JP6772768B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本明細書は、複数個の半導体素子をモールド樹脂中に封止して一体化した半導体装置を開示する。

特許文献１に、２個の半導体素子をモールド樹脂中に封止して一体化した半導体装置であって、モールド樹脂の内部で２個の半導体素子を直列に接続した半導体装置と、モールド樹脂の内部で２個の半導体素子を並列に接続した半導体装置が開示されている。

特許文献１の技術では、２個の半導体素子を隣接して配置したときに双方の半導体素子の裏面電極に接する裏面電極板と、双方の半導体素子の表面電極に接する表面電極板を利用する。２個の半導体素子を並列に接続した半導体装置を製造する場合は、裏面電極板で裏面電極同志を接続し、表面電極板で表面電極同志を接続した組立体をモールド樹脂でパッケージする。２個の半導体素子を直列に接続した半導体装置を製造する場合は、上記状態の組立体の表面電極板と裏面電極板の一部を切断しながら変形させ、一方の半導体素子の表面電極板が他方の半導体素子の裏面電極板に接する形状に変形させ、変形後の組立体をモールド樹脂でパッケージする。

特開２０１２−２３５０８１号公報

特許文献１の技術では、直列回路を提供する半導体装置を製造する場合に、裏面電極板に２個の半導体素子を固定するとともに２個の半導体素子に表面電極板を固定した組立体を組立てる工程と、両電極板を切断・変形させる工程を経て、樹脂モールド工程に供する組立体を得る。組立工程と切断・変形工程では、必要な設備が相違し、生産性に問題を残している。
本明細書では、組立時に切断・変形工程を要しない技術を開示する。

本明細書では、複数個の半導体モジュールを接続部品で接続した組立体をモールド樹脂で封止した半導体装置を開示する。各半導体モジュールは、表面電極と裏面電極を備えている半導体素子と、表面電極に固定されている表面電極板と、裏面電極に固定されている裏面電極板を備えている。２種類の接続部品が用意されており、第１接続部品は隣接する半導体モジュールの表面電極板と裏面電極板を接続する形状であり、第２接続部品は隣接する半導体モジュールの表面電極板同士を接続するとともに裏面電極板同志を接続する形状となっている。各半導体モジュールは、隣接する半導体モジュールを、第１接続部品で接続することも第２接続部品で接続することも可能な形状となっている。完成した半導体装置は、第１接続部品と第２接続部品のいずれか一方の接続部品によって隣接する半導体モジュール同志を接続した状態で、モールド樹脂中に封止されている。

上記の半導体装置は、組立時に切断・変形工程を要さない。接続部品で接続することで樹脂モールド工程に供する組立体を得ることができる。また、直列接続と並列接続の双方に対して、共通な半導体モジュールを利用することができる。半導体モジュールを組立てるまでは、直列接続と並列接続を区別する必要なく量産することができる。

本明細書に記載の技術は、２個以上の半導体素子を利用する場合に有用であり、２個の場合に限られない。３個以上の半導体素子を直列接続した半導体装置、３個以上の半導体素子を並列接続した半導体装置、２個の半導体素子を並列に接続した回路を直列接続した半導体装置等にも適用可能である。

実施例の半導体モジュールの模式的分解斜視図。 接続部品を使い分けることで、直列接続と並列接続が得られる様子を示す。 直列接続した半導体装置の平面図。 図３の半導体装置の断面図。 第１接続部品の斜視図。 図３の半導体装置が提供する回路。 並列接続した半導体装置の平面図。 図７の半導体装置の断面図。 第２接続部品の斜視図。 図７の半導体装置が提供する回路。 並列接続した２個の回路を直列接続した半導体装置の平面図。 図１１の半導体装置の断面図。 図１１の半導体装置が提供する回路。

図１に示すように、半導体モジュール１０は、裏面電極板１８、半導体素子１６、スペーサ１４、表面電極板１２等を備えている。半導体素子１６は、ダイオードが組み込まれているＩＧＢＴであり、裏面電極（実際にはコレクタ電極）１６Ｄと表面電極（実際にはエミッタ電極）１６Ａを備えている。裏面電極１６Ｄは、半導体素子１６の裏面の全域に広がっているのに対し、表面電極１６Ａは、半導体素子１６の表面の一部範囲に広がっており、表面電極１６Ａが形成されていない範囲１６Ｂに、ワイヤボンディングパッド１６Ｃが存在する。図面では、一つのワイヤボンディングパッドにのみ参照符号を付しているが、実際には複数個が存在する。ワイヤボンディングパット群には、ＩＧＢＴのゲート電極に接続されているパッド、ＩＧＢＴの温度を示す電圧を出力するセンサに接続されているパッド、ＩＧＢＴの通電電流を示す電圧を出力するセンサに接続されているパッド等が含まれている。

スペーサ１４は導電体で構成されており、スペーサ１４の裏面は表面電極１６Ａにはんだで固定されている。参照番号１６Ｂは、スペーサ１４で被覆されない領域を示し、前記したワイヤボンディングパッド１６Ｃ群は、非被覆領域１６Ｂに形成されている。

上面電極板１２は導電体で構成されており、上面電極板１２の裏面はスペーサ１４の表面にはんだで固定されている。上面電極板１２は、スペーサ１４の表面に固定される平板部１２Ａと、後記するモールド樹脂の外側に延びる端子部１２Ｂを備えている。平板部１２Ａには、後記する接続部材３０の平板部３６または接続部材４０の平板部４６を受け入れる段差部１２Ｃと、後記する接続部材４０の平板部４４を受け入れる段差部１２Ｄが形成されている。

裏面電極板１８は導電体で構成されており、半導体素子１６の裏面電極１６Ｄに固定される平板部１８Ａと、後記するモールド樹脂の外側に延びる端子部１８Ｂと、ボンディング部１８Ｅの群と、ピン１８Ｆの群を備えている。裏面電極板１８の平板部１８Ａの表面に裏面電極１６Ｄがはんだで固定されている。平板部１８Ａには、後記する接続部材３０の平板部３２または接続部材４０の平板部５０を受け入れる段差部１８Ｄと、後記する接続部材４０の平板部５２を受け入れる段差部１８Ｃ（図１では図示されていない）が形成されている。図面では、一つのボンディング部にのみ参照符号１８Ｅを付し、一つのピンにのみ参照符号１８Ｆを付しているが、実際には複数が存在する。各ピン１８Ｆは、各ボンディング部１８Ｅを通る直線状に形成されている。なお、ピン群１８Ｆとボンディング部群１８Ｅは、所定距離だけ平行移動した位置関係であってもよい。図１では、一本のボンディングワイヤ２０のみが図示されているが、実際には、ピンとボンディング部の組毎にボンディングワイヤ２０で接続されている。

図１の仮想線２２は、後記するモールド樹脂の充填範囲を示し、仮想線２２よりも右側はモールド樹脂のなかに封止され、仮想線２２よりも左側はモールド樹脂の外部に延びる。ボンディングワイヤ２０とボンディング部１８Ｅは、モールド樹脂中に封止される。
仮想線２４は、モールド樹脂の形成後に切断するラインを示し、切断すると隣接するピン同士が絶縁される。各ピン１８Ｆは、モールド樹脂中で各ボンディング部１８Ｅにまで延び、ボンディングワイヤ２０によって半導体素子１６内のゲート電極またはセンサ等に接続される。

図２等に示す参照番号３０は第１接続部材を示し、導電部材（実施例では金属）で形成されており、平板部３２と平板部３６を接続部３４で接続したものである。平板部３２は、裏面電極板１８の接続部品受入れ用段差１８Ｄに受け入れられる形状であり、段差部１８Ｄに合わせたときに平板部１８Ａの裏面と平板部３２の裏面が同一面となる。平板部３６は、表面電極板１２の接続部品受入れ用段差１２Ｃに受け入れられる形状であり、段差部１２Ｃに合わせたときに平板部１２Ａの表面と平板部３６の表面が同一面となる。

参照番号４０は第２接続部材を示し、表面側第２接続部材４２と裏面側第２接続部材４８で構成されている。表面側第２接続部材４２は、一対の平板部４４，４６と両者を接続する接続部で形成されている。平板部４４は、表面電極板１２の接続部品受入れ用段差１２Ｄに受け入れられる形状であり、段差部１２Ｄに合わせたときに平板部１２Ａの表面と平板部４４の表面が同一面となる。平板部４６は、表面電極板１２の接続部品受入れ用段差１２Ｃに受け入れられる形状であり、段差部１２Ｃに合わせたときに平板部１２Ａの表面と平板部４６の表面が同一面となる。裏面側第２接続部材４８は、一対の平板部５０，５２と両者を接続する接続部で形成されている。平板部５０は、裏面電極板１８の接続部品受入れ用段差１８Ｄに受け入れられる形状であり、段差部１８Ｄに合わせたときに平板部１８Ａの裏面と平板部５０の裏面が同一面となる。平板部５２は、裏面電極板１８の接続部品受入れ用段差１８Ｃに受け入れられる形状であり、段差部１８Ｃに合わせたときに平板部１８Ａの裏面と平板部５２の裏面が同一面となる。表面側第２接続部材４２と裏面側第２接続部材４８を絶縁材で一体化してもよい。

図２の（ａ）は、２個の半導体モジュール１０，１１０を第１接続部材３０で直列に接続する場合を示している。隣接して配置した２個の半導体モジュール１０，１１０のうちの左側のモジュール１０の段差部１８Ｄに平板部３２を嵌め込んではんだ接続し、右側のモジュール１１０の段差部１１２Ｃに平板部３６を嵌め込んではんだ接続すれば、半導体モジュール１０，１１０が直列に接続される。なお、ここでは、左右を区別するために、左側半導体モジュールの参照番号を１０とし、右側半導体モジュールの参照番号を１１０としているが、半導体モジュール自体は同じものであり、互換性がある。また、以下の説明では、半導体モジュール１１０の部材には、半導体１０の対応する部材番号に１００を加えた番号を用い、重複説明を省略する。

図２の（ｂ）は、２個の半導体モジュール１０，２１０を第２接続部材４０で並列に接続する場合を示している。隣接して配置した２個の半導体モジュール１０，２１０のうちの左側のモジュール１０の段差部１２Ｄに平板部４４を嵌め込んではんだ接続し、右側のモジュール２１０の段差部２１２Ｃに平板部４６を嵌め込んではんだ接続し、左側のモジュール１０の段差部１８Ｄに平板部５０を嵌め込んではんだ接続し、右側のモジュール２１０の段差部２１８Ｃに平板部５２を嵌め込んではんだ接続すれば、半導体モジュール１０，２１０が並列に接続される。ここでは、左右を区別するために、左側半導体モジュールの参照番号を１０とし、右側半導体モジュールの参照番号を２１０としているが、半導体モジュール自体は同じものであり、互換性がある。また、半導体モジュール２１０の部材には、半導体１０の対応する部材番号に２００を加えた番号を用い、重複説明を省略する。

図３は、図２（ａ）に示した組立体を射出成形型にセットしてモールド成形した状態の半導体装置の平面図を示している。参照番号６０はモールド樹脂を示している。左側の半導体モジュールの１０の端子部１２Ｂ、１８Ｂと、右側の半導体モジュールの１１０の端子部１１２Ｂ、１１８Ｂは、モールド樹脂６０の外側に延びている。ピン１８Ｆ，１１８Ｆ群もモールド樹脂６０の外側に延びている。この状態で、図１の切断線２４に沿って切断すると、ピン同士が絶縁される。参照番号６２，６４は、モールド樹脂６０に形成された開口を示し、その開口に、平板部１２Ａ、１１２Ａの表面が露出している。図示はしないが、モールド樹脂６０の裏面にも、平板部１８Ａ、１１８Ａの裏面が露出している。

図４は、図３の半導体装置の断面図を示し、図５は第１接続部材３０の斜視図を示す。図６の破線内は、図３の半導体装置が備えている回路を示している。図３の半導体装置の３個を並列接続すれば、３相のインバータ回路が得られる。図３の半導体装置は、半導体モジュール１０の端子部１２Ｂ（エミッタに接続されている）を直流電源の負極に接続し、半導体モジュール１１０の端子部１１８Ｂ（コレクタに接続されている）を直流電源の正極に接続し、半導体モジュール１０の端子部１８Ｂと半導体モジュール１１０の端子部１１２Ｂ（両者は同電位であり、第１接続部品３０で接続されている）をモータに接続して用いる。なお、図４の断面図は模式的なものであり、各部材１２，１４，１６，１８，２０，３０の周囲はモールド樹脂で封止されている。

図７は、図２（ｂ）に示した組立体を射出成形型にセットしてモールド成形した状態の半導体装置の平面図を示している。参照番号６０はモールド樹脂を示している。左側の半導体モジュールの１０の端子部１２Ｂ、１８Ｂと、右側の半導体モジュールの２１０の端子部２１２Ｂ、２１８Ｂは、モールド樹脂６０の外側に延びている。ピン１８Ｆ，２１８Ｆ群もモールド樹脂６０の外側に延びている。この状態で、図１の切断線２４に沿って切断すると、ピン同士が絶縁される。参照番号６２，６４は、モールド樹脂６０に形成された開口を示し、その開口に、平板部１２Ａ、２１２Ａの表面が露出している。図示はしないが、モールド樹脂６０の裏面にも、平板部１８Ａ、２１８Ａの裏面が露出している。

図８は、図７の半導体装置の断面図を示し、図９は第２接続部材４０の斜視図を示す。図１０の破線内は、図７の半導体装置が備えている回路を示している。例えば電気自動車用のインバータ回路は、大電流を扱うために、一相分を１個の半導体素子で構成することが困難な場合がある。２個の半導体素子を並列に接続して１相分を構成する必要がある場合がある。図７の半導体装置は、その必要に対処することができる。図７の半導体装置の２個を直列接続すれば、インバータ回路の一相分が得られる。そのためには、図７の半導体装置の２個を直列接続して用いる。上段（アッパーアーム）とする半導体装置では、端子部１８Ｂと２１８Ｂ（両者は同電位である）の一方または双方を直流電源の正極に接続する。下段（ロワーアーム）する半導体装置では、端子部１２Ｂと２１２Ｂ（両者は同電位である）の一方または双方を直流電源の負極に接続する。上段の半導体装置の端子部１２Ｂと２１２Ｂ（両者は同電位である）は、下段の半導体装置の端子部１８Ｂ、２１８Ｂ（両者は同電位である）と、モータに接続して用いる。
なお図８の断面図は模式的なものであり、各部材１２，１４，１６，１８，２０，４０の周囲はモールド樹脂で封止されている。表面側第２接続部材４２と裏面側第２接続部材４８の間隔にもモールド樹脂が充填されている。

図１１は、第１半導体モジュール１０と第２半導体モジュール３１０を第２接続部材４０で接続し（図２（ｂ）の組立体に相当する）、第２半導体モジュール３１０と第３半導体モジュール４１０を第１接続部材３０で接続し（図２（ａ）の組立体に相当する）、第３半導体モジュール４１０と第４半導体モジュール５１０を第２接続部材４０で接続した（図２（ｂ）の組立体に相当する）組立体を、モールド樹脂で一体化した半導体装置を示す。図１３の破線は、図１１の半導体装置が備えている回路を示している。図１１の半導体装置の３個を並列接続すれば、３相分のインバータ回路が得られる。

上記は実施例の一部であり、種々の変形がありえる。例えば３個の半導体モジュールと２個の第１接続部材を利用して、３個の半導体モジュールを直列に接続した半導体装置を得ることもできる。３個の半導体モジュールと２個の第２接続部材を利用して、３個の半導体モジュールを並列に接続した半導体装置を得ることもできる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：半導体モジュール
１２：表面電極板
１２Ａ：平板部
１２Ｂ：端子部
１２Ｃ，１２Ｄ：接続部品受入れ用段差部
１４：スペーサ
１６：半導体素子
１６Ａ：表面電極（エミッタ電極）
１６Ｂ：非被覆領域
１６Ｃ：ワイヤボンディングパッド（ゲートパッドを含む）
１６Ｄ：裏面電極（コレクタ電極）
１８：裏面電極板
１８Ａ：平板部
１８Ｂ：端子部
１８Ｃ，１８Ｄ：接続部品受入れ用段差部
１８Ｅ：ボンティング部
１８Ｆ：ピン部
２０：ワイヤ
２２：樹脂モールド輪郭
２４：切断線
３０：第１接続部材
３２：平板部
３４；接続部
３６：平板部
４０：第２接続部材
４２：表面側第２接続部材
４４，４６：平板部
４８：裏面側第２接続部材
５０，５２：平板部
６０：モールド樹脂
１１０，２１０，３１０，４１０，５１０：半導体モジュール

Claims (1)

1. 複数個の半導体モジュールを接続部品で接続した組立体をモールド樹脂で封止した半導体装置であり、
   各半導体モジュールが、
   表面電極と裏面電極を備えている半導体素子と、
   前記表面電極に固定されている表面電極板と、
   前記裏面電極に固定されている裏面電極板を備えており、
   前記接続部品が、
   隣接する前記半導体モジュールの表面電極板と裏面電極板を接続する第１接続部品と、
   隣接する前記半導体モジュールの表面電極板同士を接続するとともに裏面電極板同志を接続する第２接続部品のいずれか一方であり、
   前記第１接続部品と前記第２接続部品はともに、前記半導体モジュールから独立した別部品であり、
   前記表面電極板に、前記接続部品を位置決めする段差部が形成されており、
   前記裏面電極板に、前記接続部品を位置決めする段差部が形成されており、
   隣接する前記半導体モジュールを、前記第１接続部品で接続することと前記第２接続部品で接続することの両者が可能であることを特徴とする半導体装置。