface 93g. This makes it possible to prevent the insulating performance of the insulating base material 51 from being reduced.
<変形例>
信号端子93と露出部510との非接合の構成は、上記した例に限定されない。たとえば図49では、信号端子93の重なり部930が、露出部510の表面との間に封止体が入り込まない程度のわずかな高さの隙間を有して、絶縁基材51上に浮いている。封止体30は、重なり部930の下面と露出部510の表面との間に空隙31を有している。信号端子93は、絶縁基材51(露出部510)に固定されていない。したがって、図47に示した構成と同等の効果を奏することができる。図49は、変形例を示す断面図であり、図47に対応している。
<Modification>
The non-bonding configuration between the signal terminal 93 and the exposed portion 510 is not limited to the above example. For example, in FIG. 49, the overlapping portion 930 of the signal terminal 93 is floating above the insulating base material 51 with a slight gap between the overlapping portion 930 and the surface of the exposed portion 510 so that the sealing body does not enter. The sealing body 30 has a gap 31 between the lower surface of the overlapping portion 930 and the surface of the exposed portion 510. The signal terminal 93 is not fixed to the insulating base material 51 (exposed portion 510). Therefore, the same effect as the configuration shown in FIG. 47 can be achieved. FIG. 49 is a cross-sectional view showing a modified example, and corresponds to FIG. 47.
図50では、信号端子93の重なり部930が、露出部510の表面に接触している。信号端子93は、絶縁基材51(露出部510)に接触はしているものの、固定されていない。したがって、図47に示した構成と同等の効果を奏することができる。図50は、変形例を示す断面図であり、図47に対応している。なお、接合部93bの下面の一部が絶縁基材51に接触し、他の一部が非接触の配置としてもよい。
In FIG. 50, the overlapping portion 930 of the signal terminal 93 is in contact with the surface of the exposed portion 510. Although the signal terminal 93 is in contact with the insulating substrate 51 (exposed portion 510), it is not fixed. Therefore, it is possible to achieve the same effect as the configuration shown in FIG. 47. FIG. 50 is a cross-sectional view showing a modified example, and corresponds to FIG. 47. Note that it is also possible to arrange the joint 93b so that a portion of the lower surface is in contact with the insulating substrate 51, and the other portion is not in contact.
図47に示した例では、基板60が、平面視において信号端子93と重ならないように配置されていた。つまり、信号端子93の上方には基板60が配置されていなかった。このような配置を採用すると、基板60の体格を小さくすることができる。また、表面金属体62と信号端子93との絶縁距離を確保しやすくなる。しかしながら、信号端子93と基板60の位置関係は、図47に示す例に限定されない。たとえば図51に示すように、信号端子93の重なり部930が、基板60とも重なっている。基板60の表面金属体62は、平面視において重なり部930および絶縁基材51の露出部510と重なっている。これによれば、放熱性を向上することができる。図51は、変形例を示す断面図であり、図47に対応している。
In the example shown in FIG. 47, the substrate 60 is arranged so as not to overlap the signal terminal 93 in a plan view. In other words, the substrate 60 is not arranged above the signal terminal 93. By adopting such an arrangement, the size of the substrate 60 can be reduced. In addition, it is easier to ensure the insulation distance between the surface metal body 62 and the signal terminal 93. However, the positional relationship between the signal terminal 93 and the substrate 60 is not limited to the example shown in FIG. 47. For example, as shown in FIG. 51, the overlapping portion 930 of the signal terminal 93 also overlaps with the substrate 60. The surface metal body 62 of the substrate 60 overlaps with the overlapping portion 930 and the exposed portion 510 of the insulating base material 51 in a plan view. This can improve heat dissipation. FIG. 51 is a cross-sectional view showing a modified example, and corresponds to FIG. 47.
図52では、図51に対して、表面金属体62を、信号端子93の重なり部930と重ならないようにパターニングしている。絶縁基材61および裏面金属体63は、重なり部930の上方に位置している。これによれば、表面金属体62を小さくすることで、表面金属体62と信号端子93との絶縁距離を確保しやすくなる。裏面金属体63が大きいため、放熱性を高めることができる。図52は、変形例を示す断面図であり、図47に対応している。
In FIG. 52, in contrast to FIG. 51, the front metal body 62 is patterned so as not to overlap the overlapping portion 930 of the signal terminal 93. The insulating substrate 61 and the back metal body 63 are located above the overlapping portion 930. By making the front metal body 62 smaller, it becomes easier to ensure the insulation distance between the front metal body 62 and the signal terminal 93. Since the back metal body 63 is large, heat dissipation can be improved. FIG. 52 is a cross-sectional view showing a modified example, and corresponds to FIG. 47.
信号端子93を基板50上に差し込むことで、ボンディングワイヤ110(接続部材)の長さを短くできる例を示した。これに代えて、図53~図55に示す中継基板150を用いることで、ボンディングワイヤ110の長さを短くしてもよい。図53は、変形例を示す平面図であり、図46に対応している。図53では、基板50、信号端子93、および中継基板150の位置関係を示すために、半導体装置20の要素の一部を省略して図示している。図54は、中継基板を示す断面図である。図55は、図53のLV-LV線に沿う断面図である。ここでは、一例として、中継配線55および信号端子93Lを示すが、P配線54および信号端子93Hについても同様の構成を採用することができる。
The example shows how the length of the bonding wire 110 (connecting member) can be shortened by inserting the signal terminal 93 into the substrate 50. Alternatively, the length of the bonding wire 110 can be shortened by using the relay substrate 150 shown in Figs. 53 to 55. Fig. 53 is a plan view showing a modified example, and corresponds to Fig. 46. In Fig. 53, some of the elements of the semiconductor device 20 are omitted in order to show the positional relationship between the substrate 50, the signal terminal 93, and the relay substrate 150. Fig. 54 is a cross-sectional view showing the relay substrate. Fig. 55 is a cross-sectional view taken along the line LV-LV in Fig. 53. Here, the relay wiring 55 and the signal terminal 93L are shown as an example, but the same configuration can also be adopted for the P wiring 54 and the signal terminal 93H.
半導体装置20は、中継基板150をさらに備えている。図53および図55に示すように、中継基板150は、基板50の表面金属体52(中継配線55)上に配置されている。図54に示すように、中継基板150は、絶縁基材151と、絶縁基材151に配置された導体部152を有している。導体部152の一部は、配線機能を提供する。中継基板150は、プリント基板、配線基板と称されることがある。
The semiconductor device 20 further includes a relay board 150. As shown in Figs. 53 and 55, the relay board 150 is disposed on the surface metal body 52 (relay wiring 55) of the board 50. As shown in Fig. 54, the relay board 150 has an insulating substrate 151 and a conductor portion 152 disposed on the insulating substrate 151. A portion of the conductor portion 152 provides a wiring function. The relay board 150 is sometimes referred to as a printed circuit board or a wiring board.
導体部152は、ランド152a、152bを有している。ランド152a、152bは、中継基板150の一面に露出している。具体的には、絶縁基材151の一面151a上に設けられたソルダレジスト153から露出している。ランド152aは、ボンディングワイヤ110を介して、パッド40Pに電気的に接続されている。信号端子93は、平面視において基板50と重なっている。信号端子93は、ランド152bに接続されている。
The conductor portion 152 has lands 152a and 152b. The lands 152a and 152b are exposed on one surface of the relay substrate 150. Specifically, they are exposed from a solder resist 153 provided on one surface 151a of the insulating substrate 151. The land 152a is electrically connected to the pad 40P via a bonding wire 110. The signal terminal 93 overlaps with the substrate 50 in a plan view. The signal terminal 93 is connected to the land 152b.
導体部152は、ランド152a、152b以外の配線152cおよびビア導体152dを有している。配線152cの少なくとも一部は、絶縁基材151の内部に配置された内層配線である。ランド152aとランド152bとは、配線152cおよびビア導体152dを介して電気的に接続されている。複数のランド152aは、2つの半導体素子40のゲート電極用のパッド40Pに個別に接続された2つのランド152aを含む。ゲート電極用の2つのランド152aは、配線152cおよびビア導体152dを介して、ゲート電極用のひとつのランド152bに電気的に接続されている。
The conductor portion 152 has wiring 152c and via conductor 152d other than the lands 152a and 152b. At least a part of the wiring 152c is an inner layer wiring arranged inside the insulating substrate 151. The lands 152a and 152b are electrically connected via the wiring 152c and the via conductor 152d. The multiple lands 152a include two lands 152a individually connected to pads 40P for the gate electrodes of the two semiconductor elements 40. The two lands 152a for the gate electrodes are electrically connected to one land 152b for the gate electrode via the wiring 152c and the via conductor 152d.
このように、中継基板150を用いると、ボンディングワイヤ110の接続対象(ランド152a)をパッド40Pに近づけることができる。これにより、パッド40Pと信号端子93とを電気的に接続するボンディングワイヤ110の長さを短くすることができる。また、中継基板150内において配線152cを自由に引き回すことができる。これにより、半導体素子40が並列接続される構成において、ボンディングワイヤ110が交差するのを回避することができる。したがって、封止体30の成形時にワイヤ同士の接触が生じるのを抑制することができる。また、プリント基板の微細配線技術により、図47に示した構成と同程度の体格小型化を図ることができる。
In this way, by using the relay board 150, the connection target (land 152a) of the bonding wire 110 can be brought closer to the pad 40P. This allows the length of the bonding wire 110 that electrically connects the pad 40P and the signal terminal 93 to be shortened. In addition, the wiring 152c can be freely routed within the relay board 150. This makes it possible to prevent the bonding wires 110 from crossing in a configuration in which the semiconductor elements 40 are connected in parallel. Therefore, it is possible to prevent the wires from contacting each other when the sealing body 30 is molded. In addition, by using fine wiring technology for printed circuit boards, it is possible to achieve a size reduction to the same extent as the configuration shown in FIG. 47.
導体部152は、さらに固定用ランド152eを有している。固定用ランド152eは、中継基板150を基板50に固定するためのランドである。固定用ランド152eは、電気的な接続機能、つまり配線機能を提供しない。固定用ランド152eは、絶縁基材151の裏面151bに配置されている。固定用ランド152e(中継基板150)は、接合材154を介して、表面金属体52に接合されている。接合材154としては、たとえばはんだを用いることができる。
The conductor portion 152 further has a fixing land 152e. The fixing land 152e is a land for fixing the relay board 150 to the board 50. The fixing land 152e does not provide an electrical connection function, i.e., a wiring function. The fixing land 152e is disposed on the back surface 151b of the insulating base material 151. The fixing land 152e (relay board 150) is joined to the front metal body 52 via a joining material 154. For example, solder can be used as the joining material 154.
このように、中継基板150を表面金属体52に固定するため、ワイヤボンディングを安定して行うことができる。接合材154として、Niボール入りのはんだを用いてもよい。この場合、Niボールにより、接合材154の厚みを制御することができる。また、中継基板150の傾きを抑制することができる。
In this way, the relay substrate 150 is fixed to the front metal body 52, so wire bonding can be performed stably. Solder containing Ni balls may be used as the bonding material 154. In this case, the Ni balls can be used to control the thickness of the bonding material 154. In addition, the inclination of the relay substrate 150 can be suppressed.
導体部152が提供する配線機能は、絶縁基材151により表面金属体52と電気的に分離されている。たとえば絶縁基材151は、Z方向において、導体部152が配置されない非配置領域151cと、導体部152が配置された配置領域151dを有してもよい。Z方向において、非配置領域151cは、絶縁基材151の中央に設けられており、両面側の表層に配置領域151dが設けられている。非配置領域151cは、コア層と称されることがある。このように、絶縁基材151が非配置領域151cを有することで、一面151a側に配置された、配線機能を提供する導体部152を、固定用ランド152e、ひいては表面金属体52と電気的に分離することができる。
The wiring function provided by the conductor portion 152 is electrically separated from the surface metal body 52 by the insulating base material 151. For example, the insulating base material 151 may have a non-placement area 151c in which the conductor portion 152 is not placed, and a placement area 151d in which the conductor portion 152 is placed, in the Z direction. In the Z direction, the non-placement area 151c is provided in the center of the insulating base material 151, and the placement area 151d is provided on the surface layer on both sides. The non-placement area 151c is sometimes referred to as a core layer. In this way, by the insulating base material 151 having the non-placement area 151c, the conductor portion 152 that provides the wiring function and is placed on the one surface 151a side can be electrically separated from the fixing land 152e and therefore the surface metal body 52.
ソルダレジスト153は、封止体30との密着性が低い。また、熱応力による封止体30の剥離は、中継基板150の外周端を起点に進展する。たとえば絶縁基材151は、ソルダレジスト153から露出する露出部151eを有してもよい。露出部151eは、絶縁基材151の一面151aにおいて外周縁部に設けられる。絶縁基材151は、ソルダレジスト153に較べて封止体30に対する密着性が高い。露出部151eにおいて、封止体30は、中継基板150に密着する。これにより、中継基板150に対する封止体30の剥離を抑制することができる。外周縁部において封止体30が密着するため、ソルダレジスト153から露出する、ランド152a、152bなどの導体部152を保護することができる。
The solder resist 153 has low adhesion to the sealing body 30. Also, peeling of the sealing body 30 due to thermal stress progresses from the outer peripheral edge of the relay substrate 150. For example, the insulating base material 151 may have an exposed portion 151e exposed from the solder resist 153. The exposed portion 151e is provided on the outer peripheral edge of one surface 151a of the insulating base material 151. The insulating base material 151 has higher adhesion to the sealing body 30 than the solder resist 153. In the exposed portion 151e, the sealing body 30 is in close contact with the relay substrate 150. This makes it possible to suppress peeling of the sealing body 30 from the relay substrate 150. Since the sealing body 30 is in close contact with the outer peripheral edge, the conductor portions 152 such as the lands 152a and 152b exposed from the solder resist 153 can be protected.
図55に示すように、信号端子93(93L)は、第1延設部93hと、第2延設部93iと、屈曲部93jを有している。第1延設部93hおよび第2延設部93iはY方向に延びている。第1延設部93hは、封止体30の内部に配置されている。第2延設部93iは、封止体30の内外にわたって配置されている。屈曲部93jは、第1延設部93hと第2延設部93iとの間に設けられている。第1延設部93hは屈曲部93jよりも先端側の部分であり、第2延設部93iは屈曲部93jよりも後端側の部分である。
As shown in FIG. 55, the signal terminal 93 (93L) has a first extension portion 93h, a second extension portion 93i, and a bent portion 93j. The first extension portion 93h and the second extension portion 93i extend in the Y direction. The first extension portion 93h is disposed inside the sealing body 30. The second extension portion 93i is disposed both inside and outside the sealing body 30. The bent portion 93j is disposed between the first extension portion 93h and the second extension portion 93i. The first extension portion 93h is a portion closer to the tip end than the bent portion 93j, and the second extension portion 93i is a portion closer to the rear end than the bent portion 93j.
信号端子93は、突起部93kを有してもよい。突起部93kは、信号端子93の先端付近に設けられている。突起部93kは、第1延設部93hから、Z方向であってランド152b側に突出している。突起部93kは、ランド152bに接合されている。信号端子93において、第1延設部93hの先端部および突起部93kは、Z方向の平面視においてランド152bと重なる。第1延設部93hの先端部と突起部93kの連なる部分は厚肉部であり、信号端子93の他の部分は薄肉部である。このように突起部93kを設けることで、信号端子93(第1延設部93h)が表面金属体52から遠ざかるため、表面金属体52との間に絶縁距離が確保しやすくなる。
The signal terminal 93 may have a protrusion 93k. The protrusion 93k is provided near the tip of the signal terminal 93. The protrusion 93k protrudes from the first extension 93h toward the land 152b in the Z direction. The protrusion 93k is joined to the land 152b. In the signal terminal 93, the tip of the first extension 93h and the protrusion 93k overlap with the land 152b in a plan view in the Z direction. The portion where the tip of the first extension 93h and the protrusion 93k are connected is a thick portion, and the other portion of the signal terminal 93 is a thin portion. By providing the protrusion 93k in this manner, the signal terminal 93 (first extension 93h) is moved away from the surface metal body 52, making it easier to ensure an insulation distance between the surface metal body 52.
図56は、図54とは別の例を示している。図56は、図54に対応している。図56では、中継基板150が絶縁基材51の露出部510に固定されている。この場合、接合材154および中継基板150の厚みにより、信号端子93と裏面金属体53との絶縁距離を確保することができる。接合材154として、上記したNiボール入りのはんだを用いると所定厚を確保できるため、絶縁距離を確保しやすくなる。また、中継基板150の傾きを抑制することができる。
Figure 56 shows another example different from Figure 54. Figure 56 corresponds to Figure 54. In Figure 56, the relay board 150 is fixed to the exposed portion 510 of the insulating base material 51. In this case, the thickness of the bonding material 154 and the relay board 150 ensures the insulation distance between the signal terminal 93 and the rear metal body 53. If the solder containing Ni balls described above is used as the bonding material 154, a predetermined thickness can be ensured, making it easier to ensure the insulation distance. In addition, the inclination of the relay board 150 can be suppressed.
表面金属体52(中継配線55)は、たとえば図46に示したように切り欠き550を有することで、絶縁基材51を露出させる。たとえば表面金属体52は、面取り部554を有してもよい。面取り部554は、切り欠き550を規定する端面のうち、半導体素子40と中継基板150とを結ぶ仮想的な直線が交わる面に少なくとも設けられる。面取り部554は、端面の上端に設けられる。これにより、ボンディングワイヤ110と表面金属体52との絶縁距離を確保することができる。
The surface metal body 52 (relay wiring 55) has a notch 550 as shown in FIG. 46, for example, to expose the insulating base material 51. For example, the surface metal body 52 may have a chamfered portion 554. The chamfered portion 554 is provided at least on the surface of the end face that defines the notch 550, where an imaginary straight line connecting the semiconductor element 40 and the relay substrate 150 intersects. The chamfered portion 554 is provided at the upper end of the end face. This ensures an insulating distance between the bonding wire 110 and the surface metal body 52.
半導体装置20が、ソース電極40Sと電気的に接続される基板60を備える例を示した。つまり、一対の基板50、60を備える両面放熱構造の半導体装置20の例を示した。しかしながら、これに例に限定されない。ドレイン電極40D(第1主電極)が接続される基板50のみを備える、片面放熱構造の半導体装置20にも適用が可能である。裏面金属体53、63の両方が、封止体30から露出する例を示したが、これに限定されない。
An example has been shown in which the semiconductor device 20 includes a substrate 60 electrically connected to the source electrode 40S. In other words, an example of a semiconductor device 20 with a double-sided heat dissipation structure including a pair of substrates 50, 60 has been shown. However, this is not a limitation. It is also possible to apply to a semiconductor device 20 with a single-sided heat dissipation structure that includes only a substrate 50 to which a drain electrode 40D (first main electrode) is connected. Although an example has been shown in which both rear surface metal bodies 53, 63 are exposed from the sealing body 30, this is not a limitation.
半導体装置20が、上アーム9Hを構成する半導体素子40Hと、下アーム9Lを構成する半導体素子40を備える例を示したが、これに限定されない。アームのひとつを構成する半導体素子40のみを備えてもよい。半導体装置20は、たとえばひとつの半導体素子40のみを備えてもよい。
The semiconductor device 20 has an example in which it includes a semiconductor element 40H that constitutes the upper arm 9H and a semiconductor element 40 that constitutes the lower arm 9L, but is not limited to this. It may include only a semiconductor element 40 that constitutes one of the arms. The semiconductor device 20 may include, for example, only one semiconductor element 40.
本実施形態に記載の構成は、第1実施形態、第2実施形態、第3実施形態、および変形例に記載の構成のいずれとも組み合わせが可能である。
The configuration described in this embodiment can be combined with any of the configurations described in the first, second, and third embodiments, and the modified examples.
(第5実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。絶縁信頼性の確保と体格小型化とを両立するため、本実施形態に記載のように、接合材を介した金属部材と表面金属体との接続部を所定構造としてもよい。
Fifth Embodiment
This embodiment is a modification of the preceding embodiment as a basic form, and the description of the preceding embodiment can be used. In order to ensure insulation reliability while reducing the size, the connection between the metal member and the surface metal body via the bonding material may be of a predetermined structure as described in this embodiment.
<半導体装置>
まず、図57に基づき、本実施形態の半導体装置20について説明する。図57は、図5に対応している。
<Semiconductor Device>
First, the semiconductor device 20 of this embodiment will be described with reference to Fig. 57. Fig. 57 corresponds to Fig. 5.
本実施形態の半導体装置20は、先行実施形態に記載の構成(図2~図13参照)と同様の構成を有している。図57に示すように、半導体装置20は、半導体素子40(40H、40L)と、半導体素子40をZ方向において挟むように配置された基板50、60と、封止体30を備えている。基板50の表面金属体52は、半導体素子40の主電極であるドレイン電極40Dに接続されている。表面金属体52は、接合材104を介して、主端子であるP端子91P、出力端子92に接続されている。基板60の表面金属体62は、半導体素子40の主電極であるソース電極40Sに電気的に接続されている。表面金属体62は、接合材104を介して、主端子であるN端子91N(図示せず)に接続されている。封止体30は、半導体素子40、基板50、60、主端子それぞれの一部、およい接合材104を封止している。
The semiconductor device 20 of this embodiment has a configuration similar to that described in the preceding embodiment (see Figures 2 to 13). As shown in Figure 57, the semiconductor device 20 includes a semiconductor element 40 (40H, 40L), substrates 50 and 60 arranged to sandwich the semiconductor element 40 in the Z direction, and a sealing body 30. The surface metal body 52 of the substrate 50 is connected to the drain electrode 40D, which is the main electrode of the semiconductor element 40. The surface metal body 52 is connected to the P terminal 91P, which is the main terminal, and the output terminal 92 via a bonding material 104. The surface metal body 62 of the substrate 60 is electrically connected to the source electrode 40S, which is the main electrode of the semiconductor element 40. The surface metal body 62 is connected to the N terminal 91N (not shown), which is the main terminal, via a bonding material 104. The sealing body 30 seals the semiconductor element 40, the substrates 50 and 60, parts of the main terminals, and the bonding material 104.
<主端子の接合構造>
次に、図57~図60に基づき、主端子の接合構造について説明する。図58は、図57の出力端子92の周辺をLVIII方向から見た平面図である。図58では、明確化のために、一部ハッチングを付している。図59は、図57に一点鎖線で示す領域LVIXを拡大した図である。図60は、図59から接合材104を排除した状態を示す図である。図59および図60では、便宜上、封止体30を省略して図示している。
<Main terminal joint structure>
Next, the joining structure of the main terminal will be described with reference to Figs. 57 to 60. Fig. 58 is a plan view of the periphery of the output terminal 92 in Fig. 57 as viewed from the LVIII direction. In Fig. 58, some parts are hatched for clarity. Fig. 59 is an enlarged view of the area LVIX shown by the dashed line in Fig. 57. Fig. 60 is a view showing a state in which the joining material 104 has been removed from Fig. 59. For convenience, the sealing body 30 is omitted in Figs. 59 and 60.
図57に示すように、主端子であるP端子91Pおよび出力端子92の基板50との接合構造が、先行実施形態に記載の構成(図5参照)とは異なる。図示しないが、主端子であるN端子91Nの接合構造も異なる。その他の構成については、先行実施形態に記載の構成と同様である。以下では、出力端子92を例に説明する。接合材104は、接合時に金属表面を濡れ拡がる。一例として、接合材104は、はんだである。
As shown in FIG. 57, the joining structure of the P terminal 91P, which is a main terminal, and the output terminal 92, with the substrate 50 is different from the configuration described in the preceding embodiment (see FIG. 5). Although not shown, the joining structure of the N terminal 91N, which is a main terminal, is also different. The other configurations are the same as those described in the preceding embodiment. The output terminal 92 will be used as an example below. The joining material 104 wets and spreads over the metal surface when joined. As an example, the joining material 104 is solder.
図57に示すように、基板50は、Y方向において端部50c、50dを有している。端部50cは封止体30の側面30c側の端部であり、端部50dは側面30d側の端部である。出力端子92は、基板50の端部50dを跨いで、Y方向に延びている。Z方向の平面視において、出力端子92の一部は、表面金属体52(中継配線55)と重なっており、他の一部は重なっていない。図58~図60に示すように、出力端子92は、対向面920と、収容部921を有している。
As shown in FIG. 57, the substrate 50 has ends 50c and 50d in the Y direction. End 50c is the end on the side surface 30c side of the sealing body 30, and end 50d is the end on the side surface 30d side. The output terminal 92 extends in the Y direction, straddling end 50d of the substrate 50. In a plan view in the Z direction, a portion of the output terminal 92 overlaps with the surface metal body 52 (relay wiring 55), and another portion does not overlap. As shown in FIGS. 58 to 60, the output terminal 92 has an opposing surface 920 and a housing portion 921.
対向面920は、出力端子92の下面のうち、Z方向において基板50の表面金属体52(中継配線55)と対向する部分である。対向面920は、マクロ的には平坦面であり、理想的には全面で表面金属体52の上面52aに接触する。対向面920は、ミクロ的には表面に微小な凹凸を有しており、少なくとも一部が上面52aに接触する。対向面920は、メタルタッチ面と称されることがある。対向面920は、平面視において、表面金属体52の端部52bと重なる位置からY方向に所定範囲の部分である。端部52bは、Y方向において封止体30の側面30d側の端面(側面)であり、上面52aに連なっている。端部52bは、端部50dの一部をなしている。対向面920は、平面略矩形状をなしている。
The facing surface 920 is a portion of the lower surface of the output terminal 92 that faces the surface metal body 52 (relay wiring 55) of the substrate 50 in the Z direction. The facing surface 920 is a flat surface from a macroscopic perspective, and ideally the entire surface contacts the upper surface 52a of the surface metal body 52. The facing surface 920 has minute irregularities on its surface from a microscopic perspective, and at least a portion of it contacts the upper surface 52a. The facing surface 920 is sometimes referred to as a metal touch surface. In a plan view, the facing surface 920 is a portion of a predetermined range in the Y direction from a position where it overlaps with the end 52b of the surface metal body 52. The end 52b is an end surface (side surface) on the side of the side surface 30d of the sealing body 30 in the Y direction, and is continuous with the upper surface 52a. The end 52b forms a part of the end 50d. The facing surface 920 is approximately rectangular in plan view.
収容部921は、対向面920に隣接して設けられ、接合材104の収容空間を提供する。たとえば収容部921は、対向面920に対して上面52aから離れる方向に凹んだ凹部である。凹部である収容部921は、Z方向成分を含む面であり、対向面920に連なる側面921aと、側面921aに連なる底面921bを有している。側面921aは、たとえばZ方向に略平行な面である。収容部921は、Y方向において出力端子92の先願側の側面である先端面922に開口している。収容部921は、X方向において出力端子92の両側の側面923、924に開口している。収容部921は、Y方向において出力端子92の先端面922から所定の範囲に設けられている。収容部921は、平面略矩形状をなしている。収容部921は、Y方向においてX方向と並んで設けられている。
The storage section 921 is provided adjacent to the opposing surface 920 and provides a storage space for the bonding material 104. For example, the storage section 921 is a recess recessed in a direction away from the upper surface 52a with respect to the opposing surface 920. The recessed storage section 921 is a surface including a Z-direction component, and has a side surface 921a connected to the opposing surface 920 and a bottom surface 921b connected to the side surface 921a. The side surface 921a is, for example, a surface that is approximately parallel to the Z direction. The storage section 921 opens to a tip surface 922, which is a side surface on the front side of the output terminal 92 in the Y direction. The storage section 921 opens to side surfaces 923 and 924 on both sides of the output terminal 92 in the X direction. The storage section 921 is provided within a predetermined range from the tip surface 922 of the output terminal 92 in the Y direction. The storage section 921 has an approximately rectangular shape in plan view. The storage section 921 is provided in the Y direction in line with the X direction.
出力端子92は、対向面920を表面金属体52に接触させた状態で、接合材104を収容部921内に収容している。接合材104は、収容部921内のみに配置されてもよいし、図59に示すように、接合材104の一部が収容部921の外に配置されてもよい。図59では、接合材104が先端面922に対してフィレットを形成している。出力端子92は、収容部921に配置された接合材104を介して、表面金属体52に接続(接合)されている。
The output terminal 92 accommodates the bonding material 104 in the accommodation portion 921 with the opposing surface 920 in contact with the front surface metal body 52. The bonding material 104 may be disposed only in the accommodation portion 921, or as shown in FIG. 59, a portion of the bonding material 104 may be disposed outside the accommodation portion 921. In FIG. 59, the bonding material 104 forms a fillet with respect to the tip surface 922. The output terminal 92 is connected (joined) to the front surface metal body 52 via the bonding material 104 disposed in the accommodation portion 921.
<主端子の接合方法>
出力端子92と表面金属体52との接合構造は、たとえば以下のようにして形成される。収容部921に接合材104(はんだ)が配置された状態で、対向面920が上面52aに強く接触するように、出力端子92における対向面920の上方部分をZ方向であって基板50側に加圧する。対向面920が上面52aに強く接触した状態で、リフローを行う。このため、リフロー時に接合材104は、対向面920側に濡れ拡がらないか、濡れ拡がったとしても、対向面920の表面の微小凹凸の凹に入り込む程度である。
<Main terminal joining method>
The joint structure between the output terminal 92 and the surface metal body 52 is formed, for example, as follows. With the joint material 104 (solder) placed in the accommodation portion 921, the upper portion of the opposing surface 920 of the output terminal 92 is pressed toward the substrate 50 in the Z direction so that the opposing surface 920 is in strong contact with the upper surface 52a. Reflow is performed with the opposing surface 920 in strong contact with the upper surface 52a. For this reason, the joint material 104 does not wet and spread toward the opposing surface 920 during reflow, or even if it does wet and spread, it only penetrates into the concaves of the minute concaves and convexes on the surface of the opposing surface 920.
<第5実施形態のまとめ>
本実施形態では、金属部材である出力端子92の対向面920が、表面金属体52の上面52aに接触(メタルタッチ)する。これにより、収容部921から対向面920側への接合材104の溢れを抑制することができる。これにより、意図せぬ方向への接合材104の濡れ拡がりを抑制し、絶縁信頼性を確保することができる。また、単一の部材である出力端子92に、収容部921と対向面920の両方を持たせている。この結果、絶縁信頼性と体格の小型化を両立できる半導体装置20を提供することができる。
<Summary of Fifth Embodiment>
In this embodiment, the opposing surface 920 of the output terminal 92, which is a metal member, comes into contact (metal touch) with the upper surface 52a of the front metal body 52. This makes it possible to suppress overflow of the bonding material 104 from the accommodation portion 921 to the opposing surface 920 side. This makes it possible to suppress the bonding material 104 from spreading wetly in unintended directions and ensure insulation reliability. In addition, the output terminal 92, which is a single member, has both the accommodation portion 921 and the opposing surface 920. As a result, it is possible to provide a semiconductor device 20 that can achieve both insulation reliability and a compact size.
基板50を備える構成では、接合材104が、表面金属体52の端部52b(端面)、ひいては絶縁基材51上に濡れ拡がると、表面金属体52と同電位の部分が広がり、裏面金属体53との距離が近くなる。接合材104は、裏面金属体53に接触する虞もある。本実施形態では、対向面920が、収容部921よりも基板50の端部50d、つまり表面金属体52の端部52bに近い位置に設けられている。対向面920を端部52b側に配置することで、接合材104が、出力端子92および/または表面金属体52の表面を濡れ拡がり、端部52b、ひいては絶縁基材51まで到達するのを抑制することができる。これにより、体格を増大せずに、絶縁信頼性を高めることができる。
In a configuration including a substrate 50, when the bonding material 104 spreads over the end 52b (end surface) of the front metal body 52 and the insulating substrate 51, the portion having the same potential as the front metal body 52 spreads, and the distance to the back metal body 53 becomes closer. There is a risk that the bonding material 104 may come into contact with the back metal body 53. In this embodiment, the opposing surface 920 is provided at a position closer to the end 50d of the substrate 50, that is, the end 52b of the front metal body 52, than the housing portion 921. By arranging the opposing surface 920 on the end 52b side, it is possible to prevent the bonding material 104 from spreading over the surface of the output terminal 92 and/or the front metal body 52 and reaching the end 52b and the insulating substrate 51. This makes it possible to improve insulation reliability without increasing the physical size.
上記したように、対向面および収容部を備える金属部材は、他の主端子であるP端子91P、N端子91Nにも適用することができる。P端子91Pは、接合材104を介して、基板50の表面金属体52(P配線54)に接続される。P端子91Pの対向面が表面金属体52に接触することで、P端子91Pの収容部から対向面側への接合材104の溢れを抑制することができる。図57に示すように、対向面を基板50の端部50c側に設けることで、接合材104が、表面金属体52の端部や絶縁基材51上に濡れ拡がるのを抑制できる。
As described above, the metal member having an opposing surface and a housing portion can also be applied to the other main terminals, the P terminal 91P and the N terminal 91N. The P terminal 91P is connected to the surface metal body 52 (P wiring 54) of the substrate 50 via the bonding material 104. The opposing surface of the P terminal 91P comes into contact with the surface metal body 52, thereby preventing the bonding material 104 from overflowing from the housing portion of the P terminal 91P to the opposing surface side. As shown in FIG. 57, by providing the opposing surface on the end portion 50c side of the substrate 50, the bonding material 104 can be prevented from spreading wet onto the end portion of the surface metal body 52 and the insulating substrate 51.
N端子91Nは、接合材104を介して、基板60の表面金属体62(N配線64)に接続される。N端子91Nの対向面が表面金属体62に接触することで、N端子91Nの収容部から対向面側への接合材104の溢れを抑制することができる。また、対向面を、図57に示す基板60の端部60c側に設けることで、接合材104が、表面金属体62の端部や絶縁基材61上に濡れ拡がるのを抑制できる。端部60cは、Y方向において封止体30の側面30c側の端面(側面)である。
The N terminal 91N is connected to the surface metal body 62 (N wiring 64) of the substrate 60 via the bonding material 104. The opposing surface of the N terminal 91N comes into contact with the surface metal body 62, thereby preventing the bonding material 104 from overflowing from the accommodation portion of the N terminal 91N to the opposing surface side. In addition, by providing the opposing surface on the end 60c side of the substrate 60 shown in FIG. 57, the bonding material 104 can be prevented from spreading wet onto the end of the surface metal body 62 and the insulating base material 61. The end 60c is the end face (side face) on the side of the side 30c of the sealing body 30 in the Y direction.
<変形例>
対向面920と収容部921の配置は、上記した例に限定されない。たとえば図61および図62に示す構成を採用してもよい。図61は変形例を示す平面図であり、図58に対応している。図62は、図61に示すLXII方向から見た平面図である。この例では、収容部921が、側面923、924には開口せず、先端面922のみに開口している。収容部921は、側面である先端面922に開口921cを有している。
<Modification>
The arrangement of the opposing surface 920 and the storage portion 921 is not limited to the above example. For example, the configurations shown in Figs. 61 and 62 may be adopted. Fig. 61 is a plan view showing a modified example and corresponds to Fig. 58. Fig. 62 is a plan view seen from the LXII direction shown in Fig. 61. In this example, the storage portion 921 does not open on the side surfaces 923 and 924, but only on the tip surface 922. The storage portion 921 has an opening 921c on the tip surface 922, which is a side surface.
対向面920は、第1対向部920aと、第2対向部920bを有している。第1対向部920aは、収容部921に対して開口921cとは反対側に設けられている。出力端子92の延設方向であるY方向において、第1対向部920aは、収容部921に隣接している。第2対向部920bは、X方向において収容部に隣接している。図61および図62に示す例では、対向面920が、一対の第2対向部920bを有している。一対の第2対向部920bは、X方向において収容部921を挟んでいる。対向面920は、平面略コの字状(略U字状)をなしている。対向面920が収容部921に対して三方に配置されているため、接合材104の収容部921からの溢れ方向を、開口921c側の一方向に制限することができる。これにより、絶縁信頼性をさらに高めることができる。
The facing surface 920 has a first facing portion 920a and a second facing portion 920b. The first facing portion 920a is provided on the opposite side of the opening 921c with respect to the housing portion 921. In the Y direction, which is the extension direction of the output terminal 92, the first facing portion 920a is adjacent to the housing portion 921. The second facing portion 920b is adjacent to the housing portion in the X direction. In the example shown in FIG. 61 and FIG. 62, the facing surface 920 has a pair of second facing portions 920b. The pair of second facing portions 920b sandwich the housing portion 921 in the X direction. The facing surface 920 has a planar approximately U-shaped shape. Since the facing surface 920 is arranged on three sides with respect to the housing portion 921, the overflow direction of the bonding material 104 from the housing portion 921 can be limited to one direction on the opening 921c side. This can further improve the insulation reliability.
なお、対向面920が、第2対向部920bをひとつのみを備える構成としてもよい。この場合、対向面920は、平面略L字状をなす。対向面920が収容部921に対して二方に配置されているため、接合材104の収容部921からの溢れ方向を、図58の配置に対して制限することができる。これにより、絶縁信頼性を高めることができる。
The opposing surface 920 may be configured to have only one second opposing portion 920b. In this case, the opposing surface 920 has a generally L-shaped planar shape. Since the opposing surface 920 is disposed on two sides of the storage portion 921, the overflow direction of the bonding material 104 from the storage portion 921 can be restricted with respect to the arrangement in FIG. 58. This can improve the insulation reliability.
収容部921が、出力端子92の側面に開口する例を示したが、これに限定されない。また、収容部921の平面形状は、略矩形状に限定されない。たとえば図63に示すように、側面に開口を有さない収容部921を備えてもよい。図63は変形例を示す平面図であり、図58に対応している。図63において、収容部921は、平面略円形状をなしている。収容部921は、出力端子92の下面に開口する孔である。図63に示す収容部921は、未貫通の孔である。未貫通孔である収容部921は、上記した収容部921と同様に、対向面920に連なる側面921aと底面921bを有する。これに代えて、出力端子92の上面に開口する貫通孔を採用してもよい。貫通孔である収容部921は、底面921bを有さず、側面921aを有する。
Although an example in which the storage section 921 opens on the side surface of the output terminal 92 has been shown, this is not limiting. In addition, the planar shape of the storage section 921 is not limited to a substantially rectangular shape. For example, as shown in FIG. 63, a storage section 921 without an opening on the side surface may be provided. FIG. 63 is a plan view showing a modified example, and corresponds to FIG. 58. In FIG. 63, the storage section 921 has a substantially circular planar shape. The storage section 921 is a hole that opens on the lower surface of the output terminal 92. The storage section 921 shown in FIG. 63 is a non-through hole. The storage section 921, which is a non-through hole, has a side surface 921a and a bottom surface 921b that are continuous with the opposing surface 920, similar to the storage section 921 described above. Instead of this, a through hole that opens on the upper surface of the output terminal 92 may be adopted. The storage section 921, which is a through hole, does not have a bottom surface 921b, but has a side surface 921a.
対向面および収容部を備える金属部材は、主端子に限定されない。たとえば図64および図65に示すように、上下アーム回路9を構成する半導体装置20において、継手部81に、対向面および収容部を設けてもよい。図64は変形例を示す断面図であり、図57に対応している。図65は、図64に一点鎖線で示す領域LXVを拡大した図である。図65では、便宜上、封止体30を省略して図示している。
The metal member having an opposing surface and a housing portion is not limited to a main terminal. For example, as shown in Figures 64 and 65, in a semiconductor device 20 constituting an upper and lower arm circuit 9, a joint portion 81 may be provided with an opposing surface and a housing portion. Figure 64 is a cross-sectional view showing a modified example, and corresponds to Figure 57. Figure 65 is an enlarged view of the area LXV indicated by the dashed line in Figure 64. For convenience, the sealing body 30 is omitted in Figure 65.
先行実施形態に記載したように、半導体装置20は、上アーム9Hを構成する第1半導体素子である半導体素子40Hと、下アーム9Lを構成する第2半導体素子である半導体素子40Lを備えている。継手部81は、半導体素子40Hのソース電極40Sと、半導体素子40Lのドレイン電極40Dを電気的に接続している。継手部81は、Z方向に延びる金属柱状体である。継手部81の端部81aは、接合材103を介して、基板50の第1配線である中継配線55に接続されている。端部81aとは反対の端部81bは、接合材103を介して、基板60の第3配線である中継配線65に接続されている。表面金属体52は、中継配線55との間に所定の間隔を有して設けられた第2配線であるP配線54を有している。表面金属体62は、中継配線65との間に所定の間隔を有して設けられた第4配線であるN配線64を有している。
As described in the preceding embodiment, the semiconductor device 20 includes a semiconductor element 40H, which is a first semiconductor element constituting the upper arm 9H, and a semiconductor element 40L, which is a second semiconductor element constituting the lower arm 9L. The joint portion 81 electrically connects the source electrode 40S of the semiconductor element 40H and the drain electrode 40D of the semiconductor element 40L. The joint portion 81 is a metal column extending in the Z direction. An end portion 81a of the joint portion 81 is connected to the relay wiring 55, which is the first wiring of the substrate 50, via a bonding material 103. An end portion 81b opposite to the end portion 81a is connected to the relay wiring 65, which is the third wiring of the substrate 60, via a bonding material 103. The surface metal body 52 has a P wiring 54, which is the second wiring, provided with a predetermined interval between it and the relay wiring 55. The surface metal body 62 has an N wiring 64, which is the fourth wiring, provided with a predetermined interval between it and the relay wiring 65.
図64および図65に示す例では、継手部81の端部81a、81bのそれぞれに、対向面810および収容部811を設けている。対向面810および収容部811の構成は、上記した対向面920および収容部921と同様である。端部81aにおいて、対向面810は、表面金属体52(中継配線55)の上面52aに対向している。対向面810は、上面52aに接触している。収容部811は、対向面810に対して凹んだ凹部である。収容部811は、対向面810に連なる側面811aと、底面811bを有している。収容部811は、接合材103を収容している。
In the example shown in Figures 64 and 65, an opposing surface 810 and a storage portion 811 are provided at each of the ends 81a and 81b of the joint portion 81. The configurations of the opposing surface 810 and the storage portion 811 are similar to those of the opposing surface 920 and the storage portion 921 described above. At the end 81a, the opposing surface 810 faces the upper surface 52a of the surface metal body 52 (relay wiring 55). The opposing surface 810 is in contact with the upper surface 52a. The storage portion 811 is a recess that is recessed relative to the opposing surface 810. The storage portion 811 has a side surface 811a that is continuous with the opposing surface 810, and a bottom surface 811b. The storage portion 811 stores the bonding material 103.
対向面810および収容部811は、Y方向に並んで設けられている。対向面810は、中継配線55とP配線54を隔てる配線間ギャップ52G側、つまり継手部81が接続された中継配線55とは別の配線であるP配線54に近い位置に設けられている。収容部811は、Y方向において継手部81の側面812に開口しており、側面812とは反対の側面813には開口していない。収容部811は、側面812のみに開口してもよいし、側面812に隣接する2つの側面を含む3つの側面に開口してもよい。
The opposing surface 810 and the accommodation portion 811 are arranged side by side in the Y direction. The opposing surface 810 is arranged on the side of the wiring gap 52G that separates the relay wiring 55 and the P wiring 54, that is, in a position close to the P wiring 54, which is a different wiring from the relay wiring 55 to which the joint portion 81 is connected. The accommodation portion 811 opens to a side surface 812 of the joint portion 81 in the Y direction, and does not open to a side surface 813 opposite the side surface 812. The accommodation portion 811 may open only to the side surface 812, or may open to three side surfaces including the two side surfaces adjacent to the side surface 812.
このように、継手部81の対向面810が、表面金属体52に接触(メタルタッチ)する。これにより、収容部811から対向面810側への接合材103の溢れを抑制することができる。よって、絶縁信頼性と体格の小型化を両立できる半導体装置20を提供することができる。
In this way, the opposing surface 810 of the joint portion 81 comes into contact (metal touch) with the surface metal body 52. This makes it possible to prevent the bonding material 103 from overflowing from the housing portion 811 to the opposing surface 810. This makes it possible to provide a semiconductor device 20 that can achieve both insulation reliability and compact size.
また、接合材103が、表面金属体52の配線間ギャップ52G内に濡れ拡がると、中継配線55と同電位の部分が広がり、P配線54との距離が近くなる。接合材103は、P配線54に接触する虞もある。これに対し、上記した例では、対向面810が、収容部811よりもP配線54、つまり配線間ギャップ52Gに近い位置に設けられている。これにより、接合材103が、配線間ギャップ52Gに到達するのを抑制することができる。よって、体格を増大せずに、絶縁信頼性を高めることができる。
Furthermore, when the bonding material 103 wets and spreads into the wiring gap 52G of the surface metal body 52, the portion having the same potential as the relay wiring 55 spreads, and the distance to the P wiring 54 becomes closer. There is a risk that the bonding material 103 may come into contact with the P wiring 54. In contrast, in the above example, the opposing surface 810 is provided at a position closer to the P wiring 54, i.e., the wiring gap 52G, than the accommodation portion 811. This makes it possible to prevent the bonding material 103 from reaching the wiring gap 52G. Therefore, it is possible to improve insulation reliability without increasing the physical size.
端部81bの構成は、端部81a側と同様である。端部81bにおいて、対向面810は、表面金属体62(中継配線65)の上面62aに対向している。対向面810は、上面52aに接触している。収容部811は、凹部である。収容部811は、接合材103を収容している。対向面810および収容部811は、Y方向に並んで設けられている。対向面810は、中継配線65とN配線64を隔てる配線間ギャップ62G側、つまり継手部81が接続された中継配線65とは別の配線であるN配線64に近い位置に設けられている。収容部811は、Y方向において継手部81の側面813に開口しており、側面812には開口していない。収容部811は、側面813のみに開口してもよいし、側面813に隣接する2つの側面を含む3つの側面に開口してもよい。
The configuration of the end 81b is the same as that of the end 81a. In the end 81b, the facing surface 810 faces the upper surface 62a of the surface metal body 62 (relay wiring 65). The facing surface 810 is in contact with the upper surface 52a. The accommodation portion 811 is a recess. The accommodation portion 811 accommodates the bonding material 103. The facing surface 810 and the accommodation portion 811 are arranged side by side in the Y direction. The facing surface 810 is provided on the side of the wiring gap 62G that separates the relay wiring 65 and the N wiring 64, that is, in a position close to the N wiring 64, which is a wiring different from the relay wiring 65 to which the joint portion 81 is connected. The accommodation portion 811 opens to the side surface 813 of the joint portion 81 in the Y direction, and does not open to the side surface 812. The accommodation portion 811 may open only to the side surface 813, or may open to three side surfaces including two side surfaces adjacent to the side surface 813.
このように、継手部81の対向面810が、表面金属体62に接触(メタルタッチ)する。これにより、収容部811から対向面810側への接合材103の溢れを抑制することができる。よって、絶縁信頼性と体格の小型化を両立できる半導体装置20を提供することができる。また、対向面810が、収容部811よりもN配線64、つまり配線間ギャップ62Gに近い位置に設けられている。これにより、接合材103が、配線間ギャップ62Gに到達するのを抑制することができる。よって、体格を増大せずに、絶縁信頼性を高めることができる。
In this way, the opposing surface 810 of the joint portion 81 comes into contact (metal touch) with the surface metal body 62. This makes it possible to prevent the bonding material 103 from overflowing from the accommodation portion 811 to the opposing surface 810. This makes it possible to provide a semiconductor device 20 that can achieve both insulation reliability and compact size. In addition, the opposing surface 810 is located closer to the N wiring 64, i.e., the wiring gap 62G, than the accommodation portion 811. This makes it possible to prevent the bonding material 103 from reaching the wiring gap 62G. This makes it possible to improve insulation reliability without increasing the size.
上記した例では、金属部材の対向面による表面金属体の接触により、接合材の溢れを抑制した。この構成に、レーザ照射により形成される凹凸酸化膜をさらに追加することで、溢れを抑制する機能を高めてもよい。一例を、図66および図67に示す。図66は、図65に対応する断面図であり、便宜上、封止体30を省略している。図67は、図66に一点鎖線で示す領域LXVIIを拡大した図であり、表面金属体52のみを図示している。
In the above example, overflow of the bonding material was suppressed by contact of the surface metal body with the opposing surfaces of the metal members. The function of suppressing overflow may be enhanced by further adding an uneven oxide film formed by laser irradiation to this configuration. An example is shown in Figures 66 and 67. Figure 66 is a cross-sectional view corresponding to Figure 65, and for convenience, the sealing body 30 is omitted. Figure 67 is an enlarged view of the area LXVII indicated by the dashed line in Figure 66, and only the surface metal body 52 is shown.
図66に示す例では、継手部81に対応して、表面金属体52、62のそれぞれに凹凸酸化膜520、620を設けている。以下では、凹凸酸化膜520を例に説明する。図67に示すように、表面金属体52は、母材521と、母材521の表面上に設けられた金属膜522および凹凸酸化膜520を有している。母材521は、表面金属体52の主たる部分をなしている。母材521は、たとえばCu系の材料を用いて形成されている。金属膜522は、母材521よりもはんだに対する濡れ性が高い材料を含んで形成されている。金属膜522は、上面52aの全域に形成されている。本実施形態の金属膜522は、母材521の表面の全域に形成されている。凹凸酸化膜520は、上面52aにおいて局所的に形成されている。
In the example shown in FIG. 66, uneven oxide films 520, 620 are provided on the surface metal bodies 52, 62, respectively, corresponding to the joint portion 81. The uneven oxide film 520 will be described below as an example. As shown in FIG. 67, the surface metal body 52 has a base material 521, a metal film 522 provided on the surface of the base material 521, and an uneven oxide film 520. The base material 521 forms the main part of the surface metal body 52. The base material 521 is formed using, for example, a Cu-based material. The metal film 522 is formed containing a material that is more wettable to solder than the base material 521. The metal film 522 is formed over the entire upper surface 52a. The metal film 522 in this embodiment is formed over the entire surface of the base material 521. The uneven oxide film 520 is formed locally on the upper surface 52a.
凹凸酸化膜520は、金属膜522にレーザ光を照射することで、上面52aにおいて金属膜522上に局所的に形成されている。金属膜522は、Ni(ニッケル)を主成分とする下地膜と、Au(金)を主成分とする上地膜を有している。本実施形態では、下地膜として、P(リン)を含む無電解Niめっき膜を採用している。接合材103がはんだの場合、凹凸酸化膜520から露出する金属膜522のうち、接合材103が接触する部分の上地膜(Au)は、リフロー時にはんだ中に拡散する。金属膜522のうち、凹凸酸化膜520が形成される部分の上地膜(Au)は、凹凸酸化膜520を形成する際にレーザ光の照射により除去される。凹凸酸化膜520は、Niを主成分とする酸化物の膜である。たとえば、凹凸酸化膜520を構成する成分のうち、80%がNI2O3、10%がNiO、10%がNiとなっている。
The uneven oxide film 520 is formed locally on the metal film 522 on the upper surface 52a by irradiating the metal film 522 with a laser beam. The metal film 522 has an undercoat film mainly composed of Ni (nickel) and an overcoat film mainly composed of Au (gold). In this embodiment, an electroless Ni plating film containing P (phosphorus) is used as the undercoat film. When the bonding material 103 is solder, the overcoat film (Au) of the metal film 522 exposed from the uneven oxide film 520 in the portion in contact with the bonding material 103 diffuses into the solder during reflow. The overcoat film (Au) of the metal film 522 in the portion where the uneven oxide film 520 is formed is removed by irradiation with a laser beam when the uneven oxide film 520 is formed. The uneven oxide film 520 is an oxide film mainly composed of Ni. For example, the components constituting the uneven oxide film 520 are 80% NI 2 O 3 , 10% NiO, and 10% Ni.
金属膜522の表面の凹部523は、パルス発振のレーザ光の照射により形成される。1パルスごとに、ひとつの凹部523が形成される。凹凸酸化膜520は、レーザ光の照射により、金属膜522の表層部分が溶融、気化し、蒸着することで形成される。凹凸酸化膜520は、金属膜522由来の酸化膜である。凹凸酸化膜520は、金属膜522の主成分の金属(Ni)の酸化物の膜である。凹凸酸化膜520は、凹部523を有する金属膜522の表面の凹凸に倣って形成されている。凹凸酸化膜520の表面には、凹部523の幅よりも細かいピッチで凹凸が形成されている。すなわち、非常に微細な凹凸(粗化部)が形成されている。
The recesses 523 on the surface of the metal film 522 are formed by irradiating a pulsed laser beam. One recess 523 is formed for each pulse. The uneven oxide film 520 is formed by melting, vaporizing, and depositing the surface portion of the metal film 522 by irradiating the laser beam. The uneven oxide film 520 is an oxide film derived from the metal film 522. The uneven oxide film 520 is a film of oxide of the metal (Ni), which is the main component of the metal film 522. The uneven oxide film 520 is formed following the unevenness of the surface of the metal film 522 having the recesses 523. The unevenness is formed on the surface of the uneven oxide film 520 at a pitch finer than the width of the recesses 523. In other words, very fine unevenness (roughened portion) is formed.
このような凹凸酸化膜520は、以下に示す工程により、形成することができる。まず、母材521上に金属膜522が形成された表面金属体52の上面52aに対して、パルス発振のレーザ光を照射し、金属膜522の表面を溶融および蒸発させる。パルス発振のレーザ光は、エネルギー密度が0J/cm2より大きく100J/cm2以下で、パルス幅が1μ秒以下となるように調整される。この条件を満たすには、YAGレーザ、YVO4レーザ、ファイバレーザなどを採用することができる。たとえばYAGレーザの場合、エネルギー密度が1J/cm2以上であればよい。無電解Niめっきの場合、たとえば5J/cm2程度でも金属膜522を加工することができる。
Such an uneven oxide film 520 can be formed by the process shown below. First, a pulsed laser beam is irradiated onto the upper surface 52a of the surface metal body 52, in which the metal film 522 is formed on the base material 521, to melt and evaporate the surface of the metal film 522. The pulsed laser beam is adjusted so that the energy density is greater than 0 J/ cm2 and less than or equal to 100 J/ cm2 , and the pulse width is less than or equal to 1 μsec. To satisfy this condition, a YAG laser, a YVO4 laser, a fiber laser, or the like can be used. For example, in the case of a YAG laser, it is sufficient that the energy density is 1 J/ cm2 or more. In the case of electroless Ni plating, the metal film 522 can be processed even with, for example, about 5 J/ cm2 .
このとき、レーザ光の光源と表面金属体52とを相対的に移動させることにより、レーザ光を走査し、複数の位置に順に照射する。レーザ光を照射し、金属膜522の表面を溶融、気化させることで、金属膜522の表面には、凹部523が形成される。金属膜522のうち、レーザ光を照射した部分の平均厚みは、レーザ光を照射しない部分の平均厚みよりも薄くなる。また、レーザ光のスポットに対応して形成される複数の凹部523は連なり、たとえば鱗状となる。スポットとは、1パルスによる照射範囲である。たとえば、X方向において隣り合うレーザ光のスポットが一部重なるとともに、Y方向において隣り合うレーザ光のスポットが一部重なるように、レーザ光を走査する。
At this time, the laser light source and the surface metal body 52 are moved relative to each other to scan the laser light and irradiate multiple positions in sequence. By irradiating the laser light and melting and vaporizing the surface of the metal film 522, recesses 523 are formed on the surface of the metal film 522. The average thickness of the parts of the metal film 522 irradiated with the laser light is thinner than the average thickness of the parts not irradiated with the laser light. In addition, the multiple recesses 523 formed corresponding to the spots of the laser light are connected together, for example, in the shape of scales. A spot is the range irradiated by one pulse. For example, the laser light is scanned so that adjacent spots of the laser light in the X direction partially overlap, and adjacent spots of the laser light in the Y direction partially overlap.
次いで、溶融した金属膜522の部分を凝固させる。具体的には、溶融して気化した金属膜522を、レーザ光が照射された部分やその周辺部分に蒸着させる。このように、溶融して気化した金属膜522を蒸着させることにより、金属膜522の表面上に凹凸酸化膜520を形成する。
Then, the molten metal film 522 is solidified. Specifically, the molten and vaporized metal film 522 is deposited on the portion irradiated with the laser light and the surrounding area. In this manner, the molten and vaporized metal film 522 is deposited to form an uneven oxide film 520 on the surface of the metal film 522.
図66において、凹凸酸化膜520は、表面金属体52の上面52aのうち、平面視において継手部81の収容部811と重なる第1領域524には設けられていない。凹凸酸化膜520は、対向面810と重なる第2領域525に選択的に設けられている。表面金属体62および凹凸酸化膜620の構成は、表面金属体52および凹凸酸化膜520と同様である。凹凸酸化膜620は、表面金属体62の上面62aのうち、平面視において継手部81の収容部811と重なる第1領域624には設けられていない。凹凸酸化膜620は、対向面810と重なる第2領域625に選択的に設けられている。
In FIG. 66, the uneven oxide film 520 is not provided in the first region 524 of the upper surface 52a of the surface metal body 52 that overlaps with the accommodation portion 811 of the joint portion 81 in a plan view. The uneven oxide film 520 is selectively provided in the second region 525 that overlaps with the opposing surface 810. The configuration of the surface metal body 62 and the uneven oxide film 620 is similar to that of the surface metal body 52 and the uneven oxide film 520. The uneven oxide film 620 is not provided in the first region 624 of the upper surface 62a of the surface metal body 62 that overlaps with the accommodation portion 811 of the joint portion 81 in a plan view. The uneven oxide film 620 is selectively provided in the second region 625 that overlaps with the opposing surface 810.
酸化膜(凹凸酸化膜520、620)は、金属膜に較べて、接合材103に対する濡れ性が低い。凹凸酸化膜520、620は、表面に微細な凹凸を有しているため、接合材103との接触面積が小さくなり、接合材103の一部は表面張力によって球状になる。つまり、接触角が大きくなる。これにより、接合材103に対する濡れ性が低い。したがって、凹凸酸化膜520、620による濡れ性低下の効果と、対向面810による接触の効果により、接合材103が対向面810と第2領域525、625の間を通過し難い。これにより、接合材103の溢れをより効果的に抑制することができる。凹凸酸化膜520、620の形成には、上記したようにレーザ光を用いるため、パターニングが容易である。
The oxide film (uneven oxide film 520, 620) has a lower wettability with respect to the bonding material 103 than the metal film. Since the uneven oxide film 520, 620 has fine unevenness on the surface, the contact area with the bonding material 103 is small, and part of the bonding material 103 becomes spherical due to surface tension. In other words, the contact angle is large. This results in a low wettability with respect to the bonding material 103. Therefore, due to the effect of the wettability reduction caused by the uneven oxide film 520, 620 and the effect of contact with the opposing surface 810, the bonding material 103 is less likely to pass between the opposing surface 810 and the second region 525, 625. This makes it possible to more effectively suppress overflow of the bonding material 103. The uneven oxide film 520, 620 is formed using laser light as described above, making patterning easy.
図68に示すように、凹凸酸化膜520、620を、周辺領域526、626に設けてもよい。周辺領域526は、平面視において第2領域525の周辺の領域であって、第1領域524を除く領域である。周辺領域626は、平面視において第2領域625の周辺の領域であって、第1領域624を除く領域である。万が一、接合材103が継手部81の対向面810の直下を通過したとしても、凹凸酸化膜520、620にて堰き止めることができる。また、凹凸酸化膜520、620の表面には、非常に微細な凹凸が形成されているため、封止体30が絡みつき、アンカー効果が生じる。また、封止体30との接触面積が増える。よって、表面金属体52、62の封止体30に対する密着力を高めることができる。
As shown in FIG. 68, the uneven oxide films 520, 620 may be provided in the peripheral regions 526, 626. The peripheral region 526 is the region around the second region 525 in a plan view, excluding the first region 524. The peripheral region 626 is the region around the second region 625 in a plan view, excluding the first region 624. Even if the joining material 103 passes directly under the opposing surface 810 of the joint portion 81, it can be blocked by the uneven oxide films 520, 620. In addition, since very fine unevenness is formed on the surface of the uneven oxide films 520, 620, the sealing body 30 is entangled, and an anchor effect is generated. In addition, the contact area with the sealing body 30 is increased. Therefore, the adhesion force of the surface metal bodies 52, 62 to the sealing body 30 can be increased.
なお、凹凸酸化膜520、620を、第2領域525、625と周辺領域526、626に設けてもよい。凹凸酸化膜520、620の一方のみを設けてもよい。凹凸酸化膜520、620を、金属部材である主端子、つまりP端子91P、N端子91N、出力端子92との接合部に用いてもよい。
The uneven oxide films 520, 620 may be provided in the second regions 525, 625 and the peripheral regions 526, 626. Only one of the uneven oxide films 520, 620 may be provided. The uneven oxide films 520, 620 may be used at the junctions with the main terminals, which are metal members, that is, the P terminal 91P, the N terminal 91N, and the output terminal 92.
半導体装置20が、ソース電極40S(第2主電局)と電気的に接続される基板60を備える例を示した。つまり、一対の基板50、60を備える両面放熱構造の半導体装置20の例を示した。しかしながら、これに例に限定されない。ドレイン電極40D(第1主電極)が接続される基板50のみを備える、片面放熱構造の半導体装置20にも適用が可能である。一対の基板50、60を備える半導体装置20において、基板50、60の一方と金属部材との接合部のみに、上記構造を適用してもよい。裏面金属体53、63の両方が、封止体30から露出する例を示したが、これに限定されない。
An example has been shown in which the semiconductor device 20 includes a substrate 60 electrically connected to the source electrode 40S (second main electrode). That is, an example of a semiconductor device 20 with a double-sided heat dissipation structure including a pair of substrates 50, 60 has been shown. However, the present invention is not limited to this example. It is also applicable to a semiconductor device 20 with a single-sided heat dissipation structure including only the substrate 50 to which the drain electrode 40D (first main electrode) is connected. In a semiconductor device 20 including a pair of substrates 50, 60, the above structure may be applied only to the joint between one of the substrates 50, 60 and the metal member. An example has been shown in which both rear surface metal bodies 53, 63 are exposed from the sealing body 30, but the present invention is not limited to this example.
半導体装置20が半導体素子40H、40Lを備える例を示したが、これに限定されない。アームのひとつを構成する半導体素子40のみを備えてもよい。半導体装置20は、たとえばひとつの半導体素子40のみを備えてもよい。
Although an example has been shown in which the semiconductor device 20 includes semiconductor elements 40H and 40L, the present invention is not limited to this. The semiconductor device 20 may include only a semiconductor element 40 that constitutes one of the arms. The semiconductor device 20 may include, for example, only one semiconductor element 40.
本実施形態に記載の構成は、第1実施形態、第2実施形態、第3実施形態、第4実施形態、および変形例に記載の構成のいずれとも組み合わせが可能である。
The configuration described in this embodiment can be combined with any of the configurations described in the first, second, third, and fourth embodiments, and the modified examples.
(第6実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。半導体装置の信頼性を高めるため、本実施形態に記載のように、封止体の物性と絶縁基材の物性とが所定の関係を満たすようにしてもよい。
Sixth Embodiment
This embodiment is a modified example based on the preceding embodiment, and the description of the preceding embodiment can be used. In order to improve the reliability of the semiconductor device, the physical properties of the sealing body and the physical properties of the insulating base material may satisfy a predetermined relationship as described in this embodiment.
<半導体装置および放熱構造>
図69に基づき、本実施形態の半導体装置20およびその放熱構造について説明する。図69は、本実施形態に係る半導体装置20を示す断面図である。図69は、図5の一部分を拡大した図である。図69では、便宜上、外部接続端子90を省略している。
<Semiconductor device and heat dissipation structure>
The semiconductor device 20 of this embodiment and its heat dissipation structure will be described with reference to Fig. 69. Fig. 69 is a cross-sectional view showing the semiconductor device 20 according to this embodiment. Fig. 69 is an enlarged view of a portion of Fig. 5. In Fig. 69, the external connection terminals 90 are omitted for convenience.
本実施形態の半導体装置20は、先行実施形態に記載の構造(図2~図13参照)と同様の構造を有している。図69に示すように、半導体装置20は、半導体素子40(40H)と、半導体素子40をZ方向において挟むように配置された基板50、60と、封止体30を備えている。基板50の表面金属体52は、半導体素子40の主電極であるドレイン電極40Dに接続されている。基板60の表面金属体62は、半導体素子40の主電極であるソース電極40Sに接続されている。裏面金属体53、63は、封止体30から露出している。絶縁基材51、61は、樹脂を含んでいる。封止体30は樹脂を含んでいる。図示しないが、半導体装置20は、半導体素子40Lを備えている。
The semiconductor device 20 of this embodiment has a structure similar to that described in the preceding embodiment (see Figures 2 to 13). As shown in Figure 69, the semiconductor device 20 includes a semiconductor element 40 (40H), substrates 50 and 60 arranged to sandwich the semiconductor element 40 in the Z direction, and a sealing body 30. The front metal body 52 of the substrate 50 is connected to the drain electrode 40D, which is the main electrode of the semiconductor element 40. The front metal body 62 of the substrate 60 is connected to the source electrode 40S, which is the main electrode of the semiconductor element 40. The back metal bodies 53 and 63 are exposed from the sealing body 30. The insulating substrates 51 and 61 contain resin. The sealing body 30 contains resin. Although not shown, the semiconductor device 20 includes a semiconductor element 40L.
図69では、半導体装置20とともに、冷却器120の熱交換部121と、放熱ゲルなどの熱伝導部材130を示している。つまり、図69は、半導体装置20、冷却器120、および熱伝導部材130を備える半導体モジュール140を示している。半導体モジュール140は、一例として、一対の熱交換部121にて半導体装置20を挟む両面冷却構造を有している。半導体装置20は、所定方向であるZ方向において冷却器120(熱交換部121)と並んで配置されている。冷却器120は、半導体装置20の両側に配置されている。
Figure 69 shows the semiconductor device 20, as well as the heat exchanger 121 of the cooler 120 and a heat conductive member 130 such as a heat dissipation gel. In other words, Figure 69 shows a semiconductor module 140 that includes the semiconductor device 20, the cooler 120, and the heat conductive member 130. As an example, the semiconductor module 140 has a double-sided cooling structure in which the semiconductor device 20 is sandwiched between a pair of heat exchangers 121. The semiconductor device 20 is arranged alongside the cooler 120 (heat exchanger 121) in the Z direction, which is a predetermined direction. The coolers 120 are arranged on both sides of the semiconductor device 20.
裏面金属体53、63は、基板50、60の裏面50b、60bとして、封止体30から露出している。冷却器120の熱交換部121のひとつは、封止体30の一面30aおよび裏面50bに対向配置され、熱交換部121の他のひとつは封止体30の裏面30bおよび裏面60bに対向配置されている。半導体装置20と熱交換部121との対向面間には、熱伝導部材130がそれぞれ配置されている。熱伝導部材130は、半導体装置20および熱交換部121に密着している。
The rear surface metal bodies 53, 63 are exposed from the sealing body 30 as the rear surfaces 50b, 60b of the substrates 50, 60. One of the heat exchange sections 121 of the cooler 120 is disposed facing one surface 30a and the rear surface 50b of the sealing body 30, and the other of the heat exchange sections 121 is disposed facing the rear surfaces 30b and 60b of the sealing body 30. A heat conductive member 130 is disposed between the opposing surfaces of the semiconductor device 20 and the heat exchange section 121. The heat conductive member 130 is in close contact with the semiconductor device 20 and the heat exchange section 121.
<ガラス転移点の関係>
次に、図69および図70に基づき、封止体30と絶縁基材51、61のガラス転移点の関係について説明する。
<Relationship to glass transition temperature>
Next, the relationship between the glass transition points of the sealing body 30 and the insulating base materials 51 and 61 will be described with reference to FIGS.
図70は、封止体30のガラス転移点Tgs、線膨張係数αsと、絶縁基材51、61のガラス転移点Tgi、線膨張係数αiの関係の一例を示す図である。図70は、縦軸が線膨張係数α、横軸が温度を示している。図70において、実線が封止体30の線膨張係数αs、破線が絶縁基材51、61の線膨張係数αiを示している。線膨張係数αsのうち、α1sは、ガラス転移点Tgsよりも低い温度における線膨張係数、つまりα1領域の線膨張係数を示している。α2sは、ガラス転移点Tgsよりも高い温度における線膨張係数、つまりα2領域の線膨張係数を示している。線膨張係数αiについても同様であり、α1iはα1領域の線膨張係数を示し、α2sはα2領域の線膨張係数を示している。
Figure 70 is a diagram showing an example of the relationship between the glass transition point Tgs and linear expansion coefficient αs of the sealing body 30 and the glass transition point Tgi and linear expansion coefficient αi of the insulating substrates 51 and 61. In Figure 70, the vertical axis indicates the linear expansion coefficient α, and the horizontal axis indicates temperature. In Figure 70, the solid line indicates the linear expansion coefficient αs of the sealing body 30, and the dashed line indicates the linear expansion coefficient αi of the insulating substrates 51 and 61. Of the linear expansion coefficients αs, α1s indicates the linear expansion coefficient at a temperature lower than the glass transition point Tgs, that is, the linear expansion coefficient of the α1 region. α2s indicates the linear expansion coefficient at a temperature higher than the glass transition point Tgs, that is, the linear expansion coefficient of the α2 region. The same is true for the linear expansion coefficient αi, where α1i indicates the linear expansion coefficient of the α1 region and α2s indicates the linear expansion coefficient of the α2 region.
図69に示すように、封止体30は、半導体素子40に密着している。絶縁基材51、61は、接合材100、101、102や表面金属体52、62を介して半導体素子40と熱的に接続されている。このため、半導体素子40の動作時(発熱時)において、封止体30における半導体素子40の周辺位置MP1の温度は、絶縁基材51、61において半導体素子40と重なる位置MP2、MP3の温度よりも高い。このように、封止体30のほうが絶縁基材51、61よりも高温となる。
As shown in FIG. 69, the sealing body 30 is in close contact with the semiconductor element 40. The insulating base materials 51, 61 are thermally connected to the semiconductor element 40 via the bonding materials 100, 101, 102 and the surface metal bodies 52, 62. Therefore, when the semiconductor element 40 is in operation (heat generation), the temperature of the peripheral position MP1 of the semiconductor element 40 in the sealing body 30 is higher than the temperatures of the positions MP2, MP3 of the insulating base materials 51, 61 that overlap with the semiconductor element 40. In this way, the sealing body 30 has a higher temperature than the insulating base materials 51, 61.
封止体30の温度がガラス転移点Tgsを超えるとヤング率が小さくなり、封止体30の封止機能が低下する。封止機能の低下により、熱応力がドレイン電極40D、ソース電極40S、それらの接合部に集中し、クラック等が生じる虞がある。つまり、接続信頼性が低下する虞がある。これに対し、本実施形態では、図70に示すように、Tgs>Tgiの関係を満たしている。
When the temperature of the sealing body 30 exceeds the glass transition point Tgs, the Young's modulus decreases, and the sealing function of the sealing body 30 decreases. The decrease in sealing function may cause thermal stress to concentrate on the drain electrode 40D, the source electrode 40S, and their junctions, which may cause cracks or the like. In other words, there is a risk of a decrease in connection reliability. In contrast, in this embodiment, as shown in FIG. 70, the relationship Tgs>Tgi is satisfied.
<線膨張係数の関係>
次に、図70~図72に基づき、封止体30と絶縁基材51、61の線膨張係数の関係について説明する。図71および図72は、半導体装置20の反りを示すイメージ図である。図71および図72では、半導体装置20を構成する樹脂要素のみ、つまり、封止体30と絶縁基材51、61のみを図示している。
<Relationship between linear expansion coefficient>
Next, the relationship between the linear expansion coefficients of the sealing body 30 and the insulating base materials 51 and 61 will be described with reference to Figures 70 to 72. Figures 71 and 72 are conceptual diagrams showing warping of the semiconductor device 20. Figures 71 and 72 show only the resin elements that make up the semiconductor device 20, that is, only the sealing body 30 and the insulating base materials 51 and 61.
半導体素子40の動作時(発熱時)において、封止体30の線膨張係数αsが絶縁基材51、61の線膨張係数αiよりも大きいと、図71に破線矢印で示すように、封止体30の膨張量が絶縁基材51、61の膨張量よりも大きくなる。つまり、Z方向の中央で膨張量が大きくなり、両端で膨張量が小さくなる。したがって、Z方向の両端が凹んだ凹形状となる。
When the semiconductor element 40 is in operation (heat generation), if the linear expansion coefficient αs of the sealing body 30 is greater than the linear expansion coefficient αi of the insulating substrates 51 and 61, the amount of expansion of the sealing body 30 will be greater than the amount of expansion of the insulating substrates 51 and 61, as shown by the dashed arrows in Figure 71. In other words, the amount of expansion will be greater in the center in the Z direction and smaller at both ends. Therefore, both ends in the Z direction will be recessed, resulting in a concave shape.
本実施形態では、図70に示すように、αi>αsの関係を満たしている。具体的には、α1領域においてα1i>α1sの関係を満たし、α2領域においてα2i>α2sの関係を満たしている。上記したように、Tgs>Tgiの関係を満たしているため、使用温度範囲の全域においてαi>αsの関係を満たしている。このため、半導体素子40の動作時(発熱時)において、図72に破線矢印で示すように、絶縁基材51、61の膨張量が封止体30の膨張量よりも大きくなる。つまり、Z方向の中央で膨張量が小さくなり、両端で膨張量が大きくなる。したがって、図72に示すように、半導体装置20の形状は、Z方向の両端に凸となる。
In this embodiment, as shown in FIG. 70, the relationship αi>αs is satisfied. Specifically, the relationship α1i>α1s is satisfied in the α1 region, and the relationship α2i>α2s is satisfied in the α2 region. As described above, since the relationship Tgs>Tgi is satisfied, the relationship αi>αs is satisfied throughout the entire operating temperature range. Therefore, when the semiconductor element 40 is in operation (when heat is generated), the amount of expansion of the insulating substrates 51 and 61 is greater than the amount of expansion of the sealing body 30, as shown by the dashed arrows in FIG. 72. In other words, the amount of expansion is smaller in the center in the Z direction and larger at both ends. Therefore, as shown in FIG. 72, the shape of the semiconductor device 20 is convex at both ends in the Z direction.
<第6実施形態のまとめ>
本実施形態によれば、封止体30のガラス転移点Tgsが、絶縁基材51、61のガラス転移点Tgiよりも大きい。これにより、半導体素子40の動作時に、より高い温度となる封止体30について、温度がガラス転移点Tgsを超え難くなる。封止体30の温度は、ガラス転移点Tgsを超えないか、超えてもわずかである。したがって、封止体30のヤング率が小さくなり、封止機能が低下するのを抑制することができる。封止機能の低下を抑制できるため、主電極であるドレイン電極40D、ソース電極40S、その接合部に応力が集中するのを抑制することができる。つまり、接続信頼性を高めることができる。
<Summary of the Sixth Embodiment>
According to this embodiment, the glass transition point Tgs of the sealing body 30 is higher than the glass transition point Tgi of the insulating base materials 51 and 61. This makes it difficult for the temperature of the sealing body 30, which becomes hotter during operation of the semiconductor element 40, to exceed the glass transition point Tgs. The temperature of the sealing body 30 does not exceed the glass transition point Tgs, or exceeds it only slightly. Therefore, the Young's modulus of the sealing body 30 becomes smaller, and the sealing function can be suppressed from being deteriorated. Since the deterioration of the sealing function can be suppressed, it is possible to suppress the concentration of stress on the drain electrode 40D and the source electrode 40S, which are the main electrodes, and on the joints thereof. In other words, the connection reliability can be improved.
封止体30のガラス転移点Tgsを、絶縁基材51、61のガラス転移点Tgiとほぼ等しくしてもよい。Tgs<Tgiに較べて、発熱時により高温となる封止体30の温度が、ガラス転移点Tgsを超え難くなる。
The glass transition point Tgs of the sealing body 30 may be approximately equal to the glass transition point Tgi of the insulating substrates 51 and 61. Compared to when Tgs is less than Tgi, the temperature of the sealing body 30, which becomes higher when heat is generated, is less likely to exceed the glass transition point Tgs.
また、絶縁基材51、61の線膨張係数αiが、封止体30の線膨張係数αsよりも大きい。これにより、半導体素子40の動作時に、絶縁基材51、61の膨張量が、封止体30の膨張量よりも大きくなる。つまり、Z方向の中央において膨張量が小さく、両端において膨張量が大きくなる。これにより、半導体装置20にZ方向において外側に凸の反りが生じる。よって、半導体装置20と冷却器120(121)との対向距離が狭くなり、半導体装置20と冷却器120との間の熱抵抗が小さくなる。具体的には、熱伝導部材130の厚みが薄くなり、熱抵抗が小さくなる。半導体素子40の熱を効率よく逃がすことができるため、半導体素子40が過熱状態となるのを抑制することができる。つまり、放熱性を高めることができる。
In addition, the linear expansion coefficient αi of the insulating substrates 51 and 61 is greater than the linear expansion coefficient αs of the sealing body 30. As a result, when the semiconductor element 40 is in operation, the amount of expansion of the insulating substrates 51 and 61 is greater than the amount of expansion of the sealing body 30. In other words, the amount of expansion is small at the center in the Z direction, and large at both ends. As a result, the semiconductor device 20 is warped outward in the Z direction. Therefore, the opposing distance between the semiconductor device 20 and the cooler 120 (121) is narrowed, and the thermal resistance between the semiconductor device 20 and the cooler 120 is reduced. Specifically, the thickness of the thermal conductive member 130 is reduced, and the thermal resistance is reduced. Since the heat of the semiconductor element 40 can be efficiently dissipated, the semiconductor element 40 can be prevented from becoming overheated. In other words, the heat dissipation can be improved.
絶縁基材51、61の線膨張係数αiを、封止体30の線膨張係数αsとほぼ等しくしてもよい。この場合、Z方向の中央と両端とで膨張量がほぼ等しくなり、Z方向の両端が凹んだ凹形状となるのを抑制することができる。つまり、凹形状となることで半導体装置20と冷却器120との間の熱抵抗が増大するのを抑制することができる。
The linear expansion coefficient αi of the insulating substrates 51 and 61 may be approximately equal to the linear expansion coefficient αs of the sealing body 30. In this case, the amount of expansion is approximately equal at the center and both ends in the Z direction, and it is possible to prevent both ends in the Z direction from becoming concave. In other words, it is possible to prevent the thermal resistance between the semiconductor device 20 and the cooler 120 from increasing due to the concave shape.
このように、Tgs≧Tgi、かつ、αi≧αsの関係を満たすことで、信頼性の高い半導体装置20を提供することができる。
In this way, by satisfying the relationships Tgs ≧ Tgi and αi ≧ αs, a highly reliable semiconductor device 20 can be provided.
<変形例>
一対の基板50、60を備える両面放熱構造の半導体装置20の例を示したが、これに限定されない。ドレイン電極40D(第1主電極)が接続される基板50のみを備える、片面放熱構造の半導体装置20にも適用が可能である。
<Modification>
Although an example of the semiconductor device 20 having a double-sided heat dissipation structure including a pair of substrates 50 and 60 has been shown, the present invention is not limited to this example. The present invention can also be applied to a semiconductor device 20 having a single-sided heat dissipation structure including only the substrate 50 to which the drain electrode 40D (first main electrode) is connected.
半導体装置20が半導体素子40H、40Lを備える例を示したが、これに限定されない。アームのひとつを構成する半導体素子40のみを備えてもよい。半導体装置20は、たとえばひとつの半導体素子40のみを備えてもよい。
Although an example has been shown in which the semiconductor device 20 includes semiconductor elements 40H and 40L, the present invention is not limited to this. The semiconductor device 20 may include only a semiconductor element 40 that constitutes one of the arms. The semiconductor device 20 may include, for example, only one semiconductor element 40.
本実施形態に記載の構成は、第1実施形態、第2実施形態、第3実施形態、第4実施形態、第5実施形態、および変形例に記載の構成のいずれとも組み合わせが可能である。
The configuration described in this embodiment can be combined with any of the configurations described in the first, second, third, fourth, and fifth embodiments, and the modified examples.
(第7実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。封止体の剥離を抑制するため、本実施形態に記載のように、表面金属体を所定の構造としてもよい。
Seventh Embodiment
This embodiment is a modification of the preceding embodiment as a basic form, and the description of the preceding embodiment can be used. In order to suppress peeling of the sealing body, the surface metal body may have a predetermined structure as described in this embodiment.
<半導体装置>
図73は、本実施形態に係る半導体装置20を示す断面図である。図73は、図8に対応している。
<Semiconductor Device>
73 is a cross-sectional view showing the semiconductor device 20 according to this embodiment. FIG. 73 corresponds to FIG.
本実施形態の半導体装置20は、先行実施形態に記載の構成(図2~図13参照)と同様の構成を有している。図73に示すように、半導体装置20は、2つの半導体素子40(40H)と、半導体素子40をZ方向において挟むように配置された基板50、60と、封止体30を備えている。基板50の表面金属体52は、接合材100を介して、半導体素子40の主電極であるドレイン電極40Dに接続されている。基板60の表面金属体62は、接合材102を介して、半導体素子40の主電極であるソース電極40Sに電気的に接続されている。封止体30は、半導体素子40、基板50、60、および接合材100、102を封止している。基板50、60のうち、裏面金属体53、63は、封止体30から露出している。図示しないが、半導体装置20は、2つの半導体素子40Lを備えている。
The semiconductor device 20 of this embodiment has a configuration similar to that described in the preceding embodiment (see Figs. 2 to 13). As shown in Fig. 73, the semiconductor device 20 includes two semiconductor elements 40 (40H), substrates 50 and 60 arranged to sandwich the semiconductor element 40 in the Z direction, and a sealing body 30. The front metal body 52 of the substrate 50 is connected to the drain electrode 40D, which is the main electrode of the semiconductor element 40, via a bonding material 100. The front metal body 62 of the substrate 60 is electrically connected to the source electrode 40S, which is the main electrode of the semiconductor element 40, via a bonding material 102. The sealing body 30 seals the semiconductor element 40, the substrates 50 and 60, and the bonding materials 100 and 102. The rear metal bodies 53 and 63 of the substrates 50 and 60 are exposed from the sealing body 30. Although not shown, the semiconductor device 20 includes two semiconductor elements 40L.
図73に示すように、表面金属体52、62は、粗化部527、627と、非粗化部528、628を有している。
As shown in FIG. 73, the surface metal bodies 52, 62 have roughened portions 527, 627 and non-roughened portions 528, 628.
<凹凸酸化膜>
次に、図74および図75に基づき、粗化部527を構成する凹凸酸化膜520について詳細に説明する。図74は、図73の領域LXXIVを拡大した図である。図75は、粗化部の形成方法を示す図である。
<Rough oxide film>
Next, the uneven oxide film 520 constituting the roughened portion 527 will be described in detail with reference to Fig. 74 and Fig. 75. Fig. 74 is an enlarged view of an area LXXIV in Fig. 73. Fig. 75 is a view showing a method for forming the roughened portion.
表面金属体52、62は、第5実施形態の変形例に記載した構成(図66および図67参照)と同様に、凹凸酸化膜520、620を有している。凹凸酸化膜520、620は、表面金属体52、62の表面において粗化部527、627を提供する。表面金属体52、62の表面のうち、凹凸酸化膜520、620が形成されていない部分は、非粗化部528、628を提供する。以下では、表面金属体52を例に説明する。
The surface metal bodies 52, 62 have uneven oxide films 520, 620, similar to the configuration described in the modified example of the fifth embodiment (see Figures 66 and 67). The uneven oxide films 520, 620 provide roughened portions 527, 627 on the surfaces of the surface metal bodies 52, 62. The portions of the surfaces of the surface metal bodies 52, 62 where the uneven oxide films 520, 620 are not formed provide non-roughened portions 528, 628. The following description will be given using the surface metal body 52 as an example.
図74に示すように、表面金属体52は、母材521と、母材521の表面上に設けられためっき膜522pおよび凹凸酸化膜520を有している。母材521は、表面金属体52の主たる部分をなしている。母材521は、たとえばCu系の材料を用いて形成されている。めっき膜522pは、はんだなどの接合材100に対する濡れ性が母材521よりも高い材料を含んで形成されている。めっき膜522pは、表面金属体52の上面52aの全域と側面52cの全域に形成されている。側面52cは、表面金属体52において、上面52aと、絶縁基材51に対向する下面52dとをつなぐ面である。
As shown in FIG. 74, the surface metal body 52 has a base material 521, and a plating film 522p and an uneven oxide film 520 provided on the surface of the base material 521. The base material 521 forms the main part of the surface metal body 52. The base material 521 is formed using, for example, a Cu-based material. The plating film 522p is formed containing a material that has higher wettability with a joining material 100 such as solder than the base material 521. The plating film 522p is formed over the entire upper surface 52a and the entire side surface 52c of the surface metal body 52. The side surface 52c is a surface that connects the upper surface 52a and the lower surface 52d facing the insulating substrate 51 in the surface metal body 52.
凹凸酸化膜520は、第5実施形態の変形例に記載したように、めっき膜522pにレーザ光を照射することで形成される。本実施形態では、表面金属体52の上面52aおよび側面52cにレーザ光を照射する。凹凸酸化膜520が提供する粗化部527は、上面52aにおいて非粗化部528を除く部分である。粗化部527は、一例として、側面52cの全域に形成されている。表面金属体52の端部において、粗化部527は、側面52cから上面52aにわたって連続的に設けられている。粗化部527は、上面52aの一部と側面52cに設けられている。粗化部527は、上面52aの縁部のみに設けられてもよい。非粗化部528は、上面52aの一部に設けられており、接合材100の配置領域(接合領域)を少なくとも含む。非粗化部528は、接合領域のみに設けられてもよいし、接合領域以外の領域を含んでもよい。粗化部527は、側面52cの少なくとも一部に設けられる。粗化部527は、側面52cの一部のみに設けられてもよい。たとえば、凹凸酸化膜520が絶縁基材51に接触しないように、粗化部527は、側面52cの一部のみに設けられてもよい。
The uneven oxide film 520 is formed by irradiating the plating film 522p with laser light as described in the modified example of the fifth embodiment. In this embodiment, the upper surface 52a and the side surface 52c of the surface metal body 52 are irradiated with laser light. The roughened portion 527 provided by the uneven oxide film 520 is a portion of the upper surface 52a excluding the non-roughened portion 528. As an example, the roughened portion 527 is formed over the entire side surface 52c. At the end of the surface metal body 52, the roughened portion 527 is continuously provided from the side surface 52c to the upper surface 52a. The roughened portion 527 is provided on a part of the upper surface 52a and on the side surface 52c. The roughened portion 527 may be provided only on the edge of the upper surface 52a. The non-roughened portion 528 is provided on a part of the upper surface 52a and includes at least the arrangement area (bonding area) of the bonding material 100. The non-roughened portion 528 may be provided only in the bonding region, or may include a region other than the bonding region. The roughened portion 527 is provided on at least a portion of the side surface 52c. The roughened portion 527 may be provided on only a portion of the side surface 52c. For example, the roughened portion 527 may be provided on only a portion of the side surface 52c so that the uneven oxide film 520 does not contact the insulating substrate 51.
本実施形態のめっき膜522pは、Ni(ニッケル)を主成分とする下地膜と、Au(金)を主成分とする上地膜を有している。具体的には、下地膜として、P(リン)を含む無電解Niめっき膜を採用している。接合材100がはんだの場合、凹凸酸化膜520から露出するめっき膜522pのうち、接合材100が接触する部分の上地膜(Au)は、リフロー時にはんだ中に拡散する。めっき膜522pのうち、凹凸酸化膜520が形成される部分の上地膜(Au)は、凹凸酸化膜520を形成する際にレーザ光の照射により除去される。凹凸酸化膜520は、Niを主成分とする酸化物の膜である。凹凸酸化膜520は、表面金属体52の端部において、側面52cから上面52aにわたって連続的に設けられている。
The plating film 522p of this embodiment has an undercoat film mainly composed of Ni (nickel) and an upper layer mainly composed of Au (gold). Specifically, an electroless Ni plating film containing P (phosphorus) is used as the undercoat film. When the bonding material 100 is solder, the upper layer (Au) of the plating film 522p exposed from the uneven oxide film 520, which is in contact with the bonding material 100, diffuses into the solder during reflow. The upper layer (Au) of the plating film 522p, where the uneven oxide film 520 is formed, is removed by irradiation with laser light when the uneven oxide film 520 is formed. The uneven oxide film 520 is an oxide film mainly composed of Ni. The uneven oxide film 520 is continuously provided from the side surface 52c to the upper surface 52a at the end of the surface metal body 52.
第5実施形態の変形例に記載したように、凹凸酸化膜520は、レーザ光の照射により、めっき膜522pの表層部分が溶融、気化し、蒸着することで形成される。凹凸酸化膜520は、めっき膜522p由来の酸化膜である。凹凸酸化膜520は、めっき膜522pの主成分の金属(Ni)の酸化物の膜である。凹凸酸化膜520の表面には、常に微細な凹凸(粗化部)が形成されている。凹凸酸化膜520は、表面が連続して凹凸をなしている。
As described in the modified example of the fifth embodiment, the uneven oxide film 520 is formed by melting, vaporizing, and depositing the surface portion of the plating film 522p by irradiation with laser light. The uneven oxide film 520 is an oxide film derived from the plating film 522p. The uneven oxide film 520 is a film of oxide of the metal (Ni) that is the main component of the plating film 522p. The surface of the uneven oxide film 520 always has fine unevenness (roughened portions). The uneven oxide film 520 has a continuously uneven surface.
本実施形態において、表面金属体52は、上面52aにおける面積よりも下面52dにおける面積のほうが大きい。このため、図74に示すように、下面52dが、上面52aに対して迫り出している。つまり、Z方向の平面視において、側面52cの少なくとも一部が上面52aの外側に位置している。よって、図75に示すように、レーザ光をZ方向に照射することで、上面52aおよび側面52cに凹凸酸化膜520を形成することができる。
In this embodiment, the surface metal body 52 has a larger area on the lower surface 52d than on the upper surface 52a. Therefore, as shown in FIG. 74, the lower surface 52d protrudes from the upper surface 52a. In other words, in a plan view in the Z direction, at least a portion of the side surface 52c is located outside the upper surface 52a. Therefore, as shown in FIG. 75, by irradiating laser light in the Z direction, a rough oxide film 520 can be formed on the upper surface 52a and the side surface 52c.
<第7実施形態のまとめ>
表面金属体52の上面52aおよび側面52cにめっき膜522pを設けた構成では、熱応力によって、表面金属体52の端部、つまり、側面52cから封止体30の剥離が生じやすい。これに対し、本実施形態では、非粗化部528を除く上面52aの部分と側面52cに、粗化部527を設けている。これにより、表面金属体52の側面52cにおける封止体30との密着力が、粗化部527を設けない構成に較べて高い。したがって、表面金属体52の側面52cにおいて、封止体30の剥離が生じるのを抑制することができる。剥離の抑制により、表面金属体52における接合材100などの接合部に、熱応力が集中するのを抑制することができる。この結果、信頼性の高い半導体装置20を提供することができる。
Summary of the Seventh Embodiment
In a configuration in which the plating film 522p is provided on the upper surface 52a and the side surface 52c of the surface metal body 52, the sealing body 30 is likely to peel off from the end of the surface metal body 52, i.e., the side surface 52c, due to thermal stress. In contrast, in this embodiment, the roughened portion 527 is provided on the portion of the upper surface 52a excluding the non-roughened portion 528 and on the side surface 52c. This makes the adhesion between the sealing body 30 and the side surface 52c of the surface metal body 52 higher than in a configuration in which the roughened portion 527 is not provided. Therefore, it is possible to suppress peeling of the sealing body 30 from occurring on the side surface 52c of the surface metal body 52. By suppressing peeling, it is possible to suppress concentration of thermal stress on the bonding portion of the bonding material 100 and the like in the surface metal body 52. As a result, it is possible to provide a highly reliable semiconductor device 20.
表面金属体62は、表面金属体52と同様の構成を有している。表面金属体62は、非粗化部628を除く上面62aの部分と側面62cに、粗化部627を有している。これにより、表面金属体62の側面62cにおいて、封止体30の剥離が生じるのを抑制することができる。
The surface metal body 62 has a similar configuration to the surface metal body 52. The surface metal body 62 has a roughened portion 627 on the upper surface 62a, excluding the non-roughened portion 628, and on the side surface 62c. This makes it possible to prevent peeling of the sealing body 30 from occurring on the side surface 62c of the surface metal body 62.
本実施形態では、粗化部527、627が、側面52c、62cと上面52a、62aとにわたって連続的に設けられている。これにより、表面金属体52、62の端部近傍において、封止体30の剥離が生じるのを抑制することができる。
In this embodiment, the roughened portions 527, 627 are provided continuously across the side surfaces 52c, 62c and the upper surfaces 52a, 62a. This makes it possible to prevent peeling of the sealing body 30 near the ends of the surface metal bodies 52, 62.
粗化部527、627を形成する粗化処理としては、粗化めっき、サンドブラスト、薬液処理などが可能である。本実施形態では、レーザ粗化を採用している。めっき膜にレーザ光を照射することで、凹凸酸化膜520、620が形成される。表面金属体52,62は、粗化部527、627に凹凸酸化膜520、620を有している。
The roughening treatment for forming the roughened portions 527, 627 can be roughening plating, sandblasting, chemical treatment, etc. In this embodiment, laser roughening is used. The uneven oxide films 520, 620 are formed by irradiating the plating film with laser light. The surface metal bodies 52, 62 have the uneven oxide films 520, 620 in the roughened portions 527, 627.
凹凸酸化膜520、620の表面は、連続した凹凸をなしており、封止体30が絡みついてアンカー効果を生じる。また、封止体30との接触面積が増える。よって、粗化部527、627において封止体30に対する密着力を高めることができる。また、凹凸酸化膜520、620は、めっき膜(めっき膜522p)に較べて、接合材100、102に対する濡れ性が低い。凹凸酸化膜520、620は、表面に微細な凹凸を有しているため、接合材100、102との接触面積が小さくなり、接合材100、102の一部は表面張力によって球状になる。つまり、接触角が大きくなる。したがって、接合材100、102が溢れるのを抑制することができる。このように、凹凸酸化膜520、620を採用することで、封止体30に対する密着力を高めるとともに、接合部からの接合材100、102の溢れを抑制することができる。
The surface of the uneven oxide film 520, 620 has continuous unevenness, and the sealing body 30 is entangled to produce an anchor effect. In addition, the contact area with the sealing body 30 is increased. Therefore, the adhesion force to the sealing body 30 can be increased in the roughened parts 527, 627. In addition, the uneven oxide film 520, 620 has a lower wettability with the bonding material 100, 102 than the plating film (plating film 522p). Since the uneven oxide film 520, 620 has fine unevenness on the surface, the contact area with the bonding material 100, 102 is reduced, and a part of the bonding material 100, 102 becomes spherical due to surface tension. In other words, the contact angle is increased. Therefore, the overflow of the bonding material 100, 102 can be suppressed. In this way, by adopting the uneven oxide film 520, 620, the adhesion force to the sealing body 30 can be increased and the overflow of the bonding material 100, 102 from the bonding part can be suppressed.
本実施形態では、表面金属体52、62の面積が、下面52d、62dにおいて上面52a、62aよりも大きい。下面52d、62dが、上面52a、62aに対して迫り出している。よって、側面52c、62cに対して、Z方向から物理的な粗化を行いやすい。上記したレーザ粗化の場合、レーザ光をZ方向に照射することで、上面52a、62aだけでなく側面52c、62cにも、凹凸酸化膜520、620を形成することができる。
In this embodiment, the area of the surface metal bodies 52, 62 is larger on the lower surfaces 52d, 62d than on the upper surfaces 52a, 62a. The lower surfaces 52d, 62d protrude from the upper surfaces 52a, 62a. This makes it easier to physically roughen the side surfaces 52c, 62c from the Z direction. In the case of the laser roughening described above, by irradiating the laser light in the Z direction, it is possible to form the uneven oxide films 520, 620 not only on the upper surfaces 52a, 62a but also on the side surfaces 52c, 62c.
<変形例>
表面金属体52、62の側面形状は、上記した例に限定されない。プレス加工、エッチング、切削などによって表面金属体52、62をパターニングする際に、側面を所定形状に加工することができる。図76は、側面形状の変形例を示す断面図である。図76では、一例として表面金属体52を示しており、便宜上、めっき膜522pを省略して図示している。図示を省略するが、表面金属体62についても同様の構成を採用することができる。
<Modification>
The side shape of the front surface metal bodies 52, 62 is not limited to the above-mentioned example. When the front surface metal bodies 52, 62 are patterned by pressing, etching, cutting, or the like, the side surface can be processed into a predetermined shape. Fig. 76 is a cross-sectional view showing a modified side surface shape. Fig. 76 shows the front surface metal body 52 as an example, and for convenience, the plating film 522p is omitted. Although not shown, a similar configuration can also be adopted for the front surface metal body 62.
図76に示す例では、表面金属体52が、Z方向に略平行な側面52cを有している。つまり、表面金属体52の面積が、Z方向においてほぼ一定である。このような表面金属体52を物理的に粗化するには、たとえば上面52aと側面52cとで粗化を分けて行えばよい。レーザ粗化の場合、上面52aに対するレーザ光の照射方向とは異なる方向、たとえばZ方向に対して傾いた方向から、側面52cに対してレーザ光を照射する。これにより、側面52cに凹凸酸化膜520を設けることができる。
In the example shown in FIG. 76, the surface metal body 52 has a side surface 52c that is approximately parallel to the Z direction. In other words, the area of the surface metal body 52 is approximately constant in the Z direction. To physically roughen such a surface metal body 52, for example, the top surface 52a and the side surface 52c may be roughened separately. In the case of laser roughening, the side surface 52c is irradiated with laser light from a direction different from the direction of irradiation of the top surface 52a with the laser light, for example, from a direction tilted with respect to the Z direction. This allows an uneven oxide film 520 to be provided on the side surface 52c.
図77は、側面形状の変形例を示す断面図であり、図76に対応している。図77に示す例では、表面金属体52のZ方向に直交する面積が、下面52dに近づくほど大きくなっている。側面52cは、R形状をなしている。この場合、平面視において側面52cの全域が上面52aの外側に位置する。したがって、側面52cに対するZ方向からの物理的な粗化、たとえばレーザ粗化を、図75に示した構成よりも行いやすい。
Figure 77 is a cross-sectional view showing a modified example of the side shape, and corresponds to Figure 76. In the example shown in Figure 77, the area of the surface metal body 52 perpendicular to the Z direction becomes larger as it approaches the lower surface 52d. The side surface 52c has an R-shape. In this case, the entire area of the side surface 52c is located outside the upper surface 52a in a plan view. Therefore, it is easier to physically roughen the side surface 52c from the Z direction, for example, by laser roughening, than with the configuration shown in Figure 75.
図78は、側面形状の変形例を示す断面図であり、図76に対応している。図78に示す例でも、表面金属体52のZ方向に直交する面積が、下面52dに近づくほど大きくなっている。表面金属体52は、たとえばZY平面において略台形状をなしている。この場合も、平面視において側面52cの全域が上面52aの外側に位置するため、側面52cをZ方向から物理的に粗化しやすい。
Figure 78 is a cross-sectional view showing a modified example of the side shape, and corresponds to Figure 76. In the example shown in Figure 78, the area of the surface metal body 52 perpendicular to the Z direction increases as it approaches the lower surface 52d. The surface metal body 52 has a substantially trapezoidal shape in the ZY plane, for example. In this case, too, the entire area of the side surface 52c is located outside the upper surface 52a in a planar view, so that the side surface 52c can be easily roughened physically from the Z direction.
一対の基板50、60を備える両面放熱構造の半導体装置20の例を示したが、これに限定されない。ドレイン電極40D(第1主電極)が接続される基板50のみを備える、片面放熱構造の半導体装置20にも適用が可能である。一対の基板50、60を備える構成において、基板50、60の一方のみに、上記した側面を含む粗化部の構造を適用してもよい。側面52、62の全域を粗化部
An example of a semiconductor device 20 having a double-sided heat dissipation structure with a pair of substrates 50 and 60 has been shown, but the present invention is not limited to this. It is also possible to apply the semiconductor device 20 having a single-sided heat dissipation structure with only the substrate 50 to which the drain electrode 40D (first main electrode) is connected. In a configuration having a pair of substrates 50 and 60, the roughened portion structure including the side surface described above may be applied to only one of the substrates 50 and 60. The entire area of the side surfaces 52 and 62 may be roughened.
半導体装置20が半導体素子40H、40Lを備える例を示したが、これに限定されない。アームのひとつを構成する半導体素子40のみを備えてもよい。半導体装置20は、たとえばひとつの半導体素子40のみを備えてもよい。
Although an example has been shown in which the semiconductor device 20 includes semiconductor elements 40H and 40L, the present invention is not limited to this. The semiconductor device 20 may include only a semiconductor element 40 that constitutes one of the arms. The semiconductor device 20 may include, for example, only one semiconductor element 40.
本実施形態に記載の構成は、第1実施形態、第2実施形態、第3実施形態、第4実施形態、第5実施形態、第6実施形態、および変形例に記載の構成のいずれとも組み合わせが可能である。
The configuration described in this embodiment can be combined with any of the configurations described in the first, second, third, fourth, fifth, and sixth embodiments, and the modified examples.
(第8実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。インダクタンスの低減のため、本実施形態に記載のように、表面金属体の厚みと配線の間隔とが所定の関係を満たすようにしてもよい。
Eighth embodiment
This embodiment is a modified example based on the preceding embodiment, and the description of the preceding embodiment can be used. In order to reduce inductance, the thickness of the surface metal body and the spacing between the wirings may satisfy a predetermined relationship, as described in this embodiment.
<半導体装置>
まず、図79に基づき、本実施形態に係る半導体装置20、特に表面金属体52、62の回路パターンについて説明する。図79は、本実施形態に係る半導体装置20を示す断面図である。図79では、先行実施形態に記載の構成(図8参照)の一部分を図示している。
<Semiconductor Device>
First, the semiconductor device 20 according to this embodiment, particularly the circuit patterns of the front surface metal bodies 52 and 62, will be described with reference to Fig. 79. Fig. 79 is a cross-sectional view showing the semiconductor device 20 according to this embodiment. Fig. 79 illustrates a part of the configuration described in the preceding embodiment (see Fig. 8).
本実施形態の半導体装置20は、先行実施形態に記載の構成(図2~図13参照)と同様の構成を有している。図79に示すように、半導体装置20は、半導体素子40(40H)と、半導体素子40をZ方向において挟むように配置された基板50、60と、封止体30を備えている。基板50の表面金属体52は、半導体素子40の主電極であるドレイン電極40Dに電気的に接続されている。基板60の表面金属体62は、半導体素子40の主電極であるソース電極40Sに電気的に接続されている。封止体30は、半導体素子40、基板50、60、および接合材100、102を封止している。基板50、60のうち、裏面金属体53、63は、封止体30から露出している。図示しないが、半導体装置20は、下アーム9Lを構成する半導体素子40Lを備えている。
The semiconductor device 20 of this embodiment has a configuration similar to that described in the preceding embodiment (see Figures 2 to 13). As shown in Figure 79, the semiconductor device 20 includes a semiconductor element 40 (40H), substrates 50 and 60 arranged to sandwich the semiconductor element 40 in the Z direction, and a sealing body 30. The front metal body 52 of the substrate 50 is electrically connected to the drain electrode 40D, which is the main electrode of the semiconductor element 40. The front metal body 62 of the substrate 60 is electrically connected to the source electrode 40S, which is the main electrode of the semiconductor element 40. The sealing body 30 seals the semiconductor element 40, the substrates 50 and 60, and the bonding materials 100 and 102. Of the substrates 50 and 60, the back metal bodies 53 and 63 are exposed from the sealing body 30. Although not shown, the semiconductor device 20 includes a semiconductor element 40L that constitutes a lower arm 9L.
<配線間隔と厚みの関係>
次に、図79および図80に基づき、配線間隔と厚みとの関係について説明する。図80は、図79の領域LXXXを拡大した図である。図80では、基板60のみを図示している。
<Relationship between wiring spacing and thickness>
Next, the relationship between the wiring interval and the thickness will be described with reference to Figures 79 and 80. Figure 80 is an enlarged view of an area LXXX in Figure 79. In Figure 80, only the substrate 60 is shown.
表面金属体52、62は、先行実施形態に記載の構成(図65参照)と同様に、配線間ギャップ52G、62Gを有している。図79および図80に示すように、配線間ギャップ62Gは、隣り合うN配線64と中継配線65とを隔てている。配線間ギャップ62Gは、表面金属体62において、電位が異なる配線の間に設けられた所定の空隙である。
The surface metal bodies 52, 62 have inter-wiring gaps 52G, 62G, similar to the configuration described in the preceding embodiment (see FIG. 65). As shown in FIGS. 79 and 80, the inter-wiring gap 62G separates the adjacent N wiring 64 and relay wiring 65. The inter-wiring gap 62G is a predetermined gap provided in the surface metal body 62 between wirings having different potentials.
図80に示すように、本実施形態では、N配線64と中継配線65との間隔L10が、表面金属体62の厚みT10以下(L10≦T10)である。間隔L10は、配線間ギャップ62Gの長さ、つまりN配線64と中継配線65とのパターン間距離である。図79および図80では、表面金属体62における間隔L10と厚みT10が、L10<T10の関係を満たしている。図示を省略するが、表面金属体52を備える基板50は、基板60と同様の構成を有している。表面金属体52において、P配線54と中継配線55との間隔L10は、表面金属体52の厚みT10以下(L10≦T10)である。
As shown in FIG. 80, in this embodiment, the distance L10 between the N wiring 64 and the relay wiring 65 is equal to or less than the thickness T10 of the surface metal body 62 (L10≦T10). The distance L10 is the length of the wiring gap 62G, that is, the pattern distance between the N wiring 64 and the relay wiring 65. In FIG. 79 and FIG. 80, the distance L10 and the thickness T10 in the surface metal body 62 satisfy the relationship L10<T10. Although not shown, the substrate 50 including the surface metal body 52 has the same configuration as the substrate 60. In the surface metal body 52, the distance L10 between the P wiring 54 and the relay wiring 55 is equal to or less than the thickness T10 of the surface metal body 52 (L10≦T10).
<シミュレーション結果>
図81~図83は、電磁界シミュレーションの結果を示している。図81は、シミュレーション結果を、長さ(間隔、厚み)とインダクタンスとの関係にまとめた図である。測定点の丸(○)は、間隔L10を1.5mmで固定したときの、厚みT10の3つの水準(0.3mm、1.5mm、2.5mm)の結果を示している。図中の実線は、間隔L10を固定したときの、厚みT10の変化にともなうインダクタンスの変化を示している。測定点の四角(□)は、厚みT10を1.5mmで固定したときの、間隔L10の3つの水準(0.5mm、1.5mm、2.5mm)の結果を示している。図中の破線は、厚みT10を固定したときの、間隔L10の変化にともなうインダクタンスの変化を示している。図81に示す横軸の長さは、間隔L10を固定の場合に厚みT10の長さを示し、厚みT10を固定の場合に間隔L10の長さを示す。
<Simulation results>
81 to 83 show the results of the electromagnetic field simulation. FIG. 81 is a diagram summarizing the simulation results in terms of the relationship between length (spacing, thickness) and inductance. The circles (○) at the measurement points show the results of three levels of thickness T10 (0.3 mm, 1.5 mm, 2.5 mm) when the spacing L10 is fixed at 1.5 mm. The solid line in the figure shows the change in inductance with the change in thickness T10 when the spacing L10 is fixed. The squares (□) at the measurement points show the results of three levels of spacing L10 (0.5 mm, 1.5 mm, 2.5 mm) when the thickness T10 is fixed at 1.5 mm. The dashed line in the figure shows the change in inductance with the change in spacing L10 when the thickness T10 is fixed. The length of the horizontal axis shown in FIG. 81 shows the length of thickness T10 when the spacing L10 is fixed, and shows the length of spacing L10 when the thickness T10 is fixed.
図82は、L10>T10の場合のシミュレーション結果を示す図である。図82は、図81に示す第1条件C1、具体的には間隔L10=1.5mm、厚みT10=0.3mmのときのシミュレーション結果を示している。図83は、L10<T10の場合のシミュレーション結果を示す図である。図83は、図81に示す第2条件C2、具体的には間隔L10=1.5mm、厚みT10=2.5mmのときのシミュレーション結果を示している。シミュレーションにおいて、間隔L10と厚みT10以外の条件は共通である。
Figure 82 shows the simulation results when L10>T10. Figure 82 shows the simulation results when the first condition C1 shown in Figure 81 is met, specifically, when the distance L10=1.5 mm and the thickness T10=0.3 mm. Figure 83 shows the simulation results when L10<T10. Figure 83 shows the simulation results when the second condition C2 shown in Figure 81 is met, specifically, when the distance L10=1.5 mm and the thickness T10=2.5 mm. In the simulations, all conditions are the same except for the distance L10 and the thickness T10.
図81に示す結果より、L10≦T10の関係を満たす範囲において、インダクタンスを低減できることが明らかである。特に、L10<T10の関係を満たす範囲において、インダクタンスを効果的に低減できることが明らかである。
From the results shown in Figure 81, it is clear that inductance can be reduced in the range where the relationship L10≦T10 is satisfied. In particular, it is clear that inductance can be effectively reduced in the range where the relationship L10<T10 is satisfied.
図82に示すように、L10>T10の場合、電流は、N配線64の延設部641において幅方向に分散しているものの、表面金属体62(基板60)の端部側に偏って流れる。このため、先行実施形態に記載したPN電流ループ(図17参照)が大きい。延設部421を流れる電流経路が中継配線65に対して遠いため、逆方向成分の電流による磁束の打ち消し効果が弱まる。図82は、L10≦T10の関係を満たす場合に較べて、インダクタンスが大きくなることを示している。
As shown in FIG. 82, when L10>T10, the current is distributed in the width direction in the extension portion 641 of the N wiring 64, but flows biased toward the end side of the surface metal body 62 (substrate 60). Therefore, the PN current loop (see FIG. 17) described in the previous embodiment is large. Because the current path flowing through the extension portion 421 is far from the relay wiring 65, the effect of canceling the magnetic flux by the reverse current component is weakened. FIG. 82 shows that the inductance is larger than when the relationship L10≦T10 is satisfied.
図83に示すように、L10<T10の場合、電流は、延設部641の幅方向において中継配線65側の端部に偏って流れる。このため、PN電流ループが小さい。延設部421を流れる電流経路が中継配線65に対して近いため、逆方向成分の電流による磁束の打ち消し効果が強まる。図83は、L10>T10の関係を満たす場合に較べて、インダクタンスが小さくなることを示している。
As shown in FIG. 83, when L10<T10, the current flows biased toward the end of the extension portion 641 on the relay wiring 65 side in the width direction. Therefore, the PN current loop is small. Because the current path through the extension portion 421 is close to the relay wiring 65, the effect of canceling out the magnetic flux by the reverse current component is strengthened. FIG. 83 shows that the inductance is smaller than when the relationship L10>T10 is satisfied.
<第8実施形態のまとめ>
本実施形態では、表面金属体52が、第1配線であるP配線54と、第1配線とは電位の異なる第2配線である中継配線55を有している。そして、P配線54と中継配線55との間隔L10と、表面金属体52の厚みT1とが、L10≦T10の関係を満たしている。同様に、表面金属体62が、第1配線であるN配線64と、第1配線とは電位の異なる第2配線である中継配線65を有している。そして、N配線64と中継配線65との間隔L10と、表面金属体62の厚みT1とが、L10≦T10の関係を満たしている。
<Summary of the Eighth Embodiment>
In this embodiment, the front surface metal body 52 has a P wiring 54 which is a first wiring, and a relay wiring 55 which is a second wiring having a different potential from the first wiring. The distance L10 between the P wiring 54 and the relay wiring 55 and the thickness T1 of the front surface metal body 52 satisfy the relationship L10≦T10. Similarly, the front surface metal body 62 has an N wiring 64 which is a first wiring, and a relay wiring 65 which is a second wiring having a different potential from the first wiring. The distance L10 between the N wiring 64 and the relay wiring 65 and the thickness T1 of the front surface metal body 62 satisfy the relationship L10≦T10.
L10≦T10の関係を満たすと、隣り合う配線の間隔が狭いため、第1配線に流れる電流による磁束と、第2配線に流れる電流による磁束との打ち消し効果が高まり、インダクタンスを低減することができる。また、表面金属体が厚いため、電流経路の断面積が大きくなり、インダクタンスを低減することができる。以上により、本実施形態の半導体装置20は、インダクタンスを低減することができる。特に、L1<T10の関係を満たすと、上記した効果が高まり、インダクタンスをより効果的に低減することができる。
When the relationship L10≦T10 is satisfied, the spacing between adjacent wiring is narrow, so the cancellation effect between the magnetic flux caused by the current flowing through the first wiring and the magnetic flux caused by the current flowing through the second wiring is enhanced, and inductance can be reduced. In addition, since the surface metal body is thick, the cross-sectional area of the current path is large, and inductance can be reduced. As a result, the semiconductor device 20 of this embodiment can reduce inductance. In particular, when the relationship L1<T10 is satisfied, the above-mentioned effect is enhanced, and inductance can be reduced more effectively.
<変形例>
一対の基板50、60を備える両面放熱構造の半導体装置20の例を示したが、これに限定されない。ドレイン電極40D(第1主電極)が接続される基板50のみを備える、片面放熱構造の半導体装置20にも適用が可能である。一対の基板50、60を備える構成において、表面金属体52、62の一方のみが上記したL10≦T10の関係を満たすようにしてもよい。つまり、半導体素子の主電極と電気的に接続される少なくともひとつの基板において、表面金属体が第1配線と第2配線を有し、L10≦T10の関係を満たせばよい。また、第1配線であるN配線64と、第1配線とは電位の異なる第2配線である中継配線65との対向領域のすべてにおいて、L10≦T10の関係を満たす例を示したが、これに限定されない。対向領域の少なくとも一部において、L10≦T10の関係を満たせばよい。第1配線であるP配線54と、第1配線とは電位の異なる第2配線である中継配線55との対向領域についても同様である。
<Modification>
Although an example of the semiconductor device 20 having a double-sided heat dissipation structure including a pair of substrates 50 and 60 has been shown, the present invention is not limited to this. The present invention can also be applied to a single-sided heat dissipation structure including only the substrate 50 to which the drain electrode 40D (first main electrode) is connected. In a configuration including a pair of substrates 50 and 60, only one of the surface metal bodies 52 and 62 may satisfy the above-mentioned relationship L10≦T10. That is, in at least one substrate electrically connected to the main electrode of the semiconductor element, the surface metal body has a first wiring and a second wiring, and the relationship L10≦T10 is satisfied. In addition, an example has been shown in which the relationship L10≦T10 is satisfied in all of the opposing regions between the N wiring 64, which is the first wiring, and the relay wiring 65, which is the second wiring having a different potential from the first wiring, but the present invention is not limited to this. The relationship L10≦T10 is satisfied in at least a part of the opposing regions. The same applies to the opposing region between the P wiring 54, which is the first wiring, and the relay wiring 55, which is the second wiring having a different potential from the first wiring.
半導体装置20が半導体素子40H、40Lを備える例を示したが、これに限定されない。アームのひとつを構成する半導体素子40のみを備えてもよい。半導体装置20は、たとえばひとつの半導体素子40のみを備えてもよい。
Although an example has been shown in which the semiconductor device 20 includes semiconductor elements 40H and 40L, the present invention is not limited to this. The semiconductor device 20 may include only a semiconductor element 40 that constitutes one of the arms. The semiconductor device 20 may include, for example, only one semiconductor element 40.
本実施形態に記載の構成は、第1実施形態、第2実施形態、第3実施形態、第4実施形態、第5実施形態、第6実施形態、第7実施形態、および変形例に記載の構成のいずれとも組み合わせが可能である。
The configuration described in this embodiment can be combined with any of the configurations described in the first, second, third, fourth, fifth, sixth, seventh, and modified embodiments.
(第9実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。放熱性および信頼性の向上のため、本実施形態に記載のように、基板の側面形状を所定形状にしてもよい。
Ninth embodiment
This embodiment is a modification based on the preceding embodiment, and the description of the preceding embodiment can be used. In order to improve heat dissipation and reliability, the side shape of the substrate may be a predetermined shape as described in this embodiment.
<半導体装置>
まず、図84に基づき、本実施形態に係る半導体装置20について説明する。図84は、図5に対応する断面図である。図84では、便宜上、外部接続端子90の図示を省略している。
<Semiconductor Device>
First, the semiconductor device 20 according to this embodiment will be described with reference to Fig. 84. Fig. 84 is a cross-sectional view corresponding to Fig. 5. In Fig. 84, for the sake of convenience, the external connection terminals 90 are omitted from illustration.
本実施形態の半導体装置20は、先行実施形態に記載の構成(図2~図13参照)と同様の構成を有している。図84に示すように、半導体装置20は、半導体素子40(40H、40L)と、半導体素子40をZ方向において挟むように配置された基板50、60と、封止体30を備えている。基板50の表面金属体52は、半導体素子40の主電極であるドレイン電極40Dに電気的に接続されている。基板60の表面金属体62は、半導体素子40の主電極であるソース電極40Sに電気的に接続されている。封止体30は、半導体素子40、基板50、60、および接合材100、102を封止している。
The semiconductor device 20 of this embodiment has a configuration similar to that described in the preceding embodiment (see Figures 2 to 13). As shown in Figure 84, the semiconductor device 20 includes a semiconductor element 40 (40H, 40L), substrates 50 and 60 arranged to sandwich the semiconductor element 40 in the Z direction, and a sealing body 30. The surface metal body 52 of the substrate 50 is electrically connected to the drain electrode 40D, which is the main electrode of the semiconductor element 40. The surface metal body 62 of the substrate 60 is electrically connected to the source electrode 40S, which is the main electrode of the semiconductor element 40. The sealing body 30 seals the semiconductor element 40, the substrates 50 and 60, and the bonding materials 100 and 102.
<基板>
次に、図84~図86に基づき、基板50、60について説明する。図85は、基板の中心を示す平面図である。図85は、図12に対応している。図86は、図84に一点鎖線で示す領域LXXXVIを拡大した図である。以下において、「内側」、「外側」とは、Z方向の平面視における基板50、60の中心50sc、60scを基準位置とする相対的な位置関係を示す。中心に近い側が内側、遠い側が外側である。図85では、一例として、基板50の中心50scを示している。図84は断面図であるが、説明の都合上、中心50sc、60scを示している。
<Substrate>
Next, the substrates 50 and 60 will be described with reference to Figs. 84 to 86. Fig. 85 is a plan view showing the center of the substrate. Fig. 85 corresponds to Fig. 12. Fig. 86 is an enlarged view of the area LXXXVI shown by the dashed line in Fig. 84. In the following, "inside" and "outside" indicate a relative positional relationship with the centers 50sc and 60sc of the substrates 50 and 60 in a plan view in the Z direction as the reference positions. The side closer to the center is the inside, and the side farther from the center is the outside. Fig. 85 shows the center 50sc of the substrate 50 as an example. Fig. 84 is a cross-sectional view, but for convenience of explanation, the centers 50sc and 60sc are shown.
本実施形態の基板50、60において、絶縁基材51、61は、樹脂を含む。表面金属体52、62は、絶縁基材51,61の表面51a、61aに配置されている。表面金属体52、62は、先行実施形態に記載したようにパターニングされている。これにより、絶縁基材51、61は、表面金属体52、62から露出する露出部510、610を有している。第1露出部である絶縁基材51の露出部510と、第2露出部である絶縁基材61の露出部610は、Z方向の平面視において少なくとも一部が互いに重なっている。露出部510、610は、オーバーラップしている。つまり、露出部510の少なくとも一部は、Z方向において露出部610と対向している。
In the substrates 50 and 60 of this embodiment, the insulating substrates 51 and 61 contain resin. The surface metal bodies 52 and 62 are disposed on the surfaces 51a and 61a of the insulating substrates 51 and 61. The surface metal bodies 52 and 62 are patterned as described in the preceding embodiment. As a result, the insulating substrates 51 and 61 have exposed portions 510 and 610 exposed from the surface metal bodies 52 and 62. The exposed portion 510 of the insulating substrate 51, which is the first exposed portion, and the exposed portion 610 of the insulating substrate 61, which is the second exposed portion, at least partially overlap each other in a plan view in the Z direction. The exposed portions 510 and 610 overlap each other. That is, at least a portion of the exposed portion 510 faces the exposed portion 610 in the Z direction.
裏面金属体53、63は、絶縁基材51、61の裏面51b、61bに配置されている。裏面金属体53、63は、封止体30から露出している。裏面金属体53、63において、絶縁基材51との対向面53a、63aとは反対の面が、露出面53b、63bとなっている。露出面53bは、封止体30の一面30aに対して略面一で露出している。露出面63bは、封止体30の裏面30bに対して略面一で露出している。露出面53b、63bは、基板50、60の裏面50b、60bをなしている。封止体30は、第1面である一面30aおよび裏面30bに連なる第2面として、側面30eを有している。側面30eは、Y方向の側面30c、30dを含むとともに、X方向の側面も含む。側面30eは、すべての側面を含む。第2面である側面30eは、成形時の型抜きのために、Z方向に対して傾斜するテーパ面である。側面30eは、抜き勾配を有している。先行実施形態では、便宜上、抜き勾配を省略して図示している。側面30eは、Z方向の略中央付近に屈曲部分を有し、屈曲部分から一面30a、裏面30bに近づくほど、Z方向の平面視において半導体素子40に近づく。つまり、平面視において、屈曲部分が外側、一面30aおよび裏面30bが内側の位置関係である。以下では、封止体30の一面30a、裏面30bを第1面30a、30bと称することがある。
The back metal body 53, 63 is disposed on the back surface 51b, 61b of the insulating substrate 51, 61. The back metal body 53, 63 is exposed from the sealing body 30. In the back metal body 53, 63, the surface opposite to the surface 53a, 63a facing the insulating substrate 51 is the exposed surface 53b, 63b. The exposed surface 53b is exposed approximately flush with one surface 30a of the sealing body 30. The exposed surface 63b is exposed approximately flush with the back surface 30b of the sealing body 30. The exposed surfaces 53b, 63b form the back surfaces 50b, 60b of the substrates 50, 60. The sealing body 30 has a side surface 30e as a second surface connected to the first surface 30a and the back surface 30b. The side surface 30e includes the side surfaces 30c, 30d in the Y direction, and also includes a side surface in the X direction. The side surface 30e includes all the side surfaces. The side surface 30e, which is the second surface, is a tapered surface that is inclined in the Z direction for removal from the mold during molding. The side surface 30e has a draft angle. In the previous embodiment, the draft angle is omitted for convenience. The side surface 30e has a bent portion approximately near the center in the Z direction, and the closer to the one surface 30a and the back surface 30b from the bent portion, the closer to the semiconductor element 40 in a plan view in the Z direction. In other words, in a plan view, the bent portion is on the outside, and the one surface 30a and the back surface 30b are on the inside. Hereinafter, the one surface 30a and the back surface 30b of the sealing body 30 may be referred to as the first surface 30a, 30b.
図84および図86に示すように、基板50、60は、積層体500、600を有している。積層体500は、絶縁基材51と裏面金属体53との二層構造の積層体である。同様に、積層体600は、絶縁基材61と裏面金属体63との二層構造の積層体である。積層体500、600において、絶縁基材51、61の表面51a、61aと裏面金属体53、63の露出面53b、63bとをつなぐ側面は、いわゆるVカット形状をなしている。積層体500、600の側面は、上端である表面51a、61a、および、下端である露出面53b、63bに対して、中央部分が外側に凸の形状をなしている。
As shown in Figures 84 and 86, the substrates 50 and 60 have laminates 500 and 600. The laminate 500 is a two-layer laminate of an insulating substrate 51 and a back metal body 53. Similarly, the laminate 600 is a two-layer laminate of an insulating substrate 61 and a back metal body 63. In the laminates 500 and 600, the side surfaces connecting the surfaces 51a and 61a of the insulating substrates 51 and 61 and the exposed surfaces 53b and 63b of the back metal bodies 53 and 63 have a so-called V-cut shape. The side surfaces of the laminates 500 and 600 have a shape in which the center portion is convex outward relative to the surfaces 51a and 61a at the upper end and the exposed surfaces 53b and 63b at the lower end.
積層体500、600の側面は、第1傾斜部501、601と、第2傾斜部502、602と、中間部503、603を有している。まず、積層体500について説明する。
The side surfaces of the laminates 500 and 600 have first inclined portions 501 and 601, second inclined portions 502 and 602, and intermediate portions 503 and 603. First, the laminate 500 will be described.
第1傾斜部501は、表面51aから所定範囲の部分である。第1傾斜部501は、平面視において中心50scとの距離が表面51a側の上端においてもっとも近く、下端において上端側より離れた傾斜を有している。つまり、第1傾斜部501において、下端は上端の外側に位置している。図85に示すように、第1傾斜部501は、基板50の縁部に設けられている。第1傾斜部501は、表面金属体52を取り囲むように、環状をなしている。
The first inclined portion 501 is a portion within a predetermined range from the surface 51a. In a plan view, the first inclined portion 501 has an inclination such that the distance to the center 50sc is closest at the upper end on the surface 51a side and farther away at the lower end than the upper end side. In other words, the lower end of the first inclined portion 501 is located outside the upper end. As shown in FIG. 85, the first inclined portion 501 is provided on the edge portion of the substrate 50. The first inclined portion 501 is annular so as to surround the surface metal body 52.
本実施形態において、第1傾斜部501は、Z方向において表面51aから離れるほど、平面視において中心50scから離れる傾斜を有している。つまり、積層体500は、第1傾斜部501を含む上部において、表面51aでZ方向に直交する面積がもっとも小さく、表面51aから離れるほど面積が大きい。第1傾斜部501の傾斜は、製造上のばらつきを許容し得る。第1傾斜部501は、マクロ的に、上記した傾斜を有する。第1傾斜部501は、テーパ面である。
In this embodiment, the first inclined portion 501 has an inclination that is more distant from the center 50sc in a plan view as it moves away from the surface 51a in the Z direction. In other words, in the upper portion of the laminate 500 including the first inclined portion 501, the area perpendicular to the Z direction at the surface 51a is the smallest, and the area becomes larger as it moves away from the surface 51a. The inclination of the first inclined portion 501 can tolerate manufacturing variations. The first inclined portion 501 has the inclination described above from a macroscopic perspective. The first inclined portion 501 is a tapered surface.
第2傾斜部502は、露出面53bから所定範囲の部分である。第2傾斜部502は、平面視において中心50scとの距離が露出面53b側の下端においてもっとも近く、上端において下端側より離れた傾斜を有している。つまり、第2傾斜部502において、上端は下端の外側に位置している。第2傾斜部502は、第1傾斜部501同様、基板50の縁部に設けられている。第2傾斜部502は、裏面金属体53を取り囲むように、環状をなしている。
The second inclined portion 502 is a portion within a predetermined range from the exposed surface 53b. In a plan view, the second inclined portion 502 has a slope such that the distance to the center 50sc is closest at the lower end on the exposed surface 53b side and farther away at the upper end than the lower end side. In other words, the upper end of the second inclined portion 502 is located outside the lower end. The second inclined portion 502 is provided on the edge of the substrate 50, like the first inclined portion 501. The second inclined portion 502 is annular so as to surround the back metal body 53.
本実施形態において、第2傾斜部502は、Z方向において露出面53bから離れるほど、平面視において中心50scから離れる傾斜を有している。つまり、積層体500は、第2傾斜部502を含む下部において、露出面53bで面積がもっとも小さく、露出面53bから離れるほど面積が大きい。第2傾斜部502の傾斜は、製造上のばらつきを許容し得る。第2傾斜部502は、マクロ的に、上記した傾斜を有する。第2傾斜部502は、テーパ面である。第1傾斜部501を順テーパとすると、第2傾斜部502は逆テーパである。
In this embodiment, the second inclined portion 502 has an inclination that is further away from the center 50sc in a plan view as it moves away from the exposed surface 53b in the Z direction. In other words, in the lower part of the laminate 500 including the second inclined portion 502, the area is smallest at the exposed surface 53b, and the area becomes larger as it moves away from the exposed surface 53b. The inclination of the second inclined portion 502 can tolerate manufacturing variations. The second inclined portion 502 has the above-mentioned inclination from a macroscopic perspective. The second inclined portion 502 is a tapered surface. If the first inclined portion 501 is a forward taper, the second inclined portion 502 is a reverse taper.
中間部503は、第1傾斜部501と第2傾斜部502とに連なっている。中間部503は、第1傾斜部501と第2傾斜部502とをつなぐ部分であり、Z方向に所定の長さを有している。中間部503は、積層体500の側面の頂点部分である。積層体500の側面は、中間部503において中心50scからもっとも離れている。中間部503は、平面視において積層体500の最外部である。積層体500は、中間部503において、Z方向に直交する面積がもっとも大きい。中間部503において、積層体500の面積は、ほぼ一定である。第1傾斜部501は、中間部503から離れるほど、平面視における中心50scとの距離が短い。第2傾斜部502は、中間部503から離れるほど、平面視における中心50scとの距離が短い。
The intermediate portion 503 is connected to the first inclined portion 501 and the second inclined portion 502. The intermediate portion 503 is a portion that connects the first inclined portion 501 and the second inclined portion 502, and has a predetermined length in the Z direction. The intermediate portion 503 is the apex portion of the side of the laminate 500. The side of the laminate 500 is farthest from the center 50sc at the intermediate portion 503. The intermediate portion 503 is the outermost portion of the laminate 500 in a planar view. The area of the laminate 500 perpendicular to the Z direction is the largest at the intermediate portion 503. At the intermediate portion 503, the area of the laminate 500 is almost constant. The distance of the first inclined portion 501 from the center 50sc in a planar view is shorter the farther it is from the intermediate portion 503. The distance of the second inclined portion 502 from the center 50sc in a planar view is shorter the farther it is from the intermediate portion 503.
積層体600は、積層体500と同様の構成を有している。第1傾斜部601は、表面61aから所定範囲の部分である。第1傾斜部601は、平面視において中心60scとの距離が表面61a側の上端においてもっとも近く、下端において上端より離れた傾斜を有している。つまり、第1傾斜部601において、下端は上端の外側に位置している。第1傾斜部601は、基板60の縁部に設けられている。第1傾斜部601は、表面金属体62を取り囲むように、環状をなしている。
The laminate 600 has the same configuration as the laminate 500. The first inclined portion 601 is a portion within a predetermined range from the surface 61a. In a plan view, the first inclined portion 601 has an inclination such that the distance from the center 60sc to the upper end on the surface 61a side is closest, and the lower end is farther away from the upper end. In other words, the lower end of the first inclined portion 601 is located outside the upper end. The first inclined portion 601 is provided on the edge of the substrate 60. The first inclined portion 601 is annular so as to surround the surface metal body 62.
本実施形態において、第1傾斜部601は、Z方向において表面61aから離れるほど、平面視において中心60scから離れる傾斜を有している。つまり、積層体600は、第1傾斜部601を含む上部において、表面61aでZ方向に直交する面積がもっとも小さく、表面61aから離れるほど面積が大きくなっている。第1傾斜部601の傾斜は、製造上のばらつきを許容し得る。第1傾斜部601は、マクロ的に、上記した傾斜を有する。第1傾斜部601は、テーパ面である。
In this embodiment, the first inclined portion 601 has an inclination that is more distant from the center 60sc in a plan view as it moves away from the surface 61a in the Z direction. In other words, in the upper portion of the laminate 600 including the first inclined portion 601, the area perpendicular to the Z direction at the surface 61a is smallest, and the area becomes larger as it moves away from the surface 61a. The inclination of the first inclined portion 601 can tolerate manufacturing variations. The first inclined portion 601 has the above-mentioned inclination from a macroscopic perspective. The first inclined portion 601 is a tapered surface.
第2傾斜部602は、露出面63bから所定範囲の部分である。第2傾斜部602は、平面視において中心60scとの距離が露出面63b側の下端においてもっとも近く、上端において下端より離れた傾斜を有している。つまり、第2傾斜部602において、上端は下端の外側に位置している。第2傾斜部602は、第1傾斜部501同様、基板60の縁部に設けられている。第2傾斜部602は、裏面金属体63を取り囲むように、環状をなしている。
The second inclined portion 602 is a portion within a predetermined range from the exposed surface 63b. In a plan view, the second inclined portion 602 has an inclination such that the distance to the center 60sc is closest at the lower end on the exposed surface 63b side and farther away at the upper end than at the lower end. In other words, the upper end of the second inclined portion 602 is located outside the lower end. The second inclined portion 602 is provided on the edge of the substrate 60, like the first inclined portion 501. The second inclined portion 602 is annular so as to surround the back metal body 63.
本実施形態において、第2傾斜部602は、Z方向において露出面63bから離れるほど、平面視において中心60scから離れる傾斜を有している。つまり、積層体600は、第2傾斜部602を含む下部において、露出面63bで面積がもっとも小さく、露出面63bから離れるほど面積が大きい。第2傾斜部602の傾斜は、製造上のばらつきを許容し得る。第2傾斜部602は、マクロ的に、上記した傾斜を有する。第2傾斜部602は、テーパ面である。第1傾斜部601を順テーパとすると、第2傾斜部602は逆テーパである。
In this embodiment, the second inclined portion 602 has an inclination that is further away from the center 60sc in a plan view as it moves away from the exposed surface 63b in the Z direction. In other words, in the lower part of the laminate 600 including the second inclined portion 602, the area is smallest at the exposed surface 63b, and the area becomes larger as it moves away from the exposed surface 63b. The inclination of the second inclined portion 602 can tolerate manufacturing variations. The second inclined portion 602 has the above-mentioned inclination from a macroscopic perspective. The second inclined portion 602 is a tapered surface. If the first inclined portion 601 is a forward taper, the second inclined portion 602 is a reverse taper.
中間部603は、第1傾斜部601と第2傾斜部602とに連なっている。中間部603は、第1傾斜部601と第2傾斜部602とをつなぐ部分であり、Z方向に所定の長さを有している。中間部603は、積層体600の側面の頂点部分である。積層体600の側面は、中間部603において中心60scからもっとも離れている。中間部603は、平面視において積層体600の最外部である。積層体600は、中間部603においてもっとも面積が大きい。中間部603において、積層体600の面積は、ほぼ一定である。第1傾斜部601は、中間部603から離れるほど、平面視における中心60scとの距離が短い。第2傾斜部602は、中間部603から離れるほど、平面視における中心60scとの距離が短い。
The intermediate portion 603 is connected to the first inclined portion 601 and the second inclined portion 602. The intermediate portion 603 is a portion that connects the first inclined portion 601 and the second inclined portion 602, and has a predetermined length in the Z direction. The intermediate portion 603 is the apex portion of the side of the laminate 600. The side of the laminate 600 is furthest from the center 60sc at the intermediate portion 603. The intermediate portion 603 is the outermost portion of the laminate 600 in a planar view. The laminate 600 has the largest area at the intermediate portion 603. At the intermediate portion 603, the area of the laminate 600 is almost constant. The distance between the first inclined portion 601 and the center 60sc in a planar view is shorter the farther away from the intermediate portion 603. The distance between the second inclined portion 602 and the center 60sc in a planar view is shorter the farther away from the intermediate portion 603.
<寸法および角度>
次に、図87に基づいて、積層体500、600の寸法や角度について説明する。図87は、図86に対応する図であり、寸法や角度を示している。以下では、積層体500を例に説明する。
<Dimensions and angles>
Next, the dimensions and angles of the stacked bodies 500 and 600 will be described with reference to Fig. 87. Fig. 87 corresponds to Fig. 86 and shows the dimensions and angles. The following description will be given taking the stacked body 500 as an example.
図87に示す長さL11は、平面視において第1傾斜部501の長さ、つまり環状をなす第1傾斜部501の幅である。長さL12は、平面視において第2傾斜部502の長さ、つまり環状をなす第2傾斜部502の幅である。長さL21は、Z方向において第1傾斜部501の長さ、つまり第1傾斜部501の高さである。長さL22は、Z方向において第2傾斜部502の長さ、つまり第2傾斜部502の高さである。長さL23は、Z方向において中間部503の長さ、つまり中間部503の高さである。長さL24は、Z方向において絶縁基材51の長さ、つまり絶縁基材51の厚みである。長さL25は、Z方向において裏面金属体53の長さ、つまり裏面金属体53の厚みである。
The length L11 shown in FIG. 87 is the length of the first inclined portion 501 in a plan view, that is, the width of the first inclined portion 501 that forms an annular shape. The length L12 is the length of the second inclined portion 502 in a plan view, that is, the width of the second inclined portion 502 that forms an annular shape. The length L21 is the length of the first inclined portion 501 in the Z direction, that is, the height of the first inclined portion 501. The length L22 is the length of the second inclined portion 502 in the Z direction, that is, the height of the second inclined portion 502. The length L23 is the length of the intermediate portion 503 in the Z direction, that is, the height of the intermediate portion 503. The length L24 is the length of the insulating substrate 51 in the Z direction, that is, the thickness of the insulating substrate 51. The length L25 is the length of the back metal body 53 in the Z direction, that is, the thickness of the back metal body 53.
角度R1は、第1傾斜部501において、半導体素子40の板厚方向であるZ方向に対する裏面金属体53の傾斜角である。角度R2は、第2傾斜部502において、Z方向に対する裏面金属体53の傾斜角である。角度R3は、第1傾斜部501において、Z方向に対する絶縁基材51の傾斜角である。角度R4は、裏面金属体53の露出面53bに対する第2傾斜部502の傾斜角である。角度R5は、封止体30の一面30aに対する側面30eの傾斜角である。
Angle R1 is the inclination angle of the back metal body 53 with respect to the Z direction, which is the plate thickness direction of the semiconductor element 40, at the first inclined portion 501. Angle R2 is the inclination angle of the back metal body 53 with respect to the Z direction at the second inclined portion 502. Angle R3 is the inclination angle of the insulating substrate 51 with respect to the Z direction at the first inclined portion 501. Angle R4 is the inclination angle of the second inclined portion 502 with respect to the exposed surface 53b of the back metal body 53. Angle R5 is the inclination angle of the side surface 30e with respect to one surface 30a of the sealing body 30.
図87に示すように、本実施形態では、第2傾斜部502の長さが第1傾斜部501の長さよりも短い。つまり、L11>L12の関係を満たしている。角度R1は0°<R1≦45°の関係を満たし、角度R2は0°<R2<45°の関係を満たしている。角度R1は45°に近いほど、半導体素子40の生じた熱を効果的に拡散することができる。角度R2は45°に近いほど、後述するように熱抵抗を小さくすることができる。
As shown in FIG. 87, in this embodiment, the length of the second inclined portion 502 is shorter than the length of the first inclined portion 501. In other words, the relationship L11>L12 is satisfied. The angle R1 satisfies the relationship 0°<R1≦45°, and the angle R2 satisfies the relationship 0°<R2<45°. The closer the angle R1 is to 45°, the more effectively the heat generated by the semiconductor element 40 can be diffused. The closer the angle R2 is to 45°, the smaller the thermal resistance can be, as described below.
さらに、第1傾斜部501が絶縁基材51から裏面金属体53にわたって設けられ、第2傾斜部502は裏面金属体53に設けられている。つまり、L21>L24、L22<L25の関係を満たしている。中間部503を備える構成において、中間部503は、裏面金属体53に設けられている。つまり、L24<(L24+L25-L23)/2の関係を満たしている。
Furthermore, the first inclined portion 501 is provided from the insulating substrate 51 to the back metal body 53, and the second inclined portion 502 is provided on the back metal body 53. In other words, the relationships L21>L24 and L22<L25 are satisfied. In the configuration including the intermediate portion 503, the intermediate portion 503 is provided on the back metal body 53. In other words, the relationship L24<(L24+L25-L23)/2 is satisfied.
さらに、第1傾斜部501が絶縁基材51から裏面金属体53にわたって設けられる構成において、裏面金属体53の傾斜角と絶縁基材51の傾斜角とがほぼ等しい。つまり、R1=R3の関係を満たしている。
Furthermore, in a configuration in which the first inclined portion 501 is provided from the insulating substrate 51 to the rear metal body 53, the inclination angle of the rear metal body 53 and the inclination angle of the insulating substrate 51 are approximately equal. In other words, the relationship R1 = R3 is satisfied.
さらに、裏面金属体53の露出面53bに対する第2傾斜部502の傾斜角が、封止体30の一面30a(第1面)に対する側面30e(第2面)の傾斜角よりも小さい。つまり、R4<R5の関係を満たしている。説明を省略するが、積層体600も、積層体500と同様の構成を有している。
Furthermore, the inclination angle of the second inclined portion 502 with respect to the exposed surface 53b of the rear metal body 53 is smaller than the inclination angle of the side surface 30e (second surface) with respect to the surface 30a (first surface) of the sealing body 30. In other words, the relationship R4<R5 is satisfied. Although the explanation is omitted, the laminate 600 has a similar configuration to the laminate 500.
<積層体の製造方法>
次に、上記した積層体500の製造方法の一例について説明する。まず、樹脂を含む絶縁基材51と裏面金属体53との二層構造の母基板を形成する。次いで、ブレードにより、絶縁基材51の表面51aと露出面53bの両側から、同時に切断(Vカット)する。この切断では、母基板を完全に切り離さずに、第1傾斜部501と第2傾斜部502を形成する。母基板において、隣り合う積層体500は、中間部503でつながった状態となる。そして、隣り合う積層体500を中間部503で分離する(切り離す)ことで、Vカット形状の側面を有する積層体500を得ることができる。
<Method of manufacturing laminate>
Next, an example of a method for manufacturing the laminate 500 described above will be described. First, a mother board having a two-layer structure of an insulating base material 51 containing a resin and a back metal body 53 is formed. Next, the insulating base material 51 is simultaneously cut (V-cut) from both the front surface 51a and the exposed surface 53b of the insulating base material 51 with a blade. In this cutting, the first inclined portion 501 and the second inclined portion 502 are formed without completely cutting off the mother board. In the mother board, the adjacent laminates 500 are connected at the middle portion 503. Then, the adjacent laminates 500 are separated (cut off) at the middle portion 503, thereby obtaining a laminate 500 having a side surface in a V-cut shape.
図88は、上記した製造方法により得られる積層体500の側面図である。ブレードを用いた切断(切削)により、第1傾斜部501は、周方向に沿う切削痕501aを有している。同様に、第2傾斜部502は、周方向に沿う切削痕502aを有している。隣り合う積層体500を中間部503で分離するため、中間部503は凹凸部503aを有している。説明を省略するが、積層体600も、積層体500と同様の方法により形成される。
Figure 88 is a side view of the laminate 500 obtained by the above-mentioned manufacturing method. The first inclined portion 501 has a cutting mark 501a along the circumferential direction due to cutting (machining) using a blade. Similarly, the second inclined portion 502 has a cutting mark 502a along the circumferential direction. Adjacent laminates 500 are separated at the intermediate portion 503, so the intermediate portion 503 has an uneven portion 503a. Although not explained here, the laminate 600 is also formed by the same method as the laminate 500.
<第9実施形態のまとめ>
本実施形態では、積層体500、600の側面が第1傾斜部501、601と第2傾斜部502、602を有している。つまり側面は、屈曲形状(略V字状)をなしている。これにより、露出面53b、63bとの界面を起点として封止体30に生じた剥離が第2傾斜部502、602に沿って進展したとしても、屈曲形状により、第1傾斜部501、601への進展を抑制することができる。したがって、表面金属体52、62、半導体素子40、表面金属体52、62と半導体素子40などとの接合部へ、剥離が進展するのを抑制することができる。つまり、上記した表面金属体52、62や半導体素子40などに熱応力が集中し、接続信頼性などが低下するのを抑制することができる。よって、信頼性を確保することができる。
<Summary of the ninth embodiment>
In this embodiment, the side surface of the laminate 500, 600 has a first inclined portion 501, 601 and a second inclined portion 502, 602. That is, the side surface has a curved shape (approximately V-shaped). As a result, even if peeling that occurs in the sealing body 30 starting from the interface with the exposed surface 53b, 63b progresses along the second inclined portion 502, 602, the curved shape can suppress the progress to the first inclined portion 501, 601. Therefore, it is possible to suppress the progress of peeling to the surface metal body 52, 62, the semiconductor element 40, the joint between the surface metal body 52, 62 and the semiconductor element 40, etc. In other words, it is possible to suppress the concentration of thermal stress on the surface metal body 52, 62, the semiconductor element 40, etc., and the like, and the decrease in connection reliability, etc. can be suppressed. Therefore, reliability can be ensured.
第2傾斜部502、602を有するため、上記した剥離が生じたときに、裏面金属体53、63が封止体30から抜け落ちる(落下する)のを抑制することもできる。
The second inclined portions 502, 602 can also prevent the rear metal bodies 53, 63 from falling off (falling off) from the sealing body 30 when the above-mentioned peeling occurs.
熱は、理想的には45度の角度で拡がる。本実施形態では、積層体500、600が、Z方向において半導体素子40側に第1傾斜部501、601を有している。これにより、半導体素子40の生じた熱が、屈曲部分よりも上方、つまり第1傾斜部501、601に対応する部分において拡散する。一方、第2傾斜部502、602を有することで、第2傾斜部502、602に対応する部分の伝熱経路は、第1傾斜部501、601に対応する部分の伝熱経路よりも狭い。伝熱経路が狭いことで熱抵抗が大きくなる。本実施形態では、第2傾斜部502、602の長さL12を第1傾斜部501、601の長さL11よりも短くする(L11>L12)。これにより、L11≦L12を満たす構成に較べて、第2傾斜部502、602のZ方向の長さL22を短くし、ひいては屈曲部分よりも下方における熱抵抗を小さくすることができる。つまり、積層体500、600の上方部分で拡散した熱を露出面53b、63bから効率よく放熱することができる。以上より、本実施形態の半導体装置20は、放熱性を高めつつ信頼性を確保することができる。
Ideally, heat spreads at an angle of 45 degrees. In this embodiment, the stack 500, 600 has the first inclined portion 501, 601 on the semiconductor element 40 side in the Z direction. As a result, the heat generated by the semiconductor element 40 is diffused above the bent portion, that is, in the portion corresponding to the first inclined portion 501, 601. On the other hand, by having the second inclined portion 502, 602, the heat transfer path of the portion corresponding to the second inclined portion 502, 602 is narrower than the heat transfer path of the portion corresponding to the first inclined portion 501, 601. The narrow heat transfer path increases the thermal resistance. In this embodiment, the length L12 of the second inclined portion 502, 602 is made shorter than the length L11 of the first inclined portion 501, 601 (L11>L12). This allows the length L22 of the second inclined portions 502, 602 in the Z direction to be shorter than in a configuration where L11≦L12 is satisfied, and thus the thermal resistance below the bent portion can be reduced. In other words, the heat diffused in the upper portion of the stacked bodies 500, 600 can be efficiently dissipated from the exposed surfaces 53b, 63b. As a result, the semiconductor device 20 of this embodiment can ensure reliability while improving heat dissipation.
第1傾斜部501、601を絶縁基材51、61に設け、第2傾斜部502、602を裏面金属体53、63に設けてもよい。第1傾斜部501、601を絶縁基材51、61に設け、第2傾斜部502、602を絶縁基材51、61と裏面金属体53、63とにわたって設けてもよい。本実施形態では、第1傾斜部501、601を絶縁基材51、61と裏面金属体53、63とにわたって設け、第2傾斜部502、602を裏面金属体53、63に設けている。つまり、屈曲部分が、裏面金属体53、63内に存在する。したがって、露出面53b、63bとの界面を起点として封止体30に生じた剥離が第2傾斜部502、602に沿って進展したとしても、剥離が絶縁基材51、61との界面まで進展するのを抑制することができる。これにより、熱応力が絶縁基材51、61に集中し、絶縁信頼性が低下するのを抑制することができる。つまり、信頼性をさらに高めることができる。
The first inclined portion 501, 601 may be provided on the insulating substrate 51, 61, and the second inclined portion 502, 602 may be provided on the back metal body 53, 63. The first inclined portion 501, 601 may be provided on the insulating substrate 51, 61, and the second inclined portion 502, 602 may be provided across the insulating substrate 51, 61 and the back metal body 53, 63. In this embodiment, the first inclined portion 501, 601 is provided across the insulating substrate 51, 61 and the back metal body 53, 63, and the second inclined portion 502, 602 is provided on the back metal body 53, 63. In other words, the bent portion exists in the back metal body 53, 63. Therefore, even if the peeling that occurs in the sealing body 30 starts from the interface with the exposed surface 53b, 63b and progresses along the second inclined portion 502, 602, the peeling can be suppressed from progressing to the interface with the insulating substrate 51, 61. This prevents thermal stress from concentrating on the insulating substrates 51 and 61, which reduces insulation reliability. In other words, reliability can be further improved.
第1傾斜部501、601と第2傾斜部502、602とが連なる構成としてもよい。本実施形態では、第1傾斜部501、601と第2傾斜部502、602との間に、中間部503、603を設けている。この構成では、中間部503、603が屈曲部分をなす。中間部503、603を設けることで、上記したように、絶縁基材51、61の表面51a、61aと、裏面金属体53、63の露出面53b、63bの両方から同時に切断(切削)しても、ブレード同士の接触を避けることができる。また、中間部503、603を裏面金属体53、63に設けるため、上記同様、剥離が絶縁基材51、61との界面まで進展するのを抑制することができる。
The first inclined portion 501, 601 and the second inclined portion 502, 602 may be connected. In this embodiment, an intermediate portion 503, 603 is provided between the first inclined portion 501, 601 and the second inclined portion 502, 602. In this configuration, the intermediate portion 503, 603 forms a bent portion. By providing the intermediate portion 503, 603, as described above, even if cutting (cutting) is performed simultaneously from both the surface 51a, 61a of the insulating substrate 51, 61 and the exposed surface 53b, 63b of the back metal body 53, 63, contact between the blades can be avoided. In addition, since the intermediate portion 503, 603 is provided on the back metal body 53, 63, it is possible to suppress the peeling from progressing to the interface with the insulating substrate 51, 61, as described above.
第1傾斜部501、601が絶縁基材51、61から裏面金属体53、63にわたって設けられる構成において、裏面金属体53、63の傾斜角R1と絶縁基材51、61の傾斜角R3とを異ならせてもよい。たとえばR1<R3の場合、樹脂を含む絶縁基材51、61の端部に熱応力が集中するため、絶縁性能が低下する虞がある。R1>R3の場合、絶縁基材51、61と裏面金属体53、63との界面に熱応力が集中し、界面剥離が生じる虞がある。本実施形態では、傾斜角R1と傾斜角R3をほぼ等しい角度(R1=R3)にする。つまり、第1傾斜部501、601において絶縁基材51、61の傾斜面と裏面金属体53、63の傾斜面とが略面一で連なる。絶縁基材51、61の傾斜面と裏面金属体53、63の傾斜面とが連続し、ひとつの平坦面をなす。これにより、封止体30、絶縁基材51、61、および裏面金属体53、63の三重点に熱応力が集中するのを抑制することができる。
In a configuration in which the first inclined portion 501, 601 is provided from the insulating substrate 51, 61 to the back metal body 53, 63, the inclination angle R1 of the back metal body 53, 63 and the inclination angle R3 of the insulating substrate 51, 61 may be made different. For example, if R1<R3, thermal stress is concentrated at the end of the insulating substrate 51, 61 containing resin, and there is a risk of insulation performance being reduced. If R1>R3, thermal stress is concentrated at the interface between the insulating substrate 51, 61 and the back metal body 53, 63, and there is a risk of interface peeling occurring. In this embodiment, the inclination angle R1 and the inclination angle R3 are set to be approximately equal angles (R1=R3). In other words, in the first inclined portion 501, 601, the inclined surface of the insulating substrate 51, 61 and the inclined surface of the back metal body 53, 63 are approximately flush and continuous. The inclined surfaces of the insulating substrates 51 and 61 and the inclined surfaces of the rear metal bodies 53 and 63 are continuous to form a single flat surface. This makes it possible to prevent thermal stress from concentrating at the triple points of the sealing body 30, the insulating substrates 51 and 61, and the rear metal bodies 53 and 63.
露出面53b、63bに対する第2傾斜部502、602の傾斜角R4を、封止体30の第1面30a、30bに対する側面30e(第2面)の傾斜角R5以上としてもよい。本実施形態では、傾斜角R4を傾斜角R5より小さくしている(R4<R5)。先行実施形態に記載(たとえば図72参照)したように、半導体素子40の発熱時には、半導体装置20に反りが生じる。上記したように、放熱性の高い反り形状となる構成を採用すると、Z方向に凸の反りにより、裏面金属体53、63と封止体30との界面に剥離が生じやすくなる。R4<R5の関係を満たす構成とすることで、剥離が生じても、裏面金属体53、63が封止体30から抜け落ちるのを抑制することができる。
The inclination angle R4 of the second inclined portion 502, 602 with respect to the exposed surface 53b, 63b may be equal to or larger than the inclination angle R5 of the side surface 30e (second surface) with respect to the first surface 30a, 30b of the sealing body 30. In this embodiment, the inclination angle R4 is smaller than the inclination angle R5 (R4<R5). As described in the previous embodiment (see, for example, FIG. 72), when the semiconductor element 40 generates heat, the semiconductor device 20 warps. As described above, if a configuration that has a warped shape with high heat dissipation properties is adopted, peeling is likely to occur at the interface between the back metal body 53, 63 and the sealing body 30 due to the warp that is convex in the Z direction. By using a configuration that satisfies the relationship of R4<R5, it is possible to suppress the back metal body 53, 63 from falling off the sealing body 30 even if peeling occurs.
本実施形態では、第1露出部である絶縁基材51の露出部510と、第2露出部である絶縁基材61の露出部610とが、Z方向の平面視において互いに重なる。これにより、第1基板である基板50の表面金属体52と第2基板である基板60の表面金属体62との配置のアンバランスを抑制し、ひいては半導体装置20の反りのアンバランスを抑制することができる。反りが偏ることで変形が大きい側で、裏面金属体53、63と封止体30との界面剥離が生じやすくなるのを抑制することができる。
In this embodiment, the exposed portion 510 of the insulating substrate 51, which is the first exposed portion, and the exposed portion 610 of the insulating substrate 61, which is the second exposed portion, overlap each other in a plan view in the Z direction. This makes it possible to suppress imbalance in the arrangement of the front metal body 52 of the substrate 50, which is the first substrate, and the front metal body 62 of the substrate 60, which is the second substrate, and thus to suppress imbalance in the warping of the semiconductor device 20. It is possible to suppress the tendency for interface peeling to occur between the back metal bodies 53, 63 and the sealing body 30 on the side with larger deformation due to biased warping.
本実施形態では、第1傾斜部501および第2傾斜部502が、周方向に沿う切削痕501a、502aを有する。切削痕501a、502aを有することでアンカー効果が生じ、封止体30との密着力が高まる。これにより、積層体500、600から封止体30が剥離するのを抑制することができる。なお、第1傾斜部501および第2傾斜部502の一方のみに、周方向に沿う切削痕を設けてもよい。本実施形態では、中間部503も凹凸部503aを有するため、アンカー効果による剥離抑制が期待できる。
In this embodiment, the first inclined portion 501 and the second inclined portion 502 have cutting marks 501a, 502a along the circumferential direction. The cutting marks 501a, 502a create an anchor effect, increasing the adhesion with the sealing body 30. This makes it possible to prevent the sealing body 30 from peeling off from the laminate 500, 600. Note that only one of the first inclined portion 501 and the second inclined portion 502 may have cutting marks along the circumferential direction. In this embodiment, the intermediate portion 503 also has an uneven portion 503a, so peeling can be prevented by the anchor effect.
<変形例>
一対の基板50、60を備える両面放熱構造の半導体装置20の例を示したが、これに限定されない。ドレイン電極40D(第1主電極)が接続される基板50のみを備える、片面放熱構造の半導体装置20にも適用が可能である。一対の基板50、60を備える構成において、基板50、60の一方のみに、上記した構造(Vカット形状)を適用してもよい。
<Modification>
Although an example of the semiconductor device 20 having a double-sided heat dissipation structure including a pair of substrates 50 and 60 has been shown, the present invention is not limited to this. It is also possible to apply the present invention to a semiconductor device 20 having a single-sided heat dissipation structure including only the substrate 50 to which the drain electrode 40D (first main electrode) is connected. In a configuration including a pair of substrates 50 and 60, the above-mentioned structure (V-cut shape) may be applied to only one of the substrates 50 and 60.
半導体装置20が半導体素子40H、40Lを備える例を示したが、これに限定されない。アームのひとつを構成する半導体素子40のみを備えてもよい。半導体装置20は、たとえばひとつの半導体素子40のみを備えてもよい。
Although an example has been shown in which the semiconductor device 20 includes semiconductor elements 40H and 40L, the present invention is not limited to this. The semiconductor device 20 may include only a semiconductor element 40 that constitutes one of the arms. The semiconductor device 20 may include, for example, only one semiconductor element 40.
本実施形態に記載の構成は、第1実施形態、第2実施形態、第3実施形態、第4実施形態、第5実施形態、第6実施形態、第7実施形態、第8実施形態、および変形例に記載の構成のいずれとも組み合わせが可能である。
The configuration described in this embodiment can be combined with any of the configurations described in the first, second, third, fourth, fifth, sixth, seventh, and eighth embodiments, and the modified examples.
(第10実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。接続信頼性を高めるために、本実施形態に記載のように、接合材である焼結部材を所定の配置にしてもよい。
Tenth embodiment
This embodiment is a modified example based on the preceding embodiment, and the description of the preceding embodiment can be used. In order to improve the connection reliability, the sintered members, which are the joining materials, may be arranged in a predetermined manner as described in this embodiment.
<半導体装置>
まず、図89に基づき、本実施形態に係る半導体装置20について説明する。図89は、図5に対応する断面図である。図89では、便宜上、外部接続端子90の図示を省略している。
<Semiconductor Device>
First, the semiconductor device 20 according to this embodiment will be described with reference to Fig. 89. Fig. 89 is a cross-sectional view corresponding to Fig. 5. In Fig. 89, for the sake of convenience, the external connection terminals 90 are omitted from illustration.
本実施形態の半導体装置20は、先行実施形態に記載の構成(図2~図13参照)と同様の構成を有している。図89に示すように、半導体装置20は、半導体素子40(40H、40L)と、半導体素子40をZ方向において挟むように配置された配線部材である基板50、60と、封止体30を備えている。第1配線部材である基板50の表面金属体52は、半導体素子40の第1主電極であるドレイン電極40Dに接続されている。第2配線部材である基板60の表面金属体62は、第2配線部材である導電スペーサ70を介して、半導体素子40の第2主電極であるソース電極40Sに接続されている。封止体30は、半導体素子40、基板50、60、および導電スペーサ70を封止している。ソース電極40Sと導電スペーサ70とは、接合材101である焼結部材101Aにより接合されている。
The semiconductor device 20 of this embodiment has a configuration similar to that described in the preceding embodiment (see Figures 2 to 13). As shown in Figure 89, the semiconductor device 20 includes a semiconductor element 40 (40H, 40L), substrates 50 and 60 that are wiring members arranged to sandwich the semiconductor element 40 in the Z direction, and a sealing body 30. The surface metal body 52 of the substrate 50, which is the first wiring member, is connected to the drain electrode 40D, which is the first main electrode of the semiconductor element 40. The surface metal body 62 of the substrate 60, which is the second wiring member, is connected to the source electrode 40S, which is the second main electrode of the semiconductor element 40, via the conductive spacer 70, which is the second wiring member. The sealing body 30 seals the semiconductor element 40, the substrates 50 and 60, and the conductive spacer 70. The source electrode 40S and the conductive spacer 70 are joined by the sintered member 101A, which is the joining material 101.
<半導体素子>
次に、図90および図91に基づき、半導体素子40について説明する。図90は、半導体素子40(40H)を示す平面図である。図91は、図89の領域XCIを拡大した図である。図91は、図90のXCI-XCI線に対応する断面図である。図91では、半導体素子40Hを例示しているが、半導体素子40Lも同様の構成を有しているため、以下では半導体素子40として説明する。
<Semiconductor element>
Next, the semiconductor element 40 will be described with reference to Fig. 90 and Fig. 91. Fig. 90 is a plan view showing the semiconductor element 40 (40H). Fig. 91 is an enlarged view of the region XCI in Fig. 89. Fig. 91 is a cross-sectional view corresponding to the line XCI-XCI in Fig. 90. Although Fig. 91 illustrates the semiconductor element 40H, the semiconductor element 40L also has a similar configuration, and therefore will be described below as the semiconductor element 40.
半導体素子40は、上記したように、スイッチング素子が形成された半導体基板41を有している。半導体基板41は、平面略矩形状をなしている。ドレイン電極は半導体基板41の一面に設けられ、ソース電極40Sおよびパッド40Pは半導体基板41の裏面に設けられている。ソース電極40Sは、多層構造をなしている。ソース電極40Sは、下地電極42と、接続電極43を有している。パッド40Pも、ソース電極40Sと同様の構成を有している。
As described above, the semiconductor element 40 has a semiconductor substrate 41 on which a switching element is formed. The semiconductor substrate 41 has a generally rectangular shape in plan view. The drain electrode is provided on one side of the semiconductor substrate 41, and the source electrode 40S and the pad 40P are provided on the back side of the semiconductor substrate 41. The source electrode 40S has a multi-layer structure. The source electrode 40S has a base electrode 42 and a connection electrode 43. The pad 40P has a similar configuration to the source electrode 40S.
半導体素子40は、さらに保護膜44を有している。保護膜44は、ソース電極40Sの周縁部を覆うように、半導体基板41の裏面上に設けられた絶縁膜である。絶縁膜の材料として、たとえばポリイミド、シリコン窒化膜などを採用することができる。保護膜44は、ソース電極40Sにおける接続領域を規定する開口部440を有している。開口部440は、ソース電極40Sを接合可能に露出させる。保護膜44は、パッド40Pにおける接続領域を規定する開口部441を有している。開口部440、441は、いずれも保護膜44をZ方向に貫通する貫通孔である。ソース電極40S(接続電極43)のうち、保護膜44の開口部440から露出する部分が、焼結部材101Aとの間に接合部を形成する。
The semiconductor element 40 further has a protective film 44. The protective film 44 is an insulating film provided on the back surface of the semiconductor substrate 41 so as to cover the peripheral portion of the source electrode 40S. For example, polyimide, silicon nitride film, etc. can be used as the material of the insulating film. The protective film 44 has an opening 440 that defines the connection area of the source electrode 40S. The opening 440 exposes the source electrode 40S so that it can be bonded. The protective film 44 has an opening 441 that defines the connection area of the pad 40P. The openings 440 and 441 are both through holes that penetrate the protective film 44 in the Z direction. The portion of the source electrode 40S (connection electrode 43) exposed from the opening 440 of the protective film 44 forms a joint with the sintered member 101A.
本実施形態の保護膜44は、ポリイミドを材料としている。保護膜44は、下地電極42の後述する周縁部420を覆っている。保護膜44は、たとえば半導体基板41の外周端から所定範囲のスクライブ領域には設けられていない。開口部440の開口形状、すなわち開口部440を規定する保護膜44の内周面442は、平面略矩形状をなしている。内周面442は、内周端、開口端と称されることがある。
The protective film 44 in this embodiment is made of polyimide. The protective film 44 covers the peripheral portion 420 of the base electrode 42, which will be described later. The protective film 44 is not provided in a scribe region that is a predetermined range from the outer peripheral edge of the semiconductor substrate 41, for example. The opening shape of the opening 440, i.e., the inner peripheral surface 442 of the protective film 44 that defines the opening 440, is substantially rectangular in plan view. The inner peripheral surface 442 may be referred to as the inner peripheral end or opening end.
下地電極42は、多層構造のソース電極40Sにおいて、半導体基板41に隣接して形成された金属層である。下地電極42は、下部電極、下層電極、配線電極、下地層、第1金属層などと称されることがある。下地電極42は、半導体基板41の裏面に接続している。下地電極42は、たとえばAl(アルミニウム)を主成分とする材料を用いて形成されている。本実施形態では、AlSi、AlSiCuなどのAlSi系の合金を材料とする。
The base electrode 42 is a metal layer formed adjacent to the semiconductor substrate 41 in the multi-layered source electrode 40S. The base electrode 42 may be referred to as a lower electrode, lower layer electrode, wiring electrode, base layer, first metal layer, etc. The base electrode 42 is connected to the rear surface of the semiconductor substrate 41. The base electrode 42 is formed using a material containing, for example, Al (aluminum) as a main component. In this embodiment, the material is an AlSi-based alloy such as AlSi or AlSiCu.
下地電極42は、平面視において、半導体基板41の図示しない素子領域(アクティブ領域)を内包しつつ、そし素子領域を取り囲む外周領域上まで延設されている。下地電極42の周縁部420は、平面略矩形環状をなしている。周縁部420は、保護膜44によって覆われている。
In plan view, the base electrode 42 includes an element region (active region) (not shown) of the semiconductor substrate 41 and extends onto the outer peripheral region surrounding the element region. The peripheral portion 420 of the base electrode 42 has a generally rectangular ring shape in plan view. The peripheral portion 420 is covered with a protective film 44.
接続電極43は、下地電極42上に積層配置されている。接続電極43は、上地電極、上部電極、上層電極、上地層、第2金属層とも称される。接続電極43は、焼結部材101Aとの接合のために、Au(金)、Ag(銀)、Pt(プラチナ)、Pd(パラジウム)などの貴金属を少なくとも含む。接続電極43は、貴金属とともに、卑金属を含んでもよい。
The connection electrode 43 is layered on the base electrode 42. The connection electrode 43 is also called the top electrode, upper electrode, upper layer electrode, top layer, or second metal layer. The connection electrode 43 contains at least a precious metal such as Au (gold), Ag (silver), Pt (platinum), or Pd (palladium) for bonding with the sintered member 101A. The connection electrode 43 may contain a base metal in addition to the precious metal.
本実施形態の接続電極43は、Ni(ニッケル)を含む。Niは、下地電極42を構成するAl合金よりも硬い。接続電極43は、Niと貴金属、たとえばAuまたはAgを含む。接続電極43は、たとえばめっき法によって多層に形成される。接続電極43の貴金属の少なくとも一部は、接合時において焼結部材101Aに拡散する。
The connection electrode 43 in this embodiment contains Ni (nickel). Ni is harder than the Al alloy that constitutes the base electrode 42. The connection electrode 43 contains Ni and a precious metal, such as Au or Ag. The connection electrode 43 is formed in multiple layers, for example, by a plating method. At least a portion of the precious metal of the connection electrode 43 diffuses into the sintered member 101A during joining.
接続電極43は、保護膜44の開口部440において、下地電極42に積層配置されている。接続電極43の外周端は、全周で保護膜44の内周面442に接触している。
The connection electrode 43 is laminated on the base electrode 42 in the opening 440 of the protective film 44. The outer peripheral end of the connection electrode 43 is in contact with the inner peripheral surface 442 of the protective film 44 all around.
<接合構造>
次に、図90~図92に基づいて、半導体素子40の接合構造について説明する。図90では、焼結部材101Aの外周端を破線で示し、導電スペーサ70の外周端を二点鎖線で示している。図92は、焼結部材101Aの配置を示す断面図である。図92は、図91に対応している。以下において、「内側」、「外側」とは、半導体素子40の中心を基準位置とする相対的な位置関係を示す。中心に近い側が内側、遠い側が外側である。
<Joint structure>
Next, the joining structure of the semiconductor element 40 will be described with reference to Figures 90 to 92. In Figure 90, the outer peripheral edge of the sintered member 101A is indicated by a dashed line, and the outer peripheral edge of the conductive spacer 70 is indicated by a two-dot chain line. Figure 92 is a cross-sectional view showing the arrangement of the sintered member 101A. Figure 92 corresponds to Figure 91. In the following, "inside" and "outside" indicate the relative positional relationship with the center of the semiconductor element 40 as the reference position. The side closer to the center is the inside, and the side furthest from the center is the outside.
本実施形態では、基板60と導電スペーサ70が、ソース電極40Sに電気的に接続される配線部材(第2配線部材)である。図90および図91に示すように、焼結部材101Aは、半導体素子40のソース電極40Sと導電スペーサ70との間に介在している。焼結部材101Aは、ソース電極40Sと導電スペーサ70を接合している。
In this embodiment, the substrate 60 and the conductive spacer 70 are wiring members (second wiring members) electrically connected to the source electrode 40S. As shown in Figures 90 and 91, the sintered member 101A is interposed between the source electrode 40S of the semiconductor element 40 and the conductive spacer 70. The sintered member 101A joins the source electrode 40S and the conductive spacer 70.
焼結部材101Aは、AgまたはCuを材料とする。焼結部材101Aは、Ag粒子またはCu粒子による焼結体である。焼結部材101Aは、はんだに較べて低温での接合が可能である。図92に示すように、焼結部材101Aは、保護膜44の内周面442との間に所定の距離L30を有して配置されている。図90~図92に示すように、焼結部材101Aは、内周面442よりも内側に配置されている。焼結部材101Aは、たとえば平面略矩形状をなしている。焼結部材101Aの外周端は、全周で保護膜44に非接触である。つまり、保護膜44の内周面442は、平面視において焼結部材101Aを内包している。
The sintered member 101A is made of Ag or Cu. The sintered member 101A is a sintered body made of Ag particles or Cu particles. The sintered member 101A can be bonded at a lower temperature than solder. As shown in FIG. 92, the sintered member 101A is arranged with a predetermined distance L30 between it and the inner peripheral surface 442 of the protective film 44. As shown in FIGS. 90 to 92, the sintered member 101A is arranged inside the inner peripheral surface 442. The sintered member 101A has, for example, a substantially rectangular shape in plan view. The outer peripheral end of the sintered member 101A is not in contact with the protective film 44 all around. In other words, the inner peripheral surface 442 of the protective film 44 contains the sintered member 101A in plan view.
導電スペーサ70は、焼結部材101Aとの接合面に、図示しない金属膜を有している。金属膜は、接続電極43同様、貴金属を少なくとも含む。本実施形態では、金属膜がNiと貴金属、たとえばAuまたはAgを含むめっき膜である。
The conductive spacer 70 has a metal film (not shown) on the joint surface with the sintered member 101A. The metal film contains at least a precious metal, like the connection electrode 43. In this embodiment, the metal film is a plating film containing Ni and a precious metal, such as Au or Ag.
図90~図92に示すように、導電スペーサ70は、内周面442よりも内側に配置されている。導電スペーサ70は、たとえば平面略矩形状をなしている。導電スペーサ70の外周端は、平面視において焼結部材101Aの外周端よりも外側、もしくは、ほぼ一致するように配置されている。つまり、導電スペーサ70は、平面視において焼結部材101Aを内包、もしくは、焼結部材101Aとほぼ一致するように配置されている。本実施形態では、導電スペーサ70が焼結部材101Aを内包している。
As shown in Figures 90 to 92, the conductive spacer 70 is disposed inside the inner peripheral surface 442. The conductive spacer 70 has, for example, a generally rectangular shape in plan view. The outer peripheral end of the conductive spacer 70 is disposed so as to be outside the outer peripheral end of the sintered member 101A in plan view, or so as to be approximately aligned with the outer peripheral end of the sintered member 101A. In other words, the conductive spacer 70 is disposed so as to contain the sintered member 101A in plan view, or so as to be approximately aligned with the sintered member 101A. In this embodiment, the conductive spacer 70 contains the sintered member 101A.
<接合方法>
次に、図93に基づき、上記した接合構造の形成方法、つまり接合方法について説明する。図93は、接合方法を示す断面図である。図93は、図91に対応している。
<Joining method>
Next, a method for forming the above-mentioned joint structure, that is, a joining method, will be described with reference to Fig. 93. Fig. 93 is a cross-sectional view showing the joining method. Fig. 93 corresponds to Fig. 91.
本実施形態では、焼結部材101Aを形成するために、焼結シート105を用いる。焼結シート105は、焼結フィルムと称されることがある。焼結シート105は、AgまたはCuを含んでいる。図93に示すように、焼結シート105を、半導体素子40のソース電極40S(接続電極43)上に配置する。焼結シート105は、平面視において保護膜44に接触しない所定のサイズを有している。
In this embodiment, a sintered sheet 105 is used to form the sintered member 101A. The sintered sheet 105 is sometimes called a sintered film. The sintered sheet 105 contains Ag or Cu. As shown in FIG. 93, the sintered sheet 105 is placed on the source electrode 40S (connection electrode 43) of the semiconductor element 40. The sintered sheet 105 has a predetermined size that does not contact the protective film 44 in a plan view.
次いで、焼結シート105上に導電スペーサ70を配置する。そして、加熱しながら、図示しない加圧装置で導電スペーサ70側から加圧する。これにより、焼結シート105は接続電極43と導電スペーサ70との対向面間で押し拡げられて厚みが薄くなるとともに、焼結して焼結部材101Aとなる。焼結部材101Aが保護膜44の内周面442、導電スペーサ70に対して、上記した所定の位置関係となるように、焼結シート105のサイズが決定される。
Next, the conductive spacer 70 is placed on the sintered sheet 105. Then, while heating, pressure is applied from the conductive spacer 70 side using a pressure device (not shown). As a result, the sintered sheet 105 is pressed and spread between the opposing surfaces of the connection electrode 43 and the conductive spacer 70, reducing its thickness, and is sintered to become the sintered member 101A. The size of the sintered sheet 105 is determined so that the sintered member 101A has the predetermined positional relationship described above with respect to the inner surface 442 of the protective film 44 and the conductive spacer 70.
<シミュレーション結果>
図94は、熱応力シミュレーションの結果を示している。このシミュレーションでは、室温と150℃を交互に繰り返すパワーサイクル試験において、下地電極42に発生する歪振幅を測定した。図94は、上記した距離L30と歪振幅との関係を示している。図94において、距離L30が0(ゼロ)は、平面視において保護膜44の内周面442に一致する位置である。距離L30がマイナスの数値は内周面442から内側への距離を示し、プラスの数値は外側への数値を示している。
<Simulation results>
Fig. 94 shows the results of a thermal stress simulation. In this simulation, the strain amplitude generated in the base electrode 42 was measured in a power cycle test in which room temperature and 150°C were alternately repeated. Fig. 94 shows the relationship between the distance L30 and the strain amplitude. In Fig. 94, distance L30 of 0 (zero) is a position that coincides with the inner circumferential surface 442 of the protective film 44 in a plan view. Negative values for distance L30 indicate the distance inward from the inner circumferential surface 442, and positive values indicate the distance outward.
図94に示すように、距離L30が5μm以上において、下地電極42に発生する歪振幅がほぼ0(ゼロ)となることが明らかとなった。本実施形態では、この知見に基づき、所定距離L30を5μmとしている。
As shown in FIG. 94, it has become clear that when the distance L30 is 5 μm or more, the distortion amplitude generated in the base electrode 42 becomes nearly 0 (zero). Based on this finding, in this embodiment, the predetermined distance L30 is set to 5 μm.
<第10実施形態のまとめ>
図95は、接合材101として、はんだ101Bを用いた接続構造を示している。図95は、図93に対応している。はんだ101Bの場合、はんだ101Bをリフローして接合を行う。接合時において、溶融したはんだ101Bは接続電極43の表面上を濡れ拡がる。このため、図95に一点鎖線で示すように、封止体30、ソース電極40S(接続電極43)、はんだ101B(接合材101)の三重点が形成される。三重点には、線膨張係数の差に基づく熱応力が集中する。熱応力は、下地電極42において、接続電極43の外周端の直下部分に集中する。よって、下地電極42にクラックに生じたり、ひいては半導体基板41にダメージが生じる虞がある。
<Summary of the Tenth Embodiment>
FIG. 95 shows a connection structure using solder 101B as the bonding material 101. FIG. 95 corresponds to FIG. 93. In the case of solder 101B, the solder 101B is reflowed to perform bonding. During bonding, the molten solder 101B wets and spreads over the surface of the connection electrode 43. Therefore, as shown by the dashed line in FIG. 95, a triple point is formed between the sealing body 30, the source electrode 40S (connection electrode 43), and the solder 101B (bonding material 101). Thermal stress based on the difference in linear expansion coefficients is concentrated at the triple point. The thermal stress is concentrated in the base electrode 42, directly below the outer circumferential end of the connection electrode 43. Therefore, there is a risk that cracks will occur in the base electrode 42, and ultimately damage will occur in the semiconductor substrate 41.
本実施形態では、はんだ101Bに代えて、焼結部材101Aを採用している。焼結部材101Aは、融点よりも低い温度の加熱により形成される。焼結部材101Aは、接合時においてはんだ101Bのように溶融状態にならない。焼結部材101Aは、はんだ101Bに較べると接続電極43や導電スペーサ70に対する濡れ性が低い。このため、焼結部材101Aは、接合時において接続電極43の表面や導電スペーサ70の表面を、はんだ101Bのように濡れ拡がらない。
In this embodiment, a sintered member 101A is used instead of solder 101B. The sintered member 101A is formed by heating at a temperature lower than the melting point. The sintered member 101A does not become molten when joined, unlike the solder 101B. The sintered member 101A has lower wettability to the connection electrode 43 and the conductive spacer 70 than the solder 101B. Therefore, the sintered member 101A does not wet and spread over the surface of the connection electrode 43 or the surface of the conductive spacer 70 when joined, unlike the solder 101B.
焼結部材101Aは、所定の位置に保持しやすいため、保護膜44の内周面442との間に所定の距離L30を有して配置することができる。これにより、封止体30、ソース電極40S(接続電極43)、焼結部材101A(接合材101)の三重点が形成されない。したがって、熱応力の集中を抑制し、接続信頼性の高い半導体装置20を提供することができる。また、焼結部材101Aは、はんだ101Bより熱伝導率が高い。これにより、放熱性を高めることもできる。
The sintered member 101A can be easily held in a predetermined position and can be positioned with a predetermined distance L30 between it and the inner circumferential surface 442 of the protective film 44. This prevents a triple point between the sealing body 30, the source electrode 40S (connection electrode 43), and the sintered member 101A (joint material 101) from being formed. This makes it possible to provide a semiconductor device 20 that suppresses the concentration of thermal stress and has high connection reliability. In addition, the sintered member 101A has a higher thermal conductivity than the solder 101B. This also makes it possible to improve heat dissipation.
距離L30は特に限定されない。焼結部材101Aは、少なくとも内周面442に対して離れていればよい。本実施形態では、焼結部材101Aと保護膜44の内周面442との距離L30を5μm以上としている。これによれば、熱応力による下地電極42の歪振幅を効果的に低減することができる。つまり、接続信頼性をさらに高めることができる。
The distance L30 is not particularly limited. The sintered member 101A only needs to be spaced apart from the inner peripheral surface 442. In this embodiment, the distance L30 between the sintered member 101A and the inner peripheral surface 442 of the protective film 44 is set to 5 μm or more. This effectively reduces the distortion amplitude of the base electrode 42 due to thermal stress. In other words, the connection reliability can be further improved.
平面視において、導電スペーサ70と焼結部材101Aとの位置関係は特に限定されない。たとえば平面視において焼結部材101Aが導電スペーサ70からはみ出してもよい。上記したように、焼結部材101Aは、加熱・加圧によりAg粒子またはCu粒子が焼結して形成される。導電スペーサ70からはみ出した部分は加圧されないため、焼結せずに残り、導電性の異物として落下する虞がある。つまり、短絡等が生じる虞がある。
In plan view, the positional relationship between the conductive spacer 70 and the sintered member 101A is not particularly limited. For example, in plan view, the sintered member 101A may protrude from the conductive spacer 70. As described above, the sintered member 101A is formed by sintering Ag particles or Cu particles by heating and pressurizing. The portion protruding from the conductive spacer 70 is not pressurized, so it remains unsintered and may fall off as a conductive foreign body. In other words, there is a risk of a short circuit or the like occurring.
本実施形態では、平面視において、保護膜44の内周面442が導電スペーサ70を内包し、導電スペーサ70が焼結部材101Aと一致もしくは焼結部材101Aを内包する。これにより、導電スペーサ70を介して焼結前の焼結部材101A(焼結シート105)の全域に圧をかけることができる。したがって、焼結部材101Aと保護膜44との接触を避けつつ、焼結残りが生じるのを抑制することができる。
In this embodiment, in plan view, the inner peripheral surface 442 of the protective film 44 contains the conductive spacer 70, and the conductive spacer 70 coincides with or contains the sintered member 101A. This allows pressure to be applied to the entire area of the sintered member 101A (sintered sheet 105) before sintering via the conductive spacer 70. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of unsintered parts while avoiding contact between the sintered member 101A and the protective film 44.
<変形例>
焼結部材101Aを形成するために焼結シート105を用いる例を示したが、これに限定されない。たとえば溶剤中にAg粒子やCu粒子を分散させた焼結ペーストを用いてもよい。焼結シート105のほうが、焼結ペーストよりも所定位置に保持しやすい。
<Modification>
Although the sintered sheet 105 is used to form the sintered portion 101A, the present invention is not limited to this. For example, a sintering paste having Ag particles or Cu particles dispersed in a solvent may be used. The sintered sheet 105 is easier to hold in place than the sintering paste.
ソース電極40Sが接続される第2配線部材が、配線板である基板60と、導電スペーサ70を備える例を示したが、これに限定されない。導電スペーサ70に代えて、表面金属体62に凸部を設けてもよい。つまり、第2配線部材が、導電スペーサ70を備えず、基板60のみを備える構成としてもよい。この場合、焼結部材101Aは、表面金属体62の凸部の先端面とソース電極40S(接続電極43)との間に介在する。
In the above example, the second wiring member to which the source electrode 40S is connected includes the substrate 60, which is a wiring board, and the conductive spacer 70, but is not limited to this. Instead of the conductive spacer 70, a convex portion may be provided on the surface metal body 62. In other words, the second wiring member may be configured to include only the substrate 60 without including the conductive spacer 70. In this case, the sintered member 101A is interposed between the tip surface of the convex portion of the surface metal body 62 and the source electrode 40S (connection electrode 43).
第1配線部材として基板50の例を示したがこれに限定されない。基板50に代えて、金属板(リードフレーム)を採用してもよい。第2配線部材として基板60の例を示したがこれに限定されない。基板60に代えて、金属板(リードフレーム)を採用してもよい。第2配線部材は、金属板と導電スペーサ70を有してもよいし、導電スペーサ70に代えて、金属板に凸部を設けてもよい。
Although an example of a substrate 50 is shown as the first wiring member, this is not limiting. A metal plate (lead frame) may be used instead of the substrate 50. Although an example of a substrate 60 is shown as the second wiring member, this is not limiting. A metal plate (lead frame) may be used instead of the substrate 60. The second wiring member may have a metal plate and a conductive spacer 70, or a convex portion may be provided on the metal plate instead of the conductive spacer 70.
半導体装置20が半導体素子40H、40Lを備える例を示したが、これに限定されない。アームのひとつを構成する半導体素子40のみを備えてもよい。半導体装置20は、たとえばひとつの半導体素子40のみを備えてもよい。
Although an example has been shown in which the semiconductor device 20 includes semiconductor elements 40H and 40L, the present invention is not limited to this. The semiconductor device 20 may include only a semiconductor element 40 that constitutes one of the arms. The semiconductor device 20 may include, for example, only one semiconductor element 40.
本実施形態に記載の構成は、第1実施形態、第2実施形態、第3実施形態、第4実施形態、第5実施形態、第6実施形態、第7実施形態、第8実施形態、第9実施形態、および変形例に記載の構成のいずれとも組み合わせが可能である。
The configuration described in this embodiment can be combined with any of the configurations described in the first, second, third, fourth, fifth, sixth, seventh, eighth, and ninth embodiments, and the modified examples.
(第11実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。放熱性を高めるために、本実施形態に記載のように、主電極と配線部材との接合部に焼結部材を用いてもよい。
Eleventh Embodiment
This embodiment is a modified example based on the preceding embodiment, and the description of the preceding embodiment can be used. In order to improve heat dissipation, a sintered member may be used at the joint between the main electrode and the wiring member, as described in this embodiment.
<半導体装置>
まず、図96に基づき、本実施形態に係る半導体装置20について説明する。図96は、図5に対応する断面図である。図96では、便宜上、外部接続端子90の図示を省略している。
<Semiconductor Device>
First, the semiconductor device 20 according to this embodiment will be described with reference to Fig. 96. Fig. 96 is a cross-sectional view corresponding to Fig. 5. In Fig. 96, for the sake of convenience, the external connection terminals 90 are omitted from illustration.
本実施形態の半導体装置20は、先行実施形態に記載の構成(図2~図13参照)と同様の構成を有している。図96に示すように、半導体装置20は、半導体素子40(40H、40L)と、半導体素子40をZ方向において挟むように配置された配線部材である基板50、60と、封止体30を備えている。基板50の表面金属体52は、半導体素子40の第1主電極であるドレイン電極40Dに接続されている。基板60の表面金属体62は、導電スペーサ70を介して、半導体素子40の第2主電極であるソース電極40Sに接続されている。封止体30は、半導体素子40、基板50、60、および導電スペーサ70を封止している。ドレイン電極40Dと基板50の表面金属体52とは、接合材100である焼結部材100Aにより接合されている。
The semiconductor device 20 of this embodiment has a configuration similar to that described in the preceding embodiment (see Figures 2 to 13). As shown in Figure 96, the semiconductor device 20 includes a semiconductor element 40 (40H, 40L), substrates 50 and 60, which are wiring members arranged to sandwich the semiconductor element 40 in the Z direction, and a sealing body 30. The surface metal body 52 of the substrate 50 is connected to the drain electrode 40D, which is the first main electrode of the semiconductor element 40. The surface metal body 62 of the substrate 60 is connected to the source electrode 40S, which is the second main electrode of the semiconductor element 40, via a conductive spacer 70. The sealing body 30 seals the semiconductor element 40, the substrates 50 and 60, and the conductive spacer 70. The drain electrode 40D and the surface metal body 52 of the substrate 50 are joined by a sintered member 100A, which is a joining material 100.
<焼結部材および凹凸酸化膜の配置>
次に、図97~図99に基づき、半導体素子40に対する焼結部材100Aおよび凹凸酸化膜520の配置について説明する。図97は、図96の領域XCVIIを拡大した図である。図98は、半導体素子40、焼結部材100A、および凹凸酸化膜520の位置関係を示す平面図である。図99は、図97の領域XCVIXを拡大した図である。
<Arrangement of sintered member and uneven oxide film>
Next, the arrangement of the sintered member 100A and the uneven oxide film 520 relative to the semiconductor element 40 will be described with reference to Fig. 97 to Fig. 99. Fig. 97 is an enlarged view of region XCVII in Fig. 96. Fig. 98 is a plan view showing the positional relationship between the semiconductor element 40, the sintered member 100A, and the uneven oxide film 520. Fig. 99 is an enlarged view of region XCVIX in Fig. 97.
図97および図98に示すように、表面金属体52の上面52aは、実装部529aと、外周部529bと、中間部529cを有している。凹凸酸化膜520は、実装部529aには設けられず、外周部529bおよび中間部529cに設けられている。
As shown in Figures 97 and 98, the upper surface 52a of the surface metal body 52 has a mounting portion 529a, an outer periphery 529b, and an intermediate portion 529c. The uneven oxide film 520 is not provided on the mounting portion 529a, but is provided on the outer periphery 529b and intermediate portion 529c.
実装部529aは、Z方向の平面視において半導体素子40(ドレイン電極40D)と重なる部分を含み、焼結部材100Aを介してドレイン電極40Dが接合される部分である。外周部529bは、平面視において半導体素子40の外周端402よりも外側の部分を含み、半導体素子40を取り囲む部分である。中間部529cは、実装部529aと外周部529bの間の部分であり、実装部529aを取り囲んでいる。本実施形態では、実装部529aは、平面視において半導体素子40(ドレイン電極40D)とほぼ一致している。中間部529cは平面略矩形環状をなしており、中間部529cの内周端は半導体素子40の外周端402とほぼ一致している。中間部529cは、その全域が平面視において半導体素子40の外側に位置している。
The mounting portion 529a includes a portion that overlaps with the semiconductor element 40 (drain electrode 40D) in a plan view in the Z direction, and is a portion to which the drain electrode 40D is joined via the sintered member 100A. The outer peripheral portion 529b includes a portion that is outside the outer peripheral end 402 of the semiconductor element 40 in a plan view, and is a portion that surrounds the semiconductor element 40. The intermediate portion 529c is a portion between the mounting portion 529a and the outer peripheral portion 529b, and surrounds the mounting portion 529a. In this embodiment, the mounting portion 529a approximately coincides with the semiconductor element 40 (drain electrode 40D) in a plan view. The intermediate portion 529c has a substantially rectangular ring shape in a plan view, and the inner peripheral end of the intermediate portion 529c approximately coincides with the outer peripheral end 402 of the semiconductor element 40. The entire intermediate portion 529c is located outside the semiconductor element 40 in a plan view.
図97~図99に示すように、基板50の表面金属体52は、先行実施形態に記載した構成(図67および図74参照)と同様に、凹凸酸化膜520を有している。図99に示すように、表面金属体52は、母材521と、母材521の表面上に設けられた金属膜522および凹凸酸化膜520を有している。
As shown in Figures 97 to 99, the surface metal body 52 of the substrate 50 has an uneven oxide film 520, similar to the configuration described in the preceding embodiment (see Figures 67 and 74). As shown in Figure 99, the surface metal body 52 has a base material 521, and a metal film 522 and an uneven oxide film 520 provided on the surface of the base material 521.
本実施形態の金属膜522は、Niを主成分とする下地膜と、焼結部材100Aとの接合が可能な貴金属、たとえばAuやAgを主成分とする上地膜を有している。具体的には、下地膜として、Pを含むNiめっき膜とAuめっき膜を採用している。金属膜522の上面52aのうち、外周部529bには、複数の凹部523が形成されている。実装部529a及び中間部529cには、凹部523が形成されていない。凹部523が形成されていない部分において、金属膜522の膜厚は、たとえば10μm程度である。つまり、レーザ光の照射前の膜厚が、10μm程度である。凹部523は、パルス発振のレーザ光の照射により形成されている。1パルスごとに1つの凹部523が形成されている。外周部529bにおいて、金属膜522の表面は、複数の凹部523により鱗状をなしている。外周部529bはレーザ光の照射エリアであり、実装部529a及び中間部529cは非照射エリアである。
The metal film 522 of this embodiment has a base film mainly composed of Ni and an upper film mainly composed of a precious metal capable of bonding to the sintered member 100A, such as Au or Ag. Specifically, a Ni-plated film containing P and an Au-plated film are used as the base film. A plurality of recesses 523 are formed in the outer peripheral portion 529b of the upper surface 52a of the metal film 522. The recesses 523 are not formed in the mounting portion 529a and the intermediate portion 529c. In the portion where the recesses 523 are not formed, the film thickness of the metal film 522 is, for example, about 10 μm. In other words, the film thickness before the irradiation of the laser light is about 10 μm. The recesses 523 are formed by irradiation of a pulsed laser light. One recess 523 is formed for each pulse. In the outer peripheral portion 529b, the surface of the metal film 522 is scale-like due to the plurality of recesses 523. The outer periphery 529b is the area irradiated with laser light, while the mounting portion 529a and the middle portion 529c are non-irradiated areas.
凹凸酸化膜520は、金属膜522上に形成されている。凹凸酸化膜520は、実装部529aには形成されず、実装部529aの周囲の部分である外周部529bおよび中間部529cに形成されている。先行実施形態に記載したように、凹凸酸化膜520は、金属膜522にレーザ光を照射することで形成されている。凹凸酸化膜520は、レーザ光の照射により形成されたレーザ照射膜である。凹凸酸化膜520の主成分は、金属膜522の主成分金属の酸化物である。
The uneven oxide film 520 is formed on the metal film 522. The uneven oxide film 520 is not formed on the mounting portion 529a, but is formed on the outer peripheral portion 529b and the intermediate portion 529c, which are the portions surrounding the mounting portion 529a. As described in the preceding embodiment, the uneven oxide film 520 is formed by irradiating the metal film 522 with laser light. The uneven oxide film 520 is a laser irradiated film formed by irradiating the metal film 522 with laser light. The main component of the uneven oxide film 520 is an oxide of the main component metal of the metal film 522.
外周部529b、つまりレーザ光の照射エリアにおいて、凹凸酸化膜520の平均膜厚は10nm~数百nmとされている。凹凸酸化膜520は、凹部523を有する金属膜522の表面の凹凸に倣って形成されている。また、凹凸酸化膜520の表面には、凹部523の幅よりも細かいピッチで凹凸が形成されている。すなわち、非常に微細な凹凸(粗化部)が形成されている。換言すれば、複数の凸部520a(柱状体)が、細かいピッチで形成されている。たとえば凸部520aの平均幅は1nm~300nm、凸部520a間の平均間隔は1nm~300nmである。また、凸部520aの平均高さは、10nm~数百nmである。
In the outer peripheral portion 529b, i.e., the area irradiated with the laser light, the average thickness of the uneven oxide film 520 is 10 nm to several hundred nm. The uneven oxide film 520 is formed following the unevenness of the surface of the metal film 522 having the recesses 523. In addition, the surface of the uneven oxide film 520 has unevenness formed at a pitch finer than the width of the recesses 523. In other words, very fine unevenness (roughened portion) is formed. In other words, multiple protrusions 520a (columnar bodies) are formed at a fine pitch. For example, the average width of the protrusions 520a is 1 nm to 300 nm, and the average distance between the protrusions 520a is 1 nm to 300 nm. In addition, the average height of the protrusions 520a is 10 nm to several hundred nm.
凹凸酸化膜520は、金属膜522にレーザ光を照射し、金属膜522の表層の溶融および蒸着により形成されるため、レーザ光の照射エリアである外周部529bだけでなく、外周部529bの周辺(近傍)にも形成される。本実施形態では、レーザ光の非照射エリアのうち、中間部529cの全域に凹凸酸化膜520が形成されており、実装部529aには凹凸酸化膜520が形成されていない。全域に凹凸酸化膜520を有する中間部529cの幅は、たとえば0.2mm~0.3mmである。
The uneven oxide film 520 is formed by irradiating the metal film 522 with laser light and melting and vapor deposition of the surface layer of the metal film 522, so that it is formed not only in the outer peripheral portion 529b, which is the area irradiated with the laser light, but also in the periphery (vicinity) of the outer peripheral portion 529b. In this embodiment, of the areas not irradiated with the laser light, the uneven oxide film 520 is formed over the entire intermediate portion 529c, and the uneven oxide film 520 is not formed in the mounting portion 529a. The width of the intermediate portion 529c, which has the uneven oxide film 520 over its entire area, is, for example, 0.2 mm to 0.3 mm.
中間部529cにおける凹凸酸化膜520の平均膜厚は、直接的にレーザ光が照射されるわけではないため、外周部529bにおける凹凸酸化膜520の平均膜厚よりも薄く、且つ、自然酸化膜よりも厚くされている。具体的には、0.1nm~10nmである。また、凹凸酸化膜520の表面の凸部520aの高さも、外周部529bより低くされている。具体的には、0.1nm~10nmである。なお、凸部520aの平均幅および平均間隔は、外周部529bと同程度である。
The average thickness of the uneven oxide film 520 in the intermediate portion 529c is thinner than the average thickness of the uneven oxide film 520 in the outer peripheral portion 529b, and thicker than the natural oxide film, because the laser light is not directly irradiated thereto. Specifically, it is 0.1 nm to 10 nm. The height of the convex portions 520a on the surface of the uneven oxide film 520 is also lower than that of the outer peripheral portion 529b. Specifically, it is 0.1 nm to 10 nm. The average width and average spacing of the convex portions 520a are approximately the same as those of the outer peripheral portion 529b.
このように、凹凸酸化膜520は、厚膜部520Xと、薄膜部520Yを有している。厚膜部520Xは、凹凸酸化膜520のうち、レーザ光の照射エリア、つまり外周部529bに設けられた部分である。薄膜部520Yは、凹凸酸化膜520のうち、レーザ光の非照射エリア、つまり中間部529cに設けられた部分である。薄膜部520Yは、厚膜部520Xよりも凹凸酸化膜520の膜厚が薄く、凸部520aの高さが低い。厚膜部520Xは、外周部529bに設けられている。薄膜部520Yは、中間部529cに設けられている。
Thus, the uneven oxide film 520 has a thick film portion 520X and a thin film portion 520Y. The thick film portion 520X is a portion of the uneven oxide film 520 that is provided in the laser light irradiated area, i.e., the outer peripheral portion 529b. The thin film portion 520Y is a portion of the uneven oxide film 520 that is provided in the laser light non-irradiated area, i.e., the intermediate portion 529c. The thin film portion 520Y is thinner than the thick film portion 520X, and the height of the convex portion 520a is lower. The thick film portion 520X is provided in the outer peripheral portion 529b. The thin film portion 520Y is provided in the intermediate portion 529c.
厚膜部520Xは、薄膜部520Yよりも凸部520aの高さが高いため、封止体30が絡みつき、アンカー効果が生じる。また、封止体30との接触面積が増える。これにより、封止体30は、外周部529bに密着している。厚膜部520Xは、粗化部、密着部と称されることがある。
Since the protrusions 520a of the thick film portion 520X are taller than those of the thin film portion 520Y, the plug 30 becomes entangled therewith, creating an anchor effect. In addition, the contact area with the plug 30 increases. This allows the plug 30 to adhere closely to the outer periphery 529b. The thick film portion 520X is sometimes referred to as a roughened portion or an adhered portion.
焼結部材100Aは、先行実施形態に記載の焼結部材101Aと同様に、AgまたはCuを材料とする。焼結部材100Aは、Ag粒子またはCu粒子による焼結体である。焼結部材100Aは、はんだに較べて低温での接合が可能である。焼結部材100Aは、焼結シートまたは焼結ペーストを加熱・加圧することで形成される。焼結部材100Aは、平面視において半導体素子40の外周端402よりも外側にはみ出している。焼結部材100Aは、平面視において実装部529aおよび中間部529cと重なるように配置されている。本実施形態において、焼結部材100Aの外周端は、中間部529cの外周端とほぼ一致している。焼結部材100Aは、平面視において実装部529aの全域および中間部529cの全域と重なっている。
The sintered member 100A is made of Ag or Cu, similar to the sintered member 101A described in the preceding embodiment. The sintered member 100A is a sintered body made of Ag particles or Cu particles. The sintered member 100A can be bonded at a lower temperature than solder. The sintered member 100A is formed by heating and pressing a sintered sheet or sintered paste. The sintered member 100A protrudes outward from the outer peripheral end 402 of the semiconductor element 40 in a plan view. The sintered member 100A is arranged so as to overlap the mounting portion 529a and the intermediate portion 529c in a plan view. In this embodiment, the outer peripheral end of the sintered member 100A is almost the same as the outer peripheral end of the intermediate portion 529c. The sintered member 100A overlaps the entire mounting portion 529a and the entire intermediate portion 529c in a plan view.
<第11実施形態のまとめ>
上記したように、中間部529cは、凹凸酸化膜520の薄膜部520Yを有している。薄膜部520Yを有することで、はんだに対する中間部529cの濡れ性は、実装部529aよりも低い。これにより、はんだは、実装部529aから中間部529c側に濡れ拡がり難い。
<Summary of the eleventh embodiment>
As described above, the intermediate portion 529c has the thin film portion 520Y of the uneven oxide film 520. Due to the presence of the thin film portion 520Y, the intermediate portion 529c has a lower wettability with solder than the mounting portion 529a. As a result, the solder is less likely to wet and spread from the mounting portion 529a to the intermediate portion 529c.
本実施形態では、はんだに代えて、焼結部材100Aを用いる。焼結部材100Aは、融点よりも低い温度の加熱により形成される。焼結部材100Aは、接合時においてはんだのように溶融状態にならない。焼結部材100Aは、接合時において表面金属体52の表面を、はんだのように濡れ拡がらない。
In this embodiment, a sintered member 100A is used instead of solder. The sintered member 100A is formed by heating at a temperature lower than the melting point. The sintered member 100A does not become molten when joined, unlike solder. The sintered member 100A does not wet and spread over the surface of the surface metal body 52 when joined, unlike solder.
焼結部材100Aは、加圧焼結時にドレイン電極40Dと表面金属体52との対向面間において押し拡げられる。押し拡げられることで、焼結部材100Aは、実装部529aだけでなく中間部529c上にも配置される。焼結部材100Aは、濡れ拡がるのではなく、加圧によって押し拡げられて薄膜部520Yに接触する。これにより、焼結部材100Aと実装部529aとの接合部だけでなく、焼結部材100Aと中間部529cとの接触部分も放熱経路として機能する。この結果、放熱性の高い半導体装置20を提供することができる。また、焼結部材100Aは、はんだより熱伝導率が高い。これにより、放熱性を高めることもできる。
During pressure sintering, the sintered member 100A is pressed and spread between the opposing surfaces of the drain electrode 40D and the surface metal body 52. By being pressed and spread, the sintered member 100A is placed not only on the mounting portion 529a but also on the intermediate portion 529c. The sintered member 100A does not wet and spread, but is pressed and spread by pressure to contact the thin film portion 520Y. As a result, not only the joint between the sintered member 100A and the mounting portion 529a, but also the contact portion between the sintered member 100A and the intermediate portion 529c functions as a heat dissipation path. As a result, a semiconductor device 20 with high heat dissipation properties can be provided. In addition, the sintered member 100A has a higher thermal conductivity than solder. This can also improve heat dissipation.
また、薄膜部520Yの凸部520aの高さは、厚膜部520Xよりも低い。つまり、封止体30に対する中間部529cの密着力は、外周部529bよりも低い。これにより、封止体30は、中間部529cに密着し難い。本実施形態では、焼結部材100Aが中間部529cに接触している。焼結部材100Aは、上面52aにおいて密着力の低い部分を覆っている。したがって、半導体素子40の周辺(近傍)で封止体30が上面52aから剥離するのを抑制することができる。これにより、熱応力が焼結部材100Aの接合部やドレイン電極40Dに集中するのを抑制し、ひいては接続信頼性を高めることができる。
The height of the convex portion 520a of the thin film portion 520Y is lower than that of the thick film portion 520X. In other words, the adhesion of the intermediate portion 529c to the sealing body 30 is lower than that of the outer peripheral portion 529b. As a result, the sealing body 30 is less likely to adhere to the intermediate portion 529c. In this embodiment, the sintered member 100A is in contact with the intermediate portion 529c. The sintered member 100A covers the portion of the upper surface 52a with low adhesion. Therefore, it is possible to prevent the sealing body 30 from peeling off from the upper surface 52a around (near) the semiconductor element 40. This prevents thermal stress from concentrating on the joint portion of the sintered member 100A and the drain electrode 40D, thereby improving the connection reliability.
本実施形態では、中間部529cの全体が、半導体素子40よりも外側に位置している。これによれば、焼結部材100Aと実装部529aとの接合部を大きくすることができる。また、半導体素子40の外側に位置する焼結部材100Aと中間部529cとの接触部分も放熱経路として機能する。したがって、放熱性をより高めることができる。
In this embodiment, the entire intermediate portion 529c is located outside the semiconductor element 40. This allows the joint between the sintered member 100A and the mounting portion 529a to be larger. In addition, the contact portion between the sintered member 100A located outside the semiconductor element 40 and the intermediate portion 529c also functions as a heat dissipation path. This further improves heat dissipation.
<変形例>
焼結部材100Aが、中間部529cの全域と重なる例を示したが、これに限定されない。焼結部材100Aは、中間部529cの少なくとも一部と重なればよい。つまり、焼結部材100Aは、凹凸酸化膜520の薄膜部520Yの少なくとも一部に接触すればよい。これにより、放熱経路を拡大し、放熱性を高めることができる。
<Modification>
Although an example in which the sintered member 100A overlaps the entire intermediate portion 529c has been shown, this is not limiting. The sintered member 100A only needs to overlap at least a portion of the intermediate portion 529c. In other words, the sintered member 100A only needs to contact at least a portion of the thin film portion 520Y of the uneven oxide film 520. This can expand the heat dissipation path and improve the heat dissipation performance.
中間部529cの配置は上記した例に限定されない。中間部529cは、幅方向の一部のみが半導体素子40よりも外側に位置してもよい。中間部529cの幅方向の少なくとも一部を半導体素子40よりも外側に設けると、接合部を拡大するとともに、放熱経路を拡大することができる。よって、放熱性を高めることができる。
The arrangement of the intermediate portion 529c is not limited to the above example. Only a portion of the intermediate portion 529c in the width direction may be located outside the semiconductor element 40. By locating at least a portion of the intermediate portion 529c in the width direction outside the semiconductor element 40, the joint can be enlarged and the heat dissipation path can be enlarged. This improves heat dissipation.
また、中間部529cは、幅方向の少なくとも一部が半導体素子40の外周端402よりも内側に位置してもよい。これによれば、焼結部材100Aが薄膜部520Y(中間部529c)に接触することで放熱性を高めつつ、外周部529bの位置を半導体素子40に近づけることができる。つまり、半導体素子40の周辺において封止体30の剥離が生じるのを抑制することができる。
Also, at least a portion of the intermediate portion 529c in the width direction may be located inside the outer peripheral end 402 of the semiconductor element 40. In this way, the sintered member 100A can be brought into contact with the thin film portion 520Y (intermediate portion 529c) to improve heat dissipation, while the position of the outer peripheral portion 529b can be brought closer to the semiconductor element 40. In other words, peeling of the sealing body 30 around the semiconductor element 40 can be suppressed.
図100および図101に示す例では、中間部529cが、平面視において半導体素子40の外周端402を跨いでいる。つまり、中間部529cの幅方向の一部は外周端402よりも外側に位置し、他の一部は外周端402よりも内側に位置している。焼結部材100Aは、平面視において実装部529aの全域および中間部529cの全域と重なっている。これによれば、上記したように、放熱性を高めつつ、半導体素子40の周辺において封止体30の剥離が生じるのを抑制することができる。図100および図101は、変形例を示す図である。図100は図97に対応し、図101は図98に対応している。
In the example shown in Fig. 100 and Fig. 101, the intermediate portion 529c straddles the outer peripheral end 402 of the semiconductor element 40 in a plan view. That is, a part of the width direction of the intermediate portion 529c is located outside the outer peripheral end 402, and another part is located inside the outer peripheral end 402. The sintered member 100A overlaps the entire mounting portion 529a and the entire intermediate portion 529c in a plan view. As a result, as described above, it is possible to improve heat dissipation while suppressing peeling of the sealing body 30 around the semiconductor element 40. Fig. 100 and Fig. 101 are diagrams showing modified examples. Fig. 100 corresponds to Fig. 97, and Fig. 101 corresponds to Fig. 98.
図102および図103に示す例では、中間部529cの外周端が、平面視において半導体素子40の外周端402とほぼ一致している。焼結部材100Aの外周端も、平面視において半導体素子40の外周端402とほぼ一致している。これによれば、平面視において半導体素子40に隣接して外周部529b(厚膜部520X)が位置する。よって、中間部529cへの焼結部材100Aの接触により放熱性を高めつつ、半導体素子40の周辺において封止体30の剥離が生じるのを、より効果的に抑制することができる。図102および図103は、変形例を示す図である。図102は図97に対応し、図103は図98に対応している。
102 and 103, the outer peripheral end of the intermediate portion 529c is approximately aligned with the outer peripheral end 402 of the semiconductor element 40 in plan view. The outer peripheral end of the sintered member 100A is also approximately aligned with the outer peripheral end 402 of the semiconductor element 40 in plan view. This allows the outer peripheral portion 529b (thick film portion 520X) to be located adjacent to the semiconductor element 40 in plan view. Therefore, the contact of the sintered member 100A with the intermediate portion 529c can enhance heat dissipation while more effectively suppressing peeling of the sealing body 30 around the semiconductor element 40. FIGS. 102 and 103 are diagrams showing modified examples. FIG. 102 corresponds to FIG. 97, and FIG. 103 corresponds to FIG. 98.
図104に示す例では、外周部529bの一部が、平面視において半導体素子40と重なっている。中間部529cは、半導体素子40の外周端402よりも内側に位置している。図104は、変形例を示す図である。図104は、図98に対応している。この場合、焼結部材100Aは、薄膜部520Yのみに接触してもよい。焼結部材100Aは、薄膜部520Yと、厚膜部520Xにおける半導体素子40の直下部分とに、接触してもよい。
In the example shown in FIG. 104, a part of the outer peripheral portion 529b overlaps with the semiconductor element 40 in a plan view. The middle portion 529c is located inside the outer peripheral end 402 of the semiconductor element 40. FIG. 104 is a diagram showing a modified example. FIG. 104 corresponds to FIG. 98. In this case, the sintered member 100A may contact only the thin film portion 520Y. The sintered member 100A may contact both the thin film portion 520Y and the portion of the thick film portion 520X directly below the semiconductor element 40.
凹凸酸化膜520を、ドレイン電極40Dが接続される表面金属体52のみに設ける例を示したが、これに限定されない。表面金属体52に加えて、ソース電極40Sが接続される導電スペーサ70の側面、および/または、基板60の表面金属体62に設けてもよい。上記したように、凹凸酸化膜520の厚膜部520Xは、封止体30との密着力を高める機能と、接合材であるはんだの濡れ拡がりを抑制する機能を提供する。凹凸酸化膜520は、はんだの溢れを抑制したい場所や、封止体30との密着力を高めたい場所に設けるとよい。
Although an example has been shown in which the uneven oxide film 520 is provided only on the surface metal body 52 to which the drain electrode 40D is connected, this is not limiting. In addition to the surface metal body 52, the uneven oxide film 520 may be provided on the side of the conductive spacer 70 to which the source electrode 40S is connected, and/or on the surface metal body 62 of the substrate 60. As described above, the thick film portion 520X of the uneven oxide film 520 provides the function of increasing the adhesion to the sealing body 30 and the function of suppressing the spreading of the solder, which is the bonding material. The uneven oxide film 520 may be provided in places where it is desired to suppress the overflow of solder or to increase the adhesion to the sealing body 30.
配線部材として基板50の例を示したがこれに限定されない。基板50に代えて、金属板(リードフレーム)を採用してもよい。また、基板60に代えて、金属板(リードフレーム)を採用してもよい。導電スペーサ70に代えて、ソース電極40S側の金属板に凸部を設けてもよい。
Although the example of the substrate 50 is shown as the wiring member, the present invention is not limited to this. A metal plate (lead frame) may be used instead of the substrate 50. Also, a metal plate (lead frame) may be used instead of the substrate 60. Instead of the conductive spacer 70, a protrusion may be provided on the metal plate on the source electrode 40S side.
半導体装置20が半導体素子40H、40Lを備える例を示したが、これに限定されない。アームのひとつを構成する半導体素子40のみを備えてもよい。半導体装置20は、たとえばひとつの半導体素子40のみを備えてもよい。
Although an example has been shown in which the semiconductor device 20 includes semiconductor elements 40H and 40L, the present invention is not limited to this. The semiconductor device 20 may include only a semiconductor element 40 that constitutes one of the arms. The semiconductor device 20 may include, for example, only one semiconductor element 40.
本実施形態に記載の構成は、第1実施形態、第2実施形態、第3実施形態、第4実施形態、第5実施形態、第6実施形態、第7実施形態、第8実施形態、第9実施形態、第10実施形態、および変形例に記載の構成のいずれとも組み合わせが可能である。
The configuration described in this embodiment can be combined with any of the configurations described in the first, second, third, fourth, fifth, sixth, seventh, eighth, ninth, and tenth embodiments, and the modified examples.
(第12実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。主電極に生じるクラックを抑制するために、本実施形態に記載のように、接合材である焼結部材を多層構造にしてもよい。
Twelfth Embodiment
This embodiment is a modified example based on the preceding embodiment, and the description of the preceding embodiment can be used. In order to suppress cracks occurring in the main electrode, the sintered member, which is the bonding material, may have a multi-layer structure as described in this embodiment.
<半導体装置>
まず、図105に基づき、本実施形態に係る半導体装置20について説明する。図105は、図7(の一部分)に対応する断面図である。図105では、便宜上、外部接続端子90およびボンディングワイヤ110の図示を省略している。
<Semiconductor Device>
First, the semiconductor device 20 according to this embodiment will be described with reference to Fig. 105. Fig. 105 is a cross-sectional view corresponding to (a part of) Fig. 7. For convenience, the external connection terminals 90 and the bonding wires 110 are omitted from Fig. 105.
本実施形態の半導体装置20は、先行実施形態に記載の構成(図2~図13参照)と同様の構成を有している。図105に示すように、半導体装置20は、半導体素子40(40H)と、半導体素子40をZ方向において挟むように配置された配線部材である基板50、60と、封止体30を備えている。半導体素子40は、半導体基板41の一面に第1主電極であるドレイン電極40Dを有し、裏面に第2主電極であるソース電極40Sを有している。ドレイン電極40Dは高電位側の主電極であり、ソース電極40Sは低電位側の主電極である。ソース電極40Sは、パッド40Pと同じ面に設けられている。
The semiconductor device 20 of this embodiment has a configuration similar to that described in the preceding embodiment (see Figures 2 to 13). As shown in Figure 105, the semiconductor device 20 includes a semiconductor element 40 (40H), substrates 50 and 60 that are wiring members arranged to sandwich the semiconductor element 40 in the Z direction, and a sealing body 30. The semiconductor element 40 has a drain electrode 40D, which is a first main electrode, on one surface of the semiconductor substrate 41, and a source electrode 40S, which is a second main electrode, on the back surface. The drain electrode 40D is a main electrode on the high potential side, and the source electrode 40S is a main electrode on the low potential side. The source electrode 40S is provided on the same surface as the pad 40P.
第1配線部材である基板50の表面金属体52は、ドレイン電極40Dに接続されている。第2配線部材である基板60および導電スペーサ70は、ソース電極40Sに接続されている。封止体30は、半導体素子40、基板50、60、および導電スペーサ70を封止している。図示しないが、半導体装置20は、半導体素子40Lを備えている。
The surface metal body 52 of the substrate 50, which is the first wiring member, is connected to the drain electrode 40D. The substrate 60 and conductive spacer 70, which are the second wiring members, are connected to the source electrode 40S. The sealing body 30 seals the semiconductor element 40, the substrates 50 and 60, and the conductive spacer 70. Although not shown, the semiconductor device 20 includes a semiconductor element 40L.
ドレイン電極40Dと基板50の表面金属体52とは、先行実施形態に記載の構成(図97参照)と同様に、接合材100である焼結部材100Aにより接合されている。ソース電極40Sと導電スペーサ70とは、接合材101である多層接合材101Cにより接合されている。
The drain electrode 40D and the surface metal body 52 of the substrate 50 are joined by a sintered member 100A, which is a bonding material 100, in the same manner as in the configuration described in the preceding embodiment (see FIG. 97). The source electrode 40S and the conductive spacer 70 are joined by a multilayer bonding material 101C, which is a bonding material 101.
<多層接合材およびその周辺構造>
次に、図106および図107に基づき、多層接合材101Cおよびその周辺構造について説明する。図106は、図105の領域CVIを拡大した図である。図106では、便宜上、パッドの図示を省略している。図107は、下地電極42、焼結層106、脆弱層107のヤング率、降伏応力の関係を示す図である。図107に示す歪-応力線図において、実線は脆弱層107、破線は焼結層106、一点鎖線は下地電極42を示している。
<Multi-layered bonding material and its surrounding structure>
Next, the multilayer bonding material 101C and its surrounding structure will be described with reference to Figures 106 and 107. Figure 106 is an enlarged view of region CVI in Figure 105. For convenience, pads are omitted from Figure 106. Figure 107 is a diagram showing the relationship between the Young's modulus and yield stress of the base electrode 42, sintered layer 106, and fragile layer 107. In the strain-stress diagram shown in Figure 107, the solid line indicates the fragile layer 107, the dashed line indicates the sintered layer 106, and the dashed line indicates the base electrode 42.
先行実施形態に記載の構成(図91参照)と同様に、ソース電極40Sは、半導体基板41上に形成された下地電極42と、下地電極42上に形成された接続電極43を有している。下地電極42は、AlSi、AlSiCuなどのAlSi系の合金を材料とする。接続電極43は、多層接合材101Cとの接合のために、貴金属を少なくとも含む。接続電極43は、たとえばAuまたはAgとNiを含むめっき膜である。
As with the configuration described in the preceding embodiment (see FIG. 91), the source electrode 40S has a base electrode 42 formed on a semiconductor substrate 41 and a connection electrode 43 formed on the base electrode 42. The base electrode 42 is made of an AlSi-based alloy such as AlSi or AlSiCu. The connection electrode 43 contains at least a precious metal for bonding with the multilayer bonding material 101C. The connection electrode 43 is, for example, a plating film containing Au or Ag and Ni.
導電スペーサ70は、Cuなどの金属を含み、導電スペーサ70の主たる部分をなす母材71と、母材71の表面に形成された金属膜72を有している。金属膜72は、多層接合材101Cとの接合のために、貴金属を少なくとも含む。金属膜72は、たとえばAuまたはAgとNiを含むめっき膜である。金属膜72は、たとえば半導体素子40との対向面を含む接合面に設けられている。
The conductive spacer 70 includes a base material 71 that includes a metal such as Cu and forms the main part of the conductive spacer 70, and a metal film 72 formed on the surface of the base material 71. The metal film 72 includes at least a precious metal for bonding to the multilayer bonding material 101C. The metal film 72 is, for example, a plating film that includes Au or Ag and Ni. The metal film 72 is provided on a bonding surface that includes, for example, a surface facing the semiconductor element 40.
多層接合材101Cは、焼結層106と、脆弱層107を有している。焼結層106は、先行実施形態に記載した焼結部材101Aと同様の構成を有している。焼結層106は、Ag粒子またはCu粒子の加圧焼結体である。脆弱層107は、熱応力が作用したときにソース電極40S、特に下地電極42よりも先にクラックが生じるように、意図的に強度が低くされている。
The multilayer bonding material 101C has a sintered layer 106 and a fragile layer 107. The sintered layer 106 has a structure similar to that of the sintered member 101A described in the preceding embodiment. The sintered layer 106 is a pressure-sintered body of Ag particles or Cu particles. The fragile layer 107 is intentionally made to have a low strength so that cracks will occur before the source electrode 40S, particularly the base electrode 42, when thermal stress is applied.
図107に示すように、焼結層106のヤング率YM2は、下地電極42のヤング率YM1より若干小さい。しかしながら、焼結層106の降伏応力YS2は、下地電極42の降伏応力YS1よりも十分に大きい。焼結層106の降伏歪は、下地電極42の降伏歪よりも大きい。一方、脆弱層107のヤング率YM3は、下地電極42のヤング率YM1よりも小さい。さらに脆弱層107の降伏応力YS3は、下地電極42の降伏応力YS1よりも小さい。脆弱層107のヤング率YM3は、焼結層106のヤング率YM2よりも小さい。脆弱層107の降伏応力YS3は、焼結層106の降伏応力YS2よりも小さい。
As shown in FIG. 107, the Young's modulus YM2 of the sintered layer 106 is slightly smaller than the Young's modulus YM1 of the base electrode 42. However, the yield stress YS2 of the sintered layer 106 is sufficiently larger than the yield stress YS1 of the base electrode 42. The yield strain of the sintered layer 106 is larger than the yield strain of the base electrode 42. On the other hand, the Young's modulus YM3 of the fragile layer 107 is smaller than the Young's modulus YM1 of the base electrode 42. Furthermore, the yield stress YS3 of the fragile layer 107 is smaller than the yield stress YS1 of the base electrode 42. The Young's modulus YM3 of the fragile layer 107 is smaller than the Young's modulus YM2 of the sintered layer 106. The yield stress YS3 of the fragile layer 107 is smaller than the yield stress YS2 of the sintered layer 106.
本実施形態の脆弱層107は、焼結層106と同じ種類の粒子(たとえばAg粒子)による焼結体である。脆弱層107は、焼結層106よりも低い加圧力で焼結された低圧焼結体である。脆弱層107は、たとえば加圧せずに焼結された無加圧焼結体である。低い加圧力での焼結により、脆弱層107は、焼結層106よりも粒子の間の空隙が大きい。脆弱層107は、焼結層106に較べて疎である。
The fragile layer 107 in this embodiment is a sintered body made of the same type of particles (e.g., Ag particles) as the sintered layer 106. The fragile layer 107 is a low-pressure sintered body sintered at a lower pressure than the sintered layer 106. The fragile layer 107 is, for example, a pressureless sintered body sintered without pressure. Due to sintering at a low pressure, the fragile layer 107 has larger gaps between the particles than the sintered layer 106. The fragile layer 107 is sparser than the sintered layer 106.
脆弱層107は、Ag粒子またはCu粒子による焼結体である。脆弱層107の熱伝導率は、200W/m・K以上である。脆弱層107よりも密である焼結層106の熱伝導率は、脆弱層107よりも大きい。
The fragile layer 107 is a sintered body of Ag particles or Cu particles. The thermal conductivity of the fragile layer 107 is 200 W/m·K or more. The thermal conductivity of the sintered layer 106, which is denser than the fragile layer 107, is greater than that of the fragile layer 107.
図106に示すように、多層接合材101Cは、半導体素子40の板厚方向であるZ方向において、両端に焼結層106を有し、焼結層106の間に脆弱層107を有する三層構造をなしている。焼結層106上に脆弱層107が積層され、脆弱層107上に焼結層106が積層されている。焼結層106のひとつはソース電極40Sの接続電極43に接合し、焼結層106の他のひとつは導電スペーサ70の金属膜72に接合している。脆弱層107は、Z方向において焼結層106により挟まれている。脆弱層107は上記したように低圧焼結体であるため、脆弱層107の厚みは、たとえば焼結層106それぞれの厚みよりも厚い。
As shown in FIG. 106, the multilayer bonding material 101C has a three-layer structure in the Z direction, which is the plate thickness direction of the semiconductor element 40, with sintered layers 106 at both ends and a fragile layer 107 between the sintered layers 106. The fragile layer 107 is laminated on the sintered layer 106, and the sintered layer 106 is laminated on the fragile layer 107. One of the sintered layers 106 is bonded to the connection electrode 43 of the source electrode 40S, and the other sintered layer 106 is bonded to the metal film 72 of the conductive spacer 70. The fragile layer 107 is sandwiched between the sintered layers 106 in the Z direction. Since the fragile layer 107 is a low-pressure sintered body as described above, the thickness of the fragile layer 107 is, for example, thicker than the thickness of each of the sintered layers 106.
<第12実施形態のまとめ>
先行実施形態に記載したように、ソース電極40S、特に下地電極42には、熱応力が集中しやすい。また、接合材101を介した接合構造において、接合材101として焼結部材のみを用いると、焼結部材はソース電極40Sよりも降伏応力に到達し難いため、熱応力がソース電極40S(下地電極42)に集中しやすい。
<Summary of the twelfth embodiment>
As described in the preceding embodiment, thermal stress is likely to concentrate on the source electrode 40S, particularly on the base electrode 42. In addition, in a joint structure using the joint material 101, if only a sintered member is used as the joint material 101, the sintered member is less likely to reach the yield stress than the source electrode 40S, and therefore thermal stress is likely to concentrate on the source electrode 40S (base electrode 42).
本実施形態では、ソース電極40Sと導電スペーサ70を接合する接合材101が、多層接合材101Cである。多層接合材101Cは、焼結層106と脆弱層107を有している。脆弱層107は、ヤング率および/または降伏応力がソース電極40S(下地電極42)よりも小さい。これにより、熱応力が脆弱層107に集中する。たとえばソース電極40Sにクラックが生じる前に、脆弱層107にクラックが生じる。したがって、素子ダメージを抑制することができる。
In this embodiment, the bonding material 101 that bonds the source electrode 40S and the conductive spacer 70 is a multi-layer bonding material 101C. The multi-layer bonding material 101C has a sintered layer 106 and a fragile layer 107. The fragile layer 107 has a Young's modulus and/or a yield stress that is smaller than that of the source electrode 40S (base electrode 42). This causes thermal stress to concentrate in the fragile layer 107. For example, a crack occurs in the fragile layer 107 before a crack occurs in the source electrode 40S. Therefore, damage to the element can be suppressed.
本実施形態では、図107に示したように、ヤング率および降伏応力の両方について、脆弱層107がソース電極40S(下地電極42)よりも小さい。これにより、素子ダメージを効果的に抑制することができる。
In this embodiment, as shown in FIG. 107, the Young's modulus and yield stress of the fragile layer 107 are both smaller than those of the source electrode 40S (base electrode 42). This makes it possible to effectively suppress damage to the element.
また、多層接合材101C(接合材101)が焼結体を含む。焼結体の熱伝導率は、はんだに較べて十分に高い。したがって、放熱性を高めることができる。
The multi-layer bonding material 101C (bonding material 101) also contains a sintered body. The thermal conductivity of a sintered body is sufficiently higher than that of solder. Therefore, heat dissipation can be improved.
本実施形態では、脆弱層107が、焼結層106と同じ種類の粒子による焼結体である。脆弱層107は、焼結層106よりも粒子の間の空隙が大きい。脆弱層107は、焼結層106よりも低い加圧力で形成された焼結体である。加圧力を変えることで、焼結層106と脆弱層107を形成することができる。よって、構成を簡素化することができる。
In this embodiment, the fragile layer 107 is a sintered body made of the same type of particles as the sintered layer 106. The fragile layer 107 has larger gaps between the particles than the sintered layer 106. The fragile layer 107 is a sintered body formed with a lower pressure than the sintered layer 106. By changing the pressure, the sintered layer 106 and the fragile layer 107 can be formed. This simplifies the configuration.
本実施形態では、多層接合材101Cが三層構造をなしている。多層接合材101Cは、両端に焼結層106を有し、焼結層106の間に脆弱層107を有している。焼結層106のひとつがソース電極40Sとの間に接合部を形成し、焼結層106の他のひとつが第2配線部材である導電スペーサ70との間に接合部を形成する。よって、ソース電極40S、導電スペーサ70との接合性を確保しつつ、素子ダメージを抑制することができる。
In this embodiment, the multi-layer bonding material 101C has a three-layer structure. The multi-layer bonding material 101C has sintered layers 106 on both ends, and a fragile layer 107 between the sintered layers 106. One of the sintered layers 106 forms a joint with the source electrode 40S, and the other sintered layer 106 forms a joint with the conductive spacer 70, which is the second wiring member. Therefore, it is possible to suppress damage to the element while ensuring the bond with the source electrode 40S and the conductive spacer 70.
<変形例>
脆弱層として、焼結層106よりも低い加圧力で焼結された脆弱層107の例を示したが、これに限定されない。焼結体である脆弱層107に代えて、図108に示すように、非焼結体である脆弱層108を採用してもよい。脆弱層108は、たとえばAlを含む。Alを含む脆弱層108は、ヤング率および/または降伏応力がソース電極40S(下地電極42)よりも小さい。よって、脆弱層107と同様に、素子ダメージを抑制することができる。なお、Alを含む脆弱層108の熱伝導率も、200W/m・K以上である。図108は、変形例を示す断面図であり、図106に対応している。
<Modification>
Although an example of the fragile layer 107 sintered at a lower pressure than the sintered layer 106 is shown as the fragile layer, the present invention is not limited thereto. Instead of the fragile layer 107 which is a sintered body, a fragile layer 108 which is a non-sintered body may be adopted as shown in FIG. 108. The fragile layer 108 contains, for example, Al. The fragile layer 108 containing Al has a Young's modulus and/or a yield stress smaller than that of the source electrode 40S (base electrode 42). Therefore, like the fragile layer 107, element damage can be suppressed. The thermal conductivity of the fragile layer 108 containing Al is also 200 W/m·K or more. FIG. 108 is a cross-sectional view showing a modified example, and corresponds to FIG. 106.
多層接合材101Cが三層構造の例を示したが、これに限定されない。たとえば四層以上の構造としてもよい。また、図109に示すように、二層構造としてもよい。多層接合材101Cは、導電スペーサ70側に焼結層106を有し、ソース電極40S側に脆弱層107を有している。このように、脆弱層107を、半導体素子40に対して近い位置に配置している。よって、素子ダメージを抑制する効果を高めることができる。図109は、変形例を示す断面図であり、図106に対応している。
Although an example of a three-layer structure of the multi-layer bonding material 101C has been shown, this is not limiting. For example, a structure of four or more layers may be used. Also, as shown in FIG. 109, a two-layer structure may be used. The multi-layer bonding material 101C has a sintered layer 106 on the conductive spacer 70 side, and a fragile layer 107 on the source electrode 40S side. In this way, the fragile layer 107 is disposed in a position close to the semiconductor element 40. This enhances the effect of suppressing element damage. FIG. 109 is a cross-sectional view showing a modified example, and corresponds to FIG. 106.
図110に示す例では、多層接合材101Cは、ソース電極40S側に焼結層106を有し、導電スペーサ70側に脆弱層107を有している。加圧焼結体であり、脆弱層107よりも放熱性に優れる焼結層106を半導体素子40に対して近い位置に配置している。よって、放熱性を高めることができる。図110は、変形例を示す断面図であり、図106に対応している。
In the example shown in FIG. 110, the multilayer bonding material 101C has a sintered layer 106 on the source electrode 40S side and a fragile layer 107 on the conductive spacer 70 side. The sintered layer 106, which is a pressure-sintered body and has better heat dissipation properties than the fragile layer 107, is positioned closer to the semiconductor element 40. This improves heat dissipation. FIG. 110 is a cross-sectional view showing a modified example and corresponds to FIG. 106.
ソース電極40Sが接続される第2配線部材が、配線板である基板60と、導電スペーサ70を備える例を示したが、これに限定されない。導電スペーサ70に代えて、表面金属体62に凸部を設けてもよい。つまり、第2配線部材が、導電スペーサ70を備えず、基板60のみを備える構成としてもよい。この場合、多層接合材101Cは、表面金属体62の凸部の先端面とソース電極40S(接続電極43)との間に介在する。
In the above example, the second wiring member to which the source electrode 40S is connected includes the substrate 60, which is a wiring board, and the conductive spacer 70, but is not limited to this. Instead of the conductive spacer 70, a convex portion may be provided on the surface metal body 62. In other words, the second wiring member may not include the conductive spacer 70, and may include only the substrate 60. In this case, the multilayer bonding material 101C is interposed between the tip surface of the convex portion of the surface metal body 62 and the source electrode 40S (connection electrode 43).
第1配線部材として基板50の例を示したがこれに限定されない。基板50に代えて、金属板(リードフレーム)を採用してもよい。第2配線部材として基板60の例を示したがこれに限定されない。基板60に代えて、金属板(リードフレーム)を採用してもよい。第2配線部材は、金属板と導電スペーサ70を有してもよいし、導電スペーサ70に代えて、金属板に凸部を設けてもよい。
Although an example of a substrate 50 is shown as the first wiring member, this is not limiting. A metal plate (lead frame) may be used instead of the substrate 50. Although an example of a substrate 60 is shown as the second wiring member, this is not limiting. A metal plate (lead frame) may be used instead of the substrate 60. The second wiring member may have a metal plate and a conductive spacer 70, or a convex portion may be provided on the metal plate instead of the conductive spacer 70.
半導体装置20が半導体素子40H、40Lを備える例を示したが、これに限定されない。アームのひとつを構成する半導体素子40のみを備えてもよい。半導体装置20は、たとえばひとつの半導体素子40のみを備えてもよい。
Although an example has been shown in which the semiconductor device 20 includes semiconductor elements 40H and 40L, the present invention is not limited to this. The semiconductor device 20 may include only a semiconductor element 40 that constitutes one of the arms. The semiconductor device 20 may include, for example, only one semiconductor element 40.
本実施形態に記載の構成は、第1実施形態、第2実施形態、第3実施形態、第4実施形態、第5実施形態、第6実施形態、第7実施形態、第8実施形態、第9実施形態、第10実施形態、第11実施形態、および変形例に記載の構成のいずれとも組み合わせが可能である。
The configuration described in this embodiment can be combined with any of the configurations described in the first, second, third, fourth, fifth, sixth, seventh, eighth, ninth, tenth, and eleventh embodiments, and the modified examples.
(第13実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。本実施形態に記載のように、ひとつの半導体素子40により各アームを構成してもよい。
Thirteenth Embodiment
This embodiment is a modification based on the preceding embodiment, and the description of the preceding embodiment can be used as the basis for this embodiment. As described in this embodiment, each arm may be formed of a single semiconductor element 40.
<電力変換装置>
まず、図111に基づき、半導体装置20が適用される電力変換装置4の回路構成について説明する。図111は、電力変換装置4の等価回路を示す図である。
<Power conversion device>
First, the circuit configuration of the power conversion device 4 to which the semiconductor device 20 is applied will be described with reference to Fig. 111. Fig. 111 is a diagram showing an equivalent circuit of the power conversion device 4.
図111に示す電力変換装置4も、車両の駆動システム1に用いられる。電力変換装置4の構成は、先行実施形態に記載の構成(図1参照)とほぼ同じである。異なる点は、各アームが、ひとつのMOSFET11のみを有している。一相分の上下アーム回路9は、2つのMOSFET11により構成される。一相分の上下アーム回路9は、ひとつの半導体装置20により提供される。
The power conversion device 4 shown in FIG. 111 is also used in a vehicle drive system 1. The configuration of the power conversion device 4 is almost the same as the configuration described in the preceding embodiment (see FIG. 1). The difference is that each arm has only one MOSFET 11. The upper and lower arm circuits 9 for one phase are composed of two MOSFETs 11. The upper and lower arm circuits 9 for one phase are provided by one semiconductor device 20.
<半導体装置>
次に、図112~図121に基づき、半導体装置について説明する。図112は、半導体装置20の斜視図である。図113は、半導体装置20を示す平面図である。図113は、内部構造を示す透過図である。図114は、基板50に半導体素子40が実装された状態を示す平面図である。図114では、図10では、便宜上、リードフレーム94を示している。図115は、基板50の回路パターンを示す平面図である。図115では、基板50に半導体素子40および継手部81を実装した状態を示している。図115では、表面金属体52に接合されるP端子91P、出力端子92、およびガイドフレーム94cについても破線で図示している。
<Semiconductor Device>
Next, the semiconductor device will be described with reference to Figs. 112 to 121. Fig. 112 is a perspective view of the semiconductor device 20. Fig. 113 is a plan view showing the semiconductor device 20. Fig. 113 is a see-through view showing the internal structure. Fig. 114 is a plan view showing a state in which the semiconductor element 40 is mounted on the substrate 50. In Fig. 114, the lead frame 94 is shown for convenience in Fig. 10. Fig. 115 is a plan view showing the circuit pattern of the substrate 50. Fig. 115 shows a state in which the semiconductor element 40 and the joint portion 81 are mounted on the substrate 50. In Fig. 115, the P terminal 91P, the output terminal 92, and the guide frame 94c joined to the front metal body 52 are also shown by dashed lines.
図116は、基板60の回路パターンを示す平面図である。図116では、表面金属体62に接合される半導体素子40、継手部81、およびN端子91Nについても破線で図示している。図117は、図113のCXVII-CXVII線に沿う断面図である。図118は、図113のCXVIII-CXVIII線に沿う断面図である。図119は、図113のCXIX-CXIX線に沿う断面図である。図120は、図113のCXX-CXX線に沿う断面図である。図121は、図120に一点鎖線で示す領域CXXIを拡大した図である。
Figure 116 is a plan view showing the circuit pattern of the substrate 60. In Figure 116, the semiconductor element 40, joint portion 81, and N terminal 91N joined to the surface metal body 62 are also shown by dashed lines. Figure 117 is a cross-sectional view taken along line CXVII-CXVII in Figure 113. Figure 118 is a cross-sectional view taken along line CXVIII-CXVIII in Figure 113. Figure 119 is a cross-sectional view taken along line CXIX-CXIX in Figure 113. Figure 120 is a cross-sectional view taken along line CXX-CXX in Figure 113. Figure 121 is an enlarged view of area CXXI shown by the dashed line in Figure 120.
本実施形態でも、先行実施形態同様、半導体素子40(半導体基板)の板厚方向をZ方向とし、半導体素子40H、40Lの並び方向をY方向とする。Z方向およびY方向の両方向に直交する方向をX方向とする。特に断わりのない限り、Z方向から平面視した形状、換言すればX方向およびY方向により規定されるXY面に沿う形状を平面形状とする。以下において、「内側」、「外側」とは、半導体素子40の中心を基準位置とする相対的な位置関係を示す。中心に近い側が内側、遠い側が外側である。
In this embodiment, as in the previous embodiment, the thickness direction of the semiconductor element 40 (semiconductor substrate) is the Z direction, and the arrangement direction of the semiconductor elements 40H, 40L is the Y direction. The direction perpendicular to both the Z direction and the Y direction is the X direction. Unless otherwise specified, the shape viewed from the Z direction, in other words the shape along the XY plane defined by the X direction and the Y direction, is the planar shape. In the following, "inside" and "outside" refer to the relative positional relationship with the center of the semiconductor element 40 as the reference position. The side closer to the center is the inside, and the side furthest from the center is the outside.
本実施形態の半導体装置20は、先行実施形態同様、上下アーム回路9のひとつ、つまり一相分の上下アーム回路9を構成する。半導体装置20は、先行実施形態に記載の構成(図2~図13参照)と同様の要素を備えている。図112~図121に示すように、半導体装置20は、封止体30と、半導体素子40と、基板50、60と、導電スペーサ70と、アーム接続部80と、外部接続端子90を備えている。以下では、主に、先行実施形態に記載の構成とは異なる部分について説明する。
The semiconductor device 20 of this embodiment, like the preceding embodiment, constitutes one of the upper and lower arm circuits 9, that is, one phase of the upper and lower arm circuit 9. The semiconductor device 20 has the same elements as the configuration described in the preceding embodiment (see Figures 2 to 13). As shown in Figures 112 to 121, the semiconductor device 20 has a sealing body 30, a semiconductor element 40, substrates 50 and 60, a conductive spacer 70, an arm connection portion 80, and an external connection terminal 90. The following mainly describes the parts that are different from the configuration described in the preceding embodiment.
封止体30は、先行実施形態同様、半導体装置20を構成する他の要素の一部を封止している。図112および図113に示すように、封止体30は平面略矩形状をなしている。封止体30は、Z方向において、一面30aと裏面30bを有している。一面30aと裏面30bをつなぐ側面は、外部接続端子90が突出する2つの側面30f、30gを含んでいる。側面30gは、X方向において側面30fとは反対の面である。
As in the previous embodiment, the sealing body 30 seals some of the other elements that make up the semiconductor device 20. As shown in Figures 112 and 113, the sealing body 30 has a generally rectangular shape in plan view. In the Z direction, the sealing body 30 has one surface 30a and a back surface 30b. The side surface connecting the one surface 30a and the back surface 30b includes two side surfaces 30f and 30g from which the external connection terminals 90 protrude. Side surface 30g is the surface opposite side surface 30f in the X direction.
半導体素子40は、半導体基板に、スイッチング素子が形成されてなる。本実施形態の半導体素子40は、先行実施形態同様、SiCを材料とする半導体基板に、nチャネル型のMOSFET11が形成されてなる。半導体素子40は、主電極として、一面にドレイン電極40Dを有し、裏面にソース電極40Sを有している。半導体素子40は、裏面にパッド40Pを有している。
The semiconductor element 40 is formed by forming a switching element on a semiconductor substrate. As in the previous embodiment, the semiconductor element 40 of this embodiment is formed by forming an n-channel MOSFET 11 on a semiconductor substrate made of SiC. The semiconductor element 40 has a drain electrode 40D on one surface as main electrodes, and a source electrode 40S on the back surface. The semiconductor element 40 has a pad 40P on the back surface.
半導体素子40は、上アーム9Hを構成するひとつの半導体素子40Hと、下アーム9Lを構成するひとつの半導体素子40Lを含む。半導体素子40H、40Lの構成は、互いに共通である。図113および図114に示すように、半導体素子40H、40Lは、Y方向に並んでいる。各半導体素子40は、Z方向において互いにほぼ同じ位置に配置されている。各半導体素子40のドレイン電極40Dは、基板50に対向している。各半導体素子40のソース電極40Sは、基板60に対向している。
The semiconductor elements 40 include one semiconductor element 40H constituting the upper arm 9H and one semiconductor element 40L constituting the lower arm 9L. The semiconductor elements 40H, 40L have a common configuration. As shown in Figures 113 and 114, the semiconductor elements 40H, 40L are aligned in the Y direction. The semiconductor elements 40 are disposed at approximately the same positions as each other in the Z direction. The drain electrode 40D of each semiconductor element 40 faces the substrate 50. The source electrode 40S of each semiconductor element 40 faces the substrate 60.
基板50、60は、Z方向において、複数の半導体素子40を挟むように配置されている。基板50、60は、Z方向において互いに少なくとも一部が対向するように配置されている。基板50、60は、平面視において複数の半導体素子40(40H、40L)のすべてを内包している。
The substrates 50 and 60 are arranged in the Z direction to sandwich the multiple semiconductor elements 40. The substrates 50 and 60 are arranged so that at least a portion of each substrate faces each other in the Z direction. The substrates 50 and 60 contain all of the multiple semiconductor elements 40 (40H, 40L) in a plan view.
基板50は、ドレイン電極40D側に配置されている。基板60は、ソース電極40S側に配置されている。基板50は、ドレイン電極40Dと電気的に接続され、配線機能を提供する。基板60は、ソース電極40Sに電気的に接続され、配線機能を提供する。基板50、60は、半導体素子40の生じた熱を放熱する放熱機能を提供する。
The substrate 50 is disposed on the drain electrode 40D side. The substrate 60 is disposed on the source electrode 40S side. The substrate 50 is electrically connected to the drain electrode 40D and provides a wiring function. The substrate 60 is electrically connected to the source electrode 40S and provides a wiring function. The substrates 50 and 60 provide a heat dissipation function to dissipate heat generated by the semiconductor element 40.
基板50は、絶縁基材51と、表面金属体52と、裏面金属体53を備えている。基板60は、絶縁基材61と、表面金属体62と、裏面金属体63を備えている。基板60は、絶縁基材61と金属体62、63とが積層された基板である。以下では、表面金属体52、62、および、裏面金属体53、63を、単に金属体52、53、62、63と示すことがある。
The substrate 50 comprises an insulating substrate 51, a front metal body 52, and a rear metal body 53. The substrate 60 comprises an insulating substrate 61, a front metal body 62, and a rear metal body 63. The substrate 60 is a substrate in which the insulating substrate 61 and metal bodies 62, 63 are laminated. Hereinafter, the front metal bodies 52, 62 and the rear metal bodies 53, 63 may be simply referred to as metal bodies 52, 53, 62, 63.
絶縁基材51は、表面金属体52と裏面金属体53とを電気的に分離する。同様に、絶縁基材61は、表面金属体62と裏面金属体63とを電気的に分離する。本実施形態では、樹脂系の絶縁基材51、61を採用しており、材料構成は共通である。
The insulating substrate 51 electrically separates the front metal body 52 and the back metal body 53. Similarly, the insulating substrate 61 electrically separates the front metal body 62 and the back metal body 63. In this embodiment, resin-based insulating substrates 51 and 61 are used, and the material configuration is the same.
金属体52、53、62、63は、たとえば、金属板または金属箔として提供される。表面金属体52、62は、パターニングされている。表面金属体52、62は、金属表面に、Ni系やAuなどのめっき膜を備えてもよい。以下では、表面金属体52、62のパターンを、回路パターンと示すことがある。表面金属体52は、先行実施形態同様、P配線54と、中継配線55を有している。P配線54と中継配線55は、所定の間隔(ギャップ)により、電気的に分離されている。このギャップには、封止体30が充填されている。
The metal bodies 52, 53, 62, 63 are provided, for example, as metal plates or metal foils. The surface metal bodies 52, 62 are patterned. The surface metal bodies 52, 62 may have a plating film of Ni-based or Au, etc., on the metal surface. Hereinafter, the pattern of the surface metal bodies 52, 62 may be referred to as a circuit pattern. The surface metal body 52 has a P wiring 54 and a relay wiring 55, as in the previous embodiment. The P wiring 54 and the relay wiring 55 are electrically separated by a predetermined interval (gap). This gap is filled with the sealing body 30.
P配線54は、P端子91Pおよび半導体素子40Hのドレイン電極40Dに接続されている。P配線54は、P端子91Pと半導体素子40Hのドレイン電極40Dとを電気的に接続している。P配線54は、X方向を長手方向とする平面略矩形状をなしている。中継配線55は、半導体素子40Lのドレイン電極40D、アーム接続部80、および出力端子92に接続されている。中継配線55は、平面略矩形状をなしている。
The P wiring 54 is connected to the P terminal 91P and the drain electrode 40D of the semiconductor element 40H. The P wiring 54 electrically connects the P terminal 91P and the drain electrode 40D of the semiconductor element 40H. The P wiring 54 has a generally rectangular shape in plan with the X direction as the longitudinal direction. The relay wiring 55 is connected to the drain electrode 40D of the semiconductor element 40L, the arm connection portion 80, and the output terminal 92. The relay wiring 55 has a generally rectangular shape in plan.
P配線54と中継配線55は、Y方向に並んで配置されている。半導体素子40Lは、中継配線55においてY方向の一端側、具体的にはP配線54に遠い側に偏って実装されている。アーム接続部80を構成する継手部81は、中継配線55においてY方向の他端側、具体的にはP配線54に近い側に偏って実装されている。P端子91Pは、P配線54においてX方向の一端付近に接続されている。出力端子92は、中継配線55においてX方向の一端付近に接続されている。P端子91Pおよび出力端子92は、半導体素子40に対してX方向の同じ側に配置されている。
The P wiring 54 and the relay wiring 55 are arranged side by side in the Y direction. The semiconductor element 40L is mounted on the relay wiring 55, biased toward one end side in the Y direction, specifically, the side farther from the P wiring 54. The joint portion 81 constituting the arm connection portion 80 is mounted on the relay wiring 55, biased toward the other end side in the Y direction, specifically, the side closer to the P wiring 54. The P terminal 91P is connected to the P wiring 54 near one end in the X direction. The output terminal 92 is connected to the relay wiring 55 near one end in the X direction. The P terminal 91P and the output terminal 92 are arranged on the same side in the X direction with respect to the semiconductor element 40.
表面金属体62は、先行実施形態同様、N配線64と、中継配線65を有している。N配線64と中継配線65は、所定の間隔(ギャップ)により、電気的に分離されている。このギャップには、封止体30が充填されている。N配線64は、N端子91Nおよび半導体素子40Lのソース電極40Sに接続されている。中継配線65は、半導体素子40Hのソース電極40Sおよびアーム接続部80に接続されている。
The surface metal body 62 has an N wiring 64 and a relay wiring 65, as in the previous embodiment. The N wiring 64 and the relay wiring 65 are electrically separated by a predetermined distance (gap). This gap is filled with the sealing body 30. The N wiring 64 is connected to the N terminal 91N and the source electrode 40S of the semiconductor element 40L. The relay wiring 65 is connected to the source electrode 40S of the semiconductor element 40H and the arm connection part 80.
N配線64は、基部644と、延設部645を有している。N配線64は、平面略L字状をなしている。基部644は、平面略矩形状をなしている。基部644は、平面視において半導体素子40Lを内包している。延設部645は、平面略矩形状をなす基部644のひとつの辺に連なっている。延設部645は、基部644における中継配線65との対向辺からY方向において基部654側に延びている。
The N wiring 64 has a base 644 and an extension portion 645. The N wiring 64 is generally L-shaped in plan. The base 644 is generally rectangular in plan. The base 644 contains the semiconductor element 40L in plan view. The extension portion 645 is connected to one side of the base 644, which is generally rectangular in plan. The extension portion 645 extends from the side of the base 644 facing the relay wiring 65 toward the base 654 in the Y direction.
中継配線65は、基部654と、延設部655を有している。中継配線65は、平面略L字状をなしている。基部654は、平面略矩形状をなしている。基部654は、平面視において半導体素子40Hを内包している。延設部655は、平面略矩形状をなす基部654のひとつの辺に連なっている。延設部655は、基部654におけるN配線64との対向辺から、Y方向において基部644側に延びている。延設部655の少なくとも一部は、平面視において中継配線55と重なっている。
The relay wiring 65 has a base 654 and an extension portion 655. The relay wiring 65 has a generally L-shape in plan view. The base 654 has a generally rectangular shape in plan view. The base 654 contains the semiconductor element 40H in plan view. The extension portion 655 is connected to one side of the base 654, which has a generally rectangular shape in plan view. The extension portion 655 extends from the side of the base 654 facing the N wiring 64 toward the base 644 in the Y direction. At least a portion of the extension portion 655 overlaps with the relay wiring 55 in plan view.
N配線64と中継配線65は、Y方向に並んで配置されている。基部644、654は、Y方向に並んでいる。半導体素子40Lのソース電極40Sは、基部644に電気的に接続されている。半導体素子40Hのソース電極40Sは、基部654に電気的に接続されている。延設部645、655は、X方向に並んでいる。N端子91Nは、延設部645に接続されている。継手部81は、延設部655に接続されている。
The N wiring 64 and the relay wiring 65 are arranged side by side in the Y direction. The bases 644, 654 are arranged side by side in the Y direction. The source electrode 40S of the semiconductor element 40L is electrically connected to the base 644. The source electrode 40S of the semiconductor element 40H is electrically connected to the base 654. The extensions 645, 655 are arranged side by side in the X direction. The N terminal 91N is connected to the extension 645. The joint portion 81 is connected to the extension 655.
裏面金属体53、63は、絶縁基材51、61により、表面金属体52、62と電気的に分離されている。本実施形態の裏面金属体53、63は、絶縁基材51、61の裏面のほぼ全域に配置された、いわゆるベタ導体である。裏面金属体53は封止体30の一面30aから露出し、裏面金属体63は裏面30bから露出している。裏面金属体53の露出面は、一面30aと略面一である。裏面金属体63の露出面は、裏面30bと略面一である。
The back metal bodies 53, 63 are electrically isolated from the front metal bodies 52, 62 by the insulating substrates 51, 61. In this embodiment, the back metal bodies 53, 63 are so-called solid conductors arranged over almost the entire back surface of the insulating substrates 51, 61. The back metal body 53 is exposed from one surface 30a of the sealing body 30, and the back metal body 63 is exposed from the back surface 30b. The exposed surface of the back metal body 53 is approximately flush with the one surface 30a. The exposed surface of the back metal body 63 is approximately flush with the back surface 30b.
導電スペーサ70は、半導体素子40のソース電極40Sと基板60との間に介在する。導電スペーサ70は、半導体素子40のソース電極40Sに個別に接続されている。半導体装置20は、2つの導電スペーサ70を備えている。導電スペーサ70のひとつは、半導体素子40Hのソース電極40Sと中継配線65とを電気的に接続する。導電スペーサ70の他のひとつは、半導体素子40Lのソース電極40SとN配線64とを電気的に接続する。
The conductive spacer 70 is interposed between the source electrode 40S of the semiconductor element 40 and the substrate 60. The conductive spacer 70 is individually connected to the source electrode 40S of the semiconductor element 40. The semiconductor device 20 includes two conductive spacers 70. One of the conductive spacers 70 electrically connects the source electrode 40S of the semiconductor element 40H to the relay wiring 65. The other conductive spacer 70 electrically connects the source electrode 40S of the semiconductor element 40L to the N wiring 64.
アーム接続部80は、中継配線55、65を電気的に接続する。アーム接続部80は,Y方向において、半導体素子40Hと半導体素子40Lの間に設けられている。アーム接続部80は、平面視において中継配線55と中継配線65(延設部655)との重なり領域に設けられている。本実施形態のアーム接続部80は、先行実施形態同様、継手部81と、接合材103を備えて構成される。継手部81は、金属柱状体である。Z方向において、継手部81の端部のひとつと中継配線55との間に接合材103が介在し、端部の他のひとつと中継配線65との間に接合材103が介在している。
The arm connection part 80 electrically connects the relay wirings 55 and 65. The arm connection part 80 is provided between the semiconductor element 40H and the semiconductor element 40L in the Y direction. The arm connection part 80 is provided in the overlapping area of the relay wiring 55 and the relay wiring 65 (extension part 655) in a plan view. The arm connection part 80 of this embodiment is configured with a joint part 81 and a bonding material 103, as in the previous embodiment. The joint part 81 is a metal column. In the Z direction, the bonding material 103 is interposed between one of the ends of the joint part 81 and the relay wiring 55, and the bonding material 103 is interposed between the other end and the relay wiring 65.
これに代えて、継手部81は、表面金属体52、62の少なくともひとつに一体的に連なるものでもよい。つまり、継手部81は、基板50、60の一部として表面金属体52、62と一体的に設けたものでもよい。アーム接続部80は、継手部81を備えない構成としてもよい。つまり、アーム接続部80が、接合材103のみを備える構成としてもよい。
Alternatively, the joint portion 81 may be integrally connected to at least one of the surface metal bodies 52, 62. In other words, the joint portion 81 may be provided integrally with the surface metal bodies 52, 62 as part of the substrates 50, 60. The arm connection portion 80 may not include the joint portion 81. In other words, the arm connection portion 80 may include only the bonding material 103.
外部接続端子90は、電源端子91と、出力端子92と、信号端子93を備えている。電源端子91は、P端子91Pと、N端子91Nを備えている。以下では、P端子91P、N端子91N、および出力端子92を主端子91P、91N、92と示すことがある。信号端子93は、上アーム9H側の信号端子93Hと、下アーム9L側の信号端子93Lを備えている。
The external connection terminal 90 includes a power terminal 91, an output terminal 92, and a signal terminal 93. The power terminal 91 includes a P terminal 91P and an N terminal 91N. Hereinafter, the P terminal 91P, the N terminal 91N, and the output terminal 92 may be referred to as main terminals 91P, 91N, and 92. The signal terminal 93 includes a signal terminal 93H on the upper arm 9H side, and a signal terminal 93L on the lower arm 9L side.
P端子91Pは、P配線54におけるX方向の一端付近に接続されている。P端子91Pは、P配線54との接続部91aからX方向の外側に延びている。P端子91Pのうち、接続部91aを含む一部分が封止体30により覆われ、残りの部分が封止体30から突出している。P端子91Pは、側面30fにおいてZ方向の中央付近から封止体30の外に突出している。
The P terminal 91P is connected to the P wiring 54 near one end in the X direction. The P terminal 91P extends outward in the X direction from the connection portion 91a with the P wiring 54. A portion of the P terminal 91P including the connection portion 91a is covered by the sealing body 30, and the remaining portion protrudes from the sealing body 30. The P terminal 91P protrudes outside the sealing body 30 from near the center in the Z direction on the side surface 30f.
N端子91Nは、N配線64におけるX方向の一端付近に接続されている。N端子91Nは、N配線64との接続部91bからX方向の外側に延びている。N端子91Nのうち、接続部91bを含む一部分が封止体30により覆われ、残りの部分が封止体30から突出している。N端子91Nは、側面30fにおいてZ方向の中央付近から封止体30の外に突出している。
The N terminal 91N is connected to the N wiring 64 near one end in the X direction. The N terminal 91N extends outward in the X direction from the connection portion 91b with the N wiring 64. A portion of the N terminal 91N including the connection portion 91b is covered by the sealing body 30, and the remaining portion protrudes from the sealing body 30. The N terminal 91N protrudes outside the sealing body 30 from near the center in the Z direction on the side surface 30f.
出力端子92は、中継配線55におけるX方向の一端付近に接続されている。出力端子92は、中継配線55との接続部92aからX方向の外側に延びている。出力端子92のうち、接続部92aを含む一部分が封止体30により覆われ、残りの部分が封止体30から突出している。出力端子92は、側面30fにおいてZ方向の中央付近から封止体30の外に突出している。
The output terminal 92 is connected to the relay wiring 55 near one end in the X direction. The output terminal 92 extends outward in the X direction from a connection portion 92a with the relay wiring 55. A portion of the output terminal 92 including the connection portion 92a is covered by the sealing body 30, and the remaining portion protrudes from the sealing body 30. The output terminal 92 protrudes outside the sealing body 30 from near the center in the Z direction on the side surface 30f.
3本の主端子91P、91N、92は、Y方向に並んで配置されている。主端子91P、91N、92は、Y方向においてP端子91P、N端子91N、出力端子92の順に配置されている。電源端子91であるP端子91PとN端子91Nは、封止体30から突出した部分を含む一部分において、互いに側面が対向している。
The three main terminals 91P, 91N, and 92 are arranged side by side in the Y direction. The main terminals 91P, 91N, and 92 are arranged in the Y direction in the order of P terminal 91P, N terminal 91N, and output terminal 92. The P terminal 91P and N terminal 91N, which are power supply terminals 91, have their sides facing each other in a portion that includes the portion protruding from the sealing body 30.
信号端子93は、ボンディングワイヤ110などの接続部材を介して、対応する半導体素子40のパッド40Pに電気的に接続されている。信号端子93Hは、ボンディングワイヤ110を介して半導体素子40Hのパッド40Pに接続されている。信号端子93Lは、ボンディングワイヤ110を介して半導体素子40Lのパッド40Pに接続されている。信号端子93は、X方向であって外側に延び、側面30gにおいてZ方向の中央付近から封止体30の外に突出している。信号端子93は、X方向において主端子91P、91N、92とは反対側に延びている。
The signal terminal 93 is electrically connected to the pad 40P of the corresponding semiconductor element 40 via a connecting member such as a bonding wire 110. The signal terminal 93H is connected to the pad 40P of the semiconductor element 40H via a bonding wire 110. The signal terminal 93L is connected to the pad 40P of the semiconductor element 40L via a bonding wire 110. The signal terminal 93 extends outward in the X direction and protrudes outside the sealing body 30 from near the center of the side surface 30g in the Z direction. The signal terminal 93 extends in the X direction on the opposite side to the main terminals 91P, 91N, and 92.
リードフレーム94は、先行実施形態に記載した構成同様、外部接続端子90と、タイバー94aと、外周フレーム94bを備えている。本実施形態のリードフレーム94は、ガイドフレーム94cをさらに備えている。先行実施形態に記載したように、タイバー94aおよび外周フレーム94bは、半導体装置20の製造過程において、不要部分として除去される。一方、ガイドフレーム94cは、半導体装置20の要素として外部接続端子90とともに残る。
The lead frame 94 includes an external connection terminal 90, a tie bar 94a, and an outer peripheral frame 94b, similar to the configuration described in the previous embodiment. The lead frame 94 in this embodiment further includes a guide frame 94c. As described in the previous embodiment, the tie bar 94a and the outer peripheral frame 94b are removed as unnecessary parts during the manufacturing process of the semiconductor device 20. Meanwhile, the guide frame 94c remains together with the external connection terminal 90 as an element of the semiconductor device 20.
リードフレーム94は、図114に示すように、2つのガイドフレーム94cを備えている。ガイドフレーム94cのひとつは、P端子91Pに連なっている。ガイドフレーム94cは、不要部分を削除する前の状態で、P端子91Pと外周フレーム94bとをつないでいる。ガイドフレーム94cの他のひとつは、出力端子92に連なっている。ガイドフレーム94cは、不要部分を削除する前の状態で、出力端子92と外周フレーム94bとをつないでいる。
As shown in FIG. 114, the lead frame 94 has two guide frames 94c. One of the guide frames 94c is connected to the P terminal 91P. Before unnecessary portions are removed, the guide frame 94c connects the P terminal 91P and the outer frame 94b. The other guide frame 94c is connected to the output terminal 92. Before unnecessary portions are removed, the guide frame 94c connects the output terminal 92 and the outer frame 94b.
図114、図119~図121に示すように、ガイドフレーム94cは、接続部940と、第1連結部941と、第2連結部942を有している。接続部940は、ガイドフレーム94cにおいて、表面金属体52との接続部分である。P端子91Pに連なるガイドフレーム94cは、P配線54に接続されている。具体的には、接続部940は、P配線54において、P端子91Pの接続部位とは反対の端部であって、Y方向において中継配線55とは反対側の端部付近に接続されている。接続部940は、平面略矩形状をなすP配線54の四隅のひとつに接続されている。
As shown in Figures 114, 119 to 121, the guide frame 94c has a connection portion 940, a first coupling portion 941, and a second coupling portion 942. The connection portion 940 is the connection portion of the guide frame 94c with the surface metal body 52. The guide frame 94c connected to the P terminal 91P is connected to the P wiring 54. Specifically, the connection portion 940 is the end of the P wiring 54 opposite the connection portion of the P terminal 91P, and is connected near the end opposite the relay wiring 55 in the Y direction. The connection portion 940 is connected to one of the four corners of the P wiring 54, which has a substantially rectangular shape in plan view.
第1連結部941は、P端子91Pと接続部940とを連結する。第1連結部941は、P端子91Pの接続部91aから、X方向であって側面30g側に延びている。第1連結部941は、平面視においてP配線54(表面金属体52)と重なっていない。第1連結部941は、表面金属体52の外側で、表面金属体52の外周端に沿って延びている。第2連結部942は、接続部940と外周フレーム94bとを連結する。第2連結部942は、接続部940からX方向であって外側に延びている。
The first connecting portion 941 connects the P terminal 91P and the connection portion 940. The first connecting portion 941 extends from the connection portion 91a of the P terminal 91P in the X direction toward the side surface 30g. The first connecting portion 941 does not overlap with the P wiring 54 (surface metal body 52) in a plan view. The first connecting portion 941 extends along the outer peripheral edge of the surface metal body 52 outside the surface metal body 52. The second connecting portion 942 connects the connection portion 940 and the outer peripheral frame 94b. The second connecting portion 942 extends outward from the connection portion 940 in the X direction.
出力端子92に連なるガイドフレーム94cは、中継配線55に接続されている。具体的には、接続部940は、中継配線55において、出力端子92の接続部位とは反対の端部であって、Y方向においてP配線54とは反対側の端部付近に接続されている。接続部940は、平面略矩形状をなす中継配線55の四隅のひとつに接続されている。
The guide frame 94c connected to the output terminal 92 is connected to the relay wiring 55. Specifically, the connection portion 940 is connected to the end of the relay wiring 55 opposite the connection portion of the output terminal 92, near the end opposite the P wiring 54 in the Y direction. The connection portion 940 is connected to one of the four corners of the relay wiring 55, which has a substantially rectangular shape in plan view.
第1連結部941は、出力端子92と接続部940とを連結する。第1連結部941は、出力端子92の接続部92aから、X方向であって側面30g側に延びている。第1連結部941は、平面視において中継配線55(表面金属体52)と重なっていない。第1連結部941は、表面金属体52の外側で、表面金属体52の外周端に沿って延びている。第2連結部942は、接続部940と外周フレーム94bとを連結する。第2連結部942は、接続部940からX方向であって外側に延びている。
The first connecting portion 941 connects the output terminal 92 and the connection portion 940. The first connecting portion 941 extends from the connection portion 92a of the output terminal 92 in the X direction toward the side surface 30g. The first connecting portion 941 does not overlap with the relay wiring 55 (surface metal body 52) in a plan view. The first connecting portion 941 extends along the outer peripheral edge of the surface metal body 52 outside the surface metal body 52. The second connecting portion 942 connects the connection portion 940 and the outer peripheral frame 94b. The second connecting portion 942 extends outward from the connection portion 940 in the X direction.
ガイドフレーム94cは、主端子91P、91N、92と同様の接続構造(接合構造)が可能である。ガイドフレーム94cは、たとえば接合材104を介して表面金属体52に接続される。接合材104としては、先行実施形態に記載したように、はんだや焼結部材を用いることができる。ガイドフレーム94cは、接合材104を介さずに、表面金属体52に直接的に接合されてもよい。たとえば超音波接合、摩擦撹拌接合、レーザ溶接などにより、表面金属体52に直接接合されてもよい。
The guide frame 94c can have a connection structure (joint structure) similar to that of the main terminals 91P, 91N, and 92. The guide frame 94c is connected to the surface metal body 52, for example, via a joint material 104. As described in the previous embodiment, the joint material 104 can be solder or a sintered material. The guide frame 94c may be directly joined to the surface metal body 52 without the joint material 104. For example, the guide frame 94c may be directly joined to the surface metal body 52 by ultrasonic welding, friction stir welding, laser welding, or the like.
上記したように、本実施形態の半導体装置20では、封止体30によって一相分の上下アーム回路9を構成する複数の半導体素子40が封止されている。封止体30は、複数の半導体素子40、基板50の一部、基板60の一部、複数の導電スペーサ70、アーム接続部80、および外部接続端子90それぞれの一部を、一体的に封止している。封止体30は、基板50、60において、絶縁基材51、61および表面金属体52、62を封止している。
As described above, in the semiconductor device 20 of this embodiment, the multiple semiconductor elements 40 that constitute the upper and lower arm circuits 9 for one phase are sealed by the sealing body 30. The sealing body 30 integrally seals the multiple semiconductor elements 40, part of the substrate 50, part of the substrate 60, the multiple conductive spacers 70, the arm connection portion 80, and part of each of the external connection terminals 90. The sealing body 30 seals the insulating substrates 51, 61 and the surface metal bodies 52, 62 in the substrates 50, 60.
半導体素子40は、Z方向において、基板50、60の間に配置されている。半導体素子40は、対向配置された基板50、60によって挟まれている。これにより、半導体素子40の熱を、Z方向において両側に放熱することができる。半導体装置20は、両面放熱構造をなしている。基板50の裏面50bは、封止体30の一面30aと略面一となっている。基板60の裏面60bは、封止体30の裏面30bと略面一となっている。裏面50b、60bが露出面であるため、放熱性を高めることができる。
The semiconductor element 40 is disposed between the substrates 50 and 60 in the Z direction. The semiconductor element 40 is sandwiched between the substrates 50 and 60, which are disposed opposite each other. This allows the heat of the semiconductor element 40 to be dissipated to both sides in the Z direction. The semiconductor device 20 has a double-sided heat dissipation structure. The back surface 50b of the substrate 50 is approximately flush with one surface 30a of the sealing body 30. The back surface 60b of the substrate 60 is approximately flush with the back surface 30b of the sealing body 30. Because the back surfaces 50b and 60b are exposed surfaces, heat dissipation can be improved.
<第13実施形態のまとめ>
本実施形態に記載の構成は、先行実施形態の記載した種々の構成のうち、一部を除く構成との組み合わせが可能である。上記一部とは、表面金属体の一対の延設部のそれぞれに電源端子を接続する構成(図15および図23参照)と、並列接続された複数の半導体素子を分けるように表面金属体にスリットを設ける構成(図28など参照)である。つまり、本実施形態に記載の構成は、第1実施形態のその他、第3実施形態、第4実施形態、第5実施形態、第6実施形態、第7実施形態、第8実施形態、第9実施形態、第10実施形態、第11実施形態、第12実施形態、および変形例に記載の構成のいずれとも組み合わせが可能である。
<Summary of the thirteenth embodiment>
The configuration described in this embodiment can be combined with the various configurations described in the preceding embodiments, excluding some of them. The above-mentioned some are a configuration in which a power supply terminal is connected to each of a pair of extension parts of the front surface metal body (see FIG. 15 and FIG. 23) and a configuration in which a slit is provided in the front surface metal body so as to separate a plurality of semiconductor elements connected in parallel (see FIG. 28, etc.). In other words, the configuration described in this embodiment can be combined with any of the configurations described in the other first embodiment, the third embodiment, the fourth embodiment, the fifth embodiment, the sixth embodiment, the seventh embodiment, the eighth embodiment, the ninth embodiment, the tenth embodiment, the eleventh embodiment, the twelfth embodiment, and the modified examples.
半導体装置20が導電スペーサ70を備える例を示したが、これに限定されない。導電スペーサ70に代えて、表面金属体62に凸部を設けてもよい。
Although an example in which the semiconductor device 20 includes a conductive spacer 70 has been shown, this is not limiting. Instead of the conductive spacer 70, a protrusion may be provided on the surface metal body 62.
ドレイン電極40Dに接続される配線部材として基板50の例を示したがこれに限定されない。基板50に限定されない構成においては、基板50に代えて、金属板(リードフレーム)を採用してもよい。ソース電極40Sに接続される配線部材として基板60の例を示したがこれに限定されない。基板60に限定されない構成においては、基板60に代えて、金属板(リードフレーム)を採用してもよい。
The example of the wiring member connected to the drain electrode 40D is a substrate 50, but is not limited to this. In configurations that are not limited to the substrate 50, a metal plate (lead frame) may be used instead of the substrate 50. The example of the wiring member connected to the source electrode 40S is a substrate 60, but is not limited to this. In configurations that are not limited to the substrate 60, a metal plate (lead frame) may be used instead of the substrate 60.
(他の実施形態)
この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば、開示は、実施形態において示された部品および/または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および/または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および/または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。
Other Embodiments
The disclosure in this specification and drawings, etc. is not limited to the exemplified embodiments. The disclosure includes the exemplified embodiments and modifications by those skilled in the art based thereon. For example, the disclosure is not limited to the combination of parts and/or elements shown in the embodiments. The disclosure can be implemented by various combinations. The disclosure can have additional parts that can be added to the embodiments. The disclosure includes the omission of parts and/or elements of the embodiments. The disclosure includes the substitution or combination of parts and/or elements between one embodiment and another embodiment. The disclosed technical scope is not limited to the description of the embodiments. Some disclosed technical scopes are indicated by the description of the claims, and should be interpreted as including all modifications within the meaning and scope equivalent to the description of the claims.
明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。
The disclosure in the specification and drawings, etc. is not limited by the claims. The disclosure in the specification and drawings, etc. encompasses the technical ideas described in the claims, and extends to more diverse and extensive technical ideas than the technical ideas described in the claims. Therefore, various technical ideas can be extracted from the disclosure in the specification and drawings, etc., without being bound by the claims.
ある要素または層が「上にある」、「連結されている」、「接続されている」または「結合されている」と言及されている場合、それは、他の要素、または他の層に対して、直接的に上に、連結され、接続され、または結合されていることがあり、さらに、介在要素または介在層が存在していることがある。対照的に、ある要素が別の要素または層に「直接的に上に」、「直接的に連結されている」、「直接的に接続されている」または「直接的に結合されている」と言及されている場合、介在要素または介在層は存在しない。要素間の関係を説明するために使用される他の言葉は、同様のやり方で(例えば、「間に」対「直接的に間に」、「隣接する」対「直接的に隣接する」など)解釈されるべきである。この明細書で使用される場合、用語「および/または」は、関連する列挙されたひとつまたは複数の項目に関する任意の組み合わせ、およびすべての組み合わせを含む。
When an element or layer is referred to as being "on," "coupled," "connected," or "bonded," it may be directly coupled, connected, or bonded to another element or layer, and intervening elements or layers may be present. In contrast, when an element is referred to as being "directly on," "directly coupled," "directly connected," or "directly bonded" to another element or layer, no intervening elements or layers are present. Other words used to describe relationships between elements should be construed in a similar manner (e.g., "between" vs. "directly between," "adjacent" vs. "directly adjacent," etc.). As used in this specification, the term "and/or" includes any and all combinations of one or more of the associated listed items.
空間的に相対的な用語「内」、「外」、「裏」、「下」、「低」、「上」、「高」などは、図示されているような、ひとつの要素または特徴の他の要素または特徴に対する関係を説明する記載を容易にするためにここでは利用されている。空間的に相対的な用語は、図面に描かれている向きに加えて、使用または操作中の装置の異なる向きを包含することを意図することができる。例えば、図中の装置をひっくり返すと、他の要素または特徴の「下」または「真下」として説明されている要素は、他の要素または特徴の「上」に向けられる。したがって、用語「下」は、上と下の両方の向きを包含することができる。この装置は、他の方向に向いていてもよく(90度または他の向きに回転されてもよい)、この明細書で使用される空間的に相対的な記述子はそれに応じて解釈される。
Spatially relative terms such as "inside," "outside," "back," "bottom," "low," "top," "top," and the like are utilized herein for ease of description to describe the relationship of one element or feature to other elements or features as depicted in the figures. Spatially relative terms may be intended to encompass different orientations of the device during use or operation in addition to the orientation depicted in the drawings. For example, if the device in the figures is turned over, elements described as "below" or "directly below" other elements or features would be oriented "above" the other elements or features. Thus, the term "bottom" can encompass both an orientation of top and bottom. The device may be otherwise oriented (rotated 90 degrees or at other orientations) and the spatially relative descriptors used in this specification would be interpreted accordingly.
車両の駆動システム1は、上記した構成に限定されない。たとえば、モータジェネレータ3をひとつ備える例を示したが、これに限定されない。複数のモータジェネレータを備えてもよい。電力変換装置4が、電力変換回路としてインバータ6を備える例を示したが、これに限定されない。たとえば、複数のインバータを備える構成としてもよい。少なくともひとつのインバータと、コンバータを備える構成としてもよい。コンバータのみを備えてもよい。
The vehicle drive system 1 is not limited to the above-mentioned configuration. For example, an example has been shown in which one motor generator 3 is provided, but this is not limiting. Multiple motor generators may be provided. An example has been shown in which the power conversion device 4 is provided with an inverter 6 as a power conversion circuit, but this is not limiting. For example, a configuration may be provided with multiple inverters. A configuration may be provided with at least one inverter and a converter. A configuration may be provided with only a converter.
半導体素子40が、スイッチング素子としてMOSFET11を有する例を示したが、これに限定されない。たとえば、IGBTを採用することもできる。IGBTは、Insulated Gate Bipolar Transistorの略称である。
Although an example has been shown in which the semiconductor element 40 has a MOSFET 11 as a switching element, this is not limiting. For example, an IGBT can also be used. IGBT is an abbreviation for Insulated Gate Bipolar Transistor.