(57)【要約】  半導体装置は、電極端子と、電極端子の上に設置された絶縁体により形成された基板と、電極端子の上に設置された第１のパワー半導体素子と、基板の上に設置された第２のパワー半導体素子と、を有し、第１のパワー半導体素子と第２のパワー半導体素子は、直列に接続されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極端子と、
前記電極端子の上に設置された絶縁体により形成された基板と、
前記電極端子の上に設置された第１のパワー半導体素子と、
前記基板の上に設置された第２のパワー半導体素子と、
を有し、
前記第１のパワー半導体素子と前記第２のパワー半導体素子は、直列に接続されている半導体装置。
【請求項２】
前記基板の上に設置された第３のパワー半導体素子を有し、
前記第１のパワー半導体素子、前記第２のパワー半導体素子、前記第３のパワー半導体素子は、直列に接続されている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記基板の表面には、複数の電極パターンが形成されており、
前記第２のパワー半導体素子及び前記第３のパワー半導体素子は、各々に対応する前記電極パターンの上に設置されて接続されており、
前記電極パターンの形状は、曲線を有する形状である請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記基板の上に設置された第４のパワー半導体素子を有し、
前記第１のパワー半導体素子、前記第２のパワー半導体素子、前記第３のパワー半導体素子、前記第４のパワー半導体素子は、直列に接続されており、
前記第２のパワー半導体素子、前記第３のパワー半導体素子、前記第４のパワー半導体素子は、前記基板の上に直線状に並んで配置されている請求項２または請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記絶縁体は、窒化アルミニウム、窒化シリコン、炭化ケイ素およびダイヤモンドから選ばれる少なくとも一種を含む請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記パワー半導体素子は、ＳｉＣ半導体により形成されている請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体装置に関するものである。【０００２】
本出願は、２０１７年６月２０日出願の日本特許出願第２０１７−１２０２６３号に基づく優先権を主張し、前記日本特許出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
【背景技術】
【０００３】
ダイオードやＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）等の半導体装置は、様々な用途に用いられており、用いられる用途に応じて、必要とされる特性が異なる。このような半導体装置の中には、高耐圧の用途に用いられるものがあり、一つの半導体素子では耐圧に限界が有ることから、複数の半導体素子を直列に接続して用いることが考えられている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２０８７０６号公報
【発明の概要】
【０００５】
本実施形態の一観点によれば、半導体装置は、電極端子と、電極端子の上に設置された絶縁体により形成された基板と、電極端子の上に設置された第１のパワー半導体素子と、基板の上に設置された第２のパワー半導体素子と、を有している。また、第１のパワー半導体素子と第２のパワー半導体素子は、直列に接続されている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】図１Ａは、本開示の一態様に係る半導体装置の上面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本開示の一態様に係る半導体装置の底面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本開示の一態様に係る半導体装置の側面図である。
【図２】図２は、本開示の一態様に係る半導体装置の説明図（１）である。
【図３】図３は、本開示の一態様に係る半導体装置の説明図（２）である。
【図４Ａ】図４Ａは、本開示の一態様に係る半導体装置の断面図（１）である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本開示の一態様に係る半導体装置の断面図（２）である。
【図５Ａ】図５Ａは、本開示の一態様に係る半導体装置に用いられる基板の上面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本開示の一態様に係る半導体装置に用いられる基板の底面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本開示の一態様に係る半導体装置に用いられる基板の断面図である。
【図６】図６は、本開示の一態様に係る半導体装置の変形例１の説明図である。
【図７】図７は、本開示の一態様に係る半導体装置の変形例２の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
しかしながら、耐圧を向上させるために複数の半導体素子を用いた半導体装置の場合、半導体装置が大型化する場合がある。
【０００８】
よって、本開示の目的は、複数の半導体素子を用いた小型で高耐圧の半導体装置を提供することである。
【０００９】
実施するための形態について、以下に説明する。
【００１０】
［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。
【００１１】
〔１〕  本開示の一態様に係る半導体装置は、電極端子と、前記電極端子の上に設置された絶縁体により形成された基板と、前記電極端子の上に設置された第１のパワー半導体素子と、前記基板の上に設置された第２のパワー半導体素子と、を有し、前記第１のパワー半導体素子と前記第２のパワー半導体素子は、直列に接続されている。
【００１２】
本願発明者は、電極端子の上に絶縁体により形成された基板を設置し、電極端子の上に第１のパワー半導体素子を設置し、基板の上に第２のパワー半導体素子を設置し、第１のパワー半導体素子と第２のパワー半導体素子とを直列に接続することにより、少なくとも基板の厚さの分は、第１のパワー半導体素子と第２のパワー半導体素子とを近づけることができることを見出した。これにより、高耐圧な半導体装置を小型にすることができる。
【００１３】
〔２〕  前記基板の上に設置された第３のパワー半導体素子を有し、前記第１のパワー半導体素子、前記第２のパワー半導体素子、前記第３のパワー半導体素子は、直列に接続されている。
【００１４】
〔３〕  前記基板の表面には、複数の電極パターンが形成されており、前記第２のパワー半導体素子及び前記第３のパワー半導体素子は、各々に対応する前記電極パターンの上に設置されて接続されており、前記電極パターンの形状は、曲線を有する形状である。
【００１５】
〔４〕  前記基板の上に設置された第４のパワー半導体素子を有し、前記第１のパワー半導体素子、前記第２のパワー半導体素子、前記第３のパワー半導体素子、前記第４のパワー半導体素子は、直列に接続されており、前記第２のパワー半導体素子、前記第３のパワー半導体素子、前記第４のパワー半導体素子は、前記基板の上に直線状に並んで配置されている。
【００１６】
〔５〕  前記絶縁体は、窒化アルミニウム、窒化シリコン、炭化ケイ素およびダイヤモンドから選ばれる少なくとも一種を含む。
【００１７】
〔６〕  前記パワー半導体素子は、ＳｉＣ半導体により形成されている。
【００１８】
［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の一実施形態（以下「本実施形態」と記す）について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。
【００１９】
本実施形態における半導体装置について、図１から図４に基づき説明する。本実施形態における半導体装置は、高耐圧のダイオードであって、複数のダイオードの半導体チップを直列に接続することにより、高耐圧にした構造のものである。
【００２０】
図１Ａは、本実施形態における半導体装置の外観の上面図であり、図１Ｂは底面図であり、図１Ｃは側面図である。図２は、本実施形態における半導体装置のモールド樹脂を除去した状態の上面図であり、図３は、この要部の斜視図である。図４Ａは、図２における一点鎖線２Ａ−２Ｂにおいて切断した断面図であり、図４Ｂは、図２における一点鎖線２Ｃ−２Ｄにおいて切断した断面図である。尚、図４Ａ、図４Ｂにおいては、ボンディングワイヤ等は省略されている。
【００２１】
本実施形態における半導体装置１０は、第１の電極端子１１、第２の電極端子１２、絶縁体により形成された基板２０、第１の半導体チップ３１、第２の半導体チップ３２、第３の半導体チップ３３、第４の半導体チップ３４等を有している。尚、本願においては、半導体チップを半導体素子と記載する場合がある。また、第３の電極端子１３については後述する。
【００２２】
本実施形態においては、例えば、第１の半導体チップ３１、第２の半導体チップ３２、第３の半導体チップ３３、第４の半導体チップ３４は、Ｓｉよりもバンドギャップの広いＳｉＣ半導体等の半導体材料により形成された高耐圧用途のダイオードである。第１の半導体チップ３１、第２の半導体チップ３２、第３の半導体チップ３３、第４の半導体チップ３４は、一方の面にカソード電極が形成され、他方の面にアノード電極が形成されており、一方の面及び他方の面の形状は、一辺が１．５ｍｍ角の略正方形である。
【００２３】
第１の電極端子１１及び第２の電極端子１２は、Ｃｕ（銅）または銅合金に等により形成されており、表面はＮｉ（ニッケル）により一部または全面がメッキがされている。この半導体装置１０では、第１の電極端子１１がカソード電極端子となり、第２の電極端子１２がアノード電極端子となる。
【００２４】
基板２０は、図５に示されるように、絶縁体により形成された絶縁体基板２１の表面となる基板２０の一方の面２０ａには電極パターン２２、２３、２４が形成されており、他方の面２０ｂには電極パターン２５が形成されている。尚、図５Ａは、基板２０の上面図であり、図５Ｂは底面図であり、図５Ｃは一点鎖線５Ａ−５Ｂにおいて切断した断面図である。電極パターン２２、２３、２４、及び、電極パターン２５は、銅または銅合金等により形成されており、表面の一部または全面はニッケルによりメッキがされている。本願においては、基板２０の一方の面２０ａを基板の表面と記載する場合がある。
【００２５】
絶縁体基板２１は、Ｘ１−Ｘ２方向における一方の辺の長さＷ１が約１１ｍｍ、Ｙ１−Ｙ２方向における他方の辺の長さＷ２が約５．５ｍｍの長方形の形状により形成されており、Ｚ１−Ｚ２方向における厚さｔは、約０．６３５ｍｍである。絶縁体基板２１を形成する材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の絶縁体により形成されている。このうちで最も好ましいのが、窒化アルミニウムである。これは、絶縁耐圧が、窒化アルミニウムが１５〜２０ｋＶ／ｍｍであり、窒化シリコンが１０〜１５ｋＶ／ｍｍであり、酸化アルミニウムが１０〜１５ｋＶ／ｍｍであり、これらの中では、窒化アルミニウムの絶縁耐圧が最も高いからである。尚、絶縁体基板２１は、炭化ケイ素やダイヤモンド等により形成してもよい。
【００２６】
基板２０に形成されている電極パターン２２、２３、２４及び電極パターン２５は、絶縁体基板２１の周囲の側面となる端部２１ｃよりも、１ｍｍ以上内側に形成されている。具体的には、絶縁体基板２１の端部２１ｃと電極パターン２２等との間の最小の距離Ｌ１、絶縁体基板２１の端部２１ｃと電極パターン２５との間の最小の距離Ｌ２は、１ｍｍ以上となるように形成されている。また、電極パターン２２と電極パターン２３との間の最小の距離Ｌ３や、電極パターン２３と電極パターン２４との間の最小の距離Ｌ４についても、１ｍｍ以上となるように形成されている。このように、電極パターンを絶縁体基板の周囲の端部から所定の距離以上離れた位置に形成したり、電極パターン間の距離が所定の距離以上離れるように形成することにより、所望の耐圧を維持することができる。
【００２７】
また、電極パターン２２、２３、２４の外形の形状は、Ｘ１−Ｘ２方向における長さＷ３が２ｍｍ、Ｙ１−Ｙ２方向における長さＷ４が３ｍｍの長円形の形状により形成されている。具体的には、電極パターン２２を例に説明すると、電極パターン２２の外形は、Ｙ１−Ｙ２方向に延びる２つの直線部２２ａと、Ｙ１−Ｙ２方向において２つの直線部２２ａを接続する曲線部２２ｂとにより形成されている。従って、角を有していない。尚、本実施の形態においては、電極パターン２２の外形を形成する曲線部２２ｂの曲率半径は１．０ｍｍである。電極パターン２３、２４についても、電極パターン２２と同じ形状により形成されている。このように、電極パターン２２、２３、２４の外形形状を角を形成しない形状により形成することにより、絶縁耐圧を向上させることができる。即ち、絶縁破壊や放電は、電極等の角の部分において電界集中することにより生じるため、電極パターン２２、２３、２４のように、角を有しない外形形状で形成することにより、電界の集中を緩和し、耐圧を向上させることができる。
【００２８】
本実施形態における半導体装置では、図２及び図３に示されるように、ダイパッドとなる第１の電極端子１１の一方の面１１ａの上に、基板２０及び第１の半導体チップ３１が設置され接続されている。具体的には、図４に示されるように、第１の電極端子１１の一方の面１１ａには、基板２０の他方の面２０ｂに形成された電極パターン２５、及び、第１の半導体チップ３１の一方の面に形成されたカソード電極３１ａが不図示のハンダ等により接合されている。
【００２９】
また、基板２０の一方の面２０ａに形成された電極パターン２２の上には、第２の半導体チップ３２が接続されている。具体的には、基板２０の一方の面２０ａに形成された電極パターン２２の上には、第２の半導体チップ３２の一方の面に形成されたカソード電極３２ａが不図示のハンダ等により接合されている。
【００３０】
また、基板２０の一方の面２０ａに形成された電極パターン２３の上には、第３の半導体チップ３３が接続されている。具体的には、基板２０の一方の面２０ａに形成された電極パターン２３の上には、第３の半導体チップ３３の一方の面に形成されたカソード電極３３ａが不図示のハンダ等により接合されている。
【００３１】
また、基板２０の一方の面２０ａに形成された電極パターン２４の上には、第４の半導体チップ３４が接続されている。具体的には、基板２０の一方の面２０ａに形成された電極パターン２４の上には、第４の半導体チップ３４の一方の面に形成されたカソード電極３４ａが不図示のハンダ等により接合されている。
【００３２】
本実施形態における半導体装置においては、図２及び図３に示されるように、第１の半導体チップ３１の他方の面に形成されたアノード電極３１ｂと基板２０の一方の面２０ａに形成された電極パターン２２はボンディングワイヤ４１により接続されている。これにより、電極パターン２２及びボンディングワイヤ４１を介し、第１の半導体チップ３１のアノード電極３１ｂと第２の半導体チップ３２のカソード電極３２ａとが電気的に接続される。
【００３３】
また、第２の半導体チップ３２の他方の面に形成されたアノード電極３２ｂと基板２０の一方の面２０ａに形成された電極パターン２３はボンディングワイヤ４２により接続されている。これにより、電極パターン２３及びボンディングワイヤ４２を介し、第２の半導体チップ３２のアノード電極３２ｂと第３の半導体チップ３３のカソード電極３３ａとが電気的に接続される。
【００３４】
また、第３の半導体チップ３３の他方の面に形成されたアノード電極３３ｂと基板２０の一方の面２０ａに形成された電極パターン２４はボンディングワイヤ４３により接続されている。これにより、電極パターン２４及びボンディングワイヤ４３を介し、第３の半導体チップ３３のアノード電極３３ｂと第４の半導体チップ３４のカソード電極３４ａとが電気的に接続される。そして、第４の半導体チップ３４の他方の面に形成されたアノード電極３４ｂと第２の電極端子１２とがボンディングワイヤ４４により接続されている。
【００３５】
以上のように、カソード電極端子である第１の電極端子１１と、アノード電極端子である第２の電極端子１２との間では、第１の半導体チップ３１、第２の半導体チップ３２、第３の半導体チップ３３、第４の半導体チップ３４が直列に接続される。従って、第１の半導体チップ３１、第２の半導体チップ３２、第３の半導体チップ３３、第４の半導体チップ３４が、耐圧が３．３ｋＶのダイオードである場合には、この半導体装置の耐圧は、３．３ｋＶ×４＝１３．２ｋＶとなる。このように形成されたものは、全体が樹脂部５０により覆われている。よって、第１の電極端子１１の一方の面、第１の半導体チップ３１、第２の半導体チップ３２、第３の半導体チップ３３、第４の半導体チップ３４、第２の電極端子１２の一部は、樹脂部５０により覆われている。尚、樹脂部５０は、エポキシ樹脂を代表的な基材とする熱硬化性樹脂によるトランスファモールド成形により形成されている。
【００３６】
本実施形態においては、第１の半導体チップ３１は、第１の電極端子１１の一方の面１１ａに搭載されており、第２の半導体チップ３２、第３の半導体チップ３３、第４の半導体チップ３４は、基板２０の一方の面２０ａ側に搭載されている。また、基板２０は、第１の電極端子１１の一方の面１１ａに搭載されている。従って、第１の半導体チップ３１が搭載されている第１の電極端子１１の一方の面１１ａと、第２の半導体チップ３２、第３の半導体チップ３３、第４の半導体チップ３４が搭載されている基板２０の一方の面２０ａとの間には、基板２０の厚さｔの分の段差がある。このため、基板２０の厚さｔの分だけ沿面距離が長くなるため、第１の半導体チップ３１を基板２０側に近づけることができる。即ち、Ｚ１−Ｚ２方向における基板２０の厚さｔの分、第１の半導体チップ３１と基板２０とのＹ１−Ｙ２方向における距離を短くすることができ、半導体装置を小型にすることができる。
【００３７】
また、耐圧の観点からは、基板２０の一方の面２０ａに配置される第２の半導体チップ３２、第３の半導体チップ３３、第４の半導体チップ３４は、一直線上に並んで配置されていることが好ましい。具体的には、図２に示されるように、Ｙ１−Ｙ２方向における直線上に並んで配置されていることが好ましい。複数の半導体チップを一直線上に並んで配置することにより、高耐圧を維持した状態で、複数の半導体チップが取り付けられる領域を狭くすることができ、半導体装置を小型にすることができる。
【００３８】
尚、本実施形態における半導体装置は、図２に示される第３の電極端子１３と第１の電極端子１１とを不図示のボンディングワイヤにより接続したものであってもよい。また、第１の半導体チップ３１、第２の半導体チップ３２、第３の半導体チップ３３、第４の半導体チップ３４は、高耐圧のダイオードに代えて、高耐圧のＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタ等のトランジスタを用いることも可能である。尚、小型で高耐圧の半導体装置を得るためには、第１の半導体チップ３１、第２の半導体チップ３２、第３の半導体チップ３３、第４の半導体チップ３４を形成している半導体材料は、Ｓｉよりもバンドギャップの広いＳｉＣ半導体等が好ましい。尚、第１の半導体チップ３１、第２の半導体チップ３２、第３の半導体チップ３３、第４の半導体チップ３４は、パワー半導体素子である。
【００３９】
本実施形態における半導体装置は、図６に示されるように基板２０の一方の面２０ａに搭載される半導体チップが１つであっても、基板２０の高さに応じて、半導体装置を小型にすることができる効果がある。また、図７に示されるように、基板２０の一方の面２０ａに搭載される半導体チップの数は２の場合には、電極パターンを角のない形状で形成することによる効果が得られる。
【００４０】
尚、図６に示す半導体装置は、基板２０の一方の面２０ａには、電極パターン２２が１つ形成されており、この電極パターン２２には第２の半導体チップ３２が接続されている。第１の半導体チップ３１のアノード電極３１ｂと電極パターン２２とがボンディングワイヤ１４１により接続されており、第２の半導体チップ３２のアノード電極３２ｂと第２の電極端子１２とがボンディングワイヤ１４２により接続されている構造のものである。
【００４１】
また、図７に示す半導体装置は、基板２０の一方の面２０ａには、２つの電極パターン２２、２３が形成されており、電極パターン２２には第２の半導体チップ３２が接続されており、電極パターン２３には第３の半導体チップ３３が接続されている。第１の半導体チップ３１のアノード電極３１ｂと電極パターン２２とはボンディングワイヤ１４３により接続されており、第２の半導体チップ３２のアノード電極３２ｂと電極パターン２３とはボンディングワイヤ１４４により接続されている。そして、第３の半導体チップ３３のアノード電極３３ｂと第２の電極端子１２とがボンディングワイヤ１４５により接続されている構造のものである。
【００４２】
以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１０        半導体装置
１１        第１の電極端子
１１ａ      一方の面
１１ｂ      他方の面
１２        第２の電極端子
２０        基板
２０ａ      一方の面
２０ｂ      他方の面
２１        絶縁体基板
２２、２３、２４        電極パターン
２２ａ      直線部
２２ｂ      曲線部
２５        電極パターン
３１        第１の半導体チップ
３１ａ      カソード電極
３１ｂ      アノード電極
３２        第２の半導体チップ
３２ａ      カソード電極
３２ｂ      アノード電極
３３        第３の半導体チップ
３３ａ      カソード電極
３３ｂ      アノード電極
３４        第４の半導体チップ
３４ａ      カソード電極
３４ｂ      アノード電極
４１、４２、４３、４４        ボンディングワイヤ
５０        樹脂部
【図１Ａ】
2018235329.tif 000003
【図１Ｂ】
2018235329.tif 000004
【図１Ｃ】
2018235329.tif 000005
【図２】
2018235329.tif 000006
【図３】
2018235329.tif 000007
【図４Ａ】
2018235329.tif 000008
【図４Ｂ】
2018235329.tif 000009
【図５Ａ】
2018235329.tif 000010
【図５Ｂ】
2018235329.tif 000011
【図５Ｃ】
2018235329.tif 000012
【図６】
2018235329.tif 000013
【図７】
2018235329.tif 000014
【国際調査報告】
2018235329.tif 000015
2018235329.tif 000016