(57)【要約】【課題】放熱効果があり、寄生インダクタンスを低減することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】金属ベース１１と、絶縁層１２と、金属ベース１１の上方に絶縁層１２を介して設けられるメタルコア層１３と、更にメタルコア層１３の上方に絶縁層１２を介して設けられるメタルコア層１４と、メタルコア層１４の上方に絶縁層１２を介して設けられる回路パターン１５と、回路パターン１５の上方に設けられるパワー半導体素子１６と、絶縁層１２を貫通させ、回路パターン１５とメタルコア層１３又は１４とを導通させる金属支柱２０とを備え、メタルコア層１３及び１４の互いの電流の流れる方向を反対方向となるように構成する。【選択図】  図１
2004266213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に半導体回路が設けられる半導体装置であって、
前記基板と前記半導体回路との間に設けられ、前記半導体回路に入力される電流、又は前記半導体回路から出力される電流が流れる第１のメタルコア層と、
前記基板と前記半導体回路との間に設けられ、前記第１のメタルコア層に流れる電流の方向と反対方向に、前記半導体回路に入力される電流、又は前記半導体回路から出力される電流が流れる第２のメタルコア層と、
前記半導体回路の層、前記基板の層、前記第１のメタルコア層、及び前記第２のメタルコア層、各層間に配置される絶縁層と、
前記絶縁層を貫通して、前記半導体回路と前記第１のメタルコア層とを導通させる第１の導通部と、
前記絶縁層を貫通して、前記半導体回路と前記第２のメタルコア層とを導通させる第２の導通部と、
を備え、前記第１のメタルコア層と前記第２のメタルコア層は絶縁されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記第２のメタルコア層は、前記基板上に一面に形成され、
前記第１のメタルコア層は、前記第２のメタルコア層上に一面に形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
基板上に半導体回路が設けられる半導体装置であって、
前記基板と前記半導体回路との間に設けられ、前記半導体回路に入力される電流、又は前記半導体回路から出力される電流が流れるメタルコア層と、
前記半導体回路の層、前記基板の層、及び前記メタルコア層、各層間に配置される絶縁層と、
前記絶縁層を貫通して、前記半導体回路と前記メタルコア層とを導通させる導通部と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置であって、
前記メタルコア層は、前記基板上に一面に形成されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に半導体回路が形成される半導体装置に関し、特に、その半導体装置の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置は、小型化を実現するために、様々な構成が従来より考えられている。そして、このような半導体装置を高密度化させる方法の１つとして、例えば、１つの金属ベース上に半導体回路を複数層で構成することが行われている。（例えば、特許文献１参照）
ところが、半導体装置の高密度化を図るに際して、いくつかの問題が発生する。その問題の１つとして、半導体回路から発生する熱の問題がある。すなわち、一般に、半導体回路は、近年の大電流化に伴って半導体回路から発生する発熱量が増えている。そして、この半導体回路から生じる熱の影響により、その半導体回路自身、あるいは、他の半導体回路に悪影響を及ぼすおそれがある。
【０００３】
そこで、この半導体回路から発生する熱の発熱量を抑えるために、例えば、従来では、基板の内部に放熱用金属芯を入れ、その放熱用金属芯を利用して放熱を促進させる構成が知られている。（例えば、特許文献２参照）
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−８５８４２号  （第２〜５頁、第１図）
【０００５】
【特許文献２】
特開平５−２９１７１５号  （第２〜４頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１は、放熱に関して考慮はされておらず、金属ベースから放熱は期待できるが、放熱性は不十分である。また、特許文献２も、放熱用金属芯からの放熱が期待できるが、まだ放熱性は不十分である。また、さらに、特許文献２においては、放熱用金属芯の周りに、ある種の絶縁層が存在しているため、放熱性は不十分である。
【０００７】
また、半導体装置の大電流化に伴って、半導体回路同士を接続する配線において生じる寄生インダクタンスの影響が大きくなることがある。ここで、寄生インダクタンスは、配線を介して流れる電流に起因して発生する磁界により生じるものであるが、特に、近年の高周波信号を扱う半導体装置においては、その寄生インダクタンスの影響を排除することが重要である。さらに、半導体装置の高密度化により、半導体素子間の間隔が小さくなるため、寄生インダクタンスは多くの半導体回路に影響を与えてしまうおそれがある。また、寄生インダクタンスは、半導体回路の特性の悪化（損失の増加等）や、半導体素子自身の破壊を引き起こすおそれもある。
【０００８】
そこで、本発明は、放熱効果があり、寄生インダクタンスを低減することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明では、以下のような構成を採用した。
すなわち、本発明の半導体装置は、基板上に半導体回路が設けられる半導体装置であって、上記基板と上記半導体回路との間に設けられ、上記半導体回路に入力される電流、又は上記半導体回路から出力される電流が流れる第１のメタルコア層と、上記基板と上記半導体回路との間に設けられ、上記第１のメタルコア層に流れる電流の方向と反対方向に、上記半導体回路に入力される電流、又は上記半導体回路から出力される電流が流れる第２のメタルコア層と、上記半導体回路の層、上記基板の層、上記第１のメタルコア層、及び上記第２のメタルコア層、各層間に配置される絶縁層と、該絶縁層を貫通して、上記半導体回路と上記第１のメタルコア層とを導通させる第１の導通部と、上記絶縁層を貫通して、上記半導体回路と上記第２のメタルコア層とを導通させる第２の導通部とを備え、上記第１のメタルコア層と上記第２のメタルコア層は絶縁されていることを特徴とする。
【００１０】
このように、第１及び第２のメタルコア層に流れるそれぞれの電流の方向が互いに反対方向となっている部分は、それぞれのメタルコア層に流れる電流により発生する磁界が互いに反対方向となるため、それらの磁界が相殺され、寄生インダクタンスを抑制することができる。これより、半導体装置全体の寄生インダクタンスは、従来における半導体装置よりも低減することが可能となる。また、半導体回路で生じる熱を、第１及び第２のメタルコア層と絶縁層を介して基板より放熱すると同時に、導通部を通して第１及び第２メタルコア層において急峻に放熱することが可能となる。
【００１１】
また、上記半導体装置の第２のメタルコア層は、上記基板上に一面に形成され、上記第１のメタルコア層は、上記第２のメタルコア層上に一面に形成されるように構成してもよい。
このように、各半導体回路を電気的につなぐ第１及び第２のメタルコア層を半導体回路と基板との間に一面に形成することにより、半導体回路で生じる熱を第１及び第２のメタルコア層から効率的に放熱することが可能となる。
【００１２】
また、本発明の半導体装置は、基板上に半導体回路が設けられる半導体装置であって、上記基板と上記半導体回路との間に設けられ、上記半導体回路に入力される電流、又は上記半導体回路から出力される電流が流れるメタルコア層と、上記半導体回路の層、上記基板の層、及び上記メタルコア層、各層間に配置される絶縁層と、該絶縁層を貫通して、上記半導体回路と上記メタルコア層とを導通させる導通部とを備えることを特徴とする。
【００１３】
これより、半導体回路で生じる熱を、メタルコア層と絶縁層を介して基板より放熱すると同時に、導通部を通してメタルコア層において急峻に放熱することが可能となる。
また、上記半導体装置のメタルコア層は、上記基板上に一面に形成されるように構成してもよい。
【００１４】
これより、一面に形成されるメタルコア層から半導体回路で生じる熱を効率的に放熱することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態の半導体装置１０の構造を示す図であり、図１（ａ）は、半導体装置１０のＡ１−Ａ２断面を示す図であり、図１（ｂ）は、半導体装置１０を上から見た図である。
【００１６】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体装置１０は、厚さ数ｍｍ程度の金属材で形成される金属ベース１１（基板）の上方に、絶縁樹脂材などからなる絶縁層１２（１２ａ〜１２ｃ）（絶縁層）と、厚さ１ｍｍ程度の金属材で形成されるメタルコア層１３（第１のメタルコア層）及び１４（第２のメタルコア層）とを交互に重なり合わせたものを形成し、金属ベースメタルコア多層回路基板を形成している。また、メタルコア層１３の上方には、絶縁層１２ａを介して回路パターン１５（半導体回路）が形成されている。また、回路パターン１５上には、例えば、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのパワー半導体素子１６やパワー半導体素子１６から生じる熱を放熱すると同時に効率よく他の放熱部位に伝え、かつ、パワー半導体素子１６と回路パターン１５等との間に働く熱応力を緩和するヒートスプレッダ材１７が設けられている。また、回路パターン１５上には、電極１８やアルミワイヤ１９が設けられている。また、半導体装置１０は、絶縁層１２を貫通させ、回路パターン１５とメタルコア層１３又は１４とを導通させる金属支柱２０（導通部）が複数設けられている。なお、後述するが、メタルコア層１３を介して流れる電流の方向とメタルコア層１４を介して流れる電流の方向とが互いに反対方向となるように、回路パターン１５が設計されている。
【００１７】
上記回路パターン１５は、各電極１８（１８−１〜１８−３）及びパワー半導体素子１６（１６−１〜１６−２）を絶縁層１２上に実装するためのランド回路パターン１５−１や、パワー半導体素子１６から伸びるアルミワイヤ１９をランド回路パターン１５−１に電気的に接続するためのワイヤボンディングエリア回路パターン１５−２や、パワー半導体素子１６から延びるアルミワイヤ１９を各種センス用回路に接続するためのセンス用回路パターン１５−３などを構成している。なお、パワー半導体素子１６の放熱性を向上させるため、ランド回路パターン１５−１の上部面積は、多くの金属支柱２０が設けられるように設計されることが望ましい。また本実施例の場合、パワー半導体素子１６や電極１８の実装不良を避ける為に、金属支柱２０は各部品実装部の真下には設けていない。
【００１８】
また、メタルコア層１３とメタルコア層１４は、絶縁層１２ｂにより互いに絶縁されている。また、ランド回路パターン１５−１とメタルコア層１４と導通させる金属支柱２０は、メタルコア層１３と絶縁されている。
図２は、メタルコア層１３及び１４の構成を示す図であり、図２（ａ）は、半導体装置１０の断面図であり、図２（ｂ）は、Ｂ１−Ｂ２断面を示す図であり、図２（ｃ）は、Ｃ１−Ｃ２断面を示す図である。
【００１９】
図２（ｂ）及び（ｃ）に示すように、メタルコア層１３及び１４は、それぞれ金属ベース１１の上方に絶縁層１２ｂ及び１２ｃを介して一面に積層される構成である。このように、メタルコア層１３及び１４を金属ベース１１とパワー半導体素子１６との間に所定の面積を有して設けることにより、メタルコア層１３及び１４は、その面積の大きさに応じた熱を放出することができる。これより、メタルコア層１３及び１４の面積が大きい程、その分回路パターン１５やパワー半導体素子１６から発生する熱をより多く放出することができる。また、本実施形態の半導体装置１０のメタルコア層１３及び１４の厚みは、１ｍｍ程度であり、一般的な多層回路基板の導体パターンの厚みに比べて十分に厚いので、その放熱効果は大きい。また、本実施形態の半導体装置１０における放熱経路は、金属支柱２０から放熱する経路と、絶縁層を介して金属ベース１１から放熱する経路の２つの経路がある。すなわち、半導体装置１０は、回路パターン１５やパワー半導体素子１６などで生じる熱を、金属支柱２０を通して、電気的に導通のあるメタルコア層１３及び１４で急峻に放熱し、さらに、それと同時進行で絶縁層１２を介して金属ベース１１から放熱する。
【００２０】
ここで、上記半導体装置１０のパワー半導体素子１６−１及び１６−２は、例えば、３相インバータにおける、３相の内のある１相を形成する２つのＦＥＴ（一方のＦＥＴのソースと他方のＦＥＴのドレインとが接続される回路）として構成することができる。
【００２１】
次に、このような２つのＦＥＴを構成する場合の半導体装置１０における電流の流れを説明する。
図３は、半導体装置１０における電流の流れを説明する図であり、図３（ａ）は、半導体装置１０の断面図を示し、図３（ｂ）は、半導体装置１０を上から見た図である。なお、図３（ｂ）に示す金属支柱２０は、説明を容易にするために、図１に示す金属支柱２０とは異なる形（図形）で示している。
【００２２】
まず、パワー半導体素子１６−１に電流が流れる場合、その電流は、図３（ａ）に示すように、電極１８−１、ランド回路パターン１５−１、金属支柱２０（図３（ｂ）の白抜四角形）、メタルコア層１３、金属支柱２０（図３（ｂ）の黒抜四角形）、ランド回路パターン１５−１、ヒートスプレッダ材１７、パワー半導体素子１６−１、アルミワイヤ１９、ワイヤボンディングエリア回路パターン１５−２、ランド回路パターン１５−１、電極１８−２の順番に流れる。
【００２３】
そして、パワー半導体素子１６−２に電流が流れる場合、その電流は、図３（ａ）に示すように、電極１８−２、ランド回路パターン１５−１、金属支柱２０（図３（ｂ）の白抜三角形）、メタルコア層１４、金属支柱２０（図３（ｂ）の黒抜三角形）、ランド回路パターン１５−１、ヒートスプレッダ材１７、パワー半導体素子１６−２、アルミワイヤ１９、ワイヤボンディングエリア回路パターン１５−２、ランド回路パターン１５−１、電極１８−３の順番に流れる。
【００２４】
このように、メタルコア層１３及び１４に流れる電流の方向が互いに逆行するよう構成することにより、互いの電流より発生する磁界が互いに打ち消しあい、その逆行する部分における寄生インダクタンスがなくなる。これより、半導体装置１０全体の寄生インダクタンスを低減させることが可能となる。
【００２５】
また、メタルコア層１３及び１４のそれぞれを流れる電流の向きは、より多くの部位で逆行するようにパワー半導体素子１６などの各種部品の実装位置を決定することが望ましい。すなわち、可能な限り、メタルコア層１３及び１４に流れる電流の方向が互いに逆行する部分の面積が大きくなるように（または、メタルコア層１３及び１４に流れる電流の方向が互いに逆行する部分の距離が長くなるように）半導体装置１０を設計することが望ましい。
【００２６】
また、メタルコア層１３及び１４と絶縁層１２を介して金属ベース１１より放熱すると同時に、金属支柱２０を通してメタルコア層１３及び１４において急峻に放熱するので、放熱効果が高い。
また、半導体装置１０の主電流経路の一部をメタルコア層１３及び１４で構成しているので、半導体装置１０を小型化することが可能となる。
【００２７】
＜その他の実施形態＞
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲において、種々の構成を採用可能である。例えば、以下のような構成変更も可能である。
【００２８】
（１）上記実施形態における半導体装置１０では、パワー半導体素子１６、電極１８、又は回路パターン１５の実装位置、形状、及び個所数は、上述に示すものに限らず目的や用途に応じて種々の変更が可能である。また、同様に、ワイヤボンディングの有無や様相についても目的や用途に応じて変更可能である。
【００２９】
（２）上記実施形態における半導体装置１０では、絶縁層１２を樹脂材などで構成されているが、絶縁の役割を果しているものであれば、樹脂材以外のもので構成してもよい。
（３）上記実施形態における半導体装置１０では、メタルコア層１３及び１４は、金属ベース１１と同一の面積を有してその金属ベース１１の上方に絶縁層１２を介して一面に積層される構成であるが、目的や用途に応じて、金属ベース１１と異なる面積を有してもよいし、分割されていてもよい。
【００３０】
従って、回路設計の自由度が上がる。
（４）上記実施形態における半導体装置１０では、各電極１８を基板（回路パターン１５）に直接半田付けする構成であるが、インサート電極樹脂ケースなどの電極に基板（回路パターン１５）からワイヤボンディングを施してもよい。すなわち、基板（回路パターン１５）上に電極１８は無くてもよい。
【００３１】
（５）上記実施形態における半導体装置１０では、回路パターン１５とメタルコア層１３又は１４とを導通させるために、金属支柱２０を用いているが、口径の大きい貫通バイアホールに、導電性材料を充填することによって回路パターン１５とメタルコア層１３又は１４とを導通させてもよい、
（６）上記実施形態における半導体装置１０では、メタルコア層の層数は、２層であるが、目的や用途に応じて１層又は３層以上でもよい。なお、メタルコア層を３層以上設ける場合、その層数を偶数層で構成されるように設定すれば、互いに隣合う部分の寄生インダクタンスを無くすことができるのでよりよい。
【００３２】
（７）上記実施形態における半導体装置１０では、パワー半導体素子１６の実装部に熱応力緩和等の目的で、ヒートスプレッダ材１７を用いているが、無くてもよい。
（８）上記実施形態において金属支柱２０はパワー半導体素子１６と電極１８の真下には設けていないが、この形態に限定されず、真下に設けてもよい。
【００３３】
（９）上記実施形態において基板として金属ベース１１を用いたが、金属でなくてもよい。例えばセラミックスでもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、複数のメタルコア層を基板上方に積層し、その複数のメタルコア層に流れるそれぞれの電流の方向が互いに反対方向となるように構成することによって、それぞれのメタルコア層に流れる電流により発生する磁界が互いに反対方向となり、それらの磁界が相殺され、寄生インダクタンスを抑制することができるので、半導体装置全体において発生する寄生インダクタンスを、従来における半導体装置よりも低減することが可能となる。また、半導体回路で生じる熱を、メタルコア層と絶縁層を介して基板より放熱すると同時に、導通部を通してメタルコア層において急峻に放熱することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の半導体装置を示す図である。
【図２】メタルコア層の構成を説明するための図である。
【図３】本発明の実施形態の半導体装置の電流の流れを説明するための図である。
【符号の説明】
１０  半導体装置
１１  金属ベース（基板）
１２  絶縁層（絶縁層）
１３  メタルコア層（第１のメタルコア層）
１４  メタルコア層（第２のメタルコア層）
１５  回路パターン（半導体回路）
１６  パワー半導体素子
１７  ヒートスプレッダ材
１８  電極
１９  アルミワイヤ
２０  金属支柱（導通部）
【図１】
2004266213.tif 000003
【図２】
2004266213.tif 000004
【図３】
2004266213.tif 000005