WO2013038749A1 - 配線シート付き電極端子、配線構造体、半導体装置、及びその半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an electrode terminal with a wiring sheet on which a switching element is arranged, a wiring structure, a semiconductor device, and a method for manufacturing the semiconductor device.
- the semiconductor device for power control includes a switching element, a wiring structure in which the switching element is disposed, and a sealing portion that seals the switching element.
- the wiring structure includes a wiring body connected to the first electrode of the switching element, a wiring body connected to the second electrode of the switching element, and a wiring body connected to the control electrode of the switching element.
- Si IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
- SiC silicon carbide
- GaN gallium nitride
- SiC MOSFETs Metal-Oxide-Semiconductor Field
- GaN-based MESFETs GaN-based MESFETs
- power control semiconductor devices equipped with these elements have been developed and studied. For example, in the technique described in Patent Document 1, the control electrode and the first electrode formed on the main surface of the switching element are respectively connected to two electrodes (wiring bodies) formed on one insulating substrate. ing.
- each electrode tends to become smaller due to the miniaturization of the switching element.
- a MOSFET using SiC has a higher breakdown voltage than an IGBT using Si. From this, the chip can be made smaller than the IGBT using Si. For this reason, the area of a source electrode and the area of a gate electrode are smaller than the electrode of the Si type switching element of a conventional structure. Further, even in Si-based switching elements, there is a tendency to increase the breakdown voltage and reduce the size by a deep trench method or the like, and each electrode is made smaller.
- an electrode connected to the source electrode (hereinafter referred to as the first electrode) and an electrode connected to the gate electrode (hereinafter referred to as the second electrode) are formed on the insulating substrate. These electrodes are formed by etching. For this reason, the distance between the two electrodes depends on the thickness of these electrodes. On the other hand, since it is necessary to apply a large current to the source electrode, it is necessary to increase the thickness of both electrodes. For these reasons, it is difficult to achieve the required distance between electrodes (between wiring bodies) associated with downsizing of the switching element using the technique of Patent Document 1.
- each electrode of the switching element and each wiring body of the wiring structure by wire bonding.
- the wire used for wire bonding is made of aluminum, and the maximum diameter of the wire is 500 ⁇ m in order to obtain the flexibility required for wire bonding.
- the current density of the switching element increases, and naturally, the wire bonding wire also increases in current density. As a result, there is a possibility that the wire may be blown by an electric current.
- An object of the present invention is to provide an electrode terminal with a wiring sheet, a wiring structure, a semiconductor device, and a method for manufacturing the semiconductor device, in which a small switching element can be mounted regardless of wire connection.
- At least a switching element in which at least a first electrode and a control electrode are formed on a first main surface and a second electrode is formed on a second main surface.
- One electrode terminal with a wiring sheet is provided.
- the electrode terminal with a wiring sheet includes an electrode terminal connected to the first electrode and a wiring sheet provided with a control terminal connected to the control electrode, and the wiring sheet is provided on a surface of the electrode terminal to which the first electrode is connected. Is attached so that the electrode terminal and the wiring sheet are integrated.
- the following matters are required for the wiring structure. That is, it is required to secure insulation between the electrode terminal for large current and the electrode terminal for small current, and to reduce the interval between the electrode terminals.
- the processing interval of the wiring structure that is, the distance between the electrode terminals is limited by the thickness of the electrode terminals. Therefore, it is difficult to satisfy the above requirements.
- the electrode terminal for large current and the electrode for small current are compared with the wiring structure of the conventional structure.
- the distance between the electrode terminals can be reduced.
- a conductor for connecting the electrode terminal and the first electrode to each other is disposed on the electrode terminal.
- a conductor is interposed between the electrode terminal and the first electrode of the switching element.
- a material different from an electrode terminal can be selected as a conductor.
- At least a switching element in which at least a first electrode and a control electrode are formed on a first main surface and a second electrode is formed on a second main surface.
- One wiring structure is provided.
- the wiring structure includes a conductor connected to the first electrode, a first electrode terminal connected to the first electrode via the conductor, a wiring sheet provided with a control terminal connected to the control electrode, And a second electrode terminal connected to the second electrode.
- the cross-sectional area of the conductor is set so that the wiring body connected to the first electrode and the wiring body connected to the second electrode do not become resistors.
- the amount of current flowing through the control electrode is small.
- the cross-sectional area of the wiring body connected to the control electrode may be smaller than that of the wiring body connected to the first electrode and the second electrode.
- the first wiring body connected to the first electrode and the second wiring body connected to the control electrode are formed on the insulating substrate.
- each thickness of the first and second wiring bodies is determined by the thickness of the first wiring body through which a large current flows. .
- the conductor (wiring body) connected to the first electrode and the control terminal (wiring body) connected to the control electrode are configured as separate members. That is, the conductor corresponds to the first wiring body, and the control terminal of the wiring sheet corresponds to the second wiring body. That is, since the conductor and the wiring sheet are parts of different forms, both members are not subjected to processing restrictions from the other member. For this reason, a wiring sheet can be made thin and the space
- the wiring sheet is fixed to the first electrode terminal so that the arrangement relationship between the conductor and the control terminal corresponds to the arrangement relationship between the first electrode and the control electrode on the first main surface.
- the wiring sheet is fixed to the first electrode terminal so that the arrangement relationship between the conductor and the control terminal corresponds to the arrangement relationship between the first electrode and the control electrode on the first main surface.
- it is.
- the arrangement relationship between the conductor and the control terminal is matched with the arrangement relationship between the first electrode of the switching element and the control electrode. For this reason, when the switching element is disposed in the portion where the conductor and the control terminal are disposed, the first electrode and the conductor of the switching element and the control electrode and the control terminal of the switching element can be accurately connected respectively. .
- a through hole is formed in the wiring sheet corresponding to the first electrode, and the conductor is attached to the first electrode terminal through the through hole.
- the position of the conductor can be easily determined by the through hole of the wiring sheet.
- the arrangement relationship between the conductor and the control terminal does not greatly deviate. That is, misalignment can be made difficult to occur in the connection between the first electrode of the switching element and the conductor and in the connection between the control electrode of the switching element and the control terminal.
- the conductor is preferably formed of a buffer material that relieves stress.
- the conductor is formed of the buffer material, the stress generated between the first electrode terminal and the switching element or inside these members can be relaxed.
- the arrangement surface on which the conductor is arranged in the first electrode terminal is set at a position lower than the sheet arrangement surface of the wiring sheet.
- the thickness of the conductor can be increased as compared with the case where the arrangement surface on which the conductor is arranged and the sheet arrangement surface of the wiring sheet are the same plane.
- the conductor connected to the first electrode is preferably the first conductor
- the second electrode terminal is preferably provided with the second conductor connected to the second electrode.
- the thermal expansion coefficient of the first conductor is larger than the thermal expansion coefficient of the switching element and smaller than the thermal expansion coefficient of the first electrode terminal
- the thermal expansion coefficient of the second conductor is It is preferable that it is larger than the thermal expansion coefficient of the element and smaller than the thermal expansion coefficient of the second electrode terminal.
- the first conductor having a thermal expansion coefficient between the thermal expansion coefficient of the switching element and the thermal expansion coefficient of the first electrode terminal is used, and the thermal expansion coefficient of the switching element and the second electrode terminal are used.
- a second conductor having a thermal expansion coefficient between that and the thermal expansion coefficient is used. For this reason, the difference in thermal expansion coefficient between two members adjacent to each other is reduced. Therefore, the stress which arises between each member can be made small.
- the first electrode terminal is provided with a third conductor connected to another semiconductor element, and the second electrode terminal has a fourth conductor connected to the other semiconductor element. It is preferable that the third conductor and the fourth conductor are formed of a buffer material that relieves stress.
- the other semiconductor element is connected to the first electrode terminal via the third conductor and connected to the second electrode terminal via the fourth conductor.
- the third conductor and the fourth conductor are formed of a buffer material. For this reason, the stress which arises between another semiconductor element and the 1st electrode terminal, between another semiconductor element and the 2nd electrode terminal, or the inside of these members can be made small.
- the first conductor and the third conductor are integrated.
- the manufacturing process of the wiring structure can be simplified.
- the second conductor and the fourth conductor are integrated.
- the manufacturing process of the wiring structure can be simplified.
- the thermal expansion coefficient of the third conductor is larger than the thermal expansion coefficient of other semiconductor elements and smaller than the thermal expansion coefficient of the first electrode terminal
- the thermal expansion coefficient of the fourth conductor is It is preferable that the thermal expansion coefficient is larger than that of other semiconductor elements and smaller than the thermal expansion coefficient of the second electrode terminal.
- the third conductor having a thermal expansion coefficient between the thermal expansion coefficient of the other semiconductor element and the thermal expansion coefficient of the first electrode terminal is used, and the thermal expansion coefficient of the other semiconductor element is A fourth conductor having a thermal expansion coefficient between that of the second electrode terminal is used. For this reason, the difference in thermal expansion coefficient between two members adjacent to each other is reduced. Therefore, the stress which arises between each member can be made small.
- the switching element in which the first electrode, the control electrode, and at least one other electrode are formed on the first main surface and the second electrode is formed on the second main surface is disposed, and the wiring sheet is disposed on the wiring sheet.
- the switching element in which the first electrode, the control electrode, and at least one other electrode are formed on the first main surface and the second electrode is formed on the second main surface is disposed, and the wiring sheet is disposed on the wiring sheet.
- the wiring sheet is provided with other terminals in addition to the control terminals.
- the switching element provided with other electrodes besides the first electrode and the control electrode can be arranged on the wiring sheet.
- an insulating layer is provided on the surface of the first electrode terminal opposite to the switching element, and an insulating layer is provided on the surface of the second electrode terminal opposite to the switching element. preferable.
- the present invention when a semiconductor device is formed using a wiring structure, when the portion where the switching element is disposed is sealed with the sealing resin, the surface on which the insulating layer is formed can be exposed to the outside. it can. For this reason, the heat dissipation device can be attached to the portion where the insulating layer is formed, and heat can be transmitted to the heat dissipation device without using the sealing resin. That is, it is possible to provide a wiring structure to which a heat dissipation device can be directly attached.
- the first electrode terminal and the second electrode terminal are provided on the insulating substrate, and includes a bridging conductor that connects the second electrode terminal and the switching element.
- the semiconductor device can be thinned by configuring the semiconductor device using this wiring structure.
- a semiconductor device including the above electrode terminal with a wiring sheet.
- a semiconductor device includes the above electrode terminal with a wiring sheet. That is, a switching element smaller than the conventional one can be mounted. For this reason, in a package that does not use wire connection, the semiconductor device can be made smaller than before.
- a semiconductor device including the above wiring structure is provided.
- a semiconductor device includes the above wiring structure. That is, a switching element smaller than the conventional one can be mounted. For this reason, in a package that does not use wire connection, the semiconductor device can be made smaller than before.
- a switching element in which at least a first electrode and a control electrode are formed on a first main surface and a second electrode is formed on a second main surface;
- a method for manufacturing a semiconductor device comprising a first electrode terminal and a wiring sheet connected to a first main surface of a switching element, and a second electrode terminal connected to a second main surface of the switching element.
- the manufacturing method includes a step of fixing a wiring sheet to a first electrode terminal to form an electrode terminal with a wiring sheet, a pre-connection step of fixing a switching element to the electrode terminal with a wiring sheet with solder, and an assembly of the pre-connection step And a post-connection step of fixing the second electrode terminal with solder.
- the switching element is fixed to the structure with solder before the switching element is fixed to the second electrode terminal. That is, the switching element is made movable and the switching element is fixed to the structure with solder. Thereby, at the time of solder connection, the switching element moves to an appropriate position due to the surface tension of the solder. That is, since the position of the switching element is determined by self-alignment, a short circuit between the first electrode and the control electrode is suppressed.
- solder having a melting point lower than that of the solder used in the pre-connection process in the post-connection process it is preferable to use solder having a melting point lower than that of the solder used in the pre-connection process in the post-connection process.
- the present invention compared with the case where the solder used in each step is the same, melting of the solder connection portion formed in the previous connection step can be suppressed in the subsequent solder connection. Therefore, it is possible to suppress the displacement of the switching element that occurs during the subsequent process.
- FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line 3-3 in FIG. 2.
- Sectional drawing of the 6th modification of a wiring structure The disassembled perspective view which shows the manufacturing method of a semiconductor device.
- the enlarged view which shows mounting of a switching element.
- the semiconductor device 1 includes a switching element 10, a flywheel diode 20, a wiring structure 30 in which these two elements are arranged, and a sealing unit 80 that seals these two elements. Is provided.
- the semiconductor device 1 is used for a switching circuit such as an inverter.
- the switching element 10 and the flywheel diode 20 are connected in parallel. That is, the source electrode 14 of the switching element 10 and the anode electrode of the flywheel diode 20 are connected, and the drain electrode 13 of the switching element 10 and the cathode electrode of the flywheel diode 20 are connected.
- a signal wiring (wiring 61) is connected to the gate electrode 15 of the switching element 10.
- the flywheel diode 20 is an element for releasing electric power generated in the reverse direction of the switching element 10. Thereby, it is suppressed that overpower is added to the switching element 10.
- the switching element 10 is formed of an n-type MOSFET. As shown in FIG. 11, the source electrode 14 (first electrode), the gate electrode 15 (control electrode), the first monitor electrode 16, and the second monitor electrode 17 are formed on the first main surface 11 of the switching element 10. A third monitor electrode 18 and a fourth monitor electrode 19 are formed.
- a drain electrode 13 (second electrode) is formed on the second main surface 12 of the switching element 10.
- the first monitor electrode 16 is connected to the anode of a temperature characteristic monitoring diode formed in the switching element 10 for temperature monitoring.
- the second monitor electrode 17 is connected to the cathode of the temperature characteristic monitoring diode. Based on the potential difference between the first monitor electrode 16 and the second monitor electrode 17, the temperature of the switching element 10 is estimated.
- the third monitor electrode 18 is connected to the drain layer in the switching element 10. That is, a part of the drain current is output. For example, 1/10000 of the drain current is shunted.
- the fourth monitor electrode 19 is connected to the source layer in the switching element 10.
- a signal input to the gate electrode 15 of the switching element 10 is formed with reference to the potential of the source layer, that is, the potential of the fourth monitor electrode 19.
- the source electrode 14 is larger than the gate electrode 15 and the first to fourth monitor electrodes 16 to 19.
- the first to fourth monitor electrodes 16 to 19 and the gate electrode 15 are arranged in a row near the end of the first main surface 11.
- the electrodes 15 to 19 are formed in substantially the same size.
- the flywheel diode 20 is made of Si.
- the wiring structure 30 constitutes the wiring of the semiconductor device 1.
- the sealing unit 80 seals the switching element 10 and the flywheel diode 20.
- the sealing resin filler-containing epoxy resin such as silicon oxide, PPS resin (polyphenylene sulfide resin), or the like is used.
- the wiring structure 30 includes a first electrode terminal 40, a second electrode terminal 50, a wiring sheet 60, and four conductors.
- the first conductor 31, the second conductor 32, the third conductor 33, and the fourth conductor 34 are used.
- a structure including the first electrode terminal 40, the wiring sheet 60, the first conductor 31, and the third conductor 33 is referred to as an electrode terminal 45 with a wiring sheet.
- the first electrode terminal 40 constitutes a terminal of the semiconductor device 1.
- a first conductor 31 and a third conductor 33 are provided on the first surface 41 of the first electrode terminal 40.
- the first conductor 31 is disposed corresponding to the switching element 10.
- the first main surface 31 ⁇ / b> A of the first conductor 31 is connected to the first electrode terminal 40 via the first solder 91.
- the third conductor 33 is disposed corresponding to the flywheel diode 20.
- the first main surface 33 ⁇ / b> A of the third conductor 33 is connected to the first electrode terminal 40 via the first solder 91.
- As the first solder 91 lead-free solder is used.
- the melting point of the first solder 91 is higher than the melting point of the second solder 92 described later.
- An insulating sheet 43 is attached to the second surface 42 of the first electrode terminal 40, that is, the surface opposite to the switching element 10.
- the insulating sheet 43 is made of a polyimide resin.
- the insulating sheet 43 has a three-layer structure. That is, the intermediate layer of the insulating sheet 43 is a non-thermoplastic polyimide layer, and a thermoplastic polyimide layer is formed on both sides of the non-thermoplastic polyimide layer. That is, a thermoplastic polyimide layer is laminated on the surface of the insulating sheet 43 that adheres to the second surface 42.
- Non-thermoplastic means a property that does not have a clear glass transition temperature, is not easily softened at high temperatures, and has a small decrease in elastic modulus.
- a metal sheet 44 is attached to the insulating sheet 43.
- the edge 44 ⁇ / b> A of the metal sheet 44 is disposed on the inner side than the edge 43 ⁇ / b> A of the insulating sheet 43. That is, the area of the insulating sheet 43 is larger than the area of the metal sheet 44.
- the metal sheet 44 is formed of copper foil. The portion where the insulating sheet 43 and the metal sheet 44 are attached is exposed when the semiconductor device 1 is formed by sealing the wiring structure 30 with resin. That is, the first surface 41 of the first electrode terminal 40 is sealed with the sealing resin, while the second surface 42 of the first electrode terminal 40 is exposed to the outside.
- the laminated body (henceforth insulating protective layer) of the insulating sheet 43 (insulating layer) and the metal sheet 44 (protective layer) is formed with a copper clad polyimide laminated sheet.
- the copper-clad polyimide laminated sheet one having an adhesive surface that is a thermoplastic polyimide layer is used. This is because the copper-clad polyimide laminated sheet can be attached to the first electrode terminal 40 by thermocompression bonding.
- the surface of the first electrode terminal 40 is subjected to electroless Ni—P plating treatment to prevent rust.
- copper is used from the viewpoint of conductivity and thermal conductivity. For example, it is made of high-purity copper such as tough pitch copper or oxygen-free copper. Aluminum may be used for weight reduction.
- the second electrode terminal 50 constitutes a terminal of the semiconductor device 1.
- the second electrode terminal 50 is formed of the same material as that of the first electrode terminal 40 and is subjected to the same surface treatment.
- a second conductor 32 and a fourth conductor 34 are provided on the first surface 51 of the second electrode terminal 50.
- the second conductor 32 is disposed corresponding to the switching element 10.
- the first main surface 32 ⁇ / b> A of the second conductor 32 is connected to the second electrode terminal 50 through the first solder 91.
- the fourth conductor 34 is disposed corresponding to the flywheel diode 20.
- the first main surface 34 ⁇ / b> A of the fourth conductor 34 is connected to the second electrode terminal 50 via the first solder 91.
- the insulating sheet 53 is affixed to the second surface 52 of the second electrode terminal 50, that is, the surface opposite to the switching element 10.
- a metal sheet 54 is attached to the insulating sheet 53.
- the structure of the laminated body of the insulating sheet 53 and the metal sheet 54 is the same as the structure of the insulating protective layer of the first electrode terminal 40.
- the semiconductor device 1 is formed by sealing the wiring structure 30 with resin, the first surface 51 of the second electrode terminal 50 is sealed, while the second surface 52 of the second electrode terminal 50 is exposed to the outside. Exposed.
- the material of the second electrode terminal 50 is the same material as that of the first electrode terminal 40 in view of the balance of stress applied to the entire semiconductor device 1. Different materials may be used for the first electrode terminal 40 and the second electrode terminal 50.
- the first to fourth conductors 31 to 34 are formed in a substantially rectangular parallelepiped.
- the thermal expansion coefficient of the first conductor 31 is larger than the thermal expansion coefficient of the switching element 10 and smaller than the thermal expansion coefficient of the first electrode terminal 40.
- the thermal expansion coefficient of the second conductor 32 is larger than the thermal expansion coefficient of the switching element 10 and smaller than the thermal expansion coefficient of the second electrode terminal 50. That is, the first conductor 31 and the second conductor 32 function as conductors, and are caused by the difference between the thermal expansion coefficient of the switching element 10 and the thermal expansion coefficient of the first electrode terminal 40 or the second electrode terminal 50. It also functions as a buffer material to relieve stress.
- the thermal expansion coefficient of the third conductor 33 is larger than the thermal expansion coefficient of the flywheel diode 20 and smaller than the thermal expansion coefficient of the first electrode terminal 40.
- the thermal expansion coefficient of the fourth conductor 34 is larger than the thermal expansion coefficient of the flywheel diode 20 and smaller than the thermal expansion coefficient of the second electrode terminal 50. That is, the third conductor 33 and the fourth conductor 34 function as conductors and are caused by the difference between the thermal expansion coefficient of the flywheel diode 20 and the thermal expansion coefficient of the first electrode terminal 40 or the second electrode terminal 50.
- the first main surface 31 ⁇ / b> A and the second main surface 31 ⁇ / b> B of the first conductor 31 that also function as a buffer material for relieving the stress to be generated are formed to have substantially the same size as the source electrode 14 of the switching element 10.
- the second main surface 31 ⁇ / b> B of the first conductor 31 is plated by the second solder 92.
- the first main surface 32A and the second main surface 32B of the second conductor 32 are formed to have substantially the same size as the drain electrode 13 of the switching element 10.
- the second main surface 32 ⁇ / b> B of the second conductor 32 is also plated with the second solder 92.
- the first main surface 33A and the second main surface 33B of the third conductor 33 are formed to have substantially the same size as the first main surface 21 of the flywheel diode 20.
- the second main surface 33 ⁇ / b> B of the third conductor 33 is plated with the second solder 92.
- the first main surface 34 ⁇ / b> A and the second main surface 34 ⁇ / b> B of the fourth conductor 34 are formed in substantially the same size as the second main surface 22 of the flywheel diode 20.
- the second main surface 34 ⁇ / b> B of the fourth conductor 34 is plated with the second solder 92.
- the first main surface and the second main surface may be subjected to gold plating treatment or may not be subjected to solder plating treatment.
- a solder preform or a solder paste is used to connect the first to fourth conductors 31 to 34 to the first electrode terminal 40 or the second electrode terminal 50.
- the first conductor 31, the second conductor 32, the third conductor 33, and the fourth conductor 34 are a Cu / Mo / Cu laminated plate, a Cu—Mo alloy (Cu—Mo composite material), a Cu—W alloy. (Cu—W composite material), Al—SiC alloy, Kovar (Fe—Ni—Co), tungsten (W), molybdenum (Mo), iron (Fe), 42 alloy (Fe—Ni), etc. . These materials satisfy the conditions of the thermal expansion coefficient. Among these, Cu / Mo / Cu laminates, Cu—Mo alloys (Cu—Mo composite materials), and Cu—W alloys (Cu—W composite materials) have higher thermal conductivity than other materials.
- the Cu—Mo composite material indicates a material in which copper (Cu) is impregnated with molybdenum (Mo) or a material in which molybdenum (Mo) is impregnated with copper (Cu).
- the Cu—W composite material indicates a material in which copper (Cu) is impregnated with tungsten (W) or a material in which tungsten (W) is impregnated with copper (Cu).
- the wiring sheet 60 is formed of a flexible printed board.
- the wiring sheet 60 includes five wirings 61, a reinforcing plate 62, a first polyimide layer 63A that covers one surface of the wiring 61 and the reinforcing plate 62, and a second surface that covers the other surface of the wiring 61 and the reinforcing plate 62. And a polyimide layer 63B.
- the first polyimide layer 63 ⁇ / b> A is an insulating layer that contacts the first electrode terminal 40.
- the first polyimide layer 63A has a three-layer structure. That is, the intermediate layer of the first polyimide layer 63A is a non-thermoplastic polyimide layer, and the thermoplastic polyimide layer is formed on both surfaces of the non-thermoplastic polyimide layer.
- the wiring 61 and the reinforcing plate 62 are made of a copper material and are formed on the first polyimide layer 63A.
- the second polyimide layer 63 ⁇ / b> B covers the wiring 61 and the reinforcing plate 62.
- the second polyimide layer 63B is formed by applying a non-thermoplastic resin to the first polyimide layer 63A on which the wiring 61 and the reinforcing plate 62 are formed.
- the surface in contact with the wiring 61, the surface in contact with the reinforcing plate 62, and the surface in contact with the first electrode terminal 40 are each formed of a thermoplastic polyimide resin.
- the thermoplastic polyimide resin includes high-temperature adhesion between the first polyimide layer 63A and the wiring 61, high-temperature adhesion between the first polyimide layer 63A and the reinforcing plate 62, and high temperature between the first polyimide layer 63A and the first electrode terminal 40. Improve adhesion.
- the wiring sheet 60 is divided into a fixing portion 60 ⁇ / b> A fixed to the first electrode terminal 40 and a lead portion 60 ⁇ / b> B including five wires 61. As shown in FIG. 2, a part of the lead portion 60B contacts the first electrode terminal 40, and is fixed to the first electrode terminal 40 through the contact portion.
- the fixed portion 60A surrounds the flywheel diode 20 and the switching element 10.
- a first through hole 64 and a second through hole 65 are formed in the fixing portion 60A.
- the first through hole 64 is formed to be slightly larger than the first conductor 31.
- the second through hole 65 is formed slightly larger than the third conductor 33.
- a reinforcing plate 62 is provided around the first through hole 64 and the second through hole 65.
- the lead portion 60B extends from the fixed portion 60A and is drawn out to the outside of the sealing portion 80.
- a portion from which the second polyimide layer 63B is partially removed, that is, an opening 66 is formed at the end of the lead portion 60B. In the opening 66, five terminals 67 to 71 are formed. Each terminal 67 to 71 is formed at the tip of the wiring 61.
- the five terminals 67 to 71 are composed of a gate terminal 67 (control terminal) and four monitor terminals 68 to 71.
- the gate terminal 67 is connected to the gate electrode 15.
- the first monitor terminal 68 is connected to the first monitor electrode 16.
- the second monitor terminal 69 is connected to the second monitor electrode 17.
- the third monitor terminal 70 is connected to the third monitor electrode 18.
- the fourth monitor terminal 71 is connected to the fourth monitor electrode 19.
- the first through hole 64 is provided at a position facing the source electrode 14 of the switching element 10.
- Each of the five terminals 67 to 71 is provided for an electrode corresponding to each terminal. That is, the arrangement relationship between the first through hole 64 and the five terminals 67 to 71 and the arrangement relationship between the source electrode 14 and the five electrodes 15 to 19 are the same.
- These terminals 67 to 71 are provided with solder layers.
- the solder layer is formed by the second solder 92.
- the height of the surface of the five terminals (the surface of the solder layer) is substantially the same as the height of the second main surface 31B (the surface of the solder plating) of the first conductor 31. With this configuration, when the switching element 10 is disposed on the second main surface 31B of the first conductor 31, the switching element 10 does not tilt.
- the wiring structure 30 includes a terminal and a conductor corresponding to each electrode of the switching element 10.
- the first conductor 31 is provided corresponding to the source electrode 14, and the five terminals 67 to 71 are provided corresponding to the five electrodes 15 to 19.
- the distance between the source electrode 14 and the five electrodes 15 to 19 has been reduced due to the miniaturization of the switching element 10. For this reason, the distance between the first conductor 31 and the five terminals 67 to 71 needs to be reduced.
- the conductor and the terminal are formed on the insulating substrate, it is difficult to further reduce the distance between the conductor and the terminal.
- the reason is that it is necessary to secure the thickness of the conductor corresponding to the source electrode 14, and when the conductor and the terminal are formed on the insulating substrate, the distance between them is made smaller than the thickness of the conductor and the terminal. This is because etching is difficult.
- the conductor and the terminal are not formed on the insulating substrate, but the conductor and the terminal are formed as separate members. That is, the first conductor 31 connected to the source electrode 14 is a structure that connects to the first electrode terminal 40, and the gate terminal 67 connected to the gate electrode 15 is formed on the wiring sheet 60. In this case, since the wiring sheet 60 is processed regardless of the first conductor 31, the distance between the terminal of the wiring sheet 60 and the first conductor 31 can be reduced.
- the position of the first conductor 31 with respect to the five terminals 67 to 71 is determined by the first through hole 64 of the wiring sheet 60. That is, the movement of the first conductor 31 is restricted by the first through hole 64. For this reason, the arrangement relationship between the first conductor 31 and the gate terminal 67 does not greatly deviate. In particular, when the first conductor 31 is fixed with solder, the first conductor 31 may be displaced from a predetermined position due to the surface tension of the solder. In this respect, according to the present embodiment, since the movement of the first conductor 31 is restricted by the first through hole 64, the positional relationship between the first conductor 31 and each terminal on the wiring sheet 60 is maintained. .
- the positional relationship between the first conductor 31 and the gate terminal 67 is maintained so as to correspond to the positional relationship between the source electrode 14 and the gate electrode 15 of the switching element 10.
- the source electrode 14 and the electrodes 15 to 19 of the switching element 10 can be connected to the first conductor 31 and the terminals 67 to 71 in an appropriate state.
- the second conductor 32 and the fourth conductor 34 are separate members.
- the second conductor 32 and the fourth conductor 34 may be a single member (hereinafter referred to as the fifth conductor 110).
- the fifth conductor 110 may be a single member.
- changes from the wiring structure 30 of the above embodiment will be described.
- symbol is attached
- the fifth conductor 110 is formed in a substantially rectangular parallelepiped.
- the first main surface 110 ⁇ / b> A of the fifth conductor 110 is connected to the second electrode terminal 50.
- the second main surface 110B of the fifth conductor 110 is provided with a first connection portion 111 where the switching element 10 is disposed and a second connection portion 112 where the flywheel diode 20 is disposed.
- the first connection part 111 and the second connection part 112 are plated with the second solder 92. Portions other than the first connection portion 111 and the second connection portion 112 may be covered with a solder resist.
- the thermal expansion coefficient of the fifth conductor 110 is larger than the thermal expansion coefficient of the switching element 10 and the flywheel diode 20, and smaller than the thermal expansion coefficient of the second electrode terminal 50.
- FIG. 5 shows the vicinity of the electrode terminal 45 with a wiring sheet of the wiring structure 30.
- the wiring sheet 60 is directly attached to the first electrode terminal 40.
- the spacer 120 is interposed between the wiring sheet 60 and the first electrode terminal 40.
- changes from the configuration of the electrode terminal 45 with a wiring sheet of the above embodiment will be described.
- symbol is attached
- a third through hole 121 is formed corresponding to the first through hole 64 of the wiring sheet 60, and a fourth through hole 122 is formed corresponding to the second through hole 65.
- the third through hole 121 has substantially the same shape as the first through hole 64.
- the fourth through hole 122 has substantially the same shape as the second through hole 65.
- the height of the surfaces of the five terminals 67 to 71 (the surface of the solder layer), the height of the second main surface 31B of the first conductor 31, and the height of the second main surface 33B of the third conductor 33 are as follows.
- the thickness of the spacer 120 is set so as to substantially match.
- the thicknesses of the first conductor 31 and the third conductor 33 are set in consideration of heat dissipation, the magnitude of stress at a predetermined temperature, and the like.
- the spacer 120 is made of a heat resistant and insulating material.
- the spacer 120 is formed by a polyimide resin having a three-layer structure in which a thermoplastic polyimide layer is formed on both surfaces of a thermoplastic polyimide resin or a non-thermoplastic polyimide resin, a laminate plate of a polyimide resin and a metal foil, a ceramic substrate, or the like. Yes.
- FIG. 6 shows the vicinity of the electrode terminal 45 with a wiring sheet of the wiring structure 30.
- the first surface 41 of the first electrode terminal 40 is formed flat, but in this modification, each portion where the switching element 10 and the flywheel diode 20 are respectively disposed is the sheet disposition surface 41A. It is formed lower than.
- the wiring sheet 60 is bonded to the sheet placement surface 41A.
- a first recess 131 is formed in a portion corresponding to the first through hole 64 of the wiring sheet 60.
- a second recess 132 is formed in a portion corresponding to the second through hole 65 of the wiring sheet 60.
- the bottom surface 131A (arrangement surface) of the first recess 131 is lower than the sheet arrangement surface 41A.
- the planar shape of the first recess 131 is the same as that of the first through-hole 64 and has a structure in which the first conductor 31 is fitted.
- the bottom surface 132A (arrangement surface) of the second recess 132 is lower than the sheet arrangement surface 41A.
- the planar shape of the second recess 132 is the same as that of the second through-hole 65 and has a structure in which the third conductor 33 is fitted.
- FIG. 7 shows the vicinity of the electrode terminal 45 with a wiring sheet of the wiring structure 30.
- the 1st electrode terminal 40, the 1st conductor 31, and the 3rd conductor 33 were separate members, in this modification, the 1st electrode terminal 40, the 1st conductor 31, and the 3rd The conductor 33 is integrally formed.
- changes from the configuration of the electrode terminal 45 with a wiring sheet of the above embodiment will be described.
- the same code is attached and the description is abbreviate
- the first convex portion 141 and the second convex portion 142 are formed on the first surface 41 of the first electrode terminal 40.
- the first convex portion 141 corresponds to the first conductor 31.
- the second protrusion 142 corresponds to the third conductor 33.
- the first convex portion 141 is inserted into the first through hole 64 of the wiring sheet 60.
- the upper surface of the first convex portion 141 is rectangular and is formed in substantially the same shape as the source electrode 14 of the switching element 10.
- the second convex portion 142 is inserted into the second through hole 65 of the wiring sheet 60.
- the upper surface of the second convex portion 142 is rectangular and is formed in substantially the same shape as the flywheel diode 20.
- a solder preform 93 is used for the connection between the first electrode terminal 40 and the switching element 10 and the connection between the first electrode terminal 40 and the flywheel diode 20. Instead of the solder preform 93, a solder paste or the like may be used.
- Such a structure is preferably applied when it is less necessary to provide a buffer material between the switching element 10 and the first electrode terminal 40 and between the flywheel diode 20 and the first electrode terminal 40.
- this modification is applied when the first electrode terminal 40 is made of a Cu—Mo alloy (Cu—Mo composite material).
- the wiring structure 30 in which the switching element 10 and the flywheel diode 20 are arranged has been described as an example.
- other semiconductor elements other than the above members can be arranged.
- changes from the configuration of the first electrode terminal 40 of the above embodiment will be described.
- the components common to the first electrode terminal 40 are given the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
- the semiconductor device 1 includes a control semiconductor element 150 in addition to the switching element 10 and the flywheel diode 20.
- the wiring structure 30 used in this type of semiconductor device 1 will be described.
- the control semiconductor element 150 processes the gate signal.
- a first wiring sheet 151 is affixed to the first electrode terminal 40.
- the first wiring sheet 151 includes lands 152 in addition to the components of the wiring sheet 60 of the above embodiment.
- a sixth conductor 153 is fixed on the land 152 via the first solder 91.
- a control semiconductor element 150 can be mounted on the sixth conductor 153.
- a second wiring sheet 154 is attached to the second electrode terminal 50. On the second wiring sheet 154, lands 155 connected to the electrodes of the control semiconductor element 150 are formed.
- the first electrode terminal 40 and the second electrode terminal 50 are terminals of the semiconductor device 1, respectively, and the switching element 10 and the flywheel diode 20 are formed by the first electrode terminal 40 and the second electrode terminal 50. It was sandwiched.
- a portion corresponding to the first electrode terminal 40 is configured by an electrode (hereinafter referred to as a first electrode portion 161) and a first bus bar, and a portion corresponding to the second electrode terminal 50 is formed. It is comprised by the electrode (henceforth the 2nd electrode part 162) and the 2nd bus bar.
- the first electrode portion 161 and the second electrode portion 162 are disposed on one insulating substrate 160.
- a first electrode portion 161 and a second electrode portion 162 are formed on the insulating substrate 160.
- the 1st electrode part 161 is a part of 1st electrode terminal 40 of the said embodiment.
- a wiring sheet 60 is disposed on the first electrode portion 161. Further, the first conductor 31 and the third conductor 33 are provided on the first electrode portion 161.
- the second electrode portion 162 is a part of the second electrode terminal 50 of the above embodiment.
- the second electrode portion 162 is connected to the switching element 10 and the flywheel diode 20 via the bridging conductor 163, respectively.
- the cross-linked conductor 163 is formed from, for example, a copper plate having a thickness of 0.1 mm to 5.0 mm.
- a solder preform 93 is used for the connection between the bridging conductor 163 and the switching element 10, the connection between the bridging conductor 163 and the flywheel diode 20, and the connection between the bridging conductor 163 and the second electrode portion 162.
- a solder paste or the like may be used instead of the solder preform 93.
- the first electrode part 161 is connected to the first bus bar, and the second electrode part 162 is connected to the second bus bar. These bus bars correspond to the terminals of the semiconductor device 1.
- the insulating substrate 160 is formed of a ceramic substrate such as a DBA (Direct-Brazed-Aluminum) substrate, a DBC (Direct-Bonded-Copper) substrate, or an AMC (Active Metal-Brazed-Copper) substrate.
- DBA Direct-Brazed-Aluminum
- DBC Direct-Bonded-Copper
- AMC Active Metal-Brazed-Copper
- each member As the first electrode terminal 40, a conductive member obtained by performing electroless Ni—P plating treatment on tough pitch copper having a thickness of 2 mm is used.
- the same material as the first electrode terminal 40 is used as the second electrode terminal 50.
- a copper-clad polyimide laminate that is an adhesive-free two-layer material and the outermost surface is a thermoplastic polyimide layer as an insulating protective sheet for forming the insulating protective layer of the first electrode terminal 40 or the second electrode terminal 50
- a sheet (hereinafter, polyimide sheet 90) is used.
- polyimide sheet 90 For example, 18 ⁇ m rolled copper foil is used for the copper foil (metal sheets 44, 54), and 25 ⁇ m polyimide sheet 90 is used for the polyimide layers (insulating sheets 43, 53).
- the copper foil is etched to a position set back 5 mm from the edges 43A and 53A of the polyimide layer. That is, the distance (hereinafter referred to as setback distance) between the edge 43A, 53A of the polyimide layer and the edge 44A, 54A of the copper foil is ensured by 5 mm.
- the copper foil is Ni—P plated.
- a Cu / Mo / Cu laminated plate having a thickness of 0.15 mm is used as the first conductor 31, the second conductor 32, the third conductor 33, and the fourth conductor 34.
- the first main surface of the Cu / Mo / Cu laminated plate is plated with the first solder 91.
- the second main surface of the Cu / Mo / Cu laminated plate is plated with the second solder 92.
- the first main surface is a surface connected to the first electrode terminal 40 or the second electrode terminal 50.
- the second main surface is a surface connected to the switching element 10 or the flywheel diode 20.
- a Si-MOSFET having a thickness of 0.2 mm and 13.6 mm ⁇ 13.6 mm is used.
- flywheel diode 20 As the flywheel diode 20, a Si semiconductor element having a thickness of 0.2 mm and 13.6 mm ⁇ 13.6 mm is used.
- the wiring sheet 60 As the wiring sheet 60, a sheet in which the first polyimide layer 63A is 25 ⁇ m, the second polyimide layer 63B is 3.5 ⁇ m, and the copper foil thickness is 35 ⁇ m is used.
- the wiring sheet 60 is manufactured as follows.
- a laminated material (two-layer material without an adhesive layer) of a copper foil and a polyimide sheet having a three-layer structure is prepared.
- the three-layer structure polyimide sheet corresponds to the first polyimide layer 63A.
- the wiring 61 and the reinforcing plate 62 are formed by etching the copper foil.
- a non-thermoplastic polyimide resin or a precursor thereof is applied and dried to form a layer corresponding to the second polyimide layer 63B.
- the first through hole 64 and the second through hole 65 are formed.
- the terminals 67 to 71 are plated or dipped by the second solder 92.
- the first assembling method and the first electrode terminal 40 are stacked in order.
- the second assembly method is a method of laminating the members in order from the second electrode terminal 50.
- the third assembly method is a method of forming the wiring structure 30 and then connecting the wiring structure 30 and each element (the switching element 10 and the flywheel diode 20). Hereinafter, each assembly method will be described.
- the polyimide sheet 90 and the wiring sheet 60 are attached to the first electrode terminal 40. Specifically, the polyimide sheet 90, the first electrode terminal 40, and the wiring sheet 60 are laminated in this order and aligned with each other. And it presses on conditions of 300 degreeC and 3 Mpa using a vacuum hot press apparatus.
- the polyimide sheet 90 is attached to the second electrode terminal 50. This pasting operation is performed by the same method as in the first step.
- the first conductor 31 and the third conductor 33 are arranged on the first electrode terminal 40 of the assembly in the first step, and are fixed by the solder A.
- the first conductor 31 is disposed in the first through hole 64 and the third conductor 33 is disposed in the second through hole 65 with the wiring sheet 60 facing upward.
- solder is melted in an oven to fix the first conductor 31 and the third conductor 33 to the first electrode terminal 40, respectively.
- the oven temperature is set to a temperature at which the solder A melts.
- the switching element 10 and the flywheel diode 20 are arranged in the assembly formed in the third step. Specifically, as shown in FIG. 11, the source electrode 14 of the switching element 10 and the second main surface 31 ⁇ / b> B of the first conductor 31 are opposed to each other. Further, the gate electrode 15 of the switching element 10 and the gate terminal 67 of the wiring sheet 60 are opposed to each other. The monitor electrodes 16 to 19 and the monitor terminals 68 to 71 are opposed to each other. The first main surface 21 of the flywheel diode 20 and the second main surface 33B of the third conductor 33 are opposed to each other. Then, the switching element 10 and the flywheel diode 20 are respectively fixed to the corresponding conductor or terminal by solder B. As the solder B, solder having a melting point lower than that of the solder A is used.
- the second conductor 32 and the fourth conductor 34 are arranged in the assembly formed in the fourth step, respectively. That is, the second conductor 32 is disposed on the switching element 10, and the fourth conductor 34 is disposed on the flywheel diode 20. Solder C is used to connect these conductors 32 and 34. As the solder C, solder having a melting point lower than that of the solder B is used.
- the assembly formed in the second step is stacked on the assembly formed in the fifth step. That is, the second electrode terminal 50 is disposed on the second conductor 32 and the fourth conductor 34 so as to be in contact with each other, and is connected by the solder D.
- solder D solder having a melting point lower than that of the solder C is used.
- the switching element 10 and the flywheel diode 20 are sealed with a sealing resin.
- the semiconductor device 1 is formed by filling a sealing resin between the first electrode terminal 40 and the second electrode terminal 50 with a molding machine.
- a sealing resin for example, an epoxy resin containing silicon oxide filler is used.
- a water cooling jacket (heat radiating device) is attached to the semiconductor device 1.
- a water cooling jacket is fixed to each of the outer surface of the first electrode terminal 40 and the outer surface of the second electrode terminal 50 of the semiconductor device 1.
- Filler-containing silicon-based thermal grease is used for fixing the water cooling jacket.
- the first step and the second step are the same as the first assembly method. That is, the polyimide sheet 90 and the wiring sheet 60 are attached to the first electrode terminal 40. A polyimide sheet 90 is attached to the second electrode terminal 50.
- the second conductor 32 and the fourth conductor 34 are arranged on the second electrode terminal 50 of the assembly in the second step, and are fixed by the solder A. Specifically, the second conductor 32 and the fourth conductor 34 are arranged with the second electrode terminal 50 facing upward.
- the switching element 10 and the flywheel diode 20 are arranged in the assembly formed in the third step. Specifically, the switching element 10 is disposed on the second conductor 32, and the flywheel diode 20 is disposed on the fourth conductor 34. Then, it is fixed with solder B. As the solder B, a solder having a melting point lower than that of the solder A is used.
- the first conductor 31 and the third conductor 33 are arranged in the assembly formed in the fourth step. That is, the first conductor 31 is disposed on the source electrode 14 of the switching element 10, and the third conductor 33 is disposed on the flywheel diode 20. Solder C is used to connect the conductors 31 and 33 to the switching element 10 or the flywheel diode 20. As the solder C, solder having a melting point lower than that of the solder B is used.
- the assembly formed in the first step is arranged on the assembly formed in the fifth step. Specifically, the first through hole 64 of the wiring sheet 60 and the first conductor 31 are opposed to each other, and the electrodes 15 to 19 of the switching element 10 and the terminals 67 to 71 of the wiring sheet 60 are opposed to each other.
- the assembly in the first step is fixed to the assembly formed in the fifth step.
- solder D solder having a melting point lower than that of the solder C is used.
- the subsequent steps are the same as in the first assembly method.
- the first step and the second step are the same as the first assembly method. That is, the polyimide sheet 90 and the wiring sheet 60 are attached to the first electrode terminal 40. A polyimide sheet 90 is attached to the second electrode terminal 50.
- the first conductor 31 and the third conductor 33 are fixed to the first electrode terminal 40.
- the wiring sheet 60 is turned upward, the first conductor 31 is disposed in the first through hole 64, and the third conductor 33 is disposed in the second through hole 65.
- the solder is melted in an oven to fix the first conductor 31 and the third conductor 33 to the first electrode terminal 40.
- the oven temperature is set to a temperature at which the first solder 91 melts.
- the second conductor 32 and the fourth conductor 34 are disposed on the second electrode terminal 50, the solder is melted in an oven, and the second conductor 32 and the fourth conductor 34 are moved to the second electrode. Secure to terminal 50.
- the oven temperature is the same as in the third step.
- the switching element 10 and the flywheel diode 20 are arranged in the first assembly formed in the third step. Specifically, as shown in FIG. 11, the source electrode 14 of the switching element 10 and the second main surface 31 ⁇ / b> B of the first conductor 31 are opposed to each other. Further, the gate electrode 15 of the switching element 10 and the gate terminal 67 of the wiring sheet 60 are opposed to each other. The monitor electrodes 16 to 19 and the monitor terminals 68 to 71 are opposed to each other. Further, the flywheel diode 20 and the third conductor 33 are opposed to each other. Further, the second assembly formed in the fourth step is disposed on these elements.
- the second conductor 32 and the drain electrode 13 of the switching element 10 are opposed to each other, and the fourth conductor 34 and the flywheel diode 20 are opposed to each other.
- the solder is melted in an oven to fix each member.
- the temperature of the oven is set to a temperature lower than the heating temperature in the second step and the third step and the second solder 92 is melted.
- the second solder 92 one having a melting point lower than that of the first solder 91 is used.
- the first solder 91 is selected from a SnAgCu-based or SnCu-based solder group.
- the second solder 92 is selected from a SnZn-based or SnZnBi-based solder group.
- the second assembly of the fourth step is arranged in the laminate in which the switching element 10 and the flywheel diode 20 are arranged in the first assembly of the third step, and they are heated at the same time.
- Each member is connected by soldering, but this process may be performed in two stages.
- the switching element 10 and the flywheel diode 20 are arranged in the first assembly in the third step. Then, the switching element 10 and the flywheel diode 20 are fixed to the first assembly using the solder X.
- This laminate is referred to as a third assembly.
- the solder X one having a melting point lower than that of the first solder 91 is used.
- the second assembly of the fourth step is arranged in the third assembly. Then, using the solder Y, the second assembly is fixed to the third assembly.
- solder Y solder having a melting point lower than that of the solder X is used.
- the switching element 10 and the flywheel diode 20 are fixed to the first assembly with solder in a movable state. For this reason, the positions of the switching element 10 and the flywheel diode 20 can be determined by self-alignment.
- the connector Before putting the assembled product into the oven, the connector is fitted to the end of the wiring sheet 60 (the end opposite to the end provided with the gate terminal 67 etc.), and the connection between each terminal of the connector and each wiring 61 Apply solder to the part. Thus, when the assembly is put into the oven, the solder is melted and the connector is fixed to each wiring 61.
- the subsequent steps are the same as in the first assembly method.
- Example 1 Examples of the method for manufacturing the semiconductor device 1 will be described below.
- First electrode terminal 40 oxygen-free copper having a thickness of 3 mm. Electroless Ni-P plating treatment on the surface. Second electrode terminal 50: oxygen-free copper having a thickness of 3 mm. Electroless Ni-P plating treatment on the surface.
- Polyimide sheet 90 rolled copper foil with a copper foil of 35 ⁇ m, polyimide layer of 15 ⁇ m. Setback distance is 8mm. Ni-P plating treatment.
- First to fourth conductors 31 to 34 Cu / Mo / Cu laminated plates having a thickness of 0.1 mm.
- Switching element 10 SiC-MOSFET having a thickness of 0.15 mm, 5 mm ⁇ 5 mm.
- Flywheel diode 20 thickness 0.15 mm, 10 mm ⁇ 10 mm Si semiconductor element.
- Wiring sheet 60 the thickness of the first polyimide layer 63A is 12.5 ⁇ m, the thickness of the second polyimide layer 63B is 3.5 ⁇ m, and the thickness of the copper foil is 35 ⁇ m.
- Bonding of the wiring sheet 60 and the polyimide sheet 90 Press bonding with a vacuum hot press apparatus at 320 ° C. and 4 MPa.
- Sealing resin PPS resin containing silicon oxide filler.
- -Adhesive for water-cooled jacket Filler-containing silicon-based thermal grease.
- First electrode terminal 40 Oxygen-free copper having a thickness of 2.5 mm. Two recesses having a depth of 0.24 mm for fitting the switching element 10 and the flywheel diode 20 (first recess 131 and second recess 132). Electroless Ni-P plating treatment. Second electrode terminal 50: oxygen-free copper having a thickness of 2.5 mm. Electroless Ni-P plating treatment. Polyimide sheet 90: rolled copper foil having a copper foil of 12 ⁇ m and polyimide layer of 12.5 ⁇ m. Setback distance is 10mm. Ni-P plating treatment.
- First to fourth conductors 31 to 34 Cu / Mo / Cu laminated plates having a thickness of 0.3 mm.
- Switching element 10 SiC-MOSFET having a thickness of 0.4 mm, 4 mm ⁇ 4 mm.
- Flywheel diode 20 Si semiconductor element having a thickness of 0.4 mm and 6.3 mm ⁇ 6.3 mm.
- Wiring sheet 60 the thickness of the first polyimide layer 63A is 25 ⁇ m, the thickness of the second polyimide layer 63B is 3.5 ⁇ m, and the thickness of the copper foil is 35 ⁇ m.
- Adhesion between the wiring sheet 60 and the polyimide sheet 90 Press adhesion is performed at 290 ° C. and 2 MPa using a vacuum hot press apparatus.
- Sealing resin PPS resin containing silicon oxide filler.
- -Adhesive for water-cooled jacket Filler-containing silicon-based thermal grease.
- First electrode terminal 40 Tough pitch copper having a thickness of 2.0 mm. Electroless Ni-P plating treatment. Second electrode terminal 50: Tough pitch copper having a thickness of 2.0 mm. Electroless Ni-P plating treatment. Polyimide sheet 90: rolled copper foil having a copper foil of 18 ⁇ m and polyimide layer of 25 ⁇ m. Setback distance is 5mm. Ni-P plating treatment. First to fourth conductors 31 to 34: Cu / Mo / Cu laminated plates having a thickness of 0.15 mm. Switching element 10: thickness 0.2 mm, 13.6 mm ⁇ 13.6 mm Si-MOSFET.
- Flywheel diode 20 Si semiconductor element having a thickness of 0.2 mm, 13.6 mm ⁇ 13.6 mm.
- Wiring sheet 60 the thickness of the first polyimide layer 63A is 25 ⁇ m, the thickness of the second polyimide layer 63B is 3.5 ⁇ m, and the thickness of the copper foil is 35 ⁇ m.
- Spacer 120 A polyimide sheet having a thickness of 0.14 mm.
- Bonding of wiring sheet 60 and polyimide sheet 90 Press bonding is performed at 300 ° C. and 3 MPa using a vacuum hot press apparatus.
- Sealing resin epoxy resin containing silicon oxide filler.
- -Adhesive for water-cooled jacket Sn-Bi-Zn solder.
- the height of the surface of each terminal (surface of the solder layer) of the wiring sheet 60 and the second main surface of the first conductor 31 is made to substantially coincide.
- the positional deviations of the switching element 10 and the flywheel diode 20 were within an allowable range. It was also confirmed that there was no short circuit between the source electrode 14 and the electrodes 15 to 19 and that the switching element 10 operated normally.
- the wiring structure 30 of the semiconductor device 1 includes an electrode terminal 45 with a wiring sheet and a second electrode terminal 50.
- the electrode terminal 45 with a wiring sheet is composed of a first electrode terminal 40 and a wiring sheet 60.
- the wiring sheet 60 is attached to and integrated with the first electrode terminal 40.
- the interval between the first electrode terminal 40 for large current and the gate terminal 67 for small current is narrowed. be able to.
- the first electrode terminal 40 and the source electrode 14 of the switching element 10 are connected via the first conductor 31. With this structure, the first electrode terminal 40 and the source electrode 14 can be connected with a material different from that of the first electrode terminal 40.
- the wiring structure 30 includes at least one conductor (first conductor 31), a first electrode terminal 40 connected to the source electrode 14 via the first conductor 31, and a first electrode connected to the drain electrode 13.
- a two-electrode terminal 50 and a wiring sheet 60 having a gate terminal 67 are provided.
- the first conductor 31 connected to the source electrode 14 and the gate terminal 67 connected to the gate electrode 15 are configured as separate members.
- both members can be prevented from being subjected to processing restrictions from the other member. .
- the wiring sheet 60 can be made thin and the space
- the arrangement relationship between the first conductor 31 and the gate terminal 67 coincides with the arrangement relationship between the source electrode 14 and the gate electrode 15 of the switching element 10. According to this configuration, when the switching element 10 is arranged in a portion where the first conductor 31 and the gate terminal 67 are arranged, the source electrode 14 of the switching element 10, the first conductor 31, and the switching element 10 are arranged. The gate electrode 15 and the gate terminal 67 can be accurately connected to each other. That is, the switching element 10 can be easily mounted.
- the wiring sheet 60 has a first through hole 64 corresponding to the source electrode 14.
- the first conductor 31 is attached to the first electrode terminal 40 through the first through hole 64.
- the position of the first conductor 31 is determined by the first through hole 64 of the wiring sheet 60.
- misalignment can be made difficult to occur in the connection between the source electrode 14 of the switching element 10 and the first conductor 31 and in the connection between the gate electrode 15 of the switching element 10 and the gate terminal 67.
- the gate terminal 67 and the first through hole 64 of the wiring sheet 60 are formed by a series of structural steps of the wiring sheet 60. For this reason, the position shift of the gate terminal 67 and the 1st through-hole 63 with respect to a design dimension is suppressed small. That is, since the distance between the gate terminal 67 and the first through hole 64 is a certain distance or more, a short circuit between the first conductor 31 and the gate terminal 67 can be suppressed.
- the first to fourth conductors 31 to 34 are formed of a buffer material that relieves stress. According to this configuration, the stress generated between the first electrode terminal 40, the second electrode terminal 50, the switching element 10 and the flywheel diode 20, or the stress generated inside these members can be relaxed.
- the thermal expansion coefficient of the first conductor 31 is larger than the thermal expansion coefficient of the switching element 10 and smaller than the thermal expansion coefficient of the first electrode terminal 40.
- the thermal expansion coefficient of the second conductor 32 is larger than the thermal expansion coefficient of the switching element 10 and smaller than the thermal expansion coefficient of the second electrode terminal 50.
- the thermal expansion coefficient of the third conductor 33 is larger than the thermal expansion coefficient of the flywheel diode 20 and smaller than the thermal expansion coefficient of the first electrode terminal 40.
- the thermal expansion coefficient of the fourth conductor 34 is larger than the thermal expansion coefficient of the flywheel diode 20 and smaller than the thermal expansion coefficient of the second electrode terminal 50.
- the wiring sheet 60 is provided with monitor terminals (other terminals) corresponding to a plurality of monitor electrodes (other electrodes). For this reason, the switching element 10 provided with a monitor electrode in addition to the source electrode 14 and the gate electrode 15 can be mounted.
- An insulating sheet 43 is provided on the second surface 42 of the first electrode terminal 40 opposite to the switching element 10.
- An insulating sheet 53 is provided on the second surface 52 of the second electrode terminal 50 opposite to the switching element 10.
- a metal sheet 44 is laminated on the insulating sheet 43 of the first electrode terminal 40.
- a metal sheet 54 is laminated on the insulating sheet 53 of the second electrode terminal 50.
- a metal such as solder can be used as an adhesive.
- a reinforcing plate 62 is formed on the wiring sheet 60. For this reason, the thermal expansion of the wiring sheet 60 can be reduced. Thereby, peeling by the thermal expansion difference between the wiring sheet 60 and the 1st electrode terminal 40 can be suppressed.
- a wiring sheet not including an adhesive such as an epoxy resin is used. That is, a thermoplastic polyimide layer is interposed between the first polyimide layer 63A and the wiring 61, and between the second polyimide layer 63B and the wiring 61, so that they are in close contact with each other. Thereby, the heat resistance of the wiring sheet 60 improves. Further, a thermoplastic polyimide layer is formed on the surface of the wiring sheet 60 that contacts the first electrode terminal 40. And the wiring sheet 60 and the 1st electrode terminal 40 are closely_contact
- the second conductor 32 and the fourth conductor 34 are integrated to form a single member. According to this configuration, it is not necessary to separately mount the second conductor 32 and the fourth conductor 34 on the second electrode terminal 50. For this reason, the work corresponding to the positioning of the second conductor 32 or the positioning of the fourth conductor 34 can be omitted. Therefore, the manufacturing process of the wiring structure 30 can be simplified.
- the spacer 120 is interposed between the wiring sheet 60 and the first electrode terminal 40. According to this configuration, the thickness of the first conductor 31 can be increased as compared with the case where the spacer 120 is not interposed. Thereby, the stress which arises between the switching element 10 and the 1st electrode terminal 40, or the inside of these members can be made small.
- the arrangement surface on which the first conductor 31 is arranged that is, the bottom surface of the first recess 131 is set at a position lower than the sheet arrangement surface 41A of the wiring sheet 60.
- the thickness of the 1st conductor 31 is made. Can be bigger. Thereby, the stress which arises between the switching element 10 and the 1st electrode terminal 40, or the inside of these members can be made small.
- the first conductor 31, the third conductor 33, and the first electrode terminal 40 are integrally formed. According to this configuration, it is not necessary to separately arrange the first conductor 31 and the third conductor 33, so that the manufacturing process can be simplified.
- a first electrode portion 161 corresponding to the first electrode terminal 40 and a second electrode portion 162 corresponding to the second electrode terminal 50 are provided on the insulating substrate 160.
- the wiring structure 30 includes a bridging conductor 163 for connecting the second electrode portion 162 and the switching element 10. According to this configuration, the first electrode portion 161 and the second electrode portion 162 are provided on the insulating substrate 160, and both the electrode portions 161 and 162 are arranged on the same plane. By configuring the semiconductor device 1 using the wiring structure 30, the semiconductor device 1 can be thinned.
- the semiconductor device 1 includes the wiring structure 30 configured as described above. That is, the semiconductor device 1 includes an electrode terminal 45 with a wiring sheet. According to this structure, the switching element 10 smaller than before can be mounted. For this reason, in a package that does not use wire connection, the semiconductor device 1 can be made smaller than before.
- the manufacturing method (first assembling method) of the semiconductor device 1 does not include a wire connection process. Each member is connected by reflow or the like. For this reason, even if the number of switching elements 10 to be mounted is large, the man-hour is not significantly increased.
- the switching element 10 is fixed to the assembly in the third step with the solder B in the fourth step (pre-connection step). Subsequently, in the post-connection process, the second conductor 32, the fourth conductor 34, the second electrode terminal 50, and the like are sequentially stacked. According to this configuration, before the switching element 10 is fixed to the second electrode terminal 50 or the like, the source electrode 14 on the first main surface 11 and the first conductor 31 are connected by solder, and each electrode 15 To 19 and the terminals 67 to 71 are connected by solder. That is, the switching element 10 is moved and fixed to the first conductor 31 and the terminals 67 to 71 by soldering.
- the switching element 10 moves to an appropriate position due to the surface tension of the solder. That is, since the position of the switching element 10 is determined by self-alignment, a short circuit between the source electrode 14 and the electrodes 15 to 19 is suppressed.
- solder having a lower melting point is used as the solder used in the subsequent process. Thereby, it is possible to suppress melting of the solder connection portion formed in the previous connection process in the subsequent process. Therefore, it is possible to suppress the displacement of the switching element 10 that occurs during the subsequent process.
- Step A a step of connecting the first conductor 31 and the third conductor 33 to the first electrode terminal 40, a step of connecting the second conductor 32 and the fourth conductor 34 to the second electrode terminal 50, and Is included.
- Step B includes a step of connecting the first conductor 31 and the second conductor 32 to the switching element 10 and a step of connecting the third conductor 33 and the fourth conductor 34 to the flywheel diode 20. .
- the first solder 91 having a melting point higher than that of the second solder 92 is used.
- the solder having a higher melting point than the solder used in the B process is used in the A process, the second solder 92 melts in the B process performed after the A process, but the first solder 91 hardly melts. For this reason, the position shift of the members connected by A process can be suppressed.
- the first conductor 31 and the third conductor 33 are separate members, but may be a single member. According to this configuration, it is not necessary to mount the first conductor 31 and the third conductor 33 on the first electrode terminal 40 individually. For this reason, compared with the case where the 1st conductor 31 and the 3rd conductor 33 are comprised as a separate member, the manufacturing process of the wiring structure 30 can be simplified.
- the first conductor 31, the second conductor 32, the third conductor 33, and the fourth conductor 34 have the thermal expansion coefficient of the switching element 10 and the first electrode terminal 40 (or the second electrode terminal).
- the material having an intermediate value of the thermal expansion coefficient of 50) is used, but instead of this, it may be formed of a simple metal plate.
- any or all of the first to fourth conductors 31 to 34 may be formed of copper or a copper alloy.
- the first conductor 31, the second conductor 32, the third conductor 33, and the fourth conductor 34 are provided between the switching element 10 and the flywheel diode 20 and the electrode terminals 40 and 50. Although intervening, these may be omitted.
- the first conductor 31 is omitted, the space between the source electrode 14 of the switching element and the first surface 41 of the first electrode terminal 40 is filled with solder.
- seat made from a polyimide resin was used as the insulating sheets 43 and 53 affixed on the 1st electrode terminal 40 and the 2nd electrode terminal 50
- an epoxy resin, PPS resin, PET resin (polyethylene terephthalate resin) ), PEEK resin (polyetheretherketone resin), silicone resin, fluororesin, liquid crystal polymer, a resin sheet containing an insulating filler in these resins, or a ceramic substrate may be used.
- SiN, AlN, Al 2 O 3 , SiC, SiO 2 or the like can be used as the ceramic substrate.
- the second solder 92 is used to connect the switching element 10 to the first conductor 31 or the second conductor 32 and to connect the flywheel diode 20 to the third conductor 33 or the fourth conductor 34.
- the second electrode terminal 40 is connected to the first conductor 31 or the third conductor 33
- the second electrode terminal 50 is connected to the second conductor 32 or the fourth conductor 34.
- the first solder 91 having a melting point different from that of the solder 92 is used, the same kind of solder may be used.
- each member is fixed by two types of solder having different melting points.
- each member is fixed by four types of solder having different melting points.
- the solder melting points of the respective steps are different, but the solder points having the same melting point are used for the solder connection portions that are displaced to such an extent that a short circuit does not occur after soldering. May be.
- the solder C in the fifth step and the solder D in the sixth step may have the same melting point.
- the melting point of the solder in each step is different, but in the second assembly method, the solder A in the third step and the solder B in the fourth step have the same melting point. May be.
- the position of the first electrode terminal 40 with respect to the second electrode terminal 50 may be determined. That is, when reflowing is performed for solder connection, the support jig is used to maintain the distance between the first electrode terminal 40 and the second electrode terminal 50, and the force for sandwiching the distance between the two electrodes is the switching element 10 and It may not be added to the flywheel diode 20. Thereby, the self-alignment of the switching element 10 can be easily caused when the solder is melted.
- the first electrode terminal 40 and the second electrode are used with the support jig.
- the distance from the electrode terminal 50 may be maintained so that the force for sandwiching both electrodes is not applied to the switching element 10 and the flywheel diode 20.
- each member is connected using a solder-plated member, but each member may be connected using, for example, a solder paste or a solder preform.
- solder plating may be omitted from the first conductor 31 to the fourth conductor 34.
- a flexible printed board is used as the wiring sheet 60, but a flat cable may be used. In this case, the same effect as the above (1) can be obtained.
- the present invention may be applied to the wiring structure 30 of the semiconductor device 1 including only the switching element 10. Further, the present invention may be applied to a wiring structure of a semiconductor device including the switching element 10 having two or more electrodes.
- Other examples of the switching element 10 include a MOSFET using a group III nitride material such as GaN, Si-IGBT (n-channel IGBT), SiC-IGBT, and the like.
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Abstract
第1主面(11)にソース電極(14)とゲート電極(15)とが形成されたスイッチング素子(10)を配置した配線シート付き電極端子(45)が提供される。配線シート付き電極端子(45)は、ソース電極(14)に接続される第1導電体(31)と、第1導電体(31)を介してソース電極(14)に接続される第1電極端子(40)と、ゲート電極(15)に接続されるゲート端子(67)が設けられた配線シート(60)とを備えている。配線シート(60)は、第1電極端子(40)に貼り付けられて一体化されている。
Description
本発明は、スイッチング素子が配置される配線シート付き電極端子、配線構造体、半導体装置、及びその半導体装置の製造方法に関する。
電力制御用の半導体装置は、スイッチング素子と、スイッチング素子が配置される配線構造体と、スイッチング素子を封止する封止部とを備えている。配線構造体は、スイッチング素子の第1電極に接続される配線体と、スイッチング素子の第2電極に接続される配線体と、スイッチング素子の制御電極に接続される配線体とを備えている。
高耐圧用のスイッチング素子として、現状では、シリコン(Si)系のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が主に用いられている。近年、Siに比べて高耐圧・低損失が可能なワイドバンドギャップ半導体材料、例えば、炭化珪素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)等の電界効果トランジスタ、SiC系のMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、GaN系のMESFET等が開発されている。また、これらの素子を搭載する電力制御用の半導体装置も開発及び検討されている。例えば、特許文献1に記載されている技術では、スイッチング素子の主面に形成された制御電極と第1電極とが、1つの絶縁基板に形成された2つの電極(配線体)にそれぞれ接続されている。
ところで、スイッチング素子の小型化により、各電極の面積が小さくなる傾向にある。例えば、SiCを用いたMOSFETは、Siを用いたIGBTに比べて高耐圧である。このことから、Siを用いたIGBTよりも、チップを小さくすることができる。このため、ソース電極の面積及びゲート電極の面積は、従来構造のSi系のスイッチング素子の電極よりも小さい。また、Si系のスイッチング素子でも、深溝トレンチ方式等により高耐圧化及び小型化する傾向にあり、各電極が小さくなっている。
しかしながら、電極面積が小さくなると、次のような問題がある。即ち、スイッチング素子の小型化により、ソース電極とゲート電極(制御電極)との間の距離が小さくなる。このため、ソース電極に接続される電極(配線体)とゲート電極に接続される電極(配線体)との間の間隔を小さくする必要がある。ところが、特許文献1の技術では、両電極(両配線体)の間隔を小さくすることは難しい。
これは、次の理由による。即ち、絶縁基板に、ソース電極に接続される電極(以下、第1電極)と、ゲート電極に接続される電極(以下、第2電極)とが形成されている。これらの電極は、エッチング加工により形成される。このため、両電極の間隔は、これらの電極の厚さに依存している。一方、ソース電極に大電流を印加する必要があるため両電極を厚くする必要があるが、両電極の間隔を電極厚さよりも小さくすることは難しい。このような理由により、スイッチング素子の小型化に伴う電極間(配線体間)の要求距離を、特許文献1の技術を用いて実現することは難しい。
一方、スイッチング素子の各電極と配線構造体の各配線体とをワイヤボンディングにより接続することも考えられる。しかし、この場合、次の課題がある。即ち、ワイヤボンディングに使用するワイヤはアルミニウムからなり、ワイヤの最大径は、ワイヤボンディングに必要な柔軟性を得るため500μmである。スイッチング素子の小型化に伴い、スイッチング素子の電流密度が高くなり、当然に、ワイヤボンディングのワイヤも高電流密度化する。その結果、ワイヤが電流により溶断される虞がある。
本発明の目的は、ワイヤ接続によらず、小型のスイッチング素子の実装することのできる配線シート付き電極端子、配線構造体、半導体装置、及びその半導体装置の製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の第一の態様によれば、第1主面に少なくとも第1電極及び制御電極が形成されかつ第2主面に第2電極が形成されたスイッチング素子を少なくとも1つ配置した配線シート付き電極端子が提供される。配線シート付き電極端子は、第1電極に接続される電極端子と、制御電極に接続される制御端子が設けられた配線シートとを備え、電極端子において第1電極が接続される面に配線シートが貼り付けられて電極端子と配線シートとが一体化されている。
大電流が流れる電極と小電流が流れる制御電極とが同一面に存在するスイッチング素子の小型化に伴い、配線構造体には、次の事項が要求されている。即ち、大電流用の電極端子と小電流用の電極端子との間の絶縁を確保し、両電極端子間の間隔を小さくすることが要求される。しかしながら、従来のリードフレーム構造及びセラミックス基板上に配線パターンを形成する構造にあっては、配線構造の加工上の制限、即ち、電極端子の厚さにより両電極端子間の間隔は制限されてしまうため、上記の要求を満たすことが困難である。この点、本発明によれば、電極端子の第1電極が接続される面に配線シートを貼り付けているため、従来構造の配線構造に比べて、大電流用の電極端子と小電流用の電極端子との間の間隔を小さくすることができる。
上記の配線シート付き電極端子において、電極端子には、電極端子と第1電極とを互いに接続する導電体が配置されていることが好ましい。
本発明によれば、電極端子とスイッチング素子の第1電極との間に、導電体が介在されている。これにより、導電体として、電極端子と異なる材料を選択することができる。
上記課題を解決するため、本発明の第二の態様によれば、第1主面に少なくとも第1電極及び制御電極が形成されかつ第2主面に第2電極が形成されたスイッチング素子を少なくとも1つ配置した配線構造体が提供される。配線構造体は、第1電極に接続される導電体と、第1電極に導電体を介して接続される第1電極端子と、制御電極に接続される制御端子が設けられた配線シートと、第2電極に接続される第2電極端子とを含む。
電力制御用のスイッチング素子の第1電極及び第2電極には大電流が流れる。このため、第1電極に接続される配線体及び第2電極に接続される配線体が抵抗とならないように、導体の断面積が設定される。一方、制御電極に流れる電流量は小さい。このため、制御電極に接続される配線体の断面積は、第1電極及び第2電極に接続される配線体より小さくてもよい。
従来の配線構造体では、第1電極に接続される第1配線体と、制御電極に接続される第2配線体とが絶縁基板に形成されている。この場合、第1及び第2配線体が1つの絶縁基板に形成されているため、第1及び第2配線体の各厚さは、大電流が流れる第1配線体の厚さによって決定される。また、エッチング加工の制限により、第1及び第2配線体間の間隔を配線体の厚さよりも小さくすることは難しい。このため、従来構造の配線構造体を、第1電極及び第2電極間の間隔を小さくした小型のスイッチング素子に適合させることは難しい。
本発明によれば、第1電極に接続される導電体(配線体)と、制御電極に接続される制御端子(配線体)とが別部材として構成されている。即ち、導電体が第1配線体に、配線シートの制御端子が第2配線体にそれぞれ対応している。つまり、導電体と配線シートとが別形態の部品であるため、両部材共に、他方の部材から加工上の制限を受けない。このため、配線シートを薄くすることができ、配線シートの制御端子(配線体)と導電体(配線体)との間の間隔を、従来構造に比べて小さくすることができる。このため、従来の配線構造体では実装困難であった小型スイッチング素子を実装することができる。
上記の配線構造体において、導電体と制御端子との配置関係が、第1主面における第1電極と制御電極との配置関係に対応するように、配線シートが第1電極端子に固定されていることが好ましい。
本発明によれば、導電体と制御端子との配置関係を、スイッチング素子の第1電極と制御電極との配置関係に合わせている。このため、導電体と制御端子とが配置される部分にスイッチング素子を配置するとき、スイッチング素子の第1電極と導電体、及びスイッチング素子の制御電極と制御端子をそれぞれ正確に接続することができる。
上記の配線構造体において、配線シートには、第1電極に対応して貫通孔が形成され、導電体が、貫通孔を通じて第1電極端子に取り付けられていることが好ましい。
本発明によれば、配線シートの貫通孔により、導電体の位置を容易に決めることができる。また、貫通孔により導電体の移動が規制されるため、導電体と制御端子との配置関係が大きくずれることはない。即ち、スイッチング素子の第1電極と導電体との接続、及びスイッチング素子の制御電極と制御端子との接続において位置ずれを生じ難くすることができる。
上記の配線構造体において、導電体は、応力を緩和する緩衝材により形成されていることが好ましい。
本発明によれば、導電体が緩衝材により形成されているため、第1電極端子とスイッチング素子との間又はこれらの部材の内部に生じる応力を緩和することができる。
上記の配線構造体において、第1電極端子において導電体が配置される配置面が、配線シートのシート配置面よりも低い位置に設定されていることが好ましい。
本発明によれば、導電体が配置される配置面と配線シートのシート配置面とが同一平面である場合と比べて、導電体の厚さを大きくすることができる。
上記の配線構造体において、第1電極に接続される導電体が第1導電体であり、第2電極端子には、第2電極に接続される第2導電体が設けられていることが好ましい。
上記の配線構造体において、第1導電体の熱膨張係数は、スイッチング素子の熱膨張係数よりも大きくかつ第1電極端子の熱膨張係数よりも小さく、第2導電体の熱膨張係数は、スイッチング素子の熱膨張係数よりも大きくかつ第2電極端子の熱膨張係数よりも小さいことが好ましい。
配線構造体と2つの部材との間の熱膨張係数差が大きい場合、温度上昇による膨張率差に起因して応力が発生する。この応力により結晶構造欠陥が生じたり、部材間に剥離が生じたりする虞がある。
本発明によれば、スイッチング素子の熱膨張係数と第1電極端子の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する第1導電体が用いられると共に、スイッチング素子の熱膨張係数と第2電極端子の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する第2導電体が用いられる。このため、互いに隣接する2つの部材間の熱膨張係数の差が小さくなる。よって、各部材間に生じる応力を小さくすることができる。
上記の配線構造体において、第1電極端子には、他の半導体素子に接続される第3導電体が設けられ、第2電極端子には、他の半導体素子に接続される第4導電体が設けられ、第3導電体及び第4導電体は、応力を緩和する緩衝材により形成されていることが好ましい。
本発明によれば、他の半導体素子は、第3導電体を介して第1電極端子に接続され、かつ第4導電体を介して第2電極端子に接続される。そして、第3導電体及び第4導電体は、緩衝材により形成されている。このため、他の半導体素子と第1電極端子との間、他の半導体素子と第2電極端子との間、又はこれら部材の内部に生じる応力を小さくすることができる。
上記の配線構造体において、第1導電体と第3導電体とが一体化されていることが好ましい。
本発明によれば、第1導電体と第3導電体を個別に第1電極端子に実装する必要がないため、第1導電体と第3導電体とを別部材として構成する場合と比べて、配線構造体の製造工程を簡略化することができる。
上記の配線構造体において、第2導電体と第4導電体とが一体化されていることが好ましい。
本発明によれば、第2導電体と第4導電体を個別に第2電極端子に実装する必要がないため、第2導電体と第4導電体とを別部材として構成する場合と比べて、配線構造体の製造工程を簡略化することができる。
上記の配線構造体において、第3導電体の熱膨張係数は、他の半導体素子の熱膨張係数よりも大きくかつ第1電極端子の熱膨張係数よりも小さく、第4導電体の熱膨張係数は、他の半導体素子の熱膨張係数よりも大きくかつ第2電極端子の熱膨張係数よりも小さいことが好ましい。
本発明によれば、他の半導体素子の熱膨張係数と第1電極端子の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する第3導電体が用いられると共に、他の半導体素子の熱膨張係数と第2電極端子の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する第4導電体が用いられる。このため、互いに隣接する2つの部材間の熱膨張係数の差が小さくなる。よって、各部材間に生じる応力を小さくすることができる。
上記の配線構造体において、第1主面に第1電極と制御電極と少なくとも1つの他電極とが形成されかつ第2主面に第2電極が形成されたスイッチング素子が配置され、配線シートには、他電極に対応する他端子が設けられていることが好ましい。
本発明によれば、配線シートには、制御端子の他に、他の端子が設けられている。このため、第1電極と制御電極の以外に他の電極を備えたスイッチング素子を、配線シートに配置することができる。
上記の配線構造体において、第1電極端子のうちスイッチング素子と反対側の面に絶縁層が設けられ、第2電極端子のうちスイッチング素子と反対側の面に絶縁層が設けられていることが好ましい。
本発明によれば、配線構造体を用いて半導体装置を形成する場合、スイッチング素子が配置される部分を封止樹脂で封止するとき、絶縁層が形成された面を外部に露出させることができる。このため、絶縁層が形成された部分に放熱装置を取り付けることができ、封止樹脂を介さずに放熱装置に熱を伝達することができる。即ち、放熱装置を直接取り付けることのできる配線構造体を提供することができる。
上記の配線構造体において、第1電極端子と第2電極端子とが絶縁基板に設けられ、第2電極端子とスイッチング素子とを接続する架橋導電体を備えていることが好ましい。
本発明によれば、絶縁基板に第1電極端子と第2電極端子とが設けられているため、この配線構造体を用いて半導体装置を構成することにより、半導体装置を薄くすることができる。
上記課題を解決するため、本発明の第三の態様によれば、上記の配線シート付き電極端子を含む半導体装置が提供される。
本発明によれば、半導体装置は、上記の配線シート付き電極端子を含む。即ち、従来よりも小さいスイッチング素子を実装することができる。このため、ワイヤ接続を用いないパッケージにおいて、従来よりも半導体装置を小さくすることができる。
上記課題を解決するため、本発明の第四の態様によれば、上記の配線構造体を含む半導体装置が提供される。
本発明よれば、半導体装置は、上記の配線構造体を含む。即ち、従来よりも小さいスイッチング素子を実装することができる。このため、ワイヤ接続を用いないパッケージにおいて、従来よりも半導体装置を小さくすることができる。
上記課題を解決するため、本発明の第五の態様によれば、第1主面に少なくとも第1電極及び制御電極が形成されかつ第2主面に第2電極が形成されたスイッチング素子と、スイッチング素子の第1主面に接続される第1電極端子及び配線シートと、スイッチング素子の第2主面に接続される第2電極端子とを備える半導体装置の製造方法が提供される。その製造方法は、第1電極端子に配線シートを固定して配線シート付き電極端子を形成する工程と、配線シート付き電極端子にスイッチング素子を半田で固定する先接続工程と、先接続工程のアセンブリに第2電極端子を半田で固定する後接続工程とを含む。
本発明によれば、スイッチング素子が第2電極端子に固定される前に、上記構造体にスイッチング素子を半田により固定する。即ち、スイッチング素子を移動可能な状態にして、上記構造体にスッチング素子を半田により固定する。これにより、半田接続のとき、半田の表面張力により、スイッチング素子が適切な位置へと移動する。即ち、セルフアライメントによりスイッチング素子の位置が決められるため、第1電極と制御電極との短絡が抑制される。
上記の半導体装置の製造方法において、後接続工程では、先接続工程で用いる半田よりも融点の低い半田を用いることが好ましい。
本発明によれば、各工程で用いる半田を同じにする場合に比べ、後工程の半田接続において、先接続工程で形成された半田接続部の溶融を抑えることができる。よって、後工程中に生じるスイッチング素子の位置ずれを抑制することができる。
以下、本発明の半導体装置の一実施形態について図1を参照して説明する。
図1に示すように、半導体装置1は、スイッチング素子10と、フライホイールダイオード20と、これら2つの素子が配置される配線構造体30と、これら2つの素子を封止する封止部80とを備える。半導体装置1は、インバータ等のスイッチング回路に用いられる。スイッチング素子10とフライホイールダイオード20とは並列接続されている。即ち、スイッチング素子10のソース電極14とフライホイールダイオード20のアノード電極とが接続され、かつスイッチング素子10のドレイン電極13とフライホイールダイオード20のカソード電極とが接続されている。
スイッチング素子10のゲート電極15には、信号配線(配線61)が接続されている。フライホイールダイオード20はスイッチング素子10の逆方向に発生する電力を逃すための素子である。これにより、過電力がスイッチング素子10に加わることを抑制する。スイッチング素子10は、n型MOSFETにより形成されている。図11に示すように、スイッチング素子10の第1主面11には、ソース電極14(第1電極)と、ゲート電極15(制御電極)と、第1モニタ電極16と、第2モニタ電極17と、第3モニタ電極18と、第4モニタ電極19とが形成されている。スイッチング素子10の第2主面12には、ドレイン電極13(第2電極)が形成されている。
第1モニタ電極16は、温度モニタ用としてスイッチング素子10内に形成された温度特性モニタ用ダイオードのアノードに接続されている。第2モニタ電極17は、前記温度特性モニタ用ダイオードのカソードに接続されている。第1モニタ電極16と第2モニタ電極17との間の電位差に基づいて、スイッチング素子10の温度が推定される。第3モニタ電極18は、スイッチング素子10内のドレイン層に接続されている。即ち、ドレイン電流の一部が出力される。例えば、ドレイン電流の1/10000が分流される。
第4モニタ電極19は、スイッチング素子10内のソース層に接続されている。スイッチング素子10のゲート電極15に入力される信号は、ソース層の電位、即ち、第4モニタ電極19の電位を基準にして形成される。ソース電極14は、ゲート電極15及び第1~第4モニタ電極16~19よりも大きい。第1~第4モニタ電極16~19及びゲート電極15は、第1主面11の端部付近において一列に配置されている。電極15~19は、略同じ大きさに形成されている。フライホイールダイオード20は、Siにより形成されている。
図1に示すように、配線構造体30は、半導体装置1の配線を構成する。封止部80は、スイッチング素子10とフライホイールダイオード20とを封止する。封止樹脂として、酸化ケイ素等のフィラ含有のエポキシ樹脂、PPS樹脂(ポリフェニレンサルファイド樹脂)等が用いられる。配線構造体30は、第1電極端子40と、第2電極端子50と、配線シート60と、4個の導電体とを備えている。以下、4つの導電体を区別して説明するとき、第1導電体31、第2導電体32、第3導電体33、第4導電体34とする。また、第1電極端子40と配線シート60と第1導電体31と第3導電体33とを備える構造体を、配線シート付き電極端子45と称す。
第1電極端子40は、半導体装置1の端子を構成する。第1電極端子40の第1面41には、第1導電体31と第3導電体33とが設けられている。第1導電体31は、スイッチング素子10に対応して配置されている。第1導電体31の第1主面31Aは、第1半田91を介して第1電極端子40に接続されている。第3導電体33は、フライホイールダイオード20に対応して配置されている。第3導電体33の第1主面33Aは、第1半田91を介して第1電極端子40に接続されている。第1半田91として、鉛フリー半田が用いられる。第1半田91の融点は、後述の第2半田92の融点よりも高い。
第1電極端子40の第2面42、即ち、スイッチング素子10と反対側の面には、絶縁シート43が貼り付けられている。絶縁シート43は、ポリイミド樹脂により形成されている。絶縁シート43は、3層構造となっている。即ち、絶縁シート43の中間層は、非熱可塑性ポリイミド層であり、非熱可塑性ポリイミド層の両面に熱可塑性ポリイミド層が形成されている。即ち、絶縁シート43のうち第2面42と接着する面には、熱可塑性ポリイミド層が積層されている。非熱可塑性とは、明確なガラス転移温度が存在せず、高温で軟化し難く弾性率低下が小さい性質をいう。
絶縁シート43には、金属シート44が貼り付けられている。金属シート44の端縁44Aは、絶縁シート43の端縁43Aよりも内側に配置されている。即ち、絶縁シート43の面積は、金属シート44の面積よりも大きい。金属シート44は、銅箔により形成されている。絶縁シート43及び金属シート44が貼り付けられている部分は、配線構造体30を樹脂で封止して半導体装置1を形成するときに露出されている。即ち、第1電極端子40の第1面41が封止樹脂により封止される一方、第1電極端子40の第2面42が外部に露出されている。
絶縁シート43(絶縁層)と金属シート44(保護層)との積層体(以下、絶縁保護層)は、銅張ポリイミド積層シートにより形成される。銅張ポリイミド積層シートとしては、接着面が熱可塑性ポリイミド層であるものが用いられる。銅張ポリイミド積層シートを第1電極端子40に熱圧着により貼り付け可能とするためである。第1電極端子40の表面は、錆防止のため、無電解Ni-Pめっき処理されている。第1電極端子40の材料としては、導電性及び熱伝導性の観点から銅が用いられる。例えば、タフピッチ銅、無酸素銅等、純度の高い銅により形成される。軽量化のため、アルミニウムが用いられることもある。
第2電極端子50は、半導体装置1の端子を構成する。第2電極端子50は、第1電極端子40と同様の材料により形成され、かつ同様の表面処理が施されている。第2電極端子50の第1面51には、第2導電体32と第4導電体34とが設けられている。第2導電体32は、スイッチング素子10に対応して配置されている。第2導電体32の第1主面32Aは、第1半田91を介して第2電極端子50に接続されている。第4導電体34は、フライホイールダイオード20に対応して配置されている。第4導電体34の第1主面34Aは、第1半田91を介して第2電極端子50に接続されている。
第2電極端子50の第2面52、即ち、スイッチング素子10と反対側の面には、絶縁シート53が貼り付けられている。また、絶縁シート53には、金属シート54が貼り付けられている。絶縁シート53と金属シート54との積層体の構造は、第1電極端子40の絶縁保護層の構造と同様である。配線構造体30を樹脂で封止して半導体装置1を形成するときは、第2電極端子50の第1面51が封止される一方、第2電極端子50の第2面52が外部に露出されている。第2電極端子50の材料は、半導体装置1全体に加わる応力のバランスを鑑みて、第1電極端子40と同じ材料が用いられる。第1電極端子40と第2電極端子50とに異なる材料を用いてもよい。
第1~第4導電体31~34は、略直方体に形成されている。第1導電体31の熱膨張係数は、スイッチング素子10の熱膨張係数よりも大きく、かつ第1電極端子40の熱膨張係数よりも小さい。第2導電体32の熱膨張係数は、スイッチング素子10の熱膨張係数よりも大きく、かつ第2電極端子50の熱膨張係数よりも小さい。即ち、第1導電体31及び第2導電体32は、導体としての機能すると共に、スイッチング素子10の熱膨張係数と第1電極端子40又は第2電極端子50の熱膨張係数との差に起因する応力を緩和するための緩衝材としても機能する。
第3導電体33の熱膨張係数は、フライホイールダイオード20の熱膨張係数よりも大きく、かつ第1電極端子40の熱膨張係数よりも小さい。第4導電体34の熱膨張係数は、フライホイールダイオード20の熱膨張係数よりも大きく、かつ第2電極端子50の熱膨張係数よりも小さい。即ち、第3導電体33及び第4導電体34は、導体として機能すると共に、フライホイールダイオード20の熱膨張係数と第1電極端子40又は第2電極端子50の熱膨張係数との差に起因する応力を緩和するための緩衝材としても機能する
第1導電体31の第1主面31A及び第2主面31Bは、スイッチング素子10のソース電極14と略同じ大きさに形成されている。第1導電体31の第2主面31Bは、第2半田92によりめっき処理されている。第2導電体32の第1主面32A及び第2主面32Bは、スイッチング素子10のドレイン電極13と略同じ大きさに形成されている。第2導電体32の第2主面32Bも、第2半田92によりめっき処理されている。
第1導電体31の第1主面31A及び第2主面31Bは、スイッチング素子10のソース電極14と略同じ大きさに形成されている。第1導電体31の第2主面31Bは、第2半田92によりめっき処理されている。第2導電体32の第1主面32A及び第2主面32Bは、スイッチング素子10のドレイン電極13と略同じ大きさに形成されている。第2導電体32の第2主面32Bも、第2半田92によりめっき処理されている。
第3導電体33の第1主面33A及び第2主面33Bは、フライホイールダイオード20の第1主面21と略同じ大きさに形成されている。第3導電体33の第2主面33Bは第2半田92でめっき処理されている。第4導電体34の第1主面34A及び第2主面34Bは、フライホイールダイオード20の第2主面22と略同じ大きさに形成されている。第4導電体34の第2主面34Bは第2半田92でめっき処理されている。
第1~第4導電体31~34において第1主面及び第2主面は、金めっき処理してもよく、また、半田めっき処理されていなくてもよい。これらの場合、第1~第4導電体31~34と第1電極端子40又は第2電極端子50との接続に、半田プリフォーム又は半田ペーストが用いられる。
第1導電体31、第2導電体32、第3導電体33、及び第4導電体34は、Cu/Mo/Cu積層板、Cu-Mo合金(Cu-Mo複合材)、Cu-W合金(Cu-W複合材)、Al-SiC合金、コバール(Fe-Ni-Co)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、鉄(Fe)、42アロイ(Fe-Ni)等により形成されている。これらの材料は、上記熱膨張係数の条件を満たす。これらのなかでも、Cu/Mo/Cu積層板、Cu-Mo合金(Cu-Mo複合材)、Cu-W合金(Cu-W複合材)は、他の材料に比べて熱伝導率が高いため、放熱性の観点から好ましい。Cu-Mo複合材は、銅(Cu)にモリブデン(Mo)を含浸した材料、もしくはモリブデン(Mo)に銅(Cu)を含浸した材料を示す。Cu-W複合材は、銅(Cu)にタングステン(W)を含浸した材料、もしくはタングステン(W)に銅(Cu)を含浸した材料を示す。
次に、配線シート60について図2及び図3を参照して説明する。
配線シート60は、フレキシブルプリント基板により形成されている。配線シート60は、5本の配線61と、補強板62と、配線61及び補強板62の一方の面を覆う第1ポリイミド層63Aと、配線61及び補強板62の他方の面を覆う第2ポリイミド層63Bとを備えている。第1ポリイミド層63Aは、第1電極端子40と接触する絶縁層である。
第1ポリイミド層63Aは、3層構造になっている。即ち、第1ポリイミド層63Aの中間層は非熱可塑性ポリイミド層であり、非熱可塑性ポリイミド層の両面に熱可塑性ポリイミド層が形成されている。配線61及び補強板62は、銅材により形成され、第1ポリイミド層63Aに形成されている。第2ポリイミド層63Bは、配線61及び補強板62を覆う。第2ポリイミド層63Bは、配線61及び補強板62が形成された第1ポリイミド層63Aに非熱可塑性樹脂を塗布することにより形成される。
以上のように、配線シート60では、配線61に接触する面と、補強板62に接触する面と、第1電極端子40に接触する面とが、熱可塑性ポリイミド樹脂によりそれぞれ形成されている。熱可塑性ポリイミド樹脂は、第1ポリイミド層63Aと配線61との高温密着性、第1ポリイミド層63Aと補強板62との高温密着性、及び第1ポリイミド層63Aと第1電極端子40との高温密着性を向上させる。配線シート60は、第1電極端子40に固定される固定部60Aと、5本の配線61を含むリード部60Bとにより区分される。図2に示すように、リード部60Bの一部は、第1電極端子40に接触し、この接触部を介して第1電極端子40に固定されている。
固定部60Aは、フライホイールダイオード20及びスイッチング素子10を囲む。固定部60Aには、第1貫通孔64と第2貫通孔65とが形成されている。第1貫通孔64は、第1導電体31よりも若干大きく形成されている。第2貫通孔65は、第3導電体33よりも若干大きく形成されている。第1貫通孔64及び第2貫通孔65の周囲には、補強板62が設けられている。リード部60Bは、固定部60Aから延長し、封止部80の外側に引き出される。リード部60Bの端部には、第2ポリイミド層63Bの一部が除去された部分、即ち、開口部66が形成されている。開口部66には、5個の端子67~71が形成されている。各端子67~71は、配線61の先端に形成されている。
5個の端子67~71は、ゲート端子67(制御端子)と4個のモニタ端子68~71とにより構成されている。ゲート端子67は、ゲート電極15に接続される。第1モニタ端子68は、第1モニタ電極16に接続される。第2モニタ端子69は、第2モニタ電極17に接続される。第3モニタ端子70は、第3モニタ電極18に接続される。第4モニタ端子71は、第4モニタ電極19に接続される。
第1貫通孔64は、スイッチング素子10のソース電極14に対向する位置に設けられている。5個の端子67~71のそれぞれは、各端子に対応する電極に対して設けられている。即ち、第1貫通孔64と5個の端子67~71との配置関係と、ソース電極14と5個の電極15~19との配置関係は一致する。これらの端子67~71には、半田層が設けられている。半田層は、第2半田92により形成されている。5個の端子の表面の高さ(半田層の表面)は、第1導電体31の第2主面31B(半田めっきの表面)の高さと略一致する。この構成により、第1導電体31の第2主面31Bにスイッチング素子10が配置されているとき、スイッチング素子10が傾くことはない。
次に、上記配線構造体30の構造的特徴について説明する。
配線構造体30は、スイッチング素子10の各電極に対応する端子及び導電体を備える。本実施形態では、ソース電極14に対応して第1導電体31が設けられ、5個の電極15~19に対応して5個の端子67~71が設けられている。近年、スイッチング素子10の小型化により、ソース電極14と5個の電極15~19との間隔が小さくなっている。このため、第1導電体31と5個の端子67~71との間隔を小さくする必要がある。しかしながら、従来の配線構造体の場合、絶縁基板に導電体及び端子を形成するため、導電体及び端子間の間隔を更に狭めることは難しい。その理由は、ソース電極14に対応する導電体の厚さを確保する必要があること、絶縁基板に導電体及び端子を形成する場合にそれらの間隔を導電体及び端子の厚さよりも小さくすることは、エッチング加工上困難であることによる。
これに対して、本実施形態では、絶縁基板上に導電体及び端子を形成せず、導電体と端子とをそれぞれ個別の部材として形成した。即ち、ソース電極14に接続される第1導電体31を第1電極端子40に接続する構造物とし、ゲート電極15に接続されるゲート端子67を配線シート60に形成した。この場合、配線シート60は第1導電体31とは関係なく加工されるため、配線シート60の端子と第1導電体31との間隔を狭くすることができる。
また、次の特徴を有する。配線シート60の第1貫通孔64により、5個の端子67~71に対して第1導電体31の位置が決められる。即ち、第1貫通孔64により第1導電体31の移動が規制される。このため、第1導電体31とゲート端子67との配置関係が大きくずれることはない。特に、第1導電体31を半田で固定するとき、半田の表面張力により第1導電体31が所定位置からずれる虞がある。この点、本実施形態によれば、第1貫通孔64により第1導電体31の移動が規制されるため、第1導電体31と配線シート60上の各端子との位置関係が維持される。これにより、第1導電体31とゲート端子67との配置関係が、スイッチング素子10のソース電極14とゲート電極15との配置関係と対応するように維持される。このため、スイッチング素子10のソース電極14及び各電極15~19と、第1導電体31及び各端子67~71とを適切な状態にして接続することができる。
<第1変形例>
図4を参照して、配線構造体30の第1変形例を説明する。
図4を参照して、配線構造体30の第1変形例を説明する。
上記実施形態では、第2導電体32と第4導電体34とを別部材としているが、第2導電体32と第4導電体34を一部材(以下、第5導電体110)としてもよい。以下、上記実施形態の配線構造体30からの変更点について説明する。尚、配線構造体30と共通する構成については同一の符合を付してその説明を省略する。
図4に示すように、第5導電体110は、略直方体に形成されている。第5導電体110の第1主面110Aは、第2電極端子50に接続されている。第5導電体110の第2主面110Bには、スイッチング素子10が配置される第1接続部111と、フライホイールダイオード20が配置される第2接続部112とが設けられている。第1接続部111及び第2接続部112は、第2半田92によりめっき処理されている。第1接続部111及び第2接続部112以外の部分は、ソルダレジストにより被覆してもよい。第5導電体110の熱膨張係数は、スイッチング素子10の熱膨張係数及びフライホイールダイオード20の熱膨張係数よりも大きく、かつ第2電極端子50の熱膨張係数よりも小さい。
<第2変形例>
図5を参照して、配線構造体30の第2変形例を説明する。図5は、配線構造体30の配線シート付き電極端子45付近を示す。
図5を参照して、配線構造体30の第2変形例を説明する。図5は、配線構造体30の配線シート付き電極端子45付近を示す。
上記実施形態では、配線シート60を第1電極端子40に直接貼り付けているが、本変形例では、配線シート60と第1電極端子40との間にスペーサ120が介在されている。以下、上記実施形態の配線シート付き電極端子45の構成からの変更点について説明する。配線シート付き電極端子45と共通する構成については同一の符合を付してその説明を省略する。
スペーサ120には、配線シート60の第1貫通孔64に対応して第3貫通孔121が形成され、第2貫通孔65に対応して第4貫通孔122が形成されている。第3貫通孔121は、第1貫通孔64と略同じ形状である。第4貫通孔122は、第2貫通孔65と略同じ形状を有している。5個の端子67~71の表面の高さ(半田層の表面)と、第1導電体31の第2主面31Bの高さと、第3導電体33の第2主面33Bの高さとが略一致するように、スペーサ120の厚さが設定されている。第1導電体31及び第3導電体33の厚さは、放熱性及び所定温度における応力の大きさ等を考慮してそれぞれ設定されている。スペーサ120は、耐熱性かつ絶縁性を有する材料により形成されている。例えば、熱可塑性ポリイミド樹脂、非熱可塑性ポリイミド樹脂の両面に熱可塑性ポリイミド層を形成した3層構造のポリイミド樹脂、ポリイミド樹脂と金属箔との積層板、セラミックス基板等により、スペーサ120が形成されている。
<第3変形例>
図6を参照して、配線構造体30の第3変形例を説明する。図6は、配線構造体30の配線シート付き電極端子45付近を示す。
図6を参照して、配線構造体30の第3変形例を説明する。図6は、配線構造体30の配線シート付き電極端子45付近を示す。
上記実施形態では、第1電極端子40の第1面41は平坦に形成されているが、本変形例では、スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20がそれぞれ配置される各部分が、シート配置面41Aよりも低く形成されている。シート配置面41Aには、配線シート60が接着される。
以下、上記実施形態の配線シート付き電極端子45の構成からの変更点について説明する。上記実施形態の配線シート付き電極端子45と共通する構成については同一の符合を付してその説明を省略する。第1電極端子40の各部の高さを比較するとき、第1電極端子40の第2面42を基準面とする。
配線シート60の第1貫通孔64に対応する部分には、第1凹部131が形成されている。また、配線シート60の第2貫通孔65に対応する部分には、第2凹部132が形成されている。第1凹部131の底面131A(配置面)は、シート配置面41Aよりも低い。第1凹部131の平面形状は、第1貫通孔64と同じ形状であり、第1導電体31が嵌りこむ構造となっている。第2凹部132の底面132A(配置面)は、シート配置面41Aよりも低い。第2凹部132の平面形状は、第2貫通孔65と同じ形状であり、第3導電体33が嵌りこむ構造となっている。
<第4変形例>
図7を参照して、配線構造体30の第4変形例を説明する。図7は、配線構造体30の配線シート付き電極端子45付近を示す。
図7を参照して、配線構造体30の第4変形例を説明する。図7は、配線構造体30の配線シート付き電極端子45付近を示す。
上記実施形態では、第1電極端子40と第1導電体31と第3導電体33とが別部材であったが、本変形例では、第1電極端子40と第1導電体31と第3導電体33とが一体形成されている。以下、上記実施形態の配線シート付き電極端子45の構成からの変更点について説明する。上記配線シート付き電極端子45と共通する構成については同一の符合を付してその説明を省略する。
第1電極端子40の第1面41には、第1凸部141と第2凸部142とが形成されている。第1凸部141は、第1導電体31に対応する。第2凸部142は、第3導電体33に対応する。第1凸部141は、配線シート60の第1貫通孔64に挿通する。第1凸部141の上面は矩形であり、スイッチング素子10のソース電極14と略同じ形状に形成されている。第2凸部142は、配線シート60の第2貫通孔65に挿通する。第2凸部142の上面は矩形であり、フライホイールダイオード20と略同じ形状に形成されている。第1電極端子40とスイッチング素子10との接続、及び第1電極端子40とフライホイールダイオード20との接続には、半田プリフォーム93が用いられる。半田プリフォーム93に代えて、半田ペースト等を用いてもよい。
このような構造は、スイッチング素子10と第1電極端子40との間、及びフライホイールダイオード20と第1電極端子40との間に緩衝材を設ける必要性が低い場合に適用することが好ましい。例えば、第1電極端子40がCu-Mo合金(Cu-Mo複合材)からなる場合に、本変形例が適用される。
<第5変形例>
図8を参照して、配線構造体30の第5変形例を説明する。
図8を参照して、配線構造体30の第5変形例を説明する。
上記実施形態では、スイッチング素子10とフライホイールダイオード20とが配置される配線構造体30を例に挙げたが、本変形例では、上記部材以外の他の半導体素子を配置可能となっている。以下、上記実施形態の第1電極端子40の構成からの変更点について説明する。上記第1電極端子40と共通する構成については同一の符合を付し、その説明を省略する。
図8に示すように、半導体装置1は、スイッチング素子10とフライホイールダイオード20のほか、制御用半導体素子150を備えている。以下、この種の半導体装置1に用いられる配線構造体30について説明する。
制御用半導体素子150は、ゲート信号を処理する。第1電極端子40には、第1配線シート151が貼り付けられている。第1配線シート151は、上記実施形態の配線シート60の構成要素に加え、ランド152を備えている。ランド152上には、第6導電体153が、第1半田91を介して固定されている。第6導電体153には、制御用半導体素子150が搭載可能となっている。第2電極端子50には、第2配線シート154が貼り付けられている。第2配線シート154には、制御用半導体素子150の電極に接続するランド155が形成されている。
<第6変形例>
図9を参照して、配線構造体30の第6変形例を説明する。
図9を参照して、配線構造体30の第6変形例を説明する。
上記実施形態では、第1電極端子40と第2電極端子50とがそれぞれ半導体装置1の端子であり、第1電極端子40と第2電極端子50とにより、スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20が挟み込まれていた。これに対して、本変形例では、第1電極端子40に相当する部分が電極(以下、第1電極部161)と第1バスバーとにより構成され、かつ第2電極端子50に相当する部分が電極(以下、第2電極部162)と第2バスバーとにより構成されている。そして、第1電極部161と第2電極部162とが一枚の絶縁基板160上に配置されている。以下、上記実施形態の配線構造体30の構成からの変更点について説明する。上記実施形態の配線構造体30と共通する構成については同一の符合を付してその説明を省略する。
絶縁基板160上には、第1電極部161と第2電極部162とが形成されている。第1電極部161は、上記実施形態の第1電極端子40の一部である。第1電極部161上には、配線シート60が配置されている。また、第1電極部161上には、第1導電体31及び第3導電体33が設けられている。第2電極部162は、上記実施形態の第2電極端子50の一部である。第2電極部162は、架橋導電体163を介して、スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20にそれぞれ接続されている。架橋導電体163は、例えば、厚さ0.1mm~5.0mmの銅板より形成される。架橋導電体163とスイッチング素子10との接続、架橋導電体163とフライホイールダイオード20との接続、及び架橋導電体163と第2電極部162との接続には、半田プリフォーム93が用いられる。半田プリフォーム93に代えて、半田ペースト等を用いてもよい。
第1電極部161は第1バスバーに接続され、第2電極部162は第2バスバーに接続されている。これらバスバーが、半導体装置1の端子に相当する。絶縁基板160は、例えば、DBA(Direct Brazed Aluminum)基板、DBC(Direct Bonded Copper)基板、AMC(Active Metal Brazed Copper)基板等のセラミックス基板より形成されている。
<半導体装置の製造方法>
図10及び図11を参照して半導体装置1の製造方法の例を挙げる。
図10及び図11を参照して半導体装置1の製造方法の例を挙げる。
ここでは、6個のスイッチング素子10及び6個のフライホイールダイオード20が並列接続されている半導体装置1について説明する。
[各部材]
・第1電極端子40として、厚さ2mmのタフピッチ銅に無電解Ni-Pめっき処理を施した導電部材を用いる。
・第1電極端子40として、厚さ2mmのタフピッチ銅に無電解Ni-Pめっき処理を施した導電部材を用いる。
・第2電極端子50として、第1電極端子40と同じ材料を用いる。
・第1電極端子40又は第2電極端子50の絶縁保護層を形成するための絶縁保護シートとして、接着剤未使用の2層材であり、最表面が熱可塑性ポリイミド層である銅張ポリイミド積層シート(以下、ポリイミドシート90)を用いる。例えば、銅箔(金属シート44、54)に18μmの圧延銅箔を用い、ポリイミド層(絶縁シート43、53)に25μmのポリイミドシート90を用いる。また、ポリイミド層の端縁43A、53Aから5mmセットバックした位置まで銅箔をエッチングする。即ち、ポリイミド層の端縁43A、53Aと銅箔の端縁44A、54Aとの間の距離(以下、セットバック距離)を5mmだけ確保する。更に、銅箔をNi-Pめっき処理する。
・第1導電体31、第2導電体32、第3導電体33、第4導電体34として、厚さ0.15mmのCu/Mo/Cu積層板を用いる。Cu/Mo/Cu積層板の第1主面を、第1半田91によりめっき処理する。また、Cu/Mo/Cu積層板の第2主面を、第2半田92によりめっき処理する。第1主面は、第1電極端子40又は第2電極端子50に接続される面である。第2主面は、スイッチング素子10又はフライホイールダイオード20に接続される面である。
・スイッチング素子10として、厚さ0.2mm、13.6mm×13.6mmのSi-MOSFETを用いる。
・フライホイールダイオード20として、厚さ0.2mm、13.6mm×13.6mmのSi半導体素子を用いる。
・配線シート60として、第1ポリイミド層63Aが25μm、第2ポリイミド層63Bが3.5μm、銅箔厚が35μmのシートを用いる。
配線シート60は次のように製造される。
第1工程で、銅箔と3層構造のポリイミドシートとの積層材(接着材層の無い2層材)を用意する。3層構造ポリイミドシートは、上記第1ポリイミド層63Aに相当する。第2工程で、銅箔のエッチングにより、配線61と補強板62とを形成する。第3工程で、2層材において、端子形成部以外に、非熱可塑性ポリイミド樹脂又はその前駆体を塗布及び乾燥し、第2ポリイミド層63Bに相当する層を形成する。第4工程で、第1貫通孔64、第2貫通孔65を形成する。第5工程で、各端子67~71を第2半田92によりめっき処理、又はディップ処理する。
[組み立て]
組み立て方法としては3つの方法がある。
組み立て方法としては3つの方法がある。
第1の組み立て方法、第1電極端子40から順に各部材を積層する方法である。第2の組み立て方法は、第2電極端子50から順に各部材を積層する方法である。第3の組み立て方法は、配線構造体30を形成し、次に、配線構造体30と各素子(スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20)とを接続する方法である。以下、各組み立て方法について説明する。
[第1の組み立て方法]
第1工程では、第1電極端子40に、ポリイミドシート90及び配線シート60を貼り付ける。具体的には、ポリイミドシート90、第1電極端子40及び配線シート60をこれらの順に積層し、互いに位置合わせする。そして、真空熱プレス装置を用いて、300℃、3MPaの条件でプレスする。
第1工程では、第1電極端子40に、ポリイミドシート90及び配線シート60を貼り付ける。具体的には、ポリイミドシート90、第1電極端子40及び配線シート60をこれらの順に積層し、互いに位置合わせする。そして、真空熱プレス装置を用いて、300℃、3MPaの条件でプレスする。
第2工程では、第2電極端子50に、ポリイミドシート90を貼り付ける。この貼り付け作業は、第1工程と同様の方法で行われる。
第3工程では、第1工程のアセンブリの第1電極端子40に第1導電体31及び第3導電体33を配置し、半田Aにより固定する。具体的には、配線シート60を上側に向け、第1貫通孔64に第1導電体31を配置し、第2貫通孔65に第3導電体33を配置する。次に、オーブンにて半田を溶融して、第1導電体31及び第3導電体33を第1電極端子40にそれぞれ固定する。オーブンの温度を、半田Aが溶融する温度に設定する。
第4工程では、第3工程で形成したアセンブリに、スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20を配置する。具体的には、図11に示すように、スイッチング素子10のソース電極14と第1導電体31の第2主面31Bとを互いに対向させる。また、スイッチング素子10のゲート電極15と配線シート60のゲート端子67とを互いに対向させる。また、各モニタ電極16~19と各モニタ端子68~71とを互いに対向させる。また、フライホイールダイオード20の第1主面21と第3導電体33の第2主面33Bに対向させる。そして、スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20を、対応する導電体又は端子に対し、半田Bによりそれぞれ固定する。半田Bには、半田Aよりも融点の低い半田を用いる。
第5工程では、第4工程で形成したアセンブリに、第2導電体32と第4導電体34とをそれぞれ配置する。即ち、スイッチング素子10上に第2導電体32を配置し、フライホイールダイオード20上に第4導電体34を配置する。これら導電体32,34の接続には、半田Cを用いる。半田Cには、半田Bよりも融点の低い半田を用いる。
第6工程では、第5工程で形成したアセンブリに、第2工程で形成したアセンブリを積層する。即ち、第2導電体32及び第4導電体34の上に第2電極端子50が接触するように配置し、半田Dにより接続する。半田Dには、半田Cよりも融点の低い半田を用いる。
第7工程では、スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20を封止樹脂で封止する。
具体的には、モールド成形機にて、第1電極端子40と第2電極端子50の間に封止樹脂を充填し、半導体装置1を形成する。封止樹脂として、例えば、酸化ケイ素フィラ含有のエポキシ樹脂が用いられる。
また、必要によって、半導体装置1に水冷ジャケット(放熱装置)を取り付ける。
具体的には、半導体装置1の第1電極端子40の外側面及び第2電極端子50の外側面のそれぞれに水冷ジャケットを固定する。水冷ジャケットの固定には、フィラ含有シリコン系サーマルグリスを用いる。
[第2の組み立て方法]
第1工程及び第2工程では、第1の組み立て方法と同様である。即ち、第1電極端子40にポリイミドシート90及び配線シート60を貼り付ける。第2電極端子50にポリイミドシート90を貼り付ける。
第1工程及び第2工程では、第1の組み立て方法と同様である。即ち、第1電極端子40にポリイミドシート90及び配線シート60を貼り付ける。第2電極端子50にポリイミドシート90を貼り付ける。
第3工程では、第2工程のアセンブリの第2電極端子50に第2導電体32及び第4導電体34を配置し、半田Aにより固定する。具体的には、第2電極端子50を上側に向け、第2導電体32及び第4導電体34を配置する。
第4工程では、第3工程で形成したアセンブリに、スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20を配置する。具体的には、第2導電体32の上にスイッチング素子10を配置し、第4導電体34にフライホイールダイオード20を配置する。そして、半田Bにより固定する。半田Bとして半田Aよりも融点の低い半田を用いる。
第5工程では、第4工程で形成したアセンブリに、第1導電体31と第3導電体33とを配置する。即ち、スイッチング素子10のソース電極14上に第1導電体31を配置し、フライホイールダイオード20上に第3導電体33を配置する。これら導電体31,33のスイッチング素子10又はフライホイールダイオード20への接続には、半田Cを用いる。半田Cには、半田Bよりも融点の低い半田を用いる。
第6工程では、第5工程で形成したアセンブリに、第1工程で形成したアセンブリを配置する。具体的には、配線シート60の第1貫通孔64と第1導電体31とを互いに対向させ、かつスイッチング素子10の各電極15~19と配線シート60の各端子67~71とを互いに対向させる。そして、半田Dを用いて、第5工程で形成したアセンブリに第1工程のアセンブリを固定する。半田Dには、半田Cよりも融点の低い半田を用いる。以降の工程は、第1の組み立て方法と同様である。
[第3の組み立て方法]
第1工程及び第2工程では、第1の組み立て方法と同様である。即ち、第1電極端子40にポリイミドシート90及び配線シート60を貼り付ける。第2電極端子50にポリイミドシート90を貼り付ける。
第1工程及び第2工程では、第1の組み立て方法と同様である。即ち、第1電極端子40にポリイミドシート90及び配線シート60を貼り付ける。第2電極端子50にポリイミドシート90を貼り付ける。
第3工程では、第1導電体31及び第3導電体33を第1電極端子40に固定する。具体的には、配線シート60を上側にし、第1貫通孔64に第1導電体31を配置し、第2貫通孔65に第3導電体33を配置する。次に、オーブンにて半田を溶融して、第1導電体31及び第3導電体33を第1電極端子40に固定する。オーブンの温度を、第1半田91が溶融する温度に設定する。
第4工程では、第2導電体32及び第4導電体34を第2電極端子50に配置し、オーブンにて半田を溶融して、第2導電体32及び第4導電体34を第2電極端子50に固定する。オーブンの温度は、第3工程と同じである。
第5工程では、第3工程で形成した第1アセンブリに、スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20を配置する。具体的には、図11に示すように、スイッチング素子10のソース電極14と第1導電体31の第2主面31Bとを互いに対向させる。また、スイッチング素子10のゲート電極15と配線シート60のゲート端子67とを互いに対向させる。また、各モニタ電極16~19と各モニタ端子68~71とを互いに対向させる。また、フライホイールダイオード20と第3導電体33とを互いに対向させる。更に、これらの素子の上に、第4工程で形成した第2アセンブリを配置する。このとき、第2導電体32とスイッチング素子10のドレイン電極13とを互いに対向させ、第4導電体34とフライホイールダイオード20とを互いに対向させる。そして、オーブンにて半田を溶融し、各部材を固定する。オーブンの温度を、第2工程及び第3工程の加熱温度よりも低く、かつ第2半田92が溶融する温度に設定する。
第2半田92には、第1半田91よりも融点の低いものを用いる。第1半田91は、SnAgCu系又はSnCu系の半田群から選択して用いる。第2半田92は、SnZn系又はSnZnBi系の半田群から選択して用いる。
第3の組み立て方法の変形例として次の方法もある。
第3の組み立て方法の第5工程では、第3工程の第1アセンブリにスイッチング素子10及びフライホイールダイオード20を配置した積層体に第4工程の第2アセンブリを配置しそれらを同時に加熱して、各部材を半田により接続していたが、この工程を2段階に分けて行うようにしてもよい。
具体的には、第3工程の第1アセンブリに、スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20を配置する。そして、半田Xを用いて、第1アセンブリに、スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20を固定する。この積層体を、第3アセンブリとする。半田Xには、上記第1半田91よりも融点の低いものを用いる。
次に、第3アセンブリに、第4工程の第2アセンブリを配置する。そして、半田Yを用いて、第3アセンブリに第2アセンブリを固定する。半田Yには、半田Xよりも融点の低い半田を用いる。
このような工程によれば、スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20が移動可能な状態で、第1アセンブリに対して半田により固定される。このため、セルフアライメントにより、スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20の位置を決めることができる。
組み付け品をオーブンに投入する前に、配線シート60の端部(ゲート端子67等が設けられた端部と反対側の端部)にコネクタを嵌め、コネクタの各端子と各配線61との接続部に半田を塗布する。これにより、組み立て品をオーブンに投入すれば、半田が溶融して、コネクタが各配線61に固定される。以降の工程は、第1の組み立て方法と同様である。
<実施例1>
以下、半導体装置1の製造方法について、実施例を挙げる。
以下、半導体装置1の製造方法について、実施例を挙げる。
以下に示す項目以外の条件は、上記[各部材]で説明した内容と同様である。
・第1電極端子40:厚さ3mmの無酸素銅。表面を無電解Ni-Pめっき処理。
・第2電極端子50:厚さ3mmの無酸素銅。表面を無電解Ni-Pめっき処理。
・ポリイミドシート90:銅箔が35μmの圧延銅箔、ポリイミド層が15μm。セットバック距離は8mm。Ni-Pめっき処理。
・第1~第4導電体31~34:厚さ0.1mmのCu/Mo/Cu積層板。
・スイッチング素子10:厚さ0.15mm、5mm×5mmのSiC-MOSFET。
・フライホイールダイオード20:厚さ0.15mm、10mm×10mmSi半導体素子。
・配線シート60:第1ポリイミド層63Aの厚さが12.5μm、第2ポリイミド層63Bの厚さが3.5μm、銅箔の厚さが35μm。
・第1電極端子40:厚さ3mmの無酸素銅。表面を無電解Ni-Pめっき処理。
・第2電極端子50:厚さ3mmの無酸素銅。表面を無電解Ni-Pめっき処理。
・ポリイミドシート90:銅箔が35μmの圧延銅箔、ポリイミド層が15μm。セットバック距離は8mm。Ni-Pめっき処理。
・第1~第4導電体31~34:厚さ0.1mmのCu/Mo/Cu積層板。
・スイッチング素子10:厚さ0.15mm、5mm×5mmのSiC-MOSFET。
・フライホイールダイオード20:厚さ0.15mm、10mm×10mmSi半導体素子。
・配線シート60:第1ポリイミド層63Aの厚さが12.5μm、第2ポリイミド層63Bの厚さが3.5μm、銅箔の厚さが35μm。
[製造条件]
・配線シート60及びポリイミドシート90の接着:真空熱プレス装置により320℃、4MPaの条件でプレス接着。
・封止樹脂:酸化ケイ素フィラ含有のPPS樹脂。
・水冷ジャケットの接着材:フィラ含有シリコン系サーマルグリス。
・配線シート60及びポリイミドシート90の接着:真空熱プレス装置により320℃、4MPaの条件でプレス接着。
・封止樹脂:酸化ケイ素フィラ含有のPPS樹脂。
・水冷ジャケットの接着材:フィラ含有シリコン系サーマルグリス。
<実施例2>
以下に示す項目以外の条件は、上記[各部材]で説明した内容と同様である。
・第1電極端子40:厚さ2.5mmの無酸素銅。スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20を嵌め込むための深さ0.24mmの凹部2個(第1凹部131及び第2凹部132)。無電解Ni-Pめっき処理。
・第2電極端子50:厚さ2.5mmの無酸素銅。無電解Ni-Pめっき処理。
・ポリイミドシート90:銅箔が12μmの圧延銅箔、ポリイミド層が12.5μm。セットバック距離は10mm。Ni-Pめっき処理。
・第1~第4導電体31~34:厚さ0.3mmのCu/Mo/Cu積層板。
・スイッチング素子10:厚さ0.4mm、4mm×4mmのSiC-MOSFET。
・フライホイールダイオード20:厚さ0.4mm、6.3mm×6.3mmのSi半導体素子。
・配線シート60:第1ポリイミド層63Aの厚さが25μm、第2ポリイミド層63Bの厚さが3.5μm、銅箔の厚さが35μm。
以下に示す項目以外の条件は、上記[各部材]で説明した内容と同様である。
・第1電極端子40:厚さ2.5mmの無酸素銅。スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20を嵌め込むための深さ0.24mmの凹部2個(第1凹部131及び第2凹部132)。無電解Ni-Pめっき処理。
・第2電極端子50:厚さ2.5mmの無酸素銅。無電解Ni-Pめっき処理。
・ポリイミドシート90:銅箔が12μmの圧延銅箔、ポリイミド層が12.5μm。セットバック距離は10mm。Ni-Pめっき処理。
・第1~第4導電体31~34:厚さ0.3mmのCu/Mo/Cu積層板。
・スイッチング素子10:厚さ0.4mm、4mm×4mmのSiC-MOSFET。
・フライホイールダイオード20:厚さ0.4mm、6.3mm×6.3mmのSi半導体素子。
・配線シート60:第1ポリイミド層63Aの厚さが25μm、第2ポリイミド層63Bの厚さが3.5μm、銅箔の厚さが35μm。
[製造条件]
・配線シート60及びポリイミドシート90の接着:真空熱プレス装置により290℃、2MPaの条件でプレス接着を行う。
・封止樹脂:酸化ケイ素フィラ含有のPPS樹脂。
・水冷ジャケットの接着材:フィラ含有シリコン系サーマルグリス。
・配線シート60及びポリイミドシート90の接着:真空熱プレス装置により290℃、2MPaの条件でプレス接着を行う。
・封止樹脂:酸化ケイ素フィラ含有のPPS樹脂。
・水冷ジャケットの接着材:フィラ含有シリコン系サーマルグリス。
<実施例3>
・第1電極端子40:厚さ2.0mmのタフピッチ銅。無電解Ni-Pめっき処理。
・第2電極端子50:厚さ2.0mmのタフピッチ銅。無電解Ni-Pめっき処理。
・ポリイミドシート90:銅箔が18μmの圧延銅箔、ポリイミド層が25μm。セットバック距離は5mm。Ni-Pめっき処理。
・第1~第4導電体31~34:厚さ0.15mmのCu/Mo/Cu積層板。
・スイッチング素子10:厚さ0.2mm、13.6mm×13.6mmSi-MOSFET。
・フライホイールダイオード20:厚さ0.2mm、13.6mm×13.6mmのSi半導体素子。
・配線シート60:第1ポリイミド層63Aの厚さが25μm、第2ポリイミド層63Bの厚さが3.5μm、銅箔の厚さが35μm。
・スペーサ120:厚さ0.14mmのポリイミドシート。
・第1電極端子40:厚さ2.0mmのタフピッチ銅。無電解Ni-Pめっき処理。
・第2電極端子50:厚さ2.0mmのタフピッチ銅。無電解Ni-Pめっき処理。
・ポリイミドシート90:銅箔が18μmの圧延銅箔、ポリイミド層が25μm。セットバック距離は5mm。Ni-Pめっき処理。
・第1~第4導電体31~34:厚さ0.15mmのCu/Mo/Cu積層板。
・スイッチング素子10:厚さ0.2mm、13.6mm×13.6mmSi-MOSFET。
・フライホイールダイオード20:厚さ0.2mm、13.6mm×13.6mmのSi半導体素子。
・配線シート60:第1ポリイミド層63Aの厚さが25μm、第2ポリイミド層63Bの厚さが3.5μm、銅箔の厚さが35μm。
・スペーサ120:厚さ0.14mmのポリイミドシート。
[製造条件]
・配線シート60及びポリイミドシート90の接着:真空熱プレス装置により300℃、3MPaの条件でプレス接着を行う。
・封止樹脂:酸化ケイ素のフィラ含有したエポキシ樹脂。
・水冷ジャケットの接着材:Sn-Bi-Zn系半田。
・配線シート60及びポリイミドシート90の接着:真空熱プレス装置により300℃、3MPaの条件でプレス接着を行う。
・封止樹脂:酸化ケイ素のフィラ含有したエポキシ樹脂。
・水冷ジャケットの接着材:Sn-Bi-Zn系半田。
いずれの実施例においても、第1導電体31の厚さを調整することにより、配線シート60の各端子の表面の高さ(半田層の表面)と、第1導電体31の第2主面31B(半田めっきの表面)の高さとを略一致させる。
以上、各実施例について上記第1~第3のいずれの組み立て方法でも、スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20の位置ずれは許容範囲内であった。また、ソース電極14と各電極15~19との間での短絡が無いこと、スイッチング素子10が正常に動作することも確認された。
従って、本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
(1)半導体装置1の配線構造体30は、配線シート付き電極端子45と、第2電極端子50とにより構成されている。配線シート付き電極端子45は、第1電極端子40と、配線シート60とにより構成されている。配線シート60は、第1電極端子40に貼り付けられて一体化されている。この構成によれば、従来配線構造体とは異なり、配線構造の加工上の制限が少ないため、大電流用の第1電極端子40と小電流用のゲート端子67との間の間隔を狭くすることができる。また、第1電極端子40とスイッチング素子10のソース電極14とが、第1導電体31を介して接続されている。この構造により、第1電極端子40とソース電極14との間を、第1電極端子40とは異なる材料により接続することができる。
配線構造体30は、少なくとも1つの導電体(第1導電体31)と、第1導電体31を介してソース電極14に接続される第1電極端子40と、ドレイン電極13に接続される第2電極端子50と、ゲート端子67を有する配線シート60とを備えている。ここでは、ソース電極14に接続される第1導電体31と、ゲート電極15に接続されるゲート端子67とが別部材として構成されている。このように、第1導電体31と、ゲート端子67を含む配線シート60とを別形態の部品とすることで、両部材共に、他方の部材から加工上の制限を受けないようすることができる。このため、配線シート60を薄くすることができ、配線シート60のゲート端子67と第1導電体31との間の間隔を、従来構造に比べて狭くすることができる。このため、従来の配線構造体30では実装困難であった小型のスイッチング素子10を実装することができる。
(2)第1導電体31とゲート端子67との配置関係と、スイッチング素子10のソース電極14とゲート電極15との配置関係とが一致する。この構成によれば、第1導電体31とゲート端子67とが配置されている部分にスイッチング素子10を配置するとき、スイッチング素子10のソース電極14と第1導電体31、及びスイッチング素子10のゲート電極15とゲート端子67とをそれぞれ正確に接続することができる。即ち、スイッチング素子10の実装が容易である。
(3)配線シート60には、ソース電極14に対応して第1貫通孔64が形成されている。第1導電体31は、第1貫通孔64を通じて第1電極端子40に取り付けられている。この構成によれば、配線シート60の第1貫通孔64により、第1導電体31の位置が決められる。このため、スイッチング素子10のソース電極14と第1導電体31との接続、及びスイッチング素子10のゲート電極15とゲート端子67との接続において位置ずれを生じ難くすることができる。また、配線シート60のゲート端子67及び第1貫通孔64は、配線シート60の一連の構造工程で形成される。このため、設計寸法に対するゲート端子67及び第1貫通孔63の位置ずれが小さく抑えられる。即ち、ゲート端子67と第1貫通孔64との間隔が一定距離以上となるため、第1導電体31とゲート端子67との短絡を抑制することができる。
(4)第1~第4導電体31~34は、応力を緩和する緩衝材により形成されている。この構成によれば、第1電極端子40、第2電極端子50、スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20の間で生じる応力、又はこれら部材の内部に生じる応力を緩和することができる。
(5)第1導電体31の熱膨張係数は、スイッチング素子10の熱膨張係数よりも大きくかつ第1電極端子40の熱膨張係数よりも小さい。第2導電体32の熱膨張係数は、スイッチング素子10の熱膨張係数よりも大きくかつ第2電極端子50の熱膨張係数よりも小さい。第3導電体33の熱膨張係数は、フライホイールダイオード20の熱膨張係数よりも大きくかつ第1電極端子40の熱膨張係数よりも小さい。また、第4導電体34の熱膨張係数は、フライホイールダイオード20の熱膨張係数よりも大きくかつ第2電極端子50の熱膨張係数よりも小さい。この構成によれば、互いに隣接する2つの部材間の熱膨張係数の差が小さくなり、各部材間に生じる応力を小さくすることができる。
(6)配線シート60には、複数個のモニタ電極(他電極)に対応するモニタ端子(他端子)が設けられている。このため、ソース電極14とゲート電極15以外にモニタ電極を備えるスイッチング素子10を実装することができる。
(7)第1電極端子40のうちスイッチング素子10と反対側の第2面42には、絶縁シート43が設けられている。また、第2電極端子50のうちスイッチング素子10と反対側の第2面52には、絶縁シート53が設けられている。この構成によれば、配線構造体30を用いて半導体装置1を形成する場合、スイッチング素子10が配置される面を封止樹脂により封止するとき、絶縁シート43、53が形成された面を外部に露出させることができる。このため、絶縁シート43、53が形成された部分に放熱装置を取り付けることができ、封止樹脂を介さずに放熱装置に熱を伝達することができる。即ち、放熱装置の直接取り付けることのできる配線構造体30を提供することができる。
(8)第1電極端子40の絶縁シート43には、金属シート44が積層されている。同様に、第2電極端子50の絶縁シート53には、金属シート54が積層されている。この構成によれば、金属シート44、54により絶縁シート43、53がそれぞれ保護されるため、半導体装置1の製造工程中に、絶縁シート43、53に傷又は欠損が生じることが抑制される。また、第1電極端子40又は第2電極端子50に放熱装置を接着するとき、接着剤として半田等の金属を用いることができる。
(9)配線シート60の各端子の表面の高さ(半田層の表面)と、第1導電体31の第2主面31B(半田めっきの表面)の高さとが略一致する。このため、スイッチング素子10が実装された状態で、スイッチング素子10が傾くことはない。よって、製造歩留を高くすることができる。
(10)配線シート60には、補強板62が形成されている。このため、配線シート60の熱膨張を小さくすることができる。これにより、配線シート60及び第1電極端子40間の熱膨張差による剥離を抑制することができる。
(11)配線シート60には、エポキシ樹脂等の接着材を含まない配線シートが用いられる。即ち、第1ポリイミド層63Aと配線61との間、及び第2ポリイミド層63Bと配線61との間に熱可塑性ポリイミド層を介在させて、両者を密着させている。これにより、配線シート60の耐熱性が向上する。また、配線シート60の第1電極端子40と接触する面に、熱可塑性ポリイミド層が形成されている。そして、真空加熱圧着により、配線シート60と第1電極端子40とが密着及び固定されている。即ち、熱可塑性ポリイミド層を介して、配線シート60と第1電極端子40とが接着されている。この構成によれば、高温条件下での配線シート60と第1電極端子40との間の接着力が向上する。
(12)第1変形例では、第2導電体32と第4導電体34とが一体化されて一部材として構成されている。この構成によれば、第2導電体32と第4導電体34とを個別に、第2電極端子50に実装する必要がない。このため、第2導電体32の位置決め又は第4導電体34の位置決めに相当する作業を省略することができる。よって、配線構造体30の製造工程を簡略化することができる。
(13)第2変形例では、配線シート60と第1電極端子40との間に、スペーサ120が介在されている。この構成によれば、スペーサ120が介在しない場合と比べて、第1導電体31の厚さを大きくすることができる。これにより、スイッチング素子10と第1電極端子40との間、又はこれら部材の内部に生じる応力を小さくすることができる。
(14)第3変形例では、第1導電体31が配置される配置面、即ち、第1凹部131の底面が、配線シート60のシート配置面41Aよりも低い位置に設定されている。この構成によれば、第1導電体31が配置される第1凹部131の底面と配線シート60のシート配置面41Aとが同一平面である場合と比べて、第1導電体31の厚さを大きくすることができる。これにより、スイッチング素子10と第1電極端子40との間、又はこれら部材の内部に生じる応力を小さくすることができる。
(15)第4変形例では、第1導電体31と第3導電体33と第1電極端子40とが一体形成されている。この構成によれば、第1導電体31と第3導電体33とを個別に配置する必要がないため、製造工程を簡略化することができる。
(16)第5変形例では、スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20の他、他の半導体素子が実装可能となっている。この構成によれば、第1配線シート151に、他の半導体素子を実装するためのランド152が形成されている。このため、半導体素子に対して、スイッチング機能以外の機能を付加することができる。
(17)第6変形例では、第1電極端子40に相当する第1電極部161と第2電極端子50に相当する第2電極部162とが、絶縁基板160に設けられている。また、配線構造体30は、第2電極部162とスイッチング素子10とを接続するための架橋導電体163を備えている。この構成によれば、絶縁基板160に第1電極部161と第2電極部162とが設けられ、かつ両電極部161,162が同一平面上に配置されている。この配線構造体30を用いて半導体装置1を構成することで、半導体装置1を薄くすることができる。
(18)半導体装置1は、上記構成の配線構造体30を含む。即ち、半導体装置1は配線シート付き電極端子45を含む。この構成によれば、従来よりも小さいスイッチング素子10を実装することができる。このため、ワイヤ接続を用いないパッケージにおいて、従来よりも半導体装置1を小さくすることができる。
(19)半導体装置1の製造方法(第1の組み立て方法)は、ワイヤ接続工程を含まない。また、各部材の接続は、リフロー等により行われる。このため、実装されるスイッチング素子10の数が多くても、工数の大幅な増大を伴わない。
(20)半導体装置1の第1の組み立て方法では、第4工程(先接続工程)で、第3工程のアセンブリにスイッチング素子10を半田Bにより固定する。続いて、後接続工程で、第2導電体32、第4導電体34、第2電極端子50等を順に積層する。この構成によれば、スイッチング素子10が第2電極端子50等に固定されるよりも前に、第1主面11のソース電極14と第1導電体31とが半田により接続され、各電極15~19と各端子67~71とが半田により接続される。即ち、スイッチング素子10を移動可能な状態にして、第1導電体31や各端子67~71等に半田により固定する。これにより、半田の表面張力により、スイッチング素子10が適切な位置へと移動する。即ち、セルフアライメントによりスイッチング素子10の位置が決められるため、ソース電極14及び各電極15~19間の短絡が抑制される。
(21)半導体装置1の第1及び第2の組み立て方法では、後工程で用いる半田ほど、より融点の低い半田が用いられる。これにより、後工程において、先接続工程で形成した半田接続部の溶融を抑えることができる。よって、後工程中に生じるスイッチング素子10の位置ずれを抑制することができる。
(22)半導体装置1の第3の組み立て方法では、第1半田91で接続するA工程を、第2半田92で接続するB工程よりも先に実施する。A工程には、第1導電体31及び第3導電体33を第1電極端子40に接続する工程と、第2導電体32及び第4導電体34を第2電極端子50に接続する工程とが含まれる。B工程には、第1導電体31及び第2導電体32をスイッチング素子10に接続する工程と、第3導電体33及び第4導電体34をフライホイールダイオード20に接続する工程とが含まれる。そして、第1半田91には、第2半田92よりも融点が高いものを用いる。この場合、A工程では、B工程で用いる半田よりも融点の高い半田を用いるため、A工程後に行われるB工程で第2半田92は溶融するものの、第1半田91はほとんど溶融しない。このため、A工程で接続した部材同士の位置ずれを抑制することができる。
尚、本実施態様を以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、第1導電体31と第3導電体33とが別個の部材であったが、一部材であってもよい。この構成によれば、第1導電体31と第3導電体33を個別に第1電極端子40に実装する必要がない。このため、第1導電体31と第3導電体33とを別部材として構成する場合と比べて、配線構造体30の製造工程を簡略化することができる。
・上記実施形態では、第1導電体31、第2導電体32、第3導電体33及び第4導電体34は、スイッチング素子10の熱膨張係数と第1電極端子40(又は第2電極端子50)の熱膨張係数との中間の値を有する材料により形成したが、これに代えて、単なる金属板により形成してもよい。例えば、第1~第4導電体31~34のいずれか又は全部を、銅又は銅合金により形成してもよい。
・上記実施形態では、スイッチング素子10及びフライホイールダイオード20と各電極端子40,50との間に、第1導電体31、第2導電体32、第3導電体33、第4導電体34を介在させているが、これらを省略してもよい。第1導電体31を省略する場合、スイッチング素子のソース電極14と第1電極端子40の第1面41との間のスペースが半田により埋められる。
・上記実施形態では、第1電極端子40及び第2電極端子50に貼り付けられる絶縁シート43、53として、ポリイミド樹脂製のシートを用いたが、エポキシ樹脂、PPS樹脂、PET樹脂(ポリエチレンテレフタレート樹脂)、PEEK樹脂(ポリエーテルエーテルケトン樹脂)、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、液晶ポリマー、これら樹脂に絶縁性フィラを含有した樹脂製シート、又はセラミックス基板を用いてもよい。セラミックス基板として、例えば、SiN、AlN、Al2O3、SiC、SiO2等を用いることができる。
・上記実施形態では、スイッチング素子10と第1導電体31又は第2導電体32との接続、及びフライホイールダイオード20と第3導電体33又は第4導電体34との接続に第2半田92を用いると共に、第1電極端子40と第1導電体31又は第3導電体33との接続、及び第2電極端子50と第2導電体32又は第4導電体34との接続に、第2半田92とは異なる融点の第1半田91を用いたが、同じ種類の半田を用いてもよい。
・上記実施形態では、第3の組み立て方法を採用した半導体装置1を示している。即ち、各部材は、融点の異なる2種類の半田によりそれぞれ固定されている。一方、第1の組み立て方法又は第2の組み立て方法では、融点の異なる4種類の半田により各部材が固定される。
・上記実施形態の第1の組み立て方法では、各工程の半田の融点が異なるが、半田結合後に短絡が生じない程度に位置ずれが生じるような半田接続部については、同じ融点の半田点を用いてもよい。第1の組み立て方法において、第5工程の半田Cと第6工程の半田Dとは、同じ融点を有してもよい。
・上記実施形態の第2の組み立て方法でも、各工程の半田の融点が異なるが、第2の組み立て方法において、第3工程の半田Aと第4工程の半田Bとは、同じ融点を有してもよい。
・上記実施形態の第2の組み立て方法では、第6工程において、第5工程のアセンブリに第1工程のアセンブリ(第1電極端子40を含むもの)を積層する際に、次のようにして、第2電極端子50に対する第1電極端子40の位置を決めてもよい。即ち、半田接続のためにリフローを行うとき、支持治具を用いて、第1電極端子40と第2電極端子50との間隔を維持し、両電極間の間隔を挟める力がスイッチング素子10及びフライホイールダイオード20に加わらないようにしてもよい。これにより、半田溶融時において、スイッチング素子10のセルフアライメントを生じさせ易くすることができる。
・また、同様の理由により、上記実施形態の第3の組み立て方法においても、第5工程において、半田接続のためにリフローを行うとき、支持治具を用いて、第1電極端子40と第2電極端子50との間隔を維持し、両電極間を挟める力がスイッチング素子10及びフライホイールダイオード20に加わらないようにしてもよい。
・上記実施形態では、半田めっきした部材を用いて各部材を接続したが、例えば、半田ペースト、半田プリフォーム等を用いて、各部材を接続してもよい。この場合、第1導電体31~第4導電体34から半田めっきを省略してもよい。
・上記実施形態では、配線シート60としてフレキシブルプリント基板を用いたが、フラットケーブルを用いてもよい。この場合も、上記(1)と同様の効果を奏する。
・本発明は、スイッチング素子10だけを含む半導体装置1の配線構造体30に適用してもよい。また、本発明は、2以上の電極を備えたスイッチング素子10を含む半導体装置の配線構造体に適用してもよい。スイッチング素子10の他の例として、例えば、GaN等のIII族窒化物材料を用いたMOSFET、Si-IGBT(nチャンネルIGBT)、SiC-IGBT等が挙げられる。
Claims (20)
- 第1主面に少なくとも第1電極及び制御電極が形成されかつ第2主面に第2電極が形成されたスイッチング素子を少なくとも1つ配置した配線シート付き電極端子であって、
前記第1電極に接続される電極端子と、
前記制御電極に接続される制御端子が設けられた配線シートとを備え、
前記電極端子において前記第1電極が接続される面に前記配線シートが貼り付けられて前記電極端子と前記配線シートとが一体化されていることを特徴とする配線シート付き電極端子。 - 請求項1に記載の配線シート付き電極端子において、
前記電極端子には、当該電極端子と前記第1電極とを互いに接続する導電体が配置されていることを特徴とする配線シート付き電極端子。 - 第1主面に少なくとも第1電極及び制御電極が形成されかつ第2主面に第2電極が形成されたスイッチング素子を少なくとも1つ配置した配線構造体であって、
前記第1電極に接続される導電体と、
前記第1電極に前記導電体を介して接続される第1電極端子と、
前記制御電極に接続される制御端子が設けられた配線シートと、
前記第2電極に接続される第2電極端子と
を含むことを特徴とする配線構造体。 - 請求項3に記載の配線構造体において、
前記導電体と前記制御端子との配置関係が、前記第1主面における前記第1電極と前記制御電極との配置関係に対応するように、前記配線シートが前記第1電極端子に固定されていることを特徴とする配線構造体。 - 請求項3又は4に記載の配線構造体において、
前記配線シートには、前記第1電極に対応して貫通孔が形成され、
前記導電体が、前記貫通孔を通じて前記第1電極端子に取り付けられていることを特徴とする配線構造体。 - 請求項3~5のうちいずれか一項に記載の配線構造体において、
前記導電体は、応力を緩和する緩衝材により形成されていることを特徴とする配線構造体。 - 請求項3~6のうちいずれか一項に記載の配線構造体において、
前記第1電極端子において前記導電体が配置される配置面が、前記配線シートのシート配置面よりも低い位置に設定されていることを特徴とする配線構造体。 - 請求項3~7のうちいずれか一項に記載の配線構造体において、
前記第1電極に接続される前記導電体が第1導電体であり、
前記第2電極端子には、前記第2電極に接続される第2導電体が設けられていることを特徴とする配線構造体。 - 請求項8に記載の配線構造体において、
前記第1導電体の熱膨張係数は、前記スイッチング素子の熱膨張係数よりも大きくかつ前記第1電極端子の熱膨張係数よりも小さいこと、及び
前記第2導電体の熱膨張係数は、前記スイッチング素子の熱膨張係数よりも大きくかつ前記第2電極端子の熱膨張係数よりも小さいこと
を特徴とする配線構造体。 - 請求項8又は9に記載の配線構造体において、
前記第1電極端子には、他の半導体素子に接続される第3導電体が設けられ、
前記第2電極端子には、他の半導体素子に接続される第4導電体が設けられ、
前記第3導電体及び前記第4導電体は、応力を緩和する緩衝材により形成されていることを特徴とする配線構造体。 - 請求項10に記載の配線構造体において、
前記第1導電体と前記第3導電体とが一体化されていることを特徴とする配線構造体。 - 請求項10又は11に記載の配線構造体において、
前記第2導電体と前記第4導電体とが一体化されていることを特徴とする配線構造体。 - 請求項10~12のうちいずれか一項に記載の配線構造体において、
前記第3導電体の熱膨張係数は、前記他の半導体素子の熱膨張係数よりも大きくかつ前記第1電極端子の熱膨張係数よりも小さいこと、及び
前記第4導電体の熱膨張係数は、前記他の半導体素子の熱膨張係数よりも大きくかつ前記第2電極端子の熱膨張係数よりも小さいこと
を特徴とする配線構造体。 - 請求項3~13のうちいずれか一項に記載の配線構造体において、
前記第1主面に前記第1電極と前記制御電極と少なくとも1つの他電極とが形成されかつ前記第2主面に前記第2電極が形成されたスイッチング素子が配置され、
前記配線シートには、前記他電極に対応する他端子が設けられていることを特徴とする配線構造体。 - 請求項3~14のうちいずれか一項に記載の配線構造体において、
前記第1電極端子のうち前記スイッチング素子と反対側の面に絶縁層が設けられ、
前記第2電極端子のうち前記スイッチング素子と反対側の面に絶縁層が設けられていることを特徴とする配線構造体。 - 請求項3~15のうちいずれか一項に記載の配線構造体において、
前記第1電極端子と前記第2電極端子とが絶縁基板に設けられ、
前記第2電極端子と前記スイッチング素子とを接続する架橋導電体を備えていることを特徴とする配線構造体。 - 請求項1又は2に記載の配線シート付き電極端子を含む半導体装置。
- 請求項3~16のうちいずれか一項に記載の配線構造体を含む半導体装置。
- 第1主面に少なくとも第1電極及び制御電極が形成されかつ第2主面に第2電極が形成されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子の前記第1主面に接続される第1電極端子及び配線シートと、前記スイッチング素子の前記第2主面に接続される第2電極端子とを備える半導体装置の製造方法において、
前記第1電極端子に前記配線シートを固定して配線シート付き電極端子を形成する工程と、
前記配線シート付き電極端子に前記スイッチング素子を半田で固定する先接続工程と、
前記先接続工程のアセンブリに前記第2電極端子を半田で固定する後接続工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項19に記載の半導体装置の製造方法において、
前記後接続工程では、前記先接続工程で用いる半田よりも融点の低い半田を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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