JPWO2018087890A1 - 半導体装置、インバータユニット及び自動車 - Google Patents

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Abstract

導体基板（１ａ）の上面に半導体チップ（２ａ）が接合されている。制御端子（１１ａ）が半導体チップ（２ａ）よりも外側に配置され、半導体チップ（２ａ）の制御電極に導線（１２ａ）で接続されている。ケース（１０）が半導体チップ（２ａ）を取り囲む。封止材（１３）が半導体チップ（２ａ）を封止する。リードフレーム（４）は、半導体チップ（２ａ）に接合された接合部（４ａ）と、ケース（１０）に組み込まれ、接合部（４ａ）から制御端子（１１ａ）の外側まで取り出され、半導体チップ（２ａ）の上面に対して垂直方向に立ち上がっている垂直部（４ｂ）とを有する。

Description

本発明は、半導体チップにリードフレームを接合して電流を取り出す半導体装置に関する。
ケースとリードフレームを一体形成し、リードフレームを半導体チップに直接はんだ接合して電流を取り出す半導体装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、リボンボンドにより電流を取り出す半導体装置も開示されている（例えば、特許文献２参照）。リボンボンドは、半導体素子に接合する工程で曲げ加工する部材である。厚膜化に限界があるため、通電電流を確保するためには、複数本のリボンボンドを接続する必要がある。従って、装置が大きくなる。一方、リードフレームは、通電電流に応じた断面積の板材を、半導体素子に接続する工程より前に、打ち抜き加工や曲げ加工で任意の形状に形成され、半導体素子に例えばはんだ材などを用いて接続されるものである。１つ以上の半導体素子に対して単一のリードフレームで電流を取り出す。
また、電流を取り出す主端子が中央部に垂直に設けられた半導体装置が開示されている（例えば、特許文献３参照）。しかし、半導体装置の上に制御回路を直接接続することができない。従って、バスバーを用いて半導体装置の外部に電流を取り出した後、制御基板を接続する必要があるため、構成部材が増え、装置が大きくなる。また、主端子を垂直に設けることで絶縁性を担保することが目的であり、例えば、耐圧１，７００Ｖ以上の高耐圧クラスの製品で一般的な構造である。しかし、絶縁性を担保するために、制御端子を直近に設けることが難しい。また、自動車用半導体装置は、自動車内部に設けられたバッテリー電圧を用いて半導体装置を駆動するため、その耐圧は１，４００Ｖ以下でよい。従って、上記のような高耐圧クラスの半導体装置の設計思想は必要なく、半導体装置の制御端子より外側に主電極を取り出す。このため、制御基板を半導体装置に直接取り付けても、半導体装置から電流を入出力することができる。
国際公開第２０１５／０２９１８６号 日本特開２０１１−１１４１３７号公報 日本特開２００１−１３５７８８号公報
電流容量に増加に応じてリードフレームの断面積を大きくする必要がある。しかし、リードフレームを厚くするとリードフレームからの応力が増大する。さらに、リードフレームを曲げ加工で任意の形状に形成するために厚みに限界がある。このため、リードフレームの横幅を広げなければならなかった。
また、大電流容量化のためには複数の半導体チップを並列動作させる必要がある。複数の半導体チップに制御信号を供給するためにそれぞれ制御端子を設ける必要がある。従って、制御端子の本数が増えるため、リードフレームを制御端子の外側まで取出すためのスペースを確保できなかった。
また、複数の半導体装置から電流を取り出す場合、電流容量を確保するためにフレームの幅を広げる必要があり、さらに半導体装置を大型化させる要因となる。また、複数の半導体チップから単一の出力を取り出す場合、それぞれ別相の出力を取り出す場合に比べて絶縁距離が不要となり、より近接してチップを配置する。このため、リードフレームを制御端子の外側まで取出すためのスペースを確保できなかった。
特に、ＳｉＣ半導体チップなどを高電流密度で使用する場合、制御端子とリードフレームの幅が半導体装置の縮小を制限し、小型化、低インダクタンス化、低コスト化の妨げとなっていた。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は実装平面積を増加させずにリードフレームの幅を増加させることができる半導体装置、インバータユニット及び自動車を得るものである。
本発明に係る半導体装置は、導体基板と、前記導体基板の上面に接合された半導体チップと、前記半導体チップよりも外側に配置され、前記半導体チップの制御電極に導線で接続された制御端子と、前記半導体チップを取り囲むケースと、前記半導体チップの上面に接合された接合部と、前記ケースに組み込まれて前記制御端子の外側まで取出された垂直部と、前記接合部と前記垂直部を接続し前記半導体チップへの応力を緩和する応力緩和部とを有するリードフレームと、前記半導体チップを封止する封止材とを備え、前記垂直部は前記半導体チップの前記上面に対して垂直方向に立ち上がっていることを特徴とする。
本発明では、リードフレームの垂直部が半導体チップの上面に対して垂直方向に立ち上がっている。このため、実装平面積を増加させずにリードフレームの幅を増加させることができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す平面図である。 図１の領域Ａを拡大した斜視図である。 図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＶに沿った断面図である。 図１の半導体装置の半導体チップの配列を示す平面図である。 本発明の実施の形態２に係るリードフレームとケースを分解した状態を示す平面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置、インバータユニット及び自動車について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す平面図である。図２は図１の領域Ａを拡大した斜視図である。図３は図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。図４は図１のＩＩＩ−ＩＶに沿った断面図である。図５は図１の半導体装置の半導体チップの配列を示す平面図である。
導体基板１ａ上に複数の半導体チップ２ａが隣り合って配置されている。導体基板１ｂ上に複数の半導体チップ２ｂが隣り合って配置されている。導体基板１ａの上面に半導体チップ２ａの下面電極がはんだ３ａにより接合されている。導体基板１ｂの上面に半導体チップ２ｂの下面電極がはんだ３ｂにより接合されている。
リードフレーム４の下面が複数の半導体チップ２ａの上面電極にはんだ３ｃにより接合され、導体基板１ｂの上面にはんだ３ｄにより接合されている。リードフレーム５が導体基板１ａに接合され、導体基板１ａを介して半導体チップ２ａの下面電極に電気的に接続されている。リードフレーム６の下面が複数の半導体チップ２ｂの上面電極にはんだ３ｅにより接合され、半導体チップ２ｂの上面電極に電気的に接続されている。
これにより半導体チップ２ａ，２ｂから電流を出力する。半導体チップ２ａ，２ｂの上面電極及び下面電極はニッケルを含む材料で構成され、例えば、湿式めっき法、スパッタ又は蒸着などの気相堆積法で形成することができる。
半導体チップ２ａは上アームを構成し、半導体チップ２ｂは下アームを構成する。この上下アームの組み合わせを３組隣り合うように並べることで、６相フルブリッジ回路を１つの半導体装置で構成する。
絶縁基板７が導体基板１ａ，１ｂの下面に設けられている。この絶縁基板７により半導体チップ２ａ，２ｂと外部との絶縁性を容易に確保できるため、半導体装置の取り扱い性と信頼性が向上する。
絶縁基板７の下面に冷却板８が設けられている。冷却板８に下面に冷却用の複数の突起９が設けられている。これにより、冷却板８自体が冷却フィンになるため、半導体装置に直接冷却水を当てることで半導体装置を効率的に水冷することができる。または、冷却板８を例えば放熱グリスを介して冷却フィンに熱的に接合してもよい。これにより、半導体装置の冷却を簡易な組み立てで実現することができる。
ケース１０が半導体チップ２ａ，２ｂを取り囲む。複数の制御端子１１ａが半導体チップ２ａよりも外側に配置されている。複数の制御端子１１ｂが半導体チップ２ｂよりも外側に配置されている。制御端子１１ａ，１１ｂはケース１０に組み込まれ、端子部とパッド部がケース１０から露出している。制御端子１１ａ，１１ｂの端子部は外部の制御基板と接続される。制御端子１１ａのパッド部は、半導体チップ２ａの制御電極にアルミワイヤなどの導線１２ａで接続されている。制御端子１１ｂのパッド部は、半導体チップ２ｂの制御電極にアルミワイヤなどの導線１２ｂで接続されている。これにより、外部の制御基板により半導体チップ２ａ，２ｂを制御することができる。制御端子１１ａ，１１ｂは、複数の半導体チップ２ａ，２ｂの表面上に設けられた制御電極と同じ数だけ設けられる。
封止材１３が半導体チップ２ａ，２ｂを封止する。リードフレーム４，５，６の一部も封止材１３で被覆されている。これにより、リードフレーム４，５，６と導体基板１ａ，１ｂ及び制御端子１１ａ，１１ｂとの絶縁性を容易に確保できるため、実装歩留まり及び信頼性が向上する。
リードフレーム４は、接合部４ａ、垂直部４ｂ、応力緩和部４ｃ及び電流入出力部４ｄを有する。リードフレーム５は、接合部５ａ、垂直部５ｂ、応力緩和部５ｃ及び電流入出力部５ｄを有する。リードフレーム６は、接合部６ａ、垂直部６ｂ、応力緩和部６ｃ及び電流入出力部６ｄを有する。リードフレーム４，５，６は例えば銅を主たる材料で構成される。圧延した銅板をプレス加工で任意の形状に切り出した後、曲げ加工により接合部４ａ，５ａ，６ａ及び垂直部４ｂ，５ｂ，６ｂなどが形成される。
接合部４ａは半導体チップ２ａの上面に接合され、半導体チップ２ａからケース１０に向けて延びる。垂直部４ｂはケース１０に組み込まれ、接合部４ａから制御端子１１ａ，１１ｂの外側まで取り出され、半導体チップ２ａ，２ｂの上面に対して垂直方向に立ち上がっている。
接合部５ａは導体基板１ａの上面に接合されている。垂直部５ｂはケース１０に組み込まれ、接合部５ａから制御端子１１ａ，１１ｂの外側まで取り出され、半導体チップ２ａ，２ｂの上面に対して垂直方向に立ち上がっている。接合部６ａは半導体チップ２ｂの上面に接合され、半導体チップ２ｂからケース１０に向けて延びる。垂直部６ｂはケース１０に組み込まれ、接合部６ａから制御端子１１ａ，１１ｂの外側まで取り出され、半導体チップ２ａ，２ｂの上面に対して垂直方向に立ち上がっている。
応力緩和部４ｃは接合部４ａと垂直部４ｂを接続する。応力緩和部５ｃは接合部５ａと垂直部５ｂを接続する。応力緩和部６ｃは接合部６ａと垂直部６ｂを接続する。応力緩和部４ｃ，５ｃ，６ｃは、リードフレーム４，５，６の曲げ加工によって、例えば階段状に形成されている。応力緩和部４ｃ，５ｃ，６ｃにより、リードフレーム４，５，６を半導体チップ２ａ、導体基板１ａ及び半導体チップ２ｂにそれぞれ接合する時の半導体チップ２ａ、導体基板１ａ及び半導体チップ２ｂへの応力を緩和することができる。従って、実装面積の少ない半導体装置の製造歩留まりと信頼性を向上することができる。
電流入出力部４ｄ，５ｄ，６ｄは、制御端子１１ａ，１１ｂより半導体装置の外側に位置し、半導体チップ２ａ，２ｂの上面と平行になるように垂直部４ｂ，５ｂ，６ｂを垂直に折り曲げることで形成されている。例えば、ケース１０に溝を設け、溝の中にナットをはめ込む。リードフレーム４，５，６を曲げ加工して電流入出力部４ｄ，５ｄ，６ｄで溝を塞ぐ。これにより、電流入出力部４ｄ，５ｄ，６ｄと外部電極をネジ締めで締結することができる。
本実施の形態では、リードフレーム４，５，６の垂直部４ｂ，５ｂ，６ｂが半導体チップ２ａ，２ｂの上面に対して垂直方向に立ち上がっている。このため、実装平面積を増加させずにリードフレーム４，５，６の幅を増加させることができる。これにより、リードフレーム４，５，６の断面積を増加させて大電流容量に対応することができる。また、寄生インダクタンスを低減できるため、半導体チップ２ａ，２ｂがスイッチングする時に発生するサージ電圧を抑制できる。
また、並列駆動する複数の半導体チップを近接して配置した場合も、リードフレームを配置することができる。このため、半導体チップを並列駆動して単一の出力を取り出す半導体装置において本実施の形態は効果的である。
また、リードフレーム４，５，６と制御端子１１ａ，１１ｂが金型で固定された状態でケース樹脂を注入することで、リードフレーム４，５，６と制御端子１１ａ，１１ｂがケース１０と一体化されたインサートケースが構成されている。これにより、リードフレーム４，５，６の位置決めを行うことができるため、リードフレーム４，５，６の位置精度が向上する。また、リードフレーム４，５，６同士の絶縁を担保できるため、実装歩留まり及び信頼性が向上する。なお、リードフレーム４，５，６のうち少なくとも接合部４ａ，５ａ，６ａ、応力干渉部４ｃ，５ｃ，６ｃ及び電流入出力部４ｄ，５ｄ，６ｄはケース１０から露出している。それぞれのリードフレーム４，５，６は、ケース樹脂が十分な絶縁耐圧を発揮できる距離で離反されている。例えば、ケース樹脂にＰＰＳを用いる場合、絶縁耐圧だけでなく、ＰＰＳ埋め込み性とリードフレーム間隔の製造公差を考慮して、リードフレーム間隔を１ｍｍ以上離反することが望ましい。
また、大電流化するために、１つのスイッチング相に対して複数の半導体チップ２ａが並列に接続されている。リードフレーム４は、複数の半導体チップ２ａから１つのＡＣ出力を取り出す。このように複数の半導体チップを並列駆動することで電流容量を増加することができる。並列駆動数が増えて制御端子１１ａ，１１ｂの本数が増えても、本実施の形態によりリードフレーム４，５，６との場所の取り合いを解消できるため、実装平面積を縮小することができる。
リードフレーム５の垂直部５ｂとリードフレーム６の垂直部６ｂは、絶縁層であるケース樹脂を介して向かい合っている。これにより、リードフレーム５とリードフレーム６との距離を小さくし、重なる領域を増やせるため、寄生インダクタンスを低減できる。このため、スイッチング時のサージ電圧を抑制することができる。
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係るリードフレームとケースを分解した状態を示す平面図である。リードフレーム４，５，６はケース１０に嵌合されている。ケース１０にリードフレーム４，５，６をそれぞれ嵌合するためのスリット１４ａ，１４ｂ，１４ｃが設けられている。リードフレーム４，５，６の垂直部４ｂ，５ｂ，６ｂをそれぞれスリット１４ａ，１４ｂ，１４ｃに挿入することで、位置決めすることができる。
並列動作する半導体チップ２ａ，２ｂの数又は大きさを変更する場合、通常は、リードフレーム４，５，６は打ち抜き金型と曲げ金型、ケース１０の形成金型がそれぞれ変更になる。しかし、ケース１０の形成金型は大型になりやすく、製造コストが大きくなるため、ケース１０の金型は変更不要であることが望ましい。これに対して、本実施の形態のようにケース１０とリードフレーム４，５，６を個別に準備することで、ケース１０の形状を変更することなく、リードフレーム４，５，６の形状変更だけで半導体装置のバリエーションに対応することができる。
また、ケース１０に嵌め合わせたリードフレーム４，５，６は、半導体チップ２ａ，２ｂの略垂直方向に自由度が出る。このため、例えば、ケース１０とリードフレーム４，５，６が一体形成された場合に比べ、リードフレーム４，５，６と半導体チップ２ａ，２ｂをはんだ接合する時の応力を逃がすことができる。この結果、半導体装置の製造歩留まりと信頼性を向上することができる。リードフレーム４，５，６の平面視の位置精度は高いことが望ましいが、ケース１０に設けられたスリットの公差で担保することができる。このため、リードフレーム４，５，６の位置精度を著しく悪化させることなく、リードフレーム４，５，６の縦方向への動きに自由度を持たせることができる。
なお、リードフレーム４，５，６のうち、少なくともスリット１４ａ，１４ｂ，１４ｃに挿入される垂直部４ｂ，５ｂ，６ｂを予めケース１０と同等の材料で被覆してもよい。また、互いに近接して配置される２対のリードフレーム５，６は互いの位置精度が求められるため、予めケース樹脂で一体形成されていることが望ましい。
実施の形態３．
図７及び図８は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。図７は図１のＩ−ＩＩに沿った断面に対応し、図８は図１のＩＩＩ−ＩＶに沿った断面図に対応する。リードフレーム４，５，６の垂直部４ｂ，５ｂ，６ｂがＵ字状に曲げられている。これにより、通電電流に応じてリードフレーム４，５，６の幅を広げる場合でも、パッケージ縦寸法、つまり半導体装置の高さを抑えることができる。
ハーフブリッジ又はフルブリッジを形成する半導体装置の場合、装置の小型化と寄生インダクタンスの低減のため、コンデンサと接続されるリードフレーム５，６を互いに近接して配置することが望ましい。リードフレーム５，６のＵ字部分にはそれぞれケース樹脂が入り込む開口がある。それぞれのＵ字部分の開口が重なり合うように配置し、ケース樹脂で固定する。これにより、重なる領域を更に増やすことができるので、寄生インダクタンスを更に低減することができる。また、位置精度とリードフレーム同士の絶縁を担保することができる。例えば、ケース樹脂としてＰＰＳを用いる場合、０．１ｍｍ程度離れていれば、ケース樹脂を埋め込むことができる。Ｕ字内部に空気が溜まるのを防ぎ、樹脂充填を促すため、Ｕ字底部に貫通孔を設けることが望ましい。
実施の形態１〜３に係る半導体装置は、自動車動力用モータを駆動する電源として自動車筐体に配置されるインバータユニットに使用される。これにより、インバータユニットを小型化できるので、自動車の筐体内に例えばモータモジュール又はバッテリーモジュールとインバータユニットを一体化して収容できる。
半導体チップ２ａ，２ｂは、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ショットキーバリアダイオードなどである。なお、半導体チップ２ａ，２ｂは、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体チップは、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体チップを用いることで、この半導体チップを組み込んだ半導体装置も小型化できる。また、半導体チップの耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体装置を更に小型化できる。また、半導体チップの電力損失が低く高効率であるため、半導体装置を高効率化できる。
一方、炭化珪素などの半導体チップ２ａ，２ｂの寄生容量と半導体装置の寄生インダクタンスとの積で決まる時定数によりリンギングが発生しやすくなる。これに対して、本実施の形態に係る半導体装置は寄生インダクタンスの増加を抑制できるため、より早いスイッチング速度で半導体チップ２ａ，２ｂを動作させることができる。
また、炭化珪素などの半導体チップ２ａ，２ｂは、製造歩留まりの制約上、チップの大面積化が難しい。従って、大電流容量に対応するためには、複数の半導体チップ２ａ，２ｂを並列動作させることが望ましい。この場合でも、本実施の形態により半導体装置の実装面積と寄生インダクタンス双方を低減することができる。実装面積を低減することで、半導体装置内部の応力を低減することができ、例えば、ヤング率の高い炭化珪素を半導体チップ２ａ，２ｂに用いる場合でも、半導体チップ２ａ，２ｂと周辺部材の熱膨張係数差により発生する応力を低減することができる。この結果、半導体装置の信頼性を向上することができる。
１ａ，１ｂ 導体基板、２ａ，２ｂ 半導体チップ、４，５，６ リードフレーム、４ａ，５ａ，６ａ 接合部、４ｂ，５ｂ，６ｂ 垂直部、４ｃ，６ｃ 応力緩和部、７ 絶縁基板、８ 冷却板、９ 突起、１０ ケース、１１ａ，１１ｂ 制御端子、１２ａ，１２ｂ 導線、１３ 封止材

Claims (15)

  1. 導体基板と、
    前記導体基板の上面に接合された半導体チップと、
    前記半導体チップよりも外側に配置され、前記半導体チップの制御電極に導線で接続された制御端子と、
    前記半導体チップを取り囲むケースと、
    リードフレームと、
    前記半導体チップを封止する封止材とを備え、
    前記リードフレームは、
    前記半導体チップに接合された接合部と、
    前記ケースに組み込まれ、前記接合部から前記制御端子の外側まで取り出され、前記半導体チップの上面に対して垂直方向に立ち上がっている垂直部とを有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記リードフレームは、前記接合部と前記垂直部を接続し前記半導体チップへの応力を緩和する応力緩和部を更に有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記半導体チップは、上アームを構成する第１の半導体チップと、下アームを構成する第２の半導体チップとを有し、
    前記リードフレームは、前記第１の半導体チップに電気的に接続された第１のリードフレームと、前記第２の半導体チップに電気的に接続された第２のリードフレームとを有し、
    前記第１のリードフレームの前記垂直部と前記第２のリードフレームの前記垂直部は絶縁層を介して向かい合っていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記リードフレームは前記ケースと一体化されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記リードフレームは前記ケースに嵌合されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記リードフレームの前記垂直部がＵ字状に曲げられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記半導体チップは、１つのスイッチング相に対して並列に接続された複数の半導体チップを有し、
    前記リードフレームは、前記複数の半導体チップから１つのＡＣ出力を取り出すことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記導体基板の下面に設けられた絶縁基板を更に備えることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の半導体装置。
  9. 前記絶縁基板の下面に設けられた冷却板を更に備えることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
  10. 前記冷却板の下面に設けられた冷却用の複数の突起を更に備えることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
  11. 前記冷却板は放熱グリスを介して冷却フィンに熱的に接合されることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
  12. 前記リードフレームは前記封止材で被覆されていることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の半導体装置。
  13. 前記半導体チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の半導体装置。
  14. 請求項１〜１３の何れか１項に記載の半導体装置を有し、自動車動力用モータを駆動する電源として自動車筐体に配置されることを特徴とするインバータユニット。
  15. 請求項１４に記載のインバータユニットを有することを特徴とする自動車。
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