JP2005303018A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積層構造を採用するパッケージにおいてパッケージの上下面からの放熱を効率良く行う。
【解決手段】第１の導体基板１３ａと第２の導体基板１３ｂとの間にパワー半導体スイッチ素子１１Ｐａの主電極ならびにダイオード１１Ｐｂの電極をそれぞれ接合して第１の並列接続回路を構成し、第２の導体基板と第３の導体基板１３ｃとの間にパワー半導体スイッチ素子１１Ｎａの主電極ならびにダイオード１１Ｎｂの電極をそれぞれ接合して第２の並列接続回路を構成し、第１の並列接続回路と第２の並列接続回路とを、前記第２の導体基板を介して直列接続する。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数の縦型半導体素子を同一のパッケージに格納したパワー半導体モジュールなどの半導体装置に関する。

ＩＧＢＴ（Insulated Gate bipolar Transistor）やＦＷＤ（Free Wheel Diode）などのパワー半導体素子を複数個同一のパッケージに収納してなるパワー半導体モジュールでは、従来は樹脂ケースのパッケージ構造が主であった。
図３は、パワー半導体モジュールの従来例を示す断面図である。図３において、セラミック基板の両面に銅パターン２１ａ，２１ｂを接合してなる絶縁基板２１の一方の面の銅パターン２１ａ上に、パワー半導体素子としてＩＧＢＴ１１ａ，ＦＷＤ１１ｂ並びに外部導出端子２２を図示しないはんだで接合している。パワー半導体素子と外部導出端子との間は、銅パターン若しくはボンディングワイヤ２３で接続されている。このように、絶縁基板上にパワー半導体素子などを搭載した状態で樹脂ケース２４に格納し、必要に応じて内部に樹脂等の充填材（図示せず）を注入した後、樹脂の蓋２５で覆う。２６は絶縁基板の他方の面の銅パターン２１ｂに接合された放熱ベースである（特許文献１）。

上記のパワー半導体モジュールをインバータ装置に組み込んで用いる場合、例えばインバータ装置の１相分に相当する部分をモジュールとして構成すると、図３の構成では、パワー半導体素子を平面的に配置するため、パワー半導体モジュールの底面積が大きくなってしまう。このような底面積の大きなパワー半導体モジュールはインバータ装置に組み込む際においても大きな取り付け面積を必要とするため、結果としてインバータ装置の大型化を招いてしまう。
そこで、パワー半導体モジュールの占有面積を縮小するために、パワー半導体素子を積層する構成が提案されている（特許文献２）。
図４は、パワー半導体モジュールの別の従来例を示す断面図である。図４において、３１は、セラミック基板の一方の面に銅パターン３１ａ，３１ｂが接合された絶縁基板であり、銅パターン３１ａ，３１ｂ上にはんだボール１４’を介してＩＧＢＴ１１Ｎａが、銅パターン３１ｂ上にはんだ１２を介してＦＷＤ１１Ｎｂがそれぞれ接合されている。銅パターン３１ａはＩＧＢＴ１１Ｎａのゲート電極に接続され、図示しない制御端子に接続されている。

ＩＧＢＴ１１Ｎａ，ＦＷＤ１１Ｎｂの他方の面ははんだ１２を介して絶縁基板３２の一方の面に接合された銅パターン３２ｂに接続されている。絶縁基板３２の他方の面には銅パターン３２ａ，３２ｂが接合されていて、両面の銅パターン３２ｂは、絶縁基板３２の中央に形成されたスルーホール３２ｃを介して接続されている。
絶縁基板３２の他方の面に接合された銅パターン３２ａ，３２ｂにははんだボール１４’を介してＩＧＢＴ１１Ｐａが、同じく銅パターン３２ｂにははんだ１２を介してＦＷＤ１１Ｐｂがそれぞれ接合されている。銅パターン３２ａはＩＧＢＴ１１Ｐａのゲート電極に接続され、図示しない制御端子に接続されている。ＩＧＢＴ１１ＰａとＦＷＤ１１Ｐｂの他方の面ははんだ１２を介して金属配線板３３に接合されている。
このように、１相分の上下アームを積層することによって、占有面積を約１／２とすることができ、インバータ装置に組み込む際の取り付け面積を縮小し、インバータ装置を小型化することが可能となる。
特開平8-213547号公報 特開2004-22844号公報

ＩＧＢＴ等のパワー半導体チップは、スイッチングや導通により発熱するため、パワー半導体モジュールからの放熱対策が欠かせず、また、パワー半導体チップと回路パターンなどの他の部材との接合個所にはヒートサイクルやパワーサイクルに対する信頼性が求められる。
しかしながら、特許文献２に記載された構成では、ＩＧＢＴと絶縁基板の銅パターンとの間の接続にはんだボール１４’が用いられていて、さらに上下アーム（絶縁基板の両面間）の電気的接続を確保するために、絶縁基板内にスルーホール３２ｃを形成している。
このため、はんだボール１４’による接合個所並びに絶縁基板に形成されたスルーホールには、パワー半導体チップの発熱に伴い、パワー半導体チップと銅パターンあるいはセラミック基板との熱膨張係数の相違による応力が絶えず印加されることになり、はんだボール１４’の接合個所の亀裂，剥がれが生じる問題や、絶縁基板に亀裂が発生する問題がある。

また、ＩＧＢＴと絶縁基板との間にはパッケージ全体を封止する樹脂（エポキシ系の樹脂など）が注入される。パワー半導体チップと絶縁基板との間のはんだボール１４’以外の部分には熱抵抗が大きい樹脂が注入されるため、パッケージの絶縁基板側からの放熱が制限され、十分な放熱を行うことができず、パワー半導体チップの能力を使い切ることができない。
特許文献２の構成では、積層構造を採用することによってパッケージ内の集積度が高まり発熱密度が上昇しているため、放熱（冷却）対策が必要不可欠であるにもかかわらず、十分な冷却ができないため、接合部の長期信頼性を確保することが難しいという課題がある。特に熱伝導率が低い樹脂封止パッケージでは放熱は大きな問題となる。
この発明は、上記のパワー半導体モジュールにおける課題に鑑みてなされたものであって、積層構造を採用するパッケージにおいて半導体チップの上下面並びにパッケージの上下面からの放熱を効率良く行うことを課題とするものである。

前記の課題を解決するため、この発明は、第１の金属バーと第２の金属バーとの間にパワー半導体スイッチ素子の主電極ならびにダイオードの電極をそれぞれ接合して第１の並列接続回路を構成し、第２の金属バーと第３の金属バーとの間にパワー半導体スイッチ素子の主電極ならびにダイオードの電極をそれぞれ接合して第２の並列接続回路を構成し、第１の並列接続回路と第２の並列接続回路とを、前記第２の金属バーを介して直列接続し、前記第１，第３の金属バーを直流入力端子とし、該第２の金属バーを出力端子とするものである。
上記の構成において、前記第１，第２，第３の金属バーを金属板とするか、前記第１，第３の金属バーをセラミック基板の両面に金属箔を接合した絶縁基板，第２の導体板を金属板とするとよい。

さらに、前記第１の金属バーと第３の金属バーとに挟まれた領域であって、前記パワー半導体スイッチ素子および前記ダイオードが接合された部分を樹脂封止するとよい。

この発明のパワー半導体モジュールによれば、上下アームを構成するパワー半導体チップを金属バーで挟み込む構造とすることでパッケージの面積を従来の１／２程度まで小型化することができる。また、パワー半導体チップの上下面並びにパッケージの上下面から高効率に放熱を行うことができ、信頼性の高い半導体デバイスの供給が可能となる。

以下にこの発明を、図に示す実施例に基づいて説明する。

図１はこの発明のパワー半導体モジュールの第１の実施例を示す断面図である。図１において、１１Ｐａ，１１ＮａはＩＧＢＴ、１１Ｐｂ，１１ＮｂはＦＷＤであって、はんだ１２，金属ボール１４を介して金属バー１３ａ〜１３ｃに接合されている。金属バーの材質としてＣｕ，Ａｌ，Ｆｅあるいはこれらの合金などを用いる。なお、金属ボール１４ははんだ１２よりも融点の高い金属コアや、金属コアの周囲にはんだを被覆した金属コアはんだボール、あるいは単なるはんだボールを含む。金属コアを用いたものは、所望のはんだ厚を確保する点で有利である。以下において、これらを金属ボール１４と総称する。
ＩＧＢＴ１１Ｐａのコレクタ電極とＦＷＤ１１Ｐｂのカソード電極は金属バー１３ａにはんだ接合され、同じくＩＧＢＴ１１Ｐａエミッタ電極とＦＷＤ１１Ｐｂアノード電極は金属バー１３ｂにはんだ接合される。このとき、上記はんだにはＳｎ系のはんだを用い、ＩＧＢＴ１１Ｐａのゲート電極は金属ボール１４を介して金属バー１３ｂ上のゲート配線（図示せず）にはんだ接合される。このゲート配線は金属バー１３ｂの表面に例えばポリイミドなどの樹脂を塗布して２００μｍ程度絶縁層を形成し、該絶縁層上に銅箔等でパターニングして形成すればよい。なお、金属バー１３ｂとして薄板状のヒートパイプを用いてもよい。ヒートパイプを用いることにより、パワー半導体モジュール内部の熱を効果的に放出することができる。

また、ＩＧＢＴ１１Ｎａのコレクタ電極とＦＷＤ１１Ｎｂのカソード電極は金属バー１３ｂにはんだ接合され、同じくエミッタ電極とアノード電極は金属バー１３ｃにはんだ接合される。このとき、上記はんだにはＳｎ系のはんだを用い、ＩＧＢＴ１１Ｎａのゲート電極は金属ボール１４を介して金属バー１３ｃ上のゲート配線（図示せず）にはんだ接合される。
なお、上記ゲート配線は、上述の金属バー１３ｂの表面に形成したものと同様に、絶縁層を介して銅箔等で形成してもよいし、あるいは、ディスクリート製品で使用されているような金属板を打ち抜き加工したリードフレーム状の金属バー１３ｂを用いてもよい。ゲート配線に相当するパターンも打ち抜き加工されているので、金属バー１３ｂ上の絶縁層は不要である。後述の樹脂封止の後、所望の形状にアウターリード部を切断すればよい。

次に、組立方法について簡単に説明する。金属バー１３ａの所定個所にクリームはんだを塗布し、あるいははんだシートを介してＩＧＢＴ１１Ｐａ，ＦＷＤ１１Ｐｂを載置し、この積層体を加熱炉に投入してはんだを溶融・固化させて両者を接合する。はんだ溶融時にＩＧＢＴ１１ＰａやＦＷＤ１１Ｐｂがずれないよう、図示しない治具を用いるとよい。同様に金属バー１３ｃにＩＧＢＴ１１Ｎａ，ＦＷＤ１１Ｎｂを接合する。
つづいて、金属バー１３ｂの両面の所定個所にクリームはんだを塗布し、あるいははんだシートを介して、金属バー１３ａとＩＧＢＴ１１Ｐａ，ＦＷＤ１１Ｐｂの接合体と、金属バー１３ｃとＩＧＢＴ１１Ｎａ，ＦＷＤ１１Ｎｂの接合体との間に介挿し、再び加熱炉に投入して金属バー１３ｂの両面のはんだを溶融・固化させてすべての接合を完了させる。金属バー１３ｂの接合に用いるはんだは、金属バー１３ａ，１３ｃの接合に用いたはんだより融点の低いものを用いるとよい。

上記のように、先に、金属バー１３ａ，１３ｃへＩＧＢＴ１１ａ，ＦＷＤ１１ｂを接合した後、両者を金属バー１３ｂに接合することにより、組立に用いる位置決め治具を簡単な構成とすることができ、各半導体チップを金属バー１３ａ，１３ｃの所定の個所に固定することが容易となり、組立精度を向上させることができる。
あるいは、各接合に用いるはんだを同融点として、すべてのはんだ接合を同時に行ってもよい。組立に用いる位置決め治具が若干複雑になるものの、はんだ接合工程を１回で完了させることができ、生産性を向上させることができる。
つづいて、上記のはんだ接合が完了した積層体を封止型に嵌装し、溶融したエポキシ樹脂などの封止樹脂１５を流し込む。金属バー１３ａと１３ｃとの間であって、半導体チップが実装された領域を封止する。このとき、金属バー１３ａ，１３ｃのはんだ接合されていない面を露出するようにすると、半導体チップが発生する熱を露出面より放出しやすくなる。

このように、ＩＧＢＴ１１Ｐａ，ＦＷＤ１１ＰｂとＩＧＢＴ１１Ｎａ，ＦＷＤ１１Ｎｂとを金属バー１３ｂを介して金属バー１３ａ，１３ｃ間に積層し、ＩＧＢＴ１１ＰａとＦＷＤ１１Ｐｂで上（正極側）アーム，ＩＧＢＴ１１ＮａとＦＷＤ１１Ｎｂとで下（負極側）アームを構成し、金属バー１３ａを直流入力（正極），金属バー１３ｂを交流出力，金属バー１３ｃを直流入力（負極）とする１相分のパワー半導体モジュール（２個組み積層型パッケージ）を構成する。
このようなパッケージをインバータ装置などに組み込んで用いる場合は、金属バー１３ａ，１３ｃの露出面に絶縁性があり熱伝導性の高い放熱シート１６を介して放熱フィン１７を接合する。放熱シート１６に粘着性のものを用いれば、放熱フィン１７を容易に取り付けることができる。

図２はこの発明のパワー半導体モジュールの第２の実施例を示す断面図である。図２において、１８，１９はセラミック基板の両面に金属箔としての銅パターン１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂが接合された絶縁基板である。絶縁基板１８，１９の一方の面の銅パターン１８ａ，１９ａは、回路パターンとして形成されている。セラミック基板と金属箔との接合には、直接接合を用いてもよいし、ロウ材を介して接合してもよい。
ＩＧＢＴ１１Ｐａのコレクタ電極，ＦＷＤ１１Ｐｂのカソード電極，直流入力端子（Ｐ）となる金属バー１３ｄは、絶縁基板１８の銅パターン１８ａにはんだ接合され、同様にＩＧＢＴ１１Ｐａエミッタ電極とＦＷＤ１１Ｐｂアノード電極は金属バー１３ｂにはんだ接合される。このとき、上記はんだにはＳｎ系のはんだを用い、ＩＧＢＴ１１Ｐａのゲート電極は金属ボール１４を介して金属バー１３ｂ上のゲート配線（図示せず）にはんだ接合される。このゲート配線は金属バー１３ｂの表面に例えばポリイミドなどの樹脂を塗布して２００μｍ程度絶縁層を形成し、該絶縁層上に銅箔等でパターニングして形成すればよい。なお、金属バー１３ｂとして薄板状のヒートパイプを用いてもよい。ヒートパイプを用いることにより、パワー半導体モジュール内部の熱を効果的に放出することができる。

また、ＩＧＢＴ１１Ｎａのコレクタ電極とＦＷＤ１１Ｎｂのカソード電極は金属バー１３ｂにはんだ接合され、同じくＩＧＢＴ１１Ｎａエミッタ電極，ＦＷＤ１１Ｎｂアノード電極，直流入力端子（Ｎ）となる金属バー１３ｅは絶縁基板１９の銅パターン１９ａにはんだ接合される。このとき、上記はんだにはＳｎ系のはんだを用い、ＩＧＢＴ１１Ｎａのゲート電極は金属ボール１４を介して絶縁基板１９の銅パターン１９ａ’にはんだ接合される。
なお、ＩＧＢＴ１１Ｎａのゲートに対応する部分については、パワー半導体モジュール外への引き出し部の図示は省略するが、絶縁基板１９の回路パターンの形成により自在に引き出すことができ、リードフレームを用いた場合に比べ、設計の自由度が高い。
第２実施例のパワー半導体モジュールの組立方法も第１の実施例と同様であって、絶縁基板１８の銅パターン１８ａ上にＩＧＢＴ１１Ｐａ，ＦＷＤ１１Ｐｂ，金属バー１３ｄを、をそれぞれ所定の位置に塗布したクリームはんだもしくははんだシートを介して載置し、この積層体をそれぞれ加熱炉に投入し、はんだを溶融・固化させて接合する。はんだ溶融時にＩＧＢＴ１１Ｐａ，ＦＷＤ１１Ｐｂ，金属バー１３ｄがすれないよう、図示しない治具を用いるとよい。同様に絶縁基板１９の銅パターン１９ａ上にＩＧＢＴ１１Ｎａ，ＦＷＤ１１Ｎｂ，金属バー１３ｅを接合する。

つづいて、金属バー１３ｂの両面の所定個所にクリームはんだを塗布し、あるいははんだシートを介して、絶縁基板１８の接合体と絶縁基板１９の接合体との間に介挿し、再び加熱炉に投入して金属バー１３ｂの両面のはんだを溶融・固化させてすべての接合を完了させる。金属バー１３ｂの接合に用いるはんだは、金属バー１３ａ，１３ｃの接合に用いたはんだより融点の低いものを用いるとよい。
このように、予め絶縁基板１８側（上アーム側），絶縁基板１９側（下アーム側）のはんだ接合を完了させることにより、組立に用いる位置決め治具を簡単な構成とすることができ、半導体チップや導体板の接合精度を向上させることができる。
あるいは、同融点のはんだを用い、すべてのはんだ接合を同時に行ってもよい。この場合は、はんだ接合工程を１回で完了させることができるため、生産性を向上させることができる。

つづいて、上記のはんだ接合が完了した積層体を封止型に嵌装し、溶融したエポキシ樹脂などの封止樹脂１５を流し込む。絶縁基板１８，１９に挟まれた領域であって、半導体チップが実装された領域を封止する。このとき、絶縁基板１８，１９の銅パターン１８ｂ，１９ｂを露出するようにすると、半導体チップが発生する熱を露出面より放出しやすくなる。
このように、ＩＧＢＴ１１Ｐａ，ＦＷＤ１１ＰｂとＩＧＢＴ１１Ｎａ，ＦＷＤ１１Ｎｂとを金属バー１３ｂを介して絶縁基板１８，１９間に積層し、ＩＧＢＴ１１ＰａとＦＷＤ１１Ｐｂで上（正極側）アーム，ＩＧＢＴ１１ＮａとＦＷＤ１１Ｎｂとで（負極側）アームを構成し、金属バー１３ｄを直流入力（正極），金属バー１３ｂを交流出力，金属バー１３ｅを直流入力（負極）とする１相分のパワー半導体モジュール（２個組み積層型パッケージ）を構成する。

絶縁基板を用いているため、絶縁基板の露出面（銅パターン１８ｂ，１９ｂ）は内部のとは絶縁が保たれている。このため、このようなパッケージをインバータ装置などに組み込んで用いる場合、第１の実施例で用いた放熱シートは不要である。放熱フィン１７の取り付けにあたっては、封止した樹脂部に放熱フィンの固定用のビス穴（図示せず）を設けてもよい。ビス穴内に金属管を圧入若しくは樹脂に一体に形成することで所望の強度を得ることができる。あるいは、絶縁基板１８側の放熱フィンと絶縁基板１９側の放熱フィンとでパワー半導体モジュールを挟み込み、放熱フィン同士を相互に固定してもよい。
なお、上記の各実施例においては、各接合をはんだによって行っているが、電気的・熱的・機械的な接続を図る接合方法であればこれに限るものではない。例えば、実施例１において、金属バー１３ａ，１３ｃとＩＧＢＴ１１ａ，ＦＷＤ１１ｂとの間をはんだによって接合し、同じく実施例２においては、絶縁基板１８，１９の銅パターン１８ａ，１９ａとＩＧＢＴ１１Ｐａ，ＦＷＤ１１Ｐｂ，ＩＧＢＴ１１Ｎａ，ＦＷＤ１１Ｎｂ，金属バー１３ｄ，１３ｅとの間をはんだによって接合しているが、はんだ接合に代えて超音波接合を採用してもよい。

パワー半導体モジュールの第１の実施例を示す断面図である。 パワー半導体モジュールの第２の実施例を示す断面図である。 第１の従来例を示す断面図である。 第２の従来例を示す断面図である。

符号の説明

１１ａ，１１Ｎａ，１１Ｐａ ＩＧＢＴ
１１ｂ，１１Ｎｂ，１１Ｐｂ ＦＷＤ
１２ はんだ
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ 金属バー
１４ 金属
１５ 封止樹脂
１６ 放熱シート
１７ 放熱フィン
１８，１９，２１，３１，３２ 絶縁基板
２２ 外部導出端子
２３ ボンディングワイヤ
２４ 樹脂ケース
２５ 蓋
２６ 放熱ベース
２１ａ，２１ｂ，３１ａ，３１ｂ 銅パターン
３２ｃ スルーホール
３３ 金属配線板

Claims (4)

1. 第１の導体基板と第２の導体基板との間にパワー半導体スイッチ素子の主電極ならびにダイオードの電極をそれぞれ接合して第１の並列接続回路を構成し、
   第２の導体基板と第３の導体基板との間にパワー半導体スイッチ素子の主電極ならびにダイオードの電極をそれぞれ接合して第２の並列接続回路を構成し、
   第１の並列接続回路と第２の並列接続回路とを、前記第２の導体基板を介して直列接続し、
   前記第１，第３の導体基板を直流入力端子とし、該第２の導体基板を出力端子としたことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、前記第１，第２，第３の導体基板は金属板であることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１に記載の半導体装置において、前記第１，第３の導体基板はセラミック基板の両面に金属箔を接合した絶縁基板であり、第２の導体板は金属板であることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１に記載の半導体装置において、前記第１の導体基板と第３の導体基板とに挟まれた領域であって、前記パワー半導体スイッチ素子および前記ダイオードが接合された部分を樹脂封止したことを特徴とする半導体装置。
   

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