JP2011199161A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱特性が向上した高信頼性の半導体装置を得る。
【解決手段】第１の放熱板３１の主面にはパワー半導体チップ（第１の半導体チップ）４１が搭載され、第２の放熱板３２の主面には制御用ＩＣチップ（第２の半導体チップ）４２が搭載される。第１の放熱板３１は、第１のリード端子（リード端子２１〜２４）の配列方向において、第２の放熱板３２が設けられた側に向かって延伸する延伸部３１Ａを備える。第１のリード端子（リード端子２１〜２４）は、第１の放熱板３１の第１の側面に連結されており、パワー半導体チップ４１の裏面電極（Ｄ：ドレイン電極）の取り出し電極として機能する。第２のリード端子（リード端子２５）は、ソース電極（Ｓ）となるボンディングパッド４１１に接続される。第３のリード端子（リード端子２６〜２８）は、制御用ＩＣチップ４２の電極と接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、大電力動作をするパワー半導体チップ、及びこれを制御する制御用の半導体チップが共にリードフレーム上に搭載され、パッケージ中に内蔵された半導体装置の構造に関する。

大電流のスイッチングや整流を行うパワー半導体素子（整流用ダイオード、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）は、動作中での発熱量が大きい。このため、こうしたパワー半導体素子をモールド材中に内蔵したパワー半導体モジュールにおいては、その放熱効率が高い事が望まれる。

こうしたパワー半導体モジュールについては、例えば特許文献１等に記載されている。一般には、こうしたパワー半導体モジュールにおいては、放熱板とリード端子（リード）とから構成されるリードフレームが使用され、この放熱板の上にパワー半導体チップが搭載される。この構造は、樹脂から成るモールド材で封止され、この固化したモールド材がパッケージとなる。リードフレームは、熱伝導率の高い銅等で形成されている。また、リードフレームの一部を構成するリード端子がモールド材から突出した形態とされる。パワー半導体チップの電極は、電気信号の入出力端子を構成する各リードにボンディングワイヤ等を用いて接続される。パワー半導体チップは、外部から各リードに印加された電圧によって動作する。この構成のパワー半導体モジュールは、プリント基板中に形成されたスルーホールに各リードが挿入されてはんだ付けされることによって実際に使用される。あるいは、各リードがモールド材から突出しているだけでなく、モールド材の裏面に放熱板が露出した形態とすることもできる。この場合、裏面の放熱板自身もプリント基板にはんだ付けされて使用されることもある。

ここで、モールド材を構成するモールド材の熱伝導率は、リードフレームと比較すると高くはない。このため、上記の放熱効率を高めるためには、パワー半導体チップからの発熱をいかにリードフレームを介して外部に放出するかが重要となる。すなわち、パワー半導体チップからの発熱は、モールド材から導出されたリード又は放熱板を介して直接的に、またはモールド材を介して間接的に外部に放出される。

特許３２５０２１３号公報

しかしながら、パワー半導体モジュールにおいては、パワー半導体チップと制御用ＩＣとを混載する場合がある。こうした場合においては、パワー半導体チップの発した熱が伝達して制御用ＩＣの温度が上昇し、性能が著しく劣化する場合がある。従って、パワー半導体チップの温度上昇が制御用ＩＣチップ等に伝達され、パワー半導体モジュールの動作が適正になされなくなる場合がある。特許文献１においては、制御用ＩＣとパワー半導体チップが同一のリードフレームに搭載されており、放熱の観点からは不十分な構成であった。すなわち、従来技術においては、パワー半導体チップからの発熱を外部に良好に導出できず、制御用ＩＣチップ等の温度上昇を招来し、高信頼性のパワー半導体モジュールを得る事が難しかった。更に、パワー半導体チップから出力される高電圧を導出する端子と、制御用ＩＣから出力される低電圧を導出する端子とが並行に導出されているため、耐圧にも問題があった。

従って、放熱特性が向上した高信頼性の半導体装置を得ることは困難であった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、第１の放熱板と、該第１の放熱板と離間して配置された第２の放熱板と、前記第１の放熱板における第１の側面の側に配置された複数の第１のリード端子と、前記第１の放熱板における前記第１の側面の反対側に位置する第２の側面の側に配置された第２のリード端子と、前記第２の側面の側において前記第２のリード端子よりも前記第２の放熱板に近い側に配置された第３のリード端子と、前記第１の放熱板の主面に搭載され、１対の主電極を具備する第１の半導体チップと、前記第２の放熱板の主面に搭載された第２の半導体チップと、前記第１の放熱板、前記第２の放熱板、前記第１のリード端子の一部、前記第２のリード端子の一部、前記第３のリード端子の一部、前記第１の半導体チップ、及び前記第２の半導体チップを被覆するモールド材と、を具備し、前記第１のリード端子と、前記第２のリード端子及び前記第３のリード端子とが、それぞれ前記モールド材における１対の側面からそれぞれ反対方向に導出された半導体装置であって、前記第１の放熱板は、前記第１のリード端子の配列方向において、前記第２の放熱板が設けられた側に向かって延伸する延伸部を備え、前記複数の第１のリード端子の少なくとも一部は、前記第１の放熱板に連結され、前記第１の半導体チップの一方の主電極は前記第１のリード端子に接続され、前記第１の半導体チップの他方の主電極は前記第２のリード端子に接続され、前記第２の半導体チップの電極は前記第３のリード端子に接続された、ことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記第２の半導体チップには温度センサが搭載されていることを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記第１の半導体チップは、裏面側に一方の主電極、上面側に他方の主電極をそれぞれ有し、前記一方の主電極は前記第１の放熱板と電気的に接続されており、前記複数の第１のリード端子は、前記第１の放熱板に連結されて前記一方の主電極の取り出し電極とされ、前記第１のリード端子と前記第２のリード端子との間に、前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップとで構成される回路における最大電圧が印加される事を特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記延伸部は、前記第１の放熱板における前記第１の側面に沿った方向において、少なくとも前記第２の半導体チップにおける前記第１の放熱板から最も離れた辺がある位置まで延伸し、前記第２の放熱板と間隙を介して配設されていることを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記延伸部を含む前記第１の放熱板は、前記第１のリード端子、前記第２のリード端子、前記第３のリード端子より厚く形成されている事を特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、放熱特性が向上した高信頼性の半導体装置を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す上面からの透視図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の外観を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造において用いられる金属パターンの平面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置において構成される回路図の一例である。

以下、本発明の実施の形態となる半導体装置として、パワー半導体モジュールについて説明する。このパワー半導体モジュールにおいては、パワー半導体チップと制御用ＩＣチップが、それぞれ独立した放熱板上に搭載され、複数のリード端子と組み合わせた形態となったリードフレーム組立体とされる。このリードフレーム組立体がモールド材に包囲された形態で、パワー半導体モジュール（半導体装置）とされる。

図１は、このパワー半導体モジュール（半導体装置）１０を上側から見た透視図である。ここで、図中の破線で囲まれた領域がモールド材に対応する。モールド材の外側には、その一方の側面からリード端子２１〜２４の４本、他方の側面からリード端子２５〜２８の４本のリード端子がそれぞれ反対方向に導出されている。このパワー半導体モジュール１０においては、パワー半導体チップ（第１の半導体チップ）が大電力でのスイッチング動作を行い、制御用ＩＣチップ（第２の半導体チップ）がこのパワー半導体チップの制御を行う。

また、このパワー半導体モジュール１０の外観斜視図が図２である。図示のように、パワー半導体モジュール１０は、モールド材から導出されたリード端子にリードフォーミング（折り曲げ加工）が施され、各リード端子はその先端部がプリント基板上のスルーホールに挿入され、プリント基板にはんだ付けによって固定される。

このパワー半導体モジュール１０においては、互いに分離して形成された第１の放熱板３１と第２の放熱板３２とが用いられる。このうち、第１の放熱板３１の主面にはパワー半導体チップ（第１の半導体チップ）４１が搭載され、第２の放熱板３２の主面には制御用ＩＣチップ（第２の半導体チップ）４２が搭載される。パワー半導体チップ４１は制御用ＩＣチップ４２に比較して大きな発熱が生じ、その放熱効果を高くするために、第１の放熱板３１の面積は第２の放熱板３２の面積よりも大きくなっている。制御用ＩＣチップ４２中には、その温度を測定する温度センサ４２８が形成されている。

ここで用いられるリード端子２１〜２８は、第１のリード端子（リード端子２１〜２４）、第２のリード端子（リード端子２５）、第３のリード端子（リード端子２６〜２８）に、その機能上区分される。

第１の放熱板３１は、第１のリード端子（リード端子２１〜２４）の配列方向において、第２の放熱板３２が設けられた側に向かって延伸する延伸部３１Ａを備える。このため、図１においては、第２の放熱板３２の外周部となる辺ｃ、辺ｄは、第１の放熱板３１における辺ａ、辺ｂと近接して対向する。温度センサ４２８が検知する温度をパワー半導体チップ４１の温度に近づけるためには、辺ｃと辺ａ、辺ｄと辺ｂの間隔は、例えば０．１５ｍｍ〜０．９ｍｍとすることが好ましい。

第１の放熱板３１及び第２の放熱板３２は、所望の機械的強度と放熱効果が得られる厚さの銅又は銅合金、鉄または鉄合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金等で構成される。また、第１の放熱板３１及び第２の放熱板３２、延伸部３１を、リード端子２１〜２４、２５〜２８よりも厚くすることも可能である。具体的には第１の放熱板３１及び第２の放熱板３２、延伸部３１Ａは０．２５ｍｍから１．０ｍｍ、リード端子２１〜２４、２５〜２８は０．２５ｍｍから０．７５ｍｍで構成される事が好ましい。銅又は銅合金、鉄または鉄合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金等は、モールド材を構成するエポキシ樹脂等と比べて充分に高い熱伝導率をもつため、パワー半導体チップ４１が動作時に発する熱は、放熱板を介し、リード端子から放熱させることができる。

このパワー半導体モジュール１０を製造するに際しては、パワー半導体モジュール１０の多数個分の放熱板とリード端子とが配列して形成された、図３に示される金属フレームを使用する。この金属フレーム上における各放熱板にパワー半導体チップ４１、制御用ＩＣチップ４２等を搭載し、複数のリードフレーム組立体が配列された状態とした後、各パワー半導体モジュールに対応する箇所にモールド材を形成し、多数のパワー半導体モジュールを区画する境界部（図３中の破線で示された箇所）で金属フレームを切断することにより、図１のパワー半導体モジュール１０が得られる。なお、金属フレーム中に第１の放熱板３１及び第２の放熱板３２を固定するために、固定バー３１１、３２１が設けられているが、これらは半導体モジュール１０の製造過程において除去される。この製造方法自体は、リードフレーム上に半導体チップを搭載した形態の半導体モジュールにおいて通常知られる製造方法と同様である。

ここで、パワー半導体チップ（第１の半導体チップ）４１は、整流用ダイオード、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等、高電圧が印加され、大電流が流されて動作する半導体素子である。パワー半導体チップ（第１の半導体チップ）４１の一方の主面は導電性接着材（図示せず）を介して第１の放熱板３１に電気的に接続され、 他方の主面には、複数のボンディングパッド（電極）４１１、４１２が設けられている。

制御用ＩＣチップ（第２の半導体チップ）４２は、パワー半導体チップ４１を制御する回路が構成されたＩＣであり、その上面には、パワー半導体チップ４１と同様にボンディングパッド４２１、４２３、４２４、４２５が設けられている。また、その内部には、制御回路と共に温度センサ（温度感知素子）４２８が形成されている。温度センサ４２８は、パワー半導体チップ４１の温度を電気的に感知し、制御回路に出力する。制御回路は、パワー半導体チップ４１の温度がその正常動作時の温度と比べて大きくなった場合に、パワー半導体チップ４１の動作を制御するように機能する。本発明においては、延伸部３１Ａが、第２の放熱板３２が設けられた側に向かって延伸している。そのため、第１の放熱板４１の発する熱を間隙により分離することにより、制御用ＩＣチップ４２の過熱による誤動作を防止できる。一方で、制御用ＩＣチップ４２の温度センサ４２８をパワー半導体チップ４１が搭載された第１の放熱板３１（延伸部３１Ａ）が包囲するように配置されているために、温度センサ４２８へ確実に温度を伝達する事ができるため、温度センサ４２８は確実に温度を感知する事ができる。

パワー半導体チップ４１、制御用ＩＣチップ４２への電気的接続は、これらの上面に形成されたボンディングパッドにボンディングワイヤを接続することによって行われる。図１においては、パワー半導体チップ４１のボンディングパッド４１１（ソース電極）と第２のリード端子（リード端子２５）との間、パワー半導体チップ４１のボンディングパッド４１１と制御用ＩＣチップ４２のボンディングバッド４２２との間、及びパワー半導体チップ４１のボンディングパッド４１２（ゲート電極）と制御用ＩＣチップ４２のボンディングバッド４２１との間がボンディングワイヤ５０を用いて電気的に接続されている。また、制御用ＩＣチップ４２のボンディングバッド４２３、４２５と第３のリード端子（リード端子２６、２８）との間もボンディングワイヤ５０を用いて電気的に接続されている。更に、制御用ＩＣチップ４２のボンディングバッド４２４と第２の放熱板３２との間もボンディングワイヤ５０を用いて電気的に接続されている。パワー半導体チップ４１の裏面（ボンディングパッド４１１等が設けられている面と反対側の面）にはドレイン電極が設けられており、第１の放熱板３１の上面に導電性接着材を介して固着されている。

このパワー半導体モジュール１０を用いて実現される電源回路（例えばスタンバイ用電源回路）の一例が図４に示されている。図４の電源回路を実現するパワー半導体モジュール１０においては、パワー半導体チップ４１の動作電流は、１対の主電極であるドレイン（Ｄ）とソース（Ｓ）間に流れる。このため、Ｄ−Ｓ間には、この電源回路に通常動作時に印加される最も高い電圧が加わる。そして、この動作電流のオンオフは、制御用ＩＣチップ４２からの出力信号（ゲート信号）によって制御される。制御用ＩＣチップ４２を動作させるための電源電圧入力端子としてＶｃｃがあり、制御信号入力端子としてＦＢが設けられている。最終的には、右上に記載された負荷に対して出力電圧Ｖｏが印加される。このため、このパワー半導体モジュール１０においては、Ｄ、Ｓ、Ｖｃｃ、ＦＢ、ＧＮＤ（接地）の５つの端子が必要になり、これらが前記の各リード端子に振り分けられる。

このパワー半導体モジュール１０においては、第１の放熱板３１における第１の側面(一方の側面：図１中では右側面）に沿って第１のリード端子（リード端子２１〜２４）が互いに並行して配置されている。一方、第１の放熱板３１における第１の側面の反対側に位置する第２の側面（他方の側面：図１中では左側面）の側に、第２のリード端子（リード端子２５）が配置される。また、第２のリード端子が形成された側（第２の側面側）における第２の放熱板３２に近い側に、第３のリード端子（リード端子２６〜２８）が配置される。

ここで、第１のリード端子（リード端子２１〜２４）は、第１の放熱板３１の第１の側面に連結されており、第１の放熱板３１の上面に固着されたパワー半導体チップ４１の裏面電極（Ｄ：ドレイン電極：一方の主電極）の取り出し電極として機能する。第２のリード端子（リード端子２５）は、ソース電極（Ｓ：他方の主電極）となるボンディングパッド４１１に接続される。第３のリード端子（リード端子２６〜２８）は、制御用ＩＣチップ４２の電極（Ｖｃｃ、ＧＮＤ、ＦＢ）と接続されている。なお、第２のリード端子と第３のリード端子は、いずれも第１の放熱板３１とは分離されている。ただし、リード端子２７は、第２の放熱板３２と連結されており、接地端子として機能している。

上述のように、図１のパワー半導体モジュール１０においては、パワー半導体チップ４１のＤＳ（ドレイン‐ソース）間に最も高い電圧が印加される。すなわち、回路動作時に最も大きな電位差が生ずるのは、第１のリード端子（リード端子２１〜２４）と第２のリード端子２５との間である。このため、このパワー半導体モジュール１０では、Ｄ端子に接続されたリード端子２１〜２４と、Ｓ端子に接続されたリード端子２５が、第１の放熱板３１を間に挟んでそれぞれ反対側に配置されてた構成とされる。すなわち、大きな電位差を発生させる一方のリード端子２１〜２４は第１の放熱板３１の第１の側面側にまとめて配置されており、大きな電位差を発生させる他方のリード端子２５は、第１の放熱板３１の第２の側面側に配置されている。そして、リード端子２５とこれに隣接するリード端子２６との間の電位差は、リード端子２５とリード端子２１〜２４との間の電位差に比較すると、十分に小さくなる。結果として、図１のパワー半導体モジュール１０においては、大きな電位差が発生するリード端子の間隔を十分に広く確保することができ、高耐圧化が安定して図れる。

また、図１において、第１の放熱板３１における第１の側面と第２の側面との間に形成された辺ａは、第２の放熱板３２における辺ｃに接近して対向している。また、第１の放熱板３１における延伸部３１Ａを構成する辺ｂは、第２の放熱板３２における辺ｄに接近して対向している。延伸部３１Ａにおける第１の側面側には、リード端子２３、２４が連結されている。また、延伸部３１Ａの先端部となる辺ｅと、第２の放熱板３２における辺ｃの反対側に位置する辺ｆとは、ほぼ同一直線上とされる。こうした構成により、パワー半導体チップ４１の放熱効率を高め、かつ制御用ＩＣチップ４２による温度上昇の検知を、より正確に行うことができる。

ただし、延伸部３１Ａの先端部となる辺ｅは、必ずしも第２の放熱板３２の辺ｆと同一直線上である必要はない。例えば、延伸部３１Ａは、第１の放熱板３１における第１の側面（右側面）に沿った方向において、少なくとも制御用ＩＣチップ４２における第１の放熱板３１から最も離れた辺がある位置まで延伸し、かつ第２の放熱板３２と間隙を介して配設されていれば、同様の効果を奏する。

パワー半導体チップ４１からの放熱は、第１の放熱板３１を介して行われる。ここで、図１のパワー半導体モジュール１０においては、この第１の放熱板３１に延伸部３１Ａが設けられているため、パワー半導体チップ４１からの発熱を第１の放熱板３１を介して外部に効率よく放出することができる。すなわち、第１の放熱板３１に延伸部３１Ａを形成したことにより、パワー半導体チップ４１のヒートシンクとして機能する第１の放熱板３１の面積を増大することができる。このため、パワー半導体チップ４１からの過渡的な放熱等を第１の放熱板３１によって良好に吸収し、モールド材等を通じて外部に良好に放出することができる。また、第１の放熱板３１に連結された第１のリード端子（リード端子２１〜２４）は、モールド材の外部に延伸しており、パワー半導体チップ４１からの発熱を外部に導出する機能を有する。特に、延伸部３１Ａにも第１のリード端子であるリード端子２３、２４が連結されているため、延伸部３１Ａに伝わった熱をこのリード端子を通じて外部に放出することができる。このため、放熱性に優れた半導体モジュールを実現することができる。

なお、図１の構成においては、リード端子の構成を左右対称とし、右側面において４本のリード端子を設けたが、左右で異なる本数のリード端子を設けた非対称の構成とすることもできる。また、第１のリード端子の本数が多い場合、必ずしも第１のリード端子の全てが第１の放熱板に連結される必要はない。

また、上記の例においては、各放熱板にパワー半導体チップ、制御用ＩＣチップをそれぞれ搭載するとしたが、これら以外のチップも同時に各放熱板に搭載することができる。この場合には、動作時の発熱量の大きなチップを第１の放熱板に、発熱量の小さなチップを第２の放熱板に搭載することが好ましい。

１０ パワー半導体モジュール（半導体装置）
１１ パッケージ
２１〜２４ 第１のリード端子（リード端子）
２５ 第２のリード端子（リード端子）
２６〜２８ 第３のリード端子（リード端子）
３１ 放熱板（第１の放熱板）
３１Ａ 延伸部
３２ 放熱板（第２の放熱板）
４１ パワー半導体チップ（第１の半導体チップ）
４２ 制御用ＩＣチップ（第２の半導体チップ）
５０ ボンディングワイヤ
３１１、３２１ リードフレーム固定バー
４１１、４１２、４２１〜４２５ ボンディングパッド
４２８ 温度センサ

Claims (5)

1. 第１の放熱板と、
   該第１の放熱板と離間して配置された第２の放熱板と、
   前記第１の放熱板における第１の側面の側に配置された複数の第１のリード端子と、
   前記第１の放熱板における前記第１の側面の反対側に位置する第２の側面の側に配置された第２のリード端子と、
   前記第２の側面の側において前記第２のリード端子よりも前記第２の放熱板に近い側に配置された第３のリード端子と、
   前記第１の放熱板の主面に搭載され、１対の主電極を具備する第１の半導体チップと、
   前記第２の放熱板の主面に搭載された第２の半導体チップと、
   前記第１の放熱板、前記第２の放熱板、前記第１のリード端子の一部、前記第２のリード端子の一部、前記第３のリード端子の一部、前記第１の半導体チップ、及び前記第２の半導体チップを被覆するモールド材と、
   を具備し、
   前記第１のリード端子と、前記第２のリード端子及び前記第３のリード端子とが、それぞれ前記モールド材における１対の側面からそれぞれ反対方向に導出された半導体装置であって、
   前記第１の放熱板は、前記第１のリード端子の配列方向において、前記第２の放熱板が設けられた側に向かって延伸する延伸部を備え、
   前記複数の第１のリード端子の少なくとも一部は、前記第１の放熱板に連結され、
   前記第１の半導体チップの一方の主電極は前記第１のリード端子に接続され、前記第１の半導体チップの他方の主電極は前記第２のリード端子に接続され、前記第２の半導体チップの電極は前記第３のリード端子に接続された、
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記第２の半導体チップには温度センサが搭載されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１の半導体チップは、裏面側に一方の主電極、上面側に他方の主電極をそれぞれ有し、
   前記一方の主電極は前記第１の放熱板と電気的に接続されており、前記複数の第１のリード端子は、前記第１の放熱板に連結されて前記一方の主電極の取り出し電極とされ、
   前記第１のリード端子と前記第２のリード端子との間に、前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップとで構成される回路における最大電圧が印加される事を特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記延伸部は、前記第１の放熱板における前記第１の側面に沿った方向において、少なくとも前記第２の半導体チップにおける前記第１の放熱板から最も離れた辺がある位置まで延伸し、前記第２の放熱板と間隙を介して配設されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置。
5. 前記延伸部を含む前記第１の放熱板は、前記第１のリード端子、前記第２のリード端子、前記第３のリード端子より厚く形成されている事を特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の半導体装置。

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