(57)【要約】【課題】半導体チップの温度サイクル寿命が長く、かつ、構造が簡単な半導体装置を提供する。【解決手段】本発明による半導体装置（１０）は、互いに対向する第１の主面（１５）および第２の主面（１７）を備え、それらの主面に、それぞれ、第１の電極および第２の電極を備える半導体チップ（１１）と、半導体チップ（１１）の第１の主面（１５）および第２の主面（１７）にそれぞれ面して位置され、かつ、第１の電極および第２の電極が、それぞれ、半田（１６，１８）を介して接続される第１の導電性ケース部分（１２）および第２の導電性ケース部分（１３）と、第１の導電性ケース部分（１２）および第２の導電性ケース部分（１３）の間に位置される絶縁体（１４）とを備える。２つの導電性ケース部分（１２、１３）および絶縁体（１４）は、半導体チップ（１１）全体を覆うケースを構成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する第１の主面および第２の主面を備え、かつ、前記第１の主面および前記第２の主面に、それぞれ、第１の電極および第２の電極を備える半導体チップと、
前記半導体チップの前記第１の主面および前記第２の主面にそれぞれ面して位置され、かつ、前記第１の電極および前記第２の電極が、それぞれ、導電性接続部材を介して接続される第１の導電性ケース部分および第２の導電性ケース部分と、
前記第１の導電性ケース部分および前記第２の導電性ケース部分の間に位置される第１の絶縁体と
を備え、
前記第１の導電性ケース部分、前記第２の導電性ケース部分および前記第１の絶縁体が、前記半導体チップ全体を覆うケースを構成する半導体装置。
【請求項２】
前記第１の絶縁体が、前記第１の導電性ケース部分との接合部および前記第２の導電性ケース部分との接合部の少なくとも一方から、それぞれ、前記第１の導電性ケース部分の外側および前記第２の導電性ケース部分の外側に突出する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体チップが、さらに、前記第１の主面に第３の電極を有し、
前記第１の導電性ケース部分が、さらに、貫通穴を有し、
前記半導体チップおよび前記第１の導電性ケース部分が、それぞれ、前記第３の電極が前記貫通穴を介して外部に露出するように設置され、
さらに、前記貫通穴の内壁に沿うように、かつ、前記第１の主面において前記第３の電極を囲うように、前記貫通穴の開口部から前記第１の主面まで延びた第２の絶縁体を備える請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の導電性ケース部分および前記第２の導電性ケース部分の少なくとも一方が、前記半導体チップの対応する主面に対向する平坦部と、前記平坦部の周縁から延びる側壁部とから成る請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパワーモジュールにおいては、絶縁基板上に、その内部に電力用素子が形成された半導体チップが配置される。例えば、その半導体チップ内には、ダイオード、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ    Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が形成される。半導体チップ内に、例えば、ダイオードが形成される場合、半導体チップの上面にアノード電極が設けられ、下面にカソード電極が設けられる。一般に、パワーモジュールにおいて、半導体チップの下面に設けられた電極は、半田を介して、絶縁基板上に形成された金属パターンに接続され、半導体チップの上面に設けられた電極は、ボンディングワイヤであるアルミニウム等の金属ワイヤを介して、電極端子に接続される。
【０００３】
しかし、上述の金属ワイヤによる接続は、半導体チップの電極とワイヤとの接触面が小さいために、接続の強度が低く、温度サイクルに対する接続の信頼性が低い。従って、半導体チップの温度サイクル寿命がボンディングワイヤによって決定されるという問題がある。
【０００４】
例えば、従来のパワーモジュールには、半導体チップの表面および裏面に設けられた電極を、半田によって、絶縁板に設けられた金属膜、および、金属端子に接続するものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、従来の別のパワーモジュールには、半導体素子の下面が、放熱板に搭載され、半導体素子の上面が、上記放熱板に接合された金属から成る放熱部材に、半田等により接続されるものがある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−８３９５号公報（第４−６頁、図１−図７）
【特許文献２】
特開２０００−１５６４３９号公報（第３−５頁、図１−図３）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１および特許文献２などに開示されるパワーモジュールにおいては、半導体チップの電極と外部電極とを、金属ワイヤを用いることなく接続し、熱抵抗が低減される等の効果を有する。
【０００８】
しかし、構造がより簡単なパワーモジュールが望まれている。
【０００９】
本発明の目的は、半導体チップの温度サイクル寿命が長く、かつ、構造が簡単なパワーモジュール（半導体装置）を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、互いに対向する第１の主面および第２の主面を備え、かつ、前記の第１の主面および前記の第２の主面に、それぞれ、第１の電極および第２の電極を備える半導体チップと、前記の半導体チップの第１の主面および第２の主面にそれぞれ面して位置され、かつ、前記の第１の電極および前記の第２の電極が、それぞれ、導電性接続部材を介して接続される第１の導電性ケース部分および第２の導電性ケース部分と、前記の第１の導電性ケース部分および前記の第２の導電性ケース部分の間に位置される第１の絶縁体とを備える。また、前記の第１の導電性ケース部分、前記の第２の導電性ケース部分および前記の第１の絶縁体は、前記の半導体チップ全体を覆うケースを構成する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態１による半導体装置の構成を図式的に示す図である。図１の（１）は、本実施の形態による半導体装置の上面図、図１の（２）は、図１の（１）の破線Ａ−Ａにおける断面図である。図１の（２）に示されるように、本実施の形態による半導体装置１０は、半導体チップ１１、第１の金属ケース部分１２、第２の金属ケース部分１３および絶縁体平板１４を備える。絶縁体平板１４は、第１の金属ケース部分１２と第２の金属ケース部分１３とによって挟持される。半導体チップ１１は、第１の金属ケース部分１２、第２の金属ケース部分１３、および、絶縁体平板１４により構成される中空部分に設置される。半導体チップ１１は、対向する２つの主面を有し、各々の主面に単一の電極が設けられる。半導体チップ１１の一方の主面１５に設けられた電極は、半田１６を介して、第１の金属ケース部分１２に接続され、半導体チップ１１の他方の主面１７に設けられた電極は、半田１８を介して、第２の金属ケース部分１３に接続される。ここで、半導体チップ１１内に形成される素子は、例えば、ダイオードである。その場合、半導体チップ１１の一方の主面にはアノード電極が、他方の主面には、カソード電極が設けられる。
【００１２】
第１の金属ケース部分１２は、方形の平坦部と、その平坦部の四辺から垂直に延びた側壁部とから成る。第１の金属ケース部分１２は、その平坦部が、半導体チップ１１の主面１５に対向するように位置される。第１の金属ケース部分１２の側壁部は、平坦部の周囲から半導体チップ１１の主面１５側に、その平坦部に垂直に延びるように位置される。以上のように、第１の金属ケース部分１２は、半導体チップ１１の主面１５を覆うように設置される。第２の金属ケース部分１３も、第１の金属ケース部分１２と同一の形状を有する。第２の金属ケース部分１３は、その平坦部が、半導体チップ１１の主面１７に対向し、その側壁部が、平坦部の周囲から半導体チップ１１の主面１７側に、その平坦部に垂直に延びるように設置される。第２の金属ケース部分１２は、半導体チップ１１の主面１７を覆うように設置される。第１の金属ケース部分１２および第２の金属ケース部分１３は、それぞれ、半導体チップ１１の互いに対向する主面１５および主面１７を覆うので、２つの金属ケース部分１２，１３および２つの金属ケース部分１２，１３の間に位置された絶縁体平板１４を組み合せて、半導体チップ１１全体を覆う１つのケースとしてみなすことができる。
【００１３】
絶縁体平板１４は、図１の（１）および図１の（２）に示されるように、半導体チップ１１の周囲を囲むように配置され、第１の金属ケース部分１２と第２の金属ケース部分１３とによって挟持される。この絶縁体平板１４は、第１の金属ケース部分１２と第２の金属ケース部分１３とを絶縁する。絶縁体平板１４は、２つの金属ケース部分によって挟持される部分からそれらの金属ケース部分の外側に突出する部分を含む。
【００１４】
半導体装置１０においては、半導体チップ１１の主面１５および主面１７に設けられた電極が、それぞれ、半田を介して、第１の金属ケース部分１２および第２の金属ケース部分１３に接続される。例えば、半導体チップ１１内にダイオードが形成され、半導体チップの主面１５および主面１７に、それぞれ、アノード電極およびカソード電極が設けられた場合、アノード電極およびカソード電極が、ともに、半田を介して、対応する金属ケース部分に接続される。これらの金属ケース部分は、電極端子として使用でき、半導体装置は、金属ケース部分を介して、外部の回路と接続される。
【００１５】
本実施の形態による半導体装置においては、半導体チップと金属ケース部分が半田を介して接続される。半田を介した接続は、ワイヤによる接続よりも大きい面積で行われるため、接続の強度が高く、温度サイクルに対する接続の信頼性が高い。従って、本実施の形態による半導体装置において、半導体チップは、ワイヤボンディングによって接続が行われていた従来の半導体チップと比較して、温度サイクル寿命が長い。
【００１６】
また、本実施の形態による半導体装置においては、半導体チップの表面に設けられた電極が、ワイヤ接続される場合より大きい面積で外部電極と接続されるので、接続による抵抗を低減できる。
【００１７】
また、本実施の形態による半導体装置においては、半導体チップの表面に設けられた電極が、ワイヤ接続される場合より大きい面積で外部電極と接続されるので、電極への突入電流の許容範囲が大きくなる。
【００１８】
さらに、本実施の形態による半導体装置においては、第１の金属ケース部分および第２の金属ケース部分が、半導体チップを覆うパッケージを兼ねるため、その構造が簡単でかつ安価な半導体装置を実現できる。
【００１９】
また、本実施の形態による半導体装置においては、表面積の小さい半導体チップを、熱伝導効率のよい金属ケース部分に直接接触させるため、放熱用の面積が大きくなり、放熱の効率が上がる。従って、半導体チップの電極と外部電極との接続が金属ワイヤによって行われる従来の半導体装置と比較して、半導体装置全体の熱抵抗を低減できる。また、これにより、半導体装置のパワーサイクル寿命を延ばすことができる。
【００２０】
なお、本実施の形態による半導体装置において、第１の金属ケース部分および第２の金属ケース部分を、方形の平坦部と、その平坦部の四辺から垂直に延びた側壁部とから成る矩形型ケースとしたが、これに限られない。例えば、方形の平坦部と、その平坦部の四辺からその平坦部と９０度以外の所定の角度を成すように延びた側壁部とから成る金属ケース部分であってよい。また、曲面を含み、その断面が例えば半円となるような金属ケース部分であってもよい。そのような場合であっても、本実施の形態による半導体装置と同様の効果が得られる。ただし、金属ケース部分を上述のように構造が単純な矩形型ケースとすれば、安価な半導体装置を提供できる。
【００２１】
なお、本実施の形態による半導体装置において、２つの金属ケース部分によって挟持される絶縁体を、半導体チップの周囲に配置される絶縁体平板としたが、それに限られない。２つの金属ケース部分を絶縁することができれば、任意の形状であってよく、例えば、２つの金属ケース部分の接触面のみに設けられてもよい。そのような場合であっても、本実施の形態による半導体装置と同様の効果が得られる。ただし、この絶縁体が、第１の金属ケース部分と接合する部分から第１の金属ケース部分の外側に突出する部分を有する、および／または、第２の金属ケース部分と接合する部分から第２の金属ケース部分の外側に突出する部分を有する場合は、２つの金属ケース部分間の距離を一定の距離として容易に確保できる。
【００２２】
なお、本実施の形態による半導体装置において、２つの金属ケース部分を同一形状としたが、これに限られない。例えば、２つの金属ケースの一方のみが、方形の平坦部と、その平坦部の四辺から垂直に延びた側壁部とから成ってもよい。２つの金属ケース部分が異なる形状であっても、２つの金属ケース部分と絶縁体とを用いて、半導体チップ全体を覆うことができれば、本実施の形態による半導体装置と同一の効果が得られる。
【００２３】
なお、本実施の形態による半導体装置においては、半導体チップと金属ケース部分とを半田によって接続しているが、これに限られない。半田の代わりに、例えば、導電性接着剤等の他の導電性接続部材を用いてもよい。その場合であっても、本実施の形態による半導体装置と同一の効果が得られる。
【００２４】
実施の形態２．
図２は、実施の形態２による半導体装置の構成を図式的に示す図である。図２の（１）は、本実施の形態による半導体装置の上面図、図２の（２）は、図２の（１）の破線Ｂ−Ｂにおける断面図である。図２に示される半導体装置２０において、図１に示される半導体装置１０と同一の構成要素には、同一の符号を付し、説明を省略する。図２の（２）に示されるように、本実施の形態による半導体装置２０は、半導体チップ２１、第１の金属ケース部分２２、第２の金属ケース部分１３および絶縁体平板１４を備える。絶縁体平板１４は、第１の金属ケース部分２２と第２の金属ケース部分１３とによって挟持される。半導体チップ２１は、第１の金属ケース部分２２、第２の金属ケース部分１３、および、絶縁体平板１４により構成される中空部分に設置される。半導体チップ２１は、対向する２つの主面を有し、各々の主面に電極が設けられる。このとき、半導体チップ２１の一方の主面２５に２つの電極が設けられ、他方の主面２７に１つの電極が設けられる。例えば、半導体チップ２１内に形成される素子がＩＧＢＴである場合、半導体チップ２１の一方の主面２５に、ゲート電極３０およびエミッタ電極（図示されない）が設けられ、半導体チップ２１の他方の主面２７に、コレクタ電極（図示されない）が設けられる。例えば、主面２５において、ゲート電極３０は、主面２５の中央に位置され、エミッタ電極は、そのゲート電極３０の周囲に配置される。主面２７に設けられたコレクタ電極は、半田１８を介して、第２の金属ケース部分１３に接続される。
【００２５】
第１の金属ケース部分２２は、方形の平坦部と、その平坦部の四辺から垂直に延びた側壁部とから成る。また、図２の（１）に示されるように、第１の金属ケース部分２２は、その平坦部の中央に貫通穴３１を有する。貫通穴３１は、半導体チップ２１のゲート電極３０が露出するように、第１の金属ケース部分２２においてゲート電極３０と並ぶ位置に設けられる。第１の金属ケース部分２２は、その平坦部が、半導体チップ２１の主面２５に対向するように位置される。第１の金属ケース部分２２の側壁部は、平坦部の周囲から半導体チップ２１の主面２５側に、その平坦部に垂直に延びるように位置される。以上により、第１の金属ケース部分２２は、半導体チップ２１の主面２５を覆うように設置される。
【００２６】
貫通穴３１の内壁には、その内壁に沿って絶縁体３２が設けられる。絶縁体３２は、貫通穴３１の開口部から、第１の金属ケース部分２２と半導体チップ２１との間の空洞部分を通って、半導体チップ２１まで延びた筒型の形状をしている。絶縁体３２は、半導体チップ２１の主面２５において、ゲート電極３０の周囲を囲う。この絶縁体３２により、ゲート電極３０とエミッタ電極は、分離され、絶縁される。図２の（２）に示されるように、ゲート電極３０は、貫通穴３１を介して半導体装置２０の外部に露出する。
【００２７】
主面２５に設けられたもう１つの電極であるエミッタ電極は、半田３３を介して、第１の金属ケース部分２２に接続される。半田３３は、筒型形状の絶縁体３２の外部に配置される。
【００２８】
半導体装置２０において、ゲート電極３０は、金属ワイヤによって、外部の金属端子と接続される。主面２５に設けられたエミッタ電極および主面１７に設けられたコレクタ電極は、それぞれ、半田を介して、第１の金属ケース部分２２および第２の金属ケース部分１３に接続される。これらの金属ケース部分２２，１３は、電極端子として使用でき、半導体装置２０は、金属ケース部分を介して、外部の回路と接続される。ゲート電極３０に接続された金属端子は、外部の駆動回路と接続される。
【００２９】
本実施の形態による半導体装置においては、エミッタ電極が、半田を介して、金属ケース部分に接続される。従って、ゲート電極とエミッタ電極が共に金属ワイヤにより接続されていた従来のパワーモジュールと比較して、ワイヤにより接続される電極の数が減り、接続の信頼性が高くなる。これは、半導体チップの温度サイクル寿命を長くする。また、エミッタ電極についていえば、半田を介した接続により、接続の面積が大きくなるため、温度サイクルに対する接続の信頼性が高くなり、半導体チップの温度サイクル寿命が長くなる。
【００３０】
また、本実施の形態による半導体装置においては、半導体チップの表面に設けられたエミッタ電極が、ワイヤ接続される場合より大きい面積で外部電極と接続されるので、接続による抵抗を低減できる。結果として、半導体素子（ここでは、ＩＧＢＴ）のオン抵抗が低減できる。
【００３１】
また、本実施の形態による半導体装置においては、半導体チップの表面に設けられたエミッタ電極が、ワイヤ接続される場合より大きい面積で外部電極と接続されるので、電極への突入電流の許容範囲が大きくなる。
【００３２】
さらに、本実施の形態による半導体装置においては、第１の金属ケース部分および第２の金属ケース部分が、半導体チップを覆うパッケージを兼ねるため、その構造が簡単でかつ安価な半導体装置を実現できる。
【００３３】
さらに、本実施の形態による半導体装置においては、ゲート電極の周囲を囲むように絶縁体が設けられているため、ゲート電極と外部電極との接続を、他の回路との絶縁について必要以上に注意することなく容易に行うことができる。従って、制御電極と外部電極との接続を極めて簡単に行える安価な半導体装置を提供できる。
【００３４】
また、本実施の形態による半導体装置においては、表面積の小さい半導体チップを、熱伝導効率のよい金属ケース部分に直接接触させるため、放熱用の面積が大きくなり、放熱の効率が上がる。従って、半導体チップの電極と外部電極との接続が金属ワイヤによって行われる従来の半導体装置と比較して、半導体装置全体の熱抵抗を低減できる。また、これにより、半導体装置のパワーサイクル寿命を延ばすことができる。
【００３５】
なお、本実施の形態による半導体装置においては、半導体チップ内にＩＧＢＴが形成されるとしたが、これに限られない。半導体チップ内に、例えば、ＭＯＳＦＥＴが形成されてもよい。その場合には、例えば、半導体チップの一方の主面に、ゲート電極およびソース電極が設けられ、他方の主面にドレイン電極が設けられる。つまり、本実施の形態における半導体装置において、エミッタ電極がソース電極に、コレクタ電極がドレイン電極に置き換えられた構造となる。そのような場合であっても、本実施の形態による半導体装置と同一の効果が得られる。
【００３６】
なお、本実施の形態による半導体装置において、金属ケース部分の貫通穴を、その金属ケース部分の平坦部の中央に設けたが、半導体チップの制御電極の位置に合わせて金属ケース部分の任意の箇所に設けることが可能である。また、半導体装置における貫通穴の位置、および、半田の位置は、半導体チップの電極の配置に合わせて任意に選択できる。さらに、貫通穴の形状は、その断面が円形である筒型形状に限らず、その断面が多角形の角柱型形状等の任意の形状であってよい。
【００３７】
なお、本実施の形態による半導体装置において、第１の金属ケース部分および第２の金属ケース部分を、方形の平坦部と、その平坦部の四辺から垂直に延びた側壁部とから成る矩形型ケースとしたが、これに限られない。例えば、方形の平坦部と、その平坦部の四辺からその平坦部と９０度以外の所定の角度を成すように延びた側壁部とから成る金属ケース部分であってよい。また、曲面を含み、その断面が例えば半円となるような金属ケース部分であってもよい。そのような場合であっても、本実施の形態による半導体装置と同様の効果が得られる。ただし、金属ケース部分を上述のように構造が単純な矩形型ケースとすれば、安価な半導体装置を提供できる。
【００３８】
なお、本実施の形態による半導体装置において、２つの金属ケース部分によって挟持される絶縁体を、半導体チップの周囲に配置される絶縁体平板としたが、それに限られない。２つの金属ケース部分を絶縁することができれば、任意の形状であってよく、例えば、２つの金属ケース部分の接触面のみに設けられてもよい。そのような場合であっても、本実施の形態による半導体装置と同様の効果が得られる。ただし、この絶縁体が、第１の金属ケース部分と接合する部分から第１の金属ケース部分の外側に突出する部分を有する、および／または、第２の金属ケース部分と接合する部分から第２の金属ケース部分の外側に突出する部分を有する場合は、２つの金属ケース部分間の距離を一定の距離として容易に確保できる。
【００３９】
なお、本実施の形態による半導体装置において、２つの金属ケース部分を同一形状としたが、これに限られない。例えば、２つの金属ケースの一方のみが、方形の平坦部と、その平坦部の四辺から垂直に延びた側壁部とから成ってもよい。２つの金属ケース部分が異なる形状であっても、２つの金属ケース部分と絶縁体とを用いて、半導体チップ全体を覆うことができれば、本実施の形態による半導体装置と同一の効果が得られる。
【００４０】
なお、本実施の形態による半導体装置においては、コレクタ電極およびエミッタ電極が、半田を介して、金属ケース部分に接続されるが、これに限られない。半田の代わりに、例えば、導電性接着剤等の他の導電性接続部材を用いてもよい。その場合であっても、本実施の形態による半導体装置と同一の効果が得られる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明による半導体装置によれば、互いに対向する第１の主面および第２の主面を備え、かつ、第１の主面および第２の主面に、それぞれ、第１の電極および第２の電極を備える半導体チップと、半導体チップの第１の主面および第２の主面にそれぞれ面して位置され、かつ、第１の電極および第２の電極が、それぞれ、導電性接続部材を介して接続される第１の導電性ケース部分および第２の導電性ケース部分と、第１の導電性ケース部分および第２の導電性ケース部分の間に位置される第１の絶縁体とを備え、第１の導電性ケース部分、第２の導電性ケース部分および第１の絶縁体が、半導体チップ全体を覆うケースを構成するので、半導体チップの温度サイクル寿命が長く、かつ、構造が簡単な半導体装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（１）は、本発明の実施の形態１による半導体装置の上面図、（２）は、（１）に示された半導体装置の断面図である。
【図２】（１）は、本発明の実施の形態２による半導体装置の上面図、（２）は、（１）に示された半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１０  半導体装置、  １１  半導体チップ、  １２，１３  金属ケース部分、
１４  絶縁体、  １６，１８  半田
【図１】
2004273492.tif 000003
【図２】
2004273492.tif 000004