JP7843721B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Description

本開示は、半導体装置に関する。
一般的に、複数の半導体素子のスイッチングがオンする時には、配線構造が原因で複数の半導体素子においてソース電位のばらつきが生じる。このようなソース電位のばらつきは、複数の半導体素子にゲートソース間電圧のばらつきを生じさせるため、スイッチングがオンである時に流れる主電流が、複数の半導体素子のいずれかに集中してしまう場合がある。この結果、半導体装置の信頼性が低下してしまうという問題がある。そこで特許文献1では、ゲートソース間電圧のばらつきを低減するために、ゲートワイヤに誘導起電力を発生させる技術が提案されている。
国際公開第2018/193929号
従来技術では、ゲートワイヤと、磁界を生じさせる電流の経路との間の平面視での距離を調整し、当該磁界によってゲートワイヤに発生する誘導起電力の大きさを調整することによって、複数の半導体素子におけるゲートソース間電圧のばらつきを低減している。しかしながら、例えば、半導体装置の設計上、上記距離をなるべく同等にすることが求められる場合に、従来技術では、ゲートソース間電圧のばらつきを低減できないという問題がある。
そこで、本開示は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、複数の半導体素子におけるゲートソース間電圧のばらつきを低減可能な技術を提供することを目的とする。
本開示に係る半導体装置は、それぞれが主電流を制御するための制御電極を有する複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子の前記主電流が流れる金属電極と、前記複数の半導体素子のそれぞれの前記制御電極を直列接続し、前記主電流が前記金属電極を流れたときに発生する磁界と鎖交する制御ワイヤとを備え、前記磁界によって前記半導体素子の前記制御電極に累積的に印加されるべき誘導起電力に基づいて、前記制御ワイヤのうち当該誘導起電力に対応する部分と前記金属電極との間の距離とが設定されている。
本開示によれば、複数の半導体素子のそれぞれの制御電極を直列接続する制御ワイヤが、主電流が金属電極を流れたときに発生する磁界と鎖交するように設けられている。このような構成によれば、複数の半導体素子におけるゲートソース間電圧のばらつきを低減することができる。
実施の形態1に係る半導体装置の構成を示す上面模式図である。 実施の形態1に係る半導体装置の構成を示す断面模式図である。 実施の形態1に係る半導体装置の構成を示す断面模式図である。 実施の形態1に係る半導体装置の構成を示す上面模式図である。 実施の形態1に係る各半導体素子のソース電位のばらつき及びゲート電位の変動を示す模式図である。 実施の形態1に係る各半導体装置に発生する誘導起電力を説明するための回路図である。 実施の形態1に係る各半導体装置に発生する誘導起電力を説明するための模式図である。 変形例に係る半導体装置の構成を示す上面模式図である。 変形例に係る半導体装置の構成を示す断面模式図である。 実施の形態2に係る半導体装置の構成を示す断面模式図である。 実施の形態3に係る半導体装置の構成を示す断面模式図である。 実施の形態4に係る半導体装置の構成を示す上面模式図である。 実施の形態5に係る半導体装置の構成を示す断面模式図である。
以下、添付される図面を参照しながら実施の形態について説明する。以下の各実施の形態で説明される特徴は例示であり、すべての特徴は必ずしも必須ではない。また、以下に示される説明では、複数の実施の形態において同様の構成要素には同じまたは類似する符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。また、以下に記載される説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「おもて」または「裏」などの特定の位置及び方向は、実際の実施時の位置及び方向とは必ず一致しなくてもよい。
<実施の形態1>
図1は、本実施の形態1に係る半導体装置の構成を示す上面模式図である。図2及び図3は、それぞれ図1のA-A’破線及びB-B’破線における断面模式図である。図4は図1の構成から一部を除いた構成を示す上面模式図である。
本実施の形態1に係る半導体装置は、図2及び図3に示すように、金属ベース板10と、銅パターンが設けられた絶縁層30と、複数の半導体素子100と、ソース金属電極140と、電極絶縁層150と、金属電極であるドレイン金属電極160と、ソース主端子170と、ドレイン主端子180とを備える。また、本実施の形態1に係る半導体装置は、図4に示すよう、ゲート端子41と、ソース制御端子71と、制御ワイヤであるゲートワイヤ110と、ソースワイヤ120と、ソース制御ワイヤ130とを備える。
図2及び図3に示すように、絶縁層30の裏面側(図2及び図3の下側)には裏面側銅パターン20が設けられ、絶縁層30のおもて面側(図2及び図3の上側)にはゲート銅パターン40、ソース銅パターン50、ドレイン銅パターン60、及び、ソース制御銅パターン70が設けられている。絶縁層30の材料は、例えばセラミックスまたはエポキシ樹脂であり、ここでいうセラミックスは、例えば酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、及び、窒化珪素の少なくともいずれか1つを含む。なお本明細書において、例えばA、B、C、…、及び、Zの少なくともいずれか1つとは、A、B、C、…、及び、Zのグループから1つ以上抜き出した全ての組合せのうちのいずれか1つであることを意味する。
図2及び図3に示すように、金属ベース板10上に、裏面側銅パターン20が設けられる。なお、図2及び図3の例では、金属ベース板10と絶縁層30との間に裏面側銅パターン20が設けられているが、これらの代わりに、裏面側銅パターン20がなく、金属ベース板10と絶縁層30とが直接的に接する樹脂絶縁銅ベース板が用いられてもよい。
絶縁層30の裏面側銅パターン20と逆側のドレイン銅パターン60上には、複数の半導体素子100が設けられており、ドレイン銅パターン60は、複数の半導体素子100の下部に設けられたドレイン電極とが電気的に接続されている。本実施の形態1では、複数の半導体素子100は半導体素子A,B,Cであるが、複数の半導体素子100の数は複数であればよく、3つに限ったものではない。なお、以下の説明では、半導体素子A,B,Cを区別しない場合には、半導体素子A,B,Cのそれぞれを半導体素子100と記すこともある。
半導体素子100の材料は、例えば、珪素(Si)であってもよいし、ワイドバンドギャップ半導体である炭化珪素(SiC)であってもよい。つまり、半導体素子100は、これらを基板材料として用いたSi半導体素子またはSiC半導体素子であってもよい。また、ワイドバンドギャップ半導体として、炭化珪素ではなく、窒化ガリウム(GaN)系材料またはダイヤモンドなどが用いられてもよい。半導体素子100の材料にワイドバンドギャップ半導体が用いられた場合、許容電流密度を高く、電力損失を低くすることができるため、半導体素子100が電力半導体素子として用いられた半導体装置の小型化が可能となる。半導体素子100は、例えば、大電流を制御するMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの電力制御用半導体素子(スイッチング素子)であってもよいし、電力制御用半導体素子と還流用のダイオードとの組み合わせであってもよい。還流用のダイオードは、例えば、SBD(Schottky Barrier Diode)であってもよいし、PND(PN junction diode)であってもよい。
図3に示すように、ドレイン金属電極160は、複数の半導体素子100と対向する部分を有し、ドレイン銅パターン60は、ドレイン金属電極接合部80によって、ドレイン金属電極160と接続されている。これにより、複数の半導体素子100のドレイン電流及びソース電流を含む主電流190が、ドレイン金属電極160に流れる。また、ドレイン金属電極160は、外部の配線と電気的に接続されるドレイン主端子180と接続されている。
図4に示すように、複数の半導体素子100のそれぞれは、主電流190を制御するための制御電極であるゲート電極42と、ソース電極とを有する。なお図4の例のソース電極は、半導体素子100の上面のうちゲート電極42以外に設けられており、ゲート電極42と絶縁されている。複数の半導体素子100のそれぞれのソース電極は、ソースワイヤ120を介してソース銅パターン50に接続されている。
図3に示すように、ソース金属電極140は、電極絶縁層150を介してドレイン金属電極160上に設けられており、図1のソース銅パターン50は、ソース金属電極接合部90によって、ソース金属電極140と接続されている。これにより、複数の半導体素子100のドレイン電流及びソース電流を含む主電流190が、ソース金属電極140に流れる。また、ソース金属電極140は、外部の配線と電気的に接続されるソース主端子170と接続されている。
ドレイン金属電極160及びソース金属電極140は、例えば、電流及び電圧の入出力に用いられる銅製の板状電極である。ドレイン金属電極160及びソース金属電極140は、図示しない半導体装置のケースにインサート成型されてもよいし、アウトサート成型されてもよい。また、ドレイン金属電極160と複数の半導体素子100との間には、図示しない封止部材が設けられてもよい。
図4に示すように、複数の半導体素子100のそれぞれのソース電極は、ソースワイヤ120、ソース銅パターン50、ソース制御ワイヤ130、及び、ソース制御銅パターン70を介して、ソース制御端子71と電気的に接続されている。
複数の半導体素子100のそれぞれのゲート電極42は、ゲートワイヤ110によって直列接続されており、ゲートワイヤ110及びゲート銅パターン40を介してゲート端子41と電気的に接続されている。ゲート電極42とゲートワイヤ110との接続には、ステッチボンディングが用いられてもよいし、それ以外のボンディングが用いられてもよい。
半導体素子100は、ゲート端子41とソース制御端子71との間に入力されたゲート信号の電圧値によって、ドレイン電極とソース電極との間の電圧及び電流を制御する。このため、以上のように構成された半導体装置によれば、ゲート端子41とソース制御端子71との間に入力されたゲート信号の電圧値によって、ドレイン主端子180とソース主端子170との間の電圧及び電流を制御することが可能となっている。
ここで、ドレイン銅パターン60及びソース銅パターン50に対する半導体素子100の位置、ソースワイヤ120の配置位置、並びに、主電流190の経路などによって、各半導体素子100のソース制御電位は、外部から入力したソース基準電位に対してばらつく。この結果、複数の半導体素子100においてゲートソース間電圧のばらつきが生じるため、複数の半導体素子100のスイッチングがオンである時に、複数の半導体素子100のいずれかに主電流190が集中することがある。
これに対して本実施の形態1では、ゲートワイヤ110は、主電流190がドレイン金属電極160に流れたときに発生する磁界と鎖交するように設けられている。つまり、ゲートワイヤ110と、主電流190がドレイン金属電極160に流れたときに発生する磁界との位置関係が、一般的な鎖において互いに連結する環状部分同士の位置関係と類似する。
ここで例えば、図3において半導体素子100がオンした場合、主電流190が、ドレイン主端子180、ドレイン金属電極160、ドレイン金属電極接合部80、ドレイン銅パターン60、半導体素子100、ソースワイヤ120、ソース銅パターン50、ソース金属電極接合部90、ソース金属電極140を介して、ソース主端子170へと流れる。ゲートワイヤ110は、主電流190がドレイン金属電極160に流れたときに発生する磁界と鎖交するように設けられているので、主電流190がドレイン金属電極160を流れると、上記磁界によって誘導起電力がゲートワイヤ110に発生する。
これにより、誘導起電力がゲート電極42に印加され、外部から各半導体素子100に入力されたゲート電位を変動させることができる。このゲート電位の変動を、後述するようにソース制御電位のソース基準電位に対するばらつき、つまりソース電位のばらつきに対応させることによって、各半導体素子100のゲートソース間電圧のばらつきを抑制することができる。
なお、主電流190がソース金属電極140に流れたときにも磁界が発生する。しかしながら図3のように、ゲートワイヤ110に対してソース金属電極140よりもドレイン金属電極160の方が近い構成では、主電流190がドレイン金属電極160を流れたときの磁界が優勢となる。
図5は、各半導体素子A,B,Cのソース電位のばらつき及びゲート電位の変動を示す模式図である。半導体素子A,B,Cのソース電位Vsa,Vsb,Vscは、ドレイン金属電極160を流れる主電流190のdi/dtと、ソース銅パターン50が有する寄生インダクタンスとの電磁誘導によって、ソース電位Vsa,Vsb,Vscにばらつきが発生する。図4の例では、ソース制御ワイヤ130とソース銅パターン50との接続部分は、半導体素子A,B,Cのうちドレイン金属電極接合部80側に位置する半導体素子Cに最も近くなるように設けられている。つまりソース制御ワイヤ130とソース銅パターン50との接続部分と、半導体素子100との間の電流経路が、半導体素子A、半導体素子B、半導体素子Cの順に短くなっていくため、Vsa>Vsb>Vscとなる。
ゲートワイヤ110が主電流190の磁界と鎖交するように設けられていない場合には、ゲート電位は一定の電位Vgとなる。このため、(Vg-Vsc)>(Vg-Vsb)>(Vg-Vsa)となり、複数の半導体素子100におけるゲートソース間電圧のばらつきが比較的大きくなる。
図6及び図7は、それぞれ本実施の形態1に係る半導体装置に発生する誘導起電力を説明するための回路図及び模式図である。上述したように本実施の形態1では、ゲートワイヤ110が主電流190の磁界と鎖交するように設けられている。このため、ドレイン金属電極160を流れる主電流190のdi/dtと、ゲートワイヤ110が有する寄生インダクタンスL110との電磁誘導によって、図3のゲートワイヤ110の3つのコブ部分に誘導起電力Ea,Eb,Ecがそれぞれ生じる。
図4の例では、半導体素子A,B,Cのゲート電極42a,42,42は、ゲートワイヤ110によって直列接続されている。また、ゲート銅パターン40は、半導体素子A,B,Cのうちドレイン金属電極接合部80側に位置する半導体素子Cに最も近くなるように設けられ、ゲート電極42a,42,42は、ゲート銅パターン40に対してドレイン金属電極接合部80と逆側に設けられている。このため、ゲート電極42cには誘導起電力Ecが印加され、ゲート電極42bには誘導起電力Eb,Ecが印加され、ゲート電極42aには誘導起電力Ea,Eb,Ecが印加される。
このため、図5に示すように、ソース電位Vsa,Vsb,Vscのばらつきに対応させて、半導体素子A,B,Cのゲート電位Vga,Vgb,Vgcを、Vga>Vgb>Vgcのように変動することができる。この結果、(Vga-Vsa)≒(Vgb-Vsb)≒(Vgc-Vsc)となり、複数の半導体素子100におけるゲートソース間電圧のばらつきを抑制することができる。
<実施の形態1のまとめ>
以上のような本実施の形態1に係る半導体装置によれば、ゲートワイヤ110は、複数の半導体素子100のそれぞれのゲート電極42を直列接続し、主電流190がドレイン金属電極160を流れたときに発生する磁界と鎖交するように設けられている。このような構成によれば、複数の半導体素子100におけるゲートソース間電圧のばらつきを抑制することができるので、複数の半導体素子100のいずれかに主電流190が集中することを抑制することができる。
なお従来技術では、ゲートワイヤと、誘導起電力の磁界を生じさせる電流の経路との間の平面視での距離を調整することによって、ゲートワイヤに発生する誘導起電力の大きさを調整している。しかしながら、例えば、半導体装置の設計上、上記距離をなるべく同等にすることが求められる場合に、従来技術では、ゲートソース間電圧のばらつきを低減できないという問題がある。
これに対して本実施の形態1によれば、複数の半導体素子100と主電流190との間の平面視での距離が同等の場合でも、ゲートワイヤ110と、半導体素子100のゲート電極42との接続位置を調整することで、ゲートソース間電圧のばらつきを低減できる。
<変形例>
実施の形態1に係る半導体装置は、最小構成の1in1モジュールであるものとして説明したが、2in1モジュール及び6in1モジュールなどのように拡張された回路構成であってもよい。
また実施の形態1では図4のように、ソース制御ワイヤ130とソース銅パターン50との接続部分と、ゲート銅パターン40とは、半導体素子A,B,Cのうちドレイン金属電極接合部80側に位置する半導体素子Cに最も近くなるように設けられた。しかしながら図8及び図9に示すように、ソース制御ワイヤ130とソース銅パターン50との接続部分と、ゲート銅パターン40とは、半導体素子A,B,Cのうちドレイン金属電極接合部80と逆側に位置する半導体素子Aに最も近くなるように設けられてもよい。そして、ゲート電極42a,42,42は、ゲート銅パターン40に対してドレイン金属電極接合部80側に設けられてもよい。このような構成であっても、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
また実施の形態1では、ゲートワイヤ110に対してソース金属電極140よりもドレイン金属電極160の方が近かったが、ゲートワイヤ110に対してドレイン金属電極160よりもソース金属電極140の方を近くしてもよい。この場合には、ゲートワイヤ110は、主電流190がソース金属電極140を流れたときに発生する磁界と鎖交するように設ければよい。ただし、主電流190の向きによって誘導起電力の向きが決まるため、主電流190がソース金属電極140を流れる向きを考慮して、ソース制御ワイヤ130とソース銅パターン50との接続部分、及び、ゲート銅パターン40の位置が適宜変更される。
<実施の形態2>
図10は、本実施の形態2に係る半導体装置の構成を示す断面模式図であり、図2に対応する図である。
図2では、主電流190は、主電流190がドレイン金属電極160で流れる方向から視てドレイン金属電極160の中央部を流れるように示されている。しかしながら、主電流190は、スイッチング周波数の高周波化に伴って、ドレイン金属電極160の端部に集中する。
そこで本実施の形態2では、ゲートワイヤ110は、主電流190がドレイン金属電極160で流れる方向から視てドレイン金属電極160の端部近傍に設けられている。例えば、ゲートワイヤ110は、ドレイン金属電極160の中央部よりも端部の近くに設けられてもよいし、ドレイン金属電極160の端部以外の部分よりも端部の近くに設けられてもよい。
以上のような本実施の形態2に係る半導体装置によれば、ゲートワイヤ110と、ドレイン金属電極160での主電流190とを近づけることができるので、ゲートワイヤ110に生じる誘導起電力を大きくすることができる。
<実施の形態3>
図11は、本実施の形態3に係る半導体装置の構成を示す断面模式図であり、図3に対応する図である。
本実施の形態3では、上記磁界によって半導体素子100のゲート電極42に累積的に印加されるべき誘導起電力に基づいて、ゲートワイヤ110のうち当該誘導起電力に対応する部分とドレイン金属電極160との間の距離とが設定されている。
図11の例では、半導体素子Aのゲート電極42aに累積的に印加されるべき誘導起電力Eaを大きくするために、ゲートワイヤ110のうち誘導起電力Eaに対応する部分とドレイン金属電極160との間の距離とが比較的小さくなっている。また、半導体素子Bのゲート電極42bに累積的に印加されるべき誘導起電力Ebを小さくするために、ゲートワイヤ110のうち誘導起電力Ebに対応する部分とドレイン金属電極160との間の距離とが比較的大きくなっている。
このような本実施の形態3に係る半導体装置によれば、半導体素子100におけるゲートソース間電圧を調整することができるので、複数の半導体素子100におけるゲートソース間電圧のばらつきを抑制することができる。
<実施の形態4>
図12は、本実施の形態4に係る半導体装置の構成を示す上面模式図であり、図4に対応する図である。
本実施の形態4では、磁界によって半導体素子100のゲート電極42に累積的に印加されるべき誘導起電力に基づいて、ゲートワイヤ110のうち当該誘導起電力に対応する部分の延在方向と、ドレイン金属電極160での主電流190の方向とが平面視でなす角度が設定されている。
図12の例では、半導体素子Aのゲート電極42aに累積的に印加されるべき誘導起電力Eaを小さくするために、ゲートワイヤ110のうち誘導起電力Eaに対応する部分の延在方向と、主電流190の方向とが平面視でなす角度が比較的大きくなっている。なお、ゲートワイヤ110のうち誘導起電力Eaに対応する部分は、半導体素子Aと半導体素子Bとの間の部分である。また、半導体素子Bのゲート電極42bに累積的に印加されるべき誘導起電力Ebを大きくするために、ゲートワイヤ110のうち誘導起電力Ebに対応する部分の延在方向と、主電流190の方向とが平面視でなす角度が比較的小さくなっている。なお、ゲートワイヤ110のうち誘導起電力Ebに対応する部分は、半導体素子Bと半導体素子Cとの間の部分である。
このような本実施の形態4に係る半導体装置によれば、半導体素子100におけるゲートソース間電圧を調整することができるので、複数の半導体素子100におけるゲートソース間電圧のばらつきを抑制することができる。
<実施の形態5>
図13は、本実施の形態5に係る半導体装置の構成を示す断面模式図であり、図3に対応する図である。
図13の構成は、図3の構成に絶縁層である電極素子側絶縁層200が追加された構成と同様である。電極素子側絶縁層200は、ドレイン金属電極160のうちゲートワイヤ110側の面に設けられている。
このような本実施の形態5に係る半導体装置によれば、ゲートワイヤ110の高い部分を、電極素子側絶縁層200の近傍に、または、電極素子側絶縁層200と接触するように設けることができる。これにより、ゲートワイヤ110と、ドレイン金属電極160での主電流190とを近づけることができるので、ゲートワイヤ110に生じる誘導起電力を大きくすることができる。
なお、各実施の形態及び各変形例を自由に組み合わせたり、各実施の形態及び各変形例を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。
(付記1)
それぞれが主電流を制御するための制御電極を有する複数の半導体素子と、
前記複数の半導体素子の前記主電流が流れる金属電極と、
前記複数の半導体素子のそれぞれの前記制御電極を直列接続し、前記主電流が前記金属電極を流れたときに発生する磁界と鎖交する制御ワイヤと
を備える、半導体装置。
(付記2)
前記制御ワイヤは、前記主電流が前記金属電極で流れる方向から視て前記金属電極の端部近傍に設けられている、付記1に記載の半導体装置。
(付記3)
前記磁界によって前記半導体素子の前記制御電極に累積的に印加されるべき誘導起電力に基づいて、前記制御ワイヤのうち当該誘導起電力に対応する部分と前記金属電極との間の距離とが設定されている、付記1または付記2に記載の半導体装置。
(付記4)
前記磁界によって前記半導体素子の前記制御電極に累積的に印加されるべき誘導起電力に基づいて、前記制御ワイヤのうち当該誘導起電力に対応する部分の延在方向と、前記金属電極での前記主電流の方向とが平面視でなす角度が設定されている、付記1から付記3のうちのいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記5)
前記金属電極のうち前記制御ワイヤ側の面に設けられた絶縁層をさらに備える、付記1から付記4のうちのいずれか1項に記載の半導体装置。
42 ゲート電極、100 半導体素子、110 ゲートワイヤ、160 ドレイン金属電極、190 主電流、200 電極素子側絶縁層。

Claims (4)

  1. それぞれが主電流を制御するための制御電極を有する複数の半導体素子と、
    前記複数の半導体素子の前記主電流が流れる金属電極と、
    前記複数の半導体素子のそれぞれの前記制御電極を直列接続し、前記主電流が前記金属電極を流れたときに発生する磁界と鎖交する制御ワイヤと
    を備え
    前記磁界によって前記半導体素子の前記制御電極に累積的に印加されるべき誘導起電力に基づいて、前記制御ワイヤのうち当該誘導起電力に対応する部分と前記金属電極との間の距離とが設定されている、半導体装置。
  2. それぞれが主電流を制御するための制御電極を有する複数の半導体素子と、
    前記複数の半導体素子の前記主電流が流れる金属電極と、
    前記複数の半導体素子のそれぞれの前記制御電極を直列接続し、前記主電流が前記金属電極を流れたときに発生する磁界と鎖交する制御ワイヤと
    を備え
    前記磁界によって前記半導体素子の前記制御電極に累積的に印加されるべき誘導起電力に基づいて、前記制御ワイヤのうち当該誘導起電力に対応する部分の延在方向と、前記金属電極での前記主電流の方向とが平面視でなす角度が設定されている、半導体装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載の半導体装置であって、
    前記制御ワイヤは、前記主電流が前記金属電極で流れる方向から視て前記金属電極の端部近傍に設けられている、半導体装置。
  4. 請求項1または請求項2に記載の半導体装置であって、
    前記金属電極のうち前記制御ワイヤ側の面に設けられた絶縁層をさらに備える、半導体装置。
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