JPH088395A

JPH088395A - パワーデバイスチップの実装構造

Info

Publication number: JPH088395A
Application number: JP16076194A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Murakami; 善則村上
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1994-06-21
Filing date: 1994-06-21
Publication date: 1996-01-12
Anticipated expiration: 2015-03-15
Also published as: JP3022178B2

Abstract

(57)【要約】【目的】現行の半導体モジュールの構成要素の変更を
最小限にとどめながら、モジュールの熱抵抗を低減、高
い配線接続信頼性、さらにはサイズのコンパクト化と配
線インダクタンスの低減を目的とする。【構成】モジュール基板たる金属板１０３の表面に絶縁
板１０４を有し、その絶縁板の表面にある電極たる金属
膜１０５に対し、パワーデバイスチップ１０１の活性領
域面側の表面にある電極１１５を、半田１１０などで直
接接続することで配線信頼性が向上し、かつ、活性領域
で発生する熱をパワーデバイスチップ自体を通さず直接
モジュール側に伝えるのでモジュールの熱抵抗が低減す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は電力用半導体モジュー
ルの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電力用半導体モジュールとして広
く用いられているものには、図１８に示す構造のものが
ある。図において、１０１は縦型パワーデバイスの半導
体チップであり、ここでは、縦型パワーＭＯＳトランジ
スタを例にとって説明する。この半導体チップ１０１の
表面にはソース電極（主電極）とゲート電極（制御電
極）が形成されており、図ではソース電極１１５のみが
示されている。また、半導体チップ１０１の裏面はドレ
イン電極となる金属膜１０２が形成されている。

【０００３】また、１０３はモジュールの基板となる金
属製のモジュール基板、１０４はモジュール基板１０３
の上に設けられた絶縁板であり、半導体チップ１０１
は、ドレイン電極１０８と金属膜１８０１とを半田１１
０により溶接されている。さらに、１０６は絶縁板１０
４上における金属膜１８０１上に、半田を付着させない
ために形成された保護膜である。なお、絶縁板１０４
は、半田などによってモジュール基板１０３に固定され
ている。

【０００４】また、１８０２Ａおよび１８０２Ｂは、端
子用のリードである。モジュールには少なくともトラン
ジスタの３つの電極に対応する端子があり、ここでは便
宜上、２つのみを示す。１８０２Ａはドレイン電極の端
子で、金属膜１８０１を介して半導体チップ１０１の裏
面電極（電極膜１０２）と接続している。また、１８０
２Ｂはソース電極用の端子であり、半導体チップ１０１
表面のソース電極１１５とボンディングワイヤ１８０３
に接続されている。

【０００５】さらに、１１１はモジュールのためのプラ
スチックなどの絶縁物からなる箱型をなした外殻ケース
であり、外殻ケース１１１の上面にはソース端子１８０
２Ｂおよびドレイン端子１８０２Ａの一部が外部に露出
し、さらに、これらのソース端子１８０２Ｂおよびドレ
イン端子１８０２Ａに対応する部分に、圧着端子等をネ
ジ止めするためのナット１１２がそれぞれ埋設されてい
る。また、１１３はモジュール基板１０３の端部に設け
られ、冷却装置と固定するためのネジ穴である。

【０００６】ところで、このような縦型パワートランジ
スタにおいては、動作時に発生する熱は、半導体チップ
１０１の表面付近で発生する。発生した熱は、半導体チ
ップ１０１自身を通り、金属板１８０１、絶縁板１０４
を経てモジュール外に放熱される。このような熱流路に
沿って熱が１次元的に流れたとしたときのモジュールの
熱抵抗等のデータの内訳を図１９に示す。なお、図１９
における定数は、市販品の代表値を採用している。

【０００７】次に、上記における熱抵抗について、図１
９に示したデータに基づいて説明する。モジュール基板
１０３は一般に厚さ３ｍｍ程度の銅材を用い、熱抵抗の
約半分を占めている。また、モジュールは、図１８に示
すように、端部において冷却装置の受熱部にネジ締結さ
れるが、接触熱抵抗を低減するためにモジュール基板１
０３はある程度の剛性が必要である。したがって、モジ
ュール基板１０３の厚さを薄くすることができない。

【０００８】また、絶縁板１０４は熱抵抗の低いセラミ
ックから構成され、図１９においては窒化アルミニウム
が用いられており、モジュールの熱抵抗の約１／４を占
めている。絶縁板１０４の厚さは、絶縁耐圧としては十
分すぎる寸法であるが、これを挟み込む金属板１８０１
と半導体チップ１０１との熱応力を受けるため、現状の
材質では、その板厚を薄くすることができない。

【０００９】さらに、図１９に示したデータから、熱抵
抗の約１／６が半導体チップ１０１自身の熱抵抗であ
り、残りが半田１１０等の熱抵抗である。このようにパ
ワーデバイスのモジュール内における熱抵抗を低減しよ
うとすると、上記の理由によりモジュールの構成要素の
寸法を変更することが困難となる。したがって、一般に
はチップの厚さをなるべく薄くする方策がとられてい
る。すなわち、半導体ウェハは数百μｍの厚さがある
が、トランジスタとして機能しているのはせいぜい表面
の１０〜１００μｍであり、残りの部分は単なる構造体
としての機能しか持っていない。このため、ウェハ状態
で表面にトランジスタをほぼ作りこんだ時点で、ウェハ
を裏面から研削して厚みを減らすという方法がとられて
いる。しかし、この方法においても、ウェハの厚さを半
分程度にするのが限界である。

【００１０】また、従来の構造において、半導体チップ
１０１の表面電極からの電流の取り出しは金属ワイヤ１
８０３によって行われる。すなわち、半導体チップ１０
１表面のアルミニウム合金製の電極金属膜に、やはりア
ルミニウム合金製のワイヤを超音波を印加しながら圧着
させる。半導体チップ１０１の電流容量が増加すると、
ワイヤの本数を増加しなければならないが、反対に、ワ
イヤ本数があまり多くなると信頼性が著しく低下し、さ
らに、ボンディング工数が嵩むことになる。

【００１１】そこで、太いワイヤを用いることになる
が、ワイヤは断面積に比例した電流が流せるかというと
そうではなく、ワイヤ径が太くなると体積に対する表面
積の比率が減少するため放熱性が悪くなり、ワイヤ直径
のおよそ５／３乗に比例した電流しか流すことができな
いことが実験により明らかになっている。したがって、
所望の電流値を確保しようとして太いワイヤを採用する
と、断面積から単純計算した結果より多数のワイヤを必
要とすることになる。

【００１２】また、あまり太いワイヤは剛性が高いので
取扱いが不便になる。さらにボンディング時には、より
強い超音波と圧力を必要とするため、半導体チップ１０
１への影響を考慮すると、ワイヤ径はあまり太くするこ
とができず、直径５００μｍが限界のようである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記に示されるような
従来における電力用半導体モジュールにあっては、動作
時に発生する熱がチップ自体を通るため、その熱抵抗が
高く、また構造上の理由からこの熱抵抗を低減させるこ
とができないという問題点があった。

【００１４】また、ボンディングワイヤによって半導体
チップの表面電極から電流を取り出す構造のため、電流
容量を増やすために、ワイヤの本数を増やせば接続信頼
性が低下し、ワイヤ径を太くしようとすれば半導体チッ
プへのストレスが増加する、という問題点があった。

【００１５】この発明は、上記の問題点に鑑みてなされ
たもので、モジュールの熱抵抗が低く、同時に高い配線
信頼性を持ち、さらにサイズがコンパクトで、配線イン
ダクタンスの低い、パワーデバイスチップの実装構造を
提供することを目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に係るパワーデバイスチップの実装構造
は、金属板の一主面上に比較的熱抵抗が低く、かつ電気
抵抗の高い絶縁板を有し、前記絶縁板の上に前記金属板
とは絶縁された金属膜を１つあるいは複数有し、前記金
属膜の上に絶縁膜を有し、前記それぞれの金属膜につき
前記絶縁膜の所定の領域に、前記金属膜が露出する２種
類のコンタクト窓を有し、前記コンタクト窓のうち、第
１のコンタクト窓では前記金属膜とパワーデバイスチッ
プの電極が接続され、第２のコンタクト窓では前記金属
膜と金属端子が接続され、前記パワーデバイスチップ
は、少なくとも一主面の大半の部分を活性領域とし、前
記活性領域のある主面に、機能の異なる複数の電極を有
し、前記活性領域上のそれぞれの電極は、前記第１のコ
ンタクト窓にて対応する前記金属膜と接続されているも
のである。

【００１７】また、請求項２に係るパワーデバイスチッ
プの実装構造は、前記パワーデバイスチップの有する電
極のうち、前記金属膜と対面しない主面にある電極、す
なわち裏面電極に対応する金属端子が前記絶縁板に固定
され、前記裏面電極と金属端子とはリードフレームによ
り電気的に接続されているものである。

【００１８】また、請求項３に係るパワーデバイスチッ
プの実装構造は、前記パワーデバイスチップの裏面電極
に、対応する金属端子を直接溶接したものである。

【００１９】また、請求項４に係るパワーデバイスチッ
プの実装構造は、前記パワーデバイスチップの裏面電極
と対応する金属端子が前記絶縁板上に固定され、前記裏
面電極と前記金属端子との間をワイヤボンディングによ
り接続したものである。

【００２０】また、請求項５に係るパワーデバイスチッ
プの実装構造は、金属板の一主面に比較的熱抵抗が低
く、かつ電気抵抗の高い絶縁板を有し、前記絶縁板の上
に前記金属板とは絶縁された金属膜を１つあるいは複数
有し、前記金属膜の上に絶縁膜を有し、前記それぞれの
金属膜につき前記絶縁膜の所定の領域に、前記金属膜が
露出する２種類のコンタクト窓を有し、前記コンタクト
窓のうち、第１のコンタクト窓では前記金属膜とパワー
デバイスチップの電極が接続され、第２のコンタクト窓
では前記金属膜と金属端子が接続された構造体が２つあ
り、前記パワーデバイスチップは、少なくとも一主面の
大半の部分を活性領域とし、前記活性領域のある主面
に、機能の異なる複数の電極を有し、前記活性領域上の
各々の電極は、前記第１のコンタクト窓にて、前記第１
の構造体上の対応する前記金属膜と接続され、前記パワ
ーデバイスチップの他の主面に存在する電極は、前記第
２の構造体上の対応する前記金属膜と接続され、前記パ
ワーデバイスチップを挟み込む前記第１と第２の構造体
の間の距離は、一定の厚さを有する緩衝体によって保持
されているものである。

【００２１】また、請求項６に係るパワーデバイスチッ
プの実装構造は、前記構造体の、前記絶縁板と接してい
ない他の主面に放熱フィンを有するものである。

【００２２】また、請求項７に係るパワーデバイスチッ
プの実装構造は、前記パワーデバイスチップの電極と前
記金属膜を、半田溶接により接続するものである。

【００２３】

【作用】特許請求の範囲（請求項１）に係わるパワーデ
バイスチップの実装構造においては、従来同様、電極た
る金属膜をもった絶縁板をモジュール基板たる金属板に
取り付けた構造体に、従来とは逆にパワーデバイスチッ
プの活性領域面上の電極とモジュール側の電極とを直接
半田などで接続することにより、チップの活性領域から
発した熱は、チップ自身を通らずにモジュールに流れ、
熱流がチップ自身を通らないことでモジュール構造全体
の熱抵抗が低減する。さらに、従来はワイヤボンディン
グによっていたチップの活性領域の表面の電極とモジュ
ール側電極との接続を、上記の如くに直接半田等で接続
したことにより、接続点数が減って信頼性が増し、さら
にモジュールのサイズもコンパクトになり、さらにモジ
ュール内の配線インダクタンスも低減する。

【００２４】さらに、特許請求の範囲（請求項２）に係
わるパワーデバイスチップの実装構造においては、上記
（請求項１）のように実装したチップの裏面と、対応す
るモジュール側の電極とをリードフレームで接続するこ
とにより、モジュール構造の変更を最小限にとどめなが
ら、裏面電極の接続点数を最小にして信頼性が向上す
る。

【００２５】さらに、特許請求の範囲（請求項３）に係
わるパワーデバイスチップの実装構造においては、上記
（請求項１）のように実装したチップの裏面と、対応す
るモジュール側の金属端子とを、直接溶接することによ
り、モジュール外形がコンパクトになり、新たにこの金
属端子も副放熱路となる。

【００２６】さらに、特許請求の範囲（請求項４）に係
わるパワーデバイスチップの実装構造においては、上記
（請求項１）のように実装したチップの裏面と、対応す
るモジュール側の電極とを、従来同様のワイヤボンディ
ングで接続することにより、実装作業が簡略になる。

【００２７】特許請求の範囲（請求項５）に係わるパワ
ーデバイスチップの実装構造においては、（請求項１）
においてチップが実装されている構造体と同様の構造体
をチップ裏面に溶接する、すなわちチップを２つの構造
体によってサンドイッチすることで、放熱効果が向上す
る。また、２つの構造体の間には、チップと共に所定の
間隔を確保する緩衝体が挟在し、外力からチップを守
る。

【００２８】さらに、特許請求の範囲（請求項６）に係
わるパワーデバイスチップの実装構造においては、（請
求項５）のように実装した構造の金属板において、前記
絶縁板と接していない他の主面に放熱フィンをもつこと
で、放熱特性が向上する。

【００２９】さらに、特許請求の範囲（請求項７）に係
わるパワーデバイスチップの実装構造においては、上記
（請求項１）〜（請求項５）のように実装した構造にお
いて、構造体上の金属膜とチップ側の金属膜とを、半田
で溶接することにより、実装工程が簡便になる。

【００３０】

【実施例】

〔実施例１〕以下、この発明に係るパワーデバイスチッ
プの実装構造の一実施例を添付図面に基づいて説明す
る。本実施例１は図１〜図７を用いて説明する。中でも
図１〜３は本実施例の基本的構造を示したもので、図１
は実施例であるパワーデバイスの実装構造の一断面図、
図２はこれに使われるパワーデバイスチップの表面電極
を示した表面図、図３はこれが実装されるモジュールの
表面電極構造を示した表面図である。図において、１０
１は縦型パワーデバイスである半導体チップであり、本
実施例では縦型パワーＭＯＳトランジスタを例にとって
説明する。この半導体チップ１０１の裏面はドレイン電
極となる電極膜１０２が形成されている。また、１０３
はモジュールの基板となる金属製のモジュール基板、１
０４は、このモジュール基板１０３の上に固定された絶
縁板、１０５は絶縁板１０４上に形成された金属膜（電
極膜）で、半導体チップ１０１上のソース電極に対応す
る。なお、１０６は半導体チップを実装する際、金属膜
１０５の余計な部分に半田を付着させないための保護膜
である。

【００３１】また、１０７はソース端子、１０８はドレ
イン端子、１０９はドレイン端子１０８用のリードフレ
ームであり、半導体チップ１０１のドレイン電極とドレ
イン端子１０８とに半田１１０により接続されている。
また、１１１はモジュールを収納および保護するための
箱型をなした外殻ケースである。これはプラスチックも
しくはセラミックもしくは木材など、比較的堅牢で絶縁
性の高い材質よりなる。外殻ケース１１１の上面はソー
ス端子１０７およびドレイン端子１０８の一部が外部に
露出し、さらに、これらのソース端子１０７およびドレ
イン端子１０８に対応する部分に、圧着端子等をネジ止
めするためのナット１１２がそれぞれ埋設されている。
さらに、１１３はモジュール基板１０３の端部に設けら
れ、冷却装置を固定するためのネジ穴、１１４は半導体
チップ１０１表面に形成された絶縁膜、１１５はアルミ
ニウム合金製のソース電極である。

【００３２】図２は、図１の構造を構成する半導体チッ
プ１０１の表面電極構造を示す平面図であり、半導体チ
ップ１０１の表面には、ソース電極１１５とゲート電極
２０１の２つの電極が存在する（上記図１においてはソ
ース電極１１５のみ表示している）。また、半導体チッ
プ１０１の表面には、絶縁膜１１４が形成されており、
さらに、絶縁膜１１４には金属膜が露出するコンタクト
用の窓１１５Ａ、２０１Ａが開けられている。

【００３３】図３は、上記図１に示したモジュールの外
殻ケース１１１と半導体チップ１０１および各端子を取
り除いた場合における平面図であり、図において、３０
１はゲート端子である。また、破線部分で示す位置が半
導体チップ１０１の実装位置となる。

【００３４】また、絶縁板１０４の表面には、半導体チ
ップ１０１のソース電極１１５に対応している金属膜１
０５と、ゲート電極２０１に対応している金属膜３０２
が形成されている。さらに、これらの上には保護膜（絶
縁膜）１０６が形成されており、図３における１０５Ａ
および３０２Ａは、保護膜（絶縁膜）１０６に開けられ
た窓、すなわち、金属部分が露出したコンタクト用の電
極窓である。また、保護膜（絶縁膜）１０６に設けられ
た電極窓１０５Ａおよび３０２Ａは、半導体チップ１０
１の絶縁膜１１４に設けられた電極窓１１５Ａおよび２
０１Ａに対応している。

【００３５】また、図２には図示していないが、絶縁膜
１１４の電極窓１１５Ａおよび２０１Ａの上にはそれぞ
れ半田層があり、半導体チップ１０１とモジュールの金
属膜１０５を溶接する。なお、半導体チップ１０１上の
ソース電極１１５およびゲート電極２０１は、如何なる
金属材料を用いてもよい。この場合、多層金属でもよ
く、例えば、半導体チップ１０１と接触する層はアルミ
ニウム合金からなり、その上にニッケル層、さらに、該
ニッケル層上に銀の層をもつ多層膜の構造としてもよ
い。

【００３６】なお、電極窓１１５Ａと電極窓２０１Ａ、
電極窓１０５Ａと電極窓３０２Ａの間隔は、半田が溶融
した際に短絡しない程度の距離をあけて設けられてい
る。このように、図２および図３を比較してみて明らか
なように、半導体チップ１０１上の電極窓１１５Ａおよ
び電極窓２０１Ａと、電極窓１０５Ａおよび電極窓３０
２Ａはそれぞれ対面して重ね合わされるように構成され
ている。

【００３７】また、上記における半田膜は、蒸着やスク
リーン印刷等により形成され、ソース電極１１５とゲー
ト電極２０１に対応した半田膜間は、実装時に短絡しな
いように十分な距離が設けられている。また、絶縁板１
０２上の金属膜にも、半田が付着してほしくない領域に
は、保護膜１０６により半田を弾くように構成されてい
る。さらに、モジュール基板１０３と絶縁板１０４およ
びその他のリード等の部品は、予め高温半田により所定
の位置に溶接されている。

【００３８】さらに半導体チップは、絶縁板１０４上の
各金属膜の上に、半導体チップ側の対応する電極がこれ
と重なり合うように配置し、さらに、裏面電極と対応す
る端子をつなぐリードフレーム１０９を乗せ、加熱して
半田溶接されている。なお、この半田は先にモジュール
を溶接した高温半田に対して低融点の半田を用いる。ま
た、半田溶融に際しては、半導体チップ１０１と金属膜
間にボイドが発生することを防止するため、真空内にお
いて溶接することもできる。

【００３９】また、図４は他の実施例を示した断面図で
あるが、このように裏面電極に対応する端子を直接、半
導体チップ１０１の裏面に接続することもできる。この
ようにすることで、この金属端子はあらたな副熱流路と
なり、モジュールの熱抵抗低減に寄与する。さらに図５
は他の実施例を示した断面図であるが、裏面電極と対応
するモジュール側の端子との接続をワイヤボンディング
（金属ワイヤ５０１）で接続してもよい。これは、例え
ば、ラテラル型パワーデバイスチップにおいて、裏面電
極には大電流は流れないが、アースのみをとっておく必
要がある場合等に対して有効な実装方法である。また、
ワイヤの本数は１本あるいは少数の本数で済み、裏面は
半導体チップ１０１全面が電極であるため、ワイヤはボ
ンディング時に位置合わせをする必要がなく、実装作業
を簡略化することができる。

【００４０】以上のパワーデバイスチップの実装構造に
より、半導体チップ１０１表面から発熱した熱は、半導
体チップ１０１自体を通らずに、直接絶縁板１０４を介
してモジュール基板１０３へと伝導する。このため、該
熱伝導の分、熱抵抗が低減されることになる。

【００４１】ところで、本実施例のようにワイヤボンデ
ィングを用いずに、半導体チップ１０１の活性領域を直
接モジュール側の金属膜と接続する構成とすることによ
り、その接続点数を最小限に留めることができ、配線の
信頼性が向上する。また、上記のように、広い面積の半
田接続部分を有するため、その強度はワイヤのボンディ
ング部に対して著しく高くなる。

【００４２】本実施例による実装方法は、ＩＣチップに
おけるフリップチップ技術における装置を一部改造・転
用することによって、比較的容易に実現することができ
る。フリップチップ技術は、接続点数の多いＩＣの配線
を効率よく実装するために使われているものである。Ｉ
Ｃチップの実装において半田接続される領域はＩＣチッ
プ内の活性領域から離れた場所（主に周辺部）に設けら
れたパッド領域である。これに対し、本実施例の場合、
半田溶接される場所は、直接熱を発する活性領域の上で
あり、半田領域が主電流路であり、かつ、主熱流路であ
る点が、ＩＣの場合と大きく異なる。

【００４３】さらに、従来例において示したワイヤボン
ディングによる接続方法にあっては、アルミニウムある
いはアルミニウム合金からなる電極膜に、アルミニウム
を主成分とするワイヤを、超音波を印加しながら圧力を
加えて接着する。このボンディング時におけるダメージ
を回避するため、従来は活性領域から離れた領域にボン
ディング領域を設けている。この領域はチップ面積のか
なりの部分を占有し、チップサイズを縮小できない１つ
の要因となっている。

【００４４】従来におけるワイヤボンディング方法にお
いては、ボンディング領域としてワイヤ径の３倍×５倍
の領域が必要であった。そして、ワイヤをなるべく一方
向に揃えて実装することから、ボンディング領域の形状
がチップ上のトランジスタの設計自由度をも制限してい
た。一部に活性領域上の金属膜に直接ワイヤボンディン
グする方法も一般に利用されているが、この場合におい
ても活性領域にダメージを与えないように、ボンディン
グ条件は慎重に設定しなければならない。

【００４５】上記従来における問題点に対して、本実施
例では電極の接着に半田溶融を用いることにより、接着
部分に圧力をかけずに処理することができる。したがっ
て、活性領域上にダメージを与えずに、容易にチップ外
部との接続を形成することができる。

【００４６】さらに、チップ上の接続面の形状は任意で
ある。図６、７は図２に対応するパワーデバイスチップ
の表面電極構造の他の実施例であるが、図６のように、
パワーデバイスチップの活性領域として使いにくい角部
の領域を制御端子用コンタクトとして利用することがで
きる。また、図７のように、チップの活性領域の一辺に
細長いコンタクト領域（２０１Ａ）を設けることもでき
る。

【００４７】さらに、例えば、通常のバイポーラトラン
ジスタチップで採用している櫛歯形のエミッタ配線とベ
ース配線において、配線上に直接半田接続を持つような
構成も可能である。したがって、このようにチップ設計
における自由度が格段に向上する。また、ワイヤでは実
現できない大面積の接続が可能であり、配線の電気抵抗
を低減することができる。

【００４８】また、従来においては、熱抵抗を低減する
ための手段として、チップ自身の厚さを薄くする工夫を
してきたが、本実施例においてはチップ自身が熱流路と
ならない構造のため、このような工程も省略することが
できる。

【００４９】また、ワイヤボンディングではｎ本のワイ
ヤを用いて接続点数が２×ｎ点存在していたのに対し、
大面積の半田接続領域によって接続点数も１点とするこ
とができる。したがって、チップ面積を有効に利用しな
がら、信頼性の高い実装を実現することが可能となる。
さらに、例えば、ラテラル型パワーデバイスチップの場
合のように、金属電極を２層用いた多層配線上に、直接
ワイヤボンディングすることは困難であったが、本実施
例を適用することにより、このような構造であっても半
田接続することが可能となり、チップ面積を最大限に有
効利用することができる。

【００５０】また、ＩＧＢＴチップのような場合、電流
容量よりはモジュールの放熱能力の制限から、ある程度
のチップ面積を要求される。これに対し、本実施例の実
装構造は、モジュール全体の熱抵抗が、例えば、１５％
低減されると、従来の規格内においてチップ面積を１５
％低減させることができ、その結果、チップ単価を低減
することができる。

【００５１】〔実施例２〕次に、実施例２について説明
する。実施例２は図８〜図１３を用いて説明する。中で
も、図８〜図１２はひとつの実施例を示すものである。
図８は図９中の線分Ａ−Ａ’に沿った断面図である。逆
に図９は、図８における線分Ａ−Ａ’に沿って切り開い
たパワーデバイスチップの実装構造の底部にあたる表面
図であり、図１０は、これに対応する上部の表面図であ
る。さらに図１１は、図９中の線分Ｂ−Ｂ’に沿った断
面図を示し、図１２はこの実装構造の斜視図を示してい
る。図１３は図８に対応する、実施例２に係る他の実施
例を示した断面図である。

【００５２】本実施例に係る上記各説明図は、実施例１
と同一機能のものについては、同じ符号を付して、その
説明を省略する。実施例２は、実施例１に加えて、裏面
にも絶縁板１０４’とモジュール基板１０３’による構
造体を接続する。さらに、絶縁板１０４と絶縁板１０
４’の間隔を一定に保持すための緩衝体８０１を設け
る。緩衝体８０１は、半導体チップ１０１の厚さと、ソ
ース電極側１１５側の半田の規定厚さと、裏面電極側の
半田の規定厚さを合計した距離を一定範囲内に抑える機
能をもっている。また、この緩衝体８０１は、モジュー
ルの端子と一体化してもよい。さらに、緩衝体８０１
は、モジュールに加わる圧力に耐え、上記厚さを保持し
て半導体チップ１０１にダメージを与えなければ、どの
ような材質を用いてもよい。

【００５３】図において、緩衝体８０１は、絶縁板１０
４および１０４’と接触しているが、緩衝体８０１自体
が絶縁物により構成され、金属膜１０５あるいは１０
５’と接触する位置にあってもよい。さらに、緩衝体８
０１は、半導体チップ１０１を外圧から保護する目的で
あることから、できるだけ半導体チップ１０１に近い位
置に設けることが好ましい。

【００５４】したがって、上記実施例２の構成にあって
は、両側に絶縁板１０４，１０４’とモジュール基板１
０３，１０３’を設けて接続した構造体であるため、半
導体チップ１０１から発熱した熱は両側に伝導され、こ
のモジュールを２つの冷却装置で挟んで用いることによ
り、さらに半導体チップ１０１の放熱効果は２倍近くま
で高めることができる。また、緩衝体８０１を設けるこ
とにより、その間隔を一定に保持することができると共
に、半導体チップ１０１に対して加わる外圧を阻止する
ことができる。

【００５５】ところで、上記のように縦型半導体チップ
の２つの主面に放熱板を形成する構成は、従来、サイリ
スタ等において実施されている平型パッケージがある。
これはウェハサイズの円形のデバイスを、電極の溶接で
はなく両面から金属板で押さえつけることにより接続す
るものである。したがって、第１に、表面のＭＯＳ構造
のようなデリケートな構造体をもつチップに対しては使
うことができない。

【００５６】また、サイリスタにおける制御電極は、ウ
ェハ表面に掘られた深さ数十μｍの溝を伝わって、ウェ
ハの縁あるいは中心から別端子として引き出されてい
る。したがって、第２に、プレーナ技術で作製されたチ
ップをこれに実装することは困難である。

【００５７】さらに、上記従来における構成にあって
は、両金属板が主端子電極であり、かつ、放熱面であ
る。したがって、第３に、これを使用する際には、接触
する冷却装置を電極として用いながら、これを他と絶縁
するか、あるいは冷却装置と電極との間に別の絶縁体を
設ける必要がある。

【００５８】これに対して本実施例においては、モジュ
ールの放熱面の金属は絶縁板１０４により電極に対して
絶縁されている。したがって、上記平型パッケージにお
ける第３の問題点は当初から存在しないことになる。さ
らに、緩衝体８０１を設けたことにより、表面にＭＯＳ
構造のようなデリケートな構造があるデバイスを実装す
ることが可能となる。

【００５９】次に、上記構造のモジュールの製造方法に
ついて説明する。半導体チップ１０１を溶接する工程は
実施例１と同様である。すなわち、低融点半田で半導体
チップ１０１を固定し、冷却した後、半導体チップ１０
１をポリイミド系等、２〜３００°Ｃの耐熱性接着材で
固定する。これによって、半導体チップ１０１が発熱し
たときに半田が溶融して半導体チップ１０１が動くこと
を防止し、さらに、半導体チップ１０１表面への湿気の
進入を阻止することができる。

【００６０】上記処理工程の後、表面の露出している半
導体チップ１０１の裏面に半田シートを載せ、絶縁板１
０４’上の金属膜１０５’と溶接する。なお、この場合
における半田シートは、半導体チップ１０１より面積が
小さく、厚さは数百μｍのものを用いる。また、半田が
溶融した際には、半田が半導体チップ１０１全体に広が
り、該半田の厚さは５０μｍ程度となるように半田シー
トの体積を設定する。

【００６１】一方、緩衝体８０１は、半導体チップ１０
１の厚さと、ソース電極側１１５側の半田の規定厚さ
と、裏面電極側の半田の規定厚さとを合計した厚さに設
定されているので、加熱前には緩衝体８０１が両側の絶
縁板１０４，１０４’には接触していないが、加熱によ
り半田が溶融し、該溶融した半田が広がることにより絶
縁板１０４，１０４’に接触する。なお、それ以上は絶
縁板同士は接近せず、モジュール基板１０３’と絶縁板
１０４’による構造体の重さは半導体チップ１０１にか
かることがない。

【００６２】図１３は、実施例２に係る他の構成例を示
す断面図であり、モジュール基板１０３’を図示の如く
フィン状にして放熱機能を高めた形状としている。ま
た、一方の主面のモジュール基板１０３はそのままの形
状で、従来と同様に冷却装置に取り付ける構成である。

【００６３】以上の構成により、放熱効果をさらに向上
させることができると共に、あらたに放熱フィンを取り
付ける必要がなくなる。なお、図１３では、放熱フィン
を形成している側を半導体チップ１０１の裏面側とした
が、反対側のモジュール基板１０３にフィンが取付けら
れてもよく、あるいは用途に応じて両側に取付けてもよ
い。

【００６４】さらに、従来におけるモジュールにおいて
は、構造体を冷却装置に密着させるためにモジュールの
端部をネジで締め付けている。このとき、モジュール基
板１０３がある程度の剛性を有し、金属板が歪まず均一
に冷却装置に密着するため、モジュール基板１０３はあ
る程度の厚さを必要とする。その結果、金属板は熱抵抗
の大半を占めることになる。これに対して、本実施例で
は、モジュールは二主面の両側から冷却装置に圧着され
る構成となっているため、モジュールを冷却装置に密着
させるためにネジで締めあげる必要がなくなる。したが
って、モジュール基板１０３の厚さも薄くすることが可
能となり、モジュールの熱抵抗におけるかなりの部分を
削減することができる。

【００６５】〔実施例３〕次に、実施例３について説明
する。実施例３は、図１４〜図１７を用いて説明する。
実施例３では、複数のトランジスタを内蔵するモジュー
ル例に関するものであり、図１４〜図１７は、インバー
タを構成する際に用いられるような異なる動作がなされ
る２組のトランジスタを持つモジュールである。また、
図１７は、上記図１４に示したパワーデバイスの等価回
路図である。

【００６６】すなわち、図１４は、実施例３に係るパワ
ーデバイスチップの実装構造を断面から示す説明図であ
り、図１５におけるＡ−Ａ’断面を示している。また、
図１５は、実施例３に係るパワーデバイスチップの実装
構造を断面から示す説明図であり、図１４における２つ
のチップを通過する線分により切り開いた平面図を示し
ている。

【００６７】図において、実施例１および実施例２と同
一機能のものは同じ符号を用いて、その説明を省略す
る。ただし、添字「ｕ」が付いたものはインバータ回路
中における高電位側のトランジスタに関連するもの、添
字「ｄ」の付いたものは低電位側のトランジスタに関連
するものである。また、１４０１は低電位側のドレイン
電極１０２ｄと高電位側のソース電極１１５ｕを接続す
るリードである。また、図１５および図１７における１
５０１ｄおよび１５０１ｕはそれぞれ還流ダイオードを
示す。

【００６８】以上のような構成により従来と比較して、
次のような効果がある。すなわち、従来におけるワイヤ
ボンディングを用いた方法では、上記のように複数の半
導体チップ１０１ｕ，１０１ｄを実装する場合、チップ
の数に比例して実装工数が増加したが、本実施例の構成
とすることにより、半導体チップ１０１ｕ，１０１ｄの
実装は一括処理で行うことができ、コストアップを招か
ない。

【００６９】また、一方にトランジスタを正立、他方を
倒立となるように配置することにより、底部と天井の電
極を連結するリード１４０１が不要となる。さらに、以
上の各実施例において、外殻ケース１１１の内部空間に
シリコーン樹脂等の絶縁物を充填してもよい。また、こ
の実施例に係るモジュールを半導体チップ１０１として
ＭＯＳトランジスタを用いたが、もちろん、バイポーラ
トランジスタやサイリスタ、その他縦型デバイスに限ら
ず、ラテラル型パワーデバイスや、さらには一部に論理
回路を搭載したスマートパワーデバイスのチップにも適
用することができる。

【００７０】

【発明の効果】以上、各実施例を用いて説明してきた本
発明の効果をまとめると、特許請求の範囲（請求項１）
に係わるパワーデバイスチップの実装構造においては、
従来同様、電極たる金属膜をもった絶縁板をモジュール
基板たる金属板に取り付けた構造体に、従来とは逆にパ
ワーデバイスチップの活性領域面を下にして活性領域面
の電極とモジュール側の電極とを直接半田などで溶接す
ることにより、チップの活性領域から発した熱は、チッ
プ自身を通らずにモジュール側に流れる。すなわち、熱
流がチップ自身を通らないことでモジュール構造全体の
熱抵抗を低くすることができる。

【００７１】さらに、従来はワイヤボンディングによっ
ていたチップの活性領域表面の電極とモジュール側電極
との接続を、上記の如くに直接半田等で溶接したことに
よって接続点数が減り、かつ接着強度も増して信頼性が
向上する。また、従来は活性領域内の電流の不均一によ
って起こる局所的な加熱がデバイスチップの安全動作領
域を制限していたが、上記の如く活性領域上の金属電極
が広い面積で直接つながってることから、この安全動作
領域が広がるという効果もある。

【００７２】また、同時に複数のワイヤを実装していた
手間が１回の溶接工程で済むので、実装コストも低減さ
れる。また、従来はデバイスチップ自身が熱流路に組み
込まれていたので、熱抵抗を低減するためにチップの厚
さを薄くする工程があったが、これを行う必要がなくな
ったので、製造工程ひいてはチップコストが軽減されう
るという効果もある。また、このように実装構造の熱抵
抗が低減することにより、従来、放熱面積を確保するた
めに敢えて大きくしていたチップサイズを適正な大きさ
に縮小することができ、チップコストを低減することが
できる。

【００７３】さらに、特許請求の範囲（請求項２）に係
わるパワーデバイスチップの実装構造においては、上記
（請求項１）のように実装したチップの裏面と、対応す
るモジュール側の電極とをリードフレームで接続するこ
とにより、モジュール構造の変更を最小限にとどめなが
ら、裏面電極の接続点数を最小にして信頼性を向上する
ことができる。

【００７４】さらに、特許請求の範囲（請求項３）に係
わるパワーデバイスチップの実装構造においては、上記
（請求項１）のように実装したチップの裏面と、対応す
るモジュール側の金属端子とを、直接溶接することによ
り、モジュール外形がコンパクトになり、さらには、新
たにこの金属端子も熱流路として機能するので、放熱性
が向上する。

【００７５】さらに、特許請求の範囲（請求項４）に係
わるパワーデバイスチップの実装構造においては、上記
（請求項１）のように実装したチップの裏面と、対応す
るモジュール側の電極とを、従来同様のワイヤボンディ
ングで接続することにより、実装作業が簡略になる。こ
のような構成は、低電流容量のパワーデバイス、もしく
はラテラル型パワーデバイスチップにおいて裏面電極は
アースを取るだけでよいような場合に、特に有効であ
る。

【００７６】特許請求の範囲（請求項５）に係わるパワ
ーデバイスチップの実装構造においては、（請求項１）
においてチップが実装されている構造体と同様の構造体
をチップ裏面に溶接する、すなわちチップを２つの構造
体によってサンドイッチすることで、放熱効果が約２倍
に向上する。また、モジュールの主電流である金属膜が
平行平板を構成することから、モジュールのインダクタ
ンスは低減する。また従来、２次元平面に展開していた
モジュール側の電極を立体的に配置することができるの
で、モジュールサイズを大幅に縮小することができる。
また、２つの構造体の間には、チップと共に所定の間隔
を確保する緩衝体が挟在し、外力からチップを守るの
で、ＭＯＳ構造などデリケート表面構造を持つデバイス
チップでも、安全に実装・使用することができる。

【００７７】さらに、特許請求の範囲（請求項６）に係
わるパワーデバイスチップの実装構造においては、（請
求項５）のように実装した構造の金属板において、前記
絶縁板と接していない他の主面に放熱フィンをもつこと
で、放熱特性を簡便に向上させることができる。

【００７８】さらに、特許請求の範囲（請求項７）に係
わるパワーデバイスチップの実装構造においては、上記
（請求項１）〜（請求項５）のように実装した構造にお
いて、構造体上の金属膜とチップ側の金属膜とを、従来
どおり半田で溶接することにより、実装工程が簡便にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１に係るパワーデバイスチップの実装構
造を示す断面図である。

【図２】図１に示したモジュールに実装される半導体チ
ップの表面電極構造を示す平面図である。

【図３】図１に示したモジュールの外殻ケースと半導体
チップおよび各端子を取り除いた場合を示す平面図であ
る。

【図４】実施例１に係る他の実装構造例を示す断面図で
ある。

【図５】実施例１に係る他の実装構造例を示す断面図で
ある。

【図６】図２に示した半導体チップの表面電極構造の他
の実施例を示す平面図である。

【図７】図２に示した半導体チップの表面電極構造の他
の実施例を示す平面図である。

【図８】実施例２に係るパワーデバイスチップの実装構
造を示す断面図である。

【図９】実施例２に係るパワーデバイスチップの実装構
造を示す断面図である。

【図１０】図９に示した断面の反対側を示す断面図であ
る。

【図１１】実施例２に係るパワーデバイスチップの実装
構造を示す断面図である。

【図１２】実施例２に係るモジュールの外形を示す斜視
図である。

【図１３】実施例２に係る他の実装構造例を示す断面図
である。

【図１４】実施例３に係るパワーデバイスチップの実装
構造を示す断面図である。

【図１５】実施例３に係るパワーデバイスチップの実装
構造を示す断面図である。

【図１６】図１５に示した断面図の反対側を示す断面図
である。

【図１７】図１４に示した断面図に対応する等価回路図
である。

【図１８】従来における電力用半導体モジュールの構造
を示す断面図である。

【図１９】従来の電力用半導体モジュールにおける構成
要素毎の熱抵抗値等のデータの内訳を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１０１半導体チップ１０３，１０３’ モジュール基板１０４，１０４’ 絶縁板１０５，１０５’ 金属膜１０８ドレイン端子１１０半田１１５Ａ，２０１Ａ電極窓１０５Ａ，３０２Ａ電極窓８０１緩衝体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属板の一主面上に比較的熱抵抗が低
く、かつ電気抵抗の高い絶縁板を有し、前記絶縁板の上
に前記金属板とは絶縁された金属膜を１つあるいは複数
有し、前記金属膜の上に絶縁膜を有し、前記それぞれの
金属膜につき前記絶縁膜の所定の領域に、前記金属膜が
露出する２種類のコンタクト窓を有し、前記コンタクト
窓のうち、第１のコンタクト窓では前記金属膜とパワー
デバイスチップの電極が接続され、第２のコンタクト窓
では前記金属膜と金属端子が接続され、前記パワーデバ
イスチップは、少なくとも一主面の大半の部分を活性領
域とし、前記活性領域のある主面に、機能の異なる複数
の電極を有し、前記活性領域上のそれぞれの電極は、前
記第１のコンタクト窓にて対応する前記金属膜と接続さ
れたことを特徴とするパワーデバイスチップの実装構
造。
【請求項２】前記パワーデバイスチップの有する電極
のうち、前記金属膜と対面しない主面にある電極、すな
わち裏面電極に対応する金属端子が前記絶縁板に固定さ
れ、前記裏面電極と金属端子とはリードフレームにより
電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載
のパワーデバイスチップの実装構造。
【請求項３】前記パワーデバイスチップの裏面電極
に、対応する金属端子を直接溶接したことを特徴とする
請求項１記載のパワーデバイスチップの実装構造。
【請求項４】前記パワーデバイスチップの裏面電極と
対応する金属端子が前記絶縁板上に固定され、前記裏面
電極と前記金属端子との間をワイヤボンディングにより
接続したことを特徴とする請求項１記載のパワーデバイ
スチップの実装構造。
【請求項５】金属板の一主面に比較的熱抵抗が低く、
かつ電気抵抗の高い絶縁板を有し、前記絶縁板の上に前
記金属板とは絶縁された金属膜を１つあるいは複数有
し、前記金属膜の上に絶縁膜を有し、前記それぞれの金
属膜につき前記絶縁膜の所定の領域に、前記金属膜が露
出する２種類のコンタクト窓を有し、前記コンタクト窓
のうち、第１のコンタクト窓では前記金属膜とパワーデ
バイスチップの電極が接続され、第２のコンタクト窓で
は前記金属膜と金属端子が接続された構造体が２つあ
り、前記パワーデバイスチップは、少なくとも一主面の
大半の部分を活性領域とし、前記活性領域のある主面
に、機能の異なる複数の電極を有し、前記活性領域上の
各々の電極は、前記第１のコンタクト窓にて、前記第１
の構造体上の対応する前記金属膜と接続され、前記パワ
ーデバイスチップの他の主面に存在する電極は、前記第
２の構造体上の対応する前記金属膜と接続され、前記パ
ワーデバイスチップを挟み込む前記第１と第２の構造体
の間の距離は、一定の厚さを有する緩衝体によって保持
されていることを特徴とするパワーデバイスチップの実
装構造。
【請求項６】前記構造体の、前記絶縁板と接していない
他の主面に放熱フィンを有することを特徴とする請求項
５記載のパワーデバイスチップの実装構造。
【請求項７】前記パワーデバイスチップの電極と前記
金属膜を、半田溶接により接続することを特徴とする請
求項１または５記載のパワーデバイスチップの実装構
造。