TW499760B - Semiconductor device - Google Patents

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 499760 A7 ___B7 _ 五、發明說明（1 ) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種半導體裝置之封裝構造，特別是使 用:在MOSFET、1GBT等高輸入的阻抗元件。 〔習知之技術〕 比較小型之電力用半導體裝置（〜1 0 0A、 〜3 0 0 W )，一般而言，具有利用樹脂加以密封半導體 晶片之封裝構造。 例如，功率Μ 0 S F E T的封裝構造，乃如第1 〇圖 及第1 1圖所示。在半導體晶片1 ，形成MOSFET ( 電力用開關元件），其背面爲Μ 0 S F Ε Τ的汲極。半導 體晶片1的背面，是利用焊接或導電性樹脂，固定在框架 散熱部2 - 1。 框架散熱部2 - 1具有得以使半導體晶片1所發生熱 能，釋放到封裝體外部的功能之同時，也具有作爲 Μ〇S F Ε Τ之汲極的外部端子（D )的功能。 半導體晶片1的主表面，形成MO S F Ε Τ之源電極 5及閘電極6。源電極5是利用鍵接線3 a ，被連接在 MOSFET之源極的外部端子（S) 2 — 2。閘電極6 是利用銲接線3 b，被連接在Μ〇S F Ε T之閘極的外部 端子（G ) 2 — 3。銲接線3 a ，3 b例如由鋁、金等金 屬材料構成之。 半導體晶片1及其周邊部，除了 Μ 0 S F Ε T之汲極 、源極、閘極之各外部端子的一部外，均用樹脂4予以覆 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------^----------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) - 4- 第89117271號專利申請案 中文說明書修正頁A?民國91年1月修正

五、發明説明（2) 和〇Ν — 0 F F移 經 濟 部 智 慧 財 產 局 消 費 合 作 社 印 製 499760 科斗抖一. 蓋之。 再者’關於外部端子（D，S，G )的位置，可做種 種改變。例如，於第1 0圖及第1 1圖中，閘極之外部端 t ( G )的位置與源極之外部端子（s )的位置，可反過 來設計，也可在閫極之外部端子（G )與源極之外部端子 (S )之間，配置汲極之外部端子（d )，以使各端子排 成一列。 現在大電力半導體裝置主要用途是作爲D C 一 D C電 腦、馬達控制電路、電源電路等開關元件，其構造則以高 輸入阻抗的Μ 0 S型作爲主流。此乃基於應用μ 0 S型大 電力半導體裝置的驅動電路，比應用雙極型大電力半導體 裝置的驅動電路小型化等理由。 大亀力半導體裝置（開關元件）的輸出效率，主要是 以〇Ν狀態的損失、和（1 〇 s s 行時（開關動作時）的損失來決定的。因而，習知之目的 在於，縮小〇Ν電阻，或是提高開關速度（使高頻動作特 性提高），進行大電力半導體裝置的開發。 亦即，功率Μ 0 S F Ε Τ的特性與使用條件，在這數 年中大幅的提升。例如關於Ο Ν電阻，乃比數年前的 M〇SFET，更縮小了l/10〜l/15，而有關動 作頻率，則由原來的50kHz，提高到l〇〇kHz。 但是，若動作頻率提高到接近1 〇 〇 kH z或1 0 〇 k Η z以上’反而會重新產生如上述之Μ〇S F Ε T特性 改善的效果達到頂點的問題。此係在於阻抗爲1 / ζ = 1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公楚） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一裝· 、1Τ -Φ -5- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 499760 A7 ___B7 _ 五、發明説明（3) / r + 1 / 2 r f L、z = 2 τ f L的關係，認爲會增加 MOSFET的導通電阻成份。 而隨著電子零件之基板實裝，轉移到要求機器、裝置 小型化與降低成本的所謂面實裝，且進行零件形狀之薄型 化、小型化。例如，半導體I C所應用的封裝之D I P ( Dual Inline Package) 、PGA (Pin Grid Array)，正逐 漸改成 SOP (SmallOutline Package) 、BGA (Ball Grid Array)。而連有關個別半導體用封裝，也正逐漸以面 實裝型的封裝作爲主流。 .但是，對應習知面實裝的個別半導體封裝，其主要不 但要切斷既存的針腳插入型的封裝針腳多餘部及外部端子 (針腳），還無法充分滿足機器、裝置之小型化和降低成 本的要求。 〔發明欲解決之課題〕 此種於習知之MOSFET、 IGBT等高輸入阻抗 元件中，若動作頻率接近l〇〇kHz，或爲1〇〇 k Η z以上，就會有元件特性之提升達到頂點的缺點。而 就此種元件的封裝而言，適合面實裝的薄型、小型之封裝 的開發也略感不足。 本發明係爲解決上述缺點之發明，其目的在於，針對 高輸入阻抗元件之封裝體提供一就算其動作頻率接近 1 0 0 k Η ζ ’或爲1 〇 〇 k Η ζ以上，元件之特性（例 如開關速度）的提升也不會達到頂點，也適合面實裝之封 i紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公^ ~ -6- I ； 裝 Ί 訂 . (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 499760 A 7 _____ B7 五、發明説明（4) 裝體。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 〔用以解決課題之手段〕 爲達成上述目的，本發明之半導體裝置係具備有：形 成開關元件之半導體晶片、和覆蓋前述半導體晶片之封裝 體、和被連接在前述開關元件的控制電極之第1外部端子 、和被連接在前述開關元件的第1電極之第2外部端子、 和被連接在前述開關元件的第2電極之第3及第4外部端 子；對前述第1外部端子與前述第3外部端子之間施加輸 入電壓’且對前述第2外部端子與前述第4外部端子之間 流入輸出電流。 前述第1外部端子與前述第3外部端子，乃爲互相？接 .而被配置之。前述第1外部端子與前述第3外部端子，則 被配置在前述封裝體的同一面內。 前述開關元件係爲高輸入阻抗元件。前述開關元件具 有1 0 0 W以上的容許損失，且以1 〇 〇 k Η z以上的動 作頻率，執行動作。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 前述開關元件爲Μ〇S F Ε Τ，前述第2電極則爲前 述MOS F ΕΤ之源電極。前述第1至第4外部端子，其 表面一部分實際上是與前述封裝體表面一致。 〔發明之實施形態〕 以下，邊參照圖面，邊針對本發明之半導體裝置做一 詳細說明。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 499760 A7 B7__ 五、發明說明（5 ) 第1圖係表示有關本發明之第1實施形態之半導體裝 置。而第2圖係表示第1圖之半導體裝置之斷面圖。 t •本例乃針對大電力面實裝型Μ〇SF E T元件做一說 明。 在半導體晶片1形成縱型之MOSFET (電力用開 關元件），其背面爲MOSFET之汲極。半導體晶片1 之背面，是利用焊接或導電性樹脂，被固定在框架散熱部 2 - 1。框架散熱部2 - 1則具有得以使半導體晶片1所 發生的熱能，釋放到封裝體外部的功能之同時，也是作爲 Μ 0 S F E T之汲極的外部端子（D )之功能。 在半導體晶片1的主表面，形成MO S F Ε Τ之源電 極5及閘電極6。源電極5利用銲接線3 a，被連接在 MOSFET之源極的外部端子（S1) 2 — 2 — 1之同 時，利用銲接線3 c被連接在Μ 0 S F Ε T之源極的外部 端子（S 2 ) 2 - 2 — 2。閘電極6則利用銲接線3 b， 被連接在MOSFET之閘極的外部端子（G) 2 — 3。 M〇S FET之源極的外部端子2 — 2 — 1的功能是 作爲取出輸出電流的輸出端子，外部端子2 - 2 - 2的功 能則是與外部端子2 - 3 —同作爲施加輸入電壓的輸入端 子。 銲接線3 a ，3 b例如是由鋁（A L )、金（A u ) 等金屬材料構成的。半導體晶片1及其周邊部，則除了 Μ 0 S F Ε T之汲極、源極、閘極的各外部端子之一部份 外，均用樹脂4予以覆蓋之。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） - ----I I I I I i^wi i I I I I I I ^-------1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -8- 499760 A7 , ΒΊ 補充 五、發明説明（6) 上述之半導體裝置的特徴在於，MO S F E T之源極 的外部端子，存有兩個。然後，外部端子（S 1 ) 2 - 2 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) - 1的功能是作爲取出輸出電流的輸出端子，外部端子（ S 2 ) 2 - 2 - 2的功能則是與外部端子2 — 3 —同作爲 施加輸入電壓的輸入端子。 外部端子2 - 2 - 1是種用來取出輸出電流的端子， 故其大小要儘可能的.大，連繫源電極5與外部端子2 - 2 - 1的銲接線3 a之數量也要很多。 而從Μ〇S F E T的源極至外部端子2 — 2 — 1之間 ，存在著因半導體晶片1之內部配線或銲接線3 a所引起 •的電阻成份和感應係數成份（第5圖之Z i )。 因而，能以縮短半導體晶片1的內部配線，或是增加 銲接線3a的數量，而儘可能的減少從Μ〇S F E T之源極 至外部端子2 - 2 — 1之間的電阻成份和感應係數成份。 另一方面，外部端子2 - 2 - 2是種與外部端子2 - 可小於外 與外部端 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3 —同作爲施加輸入電壓V G S的端子，其大小 部端子2 - 2 - 1 ，並且也可減少連繋源電極5 子2 — 2 - 2的銲接線3 c之數量。 總之，外部端子2 — 2 - 2，2 — 3，是爲 了施加輸 入電壓V G S的端子，因此特別是從MO S F Ε Τ之源極 到外部端子2 - 2 - 2之間的電阻成份和感應係數成份是 沒問題。 可藉由具備此種的構成，達成提升元件特性（例如開 關速度）。此效果，明顯的產生在具有1 0 0 W以上之容 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐〉 -9- 499760 A7 ___B7_ 五、發明説明（7) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 許損失P D的裝置’或是以接近1 〇 〇 kH z或1 〇 〇 k Η z以上的動作頻率，執行動作的裝置。再者，針對有 關開關速度等之具體效果，於後面做一詳述。 而上述之半導體裝置係採用面實裝型之封裝體。而 Μ〇S F Ε Τ之源極的外部端子（輸入端子）2 — 2 - 2 與閘極的外部端子（輸入端子）2 - 3 ，是互相鄰接而配 置的，因此很容易就完成實裝基板側的配線設計。結果可 達到機器、裝置、系統之小型化和降低成本等。 再者，於第1圖中，可將閘極之外部端子2 - 3的位 置與源#之外部端子2 — 2 - 1 ，2 - 2 - 2的位置反過 來。但源極的外部端子2 - 2 - .2與閘極之外部端子2 -3，卻要成互相鄰接的方式做配置。 第3圖係表示有關本發明之第2實施形態之半導體裝 置。而第4圖係表示第3圖之半導體裝置的斷面圖。 本例亦針對大電力面實裝型Μ 0 S F Ε Τ元件做一說 明。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本例之半導體裝置的特徵在於具備設有考慮到對模組 裝置等的實裝利便性之形狀的觀點。總之，閫極之外部端 子2 — 3及源極的兩個外部端子2 — 2 - 1 ，2 — 2 - 2 ，是分別被配置在封裝體其中一面，汲極之外部端子2 — 1則被配置在封裝體的另一面。 以下，針對本例之半導體裝置的構成做一具體說明。 在半導體晶片1形成縱型之Μ〇S F Ε Τ (電力用開 關元件），其背面係爲Μ 0 S F Ε Τ之汲極。半導體晶片 本紙張尺度適用中周國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 499760 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（8 ) 1的背面，是利用焊接和導電性樹脂，被固定在框架散熱 部2 — 1。框架散熱部2 - 1則具有得以使半導體晶片1 所發生的熱能，釋放到封裝體外部的功能之同時，也是作 爲Μ〇S F E T之汲極的外部端子（D )之功能。 •在半導體晶片1的主表面，形成MO S F ΕΤ之源電 極5及閘電極6。源電極5是被連接在MOSFET之源 極的外部端子（S1) 2 - 2 — 1之同時，會被連接在 Μ〇S F Ε Τ之源極的外部端子（S 2 ) 2 — 2 — 2。閘 電極6則被連接在MO S F Ε Τ之閘極的外部端子（G ) 2 - 3。 Μ 0 S F Ε Τ之源極的外部端子2 - 2 - 1的功能是 作爲取出輸出電流的輸出端子，外部端子2 - 2 - 2的功 能則是與外部端子2 - 3 —同作爲施加輸入電壓的輸入端 子。 半導體晶片1及其周邊部，則除了 Μ〇S F Ε 丁之汲 極、源極、閘極的各外部端子之一部份外，均用樹脂4予 以覆蓋之。 就連上述之半導體裝置中，MOSFET之源極的外 部端子，也存有兩個。然後，外部端子（S1) 2 - 2 -1的功能是作爲取出輸出電流的輸出端子，外部端子（ S 2 ) 2 — 2 — 2的功能則是與外部端子2 — 3 —同作爲 施加輸入電壓的輸入端子。 外部端子（S 1 ) 2 - 2 - 1是種用來取出輸出電流 的端子，故其大小要儘可能的大，且連繫源電極5與外部 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) T裝 ------ 訂-----

n n n I 參 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -11 - 499760 經濟部智慧財產局員工消f合作社印製 a7 户##正 _ B7 I 9LU_ 充—五、發明説明（9) 端子2 — 2 - 1的接點很多。 而從Μ 0 S F. E T的源極至外部端子2 - 2 - 1之間 ，存在著因半導體晶片1之內部配線等所引起的電阻成份 和感應係數成份（第5圖之Z i )。 . 因而，能以縮短半導體晶片1的？部配線等，而儘可能 的減少從Μ〇S F E T之源極至外部端子2 - 2 — 1之間 的電阻成份和感應係數成份。 另一方面，外部端子（S 2 ) 2 - 2 - 2是種與外部 端子2 - 3 —同作爲施加輸入電壓V G S的端子，其大小 可小於外部端子2 - 2 - 1，並且也可減少源電極5與外 部端子2 — 2 — 2的接點。 總之，外部端子2 — 2 — 2，2 - 3，是爲了施加輸 入電壓V G S的端子，因此特別是從Μ〇S F Τ之源極 到外部端子2 - 2 - 2之間的電阻成份和感應係數成份是 沒問題的。 可藉由具備此種的構成，達成提升元件特性（例如開 關速度）。此效果，明顯的產生在具有1 0 0 W以上之容 許損失P D的裝置，或是以接近1 〇 〇 k Η ζ或1 0 0 k Η ζ以上的動作頻率，執行動作的裝置。 而上述之半導體裝置係採用易針對模組裝置等之實裝 的封裝體。而Μ 0 S F Ε Τ之源極的外部端子2 - 2 — 2 與閘極的外部端子2 - 3 ，是在封裝的同一面內，予以互 相鄰接而配置的，因此很容易就完成模組裝置側的配線設 計。結果可達到系統之小型化和降低成本等。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項存填寫本頁) 装· 訂 -1#^ -12- 499760 A7 五、發明説明（怊 接著，針對在採用第1圖至弟4圖之半導體裝置的情 形下之效果，做一詳細說明。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第5圖係表示第1圖至第4圖之半導體裝置之等値電 路苍。 V G S係爲聞極端子（外部_子）G與源極端子（外 部端子）S 2之間的電壓，V D S係爲汲極端子（外部端 子）D與源極端子（外部端子）s 1之間的電壓，I D爲 汲極電流。 第6圖係表示針對習知品級（3端子品級）測量〇n 波形的結果，第7圖係表示針對本發明品級（4端子品級 )測量Ο N波形的結果。 該些圖係有關汲極電流I D的前沿，並表示本發明品 級比習知品級更高速。總之，按照本發明品級，由〇F F 換向成〇 N的開關速度就變得很高速。 而第8圖係表示針對習知品級（3端子品級）測量 0 F F波形的結果，第9圖係表示針對本發明品級（4端 子品級）測量〇F F波形的結果。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 該些圖係有關汲極電流I D的後沿，並表示本發明品 級比習知品級更局速。總之，按照本發明品級，由〇N換 向〇F F的開關速度就變得很高速。 如此一來只要按照本發明品級，〇N、〇F F就能同 時完成高速開關動作。而有關開關損失，則於表1 ，表示 比較本發明品級與習知品級的結果。總之，本發明品的開 關ί貝失比習知品級小5 0 %以上。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉Α4規格（210Χ297公羡） —--- -13- 499760 Α7 Β7 五、發明說明（11 ) 〔表1〕 開關損失（槪略） Ps w 100kHz 200kHz 3端子品級 37.9 β J 3.79w 7.58w 4端子品級 17.0 β J 1.70 w 3.40w 氺 Psw=Pon + Pof f Ρ ο η : Ο N時的損失 Po f f : OFF時旳的損失 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 而本發明的汲極電流I D，並不會受到V G S的影響 。總之，習知由於源極的外部端子爲一個，故該源極的外 部端子，乃作爲與閘極之外部端子一同施加輸入電壓 V G S的端子，且功能爲取出輸出電流（汲極電流）的端 子。因此，汲極電流I D會大受VG S之影響。另一方面 ，本發明的源極之外部端子爲兩個，其中一方係爲輸入端 子，另一方則爲輸出端子的功能，即可減少汲極電流I D 受V G S的影響，還能減低雜音。 再者，本發明係採用面實裝型的封裝體。例如在如上 述之案例所示的Μ 0 S F E T之情況下，源極端子S 1 ， S 2與印刷基板的控制器面積，大幅增加的關係，可減少 大電流發生時的外部端子的發熱。而由於封裝體被薄型化 、小型化，故可達到系統之小型化、低成本化。

· 1 I I I I 1 I 訂· I I I I I 墨 秦 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -14- 499760 A7 __ ___Β7________ 五、發明說明（12 ) 〔發明之效果〕 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 以上，如說明般，若按本發明，有關於高輸入阻抗元 件:的封裝構造，例如Μ Ο S _電晶體的源極之外部電極爲兩 個的關係，就可達成提升元件特性（例如開關速度）。此 效果會明顯的產生在容許損失PD爲1 〇 〇W以上的裝置 (例如縱型MOSFET)、和動作頻率接近1〇〇 kHz或l〇〇kHZ以上的裝置。而若按本發明，就能 藉由採行面實裝型的封裝體，對封裝體提出薄型化、小型 化的貢獻。 〔圖面之簡單說明〕 第1圖係表示有關本發明之第1實施形態之半導體裝 置圖。 第2圖係表示第1圖之半導體裝置之斷面_。 第3圖係表示有關本發明之第2實施形態之半導體裝 置圖。 第4圖係表示第3圖之半導體裝置之斷面圖。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第5圖係表示本發明之半導體裝置之等値電路圖。 第6圖係表不習知品級（3端子品級）之〇n波形圖 0 罘7圖係表不本發明品級（4端子品級）之〇n波形 圖。 第8圖係表不習知品級（3端子品級）之〇jr jr波形 圖。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -15- 499760 A7B7 波 F F ο 之 級 品 子 端 4 /V 級 品 明 發 本 ) 示 13表 {係 明圖 說 9 J第 發 圖 形 圖 面 斷 之 。 置 圖裝 置體 裝導 體半 導之 半圖 之 ο 知 1 習第 示示 表表 係係 圖 圖 ο 1一 IX IX 第第 極 源 κί\ 子 端 部 外 } : } 線 極 2 極接 汲 I 閘銲 ( 2 ( : 子 I 子 C 片端 2 端 3 晶部 ，部， 1 體外 i 外 b 明導：一 :3 說半 1 2 3 , 之 ： I I I a : · · 號 1222345 符 6 極極 脂電電 樹源閘 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裳----——訂 —----- BI. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -16-

Claims (1)

1. 499760 Α8 Β8 C8 D8 々、申請專利範圍 第89 1 1727 1號專利申請案 中文申請專利範圍修正本& i 1 ^ (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) 民國90年.1月修正 1 · 一種半導體裝置，其特徵爲：具備有，形成開關 元件之半導體晶片、和覆蓋前述半導體晶片之封裝體、和 被連接在前述開關元件的控制電極之第1外部端子、和被 連接在前述開關元件的第1電極之第2外部端子、和被連 接在前述開關元件的第2電極之第3及第4外部端子；對 前述第1外部端子與前述第3外部端子之間施加輸入電壓 ，且對前述第2外部端子與前述第4外部端子之間流入輸 出電流。 2 .如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其前 述第1外部端子與前述第3外部端子，是互相鄰接而配置· 的。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3 .如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其前 述第1外部端子與前述第3外部端子，是被配置在前述封 裝體的同一面內。 4 .如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其前 述開關元件爲高輸入阻抗元件。 5 .如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其前 述開關元件係具有1 0 0 W以上的容許損失。. 6 .如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其前 述開關元件是以1 0 0 k Η z以上的動作頻率’執行動作 本紙張尺度適用中國國家標準( CNS ) Α4規格（210X297公釐) 一 499760 A8 B8 C8 D8 七、申請專利範圍 〇 7 .如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其前 述開關元件係爲Μ 0 S F E T，前述第2電極係爲前述 Μ〇S F Ε Τ的源電極。 8 .如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其前 述第1至第4外部端子，其表面一部分實際上是與前述封 裝體表面一致。 ---Ik 2----裝—I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

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