JP4589009B2

JP4589009B2 - 電力用半導体装置

Info

Publication number: JP4589009B2
Application number: JP2004003914A
Authority: JP
Inventors: 正雄菊池; 良裕加柴
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2024-01-09
Also published as: JP2005197563A

Description

本発明は電力用半導体装置に関し、特に、回路ブロックとパワー半導体素子とを含む電力用半導体装置に関する。

電力要半導体装置に含まれる回路ブロックと、回路ブロックで制御されるパワー半導体素子を接続した場合、パワー半導体素子からの放熱により、両者の膨張係数の違いに起因する破損が発生する。このため、従来の電力用半導体装置では、パワー半導体素子の電極と回路ブロックの電極とは接合せず、圧接するに留めることが行なわれていた（例えば、特許文献１、２）。
特開平７−１２２６６９号公報特開２００２−２６２５１号公報

特許文献１に記載の半導体装置では、パワー半導体素子の上に、弾性を有するキャップを用いて回路ブロック（配線構造体）をパワー半導体素子に押し当てて接合しているが、パワー半導体素子の電極に、回路ブロックが均一に接するように配置するのは困難であり、いわゆる片当たり状態となっていた。

また、特許文献２に記載の半導体装置では、パワー半導体素子と電力端子との間に、例えばモリブデンのような金属板からなる緩衝材を挟んで圧接しているが、緩衝板が金属であるため、いわゆる片当たり状態となるのを完全には防止できず、均一な接触面を得ることができなかった。

本発明は、複数の電極を有する半導体素子と、複数の電極を有し該半導体素子を制御する回路ブロックとがモールド樹脂で封止された電力用半導体装置であって、半導体素子の電極と回路ブロックの電極とが、半導体素子と回路ブロックとの間に挟まれた接続部材に当接して電気的に接続されたことを特徴とする電力用半導体装置である。

また、本発明は、複数の電極を有する半導体素子と、複数の電極を有し半導体素子を制御する回路ブロックとがパッケージに封入された電力用半導体装置であって、半導体素子の電極と回路ブロックの電極とが、半導体素子と回路ブロックとの間に挟まれた接続部材に当接して電気的に接続されたことを特徴とする電力用半導体装置でもある。

本発明は、熱サイクルによる破損を防止でき、かつパワー半導体素子の電極と回路ブロックの電極とを均一に接触させた電力用半導体装置の提供が可能となる。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置の断面図である。
半導体装置１００は、例えば、銅やアルミニウムからなる放熱板１を含む。放熱板１の上には、半導体素子２がはんだ３により接続されている。半導体素子２は、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子や、ダイオード、サイリスタ等の制御用素子である。なお、半導体素子２のゲート信号やセンス信号用の信号配線は、ここでは図示しない。
半導体素子２の上には、接続部材４が載置され、更に、接続部材４の上には、回路ブロック５が載置される。回路ブロック５には、半導体素子２を制御するための制御回路等が形成されている。

図２は接続部材４であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）をII−II方向に見た場合の断面図を示す。接続部材４は、弾性基材４ａと、弾性基材４ａの両面に形成された導電部材４ｂを含む。それぞれの面に形成された導電部材４ｂの間は、弾性基材４ａに形成されたバイアホール４ｃにより電気的に接続されている。
弾性基材４ａは、例えば、低応力で容易に変形可能な、ポリイミド、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機材料から形成されることが好ましい。

また、導電部材４ｂは、半導体素子２の接続電極や回路ブロック５の接続端子との片当りを防止し、接続電極に対するダメージ低減のために、軟質な材料であることが好ましい。
金属材料であれば、金、銀、パラジウム、スズ、インジウム、及びこれらのいずれかを主成分とする合金から選択される材料からなることが好ましい。特に、金や銀は貴金属で酸化がほとんど進行しないために、接触抵抗が安定であるとともに、メッキ法、蒸着法で容易に形成できる。また、パラジウムやスズを主成分とするはんだは、クリーム半田として供給可能である。更に、導電性を有する樹脂から形成しても良い。
バイアホール４ｃも導電部材４ｂと同じ材料から形成されるのが好ましい。

半導体素子２と回路ブロック５との間に接続部材４を設けることにより、半導体素子２に設けられた電極（図示せず）と、回路ブロック５に設けられた電極（図示せず）とが、電気的に接続される。なお、半導体素子２、接続部材４、回路ブロック５の間は、電極を当接させて電気的に接続するものであり、物理的な接合はなされない。
なお、導電部材４ｂと電極との接触領域は、電極からはみ出さずに電極領域に含まれることが好ましい。

接続部材４では、図２（ａ）に示すように、直線状に延びた導電部材４ｂが略平行に配置されている。かかる構造を用いることにより、例えば図２（ｂ）の上下方向に接続部材４が撓むことができる。また、この方向に接続部材４が圧縮されて縮むこともできる。
これにより、後述するように、半導体素子２の電極や回路ブロック５の電極に対して、導電部材４ｂを均一に接触させることができる。

更に、半導体素子２等は、モールド樹脂６により封止される。モールド樹脂６で封止することにより、半導体素子２と回路ブロック５とが、接続部材４に押しつけられ、電気的に接続された状態で固定される。即ち、半導体素子２と回路ブロック５とは、はんだ接合のように、物理的に接合されることなく、電気的に接続される。
モールド樹脂６は、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、ＰＢＴ（Polybutylene Terephthalate）、ＰＰＳ（Polyphenylene Sulfide）等の熱可塑性樹脂からなる。これらの樹脂は、硬化時に収縮し、半導体素子２や回路ブロック５に対して圧縮作用が働き、接圧を発生させることができる。

このように、本実施の形態にかかる半導体装置１００では、半導体素子２と回路ブロック５とが接続部材４を介して、物理的な接合ではなく、接圧により電気的に接続されるため、半導体素子２と回路ブロック５との間の物性（例えば膨張係数）の違いによる疲労や破損が発生しない。従って、半導体素子２からの放熱に起因する熱サイクル等に対する耐性が向上する。

また、弾性基材４ａを含む接続部材４を介することにより、半導体素子２や回路ブロック５の電極に対するいわゆる片当り現象を防止し、すべての電極に対して均一な接続が可能となる。

この結果、温度サイクル等が負荷されても、半導体素子２と回路ブロック５との間に安定した圧接状態が確保でき、信頼性が高くかつ電気特性、熱特性に優れた電力用半導体装置１００が実現できる。

次に、図２に示す接続部材４の製造方法について、簡単に説明する。
まず、上述のような有機材料からなる弾性基材４ａを準備する。
続いて、例えば、エッチング加工、ドリル加工、レーザ加工等を用いて、弾性基材４ａに貫通孔を形成する。
続いて、導電部材４ｂやバイアホール４ｃを形成する。導電部材４ｂは、弾性基材４ａの表面および貫通孔の側面にメッキ層を形成した後、弾性基材４ａの表面のメッキ層を所定に形状にエッチングして形成する。エッチングには、フォトレジスト等のエッチングマスクを用いる。

なお、メッキにかえて、蒸着を用いても構わない。また、導電部材４ｂが、スズや半田材のような低融点材料の場合は、フラックスと混ぜたペーストを弾性基材４ａの表面に塗布した後、溶融させて、表面張力により断面が半球状の導電部材４ｂとしてもよい。
このように、導電部材４ｂは種々の方法で形成でき、有機材料からなる弾性基材４ａの表面および貫通孔内に導電層を形成できる方法であれば上述の方法に限定されない。
また、貫通孔は、側面のみ金属等で覆うほか、金属等で埋め込んでも構わない。

図３は、半導体装置１００に用いられる他の接続部材２４であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）をIII−III方向に見た場合の断面図を示す。
接続部材２４では、弾性基材２４ａに、マトリックス状に導電部材２４ｂが形成されている。弾性基材２４ａの両面に形成された導電部材２４ｂは、バイアホール２４ｃにより接続されている。即ち、マトリックス状に配置されたそれぞれの導電部材２４ｂに対して、バイアホール２４ｃを通じて弾性基材２４ａの両面の導通が確保されている。

接続部材２４では、マトリックス状に配置した導電部材２４ｂの周囲を弾性基材２４ａが取り囲む構造となるため、更に、弾性基材２４ａの変形の自由度が向上する。

特に、半導体素子２が、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴのような電力スイッチング用の半導体素子の場合、ゲート電極に電圧を印加するための配線領域（以下、「ゲートライン」という。）は凸形状を有する。このため、ゲートライン上に導電部材が圧接されると、熱サイクルが負荷された場合、ゲートラインが破損するおそれがある。これに対して、接続部材２４を用いることにより、ゲートラインを避けるようにマトリクス状の導電部材２４ｂの位置を決定でき、ゲートラインの破損を防止できる。

図４は、半導体装置１００に用いられる、他の接続部材３４の上面図である。接続部材３４では、接続部材２４と同様に、マトリックス状の導電部材３４ｂが弾性基材３４ａに形成されている。また、弾性基材３４ａには、弾性基材３４ａを貫通する直線状のスリット３４ｄが、導電部材３４ｂの間に略平行に配置されている。

かかる接続部材３４を用いることにより、弾性基材３４ａの変形の自由度がより大きくなり、半導体素子２と回路ブロック５との接続をより均一かつ確実にすることができる。

図５は、半導体装置１００に用いられる、他の接続部材４４の上面図である。接続部材４４では、接続部材２４と同様に、マトリックス状の導電部材４４ｂが弾性基材４４ａに形成されている。また、弾性基材４４ａには、弾性基材４４ａを貫通する十字形状のスリット３４ｄが、４つの導電部材４４ｂに囲まれた領域にそれぞれ配置されている。

かかる接続部材４４を用いることにより、弾性基材４４ａの変形の自由度がより大きくなり、半導体素子２や回路ブロック５と接続部材４４との片当たりを防止し、半導体素子２と回路ブロック５との接続をより均一かつ確実にすることができる。

実施の形態２．
図６は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置の断面図である。図６中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
半導体装置２００では、放熱板１の上に、金属層１１、１２が両面に設けられた、Ａｌ_２Ｏ_３等の絶縁基板１０が固定される。更に、金属層１１の上には、ＩＧＢＴ等の半導体素子２が、はんだ３により固定される。半導体素子２の上には、接続部材４、回路ブロック５が載置される。

上述の半導体装置１００と同様に、半導体素子２の電極（図示せず）と回路ブロック５の電極（図示せず）とは、金属接合等で物理的に接続されることなく、接続部材４を介して電気的に接続されている。
更に、回路ブロック５、金属層１１には、外部リード１３ａ、１３ｂがそれぞれ接続されている。外部リード１３ａ、１３ｂは、後述するケース１５の外部にまで延び、外部電源等と接続される。

放熱板１の上には、半導体素子２等を囲むケース１５が設けられ、ケース１５の上部は蓋１６により閉じられる。ケース１５の中には、例えばシリコンゲルのような保護材２６が充填されてもよい。

半導体装置２００では、蓋１６を閉じた場合、蓋１６が撓んで半導体素子２、回路ブロック５を接続部材４に押しつけるため、良好な電気的接続が得られる。また、半導体素子２と放熱板１あるいは、ケース１５、蓋１６などは、接続部材４に設けられた導電部材４ｂから絶縁されるているため、半導体装置２００を搭載する製品側に絶縁構造を設ける必要がなく、半導体装置２００の搭載の自由度が向上する。

実施の形態３．
図７は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置の断面図である。図７中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
半導体装置３００は、外部負荷（図示せず）に供給する交流電流を制御するための半導体装置であり、１相分の上アーム側と下アーム側の一組のスイッチング素子を、一つのモジュールとして構成している。

半導体装置３００は、絶縁層１４ａ、１４ｂを含む。絶縁層１４ｂの上には、放熱板１ａ、１ｂが設けられ、更に、放熱板１ａ、１ｂの上には、はんだ３ａ、３ｂにより半導体素子２ａ、２ｂが固定されている。半導体素子２ａ、２ｂには、接続部材４を介して回路ブロック５ａ、５ｂが電気的に接続されている。
半導体装置３００は、外部リード１３ｃ、１３ｄ、１３ｅを有する。回路ブロック５ａと放熱板１ｂとは、外部リード１３ｃ、導電部材１７を介して電気的に接続されている。
また、絶縁層１４ａ、１４ｂの間には、エポキシ樹脂等のモールド樹脂６が設けられている。

半導体装置３００では、接続部材４を用いることにより、半導体素子２ａ、２ｂや回路ブロック５ａ、５ｂと接続部材４との片当たりを防止し、半導体素子２ａ、２ｂと回路ブロック５ａ、５ｂとの接続をより均一かつ確実にすることができる。

実施の形態４．
図８は、全体が４００で表される、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置の断面図である。図８中、図７と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
半導体装置４００では、放熱板１ｃの上に、金属膜１１、１２が設けられた絶縁基板１０が設けられている。更に、半導体素子２ａ、２ｂが、金属膜１１の上に設けられている。
他の構造は、図７に示す半導体装置３００と同様である。

半導体装置４００でも、接続部材４を用いることにより、半導体素子２ａ、２ｂや回路ブロック５ａ、５ｂと接続部材４との片当たりを防止し、半導体素子２ａ、２ｂと回路ブロック５ａ、５ｂとの接続をより均一かつ確実にすることができる。

なお、実施の形態２〜４の半導体装置２００、３００、４００においても、図２〜５に示す接続部材４を用いても構わない。

本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態１にかかる半導体装置に用いる接続部材である。本発明の実施の形態１にかかる半導体装置に用いる他の接続部材である。本発明の実施の形態１にかかる半導体装置に用いる他の接続部材である。本発明の実施の形態１にかかる半導体装置に用いる他の接続部材である。本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態４にかかる半導体装置の断面図である。

符号の説明

１放熱板、２半導体素子、３はんだ、４接続部材、４ａ弾性基材、４ｂ導電部材、４ｃバイアホール、５回路ブロック、６モールド樹脂、１００半導体装置。

Claims

複数の電極を有する半導体素子と、複数の電極を有し該半導体素子を制御する回路ブロックとがモールド樹脂で封止された電力用半導体装置であって、
該半導体素子と該回路ブロックとが、それらの間に挟まれた接続部材に向かって該モールド樹脂により加圧された状態で、該半導体素子の電極と該回路ブロックの電極とが該接続部材に、物理的な接合ではなく当接して電気的に接続され、
該接続部材は、低応力で容易に変形可能な板状の弾性基材と、該弾性基材の両面に設けられ、バイアホールで互いに接続された導電部材とを含むことを特徴とする電力用半導体装置。
複数の電極を有する半導体素子と、複数の電極を有し該半導体素子を制御する回路ブロックとがパッケージに封入された電力用半導体装置であって、
該半導体素子と該回路ブロックとが、それらの間に挟まれた接続部材に向かって該パッケージの蓋により加圧された状態で、該半導体素子の電極と該回路ブロックの電極とが該接続部材に、物理的な接合ではなく当接して電気的に接続され、
該接続部材は、低応力で容易に変形可能な板状の弾性基材と、該弾性基材の両面に設けられ、バイアホールで互いに接続された導電部材とを含むことを特徴とする電力用半導体装置。
上記導電部材と上記電極との接触領域が、該電極領域に含まれることを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
上記導電部材が、上記弾性基材上に略平行に形成された、複数のストライプ形状の突起部からなることを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
上記弾性基材が、上記突起部の間に、該突起部と略平行に設けられたスリットを含むことを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体装置。
上記導電部材が、上記弾性基材上にマトリックス状に形成された、複数の突起部からなることを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
上記弾性基材が、上記突起部の間に、略十字形状のスリットを含むことを特徴とする請求項６に記載の電力用半導体装置。
上記導電部材および上記バイアホールが、金、銀、パラジウム、スズ、インジウム、及びこれらのいずれかを主成分とする合金からなる群から選択される一の材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
上記導電部材および上記バイアホールが、導電性を有する樹脂からなることを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置。