JP6004579B2

JP6004579B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP6004579B2
Application number: JP2013049424A
Authority: JP
Inventors: 秀明小長谷; 幸史有岡
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2033-03-12
Also published as: JP2014175613A

Description

本発明は、半導体装置に関し、詳しくは、グランド線の抵抗値および寄生インダクタンスの低減を実現可能な技術に関する。

従来のパワー半導体モジュール向けの回路基板として、例えば特許文献１が挙げられる。図４に、この特許文献１に開示された回路基板の平面図および断面図を示す。回路基板１０は、セラミックス基板１２の一面側に金属回路板１３が、また、他面側に金属放熱板１４が、それぞれろう材１５を介して接合されている。金属回路板１３は、銅または銅合金からなり、金属放熱板１４よりも厚みを厚く形成した構成となっている。このような構成の回路基板１０によれば、放熱性と、冷熱サイクルに対する耐久性とを備えたパワー半導体モジュールを実現できるとされている。

特開２０１２−２３４０３号公報

しかしながら、上述した構成の回路基板は、金属板を所定の回路パターン形状に加工して金属回路板を得る必要があり、加工に手間がかかり製造コストが高いという課題があった。また、実用的な範囲内で所定の回路パターン形状に加工できる金属板の厚みには限度があるため、この金属板から得られる金属配線板の厚みも限度がある。従って、金属回路板の断面積を増大させて配線抵抗や寄生インダクタンスを低減することは困難であった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、低い製造コストで、配線抵抗や寄生インダクタンスを効果的に低減可能な半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のいくつかの態様は次のような半導体装置を提供した。すなわち、本発明の半導体装置は、基板と、該基板の一面に配された半導体素子およびグランド線と、を備えた半導体装置であって、前記グランド線に重ねて配された導電体を有し、前記半導体素子のグランド端子を、前記導電体に対して電気的に接続したことを特徴とする。

本発明の半導体装置によれば、グランド線の形成パターンと同じ形状に金属板を加工するなど手間のかかる製造工程を経ることなく、グランド線に任意の形状の導電体を接合するだけで断面積を簡単に増大させることができる。よって、配線抵抗や寄生インダクタンスを簡単に低減することが可能になる。

本発明における第一実施形態の半導体装置を示す平面図および断面図である。本発明における第二実施形態の半導体装置を示す平面図および断面図である。本発明における第三実施形態の半導体装置を示す要部拡大断面図である。従来の回路基板を示す平面図および断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る半導体装置の一実施形態について説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第一実施形態）
半導体装置２０は、基板２１と、この基板２１の一面２１ａに実装された複数の半導体素子２２，２２…と、グランド線２３とを備えている。

基板２１は、例えば、絶縁性の樹脂基板や、金属板の一面に絶縁層を形成した金属基板などから構成される。半導体素子２２は、トランジスタ、ダイオード、コンデンサ、あるいは集積回路など、各種電子部品であればよく、限定されるものではない。グランド線２３は、金属、例えば、銅、銀、アルミニウム、あるいはこれらの合金などから構成される。グランド線２３は、例えば、厚みが薄くて細長いテープ状に形成されている。なお、グランド線２３は、基板２１の一面２１ａ上で半導体素子２２のレイアウトに対応した所定のパターンをとなるように形成されればよい。

導電体２４は、例えば、グランド線２３の延長方向に沿って延びる細長い直方体を成している。導電体２４は、金属、例えば銅、銀、アルミニウム、あるいはこれらの合金から形成されていればよく、導電性や放熱性の面から銅で形成することが特に好ましい。導電体２４は、厚みｔ２がグランド線２３よりも厚く、幅ｗ２がグランド線２３と同じかそれよりも狭くなるように形成することが好ましい。

導電体２４は、グランド線２３に対して重ねて接合されることにより、導電体２４とグランド線２３とが電気的に接合される。

導電体２４をグランド線２３に対して電気的に接合する手段としては、例えば、はんだによる接合、または圧着により接合が挙げられる。導電体２４とグランド線２３とを、はんだによって接合する場合、はんだとして鉛はんだ、鉛フリーはんだなど、各種はんだを用いることができる。また、導電体２４とグランド線２３とを、圧着によって接合する場合、導電体２４とグランド線２３とを同一の金属材料から形成することによって、圧着時の接合性を高めることができる。

複数の半導体素子２２，２２…のそれぞれのグランド端子２２ａは、導電性ワイヤ２５を介して導電体２４に対して電気的に接続されている。これにより、半導体素子２２，２２…のそれぞれのグランド端子２２ａは、導電体２４およびグランド線２３を介してグランドに接続される。図１に示す実施形態では、３つの半導体素子２２，２２…のグランド端子２２ａを、１つの導電体２４に対して電気的に接続している。

導電性ワイヤ２５は、金属細線、例えば、銅、銀、アルミニウム、あるいはこれらの合金からなるワイヤを用いればよい。また、導電性ワイヤ２５の一方の端部とグランド端子２２ａとの接合、および導電性ワイヤ２５の他方の端部と導電体２４との接合は、例えば、はんだ、あるいは導電性接着剤を用いればよい。

以上のような構成の半導体装置２０の作用を説明する。図１に示すような構成の本発明の半導体装置２０によれば、グランド線２３には、細長い導電体２４が接合される。そして、半導体素子２２，２２…のそれぞれのグランド端子２２ａは、導電体２４およびグランド線２３を介してグランドに接続される。
例えば、従来のように、グランド端子がグランド線のみを介してグランドに接続される場合、グランド端子とグランドとの間は、細長いテープ状に形成された断面積が小さいグランド線のみで接続される。そのため、グランド端子とグランド間における配線抵抗や寄生インダクタンスの低減は望めない。

一方、本発明のように、グランド線２３に導電体２４を接合し、グランド端子２２ａを導電体２４に接続し、グランド線２３がグランドに接続される場合、グランド端子２２ａとグランドとの間は、グランド線２３だけで接続される場合と比較して、グランド端子２２ａからグランドに至る配線の断面積は、グランド線２３の断面積に導電体２４の断面積を加えたものとなる。これによって、本発明によれば、グランド端子２２ａとグランドとの間の断面積を増大させることによって、半導体装置２０の配線抵抗の低減、寄生インダクタンスの低減を図り、半導体装置２０の消費電力の低減を実現することができる。

また、導電体２４は、グランド線２３とは別部材として構成されるため、グランド線２３の形成パターンにとらわれずに任意の厚みや形状の導電体２４を作成し、グランド線２３に接合することができる。グランド線２３自体の厚みを薄くした場合には、基板２１の一面２１ａ上に、例えばフォトリソグラフィーなどによってグランド線２３を容易にパターニングすることができる。

また、導電体２４は、直線状に形成されたグランド線２３に沿って設けるようにしたので、導電体２４の加工も容易である。そして、グランド端子２２ａからグランドに至る配線の断面積のうち、導電体２４を設けた部分の断面積は、グランド線２３の断面積に導電体２４の断面積を加えたものとなる。これによって、半導体装置２０の配線抵抗の低減、寄生インダクタンスの低減を図り、半導体装置２０の消費電力の低減を実現することができる。

また、導電体２４を基板２１の一面２１ａにおけるエッジの内側に沿って壁状に巡らすように形成すれば、例えば、外部から水分がグランド線２３を超えて、基板２１の中心領域に配された半導体素子２２まで浸入することを防止ないし抑制する効果も得られる。
また、グランド線２３よりも厚みの厚い導電体２４をグランド線２３に接合することによって、グランド線２３の厚みを薄く形成しても、半導体装置２０に外部から何らかの応力が加わった場合のグランド線２３の耐久性を向上させることができる。

また、導電体２４は、その体積の大きさに応じて熱容量も大きくなる。よって、体積の大きな導電体２４をグランド線２３に接合すれば、グランド線２３の放熱特性を向上させることが可能になる。グランド線２３は、厚みの薄いテープ状の部材であるため、単位長さあたりの熱容量が小さいが、このグランド線２３に対して、厚みの厚い導電体２４を接合することによって、グランド端子２２ａからグランドに至る配線の体積は、グランド線２３の体積に導電体２４の体積を加えたものとなる。つまり、グランド端子２２ａからグランドに至る配線の体積が増加する。このように体積を増加させれば、熱容量もグランド線２３に沿って増加する。これによって、グランド端子２２ａからグランドに至る配線に電流が流れることによって生じる熱の放熱効果が高められる。従って、放熱性の高い半導体装置２０を実現することができる。

（第二実施形態）
第二実施形態における半導体装置３０では、一連のグランド線２３に対して、グランド線２３の延長方向に沿って複数の導電体３４，３４…が間欠的に配置されている。そして、１つの導電体３４に対して１つの半導体素子２２，２２…が、導電性ワイヤ２５，２５…を介して電気的に接続されている。このように、導電体３４を複数に分割して島状に形成することによって、導電体３４をグランド線２３に選択的に配置でき、半導体装置３０の製造コストを低減することが可能になる。なお、図２において、図１の各部に対応する同一の構成には同一の番号を付し、その説明を省略する。

この実施形態においては、複数に分割して島状に形成された導電体３４のうち、１つの導電体３４のグランド線２３の延長方向に沿った長さを、他の導電体３４より長くなるように形成している。導電体３４は、接続される半導体素子２２の特性、例えば、電流量に応じて、適切な長さに形成することができる。例えば、電流量の多い半導体素子２２に接続される導電体３４のグランド線２３の延長方向に沿った長さは、半導体素子２２から流れる電流によって生じる熱の量に応じて、他の導電体３４に比べて長く設定してもよい。また、電流量の少ない半導体素子２２に接続される導電体３４のグランド線２３の延長方向に沿った長さは、半導体素子２２から流れる電流によって生じる熱の量に応じて、他の導電体３４に比べて短く設定するようにしてもよい。これによって、電流量の多い半導体素子２２は、より体積の大きな導電体３４に接続されることになり、半導体素子２２の電流量に応じてグランドの放熱性を適切に高めることができる。
なお、複数に分割して島状に形成された導電体３４は、互いに全て同じ長さに形成されていてもよく、限定されるものではない。

（第三実施形態）
第三実施形態における半導体装置４０では、グランド線２３に重ねて形成される導電体４４の断面形状を、グランド線２３との接合面における幅ｗ３から、厚み方向に遠ざかるに従って、幅ｗ４まで漸増する形状、例えば、逆台形形状としている。なお、図３において、図１の各部に対応する同一の構成には同一の番号を付し、その説明を省略する。

導電体４４の断面形状を逆台形形状にすることで、この導電体４４を基板２１の一面２１ａにおけるエッジの内側に沿って壁状に巡らすように形成した際に、例えば、断面形状が長方形の導電体と比較した場合、断面形状が逆台形形状の導電体４４のほうが、外部から浸入した水分が乗り越える経路の長さを長くすることができる。

例えば、図３において、導電体４４の左側から水分が基板２１の一面２１ａの図３の符号Ｑに示す矢印方向に沿って、半導体装置４０の内側に入ってきたと想定した場合、この水分は、導電体４４の厚み方向に対して傾斜した側面４４Ｒを乗り越え、更に、導電体３４がグランド線２３に接合された部分の幅ｗ３よりも広い幅ｗ４の上面４４Ｔを一端から他端まで乗り越える必要がある。これは、例えば、グランド線との接合面から上面まで幅ｗ３となっている断面四角形の導電体と比較した場合、浸入した水分が乗り越える経路の長さは、本実施形態の導電体４４のほうが長い。これによって、水分の浸入抵抗性が高くなり、半導体装置４０の防水効果をより一層高めることができる。

なお、導電体４４の断面形状は、本実施形態では導電体４４の厚み方向の両側の側面を、この厚み方向に対して傾斜させているが、何れか一方の側面だけを傾斜させ、もう一方の側面は厚み方向に対して傾斜しないようにしてもよい。
また、本実施形態のように、導電体４４の厚み方向の両側の側面を、この厚み方向に対して同一の角度でそれぞれ傾斜させた場合、グランド線２３に導電体４４を接合する際に、導電体４４の一方の側面、または他方の側面のいずれの側面を半導体装置４０の外部に向けて取り付けてもよくなり、作業性を向上させることができる。

２０，３０，４０…半導体装置、２１…基板、２２…半導体素子、２３…グランド線、２４，３４，４４…導電体、２５…導電性ワイヤ。

Claims

基板と、該基板の一面に配された半導体素子およびグランド線と、を備えた半導体装置であって、
前記グランド線に重ねて配された導電体を有し、前記半導体素子のグランド端子を、前記導電体に対して電気的に接続したことを特徴とする半導体装置。
前記導電体は、前記グランド線の延長方向に沿って延びるように形成され、１つの前記導電体に対して少なくとも２つ以上の前記半導体素子を電気的に接続したことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記グランド端子と前記導電体とは、導電性ワイヤを介して接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
前記導電体は、前記グランド線に対して圧着接合されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の半導体装置。
前記導電体は、前記グランド線に対してはんだ接合されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の半導体装置。
前記導電体は、前記グランド線よりも厚みが厚くなるように形成されていることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の半導体装置。
前記導電体は、前記グランド線から厚み方向に遠ざかるに従って、幅が漸増する形状を成すことを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項記載の半導体装置。
前記導電体は、前記グランド線の延長方向に沿って、複数、間欠的に配置されており、１つの前記導電体に対して１つの前記半導体素子が電気的に接続されていることを特徴とする請求項１ないし７いずれか１項記載の半導体装置。