(57)【要約】【課題】  信頼性を低下させることなく、放熱効果を高める。【解決手段】  半導体チップ３は、はんだ接合部２を介してコレクタ側銅回路パターン１に接合する。さらに、半導体チップ３上面は、はんだ接合部４を介して第１のエミッタ側銅回路パターン５ａ、および第２のエミッタ側銅回路パターン５ｂに分岐して接合する２股状リードフレーム７に接続する。半導体チップ３から発生する熱は、チップ裏面のコレクタ側銅回路パターン１から放熱されるとともに、２股状のリードフレーム７のそれぞれの経路を伝わって、第１のエミッタ側銅回路パターン５ａおよび第２のエミッタ側銅回路パターン５ｂに運ばれ、放熱される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップの裏面を第1導体パターンに接合し、前記半導体チップの上面と第２導体パターンとの間をリードフレームによって接合してなる半導体装置において、
前記リードフレームは、前記半導体チップ近傍において２股以上に分岐して前記第２導体パターンに接合し、電流経路と前記半導体チップの放熱を行う放熱経路を形成することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第２導体パターンは複数に分割配置され、前記第２導体パターンのうち少なくとも１つは外部電極に接続されて、前記半導体チップと前記外部電極間を接続する電気的配線を構成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記リードフレームの材質は、銅またはアルミニウムであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記リードフレームの材質が銅である場合に、その表面にニッケル（Ｎｉ）めっきがなされることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、特に半導体チップの裏面を第1導体パターンに接合し、前記半導体チップの上面と第２導体パターンとの間をリードフレームによって接合して電流経路と放熱経路を形成する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力変換装置の小型化・高密度化が進んできている。電力変換装置の小型化・高密度化に対しては、パッケージ内部の配線、パッケージ構造、放熱方法などを改良する必要がある。
【０００３】
従来、放熱を目的とする配線技術としては、アルミワイヤーによるワイヤーボンディング方法が一般的であった。しかしながら、従来のアルミワイヤー接合では、発熱密度の高い大容量チップに対応するためにワイヤー本数が増加し、ワイヤーボンディング工程と設備を増加しなければならないことが問題となっていた。また、昨今の半導体チップの高密度化に伴って、半導体チップ表面に打てるワイヤー本数に限界がきている。
【０００４】
これらの問題点を解決すべく、従来のアルミワイヤーによるボンディングに替わり、電極（以下、リードフレームとする）による接合方法が考案されている（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００５】
従来のリードフレーム接続構造について説明する。図５は、従来のリードフレーム接続構造を有する半導体装置の断面図である。図５に示した従来のリードフレーム接続構造を有する半導体装置は、コレクタ側銅回路パターン１の上部に、半導体チップ３がチップ下はんだ接合部２（図では、はんだ接合部２と表記している）を介して接合されている。また、半導体チップ３の活性部側は、チップ上はんだ接合部４（図では、はんだ接合部４と表記している）を介してリードフレーム１０の一端と接合している。さらに、このリードフレーム１０の他の一端は、エミッタ側銅回路パターン５に、リードフレーム／銅回路パターンはんだ接合部６（図では、はんだ接合部６と表記している）を介して接合されている。
【０００６】
なお、リードフレーム１０は、熱伝導率が高く、導電性を備えた、例えば、銅などを含有する材質により形成されている。
このようなリードフレーム接続構造を備えた半導体装置では、半導体チップ３で発生した熱は、リードフレーム１０によってエミッタ側銅回路パターン５に運ばれ、図示しない冷却体により放熱される。このリードフレーム接続構造には、大電流が流せる、配線抵抗が少ない、チップ表面を冷却できる、などの利点がある。
【特許文献１】特開平１１−１７０８７号公報（段落番号〔００１５〕〜〔００１８〕、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来の半導体装置には、従来のリードフレーム接続構造のままでは放熱効果に限界があるという問題点があった。
リードフレームは、熱伝導率の高い材質で形成されており、リードフレームの体積を増やすことによって、リードフレームの接続構造を変えることなく、半導体チップから発生する熱を効率よく放熱させることができる。リードフレームの体積を増加させるためには、橋状の形状のリードフレームの橋脚部または橋床部、あるいはその双方の体積を増やすことが考えられる。以下、それぞれのケースについて説明する。
【０００８】
図６は、橋脚部の体積を増加させた従来のリードフレーム接続構造の断面図である。リードフレーム１１は、橋状のリードフレーム１０の橋脚部に相当する橋脚部１１ａの高さＨ１、および橋脚部１１ｂの高さＨ２を高くして、リードフレームの体積を増やし、リードフレームの放熱効果を高めている。
【０００９】
しかしながら、半導体チップ３（シリコンの熱膨張係数は、２〜３ｐｐｍ／Ｋ）と、リードフレーム１１（通常、材質は銅で、その熱膨張係数は１５〜１８ｐｐｍ／Ｋ）は、熱膨張係数に差がある。このため、チップ上のリードフレームの体積を増加させた場合、熱膨張係数差により、半導体チップ３の動作時および使用環境温度の変化（冷熱繰り返し）によって、はんだ接合部２およびはんだ接合部４に大きな熱応力負荷がかかり、これらのはんだ接合部の疲労が促進されて、信頼性が低下するという問題点がある。
【００１０】
一方、図７は、橋床部の体積を増加させた従来のリードフレーム接続構造の断面図を示している。リードフレーム１２は、橋状のリードフレーム１０の橋床部に相当する橋床部１２ａの厚さＨ３を厚くして、リードフレームの体積を増やし、リードフレームの放熱効果を高めている。
【００１１】
しかしながら、このようにリードフレームの橋床部分を厚くした場合には、リードフレーム１２の剛性が増し、チップ下はんだ接合部２、チップ上はんだ接合部４およびリードフレーム／銅回路パターンはんだ接合部６に大きな熱応力が負荷されてしまうという問題点がある。このため、図６の場合と同様に、はんだ接合部の疲労が促進されて、信頼性が低下するという問題が生じる。
【００１２】
さらに、リードフレーム材として銅を使用した場合、接続しているはんだ層に銅成分が拡散し、脆弱な合金層を形成する。このため、はんだ接合部の信頼性が低下してしまう問題点がある。
【００１３】
このように、従来のリードフレーム接続構造には、信頼性を低下させることなく、半導体チップの熱を効率よく放熱させることが難しいという問題点がある。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、はんだ接合部の信頼性を低下させることなく、半導体チップから発生する熱を効率よく放熱することが可能なリードフレーム接続構造を有する半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明では上記問題を解決するために、半導体チップの裏面を第1導体パターンに接合し、前記半導体チップの上面と第２導体パターンとの間をリードフレームによって接合してなる半導体装置において、前記リードフレームは、前記半導体チップ近傍において２股以上に分岐して前記第２導体パターンに接合し、電流経路と前記半導体チップの放熱を行う放熱経路を形成することを特徴とする半導体装置、が提供される。
【００１５】
このような半導体装置によれば、半導体チップは、裏面は第１導体パターンに接合され、上面は半導体チップ近傍において２股以上に分岐して第２導体パターンに接合するリードフレームに接合される。半導体チップが発生する熱は、裏面の第１導体パターンを介して、この第１導体パターンに接続する放熱体に放熱される。さらに、半導体チップの上面に接続されたリードフレームを介して熱が運ばれ、第２導体パターンに接続する放熱体により放熱される。このリードフレームは、半導体チップ近傍において２股以上に分岐される複数の放熱経路を備えており、それぞれの放熱経路を介して、半導体チップに発生する熱が運ばれる。
【００１６】
これにより、半導体チップから発生する熱は、裏面からの放熱に加え、２股以上に分岐するリードフレームにより形成される複数の放熱経路を通って効率的に運ばれて、放熱されることになる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の半導体装置は、放熱経路となるリードフレームを２股以上に分岐させており、半導体チップの発する熱を複数の分岐経路を通して運ぶことができる。このため、半導体チップから発生する熱を効率よく放熱することができるという利点を有する。また、このとき、リードフレーム自体の厚みを増加させる必要がなく、はんだ接合部に過大に熱応力をかけることもないため、はんだ接合部の信頼性を損なうこともない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明において、発熱源である半導体チップの近傍でリードフレームを２股以上に分岐して、放熱経路を複数設け、この２股以上に分岐したリードフレームを基板上の回路パターンに接続する。回路パターンは、セラミックなどの絶縁基板上に形成され、該回路パターンおよび基板を介して放熱を図るものである。
【００１９】
以下、本発明の第１の実施の形態を、汎用のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールに適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。ＩＧＢＴモジュールに代表されるパワー半導体モジュールは、通常の半導体チップと比較して、運転時（大電流通電時）においてパワー半導体チップ自身に大きな熱が発生するという特徴を有し、放熱効率を向上させることが求められている。
【００２０】
図１は本発明の第１の実施の形態の半導体装置のリードフレーム接続構造を示す断面図である。
本発明に係る半導体装置は、コレクタ電極に接続するコレクタ側銅回路パターン１と、ＩＧＢＴ素子に代表される動作時の発熱量が大きい半導体チップ３、いずれかが外部のエミッタ電極に接続する２つのエミッタ側銅回路パターン５ａと５ｂ、および２股に分岐した構造を持つ２股状リードフレーム７が、それぞれのはんだ接合部を介して接続されている。
【００２１】
コレクタ側銅回路パターン１は、チップ下はんだ接合部２を介して半導体チップ３の裏面に接合されている。コレクタ側銅回路パターン１は、半導体チップ３のコレクタ電極と外部配線とを電気的に接続するとともに、チップ下はんだ接合部２を介して伝わる半導体チップ３の熱を図示しない放熱体に伝導する。
【００２２】
半導体チップ３は、ＩＧＢＴであり、近年の大容量化、コンパクト化に伴い、発熱密度が非常に大きくなってきている。
エミッタ側銅回路パターン５ａ、５ｂは、チップ上はんだ接合部４、２股状リードフレーム７およびリードフレーム／銅回路パターンはんだ接合部６ａ、６ｂを介して半導体チップ３の上面に接続する。エミッタ側銅回路パターン５ａ、５ｂは、少なくともどちらか一方が外部のエミッタ電極に接続されており、もう一方は、コレクタ側銅回路パターン１と電気的に絶縁される。また、図示しない放熱体に接続し、熱を放熱体に伝導する。
【００２３】
２股状リードフレーム７は、銅またはアルミニウムなどの導電性を備え、かつ、熱伝導率の大きな金属材料で形成される。２股状リードフレームは、発熱源である半導体チップの近傍で２股以上に分岐し、放熱経路を複数に分岐するのがよい。本実施の形態において、２股状リードフレーム７は、半導体チップ３に接合される脚部７ａから橋床部７ｄと７ｅにいたる部分で２股に分岐している。すなわち、脚部７ａから分岐してエミッタ側銅回路パターン５ａに接続する脚部７ｂ、同様に脚部７ａから分岐してエミッタ側銅回路パターン５ｂに接続する脚部７ｃを有し、脚部７ａと脚部７ｂが橋床部７ｄにより接続され、脚部７ａと脚部７ｃが橋床部７ｅに接続される２股の橋状の形状を有する。２股状リードフレーム７の２股に分岐された経路のうち、外部電極に接続されているエミッタ側銅回路パターン５ａまたはエミッタ側銅回路パターン５ｂに接続する側は、半導体チップ３と外部のエミッタ電極とを接続する配線回路として機能するとともに、半導体チップ３が発生させた熱を伝導し、エミッタ側銅回路パターン５ａまたは５ｂを介して放熱する放熱経路として機能する。一方、外部電極に接続されていないエミッタ側銅回路パターン（外部電極がエミッタ側銅回路パターン５ａと接続されている場合は５ｂ、５ｂと接続されている場合は５ａ）に接続されている側は、外部電極と接続する配線回路としては機能しないが、半導体チップ３が発生させた熱を伝導し、エミッタ側銅回路パターン５ｂまたは５ａを介して放熱する放熱経路として機能する。
【００２４】
このような半導体装置では、半導体チップ３に発生した熱は、第１の経路として、チップ下はんだ接合部２を介して接続するコレクタ側銅回路パターン１より放熱される。また、第２の経路として、半導体チップ３上面のはんだ接合部４を介して接続する２股状リードフレーム７の脚部７ａ、橋床部７ｄ、脚部７ｂを通り、リードフレーム／銅回路パターンはんだ接合部６ａを介して接合するエミッタ側銅回路パターン５ａより放熱される。さらに、第３の経路として、半導体チップ３上面のはんだ接合部４を介して接続する２股状リードフレーム７の脚部７ａ、橋床部７ｅ、脚部７ｃを通り、リードフレーム／銅回路パターンはんだ接合部６ｂを介して接合するエミッタ側銅回路パターン５ｂより放熱される。
【００２５】
このように、本発明の半導体装置は、放熱経路として機能するリードフレームを２股に分岐させることで、放熱経路を増やし、効率的に放熱を行う。このとき、リードフレームの高さや厚さを増やす必要がないため、２股状リードフレーム７／半導体チップ３間、半導体チップ３／コレクタ側銅回路パターン１間、２股状リードフレーム７／エミッタ側銅回路パターン５ａ間、および２股状リードフレーム７／エミッタ側銅回路パターン５ｂ間のはんだ接合部には、リードフレームの体積を増加させる場合と異なり、過大な熱応力がかかることがない。このため、はんだ接合部の信頼性を低下させることなく、半導体チップから発生する熱を効率よく放熱することが可能となる。
【００２６】
図２は、本発明の第１の実施の形態の半導体装置のリードフレーム接続構造を示す概観図である。図２は、図１に示した半導体装置を斜め上方から見た斜視図である。図１と同じものには同じ番号を付し、説明は省略する。
【００２７】
図の例では、コレクタ側銅回路パターン１上に実装された半導体チップ（ＩＧＢＴ）３の上面に２股状に分岐する２股状リードフレーム７が接合されている。そして、２股状リードフレーム７は、半導体チップ３と接合する脚部７ａ、エミッタ側銅回路パターン５ａと接合する脚部７ｂおよびエミッタ側銅回路パターン５ｂと接合する脚部７ｃが２方向に分岐する橋床部によって接続されている。半導体チップ３が発生する熱は、脚部７ｂおよび脚部７ｃに分岐する２股状リードフレームの双方の経路を通ってエミッタ側銅回路パターン５ａおよび５ｂに伝導され、放熱される。
【００２８】
次に、リードフレームの分岐を３股にした第２の実施の形態について説明する。
図３は、本発明の第２の実施の形態の半導体装置のリードフレーム接続構造を示す概観図である。図３は、本発明の第２の実施の形態の半導体装置を斜め上方から見た斜視図である。図１、図２と同じものには同じ番号を付し、説明は省略する。
【００２９】
第２の実施の形態の半導体装置では、コレクタ側銅回路パターン１上に実装された半導体チップ（ＩＧＢＴ）３の上面に３股状に分岐する３股状リードフレーム８が接合されている。３股状リードフレーム８は、半導体チップ３と接合する脚部８ａ、エミッタ側銅回路パターン５ａと接合する脚部８ｂおよびエミッタ側銅回路パターン５ｂと接合する脚部８ｃに加え、エミッタ側銅回路パターン５ｃに接合する脚部８ｄを備え、脚部８ｂ、８ｃおよび８ｄは、それぞれに向かって３方向に分岐する橋床部によって接続されている。なお、３股の場合も少なくとも１つのエミッタ側銅回路パターンが外部のエミッタ電極に接続される。他のエミッタ側銅回路パターンは、コレクタ側銅回路パターンと電気的に絶縁される。
【００３０】
このような構造を有する半導体装置では、半導体チップ３が発生する熱は、接合するコレクタ側銅回路パターン１を介して裏面から放熱されるととともに、３股状リードフレーム８の脚部８ａを通って３股に分岐する橋床部を経由し、脚部８ｂ、脚部８ｃおよび脚部８ｄの３方向の経路に分岐し、それぞれに接合するエミッタ側銅回路パターン５ａ、５ｂ、および５ｃに伝導し、放熱される。
【００３１】
このように、本発明の第２の実施の形態の半導体装置は、放熱経路として機能するリードフレームを３股に分岐させることで、放熱経路をさらに増やし、より効率的に放熱を行う。このとき、リードフレームの高さや厚さを増やす必要がないため、３股状リードフレーム８／半導体チップ３間、半導体チップ３／コレクタ側銅回路パターン１間、３股状リードフレーム８／エミッタ側銅回路パターン５ａ間、３股状リードフレーム８／エミッタ側銅回路パターン５ｂ間、および３股状リードフレーム８／エミッタ側銅回路パターン５ｃ間のはんだ接合部には、リードフレームの体積を増加させる場合と異なり、過大な熱応力がかかることがない。このため、はんだ接合部の信頼性を低下させることなく、半導体チップから発生する熱を効率よく放熱することが可能となる。
【００３２】
以下、上記の説明の２股構造および３股構造のリードフレームと、従来の構造のリードフレームにおける温度低減効果を測定した例について説明する。
図４は、リードフレーム接続構造と半導体チップの表面温度の関係を示した図である。
【００３３】
図の例では、２股構造リードフレームと、３股構造のリードフレームとを、定格５０ＡのＩＧＢＴチップに接続し、ＤＣ５０Ａの定常通電を行った。なお、リードフレームの材質としては、銅を用いている。また、比較として、従来例で示した図６の橋脚部（Ｈ１、Ｈ２）を厚くした試料と、図７の橋床部（Ｈ３）を厚くした試料を作成し、半導体チップ３の表面温度の低減量を測定した。ここでは、例として、Ｈ１＝１ｍｍ、Ｈ２＝１．２ｍｍ、Ｈ３＝０．４ｍｍとして場合の半導体チップの表面温度を基準としている。
【００３４】
また、図の水平方向の座標は、リードフレームの基準の長さ（厚さ）を１とした場合における試料のリードフレームの長さの比を示している。また、垂直方向の座標は、半導体チップの表面温度の低減した量を示している。
【００３５】
図から明らかなように、分岐構造を有しない従来のリードフレーム（図の例では１本構造と表記している）については、リードフレームの脚部（Ｈ１、Ｈ２）、あるいはリードフレームの橋床部（Ｈ３）の厚さを増加させるほど、半導体チップの温度を低減させることができる。しかしながら、基準の長さとの倍率が増加するほど、はんだ接合の信頼性が低下するという問題がある。
【００３６】
一方、２股構造のリードフレームは、リードフレームの厚さが基準と同じ長さ（基準の長さとの倍率が１）、すなわち、はんだ接合の信頼性を低下させないまま、表面温度を低減させることが可能である。さらに、３股構造のリードフレームでは、２股構造のリードフレームよりさらに、半導体チップの表面温度の低減効果が得られた。
【００３７】
また、上記では、リードフレームの材質として銅（熱伝導率＝３００〜４００Ｗ／ｍＫ程度）を使用した場合について説明したが、熱伝導率の大きな金属材料（例えば、アルミニウム［熱伝導率＝２４０Ｗ／ｍＫ］など）で、所望のチップ表面温度にすることができれば、銅以外のものを使用してもかまわない。
【００３８】
また、リードフレーム材として銅を用いた場合、はんだ層中に銅成分が拡散し、脆弱な合金層を形成するため、これらのリードフレーム材の表面にニッケル（Ｎｉ）めっきを施すことにより、脆弱な合金層の成長が少なくなり、信頼性の高いリードフレーム接合とすることができる。この場合のめっき方法としては、無電解めっき法、電解めっき法のどちらでも良い。
【００３９】
以上の説明のように、本発明のリードフレーム構造により、はんだ接合の信頼性を損なうことなく、放熱効果を増大させることができる。
なお、上記の説明では、２股構造および３股構造のリードフレームについて説明したが、本発明は２股および３股に限定されるものではなく、実装するパッケージのスペースが許せば３股以上に分割することによって、さらに半導体チップの表面温度を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体装置のリードフレーム接続構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の半導体装置のリードフレーム接続構造を示す概観図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の半導体装置のリードフレーム接続構造を示す概観図である。
【図４】リードフレーム接続構造と半導体チップの表面温度の関係を示した図である。
【図５】従来のリードフレーム接続構造を有する半導体装置の断面図である。
【図６】橋脚部の体積を増加させた従来のリードフレーム接続構造の断面図である。
【図７】橋床部の体積を増加させた従来のリードフレーム接続構造の断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  コレクタ側銅回路パターン
２  （チップ下）はんだ接合部
３  半導体チップ
４  （チップ上）はんだ接合部
５  エミッタ側銅回路パターン
６  （リードフレーム／銅回路パターン）はんだ接合部
７  ２股状リードフレーム
７ａ、７ｂ、７ｃ  （リードフレーム）脚部
７ｄ、７ｅ  （リードフレーム）橋床部
８  ３股リードフレーム
８ａ、８ｂ、８ｃ  （リードフレーム）脚部
【図１】
2005039135.tif 000003
【図２】
2005039135.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005039135.tif 000006
【図５】
2005039135.tif 000007
【図６】
2005039135.tif 000008
【図７】
2005039135.tif 000009